DE69521556T2

DE69521556T2 - Herstellungsverfahren für eine optische Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE69521556T2
Application number: DE69521556T
Authority: DE
Inventors: Yasutaka Sakata
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Compound Semiconductor Devices Ltd
Priority date: 1994-04-28
Filing date: 1995-04-27
Publication date: 2002-04-25
Anticipated expiration: 2015-04-28
Also published as: EP0680119A1; US5580818A; JP2937751B2; EP0680119B1; DE69521556D1; JPH07302952A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine optische Halbleitervorrichtung, die eine Anzahl optischer Halbleiterelemente, so wie eine Laserdiode (LD) und dergleichen, auf einem gemeinsamen Substrat integriert.
Anwendung von optischen Halbleiterelementen so wie einem Halbleiterlaser, einem optischen Halbleitermodulator, einem optischen Halbleiterschalter und dergleichen auf optische Nachrichtentechnik, optische Messungen, optisches Schalten und dergleichen ist umfassend erforscht worden. In den letzten Jahren haben monolithisch integrierte optische Halbleitervorrichtungen als Vorrichtungen Beachtung gefunden, die Verkleinerung und Absenken der Kosten der Vorrichtungen ermöglichen und eine bedeutende Verbesserung optischer Kopplungseffizienz zwischen Elementen ermöglichen.
Bei monolithischer Integration von optischen Halbleiterelementen mit gegenseitig unterschiedlichen Anwendungen und Funktionen, wird es erforderlich, eine Anzahl von Bereichen mit unterschiedlichen Bandlückenenergien in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat auszubilden. Dies beruht auf dem Unterschied in den Betriebswellenlängen (Bandlückenenergie) jeweiliger optischer Halbleiterelemente. Ein typisches konventionelles Herstellungsverfahren der monolithisch integrierten optischen Halbleitervorrichtung soll im folgenden erörtert werden.
Fig. 1 ist ein Abschnitt einer optischen integrierten Halbleitervorrichtung, die einen DFB-Laser und einen Elektroabsorptionsmodulator integriert, wie beschrieben durch H. Soda et al. in "HIGH-POWER AND HIGH-SPEED SEMI-INSULATING BH STRUCTURE MONOLITHIC ELEKTROABSORPTION MODULATOR/DFB LASER LIGHT SOURCE" [halbisolierende BH-Struktur monolithischer Elektroabsorptionsmodulator/DFB-Laser-Lichtquelle hoher Leistung und hoher Geschwindigkeit], Electronics Letters, Bd. 26, Seiten 9-10 (1990) (erster Stand der Technik).
Bei dem Herstellungsverfahren der in Fig. 1 gezeigten optischen Halbleitervorrichtung werden nach Vorsehen eines Beugungsgitters 201a in einem Laserseitenbereich auf einem InP-Substrat des N-Typs eine optische Leiterschicht 203, eine Ätzstoppschicht 212 und eine aktive Laserschicht 204a als eine Laserbereichschichtstruktur auf der gesamten Oberfläche des Substrats gezogen.
Anschließend wird die aktive Laserschicht 204a in einem Bereich zum Bilden des Modulators durch selektives Ätzen entfernt. Dann wird durch Versenkungs-Wiederwachstum eine optische Absorptionsschicht 204b ausgebildet, die eine Stirnflächenkopplungsstruktur mit der aktiven Laserschicht 204 bildet. Anschließend werden auf der gesamten Oberfläche eine InP-Deckschicht 206 vom P-Typ und eine Kapselschicht 207 gezogen. Schließlich wird durch Entfernen eines Teils der Kapselschicht 207 und Schützen des relevanten Teils mit einer Isolierschicht 211 eine P-Seiten-Elektrode 209 auf der Epitaxialschichtseite ausgebildet, und eine N-Seiten- Elektrode 210 wird auf der Substratseite ausgebildet.
Während relativ hohe optische Kopplungseffizienz höher als oder gleich 80% zwischen dem Laser und dem Modulator mit der oben aufgeführten Konstruktion erreicht werden kann, kann keine ausreichende Steuerbarkeit in den Schritten des Ätzens und Versenkungs-Wiederwachstum erreicht werden. Deshalb tritt ein Problem darin auf, dass zufriedenstellende Strukturen nicht mit annehmbar hoher Reproduzierbarkeit hergestellt werden können.
Als eine Lösung hierfür wird in M. Aoki et al. "NOVEL STRUCTURE MQW ELECTROABSORPTION MODULATOR/DFB-LASER INTE- GRATED DEVICE FABRICATED BY SELECTIVE AREA MOCVD GROWTH" [Neue Struktur von integrierter MQW-Elektroabsortionsmodulator/DFB-Laser-Vorrichtung hergestellt durch selektives Ziehen in Form von metallorganischer Dampfphasenbeschichtung]; Electronic Letters, Bd. 27, Seiten 2138-2140 (1991) (zweiter Stand der Technik), ein Herstellungsverfahren für eine optische Halbleitervorrichtung des integrierten Typs erläutert, bei dem optische Wellenleiter für zwei Bereiche durch einen einzigen epitaxialen Ziehvorgang durch Verwendung von metallorganischer Dampfphasenepitaxie (MOVPE) gebildet werden können, wodurch die Notwendigkeit des Versenkungs-Wiederwachstumsvorgangs beseitigt wird. Eine ähnliche Technik ist in der japanischen nichtgeprüften Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. Heisei 4-100291 vorgeschlagen worden (dritter Stand der Technik).
Die Fig. 2A bis 2C sind perspektivische und Schnittansichten, die eine Schrittabfolge in den Herstellungsverfahren wie im zweiten und dritten Stand der Technik vorgeschlagen zeigen.
In dem in beiden Veröffentlichungen vorgeschlagenen Herstellungsverfahren wird, wie in Fig. 2A gezeigt, ein Paar als Wachstumsblockierungsmasken dienender SiO&sub2;-Masken 302 (die Maskenbreite beträgt mehrere zehn bis mehrere hundert um) mit mehreren zehn um Abstand (Lücke) und nur auf einem Laserbereich auf einem InP-Substrat 301 vom N-Typ ausgebildet.
Anschließend werden, wie in Fig. 2B gezeigt, eine optische Leiterschicht 303, eine aktive Schicht 304, eine Deckschicht 306 und eine Kapselschicht 307 nacheinander durch das selektive MOVPE-Ziehverfahren auf dem nicht durch die SiO&sub2;-Maske 302 bedeckten Teil auf der Oberfläche des InP- Substrats 301 vom N-Typ gezogen.
Wie in Fig. 2C gezeigt ist, wird als nächstes eine SiO&sub2;- Maske 302a selektiv auf der Kapselschicht 307 ausgebildet. Wenn man die SiO&sub2;-Maske 302a als eine Maske nimmt, wird eine Breite von 5 bis 2,0 um eines optischen Wellenleiters durch Ausführen von Mesa-Ätzen sowohl für den Laserbereich als auch den Modulatorbereich ausgebildet. Wenn anschließend die SiO&sub2;-Maske 302a als eine Maske genommen wird, wird eine als Hochwiderstandsschicht dienende Fe-dotierte InP- Schicht 313 auf beiden Seiten des optischen Wellenleiters ausgebildet.
In diesem Stand der Technik ist nämlich ein Ätzschritt des Halbleiters zum Bilden des optischen Wellenleiters erforderlich, und genaue Steuerung wird in dem Herstellungsverfahren benötigt, was eine Verschlechterung des Ertrags bewirkt.
Kato et al., "DFB-LD/MODULATOR INTEGRATED LIGHT SOURCE BY BANDGAP ENERGY CONTROLLED SELECTIVE MQVPE"[Integrierte DFB- LD/Modulator-Lichtquelle durch bandlückenenergiegesteuerte MOVPE], Electronics Letters, Bd. 28, Seiten 153 bis 154 (1992) (vierter Stand der Technik), beschreibt ein anderes Herstellungsverfahren einer integrierten Lichtquelle, die aus einem DFB-Laser und einem optischen Modulator besteht.
Bei dem Herstellungsverfahren der Halbleitervorrichtung werden Wachstumsblockierungsmasken sowohl im Bereich I, wo der DFB-Laser gebildet wird, als auch in dem Bereich II ausgebildet, wo der Modulator gebildet wird, wie in Fig. 3A gezeigt ist. Auf dem InP-Substrat 401 vom N-Typ wird nämlich eine für die Bereiche I und II gemeinsame SiO&sub2;-Maske 402 ausgebildet. Die Maskenbreite Wm ist im Bereich I breiter als im Bereich II. Hier wird eine einen aktiven Bereich definierende Maskenlückenbreite WO in gleicher Breite in beiden Bereichen ausgebildet.
Danach werden durch ein selektives MOVPE-Ziehverfahren eine optische Leiterschicht, ein Mehrfachquantenwell (MQW) und eine InP-Schicht vom P-Typ ausgebildet.
In diesem Stand der Technik kann unter Nutzung des Merkmals, dass die Bandlückenenergie des Wellenleiters durch Variieren der Maskenbreite der Wachstumsblockierungsmaske bei selektivem MOVPE-Ziehen gesteuert werden kann, eine Übergangsstruktur des DFB-Lasers und des optischen Modulators mit ungefähr 100% optischer Kopplungseffizienz durch eine Ziehabfolge realisiert werden.
Fig. 3B ist ein Kurvenbild, das ein Verhältnis zwischen der Maskenbreite Wm und einer Bandlückenwellenlänge einer dazwischen ausgebildeten aktiven Schicht zeigt. Wie in Fig. 3B gezeigt ist, kann durch Einstellen der Maskenbreite Wm der Wachstumsblockierungsmaske auf 10 um auf der Laserseite und 3 um auf der Modulatorseite die Bandlückenenergie so viel wie 58 Megaelektronenvolt (meV) geändert werden (umgewandelt in die Bandlückenwellenlänge von 120 nm).
Da in dem vierten Stand der Technik der optische Wellenleiter direkt durch das selektive MOVPE-Ziehverfahren ausgebildet wird, ist weiter der Schritt zum Bilden des optischen Wellenleiters durch Mesa-Ätzen des Halbleiters nicht erforderlich und folglich kann das Herstellungsverfahren für die integrierte optische Halbleitervorrichtung vereinfacht werden. Deshalb wird es möglich, diese optische Vorrichtung mit hoher Steuerbarkeit und Reproduzierbarkeit herzustellen.
Im ersten Stand der Technik (Fig. 1), der durch Soda et al. beschrieben wird, ist genaue Steuerung des Herstellungsverfahrens zum Anpassen der Wellenlänge erforderlich, da eine Art von Ausschneiden und Einfügen von selektivem Atzen und Versenkungs-Wiederwachstum verwendet wird. Deshalb tritt ein Problem niedriger Reproduzierbarkeit auf. Da weiter zwei optische Wellenleiter durch zwei getrennte epitaxiale Ziehverfahren gebildet werden, ist eine vergrößerte Anzahl von Verfahrensschritten erforderlich, was zu einem niedrigen Ertrag führt.
Im zweiten und dritten Stand der Technik (Fig. 2A bis 2C), wie durch Aoki et al. und die japanische nichtgeprüfte Patentveröffentlichung Nr. Heisei 4-100291 offenbart, kann eine Verringerung der Anzahl von Verfahrensschritten und eine Verbesserung des Ertrags erreicht werden, da zwei aktive Schichten gleichzeitig durch den einzigen epitaxialen Ziehschritt ausgebildet werden. In diesen Ständen der Technik wird jedoch zum Realisieren eines optischen Wellenleiters für den transversalen Grundmodus Mesa-Ätzen inhärent verwendet, was zu Schwierigkeiten bei der Reproduzierbarkeit führt und ein Problem hinsichtlich der Einheitlichkeit der Produkte verursacht.
Bei dem durch T. Kato et al. aufgezeichneten Verfahren (vierter Stand der Technik: Fig. 3A und 3B) können die Probleme in den vorhergehenden ersten bis dritten Ausführungsformen grundsätzlich gelöst werden, da die selektiv gezogene aktive Schicht als der optische Wellenleiter verwendet wird. Da im vierten Stand der Technik jedoch der Bandlückenenergieunterschied zwischen den beiden Bereichen nicht groß genug gestaltet werden kann, ist die Anwendung begrenzt.
Im folgenden sind die Gründe aufgeführt, warum der Bandlückenenergieunterschied zwischen zwei Bereichen nicht groß gestaltet werden kann. Wenn die Maskenbreite verändert wird, wird aufgrund des Unterschieds der Zersetzungsrate von Materialarten auf der Maske die Kristallzusammensetzung verändert, was ein Problem von Gitterfehlanpassung verursacht. Zum Beispiel liegt im Fall des Lasers für das 1,55 um-Band die Schichtdicke der aktiven MQW-Schicht typischerweise in dem Größenbereich von 0,1 um. Zum Erzeugen der kritischen Dicke, bei der Kristalldefekte in die Schicht eingeführt werden, die dicker als oder gleich 0,1 um sein soll, sollte Gitterfehlanpassung auf weniger als oder gleich 0,15% begrenzt sein. Wenn der Unterschied der Maskenbreite zum Beispiel auf 10 um begrenzt ist, wird der realisierbare effektive Bandlückenenergieunterschied durch Extrapolieren der Kurve von Fig. 3B abgeleitet, und beträgt 75 meV. Daher kann im vierten Stand der Technik der Bandlückenenergieunterschied zwischen zwei Bereichen nicht größer als 75 meV sein.
Wie im technischen Gebiet bekannt ist, werden hinsichtlich der Merkmale des optischen Modulators Extinktionsmerkmale bei größerem optischen Begrenzungsfaktor, das heißt bei größerer Schichtdicke, verbessert. Im vierten Stand der Technik können jedoch dicke Schichten nicht ausgebildet werden, da Gitterfehlanpassung während selektivem Ziehen verursacht wird, was es schwierig macht, die Extinktionsmerkmale zu verbessern.
Bei der integrierten optischen Halbleitervorrichtung ist es erwünscht, zwei Bereiche mit großem Bandlückenenergieunterschied auf einem gemeinsamen Substrat auszubilden. Ein größerer Bandlückenenergieunterschied ist aus dem folgenden Grund erforderlich.
Momentan ist die Wellenlänge des in optischer Nachrichtentechnik verwendeten Halbleiterlasers primär das 1,3 um- Band. Zukünftig wird erwartet, dass Nachrichtentechnik im 1,55 um-Band, bei dem der Verlust der optischen Faser minimal wird, verstärkt werden wird. Dementsprechend wird es für einen Anschluss für optische Nachrichtenübermittlung erforderlich, sowohl das 1,55 um-Band als auch das 1,3 um- Band abzudecken.
Andererseits ist es zum Realisieren von Wellenlängenmultiplex-(WDM)-Kommunikation erforderlich, zu ermöglichen, eine Anzahl von Halbleiterlasern, die bei einer verschiedenen Wellenlänge oszillieren, in eine einzige optische Faser einzusetzen. Dann ist es zum Realisieren eines solchen Systems durch die monolithische optische Halbleitervorrichtung erwünscht, eine Anzahl von Laserlichtern in einem unter Verwendung eines optischen Wellenleiters zu kombinieren und sie anschließend an eine optische Faser zu koppeln. In diesem Fall wird es zum Unterdrücken des optischen Ausbreitungsverlustes in dem Wellenleiter erforderlich, die Bandlücke des Wellenleiters so einzustellen, dass sie ausreichend kürzer als die jeweiligen Laseroszillierungswellenlängen sind. Deshalb ist es erforderlich, einen Laser mit einer Oszillationswellenlänge von 1,55 um und gleichzeitig einen Wellenleiter auszubilden, dessen effektive Bandlückenwellenlänge weniger als oder gleich 1,3 um ist. Hinsichtlich der Energie muss der Energieunterschied größer als oder gleich 150 mey realisiert werden.
EP-A-0558089 offenbart ein Herstellungsverfahren für eine optische Halbleitervorrichtung, die einen ersten Schritt zum Ziehen von Blockierungsmasken und einen zweiten Schritt zum selektiven Ausbilden aktiver Bereiche einschließlich einer Halbleiterschicht aufweist, wobei die Halbleiterschicht eine Breite vom etwa 5 bis 60 um hat. Danach wird eine selektive Ätzmaske durch Photolithographie gebildet und anschließend wird die Breite des optischen Wellenleiters durch Ätzen definiert.
Ein Artikel in Electronics Letters, Band 28, Nr. 2, Januar, Seiten 153-154, offenbart, selektiv durch MOVPE eine Mehrfachquantenwellschicht zu ziehen und einen Teil eines SiO&sub2;- Maskenfilms zu ätzen und die selektiv gezogene Schicht durch eine InP-Einbettungsschicht zu bedecken.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren für eine optische Halbleitervorrichtung zu schaffen, das eine Anzahl von Bereichen mit einer Anzahl von Bandlückenenergien mit hoher optischer Kopplungseffizienz verbinden kann.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, zu ermöglichen, eine solche Struktur einer optischen Halbleitervorrichtung mit hoher Reproduzierbarkeit und hohem Ertrag zu bilden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, zu ermöglichen, einen dicken Wellenleiter ohne Verschlechterung der Kristallinität der Epitaxialschicht zu bilden.
Noch eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, zu ermöglichen, gleichzeitig eine Anzahl von Bereichen mit einem großen Bandlückenenergieunterschied auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat auszubilden.
Diese Aufgaben werden durch Verfahren gelöst, wie sie in den Patentansprüchen 1 und 2 offenbart sind; die übrigen Patentansprüche beziehen sich auf weitere Entwicklungen der Erfindung.
Vorzugsweise wird das Paar von Wachstumsblockierungsmasken mit einer gleichen Maskenbreite zueinander über die gesamte Länge der Maskewellenleitungsrichtung ausgebildet.
Alternativ können die Wachstumsblockierungsmasken eine schmalere Maskenbreite in dem Bereich mit der breiteren Lückenbreite als in dem Bereich mit einer schmaleren Lückenbreite aufweisen.
Die vorliegende Erfindung ist durch Ausbildung eines Paares von Wachstumsblockierungsmasken gekennzeichnet, die eine Anzahl von Bereichen unterschiedlicher Lückenbreiten zwischen den Masken definieren und gesteuerte Maskenbreiten in der Wellenleiterrichtung aufweisen, und anschließendes selektives Ziehen einer aktiven Schicht einschließlich MQW unter Verwendung der Maske. Die vorliegende Erfindung erzielt die folgenden Effekte.
Erstens wird es möglich, direkt Wellenleiterstrukturen mit verschiedenen Bandlücken auf einem gemeinsamen Substrat in einem selektiven Ziehverfahren auszubilden. Deshalb kann die integrierte optische Halbleitervorrichtung mit hoher Reproduzierbarkeit und hohem Ertrag hergestellt werden.
Zweitens, wenn die Maskenbreite die gleiche in allen Bereichen ist und über die gesamte Länge konstant gehalten wird, können Halbleiterbereiche mit unterschiedlichen Bandlücken vorgesehen werden, während die gleiche Halbleiterzusammensetzung in jeweiligen Bereichen aufrechterhalten wird, ohne Gitterfehlanpassung zu verursachen.
Drittens, wenn die Maskenbreite schmaler in dem Bereich mit breiterer Maskenlückenbreite ist, kann ein größerer Bandlückenunterschied zwischen den Bereichen vorgesehen werden, während die Gitterfehlanpassung auf einen niedrigen Wert begrenzt wird. Dementsprechend kann das Anwendungsfeld der integrierten optischen Halbleitervorrichtung ausgeweitet werden.
Viertens, da Gitterfehlanpassung begrenzt werden kann, kann ein dickerer optischer Wellenleiter gebildet werden. Dies trägt zum Beispiel zu der Verbesserung von Modulatoreigenschaften bei.
Die vorliegende Erfindung wird vollständiger von der im folgenden gegebenen ausführlichen Beschreibung und von den beigefügten Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verstanden werden, die jedoch nicht als die vorliegende Erfindung begrenzend angesehen werden sollte, sondern nur zur Erklärung und zum Verständnis vorgesehen ist.
Die Zeichnungen:
Fig. 1 ist ein Schnitt einer optischen Halbleitervorrichtung, die durch den oben aufgeführten ersten Stand der Technik herzustellen ist;
Fig. 2A bis 2C sind perspektivische Ansichten und ein Schnitt, die eine Abfolge von Herstellungsverfahrensschritten in dem oben aufgeführten zweiten und dritten Stand der Technik zeigen;
Fig. 3A und 3B sind eine Darstellung eines Maskenmusters und einer Kennlinie im wie oben aufgeführten vierten Stand der Technik;
Fig. 4A und 4B sind Darstellungen von Maskenmustern zum Erörtern des Effekts der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ist eine Wachstumskennlinie zum Erklären des Effekts der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ist eine Kennlinie zum Erklären des Effekts der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7A bis 7C sind eine Musterdarstellung und Schnitte, die eine Schrittabfolge in der ersten Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens für eine optische Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung zeigen;
Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht der optischen Halbleitervorrichtung, die durch die erste Ausführungsform des Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung hergestellt ist;
Fig. 9 ist eine Darstellung eines Maskenmusters zum Erklären der zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 10 ist eine teilweise unterteilte perspektivische Ansicht der zweiten Ausführungsform der optischen Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung.
Die bevorzugte Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens für eine optische Halbleitervorrichtung soll im folgenden zum Vereinfachen eines besseren Verständnisses der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, insbesondere auf die Fig. 4 bis 10, erörtert werden. In der folgenden Beschreibung sind zahlreiche spezielle Details aufgeführt, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung zu schaffen. Es wird jedoch für die Fachleute in diesem Gebiet klar sein, dass die vorliegende Erfindung ohne diese speziellen Details praktiziert werden kann. In anderen Fällen sind gut bekannte Strukturen nicht detailliert gezeigt, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig unverständlich zu machen.
Beispiele für Maskenkonfigurationen von Wachstumsblockierungsmasken im selektiven MOVPE-Ziehverfahren, das in der bevorzugten Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens für eine optische Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung verwendet wird, sind in den Fig. 4A und 4B gezeigt. Wie gezeigt, wird eine in der vorliegenden Erfindung zu verwendende SiO&sub2;-Maske 102 in einem Paar auf einem Halbleitersubstrat (z. B. einem InP-Substrat) ausgebildet. Eine Breite der Lücke WO zwischen den Masken ist unterschiedlich in einem Bereich I und einem Bereich II ausgelegt. Die Breite des Bereichs I ist nämlich schmaler und die Breite des Bereichs II ist breiter.
Bei der vorliegenden Erfindung, wie in den Fig. 4A und 4B gezeigt, wird die Lückenbreite WO zwischen den Masken an jeweiligen Bereichen variiert. Auf diese Weise wird die Wachstumsrate variiert. Der Grund hierfür ist, dass in dem Bereich mit der breiteren Lückenbreite die relative Gasmolekülkonzentration aufgrund einer größeren Menge von verbrauchtem Material niedriger wird, wodurch die Wachstumsrate abgesenkt wird. Deshalb kann im Bereich I eine dickere aktive Halbleiterschicht (z. B. Wellschicht: InGaAs, Sperrschicht: InGaAsP) und folglich eine dickere Quantenwellschicht verglichen mit Bereich II gebildet werden. Dementsprechend kann eine Bandlücke der Halbleiterschicht in Bereich I daher kleiner als die des Bereichs II gestaltet werden.
Fig. 5 ist ein Kurvenbild, dass die Abhängigkeit der Wachstumsrate der Maskenlückenbreite WO zeigt, wenn die Maskenbreiten in beiden Bereichen gemeinsam 10 um betragen; und wenn die Maskenbreite im Bereich I 1,5 um und im Bereich II 2,0 um beträgt. In dieser Figur ist die Wachstumsschichtdicke im Bereich II durch die Werte auf der horizontalen Achse darstellt, und das Wachstumsgeschwindigkeitsverhältnis zwischen den Bereichen ist durch die Werte auf der vertikalen Achse dargestellt.
Wie in Fig. 5 gezeigt ist, erwartet man, im Vergleich zu dem Fall, in dem die Maskenlückenbreiten WO jeweils 1,5 um und 2,0 um in den Bereichen I und II betragen, unter der Annahme, dass die Höhe der Position der aktiven Laserschicht in einem Bereich von 0,1 um bis 0,3 um liegt, dass der Bereich mit einer Maskenlücke von 1,5 um eine 1,4 bis 1,5 Mal höhere Wachstumsrate als die des Bereichs erreicht, der eine Maskenlücke von 2,0 um aufweist.
Angenommen, dass eine 1,5 Mal höhere Wachstumsrate erzielt wird, wenn eine Quantenwellstruktur (Wellbreite 5,0 nm), die eine Bandlückenwellenlänge von 1,49 um aufweisen soll, indem Bereich von WO = 2,0 um gezogen wird, wird die Bandlückenwellenlänge der Quantenwellstruktur (Wellbreite ist auf 7,5 nm erhöht) in dem Bereich von WO = 1,5 um zu 1,55 um. Wie oben ausgeführt, kann durch einfaches Ändern der Maskenlückenbreite WO 60 nm ein Bandlückenunterschied (32 mey in Energie) erhalten werden. Es soll festgestellt werden, dass das vorhergehende auf der Annahme einer Mehrfachquantenwellstruktur aus einer InGaAs-Wellschicht und einer InGaAsP-Sperrschicht einer Zusammensetzung von 1,13 um basiert.
Da in diesem Beispiel die Maskenbreite konstant ist, wird die Kristallzusammensetzung zwischen den Bereichen unterschiedlicher Maskenlücken (der Bereich mit einer schmaleren Maskenlücke und der Bereich mit der breitere Maskenlücke) nichtverändert. Deshalb verursacht die gezeigte Ausführungsform keine Veränderung der Kristallzusammensetzung und Gitterverzerrung, die in dem vierten Stand der Technik verursacht wurden, bei dem Bereiche mit unterschiedlichen Bandlückenwellenlängen durch Ändern der Maskenbreite gebildet wurden. Deshalb kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein dicker Schichtwellenleiter gebildet werden, ohne durch das Problem von Gitterfehlanpassung gestört zu werden.
In dem Beispiel von Fig. 4B ist zusätzlich zu dem Unterschied der Maskenlücken WO zwischen den Bereichen I und II auch die Maskenbreite variiert. Bei der so aufgebauten Struktur kann zusätzlich zu dem Effekt der Änderung der Maskenlückenbreite WO der Effekt des Unterschieds der Maskenbreite Wm erzielt werden.
Der durch Variieren der Maskenbreite erhaltene Effekt kann durch (1) Unterschied in der Wachstumsrate und (2) Änderung von Zusammensetzung zusammengefasst werden.

Unterschied in der Wachstumsrate

In dem Bereich zwischen den breiteren Masken wird die Wachstumsgeschwindigkeit im Vergleich zu dem Bereich zwischen den schmaleren Masken beschleunigt. Sein Mechanismus ist, dass zuerst das auf die Maske zugeführte Material dem Wachstumsbereich durch Wanderung auf der Maske zugeführt wird und zweitens die Materialart durch ein Konzentrationsgefälle in der Gasphase verbreitet wird. Das heißt, während das Material in dem Wachstumsbereich verbraucht wird, wird das Material in dem Maskenbereich nicht verbraucht, was zu einem Konzentrationsgefälle führt. Als ein Ergebnis hieraus wird Diffusion von Material von dem Maskenbereich zu dem Wachstumsbereich verursacht, die die Wachstumsrate des Bereichs zwischen den breiteren Masken beschleunigt. Während eine Beschleunigung der Wachstumsrate durch die vorhergehenden zwei Mechanismen verursacht wird, ist die vorherrschende Ursache die Gasphasendiffusion.

Änderung der Zusammensetzung

Eine Änderung der Kristallzusammensetzung beruht hauptsächlich auf der Änderung des Verhältnisses des Materials der Gruppe III (In und Ga im Fall von InGaAsP) in dem Kristall. Eine Änderung des Verhältnisses der Gruppe III wird durch den folgenden Grund verursacht. Materialdiffusion in der Gasphase ist bei selektivem Ziehen inhärent. Da ein Unterschied in der Zersetzungsrate oder Diffusionsrate in In-Material und Ga-Material vorliegt, wird das Konzentrationsverhältnis von In und Ga während der Gasphasendiffusion von dem Maskenbereich variieren. Deshalb kann durch Ändern der Maskenbreite das Konzentrationsverhältnis von dem Wachstumsbereich zugeführtem In und Ga geändert werden. Mit anderen Worten, wenn die Maskenbreite größer wird, wird die Konzentration von In höher, wodurch die Bandlücken von InGaAs und InGaAsP schmaler und die Gitterkonstante derselben größer gemacht werden.
Basierend auf dem obigen Grund wird, wenn die in Fig. 4B gezeigte Maske verwendet wird, eine dicke Halbleiterschicht im Bereich I gebildet, wo die Maskenbreite breit und die Maskenlücke schmal ist, wodurch die Wellbreite groß und die Bandlücke schmaler gemacht wird. Weiter wird aufgrund der höheren In Zusammensetzung in der Halbleiterschicht die Bandlücke noch schmaler.
Umgekehrt, in dem Bereich II, wo die Maskenbreite schmal und die Maskenlücke breit ist, wird die Halbleiterschicht dünner ausgebildet, um die Bandlücke der aktiven Quantenwellschicht breiter zu machen.
Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit der Photolumineszenzwellenlänge von der Maskenbreite Wm und der Gitterfehlanpassung. Die Maskenbreite Wm wird in Bezug zu dem Maskenmuster von Fig. 4B geändert. Hier stellt die Wellschicht InGaAs und die Sperrschicht stellt eine 1,13 um-Zusammensetzung von InGaAsP dar. Weiter beträgt die Wellbreite 2,1 nm wenn WO = 2,2 um und Wm = 3 um ist, und 8,3 nm wenn WO = 1,3 um und Wm = 13 um sind. Außerdem beträgt die Gitterfehlanpassung 0,0% wenn Wm = 3 um ist, und +0,15% wenn Wm = 13 um ist.
Wie oben aufgeführt, kann durch Kombinieren des Verfahrens zum Ändern der Maskenbreite mit dem Verfahren zum Ändern der Maskenlückebreite eine Änderung der Zusammensetzung verringert werden, während der gleiche Bandlückenunterschied wie verglichen mit dem Fall aufrechterhalten wird, in dem der Bandlückenunterschied nur durch Variieren der Maskenbreite erhalten wird. Deshalb kann Gitterfehlanpassung verringert werden. Auf diese Weise wird es möglich, eine dicke aktive Schicht zu bilden. Alternativ ist es auch möglich, die effektive Bandlückenwellenlänge des Quantenwells von 1,3 um auf 1,56 um zu ändern (159 meV im Energieunterschied), wie in Fig. 3 gezeigt ist, während die Gitterfehlanpassung auf weniger oder gleich 0,15% begrenzt wird.
In folgenden soll die bevorzugte Ausführungsform erörtert werden. Die erste Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für eine optische Halbleitervorrichtung soll unter Bezugnahme auf die Fig. 7A bis 7C und Fig. 8 erörtert werden.
Fig. 7A bis Fig. 7C sind eine Darstellung eines Maskenmusters und ein Schnitt in der Reihenfolge der Verfahrensschritte. Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht einer integrierten Lichtquelle, die einen DFB-Laser und einen optischen Modulator aufweist.
Zuerst wird, wie in Fig. 7A und Fig. 7B gezeigt, auf einem InP-Substrat 101 vom N-Typ SiO&sub2; durch ein CVD-Verfahren aufgebracht. Dann wird Musterung von SiO&sub2; zum Bilden von SiO&sub2;-Masken 102 durchgeführt, die in der < 011> -Richtung des InP-Substrats gestreift sind. Hier beträgt die Maskenlückenbreite 1,5 um im Bereich I und 2 um im Bereich II, und die Maskenbreiten betragen 10 um in beiden Bereichen. Es soll festgestellt werden, dass vor Aufbringung von SiO&sub2; ein Beugungsgitter 101a (siehe Fig. 8) auf dem InP-Substrat an der dem Bereich I entsprechenden Position ausgebildet wird. Auf dem durch die SiO&sub2;-Maske 102 gemusterten Substrat werden selektiv eine optische Wellenleiterschicht 103 aus 1,2 um der Zusammensetzung InGaAsP mit einer Dicke von 0,1 um, ein MQW (Mehrfachquantenwell) 10.4, das aus einer InGaAs- Wellschicht und einer Sperrschicht einer 1,3 um-InGaAsP-Zusammensetzung besteht, und eine 0,1 um dicke InP-Schicht 105 vom P-Typ durch MOVPE gezogen (Fig. 7B).
Als nächstes werden, wie in Fig. 7C gezeigt, durch Entfernen eines Teils der SiO&sub2;-Maske 102 zum Vergrößern der Breite der Öffnung auf 6 um, selektiv eine InP-Deckschicht 106 (1,5 um dick) und eine InGaAs-Kapselschicht 107 (0,2 um dick) vom P-Typ gezogen.
Es sollte festgestellt werden, dass es auch möglich ist, die SiO&sub2;-Maske 102 vollständig zu entfernen und eine InP- Deckschicht auf der gesamten Oberfläche zu ziehen.
Die Bandlückenwellenlänge der so gebildeten selektiv gezogenen Schichten wurde durch mikroskopische Photolumineszenz gemessen. Bereich I umfasste 1,55 um und Bereich II wies 1,49 um auf. Weiter waren von den Messwerten der Schichtdicke und der Quantenzustandsberechnung die Gitterfehlanpassung der durch das selektive Wachstum gebildeten Quantenwellstrukturen beide weniger als oder gleich 0,1%.
Wie in Fig. 8 gezeigt ist, wurde nach Abschluss des Schritts der Fig. 7C die SiO&sub2;-Maske 102 entfernt und die SiO&sub2;-Schicht 108 wurde neu über der gesamten Oberfläche gebildet. Nach Ausbildung eines Elektrodenfensters wurde eine Ti-Au-Elektrode 109 auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet und eine Ti-Au-Elektrode 110 wurde auf der Rückfläche des Substrats zum Bilden einer integrierten DFB-Laser/optischen Modulator-Lichtquelle ausgebildet. Es soll festgestellt werden, dass, obwohl nicht in den Zeichnungen gezeigt, ein hochreflektierender Film (Reflexionsindex 80%) auf die Laserseitenfacettenfläche geschichtet wurde und ein niederreflektierender Film (Reflexionsindex 0,1%) auf die Modulatorseitenfacette geschichtet wurde. Die Vorrichtungslänge betrug 500 um für den Laser, 200 um für den Modulator und 50 um für den Isolationsbereich. Für diese Vorrichtung wurde ein Schwellenwert von 10 mA, eine optische Ausgabe von 15 mW von der Modulatorseite unter einem Betriebsstrom von 100 mA und eine maximale Ausgabe von 25 mW festgestellt, während weiterhin einfache Longitudinalmodusemission beibehalten wurde. Weiter betrug ein Extinktionsverhältnis bei Anwendung einer Sperrvorspannung von 3 V auf der Seite des optischen Modulators 20 dB.
Als nächstes soll die zweite Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für eine optische Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 9 und Fig. 10 erläutert werden. Fig. 9 ist eine Grundansicht, die ein Muster einer in der zweiten Ausführungsform zu verwendenden Wachstumsblockierungsmaske zeigt, und Fig. 10 ist eine teilweise unterteilte perspektivische Ansicht (unterteilt entlang Linie a-a' von Fig. 9) einer Wellenlängendivisionsmultiplex-(WDM)-Lichtquelle. Es soll festgestellt werden, dass in Fig. 9 und Fig. 10 die gleichen Bezugsziffern gleiche Elemente wie Fig. 7A bis 7C darstellen.
Zuerst wurde in einem Laserbereich (Bereich I(a) und Bereich I(b)) eines InP-Substrats 101 vom N-Typ ein Beugungsgitter 101a ausgebildet. Auf dem Beugungsgitter wurde eine SiO&sub2;-Maske 102 ausgebildet, wobei der Wellenleiter in die < 011> Richtung ausgerichtet war. Danach wurden durch ein MOVPE-Verfahren eine 0,1 um dicke optische InGaAsP-Wellenleiterschicht 103 mit einer Zusammensetzung von 1,2 um, eine aktive MQW-Schicht 104 bestehend aus einer InGaAs- Wellschicht und einer InGaAsP-Sperrschicht einer Zusammensetzung von 1,3 um, und eine 0,1 um dicke p-InP-Schicht 105 selektiv gezogen.
Als nächstes wurde durch teilweises Entfernen der SiO&sub2;- Maske 102 zum Vergrößern der Öffnung eine InP-Deckschicht 106 in einer Schichtdicke von 1,5 um ausgebildet, und eine InGaAs-Kapselschicht 107 wurde selektiv gezogen.
Die Bandlückenwellenlängen der selektiv gezogenen Schicht wurden mit einer mikroskopischen Photolumineszenzmessung gemessen. Die Wellenlänge betrug 1,54 um im Bereich I(a), 1,56 um im Bereich I(b) und 1,30 um im Bereich II. Auf der anderen Seite betrug die Gitterfehlanpassung der gebildeten Quantenwellstruktur, wie durch die Messung gemessen, 0,10% in Bereich I(a), 0,15% im Bereich I(b) und 0,0% in Bereich II.
Schließlich wird nach dem Elektrodenausbildungsverfahren die WDM-Lichtquelle wie in Fig. 10 gezeigt erhalten, in der der Laser und der optische Wellenleiter integriert sind. Die Elementlänge wurde auf 300 um auf der Laserseite und auf 1000 um in der Wellenleiterseite eingestellt. Weiter wird, obwohl nicht in den Zeichnungen dargestellt, ein hochreflektierender Film (Reflexionsindex 80%) auf die Laserseitenfacette geschichtet und eine niederreflektierende Schicht (Reflexionsindex 0,1%) wird auf die Wellenleiterseitenfacette geschichtet. Bei der Bewertung dieses Elements wiesen beide Laser der Bereiche I(a) und (b) einen Laserschwellenwert von 10 mA, und für einen Betriebsstrom von 100 mA eine optische Ausgabe von 20 mv von der Wellenleiterseite auf. Weiter betrug die Laserwellenlänge 1,552 um in Bereich I(a) und 1,557 um im Bereich I(b).
Obwohl diese Erfindung in Bezug auf eine exemplarische Ausführungsform derselben beschrieben wurde, sollte durch die Fachleute in diesem Gebiet verstanden werden, dass das vorhergehende und verschiedene andere Änderungen, Weglassungen und Hinzufügungen darin und daran vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Deshalb sollte die vorliegende Erfindung nicht als auf die oben aufgeführte spezielle Ausführungsform begrenzt verstanden werden, sondern soll alle möglichen Ausführungsformen einschließen, die innerhalb eines umfassten Umfangs und Äquivalenten desselben in Bezug auf die in den anliegenden Patentansprüchen ausgeführten Merkmalen realisiert werden können.

Claims

1. Herstellungsverfahren für ein optische Halbleitervorrichtung mit:

einem ersten Schritt der Ausbildung eines Paares von Wachstumsblockierungsmasken (102) auf einer Verbindungs- Halbleiterschicht (101) eines ersten Leitfähigkeitstyps, um eine Anzahl von Lückenbereichen zwischen dem Maskenpaar zu definieren, wobei die Anzahl von Lückenbereichen unterschiedliche Lückenbreiten in der optischen Wellenleiterrichtung aufweisen, und

einem zweiten Schritt des selektiven Ausbilden eines aktiven Bereiches (103, 104, 105) einschließlich eines Quantenwells und einer Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps in der Anzahl von Lückenbereichen durch selektives epitaxiales Ziehen, wobei das selektive epitaxiale Ziehen metallorganische Dampfphasenepitaxie ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (Wm) der Maske im Bereich von 3 bis 13 um liegt und die Lückenbreite (WO) im Bereich von 1,3 bis 2,3 um liegt, so daß die selektiv ausgebildeten aktiven Bereiche, die geformt sind, eine Breite aufweisen, die es ermöglicht, optische Wellenleitung durchzuführen.

2. Herstellungsverfahren für eine optische Halbleitervorrichtung mit:

einem ersten Schritt der Ausbildung eines Paares von Wachstumsblockierungsmasken (102) auf einer Verbindungshalbleiterschicht, um eine Anzahl von Lückenbereichen zwischen dem Maskenpaar zu definieren, wobei die Anzahl von Lückenbereichen unterschiedliche Lückenbreiten in der optischen Wellenleiterrichtung aufweisen, und

einem zweiten Schritt zum selektiven Ausbilden eines aktiven Bereichs einschließlich eines Quantenwells und einer Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps in der Anzahl von Lückenbereichen durch selektives epitaxiales Ziehen, wobei das selektive epitaxiale Ziehen metallorganische Dampfepitaxie ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar der Wachstumsblockierungsmasken (102) miteinander über die gesamte Länge der Maske, die in der optischen Wellenleiterrichtung gebildet ist, in dem ersten Schritt ausgebildet wird; so daß der selektiv ausgebildete aktive Bereich, der gebildet ist, eine Breite aufweist, die in der Lage ist, optische Wellenleitung durchzuführen.

3. Herstellungsprozeß für eine optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar der Wachstumsblockierungsmasken (102) in einem Bereich, der eine größere Lückenbreite aufweist, eine schmalere Maskenbreite aufweist als in einem Bereich, der eine schmalere Lückenbreite aufweist.

4. Herstellungsverfahren für eine optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, mit ferner: einem dritten Schritt, der dem zweiten Schritt folgt, der Entfernung zumindest eines Teils der Wachstumsblockierungsmasken (102), der an die selektiv gezogene aktive Halbleiterschicht angrenzt, und der Bildung einer Deckschicht, die die aktive Halbleiterschicht umgibt.