DE69735327T2 - Optische Halbleitervorrichtung und Verfahren zum Herstellen derselben - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft eine optische Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen derselben, und, genauer ausgedrückt, eine optische Halbleitervorrichtung vom Wellenleitertyp mit einer Funktion einer Fleckgrößenwandlung und ein Verfahren zum Herstellen derselben.
  • BESCHEIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
  • Mit der aktuellen Entwicklung eines optischen Zugangssystems, das typisch für "Faser ins Haus" (fiber to the house, FTTO) ist, ist die Herstellung eines für optische Kommunikation verwendeten Halbleiterlasermoduls bei niedrigen Kosten erforderlich geworden.
  • Einer der Hauptfaktoren, der Herstellungskosten eines Halbleiterlasermoduls hoch hält, sind Packungskosten, die zum optischen Koppeln einer Laserdiode an einen Lichtleiter aufzuwenden sind. Folglich ist in letzter Zeit einer fleckgrößengewandelten Halbleiterlaserdiode Aufmerksamkeit geschenkt worden, die schnell höhere optische Kopplung zwischen einer Laserdiode und einem Lichtleiter erreicht. Hierbei stellt eine fleckgrößengewandelte Laserdiode (spot-size converted semiconductor laser diode, SSC-LD) eine Laserdiode dar, die eine Fleckgröße auf einer Ebene vergrößert, durch die ein La serstrahl austritt, um dadurch einen Strahldivergenzwinkel klein zu halten. Ein kleinerer Strahldivergenzwinkel würde Licht reduzieren, das in einen freien Rahm abgestrahlt wird, um dadurch eine höhere optische Kopplungseffizienz zum optischen Koppeln einer Laserdiode an einen Lichtleiter zu erhalten. Mit anderen Worten, Versehen einer Halbleiterlaserdiode mit einer Funktion einer Linse würde es nicht mehr erforderlich machen, dass eine Halbleiterlaserdiode ein optisches Linsensystem umfasst, welches für ein konventionelles Halbleiterlasermodul absolut erforderlich war. Somit könnte ein Halbleiterlasermodul zu niedrigeren Kosten hergestellt werden.
  • Zum Vergrößern einer Fleckgröße auf einer Ebene, an der Laserstrahlen eine Laserdiode verlassen, würde es erforderlich sein, einen optischen Einschlussfaktor auf der oben genannten Ebene in einem optischen Wellenleiter klein zu gestalten, um dadurch ein optisches Feld zu vergrößern. Spezifisch ist ein optischer Wellenleiter konfiguriert, um einen fleckgrößenwandelnden Teil mit einer Dicke kleiner als andere Teile einzuschließen. Eine Fleckgrößenwandlungs-(SSC)-Struktur wie diese ist für alle optischen Halbleitervorrichtungen vom Wellenleitertyp wie zum Beispiel einen optischen Halbleitermodulator, einen optischen Halbleiterverstärker und eine Wellenleiter-Pin-Photodiode sowie eine Halbleiterlaserdiode verwendbar.
  • Zum Beispiel ist eine von SSC-LDs durch Y. Tohmori et. al in ELECTRONICS LETTERS, 22. Juni 1995, Bd. 31, Nr. 13 auf den Seiten 1069–1070 vorgeschlagen worden (im Folgenden als erster Stand der Technik bezeichnet). Die 1A bis 1E sind Querschnittansichten einer Laserdiode, die jeweilige Schritte eines Verfahrens zum Herstellen einer Laserdiode gemäß dem ersten Stand der Technik zeigen.
  • Wie in 1A gezeigt ist, wird eine laseraktive Schicht auf einem InP-Substrat 401 ausgebildet. Die laseraktive Schicht umfasst eine erste getrennte Einschlussheterostruktur-(SCH)-Schicht 402, eine gespannte Multiquantenwell-(MQW)Struktur 403 und eine zweite SCH-Schicht 404, und jede derselben wird aufeinanderfolgend durch ein metallorganisches Dampfphasenepitaxie- (im Folgenden einfach als MOVPE bezeichnet) Wachstumsverfahren epitaktisch aufgewachsen.
  • Dann wird eine SiNx-Schicht 405 auf der laseraktiven Schicht ausgebildet. Anschließend wird ein Teil, der einen SSC-Teil bilden würde, geätzt, bis das InP-Substrat 401 erscheint, wobei die SiNx-Schicht 405 als eine Maske verwendet wird. Wie in 1B dargestellt ist, wird dann eine SSC-Struktur, die eine InGaAs-Schicht 406 mit einer 1,1 μm Bandlückenwellenlänge aufweist, selektiv aufgewachsen, um dadurch eine Stirnflächenkopplung zu bilden.
  • Anschließend wird die SiNx-Schicht 405 entfernt, gefolgt durch Aufwachsen einer p-InP-Mantelschicht 407 und einer P-Deckschicht 408 über das gesamte Produkt, wie in 1C dargestellt ist.
  • Dann wird eine SiNx-Maske 409 teilweise auf der P-Deckschicht 408 ausgebildet, und danach wird das Produkt bis zu einer bestimmten Tiefe des InP-Substrats 401 unter Verwendung der SiNx-Streifenmaske 409 als eine Maske geätzt, um dadurch eine Hoch-Mesa-Struktur zu bilden, wie in 1D dargestellt ist.
  • Anschließend wird die SiNx-Streifenmaske 409 nur in dem SSC-Teil entfernt, gefolgt durch Wachstum einer Fe-dotierten hochwiderstandsfähigen InP-Schicht 410, wie in 1E dargestellt ist. Die auf diese Weise hergestellte Laserdiode weist einen 300 μm langen laseraktiven Schichtbereich und einen 300 μm langen SSC-Bereich auf.
  • Bei dem oben genannten Verfahren zum Herstellen einer Laserdiode gemäß dem ersten Stand der Technik ist es erforderlich, wiederholt komplizierte Schritte zum selektiven Ätzen und selektiven Wiederaufwachsen auszuführen, und es ist ferner erforderlich, einen Lichtleiter durch Ausbilden einer Stirnflächenkopplung fertig zu stellen. Somit birgt der erste Stand der Technik ein Problem, dass es schwierig ist, eine Laserdiode mit einem hohen Produktionsertrag herzustellen.
  • Ein anderes Beispiel von SSC-LD ist durch T. Yamamoto in ELECTRONICS LETTERS, 7. Dezember 1995, Bd. 31, Nr. 25, Seiten 2178–2179 vorgeschlagen worden (im Folgenden als der zweite Stand der Technik bezeichnet), bei dem eine laseraktiver Multiquantenwell-(MQW) Struktur mit unterschiedlichen Dicken und Bandenergien zwischen einem laseraktiven Schichtbereich ausgebildet wird und ein SSC-Bereich durch einzelnes selektives Wachstum gebildet wird. Im Folgenden ist der zweite Stand der Technik unter Bezugnahme auf die 2A bis 2D erklärt.
  • Zuerst wird ein Paar dielektrischer Masken 502 mit einer Breite im Bereich von mehreren Mikrometern bis mehreren hundert Mikrometern auf einem n-InP-Substrat 501 ausgebildet, wobei Masken 502 um 10–20 μm voneinander entfernt angeordnet sind, wie in 2A dargestellt ist.
  • Dann werden eine n-InP-Mantelschicht 503, eine gespannte MQW-Struktur 504 und eine p-InP-Mantelschicht 505 selektiv auf dem n-InP-Substrat durch MOVPE aufgewachsen, wie in 2B dargestellt ist. Bei diesem selektiven Wachstum der Schichten 503, 505 und der Struktur 504 erfolgt eine Vergrößerung in der Wachstumsrate und ein Anstieg bei einer In-Einbaurate in einem Bereich, der zwischen den Masken 502 eingefügt wird, aufgrund der Dampfphasen-Lateraldiffusion von Quellenmaterialien. Infolgedessen wird die Dicke der MQW-Struktur vergrößert und ferner wird eine Bandlückenwellenlänge in dem Bereich länger gestaltet, der zwischen den Masken 502 eingefügt ist, im Vergleich zu einem anderen Bereich, der nicht zwischen den Masken 502 eingefügt ist. Dementsprechend bildet der zwischen den Masken 502 eingefügte Bereich eine laseraktive Schicht, und der nicht zwischen den Masken 502 eingefügte Bereich bildet einen SSC-Bereich.
  • Dann wird nach Entfernung der dielektrischen Masken 502 eine dielektrische Streifenmaske 506 über den selektiv aufgewachsenen Schichten ausgebildet. Danach wird das Produkt mesa-geätzt, so dass die laseraktive Schicht eine Breite von 1,2 μm aufweist, wie in 2C dargestellt ist.
  • Dann werden eine p-InP-Stromblockierschicht 507 und eine n-InP-Stromblockierschicht 508 über dem gesamten Produkt aufgewachsen. Anschließend werden nach Entfernung der dielektrischen Streifenmaske 506 eine zweite p-InP-Mantelschicht 509 und eine Deckschicht 510 über der n-InP-Stromblockierschicht 508 aufgewachsen, wie in 2D dargestellt ist. Der somit gebildete laseraktive Schichtbereich ist 300 μm lang, und der SSC-Bereich ist 200 μm lang.
  • Noch ein andere Beispiel einer Laserdiode ist durch M. Wada et al. In ELECTRONICS LETTERS, am 23. November 1995, Bd. 31, Nr. 24, Seiten 2102–2104 vorgeschlagen worden. Es sind Laserdioden vorgeschlagen worden, die monolithisch mit Fleckgößenwandlern integriert sind, welche bei 1,3 μm arbeiten und ein beinahe kreisförmiges Fernfeldmuster und einen –1,3 dB Stirnflächenkopplungsverlust zur Faser mit breiter Ausrichtungstoleranz aufweisen. Die gesamte Vorrichtungslänge beträgt jedoch 450 μm.
  • In dem oben genannten ersten und zweiten Stand der Technik weisen die SSC-Bereiche keine optische Verstärkung auf, da sie lediglich zum Vergrößern eines Flecks von Laseroszillationslicht gebildet sind. Dementsprechend sind der erste und zweite Stand der Technik einer gewöhnlichen Halbleiterlaserdiode ohne SSC-Bereich hinsichtlich einer Erhöhung des Schwellenstroms und sinkender Leistung bei hoher Temperatur unterlegen, da der SSC-Bereich Lichtverluste verursacht.
  • Außerdem würde ein Vorrichtungsertrag pro Einheitsfläche je Wafer in den oben genannten konventionellen SSC-LDs reduziert sein, da sie durch eine Länge des SSC-Bereichs länger hergestellt werden müssen. Spezifisch ausgedrückt, umfasst die Laserdiode gemäß dem ersten Stand der Technik den 300 μm langen laseraktiven Schichtbereich und den 300 μm langen SSC-Bereich und ist sie folglich insgesamt 600 μm lang. Die Laserdiode gemäß dem zweiten Stand der Technik umfasst den 300 μm langen laseraktiven Schichtbereich und den 200 μm langen SSC-Bereich und ist folglich insgesamt 500 μm lang. Die gewöhnliche Laserdiode ohne SSC-Bereich ist 300 μm lang. Somit wird ein Ertrag pro Wafer zum Herstellen von Vorrichtungen um etwa 40–50% im ersten und zweiten Stand der Technik im Vergleich zu den konventionellen Laserdioden gesenkt.
  • Darüber hinaus erfordert der erste Stand der Technik die Ausführung komplizierter Herstellungsschritte von wiederholtem selektivem Ätzen von Halbleiterschichten und selektivem erneutem Aufwachsen. Da zusätzlich eine Stirnflächenkopplung, die ein Problem hinsichtlich Wiederholgenauigkeit birgt, in einen Wellenleiter eingebracht wird, birgt der erste Stand der Technik ein Problem hinsichtlich Steuerbarkeit und Wiederholgenauigkeit, was zu Schwierigkeiten beim Herstellen einer Halbleiterdiode mit einem hohen Ertrag und mit hoher Wiederholgenauigkeit führt.
  • Da der Stand der Technik Mesa-Ätzen/Wiederaufwachsschritte von Halbleiterschichten zum Bilden eines optischen Wellenleiters verwendet, birgt der zweite Stand der Technik das gleiche Problem wie der erste Stand der Technik. Der zweite Stand der Technik birgt nämlich ein Problem hinsichtlich Steuerbarkeit und Wiederholungsgenauigkeit, was zu Schwierigkeiten beim Herstellen einer Halbleiterdiode mit hohem Ertrag und hoher Wiederholungsgenauigkeit führt.
  • Die EP 96117544 offenbart eine optische Halbleitervorrichtung mit einer optischen Wellenleiterstruktur, die eine Quantenwellschicht und eine obere optische Einschlussschicht als Teil einer Kernschicht einschließt. Die obere Einschlussschicht hat eine Dicke, die in der Längenrichtung des optischen Wellenleiters variiert, während die Quantenwellschicht eine konstante Dicke in der Längenrichtung aufweist, wodurch der Wellenleiter eine Funktion von Fleckgrößenwandlung aufweist. Dieses Dokument stellt Stand der Technik nach Artikel 54(3) und (4) EPC dar.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Angesichts der vorhergehenden Probleme des Standes der Technik, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Halbleitervorrichtung zu schaffen, die einen optischen Verstärkungsfaktor zu Laseroszillationswellenlängen aufweist, um dadurch Lichtverluste in einem SSC-Bereich zu beseitigen, ohne dass dieser länger als eine konventionelle optische Halbleitervorrichtung hergestellt werden muss, und ferner eine niedrigere Schwellenwertcharakteristik und Leistung bei hoher Temperatur mit einem höheren Ertrag pro Wafer erzielen kann.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und Verfahren gemäß den Ansprüchen 6 bzw. 11 gelöst; die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf Weiterentwicklungen der Erfindung.
  • In einem Aspekt wird eine optische Halbleitervorrichtung mit einer optischen Wellenleiterstruktur einschließlich einer Quantenwellschicht, einer unteren und oberen optischen Einschlussschicht als eine Kernschicht geschaffen, wobei die Kernschicht eine Dicke aufweist, die in einer Längsrichtung des optisches Wellenleiters variiert, um dadurch eine Funktion einer Fleckgrößenwandlung zu haben. Die Quantenwellschicht ist so ausgebildet, dass sie eine Bandlückenenergie aufweist, die innerhalb von ±30 meV in der Richtung konstant ist, und eine Dicke aufweist, die innerhalb von ±32% in der Richtung konstant ist. Die optischen Einschlussschichten weisen an ihrem einen Ende eine erste Dicke kleiner als die der Quantenwellschicht auf, weisen jedoch eine zweite Dicke auf, die an ihrem anderen Ende oder ihrer Mitte größer als die der Quantenwellschicht ist, in welchem Fall das Dickenverhältnis des dickeren Teils der Kernschicht zu dem dünneren Teil der Kernschicht gleich oder größer als 2 ist.
  • Es ist zu bevorzugen, dass die Quantenwellschicht eine konstante Dicke aufweist und die optische Einschlussschicht eine in der Richtung variierende Dicke aufweist, in der die optische Einschlussschicht eine Dicke haben kann, die sich allmählich in Richtung auf ihr eines Ende vermindert, durch das Licht die optische Einschlussschicht verlasst.
  • Es ist zu bevorzugen, dass die Quantenwellschicht eine konstante Dicke in der Richtung aufweist und die optische Einschlussschicht eine Dicke aufweist, die in der Mitte in der Richtung maximal ist.
  • Die optische Halbleitervorrichtung kann als eine Halbleiterlaserdiode oder ein optischer Verstärker mit der oben genannten Kernschicht als eine aktive Schicht dienen, in wel chem Fall die optische Verstärkung in der Richtung erhalten wird. Alternativ kann die optische Halbleitervorrichtung als ein optischer Modulator vom Elektroabsorptionstyp oder als eine Pin-Photodiode vom Wellenleitertyp dienen, in welchem Fall die Kernschicht als eine optische Absorptionsschicht in der Richtung dient.
  • Wie bereits erwähnt, hat die optische Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Quantenwellstruktur in der Kernschicht und weist eine in einer Längsrichtung des Wellenleiters im wesentlichen konstante Bandlücke auf. Genau ausgedrückt, weist die Wellschicht in einer bestimmten Ausführungsform eine in der Längsrichtung des Wellenleiters konstante Dicke auf, und die optischen Einschluss- und/oder Sperrschichten haben eine Dicke, die in der Richtung variiert. Im Folgenden soll ein zulässiger Bereich, in dem die Bandlücke und die Dicke der Wellschicht variieren können, unter Bezugnahme auf die 3 und 4 erklärt werden.
  • 3 zeigt ein optisches Verstärkungsspektrum, das erhalten wird, wenn Träger von 1,50 × 1018 cm–3 in einen Quantenwell-Halbleiterlaser mit 1,3 μm Band eingebracht werden. Ein optischer Verstärkungskoeffizient ist positiv, wenn eine Photonenergie (eine Photonwellenlänge beträgt 1,30 μm) gleich 950 meV ± 30 meV ist. Das heißt, optische Verstärkung kann erhalten werden, wenn die Photonenergie im Bereich von 920 meV bis 980 meV liegt.
  • 4 stellt ein Verhältnis zwischen einer Bandlückenwellenlänge und eine Dicke einer Wellschicht in einer Quantenwellstruktur dar. Ein Bereich einer Wellschichtdicke, die ± 30 meV Toleranz um die Bandlückenwellenlänge von 1,30 μm zulässt, ist ein Bereich von 3,7 nm bis 7,2 nm, nämlich 5,45 nm ± 32%. Somit muss die Bandlücke mit ± 30 meV Toleranz konstant sein, und die Wellschichtdicke muss mit 32% Toleranz konstant sein.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer optische Halbleitervorrichtung geschaffen, die einen optischen Wellenleiter mit einer Dicke aufweist, die in seiner Längsrichtung variiert, wie es in Anspruch 6 de finiert ist, und es umfasst die Schritte: (a) Ausbilden einer Paars dielektrischer Masken auf einem Verbindungshalbleitersubstrat, wobei die Masken einen Teil aufweisen, bei dem ihre Breite in der Richtung variiert, (b) epitaktisches Aufwachsen einer unteren optischen Einschlussschicht durch metallorganische Dampfphasenepitaxie (MOVPE) mit selektivem Wachstum, (c) Ausbilden einer Quantenwellstruktur durch epitaktisches Aufwachsen einer Quantenwellschicht oder einer Anzahl von Quantenwellschichten mit Sperrschichten, die zwischen den Quantenwellschichten eingefügt sind, durch metallorganische Dampfphasenepitaxie (MOVPE) mit selektivem Wachstum, und (d) epitaktisches Aufwachsen einer oberen optischen Einschlussschicht durch metallorganische Dampfphasenepitaxie (MOVPE) mit selektivem Wachstum, wobei die Quantenwellschichten) im Schritt (c) unter einem Wachstumsdruck aufgewachsen wird (werden), der geringer als der der unteren und oberen optischen Einschlussschichten in den Schritten (b) und (d) ist.
  • Es ist zu bevorzugen, dass die Sperrschichten im Schritt (c) unter einem Wachstumsdruck gleich oder größer als dem der Quantenwellschichten aufgewachsen werden. Die Sperrschichten werden im Schritt (c) unter einem Druck aufgewachsen, der vorzugsweise gleich oder größer als 100 hPa, stärker bevorzugt 200 hPa ist.
  • Die Quantenwellschicht(en) wird (werden) im Schritt (c) unter einem Wachstumsdruck aufgewachsen, der vorzugsweise gleich oder kleiner als 40 kPa, stärker bevorzugt 30 hPa ist.
  • Die untere und obere Einschlussschicht werden in den Schritten (b) und (d) unter einem Wachstumsdruck aufgewachsen, der vorzugsweise gleich oder größer als 100 hPa, stärker bevorzugt 200 hPa ist.
  • Es wird ferner ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Halbleitervorrichtung mit einem optischen Wellenleiter mit einer Dicke geschaffen, die in seiner Längsrichtung variiert, wie es in Anspruch 11 definiert ist, und das die Schritte einschließt: (a) Ausbilden eines Paars dielektrischer Masken auf einem Verbindungshalbleitersubstrat, wobei die Masken einen Teil aufweisen, in dem ihre Breite in der Richtung variiert, (b) epitaktisches Aufwachsen einer unteren optischen Einschlussschicht durch metallorganische Dampfphasenepitaxie (MOVPE) mit selektivem Wachstum, (c) Ausbilden einer Quantenwellstruktur durch epitaktisches Aufwachsen einer Quantenwellschicht oder einer Anzahl von Quantenwellschichten mit zwischen den Quantenwellschichten eingefügten Sperrschichten durch metallorganische Dampfphasenepitaxie (MOVPE) mit selektivem Wachstum, und (d) epitaktisches Aufwachsen einer oberen optischen Einschlussschicht durch metallorganische Dampfphasenepitaxie (MOVPE) mit selektivem Wachstum, wobei die Quantenwellschicht(en) im Schritt (c) unter Einsatz von Tertiärbutylarsin (TBA) und Tertiärbutylphosphin (TBP) mit einem V/III-Verhältnis gleich oder größer als 50 aufgewachsen wird (werden).
  • Es ist zu bevorzugen, dass die untere und obere Einschlussschicht in den Schritten (b) und (d) unter Einsatz von Arsin und Phosphin als Quellenmaterialien der Gruppe V oder unter Einsatz von Tertiärbutylarsin (TBA) und Tertiärbutylphoshin (TBP) mit einem V/III-Verhältnis gleich oder kleiner 5 aufgewachsen werden. Es ist ferner zu bevorzugen, dass die Sperrschichten im Schritt (c) unter Einsatz von Arsin und Phosphin als Quellenmaterialien der Gruppe V, oder unter Einsatz von Tertiärbutylarsin (TBA) und Tertiärbutylphosphin (TBP) mit einem V/III-Verhältnis gleich oder kleiner 5 aufgewachsen werden.
  • 5 stellt ein Maskenmuster für MOVPE mit selektivem Wachstum dar. Danach soll das Prinzip der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 5 erklärt werden. Ein Paar Streifenmasken 12 wird auf einem InP-Substrat 11 mit einer (100)-Ebene als eine Grundebene ausgebildet, so dass ein zwischen den Masken 12 ausgebildeter Spalt in der [011]-Richtung ausgerichtet ist. Jede der Masken 12 hat eine Breite von Wm, und die Masken 12 sind voneinander um eine Entfernung Wg = 1,5 μm beabstandet. Eine selektive Wachstumsschicht 13 wird durch MOVPE mit selektivem Wachstum in einem Bereich ausgebildet, der mit Wg angezeigt und zwischen den Masken 12 ausgebildet ist.
  • Es ist den Fachleuten in diesem Bereich bekannt, dass, wenn die Maskenbreite Wm erhöht werden würde, eine Dicke oder Wachstumsrate der selektiven Wachstumsschicht 13 erhöht werden würde und infolgedessen die In-Zusammensetzung in dem Fall erhöht werden würde, dass die selektive Wachstumsschicht 13 aus InGaAs oder InGaAsP gebildet wäre. Im Folgenden sind die Abhängigkeit einer Wachstumsrate und Zusammensetzung einer selektiven Wachstumsschicht von einer Maskenbreite, die für selektives Wachstum zu verwenden ist, und die Abhängigkeit derselben von den Wachstumsbedingungen erklärt.
  • Es gibt zwei Mechanismen für eine Erhöhung in der Wachstumsrate. Der erste ist das Quellenmaterial, das auf eine Maske aufgebracht wird, einen Wachstumsbereich durch Oberflächenmigration auf einer Maske erreicht und infolgedessen eine Wachstumsrate erhöht wird und größer als eine Wachstumsrate in dem Fall von nicht selektivem Wachstum wird, nämlich Wachstum in einem unmaskierten Bereich. Der zweite ist Dampfphasen-Lateraldiffusion von Quellenmaterialien, die durch ein in der Dampfphase erzeugtes Konzentrationsgefälle verursacht wird. Genau ausgedrückt, werden Quellenmaterialien im Wachstumsbereich verbraucht, während Quellenmaterialien in einem Maskenbereich nicht verbraucht werden. Infolgedessen wird ein Konzentrationsgefälle in der Dampfphase erzeugt. Das Konzentrationsgefälle verursacht Dampfphasen-Lateraldiffusion von dem Maskenbereich zum Wachstumsbereich, und folglich wird eine Wachstumsrate über eine Wachstumsrate im Fall von nicht selektivem Wachstum erhöht.
  • Von den oben genannten zwei Mechanismen ist der zweite, nämlich Dampfphasen-Lateraldiffusion vorherrschend. Wenn eine Quantenwellstruktur durch selektives Wachstum zu erzeugen ist, würde dementsprechend ein Wellschicht eine größere Breite mit einer Vergrößerung der Maskenbreite Wm aufweisen, und somit würde die Quantenwellstruktur eine kleinere Bandlücke oder eine längere Bandlückenwellenlänge aufweisen.
  • Eine Zusammensetzungsänderung erfolgt hauptsächlich aufgrund einer Änderung in einer Kristallzusammensetzung von Quellenmaterialien der Gruppe III wie zum Beispiel In und Ga in Materialien der InGaAsP-Familie. Ein Änderung in einer Kristallzusammensetzung wird wie folgt erklärt. Wie bereit erläutert wurde, erfolgt selektives Wachstum aufgrund von Dampfphasen-Lateraldiffusion von Quellenmaterialien. Da bei der Dampfphasen-Lateraldiffusion eine Zerlegungsrate oder eine Diffusionsrate unterschiedlich zwischen In- und Ga-Quellenmaterialien ist, variiert ein Konzentrationsverhältnis zwischen In und Ga während der Dampfphase von einem Maskenbereich zu einem Wachstumsbereich. Wenn eine Maskenbreite geändert werden würde, variiert dementsprechend ein Konzentrationsverhältnis zwischen In und Ga, die einem Wachstumsbereich zuzuführen sind. Wenn eine Quantenwellstruktur, die eine aus InGaAsP bestehende Wellschicht einschließt, aufgewachsen wird, wird Druckbelastung in die Quantenwellstruktur aufgrund einer Erhöhung in einem Konzentrationsverhältnis von In eingeführt, und infolgedessen würde die Quantenwellstruktur eine kleinere Bandlücke aufweisen.
  • Da, wie oben erörtert ist, eine Wachstumsrate und Zusammensetzung einer Quantenwellstruktur in Abhängigkeit von einer Maskenbreite variiert, kann eine Multi-Quantenwellstruktur mit verschiedenen Dicken und Bandlücken durch gewöhnliches epitaktisches Aufwachsen durch selektives Aufwachsen einer Multi-Quantenwellstruktur aus einem Material der InGaAsP-Familie mit Masken ausgebildet werden, die Breiten aufweisen, welche bei Messung in einer Streifenrichtung verschieden sind.
  • 6 illustriert eine Kurve, die die Abhängigkeit einer die Wachstumsrate erhöhenden Rate auf einer Maskenbreite bei selektivem MOVPE-Wachstum zeigt. Die dargestellten Kurven wurden durch Versuche erhalten, die der Erfinder unter Verwendung von Wachstumsdruck als ein Parameter durchgeführt hat. Eine die Wachstumsrate erhöhende Rate ist größer unter einem höheren Wachstumsdruck. Dieses Phänomen ist durch die folgenden Personen aufgezeichnet worden.
    • (a) K. Tanabe et al. "Wachstumsdruckabhängigkeit von MOVPE mit selektivem Wachstum", Extended Abstracts of the 39. Spring Meeting 1992, The Japan Society of Applied Physics and Related Societies, 30a-SF-29, Nr. 3, Seiten 976.
    • (b) Sasaki et. al, Journal of Crystal Gross, Bd. 145, 1994, Seiten 848–851
    • (c) T. Fuji, "Wachstumsratenverbesserungen in MOVPE für selektiven Bereich basierend auf Dampfphasendiffisionsmodell", Extended Abstracts of the 56. Autumn Meeting 1995, The Japan Society of Applied Physics, 28a-ZF-6, Nr. 1, Seiten 293.
  • Wenn ein Wachstumsdruck gesenkt wurde, wird sowohl die Abhängigkeit der Wachstumsrate von einer Maskenbreite als auch die Abhängigkeit einer Zusammensetzungsänderung von einer Maskenbreite geschwächt, und infolgedessen wird eine durch eine Maskenbreite verursachte Zusammensetzungsänderung oder eine durch eine Maskenbreite verursachte Bandlückenänderung kleiner gestaltet.
  • 7 illustriert Kurven, die die Abhängigkeit einer die Wachstumsrate erhöhenden Rate auf eine Maskenbreite bei selektivem MOVPE-Wachstum zeigen. Die dargestellten Kurven wurden durch Versuche erhalten, die der Erfinder unter Einsatz von Quellenmaterialien der Gruppe V und einem V/III-Verhältnis als Parameter erhalten hatte. Wenn Arsin und Phosphin, deren V/III-Verhältnisse im Bereich von 20 bis 1000 lagen, als Quellenmaterialien der Gruppe V eingesetzt wurden, oder wenn Tertiärbutylarsin (im Folgenden einfach als "TBA" bezeichnet) und Tertiärbutylphosphin (im Folgenden einfach als "TBP" bezeichnet), beide mit einem kleinen V/III-Verhältnis wie zum Beispiel einem V/III-Verhältnis = 5 eingesetzt werden, wird eine die Wachstumsrate erhöhende Rate größer. Wenn im Gegensatz hierzu TBA und TBP mit einem großen V/III-Verhältnis wie zum Beispiel einem V/III-Verhältnis = 100 oder größer eingesetzt werden, wird die Abhängigkeit einer Wachstumsrate von einer Maskenbreite geschwächt. Die ähnlichen Ergebnisse sind durch Y. Sakata et. al "MOVPE mit selektivem Wachstum von InGaAsP und InGaAs unter Verwendung von TBA und TBP", Journal of Electronic Material,
    Bd. 25, Nr. 3, 1996, Seiten 401–406 aufgezeichnet worden.
  • Wenn TBA und TBP mit einem großen V/III-Verhältnis bei MOVPE mit selektivem Wachstum verwendet werden, werden die Abhängigkeit einer Wachstumsrate von einer Maskenbreite und weiter die Abhängigkeit einer Zusammensetzungsänderung von einer Maskenbreite abgeschwächt. Infolgedessen wird eine durch eine Änderung der Maskenbreite verursachte Zusammensetzungsänderung, oder eine Änderung in einer Bandlücke, die durch eine Änderung einer Maskenbreite verursacht wird, kleiner gestaltet.
  • Die mit den konventionellen SSC-LDs verknüpften Probleme können durch Nutzen der oben genannten Abhängigkeit einer Wachstumsrate und die Abhängigkeit von Quellenmaterialien der Gruppe V in MOVPE mit selektivem Wachstum gelöst werden. Genau ausgedrückt, wird in einem Schritt zum gleichzeitigen Ausbilden einer Multi-Quantenwellschicht und eines SSC-Bereichs in SSC-LD durch MOVPE mit selektivem Wachstum eine Multi-Quantenwellschicht unter einer Bedingung aufgewachsen, in der eine die Wachstumsrate erhöhende Rate klein ist, zum Beispiel unter einer Bedingung, wenn ein Wachstumsdruck gleich oder kleiner als 30 hPa ist, oder TBA und TBP mit einem V/III-Verhältnis gleich 100 eingesetzt werden, während eine SCH-Schicht oder Sperrschicht unter einer Bedingung aufgewachsen wird, wenn eine die Wachstumsrate erhöhende Rate groß ist, zum Beispiel unter einer Bedingung, in der ein Wachstumsdruck gleich oder höher als 200 hPa ist, oder TBA und TBP mit einem V/III-Verhältnis gleich oder kleiner als 5 eingesetzt werden. Dies stellt eine Filmdickendifferenz sicher, die für Fleckgrößenwandlung bei einer beinahe konstanten Bandlücke über einen gesamten Resonator erforderlich ist.
  • Diese Struktur stellt einen optischen Verstärkungsfaktor zu einer Laseroszillationswellenlänge im gesamten Bereich eines Resonators sicher, was zu einer Beseitigung von Lichtverlust in einem SSC-Bereich ähnlich zu den konventionellen SSC-LDs führt. Außerdem ist es nicht mehr erforderlich, einen Bereich nur für Fleckgrößenwandlung auszubilden, was sicherstellt, dass eine Vorrichtungslänge auf eine Länge gleich der Länge eines konventionellen Halbleiterlasers verkürzt werden kann. Dementsprechend können ein niedrigerer Schwellenstrom und eine Betriebscharakteristik bei hoher Temperatur erreicht werden, und ein Ertrag pro Einheitsfläche oder pro Wafer kann bedeutend verbessert werden.
  • Die oben genannte Struktur und das oben genannte Verfahren zum Herstellen derselben kann auf einen optischen Halbleitermodulator mit SSC-Funktion (SSC-Modulator), einen optischen Halbleiterverstärker (SSC-Verstärker), und eine Pin-Photodiode vom Wellenleitertyp (SSC-Pin-PD) verwendet werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A und 1E sind perspektivische Ansichten einer Halbleiterlaserdiode gemäß dem ersten Stand der Technik, die einen jeweiligen Schritt eines Verfahrens zum Herstellen derselben zeigen;
  • 2A bis 2D sind perspektivische Ansichten einer Halbleiterlaserdiode gemäß dem zweiten Stand der Technik, die einen jeweiligen Schritt eines Verfahrens zum Herstellen derselben zeigen.
  • 3 ist ein Graph, der ein Verhältnis zwischen einem optischen Verstärkungskoeffizienten und Photonenergie zeigt.
  • 4 ist ein Graph, der ein Verhältnis zwischen einer Bandlückenwellenlänge und einer Dicke einer Wellschicht zeigt.
  • 5 ist eine perspektivische Ansicht, die MOVPE mit selektivem Wachstum zum Erklären des Prinzips der Erfindung zeigt.
  • 6 ist ein Graph, der ein Verhältnis zwischen einer normalisierten Wachstumsrate und einer Maskenbreite zeigt.
  • 7 ist ein Graph, der ein Verhältnis zwischen einer normalisierten Wachstumsrate und einer Maskenbreite zeigt.
  • 8A ist eine perspektivische Ansicht, die eine Halbleiterlaserdiode gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 8B ist ein Graph, der ein Verhältnis (a) einer Bandlückenwellenlänge, einer Dicke einer MQW-SCH-Schicht und (b) einer Wellenleiterposition in der ersten Ausführungsform zeigt.
  • 9A ist eine perspektivische Ansicht, die eine Halbleiterlaserdiode gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 9B ist ein Graph, der ein Verhältnis (a) einer Bandlückenwellenlänge, einer Dicke einer MQW-SCH-Schicht und (b) einer Wellenleiterposition in der zweiten Ausführungsform zeigt.
  • 10 ist eine perspektivische Ansicht, die eine optische Halbleitervorrichtung gemäß der dritten bis achten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • 11A und 11B sind perspektivische Ansichten einer optischen Halbleitervorrichtung gemäß der dritten und fünften bis neunten Ausführungsform der Erfindung, die jeweilige Schritte eines Verfahrens zum Herstellen derselben zeigen.
  • 11C bis 11E sind perspektivische Ansichten einer optischen Halbleitervorrichtung gemäß der dritten bis siebten und elften Ausführungsform der Erfindung, die jeweilige Schritte eines Verfahrens zum Herstellen derselben zeigen.
  • 12 ist ein Graph, der ein Verhältnis (a) einer Bandlückenwellenlänge, einer Dicke einer MQW-SCH-Schicht und (b) einer Wellenleiterposition in der dritten und neunten Ausführungsform zeigt.
  • 13A und 13B sind perspektivische Ansichten einer optischen Halbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung, die jeweilige Schritte eines Verfahrens zum Herstellen derselben zeigen.
  • 14 ist ein Graph, der ein Verhältnis (a) einer Bandlückenwellenlänge, einer Dicke einer MQW-SCH-Schicht und (b) einer Wellenleiterposition in der vierten Ausführungsform zeigt.
  • 15 ist ein Graph, der ein Verhältnis (a) einer Bandlückenwellenlänge, einer Dicke einer MQW-SCH-Schicht und (b) einer Wellenleiterposition in der fünften Ausführungsform zeigt.
  • 16 ist ein Graph, der ein Verhältnis (a) einer Bandlückenwellenlänge, einer Dicke einer MQW-SCH-Schicht und (b) einer Wellenleiterposition in der sechsten und siebten Ausführungsform zeigt.
  • 17 ist ein Graph, der ein Verhältnis (a) einer Bandlückenwellenlänge, einer Dicke einer MQW-SCH-Schicht und (b) einer Wellenleiterposition in der achten Ausführungsform zeigt.
  • 18 ist eine perspektivische Ansicht, die eine optische Halbleitervorrichtung gemäß der neunten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • 19A bis 19C sind perspektivische Ansichten einer optischen Halbleitervorrichtung gemäß der neunten und zehnten Ausführungsform der Erfindung, die jeweilige Schritte eines Verfahrens zum Herstellen derselben darstellen.
  • 20A und 20B sind perspektivische Ansichten einer optische Halbleitervorrichtung gemäß der zehnten und elften Ausführungsform der Erfindung, die jeweilige Schritte eines Verfahrens zum Herstellen derselben zeigen.
  • 21 ist ein perspektivische Ansicht, die eine optische Halbleitervorrichtung gemäß der zehnten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
  • 22 ist ein Graph, der ein Verhältnis (a) einer Bandlückenwellenlänge, einer Dicke einer MQW-SCH-Schicht und (b) einer Wellenleiterposition in der zehnten und elften Ausführungsform zeigen.
  • 23 ist eine perspektivische Ansicht, die eine optische Halbleitervorrichtung gemäß der elften Ausführungsform der Erfindung darstellt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • [Erste Ausführungsform]
  • 8A stellt eine optische Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform dar. Die dargestellte SSC-LD umfasst einen optischen Wellenleiter mit einer ersten getrennten Einschlussheterostruktur (SCH)-Schicht 21, eine Multi-Quantenwell (MQW)-Schicht 22 und eine zweite SCH-Schicht 23. Die MQW-Schicht 22 ist konfiguriert, um eine konstante Dicke über ihre gesamte Länge aufzuweisen, wohingegen die erste und zweite SCH-Schicht 21 und 23 konfiguriert sind, um eine Dicke aufzuweisen, die allmählich von einer ersten Endebene X2 zu einer zweiten Endebene X1 sinkt, an der Licht die SSC-LD verlässt. Somit wird der optische Wellenleiter in Richtung auf die zweite Endebene X1 dünner. Die SCH-Schichten 21 und 23 sind konfiguriert, um an der ersten Endebene X2 dicker als die MQW-Schicht 22 zu sein, jedoch an der zweiten Endebene X1 dünner als die MQW-Schicht 22 zu sein.
  • Eine Bandlückenwellenlänge ist beinahe konstant in einer gesamten Länge des Wellenleiters in der dargestellten SSC-LD mit der oben genannten Struktur, wodurch optische Verstärkung in der gesamten Länge des Wellenleiters sichergestellt wird. Zusätzlich kann eine Funktion von Fleckgrößenwandlung (SSC) in der gesamten Länge des Wellenleiters erhalten werden, und Strahlen mit einem schmaleren Divergenzwinkel werden durch die lichtemittierende Endebene X1 emittiert.
  • Unter der Annahme, dass die Gesamtdicke der ersten und zweiten SCH-Schicht 21 und 23 und der MQW-Schicht 22 mit d1 dargestellt ist, und eine Bandlückenwellenlänge an der lichtemittierenden Endebene X1 mit λg1 dargestellt ist und dass eine Gesamtdicke der Schichten 21, 22 und 23 mit d2 dargestellt ist und eine Bandlückenwellenlänge an der ersten Endebene X2 mit λg2 dargestellt ist, ist die Bandlückenwellenlänge beinahe konstant in der gesamten Länge des Wellenleiters, nämlich λg1 ≈ λg2. Im Gegensatz dazu wird die Gesamtdicke der Schichten 21, 22 und 23 von d1 zu d2 in Richtung auf die lichtemittierende Endebene X1 kleiner. Hierbei ist ein Dickenverhältnis von d1 zu d2 vorzugsweise gleich oder größer als 2. Das oben genannte Bandlückenwellenlängenprofil und das Dickenprofil sind auf eine SCC-Pin-PD anwendbar.
  • [Zweite Ausführungsform]
  • 9A illustriert eine optische Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform. In der vorliegende Ausführungsform ist eine optische Halbleitervorrichtung als ein SSC-Modulator oder ein SSC-Verstärker ausgeführt.
  • In einem optischen Modulator und einem optischen Verstärker dienen entgegengesetzte Endebenen X2 und X1 als ein Lichtpfad, durch den Licht in dieselben eingebracht wird und eine Vorrichtung verlässt. Dementsprechend ist es erforderlich, SSC-Strukturen an entgegengesetzten Endebenen X2 und X1 in einem optischen Modulator und einem optischen Verstärker zu bilden. Ein optischer Wellenleiter weist in der vorliegenden Ausführungsform eine erste SCH-Schicht 31, eine MQW-Schicht 32 und eine zweite SCH-Schicht 33 auf. Die MQW-Schicht ist konfiguriert, um eine beinahe konstante Dicke in der gesamten Länge des Wellenleiters aufzuweisen. Im Gegensatz dazu sind die erste und zweite SCH-Schicht 31 und 33 konfiguriert, um eine Dicke aufzuweisen, die in der Mitte der gesamten Länge des Wellenleiter maximal ist und allmählich in Richtung auf die Endebenen X2 und X1 sinkt. Der Wellenleiter hat eine Dicke, die konstant in einem Mittelteil (siehe 9B) in der Länge desselben ist und allmählich in Richtung auf die Endebenen X2 und X1. sinkt Genau ausgedrückt ist die Dicke des Wellenleiters in dem Mittelteil d3 und d1 und d2 an den Endebenen X1 und X2, wobei d1 und d2 kleiner als d3 sind. In dem dargestellten Wellenleiter kann die SSC-Funktion in Bereichen erhalten werden, wo die Dicke von d3 bis d1 oder d2 variiert.
  • Wie in 9B dargestellt ist, ist eine Bandlückenwellenlänge λg3 in dem Mittelteil beinahe gleich zu den Bandlückenwellenlängen λg1 und λg2 an den lichteinbringenden und lichtemittierenden Endebenen X1 und X2. Folglich kann eine optische Verstärkung in der gesamten Länge des Wellenleiters erhalten werden, und dementsprechend wird eine große Verstärkung erhalten, ohne eine Vorrichtung länger zu gestalten, wenn eine Vorrichtung als ein SSC-Verstärker ausgeführt ist. Wenn als eine Alternative eine Vorrichtung als ein Modulator vom Elektroabsorptionstyp ausgeführt ist, ist es möglich, Modulation in einer gesamten Länge derselben auszuführen, wobei ein größeres Extinktionsverhältnis sichergestellt wird, ohne die Vorrichtung länger zu gestalten.
  • [Dritte Ausführungsform]
  • Die 10 und 11A bis 11E stellen eine SSC-LD gemäß der dritten Ausführungsform dar. Die 11A bis 11E sind Querschnittansichten der SSC-LD, die einen jeweiligen Schritt eines Verfahrens zum Herstellen derselben darstellen. 10 ist eine perspektivische Ansicht der SSC-LD gemäß der dritten Ausführungsform.
  • Eine Siliziumdioxid (SiO2)-Schicht wird auf einem n-InP-Substrat 101 mit einer (100) Ebene als eine Grundebene ausgebildet. Die Siliziumdioxidschicht wird durch atmosphärische chemische Dampfabscheidung (CVD) in einer Dicke von 100 nm aufgebracht. Dann wird die Siliziumdioxidschicht gemustert, um dadurch ein Paar von Masken 102 in solcher Weise zu bilden, dass ein zwischen den Masken 102 auszubildender Spalt in [011]-Richtung ausgerichtet ist, wie in 11A dargestellt ist.
  • Der zwischen den Masken 102 ausgebildete Spalt hat eine Breite Wg von 1,5 μm, und jede der Masken 102 hat eine Breite Wm, die aufeinanderfolgend von 50 μm bis 5 μm variiert. Die dargestellte SSC-LD ist 300 μm lang. Ein optischer MQW-SCH-Wellenleiter mit einer ersten SCH-Schicht 103, einer MQW-Schicht 104 und einer zweiten SCH-Schicht 105 wird durch MOVPE mit selektivem Wachstum auf dem 1,5 μm Spalt ausgebildet, wie in 11B dargestellt ist. Eine Wachstumstemperatur beträgt 625°C. Einsetzte Quellenmaterialien sind Trimethylindium [In(CH3)3], Triethylgallium [Ga(C2H5)3](TEG), Diethylzink [Zn(C2H5)2] (DEZ), Arsin (AsH3), Phosphin (PH3) und Disilan (Si2H6).
  • Der optische Wellenleiter wird aus den folgenden Schichten gebildet:
    • (a) einer n-In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Trägerkonzentration von 1 × 1018 cm–3 und einer Dicke von 70 nm;
    • (b) einer undotierten n-In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Dicke von 30 nm;
    • (c) einer aktiven Multi-Quantenwellschicht, die aus fünf Zyklen einer undotierten In0,806Ga0,194As0,632P0,368-Wellschicht mit einer Dicke von 5 nm und einer In0,810Ga0,190As0,405P0,595-Sperrschicht mit einer Dicke von 8 nm besteht; und
    • (d) einer undotierten In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Dicke von 100 nm.
  • Die Dicke der oben genannten Schichten ist eine Dicke, die an der 50 μm aufweisenden Maskenbreite Wm gemessen wird.
  • Bei dem selektiven Wachstum der oben genannten MQW-SCH-Struktur werden die In0,806Ga0,194As0,632P0,368-Wellschicht und die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-Sperrschicht unter einem Wachstumsdruck von 30 hPa aufgewachsen, und die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht wurde unter einem Wachstumsdruck von 250 hPa aufgewachsen.
  • 12 ist ein Graph, der Photolumineszenz-(PL) Spitzenwellenlänge gemessen in der Längsrichtung der in 10 gezeigten 300 μm langen SSC-LD, und eine Dicke der MQW-SCH-Schicht zeigt, die mittels eines Rasterelektronenmikroskops (REM) gemessen wurde. Die PL-Spitzenwellenlänge und die Dicke betragen an der 50 μm aufweisenden Maskenbreite Wm 1,3 μm bzw. 0,27 μm, wohingegen die PL-Spitzenwellenlänge und die Dicke der Maskenbreite an der 5 μm aufweisenden Maskenbreite Wm 1,29 μm bzw. 0,11 μm betragen.
  • Dann werden die SiO2-Masken 102 entfernt, gefolgt durch die Ausbildung einer Maske 106 auf der streifenförmigen MQW-SCH-Struktur mit der ersten SCH-Schicht 103, der MQW-Schicht 104 und der zweiten SCH-Schicht 105, wie in 11C dargestellt ist. Die Maske 106 besteht aus Siliziumdioxid (SiO2).
  • Dann wird, wie in 11D dargestellt ist, die MQW-SCH-Struktur auf entgegengesetzten Seiten derselben mit den folgenden Schichten durch MOVPE mit selektivem Wachstum bedeckt:
    • (a) einer p-InP-Schicht 107 mit einer Trägerkonzentration von 5 × 1017 cm–3 und einer Dicke von 0,5 μm;
    • (b) einer n-InP-Schicht 108 mit einer Trägerkonzentration von 7 × 1017 cm–3 und einer Dicke von 0,75 μm; und
    • (c) einer p-InP-Schicht 109 mit einer Trägerkonzentration von 1 × 1018 cm–3 und einer Dicke von 0,1 μm.
  • Die InP-Schicht 109 wird ausgebildet, um Ausbildung eines pn-Übergangs an der Wiederaufwachsgrenzfläche zu verhindern, und sie ist nicht unverzichtbar für die vorliegende Erfindung.
  • Anschließend wird die auf der MQW-SCH-Struktur ausgebildete SiO2-Maske 106 entfernt, und danach werden eine p-InP-Mantelschicht 110 mit einer Trägerkonzentration von 1 × 1018 cm–3 und einer Dicke von 3.0 μm und eine p+-In0,53Ga0,47As-Deckschicht 111 mit einer Trägerkonzentration von 6 × 1018 cm–3 und einer Dicke von 0,3 μm über dem Produkt ausgebildet, wie in 11E dargestellt ist.
  • Flussraten von Quellengasen, die für MOVPE mit selektivem Wachstum von InP, InGaAsP und InGaAs verwendet werden, sind wie folgt.
    • (a) p-InP: TMI = 375 cm3/min, PH3 = 125 cm3/min, DEZ = 6,00 cm3/min.
    • (b) n-In0,810Ga0,190As0,405P0,595: TMI = 142 cm3/min, TEG = 22,7 cm3/min, AsH3 = 7,20 cm3/min, PH3 = 125 cm3/min, Si2H6 = 7,50 cm3/min.
    • (c) In0,810Ga0,190As0,405P0,595: TMI = 142 cm3/min, TEG = 22,7 cm3/min, AsH3 = 7,20 cm3/min, PH3 = 125 cm3/min
    • (d) In0,806Ga0,194As0,632P0,368: TMI = 142 cm3/min, TEG 23,2 cm3/min, AsH3 = 26,8 cm3/min, PH3 = 83,8 cm3/min.
    • (e) In0,53Ga0,47As: TMI = 65 cm3/min, TEG = 54 cm3/min, AsH3 = 112,0 cm3/min.
  • Nach dem MOVPE-Wachstum abgeschlossen war, wurde ein Siliziumdioxidfilm 112 über der p+-In0,53Ga0,47As-Deckschicht 111 in solcher Weise ausgebildet, dass der Siliziumdioxidfilm 112 eine Öffnung über der aktiven Schicht aufweist. Dann wird eine p-Seitenelektrode 113 über dem Siliziumdioxidfilm 112 ausgebildet, und eine n-Seitenelektrode 114 wird auf einer unteren Oberfläche des n-InP-Substrats 101 ausgebildet. Anschließend wird das Produkt in ein Stück mit einer Vorrichtungslänge von 300 μm geschnitten. Die somit gebildete Halbleiterlaserdiode gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 10 dargestellt.
  • Eine 30%-reflektierende Beschichtung und eine 90%-reflektierende Beschichtung wurde auf die vordere bzw. hintere Endebene der somit gebildeten Halbleiterlaserdiode aufgebracht, und anschließend wurden Messungen durchgeführt. Hierbei ist die vordere Endebene die Endebene an der 5 μm aufweisenden Maskenbreite Wm bei selektivem Wachstum, und die hintere Endebene ist die Endebene an der 50 μm aufweisenden Maskenbreite Wm bei selektivem Wachstum. Die Ergebnisse waren wie folgt.
  • Figure 00230001
  • Das Fernfeldmuster (FFP) wurde auch gemessen. Ein Divergenzwinkel an der hinteren Endebene betrug 27° × 30 °, während ein Divergenzwinkel an der vorderen Endebene 11° × 12° betrug. Anschließend wurde eine Kopplungscharakteristik bei einer ein flaches Ende aufweisenden Einmodenfaser (1,3 μm null Streuung) bewertet, auf deren eine Endfläche eine Entspiegelungsbeschichtung aufgebracht wurde. Als sich die Halbleiterlaserdiode in einem Abstand von 10 μm zu der Faser befand, wurde eine maximale Kopplungseffizienz von –2,2 dB erhalten.
  • Ein theoretischer Ertrag in der Anzahl von Vorrichtungen, die aus einem 2 Zoll Wafer zu erhalten sind, der einen Waferprozess durchlaufen hat, beläuft sich auf 32.724, in welchem Fall eine Chipgröße 300 μm × 200 μm angenommen wird. In dem Versuch zeigten 27.815 Vorrichtungen bei 25°C, das ein Schwellenstrom gleich oder kleiner als 8 mA war, ein Neigungswirkungsgrad gleich oder größer als 50 W/A war, und ein Divergenzwinkel gleich oder kleiner als 13° × 14° war. Durchschnittwerte (± Standardabweichung) unter den 27.815 Vorrichtungen zeigen extrem hohe Einheitlichkeit, wie folgt.
  • Einen Schwellenstrom: 6,45 mA ± 0,22 mA.
  • Einen Neigungswirkungsgrad: 0,535 W/A ± 0,002 W/A.
  • Einen Divergenzwinkel an der vorderen Endebene: (11,4° ± 0,86°) × (12,6° ± 0,92°).
  • [Vierte Ausführungsform]
  • Die 10, 11C bis 11E, 13A, 13B und 14 stellen eine SSC-LD gemäß der vierten Ausführungsform dar. Die 13A, 13B und 11C bis 11E sind Querschnittansichten der SSC-LD, die einen jeweiligen Schritt eines Verfahrens zum Herstellen derselben darstellen. 10 ist eine perspektivische Ansicht der SSC-LD gemäß der vierten Ausführungsform.
  • Eine Siliziumdioxid-(SiO2)-Schicht wird auf einem n-InP-Substrat 101 mit einer (100)-Ebene als eine Grundebene ausgebildet. Die Siliziumdioxidschicht wird durch atmosphärische chemische Dampfabscheidung (CVD) in einer Dicke von 100 nm aufgebracht. Dann wird die Siliziumdioxidschicht gemustert, um dadurch ein Paar von Masken 202 derart auszubilden, dass ein zwischen den Masken 202 auszubildender Spalt in [011]-Richtung ausgerichtet wird, wie in 13A dargestellt ist.
  • Der zwischen den Masken 202 ausgebildete Spalt hat eine Breite Wg von 1,5 μm. Jede der Masken 202 besteht aus einem ersten Endbereich mit einer Breite Wm von 50 μm und einer Länge von 150 μm, einem zweiten Endbereich mit einer Breite Wm von 5 μm und einer Länge von 50 μm, sowie einem konischen Bereich, der den ersten und zweiten Endbereich miteinander verbindet, mit einer Breite, die von 50 μm bis 5 μm variiert, und einer Länge von 100 μm. Die dargestellte SSC-LD ist 300 μm lang. Ein optischer MQW-SCH-Wellenleiter mit einer ersten SCH-Schicht 103, einer MQW-Schicht 104 und einer zweiten SCH-Schicht 105 wird durch MOVPE mit selektivem Wachstum auf dem 1,5 μm Spalt ausgebildet, wie in 13B dargestellt ist. Die Wachstumsbedingungen und die Struktur des MQW-SCH-Wellenleiters sind die gleichen wie diejenigen der dritten Ausführungsform.
  • 14 ist ein Graph, der Photolumineszenz-(PL)-Spitzenwellenlänge gemessen in der Längsrichtung der in 10 dargestellten, 300 μm langen SSC-LD, und eine Dicke der MQW-SCH-Schicht zeigt, die mittels Rasterelektronenmikroskop (REM) gemessen wird. Die PL-Spitzenwellenlänge und die Dicke an der 50 μm darstellenden Maskenbreite Wm sind 1,30 μm bzw. 0,27 μm, während die PL-Spitzenwellenlänge und die Dicke and der 5 μm darstellenden Maskenbreite Wm 1,29 μm bzw. 0,11 μm betragen.
  • Wie in den 11C bis 11E dargestellt ist, werden danach eine Stromblockierstruktur, eine Mantelschicht und eine Deckschicht durch MOVPE mit selektivem Wachstum ausgebildet, gefolgt durch die Ausbildung von Elektroden in ähnlicher Weise wie bei der dritten Ausführungsform. Somit wird die wie in 10 dargestellte Halbleiterlaserdiode erhalten.
  • Dann wurde das Produkt in ein Stück mit einer Vorrichtungslänge von 300 μm geschnitten. Eine 30%-reflektierende und eine 90%-reflektierende Beschichtung wurden auf die vordere bzw. hintere Endebene der somit ausgebildeten Halbleiterlaserdiode ausbracht, und anschließend wurden Messungen durchgeführt. Hierbei ist die vordere Endebene die Endebene an der 5 μm aufweisenden Maskenbreite Wm bei selektivem Wachstum, und die hintere Ebene ist die Endebene an der 50 μm aufweisenden Maskenbreite Wm bei selektivem Wachstum. Die Ergebnisse sind wie folgt:
  • Figure 00250001
  • Das Fernfeldmuster (FFP) wurde auch gemessen. Ein Divergenzwinkel an der hinteren Endebene betrug 27° × 30°, während ein Divergenzwinkel an der vordere Endebene 11° × 12° betrugt. Anschließend wurde eine Kopplungscharakteristik bei einer Einmodenfaser mit flachem Ende (1,3 μm null Streuung) bewertet, auf deren eine Endebene eine Entspiegelungsbeschichtung aufgetragen wurde. Als die Halbleiterlaserdiode sich in einem Abstand von 10 μm zu der Faser befand, wurde die maximale Kopplungseffizienz von –2,1 dB erhalten.
  • Ein theoretischer Ertrag bei der Anzahl von Vorrichtungen, die aus einem 2-Zoll Wafer zu erhalten sind, der einen Waferprozess durchlaufen hat, beläuft sich auf 32.724, in welchem Fall eine Chipgröße von 300 μm × 200 μm angenommen wird. In dem Versuch zeigten 28.110 Vorrichtungen bei 25°C, dass ein Schwellenstrom gleich der kleiner als 8 mA war, ein Neigungswirkungsgrad gleich oder größer als 0,50 W/A war und ein Divergenzwinkel gleich oder kleiner als 13° × 14° war. Durchschnittwerte (± Standardabweichung) unter den 28.110 Vorrichtungen zeigen extrem hohe Einheitlichkeit, wie folgt.
  • Einen Schwellenstrom: 6,21 mA ± 0,21 mA.
  • Einen Neigungswirkungsgrad: 0,540 W/A ± 0,002 W/A
  • Einen Divergenzwinkel an der vorderen Endebene: (11,1° ± 0,84°) × (12,1° ± 0,88°).
  • [Fünfte Ausführungsform]
  • Die 10, 11A bis 11E und 15 stellen eine SSC-LD gemäß der fünften Ausführungsform dar. Die 11A bis 11E sind Querschnittansichten der SSC-LD, die jeweilige Schritte eines Verfahrens zum Herstellen derselben darstellen. 10 ist eine perspektivische Ansicht der SSC-LD gemäß der fünften Ausführungsform.
  • Eine Siliziumdioxid (SiO2)-Schicht wird auf einem n-InP-Substrat 101 mit einer (100)-Ebene als eine Grundebene ausgebildet. Die Siliziumdioxidschicht wird durch atmosphärische CVD in einer Dicke von 100 nm aufgebracht. Dann wird die Siliziumdioxid schicht gemustert, um dadurch ein Paar von Masken 102 in solcher Weise zu bilden, dass ein zwischen den Masken 102 ausgebildeter Spalt in [011]-Richtung ausgerichtet ist, wie in 11A dargestellt ist.
  • Der zwischen den Masken 102 ausgebildete Spalt hat eine Breite Wg von 1,5 μm, und jede der Masken 102 hat eine Breite Wm, die aufeinanderfolgend von 50 μm bis 5 μm variiert. Die dargestellte SSC-LD ist 300 μm lang. Ein optischer MQW-SCH-Wellenleiter mit einer ersten SCH-Schicht 103, einer MQW-Schicht 104 und einer zweiten SCH-Schicht 105 wird durch MOVPE mit selektivem Wachstum auf dem 1,5 μm Spalt ausgebildet, wie in 11B dargestellt ist. Eine Wachstumstemperatur beträgt 625°C. Einsetzte Quellenmaterialien sind Trimethylindium [In(CH3)3], Triethylgallium [Ga(C2H5) 3], Diethylzink [Zn(C2H5)2], Tertiärbutylarsin [(CH3)3CHsH2](TBA), Tertiärbutylphosphin (CH3)3CPH2)(TBP) und Disilan (Si2H6).
  • Der optische Wellenleiter wird aus den folgenden Schichten gebildet:
    • (a) einer n-In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Trägerkonzentration von 1 × 1018 cm–3 und einer Dicke von 70 nm;
    • (b) einer undotierten n-In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Dicke von 30 nm;
    • (c) einer aktiven Multi-Quantenwellschicht, die aus fünf Zyklen einer undotierten In0,806Ga0,194As0,632P0,368-Wellschicht mit einer Dicke von 5 nm und einer In0,810Ga0,190As0,405P0,595-Sperrschicht mit einer Dicke von 8 nm besteht; und
    • (d) einer undotierten In0,810G0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Dicke von 100 nm.
  • Die Dicke der oben genannten Schichten ist eine Dicke, die an der 50 μm aufweisenden Maskenbreite gemessen wird.
  • Bei dem selektiven Wachstum der oben genannten MQW-SCH-Struktur wurden die In0,806Ga0,194As0,632P0,368-Wellschicht und die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-Sperrschicht unter Einsatz von TBA und TBP mit einem V/III-Verhältnis von 90 aufgewachsen, und die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht wurde unter Einsatz von TBA und TBP mit einem V/III-Verhältnis von 4 aufgewachsen.
  • 15 ist ein Graph, der Photolumineszenz-(PL) Spitzenwellenlänge gemessen in der Längsrichtung der in 10 gezeigten 300 μm langen SSC-LD, und eine Dicke der MQW-SCH-Schicht zeigt, die mittels eines Rasterelektronenmikroskops (REM) gemessen wurde. Die PL-Spitzenwellenlänge und die Dicke betragen an der 50 μm aufweisenden Maskenbreite Wm 1,300 μm bzw. 0,27 μm, wohingegen die PL-Spitzenwellenlänge und die Dicke an der 5 μm aufweisenden Maskenbreite Wm 1,285 μm bzw. 0,12 μm betragen.
  • Danach werden, wie in den 11C bis 11E dargestellt ist, eine Stromblockierschicht, eine Mantelschicht, und eine Deckschicht durch MOVPE mit selektivem Wachstum ausgebildet, gefolgt durch die Ausbildung von Elektroden, in ähnlicher Weise wie bei der dritten Ausführungsform. Somit wird die Halbleiterlaserdiode erhalten, wie sie in 10 dargestellt ist.
  • Flussraten von Quellengasen, die für MOVPE mit selektivem Wachstum der Wellschicht, Sperrschicht und SCH-Schicht verwendet werden, sind wie folgt.
    • (a) die In0,806Ga0,194As0,632P0,368-Wellschicht: TMI = 44 cm3/min, TEG = 16 cm3/min, TBA = 26 cm3/min, TBP = 125 cm3/min, V/III = 90
    • (b) die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-Sperrschicht: TMI = 142 cm3/min, TEG = 22,7 cm3/min, TBA = 17,4 cm3/min, TBP = 375 cm3/min, V/III = 90
    • (c) In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht: TMI = 284 cm3/min, TEG = 45,4 cm3/min, TBA = 1,5 cm3/min, TBP = 33,3 cm3/min, V/III = 4
  • Die somit gebildete Halbleiterlaserdiode gemäß der vorliegenden Ausführungsform wurde in ein Stück mit einer Vorrichtungslänge von 300 μm geschnitten. Eine 30%-reflektierende Beschichtung und eine 90%-reflektierende Beschichtung wurden auf die vordere bzw. hintere Endfläche der somit ausgebildeten Halbleiterlaserdiode aufgebracht, und dann wurde eine Messung durchgeführt. Die Ergebnisse waren wie folgt.
  • Figure 00290001
  • Das Fernfeldmuster (FFP) wurde auch gemessen. Ein Divergenzwinkel an der hinteren Endebene betrug 27° × 30°, während ein Divergenzwinkel an der vorderen Endebene 11,5° × 12,5° betrug. Anschließend wurde eine Kopplungscharakteristik bei einer Einmodenfaser mit flachem Ende (1,3 μm null Streuung) bewertet, auf deren eine Endebene eine Entspiegelungsbeschichtung aufgetragen wurde. Als die Halbleiterlaserdiode sich in einem Abstand von 10 μm zu der Faser befand, wurde die maximale Kopplungseffizienz von –2,4 dB erhalten.
  • Ein theoretischer Ertrag in der Anzahl von Vorrichtungen, die aus einem 2-Zoll Wafer zu erhalten sind, der einen Waferprozess durchlaufen hat, beläuft sich auf 32.724, in welchem Fall eine Chipgröße 300 μm × 200 μm angenommen wird. In dem Versuch zeigten 27.620 Vorrichtungen bei 25°C, dass ein Schwellenstrom gleich oder kleiner als 8 mA war, ein Neigungswirkungsgrad gleich oder größer als 0,50 W/A war und ein Divergenzwinkel gleich oder kleiner als 13° × 14° war. Durchschnittwerte (± Standardabweichung) unter den 27.620 Vorrichtungen zeigen extrem hohe Einheitlichkeit, wie folgt.
  • Einen Schwellenstrom: 6,55 mA ± 0,21 mA.
  • Einen Neigungswirkungsgrad: 0,530 W/A ± 0,002 W/A.
  • Einen Divergenzwinkel an der vorderen Endebene: (11,9° ± 0,88°) × (12,9° ± 0,90°).
  • [Sechste Ausführungsform]
  • Die 10, 11A bis 11E und 16 stellen eine SSC-LD gemäß der sechsten Ausführungsform dar. Die 11A bis 11E sind Querschnittansichten der SSC-LD, die einen jeweiligen Schritt eines Verfahrens zur Herstellung derselben darstellen. 10 ist eine perspektivische Ansicht der SSC-LD gemäß der sechsten Ausführungsform.
  • Eine Siliziumdioxid (SiO2)-Schicht wird auf einem n-InP-Substrat 101 mit einer (100)-Ebene als eine Grundebene ausgebildet. Die Siliziumdioxidschicht wird durch atmosphärische CVD in einer Dicke von 100 nm aufgebracht. Dann wird die Siliziumdioxidschicht gemustert, um dadurch ein Paar von Masken 102 in solcher Weise zu bilden, dass ein zwischen den Masken 102 auszubildender Spalt in [011]-Richtung ausgerichtet ist, wie in 11A dargestellt ist.
  • Der zwischen den Masken 102 ausgebildete Spalt hat eine Breite Wg von 1,5 μm, und jede der Masken 102 hat eine Breite Wm, die aufeinanderfolgend von 50 μm bis 5 μm variiert. Die dargestellte SSC-LD ist 300 μm lang. Ein optischer MQW-SCH-Wellenleiter mit einer ersten SCH-Schicht 103, einer MQW-Schicht 104 und einer zweiten SCH-Schicht 105 wird durch MOVPE mit selektivem Wachstum auf dem 1,5 μm Spalt ausgebildet, wie in 11B dargestellt ist. Eine Wachstumstemperatur beträgt 625°C. Einsetzte Quellenmaterialien sind Trimethylindium, Triethylgallium, Diethylzink, Tertiärbutylarsin, Tertiärbutylphosphin und Disilan.
  • Der optische Wellenleiter wird aus den folgenden Schichten gebildet:
    • (a) n-In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Trägerkonzentration von 1 × 1018 cm–3 und einer Dicke von 70 nm;
    • (b) einer undotierten In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Dicke von 30 nm;
    • (c) einer aktiven Multi-Quantenwellschicht, die aus fünf Zyklen einer undotierten In0,806Ga0,194As0,632P0,368-Wellschicht mit einer Dicke von 5 nm und einer In0,810Ga0,190As0,405P0,595-Sperrschicht mit einer Dicke von 12 nm besteht; und
    • (d) einer undotierten In0,810G0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Dicke von 100 nm.
  • Die Dicke der oben genannten Schichten ist eine Dicke, die an der 50 μm aufweisenden Maskenbreite Wm gemessen wird.
  • Bei dem selektiven Wachstum der oben genannten MQW-SCH-Struktur wurde die In0,806Ga0,194As0,632P0,368-Wellschicht unter Einsatz von TBA und TBP mit einem V/III-Verhältnis von 90 aufgewachsen, und die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-Sperrschicht und die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht wurden unter Einsatz von TBA und TBP mit einem V/III-Verhältnis von 4 aufgewachsen.
  • 16 ist ein Graph, der Photolumineszenz-(PL)-Spitzenwellenlänge gemessen in der Längsrichtung der in 10 gezeigten 300 μm langen SSC-LD, und eine Dicke der MQW-SCH-Schicht zeigt, die mittels eines Rasterelektronenmikroskops (REM) gemessen wurde. Die PL-Spitzenwellenlänge und die Dicke betragen bei der Maskenbreite Wm von 50 μm 1,300 μm bzw. 0,273 μm, wohingegen die PL-Spitzenwellenlänge und die Dicke an der 5 μm aufweisenden Maskenbreite 1,290 μm bzw. 0,108 μm betragen.
  • Danach werden, wie in den 11C bis 11E dargestellt ist, eine Stromblockierschicht, eine Mantelschicht, und eine Deckschicht durch MOVPE mit selektivem Wachstum ausgebildet, gefolgt durch die Ausbildung von Elektroden in ähnlicher Weise wie bei der dritten Ausführungsform. Somit wird die Halbleiterlaserdiode erhalten, wie sie in 10 dargestellt ist.
  • Flussraten von Quellengasen, die für MOVPE mit selektivem Wachstum der Wellschicht, Sperrschicht und SCH-Schicht verwendet werden, sind wie folgt.
    • (a) die In0,806Ga0,194As0,632P0,368-Wellschicht: TMI = 44 cm3/min, TEG = 16 cm3/min, TBA = 26 cm3/min, TBP = 125 cm3/min, V/III = 90
    • (b) die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-Sperrschicht: TMI = 284 cm3/min, TEG = 45,4 cm3/min, TBA = 1,5 cm3/min, TBP = 33,3 cm3/min, V/III = 4
    • (c) die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht: TMI = 284 cm3/min, TEG = 45,4 cm3/min, TBA = 1,5 cm3/min, TBP = 33,3 cm3/min, V/III = 4
  • Die somit gebildete Halbleiterlaserdiode gemäß der vorliegende Ausführungsform wurde in ein Stück mit einer Vorrichtungslänge von 300 μm geschnitten. Eine 30%-reflektierende Beschichtung und eine 90%-reflektierende Beschichtung wurden auf die vordere bzw. hintere Endfläche der somit ausgebildeten Halbleiterlaserdiode aufgebracht, und dann wurde die Messung durchgeführt. Die Ergebnisse waren wie folgt.
  • Figure 00320001
  • Das Fernfeldmuster (FFP) wurde auch gemessen. Ein Divergenzwinkel an der hinteren Endebene betrug 28° × 31°, während ein Divergenzwinkel an der vorderen Endebene 9,5° × 10,8° betrugt. Anschließend wurde eine Kopplungscharakteristik bei einer Einmodenfaser mit flachem Ende (1,3 μm null Streuung) bewertet, auf deren eine Endebene eine Entspiegelungsbeschichtung aufgetragen wurde. Als die Halbleiterlaserdiode sich in einem Abstand von 10 μm zu der Faser befand, wurde die maximale Kopplungseffizienz von –1,9 dB erhalten.
  • Ein theoretischer Ertrag bei der Anzahl von Vorrichtungen, die aus einem 2-Zoll Wafer zu erhalten sind, der einen Waferprozess durchlaufen hat, beläuft sich auf 32.724, in welchem Fall eine Chipgröße 300 μm × 200 μm angenommen wird. In dem Versuch zeigten 27.440 Vorrichtungen bei 25°C, dass ein Schwellenstrom gleich oder kleiner als 8 mA war, ein Neigungswirkungsgrad gleich oder größer als 0,50 W/A war, und ein Divergenzwinkel gleich oder kleiner als 11° × 12° war. Durchschnittwerte (± Standardabweichung) unter den 27.440 Vorrichtungen zeigen extrem hohe Einheitlichkeit, wie folgt.
  • Einen Schwellenstrom: 6,57 mA ± 0,21 mA.
  • Einen Neigungswirkungsgrad: 0,535 W/A ± 0,002 W/A
  • Einen Divergenzwinkel an der vorderen Endebene: (9,9° ± 0,78°) × (10,9° ± 0,70°).
  • [Siebte Ausführungsform]
  • Die 10, 11A bis 11E und 16 stellen auch eine SSC-LD gemäß der siebten Ausführungsform dar. Die 11A bis 11E sind Querschnittansichten der SSC-LD, die einen jeweiligen Schritt eines Verfahrens zur Herstellung derselben darstellen. 10 ist eine perspektivische Ansicht der SSC-LD gemäß der siebten Ausführungsform.
  • Eine Siliziumdioxid (SiO2)-Schicht wird auf einem n-InP-Substrat 101 mit einer (100)-Ebene als eine Grundebene ausgebildet. Die Siliziumdioxidschicht wird durch atmosphärische CVD in einer Dicke von 100 nm aufgebracht. Dann wird die Siliziumdioxidschicht gemustert, um dadurch ein Paar von Masken 102 in solcher Weise zu bilden, dass ein zwischen den Masken 102 auszubildender Spalt-in[011]-Richtung ausgerichtet ist, wie in 11A dargestellt ist.
  • Der zwischen den Masken 102 ausgebildete Spalt hat eine Breite Wg von 1,5 μm, und jede der Masken 102 hat eine Breite Wm, die aufeinanderfolgend von 50 μm bis 5 μm variiert. Die dargestellte SSC-LD ist 300 μm lang. Ein optischer MQW-SCH-Wellenleiter mit einer ersten SCH-Schicht 103, einer MQW-Schicht 104 und einer zweiten SCH-Schicht 105 wird durch MOVPE mit selektivem Wachstum auf dem 1,5 μm Spalt ausgebildet, wie in 11B dargestellt ist. Eine Wachstumstemperatur beträgt 625°C. Einsetzte Quellenmaterialien sind Trimethylindium, Triethylgallium, Diethylzink, Arsin, Phosphin, TBA, TBP und Disilan.
  • Der optische Wellenleiter wird aus den folgenden Schichten gebildet:
    • (a) n-In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Trägerkonzentration von 1 × 1018 cm–3 und einer Dicke von 70 nm;
    • (b) einer undotierten n-In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Dicke von 30 nm;
    • (c) einer aktiven Multi-Quantenwellschicht, die aus fünf Zyklen einer undotierten In0,806Ga0,194As0,632P0,368-Wellschicht mit einer Dicke von 5 nm und einer In0,810Ga0,190As0,405P0,595-Sperrschicht mit einer Dicke von 12 nm besteht; und
    • (d) einer undotierten In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Dicke von 100 nm.
  • Die Dicke der oben genannten Schichten ist eine Dicke, die an der 50 μm aufweisenden Maskenbreite Wm gemessen wird.
  • Bei dem selektiven Wachstum der oben genannten MQW-SCH-Struktur wurde die In0,806Ga0,194As0,632P0,368-Wellschicht unter Einsatz von TBA und TBP mit einem V/III-Verhältnis von 90 aufgewachsen, und die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-Sperrschicht und die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht wurden unter Einsatz von ASH3 und PH3 aufgewachsen.
  • 16 ist ein Graph, der Photolumineszenz-(PL)-Spitzenwellenlänge gemessen in der Längsrichtung der in 10 gezeigten 300 μm langen SSC-LD zeigt, und eine Dicke der MQW-SCH-Schicht, die mittels eines Rasterelektronenmikroskops (REM) gemessen wurde. Die PL-Spitzenwellenlänge und die Dicke betragen an der 50 μm aufweisenden Maskenbreite Wm 1,300 μm bzw. 0,273 μm, wohingegen die PL-Spitzenwellenlänge und die Dicke an der 5 μm aufweisenden Maskenbreite 1,290 μm bzw. 0,108 μm betragen.
  • Danach werden, wie in den 11C bis 11E dargestellt ist, eine Stromblockierschicht, eine Mantelschicht, und eine Deckschicht durch MOVPE mit selektivem Wachstum ausgebildet, gefolgt durch die Ausbildung von Elektroden in ähnlicher Weise wie bei der dritten Ausführungsform. Somit wird die Halbleiterlaserdiode erhalten, wie sie in 10 dargestellt ist.
  • Flussraten von Quellengasen, die für MOVPE mit selektivem Wachstum der Wellschicht, Sperrschicht und SCH-Schicht verwendet werden, sind wie folgt.
    • (a) die In0,806Ga0,194As0,632P0,368-Wellschicht: TMI = 44 cm3/min, TEG = 16 cm3/min, TBA = 26 cm3/min, TBP = 125 cm3/min.
    • (b) die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-Sperrschicht: TMI = 284 cm3/min, TEG = 45,4 cm3/min, AsH3 = 7,20 cm3/min, PH3 = 125 cm3/min.
    • (c) In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht: TMI = 284 cm3/min, TEG = 45,4 cm3/min, AsH3 = 7,20 cm3/min, PH3 = 125 cm3/min.
  • Die somit gebildete Halbleiterlaserdiode gemäß der vorliegenden Ausführungsform wurde in ein Stück mit einer Vorrichtungslänge von 300 μm geschnitten. Eine 30%-reflektierende Beschichtung und eine 90%-reflektierende Beschichtung wurden auf die vordere bzw. hintere Endebene der somit ausgebildeten Halbleiterlaserdiode aufgebracht, und dann wurden Messungen durchgeführt. Die Ergebnisse waren wie folgt.
  • Figure 00360001
  • Das Fernfeldmuster (FFP) wurde auch gemessen. Ein Divergenzwinkel an der hinteren Endebene betrug 28° × 31°, während ein Divergenzwinkel an der vorderen Endebene 9,5° × 10,8° betrugt. Anschließend wurde eine Kopplungscharakteristik bei einer Einmodenfaser mit flachem Ende (1,3 μm null Streuung) bewertet, auf deren eine Endebene eine Entspiegelungsbeschichtung aufgetragen wurde. Als die Halbleiterlaserdiode sich in einem Abstand von 10 μm zu der Faser befand, wurde die maximale Kopplungseffizienz von –1,9 dB erhalten.
  • Ein theoretischer Ertrag bei der Anzahl von Vorrichtungen, die aus einem 2-Zoll Wafer zu erhalten sind, der einen Waferprozess durchlaufen hat, beläuft sich auf 32.724, in welchem Fall eine Chipgröße 300 μm × 200 μm angenommen wird. In dem Versuch zeigten 27.440 Vorrichtungen bei 25°C, dass ein Schwellenstrom gleich oder kleiner als 8 mA war, ein Neigungswirkungsgrad gleich oder größer als 0,50 W/A war und ein Divergenzwinkel gleich oder kleiner als 11° × 12° war. Durchschnittwerte (± Standardabweichung) unter den 27.440 Vorrichtungen zeigen extrem hohe Einheitlichkeit, wie folgt.
  • Einen Schwellenstrom: 6,57 mA ± 0,21 mA.
  • Einen Neigungswirkungsgrad: 0,535 W/A ± 0,002 W/A
  • Einen Divergenzwinkel an der vorderen Endebene: (9,9° ± 0,78°) × (10,9° ± 0,70°).
  • [Achte Ausführungsform]
  • Die 10, 11A bis 11E und 17 stellen auch eine SSC-LD gemäß der achten Ausführungsform dar. Die 11A bis 11E sind Querschnittansichten der SSC-LD, die einen jeweiligen Schritt eines Verfahren zur Herstellung derselben darstellen. 10 ist eine perspektivische Ansicht der SSC-LD gemäß der achten Ausführungsform.
  • Eine Siliziumdioxid (SiO2)-Schicht wird auf einem n-InP-Substrat 101 mit einer (100)-Ebene als eine Grundebene ausgebildet. Die Siliziumdioxidschicht wird durch atmosphärische CVD in einer Dicke von 100 nm aufgebracht. Dann wird die Siliziumdioxidschicht gemustert, um dadurch ein Paar von Masken 102 in solcher Weise zu bilden, dass ein zwischen den Masken 102 auszubildender Spalt in [011]-Richtung ausgerichtet ist, wie in 11A dargestellt ist.
  • Der zwischen den Masken 102 ausgebildete Spalt hat eine Breite Wg von 1,5 μm, und jede der Masken 102 hat eine Breite Wm, die aufeinanderfolgend von 50 μm bis 5 μm variiert. Die SSC-LD ist 300 μm lang. Ein optischer MQW-SCH-Wellenleiter mit einer ersten SCH-Schicht 103, einer MQW-Schicht 104 und einer zweiten SCH-Schicht 105 wird durch MOVPE mit selektivem Wachstum auf dem 1,5 μm Spalt ausgebildet, wie in 11B dargestellt ist. Eine Wachstumstemperatur beträgt 625°C. Einsetzte Quellenmaterialien sind Trimethylindium, Triethylgallium, Diethylzink, Arsin, Phosphin, TBA, TBP und Disilan.
  • Der optische Wellenleiter wird aus den folgenden Schichten gebildet:
    • (a) einer n-In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Trägerkonzentration von 1 × 1018 cm–3 und einer Dicke von 70 nm;
    • (b) einer undotierten n-In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Dicke von 30 nm;
    • (c) einer aktiven Multi-Quantenwellschicht, die aus fünf Zyklen einer undotierten In0,806Ga0,194As0,632P0,368-Wellschicht mit einer Dicke von 5 nm und einer In0,810Ga0,190As0,405P0,595-Sperrschicht mit einer Dicke von 12 nm besteht; und
    • (d) einer undotierten In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Dicke von 100 nm.
  • Die Dicke der oben genannten Schichten ist eine Dicke, die an der 50 μm aufweisenden Maskenbreite Wm gemessen wird.
  • Bei dem selektiven Wachstum der oben genannten MQW-SCH-Struktur wurde die In0,806Ga0,194As0,632P0,368-Wellschicht unter einem Wachstumsdruck von 30 hPa unter Einsatz von TBA und TBP mit einem V/III-Verhältnis von 90 aufgewachsen, die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-Sperrschicht wurde unter einem Wachstumsdruck von 30 hPa unter Einsatz von AsH3 und PH3 aufgewachsen, und die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht wurde unter einem Wachstumsdruck von 250 hPa unter Einsatz von AsH3 und PH3 aufgewachsen.
  • 17 ist ein Graph, der Photolumineszenz-(PL)-Spitzenwellenlänge gemessen in der Längsrichtung der in 10 dargestellten 300 μm langen SSC-LD, und eine Dicke der MQW-SCH-Schicht zeigt, die mittels eines Rasterelektronenmikroskops (REM) gemessen wurde. Die PL-Spitzenwellenlänge und die Dicke betragen bei der Maskenbreite Wm von 50 μm 1,300 μm bzw. 0,273 μm, wohingegen die PL-Spitzenwellenlänge und die Dicke an der 5 μm aufweisenden Maskenbreite 1,290 μm bzw. 0,104 μm betragen.
  • Danach werden, wie in den 11C bis 11E dargestellt ist, eine Stromblockierschicht, eine Mantelschicht, und eine Deckschicht durch MOVPE mit selektivem Wachstum ausgebildet, gefolgt durch die Ausbildung von Elektroden in ähnlicher Weise wie bei der dritten Ausführungsform. Somit wird die Halbleiterlaserdiode erhalten, wie sie in 10 dargestellt ist.
  • Flussraten von Quellengasen, die für MOVPE mit selektivem Wachstum von Wellschicht, Sperrschicht und SCH-Schicht verwendet werden, sind wie folgt.
    • (a) die In0,806Ga0,194As0,632P0,368-Wellschicht: TMI = 44 cm3/min, TEG = 16 cm3/min, TBA = 26 cm3/min, TBP = 125 cm3/min, Wachstumsdruck = 250 hPa.
    • (b) die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-Sperrschicht: TMI = 284 cm3/min, TEG = 45,4 cm3/min, AsH3 = 7,20 cm3/min, PH3 = 125 cm3/min, Wachstumsdruck = 250 hPa.
    • (c) die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht: TMI = 284 cm3/min, TEG = 45,4 cm3/min, AsH3 = 7,20 cm3/min, PH3 = 125 cm3/min, Wachstumsdruck = 30 hPa.
  • Die somit gebildete Halbleiterlaserdiode gemäß der vorliegenden Ausführungsform wurde in ein Stück mit einer Vorrichtungslänge von 300 μm geschnitten. Eine 30%-reflektierende Beschichtung und eine 90%-reflektierende Beschichtung wurden auf die vordere bzw. hintere Endebene der somit ausgebildeten Halbleiterlaserdiode aufgebracht, und dann wurde die Messung durchgeführt. Die Ergebnisse waren wie folgt.
  • Figure 00390001
  • Das Fernfeldmuster (FFP) wurde auch gemessen. Ein Divergenzwinkel an der hinteren Endebene betrug 28° × 31°, während ein Divergenzwinkel an der vorderen Endebene 9,0° × 10,1° betrugt. Anschließend wurde eine Kopplungscharakteristik bei einer Einmodenfaser mit flachem Ende (1,3 μm null Streuung) bewertet, auf deren eine Endebene eine Entspiegelungsbeschichtung aufgetragen wurde. Als die Halbleiterlaserdiode sich in einem Abstand von 10 μm zu der Faser befand, wurde die maximale Kopplungseffizienz von –1,8 dB erhalten.
  • Ein theoretischer Ertrag in der Anzahl von Vorrichtungen, die aus einem 2-Zoll Wafer zu erhalten sind, der einen Waferprozess durchlaufen hat, beläuft sich auf 32.724, in welchem Fall eine Chipgröße von 300 μm × 200 μm angenommen wird. In dem Versuch zeigten 29.640 Vorrichtungen, dass bei 25°C ein Schwellenstrom gleich oder kleiner als 7 mA war, ein Neigungswirkungsgrad gleich oder größer als 0,50 W/A war, und ein Divergenzwinkel gleich oder kleiner als 10,5° × 11,5°. Durchschnittwerte (± Stan dardabweichung) unter den 29.640 Vorrichtungen zeigen extrem hohe Einheitlichkeit, wie folgt.
  • Einen Schwellenstrom: 5,41 mA ± 0,19 mA.
  • Einem Neigungswirkungsgrad: 0,565 W/A ± 0,002 W/A
  • Einen Divergenzwinkel an der vorderen Endebene: (9,2° ± 0,68°) × (10,1 ° ± 0,55°).
  • [Neunte Ausführungsform]
  • Die 11A, 11B, 12, 18 und 19A bis 19C stellen eine SSC-Pin-PD gemäß der neunten Ausführungsform dar. Die 11A, 11B und 19a bis 19C sind Querschnittansichten der SSC-Pin-PD, die einen jeweiligen Schritt eines Verfahren zur Herstellung derselben darstellen. 18 ist eine perspektivische Ansicht der SSC-Pin-LD gemäß der neunten Ausführungsform.
  • Eine Siliziumdioxid (SiO2)-Schicht wird auf einem n-InP-Substrat 101 mit einer (100)-Ebene als eine Grundebene ausgebildet. Die Siliziumdioxidschicht wird durch atmosphärische chemische Dampfabscheidung (CVD) in einer Dicke von 100 nm aufgebracht. Dann wird die Siliziumdioxidschicht gemustert, um dadurch ein Paar von Masken 102 in solcher Weise zu bilden, dass ein zwischen den Masken 102 auszubildender Spalt in [011]-Richtung ausgerichtet ausgebildet wird, wie in 11A dargestellt ist.
  • Der zwischen den Masken 102 ausgebildete Spalt hat eine Breite Wg von 1,5 μm, und jede der Masken 102 hat eine Breite Wm, die aufeinanderfolgend von 50 μm bis 5 μm variiert. Die dargestellte SSC-Pin-LD ist 300 μm lang. Ein optischer MQW-SCH-Wellenleiter mit einer ersten SCH-Schicht 103, einer MQW-Schicht 104 und einer zweiten SCH-Schicht 105 wird durch MOVPE mit selektivem Wachstum auf dem 1,5 μm Spalt ausgebildet, wie in 11B dargestellt ist. Eine Wachstumstemperatur beträgt 625°C. Einsetzte Quellenmaterialien sind Trimethylindium [IN(CH3) 3], Triethylgallium[GA(C2H5)3], Diethylzink [Zn(C2H5) 2], Arsin [AsH3], Phosphin [PH3], und Disilan [Si2H6].
  • Der optische Wellenleiter wird aus den folgenden Schichten gebildet:
    • (a) eine n-In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Trägerkonzentration von 1 × 1018 cm–3 und einer Dicke von 70 nm;
    • (b) einer undotierten n-In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Dicke von 30 nm;
    • (c) einer aktiven Multi-Quantenwellschicht, die aus fünf Zyklen einer undotierten In0,806Ga0,194As0,632P0,368-Wellschicht mit einer Dicke von 5 nm und einer In0,810Ga0,190As0,405P0,595-Sperrschicht mit einer Dicke von 8 nm besteht; und
    • (d) einer undotierten In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Dicke von 100 nm.
  • Die Dicke der oben genannten Schichten ist eine Dicke, die an der 50 μm aufweisenden Maskenbreite Wm gemessen wird.
  • Bei dem selektiven Wachstum der oben genannten MQW-SCH-Struktur wurden die In0,806Ga0,194As0,632P0,368-Wellschicht und die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-Sperrschicht unter einem Wachstumsdruck von 30 hPa aufgewachsen, und die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht wurde unter einem Wachstumsdruck von 250 hPa, aufgewachsen.
  • Die oben genannte MQW-SCH-Struktur ist die gleiche wie die der dritten Ausführungsform, und die Photolumineszenz-(PL)-Spitzenwellenlänge gemessen in der Längsrichtung der 300 μm langen SSC-Pin-PD, und eine Dicke der MQW-SCH-Schicht gemessen mittels eines Rasterelektronenmikroskops (REM), sind die gleichen wie die in 12 dargestellten.
  • Dann werden die SiO2-Masken 102 entfernt, gefolgt durch die Ausbildung einer Maske 106 auf der MQW-SCH-Struktur, wie in 19A dargestellt ist. Die Maske 106 besteht aus Siliziumdioxid (SiO2).
  • Anschließend wird, wie in 19B dargestellt, die MQW-SCH-Struktur an entgegengesetzten Seiten derselben mit den folgenden Schichten durch MOVPE mit selektivem Wachstum begraben:
    • (a) einer Fe-dotierte, hochwiderstandsfähige InP-Schicht 207 mit einer Dicke von 1,5 μm; und
    • (b) einer n-InP-Schicht 208 mit einer Trägerkonzentration von 7 × 1017 cm–3 und einer Dicke von 0,20 μm.
  • Dann wird die auf der MQW-SCH-Struktur ausgebildete SiO2-Maske entfernt, und anschließend werden eine p-InP-Mantelschicht 209 mit einer Trägerkonzentration von 1 × 1018 cm–3 und einer Dicke von 3,0 μm und eine p+-In0,53Ga0,47As-Deckschicht 210 mit einer Trägerkonzentration von 6 × 1018 cm–3 und einer Dicke von 0,3 μm über dem Produkt epitaktisch aufgewachsen, wie in 19C dargestellt ist.
  • Die Flussraten der für das MOVPE mit selektivem Wachstum von InP, InGaAsP und InGaAs verwendeten Quellengase sind die gleichen wie diejenigen der dritten Ausführungsform.
  • Nach Abschluss von MOVPE-Wachstum wird eine p-Seitenelektrode 211 über der Deckschicht 210 ausgebildet, und eine n-Seitenelektrode 212 wird auf einer unteren Oberfläche des n-InP-Substrats 101 ausgebildet. Dann wird das Produkt zum Reduzieren von parasitärer Kapazität zu einem Mesa geformt, so dass Bereiche für Kontaktflecken unverändert bleiben.
  • Die somit ausgebildete SSC-Pin-PD gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist in 18 dargestellt.
  • Die somit ausgebildete SSC-Pin-PD wurde in ein Stück mit einer Vorrichtungslänge von 300 μm geschnitten. Eine Entspiegelungsbeschichtung mit einer Reflexionsgrad gleich oder kleiner als 1 % und einer 90%-reflektierende Beschichtung wurden auf die vordere bzw. hintere Endebene der SSC-Pin-PD aufgebracht, und dann wurde eine Messung ausgeführt. Die PD-Charakteristik wurde bewertet, indem eine Einmodenfaser mit flachem Ende (1,3 μm null Streuung) um 10 μm nahe zu der SSC-Pin-PD gebracht wurde, und Licht mit einer Wellenlänge von 1,30 μm in die SSC-Pin-LD emittiert wurde. Infolgedessen wurde ein externer Differenzquantenwirkungsgrad von 60% erhalten, und unter Berücksichtigung desselben wurde ein Kopplungswirkungsgrad auf – 2,2 dB geschätzt. Darüber hinaus betrug eine 3 dB Bandbreite 12 GHz, und ein Dunkelstrom betrug 3,2 nA bei 2V-Vorspannung.
  • Ein theoretischer Ertrag in der Anzahl von Vorrichtungen, die aus einem 2-Zoll Wafer zu erhalten sind, welcher einen Waferprozess durchlaufen hat, ist 32.742, in welchem Fall angenommen wird, dass ein Chip eine Größe von 300 μm × 200 μm aufweist. In dem Versuch zeigten 26.520 Vorrichtungen bei 2V Vorspannung, dass eine 3db Bandbreite gleich oder größer als 10 GHz war, ein Dunkelstrom gleich oder kleiner als 15 nA war, und ein externer Differenzquantenwirkungsgrad gleich oder größer als 50% war. Durchschnittswerte (± Standardabweichung) von den 26.520 Vorrichtungen zeigten extrem hohe Einheitlichkeit wie folgt.
  • 3 dB Bandbreite: 11,5 GHz ± 0,85 GHz
  • Dunkelstrom: 4,2 nA ± 0,12 nA
  • Externer Differenzquantenwirkungsgrad: 34% ± 3,2%
  • Das oben genannte Verfahren zum Herstellen einer SSC-Pin-PD ist das gleiche wie das der dritten Ausführungsform. Es sollte jedoch festgestellt werden, dass die vierte bis achte Ausführungsform auch für die Herstellung der SSC-Pin-PD angewendet werden können.
  • [Zehnte Ausführungsform)
  • Die 19A bis 19C, 20A, 20B, 21 und 22 stellen einen SSC-Modulator gemäß der zehnten Ausführungsform dar. Die 20A, 20B und 19A bis 19C sind Querschnittansichten des SSC-Modulators, die einen jeweiligen Schritt eines Verfahrens zum Herstellen desselben darstellen. 21 ist eine perspektivische Ansicht des SSC-Modulators gemäß der zehnten Ausführungsform.
  • Eine Siliziumdioxid (SiO2)-Schicht wird auf einem n-InP-Substrat 101 mit einer (100)-Ebene als eine Grundebene ausgebildet. Die Siliziumdioxidschicht wird durch atmosphärische chemische Dampfabscheidung (CVD) in einer Dicke von 100 nm aufgebracht. Dann wird die Siliziumdioxidschicht gemustert, um dadurch ein Paar von Masken 102 in solcher Weise zu bilden, dass ein zwischen den Masken 302 auszubildender Spalt in [011]-Richtung ausgerichtet wird, wie in 20A dargestellt ist.
  • Der zwischen den Masken 302 ausgebildete Spalt hat eine Breite Wg von 1,5 μm, und jede der Masken 302 besteht aus einem Mittelteil mit einer Breite Wm von 50 μm und einer Länge von 150μm, und zwei kegelförmigen Abschnitten, die mit dem Mittelabschnitt an ihren Enden verbunden sind und eine Breite, die von 50 μm bis 5 μm variiert, und eine Länge von 75 m aufweisen. Folglich ist der SSC-Modulator 300 μm lang. Ein optischer MQW-SCH-Wellenleiter mit einer ersten SCH-Schicht 103, einer MQW-Schicht 104 und einer zweiten SCH-Schicht 105 wird durch MOVPE mit selektivem Wachstum auf dem 1,5 μm Spalt ausgebildet, wie in 20B dargestellt ist. Eine Wachstumstemperatur beträgt 625°C. Einsetzte Quellenmaterialien sind Trimethylindium [IN(CH3) 3 ), Triethylgallium[GA(C2H5) 3 ], Diethylzink [Zn(C2H5) 2 ], Arsin [AsH3], Phosphin [PH3], und Disilan [Si2H6].
  • Der optische Wellenleiter wird aus den folgenden Schichten gebildet:
    • (a) einer n-In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Trägerkonzentration von 1 × 1018 cm–3 und einer Dicke von 70 nm;
    • (b) einer undotierten n-In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Dicke von 30 nm;
    • (c) einer aktiven Multi-Quantenwellschicht, die aus acht Zyklen einer undotierten In0,806Ga0,194As0,632P0,368-Wellschicht mit einer Dicke von 5 nm und einer In0,810Ga0,190As0,405P0,595-Sperrschicht mit einer Dicke von 8 nm besteht; und
    • (d) einer undotierten In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Dicke von 100 nm.
  • Die Dicke der oben genannten Schichten ist eine Dicke, die an der 50 μm aufweisenden Maskenbreite Wm gemessen wird.
  • Bei dem selektiven Wachstum der oben genannten MQW-SCH-Struktur wurden die In0,806Ga0,194As0,632P0,368-Wellschicht und die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-Sperrschicht unter einem Wachstumsdruck von 30 hPa aufgewachsen, und die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht wurde unter einem Wachstumsdruck von 250 hPa aufgewachsen.
  • Die oben genannte MQW-SCH-Struktur ist die gleiche wie die MQW-SCH-Struktur der dritten Ausführungsform, außer dass die MQW-SCH-Struktur gemäß der vorliegenden Ausführungsform acht Zyklen der Well- und Sperrschichten aufweist. 22 ist ein Graph, der Photolumineszenz(PL)-Spitzenwellenlänge gemessen in der Längsrichtung des 300 μm langen SSC-Modulators, und eine Dicke der MQW-SCH-Schicht gemessen mittels eines Rasterelektronenmikroskops (REM) zeigt. Die PL-Spitzenwellenlänge und die Dicke an dem Mittelabschnitt, wo die Maskenbreite Wm 50 μm beträgt, sind 1,30 μm bzw. 0,27 μm, während die PL-Spitzenwellenlänge und die Dicke an den entgegen gesetzten Enden, wo die Maskenbreite Wm 5 μm beträgt, 1,29 μm bzw. 0,11 μm aufweisen.
  • Dann wird, wie in 19B dargestellt ist, die MQW-SCH-Struktur an entgegengesetzten Seiten derselben mit den Schichten 207 und 208 durch MOVPE mit selektivem Wachstum bedeckt. Anschließend wird die auf der MQW-SCH-Struktur ausgebildete SiO2-Maske 106 entfernt, und danach werden die p-InP-Mantelschicht 209 und die p+-In0,53Ga0,47As-Deckschicht 210 über dem Produkt epitaktisch aufgewachsen, wie in 19C dargestellt ist.
  • Die Flussraten von für MOVPE mit selektivem Wachstum von InP, InGaAsP und InGaAs verwendeten Quellengasen sind die gleichen wie die der dritten Ausführungsform.
  • Nach Abschluss von MOVPE mit selektivem Wachstum werden n- und p-Seitenelektroden ausgebildet, und das Produkt wird mesa-geätzt. Auf diese Weise wird der wie in 21 dargestellte SSC-Modulator hergestellt.
  • Der somit ausgebildete SSC-Modulator wurde in ein Stück mit einer Vorrichtungslänge von 300 μm geschnitten. Eine Entspiegelungsbeschichtung mit einem Reflexionsgrad gleich oder kleiner als 0,1 % wurde auf die vordere und hintere Endebene des SSC-Modulators aufgebracht, und dann wurde die Messung ausgeführt. Ein Einfügungsverlust in Faser zu Faser wurde gemessen, indem eine Einmodenfaser mit flachem Ende (1,3 μm null Streuung) auf 10 μm dem SSC-Modulator angenähert wurde, und Licht mit einer Wellenlänge von 1,35 μm in den SSC-Modulator emittiert wurde. Der gemessenen Einfügungsverlust in Faser zu Faser betrug 5,6 dB. Darüber hinaus betrug eine 3 dB Bandbreite 12 GHz, und ein Extinktionsverhältnis betrug 15 dB bei 2V-Vorspannung.
  • Ein theoretischer Ertrag in der Anzahl von Vorrichtungen, die aus einer 2-Zoll Wafer zu erhalten sind, welcher einen Waferprozess durchlaufen hat, beträgt 21.816, in welchem Fall angenommen wird, dass ein Chip eine Größe von 300 μm × 300 μm aufweist. In dem Versuch zeigen 19.480 Vorrichtung bei 2V-Vorspannung, dass eine 3dB-Bandbreite gleich oder größer als 10 GHz war, ein Extinktionsverhältnis gleich oder größer als 13 dB war, und ein Einfügungsverlust in Faser zu Faser gleich oder kleiner als 6,5 dB war. Durchschnittswerte (± Standardabweichung) von den 19.480 Vorrichtungen zeigen extrem hohe Einheitlichkeit wie folgt.
  • 3dB Bandbreite: 11,5 GHz ± 0,85 GHz
  • Extinktionsverhältnis: 14 dB ± 1,2 dB
  • Einfügungsverlust in Faser zu Faser: 5,9 dB ± 0,3 dB.
  • Das oben genannte Verfahren zum Herstellen eines SSC-Modulators ist das gleiche wie das der dritten Ausführungsform. Es sollte jedoch festgestellt werden, dass die vierte bis achte Ausführungsform auch auf die Herstellung des SSC-Modulators angewendet werden können.
  • [Elfte Ausführungsform]
  • Die 11C bis 11E, 20A, 20B, 22 und 23 stellen einen SSC-Verstärker gemäß der elften Ausführungsform dar. Die 20A, 20B und 11C bis 11E sind Querschnittansichten des SSC-Verstärkers, die einen jeweiligen Schritt eines Verfahrens zum Herstellen desselben darstellen. 23 ist eine perspektivische Ansicht des SSC-Verstärkers gemäß der elften Ausführungsform.
  • Eine Siliziumdioxid (SiO2)-Schicht wird auf einem n-InP-Substrat 101 mit einer (100)-Ebene als eine Grundebene ausgebildet. Die Siliziumdioxidschicht wird durch atmosphärische chemische Dampfabscheidung (CVD) in einer Dicke von 100 nm aufgebracht. Dann wird die Siliziumdioxidschicht gemustert, um dadurch ein Paar von Masken 102 in solcher Weise zu bilden, dass ein zwischen den Masken 102 auszubildender Spalt in [011]-Richtung ausgerichtet wird, wie in 20A dargestellt ist.
  • Der zwischen den Masken 302 ausgebildete Spalt hat eine Breite Wg von 1,5 μm, und jede der Masken 302 besteht aus einem Mittelabschnitt mit einer Breite Wm von 50 μm und einer Länge von 150 μm und zwei kegelförmigen Abschnitten, die mit dem Mittelabschnitt an ihren Enden verbunden sind und eine Breite, die von 50 μm bis 5 μm variiert, und eine Länge von 75 m aufweisen. Folglich ist der SSC-Modulator 300 μm lang. Ein optischer MQW-SCH-Wellenleiter mit einer ersten SCH-Schicht 103, einer MQW-Schicht 104 und einer zweiten SCH-Schicht 105 wird durch MOVPE mit selektivem Wachstum auf dem 1,5 μm Spalt ausgebildet, wie in 20B dargestellt ist. Eine Wachstumstemperatur beträgt 625°C. Einsetzte Quellenmaterialien sind Trimethylindium [IN(CH3)3], Triethylgallium[GA(C2H5) 3], Diethylzink [Zn(C2H5)2], Arsin [AsH3], Phosphin [PH3], und Disilan [Si2H6].
  • Der optische Wellenleiter wird aus den folgenden Schichten gebildet:
    • (a) einer n-In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Trägerkonzentration von 1 × 1018 cm–3 und einer Dicke von 70 nm;
    • (b) einer undotierten n-In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Dicke von 30 nm;
    • (c) einer aktiven Multi-Quantenwellschicht, die aus acht Zyklen einer undotierten In0,806Ga0,194As0,632P0,368-Wellschicht mit einer Dicke von 5 nm und einer In0,810Ga0,190As0,405P0,595-Sperrschicht mit einer Dicke von 8 nm besteht; und
    • (d) einer undotierten In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht mit einer Dicke von 100 nm.
  • Die Dicke der oben genannten Schichten ist eine Dicke, die an der 50 μm aufweisenden Maskenbreite gemessen wird.
  • Bei dem selektiven Wachstum der oben genannten MQW-SCH-Struktur wurden die In0,806Ga0,194As0,632P0,368-Wellschicht und die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-Sperrschicht unter einem Wachstumsdruck von 30 hPa aufgewachsen, und die In0,810Ga0,190As0,405P0,595-SCH-Schicht wurde unter einem Wachstumsdruck von 250 hPa aufgewachsen.
  • Die oben genannte MQW-SCH-Struktur ist die gleiche wie die MQW-SCH-Struktur der zehnten Ausführungsform. 22 ist ein Graph, der Photolumineszenz-(PL)-Spitzenwellenlänge gemessen in der Längsrichtung des 300 μm langen SSC-Verstärkers, und eine Dicke der MQW-SCH-Schicht gemessen mittels eines Rasterelektronenmikroskops (REM) zeigt. Die PL-Spitzenwellenlänge und die Dicke an dem Mittelabschnitt, wo die Maskenbreite Wm 50 μm beträgt, sind 1,30 μm bzw. 0,27 μm, während die PL-Spitzenwellenlänge und die Dicke an den entgegengesetzten Enden, wo die Maskenbreite Wm 5 μm beträgt, 1,29 μm bzw. 0,11 μm aufweisen.
  • Dann wird die MQW-SCH-Struktur an entgegengesetzten Seiten derselben mit den Schichten durch MOVPE mit selektivem Wachstum in der gleichen Weise wie die dritte, in den 11D und 11E dargestellte Ausführungsform begraben, gefolgt durch die Ausbildung von n- und p-Seitenelektroden. Auf diese Weise wird der SSC-Verstärker hergestellt, wie er in 23 dargestellt ist.
  • Der somit ausgebildete SSC-Verstärker wurde in ein Stück mit einer Vorrichtungslänge von 300 μm geschnitten. Eine Entspiegelungsbeschichtung mit einem Reflexionsgrad gleich oder kleiner als 0,1 % wurde auf die vordere und hintere Endebene des SSC-Verstärkers aufgebracht, und dann wurde die Messung ausgeführt. Ein Einfügungsverlust in Faser zu Faser wurde gemessen, indem eine Einmodenfaser mit flachem Ende (1,3 μm null Streuung) auf 10 μm dem SSC-Verstärker angenähert wurde, und Licht mit einer Wellenlänge von 1,30 μm in den SSC-Verstärker emittiert wurde. Der gemessene Einfügungsverlust in Faser zu Faser betrug 5,6 dB. Eine Faserausgangsverstärkung, die bei Einführung eines Stroms von 50 mA in den SSC-Verstärker erhalten wurde, betrug 27 dB.
  • Ein theoretischer Ertag in der Anzahl von Vorrichtungen, die aus einem 2-Zoll Wafer zu erhalten sind, der einen Waferprozess durchlaufen hat, beträgt 26.179, in welchem Fall angenommen wird, dass eine Chipgröße 300 μm × 250 μm aufweist. In dem Versuch zeigten 20.470 Vorrichtungen, dass ein Einfügungsverlust in Faser zu Faser gleich oder kleiner als 6,5 dB war, und eine Faserausgangsverstärkung, die beim Empfangen einer Eingabe von 50 mA erhalten wurde, gleich oder größer als 25 dB war. Durchschnittswerte (± Standardabweichung) von den 20.470 Vorrichtungen zeigen extrem hohe Einheitlichkeit wie folgt.
  • Einfügungsverlust: 6,1 dB ± 0,25 dB.
  • Faserausgangsverstärkung: 26 dB ± 1,2 dB
  • Das oben genannte Verfahren zum Herstellen eines SSC-Verstärkers ist das gleiche wie das der dritten Ausführungsform. Es sollte jedoch festgestellt werden, dass die vierte bis achte Ausführungsform auch für die Herstellung des SSC-Verstärkers angewendet werden könnten.
  • In den oben genannten Ausführungsformen ist nur die MQW-Struktur des InGaAsP/InGaAsP-Systems mit einem 1,3 μm Band erklärt. Es soll jedoch festgestellt werden, dass ein Wellenlängenband nicht auf das 1,3 μm-Band begrenzt ist. Außerdem ist die MQW-Struktur nicht auf die InGaAsP/InGaAsP-MQW-Struktur begrenzt, sondern kann eine jegliche Struktur wie zum Beispiel eine MQW-Struktur eines InGaAs/InGaAsP-Systems, MQW-Struktur eines InAlGaAs-Systems und eine MQW-Struktur eines InAsP-Systems aufweisen, wenn diese durch MOVPE mit selektivem Wachstum erreicht werden könnte.
  • Wie in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, umfasst eine optische Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einen Wellenleiter mit einer Dicke, die in einer Längsrichtung des Wellenleiters variiert, und umfasst diese ferner eine Quantenwellstruktur, die eine Wellschicht mit einer beinahe in der gesamten Länge des Wellenleiters konstanten Dicke aufweist. Folglich kann die optische Halbleitervorrichtung eine optische Verstärkung in ihrer gesamten Länge sowie eine Funktion von Fleckgrößenwandlung aufweisen. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Verbesserung der Betriebscharakteristik bei hoher Temperatur in einer SSC-LD und einem SSC-Verstärker und die Erreichung einer niedrigeren Schwellenwertcharakteristik und höherer Verstärkung.
  • Da die vorliegende Erfindung es ermöglicht, photoelektrische Übertragung und Lichtmodulation in einer gesamten Länge eines Wellenleiters in einer optischen Vorrichtung mit einer Funktion von Fleckgrößenwandlung durchzuführen, können darüber hinaus ein höherer Quantenwirkungsgrad und ein höheres Extinktionsverhältnis in einer SSC-Pin-PD und einem SSC-Modulator erhalten werden.
  • Die vorliegende Erfindung macht es nicht mehr erforderlich, einen Bereich nur zum Ausführen von Fleckgrößenwandlung in demselben auszubilden. Infolgedessen dient ein gesamter Bereich eines Wellenleiters als ein aktiver Bereich, was sicherstellt, dass ein Wellenleiter in einer SSC-LD, SSC-Pin-PD, einem SSC-Modulator und SSC-Verstärker ausgebildet werden kann, um eine annähernd gleiche Länge wie eine konventionelle Vorrichtung aufzuweisen, die keine Funktion von Fleckgrößenwandlung enthält. Genau ausgedrückt, kann ein Wellenleiter in einer optischen Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer Länge von etwa 300 μm ausgebildet werden. Dementsprechend kann ein Vorrichtungsertrag pro Einheitsfläche oder pro Wafer, nämlich die Anzahl von aus einem Wafer erhaltenen Vorrichtungen, bedeutend verbessert werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer optischen Halbleitervorrichtung ermöglicht die Bildung eines Wellenleiters durch Einzel-MOVPE mit selektivem Wachstum. Da es in dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich ist, Schritte zum Ätzen von Halbleiterschichten auszuführen, ist das Verfahren überlegen hinsichtlich Steuerbarkeit und Wiederholungsgenauigkeit und würde einen Produktionsertrag erhöhen.

Claims (15)

  1. Optische Halbleitervorrichtung mit einer optischen Wellenleiterstruktur einschließlich einer Quantenwellschicht (22, 32), einer unteren optischen Einschlussschicht (21, 31) und einer oberen optischen Einschlussschicht (23, 33), die die Quantenwellschicht (22, 32) einschließen, wobei die Quantenwellschicht (22, 32) und die untere und obere optische Einschlussschicht (21, 23; 31, 33) zusammen eine Kernschicht definieren, wobei die Kernschicht eine Dicke aufweist, die in Längsrichtung des optischen Wellenleiters variiert, um dadurch eine Funktion einer Fleckgrößenwandlung zu haben, wobei die Quantenwellschicht (22, 32) so ausgebildet ist, dass sie eine Bandlückenenergie aufweist, die innerhalb von ± 30 meV in Längsrichtung konstant ist und eine Dicke, die innerhalb von ± 32 % in Längsrichtung konstant ist, wobei jede der unteren und oberen optischen Einschlussschichten (21, 23; 31, 33) eine Dicke aufweist, die sich in Richtung auf ihr eines Ende (X1, X2) allmählich vermindert, wobei Licht die Kernschicht durch das Ende verlässt und wobei jede der unteren und oberen optischen Einschlussschichten (21, 23; 31, 33) an ihrem einen Ende (X1) eine erste Dicke aufweist, die geringer ist als die der Quantenwellschicht (22), aber eine zweite Dicke, die größer ist als die der Quantenwellschicht (22) an ihrem anderen Ende oder in der Mitte in ihrer Längsrichtung aufweist, wobei das Dickenverhältnis des dickeren Teils der Kernschicht zum dünnen Teil der Kernschicht gleich oder größer als 2 ist.
  2. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Quantenwellschicht (22, 32) eine konstante Dicke in Längsrichtung aufweist.
  3. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Quantenwellschicht (32) eine konstante Dicke in Längsrichtung aufweist und die Kernschicht eine Dicke, die in Längsrichtung in ihrer Mitte maximal ist.
  4. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein optischer Verstärkungsfaktor in Längsrichtung erzielt wird.
  5. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kernschicht als Licht absorbierende Schicht in Längsrichtung dient.
  6. Verfahren zur Herstellung einer optischen Halbleitervorrichtung mit einem optischen Wellenleiter mit einer Dicke, die in seiner Längsrichtung variiert, mit den Schritten: (a) Ausbilden eines Paars dielektrischer Masken (102, 202, 302) auf einem Verbindungshalbleitersubstrat (101), wobei die Masken (102, 202, 302) einen Teil aufweisen, bei dem ihre Breite in Längsrichtung variiert, und einen unmaskierten streifenförmigen Bereich (Wg) mit konstanter Dicke in Längsrichtung entlang des Teils, (b) epitaktisches Wachsen einer unteren optischen Einschlussschicht (103) durch metallorganische Dampfphasenepitaxie (MOVPE) mit selektivem Wachstum, (c) Ausbilden einer Quantenwellstruktur durch epitaktisches Wachsen einer Quantenwellschicht (104) oder einer Anzahl von Quantenwellschichten (104) mit Sperrschichten, die zwischen den Quantenwellschichten eingefügt sind, durch metallorganische Dampfphasenepitaxie (MOVPE) mit selektivem Wachstum, und (d) epitaktisches Wachsen einer oberen optischen Einschlussschicht (105) durch metallorganische Dampfphasenepitaxie (MOVPE) mit selektivem Wachstum, wobei die Quantenwellschicht(en) (104) im Schritt (c) unter einem Wachstumsdruck gezogen wird, der geringer ist als der der oberen und der unteren optischen Einschlussschicht (103, 105) in den Schritten (b) und (d), wobei der Wachstumsdruck für die Quantenwellschicht so ist, dass die Quantenwellschicht eine konstante Dicke ±32 % in Längsrichtung beibehält und die verbleibenden Wachstumsbedingungen der Quantenwellschicht so sind, dass die Bandlücke der Quantenwellschicht konstant ±30 meV in Längsrichtung gehalten wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Sperrschichten im Schritt (c) unter einem Wachstumsdruck gezogen werden, der gleich oder größer ist als der der Quantenwellschichten (104).
  8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Sperrschichten im Schritt (c) unter einem Druck gezogen werden, der gleich oder größer ist als 100 hPa.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Quantenwellschicht(en) (104) im Schritt (c) unter einem Wachstumsdruck von gleich oder weniger als 40 hPa gezogen wird (werden).
  10. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die untere und die obere Einschlussschicht (103, 105) in den Schritten (b) und (d) unter einem Wachstumsdruck von gleich oder mehr als 100 hPa gezogen werden.
  11. Verfahren zum Herstellen einer optischen Halbleitervorrichtung mit einem optischen Wellenleiter mit einer Dicke, die in seiner Längsrichtung variiert, mit den Schritten: a) Ausbilden eines Paares dielektrischer Masken (102, 202, 302) auf einem Verbindungshalbleitersubstrat (101), wobei die Masken (102, 202, 302) einen Teil aufweisen, in dem ihre Breite in Längsrichtung variiert und einen unmaskierten streifenförmigen Bereich (Wg) mit konstanter Breite in Längsrichtung entlang des Teils definieren, b) epitaktisches Ziehen einer unteren optischen Einschlussschicht (103) durch metallorganische Dampfphasenepitaxie (MOVPE) mit selektivem Wachstum, c) Ausbilden einer Quantenwellstruktur durch epitaktisches Ziehen einer Quantenwellschicht (104) oder einer Anzahl von Quantenwellschichten (104) mit zwischen die Quantenwellschichten eingefügten Sperrschichten durch metallorganische Dampfphasenepitaxie (MOVPE) mit selektivem Wachstum, und d) epitaktisches Ziehen einer oberen optischen Einschlussschicht (105) durch metallorganische Dampfphasenepitaxie (MOVPE) mit selektivem Wachstum, wobei die Quantenwellschichten) (104) im Schritt (c) unter Einsatz von Tertiärbutylarsin (TBA) und Tertiärbutylphosphin (TBP) mit einem V/III-Verhältnis von gleich oder größer als 50 gezogen wird (werden), wobei die verbleibenden Wachstumsbedingungen der Quantenwellschicht so sind, dass die Quantenwellschicht eine konstante Dicke ±32 % in Längsrichtung behält und das Wachsen der optischen Einschlussschicht mit einem V/III-Verhältnis von kleiner oder gleich 5 gezogen werden soll.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die untere und die obere optische Einschlussschicht (103, 105) in den Schritten (b) und (d) unter Einsatz von Arsin und Phosphin als Quellenmaterial der Gruppe V gezogen werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die untere und die obere optische Einschlussschicht (103, 105) in den Schritten (b) und (d) unter Einsatz von Tertiärbutylarsin (TBA) und Tertiärbutylphosphin (TBP) mit einem V/III-Verhältnis von gleich oder kleiner 5 gewachsen werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Sperrschichten im Schritt (c) unter Einsatz von Arsin oder Phosphin als Quellenmaterial der Gruppe V gezogen werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Sperrschichten im Schritt (c) unter Einsatz von Tertiärbutylarsin (TBA) und Tertiärbutylphosphin (TBP) mit einem V/III-Verhältnis von gleich oder weniger als 5 gewachsen werden.
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