JP2002118327A - 化合物半導体装置の製造方法 - Google Patents

化合物半導体装置の製造方法

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智志 荒川
Akihiko Kasukawa
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Furukawa Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 Al系の化合物半導体層の酸化の問題を招来
することなく、結晶性の良好な信頼性の高い埋め込み構
造の半導体レーザ素子を製作するに好適な化合物半導体
装置の製造方法を提供する。 【解決手段】 MOCVD装置を用いて半導体基板上に
Al系の化合物半導体層を含む複数の化合物半導体層を
順次気相成長させて、例えばBH構造の半導体多層膜
(エピタキシャル層)を形成する第1の工程、前記MO
CVD装置内において臭素系ガスを用いて前記半導体多
層膜中の特定の化合物半導体層を選択的にエッチング処
理してメサを形成する第2の工程、その後、このエッチ
ング処理に引き続いて前記MOCVD装置を用いて前記
半導体多層膜上に所定の化合物半導体層を再成長させる
第3の工程を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、Al系の化合物半
導体層を含む素子構造を有し、エッチング処理を伴う製
造プロセスにより製造される化合物半導体装置であっ
て、例えば半導体レーザ素子を信頼性良く実現するに好
適な化合物半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【関連する背景技術】半導体レーザ素子は、一般的には
Al,InやGa等のIII族元素、およびAsやP等のV族元
素からなる少なくとも2種を含むIII-V族化合物半導体
を用いてBH構造のエピタキシャル層を成長させ、該エ
ピタキシャル層を選択的にエッチングしてリッジまたは
導波路をなすメサを形成した後、メサの周囲を含む領域
にエピタキシャル層を再成長させることで埋め込み形の
化合物半導体装置として製作される。
【0003】例えばAlGaInAs系の埋め込み形リッジ
構造をなす半導体レーザ装置は、図3(a)に示すよう
に、先ずMOCVD(有機金属気相成長)装置を用い
て、n-InP基板1上にn-InPバッファ層2を成長さ
せた後、その上に100nm厚のn-AlGaInAs(λ
g=1000nm)SCH層、AlGaInAs/AlGaI
nAs多重量子井戸(例えば発光波長1300nm,井戸
数6個)、100nm厚のp-AlGaInAs(λg=1
000nm)SCH層からなる活性層3を成長させる。
更にその上に500nm厚のn-AlInAs電流ブロッキ
ング層4、100nm厚のp-InP上部クラッド層5を
成長させる。
【0004】次いで図3(b)に示すように、上記p-In
P上部クラッド層5上にSiNからなるレジスト膜6を
形成し、フォトリソグラフ技術を用いて上記レジスト膜
6に幅3μmのストライプ状の窓を開ける。その後、エ
ッチング処理装置を用いて前記レジスト膜6をマスクと
して前記上部クラッド層5および電流ブロッキング層4
をエッチングする。その後、上記レジスト膜6を除去
し、再度、MOCVD装置を用いて図3(c)に示すよう
にエピタキシャル層の全域に、p-InP上部クラッド層
7を2000nm厚に成長させ、その上にp-GaInAs
コンタクト層8を成長させる。
【0005】その後、上記コンタクト層8の上面および
前記基板1の下面にそれぞれコンタクト電極(図示せ
ず)を形成した後、エピタキシャル層を形成した半導体
基板を前述したストライプ方向と垂直に、所望の大きさ
に劈開することによって埋め込み形リッジ構造をなす1
300nm帯の半導体レーザ素子が製作される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な素子構造の半導体レーザ装置を製作する場合、その製
造プロセスの途中においてエッチングにより開口された
溝を介してn-AlInAs電流ブロッキング層4の端面が
露出することが否めない。するとエッチング処理の後、
半導体基板をMOCVD装置に戻す際、露出したn-Al
InAs電流ブロッキング層4が大気や酸素雰囲気に晒さ
れて酸化され易く、その後の結晶成長において結晶欠陥
を発生させる要因となる。このような結晶欠陥は、半導
体レーザ素子としての信頼性低下の原因となる。
【0007】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的は、Al系の化合物半導体層を含む
素子構造を有し、エッチング処理を伴う製造プロセスに
より製造される化合物半導体装置を、上記Al系の化合
物半導体層の酸化の問題を招来することなく製造するこ
とができ、例えば結晶性の良好な信頼性の高い埋め込み
構造の半導体レーザ素子を製作するに好適な化合物半導
体装置の製造方法に関する。
【0008】
【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
べく本発明に係る化合物半導体装置の製造方法は、気相
成長装置を用いて半導体基板上にAl系の化合物半導体
層を含む複数の化合物半導体層を順次気相成長させて、
例えばBH構造の半導体多層膜(エピタキシャル層)を
形成する第1の工程、前記気相成長装置内において臭素
系ガスを用いて前記半導体多層膜中の特定の化合物半導
体層を選択的にエッチング処理してメサを形成する第2
の工程、その後、このエッチング処理に引き続いて前記
気相成長装置を用いて前記半導体多層膜上に所定の化合
物半導体層を成長させる第3の工程を含むことを特徴と
している。
【0009】ちなみに前記半導体基板上に気相成長させ
る化合物半導体層の内、前記Al系の化合物半導体層以
外の化合物半導体層は、請求項2に記載するようにIn,
Ga,As,およびPの少なくとも2種を含むIII-V族化合
物半導体からなる。また請求項3に記載するように、前
記臭素系ガスを用いた半導体多層膜の選択的なエッチン
グ処理を、前記半導体多層膜中のAl系の化合物半導体
層をエッチング停止層として機能させて実行することを
特徴としている。
【0010】そして請求項4に記載するように前記半導
体多層膜の選択的なエッチング処理と、その後の化合物
半導体層の気相成長により、埋め込み形リッジ構造、ま
たは埋め込み形導波路構造の半導体レーザ素子を実現す
ることを特徴としている。また請求項5に記載するよう
に前記気相成長装置として、有機金属気相成長装置を用
い、この有機金属気相成長装置のリアクタ内にて、半導
体基板上への化合物半導体の気相成長と、気相成長させ
た化合物半導体層の臭素系ガスを用いたエッチング処理
と、更にはその後の化合物半導体の気相成長とを連続的
に行うことで、Al系の化合物半導体層を大気や酸素雰
囲気に晒すことなく化合物半導体装置を製造することを
特徴としている。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る化合物半導体装置の製造方法につき、AlGaInAs系
の半導体レーザ素子の製造を例に説明する。図1はSA
S(自己整合形ストライプ)構造の化合物半導体レーザ
素子を製造する場合における本発明の実施形態を説明す
るための図である。この化合物半導体レーザ素子の製造
は、MOCVD(有機金属気相成長)装置を用いて、先
ず図1(a)に示すように、n-InP基板11上にn-In
Pバッファ層12を成長させた後、その上に100nm
厚のn-AlGaInAs(λg=1000nm)SCH
層、AlGaInAs/AlGaInAs多重量子井戸(例えば
発光波長1300nm,井戸数6個)、100nm厚の
p-AlGaInAs(λg=1000nm)SCH層から
なる活性層13を成長させ、更にその上に300nm厚
のp-InP上部クラッド層14を成長させることから開
始される[第1の工程]。
【0012】次いで上記p-InP上部クラッド層14上
にレジスト層を形成し、これをパターニングして、例え
ばSiNからなる幅3μmのレジスト膜15を、順メサ
方向に形成する。その後、前記MOCVD(有機金属気
相成長)装置のリアクタ内において臭素ガス、具体的に
はCBr4を用いて図1(b)に示すように前記レジスト膜
15をマスクとして前記p-InP上部クラッド層14を
エッチングし、メサを形成する[第2工程]。このエッ
チング処理は、例えばエッチング温度を600℃とし、
PH3雰囲気において上記CBr4を3μmol/min
で供給することによりなされる。
【0013】ちなみにこの場合のエッチングレートは2
0nm/minであり、約20分間に亘ってp-InP上
部クラッド層14をエッチングした。この結果、図1
(b)に示すように、サイドエッチングがなく、SiNレ
ジスト膜15をマスクとした寸法制御性の高いメサを形
成し得ることが確認できた。しかも深さ方向には、p-
AlGaInAs(λg=1000nm)SCH層の上面に
てエッチングが完全に停止しており、該p-AlGaInA
s層がCBr4によるp-InP層14のエッチングに対し
てエッチング停止層として機能していることが確認でき
た。
【0014】その後、このエッチング処理に引き続い
て、前記MOCVD(有機金属気相成長)装置のリアク
タ内において上記エピタキシャル層上に化合物半導体層
の埋め込み成長を行う。この埋め込み成長は図1(c)に
示すように、先ずn-AlInAs電流ブロッキング層16
を前記メサを埋め込むまで、例えば300nm厚に成長
させ、その後、このn-AlInAs電流ブロッキング層1
6上に10nm厚のp-InP層17を成長させる[第3
工程]。
【0015】上記n-AlInAsの成長は、成長温度を6
00℃において成長レート30nm/minで行った。
またこのn-AlInAsの成長の際、MOCVD(有機金
属気相成長)装置のリアクタ内にCBr4を供給すること
により、前述したSiNレジスト膜15上への多結晶の
析出を抑制し得ることが確認できた。しかる後、前記レ
ジスト膜15をバッファード・フッ酸を用いて除去した
後、前述したMOCVD装置のリアクタ内において引き
続き図1(d)に示すようにp-InP上部クラッド層18
を2000nm厚に成長させ、更にその上にp-GaIn
Asコンタクト層19を300nm厚に成長させる。そ
の後、上記コンタクト層19の上面および前記基板11
の下面にそれぞれコンタクト電極(図示せず)を形成し
た後、エピタキシャル層を形成した半導体基板を前述し
たストライプ方向と垂直に、所望の大きさに劈開するこ
とによって埋め込み形リッジ構造をなす1300nm帯
の半導体レーザ素子が製作される。
【0016】かくしてこのようにして製作された化合物
半導体レーザ素子(化合物半導体装置)は、基本的には
図3に示した従来の半導体レーザ素子と同様な素子構造
を有するものの、その発振閾値電流やスロープ効率にお
いて格段の性能向上が図られているいることが確認でき
た。即ち、本発明の上述した実施形態においてはMOC
VD(有機金属気相成長)装置のリアクタ内においてn
-InP基板11上にBH構造をなすエピタキシャル層を
成長させた後[第1工程]、該リアクタ内においてその
まま引き続いてCBr4を用いてエピタキシャル層を選択
的にエッチングしてメサを形成し[第2工程]、その
後、このエッチング処理に引き続いて前記リアクタ内に
てエピタキシャル層を埋め込み成長させることで[第3
工程]、SAS構造をなす半導体レーザ素子を製作して
いる。
【0017】これ故、その製造プロセスにエッチング処
理が含まれると雖も、該製造プロセスがMOCVD(有
機金属気相成長)装置のリアクタ内において一貫して実
行されるので、上記素子構造の一部をなす活性層13の
p-AlGaInAs層やn-AlInAs電流ブロッキング層
16からなるAl系の化合物半導体層が大気や酸素雰囲
気等に晒されることがない。この結果、上記Al系の化
合物半導体層(p-AlGaInAs層やn-AlInAs層)
が酸化されることがないので、エッチング表面が荒れる
ことがなく、その後のエピタキシャル層の再成長におけ
る結晶欠陥発生の要因となることがない。しかも臭素系
のガス(CBr4)を用いたエピタキシャル層(InP
層)のエッチングに際しては、前述したようにサイドエ
ッチングが殆ど生じることがなく、しかもp-AlGaIn
As層がそのエッチング停止層として機能するので、寸
法精度の良い素子構造の半導体レーザ素子を実現するこ
とができ、この点でも該半導体レーザ素子(化合物半導
体装置)の動作信頼性を高める上で大きく寄与する。
【0018】尚、上述した素子構造において、半導体レ
ーザにおける横モード制御を行うべく、例えば図1(d)
において仮想線で示すようにp-InP層14からなる上
部クラッド層中にGaInAsP層20を設けるようにし
ても良い。この場合、上述した製造方法に従ってGaIn
AsP層20を成長させれば良く、またこのGaInAsP
層20を設けることによって更に良好なレーザ発振特性
が得られることが確認できた。
【0019】ところでBH構造の化合物半導体レーザ素
子を製作する場合には、次のようにすればよい。この実
施形態を図2を参照して説明すると、MOCVD(有機
金属気相成長)装置を用いて、先ず図2(a)に示すよう
に、n-InP基板21上にn-InPバッファ層22を成
長させた後、その上にn-AlInAsエッチング停止層2
3を10nm厚に形成することから開始される。次いで
このエッチング停止層23上に300nm厚のn-InP
下部クラッド層24を成長させ、更にこの上に100n
m厚のn-AlGaInAs(λg=1000nm)SCH
層、AlGaInAs/AlGaInAs多重量子井戸(例えば
発光波長1300nm,井戸数6個)、100nm厚の
p-AlGaInAs(λg=1000nm)SCH層から
なるGaInAsP系の活性層25を成長させる。そして
更にこの活性層25の上に200nm厚のp-InP上部
クラッド層26を成長させる[第1の工程]。
【0020】次いで上記p-InP上部クラッド層26上
に、例えばSiNからなる幅1μmのレジスト膜27
を、逆メサ方向に形成する。そして前記MOCVD(有
機金属気相成長)装置のリアクタ内においてCBr4を用
いて図2(b)に示すように前記レジスト膜27をマスク
として前記p-InP上部クラッド層26、GaInAsP
系の活性層25、およびn-InP下部クラッド層24を
順にエッチングし、メサを形成する[第2工程]。この
エッチング処理は、例えばエッチング温度を600℃と
し、PH3雰囲気において上記CBr4を3μmol/m
inで供給することによりなされる。
【0021】ちなみにこの場合のエッチングレートはI
nP層26,24に対しては20nm/minであり、G
aInAsP系の活性層25に対しては10nm/min
であり、この実施形態においては約20分間に亘ってエ
ッチング処理を行った。この結果、図2(b)に示すよう
に、サイドエッチングがなく、SiNレジスト膜27を
マスクとした寸法制御性の高いメサを形成し得ることが
確認できた。しかも深さ方向には、n-AlInAsエッチ
ング停止層23の上面にてエッチングが完全に停止して
おり、該n-AlInAs停止層23がCBr4によるp-In
PおよびGaInAsP系の半導体層のエッチングに対し
てエッチング停止層として機能していることが確認でき
た。
【0022】その後、上記エッチング処理に引き続い
て、前記MOCVD(有機金属気相成長)装置のリアク
タ内において上記エピタキシャル層上に化合物半導体層
の埋め込み成長を行う。この埋め込み成長は図3(c)に
示すように、先ず前記メサを埋め込むまで、先ず300
nm厚にp-InP層28を成長させ、その後、このp-
InP層28上にn-InP層29を200nm厚に成長
させる[第3工程]。
【0023】このInP層28,29の成長は、成長温度
を600℃において成長レート60nm/minで行っ
た。この際、前記レジスト膜27上にもp-InPが成長
する虞があるが、MOCVD(有機金属気相成長)装置
のリアクタ内にCBr4を供給することにより、該レジス
ト膜27上へのp-InPの成長を抑制する。しかる後、
前記レジスト膜27をバッファード・フッ酸を用いて除
去した後、前述したMOCVD装置のリアクタ内におい
て引き続き図2(d)に示すようにp-InP上部クラッド
層30を2000nm厚に成長させ、更にその上にp-
GaInAsコンタクト層31を300nm厚に成長させ
る。その後、上記コンタクト層19の上面および前記基
板11の下面にそれぞれコンタクト電極(図示せず)を
形成した後、エピタキシャル層を形成した半導体基板を
前述したストライプ方向と垂直に、所望の大きさに劈開
することによって埋め込み形BH構造をなす1300n
m帯の半導体レーザ素子が製作される。
【0024】かくしてこのようにして製作される半導体
レーザ素子においても、先の実施形態と同様にMOCV
D装置のリアクタ内において、半導体基板21に対する
化合物半導体層のエピタキシャル成長、そのエピタキシ
ャル層に対する選択的なエッチング処理、その後の化合
物半導体層の再成長を一貫して行うので、酸化が問題と
なるGaInAsP系の活性層25が大気や酸素雰囲気に
晒されることがない。従って寸法精度の良い素子構造で
あって、結晶性の良い動作信頼性の高い半導体レーザ素
子(化合物半導体)を容易に製作することが可能とな
る。
【0025】尚、本発明は上述した各実施形態に限定さ
れるものではない。実施形態においてはInP基板上に
成長させるGaInAsP層やAlGaInAs層の酸化防止
を例に説明したが、GaAs基板上にAlGaAs系やAlG
aInP系の化合物半導体層を形成する場合にも同様に適
用することが可能である。即ち、In,Ga,As,およびP
の少なくとも2種を含むIII-V族化合物半導体とAl系
の化合物半導体を積層形成した素子構造の半導体装置を
製造する場合に本発明を有効に適用することができる。
【0026】また応用例としては、半導体レーザ素子に
おけるメサ形成の為のエッチング処理とその後のエピタ
キシャル成長を伴うものだけでなく、バット・ジョイン
ト形成の為のエッチング処理と、その後のエピタキシャ
ル成長を伴う化合物半導体装置を製造する場合にも同様
に適用可能である。更に前述したエッチング処理につい
ては、CBr4以外のCH3Br等の臭素系ガスをエッチン
グガスとして用いる場合にも適用可能である。その他、
本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施
することができる。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、気
相成長装置内において臭素系ガスを用いてエピタキシャ
ル層のエッチング処理を実行するので、上記気相成長装
置内における化合物半導体層の成長と、そのエッチング
処理、その後の再度の化合物半導体層の成長とを連続し
て実行することができる。従って酸化が問題となるAl
系の化合物半導体層を含んだ素子構造の化合物半導体装
置を製作する場合であっても、酸化に起因する結晶性の
問題やサイドエッチング等の問題を招来することなく、
高精度に寸法が管理され、結晶性の良好な信頼性の高い
化合物半導体装置を容易に製作することができ。しかも
Al系の化合物半導体層を、臭素系のガスによるエッチ
ングに対する停止層として機能させながら、そのエッチ
ング処理を実行することができるので、エピタキシャル
層に対するエッチング制御精度を十分に高め得る等の効
果も奏せられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る化合物半導体装置の
製造方法を、SAS形半導体レーザ素子の製造を例にそ
の製造工程を分解して示す図。
【図2】本発明の別の実施形態に係る化合物半導体装置
の製造方法を、BH形半導体レーザ素子の製造を例にそ
の製造工程を分解して示す図。
【図3】従来一般的な半導体レーザ素子の製造工程を分
解して示す図。
【符号の説明】
11 InP基板 13 AlGaInAs系のMQW-SCH活性層(エッチ
ング停止層) 14 p-InP上部クラッド層 18 p-InP上部クラッド層 19 p-GaInAsコンタクト層 21 InP基板 23 n-AlInAsエッチング停止層 24 n-InP下部クラッド層 25 GaInAsP系の活性層 26 p-InP上部クラッド層 28 p-InP層 29 n-InP層 30 p-InP上部クラッド層 31 p-GaInAsコンタクト層
フロントページの続き Fターム(参考) 5F004 AA05 BA19 DA00 DB22 EA07 EA23 EB08 5F045 AA04 AB12 AB17 AB18 AB33 AD10 AF04 AF20 BB12 BB16 CA12 DA53 DA55 DB05 HA13 HA23 5F073 AA09 AA13 AA22 AA45 AA51 AA53 AA74 CA15 DA05 DA26 EA29

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に形成されたAl系の化合
    物半導体層を含む複数の化合物半導体層を有する半導体
    多層膜を気相成長装置内において臭素系ガスを用いて前
    記半導体多層膜中の特定の化合物半導体を選択的にエッ
    チング処理し、 その後、このエッチング処理に引き続いて前記気相成長
    装置を用いて前記半導体多層膜上に所定の化合物半導体
    層を成長させてなることを特徴とする化合物半導体装置
    の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記半導体基板上に気相成長させる化合
    物半導体層の内、前記Al系の化合物半導体層以外の化
    合物半導体層は、In,Ga,As,およびPの少なくとも2
    種を含むIII-V族化合物半導体からなる請求項1に記載
    の化合物半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記半導体多層膜の選択的なエッチング
    処理は、前記半導体多層膜中のAl系の化合物半導体層
    をエッチング停止層として機能させて実行される請求項
    1に記載の化合物半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記半導体多層膜の選択的なエッチング
    処理と、その後の化合物半導体層の気相成長は、埋め込
    み形リッジ構造、または埋め込み形導波路構造を実現す
    るものである請求項1に記載の化合物半導体装置の製造
    方法。
  5. 【請求項5】 前記気相成長装置は、有機金属気相成長
    装置からなる請求項1に記載の化合物半導体装置の製造
    方法。
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