JP2003502844A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device

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JP2003502844A
JP2003502844A JP2001503549A JP2001503549A JP2003502844A JP 2003502844 A JP2003502844 A JP 2003502844A JP 2001503549 A JP2001503549 A JP 2001503549A JP 2001503549 A JP2001503549 A JP 2001503549A JP 2003502844 A JP2003502844 A JP 2003502844A
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マーテイン,トレバー
バルマー,リチヤード・スチユアート
エイリング,ステイーブン・ジエラード
マクリーン,ジエシカ・オーエンス
ヒートン,ジヨン・マイケル
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キネテイツク・リミテツド
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    • H01S2304/10CBE

Abstract

(57)【要約】 化学ビームエピタキシによって、支持表面上に少なくとも1つのテーパの付いたエピタキシャル層を成長するステップを含む、半導体デバイスの製造方法であり、テーパの平面は、支持表面に傾斜する。 Abstract: A method of manufacturing a semiconductor device, comprising growing at least one tapered epitaxial layer on a support surface by chemical beam epitaxy, wherein the plane of the taper slopes to the support surface.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】 本発明は、テーパの付いたエピタキシャル層を備えた半導体デバイスを製造す
る方法に関する。
The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device having a tapered epitaxial layer.

【0002】 光電子システムは、光ファイバと、レーザー、増幅器、変調器、検知器、およ
びスイッチなどの光電子半導体デバイスとを含む。光ファイバによって維持され
る光モードのサイズと形状は、光電子半導体デバイスの光モードのサイズと形状
とは大幅に異なり、結果として、光放射がこのようなデバイスとファイバとの間
で結合される時に、モード不整合および大きな光学的損失をもたらす。
Optoelectronic systems include optical fibers and optoelectronic semiconductor devices such as lasers, amplifiers, modulators, detectors, and switches. The size and shape of the optical modes maintained by an optical fiber differ significantly from the size and shape of the optical modes of optoelectronic semiconductor devices, and as a result, when optical radiation is coupled between such devices and the fiber. , Resulting in mode mismatch and large optical loss.

【0003】 このような光学的損失を低減する1つの技術は、光電子半導体デバイスと光フ
ァイバとの間に設けられたマイクロレンズの使用を含む。このマイクロレンズは
、光電子半導体デバイスまたは光ファイバによる、光モードの出力のサイズを変
化させるが、光モードの形状は変化させない。別の技術は、光電子半導体デバイ
スと光ファイバとの間に設けられた光モード変換導波路の使用を含む。これらの
技術は両方とも、非常に高度な位置合わせ公差を必要とし、その結果、各コンポ
ーネントの位置合わせが光電子システムの総費用の最も大きな部分を占めること
がある。
One technique for reducing such optical losses involves the use of microlenses provided between the optoelectronic semiconductor device and the optical fiber. The microlens changes the size of the output of the optical mode by the optoelectronic semiconductor device or the optical fiber, but does not change the shape of the optical mode. Another technique involves the use of an optical mode conversion waveguide provided between the optoelectronic semiconductor device and the optical fiber. Both of these techniques require very high alignment tolerances, so that the alignment of each component can make up the largest portion of the total cost of an optoelectronic system.

【0004】 結合損失を低減する第3の技術は、デバイスの能動部分と出力ファセットとの
間で、二次元のテーパの付いた厚さプロファイルを備える、出力導波路を有した
光電子半導体デバイスの使用を含む。出力導波路のこのテーパは、光電子半導体
デバイスの能動部分からの、時には高度に非対称なこともある比較的小さい(0
.5μmから2.0μm)光モードを、光ファイバによって維持されるさらに大
きい(6μmから10μm)円形状の対称な光モードに、厳密に整合することを
可能にする。
A third technique for reducing coupling loss is the use of optoelectronic semiconductor devices with output waveguides that have a two-dimensional tapered thickness profile between the active portion of the device and the output facets. including. This taper of the output waveguide is relatively small (0) from the active portion of the optoelectronic semiconductor device, sometimes highly asymmetric.
. It allows the 5 μm to 2.0 μm) optical mode to be closely matched to the larger (6 μm to 10 μm) circular symmetric optical mode maintained by the optical fiber.

【0005】 光電子半導体デバイスの出力導波路の横方向のテーパ、すなわち、基板表面に
平行な平面でのテーパは、フォトリソグラフィおよび化学エッチングなどの知ら
れている半導体プロセス技術を使用して達成できる。これは、デバイスを作成す
るウエハのエピタキシャル成長の後に行われる。エピタキシャル層が成長する平
面に垂直な平面における、導波路のコア層のテーパは、さらに困難であり、ウエ
ハの成長中におけるコア層の厚さの管理を含む。
The lateral tapering of the output waveguides of optoelectronic semiconductor devices, ie in the plane parallel to the substrate surface, can be achieved using known semiconductor processing techniques such as photolithography and chemical etching. This is done after the epitaxial growth of the wafer from which the device is made. Tapering the core layer of the waveguide in a plane perpendicular to the plane in which the epitaxial layer is grown is more difficult and involves managing the core layer thickness during wafer growth.

【0006】 垂直にテーパが付けられ、フレア状の半導体光導波路を生産するために現在使
用される方法は、Moermanによって、「IEEE Jornal of
Selected Topics in Quantum Electroni
cs」第3巻第6号の1308〜1320頁に述べられており、以下の3つの主
な見出しのもとに分類することができる。
The method currently used to produce vertically tapered, flared semiconductor optical waveguides is described by Moerman in “IEEE Journal of
Selected Topics in Quantum Electroni
cs ”, Vol. 3, No. 6, pages 1308 to 1320, and can be classified under the following three main headings.

【0007】 エッチングおよび再成長技術 これらの技術において、ウエハのエピタキシャル成長は、導波路のコア層の堆
積の後に停止される。次に、ウエハは、ウエハ成長装置から取り出され、必要な
テーパのプロファイルを作るためにコア層がエッチングされる。次に、ウエハは
、成長装置に再搭載され、エッチングされたコア層にわたって、上部導波層が成
長される。これらの技術は、以下の短所を有する。第1に、処理全体が複雑で、
時間がかかる。第2に、部分的に成長されたウエハの成長装置からの取り出し、
および、導波路コア層のエッチングが、導波路に汚染を招き、光学的損失を増大
させ、歩留まりを低下させる。第3に、これらの方法は、再現性が非常に低い。
浸漬エッチングとして知られているこのような方法の1つにおいて、ウエハの表
面全体を処理することは不可能である。
Etching and regrowth techniques In these techniques, the epitaxial growth of the wafer is stopped after the deposition of the core layer of the waveguide. The wafer is then removed from the wafer growth apparatus and the core layer is etched to create the required taper profile. The wafer is then reloaded into the growth apparatus and an upper waveguiding layer is grown over the etched core layer. These techniques have the following disadvantages. First, the whole process is complicated,
take time. Second, removing the partially grown wafer from the growth apparatus,
And, the etching of the waveguide core layer leads to contamination of the waveguide, increasing optical loss and lowering the yield. Third, these methods are very reproducible.
In one such method, known as immersion etching, it is not possible to treat the entire surface of the wafer.

【0008】 不純物誘導ディスオーダリング(disordering) これは、コア層が均一な厚さを有する導波路で開始される、垂直にテーパの付
いた導波路を生産する技術である。この技術は、最初の均一な導波路が、多重量
子井戸領域からなるコア層を有さなければならない場合に限られる。亜鉛が、上
部導波層を介して導波路に拡散され、横方向の位置、すなわちエピタキシャル層
の平面内の位置に従って変化する深さまでコア層を貫通する。亜鉛が拡散された
所では、コア層の屈折率は、導波層の屈折率まで低下され、導波路の垂直なテー
パを作り出す。この技術は再現性が低く、結果として得られる導波路は、亜鉛の
拡散が起こった領域において、大きな光学的損失を有する。使用できる材料系の
点でも、同じく制限がある。
Impurity Induced Disordering This is a technique for producing vertically tapered waveguides where the core layer starts with a waveguide having a uniform thickness. This technique is limited to cases where the first uniform waveguide must have a core layer consisting of multiple quantum well regions. Zinc diffuses into the waveguide through the upper waveguiding layer and penetrates the core layer to a depth that varies according to the lateral position, ie, the position in the plane of the epitaxial layer. Where zinc is diffused, the index of refraction of the core layer is reduced to that of the waveguide layer, creating a vertical taper of the waveguide. This technique is less reproducible and the resulting waveguide has large optical losses in the regions where zinc diffusion has occurred. There are also restrictions on the material systems that can be used.

【0009】 エピタキシャル技術 テーパの付いたコア層および導波路の上部導波層が、単一のステップで成長で
きる技術は、いくつか存在する。例えば、分子ビームエピタキシ(Molecu
lar Beam Epitaxy、MBE)によって、コア層の成長中に、基
板および下部導波層からなるウエハの平面に導入される温度勾配は、この層の厚
さを制御するために使用することができる。この技術において、三元化合物およ
び四元化合物の組成上の均一性を、温度勾配にわたって制御することは非常に困
難であり、融点が低い材料または高い成長温度を必要とする材料は、適する成長
温度の範囲が狭いことがある。このことは、採用できる温度勾配に制限を設ける
Epitaxial Techniques There are several techniques by which the tapered core layer and the upper waveguide layer of the waveguide can be grown in a single step. For example, molecular beam epitaxy (Molecu
The temperature gradient introduced by the Lar Beam Epitaxy (MBE) into the plane of the wafer consisting of the substrate and the lower waveguiding layer during the growth of the core layer can be used to control the thickness of this layer. In this technique, it is very difficult to control the compositional homogeneity of the ternary compound and the quaternary compound over the temperature gradient, and a material having a low melting point or a material requiring a high growth temperature is suitable for the growth temperature. The range may be narrow. This places a limit on the temperature gradient that can be adopted.

【0010】 別のエピタキシャル技術は、「growth−on−a−ridge」として
知られている。幅の変化するリッジ(ridge)は、標準的なエッチング法に
よって、基板および下部導波層を含むウエハ上に作成できる。有機金属気相成長
法(Metal−Organic Vapour Phase Epitaxy
、MOVPE)の表面拡散特性のために、残っている導波路層の成長速度は、リ
ッジの幅が狭くなるに従って上昇し、テーパの付いた導波路を作り出す。この技
術は、コア層および上部導波層のエピタキシャル成長を行う前に、複雑で、時間
のかかるウエハ処理を含む。
Another epitaxial technique is known as “growth-on-a-ridge”. Ridges of varying width can be created on the wafer including the substrate and lower waveguide layer by standard etching methods. Metal-organic vapor phase epitaxy (metal-organic vapor phase epitaxy)
, MOVPE), the growth rate of the remaining waveguide layer increases as the width of the ridge narrows, creating a tapered waveguide. This technique involves complex and time consuming wafer processing prior to epitaxial growth of the core and top waveguide layers.

【0011】 さらに別のエピタキシャル技術は、誘電体マスクを使用する、シャドーマスク
MOVPE成長である。この技術では、パターン形成された誘電体マスクが、ウ
エハ上に堆積される。MOVPEエピタキシャル成長の間は、堆積が、シャドー
マスクの窓を介して起こる。シャドーマスクの下に堆積される層の横方向の厚さ
は、窓の横方向の寸法、マスクと基板との距離、および、反応圧力を変化させる
ことによって制御できる。この技術は、誘電体マスクの成長の追加成長ステップ
、および、これを取り除くための追加処理ステップを含む。これは、かなりの遅
れを含み表面に汚染を残すこともある、マスクをパターン形成するための処理ス
テップも含む。誘電体マスクの代わりに機械的なシャドーマスクが使用できるが
、MOVPE成長は、MOVPE成長の反応ガスの拡散の寸法が等しくないため
に、テーパの付いた層内の組成上の不均一を招くことが避けられない。これは、
この層内の光の導波に悪影響を及ぼす、テーパの付いた層内の屈折率の不均一を
招く。同様に、マスクの挿入および除去の間にウエハを大気に露出することは、
ウエハの汚染を招くことがある。さらなる短所として、マスク自体への材料の堆
積は、マスクの洗浄および交換を必要とする。
Yet another epitaxial technique is shadow mask MOVPE growth using a dielectric mask. In this technique, a patterned dielectric mask is deposited on the wafer. During MOVPE epitaxial growth, deposition occurs through the shadow mask window. The lateral thickness of the layer deposited under the shadow mask can be controlled by varying the lateral dimensions of the window, the mask to substrate distance, and the reaction pressure. This technique includes an additional growth step of growing the dielectric mask and additional processing steps to remove it. This also includes processing steps for patterning the mask, which may involve considerable delay and leave contamination on the surface. Although mechanical shadow masks can be used in place of dielectric masks, MOVPE growth leads to compositional non-uniformity within the tapered layer due to unequal reaction gas diffusion dimensions of MOVPE growth. Is inevitable. this is,
This leads to a non-uniform index of refraction within the tapered layer which adversely affects the waveguiding of light within this layer. Similarly, exposing the wafer to the atmosphere during mask insertion and removal is
This may result in wafer contamination. As a further disadvantage, the deposition of material on the mask itself requires cleaning and replacement of the mask.

【0012】 本発明の目的は、半導体光スラブ導波路を製造する代替のプロセスを提供する
ことである。
It is an object of the present invention to provide an alternative process of manufacturing a semiconductor optical slab waveguide.

【0013】 本発明は、少なくとも1つのテーパの付いたエピタキシャル層が、支持表面に
対して傾斜した平面におけるテーパを備えて、化学ビームエピタキシ(Chem
ical Beam Epitaxy、CBE)によって成長されることを特徴
とする、少なくとも1つのテーパの付いたエピタキシャル層を支持表面上に成長
させるステップを含む、半導体デバイスの製造方法を提供する。
The present invention provides that the at least one tapered epitaxial layer comprises a taper in a plane that is tilted with respect to the support surface to provide chemical beam epitaxy (Chem).
A method of manufacturing a semiconductor device comprising the step of growing at least one tapered epitaxial layer on a supporting surface, characterized in that the semiconductor device is grown by means of an optical beam epitaxy (CBE).

【0014】 本発明は、導波路が製作される基板の平面に垂直な平面において、連続的にテ
ーパの付いたコア層を内蔵する導波路を製作することを可能にする。MOVPE
によって成長されるテーパの付いた導波路において、コア層の厚さは、コアの薄
い部分に向けてテーパが付けられる前に、先ず、増加する。これは、導波特性お
よび導波路の光学的損失に悪影響を及ぼすが、本プロセスでは防止されている。
さらに、MOVPE成長によって作成された導波路のテーパの付いた領域に存在
する組成上の不均一は、CBE成長における気相反応がないため、防止されてい
る。本方法は、導波路の導波特性に悪影響を及ぼすか、または、その光学的損失
を増大させることがある、エピタキシャル成長中の厚さおよび屈折率の制御され
ていない変化を防止することを可能にする。
The invention makes it possible to fabricate a waveguide containing a continuously tapered core layer in a plane perpendicular to the plane of the substrate on which the waveguide is fabricated. MOVPE
In a tapered waveguide grown by, the thickness of the core layer first increases before it is tapered towards the thin portion of the core. This has a detrimental effect on the waveguiding properties and the optical loss of the waveguide, which is prevented in the process.
Furthermore, the compositional non-uniformity present in the tapered region of the waveguide created by MOVPE growth is prevented due to the lack of vapor phase reaction in CBE growth. The method allows to prevent uncontrolled changes in thickness and refractive index during epitaxial growth, which can adversely affect the waveguide properties of the waveguide or increase its optical loss. To

【0015】 本発明は、同じく、少なくとも1つのテーパの付いたエピタキシャル層が、機
械的シャドーマスクおよび単一のエピタキシャル成長ステップを使用して、支持
表面に垂直な平面におけるテーパを備えて成長されることを特徴とする、半導体
デバイスを製造する方法も提供する。
The invention also provides that at least one tapered epitaxial layer is grown with a taper in a plane perpendicular to the support surface using a mechanical shadow mask and a single epitaxial growth step. Also provided is a method of manufacturing a semiconductor device, the method including:

【0016】 テーパの付いた層が、完全にエピタキシャル成長によって作成されるため、本
プロセスは比較的単純で迅速であり、工業的規模においては、比較的安価な生産
を可能にする。本方法は、支持表面に垂直な平面においてテーパの付いた層を得
るための層の処理に関連した汚染を防止する。エピタキシャル成長中に、シャド
ーマスク上には多結晶成長がないため、本プロセスに使用されるシャドーマスク
は、プロセス中もその分解能を維持し、その後の成長の実行においても、洗浄せ
ずに再使用できる。これは、シャドーマスク上に大量の多結晶成長が起こり、不
要なシャドー効果をもたらすMBEによる成長とは対照的である。
Since the tapered layer is produced entirely by epitaxial growth, the process is relatively simple and fast, allowing relatively inexpensive production on an industrial scale. The method prevents contamination associated with treating the layer to obtain a layer that is tapered in a plane perpendicular to the support surface. Since there is no polycrystalline growth on the shadow mask during epitaxial growth, the shadow mask used in this process retains its resolution during the process and can be reused in subsequent growth runs without cleaning. . This is in contrast to MBE growth, where a large amount of polycrystalline growth occurs on the shadow mask, resulting in unwanted shadow effects.

【0017】 本発明は、少なくとも1つのテーパの付いたエピタキシャル層が、少なくとも
1つのテーパの付けられていないエピタキシャル層と同じ成長ステップで成長さ
れることを特徴とする、半導体デバイスの製造方法をさらに提供する。
The invention further provides a method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that the at least one tapered epitaxial layer is grown in the same growth step as the at least one untapered epitaxial layer. provide.

【0018】 本方法は、このようなデバイスを作成する速度において、ならびに、このよう
なデバイスの歩留まりおよび品質において向上を提供する。
The method provides improvements in the speed of making such devices, as well as in the yield and quality of such devices.

【0019】 本プロセスは、アルミニウムガリウムヒ素(AlGaAs)およびガリウムヒ
素(GaAs)の導波路を製造するために採用される時、ガリウムの供給源とし
てトリエチルガリウム(TEGa)またはトリイソプロピルガリウム(TIPG
a)を、アルミニウムの供給源としてアレイン(alane)のエチルジメチル
アミンアダクト(EDMAAl)を、および、ヒ素の供給源として熱分解された
アルシンを使用するのが好ましい。成長結晶の不純物を低減し、それにより、結
果として得られるデバイスの光学的特性を向上するために、成長は、500から
600℃の範囲の温度で行うのが好ましい。
When the present process is adopted to manufacture aluminum gallium arsenide (AlGaAs) and gallium arsenide (GaAs) waveguides, triethylgallium (TEGa) or triisopropylgallium (TIPG) is used as a source of gallium.
It is preferred to use a), the alane ethyldimethylamine adduct (EDMAAl) as the source of aluminum and the pyrolysed arsine as the source of arsenic. Growth is preferably carried out at temperatures in the range of 500 to 600 ° C. in order to reduce impurities in the grown crystals and thereby improve the optical properties of the resulting device.

【0020】 インジウムリン(InP)およびインジウムガリウムヒ素リン(InGaAs
P)に基づく導波路の場合、プロセスは、インジウム、ガリウム、ヒ素、および
リンの供給源として、それぞれ、トリメチルインジウム(TMIn)、トリメチ
ルガリウム(TMGa)、アルシン、およびホスフィンを使用するのが好ましい
Indium phosphide (InP) and indium gallium arsenide phosphide (InGaAs
For P) -based waveguides, the process preferably uses trimethylindium (TMIn), trimethylgallium (TMGa), arsine, and phosphine as sources of indium, gallium, arsenic, and phosphorus, respectively.

【0021】 本発明をさらに完全に理解できるように、本発明の実施形態を、例としてのみ
、添付の図面を参照して次に説明する。
In order that the invention may be more fully understood, embodiments of the invention are now described, by way of example only, with reference to the accompanying drawings.

【0022】 図1を参照すると、ガリウムヒ素(GaAs)基板ウエハ10を通る垂直断面
の一部が示される。基板10は、半導体デバイス製造の当業者に良く知られてい
る、標準的な手順に従ったエピタキシャル成長のために準備される。基板10は
、モリブデン製ホルダ(図示せず)に装着される。装着された基板10は、化学
ビームエピタキシ(CBE)装置(図示せず)に搭載され、次に、超高真空(U
ltra−High Vacuum、UHV)下に保管される。これは、次に、
UHV状態下のCBE装置の成長室に搭載され、安定した表面を維持し、粗くな
ることを防止する一方、表面上の酸化物の堆積を防止するために、ヒ素の超過圧
力下で、約650℃に加熱される。次に、好ましい供給源を使用して、CBE成
長中の不純物の意図しない混入を低減するため、基板10の温度は、400℃か
ら700℃の範囲内、典型的には540℃の成長温度に設定される。図2を参照
すると、以下の層が、以下の順序で基板10の表面にわたって均一に、CBEに
よって連続して堆積される。
Referring to FIG. 1, a portion of a vertical cross section through a gallium arsenide (GaAs) substrate wafer 10 is shown. Substrate 10 is prepared for epitaxial growth according to standard procedures well known to those skilled in semiconductor device manufacturing. The substrate 10 is mounted on a molybdenum holder (not shown). The mounted substrate 10 is mounted on a chemical beam epitaxy (CBE) apparatus (not shown), and then an ultra high vacuum (U) is used.
Ltra-High Vacuum, UHV). This is then
It is mounted in the growth chamber of a CBE device under UHV conditions to maintain a stable surface and prevent roughening, while under the overpressure of arsenic to prevent oxide deposition on the surface, about 650 Heated to ℃. The preferred source is then used to reduce the unintentional contamination of impurities during CBE growth by raising the temperature of the substrate 10 to a growth temperature in the range of 400 ° C. to 700 ° C., typically 540 ° C. Is set. Referring to FIG. 2, the following layers are deposited sequentially by CBE uniformly over the surface of substrate 10 in the following order.

【0023】 GaAsの0.5μm層11、 0.05±0.005のアルミニウムのモル分率を有するAlGaAsの3.
5μm層12、 0.3±0.03のアルミニウムのモル分率を有するAlGaAsの0.4μ
m層13、および、 GaAsの1.8μm層14。
2. 0.5 μm layer 11 of GaAs, 3. AlGaAs with a mole fraction of aluminum of 0.05 ± 0.005.
5 μm layer 12, 0.4 μ of AlGaAs with an aluminum mole fraction of 0.3 ± 0.03
m layer 13 and 1.8 μm layer 14 of GaAs.

【0024】 層11から14のCBE成長の間、CBE反応圧力は、気相反応が防止される
ように10−3Torr未満に保たれ、基板10は、毎分60回で回転される。
層11は、導波路層を基板10から分離するバッファ層である。層12および層
13は、完成した導波路における下部導波層を形成する。層14の厚さは、完成
した導波路におけるテーパの付いたコア層の薄い領域の厚さに等しい。基板10
および層11から14は、部分的に成長されたウエハ28を構成する。層14の
堆積に続き、アルシンの流れが停止され、ウエハ28の温度は、その上部表面が
粗くなることを防止するために、200℃に低下される。
During CBE growth of layers 11-14, the CBE reaction pressure is kept below 10 −3 Torr to prevent vapor phase reactions and the substrate 10 is spun at 60 revolutions per minute.
Layer 11 is a buffer layer that separates the waveguide layer from the substrate 10. Layers 12 and 13 form the lower waveguide layer in the completed waveguide. The thickness of layer 14 is equal to the thickness of the thin area of the tapered core layer in the finished waveguide. Board 10
And layers 11 to 14 constitute a partially grown wafer 28. Following the deposition of layer 14, the flow of arsine is stopped and the temperature of wafer 28 is reduced to 200 ° C. to prevent its upper surface from becoming rough.

【0025】 次に図3を参照すると、23などの一連の孔を有する二酸化シリコンが被覆さ
れたシリコンのシャドーマスク22(端部を示す)は、モリブデンのキャリヤ内
(図示せず)のタンタルのスペーサ20と緊密に接触して、積載される。このシ
ャドーマスク22およびスペーサ20は、UHV状態下でCBE装置の成長室内
に搭載され、所定の位置にクランプで固定される。スペーサ20は、100μm
の距離で、シャドーマスク22を層14の露出した表面から離している。アルシ
ンの流れが開始され、ウエハ28の温度は、シャドーマスク22が、シャドーマ
スク22からの熱損失を低減する結果としてのウエハ28の表面温度の上昇に対
して補正された本来の成長温度(540℃)である成長温度に戻される。次に、
CBE成長が再開される。CBE装置内の環境状態は、CBE成長が、不適切な
表面(すなわち、マスク22の表面)上ではなく、化学的に適切な表面(すなわ
ち、層14)上で行われるようになったものである。GaAsの4μm層16は
、シャドーマスク22の孔を介して、層14にわたって成長される。マスク22
の孔の縁に近い29などの領域において、成長速度は低下し、そのため、完成さ
れた層16は、領域29において、約1000μmの横方向の距離にわたって0
から4μmに滑らかにテーパ付けられた厚さプロファイルを有する。層14およ
び層16は、15などのテーパの付いた領域を有する均一なコア層18を形成す
る。15などのテーパのプロファイルは、エピタキシャル成長の間に、化学ビー
ムがウエハ28に到着する角度によって支配されていると考えられている。テー
パ15の長さは、スペーサ20の厚さ、および、化学ビームがウエハ28に到着
する角度を変化させることによって制御できる。これは、テーパのプロファイル
が、シャドーマスクの孔の形状および気相反応によって支配され、そのため、テ
ーパの長さが、所与の温度での表面上への分子の拡散距離によって制限できる、
MOVPEによるシャドーマスク成長とは対照的である。
Referring now to FIG. 3, a silicon dioxide coated silicon shadow mask 22 (showing the edges) having a series of holes, such as 23, is used for tantalum in a molybdenum carrier (not shown). It is loaded in close contact with the spacer 20. The shadow mask 22 and the spacer 20 are mounted in the growth chamber of the CBE apparatus under the UHV state and fixed by a clamp at a predetermined position. Spacer 20 is 100 μm
At a distance of .epsilon., The shadow mask 22 is separated from the exposed surface of layer 14. The flow of arsine is initiated and the temperature of the wafer 28 is adjusted to the original growth temperature (540) for the shadow mask 22 to compensate for the increase in the surface temperature of the wafer 28 as a result of reducing heat loss from the shadow mask 22. ℃) to the growth temperature. next,
CBE growth resumes. The environmental conditions within the CBE apparatus are such that CBE growth is now performed on the chemically relevant surface (ie layer 14) rather than on the improper surface (ie surface of mask 22). is there. A 4 μm layer 16 of GaAs is grown over layer 14 through the holes in shadow mask 22. Mask 22
In regions such as 29 near the edges of the pores of, the growth rate is reduced, so that the completed layer 16 will have 0 in region 29 over a lateral distance of about 1000 μm.
Has a thickness profile that tapers smoothly from 1 to 4 μm. Layers 14 and 16 form a uniform core layer 18 having tapered regions such as 15. A taper profile such as 15 is believed to be dominated by the angle at which the chemical beam reaches the wafer 28 during epitaxial growth. The length of taper 15 can be controlled by varying the thickness of spacer 20 and the angle at which the chemical beam reaches wafer 28. This is because the profile of the taper is dominated by the shape of the holes in the shadow mask and the gas phase reaction, so that the length of the taper can be limited by the diffusion distance of molecules onto the surface at a given temperature,
In contrast to MOVPE shadow mask growth.

【0026】 層16の成長は、CBE装置の成長室への第III族を含む種の流れを停止す
ることによって終了される。ウエハ30の温度は、200℃に低下され、CBE
装置へのアルシンの供給は停止される。スペーサ20およびシャドーマスク22
は、UHV状態下で取り除かれる。次に、アルシンの流れは、開始され、ウエハ
30の温度は、約540℃に戻される。次に、CBE成長が再開される。図4を
参照すると、0.2±0.02のアルミニウムのモル分率を有するAlGaAs
の厚さ1.2μmの層24が、層18の上部表面上に堆積され、上部導波層を形
成する。GaAsの0.1μmのキャップ層26は、上部導波層24にわたって
均一に堆積される。ここで、エピタキシャル成長は完成され、完成したウエハ3
1がCBE装置から取り除かれる。
The growth of layer 16 is terminated by stopping the flow of the Group III containing species into the growth chamber of the CBE apparatus. The temperature of the wafer 30 is lowered to 200 ° C.
The supply of arsine to the device is stopped. Spacer 20 and shadow mask 22
Are removed under UHV conditions. Then, the flow of arsine is started and the temperature of the wafer 30 is returned to about 540 ° C. Next, CBE growth is restarted. Referring to FIG. 4, AlGaAs having an aluminum mole fraction of 0.2 ± 0.02.
A 1.2 .mu.m thick layer 24 is deposited on the upper surface of layer 18 to form the upper waveguiding layer. A 0.1 μm cap layer 26 of GaAs is uniformly deposited over the upper waveguiding layer 24. Here, the epitaxial growth is completed and the completed wafer 3
1 is removed from the CBE device.

【0027】 次に、横方向にテーパの付いたリッジ導波路を作成するために、フォトリソグ
ラフィおよび反応性イオンエッチングによって、導波路の横方向のテーパが付け
られ、すなわち、基板10の表面の平面に平行な平面におけるテーパが付けられ
る。正確なフォトリソグラフィは、シャドーマスク22を介して堆積された最小
長さでテーパ形成された位置合わせ特徴を使用して達成される。完成したデバイ
スは、二次元でテーパが付けられ、内部に導かれた光モードのサイズを変換する
、コア領域を内蔵する受動リッジ導波路である。
Next, the waveguide is laterally tapered by photolithography and reactive ion etching to create a laterally tapered ridge waveguide, ie, the plane of the surface of the substrate 10. Taper in a plane parallel to. Accurate photolithography is achieved using minimum length tapered alignment features deposited through shadow mask 22. The completed device is a two-dimensionally tapered passive ridge waveguide containing a core region that converts the size of the internally guided optical modes.

【0028】 CBE装置は、回転可能な加熱される基板アセンブリを有するステンレス鋼製
成長室、ガス取入れ口マニフォルド、基板およびシャドーマスクの保存のための
ステンレス鋼製保存室、基板とシャドーマスクを装着および取外しするためのス
テンレス鋼製ロードロック室、および各室の間で基板およびシャドーマスクを搬
送するための搬送機構を含む。CBE装置は、装置の各室内部でUHV状態を維
持するための真空ポンプも含む。エピタキシャル成長の間は、第III族および
第V族の化学ビームが、45°で基板10の表面上に突入する。
The CBE apparatus includes a stainless steel growth chamber having a rotatable heated substrate assembly, a gas inlet manifold, a stainless steel storage chamber for storage of substrate and shadow mask, mounting substrate and shadow mask, and It includes a stainless steel load lock chamber for removal and a transfer mechanism for transferring the substrate and shadow mask between the chambers. The CBE device also includes a vacuum pump to maintain the UHV condition inside each chamber of the device. During epitaxial growth, group III and group V chemical beams impinge on the surface of substrate 10 at 45 °.

【0029】 図5を参照すると、エピタキシャル成長の間に、CBE装置内で、基板10、
スペーサ20、およびシャドーマスク22を保持するために使用される、機械装
置50の垂直断面図が示される。基板10は、モリブデンのキャリヤ52上に搭
載され、2つのタンタルのスプリング54によって所定の位置に固定される。基
板10は、キャリヤ52の平坦表面56に対して堅固に位置する大きな平坦部分
を有する。キャリヤ52は、60などの3つのピンによってヒータアセンブリ5
8に装着される。スペーサ20およびシャドーマスク22は、64などの3つの
ピンによって基板10にわたって装置50上に搭載されるモリブデンのホルダ6
2に搭載され、スペーサ20は、基板10と、その縁の周囲で接触する。3つの
スプリング68を有するクランプ用リング66は、スペーサ20と基板10との
間の接触を確実にするために、3つのピンの上のシャドーマスク20にわたって
搭載される。装置50は、基板10とシャドーマスク22との間の回転エラーを
最小にし、位置合わせを正確なものにする。
Referring to FIG. 5, during the epitaxial growth, the substrate 10, in the CBE apparatus,
Shown is a vertical cross-sectional view of the mechanical device 50 used to hold the spacer 20 and the shadow mask 22. The substrate 10 is mounted on a molybdenum carrier 52 and secured in place by two tantalum springs 54. The substrate 10 has a large flat portion that lies rigidly against the flat surface 56 of the carrier 52. The carrier 52 includes a heater assembly 5 with three pins such as 60.
It is attached to 8. Spacer 20 and shadow mask 22 are molybdenum holders 6 mounted on device 50 over substrate 10 by three pins such as 64.
Mounted on 2, the spacer 20 makes contact with the substrate 10 around its edges. A clamping ring 66 with three springs 68 is mounted over the shadow mask 20 over the three pins to ensure contact between the spacer 20 and the substrate 10. The device 50 minimizes rotational error between the substrate 10 and the shadow mask 22 and provides accurate alignment.

【0030】 図6を参照すると、シャドーマスク22の垂直断面図が示されている。このマ
スク22は、450μmの厚さおよび75mmの直径を有するシリコンウエハか
ら製造する。このシリコンウエハの<111>面は、標準的なフォトリソグラフ
ィおよび化学エッチングの手順によって、シリコンウエハの平面に対して54.
7°で傾斜する90などの傾斜側面を備えた23、などの一連の孔を作成するた
めにエッチングされる。残るシリコン92は、熱酸化膜91で被覆される。CB
E成長の化学的な性質のため、層16のエピタキシャル成長の間は、シャドーマ
スク22上には、多結晶の成長がない。これは、CBE成長においては、広い温
度範囲にわたってマスク22の酸化膜表面91上に、金属含有アルキルの分解が
起こらないためである。図7は、シャドーマスク22の平面図であり、同じく、
孔23および基板10の位置を示す。シャドーマスク22は、スプリング54お
よび平坦表面56の突入のための孔40を含む。このマスク22は、これが、モ
リブデンのキャリヤ62に取り付けられることを可能にする穴41も有する。
Referring to FIG. 6, a vertical cross-sectional view of shadow mask 22 is shown. The mask 22 is manufactured from a silicon wafer having a thickness of 450 μm and a diameter of 75 mm. The <111> plane of this silicon wafer was formed by standard photolithography and chemical etching procedures with respect to the plane of the silicon wafer by 54.
Etched to make a series of holes, such as 23 with beveled sides such as 90 that are beveled at 7 °. The remaining silicon 92 is covered with a thermal oxide film 91. CB
Due to the E growth chemistry, there is no polycrystalline growth on the shadow mask 22 during the epitaxial growth of layer 16. This is because in CBE growth, decomposition of the metal-containing alkyl does not occur on the oxide film surface 91 of the mask 22 over a wide temperature range. FIG. 7 is a plan view of the shadow mask 22, and similarly,
The positions of the holes 23 and the substrate 10 are shown. Shadow mask 22 includes holes 40 for the entry of springs 54 and flat surface 56. The mask 22 also has holes 41 that allow it to be attached to a molybdenum carrier 62.

【0031】 本発明の別の実施形態において、プロセスは、導波層がインジウムガリウムヒ
素リン(InGaAsP)からなり、テーパの付いたコア層がインジウムリン(
InP)からなる、テーパの付いた導波路を作成するために使用できる。このよ
うな導波路は、約1.3μmまたは1.5μmの波長を備えた光モードを導波し
、再整形するために使用できる。本発明のさらに別の実施形態において、プロセ
スは、1μmと8μmの間の波長を有する放射に使用するインジウムヒ素(In
As)、ガリウムアンチモン(GaSb)、または、インジウムアンチモン(I
nSb)のコア層を有する垂直方向にテーパの付いた導波路を製造するために使
用できる。
In another embodiment of the present invention, the process is such that the waveguiding layer comprises indium gallium arsenide phosphide (InGaAsP) and the tapered core layer comprises indium phosphide (InP).
It can be used to make tapered waveguides made of InP). Such a waveguide can be used to guide and reshape optical modes with wavelengths of about 1.3 μm or 1.5 μm. In yet another embodiment of the invention, the process uses indium arsenide (In) for radiation having a wavelength between 1 μm and 8 μm.
As), gallium antimony (GaSb), or indium antimony (I
nSb) can be used to fabricate vertically tapered waveguides with core layers.

【0032】 本発明のプロセスは、単一のエピタキシャル成長ステップで、少なくとも1つ
のテーパの付いた層を内蔵する他の半導体デバイスを製造するためにも使用でき
る。図8は、このプロセスによって製造できる光電子半導体モジュレータ100
の構造を示す。このモジュレータ100は、以下のように製造される。n型Ga
As基板ウエハ110が準備され、上述のようにCBE装置に積載され、搭載さ
れる。次に、以下のエピタキシャル層が、以下の順序でCBEによってウエハ1
10上に連続的に堆積される。
The process of the present invention can also be used to fabricate other semiconductor devices incorporating at least one tapered layer in a single epitaxial growth step. FIG. 8 shows an optoelectronic semiconductor modulator 100 that can be manufactured by this process.
Shows the structure of. The modulator 100 is manufactured as follows. n-type Ga
The As substrate wafer 110 is prepared, loaded and mounted on the CBE apparatus as described above. The following epitaxial layers are then deposited by CBE on wafer 1
10 is continuously deposited.

【0033】 1018cm−3のドーピング濃度を有するn型GaAsの0.5μmの層1
12、 0.05±0.005のアルミニウムのモル分率、および1018cm−3
ドーピング濃度を有するn型AlGaAsの3.5μmの層114、 0.3±0.03のアルミニウムのモル分率、および1018cm−3のドー
ピング濃度を有するn型AlGaAsの0.3μmの層116、 0.3±0.03のアルミニウムのモル分率、および1017cm−3のドー
ピング濃度を有するn型AlGaAsの0.1μmの層118、 層120の厚さが、約1000μmの横方向の距離にわたって1.8μmから
5.8μmに増加し、上述のようにスペーサおよびシャドーマスクを使用して形
成される、テーパの付いた領域126を有するドーピングされていないGaAs
の層120、 0.2±0.02のアルミニウムのモル分率を有するドーピングされていない
AlGaAsの1.2μmの層122、および、 ドーピングされていないGaAsの0.1μmのキャップ層124。
0.5 μm layer 1 of n-type GaAs with a doping concentration of 10 18 cm −3
12, 3.5 μm layer 114 of n-type AlGaAs with a molar fraction of aluminum of 0.05 ± 0.005 and a doping concentration of 10 18 cm −3 , a molar fraction of aluminum of 0.3 ± 0.03 And a 0.3 μm layer 116 of n-type AlGaAs having a doping concentration of 10 18 cm −3 , an aluminum mole fraction of 0.3 ± 0.03, and an n having a doping concentration of 10 17 cm −3. The thickness of the 0.1 μm layers 118, 120 of the type AlGaAs is increased from 1.8 μm to 5.8 μm over a lateral distance of about 1000 μm and is formed using spacers and shadow masks as described above. Undoped GaAs with tapered region 126
Layer 120, a 1.2 μm layer 122 of undoped AlGaAs having an aluminum mole fraction of 0.2 ± 0.02, and a 0.1 μm cap layer 124 of undoped GaAs.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 二次元的にテーパの付いたコア層を備えた半導体光導波路を作成する、本発明
によるプロセスの原理的な段階を示す図である。
FIG. 1 shows the principle steps of a process according to the invention for producing a semiconductor optical waveguide with a two-dimensionally tapered core layer.

【図2】 二次元的にテーパの付いたコア層を備えた半導体光導波路を作成する、本発明
によるプロセスの原理的な段階を示す図である。
FIG. 2 shows the principle steps of the process according to the invention for producing a semiconductor optical waveguide with a two-dimensionally tapered core layer.

【図3】 二次元的にテーパの付いたコア層を備えた半導体光導波路を作成する、本発明
によるプロセスの原理的な段階を示す図である。
FIG. 3 shows the principle steps of the process according to the invention for producing a semiconductor optical waveguide with a two-dimensionally tapered core layer.

【図4】 二次元的にテーパの付いたコア層を備えた半導体光導波路を作成する、本発明
によるプロセスの原理的な段階を示す図である。
FIG. 4 shows the principle steps of the process according to the invention for producing a semiconductor optical waveguide with a two-dimensionally tapered core layer.

【図5】 導波路の作成の間に使用される機械的装置の垂直断面図である。[Figure 5]   FIG. 6 is a vertical cross-sectional view of a mechanical device used during the fabrication of a waveguide.

【図6】 本プロセスに使用されるシャドーマスクの垂直断面図である。[Figure 6]   It is a vertical sectional view of a shadow mask used for this process.

【図7】 シャドーマスクの平面図である。[Figure 7]   It is a top view of a shadow mask.

【図8】 本発明のプロセスによって同じく作成でき、二次元的にテーパの付いたコア層
を有する、光電子半導体モジュレータの構造を示す図である。
FIG. 8 shows the structure of an optoelectronic semiconductor modulator, which can also be made by the process of the present invention and has a two-dimensionally tapered core layer.

【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書[Procedure for Amendment] Submission for translation of Article 34 Amendment of Patent Cooperation Treaty

【提出日】平成13年4月11日(2001.4.11)[Submission date] April 11, 2001 (2001.4.11)

【手続補正1】[Procedure Amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】全文[Correction target item name] Full text

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正の内容】[Contents of correction]

【発明の名称】 半導体デバイスの製造方法Title: Method for manufacturing semiconductor device

【特許請求の範囲】[Claims]

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】 本発明は、テーパの付いたエピタキシャル層を備えた半導体デバイスを製造す
る方法に関する。
The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device having a tapered epitaxial layer.

【0002】 光電子システムは、光ファイバと、レーザー、増幅器、変調器、検知器、およ
びスイッチなどの光電子半導体デバイスとを含む。光ファイバによって維持され
る光モードのサイズと形状は、光電子半導体デバイスの光モードのサイズと形状
とは大幅に異なり、結果として、光放射がこのようなデバイスとファイバとの間
で結合される時に、モード不整合および大きな光学的損失をもたらす。
Optoelectronic systems include optical fibers and optoelectronic semiconductor devices such as lasers, amplifiers, modulators, detectors, and switches. The size and shape of the optical modes maintained by an optical fiber differ significantly from the size and shape of the optical modes of optoelectronic semiconductor devices, and as a result, when optical radiation is coupled between such devices and the fiber. , Resulting in mode mismatch and large optical loss.

【0003】 このような光学的損失を低減する1つの技術は、光電子半導体デバイスと光フ
ァイバとの間に設けられたマイクロレンズの使用を含む。このマイクロレンズは
、光電子半導体デバイスまたは光ファイバによる、光モードの出力のサイズを変
化させるが、光モードの形状は変化させない。別の技術は、光電子半導体デバイ
スと光ファイバとの間に設けられた光モード変換導波路の使用を含む。これらの
技術は両方とも、非常に高度な位置合わせ公差を必要とし、その結果、各コンポ
ーネントの位置合わせが光電子システムの総費用の最も大きな部分を占めること
がある。
One technique for reducing such optical losses involves the use of microlenses provided between the optoelectronic semiconductor device and the optical fiber. The microlens changes the size of the output of the optical mode by the optoelectronic semiconductor device or the optical fiber, but does not change the shape of the optical mode. Another technique involves the use of an optical mode conversion waveguide provided between the optoelectronic semiconductor device and the optical fiber. Both of these techniques require very high alignment tolerances, so that the alignment of each component can make up the largest portion of the total cost of an optoelectronic system.

【0004】 結合損失を低減する第3の技術は、デバイスの能動部分と出力ファセットとの
間で、二次元のテーパの付いた厚さプロファイルを備える、出力導波路を有した
光電子半導体デバイスの使用を含む。出力導波路のこのテーパは、光電子半導体
デバイスの能動部分からの、時には高度に非対称なこともある比較的小さい(0
.5μmから2.0μm)光モードを、光ファイバによって維持されるさらに大
きい(6μmから10μm)円形状の対称な光モードに、厳密に整合することを
可能にする。
A third technique for reducing coupling loss is the use of optoelectronic semiconductor devices with output waveguides that have a two-dimensional tapered thickness profile between the active portion of the device and the output facets. including. This taper of the output waveguide is relatively small (0) from the active portion of the optoelectronic semiconductor device, sometimes highly asymmetric.
. It allows the 5 μm to 2.0 μm) optical mode to be closely matched to the larger (6 μm to 10 μm) circular symmetric optical mode maintained by the optical fiber.

【0005】 光電子半導体デバイスの出力導波路の横方向のテーパ、すなわち、基板表面に
平行な平面でのテーパは、フォトリソグラフィおよび化学エッチングなどの知ら
れている半導体プロセス技術を使用して達成できる。これは、デバイスを作成す
るウエハのエピタキシャル成長の後に行われる。エピタキシャル層が成長する平
面に垂直な平面における、導波路のコア層のテーパは、さらに困難であり、ウエ
ハの成長中におけるコア層の厚さの管理を含む。
The lateral tapering of the output waveguides of optoelectronic semiconductor devices, ie in the plane parallel to the substrate surface, can be achieved using known semiconductor processing techniques such as photolithography and chemical etching. This is done after the epitaxial growth of the wafer from which the device is made. Tapering the core layer of the waveguide in a plane perpendicular to the plane in which the epitaxial layer is grown is more difficult and involves managing the core layer thickness during wafer growth.

【0006】 垂直にテーパが付けられ、フレア状の半導体光導波路を生産するために現在使
用される方法は、Moermanによって、「IEEE Jornal of
Selected Topics in Quantum Electroni
cs」第3巻第6号の1308〜1320頁に述べられており、以下の3つの主
な見出しのもとに分類することができる。
The method currently used to produce vertically tapered, flared semiconductor optical waveguides is described by Moerman in “IEEE Journal of
Selected Topics in Quantum Electroni
cs ”, Vol. 3, No. 6, pages 1308 to 1320, and can be classified under the following three main headings.

【0007】 エッチングおよび再成長技術 これらの技術において、ウエハのエピタキシャル成長は、導波路のコア層の堆
積の後に停止される。次に、ウエハは、ウエハ成長装置から取り出され、必要な
テーパのプロファイルを作るためにコア層がエッチングされる。次に、ウエハは
、成長装置に再搭載され、エッチングされたコア層にわたって、上部導波層が成
長される。これらの技術は、以下の短所を有する。第1に、処理全体が複雑で、
時間がかかる。第2に、部分的に成長されたウエハの成長装置からの取り出し、
および、導波路コア層のエッチングが、導波路に汚染を招き、光学的損失を増大
させ、歩留まりを低下させる。第3に、これらの方法は、再現性が非常に低い。
浸漬エッチングとして知られているこのような方法の1つにおいて、ウエハの表
面全体を処理することは不可能である。
Etching and regrowth techniques In these techniques, the epitaxial growth of the wafer is stopped after the deposition of the core layer of the waveguide. The wafer is then removed from the wafer growth apparatus and the core layer is etched to create the required taper profile. The wafer is then reloaded into the growth apparatus and an upper waveguiding layer is grown over the etched core layer. These techniques have the following disadvantages. First, the whole process is complicated,
take time. Second, removing the partially grown wafer from the growth apparatus,
And, the etching of the waveguide core layer leads to contamination of the waveguide, increasing optical loss and lowering the yield. Third, these methods are very reproducible.
In one such method, known as immersion etching, it is not possible to treat the entire surface of the wafer.

【0008】 不純物誘導ディスオーダリング(disordering) これは、コア層が均一な厚さを有する導波路で開始される、垂直にテーパの付
いた導波路を生産する技術である。この技術は、最初の均一な導波路が、多重量
子井戸領域からなるコア層を有さなければならない場合に限られる。亜鉛が、上
部導波層を介して導波路に拡散され、横方向の位置、すなわちエピタキシャル層
の平面内の位置に従って変化する深さまでコア層を貫通する。亜鉛が拡散された
所では、コア層の屈折率は、導波層の屈折率まで低下され、導波路の垂直なテー
パを作り出す。この技術は再現性が低く、結果として得られる導波路は、亜鉛の
拡散が起こった領域において、大きな光学的損失を有する。使用できる材料系の
点でも、同じく制限がある。
Impurity Induced Disordering This is a technique for producing vertically tapered waveguides where the core layer starts with a waveguide having a uniform thickness. This technique is limited to cases where the first uniform waveguide must have a core layer consisting of multiple quantum well regions. Zinc diffuses into the waveguide through the upper waveguiding layer and penetrates the core layer to a depth that varies according to the lateral position, ie, the position in the plane of the epitaxial layer. Where zinc is diffused, the index of refraction of the core layer is reduced to that of the waveguide layer, creating a vertical taper of the waveguide. This technique is less reproducible and the resulting waveguide has large optical losses in the regions where zinc diffusion has occurred. There are also restrictions on the material systems that can be used.

【0009】 エピタキシャル技術 テーパの付いたコア層および導波路の上部導波層が、単一のステップで成長で
きる技術は、いくつか存在する。例えば、分子ビームエピタキシ(Molecu
lar Beam Epitaxy、MBE)によって、コア層の成長中に、基
板および下部導波層からなるウエハの平面に導入される温度勾配は、この層の厚
さを制御するために使用することができる。この技術において、三元化合物およ
び四元化合物の組成上の均一性を、温度勾配にわたって制御することは非常に困
難であり、融点が低い材料または高い成長温度を必要とする材料は、適する成長
温度の範囲が狭いことがある。このことは、採用できる温度勾配に制限を設ける
Epitaxial Techniques There are several techniques by which the tapered core layer and the upper waveguide layer of the waveguide can be grown in a single step. For example, molecular beam epitaxy (Molecu
The temperature gradient introduced by the Lar Beam Epitaxy (MBE) into the plane of the wafer consisting of the substrate and the lower waveguiding layer during the growth of the core layer can be used to control the thickness of this layer. In this technique, it is very difficult to control the compositional homogeneity of the ternary compound and the quaternary compound over the temperature gradient, and a material having a low melting point or a material requiring a high growth temperature is suitable for the growth temperature. The range may be narrow. This places a limit on the temperature gradient that can be adopted.

【0010】 別のエピタキシャル技術は、「growth−on−a−ridge」として
知られている。幅の変化するリッジ(ridge)は、標準的なエッチング法に
よって、基板および下部導波層を含むウエハ上に作成できる。有機金属気相成長
法(Metal−Organic Vapour Phase Epitaxy
、MOVPE)の表面拡散特性のために、残っている導波路層の成長速度は、リ
ッジの幅が狭くなるに従って上昇し、テーパの付いた導波路を作り出す。この技
術は、コア層および上部導波層のエピタキシャル成長を行う前に、複雑で、時間
のかかるウエハ処理を含む。
Another epitaxial technique is known as “growth-on-a-ridge”. Ridges of varying width can be created on the wafer including the substrate and lower waveguide layer by standard etching methods. Metal-organic vapor phase epitaxy (metal-organic vapor phase epitaxy)
, MOVPE), the growth rate of the remaining waveguide layer increases as the width of the ridge narrows, creating a tapered waveguide. This technique involves complex and time consuming wafer processing prior to epitaxial growth of the core and top waveguide layers.

【0011】 さらに別のエピタキシャル技術は、誘電体マスクを使用する、シャドーマスク
MOVPE成長である。この技術では、パターン形成された誘電体マスクが、ウ
エハ上に堆積される。MOVPEエピタキシャル成長の間は、堆積が、シャドー
マスクの窓を介して起こる。シャドーマスクの下に堆積される層の横方向の厚さ
は、窓の横方向の寸法、マスクと基板との距離、および、反応圧力を変化させる
ことによって制御できる。この技術は、誘電体マスクの成長の追加成長ステップ
、および、これを取り除くための追加処理ステップを含む。これは、かなりの遅
れを含み表面に汚染を残すこともある、マスクをパターン形成するための処理ス
テップも含む。誘電体マスクの代わりに機械的なシャドーマスクが使用できるが
、MOVPE成長は、MOVPE成長の反応ガスの拡散の寸法が等しくないため
に、テーパの付いた層内の組成上の不均一を招くことが避けられない。これは、
この層内の光の導波に悪影響を及ぼす、テーパの付いた層内の屈折率の不均一を
招く。同様に、マスクの挿入および除去の間にウエハを大気に露出することは、
ウエハの汚染を招くことがある。さらなる短所として、マスク自体への材料の堆
積は、マスクの洗浄および交換を必要とする。
Yet another epitaxial technique is shadow mask MOVPE growth using a dielectric mask. In this technique, a patterned dielectric mask is deposited on the wafer. During MOVPE epitaxial growth, deposition occurs through the shadow mask window. The lateral thickness of the layer deposited under the shadow mask can be controlled by varying the lateral dimensions of the window, the mask to substrate distance, and the reaction pressure. This technique includes an additional growth step of growing the dielectric mask and additional processing steps to remove it. This also includes processing steps for patterning the mask, which may involve considerable delay and leave contamination on the surface. Although mechanical shadow masks can be used in place of dielectric masks, MOVPE growth leads to compositional non-uniformity within the tapered layer due to unequal reaction gas diffusion dimensions of MOVPE growth. Is inevitable. this is,
This leads to a non-uniform index of refraction within the tapered layer which adversely affects the waveguiding of light within this layer. Similarly, exposing the wafer to the atmosphere during mask insertion and removal is
This may result in wafer contamination. As a further disadvantage, the deposition of material on the mask itself requires cleaning and replacement of the mask.

【0012】 米国特許第4,855,255号は、中でも、化学ビームエピタキシ(Che
mical Beam Epitaxy)によってテーパの付いたエピタキシャ
ル層を成長する方法を開示している。この方法は、エピタキシャル成長が基板上
の様々な位置で起こる速度を空間的に制御するために、テーパの付いた層が成長
される基板の表面にわたる熱勾配の発生を含む。
US Pat. No. 4,855,255 discloses, among other things, chemical beam epitaxy (Che
Disclosed is a method of growing a tapered epitaxial layer by means of a chemical beam epitaxy. The method involves the generation of a thermal gradient across the surface of the substrate on which the tapered layer is grown to spatially control the rate at which epitaxial growth occurs at various locations on the substrate.

【0013】 本発明の目的は、半導体光スラブ導波路を製造する代替のプロセスを提供する
ことである。
It is an object of the present invention to provide an alternative process of manufacturing a semiconductor optical slab waveguide.

【0014】 本発明の一態様によれば、化学ビームエピタキシによって単一のエピタキシャ
ル成長ステップで、支持表面上にテーパの付いたエピタキシャル層を成長するス
テップを含み、テーパの平面が支持表面に対して実質的に垂直である半導体デバ
イスの製造方法であって、機械的なシャドーマスクを使用して、テーパの付いた
エピタキシャル層を成長させることを特徴とする半導体デバイスの製造方法が提
供される。
According to one aspect of the invention, the method comprises growing a tapered epitaxial layer on a support surface in a single epitaxial growth step by chemical beam epitaxy, the plane of the taper being substantially relative to the support surface. A method of manufacturing a semiconductor device that is vertically vertical, characterized in that a mechanical shadow mask is used to grow a tapered epitaxial layer.

【0015】 本発明は、導波路が製作される基板の平面に垂直な平面において、連続的にテ
ーパの付いたコア層を内蔵する導波路を製作することを可能にする。MOVPE
によって成長されるテーパの付いた導波路において、コア層の厚さは、コアの薄
い部分に向けてテーパが付けられる前に、先ず、増加する。これは導波特性およ
び導波路の光学的損失に悪影響を及ぼすが、本プロセスでは防止されている。さ
らに、MOVPE成長によって作成された導波路のテーパの付いた領域に存在す
る組成上の不均一は、CBE成長における気相反応がないため、防止されている
。本方法は、導波路の導波特性に悪影響を及ぼすか、または、その光学的損失を
増大させることがある、エピタキシャル成長中の厚さおよび屈折率の制御されて
いない変化を防止することを可能にする。
The invention makes it possible to fabricate a waveguide containing a continuously tapered core layer in a plane perpendicular to the plane of the substrate on which the waveguide is fabricated. MOVPE
In a tapered waveguide grown by, the thickness of the core layer first increases before it is tapered towards the thin portion of the core. This has a detrimental effect on the waveguide properties and the optical loss of the waveguide, but is prevented in this process. Furthermore, the compositional non-uniformity present in the tapered region of the waveguide created by MOVPE growth is prevented due to the lack of vapor phase reaction in CBE growth. The method allows to prevent uncontrolled changes in thickness and refractive index during epitaxial growth, which can adversely affect the waveguide properties of the waveguide or increase its optical loss. To

【0016】 テーパの付いたエピタキシャル層は、テーパの付いていないエピタキシャル層
と同じ成長ステップで成長させることができる。このことは、テーパの付いた層
、およびテーパの付いていない層の両方を有するデバイスのためのウエハの製造
が、成長を中断することなく行われることを可能にする。この成長の中断は汚染
を招くことがあり、デバイスの性能を低下させる。このようなウエハ製造は、比
較的単純および迅速であり、工業的規模では、比較的安価な生産を可能にする。
The tapered epitaxial layer can be grown in the same growth steps as the untapered epitaxial layer. This allows the manufacture of wafers for devices with both tapered and untapered layers to occur without interrupting growth. This interruption of growth can lead to contamination and reduce device performance. Such wafer fabrication is relatively simple and fast, and allows relatively inexpensive production on an industrial scale.

【0017】 機械的なシャドーマスクは、化学ビームエピタキシによる成長に使用される温
度では堆積が起こらない、酸化物の被覆を有するのが好ましい。本方法に使用さ
れるシャドーマスクは、エピタキシャル成長の間、シャドーマスク上に多結晶成
長がないため、エピタキシャル成長の間、その分解能を維持し、その後の成長の
実行においても、洗浄することなしに再使用できる。このことは、大量の多結晶
成長がシャドーマスク上に起こり、不要なシャドー効果をもたらすMBEによる
成長とは対照的である。
The mechanical shadow mask preferably has an oxide coating that does not cause deposition at the temperatures used for growth by chemical beam epitaxy. The shadow mask used in this method retains its resolution during epitaxial growth because there is no polycrystalline growth on the shadow mask during epitaxial growth and can be reused in subsequent growth runs without cleaning. it can. This is in contrast to MBE growth, where a large amount of polycrystalline growth occurs on the shadow mask, resulting in unwanted shadow effects.

【0018】 本方法は、例えば、光導波路などの放射を導くための半導体デバイスを製造す
るために使用できる。
The method can be used, for example, to manufacture semiconductor devices for directing radiation, such as optical waveguides.

【0019】 本発明をさらに完全に理解するために、本発明の実施形態が、添付の図面を参
照して、例のみを使用して説明される。
For a more complete understanding of the invention, embodiments of the invention are described by way of example only with reference to the accompanying drawings.

【0020】 図1を参照すると、ガリウムヒ素(GaAs)基板ウエハ10を通る垂直断面
の一部が示される。基板10は、半導体デバイス製造の当業者に良く知られてい
る、標準的な手順に従ったエピタキシャル成長のために準備される。基板10は
、モリブデン製ホルダ(図示せず)に装着される。装着された基板10は、化学
ビームエピタキシ(CBE)装置(図示せず)に搭載され、次に、超高真空(U
ltra−High Vacuum、UHV)下に保管される。これは、次に、
UHV状態下のCBE装置の成長室に搭載され、安定した表面を維持し、粗くな
ることを防止する一方、表面上の酸化物の堆積を防止するために、ヒ素の超過圧
力下で、約650℃に加熱される。次に、好ましい供給源を使用して、CBE成
長中の不純物の意図しない混入を低減するため、基板10の温度は、400℃か
ら700℃の範囲内、典型的には540℃の成長温度に設定される。図2を参照
すると、以下の層が、以下の順序で基板10の表面にわたって均一に、CBEに
よって連続して堆積される。
Referring to FIG. 1, a portion of a vertical cross section through a gallium arsenide (GaAs) substrate wafer 10 is shown. Substrate 10 is prepared for epitaxial growth according to standard procedures well known to those skilled in semiconductor device manufacturing. The substrate 10 is mounted on a molybdenum holder (not shown). The mounted substrate 10 is mounted on a chemical beam epitaxy (CBE) apparatus (not shown), and then an ultra high vacuum (U) is used.
Ltra-High Vacuum, UHV). This is then
It is mounted in the growth chamber of a CBE device under UHV conditions to maintain a stable surface and prevent roughening, while under the overpressure of arsenic to prevent oxide deposition on the surface, about 650 Heated to ℃. The preferred source is then used to reduce the unintentional contamination of impurities during CBE growth by raising the temperature of the substrate 10 to a growth temperature in the range of 400 ° C. to 700 ° C., typically 540 ° C. Is set. Referring to FIG. 2, the following layers are deposited sequentially by CBE uniformly over the surface of substrate 10 in the following order.

【0021】 GaAsの0.5μm層11、 0.05±0.005のアルミニウムのモル分率を有するAlGaAsの3.
5μm層12、 0.3±0.03のアルミニウムのモル分率を有するAlGaAsの0.4μ
m層13、および、 GaAsの1.8μm層14。
2. GaAs 0.5 μm layer 11, AlGaAs with an aluminum mole fraction of 0.05 ± 0.005.
5 μm layer 12, 0.4 μ of AlGaAs with an aluminum mole fraction of 0.3 ± 0.03
m layer 13 and 1.8 μm layer 14 of GaAs.

【0022】 層11から14のCBE成長の間、CBE反応圧力は、気相反応が防止される
ように10−3Torr未満に保たれ、基板10は、毎分60回で回転される。
層11は、導波路層を基板10から分離するバッファ層である。層12および層
13は、完成した導波路における下部導波層を形成する。層14の厚さは、完成
した導波路におけるテーパの付いたコア層の薄い領域の厚さに等しい。基板10
および層11から14は、部分的に成長されたウエハ28を構成する。層14の
堆積に続き、アルシンの流れが停止され、ウエハ28の温度は、その上部表面が
粗くなることを防止するために、200℃に低下される。
During CBE growth of layers 11-14, the CBE reaction pressure is kept below 10 −3 Torr to prevent vapor phase reactions and the substrate 10 is spun at 60 revolutions per minute.
Layer 11 is a buffer layer that separates the waveguide layer from the substrate 10. Layers 12 and 13 form the lower waveguide layer in the completed waveguide. The thickness of layer 14 is equal to the thickness of the thin area of the tapered core layer in the finished waveguide. Board 10
And layers 11 to 14 constitute a partially grown wafer 28. Following the deposition of layer 14, the flow of arsine is stopped and the temperature of wafer 28 is reduced to 200 ° C. to prevent its upper surface from becoming rough.

【0023】 次に図3を参照すると、23などの一連の孔を有する二酸化シリコンが被覆さ
れたシリコンのシャドーマスク22(端部を示す)は、モリブデンのキャリヤ内
(図示せず)のタンタルのスペーサ20と緊密に接触して、積載される。このシ
ャドーマスク22およびスペーサ20は、UHV状態下でCBE装置の成長室内
に搭載され、所定の位置にクランプで固定される。スペーサ20は、100μm
の距離で、シャドーマスク22を層14の露出した表面から離している。アルシ
ンの流れが開始され、ウエハ28の温度は、シャドーマスク22が、シャドーマ
スク22からの熱損失を低減する結果としてのウエハ28の表面温度の上昇に対
して補正された本来の成長温度(540℃)である成長温度に戻される。次に、
CBE成長が再開される。CBE装置内の環境状態は、CBE成長が、不適切な
表面(すなわち、マスク22の表面)上ではなく、化学的に適切な表面(すなわ
ち、層14)上で行われるようになったものである。GaAsの4μm層16は
、シャドーマスク22の孔を介して、層14にわたって成長される。マスク22
の孔の縁に近い29などの領域において、成長速度は低下し、そのため、完成さ
れた層16は、領域29において、約1000μmの横方向の距離にわたって0
から4μmに滑らかにテーパ付けられた厚さプロファイルを有する。層14およ
び層16は、15などのテーパの付いた領域を有する均一なコア層18を形成す
る。15などのテーパのプロファイルは、エピタキシャル成長の間に、化学ビー
ムがウエハ28に到着する角度によって支配されていると考えられている。テー
パ15の長さは、スペーサ20の厚さ、および、化学ビームがウエハ28に到着
する角度を変化させることによって制御できる。これは、テーパのプロファイル
が、シャドーマスクの孔の形状および気相反応によって支配され、そのため、テ
ーパの長さが、所与の温度での表面上への分子の拡散距離によって制限できる、
MOVPEによるシャドーマスク成長とは対照的である。
Referring now to FIG. 3, a silicon dioxide coated silicon shadow mask 22 (shown at the edges) having a series of holes, such as 23, is provided for tantalum in a molybdenum carrier (not shown). It is loaded in close contact with the spacer 20. The shadow mask 22 and the spacer 20 are mounted in the growth chamber of the CBE apparatus under the UHV state and fixed by a clamp at a predetermined position. Spacer 20 is 100 μm
At a distance of .epsilon., The shadow mask 22 is separated from the exposed surface of layer 14. The flow of arsine is initiated and the temperature of the wafer 28 is adjusted to the original growth temperature (540) for the shadow mask 22 to compensate for the increase in the surface temperature of the wafer 28 as a result of reducing heat loss from the shadow mask 22. ℃) to the growth temperature. next,
CBE growth resumes. The environmental conditions within the CBE apparatus are such that CBE growth is now performed on the chemically relevant surface (ie layer 14) rather than on the improper surface (ie surface of mask 22). is there. A 4 μm layer 16 of GaAs is grown over layer 14 through the holes in shadow mask 22. Mask 22
In regions such as 29 near the edges of the pores of, the growth rate is reduced, so that the completed layer 16 will have 0 in region 29 over a lateral distance of about 1000 μm.
Has a thickness profile that tapers smoothly from 1 to 4 μm. Layers 14 and 16 form a uniform core layer 18 having tapered regions such as 15. A taper profile such as 15 is believed to be dominated by the angle at which the chemical beam reaches the wafer 28 during epitaxial growth. The length of taper 15 can be controlled by varying the thickness of spacer 20 and the angle at which the chemical beam reaches wafer 28. This is because the profile of the taper is dominated by the shape of the holes in the shadow mask and the gas phase reaction, so that the length of the taper can be limited by the diffusion distance of molecules onto the surface at a given temperature,
In contrast to MOVPE shadow mask growth.

【0024】 層16の成長は、CBE装置の成長室への第III族を含む種の流れを停止す
ることによって終了される。ウエハ30の温度は、200℃に低下され、CBE
装置へのアルシンの供給は停止される。スペーサ20およびシャドーマスク22
は、UHV状態下で取り除かれる。次に、アルシンの流れは、開始され、ウエハ
30の温度は、約540℃に戻される。次に、CBE成長が再開される。図4を
参照すると、0.2±0.02のアルミニウムのモル分率を有するAlGaAs
の厚さ1.2μmの層24が、層18の上部表面上に堆積され、上部導波層を形
成する。GaAsの0.1μmのキャップ層26は、上部導波層24にわたって
均一に堆積される。ここで、エピタキシャル成長は完成され、完成したウエハ3
1がCBE装置から取り除かれる。
The growth of layer 16 is terminated by stopping the flow of the Group III containing species into the growth chamber of the CBE apparatus. The temperature of the wafer 30 is lowered to 200 ° C.
The supply of arsine to the device is stopped. Spacer 20 and shadow mask 22
Are removed under UHV conditions. Then, the flow of arsine is started and the temperature of the wafer 30 is returned to about 540 ° C. Next, CBE growth is restarted. Referring to FIG. 4, AlGaAs having an aluminum mole fraction of 0.2 ± 0.02.
A 1.2 .mu.m thick layer 24 is deposited on the upper surface of layer 18 to form the upper waveguiding layer. A 0.1 μm cap layer 26 of GaAs is uniformly deposited over the upper waveguiding layer 24. Here, the epitaxial growth is completed and the completed wafer 3
1 is removed from the CBE device.

【0025】 次に、横方向にテーパの付いたリッジ導波路を作成するために、フォトリソグ
ラフィおよび反応性イオンエッチングによって、導波路の横方向のテーパが付け
られ、すなわち、基板10の表面の平面に平行な平面におけるテーパが付けられ
る。正確なフォトリソグラフィは、シャドーマスク22を介して堆積された最小
長さでテーパ形成された位置合わせ特徴を使用して達成される。完成したデバイ
スは、二次元でテーパが付けられ、内部に導かれた光モードのサイズを変換する
、コア領域を内蔵する受動リッジ導波路である。
Next, the waveguide is laterally tapered by photolithography and reactive ion etching to create a laterally tapered ridge waveguide, ie, the plane of the surface of the substrate 10. Taper in a plane parallel to. Accurate photolithography is achieved using minimum length tapered alignment features deposited through shadow mask 22. The completed device is a two-dimensionally tapered passive ridge waveguide containing a core region that converts the size of the internally guided optical modes.

【0026】 CBE装置は、回転可能な加熱される基板アセンブリを有するステンレス鋼製
成長室、ガス取入れ口マニフォルド、基板およびシャドーマスクの保存のための
ステンレス鋼製保存室、基板とシャドーマスクを装着および取外しするためのス
テンレス鋼製ロードロック室、および各室の間で基板およびシャドーマスクを搬
送するための搬送機構を含む。CBE装置は、装置の各室内部でUHV状態を維
持するための真空ポンプも含む。エピタキシャル成長の間は、第III族および
第V族の化学ビームが、45°で基板10の表面上に突入する。
The CBE apparatus includes a stainless steel growth chamber having a rotatable heated substrate assembly, a gas inlet manifold, a stainless steel storage chamber for storage of substrate and shadow mask, mounting substrate and shadow mask, and It includes a stainless steel load lock chamber for removal and a transfer mechanism for transferring the substrate and shadow mask between the chambers. The CBE device also includes a vacuum pump to maintain the UHV condition inside each chamber of the device. During epitaxial growth, group III and group V chemical beams impinge on the surface of substrate 10 at 45 °.

【0027】 図5を参照すると、エピタキシャル成長の間に、CBE装置内で、基板10、
スペーサ20、およびシャドーマスク22を保持するために使用される、機械装
置50の垂直断面図が示される。基板10は、モリブデンのキャリヤ52上に搭
載され、2つのタンタルのスプリング54によって所定の位置に固定される。基
板10は、キャリヤ52の平坦表面56に対して堅固に位置する大きな平坦部分
を有する。キャリヤ52は、60などの3つのピンによってヒータアセンブリ5
8に装着される。スペーサ20およびシャドーマスク22は、64などの3つの
ピンによって基板10にわたって装置50上に搭載されるモリブデンのホルダ6
2に搭載され、スペーサ20は、基板10と、その縁の周囲で接触する。3つの
スプリング68を有するクランプ用リング66は、スペーサ20と基板10との
間の接触を確実にするために、3つのピンの上のシャドーマスク20にわたって
搭載される。装置50は、基板10とシャドーマスク22との間の回転エラーを
最小にし、位置合わせを正確なものにする。
Referring to FIG. 5, during the epitaxial growth, the substrate 10, in the CBE apparatus,
Shown is a vertical cross-sectional view of the mechanical device 50 used to hold the spacer 20 and the shadow mask 22. The substrate 10 is mounted on a molybdenum carrier 52 and secured in place by two tantalum springs 54. The substrate 10 has a large flat portion that lies rigidly against the flat surface 56 of the carrier 52. The carrier 52 includes a heater assembly 5 with three pins such as 60.
It is attached to 8. Spacer 20 and shadow mask 22 are molybdenum holders 6 mounted on device 50 over substrate 10 by three pins such as 64.
Mounted on 2, the spacer 20 makes contact with the substrate 10 around its edges. A clamping ring 66 with three springs 68 is mounted over the shadow mask 20 over the three pins to ensure contact between the spacer 20 and the substrate 10. The device 50 minimizes rotational error between the substrate 10 and the shadow mask 22 and provides accurate alignment.

【0028】 図6を参照すると、シャドーマスク22の垂直断面図が示されている。このマ
スク22は、450μmの厚さおよび75mmの直径を有するシリコンウエハか
ら製造する。このシリコンウエハの<111>面は、標準的なフォトリソグラフ
ィおよび化学エッチングの手順によって、シリコンウエハの平面に対して54.
7°で傾斜する90などの傾斜側面を備えた23、などの一連の孔を作成するた
めにエッチングされる。残るシリコン92は、熱酸化膜91で被覆される。CB
E成長の化学的な性質のため、層16のエピタキシャル成長の間は、シャドーマ
スク22上には、多結晶の成長がない。これは、CBE成長においては、広い温
度範囲にわたってマスク22の酸化膜表面91上に、金属含有アルキルの分解が
起こらないためである。図7は、シャドーマスク22の平面図であり、同じく、
孔23および基板10の位置を示す。シャドーマスク22は、スプリング54お
よび平坦表面56の突入のための孔40を含む。このマスク22は、これが、モ
リブデンのキャリヤ62に取り付けられることを可能にする穴41も有する。
Referring to FIG. 6, a vertical cross-sectional view of shadow mask 22 is shown. The mask 22 is manufactured from a silicon wafer having a thickness of 450 μm and a diameter of 75 mm. The <111> plane of this silicon wafer was formed by standard photolithography and chemical etching procedures to a plane of 54.
Etched to make a series of holes, such as 23 with beveled sides such as 90 that are beveled at 7 °. The remaining silicon 92 is covered with a thermal oxide film 91. CB
Due to the E growth chemistry, there is no polycrystalline growth on the shadow mask 22 during the epitaxial growth of layer 16. This is because in CBE growth, decomposition of the metal-containing alkyl does not occur on the oxide film surface 91 of the mask 22 over a wide temperature range. FIG. 7 is a plan view of the shadow mask 22, and similarly,
The positions of the holes 23 and the substrate 10 are shown. Shadow mask 22 includes holes 40 for the entry of springs 54 and flat surface 56. The mask 22 also has holes 41 that allow it to be attached to a molybdenum carrier 62.

【0029】 本発明の別の実施形態において、プロセスは、導波層がインジウムガリウムヒ
素リン(InGaAsP)からなり、テーパの付いたコア層がインジウムリン(
InP)からなる、テーパの付いた導波路を作成するために使用できる。このよ
うな導波路は、約1.3μmまたは1.5μmの波長を備えた光モードを導波し
、再整形するために使用できる。本発明のさらに別の実施形態において、プロセ
スは、1μmと8μmの間の波長を有する放射に使用するインジウムヒ素(In
As)、ガリウムアンチモン(GaSb)、または、インジウムアンチモン(I
nSb)のコア層を有する垂直方向にテーパの付いた導波路を製造するために使
用できる。
In another embodiment of the present invention, the process is such that the waveguiding layer comprises indium gallium arsenide phosphide (InGaAsP) and the tapered core layer comprises indium phosphide (InGaAsP).
It can be used to make tapered waveguides made of InP). Such a waveguide can be used to guide and reshape optical modes with wavelengths of about 1.3 μm or 1.5 μm. In yet another embodiment of the invention, the process uses indium arsenide (In) for radiation having a wavelength between 1 μm and 8 μm.
As), gallium antimony (GaSb), or indium antimony (I
nSb) can be used to fabricate vertically tapered waveguides with core layers.

【0030】 本発明のプロセスは、単一のエピタキシャル成長ステップで、少なくとも1つ
のテーパの付いた層を内蔵する他の半導体デバイスを製造するためにも使用でき
る。図8は、このプロセスによって製造できる光電子半導体モジュレータ100
の構造を示す。このモジュレータ100は、以下のように製造される。n型Ga
As基板ウエハ110が準備され、上述のようにCBE装置に積載され、搭載さ
れる。次に、以下のエピタキシャル層が、以下の順序でCBEによってウエハ1
10上に連続的に堆積される。
The process of the present invention can also be used to fabricate other semiconductor devices incorporating at least one tapered layer in a single epitaxial growth step. FIG. 8 shows an optoelectronic semiconductor modulator 100 that can be manufactured by this process.
Shows the structure of. The modulator 100 is manufactured as follows. n-type Ga
The As substrate wafer 110 is prepared, loaded and mounted on the CBE apparatus as described above. The following epitaxial layers are then deposited on the wafer 1 by CBE in the following order:
10 is continuously deposited.

【0031】 1018cm−3のドーピング濃度を有するn型GaAsの0.5μmの層1
12、 0.05±0.005のアルミニウムのモル分率、および1018cm−3
ドーピング濃度を有するn型AlGaAsの3.5μmの層114、 0.3±0.03のアルミニウムのモル分率、および1018cm−3のドー
ピング濃度を有するn型AlGaAsの0.3μmの層116、 0.3±0.03のアルミニウムのモル分率、および1017cm−3のドー
ピング濃度を有するn型AlGaAsの0.1μmの層118、 層120の厚さが、約1000μmの横方向の距離にわたって1.8μmから
5.8μmに増加し、上述のようにスペーサおよびシャドーマスクを使用して形
成される、テーパの付いた領域126を有するドーピングされていないGaAs
の層120、 0.2±0.02のアルミニウムのモル分率を有するドーピングされていない
AlGaAsの1.2μmの層122、および、 ドーピングされていないGaAsの0.1μmのキャップ層124。
0.5 μm layer 1 of n-type GaAs with a doping concentration of 10 18 cm −3
12, 3.5 μm layer 114 of n-type AlGaAs with a molar fraction of aluminum of 0.05 ± 0.005 and a doping concentration of 10 18 cm −3 , a molar fraction of aluminum of 0.3 ± 0.03 And a 0.3 μm layer 116 of n-type AlGaAs having a doping concentration of 10 18 cm −3 , an aluminum mole fraction of 0.3 ± 0.03, and an n having a doping concentration of 10 17 cm −3. The thickness of the 0.1 μm layers 118, 120 of the type AlGaAs is increased from 1.8 μm to 5.8 μm over a lateral distance of about 1000 μm and is formed using spacers and shadow masks as described above. Undoped GaAs with tapered region 126
Layer 120, a 1.2 μm layer 122 of undoped AlGaAs having an aluminum mole fraction of 0.2 ± 0.02, and a 0.1 μm cap layer 124 of undoped GaAs.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 二次元的にテーパの付いたコア層を備えた半導体光導波路を作成する、本発明
によるプロセスの原理的な段階を示す図である。
FIG. 1 shows the principle steps of a process according to the invention for producing a semiconductor optical waveguide with a two-dimensionally tapered core layer.

【図2】 二次元的にテーパの付いたコア層を備えた半導体光導波路を作成する、本発明
によるプロセスの原理的な段階を示す図である。
FIG. 2 shows the principle steps of the process according to the invention for producing a semiconductor optical waveguide with a two-dimensionally tapered core layer.

【図3】 二次元的にテーパの付いたコア層を備えた半導体光導波路を作成する、本発明
によるプロセスの原理的な段階を示す図である。
FIG. 3 shows the principle steps of the process according to the invention for producing a semiconductor optical waveguide with a two-dimensionally tapered core layer.

【図4】 二次元的にテーパの付いたコア層を備えた半導体光導波路を作成する、本発明
によるプロセスの原理的な段階を示す図である。
FIG. 4 shows the principle steps of the process according to the invention for producing a semiconductor optical waveguide with a two-dimensionally tapered core layer.

【図5】 導波路の作成の間に使用される機械的装置の垂直断面図である。[Figure 5]   FIG. 6 is a vertical cross-sectional view of a mechanical device used during the fabrication of a waveguide.

【図6】 本プロセスに使用されるシャドーマスクの垂直断面図である。[Figure 6]   It is a vertical sectional view of a shadow mask used for this process.

【図7】 シャドーマスクの平面図である。[Figure 7]   It is a top view of a shadow mask.

【図8】 本発明のプロセスによって同じく作成でき、二次元的にテーパの付いたコア層
を有する、光電子半導体モジュレータの構造を示す図である。
FIG. 8 shows the structure of an optoelectronic semiconductor modulator, which can also be made by the process of the present invention and has a two-dimensionally tapered core layer.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ,UG ,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD, RU,TJ,TM),AE,AG,AL,AM,AT, AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,CA,C H,CN,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DZ ,EE,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM, HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP,KE,K G,KP,KR,KZ,LC,LK,LR,LS,LT ,LU,LV,MA,MD,MG,MK,MN,MW, MX,MZ,NO,NZ,PL,PT,RO,RU,S D,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM,TR ,TT,TZ,UA,UG,US,UZ,VN,YU, ZA,ZW (72)発明者 バルマー,リチヤード・スチユアート イギリス国、ウスターシヤー・ダブリユ・ アール・14・3・ピー・エス、モールバー ン、セント・アンドリユーズ・ロード、デ イ・イー・アール・エイ・モールバーン (72)発明者 エイリング,ステイーブン・ジエラード イギリス国、ウスターシヤー・ダブリユ・ アール・14・3・ピー・エス、モールバー ン、セント・アンドリユーズ・ロード、デ イ・イー・アール・エイ・モールバーン (72)発明者 マクリーン,ジエシカ・オーエンス イギリス国、ウスターシヤー・ダブリユ・ アール・14・3・ピー・エス、モールバー ン、セント・アンドリユーズ・ロード、デ イ・イー・アール・エイ・モールバーン (72)発明者 ヒートン,ジヨン・マイケル イギリス国、ウスターシヤー・ダブリユ・ アール・14・3・ピー・エス、モールバー ン、セント・アンドリユーズ・ロード、デ イ・イー・アール・エイ・モールバーン Fターム(参考) 2H047 KA03 KA13 LA23 PA05 PA06 PA24 QA02 RA08 TA11 TA41 5F045 AA05 AB09 AC07 AC08 AC09 AD09 AD10 DB08 EM01 EM10─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, I T, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ , CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, K E, LS, MW, MZ, SD, SL, SZ, TZ, UG , ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, C H, CN, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ , EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, K G, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT , LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, S D, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR , TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZA, ZW (72) Inventor Ballmer, Lichyard Stiletto             Worcestershire Doubler             Are 14.3 PS, mall bar             St. Andrew's Road, De             Lee Earl A Mall Burn (72) Inventor Ailing, Stephen Theraard             Worcestershire Doubler             Are 14.3 PS, mall bar             St. Andrew's Road, De             Lee Earl A Mall Burn (72) Inventor McLean, Jessica Owens             Worcestershire Doubler             Are 14.3 PS, mall bar             St. Andrew's Road, De             Lee Earl A Mall Burn (72) Inventor Heaton, Jiyoung Michael             Worcestershire Doubler             Are 14.3 PS, mall bar             St. Andrew's Road, De             Lee Earl A Mall Burn F term (reference) 2H047 KA03 KA13 LA23 PA05 PA06                       PA24 QA02 RA08 TA11 TA41                 5F045 AA05 AB09 AC07 AC08 AC09                       AD09 AD10 DB08 EM01 EM10

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも1つのテーパの付いたエピタキシャル層が化学ビ
ームエピタキシによって成長され、平面におけるテーパが支持表面に対して傾斜
することを特徴とする、支持表面上に少なくとも1つのテーパの付いたエピタキ
シャル層を成長させるステップを含む、半導体デバイスを製造する方法。
1. At least one tapered surface on a supporting surface, characterized in that at least one tapered epitaxial layer is grown by chemical beam epitaxy and the taper in the plane is inclined with respect to the supporting surface. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising growing an epitaxial layer.
【請求項2】 少なくとも1つのテーパの付いたエピタキシャル層が、機械
的シャドーマスクおよび単一のエピタキシャル成長ステップを使用して、平面に
おけるテーパが支持表面に垂直な状態で成長されることを特徴とする、請求項1
に記載の方法。
2. The at least one tapered epitaxial layer is grown using a mechanical shadow mask and a single epitaxial growth step with the taper in the plane perpendicular to the support surface. , Claim 1
The method described in.
【請求項3】 少なくとも1つのテーパの付いたエピタキシャル層が、少な
くとも1つのテーパの付いていないエピタキシャル層と同じ成長ステップで成長
されることを特徴とする、請求項2に記載の方法。
3. Method according to claim 2, characterized in that the at least one tapered epitaxial layer is grown in the same growth step as the at least one non-tapered epitaxial layer.
【請求項4】 機械的シャドーマスクが、エッチングされた孔、および酸化
物膜被覆を有するシリコンウエハを含み、該酸化物膜被覆上に、化学ビームエピ
タキシによる成長に使用される温度では堆積が起こらないことを特徴とする、請
求項2または3に記載の方法。
4. The mechanical shadow mask comprises a silicon wafer having etched holes and an oxide film coating on which deposition occurs at the temperatures used for chemical beam epitaxy growth. Method according to claim 2 or 3, characterized in that it is absent.
【請求項5】 半導体デバイスが、放射が導波されるデバイスであることを
特徴とする、請求項1から4のいずれかに記載の方法。
5. The method according to claim 1, wherein the semiconductor device is a device in which radiation is guided.
【請求項6】 半導体デバイスが、光導波路であることを特徴とする、請求
項5に記載の方法。
6. The method according to claim 5, wherein the semiconductor device is an optical waveguide.
JP2001503549A 1999-06-14 2000-06-02 Method for manufacturing semiconductor device Withdrawn JP2003502844A (en)

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GBGB9913713.5A GB9913713D0 (en) 1999-06-14 1999-06-14 Method of fabricating a semiconductor device
GB9913713.5 1999-06-14
GBGB9918097.8A GB9918097D0 (en) 1999-06-14 1999-08-03 Method of fabricating a semiconductor device
GB9918097.8 1999-08-03
PCT/GB2000/002145 WO2000077548A1 (en) 1999-06-14 2000-06-02 Method of fabricating a semiconductor device

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EP1185894A1 (en) 2002-03-13
CN1355892A (en) 2002-06-26
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