JP2003517714A - 電気光学半導体デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 コア領域（１２）を有する半導体導波管（１４）を備えた電気光学半導体素子（２）であって、該コア領域内に、少なくとも一つの能動領域が配置されており、該一以上の能動領域（４）の外側にある導波管（１４）のコア（１２）が拡散能動領域材料により汚染されておらず、かつ、該一以上の能動領域及び導波管がモノリシックであり追加成長工程において成長される前記電気光学半導体素子。また、半導体導波管（１４）のコア層（１２）の第一部分を成長させる工程；コア層の第一部分の一部分の上に能動層（８、１０）を選択的に成長させる工程；及び第一部分及び能動層の上に、半導体導波管のコア層の第二部分を成長させる工程を含み、追加成長工程を含有する電気光学半導体素子（２）の製造方法も提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、複数の能動及び受動パーツを備えた電気光学半導体デバイス及びそ
の製造方法に関する。特に本発明は、集積半導体導波管及び拡張キャビティ（ex
tended cavity）半導体レーザーを備えた半導体レーザー及び検出器及びその製
造方法に関する。 電気光学半導体デバイスは、特に遠距離通信の分野において、高速で、広い帯
域幅の光学マイクロ波及び光学的伝達技術における用途を有する、急速に発展し
ている高速アナログ及びデジタルの光学シグナルプロセッシング回路構成の分野
で使用されている。 半導体レーザー及び導波管等の電気光学半導体素子（component）は、現在、
種々の成長方法において別々に成長されており、別々の結晶基板上で異なる素子
構造を生成している。続いて、別々の素子構造を集めて単一のサブシステムにし
ている。高い入力電力要求をもたらす別々の素子構造間でのインターフェースに
おいて有意な損失がある。また、別々の素子構造を厳密に光学的に整列させる問
題により、非常に複雑となり費用がかさむ。

【０００２】 また、半導体レーザー及び導波管等の電気光学的半導体素子は、量子井戸層と
共に成長するが、結晶成長の全領域にわたって伸びる。これらの量子井戸結晶成
長層の選択された領域は、量子井戸層の選択された部分が、周囲の結晶成長層に
拡散するようにする量子井戸混合工程により続いて破壊される。あいにく、量子
井戸拡散法のみにより受動導波管内でデバイスが成長することができる。また、
拡散材料は、周囲の結晶成長層、例えば、受動導波管コアの特性を望ましくない
ように変化させ得る。拡散工程は、非常に合金依存である。すなわち、ＧａＡｌ
Ａｓ構造について作用するものがＩｎＧａＰ構造には作用しない。これにより、
量子井戸層で使用できる材料の型に束縛されることとなる。また、この結晶成長
の方法は、量子井戸の層の選択された領域を破壊するための後処理量子井戸混合
工程を必要とするが、その工程によりさらに費用がかさむ。

【０００３】 受動導波管コア内で量子井戸の層を成長させるさらなる方法は、結晶成長の全
領域にわたって量子井戸の層を成長させた後、結晶成長を止め、量子井戸の層の
不必要な部分を選択的にエッチングする方法である。エッチング工程後、受動導
波管層を、量子井戸層の残りの領域上に成長させる。この方法に関する問題は、
少なくとも一つのエッチング工程を行うために、成長工程が中断されなければな
らないことである。これにより成長工程が複雑になり、費用がかさみ、収量が低
くなる。

【０００４】 本発明は、安価で、損失が少なく、動力要求を非常に低減させ、丈夫な電気光
学半導体デバイスを提供することにより、上述の問題の少なくともいくつかを解
決することを目的とする。 それ故、本発明により、コア領域を有する半導体導波管を備えた電気光学半導
体デバイスであって、該コア領域内に、少なくとも一つの能動領域が配置されて
おり、該能動領域の外側にある導波管のコアが拡散能動領域材料により汚染され
ておらず、かつ、該能動領域及び導波管がモノリシックであり追加成長工程にお
いて成長される前記電気光学半導体デバイスを提供する。 また、本発明により、コア領域を有する半導体導波管を含有する電気光学半導
体デバイスであって、該コア領域内に、少なくとも一つの能動領域が配置されて
おり、該コア領域の輪郭が能動領域の輪郭に従い、かつ、能動領域及び導波管が
モノリシックであり、追加の結晶成長工程において成長される前記電気光学半導
体デバイスを提供する。

【０００５】 本発明の電気光学半導体デバイスはモノリシックであり、単一で連続的な結晶
材料から構成される構造である。 用語“追加成長工程（additive growth process）”は、材料が予め成長した
結晶から除去される中間段階なしにモノリシック結晶構造が成長する成長工程を
定義するのに使用する。例えば、中間エッチング段階を有する成長工程は除外す
る。明らかに、追加成長工程は、一般的により簡便であり、従って受動導波管領
域内に配置される能動領域を含むモノリシック結晶基板を製造するより安価な方
法を提供する。 本発明は、この利点と能動領域の選択された部分を破壊するのに必要な後処理
段階が不要である利点とを組み合わせたものである。また、得られるデバイスが
モノリシックであるので、能動領域と導波管との間での結合損失が非常に低い。

【０００６】 後処理工程において、能動領域は、レーザーや検出器等の電気光学素子として
形成される。導波管のコアにおいて少なくとも一つの能動領域が集積することに
より、単一結晶構造内で、能動領域から形成される、複数の電気光学素子間の光
学的連結が可能となる。その後のデバイス配置は、慣用で、確立された処理技術
を使用し、能動領域を電気光学素子に形成する。このモノリシック集積により、
大きなボリュームが達成される場合、安価で、単一基板上で繰り返し可能で信頼
性のある組立部品が可能となる。デバイス全体が単一結晶構造であるので、得ら
れるデバイスは単純で、小型で、丈夫である。例えば、レーザー／導波管インタ
ーフェースの光学的配列は、機械的配列を全く必要とせず、非常に良好な光学的
配列が安く、そして複雑にすることなく達成される。

【０００７】 能動領域は、導波管のコアの２つの隣接する成長層の間に配置されるのが好ま
しい。この構造の成長方法は非常に簡単で、この方法により、多数の能動領域を
、多段階処理又は再成長を必要としない単一エピタキシャル成長において成長さ
せることができる。 能動領域は、導波管のコアよりも小さいバンドギャップを有する、少なくとも
一つの量子井戸層又は薄いバルク層を含有するのが好ましい。能動領域の外側で
得られる単一結晶構造の部分は、導波管により規定される受動光学相互連絡とな
る一方、量子井戸を有する領域は、例えば、次の処理における能動レーザー又は
検出器デバイスとなる。これは、広いバンドギャップを有する導波管が、能動領
域により生成されるか又は検出される光を透過するためである。

【０００８】 能動領域のバンドギャップは、能動領域と導波管のコアとの間の遷移領域にお
けるバンドギャップよりも小さい。これにより、能動領域の外でのバンドギャッ
プ吸収による損失が少なくなる。 量子井戸層は、レーザーストライプ及び電極を追加する後成長処理によりレー
ザーとして作用するように形成することができる。また、量子井戸層は、逆バイ
アスであるとき、光の吸収により検出器として作用するように形成することがで
きる。 導波管及び能動領域は、化学ビームエピタキシー（ＣＢＥ）を使用して成長す
るのが好ましい。ＣＢＥにより、単一の機械的シャドーマスクが、井戸を規定す
る領域を露出し、その領域上で能動領域が成長できる。これは、ＣＢＥ法により
、シャドーマスクが、ＣＢＥ化学品が強くは反応しない材料を選択し、従ってシ
ャドーマスク上の結晶堆積物が減少するためである。この、ＣＢＥ等の分子ビー
ム方法において達成できる領域規定とＣＢＥがＵＨＶ（超高真空）技術であると
いう事実とを組み合わせることにより、機械的なシャドーマスク技術が能動領域
に良好な端規定を与えることができる。

【０００９】 適当な別のエピタキシー法は、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）及び金属有
機気相エピタキシーＭＯＶＰＥである。 導波管及び能動領域は、典型的には、波長１．３及び１．５ミクロンで操作さ
れる能動電気光学素子用の基礎を形成することができるインジウムリンベースで
あり得る、III−V半導体組成物を含有することができる。 また、導波管及び能動領域は、波長１ミクロンから８ミクロン超で操作される
電気光学素子用のＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂベース、又は可視光からＵＶ波
長で操作されるＧａＡｓベースであり得る、III−V半導体組成物を含有すること
ができる。

【００１０】 本発明の一態様により、III−V半導体組成物は、波長８６０ｎｍで操作される
能動電気光学的及び光学的素子用の基礎を形成することができるガリウム砒素ベ
ースであり得る。これらの短い操作波長により、温度の関数として一般的に安定
であり、より効率的で、低いノイズを示す、レーザーや検出器等の小型素子とな
る。さらに、ＧａＡｓベース処理技術は、他のIII−V半導体デバイスと比較して
比較的進歩している。 ８６０ｎｍで作動するＧａＡｓベースIII−V半導体デバイスが要求される場合
、導波管は、アルミニウムガリウム砒素を含有することができ、能動領域は、少
なくとも一つのガリウム砒素層を含有することができ、導波管のコアは、典型的
には２０〜４０％のアルミニウムを含有し、導波管の上方及び下方のクラッド層
層は典型的には４０〜８０％のアルミニウムを含有することができる。さらに、
クラッド層の一方がｎ型ドープされているとき、もう一方のクラッド層はｐ型ド
ープされている。

【００１１】 能動領域におけるＧａＡｓ層よりも非常に薄いＧａＡｓ層が、能動領域を越え
る導波管のコア及び能動領域と通ずる面に配置されているのが好ましい。これに
より、以下に説明するように、結晶成長中のＡｌＧａＡｓ基板層の長い露出を避
ける。 本発明のデバイスは、導波管のコア内に配置されている少なくとも一つの量子
井戸層を含有する拡張キャビティレーザーで有り得る。レーザーキャビティの大
きさは、デバイスを形成するモノリシック結晶の天然劈開面により規定すること
ができる。 本発明のデバイスは、コア領域内に複数の能動領域を有することができる。こ
れにより、単一モノリシック結晶基板上に複数の電気光学デバイスを集積するこ
とができる。

【００１２】 本発明の第二の観点により、以下の工程： 半導体導波管のコア層の第一部分を成長させる工程； コア層の第一部分の一部分に少なくとも一つの能動層を選択的に成長させる工
程；及び 第一部分及び能動層の上に、半導体導波管のコア層の第二部分を成長させる工
程； を含有し、追加成長工程を含有することを特徴とする電気光学半導体デバイスの
製造方法を提供する。 能動層を選択的に成長させるには、便利には、以下の工程： コア層の第一部分の一部分を選択的に覆って、コア層の第一部分の一部分を露
出する工程； 露出した一部分の領域上で少なくとも一つの能動層を成長させる工程；及び コア層の第一部分の覆いをとる工程； を含有することができる。

【００１３】 本発明の方法により、単一半導体ウェハー上に光学的及び電気光学的半導体デ
バイス（能動及び受動）を製造及び集積することができる。以前に可能であった
成長段階における導波管層での能動領域の集積によるものよりも少ない処理で、
より小さな側面スケールにおける、光学的半導体デバイスのモノリシックで平面
の集積が可能である。また、エッチング及び再成長の必要がない。従って、性能
及び丈夫さが向上し、費用、大きさ、動力要求及び重量が減少した。

【００１４】 導波管クラッド層は、コア層の上方及び下方で成長させることができ、能動層
は、導波管のコアよりも小さなバンドギャップを有する少なくとも一つの量子井
戸層を含有することができる。 上述したように、少なくともコア層及び能動層は、化学ビームエキタキシー（
ＣＢＥ）を使用して成長するのが好ましい。 上述した層構造のＧａＡｓベース半導体デバイスにおいて、成長結晶における
不純物を低減し、得られる能動及び受動素子の光学特性を向上させるように、成
長は、４００〜７００℃の温度で行うのが好ましい。

【００１５】 導波管のコアの第一部分は、マスク表面における結晶成長の量を少なくするよ
うに、酸化ケイ素、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素で被覆したケイ素でつくること
ができる機械的シャドーマスクにより選択的に覆われるのが好ましい。能動層の
端を正確に規定するために、導波管のコアの第一部分の領域を露出する開口部を
規定するシャドーマスクの端はテーパされており、導波管のコアの第一部分の領
域に隣接する端がテーパの薄い端を形成する。 本発明の方法を使用して、コア層の第一部分の異なる部分的な領域の上に複数
の能動層を選択的に成長させることができる。これにより、レーザー及び検出器
等の複数の能動電気光学デバイスを単一モノリシック結晶基板上に集積させるこ
とができる。

【００１６】 本発明を、添付の図１〜４を参照して以下に説明する。 先ず図１により、能動レーザー領域（４）及び受動導波管領域（６）を含有す
るモノリシック拡張キャビティレーザー（２）を示す。能動レーザー領域（４）
は、導波管（１４）のコア（１２）において２つの量子井戸層（８、１０）を選
択的に成長させることにより形成される。２つの量子井戸層（８、１０）は、レ
ージング作用に必要な狭いバンドギャップの半導体材料を形成する。

【００１７】 量子井戸層（８、１０）はそれぞれ、１００Ａ（１００オングストローム）の
厚さのガリウム砒素（ＧａＡｓ）の層から形成される。量子井戸層は、２０％の
アルミニウムを含有するドープされていないアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧ
ａＡｓ）の層内で成長する。２０％ＡｌＧａＡｓの層は、拡張キャビティレーザ
ー（２）の能動レーザー領域（４）及び受動導波管領域（６）を通って伸びる導
波管（１４）のコア（１２）を形成する。導波管（１４）の下の方の境界層又は
クラッド層（１６）は、導波管のコア（１２）を形成する２０％ＡｌＧａＡｓよ
りも高い屈折率を有する４０％アルミニウムを含有するｎ型ドープされたＡｌＧ
ａＡｓの層から形成される。導波管（１４）の上の方の境界層又はクラッド層（
１８）はまた、４０％アルミニウムを含有するｐ型ドープされたＡｌＧａＡｓの
層から形成される。能動及び受動領域（４、６）は、ＧａＡｓ（２０）のｎドー
プされた基板上で成長する。

【００１８】 拡張キャビティレーザー（２）を製造するのに使用する後成長処理工程は、慣
用の酸化物ストライプ半導体レーザー（集積拡張キャビティを有さない）に必要
なものと同じである。これにより、標準方法に対してさらに複雑にせず、破壊す
ることなしに、確実に収率を良くする。導波管構造の上の方の境界層（１８）の
上部に、後成長処理中、拡張キャビティレーザー（２）を規定するレーザーと導
波管ストライプ（２４）に通ずる誘電性絶縁体（２２）の層、例えば、二酸化ケ
イ素（ＳｉＯ₂）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）又はこれらの組み合わせを置く。スト
ライプは、例えば、２５ミクロン〜７５ミクロンの範囲の幅（Ｗ）を有すること
ができる。導波管ストライプの開口部は、便利のためだけに必要であり、デバイ
スの操作に必須ではない。レーザーストライプの上方の開口部は、導波管層上に
金属接点（２６）を置くのに必要である。

【００１９】 能動レーザー領域（４）の全長にわたり、誘電性絶縁体（２２）の上部及びス
トライプ（２４）内に金属接点（２６）が置かれ、該接点によりストライプ（２
４）のすぐ下方に存在する量子井戸層（８，１０）の領域に電流が供給される。
ストライプ（２４）の下方に存在するこれらの量子井戸層において、電気接点（
２６）及び基板（２０）を介してレーザー（２）に電流が供給されるとき誘導放
出が起こる。

【００２０】 図１の拡張キャビティレーザー（２）の能動レーザー領域（４）の構造を、図
２により詳細に示す。図３ａ〜３ｃは、概略的に、図１の拡張キャビティレーザ
ー（２）の導波管及び量子井戸層を形成するのに使用される方法の工程を示した
ものである。これらの２つの図により、１．５ミクロンのｎ型ドープされた４０
％ＡｌＧａＡｓ層（１６）が、ｎ型ドープされた基板上で化学ビームエピタキシ
ー（ＣＢＥ）により成長する。次いで、１０００Ａ厚さのドープされていない２
０％ＡｌＧａＡｓ層（４３）を成長させ、さらに、２０Ａ厚さのドープされてい
ないＧａＡｓ層（３９）の半分を成長させる。図３において、層（２９）は、４
０％ＡｌＧａＡｓ層（１６）及び２０％ＡｌＧａＡｓ層（４３）及び層（３９）
の半分を含有する。その後、ＳｉＯで被覆したシリコンから製造したシャドーマ
スク（３４）を、導波管層（２９）の受動領域（６）の上に置き（図３ｂ参照）
、能動領域（４）を露出して層（３９）の残りを成長させる。１００Ａ厚さのド
ープされていない２０％ＡｌＧａＡｓ層（３５）を、シャドーマスク（３４）に
より露出した結晶構造の領域（３８）において選択的に成長させ、その後、第一
量子井戸層（８）を形成する１００Ａ厚さのＧａＡｓ層を成長させる。次いで、
ドープされていない２０％ＡｌＧａＡｓの第二の１００Ａ厚さの層を、結晶構造
の露出領域（３８）の上に選択的に成長させ、さらに第二量子井戸層（１０）を
形成する第二の１００Ａ厚さのＧａＡｓ層を成長させる。ドープされていない２
０％ＡｌＧａＡｓの１００Ａ厚さの第三の層（３７）を、結晶構造の露出領域（
３８）の上に選択的に成長させ、最後に１０Ａ厚さのＧａＡｓ層（層（４０）の
第一部分）を結晶構造の露出領域（３８）の上に選択的に成長させる。図３ｂ及
び３ｃにおいて、層（３５、８、３６、１０、３７）を（３１）として一緒に示
した。次いで、シャドーマスク（３４）を除去して１０Ａ厚さのＧａＡｓ層（層
（４０）の第二部分）、１０００Ａ厚さのドープされていない２０％ＡｌＧａＡ
ｓ層（４２）、０．９ミクロン厚さのｐ型ドープされた４０％ＡｌＧａＡｓ層（
１８）及び０．１ミクロン厚さのｐ型ドープされたＧａＡｓ層（４４）を、結晶
構造の全領域にわたって連続的に成長させる。図３ｃにおいて、層（４２、１８
、４４）を（４６）として一緒に示した。

【００２１】 拡張キャビティレーザー（２）のレーザーキャビティは、その後清浄にされて
ミラーコートされる、劈開したファセット（２８、３０）により規定される。慣
習的に、一つのファセット（３０）は、部分的送信ミラーコーティングにより被
覆されて、デバイス（２）の中からのレーザー光の結合を可能にする。劈開した
ファセットを使用する場合、レーザーを規定する光学導波管（すなわち、ストラ
イプ（２４）の下の領域）は、レーザー（２）のモノリシック結晶構造の結晶軸
に整列している必要がある。また、量子井戸層（８、１０）の端（９）が、スト
ライプ（２４）の軸に垂直であり、シャドーマスク（３４）とレーザー（２）の
モノリシック結晶構造の結晶面との間での回転的整列が正確に制御されて、レー
ザー（２）のミラーが結晶性半導体の天然劈開面により規定され得る必要がある
。また、イオンエッチングしたファセットをミラーに使用して、結晶構造に関し
てストライプ（２４）と端（９）とを整列させる必要性を除くことができる。レ
ーザーキャビティの長さは、例えば、３００ミクロン〜１２００ミクロンの間で
あり得る。

【００２２】 レーザー構造を加工して、幅７５μｍ及び種々のキャビティ長さ３００、５０
０、７００、９００及び１２００μｍの一連のデバイスに分けた。 T.Martin and C.R. Whitehouse, J. Crystal Growth 164 (1990) 57の報告に
記載されているようにして、ＣＢＥリアクターで成長を行った。エピタキシャル
フィルムを、リアクターに入れた、２インチのｎドープされた半絶縁ＧａＡｓウ
ェハー（２０）上に置いた。天然酸化物を、成長を開始する前にウェハー（２０
）の表面から熱的に除去した。トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）（代替物として
トリイソプロピルガリウム（ＴＩＰＧａ）を使用できるが）及びエチルジメチル
アミンアラン（ＥＤＭＡＡｌ）を、III族前駆体として使用し、１１５０°にお
いて熱的に裂けた（ＥＰＩガスインジェクターセルＥＰＩ−Ｔａ−ＧＳ−Ｌ）ア
ルシン（ＡｓＨ₃）はＶ族源として使用した。ＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓエピ層
（epilayer）を、硫化水素（Ｈ₂Ｓ）を使用してｎ型ドープし、四臭化炭素（Ｃ
Ｂｒ₄）を使用してｐ型ドープした。成長速度は、ＲＨＥＥＤ（反射高エネルギ
ー電子回折）及び振動により較正し、成長温度は各操作の前にＲＨＥＥＤを使用
して較正し、Ａｓ安定化からＧａ安定化まで、過圧下、一定Ａｓにおいて表面再
構成遷移を監視した。典型的な成長温度は、赤外高温計（Ircon Series V, 波長
幅 0.91-0.97μｍ）を使用して測定したところ５４０℃であった。温度５４０℃
を、ＣＢＥ成長においてどうしても入ってしまう酸素及び炭素を最小にするため
の理想的な成長温度に近い温度とした。

【００２３】 インジウムを含有しないホルダー上に申し分ない状態でＧａＡｓウェハー（２
０）をのせ、成長基板とシャドーマスクとを密接に接触させた。ホルダー上でフ
ラットに対してウェハー（２０）の主要なフラットを配置することにより、結晶
整列を行った。ウェハーホルダー及びシャドーマスクを意図的にのせることによ
り、それらの間の回転的な整列が、主要なフラットと結晶軸との間での整列を引
合いに出す許容市販ウェハー供給者に匹敵するようにする（±0.5°よりも良好
）。

【００２４】 ＣＢＥ成長は、成長基板の前にシャドーマスク（３４）を挿入するように止め
なければならない。マスクを適合させている間に露出されたままだと、ＡｌＧａ
Ａｓの露出表面は、許容できない程度の汚染を受け得る傾向にある。それ故、さ
らに１０Ａ厚さのＧａＡｓの半層（３９）を、シャドーマスクを適用する前に基
板の全領域にわたって成長させる。また、１００Ａ層（８、１０）の成長後、そ
の成長を、ＧａＡｓの１０Ａ半層（４０）で終わらせ、成長マスクを除去する。
残りのＡｌＧａＡｓ層を、１０ＡのＧａＡｓの成長再開始層（層（４０）の残り
の半分）の後に成長させる。得られる２０Ａ厚さのＧａＡｓ層は、１００Ａ厚さ
の量子井戸層（８、１０）よりも広範囲で効果的なバンドギャップを有し、その
結果２０ＡのＧａＡｓ層は、量子井戸層のバンドギャップにおいて吸収損失を生
じないであろう。

【００２５】 ＣＢＥによるシャドーマスクした成長の間、減圧下で、すなわち、空気には曝
さずに、シャドーマスクを保存し、挿入し、完全に除去する。このように、成長
表面の空気への露出及び／又は複雑な減圧外処理は、全く避けられる。 上述の成長順序により、狭い能動バンドギャップレーザー領域（４）が、幅広
の受動バンドギャップ導波管（６）よりもわずかに５０ｎｍほど高い、本質的に
は平面の構造を生成する。成長工程により、領域間で、５０ｎｍ程度の高さの差
よりも１００倍長い、なめらかな勾配が発生する（図３の拡大部分参照）。この
滑らかな勾配により、レーザー領域（４）から導波管領域（６）の平均バンドギ
ャップを漸進的に増加させる。これにより、確実に、領域間の界面がレーザー（
２）の８６０ｎｍの波長における放射を透過し、吸収損失が低くなるようになる
。図１及び２に示す構造を有するレーザーデバイスは、例えば、キャビティ長が
５００ミクロンのとき約５００Ａｃｍ^-2の限界電流を有する。

【００２６】 シャドーマスク（３４）は、マスク（３４）の露出表面ではなく、露出したＧ
ａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ表面で、ＣＢＥ成長が選択的に起こるように選択される
、適当な誘電体を使用して製造される。これにより、確実に、シャドーマスク（
３４）の端（４８）を横切る露出表面（３８）からの結晶成長がほとんどないか
全くない。シャドーマスクの端を横切る露出表面からの成長が起こり、次いでマ
スクを除去したときに、端を横切る結晶成長を壊し、きわをそのままにしておく
。それ故、酸化ケイ素、窒化ケイ素又は二酸化ケイ素で被覆したケイ素シャドー
マスクが好ましい。

【００２７】 選択的成長工程において良好に端を規定するために、シャドーマスク（３４）
における開口部（４８）の端は薄く、すなわちミクロン厚さの次元でなければな
らない。これにより、確実にエピタキシャル成長工程が、エピタキシャル層より
も１００倍高いマスクの垂直壁により支配されない。それ故、シャドーマスク（
３４）は、シリコンウエハー（典型的には約４５０ミクロン厚さ）から形成され
、薄端は、５％水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）エッチ液を使用す
ることにより達成される。これにより＜１１１＞面を優先的にエッチングし、マ
スク端において５４．７°を生成する（図３ｂの拡大部分参照）。しかしながら
、他のエッチ液を使用することができる。

【００２８】 ケイ素マスク（３４）の端は、図３ｂの拡大部分の（４８）に示したようにテ
ーパであるべきである。これにより、確実に量子井戸層の端の境目が十分にはっ
きりし、後処理工程において、視覚により認めることができ、例えば、電極（２
６）を置くためにマスクを整列させ、電極（２６）の端を越えて伸びる、供給さ
れていないストライプ（２４）の下方の量子井戸の領域が全くないようにする。
ストライプ（２４）の下方の供給されていない井戸の領域は、光学吸収によりデ
バイス（２）の効率を低下させるであろう。 レーザー（２）は、８６０ｎｍを中心とした狭いバンド幅で操作する。レーザ
ー（２）は上述したようにＧａＡｓベースIII−V半導体素子を使用するが、また
、１．３又は１．５ミクロンの次元の波長で操作できるインジウムリン（InP）
ベースIII−V半導体素子を使用しても製造できる。

【００２９】 また、導波管及び能動領域は、１ミクロンから８ミクロン超の波長で操作する
電気光学素子についてＩｎＡｓ、ＧａＳｂ又はＩｎＳｂベースであり得るか又は
可視光からＵＶ波長において操作するＧａＮベースであり得るIII−V半導体組成
物を含有することができる。 図３ｃの拡大部分から分かるように、受動導波管（４６）の上層は、量子井戸
領域（３１）の輪郭に沿う。これは、導波管層（４６）を構成する結晶層が量子
井戸領域の上で成長するためである。量子井戸領域の端の上方で（例えば、図３
ｃの拡大部分における端（９）の上方で）、受動導波管層の上部表面は、量子井
戸領域の端の輪郭に従う段（６０）を有する。

【００３０】 これまでの記載は、能動領域を一つ有する半導体電気光学デバイスの構造に関
するものであるが、図４に示したように、単一基板上で複数の能動領域が成長し
ているデバイスの製造においても同じ方法を使用することができる。図４は、図
３ｃに示したのと同じような断面図を示すが、２つの能動領域（３１）及び（３
１’）を有する。図４に示したモノリシック結晶構造は、基板（２０）、導波管
クラッド層を含む受動導波管の下層（２９）、導波管クラッド層を含む受動導波
管（４６）の上層及び２つの量子井戸領域（３１）及び（３１’）を含有する。
２つの量子井戸領域は、異なるバンドギャップ材料であり得、異なる次元を有す
ることができる。２つの量子井戸領域は、領域（３１）及び（３１’）が同じ材
料から製造される場合、２つの開口部を有する単一シャドーマスクを通して同じ
基板（２９）上に同時に成長させることができる。また、領域（３１）及び（３
１’）は、異なる部分において、開口部を有する異なるシャドーマスクを通して
連続的に成長させることができる。これにより、確実に、複数の電気光学デバイ
スを、単一モノリシック結晶基板に集積させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、本発明のモノリシック拡張キャビティレーザーを示す。

【図２】 図２は、図１の拡張キャビティレーザーの能動部分の層状構造を示
す。

【図３】 図３ａ〜３ｃは、図１の拡張キャビティレーザーを製造するのに使
用する本発明の方法の概略図である。

【図４】 図４は、本発明の導波管の横断面図であり、該導波管内で２つの能
動領域が成長している図である。

───────────────────────────────────────────────────── 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，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，Ｚ Ａ，ＺＷ (72)発明者 ケイン マイケル ジョン イギリス国 ウスターシャー ダブリュー アール13 ６エイチワイ マルヴァーン コルウォール ブルックミル クローズ 24 Ｆターム(参考） 5F073 AA74 AB12 CA04 CB03 DA07 DA23 DA32 DA33 EA29 5F089 AA00

Claims (33)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コア領域を有する半導体導波管を備えた電気光学半導体デバ
   イスであって、該コア領域内に、少なくとも一つの能動領域が配置されており、
   該一以上の能動領域の外側にある導波管のコアが拡散能動領域材料により汚染さ
   れておらず、かつ、該一以上の能動領域及び導波管がモノリシックであり追加成
   長工程において成長される前記電気光学半導体デバイス。
2. 【請求項２】 一以上の能動領域が、導波管のコアの２つの隣接する成長相
   間に配置されている請求項１記載のデバイス。
3. 【請求項３】 能動領域が、導波管のコアよりも小さいバンドギャップを有
   する少なくとも一つの量子井戸層又はバルク層を備えている請求項１又は２記載
   のデバイス。
4. 【請求項４】 能動領域のバンドギャップが、その能動領域と導波管のコア
   との間の遷移領域におけるバンドギャップよりも小さい請求項１〜３のいずれか
   １項記載のデバイス。
5. 【請求項５】 量子井戸層が、レーザーとして作用するように形成されてい
   る請求項３又は４記載のデバイス。
6. 【請求項６】 量子井戸層が、検出器として作用するように形成されている
   請求項３又は４記載のデバイス。
7. 【請求項７】 導波管及び一以上の能動領域が、化学ビームエピタキシーを
   使用して成長される請求項１〜６のいずれか１項記載のデバイス。
8. 【請求項８】 導波管及び一以上の能動領域が、III−V半導体組成物を含有
   する請求項１〜７のいずれか１項記載のデバイス。
9. 【請求項９】 III−V半導体組成物が、インジウムリンベースである請求項
   ８記載のデバイス。
10. 【請求項１０】 III−V半導体組成物が、ガリウム砒素ベースである請求項
    ８記載のデバイス。
11. 【請求項１１】 導波管がアルミニウムガリウム砒素を含有し、一以上の能
    動領域が少なくとも一つのガリウム砒素の層を含有する請求項１０記載のデバイ
    ス。
12. 【請求項１２】 導波管のコアが２０％〜４０％のアルミニウムを含有し、
    導波管の上方及び下方のクラッド層が４０％〜８０％のアルミニウムを含有する
    請求項１０記載のデバイス。
13. 【請求項１３】 クラッド層の一方がｎ型ドープされており、もう一方のク
    ラッド層がｐ型ドープされている請求項１２記載のデバイス。
14. 【請求項１４】 デバイスが、拡張キャビティレーザーであって、導波管の
    コア内に配位された少なくとも一つの量子井戸層を備え、レーザーキャビティの
    大きさが、デバイスが形成されるモノリシック結晶の天然劈開面により規定され
    るである請求項１〜５及び請求項７のいずれか１項記載のデバイス。
15. 【請求項１５】 複数の能動領域が存在する請求項１〜１４のいずれか１項
    記載のデバイス。
16. 【請求項１６】 以下の工程を含有する電気光学半導体デバイスの製造方法
    であって、追加成長工程を含有することを特徴とする前記製造方法： 半導体導波管のコア層の第一部分を成長させる工程； コア層の第一部分の一部分の上に能動層を選択的に成長させる工程；及び 第一部分及び能動層の上に、半導体導波管のコア層の第二部分を成長させる工
    程。
17. 【請求項１７】 能動層を選択的に成長させる工程が、 コア層の第一部分の一部分を選択的に覆って、コア層の第一部分の一部分を露
    出させる工程； 露出した一部分の領域上に少なくとも一つの能動層を成長させる工程；及び コア層の第一部分の覆いをとる工程； を含有する請求項１６記載の方法。
18. 【請求項１８】 導波管クラッド層が、コア層の上方及び下方で成長されて
    いる請求項１６又は１７記載の方法。
19. 【請求項１９】 能動層が、導波管のコアよりも小さいバンドギャップを有
    する少なくとも一つの量子井戸層又はバルク層を備えている請求項１６〜１８の
    いずれか１項記載の方法。
20. 【請求項２０】 コア層及び能動層が、化学ビームエピタキシーを使用して
    成長されている請求項１６〜１９のいずれか１項記載の方法。
21. 【請求項２１】 コア層及び能動層が、III−V半導体組成物を含有する請求
    項１６〜２０のいずれか１項記載の方法。
22. 【請求項２２】 III−V半導体組成物が、インジウムリンベースである請求
    項２１記載の方法。
23. 【請求項２３】 III−V半導体組成物が、ガリウム砒素ベースである請求項
    ２１記載の方法。
24. 【請求項２４】 導波管がアルミニウムガリウム砒素を含有し、能動層が少
    なくとも一つのガリウム砒素層を含有する請求項２３記載の方法。
25. 【請求項２５】 導波管のコアが２０％〜４０％のアルミニウムを含有し、
    導波管の上方及び下方のクラッド層が４０％〜８０％のアルミニウムを含有する
    請求項２４記載の方法。
26. 【請求項２６】 クラッド層の一方がｎ型ドープされており、もう一方のク
    ラッド層がｐ型ドープされている請求項２５記載の方法。
27. 【請求項２７】 導波管のコアの第一部分が、機械的シャドーマスクにより
    選択的に覆われる請求項１７〜２６のいずれか１項記載の方法。
28. 【請求項２８】 シャドーマスクが、酸化ケイ素、窒化ケイ素又は二酸化ケ
    イ素で被覆されたケイ素で作製されている請求項２７記載の方法。
29. 【請求項２９】 導波管のコアの第一部分の領域を露出する開口部を規定す
    るシャドーマスクの端がテーパされており、導波管のコアの第一部分の領域に隣
    接する端がそのテーパの薄い末端を形成する請求項２７又は２８記載の方法。
30. 【請求項３０】 複数の能動層が、コア層の第一部分の異なる一部分の領域
    の上に成長されている請求項１６〜２９のいずれか１項記載の方法。
31. 【請求項３１】 請求項１６〜３０のいずれか１項記載の方法を使用して成
    長されているデバイス。
32. 【請求項３２】 添付したいずれかの図面を参照して明細書中に実質的に記
    載されているデバイス。
33. 【請求項３３】 添付したいずれかの図面を参照して明細書中に実質的に記
    載されている方法。