JP2005167180A - 半導体光素子の作製方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 光通信用波長領域での使用が可能で、力学的に安定で、作製工程が容易な、量産性を備えた半導体光素子の作製方法を提供する。
【解決手段】 半導体基板上にエッチング比の異なる2種以上の半導体層を交互に積層する工程と、所定のマスクを用いて、積層された半導体層をパターニングする工程と、少なくとも1種以上の半導体層を選択エッチングしてエアギャップを形成することにより、残留した半導体層からなるメサ構造が形成されるようにする工程と、エアギャップが埋め込まれるように、伝熱特性の良好な物質を蒸着する工程とを含む。
【選択図】 図2

Description

本発明は、光通信素子や表面放出レーザなどの技術分野に適用される半導体光素子に関し、より詳細には、半導体反射鏡又は光学フィルタとして用いることが可能な、半導体光素子の作製方法に関する。
半導体光素子は、高密度の集積が容易で寿命が長いため、様々な分野に応用されている。通信用波長領域(1.2μm〜1.8μm)の半導体光素子は、主にInP或いはGaAs基板上に形成される。高屈折率の物質と低屈折率の物質を適切な厚さだけ交互に積層すると、反射鏡或いは光学フィルタとして利用可能な半導体光素子を得ることができる。
このような半導体反射鏡或いは光学フィルタは、半導体能動素子及び受動素子に応用することができる。
特に、表面放出レーザを実現するには高反射率の反射鏡が必須的に求められるが、このため、様々な技術が適用されている。
従来の技術による半導体反射鏡としては、InP基板に格子整合成長を行って得られるInP/InAlAs反射鏡、InAlGaAs/InAlAs反射鏡、InAlGaAsSb/InAlAsSb反射鏡などがある(特許文献1、非特許文献3、4参照)。
InP基板に格子整合成長を行った後、選択エッチングして得ることが可能なInP/空気層(air−gap)反射鏡(非特許文献1、2、5、特許文献4参照)も開発されたことがある。
また、蒸着方法で得られる誘電体反射鏡(特許文献2)、GaAs基板に成長されるAl(Ga)As/GaAs反射鏡(特許文献5)、GaAs基板でAlGaAs層をウェット酸化して得られる反射鏡(非特許文献6)などは、InP基板に成長する利得媒質と基板対基板の溶融(fusion)接合によって作製され、表面放出レーザのような能動素子に応用される。
ところが、このような従来の半導体反射鏡は、次のような長所及び短所をもつ。
まず、InP基板に格子整合成長を行って得られるInP/InAlAs反射鏡、InAlGaAs/InAlAs反射鏡及びInAlGaAsSb/InAlAsSb反射鏡などは、電流を流すことが可能な伝導性反射鏡(特許文献1)であるという長所をもつ反面、成長の厚さが厚くて厚さの調節或いは成長が難しいという短所をもつ。
InP基板に格子整合成長を行った後、選択エッチングして得ることが可能なInP/空気層反射鏡は、厚さが薄くて作製が容易であるという長所があるが、力学的に弱くて不安定であるという短所を抱えている。
蒸着方法で得られる誘電体反射鏡及びGaAs基板に成長するAl(Ga)As/GaAs反射鏡などは、基板対基板の溶融接合という技術を適用しなければならないが、この技術は量産性の短所を持っていると知られている。
また、GaAs基板上に結晶薄膜を成長させ、成長した結晶薄膜のうちAl(Ga)As層をウェット酸化して得られる反射鏡の場合には、ウェット酸化時に生ずる変形による安定性の欠陥などの問題点をもっている。また、電流制限構造を有する半導体光素子(韓国特許出願第2002−69586号)。
したがって、従来の半導体反射鏡の短所を補足することができるうえ、より構造的に安定で作製が容易な半導体反射鏡及び光学フィルタの開発が要求される。
Dennis G.Deppe,et al.,Vertical cavity surface emitting lasers with electrically conducting mirrors, 米国特許第5,068,868号明細書(Nov. 26, 1991), AT&T Bell Laboratory. Jamal Ramdani,et al.,Long−wavelength light emitting vertical cavity surface emitting laser and method of fabrication, 米国特許第6,121,068号明細書(Sep. 19, 2000),Motorola, Inc. Tuomo Suntola, et al., Method and equipment for growing thin films, 米国特許第5,711,811号明細書(Jan. 27, 1998). 岩井則廣の外、「面発光半導体レーザ素子及びその製作方法」、日本特開平11−307863号公報、古河電気工業株式会社。 岩井則廣の外、「面発光半導体レーザ素子及びその製作方法」、日本特開平12−012962号公報、古河電気工業株式会社。 Chao−Kun Lin,et al.,Electrically pumped 1.3μm VCSELs with InP/air−gap DBRs.,Conference on Lasers and Electro−optics 2002,CPDB10−1,pp.755−757,2002. Chao−Kun Lin,et al.,High temperature continuous−wave operation of 1.3−1.55μm VCSELs with InP/air−gap DBRs,IEEE 18th International Semiconductor Laser Conference,ThA6,pp.145−146,2002. I.Sagnes,et al.,MOCVD InP/AlGaInAs distributed Bragg reflector for 1.55μm VCSELs,Electronics Letters,Vol.37(8),pp.500−501,2001. J.−H.Shin,et al.,CW operation and threshold characteristics of all−monolithic InAlGaAs 1.55μm VCSELs grown by MOCVD,IEEE Photonics Technology Letters,Vol.14(8),pp.1031−1033,2002. K.Streubel,et al., 1.26μm vertical cavity laser with two InP/air−gap reflectors,Vol.32(15),pp.1369−1370,1996. H.−E.Shin,et al., High−finesse AlxOy/AlGaAs non−absorbing optical cavity,Applied Physics Letters,Vol.72(18),1998. Sun Jin Yun,et al., Dependence of atomic layer−deposited Al2O3 films characteristics on growth temperature and Al precursors of Al(CH3)3 and AlCl3.,J.Vac. Sci.and Tech.,vol 15(6),pp.2993−2997,1997.
本発明の目的は、光通信用波長領域での使用が可能で、また、力学的に安定し、作製工程が容易で、量産性を備えた半導体光素子の作製方法を提供することにある。
本発明は、半導体基板上にエッチング比の異なる2種以上の半導体層を交互に積層する工程と、所定のマスクを用いて、前記積層された半導体層をパターニングする工程と、少なくとも1種以上の前記半導体層を選択エッチングしてエアギャップを形成することにより、残留した半導体層からなるメサ構造が形成されるようにする工程と、前記エアギャップが埋め込まれるように、所定の伝熱特性を有する物質を蒸着する工程とを具えたことを特徴とする。
前記積層された半導体層は、素子領域の幅が、該素子領域の両側の支持領域より狭くパターニングされたことを特徴とする。
前記積層された半導体層は、素子領域の幅が、該素子領域の一側の支持領域より狭くパターニングされたことを特徴とする。
前記半導体層は、前記半導体基板上への結晶成長が可能な物質であることを特徴とする。
前記所定の伝熱特性を有する物質は、酸化物、窒化物又はこれらの混合物であり、Al、ZnO、MgO、TiO、Ta、ZrO、HfO、SiO、Si、AlN、AlONのいずれか1つ、若しくは、これらの組合せからなる伝熱特性の良好な物質であることを特徴とする。
前記半導体光素子は、反射鏡、又は、光学フィルタであることを特徴とする。
本発明によれば、半導体反射鏡又は光学フィルタに必要な半導体層を積層した後、選択的にエッチングしてエアギャップを形成し、前記エアギャップが埋め込まれるように全面に伝熱特性の良好な物質を1層又は多層に蒸着するようにしたので、力学的安定性及び優れた伝熱特性を有し、安定性(reliability)が確保された半導体光素子を実現することができる。
本発明の半導体光素子は、半導体反射鏡及び光学フィルタ技術分野、光通信素子技術分野、表面放出型光源素子、受動光素子、半導体光増幅器素子などに適用することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明に係る好適な実施例を詳細に説明する。
なお、本発明の実施例は様々な変形が可能であるが、本発明は下記の実施例に限定されるものと解釈されてはならない。これらの実施例は当該技術分野で通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における要素の形状などはより明確な説明を強調するために誇張されたものであり、図面上において同一の符号で表示された要素は同一の要素を意味する。また、ある層が他の層又は半導体基板の「上にある」と記載される場合、前記ある層は前記他の層又は半導体基板に直接接触して存在することができ、或いはその間に第3の層が介在できることを意味する。
図1a及び図1bは、本発明の実施例に係る半導体光素子の作製方法を説明するための斜視図、図1cは図1a及び図1bのA1−A2線に沿った断面図である。
図2は、本発明の実施例によって作製された半導体光素子の断面図である。
InP半導体基板1上にエッチング比(etch rate)の異なるIII−V族半導体層2及び3を交互に繰り返し積層する。
そして、これらのうち少なくとも1種の半導体層2及び3を選択的にエッチングして図1cのようにエアギャップ5を形成することにより、エアギャップ5を含んでいるブリッジ型(bridge type)(図1a参照)或いは片持ち梁型(cantilever type)(図1b参照)のメサ構造4及び9が形成されるようにする。この際、メサ構造4及び9が崩れないようにしなければならない。
このための一つの効果的な方法で、図1a及び図1bのように半導体層2及び3を積層した後、素子領域4a及び9aの幅を支持領域4b及び9bより狭くパターニングすると、選択的エッチング過程で側面エッチングによって素子領域4a及び9aの半導体層3が完全にエッチングされる間、支持領域4b及び9bの半導体層3は一部残留するため、支持領域4b及び9bの残留した半導体層3が素子領域4a及び9aの残留した半導体層2を支持する。
この他にも、III−V族半導体層に対して選択性の強いエッチング方法を用いるか、或いはマスクを用いて半導体層の特定の部分のみをエッチングする方法で、前述したように安定的なメサ構造4を形成することもできる。
半導体層2及び3は、有機金属気相結晶成長法(Metal−Organic Vapor Phase Epitaxy)で形成することができ、InPとInGaAs、InAlGaAs、InAlAs、InGaAsPなどのようにInP基板1に成長可能な物質を用いることができる。
これら各物質は、クエン酸系、燐酸系及び塩酸系ウェットエッチングにより、高い選択性を有する選択的エッチングが可能である。
図2を参照すると、図1cのようにエッチングによって形成されたエアギャップ5に伝熱特性に優れた物質6を部分的又は全体的に充填する。
この際、物質6を蒸着する過程でエアギャップ5内に部分的に空隙(void)7が含まれる可能性がある。
エアギャップ5の処々に物質6を効果的に充填するためには、原子層蒸着(atomic layer deposition)法を使用することができる。この際、TMA(Tri Methyl Aluminum)とHOを材料として用いると、200〜400℃の比較的低い温度で1.6〜1.7程度の屈折率を有する稠密(dense)な薄膜を蒸着することができる。
伝熱特性が良好な物質6としては、酸化物、窒化物、又は酸化物と窒化物の混合物を使用することができる。
例えば、Al、ZnO、MgO、TiO、Ta、ZrO、HfO、SiO、Si、AlN、AlONなどを使用し、或いはこれらの組合せを使用することができる。
Al薄膜を使用する場合、実際InP半導体基板1上に成長する半導体層、例えばInAlGaAs、InGaAsP、InAlAs、InGaAsなどと比べて屈折率の差異が著しく大きいため、短い周期でも効果的に高反射率の反射鏡或いは光学フィルタを実現することができる。
また、半導体層2及び3に比べて熱伝導が非常に優れて熱放出特性が良好になり、熱放出特性の重要な光素子に応用される場合、素子特性を大幅向上させることができる。
また、光能動素子に応用する場合、エッチングされた断面に生ずるおそれのある漏れ電流(leakage current)を効果的に制御(passivation)することができる。図面において、符号8は光の反射或いは透過経路を示す。
結果的に選択的エッチングが可能な半導体層を適用するために、一般に通信用光源素子に使用されるInP基板で実現することができ、エアギャップ5に充填された物質6により力学的に安定した構造と良好な伝熱特性を有する。
このように力学的に安定で高反射率を有する半導体反射鏡或いは光学フィルタは、表面放出レーザや受動光学フィルタなどの光素子に応用できる。
このように作製された半導体光素子は、半導体反射鏡或いは光学フィルタとして使用できる。使用される光学フィルタの設計に応じて2種以上の異なる半導体層(例えば、2又は3)によって様々な配置と厚さで構成できる。
基本的な半導体層を形成し、上記過程を経て完成された光素子は、特定の領域の波長を透過したり反射したりするなどの設計された光特性を有する。
具体的な例として、1.55μmの波長近くで高反射率を持つように反射鏡を設計し、前述したような工程でInP基板上に光素子を作製すると、図3の線Aのような反射率特性を有する。
図3は、本発明の実施例によって作製される半導体光素子の反射率特性を波長に対する反射率の変化で示したグラフである。
反射率スペクトル曲線(線B)は、図1a又は図1bのようにInP半導体基板1上にエッチング比の異なる半導体層2及び3を交互に繰り返し積層した状態で測定した反射率であり、反射率スペクトル曲線(線C)は、少なくとも1種の半導体層2又は3を選択的にエッチングして図1cのようにエアギャップ5を形成した状態で測定した反射率であり、反射率スペクトル曲線(線A)は、エアギャップ5に酸化膜或いは窒化膜を充填した状態で測定した反射率を示す。
図4は、本発明の実施例によって作製された半導体光素子の反射率スペクトルであり、エアギャップ5に充填された酸化膜或いは窒化膜に含まれた空隙7の厚さ比による反射率の変化を示す。アルミニウム酸化膜Al内に内在する空隙7の厚さ比が10%の場合(線D)、5%の場合(線E)、空隙のない場合(線F)の反射率を示す。
図5は、本発明の半導体光素子作製方法を適用して表面放出レーザの上部反射鏡を作製した実施例を説明するための断面図である。
半導体基板11上に下部反射鏡12、伝導領域13、電流制限領域14を順次形成する。
電流制限領域14はエッチング比の異なる多層構造の半導体層で形成する。
電流制限領域14上にエッチング比の異なる半導体層16を交互に繰り返し積層し、半導体層16をパターニングする。
少なくとも1種の半導体層を選択的にエッチングして前記電流制限領域14及び上部反射鏡領域22にエアギャップ15及び17がそれぞれ形成されるようにする。
エアギャップ17によって浮かんでいるブリッジ型或いは片持ち梁型のメサ構造が形成される。エアギャップ15及び17が埋め込まれるように伝熱特性に優れた物質18を蒸着することにより、電流制限領域14には電流制限構造が形成され、半導体層16と充填されたエアギャップ17は高反射率の上部反射鏡22を形成する。
電流制限領域14と伝導領域13上に電極19を形成し、基板11上に電極20を形成する。図面において、符号21は出力光を示す。
図6は、本発明の半導体光素子の作製方法を適用して表面放出レーザの下部反射鏡を作製した実施例を説明するための断面図である。
半導体基板31上に下部反射鏡領域40、伝導領域37、電流制限領域33及び上部反射鏡34を順次形成する。前記下部反射鏡領域40はエッチング比の異なる多層構造の半導体層で形成する。
半導体反射鏡34、電流制限領域33、伝道領域37及び下部反射鏡領域40に下部反射鏡を形成するためにパターニングし、本発明を適用してメサ構造を作る。少なくとも1種の半導体層を選択的にエッチングして、下部反射鏡領域40にエアギャップ35が形成されるようにする。
エアギャップ35の部分或いは全体が埋め込まれるように、伝熱特性に優れた物質32を蒸着して前記半導体の下部反射鏡領域40に下部反射鏡を形成する。
電流制限領域33と伝導領域37上に電極36及び38をそれぞれ形成する。図面において、符号39は出力光を示す。
以上のように、本発明に係る半導体光素子の作製方法は、図5或いは図6に示した表面放出レーザにおいて、上部反射鏡領域22の上部反射鏡或いは下部反射鏡領域40の下部反射鏡の作製のために適用することができる。
また、本発明を適用して、上部反射鏡と下部反射鏡を同時に作製することもできる。
以上、好適な実施例を挙げて本発明を詳細に説明したが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、当該分野で通常の知識を有する者であれば本発明の技術的思想の範囲内で様々な変形が可能である。
本発明の実施例に係る半導体光素子の作製方法を説明するための斜視図である。 本発明の実施例に係る半導体光素子の作製方法を説明するための斜視図である。 図1a及び図1bのA1−A2線に沿った断面図である。 本発明の実施例によって作製された半導体光素子の断面図である。 本発明の実施例によって作製された半導体光素子の反射率特性を示すグラフである。 本発明の実施例によって作製された半導体光素子の反射率スペクトルを示すグラフである。 本発明の半導体光素子の作製方法を適用して表面放出レーザの上部反射鏡を作製した実施例を説明するための断面図である。 本発明の半導体光素子の作製方法を適用して表面放出レーザの下部反射鏡を作製した実施例を説明するための断面図である。
符号の説明
1,11,31 半導体基板
2,3,16 半導体層
4 メサ構造
4a,9a 素子領域
4b,9b 支持領域
5,15,17,35 エアギャップ
6,18,32 伝熱特性に優れた物質
7 空隙
12 下部反射鏡
13、37 伝導領域
14、33 電流制限領域
19、20 電極
21、39 出力光
22 上部反射鏡領域
34 上部反射鏡
40 下部反射鏡領域

Claims (8)

  1. a)半導体基板上にエッチング比の異なる2種以上の半導体層を交互に積層する工程と、
    b)所定のマスクを用いて、積層された前記半導体層をパターニングする工程と、
    c)少なくとも1種以上の前記半導体層を選択エッチングしてエアギャップを形成することにより、残留した半導体層からなるメサ構造が形成されるようにする工程と、
    d)前記エアギャップが埋め込まれるように、所定の伝熱特性を有する物質を蒸着する工程と
    を具えたことを特徴とする半導体光素子の作製方法。
  2. 前記工程b)で積層された半導体層は、
    素子領域の幅が、該素子領域の両側の支持領域より狭くパターニングされたことを特徴とする請求項1記載の半導体光素子の作製方法。
  3. 前記工程b)で積層された半導体層は、
    素子領域の幅が、該素子領域の一側の支持領域より狭くパターニングされたことを特徴とする請求項1記載の半導体光素子の作製方法。
  4. 前記半導体層は、前記半導体基板上への結晶成長が可能な物質であることを特徴とする請求項1記載の半導体光素子の作製方法。
  5. 前記所定の伝熱特性を有する物質は、酸化物、窒化物又はこれらの混合物からなる伝熱特性の良好な物質であることを特徴とする請求項1記載の半導体光素子の作製方法。
  6. 前記所定の伝熱特性を有する物質は、Al、ZnO、MgO、TiO、Ta、ZrO、HfO、SiO、Si、AlN、AlONのいずれか1つ、若しくは、これらの組合せからなる伝熱特性の良好な物質であることを特徴とする請求項5記載の半導体光素子の作製方法。
  7. 前記所定の伝熱特性を有する物質は、原子層蒸着法で蒸着する伝熱特性の良好な物質であることを特徴とする請求項5記載の半導体光素子の作製方法。
  8. 前記半導体光素子は、反射鏡、又は、光学フィルタであることを特徴とする請求項1記載の半導体光素子の作製方法。
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