JP2005527977A - 量子井戸混合素子における接触抵抗の制御 - Google Patents
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Abstract
半導体素子構造において量子井戸混合を行う方法は、ＱＷＩ処理の後に除去されるキャップ層の犠牲部分を利用し、高性能の接触が依然として可能な状態にキャップ表面を復元する。当該方法は、ａ）ドープされたキャップ層を含む層状量子井戸構造を形成する工程と、ｂ）前記キャップ層の上にエッチング停止層を形成する工程と、ｃ）前記エッチング停止層の上に犠牲層を形成する工程であって、所定のエッチング条件に曝された時に前記エッチング停止層は前記犠牲層よりも実質的に低いエッチング速度を有する工程と、ｄ）前記素子構造に量子井戸混合処理を実行し、前記処理は前記犠牲層の少なくとも一部分に著しい損傷を与える工程と、ｅ）前記素子の少なくとも接触領域において前記犠牲層を除去する工程であって、前記接触領域における前記エッチング停止層を曝すために、前記エッチング停止層に作用しない選択性を有するエッチング処置を使用する工程と、ｆ）少なくとも前記接触領域において前記層状量子井戸構造の上に接触部を形成する工程と、
を含む。
を含む。
Description
本発明は、量子井戸構造を有するフォトニックデバイスの製造及び量子井戸構造の所定の領域における量子井戸のバンドギャップを制御可能にシフトするために使用される量子井戸混合（ＱＷＩ）処理に関する。
図１を参照すると、量子井戸構造を有する従来の半導体フォトニックデバイス１が、適切な基板２、例えばｎ型ＧａＡｓウェハ、の上に形成される。量子井戸構造は更に第１のクラッド層３と、光子を生成し又は光子の挙動を変調するためにキャリア注入を使用することが可能な光学上活性層４と、第２のクラッド層５と、キャップ層６とを有する。
典型的には、基板２は第１の濃度にｎ型ドープされ、一方第１のクラッド層３は第２の濃度にｎ型ドープされる。さらに、典型的に光学上活性層４は実質的に真性であり、一方第２のクラッド層５は典型的に第３の濃度にｐ型ドープされる。さらに、キャップ層６は第４の濃度にｐ型ドープされる。
キャップ層６及び第２のクラッド層５をリッジ（図示せず）にエッチングすることは、当業者によって十分理解されるだろう。そのリッジは光モードを光学上活性層４内に閉じ込めるための光導波路として作用する。さらに、電流注入路を設けるために素子１の上面８の少なくとも一部に接触金属被覆（図示せず）を形成することができる。
例えばエリア１０によって示されるような、素子１の或るエリア又は領域において、局所的にシフトしたバンドギャップを生じること、即ち局所的に量子井戸構造のバンドギャップエネルギーを上昇させることが、組み立てられた素子において可能で有用な多種の構造を形成するために、望ましいかもしれない。
従来の量子井戸混合処理において、量子井戸構造内（例えば、キャップ層６内）の原子の、隣接層又は障壁材料からの原子との交換によってこのバンドギャップのシフトは起こる。この原子の交換は材料の点欠陥と原子の相互作用によって及び高温下で起こる。
点欠陥は、格子間位置―原子が結晶格子構造を通ってある格子間部位から別の部位へ拡散することができる―、又は格子構造が空の部位を有する空孔でありうる。
（ｎ型ドーパントとしての）珪素や（ｐ型ドーパントとしての）亜鉛のような不純物は、一般に点欠陥（空孔又は格子間原子）が得られる可能性を増大させ、これによってＱＷＩが起こる温度を低減させる。加えて、インプランテーション及び他の結晶格子損傷導入プロセスは、点欠陥が得られる可能性を局所的に増大させ、これによってＱＷＩが起こる温度を低減させる。
さらなる技術において、珪素のような誘電性キャップ層１２を半導体量子井戸構造の表面に設け、高温アニールすることにより、空孔がキャップ層６内に生成されそして半導体構造を介して拡散する。
量子井戸混合の効果は、制御可能な方法で半導体量子井戸構造のバンドギャップを増大させることである。図２に示すように、ＡｌＡｓ障壁を有するＧａＡｓ量子井戸の伝導帯２０及び価電子帯２１構造がＱＷＩ前（線２２）及びＱＷＩ後（線２３）の両方とも示されている。この効果は広範囲のフォトニックデバイスの製造に相当役立つ。
例えば、ＡｌＧａＡｓ障壁を有するＧａＡｓ量子井戸は、シフトされない量子井戸に対して「青色へシフト」する放物線井戸２３を生じるように量子井戸混合されてもよい。ＱＷＩ技術は、個々の素子の性能を向上するために、例えばレーザファセット上に非吸収性鏡を生成して破滅的光学損傷を低減するために、使用されることが可能である。
フォトニックデバイスの製造のためのＱＷＩの使用に相当の利点はあるのだが、上述のＱＷＩ技術の何れか又は全てにより一般的に引き起こされる高温処理及び結晶格子破壊は次の望ましくない副作用に繋がり得る。（ａ）表面８の損傷、（ｂ）ドーパント不純物の分離（ｃ）誘電性キャップ層６から半導体の他の層への不純物拡散。
このようにＱＷＩ処理の後、ＱＷＩ処理された層の上に金属接触部を被着することにより、高抵抗接触部を生じる虞があり、素子性能が不十分なものとなる。
一般的に、上述した効果の一つ又は組み合わせが、製造された素子において高いｐ型接触抵抗、高いターンオン電圧及び柔軟なＩ−Ｖ特性に寄与し得る。高いターンオン電圧はより望ましくない熱を素子内に生じ、出力を制限し素子の寿命を低下させるだろう。
本発明の目的は、量子井戸混合技術を使用し、上述したＱＷＩ処理の何れか又は全てから生じる不良の接触性能と関連する問題を解消し、緩和し、又は少なくとも低減するフォトニックデバイスの製造のための工程を提供する。
本発明のさらなる目的は、ＱＷＩ技術を使用して製造された素子の接触抵抗を改善するための工程を提供することである。
一側面によると、本発明は半導体素子構造において量子井戸混合を行う方法であって、
ａ）ドープされたキャップ層を含む層状量子井戸構造を形成する工程と、
ｂ）前記キャップ層の上にエッチング停止層を形成する工程と、
ｃ）前記エッチング停止層の上に犠牲層を形成する工程であって、所定のエッチング条件に曝された時に前記エッチング停止層は前記犠牲層よりも実質的に低いエッチング速度を有する工程と、
ｄ）前記素子構造に量子井戸混合処理を実行し、前記処理は前記犠牲層の少なくとも一部分に著しい損傷を与える工程と、
ｅ）前記素子の少なくとも接触領域において前記犠牲層を除去する工程であって、前記接触領域における前記エッチング停止層を曝すために、前記エッチング停止層に作用しない選択性を有するエッチング処置を使用する工程と、
ｆ）少なくとも前記接触領域において前記層状量子井戸構造の上に接触部を形成する工程と、
を有する方法を提供する。
ａ）ドープされたキャップ層を含む層状量子井戸構造を形成する工程と、
ｂ）前記キャップ層の上にエッチング停止層を形成する工程と、
ｃ）前記エッチング停止層の上に犠牲層を形成する工程であって、所定のエッチング条件に曝された時に前記エッチング停止層は前記犠牲層よりも実質的に低いエッチング速度を有する工程と、
ｄ）前記素子構造に量子井戸混合処理を実行し、前記処理は前記犠牲層の少なくとも一部分に著しい損傷を与える工程と、
ｅ）前記素子の少なくとも接触領域において前記犠牲層を除去する工程であって、前記接触領域における前記エッチング停止層を曝すために、前記エッチング停止層に作用しない選択性を有するエッチング処置を使用する工程と、
ｆ）少なくとも前記接触領域において前記層状量子井戸構造の上に接触部を形成する工程と、
を有する方法を提供する。
ここで、本発明の実施の態様は実施例によって及び添付図面を参照して説明される。
本発明によれば、高性能の接触が依然として可能な状態にキャップ表面を復元することにおいて、ＱＷＩ処理後に除去されるキャップ層の犠牲部分を設けることが、相当の利点を与えることが認識される。この目的を達成するために、本発明は図１の従来のキャップ層６の上にエッチング停止層及び犠牲キャップ層を設け、ＱＷＩ処理から生じた損傷し不純物の欠乏した材料を容易に取り除くことが可能であり、低抵抗ｐ型接触部をＱＷＩ構造上に被着できるようにする。出力及び寿命を増加させることによってこれが実質的に素子性能を向上する。
量子井戸混合処理の適用前の、製作された量子井戸構造、エッチング停止層及び犠牲キャップ層の好適な例は図３において示される。
素子構造３０は、ｎ型基板３２（例えば、ＧａＡｓウェハ）を有し、この基板上に半導体層３３〜３６が製作される。第１のクラッド層３３がその上に形成される。好ましくは、第１のクラッド層はｎ型材料、例えば珪素ドープされたＡｌＧａＡｓ、である。更に好ましくは、第１のクラッド層は複数の副層、例えば第１、第２及び第３の副層３３ａ、３３ｂ及び３３ｃ、を有してもよい。
光学上活性層３４は第１のクラッド層上に形成される。好ましくは光学上活性層は真性、非ドープ材料である。更に好ましくは、光学上活性層３４は複数の副層、例えば第１、第２及び第３の副層３４ａ、３４ｂ及び３４ｃ、を有してもよい。
第２のクラッド層３５がその上に形成される。好ましくは第２のクラッド層はｐ型材料、例えば亜鉛ドープされたＡｌＧａＡｓ、である。更に好ましくは、第２のクラッド層は複数の副層、例えば第１、第２及び第３の副層３５ａ、３５ｂ及び３５ｃ、を有してもよい。
キャップ層３６は第２のクラッド層３５の上に形成され、素子への電流注入を可能にする。好ましくは、キャップ層３６はｐ型材料、例えば亜鉛ドープされたＧａＡｓ、である。キャップ層３６はＱＷＩ処理後保持されるだろう。好ましくは、キャップ層は、空気に曝される層の酸化を防ぐためにアルミニウムを含まない。
本発明によれば、キャップ層３６上を覆っているのはエッチング停止層３７である。好ましくは、エッチング停止層３７はキャップ層と同様のドーピングレベルのｐ型材料を有する。エッチング停止層上を覆っているのは犠牲層３８である。好ましくは、犠牲層はキャップ層と同様のドーピングレベルのｐ型材料を有している。より好ましくは、犠牲層はキャップ層と同じ材料を有している。
一般に、エッチング停止層３７は、キャップ層３６及び犠牲層と同様の電気的性質を有しているが、ウェットエッチング、ガスエッチング又はプラズマエッチング技術の何れかによって、犠牲層よりもエッチングに対する実質的に増加した抵抗を提供する。
好ましくは、上述した素子構造が、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）や有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）のようなエピタキシャル成長技術を使用して形成される。しかしながら、気相エピタキシー（ＶＰＥ）や液相エピタキシー（ＬＰＥ）のようないかなる適切な成長又は蒸着技術も、使用することができる。
波長出力９８０ｎｍを有し、上述した好適な構造を使用して製造された、典型的な半導体レーザは、概して、下の表１において規定されるような層により構成されるだろう。
表１の例において、エッチング停止層はＧａＩｎＰから形成される。
さらなる典型的な実施の態様において、エッチング停止層はＡｌＡｓから形成される。この実施の態様のための好ましい構造は下の表２において規定されている。
ＱＷＩ処理は上記の構造上で行われる。好ましいＱＷＩ手順において、珪素の層が半導体の上に被着され、その後熱アニール処理がなされる。
ＱＷＩ処理及び珪素の除去の後、構造の最上層３８の著しい劣化が見られる。従来の処理において、最上層が本質的にキャップ層３６を有することは理解されるだろう。この劣化は、キャップ層３６上の適した金属被覆層の被着によって形成される任意の接触部の性能を著しく損なうかもしれない。
この劣化は、（ａ）半導体表面への物理的損傷、（ｂ）ｐ型不純物ドーパント（この例においてはＺｎ）の前記表面からの拡散、及び（ｃ）珪素から半導体層への不純物の混入、の形式をとる。
（ａ）について、ＱＷＩ後の表面損傷を光学顕微鏡で観察することが可能である。
（ｂ）について、ｐ型不純物ドーパント拡散が素子構造プレ及びポストアニールのＳＩＭＳ測定において見られる。図４及び図５はｐ型プロファイルを示すＳＩＭＳ測定である。図４はＭＢＥ成長した材料（この例においてはベリリウムがドープされている）のアニール処理前及び後の両方のプロファイルを示している。図５は、ＭＯＣＶＤ成長した材料（Ｚｎがドープされている）のアニール処理前及び後の両方のプロファイルを示している。秒単位のエッチング時間を横軸にして表されている深さの関数として、ドーパント濃度が示されている。これら測定の双方において、ｐ型不純物濃度が〜２倍減少していて、その結果材料の抵抗率における対応する増加がある、ということが見受けられる。
（ｃ）について、図６は、ポストアニールされた試料（８５０℃及び９００℃アニール）と比較したａｓ−ｇｒｏｗｎシリコンのＳＩＭＳ測定を示し、高レベルのシリコン不純物がＱＷＩ処理後半導体材料中に拡散していることを示している。
図３に戻って参照すると、本発明において、選択エッチング（ウェット又はドライ）が損傷したエピタキシャル材料、即ち犠牲層３８を除去するために使用される。エッチング処理は、当該技術において確立された技術を使用して犠牲層３８に作用し且つエッチング停止層３７の材料に作用しない高い選択性を有するように選ばれる。
このように、選択エッチング処理はエッチング停止層３７で終了する。砒化層と燐化層とをはっきりと区別する多くの良好な選択ウェット又はドライエッチングが当業者に知られている。
それから、もしエッチング停止材料が低抵抗接触に適しているならば、金属接触部がエッチング停止層上に直接被着されることが可能である。
あるいは、エッチング停止層に作用し且つキャップ層３６に作用しない選択性を有する第２の選択エッチングが、エッチング停止層を除去し、必要なｐ型ドーピングレベルを有する良質のキャップ層３６半導体表面を露出するために使用されることが可能であり、金属接触部をその上に被着することが可能である。
第１及び／又は第２の選択エッチングは、接触部が形成される領域において実行されることのみが必要である、ということは理解されるだろう。素子の他の領域において、犠牲層及び／又はエッチング停止層は残存してよい。
従来のＱＷＩ処理で、犠牲層３８及びエッチング停止層３７を使用しないと、キャップ３６上に形成されたｐ型接触部の接触抵抗は、約２オームから５オーム超過への上昇、及び９８０ｎｍ半導体レーザにおいてターンオン電圧における約１．２Ｖから２Ｖ超過への増加を示す。
上述した典型的な実施の態様は、ＱＷＩ処理によって影響を実質的に受けない、９８０ｎｍレーザに対する接触抵抗及びターンオン電圧を示した。
それゆえ、素子のバンドギャップがシフトした領域の形成（例えば、より高い接触抵抗及びターンオン電圧という欠点なく、レーザ素子における非吸収性鏡の形成のため）におけるＱＷＩ処理の利益を提供することが可能である。
上であげられた例によりＡｌＧａＡｓ９８０ｎｍレーザが説明される。しかしながら、この発明はまた、量子井戸混合領域及び電気的接触部を必要とする任意の砒化物、燐化物、窒化物又はアンチモン化物系III−V族フォトニックデバイスに適用することができる。
この発明は、遠距離通信用途のための半導体レーザ及びアンプの製造において、基本的に利用されるが、一般に、ＱＷＩ技術を必要とする任意の阻止の製造に適用することが可能である。
組みわされた犠牲層３８及びエッチング停止層３７の使用は、先行技術に対する相当数の利点を提供する。
量子井戸混合処理により導入される層の中の欠陥は、犠牲層の中に深く流れ込み、そしてエッチング停止層は、そのような欠陥がキャップ層の中に移動することを防止することに役立っている。
エッチング停止層の使用はまた、金属被着後接触抵抗を実質的に向上するエッチングの結果、良好で原子的に平坦な表面を与えることが見出されている。それに対し、キャップ層に加え厚い犠牲層に単純に時間を制限したエッチングを行うことによって、粗面が生じ（特に犠牲層の損傷を受ける上部領域によって引き起こされるエッチング速度のばらつきを考慮して）、粗面が接触形成の問題を生じる。
加えて、リッジ導波路型レーザの出力及び光学的スペクトルはリッジ幅及び高さによって決定的に決まる。精密なリッジ高さを得るための厚いキャップ及び犠牲層のウェット又はドライエッチングは、達成することが困難であり、ロバストな製造工程において望ましくない。エッチング停止層は非常に良好な（原子レベルの）精度でリッジの高さを決定する。
また、エッチング停止層の使用は、キャップ層の厚さにおける全般的な減少を可能にし、これにより、必要とされる度合いの混合を達成するために厳密さのより低いＱＷＩ処理条件を利用することを可能にするので、半導体構造に発生する損傷を更に低減する。
図７を参照すると、真性光学上活性領域７０ｂとともにクラッド層７０ａ及び７０ｃを有する従来のレーザ素子構造７０が、基板（図示せず）上に形成され量子井戸を規定している。前述したように、これらの層それぞれは、更に副層を有してもよい。
量子井戸混合処理を行い光学素子の更なる特徴を規定するために、前述のように、エッチング停止層７１及び犠牲層がその上に形成される。ＱＷＩ処理を達成するために、二酸化珪素層を既定領域７３、７４上にスパッタリングする。適切な、フォトリソグラフィー的に規定されたフォトレジスト（図示せず）のようなマスク材料が、スパッタ堆積の間に表面の他の領域７５を保護する。保護フォトレジスト層を表面７５から除去した後、ＰＥＣＶＤ珪素酸化物７６が被着され、表面７５を本質的に被覆する。
その後、好ましくは公知技術により急速熱アニーリング（ＲＴＡ）処理を使用して、素子は熱的にアニールされる。このＲＴＡ処理の間、基礎をなすレーザ構造７０からガリウムがスパッタリングされたＳｉＯ2層７３、７４の中に移動し、それによって、スパッタリングされたＳｉＯ2層７３、７４の下に量子井戸のバンドギャップがシフトした領域を形成する。ＰＥＣＶＤＳｉＯ2は量子井戸混合処理を阻害する。
図８において、ＳｉＯ2層は取り除かれている。犠牲層の曝露された表面に著しい損傷があり、ｐ型ドーパントは表面から分離している。図９を参照すると前述したように、犠牲層はエッチング停止層７１に作用しない選択性を有するエッチング処理により除去されている。
図１０の示すように、その後エッチング停止層は適したエッチング処理で除去され、良質の表面がレーザ構造７０に残る。レーザ構造７０の上には適した金属接触部を被着してもよい。
他の実施の態様は添付の請求項の範囲内である。
Claims (16)
- 半導体素子構造において量子井戸混合を行う方法であって、
ａ）ドープされたキャップ層を含む層状量子井戸構造を形成する工程と、
ｂ）前記キャップ層の上にエッチング停止層を形成する工程と、
ｃ）前記エッチング停止層の上に犠牲層を形成する工程であって、所定のエッチング条件に曝された時に前記エッチング停止層は前記犠牲層よりも実質的に低いエッチング速度を有する工程と、
ｄ）前記素子構造に量子井戸混合処理を実行し、前記処理は前記犠牲層の少なくとも一部分に著しい損傷を与える工程と、
ｅ）前記素子の少なくとも接触領域において前記犠牲層を除去する工程であって、前記接触領域における前記エッチング停止層を曝すために、前記エッチング停止層に作用しない選択性を有するエッチング処置を使用する工程と、
ｆ）少なくとも前記接触領域において前記層状量子井戸構造の上に接触部を形成する工程と、
を有する方法。 - 工程ｅ）は更に、少なくとも前記接触領域において前記ドープされたキャップ層を曝すために前記ドープされたキャップ層に作用しない選択性を有するエッチング処置を使用して前記エッチング停止層を除去する工程を含む請求項１に記載の方法。
- 工程ｄ）は熱処理工程を有する、請求項１に記載の方法。
- 工程ｄ）は、前記量子井戸混合処理の間に前記犠牲層の少なくとも一部分の上に誘電体層を形成する工程を含む不純物無添加空孔無秩序化技術を有する、請求項１に記載の方法。
- 工程ｆ）は、金属層を前記エッチング停止層上に被着して前記接触を形成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
- 工程ｆ）は、金属層を前記ドープされたキャップ層上に被着して前記接触を形成する工程を含む、請求項２に記載の方法。
- 前記犠牲層は、前記ドープされたキャップ層と同様のドーピングレベル、同様の電気的性質及び／又は同様の拡散係数のうち１以上を有する、請求項１に記載の方法。
- 前記犠牲層は前記ドープされたキャップ層と同一の半導体材料から形成される請求項７に記載の方法。
- 前記層状量子井戸構造は、第１のドーピングレベルを有する第１のドーパント型の基板と、第２のドーピングレベルを有する前記基板のような前記第１のドーパント型の第１のクラッド層と、実質的に真性型の光学上活性層と、第３のドーピングレベルを有する第２のドーパント型の第２のクラッド層と、第４のドーピングレベルを有する第２のドーパント型のキャップ層と、を有する、請求項１に記載の方法。
- 前記第１のドーパント型がｎ型であり前記第２のドーパント型がｐ型である請求項９に記載の方法。
- 前記層の少なくとも１は複数の異なる副層から形成される請求項９に記載に記載の方法。
- 前記ドープされたキャップ層はＧａＡｓを有し、前記エッチング停止層はＧａＩｎＰを有し、前記犠牲層はＧａＡｓを有する請求項１に記載の方法。
- 前記ドープされたキャップ層はＧａＡｓを有し、前記エッチング停止層はＡｌＡｓを有し、前記犠牲層はＧａＡｓを有する請求項１に記載の方法。
- 前記半導体素子構造からフォトニックデバイスを形成する工程を更に含む請求項１に記載の方法。
- 請求項１から１４の何れか一項に記載の工程を使用して形成される半導体素子構造。
- 添付図面を参照して本明細書に記述されているような方法。
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