JP2008227154A - 光半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】段差領域における被り成長を抑制しながら、段差領域から一定の距離以上離れた領域でも十分な厚さを有する平坦性の良い埋込層が形成されるようにして、その後のプロセスを容易にし、歩留まりを良くすることができるようにする。
【解決手段】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の（１００）面上に存在する段差領域Ｍ１を、酸素を供給しながらＩＩＩ族元素としてＩｎ又はＧａを含む半導体結晶を成長させて埋込層１４を形成する埋込工程を含む。
【選択図】図１
【解決手段】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の（１００）面上に存在する段差領域Ｍ１を、酸素を供給しながらＩＩＩ族元素としてＩｎ又はＧａを含む半導体結晶を成長させて埋込層１４を形成する埋込工程を含む。
【選択図】図１
Description
本発明は、例えば半導体レーザ、光変調器、半導体光増幅器（ＳＯＡ）、光結合器などを集積した光集積素子などの光半導体素子の製造方法に関する。
近年の通信需要の飛躍的な増大に伴い、波長の異なる複数の信号光を多重化することによって、一本の光ファイバで大容量伝送を可能とする波長分割多重通信システム（ＷＤＭ通信システム）の開発が進められている。
このような波長分割多重通信システムにおいて、柔軟かつ高度な通信システムを実現するために、高速に光信号を出力しうる光送信器が必要となる。
このような波長分割多重通信システムにおいて、柔軟かつ高度な通信システムを実現するために、高速に光信号を出力しうる光送信器が必要となる。
従来から用いられている光送信器は、半導体レーザからのレーザ光を外部変調器によって変調する外部変調型光送信器である。特に、半導体レーザと電界吸収型光変調器とを集積した光送信器は、小型な光送信器であり、広く用いられている。
また、光変調器や波長可変レーザなどをモノリシックに集積した光集積素子として光送信器を構成することで、より高度な機能を小型なチップに搭載することができ、これにより、例えば大容量な波長分割多重光信号を発生しうる光送信器を単一素子で実現できることになる。例えば、広帯域な光送信器を実現すべく、数ｎｍ〜１０数ｎｍの波長可変範囲を持つ複数の波長可変レーザを同一基板上に集積したアレイ集積型波長可変レーザも提案されている。
また、光変調器や波長可変レーザなどをモノリシックに集積した光集積素子として光送信器を構成することで、より高度な機能を小型なチップに搭載することができ、これにより、例えば大容量な波長分割多重光信号を発生しうる光送信器を単一素子で実現できることになる。例えば、広帯域な光送信器を実現すべく、数ｎｍ〜１０数ｎｍの波長可変範囲を持つ複数の波長可変レーザを同一基板上に集積したアレイ集積型波長可変レーザも提案されている。
このような光変調器を集積した光集積素子を高速動作させるためには、光変調器の寄生容量を低減する必要がある。このため、例えば光変調器を構成する導波路メサ構造をある程度の厚さを有する半絶縁性半導体埋込層で埋め込むようにしている。
また、半導体光増幅器を集積した光集積素子であって、半導体光増幅器をオン・オフさせてスイッチのように用いる場合にも、半導体光増幅器の寄生容量を低減する必要があり、同様に、半導体光増幅器を構成する導波路メサ構造をある程度の厚さを有する半絶縁性半導体埋込層で埋め込むようにしている。
また、半導体光増幅器を集積した光集積素子であって、半導体光増幅器をオン・オフさせてスイッチのように用いる場合にも、半導体光増幅器の寄生容量を低減する必要があり、同様に、半導体光増幅器を構成する導波路メサ構造をある程度の厚さを有する半絶縁性半導体埋込層で埋め込むようにしている。
しかしながら、このような光集積素子を構成する導波路メサ構造は、例えば斜めや曲線などの複雑な導波路パターンを含むため、通常の埋込成長技術によって埋め込むと、例えば図５に示すように、導波路メサ構造１００の上端部（具体的にはこの上端部に形成されたマスク１０１の上方）を被うように被り成長が生じてしまう。
つまり、導波路メサ構造１００の延在方向の接線成分として[０１１]方向成分以外に[０−１１]方向成分が含まれる場合、導波路メサ構造１００の上方で（１１１）Ａ面上に埋込層１０２の成長が生じてしまい、例えば図５に示すような被り成長が生じてしまう。なお、本明細書においては、明細書作成の都合上、本来‘１バー’で表す面指数を‘−１’で表し、[０−１１]方向は〈０−１１〉方向と結晶学的に等価なすべての方向を意味する。
つまり、導波路メサ構造１００の延在方向の接線成分として[０１１]方向成分以外に[０−１１]方向成分が含まれる場合、導波路メサ構造１００の上方で（１１１）Ａ面上に埋込層１０２の成長が生じてしまい、例えば図５に示すような被り成長が生じてしまう。なお、本明細書においては、明細書作成の都合上、本来‘１バー’で表す面指数を‘−１’で表し、[０−１１]方向は〈０−１１〉方向と結晶学的に等価なすべての方向を意味する。
このような被り成長が生じてしまうと、製造プロセスで、電極材料が導波路メサ構造の上端部に形成されにくくなり、所望の幅にすることができず、電極途切れを引き起こす場合があり、この結果、素子の製造が極めて困難になる。
このような導波路メサ構造の上方での被り成長を抑える方法として、原料ガスに有機塩素化物を添加する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。この方法によれば、（３１１）Ａ面などを主成長面とした横方向の成長速度が異常に速くなり、（１１１）Ａ面上への埋込層の堆積が抑えられるため、被り成長を抑制することができる。
特開２００５−２２３３００号公報
このような導波路メサ構造の上方での被り成長を抑える方法として、原料ガスに有機塩素化物を添加する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。この方法によれば、（３１１）Ａ面などを主成長面とした横方向の成長速度が異常に速くなり、（１１１）Ａ面上への埋込層の堆積が抑えられるため、被り成長を抑制することができる。
ところで、本発明者は、本発明の基礎となる研究において、アレイ型の導波路メサをＭＯＣＶＤ法で埋め込む工程において、原料ガスに有機塩素系原料を添加して埋込層を形成する実験を行なった。
この実験では、有機塩素系原料として１，２−ジクロロエチレンを用い、これを、埋込層として半絶縁性ＩｎＰ層を形成する原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、フォスフィン、フェロセンと同時に供給しながら、埋込層を形成した。
この実験では、有機塩素系原料として１，２−ジクロロエチレンを用い、これを、埋込層として半絶縁性ＩｎＰ層を形成する原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、フォスフィン、フェロセンと同時に供給しながら、埋込層を形成した。
このように有機塩素系原料を添加すると、原料の拡散距離が急激に増加することにより、導波路メサ構造の側面から横方向に成長する結晶面、例えば（３１１）Ａ面の成長速度が急激に速くなり、被り成長の原因となる（１１１）Ａ面の成長が抑制される。なお、導波路メサのパターンによっては原料ガスに添加する有機塩素系原料（例えば塩化メチル）によって被り成長を抑えることができない場合もある。
しかしながら、被り成長を抑えるべく有機塩素系原料を添加すると、導波路メサ構造から一定の距離以上離れた領域で（１００）面上の成長も抑えられてしまい、埋込層がほとんど堆積しないことになる。
この結果、図６に示すように、埋込層１０２は、導波路メサ構造１００に接する近傍領域では導波路メサ構造１００の上面の高さとほぼ一致する高さを有するが、導波路メサ構造１００から一定の距離以上離れた領域では急激に膜厚が減少してしまうという特徴的な形状となる。これは、上記特許文献１のように、導波路メサ構造の延在方向の接線成分として[０１１]方向成分以外に[０−１１]方向成分を含む場合も同様である。
この結果、図６に示すように、埋込層１０２は、導波路メサ構造１００に接する近傍領域では導波路メサ構造１００の上面の高さとほぼ一致する高さを有するが、導波路メサ構造１００から一定の距離以上離れた領域では急激に膜厚が減少してしまうという特徴的な形状となる。これは、上記特許文献１のように、導波路メサ構造の延在方向の接線成分として[０１１]方向成分以外に[０−１１]方向成分を含む場合も同様である。
このように、埋込層の膜厚が変化してしまうと、この膜厚の変化を考慮してその後のプロセスを行なう必要があり、好ましくない。また、歩留まりも悪くなる。
この点、上述のような導波路メサ構造を埋め込む場合だけでなく、（１００）面上に存在する段差領域であって、[０１１]方向成分以外に[０−１１]方向成分を含むものを埋め込む場合も同様である。
この点、上述のような導波路メサ構造を埋め込む場合だけでなく、（１００）面上に存在する段差領域であって、[０１１]方向成分以外に[０−１１]方向成分を含むものを埋め込む場合も同様である。
この場合、長時間成長を行なうことで、導波路メサ構造から一定の距離以上離れた領域も十分な厚さの半絶縁性半導体埋込層で埋め込まれるようにすることも考えられるが、このような方法では、成長原料の消費量増大、装置のメンテナンスコストの増大、スループットの低下などが生じてしまうため、非現実的である。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、段差領域における被り成長を抑制しながら、段差領域から一定の距離以上離れた領域でも十分な厚さを有する平坦性の良い埋込層が形成されるようにして、その後のプロセスを容易にし、歩留まりを良くすることができるようにした、光半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、段差領域における被り成長を抑制しながら、段差領域から一定の距離以上離れた領域でも十分な厚さを有する平坦性の良い埋込層が形成されるようにして、その後のプロセスを容易にし、歩留まりを良くすることができるようにした、光半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
このため、本発明の光半導体素子の製造方法は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の（１００）面上に存在する段差領域を、酸素を供給しながらＩＩＩ族元素としてＩｎ又はＧａを含む半導体結晶を成長させて埋込層を形成する埋込工程を含むことを特徴としている。
したがって、本発明の光半導体素子の製造方法によれば、段差領域における被り成長を抑制しながら、段差領域から一定の距離以上離れた領域でも十分な厚さを有する平坦性の良い埋込層を形成することができ、これにより、その後のプロセスを容易にし、歩留まりを良くすることができるという利点がある。
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる光半導体素子の製造方法について、図１及び図２を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる光半導体素子の製造方法は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の（１００）面上に存在する段差領域を、酸素を供給しながらＩＩＩ族元素として少なくともＩｎを含む半導体結晶を成長させて埋込層を形成する埋込工程を含むものとして構成される。
本実施形態にかかる光半導体素子の製造方法は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の（１００）面上に存在する段差領域を、酸素を供給しながらＩＩＩ族元素として少なくともＩｎを含む半導体結晶を成長させて埋込層を形成する埋込工程を含むものとして構成される。
ここでは、ＩｎＰ系（ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ）化合物半導体結晶の（１００）面上に設けられた導波路メサ構造［例えば斜めや曲線などの導波路パターン（その延在方向の接線成分として[０１１]方向成分以外に[０−１１]方向成分を含む導波路パターン）を有する所望の導波路メサ構造；ＩｎＰ系メサ］を、ＩｎＰ系（ＩｎＰ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＧａＡｓＰ）半導体結晶からなる埋込層（ＩｎＰ系埋込層；ここでは半絶縁性半導体埋込層）によって埋め込む際に、例えばＭＯＣＶＤ法による結晶成長のための原料ガスに酸素を添加するようにしている。なお、結晶成長方法はＭＯＣＶＤ法に限られるものではない。
これは、原料ガスに酸素を添加して埋め込み成長を行なう際に、添加する酸素量を増やすと、[０１１]方向成分以外に[０−１１]方向成分を含む導波路メサ構造の上端部における（１１１）Ａ面上への埋込層の堆積（形成）が抑制され、被り成長が抑えられていることを見出し、これにより、導波路メサ構造を埋め込む埋込層の表面を平坦性に優れたものにすることができるという知見に基づくものである。
具体的には、埋込工程を、例えばＭＯＣＶＤ法による成長ガス雰囲気中に、ＩＩＩ族元素に対する流量比（酸素／ＩＩＩ族元素；ここでは酸素／ＴＭＩ）が０．００５以上０．１５以下となる流量で酸素を添加（供給）しながら行なうのが好ましい。
これは、酸素添加による被り成長の抑制は、流量比（酸素／ＴＭＩ）が０．００５になるように酸素を添加すると効果が現れ始め、酸素の添加量を増やすにつれて効果が大きくなり、流量比（酸素／ＴＭＩ）が０．１５になるように酸素を添加すると表面のモホロジィが荒れるためである。
これは、酸素添加による被り成長の抑制は、流量比（酸素／ＴＭＩ）が０．００５になるように酸素を添加すると効果が現れ始め、酸素の添加量を増やすにつれて効果が大きくなり、流量比（酸素／ＴＭＩ）が０．１５になるように酸素を添加すると表面のモホロジィが荒れるためである。
このように、埋込工程を、酸素を供給しながら行なうことで、（１１１）Ａ面上への成長が抑制され、[０１１]方向成分以外に[０−１１]方向成分を含む導波路メサ構造を平坦性良く埋め込むことができる理由は、以下のように考えることができる。
つまり、気相中の酸素と結晶表面のＩｎとの間の相互作用が大きく、（１１１）Ａ面のようにＩＩＩ族元素（原子）が多く露出している結晶面においては、表面に酸素が多く存在し、この表面に存在する酸素によって格子位置へのＩｎの取り込みが阻害される。この結果、Ｉｎ原子は導波路メサ構造（段差領域）の側面に存在する例えば（３１１）Ａ面などの堆積しやすい結晶面へと拡散することになり、（１１１）Ａ面上への堆積が抑制され、被り成長が抑えられることになると考えることができる。
つまり、気相中の酸素と結晶表面のＩｎとの間の相互作用が大きく、（１１１）Ａ面のようにＩＩＩ族元素（原子）が多く露出している結晶面においては、表面に酸素が多く存在し、この表面に存在する酸素によって格子位置へのＩｎの取り込みが阻害される。この結果、Ｉｎ原子は導波路メサ構造（段差領域）の側面に存在する例えば（３１１）Ａ面などの堆積しやすい結晶面へと拡散することになり、（１１１）Ａ面上への堆積が抑制され、被り成長が抑えられることになると考えることができる。
ところで、ＩＩ族のｐ型ドーパント又はＩＶ族、ＶＩ族のｎ型ドーパントを添加すると、（１１１）Ａ面での成長を抑制できることが知られているが（例えば、特開２００１−１９６６９５参照）、この場合、（１００）面で例えば５×１０17ｃｍ-3程度の不純物濃度となるようにドーパントをドープする必要があり、半絶縁性埋込構造（電流狭窄構造）の形成が困難となる。
一方、半絶縁性埋込構造を形成するためには、酸素がＩｎＰ系化合物半導体結晶中に取り込まれないようにすることが望ましい。
そこで、上述のような埋込工程を経て製造された半導体素子のＩｎＰ系化合物半導体結晶中に取り込まれている酸素元素の濃度について、ＳＩＭＳ（Secondary ion mass spectrometry）分析によって調べた。
そこで、上述のような埋込工程を経て製造された半導体素子のＩｎＰ系化合物半導体結晶中に取り込まれている酸素元素の濃度について、ＳＩＭＳ（Secondary ion mass spectrometry）分析によって調べた。
この結果、ＩｎＰ系化合物半導体結晶中に取り込まれている酸素元素濃度は、少なくとも２×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｃ以下であり、ｎ型ＩｎＰ基板中の酸素元素濃度４×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｃよりも少なく、ほとんどＩｎＰ系化合物半導体結晶中には取り込まれていないことが明らかになった。
また、半絶縁性ＩｎＰ埋込層を形成する原料であるトリメチルインジウム、フォスフィン、フェロセンと同時に酸素を供給しながら形成したＩｎＰ膜は、浅い不純物準位を形成する不純物キャリア濃度が高められていないため、半絶縁性埋込構造に適用するのに十分な半絶縁性が保たれることも確認できている。
また、半絶縁性ＩｎＰ埋込層を形成する原料であるトリメチルインジウム、フォスフィン、フェロセンと同時に酸素を供給しながら形成したＩｎＰ膜は、浅い不純物準位を形成する不純物キャリア濃度が高められていないため、半絶縁性埋込構造に適用するのに十分な半絶縁性が保たれることも確認できている。
つまり、上述のような埋込工程によれば、ＩｎＰ系化合物半導体結晶中に酸素が取り込まれないようにして半絶縁性埋込構造（電流狭窄構造）を形成しながら、（１１１）Ａ面上への成長を抑制し、[０１１]方向成分以外に[０−１１]方向成分を含む導波路メサ構造を平坦性良く埋め込むことができる。
上述のように、埋込工程を、酸素を供給しながら行なうことで、ＩｎＰ系化合物半導体結晶の（１００）面上に[０１１]方向成分以外に[０−１１]方向成分を含む導波路パターンを有する所望の導波路メサ構造を設ける場合であっても、導波路メサ構造から一定の距離以上離れた領域に十分な膜厚のＩｎＰ系埋込層（半絶縁性半導体埋込層）を堆積させることができる。これにより、その後のプロセスが容易になり、歩留まりも良くなる。
上述のように、埋込工程を、酸素を供給しながら行なうことで、ＩｎＰ系化合物半導体結晶の（１００）面上に[０１１]方向成分以外に[０−１１]方向成分を含む導波路パターンを有する所望の導波路メサ構造を設ける場合であっても、導波路メサ構造から一定の距離以上離れた領域に十分な膜厚のＩｎＰ系埋込層（半絶縁性半導体埋込層）を堆積させることができる。これにより、その後のプロセスが容易になり、歩留まりも良くなる。
このように、十分な半絶縁性を有する半絶縁性埋込構造（電流狭窄構造）を形成することが可能となるため、例えば光変調器や半導体光増幅器を形成すべく、導波路メサ構造を半絶縁性半導体埋込層で埋め込み、その上に電極パッドを設ける場合、電極パッド下部の寄生容量を低減することができ、素子の高速動作を実現することが可能となる。
つまり、従来のように、被り成長を抑えるべく、原料ガスに有機塩素化物を添加する方法では、例えば光変調器や半導体光増幅器を形成すべく、導波路メサ構造を半絶縁性半導体埋込層で埋め込む場合に、急激に膜厚の減少している領域（図６参照）に電極パッドが形成されてしまうと、寄生容量が大きくなり、素子の高速動作が阻害されることになる。
つまり、従来のように、被り成長を抑えるべく、原料ガスに有機塩素化物を添加する方法では、例えば光変調器や半導体光増幅器を形成すべく、導波路メサ構造を半絶縁性半導体埋込層で埋め込む場合に、急激に膜厚の減少している領域（図６参照）に電極パッドが形成されてしまうと、寄生容量が大きくなり、素子の高速動作が阻害されることになる。
この結果、従来、斜めや曲線などの複雑な導波路パターン（例えば[０１１]方向成分以外に[０−１１]方向成分を含む導波路パターン）を半絶縁性半導体埋込層によって埋め込む場合、光変調器や半導体光増幅器の寄生容量を低減するのが難しく、この結果、素子の高速動作を実現するのが困難であった。
これに対し、上述のように、原料ガスに酸素を添加しながら埋め込みを行なうことで、平坦性の優れた半絶縁性半導体埋込層（導波路メサ構造から一定の距離以上離れた領域でも十分な膜厚を有する半絶縁性半導体埋込層）を形成することができるため、光変調器や半導体光増幅器の寄生容量を低減することができ、素子の高速動作を実現することが可能となる。
これに対し、上述のように、原料ガスに酸素を添加しながら埋め込みを行なうことで、平坦性の優れた半絶縁性半導体埋込層（導波路メサ構造から一定の距離以上離れた領域でも十分な膜厚を有する半絶縁性半導体埋込層）を形成することができるため、光変調器や半導体光増幅器の寄生容量を低減することができ、素子の高速動作を実現することが可能となる。
また、埋込工程を、酸素を供給しながら行なうだけで良いため、従来と同様のプロセス数で良いという利点もある。
さらに、発明者の鋭意研究の結果、例えばＭＯＣＶＤ法によるＩｎＰ系埋込層の結晶成長のための原料ガスに、酸素に加え、同時に、塩素系原料（ここでは有機塩素系原料）である塩化メチルも添加（供給）すると、導波路メサ近傍における埋込層の盛り上がりをより低くすることができ、より平坦性の優れた半絶縁性半導体埋込層を形成することができることがわかっている。この場合、歩留まりも良くなる。
さらに、発明者の鋭意研究の結果、例えばＭＯＣＶＤ法によるＩｎＰ系埋込層の結晶成長のための原料ガスに、酸素に加え、同時に、塩素系原料（ここでは有機塩素系原料）である塩化メチルも添加（供給）すると、導波路メサ近傍における埋込層の盛り上がりをより低くすることができ、より平坦性の優れた半絶縁性半導体埋込層を形成することができることがわかっている。この場合、歩留まりも良くなる。
ここで、図２は、[０−１１]方向に延在する導波路メサ構造（即ち、９０°に折り曲げられた導波路メサ構造）をＩｎＰ系埋込層で埋め込んだ場合の断面ＳＥＭ像を模式的に示した図であって、原料ガスに塩化メチル及び酸素を添加した場合の断面図である。なお、図２中、符号３５はマスクである。
図２に示すように、塩化メチルのほかに酸素を添加した場合には、（１１１）Ａ面上の埋込層の堆積が抑えられ、埋込層が平坦性に優れたものとなることが確認できている。なお、原料ガスに塩化メチルを添加しただけでは被り成長を抑えることはできない。
図２に示すように、塩化メチルのほかに酸素を添加した場合には、（１１１）Ａ面上の埋込層の堆積が抑えられ、埋込層が平坦性に優れたものとなることが確認できている。なお、原料ガスに塩化メチルを添加しただけでは被り成長を抑えることはできない。
次に、上述のような光半導体素子の製造方法によって製造される光半導体素子の構成例（ここでは光集積素子としての光変調器集積レーザ）について、図１を参照しながら説明する。
本光変調器集積レーザは、図１（Ａ）に示すように、レーザ領域２０と、変調器領域３０とを備える。
本光変調器集積レーザは、図１（Ａ）に示すように、レーザ領域２０と、変調器領域３０とを備える。
レーザ領域２０では、図１（Ｂ）に示すように、（１００）面を主面とするｎ型ＩｎＰ基板２１上に、厚さ０．３μｍのｎ型クラッド層２４、厚さ０．３μｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層２２、ｐ型ＩｎＰクラッド層１２、ｐ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層１３が順に積層されている。なお、図１（Ｂ）中、符号１１はｎ型電極（ｎ側電極）を示している。
変調器領域３０では、図１（Ｃ）に示すように、（１００）面を主面とするｎ型ＩｎＰ基板上３１に、厚さ０．３μｍのｎ型クラッド層３４、厚さ０．３μｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層３２、ｐ型ＩｎＰクラッド層１２、ｐ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層１３が順に積層されている。なお、図１（Ｃ）中、符号１１はｎ型電極を示している。
ここで、ｐ型ＩｎＰクラッド層１２及びｐ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層１３の膜厚は、それぞれ、１．５μｍ、０．３μｍである。
ここで、ｐ型ＩｎＰクラッド層１２及びｐ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層１３の膜厚は、それぞれ、１．５μｍ、０．３μｍである。
また、これらの２つの領域２０，３０はつき合わせ成長によって形成されている。
また、ＩｎＰ基板２１，３１上に形成された半導体積層体は加工されて、図１（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、例えば２μｍの幅及び例えば３μｍの高さを有するストライプ状の導波路メサ構造（メサストライプ；ハイメサ構造）Ｍ１が形成されている。
このように形成されたメサストライプＭ１の両側は、図１（Ｂ），（Ｃ）に示すように、例えばＦｅなどの深い不純物準位を形成する元素をドープされた半絶縁性ＩｎＰ埋込層（Ｆｅ−ＩｎＰ埋込層；半絶縁性半導体埋込層）１４によって埋め込まれており、この層によって電流狭窄構造が構成されている。つまり、ここでは、電流狭窄構造が、半絶縁性半導体層を含むＳＩ−ＢＨ構造により構成されている。
また、ＩｎＰ基板２１，３１上に形成された半導体積層体は加工されて、図１（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、例えば２μｍの幅及び例えば３μｍの高さを有するストライプ状の導波路メサ構造（メサストライプ；ハイメサ構造）Ｍ１が形成されている。
このように形成されたメサストライプＭ１の両側は、図１（Ｂ），（Ｃ）に示すように、例えばＦｅなどの深い不純物準位を形成する元素をドープされた半絶縁性ＩｎＰ埋込層（Ｆｅ−ＩｎＰ埋込層；半絶縁性半導体埋込層）１４によって埋め込まれており、この層によって電流狭窄構造が構成されている。つまり、ここでは、電流狭窄構造が、半絶縁性半導体層を含むＳＩ−ＢＨ構造により構成されている。
本実施形態では、半絶縁性ＩｎＰ埋込層１４は、例えばＭＯＣＶＤ法による原料ガスに酸素及び有機塩素系材料を添加して行なっているため、[０１１]方向成分以外に[０−１１]方向成分を含むメサストライプＭ１の上方の（１１１）Ａ面上の埋込層１４の堆積が抑制され、被り成長が抑えられて、平坦性に優れた上面を有するものとなっている（図２参照）。
ここでは、図１（Ａ）に示すように、導波路メサ構造Ｍ１は、レーザ領域（レーザ部）２０では[０１１]方向に延在しているのに対し、変調器領域（変調器部）３０では[０１１]方向から傾斜して[０−１１]方向成分を含む方向に延在しているが、半絶縁性ＩｎＰ埋込層１４に異常成長は生じていない。
なお、埋込成長条件は、成長温度５７５℃、成長圧力１５０Ｔｏｒｒ、酸素／ＴＭＩ＝０．０５としている。また、有機塩素系原料として塩化メチルを用い、これを塩化メチル／ＴＭＩ＝１０となる流量比で供給している。
なお、埋込成長条件は、成長温度５７５℃、成長圧力１５０Ｔｏｒｒ、酸素／ＴＭＩ＝０．０５としている。また、有機塩素系原料として塩化メチルを用い、これを塩化メチル／ＴＭＩ＝１０となる流量比で供給している。
さらに、図１（Ｂ），（Ｃ）に示すように、導波路メサ構造Ｍ１、半絶縁性ＩｎＰ埋込層１４のうち導波路メサ構造Ｍ１以外の領域上に、例えば、ＳｉＯ2のような絶縁膜１５が、厚さ０．６μｍ程度になるようにスパッタによって形成されている。
また、レーザ部２０における導波路メサ構造Ｍ１上、及び、半絶縁性ＩｎＰ埋込層１４により形成された平坦部の上方には、図１（Ｂ）に示すように、ｐ型電極（ｐ側電極）２３が形成されている。また、変調器部３０における導波路メサ構造Ｍ１上、及び、半絶縁性ＩｎＰ埋込層１４により形成された平坦部の上方には、図１（Ｃ）に示すように、ｐ型電極３３が形成されている。さらに、図１（Ｂ），（Ｃ）に示すように、基板裏面にはｎ型電極１１が形成されている。
また、レーザ部２０における導波路メサ構造Ｍ１上、及び、半絶縁性ＩｎＰ埋込層１４により形成された平坦部の上方には、図１（Ｂ）に示すように、ｐ型電極（ｐ側電極）２３が形成されている。また、変調器部３０における導波路メサ構造Ｍ１上、及び、半絶縁性ＩｎＰ埋込層１４により形成された平坦部の上方には、図１（Ｃ）に示すように、ｐ型電極３３が形成されている。さらに、図１（Ｂ），（Ｃ）に示すように、基板裏面にはｎ型電極１１が形成されている。
したがって、本実施形態にかかる光半導体素子の製造方法によれば、導波路メサ構造Ｍ１（段差領域）における被り成長を抑制しながら、導波路メサ構造Ｍ１（段差領域）から一定の距離以上離れた領域でも十分な厚さを有する平坦性の良い埋込層を形成することができ、これにより、その後のプロセスを容易にし、歩留まりを良くすることができるという利点がある。
特に、光変調器や半導体光増幅器を集積する場合に、導波路メサ構造Ｍ１（段差領域）における被り成長を抑制しながら、導波路メサ構造Ｍ１（段差領域）から一定の距離以上離れた領域でも十分な厚さの埋込層を形成することができ、これにより、素子の寄生容量を低減し、素子の高速動作を実現できるという利点がある。
なお、上述の実施形態では、光半導体素子を電流狭窄構造としてＳＩ−ＢＨ構造を備えるものを例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、例えば、電流狭窄構造としてＳＩ−ＰＢＨ構造を備えるものとして構成することもできる。
なお、上述の実施形態では、光半導体素子を電流狭窄構造としてＳＩ−ＢＨ構造を備えるものを例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、例えば、電流狭窄構造としてＳＩ−ＰＢＨ構造を備えるものとして構成することもできる。
本変形例にかかる光変調器集積レーザは、例えば図３（Ａ）に示すように、レーザ領域５０と、変調器領域６０とを備える。
レーザ領域５０では、図３（Ｂ）に示すように、（１００）面を主面とするｎ型ＩｎＰ基板５１上に、厚さ０．３μｍのｎ型クラッド層５５、厚さ０．３μｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層５２、ｐ型ＩｎＰクラッド層５３が順に積層されている。なお、図３（Ｂ）中、符号４１はｎ型電極を示している。
レーザ領域５０では、図３（Ｂ）に示すように、（１００）面を主面とするｎ型ＩｎＰ基板５１上に、厚さ０．３μｍのｎ型クラッド層５５、厚さ０．３μｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層５２、ｐ型ＩｎＰクラッド層５３が順に積層されている。なお、図３（Ｂ）中、符号４１はｎ型電極を示している。
変調器領域６０では、図３（Ｃ）に示すように、（１００）面を主面とするｎ型ＩｎＰ基板６１上に、厚さ０．３μｍのｎ型クラッド層６５、厚さ０．３μｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層６２、膜厚が１．０μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層６３が順に積層されている。なお、図３（Ｃ）中、符号４１はｎ型電極を示している。
なお、これらの２つの領域はつき合わせ成長によって形成されている。
なお、これらの２つの領域はつき合わせ成長によって形成されている。
また、ＩｎＰ基板５１，６１上に形成された半導体積層体は加工されて、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、例えば２μｍの幅及び例えば１．５μｍの高さを有するストライプ状の導波路メサ構造（メサストライプ；ハイメサ構造）Ｍ２が形成されている。
このように形成されたメサストライプＭ２の両側は、図３（Ｂ），（Ｃ）に示すように、例えばＦｅなどの深い不純物準位を形成する元素をドープされた半絶縁性ＩｎＰ埋込層（Ｆｅ−ＩｎＰ埋込層；半絶縁性半導体埋込層）４２及びｎ型ＩｎＰキャリアブロック層４３によって埋め込まれており、これらの層によって電流狭窄構造が構成されている。つまり、ここでは、電流狭窄構造が、半絶縁性半導体層を含むＳＩ−ＰＢＨ構造により構成されている。
このように形成されたメサストライプＭ２の両側は、図３（Ｂ），（Ｃ）に示すように、例えばＦｅなどの深い不純物準位を形成する元素をドープされた半絶縁性ＩｎＰ埋込層（Ｆｅ−ＩｎＰ埋込層；半絶縁性半導体埋込層）４２及びｎ型ＩｎＰキャリアブロック層４３によって埋め込まれており、これらの層によって電流狭窄構造が構成されている。つまり、ここでは、電流狭窄構造が、半絶縁性半導体層を含むＳＩ−ＰＢＨ構造により構成されている。
本実施形態では、半絶縁性ＩｎＰ埋込層４２及びｎ型ＩｎＰキャリアブロック層４３は、例えばＭＯＣＶＤ法による原料ガスに酸素及び有機塩素系材料を添加して行なっているため、[０１１]方向成分以外に[０−１１]方向成分を含むメサストライプＭ２の上方の（１１１）Ａ面上の埋込層の堆積が抑制され、被り成長が抑えられて、平坦性に優れた上面を有するものとなっている（図２参照）。
ここでは、図３（Ａ）に示すように、導波路メサ構造Ｍ２は、レーザ領域（レーザ部）５０では[０１１]方向に延在しているのに対し、変調器領域（変調器部）６０では[０１１]方向から傾斜して[０−１１]方向を含む方向に延在しているが、半絶縁性ＩｎＰ埋込層４２及びｎ型ＩｎＰキャリアブロック層４３に異常成長は生じていない。
なお、埋込成長条件は、成長温度６００℃、成長圧力７６Ｔｏｒｒ、酸素／ＴＭＩ＝０．０３としている。また、有機塩素系原料として塩化メチルを用い、これを塩化メチル／ＴＭＩ＝１５となる流量比で供給している。
なお、埋込成長条件は、成長温度６００℃、成長圧力７６Ｔｏｒｒ、酸素／ＴＭＩ＝０．０３としている。また、有機塩素系原料として塩化メチルを用い、これを塩化メチル／ＴＭＩ＝１５となる流量比で供給している。
また、図３（Ｂ），（Ｃ）に示すように、ｐ型ＩｎＰクラッド層４４及びｐ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層４５が形成されている。ｐ型ＩｎＰクラッド層４４及びｐ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層４５の膜厚は、それぞれ、２．０μｍ、０．３μｍである。なお、これらの層は、フッ化水素酸（ＨＦ）によりＳｉＯ2マスクを除去した後に形成される。
さらに、図３（Ｂ），（Ｃ）に示すように、ｐ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層４５のうち導波路メサ構造Ｍ２の上方以外の領域上に、例えば、ＳｉＯ2のような絶縁膜４６が、厚さ０．６μｍ程度になるようにスパッタによって形成されている。
また、図３（Ｂ）に示すように、レーザ部５０における導波路メサ構造Ｍ２の上方にはｐ型電極５４が形成されている。また、図３（Ｃ）に示すように、変調器部６０における導波路メサ構造Ｍ２の上方にはｐ型電極６４が形成されている。さらに、基板裏面にはｎ型電極４１が形成されている。なお、電極間の分離抵抗をとるために必要に応じて分離溝を形成しても良い。
また、図３（Ｂ）に示すように、レーザ部５０における導波路メサ構造Ｍ２の上方にはｐ型電極５４が形成されている。また、図３（Ｃ）に示すように、変調器部６０における導波路メサ構造Ｍ２の上方にはｐ型電極６４が形成されている。さらに、基板裏面にはｎ型電極４１が形成されている。なお、電極間の分離抵抗をとるために必要に応じて分離溝を形成しても良い。
ところで、上述の実施形態及び変形例では、電流狭窄構造としてＳＩ−ＢＨ構造又はＳＩ−ＰＢＨ構造を備えるものを例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、ｐｎ埋込構造であっても良い。
また、上述の実施形態では、光半導体素子として光変調器集積レーザ（光集積素子）を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、例えば図４に示すように、半導体レーザ７０、光変調器７１、光結合器（合波器）７２、半導体光増幅器７３を集積した光集積素子や半導体レーザ及び半導体光増幅器を集積した光集積素子など光集積素子に本発明を適用しても良い。また、光集積素子でなく、導波路メサ構造を備える光半導体素子（例えば半導体レーザ、光変調器、半導体光増幅器など）に本発明を適用しても良い。
また、上述の実施形態では、光半導体素子として光変調器集積レーザ（光集積素子）を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、例えば図４に示すように、半導体レーザ７０、光変調器７１、光結合器（合波器）７２、半導体光増幅器７３を集積した光集積素子や半導体レーザ及び半導体光増幅器を集積した光集積素子など光集積素子に本発明を適用しても良い。また、光集積素子でなく、導波路メサ構造を備える光半導体素子（例えば半導体レーザ、光変調器、半導体光増幅器など）に本発明を適用しても良い。
また、上述の実施形態では、塩素系原料として塩化メチルを用いているが、これに限られるものではなく、例えば、１，２−ジクロロエチレン、塩化エチル、１，２−ジクロロエタン、１，２−ジクロロプロパンなどを用いても同様の効果を得ることができる。
また、上述の実施形態では、半絶縁性半導体埋込層としてＦｅ−ＩｎＰ埋込層を例に挙げているが、これに限られるものではなく、例えばＲｕ−ＩｎＰ，Ｔｉ−ＩｎＰなどの半絶縁性半導体材料を用いることも可能である。
また、上述の実施形態では、半絶縁性半導体埋込層としてＦｅ−ＩｎＰ埋込層を例に挙げているが、これに限られるものではなく、例えばＲｕ−ＩｎＰ，Ｔｉ−ＩｎＰなどの半絶縁性半導体材料を用いることも可能である。
また、上述の実施形態では、量子井戸活性層（井戸層及びバリア層）にＩｎＧａＡｓＰを用いた例を挙げているが、これに限られるものではなく、例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＳｂなどの半導体混晶を用いても良い。
また、上述の実施形態では、活性層を多重量子井戸構造としているが、これに限られるものではなく、例えばバルク構造、量子ドット構造などであっても良い。
また、上述の実施形態では、活性層を多重量子井戸構造としているが、これに限られるものではなく、例えばバルク構造、量子ドット構造などであっても良い。
また、上述の実施形態では、ｎ型の導電性を有するｎ型ＩｎＰ基板上に光集積素子を形成しているが、これに限られるものではない。例えば、ｐ型の導電性を有する基板を用いて光集積素子を形成することもできる。
また、上述の実施形態では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の（１００）面上に存在する段差領域を、ＩｎＰ系化合物半導体結晶の（１００）面上に設けられた導波路メサ構造とし、これを埋め込む埋込層を、ＩＩＩ族元素としてＩｎを含む半導体結晶を成長させて形成しているが、これに限られるものではなく、例えば、段差領域を、ＧａＡｓ系（ＧａＡｓ，ＩｎＧａＰ）化合物半導体結晶の（１００）面上に設けられた導波路メサ構造［例えば斜めや曲線などの導波路パターン（その延在方向の接線成分として[０１１]方向成分以外に[０−１１]方向成分を含む導波路パターン）を有する所望の導波路メサ構造；ＧａＡｓ系メサ］とし、これを埋め込むべく、ＩＩＩ族元素として少なくともＧａを含む半導体結晶［具体的にはＧａＡｓ系（ＩｎＧａＰ，ＧａＡｓ）半導体結晶］を成長させて埋込層（ＧａＡｓ系埋込層；ここでは半絶縁性半導体埋込層）を形成しても良い。
また、上述の実施形態では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の（１００）面上に存在する段差領域を、ＩｎＰ系化合物半導体結晶の（１００）面上に設けられた導波路メサ構造とし、これを埋め込む埋込層を、ＩＩＩ族元素としてＩｎを含む半導体結晶を成長させて形成しているが、これに限られるものではなく、例えば、段差領域を、ＧａＡｓ系（ＧａＡｓ，ＩｎＧａＰ）化合物半導体結晶の（１００）面上に設けられた導波路メサ構造［例えば斜めや曲線などの導波路パターン（その延在方向の接線成分として[０１１]方向成分以外に[０−１１]方向成分を含む導波路パターン）を有する所望の導波路メサ構造；ＧａＡｓ系メサ］とし、これを埋め込むべく、ＩＩＩ族元素として少なくともＧａを含む半導体結晶［具体的にはＧａＡｓ系（ＩｎＧａＰ，ＧａＡｓ）半導体結晶］を成長させて埋込層（ＧａＡｓ系埋込層；ここでは半絶縁性半導体埋込層）を形成しても良い。
また、上述の実施形態では、段差領域が導波路メサ構造の場合を例に説明しているが、これに限られるものではなく、例えば、段差領域は、平坦な領域を確保するために設けられる凸状の段差領域であっても良い。具体的には、窓構造を形成するために導波路の先端に導波路に沿って設けられるダミーメサや電極パッドを形成する領域に設けられるダミーメサなどの段差領域であっても良い。このような段差領域を埋め込む場合にも、上述の実施形態のように酸素を供給しながら行なうことで、被り成長を抑え平坦性の優れた埋込層を形成でき、これにより、その後のプロセスを容易にし、歩留まりを良くすることができる。
また、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。
２０ レーザ領域
３０ 変調器領域
１１ ｎ型電極
１２ ｐ型ＩｎＰクラッド層
１３ ｐ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層
１４ 半絶縁性ＩｎＰ埋込層（Ｆｅ−ＩｎＰ埋込層；半絶縁性半導体埋込層）
１５ ＳｉＯ2絶縁膜
２１ ｎ型ＩｎＰ基板
２２ ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層
２３ ｐ型電極
２４ ｎ型ＩｎＰクラッド層
３１ ｎ型ＩｎＰ基板
３２ ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層
３３ ｐ型電極
３４ ｎ型ＩｎＰクラッド層
３５ マスク
４１ ｎ型電極
４２ 半絶縁性ＩｎＰ埋込層（Ｆｅ−ＩｎＰ埋込層；半絶縁性半導体埋込層）
４３ ｎ型ＩｎＰキャリアブロック層
４４ ｐ型ＩｎＰクラッド層
４５ ｐ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層
４６ ＳｉＯ2絶縁膜
５０ レーザ領域
５１ ｎ型ＩｎＰ基板
５２ ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層
５３ ｐ型ＩｎＰクラッド層
５４ ｐ型電極
５５ ｎ型ＩｎＰクラッド層
６０ 変調器領域
６１ ｎ型ＩｎＰ基板
６２ ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層
６３ ｐ型ＩｎＰクラッド層
６４ ｐ型電極
６５ ｎ型ＩｎＰクラッド層
７０ 半導体レーザ
７１ 光変調器
７２ 光結合器（合波器）
７３ 半導体光増幅器
Ｍ１，Ｍ２ 導波路メサ構造
３０ 変調器領域
１１ ｎ型電極
１２ ｐ型ＩｎＰクラッド層
１３ ｐ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層
１４ 半絶縁性ＩｎＰ埋込層（Ｆｅ−ＩｎＰ埋込層；半絶縁性半導体埋込層）
１５ ＳｉＯ2絶縁膜
２１ ｎ型ＩｎＰ基板
２２ ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層
２３ ｐ型電極
２４ ｎ型ＩｎＰクラッド層
３１ ｎ型ＩｎＰ基板
３２ ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層
３３ ｐ型電極
３４ ｎ型ＩｎＰクラッド層
３５ マスク
４１ ｎ型電極
４２ 半絶縁性ＩｎＰ埋込層（Ｆｅ−ＩｎＰ埋込層；半絶縁性半導体埋込層）
４３ ｎ型ＩｎＰキャリアブロック層
４４ ｐ型ＩｎＰクラッド層
４５ ｐ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層
４６ ＳｉＯ2絶縁膜
５０ レーザ領域
５１ ｎ型ＩｎＰ基板
５２ ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層
５３ ｐ型ＩｎＰクラッド層
５４ ｐ型電極
５５ ｎ型ＩｎＰクラッド層
６０ 変調器領域
６１ ｎ型ＩｎＰ基板
６２ ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層
６３ ｐ型ＩｎＰクラッド層
６４ ｐ型電極
６５ ｎ型ＩｎＰクラッド層
７０ 半導体レーザ
７１ 光変調器
７２ 光結合器（合波器）
７３ 半導体光増幅器
Ｍ１，Ｍ２ 導波路メサ構造
Claims (5)
- ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の（１００）面上に存在する段差領域を、酸素を供給しながらＩＩＩ族元素としてＩｎ又はＧａを含む半導体結晶を成長させて埋込層を形成する埋込工程を含むことを特徴とする光半導体素子の製造方法。
- 前記段差領域が、[０１１]方向成分以外に[０−１１]方向成分を含む導波路パターンを有する導波路メサ構造であることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子の製造方法。
- 前記埋込層が、ＩｎＰ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＡｓのいずれかの半導体結晶からなることを特徴とする請求項１又は２記載の光半導体素子の製造方法。
- 前記埋込工程は、ＭＯＣＶＤ法による成長ガス雰囲気中にＩＩＩ族元素に対する流量比（酸素／ＩＩＩ族元素）が０．００５以上０．１５以下となる流量で酸素を供給しながら行なわれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光半導体素子の製造方法。
- 前記埋込工程は、酸素及び有機塩素系原料を供給しながら行なわれることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光半導体素子の製造方法。
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