JP2008258276A - Method of manufacturing semiconductor device, and semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板上に複数の半導体素子を有する半導体装置の製造方法および半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device having a plurality of semiconductor elements on a substrate and the semiconductor device.
半導体装置の小型化、多機能化のために、1つの基板上に異なる特性を有する複数の半導体素子を集積して形成することが求められている。たとえば、波長多重(WDM)光通信に用いられる光半導体装置として、1つの基板上に互いに異なる発振波長を有する半導体レーザ素子をアレイ状に形成した多波長レーザアレイ素子が開示されている(非特許文献1〜5参照)。 In order to reduce the size and increase the functionality of a semiconductor device, it is required to integrate and form a plurality of semiconductor elements having different characteristics on one substrate. For example, as an optical semiconductor device used for wavelength division multiplexing (WDM) optical communication, a multiwavelength laser array element is disclosed in which semiconductor laser elements having different oscillation wavelengths are formed in an array on a single substrate (non-patent document). Reference 1-5).
たとえば、垂直共振器型の面発光レーザ(VCSEL)素子を用いた多波長レーザアレイ素子として、非特許文献1においては、基板の裏面にエッチングによって空洞部を形成し、分子線成長法(MBE)法によって基板上に光共振器を構成する半導体層をエピタキシャル成長させ、その後半導体層を熱エッチングする技術が開示されている。この技術によれば、空洞形成部と非形成部とで基板に温度差ができるため、熱エッチングのエッチングレートが互いに異なるものとなる。その結果、1つの基板上に共振器長が互いに異なる光共振器を形成できるので、多波長レーザアレイ素子を実現できる。
For example, as a multi-wavelength laser array element using a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) element, in
また、非特許文献2においては、MOCVD法によって基板上に半導体層をエピタキシャル成長させる際に、異なる直径の開口部を有するマスクを設け、半導体層の成長速度に差をつけることによって、互いに異なる厚さの半導体層を形成している。また、非特許文献3においては、基板に段差を設け、互いに異なる厚さの半導体層を形成している。
Further, in
ところで、多波長レーザアレイ素子を実現するためには、集積度を高くするために、たとえば1辺が1mm以内の微小領域で発振波長特性を変化させることが必要であり、半導体層の厚さ等の特性の制御精度が高いことが要求される。また、大量に必要とされるため、製造コストが低いことも要求される。しかしながら、非特許文献1〜5に開示される従来の方法は、特性の制御性と製造コストとを同時に満足するものではなかった。
By the way, in order to realize a multi-wavelength laser array element, in order to increase the degree of integration, for example, it is necessary to change the oscillation wavelength characteristic in a very small region whose one side is within 1 mm, the thickness of the semiconductor layer, etc. It is required that the control accuracy of the characteristics of the above is high. Moreover, since it is required in large quantities, it is also required that the manufacturing cost is low. However, the conventional methods disclosed in
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、基板上に互いに特性が異なる複数の半導体素子を有する半導体装置を、制御性高くかつ低コストで製造することができる半導体装置の製造方法および半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and a semiconductor device manufacturing method capable of manufacturing a semiconductor device having a plurality of semiconductor elements having different characteristics on a substrate with high controllability and low cost, and An object is to provide a semiconductor device.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板上に複数の半導体素子を有する半導体装置の製造方法であって、前記基板に熱輻射量または熱伝導量が互いに異なる複数の領域を有する加熱制御層を形成する加熱制御層形成工程と、前記加熱制御層を形成した基板を加熱する加熱工程と、を含むことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device having a plurality of semiconductor elements on a substrate. The method includes a heating control layer forming step of forming a heating control layer having a plurality of regions having different heat conduction amounts, and a heating step of heating the substrate on which the heating control layer is formed.
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記発明において、前記加熱工程は、前記加熱制御層を形成した基板を加熱しながら該基板上に半導体層を積層する積層工程を含むことを特徴とする。 In the semiconductor device manufacturing method according to the present invention, in the above invention, the heating step includes a stacking step of stacking a semiconductor layer on the substrate while heating the substrate on which the heating control layer is formed. And
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記発明において、前記基板上に半導体層を積層する積層工程を含み、前記加熱工程は、前記積層した半導体層を熱エッチングすることを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the method includes a stacking step of stacking a semiconductor layer on the substrate, and the heating step thermally etches the stacked semiconductor layer. .
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記発明において、前記基板上に半導体層を積層する積層工程を含み、前記加熱工程は、前記積層した半導体層をアニーリングすることを特徴とする。 The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the method includes a stacking step of stacking a semiconductor layer on the substrate, and the heating step anneals the stacked semiconductor layer.
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記発明において、前記加熱制御層形成工程は、前記加熱制御層を前記基板の表面または内部の少なくとも一方に形成することを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the heating control layer forming step forms the heating control layer on at least one of a surface and an inside of the substrate.
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記発明において、前記加熱制御層形成工程は、前記各領域において互いに異なるパターンを有するように前記加熱制御層を形成することを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the heating control layer forming step forms the heating control layer so as to have different patterns in each region.
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記発明において、前記加熱制御層形成工程は、前記各領域において輻射熱の反射量が互いに異なるように前記加熱制御層を形成することを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the heating control layer forming step forms the heating control layer so that reflection amounts of radiant heat are different from each other in each region. .
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記発明において、前記加熱制御層形成工程は、前記各領域において輻射熱の吸収量が互いに異なるように前記加熱制御層を形成することを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the heating control layer forming step forms the heating control layer so that the radiant heat absorption amount is different in each region. .
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記発明において、前記基板から前記形成した加熱制御層を除去する加熱制御層除去工程を含むことを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, a heating control layer removing step of removing the formed heating control layer from the substrate is provided.
また、本発明に係る半導体装置は、上記発明に係る方法によって製造した半導体装置であって、互いに厚さが異なる半導体層を有する複数の半導体素子を備えることを特徴とする。 A semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device manufactured by the method according to the above invention, and includes a plurality of semiconductor elements having semiconductor layers having different thicknesses.
また、本発明に係る半導体装置は、上記発明に係る方法によって製造した半導体装置であって、互いに光吸収ピーク波長が異なる半導体層を有する複数の半導体素子を備えることを特徴とする。 A semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device manufactured by the method according to the above invention, and includes a plurality of semiconductor elements having semiconductor layers having different light absorption peak wavelengths.
また、本発明に係る半導体装置は、上記発明に係る方法によって製造した半導体装置であって、互いに利得ピーク波長が異なる半導体活性層を有する複数の半導体素子を備える。 The semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device manufactured by the method according to the present invention, and includes a plurality of semiconductor elements having semiconductor active layers having different gain peak wavelengths.
本発明によれば、基板に熱輻射量または熱伝導量が互いに異なる複数の領域を有する加熱制御層を形成する加熱制御層形成工程と、前記加熱制御層を形成した基板を加熱する加熱工程とを含むので、各領域において互いに異なる温度条件で加熱を行うことができるため、基板上に互いに特性が異なる複数の半導体素子を有する半導体装置を、制御性高くかつ低コストで製造することができるという効果を奏する。 According to the present invention, a heating control layer forming step of forming a heating control layer having a plurality of regions having different amounts of heat radiation or heat conduction on the substrate, and a heating step of heating the substrate on which the heating control layer is formed, Since each region can be heated under different temperature conditions, a semiconductor device having a plurality of semiconductor elements having different characteristics on a substrate can be manufactured with high controllability and low cost. There is an effect.
以下に、図面を参照して本発明に係る半導体装置の製造方法および半導体装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Embodiments of a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
はじめに、本発明の実施の形態1に係る半導体装置について説明する。本実施の形態1に係る半導体装置は、面発光レーザ素子を用いた多波長レーザ素子である。
(Embodiment 1)
First, the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described. The semiconductor device according to the first embodiment is a multi-wavelength laser element using a surface emitting laser element.
図1は、本実施の形態1に係る多波長レーザ素子を模式的に表した断面概略図である。図1に示すように、本実施の形態1に係る多波長レーザ素子100は、面発光レーザ素子VCSELaとVCSELbとを備える。以下、具体的に説明する。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing the multi-wavelength laser element according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the
多波長レーザ素子100において、半導体基板であるn−GaAs基板1の下面に加熱制御層2が形成されている。加熱制御層2は、矩形の領域Aa、Abにおいて、互いに輻射熱の反射量が異なることによって熱輻射量が異なる部分2a、2bを有する。また、n−GaAs基板1の上面には、領域Aa、Abにわたって、多層膜反射鏡であるn−DBR(Distributed Bragg Reflector)ミラー3が形成されている。
In the
また、領域Aaにおいては、n−DBRミラー3上に、n−GaAsクラッド層4a、多重量子井戸構造を有する活性層5a、p−GaAsクラッド層6a、電流狭窄層7a、p−DBRミラー8aが順次積層し、n−DBRミラー3とp−DBRミラー8aとによって光共振器を構成している。同様に、領域Abにおいては、n−DBRミラー3上に、n−GaAsクラッド層4b、多重量子井戸構造を有する活性層5b、p−GaAsクラッド層6b、電流狭窄層7b、p−DBRミラー8bが順次積層し、n−DBRミラー3とp−DBRミラー8bとによって光共振器を構成している。n−GaAsクラッド層4aからp−DBRミラー8aまで、およびn−GaAsクラッド層4bからp−DBRミラー8bまではそれぞれメサポスト構造を有し、各メサポスト構造の周囲にはSiNからなる絶縁膜9が形成されている。また、p−DBRミラー8a、8bの上面には開口部を有するp側電極10a、10bがそれぞれ形成され、加熱制御層2の下面には領域Aa、Abにわたってn側電極11が形成されている。
In the region Aa, an n-
ここで、図1に示すように、n−GaAsクラッド層4aとn−GaAsクラッド層4bとは厚さが互いに異なるので、面発光レーザ素子VCSELa、VCSELbは共振器長が互いに異なる。その結果、面発光レーザ素子VCSELa、VCSELbは、発振波長が互いに異なるレーザ光La、Lbをそれぞれ出力する。なお、発振波長は各光共振器の共振器長と同じになるので、所望の発振波長を実現するように各半導体層の層厚を調整する。La、Lbの波長は、たとえば、それぞれ1280nm、1300nmである。
Here, as shown in FIG. 1, since the n-
図2は、加熱制御層2を模式的に表した平面概略図である。図2に示すように、加熱制御層2の部分2a、2bは、Cr、Tiなどの金属膜が形成された充填部Fと空白部Bとからなる矩形のパターンを有している。部分2a、2bは充填部Fと空白部Bとの面積比が互いに異なるようにパターンが形成されており、輻射熱の反射量が互い異なるものとなっている。このような均等に分割された矩形のパターンであれば、充填部Fと空白部Bとの面積比を容易に所望の値にでき、輻射熱の反射量を制御しやすくなる。なお、充填部Fは、金属膜の代わりにSiO2、TiO2、SiN、MgF、Al2O3、TiN、AlNSiO2などからなる誘電体膜あるいは誘電体多層膜などでもよい。
FIG. 2 is a schematic plan view schematically showing the
以下、多波長レーザ素子100の構成についてさらに具体的に説明する。n−GaAs基板1の表面には、表面の平滑化のためにキャリア濃度が1×1018cm-3のn−GaAsバッファ層が0.1μmの厚さで積層している。また、この多波長レーザ素子100の発振波長を1300nm、各構成材料の屈折率をnとすると、n−DBRミラー3は、層厚がそれぞれλ/4nのn型Al0.9Ga0.1As層とn型GaAs層とを1ペアとする多層膜が、35.5ぺア積層したものである。また、p−DBRミラー8a、8bは、層厚がそれぞれλ/4nのp型Al0.9Ga0.1As層とp型GaAs層とを1ペアとする多層膜が、23ぺア積層したものである。
Hereinafter, the configuration of the
一方、活性層5a、5bは、それぞれGaIn0.37N0.01Asからなる量子井戸層と、GaAsからなる障壁層とが交互に積層されて構成されている。また、電流狭窄層7a、7bは、層厚が15nmであって、選択酸化によって形成した酸化アルミニウムからなる選択酸化部7ab、7bbと、選択酸化部7abまたは7bbの中央に位置し、p−Al0.98GaAsからなる円板状の電流狭窄部7aa、7baを有する。この電流狭窄層7a、7bは、p側電極10a、10bおよびn側電極11に電圧を印加することによって供給される電流の経路を制限し、電流密度を高める。
On the other hand, each of the
つぎに、本実施の形態1に係る多波長レーザ素子100の製造方法について図3〜5を参照して説明する。まず、図3に示すように、n−GaAs基板1の下面に、上述のパターンを有する加熱制御層2を形成する。つぎに、ヒータHが発する赤外線の輻射熱によってn−GaAs基板1を輻射加熱しながら、たとえば分子線ビームエピタキシー(MBE)法、ガスソースMBE法、化学的分子線ビームエピタキシー(CBE)法のいずれかによって、n−DBRミラー3、n−GaAsクラッド層4を順次エピタキシャル成長させる。ここで、加熱制御層2が上述のパターンを有するので、n−GaAs基板1は、熱輻射によって領域Aa、Abにおいて反射量に応じた互いに異なる温度に加熱される。なお、このエピタキシャル成長の際には、n−GaAs基板1の温度が約550〜700℃程度となるように加熱する。この温度範囲であれば、領域Aa、Abにおいて温度差があっても、n−DBRミラー3、n−GaAsクラッド層4の成長速度はほぼ同一であり、一様な厚さに形成される。
Next, a method for manufacturing the
つぎに、図4に示すように、Asビーム照射下で、n−GaAs基板1の温度が約700〜800℃になるように加熱し、n−GaAsクラッド層4を表面から熱エッチングする。このとき、加熱制御層2が上述のパターンを有するので、n−GaAs基板1は領域Aaに対応する部分1aが、領域Abに対応する部分1bよりも高温となる。その結果、n−GaAsクラッド層4は、領域Aaにおいて領域Abよりもエッチングレートが速くなるので、エッチング量が多くなり、互いに異なる厚さを有するn−GaAsクラッド層4a、4bが形成される。すなわち、加熱制御層2のパターンを適宜設計することによって、n−GaAs基板1の部分1a、1bの温度を制御して最適なエッチングレートとできるので、領域Aa、Abの面積が小さく、素子の集積度が高くても、n−GaAsクラッド層4a、4bの厚さを正確に制御することができ、その結果、面発光レーザ素子VCSELa、VCSELbの発振波長を正確に制御できる。
Next, as shown in FIG. 4, under the As beam irradiation, the n-
その後、図5に示すように、再びn−GaAs基板1の温度が約550〜700℃程度となるように加熱しながら、活性層5、p−GaAsクラッド層6、p−Al0.98GaAsからなる電流狭窄層7、p−DBRミラー8を、それぞれ一様な厚さで順次エピタキシャル成長させる。
Thereafter, as shown in FIG. 5, the n-
その後、プラズマCVD法によって、p−DBRミラー8の成長表面にSiN膜を成膜し、直径約30μmの円形パターンをフォトレジストによるフォトリソグラフィ技術を用いて転写する。この転写された円形レジストマスクを用いて、SiN膜を、CF4ガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)法でエッチングする。さらに、塩素ガスを用いた反応性イオンビームエッチング(RIBE)法によってn−DBRミラー3に到達するまでエッチングし、直径約30μmの柱状構造のメサポストを領域Aa、Abにそれぞれ形成する。なお、RIBE法によるエッチング深さは、n−DBRミラー3内で停止させるようにする。
Thereafter, a SiN film is formed on the growth surface of the p-
つぎに、この状態で、水蒸気雰囲気中で400℃に加熱し、放置することによって選択酸化を行い、電流狭窄層7a、7bに選択酸化部7ab、7bbと電流狭窄部7aa、7baを形成する。なお、電流狭窄部7aa、7baは直径3〜10μmであり、たとえば6μmとなる。その後、RIE法によってSiN膜を完全に除去した後に、再びSiN膜を積層し、p側電極10a、10bに対応する領域のSiN膜を除去することによって絶縁膜9を形成した後、Ti/Pt/Auからなるリング形状のp側電極10a、10bを形成する。そして、n−GaAs基板1の下面にAuGeNi/Auからなるn側電極11を形成し、素子ごとに分離して、多波長レーザ素子100が完成する。
Next, in this state, it is heated to 400 ° C. in a water vapor atmosphere and left to stand for selective oxidation to form selective oxidation portions 7ab and 7bb and current confinement portions 7aa and 7ba in the
なお、上記の製造方法によれば、n−GaAs基板1を容易に大型化できるので、多波長レーザ素子100の製造コストを容易に低下させることができる。
In addition, according to said manufacturing method, since the n-GaAs board |
以上説明したように、本実施の形態1によれば、良好に制御された発振波長を有する面発光レーザ素子を用いた多波長レーザ素子を、集積度高くかつ低コストで製造することができる。 As described above, according to the first embodiment, a multi-wavelength laser element using a surface emitting laser element having a well-controlled oscillation wavelength can be manufactured with high integration and low cost.
なお、本実施の形態1において、p−GaAsクラッド層6についても熱エッチングを行って厚さを調整し、面発光レーザ素子VCSELa、VCSELbにおいて各活性層5a、5bが各光共振器の中央位置となるようにすれば、活性層5a、5bへの光閉じ込め係数を高めることができ、各面発光レーザ素子VCSELa、VCSELbの閾値電流を低下させることができる。
In the first embodiment, the p-
また、選択酸化を行う際に、処理温度を調整してメサごとに電流狭窄層7a、7bの酸化速度を変化させれば、電流狭窄部7aa、7baの直径、すなわちアパーチャ径の異なる面発光レーザ素子を同一基板上に製造できる。
Further, when performing selective oxidation, if the processing temperature is adjusted to change the oxidation rate of the
また、加熱制御層2は、輻射熱の反射量が互いに異なる部分2a、2bを有していたが、たとえば図6に示すような、互いに輻射熱の反射量が互いに異なる他の矩形の部分2c、2d、2e、2fを有していてもよい。この部分2c〜2fは、充填部Fと空白部Bとの面積比が互いに異なるようにパターンが形成されており、上述したように、熱エッチングの際に、対応する各領域Ac〜Afにおいて互いに異なる厚さを有するn−GaAsクラッド層を形成できるので、互いに異なる共振器長の光共振器を形成できる。その結果、各領域Ac〜Afに、発振波長が互いに異なる面発光レーザ素子を形成できる。
Further, the
(実施の形態2)
つぎ、本発明の実施の形態2に係る半導体装置について説明する。本実施の形態2に係る半導体装置は、ファブリーペローレーザ素子を用いた多波長レーザ素子である。
(Embodiment 2)
Next, a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described. The semiconductor device according to the second embodiment is a multi-wavelength laser element using a Fabry-Perot laser element.
図7は、本実施の形態2に係る多波長レーザ素子を模式的に表した斜視概略図である。図7に示すように、本実施の形態2に係る多波長レーザ素子200は、ファブリーペローレーザ素子FPLg、FPLh、FPLiを備える。以下、具体的に説明する。
FIG. 7 is a schematic perspective view schematically showing the multi-wavelength laser element according to the second embodiment. As shown in FIG. 7, the
多波長レーザ素子200において、半導体基板であるn−GaAs基板12の下面に、加熱制御層13が形成されている。加熱制御層2は、実施の形態1と同様に、矩形の領域Ag、Ah、Aiにおいて、図2、図6に示すいずれかのパターンを有し、互いに輻射熱の反射量が異なることによって熱輻射量が異なる部分13g、13h、13iを備える。また、n−GaAs基板12の上面には、領域Ag〜Aiにわたって、下部クラッドを兼ねるn−AlGaAsクラッド層14が形成されている。
In the
また、領域Agにおいては、n−AlGaAsクラッド層14上に、組成を連続的に変化させた下部GaAs−SCH(Separate Confinement Heterostructure)層15g、GaInNAs(Sb)活性層16g、上部GaAs−SCH層17g、p−AlGaAsクラッド層18gが順次積層している。また、p−AlGaAsクラッド層18gの上面に、p−AlGaAsクラッド層19g、n-GaAs層にn−AlGaAs層が積層された電流ブロッキング層20gが形成されている。さらに、p−AlGaAsクラッド層19gと電流ブロッキング層20gとの上面に、p−AlGaAsクラッド層21g、p−GaAsコンタクト層22gが積層し、全体としてメサストライプ構造を有している。
In the region Ag, the lower GaAs-SCH (Separate Confinement Heterostructure)
同様に、領域Ahには、n−AlGaAsクラッド層14上に、下部GaAs−SCH層15h、GaInNAs(Sb)活性層16h、上部GaAs−SCH層17h、p−AlGaAsクラッド層18h、p−AlGaAsクラッド層19h、電流ブロッキング層20h、p−AlGaAsクラッド層21h、p−GaAsコンタクト層22hが積層している。また、同様に、領域Aiには、n−AlGaAsクラッド層14上に、下部GaAs−SCH層15i、GaInNAs(Sb)活性層16i、上部GaAs−SCH層17i、p−AlGaAsクラッド層18i、p−AlGaAsクラッド層19i、電流ブロッキング層20i、p−AlGaAsクラッド層21i、p−GaAsコンタクト層22iが積層している。
Similarly, in the region Ah, on the n-
また、各メサストライプ構造は、周囲にSiNからなる絶縁膜23が形成されており、かつトレンチ溝Tで分離されている。また、絶縁膜23はp−GaAsコンタクト層22g〜22i上に開口部を有しており、これらの開口部にp側電極24g、24h、24iがそれぞれ形成されている。また、加熱制御層13の下面には領域Ag〜Aiにわたってn側電極25が形成されている。また、各メサストライプ構造の後端面BSには反射率が99%の反射膜HRが形成され、前端面FSには不図示の反射防止膜が形成されている。すなわち、領域Ag〜Aiにそれぞれファブリーペローレーザ素子FPLg、FPLh、FPLiが形成されている。
In addition, each mesa stripe structure is formed with an insulating
ファブリーペローレーザ素子FPLg〜FPLiは、各GaInNAs(Sb)活性層16g〜16iが互いにピーク波長が異なる利得スペクトルを有しており、波長が互いに異なるレーザ光を前端面FSからそれぞれ出力する。これらのレーザ光の波長は、たとえば、それぞれ1280nm、1300nm、1320nmである。以下、この多波長レーザ素子200の製造方法とともに、図8〜10を参照して具体的に説明する。なお、以下では、説明の便宜上、たとえば下部GaAs−SCH層15g〜15i等をトレンチ溝Tによって分離する前の各層を、下部GaAs−SCH層15等と表記する。
In the Fabry-Perot laser elements FPLg to FPLi, the GaInNAs (Sb)
まず、実施の形態1と同様に、MBE法などで、n−GaAs基板12上に、n−AlGaAsクラッド層14、下部GaAs−SCH層15、GaInNAs(Sb)活性層16、上部GaAs−SCH層17、p−AlGaAsクラッド層18を順次エピタキシャル成長させた後、加熱制御層13を形成する。なお、このエピタキシャル成長の際には、実施の形態1と同様に、n−GaAs基板12の温度が約550〜700℃程度となるように加熱し、各領域Ag〜Aiにおいて、n−AlGaAsクラッド層14からp−AlGaAsクラッド層18までをそれぞれ一様な厚さに形成する。
First, as in the first embodiment, an MBE method or the like is used to form an n-
図9は、上述のエピタキシャル成長をさせた後のGaInNAs(Sb)活性層16の井戸型ポテンシャルを示す図である。縦軸はエネルギーhνであり、符号Wg、Wh、Wiはそれぞれ領域Ag、Ah、AiにおけるGaInNAs(Sb)活性層16の井戸型ポテンシャルを示し、符号Ug、Uh、Uiは導電帯の井戸型ポテンシャル、符号Lg、Lh、Liは価電子帯の井戸型ポテンシャルを示す。このとき、GaInNAs(Sb)活性層16のバンドギャップエネルギーは、領域Ag〜Aiのいずれにおいてもhν0である。なお、hはプランク定数、ν、ν0周波数である。
FIG. 9 is a diagram showing the well-type potential of the GaInNAs (Sb)
ここで、n−GaAs基板12の温度が約600〜900℃になるように加熱してGaInNAs(Sb)活性層16をアニーリングし、井戸層と障壁層との間でGaとInを相互拡散させる。このとき、加熱制御層13が上述のパターンを有するので、n−GaAs基板12の温度は領域Agにおいて最も高く、領域Aiにおいて最も低くなる。その結果、領域Ag、Ah、AiにおいてGaInNAs(Sb)活性層16に互いに異なる程度の相互拡散が発生し、図10に示すように、井戸型ポテンシャルWg〜Wiが互いに異なる形状のGaInNAs(Sb)活性層16g、16h、16iとなる。したがって、各井戸型ポテンシャルWg〜Wiにおけるバンドギャップエネルギーも互いに異なる値hνg、hνh、hνiとなり、GaInNAs(Sb)活性層16g、16h、16iは、互いにピーク波長が異なる利得スペクトルを有するものとなる。すなわち、加熱制御層13のパターンを適宜設計することによって、n−GaAs基板12の各領域Ag〜Aiの面積が小さく、素子の集積度が高くても、温度を制御して最適な程度の相互拡散を発生させることができるので、GaInNAs(Sb)活性層16g〜16iの利得のピーク波長を正確に制御できる。
Here, the GaInNAs (Sb)
その後、p−AlGaAsクラッド層18上に、n−GaAs層およびn−AlGaAs層をエピタキシャル成長させた後、p−AlGaAsクラッド層19g〜19iが形成される以外の部分をホトレジストで覆い、ホトレジストをマスクとしてn−AlGaAs層およびn−GaAs層を選択エッチングする。この際電流ブロッキング層20の一部を形成するn−GaAs層がわずかにp−AlGaAsクラッド層18上に残される。
Thereafter, an n-GaAs layer and an n-AlGaAs layer are epitaxially grown on the p-
続いて、ホトレジストを除去し、MBE装置内にてAs分子線を照射しながら650〜800℃に加熱する。この処理によって残っていたn−GaAs層が蒸発し、p−AlGaAsクラッド層18が露出する。なお、この処理では、GaAs層が選択的に蒸発し、AlGaAs層は蒸発しないため、電流ブロッキング層20では、表面のn−AlGaAs層が蒸発を防ぎ、p−AlGaAsクラッド層18も蒸発しない。このn−GaAs層を除去する熱処理と、前述の井戸層と障壁層との間でGaとInを相互拡散させるための活性層のアニーリングの熱処理は同時におこなってもよい。
Subsequently, the photoresist is removed and heated to 650-800 ° C. while irradiating As molecular beam in the MBE apparatus. The remaining n-GaAs layer is evaporated by this treatment, and the p-
つぎに、p−AlGaAsクラッド層19g〜19iをエピタキシャル成長させ、さらに、p−AlGaAsクラッド層21、p−GaAsコンタクト層22を順次エピタキシャル成長させる。
Next, the p-
つぎに、トレンチ溝Tに対応するパターンを形成し、SiN膜をマスクとしてn−AlGaAsクラッド層14の一部に到達する深さまでエッチングを行い、トレンチ溝Tを形成する。これによってファブリーペローレーザ素子FPLg〜FPLiは電気的に分離される。
Next, a pattern corresponding to the trench groove T is formed, and etching is performed to a depth reaching a part of the n-
つぎに、SiN膜のマスクを除去した後、全面に再びSiN膜を堆積し、ファブリーペローレーザ素子FPLg〜FPLiに対する開口部を形成して絶縁膜23とし、各開口部にAuZn/Auからなるp側電極24g〜24iを形成する。一方、n−GaAs基板12の下面にAuGeNi/Auからなるn側電極25を形成する。
Next, after removing the mask of the SiN film, an SiN film is deposited again on the entire surface, and openings for the Fabry-Perot laser elements FPLg to FPLi are formed to form the insulating
最後に、ファブリーペローレーザ素子FPLg〜FPLiの後端面BSに反射膜HRを形成し、前端面FSに不図示の反射防止膜を形成した後、素子ごとに分離して、多波長レーザ素子200が完成する。なお、実施の形態1と同様に、上記の製造方法によれば、基板を容易に大型化できるので、多波長レーザ素子100の製造コストを容易に低下させることができる。
Finally, after forming a reflection film HR on the rear end face BS of the Fabry-Perot laser elements FPLg to FPLi and forming an antireflection film (not shown) on the front end face FS, the
以上説明したように、本実施の形態2によれば、良好に制御された発振波長を有するファブリーペローレーザ素子を用いた多波長レーザ素子を、集積度高くかつ低コストで製造することができる。 As described above, according to the second embodiment, a multi-wavelength laser element using a Fabry-Perot laser element having a well-controlled oscillation wavelength can be manufactured with high integration and low cost.
なお、上記実施の形態1において、実施の形態2と同様に、活性層5a、5bのアニーリングを行って、利得スペクトルを互いに異なるものとしてもよい。
In the first embodiment, similarly to the second embodiment, the
また、上記実施の形態1、2において、加熱制御層2、13については、たとえばn側電極11、25を形成する前に、n−GaAs基板1、12の下面を研磨して除去してもよい。
In the first and second embodiments, the
また、上記実施の形態1、2では、MBE法等を用いて半導体層を成長させていたが、有機金属気相成長(MOCVD)法を用いることもできる。この場合、ヒータは、n−GaAs基板1、12の加熱制御層2、13が形成された下面に密着して配置され、熱伝導によってn−GaAs基板1、12を加熱するが、加熱制御層2、13は、各部分2a、2b、または各部分13g〜13iにおいて異なるパターンが形成されており、互いに異なる熱伝導量を有するので、各領域Aa、Ab、または各領域Ag〜Aiは互いに異なる温度となる。
In the first and second embodiments, the semiconductor layer is grown using the MBE method or the like, but a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method can also be used. In this case, the heater is disposed in close contact with the lower surface of the n-
また、加熱制御層のパターンは、上記実施の形態1、2のように矩形に限られない。図11は、加熱制御層の別の一例を示す平面概略図である。図11に示すように、この加熱制御層26の部分26j、26kは、金属からなる波状のラインパターンLを形成したものである。形成するラインパターンLの数の増減によってラインパターンLと空白部との面積比を変えれば、加熱制御層26の部分26j、26kの熱輻射量を容易に変えることができ、かつ部分26j、26kの面内の熱輻射量の分布を均一にし易い。
Further, the pattern of the heating control layer is not limited to a rectangle as in the first and second embodiments. FIG. 11 is a schematic plan view showing another example of the heating control layer. As shown in FIG. 11, the
また、加熱制御層は、金属などのパターンを形成して熱輻射量に差をつけたものに限らず、互いに熱輻射率が異なる材質からなる膜を各領域に均一に形成してもよい。また、各領域における熱輻射量の差は、輻射熱の吸収量に差をつけることによって実現してもよい。図12は、加熱制御層の別の一例を示す断面概略図である。図12に示すように、この加熱制御層27は、n−GaAs基板1の上面に形成したものであり、加熱制御層27の部分27l、27mは、互いに異なる種類のドーパントを添加したn−GaAsからなるものである。
Further, the heating control layer is not limited to the one in which a pattern of metal or the like is formed to make a difference in the amount of heat radiation, and a film made of a material having a different heat radiation rate may be uniformly formed in each region. The difference in the amount of heat radiation in each region may be realized by making a difference in the amount of absorbed radiant heat. FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing another example of the heating control layer. As shown in FIG. 12, the
図13は、加熱制御層27の部分27l、27mの透過スペクトルを示す図である。図13に示すように、部分27lは、吸収端の波長がλlであり、線Slで示される透過スペクトルを有する。一方、部分27mは、吸収端の波長がλmであり、線Smで示される透過スペクトルを有する。その結果、部分27lと部分27mとは、ヒータからの赤外線の輻射熱の吸収量が互いに異なるので、加熱した場合の温度も互いに異なるものとなり、対応する領域Al、Amにおいて、異なる温度での加熱を行うことができる。たとえば、ヒータの温度が600℃の場合に、輻射される赤外線は3.3μmを中心に1.0〜100μm程度の波長を有するが、部分27lに窒素Nを1%添加し、部分27mには何も添加しなければ、吸収端の波長は、λlが1155nm、λmが1390nmとなり、上述の赤外線の帯域において輻射熱の吸収量が互いに異なるものとなり、熱輻射量も互いに異なるものとなる。
FIG. 13 is a diagram showing a transmission spectrum of the
なお、上述の添加するドーパントとして、In、Sb、P、Zn、C、Mg、Si、S、Se等を用いることができる。また、互いに異なる種類のドーパントを用いずに、同一種類のドーパントを互いに異なる添加量で添加してもよい。 Note that In, Sb, P, Zn, C, Mg, Si, S, Se, or the like can be used as the dopant to be added. Further, the same kind of dopant may be added in different amounts without using different kinds of dopants.
また、加熱制御層は、基板の上面、または下面、あるいは両面に形成してもよいし、基板の内部に形成してもよい。図14は、加熱制御層を半導体基板の内部に形成した例を示す断面概略図である。図14に示すように、この加熱制御層32は、上記と同様の種類のドーパントを添加したn−GaAsからなり、n−GaAs基板31の内部に形成されている。そして、加熱制御層32の部分32n、32oは層厚が異なり、ヒータからの赤外線の輻射熱の吸収量が異なるので、加熱した場合の温度も、n−GaAs基板31の部分31n、31oを含めて互いに異なるものとなり、対応する領域An、Aoにおいて、異なる温度での加熱を行うことができる。なお、このような加熱制御層32は、イオン注入法を用いて、添加するドーパントのイオンをn−GaAs基板31に打ち込むことによって形成することができる。
The heating control layer may be formed on the upper surface, the lower surface, or both surfaces of the substrate, or may be formed inside the substrate. FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing an example in which a heat control layer is formed inside a semiconductor substrate. As shown in FIG. 14, the
また、本発明を適用して様々な光半導体装置を製造できる。たとえば、各領域間の基板温度差を利用して、各領域において互いに異なる成長速度で半導体層をエピタキシャル成長させることによって、各領域において互いに異なる厚さの半導体光導波路を有し、たとえば偏波特性が互いに異なる光導波路アレイを製造することができる。また、レーザ素子として、分布帰還型(DFB)レーザ素子を製造することもできる。この場合、利得ピーク波長を互いに異なるものとするとともに、これに対応して各領域におけるグレーティングの特性を互いに異なるものとしてもよい。また、ある領域にEA変調素子を形成し、それと隣接する領域にDFBレーザ素子を形成して、EA−DFBレーザ素子を形成することもできる。また、互いに発光波長が異なる発光ダイオード(LED)や互いに利得特性が異なる半導体光増幅器(SOA)素子のアレイを製造することもできる。 In addition, various optical semiconductor devices can be manufactured by applying the present invention. For example, by utilizing the substrate temperature difference between the regions, the semiconductor layers are epitaxially grown at different growth rates in the respective regions, thereby having semiconductor optical waveguides having different thicknesses in the respective regions. It is possible to manufacture optical waveguide arrays having different values. Also, a distributed feedback (DFB) laser element can be manufactured as the laser element. In this case, the gain peak wavelengths may be different from each other, and the characteristics of the grating in each region may be different from each other correspondingly. It is also possible to form an EA-DFB laser element by forming an EA modulation element in a certain region and forming a DFB laser element in a region adjacent thereto. It is also possible to manufacture an array of light emitting diodes (LEDs) having different emission wavelengths and semiconductor optical amplifier (SOA) elements having different gain characteristics.
また、基板温度によって添加されるドーパントの量が異なるような工程を利用して、各領域においてドーパント濃度が互いに異なる半導体層を形成することもできる。これによっても多波長レーザ素子を製造できる。また各領域で互いに異なる光吸収係数を有する半導体層を形成して、多波長受光素子(PD)アレイを製造できる。また、互いに異なる共振器長を有する共振器型PDアレイも製造できる。また、各領域において互いに異なるスポットサイズを有するスポットサイズコンバータアレイを製造することもできる。また、上記の各素子、およびMMIカプラなどの光合流器を同一基板上にモノリシック集積した光集積素子を製造することもできる。 In addition, a semiconductor layer having a different dopant concentration in each region can be formed by using a process in which the amount of dopant added varies depending on the substrate temperature. This also makes it possible to manufacture a multi-wavelength laser element. Further, a multi-wavelength light receiving element (PD) array can be manufactured by forming semiconductor layers having different light absorption coefficients in each region. Also, resonator type PD arrays having different resonator lengths can be manufactured. It is also possible to manufacture spot size converter arrays having different spot sizes in each region. Also, an optical integrated device in which each of the above devices and an optical combiner such as an MMI coupler are monolithically integrated on the same substrate can be manufactured.
また、上記では主に光半導体装置を製造する場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、電子デバイス用の半導体装置に対しても適用できる。 Moreover, although the case where an optical semiconductor device was mainly manufactured was demonstrated above, this invention is not limited to this, It can apply also to the semiconductor device for electronic devices.
1、12、31 n−GaAs基板
1a、1b、2a〜2f、13g〜13i、26j、26k、27l、27m、31n、31o 部分
2、13、26、32 加熱制御層
3 n−DBRミラー
4、4a、4b n−GaAsクラッド層
5、5a、5b 活性層
6、6a、6b p−GaAsクラッド層
7、7a、7b 電流狭窄層
7aa、7ba 電流狭窄部
7ab、7bb 選択酸化部
8、8a、8b p−DBRミラー
9、23 絶縁膜
10a、10b、24g〜24i p側電極
11、25 n側電極
14 n−AlGaAsクラッド層
15、15g〜15i 下部GaAs−SCH層
16、16g〜16i GaInNAs(Sb)活性層
17、17g〜17i 上部GaAs−SCH層
18、19、21、18g〜18i、19g〜19i、21g〜21i p−AlGaAsクラッド層
20、20g〜20i 電流ブロッキング層
22、22g〜22i p−GaAsコンタクト層
100、200 多波長レーザ素子
Aa〜Ao 領域
B 空白部
BS 後端面
F 充填部
FPLg〜FPLi ファブリーペローレーザ素子
FS 前端面
H ヒータ
HR 反射膜
L ラインパターン
La、Lb レーザ光
Lg〜Li、Ug〜UiWg〜Wi 井戸型ポテンシャル
Sl、Sm 線
T トレンチ溝
VCSELa、VCSELb 面発光レーザ素子
1, 12, 31 n-GaAs substrate 1a, 1b, 2a to 2f, 13g to 13i, 26j, 26k, 27l, 27m, 31n, 31o part 2, 13, 26, 32 Heating control layer 3 n-DBR mirror 4, 4a, 4b n-GaAs cladding layer 5, 5a, 5b active layer 6, 6a, 6b p-GaAs cladding layer 7, 7a, 7b current confinement layer 7aa, 7ba current confinement portion 7ab, 7bb selective oxidation portion 8, 8a, 8b p-DBR mirror 9, 23 Insulating film 10a, 10b, 24g-24i p-side electrode 11, 25 n-side electrode 14 n-AlGaAs cladding layer 15, 15g-15i Lower GaAs-SCH layer 16, 16g-16i GaInNAs (Sb) Active layer 17, 17g-17i Upper GaAs-SCH layer 18, 19, 21, 18g-18i, 19g-19i 21g to 21i p-AlGaAs cladding layer 20, 20g to 20i Current blocking layer 22, 22g to 22i p-GaAs contact layer 100, 200 Multiwavelength laser element Aa to Ao region B Blank portion BS Rear end face F Filling portion FPLg to FPLi Fabry Perot laser element FS Front end face H Heater HR Reflective film L Line pattern La, Lb Laser light Lg-Li, Ug-UiWg-Wi Well-type potential S1, Sm line T Trench groove VCSELa, VCSELb Surface emitting laser element
Claims (12)
前記基板に熱輻射量または熱伝導量が互いに異なる複数の領域を有する加熱制御層を形成する加熱制御層形成工程と、
前記加熱制御層を形成した基板を加熱する加熱工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device having a plurality of semiconductor elements on a substrate,
A heating control layer forming step of forming a heating control layer having a plurality of regions having different amounts of heat radiation or heat conduction on the substrate; and
A heating step of heating the substrate on which the heating control layer is formed;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記加熱工程は、前記積層した半導体層を熱エッチングすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 Including a laminating step of laminating a semiconductor layer on the substrate;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the heating step includes thermally etching the stacked semiconductor layers.
前記加熱工程は、前記積層した半導体層をアニーリングすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 Including a laminating step of laminating a semiconductor layer on the substrate;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the heating step anneals the stacked semiconductor layers.
互いに厚さが異なる半導体層を有する複数の半導体素子を備えることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device manufactured by the method according to claim 1,
A semiconductor device comprising a plurality of semiconductor elements having semiconductor layers having different thicknesses.
互いに光吸収ピーク波長が異なる半導体層を有する複数の半導体素子を備えることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device manufactured by the method according to claim 1,
A semiconductor device comprising a plurality of semiconductor elements having semiconductor layers having different light absorption peak wavelengths.
互いに利得ピーク波長が異なる半導体活性層を有する複数の半導体素子を備えることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device manufactured by the method according to claim 1,
A semiconductor device comprising a plurality of semiconductor elements having semiconductor active layers having different gain peak wavelengths.
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