JP2009076860A - エッチングされるのではなく成長するリッジ構造を有する集積光半導体デバイスおよびそのデバイスの作製方法 - Google Patents

エッチングされるのではなく成長するリッジ構造を有する集積光半導体デバイスおよびそのデバイスの作製方法 Download PDF

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Abstract

【課題】分布帰還型レーザーと一体化された電界吸収型変調器（ＥＭＬ）アセンブリのような光半導体デバイスにおける製造歩留まりが向上、コストが削減を図る。
【解決手段】分布帰還型レーザーと一体化された電界吸収型変調器（ＥＭＬ）アセンブリのような光半導体デバイスにおけるリッジ構造を成長させるために、ＳＡＧ技法が使用される。リッジ構造を成長させるためのこのＳＡＧ技法の採用は、極めて精密な構成を有する自己集合・自己整合型リッジ構造の形成という結果をもたらす。本プロセスの使用は、真っ直ぐな、屈曲した、および傾斜したリッジ構造が高精度で形成されることを可能にする。更に、このリッジ構造は自己集合・自己整合型であるので、リッジ構造を形成するために湿式化学エッチング技法を使用する公知のアプローチと比較して光デバイスを作り出すために必要とされる処理ステップの数は少ない。
【選択図】図９Ａ

Description

本発明は、集積光半導体デバイスと、このようなデバイスを作るための方法とに関する。特に本発明は、リッジ構造が極めて正確で真っ直ぐな、傾斜した、または屈曲した構成を有するように構成されることを可能にするために、エッチングされるのではなく成長したリッジ構造を有する分布帰還型レーザー（ＤＦＢ）と一体化された電界吸収型変調器（ＥＡＭ）のような集積光半導体デバイスに関する。
電界吸収型変調器（ＥＡＭ）は、レーザービームの強度が電圧を介して制御されることを可能にする集積光半導体デバイスである。この変調器の動作原理は、キャリアの励起を引き起こす印加電界なしにレーザーの吸収スペクトルの変化を引き起こすように電界を印加することに基づいている。典型的なＥＡＭは、変調される光ビームに直交する方向に電界を印加するための電極と導波管とを有する。高い消光比を達成するためにＥＡＭは典型的には、量子井戸構造を画定する層に垂直な方向の動きは防止されるが、この層と同一平面上の方向の動きは許されるように、キャリアが空間的に拘束された活性領域を与える量子井戸構造を含む。
ＥＡＭは、比較的低い電圧で極めて高い速度（例えばギガヘルツ（ＧＨｚ））で動作することができ、これはＥＡＭを光ファイバ通信のために有用にする。分布帰還型レーザー（ＤＦＢ）は、全キャビティがレーザー動作の波長範囲において分布反射器として機能し、利得媒質を含有する周期構造に構築されるレーザーである。典型的にはこの周期構造は、その中央に位相偏移を含有し、また本質的に、内部光学利得を与える２つのブラッグ格子の直接連鎖である。ＥＡＭは、データ送信機として動作できる電界吸収変調分布帰還型レーザー（ＥＭＬ）を形成するために単一チップ上でＤＦＢと一体化されることが可能である。
例えば毎秒１０ギガビット（Ｇｂ／ｓ）のデータ速度動作のための１０〜４０キロメートル（ｋｍ）の光ファイバリンクでの使用のために、１５５０ナノメートル（ｎｍ）範囲で低いチャープで動作するＥＭＬアセンブリが提案されている。提案されたＥＭＬアセンブリに関連する１つの問題は、ＥＡＭ端面からの後方反射による周波数チャープが、比較的高いデータ速度（例えば１０Ｇｂ／ｓ）において伝播長を厳しく制限することである。従って伝播長を延ばすためには、ＥＡＭ端面反射を最小にすることが必要とされる。
図１は、ＤＦＢ３とＥＡＭ４とを含む公知のＥＭＬアセンブリ２の断面上面図を示す。ＤＦＢ３とＥＡＭ４は各々、ｐ型金属で作られる。ＥＭＬアセンブリ２の一方の端面５は、高度に反射性の（ＨＲ）または反射防止の（ＡＲ）コーティングを含む。ＥＭＬアセンブリ２の他方の端面６はＡＲコーティングを含む。コンタクト間分離領域７は、ＤＦＢ３とＥＡＭ４とを互いに電気的に分離している。ＤＦＢ３とＥＡＭ４の部分８Ａと８Ｂはそれぞれ、端面５、６までそれぞれ延びる真っ直ぐな逆メサリッジを含む。ＥＭＬアセンブリ２の性能を低下させるのは、端面６でもたらされるＥＡＭ４への、またその結果ＤＦＢ３への後方反射の発生である。
図２Ａは、図１に示されたＡ−Ａ’断面に沿った図１に示されたＥＭＬアセンブリ２の断面図を示す。共にＥＭＬアセンブリ２を構成する異なる半導体層は次の通りである。ｎ型ＩｎＰバッファ層２２が上に形成されたｎ型（００１）リン化インジウム（ＩｎＰ）基板２１；選択領域成長（ＳＡＧ）として知られるプロセスによってバッファ層２２の上に成長した多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域２３；ＭＱＷ層２３の上に成長したｐ型ＩｎＰスペーサ層２５；スペーサ層２５の上に成長したｐ型ヒ化リン化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓＰ）エッチングストップ（エッチング停止）層２６；ＩｎＧａＡｓＰエッチングストップ層２６の上に成長したもう１つのｐ型ＩｎＰスペーサ層２７；スペーサ層２７の上に成長したｐ型ＩｎＧａＡｓＰ格子層２８；格子層２８は、所望の波長値におけるレーザースペクトル用のフィルタを提供する周期的に変化する屈折率領域３１を形成するためにＤＦＢ部分３において選択的にエッチングされる；それから本プロセスはｐ型ＩｎＰ充填層２９とクラッド層３２の再成長を続行する；それからクラッド層３２の上にｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３３が成長する。
図２Ｂは、図２Ａに示されたＥ−Ｅ’断面に沿った、ＥＭＬアセンブリ２のＤＦＢ部分３の断面図を示す。コンタクト層３３が成長した後に、コンタクト層３３の上にマスク部分３４Ａ、３４Ｂおよび３４Ｃによって表される酸化シリコン（ＳｉＯ２）誘電体マスク３４が堆積され、コンタクト層３３とクラッド層３２と充填層２９とをエッチングするために湿式化学エッチングプロセスが実施される。図３は、コンタクト層３３上に配置された真っ直ぐなマスクストライプ３４Ａ〜３４Ｃを含む、図２Ｂに示されたマスク３４を上に有するウェーハ３８（（００１）面、原寸に比例していない図）の上面図を示す。
図４は、化学エッチングプロセスが実行された後の図２Ａに示されたＥ―Ｅ’断面に沿った図２Ａおよび２Ｂに示されたＥＭＬアセンブリ２のＤＦＢ部分３の拡大図を示す。化学エッチングプロセスが実行されると、デバイス２は、（００１）面では比較的速くエッチングされるが、（１１１）面では比較的遅くエッチングされ、（００１）面と（１１１）面との間に典型的には約５４．７度である角度ωを有する（１１１）側面３６で形成されるリッジ３５がもたらされる。このリッジ構成は、メサの通常の理解が概ね平坦な上面と少なくともこの上面領域と同じくらい大きなベースにまで広がる側面とを有する構成である一方で、リッジの上部がリッジのベースより幅広いという事実によって、一般に逆メサ構成と呼ばれる。
図４に示された逆メサ構成を有するＥＭＬアセンブリが良好に機能するために、リッジ構造３５のベース幅Ｗｎは高い精度で決定されなくてはならない。実際にこの寸法は、格子特性と連携して、ＤＦＢ３のスペクトル挙動とＥＡＭ４の変調特性とを決定する。これは、高さＨ（すなわち層３１／２８の上面から層３３の上面までの距離）とそれぞれのマスク部分３４Ａ、３４Ｂおよび３４Ｃの幅ＷＡ、ＷＢおよびＷＣもきわめて正確でなくてはならないことを意味する。これは、特に幅ＷＢに関して真である。従って充填層２９、クラッド層３２およびコンタクト層３３の成長とマスク３４の堆積と湿式化学エッチングプロセスとを含む全プロセスは正確に制御されなくてはならない。精度に関するこの要件は、ＥＭＬ製造工業で採用されている技法（すなわち成長制御、マスクを作り出すために現在利用可能なフィルム堆積キット、フォトリソグラフィ、湿式化学エッチング・ソリューション）の技術的限界に極めて近いか、この限界を超え、このことは、ＥＭＬデバイスの最適動作のために必要とされるリッジ構造の正しい寸法を与えるために必要であるほどには正確ではない端面３６を有する、従って幅Ｗｎを有するリッジ構造３５をもたらす。リッジ構造の画定におけるこの不正確さは、このタイプのＥＭＬアセンブリに関する製造歩留まりに影響を与える主要な要因である。
ＥＡＭ端面６（図１）に極めて低い反射率を有するこの要件は、ＥＡＭ端面６に隣接するＥＡＭ部分４の遠端部に屈曲または傾斜した導波管構造（すなわち屈曲または傾斜した逆メサリッジ構造構成）を形成することによって幾分緩和され得る。図２Ａ〜４の真っ直ぐなリッジ構成を参照して前に説明されたプロセスを使用してこのような構造を作ろうとする試みは、前述の同じ技術的困難さによって影響される。すなわちマスク３４Ａ〜３４Ｃの幅と高さＨを正確に制御できないことは、不正確な端面３６と不正確な幅Ｗｎ（図４）とを作り出す湿式化学エッチングプロセスにつながる。更に幅ＷＢは、リッジ構造の幅が一定に保たれることを保証するために屈曲部分に沿って変化しなくてはならない。この不正確さは、ＥＭＬアセンブリの貧弱な性能、より重要なことには、より低いプロセス歩留まりという結果を招く。その結果、本プロセスを使用して高い歩留まり、低いコストで真っ直ぐな、屈曲した、または傾斜したリッジ構造を有するＥＭＬアセンブリを製造することは極めて困難になる。
ウェーハの主要結晶軸に対して傾斜したリッジ構造を作り出すために、乾式エッチング技法が使用されてきた。例えば米国特許第６，５４２，５３３号は、リッジ構造を形成するために反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）として知られる乾式エッチング技法の使用を開示している。しかしながらリッジ構造を形成するために乾式エッチング技法を使用することに関連した問題が存在する。乾式エッチングを使用すると、エッチング深さを制御することが困難であり、これがエッチング深さについて正確で再現可能な制御を取得する際の困難さを招く。更に乾式エッチングは一般に、矩形の形状を有するリッジ構造という結果につながる。単一モード伝播が必要とされる場合のようにリッジ幅に制限が存在するとき、この矩形の形状はデバイスにおいて低い直列抵抗を達成することを困難にする。もう１つの問題は、乾式エッチングがｐ型ドーピング種の結晶損傷と不動態化という結果をもたらすことであり、これはエッチングプロセスが実行された後にアニールプロセスの実行を必要にする。更にアニールプロセスを実行することは、結晶損傷と不動態化からの完全な回復につながらない。
従って改善された性能と高い製造歩留まりとを与えるために、より正確に形成される真っ直ぐなリッジ構造を有するＥＭＬアセンブリを作り出す方法の必要性が存在する。またＥＡＭ端面における低い反射率の要件を引き下げ、それによって改善された性能とより高い製造歩留まりとを与えるための、屈曲または傾斜したリッジ構造を有するＥＭＬアセンブリおよび他のデバイスを作り出す方法の必要性も存在する。
本発明は、ＳＡＧ技法を使用して成長するリッジ構造を有する光半導体デバイスと、このようなデバイスを製造するための方法とを提供する。ＳＡＧ技法の使用は、極めて精密な構成を有するリッジ構造の形成という結果をもたらす。本プロセスの使用は、公知の湿式化学エッチング技法を使用して取得可能である精度より高い精度で真っ直ぐな、屈曲した、また傾斜したリッジ構造が形成されることを可能にする。更に、リッジ構造が化学エッチングによって得られる公知のプロセスよりも少ない数の処理ステップが光デバイスを作り出すために必要とされる。リッジ構造の高い精度と、このデバイスを製造するために必要とされる少ない数の処理ステップとは、製造歩留まりを向上させて、デバイスの全コストが引き下げられることを可能にする。
本発明のこれらおよび他の特徴と利点は、説明と図面と特許請求の範囲から明らかになる。
前述のように、公知のＥＭＬアセンブリにおいて逆メサ形リッジ構造を作るために典型的に使用される湿式化学エッチングプロセスは、特にＥＡＭ端面の反射率を減らすために屈曲または傾斜リッジ構造が要求または所望される場合には、制御することが極めて困難である。一実施形態によれば、リッジ構造を作り出すためにＳＡＧ技法が使用される。本プロセスは、極めて精密な構成を有する自己集合・自己整合型リッジ構造が形成されるようにする。本プロセスの使用は、真っ直ぐな、屈曲した、および傾斜したリッジ構造が高い精度で形成されることを可能にし、これがＥＭＬアセンブリの製造歩留まりと良好な性能とにおける改善をもたらす。更にこのリッジ構造は自己集合および自己整合型であるので、図２Ａ〜４を参照しながら前に説明された公知のアプローチと比較して、より少ない技術的ステップが必要とされる。製造プロセスで使用される技術ステップの数の削減は、製造歩留まりを向上させ、またデバイスの全コストが削減されることを可能にする。
個別ＩＩＩ−Ｖ半導体レーザーの実現にＳＡＧアプローチを使用することは知られているが、集積ＥＭＬアセンブリにおいて真っ直ぐな、屈曲した、または傾斜したリッジ構造を作り出すためにＳＡＧ技法を使用することは知られていない。例えば日本、川崎のＮＥＣ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓは、シングルモードＡｌベースのレーザーデバイスの製造にマイクロＳＡＧ技法を応用した。この場合、ｎドープ（００１）ＩｎＰ基板がＳｉＯ２フィルムで被覆され、これは、引き続いて［１１０］ＩｎＰ結晶方向に沿って整列したマスクストライプにパターン化された。これに続いて、｛１１１｝側壁を有する台形メサが結果として得られるエピタキシャル成長プロセスが行われた。これらの側壁は極めて滑らかであって、横幅はシングルモード導波管を実現するために容易に調整可能であった。従ってこの場合のマイクロＳＡＧの使用は、単一の成長ステップで「自己集合型」アルミニウム（Ａｌ）ベースのレーザーデバイスという結果をもたらした。本プロセスは、参照により本明細書に組み込まれている米国特許第６，８２８，５８９号に開示されている。ＮＥＣはまた、単一のエピタキシステップで、ｐ型ＩｎＰに埋め込まれたＡｌＩｎＧａＡｓ導波管の選択的成長に至る成長条件を識別するためにマイクロＳＡＧ技法を適用した。これは、参照により本明細書に組み込まれている米国特許第５，６５９，５６５号に開示されている。
本発明の一実施形態によれば、ＭＱＷ活性領域は、リッジ構造に至る同じＳＡＧプロセスでは成長しない。ＭＱＷ活性領域は、幅広いほぼ平面の構造を結果的に生じる予めパターン化された基板上にＳＡＧによって予め成長する。引き続いて、ＥＭＬアセンブリの自己集合・自己整合型リッジ構造を実現するためにＳＡＧ技法を使用して、ＭＱＷ構造の上の狭い領域だけにクラッド層とコンタクト層が成長する。
以下に説明される概念と原理はすべてのＩＩＩ−Ｖ半導体ベースのデバイスに等しく適用されるが、説明と論議の容易さのためにこれらの原理と概念はＡｌベースのＥＭＬアセンブリを参照するだけで説明される。当業者は、本明細書に与えられる説明を考慮して、これらの原理と概念がすべてのＩＩＩ−Ｖ半導体ベースのデバイスに適用され得る様式を理解する。またこれらの原理と概念はＥＭＬアセンブリを参照しながら説明されているが、当業者は、ここに与えられる説明を考慮して、これらの原理と概念が他のタイプの光デバイスに適用され得る様式を理解する。
図５は、極めて良好な性能を有するＥＭＬアセンブリ４０を与える屈曲導波管構造を作り出すためにＳＡＧ技法が使用される一実施形態によるＥＭＬアセンブリ４０の上面図を示す。ＥＭＬアセンブリ４０は、ＤＦＢ５０とＥＡＭ６０とを含む。コンタクト間分離領域６２は、ＤＦＢ５０とＥＡＭ６０とを互いに電気的に分離する。ＤＦＢ５０とＥＡＭ６０は各々、ｐ型金属から作られる。ＤＦＢ５０の端面５５は、ＨＲまたはＡＲコーティングを含む。ＥＡＭ６０の端面６５は、ＡＲコーティングを含む。端面６５に隣接するＥＡＭ６０の遠端部は、屈曲導波管構造７０を含む。この屈曲導波管構造７０は、図６〜１２を参照しながら以下に説明される様式でＳＡＧ技法を使用することによって、ＤＦＢ５０の真っ直ぐなリッジ７１およびコンタクト間分離部６２と共に形成される。以下に説明されるようにリッジ構造を作り出すためにＳＡＧ技法を使用することは、正確に形成されたリッジ構造という結果をもたらす。これは、ＥＭＬアセンブリ４０に極めて良好な性能と製造可能性特性とを与える。
図６Ａは、キャップ層４６までのＤ−Ｄ’断面に沿った図５に示されたＥＭＬアセンブリ４０の断面図を示す。ＥＭＬアセンブリ４０を製造するために使用されるステップは、格子層がエッチングされるまでは図２Ａを参照しながら前に説明されたステップと同様である。一実施形態によるステップは次の通りである。ｎ型ＩｎＰバッファ層４２が上に形成されたｎ型（００１）リン化インジウム（ＩｎＰ）基板４１が提供される。それからバッファ層４２の上にＭＱＷ活性領域４３が成長し、これに続いてｐ型ＩｎＰスペーサ層４４とｐ型ＩｎＧａＡｓＰ格子層４５とｐ型ＩｎＰキャップ層４６の成長が行われ、これらはすべて通常のＳＡＧによって形成される。
図６Ｂは、キャップ層４６と格子層４５がＤＦＢ部分５０において選択的にエッチングされた後のＤ−Ｄ’断面に沿った図５に示されたＥＭＬアセンブリ４０の断面図を示す。格子層４５は、所望の波長値におけるＤＦＢ動作のためのスペクトルフィルタを与える周期的に変化する屈折率領域４８を形成するために反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）と組み合わされた電子ビームリソグラフィ（ＥＢＬ）のような適当な技法を使用してＤＦＢ部分の上に実現される。それから本プロセスは、ｐ型ＩｎＰ充填層４７の更なる成長を続行する。層４１〜４８の組合せがＥＭＬアセンブリ４０のために適した構成の単に一例であることは留意されるべきである。その代わりに他の層も使用可能であり、層は図６Ａおよび６Ｂに示された層４１〜４８の組合せに加えられることも、この組合せから削除されることも可能である。
図６Ｃは、図６Ａおよび６Ｂに示されたＧ−Ｇ’断面に沿った図５に示されたＥＭＬアセンブリ４０のＤＦＢ部分５０の断面図を示す。充填層４７が成長した後に、［１１０］結晶方向に沿って充填層４７の上に、例えばＳｉＯ２のような誘電体材料で作られたマスク７１が置かれる。これは典型的には、従来のフォトリソグラフィ技法を使用して実行される。マスク７１は、一連のマスクペア（マスク対）で作られ、そのうちの１つのマスクペアだけが図６Ｃに示されている。図示のペアはマスクストライプ７１Ａおよび７１Ｂを含む。リッジ構造の実現に採用されたＳＡＧ技法は、一般に標準的ＳＡＧ技法の概念に基づいているが、本実施形態では１対のストライプ間の開口部７９は標準的ＳＡＧ技法が使用されるときより遥かに小さく、典型的には約１．５から２．０マイクロメートル（ミクロン）の間のオーダーである。
本発明は、ストライプ７１Ａおよび７１Ｂの寸法あるいはストライプペア間の間隔に関して限定されない。原理上は、ストライプのいかなる形状、サイズ、組合せも使用可能である。しかしながら実際には、ストライプの形状、サイズ、組合せはデバイスが適切に機能するための必要によって指示される傾向がある。この例示的実施形態では各ストライプ７１Ａおよび７１Ｂの厚さは、約０．１ミクロンから１．０ミクロンの間にある。ストライプ７１Ａおよび７１Ｂの幅ＷＳは典型的には、約５．０ミクロンから約２０．０ミクロンの範囲にある。開口部７９の幅ＷＯは典型的には、約１．５マイクロメートルから約２．０マイクロメートルの範囲にある。
図７は、充填層４７の上面で延びてＤＦＢ５０の領域とＥＡＭ６０の領域とを画定する誘電体マスク７１の上面図（原寸に比例していない）を示す。ＤＦＢ５０におけるストライプの長さＬｓは典型的には、約２００ミクロンから約５００ミクロンの範囲にある。ＥＡＭ６０におけるストライプの長さＬｂは典型的には、約１００ミクロンから約２００ミクロンの範囲にあり、ストライプは典型的には５°から１２°との間にある屈曲角φを有する。図８は、上に８対のマスクストライプ７１〜７８（原寸に比例していない）が堆積されたウェーハ８０の上面図を示す。ストライプのペア間の間隔は典型的には、約２００ミクロンから約３００ミクロンの範囲にある。
図９Ａは、マスクが堆積されて、クラッド層５１とコンタクト層５２がそれぞれＳＡＧ技法を使用して成長した後のバッファ層４２から上のＧ−Ｇ’断面に沿った図５に示されたＤＦＢ部分５０の断面拡大図を示す。図９Ｂは、クラッド層５１がマスクストライプ７１Ａおよび７１Ｂの間の開口部に対して垂直方向と水平方向に延びるように示されている図９Ａに示されたＤＦＢ部分５０の断面拡大図を示す。クラッド層５１はｐ型ＩｎＰであり、コンタクト層５２はｐ型ＩｎＧａＡｓである。クラッド層５１とコンタクト層５２の成長は、使用される特定の成長条件に依存する特性を有する一連の面によって囲まれた自己整合・自己集合型リッジ１００を含むリッジ構造の形成という結果をもたらす。従ってリッジ１００の特定の形状と寸法は、選択された成長条件に依存し、いかなる特定の形状または寸法にも限定されない。
ＥＭＬアセンブリと他の光半導体デバイスでの使用のために適したリッジ構造の一例を与えるために今度は、図９Ｂを参照しながらリッジ１００のための特定の寸法が説明される。リッジ１００の高さＨは、最小約０．５から約２．０ミクロンであるべきである。高さＨは、マスクストライプ７１Ａ〜７１Ｂの上面からコンタクト層５２の下面までの距離に対応する。コンタクト層５２の厚さＴｃは、約０．１から０．４ミクロンであるべきである。リッジ１００の幅Ｗｒは、リッジの選択された形状によって、また高さＨによって決定される。Ｗｒの典型的な値は約２．０から４．０ミクロンの範囲にある。マスクストライプ７１Ａ〜７１Ｂの厚さＴｍは典型的には、約０．１から１．０ミクロンの範囲にある。マスクストライプ７１Ａ、および７１Ｂ間の開口部の幅Ｗｏは典型的には約１から２．０ミクロンの範囲にある。ストライプ７１Ａおよび７１Ｂの幅Ｗｓは典型的には約５．０から約２０．０ミクロンの範囲にある。図９Ｂに示された概ね台形の形状をリッジに与えることによって、幅Ｗｒは比較的広くされることが可能であり、これはコンタクト領域８５の幅も比較的広いことを意味する。
湿式化学エッチングによってリッジを取得する標準的アプローチに対するこのアプローチの１つの利点は、リッジのベース幅８６がマスクストライプ７１Ａおよび７１Ｂの画定時に採用された標準的フォトリソグラフィ技法によってよく制御される開口部の幅Ｗｏの値によってだけ決定されることである。この結果は、ＥＭＬデバイスの改善された製造可能性ならびに改善された性能である。図１０は、リッジ２００が屈曲または傾斜しているのではなく真っ直ぐである一実施形態によるＥＭＬアセンブリ１４０の上面斜視図を示す。領域１７１Ａおよび１７１Ｂは、クラッド層とコンタクト層の成長を妨げるマスクストライプに対応する。ＥＭＬアセンブリ１４０は、ＤＦＢ部分１５０とＥＡＭ部分１６０とコンタクト間分離領域１６２とを含む。ＥＡＭおよびＤＦＢ端面は図１０に示されていない。コンタクト間分離領域１６２は、マスクストライプ１７１Ａおよび１７１Ｂを形成するために使用される同じ誘電体マスク層でこの領域をマスクすることによって作り出される。図１〜４を参照しながら前に説明された湿式および乾式エッチング技法によれば、コンタクト間分離領域７（図１）は、使用される乾式または湿式エッチング技法によって作り出される。エッチングではなく成長を妨げることを介して図１０に示された分離領域１６２を作り出すことによって、図１に示されたＥＡＭアセンブリ２を作り出すために使用されるプロセスの１つ以上のステップが除去される。更に、ＤＦＢ部分１５０とＥＡＭ部分１６０との間の、結果として増加したコンタクト間抵抗は、ＥＭＬアセンブリ１４０に、改善された性能と、より低い電力消費特性とを与える。
図１１Ａ、１１Ｂおよび１１Ｃは、ＳＡＧによって製造された自己集合・自己整合型リッジ構造の実現形態におけるストライプの種々の方位と組合せとを示す。図１１Ａは、傾斜リッジを成長させるための傾斜したマスクストライプ３７１を上に有するウェーハ３００の上面図を示す。このマスクストライプ３７１は、ウェーハ３００の主結晶軸＜１１０＞に対してある角度θだけ傾斜している。この角度は典型的には、約５°から約１２°の範囲にある。図１１Ｂは、ストライプ４７１が図５〜８を参照しながら前に説明されたストライプであるウェーハ４００の上面図を示す。マスクストライプ４７１は、ウェーハ４００の主結晶方向＜１１０＞に沿って配置され、ＥＡＭ領域６０（図７）に関する遠端部はある量φだけ断熱的に屈曲している。図１１Ｃは、ストライプ４５１が図１〜４を参照しながら前に説明されたストライプであって真っ直ぐなリッジを形成するために典型的なプロセスで使用されるウェーハ４５０の上面図を示す。マスクストライプ４５１は通常、ウェーハの正常なへき開を利用するためにウェーハの主結晶軸＜１１０＞に平行に配置される。一般に傾斜または屈曲の角度はいかなる所望の値でも有することができ、また屈曲した、傾斜したおよび／または真っ直ぐなリッジ構造は、所望であれば組み合され得る。
さて図１１Ａに示された傾斜したマスクストライプを使用してＳＡＧプロセスを介して成長した傾斜リッジ構造を有するＥＭＬアセンブリを作り出すために使用され得るプロセスが、図１２Ａ〜１６を参照しながら説明される。更に今度説明されるＥＭＬアセンブリはまた、リッジ構造の下に埋め込まれた傾斜した回折ブラッグ格子を含む。図１２Ａ〜１２Ｃは、傾斜リッジ構造を有するＥＭＬアセンブリを作り出すために使用され得る処理ステップと材料の例を表す。本プロセスは、図６Ａ〜９Ｂを参照しながら前に説明されたプロセスに類似しているが、これから説明されるように屈曲ではなく傾斜した光学導波管構造を与えるためにいくつかの変化点を有する。
図１２Ａ〜１２Ｃは、予めパターン化された基板を作り出すために使用される処理ステップと材料とを表す。図１２Ａを参照すると２つのｎ型ＩｎＰバッファ層５０２および５０４は、例えばｎ型（００１）ＩｎＰ基板のようなＩＩＩ−Ｖ基板５０１を含む図１１Ａに示されたようなウェーハの上にエピタキシャルに成長する。引き続くエッチングプロセスの結果が正確に制御されることを可能にするために、ストップエッチング層５０３が含まれる。それから図１２Ｂに示されるように、傾斜マスクストライプ５０５Ａおよび５０５Ｂを作り出すために、バッファ層５０４の上に誘電体マスク５０５が堆積されてパターン化される。マスク部分５０５Ａおよび５０５Ｂは、図１１Ａを参照しながら上記に既に説明されたように、ウェーハの主結晶軸＜１１０＞に対して角度θだけ傾斜している。それから上部のエピタキシャルおよびストップエッチング層５０３および５０４は化学的にエッチングされて、図１２Ｃに示されるようにその後のＳＡＧ成長のための凹部を残す。図１２Ｃに示された結果として得られた構造は、本明細書ではプレＳＡＧバッファまたは代替としてプレパターン化基板と呼ばれる。
図１３は、図１２Ｃに示されたプレＳＡＧバッファの上にＳＡＧによって成長したＭＱＷ活性領域および他の層を示す。最初に、マスクされていない領域の層５０２にｎ型ＩｎＰ層５１１が堆積される。それからｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓの２つの高エネルギーギャップ分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層の間に、ＭＱＷ活性領域層５１２が埋め込まれるように成長する。それからｐ型ＩｎＰスペーサ層５１３が成長し、これにストップエッチング層５１４が続く。それから層５１４の上にもう１つのｐ型ＩｎＰスペーサ層５１５が成長する。それから中間エネルギーギャップ材料（例えばＡｌＧａＡｓＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓ）の層５１６が成長し、これは回折ブラッグ格子（ＤＢＧ）を作り出すために使用される。それから層５１６の上にｐ型ＩｎＰのキャップ層５１７が成長する。
このようにして、図２Ａ〜４を参照しながら前に説明された従来のアプローチおよび図５〜１０を参照しながら説明されたアプローチも、図１２Ｃに示されたプレＳＡＧバッファを使用することによって改善されることが可能であって、これは凹部に成長する活性ＭＱＷ構造の利点をもたらす。この結果、成長した材料の結晶品質に有益な効果を有する厚いバッファ層の成長が可能である。更に、最終デバイスを製造するプロセスを容易にし、それによって最終デバイスの製造を容易にする準平面ポストＳＡＧ成長が得られる。
図１４は、屈曲の場合に関して前に説明された同じ技法を使用して、誘電体マスクストライプ５０５Ａおよび５０５Ｂが除去されてＤＦＢ領域５３０上の層５１６および５１７に格子が形成された後の図１３に示されたデバイスの上面図を示す。図１４に示されるように格子は、マスクストライプ５０５Ａおよび５０５Ｂの角度と同じ傾斜角θに方向付けされたライン５２１によって表された畝を有する。畝５２１はレーザー導波管と正確に直交している。格子が画定された後にｐ型ＩｎＰ充填（５１８、図１７）の約０．５ミクロンの再成長が行われる。それから第２の誘電体堆積とパターン化が行われて、ＤＦＢ領域５３０とＥＡＭ領域５４０との間の分離領域５５０にだけ誘電体マスクを残す。このマスクの分離幅は約５０から１００ミクロンの範囲にある。
図１５は、この分離マスク５２０が見られ得る図１４の断面Ｋ−Ｋ’を示す。それからＤＦＢ５３０とＥＡＭ５４０の露出された面は、ＤＦＢおよびＥＡＭ領域の厚さ要件を満たすようにｐ型充填ＩｎＰ５１８を部分的に除去するために湿式または乾式エッチングによって部分的にエッチングされる。分離領域５５０における誘電体マスク５２０の堆積は、リッジ構造を画定するその後のナロー（narrow）ＳＡＧプロセス中のこの領域における成長を抑制する効果を有する。これは、図２Ａ〜４を参照しながら前に説明されたプロセスにおいて必要とされたように従来のポストエッチングステップに頼ることなしにＤＢＦ領域とＥＡＭ領域との間に電気的分離を与える。次の動作は、ＤＦＢ部分およびＥＡＭ部分の上への傾斜した誘電体ＳＡＧストライプの堆積である。
図１６は、傾斜リッジ構造を作り出すためにクラッド５２９およびコンタクト５３０のＳＡＧ成長が行われた後のＤＦＢ部分の断面の側面図を示す。本プロセスは、マスクストライプ５２５Ａおよび５２５Ｂが＜１１０＞方向に対して傾いていることを除いて、図６Ａ〜９Ｂを参照しながら前に説明されたプロセスと本質的に同じである。図１７は、図１６によって表された同じ部分に対応する、本発明の実施形態によるＳＡＧによって得られた自己整合・自己集合型傾斜リッジ構造の実際の場合を示す走査電子顕微鏡写真である。上記に論じられたようにリッジ５５０は１対のストライプ５２５Ａおよび５２５Ｂの間のクラッド層５２９とコンタクト層５３０の成長によって形成される。ネック５２８は、ストライプ間の開口部の幅によってだけ決定される。この構造は、ｐ金属層５３１によって完成させられる。
図１８は、傾斜リッジ５５０の一部分の上面図を示す走査電子顕微鏡写真である。リッジ５５０のいずれかのサイドの切欠き領域は、クラッド層とコンタクト層が成長しないマスクストライプ５２５Ａおよび５２５Ｂに対応する。
本発明が本発明の原理および概念を実例説明するための例示的実施形態を参照しながら詳細に説明されてきたことは留意されるべきである。例えば光半導体デバイスは本明細書ではＥＭＬアセンブリであるとして説明されたが、本発明はレーザー、変調器、受動導波管、光検出器、および光増幅器を含むがこれらに限定されない他のタイプの光半導体デバイスにも等しく適用される。またこれらの半導体デバイスは本明細書では特定の材料（アルミニウムベースの材料、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓなど）と構造パラメータ（長さ、厚さ、角度、幅など）とを参照しながら説明されてきたが、本発明は、本明細書に与えられた説明を考慮すれば当業者によって理解されるように、これらの材料またはパラメータに限定されない。また本明細書に説明された実施形態に対して多くの修正が行われることが可能であり、このようなすべての修正は本発明の範囲内にある。
ＤＦＢとＥＡＭとを含む公知のＥＭＬアセンブリの断面上面図である。 図１に示されたＡ−Ａ’断面に沿った図１に示されたＥＭＬアセンブリの断面図である。 上にＳｉＯ２が堆積された、図２Ａに示されたＥ−Ｅ’断面に沿った、図１に示されたＥＭＬアセンブリのＤＦＢ部分の断面図である。 上に図２Ｂに示されたマスクが堆積された（００１）結晶面におけるウェーハの上面図である。 化学エッチングプロセスが実行された後の図２Ａに示されたＥ−Ｅ’断面に沿った図２Ａおよび２Ｂに示されたＥＭＬアセンブリのＤＦＢ部分の拡大図である。 ＥＭＬアセンブリに極めて良好な性能を与える屈曲した導波管構造を作り出すためにＳＡＧ技法が使用された一実施形態によるＥＭＬアセンブリの上面図である。 図５に示されたＤ−Ｄ’断面に沿った図５に示されたＥＭＬアセンブリの断面図である。 ＤＦＢ部分において格子層が選択的にエッチングされた後の図５に示されたＤ−Ｄ’断面に沿った図５に示されたＥＭＬアセンブリの断面図である。 堆積された１対のＳｉＯ２ストライプを有する図６Ａおよび６Ｂに示されたＧ−Ｇ’断面に沿った図５に示されたＥＭＬアセンブリのＤＦＢ部分の断面図である。 ＤＦＢの端面からＥＡＭの端面に、充填層の上面で延びる図６Ｃに示された誘電体マスクの上面図である。 上に数ペアのマスクストライプが堆積されたウェーハの上面図である。 マスクが堆積されてクラッド層とコンタクト層がそれぞれＳＡＧ技法を使用して成長した後のバッファ層からＧ−Ｇ’断面に沿った図５に示されたＤＦＢ部分の断面拡大図である。 クラッド層がマスクストライプ間の開口部に対して垂直および水平に延びるように示されている図９Ａに示されたＤＦＢ部分の断面拡大図である。 図９Ｂによって表された同じ部分に沿った、しかし僅かに透視図的な図からのリッジのうちの１つのリッジの一部分を示す図である。 図１１Ａは、傾斜したリッジが成長するための傾斜したマスクストライプがウェーハ上に堆積されたウェーハの上面図である。図１１Ｂは、屈曲したリッジが成長するための屈曲したマスクストライプがウェーハ上に堆積されたウェーハの上面図である。図１１Ｃは、真っ直ぐなリッジが成長するための真っ直ぐなマスクストライプがウェーハ上に堆積されたウェーハの上面図である。 図１２Ａは、予めパターン化された基板を作り出すために使用される処理ステップと材料とを示す図である。図１２Ｂは、予めパターン化された基板を作り出すために使用される処理ステップと材料とを示す図である。図１２Ｃは、予めパターン化された基板を作り出すために使用される処理ステップと材料とを示す図である。 ＭＱＷ活性領域と他の層がＳＡＧを使用して成長した後の図１２Ｃに示されたプレＳＡＧバッファを示す図である。 格子が形成された後の図１３に示されたデバイスの上面図である。 マスク５０５Ａおよび５０５Ｂが除去されて、もう１つのマスク５２０がコンタクト間分離領域の上に堆積された後の図１４に示されたデバイスのＫ−Ｋ’断面を示す図である。 傾斜したリッジ構造を作り出すためにＳＡＧ成長が行われた後の図１５に示されたデバイスのＤＦＢ部分の断面の側面図である。 図１６に模式的に示された傾斜リッジの断面を示す走査電子顕微鏡写真である。 一実施形態に従って図１７に示された断面の上面斜視図を示す走査電子顕微鏡写真である。
符号の説明
４２ バッファ層
４３ ＭＱＷ活性領域
４４ ｐ型ＩｎＰスペーサ層
４６ キャップ層
４７ ｐ型ＩｎＰ充填層
４８ 周期的に変化する屈折率領域
５１ クラッド層
５２ コンタクト層
７１Ａ マスクストライプ
７１Ｂ マスクストライプ
１００ リッジ

Claims (20)

  1. 下面と上面とを有する基板と、
    １つ以上の層のうちの１つが前記基板の上面に接触している下面を有する、バッファ層を含む１つ以上の層と、
    多重量子井戸（ＭＱＷ）層を含む１つ以上の層の１つが前記バッファ層を含む１つ以上の層の最上層の上面に接触している下面を有する、多重量子井戸（ＭＱＷ）層を含む１つ以上の層と、
    格子層を含む１つ以上の層の１つが前記ＭＱＷ層を含む１つ以上の層のうちの１つの層の上面に接触している下面を有し、前記格子層は該格子層の少なくとも一部分において画定された回折格子を有する、格子層を含む１つ以上の層と、
    １つ以上のクラッド層およびコンタクト層の１つは前記格子層を含む１つ以上の層の最上層の上面に接触している下面を有する、１つ以上のクラッド層およびコンタクト層と、
    前記格子層を含む１つ以上の層の最上層の上面の上に成長した１つ以上のクラッド層およびコンタクト層で作られたリッジ構造であって、該リッジ構造は選択領域成長（ＳＡＧ）技法を使用して成長する、リッジ構造と、
    を備えている光半導体デバイス。
  2. 前記リッジ構造は、前記リッジ構造の幅方向に幅を、前記リッジ構造の高さ方向に高さを、前記リッジ構造の長さ方向に長さを有し、該長さは前記幅および高さより長く、また前記リッジ構造は、前記基板の主結晶軸に対して前記リッジ構造の長さ方向に実質的に真っ直ぐである、請求項１に記載の光半導体デバイス。
  3. 前記リッジ構造は、前記リッジ構造の幅方向に幅を、前記リッジ構造の高さ方向に高さを、前記リッジ構造の長さ方向に長さを有し、該長さは前記幅および高さより長く、また前記リッジ構造は、前記基板の主結晶軸に対して前記リッジ構造の長さ方向に或る角度φだけ実質的に屈曲している少なくとも一部を含む、請求項１に記載の光半導体デバイス。
  4. 前記リッジ構造は、前記リッジ構造の幅方向に幅を、前記リッジ構造の高さ方向に高さを、前記リッジ構造の長さ方向に長さを有し、該長さは前記幅および高さより長く、また前記リッジ構造は、前記基板の主結晶軸に対して前記リッジ構造の長さ方向に或る傾斜角θだけ実質的に傾斜している少なくとも一部を含む、請求項１に記載の光半導体デバイス。
  5. 前記格子層を含む１つ以上の層の少なくとも一部分において画定された回折格子は、前記基板の主結晶軸に対して前記傾斜角θだけ傾斜し、前記格子は、前記長さ方向に実質的に傾斜している前記リッジ構造の前記一部に実質的に直交する畝を有する、請求項４に記載の光半導体デバイス。
  6. φが、約７度から約１０度の範囲にある値を有する、請求項３に記載の光半導体デバイス。
  7. θが、約５度から約１５度の範囲にある値を有する、請求項４に記載の光半導体デバイス。
  8. 前記デバイスは、電界吸収変調分布帰還型レーザー（ＥＭＬ）アセンブリを形成するために分布帰還型レーザー（ＤＦＢ）部分と一体化された電界吸収型変調器（ＥＡＭ）部分を含み、前記デバイスは、前記ＥＡＭ部分およびＤＦＢ部分を互いに電気的に分離するために前記ＥＡＭ部分とＤＦＢ部分との間に配置されたコンタクト間電気的分離領域を有する、請求項１に記載の光半導体デバイス。
  9. 前記回折格子は、前記ＤＦＢ部分の格子層において画定され、前記ＥＡＭ部分においては画定されない、請求項８に記載の光半導体デバイス。
  10. 光半導体デバイスは、アルミニウム（Ａｌ）ベースの半導体デバイスであり、前記基板はｎ型リン化インジウム（ＩｎＰ）を含み、前記バッファ層はｎ型ＩｎＰを含み、前記ＭＱＷ層はｎ型ヒ化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＡｓ）を含み、前記格子層はＡｌＧａＩｎＡｓとＩｎＧａＡｓＰのうちの１つを含み、前記リッジ構造はｐ型ＩｎＰとｐ型ＩｎＧａＡｓとを含む、請求項９に記載の光半導体デバイス。
  11. 下面と上面とを有する基板を用意するステップと、
    １つ以上の層のうちの１つ層の下面が前記基板の上面に接触するように、前記基板の上面にバッファ層を含む１つ以上の層を配置するステップと、
    多重量子井戸（ＭＱＷ）層を含む１つ以上の層のうちの１つの層の下面が前記バッファ層を含む１つ以上の層の最上層の上面に接触するように、前記バッファ層を含む１つ以上の層の上に前記多重量子井戸（ＭＱＷ）層を含む１つ以上の層を配置するステップと、
    格子層を含む１つ以上の層のうちの１つの層の下面が前記ＭＱＷ層を含む１つ以上の層のうちの１つの層の上面に接触するように、前記ＭＱＷ層を含む１つ以上の層の上に前記格子層を含む１つ以上の層を配置するステップと、
    １つ以上のクラッド層およびコンタクト層のうちの１つの層の下面が前記格子層を含む１つ以上の層の最上層の上面に接触するように、前記格子を含む１つ以上の層の上に１つ以上のクラッド層およびコンタクト層を配置するステップと、
    前記格子層の少なくとも一部分において回折格子を画定するステップと、
    前記１つ以上のクラッド層およびコンタクト層の最上層の上面にリッジ構造を成長させるために選択領域成長（ＳＡＧ）技法を使用するステップと、
    を含む、光半導体デバイスを製造するための方法。
  12. 前記リッジ構造は、前記リッジ構造の幅方向に幅を、前記リッジ構造の高さ方向に高さを、前記リッジ構造の長さ方向に長さを有し、該長さは前記幅および高さより長く、また前記リッジ構造を成長させるためにＳＡＧ技法を使用するステップは、結果として得られたリッジ構造が前記基板の主結晶軸に対して前記リッジ構造の長さ方向に実質的に真っ直ぐであるようにするマスキング構成と成長条件とを選択するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記リッジ構造は、前記リッジ構造の幅方向に幅を、前記リッジ構造の高さ方向に高さを、前記リッジ構造の長さ方向に長さを有し、該長さは前記幅および高さより長く、また前記リッジ構造を成長させるためにＳＡＧ技法を使用するステップは、結果として得られたリッジ構造の少なくとも一部分が、前記基板の主結晶軸に対して前記リッジ構造の長さ方向に或る角度φだけ実質的に屈曲しているようにするマスキング構成と成長条件とを選択するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
  14. 前記リッジ構造は、前記リッジ構造の幅方向に幅を、前記リッジ構造の高さ方向に高さを、前記リッジ構造の長さ方向に長さを有し、該長さは前記幅および高さより長く、また前記リッジ構造を成長させるためにＳＡＧ技法を使用するステップは、結果として得られたリッジ構造の少なくとも一部分が、前記基板の主結晶軸に対して前記リッジ構造の長さ方向に或る傾斜角θだけ実質的に傾斜しているようにするマスキング構成と成長条件とを選択するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
  15. 前記格子層を含む１つ以上の層の少なくとも一部分において画定された回折格子は、該画定された格子が前記基板の主結晶軸に対して前記傾斜角θだけ傾斜しているように、また前記画定された格子は、前記長さ方向に実質的に傾斜している前記リッジ構造の前記一部分に実質的に直交する畝を有するように画定される、請求項１４に記載の方法。
  16. φは、約７度から約１０度の範囲にある値を有する、請求項１３に記載の方法。
  17. θは、約５度から約１５度の範囲にある値を有する、請求項１４に記載の方法。
  18. 前記光半導体デバイスは、電界吸収変調分布帰還型レーザー（ＥＭＬ）アセンブリを形成するために分布帰還型レーザー（ＤＦＢ）部分と一体化された電界吸収型変調器（ＥＡＭ）部分を備え、前記光半導体デバイスは、前記ＥＡＭ部分およびＤＦＢ部分を互いに電気的に分離するために前記ＥＡＭ部分と前記ＤＦＢ部分との間に配置されたコンタクト間電気的分離領域を有する、請求項１１に記載の方法。
  19. 前記回折格子は、前記ＤＦＢ部分の格子層において画定され、前記ＥＡＭ部分においては画定されない、請求項１８に記載の方法。
  20. 光半導体デバイスは、アルミニウム（Ａｌ）ベースの半導体デバイスであり、前記基板はｎ型リン化インジウム（ＩｎＰ）を含み、前記バッファ層はｎ型ＩｎＰを含み、前記ＭＱＷ層はｎ型ヒ化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＡｓ）を含み、前記格子層はＡｌＧａＩｎＡｓとＩｎＧａＩｎＡｓのうちの１つを含み、前記リッジ構造はｐ型ＩｎＰとｐ型ＩｎＧａＡｓうちの１つを含む、請求項１９に記載の方法。
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