JP2015053457A

JP2015053457A - 光半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2015053457A
Application number: JP2013186752A
Authority: JP
Inventors: 昌和荒井; Masakazu Arai; 亮中尾; Akira Nakao; 神徳　正樹; Masaki Kamitoku; 正樹神徳
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2015-03-19
Anticipated expiration: 2033-09-09
Also published as: JP6043698B2

Abstract

【課題】小型で高速な光信号を送信する光モジュールの実現を可能とする半導体集積型の光半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】所定の圧力の下で有機金属気相成長法により、前記半導体基板に形成された互いに接した２つの領域を有するリッジ上に量子井戸構造を成長し、前記所定の圧力とことなる圧力の下で前記量子井戸構造を反応性ガスエッチングする。２つの領域のそれぞれには、量子井戸構造の異なる半導体素子を形成することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、光半導体装置の製造方法に係り、より具体的には、１つの基板上に複数の半導体素子を集積した集積型の光半導体装置の製造方法に関する。

光通信用モジュールや光通信システムに用いる光半導体素子の高機能化、高性能化が望まれている。従来、光半導体素子の高機能化、高性能化を実現する方法として、同一基板上に複数の半導体素子をモノリシック集積する半導体集積技術がある。電界吸収型変調器（Electro-Absorption Modulators、以下EA変調器という。）を集積した分布帰還型レーザ（Distributed Feedback Laser、以下DFBレーザという。）はこの半導体集積技術を用いた代表的なデバイス（集積型の光半導体装置）としてあげることができ、このEA変調器（光半導体素子）とDFBレーザ（光半導体素子）を同一基板上に集積した外部変調器集積型DFB（集積型の光半導体装置）は小型で10ギガビット／秒を超える高速変調が可能であり、またチャーピング（変調時の発振波長の揺らぎ）が小さいため長距離光ファイバ伝送に用いた際に波形の劣化が少ないという利点がある。従来この外部変調器集積型DFBレーザはまず有機金属気相成長法（MOVPE法）によりInP基板上にn型、p型にドーピングしたInPクラッド層で挟んだInGaAs、InGaAsP系材料で構成される多重歪量子井戸構造を結晶成長する。これをDFBレーザに加工したあと、光変調器を集積するために、不要な部分をエッチングにより除いて、光変調器部分の結晶成長を再度行い、いわゆるバットジョイント結合を行う。

また他のDFBレーザと変調器とを集積化する別の集積化技術としては結晶成長前の基板の一部分に原料が成長しないようにSiO₂などでマスクをした選択領域成長がある。このマスクにより、MOVPE成長時の気相拡散の変化やマスク部分からの原料のマイグレーションなどにより、量子井戸層の膜厚、組成を変化させることができる。このマスクのサイズを変化させることによりレーザ部分と変調器部分を一度の成長で行う技術の開発が行われている。

Tomonobu Tsuchiya et al., "in situ Deep Etching for an InGaAlAs buried Heterostructure by Using HCI Gas in a Metalorganic Vapor Phase Epitaxy Racor," Japanese Journal of Applied Physics、2004, Vol. 43, No. 10A, pp. L 1247-L 1249

しかしながら、バットジョイント接続ではレーザと変調器部分の形成の際にレーザ側壁付近にも変調器の量子井戸が成長してしまうため、過剰損失が生じる。また近年、温度特性の改善を目指してInGaAlAs系材料のDFBレーザが開発されているが、この材料では再成長界面において、Alを含む材料の酸化が生じ、特性の劣化、信頼性の低下を招いている。

マスクを用いた選択領域成長法ではレーザ部分と変調器部分を構成する多重量子井戸の歪や膜厚を独立に設計どおりに成長することは難しいという問題がある。さらに一度の成長で両方を形成するため、量子井戸の積層数は独立に制御することはできないという問題があり、レーザ、変調器の構造を最適にできないため、レーザの低閾値動作と、変調器の低電圧動作の両立が困難となる。またAlを含む材料においてはマスクのSiO₂上に堆積物が生じやすく、選択領域成長の効果が薄れるという問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところはより小型で高速な光信号を送信する光モジュールの実現を可能とする半導体集積型の光半導体装置の製造方法を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の一態様である光半導体装置の製造方法は、１つの半導体基板上に複数の半導体が集積された光半導体装置の製造方法の製造方法であって、所定の圧力の下で気相成長法により、前記半導体基板に形成された互いに接した２つの領域を有するリッジ上に量子井戸構造を成長することと、前記所定の圧力とことなる圧力の下で、前記量子井戸構造をガスエッチングすることとを含むことを特徴とする。

一実施形態では、有機金属気相成長法により量子井戸構造を成長させることができ、反応性ガスエッジングにより前記量子井戸構造をエッチングすることができる。一実施形態では、前記光半導体装置の前記２つの領域の一つには活性層に前記多重量子井戸構造をもつ分布帰還形レーザが集積され、前記光半導体装置の前記２つの領域の別の一つには前記分布帰還形レーザの発振波長より短い波長の吸収端をもつ前記多重量子井戸構造よりなる光変調器が集積される。また、前記多重量子井戸構造の材料は、InGaAsP、InGaAlAs、InGaAsN、InGaAsのいずれかであり、前記分布帰還形レーザの発振波長が１．１μｍ以上１．６μｍ以下とする材料が選択され、前記多重量子井戸層は前記前記分布帰還形レーザの発振波長を達成する厚みおよび結晶格子間の歪を有している。

以上説明したように、本発明によれば、小型で高速な光信号を送信する光モジュールの実現を可能とする集積型の光半導体装置の製造方法を提供することが可能となる。

InGaAlAs量子井戸構造を示す図である。本発明の一実施形態を説明するための図であり、（ａ）はパターンが形成された基板の上面を示す図、（ｂ）は基板上に積層された量子井戸構造の断面図、（ｃ）は基板上に積層された後にエッジングされた量子井戸構造の断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。まず、本発明の原理を説明する。

有機金属気相成長法（MOVPE法）では、基板上に凹凸パターンがある場合には、気相中の拡散が起こるため、リッジ上の成長速度は増加し、溝部分の成長速度は減少する。またIII族原料であるGaやIn、Alや中間生成物の質量により気相拡散定数は変化するため、成長した半導体の組成も変化する。その効果はパターンの幅が狭いほど顕著に表れる。したがって、本発明では、MOVPE法のこれらの特性を利用すべくパターン幅を設計することでレーザ部分と変調器部分の膜厚および組成を制御した構造を一度の結晶成長プロセスにより形成することができる。

例えば、本発明によれば、レーザと変調器の集積化を一度の結晶成長で行うことにより、レーザ部と変調器との間の接続部を空気にさらすことが無いため、バットジョイント成長時に問題となった表面の酸化を抑えることができ、欠陥の発生を抑えた信頼性の高い部品の製造が可能となる。また本願発明によれば、多重量子井戸層の組成がレーザ部から変調器部へと連続的に形成されるため、余分な反射戻り光や接続損失の発生を抑えられる。またSiO₂マスクなどを用いた選択領域成長で問題となったマスク上の堆積物などの問題も原理的に生じないため、あらゆる材料にも適用可能である。

一度の結晶成長でレーザ部と変調器部の量子井戸の積層数を最適に制御する手段としては、パターン上に形成したレーザと変調器の多重量子井戸の成長後に塩素などのハロゲンを含んだガスまたは有機金属原料を反応管に導入する。これによりIII-V族半導体はハロゲンを含んだ有機金属へと分解されエッチングされる。そのため多重量子井戸層は上部からエッチングされ、エッチングガスの濃度や反応炉の温度、ガスを流す時間により多重量子井戸の除去する数を制御することができる。ところが、エッチングガスの反応も前述のパターン基板近傍の気相拡散により影響を受ける。そのため、結晶成長時に成長速度が増した領域ではエッチング速度も増加するため、反応炉内の圧力を結晶成長と同じにしてのでは時多重量子井戸の数をレーザ部と変調器部で変えることができない。したがって、本発明においては、反応炉内の圧力を結晶成長時の圧力より上げ、エッチングガスの気相拡散を増加させ、凹凸パターンによるエッチング速度の差を大きくすることで、レーザ部の量子井戸の積層数と変調器部の量子井戸の積層数が異なるようにする。これにより、レーザの低閾値動作と変調器の低電圧動作を両立した集積型の光半導体装置の製造が可能となる。

半導体レーザとEA変調器とを集積化した集積型の光半導体装置の製造方法の実施形態では、半導体レーザとEA変調器の集積化のために、凹凸パターンを形成した基板上にMOVPE成長を行い、気相拡散により組成、膜厚の異なる多重量子井戸を形成する。さらにハロゲンを含むガスを反応炉の圧力を上げて導入することにより、凹凸パターンによる気相拡散を増大させたエッチングを行い、レーザの量子井戸数をEA変調器より少なくした数に制御することができる。

［実施例］
実際の反応炉内の反応過程は複雑であるが、InGaAlAs系のMOVPE成長の反応過程とエッチングの過程の簡略的な化学反応式は以下のとおりである。
（成長時）
x(CH₃)₃In ＋y(C₂H₅)₃Ga + z(CH₃)₃Al + AsH3 → In_xGa_yAl_zAs + (3x+6y+3z)CH₄
（エッチング時）
In_xGa_yAl_zAs + 3(x+y+z)HCl → xInCl₃ + yGaCl₃ + zAlCl₃ + AsH₃ + H₂

これらの化学反応の表面の反応は早いため、主に基板表面付近に供給される原料の量で速度が決まる供給速度律速である。この供給速度は境界層と呼ばれる表面付近の薄い層の中で凹凸パターンやマスクがあると原料の拡散により、面内の成長速度が変化する。基板表面の凹凸がある境界層内の気相拡散をモデル化することでシミュレーションした。ここで拡散定数:Dは気相中の分子の平均速度:v_tと平均自由行程を乗じたものに比例し、また平均自由行程は圧力:Pの逆数に比例する。そのため例えば反応管内の圧力を高くするほど平均自由行程は小さくなり、拡散定数も小さくなる。量子井戸構造成長時とハロゲンを含むガスを流してエッチングする際の反応管内の圧力を変えることで、基板の凹凸パターンによる速度変化を制御する。実験とシミュレーションとのフィッティングにより、D／ｋ（拡散定数／吸着係数）の値を求め、その成長圧力依存性から量子井戸レーザとEA変調器の集積化について見積もった。

図１に、この実験に用いる量子井戸の積層構造図を示す。量子井戸は、InGaAlAs障壁層（barrier層）１とInGaAlAs量子井戸層（QW層）２とから構成される。

図２（ａ）にリッジ状のパターンを形成した基板の構造図を示す。リッジ状のパターンは基板と同じ材料である。図２（ａ）は基板面の上方から見た図であり、リッジ幅を途中から変えたパターンとしており、幅は50μm、500μmと変えている。またリッジの高さは15μmとした。幅を変えることにより、リッジ周辺の原料濃度が拡散により変化し、成長速度を制御することができる。計算結果によると50μm幅の領域と500μm幅の領域にそれぞれ形成したレーザ（LD）部と電界吸収型光変調器（EA）部では低圧力成長した場合の成長速度比は1.1、塩化水素ガスエッチング時のエッチング速度比が1.8と求まった。この結果からLD部、EA部の量子井戸、障壁層の厚さ、周期数の見積もり結果を表１に示す。量子井戸レーザにおける発振波長とEA変調器における吸収波長が、量子井戸層の厚さと組成により決まることは周知であるのでここではこれらの組み合わせについての説明を割愛する。通信に適した光半導体装置としては、量子井戸構造の材料はInGaAsP、InGaAlAs、InGaAsN、InGaAsのいずれかであり、レーザ部分の波長が1.1〜1.6μｍとする材料が選択され得る。

このようにLD部と変調器部のリッジ幅を変化させ、また量子井戸成長時の成長圧力を24 Torrと低くし、エッチング時の圧力を200 Torrと高くすることにより、LD部とEA部で最適な量子井戸周期数を持った構造の一括成長による作製が可能となった。

この技術を用いて、あらかじめInP基板にリッジ（図２（ａ））をパターニングし、光閉じ込め層および量子井戸活性層（１、２）を成長後（図２（ｂ））、圧力を変化させて、エッチングを行い（図２（ｃ）中の４で示す領域）、再び圧力を戻して、光閉じ込め層（図示しない）を成長する。LD部には回折格子を掘り、InPクラッド層およびコンタクト層（図示しない）を成長する。なお、光閉じ込め層は、必要に応じて成長させればよく、省略することも可能である。その後、加工プロセスとして、光を導波させるためのリッジメサをエッチングし、両側を誘電体膜で埋めて、裏面を研磨し、電極を形成し、両端面をへき開し、LD側を高反射率コーティングし、EA側を無反射コーティングを施すことで、EA変調器集積型DFBレーザを実現できる。このような活性層の一括成長技術を用いることで、LDの低閾値化とEAの低電圧駆動化を両立が可能となる。

この例ではエッチングガスとしてHClを用いたが塩化メチル（CH3Cl）や４臭化炭素（CBr4）を用いてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、通信波長帯に発振波長を有し、高性能であるEA-DFB集積型量子井戸半導体レーザが得られるという優れた効果がある。

１ InGaAlAs障壁層
２ InGaAlAs量子井戸層
３ InP基板
４圧力を上げて反応管内で塩化水素エッチングされた部分

Claims

１つの半導体基板上に複数の半導体が集積された光半導体装置の製造方法の製造方法であって、
所定の圧力の下で相成長法により、前記半導体基板に形成された互いに接した２つの領域を有するリッジ上に量子井戸構造を成長することと、
前記所定の圧力とことなる圧力の下で、前記量子井戸構造をエッチングすることと
を含むことを特徴とする製造方法。
前記相成長法は、有機金属気相成長法によることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
前記エッチングすることは、反応性ガスエッチングによることを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
前記光半導体装置の前記２つの領域の一つには活性層に前記多重量子井戸構造をもつ分布帰還形レーザが集積され、前記光半導体装置の前記２つの領域の別の一つには前記分布帰還形レーザの発振波長より短い波長の吸収端をもつ前記多重量子井戸構造よりなる光変調器が集積されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の製造方法。
前記多重量子井戸構造の材料は、InGaAsP、InGaAlAs、InGaAsN、InGaAsのいずれかであり、前記分布帰還形レーザの発振波長が１．１μｍ以上１．６μｍ以下とする材料が選択され、前記多重量子井戸層は前記前記分布帰還形レーザの発振波長を達成する厚みおよび結晶格子間の歪を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の製造方法。