JP2917695B2 - Method for manufacturing optical semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing optical semiconductor device

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光通信、光情報などに
用いられる、光半導体素子の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing an optical semiconductor device used for optical communication, optical information and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】光通信や光情報に用いられる半導体レー
ザには、より一層の高性能化が必要になってきている。
一方、加入者系光通信などの、所用が多く、低価格が要
求される用途に対応するためには、歩留りの高い素子を
大面積ウエハを用いて作製する必要がある。こうした要
求を満たすためには、大面積高均一成長が可能な有機金
属気相成長法(MOVPE)などの気相成長法により結
晶成長を行うことが必要である。また、気相成長を用い
れば、低しきい値、高効率動作、狭スペクトル線幅動作
など数々の特徴を有する量子井戸半導体レーザの作製も
可能である。
2. Description of the Related Art Semiconductor lasers used for optical communication and optical information are required to have higher performance.
On the other hand, in order to cope with an application requiring much cost and requiring a low price, such as a subscriber optical communication, it is necessary to manufacture a device with a high yield using a large-area wafer. In order to satisfy such requirements, it is necessary to perform crystal growth by a vapor phase growth method such as a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) capable of large area and high uniform growth. Further, by using vapor phase growth, it is possible to manufacture a quantum well semiconductor laser having various features such as a low threshold value, a high efficiency operation, and a narrow spectral line width operation.

【0003】図3、図4に、学術誌ジャーナル・オブ・
クリスタル・グロース(Journal of Cry
stal Growth)107巻226−230頁に
記載のMOVPEを用いた光通信用半導体レーザの典型
的な製造方法を示す。
FIG. 3 and FIG.
Crystal Growth (Journal of Cry)
Stal Growth), Vol. 107, pages 226-230, shows a typical method for manufacturing a semiconductor laser for optical communication using MOVPE.

【0004】この半導体レーザは単一モード動作する分
布帰還型(DFB)レーザであり、埋め込みリッジ構造
により電流狭搾を行っている。まず、n型インジウム・
リン(InP)基板1上にグレーティングを形成した
後、n型インジウム・ガリウム・砒素・燐(InGaA
sP)ガイド層8、InGaAsP活性層3、p型In
Pクラッド層4を積層し(図3(a))、次に、SiO
2 膜21を幅2μmのストライプ状に形成し(図3
(b))、基板1に達するまでメサエッチングを行う
(図3(c))。その後、全面にp型InP層5、p+
型InGaAsキャップ層7を成長し(図4(d))、
活性層の周囲にプロトンを打ち込んだ高抵抗領域31を
形成するなどして電流を狭搾している(図4(e))。
This semiconductor laser is a distributed feedback (DFB) laser that operates in a single mode, and current is narrowed by a buried ridge structure. First, n-type indium
After forming a grating on a phosphorus (InP) substrate 1, n-type indium, gallium, arsenic, phosphorus (InGaAs) is formed.
sP) guide layer 8, InGaAsP active layer 3, p-type In
A P cladding layer 4 is laminated (FIG. 3A), and then SiO 2
The two films 21 are formed in a stripe shape having a width of 2 μm (FIG. 3).
(B)), mesa etching is performed until the substrate 1 is reached (FIG. 3 (c)). Thereafter, the p-type InP layer 5 and p +
A type InGaAs cap layer 7 is grown (FIG. 4D),
The current is narrowed by forming a high-resistance region 31 into which protons are implanted around the active layer (FIG. 4E).

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】このように多数の半導
体レーザを製造するためには、大面積のウエハを用い
て、しかも層構造を精密に制御することが重要である。
層厚は、MOVPEなどの気相成長法を用いれば十分に
制御が可能であるが、導波路幅は、従来、SiO2など
をマスクとして用いたメサエッチングにより制御してお
り、サイドエッチングなどの原因により十分な制御性が
得られないなどの問題点があった。例えば、図3(c)
に示したメサエッチングにおいて、SiO2 膜21の幅
が正確に2μmに形成されていても、メサ構造のばらつ
きや活性層エッチング時のサイドエッチングにより、活
性層がばらついてしまう。特に、2インチ基板などの大
口径ウエハを用いたプロセスでは、ウエハ面内のばらつ
きはかなり大きくなる。また、制御性のよいドライエッ
チングによる方法においても活性層にダメージを与える
という問題点があった。
In order to manufacture such a large number of semiconductor lasers, it is important to use a large-area wafer and to precisely control the layer structure.
The layer thickness can be sufficiently controlled by using a vapor phase growth method such as MOVPE, but the width of the waveguide is conventionally controlled by mesa etching using SiO 2 or the like as a mask. There was a problem that sufficient controllability could not be obtained depending on the cause. For example, FIG.
In the mesa etching shown in (1), even if the width of the SiO 2 film 21 is formed to be exactly 2 μm, the active layer varies due to variations in the mesa structure and side etching at the time of etching the active layer. In particular, in a process using a large-diameter wafer such as a 2-inch substrate, the variation in the wafer surface becomes considerably large. Also, there is a problem that the active layer is damaged even in the dry etching method having good controllability.

【0006】活性層、導波路幅のばらつきや活性層内の
欠陥は、しきい値電流、発振波長、ビームパターン、信
頼性などの素子特性に影響を与えるため、素子の歩留り
を低下させるだけでなく、設計通りの動作が得られにく
いなどの問題があり、改善の必要があった。
[0006] Variations in the width of the active layer and the waveguide and defects in the active layer affect device characteristics such as threshold current, oscillation wavelength, beam pattern, and reliability. However, there is a problem that it is difficult to obtain the operation as designed, and there is a need for improvement.

【0007】本発明の目的は、上記の問題点を解決し、
均一な活性層、導波路幅を有し、高歩留りな光半導体素
子の製造方法を提供することにある。
An object of the present invention is to solve the above problems,
It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing an optical semiconductor device having a uniform active layer, a waveguide width, and a high yield.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板上
に、間に光導波路形成領域を挟んで対向する2本の誘電
体薄膜ストライプを形成する工程と、誘電体薄膜ストラ
イプ以外の半導体基板上に誘電体薄膜ストライプより下
部に活性層を含まない半導体多層膜を積層する選択成長
工程とを含む光半導体素子の製造方法であって、誘電体
薄膜ストライプを形成する前に、エッチングストップ層
と電流ブロック層を形成する工程と、誘電体薄膜ストラ
イプをマスクとして電流ブロック層をエッチングする工
程と、エッチング部分を基板と同伝導形の半導体で埋め
込み成長する工程とを付加することを特徴としている。
According to the present invention, there is provided a method of forming two opposing dielectric thin film stripes on a semiconductor substrate with an optical waveguide forming region interposed therebetween, and a method of forming a semiconductor substrate other than the dielectric thin film stripes. Above the dielectric thin film stripe
Growth by stacking a semiconductor multilayer without active layer
A method for manufacturing an optical semiconductor device including the step, prior to forming the dielectric thin film stripes, forming an etching stop layer and the current blocking layer, the current blocking layer dielectric thin film stripes as a mask for etching It is characterized by adding a step and a step of burying and growing an etched portion with a semiconductor of the same conductivity type as the substrate.

【0009】[0009]

【作用】本発明の方法では、(100)方位の半導体基
板表面の[011]方向に2本の平行なSiO2 膜など
の誘電体薄膜ストライプを形成し、ダブルヘテロ(D
H)構造をMOVPE法により選択成長すると、ストラ
イプに挟まれた部分は表面が平坦な(100)面、側面
が平滑な(111)B面であるリッジ状に成長するた
め、活性層をメサエッチングなどの均一性に欠ける手法
を用いずにSiO2 のパターニングだけで決定できる。
このため、大面積ウエハを用いた均一性、再現性に優れ
た一括成長/プロセスにより素子を作製でき、活性層を
選択成長で形成することによる利点を最大限引き出すこ
とができる。
According to the method of the present invention, two parallel dielectric thin film stripes such as a SiO 2 film are formed in the [011] direction on the surface of a semiconductor substrate having a (100) orientation, and the double hetero (D) is formed.
H) When the structure is selectively grown by the MOVPE method, the portion sandwiched by the stripes grows in a ridge shape having a flat (100) surface and a smooth (111) B surface, so that the active layer is mesa-etched. It can be determined only by patterning of SiO 2 without using a method lacking in uniformity such as.
Therefore, devices can be manufactured by batch growth / process excellent in uniformity and reproducibility using a large-area wafer, and the advantage of forming the active layer by selective growth can be maximized.

【0010】[0010]

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0011】図1、図2は、本発明の光半導体素子の製
造方法の一実施例を示す埋め込みリッジ構造半導体レー
ザの断面図である。
FIGS. 1 and 2 are cross-sectional views of a semiconductor laser having a buried ridge structure showing an embodiment of a method for manufacturing an optical semiconductor device according to the present invention.

【0012】本実施例においては、(100)方位のn
型InP基板1に減圧MOVPE法によりSiドープn
型InGaAsP層9(1.29μm組成、層厚100
オングストローム、キャリア濃度1×1018cm-3)、
Znドープp型InP層5(層厚0.5μm、キャリア
濃度5×1017cm-3)、Siドープ型InP層6(層
厚0.5μm、キャリア濃度1×1018cm-3)を成長
する。
In this embodiment, n in the (100) direction
Type InP substrate 1 is doped with Si-doped n by a reduced pressure MOVPE method.
-Type InGaAsP layer 9 (1.29 μm composition, layer thickness 100
Angstrom, carrier concentration 1 × 10 18 cm -3 ),
Growing Zn-doped p-type InP layer 5 (layer thickness 0.5 μm, carrier concentration 5 × 10 17 cm −3 ) and Si-doped InP layer 6 (layer thickness 0.5 μm, carrier concentration 1 × 10 18 cm −3 ) I do.

【0013】次に、CVD法を用いてSiO2 膜21
(厚さ約2000オングストローム)を表面に堆積し、
フォトリソグラフィの手法を用いて幅10μm、間隔2
μmの2本のストライプを形成する(図1(a))。
Next, the SiO 2 film 21 is formed by CVD.
(About 2000 angstroms thick) on the surface,
Using photolithography technique, width 10 μm, spacing 2
Two μm stripes are formed (FIG. 1A).

【0014】次に、SiO2 膜21をマスクとして塩酸
(HCl)とリン酸(H3 PO4 )混合液を用いてn型
InP層6、p型InP層5をエッチングする(図1
(b))。
Next, the n-type InP layer 6 and the p-type InP layer 5 are etched using a mixture of hydrochloric acid (HCl) and phosphoric acid (H 3 PO 4 ) using the SiO 2 film 21 as a mask (FIG. 1).
(B)).

【0015】次に、減圧MOVPE法によりn型InP
クラッド層2(層厚1μm、キャリア濃度1×1018
-3)、InGaAsP活性層3(1.55μm組成、
層厚800オングストローム)、p型InPクラッド層
4(層厚0.5μm、キャリア濃度5×1017cm-3
を選択成長する(図1(c))。層厚はSiO2 膜に挟
まれた活性領域における値である。
Next, an n-type InP
Cladding layer 2 (layer thickness 1 μm, carrier concentration 1 × 10 18 c
m -3 ), InGaAsP active layer 3 (1.55 μm composition,
P-type InP cladding layer 4 (layer thickness 0.5 μm, carrier concentration 5 × 10 17 cm −3 )
Is selectively grown (FIG. 1C). The layer thickness is a value in the active region sandwiched between the SiO 2 films.

【0016】次に、活性領域を中心として幅6μmのス
トライプ状にSiO2 膜21を除去し、残されたSiO
2 膜21を用いて、p型InP層5(層厚2μm、キャ
リア濃度5×1017cm-3)、p+ 型InGaAsPキ
ャップ層7(層厚0.3μm、キャリア濃度1×1019
cm-3)を選択成長し(図2(d))、再び、全面に形
成したSiO2 膜21の活性領域上部のみを幅1.5μ
mのストライプ状に除去し(図2(e))、最後にp側
電極32およびn側電極33を形成して半導体レーザを
完成する(図2(f))。
Next, the SiO 2 film 21 is removed in the form of a stripe having a width of 6 μm around the active region.
The p-type InP layer 5 (layer thickness 2 μm, carrier concentration 5 × 10 17 cm −3 ) and the p + type InGaAsP cap layer 7 (layer thickness 0.3 μm, carrier concentration 1 × 10 19)
cm −3 ) (FIG. 2D), and again only the upper part of the active region of the SiO 2 film 21 formed on the entire surface has a width of 1.5 μm.
m (FIG. 2 (e)), and finally a p-side electrode 32 and an n-side electrode 33 are formed to complete the semiconductor laser (FIG. 2 (f)).

【0017】このレーザを共振器長300μmで評価し
たところ、しきい値電流は平均15mA、標準偏差0.
2mA、スロープ効率は平均0.3W/A、標準偏差
0.04W/Aであった。活性層幅は平均2.0μm、
標準偏差0.12μmであった。この結果は従来例の結
果に比べ改善されており、本発明を用いることにより、
素子特性の均一性が向上することが確認された。
When this laser was evaluated at a cavity length of 300 μm, the threshold current was 15 mA on average, and the standard deviation was 0.1 μm.
2 mA, the slope efficiency was 0.3 W / A on average, and the standard deviation was 0.04 W / A. The active layer width is 2.0 μm on average,
The standard deviation was 0.12 μm. This result is improved compared with the result of the conventional example, and by using the present invention,
It was confirmed that the uniformity of the device characteristics was improved.

【0018】以上のように大面積高均一成長が可能なM
OVPE成長を用いることにより、特性歩留りの高い、
低価格な半導体レーザを製造することが可能となる。
As described above, M which enables large area and high uniform growth
By using OVPE growth, high characteristic yield,
A low-cost semiconductor laser can be manufactured.

【0019】なお本実施例では活性層にバルクInGa
AsPを用いたが、量子井戸構造(MQW)を用いるこ
とにより一層の特性改善を図ることができる。
In this embodiment, the active layer is made of bulk InGa.
Although AsP is used, the characteristics can be further improved by using a quantum well structure (MQW).

【0020】また、本実施例において、Pnをすべて反
転した構造を採用しても、同様の特性改善を図ることが
できることは、言うまでもなく明らかなことである。
In this embodiment, it is obvious that similar characteristics can be improved even if a structure in which Pn is all inverted is adopted.

【0021】[0021]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光半導体
素子の製造方法を用いれば、活性層幅がSiO2 などの
誘電体薄膜のパターニングのみにより決まるため、均一
な活性層、導波路幅を有する素子を制御性よく作製する
ことができる。この方法で大面積ウエハを用いた一括成
長/プロセスを行うことにより、高特性の低価格半導体
レーザを高歩留りで作製することが可能となる。
As described above, according to the method for manufacturing an optical semiconductor device of the present invention, the active layer width is determined only by the patterning of a dielectric thin film such as SiO 2, so that the uniform active layer and waveguide width can be obtained. Can be manufactured with good controllability. By performing batch growth / process using a large-area wafer by this method, a low-cost semiconductor laser with high characteristics can be manufactured at a high yield.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の光半導体素子の製造方法の一実施例を
示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing one embodiment of a method for manufacturing an optical semiconductor device of the present invention.

【図2】本発明の光半導体素子の製造方法の一実施例を
示す断面図である。
FIG. 2 is a sectional view showing one embodiment of a method for manufacturing an optical semiconductor device of the present invention.

【図3】従来の光半導体素子の製造方法の一実施例を示
す断面図である。
FIG. 3 is a sectional view showing one embodiment of a conventional method for manufacturing an optical semiconductor device.

【図4】従来の光半導体素子の製造方法の一実施例を示
す断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing one embodiment of a conventional method for manufacturing an optical semiconductor device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 n型InP基板 2 n型InPクラッド層 3 活性層(量子井戸構造を含む) 4 p型InPクラッド層 5 p型InP層 6 n型InP層 7 p+ 型InGaAsPキャップ層 8 n型InGaAsPガイド層 9 n型InGaAsP層 21 SiO2 膜 31 プロトン注入領域 32 p側電極 33 n側電極Reference Signs List 1 n-type InP substrate 2 n-type InP cladding layer 3 active layer (including quantum well structure) 4 p-type InP cladding layer 5 p-type InP layer 6 n-type InP layer 7 p + type InGaAsP cap layer 8 n-type InGaAsP guide layer 9 n-type InGaAsP layer 21 SiO 2 film 31 proton injection region 32 p-side electrode 33 n-side electrode

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体基板上に、間に光導波路形成領域を
挟んで対向する2本の誘電体薄膜ストライプを形成する
工程と、誘電体薄膜ストライプ以外の半導体基板上に
電体薄膜ストライプより下部に活性層を含まない半導体
多層膜を積層する選択成長工程とを含む光半導体素子の
製造方法であって、 誘電体薄膜ストライプを形成する前に、エッチングスト
ップ層と電流ブロック層を形成する工程と、 誘電体薄膜ストライプをマスクとして電流ブロック層を
エッチングする工程と、 エッチング部分を基板と同伝導形の半導体で埋め込み成
長する工程とを付加することを特徴とする半導体素子の
製造方法。
Induced to 1. A semiconductor substrate, forming a two dielectric thin film stripes to opposite sides of the optical waveguide forming region between, on the semiconductor substrate other than the dielectric thin film stripes
Semiconductors that do not include an active layer below the dielectric thin film stripe
Selective growth step of laminating a multilayer film.
A method for forming an etching stop layer and a current blocking layer before forming a dielectric thin film stripe; a step of etching the current blocking layer using the dielectric thin film stripe as a mask; and A step of burying and growing the semiconductor with the same conductivity type.
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