JP2935415B2 - 半導体構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は半導体構造に関す
る。特に、半導体レーザ等の光学電子素子に関する。 【０００２】 【従来の技術】ある種の光学電子素子は、半導体基板上
にメサ構造が設けられ、このメサ構造の両側に埋め込み
層が設けられた中心構造をもつ。このような素子は、ミ
カミ他、「1.5 μｍ GaInP/InP ベリイド・ヘテロスト
ラクチャー・レーザ・ファブリケーテド・バイ・ハイブ
リッド・コンビネーション・オブ・リキッド−・アンド
・ベーパ−フェーズ・エピタキシ」、エレクトロニクス
・レターズ第１８巻第５号（１９８２年３月４日）第２
３７頁ないし第２３９頁 (O.Mikami et al, "1.5μm Ga
InP/InP Buried Heterostructure Lasers Fabricated b
y Hy-brid Combination of Liquid- and Vapour-Phase
Epitaxy", Elec-tronics Letters, 18(5)(4.3.82) pp 2
37-239)に説明されている。ここで「メサ構造」とは、
側面が急峻で上面が平坦な直線状のストライプをいう。 【０００３】このような素子は、電流が通過するｐｎ接
合（一般にはｐからｎに流れる）と、光が閉じ込められ
る導波領域とを備える。導波領域は「活性層」を含み、
その内部で、放射性再結合により電子と正孔とが結合し
て光子を発生する。活性層のこのようなプロセスを適度
に「閉じ込め」るために、活性層は、そのバンドギャッ
プおよび屈折率が構造内の他の半導体領域に対して適当
な関係になっている必要がある。導波領域の両側で向か
い合ってこの導波領域に接している材料層は、「閉じ込
め層」と呼ばれている。 【０００４】半導体光素子は、主に、光ファイバ通信シ
ステムの分野で利用される。一般には、周期表の３族お
よび５族から選択された元素の材料により構成される。
近年製造されているシリカ光ファイバは、損失の極小値
が１．３μｍおよび１．５５μｍの波長近傍にあり、
１．５５μｍの極小値がより小さい。したがって、１．
１ないし１．６５μｍ、特に１．３ないし１．６μｍの
波長範囲で動作する素子が特に必要である（これらの波
長は、文脈から異なることが示される場合を除いてすべ
ての波長がそうであるように、真空中の波長である）。
この赤外領域で動作する半導体レーザは、通常は、イン
ジウム・リンＩｎＰおよび四元系材料のインジウム・ガ
リウム・ヒ素リンＩｎ_x Ｇａ_1-x Ａｓ_y Ｐ_1-y の領域を
含む。ｘおよびｙの値を適切に選択することにより、種
々の領域と格子定数を整合させることができ、この一方
で、材料のバンドギャップを変化させることができる
（バンドギャップは、例えばホトルミネッセンスにより
実験的に決定することができる）。さらに、インジウム
・リンおよび四元系材料には、必要に応じてｐまたはｎ
型になるように不純物を添加できる。 【０００５】公知の素子のうち最上部にメサ構造が設け
られた半導体レーザについて説明すると、このような半
導体レーザは、メサ構造内に活性層を有する。メサ構造
の電極は、基板のメサ構造から最も離れた端面に設けら
れる。必要な「閉じ込め」は、鉛直方向には半導体材料
の屈折率の変化により光学的に提供され、水平方向には
埋め込み層により光学的および電気的に提供される。埋
め込み層は、電極間のすべての電流がメサ構造を通過
し、したがって活性層を通過するようにする。ひとつの
形態として、埋め込み層が、素子の使用時には電極間の
電流を導通しない半導体接合となるようにする。 【０００６】電極間の半導体層がｐｎ接合により構成さ
れ、埋め込み層が、基板との組み合わせにより同じ方向
にｎｐｎ接合を構成する場合には、良好な電気的閉じ込
めが達成される。使用時には、埋め込み層および基板
は、双方向に、逆バイアスとなる半導体接合を含む。こ
の代わりに、埋め込み層および基板が、一方向または双
方向に多重に逆バイアスされる半導体接合となる構造と
してもよい。 【０００７】他の形態として、埋め込み層が「半絶縁」
材料、例えば鉄ＦｅがドープされたＩｎＰを含むことも
できる。このような材料は、例えばドープされていない
ＩｎＰに比較して大きな抵抗を有する。この形態におけ
る埋め込み層は、実質的に完全に電流の流れを防ぎ、低
容量である利点がある。低容量であることにより素子の
速度が増加する。 【０００８】従来は、このタイプの素子は、液相エピタ
キシ（ＬＰＥ）法により製造されていた。しかし、この
技術は、溶融体内での対流、埋め込み層の厚さの制御が
不正確であること、製造中のメサ構造が溶け出すこと等
の問題がある。これらの問題により、特に、大きな領域
での均一性を保つことができず、この技術で大量生産を
行うことは容易ではない。 【０００９】ミカミ他の論文には、抵抗性の埋め込み層
を含む素子の製造方法が開示されている。メサ構造を構
成する層は、ＩｎＰおよび四元系の層を含み、ＬＰＥに
より半導体ウェハ上に成長し、窒化ケイ素Ｓｉ₃ Ｎ₄ の
マスク・ストライプの両側を化学エッチングすることよ
りメサ構造が形成される。埋め込み層は高抵抗のインジ
ウム・リンＩｎＰで構成され、メサ構造の両側に、気相
エピタキシ（ＶＰＥ）により成長させられる。ＶＰＥ成
長の段階ではＳｉ₃Ｎ₄ ストライプは残っており、メサ
構造自身の表面における成長を防ぎ、この後に除去され
る。 【００１０】ミカミ他により製造された二つのレーザの
特性は、 １． 活性層の厚さ0.2 μｍ、 活性層の幅４μｍ、 パルスしきい電流が約８５ｍＡ、 ２． 活性層の厚さ０．２μｍ、 活性層の幅１０μｍ、 パルスしきい電流は約８００ｍＡないし５００ｍ
Ａ、 波長１．５２５μｍで単一縦モード出力 であると主張されている。 【００１１】ミカミ他のＬＰＥ−ＶＰＥハイブリッド技
術は、製造中におけるメサ構造からの溶け出しの問題を
解決できるが、まだ欠点が残っている。ＬＰＥ成長の工
程を含むため大量生産に適さず、埋め込み層内に大きな
漏れ電流が観測され、Ｓｉ₃Ｎ₄ ストライプの幅が狭い
ときには、埋め込み層が架橋してしまう傾向がある。 【００１２】別の成膜技術として有機金属気相エピタキ
シ（ＭＯＶＰＥ）が公知であり、この技術は素子の大量
生産に有望である。この技術は、原子的なスケールでの
界面の急激な変化、正確な組成制御および大きな領域に
わたる厚さおよび組成の均一性という強く望まれている
特徴を組み合わせて提供する。 【００１３】 【発明が解決しようとする課題】残念ながら、ミカミの
技術におけるＬＰＥ・ＶＰＥ成長工程をＭＯＶＰＥ工程
で単純に置き換えることの可能性は見出されていない。
これが可能ならば、埋め込み層の逆バイアス接合により
さらに電流閉じ込めの良好な構造を作ることができ、さ
らに、大きな出力パワーが得られる。メサ構造の層を成
長させるためにＭＯＶＰＥを使用できるが、ミカミの技
術では、埋め込み層の連続的成長がＶＰＥの成長特性に
依存する。ミカミの技術における化学エッチング工程
は、断面形状が特徴的なメサ構造を作り出す。ＭＯＶＰ
Ｅを使用し、そのようなメサ構造上に埋め込み層を成長
させると、埋め込み層が横に成長するのではなく、イン
ジウム・リンＩｎＰの「耳」が直立に成長してしまい、
メサ構造の側面を連続的に被覆することができない。 【００１４】低圧「有機金属化学気相成長（ＬＰ−ＭＯ
ＣＶＤ）」エピタキシャル成長工程だけを用いて埋め込
みメサ構造のレーザを製造する方法の概略が、「ベリイ
・ロー・スレッショルド・ベリイド・リッジ・ストラク
チャ・レーザズ・エミッティング・アト１．３μｍグロ
ウン・バイ・ロー・プレッシャ・メタルオーガニック・
ケミカル・ベイパ・デポジッション」、エム・ラゼギ
他、アプライド・フィジクス・レターズ第４６巻（２）
（１９８５年１月１５日）第１３１頁ないし第１３３頁
（"Very Low Threshold Buried Ridge Structure Laser
s Emittingat 1.3μm Grown by Low Pressure Metalorg
anic Chemical Vapour Deposition" by M.Razeghi et a
l, Applied Physics Letters, 46 (2)(15.1.85) pages
131-133)に説明されている（ＭＯＣＶＤはＭＯＶＰＥの
別な用語である）。この方法は、ＩｎＰ基板上に、ｎ型
にドープされたＩｎＰ閉じ込め層と、ドープされていな
いＧａＡｓＩｎＰ活性層と、エッチング中に活性層近傍
に欠陥が生じることを防ぐためのｐ型にドープされたＩ
ｎＰ層とを成長させる工程を含む。マスクを用いたエッ
チングにより、活性層を小さくしてメサ構造に形成す
る。マスクを除去した後に、メサ構造をｐ型にドープさ
れたＩｎＰ層およびｐ型にドープされたＧａＩｎＡｓキ
ャップ層で覆う。 【００１５】上述の方法では、すべての成長工程を低圧
ＭＯＶＰＥにより実行するため、大量生産に有利であ
る。さらに、ひとつの成長技術だけを利用するので非常
に便利である。しかし、製造された素子は、活性領域の
両側の大面積のｐｎヘテロ接合と、活性領域自身の比較
的小さい領域を通過するｐｎヘテロ接合との間に生じる
本来的な電位差に依存するか、または、さらに複雑な製
造プロセスを含む。連続発振動作で観測された最も小さ
いしきい電流が１１ｍＡであったことが述べられている
が、２６９素子について測定して得られた値は、１７．
９ｍＡ以上５０．０ｍＡ以内の範囲で変化した。これら
の素子の４４．６％はしきい電流が４５ｍＡを越えてい
た。さらに、光パワー放射はたった１５ｍＡ程度であっ
た。 【００１６】本発明は、すべての成長工程を有機金属気
相エピタキシにより実行することのできる改善された半
導体構造を提供することを目的とする。 【００１７】 【課題を解決するための手段】本発明の半導体構造は、
メサ構造が設けられた基板を備え、このメサ構造の最上
層がインジウム・リンＩｎＰにより形成された半導体構
造において、メサ構造の側面は実質的に窪みの無い形状
であり、側面は埋め込み層により埋め込まれ、これらの
埋め込み層の最上面はメサ構造の最上面から上方に伸び
て朝顔状の溝を形成する構造であり、埋め込み層は有機
金属エピタキシにより形成された形状的特徴をもつ層で
あることを特徴とする。 【００１８】本明細書では、構造または素子の特定の方
向を意味する「上」等の用語を用いて構造および素子を
説明する。このような用語の使用は説明の便利のためで
あり、構造または素子の特定の方向を制限するものでは
ない。 【００１９】本発明の半導体構造は、メサ構造の最上部
の材料としてインジウム・リンＩｎＰを設けたままで、
すべての成長工程にＭＯＶＰＥを使用して製造できる利
点がある。インジウム・リンＩｎＰは特に良好な光学的
および電気的な閉じ込め特性を示す。 【００２０】ＭＯＶＰＥにより埋め込み層を成長させる
ために、メサ構造の側面が実質的に窪んでいないことが
重要である。特に、メサ構造の最上層は、側面に〔１１
１〕Ａ面が現れないことが望ましい。双方の側面のどの
部分も、メサ構造の最上面の幅の１０％以上に側面から
張り出す（オーバハングとなる）べきではない。さらに
望ましくは、どのようなオーバハングもメサ構造の最上
面の幅の５％以上になってはならず、または、オーバハ
ングが無く、メサ構造の側面が垂直または最上面に向か
って細くなる形状でなければならない。 【００２１】このような半導体構造を製造するには、
〔ｉ〕インジウム・リンInP の最上層を含む半導体ウェ
ハ上に有機金属気相成長を抑制する成長抑制材料の層を
堆積させる工程と、〔ｉｉ〕上記成長抑制材料を選択的
にエッチングして、上記ウェハの〈１１０〉結晶方向に
上記成長抑制材料のストライプを形成する工程と、〔ｉ
ｉｉ〕上記ストライプの下に、実質的に窪みのない側面
を有するメサ構造を形成する工程と、〔ｉｖ〕有機金属
気相エピタキシにより埋め込み層を成長させて上記メサ
構造の側面を埋める工程と、〔ｖ〕上記成長抑制材料の
ストライプを除去する工程とを含むことがよい。 【００２２】このようにして初期半導体構造を製造する
ことにより、成長抑制材料のストライプを自己配置（セ
ルフ・アライン）により製造でき、メサ構造上の中央に
配置することができる。 【００２３】成長抑制材料としては、例えばシリカを用
いる。 【００２４】成長抑制材料は、その幅がメサ構造の最上
面の幅と実質的に等しいことが望ましい。これは、埋め
込み層の成長に有利である。例えば、ストライプは、そ
の幅がメサ構造の最上面の幅より０．４μｍ以上は広く
ないように、またはメサ構造の最上面の幅より狭くす
る。 【００２５】ある場合には、成長抑制材料のストライプ
を実現することが困難である。シリカ等のある種の材料
では、その表面の成長抑制特性を増大させる方法とし
て、６００℃以上７００℃以下の範囲の温度で少なくと
も１分間、ホスフィンＰＨ₃ の存在下に上記表面を置く
方法が提案されている。この方法では、処理時間を３分
または５分以上にすることが望ましい。 【００２６】上述の〔ｉｉ〕および〔ｉｉｉ〕の工程を
実行するには一以上の方法がある。第一の方法は、
（ａ）成長抑制材料の層の上にレジスト材料のマスクを
形成する工程と、（ｂ）このマスクを用いて、このマス
クがアンダカットされるように成長抑制材料の層をエッ
チングする工程と、（ｃ）マスクのアンダカットされた
部分が落下して半導体ウェハに接するように、マスクの
レジスト材料を溶融再固化する工程と、（ｄ）レジスト
・マスクを用いて半導体ウェハの基板をエッチングして
メサ構造を形成する工程と、（ｅ）レジスト材料のマス
クを除去する工程とを含む。 【００２７】第二の方法は、（ｆ）成長抑制材料の層上
にレジスト材料のマスクを形成する工程と、（ｇ）記成
長抑制材料の層をレジスト材料のマスクにより選択的に
エッチングして二層マスクを形成する工程と、（ｈ）こ
の二層マスクを用いて半導体ウェハをエッチングしてメ
サ構造を形成する工程と、（ｉ）レジスト材料のマスク
を除去する工程とを含み、〔ｉ〕の工程の前に、ウェハ
の最上面を酸化させてこのウェハの最上面と有機金属成
長抑制材料との間に生じる界面の完全性を劣化させる。 【００２８】酸化は酸化性の気体または混合気体、例え
ば窒素Ｎ₂ と酸素Ｏ₂ との混合気体をウェハの最上面上
に流すことにより実行される。 【００２９】本発明の特に重要な応用は、単一伝搬モー
ドで動作するレーザの製造である。これらのレーザは、
光通信システムにおいて非常に重要である。このような
レーザを本発明の方法により製造された半導体構造から
製造でき、メサ構造の最上面の幅を５μｍ以下に制限す
ることができる。 【００３０】本発明の実施例について、単一伝搬モード
の半導体レーザおよびその製造方法を例に、添付図面を
参照して説明する。 【００３１】 【発明の実施の形態】図１ないし図５は埋め込み型ダブ
ル・ヘテロ構造の半導体レーザを製造するための方法を
説明する図であり、図６は最終的に得られる構造を示
す。これらの図はそれぞれ、ウェハの一部だけを示し、
その部分を使用するひとつのレーザだけの製造の段階を
示す。これらの図は寸法通りではない。どの図面も断面
を示しているが、明確のためにハッチングは省略した。 【００３２】図６を参照すると、完成したレーザは、基
板２上に層状のメサ構造３、４、５を備える。メサ構造
３、４、５の側壁は、最上面１５に向かって傾斜してい
る。これらの側壁は埋め込み層８、９により埋め込ま
れ、埋め込み層９の最上面１７はメサ構造の最上面１５
から上方向に伸びて朝顔形の溝を形成する。 【００３３】図１はレーザの製造に使用するためのダブ
ル・ヘテロ構造ウェハを示す。レーザの製造の第一段階
は、このダブル・ヘテロ構造のウェハ１を製造すること
である。ベース層２は、イオウＳがドープされた厚さ２
００μｍ、結晶面が〔１００〕のＩｎＰ層であり、その
ｎ型ドーピング・レベルは約８×１０¹⁸ｃｍ^-3である。
ベース層上には、以下の三つの層３、４、５、すなわ
ち、ほぼ２×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型にイオウＳがドープさ
れた厚さ０．５μｍのＩｎＰ層３、０．１４μｍのドー
プされていないＧａＩｎＡｓＰ層４、およびほぼ５×１
０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型にカドミウムＣｄがドープされたＩｎ
Ｐ層５を成長させる。ＧａＩｎＡｓＰ層４のバンドギャ
ップは、ホトルミネッセンスにより測定され、１．５２
μｍと等価である。層３、４、５は格子が整合してお
り、通常の成長条件でＭＯＶＰＥにより成長させた。 【００３４】図２は図１に示したウェハから初期半導体
構造を製造する方法を説明する図であり、（ａ）〜
（ｆ）により各工程を示す。 【００３５】図２（ａ）を参照すると、五番目の層６と
して二酸化ケイ素ＳｉＯ₂ の層を堆積させている。この
層は、化学気相成長（ＣＶＤ）によるシランＳｉＨ₄ と
酸素Ｏ₂ との混合気体の反応により、１００ｎｍないし
３００ｎｍの厚さに成長させている。この成長は４５０
℃で実施される。 【００３６】図２（ｂ）を参照すると、ウェイコートＷ
４３（Ｗａｙｃｏａｔ Ｗ４３）というネガ型ホトレジ
ストを用いて、ウェハ１に対して〈１１０〉方向に伸び
る幅５μｍのストライプを含むマスク７を形成する。マ
スク７を通常の方法により露光および現像し、この後
に、次の工程でレジストが持ち上がらないように、１５
０℃で４５分間ベーキングする。 【００３７】図２（ｃ）を参照すると、マスク７を用い
て、秒読み「サイロクス・エッチング（silox etch）」
により、二酸化ケイ素ＳｉＯ₂ （シリカ）をエッチング
する。エッチングは等方的であり、アンダカットと深さ
との比が１：１にアンダカットされる。マスク７は透明
であり、顕微鏡により周期的に観測することによりマス
ク７の下に残っているシリカの量を決定することがで
き、シリカ・ストライプ１６が１μｍ幅になるまでエッ
チングを続ける。このエッチング剤によりシリカだけが
エッチングされ、下の層は影響を受けない。エッチッグ
直後に、標本をデシケータ内に１０℃で少なくとも半日
間置き、アンダカットされたレジストの下に閉じ込めら
れた水を除去する。これを実施せずに水が残った場合に
は、次の処理段階の後にレジストの端部が不均一にな
る。 【００３８】図２（ｄ）を参照すると、１μｍ幅のシリ
カ・ストライプ１６を密封するため、この標本を１５０
℃で５分間加熱する。これによりホトレジスト・マスク
７のストライプが軟化して流れ、アンダカットの部分が
半導体表面上に落下し、ＳｉＯ₂ ストライプ１６を密封
し、実効的なマスク幅を約５μｍに戻す。 【００３９】図２（ｅ）を参照すると、次の段階では、
溶融再固化したホトレジストをマスク７′として用い
て、メサ構造のエッチングを行う。ウェハ基板の四元系
層がメサ構造内の活性層を形成する。メサ構造の側部を
滑らかにする必要がある。こうすると、継続する成長の
信頼性および再現性を増大させることができる。さら
に、滑らかな側部により、完成後のレーザの性能が改善
される。メサ構造の側部を滑らかにするために、活性層
を含むダブル・ヘテロ構造ウェハの異なる層２、３、
４、５を、実質的に等しい速度でエッチングするエッチ
ング剤を用いるべきである。本方法では、２０℃のメタ
ノールに臭素を ０．２％溶解させたものを用いるが、
他のエンチング剤、例えば酢酸に臭素を溶解させたもの
を使用することもできる。これにより、活性層４の高さ
の肩状部が比較的小さいメサ構造が形成される。 【００４０】エッチング中にホトレジスト・マスク７′
がアンダカットされ、その量を再び顕微鏡を使用して監
視する。メサ構造の最上面１５が幅１．２μｍないし
１．５μｍの範囲になるまでエッチングを続ける。この
寸法範囲は、完成したレーザの正しい動作のために必要
である。 【００４１】ＳｉＯ₂ のストライプ１６およびメサ構造
の寸法は変更することができるが、望ましくは、信頼性
のために、ＳｉＯ₂ のストライプ１６の幅は、メサ構造
の最上面１５の幅と１．４μｍを越えて異なるべきでは
ない。 【００４２】メサ構造のエッチングにレジスト・マスク
７′を使用すると、シリカ・マスクとは対照的に、レジ
スト・マスク７′がウェハの材料に強く発着するわけで
はないので、傾斜したメサ構造が形成されると考えられ
る。シリカ・マスクを使用した場合には、側面が大きく
窪んだメサ構造が形成される傾向がある。上記のホトレ
ジスト材料以外のレジスト材料でも満足できるだろう。
ただし、シリカ・ストライプ１６を密封するために、加
熱または他の方法により、レジスト・マスク７の材料を
溶融再固化できなければならない。 【００４３】図２（ｆ）を参照すると、メサ構造をエッ
チングした後に、ホトレジスト・マスク７′を除去す
る。この除去は、インダスト・リ・ケム・ラボラトリ製
レジスト・ストリップ Ｊ１００（Indust-Ri-Chem Lab
resist strip J100）およびメタノールを用いて行い、
シリカ・ストライプ１６をそのまま残す。次にこの標本
を硫酸Ｈ₂ ＳＯ₄ を用いて洗浄し、イオンを除去した水
でリンスし、送風乾燥させた。この段階の標本を初期半
導体構造と呼び、この上に埋め込み層を成長させる。初
期半導体構造はメサ構造が設けられた基板であり、メサ
構造上の中央にシリカのストライプ１６が設けられてい
る。 【００４４】図３は初期半導体構造を製造する別の方法
を説明する図であり、（ａ）〜（ｆ）により各工程を示
す。 【００４５】この場合にも、図１に示したダブル・ヘテ
ロ構造のウェハ１から開始する。この第二の方法では、
最初の段階にウェハの最上面を酸化し、この後に成長抑
制材料のシリカとの間に生じる界面を無効にする。 【００４６】表面を酸化させるために、ウェハ１上に数
分間、一般には１０分以下の間、窒素および酸素の混合
気体を流す。１部の酸素Ｏ₂ に窒素Ｎ₂ を約５部混合し
た気体が適しているが、気体を流す時間および混合比は
相互に依存し、その組み合わせは一般に実験により定め
られる。例えば、酸素Ｏ₂ の比率が非常に小さいときに
有効であるかもしれない。 【００４７】図３（ａ）を参照すると、標本に影響しな
いように、ウェハ１の酸化された最上面に直接に０．２
７μｍのシリカ６を堆積させる。 【００４８】図３（ｂ）を参照すると、ウェイコートの
ネガ型ホトレジストを再び用いて、ウェハ１に対して
〈１１０〉方向に伸びるストライプを含むマスク７を形
成する。この場合には、ストライプの幅は５μｍ以下、
例えば４ないし４．５μｍとし、メサの深さが１．５μ
ｍになるようにする。この後に、シリカ層６のエッチン
グに先立って、上述したようにマスクをベーキングす
る。 【００４９】図３（ｃ）を参照すると、マスク７を用い
てシリカ層をエッチングし、二層マスク１６、７を形成
する。 【００５０】図３（ｄ）を参照すると、この段階で、上
述したように臭素Ｂｒの２％メタノール溶液を用いてエ
ッチングする。エッチングは、所望の深さが得られるよ
うに、あらかじめ選択された時間にわたり実行する。こ
の結果、メサ構造が二層マスク１６、７を保持し、マス
クがメサ構造の側面に張り出す （オーバハングとな
る） 。 【００５１】張り出したシリカによりレーザ製造の後の
段階で困難が生じるので、これを除去する。最初に、レ
ジスト・マスク７がシリカ・ストライプ１６に密着する
ように標本を再びベークするが、レジスト・マスク７の
プロファイルには特別の変化はない。この後に、張り出
したシリカをこのシリカが表面に出ている下側からエッ
チングするに十分な時間にわたり、標本を緩衝剤が添加
されたフッ化水素ＨＦに浸す。 【００５２】図３（ｅ）を参照すると、上述のようにし
て張り出したシリカをエッチングすることにより、シリ
カ・ストライプ１６の幅をメサ構造の最上面１５の幅よ
りわずかに狭くする。ストライプ１６の側面は、レジス
ト・マスク７に向かって外側に傾斜している。この傾斜
の特徴は、レジスト・マスク７をシリカ・ストライプ１
６に密着させる再ベーキングの結果であり、この後に埋
め込み層を成長させるときに有利である。 【００５３】図３（ｆ）を参照すると、張り出したシリ
カをエッチングした後に、インダスト・リ・ケム・ラボ
ラトリ製レジスト・ストリップＪ１００およびメタノー
ルを用いてレジスタ・マスク７を除去する。これによ
り、上部にシリカのストライプ１６が設けられたメサ構
造が残り、エッチング端の部分には、メサ構造の最上面
１５が少し表面に現れている。 【００５４】比較的浅いメサ構造をエッチングするよう
な異なる条件では、シリカ・ストライプ１６はメサ構造
からそれほど張り出しておらず、張り出した材料を除去
するための上述のエッチング工程は必要ない場合もあ
る。シリカ・ストライプ１６がメサ構造から少し張り出
している場合でも、埋め込み層８、９を適切に成長させ
ることができることがわかった。すなわちシリカ・スト
ライプ１６は、埋め込み層８、９を成長させるときに、
メサ構造の近傍の空隙を拡大させることがない。実際上
は、シリカ・ストライプ１６の幅を０．４μｍ以下にす
るか、またはメサ構造の最上面１５の幅より狭くするべ
きである。 【００５５】初期半導体構造を作成する上述した二つの
方法、すなわち図２および図３をそれぞれ参照して説明
した方法のどちらでも傾斜したメサ構造が得られるが、
メサ構造の側壁が実質的に窪んでいないことだけが必要
である。例えば側面のどの部分も、メサ構造の最上面１
５の幅の１０％以上にオーバハングとなってはいけな
い。望ましくは、どのオーバハングもメサ構造の最上面
１５の幅の５％以上になってはいけない。メサ構造の側
壁がオーバハングとなっている場合には、その後のＭＯ
ＶＰＥ工程において、満足な埋め込み層を成長させるこ
とができない。 【００５６】図４は埋め込み層が成長した後の初期半導
体構造を含む半導体構造を示す。この工程では、初期半
導体構造上に、埋め込み層８、９、すなわち、ほぼ５×
１０¹⁷ｃｍ^-3にカドミウムＣｄがドープされた０．４
μｍの厚さのｐ型ＩｎＰ層８と、ほぼ１×１０¹⁷ｃｍ^-3
にイオウＳがドープされた０．８μｍの厚さのｎ型Ｉｎ
Ｐ層９とを二段階に成長させる。成長条件は通常のＭＯ
ＶＰＥと同じであるが、成長を開始する前に、標本をホ
スフィンＰＨ₃ の存在下で６５０℃で５秒間加熱する。
この処理は、１μｍ程度の幅でもＭＯＶＰＥ成長抑制材
料となるシリカの作用を増大させるためのものである。 【００５７】ホスフィンＰＨ₃ の存在下で標本を加熱す
る時間は、その条件により変化することに注意すべきで
ある。例えば、ホスフィンＰＨ₃ の濃度が増加した場合
には、時間を３分、さらには１分に減らす。 【００５８】得られた層８、９は、図４に示すように、
第一の層８がメサ構造の高さに達するように成長し、第
二の層９が、メサ構造の最上面１５のむきだしの部分
に、シリカ・ストライプ１６に隣接して成長する。しか
し、これが重要であるが、ホスフィンＰＨ₃ の存在下で
シリカ・ストライプ１６を処理したので、第二の層９が
メサ構造を覆うことはなく、ストライプ１６の両側に外
側に傾斜した端面１７が形成され、Ｖ型溝の底にストラ
イプ１６がむきだしのまま残される。 【００５９】シリカ・ストライプ１６は、埋め込み層
８、９の形成時に、その表面上のすべての成長を完全に
防ぐわけではないが、第二の埋め込み層９が朝顔状の溝
を形成する量に対して、シリカ・ストライプ１６を次の
工程で取り除くことができる程度の量である。 【００６０】図５は図４に示した構造を被覆した構造を
示す。埋め込み層８、９が完成したときに、シリカ・ス
トライプ１６を除去し、二つのエピタキシャル層、すな
わち被覆層１０、１１を成長させる。シリカ・ストライ
プ１６は、フッ化水素ＨＦの４０％水溶液内で除去さ
れ、二つの被覆層１０、１１は、それ以前のエピタキシ
ャル層と同様に、ＭＯＶＰＥにより成長する。このとき
にも通常の正常条件で実行する。被覆層１０、１１は、
ほぼ２×１０¹⁸ｃｍ^-3にカドミウムＣｄがドープされた
１μｍの厚さのｐ型ＩｎＰ 層１０と、ほぼ４×１０¹⁹
ｃｍ^-3に亜鉛Ｚｎがドープされた０．１５μｍの厚さの
ｐ型ＧａＩｎＡｓ層１１とを含む。 【００６１】図５に示されているように、被覆層１０、
１１は、その最上面が、メサ構造およびその隣接する埋
め込み層８、９の領域で平坦な面２０となっている。こ
の平坦な面２０の幅は、メサ構造の活性層の幅の３倍以
上になっている（平坦な面２０は、一般には上述した方
法により形成されるが、必ずしもこの方法により形成す
る必要はない） 。 【００６２】再び図６を参照すると、最終的なレーザ構
造は、メサ構造の上のシリカ層１２に電極窓１８を設
け、この窓１８とレーザの反対側の面とに電極１３、１
４、１９を設ける通常の工程により完成する。窓１８に
設けられた電極１３、１４は、スパッタリングにより形
成され、Ｐｔバリヤ層を含むＴｉＡｕトンネリング・シ
ョットキイ電極であり、この一方でレーザの反対側の面
の電極１９は、スパッタリングにより形成されたＴｉ−
Ａｕ合金電極である。 【００６３】この最終的なレーザ構造は、窓１８の電極
１３、１４にヒートシンク（図示せず）をろう付けする
ことにより、このヒートシンク上に取り付けられる。表
面２０が平坦であることから、ろう材の必要量は、電極
窓１８により形成された段差を埋める程度でよい。この
ようにして、ヒートシンクをメサ構造の半導体材料に近
接させることができる。 【００６４】以上の方法により製造されたレーザの典型
的動作特性の例を図７に示す。連続発振動作では、２０
℃において１５ｍＡのしきい電流が得られ、２８ｍＷの
出力パワーが得られた。パルス発振動作では、３９ｍＷ
の出力パワーが得られた。 【００６５】上述の方法により製造されたレーザをさら
に試験したところ、上述のしきい値に矛盾しない６Ωの
微分抵抗が測定され、注入電流が埋め込み層８、９を流
れることによる損失を無視できることが示された。これ
は、埋め込み層８、９のｐｎ接合の位置および完全性が
良好であることを直接に証明する。しきい電流の温度依
存性は、発振波長１．５μｍのＩｎＧａＰレーザに典型
的な５０Ｋの温度におけるＴｏ値により特徴付けられ、
測定されたこのレーザの外部量子効率は２０％であっ
た。接合面と直交する方向に３８°、平行方向に３２°
の円形に近い遠視野像が得られ、本発明の方法が導波路
の大きさを正確に制御できることを反映している。 【００６６】図８は完成したレーザの電流パルス変調に
対するパルス応答を示す。この測定は、テクトロニクス
社製Ｓ６サンプリング・ヘッドを使用して行った。図８
に示すように、２０ｍＡにバイアスし、２０ｍＡの電流
で変調された素子のパルス応答は、立ち上がり（１０
％）および立ち下がり（９０％）時間がそれぞれ７５０
ピコ秒および１ナノ秒であった。これは、少なくとも５
６５メガビット／秒の装置が可能であることを示す。 【００６７】本発明の方法を単一のレーザを製造する場
合を参照して説明したが、実際の製造時には、ダブルヘ
テロ構造の共通のウェハを用いて複数のレーザを製造す
ることができる。この方法による大面積化の可能性を研
究するために、レーザのメサ構造が２００μｍの周期で
並列に間隔をあけて設けられたウェハの４ｃｍ² の領域
から、ランダムに１０５個のレーザを選択した。個々の
レーザは、劈開およびスクライビングにより得られ、素
子の典型的な寸法は幅２００μｍ、長さ４００μｍであ
った。８１個のレーザが動作した。これらの８１個の動
作レーザについて、しきい電流Ｉ₀ の度数分布を図９に
示す。動作する素子の７０％以上、すなわち１０５個の
標本総数の５４％以上は、そのしきい電流が３０ｍＡ以
下であり、本方法の大規模均一性が明白である。 【００６８】以上の説明ではレーザの一つの構造につい
てのみ説明した。他の構造でも有効であるものもあり、
例えば、種々の層の厚さを変化させることもできる。特
に、最初の埋め込み層をより浅く成長させることによ
り、埋め込み層内のｐｎ接合の位置をメサ構造内のｐｎ
接合に近づけることができる。これは、現実には再現性
を得ることが困難となるが、活性層に対してより有効な
電気的閉じ込めを行うことができる。さらに、層数をよ
り少なくまたは多く設けることもでき、例えば、活性層
の上および下に四元系層を付加し、分布帰還格子を設け
ることができる。付加した層を用いて、埋め込み層内に
第二のｐｎ接合を設けることもできる。 【００６９】本発明では、メサ構造の最上面内に簡単に
波型を設けることができ、分布帰還レーザとして利用す
ることができる。また、半導体レーザだけでなく、光検
出器、光導波路等の素子構造としても用いることができ
る。 【００７０】 【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体構
造は、すべての結晶成長工程を有機金属気層エピタキシ
により実現するのに適した構造であり、大量生産に適し
ている。

【図面の簡単な説明】 【図１】レーザの製造に使用するためのダブル・ヘテロ
構造ウェハを示す図。 【図２】図１に示したウェハから初期半導体構造を製造
する方法を説明する図。 【図３】図１に示したウェハから初期半導体構造を製造
する別の方法を説明する図。 【図４】埋め込み層が成長した後の初期半導体構造を含
む半導体構造を示す図。 【図５】被覆層で被覆された図４の構造を示す図。 【図６】完成したレーザの構造を示す図。 【図７】完成したレーザのバイアス電流に対する出力パ
ワーをｍＷ単位で示すグラフ。 【図８】完成したレーザの電流パルス変調に対するパル
ス応答を示す図。 【図９】複数のレーザについて測定したしきい電流の度
数分布を示す図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ホッブス リチャード・イー 英国アイピー13 ６エイユー・サフォー ク・エヌアールウッドブリッジ・ブレド フィールド・パンプクローズ１番地 (72)発明者 デブリン ジョン・ダブリュー 英国アイピー２ ９エスエクス・イプス ウィッチ・ローワンヘイズクローズ15番 地 (72)発明者 レントン チャールズ・ジー・ディー 英国アイピー23 ７エイチゼッド・サフ ォーク・アイ・クランレイグランジ（番 地なし) (56)参考文献 特開 昭60−62180（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−157188（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/18 G02B 6/122 H01L 31/10

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．メサ構造が設けられた基板（２）を備え、 このメサ構造の最上層（５）がインジウム・リンＩｎＰ
   により形成された半導体構造において、 上記メサ構造の側面は上部よりも下部が細くなるような
   窪みを実質的に含まない形状であり、 上記側面は埋め込み層（８、9 ）により埋め込まれ、 これらの埋め込み層の最上面（１７）は上記メサ構造の
   最上面（１５）から上方に伸びて朝顔状の溝を形成する
   構造であり、 上記埋め込み層（８、９）は有機金属気相エピタキシに
   より形成された形状的特徴をもつ層であることを特徴と
   する半導体構造。 ２．メサ構造はその最上面（１５）の方向に先が細くな
   る構造である請求項１記載の半導体構造。 ３．メサ構造は活性層（４）を含む請求項１または２記
   載の半導体構造。 ４．活性層（４）はガリウム・インジウム・ヒ素リンを
   含む請求項３記載の半導体構造。 ５．基板（２）は少なくともひとつのインジウム・リン
   層を含む請求項１ないし４のいずれか記載の半導体構
   造。 ６．埋め込み層（８、９）はインジウム・リンを含む請
   求項１ないし６のいずれか記載の半導体構造。 ７．埋め込み型ヘテロ構造のレーザとして形成された請
   求項１ないし６のいずれか記載の半導体構造。