JP3007928B2 - 光半導体素子の製造方法 - Google Patents

光半導体素子の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光半導体素子の製造方法
に関し、特に有機金属気相成長法(MOVPE成長法)
によりダブルヘテロ構造部と埋め込み構造部とを製造す
る光半導体素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】光通信技術を用いた1Gbit/sec
以上の超高速大容量伝送システムが急速に進展してい
る。高速応答性および、長距離伝送を実現するため外部
変調方式が注目され一例として半導体光変調器等の開発
が進んでいる。更に、半導体レーザと光変調器を一括形
成した集積化素子への応用が期待されている。これらの
光半導体素子を作製する手段としてMOVPE法による
選択成長技術を用いることが非常に有効である。例え
ば、特開平4−303982号公報(公知例1)に示さ
れるように、MOVPE選択成長技術を用いると基板及
び成長層をエッチングすることが無くなる。
【0003】即ち、従来から行われているような成長層
の導波路幅をメサエッチングにより制御する場合では、
サイドエッチングなどによりメサ幅を十分に制御できな
いため、ウエハ内でのばらつきが生じる。ところが、M
OVPE選択成長技術を用いれば成長阻止用のマスクの
幅を変更することで容易にメサ幅を制御することがで
き、更に、エッチングによる基板、成長層へ与えるダメ
ージが無くなり、その結果、素子の均一性が向上し、素
子特性が改善できる。
【0004】図7は公知例1が示す光半導体素子の各製
造工程を示す断面図である。先ず、図7(a)に示すよ
うに、(100)方位のn型InP基板51の表面にC
VD法及び、PRの手法(フォトリソグラフィ技術)を
用いて開口領域53を有する2本の酸化膜(SiO2
ストライプマスク52(幅10μm、間隔2μm)を形
成する。そして、MOVPE法によりn型InPクラッ
ド層54、アンドープInGaAsP光吸収層55、p
型InPクラッド層56を選択成長し、ダブルヘテロ構
造部(以下、DH部と称する)57を構成する。
【0005】次に、図7(b)に示すように、DH部5
7の両脇の前記酸化膜ストライプマスク52を4μmづ
つ除去し、開口領域58を形成する。さらに、図7
(c)に示すように、残された前記酸化膜ストライプマ
スク52を用いて、p型InP埋め込み層59、p型I
nGaAsキャップ層60を選択成長し、埋め込み構造
部(以下、BH部と称する)61を構成する。最後に、
図7(d)に示すように、再び全面に形成した酸化膜6
2のBH部上部のみを、幅約7μmのストライプ状に除
去し、p側電極64及び、n側電極65を形成して光変
調器を作製する。
【0006】ところが、この手法でデバイスを作製する
場合、前述の埋め込み成長前の酸化膜除去(図7
(b))の際、DH部近傍のみを除去しているので最終
的なデバイス構造部63の膜厚に比べて酸化膜の外側の
膜厚は厚くなっている。これはデバイス側の成長が酸化
膜ストライプマスク52を除去したn型InP基板51
の表面から成長するのに対して、酸化膜ストライプマス
ク52の外側の領域では既に形成したn型InP層6
6、アンドープInGaAsP層67、p型InP層6
8の上に重ねて成長するためである。例えば、マスク幅
8μm、除去幅2μmの場合、約250nm厚くなる。
これはDH部の膜厚の約1/2に相当する。
【0007】そのため、前述の電極形成プロセス(図7
(d))におけるコンタクト露光の際、ガラスマスクを
デバイス領域に密着しようとした場合、ガラスマスクの
下面が外側の酸化膜の表面に当接されるため、デバイス
領域にガラスマスクが密着できなくなり、デバイス領域
においてマスクパターンが性格に転写されなくなり、塗
布したレジストがストライプ状に除去できないといった
いわゆる「抜け不良」、または正しい位置からずれた部
分を除去してしまうといったいわゆる「目合わせずれ」
等が生じるという問題点があった。このことにより、P
R処理再生回数が増え、作業効率も悪くなるという問題
も生じる。
【0008】この問題を解決するためにはデバイス領域
の膜厚に比べて酸化膜の外側の領域の膜厚を薄くしてデ
バイス領域にガラスマスクを密着させる必要がある。そ
の一手段として特開平01−007586号公報(公知
例2)に示すように埋め込み成長前にあらかじめ膜厚差
をつけておく方法がある。この公知例2は二重チャンネ
ルプレーナ埋め込みヘテロ構造(DC−PBH構造)レ
ーザをMOVPE法のみにより作製することを目的にし
ている。この製造方法について図を用いて説明する。
【0009】図8は公知例2が示すDC−PBH構造レ
ーザの各製造工程を示す断面図である。先ず、図8
(a)に示すように、n型InP基板71表面上にn型
InPクラッド層72、アンドープInGaAsP活性
層73、p型InPクラッド層74からなるDH部75
を形成したのち、酸化膜76を形成し、PRの手法を用
いて2本のストライプ状に酸化膜を除去し、エッチャン
トでDH層を深さ約2μmエッチングして溝を形成す
る。
【0010】次に図8(b)に示すように、酸化膜76
を溝に挟まれたメサ領域77の部分のみ残して除去し、
エッチャントで溝の外側の高さがメサの部分よりも約2
μm薄くなるようにエッチングする。溝の底の部分は溝
の外側よりさらに2μm低くする。そして図8(c)に
示すように、p型InPブロック層78、n型InPブ
ロック層79からなるブロック層80を選択成長するこ
とで、その後のメサ上部とブロック層上部とはほとんど
同じ厚さになる。最後に図8(d)に示すように、酸化
膜76を除去し、その後に埋め込み全面成長を行った後
は、その表面はほぼ平坦とされる。なお、81はp型I
nPクラッド層、82はp型InGaAsキャップ層、
83はp側電極、84はn側電極である。
【0011】この公知例2の手法を用いて公知例1の問
題点を解決しようとすれば、図7(b)において酸化膜
ストライプマスク52の外側の領域をエッチング(25
0nm以上)する必要がある。例えば、図9はこの解決
案の工程順を示す構造断面図である。先ず、図9(a)
は図7(a)と同様である。次に、図9(b)に示すよ
うに、全面に酸化膜91を形成し、酸化膜ストライプマ
スク52の外側の領域の酸化膜を除去し、露出した部分
を約300nmエッチングする。
【0012】次に、図9(c)に示すように、DH部5
7の上部及びDH部57の両脇の前記酸化膜91を4μ
mづつ除去する。除去後の酸化膜91の膜厚は臨界膜厚
以下にするため、350nmにする。その後の工程は図
7(c),(d)と同様である。この結果、埋め込み成
長が終わった時点でデバイス構造部63の膜厚に比べて
酸化膜ストライプマスク52の外側の領域の膜厚は約5
0nm薄くされることになる(図9(d))。この手法
を採用すれば、工数は増えるが公知例2で見られたよう
な問題点は解決することは可能である。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】ところが、公知例2か
ら導き出されたこの手法では成長層をエッチングする必
要があるために、MOVPE選択成長技術を利用する有
効性、すなわち基板をエッチングせずダメージを与えな
いため歩留まりが向上するといった有効性が損なわれる
といった問題点が生じる。さらには、工数が増えること
により作業時間が長くなり、結果的に作業効率が悪くな
ってしまうといった問題点も生じる。
【0014】
【発明の目的】本発明の目的は、MOVPE選択成長技
術の有効性を損なうことなく、高い歩留りでかつ工数を
増加することなく光半導体素子の製造を可能にした製造
方法を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明の製造方法は、第
1導電型の化合物半導体基板上に酸化膜による2本の成
長阻止ストライプマスクを形成する工程と、前記マスク
で挟まれる内側の領域及び各マスクの外側の領域の前記
半導体基板上に第1導電型のクラッド層、光吸収層、第
2導電型のクラッド層を含むダブルへテロ構造部を有機
金属気相成長法により選択形成する工程と、形成された
前記ダブルへテロ構造部に隣接される前記マスクの内側
及び外側の両側部分を除去してそれぞれの側に開口領域
を形成する工程と、前記半導体基板上に全体を覆う埋め
込み構造部を有機金属気相成長法により選択成長するこ
とによって前記内側の領域での膜厚が前記外側の領域で
の膜厚よりも厚い埋め込み構造部を形成する工程と、前
記埋め込み構造部上に電極を形成する工程を有する。
【0016】また、本発明の製造方法では、第1導電型
の化合物半導体基板上に第1の幅領域と、これよりも大
きな第2の幅領域と、これらの間で連続するテーパ状の
第3の幅領域とが長さ方向に形成された2本の成長阻止
ストライプマスクを形成する工程と、前記マスクで挟ま
れる内側の領域及び各マスクの外側の領域の前記半導体
基板上に第1導電型のクラッド層、光吸収層、第2導電
型のクラッド層を含むダブルへテロ構造部を有機金属気
相成長法により選択形成する工程と、形成された前記ダ
ブルへテロ構造部に隣接される前記マスクの内側及び外
側の両側部分を除去して前記マスクを一定幅としてそれ
ぞれの側に開口領域を形成する工程と、前記半導体基板
上に全体を覆う埋め込み構造部を有機金属気相成長法に
より選択成長することによって前記内側の領域での膜厚
が前記外側の領域での膜厚よりも厚い埋め込み構造部を
形成する工程と、前記埋め込み構造部上に電極を形成す
る工程を有する。
【0017】
【作用】ダブルヘテロ構造部を形成した後に、成長阻止
ストライプマスクとしての酸化膜のダブルヘテロ構造部
側と共にその反対側を除去をして開口領域を形成し、こ
の開口領域にMOVPE法の選択成長を行うことで、ダ
ブルヘテロ構造部の膜厚に対してその反対側の膜厚が大
きくなることが防止でき、その後のコンタクト露光を好
適に行うことが可能となる。
【0018】
【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。図1は本発明方法により形成された光半導体素子と
しての半導体光変調器の一実施例の断面図、図2は図1
の半導体光変調器の製造方法を工程順に示す断面図であ
る。図1に示すように、この半導体光変調器は、n型I
nP基板11と、その表面に選択的に形成された酸化膜
(SiO2 )ストライプマスク12と、DH部18を含
んで構成されるデバイス構造部24と、デバイス構造部
24の上面のみ開口して素子表面全体を覆う酸化膜23
と、p型電極25と、n型電極26とから構成されてい
る。
【0019】前記DH部18は、n型InPクラッド層
14と、アンドープInGaAsP光吸収層15と、ア
ンドープInGaAsPスペーサ層16と、p型InP
クラッド層17とで構成される。また、前記デバイス構
造部24は、前記DH部18を覆うp型InP埋め込み
層20と、p型InGaAsキャップ層21とを有して
いる。
【0020】そして、この構成では、同図から明らかな
ように、デバイス構造部24の膜厚に比べて、酸化膜ス
トライプマスク12の外側の領域の膜厚は薄くなってい
る。したがって、デバイス構造部の表面は確実にガラス
マスクに密着されることになり、電極を形成する際のコ
ンタクト露光を高精度に行うことができる。
【0021】図2を用いてその製造方法を説明する。先
ず、図2(a)に示すように、n型InP基板11上に
幅1.5μmの開口領域13を有する一対の酸化膜スト
ライプマスク12(幅8μm、膜厚350nm)を熱C
VD法、及びPRの手法により形成する。次に、開口領
域13にn型InPクラッド層14(キャリア濃度5×
1017cm-3、層厚100nm)、アンドープInGa
AsP光吸収層15(波長組成1.470μm、層厚2
50nm)、アンドープInGaAsPスペーサ層16
(層厚50nm)、p型InPクラッド層17(キャリ
ア濃度5×1017cm-3、層厚100nm)からなるD
H部18をMOVPE法により順次選択成長する。
【0022】次に、図2(b)に示すように、前記DH
部18の両側の酸化膜ストライプマスク12を約2μm
づつ、反対部分も約2μmづつ化学エッチングにより除
去し、開口領域19を形成する。次に、図2(c)に示
すように、p型InP埋め込み層20(キャリア濃度5
×1017cm-3、膜厚1.5μm)、p型InGaAs
キャップ層21(膜厚0.2μm)からなるBH部22
をMOVPE法により順次選択成長する。
【0023】最後に、図2(d)に示すように、全面に
酸化膜23(膜厚150nm)を形成し、図示は省略す
るガラスマスクを用いたコンタクト露光法によってデバ
イス構造部24の上面のみを、幅約2μmのストライプ
状に除去し、p側電極25、及びn側電極26を形成し
て図1の光変調器が完成される。
【0024】ここで、本実施例においては、図2(b)
の工程で酸化膜ストライプマスク12の除去幅をDH部
側とその反対側とも2μmとした。そして、ここでは図
7に示した従来の方法により、DH部の両脇のみエッチ
ングしたものと、デバイス構造部の膜厚と酸化膜ストラ
イプマスクの外側の領域の膜厚とを比較した。その結
果、両者の膜厚の差はDH部の膜厚と同程度ではなく、
その約1/2(250nm)の膜厚差になった。
【0025】これは、酸化膜ストライプマスク12上の
気相中の原料種の拡散の影響で、デバイス構造部の成長
速度が、酸化膜ストライプマスク12の外側の領域の成
長速度よりも速くなっているためである。したがって、
開口幅を両領域で等しくしておけば成長速度の差からデ
バイス構造部の膜厚の方が厚くなることがわかる。この
結果、酸化膜ストライプマスク12の外側の部分の開口
幅はDH部側と同程度にしておけば良いことがわかる。
【0026】このようにして開口幅を設定することで、
図1に示したように、デバイス構造部の膜厚が外側領域
の膜厚よりも小さくでき、後工程における電極形成に際
してのコンタクトPR処理の際に、ガラスマスクがデバ
イス領域に密着でき、プロセス歩留まりが向上するとい
う効果を得ることが可能となる。
【0027】次に、第2の実施例について説明する。図
3は本発明の第2の実施例の斜視図を示しており、この
素子は、半導体レーザ領域31と光変調器領域32、及
び両者の遷移領域33を一体的に有する半導体集積化素
子に本発明を適用した例である。ここでは、前記した第
1実施例において示したように、マスク幅により成長層
の組成や膜厚を自在に制御できることを利用して同一基
板上に幅の異なるマスクを連続して堆積させて、多重量
子井戸(MQW)構造を選択成長することでバンドギャ
ップエネルギの異なる半導体レーザの活性層と光変調器
の光吸収層を一体形成している。
【0028】この場合、このような素子では、第1実施
例で挙げたようなデバイス領域の膜厚に比べて酸化膜ス
トライプマスクの外側の領域の膜厚が厚くなるという問
題と同時に、半導体レーザ領域31と光変調器領域32
の間についても膜厚が異なることが問題となるが、本構
造に関しても埋め込み成長前の酸化膜のエッチングの幅
を調整することでデバイス構造部の膜厚を最も厚くする
ことが可能である。
【0029】図4は第2の実施例に用いる酸化膜のパタ
ーン例を示す。図4(a)に示すように、マスク幅の異
なるパターンを用いて開口領域42に半導体レーザの活
性層と光変調器の光吸収層を一括成長する。例えば、半
導体レーザ領域のマスク幅18μm、光変調器領域のマ
スク幅8μm、開口領域の幅1.5μmとする。
【0030】次に、図4(b)に示すように、酸化膜4
1を幅4μmのストレートマスクにする。このとき、光
変調器領域32の開口幅はDH部両脇の開口領域43、
反対側の開口領域44共に約2μmとする。そのため半
導体レーザ領域31の開口幅はDH部両脇の開口領域4
3で約2μm、反対側の開口領域44で約12μmとな
る。
【0031】この第2実施例の作製手順を図5及び図6
を用いて説明する。同図は各製造工程を示す斜視図であ
り、先ず、図5(a)に示すように、部分的に回折格子
112を形成したn型InP基板111上に、図4
(a)で示したような幅1.5μmの開口領域114を
有する一対の酸化膜マスク113(膜厚350nm)を
熱CVD法及び、PRの手法により形成する。
【0032】次に、図5(b)に示すように、開口領域
114にn型InGaAsPガイド層115(波長組成
1.130μm,キャリア濃度5×1017cm-3,層厚
100nm)、n型InPスペーサ層116(キャリア
濃度5×1017cm-3,層厚30nm)、アンドープI
nGaAsP−SCH層117(波長組成1.130μ
m,層厚40nm)、アンドープInGaAsPウェル
層118(波長組成1.550μm,層厚5nm)とア
ンドープInGaAsPバリア層119(波長組成1.
130μm,層厚10nm)からなる5層の多重量子井
戸(MQW)120、アンドープInGaAsP−SC
H層121(波長組成1.130μm,層厚60n
m)、アンドープInGaAsP−SCH層122(波
長組成1.050μm,層厚40nm)、p型InPク
ラッド層123(キャリア濃度5×1017cm-3,層厚
150nm)からなるDH部124をMOVPE法によ
り順次選択成長する。
【0033】次に、図6(a)に示すように、前記DH
部124の両側の酸化膜マスク113を図4(b)に示
すような形状に化学エッチングにより形成して、開口領
域125及び開口領域126を形成する。次に、図6
(b)に示すように、p型InP埋め込み層127(キ
ャリア濃度5×1017cm-3,膜厚1.5μm)、p型
InGaAsキャップ層128(膜厚0.2μm)から
なるBH部129をMOVPE法により順次選択成長す
る。
【0034】最後に、図3に示したように、全面に酸化
膜131(膜厚150nm)を形成し、ガラスマスクを
用いたコンタクト露光法によりデバイス構造部130の
上面のみを、幅約2μmのストライプ状に除去し、p側
電極132及び、n側電極133を形成して半導体集積
化素子を作製する。
【0035】この第2実施例の場合も開口領域126以
遠の埋め込み成長後の膜厚はデバイス構造部130より
も薄くなるのでガラスマスクの密着性には影響を与えな
い。したがって、デバイス構造部130の膜厚が最も厚
くなり、半導体集積素子においてもコンタクトPR処理
用のガラスマスクをデバイス領域に密着できる。
【0036】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、酸化膜に
よる2本の成長阻止ストライプマスクを形成した上でダ
ブルヘテロ構造部をMOVPE法により選択形成し、そ
の後に酸化膜のDH構造部側とその反対側を一部除去し
てそれぞれの側に開口領域を形成して全体を覆うBH構
造部をMOVPE法により選択形成しているので、BH
構造部の膜厚を反対側の膜厚よりも大きくでき、コンタ
クトPR処理用のガラスマスクをデバイス領域に密着す
ることが可能となる。
【0037】したがって、本発明によれば、公知例1の
場合と比べて電極形成プロセスが容易になり、作業時間
を短縮することが可能となる。例えば、従来では1日か
かっていた作業時間が実働約半日に短縮できる。具体的
には、コンタクト露光の時、目的の領域以外のフォトレ
ジストが除去されてしまう、いわゆる「目ずれ」が無く
なり、PR処理再生率(やり直し回数)が従来の50%
(2回に1回)から10%未満に減少した。
【0038】また、本発明によれば、公知例2の技術の
ような半導体表面をエッチングすることが無いため、制
御良くデバイス作製でき、基板面内で高均一で歩留まり
の高い素子を実現できる。
【0039】さらに、本発明によれば、公知例1の技術
に比較して、埋め込み成長前のPR用ガラスマスクのマ
スクパターンを変更するだけで良いため、工数を増やす
ことはない。また、この変更はDH部形成後の工程のた
め、DH部には全く影響を与えることはない。さらに、
埋め込み成長もInP層及び、コンタクトを目的とした
p型InGaAsキャップ層であることから微妙な組成
制御は必要なく、特性上問題は無いため、簡便で確実な
手法である。
【0040】また、本発明は、半導体光変調器と半導体
集積化素子等のように、選択成長技術を用いたMOVP
E法により形成する複数種類の素子を一体に構成した半
導体集積素子に適用した場合でも、前記した効果を得る
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の製造方法で形成された半
導体素子の断面図である。
【図2】本発明の第1実施例の製造方法を工程順に示す
断面図である。
【図3】本発明の第2実施例の製造方法で形成された半
導体素子の斜視図である。
【図4】本発明の第2実施例の製造に用いる酸化膜パタ
ーン例を示す図である。
【図5】本発明の第2実施例の製造方法のその1を工程
順に示す斜視図である。
【図6】本発明の第2実施例の製造方法のその2を工程
順に示す斜視図である。
【図7】従来から提案されている公知例1の技術を製造
工程順に示す断面図である。
【図8】従来から提案されている公知例2の技術を製造
工程順に示す断面図である。
【図9】本発明が検討した製造方法を工程順に示す断面
図である。
【符号の説明】
11 n型InP基板 12 酸化膜ストライプマスク 13 開口領域 14 n型InPクラッド層 15 アンドープInGaAsP光吸収層 16 アンドープInGaAsPスペーサ層 17 p型InPクラッド層 18 ダブルヘテロ構造部(DH部) 19 開口領域 20 p型InP埋め込み層 21 埋め込み構造部(BH部) 23 酸化膜 24 デバイス構造部 25 p側電極 26 n型電極 31 半導体レーザ領域 32 光変調器領域 33 遷移領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 3/18 H01L 21/30

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1導電型の化合物半導体基板上に酸化
    膜による2本の成長阻止ストライプマスクを形成する工
    程と、前記マスクで挟まれる内側の領域及び各マスクの
    外側の領域の前記半導体基板上に第1導電型のクラッド
    層、光吸収層、第2導電型のクラッド層を含むダブルへ
    テロ構造部を有機金属気相成長法により選択形成する工
    程と、形成された前記ダブルへテロ構造部に隣接される
    前記マスクの内側及び外側の両側部分を除去してそれぞ
    れの側に開口領域を形成する工程と、前記半導体基板上
    に全体を覆う埋め込み構造部を有機金属気相成長法によ
    り選択成長することによって前記内側の領域での膜厚が
    前記外側の領域での膜厚よりも厚い埋め込み構造部を形
    する工程と、前記埋め込み構造部上に電極を形成する
    工程とを含むことを特徴とする光半導体素子の製造方
    法。
  2. 【請求項2】 光半導体素子が半導体光変調器である請
    求項1に記載の光半導体素子の製造方法。
  3. 【請求項3】 第1導電型の化合物半導体基板上に第1
    の幅領域と、これよりも大きな第2の幅領域と、これら
    の間で連続するテーパ状の第3の幅領域とが長さ方向に
    形成された2本の成長阻止ストライプマスクを形成する
    工程と、前記マスクで挟まれる内側の領域及び各マスク
    の外側の領域の前記半導体基板上に第1導電型のクラッ
    ド層、光吸収層、第2導電型のクラッド層を含むダブル
    へテロ構造部を有機金属気相成長法により選択形成する
    工程と、形成された前記ダブルへテロ構造部に隣接され
    る前記マスクの内側及び外側の両側部分を除去して前記
    マスクを一定幅としてそれぞれの側に開口領域を形成す
    る工程と、前記半導体基板上に全体を覆う埋め込み構造
    部を有機金属気相成長法により選択成長することによっ
    て前記内側の領域での膜厚が前記外側の領域での膜厚よ
    りも厚い埋め込み構造部を形成する工程と、前記埋め込
    み構造部上に電極を形成する工程とを含むことを特徴と
    する光半導体素子の製造方法。
  4. 【請求項4】 第1の幅領域が半導体光変調器であり、
    第2の幅領域が半導体レーザ素子であり、第3の幅領域
    が遷移領域である請求項3に記載の光半導体素子の製造
    方法。
  5. 【請求項5】 前記マスクの外側の部分を除去する幅
    が、前記マスクの内側の部分を除去する幅よりも大きい
    請求項1ないし4のいずれかに記載の光半導体素子の製
    造方法。
  6. 【請求項6】 前記埋め込み構造部状に電極を形成する
    工程コンタクト露光法を用いる請求項1ないし5のい
    ずれかに記載の光半導体素子の製造方法。
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