JP3233958B2 - 半導体積層構造の製造方法 - Google Patents

半導体積層構造の製造方法

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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、半導体積層構造の製造
方法に関する。特には、光通信や光情報処理などに用い
られる光デバイスの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、化合物半導体を用いた電子・光デ
バイスを集積したPhotonicsIntegrat
ed Circuit(PIC)が関心を集めている。
PICを実現する要素技術の中で、結晶成長技術、特に
再成長技術は大きなウエイトを占めている。
【0003】再成長を行う上で最も障害になっているの
は、再成長界面の結晶品質の劣化である。通常の結晶成
長とは異なり、再成長前の結晶表面は、成長に適した表
面状態にすることが困難である。特に、結晶表面がAl
GaAsの場合、酸化や汚染の影響を受けやすく、良好
な再成長界面及び再成長結晶品質を得ることは容易では
ない。
【0004】分子線エピタキシー(MBE)による再成
長を用いて半導体レーザ(以下、LDとも略記)を製作
した例として、’Single Longitudin
al−Mode Selfaligned (AlG
a)As Double−Heterostructu
re Lasers Fabricatedby Mo
lecular Beam Epitaxy’(Jap
anese Journal of Apllied
Physics誌、第24巻、第2号、1985年、L
89頁〜L90頁に記載)がある。図4は、そのレーザ
製作工程を説明する模式図である。以下、これについて
簡単に説明する。
【0005】(100)GaAs基板400上に、n−
Al0.6Ga0.4Asクラッド層401(厚さ1.3μ
m)、アンドープAl0.15Ga0.85As活性層402
(厚さ0.1μm)、p−Al0.6Ga0.4As第1クラ
ッド層403(厚さ0.25μm)、n−GaAsキャ
リアブロック層404(厚さ0.5μm)、n−AlG
aAsサーマルエッチングストップ層405(厚さ0.
1μm)、n−GaAs層(厚さ0.2μm)をMBE
により積層する(図4(a))。次に、表面に幅3μm
の溝をウエットエッチングで形成する。エッチング深さ
は、硫酸系のエッチング液を用いることで、p−Al
0.6Ga0.4As第1クラッド層(厚さ0.25μm)4
03の途中で止まるように、エッチングを制御する(図
4(b))。次に、MBEチャンバにウエハを装填し、
As4(ヒ素分子線)を当てながら基板温度を740℃
に上昇させることで、GaAs層が蒸発(サーマルエッ
チング)する。この工程が従来例の最も特徴的な部分で
ある。この工程では、GaAsのみが蒸発し、AlGa
Asは蒸発しないため、溝外はサーマルエッチングスト
ップ層405で、そして溝内ではp−AlGaAs第1
クラッド層403でサーマルエッチングは停止する(図
4(c))。この工程の後、p−AlGaAs第2クラ
ッド層407(厚さ1.3μm)およびp−GaAsキ
ャップ層408(厚さ0.3μm)を積層する(図4
(d))。その後のデバイス化工程は通常のものと同じ
である。
【0006】
【発明が解決しようとしている課題】上記従来例の最も
大きな問題点は、この製造方法は特定の構造の半導体レ
ーザにのみ適用可能であるということである。従来例の
LD構造はいわゆる、自己整合型半導体LDと呼ばれる
もので、電流きょう窄と光のモード制御を同時に行うこ
とができるが、GaAsの再蒸発を使う以上、光のモー
ド制御は損失ガイド型にならざるを得ない。このこと
は、光のロスが常に伴うことを意味し、LDの高出力化
や低しきい値化には不利であるという問題点を惹起す
る。
【0007】従って、本発明の目的は、再成長界面の結
晶品質の飛躍的向上により、任意構造の半導体レーザな
どに適用可能な再成長技術を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の半導体積層構造の製造方法は、半導体を積層して半
導体積層構造を製造する方法であって、少なくとも2回
の結晶成長の工程を有し再成長工程は、AlGa
1−xAs(0<x≦1)/GaAsの超格子を成長す
る工程をAlGa1−xAs(0<x≦1)を最初に
成長するようにして成長する工程であることを特徴とす
る。より具体的には、前記再成長を行う工程は、表面材
料がAlGaAsである層上に再成長する工程であるこ
とを特徴としたり、前記半導体積層構造は光デバイスで
あることを特徴としたりする。
【0009】
【作用】再成長前の表面層がAlGaAsの場合、Al
が酸化されやすく、その結合エネルギーが大きいため
に、酸化の影響を除去することはきわめて困難である。
しかし、この酸化されやすい性質を能動的に用いると酸
化物を還元する機能(ゲッタリング機能)を有すること
になる。本発明の骨子は、酸化されたAlGaAsなど
を高純度のAlGaAsやAlAsに接触させることに
より、再成長界面近傍の酸素濃度を飛躍的に減少させる
ものである。
【0010】Alによるゲッタリング効果は、Al比が
高いほど、その材料が高純度であるほど、その材料が厚
いほど、また拡散時間(成長時間)が長いほど、大きい
と考えられる。しかし、Al比や厚さをむやみに大きく
することはできない。デバイス特性を劣化させることが
あるからである。たとえば、光の閉じ込めに関しては、
Al比により屈折率が変化するために光のモード制御が
困難になることがある。この場合、量子井戸(QW)構
造を採用することで、ゲッタリング効果とモード制御を
独立に制御することができる。すなわち、Alを含む層
を多層に分け、近接させることで、ゲッタリング効果を
維持でき、かつ、ウエル幅やバリア層のAl混晶比と幅
を制御することで所望の屈折率に設定することができ
る。ただし、再成長の最初のエピ層はAlGaAsであ
る必要がある。
【0011】
【実施例】参考例 図3(a)〜(d)は参考例の製作方法を説明する模式
図である。以下、図面を用いて説明する。ここでは、分
布ブラッグ反射型(DBR)LDの製作を例に説明する
が、他の任意のデバイスにも適用可能である。
【0012】まず、図3(a)に示すように、分子線エ
ピタキシャル成長法あるいは有機金属気相成長法(MO
CVD法)を用いて、n−GaAs基板300上に、n
−AlGaAsクラッド層301(厚さ1.5μm)、
GaAs活性層302(厚さ0.07μm)、p−Al
0.13Ga0.87As光ガイド層303(厚さ0.25μ
m)をエピタキシャル成長する。
【0013】これらの層の成長後、フォトリソ工程及び
エッチング工程を経て、図3(b)のように、表面の一
部にグレーティング310を形成した。この工程を行っ
たために、表面の酸素および炭素濃度は1020cm-3
ベルの吸着が生じている。十分なプラズマクリーニング
を施すことで、炭素濃度は実用上問題ないレベルまで除
去することは可能であるが、酸素に関してはほとんど効
果はない。先に述べたように、大気中の酸素でAlが容
易に酸化してしまうためである。
【0014】図1の破線101は、2回目の結晶成長直
前のエピ表面の酸素プロファイルを示したものである。
表面から200Å以上の深さまで酸素が侵入しているこ
とがわかる。
【0015】2回目の成長工程において、AlAs30
4を以下の条件で成長する。基板温度720℃、As/
Alフラックス比(V族のAsの飛来分子数をIII族
のAlの飛来分子数で割った値)4.0、成長速度0.
3μm/h、厚さ200Åである。この様子を図3
(c)に示した。引続き、所望の構造のエピ層を所望の
成長条件で成長する。本参考例の場合、図3(d)のよ
うにp型Al0.5Ga0.5Asクラッド層305
(厚さ1.5μm)、p型GaAsキャップ層306(厚
さ0.5μm)を積層した。
【0016】図1の実線102は、2回目のMBE成長
後の再成長界面近傍の酸素濃度プロファイルを示してい
る。このように、AlAs304を形成することで、再
成長界面近傍で酸素濃度が急激に減少し、高濃度部分が
消滅したことがわかる。
【0017】実施例 図2は本発明の実施例を説明する為の図1と同様な図で
ある。実施例では、2回目の成長工程において、図3
(c)のAlAs304の代わりにAlGaAs/Ga
As(50Å/30Å)5周期の超格子構造とした。後
参考例と同じである。
【0018】再成長後の酸素プロファイル103は、
例に比べ、やや異なっているが、再成長界面の酸素濃
度は同程度に下がっている。かつ、超格子構造としたこ
とで、屈折率を制御できたため、光のモードプロファイ
ルを犠牲にすることなく、再成長界面の結晶晶質を高め
ることができた。
【0019】
【発明の効果】上記の如き構成を有する本発明の効果
は、1)AlGaAs再成長界面近傍の酸素濃度を低く
抑えることができ、良好な再成長界面を得ることが可能
になったこと、および2)任意構造の半導体レーザなど
に再成長が可能になったこと、である。
【図面の簡単な説明】
【図1】参考例の効果を説明するグラフ図である。
【図2】本発明の実施例の効果を説明するグラフ図であ
る。
【図3】参考例および実施例の製作方法の工程を説明す
る模式図である。
【図4】従来例の工程を説明する模式図である。
【符号の説明】
101……再成長前の酸素濃度のプロファイル 102,103……再成長後の酸素濃度のプロファイル 300,400……GaAs基板 301,401……n−AlGaAsクラッド層 302,402……GaAs活性層 303……光ガイド層 304……AlAs層またはAlGaAs/GaAs超
格子層 305,403,407……p−AlGaAsクラッド
層 306,408……p−GaAsキャップ層 404……n−GaAsキャリアブロック層 405……n−AlGaAsサーマルエッチングストッ
プ層 406……n−GaAs層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−88628(JP,A) 特開 昭62−76692(JP,A) 特開 昭63−136586(JP,A) 特開 平2−189989(JP,A) Applied Physics L etters Vol.59,No.5, pp.497−498 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 33/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体を積層して半導体積層構造を製造す
    る方法であって、少なくとも2回の結晶成長の工程を有
    し、再成長工程は、AlGa1−xAs(0<x≦
    1)/GaAsの超格子を成長する工程をAlGa
    1−xAs(0<x≦1)を最初に成長するようにして
    成長する工程であることを特徴とする半導体積層構造の
    製造方法。
  2. 【請求項2】前記再成長を行う工程は、表面材料がAl
    GaAsである層上に再成長する工程である請求項1記
    載の半導体積層構造の製造方法。
  3. 【請求項3】前記半導体積層構造は光デバイスである請
    求項1または2に記載の半導体積層構造の製造方法。
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