JP3727748B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、より詳しくは、半絶縁性埋込みヘテロ構造(SI−BH構造)、或いは平坦化半絶縁性埋込みヘテロ構造(SI−PBH構造)を有する半導体レーザ及びその製造方法に関する。
光ファイバ通信はマルチメディア産業の発展とともに市場が拡大し、最近では、半導体レーザの低価格化と高信頼性が求められている。
【0002】
【従来の技術】
図8,図9は、SI−BH構造の半導体レーザの製造方法について説明する断面図である。
まず、図8(a)に示すように、(001)面を有する化合物半導体基板1上に複数の化合物半導体層2〜5が形成された後、メサストライプを形成する領域に耐エッチング性膜6を形成する。
【0003】
次に、図8(b)に示すように、耐エッチング性膜6をマスクとして、複数の化合物半導体層2〜5及び化合物半導体基板1をエッチングし、<110>方向を長手方向とするメサストライプ101を形成する。このとき、メサストライプ101は下層からクラッド層2aと、活性層3aと、クラッド層4aと、コンタクト層5aとを含む。
【0004】
次いで、図8(c)に示すように、耐エッチング性膜6をそのまま残して、メサストライプ101の側部の化合物半導体基板1b上に半絶縁性の化合物半導体層7を選択成長する。このとき、メサストライプ101から遠く離れた部分の化合物半導体層7の膜厚が、図11に示すように、薄くなると、十分な高抵抗が得られないので、出来るだけ厚くなるようにする。このようにすると、化合物半導体層7はメサストライプ101の側部においてメサストライプ101の最上面から突出する。
【0005】
次に、図8(d)に示すように、絶縁膜8を形成した後、図9(a)に示すように、パターニングし、メサストライプ101を含む開口部9を形成する。
次いで、図9(b)に示すように、コンタクト層5a表面の劣化層を除去するため、表面をライトエッチングした後、図9(c)に示すように、メサストライプ101の最上層5aに接触する電極10を形成する。このとき、電極10の主要金属として金膜を用いるが、その金膜と下層の化合物半導体層5aとが反応しないように、間に高融点金属膜からなる下地層を挟む。
【0006】
以上により、SI−BH構造を有する半導体レーザが完成する。
次に、SI−PBH構造を有する半導体レーザの製造方法について図12及び図13を参照しながら説明する。
まず、図12(a),(b)に示すように、耐エッチング性膜15をマスクとして化合物半導体層14〜12をエッチングし、(001)面を有する化合物半導体基板11b上に<110>方向を長手方向とするメサストライプ102を形成する。このとき、メサストライプ102は下層からクラッド層12aと、活性層13aと、クラッド層14aとを含む。上記のSI−BH構造を有する半導体レーザと異なり、コンタクト層5aは形成されない。
【0007】
次いで、図12(c)に示すように、耐エッチング性膜15をそのまま残して、メサストライプ102の側部の化合物半導体基板11b上に半絶縁性の化合物半導体層16及び17を選択成長する。このとき、化合物半導体層16及び17はメサストライプ102の側部においてメサストライプ102の最上面から突出する。
【0008】
次に、図13(a)に示すように、耐エッチング性膜15を除去した後、クラッド層18及びコンタクト層19を形成する。
次いで、図13(b)に示すように、絶縁膜20を形成した後、パターニングし、コンタクトホール21を形成する。続いて、コンタクトホール21を通してコンタクト層19に接触する電極22を形成すると、SI−PBH構造を有する半導体レーザが完成する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、SI−BH構造を有する半導体レーザにおいては、メサストライプ101の角部で、化合物半導体層7の側壁が急角度で立上っているので、下地層10aの成膜時に、その部分で下地層10aが形成されないことがある。特に、図9(b)に示すように、表面をエッチングした場合は、図10に示すように、化合物半導体層7がメサストライプ101上に張りだす(オーバハングする)ため、成膜異状は一層顕著になる。このため、下地層10aの上に金膜10bを形成すると、下地層10aの非形成領域を通して化合物半導体層5aと金膜10bとが直接接触し、金がメサストライプ101中に侵入して半導体レーザの特性を悪化させるという問題がある。
【0010】
一方、SI−PBH構造を有する半導体レーザにおいては、メサストライプ102の最上面から突出する化合物半導体層16の側壁の面方位は(111)B面となるため、p型不純物として亜鉛(Zn)を含むクラッド層18を形成した場合、側壁から成長するクラッド層18(図13のB部)中では不純物濃度が低下する。このため、高抵抗層がメサストライプ102上を覆うことになって素子抵抗が高くなり、所望の電流がメサストライプ102内の活性層13aに流入しなくなるという問題がある。
【0011】
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、メサストライプ上及びその周辺部にかけて屈曲のない平坦な電極領域を形成することができ、また、メサストライプ上で高抵抗の化合物半導体層が形成されるのを防止することができる半導体装置及びその製造方法を提供するものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、第1の発明である、(001)面又はこれと等価な面を有する化合物半導体基板上に化合物半導体層を複数形成する工程と、耐エッチング性膜をマスクとして前記化合物半導体層をエッチングし、<110>方向又はこれと等価な方向に長手方向を有するメサストライプを形成する工程と、前記耐エッチング性膜を残したまま前記メサストライプの側部の前記化合物半導体基板上に前記メサストライプの最上面よりも高く、かつ側壁が露出した第1の化合物半導体層を選択成長させる工程と、面方位によるエッチングレートの差を利用して、表面をエッチングし、前記メサストライプの側部の第1の化合物半導体層の側壁を後退させ、前記メサストライプの最上面の周囲に平坦部を設ける工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法によって解決され、
第2の発明である、前記第1の化合物半導体層の側壁を後退させ、前記メサストライプの最上面の周囲に平坦部を設ける工程の後、前記メサストライプ及び前記第1の化合物半導体層上に電極を形成する工程を有することを特徴とする第1の発明の半導体装置の製造方法によって解決され、
第3の発明である、前記第1の化合物半導体層の側壁を後退させ、前記メサストライプの最上面の周囲に平坦部を設ける工程の後、不純物が導入された第2の化合物半導体層を前記メサストライプ及び前記第1の化合物半導体層上に堆積する工程と、前記第2の化合物半導体層と接触する電極を形成する工程とを有することを特徴とする第1の発明の半導体装置の製造方法によって解決され、
第4の発明である、前記第2の化合物半導体層の材料はInPであり、前記不純物は亜鉛(Zn)であることを特徴とする第3の発明の半導体装置の製造方法によって解決され、
第5の発明である、前記化合物半導体基板及び前記第1の化合物半導体層の材料はInPであることを特徴とする第1乃至第4の発明の何れか一の半導体装置の製造方法によって解決され、
第6の発明である、前記第1の化合物半導体層の側壁の面方位は(111)B面であり、前記面方位によるエッチングレートの差を利用するエッチングに用いるエッチャントは硫酸であることを特徴とする第5の発明の半導体装置の製造方法によって解決され、
第7の発明である、第1乃至第6の発明の何れか一の半導体装置の製造方法によって作製されたことを特徴とする半導体装置によって解決され、
第8の発明である、前記半導体装置は前記メサストライプ中に活性層を含む半導体レーザであることを特徴とする第7の発明の半導体装置によって解決される。
【0013】
本発明においては、面方位によるエッチングレートの差を利用して、表面をエッチングし、メサストライプの側部の第1の化合物半導体層の側壁を後退させている。
例えば、(001)面を有するInP基板上であってメサストライプの側部に第1の化合物半導体層としてInP層をメサストライプの最上面から突出するように形成したとき、突出した部分のInP層の側壁は(111)B面となる。従って、エッチャントとして硫酸を用いると、(001)面よりも(111)B面のエッチングレートが遙に大きいため、平坦な部分のエッチングを抑制しつつ、側壁のみをエッチングして後退させることができる。
【0014】
これにより、少なくとも屈曲部分をメサストライプ近辺から遠いところに移動させることができ、メサストライプ上及びその周辺部を平坦にすることができる。
従って、表面に電極を形成した場合、メサストライプ近辺では電極を平坦な面に形成することができる。このため、最上層に金膜を含む多層の金属膜からなる電極を形成したとき、均一な膜厚の金属膜が形成されて金膜と化合物半導体層との間に必ず介在し、金膜が化合物半導体層と接触して金が化合物半導体層内に侵入するのを防止することができる。
【0015】
また、メサストライプ上及び側部の化合物半導体層上にわたってZn等の不純物を含む化合物半導体層を形成した場合、(111)B面の側壁に堆積する層のドーピング量が面方位に依存して低濃度となっても、(111)B面の側壁がメサストライプ近辺から遠いところにあるので、その層はメサストライプ上には達しない。
【0016】
このため、メサストライプ上方の化合物半導体層内では平坦な(001)面における不純物濃度が維持されるため、低抵抗となる。これにより、電流の流路の低抵抗が維持されて、メサストライプ中の活性層には所望の大きさの電流が流入することになり、半導体レーザの閾値電流を低減することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
(1)第1の実施の形態
図1(a)〜(d),図2(a)〜(c)は、本発明の第1の実施の形態に係るSI−BH構造の半導体レーザの製造方法について説明する断面図である。波長1.55μm帯の半導体レーザを対象とし、電流狭窄構造を有する。
【0018】
まず、図1(a)に示すように、(001)面を有するInPからなる化合物半導体基板31上に、バンドギャップに対応する波長(λg)1.15μm,膜厚70nmのn型のInGaAsP 層32を堆積する。この明細書において、バンドギャップに対応する波長(λg)とは化合物半導体層の組成比に対応して変化するバンドギャップの大きさを対応する波長の単位で表したものである。
【0019】
更に、活性層を含む層33を堆積する。即ち、λg=1.15μm,膜厚30nmのノンドープのInGaAsP 膜を堆積し、その上にλg=1.57μm,膜厚5.1 nmのノンドープのInGaAsP 膜とλg=1.3 μmのノンドープの膜厚10nmのInGaAsP 膜とを、λg=1.57μmのInGaAsP 膜が10層で、両端がλg=1.3 μmのInGaAsP 膜となるように、交互に積層する。さらに、その上にλg=1.15μm,膜厚30nmのノンドープのInGaAsP 膜を積層する。なお、活性層を含む層33の積層構造については半導体レーザの用途により種々の層構成を採用できることはいうまでもない。
【0020】
さらに、活性層を含む層33の上に、膜厚2000nmのp型のInP 層34を堆積する。以上の化合物半導体層の堆積はMOVPE法により行う。
続いて、液層成長法(LPE法)により、λg=1.3 μm,膜厚500nmのp型のInGaAsP 層35を積層する。
次いで、化学気相成長法(CVD法)により、InGaAsP 層35上に膜厚300nmのシリコン酸化膜を形成した後、CHF3ガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)によりレジスト膜をマスクとしてそのシリコン酸化膜をエッチングする。これにより、活性層を含むメサストライプを形成すべき領域に、<11(-) 0>方向に長手方向を有する幅1.5 μmの帯状の耐エッチング性膜36を形成する。
【0021】
次に、図1(b)に示すように、エタン系のガス、例えばC2 H4 +H2 の混合ガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)により、耐エッチング性膜36をマスクとして複数の化合物半導体層35〜32及び化合物半導体基板31をエッチングし、<110>方向を長手方向とする高さ3μmのメサストライプ103を形成する。
【0022】
このメサストライプ103は、下層からn型のInPからなる膜厚100nmのクラッド層32aと、活性層を含む層33aと、p型のInP からなる膜厚2000nmのクラッド層34aと、λg=1.3 μmのp型のInGaAsP からなる膜厚500nmのコンタクト層35aとを含む。
さらに、上記メサストライプ103の積層構造のうち、活性層を含む層33aは、λg=1.15μmのノンドープのInGaAsP からなる膜厚30nmのSCH層と、λg=1.57μmのノンドープのInGaAsP からなる膜厚5.1 nmの井戸層とλg=1.3 μmのノンドープのInGaAsP からなる膜厚10nmの障壁層とが交互に積層されている多重量子井戸構造(MQW構造)の活性層と、λg=1.15μmのノンドープのInGaAsP からなる膜厚30nmのSCH層との多層構造である。
【0023】
次いで、図1(c)に示すように、耐エッチング性膜36をそのまま残して、メサストライプ103の側部の化合物半導体基板31b上に鉄(Fe)をドープした半絶縁性のInPからなる埋込み層(第1の化合物半導体層)37を選択成長する。このとき、メサストライプ103から遠くでも十分な膜厚が得られるようにするため、埋込み層37はメサストライプ103の側部においてメサストライプ103の最上面から突出するように堆積する。その突出した部分の側壁には(111)B面が露出している。
【0024】
次に、図1(d)に示すように、蒸着により膜厚300nmのシリコン酸化膜38を形成した後、パターニングし、メサストライプ103の上面を含む開口幅6〜7μmのコンタクトホール39を形成する。
次いで、図2(a)に示すように、(001)面よりも(111)B面のエッチングレートの方がはるかに大きいエッチャント、例えば濃硫酸を用いて、表面をエッチングする。これにより、(001)面が露出した平坦な部分のエッチングを抑制しつつ、(111)B面が露出した側壁のみをエッチングして後退させることができる。これにより、メサストライプ103の最上面の周囲に平坦な面が広がる。図1(d)では、C部が広がった平坦な面である。
【0025】
次に、図2(b)に示すように、コンタクト層35aの表面の劣化層を除去するため、H2SO4 +H2O2+H2O の混合液を用いて表面をライトエッチングする。
次いで、図2(c)に示すように、蒸着により膜厚300nmのTi膜と、膜厚300nmのPt膜とを形成した後パターニングする。さらに、メッキ法によりPt膜上に膜厚2.5μmのAu膜を形成し、コンタクトホール39を通してメサストライプ103のコンタクト層35aに接触するTi膜/Pt膜/Au膜からなる電極39を形成する。このとき、電極40の主要金属はAu膜であるが、そのAu膜と下層のコンタクト層35aとが反応しないように、その間に高融点金属膜、例えばTi膜/Pt膜の2層からなる下地層が挟まれる。
【0026】
この場合、埋込み層37が突出することにより生じた屈曲部分がメサストライプ103近辺から遠いところにあり、メサストライプ103上及びその周辺部が平坦になっているので、メサストライプ103近辺では電極40を平坦な面に形成することができる。これにより、メサストライプ103近辺では均一な膜厚のTi膜及びPt膜が形成され、Au膜と化合物半導体層が直接接するのを確実に防止することができる。
【0027】
なお、図示していないが、InP基板31bの背面にも電極を形成する。
以上により、SI−BH構造を有する半導体レーザが完成する。図3はその斜視図である。
この様にして作成された半導体レーザでは表面の電極40及び裏面の電極を通して電流を流すと、メサストライプ103の側部に抵抗の高い化合物半導体層37が形成されているので、その部分への電流の流れは抑制され、従って、電流は主として活性層を含むメサストライプ103内を流れる。
【0028】
この場合、メサストライプ103近辺では電極40のAu膜は下に必ずTi膜及びPt膜を介在させて形成されているので、電極40の金等がメサストライプ103内に侵入するのを抑制することができ、半導体レーザの信頼性が向上する。
なお、図1(c)の埋込み層37を堆積するとき、成膜ガスに塩素ガスを添加することにより、突出部をより低くすることができる。これは、塩素ガスによりエッチングしながら、成膜が行われるためであると考えられる。
【0029】
また、この場合、メサストライプ103の側部が塩素ガスに曝されるため、最上層のInGaAsP からなるコンタクト層35aが塩素ガスによりサイドエッチングを受ける恐れがある。他の実施の形態では、これを防止するため、コンタクト層35a上に薄い膜厚のキャップ層、例えば膜厚50nm程度のp型InP層を形成するとよい。これにより、コンタクト層35aのサイドエッチングを抑制することができる。
【0030】
さらに、このような積層構造の場合、メサストライプ103の周囲に拡大した平坦面を形成するには、図1(d)のエッチング工程と同様に濃硫酸に曝す。即ち、濃硫酸により埋込み層37とともにキャップ層が同時にエッチングされるため、側壁を後退させつつ拡大した平坦面を形成することができる。
更に、化合物半導体基板31の面方位を(001)面としているが、これと等価な面、即ち、(100)面又は(010)面等を用いてもよい。ここで、等価な面とは、表面の原子の配列状態が同じ面のことである。
【0031】
さらに、メサストライプ103の長手方向を<110>方向としているが、これと等価な方向、即ち、化合物半導体基板31の面方位が(100)面で<011>方向、面方位(010)面で<101>方向等としてもよい。
(2)第2の実施の形態
次に、SI−PBH構造を有する半導体レーザの製造方法について図4及び図5を参照しながら説明する。第1の実施の形態と同じように、波長1.55μm帯の半導体レーザを対象とする。又、以下で、第1の実施の形態と対応する層については、特に示さない限り、エッチング条件や成膜条件、及び形成膜の膜厚等は第1の実施の形態と同じか、それに近い値とする。
【0032】
まず、図4(a)に示すように、(001)面が露出するInPからなる化合物半導体基板41上に、膜厚100nmのn型のInP層42と、活性層を含む層43と、膜厚2μmのp型のInP層44と、膜厚100nmのp型のInGaAsP 層45とを順に積層する。なお、活性層を含む層43は、第1の実施の形態の活性層を含む層33と同じ構造を有する。
【0033】
続いて、InGaAs層45上にシリコン酸化膜を形成した後、パターニングし、耐エッチング性膜46を形成する。
次いで、図4(b)に示すように、耐エッチング性膜46をマスクとして化合物半導体層45〜42をエッチングし、(001)面を有する化合物半導体基板41b上に<110>方向を長手方向とするメサストライプ104を形成する。
【0034】
このとき、メサストライプ104は下層からn型のInPからなるクラッド層42aと、活性層43aと、p型のInPクラッド層44aと、p型のInGaAsP からなるキャップ層45aとを含む。第1の実施の形態で説明したSI−BH構造を有する半導体レーザと異なり、コンタクト層35aは形成せず、キャップ層45aを形成する。このキャップ層45aは、下層のInPクラッド層44aの表面を劣化させないために設けられる。
【0035】
次に、図4(c)に示すように、耐エッチング性膜46をそのまま残して、メサストライプ104の側部の化合物半導体基板41b上に、Feドープの半絶縁性のInPからなる膜厚3μmの埋込み層(第1の化合物半導体層)47と、n型のInPからなる膜厚500nmのブロック層48とを選択成長する。このとき、埋込み層47及びブロック層48はメサストライプ104から遠いところでも十分な膜厚が得られるように形成するので、メサストライプ104の側部においてメサストライプ104の最上面から突出する。なお、ブロック層48はZnの拡散を防止するため、及びこの上に堆積するp型のクラッド層からの正孔の流入を防止するために設けられる。
【0036】
次に、図4(d)に示すように、耐エッチング性膜46を除去した後、弗酸と硝酸を1:1で混合したエッチャントによりメサストライプ104の最上層のキャップ層45aを除去する。
続いて、濃硫酸を用いて、表面をエッチングする。このとき、(001)面よりも(111)B面の方が濃硫酸によるエッチングレートが遙に大きいため、(001)面の平坦な部分のエッチングを抑制しつつ、(111)B面の側壁のみをエッチングして後退させることができる。これにより、メサストライプ104の最上面及びその周囲に幅Wiを有する平坦な(001)面が形成される。図4(d)において、D部が広がった平坦な(001)面である。
【0037】
次に、図5(a)に示すように、p型の不純物としてZnをドープしながらInPからなる膜厚tのクラッド層(第2の化合物半導体層)49を形成する。
このとき、クラッド層49は平坦な(001)面から及び(111)B面から成長するが、(111)B面から成長した層では濃度が低く、即ち抵抗が高いので、この層が少なくともメサストライプ104の上に重ならないようにする必要がある。即ち、クラッド層49の成膜後の平坦な(001)面の幅Wfがメサストライプ104の幅よりも広くなるようにする。このため、クラッド層49の必要な膜厚tに対して初期の平坦面の幅Wiを決める必要がある。
【0038】
ここで、クラッド層49の膜厚tと、クラッド層49の成膜前のメサストライプ104上の平坦面の幅Wiと、クラッド層49の成膜後のメサストライプ104上の平坦な面の幅Wfとの関係は、(111)B面と(001)面でのInPの成長速度が等しいとすると、次の式
Wf=Wi−2×t/tanθ
で表される。ここで、θは平坦な面と(111)B面からの成長方向との角度を表す。図7(b)のモデルに基づいて上式により計算した結果を図7(a)に示す。これによれば、Wf=1μmが得られるようにするには、t=1μm,θ=45°の場合、Wiを凡そ3μmとする必要がある。
【0039】
次いで、クラッド層49上に膜厚200nmのp型のInGaAsからなるコンタクト層(第2の化合物半導体層)50を形成する。
次いで、図5(b)に示すように、膜厚300nmのシリコン酸化膜からなる絶縁膜51を形成した後、パターニングし、コンタクトホール52を形成する。
続いて、Ti膜と、Pt膜とを形成した後、パターニングし、さらに、Pt膜上にAu膜を形成して、コンタクトホール52を通してコンタクト層50に接触するTi膜/Pt膜/Au膜からなる電極53を形成する。なお、化合物半導体基板41bの裏面にも電極を形成する。これにより、SI−PBH構造を有する半導体レーザが完成する。
【0040】
以上のように、本発明の第2の実施の形態によれば、図4(d)に示すように、面方位によるエッチングレートの差を利用して、表面をエッチングし、メサストライプ104の側部の埋込み層47,ブロック層48の側壁を後退させている。
これにより、少なくとも屈曲部分をメサストライプ104近辺から遠いところに移動させることができ、メサストライプ104上及びその周辺部に十分に拡大した平坦な面を形成することができる。
【0041】
従って、図5(a)に示すように、メサストライプ104上及び側部の埋込み層47,ブロック層48上にわたってZn等のp型不純物を含むクラッド層49を形成した場合、(111)B面の側壁に堆積するクラッド層49のドーピング量が面方位に依存して低濃度となっても、(111)B面の側壁がメサストライプ104近辺から遠いところにあるので、その層49の低濃度領域はメサストライプ104上には達しない。このため、メサストライプ104上方のクラッド層49内では平坦な(001)面における不純物濃度が維持されるため、低抵抗となる。従って、電流の流路の低抵抗が維持され、メサストライプ104中の活性層には所望の大きさの電流が流入することになる。これにより、半導体レーザの閾値電流を低減させることができる。
【0042】
なお、上記第2の実施の形態において、埋込み層47,ブロック層48の代わりに化合物半導体基板41b上に膜厚2.5μmのp型のInP層と膜厚500nmのn型のInP層とを順に堆積してもよい。
【0043】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、面方位によるエッチングレートの差を利用して、表面をエッチングし、メサストライプの側部の第1の化合物半導体層の側壁を後退させているので、屈曲部分をメサストライプ近辺から遠いところに移動させ、メサストライプの周辺部に平坦な面を広げることができる。
【0044】
従って、表面に最上層に金膜を含む多層の金属膜からなる電極を形成した場合、平坦な面には均一な膜厚の金属膜が形成されて金膜と化合物半導体層との間に必ず介在し、金膜が化合物半導体層と接触して金が化合物半導体層内に侵入するのを防止することができる。これにより、半導体レーザの信頼性の向上を図ることができる。
【0045】
また、メサストライプ上及び側部の化合物半導体層上にわたって不純物を含む化合物半導体層を形成した場合、(111)B面の側壁に堆積する層のドーピング量が面方位に依存して低濃度となっても、(111)B面の側壁がメサストライプ近辺から遠いところにあるので、その層はメサストライプ上には達しない。このため、メサストライプ上方の化合物半導体層内では平坦な(001)面における不純物濃度が維持されるため、低抵抗となる。これにより、電流の流路の低抵抗が維持されて、メサストライプ中の活性層には所望の大きさの電流が流入することになり、半導体レーザの閾値電流を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)〜(d)は、本発明の第1の実施の形態に係るSI−BH構造の半導体レーザの製造方法について示す断面図(その1)である。
【図2】図2(a)〜(c)は、本発明の第1の実施の形態に係るSI−BH構造の半導体レーザの製造方法について示す断面図(その2)である。
【図3】図3は、本発明の第1の実施の形態に係る製造方法により作成されたSI−BH構造の半導体レーザの斜視図である。
【図4】図4(a)〜(d)は、本発明の第2の実施の形態に係るSI−PBH構造の半導体レーザの製造方法について示す断面図(その1)である。
【図5】図5(a),(b)は、本発明の第2の実施の形態に係るSI−PBH構造の半導体レーザの製造方法について示す断面図(その2)である。
【図6】図6は、本発明の第2の実施の形態に係る製造方法により作成されたSI−PBH構造の半導体レーザの斜視図である。
【図7】図7(a)は、本発明の第2の実施の形態に係るSI−PBH構造の半導体レーザの製造方法における平坦面の幅とクラッド層の膜厚との関係について示すグラフであり、図7(b)は、上記の関係の導出に用いた構造のモデルについて示す断面図である。
【図8】図8(a)〜(d)は、従来例に係るSI−BH構造の半導体レーザの製造方法について示す断面図(その1)である。
【図9】図9(a)〜(c)は、従来例に係るSI−BH構造の半導体レーザの製造方法について示す断面図(その2)である。
【図10】図10は、従来例に係るSI−BH構造の半導体レーザの製造方法の問題点について示す断面図である。
【図11】図11は、従来例に係るSI−BH構造の半導体レーザの製造方法について示す断面図である。
【図12】図12(a)〜(c)は、他の従来例に係るSI−PBH構造の半導体レーザの製造方法について示す断面図(その1)である。
【図13】図13(a),(b)は、他の従来例に係るSI−PBH構造の半導体レーザの製造方法について示す断面図(その2)である。
【符号の説明】
31,31b,41,41b 化合物半導体基板、
32,35 InGaAsP 層(化合物半導体層)、
32a,34a,42a,44a クラッド層、
33,33a,43,43a 活性層を含む層、
34,42,44 InP 層(化合物半導体層)、
35a,50 コンタクト層、
36,46 耐エッチング性膜、
37,47 埋込み層(第1の化合物半導体層)、
38,51 シリコン酸化膜(絶縁膜)、
39,52 コンタクトホール、
40,53 電極、
45 InGaAsP 層(化合物半導体層)、
45a キャップ層、
48 ブロック層、
49 クラッド層(第2の化合物半導体層)、
103,104 メサストライプ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
More particularly, the present invention relates to a semiconductor laser having a semi-insulating buried heterostructure (SI-BH structure) or a planarized semi-insulating buried heterostructure (SI-PBH structure), and a semiconductor laser therefor. It relates to a manufacturing method.
The market for optical fiber communication has expanded with the development of the multimedia industry, and recently there has been a demand for lower prices and higher reliability of semiconductor lasers.
[0002]
[Prior art]
8 and 9 are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor laser having an SI-BH structure.
First, as shown in FIG. 8A, after a plurality of
[0003]
Next, as shown in FIG. 8B, the
[0004]
Next, as shown in FIG. 8C, the semi-insulating
[0005]
Next, as shown in FIG. 8D, after the
Next, as shown in FIG. 9B, after removing the deteriorated layer on the surface of the
[0006]
Thus, a semiconductor laser having an SI-BH structure is completed.
Next, a method for manufacturing a semiconductor laser having an SI-PBH structure will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIGS. 12A and 12B, the
[0007]
Next, as shown in FIG. 12C, the semi-insulating
[0008]
Next, as shown in FIG. 13A, after the etching
Next, as shown in FIG. 13B, after the
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the semiconductor laser having the SI-BH structure, the sidewall of the
[0010]
On the other hand, in the semiconductor laser having the SI-PBH structure, since the plane orientation of the side wall of the
[0011]
The present invention was created in view of the above-described problems of the conventional example, and can form a flat electrode region without bending over the mesa stripe and its peripheral portion. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device capable of preventing the formation of a resistive compound semiconductor layer and a method for manufacturing the same.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The above-described problems are the first invention, a step of forming a plurality of compound semiconductor layers on a compound semiconductor substrate having a (001) plane or an equivalent plane, and the compound semiconductor layer using the etching resistant film as a mask. Etching to form a mesa stripe having a longitudinal direction in the <110> direction or an equivalent direction, and the mesa stripe on the side of the mesa stripe while leaving the etching resistant film on the compound semiconductor substrate. The step of selectively growing the first compound semiconductor layer that is higher than the uppermost surface of the stripe and the side wall is exposed and the difference in the etching rate depending on the plane orientation are used to etch the surface, and the side of the mesa stripe Receding the side wall of the first compound semiconductor layer A flat portion is provided around the top surface of the mesa stripe. And a method of manufacturing a semiconductor device characterized by comprising the steps of:
In the second invention, the side wall of the first compound semiconductor layer is receded. A flat portion is provided around the top surface of the mesa stripe. After the step, the semiconductor device manufacturing method of the first invention is characterized by having a step of forming electrodes on the mesa stripe and the first compound semiconductor layer,
According to a third aspect of the invention, the side wall of the first compound semiconductor layer is retreated. A flat portion is provided around the top surface of the mesa stripe. A step of depositing a second compound semiconductor layer doped with impurities on the mesa stripe and the first compound semiconductor layer, and a step of forming an electrode in contact with the second compound semiconductor layer. It is solved by the method for manufacturing a semiconductor device of the first invention, characterized by comprising:
According to a fourth invention, the material of the second compound semiconductor layer is InP, and the impurity is zinc (Zn), which is solved by the semiconductor device manufacturing method according to the third invention,
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufacturing method according to any one of the first to fourth aspects, wherein the compound semiconductor substrate and the first compound semiconductor layer are made of InP. ,
According to a sixth aspect of the invention, the plane orientation of the side wall of the first compound semiconductor layer is a (111) B plane, and the etchant used for etching utilizing the difference in etching rate depending on the plane orientation is sulfuric acid. It is solved by the method for manufacturing a semiconductor device of the fifth invention,
A seventh aspect of the invention is solved by a semiconductor device manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the first to sixth aspects of the invention,
The semiconductor device according to an eighth aspect of the invention is solved by the semiconductor device according to the seventh aspect of the invention, which is a semiconductor laser including an active layer in the mesa stripe.
[0013]
In the present invention, the surface is etched using the difference in etching rate depending on the plane orientation, and the side wall of the first compound semiconductor layer on the side of the mesa stripe is receded.
For example, when the InP layer is formed on the side of the mesa stripe as the first compound semiconductor layer so as to protrude from the uppermost surface of the mesa stripe on the InP substrate having the (001) plane, the protruding portion of the InP layer The side wall of this becomes the (111) B surface. Therefore, when sulfuric acid is used as the etchant, the etching rate of the (111) B surface is much higher than the (001) surface, so that only the side wall can be etched back while suppressing the etching of the flat portion. .
[0014]
As a result, at least the bent portion can be moved away from the vicinity of the mesa stripe, and the mesa stripe and its peripheral portion can be flattened.
Therefore, when an electrode is formed on the surface, the electrode can be formed on a flat surface in the vicinity of the mesa stripe. For this reason, when an electrode composed of a multilayer metal film including a gold film is formed as the uppermost layer, a metal film having a uniform film thickness is formed and is always interposed between the gold film and the compound semiconductor layer. It is possible to prevent gold from entering the compound semiconductor layer in contact with the compound semiconductor layer.
[0015]
In addition, when a compound semiconductor layer containing an impurity such as Zn is formed over the mesa stripe and the side compound semiconductor layer, the doping amount of the layer deposited on the side wall of the (111) B plane is low depending on the plane orientation. Even if the concentration is reached, the layer does not reach the mesa stripe because the side wall of the (111) B surface is far from the vicinity of the mesa stripe.
[0016]
For this reason, the impurity concentration in the flat (001) plane is maintained in the compound semiconductor layer above the mesa stripe, so that the resistance becomes low. As a result, the low resistance of the current flow path is maintained, and a current of a desired magnitude flows into the active layer in the mesa stripe, so that the threshold current of the semiconductor laser can be reduced.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(1) First embodiment
1A to 1D and 2A to 2C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor laser having an SI-BH structure according to the first embodiment of the present invention. Targeting a 1.55 μm wavelength semiconductor laser, it has a current confinement structure.
[0018]
First, as shown in FIG. 1A, an n-
[0019]
Further, a
[0020]
Further, a p-
Subsequently, a p-
Next, after a 300 nm-thickness silicon oxide film is formed on the
[0021]
Next, as shown in FIG. 1B, an ethane-based gas such as C 2 H Four + H 2 A plurality of compound semiconductor layers 35 to 32 and the
[0022]
The
Further, in the layered structure of the
[0023]
Next, as shown in FIG. 1 (c), the etching
[0024]
Next, as shown in FIG. 1D, a 300 nm-thickness
Next, as shown in FIG. 2A, the surface is etched using an etchant having a much higher etching rate on the (111) B surface than on the (001) surface, for example, concentrated sulfuric acid. Accordingly, it is possible to etch and recede only the side wall where the (111) B surface is exposed while suppressing the etching of the flat portion where the (001) surface is exposed. Thereby, a flat surface spreads around the uppermost surface of the
[0025]
Next, as shown in FIG. 2B, in order to remove the deteriorated layer on the surface of the
Next, as shown in FIG. 2C, a 300 nm thick Ti film and a 300 nm thick Pt film are formed by vapor deposition and then patterned. Further, an Au film having a film thickness of 2.5 μm is formed on the Pt film by plating, and an
[0026]
In this case, the bent portion caused by the protrusion of the buried
[0027]
Although not shown, an electrode is also formed on the back surface of the InP substrate 31b.
Thus, a semiconductor laser having an SI-BH structure is completed. FIG. 3 is a perspective view thereof.
In the semiconductor laser fabricated in this manner, when a current is passed through the
[0028]
In this case, since the Au film of the
Note that when depositing the buried
[0029]
In this case, since the side portion of the
[0030]
Further, in the case of such a laminated structure, in order to form an enlarged flat surface around the
Furthermore, although the plane orientation of the
[0031]
Further, although the longitudinal direction of the
(2) Second embodiment
Next, a method for manufacturing a semiconductor laser having an SI-PBH structure will be described with reference to FIGS. As in the first embodiment, the target is a semiconductor laser having a wavelength of 1.55 μm. In the following, the layers corresponding to those in the first embodiment are the same as or close to those in the first embodiment unless otherwise indicated, such as etching conditions, film forming conditions, and film thickness of the formed film. Value.
[0032]
First, as shown in FIG. 4A, an n-
[0033]
Subsequently, a silicon oxide film is formed on the
Next, as shown in FIG. 4B, the compound semiconductor layers 45 to 42 are etched using the etching
[0034]
At this time, the
[0035]
Next, as shown in FIG. 4C, the etching
[0036]
Next, as shown in FIG. 4D, after removing the etching
Subsequently, the surface is etched using concentrated sulfuric acid. At this time, since the etching rate by concentrated sulfuric acid is much higher on the (111) B surface than on the (001) surface, the etching of the flat portion of the (001) surface is suppressed and the side wall of the (111) B surface is suppressed. Only can be etched back. As a result, a flat (001) surface having a width Wi is formed around the top surface of the
[0037]
Next, as shown in FIG. 5A, a clad layer (second compound semiconductor layer) 49 made of InP and having a thickness t is formed while doping Zn as a p-type impurity.
At this time, the
[0038]
Here, the film thickness t of the
Wf = Wi−2 × t / tan θ
It is represented by Here, θ represents the angle between the flat surface and the growth direction from the (111) B surface. FIG. 7A shows the result calculated by the above formula based on the model of FIG. 7B. According to this, in order to obtain Wf = 1 μm, Wi needs to be about 3 μm when t = 1 μm and θ = 45 °.
[0039]
Next, a contact layer (second compound semiconductor layer) 50 made of p-type InGaAs having a thickness of 200 nm is formed on the
Next, as shown in FIG. 5B, an insulating
Subsequently, after forming a Ti film and a Pt film, patterning is performed, and further, an Au film is formed on the Pt film, and from the Ti film / Pt film / Au film contacting the
[0040]
As described above, according to the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 4D, the surface is etched using the difference in etching rate depending on the plane orientation, and the
As a result, at least the bent portion can be moved away from the vicinity of the
[0041]
Therefore, as shown in FIG. 5A, when the
[0042]
In the second embodiment, instead of the buried
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the surface is etched by utilizing the difference in the etching rate depending on the plane orientation, and the side wall of the first compound semiconductor layer on the side of the mesa stripe is receded. The portion can be moved far from the vicinity of the mesa stripe, and a flat surface can be spread around the periphery of the mesa stripe.
[0044]
Therefore, when an electrode composed of a multi-layer metal film including a gold film as the uppermost layer is formed on the surface, a metal film having a uniform film thickness is formed on the flat surface, and there is always a gap between the gold film and the compound semiconductor layer. It is possible to prevent the gold film from coming into contact with the compound semiconductor layer and entering the compound semiconductor layer. Thereby, the reliability of the semiconductor laser can be improved.
[0045]
In addition, when a compound semiconductor layer including impurities is formed over the mesa stripe and the side compound semiconductor layer, the doping amount of the layer deposited on the side wall of the (111) B plane becomes a low concentration depending on the plane orientation. However, since the side wall of the (111) B plane is far from the vicinity of the mesa stripe, the layer does not reach the mesa stripe. For this reason, the impurity concentration in the flat (001) plane is maintained in the compound semiconductor layer above the mesa stripe, so that the resistance becomes low. As a result, the low resistance of the current flow path is maintained, and a current of a desired magnitude flows into the active layer in the mesa stripe, so that the threshold current of the semiconductor laser can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1D are cross-sectional views (No. 1) illustrating a method for manufacturing a semiconductor laser having an SI-BH structure according to a first embodiment of the present invention. FIGS.
FIGS. 2A to 2C are sectional views (No. 2) showing the method for manufacturing the semiconductor laser having the SI-BH structure according to the first embodiment of the present invention. FIGS.
FIG. 3 is a perspective view of a semiconductor laser having an SI-BH structure manufactured by the manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
FIGS. 4A to 4D are sectional views (No. 1) showing a method for manufacturing a semiconductor laser having an SI-PBH structure according to a second embodiment of the present invention. FIGS.
FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views (part 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor laser having the SI-PBH structure according to the second embodiment of the present invention. FIGS.
FIG. 6 is a perspective view of a semiconductor laser having an SI-PBH structure manufactured by a manufacturing method according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 (a) is a graph showing the relationship between the width of a flat surface and the thickness of a cladding layer in a method of manufacturing a semiconductor laser having an SI-PBH structure according to a second embodiment of the present invention. FIG. 7B is a cross-sectional view showing a model of the structure used to derive the above relationship.
FIGS. 8A to 8D are cross-sectional views (No. 1) showing a method for manufacturing a semiconductor laser having an SI-BH structure according to a conventional example. FIGS.
FIGS. 9A to 9C are cross-sectional views (part 2) illustrating a method for manufacturing a semiconductor laser having an SI-BH structure according to a conventional example. FIGS.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing problems in a method of manufacturing a conventional semiconductor laser having an SI-BH structure.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor laser having an SI-BH structure according to a conventional example.
FIGS. 12A to 12C are cross-sectional views (No. 1) showing a method for manufacturing a semiconductor laser having an SI-PBH structure according to another conventional example. FIGS.
FIGS. 13A and 13B are sectional views (No. 2) showing a method for manufacturing a semiconductor laser having an SI-PBH structure according to another conventional example. FIGS.
[Explanation of symbols]
31, 31b, 41, 41b Compound semiconductor substrate,
32, 35 InGaAsP layer (compound semiconductor layer),
32a, 34a, 42a, 44a cladding layer,
33, 33a, 43, 43a a layer including an active layer,
34, 42, 44 InP layer (compound semiconductor layer),
35a, 50 contact layer,
36, 46 Etching resistant film,
37, 47 buried layer (first compound semiconductor layer),
38,51 Silicon oxide film (insulating film),
39,52 contact holes,
40,53 electrodes,
45 InGaAsP layer (compound semiconductor layer),
45a cap layer,
48 block layers,
49 Cladding layer (second compound semiconductor layer),
103,104 Mesa stripe.
Claims (8)
耐エッチング性膜をマスクとして前記化合物半導体層をエッチングし、<110>方向又はこれと等価な方向に長手方向を有するメサストライプを形成する工程と、
前記耐エッチング性膜を残したまま前記メサストライプの側部の前記化合物半導体基板上に前記メサストライプの最上面よりも高く、かつ側壁が露出した第1の化合物半導体層を選択成長させる工程と、
面方位によるエッチングレートの差を利用して、表面をエッチングし、前記メサストライプの側部の第1の化合物半導体層の側壁を後退させ、前記メサストライプの最上面の周囲に平坦部を設ける工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a plurality of compound semiconductor layers on a compound semiconductor substrate having a (001) plane or an equivalent plane;
Etching the compound semiconductor layer using an etching resistant film as a mask, and forming a mesa stripe having a longitudinal direction in the <110> direction or an equivalent direction;
Selectively growing a first compound semiconductor layer that is higher than the uppermost surface of the mesa stripe and has exposed sidewalls on the compound semiconductor substrate on the side of the mesa stripe while leaving the etching resistant film;
By utilizing the difference in etching rate caused by the surface orientation, the surface is etched, to retract the side wall of the first compound semiconductor layer side of said mesa stripe, Ru provided a flat portion around the top surface of the mesa stripe And a method of manufacturing a semiconductor device.
前記第2の化合物半導体層と接触する電極を形成する工程とを有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。Retracting the side walls of the first compound semiconductor layer, after said mesa stripe step of Ru formed a flat portion around the top surface, said second compound semiconductor layer in which impurities are introduced mesa stripe and the first Depositing on the compound semiconductor layer;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of forming an electrode in contact with the second compound semiconductor layer.
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