JP4002422B2 - 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、Alを含んだ半導体層を活性層導波路に含む半導体素子とその作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図14に1980年ジャーナル・オブ・アプライド・フィジィックス、第51巻、4539〜4540ページ(JOURNAL OF APPLIED PHYSICS,P.4539−4540,VOL.51,1980)に示されているウエットエッチングで導波路を形成した埋め込みヘテロ構造を有する半導体レーザ(BH−LD:Buried Heterostructure−Laser Diode)の構造を示す。
【0003】
n型InP(100)基板1a上にInGaAsP活性層4c、p型InPクラッド層6b、p型InGaAsPコンタクト層10bからなる導波路が形成され、p型InP電流ブロック層8a、n型InP電流ブロック層8b、n型InGaAsP層8cで埋め込まれている。
【0004】
図15に前記文献の文章をもとに描いた作製工程を示す。
【0005】
まずSnドープのn型InP基板1a上に液相成長法でInGaAsP活性層4c、p型InPクラッド層6b、InGaAsPキャップ層10cを成長する(図15(a))。はじめの成長温度は630℃で、冷却速度は0.5℃/分である。活性層の4cの組成はIn0.73Ga0.27As0.630.37で室温での発振波長は1.3μmである。
【0006】
次に、[110]方向に幅6〜7μmのストライプ状の酸化シリコンマスク13aを形成する(図15(b))。そして、Br(ブロム)−メタノール溶液でn型InP基板1aに達するまでエッチングを行い、導波路を形成する(図15(c))。Br−メタノール溶液は、(111)InP面のエッチングレートが遅いために逆メサ形状となる。この時、InGaAsP活性層4cが幅1〜2μmになるようにエッチングを調整する。その後、p型InP電流ブロック層8a、n型InP電流ブロック層8b、n型InGaAsP層8cで埋め込む(図15(d))。酸化シリコンマスク13aを除去後、メサストライプ部分のみにp型InPクラッド層6bに達するまで選択的にZn拡散領域200を形成し(図14)、p型InGaAsPコンタクト層10bを形成して図14で示した構造が得られる。
【0007】
BH−LDは、狭い活性層幅と漏れ電流の少ない電流ブロック構造により活性層への電流注入が効率よくできるために、低しきい値電流、高効率でのレーザ発振が可能である。しかし、活性層幅はしきい値電流やビームパターンに影響を与えるので精密に制御する必要がある。
【0008】
しかし、図14に示した従来のBH−LDでは、メサエッチングにBr−メタノールなどのエッチング液を使い、エッチング時間によってメサ幅を制御しているために、エッチング液のわずかな濃度差によるエッチング速度の違いやサイドエッチングなどにより十分な制御性が得られ難い。また、2〜3インチ基板を用いたプロセスでは面内のばらつきも大きくなる。その結果、レーザ特性がウェハ毎やウェハ面内で異なり、歩留まりの低下をもたらすという問題が有る。前記文献に示されているBH−LD(図14)においても、ビーム放射角が活性層幅1μmで35度×35度、活性層幅が2μmで15度×35度であり、活性層幅によってビーム放射角が大きく変わることが記載されている。
【0009】
一方、全選択MOVPE成長による半導体レーザ(ASM−LD:All Selective MOVPE grown Laser Diode)は、エッチングプロセス不要でBH構造が作製できるという特徴を持つ。
【0010】
図16に1999年3月アイ・イー・イー・イー・ジャーナル・オブ・カンタム・エレクトロニクス、第35巻、第3号、368〜376頁(IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS,P.368−376,VOL.35,NO.33,MARCH,1999)に示されているASM−LDの構造図を示す。
【0011】
面方位(001)面を成長面とするn型InP基板1a上にメサストライプ状のn型InPクラッド層2a(厚さd=100〜200nm)、n側InGaAsP光ガイド層3b(λ=1.13μm、60nm)、0.7%圧縮歪のInGaAsPウェル(d=6nm)、InGaAsPバリア(λ=1.13μm、d=8nm)、で構成される歪多重量子井戸活性層4b、p側InGaAsP光ガイド層5b(λ=1.13μm、60nm)、p型InP第1クラッド層206a(d=100〜200nm)が形成され、そのメサストライプは、p型InP電流ブロック層8a(d=600nm)、n型InP電流ブロック層8b(d=600nm)で埋め込まれている。そして、その上にp型InP第2クラッド層9a(d=1600nm)、p型InGaAsコンタクト層10a(300nm)が形成さている。また、p側電極11とn側電極12が形成されている。
【0012】
図17に作製工程を示す。
【0013】
まず、(001)面を成長面とするn型InP基板1a上に[110]方向に沿って2本のストライプ状の酸化シリコンマスク13a(マスク幅5μm)を形成し(図17(a))、マスクで挟まれた領域(開口幅1.5μm)に選択MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)成長によりn型InPクラッド層2a、n側光ガイド層3b、歪多重量子井戸活性層4b、p側光ガイド層5b、p型InP第1クラッド層206aで構成される順メサストライプ形状の活性層導波路を作製する(図17(b))。次にセルフアラインプロセスでメサストライプのトップのみに酸化シリコンマスク13aを形成し(図17(c))、それをマスクとしてp型InP電流ブロック層8a、n型InP電流ブロック層8b、p型InP電流ブロック層8aの順で選択成長する(図17(d))。酸化シリコンマスク13aを除去後に、p型InP第2クラッド層9aとp型InGaAsコンタクト層10aを結晶成長してレーザ構造が作製できる(図17(e))。
【0014】
図18にセルフアラインプロセスを示す。まず、活性層導波路を選択成長後、熱化学気相堆積法(熱CVD)によりメサストライプトップの酸化シリコン膜14の厚さ(dt)がメサストライプ側面の酸化シリコン膜14の厚さ(ds)より厚くなる(dt>ds)ように形成する(図18(a))。次に、ds=0になるまでメサストライプ側面の酸化シリコン膜をエッチングする(図18(b))。次に、一般的なフォトリソ技術で活性層導波路をカバーするようにレジスト15を形成し、メサ底の酸化シリコン膜のみをサイドエッチングで除去する(図18(c))。そして、レジスト15を除去してメサストライプトップのみに酸化シリコンマスク13aを形成するセルフアラインプロセスが完了する(図18(d))。
【0015】
ASM−LDでは、選択成長で作製した活性層導波路が、(001)面と側面を示す(111)B面とで囲まれた非常に平滑な順メサ形状をなすために、活性層幅(メサストライプ幅)は選択成長領域の開口幅とマスク幅によって決定される。従って、誘電体マスクの加工(パターニング)をウェハ面内やウェハ毎で制御することができれば、活性層幅は自動的に決定される。その結果、面内均一性や再現性に優れた半導体素子を作製することができ、歩留まりを向上することができる。前記文献においても、図16に示した半導体レーザが均一性に優れたレーザ特性を示すことが記載されている。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
InAl(Ga)Asを活性層に用いた半導体レーザは、InGaAsP系に比べて電子側のバンドオフセットが大きいためにキャリアの閉じ込めが強く、低しきい値電流・高温度特性などレーザ特性の向上が期待できる。
【0017】
しかし、活性層に酸化し易いアルミニウム(Al)を含むために、活性層側面が大気に露出するプロセスを必要とするBH構造では酸化によるレーザ特性の劣化、信頼性の低下が懸念される。図14で示した従来のBH−LDでは、図15(c)で示したメサエッチング時に活性層側面が必ず大気にさらされる。一方、図16で示したASM−LDにおいても、図17(c)の工程で活性層側面を大気に露出することになり、酸化は避けられない。
【0018】
本発明の目的は、Alを含む半導体層を活性層に用いた半導体素子において、活性層側面をAlを含まない半導体層でカバーすることによって活性層を大気にさらすことを無くし、活性層の酸化を抑制し、信頼性、歩留まりの高い半導体素子及びその作製方法を提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の半導体素子は、InP基板上の所定の領域に積層された第1導電型クラッド層、Alを含む活性層および第2導電型第1クラッド層からなる(111)B面を有するストライプと、前記ストライプが埋め込まれた電流ブロック層と、前記ストライプおよび前記電流ブロック層の上に形成された第2導電型第2クラッド層と、前記第2導電型第2クラッド層上に形成された第2導電型コンタクト層とからなる半導体素子において、前記活性層を含む(111)B面を有するストライプと前記電流ブロック層との間にInP保護層を有し、前記半導体基板の面方位が(001)から[110]方向または[−1−10]方向に傾いている半導体素子。
【0020】
本発明では(001)から[110]方向または[−1−10]方向に傾いているInP基板上の所定の領域に積層された第1導電型クラッド層、Alを含む活性層および第2導電型第1クラッド層からなる(111)B面を有するストライプにInP保護層を形成しているので、ストライプ側面での保護層形成の被覆性が向上する。したがって、ストライプ側面に形成されるInP保護層の膜厚が厚くなり、活性層の酸化抑制効果が向上する。これにより活性層の酸化によるレーザ特性の悪化を防ぎ、信頼性および歩留まりの高い半導体素子を得ることができる。
【0021】
前記第2導電型第1クラッド層と前記保護層の材料がInPであることを特徴とする。
【0022】
このため、第2導電型第1クラッド層と同時にInP保護層を形成することができ、InP基板表面からのストライプの高さを低減することができる。
【0025】
また、Alを含まない保護層形成時の条件は、保護層の成長温度をTg(℃)とし、保護層の成長速度をRg(μm/h)とすると、(x,y)=(Tg,Rg)によるxy平面で示される成長温度と成長速度との関係から、(Tg,Rg)=(560,0.3)、(620,0.3)、(670,2)、(670,3)、(560,3)の5点を結んで囲まれた領域内の任意の点で定まる成長温度と成長速度としてもよい。
【0026】
Alを含まない保護層形成時の条件は、成長温度をTg(℃)とし、成長速度をRg(μm/h)とすると、(x,y)=(Tg,Rg)によるxy平面で示される成長温度と成長速度との関係から、(Tg,Rg)=(560,0.3)、(620,0.3)、(670,2)、(670,3)、(560,3)の5点を結んで囲まれた領域内の任意の点で定まるため、保護層形成ための成長速度と成長温度とを的確に決めることができ、保護層を安定して形成することができる。したがって、活性層の酸化抑制効果を確実に得ることができる。
【0029】
また、半導体基板上のストライプ状領域に積層された第1導電型クラッド層、Alを含む活性層および第2導電型第1クラッド層からなるストライプのストライプ状領域の長手方向を示すストライプ方位が、半導体基板面内で[110]方向から[―110]方向または[1―10]方向に傾いていてもよい。
【0030】
ストライプの長手方向を示すストライプ方位を、半導体基板面内で[110]方向から[―110]方向または[1―10]方向に傾けることにより、ストライプ側面での保護層形成の被覆性がさらによくなる。したがって、ストライプ側面に形成される保護層の膜厚が厚くなり、活性層の酸化抑制効果が向上する。
【0031】
また、ストライプ状領域の長手方向を示すストライプ方位が、半導体基板面内で[110]方向から[―110]方向または[1―10]方向へ傾いており、その傾きが0.01度以上3度以下であってもよい。
【0032】
ストライプ状領域の長手方向を示すストライプ方位が、半導体基板面内で[110]方向から[―110]方向または[1―10]方向へ傾いており、その傾きが0.01度以上3度以下であれば、ストライプ側面での保護層形成の被覆性がよくなるだけでなく、ストライプの良好な形状を維持できる。
【0034】
一方、上記目的を達成するための本発明の半導体素子の作製方法は、面方位が(001)面から[110]方向または[−1−10]方向に傾いているInP基板上に、第1導電型クラッド層、Alを含む活性層および第2導電型第1クラッド層からなる(111)B面を有するストライプを形成する工程と、前記第2導電型第1クラッド層形成後、酸素にさらすことなく、前記活性層を含むストライプの露出面をInP保護層で覆うように形成する工程と、前記ストライプ上部に誘電体マスクを形成する工程と、
前記InP保護層、前記ストライプおよび前記半導体基板の露出面上に電流ブロック層を形成する工程と、前記誘電体マスクを除去する工程と、前記InP保護層または前記ストライプの露出面、および前記電流ブロック層上に第2導電型第2クラッド層を形成する工程と、前記第2導電型第2クラッド層上に第2導電型コンタクト層を形成する工程とからなる半導体素子の作製方法。
とからなる。
【0035】
InP基板上に、第1導電型クラッド層、Alを含む活性層および第2導電型第1クラッド層からなる(111)B面を有するストライプを形成した後、酸素にさらすことなく、InP保護層を活性層の露出面を覆うように形成しているので、活性層が、ストライプ形成以降の工程で、大気中などの酸素にさらされることがない。そのため、活性層が酸化されることが抑制され、信頼性および歩留まりの高い半導体素子を作製できる。この際、半導体基板の面方位を(001)面から[110]方向または[−1−10]方向に傾けることにより、ストライプ側面での保護層形成の被覆性が向上する。したがって、ストライプ側面に形成される保護層の膜厚が厚くなり、活性層の酸化抑制効果が向上する。
【0036】
または、面方位が(001)面から[110]方向または[−1−10]方向に傾いているInP基板上に、メサ側面が(111)B面である、第1導電型クラッド層およびAlを含む活性層を形成する工程と、前記活性層形成後、酸素にさらすことなく、第2導電型InP第1クラッド層を、前記活性層上部、および前記活性層の露出面を覆うように形成し、前記第1導電型クラッド層、前記活性層および前記第2導電型InP第1クラッド層からなるストライプを形成する工程と、前記ストライプ上部に誘電体マスクを形成する工程と、前記ストライプおよび前記半導体基板の露出面上に電流ブロック層を形成する工程と、前記誘電体マスクを除去する工程と、前記ストライプの露出面および前記電流ブロック層上に第2導電型第2クラッド層を形成する工程と、前記第2導電型第2クラッド層上に第2導電型コンタクト層を形成する工程とからなる。
【0037】
InP基板上に、メサ側面が(111)B面である、第1導電型クラッド層およびAlを含む活性層を形成した後、酸素にさらすことなく、第2導電型InP第1クラッド層を、活性層上部、および活性層の露出面を覆うように形成し、第1導電型クラッド層、活性層および第2導電型InP第1クラッド層からなるストライプを形成しており、ストライプ形成以降の工程では、第2導電型InP第1クラッド層が活性層の酸化を防ぐ。第2導電型InP第1クラッド層が活性層の酸化を防ぐ保護層の機能も有しているため、第2導電型InP第1クラッド層とは別に保護層を形成するための工程が必要なく、半導体素子の作製期間を短縮できる。また、InP基板の面方位を(001)面から[110]方向または[−1−10]方向に傾けることにより、(111)B面のメサ側面での保護層形成の被覆性が向上する。したがって、ストライプ側面に形成される保護層の膜厚が厚くなり、活性層の酸化抑制効果が向上する。
【0038】
また、Alを含まない保護層形成時の条件は、保護層の成長温度をTg(℃)とし、保護層の成長速度をRg(μm/h)とすると、(x,y)=(Tg,Rg)によるxy平面で示される成長温度と成長速度との関係から、(Tg,Rg)=(560,0.3)、(620,0.3)、(670,2)、(670,3)、(560,3)の5点を結んで囲まれた領域内の任意の点で定まる成長温度と成長速度としてもよい。
【0039】
また、Alを含まない第2導電型第1クラッド層形成時の条件は、成長温度をTg(℃)とし、成長速度をRg(μm/h)とすると、(x,y)=(Tg,Rg)によるxy平面で示される成長温度と成長速度との関係から、(Tg,Rg)=(560,0.3)、(620,0.3)、(670,2)、(670,3)、(560,3)の5点を結んで囲まれた領域内の任意の点で定まる成長温度と成長速度としてもよい。
【0042】
また、半導体基板上のストライプ状領域にストライプを形成するとき、前記ストライプ状領域の長手方向を示すストライプ方位が、半導体基板面内で[110]方向から[―110]方向または[1―10]方向に傾いていてもよい。
【0043】
また、ストライプ状領域の長手方向を示すストライプ方位が、半導体基板面内で[110]方向から[―110]方向または[1―10]方向へ傾いており、その傾きが0.01度以上3度以下であってもよい。
【0045】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体素子とその作製方法について図面を使って説明する。
【0046】
図1に本発明の半導体素子の基本構造を示す。半導体基板1上にメサストライプ形状の第1導電型クラッド層2、アルミニウム(Al)を含む活性層4、第2導電型第1クラッド層6からなる活性層導波路が形成され、その活性層導波路はAlを含まない半導体層(保護層7)で覆われている。そして、保護層7を含む導波路は、電流ブロック層8で埋め込まれ、更に第2導電型第2クラッド層9、第2導電型コンタクト層10が積層されている。
【0047】
図2に作製工程を示す。面方位(001)面を成長面とする半導体基板1上に2本のストライプ状の誘電体マスク13を形成し(図2(a))、マスクで挟まれた領域に選択MOVPE成長により第1導電型クラッド層2、Alを含む活性層4、第2導電型第1クラッド層6で構成される順メサ形状の活性層導波路を作製する(図2(b))。更に、結晶成長炉の外に出すこと無く、酸素にさらすこと無く連続して保護層7を形成する(図2(c))。
【0048】
次にセルフアラインプロセスで活性層導波路のメサトップのみに誘電体マスク213を形成し(図2(d))、それをマスクとして電流ブロック層8を選択成長で形成する(図2(e))。誘電体マスク213を除去後、第2導電型第2クラッド層9と第2導電型コンタクト層10を形成して図1の構造が作製できる。
【0049】
活性層導波路は保護層7によって被覆されているために、その後のプロセスにおいてウェハを大気にさらしても、Alを含んだ活性層側面における大気中の酸素による酸化が抑制され、素子特性の悪化や信頼性の低下を防ぐことができる。酸化の抑制は、保護層7によって行われる。保護層7が半導体素子を完成するプロセス中で消失してしまうと、Alを含む活性層側面は酸化されてしまう。それを抑制するためには、保護層7の厚さを厚くすることが必要である。また、意図的に消失しないようにプロセスを構成する必要がある。
【0050】
従来例で示したASM−LDでは、活性層にAlを含まないために保護層という考え方はなかった。また、たとえ偶然にして側面保護層的なものが形成されていたとしても、最終的には電流ブロック層中に埋め込むプロセスで消失している。
【0051】
本発明では、この保護層をプロセスの最終工程まで残存させることによって酸化抑制効果を引き出し、しいては実用に耐え得るAl系活性層導波路を有する半導体素子の構造と作製方法を提供するものである。
【0052】
以下では、保護層の残存性を高めるための製造方向について述べる。保護層7は、▲1▼成長温度を低くする、▲2▼III族(InやGaなど)原料の供給量を増やし、成長速度を増加する、▲3▼半導体基板上に形成した2本のストライプ状の誘電体マスクで挟まれることにより形成されるストライプ状の開口領域のストライプ方向を意図的に傾ける、ことによりメサ側面での成長速度をメサトップの成長速度に比べて増加することができる。その理由としては、活性層導波路の側面は(111)B面であり、その面におけるIII族原子(In、Gaなど)は下地のV族原子(As、Pなど)と1本のボンドでしか結合していない。従って、成長温度が高いと結合が切れて脱離が起こり易く、結果的に成長が抑制される。なお、以下において、活性層道波路の側面を(111)B面と称する。
【0053】
逆に、成長温度が低いと脱離が抑制されて(111)B面での成長が促進できる。また、III族原子の吸着確率はIII族原子の濃度に比例するので、(001)面上の成長速度が大きいほど(111)B面上の成長速度も大きくなる。従って、成長速度がある程度大きい成長条件では、(111)B面である活性層導波路側面への保護層の形成が容易になる。また、ストライプ状の開口領域のストライプ方位を傾けると開口領域に形成した活性層導波路の側面である(111)B面はステップ密度が増加し、傾けない場合に比べてステップフロー成長が促進される。その結果、(111)B面における保護層7の成長が促進されると共に被覆性、平坦性も向上する。
【0054】
Alを含んだ活性層を用いた場合、メサストライプ側面の酸化が抑制できないと、非発光再結合センターが生成され、結果的にレーザ特性の悪化や信頼性の低下をもたらす。従って、Alを含んだ半導体層を活性層導波路に用いた半導体素子、例えば、ASM−LD構造による半導体素子において、本発明の構造を採用することにより、実用に耐える半導体レーザを初めて実現することができる。
【0055】
【実施例】
(第1の実施例)
図3は本発明の第1の実施例で、Alを含んだ半導体層を活性層に用いた1.3μm帯ASM−LDの構造図である。
【0056】
面方位(001)面を成長面とするn型InP基板1a(キャリア濃度n=2×1018cm-3)上にメサストライプ形状のn型InPクラッド層2a(厚さd=200nm、n=1×1018cm-3)、n側InAlGaAs光ガイド層3a(d=50nm、ノンドープ)、InAlGaAsウェル(d=6nm、1.5%圧縮歪、7ウェル)、InAlGaAsバリア(d=10nm、0.9%引っ張り歪)で構成される歪多重量子井戸活性層4a、p側InAlGaAs光ガイド層5a(d=50nm、ノンドープ)、p型InP第1クラッド層56a(d=50nm、p=5×1017cm-3)からなる活性層導波路が形成され、その活性層導波路の側面はp型InP保護層7aで被覆されている。(001)面におけるp型InP保護層7aの厚さは200nm、キャリア濃度はp=5×1017cm-3である。また、メサストライプ側面の(111)B面におけるp型InP保護層7aの厚さは30nmである。
【0057】
そして、活性層導波路はp型InP電流ブロック層8a(d=700nm、p=7×1017cm-3)、n型InP電流ブロック層8b(d=600nm、n=1×1018cm-3)で埋め込まれ、p型InP第2クラッド層9a(d=1500nm、p=1×1018cm-3)、p型InGaAsコンタクト層10a(300nm、p=1×1019cm-3)が積層されている。なお、図3に示されていないが、図16に示すp側電極11、n側電極12が従来と同様に形成されており、詳細な説明を省略する。
【0058】
次に作製方法について説明する。図4は、本発明の第1の実施例であるASM−LDの作製工程図である。結晶成長はMOVPE法を使い、原料としては、トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリエチルガリウム(TEGa)、トリメチルインジウム(TMIn)、アルシン(AsH3)、ホスフィン(PH3)を用いる。また、n型とp型のドーピング原料としては、ジシラン(Si26)とジエチル亜鉛(DEZn)をそれぞれ用いる。キャリアガスは水素で、成長圧力は100hPaで行う。
【0059】
まず、(001)面を成長面とするn型InP基板1a上に厚さ100nmの酸化シリコン膜を熱CVDで堆積する。そして、一般的なフォトリソ技術を使ってマスク幅5μm、開口幅1.5μmからなる一対のストライプ状の酸化シリコンマスク13aに加工する(図4(a))。ストライプの長手方向を示すストライプ方位は[110]方向である。
【0060】
次にその基板をMOVPE装置にセットし、n型InPクラッド層2a、n側InAlGaAs光ガイド層3a、InAlGaAs層を含む歪多重量子井戸活性層4a、p側InAlGaAs光ガイド層5a、p型InP第1クラッド層56aで構成される順メサ形状の活性層導波路を選択成長により形成する(図4(b))。更に大気にさらすことなく連続して、p型InP保護層7aを成長させる(図4(c))。成長温度と選択成長領域の(001)面における成長速度はそれぞれ、n型InPクラッド層2aからp型InP第1クラッド層56aまでが640℃、0.5μm/h、p型InP保護層7aが590℃、1.5μm/hである。その後MOVPE装置から取り出し、セルフアラインプロセスによりメサトップのみに酸化シリコンマスク213aを形成する(図4(d))。
【0061】
次に、再度MOVPE装置にセットし、成長温度630℃でp型InP電流ブロック層8a、n型InP電流ブロック層8bを選択成長により形成する(図4(e))。MOVPE装置から取り出して酸化シリコンマスク213aを除去後、3回目のMOVPE成長で成長温度600℃でp型InP第2クラッド層9a、p型InGaAsコンタクト層10aを成長させ、その後、p型電極11の形成、n型InP基板1aの研磨、n型電極12の形成を行い、図3で示したASM−LDを作製することができる。
【0062】
この半導体レーザを共振器長300μm、前面30%、後面90%の端面コーティングを施してレーザ特性を評価したところ、25℃におけるしきい値電流は8mA、スロープ効率は0.45W/Aと低しきい値電流、高効率でのレーザ発振を得た。また、120℃までのレーザ発振を確認し、高温での連続動作も確認した。
(第2の実施例)
図5は本発明の第2の実施例で、第1の実施例と同様にAlを含んだ半導体層を活性層に用いた1.3μm帯ASM−LDの構造図である。第1実施例との違いは、活性層導波路の側面がp型InP第1クラッド層6aで被覆されており、p型InP第1クラッド層6aが第1実施例における保護層7aの役割を担っている。
【0063】
図6に実施例2の作製工程図を示す。第1実施例と同様に結晶成長にはMOVPE法を使い、原料としてはTMAl、TEGa、TMIn、AsH3、PH3を用い、n型とp型のドーピング原料としてはSi26とDEZnをそれぞれ用いる。キャリアガスは水素で、成長圧力は100hPaで行う。
【0064】
まず、(001)面を成長面とするn型InP基板1a上に厚さ100nmの酸化シリコン膜を熱CVDで堆積する。そして、一般的なフォトリソ技術を使ってマスク幅5μm、開口幅1.5μmからなる一対のストライプ状の酸化シリコンマスク13aに加工する(図6(a))。ストライプの長手方向を示すストライプ方位は[110]方向である。
【0065】
次にその基板をMOVPE装置にセットし、n型InPクラッド層2a、n側InAlGaAs光ガイド層3a、InAlGaAsを含む歪多重量子井戸活性層4a、p側InAlGaAs光ガイド層5a、p型InP第1クラッド層6aで構成される順メサ形状の活性層導波路を選択成長により形成する(図6(b))。p型InP第1クラッド層6aの厚さは、メサトッフ゜である(001)面で200nm、メサ側面である(111)B面で20nmである。成長温度と選択成長領域の(001)面における成長速度は、n型InPクラッド層2a、n側InAlGaAs光ガイド層3a、多重量子井戸活性層4a、p側InAlGaAs光ガイド層5aで640℃、0.5μm/hで、p型InP第1クラッド層6aは620℃、を2.5μm/hである。第2の実施例では、p型InP第1クラッド層6aの成長温度を下げることによりメサストライプ側面における成長を促進させ、保護層として機能させている。
【0066】
その後、MOVPE装置から取り出し、第1実施例と同様にセルフアラインプロセス、電流ブロック層8aの形成、p型InP第2クラッド層9aの形成、p型InGaAsコンタクト層10aの形成を経て図5の構造を作製することができる。
【0067】
図7に成長温度と選択成長領域の(001)面における成長速度を変化させて、メサストライプ側面にInP保護層を形成した結果を示す。ストライプの長手方向が[110]方向になるように、ストライプを形成した。成長後にメサストライプ側面を走査型電子顕微鏡で観察し、(111)B面の被覆状態と成長条件の関係をプロットした。
【0068】
なお、図7は、成長温度(Tg)と成長速度(Rg)とからなる成長条件の関係を、(x,y)=(Tg,Rg)によるxy平面としたグラフであり、メサ側面が完全に被覆されていれば○印を、部分的に被覆されていれば△印を、被覆されていなければ×印を上記xy平面にプロットしている。
【0069】
成長温度が560℃から620℃の場合、成長速度は実験を行った0.3μm/hから3μm/hの範囲で、(111)B面への平坦なInP成長が確認できた。しかし、560℃以下では平坦性が低下し、メサストライプ側面に保護層を十分に被覆できなかった。これは、▲1▼成長温度の低下によりIn原子のマイグレーション長が短くなったため、▲2▼PH3の分解効率が低下し、P(リン)圧が不足して結晶性が悪化したため、と考えられる。また、670℃以上では(111)B面への成長が抑制された。これは成長温度が高すぎるためにIn原子の付着率が低下したためと考えられる。一方、620℃〜670℃では、成長温度の上昇と共に成長速度を増加することにより、(111)B面の成長が可能となる。尚、成長速度については、成長層の平坦性や厚さの制御性を考えると、(001)面上で3μm/h以下が適当であると考えられる。
【0070】
従って、(Tg,Rg)=(560,0.3)、(620,0.3)、(670,2)、(670,3)、(560,3)の5点を結んで囲まれた領域における任意の点での成長温度、成長速度でストライプ側面の保護層の形成を行うことにより、被覆性、平坦性、結晶性に優れた成長が可能である。第1の実施例ではp型InP保護層7aを590℃、1.5μm/hで、実施例2ではp型InP第1クラッド層を620℃、2.5μm/hで成長することにより保護層をメサストライプ側面に形成し、Alを含んだ半導体層の酸化を抑制している。
【0071】
尚、(001)面の成長速度は、成長面を数度傾けても変わらないので、図7で示した(111)B面に対する関係はほぼ同様な関係が得られる。
(第3の実施例)
図8は本発明の第3の実施例で、活性層導波路を選択成長で形成した後の斜視図である。第1、第2の実施例と同様にAlを含んだ半導体層を活性層に用いた1.3μm帯ASM−LDである。
【0072】
(001)面を成長面とするn型InP基板1a(キャリア濃度n=2×1018cm-3)上に2本のストライプ状の酸化シリコンマスク13aが[110]方向から(001)面内で0.5度傾いて形成され、その挟まれた領域にメサストライプ状のn型InPクラッド層2a(厚さd=200nm、n=1×1018cm-3)、n側InAlGaAs光ガイド層3a(d=50nm、ノンドープ)、InAlGaAsウェル(d=6nm、1.5%圧縮歪、7ウェル)、InAlGaAsバリア(d=10nm、0.9%引っ張り歪)で構成される歪多重量子井戸活性層4a、p側InAlGaAs光ガイド層5a(d=50nm、ノンドープ)、p型InP第1クラッド層6a(d=200nm、p=5×1017cm-3)が形成されている。
【0073】
また、歪多重量子井戸活性層4aの側面は、p型InP第1クラッド層6aでカバーされており、p型InP第1クラッド層6aが保護層の役割をしている。(111)B面におけるp型InP第1クラッド層6aの厚さは、40nmである。
【0074】
次に作製方法について説明する。図9は第3の実施例の作製工程図で、活性層導波路を選択成長で形成するまでを示したものである。第1実施例、第2実施例と同様に結晶成長にはMOVPE法を使い、原料としてはTMAl、TEGa、TMIn、AsH3、PH3を、n型とp型のドーピング原料としてはSi26とDEZnをそれぞれ用いる。キャリアガスは水素で、成長圧力は100hPaで行う。
【0075】
まず、(001)面を成長面とするn型InP基板1a上に厚さ100nmの酸化シリコン膜を熱CVDで堆積する。そして、一般的なフォトリソ技術を使って幅5μm、開口幅1.5μmからなる一対のストライプ状の酸化シリコンマスク13aに加工する(図9(a))。この時、ストライプの長手方向は[110]方向から(001)面内で意図的に0.5度傾けて形成する(図9(b))。
【0076】
次にその基板をMOVPE装置にセットし、n型InPクラッド層2a、n側InAlGaAs光ガイド層3a、InAlGaAsを含む歪多重量子井戸活性層4a、p側InAlGaAs光ガイド層5a、p型InP第1クラッド層6aで構成される順メサ形状のDH(Double Hetero)構造を選択成長により形成する(図9(c))。成長温度と成長速度はn型InPクラッド層2aからp側InAlGaAs光ガイド層5aまでは640℃、0.5μm/hで、p型InP第1クラッド層6aは600℃、0.5μm/hである。
【0077】
酸化シリコンマスク13aが[110]方向から(001)面内で0.5度傾けて形成されているために、選択成長で形成されるDHメサストライプも傾いて形成される。更に、メサ側面も傾いているために(111)B面におけるステップ密度が増加し、傾けない場合に比べてIII族原子の吸着確率が増加する。その結果、p型InP第1クラッド層6a成長時にメサ側面への成長が促進されて、Alを含む半導体層(光ガイド層(3a、5a)、活性層4a)の側面を被覆することができる。
【0078】
第3の実施例ではストライプの傾き角として0.5度の場合について述べた。傾き角に比例して(111)B面におけるステップ間隔が短くなりステップ密度が増加するので、ストライプをわずかに傾けることにより(111)B面における成長促進、平坦性向上など本発明の作用を効果的に得ることができる。傾き角の範囲について考えると、ストライプを[110]方向の基準となるもの(例えば、へき開面)からX度傾かせると、長さL(μm)離れた所での[110]方向ストライプからのずれ量S(μm)は、式(1)で表すことができる。
【0079】
S = L×1000 tan(X) ・・・ (1)
2インチ基板(直径約50mm)を用いた場合、傾き角が0.01度のとき、Sは約9μmとなる。9μmという大きさは、密着露光機などを用いた通常のフォトリソプロセスにおいて人間が意図的にずらすことができる十分な大きさである。しかし、基板毎での再現性などを考慮すると、傾き角を意図的に制御できる精度としては0.01度以上とするのが妥当と考えられる。
【0080】
一方、図10(a)、(b)、(c)に選択成長に用いる酸化シリコンマスク13aの[110]方向からの傾き角が0度、3度、5度の場合における保護層形成後のメサストライプ形状を示す。保護層として、p型InP第1クラッド層6aを用いた。ストライプの傾き角が大きくなるのに伴い、(111)B面における成長速度が増加し、順メサ形状(傾き角が0度の場合)からマッシュルーム形状(3度)、疑似逆メサ形状(5度)へと変化する。
【0081】
図10(c)に示す疑似逆メサ形状では、図18に示したセルフアラインプロセスにおいて、熱CVDによる酸化シリコン膜堆積時にひさし下部によどみ層が形成されて側面での酸化シリコン膜厚(ds)が厚くなる。従って、dt>ds(図18(a)参照)になるように酸化シリコン膜14を形成するのが不可能である。従って、傾き角は3度以下とする方が良い。
【0082】
以上の結果から、選択成長に使う酸化シリコンマスク13aの傾き角は、0.01度以上3度以下とするのが望ましい。
【0083】
また、第3の実施例では、開口幅とマスク幅を一定とし、ストライプマスク全体を一定の角度だけ傾けた。しかし、図11に示したマスクパターンのようにマスクの一部を傾けた場合(図11(a))や傾け角を複数変えた場合(図11(b))、開口幅やマスク幅を変えた場合(図11(c))など、それらの作用によって活性層導波路の側面をカバーする保護層を形成することができれば、本発明は有効である。また、第1実施例〜第3実施例では活性層にInAlGaAs層を含んだASM構造による半導体素子の場合について述べたが、AlGaAsやInAlGaPなどを用いた場合でも本発明は有効である。
【0084】
なお、上記第1実施例〜第3実施例では、半導体基板の面方位が(001)面の場合で説明したが、[1−10]方向または[―110]方向に数度傾いていてもよい。この数度の傾きは、選択MOVPE成長で形成されるメサ側面が(111)B面となる範囲の角度である。
【0085】
図12に一例として、[1−10]方向に5度傾けた(001)InP基板を用いて活性層導波路を形成した後の断面構造を示す。5度傾けることにより成長面と(111)B面はそれぞれ59.7度、49.7度をなす。しかし、選択成長により(111)B面の形成、つまり保護層であるp型InP第1クラッド層6aの形成が可能であり、本発明を適用することができる。そして、本発明の効果が得られる角度としては、(111)B面の形成が可能である15度程度までである。
【0086】
更に、半導体基板の面方位が(001)面から[110]方向または[−1−10]方向に傾いていてもよい。この傾き角に応じて(111)B面のステップ密度が増加するので、本発明の作用である(111)B面への成長の促進、平坦性の向上が得られる。
【0087】
図13に一例として、[110]方向に1度傾けた(001)InP基板を用いて作製したASM−LDの断面図を示す。図13(a)は導波路に垂直方向、図13(b)は導波路に平行な方向から見た断面図である。[110]方向に1度傾けることによりへき開で形成した端面も1度傾くことになる。半導体レーザの反射面となるへき開で形成した(110)面及び(−1−10)面も傾くために、ミラー損失が増加してしきい値電流の増加をもたらすが、本発明を適用することによって、信頼性や歩留まりの向上という本発明の効果が十分に得られれば、その傾き角まで本発明が有効である。さらに、ドライエッチングを用いて反射面を形成する場合については、基板の傾き角に依存せず垂直なミラー形成が可能であるから、レーザ特性の悪化を危惧する必要はない。
【0088】
なお、上記第1実施例〜第3実施例においては、順メサ形状のストライプについて説明してきたが、順メサ形状に限られず、ストライプの側面が半導体基板表面に垂直になるように、ストライプが形成されてもよい。
【0089】
【発明の効果】
本発明によれば、Alを含んだ半導体層を活性層に用いた半導体素子において、ストライプ側面をAlを含まない半導体層でカバーすることによって、活性層を大気にさらすこと無く、信頼性、歩留まりの高い半導体素子及びその作製方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体素子の基本構造を示す断面図である。
【図2】本発明の基本構造の作製工程を示す断面図である。
【図3】本発明の第1の実施例で、Alを含んだ半導体層を活性層に用いた1.3μm帯ASM−LDの構造断面図である。
【図4】本発明の第1の実施例の作製工程を示す断面図である。
【図5】本発明の第2の実施例であるASM−LDの構造断面図である。
【図6】本発明の第2の実施例の作製工程を示す断面図である。
【図7】本発明の第1、第2の実施例の作用であるメサ側面の被覆形態の成長条件依存性を示すグラフである。
【図8】本発明の第3の実施例で活性層導波路形成後の構造を示す斜視図である。
【図9】本発明の第3の実施例の作製工程を示す断面図である。
【図10】選択成長により形成したメサストライプの形状と傾き角の関係を示した図である。
【図11】本発明の第3の実施例の応用例として選択成長用のマスクパターンを示した図である。
【図12】[1−10]方向に5度傾けた面方位(001)のInP基板上に活性層導波路形成した後の断面構造図である。
【図13】[110]方向に1度傾けた面方位(001)のInP基板上に形成したASM−LDの断面構造図である。
【図14】ウエットエッチングで導波路を形成したBH−LDの断面図である。
【図15】ウエットエッチングで導波路を形成したBH−LDの作製工程を示す断面図である。
【図16】従来のASM−LDの構造を示す断面図である。
【図17】従来のASM−LDの作製工程を示す断面図である。
【図18】セルフアラインプロセスを示す断面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
1a n型InP基板
2 第1導電型クラッド層
2a n型InPクラッド層
2b n型InP第1クラッド層
2c n型InAlGaAs第2クラッド層
3a n側InAlGaAs光ガイド層
3b n側InGaAsP光ガイド層
4 活性層
4a、4b 歪多重量子井戸活性層
4c InGaAsP活性層
5a p側InAlGaAs光ガイド層
5b p側InGaAsP光ガイド層
6 第2導電型第1クラッド層
6a、56a、206 p型InP第1クラッド層
7 保護層
7a p型InP保護層
8 電流ブロック層
8a p型InP電流ブロック層
8b n型InP電流ブロック層
9 第2導電型第2クラッド層
9a p型InP第2クラッド層
10 第2導電型コンタクト層
10a p型InGaAsコンタクト層
10b p型InGaAsPコンタクト層
10c InGaAsPキャップ層
11 p側電極
12 n側電極
13、213 誘電体マスク
13a、213a 酸化シリコンマスク
14 酸化シリコン膜
15 レジスト
200 Zn拡散領域
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor element including a semiconductor layer containing Al in an active layer waveguide and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Waveguide by wet etching shown in FIG. 14 in 1980 Journal of Applied Physics, Vol. 51, pages 4539-4540 (JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, P.4539-4540, VOL.51, 1980) 1 shows a structure of a semiconductor laser (BH-LD: Buried Heterostructure-Laser Diode) having a buried heterostructure formed with GaN.
[0003]
A waveguide including an InGaAsP active layer 4c, a p-type InP cladding layer 6b, and a p-type InGaAsP contact layer 10b is formed on an n-type InP (100) substrate 1a, and a p-type InP current blocking layer 8a and an n-type InP current blocking layer are formed. 8b, embedded with an n-type InGaAsP layer 8c.
[0004]
FIG. 15 shows a production process drawn based on the text of the document.
[0005]
First, an InGaAsP active layer 4c, a p-type InP clad layer 6b, and an InGaAsP cap layer 10c are grown on a Sn-doped n-type InP substrate 1a by a liquid phase growth method (FIG. 15A). The initial growth temperature is 630 ° C., and the cooling rate is 0.5 ° C./min. The composition of the active layer 4c is In0.73Ga0.27As0.63P0.37The oscillation wavelength at room temperature is 1.3 μm.
[0006]
Next, a stripe-shaped silicon oxide mask 13a having a width of 6 to 7 μm is formed in the [110] direction (FIG. 15B). Then, etching is performed with a Br (bromine) -methanol solution until the n-type InP substrate 1a is reached, thereby forming a waveguide (FIG. 15C). The Br-methanol solution has a reverse mesa shape because the etching rate of the (111) InP surface is slow. At this time, the etching is adjusted so that the InGaAsP active layer 4c has a width of 1 to 2 μm. Thereafter, the p-type InP current blocking layer 8a, the n-type InP current blocking layer 8b, and the n-type InGaAsP layer 8c are embedded (FIG. 15D). After removing the silicon oxide mask 13a, a Zn diffusion region 200 is selectively formed only in the mesa stripe portion until the p-type InP cladding layer 6b is reached (FIG. 14), and a p-type InGaAsP contact layer 10b is formed. The structure shown is obtained.
[0007]
Since the BH-LD can efficiently inject current into the active layer with a narrow active layer width and a current blocking structure with little leakage current, laser oscillation with low threshold current and high efficiency is possible. However, since the active layer width affects the threshold current and the beam pattern, it must be precisely controlled.
[0008]
However, since the conventional BH-LD shown in FIG. 14 uses an etchant such as Br-methanol for mesa etching and the mesa width is controlled by the etching time, the etching rate due to a slight concentration difference of the etchant. It is difficult to obtain sufficient controllability due to the difference between the two and side etching. In addition, in the process using a 2 to 3 inch substrate, in-plane variation becomes large. As a result, there is a problem that the laser characteristics differ from wafer to wafer and within the wafer surface, resulting in a decrease in yield. Also in the BH-LD shown in the above document (FIG. 14), the beam emission angle is 35 degrees × 35 degrees when the active layer width is 1 μm, and the active layer width is 15 degrees × 35 degrees when the active layer width is 2 μm. It is described that the beam radiation angle changes greatly.
[0009]
On the other hand, a semiconductor laser (ASM-LD: All Selective MOVPE grown Laser Diode) by full selective MOVPE growth has a feature that a BH structure can be produced without an etching process.
[0010]
FIG. 16 shows, in March 1999, IEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 35, No. 3, pages 368-376 (IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, P.368-376, VOL. 35, No. 33, MARCH, 1999), shows a structural diagram of ASM-LD.
[0011]
An n-type InP clad layer 2a (thickness d = 100 to 200 nm) and an n-side InGaAsP light guide layer 3b (λ = 1. 13 μm, 60 nm), 0.7% compressive strain InGaAsP well (d = 6 nm), InGaAsP barrier (λ = 1.13 μm, d = 8 nm), strained multiple quantum well active layer 4b, p-side InGaAsP light A guide layer 5b (λ = 1.13 μm, 60 nm), a p-type InP first cladding layer 206a (d = 100 to 200 nm) are formed, and the mesa stripe has a p-type InP current blocking layer 8a (d = 600 nm), It is embedded with an n-type InP current blocking layer 8b (d = 600 nm). A p-type InP second cladding layer 9a (d = 1600 nm) and a p-type InGaAs contact layer 10a (300 nm) are formed thereon. A p-side electrode 11 and an n-side electrode 12 are formed.
[0012]
FIG. 17 shows a manufacturing process.
[0013]
First, two stripe-shaped silicon oxide masks 13a (mask width 5 μm) are formed along the [110] direction on an n-type InP substrate 1a having a (001) plane as a growth surface (FIG. 17A). The n-type InP clad layer 2a, the n-side light guide layer 3b, the strained multiple quantum well active layer 4b, and the p-side by selective MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) growth in the region sandwiched between the masks (opening width 1.5 μm) A forward mesa stripe-shaped active layer waveguide composed of the light guide layer 5b and the p-type InP first cladding layer 206a is produced (FIG. 17B). Next, a silicon oxide mask 13a is formed only on the top of the mesa stripe by a self-alignment process (FIG. 17C), and using that as a mask, a p-type InP current blocking layer 8a, an n-type InP current blocking layer 8b, and a p-type InP. The current blocking layer 8a is selectively grown in this order (FIG. 17D). After removing the silicon oxide mask 13a, the p-type InP second cladding layer 9a and the p-type InGaAs contact layer 10a can be crystal-grown to produce a laser structure (FIG. 17E).
[0014]
FIG. 18 shows the self-alignment process. First, after the active layer waveguide is selectively grown, the thickness (dt) of the silicon oxide film 14 on the mesa stripe top is changed to the thickness (ds) on the side surface of the mesa stripe by thermal chemical vapor deposition (thermal CVD). ) To be thicker (dt> ds) (FIG. 18A). Next, the silicon oxide film on the side surface of the mesa stripe is etched until ds = 0 (FIG. 18B). Next, a resist 15 is formed by a general photolithography technique so as to cover the active layer waveguide, and only the silicon oxide film on the mesa bottom is removed by side etching (FIG. 18C). Then, the self-alignment process for removing the resist 15 and forming the silicon oxide mask 13a only on the mesa stripe top is completed (FIG. 18D).
[0015]
In the ASM-LD, the active layer waveguide produced by selective growth has a very smooth forward mesa shape surrounded by the (001) plane and the (111) B plane indicating the side surface. (Mesa stripe width) is determined by the opening width of the selective growth region and the mask width. Therefore, if the processing (patterning) of the dielectric mask can be controlled within the wafer surface or for each wafer, the active layer width is automatically determined. As a result, a semiconductor element having excellent in-plane uniformity and reproducibility can be manufactured, and the yield can be improved. The document also describes that the semiconductor laser shown in FIG. 16 exhibits excellent laser characteristics.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
A semiconductor laser using InAl (Ga) As as an active layer has a higher band offset on the electron side than an InGaAsP system, so that carrier confinement is strong, and laser characteristics such as low threshold current and high temperature characteristics are improved. I can expect.
[0017]
However, since the active layer contains aluminum (Al) that easily oxidizes, there is a concern that the BH structure that requires a process in which the side surface of the active layer is exposed to the atmosphere may deteriorate laser characteristics and reliability due to oxidation. In the conventional BH-LD shown in FIG. 14, the side surface of the active layer is always exposed to the atmosphere during the mesa etching shown in FIG. On the other hand, also in the ASM-LD shown in FIG. 16, the side surface of the active layer is exposed to the atmosphere in the step of FIG. 17C, and oxidation is inevitable.
[0018]
An object of the present invention is to oxidize an active layer in a semiconductor device using a semiconductor layer containing Al as an active layer, by covering the side of the active layer with a semiconductor layer not containing Al, thereby exposing the active layer to the atmosphere. Is to provide a semiconductor device with high reliability and yield and a method for manufacturing the same.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, a semiconductor device of the present invention comprises a first conductivity type cladding layer, an active layer containing Al, and a second conductivity type first cladding layer laminated in a predetermined region on an InP substrate (111 ) A stripe having a B surface; a current blocking layer in which the stripe is embedded; a second conductivity type second cladding layer formed on the stripe and the current block layer; and the second conductivity type second cladding. A semiconductor device comprising a second conductivity type contact layer formed on a layer, and having an InP protective layer between a stripe having a (111) B surface including the active layer and the current blocking layer, A semiconductor element in which the plane orientation of the substrate is tilted from (001) to the [110] direction or the [-1-10] direction.
[0020]
In the present invention, on an InP substrate inclined from (001) to the [110] direction or the [-1-10] direction.A first conductivity type cladding layer, an active layer containing Al, and a second conductivity type first cladding layer laminated in a predetermined region of(111) with B-planeTo stripeSince the InP protective layer is formed, the coverage of the protective layer formation on the stripe side surface is improved. Therefore, the thickness of the InP protective layer formed on the side surface of the stripe is increased, and the oxidation suppressing effect of the active layer is improved. As a result, deterioration of the laser characteristics due to oxidation of the active layer can be prevented, and a semiconductor element with high reliability and high yield can be obtained.
[0021]
The material of the second conductivity type first cladding layer and the protective layer is InP.
[0022]
For this reason,Simultaneously with the second conductivity type first cladding layerInP protective layerCan formInP substrateThe height of the stripe from the surface can be reduced.
[0025]
Further, the conditions for forming the protective layer not containing Al are: (x, y) = (Tg, where the growth temperature of the protective layer is Tg (° C.) and the growth rate of the protective layer is Rg (μm / h). (Tg, Rg) = (560, 0.3), (620, 0.3), (670, 2), (670, 3) from the relationship between the growth temperature and the growth rate indicated on the xy plane by Rg). ), (560, 3) may be set to a growth temperature and a growth rate determined by an arbitrary point in a region surrounded by the five points.
[0026]
The conditions for forming the protective layer not containing Al are expressed in the xy plane by (x, y) = (Tg, Rg), where the growth temperature is Tg (° C.) and the growth rate is Rg (μm / h). From the relationship between the growth temperature and the growth rate, (Tg, Rg) = (560, 0.3), (620, 0.3), (670, 2), (670, 3), (560, 3) Since it is determined at an arbitrary point in the region surrounded by the five points, the growth rate and growth temperature for forming the protective layer can be determined accurately, and the protective layer can be formed stably. Therefore, the oxidation suppression effect of the active layer can be obtained with certainty.
[0029]
Further, the stripe orientation indicating the longitudinal direction of the stripe-shaped region of the stripe composed of the first conductivity type cladding layer, the active layer containing Al and the second conductivity type first cladding layer laminated in the stripe region on the semiconductor substrate, It may be inclined from the [110] direction to the [−110] direction or the [1-10] direction within the surface of the semiconductor substrate.
[0030]
By tilting the stripe orientation indicating the longitudinal direction of the stripe from the [110] direction to the [−110] direction or the [1-10] direction within the semiconductor substrate surface, the coverage of forming the protective layer on the side surface of the stripe is further improved. . Therefore, the thickness of the protective layer formed on the side surface of the stripe is increased, and the effect of suppressing the oxidation of the active layer is improved.
[0031]
Further, the stripe orientation indicating the longitudinal direction of the stripe-shaped region is inclined from the [110] direction to the [−110] direction or the [1-10] direction within the semiconductor substrate surface, and the inclination is 0.01 degrees or more 3 Or less.
[0032]
The stripe orientation indicating the longitudinal direction of the stripe-shaped region is inclined from the [110] direction to the [−110] direction or the [1-10] direction within the surface of the semiconductor substrate, and the inclination is 0.01 degrees or more and 3 degrees or less. If so, not only the coverage of forming the protective layer on the side surface of the stripe is improved, but also the good shape of the stripe can be maintained.
[0034]
  On the other hand, in the method for manufacturing a semiconductor element of the present invention for achieving the above object, the plane orientation is inclined from the (001) plane to the [110] direction or the [-1-10] direction.On InP substrateAnd a first conductivity type cladding layer, an active layer containing Al, and a second conductivity type first cladding layer.(111) with B-planeAfter forming the stripe and forming the second conductivity type first cladding layer, without exposing to oxygen,The exposed surface of the stripe including the active layer is an InP protective layer.A step of forming a cover, a step of forming a dielectric mask on the stripe,
  SaidInP protective layerForming a current blocking layer on the stripe and the exposed surface of the semiconductor substrate; removing the dielectric mask; andInP protective layerOr a step of forming a second conductivity type second cladding layer on the exposed surface of the stripe and the current blocking layer; and a step of forming a second conductivity type contact layer on the second conductivity type second cladding layer; A method for manufacturing a semiconductor element comprising:
It consists of.
[0035]
On InP substrateAnd a first conductivity type cladding layer, an active layer containing Al, and a second conductivity type first cladding layer.(111) with B-planeAfter forming the stripe, without exposure to oxygen,InP protective layerSince the active layer is formed so as to cover the exposed surface of the active layer, the active layer is not exposed to oxygen in the atmosphere in the steps after the stripe formation. Therefore, oxidation of the active layer is suppressed, and a semiconductor element with high reliability and high yield can be manufactured.On this occasion,By tilting the plane orientation of the semiconductor substrate from the (001) plane to the [110] direction or the [-1-10] direction, the coverage of forming the protective layer on the stripe side surface is improved. Therefore, the thickness of the protective layer formed on the side surface of the stripe is increased, and the effect of suppressing the oxidation of the active layer is improved.
[0036]
Alternatively, the plane orientation is tilted from the (001) plane in the [110] direction or the [-1-10] direction.InP substrateabove,The first conductivity type cladding layer and the active layer containing Al whose mesa side surface is a (111) B surfaceAnd after the active layer formation, without exposure to oxygen,Second conductivity type InP first cladding layerCovering the upper part of the active layer and the exposed surface of the active layer, the first conductivity type cladding layer, the active layer and theSecond conductivity type InP first cladding layerForming a stripe comprising: a step of forming a dielectric mask on the stripe; a step of forming a current blocking layer on the stripe and the exposed surface of the semiconductor substrate; and a step of removing the dielectric mask. Forming a second conductivity type second cladding layer on the exposed surface of the stripe and the current blocking layer; and forming a second conductivity type contact layer on the second conductivity type second cladding layer; Consists of.
[0037]
  On InP substrateIn addition,The first conductivity type cladding layer and the active layer containing Al whose mesa side surface is a (111) B surfaceWithout exposure to oxygen after formingSecond conductivity type InP first cladding layerCovering the upper part of the active layer and the exposed surface of the active layer, the first conductivity type cladding layer, the active layer andSecond conductivity type InP first cladding layerIn the process after the stripe formation, the second conductivity type is formed.InPThe first cladding layer prevents oxidation of the active layer. Second conductivity typeInPSince the first cladding layer also has a function of a protective layer that prevents oxidation of the active layer, the second conductivity typeInPA step for forming a protective layer separately from the first cladding layer is not necessary, and the manufacturing period of the semiconductor element can be shortened. Also,InP substrateIs tilted from the (001) plane in the [110] direction or the [-1-10] direction,(111) B-side mesaThe coverage of forming the protective layer on the side surface is improved. Therefore, the thickness of the protective layer formed on the side surface of the stripe is increased, and the effect of suppressing the oxidation of the active layer is improved.
[0038]
Further, the conditions for forming the protective layer not containing Al are: (x, y) = (Tg, where the growth temperature of the protective layer is Tg (° C.) and the growth rate of the protective layer is Rg (μm / h). (Tg, Rg) = (560, 0.3), (620, 0.3), (670, 2), (670, 3) from the relationship between the growth temperature and the growth rate indicated on the xy plane by Rg). ), (560, 3) may be set to a growth temperature and a growth rate determined by an arbitrary point in a region surrounded by the five points.
[0039]
The conditions for forming the second conductivity type first cladding layer not containing Al are (x, y) = (Tg, H) where the growth temperature is Tg (° C.) and the growth rate is Rg (μm / h). (Tg, Rg) = (560, 0.3), (620, 0.3), (670, 2), (670, 3) from the relationship between the growth temperature and the growth rate indicated on the xy plane by Rg). ), (560, 3) may be set to a growth temperature and a growth rate determined by an arbitrary point in a region surrounded by the five points.
[0042]
When a stripe is formed in the stripe region on the semiconductor substrate, the stripe orientation indicating the longitudinal direction of the stripe region is changed from the [110] direction to the [−110] direction or [1-10] in the semiconductor substrate surface. It may be tilted in the direction.
[0043]
Further, the stripe orientation indicating the longitudinal direction of the stripe-shaped region is inclined from the [110] direction to the [−110] direction or the [1-10] direction within the semiconductor substrate surface, and the inclination is 0.01 degrees or more 3 Or less.
[0045]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A semiconductor element of the present invention and a manufacturing method thereof will be described with reference to the drawings.
[0046]
FIG. 1 shows a basic structure of a semiconductor element of the present invention. An active layer waveguide is formed on the semiconductor substrate 1, which includes a mesa stripe-shaped first conductivity type cladding layer 2, an active layer 4 containing aluminum (Al), and a second conductivity type first cladding layer 6. The waveguide is covered with a semiconductor layer (protective layer 7) that does not contain Al. The waveguide including the protective layer 7 is buried with a current blocking layer 8, and a second conductivity type second cladding layer 9 and a second conductivity type contact layer 10 are further laminated.
[0047]
FIG. 2 shows a manufacturing process. Two stripe-shaped dielectric masks 13 are formed on the semiconductor substrate 1 having a plane orientation (001) plane as a growth plane (FIG. 2A), and a first MOVPE growth is performed in a region sandwiched between the masks by selective MOVPE growth. A forward mesa-shaped active layer waveguide composed of the conductive cladding layer 2, the active layer 4 containing Al, and the second conductive first cladding layer 6 is produced (FIG. 2B). Further, the protective layer 7 is continuously formed without being exposed to oxygen without being taken out of the crystal growth furnace (FIG. 2C).
[0048]
Next, a dielectric mask 213 is formed only on the mesa top of the active layer waveguide by a self-alignment process (FIG. 2D), and the current blocking layer 8 is formed by selective growth using the dielectric mask 213 as a mask (FIG. 2E). . After removing the dielectric mask 213, the second conductivity type second cladding layer 9 and the second conductivity type contact layer 10 are formed, and the structure of FIG. 1 can be manufactured.
[0049]
Since the active layer waveguide is covered with the protective layer 7, even if the wafer is exposed to the atmosphere in the subsequent process, oxidation by oxygen in the atmosphere on the side surface of the active layer containing Al is suppressed, and the device characteristics deteriorate. And deterioration of reliability can be prevented. Oxidation is suppressed by the protective layer 7. When the protective layer 7 disappears in the process of completing the semiconductor element, the side surface of the active layer containing Al is oxidized. In order to suppress this, it is necessary to increase the thickness of the protective layer 7. In addition, it is necessary to configure the process so that it does not disappear intentionally.
[0050]
In the ASM-LD shown in the conventional example, since the active layer does not contain Al, there is no concept of a protective layer. Further, even if a side protective layer is formed by chance, it is finally lost by the process of embedding in the current blocking layer.
[0051]
The present invention provides a structure and manufacturing method of a semiconductor device having an Al-based active layer waveguide that can bring out an oxidation suppression effect by leaving this protective layer until the final step of the process, and can withstand practical use. is there.
[0052]
Below, the manufacturing direction for improving the persistence of a protective layer is described. The protective layer 7 includes: (1) lowering the growth temperature, (2) increasing the supply amount of Group III (In, Ga, etc.) raw materials and increasing the growth rate, and (3) two layers formed on the semiconductor substrate. By intentionally inclining the stripe direction of the stripe-shaped opening region formed by being sandwiched between the stripe-shaped dielectric masks, the growth rate on the mesa side surface can be increased compared to the growth rate of the mesa top. The reason is that the side surface of the active layer waveguide is the (111) B plane, and the group III atoms (In, Ga, etc.) on the surface are composed of the underlying group V atoms (As, P, etc.) and one bond. Only combined. Therefore, when the growth temperature is high, bonds are broken and desorption is likely to occur, and as a result, growth is suppressed. Hereinafter, the side surface of the active layer waveguide is referred to as a (111) B surface.
[0053]
Conversely, if the growth temperature is low, desorption is suppressed and growth on the (111) B plane can be promoted. Further, since the adsorption probability of group III atoms is proportional to the concentration of group III atoms, the growth rate on the (111) B plane increases as the growth rate on the (001) plane increases. Therefore, under growth conditions where the growth rate is somewhat high, it is easy to form a protective layer on the side surface of the active layer waveguide that is the (111) B plane. In addition, when the stripe orientation of the stripe-shaped opening region is tilted, the step density increases on the (111) B surface, which is the side surface of the active layer waveguide formed in the opening region, and the step flow growth is promoted compared to the case where the stripe orientation is not tilted. The As a result, the growth of the protective layer 7 on the (111) B surface is promoted and the coverage and flatness are also improved.
[0054]
When the active layer containing Al is used, if the oxidation of the side surface of the mesa stripe cannot be suppressed, a non-radiative recombination center is generated, resulting in deterioration of laser characteristics and reliability. Accordingly, a semiconductor laser that uses an Al-containing semiconductor layer as an active layer waveguide, for example, a semiconductor device having an ASM-LD structure, can realize a semiconductor laser that can withstand practical use for the first time by adopting the structure of the present invention. Can do.
[0055]
【Example】
(First embodiment)
FIG. 3 is a structural diagram of a 1.3 μm band ASM-LD using a semiconductor layer containing Al as an active layer in the first embodiment of the present invention.
[0056]
An n-type InP substrate 1a having a plane orientation (001) plane as a growth plane (carrier concentration n = 2 × 1018cm-3) N-type InP cladding layer 2a having a mesa stripe shape (thickness d = 200 nm, n = 1 × 1018cm-3), N-side InAlGaAs light guide layer 3a (d = 50 nm, non-doped), InAlGaAs well (d = 6 nm, 1.5% compressive strain, 7 well), InAlGaAs barrier (d = 10 nm, 0.9% tensile strain) The strained multiple quantum well active layer 4a, the p-side InAlGaAs light guide layer 5a (d = 50 nm, non-doped), and the p-type InP first cladding layer 56a (d = 50 nm, p = 5 × 10)17cm-3), And the side surface of the active layer waveguide is covered with a p-type InP protective layer 7a. The thickness of the p-type InP protective layer 7a on the (001) plane is 200 nm, and the carrier concentration is p = 5 × 10.17cm-3It is. The thickness of the p-type InP protective layer 7a on the (111) B surface on the side surface of the mesa stripe is 30 nm.
[0057]
The active layer waveguide is a p-type InP current blocking layer 8a (d = 700 nm, p = 7 × 1017cm-3), N-type InP current blocking layer 8b (d = 600 nm, n = 1 × 10)18cm-3P-type InP second cladding layer 9a (d = 1500 nm, p = 1 × 10)18cm-3), P-type InGaAs contact layer 10a (300 nm, p = 1 × 1019cm-3) Are stacked. Although not shown in FIG. 3, the p-side electrode 11 and the n-side electrode 12 shown in FIG. 16 are formed in the same manner as in the prior art, and detailed description thereof is omitted.
[0058]
Next, a manufacturing method will be described. FIG. 4 is a manufacturing process diagram of an ASM-LD which is the first embodiment of the present invention. Crystal growth uses the MOVPE method, and the raw materials are trimethylaluminum (TMAl), triethylgallium (TEGa), trimethylindium (TMIn), arsine (AsH).Three), Phosphine (PHThree) Is used. As n-type and p-type doping materials, disilane (Si2H6) And diethylzinc (DEZn), respectively. The carrier gas is hydrogen and the growth pressure is 100 hPa.
[0059]
First, a 100 nm thick silicon oxide film is deposited by thermal CVD on an n-type InP substrate 1a having a (001) plane as a growth surface. Then, it is processed into a pair of stripe-shaped silicon oxide masks 13a having a mask width of 5 μm and an opening width of 1.5 μm using a general photolithography technique (FIG. 4A). The stripe orientation indicating the longitudinal direction of the stripe is the [110] direction.
[0060]
Next, the substrate is set in the MOVPE apparatus, and the n-type InP cladding layer 2a, the n-side InAlGaAs light guide layer 3a, the strained multiple quantum well active layer 4a including the InAlGaAs layer, the p-side InAlGaAs light guide layer 5a, the p-type InP layer A normal mesa-shaped active layer waveguide composed of one clad layer 56a is formed by selective growth (FIG. 4B). Further, the p-type InP protective layer 7a is continuously grown without being exposed to the atmosphere (FIG. 4C). The growth temperature and the growth rate on the (001) plane of the selective growth region are 640 ° C. and 0.5 μm / h from the n-type InP cladding layer 2a to the p-type InP first cladding layer 56a, respectively, and the p-type InP protective layer 7a. 590 ° C. and 1.5 μm / h. Thereafter, it is taken out from the MOVPE apparatus, and a silicon oxide mask 213a is formed only on the mesa top by a self-alignment process (FIG. 4D).
[0061]
Next, it is set again in the MOVPE apparatus, and the p-type InP current blocking layer 8a and the n-type InP current blocking layer 8b are formed by selective growth at a growth temperature of 630 ° C. (FIG. 4E). After removing the silicon oxide mask 213a from the MOVPE apparatus, the p-type InP second cladding layer 9a and the p-type InGaAs contact layer 10a are grown at a growth temperature of 600 ° C. in the third MOVPE growth, and then the p-type electrode 11 is formed. The ASM-LD shown in FIG. 3 can be manufactured by forming, polishing the n-type InP substrate 1a, and forming the n-type electrode 12.
[0062]
When this semiconductor laser was subjected to end face coating with a resonator length of 300 μm, a front surface of 30%, and a rear surface of 90%, the laser characteristics were evaluated. The threshold current at 25 ° C. was 8 mA and the slope efficiency was as low as 0.45 W / A. Laser oscillation with threshold current and high efficiency was obtained. In addition, laser oscillation up to 120 ° C. was confirmed, and continuous operation at high temperature was also confirmed.
(Second embodiment)
FIG. 5 is a structural diagram of a 1.3 μm band ASM-LD using a semiconductor layer containing Al as an active layer in the second embodiment of the present invention, as in the first embodiment. The difference from the first embodiment is that the side surface of the active layer waveguide is covered with the p-type InP first cladding layer 6a, and the p-type InP first cladding layer 6a serves as the protective layer 7a in the first embodiment. I'm in charge.
[0063]
FIG. 6 shows a production process diagram of Example 2. As in the first embodiment, the MOVPE method is used for crystal growth, and TMAl, TEGa, TMIn, AsH are used as raw materials.Three, PHThreeAs an n-type and p-type doping material, Si is used.2H6And DEZn are used. The carrier gas is hydrogen and the growth pressure is 100 hPa.
[0064]
First, a 100 nm thick silicon oxide film is deposited by thermal CVD on an n-type InP substrate 1a having a (001) plane as a growth surface. Then, it is processed into a pair of stripe-shaped silicon oxide masks 13a having a mask width of 5 μm and an opening width of 1.5 μm using a general photolithography technique (FIG. 6A). The stripe orientation indicating the longitudinal direction of the stripe is the [110] direction.
[0065]
Next, the substrate is set in the MOVPE apparatus, and the n-type InP cladding layer 2a, the n-side InAlGaAs light guide layer 3a, the strained multiple quantum well active layer 4a containing InAlGaAs, the p-side InAlGaAs light guide layer 5a, the p-type InP first A forward mesa-shaped active layer waveguide composed of the clad layer 6a is formed by selective growth (FIG. 6B). The thickness of the p-type InP first clad layer 6a is 200 nm for the (001) plane that is the mesa top and 20 nm for the (111) B plane that is the mesa side surface. The growth temperature and the growth rate in the (001) plane of the selective growth region are 640 ° C. for the n-type InP cladding layer 2a, the n-side InAlGaAs light guide layer 3a, the multiple quantum well active layer 4a, and the p-side InAlGaAs light guide layer 5a. The p-type InP first cladding layer 6a is 620 ° C. and 2.5 μm / h at 0.5 μm / h. In the second embodiment, the growth on the side surface of the mesa stripe is promoted by lowering the growth temperature of the p-type InP first clad layer 6a to function as a protective layer.
[0066]
Thereafter, it is taken out from the MOVPE apparatus, and after the self-alignment process, the formation of the current blocking layer 8a, the formation of the p-type InP second cladding layer 9a, and the formation of the p-type InGaAs contact layer 10a as in the first embodiment, the structure of FIG. Can be produced.
[0067]
FIG. 7 shows the result of forming the InP protective layer on the side surface of the mesa stripe by changing the growth temperature and the growth rate in the (001) plane of the selective growth region. The stripe was formed so that the longitudinal direction of the stripe was the [110] direction. After the growth, the side surface of the mesa stripe was observed with a scanning electron microscope, and the relationship between the coating state of the (111) B surface and the growth conditions was plotted.
[0068]
FIG. 7 is a graph in which the relationship between the growth conditions consisting of the growth temperature (Tg) and the growth rate (Rg) is the xy plane according to (x, y) = (Tg, Rg), and the mesa side surface is completely Is marked on the xy plane if it is covered, △ is marked if it is partially covered, and x is marked if not covered.
[0069]
When the growth temperature was from 560 ° C. to 620 ° C., the growth rate was in the range of 0.3 μm / h to 3 μm / h in which the experiment was performed, and flat InP growth on the (111) B plane could be confirmed. However, the flatness decreased at 560 ° C. or lower, and the protective layer could not be sufficiently covered on the side of the mesa stripe. This is because (1) the migration length of In atoms was shortened due to a decrease in growth temperature, and (2) PHThreeThis is thought to be because the decomposition efficiency of the liquid crystal decreased and the crystallinity deteriorated due to insufficient P (phosphorus) pressure. Further, at 670 ° C. or higher, the growth to the (111) B plane was suppressed. This is presumably because the deposition rate of In atoms decreased because the growth temperature was too high. On the other hand, at 620 ° C. to 670 ° C., the (111) B plane can be grown by increasing the growth rate as the growth temperature rises. The growth rate is considered to be 3 μm / h or less on the (001) plane considering the flatness of the growth layer and the controllability of the thickness.
[0070]
Therefore, (Tg, Rg) = (560, 0.3), (620, 0.3), (670, 2), (670, 3), and (560, 3) are surrounded by five points. By forming the protective layer on the side surface of the stripe at a growth temperature and growth rate at an arbitrary point in the region, growth with excellent coverage, flatness, and crystallinity is possible. In the first example, the p-type InP protective layer 7a is grown at 590 ° C. and 1.5 μm / h, and in Example 2, the p-type InP first clad layer is grown at 620 ° C. and 2.5 μm / h, thereby protecting the layer. Is formed on the side surface of the mesa stripe to suppress the oxidation of the semiconductor layer containing Al.
[0071]
Since the growth rate of the (001) plane does not change even if the growth plane is tilted several degrees, the relationship with respect to the (111) B plane shown in FIG. 7 is almost the same.
(Third embodiment)
FIG. 8 is a perspective view after the active layer waveguide is formed by selective growth in the third embodiment of the present invention. Similar to the first and second embodiments, it is a 1.3 μm band ASM-LD using a semiconductor layer containing Al as an active layer.
[0072]
N-type InP substrate 1a having a (001) plane as a growth plane (carrier concentration n = 2 × 1018cm-3) Two striped silicon oxide masks 13a are formed on the (001) plane with an inclination of 0.5 degrees from the [110] direction, and a mesa striped n-type InP cladding layer 2a is sandwiched between them. (Thickness d = 200 nm, n = 1 × 1018cm-3), N-side InAlGaAs light guide layer 3a (d = 50 nm, non-doped), InAlGaAs well (d = 6 nm, 1.5% compressive strain, 7 well), InAlGaAs barrier (d = 10 nm, 0.9% tensile strain) The strained multiple quantum well active layer 4a, the p-side InAlGaAs optical guide layer 5a (d = 50 nm, non-doped), and the p-type InP first cladding layer 6a (d = 200 nm, p = 5 × 10)17cm-3) Is formed.
[0073]
The side surface of the strained multiple quantum well active layer 4a is covered with a p-type InP first cladding layer 6a, and the p-type InP first cladding layer 6a serves as a protective layer. The thickness of the p-type InP first cladding layer 6a on the (111) B plane is 40 nm.
[0074]
Next, a manufacturing method will be described. FIG. 9 is a manufacturing process diagram of the third embodiment and shows the process until the active layer waveguide is formed by selective growth. As in the first and second embodiments, the MOVPE method is used for crystal growth, and TMAl, TEGa, TMIn, AsH are used as raw materials.Three, PHThreeAs an n-type and p-type doping material, Si2H6And DEZn are used. The carrier gas is hydrogen and the growth pressure is 100 hPa.
[0075]
First, a 100 nm thick silicon oxide film is deposited by thermal CVD on an n-type InP substrate 1a having a (001) plane as a growth surface. Then, it is processed into a pair of stripe-shaped silicon oxide masks 13a each having a width of 5 μm and an opening width of 1.5 μm using a general photolithography technique (FIG. 9A). At this time, the longitudinal direction of the stripe is intentionally inclined by 0.5 degrees within the (001) plane from the [110] direction (FIG. 9B).
[0076]
Next, the substrate is set in the MOVPE apparatus, and the n-type InP cladding layer 2a, the n-side InAlGaAs light guide layer 3a, the strained multiple quantum well active layer 4a containing InAlGaAs, the p-side InAlGaAs light guide layer 5a, the p-type InP first A forward mesa-shaped DH (Double Hetero) structure composed of the clad layer 6a is formed by selective growth (FIG. 9C). The growth temperature and growth rate are 640 ° C. and 0.5 μm / h from the n-type InP cladding layer 2a to the p-side InAlGaAs optical guide layer 5a, and the p-type InP first cladding layer 6a is 600 ° C. and 0.5 μm / h. is there.
[0077]
Since the silicon oxide mask 13a is tilted by 0.5 degrees in the (001) plane from the [110] direction, the DH mesa stripe formed by selective growth is also tilted. Furthermore, since the mesa side surface is also inclined, the step density on the (111) B surface is increased, and the adsorption probability of the group III atoms is increased as compared with the case where the mesa side is not inclined. As a result, the growth on the mesa side surface is promoted during the growth of the p-type InP first cladding layer 6a, and the side surfaces of the Al-containing semiconductor layers (light guide layers (3a, 5a), active layer 4a) can be covered. .
[0078]
In the third embodiment, the case where the stripe inclination angle is 0.5 degrees has been described. Since the step interval on the (111) B surface is shortened and the step density is increased in proportion to the tilt angle, the effects of the present invention such as promoting growth and improving flatness on the (111) B surface are effective by slightly inclining the stripe. Can be obtained. Considering the range of tilt angles, if the stripe is tilted by X degrees from a reference in the [110] direction (for example, a cleavage plane), the stripe from the [110] direction stripe at a distance of L (μm) in length. The deviation amount S (μm) can be expressed by equation (1).
[0079]
S = L × 1000 tan (X) (1)
When a 2-inch substrate (diameter: about 50 mm) is used, S is about 9 μm when the tilt angle is 0.01 degrees. The size of 9 μm is a size that can be intentionally shifted by a human in a normal photolithography process using a contact exposure machine or the like. However, considering reproducibility for each substrate, it is considered appropriate to set the tilt angle to 0.01 degrees or more as the accuracy with which the tilt angle can be intentionally controlled.
[0080]
On the other hand, in FIGS. 10A, 10 </ b> B, and 10 </ b> C, the silicon oxide mask 13 a used for selective growth has a tilt angle from the [110] direction of 0 degree, 3 degrees, and 5 degrees after the formation of the protective layer. The mesa stripe shape is shown. The p-type InP first cladding layer 6a was used as the protective layer. As the stripe inclination angle increases, the growth rate on the (111) B plane increases, from a forward mesa shape (when the inclination angle is 0 degree) to a mushroom shape (3 degrees), a pseudo-inverse mesa shape (5 degrees). ).
[0081]
In the pseudo inverted mesa shape shown in FIG. 10C, a stagnation layer is formed in the lower part of the eaves when the silicon oxide film is deposited by thermal CVD in the self-alignment process shown in FIG. Becomes thicker. Therefore, it is impossible to form the silicon oxide film 14 so that dt> ds (see FIG. 18A). Therefore, it is better to set the inclination angle to 3 degrees or less.
[0082]
From the above results, it is desirable that the tilt angle of the silicon oxide mask 13a used for selective growth is 0.01 degrees or more and 3 degrees or less.
[0083]
In the third embodiment, the opening width and the mask width are constant, and the entire stripe mask is inclined by a certain angle. However, when a part of the mask is tilted as in the mask pattern shown in FIG. 11 (FIG. 11 (a)) or when a plurality of tilt angles are changed (FIG. 11 (b)), the opening width or mask width is changed. The present invention is effective if a protective layer that covers the side surface of the active layer waveguide can be formed by such action, such as in the case of FIG. 11 (c). In the first to third embodiments, the case of a semiconductor element having an ASM structure in which an active layer includes an InAlGaAs layer has been described. However, the present invention is effective even when AlGaAs, InAlGaP, or the like is used.
[0084]
In the first to third embodiments, the case where the plane orientation of the semiconductor substrate is the (001) plane has been described. However, even if the semiconductor substrate is inclined several degrees in the [1-10] direction or the [−110] direction. Good. This inclination of several degrees is an angle in a range in which the mesa side surface formed by selective MOVPE growth becomes the (111) B plane.
[0085]
As an example, FIG. 12 shows a cross-sectional structure after forming an active layer waveguide using a (001) InP substrate tilted by 5 degrees in the [1-10] direction. By tilting 5 degrees, the growth plane and the (111) B plane form 59.7 degrees and 49.7 degrees, respectively. However, the (111) B plane can be formed by selective growth, that is, the p-type InP first cladding layer 6a as a protective layer can be formed, and the present invention can be applied. The angle at which the effect of the present invention is obtained is up to about 15 degrees at which the (111) B plane can be formed.
[0086]
Further, the plane orientation of the semiconductor substrate may be tilted from the (001) plane in the [110] direction or the [-1-10] direction. Since the step density of the (111) B plane increases according to the tilt angle, the growth of the (111) B plane and the improvement in flatness, which are the functions of the present invention, can be obtained.
[0087]
As an example, FIG. 13 shows a cross-sectional view of an ASM-LD manufactured using a (001) InP substrate tilted by 1 degree in the [110] direction. FIG. 13A is a cross-sectional view as viewed from a direction perpendicular to the waveguide, and FIG. 13B is a cross-sectional view as viewed from a direction parallel to the waveguide. By tilting in the [110] direction by 1 degree, the end face formed by cleavage is also tilted by 1 degree. Since the (110) plane and the (-1-10) plane formed by cleavage as the reflection surface of the semiconductor laser are also inclined, the mirror loss increases and the threshold current increases, but the present invention is applied. Thus, if the effect of the present invention, that is, improvement of reliability and yield is sufficiently obtained, the present invention is effective up to the tilt angle. Furthermore, when the reflective surface is formed using dry etching, a vertical mirror can be formed without depending on the tilt angle of the substrate, so there is no need to worry about deterioration of the laser characteristics.
[0088]
In the first to third embodiments, the forward mesa shape stripe has been described. However, the stripe shape is not limited to the forward mesa shape, and the side surface of the stripe is perpendicular to the surface of the semiconductor substrate. May be.
[0089]
【The invention's effect】
According to the present invention, in a semiconductor device using a semiconductor layer containing Al as an active layer, reliability and yield can be obtained without exposing the active layer to the atmosphere by covering the stripe side with a semiconductor layer not containing Al. Semiconductor device and a manufacturing method thereof can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a basic structure of a semiconductor device of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a basic structure of the present invention.
FIG. 3 is a structural cross-sectional view of a 1.3 μm band ASM-LD using a semiconductor layer containing Al as an active layer in the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a structural cross-sectional view of an ASM-LD that is a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the growth condition dependency of the mesa side surface covering form, which is the operation of the first and second embodiments of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view showing a structure after forming an active layer waveguide in a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the shape of a mesa stripe formed by selective growth and the tilt angle.
FIG. 11 is a diagram showing a mask pattern for selective growth as an application example of the third embodiment of the present invention.
12 is a cross-sectional structure diagram after an active layer waveguide is formed on an InP substrate having a plane orientation (001) inclined by 5 degrees in the [1-10] direction. FIG.
FIG. 13 is a cross-sectional structure diagram of an ASM-LD formed on an InP substrate having a plane orientation (001) inclined by 1 degree in the [110] direction.
FIG. 14 is a cross-sectional view of a BH-LD in which a waveguide is formed by wet etching.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a BH-LD in which a waveguide is formed by wet etching.
FIG. 16 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional ASM-LD.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a conventional ASM-LD.
FIG. 18 is a cross-sectional view showing a self-alignment process.
[Explanation of symbols]
1 Semiconductor substrate
1a n-type InP substrate
2 First conductivity type cladding layer
2a n-type InP cladding layer
2b n-type InP first cladding layer
2c n-type InAlGaAs second cladding layer
3a n-side InAlGaAs light guide layer
3b n-side InGaAsP light guide layer
4 Active layer
4a, 4b Strained multiple quantum well active layer
4c InGaAsP active layer
5a p-side InAlGaAs light guide layer
5b p-side InGaAsP light guide layer
6 Second conductivity type first cladding layer
6a, 56a, 206 p-type InP first cladding layer
7 Protective layer
7a p-type InP protective layer
8 Current blocking layer
8a p-type InP current blocking layer
8b n-type InP current blocking layer
9 Second conductivity type second cladding layer
9a p-type InP second cladding layer
10 Second conductivity type contact layer
10a p-type InGaAs contact layer
10b p-type InGaAsP contact layer
10c InGaAsP cap layer
11 p-side electrode
12 n-side electrode
13, 213 Dielectric mask
13a, 213a Silicon oxide mask
14 Silicon oxide film
15 resist
200 Zn diffusion region

Claims (7)

InP基板上の所定の領域に積層された第1導電型クラッド層、Alを含む活性層および第2導電型第1クラッド層からなる(111)B面を有するストライプと、
前記ストライプが埋め込まれた電流ブロック層と、
前記ストライプおよび前記電流ブロック層の上に形成された第2導電型第2クラッド層と、
前記第2導電型第2クラッド層上に形成された第2導電型コンタクト層とからなる半導体素子において、
前記活性層を含む(111)B面を有するストライプと前記電流ブロック層との間にInP保護層を有し、
前記半導体基板の面方位が(001)から[110]方向または[−1−10]方向に傾いている半導体素子。
A stripe having a (111) B plane composed of a first conductivity type cladding layer, an active layer containing Al, and a second conductivity type first cladding layer laminated in a predetermined region on an InP substrate;
A current blocking layer having the stripe embedded therein;
A second conductivity type second cladding layer formed on the stripe and the current blocking layer;
In a semiconductor device comprising a second conductivity type contact layer formed on the second conductivity type second cladding layer,
An InP protective layer between the stripe having the (111) B surface including the active layer and the current blocking layer;
A semiconductor element in which a plane orientation of the semiconductor substrate is inclined from (001) to a [110] direction or a [-1-10] direction.
前記第2導電型第1クラッド層と前記保護層の材料が、InPであることを特徴とする請求項1記載の半導体素子。The semiconductor element according to claim 1 , wherein a material of the second conductivity type first cladding layer and the protective layer is InP . 前記InP保護層形成時の条件は、
成長温度をTg(℃)とし、
成長速度をRg(μm/h)とすると、
(x,y)=(Tg,Rg)によるxy平面で示される成長温度と成長速度との関係から、
(Tg,Rg)=(560,0.3)、(620,0.3)、(670,2)、(670,3)、(560,3)の5点を結んで囲まれた領域内の任意の点で定まる成長温度と成長速度とであることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体素子。
The conditions for forming the InP protective layer are as follows:
Let the growth temperature be Tg (° C)
If the growth rate is Rg (μm / h),
From the relationship between the growth temperature and the growth rate indicated on the xy plane by (x, y) = (Tg, Rg),
(Tg, Rg) = (560, 0.3), (620, 0.3), (670, 2), (670, 3), (560, 3) in a region surrounded by connecting the five points The semiconductor element according to claim 1 , wherein the semiconductor element has a growth temperature and a growth rate determined at an arbitrary point.
面方位が(001)面から[110]方向または[−1−10]方向に傾いているInP基板上に、第1導電型クラッド層、Alを含む活性層および第2導電型第1クラッド層からなる(111)B面を有するストライプを形成する工程と、
前記第2導電型第1クラッド層形成後、酸素にさらすことなく、前記活性層を含むストライプの露出面をInP保護層で覆うように形成する工程と、
前記ストライプ上部に誘電体マスクを形成する工程と、
前記InP保護層、前記ストライプおよび前記半導体基板の露出面上に電流ブロック層を形成する工程と、
前記誘電体マスクを除去する工程と、
前記InP保護層または前記ストライプの露出面、および前記電流ブロック層上に第2導電型第2クラッド層を形成する工程と、
前記第2導電型第2クラッド層上に第2導電型コンタクト層を形成する工程とからなる半導体素子の作製方法。
A first conductivity type cladding layer, an active layer containing Al, and a second conductivity type first cladding layer on an InP substrate whose plane orientation is inclined in the [110] direction or [-1-10] direction from the (001) plane Forming a stripe having a (111) B surface comprising:
Forming the second conductive type first cladding layer so as to cover the exposed surface of the stripe including the active layer with an InP protective layer without exposure to oxygen;
Forming a dielectric mask on top of the stripe;
Forming a current blocking layer on the exposed surface of the InP protective layer , the stripe and the semiconductor substrate;
Removing the dielectric mask;
Forming a second conductivity type second cladding layer on the exposed surface of the InP protective layer or the stripe and the current blocking layer;
Forming a second conductivity type contact layer on the second conductivity type second clad layer.
面方位が(001)面から[110]方向または[−1−10]方向に傾いているInP基板上にメサ側面が(111)B面である、第1導電型クラッド層およびAlを含む活性層を形成する工程と、
前記活性層形成後、酸素にさらすことなく、第2導電型InP第1クラッド層を、前記活性層上部、および前記活性層の露出面を覆うように形成し、前記第1導電型クラッド層、前記活性層および第2導電型InP第1クラッド層からなるストライプを形成する工程と、
前記ストライプ上部に誘電体マスクを形成する工程と、
前記ストライプおよび前記半導体基板の露出面上に電流ブロック層を形成する工程と、
前記誘電体マスクを除去する工程と、
前記ストライプの露出面および前記電流ブロック層上に第2導電型第2クラッド層を形成する工程と、
前記第2導電型第2クラッド層上に第2導電型コンタクト層を形成する工程とからなる半導体素子の作製方法。
On a InP substrate whose plane orientation is inclined in the [110] direction or [-1-10] direction from the (001) plane, the mesa side surface is a (111) B plane and includes a first conductivity type cladding layer and Al Forming an active layer ;
After forming the active layer, without exposing to oxygen, a second conductivity type InP first cladding layer is formed so as to cover the upper part of the active layer and the exposed surface of the active layer, and the first conductivity type cladding layer, Forming a stripe composed of the active layer and the second conductivity type InP first cladding layer ;
Forming a dielectric mask on top of the stripe;
Forming a current blocking layer on the stripe and the exposed surface of the semiconductor substrate;
Removing the dielectric mask;
Forming a second conductivity type second cladding layer on the exposed surface of the stripe and the current blocking layer;
Forming a second conductivity type contact layer on the second conductivity type second clad layer.
前記InP保護層形成時の条件は、
成長温度をTg(℃)とし、
成長速度をRg(μm/h)とすると、
(x,y)=(Tg,Rg)によるxy平面で示される成長温度と成長速度との関係から、
(Tg,Rg)=(560,0.3)、(620,0.3)、(670,2)、(670,3)、(560,3)の5点を結んで囲まれた領域内の任意の点で定まる成長温度と成長速度とであることを特徴とする請求項4に記載の半導体素子の作製方法。
The conditions for forming the InP protective layer are as follows:
Let the growth temperature be Tg (° C)
If the growth rate is Rg (μm / h),
From the relationship between the growth temperature and the growth rate indicated on the xy plane by (x, y) = (Tg, Rg),
(Tg, Rg) = (560, 0.3), (620, 0.3), (670, 2), (670, 3), (560, 3) in a region surrounded by connecting the five points The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4 , wherein the growth temperature and the growth rate are determined at an arbitrary point.
第2導電型InP第1クラッド層形成時の条件は、
成長温度をTg(℃)とし、
成長速度をRg(μm/h)とすると、
(x,y)=(Tg,Rg)によるxy平面で示される成長温度と成長速度との関係から、
(Tg,Rg)=(560,0.3)、(620,0.3)、(670,2)、(670,3)、(560,3)の5点を結んで囲まれた領域内の任意の点で定まる成長温度と成長速度とであることを特徴とする請求項5に記載の半導体素子の作製方法。
The conditions for forming the second conductivity type InP first cladding layer are as follows:
Let the growth temperature be Tg (° C)
If the growth rate is Rg (μm / h),
From the relationship between the growth temperature and the growth rate indicated on the xy plane by (x, y) = (Tg, Rg),
(Tg, Rg) = (560, 0.3), (620, 0.3), (670, 2), (670, 3), (560, 3) in a region surrounded by connecting the five points The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5 , wherein the growth temperature and the growth rate are determined at an arbitrary point.
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