JP4721512B2 - 受動半導体構造およびその製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体構造及びその製造方法に関し、特に、受動半導体構造の平面上を横方向に酸化する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
さまざまな半導体の応用において、埋込み層を酸化させるには、埋込み半導体層にアクセスすることが望ましい。多くの光子デバイス、電子デバイス、および超小型機械デバイスでは、電気的に絶縁している、あるいはより低い屈折率を持たせることによって周囲物質とは異なる埋込み物質の領域が必要である。そのような物質は、デバイスの製造中に１つまたはそれ以上の埋込み半導体層を、電気的に絶縁している低い屈折率の自然酸化物に選択的に変えることによって形成することができる。
【０００３】
酸化領域は、酸化物領域のより低い屈折率による望ましい光学的効果を生み出すため問題の領域を部分的または完全に取り囲むように形成することができる。埋込み酸化物層は、さらに、デバイスの異なる領域を電気的に隔離する、または同じウェーハ上のあるデバイスを別のデバイスから電気的に隔離する作用をすることができる。埋込み層は、横方向に速く酸化するどんな物質でもよく、一般に高いアルミニウム含有量を有する半導体、たとえばAlGaAs、AlGaInP、またはAlAsSbである。埋込み層は、アルミニウムと、次の要素：As、Ga、In、P、およびSbを１つまたはそれ以上を含んでいる化合物でもよいが、それらに限定されない。アルミニウムは、一般に化合物のグループIII構成要素の少なくとも７０％を構成するであろう。酸化環境たとえば高温度の蒸気に暴露すると、埋込み層は横方向に酸化され、暴露された側壁から物質の未酸化部分に向かって内側に進行するであろう。横方向酸化速度は、一般にアルミニウム含有量が増すと共に増加する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
埋込み酸化層にアクセスする通常の方法はメサエッチによっている。この方法は、ウェーハの非平面性の程度が増すので、次に続く処理工程が複雑になる。さらに、除去された大量の物質はデバイスの機械的完全性を低下させ、かつその熱抵抗を増大させる。この問題は、酸化層が通常ウェーハの表面よりずっと下に埋め込まれたデバイス、たとえば垂直キャビティ表面放射レーザにおいて特に厳しい。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
酸化しようとする層の側壁をさらすメサを形成する代わりに、複数のエッチングされたキャビティを使用して、酸化させる埋込み層にアクセスすることができる。得られた酸化領域の形状とサイズは、各キャビティの形状とキャビティの相互の配置とによって定まる。キャビティ間の区域は平面のままであるので、次に続く工程たとえば電気接点の形成やホトリソグラフィが容易になる。平面構造は、ホトリソグラフィの際の焦点深度、あるいは誘電体フィルムおよび／またはポリマー膜の堆積すなわちスピンコーティングの際のステップ状被覆による問題を心配せずに、簡単なエッチング、堆積、ホトリソグラフィの諸工程を可能にする。エッチングされたキャビティ間の物質は元のままであるので、すぐれた機械的完全性と熱伝導性を維持することができる。
【０００６】
平面横方向酸化は多くの応用に利益を与える。応用は、酸化された物質が光導波、定められた導電路、又はその両方を提供する埋込み酸化物質で取り囲まれたコア領域を含んでいる応用；それらの光ろ波性質のため１つまたはそれ以上の完全酸化層を使用している応用；電気的隔離のため酸化層を使用している応用；及び性質が酸化領域の形状で制御される応用を含むが、それらに限定されない。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１ａは、本発明に係る実施例、エッジ放射レーザ構造１００の平面図を示し、図１ｂは、その断面図を示す。Ga0.4In0.6P量子井戸活性層１７５（一般に厚さは約８０オングストローム）は、ｐ形(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pバリヤ層１８６およびｎ形(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pバリヤ層１８５と境を接している。２つのバリヤ層１８５と１８６の厚さは一般に約０．１２μｍである。エッチングされたキャビティ１１０は横方向酸化のためAlyGa1-yAs埋込み層１２０へアクセスを許す。ｙとして選択される値は一般に０．９５以上であり、一般的な値は０．９９である。Al0.99Ga0.01As埋込み層１２０の厚さは一般に１０００オングストローム未満である。Al0.99Ga0.01As埋込み層１２０のストライプ１７０は横方向屈折率ステップを与えるため非酸化のままであるのに対し、領域１２３はストライプ１７０を形成するため酸化される。GaInP層１１１はオプションであり、Al0.99Ga0.01As埋込み層１２０の下にあって、キャビティ１１０をエッチングするためのエッチストップの役目を果たす。ｐ形Al0.5In0.5Pクラッド層１５５はAl0.99Ga0.01As埋込み層１２０の上にあるのに対し、ｎ形Al0.5In0.5Pクラッド層１５６はｎ形(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pバリヤ層１８５の下、n＋GaAs基層１７１の上にある。２つのクラッド層１５５とクラッド層１５６の厚さは一般に約１μｍである。電気的接続はｐ電極１０５とｎ電極１０６によって与えられる。電気的隔離は浅い陽子注入を使用して領域１５９を注入することによって実現される。
【０００８】
酸化の後に、Al0.99Ga0.01As埋込み層１２０はエッジ放射レーザ構造１００に横方向屈折率誘導を提供する。有効な横方向屈折率ステップを生成して基本モードの伝播だけを許すようにAl0.99Ga0.01As埋込み層１２０の厚さと位置を目的に合わせることによって、エッジ放射レーザ構造１００は単一モードに作られる。横方向屈折率ステップは３つの従属導波路の有効屈折率によって決まる。２つの従属導波路は酸化された部分の上にある領域と下にある領域とによって形成されるのに対し、第３の導波領域は非酸化ストライプ領域１７０の上にある層と下にある層とによって形成される。横方向屈折率ステップは、Al0.99Ga0.01As埋込み層１２０の厚さと、層１８６、１７５、１８５から成る独立した閉込めヘテロ構造（ＳＣＨ）１９０からのAl0.99Ga0.01As埋込み層１２０の距離ｘによって決まる。図１ｃの曲線１６６は、横方向屈折率ステップの依存関係をAl0.99Ga0.01As埋込み層１２０の厚さ（オングストローム）の関数として示す。図１ｄは、単一モード動作を維持するのに必要なストライプ１７０の最大幅（ミクロン）と、厚さ５００オングストロームのAl0.99Ga0.01As埋込み層１２０の閉込めヘテロ構造１９０からの距離（オングストローム）との関係を示す。図１ｄの曲線１６７の下にある点は単一ルモード動作を示すのに対し、曲線１６７の上の点はエッジ放射レーザ１００の多重モード動作を示す。
【０００９】
全体的なウェーハ平面性が維持されるので、複雑な平面化工程なしに、金属接点１０５による電気接触を容易に達成することができる。エッジ放射レーザ１００のベースにある金属接点１０６は第２電気接点として作用する。図１ａおよび図１ｂに示した本発明に係る実施例は、メサエッチを使用して酸化層１２０、１２１へアクセスしている図２のエッジ放射レーザ２００とは異なる。図１ａおよび図１ｂのエッジ放射レーザー１００を製作するのに用いられる処理工程は、メサ２１０の代わりに、キャビティ１１０を使用して水蒸気が埋込み層１２０へアクセスすることを除き、図２において用いられる処理工程と似ている。これについては以下に検討する。
【００１０】
横方向に酸化されたAl0.99Ga0.01As埋込み層１２０の使用によって、Al0.99Ga0.01As埋込み層１２０へアクセスするのに最小限度のエッチング、すなわちエッチングされたキャビティ１１０をエッチングするだけで済む。Al0.99Ga0.01As埋込み層１２０の厚さは一般に１０００オングストローム未満であり、これは既に成功しているレーザの設計を大幅に変更する必要が無いこと、そしてレーザ構造のエピタキシャル結晶成長に必要な時間が大幅に増えないことを意味する。
【００１１】
平面横方向酸化は複数ビームエッジ放射レーザの設計へ拡張することができる。本発明に係る複数ビームエッジ放射レーザ構造の設計に使用した平面横方向酸化によって、図３ａに示すように、容易な電気的ルーチングで、個々のエッジ放射レーザ３２５，３２６、３２７、３２８間の狭い間隔（一般に２０μｍ未満）を達成することができる。図３ａは、４個の狭い間隔で配置された個別にアドレス可能なエッジ放射レーザ３２５，３２６、３２７、３２８から成る本発明に係る４ビーム構造３００の平面図である。図３ｂは、図３ａの線３ｂに沿った４ビーム構造３００の断面図である。エッジ放射レーザ３２５，３２６、３２７、３２８間の電気的隔離は図３ｂの浅い陽子注入領域３４０によって達成される。キャビティ３１０は埋込み層３２０と３２１の酸化を実施するためアクセスを許すために存在する。酸化の後に、埋込み層３２０と３２１はエッジ放射レーザ３２５，３２６、３２７、３２８に横方向屈折率誘導を提供する。金属接点３５０はレーザ３２６と接触し、金属接点３６０はレーザ３２５と接触し、金属接点３５１はレーザ３２７と接触し、金属接点３６１はレーザ３２８と接触する。共通金属接点３０６はレーザ３２５，３２６，３２７、３２８と接触する。埋込み層３２０と３２１の間に、エッジ放射レーザ３２５，３２６，３２７、３２８のための活性領域３７５が置かれている。
【００１２】
埋込み層の酸化を可能にするキャビティを使用して、受動導波路を形成することができる。より低屈折率の物質と境を接する領域は光を閉じ込めることが可能であり、光をある場所から別の場所へ誘導するのに使用できる。酸化半導体は一般に非酸化半導体より低い屈折率を有する。たとえば、典型的なλ＝９８０ｎｍにおいて、AlAsは約２．９の屈折率を有し、GaAsは約３．５の屈折率を有するのに対し、酸化AlAsは約１．５の屈折率を有する。２つの導波路が相互に十分に近接しているとき（一般に、λ＝９８０ｎｍの場合、約０．１５λすなわち１４７ｎｍの範囲内）、ある導波路内の光学モードはエバネッセント波相互作用によって他の導波路内の光学モードと結合する。
【００１３】
図４ａは、３ウェイビームスプリッタとして機能する本発明に係る受動導波路構造４００を示す平面図である。受動導波路構造４００は４個の導波路コア４２５，４２６、４２７、４２８から成っている（図４ａの線５に沿った断面図である図４ｂも参照されたい）。導波路コア４２８は導波路コア４２５、４２６、４２７とエバネッセントに結合されているので、導波路コア４２８内で信号の３ウェイ分割が生じる
【００１４】
一般に、受動導波路構造４００はGaAa基層４５０の上に作られる。GaAs層４３６内の導波路コア４２８の中に光を縦方向に閉じ込めるため、GaAs層４３６の上および下にそれぞれAl0.99Ga0.01As層４３８とAl0.99Ga0.01As層４３７が位置している。最初に、GaAa基層４５０の上にAl0.99Ga0.01As層４３８が結晶成長される。Al0.99Ga0.01As層４３７の上にGaAs層４５５が結晶成長される。そのあと、GaAa層４５５の上にAl0.99Ga0.01As層４３０が結晶成長され、Al0.99Ga0.01As層４３０の上にGaAaキャップ層４４０が結晶成長される。次に、酸化させるためAl0.99Ga0.01As層４３０およびAl0.99Ga0.01As層４３７へアクセスできるように、キャビティ４１０と４１１がエッチングされる。図４ｂのキャビティ４１１はAl0.99Ga0.01As層４３７まで下方にエッチングされる。図４ｂのキャビティ４１０はAl0.99Ga0.01As層４３０まで下方にエッチングされる。Al0.99Ga0.01As層４３０内のキャビティ４１０の側面部分４２２とキャビティ４１１の側面部分４２０は水蒸気を使用して横方向に酸化され、GaAa層４５５内の導波路コア４２５、４２６、４２７に横方向閉込めを提供する。キャビティ４１１の側面部分４２１は水蒸気を使用して横方向に酸化され、導波路コア４２８に横方向閉込めを提供する。側面部分４２０、４２１、および４２２に関する酸化の横方向範囲は図４ｂに示した実施列では一般に約４μｍであり、エッチングされたキャビティ４１１の幅は約２μｍである。
【００１５】
図５は、たとえば光を光検出器または分光計へ分割することができるビームスプリッタとして作用する本発明に係る実施例を示す。光はキャビティ５１０によって定められた導波路コア５２６に入り、キャビティ５１１によって定められた導波路コア５２７内のエバネッセント波相互作用によって結合された光学モードが生成される。導波路コア５２６と５２７は縦に積み重なっており、同じ水平面内にはない。横方向閉込めは、導波路コア５２６を含むGaAs層と導波路コア５２７を含むGaAs層の上のAl0.99Ga0.01As層(図示せず)の横方向酸化によって生成される。キャビティ５１０と５１１はそれぞれのAl0.99Ga0.01As層(図示せず)まで下方にエッチングされる。
【００１６】
もう１つの種類のデバイスは、酸化層が反射防止被膜、分散ブラッグ反射器（distributed Bragg reflector：DBRと略す）として、あるいはマイクロレンズを作る方法として使用されているものを含む。酸化物と隣接する半導体物質の屈折率の差は、もし層を酸化させなければ達成することができるよりはるかに大きくすることができるので、DBRミラーは非常に高い反射率バンド幅を持つことができ、そのため層厚さの変化の影響を比較的を受けない。さらに、決められた反射率を達成し、かつ結晶成長時間とコストを削減するには、より少ないミラー層が必要である。たとえば、９８０ｎｍの波長において、GaAsと酸化AlAs間の屈折率の差は約２であり、GaAsとAlGaAs合金間の屈折率の差より約３．５倍大きい。GaAsと酸化AlAs間の大きな屈折率の差は高い反射率と広い反射バンド幅を与える。高い反射率バンド幅は非酸化物質の場合より５倍以上広いので、特定の波長において高い反射率を生成するのに必要な層厚さの公差もまた約５倍以上緩和され、また反射スペクトルも層厚さの変化の影響を比較的受けない。したがって、決められた反射率を達成するには、より少ないミラー層と、厳しくない厚さ公差が必要である。４対のGaAs層／酸化AlAs層と比べて、約９９．８％の反射率を達成するには、一般に１９対のGaAs層／AlAs層が必要である。
【００１７】
図６は、本発明に係る実施例の簡単化した断面図である。AlAs 層６２０はGaAs層６３０と交互に配置されてDBRミラー６００を形成している。キャビティ６１０は酸化のためAlAs 層６２０へアクセスするのに使用される。AlAs 層６２０の斜線部分はAlAs 層６２０内の酸化の範囲を示す。
【００１８】
本発明の実施例に従って、GaAs層７３０と酸化AlAs層７２０が交互に配置された高反射率のDBRミラーは、図７ａ〜７ｃに示した垂直キャビティ表面放射レーザ(VCSEL)７００などの応用に使用することができる。図７ａは、種々の埋込み高アルミニウム含有量層と酸化層７４０の酸化を可能にするエッチングされたキャビティ７１０を有するVCSEL７００の平面図を示す。図７ｂは、図７ａの線７ｂに沿った断面図を示し、図７ｃは、図７ａの線７ｃに沿った断面図を示す。上部DBRミラー７９９は一般に擬似正弦波状に徐々に変化する２５の層ペア（一般に、Al0.86Ga0.14As層７９８とAl0.16Ga0.84As層７９７が交互に配置されている）から成っている。上部DBRミラー７９９はドープされたシリコンである。一般に、高いアルミニウム含有量を有するAlGaAs層のアルミニウム含有量は、低屈折率を考慮して十分に高くすべきであるが、容易に酸化させるほど高くすべきでない。低いアルミニウム含有量を有するAlGaAs層の組成は、一般に、低アルミニウム含有量層がレーザ光放射波長において非吸収性であるように、十分なアルミニウムをもっていなければならない。Al0.86Ga0.14As層７９８とAl0.16Ga0.84As層７９７の厚さは一般に０．１５波長であり、Al0.86Ga0.14As層７９８とAl0.16Ga0.84As層７９７間のグレーデッドAlGaAs物質の総厚さは０．２波長であるので、層ペア当りの０．５波長の全光学厚さが得られる。上部DBRミラー７９９の上に、Al0.16Ga0.84As電流拡散層(図示せず)とｐ形GaAs接触層(図示せず)が結晶成長されている。
【００１９】
本発明の実施例に従って、下部DBRミラー７９８は、GaAs層７３０と酸化AlAs層７２０が交互に配置された４つの層ペアで構成されている。酸化AlAs層７２０はよりすぐれた構造完全性を得るため少量のGaを含んでいるが、依然として迅速な酸化を許す。下部DBRミラー７９８はｎ形GaAs基層７７７より上に位置しており、一般に下部DBRミラー７９８とGaAs基層７７７の間に厚さ２００ｎｍのｎ形GaAaバッファ層がはさまれている。典型的な波長、λ＝９８０ｎｍの場合、もしGaAs層７３０の厚さが約６９．５ｎｍで、AlAs層７２０の厚さが約１６３．３ｎｍであれば、屈折率の差が干渉効果を引き起こし、それが高い反射を生み出す。AlAsは酸化されると約１０％だけ収縮するので、AlAs層７２０の初期厚さは約１７９．６ｎｍである。
【００２０】
垂直キャビティ表面放射レーザ(VCSEL)７００は、約１／４波長の厚さをもつ酸化Al0.94Ga0.06As層７４０によって一般に形成された非酸化アパーチャ７０１を有している。活性領域７５０は一般に厚さ１波長の独立した閉込めへテロ構造(SCH)から成っている。SCHは４つのInAlGaAs量子井戸(図示せず)と、５つのAl0.35Ga0.42Asバリヤ層(図示せず)を有する。透明な最上部電極７８０（一般に、インジウム錫酸化物）と最下部電極７９０は電気接点になる。電流はエピタキシャル結晶成長させたDBRミラー７９９を通り、活性層７５０を通過し、DBRミラー７９８をまわって電極７９０に向かって注入される。DBRミラー７９８は濃く酸化されたアルミニウム層を含んでいるので、電流路の一部を形成しない。活性層７５０は下部Al0.16Ga0.84Asクラッド層７７０と上部Al0.58Ga0.32Asクラッド層７６０の間にはさまれている。下部Al0.16Ga0.84Asクラッド層７７０に対するドーピングは、一般にｎ形で、１×１０18／ｃｍ3〜５×１０18／ｃｍ3の範囲のドーピングレベルと、約１００ｎｍ厚さを有する。VCSEL構造に関するこれ以上の詳細は米国特許第５，９７８，４０８号を参照されたい。
【００２１】
マイクロレンズは多層構造を異なる横方向長さに酸化させることによって作ることができる。本発明に従って、図８は、エッチングされたキャビティ８１１を使用し、平面酸化を使用して製作されたマイクロレンズ８００を示す。図８の層８０１，８０２，８０３，８０４，８０５，８０６，８０７，８０８，８０９、８１０の異なる横方向酸化長さはそれぞれの層のアルミニウム組成を異ならせることによって達成される。酸化プロセスが垂直方向に進行するのを防止するため、酸化層８０１，８０２，８０３，８０４，８０５，８０６，８０７，８０８，８０９、８１０の間に、薄い非酸化層８５０を置かなければならない。たとえば、もしマイクロレンズ８００が２５μｍの半径と１０μｍの焦点距離を有していれば、本発明に係る実施例は表１で説明される。表１に記載した実施例の場合、各層のアルミニウム組成は、同じ酸化時間における要求された酸化物の長さに基づいて決まる。AlxGa1-xAsの各層の厚さは１μｍである。４００℃におけるアルミニウム組成の関数として、AlGaAsの酸化速度に基づいて、酸化フロントが球面を形成するように、各層のアルミニウム組成、すなわち各層８０１，８０２，８０３，８０４，８０５，８０６，８０７，８０８，８０９、８１０のアルミニウム含有量が選定される。もしより滑らかな酸化物先端を所望ならば、層の厚さを減らし、もっと多くの層を追加してもよい。しかし、、横方向酸化技術を使用して非球面レンズを作ることもできることに留意すべきである。
【００２２】
【表１】
Figure 0004721512
【００２３】
同じウェーハの上にいろいろなタイプのエレクトロニクスや光学デバイスを集積することが望ましいことが多い。エッチド・キャビティ法は、オプトエレクトロニクス集積回路内のデバイスの間に電気的隔離領域を形成する容易な手段を提供する。図９は、エッジ放射半導体レーザ１００５と共に集積されたGaAs金属−半導体電界効果トランジスタ(MESFET)９０５と９０１１から成る本発明に係る実施例を示す。MESFETトランジスタ９０５はゲート９３１、ドレーン９３２、およびソース９３３から成っている。MESFETトランジスタ９１１はゲート９４１、ドレーン９４２、およびソース９４３から成っている。信号は、相互接続ワイヤ９９１、９９２に沿ってそれぞれゲート９４１、９３１に接続している接触パッド９５０に入力される。ソース９４３は相互接続ワイヤ９９３によって接触パッド９５５へ接続されており、接触パッド９５５はグラウンドに達している。相互接続ワイヤ９９４はドレーン９４２とソース９３３とを接続している。ｐ接触パッド９６５は相互接続ワイヤ９９５によってエッジ放射レーザ１００５のｐ接点に接続されており、通路９６０は相互接続ワイヤ９９６によってドレーン９３２へ接続されており、エッジ放射レーザ１００５のｎ接点に達している。
【００２４】
エッチングされたキャビティ９１０は埋込みAlAs層１０１０を酸化させるためのアクセスを提供する（図１０参照）。埋込みAlAs層１０１０はMESFETトランジスタ９０５とMESFETトランジスタ９１１の両方をエッジ放射半導体レーザ１００５から電気的に隔離する作用をする。MESFETトランジスタ９１１からMESFETトランジスタ９０５を電気的に隔離するために、浅いイオン注入が使用されている。図１０は、図９の線１０に沿った断面を示す。MESFETトランジスタ９０５、９１１のゲート領域は一般に低いレベルの１０17／ｃｍ3までドープされている。ドレーン９３２とドレーン９４２の各領域とソース９３３とソース９４３の各領域におけるより高いドーピングレベルは、よりすぐれたオーム接点を考慮に入れており、イオン注入によって達成することができる。ｐ＋層１０２０、真性層１０３０、およびｎ＋層１０４０は、エッジ放射半導体レーザ１００５のためのダイオード構造を形成している。
【００２５】
５μｍのオーダーの十分に短い酸化長さにするため、酸化フロントの形状はエッチングされたキャビティの形状に従っている。図１１は、考えられる酸化フロントの形状１１０１，１１０２、１１０３、１１０４と、対応する形状のキャビティ１１１１，１１１２，１１１３，１１１４を示す。キャビティ１１１１〜１１１４は一般にホトレジストにパターニングされ、そのあとエッチングされる。次に、キャビティ１１１１〜１１１４が本発明に従って水蒸気に暴露され、埋込みAlGaAs層内に酸化フロントの形状１１０１〜１１０４が形成される。図１２のつなぎ合わされた酸化フロントの形状１１０２、１１０３、１１０４は、湾曲した導波路１１９８の形を定める酸化フロントパターン１１９９を形成する。酸化フロントパターン１１９９は、キャビティ１１１２〜１１１４から生まれた酸化フロントの形状１１０２〜１１０４が集まって、湾曲した導波路１１９８である自然酸化物で形が定められた通路を形成するように、キャビティ１１１２〜１１１４を整列させることによって生成される。湾曲した導波路は能動デバイス（たとえばリング・レーザ）や、集積光学デバイス（たとえばマッハ・ゼンダー変調器）に対する用途を有する。
【００２６】
図１３ａは、本発明に係る分布帰還(DFB)レーザ構造１３００を示す。ここでは、酸化させるため、Al0.98Ga0.02As埋込み層１３２０はエッチングされたキャビティ１３２１を通してアクセスされる。図１３ａに示した酸化フロント１３２５の周期的波形の形状は周期的屈折率変化に変化する。周期性が１／２波長の整数の倍数であるように設計した場合の周期的屈折率変化は、レーザ作用をする分布帰還機構を提供する。たとえば、AlGaAsに一般的であるAlGaAs埋込み層１３２０の３．５の屈折率と、DFBレーザ１３００の８２０ｎｍの波長のために、酸化フロントの格子周期を約１１７ｎｍにする必要がある。図１３ｂは、DFBレーザ１３００の層構造を示す。、ｎGaAs基層１３２９上に、ｎ形Al0.7Ga0.3As下部クラッド層１３３０が一般に約１μｍの厚さに結晶成長される。そのｎ形Al0.7Ga0.3Asクラッド層１３３０の上に、ｎ形Al0.4Ga0.6As導波路層１３３１が一般に０．１２ｎｍの厚さに結晶成長される。ｎ形Al0.4Ga0.6As導波路層１３３１とｐ形Al0.4Ga0.6As導波路層１３３２の間に、GaAs量子井戸活性層１３３５がある。ｐ形Al0.7Ga0.3As上部クラッド層１３３６は、酸化可能なｐ形Al0.98Ga0.02As埋込み層１３２０によってｐ形Al0.4Ga0.6As導波路層１３３５から分離されている。ｐ形GaAs層１３４０はキャッピング層として作用する。
【００２７】
図１４ａ〜ｄは、エッジ放射レーザ構造１００の埋込み層１２０にアクセスして酸化させるためエッチングされたキャビティ１１０を使用する典型的な製造順序を断面図で示す（図１ｂ参照）。図１５ａ〜ｄは、それらの対応する平面図である。図１４ａと図１５ａについて説明すると、エッジ放射レーザ構造１００の結晶成長後、CVD(chemical vapor deposition)、プラズマ強化CVD、または蒸着(evaporation)によって、ｐ形Al0.5In0.5Pクラッド層１５５の上に、SiO2層１４０５が堆積される。SiO2層１４０５に続いて、ホトレジスト層１４０１が堆積される。
【００２８】
次に図１４ｂと図１５ｂについて説明する。ホトレジスト層１４０１は、エッチングされたキャビティ１１０のサイズと位置を定めるパーフォレーション１４１０にパターニングされる。エッチングされたキャビティ１１０は、化学的エッチングプロセスまたはドライエッチングプロセスによってSiO2層１４０５を貫通してｐ形Al0.5In0.5Pクラッド層１５５まで下方にエッチングされる。ｐ形Al0.5In0.5Pクラッド層１５５とその下にある半導体層は、ドライエッチング、例えば反応性イオンエッチング(RIE)または化学的支援イオンビームエッチング(CAIBE)によって、一般にGaInPエッチストップ層１１１まで下方にエッチングされる。例えば、GaAsをベースとするエッジ放射レーザ構造１００のエッチングされたキャビティ１１０は、塩素をベースとする反応性イオンエッチングまたは化学的支援イオンビームエッチングを使用して、ドライエッチングすることができる。
【００２９】
AlGaAs合金の場合には、キャビティはドライエッチング技術またはウェットエッチング技術のどちらかを使用してエッチングすることができる。
【００３０】
ドライエッチングの例は、Technics Plasma RIBE ECR 3608を使用する化学的支援イオンビームエッチング装置(CAIBE)と、8 SCCM Cl2、 2 SCCM BCl3、5 SCCM Arから成る混合ガスを使用する。混合ガスは、３５０Ｗのマイクロ波パワーと１２００ガウスの磁界による電子サイクロトロン共振(ECR)で活性化される。活性化されたガスは５５０Ｖで試料に向かって加速され、２８％デュティサイクルで電子エミッタによって中和される。試料は１００℃に加熱される。エッチング速度はキャビティのサイズによって決まり、直径２μｍの円形キャビティの場合は約１，０００オングストローム／分である。
【００３１】
キャビティのエッチングは、他のドライエッチングツール、たとえばPlasmaQuest ECRリアクタを使用する反応性イオンエッチング(RIE)を使用して実施することができる。RIEエッチングの例は、1 SCCM Cl2、10 SCCM BCl3、および13.5 SCCM ArのECR活性化混合ガスと、４００Ｗのマイクロ波パワーと３３ＷのRFパワーを使用している。エッチングチャンバ圧力は２．１ torr に調整され、試料温度は４℃に設定される。エッチング速度は同様にキャビティのサイズによって決まり、直径２μｍの円形パターンの場合は約７３０オングストローム／分で、直径１０μｍ以上のキャビティの場合は１，３００オングストローム／分である。RIE装置はPlasmaQuest ECRリアクタである。
【００３２】
高いアスペクト比をもつ小さいキャビティはウェットエッチングを使用して作ることは難しいが、ウェットケミカル装置で大きなキャビティをあけることは、実行可能なオプションである。AlGaAsをエッチングできる化学物質の混合物は1 H3PO4 : 1 H2O2 : 30 H2Oである。ここで、数字は体積比を示す。化学物質を別の比率で混合することも可能である。さらに、他の化学物質たとえばHCl/H2O2やH2SO4/H2O2を使用することもできる。
【００３３】
AlGaAs以外の半導体は当然に他のエッチング化学物質を必要とするであろう。亜燐酸インジウムの場合、H3PO4 で希釈したHClはうまくいくが、水で希釈したH3PO4/H2O2はInAlGaAs合金に使用できる。InGaAsP合金の場合、水で希釈したH2SO4/H2O2は理想的である。さらに、AlGaAsに関して触れた混合ガスのような塩素をベースとする混合ガスを使用するCAIBEおよびRIEドライエッチングを用いて、InP をベースとする物質にキャビティをあけることができる。しかし、エッチング残留物は揮発性が少ないので、試料の温度は一般にAlGaAsエッチングの場合より高く設定すべきである。AlGaAsおよびInGaAsP以外の物質に対するエッチングプロセスは必要なとき開発することができる。
【００３４】
次に図１４ｃ及び図１５ｃについて説明する。ホトレジスト層１４０１は剥離され、Al0.99Ga0.01As埋込み層１２０は米国特許第５，２６２，３６０号に記載されているやり方で酸化される。エッジ放射レーザ構造１００は４００℃を超える温度の周囲の飽和水蒸気に暴露される。Al0.99Ga0.01As埋込み層１２０は、ガリウムと砒素酸化物を含む非晶質アルミニウム酸化物に変えられる。Al0.99Ga0.01As埋込み層１２０は絶縁しており、一般に１．５〜１．６の低い屈折率を有する。導波路コアの形を定めるAl0.99Ga0.01As埋込み層１２０のストライプ１７０の酸化を防止するように注意を払うべきである。
【００３５】
次に図１４ｄおよび図１４ｄについて説明する。SiO2層１４０５がドライエッチングによって除去され、ｐ電極１０５が蒸着によって堆積される。エッジ放射レーザ構造１００は蒸発した金属原子のビーム方向に対し約４５度の角度で傾斜している。エッジ放射レーザ構造１００を傾斜させることは、金属がエッチングされたキャビティ１１０の内面を被覆し、エッジ放射レーザ構造１００を通る望ましくない電流路を生成するのを防止する。ｎ接点を作るために、エッジ放射レーザ構造１００が薄くされ、底面にｎ電極１０６が堆積される。
【００３６】
同じ設計技法と製造プロセスによって、受動ストレート導波路構造４００（図４ａ参照）及び５００（図５参照）を製造することができる。しかし、受動ストレート導波路構造４００および５００は、それぞれ導波路コア４２５，４２６、４２７および５２６、５２７の中に伝播する光を吸収しない半導体層を有する。これは、受動導波路構造４００及び５００のSCH構造１９０のバンドギャップが伝播する光の光子エネルギーより大きいように、SCH構造１９０（図１ｂ参照）が設計される（すなわち、処理される）ことを意味する。このバンドギャップ・エンジニヤリングは、たとえば不純物誘起層の無秩序またはマイグレーション・エンハンスド・エピタキシーによって達成することができる。能動デバイスについて使用したのと同じプロセスを受動導波路構造４００および５００に使用できることは重要である。その理由は、これにより、単一導波路構造が能動セクションと受動セクションをもつことができるからである。受動セクションは、受動セクションの光吸収性をもたらすバイアス電圧を加えることによって光変調器として使用することができる。
【００３７】
以上、横方向に酸化させるため酸化可能な埋込み半導体層にアクセスするする方法について説明した。ウェーハの平面性は維持されるので、本方法は埋込み酸化物質をそれらの光学的性質と電気的性質のため使用するさまざまなデバイスににとって利益がある。
【００３８】
この分野の専門が理解されるように、本発明の開示した実施例に対するその他の修正、拡張、および変更は、特許請求の範囲に記載した発明の範囲および精神に包含されるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】本発明に係る実施例の平面図である。
【図１ｂ】図１ａの実施例の断面図である。
【図１ｃ】本発明に係る実施例について酸化物層の厚さの関数として、横方向屈折率ステップの変化を示すグラフである。
【図１ｄ】横方向に酸化された層と独立した閉込めヘテロ構造間の間隔の関数として、単一モード動作を維持するために必要なストライプの最大幅を示すグラフである。
【図２】メサ構造エッチ放射半導体レーザを示す断面図である。
【図３ａ】本発明に係る実施例の平面図である。
【図３ｂ】図３ａの実施例の断面図である。
【図４ａ】本発明に係る実施例の平面図である。
【図４ｂ】図４ａの実施例の断面図である。
【図５】本発明に係る実施例の平面図である。
【図６】本発明に係る実施例の断面図である。
【図７ａ】本発明に係る実施例の平面図である。
【図７ｂ】図７ａの実施例の断面図である。
【図７ｃ】図７ａの実施例の断面図である。
【図８】本発明に係る実施例の断面図である。
【図９】本発明に係る実施例の平面図である。
【図１０】図９の実施例の断面図である。
【図１１】本発明に係る実施例の平面図である。
【図１２】本発明に係る実施例の平面図である。
【図１３ａ】本発明に係る実施例の平面図である。
【図１３ｂ】図１３ａの実施例の断面図である。
【図１４ａ】本発明に係る実施例を製作する一連の工程の第１のものを示す側面図である。
【図１４ｂ】本発明に係る実施例を製作する、次の工程を示す側面図である。
【図１４ｃ】本発明に係る実施例を製作する、その次の工程を示す側面図である。
【図１４ｄ】本発明に係る実施例を製作する、更に次の工程を示す側面図である。
【図１５ａ】図１４ａの工程の平面図である。
【図１５ｂ】図１４ｂの工程の平面図である。
【図１５ｃ】図１４ｃの工程の平面図である。
【図１５ｄ】図１４ｄの工程の平面図である。
【符号の説明】
１００ 本発明に係るエッジ放射レーザ構造
１０５ ｐ電極
１０６ ｎ電極
１１０ エッチングされたキャビティ
１１１ GaInP層
１２０ AlyGa1-yAs埋込み層
１２３ 酸化領域
１５５ ｐ形Al0.99Ga0.01Asクラッド層
１５６ ｎ形Al0.5In0.5Pクラッド層
１５９ 注入領域
１７０ ストライプ
１７１ ｎ+GaAs基層
１７５ Ga0.4In0.6P量子井戸活性層
１８５ ｎ形(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pバリヤ層
１８６ ｐ形(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pバリヤ層
１９０ 閉込めへテロ構造(SCH)
２００ 本発明に係るエッジ放射レーザ
２１０ メサ
３００ 本発明に係る４ビーム構造
３１０ キャビティ
３２０、３２１ 埋込み層
３２５、３２６、３２７、３２８ 個々のエッジ放射レーザ
３５０、３５１、３６０、３６１ 金属接点
４００ 本発明に係る受動導波路構造
４１０ キャビティ
４１１ キャビティ
４２０、４２１、４２２ キャビティの側面部分
４２５，４２６、４２７、４２８ 導波路コア
４３０ Al0.99Ga0.01As層
４３６ GaAs層
４３７、４３８ Al0.99Ga0.01As層
４５０、４５５ GaAs層
５００ 本発明に係る実施例（ビームスプリッタ）
５１０、５１１ キャビティ
５２６、５２７ 導波路コア
６００ 本発明に係る実施例（DBRミラー）
６１０ キャビティ
６２０ AlAs層
６３０ GaAs層
７００ 本発明に係る実施例（垂直キャビティ表面放射レーザ）
７０１ 非酸化アパーチャ
７１０ エッチングされたキャビティ
７２０ 酸化AlAs層
７３０ GaAs層
７４０ 酸化層
７５０ 活性領域
７６０ 上部Al0.58Ga0.32Asクラッド層
７７０ 下部Al0.16Ga0.84Asクラッド層
７７７ ｎ形GaAs基層
７８０ 透明上部電極
７９０ 下部電極
７９７ Al0.16Ga0.84As層
７９８ 下部DBRミラー
７９９ 上部DBRミラー
８００ マイクロレンズ
８０１〜８１０ 酸化層
８１１ エッチングされたキャビティ
８５０ 薄い非酸化層
９０５ GaAs金属半導体電界効果(MESFET)トランジスタ
９１０ エッチングされたキャビティ
９１１ MESFETトランジスタ
９３１、９４１ ゲート
９３２、９４２、ドレーン
９３３、９４２ ソース
９５０、９５５ 接触パッド
９６０ 通路
９６５ ｐ接触パッド
９９１〜９６６ 相互接続ワイヤ
１００５ エッジ放射レーザ
１０１０ 埋込みAlAs層
１０２０ ｐ+層
１０３０ 真性層
１０４０ ｎ+層
１１０１〜１１０４ 酸化フロントの形状
１１１１〜１１１４ 対応する形状のキャビティ
１１９８ 湾曲した導波路
１１９９ 酸化全部パターン
１３００ 本発明に係る分布帰還(DFB)レーザ構造
１３２０ Al0.98Ga0.02As埋込み層
１３２１ エッチングされたキャビティ
１３２５ 酸化フロント
１３２９ GaAs基層
１３３０ ｎ形Al0.7Ga0.3As下部クラッド層
１３３１ ｎ形Al0.4Ga0.6As導波路層
１３３２ ｐ形Al0.4Ga0.6As導波路層
１３３５ GaAs量子井戸活性層
１３３６ ｐ形Al0.7Ga0.3As上部クラッド層
１３４０ ｐGaAs層
１４０１ ホトレジスト層
１４０５ SiO2層
１４１０ パーフォレーション

Claims (2)

  1. 受動半導体構造であって、
    基層と、
    該基層の上に形成された複数の半導体層であって、最上部層である１つの半導体層と、酸化可能な材料により形成された少なくとも１つの半導体層と、を含む、複数の半導体層と、
    前記最上部層から延び、前記酸化可能な材料により形成された前記少なくとも１つの半導体層を貫通する、第１の複数の孔と、
    少なくとも前記複数の半導体層内における第１の酸化された側面であって、前記第１の複数の孔から形成され、１つの形作られた導波路における１つの第１の壁を形成する、第１の酸化された側面と、
    を具備し、
    前記第１の酸化された側面の形状が、少なくとも部分的には前記第１の複数の孔の各々の位置によって決定されている、
    ことを特徴とする受動半導体構造。
  2. 前記最上層から延び、前記酸化可能な材料により形成された前記少なくとも１つの半導体層を貫通する、第２の複数の孔と、
    少なくとも前記複数の半導体層内における第２の酸化された側面であって、前記第２の複数の孔から形成され、前記導波路における１つの第２の壁を形成する、第２の酸化された側面と、
    をさらに具備し、
    前記第１の壁及び前記第２の壁は、前記導波路が該第１の壁と該第２の壁との間に形成されるように、配置される、
    ことを特徴とする請求項１に記載の受動半導体構造。
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