JP6252718B1 - 半導体装置、半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

基板と、該基板の上に活性層を含む複数の層が積層されることで形成された半導体レーザ部と、該基板の上にコア層を含む複数の層が積層されることで形成された、該半導体レーザ部にバットジョイント接合することで接する光変調器又は光導波路である隣接部と、を備える。該半導体レーザ部と該隣接部がバットジョイント接合した半導体装置において、少なくとも該半導体レーザ部の該隣接部に接する部分は無秩序化されたことを特徴とする。

Description

この発明は、半導体レーザ部と光変調器又は光導波路とを同一基板に有する半導体装置とその半導体装置の製造方法に関する。

光通信ネットワークの大容量化に伴う要求から、光変調器あるいは光導波路を集積した半導体レーザ素子の利用が増えている。複数の機能を集積した光素子では、機能ごとに異なる結晶構造が必要となる。そのような光素子の作製方法として、絶縁膜マスクを用いた部分エッチングと再成長を繰り返す方法をとることが多い。

特許文献１には、半導体レーザ又は光変調器等の複数の光素子を半導体基板上に集積形成する手法の一つにバットジョイント技術があることが開示されている。特許文献１には、バットジョイント技術とは、同一基板上に光軸を揃えて、複数の光素子を突き合わせ接合させる技術であることが開示されている。

日本特開２０１０−１６５７５９号公報

例えば活性層とクラッド層などの組成の異なる複数の結晶層が側面に露出した状態で、バットジョイント成長で光変調器又は光導波路を形成する場合を考える。この場合、局所的に組成および格子定数等が異なる複雑な側面に対してバットジョイント成長を行うことになるので、バットジョイント成長層の側面部分の結晶品質が悪化してしまう。バットジョイント成長層の側面部分の結晶品質が悪化すると、装置の初期特性又は信頼性が劣化する。

特に活性層として歪活性層を用いる場合、バットジョイント成長では周期的に歪が変化した側面に結晶成長を行うことになる。この場合、バットジョイント成長層の側面部分の結晶品質の悪化が顕著になる。

また集積素子のもう一つの問題として、活性層に注入されたキャリアが井戸層を伝ってバットジョイント界面まで到達し、バットジョイント部にキャリアが集中することが挙げられる。キャリアの集中は半導体装置の信頼性を悪化させる。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、複数の機能の異なる部分を接合した半導体装置の特性悪化を抑制できる半導体装置とその半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本願の発明にかかる半導体装置は、基板と、該基板の上に形成され、活性層を有する半導体レーザ部と、該基板の上に形成され、コア層を有し、該半導体レーザ部に接する光変調器又は光導波路である隣接部と、を備え、該半導体レーザ部の該隣接部に接する部分は無秩序化され、該隣接部の該半導体レーザ部に接する部分は無秩序化されたことを特徴とする。

本願の発明にかかる半導体装置の製造方法は、基板の上に、活性層を有する半導体レーザ部を形成する工程と、該基板の上に該半導体レーザ部とバットジョイント接合された光変調器又は光導波路である隣接部を形成する工程と、該半導体レーザ部の該隣接部に接する部分と、該隣接部の該半導体レーザ部に接する部分とを無秩序化する無秩序化工程と、を備えたことを特徴とする。

本願の発明にかかる他の半導体装置の製造方法は、基板の上に、活性層を有する多層構造を形成する工程と、該多層構造の一部を無秩序化する無秩序化工程と、該多層構造のうち無秩序化された部分の一部を除去することで、無秩序化されていない部分と無秩序化された無秩序部を有し、側面に該無秩序部が露出した半導体レーザ部を形成する除去工程と、該基板の上に、該半導体レーザ部とバットジョイント接合された光変調器又は光導波路である隣接部を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

この発明によれば、バットジョイント接合部を無秩序化することで、複数の機能の異なる部分を接合した半導体装置の特性悪化を抑制できる。

実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 エピタキシャル成長後の半導体装置の断面図である。 マスクを示す平面図である。 エッチング後の半導体装置の断面図である。 隣接部を示す断面図である。 注入マスクと無秩序部を示す断面図である。 マスクを示す平面図である。 電極が形成された半導体装置の斜視図である。 実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。 活性層を有する多層構造を示す断面図である。 注入マスクの平面図である。 注入マスクと無秩序部を示す断面図である。 新たなマスクの平面図である。 除去工程後の半導体装置の断面図である。 電極が形成された半導体装置の斜視図である。

本発明の実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体装置１０の断面図である。半導体装置１０は、半導体レーザ部１２と、ＥＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）変調器で構成された隣接部１４を集積したリッジ型光集積素子を構成している。隣接部１４は、ＥＡ変調器以外の光変調器又は光導波路とすることができる。破線は半導体レーザ部１２と隣接部１４の境界を示す。

半導体装置１０は例えばｎ型ＩｎＰで形成された基板１６を備えている。基板１６の上には、例えばｎ型ＩｎＰで形成された下クラッド層１８が設けられている。下クラッド層１８の上には、半導体レーザ部１２においては活性層２０が形成され、隣接部１４においてはコア層３０が形成されている。活性層２０とコア層３０はともにＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸（ＭＱＷ）構造となっている。活性層２０とコア層３０はバットジョイントで接続されている。活性層２０は、上側のＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅｄ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層と下側のＳＣＨ層でＭＱＷ構造を挟み込む構成としてもよい。ＳＣＨ層とはＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込めヘテロ層である。コア層３０も同様に２層のＳＣＨ層を有してもよい。

活性層２０の上には、例えばｐ型ＩｎＰで形成された第１上クラッド層２２が設けられている。コア層３０の上には、例えばｐ型ＩｎＰで形成された第２上クラッド層３２が設けられている。半導体レーザ部１２に第１上クラッド層２２が設けられ、隣接部１４に第２上クラッド層３２が設けられている。第１上クラッド層２２と第２上クラッド層３２の上には例えばｐ型ＩｎＧａＡｓを材料とするコンタクト層４０が形成されている。

半導体レーザ部１２は、下クラッド層１８と、活性層２０と、第１上クラッド層２２を備えている。隣接部１４は、下クラッド層１８と、コア層３０と、第２上クラッド層３２を備えている。このように、基板１６の上に半導体レーザ部１２と、半導体レーザ部１２に接する隣接部１４とが形成されている。

半導体レーザ部１２の隣接部１４に接する部分は無秩序化されている。隣接部１４の半導体レーザ部１２に接する部分は無秩序化されている。これらの無秩序化された部分は無秩序部４２を形成している。無秩序部４２は、半導体レーザ部１２と隣接部１４の境界を含む部分に、半導体レーザ部１２と隣接部１４に跨って形成されている。無秩序部４２は、多重量子井戸構造を無秩序化することでバンドギャップを拡大させた部分である。したがって活性層２０の無秩序化された部分は、活性層２０の無秩序化されていない部分よりバンドギャップが大きい。また、コア層３０の無秩序化された部分は、コア層３０の無秩序化されていない部分よりバンドギャップが大きい。無秩序化された部分はレーザ発振光に対して透明である。

実施の形態１に係る半導体装置１０の製造方法について説明する。隣接部１４は光変調器又は光導波路であるが、ここでは光導波路で隣接部１４を構成した場合について説明する。まず、ｎ型ＩｎＰで形成された基板１６の上に、下クラッド層１８を形成し、その後、活性層２０、第１上クラッド層２２を順次エピタキシャル成長させる。図２は、エピタキシャル成長後の半導体装置の断面図である。下クラッド層１８はｎ型のＩｎＰであり、活性層２０はＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸構造であり、第１上クラッド層２２はｐ型のＩｎＰである。破線の左側が半導体レーザ部１２となる部分であり、破線の右側が隣接部１４となる部分である。

次いで、マスクを形成する。図３は、マスク２４を示す平面図である。マスク２４は半導体レーザ部１２の第１上クラッド層２２の上にストライプ状に形成する。マスク２４の材料は例えばＳｉＯ_２である。マスク２４のパターンは例えばレジストパターンを用いたフォトエッチングを行うことで形成する。

次いで、エッチング処理を行う。図４は、エッチング後の半導体装置の断面図である。ＲＩＥなどのドライエッチングでマスク２４に覆われていない部分を、活性層２０の途中までエッチングする。さらに酒石酸などのＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰのエッチング選択性のある薬液を用いてエッチングすることで、活性層２０の残り部分をエッチングする。これにより、下クラッド層１８を露出させる。別の方法で下クラッド層１８を露出させてもよい。こうして、基板１６の上に、活性層２０を有する半導体レーザ部１２が形成される。

次いで、隣接部１４を形成する。図５は、隣接部１４を示す断面図である。この工程では、コア層３０と第２上クラッド層３２を順次エピタキシャル成長させる。これにより隣接部１４の下クラッド層１８の上にコア層３０が形成され、そのコア層３０の上に第２上クラッド層３２が形成される。この成長はバットジョイント成長と呼ばれるものである。バットジョイント成長により、基板１６の上に半導体レーザ部１２とバットジョイント接合された隣接部１４が形成される。

次いで、例えばフッ酸でマスク２４を除去する。マスク２４を除去すると表面に第１上クラッド層２２と第２上クラッド層３２が露出する。次いで、注入マスクを形成する。図６は、注入マスク４４を示す断面図である。注入マスク４４は、第１上クラッド層２２と第２上クラッド層３２の上に形成されている。注入マスク４４は、バットジョイント部に開口４４ａを有する。開口４４ａは、半導体レーザ部１２と隣接部１４に跨っている。

次いで、半導体レーザ部１２の隣接部１４に接する部分と、隣接部１４の半導体レーザ部１２に接する部分とを無秩序化する。この工程を無秩序化工程と称する。図６は、無秩序化工程における処理を説明する図である。無秩序化工程では、注入マスク４４の開口４４ａを介して半導体レーザ部１２と隣接部１４に不純物注入する。不純物のイオン注入後に熱アニールを施す。図６には、上面側からＳｉイオンを注入し熱アニールを行うことで半導体レーザ部１２と隣接部１４の一部を無秩序化して無秩序部４２を形成したことが示されている。

無秩序部４２は、半導体レーザ部１２では第１上クラッド層２２の上面から下クラッド層１８の途中にまで及び、隣接部１４では第２上クラッド層３２の上面から下クラッド層１８の途中にまで及んでいる。無秩序部４２の底面は、下クラッド層１８の下面よりも上にある。無秩序部４２の底面が下クラッド層１８の下面よりも下に及ぶことで、基板１６にまで無秩序部４２を形成してもよい。無秩序化工程により、活性層２０の隣接部１４に接する部分は無秩序化され、コア層３０の半導体レーザ部１２に接する部分は無秩序化される。

無秩序化工程では、第１上クラッド層２２と第２上クラッド層３２の境界直上に拡散源となる層を形成し、その層から不純物を拡散させ、その後熱アニールを施すことで無秩序部４２を形成してもよい。

次いで、例えばフッ酸で注入マスク４４を除去し成膜処理を行う。具体的には、ｐ型ＩｎＰを材料とするクラッド層を追加成長することで、第１上クラッド層２２と第２上クラッド層３２を厚くする。その後、第１上クラッド層２２と第２上クラッド層３２の上にコンタクト層４０を成長させる。コンタクト層４０には、半導体レーザ部１２と隣接部１４の境界部分を露出させる開口を形成することが好ましい。コンタクト層４０の材料は例えばｐ型ＩｎＧａＡｓである。第１上クラッド層２２と第２上クラッド層３２の追加成長と、コンタクト層４０の成長により、図１の断面構造が得られる。

次いで、リッジの平面形状と一致するマスクを形成する。図７は、マスク５０を示す平面図である。マスク５０は、例えばレジストパターンを用いたフォトエッチングを行うことで形成されたＳｉＯ_２膜である。

次いで、マスク５０をマスクとしてマスク５０から露出した部分をエッチングする。例えば、ＲＩＥなどのドライエッチングによりコンタクト層４０と第１上クラッド層２２と第２上クラッド層３２をエッチングする。次いで、フッ酸を用いてマスク５０を除去することで、図１に示す半導体装置１０の基本結晶構造が完成する。ここまでの各工程は、基板１６の上に活性層２０とコア層３０が隣接して設けられた構造において、その構造の一部を無秩序化する工程である。結果的に図１に示す基本結晶構造が完成すれば上記のプロセス以外のプロセスを採用してもよい。

次いで、基本結晶構造に電極を形成する。図８は、電極が形成された半導体装置の斜視図である。半導体レーザ部１２の第１リッジ構造Ｒ１と隣接部１４の第２リッジ構造Ｒ２はバットジョイントで接続されている。半導体レーザ部１２のコンタクト層４０の上に電極ＥＬ１が形成されている。隣接部１４のコンタクト層４０の上に電極ＥＬ２が形成されている。半導体レーザ部１２と隣接部１４の境界を含む部分はパッシブ導波路と呼ばれることがある。このパッシブ導波路にコンタクト層４０を設けないことで半導体レーザ部１２と隣接部１４のアイソレーションを高めることができる。なお、そのようなアイソレーションの向上が不要であればパッシブ導波路にコンタクト層４０を設けてもよい。

半導体レーザ部１２の側面には物性の異なる複数の層が露出しており、その側面に接するようにバットジョイント成長された隣接部１４の側面部分の結晶品質が悪化してしまう。しかしながら、本発明の実施の形態１に係る半導体装置では、隣接部１４の半導体レーザ部１２に接する部分は無秩序化されているので、この部分はレーザ発振光に対して透明となる。よって、半導体装置の特性悪化を抑制できる。

また、活性層２０は歪活性層としてもよい。歪活性層とは、典型的には数ｎｍ間隔で歪の異なる層が周期的に設けられた活性層である。歪活性層は光出力向上などを目的として設けられる。活性層２０として歪活性層を用いる場合、隣接部１４の側面部分の結晶品質が顕著に悪化するので、当該側面部分を無秩序化することで半導体装置の特性が大きく悪化することを抑制できる。

さらに、半導体レーザ部１２の隣接部１４に接する部分を無秩序化することで、活性層２０に注入されたキャリアが多重量子井戸構造を伝ってバットジョイント界面まで到達することを抑制できる。したがって、バットジョイント界面にキャリアが集中し半導体装置の信頼性が悪化することを抑制できる。

このように、実施の形態１に係る半導体装置１０と半導体装置１０の製造方法では、無秩序部４２を形成することで結晶性の乱れを回復させる。図８におけるｘ方向である共振器方向の無秩序部４２の長さを短くして半導体装置の大型化を回避することが好ましい。

実施の形態１に係る半導体装置１０と半導体装置１０の製造方法はその特徴を失わない範囲で様々な変形が可能である。半導体装置１０は導波路集積型の半導体レーザ素子である。つまり、半導体レーザ部１２に光導波路をバットジョイント接合させた。しかしながら、半導体レーザ部１２に光変調器をバットジョイント接合させた光変調器集積型の半導体レーザ素子についても、無秩序部を形成することで上記効果を得ることができる。

また、半導体レーザ部１２と隣接部１４に上述していない層を追加してもよい。例えば半導体レーザ部１２に回折格子層を設けてもよい。最適な導波路幅を実現するために、第１リッジ構造Ｒ１と第２リッジ構造Ｒ２の幅が相違してもよい。第１リッジ構造Ｒ１のリッジ高さと第２リッジ構造Ｒ２のリッジ高さが相違してもよい。例えば、半導体レーザ部１２の全体に活性層２０を設け、コア層３０は第２リッジ構造Ｒ２にだけ設ける。そうすると、第１リッジ構造Ｒ１は第２リッジ構造Ｒ２よりもｚ方向長さが小さくなる。第１上クラッド層２２と第２上クラッド層３２の追加成長は不要であれば省略してもよい。

実施の形態１で説明した変形については以下の実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の製造方法にも応用できる。なお、以下の実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の製造方法は実施の形態１との共通点が多いので実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２．
図９は、実施の形態２に係る半導体装置６０の断面図である。半導体レーザ部１２の隣接部１４に接する部分は無秩序化された無秩序部６２となっている。しかしながら、隣接部１４の半導体レーザ部１２に接する部分は無秩序化されていない。つまり、半導体レーザ部１２だけに無秩序部６２が形成されている。

半導体装置６０の製造方法を説明する。まず、基板１６の上に、活性層２０を有する多層構造を形成する。図１０は、活性層２０を有する多層構造を示す断面図である。多層構造とは、下クラッド層１８、活性層２０および第１上クラッド層２２であるが、必要に応じて他の層を追加してもよい。多層構造は、半導体レーザ部１２と隣接部１４が形成される部分全体に形成されることが好ましい。

次いで、多層構造の一部を無秩序化する。この工程を無秩序化工程と称する。無秩序化工程では、まず注入マスクを形成する。図１１は、注入マスク６４の平面図である。注入マスク６４は、半導体レーザ部１２となる部分にストライプ状に形成される。注入マスク６４は半導体レーザ部１２と隣接部１４の境界には形成されない。よって、注入マスク６４と当該境界は予め定められた距離だけ離れている。

注入マスク６４を形成した後に、半導体レーザ部１２と隣接部１４の注入マスク６４から露出した部分に不純物注入する。不純物のイオン注入後に熱アニールを施す。図１２には、上面側からＳｉイオンを注入し熱アニールを行うことで半導体レーザ部１２の一部に無秩序部６２を形成し、隣接部１４に無秩序部６６を形成したことが示されている。無秩序化工程では、平面視した隣接部１４の全体に無秩序部６６が形成される。

次いで、注入マスク６４を除去した後に新たなマスクを形成する。図１３は、新たなマスク７０の平面図である。マスク７０は、半導体レーザ部１２にストライプ状に形成されている。マスク７０は、半導体レーザ部１２と隣接部１４の境界に達している。なお、注入マスク６４とマスク７０の材料は例えばＳｉＯ_２である。

次いで、マスク７０をマスクとして多層構造のうち無秩序化された部分の一部を除去する。この工程を除去工程と称する。除去工程では、マスク７０から露出した無秩序部６２、６６を除去し下クラッド層１８を露出させる。マスク７０から露出した無秩序部６２、６６の除去方法は特に限定されない。例えば、ドライエッチングで活性層２０の途中までエッチングし、次に、活性層２０に対するエッチングレートが活性層２０の下層の下クラッド層１８のエッチングレートより高い選択エッチングを行うことが好ましい。ドライエッチングは例えばＲＩＥであり、選択エッチングは例えば酒石酸によるエッチングである。隣接部１４は無秩序化されているため酒石酸によるエッチングでのエッチング深さを均一にできる。つまり、露出する下クラッド層１８の上面を平坦にできる。また、無秩序化により結晶性を改善することで、ウェットエッチングでのサイドエッチを抑制できる。除去工程で無秩序化された部分を除去することにより上述の効果を得ることができるので、除去工程では多層構造のうち無秩序化された部分だけを除去することが好ましい。

図１４は、除去工程後の半導体装置の断面図である。除去工程によって、無秩序部６２の一部と無秩序部６６の全部を除去することで、無秩序化されていない部分と無秩序化された部分を有する半導体レーザ部１２が形成される。無秩序化された部分とは無秩序部６２である。除去工程により、半導体レーザ部１２の側面に無秩序部６２が露出する。

次いで、隣接部１４を形成する。具体的にはバットジョイント成長を行い、半導体レーザ部１２に接する隣接部１４を形成する。隣接部１４は、半導体レーザ部１２とバットジョイント接合された光変調器又は光導波路である。半導体レーザ部１２の側面には無秩序化された無秩序部６２が形成されているため、半導体レーザ部１２の側面部分は安定した結晶となっている。よって、隣接部１４の半導体レーザ部１２に接する部分の結晶性を改善できる。

次いで、マスク７０を除去し、第１上クラッド層２２と第２上クラッド層３２を追加成長し、コンタクト層４０を形成する。次いで、図７に示すマスク５０を形成する。さらに、マスク５０から露出したコンタクト層４０と第１上クラッド層２２と第２上クラッド層３２を例えばドライエッチングでエッチングする。次いで、フッ酸を用いてマスク５０を除去する。これにより図９に示す半導体装置６０の基本結晶構造が完成する。

その後、基本結晶構造に電極を形成する。図１５は、電極が形成された半導体装置６０の斜視図である。半導体レーザ部１２の第１リッジ構造Ｒ１と隣接部１４の第２リッジ構造Ｒ２はバットジョイントで接続されている。半導体レーザ部１２のコンタクト層４０の上に電極ＥＬ１が形成されている。隣接部１４のコンタクト層４０の上に電極ＥＬ２が形成されている。パッシブ導波路にコンタクト層４０を設けないことで半導体レーザ部１２と隣接部１４のアイソレーションを高めることができる。

実施の形態１ではバットジョイント成長後に無秩序化を行ったが、実施の形態２ではバットジョイント成長前に無秩序化を行う。よって、側面に結晶組成が安定している無秩序部が露出した半導体レーザ部１２に対して、隣接部１４をバットジョイント成長できる。そのため、隣接部１４の半導体レーザ部１２に接する部分の結晶品質が悪化することを防止できる。

１０ 半導体装置、 １２ 半導体レーザ部、 １４ 隣接部、 ４２，６２ 無秩序部

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板の上に形成され、活性層を有する半導体レーザ部と、
   前記基板の上に形成され、コア層を有し、前記半導体レーザ部に接する光変調器又は光導波路である隣接部と、を備え、
   前記半導体レーザ部の前記隣接部に接する部分は無秩序化され、
   前記隣接部の前記半導体レーザ部に接する部分は無秩序化されたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記活性層と前記コア層の下に形成された下クラッド層を備え、
   前記活性層の前記隣接部に接する部分は無秩序化され、
   前記コア層の前記半導体レーザ部に接する部分は無秩序化され、
   無秩序化された部分の底面は、前記下クラッド層の下面よりも上にあることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 基板の上に、活性層を有する半導体レーザ部を形成する工程と、
   前記基板の上に前記半導体レーザ部とバットジョイント接合された光変調器又は光導波路である隣接部を形成する工程と、
   前記半導体レーザ部の前記隣接部に接する部分と、前記隣接部の前記半導体レーザ部に接する部分とを無秩序化する無秩序化工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 基板の上に、活性層を有する多層構造を形成する工程と、
   前記多層構造の一部を無秩序化する無秩序化工程と、
   前記多層構造のうち無秩序化された部分の一部を除去することで、無秩序化されていない部分と無秩序化された無秩序部を有し、側面に前記無秩序部が露出した半導体レーザ部を形成する除去工程と、
   前記基板の上に、前記半導体レーザ部とバットジョイント接合された光変調器又は光導波路である隣接部を形成する工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 前記除去工程では、前記多層構造のうち無秩序化された部分だけをドライエッチングで前記活性層の途中までエッチングし、次に、前記活性層に対するエッチングレートが前記活性層の下層に対するエッチングレートより高い選択エッチングを行うことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記無秩序化工程では、不純物注入による無秩序化を行うことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記無秩序化工程では、不純物拡散による無秩序化を行うことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記活性層は歪活性層であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

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