JP7287585B1

JP7287585B1 - 半導体光集積素子

Info

Publication number: JP7287585B1
Application number: JP2022574648A
Authority: JP
Inventors: 拓行岡崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2022-06-22
Filing date: 2022-06-22
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2042-06-22
Also published as: WO2023248366A1; JPWO2023248366A1

Abstract

本開示の半導体光集積素子は、ハイメサリッジ構造を有する半導体積層体の最表面に形成されたＩｎｘＧａ１－ｘＡｓｙＰ１－ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層と、ＩｎｘＧａ１－ｘＡｓｙＰ１－ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層上にＣＶＤ法又はＡＬＤ法で形成された第１の窒化膜と、第１の窒化膜上に、５０００Å以上の膜厚を有し、高分子化合物層又はＣＶＤ法で形成された絶縁膜で構成された絶縁中間膜と、絶縁中間膜上に、ＣＶＤ法を用いて形成された膜厚が１０００Å以上の窒化膜又はＡＬＤ法を用いて形成された膜厚が１００Å以上の窒化膜である、第２の窒化膜と、を備えたものである。これにより、カバレッジ性を有しつつ剥がれ及び浮きを抑制した表面保護膜を備えた、ハイメサリッジ構造を有する半導体光集積素子を提供することができる。

Description

本開示は、ハイメサリッジ構造を有し、半導体層表面に絶縁膜を備えた半導体光集積素子に関する。

中継局とユーザ間との光通信システムを指すアクセス系ネットワークでは、高速変調に適した電界吸収型変調器（Ｅｌｅｃｔｒｏ－ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎＭｏｄｕｌａｔｏｒ：ＥＡＭ）と分布帰還型半導体レーザー（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄｂａｃｋＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ：ＤＦＢ－ＬＤまたはＤＦＢレーザー）などの単一波長の光を出力する半導体レーザーとを集積した半導体光集積素子として、電解吸収型変調器集積型半導体レーザー（Ｅｌｅｃｔｒｏ－ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎＭｏｄｕｌａｔｏｒｉｎｔｅｇｒａｔｅｄＬａｓｅｒ：ＥＭＬ）が用いられる。
半導体光集積素子は、高温高湿環境下で使用され得ることから、耐湿性の確保を主な目的として半導体層表面に表面保護膜を設けることが一般的に知られている。表面保護膜の形成においては、カバレッジ性の確保のため表面保護膜の厚膜化が図られ、また、表面保護膜の厚膜化は、表面保護膜を構成する絶縁膜の絶縁膜容量の低減の効果も担う。特に３μｍ以上の凹凸が形成されたハイメサリッジ構造を有する半導体光集積素子では、ハイメサリッジ構造の側壁部がカバレッジされにくいため、カバレッジ性を確保するために厚膜化が必要となる場合がある。一方で、表面保護膜の厚膜化は、膜応力の増大を伴うため、表面保護膜の剥がれ及び浮きが生じる場合がある。また、表面保護膜を成膜した後の製造過程の熱処理等でも膜質変化が生じる場合があるため、表面保護膜の剥がれ及び浮きが懸念される。
特開昭６１－１１２３８６号公報には、３層構造の絶縁膜によって表面保護膜の厚膜化を図る技術が開示されているが、ハイメサリッジ構造を有する半導体光集積素子への適用が考慮されておらず、表面保護膜の剥がれ及び浮きに対する懸念を十分に解決できるものではない。

特開昭６１－１１２３８６号公報

ハイメサリッジ構造を有する半導体光集積素子の場合、半導体層表面に比べてハイメサリッジ構造の側壁に表面保護膜が成膜されにくく、カバレッジ性を確保するために表面保護膜のさらなる厚膜化が必要となる。一方で、表面保護膜のさらなる厚膜化に伴い表面保護膜の応力も増大するため、表面保護膜の剥がれ及び浮きの懸念がさらに高まる。したがって、ハイメサリッジ構造を有する半導体光集積素子の表面保護膜の形成では、カバレッジ性の確保と表面保護膜の剥がれ及び浮きの懸念とがトレードオフになってしまうという課題があった。
本開示は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、ハイメサリッジ構造に対してもカバレッジ性を有した表面保護膜を形成しつつ、半導体層からの表面保護膜の剥がれ及び浮きを抑制した半導体光集積素子を得るものである。

ハイメサリッジ構造を有する半導体積層体の最表面に形成されたＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ_ｙＰ_１－ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層と、Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ_ｙＰ_１－ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層上にＣＶＤ法又はＡＬＤ法で形成された第１の窒化膜と、第１の窒化膜上に、５０００Å以上の膜厚を有し、高分子化合物層又はＣＶＤ法で形成された絶縁膜で構成された絶縁中間膜と、絶縁中間膜上に、１００Å以上の膜厚を有し、ＡＬＤ法で形成された第２の窒化膜と、を備えた半導体光集積素子。

本開示によれば、カバレッジ性と密着性を確保するための第１の窒化膜と、カバレッジ性と表面保護膜の厚膜化を担う絶縁中間膜と、耐湿性を担う第２の窒化膜とを備えた表面保護膜を形成することができる。このため、カバレッジ性を有しつつ剥がれ及び浮きを抑制した表面保護膜を備えた、ハイメサリッジ構造を有する半導体光集積素子を提供することができる。

実施の形態１に係るＥＭＬ１の外形模式図である。実施の形態１に係るＥＭＬ１のＤＦＢ－ＬＤ部１０のＡ‐Ａ断面模式図である。実施の形態１に係るＥＭＬ１のＥＡＭ部２０のＢ‐Ｂ断面模式図である。実施の形態１に係る表面保護膜の構造を示したＥＭＬ１のＤＦＢ－ＬＤ部１０のＡ‐Ａ断面模式図である。実施の形態１に係る表面保護膜の構造を示したＥＭＬ１のＥＡＭ部２０のＢ‐Ｂ断面模式図である。実施の形態１に係る表面保護膜を適用した場合と適用しなかった場合との熱処理後における顕微鏡写真である。実施の形態２に係る表面保護膜の構造を示したＥＭＬ１のＤＦＢ－ＬＤ部１０のＡ‐Ａ断面模式図である。実施の形態２に係る表面保護膜の構造を示したＥＭＬ１のＥＡＭ部２０のＢ‐Ｂ断面模式図である。

以下に、本開示に係る半導体光集積素子の一例を示すが、以下に示す実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変形して実施することができる。また、説明の便宜上、本明細書中の「ＣＶＤ法」との記載は「ＡＬＤ法以外のＣＶＤ法」を指す。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るＥＭＬ１の外形模式図である。図２は、実施の形態１に係るＥＭＬ１のＤＦＢ－ＬＤ部１０のＡ‐Ａ断面模式図である。図３は、実施の形態１に係るＥＭＬ１のＥＡＭ部２０のＢ‐Ｂ断面模式図である。図４は、実施の形態１に係る表面保護膜の構造を示したＥＭＬ１のＤＦＢ－ＬＤ部１０のＡ‐Ａ断面模式図である。図５は、実施の形態１に係る表面保護膜の構造を示したＥＭＬ１のＥＡＭ部２０のＢ‐Ｂ断面模式図である。図６は、実施の形態１に係る表面保護膜を適用した場合と適用しなかった場合との熱処理後における外観図である。

実施の形態１では、半導体光集積素子としてＥＭＬ１を例に示す。実施の形態１に係るＥＭＬ１は、図１に示す通り、ＤＦＢ－ＬＤ部１０とＥＡＭ部２０とを備えている。ＤＦＢ－ＬＤ部１０の断面構造は、図２に示す通り、ｎ型ＩｎＰ基板１０１上に、下から順にｐ型ＩｎＰ層２０１、ｎ型ＩｎＰ層２０２及びｐ型ＩｎＰ層２０３を備えたブロック層が形成されている。ブロック層上には、コンタクト層として下から順にｐ型ＩｎＰ層３０１とｐ型ＩｎＧａＡｓ層３０２が形成されている。つまり、ｎ型ＩｎＰ基板１０１上にブロック層とコンタクト層とを備え、最表面がｐ型ＩｎＧａＡｓ層３０２である半導体積層体が形成されている。尚、実施の形態１では、コンタクト層の最表面層としてｐ型ＩｎＧａＡｓ層３０２、つまり、ｙ＝１の場合のＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ_ｙＰ_１－ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層を示したが、これに限らず０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１の範囲で、任意のＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ_ｙＰ_１－ｙ層を適用可能である。また、共振器４００の部分については、活性層５００よりも深くエッチングされたリッジ構造、いわゆるハイメサリッジ構造を有している。ｐ型ＩｎＧａＡｓ層３０２上には、表面保護膜６００が形成され、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層３０２の表面を覆っている。表面保護膜６００上にはアノード電極として表面電極７０１が形成され、ｎ型ＩｎＰ基板１０１下面にはカソード電極として裏面電極７０２が形成されている。尚、図３に示す通り、ＥＡＭ部２０の断面構造もＤＦＢ－ＬＤ部１０と同様の断面構造を有しており、詳細な説明については省略する。

次に、図４のＤＦＢ－ＬＤ部１０の断面模式図を用いて、表面保護膜６００の具体的な層構造を示す。図４に示す通り、表面保護膜６００は、下層から順に第１の窒化膜６０１、絶縁中間膜６０２及び第２の窒化膜６０３の３層構造で形成される。
まず、実施の形態１に係る第１の窒化膜６０１は、Ｐｌａｓｍａ－ＥｎｈａｎｃｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＰＥ－ＣＶＤ）法で形成したＳｉＮ膜であり、膜厚は１６００Åである。ＰＥ－ＣＶＤ法で形成したＳｉＮ膜を適用することにより、半導体層との密着性を有しつつ、ハイメサリッジ構造に伴う凹凸をカバレッジすることができる。したがって、成膜後に熱処理を経る場合でも、半導体層からの絶縁膜の剥がれ及び浮きを抑制することができる。尚、第１の窒化膜６０１の膜種は、半導体層との密着性が良い窒化膜が好ましく、ＳｉＮ膜の他にＡｌＮ膜を適用しても良い。また、成膜方法としては、ハイメサリッジ構造に伴う凹凸をカバレッジできるよう、等方的な成膜が可能な成膜方法が好ましく、ＰＥ－ＣＶＤ法に限らず、ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＶＤ）法及びＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＡＬＤ）法を用いることも可能である。さらに、ハイメサリッジ形状に伴う凹凸をカバレッジできるよう、膜厚は５００Å以上の厚さで形成することが好ましい。

次に、絶縁中間膜６０２は、ＰＥ－ＣＶＤ法で形成したＳｉＯ膜であり、膜厚は１５０００Åである。ＰＥ－ＣＶＤ法を用い、ＳｉＮよりも誘電率が小さいＳｉＯを１５０００Åの厚さで形成することにより、第１の窒化膜６０１と同様にハイメサリッジ構造に伴う凹凸をさらにカバレッジしつつ、絶縁膜容量を低減することができる。尚、絶縁中間膜６０２の膜種としてＳｉＯ膜を示したが、カバレッジ性と絶縁膜容量の観点で５０００Å以上の膜厚が形成されていれば良く、Ｓｉ系酸化膜に限らず、Ｓｉ系窒化膜、Ａｌ系酸化膜及びＡｌ系窒化膜を任意に適用可能である。また、成膜方法としては、ハイメサリッジ構造に伴う凹凸をカバレッジできるよう、等方的な成膜が可能な成膜方法を適用可能であり、ＰＥ－ＣＶＤ法に限らず、ＣＶＤ法を用いることも可能である。

次に、第２の窒化膜６０３は、ＰＥ－ＣＶＤ法で形成したＳｉＮ膜であり、屈折率が１．９６以上２．００以下の範囲であって、膜厚は１６００Åである。表面保護膜６００の最も外側に第２の窒化膜６０３を形成することにより、耐湿性を確保することができる。尚、第２の窒化膜６０３の膜厚は、耐湿性を確保できればよく、ＰＥ－ＣＶＤ法に限らずＣＶＤ法で形成し、屈折率が１．９６以上２．００以下の範囲のＳｉＮ膜の場合、１０００Å以上であれば、耐湿性を確保することができる。また、第２の窒化膜６０３をＡＬＤ法で形成する場合は、ＣＶＤ法に比べ、より等方的に緻密な絶縁膜を形成することが可能なため、膜種はＳｉ系又はＡｌ系の窒化膜を任意に適用可能であり、膜厚は１００Å以上であればよい。

以上に示した実施の形態１に係る半導体光集積素子と、比較例の技術を適用した半導体光集積素子とについて、熱処理を行った後の外観写真を図６に示す。比較例としては、第１の窒化膜と第２の窒化膜とは実施の形態１と同一とし、絶縁中間膜は実施の形態１とは異なり、スパッタ法によって１６０００Åの厚さのＳｉＯ膜を形成した半導体光集積素子を用いた。図６から分かるように、本開示として実施の形態１に係る半導体光集積素子では、表面保護膜の剥がれ及び浮きは生じていないが、比較例の技術を適用した半導体光集積素子では、表面保護膜の剥がれ及び浮きとみられる箇所が複数発生している。つまり、表面保護膜形成後に、表面保護膜の剥がれ及び浮きが生じやすい熱処理を加えたとしても、本開示を適用することによって表面保護膜の剥がれ及び浮きを抑制する効果を得られることを示している。

また、本開示を適用することによって表面保護膜の剥がれ及び浮きを抑制する効果を得られるメカニズムについては、必ずしも明らかではないが、カバレッジ性と密着性を確保するための第１の窒化膜と、カバレッジ性と表面保護膜の厚膜化を担う絶縁中間膜と、耐湿性を担う第２の窒化膜とを備えた３層構造で構成していることが要因の一つとなっていると推定され、半導体、第１の窒化膜、絶縁中間膜及び第２の窒化膜の熱膨張率の差を吸収できているためと考えられる。特に図６で示した結果は、半導体層表面に対するカバレッジ性と密着性を確保するための第１の窒化膜と、耐湿性を担う第２の窒化膜だけでなく、第１の窒化膜と第２の窒化膜との間に形成される絶縁中間膜においても、カバレッジ性を有する絶縁膜を適用することで、表面保護膜の剥がれ及び浮きを抑制する効果を奏していると言える。これは、半導体、第１の窒化膜、絶縁中間膜及び第２の窒化膜の熱膨張率の違いだけでなく、比較例の技術として適用した絶縁中間膜は、異方性の強いスパッタ法を適用したことにより、半導体層に沿って成膜される厚さとメサリッジの側壁へ成膜される厚さとが相対的に大きくなった結果、半導体及び表面保護膜に生じた応力を吸収できずに表面保護膜の剥がれ及び浮きが生じたと推定できる。

このように構成された半導体光集積素子を適用することにより、カバレッジ性と密着性を確保するための第１の窒化膜と、カバレッジ性と表面保護膜の厚膜化を担う絶縁中間膜と、耐湿性を担う第２の窒化膜とを備えた絶縁膜を形成することができる。

したがって、カバレッジ性を有しつつ剥がれ及び浮きを抑制した表面保護膜を備えた、ハイメサリッジ構造を有する半導体光集積素子を提供することができる。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係る表面保護膜の構造を示したＥＭＬ１のＤＦＢ－ＬＤ部１０のＡ‐Ａ断面模式図である。図８は、実施の形態２に係る表面保護膜の構造を示したＥＭＬ１のＥＡＭ部２０のＢ‐Ｂ断面模式図である。

実施の形態２では、図７及び図８に示す通り、表面保護膜６００は、絶縁中間膜６０４として、１５０００Åの厚さのポリイミドを適用した構造で構成される。絶縁中間膜６０４以外の他の構成は、実施の形態１と同様のため、詳細な説明は省略する。絶縁中間膜６０４として、１５０００Åの厚さのポリイミドで形成された高分子化合物層を適用することにより、実施の形態１と同様にハイメサリッジ構造に伴う凹凸をさらにカバレッジしつつ、絶縁膜容量を低減することができる。尚、絶縁中間膜６０４の膜種としてポリイミドを示したが、カバレッジ性と絶縁膜容量の観点で５０００Å以上の膜厚が形成されていれば良く、ポリイミドに限らず、絶縁基材として用いられる高分子化合物を任意に適用可能である。

１ＥＭＬ
１０ＤＦＢ－ＬＤ部
２０ＥＡＭ部
１０１ｎ型ＩｎＰ基板
２０１ｐ型ＩｎＰ層
２０２ｎ型ＩｎＰ層
２０３ｐ型ＩｎＰ層
３０１ｐ型ＩｎＰ層
３０２ｐ型ＩｎＧａＡｓ層
４００共振器
５００活性層
６００表面保護膜
６０１第１の窒化膜
６０２絶縁中間膜
６０３第２の窒化膜
６０４絶縁中間膜
７０１表面電極
７０２裏面電極

Claims

ハイメサリッジ構造を有する半導体積層体の最表面に形成されたＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ_ｙＰ_１－ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層と、
前記Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ_ｙＰ_１－ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層上にＣＶＤ法又はＡＬＤ法で形成された第１の窒化膜と、
前記第１の窒化膜上に、５０００Å以上の膜厚を有し、高分子化合物層又はＣＶＤ法で形成された絶縁膜で構成された絶縁中間膜と、
前記絶縁中間膜上に、１００Å以上の膜厚を有し、ＡＬＤ法で形成された第２の窒化膜と、
を備えた半導体光集積素子。
前記第１の窒化膜の膜厚が、５００Å以上である、請求項１に記載の半導体光集積素子。
前記絶縁中間膜の膜厚が、１５０００Å以上である、請求項１又は請求項２に記載の半導体光集積素子。
前記絶縁中間膜は、ＰＥ－ＣＶＤ法で形成された窒化膜又は酸化膜である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体光集積素子。
前記第２の窒化膜は、屈折率が１．９６以上２．００以下であって、膜厚が１０００Å以上のＳｉＮ膜である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体光集積素子。
前記第２の窒化膜は、ＡＬＤ法で形成されたＳｉ系又はＡｌ系の窒化膜であって、膜厚が１００Å以上である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体光集積素子。