JPH02122583A - 化合物半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［概要］ 複数の素子を同一基板上に形成し、高抵抗分離領域で分
離した化合物半導体装置に関し、複数の素子がアイソレ
ーション領域で分離して同一基板上に形成され、素子間
あるいは基板と素子との間のアイソレーション領域の抵
抗が十分高い化合物半導体装置を提供することを目的と
し、複数の素子をアイソレーション領域で分離して同一
基板上に形成した化合物半導体装置であって、素子間あ
るいは基板と素子との間のアイソレーション領域を組成
の異なる複数の半絶縁性化合物半導体領域の組合せで形
成するように構成する。

［産業上の利用分野］ 本発明は化合物半導体装置に関し、特に複数の素子を同
一基板上に形成し、高抵抗分離領域で分離した化合物半
導体装置に関する。

近年、ＧａＡｓやＩｎｐ等を基板として複数の電気的な
いし光学的素子を集積化した化合物半導体装置の開発が
盛んである。特に、光ファイバーを利用した光通信技術
は目覚ましく発展しており、中でら、光通信の高速化は
極めて重要な課題である。

高速化には、素子の浮遊容量を低減することが不可欠で
あり、このために、例えば、素子の活性部分以外に高抵
抗（半絶縁性を含む）の半導体結晶をエピタキシャル成
長すること等が行われている。

また、例えば、ＩｎＰを基板として長波長帯（１゜３な
いし１．５μｍ帯）の光学的素子と高速の電気的素子と
を集積化することが試みられている。

異なる性質の素子を作るために複数の組成を有し、物理
的性質が異なる複数の半導体材料を用い、機能、性質の
異なる複数個の素子を集積する試みが盛んに行われるよ
うになっている。どのような構造の素子をどのように組
合せるかが重要であると共に、これらを集積する方法も
素子の特性を決める重要な因子である。集積回路の素子
間のアイソレーションのためには、素子の組合せに適合
し、かつ、良質の高抵抗あるいは半絶縁性の材料が必要
になっている。

［従来の技術］ 従来、化合物半導体装１において、アイソレーション用
の領域（電気的に不要な領域ないし電気容量を持たせた
くない領域を含む）には、深い準位を形成する遷移金属
等をドープして半絶縁性にすることが行われている９例
えば、ＦｅやＴｉをドープしたＩｎＰ　、　Ｏをドープ
したＧａＡ’ｌＡｓ等が半絶縁性材料として知られてい
る。素子の活性部を埋め込むため、または素子間のアイ
ソレーションを形成するために、各素子の周囲ないし各
素子間にこれらの半絶縁性結晶を選択的に成長すること
が行われている。

［発明が解決しようとする課ｊＪ］ 以上述べたような半絶縁性結晶を用いてアイソレーショ
ンを行っても、アイソレーション領域の抵抗が不十分な
ことがある。抵抗が不足するとリーク電流が増加したり
、耐圧が不足したりする。

バンドギャップエネルギの大きい半導体の半絶縁性結晶
をよりバンドギャップエネルギの小さい半導体中のアイ
ソレーション用に用いることも考えられる。しかし、異
種材料を用いることにより、格子不整合や異種原子の素
子領域への拡散が別の課題として発生してしまう、これ
らは素子の信顆性を劣化させる。

また１、３〜１．５μｍ帯の長波長発光素子とＧａＡｓ
等の電気的高速素子とを集積する場合は、１ｎＰとＧａ
Ａｓ等格子定数の異なる材料を用いることになり、アイ
ソレーション領域をどちらの材料で形成しても、必然的
に他の材料の素子との間に格子不整合を伴うことになる
。

さらに、電気的アイソレーションと共に良好な光学的ア
イソレーションが求められることもある。

本発明の目的は、複数の素子がアイソレーション領域で
分＾毘して同一基板上に形成され、素子間あるいは基板
と素子との間のアイソレーション領域の抵抗が十分高い
化合物半導体装置を提供することである。

本発明の他の目的は、格子定数の異なる複数の素子か同
一基板上に形成され、格子定数の異なる素子間あるいは
基板と素子との間に十分高い抵抗を有するアイソレーシ
ョン領域を備え、かつ格子不整合の影響が素子に及ばな
い化合物半導体装置を提供することである。

本発明のさらに池の目的は、アイソレーション領域が十
分高い抵抗を有し、かつ光閉じ込め効果を有する化合物
半導体装置を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 複数の素子をアイソレーション領域で分離して同一基板
上に形成した化合物半導体装置において、素子間あるい
は基板と素子との間のアイソレーション領域を、組成の
異なる複数の半絶縁性化合物半導体領域の組合せで形成
する。

第１図（Ａ＞、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の原理説明図で
ある０図において、Ａ１、Ａ２は素子または基板領域を
表わし、１１〜■９は素子間あるいは素子と基板との間
のアイソレーション領域を構成する半絶縁性化合物半導
体領域を表わす。

半絶縁性化合物半導体は、深い単位を形成する不純物を
含み、１０３ΩＣ１程度以上の抵抗率を有するもので、
Ｆｅをドープした■−Ｖ族半導体、Ｃ「をドープした■
−ｖ族半導体、Ｈｎをドープした■−Ｖ族半導体、Ｉ１
をドープしたＩｎＰのような遷移金属をドープした化合
物半導体、ＯをドープしたＧａＡｌＡｓ等酸素をドープ
した化合物半導体等が知られている。キャリア濃度は、
通常１０１３Ｃ１−３以下、典型的には１０〜１０７Ｃ
１’である。

第１図（Ａ＞は領域Ａ１Ａ２間に２つの半絶縁性化合物
半導体領域Ｉ１、Ｉ２を設けてアイソレーション領域を
形成したもの、第１図（Ｂ）は領域Ａ１、Ａ２間に３つ
の半絶縁性化合物半導体領域Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５を設けて
アイソレーション領域を形成したもの、第１図（Ｃ）は
領域Ａ１、Ａ２間に４つの半絶縁性化合物半導体領域工
６、Ｉ７、Ｉ８、工９を設けてアイソレーション領域を
形成したものである。

［作用］ 半絶縁性化合物半導体領域は高い抵抗率を持つが、それ
でも抵抗が不足することがある。

組成の異なる複数の半絶縁性化合物半導体領域を組合せ
るとその間にバンドの不連続が生じるため、２つの高抵
抗の和の他にバンド不連続による絶縁性が加わり全体と
してのアイソレーション効果は大きなものとなる。

異なる格子定数を持つ２種類の半導体からなる素子を集
積化すると、必然的に格子不整合を生じる。アイソレー
ション領域をそれぞれの素子領域に格子整合する複数の
半絶縁性化合物半導体領域の組合わせで構成すれば、格
子不整合を半絶縁性化合物半導体領域の界面に集約する
ことができる。

このため格子不整合に起因する転位、格子欠陥等も半絶
縁性化合物半導体領域の界面の近傍に局在せしめ、すな
わちアイソレーション領域の内部に閉じ込め、素子領域
への影響を低減することができる。

さらに、半絶縁性化合物半導体領域の界面で屈折率の界
面も形成し、１つの素子領域から他の素子領域に漏れよ
うとする光を閉じこめることができるや ［実施例］ 第２図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の実施例によ
るアイソレーション領域を備えた化合物半導体装置を従
来例と比較して示す、第２図（Ａ）が本発明の実施例の
概略断面図、第２図（Ｂ）が従来例の概略断面図、第２
図（Ｃ）が実施例と従来例のバンド横道を比較して示す
ダイアダラムである。

第２図（Ａ＞において、クロミウムｃｒをドープした半
絶縁性基板ＧａＡｓ　（ＧａＡｓ　：　Ｃｒ）　ノ基板
１１上に２つのｐ型ＧａＡｓの素子領域１２．１３が形
成されている。２つの素子領域１２．１３間は酸素ドー
プのＧａＡ　ＩＡ５（ＧａＡｌＡｓ：０）の半絶縁性領
域１５を両側から鉄ドープのＧａＡｓ　（ＧａＡｓ　：
　Ｆｅ）の半絶縁性領域１７．１８が挾んだ構造のアイ
ソレーション領域１９によって電気的にアイソレーショ
ンされている。

第２図（Ｂ）の従来例においては、ＧａＡｓ　：　Ｃｒ
の半絶縁性基板２１上に２つのＰ型ＧａＡｓの素子領域
２２．２３が形成されている点は第２図（Ａ）と同様で
あるが、素子間のアイソレーション領域１つは単一のＧ
ａＡｓ　：　Ｆｅの半絶縁性領域から形成されている。

第２図（Ａ＞、（Ｂ）の構成をバンド構造的にみると第
２図（Ｃ）のようになる、横に延びる１点鎖線がフェル
ミ準位Ｅ、を表わす９両端のρ型ＧａＡｓ素子領域１２
．１３．２２．２３では価電子帯Ｅｖがフェルミ準位Ｅ
Ｆ近くに位置している。

アイソレーション領域はほぼ真性なのでフェルミレベル
はバンドギャップのほぼ中央に位置し、素子領域１２．
１３．２２．２３との間にエネルギ障壁ΔＥ１を形成し
ている。さらに、第２図（Ａ）の実施例の場合はバンド
ギャップの広いＧａＡ　ＩＡｓが中央に挾まれているの
でそこで価電子帯は下に伝導帯は上に拡がって別のエネ
ルギ障壁ΔＥ２を形成している。

例えば、左側のｐ型素子領域１２（２２）のホールがた
またまΔＥ１のｐエネルギ障壁を越えてアイソレーショ
ン領域１７（２９）に入り込んだとする。

第２図（Ａ＞の実施例の構造ではさらにＧａ＾ＩＡｓ領
域１５による第２の障壁ΔＥ２を越えないと他の素子領
域１３には入れない、ところが、第２図（Ｂ）の従来例
では、−旦１つの素子領域２２がらホールがアイソレー
ション領域２９に入ると、もはやエネルギ障壁はないの
で他の素子領域２３へ到達しやすい、深い準位によるキ
ャリア再結合については両者とも同様である。

なお、第２図（Ａ＞の構造は、従来例と同様のプロセス
で素子領域１２．１３および外側の半絶縁性化合物半導
体領域１７．１８を含むアイソレーション領域を形成後
、中央部を選択エッチし、別の半絶縁性化合物半導体領
域１５をエピタキシャル成長することで作成できる。

次に、第３図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）を参照し
て本発明の別の実施例を従来例と比較して説明する。

第３図（Ａ＞において、半絶縁性１ｎＰ基板３１の上に
２つのレーザ素子３２．３３が形成されている。

各レーザ素子は、下からｎ影領域３４ａ、３４ｂ、活性
領域３５ａ、３５ｂ、Ｐ型領域３６ａ、３６ｂを含む。

素子間のアイソレーション領域は中央部）ＧａＡＩＡＳ
：Ｏ領域３７、とその両側の１ｎＰ　：Ｆｅ領域３８．
３９とで構成されている。ＧａＡＩＡＳ　：Ｏの領域は
１０１０ΩＣｌｉ程度の抵抗率を持ち、かつ両側のＩｎ
Ｐ　：　Ｆｅ領域よりも広いバンドギャップと低い屈折
率を有している。

第３図（Ｂ）に示す従来例においては、半絶縁性１ｎＰ
基板４１上に２つのレーザ素子４２．４３が形成されて
いる点は第３図（Ａ）と同様である。

各レーザ素子はｎ型領域４４ａ、４４ｂ、活性層４５ａ
、４５ｂ、ｐ型領域４６ａ、４６ｂを含む。

アイソレーション領域は１つのＩｎＰ；Ｆｅ領域４９で
構成されている。

このような従来例と比較して、第３図（Ａ）の実施例を
バンド構造および屈折率の分布の面から示すと第３図（
Ｃ）、（Ｄ）のようになる。

第３図（Ｃ）のバンド構造は第２図（Ｃ）と同様であり
、実施例の場合２つのエネルギ障壁によって従来例と比
べ電気的分離がより完全となる。

第３図（Ｄ）は屈折率分布を示す、活性層もＩｎＰの場
合、従来例の場合は全領域がＩｎＰ　１″構成されるの
で光学的には一様である。これに対して実施例の場合、
中央部の半絶縁性Ｇａ八ＩＡｓ：　ＯがＩｎＰ　：Ｆｅ
より広いバンドギャップと低い屈折率とを有している。

このため、外側の半絶縁性化合物半導体領域３８．３９
と中央の半絶縁性化合物半導体領域３７との間に光学的
界面が形成される。素子頭４２．４３から光が漏れても
大きな入射角で光学的界面に入射する光は全反射される
。このようにして各光学的素子の光学的アイソレーショ
ンがなされる。活性層がＩｎＧａＡｓ　Ｐの場合は活性
層の外側界面で破線５０のように、−旦屈折率界面が生
じるが、他の点では同様である。

ＩｎＰを基板として、１．３μｍ帯ないし１．５μｍ帯
のＩｎＰ半導体レーザとドライバのＧａＡｓＭ　ＥＳＦ
ＥＴとを集積化した光学的・電気的集積回路装置を第４
図（Ａ）、（Ｂ）に示す。

第４図（Ａ）は、ｎ型１ｎＰ基板上に発光波長１３μｍ
のＩｎＧａＡｓＰを活性層とし、半絶縁性材料で埋め込
んだレーザと、この半絶縁性材料層上に成長したＧａＡ
ｓエピタキシャル層を用いて作成したＦＥＴとを組合せ
た光学的・電気的ＩＣの概念断面である。

図において、Ａｕ−Ｇｅ合金のカソード電極５１を備え
たｎ型１ｎＰ基板５３の上には、図中左方にｎ型１ｎＰ
クラッド層５４、発光波長１．３μｍのＪｎＧａＡｓＰ
活性層５５、ρ型１ｎＰのクラッド層５６、Ｐ＋型１ｎ
ＧａＡｓ　Ｐのコンタクト層５７が積層されて、半導体
レーザ構造を構成し、その上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層
アノード電極５２が形成されている。このレーザ構造の
側面は、鉄をドープしたＩｎ、　ｓ＾１ｏ、５Ａｓ　（
ＪｎＡＩＡｓ　：　Ｆｅ）の第１半絶縁性化合物半導体
頭域５８と酸素をドープしたＡＩｏ、３Ｇａｏ４八５（
ＡＩＧａＡｓ：Ｏ）の第２半絶縁性化合物半導体領域５
９とによって埋め込まれている。このアイソレーション
領域の上に、図中右方で、ＧａＡＳのバッファ層６Ｑ、
ＧａＡｓ活性層６１がエピタキシャルに成長され、さら
にＳ１ドープのｎ＋型ＧａＡｓソース／ドレイン領域６
２が選択的に形成されている。活性層６１上にＡ１のゲ
ートな極６４、ソース／ドレイン領域６２上にＡｕ−Ｇ
ｅ合金のソース／ドレイン電［１３，１５か形成されて
いる。

基板表面上には５１０２等の絶縁保護層６６が形成され
、配線層６７がレーザのアノード！、極５２とＦＥＴの
ドレイン電極６５とを接続している。

第４図（Ｂ）は埋め込み半絶縁性材料にＦｅをドブした
半絶縁性１ｎＰを用いた場合の従来例の光学的・電気的
ＩＣの構造を示す。

第４図（Ａ）の２つの半絶縁性化合物半導体領域５８．
５９の代りに単一のＩｎＰ：Ｆｅの半絶縁性化合物半導
体領域５８ａが用いられている他は、第４図（Ａ）と同
様である。　ＩｎＰ　：　Ｆｅでも１０６〜１０８ΩＣ
１１の比較的高い抵抗率を有するが、第４図（Ａ）の２
つの半絶縁性化合物半導体領域の組合せは、さらに高い
実効抵抗を実現する。

第４図（Ａ）、（Ｂ）のレーザ部分は、いずれもＬＰＥ
法により作成される。この方法は本質的に公知の方法で
ある。

第４図（Ａ）の実施例では、埋め込み層としてＩｎＡｌ
Ａｓ　：　ＦｅとＧａＡｌＡｓ；　Ｏとの組み合わせが
用いられている。第４図（Ｂ）の構成で、ＩｎＰ：Ｆｅ
の代りに半絶縁性のＩｎＡＩＡＳまなはＧａＡｌＡｓを
用いたとしてもアイソレーション領域内にはエネルギ障
壁がないことに差異はない６本発明の実施例では半絶縁
性領域を複数にすることによりアイソレーション領域内
にエネルギ障壁を作ることが重要である。

さらに屈折率分布も生じさせ、光学的分離も行っている
。

これらの半絶縁性層およびＦＥＴのためのＧａＡＳのバ
ッファ層と活性層さらにｎ型コンタクト層はＭＯＶＰＥ
法で成長された。ＭＯＶＰＥは水平型反応管による高速
ガス流方式の常圧法を用いた。

ＩｎＡｌＡｓ層にはＦｅをドープし、またＧａＡｌＡｓ
層には酸素を故意にドープしている。

このようにして半導体レーザと同一基板上に形成した半
絶縁性化合物半導体領域の上に作成したＦＥＴの周波数
特性を半絶縁性基板上に単独に作成した個別ＦＥＴの特
性と共に観測した。

第５図は、測定結果を示す、サンプルのゲートの幅およ
び長さは、それぞれ３００および１．０μｍであり、八
１でショットキーゲート電極を形成し、ＭＥＳＦＥＴを
形成した。横軸が周波数、縦軸が利得および雑音指数を
図示す、雑音指数を曲線ＮＦ１　、ＮＦ２　、ＮＦ３で
、利得を曲線Ｇ１、Ｇ２　、Ｇ３で示す、添字１が実施
例、２が従来例、３が個別デバイスを表わす、従来例の
ＦＥＴでは、半絶縁性のＧａＡｓ基板上に作ったほぼ同
様の構造の個別デバイスＦＥＴの場合より約２ｄＢ雑音
指数が高＜　（ＮＦ２対ＮＦ３）、また利得が低い（Ｎ
Ｆ２対ＮＦ３）、絶縁分離が完全でないなめに高周波特
性が非実用的なものになってしまっていると考えられる
。実施例の場合には、個別デバイスとほぼ同等の利得（
０１対Ｇ３　）雑音指数（ＮＮＦ１ＮＦ１対ＮＦ３．０
ｄＢ）の素子が得られる。

従来例のＦＥＴでは、１ｎＰ：Ｆｅの抵抗が十分に高く
ないことに加えて、ＧａＡｓとＩｎＰの界面がＦＥＴの
特性を低下せしめていると考えられる。　ＩｎＰとＧａ
Ａｓの界面には、ミスフィツトの転位や結晶欠陥が高密
度に導入されて、それらが電気的な作用を及ぼしている
ようである。この曲、従来例では、ドレイン電流の変動
が観察されるが、実施例のＦＥＴでは、ＧａＡｓ基板の
個別デバイスの場合とほぼ同様にほとんど変動は観察さ
れない、実施例では、素子と接する半絶縁性層の界面で
は格子の不整合は回避されており、格子の不整合を伴う
界面は、２種類の半絶縁性材料の間に挾み込まれている
ために、電気的な影響が発生しないものと考えられる。

［発明の効果］ （１）、より完全な電気的分離が可能である。

（２）、格子不整合を伴う素子の組合せの集積が可能に
なった４ミスマツチの界面を半絶縁性材料の界面に閉じ
込める事により、ミスマツチの影響を低減することが可
能になった。このため、素子特性の改善と共に格子欠陥
を原因とする素子の劣化の防止が可能になり信頼性が向
上する。

（３）、さらに光学的素子について、光の閉じ込め構造
を構成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ＞、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の原理説明図で
あり、（Ａ）はアイソレーション領域が２つの半絶縁性
化合物半導体領域の組み合わせからなる場合、（Ｂ）は
アイソレーション領域が３つの半絶縁性化合物半導体領
域の組み合わせからなる場合、（Ｃ）はアイソレーショ
ン領域が４つの半絶縁性化合物半導体領域の組み合わせ
からなる場合を示す。 第２図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の実施例による
電気的アイソレーションを従来例と比較して示す図であ
り、（Ａ＞は実施例の断面図、（Ｂ）は従来例の断面図
、（Ｃ）は実施例と従来例とを比較して示すバンド構造
のダイアダラム、第３図（Ａ）、（Ｂ＞、（Ｃ＞、（Ｄ
）は本発明の池の実施例による電気的光学的アイソレー
ションを従来例と比較して示す図であり、（Ａ）は実施
例の断面図、（Ｂ）は従来例の断面図、（Ｃ）は実施例
と従来例とを比較して示すバンド構造のダイアダラム、
（Ｄ＞は実施例と従来例とを比較して示す屈折率分布の
プロフィル、 第４図（Ａ＞、（Ｂ）は本発明の池の実施例による光学
的素子と電気的素子との集積回路装置を従来例と比較し
て示す図であり、（Ａ）は実施例の断面図、（Ｂ）は従
来例の断面図、 第５図は第４図（Ａ）、（Ｂ）の構成に従って作製した
ＦＥＴの電気的周波数特性を個別デバイスのＦＥＴ特性
と共に示すグラフである。 図において、 Ａｌ、Ａ２　　　　素子または基板領域１１〜１９　　
　半絶縁性化合物半導体領域１１、２１．３１．４１　
　　半絶縁性基板１２．１３，２２，２３，３２，３３
，４２．４３素子領域 １５、１７．１８．２９．３７．３８．３９．４９゜半
絶縁性化合物半導体領域

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）、複数の素子（Ａ１、Ａ２）をアイソレーション
   領域（Ｉ１〜Ｉ９）で分離して同一基板上に形成した化
   合物半導体装置であって、素子間あるいは基板と素子（
   Ａ１、Ａ２）との間のアイソレーション領域（Ｉ１〜Ｉ
   ９）を組成の異なる複数の半絶縁性化合物半導体領域の
   組合せ（Ｉ１−Ｉ２、Ｉ３〜Ｉ５、Ｉ６〜Ｉ９）で形成
   したことを特徴とする化合物半導体装置。
2. （２）、前記複数の素子が格子定数の異なる化合物半導
   体領域を含み、前記アイソレーション領域の複数の半絶
   縁性化合物半導体領域がそれぞれアイソレーション領域
   以外の隣接領域に格子整合しており、半絶縁性化合物半
   導体領域相互の界面に格子のミスマッチを伴う結晶界面
   を形成したことを特徴とする請求項１記載の化合物半導
   体装置。
3. （３）、前記複数の素子が半導体レーザを含み、前記ア
   イソレーション領域の複数の半絶縁性化合物半導体領域
   が異なる屈折率を有して光の閉じ込め効果を有すること
   を特徴とする請求項１記載の化合物半導体装置。