JPH04216693A - 自己安定化半導体回折格子の製作方法 - Google Patents

自己安定化半導体回折格子の製作方法

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JPH04216693A
JPH04216693A JP3033933A JP3393391A JPH04216693A JP H04216693 A JPH04216693 A JP H04216693A JP 3033933 A JP3033933 A JP 3033933A JP 3393391 A JP3393391 A JP 3393391A JP H04216693 A JPH04216693 A JP H04216693A
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Keith E Strege
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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】
【０００１】
【技術分野】本発明は半導体プロセス、より具体的には
半導体回折格子（波型）のプロセスに係る。
【０００２】
【本発明の背景】半導体回折格子はそのような形状から
、光学フィルタ及び分布帰還（ＤＦＢ）レーザにおいて
有用である。例えば、そのようなレーザにおいて、光の
帰還はレーザのエピタキシャル活性層（発光領域）に近
接したエピタキシャル（結晶）層として製作される半導
体回折格子層により得られる。
【０００３】エレクトロニクス・レターズ（Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）　、第２５巻、第３号
、２２０−２２１頁（１９８９年２月２日）に印刷され
たエイ・タケモト（Ａ．Ｔａｋｅｍｏｔｏ）　らによる
“新しい製作技術により正確に制御された回折格子を有
する１−３μｍ分布帰還分布レーザダイオード”と題す
る論文には、インジウムリン（ＩｎＰ）を基本にしたレ
ーザが述べられており、その中にはＩｎＰの“障壁”（
スペーサ）層上のインジウム・ガリウムひ素リン（Ｉｎ
ＧａＡｓＰ）の連続した層をエピタキシャル成長するこ
とにより、回折格子が形成された。 障壁層はこのＩｎＧａＡｓＰ層をレーザの活性領域から
分離した。次に、波型のＩｎＧａＡｓＰ層を形成するた
め、障壁層まで下方に、溝がＩｎＧａＡｓＰ層中にエッ
チされた。次に、ＩｎＰクラッド層を波型を保存する目
的で、波型ＩｎＧａＡｓＰ層上に、有機金属化学気相堆
積（ＭＯＣＶＤ）により、成長させた。しかし、このよ
うにして作られたレーザは、波型の劣化をこうむる。即
ち、ＩｎＧａＡｓＰ層の波型頂上の鋭い角が丸くなり、
それらの結晶構造中に格子欠陥が生じる。従って、回折
格子及び活性領域間の光の結合が低下するとともに、レ
ーザデバイスの信頼性も下る。
【０００４】ジャーナル・オブ・クリスタル・グロウス
（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔ
ｈ）　第９３巻、３６５−３６９頁（１９８８）に発表
されたピー・ダステ（Ｐ．Ｄａｓｔｅ）らによる“ＬＰ
−ＭＯＶＰＥによるＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ量子細線構
造の製作技術”と題する論文には、ＩｎＰクラッド層の
エピタキシャル再成長中、線状（波型）活性層の保護の
ため、溝をエッチングする前に、（３０ｎｍ）ＩｎＧａ
ＡｓＰ活性層の最上部上に、比較的薄い（２０ｎｍ）Ｉ
ｎＰ最上部層を成長させることが述べられている。再成
長はＭＯＣＶＤあるいはハロゲン化物気相エピタキシー
（ＶＰＥ）又は液相エピタキシー（ＬＰＥ）のような他
のエピタキシャル成長法により行うことができる。その
ようなエピタキシャル再成長は、エピタキシャル再成長
したＩｎＰクラッド層の欠陥の増殖を防止するのに十分
高い温度、典型的な場合約６００℃乃至６５０℃かそれ
以上の範囲の温度で行うのが有利である。これらの温度
において、ピー・ダステ（Ｐ．Ｄａｓｔｅ）らが教えた
最上部層は、再成長ＩｎＰクラッド層中の欠陥を防止し
ないことがわかった。レーザ動作中これらの欠陥は活性
層中に伝搬し、レーザ寿命を劣化させるため、それらは
望ましくない。
【０００５】従って、波型四元ＩｎＧａＡｓＰ層、例え
ば望ましい高品質（結晶欠陥）＝元ＩｎＰクラッド層の
その後のエピタキシャル成長に必要な比較的高温（約６
００乃至６５０℃以上）において安定なものを製作する
方法をもつことが望ましい。
【０００６】
【本発明の要約】本発明は自己安定化波型半導体層（半
導体回折格子）、即ちＤＦＢレーザ用の二元半導体クラ
ッドのような残りの構造のためのエピタキシャル層を、
その後成長させるのに必要な比較的高い温度において安
定な層の製作方法を実現する。本発明は従来技術で用い
られた比較的薄い最上部層は、波型の劣化を防止するの
に十分厚くはないことを発見したことに基く。波型のこ
の劣化は、回折格子上にＩｎＰクラッドのその後のエピ
タキシャル成長に必要な比較的高い温度（約６００乃至
６５０℃以上）において、ＩｎＧａＡｓＰの質量の移動
、従って場所から場所へのその化学組成の変化により恐
らく起る。
【０００７】本発明に従うと、半導体バッファ層上に配
置された二つの化学的に異なる半導体層を順次エピタキ
シャル成長させ、続いて最上部層と底部層の少くとも深
さの一部、好ましくは底部層全体、溝が（底部層の下に
配置された）バッファ層中に形成される所までも貫く溝
（開口）を形成することにより、好ましい自己安定回折
格子が実現される。次に、構造の残りの部分の結晶成長
を更に行う前に、十分高い温度まで、層は加熱され、そ
れによって最上部層の材料は質量移動を起し、底部層の
表面全体を最上部層の材料で埋め、そのため構造の残り
の部分を更にエピタキシャル成長させる間、底部層は安
定化される。“本質的に埋める”という言葉は、最上部
層の底が本質的にどこでも底部層の最上部上に配置され
、最上部層の底が底部層の最上部下に行く点が、底部層
の厚さの約３０％以上にならないことを意味する。この
“埋込み”を実現するためには、溝が形成された後、加
熱前に最上部層中に置かれる材料の体積は、底部層中の
溝の体積（プラス、もしあるならばバッファ層中の溝の
体積）より大きい必要がある。波型の（望ましい）くり
返し周期を溝が占める回折格子層の約半分、即ち体積の
半分とすると、最上部層の厚さは底部層の厚さより大き
くすべきである。
【０００８】特定の実施例において、レーザ構造用のＤ
ＦＢ回折格子は、ＩｎＰ基板上に製作される。基板の主
表面上に、二つの薄いエピタキシャル層、即ち四元Ｉｎ
ＧａＡｓＰ層とそれに続くＩｎＰの厚い埋込み層を成長
させる。回折格子用の溝がエッチされ、夫々の溝は両方
の層を貫く。得られる回折格子のストライプの夫々は、
ＩｎＰのストライプにより被覆されたＩｎＧａＡｓＰの
ストライプから成る。この構造は更に結晶成長を行う前
に加熱され、それにより四元のＩｎＧａＡｓＰが質量移
動する機会をもつ前に、ＩｎＰの埋込み層からＩｎＰが
質量移動し、従ってＩｎＰはその下の四元ストライプを
埋る。次に、埋込み層上に、更にＩｎＰを堆積させる。 その後のエピタキシャルプロセス中、ＩｎＧａＡｓＰが
劣化する前に、ＩｎＰはＩｎＧａＡｓＰを保持する。構
造の残りの部分をエピタキシャル成長する前に、ＩｎＰ
は四元ＩｎＧａＡｓＰ中にはまり込む（埋る）。
【０００９】
【詳細な記述】図１に示されるように、ｎ形ＩｎＰ単結
晶半導体基体（基板）（９）の最上部表面上に、例えば
エピタキシャル反応容器中で、ＩｎＰｎ形バッファ層（
１０）、格子整合ｎ形ＩｎＧａＡｓＰ層（１１）及びｎ
形ＩｎＰ層（１２）をエピタキシャル成長させ、構造（
１００）を形成する。ＩｎＰ層（１２）の厚さは、典型
的な場合約７０ｎｍで、一方ＩｎＧａＡｓＰ層（１１）
のそれは約５０ｎｍである。典型的な場合、格子整合し
たＩｎＧａＡｓＰは約１．１乃至１．３μｍの真空波長
に対応したエネルギー禁制帯をもつ。
【００１０】次に、エピタキシャル反応容器の外で、選
択レジストマスク及びホログラフフォトレジストマスク
とそれに続く湿式エッチング又は反応性イオンエッチン
グのようなエッチングにより、溝（２０）の回折格子パ
ターン（図２）が最上部表面中に形成され、構造（２０
０）が形成される。典型的な場合、これらの溝（開口）
（２０）は全て図の平面に垂直に走っている。溝（２０
）は典型的な場合、層（１２）を貫き（不連続な）Ｉｎ
Ｐ層（２２）を形成し、ＩｎＧａＡｓＰ層（１１）を貫
き不連続なＩｎＧａＡｓＰ層（２１）を形成するように
、全てを貫く。或いは（図示されていないが）溝（２０
）は層（１１）をすべて貫き、それによりバッファ層（
１０）中に深い溝が形成される。好ましくは、溝をエッ
チングするためのマスクは、バッファ層（１０）の最上
部表面の約半分が層（２１）で被覆され、約半分に等し
い回折格子のくり返し周期となるように調整する。その
ような場合、二元ＩｎＰ層（１２）の厚さは、四元層（
１１）の厚さより大きいと有利である。
【００１１】図２に示されるように、当業者には周知で
あるが、用いるエッチング技術に依存して、層（２１）
中にアンダーカットが生じる。いずれにしても、層（２
２）中に（エッチングの直後に）残っているＩｎＰの体
積は、ＩｎＧａＡｓＰ層（２１）（もしあるならば、そ
の中のアンダーカットと、もしあるならばバッファ層（
１０）中の深い溝を含み）中の溝の体積より大きい。
【００１２】次に、マスクを除去し、図３に示される構
造（３００）を形成するため、構造（２００）を加熱す
る。即ち、構造（２００）はエピタキシャル反応容器内
で、Ｈ２　及びホスフィン（ＰＨ３　、５×１０−４モ
ル分率）の雰囲気中において、約５分間約６５０乃至７
００℃といった十分な時間、十分な温度に加熱される。 それによって、（ＩｎＰ層（２２）から）ＩｎＰが質量
移動し、ＩｎＧａＡｓＰ層（２１）の予め露出された全
ての部分を被覆する。加熱の結果、ＩｎＰ層（３２）の
最上部表面は滑らかになり、一方層（２２）のＩｎＰは
層（２１）を埋める。点線（３０）は層（３２）及びＩ
ｎＰ（１０）が接触する部分を示す。
【００１３】レーザを形成するため、更にエピタキシャ
ル成長させる目的で、ＩｎＰ層（３２）の表面はほぼ平
坦にするのが有利である。この目的のため、ＩｎＰ層（
３２）の最上部表面上に更にｎ形ＩｎＰをエピタキシャ
ル成長させ、その上に更にエピタキシャル成長させるた
め、ほぼ均一な厚さのＩｎＰ層（４２）を更に形成する
。次に、このＩｎＰ層（４２）の最上部表面上に、アン
ドープＩｎＧａＡｓＰ層（４３）をエピタキシャル成長
させる。次に、ｐ形ＩｎＰ層（４４）及びｐ形ＩｎＧａ
ＡｓＰ層（４５）を順にエピタキシャル成長させる。 レーザを完成させるために、二酸化シリコンストライプ
をマスクとして用いて、メサ（図示されていない）をエ
ッチでき、それはｐ及びｎ−半絶縁性ＩｎＰの電流阻止
層で満す。当業者には周知のように、構造全体は比較的
厚いエピタキシャルｐ形ＩｎＰ及び比較的薄いｐ＋　Ｉ
ｎＧａＡｓのエピタキシャル電極層（図示されていない
）で埋込むことができる。最後に、構造（４００）の最
上部及び底部表面上に電極（図示されていない）を形成
するとともに、当業者には周知のように、単一の基板上
に作られている隣接したレーザ構造間に分離を形成する
か、物理的に分離することにより、レーザは完成する。
【００１４】層（２１、４２、４３、４４）及び（４５
）は夫々レーザ構造（４００）用の回折格子、スペーサ
、活性、クラッド及びキャップ層として働くことができ
る。上で述べた全てのエピタキシャル成長工程は、例え
ばＭＯＣＶＤ、ＶＰＥ又はＬＰＥにより行うことができ
る。
【００１５】典型的な実施例において、スペーサ層（４
２）は約０．１μｍの厚さ、１立方センチメートル当り
約１Ｅ１８のドーピングレベルを有し、活性層（４３）
は約０．１μｍの厚さ及び１立方センチメートル当り約
１Ｅ１６のキャリヤ濃度を有し、クラッド層（４４）は
約０．６μｍの厚さ及び１立方センチメートル当り約２
Ｅ１８のドーピングレベルを有し、キャップ層（４５）
は約０．２μｍの厚さ及び１立方センチメートル当り約
１Ｅ１９のドーピングレベルを有する。
【００１６】もう１つの実施例（図５及び６）に従うと
、回折格子は活性層の下ではなく、上に作られる。この
ようにすると、必要ならばＩｎＰ層（４２）（図４）の
厚さのわずかな不確定さや不均一さが避けられる。図５
に示されるように、そのような回折格子を製作するため
に、構造（５００）はｎ形基板（９）、ｎ形バッファ層
（１０）、ｎ形ＩｎＧａＡｓＰ活性層（４３）、１００
乃至２００ｎｍ厚のｐ形ＩｎＰスペーサ層（５２）、３
０乃至１００ｎｍ厚のｐ形ＩｎＧａＡｓＰ回折格子プリ
カーサ層（５３）及び６０乃至１２０ｎｍ厚のｐ形Ｉｎ
Ｐ埋込み層（５４）を含むように作られる。図１−図４
中のものと同じ又は同様である図５及び図６中の要素は
、同じ参照数字がつけてある。全ての寸法は、概数であ
る。しかし、いずれの場合も、ＩｎＰ埋込み層（５４）
は回折格子プリカーサ層（５３）より厚いと有利である
。
【００１７】選択マスク及びエッチングにより、ＩｎＧ
ａＡｓＰ回折格子層（６３）（図６）を形成するために
、埋込み層（５４）及び回折格子プリカーサ層（５３）
を貫いて、スペーサ層（５２）まで溝がエッチされる。 マスクを除去し、構造は約６５０乃至７００℃の範囲の
温度まで加熱され、それによってＩｎＰ埋込み層（５４
）はＩｎＰでＩｎＧａＡｓＰ回折格子層（６３）を埋め
る。
【００１８】次に（図６）、典型的な場合約０．８μｍ
厚のＩｎＰクラッド層（６４）を形成するために、Ｉｎ
Ｐ埋込み層の残りの表面上に、更にｐ形ＩｎＰを成長さ
せる。次に、典型的な場合約０．１２μｍの厚さをもつ
ｐ形ＩｎＧａＡｓＰキャップ層（６５）を、クラッド層
（６４）の最上部表面上に形成し、（基本的な）レーザ
構造（６００）を形成する。レーザを完成させるために
、二酸化シリコンストライプをマスクとして使って、メ
サ（図示されていない）をエッチでき、それはｐ−及び
ｎ−半絶縁性ＩｎＰの電流阻止層で満すことができる。 最後に、当業者には周知のように、構造全体を、比較的
厚いエピタキシャルｐ形ＩｎＰと比較的薄いｐ＋　Ｉｎ
ＧａＡｓのエピタキシャル電極層（図示されていない）
で埋ることができる。次に、回折格子（６３）のストラ
イプと平行に走る電極ストライプ（図示されていない）
を、当業者には周知のように、得られるレーザ構造の最
上部及び底部表面上に、堆積させることができる。
【００１９】本発明について、具体的な実施例を参照し
ながら詳細に述べたが、本発明の視野を離れることなく
、各種の修正をすることができる。例えば、ＩｎＰバッ
ファ又は基板層上に、ＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．３μｍ
）活性層、ＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．１μｍ）回折格子
（プリカーサ）層、ＩｎＰ埋込み層を順次成長させ、次
にＩｎＰ埋込み層とＩｎＧａＡｓＰ回折格子層を貫いて
開孔を形成し、続いて質量移動によりＩｎＰでＩｎＧａ
ＡｓＰ回折格子層を埋込むため構造を加熱し、それによ
って回折格子層を活性層と接触させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に従い製作される回折格子を
有する半導体レーザの工程１の断面図である。
【図２】本発明の一実施例に従い製作される回折格子を
有する半導体レーザの工程２の断面図である。
【図３】本発明の一実施例に従い製作される回折格子を
有する半導体レーザの工程３の断面図である。
【図４】本発明の一実施例に従い製作される回折格子を
有する半導体レーザの工程４の断面図である。
【図５】本発明の別の実施例に従い製作される回折格子
を有する半導体レーザの工程１の断面図である。
【図６】本発明の別の実施例に従い製作される回折格子
を有する半導体レーザの工程２の断面図である。
【符号の説明】
９　　ＩｎＰ単結晶半導体基体 １０　　バッファ層 １１　　ＩｎＧａＡｓＰ層、四元層、層１２　　ＩｎＰ
層 ２０　　溝 ２１　　ＩｎＧａＡｓＰ層、層 ２２　　層 ３０　　点線 ３２　　ＩｎＰ層 ４２　　ＩｎＰ層 ４３　　ＩｎＧａＡｓＰ層 ４４　　ＩｎＰ層 ４５　　ＩｎＧａＡｓＰ層 ５２　　スペーサ層 ５３　　回折格子プリカーサ層 ５４　　埋込み層 ６３　　回折格子層、回折格子 ６４　　クラッド層 ６５　　キャップ層 １００　　構造 ２００　　構造 ３００　　構造 ４００　　構造、レーザ構造 ５００　　構造 ６００　　レーザ構造

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　第１の半導体材料の第１の層（１０）
    の最上部主表面上に、第２の半導体材料の第２の層（１
    １）を成長させる工程；第２の半導体材料の第２の層（
    １２）上に、第３の半導体材料の第３の層を成長させる
    工程；複数の溝（２０）を形成し、そのそれぞれが第３
    の層と第２の層の厚さの少くとも一部を貫く工程を含む
    半導体回折格子（２１、６３）を含むデバイス（３００
    、６００）の製作方法において、第３の層（１２）の厚
    さは十分厚く、溝が形成された後、第３の層（２２）中
    の第３の材料の体積は、第２の層（２１）中の溝（２０
    ）の体積プラス第１の層（１０）中の溝の体積より大き
    く、第３の層の第３の材料の質量移動が生じるのに十分
    な温度まで、第１、第２及び第３の層を加熱し、それに
    よって第２の層中の溝の表面全体及び第１の層中の溝の
    いずれの表面も、第３の材料によって本質的に埋込まれ
    ることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】　　第３の層は第２の層より大きな厚さを
    もつことを更に特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】　　溝の夫々は第２の層の厚さ全体を貫く
    ことを更に特徴とする請求項１又は２記載の方法。
  4. 【請求項４】　　第２の材料は本質的にインジウム・ガ
    リウムひ素リンであることを更に特徴とする請求項１又
    は２記載の方法。
  5. 【請求項５】　　第３の材料は本質的にインジウムリン
    であることを更に特徴とする請求項３記載の方法。
  6. 【請求項６】　　第３の材料は本質的にインジウムリン
    であることを更に特徴とする請求項１又は２記載の方法
    。
  7. 【請求項７】　　第２の材料は本質的にインジウム・ガ
    リウムひ素リンであることを更に特徴とする請求項１又
    は２記載の方法。
  8. 【請求項８】　　請求項１又は２に記載された工程に続
    き、第３の層の表面上に、第３の材料のもう１つの層を
    成長させることを含む半導体レーザの製作方法。
  9. 【請求項９】　　第３の材料はＩｎＰである請求項８記
    載の方法。
  10. 【請求項１０】第１の材料はＩｎＰである請求項９記載
    の方法。
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