JPH0435081A - 半導体素子及びその製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体レーザ、受光素子、半導体光増幅器など
の半導体素子及びその製造方法に関する［従来の技術］ 現在、小型、高効率等の特長を有する半導体素子は各種
の分野に応用され、多目的に利用されている。この半導
体素子の先人出力面に誘電体膜を形成して、保護膜、高
反射膜、反射防止膜などとして用いると、例えば、半導
体レーザでは高出力化、長寿命化等の長所が得られ、受
光素子においては受光効率などが向上し、また半導体光
増幅器では特性が向」ニジたりする。この様に、光入力
ないし出力面に誘電体膜を施すことは半導体素子全般に
重要なことである。

この中で、半導体光増幅器は、将来の光フアイバー伝送
や光データ処理のデバイスとして有望視されており、そ
してこれの光入出力面の反射率は特性に大きく影響を与
えるので、高品質化のためには、低反射率等の優れた性
質を持つ反射防止膜を光入出力面に施すことが重要とな
る。

従来、こうした半導体光増幅器などの光入出力面に反射
防止膜を形成する方法としては、ＳｉＯ３、Ａ１．２０
ａ　、Ｔｉ０ｚ　、Ｚｒ０ｚ等の酸化物、ＡＩＮ、Ｓｉ
、Ｎ４等の窒化物などを、スパッタ法、ＥＢ（電子ビー
ム）蒸着法、プラズマＣｖＤ法等の真空蒸着法により、
単層膜、２層膜、或はそれ以上の多層膜として形成する
のが一般的である。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記の如き従来例では以下の様な問題点があっ
た。

先ず、ｍ層膜について、ｍ層膜は１つの材料により形成
するものであるから、膜厚制御は比較的容易に行なわれ
得るが、半導体光増幅器などの反射防止膜として要求さ
れる低反射率になる様な屈折率を持つ材料がなかなか存
在しない。また、低反射率になる波長範囲が狭いため、
人力光の波長がずれると反Ｑ＝Ｉ率が一部がってしまっ
たり、また多波長対応には不向きである。

次に、多層膜では、いくつかの材料を積層させるので半
導体光増幅器などに対応した低反射率になる様に設計す
ることができ、対応波長範囲も単層膜と比較して広くな
る。しかし、単層膜と比較して、１層目、２層目の膜厚
制御が非常に厳しくなり、再現性も劣るという欠点があ
る。

この様に単層膜と多層膜ではそれぞれ問題点が相反的に
なり、両者における問題点をな（して月産のみを享受で
きるのは非常に困難である。

よって、本発明の目的は、上記の課題に鑑み、容易に膜
厚制御及び屈折率制御ができ広い波長範囲で所望の反射
率が実現できる誘電体膜を有する半導体素子及びその製
造方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成する本発明では、光が入ないし出力する
半導体素子の一部が誘電体膜で被覆されており、該誘電
体膜の少なくとも一部がイオン注入された誘電体膜部と
なっている。また、本発明による半導体素子の製造方法
においては、光が入ないし出力する半導体素子の部分に
誘電体膜が被覆され、該誘電体膜の少なくとも一部に適
当な厚さまで屈折率を調整すべくＬ”、Ｏ＋などのイオ
ンが注入される。

これにより、半導体素子に適した誘電体層の屈折率、膜
厚を再現性よく形成することができ、半導体素子の性能
を向上させることができる。

特に、半導体素子に適した屈折率等を持つ誘電体層を形
成できるので、優れた反射防止膜、反射膜、保護層など
を持つ光入出力半導体素子が作製でき、例えば半導体レ
ーザ、半導体光増幅器、フォトディテクタ等に有効に応
用できる。

［実施例］ 第１図は本発明の第１実施例の断面を示す。同図におい
て、１ばｎ型ＧａＡＳ結晶基扱である半導体基板、２〜
５はＭＢＥ或はＭ　ＯＣＶ　］）法で形成したエビ層で
あり、２はｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、３はＧ−ａＡ
ｓ活性層、４はｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、５はｐ＋
ＧａＡｓキャップ層である。また、６は半導体基板１な
どの端面に形成したＡ１□０３薄膜層、７はイオン注入
部であり、８．９はＡｕ電極である。

本実施例では、半導体基板１の光入出力面にＥＢ熱蒸着
の真空蒸着法により、Ａｌ２Ｏ３薄膜層６を厚さｄだけ
形成する。この時の厚さｄは、ｎをこの薄膜層６の屈折
率とするとｎ　ｄ　＝　１　／　４え（えは入出力光の
波長）から求まる厚さｄを示している。その後、イオン
注入装置において、Ａ１２０３７４膜層６に適した屈折
率になるような条件で［、Ｌ”　　（文献Ｊ、Ｖａｃ、
Ｓｃｉ、Ｔｅｃｈｎｏ１．１０，９３６．１９７３参照
）を注入し、注入厚みｄ２のイオン注入部７を薄膜層６
の空気側に形成する。

Ａ１□０３薄膜層６のイオン注入されていない部分の厚
みをｄｌとして、イオン注入部７の注入厚みｄ２と誘電
体膜６．７の反射率Ｒ（％）との関係を第２図に示す。

第２図より、反射率（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ）が０
．１％（１０−３）以下となるイオン注入部７の厚さｄ
２の範囲は最適厚みに対して約±１０ｎｍである。この
値は、イオン注入装置のイオン加速電圧を制御すること
で容易に実現できる値である。従って、１層のＡ１□０
３薄膜層６の膜厚制御が容易であることと相い俟って所
望の反射率を容易に達成できることになる。

ここで、上記薄膜層６はＡ　１２０３に限ることなく、
Ｓ　ｉ　Ｏｗ　、ＭｇＯ，ＣｅＦｇ　、ＰｂＦ２、Ｌ　
ｉ　Ｆ　、　Ｍ　ｇ　Ｆ　２等の、屈折率ｎ１が半導体
基板りの屈折率をｎＳとしたときにＪｎ　ｇ　＞　ｎ　
ｌを満たすものであれば何れのものでもよい。また、薄
膜層６に注入するイオンはＬｉ′″に限ることなく、薄
膜層６の屈折率ｎ、よりもイオン注入部７の屈折率ｎ２
が高（（ｎｌくＯ２）なるようなイオンであればどの様
なものでもよい。

この様にして、Ａ１□０３薄膜層６にイオン注入部７を
形成することで、Ｊｎ、＞ｒｚである屈折率ｎ、を持つ
Ａ１゜０３薄膜層６の一部の屈折率が高くなり、半導体
基板１に適した反射防止膜６．７を形成することができ
る。原理的には、１層の反射防１ト膜は１／４えの膜厚
とＩ　ｎ　ｓ　”　ｎ　＋（この場合、空気の屈折率を
１とする）の屈折率を持てば理想的なものとなるが、こ
うした屈折率ｎ＋の物質は中々には存在しないので、本
実施例では上記の如き構成にしたのである（これについ
ては下記の第３実施例を参照） また、本実施例では、半導体基鈑１の屈折率ｎ５、入出
力光の波長えがどの様なものでも、それに適した屈折率
ｎ＋、Ｏ２とイオン注入部７の厚みｄ２を容易に求め、
そして実現できる。この反射防止膜６．７を片面に形成
した半導体素子は半導体レーザとして用いられ、また両
面に形成した半導体素子は進行波型光増幅器として使用
され得、共に高性能が得られる。この際、上記Ａｌ２Ｏ
３膜はパッシベーション（不活性化）機能が高く、信頼
性、耐久性の向上に効果がある。次に第２実施例を説明
する。第２実施例では、第１実施例と同様に、半導体基
板１の先人出力面にＥＢ蒸着法等の真空蒸着法によりＺ
　ｒ　Ｏ２薄膜層を厚さｄだけ形成し、その後、イオン
注入装置において２ｒ　Ｏ２薄膜層に適した屈折率にな
る様な条件で０１イオンを注入し、イオン注入部を形成
する。

このイオン注入層の注入厚みｄ２と誘電体層の反射率Ｒ
（％）との関係を第２図と同様に第３図に示す。ここで
、ｄｌはＺ　ｒ　Ｏｚ薄膜層のイオン注入されていない
部分の厚みを示す。

第２実施例でも、第３図から分かる様に、反射率が０．
１％（１０−３）以下であるイオン注入層の厚みの範囲
は最適厚みに対して約±１０ｎｍとなり、前記と同様に
イオン加速電圧を制御することにより容易に実現できる
。

第２実施例でも、Ｚ　ｒ　Ｏ２薄膜層は１層であるため
膜厚制御は容易であり、またｚｒＯ２薄膜層はＺｒＯ２
に限らず、Ｔｉ０−　、Ｐｂ、Ｏ，０、Ｎｃｌｚ　Ｏ３
、ＣｅＯ２，ＺｎＳ、Ｚｎ５ｅ、Ａ１．Ｎ、５ｉａＮ４
等の、屈折率ｎ１が半導体基板１の屈折率１１８とＪｎ
、＜ｒｚの関係にあればどの様なものでもよい。また、
薄膜層に注入するイオンは薄膜層の屈折率ｎ１よりもイ
オン注入層の屈折率ｎ２が低くなる（ｎｌ＞Ｏ２）様な
イオンであれば０＋に限ることはない。

このように、第２実施例においても、Ｚ　ｒ　Ｏ２薄膜
層にイオン注入部を形成することにより、Ｊ（１Ｓ＜ｎ
ｌであるＺ　ｒ　Ｏ２薄膜層の一部の屈折率が低くなり
、半導体基板１に適した反射防止膜を形成することがで
きる。

第２実施例では、第１実施例とは異なって、薄膜層の屈
折率ｎ１はＪｒｌ、、〈ｎｌである為、半導体素子の光
入出力面側の屈折率が高（空気側の屈折率が低（なって
いる。この様に屈折率を設定した場合、こうした反射防
止膜を片面に形成した半導体レーザや両面に形成した光
増幅器などとして用いられたとき、反射成分が低減でき
高性能が得られる。

その他の点については第１実施例と実質的に同じである
。

第４図は第３実施例の断面を示す図である。同図におい
て、１１は半導体基板、１３はこの基板１１の光入出力
面にＥＢ蒸着法等の真空蒸着法により厚さｄだけ形成し
たＴｉＯ□薄膜層、１４、Ｉ５はＡｕ電極、１６〜１９
はエビ層である。′ｒｉ０２薄膜層１３は、この膜を形
成後イオン注入装置においてこの膜に適した屈折率にな
る様な条件でＯ＋イオンを注入し、イオン注入部となっ
ている。この時、Ｔｉｅ２薄膜層の厚みｄの全てに、イ
オン注入部１３を形成するが、この際のｄとは、イオン
注入後の屈折率ｎ３が基板の屈折率ｎヶとＩ　ｎ　ｇ　
”’ｉ　ｎ　３の関係を満たしてｎ３ｄ＝１／４尤から
求まる厚さｄである。

薄膜層１３の材料と注入イオンについては、イオン注入
後の屈折率ｎ３がＩｎ　ｓ　”　ｎ　３でｎ１ｄ＝１／
４尤の関係を満たせば、Ｔ　ｉ−０２と０４に限ること
なく、Ｚｒ０ａとｏ”　、ｐｂ６ｏ、、とＯ、Ｎｄ２０
３とＯ”　、ＣｅＯ２と０＋等の組み合わせでもよい。

また、ＴｊとＯ’、ＡｌとＮ′″、ＳＬと０゛の様に原
子とイオンの組み合わせによっても同様なイオン注入部
１３を形成することができる。

この様に、第３実施例では、薄膜層の厚みｄの全てにイ
オン注入部１３を形成しＪｎ、、二ｎ３とすることで半
導体基板１１に適した反射防止膜を形成することができ
た。

この時の半導体基板１１の屈折率、入出力光の波長がど
の様なものでもこれに適した屈折率とイオン注入層１３
の厚みは容易に求めることができ、容易に適当なイオン
注入層Ｉ３を実現できる。

本実施例では、イオン注入部１３は膜厚方向に屈折率分
布を有していて、半導体素子の光入出力面側の屈折率が
高く空気側の屈折率が低くなっている為、反射成分が更
に低減した膜が得られる。

また、このイオン注入部１３をアニール処理することに
よりこの部分の屈折率の調整も出来る。

第３実施例も上記の実施例と同様な用途に用いられる。

第５図は第４実施例の断面を示す。同図において、２１
は半導体基板、２３は半導体基板２１端面に形成した多
層薄膜層３０の一部に形成されたイオン注入部、２４．
２５はＡｕＮ極、２６〜２９はエビ層である。

第４実施例では、先ず半導体基板２１の光入出力面にＥ
Ｂ蒸着等の真空蒸着法により多層薄膜層３０を形成し、
その後、イオン注入装置において、多Ｐｉ薄膜層３０に
辿した屈折率になる様な条件でＯ＋を注入してイオン注
入部２３を形成する。

この時、注入するイオンは０“に限ることな（、多層薄
膜ＩＷ３０の屈折率ｎ１よりもイオン注入部２３の屈折
率ｎ２が低くなる様なイオンであれば限定されるもので
はない。この様にしても、多層薄膜層３０の一部の反射
率を低（することができた。

こうして作製した半導体素子を光検出器（ＰＤ）として
使用したところ、干渉効果が減少し反射損失も減少した
ものが得られた。半導体レーザ、光増幅器などとして用
いても上記実施例と同様な効果が上げられた。

また、こうした形状にイオン注入できると、光入出力面
に合わせることができ、光入出力が任意パターンで得ら
れる。

ところで、以上の実施例では、基板に垂直な端面に形成
した誘電体膜にイオン注入部を形成していたが、基板と
平行な表面、例えばＳｉ受光素子の集積デバイスの一部
や面発光型の発光素子や先導波路の入出力部などの光入
出力部に本発明のイオン注入部を設けても同様な効果が
得られる。

［発明の効果］ 以−ヒ説明した様に、本発明によれば、半導体素子の先
入ないし出力部分に誘電体層を設けその層がイオン注入
部を持つことにより半導体素子に適した屈折率としてい
るので、膜厚制御や屈折率制御が容易にでき広い波長範
囲で所望の反射率が得られ、所望の特性の半導体素子が
得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の断面図、第２図は第１実
施例の誘電体層の反射率の変化の様子を示すグラフ、第
３図は第２実施例の誘電体層の反射率の変化の様子を示
すグラフ、第４図は第３実施例の断面図、第５図は第４
実施例の断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光が入ないし出力する半導体素子の一部が誘電体膜
   で被覆されており、該誘電体膜の少なくとも一部がイオ
   ン注入された誘電体膜部となっていることを特徴とする
   半導体素子。 ２、前記イオン注入された誘電体膜部の屈折率より、イ
   オン注入されていない誘電体膜部の屈折率が低い請求項
   １記載の半導体素子。 ３、前記イオン注入された誘電体膜部の屈折率より、イ
   オン注入されていない誘電体膜部の屈折率が高い請求項
   １記載の半導体素子。 ４、前記誘電体膜の厚み方向の一部に亙ってのみイオン
   注入されている請求項１記載の半導体素子。 ５、前記誘電体膜の厚み方向の全てに亙ってイオン注入
   されている請求項１記載の半導体素子。 ６、前記イオン注入された誘電体膜部が厚み方向に屈折
   率分布を有する請求項１記載の半導体素子。 ７、請求項１、２、３、４、５または６記載の半導体素
   子の製造方法において、光が入ないし出力する半導体素
   子の部分に誘電体膜が被覆され、該誘電体膜の少なくと
   も一部に適当な厚さまで屈折率を調整すべくイオンが注
   入されることを特徴とする半導体素子の製造方法。