JPH0691023B2 - 半導体集積素子の製造方法 - Google Patents

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、光変調や光検出器等を集積し
た半導体集積素子の製造方法に関する。

（従来の技術） 同一基板上に複数の半導体素子を集積した半導体集積素
子は個々の素子を組合わせて用いる場合に比べて素子の
制御が容易であることに加えて、新しい機能を引出せる
可能性がある。特に、半導体レーザは一般に温度によっ
て光出力が大きく変動するため、実用上は光出力の一部
を光検出器でモニタして、このモニタ出力が常に一定と
なるように負帰還をかけ、レーザの注入電流を制御する
必要がある。従って、半導体レーザを使用する場合はモ
ニタ用光検出器はほぼ不可欠であり、従来、レーザと光
検出器とを同一半導体基板上に集積した素子が幾つか提
案されてきた。

一方、半絶縁性化合物半導体（以後、高抵抗半導体と呼
ぶ）は半導体レーザの電流阻止層として、またこれら集
積阻止の電気的分離層として有望と考えられている。こ
のような集積素子を形成するには半導体レーザの電流阻
止部に相当する部分および素子間分離部に相当する部分
に溝を形成しておき、その部分に高抵抗半導体をSiO₂を
マスクとして選択的に埋め込み成長する方法が有望と考
えられる。

高抵抗半導体、例えば、FeドープInPをエピタキシャル
成長する方法はさまざまあるが、選択埋め込み成長には
ハライド輸送気相成長法（HTVPE法）と有機金属気相成
長法（MOCVD法）が多く用いられている。ハライド輸送
法気相成長法によるFeドープInP成長法は第47回応用物
理学会学術講演会予稿集（27a-G-2）709頁に詳しく記述
されている。また、MOCVD法は昭和62年レーザ学会学術
講演会第７回年次大会予稿集（30aIII4）200頁に記され
ている。これら成長法では、半導体レーザの電流阻止層
を形成する手段に用いられており、集積素子の応用は未
だ報告がない。

先ず、従来のHTVPE法によるFeドープInPの選択埋め込み
工程を説明する。第１図はHTVPE法の一つであるハイド
ライド気相成長装置の概略図である。基板にはSiO₂のパ
ターマスクが形成されており、このSiO₂の窓部はエッチ
ングによって溝が形成されている。この基板を成長装置
の待機室119に設置する。加熱炉118によりソース領域が
830℃、成長領域が600℃になるように加熱される。半絶
縁性とするための不純物を含有したIII族金属であるFe/
Inソース115およびInソース117にはそれぞれ供給管111
および供給管113よりキャリアガスとともにHClが供給さ
れる。供給されたHClは、ソース領域でFe/Inソース115
とInソース117と完全に反応し、III族金属ハロゲン化ガ
スである、不純物塩化ガス（この場合、塩化鉄ガス）を
含むInClガスに変化する。同時に、バイパス管112より
キャリアガスとともにＶ族ガスであるPH₃が供給され
る。これらが基板上流で混合され、成長室116にはFeド
ープInPの成長雰囲気が形成される。基板温度が600℃に
達したとき、基板を成長室116に移動してこの成長雰囲
気にさらし、埋め込み成長が行なわれる。この工程は埋
め込み成長特有ではなく、通常の成長となんら変るとこ
ろはない。

次に、MOCVD法によるFeドープInPの選択埋め込み工程を
説明する。この方法も特に通常の成長と同様である。溝
が形成された基板をMOCVD成長装置に設置し、基板が成
長温度に達した際、Inの有機化合物、Feの有機化合物、
PH₃をキャリアガスとともに基板に供給し成長を行な
う。

（発明が解決しようとする問題点） 以降に、従来のHTVPE法とMOCVD法による選択成長におけ
る問題点を示す。

従来のHTVPE法による選択埋め込み成長では、容易に選
択埋め込み成長を行なうことができる。しかし、溝の
幅、溝の形状および溝のストライプ方位により埋め込み
成長部の成長速度が大きく異なり、基板全体を平坦にす
ることが困難であった。成長後、基板が平坦でないとそ
の後で行なう電極等を形成するプロセスが難しくなり、
集積素子の埋め込み技術としては不向きであった。一
方、MOCVD法による選択埋め込み成長では選択性、埋め
込み部の平坦性に乏しいうえに、やはり成長速度の溝幅
依存性が大きく集積素子の埋め込み用には不向きであっ
た。

本発明の目的は高抵抗半導体で素子分離された半導体集
積素子を容易に形成し、かつ表面が平坦になる製造方法
を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明の構成は半導体基板上に複数の半導体素子が集積
され、各素子間の分離部、或いは電流阻止部を形成する
ための複数の溝を有した基板の該溝部を、ハライド輸送
気相成長法を用いた半絶縁性のIII−Ｖ族化合物半導体
の選択埋め込み成長によって選択埋め込み成長する方法
において、半絶縁性とするための不純物を含有したIII
族金属とハロゲン化水素ガスとの反応で生じるIII族金
属ハロゲン化ガスと、Ｖ族ガスとの混合ガスを該基板に
供給し、かつハロゲン化水素ガス、ハロゲンガス、或い
はハロゲンＶ族ガスのいずれかをIII族金属と反応させ
ないで基板に供給して成長する工程を少なくとも備えて
いることを特徴とする半導体集積素子の製造方法であ
る。

（作用） 本発明の作用を説明するために次の実験を行なった。ハ
ライド輸送気相成長法（HTVPE）の一つでＶ族原料を水
素化ガスとして輸送するハイドライド気相成長法を用い
てFeドープInPの選択埋め込み成長の実験を行なった。
実験ではInP基板上にマスクとなるSiO₂を形成し、５μ
m,20μm,50μｍ幅のストライプ状の窓を［１０］およ
び［110］方向に形成した。その後、0.1％ブロムメタノ
ール溶液を用いて溝を形成した。この基板を用いてハラ
イドガス無添加の従来の成長法とハライドガス添加の本
発明の成長法で埋め込みの比較実験を行なった。その結
果、従来の成長法では溝部全体を平坦にできないが、本
発明の方法では平坦にできた。第３図は従来法と本発明
とで成長膜厚と成長時間の関係を示したものである。第
３図の横軸は成長時間、縦軸は成長層の膜厚である。本
発明による方法では埋め込み層が基板表面と同一面とな
った所で成長速度が著しく低下しているのに対し、従来
法ではそのような現象は見られなかった。従来法ではス
トライプ幅が広いとそれに応じて成長速度が違う。この
ために幅や深さが異なる溝が複数あると同一の成長時間
でそれぞれの溝を平坦化することはできなかった。それ
に対し、本発明の方法では成長時間を充分長くすること
によってそれらの溝を平坦に埋め込むことができる。

この特徴はハイドライド気相成長法特有のものではな
く、ハライド輸送気相成長法全般に当てはまることが実
験で分かっている。しかし、MOCVD法ではこの現象は見
つからなかった。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例を説明するために用いたハイ
ドライド気相成長装置の概略図である。製作した半導体
レーザ・光検出器集積素子の構造を第２図に示した。ま
ず、通常の結晶成長方法（本実施例では液晶成長法）に
よりDH結晶を得た。このDH結晶は周期240nmの回折格子
を有するn-InP基板201上に、n-InGaAsP光ガイド層（λ
ｇ＝1.3μｍ）202,InGaAsP活性層（λｇ＝1.55μｍ）20
3,p-InPクラッド層204,p-InGaAsPキャップ層（λｇ＝1.
2μｍ）205が積層された構造である。次に、SiO₂膜206
に同図の様なパターンを形成し、この膜をエッチングマ
スクとしてレーザの電流阻止部207と結合部208のキャッ
プ層、クラッド層及び活性層を除去した。結合部208の
幅は20μｍ、電流阻止部207の幅は５μｍとした。次
に、このDH結晶を気相成長装置の待機室119に設置し、
加熱炉118によりソースの置かれた領域を830℃、成長温
度を600℃になるよう加熱した。この時、供給管114にキ
ャリアガスにPH₃25cc/minを加えて流した。

一方、半絶縁性とするためのFeを20％添加したFe/Inソ
ース115に供給管111よりハロゲン化水素ガスであるHCl
を3cc/min含むキャリアガス、Inソース117に供給管113
によりHClを7cc/min含むキャリアガスを流した。これら
III族金属ソース115および117に供給されたHClガスは、
ソースと反応し塩化鉄ガスを含むInClになる。バイパス
管112にはキャリアガスとともにＶ族ガスであるPH₃を供
給した。

同時に、III族金属ソースと反応させないようにハロゲ
ン化水素ガスであるHClをバイパス管112に2cc/min供給
した。この結果、成長室116には、塩化鉄ガスを含むInC
lとPH₃からなる従来のFeドープInP成長ガスが供給さ
れ、同時にHClが供給さる。成長温度が600℃に達したと
き、DH結晶を成長室116に移動させ、FeドープInPの選択
成長を行なった。成長後、DH結晶を待機室119に移動
し、降温した。

埋め込み成長されたDH結晶の平坦性を精密段差計で測定
した。その結果、電流阻止部は基板表面より0.21μｍ、
結合部は0.06μｍしか飛び出ているにすぎないことが分
かった。この実験では成長時間は5min以上であれば全体
が平坦に埋め込まれ、それ以上時間をかけて成長しても
殆ど突出成長が起こらないことが分かった。

上記実施例では、気相成長法にハイドライド気相成長法
を用いた。しかしながら、本発明は半絶縁性III−Ｖ族
化合物半導体の成長ガスである、III族金属ハロゲン化
ガスＶ族ガスの混合ガスを基板に供給する、同時にハロ
ゲン化水素ガスを基板に供給する、工程を含むことを特
徴としている。ハイドライド気相成長法と、同じハライ
ド輸送気相成長法の一つであるクロライド気相成長法と
では、反応管に供給する出発原料ガスが異なるものの反
応管内のソース領域の熱分解反応によって、同じ半絶縁
性III−Ｖ族化合物半導体の成長ガスが形成され、基板
に供給される。従って、本発明はハイドライド気相成長
に限定されず、他のハライド輸送気相成長法、例えばク
ロライド気相成長法でも良いのは明らかである。

上記実施例では、ハロゲン化水素ガスとしてHClを用い
たが、本発明はこれに限定されず、ハロゲンガスである
例えば臭素ガス、或は、ハロゲン化Ｖ族ガスである例え
ば三塩化燐ガスでも良い。

上記実施例においては、半絶縁性半導体を得るための不
純物としてFeを用いた。しかしながら、本発明は基板上
に形成された複数の単体素子が半絶縁性のIII−Ｖ族化
合物半導体により電気的に分離された集積素子に対する
製造方法であることから、III−Ｖ族化合物半導体を半
絶縁性にする不純物として、他の不純物を用いても本発
明の特徴、および作用はなんら影響を受けない。従っ
て、本発明は実施例に用いた不純物に限定されないのは
明らかである。

上記実施例では、半導体レーザと光検出器との集積素子
を製作した。しかしながら、本発明では同一基板上に異
なる溝幅、異なるストライプ方向に形成された複数の溝
を、半絶縁性半導体によって平坦に埋め込み形成でき
る。従って、本発明は実施例に用いた集積素子には限定
されず、単体素子が多数集積された集積素子でも良い。

上記実施例ではInGaAsP/InP半導体材料が用いられた。
しかしながら、本発明は基板、および集積素子の材料を
代えても、発明の特徴、および作用になんら影響を与え
ない。従って、本発明は実施例に用いられた以外の材
料、例えばInGaAsP/GaAs半導体材料でも良い。

（発明の効果） 本発明の製造方法によれば素子間分離層が高低抗半導体
で形成された半導体集積素子が得られる。幅や深さの異
なる埋め込み溝が存在していても、それらを気にするこ
となく平坦に埋め込める。各素子間は高抵抗層で分離さ
れるので、その間の抵抗は極めて大きく、各素子を独立
に制御できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、気相成長装置の概略図であり、第２図は一実
施例を説明するのに用いた半導体集積素子の構造図であ
り、第３図は埋め込み層の成長時間と成長層厚の関係図
である。 111,113,114……供給管、112……バイパス管、 115……Fe/Inソース、116……成長室、 117……Inソース、118……加熱炉、 119……待機室、201……基板、 202……光ガイド層、203……活性層、 204……クラッド層、205……キャップ層、 206……SiO₂、207……電流阻止部、208……結合部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上に複数の半導体素子が集積さ
   れ、各素子間の分離部、或いは電流阻止部を形成するた
   めの複数の溝を有した基板の該溝部を、ハライド輸送気
   相成長法を用いた半絶縁性のIII−Ｖ族化合物半導体の
   選択埋め込み成長によって選択埋め込み成長する方法に
   おいて、半絶縁性とするための不純物を含有したIII族
   金属とハロゲン化水素ガスとの反応で生じるIII族金属
   ハロゲン化ガスと、Ｖ族ガスとの混合ガスを該基板に供
   給し、かつハロゲン化水素ガス、ハロゲンガス、或はハ
   ロゲン化Ｖ族ガスのいずれかをIII族金属と反応させな
   いで基板に供給して成長する工程を少なくとも備えてい
   ることを特徴とする半導体集積素子の製造方法。