JPH0789594B2 - 半導体装置およびその製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の属する技術分野） 本発明は同一構造で半導体レーザ及びダブルヘテロ接合
バイポーラトランジスタの両機能を可能とする半導体装
置及びその製法に関する。

（従来技術） 従来、同一素子構造でレーザおよびバイポーラ・トラン
ジスタ動作する素子としては、InP基板上に形成したレ
ーザ・トランジスタに関する森らの報告がある。（Y.Mo
ri,etal.;The 16th Conference on Solid State Device
s and Materials.P.18）しかしながら、この素子は結晶
成長法として液相エピタキシャル法を用いているため、
活性層のストライプ形成には埋込み成長を採用してい
た。このため、いわゆるメルトバック等の理由により、
レーザとして動作させる場合の電流注入領域及びその垂
直方向に形成された光閉じ込め領域の幅を高精度に微細
化することが困難となり、集積化の観点から、又、注入
電流密度を高めることができないため、レーザ発振閾値
を低下せしめることができないという欠点があった。こ
れは、又半導体装置をバイポーラトランジスタとして動
作させる場合には、高周波特性が劣ることに等しい。ま
た、大量生産に適するMOCVD法等による結晶成長法のみ
では、埋込み成長は難しいため、埋込み型構造では量産
による経済性の向上は期待できない。

（発明の目的） 本発明は上記の問題点を解決し、簡便かつ高精度の狭ス
トライプ構造を実現することにより、半導体レーザとし
て機能させる場合には、発振閾値が低下でき、一方、バ
イポーラトランジスタとして機能させる場合には高周波
特性が向上できる半導体装置を実現することにある。ま
た、これらの特性を利用して光源と駆動回路要素を同一
構造で実現するモノリシック化した半導体装置を実現す
ることにある。

（発明の構成） 本発明の構造上の特徴は、ヘテロエピタキシャル成長さ
せた複数層に狭ストライプリッジガイド構造を形成し、
かつ、このようにして形成された各部分相互のビルトイ
ンポテンシャルの差を利用して、実効的pn接合を、上記
ストライプリッジガイド構造における縦方向にのみ形成
し、この場合の接合断面寸法が、極めて微細にかつ高精
度に形成できる点を利用して半導体装置の光学的特性、
及び電気的特性を向上させるものである。特に第３図の
ような構成、すなわちガイド層となる第１のｎ型AlGaAs
層２の一部２′及び第２のｎ型AlGaAs層４の一部２′
が、それぞれ活性層となるＰ型GaAs層３に近づくにつれ
て、AlとGsの組成比におけるAlの比率を連続的に減少せ
しめた構成において効果を奏する。

又、本発明の製法上の特徴は、ヘテロエピタキシャル成
長させた後に、イオン注入により狭ストライプリッジガ
イド構造をセルフアラインにより形成すること、及び、
狭ストライプ電極形成をもセルファラインにより形成す
る点にある。

これらの構成とそれに基く効果は、以下に示す実施例に
より、より明らかになるであろう。

（実施例） 第１図は本発明の半導体装置の製法を説明する第１の実
施例である。まずは半導体装置の構造を説明し、次にそ
の製法を説明する。は半絶縁G_aA_s基板、は下部ｎ−
AlG_aA_sクラッド層、はＰ−G_aA_s活性層であり、は上
部ｎ−AlG_aA_sクラッド層であり、これらがリッジ型光導
波路となる、はn⁺−G_aA_sキャップ層である。は電流
注入領域の狭窄化のため設けたイオン注入Ｐ領域であ
る。またはSiO₂絶縁層、，，は各々電極であ
る。電極としてはAn/Ge/Ni、又はAn/Ge等が利用でき
る。

このような構成において、電極，間に電流経路を形
成する場合pn接合は、 との界面にできる可能性と、との界面にできる可
能性がある。しかしながら、材料によるビルトインポラ
ンシャルの差を考慮すると、との界面部の方が小さ
な値となり、この部分が実効的なpn接合として作用する
ことになる。従って、電極，間にバイアスをかける
と、 の電流経路が形成され、が活性層として作用し、電子
とホールの結合による光放出が起こり、レーザ発振が生
じる。この場合の活性層の電流密度を決定し、レーザ発
振閾値に影響を与えるのは、，間のpn接合面の断面
寸法であり、これは後述の製法により極めて微細かつ高
精度に実現できるものであるから、発振閾値を容易に低
下できるものである。

又、本構造においては、，間にバイアスをかけれ
ば、 の形路が成立し、同様にレーザ発振が起こる。即ち、両
方向のpn接合を利用できる。

また、この半導体装置をバイポーラトランジスタとして
動作させるには、，，からなる狭ストライブリッ
ジガイド部に、縦方向にnpn接合が形成され、これが実
効的にトランジスタとして機能する。従って電極をベ
ース、をエミッタ、をコレクタとすれば、をｎ領
域、をｐ領域、をｎ領域とする縦型npnトランジス
タとして動作する。この場合にもpn接合断面寸法を極め
て小さくできるので高周波数特性を容易に向上できる。

次に、本発明の半導体装置の製法について、第２図を用
いて説明する。

まず、MOCVD法等で積層したエピタキシャル結晶の上にS
i₃N₄膜をプラズマCVD法などにより形成し、この上にホ
トレジストを塗布した後、ホトリソグラフィーでエミッ
タ領域のレジスト層（17）を残す。（図−２（ａ））次
に、CF₄によるドライエッチ等でSi₃N₄層を上記レジスト
（17）をマスクとしてエッチングし、エミッタ領域の部
分のみSi₃N₄層（16）を残す。（図−２（ｂ）） 次に塩素系ガスを用いたドライエッチングによりn⁺−G_a
A_s層（15）、ｎ−AlG_aA_s層（14）をエッチングし、リッ
ジストライプを形成する。（図−２（ｃ））この後、Si
₃N₄層（16）をマスクとしてBe,Mg等のイオン注入を行
い、電流注入領域の狭窄を行うＰ型領域（18）を形成す
る。（図−２（ｄ））次に、Si₃N₄（16）およびその上
のレジスト層（17）を残したまま、これらの上にSiO₂層
（19）をスパッタ法などにより積層する。（図−２
（ｅ）） その後、アセトン中の超音波処理で、レジスト層を溶解
しリフトオフ法によりエミッタ領域のSiO₂層（19）′を
抜く。この状態では表面はSiO₂（19）又はSi₃N₄膜（1
6）がおおっており、これを保護膜として熱処理を行な
い、イオン注入領域を活性化する。次に、エミッタ電極
のレジスタパタンを形成し、Si₃N₄層（16）をRIEエッチ
ングによってSiO₂側壁層を残したまま除去することによ
り、n⁺−G_aA_sキャップ層（15）を露出させ、エミッタ電
極（20）を蒸着する。（図−２（ｆ）） 次にベース領域，コレクタ領域は、メサエッチにより露
出させた後、電極の形成を行う。これらの工程は公知で
あるので、図示を省略する。このように、本発明ではリ
ッジストライプ領域、電流狭窄領域およびエミッタ電極
をセルフアライン技術により形成するため、微細なスト
ライプ構造を容易に実現でき、この結果、狭ストライプ
化に基く低閾値のレーザ及び高速バイポーラを高集積化
して形成することが可能となる。

次に第３図により、本発明の半導体装置を説明する第２
の実施例について説明する。第１図の第１の実施例とは
Ｐ−G_aA_sからなる活性層に接するｎ−AlG_aA_s層の構成が
異なる。即ち、第３図に示す第２の実施例ではｎ型AlG_a
A_s層（半導体レーザの場合はクラッド層）のAlとG_aの組
成比を連続的に変化させた傾斜接合を用いる点に特徴が
ある。例えばｎ型の で示される組成を、ｘ＝0.1から0.5の範囲でＰ−G_aA_s層
（３）と接する層から順次連続的に増加させるものであ
る。このようにした場合のバンド構造は第４図（ｂ）の
ようになる。

一方、第１図のバンド構造は第４図（ａ）のようにな
る。両者を比較すれば次のようになる。即ち、第４
（ａ）図の場合はベース部（32）とエミッタ（31）間の
伝導帯のスパイクが存在し、これはバイポーラトランジ
スタとして使用する場合の高周波特性を低下させる。

一方、第２の実施例である第４（ｂ）の場合はベース，
エミッタ間に伝導帯のスパイクがなく、さらにバンドギ
ャップが傾斜しているため、電子のベース中の走行がさ
またげられないので移動時間が短縮できる。この結果、
トランジスタの電流利得しや断周波数のより一層の向上
がはかれる。

また、第３図と第１図を比較すれば明らかなようにG_aA_s
活性層を薄層化することにもなり、この結果量子井戸
効果が生じるため、このようなエピタキシャル結晶構造
ではレーザとして動作させる場合にレーザ発振閾値の低
減も可能である。

（効果） 以上説明したように、本発明により構造及び製造方法を
開示した素子は低閾値のレーザ・ダイオードとしても動
作できるし、又高周波特性に優れたバイボーラトランジ
スタとしても動作し得る。即ち同一プロセスで高性能半
導体レーザと高性能トランジスタが形成可能となる。こ
れら半導体レーザと駆動回路素子をモノリシック化する
ことにより、高信頼の光源装置を経済的に生産すること
ができるため、光データリング等の構成に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の半導体装置の断面図、
第２図は本発明にかかる半導体装置の製造工程説明図、
第３図は本発明の第２の実施例の半導体装置の断面図、
第４図（ａ）は本発明の第１の実施例のバンド構造図、
第４図（ｂ）は本発明の第２の実施例のバンド構造図、 1,11……半絶縁性G_aA_s基板、2,4,12,14……ｎ型AlG_aA_s
層、２′,4′……ｎ型AlG_aA_s層であってAlとG_aの組成比
を連続的に変えた複合層、３……Ｐ型G_aA_s層、5,15……
高濃度n⁺型G_aA_s層、6,18……イオン注入により形成した
Ｐ型層、7,19……SiO₂絶縁層、8,9,10,20……電極、16
……Si₃N₄層、17……レジスト層、31……エミッタ部、3
2……ベース部、33……コレクタ部。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 29/73 (72)発明者 幸前 篤郎 神奈川県厚木市森の里若宮３番１号 日本 電信電話株式会社厚木電気通信研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−280665（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半絶縁性GaAs基板（１）上に設けられた断
   面凸状の第１のｎ型AlGaAs層（２）と、当該第１のｎ型
   AlGaAs層（２）の上部平坦面上に設けられたＰ型GaAs層
   （３）と、当該Ｐ型GaAs層（３）上に設けられた断面凸
   状の第２のｎ型AlGaAs層（４）と、当該第２のｎ型AlGa
   As層（４）の上部平坦面上に設けられた高濃度n⁺型GaAs
   層（５）と、上記第２のｎ型AlGaAs層（４）の下部平面
   を平面形状となし、かつ上記第１のｎ型AlGaAs層（２）
   に及ぶイオン注入により形成されたＰ型狭窄層（６）
   と、上記第２のｎ型AlGaAs層（４）と高濃度n⁺型GaAs層
   （５）に接して設けられた断面Ｌ字状の絶縁層（７）
   と、上記高濃度n⁺型GaAs層（５）の上面に連接した第１
   の電極（９）と、上記第２のｎ型AlGaAs層（４）の上記
   狭窄層（６）部分に連接した第２の電極（10）と、上記
   第１のｎ型AlGaAs層（２）の下部平坦面に連接した第３
   の電極（８）を有する半導体装置において、 第１のｎ型AlGaAs層（２）及び第２のｎ型AlGaAs層
   （４）が、それぞれＰ型GaAs層（３）に近づくにつれ
   て、AlとGaの組成比におけるAlの比率を連続的に減少せ
   しめた構成でなることを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】半絶縁性GaAs基板（11）上に気相化学成長
   法（MOCVD法）によりｎ型AlGaAs層（12）、Ｐ型GaAs層
   （13）、ｎ型AlGaAs層（14）及び高濃度ｎ型GaAs層（1
   5）をエピタキシャル成長させる工程と、上記高濃度ｎ
   型GaAs層（15）の上に窒化シリコン（Si₃N₄）膜（16）
   を形成する工程と、上記窒化シリコン膜上にホトレジス
   ト膜（17）を形成後、所定の領域のみ残存せしめる工程
   と、上記残存レジストをマスクとして上記窒化シリコン
   膜をCF₄ガスを用いてドライエッチングする工程と、高
   濃度ｎ型GaAs層及び上部ｎ型AlGaAs層の一部を塩素ガス
   を用いてドライエッチングし、リッジストライプ構造化
   せしめる工程と、上記リッジストライプ構造の周辺部
   に、下部ｎ型AlGaAs層に至る深さのＰ型領域（18）をイ
   オン注入により形成する工程と、二酸化シリコン（Si
   O₂）層（19）をリッジストライプ構造の側壁部も含めて
   形成する工程と、上記残存したレジストを溶解せしめ
   て、リッジストライプ構造上面部の二酸化シリコン層を
   リフトオフにより除去せしめる工程と、熱処理により上
   記イオン注入により形成したＰ型領域（18）を活性化す
   る工程と、上記窒化シリコン膜（16）をRIEエッチング
   により、上記二酸化シリコン膜（19）の側壁を残したま
   ま除去せしめて、上記高濃度ｎ型GaAs層（15）を露出せ
   しめた後に、ホストレジストを用いたパターニングによ
   り、当該高濃度ｎ型GaAs層（15）に連接して電極を形成
   する工程と、メサエッチングにより、上記上部ｎ型AlGa
   As層（14）のイオン注入部分の表面及び上記下部ｎ型Al
   GaAs層（12）のリッジストライプ構造部以外の表面を露
   出させた後にこれらに連接して電極を形成する工程 とを有することを特徴とする半導体装置の製法。