JPH08181382A

JPH08181382A - 半導体装置

Info

Publication number: JPH08181382A
Application number: JP32034194A
Authority: JP
Inventors: Takeo Miyazawa; 丈夫宮澤; Fumihiko Kobayashi; 二三彦小林; Hidefumi Mori; 英史森; Junichi Nakano; 純一中野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 1994-12-22
Publication date: 1996-07-12

Abstract

(57)【要約】【目的】電極および配線の容量を小さくさせる。【構成】レーザ構造Ｌ上に形成された電極金属１６お
よび配線の少なくとも一方の下層に溝１２，２９を設
け、この溝１２，２９内を半絶縁性半導体層２で埋め込
む構造とすることにより、半絶縁性半導体層２に形成さ
れる電極金属１６および配線が低容量化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば高速電気信号を
半導体レーザなどの半導体素子へ供給するために用いる
低容量電極および低容量配線を有する半導体装置に係わ
り、特に電極および配線構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子を半絶縁半導体層に埋め込む
と、高速電気信号により動作させることができる。例え
ば、半導体レーザを例にとると、高速化のために図１２
に斜視図に示すようにレーザ領域をメサ構造１に加工し
た後、半絶縁性半導体層２による埋め込みが行われる。
このように半絶縁性半導体層２で埋め込んだ半導体素子
では、ｐｎ埋め込み構造で見られるレーザ近傍の電流ブ
ロック領域（ｐｎ埋め込み層）と基板との接触面間に発
生する大きな寄生容量がない。また、電極形成領域３′
に形成される電極３は、半絶縁性半導体層２上の絶縁膜
４の上に形成されるので、これも低容量になり、素子全
体として容量が低くなる。なお、図１２において、Ｓは
（１００）面を有するＩｎＰ基板、８はコンタクト層、
９はレーザの活性層である（活性層９は光ガイド層が付
随することが多い。以後、光ガイド層が付随するものも
含めて活性層と呼ぶことにする）。

【０００３】最近、図１３に斜視図に示すようにレーザ
メサ構造１の両側に溝５を形成し、この溝５内をハイド
ライド気相成長法を用いて半絶縁性半導体層２で埋め込
むことにより、短時間でしかも直交レーザのように複雑
な形状のレーザも埋め込めることが本発明者らの研究に
よって明かとなった。このように構成される半導体装置
は図１２に示した半導体装置と同様にレーザ近傍の領域
の寄生容量が小さい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに構成される半導体装置は、電極３が膜厚の薄い絶縁
膜４を介してレーザ構造の上に形成されるので、容量は
小さくならない。したがって素子全体としては容量もあ
まり小さくならず、高速動作をさせることができないと
いう問題があった。

【０００５】また、多数の電極を有する半導体装置とな
ると、電極と半導体素子との間を配線しなければならな
くなる。このような半導体装置では、配線の容量を低く
抑えることも重要であるが、図１３に示すような埋め込
み構造では、電極と同様に配線の容量は小さくならない
という問題があった。

【０００６】したがって本発明は、前述した従来の課題
を解決するためになされたものであり、その目的は、電
極および配線の容量を小さくさせることができる半導体
装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明による半導体装置は、レーザ構造上に形
成された電極および配線の少なくとも一方の下層に溝を
設け、この溝内を高抵抗半導体などの低容量性の半導体
領域で埋め込む構造としたものである。

【０００８】

【作用】本発明においては、半導体領域上に形成される
電極および配線が低容量化されることになる。例えば直
交レーザのような複雑な形状のレーザも低容量化できる
ことになる。

【０００９】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。（実施例１）図１は、本発明による半導体装置の一実施
例による構成を説明するための電極および配線領域を有
する半導体レーザの製作過程を示す斜視図である。図１
において、基板Ｓは面方位（１００）のＩｎＰからな
り、レーザ構造ＬはＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰとの材料系
からなり、導電型の異なる２つの層間にレーザ活性層９
を有して形成されている。また、このレーザ構造Ｌ上に
は、レーザコンタクト層８および半導体保護層１０が積
層して形成されている。さらにこのレーザ構造Ｌには、
所定の電極形成領域およびレーザメサ形成領域に対応す
る開口パターンを有するＳｉＯ₂ マスク１１を形成し、
このＳｉＯ₂ マスク１１をエッチングマスクとしてＣ₂
Ｈ₆とＨ₂ とを反応ガスとする反応性イオンエッチング
法（ＲＩＥ法）により基板Ｓに達する深さにエッチング
されてレーザメサ構造１およびこのレーザメサ構造１の
両側の溝１２，電極形成領域の溝２９がそれぞれ形成さ
れている。

【００１０】この場合、レーザメサ構造１の方向は、＜
１１０＞方向であり、電極形成領域の溝２９は、＜−１
１０＞方向に延びている。レーザメサ構造１の両側の溝
１２の幅は約１０μｍであり、電極形成領域の溝２９の
幅は約５０μｍである。これは、＜１１０＞方向メサ構
造の横方向成長速度が＜−１１０＞方向メサ構造のそれ
より遅いためである。

【００１１】次に溝１２，２９が形成された後、ＲＩＥ
法で用いたＳｉＯ₂ マスク１１を選択成長膜として用
い、ハイドライド成長法によってレーザメサ構造１の両
側の溝１２および電極形成領域の溝２９内を鉄をドーピ
ングした高抵抗ＩｎＰにより埋め込み、図２に示すよう
に半絶縁性半導体層２を形成する。次にレーザ構造Ｌ上
のＳｉＯ₂ マスク１１および半導体保護膜１０を除去し
た後、レーザコンタクト層８上に新たにＳｉＯ₂ 絶縁膜
１３の堆積，レーザメサ構造１上のＳｉＯ₂ 絶縁膜１３
のコンタクト層８への開口１４の形成およびオーミック
電極１５，電極金属１６の蒸着などの通常のレーザプロ
セスによって図２に示すような高速レーザが完成する。
なお、図中、点線で示されている領域は、絶縁膜１３下
に半絶縁性半導体層２で埋め込まれた溝１２，２９のあ
る領域である。

【００１２】溝１２，２９を用いたレーザの埋め込みで
は、溝１２，２９の深さは約４μｍ以上になっても、容
易に平坦な埋め込みが可能であるので、低容量素子が実
現できる。例えば溝１２，２９の深さを約１０μｍ，電
極寸法を１００μｍ×１００μｍとすると、電極形成領
域の容量は、約０．１ｐＦとなり、５０オーム終端の場
合、３ｄＢ帯域は５０ＧＨｚとなる。これに対して従来
の有機金属成長法を用いる図１２のようなタイプでは、
半絶縁性半導体層２の厚さは２．５μｍ程度なので、３
ｄＢ帯域は１２．５ＧＨｚとなる。

【００１３】なお、溝１２，２９の埋め込み方法では、
結晶成長法としてハイドライド気相成長法を用いたが、
このハイドライド気相成長法により溝２９が埋め込まれ
る過程は、図３に拡大断面図で示すように溝２９の側面
６から半導体成長層７が成長し、溝２９の中央で両側面
６からの半導体成長層７が合体することにより形成され
る。この方法により溝を平坦に埋め込める溝の幅は数十
μｍ程度であり、それ以上の幅の溝を埋め込もうとする
と、埋め込み層表面の平坦性が損なわれる。したがって
数十μｍ角の寸法の小さい電極形成領域を埋め込むに
は、溝を１つ形成するのみでも可能である。しかし、通
常、電極形成領域は１００μｍ角程度の大きさを有する
ため、これを半絶縁性半導体層２で埋め込むためには、
図４に示すように複数の溝２９を形成する必要がある。

【００１４】この場合、図５に拡大断面図で示すように
複数形成した溝２９を半絶縁性半導体層２で埋め込んだ
後に電極形成領域２９′に絶縁膜１３を堆積し、その上
に電極金属１６および図示しない配線を形成する。この
絶縁膜１３によって埋め込まれずに溝２９の間に取り残
されたレーザ領域Ｍは、電極金属１６および配線と電気
的に絶縁される。また、このレーザ領域Ｍの容量は小さ
く、電極金属１６および配線の容量に及ぼす効果は小さ
い。例えばこの取り残されたレーザ領域Ｍの幅を２μ
ｍ，長さを１００μｍとし、絶縁膜１３の厚さを０．３
μｍのＳｉＯ₂ 膜とすると、このレーザ領域Ｍの容量は
２×１０^-2ｐＦ程度であり、殆ど無視できる。

【００１５】また、溝２９の半絶縁性半導体層２により
埋め込まれる速度は、溝２９の延びている方向によって
異なる。したがって効率的に溝２９を埋め込むために
は、溝側面６からの横方向成長速度が最大となるように
溝２９の方向を定め、溝２９が最も短時間で埋め込まれ
るように設定すると、取り残されたレーザ領域Ｍの数が
最小となる。したがって、低容量化のためには、溝２９
の延びる方向を側面６からの横方向成長速度が最大とな
るように選ぶことが最も好ましい。ただし、必ずしも、
横方向成長速度が最大となるように選ばなくても、本発
明による半導体装置は形成できる。

【００１６】図６は、レーザメサ構造１の方向を＜−１
１０＞方向とした場合の溝構造を示したものである。図
６においては、レーザメサ構造１の両側の溝１２の幅が
約５０μｍと電極形成領域の溝２９の幅と同じ以外は前
述した図１の素子の場合と同じであり、素子製作プロセ
スも同じである。

【００１７】（実施例２）図７は、本発明による半導体
素子の他の実施例による構成を示す光横注入双安定レー
ザを示す斜視図であり、前述の図と同一部分には同一符
号を付してある。図７に示す光横注入双安定レーザは、
前述した実施例１と同じ製作工程により形成される。こ
のように構成された半導体素子は、レーザ部１７，過飽
和吸収部１８および光増幅部１９を有して形成されてい
る。なお、図中、点線で示された領域は、絶縁膜１３の
下に半絶縁性半導体層２で埋め込まれた溝１２，２９の
ある領域である。

【００１８】このように構成される光横注入双安定レー
ザおいて、エピタキシャルウエハは、量子井戸構造であ
り、双安定動作は、レーザ部１７と過飽和領域１８との
相互作用で生じる。過飽和吸収部１８は、量子井戸の過
飽和特性を利用し、レーザダイオードのビルトイン電圧
以下の電圧を印加する。制御光は、光増幅部１９に入力
され増幅された後、過飽和吸収部１８に入射する。光が
一度入射すると、それまでレーザ発振していなかったレ
ーザ部１７が発振を始め、制御光がなくなった後もレー
ザ光を出し続ける（双安定動作）。

【００１９】一度、発振を始めたレーザ光を止めるため
には、深い逆バイアス電圧を過飽和吸収部１８に加えな
ければならない。図７に示した半導体素子では、過飽和
吸収部１８に深い逆バイアスを高速で印加するために本
実施例による低容量の電極２０および配線２１が設けら
れている。

【００２０】（実施例３）図８は、本発明による半導体
装置のさらに他の実施例による構成を示す半導体集積化
モード同期レーザの斜視図であり、前述の図と同一部分
には同一符号を付してある。図８において、この半導体
集積化モード同期レーザは、レーザ部１７と光変調器３
０とを有して構成されている。なお、図中、点線で示さ
れた領域は絶縁膜１３の下に半絶縁性半導体層２で埋め
込まれた溝１２，２９のある領域である。

【００２１】また、エピタキシャルウエハは、レーザ発
振のための量子井戸活性層９と光変調器３０のための量
子井戸光吸収層２２とから構成されている。量子井戸活
性層９は、光変調領域２５では除去されている。このよ
うなエピタキシャル構造は、量子井戸活性層９まで成長
したエピタキシャルウエハを、光変調領域２５で量子井
戸活性層９をエッチングし、その後、図示しないクラッ
ド層，コンタクト層８および図示しないＩｎＰ保護層１
０をエピタキシャルウエハの全体に再成長することによ
って製作される。

【００２２】モード同期光パルスは、変調器部３０を、
素子内を光が一周する周期で変調することによって得ら
れる。この周期は、通常１００ｐｓより短いので、変調
信号を入力する電極２４および配線２３は低容量でなけ
ればならない。そこで、図８に示すように本実施例によ
る低容量電極２４および低容量配線２３が設けられてい
る。これらの電極２４および配線２３の下の図示しない
半絶縁性半導体層２により埋め込まれた溝の深さは、周
期１００ｐｓ以上の高速性を得るために約１０μｍと深
くなっている。

【００２３】（実施例４）図９は、本発明による半導体
素子の他の実施例による構成を示す導波型光検出器の斜
視図である。図９において、図２と異なる点は、図２の
量子井戸活性層９の代わりに光吸収層２８を設けるとと
もに、光結合を向上させるための幅の広い光検出部の導
波路２６および高速性を向上させるための溝の深さを深
くした電極３２が設けられて構成されている。

【００２４】このような構成において、入射光は、素子
端面２７より入射し、低容量化した電極３２を通して素
子に逆バイアス電圧を印加するとともに、検出信号を外
部に取り出す。なお、図中、点線で示された領域は、絶
縁膜１３の下に図示しない半絶縁性半導体層２で埋め込
まれた図示しない溝１２，２９のある領域である。

【００２５】なお、前述した実施例においては、結晶成
長法としてハイドライド気相成長法を用いたが、他の結
晶成長法でも溝を埋め込むことは可能であるので本発明
は有効である。特にハイドライド気相成長法以外では、
クロライド気相成長法，塩化水素を添加した有機金属成
長法が適している。

【００２６】なお、前述した実施例では、レーザメサ形
成領域および電極形成領域を埋め込むために鉄をドーピ
ングしたＩｎＰを用いたが、鉄以外にチタンやクロムま
たはこれらと鉄とを同時にドーピングしたＩｎＰでも高
抵抗半導体になるので、このような半導体層を代わりに
用いることができる。また、これらの高抵抗半導体層の
間にＩｎＧａＡｓＰのような組成の違う半導体層を少な
くとも一層挿入すると、挿入層が高抵抗半導体中にレー
ザ領域より注入され、鉄などの不純物に捕獲されないキ
ャリアに対してブロック層として機能するので、レーザ
の高出力化に有効である（二層以上挿入するときには、
挿入層の組成が異なってもかまわない）。また、このよ
うな挿入層が入った多層構造で電極形成領域を埋め込む
ことは可能である。

【００２７】また、前述した実施例では、ＩｎＰ系レー
ザを例にとって説明したが、他の材料系でも実施可能で
ある。例えばクラッド層と高抵抗埋め込み層とがＧａＡ
ｓであり、活性層がＩｎＧａＡｓを井戸層とする歪量子
井戸よりなる半導体レーザでも実施可能である。埋め込
み層のＧａＡｓを高抵抗化するには、バナジウム，クロ
ムまたは酸素をドーピングすれば良い。または成長条件
を最適化し、バックグラウンドキャリア濃度を下げるこ
とによっても高抵抗化できる。また、ＧａＡｓ埋め込み
層中にブロック層を設ける場合には、歪ＩｎＧａＡｓを
ブロック層として用いることができる。

【００２８】また、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓレーザで
も、同様に実施可能である。この場合、埋め込み層はＡ
ｌＧａＡｓとなり、挿入層はＧａＡｓないしは埋め込み
層と異なる組成を有するＡｌＧａＡｓとなる。埋め込み
層のＡｌＧａＡｓを高抵抗化するには、酸素をドーピン
グすれば良い。または成長条件を最適化し、バックグラ
ウンドキャリア濃度を下げることによっても高抵抗化で
きる。さらにその他、各種の材料系でも本発明は実施可
能である。

【００２９】また、前述した実施例においては、電極形
成領域２９′上に絶縁膜１３が形成された場合について
説明した。しかしながら、埋め込み溝２９が半絶縁性半
導体層２により埋め込まれているので、必ずしも絶縁膜
１３がなくても良い。この場合は、図１０に断面図で示
すように取り残されたレーザ領域Ｍの上部だけに絶縁膜
１３′を形成するか、または図１１に断面図に示すよう
に取り残された他のレーザ領域Ｍの上に電極金属１６が
載らないようにすれば良い。取り残されたレーザ領域Ｍ
上の絶縁膜１３′としては、ＲＩＥ法でＳｉＯ₂ マスク
１１として用いたＳｉＯ₂ 膜をそのまま用いることもで
きる。

【００３０】また、取り残されたレーザ領域Ｍの上に電
極金属１６が載らないようにした場合、図１１に断面図
に示すように外部への結線のための金属ワイヤーまたは
金属リボン３３を電極形成領域２９′にボンディングし
たとしても、電極金属１６または電極金属１６上にメッ
キをした場合にはそのメッキ層と電極金属１６とが邪魔
をして金属ワイヤーまたは金属リボン３３は、取り残さ
れたレーザ領域Ｍには空間部が形成されて直接接触する
ことがないので、何等支障がない。また、埋め込み半絶
縁性半導体層２の全部が半絶縁性でなくても絶縁膜１３
を必要としない場合があることは明かである（例えば埋
め込み半絶縁性半導体層２中に組成の違う挿入層があ
り、これがノンドープのｎ型電導層である場合）。

【００３１】また、前述した実施例においては、レーザ
構造Ｌ上に絶縁膜１３を介して電極１６および配線が形
成されている場合について説明したが、本発明は、これ
に限定されるものではなく、２つの溝２９の間に取り残
されたレーザ領域Ｍおよび溝２９と隣接する溝１２との
間に取り残されたレーザ領域Ｍ′（図１参照）上に少な
くとも絶縁膜１３が形成されていれば、前述と同様の効
果が得られる。また、溝２９と溝１２とが連結した構造
では、絶縁膜１３を一切使用しなくても良い。

【００３２】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
レーザ構造と電極および配線の少なくとも一方との間の
寄生容量が低くなるので、高速動作が可能となるなどの
極めて優れた効果が得られる。

【００３３】また、本発明による半導体装置は、製作工
程も従来の方法に付加する点が全くなく、フォトマスク
のパターンを変更するのみで、製作が極めて容易となる
などの極めて優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体装置の構成を説明するた
めの電極および配線領域を有する半導体レーザの製作過
程の一部を示す斜視図である。

【図２】本発明による半導体装置の一実施例による構
成を説明するための半導体レーザの斜視図である。

【図３】本発明による半導体装置における溝埋め込み
過程を説明する要部拡大断面図である。

【図４】本発明による半導体装置における電極領域形
成のために形成された複数の溝よりなるエピタキシャル
ウエハの構成を示す要部拡大斜視図である。

【図５】本発明による半導体装置における電極領域を
示す要部拡大断面図である。

【図６】本発明による半導体装置の構成を説明するた
めの電極および配線領域を有する半導体レーザの製作過
程の一部を示す斜視図である。

【図７】本発明による半導体装置の他の実施例による
構成を示す光横注入双安定レーザの斜視図である。

【図８】本発明による半導体装置の他の実施例による
構成を示す半導体モード同期レーザの斜視図である。

【図９】本発明による半導体装置の他の実施例による
構成を示す導波型光検出器の斜視図である。

【図１０】本発明による半導体装置に係わる取り残さ
れたレーザ領域と電極金属と絶縁構造を説明するための
要部拡大断面図である。

【図１１】本発明による半導体装置に係わる取り残さ
れたレーザ領域と電極金属と絶縁構造を説明するための
要部拡大断面図である。

【図１２】従来の半絶縁性半導体埋め込み半導体レー
ザの構成を示す斜視図である。

【図１３】溝埋め込み方法による半絶縁性半導体埋め
込み半導体レーザの構成を示す斜視図である。

【符号の説明】

１…レーザメサ構造、２…半絶縁性半導体層、３…電
極、３′…電極形成領域、４…絶縁膜、５…溝、６…溝
側面、７…半導体成長層、８…コンタクト層、９…レー
ザ活性層、１０…半導体保護層、１１…ＳｉＯ₂ マス
ク、１２…溝、１３…ＳｉＯ₂ 絶縁膜、１４…開口、１
５…オーミック電極、１６…電極金属、１７…レーザ
部、１８…過飽和吸収部、１９…光増幅部、２０…低容
量電極、２１…低容量配線、２２…量子井戸吸収層、２
３…低容量配線、２４…低容量電極、２５…光変調領
域、２６…導波路、２７…光入射端面、２８…光吸収
層、２９…溝、２９′…電極形成領域、３０…光変調
器、３２…低容量電極、３３…金属リボン、Ｌ…レーザ
構造、Ｍ…レーザ領域、Ｍ′…レーザ領域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中野純一東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上にレーザ構造が形成され、
前記レーザ構造上に電極および配線の少なくとも一方が
形成された半導体装置において、前記電極および配線の少なくとも一方の下層に溝が設け
られ、前記溝内が半導体領域にて埋め込まれていること
を特徴とする半導体装置。
【請求項２】請求項１において、前記溝の延びている
方向が前記溝を埋め込む結晶成長法における前記溝の側
面からの横方向成長速度が最も大きくなるような方向と
したことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】請求項１において、前記溝の延びている
方向が前記溝を埋め込む結晶成長法における前記溝の側
面からの横方向成長速度が最小方向以外の方向としたこ
とを特徴とする半導体装置。
【請求項４】請求項１，請求項２または請求項３にお
いて、前記溝を埋め込む半導体領域が半導体多層膜構造
としたことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】請求項１，請求項２，請求項３または請
求項４において、前記溝を埋め込む半導体領域の少なく
とも一部の領域が高抵抗半導体としたことを特徴とする
半導体装置。
【請求項６】請求項１，請求項２，請求項３，請求項
４または請求項５において、前記溝を埋め込む半導体領
域が気相成長法にて形成した半導体領域としたことを特
徴とする半導体装置。