JPS63500279A - 半導体構造の製造方法 - 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】 半導体構造およびその製造方法 〔技術分野〕 本発明は半導体構造およびその製造方法に関する。特に、半導体レーザ等の光学 電子素子およびその製造の分野に利用できる。

〔背景技術〕

ある種の光学電子素子は、半導体基板上にメサ構造が設けられ、このメサ構造の 両側に埋め込み層が設けられた中心構造をもつ。このような素子は、ミカミ他、 ｒｌ、５　ｔｉｎ　Ｇａ１ｎＰ／ＩｎＰ　ベリイド・ヘテロストラフチャー・レ ーザ・フアプリケーテド・パイ・ハイブリッド・コンビネーション・オブ・リキ ッド−・アンド・ペーパーフェーズ・エピタキシ」、エレクトロニクス・レター ズ第１８巻第５号（１９８２年３月４日）第２３７頁ないし第２３９頁（０，Ｍ ｉｋａｍｉ　ｅｔ　ａＬ　”１．５ｔｎｎ　Ｇａ１ｎＰ／ＩｎＰ　Ｂｕｒｉｅｄ 　Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａ　Ｌａ５ｅｒｓ　Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｂ ｙ　Ｈｙ−ｂｒｉｄ　Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｌｉｑｕｉｄ−ａｎｄ　 Ｖａｐｏｕｒ−Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ”＋　Ｅｌｅｃ−ｔｒｏｎｉｃｓ　 Ｌｅｔｔｅｒｓ、　１８（５）　（４，３，８２）　ｐｐ　２３７−２３９）に 説明されている。

ここで「メサ構造」とは、側面が急峻で上面が平坦な直線状のストライプをいう 。

このような素子は、電流が通過するｐｎ接合（一般にはｐからｎに流れる）と、 光が閉じ込められる導波領域とを備える。導波領域は「活性層」を含み、その内 部で、放射性再結合により電子と正孔とが結合して光子を発生する。活性層のこ のようなプロセスを適度に「閉じ込め」るために、活性層は、そのバンドギャッ プおよび屈折率が構造内の他の半導体領域に対して適当な関係になっている必要 がある。導波領域の両側で向かい合ってこの導波領域に接している材料層は、「 閉し込め層」と呼ばれている。

半導体光素子は、主に、光フアイバ通信システムの分野で利用される。一般には 、周期表の■族およびＶ族から選択された元素の材料により構成される。近年製 造されているシリカ光ファイバは、損失の極小値が１．３ｐおよび１，５５−の 波長近傍にあり、１．５５四の極小イ直がより小さい。したがって、１．１ない し１．６５ｍ、４１に１．３ないし１．６−の波長範囲で動作する素子が特に必 要である（これらの波長は、文脈から異なることが示される場合を除いてすべて の波長がそうであるように、真空中の波長である）。この赤外領域で動作する半 導体レーザは、通常は、インジウム・リンＩｎＰおよび四元系材料のインジウム ・ガリウム・ヒ素リンＩｎｘ　Ｇａ＋−＋＋　Ａｓｙｐｌ−Ｆの領域を含む。Ｘ およびｙの値を適切に選択することにより、種々の領域と格子定数を整合させる 仁とができ、この一方で、材料のバンドギャップを変化させることができる（バ ンドギャップは、例えばホトルミネッセンスにより実験的に決定することができ る）。さらに、インジウム・リンおよび四元系材料には、必要に応じてｐまたは ｎ型になるように不純物を添加できる。

公知の素子のうち最と部にメサ構造が設けられた半導体レーザについて説明する と、このような半導体レーザは、メサ構造内に活性層を有する。メサ構造の電極 は、基板のメサ構造から最も離れた端面に設けられる。必要な「閉じ込め」は、 鉛直方向には半導体材料の屈折率の変化により光学的に提供され、水平方向には 埋め込み層により光学的および電気的に提供される。埋め込み層は、電極間のす べての電流がメサ構造を通過し、したがって活性層を通過するようにする。ひと つの形態として、埋め込み層が、素子の使用時には電極間の電流を導通しない半 導体接合となるようにする。

電極間の半導体層がｐｎ接合により構成され、埋め込み層が、基板との組み合わ せにより同じ方向にｎｐｎ接合を構成する場合には、良好な電気的閉じ込めが達 成される６使用時には、埋め込み層および基板は、双方向に、逆バイアスとなる 半導体接合を含む。この代わりに、埋め込み層および基板が、一方向または双方 向に多重に逆バイアスされる半導体接合となる構造としてもよい。

他の形態として、埋め込み層が「半絶縁」材料、例えば鉄ＦｅがドープされたＩ ｎＰを含むこともできる。このような材料は、例えばドープされていないＩｎＰ に比較して大きな抵抗を有する。この形態における埋め込み層は、実質的に完全 に電流の流れを防ぎ、低容量である利点がある。低容量であることにより素子の 速度が増加する。

従来は、このタイプの素子は、液相エピタキシ（ＬＰＥ）法により製造されてい た。しかし、この技術は、溶融体内での対流、埋め込み層の厚さの制御が不正確 であること、製造中のメサ構造が溶は出すこと等の問題がある。これらの問題に より、特に、大きな領域での均一性を保つことができず、この技術で大量生産を 行うことは容易ではない。

ミカミ他の論文には、抵抗性の埋め込み層を含む素子の製造方法が開示されてい る。メサ構造を構成する層は、１ｎＰおよび四元系の層を含み、ＬＰＥにより半 導体ウェハ上に成長し、窒化ケイ素５ｉＪ−のマスク・ストライブの両側を化学 エツチングすることよりメサ構造が形成される。埋め込み層は高抵抗のイン？ウ ム・リンＩｎＰで構成され、メサ構造の両側に、気相エピタキシ（ＶＰＥ）によ り成長させられる。ＶＰＥ成長の段階ではＳｉ３Ｎ４ストライプは残っており、 メサ構造自身の表面における成長を防ぎ、この後に除去される。

ミカミ他により製造された二つのレーザの特性は、１、（ｉ）活性層の厚さ０． ２−１ （ｉｉ　）活性層の幅４ｐ、 （ｉｉｉ　）パルスしきい電流が約８５＋ｎＡ　。

２、（ｉ）活性層の厚さ０．２　ｐ、 （１１）活性層の幅１０ｐ５ （ｉｉｉ　）パルスしきい電流は約８００ｍＡないし５００＋ｎＡ、（ｉｖ　） 波長１．５２５　ｎで草−縦モード出力であると主張されている。

ミカミ他のＬＰＥ−ＶＰＥハイブリッド技術は、製造中におけるメサ構造からの 溶は出しの問題を解決できるが、まだ欠点が残っている。ＬＰＥ成長の工程を含 むため大量生産に適さず、埋め込み層内に大きな漏れ電流が観測され、Ｓｉ　２ Ｎ４ストライプの幅が狭いときには、埋め込み層が架橋してしまう傾向がある。

別の成膜技術として響板金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）が公知であり、この 技術は素子の大量生産に有望である。この技術は、原子的なスケールでの界面の 急激な変化、正確な組成制御および大きな領域にわたる厚さおよび組成の均一性 という強く望まれている特徴を組み合わせて提供する。

残念ながら、ミカミの技術におけるＬＰＥ−ＶＰＥ成長工程をＭＯＶＰＥ工程で 単純に置き換えることの可能性は見出されていない。

これが可能ならば、埋め込み層の逆バイアス接合によりさらに電流閉じ込めの良 好な構造を作ることができ、さらに、大きな出力パワーが得られる。メサ構造の 層を成長させるためにＭＯＶＰＥを使用できるが、ミカミの技術では、埋め込み 層の連続的成長がＶＰＥの成長特性に依存する。ミカミの技術における化学エツ チング工程は、断面形状が特徴的なメサ構造を作り出す。ＭＯＶＰＥを使用し、 そのようなメサ構造上に埋め込み層を成長させると、埋め込み層が横に成長する のではなく、インジウム・リンＩｎＰの「耳」が直立に成長してしまい、メサ構 造の側面を連続的に被覆することができない。

低圧「有機金属化学気相成長（ＬＰ−ＭＯＣＶＤ）Ｊエピタキシャル成長工程だ けを用いて埋め込みメサ構造のレーザを製造する方法の概略が、「ベリイ・ロー ・スレツシヨルド・ベリイド・リッジ・ストラフチャ・レーザズ・エミッティン グ・アト１．３−グロウン・パイ・ロー・プレッシャ・メタルオーガニック・ケ ミカル・ベイパ・デボジッション」、エム・ラゼギ他、アプライド・フイジクス ・レターズ第４６巻（２）　（１９８５年１月１５日）第１３１頁ないし第１３ ３頁（”Ｖｅｒｙ　Ｌｏｗ　Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　Ｂｕｒｉｅｄ　Ｒｉｄｇｅ　 ５ｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｌａ５ｅｒｓ　Ｅｍｔｔｔｉｎｇａｔ　１．３ｍ　Ｇｒｏ ｗｎ　ｂｙ　Ｌｏｗ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍ ｉｃａｌ　ＶａｐｏｕｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ’　ｂｙ　Ｍ、Ｒａｚｅｇｈｉ　 ｅｔ　ａｌ、　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　４６（２ ）（１５，１，８５）　ｐａｇｅｓ　１３１−１３３）に説明されている（ＭＯ ＣＶＤはＭＯＶＰＥの別な用語である）、この方法は、ＩｎＰ基板上に、ｎ型に ドープされたＩｎＰ閉じ込め層と、ドープされていないＧａＡｓ１ｎＰ活性層と 、エツチング中に活性層近傍に欠陥が生しることを防ぐためのｐ型にドープされ たＩｎＰ　Ｊｉｉｉとを成長させる工程を含む。マスクを用いたエツチングによ り、活性層を小さくしてメサ構造に形成する。

マスクを除去した後に、メサ構造をｐ型にドープされたＩｎＰ　Ｒ１およびｐ型 にドープされたＧａＩｎＡｓキャップ層で覆う。

上述の方法では、すべての成長工程を低圧ＭＯＶＰＥにより実行するため、大量 生産に有利である。さらに、ひとつの成長技術だけを利用するので非常に便利で ある。しかし、製造された素子は、活性領域の両側の大面積のｐｎへテロ接合と 、活性領域自身の比較的小さい領域を通過するｐｎへテロ接合との間に生じる本 来的な電位差に依存するか、または、さらに複雑な製造プロセスを含む。連続発 振動作で観測された最も小さいしきい電流が１１ｍＡであったことが述べられて いるが、２６９素子について測定して得られた値は、１７．９ｍＡ以上５０．Ｏ ｍＡ以内の範囲で変化した。これらの素子の４４．６％はしきい電流が４５ｍＡ を越えていた。さらに、光パワー放射はたった１５ＩＩＩＡ程度であった。

本発明の目的は、改善された半導体構造を提供し、その製造方法を提供すること である。

以下では、構造または素子の特定の方向を意味する「上」等の用語を用いて構造 および素子を説明する。このような用語の使用は説明の便利のためであり、構造 または素子の特定の方向を制限するものではない。

〔発明の開示〕

本発明の第一の発明は半導体構造を提供するものであり、メサ構造が設けられた 基板を備え、このメサ構造の最上層がインジウム・リンＩｎＰにより形成された 半導体構造において、上記メサ構造の側面は実質的に窪みの無い形状（ｎｏｎ− ｒｅ−ｅｎｔｒａｎｔ）であり、上記側面は埋め込み層により埋め込まれ、これ らの埋め込み層の最上面は上記メサ構造の最上面から上方に伸びて朝顔状の溝を 形成する構造であることを特徴とする。

本発明の半導体構造は、メサ構造の最上部の材料としてインジウム・リンＩｎＰ を設けたままで、すべての成長工程にＭＯＶＰＥを使用して製造できる利点があ る。インジウム・リンＩｎＰは特に良好な光学的および電気的な閉じ込め特性を 示す。

ＭＯＶＰＥにより埋め込み層を成長させるために、メサ構造の側面が実質的に窪 んでいないことが重要である。特に、メサ構造の最上層は、側面に（１１１）　 Ａ面が現れないことが望ましい、双方の側面のどの部分も、メサ構造の最上面の 幅の１０％以上に側面から張り出す（オーバハングとなる）べきではない。さら に望ましくは、どのようなオーバハングもメサ構造の最上面の幅の５％以上にな ってはならず、または、オーバハングが無く、メサ構造の側面が垂直または最上 面に向かアで細くなる形状でなければならない。

本発明の第二の発明は半導体構造を製造する方法を提供するものであり、この方 法は、 （ｉ）インジウム・リンＩｎＰの最上層を含む半導体ウェハ上にを板金属気相成 長を抑制する成長抑制材料の層を堆積させる工程と、（ｉｉ）上記成長抑制材料 を選択的にエツチングして、上記ウェハの＜１１０＞結晶方向に上記成長抑制材 料のストライプを形成する工程と、 ［ｉｉｉ　）上記ストライプの下に、実質的に窪みのない側面を存するメサ構造 を形成する工程と、 （ｉｖ　）有機金属気相エピタキシにより埋め込み層を成長させて上記メサ構造 の側面を埋める工程と、 （ｖ）上記成長抑制材料のストライプを除去する工程とを含む。

このようにして初期半導体構造を製造することにより、成長抑制材料のストライ プを自己配置（セルフ・アライン）により製造でき、メサ構造上の中央に配置す ることができる。

成長抑制材料は例えばシリカである。

成長抑制材料は、その幅がメサ構造の最上面の幅と実質的に等しいことが望まし い。これは、埋め込み層の成長に有利である。例えば、ストライプは、その幅が メサ構造の最上面の幅より０．４−以上は広くないように、またはメサ構造の最 上面の幅より狭くする。

ある場合には、成長抑制材料のストライプを実現することが困難である。シリカ 等のある種の材料では、その表面の成長抑制特性を増大させる方法として、６０ ０℃以上７００℃以下の範囲の温度で少なくとも１分間、ホスフィンＰＨｓの存 在下に上記表面を置く方法が提案されている。この方法では、処理時間を３分ま たは５分以上にすることが望ましい。

上述の（ｉｉ）および［ｉｉｉ　）の構成を実行するには一以上の方法がある。

第一の方法は、 （ａｌ　成長抑制材料の層の上にレジスト材料のマスクを形成する工程と、 Ｃｂ）　このマスクを用いて、このマスクがアンダカソトされるように成長抑制 材料の層をエツチングする工程と、（ｅ）　上記マスクのアンダカットされた部 分が落下して半導体ウェハに接するように、上記マスクのレジスト材料を溶融再 固化する工程と、 ｆｄ＋　レジスト・マスクを用いて半導体ウェハの基板をエツチングしてメサ構 造を形成する工程と、 ｔｅｌ　上記レジスト材料のマスクを除去する工程とを含む。

第二の方法は、 （ｆｌ　成長抑制材料の層上にレジスト材料のマスクを形成する工程と、 （ｇｌ　上記成長抑制材料の層を上記レジスト材料のマスクにより選択的にエツ チングして二層マスクを形成する工程と、（ｈｌ　この二層マスクを用いて半導 体ウェハをエツチングしてメサ構造を形成する工程と、 （１）上記レジスト材料のマスクを除去する工程とを含み、（ｉ）の工程の前に 、ウェハの最上面を酸化させてこのウェハの最上面と有機金属成長抑制材料との 間に生じる界面の完全性を劣化させる。

酸化は酸化性の気体または混合気体、例えば窒素Ｎ２と酸素ｏ２との混合気体を ウェハの最上面上に流すことにより実行される。

本発明の特に重要な応用は、華−伝搬モードで動作するレーザの製造である。こ れらのレーザは、光通信システムにおいて非常に重要である。このようなレーザ を本発明の方法により製造された半導体構造から製造でき、メサ構造の最上面の 幅を５−以下に制限することができる。

本発明の実施例について、単一伝搬モードの半導体レーザおよびその製造方法を 例に、添付図面を参照して説明する。

〔図面の簡単な説明〕

第１図はレーザの製造に使用するためのダブル・ヘテロ構造ウェハを示す。

第２ａ図ないし第２ｆ図は第１図のウェハから初期半導体構造を製造する段階を 示す。

第３ａ図ないし第３ｆ図は第１図のウェハから初期半導体構造を製造する別の方 法の段階を示す。

第４図は埋め込み層が成長した後の初期半導体構造を含む半導体構造を示す。

第５図は被覆層で被覆された第４図の構造を示す。

第６図は完成したレーザを示す。

第７図は完成したレーザのバイアスＮ’ｌＲに対する出力パワーのグラフをｌ１ １−で示す。

第８図は完成したレーザの電流パルス変調に対するパルス応答を示す。

第９図は複数のレーザについて測定したしきい電流の度数分布を示す。

上述の第１図ないし第６図はそれぞれ、ウェハの一部だけを示し、その部分を使 用するひとつのレーザだけの製造の段階を示す。

第１図ないし第６図は寸法通りではない。どの図面も断面を示しているが、明確 のためにハンチングは省いた。

〔発明を実施するための最良の形態〕

第６図を参照すると、完成したレーザ鳴、基板２上に層状のメサ構造３．４．５ を備える。メサ構造３．４．５の側壁は、最上面１５に向かって傾斜している。

これらの側壁は埋め込み層８．９により埋め込まれ、埋め込みＮ９の最上面１７ はメサ構造の最上面１５がら上方向に伸びて朝顔形の溝を形成する。

第１図を参照すると、レーザの製造の第一段階は、ダブル・ヘテロ構造のウェハ １を製造することである。ベース層２は、イオウＳがドープされた厚さ２００頗 、結晶面が（１００）のＩｎＰ　ｉｉであり、そのｎ型ドーピング・レベルは約 ８　ＸＩＯ”ｃｍ−”である。ベース層上には、以下の三つの層３．４．５、す なわち、はぼ２　ＸＩＯ”ｃｍ−’のｎ型にイオウＳがドープされた厚さ０．５ ＩＭのＩｎＰ層３．０．１４−のドープされていないＧａＩｎＡｓＰ　ｉＪ　４ 、およびほぼ５　ＸＩＯ”ｃｍ−’のｐ型にカドミウムＣｄがドープされたＩｎ ＰＨ５を成長させる。ＧａｌｎＡｓＰ層４のバンドギャップは、ホトルミネッセ ンスにより測定され、１．５２−と等価である。層３．４．５は格子が整合して おり、通常の成長条件でＭＯＶＰＥにより成長させた。

第２ａ図を参照すると、三番目の層６として二酸化ケイ素５ｉ０２の層を堆積さ せている。この層は、化学気相成長（ＣＶＤ）によるシランＳｉＨ＋と酸素０２ との混合気体の反応により、１００　ｎｍないし３００　ｎｍの厚さに成長させ ている。この成長は４５０℃で実施される。

第２ｂ図を参照すると、ウェイコートＷ４３　（Ｗａｙｃｏａｔ　Ｗ４３）とい うネガ型ホトレジストを用いて、ウェハ】に対してＮ　１０）方向に伸びる輻５ μのストライプを含むマスク７を形成する。マスク７を通常の方法により露光お よび現像し、この後に、次の工程でレジストが持ち上がらないように、１５０℃ で４５分間ベーキングする。

第２Ｃ図を参照すると、マスク７を用いて、秒読み「サイロクス・エツチング（ ｓｉｌｏｘ　ｅｔｃｈ）　Ｊにより、二酸化ケイ素５ｉ（ｈ　（シリカ）をエツ チングする。エツチングは等方的であり、アンダヵフトと深さとの比が１：１に アソダカットされる。マスク７は透明であり、顕微鏡により周期的に観測するこ とによりマスク７の下に残っているシリカの量を決定することができ、シリカ・ ストライプ１６が１ｎ幅になるまでエンチングを続ける。このエツチング剤によ りシリカだけがエツチングされ、下の層は影響を受けない。エツチング直後に、 標本をデシケータ内に１０℃で少なくとも半日間置き、アンダヵフトされたレジ ストの下に閉じ込められた水を除去する。これを実施せずに水が残った場合には 、次の処理段階の後にレジストの端部が不均一になる。

第２ｄ図を参照すると、ｌ　Ｊｉｍ幅のシリカ・ストライプ１６を密封するため 、この標本を１５０℃で５分間加熱する。これによりホトレジスト・で′スイ７ ７のストライプが軟化して流れ、アンダカフトの部分が半導体表面一ヒに落下し 、Ｓｉ鵠スストライブ１６Ｖ！封し、実効的なマスク幅を約５岬に戻す。

第２ｅ図を参照すると、次の段階では、溶融再固化したホトレジストをマスク７ ′として用いて、メサ構造のエツチングを行う、ウェハ基板の四元系層がメサ構 造内の活性層を形成する。メサ構造の側部を滑らかにする必要がある。こうする と、継続する成長の信φ■性および再現性を増大させることができる。さらに、 滑らかな側部により、完成後のレーザの性能が改善される。メサ構造の側部を滑 らかにするために、活性層を含むダブル・ヘテロ構造ウェハの異なるＩＪ２．３ ．４．５を、実質的に等しい速度でエツチングするエツチング剤を用いるべきで ある。本方法では、２０℃のメタノールに臭素を０．２％溶解させたものを用い るが、他のエンチング剤、例えば酢酸に臭素を溶解させたものを使用することも できるにれにより、活性層４の高さの屑状部が比較的小さいメサ構造が形成され る。

エツチング中にホトレジスト・マスク７′がアンダカソトされ、その量を再び顕 微鏡を使用して監視する。メサ構造の最上面１５が幅１．２　ｔｎａないし１， ５ｐの範囲になるまでエツチングを続ける。この寸法範囲は、完成したレーザの 正しい動作のために必要である。

５ｉｆｔのストライプ１６およびメサ構造の寸法は変更することができるが、望 ましくは、信頼性のために、ＳｊＯ□のストライプ１６の幅は、メサ構造の最上 面１５の幅と１．４−を越えて異なるべきではない。

メサ構造のエツチングにレジスト・マスク７′を使用すると、シリカ・マスクと は対照的に、レジスト・マスク７′がウェハの材料に強く発着するわけではない ので、傾斜したメサ構造が形成されると考えられる６シリカ・マスクを使用した 場合には、側面が大きく窪んだメサ構造が形成される傾向がある。上記のホトレ ジスト材料以外のレジス１−材料でも満足できるだろう、ただし、シリカ・スト ライプ１６を密封するために、加熱または他の方法により、レジスト・マスク７ の材料をｉ′８融再融化固化なければならない。

第２ｆ図を参照すると、メサ構造を゛エツチングした後に、ホトレジスト・マス ク７′を除去する。この除去は、インダスト・す・ケム・ラボラトリ製レジスト ・ストリップＪ１００　（Ｉｎｄｕｓｔ−Ｒｊ−Ｃｈｅｗ　Ｌａｂｒｅｓｉｓｔ 　５ｔｒｉｐ　Ｊｌｏｏ）およびメタノールを用いて行い、シリカ・ストライプ １６をそのまま残す６次にこの標本を硫酸Ｂ１５ｏｎを用いて洗浄し、イオンを 除去した水でリンスし、送風乾燥させた。この段階の標本を初期半導体構造と呼 び、この上に埋め込み層を成長させる。

初期半導体構造はメサ構造が設けられた基板であり、メサ構造上の中央にシリカ のストライプ１６が設けられている。

第３３図ないし第３ｆ図を参照すると、初期半導体構造を製造する他の方法とし て、再び第１図に示したダブル・ヘテロ構造のウェハ１から開始する。この第二 の方法では、最初の段階にウェハの最上面を酸化し、この後に成長抑制材料のシ リカとの間に生じる界面を無効にする。

表面を酸化させるために、ウェハｌ上に数分間、−ａには１０分以下の間、窒素 および酸素の混合気体を流す。１部の酸素０．に窒素Ｎ□を約５部混合した気体 が適しているが、気体を流す時間および混合比は相互に依存し、その組み合わせ は一般に実験により定められる。

例えば、酸素Ｏ１の比率が非常に小さいときに有効であるがもじれない。

第３ａ図を参照すると、標本に影響しないように、ウェハ１の酸化された最上面 に直接に０．２７ｆｍのシリカ６を堆積させる。

第３ｂ図を参照すると、ウェイコートのネガ型ホトレジストを再び用いて、ウェ ハｌに対して（１１０＞方向に伸びるストライプを含むマスク°１を形成する。

この場合には、ストライプの幅は５−以下、例えば４ないし４．５−とじ、メサ の深さが１．５−になるようにする。この後に、シリカＩｗ６のエツチングに先 立って、上述したようにマスクをベーキングする。

第３Ｃ図を参照すると、マスク７を用いてシリカ層をエツチングし、二層マスク １６．７を形成する。

第３ｄ図を参照すると、この段階で、上述したように臭素Ｂｒの２％メタノール 溶液を用いてエツチングする。エツチングは、所望の深さが得られるように、あ らかじめ選択された時間にわたり実行する。この結果、メサ構造が二層マスク１ ６．７を保持し、マスクがメサ構造の側面に張り出す（オーバハングとなる）。

張り出したシリカによりレーザ製造の後の段階で困難が生じるので、これを除去 する。最初に、レジスト・マスク７がシリカ・ストライプ１６に密着するように 標本を再びベータするが、レジスト・マスク７のプロファイルには特別の変化は ない。この後に、張り出したシリカをこのシリカが表面に出ている下側からエツ チングするに十分な時間にわたり、標本を緩衝剤が添加されたフン化水素旺に浸 す。

第３ｅ図を参照すると、上述のようにして張り出したシリカをエツチングするこ とにより、シリカ・ストライプ】６の幅をメサ構造の最」二面１５の幅よりわず かに狭くする。ストライプ１６の側面は、レジスト・マスク７に向かって外側に 傾斜している。この傾斜の特徴は、レジスト・マスク７をシリカ・ストライプ１ ６に密着させる再ベーキングの結果であり、この後に埋め込み層を成長させると きに有利である。

第３１図を参照すると、張り出したシリカをエツチングした後に、インダスト・ す・ケム・ラボラトリ製レジスト・ストリップＪ１００およびメタノールを用い てレジスタ・マスク７を除去する。これにより、上部にシリカのストライプ１６ が設けられたメサ構造が残り、エツチング端の部分には、メサ構造の最上面１５ が少し表面に現れている。

比較的浅いメサ構造をエツチングするような異なる条件では、シリカ・ストライ プ１６はメサ構造からそれほど張り出しておらず、張り出した材料を除去するた めの上述のエツチング剤程は必要ない場合もある。シリカ・ストライプ１６がメ サ構造から少し張り出している場合でも、埋め込み層８．９を適切に成長させる ことができることがわかった。ずなわちシリカ・ス！−ライプ１６は、埋め込み Ｎ８．９を成長させるときに、メサ構造の近傍の空隙を拡大させることがない。

実際上は、シリカ・ストライプ１６の幅を０．４−以下にするか、またはメサ構 造の最上面１５の幅より狭くするべきである。

初期半導体構造を作成する上述した二つの方法、すなわち第２３図ないし第２ｆ 図および第３ａ図ないし第３ｆ図とそれぞれ参照して説明した方法のどちらでも 傾斜したメサ構造が得られるが、メサ構造の側壁が実質的に窪んでいないことだ けが必要である。例えば側面のどの部分も、メサ構造の最上面１５の幅の１０％ 以上にオーバハングとなってはいけない。望ましくは、どのオーバハングもメサ 構造の最上面１５の幅の５％以上になってはいけない、メサ構造の側壁がオーバ ハングとなっている場合には、その後のＭＯＶＰＥ工程において、満足な埋め込 み層を成長させることができない。

第４図を参照すると、初期半導体構造上に、埋め込みＮ８．９、ずなわち、はぼ ５　ＸＩＯ”ｃｍ−’にカドミウムＣｄがドープされた０、４−の厚さのｐ型１ ｎＰ層８と、はぼＩ　ＸＩＯ”ｃｍ−’にイオウＳがドープされた０、８　ｔｒ ｙｓの厚さのｎ型１ｎＰＪｉ９とを二段階に成長させる。成長条件は通常のＭＯ ＶＰＥと同じであるが、成長を開始する前に、標本をホスフィンＰＨ３の存在下 で６５０℃で５秒間加熱する。この処理は、ｌ如程度の幅でもＭＯＶＰＥ成長抑 制材料となるシリカの作用を増大させるためのものである。

ホスフィンＰＨ，の存在下で標本を加熱する時間は、その条件により変化するこ とに注意すべきである。例えば、ホスフィンＰＨｓの濃度が増加した場合には、 時間を３分、さらには１分に減らす。

得られた層８．９は、第４図に示すように、第一の層８がメサ構造の高さに達す るように成長し、第二の層９が、メサ構造の最上面１５のむきだしの部分に、シ リカ・ストライプ１６に隣接して成長する。

しかし、これが重要であるが、ホスフィンＰＨ，の存在下でシリカ・ストライブ １６を処理したので、第二の層９がメサ構造を覆うことはなく、ストライプ１６ の両側に外側に傾斜した端面１７が形成され、■型溝の底にストライプ１６がむ きだしのまま残される。

シリカ・ストライブ１６は、埋め込み層８．９の形成時に、その表面上のすべて の成長を完全に防ぐわけではないが、第二の埋め込みＮ９が朝顔状の溝を形成す る量に対して、シリカ・ストライブ１６を次の工程で取り除くことができる程度 の量である。

第５図を参照すると、埋め込みＮ８．９が完成したときに、シリカ・ストライブ １６を除去し、二つのエピタキシャル層、すなわち被覆層１０．１１を成長させ る。シリカ・ストライプ１６は、フッ化水素ＨＦの４０％水溶液内で除去され、 二つの被覆［１０，１１は、それ以前のエピタキシャル層と同様に、ＭＯＶＰＥ により成長する。このときににカドミウムＣｄがドープされた１−の厚さのｐ型 １ｎＰＮＩＯと、はぼ４　ＸＩＯ”ｃｌ’に亜鉛Ｚｎがドープされた０、　１５ 頗の厚さのｐ型Ｇａ１ｎＡｓ層１１とを含む。

第５図に示されているように、被覆層１ｏ、１１は、その最上面が、メサ構造お よびその隣接する埋め込みＮ８．９の領域で平坦な面２０となっている。この平 坦な面２０の幅は、メサ構造の活性層の幅の３倍以上になっている（平坦な面２ ０は、一般には上述した方法により形成されるが、必ずしもこの方法により形成 する必要はない）。

第６図を参照すると、最終的なレーザ構造は、メサ構造の上のシリカＪｉ１２に 電極窓１８を設け、この窓１８とレーザの反対側の面とに電極１３．１４．１９ を設ける通常の工程により完成する。窓１８に設けられた電極１３．１４は、ス パッタリングにより形成され、ｐｔバリヤ層を含むＴｉＡｕ）ンネリング・シミ ツトキイ電極であり、この一方でレーザの反対側の面の電極１９は、スパッタリ ングにより形成されたＴｉ−Ａｕ合金電極である。

この最終的なレーザ構造は、窓１８の電極１３．１４にヒートシンク（図示せず ）をろう付けすることにより、このヒートシンク上に取り付けられる。表面２０ が平坦であることから、ろう材の必要量は、電極窓１８により形成された段差を 埋める程度でよい、このようにして、ヒートシンクをメサ構造の半導体材料に近 接させることができる。

以上の方法により製造されたレーザの典型的動作特性の例を第７図に示す。連続 発振動作では、２０°Ｃにおいて１５ｍＡのしきい電流が得られ、２８１の出力 パワーが得られた。パルス発振動作では、３９ｉＷの出力パワーが得られた。

上述の方法により製造されたレーザをさらに試験したところ、上述のしきい値に 矛盾しない６Ωの微分抵抗が測定され、注入電流が埋め込み層８．９を流れるこ とによる損失を無視できることが示された。これは、埋め込みＮ８．９のｐｎ接 合の位置および完全性が良好であることを直接に証明する。しきい電流の温度依 存性は、発振波長１．５　ｔｒｍの夏ｎＧａＰレーザに典型的な５０にの温度に おけるＴｏ４１１！により特徴付けられ、測定されたこのレーザの外部量子効率 は２０％であった。接合面と直交する方向に３８″、平行方向に３２６の円形に 近い遠視野像が得られ、本発明の方法が導波路の大きさを正確に制御できること を反映している。

テクトロニクス社製Ｓ６サンプリング・ヘッドを使用して、速度測定を行った。

第８図に示すように、２０ｍＡにバイアスし、２０ｍＡの電流で変調された素子 のパルス応答は、立ち上がり　（１０％）および立ち下がり（９０％）時間は、 それぞれ７５０ピコ秒および１ナノ秒であった。これは、少なくとも５６５メガ ビット／秒の装置が可能であることを示す。

本発明の方法を単一のレーザを製造する場合を参照して説明したが、実際の製造 時には、ダブルへテロ構造の共通のウェハを用いて複数のレーザを製造すること ができる。この方法による大面積化の可能性を研究するために、レーザのメサ構 造が２００−の周期で並列に間隔をあけて設けられたウェハの４ｃｍ”の領域か ら、ランダムに１０５個のレーザを選択した。個々のレーザは、襞間およびスク ライビングにより得られ、素子の典型的な寸法は幅２００　ｐｒｒ＋、長さ４０ ０−であった、８１個のレーザが動作した。これらの８１個の動作レーザについ て、しきい電流１゜の度数分布を第９図に示す、動作する素子の７０％以上、す なわち１０５個の標本総数の５４％以上は、そのしきい電流が３０ｍＡ以下であ り、本方法の大規模均一性が明白である。

以上の説明ではレーザの一つの構造についてのみ説明した。他の構造でも有効で あるものもあり、例えば、種々の層の厚さを変化させることもできる。特に、最 初の埋め込み層をより浅く成長させることにより、埋め込み層内のｐｎ接合の位 置をメサ構造内のｐｎ接合に近づけることができる。これは、現実には再現性を 得ることが困難となるが、活性層に対してより有効な電気的閉じ込めを行うこと ができる。さらに、層数をより少なくまたは多く設けることもでき、例えば、活 性層の上および下に四元系層を付加し、分布帰還格子を設けることができる。付 加した層を用いて、埋め込み層内に第二のｐｎ接合を設けることもできる。

本発明の方法は、特に、メサ構造の最上面内に簡単に波型を設けることができる ので、分布帰還レーザの製造に利用して特に便利である。

本発明の方法を用いて光検出器、光導波路等の素子を製造することができ、本発 明の方法は半導体レーザの製造に限定されるものではない。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．メサ構造が設けられた基板（２）を備え、このメサ構造の最上層（５）がイ ンジウム・リンＩｎＰにより形成された 半導体構造において、 上記メサ構造の側面は実質的に窪みの無い形状であり、上記側面は埋め込み層（ ８、９）により埋め込まれ、これらの埋め込み層の最上面（１７）は上記メサ構 造の最上面（１５）から上方に伸びて朝顔状の溝を形成する構造であることを特 徴とする半導体構造。 ２．埋め込み層（８、９）は有機金属気相エピタキシにより成長した層である請 求の範囲第１項に記載の半導体構造。 ３．メサ構造はその最上面（１５）の方向に先が細くなる構造である請求の範囲 第１項または第２項に記載の半導体構造。 ４．メサ構造は活性層（４）を含む請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに 記載の半導体構造。 ５．活性層（４）はガリウム・インジウム・ヒ素リンを含む請求の範囲第４項に 記載の半導体構造。 ６．基板（２）は少なくともひとつのインジウム・リン層を含む請求の範囲第１ 項ないし第５項のいずれかに記載の半導体構造。 ７．埋め込み層（８、９）はインジウム・リンを含む請求の範囲第１項ないし第 ６項のいずれかに記載の半導体構造。 ８．請求の範囲第１項ないし第７項のいずれかに記載の半導体構造を含む光学電 子素子。 ９．請求の範囲第１項ないし第７項のいずれかに記載の半導体構造を含む半導体 レーザ。 １０．〔ｉ〕インジウム・リンＩｎＰの最上層（５）を含む半導体ウェハ（１） 上に有機金属気相成長を抑制する成長抑制材料の層（６）を堆積させる工程と、 〔ｉｉ〕上記成長抑制材料を選択的にエッチングして上記ウェハ（１）の〈１１ ０〉結晶方向に上記成長抑制材料のストライプ（１６）を形成する工程と、 〔ｉｉｉ〕上記ストライプ（１６）の下に、実質的に窪みのない側面を有するメ サ構造を形成する工程と、 〔ｉｖ〕有機金属気相エピタキシにより埋め込み層（８、９）を成長させて上記 メサ構造の側面を埋める工程と、〔ｖ〕上記成長抑制材料のストライプ（１６） を除去する工程とを含む半導体構造の製造方法。 １１．成長抑制材料はシリカである請求の範囲第１０項に記載の半導体構造の製 造方法。 １２．成長抑制材料のストライプ（１６）は、その幅がメサ構造の最上面（１５ ）の幅と実質的に等しい請求の範囲第１０項または第１１項に記載の半導体構造 の製造方法。 １３．成長抑制材料のストライプ（１６）は、その幅がメサ構造の最上面（１５ ）の幅より０．４μｍ以上には広くなく、またはメサ構造の最上面（１５）の幅 より狭い請求の範囲第１２項に記載の半導体構造の製造方法。 １４．〔ｉｖ〕の工程の前に、６００℃以上７００℃以下の範囲の温度で少なく とも１分以上の時間にわたって、ホスフィンＰＨ３の存在下に初期半導体構造を 保持することを含む工程を行う請求の範囲第１０項ないし第１３項のいずれかに 記載の半導体構造の製造方法。 １５．時間は少なくとも３分である請求の範囲第１４項に記載の半導体構造の製 造方法。 １６．時間は少なくとも５分である請求の範囲第１４項に記載の半導体構造の製 造方法。 １７．〔ｉｉ〕および〔ｉｉｉ〕の工程は、（ａ）成長抑制材料の層（６）の上 にレジスト材料のマスク（７）を形成する工程と、 （ｂ）このマスク（７）を用いてこのマスク（７）がアンダカットされるように 上記成長抑制材料の層（６）をエッチングする工程と、（ｃ）上記マスク（７） のアンダカットされた部分が落下して半導体ウェハに接するように、上記マスク （７）のレジスト材料を溶融再固化する工程と、 （ｄ）マスク（７′）を用いて半導体ウェハ（１）の基板をエッチングしてメサ 構造を形成する工程と、 （ｅ）上記レジスト材料のマスク（７′）を除去する工程とを含む 請求の範囲第１０項ないし第１６項のいずれかに記載の半導体構造の製造方法。 １８．〔ｉｉ〕および〔ｉｉｉ〕の工程は、（ｆ）成長抑制材料の層（１６）上 にレジスト材料のマスク（７）を形成する工程と、 （ｇ）上記成長抑制材料の層（１６）を上記レジスト材料のマスク（７）により 選択的にエッチングして二層マスク（１６、７）を形成する工程と、 （ｈ）この二層マスク（１６、７）を用いて半導体ウェハ（１）をエッチングし てメサ構造を形成する工程と、（１）上記レジスト材料のマスク（７）を除去す る工程とを含み、 〔ｉ〕の工程の前に、ウェハ（１）の最上面を酸化させてこのウェハ（１）の最 上面と有機金属成長抑制材料との間に生じる界面の完全性を劣化させる 請求の範囲第１０項ないし第１６項のいずれかに記載の半導体構造の製造方法。 １９．酸化は酸化性の気体または混合気体をウェハ基板（１）上に流すことによ り行われる請求の範囲第１８項に記載の半導体構造の製造方法。 ２０．酸化性の気体または混合気体は窒素Ｎ２と酸素Ｏ２との混合気体を含む請 求の範囲第１９項に記載の半導体構造の製造方法。