KR100210591B1 - 화합물 반도체장치의 제조방법 및 광 반도체 장치 - Google Patents

화합물 반도체장치의 제조방법 및 광 반도체 장치 Download PDF

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Abstract

폭좁은 제1영역과 폭넓은 제2영역으로 구성되는 개방부분을 갖는 선택성 성장 마스크를 상용하여, 결정성장용의 가스 분위기에서의 원료 가스의 평균자유령로 또는 원료가스의 정체층의 두께중 어느 하나를 변화시킴으로써 결정의 선택성 성장비를 변화시키는 단계를 포함하는 화합물 반도체장치의 제조방법이 제안되어 있다.

Description

화합물 반도체장치의 제조방법 및 광 반도체 장치
제1도는 화합물 반도체층의 막 두께를 변화시키면서 화합물 반도체층을 형성할 때 사용되는 화합물 반도체 기판상에 형성되는 선택성 성장마스크를 보인 평면도.
제2도는 제1도에 도시한 선택성 성장마스크를 사용하는 화합물 반도체 기판상에 형성된 화합물 반도체의 스트라이프(stripe) 부분이 종방향에서의 위치와 성장 속도와의 관계를 보인 특성도.
제3도는 화합물 반도체를 화합물 반도체 기판상의 선택성 성장으로 형성할 때 화합물 반도체 기판의 표면 근방에 발생되는 성장(stagnant)층을 보인 개략도.
제4도는 스트라이프 부분의 종방향으로의 선택성 성장 마스크들 사이에 형성된 스트라이프 부분의 중앙에서의 위치와 결정 성장속도와의 관계를 보인 특성도.
제5도는 선택성 마스크를 사용하지 않을 때 운반기체의 유량과 결정성장속도와의 관계를 보인 특성도로서, 점은 측정값을, 직선은 이론값을 나타냄.
제6도는 성장 분위기에서 성장압력을 변화시키면서 결정을 성장할때의 스트라이프 부분의 종방향으로의 위치와 결정성장속도와의 관계를 보인 특성도.
제7도는 선택성 성장 마스크 사이에 형성된 스트라이프 부분의 폭을 변화시키면서 결정을 성장하는 실험에서 유도되는 결정성장과 성장압력과의 관계를 보인 특성도.
제8도는 화합물 반도체 기판상에 선택적으로 성장된 화합물 반도체 층의 충구조를 보인 개략도.
제9a도는 반도체층과 반도체 도파로을 단일체로 형성할 때 사용된 기판과 선택성 성장 마스크를 보인 사시도.
제9b도는 선택성 성장 마스크를 사용하는 기판상에 형성된 화합물 반도체 층을 보인 사시도.
제10도는 제9b도에 도시한 화합물 반도체 층의 층구조를 보인 단면도.
제11도는 선택성 성장에 의해 형성된 화합물 반도체 층을 갖는 광 반도체장치를 보인 일부절결 단면 사시도.
제12도는 선택적으로 성장된 화합물 반도체층의 상면의 스파이크(spike)높이와 성장 압력과의 관계를 보인 특성도.
제13도는 화합물 반도체 층을 선택성 성장에 의해 형성할 때 성장압력과, 층위치과의 관계 및 성장압력과 성장시간과의 관계를 보인 도.
제14a도는 n형 화합물 반도체 층을 선택성 성장에 의해 형성할 때 시간 경과에 다라 성장압력만을 변화시키고, SiH4가스 공급량을 변화시키지 않는 것을 보인 도.
14b도는 성장압력만을 변화시킬 때 얻어진 n형 화합물 반도체 층에서의 성장 시간과 전자밀도와의 관계를 보인 도.
제15a도는 P형 화합물 반도체 층을 선택성 성장에 의해 형성할 때, 시간경과에 따라 성장압력만을 변화시키고, DMZn 가스 공급량을 변화시키지 않는 것을 보인 도.
제15b도는 성장압력만을 변경시킬 때 얻어진 P형 화합물 반도체 층에서의 성장시간과 홀(hole) 밀도와의 관계를 보인 도.
제16도는 n형 화합물 반도체층을 선택성 성장에 의해 형성하는 경우에 경과시간에 따라 성장압력과 SiH4가스공급량을 변화시키는 것을 보인 도.
제17도는 P형 화합물 반도체 층을 선택성 성장에 의해 형성하는 경우에 경과시간에 따라 DMZn 가스 공급량을 변화시키는 것을 보인 도.
제18도는 SiH4가스공급량을 일정하게 유지시키면서 n형 화합물 반도체를 성장시키는 경우에 성장압력과 전자밀도와의 관계를 보인 특성도.
제19도는 DMZn 가스 공급량을 일정하게 유지시키면서 P형 화합물 반도체를 성장시키는 경우에 성장압력과 홀밀도와의 관계를 보인 특성도.
제20도는 화합물 반도체 층의 성장시에 성장압력과 SiH4가스공급량을 변화시키면서 n형 화합물 반도체 층을 성장시키는 경우에 n형 화합물 반도체 층의 실리콘 밀도의 분포를 보인 도.
제21도는 화합물 반도체 층의 성장시에 성장압력과 DMZn 가스 공급량을 서서히 변화시키면서 P형 화합물 반도체층을 성장시키는 경우에 P형 화합물 반도체층의 아연 밀도의 분포를 보인 도.
제22a도는 종래의 광 반도체 장치의 테이퍼(taper)도파로의 상부에 응력분포를 보인 도.
제22b도는 제22a도에서의 종래의 광 반도체 장치의 이득(gain)영역의 응력분포를 보인 도.
제23a도는 본 발명의 제3실시예에 의한 광 반도체장치를 보인 사시도.
제23b도는 제23a도에서의 광 반도체 장치의 MQW층의 층구조를 보인 단면도.
제24도는 본 발명의 제3실시예에서의 선택성 성장에 의해 형성된 층의 도파로 영역과 이득 영역의 막 두께 분포를 보인 도.
제25a도는 본 발명의 제3실시예에 의한 광 반도체 장치의 테이퍼 도파로의 상부의 응력 분포를 보인 도.
제25b도는 제25a도에서의 광 반도체 장치의 이득영역의 응력분포를 보인 도.
제26도는 본 발명의 제3실시예의 변경에 의한 광 반도체 장치의 테이퍼 도파관의 상부의 응력분포를 보인 도.
본 발명은 화합물 반도체 장치의 제조방법 및 광도체장치에 관한 것으로서, 특히 금속 유기 기상 에피택시(MOVPE)등의 화학증기 증착에 의해 마스크를 통하여 성장 기판상에 소정의 영역에 화합물 반도체층을 선택적으로 성장하는 단계를 포함하는 화합물 잔도체층의 제조방법 및 광 도체장치에 관한 것이다.
최근에, 광섬유는 광통신 기술의 진보와 프로세스 정보의 증대로 인하여, 각 가정에 광섬유를 부설할 계획에 있다는 단계에 이르렀다.
광섬유를 각 가정용의 분기라인 시스템에 부설하는 경우에는, 반도체 레이저가 트렁크(trunk)라인 시스템에 사용되는 반도체 레이저에 비하여 상당히 저감된 비용으로 사용되어야 할 필요가 있다.
종래에는, 반도체 레이저와 광섬유간의 광 커플링이 막대한 비용이 들기 때문에, 반도체 레이저에서, 방사되는 레이저빔의 스포트(spot)모양을 변화시키는 도파로이 단결정 성장처리에 의해 형성될 수 있는 반도체 집적회로 장치의 제조방법이 개발되어 있다.
과거에는, 이러한 현상은 금속유기증기상 에피택시등의 화학 증기증착에 의해 선택성 성장 마스크를 갖는 기판상에 결정을 성장시킬 때, 선택성 성장 마스크의 근방의 영역의 결정 성장속도가 선택성 성장 마스크에서 떨어진 영역의 결정 성장속도와 비교하여 증대됨에 알려졌다.
이러한 선택성 성장 마스크를 각각 사용하는 다수의 영역의 상이한 성장속도를 갖는 결정성장은 이후 선택성 성장이라 한다. 이 선택성 성장을 이용하는 화합물 반도체 광장치는 제1예로 다수치등의 Optical Coupling characteristics of the semiconductor laser with a Spot Size Converter (The Instiude of Electronic Information Communication in Japan, National Autumm Meeting, 1993, Lecture No.C -182)과 제2예로, 고바야시등의 EEE photon(Tech Lett, Vol. 6, 1080-1081, 1994)에 설명되어 있다.
화합물 반도체 발광장치와 화합물 반도체 도파로을 이러한 현상을 이용하여 단일체로 접적화하는 빔 변환 도파로을 구비한 화합물 반도체 발광장치를 제조할 수가 있다.
이상 설명한 바와 같이, 선택성 성장 마스크를 사용하여 선택적으로 성장되는 결정성장의 막두께를 제어할 수 있다면, 서로 다른 반도체 장치를 동일한 기판상에 동시에 형성하여야 하는 경우에 장치 설계의 마진을 확대시킬 수가 있다.
다음에, 화합물 반도체 발광장치와 화합물 반도체 도파로을 직접화하는 빔 변환 도파로을 구비한 화합물 반도체 발광장치를 제조하는 경우를 예로 하여, 선택성 성장을 이용하는 종래의 선택성 성장 방법에 대하여 설명한다.
제1도는 선택성 성장방법을 금속유기 화학 증기증착에 의해 행하는 경우에 기관과 선택성 성장 마스크를 도시한 평명도이다. 본 발명자등은 제1도에 도시한 바와 같이 선택성 성장 마스크를 배치한 기판 상에 결정의 선택성 성장을 행하려고 하였다.
제1도에 있어서, 11은 성장기판을 표시한 것이다. M11, M12, M13, M14, M21, M22, M23,및 M24는 각각 기판상에 형성된 선택성 성장 마스크를 표시한 것이다. 13은 스트라이프 부분이라 불리우는, 선택성 성장 마스크간의 협(狹)영역을 표시한 것이다. 14는 개방부분이라 불리우는, 선택성 성장 마스크간의 광(廣)영역을 표시한 것이다.
선택성 마스크를 사용하는 금속유기 화학증기 증착에 의한 선택성 성장방법에 있어서는, 예를들면 각각 길이 L이 600이고 폭 W이 240 - 280이며 SiO2등의 유전막으로 형성된 선택성 성장마스크 M11, M12, M13, M14를 InP등으로 형성된 기판 11상에 종방향(y방향)으로 10-60의 거리 W1에 배열한다. 마찬가지로, 선택성 성장 마스크 M21, M22, M23, M24를 기판 11상에 횡방향(x방향)으로 선택성 성장마스크 M11, M12, M13, M14,에서 1200의 거리 L1에 배열한다.
그 다음에, 균일한 성장조건하에, 선택성 성장 마스크 M11, M12, M13, M14, M21, M22, M23, M24를 상기와 같이 형성한 성장 기판 11의 전면에 금속유기 화학증기증착에 의해 InP 결정층을 성장시킨다. 이것에 의해서, 예를들면 스트라이프 부분 13의 중간부분에서 개방부분14를 통하여 다른 스트라이프 부분 13의 중간부분까지 이어서는 x선(가상선)을 따라 두께차를 갖는 막두께 분포가 제공된다.
제2도는 성장 분위기의 압력을 100 Torr로 설정할 때 선택성 성장마스크의 중앙부 0에서의 거리와 성장속도와의 관계를 도시한 것이다.
제2도는 선택성 성장 마스크는 M12, M13, M22, M23의 폭 W와 길이 L을 각각 240와 600로서 형성하고, 스트라이프 부분13의 폭을 60로서, 개방부분 14의 폭을 1200로서 형성한다는 가정하에, 성장 분위기에서 100 Torr의 압력으로 InP 기판의 (001)면에 InP 결정층을 성장시킬 때 스트라이프 부분 13의 종방향(x방향)으로의 성장속도를 도시한 것이다.
제2도에 있어서 세로좌표는 선택성 성장 마스크 M12, M13, M22, M23으로 둘러싸인 개방부분 14에 성장되는 InP 결정층의 성장속도에 근거한 규정 성장속도를 나타낸 반면에, 가로좌표는 스트라이프 부분13의 중앙부분인 원점0에서의 위치를 나타낸 것이다. 제2도에 있어서, 위치 300상의 점선은 선택성 성장마스크 M12, M13, 의 모서리를 보인 것이다.
제2도에서의 막 두께 분포는 InP기판의 (001)면 방위에 SiO2로 형성된 선택성 성장 마스크를 형성하고 그 위에 InP 결정층을 형성할 때 얻어진 결과를 도시한 것이다. 다른 결정층, 예를들면 InGaAs 결정층을 성장시킬때에도 거의 동일한 효과를 얻을 수가 있다.
이와같이, 반도체 레이저의 활성층을 스트라이프 부분13에 성장된 두꺼운 화합물 반도체의 결정층에 의해 형성시킬 수 가 있다. 또한, 반도체 레이저에서 방사된 광빔의 스포트 모양을 변환하는 반도체 레이저의 도파로 부분을 개방부분14에 성장된 얇은 화합물 반도체의 결정층에 의해 형성시킬 수 가 있다.
결과적으로, 반도체 레이저의 활성층이 양자 웰(guantum well)로 구성되며, 웰층은 도파로 영역에서 서서히 얇게 된다. 그 결과, 활성층에서 발생되는 레이저 광은 광 한정효과가 서서히 감소되기 때문에 흡수손실 없이 도파로 부분에서 서서히 그, 광빔모양을 확장하고 나서, 작은 빔 크기와 작은 빔 확장 각도를 갖는 광으로서 도파로 부분의 모서리에의 클리비지(cleavage)면에서 방사된다.
도파로 부분의 빔 스포트 모양 변환특성을 개선하기 위하여는, 개방부분14의 결정 성장속도에 대한 스트라이프 부분13의 결정성장속도의 비, 즉 선택성 성장비를 크게 결정해야 하는 것이 중요하다.
상술한 바와 같이, 화합물 반도체 발광 장치와 화합물 반도체 도파로을 단일체로 집적화 하는 반도체 레이저와 같은 광 반도체 장치가 종래의 선택성 성장 마스크를 사용하는 선택성 성장방법에 따라 제조될 수 가 있다.
그러나, 종래 기술에 있어서는, 화합물 반도체 발광 장치와 화합물 반도체 도파로을 구성하는 각각의 층의 성장비의 분포가 소정량으로 복수의 영역마다 자유롭게 변화되어야 한다는 것이 보고된 바와 개시된 바도 없었다. 그러므로, 예를들면, 발광부에서의 결정의 선택성 성장비를 스트라이프 부분13의 폭을 좁힘으로써 증대시켜야 할 경우에는, 활성층상의 클래드(clad)의 선택성 성장비도 대응하여 증대된다.
예컨대, 도파로 부분에의 클래드층에 대해 일반적으로 약 1의 두께가 요구된다. 웰층에 요구되는 선택성 성장비가 빔 변환을 행하기 위해 5로서 결정되고, 클래드층이 동일한 조건하에서 도파로 부분에 1두께를 갖도록 형성되면, 반도체층의 클래드층은 5의 두께를 갖도록 성장된다.
이것에 의하여, 반도체 레이저에서 클래드층으로서 요구된 두께의 초과시에 막두께가 성장되므로 장치의 저항을 증대시킬 수 있다. 이 경우에, 약 5등의 요철상태가 결정성장후에 처리를 어렵게 하는 클래드층의 표면상에 발생된다.
상기의 단점을 해소하기 위한 가장 간단한 대응책으로서는, 반도체 레이저의 활성층을 제1결정성장으로 형성하고나서, 선택성 성장 마스크를 제거하고, 그 후에 균일한 두께를 갖는 클래드층을 제2결정성장에 의해 전면에 성장하는 방법이 있다. 그러나, 이 결우에는 본질적으로 동시에만 행해야하는 결정성장이 2배 요구되어서, 제조수율이 감소된다.
상술한 바와 같이, 선택성 성장비를 결정의 성장시에 제어하도록 하는 기술이 요망된다. 이러한 요망은 빔 변환 도파로을 구비한 화합물 반도체 발광장치에 한정되지는 않는다. 이 요망은 서로다른 반도체 장치를 동일한 화합물 반도체 결정사에 동시에 형성해야 하는 경우에 일반적이다.
본 발명의 목적은 마스크를 사용하여 화합물 반도체를 선택적으로 성장하는 경우에 성장 과정시에 있어서 선택성 성장비를 제어함으로써 소망의 막 두께 또는 소망의 조성분포를 달성시키는 단계를 포함하는 화합물 반도체의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 양상에 의하면, 성장기관의 표면의 일부에 선택성 성장 마스크를 형성하고, 선택성 성장 마스크에 의해 덮혀지지 않은 영역내에 화합물 반도체 층을 화학증기 증착에 의해 성장하고 나서, 각각 선택성 성장 마스크에서 근접한 영역과 선택성 성장 마스크에서 떨어진 영역내에 다른 성장비 또는 다른 조성을 갖도록 단일 기판의 표면상에 다른 반도체 장치를 동시에 형성하는 화합물 반도체 장치의 제조 방법에 있어서, 선택적으로 성장되는 화합물 반도체 층에 의한 증기상에서의 원료시드(seed)의 평균 자유경로에 대한 기판상에 발생된 원료 시드의 정체층의 두께의 비를 변화시키는 단계가 제공되어 있다.
이 경우에서, 원료 시드의 평균 자유경로에 대한 원료 시드의 정체층의 두께의 비를 변화시키는 수단으로서는, 선택적으로 성장되는 화합물 반도체층에 따라 성장압력, 운반가스의 시드, 또는 가스 흐름의 총량을 조절하는 방법이 제공되어 있다.
정체층의 두께가 얇아지게 될수록, 선택성 성장비는 더 작게 된다. 더욱이, 화합물 반도체 층의 선택성 성장비는 평균 자율 경로의 증가에 따라 작게 된다.
선택성 성장 마스크에서 떨어진 영역의 화합물 반도체층의 성장비(t2)에 대한 선택성 성장 마스크에서 근접한 영역의 화합물 반도체층의 성장비(t1)의 비(t1/t2)가 감소되는 경우에는 성장 분위기의 압력을 10 Torr 이하로 설정하는 것이 바람직하다.
한편, 성장속도의 비(t1/t2)가 증가되는 경우에는 성장 분위기의 압력을 50Torr이상으로 설정하는 것이 바람직하다.
성장속도의 비가 보다 작게 되는 경우에는 화합물 반도체층의 평탄화가 달성될 수 있는 반면에 성장속도의 비가 보다 크게 되는 경우에는 화합물 반도체층의 요철 상태가 증진된다.
본 발명의 다른 양상에 의하면, n형 불순물 또는 P형 불순물을 도입하는 화합물 반도체층의 성장시에 성장 압력을 변화시킬 때, n형 불순물 또는 P형 불순물을 포함하는 가스의 공급량도 동시에 변화한다. 이것을 화합물 반도체층의 불순물의 도즈(dose)가 성장압력을 전 범위에서 일정하게 변화시킴으로써 조절되게 한다.
화합물 반도체층의 성장시에 성장압력을 증대시키면, n형 불순물 또는 P형 불순물의 도즈도 증가될 수 있다는 것이 본 발명의 발명자 등에 의한 실험으로부터 확인되었다. 반대로, 성장압력을 감소시키면, 도즈도 감소될 수 가 있다.
또한 n형 불순물을 도입하기 위한 가스의 공급량이 일정하게 유지되면, 화합물 반도체층의 n형 불순물의 도즈가 소정의 범위내에서 성장압력의 제곱으로서 직접 변화하고 다른 범위내에서는 성장압력으로서 직접 변화 한다는 것이 실험적으로 검증되었다.
그러므로, 이들 범위사이의 경계에서의 성장압력이 제3값 P3으로서 가정되고 n형 불순물이 도프된다고 하면, 성장압력이 P1에서 P2까지 변화될 때 다음의 표현에 의한 관계가 주어질 수도 있다. 여기서, A1은 성장압력 P1에서 가스를 포함하는 n형 불순물의 공급량이고, A2는 성장압력 P2에서 가스를 포함하는 n형 불순물의 공급량이다.
한편, P형 불순물을 도입하는 경우에 화합물 반도체의 P형 불순물의 도즈는 P형 불순물을 도입하는 가스의 공급량이 일정하게 유지될 때 성장압력의 ½곱에 비례한다. 성장압력이 P형 불순물 도프시에 P2에서 P1으로 변화되면, 다음같은 관계를 얻는다. 여기서, B2는 성장압력 P2에서 가스를 포함하는 P형 불순물의 공급량이고, B1는 성장압력 P1에서 가스를 포함하는 P형 불순물의 공급량이다.
상기의 관계에 따라, P형 불순물과 n형 불순물의 도즈는 양호한 정확도로 조절될 수도 있다.
화합물 반도체층의 도즈의 변화는 불순물 확산에 의해 발생된 Pn접합의 위치변화, 에너지 밴드 구조의 변화, 및 저항분포의 변화를 일으켜서, 화합물 반도체 장치의 특성이 저하된다.
본 발명의 다른 목적은 두꺼운 막 두께 영역에서의 변형(strain)을 조절할 수 있는 화합물 반도체 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 의하면, 광 안내층들 사이에 양자웰 구조층을 보지하기 위한 광안내층의 도파로 영역의 상부에서 인장 변형력이 발생되므로 광안내층의 이득 영역에서 발생된 압축 변형력의 양이 감소될 수 있다. 압축 변형력 총량이 광안내층에서의 압축 변형력의 양의 감소에 따라 감소될 수 있으므로, 압축 변형력이 발생되는 웰층의 수가 증대되는 경우에도 결정변위가 발생하기가 어렵게 된다.
압축 변형력의 이러한 감소로 인하여 이득 영역의 전체층의 압축 변형력의 증가를 억제할 수 도 있으므로, 압축변형력이 도파로 영역의 단부에서의 웰층에 발생하는 경우에도 전체 장치의 격자 이완의 발생이 방지될 수 가 있다.
더욱이, 웰층을 둘러싸는 장벽층에 의해 도파로 영역의 단부에서 압축변형을 발생시킴으로써, 이득영역에서의 전체층에 발생된 압축 변형의 증가를 더 억제할 수 가 있다.
광내층에서 이러한 변형조정에 의해 이득영역내에 압축 변형량의 감소의 이점은 페브리 페로트(Fabry - perot)반도체 레이저 또는 DFB 레이저중 어느 하나를 갖는 광 반도체 장치에서 나타날 수 도 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명한다.
[제1 실시예]
물 원료가스와 운반가스를 저압 분위기로 홀러보냄으로써 화합물 반도체 기판의 표면상에 화합물 반도체층을 성장 시킬 때, 가스가 화합물 반도체 기판의 표면에 점점 더 접근하여 흐르는 경우에 가스의 유량이 감소되므로, 원료시드 S를 포함하는 가스의 정체층20을 제3도에 도시한 바와 같이 형성한다. 원료시드 S는 화합물 반도체를 구성하는 원소 또는 그 화합물을 표시한 것이다. 정체층 20의 두께는 이 후, Ls로 표시된다.
더욱이, 선택성 성장마스크 M11~ M24의 표면에 공급되는 원료시드S는 표면상의 원자와 결합되지 않지만, 화합물 반도체 기판의 표면에 공급되도록 정체층20으로 다시 복귀된다.
그 다음에, 저압 분위기에서의 원료가스가 보다 큰 평균 자유경로를 가지면, 제1도에서 선택성 성장마스크 M11~ M24의 표면에 공급된 원료시드는 정체층20에서 보다 쉽게 배출할 수 도 있다. 따라서, 선택성 성장마스크 M11~ M24의 표면에 공급되는 원료시드S는 화합물 반도체 기판의 표면으로 복귀하는 것이 어렵게 된다. 그결과, 선택성 성장 마스크 M11~ M24의 근접영역에서 화합물 반도체의 성장속도가 증가하기가 어렵다.
더욱이, 정체층20이 보다 얇게 되면, 선택성 성장마스크 M11~ M24의 표면에 공급되는 원료시드S도 정체층20에서 보다 쉽게 배출할 수 도 있다. 따라서, 선택성 성장마스크의 근접영역에서 화합물 반도체의 성장속도도 증가하기가 어렵다.
그러므로, 제1도에 도시한 선택성 성장마스크 M11~ M24를 사용하는 화합물 반도체의 막두께의 불균일성을 감소시키기 위하여는, 평균자유경로를 증대시키거나 정체층 20의 두께를 얇게 할 수 도 있다.
반대로, 선택성 성장마스크 M11~ M24에서의 근접영역의 화합물 반도체와 그로부터 떨어진 영역에의 화합물 반도체 사이에 두께차를 크게 하기 위하여는, 평균 자유경로를 감소시키거나 또는 정체층20의 두께를 두껍게 형성할 수 도 있다.
이하의 식(1)에 표시된 바와 같이, 평균 자유경로 Lf는 저압 분위기에서의 압력 P에 역 비례하게 변화한다. 따라서, 저압 분위기에서의 압력이 작아질수록, 화합물 반도체의 선택성 성장비가 더 작아진다. 선택성 성장비는 선택성 성장 마스크에서 떨어진 영역에서의 화합물 반도체의 두께(t2)에 대한 선택성 성장마스크에서 근접한 영역에서의 화합물 반도체의 두께(t1)의 비(t1/t2)를 나타낸다.
제4도에 도시한 실험결과로부터 명백한 바와 같이, 정체층20의 두께는 가스 흐름의 총량에 의존한다.
제4도는 제1도에 도시한 스트라이프 부분13의 중앙에서 x방향으로의 거리와 화합물 반도체의 성장비와의 관계를 예시한 특성도이다. 제4도는 반응실에 공급된 가스의 총량F를 운반가스이 유량을 조절하여 변화시키는 경우의 2개의 특성곡선을 보인 것이다. 이 실험에 있어서, InP는 50Torr의 저압 분위기하에 InP기판상에 화합물 반도체로체로서 성장된다. InP를 성장시키기 위하여 반응실내로 공급된 가스의 총량F를 2가지 방법, 즉 3 slm과 12 slm인 것으로 가정한다.
제4도에 있어서, 세로좌표는 마스크없이 결정을 성장 시키는 경우에 결정 성장속도에 의한 규정 성장속도를 보인 반면에, 가로좌표는 선택성 성장마스크 M11~ M24사이에서의 60폭을 갖는 스트라이프 부분13의 중앙 0에서 측정된 거리를 보인 것이다.
실험결과로부터, 선택성 성장마스크로, 인한 스트라이프 부분13에서의 성장속도의 증가를 가스의 총량F를 증가시킴으로써 억제하여 선택성 성장비를 감소시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 정체층 20이 가스 흐름의 총량의 증가에 따라 얇게 되고 선택성 성장마스크 M11~ M24에 공급된 III족 원료시드가 정체층20에서 쉽게 배출될 수 가 있기 때문이다.
정체층 20의 두께 Ls가 이하의 식(2)에 표시한 바와 같이, 가스 흐름의 총량의 제곱근의 반비례하므로, 선택성 성장비는 가스흐름의 총량만으로 조절함으로써 상당히 변화될 수 가 없다. 그러나, 선택성 성장비는 가스흐름의 총량과 성장 압력을 함께 조절함으로써 양호한 정확도로 상당히 변화될 수 가 있다.
실험결과는 InP 기판상에 마스크를 형성하지 않는 경우에 InP층의 성장속도 P0와 가스의 총량F간의 관계를 조사한 후에 제5도에 도시한 바와 얻어질 수 있다. 이 경우의 결정 성장 속도 R0는 이하의 식(3)에 표시한 바와 같이, 정체층의 두께 Ls와 가스 흐름의 총량F의 곱에 반비례한다.
정체층의 두께 Ls는 식(2)에 표시한 바와 같이, 가스흐름의 총량F의 제곱근에 반비례한다. 그 결과 이하의 식(4)로 주어진 관계를 얻을 수 있다.
이것에 의하여, 제4도의 세로좌표는 가스흐름의 총량F의 제곱근에 실제 성장속도를 곱함으로써 얻어지는 값에 해당한다. 제4도와 제5도에 의하면, 결정성장속도의 변화는 가스의 총량을 변화시킴으로써 선택성 성장 마스크에서 떨어진 영역에서도 존재하지만, 선택성 성장 마스크에서 근접한 영역에서 결정성장 속도처럼 성장속도의 상당한 변화가 발생하지 않는다.
평균 자유 경로를 변화시키는 인자로서는, 유기계 가스를 도입하는데 상용되는 운반가스의 종류를 변화시키는 것으로 고려될 수가 있다. 운반가스로서는 수소이외에 질소와 아르곤을 사용할 수 가 있다. 예를들면, 질소는 수소보다는 그 평균 자유경로가 짧다.
상기 실험결과로부터, 선택성 성장 마스크를 사용하는 선택성 성장비는 원료시드를 가스상 확산에 의해 기판상의 결정 성장영역에 얼마큼 공급되는지에 따라 결정될 수 도 있다. 공급량은 정체층의 두께 Ls에 대한 가스상의 원료시드의 평균 자유경로 Lf의 비(Lf/Ls)의 크기에 의존한다.
즉, 원료시드의 정체층이 두껍고 원료시드의 평균 자유경로가 짧은 경우에는, 원료시드가 정체층에 상방으로 확산시에 다른 원료시드 또는 운반 가스시드(예를들면, 수소)와 여러번 충돌하므로, 선택성 성장 마스크의 표면에서 이탈된 원료시드가 정체층의 외부로 승화될 가능성이 거의 없다. 그 결과, 원료시드는 선택성 성장 마스크 근방의 결정 성장영역에 대량으로 공급된다.
반대로, 원료시드의 정체층이 얇고 가스상의 원료시드의 평균 자유경로가 긴 경우에는, 원료시드가 정체층에 상방으로 확산시에 다른 원료시드 또는 운반가스 시드와 몇번 충돌 하므로, 선택성 성장 마스크의 표면에서 이탈된 원료시드가 정체층의 외부로 승화될 가능성이 많다. 그 결과, 원료시드는 선택성 성장 마스크의 근방의 결정 성장 영역상에 많이 공급되지 않는다.
즉, 정체층의 두께에 대한 사스상의 원료시드의 평균 자유경로의 비를 결정성장시에 임의적으로 제어할 수 있다면, 복수의 반도체 장치의 층을 구성하는 작용에 따라 선택성 성장비를 제어할 수도 있다.
상기에서 명백한 바와 같이, 선택성 성장비를 제어하는 방법은 주로 정체층의 두께의 제어방법과 평균자유 경로의 제어방법으로 분류된다.
유체역학에 의하면, 가스흐름의 총량이 증가 되면, 정체층은 얇게 될 수 있고 가스상의 원료시드와 정체층의 두께의 비를 감소시킬 수 가 있다. 반대로, 평균 자유경로의 제어방법으로서는, 가스 흐름의 총량을 고정 시키면서 화학 증기 증착 장치의 성장실내에의 압력을 제어하는 방법이 있다.
평균 자유로가 화학증기증착 장치의 압력에 반비례 하므로, 가스상의 원료시드의 평균자유경로와 정체층의 두께의 비 Lf/Ls는 압력을 내림으로써 증가된다.
Lf/Ls비를 증가시키면, 선택성 성장비가 감소되어서, 화합물 반도체층의 막두께의 균일성이 개선될 수 가 있다.
본 발명자등은 선택성 성장 마스크를 사용하는 결정성장의 선택성 성장비가 화학증기증착 장치의 압력에 증가에 따라 직선으로 증가한다는 사실을 발견하였다.
제6도는 성장 분위기의 성장압력이 변화되는 경우에 스트라이프 부분의 종방향으로의 선택성 성장 마스크의 스트라이프 부분의 중앙 0에서의 거리와 결정성장속도와의 관계를 예시한 도이다.
제6도는 선택성 성장 마스크 M12, M13, M22, M23의 폭 W와 길이 L이 각각 240로서 형성되고, 스트라이프 부분13의 폭이 60로서 형성되면, 종방향으로의 선택성 성장마스크 M12, M13, M22, M23사이의 거리(개방부분 14의 폭)가 1200로서 형성된다는 가정하에, 성장분위기에서 100 Torr와 10 Torr의 다른 압력에서 InP기판의 (001)면상에 InP 결정층을 성장시킬때에 스트라이프 부분13의 종방향으로의 성장속도를 도시한 것이다.
제6도에서 100 Torr에서의 성장에 의해 주어진 선택성 성장비가 10 Torr에서의 성장에 의해 주어진 것보다 크다는 것을 알 수가 있다.
제7도는 제1도에서 스트라이프 부분13의 폭을 변화시킬때에 스트라이프 부분의 중앙에서의 성장속도와 성장압력간의 관계, 즉 성장압력에 대한 선택성 성장비의 의존성 결과를 도시한 것이다.
이러한 경향은 제7도에서, 스트라이프 부분13의 폭을 좁힘으로써 선택성 성장비를 증가시킬 수 가 있고, 스트라이프 부분13의 폭에 관계없이 성장압력이 증가에 따라 선택성 성장비를 증가시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다. 폭의 20이면, 성장속도는 약 200 Torr로 포화된다. 폭이 더 좁아지게 될수록, 포화압력은 더 높아지게 된다.
제7도에 도시한 결과와 다른 실험의 결과로부터, 성장압력이 약 3 Torr 이하이면, 스트라이프 부분13의 폭의 차이로 인하여 성장속도비가 상실되어 선택성 결정비가 1이 된다는 것을 알 수 있었다.
더욱이, 스트라이프 부분13의 폭을 변화시켜서 성장압력을 제어하는 경우에는 선택성 성장비를 약 1~6의 범위내에서 입의적으로 제어할 수 있다는 것을 알았다.
따라서, 선택성 성장비가 큰 층은 50 Torr 이상의 압력에서 결정성장에 의해 형성될 수 있는 반면에, 선택성 성장비가 작은 층은 약 10 Torr 이하의 저압에서 결정성장에 의해 형성될 수 도 있다.
불활성 가스 흐름의 총량의 변화나 성장압력의 변화는 화합물 반도체층의 성장 시 또는 화합물 반도체층의 성장이 일시적으로 중지되는 동안에 행해진다.
화합물 반도체 발광장치와 화합물 반도체 도파로을 단일체로 집적화하는 빔 직경 변환 도파로을 갖는 화합물 반도체 발광장치를 형성하는 경우에는, 활성층의 광구속부의 결정이 약 200Torr의 성장압력에서 성장되고 클래드층의 결정이 약 10Torr의 저압의 성장압력에서 성장되면, 활성층의 막두께는 클래드층의 막두께를 변화시키지 않고 단결정 성장으로 변화될 수 있다.
부수적으로, 상술한 스트라이프 부분13은 선택성 성장마스크의 협개방부로서 간주되며, 개방부 14는 선택성 성장마스크의 광개방부로서 간주된다.
이하에서 결정성장의 실시예를 상세히 설명한다.
[제1 실시예]
제8도는 제조방법의 제1실시예에 의해 제조되는 빔 변환 도파로을 구비한 화합물 반도체 발광장치의 층구조를 보인 개략단면도이다.
제8도에서, 1은 1은 InP 기판, 2는 InP 기판상에 형성된 InP 버퍼층, 3은 버퍼층 2상에 형성된 제1 InGaAsP 광구속층, 4는 InGaAs 양자 웰층과 InGTaAsP 장벽층으로 구성되고 광구속부 3상에 형성되는 다중 양자 웰 활성층, 5는 다중 양자 웰 활성층상에 형성된 제2 InGaAsP 광구속층, 6은 제2 광구속층 5상에 형성된 InP 클래드층, 7은 클래드층 6상에 형성된 InGaAsP 접속층이다.
본 실시예에서는, 반도체 레이저와 반도체 도파로을 단일체로 집적화하는 빔 변화회로를 구비한 화합물 반도체 발광장치를 본 발명에 따라 제조하는 예에 의하여 설명된 경우이다.
먼저, 제9a도에 도시한 바와 같이, 스트라이프 영역 8a와 부채골부분 8b로 구성되는 개방부 8은 InP 1의 (100)면상에 SiO2막을 형성함으로써 형성한 후에 패턴화한다. 이 결과적인 구조는 선택성 성장 마스크 9로서 사용되고, SiO2이외에 Si3N4를 선택성 성장 마스크 9용의 재료로서 사용된다.
그 다음에, 제9b도에 도시한 바와 같이, InP 기판 1상에 금속유기 증기상 에피택시(MOVPE)에 의해 InP 버퍼층 2와 제1 InGaAsP 광구속층 3을 성장한다. 마찬가지로 그 위에 MOVPE에 의해 InGaAs 양자웰층과 InGaAsP 장벽층을 갖는 다중 양자웰 활성층 4를 성장한다. 더욱이, 다중 양자웰 활성층 4상에 MOVPE에 의해 제2 InGaAsP 광구속층 5, InP 플래드층 6 및 InGaAsP 접촉층 7을 성장한다.
반도체 레이저에 있어서, 예를들면 InP 버퍼층의 두께는 0.3, InGaAsP 광구속층 3의 두께는 0.1, 다중 양자웰 활성층 4의 두께는 0.05, InGaAsP 광구속층 5의 두께는 0.1, InP 클래드층 6의 두께는 2이고, InGaAsP 접속층 7의 두께는 0.3이다.
더욱이, n형 기판을 InP 기판 1로서 사용하면, Si등의 n형 불순물은 InP 버퍼층 2와 제1 InGaAsP 광구속층 3으로 도프되는 반면에, Zn 등의 P형 불순물은 제2 InGaAsP 광구속층 5, InP 클래드층 6, 및 InGaAsP 접속층 7로 도프된다.
또한, In용의 재료로서 트리메틸인듐을 사용할 수 도 있고, Ga용의 재료로서 트리메틸갈륨을, P용의 재료로서 인을, As용의 재료로서 비소를, Si용의 재료로서 규소를, Zn용의 재료로서 메틸아연을 사용할 수 도 있다. 상기의 가스의 유기계 가스를 도입하기 위하여는, 운반가스로서 수소가스를 사용할 수 도 있다.
더욱이, 대표적인 성장조건으로서는, 성장온도를 620℃로, 성장속도를 1/hour로, V/III비를 InP 영역의 성장시에 100으로, V/III비를 InGaAs 영역 성장시에 20으로 설정한다. 여기서 V/III비는 재료가스중에 III족 원소에 대한 V족 원소의 몰비를 의미한다.
선택성 성장마스크 9는 화학증기증착 (CVD)에 의해 50㎜ 막두께의 SiO2막을 성장시켜서, 포트리소그래피 기술로 SiO2막을 패턴화함으로써 형성되어 제9a도에 도시된 형상을 갖는다. 예를들면, 개방부 8의 스트라이프 영역 8a의 폭을 20로 형성한다.
선택성 성장 마스크의 표면상태는 선택성 성장에 상당히 영향을 미친다. 특히, 포토리소그래피 기술에 사용되는 레지스트에 포함된 유기재료 피트(Pit)가 남을 가능성이 있다. 따라서, InP 기판의 표면을 H2SO4용액, H2SO4+ H2O + H2O로 혼합된 용액등으로 세정한 후에 결정을 성장시키는 것이 바람직하다.
단지 InGaAsP 광구속층 3, 다중 양자웰 활성층 4, 및 InGaAsP 광구속층 5 선택성 성장비를 크게 제공하기 위하여는, InP 버퍼층 2, InP 클래드층 6, 및 InGaAsP 접속층 7의 결정을 10 Torr의 분위기에서 성장시키는 반면에, 제1 InGaAsP 광구속층 3, 다중 양자웰 화성층 4, 및 제2 InGaAsP 광구속층 5를 180 Torr의 분위기에서 성장시킨다. 그래서, 결정성장에 의해 얻어진 최종의 층구조는 제10도에 도시된 바와 같다. 제1 InGaAsP 광구속층 3, 다중 양자웰 활성층 4, 및 제2 InGaAsP 광구속층 5의 막두께는 반도체 레이저 영역 10a에서는 두껍고, 이들 막두께는 도파로 영역 10b에서 점차 얇게 된다. 도파로 영역 10b에 위치된 광구속층 3, 5 및 다중 양자웰 활성층 4는 코어층으로서 불리운다.
제7도의 실험결과로부터 명백한 바와 같이, InP 버퍼층 2, InP 클래드층 6 및 InGaAsP 접속층 7의 각각 선택성 성장비는 약 2가 되는 반면에, 제1 InGaAsP 광구속층 3, 다중 양자웰 활성층 4, 및 제2 InGaAsP 광구속층 5의 각각의 선택성 성장비는 약 6이 된다.
선택성 성장비가 6이면 이 값은 도파로 구조의 기능을 충족시키는데 충분하다. 한편, 클래드층을 성장시키기 위하여 선택성 성장비가 2로서 선택되면, 이 값은 반도체 장치의 성능을 감소시키지 않고, 그 만큼의 반도체장치가 처리되는 것이 방지되지 않는다.
결정성장후에, 선택성 성장 마스크 9를 불화수소로 제거하고나서, 빔 변환 도파로을 구비한 화합물 반도체 발광장치의 이득 영역(레이저영역)과 도파로 영역을 수의 폭을 갖는 스트라이프 마스크(도시되어 있지 않음)로 덮고, 반도체 장치의 양단을 에칭으로 제거한다. 그 결과, 빔 변환 도파로을 구비한 능선(ridge)형 반도체 레이저의 스트라이프 구조는 예를들면 제11도에 도시한 바와 같이 완료된다.
화합물 반도체 스트라이프층의 양측상에, PnP 접합과 nPn 접합을 갖는 InP 매립층 21를 형성한다. 더욱이, 도파로 영역 10b의 광출력단 근방의 접속층 7를 제거한 후에, 이득 영역 10a에의 접속층 7과 도파로 영역 10b에의 접속층 7를 절연막 22로 덮는다.
화합물 반도체 스트라이프층상의 절연막 22에 개구부 22a를 형성한다. 그 다음에, 개구부 22a를 통하여 접속층 7에 제1전극 23을 접속한다. 더욱이, InP 기판 1의 하부면에 제2전극 24를 접속한다.
[제2 실시예]
상술한 바와 같이, 제1실시예에서의 선택성 성장에 있어서는 일예를 설명하였다. 즉, 10 Torr의 성장분위기와 약 2의 선택성 성장비에서 InP 버퍼층 2, InP 클래드층 6, 및 InGaAsP 접속층 7를 선택적으로 성장시키는 반면에, 180 Torr의 성장분위기와 약 6의 선택성 성장비에서 제1 InGaAsP 광구속층 3, 다중 양자웰 활성층 4, 및 제2 InGaAsP 광구속층 5를 선택적으로 성장시켜서, 화합물 반도체 발광장치와 화합물 반도체 도파로의 각각의 반도체층의 최적두께를 형성한다.
더욱이, 본 발명자등은 제1실시예에 관한 실험을 고려하여 성장압력을 내리는 경우에, 선택성 성장에 의해 형성된 화합물 반도체 결정의 표면의 요철상태가 감소되어 표면의 평탄화가 개선됨을 알았다.
제11도는 선택적으로 성장된 화합물 반도체 결정의 표면의 요철상태와 성장분위기의 성장압력과의 관계를 보인 것이다.
제11도의 가로좌표는 성장분위기의 성장압력을, 세로좌표는 규격화된 스파이크(spike) 높이를 나타낸다. 제11도는 제1도에 도시한 선택성 성장마스크를 사용하여 20의 폭을 갖도록 InP 기판상에 스트라이프부분 13을 형성하고 나서, 성장분위기의 압력 변화후에 InP 기판상에 InP층을 선택적으로 성장시키는 경우의 규격화된 스파이크 높이 S를 도시한 것이다.
규격화된 스파이크 높이 S는 스트라이프 부분13의 양단 근방의 영역에서의 결정의 최대두께(h1)와 스트라이프 부분13의 중앙의 결정의 두께(h)와의 차이(△ h = h1- h)를 스트라이프 부분13의 중앙의 결정의 두께(h)로 나눔으로써 얻어지는 값(△ h = h)으로서 정의된다.
제11도에서, 규격화된 스파이크 높이 S는 성장 분위기의 압력이 100 Torr 이상인 경우에 0.3(30%) 초과함을 알 수 있다. 따라서, 스트라이프 부분13에 형성된 결정의 평탄성을 개선할 수 가 있다.
제11도는 스트라이프 부분의 폭을 20로 설정할 때 얻어진 실험결과이지만, 폭이 20~60내로 설정할 때 동일한 결과를 얻을 수 도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 화합물 반도체 장치의 제조방법에 의하면, 선택성 성장 마스크를 사용하는 결정의 선택성 성장의 선택성비를 결정성장시에 제어할 수 있으므로, 막 두께가 다른 다수의 반도체장치를 단일의 화합물 반도체 기판상에 동시에 형성할 수가 있어서, 장치설계의 마진을 향상시킬 수 가 있다. 더욱이, 그 제조방법은 단일제의 화합물 반도체장치의 특성의 향상과 제조수율에 상당히 기여할 수 가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 화합물 반도체층의 조성 또는 성장비가 선택성 성장 마스크 근방의 영역과 선택성 성장 마스크에서 떨어진 영역에서 구별되는 화합물 반도체층의 성장공정에 있어서, 성장기판의 표면의 일부에 선택성 성장 마스크를 형성하고 나서 선택성 성장 마스크를 형성하지 않는 영역에 화학증기증착에 의해 화합물 반도체층을 성장시킴으로써, 화합물 반도체층의 선택성 성장비는 정체층의 두께가 얇아짐에 따라 더 작아지고, 기판상에 발생되는 원료시드의 정체층의 두께와 증기상의 원료시드의 평균자유경로가 선택적으로 성장될 화합물 반도체층의 선택성 성장비는 평균자유경로가 기어짐에 따라 더 작아진다.
가스 흐름 총량이 더 증가됨에 따라 정체층의 두께를 더 얇게 할 수 가 있다. 평균 자유경로는 성장분위기의 압력을 감소시킴에 따라 길게 할 수 있다.
[제2 실시예]
상기의 광 반도체 장치의 제조방법에 있어서는, 결정의 선택성 성장비는 화합물 반도체의 형성시에 성장압력을 변화시킴으로써 조절되었다. 예를들면, 클래드층 2, 6은 10 Torr의 저압에서 형성되는 반면에, 안내층 3, 5는 180 Torr의 고압에서 형성된다. 제13도에 도시한 바와 같이, 안내층 3, 5의 성장과 클래드층 2, 6의 성장사이에 성장압력의 변화를 가져올 수 없지만, 다른 종류의 화합물 반도체층간에 경계상태를 미세하게 하도록 클래드층 2, 6의 결정성장시에 그 변화를 가져올 수 있다.
한편, 클래드층 2, 6을 구성하는 화합물 반도체의 성장시에 P형 불순물 또는 n형 불순물의 화합물 반도체의 결정에 도프된다. 그 때에, 결정성장시에 압력을 변화시키면, 압력변화에 따라 도펀트의 도입량도 변화되는 현상이 발생한다는 것이 본 발명자의 실험에 의해 명백시된다.
다음에, 그 실험결과를 설명한다. 본 실험에 있어서는, n형 불순물의 공급원으로서 모노실란(SiH4)를 사용하고 P형 불순물의 공급원으로서 디메틸아연(DMZn)을 사용하였다.
제14a도는 하부 InP 플래드층 2의 성장시에 시간경과에 따른 SiH4가스 공급량의 변화와 하부 InP 클래드층 2의 성장시에 시간의 경과에 따른 성장압력의 변하를 보인 것이다. 제14a도는 하부 InP 클래드층 2의 성장시에 SiH4가스의 공급량을 일정하게 유지시키면서, 하부 InP 클래드층 2의 성장시에 △t 시간동안 성장압력을 P2에서 P1(P2P1)으로 증가시킨 것을을 보인 것이다.
제14b도는 InP 클래드층 2를 성장시키는 데 필요한 시간 경과에 따라 하부 InP 클래드층 2의 전자밀도를 보인 것이다. 제14b도를 참조하면, 성장압력을 변화시킴으로써 전자밀도가 n,에서 n2(n2n1)으로 증가된 것을 알 수 있다. 여기서, n1은 설계값이다. 전자밀도의 증가는 실리콘 함유량이 증가를 의미한다.
제15a도는 상부 InP 클래드층 6의 성장시에 시간경과에 따른 DMZn 가스공급량의 변화와 상부 InP 클래드층 6의 성장시에 시간경과에 따른 성장압력의 변화를 보인 것이다. 제15a도는 상부 InP 클래드층 6의 성장시에 DMZn 가스의 공급량을 일정하게 유지시키면서 상부 InP 클래드층 6의 성장시에 △t 시간동안 성장압력을 P2에서 P1으로 증가시킨다는 것을 보인 것이다.
제15b도는 InP 클래드층 6을 성장시키는 데 필요한 시간경과에 따라 상부 InP 클래드층 6의 홀밀도를 보인 것이다. 제15b도를 참조하면, 성장압력을 변화시킴으로써 홀밀도가 P2에서 P1( P2P1)으로 감소된다는 것을 알 수 있다. 여기서, P2는 설계값이다. 홀 밀도의 감소는 아연함유량의 감소를 의미한다.
제13도에 도시한 바와 같이, 이들 실험에서는, 하부 InP 클래드층 2의 성장시에 성장압력을 증가시키지만, 상부 InP 클래드층 6의 성장시에는 성장압력을 감소시킨다.
제14도와 제15도에 도시한 바와 같이, 캐리어 밀도분포(불순물 농도 분포)가 막두께 방향에서 클래드층 2, 6에 고르지 않게 되면, 반도체층의 Pn 접합부가 불순물 확산으로 인해 원치않는 위치로 이동되어 에너지 밴드구조가 설계된 것 처럼 형성되지 않아서, 반도체 레이저의 전기저항 분포가 쉬프트된다. 그 결과, 광 반도체 장치의 설계특성을 얻을 수가 없다.
따라서, 상기의 결점을 방지하기 위하여, 본 발명자 등은 이하의 방법을 이용하였다.
즉, 제16도에 도시한 바와 같이, n형 InP 클래드층 2의 성장시에 성장압력을 P1에서 P2로 증대시키고, 성장압력의 변화시에 SiH4가스의 공급량(유량)을 A1에서 A2(A2A1)으로 감소시킨다. SiH4공급량 A1을 지정하여 지정값으로서의 전자밀도 n1을 클래드층 2에 제공한다.
SiH4공급량이 A1으로부터 A2로 어떻게 변화되는지를 확인하는 실험결과가 제18도에 보여진다. 다시 말해서, 본 발명의 발명자는 SiH4가스 공급량을 고정시킴에 따라 성장압력이 변화되면 화합물 반도체 내의 전자밀도 n은 성장압력이 어떤 압력 P3와 같거나 더 클 경우의 성장압력에 비례하여 변하는 동안 성장압력이 어떤 압력 P3와 동등하거나 더 클 경우 성장압력 P의 제곱에 비례하여 화합물 반도체내의 전자밀도 n이 변화된다. 각각의 결정 성장 장치내에서 임의의 압력 P3은 상이하다. 제16도에서, 압력 P3의 크기가 50 Torr로 설정되어 있다.
그러므로, 클래드층 2의 전자밀도 n을 일정하게 유지하기 위하여 SiH4가스의 공급량 A2와 공급량 A1의 비 ( A2/ A1)는 이하의 3가지 관계로 분류된다.
반대로, 제17도에 도시한 바와 같이, P형 InP 클래드층 6의 성장중에 성장압력은 P2에서 P1으로 감압되고 DMZn가스의 공급량(유량)은 성장압력의 변화시에 B2에서 B, ( B2B1)으로 증대된다. DMZn 공급량 B1은 클래드층 6에 지정값으로 홀밀도 P1을 제공하도록 지정된다.
그 다음에, DMZn 공급량이 어떻게 B1에서 B2로 변화되어야 하는 지를 확인하기 위한 실험결과는 제19도에 보여진다. 즉, 본 발명자 등은 DMZn 가스공급량을 일정하게 유지시키면서 성장압력을 변화시킬때에 화합물 반도체의 홀밀도 P가 성장압력 P의 ½곱에 비례하여 변화한다는 것을 알았다.
따라서, 클래드층 6의 홀밀도 P를 일정하게 유지하기 위하여 DMZn 가스의 공급량 B1과 공급량 B2의 비 ( B1/ B2)는 이하의 관계식으로 정의된다.
상술한 바와 같이, 캐리어 밀도, 도펀트 공급가스, 및 성장압력중의 관계를 고려하여, 이하의 조건하에서 제9a도에 도시한 선택성 성장 마스크를 사용하여 화합물 반도체층 구조를 형성하였다.
제9a도에 도시한 바와 같이, 결정성장시에, n-InP 기판 1상에 형성된 선택성 성장 마스크 9로서 2개의 직사각형 영역 M12, M13의 길이 L과 폭 W은 각각 600와 300이다. 선택성 성장 마스크 9의 개방부분 8의 스트라이트 부분 8a의 폭 W1은 40이다.
n형 InP 기판 1상에는 MOVPE 방법에 의해 0.5막두께의 n형 InP 클래드층 2, 0.1막두께의 n형 InxGa1-xAsyP1-y(x = 0.85, y = 0.33) 안내층 3, 0.1막두께의 비도프된 InxGa1-xAsyP1-y안내층 5, 0.5막두께의 P형 InP 클래드층 6, 및 0.1막두께의 P형 InGaAsP 접속층 7이 형성되어 있다. 예시에 의해, 각각의 층 2-7의 막두께는 스트라이프 영역 8a의 막두께로서 표시되어 있다.
이 경우에, 2개의 안내층 3, 5를 구성하는 InxGa1-xAsyP1-y의 조성파장은 1.1이다. MAW 활성층 4는 조성파장이 1.1인 InGaAsP로 형성된 다수의 장벽층과 조성파장이 1.3인 Inx'Ga1-x'AsyP1-y'(x' = 0.72, y' = 0.61)로 형성된 다수의 웰층이 교대적으로 형성되는 구조를 갖는다.
MOVPE 성장방법에서는, 인듐(In)의 재료로서 트리메틸인듐 (TMI), 갈륨(Ga)의 재료로서 트리에틸갈륨(TEG), 비소(As)의 재료로서 아르신(AsH3), 및 인의 재료로서 인산(PH3)을 각각 사용하였다.
성장시에, 기판온도는 600℃이고, 수소의 총유량은 6 1/min 이다.
InP 클래드층 2, 6의 성장시에, TMI 공급량은 0.4 ccm으로, PH 공급량은 40 sccm으로서 설정되며, n형 불순물로서는 SiH4가스를, P형 불순물로서는 DMZn 가스를 사용한다. 그 다음에, P형 불순물로서는 DMZn 가스를 사용한다. 그 다음에, P형 클래드층 6에 대한 n형 InP 클래드층 2를, 이하의 예에 보여지는 바와 같이 성장압력과 불순물 가스공급량을 변화시켜서 성장시킨다.
그러나, n형 InP 클래드층 2에서 5 × 1017atoms / ㎤의 도즈(전자밀도)를 얻도록 성장압력 10 Torr에서 SiH4공급량이 0.02 ccm이고, P형 InP 클래드층 6에서 5 × 1017atoms / ㎤의 도즈(홀밀도)를 얻도록 성장압력 150 Torr에서 DMZn 공급량이 0.004 ccm 이다는 것이 예비실험에 의해 확인 되었다. 상기의 조건에서, 상기 표현(11) ~ (13)에 따라 성장압력 P3는 50 Torr이다.
[제1 실험예]
제16도에 도시한 바와 같이, n형 InP 클래드층 2의 성장시에, 성장압력과 SiH4공급량을 변화시킨다.
n형 InP 클래드층 2는 먼저 성장압력 10 Torr(P1)에서 0.4의 두께까지 성장되고 나서, 증가된 성장압력 50 Torr(P2)에서 0.1의 두께만큼 더 성장된다. 이어서, 성장압력 10 Torr(P1)에서 SiH4공급량 A1을 0.02 ccm으로 설정하고, 성장압력 50 Torr(P2)에서 A2는 상기식(1)에 근거하여 A2= (10/50)2A1= 0.0008로서 주어진다.
이 후에, 안내층 3, 5 및 MAW 활성층 4를 50 Torr에서 성장시킨다. 활성영역 10a와 도파로 영역 10b 사이에 막 두께차를 향상시키기 위하여 이들층의 선택성 성장비를 증가시킨다. 다음에, P형 InP 클래드층 6의 성장시에, 제17도에 도시한 바와 같이, 성장압력과 DMZn 공급량을 변화시킨다.
먼저 P형 InP 클래드층 6을 성장압력 50 Torr(P2)로 유지시켜 0.1두께까지 성장시키고 나서, 성장압력 10 Torr(P1)로 감소시켜 0.4두께만큼 더 성장시킨다. 이 경우에, 성장압력 50 Torr(P2)에서 DMZn 공급량 B2를 0.069 ccm으로 설정하고 성장압력 10 Torr(P1)에서 DMZn 공급량 B1을 0.0155 ccm으로 설정한다.
공급량 B2는 상기 식(14)에 근거하여 B2= (150/50)½× 0.004 = 0.0069로서 주어지며, 공급량 B1은 상기식(14)에 근거하여 B1= (50/10)½B2= 0.0155로서 주어진다.
성장압력을 수분미만동안 변화시키고 TMI의 공급을 중지하여 그 기간중에 PH3만을 공급한다. 이것은 화합물 반도체층에서의 V족 원소의 누출을 방지해야 하기 때문이다. 이것은 이하의 예에서 틀림없다.
P형 클래드층 6을 상기와 같이 형성한 후에, 성장압력을 10 Torr로 유지시키면서 InGaAsP 접촉층 7를 형성한다.
[제2 실시예]
제16도에 도시한 바와 같이, n형 InP 클래드층 2의 성장시에, 성장압력과 SiH4공급량을 변화시킨다.
먼저, n형 InP 클래드층 2를 성장압력 10 Torr(P1)에서 0.4두께까지 성장시키고 나서, 증가된 성장압력 15 Torr(P2)에서 0.1두께만큼 더 성장시킨다. 이어서, 성장압력 10 Torr(P1)에서 SiH4공급량 A1을 0.02 ccm으로 설정하고, 성장압력 150 Torr(P2)에서 SiH4공급량 A2를 상기 식(12)에 근거하여 A2= (10/50)2(50/150) A1= 0.00027로서 주어진다.
이 후에, 안내층 3, 5와 MAW 활성층 4를 150 Torr로 성장시킨다. 활성 영역 10a와 도파로 영역 10b 사이에 막두께차를 향상시키기 위하여 이들 층의 선택성 성장비를 증가시킨다.
그 다음에, P형 InP 클래드층 6의 성장시에, 성장압력과 DMZn 공급량을 제17도에 도시한 바와 같이 변화한다.
먼저, P형 InP 클래드층 6을 성장압력 150 Torr(P2)로 유지시켜 0.1의 두께까지 성장시키고 나서, 감압된 성장압력 10 Torr(P1)에서 0.4두께만큼 더 성장시킨다. 이 경우에, 성장압력 150 Torr(P2)에서 DMZn 공급량 B2를 설정하고 성장압력 10 Torr(P1)에서 DMZn 공급량 B1을 설정한다.
공급량 B2는 상기 식(14)에 근거하여 B2= (150/150)½× 0.004 = 0.004로서 주어지며, 공급량 B1은 상기식(14)에 근거하여 B1= (50/10)½B2= 0.0155로서 주어진다.
이처럼, P형 클래드층 6을 형성한 후에, 성장압력을 10 Torr로 유지시키면서 InGaAsP 접속층 7를 형성한다.
[제3 실시예 ]
제16도에 도시한 바와 같이, n형 InP 클래드층 2의 성장시에, 성장압력과 SiH4공급량을 변화시킨다.
먼저, n형 InP 클래드층 2를 성장압력 50 Torr(P1)에서 0.4두께까지 성장시키고 나서, 증가된 성장압력 150 Torr(P2)에서 0.1두께만큼 더 성장시킨다. 이어서, 성장압력 50 Torr(P1)에서 SiH4공급량 A1을 0.0008 ccm으로 설정하고, 성장압력 150 Torr(P2)에서 SiH4공급량 A2를 0.000027로 설정한다.
공급량 A1은 상기 식(12)에 근거하여 A1= (10/50)2× 0.02 = 0.0008로서 주어지며, 공급량 A2은 상기식(13)에 근거하여 A2= (50/150)2A1= 0.00027로서 주어진다.
이 후에, 안내층 3, 5와 MAW 활성층 4를 150 Torr로 성장시킨다. 활성 영역과 도파로 영역사이에 막두께차를 향상시키기 위하여 이들 층의 선택성 성장비를 증가시킨다.
그 다음에, P형 InP 클래드층 6의 성장시에, 성장압력과 DMZn 공급량을 제17도에 도시한 바와 같이 변화한다.
먼저, P형 InP 클래드층 6을 성장압력 150 Torr(P2)로 유지시켜 0.1두께까지 성장시키고 나서, 감압된 성장압력 50 Torr(P1)에서 0.4두께만큼 더 성장시킨다. 이 경우에, 성장압력 150 Torr(P2)에서 DMZn 공급량 B2를 0.004 ccm으로 설정하고 성장압력 50 Torr(P1)에서 DMZn 공급량 B1을 0.0069ccm 으로 설정한다.
공급량 B1는 상기 식(14)에 근거하여 B1= (150/50)½B2= 0.0069로서 주어진다.
이처럼, P형 클래드층 6을 형성한 후에, 성장압력을 50 Torr로 유지시키면서 InGaAsP 접속층 7를 형성한다.
상기 3가지 예에 대하여는, n형 InP 클래드층 2의 실리콘 밀도와 P형 InP 클래드층 6의 아연밀도를 SIMS로 분석하여서, 그 결과를 제20도와 제21도에 나타냈다. 제1 - 제3예의 모든 경우에서, 5 × 1017atoms / ㎤의 실리콘 밀도와 아연 밀도가 두께방향으로 전 범위에 걸쳐 0.5두께를 갖는 클래드층 2, 6에서 얻어질 수 가 있었다. 이 결과는 InP 클래드층 2, 6의 캐리어 밀도가 성장압력을 변화시키는 경우에도 조절될 수 있음을 시사한다. 이것에 의해서, 광 반도체장치를 구성하는 화합물 반도체에 있어서, Pn 접합의 위치, 에너지 밴드구조, 및 전기저항 분포가 설계된 바와 같이 실현될 수 가 있다.
그런데, 각각의 캐리어 밀도 곡선이 제20도와 제21도의 일단에서 감소되는 이유는 n형 불순물과 P형 불순물이 각각 안내층 3, 5로 확산된 것으로 기인되며, 성장압력의 변화에 의해 발생되지 않는다.
상기 예에서 n형 불순물이 하부 클래드층 2에 도프되고 P형 불순물이 상부 클래드층 6에 도프되더라도, n형과 P형을 반전시킬 수도 있다. 이러한 경우에는, DMZn 가스공급량이 하부 클래드층 2에서의 성장압력의 상승에 따라 감소되며, SiH4가스공급량은 상부 클래드층 6에서의 성장압력의 감소에 따라 증가된다.
상기 제2 실시예에서는 In, Ga, Al 중 적어도 하나를 포함하는 III족 물질과 As, P 중 적어도 하나를 포함하는 V족 물질로 구성되는 III-V족 반도체층을 성장시키는 경우에 적용될 수 도 있다. 이 경우에는, 성장조건과 불순물이 상기 실시예들에 제한되지 않는다. 더욱이, 실리콘(Si) 이외에 황(S), 셀레늄(Se)을 n형 불순물로서, 아연(Zn) 이외에 카드뮴(Cd)를 P형 불순물로서 사용할 수 도 있다. 그 경우에는, 성장압력의 변화에 따라 불순물 가스의 도입량을 변화 시켜야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, n형 불순물 또는 P형 불순물을 도입하는 화합물 반도체층의 성장중에 성장압력을 변화시키는 경우에는, n형 불순물 또는 P형 불순물을 포함하는 가스를 동시에 변화시키므로 화합물 반도체층의 불순물의 도즈를 성장압력의 변화에 의해 전 영역에 걸쳐 일정하게 조절할 수 가 있다.
n형 불순물을 도입하기 위한 가스의 공급량이 일정한 경우에는 화합물 반도체층의 n형 불순물의 도즈가 그 공급량이 성장압력의 제곱에 비례하여 변화하는 범위와 성장압력에 비례하는 다른 범위로 나누어진다는 것이 실험에 의해 확인되었다. 따라서, 이들 관게에 의하여, n형 불순물을 도입하기 위한 가스의 공급량을 조절함으로써 n형 불순물의 도즈를 일정하게 유지할 수 가 있다.
더욱이, P형 불순물을 도입하는 경우, 화합물 반도체의 P형 불순물의 도즈는 성장압력의 ½곱에 비례하여 변화한다. 따라서, 이 관계에 의하여, P형 불순물을 도입하기 위한 가스의 공급량을 조절함으로써 P형 불순물의 도즈를 일정하게 유지할 수 있다.
화합물 반도체층의 도즈가 일정하면, 불순물 확산에 의해 발생되는 Pn 접합의 위치, 에너지 밴드 갭(gap) 및 저항분포가 설계된 바와 같이 얻어질 수 가 있으므로, 화합물 반도체장치의 양호한 특성을 달성 할 수가 있다.
[제3 실시예]
다음에, 선택성 성장에 의해 형성된 화합물 반도체층의 내부 변형(strain)에 대하여 설명한다.
상기 테이퍼(taper) 도파로을 실현하기 위한 선택성 성장 기술에 의하여 화합물 반도체층의 막두께를 변화시키는 경우에는, 반도체의 조성도 막두께의 차에 따라 변화한다. 따라서, 막두께가 더 두꺼워짐에 따라 막을 압축변형을 받기가 더 쉽다.
예에 의하여, 제22a도에 도시한 바와 같이, 테이퍼 도파로의 얇은 상부에 응력을 인가하지 않으면, 제22b도에 도시한 바와 같이, 반도체 레이저의 두꺼운층에 압축변형이 발생된다. 따라서, 반도체 레이저의 양자 웰층, 장벽층, 안내층등에 여분의 변형이 발생된다.
그래서, 반도체 레이저의 양자 웰층과 장벽층의 층수가 증가되거나 양자 웰층의 변형량이 증가되어 반도체 레이저의 고온 특성을 향상시키는 경우에는, 이들 층에 여분의 변형이 발생되므로, 결정 변위가 즉시 발생된다. 즉, 반도체 레이저 영역에 발생된 변형이 초과되어 초격자가 이완된다.
초격자의 여분의 변형을 감소시키기 위하여는 다음의 구조를 채택한다.
제23도는 본 발명의 제3 실시예에 의한 집적 페브리-페로트 (Fabry-perot) 반도체 레이저와 테이퍼 도파로의 일부 단면 사시도이다.
먼저 장치의 구조에 대하여 설명한다.
제23a도를 참조하여, n형 InP 클래드층 32, InxGa1-xAsyP1-y(0 x 1, 0 y 1)로 형성된 제 1광 안내층 33, MAW층 34, InxGa1-xAsyP1-y로 형성된 제 2광 안내층 35, 및 P형 InP 클래드층 36을 n형 InP 기판 31상에 에피택셜 성장에 의해 연속적으로 형성한다. 이들 층을, 마스크와 에칭을 사용하는 포토리소그래피에 의해 광이동방향으로 스트라이프 구조로서 형성한다.
제23b도에 도시한 바와 같이, MAW층 34는 웰층 34w와 장벽층 34b를 교대로 형성하는 초격자 구조를 갖는다. 웰층 34w는 10개 층으로 있고 장벽층 34b를 놓도록 배치된다. 웰층 34w는 Inx1Ga1-x1Asy1P1-y1(0 x1 1, 0 y1 1)로 형성되고, 장벽층 34b는 Inx2Ga1-x2Asy2P1-y2(0 x2 1, 0 y2 1) 로 형성된다.
상기층들의 적어도 제 1 광안내층 33, MAW층 34, 및 제 2 광안내층 35는 이득 영역 30A에서는 평탄하고 도파로 영역 30B에서는 테이퍼방식으로 있는 선택성 성장 기술에 의해 형성된다. 선택성 성장기술에 의하면, 예를들면 제24도에 도시한 바와 같이, 스트라이프 구조의 도파로영역 30B의 테이퍼 부분의 상단(광출력단)의 두께가 0.1이면, 이득영역 30A는 0.3의 두께를 갖는다. 이 경우에, 선택성 성장비는 3이다.
스트라이프 구조의 양측상에는 제 1 P형 InP층 37과 제 2 N형 InP층 38의 순으로 성장된다. 제 2 P형 InP층 39는 제 2 n형 InP층 38과 P형 InP 클래드층 36상에 형성된다.
P형 InGaAsP의 접촉층 41는 이득영역 30A와 그 인접영역의 제 2 P형 InP층 39상에 형성된다. 도파로 영역 30B의 제 2 P형 InP층 39와 접촉층 41은 각각 SiO2의 보호막 42로 덮어진다. 스트라이프 구조의 상부 보호막 42에는 개구 43이 형성되어, 개구 43을 통하여 접촉층 41에 P측 전극 44가 접촉되어 있다. n-InP 기판 31의 하면에는 n측 전극 45가 접촉되어 있다. 더욱이, 스트라이프 구조의 양단에는 반사막이 형성되어 있다.
다음에, 상술한 스트라이프 구조에 대하여 상세히 설명한다.
(1) 먼저, 도파로 영역 30B에 형성된 테이퍼 스트라이프의 광출력단에 대하여 설명한다.
제 1 및 제 2 광안내층 33, 35를 구성하는 InxGa1-xAsyP1-y의 조성비 x는 0.85이고 그 조성비 y는 0.24이다. 광출력단에서의 제 1 및 제 2 광안내층 33, 35의 막두께는 각각 15㎜이다. 제25a도에 도시한 바와 같이, 약 0.3%의 응력, 즉 0.3%의 신장응력을 제 1 및 제 2 광안내층 33, 35의 광출력단에 인가한다. 광출력단에서, MAW층 34의 웰층 34w를 구성하는 Inx1Ga1-x1Asy1P1-y1의 구성비 x1은 0.72이고 그 조성비 y1은 0.61이다. 장벽층 34b를 구성하는 Inx2Ga1-x1Asy1P1-y1의 조성비는 0.85이고 그 조성비 y2는 0.33이다. 더욱이, 광출력단에서, 웰층 34w는 1개의 층마다 2㎜의 두께를 갖는 장벽층 34b는 1개의 층마다 5㎜의 두께를 갖는다. 이러한 구조에서, 웰층 34w와 장벽층 34b를 포함하는 MAW층 34의 광출력단에서는 응력이 0이 되어 격자정합을 달성한다.
제25a도에 도시한 바와 같이, 도파로 영역 30B의 막응력과 층들간의 관계가 예시되어 있다. 이 경우에, 제 1 및 제 2 광안내층 33, 35에 인장응력을 인가하더라도 광도파로은 거의 영향받지 않는다.
(2) 다음에, 이득영역 30A의 편평한 스트라이프 구조에 대하여 설명한다.
이득영역 30A에서, 제 1 및 제 2 광안내층 33, 35를 구성하는 InxGa1-xAsyP1-y의 조성비 x는 0.92이고 그 조성비 y는 0.24이다. 광출력단에서의 제 1 및 제 2 광안내층 33, 35의 막두께는 각각 45㎜이다. 이득영역 30A에서, 제 1 및 제 2 광안내층 33, 35에 약 0.2%의 압축응력을 인가한다.
더욱이, 이득영역 30A에서는, 웰층 34w를 구성하는 Inx1Ga1-x1Asy1P1-y1의 조성비 x1는 0.81이고 그 조성비 y1은 0.61이다. 장벽층 34b를 Inx2Ga1-x2Asy2P1-y2의 조성비 x2는 0.92이고 그 조성비 y2는 0.33이다. 또한, 이득영역에서, 웰층 34w의 각각의 1개층은 6㎜의 두께를 갖고, 장벽층 30b의 각각의 1개층은 15㎜의 두께를 갖는다. 이러한 구조에 있어서, 압축응력은 웰층 34w와 장벽층 34b에 존재한다.
각각의 영역의 막두께는 선택성 성장에 의해 이득영역 30A와 도파로 영역 30B의 막두께 분포를 변화시킴으로써 변화될 수 도 있으므로, 제 1 및 제 2 광안내층 33, 35와 MAW층 34의 각각의 조성비는 그 막두께에 따라 이득영역 30A에서 다른 값을 갖는다.
이득영역 30A에서, MQW층 34와 제 1 및 제 2 광안내층, 33, 35에서 발생된 응력이 제25b도에 도시되어 있고, 제 1 및 제 2 광안내층 33, 35의 압착응력이 작으므로 MAW층 34가 여분으로 압축될 가능성이 없다.
부수적으로, n-InP 클래드층 32의 막두께는 100㎜이고, P형 InP 클래드층 36의 막두께는 200㎜이다.
이전에 설명한 바와 같이, 제 1 및 제 2 안내층 33, 35를 구성하는 화합물 반도체의 조성비와 막두께를 조절함으로써 도파로 영역 30B에서의 제 1 및 제 2 안내층 33, 35에 인장응력이 발생되면, 압축응력량이 두꺼운 막두께를 갖는 이득영역 30A에의 제 1 및 제 2 안내층 33, 35에서 감소될 수가 있다.
이것은 이득영역의 전체층에서 발생된 압축응력량을 감소시키게 할 수 가 있다. 그래서, MAW층 34는 외부로부터 여분의 압축응력을 받지 않는다. 그 결과, 웰층 34w의 층수를 증가시키더라도 MAW층 34에 결정변위가 더 이상 발생되지 않는다. 이것에 의해 이득영역 30A에 형성된 반도체 레이저의 특성의 저하를 억제할 수 있다.
어떠한 경우에도, 도파로 영역 30B에의 웰층 34a와 장벽층 34b의 응력을 조절함으로써 이득영역 30A에의 여분의 변형을 방지할 수가 있다. 이러한 경우에, 예를들면 제26도에 도시한 바와 같이, 장벽층 34b에서는 인장변형이 발생될 수 있는 반면에, 웰층 34w에서는 압축변형이 발생될 수 도 있다.
상기 구조를 갖는 광 반도체 레이저는 페브리-페로트 반도체 레이저로 형성되었더라도, 제23a도에 도시한 바와 같이 이득영역 30A에의 하부 또는 상부 광안내층 33, 35에 요철상의 회절격자 32A가 설치되어 있는 DFB(distributed feedback)반도체 레이저로서 형성될 수 도 있다.
제3 실시예에 의하면, 도파로 영역의 단부에서 양자 웰 구조층을 개제한 광안내층에 인장변형이 발생되므로, 광안내층의 압축변형의 크기는 이득영역에서 감소될 수 도 있다. 결과적으로 이득영역의 전체 압축변형의 감소로 인하여 압축변형을 인가하는 웰층에서 결정변위의 발생이 방지될 수 도 있다.

Claims (24)

  1. 선택성 성장마스크를 사용하여 형성된 기판의 표면상에 화학증기증착에 의해 화합물 반도체층을 형성함으로써 기판의 표면상의 선택성 성장마스크에 가까운 영역에 형성된 화합물 반도체층의 성장속도 또는 조성과 선택성 성장마스크에서 먼 영역에 형성된 화합물 반도체의 성장속도 또는 조성을 차별하는 단계로 구성되는 화합물 반도체 장치의 제조방법에 있어서, 선택적으로 성장되는 화합물 반도체층에 따라 성장 압력, 운반가스의 시드 또는 가스흐름의 총량을 조절하고, 상기 조절단계에 의해 기판표면의 근방에 형성된 원료시드의 정체층의 두께와 증기상의 원료시드의 평균자유경로의 비를 제1값으로 설정하면서 선택성 성장마스크로 덮혀지지 않은 영역에 제 1 화합물 반도체 층을 성장시키며, 상기 조절 단계에 의해 상기 비를 제 2 값으로 변화시켜서 상기 제 1 화합물 반도체층상에 제 2 화합물 반도체층을 선택적으로 성장시키는 단계로 구성되는 화합물 반도체장치의 제조방법.
  2. 폭좁은 제 1 영역과 폭넓은 제 2 영역으로 구성되는 개방부분을 갖는 선택성 성장마스크를 화합물 반도체 기판상에 형성하고, 상기 화합물 반도체기판과 상기 선택성 성장마스크를 결정성장 분위기에 높고, 상기 결정성장 분위기에서 원료시드를 포함하는 가스를 도입함으로써 상기 선택성 성장마스크로 덮혀지지 않는 상기 화합물 반도체기판의 영역에 제 1 화합물 반도체층을 성장시켜서 상기 원료시드의 평균자유경로를 제 1 길이로 설정하며, 상기 가스를 계속 도입하거나 상기 화합물 반도체층의 성장을 일시 중지시키면서 상기 가스에 포함된 운반가스의 종류를 변화시키거나 상기 결정 성장 분위기의 압력을 변화시키는 것에 의해 상기 평균자유경로를 제 2 길이로 변화시킴으로써 상기 제 1 화합물 반도체층 상에 제 1 화합물 반도체층과 다른 막두께 분포를 갖는 제 2 화합물 반도체층을 성장시키는 단계로 구성되는 화합물 반도체장치의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 평균자유경로를 제 2 길이가 상기 결정성장분위기의 압력을 감소시킴으로써 상기 제 1 길이보다 길게 설정되어, 상기 제 2 화합물 반도체층의 막두께 분포의 두께간의 차이가 상기 제 1 화합물 반도체층의 막두께 분포의 것보다 작게 설정되는 화합물 반도체 제조방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 운반가스가 수소, 질소 및 아르곤중 어느 하나로 형성되는 화합물 반도체의 제조방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 선택성 성장마스크의 상기 개방부분의 제 1 영역과 제 2 영역이 서로 결합되도록 형성되고, 상기 제 1 영역이 발광장치 형성영역이고, 상기 제 1 영역이 도파로 형성영역이며, 상기 원료시드의 평균자유경로의 제 1 길이가 그 제 2 길이보다 짧게 설정되고, 상기 평균자유경로를 상기 제 1 길이로 설정하도록 상기 발광장치의 활성층과 상기 도파로의 코어부분을 상기 결정분위기에서 동시에 형성하며, 상기 평균자유경로를 상기 제 2 길이로 설정하도록 상기 결정분위기에서 상기 활성층과 상기 코어부분상에 상기 도파로와 상기 발광장치의 클래드층을 형성하는 화합물 반도체의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 평균자유경로를 상기 제 1 길이로 설정하기 위하여 상기 결정분위기가 50 Torr이상이며, 상기 평균자유경로를 상기 제 2 길이로 설정하기 위한 상기 결정분위기가 10 Torr이하인 화합물 반도체의 제조방법.
  7. 제2항에 있어서, 상기 제 1 화합물 반도체층과 상기 제 2 화합물 반도체층이 III-V족 화합물 반도체로 형성되는 화합물 반도체의 제조방법.
  8. 폭좁은 제 1 영역과 폭넓은 제 2 영역으로 구성되는 개방부분을 갖는 선택성 성장마스크를 화합물 반도체 기판상에 형성하고, 상기 화합물 반도체 기판과 상기 선택성 성장마스크를 결정성장 분위기에 놓고, 상기 결정성장 분위기에서 원료시드를 포함하는 가스를 도입함으로써 상기 선택성 성장마스크레 의해 덮혀지지 않은 상기 화합물 반도체 기판의 영역에서 제 1 화합물 반도체층을 성장시켜서, 제 1 두께를 갖도록 상기 화합물반도체 기판의 표면 근방에 상기 원료 시드의 정체층을 형성하며, 상기 가스를 계속 도입하거나 상기 제 1 화합물 반도체층의 성장을 일시 중지시키면서, 가스 흐름의 총량을 변화시키는 것에 의해 상기 화합물 반도체 기판의 표면 근방의 정체층의 두께를 제 2 두께로 변화시킴으로써 상기 제 1 화합물 반도체층상에 상기 제 1 화합물 반도체층과는 다른 막 두께 분포를 갖는 제 2 반도체층을 성장시키는 단계로 구성되는 화합물 반도체 장치의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 정체층의 제 2 두께가 가스흐름의 총량을 증가시킴으로써 상기 제 1 두께보다 얇게 형성되어, 상기 제 2 화합물 반도체층의 막두께 분포의 두께간의 차가 상기 제 1 화합물 반도체층의 막두께 분포의 것보다 작게 설정되는 화합물 반도체 장치의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 선택성 성장마스크의 상기 개방부분의 제 1 영역과 제 2 영역의 서로 결합되도록 형성되고, 상기 제 1 영역이 발광장치 형성영역이고, 상기 제 1 영역이 도파로 형성영역이며, 상기 정체층의 제 2 두께가 상기 제 1 두께보다 얇게 형성되고, 상기 정체층이 상기 제 1 두께를 갖게 형성되도록 상기 발광장치의 활성층과 상기 도파로의 코어부분을 상기 결정분위기에서 동시에 형성하며, 상기 정체층이 상기 제 2 두께를 갖게 형성되도록 상기 결정분위기에서 상기 활성층과 상기 코어부분상에 상기 도파로와 상기 발광장치의 클래드층을 형성하는 화합물 반도체장치의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제 1 화합물 반도체층과 상기 제 2 화합물 반도체층이 III-V족 화합물 반도체로 형성되는 반도체장치의 제조방법.
  12. 폭좁은 제 1 영역과 폭넓은 제 2 영역으로 구성되는 개방부분을 갖는 선택성 성장마스크를 화합물 반도체 기판상에 형성하고, 상기 화합물 반도체 기판과 상기 선택성 성장마스크를 결정성장 분위기에 놓고, 상기 결정성장 분위기에서 원료시드를 포함하는 가스를 도입함으로써 상기 선택성 성장마스크레 의해 덮혀지지 않은 상기 화합물 반도체 기판의 영역에서 제 1 화합물 반도체층을 성장시켜서 상기 화합물 반도체 기판의 표면 근방에 상기 원료시드의 정체층을 형성하여 제 1 두께를 갖게 하고, 상기 원료시드의 평균자유경로를 제 1 길이로 설정하고, 상기 가스를 계속 도입하거나 상기 제 1 화합물 반도체층의 성장을 일시중지시키면서 가스 흐름의 총량을 변화시키는 것에 의해 상기 화합물 반도체 기판의 표면 근방에 정체층의 두께를 제 2 두께로 변화시키고 상기 가스에 포함된 운반 가스의 종류를 변화시키거나 또는 상기 결정성장분위기의 압력을 변화시키는 것에 의해 상기 평균자유경로를 제 2 길이로 변화시킴으로써, 상기 제 1 화합물 반도체층상에 상기 제 1 화합물 반도체층과는 다른 막 두께 분포를 갖는 제 2 반도체층을 형성하는 단계로 구성되는 화합물 반도체 장치의 제조방법.
  13. 제 1 폭좁은 영역과 제 2 폭넓은 영역으로 구성되는 개구를 갖는 선택성 성장마스크를 화합물 반도체 기판상에 형성하고, 상기 화합물 반도체 기판과 상기 선택성 성장마스크를 결정성장 분위기에 놓고, 2 종류 이상의 원료시드를 포함하는 제 1 가스와 불순물을 포함하는 제 2 가스를 상기 결정성장 분위기내에 도입하여 상기 선택성 성장마스크로 덮혀지지 않은 상기 화합물 반도체 기판상의 영역에 제 1 화합물 반도체 기판을 성장시키며, 상기 제 1 화합물 반도체층의 성장시에 또는 상기 제 1 화합물 반도체층의 성장을 일시 중지시키면서 상기 결정성장 분위기의 압력과 상기 제 2 가스의 공급량을 변화시킴으로써 상기 제 1 화합물 반도체층상에 상기 제 1 화합물 반도체층과 같은 화합물 반도체층을 형성하는 단계로 구성되는 화합물 반도체장치의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제 2 가스가 상기 제 1 화합물 반도체층을 n형으로 되도록 n형 불순물을 포함하며, 상기 성장압력이 제 1 값 P!에서 제 2 값 P2로 증가될 때 상기 제 2 가스의 공급량이 감소되는 반면에, 상기 성장압력이 상기 제 2 값 P2에서 상기 제 1 값 P1으로 감소될 때 상기 제 2 가스의 공급량이 증가되는 화합물 반도체 장치의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 n형 불순물의 도즈가 한 범위내에서 상기 성장압력의 제곱에 비례하고 상기 제 2 가스의 공급량이 일정하게 유지되는 다른 범위내에서 상기 성장 압력에 비례하며, 이들 범위사이의 경계에서의 성장압력이 제 3 값 P3로 가정되는 경우에는, 상기 제 3 값 P3가 상기 제 1 값 P1보다 크고 상기 제 2 값 P2와 같거나 클 때 상기 제 2 가스의 공급량이 (P1/P2)2곱의 양의 단위로 감소되거나 증가되고, 상기 제 3 값 P3가 상기 제 1 값 P1과 같거나 크고 상기 제 2 값 P2와 같거나 작을 때 (P1/P3)2(P3/P2)곱의 양의 단위로 상기 제 2 가스의 공급량이 감소되거나 증가되면, 상기 제 3 값 P3가 상기 제 1 값 P1과 같거나 작고 상기 상기 제 2 값 P2보다 작을 때 (P1/P2)곱의 양의 단위로 상기 제 2 가스의 공급량이 감소되거나 증가되는 화합물 반도체 장치의 제조방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 제 2 가스가 상기 제 1 화합물 반도체를 P형으로 하도록 P형 불순물을 포함하고, 상기 성장압력이 상기 제 1 값 P1에서 제 2 값 P2로 증가될 때 상기 제 2 가스의 공급량이 감소되며, 상기 성장압력이 상기 제 2 값 P2에서 상기 제 1 값 P1으로 감소될 때 상기 제 2 가스의 공급량이 증가되는 화합물 반도체장치의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제 2 가스의 공급량이 (P1/P2)½곱의 양의 단위로 감소되거나 증가되는 화합물 반도체 장치의 제조방법.
  18. 이득영역이 고르게 형성되고 도파로 영역이 이득영역보다 얇게 테이퍼형상으로 형성되는 양자웰 구조층(4 ; 34), 상기 양자웰 구조층 상하에 형성된 클래드층(2, 6 ; 32, 36) 및 이득영역이 고르게 형성되고 도파로 영역이 이득영역보다 얇게 테이퍼형상으로 형성되며, 테이퍼형의 영역의 상단에 인장응력이 발생되는 양자웰 구조층(4 ; 34)과 클래드층(2, 6 ; 32, 36) 사이에 형성된 광안내층(3, 5 ; 33, 35)으로 구성되는 광 반도체장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 양자웰 구조층이 복합 양자웰 구조층으로 구성되는 광 반도체장치.
  20. 제18항에 있어서, 테이퍼형 영역의 상단에서 양자웰 구조층을 구성되는 웰층에 압축변형이 발생되는 광 반도체 장치.
  21. 제18항에 있어서, 테이퍼형 영역의 상단에서 양자웰 구조층을 구성하는 장벽층에 인장변형이 발생되는 광 반도체장치.
  22. 제18항에 있어서, 광안내층이 인듐과 갈륨을 포함하는 혼합결정으로 형성되는 광 반도체장치.
  23. 제18항에 있어서, 적어도 양자웰 구조층과 광안내층의 양단에 반사면이 형성되는 광 반도체 장치.
  24. 제18항에 있어서, 클래드층중 상부클래드층과 광 안내층중 상부 광안내층의 사이에, 또는 클래드층중 하부 클래드층과 광안내층중 하부 광안내층 사이에 회절격자가 형성되는 광 반도체장치.
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