JP2002232069A

JP2002232069A - 光半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2002232069A
Application number: JP2001026728A
Authority: JP
Inventors: Kouta Asaka; 航太浅香; Ryuzo Iga; 龍三伊賀; Yasumasa Suzaki; 泰正須崎
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2002-08-16
Anticipated expiration: 2021-02-02
Also published as: JP3654429B2

Abstract

(57)【要約】【課題】素子特性を損なわずに異種の素子構造をモノ
リシック集積する。【解決手段】メサストライプ構造２６を、直線メサス
トライプ構造を持つ第１直線領域４１と、第１直線領域
４１に接してメサ幅が徐々に変化するメサストライプ構
造を持つ遷移領域４２と、遷移領域に接すると共にＡＷ
Ｇ領域に接して直線メサストライプ構造を持つ第２直線
領域４３とで構成し、有機金属気相エピタキシャル法に
より結晶を選択成長させ、メサストライプ構造２６上へ
の成長やSiO₂膜３５上へのInP の異常成長を抑制し、Ｌ
Ｄなどの場合に大きな吸収損失領域となる異常成長領域
が発生することなく、素子特性を損なわずに異種の素子
構造をモノリシック集積する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光情報通信等で用
いられる光半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信はその大容量、超高速化に
より、多くの情報通信網が用いられている。このような
光通信網では、発光素子や受光素子などに光半導体部品
が広く利用されており、その研究開発が盛んに行われて
いる。光半導体部品の研究開発は、半導体レーザ（Ｌ
Ｄ）やフォトダイオード（ＰＤ）のような個別部品は勿
論のこと、ＬＤやＰＤ、半導体増幅器（ＳＯＡ）、電界
吸収型光変調器（ＥＡ）など半導体で作製可能な光デバ
イスを半導体基板上にモノリシック集積することも精力
的に行われている。モノリシック集積では各々の機能に
最適化された活性層構造及び導波路構造を用いること、
これらを高い結合効率を保ったまま接続することが重要
な課題の一つである。

【０００３】一方、ＬＤなどの電流注入素子では、低消
費電力を実現するために作動電流の低減が要求され、こ
のためには注入効率を改善することが必須である。有機
金属気相エピタキシャル（ＭＯＶＰＥ）法による選択成
長で作製された埋め込み構造は、強い電流狭窄効果を得
ることができるため、ＬＤなどの単体素子で広く用いら
れている。

【０００４】しかしながら、モノリシック集積素子のよ
うに異種の導波路層をもち、導波路構造も埋め込み構造
やハイメサ構造、リッジ構造など様々な構造が混在する
場合には、単体素子での作製方法をそのまま用いること
が困難になる。

【０００５】従来の半導体装置における異種の導波路構
造の接続方法（製造方法）を図７に基づいて説明する。
ここでは、一例として、埋め込み構造をもつＬＤとハイ
メサ構造をもつアレイ導波路格子（ＡＷＧ）を突き合わ
せる場合について説明する。

【０００６】図７(a) に示すように、まずInP 基板１上
にＬＤ活性層２とp-InP クラッド層３を形成し、図中右
半分をウェットエッチングで除去した後、ＡＷＧ導波路
層４とi-InP クラッド層５を順次ＭＯＶＰＥ法により形
成する。ＭＯＶＰＥ法では誘電体膜（SiO₂）を用いた選
択成長が可能なため、このような構造を作製することが
可能となる。この後、ＬＤは埋め込み構造を作製するた
めに、［０１１］方向に平行なメサストライプ構造を形
成してＭＯＶＰＥ成長を行う。このとき、ＡＷＧ領域は
埋め込み構造を必要としないので、メサストライプ上部
と同様に誘電体膜を形成しておくことが考えられる。図
７(b) には選択成長後の状態を示してある。

【０００７】しかし、この場合、ＡＷＧ領域の誘電体膜
の面積が埋め込み成長時の材料分子のマイグレーション
距離より十分に大きくなり、ＡＷＧ領域の誘電体膜の上
に多結晶状の異常成長を引き起こすため、現実的ではな
い。そこで、図８(a) に示すように、図７(a) と同様な
メサストライプ構造を形成し、ＡＷＧ領域の誘電体膜を
除去してＭＯＶＰＥ成長を行うことで埋め込み構造を作
製することが考えられる。図８(b) には選択成長後の状
態を示してある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示した場合にもＡＷＧ領域の端面で異常成長などが生じ
るため問題となる。以下その問題について詳細に説明す
る。

【０００９】一般にGaInAsP 系のＬＤは（１００）面を
表面としたInP 基板に作製される。また、メサストライ
プは［０１１］方向（逆メサ方向）に平行とし、このメ
サストライプを選択ＭＯＶＰＥ成長により埋め込む。こ
れは、ＭＯＶＰＥ成長工程が異方性により（１１１Ｂ）
面での成長レートが（１００）面の成長レートより低い
ため、図に示したように良好な選択成長を再現性よく得
られることができるためである。

【００１０】しかしながら、［０１−１］方向（順メサ
方向）に平行とした場合には、逆メサ方向への成長レー
トが（１００）面の成長レートと同等であるため、図８
(b)中のIX矢視方向視を表す図９に示すように、マスク
上に被る方向へも成長が進行する。これは、メサストラ
イプとＡＷＧ領域とのマスク端面部分に相当する。これ
により、端面からの成長がメサストライプ脇でも発生
し、ここを起点として成長されるため端面付近のメサス
トライプ上にも成長される。この成長層は、メサ幅が３
μｍ以下と狭いことから容易に側面のからの成長層と接
合され、端面付近では複数の結晶面方位が露出する。こ
のような、面方位の定まらないマスク上の成長領域では
異常成長を誘発し、誘電体膜上にもInP が成長される。
この結果、この部分には電極構造を作製することが不可
能となるので、ＬＤの場合には大きな吸収損失領域とな
り、特性を大幅に劣化させる。

【００１１】本発明は上記状況に鑑みてなされたもの
で、特性を損なうことなく高性能なモノリシック集積素
子を実現できる光半導体装置の製造方法を提供すること
を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の光半導体装置の製造方法は、半導体基板上に
形成された平面構造を持つ平面領域と、該平面領域に接
続された誘電体膜を持つメサストライプ構造のストライ
プ領域とを有する光半導体装置の製造方法であって、前
記ストライプ領域を、直線メサストライプ構造を持つ第
１直線領域と、該第１直線領域に接してメサ幅が徐々に
変化するメサストライプ構造を持つ遷移領域と、前記遷
移領域に接すると共に前記平面領域に接して直線メサス
トライプ構造を持つ第２直線領域とで構成し、前記スト
ライプ領域の横と前記平面領域の上に有機金属気相エピ
タキシャル法により結晶を選択成長させる工程を有する
ことを特徴とする。

【００１３】そして、前記第１直線領域の直線メサスト
ライプ構造のメサ幅が３μｍ以下とされ、前記第２直線
領域の直線メサストライプ構造のメサ幅がメサ深さの
１．５倍から５倍とされ、長さがメサ深さの１倍から２
倍とされ、前記遷移領域のメサ幅が、前記第１直線領域
に接するメサ幅から前記第２直線領域に接するメサ幅ま
で徐々に広がり変化し、広がり角度が１０度から４５度
に設定されていることを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１乃至図３には本発明の一実施
形態例に係る光半導体装置の製造方法の工程説明を示し
てあり、図１は選択成長前の状態、図２は選択成長後の
状態、図３は図２中のIII 矢視である上面からの状態で
ある。

【００１５】ここでは、一例として（１００）面を表面
としたInP 基板で説明する。図中、１１はInP 基板、１
２はＬＤ活性層、１３はp-InP クラッド層、１４はＡＷ
Ｇ導波路層、１５はi-InP クラッド層である。ＬＤでは
光導波モードのシングルモード条件を満たす必要がある
ため、導波路幅を３μｍ以下としている。一般にメサス
トライプは１．５μｍ程度で、良好な埋め込み構造を得
るために逆メサ方向に対して平行に形成される。

【００１６】一方、選択成長工程では半絶縁性半導体で
あるFeをドーピングしたInP により埋め込む方法があ
る。この方法を用いると、素子容量が大幅に低減できる
ため光素子の高速動作が容易に実現できる。このとき、
十分な絶縁抵抗を得るためには適当な埋め込み層厚が必
要となり、一般的な埋め込み層厚は約３μｍ以上であ
る。これが第１直線領域としての第１直線導波路２１に
対応する。これに続いて、遷移領域２２及び第２直線領
域としての第２直線導波路２３が配置される。このメサ
ストライプ上に誘電体膜が配置され、これを選択成長用
マスクとして選択成長を行い、以下に示した埋め込み構
造を得る。

【００１７】第１直線導波路２１では、逆メサ方向に対
し平行に作製されたメサストライプと同様な良好な埋め
込み構造が得られる。

【００１８】遷移領域２２では、上記で述べた順メサ方
向と逆メサ方向に平行なメサストライプの成分が共存す
るため、マスク上に被る方向への成長も進行する。この
際、マスク上への成長は１の方向（逆メサ方向）に向か
って進行するが、第１直線導波路２１の方向へは（１１
１Ｂ）面での成長抑制により進行しない。また、遷移領
域２２の第１直線導波路２１のメサ幅と同じ領域へもマ
スク上への成長は進行しない。

【００１９】これは、従来例では、誘導体膜の端面が直
近に位置しており、端面からの成長と両側面からの成長
が接合して複数の結晶面方位が形成されて異常成長を誘
発していたのに対し、本発明では、誘電体膜の端面を第
２直線導波路２３まで遠ざけているいることにより異常
成長が誘発されないこと、遷移領域２２のメサ幅が第２
直線導波路２３のメサ幅まで徐々に広くなることから、
万一、マスク上に成長膜厚分の成長が進行した場合でも
第１直線導波路２１のメサ幅より内側まで到達しないこ
とによるものである。

【００２０】また、遷移領域２２の広がり角が大きくな
ると、側面での逆メサ方向への成長成分は増加し、順メ
サ方向への成長成分が減少する。良好な埋め込み形状を
得るためには、逆メサ方向の成長成分は少ない方が好ま
しいので、広がり角は両成長成分が１：１となる４５度
より小さいことが望ましい。広がり角は１０度から４５
度に設定される。

【００２１】第２直線導波路２３では、側面において逆
メサ方向に対し平行に作製されたメサストライプと同様
な良好な埋め込み構造が得られる。端面においては順メ
サ方向と平行なメサストライプの場合と同様にマスク上
に被る方向、即ち、逆メサ方向に成長が進行する。これ
は、成長層厚と同程度以下であるので、第２直線導波路
２３の長さは成長層厚、即ち、メサ深さの２倍以下であ
れば十分である。

【００２２】第２直線導波路２３の長さはメサ深さの１
倍から２倍に設定される。端面と側面の境界付近では、
マスク上に被る方向の成長がみられるが、もう一方の側
面との距離が成長層厚より十分広くなるようメサ幅が成
長層厚、即ち、メサ深さの１．５倍以上で５倍以下とな
っているため、従来例のように、側面からの成長層と接
合することがなく、マスク上が完全に覆われることや複
数の結晶面方位が形成されて不安定となり、異常成長を
誘発してInP が成長することがない。

【００２３】このように本発明を用いると、直上に誘電
体膜を持ったメサストライプ形状の埋め込み領域と誘電
体膜を持たない乗り上げ成長領域が混在する光半導体装
置において、選択成長用誘電体膜を用いた選択埋め込み
ＭＯＶＰＥ成長時に、メサストライプ上への成長や誘電
体膜上へのInP の異常成長が抑制される。この結果、Ｌ
Ｄなどの場合に大きな吸収損失領域となる異常成長領域
が発生することなく、素子特性を損なわずに異種の素子
構造をモノリシック集積することができる。

【００２４】（実施例）以下に本発明の実施例について
図４乃至図６を参照して説明する。尚、実施例における
成長は全てＭＯＶＰＥ法によるものである。図４乃至図
６には本発明の一実施例に係る光半導体装置の製造方法
の工程説明を示してある。

【００２５】まず、図４(a) に示すように、（１００）
面を表面としたｎ型 (n-)InP基板３１に多重量子井戸
（ＭＱＷ）層３２とｐ型(p-)InP クラッド層３３、p-In
GaAsキャップ層３４を全面に成長する。SiO₂膜３５をス
パッタ法により全面に形成し、図４(b) に示すように、
フォトリソグラフィー法とCF4/H₂-RIEによりＬＤ領域以
外のSiO₂膜３５を除去する。SiO₂膜３５をマスクとし
て、p-InGaAsキャップ層３４、(p-)InP クラッド層３３
及びＭＱＷ層３２を順次ウェットエッチングにより除去
する。

【００２６】図４(c) に示すように、再度SiO₂膜３５を
選択成長用マスクとしてＡＷＧ導波路層３６とｉ型(i-)
InP クラッド層３７、InGaAsキャップ層３８を順次選択
成長する。図４(d) に示すように、SiO₂膜３５をウェッ
トエッチングにより除去した後、再度SiO₂膜３５を形成
する。フォトリソグラフィー法とCF4/H₂-RIEによりスト
ライプを形成する。この際、ストライプはＬＤ領域を第
１直線領域（図１に示した第１直線導波路２１）と対応
させ、ストライプ幅を１．５μｍとし、ＡＷＧ領域に遷
移領域（図１で示した遷移領域２２）及び第２直線領域
（図１で示した第２直線導波路２３）を対応させて第２
直線領域のストライプ幅を１０μｍとし、遷移領域は
１．５μｍから１０μｍまで直線的にストライプ幅を変
化させる。

【００２７】図５(a) に示すように、SiO₂膜３５をマス
クとしてCF4/H₂-RIEによりドライエッチングを行い、深
さ３μｍのメサストライプ構造２６を形成する。図５
(b) に示すように、フォトリソグラフィー法とCF4/H₂-R
IEにより、第１直線領域４１から遷移領域４２、第２直
線領域４３の端面までの領域以外のSiO₂膜３５を除去す
る。これにより、図１に示した本発明の誘電体膜の構造
を形成できる。

【００２８】図５(c) に示すように、SiO₂膜３５を選択
成長用マスクとしてFeドーピングされた(Fe-)InP埋め込
み層３９を選択成長する。この際、上記で述べた本発明
の効果により、第１直線領域４１と遷移領域４２、及び
第２直線領域４３の端面から３μｍ以上離れた領域のス
トライプ幅１．５μｍの範囲内では異常成長が抑制され
る。図５(d) に示すように、SiO₂膜３５をウェットエッ
チングにより除去した後、再度SiO₂膜３５を形成する。
フォトリソグラフィー法とCF4/H₂-RIEによりＡＷＧ領域
に乗り上げ成長された(Fe-)InP埋め込み層３９を除去す
る。

【００２９】図６(a) に示すように、SiO₂膜３５をウェ
ットエッチングにより除去した後、再度SiO₂膜３５を形
成する。前記SiO₂膜３５をフォトリソグラフィー法とCF
4/H₂-RIEによりＡＷＧ導波路形状に形成する。図６(b)
に示すように、SiO₂膜３５をマスクとしてBr₂-RIE によ
るドライエッチングによりハイメサ構造２７を形成す
る。図６(c) に示すように、ＬＤ部にAuZnNi電極２８を
形成すると共に、裏面の全面にAuGeNi電極２９を形成
し、劈開により素子端面を形成する。

【００３０】このように、直上にSiO₂膜３５を持ったメ
サストライプ構造２６の埋め込み領域とSiO₂膜３５を持
たない乗り上げ成長領域であるＡＷＧ領域が混在する光
半導体装置において、選択埋め込みＭＯＶＰＥ成長時
に、メサストライプ構造２６上への成長やSiO₂膜３５上
へのInP の異常成長が抑制される。この結果、ＬＤなど
の場合に大きな吸収損失領域となる異常成長領域が発生
することなく、素子特性を損なわずに異種の素子構造を
モノリシック集積することができる。

【００３１】上記実施例では、InP 基板上での製造方法
を例に挙げて説明したが、結晶構造と成長工程の異方性
が同様であれば、例えば、本発明はGaAs基板上で製造を
行うことも可能である。

【００３２】

【発明の効果】本発明の光半導体装置の製造方法は、半
導体基板上に形成された平面構造を持つ平面領域と、平
面領域に接続された誘電体膜を持つメサストライプ構造
のストライプ領域とを有する光半導体装置において、ス
トライプ領域を、直線メサストライプ構造を持つ第１直
線領域と、第１直線領域に接してメサ幅が徐々に変化す
るメサストライプ構造を持つ遷移領域と、遷移領域に接
すると共に前記平面領域に接して直線メサストライプ構
造を持つ第２直線領域とで構成したので、有機金属気相
エピタキシャル法による結晶を選択成長時に、メサスト
ライプ構造の上や誘電体膜の上への結晶成長を抑制する
ことができる。この結果、特性を損なうことなく異種の
素子構造をモノリシック集積することができ、高性能な
モノリシック集積素子を実現できる光半導体装置の製造
方法とすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態例に係る光半導体装置の製
造方法の工程説明図。

【図２】本発明の一実施形態例に係る光半導体装置の製
造方法の工程説明図。

【図３】本発明の一実施形態例に係る光半導体装置の製
造方法の工程説明図。

【図４】本発明の一実施例に係る光半導体装置の製造方
法の工程説明図。

【図５】本発明の一実施例に係る光半導体装置の製造方
法の工程説明図。

【図６】本発明の一実施例に係る光半導体装置の製造方
法の工程説明図。

【図７】従来の光半導体装置の製造方法の説明図。

【図８】従来の光半導体装置の製造方法の説明図。

【図９】従来の光半導体装置の製造方法の説明図。

【符号の説明】

２１第１直線導波路２２遷移領域２３第２直線導波路２６メサストライプ構造２７ハイメサ構造２８ AuZnNi電極２９ AuGeNi電極３１ (n-)InP基板３２多重量子井戸（ＭＱＷ）層３３ (p-)InP クラッド層３４ p-InGaAsキャップ層３５ SiO₂膜３６ＡＷＧ導波路層３７ (i-)InP クラッド層３８ InGaAsキャップ層３９ InP 埋め込み層４１第１直線領域４２遷移領域４３第２直線領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者須崎泰正東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 5F073 AA22 AA74 AB21 BA01 CA12 DA05 DA22 DA25 EA29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に形成された平面構造を持
つ平面領域と、該平面領域に接続された誘電体膜を持つ
メサストライプ構造のストライプ領域とを有する光半導
体装置の製造方法であって、前記ストライプ領域を、直線メサストライプ構造を持つ
第１直線領域と、該第１直線領域に接してメサ幅が徐々
に変化するメサストライプ構造を持つ遷移領域と、前記
遷移領域に接すると共に前記平面領域に接して直線メサ
ストライプ構造を持つ第２直線領域とで構成し、前記ストライプ領域の横と前記平面領域の上に有機金属
気相エピタキシャル法により結晶を選択成長させる工程
を有することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【請求項２】請求項１において、前記第１直線領域の直線メサストライプ構造のメサ幅が
３μｍ以下とされ、前記第２直線領域の直線メサストライプ構造のメサ幅が
メサ深さの１．５倍から５倍とされ、長さがメサ深さの
１倍から２倍とされ、前記遷移領域のメサ幅が、前記第１直線領域に接するメ
サ幅から前記第２直線領域に接するメサ幅まで徐々に広
がり変化し、広がり角度が１０度から４５度に設定され
ていることを特徴とする光半導体装置の製造方法。