JPH05501620A - 半導体構造 - 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 〔技術分野〕 本発明は半導体構造に関し、特に、限定されるわけては一二１が量子井戸構造に 関し、さろに詳しくは光減衰器、赤変Ａ器または町同Ａ険出器に使用可能な構造 に関する。

〔背景技術〕

量子井戸の最も単純な構造はダブルへテロ構造であり、低バンドギャップ材料の 層が二つの高ハンドギ七ノブ材料の層により挟み込まれる。低バンドギャップ材 料の層は厚さが典型的には１００オンクストローム以下であり、量子効果が優勢 となるような物理的寸法のため、電荷担体の閉じ込め領域となる。

量子井戸に印加される電界を切り替えると、光吸収エノンを移動させることがで きる。しかし、量子井戸はその厚さが典型的には１００オンクストローム以下な ので、単一量子井戸素子を用いて達成できる変調度は小さい（単一量子井戸に入 射した光に対する作用が非常に小さい〉。そこで、常にというわけではないが通 常は、利用可能な変調度を得るために、２０以上の量子井戸を積層させている。

このような素子は変調器として使用でき、反射モード、透過モードまたは導波路 モードで動作する。透過モードでは、素子の表面に直角に入射した光がその素子 を透過する。反射モードでは、適当な角度で入射した光が素子からまたは素子内 に反射する。導波路モードでは、光が量子井戸層の面と平行に伝搬する。

典型的には、多重量子井戸を含む個々の変調器には５０ないし２５０μｍまたは それ以上の直？Ｙの光学的活性領域が設けられ、それらが素子アレイとして配列 される。そのような変調器または減衰器ｊま、理憬的には、電界の印加により１ ０ｄＢまたはそれ以上のオーダの減衰量変化を生しるはずである。ただし、多く の素子ではｌ　ＯｄＢ以下の性能でもト分であろう多重量子井戸構造のＰＩＮダ イオードの場合には、プレーナ型Ｇａ１ｎＡｓ／ｒ口Ｐ変調器に３０Ｖの逆バイ アスを印力［比で、３ｄＢの吸収増加が得られたことが報告されている（Ｅｌｅ ｃｔｒｏｎｉｃＬｅｔｔｅｒｓ　Ｖｏｌ、２４．　ＰＩ］、　１５８３−１５８ ４　（１９８８＞）。この報告で用いられた素子の活性領域の直径は６０μｍで あった。このような素子を４×４に配列したものが、１００ＭｂｐＳ−１６チヤ 不ル並列相互接続システムでの伝送実験に使用されている。

多重量子井戸変調器が高速で動作することは示されているが、それをシステム内 の二次元配列で使用することは、コントラスト比が低いこと、そして動作電圧が 病いことにより制限されている。（複数の多重量子井戸導波路を形成することは 特性のよい一次元配列を得ることの一つの方法であり、ＩＫＯＧＡＷＡ　ｅｔ　 ａｌ、、　ＩＥＥＥＰｈｏｔｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈ、　Ｌｅｔｔ、、Ｖｏｌ、　 １　（５）、　ｐｐ、　１００−１０１．１９８９に示されている。）低印加電 圧で変調度を増加させる方法として、薄いＩｎＧａＡｓ井戸（典型的には導波波 長１．５μｍに対して幅が６０オングストローム）を互いに結合した量子井戸に 置き喚えることが知られている。二つの井戸は厚さ３０オングスロトロームの薄 い（２０オンクストローム）ＩｎＰバリアで分離され、量子井戸の波動関数がよ り電界に対して敏感になる。

本発明は、与えられたバイアスに対してコントラスト比が増加した変調器を製造 できるようにする。

〔発明の開示〕

本発明の一つの観点によると、基板の表面に形成された少なくとも一つの半導体 エピタキシャル層と、基板の反対面に形成された少なくとも一つの半導体エピタ キシャル層とを備えたことを特徴とする半導体構造が提供される。

本発明の別の観点によると、複数の多重量子井戸を積層させた構造が基板の両面 に設けられた多重量子井戸構造が提供される。

このタイプの多重量子井戸構造を含む変調器は透過モードで動作させることが望 ましいが、反射モードで動作させることも可能である。

本発明の別の観点によると、１ｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系から製造された多重量子井 戸がｎ゛型１ｎＰ基板の両面に設けられた多重量子井戸構造が提供される。

従来からの化学機械的な方法で研磨した基板は、一方の面か他方に比べて欠陥密 度が高く、擦り傷も非常に多い。このため、二のような基板の二つの面はその性 質が大きく異なる。したがって、単純に考えると、多重量子井戸構造を基板の両 面に設けることは合理的でないように思われるうしかし、表面の質が異なってい るにもかかわらず、二個−組の変調器アレイ対を製造できることがわかった。

量子井戸積層構造を製造する現在の技術では、一つの積層構造内に形成できる井 戸の数に限界がある。井戸の厚さの変化や井戸内の局所電界が生じて、素子の性 能に悪影響を及ぼしてしまうからである。本発明の真意は、ｎ個の量子井戸積層 構造を二つ備えた素子が、−個の積層ＦＲ構造内２ｎ個の量子井戸を含む素子よ り十分に優れた特性を示すということである。

両面エピタキンヤル多重量子井戸構造がうまく動作することから、多くの新規な 応用が考えられる。例えば、ニューラル・不ントワークに利用する場合には、二 つのアレイに配置された素子を光学的に密結合させたまま別々に番地指定できる 。また、一つのチップ上にＩｎＰを基礎とした電子信号処理のためのインタフェ ースを設け、基板の一方の側の素子を検出器アレイとして動作させることもでき る。さらに、３レベルの論理回路や、現在まで成長工程や処理工程が両立しない と考えられていたいくつかの複合光回路も可能となる。

本発明は、基本的には、基板の両面に多重量子井戸の積層構造を備えた光電子変 調器に関するものではあるが、基板の両面に整列した素子自体も広い応用をもつ ものと考えられる。例えば、量子井戸レーザが素子の一つの要素を形成する場合 や、変調器を導波路モードで動作させる場合などには、単一量子井戸を用いても 有用な素子が得られるであろう。

本発明の別の観点によると、基板を備え、この基板の一方の表面には少なくとも 一つの量子井戸が設けられ、この基板の他方の表面には少なくとも一つのエピタ キシャル半導体材料層が設けられた半導体構造が提供される。

上述した半導体構造の二つの面に形成される素子は、あらかじめ定められた位置 関係にあることが望ましい。

コンポーネントの一方の面に光学的なヘテロ１１１ｉ造を形成し、他方の面には 電子回路の層ｆＩＮＩｍを形成するこ七もできる。ペテロＷｇ造は、例えば、素 子内の光学要素の電子制御に利用することができる。このような素子、すなわち 光字処理要素および電子処理要素を同一基板の反対側に備えた素子もまた、本発 明の範囲内である。

本発明の実施例について添付図面を参照して説明する。

〔図面の簡単な説明〕

図１は本発明による単一量子井戸変調器の断面図。

図２は本発明による多重量子井戸変調器の４×４アレイを示す平面図。

図３は本発明による整列変調器検出器対の断面図。

〔発明を実施するだめの最良の形態〕

図１を参照すると、両面エピタキ／ヤル多重ｌ子井戸がｎ゛型１ｎＰ基板４上に 形成される。基板４の厚さは例えば２５０μｍである。この基板４はその両側に それぞれ厚さ約１μｍのロ゛型１ｎＰパンフγ層５を含む。バッファ層５上には 、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系材料により、１００重の多重量子井戸６が形成される 。各々の量子井戸の厚さは６０オングストロームであり、隣接する量子井戸が６ ０オングストロームの厚さのバリア層により分離される。多重量子井戸６の厚さ は約１．２μｍである。それぞれの多重量子井戸６の表面にはｎ型１ｎＰ層７が 形成され、この層７には、パターン形成された窒化ケイ素マスク３を通してｎ型 不純物、例えばＺｎを拡散させたｐ型頭域８が設けられる。＠７の厚さは典型的 には１μｍである。窒化ケイ素マスク３はまた、素子を大気から保護するための 保護膜としても利用される。動作時に光が入射する部分には、より厚い窒化ケイ 素層２が反射防止膜として形成される。この素子には取り出し電極１が接続され 、基板４には第二の電極が形成される。

積層される量−「井戸の最適！＝層数は、現在の製造技術を用い、素子の動作波 長が約１．５１ｏｎであるとし、６０オンクストロームの周期の量子井戸、すな わち６０オンクストロー！、の厚さのＦ４（’Ｆ井戸を６０オンクストロームの 摩さのバリア層で分離する場合であれば、１００程度であると考えられる。積層 される量子井戸の最適な層数は、その積層構造を使用する素子の機能、井戸とバ リア層との周期、井戸を構成する半導体系、その製造技術、および素子の動作波 長により異なる。多くの利用形態では、有用な素子を製造するために必要な量子 井戸の最小層数は２０であると考えられるが、場合によっては単一量子井戸でも 十分である。

積層される量子井戸の上限は２００以上であると考えられるが、現在までのとこ ろ２００程度までしか積層させていない。

本発明の素子を製造するには、二組の製造プロセスを必要とする。−組めのプロ セスでは、必要なエピタキシャル層をすべて成長させたウェハを得る。二組めの プロセスでは、ウェハに個々の素子を形成する。ウェハにはさらに、個々の素子 または素子アレイを形成するための工程を施す。

本発明のウェハを製造するには、インンウム・フリー法によるガスソース分子線 エピタキシ装置内に、研磨されたＩｎＰ基板ウェハを裏ウェハに近接させて一緒 に取り付ける。結晶成長中は、アセンブリを回転させて組成の均一性を保つ。

ガスソース分子線エピタキシおよびそれに関連する技術は当業者にはよく知られ ている。良好に仕上げられた基板表面への結晶成長が完了した後は、その基板を 裏返し、その面にも層５．６および７をエピタキシャル成長させる。良好に仕上 げられていない側の基板面に先にエピタキシャル層を成長させることもできる。

この後、ウェハの一部について、それぞれの多重量子井戸の伝送スペクトラムを 決定するための処理を施す。これは、反対面の積層構造を取り除いて行う。

このように処理されたウェハに素子を形成するため、そのウェハの両面１０．２ ０にプラズマ法を用いて窒化ケイ素を堆積させ、面１０側の窒化ケイ素層を従来 からのフォトリソグラフィ技術によりパターン形成して窒化ケイ素マスク３とす る。そして、エピタキシャル＠７に低温大気圧で１μｍの深さに亜鉛を拡散させ てｐｎ接合を形成する。標準的な両面マスクアライナを用いて面１０側のものと 一致するパターンを而２０に形成し、この側にも亜鉛拡散によりｐｎ接合を形成 する。両面マスクアライナは通常は電極パターンの製造に利用されており、ウェ ハを通じて５μｍ程度の誤差１−か牛しない。この程度の誤差は、ここで説明し ている素子、すプ討）ち活性領域の直径が５０な１）Ｌ２５０μｍ程度の素子に 対しては部分に小さい。最後に、反射防止膜および電極層を堆積およびパターン 形成１、、製造プロセスを終了する。この構造の一方の面にエノチンク処理を施 すときには、他方の面をエノチンク剤から保護することが必要である。このため には、例えばフリフンまたはガラススライドのようｊヨ基板に耐エツチング・ワ ックスを用いて取り付ければよい。

直ｔ＋　２５０μｍの素子についての電子吸収スペクトルによると、最適な動作 バイアスは一１０ボルトである。典型的には、基板の両面の対応する変調器にさ らに一１０ボルトを印加することにより、一方の面では２．２ｄＢ、他方の面で は１．６ｄＢの変調度が得られた。素子の二つの面における減衰の差は、第二の 面への拡散工程のときに１回目の拡散が「ブツシュオン」されたく拡散が進んだ ）ことを反映しているためと考えられる。

本発明の量子井戸積層構造を成長させるために、分子線エビタキン以外の技術を 利用することもできる。特に、有機金属気相成長や有機金属分子線エピタキシを 用いることができる。本実施例ではｎ型基板を用いｎ型不純物を添加して素子を 形成した変調器について説明したが、ｎ型基板を用い、ｎ型不純物、例えばイオ ウまたはスズを添加しても本発明を実施できる。ｎ“型バッファＮ５を十分に厚 くするなら、基板として半絶縁性インジウム・リンを用いることもできる。本発 明を実施するだめの半導体系をＧａＰ基板を用いたＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系に 変更することもてきる。また、ｐｎ接合を拡散により形成した例を示したが、メ づ構造を用いてｐｎ構造を成長させることもできる。本発明の素子で使用するｐ ｎ接合またはｎｐ接合は、拡散以外の技術、例えばイオン注入によって形成する こともてきる。

以上の製造プロセスにより得られた素子を図１に示す。この素子を動作させるに は二つの独立の制御電圧■１およびＶ２が必要である。この素子は単一素子とみ なすこともてき、二つの整列された素子とみなすこともてきる。本発明の多重量 子井戸構造は、多数の利点をもち、その利用形態も多様であるが、特に、・あた えられた電圧に対するコントラスト比か増加し、・二つの別個のアレイを配置す る場合に比べて、ニューラルネットワークや光スイツチングに使用するために変 調器の二つのアレイを密結合させることが容易であり、 ・二つの独立に制御された電圧を使用することから、３レベルの光論理システム の設計に利用できる可能性があり、 ・吸収端がわずかに長波長側に移動するように一方の多重量子井戸構造の成長時 間を変更し、その面にさらにエピタキシャル層を設け、変調器の面とは別ではあ るもののその面に密結合した電子的処理面を設けることにより、有効な検出器変 調器アレイ対を実現でき、 ・図１に示した素子の二つの電極１に非対称の電圧を印加すれば、すなわちＶｌ がＶ２と異なるようにすれば、検出器変調器対として動作する。

図３は本発明の第二実施例を示す。この実施例では、変調器３０が基板１７の表 面１０上に形成され、検出器４０が基板１７の面２０に変調器３０と整列するよ うに形成される。

変調器は、基板上に形成されたバッファ層１６と、量子井戸積層構造工５と、Ｉ ｎＰ層１９とを備える。マスク層１２がＩｎＰ層１層上９上けられ、ｐ型ＩｎＰ 領域１４がＩｎＰ層１層内９内けられ、接続バッド１１がｐ型１ｎＰ領域１４に 接触するように配置される。反射防止窓１３がｐ型ＩｎＰ領域１４を覆うように 配置され、この素子の活性領域に達する光の割合を増加させる。

基板の反対側の面２０には、エピタキシャルに成長したＩｎＰバッファ層１Ｇと 、ｎ型ＩｎＧａＡｓまたは場合によってはＩｎＧａＡｓｐの層１９とが形成され 、この層１９には、同じ組成、すなわちＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰのｐ 型層の領域Ｉ４が設けられる。この素子の目的とする動作モードによって、ｐ型 の領域１４の表面に反射防止膜の窓１３を設けてもよく、設けなくてもよい。

こちら側にも接続バッド１１が、ＩｎＰのｐ型頭域の少なくとも一部に重なるよ うに設けられる。窒化ケイ素によるマスク層１２が素子の表面に堆積され、拡散 パターンを定義するとともに、大気から素子を保護する。

このタイプの素子は、すべての処理が終了した後に、背中合わせにハンダ付けし た二個の１８ビン・チップキャリア（光伝送のために位置合わせした孔を開けて おく）に取り付けることがよい。それぞれの素子からは、ボンディングワイヤを 適当なキャリアの外周の下のへりの部分に設けられた金パツドに引き出す。ボン ディングワイヤの高さは、外周を越えて突出することのないように設定する。

装置内で使用する場合には、それぞれのチップキャリアにあらかじめ設けられて いるエンジコネクタに位置合わせしてハネ接続するとよい。また、市販のチンプ キャリアソケットや、目的に合わせて設計製造したソケットを用いることもでき る。

図２は図１に示したタイプの素子による素子アレイを示す。素子２は、ボンディ ングワイヤ３により、チップキャリアの外周に設けられた金パツド１に接続され る。図２には４×４の配列を示したが、２×２、ＩＸ４、ｌ０ＸＩＯなど、他の 配列も可能である。

ｎ４型１ｎＰ基板を用いたのは、関心のある波長（１，１ないし１．７μｍ）の 光に対して透明だからである。他の基板材料でも、多重量子井戸積層構造を成長 させるために使用される半導体系とエピタキシャル整合するものであれば同様に 利用できる。特に、ＧａＰ、シリコンまたはＧａＡｓを基板として用いた素子が 可能である。ただし、その基板が関心のある波長に対して透明であることが必要 である。すなわち、ハンド端に等価な波長が関心のある波長より小さい材料を選 択することが必要である。基板材料の選択を制限する要因については当業者には よく知られている。基板と量子井戸として選択された材料系との間の不整合が大 きすぎる場合には、転位や歪を引き起こし、素子の特性に悪影響を与える。しか し、ｒｎＧａＡｓ量子井戸とＧ　ａ　Ａ　ｓバリアとによる「制御された」歪層 系を透過モードで動作する変調器に利用しである程度の特性が得られてあり、本 発明でも、このような歪層系を利用することができる。歪１ピタキンヤル層に関 しては多くの文献がある。

多重量子井戸構造から得られるコントラスト比を増加させる技術として、本発明 以外の技術も知られている。そのような技術は、多くの場合、本発明に組み合わ せて使用可能である。例えば、本願出願人による英国特許出願Ｉｔ８９１９９８ ９．７号（日本国にも手続されているＰＣＴ／ＧＢ　９０１０１３６５の優先権 のひとつ、国際公開番号はＷ○９１１０３７５８）には、真性双極子をもつ量子 井戸構造が開示され特許請求されている。このような量子井戸構造を本発明でも 利用できる。本発明の素子をファブリベロー・エタロンとして形成すると、さら にコンスタント比を増加させることができる。さらに、このタイプの素子に用い る量子井戸をｎ−１−ｐ−ｉ型、すなわちｎ型半導体、真性半導体、ｐ型半導体 、ｐ型半導体および真性半導体の層で形成することもできる。

以上の実施例では、ＧａＰ基板およびＩｎＰ基板を用いた透過モード動作を基本 として説明したが、本発明は反射モードで動作する素子にも同様に実施でき、例 えばＧａＡｓ基板上に形成されたＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸変調器を 用いて製造できる。

以上の実施例では電界が素子のｐｎ接合に印加されるが、本発明はｐｎ接合では なくショットキ・バリアに電界が印加される構成とすることもできる。適当なシ ョットキ・バリアとしては、中間半導体層、例えばＩｎＰ層の上に７００オング ストロームのエピタキシャルＡｌｒｎＡｓ層を設けたものでもよく、非常に薄い 絶縁層を設けたもの（トンネリング・ショットキ・バリア）でもよい。

国ａ珈査翰失 国際調査報告

Claims (27)

【特許請求の範囲】
1. １．基板の一方の面に形成された少なくとも一つの半導体エピタキシャル層と、 この基板の反対面に形成された少なくとも一つの半導体エピタキシャル層とを備 えた半導体構造。
2. ２．請求項１記載の半導体構造を備えた光電子コンポーネントにおいて、前記半 導体構造の一方の面には光電子素子が形成され、反対面には光電子素子または電 子素子が形成されたこと を特徴とする光電子コンポーネント。
3. ３．基板の一方の面に設けられた量子井戸積層構造と、この基板の反対面に形成 された少なくとも一つの半導体エピタキシャル層とを備えた多重量子井戸構造。
4. ４．基板の両面にそれぞれ量子井戸積層構造が設けられた多重量子井戸構造。
5. ５．量子井戸積層構造はそれぞれ２０ないし２００層の量子井戸を含む請求項３ または４記載の多重量子井戸構造。
6. ６．量子井戸積層構造はそれぞれその領域に１００層の量子井戸を含む請求項３ または４記載の多重量子井戸構造。
7. ７．基板はｎまたはｎ＋型ＩｎＰであり、多重量子井戸はＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ 系材料で形成された請求項３ないし６のいずれか記載の多重量子井戸構造。
8. ８．基板はＧａＰであり、 多重量子井戸はＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系材料で形成された請求項３ないし５の いずれか記載の多重量子井戸構造。
9. ９．基板はＳｉである請求項３ないし５のいずれか記載の多重量子井戸構造。
10. １０．基板はＧａＰである請求項３ないし５のいずれか記載の多重量子井戸構造 。
11. １１．請求項３ないし１０のいずれか記載の多重量子井戸を備えた光変調器。
12. １２．使用時に透過モードで動作する請求項１１記載の光変調器。
13. １３．請求項１ないし１２のいずれか記載のエピタキシャル層構造を含む３端子 光電子素子。
14. １４．ガスソース分子線エピタキシにより形成された請求項１ないし１３のいず れか記載の半導体構造、量子井戸構造、変調器または光電子素孔。
15. １５．気相成長により形成された請求項１ないし１３のいずれか記載の半導体構 造、量子井戸構造、変調器または光電子素子。
16. １６．有機金属気相成長により形成された請求項１ないし１３のいずれか記載の 半導体構造、量子井戸構造、変調器または光電子素子。
17. １７．有機金属分子線エピタキシまたは化学ビーム・エピタキシにより形成され た請求項１ないし１３のいずれか記載の半導体構造、量子井戸構造、変調器また は光電子素子。
18. １８．請求項１ないし１７のいずれか記載の半導体構造、量子井戸構造、変調器 または光電子素子が共通の基板上に形成されたアレイ。
19. １９．背中合わせに接続され光透過のための位置合わせされた孔が設けられた二 個一組のチップキャリアに取り付けられた請求項１ないし１７のいずれか記載の 半導体構造、量子井戸構造、変調器または光電子素子。
20. ２０．請求項１ないし１０のいずれか記載の半導体構造を備えた３レベル光論理 装置。
21. ２１．請求項１ないし１０のいずれか記載の半導体構造または多重量子井戸構造 を備えたニューラル・ネットワーク。
22. ２２．請求項２ないし１０または１９記載の多重量子井戸を備えた検出器変調器 アレイ。
23. ２３．請求項３ないし１１のいずれか記載の多重量子井戸を製造する方法におい て、 基板の両面に順番にガスソース分子線エピタキシにより多重量子井戸を形成し、 パターン形成された第一のマスクを前記基板の一方の面に形成してそこから不純 物を拡散するかまたはイオン注入し、パターン形成された第二のマスクを前記第 一のマスクに位置を合わせて前記基板の他方の面に形成してそこから不純物を拡 散するかイオン注入することを特徴とする多重量子井戸構造の製造方法。
24. ２４．基板を備え、 この基板の一方の主面には複数のエピタキシャル層が形成され、この基板の他方 の主面には少なくとも一つのエピタキシャル層が形成され、前記複数のエピタキ シャル層は複数の量子井戸として動作するように構成された 半導体材料ウエハ。
25. ２５．基板を備え、 この基板の主面にはそれぞれ複数のエピタキシャル層が形成され、それぞれの複 数のエピタキシャル層は複数の量子井戸として動作するように構成された 半導体材料ウエハ。
26. ２６．図１を参照して実質的に説明した多重量子井戸構造。
27. ２７．図３を参照して実質的に説明した多重量子井戸構造を備えた検出器変調器 対。