JPH0262090A - 光半導体装置の製造方法 - Google Patents

光半導体装置の製造方法

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JPH0262090A
JPH0262090A JP63213977A JP21397788A JPH0262090A JP H0262090 A JPH0262090 A JP H0262090A JP 63213977 A JP63213977 A JP 63213977A JP 21397788 A JP21397788 A JP 21397788A JP H0262090 A JPH0262090 A JP H0262090A
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optical
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Akiyuki Serizawa
芹澤　晧之
Yasushi Matsui
松井　康
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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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】 １、発明の名称 光半導体装置の製造方法 ２、特許請求の範囲 （１）結晶基板上に、化合物半導体結晶が成長しにくい
膜を形成し、前記膜の一部を除去して前記結晶面を複数
個所露出させ、気相成長法にて前記複数の露出結晶面上
にそれぞれ複数層の化合物半導体結晶層を同時に形成し
、前記複数の露出箇所の基板露出部の面積と前記結晶し
にくい膜の面積にて前記複数露出箇所に成長する前記半
導体結晶層の成長速度を制御し、前記複数露出箇所に、
膜厚が異なシ光学特性の異なる前記半導体結晶層を形成
することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
（２）複数箇所が異なる幅を有するストライプ状の露出
部よシなり、前記複数箇所に膜厚の異なる活性領域を形
成し、前記基板上に波長の異なる複数の半導体レーザを
形成することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
光半導体装置の　３、産業上の利用分野 本発明は同一基体上に一度の°結晶成長で膜厚の異なる
複数の領域を形成するもので半導体レーザ。
発光ダイオード、光導波路などの光半導体装置の作製法
に関する。
従来の技術 同一基板上に一度の結晶成長で膜厚の異なる層を形成す
る方法としては半導体レーザなどの化合物半導体デバイ
スを作製するとき用いる液相成長法がある。第６図に代
表的な半導体レーザの構造を示す。レーザの製法上で説
明する。６１は基板ＩｎＰ、６２はＩｎＰバッフ７層、
５３は工ｎＧ４Ａ！ｉＰ活性領域、６４はｐ−ＩｎＰク
ラッド層であり、基板上に順次液相成長法にて成長され
る。このような成長基板に、凹部ストライプ６Ｑ、８１
を形成し、次にｐ−ＩｎＰｓ５．　ｎ−Ｉｎｄｅｘｓ　
、　ｐ−ＩｎＰ６７の各層を成長させて埋込み型の半導
体レーザが溝底される。この時Ｉｎを溶媒として用いる
この液相成長法においては凹部６Ｑ、ａｌ、凸部５８゜
５９の部所及び形状によシ、成長スピードが異なり、Ｉ
ｎＰ層５層上７さにも起因するがほぼ表面が平坦化され
た構造となる。
発明が解決しようとする課題 一般的に液相成長法においては狭い凹部はど成長スピー
ドが速く、狭い凸部はどそのスピードは遅い。
このように液相成長法は形状によって膜厚をかえること
は可能だが高精度に制御することは困難である。一方、
蒸着、スパッタ等での膜形成法は膜厚制御は可能だが形
状効果を持たすことはむずかしい。従って、現在化合物
半導体を用いたレーザ、光導・波路、光集積回路などの
デバイス作製は主に液相成長法が使われているが、膜厚
の制御性に乏しく、量子門戸構造の形成に代表されるよ
うに、高性能化、集積化などを行なう上での課題であっ
た。
そこで、本発明は薄膜単結晶の膜厚の制御性を高め、半
導体レーザを中心とする化合物半導体光デバイス作製法
を改良し、高性能化や光集積化に適用しようとするもの
である。
課題を解決するための手段 本発明の光半導体装置の製造方法は、結晶基板上に、化
合物半導体結晶が成長しにくい膜を形成し、前記膜の一
部を除去して前記結晶面を複数個所露出させ、気相成長
法にて前記複数の露出結晶面上にそれぞれ複数層の化合
物半導体結晶層を同時に形成し、前記複数の露出箇所の
基板露出部の面積と前記結晶しにくい膜の面積にて前記
複数露出箇所に成長する半導体結晶層の成長速度を制御
し、前記複数露出箇所に、膜厚が異なシ光学特性の異な
る前記半導体結晶層を形成するものである。
また、複数箇所が異なる幅を有するストライプ状の露出
部よりなり、前記複数箇所に膜厚の異なる活性領域を形
成し、前記基板上に波長の異なる複数の半導体レーザを
形成する。さらにまた複数箇所が、異なる幅を有するス
トライプ状の露出部が直列状に接続されたものであり、
前記露出部に量子サイズ効果を有する単層あるいは多層
構造の超格子膜よりなる半導体レーザの活性領域を、気
相成長法にて形成する方法も提供するもので、半導体レ
ーザを含む複数の薄膜光部品のモノリシック集積化回路
の作成も行う。
作用 本発明は有機金属気相成長法やハライド系気相成長法な
どの気相よシの結晶成長法が基板単結晶上の上に形成さ
れた５１０２膜などの結晶成長しにくい部分と基板結晶
露出部の面積や幅の割合によって結晶成長速度に大きな
差異があることを見い出し、またたとえば０．１μｍ以
下の薄い結晶膜においては特に制御性良く成長が可能で
あるので、本結晶成長法と量子効果が現われる超格子構
造とを組み合せて新たな光デバイス作製法を見い出した
もので、半導体レーザ、光導波路付レーザ、外部共振器
レーザ、多波長レーザなどを作製できる。
すなわち、本発明における結晶成長法は基板結晶の一部
を結晶成長しにくい膜でおおうと、気相中の結晶成長成
分元素の濃度が増加し、基板単結晶露出部に優先的に結
晶化し成長スピードを速めるものであり、基板結晶の露
出部面積と、成長しにくい膜でおおわれている面積の割
合をかえることで成長スピードすなわち膜厚を制御する
ものである。さらに、超薄膜である量゛子すイズ効果を
もつ超格子形成に適用することによって、実効的な屈折
率または実効的なバンドギャップを変化させて新たな構
造および製法の光デバイスを得ることができる。
実施例 本発明の第１の実施例を第１図に示す。斜視図と拡大し
た断面構造を示す。図において、１は基板単結晶ＧａＡ
ｓ、２はその上に結晶成長が起りにくい８１０２層であ
り、幅Ｃは同一である。基板ＧａＡＳ層の露出した溝３
，４は各々μｍオーダの幅をもち、Ｂ）Ａなる関係をも
っている。このような基体上に、たとえば有機金属気相
成長法（ＭＯ−Ｃ”／Ｄ法）　Ｃ（ＣＨｓ）ｘＡｊ！　
、　（ＣＨ３）５Ｇａ　、ムＳＨ４）にて、ＧａＡｓ　
、　Ａ７ＩＧａＡｓの超格子層を成長させる。溝３゜４
に超格子層は約数十人から数百人の膜厚のＧａＡｇ３０
．３２，３４，３６，４０，４２，４４゜４６とム７！
ＧａＡｓ３１，３３，３６，４１．４３゜４５を交互に
成長させたものである。Ｂ）Ａの関係からこのように成
長させた超格子層は溝４０部分よりも溝３の部分の方が
厚く成長し、なおかつ超格子部分の成長周期は溝４の方
が短く、溝３の方のが長くすなわち幅が狭いほど長くな
っており、異なる光学特性を有する超格子層が同時に形
成される。なお結晶層は５ｉ０２２上にはほとんど成長
しない。こうして、幅の異なる溝に、屈折率、バンドギ
ャップ等の異なる層を制御性良く同時に形成することが
可能となる。
第２図に第２の実施例を示す。基板ＧａＡｓ　１上に５
１０２膜２Ａ　、２Ｂが形成され、溝３．４が形成され
ている。第１の実施例と異なシ、溝３，４の幅ｄは同じ
であるが、溝を形成している５ｉ０２膜２Ａ　、２Ｂの
幅ｅ、ｆが異なっている。このような基体上に第１の実
施例と同様にＭＯ−１”／Ｄ法にてＧａＡｓとムＪＧａ
Ａｓ　の超格子を成長させると８１０２幅の広い溝３の
方に厚く成長し、８１０２幅の狭い溝４の方のが薄く成
長する。さらに、超格子層の周期はストライプの溝状の
幅は同じでも８１０２幅の広い溝の方のが長い成長周期
となる。
第１．第２の実施例に示されているように、結晶面上の
結晶面が露出している面積又はそれをとりまく５１０２
等の結晶成長しにくい膜の面積の割合によって結晶成長
の速度が違い、同一基板上に成長膜厚の違う領域を同時
に制御性良くつくることができる。本実施例は５ｉ０２
を使用したが５ｉｘＮ工などの窒化膜や他の酸化物誘電
体においても同様な効果を持たせることができる。また
、ｃａＡｓだけでなく、ＩｎＰ系材料においても同様な
効果を持たすことができる。
第３図は第３の実施例である。１はＧａＡＳ基板、２は
５１０２である。５ｉ０２２のカバーの幅および成長ス
トライプ部３の形状を直線的でなく、幅に差をもたせて
（部分的に異ならせて）平面的に段差をもたせたもので
ある。５ｉ０２のストライプ幅の異なる部分６は階段状
に変化している。このようなＧａＡｓ基体１上に成長さ
れたＧ２ＬＡ！！／ム１ＧＩＬＡＳ超格子構造は溝３部
と溝４部を比較すると実施例１および２で述べたように
、溝３部は厚く成長し、溝４部は薄い。なおかつ、溝３
の部分の周期長は溝４０部分の周期長より長い。従って
、溝３の部分と溝４の部分ではバンド構造が異なシ、溝
３の部分に成長した層の実効的バンドギャップより、溝
４０部分に成長した実効的バンドギャップの方が大きく
なる。このバンドギャップの差、即ち、ＧａＡｓ／　Ａ
／ＧａＡｓ多重構造の厚さと周期長の制御は同一基板上
においては５ｉ０２のストライプ幅、溝の幅および５１
０２のお−われる面積と溝の面積を考慮することで可能
となる。
第４図は、第４の実施例すなわち第３の実施例を利用し
た外部共振器型半導体レーザである。第４図（ａ）は本
し−ザ溝造例の斜視図であり、第４図（ｂ）は活性領域
６を通る断面図である。ＧｉＬＡｓ基板１の上にＧＩＬ
Ａ８　／ＡｌＧａＡＳの量子井戸構造を含む多層構造エ
ピタキシャル成長を行なう。この時、基板上に、第３図
に示すようなストライプ幅の異る５ｉ０２　マスクを用
いてＭＯ−Ｃ’／Ｄ法にて結晶成長を行なう。５１０２
　マスクを除去した後再度、ｎ−人６ｃａＡｓ埋込み層
７　、１）　−ＡｌＧａＡｇ埋込み層８を成長させ、そ
の上にｐ　−ＧａＡｓ電極層９が形成される。１０．１
１はｐおよびｎ層への電極である。活性領域６（６Ａ、
６Ｂ’）の幅が変化している所で溝１２が形成される。
活性領域６は第３図に示すような成長時の量子井戸構造
におけるｃａＡｓ層とム７１１ＧａＡＳ　層の厚さと周
期が異なるため実効的なバンドギャップに差を持たすこ
とが可能となる。この場合領域６人の方が領域６Ｂに比
べて実効的バンドギャップは小さくしておく。今、！＠
１０１１１間に電流を注入すると領域６人で発光する。
このとき発光する光波長スペクトμの中心は光導波路部
となる領域６Ｂの実効的バンドギャップより小さくなる
。従って、同一組成で領域６Ａ　、ｅＢの構造をつくっ
たときに比べて、光導波路部となる領域６Ｂでの吸収は
極端に小さくすることができる。両端部を襞間すること
で共振器を構成することが可能であり、外部共振器構成
の半導体レーザが構成される。従来このような半導体レ
ーザを構成する場合には発光領域と導波領域とは別４の
組成のものを別々に成長させる必要があシ、成長回数が
多くなるばかりか発光活性領域と光導波路部の結合部を
一致させることが非常に困難であり、再現性よく低しき
い値で狭スペクトル線巾のレーザをつくることが困難で
あった。
本発明の方法の採用により、成長回数が少なく、特性の
よいモノリシックな外部共振器型半導体レーザが実現さ
れる。本実施例は埋込み型半導体レーザで璧開面共゛振
器で説明したが、他のどのようなレーザ構造でも適用可
能であり、また、共振器も回折格子型の分布反射型にも
適用できることは言うまでもない。
さらに、光回路の集積化において、半導体レーザと光導
波路のモノリシックな結合が必要要素技術となっていく
。半導体レーザと池の光部品（光スィッチ、方向性結合
器、受光素子９分岐器）などの間の導波路結合に本実施
例を適用することは有効である。例えば活性領域６Ａの
上部に回折格子を設け、ＤＦＢ型レーザとし、領域６Ｂ
を他党部品の接続としての光導波路とすることができる
。
第６図に第６の実施例を示す。第５図は半導体レーザの
構造の斜視図および第−層エビ成長時の基板平面図とそ
の断面を示す。１はＧａＡｓ基板であシ、２０．２５は
第１の実施例および第２の実施例で示した方法にて作製
された活性領域であり、２１．２２はＡＪＧａＡｓ埋込
み層、２３は５１０２絶縁膜、２４．２６は電極、２７
は分離溝を示す。
第６図（′ｂ）に示すように、　ＧＩＬＡ！！基板１上
に幅の異なる溝３，４を有すル５ｉ０２層２を形成１．
、ＭＯ−ＣＶＤ法にてＧａＡｓバッファ層、ム７！ＧＩ
ＬＡＳクラッド層。
ＧａＡｓ／　Ａ］ＧａＡｓ超格子層、ｐ型ＡｌＧａＡ３
クラッド層を順次形成してストライプ幅の異なる活性領
域２０．２５を形成する。領域２０．２５に形成される
超格子層は溝３，４のストライブ巾、　５ｉ０２の面積
の違いによって厚さと周期が異なり実効的バンドギャッ
プが異なってくる。次に成長炉よシとり出して５ｉ０２
を除去し、エツチングにて活性領域を整形し、再度ＭＯ
−ＣＶＤ法や液相成長法にてｎ型、ｐ型のＡｌＧ！ＬＡ
Ｉ埋込み層２１．２２を形成し、さらに、５１０２絶縁
層２３．電極２４゜２６、分離溝２７を形成し、領域２
０．２６を活性領域とする半導体レーザが構成される。
２つのレーザは活性領域の超格子周期長が異なるために
、各々発振する波長スペクト／Ｌ／が異なり、同一基板
上に２波長のレーザが構成される。通常２波長の半導体
レーザを構成する場合は最低限３回の結晶エピタキシャ
ルプロセスを必要とするが本発明の方法では２回のエピ
タキシャル成長で埋込み型レーザを構成することが可能
である。本実施例では２波長であるが３波長、４波長・
・・・・・等複数波長を同一基板上に２回のエピタキシ
ャル成長のみで埋込み型半導体レーザを形成することが
可能である。
本発明の実施例としてはＧａＡｓ基板上Ａ／ＧａＡｓと
ＧａＡＳの超格子構造をあげたが、ＩｎＰ基板上のＩｎ
ＧａＡｓＰ　、　ＧａＡｓ基板上のＡ４Ｇａ１ｎＰなど
ＩＮ−Ｖ族生導体に適用できることは言うまでもない。
また、１ｌ−Ｖｌ族等の化合物半導体全体にも適用でき
る。
実施例においてはＭＯ−ＣＶＤ法にて説明したがＧａＣ
ｌ３　、ムＩｃｌ５　、ムｓＨ４を用いたハ０ゲン化物
気相成長法においても同様の選択成長の効果を有してい
る。
発明の効果 以上のように本発明によって、 １、異なるバンドギャップ、異なる屈折率をもつ結晶を
一回の成長で同時に形成できる。
２、複数波長レーザが一回の活性領域の成長で作製可能
である。
３、外部共振器レーザのモノリシック化、高効率化が一
回の活性領域の成長ではかることができる。
４、半導体レーザと池の光部品との結合が容易にできる
などの特長を発揮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第１図！ａ）　、　（ｔ））は本発明の一実施例の方法
におけるエピタキシャル結晶成長基板の斜視図およびそ
の断面拡大図、第２図（ａ）　、　（ｂ）はエピタキシ
ャル結晶基板断面図、第３図（ａ）は５ｉ０２力バース
トライプ幅の異なる結晶基板の平面図、同（ｂ）は同（
ａ）のＸ−ｘ’　線断面図、同（０）は成長後の要部断
面図、第４図（ａ）　、　（ｂ）は外部共振器型レーザ
の構造斜視図。 断面図、同（Ｃ）はその詳細断面図、第６図（ａ）は半
導体レーザアレイの斜視図、同（１））は同（ａ）の成
長前の基板の平面図、同（Ｃ）は同（ｂ）のＹ−Ｙ’線
断面構造図、第６図は従来構造の半導体レーザの断面図
である。 １・・・・・・ＧａＡｌ基板、２・・・・・・５ｉ０２
．３．４・・・・・・溝、３０，３２，３４，３６，４
０，４２，４４゜４６−−−−−−ＧａＡ！ｉ　、　　
３ｆｆ　、　３３　、３５　、４１　、４３゜４６・・
・・・・ムｌＧａムＳ０ 代理人の氏名　弁理士　粟　野　重　孝　ほか１名３０
．３２．３咲３６，４θｒ　４１４４．４６・−Ｑαハ
Ｓ３／、　３３．３６．４／、　４３４５−Ａノ０工Ａ
ｓ第２図 第１図 第 図 第 図 第 図 乙θ ど／

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）結晶基板上に、化合物半導体結晶が成長しにくい
    膜を形成し、前記膜の一部を除去して前記結晶面を複数
    個所露出させ、気相成長法にて前記複数の露出結晶面上
    にそれぞれ複数層の化合物半導体結晶層を同時に形成し
    、前記複数の露出箇所の基板露出部の面積と前記結晶し
    にくい膜の面積にて前記複数露出箇所に成長する前記半
    導体結晶層の成長速度を制御し、前記複数露出箇所に、
    膜厚が異なり光学特性の異なる前記半導体結晶層を形成
    することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
  2. （２）複数箇所が異なる幅を有するストライプ状の露出
    部よりなり、前記複数箇所に膜厚の異なる活性領域を形
    成し、前記基板上に波長の異なる複数の半導体レーザを
    形成することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
    光半導体装置の製造方法。
  3. （３）複数箇所が異なる幅を有するストライプ状の露出
    部が直列状に接続されたものであり、前記露出部に、量
    子サイズ効果を有する単層あるいは多層構造の超格子膜
    よりなる半導体レーザの活性領域を、気相成長法にて形
    成することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光
    半導体装置の製造方法。
  4. （４）基板結晶上の化合物半導体の成長しにくい膜がＳ
    ｉとＯの化合物あるいはＳｉとＮの化合物であり、化合
    物半導体の気相成長法が有機金属気相成長法あるいはハ
    ロゲン化物気相成長法であることを特徴とする特許請求
    の範囲第１項記載の光半導体装置の製造方法。
  5. （５）半導体レーザと他の光部品との間の結合光導波路
    部を特許請求の範囲第１項記載の方法にて形成し、半導
    体レーザを含む複数の薄膜光部品のモノリシック集積化
    回路を作製することを特徴とする光半導体装置の製造方
    法。
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