JPH05507175A - 光・電気装置 - 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】 光・電気装置 本発明は光・電気装置に関するものであり、特にそれに限定されないが、レーザ 増幅器および光検出器の集積された組合わせ、並びにこのような装置の製造方法 に関するものである。

このような装置は例えば光通信において有効である。

遠隔通信サービスに対する要求が増加すると、高容量の伝送システムに対する要 求もまた増加する。この要求を満たすために、大きい帯域幅の光ファイバは現在 の光フアイバ通信システムより将来もっと効率的に使用される必要がある。

現在、広帯域幅光通信システムの発達における基本的な制限の１つは高感度の広 帯域光受信機の有効性である。

現在の受信機設計は良好な感度または広い帯域幅のいずれかを有する傾向がある が、両者を持たない。ＰＩＮフォトダイオードに基づいた広帯域受信機は低感度 になり、′一方アバランンエフォトダイオード（Ａ　Ｐ　Ｄ）に基づいたものは 利得帯域幅の積によって制限される。

これらの制限を克服する１つの方法は、ＰＩＮフォトダイオード受信機を使用す るが、Ｉ、Ｗ、マーシェルおよびＭ。

Ｊ、オマホニイ氏による論文（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅ＋ｓ　、　 Ｖａｔ２３、　＋０５２乃至１０５３頁、　１９８７年）に記載されているよう にレーザ増幅器を使用して入来した信号を予め増幅することによって受信機の感 度を改良することである。この構造において、進行波半導体レーザ増幅器（ＴＷ ＳＬＡ）およびＰＩＮフォトダイオードか中間集光および集束光学系と共にハイ ブリッド形態でパッケージされ、この光学系は雑音減少のために狭帯域光フィル タを含んでもよい。

１０ＧＨｚの３ｄＢ帯域幅を持ツＩ　ＰＡＨｚ　１／２の等価入力雑音および一 ２７ｄＢｍの１５Ｇビット／秒における感度のその受信機の特性は立派なもので あるが、集束光学系およびハイブリット構造を必要とせずに類似の、または良好 な特性が実現されることができるならば望ましいことである。

理論的に、単一の集積素子にレーザ増幅器および光検出器を結合することはささ いなことである。事実、このような構造は既に存在しているが、レーザ素子は増 幅器ではなく共振装置と１．て使用するように最適化されている。

しかしなから、よく検討すると、高性能の集積素子の生成はあまり簡単ではない 。

技術的に知られているレーザ／検出器の組合せは、全て集積され、したがって予 め整列された背面検出器を備えたレーザ源として本質的に生成される。レーザ制 御のために使用されるこのような検出器は同等高速性能を有している必要はない 。そうであっても、一般にレーザの特性は同じプロセスで検出器を生成する必要 性によって妥協されていた。結果的に、このようなレーザ／検出器の組合せは１ ９６０年代の終りから１９７０年代において一般的であったが５、もはや好まし くない。今日、レーザ特性に対する高い要求により、それは明らかに実際的では なく、或は集積されたレーザ装置を生成するに値しない。さらに、一般に単一の 処理シーケンスにおける２つの装置タイプの生成によって引起こされた付加的な 処理の複雑性は容認できない生産量の減少をもたらす。

世界中の多数の研究グループは集積されたレーザ増幅器／ＰＩＮを生成しようと 試みたが、しかし非常に処理し難い問題を発見したと考えられる。もちろん一方 において、他のものはＡＰＤ、ディスクリートなＰＩＮフォトダイオードおよび ディスクリートなレーザ増幅器の特性を改良し続けている。低い受信機感度の問 題に対するさらに代わりのものは、受信機に達する信号レベルを増加するために ファイバリンクにおいて半導体レーザ増幅器またはエルビウム増幅器のようなフ ァイバレーザ増幅器を使用することである。

非常に驚くべきことに、表面的な問題処理の困難さにかかわらず、本発明におい ては非常に高いレベルの特性を提供するたけてなく、製造が非常に簡単な集積レ ーザ増幅器／ＰＩＮを開発している。

第１の観点によると、本発明は半導体基体上で成長させられた第１２のエピタキ シャル層と、前記第１の層上に成長され第１の層のものより高い屈折率を有する 第２のエピタキシャル層と、前記第２の層上に選択的に、またはそれを覆って成 長されたリッジ構造の形態の第３のエピタキシャル層とを含んでおり、前記第１ のエピタキシャル層は第１の導電型であり、前記第３のエピタキシャル層は第２ の導電型であり、ｐ−ｎ接合は前記リッジの下方において整列されている前記第 ２の導電型の材料の領域と、前記第１の導電型の前記第２の層の隣接した領域と の間の前記第２のエピタキシャル層中に形成されている光・電気半導体装置を提 供する。

第２の観点によると、本発明は、 半導体基体上で第１の導電型の第１のエピタキシャル層を成長し、 前記第１の層上に前記第１の導電型の第２のエピタキシャル層を成長し、 前記第２の層上またはそれを覆って誘電層を形成し、前記誘電層においてパター ンを限定し、パターン化された誘電体によって露出された半導体上に第３のエピ タキシャル層を成長するために選択的なエピタキシを使用し、前記第３のエピタ キシャル層は少なくとも１つのリッジ構造を含み、 前記第３のエピタキシャル層から前記第２の層中にドーパントを拡散し、それに よって前記第２の層の領域を選択的に導電型を変換し、それによって前記第１の エピタキシャル層の下にある部分の導電型を変換せずにｐ−ｎ接合を形成するス テップを含んでいる光・電気装置を製造する方法を提供する。

第３の観点によると、本発明は　゛ （１）導波層を含み、アクチブ層によって前記導波層を覆っている第１の導電型 の平面を成長させ、（１１）前記平面上に無機誘電体層を形成し、（目１）下に ある半導体を露出するために前記誘電体層をパターン化し、 （ｉ　ｖ）前記露出された半導体上に第２の導電型の材料を成長させるために選 択的なエピタキシャル成長を使用し、前記選択的なエピタキシャル成長は少なく とも１つのりッジを含み、 （ｖ）前記リッジと整列された横方向のｐ−ｎ接合を含んでいるｐ−ｎ接合の予 め定められた配列を形成するために第２の導電型の前記材料から平面中にドーパ ントをステップ（ｉｖ）と同時に拡散する光・電気装置を製造する方法を提供す る。

本発明の実施例において、リッジまたはリッジ構造は一般に光・電気装置中のそ れらの下の平面構造において横方向において光学的制限を与える効果を有する。

それに垂直な光学的制限は例えば第１および第２のエピタキシャル層間、または アクチブ層および導波層間のその平面構造の層の屈折率の差によって提供される ことができる。光放射線が案内されたとき、結果的にリッジまたはリッジ構造の 下にそれに平行に存在する平面構造中の光路に沿って装置の端部において光路へ のその光放射線の反射を阻止するステップを取ることが好ましく、特に例えば２ つのリッジまたはリッジ構造があり、第１のものが利得を与え、第２のものが光 検出を行う場合、装置の光検出部分に入る光放射線は一度それを出ると光検出部 分に反射されてはならないようにされることが好ましい。

したがって、光検出部分の襞間された出口面は反射防止被覆されるか、或はその 代わりに光検出領域の出口領域に隣接した減少された導波効果を提供するか、或 は全くそれを提供しない光・電気装置の一部分であってもよい。この後者は、平 面装置の一部分か横方向の光学的制限なしにリッジを越えて延在するように装置 のエツジに達せずにリッジまたはリッジ構造を終端することによって比較的簡単 に達成されることかできる。リッジまたはリッジ構造の下の光路に沿って伝播す る任意の光放射線はそうでなければ行われるように光路に反射されないで、平面 構造のその延在部分において回折（または一般に拡散）する傾向がある。

上記に述べられた本発明の観点は、第３のエピタキシャル層中に存在するドーパ ントがｐ型またはｎ型のいずれかであるように与えられた導電型に関する一般的 な用語で表されているか、高い可動性のドーパント（亜鉛のような）だけが実際 に第３のエピタキシャル層において使用されると認められている。現在の技術に おいて、これは第１の導電型がｎ型であり、第２の導電型がｐ型である態様だけ が実際的であると認められる。この方法はさらに図１および図５に示された本発 明の実施例を参照して論じられる。

特定の配向を示した“覆っている”のような表現がこの明細書において使用され ているが、それらは説明を容易にするために過ぎず、一般に装置の使用またはそ の他において特定の配向を示すように意図されていないことに留意されなければ ならない。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施例を説明するが、それは単 なる例示に過ぎない。

図１は、本発明の第１の実施例による部分的に完成された装置の概略的な斜視図 である。図２は図１に示されたタイプの装置のリッジの走査電子顕微鏡写真であ る。

図３は、ＴＥおよびＴＭ偏波に対する前置増幅器バイアス電流の関数として同調 および離調された利得に対して描がれたグラフである。

図４は、７０ｍＡの前置増幅器バイアスおよび一４ｖのＰＩＮバイアスにおける ＧＨｚで示した周波数応答特性のグラフである。

図５は本発明による装置の概略的な垂直断面である。

図６ａ乃至図６０は本発明の別の実施例の概略図である。

図７は本発明のさらに別の実施例の概略的な垂直断面である。

本発明の第１の実施例の基本的な特徴は図１および図５に示されている。この実 施例の構造は、リッジ導波レーザのものに類似している。フォトダイオード吸収 層はレーザ増幅器の利得層のポンプされていない延長部分である。示された実施 例において、“アクチブ層”は連続的であり、これは結果的に良好な光結合およ び増幅器とフォトダイオードとの間の境界部分における低い光フィードバックを 生じさせる。改良された結合および減少されたフィードバックはアクチブ層の直 下の導波層の内蔵によってさらに促進され、導波層は光フィールドのピークを構 造中にさらに深くするように機能する。

導波層の存在はまた横断および横の両方向に対してＴＥおよびＴＭ制限係数間の 差を最小にするため、装置の偏波感度を減少するように機能する。光学前置増幅 器とフォトダイオードとの間の良好な電気分離は装置の正しい動作にとって重要 である。図１に示された実施例において、ｐ−ｎ−ｐ接合シーケンスは増幅器と 検出器との間に形成される。

第１の実施例による装置の構造は以下の通りである。装置はｎ型のリン化インジ ウム（ＩｎＰ）（１００）基体１上に成長させられる。２μｍの厚さであり、約 １０１８ｃｍ−３にドープされたｎ型のＩｎＰのバッファ層１１は最初に基体上 で成長される。次に、０４μｍの厚さであり、約１０１８ｃｍ’にドープされた ｎ型のＩｎＧａＡｓＰの導波層２（λｂ＝１．１ｕｍ）はバッファ層上で成長さ れる。導波層上において、０．１乃至０゜２μｍ（典型的に０，１５μｍ）の厚 さであり、約１ｏ１６乃至６×ＩＱ１６ｃｍ’にドープされたｎ型のＩｎＧａＡ ｓＰのアクチブ層３（λｂ　＝　１．５９μｍ）が成長させられる。アクチブ層 上において、０．１μｍの厚さであり、やはり約１０１６乃至６×１０１６ｃｍ −３にドープされたｎ型のＩｎＰのスペーサ層４が成長させらせる。

このレベルに対して層は、例えばＶＰＥＳＭＢＥまたはＬＰＥのような任意の適 切なエピタキシャル成長方法によってウェハ上で成長されることができるが、大 気圧ＭＯＶＰＥＴが好ましい。

形成されるべき次の層は誘電体マスク５である。マスクは熱分解付着によって形 成された窒化シリコンであることが好ましく、０．１乃至０．２μｍの厚さを有 している。シロックスは、拡散マイクのような内部特性を有することが前に示さ れているが窒化シリコンの代りに使用されることかできる。

次のステップは、増幅器および検出器の位置における誘電体５中に窓６および７ を備えたチャンネルおよび分離領域誘電体マスクの形成である。通常のリソグラ フ、光または電子ビームはマスクパターンを限定するために使用され、窒化シリ コンは好ましくはＨＦ湿式エツチング剤により、またはＣ領域によって分離され る。分離領域の長さは通常１乃至５μｍの範囲であり、したがって増幅器と検出 器との間の吸収による減衰を最小にする。装置の正確な構造に応じて、０．５μ ｍの低い分離を使用することができるか、これは満足できる電気分離に対する限 界であると考えられる。しかしながら、５μｍよりかなり大きい最小より大きい 分離を使用することには利点があり、それは増幅器と検出器との間の空間分離が 増幅器によって発生れた瞬間的な雑音の部分をフィルタするように作用すること である。図３および図４において曲線で示された図は、分離およびリッジ幅が共 に２μｍ（７）装置から得られ、これは満足できるものであることが認められた 。

図５に示されたチャンネル領域２０および２１は６ｕｍの幅でかなり狭いため、 大気圧システムが使用される場合でも後続して行われる選択的なエピタキシャル 成長段階中における多結晶過剰成長の危険性はない。チャンネル幅は、多結晶過 剰成長が発生する可能性のある前に１０μｍ１可能なら約２０μｍに増加される ことができるか、制御されない成長の危険を全て回避するために５乃至１０μｍ の範囲のチャンネル幅を使用することか好ましい。多結晶過剰成長が誘電体上で 発生した場合でも、この様な過剰成長が中央リッジと隣接した翼”リッジ１８と の間に連続した電気路を形成しなければ、装置は依然として満足できるように動 作する。反対に、狭いチャンネルは容易で高い生産処理のために回避されること が好ましい。

また、主に容易で高い生産処理のためにリッジ幅の選択が行われる。ＰＩＮフォ トダイオードのキャパシタンスおよびレーザ増幅器中で要求される電流密度に必 要な動作電流の両方を減少するために、狭いリッジ幅を有することか好ましい。

残念ながら、窓６および７が狭過ぎるように形成された場合、リングラフプロセ スにおける高い生産性を保証することが困難になる。リソグラフプロセスにおけ る成功の簡単から、したがって高生産率のためにプロトタイプの装置の２μｍの りッジ幅が選択された。もっと狭いリッジ幅、例えば１．９，１゜８．１．７　 、　１．６　、］、、５μｍは適度に形成し易くなり、したがってこのような範 囲のリッジ幅を持つ装置が生成されることが示唆される。

本発明による装置が主に速度の観点から設計された場合、その製造物がこのよう な狭いライン幅で満足できる生産率を提供することができるならば、リッジ幅を ２．０乃至２５μｍより広くする利点はない。

窓の製造後、選択的なエピタキシは、増幅器および検出器のためにリッジ構造８ ′および８″をそれぞれ成長させ、同時に“翼”リッジ１８を形成するために使 用された。最初に、１乃至１５μｍの厚さであり、約５×１０１７１３に亜鉛で ドープされたｐ型のＩｎＰ層が両方の窓中に成長された。リッジ層８の上部にオ ームコンタクトを設けるためにやはり約１０１９ｃｍ−３に亜鉛でドープされた ｐ型のＩｎＧａＡｓの接触層９は約０．１μｍの厚さに成長さ籍られた。再度、 任意の適切なエピタキシャル成長方法が使用されてもよいが、大気圧ＭＯＶＰＥ が好ましい。

ｐ−１ｎＰリッジ層８の成長中、亜鉛はスペーサ層４を通ってアクチブ層中に拡 散し、それらの導電型を共に変換する。

リッジおよび接触層を成長させるために大気ＥＥＭＯＶＰＥを使用することは、 ６５０℃で少なくとも１５分要する。これらの状況下において、非常に速い拡散 不純物である亜鉛は、成長プロセス中にドーパントを駆動するために分離した熱 処理を必要とせずにアクチブ層の所望の導電型の変換を行わせるのに十分に移動 することができる。

通常欠点であ慝層８および９の成長温度における亜鉛の高い可動性はここにおい て有効に使用される。スペーサ、アクチブおよび導波層のｎ型ドーピングレベル の注意深い選択および制御、並びにＩｎＰリッジ層８におけるｐ型ドーピングレ ベルの同様に注意深い選択および制御により、自己制限拡散システムを生成する ことができる。導波層２を重くドープし、アクチブおよびスペーサ層３および４ を軽くドープするように選択することによって、直接的にドープされたリッジ層 からの亜鉛は、アクチブ層３と導波層２との間の境界部分まで実効的に拡散する 。アクチブおよびスペーサ層３および４の最初の軽いドーピングレベルはまた２ 次的な亜鉛拡散フロント（約、０＋６Ｃ，、−３の濃度を有する）がアクチブ層 全体の導電型を変換しないことを保証し、その層におけるｐ−ｎ接合の横方向の 正しい配置を保証するように選択される。

これは半導体エツチングが不要な特に簡単な製造プロセスであることが認められ るであろう。横方向のｐ−ｎ接合は、マスクされていない領域中だけの過剰成長 からのアクセプタの拡散によって形成され、これは接合領域が通常の構造のよう にチップ幅ではなくリッジ幅によって制限されているため、結果的に低いＰＩＮ キャパシタンスになる。同様に、良好な電気分離は、増幅器と検出器との間の背 面隣接したｐｎ接合の存在のために保証される。横方向のｐ−ｎ接合の別の利点 は前置増幅器のリッジの下で広がる電流が制限されることであり、これは結果的 に駆動電流要求を減少させる。ストリップ幅を減少することはさらに増幅器駆動 電流およびＰＩＮキャパシタンスを減少する。

このプロセスの結果得られた構造の襞間された断面の走査電子顕微鏡写真は図２ に示されている。良好なりッジ形状および明瞭なマスク誘電体に留意されたい。

誘電体マスク５はその上で成長が生じないためそこに残されることができる。

低いバンドギャップキャパシタンスを保証するために、２乃至３μｍの厚さのポ リイミドスペーサ１０がリッジおよびマスク誘電体上に形成される。典型的に約 ｌＯμｍの幅であり、臨界的な整列を要求しない比較的広い接触窓（すなわちリ ッジより広いもの）は、誘電体マスク５が上部コンタクトと効率的に自己整列す るため、全てこの層において必要とされるものである。

リッジが平坦な構造にチャンネルをエツチングすることによって限定される通常 のリッジ導波レーザ処理とは異なり、このプロセスではリッジ自身より狭く、リ ッジの境界部分の間で正確に整列される必要のある接触窓を形成する必要がない 。リッジが自己整列する誘電体チャンネルマスク５の存在は、チャンネル領域に おいて半導体に対してコンタクト金属が“短絡する″危険かないことを意味する 。リッジだけが露出されるように実際のポリイミドエツチングを実行することが 好ましいが、エツチングがその段階で停止されることは重要ではない。ポリイミ ド中に開かれた“中継”開口が窒化シリコンまたはシロックス誘電体５を露出し 、続いてコンタクト金属による中継開口の充填は通常装置が動作することを阻止 し、それは通常キャパシタンスを増加させ、したがって最大動作速度を減少させ る。

ポリイミドは酸素プラズマを使用してエツチングされる。

エツチング中にエツチングプロセスを視覚的に監視し、リッジの上部が露出され たときにエツチングを停止することができる。エツチングのこのような節減は図 ５に示された構造に対して仮定される。従来のりッジレーザプロセスとは異なっ て、リッジ接触層９の幅全体が有効であることに留意されたい。またこれは装置 が低い抵抗を有することができることを意味する。

ポリイミド処理の良好な制御か存在する場合、酸化または窒化誘電体層５を保持 することは重要ではなく、層５は選択的なエビタキツヤル成長後およびポリイミ ド層が形成される前に除去される。

ポリイミド処理の良好な制御が存在している場合、誘電体酸化物または窒化物を エツチングすることができるだけでなく、スペーサ層４を除去する、すなわち平 面の上部層としてアクチブ層３を有することも可能である。スペーサ層の除去は 表面再結合を増加させ、損失を増加させ、さらに信頼性を低くし、このようなこ とは好ましい選択ではない。しかしながら、このような構造を使用することを望 んだ場合、アクチブ層が酸化物または窒化物を保持するのではなく、ポリイミド で直接カバーされるならば、これらの問題は最小にされる可能性がある。明らか に、金属層がアクチブ層から離れている状態であることを保証することができな い場合には、スペーサ層が除去することは望まれない。

ポリイミドエツチング後、上部接触金属が供給される。このために、エツチング によって実質的にパターン化される３０００乃至４０００オングストロームの金 によって後続される１０００オングストロームのチタニウムを使用する。その代 りとして、チタニウム・プラチナφ金金属層が使用され、リフトオフプロセスを 使用してパターン化されてもよい。

ベース金属は、再度チタニウム／金またはチタニウム／クロム／金である。

上記の実施例並びにこの明細書中のその他の箇所において、半導体および誘電体 層に対して示された厚さは例示に過ぎない。当業者は一般に選択した層の厚さ、 組成およびドーピングレベルに関連した事柄を認識するであろう。以下の注釈は これらの変数に対するこれらの値の選択を助けるためのものである。

アクチブ層の厚さは、導波特性および利得を考慮することによって決定され、典 型的に０．１乃至０．２μｍの範囲、例えば０．１５μｍである。

４成分化合物の層に対して示された結合パッド等価波長は１５５μｍにおける動 作に適したものである。再度、当業者はレーザ、レーザ増幅器および光ダイオー ドにおける合金層の組成の選択に関連した係数を認識するであろう。アクチブ層 ３に対して、所望の動作波長より少し長いバンドギャップ等価波長λｂを有する 組成を選択することが好ましい。１．５５μｍの動作波長に対して、１．５９μ ｍのλｂを有する４成分化合物を使用する。反対に、導波層２の材料はもちろん 所望の動作波長より短い、好ましくは少し短いλｂを有していなければならない 。

この技術を使用して製造されたプロトタイプの装置は、種々の長さに切断された 。ＰＩＮ［残電流は典型的に一３Ｖにおいて＜　１　ｆｌＡてあり、ＩＪＩＨｚ におけるＰＩＮキャパシタンス測定値は５ｐＦ／ｍｍの値を与えた。ウエノ＼か ら切断され、２５０μｍの長さを持つファブリイペローレーサは、２５乃至３０ ｍＡの範囲のしきい値電流および３乃至４オームの抵抗を有していた。

６００μｍの長さを有する前置増幅器部分並びに３５μｍの長さのＰＩＮ部分を 持つサンプル装置は、高速パッケージ中に取付けられた。パッケージは、４６Ｇ Ｈｚまでの動作を保証するウィルトロンにコネクタマイクロストリップ発射装置 を含んでいた。マイクロストリップ応力除去コンタクトはＰＩＮ部分との直接接 触を行うために使用され、低い直列インダクタンスを保証した。２０ＧＨｚの周 波数までのＨＰ　８５１０ネツトワークアナライザを使用した散乱パラメータＳ ｌｌの測定値は、０．２０ｐＦおよび０．３ｎＨのＰＩＮキャパシタンスおよび 直列インダクタンスの近似値をそれぞれ示した。

利得測定は、前置増幅器か万ンに切替えられたときにＰＩＮ光電流を比較するこ とによってこの装置について実行され、光電流は前置増幅器およびＰＩＮが一緒 に接続されたときに観察され、１つの長い光検出器として使用された（１００％ の想定された量子効率で）。この方法は、入力結合損失から独立した利得に対す る値を提供し、これは入力結合損失が異なる発射構造に対して広範囲に変動する ため適切と考えられる。

図３は、ＴＥおよびＴＭ偏波の両方に対して利得ピーク付近（１５３０ｎｍ）の 波長で結合されたパワーの一３０ｄＢｍに対する前置増幅器バイアス電流の関数 として同調および離調された利得を示す。ファブリイベロー共振効果は、人力面 が被覆されておらず、また短いＰＩＮ長が被覆されていないＰＩＮ面からの著し い量の光学的フィードバックを可能にしたため、このプロトタイプの装置におい て明らかである。高い前置増幅器バイアスにおいて観察された偏波感度はＴＭ偏 波に対する高い形式（モダール）反射によって発生させられる。しかしながら、 単一路利得（示されていない）はそれ程高い偏波感度を表示なかった。２０ｄＢ の最大＋１得は、装置のしきり′１値電流（］］ＯｍＡ）の直ぐ下で測定された 。

周波数応答特性の測定は、１５３０ｎｍで動作する延在された空洞レーザおよび ＤＦＢレーレーら構成されたヘテロダインシステムを使用して実行された。ビー ト周波数はＤＦＢレーザを同調する電流によって掃引され、その結果４０ＧＨｚ の掃引範囲にわたって０，５ｄ’Ｂのパワー変動を生成した。−７０ｄＢｍの感 度を持ツ５０ｈｉＨｚ乃至５０ＧＨｚのノぐワーセンサ（ＨＰ８４８７Ｄ）はウ ィルトロンＶ型バイアスティー（０，１乃至６０ＧＨｚ）を介して装置からのｒ ｆパワーを測定するために使用された。この方法は、スペクトル解析の使用を困 難にするＤＦＢレーザの同調時のライン幅変動によって生じる問題をなくす。周 波数ポイントは各レーザの周波数を測定する波長計を使用し、て差を計算するこ とによって得られ、これは１００ＭＨｚの分解能で実行されることができた。図 ４は、７０ｍＡの前置増幅器バイアスおよび一４ｖのＰＩＮｌ＜イアスにおける 人力パワー変動および残留損失に対する補正後のこの装置１こ対する振幅周波数 特性を示す。この図面から、３５ＧＨｚの３ｄＢの帯域幅が観察される。

装置の特性は、レーザ増幅器の入力面が反射防止（ＡＲ）被覆されるならば改良 される。同様に、ＰＩＮ先検比検出器面のＡＲ被被覆特性を改良する。レーザ増 幅器の入力面およびＰＩＮ先検比検出器面の両方かＡＲ被被覆れること力く好ま し円ＡＲ被覆は好ましくは１０％より下に、さらに好ましくは１％以下に、最も 好ましくは０．１％以下に各面反射率を減少させる。

もちろん、上記のプロセスは集積されたレーザ増幅器ＰＩＮ光検出装置の製造た けでなく、１ルノジ導波半導体レーザ、ファブリイベローおよびＤＦＢの両者、 並びにディスクリートな半導体レーザ増幅器の製造、およびディスクリートまた は集積されたエツジ結合されたＰＩＮ光検出器の製造にも有効である。

冒頭に述べられたように、ファブリイベローリノジ導波層はプロトタイプのウエ ノ１から切断され、２５０μｍの長さおよび２μｍのリッジ幅を有するこのよう な装置は２５乃至３０ｍＡのしきい値電流および３乃至４オームの抵抗を有して ０た。

このような態様は、プロセスが比較的簡単で高生産性力（与えられたとすると非 常に印象的である（しきい値電流力く予ａ１より少ない約ｌＯ％である）。表面 上の高品質の反射防止被覆１こより、このような装置は進行波半導体レーザ増幅 器として良付加的な広いバンドギヤ・ンプの４成分化合物の層力く形成され、そ れはスペーサ層４の代わりになるか、或はそれ１こ付加されることができる。本 質的ではないが、ＩｎＰの薄１．）スペーサ層が新しい４成分化合物の層上に成 長させられること力く好ましい。格子はリッジ層の成長前に形成され、プロセス ｉ；１ＤＦＢレーザを生成するために使用されることができた。

全く同じプロセスはまた関連したレーザ増幅器なしでＰＩＮ光検出器を形成する ために使用されることができた。しかしながら、このような光検出器の特性のさ らなる改良は、約０．７ｅＶのバンドギャップを有し、４成分化合物より高い光 吸収率を有する低いバンドギャップ材料、例えばＩ　ｎＧａＡｓ（ＩｎＰに整合 された格子）と４成分化合物のアクチブ／吸収層を置換することによって達成さ れることができた。

このようなＰＩＮ光検出器は少なくとも背面にＡＲ被被覆具備していることが好 ましい。ディスクリートな光検出器はまたそれらの人力面にＡＲ被被覆具備して いることか好ましい。前に述べられた反射率および反射範囲はまたこれらのＰＩ Ｎ光検出器上の被覆にも適合する。

図６に概略的に示された第２の実施例において、アクチブ層の一部分は増幅器と 光検出器との間で除去され、増幅された信号は受動導波体だけによってそれらの 間に伝送される。

図６（ａ）は装置の長手に沿った概略的な垂直方向の断面であり、エツチング前 の平坦な構造を示す。導波層２とアクチブ層３との間には付加的なバッファ層１ ４が存在していることが認められるであろう。このバッファ層は本質的ではない が、増幅器／検出器インターフェイスの設計においてフレキシビリティを与える 。バッファ層は約０．１μｍの厚さのＩｎＰを含み、硫黄により約１０工８にｎ 型にドープされている（導波体と同じ）。

図６（ｂ）において、エツチングがＩｎＰスペーサ層およびその下にあるアクチ ブ層を除去した後の同じ構造が示されている。次のステップは、好ましくは窒化 シリコンの誘電体層の形成であり、前のようにパターン化される。次に前のよう にリッジ構造を成長させるために選択的エピタキシが使用される。アクチブ層と 下にある導波層との間の余分のバッファ層は導波体と同じレベルにｎ型にドープ され、それは約１０１８ｃｍ−３であり、他のキャリア濃度は前と同じである。

したがって、リッジが成長されたとき、アクチブ層のｐ−ｎ接合は中間部分でな く、ターミナル端部だけに形成される。

ポリイミド絶縁は前のように適用されることができ（図６（Ｃ）に示されていな い）、図６（ｃ）において増幅器および検出器に対する分離電極の金属層が示さ れている。

増幅器と、検出器との間のリブ負荷導波部分はまた電極を与えられ、それによっ て導波部分の屈折率が変化される。これは、特に格子フィルタが増幅器と検出器 との間の導波部分に集積され、このようにしてフィルタが同調される場合に有効 である。付加的にまたはその代わりとして、増幅器と検出器との間の導波部分が 分岐されてもよい。このような分岐は検出器に予備の信号を送信するように機能 するか、或は２つ以上の検出器に増幅器の出力を伝送することができる。

図７に概略的に示された第３の実施例において、先ダイオードは前のように連続 していない。その代わり、リッジはチップのエツジの前で切落とされている。こ れは選択的エピタキシの前に誘電体マスク中のパターンを変化する（それが前の ようにエツジに対して開かれないように）ことによって容易に達成される。これ は３つの利点を有するニーＰＩＮの端部を離れた光は、それがチップのエツジに 回折するように横方向に案内されない。この点で反射された光は案内部に戻され る可能性はなく、したがって低い反射率か背面上の反射防止被覆なして達成され る。

−光ダイオードルｎ接合は窒化シリコンマスクによって光ダイオードの４つのエ ツジ全てに沿って完全に不動態化され、結果的に潜在的な信頼性を高める。従来 、光ダイオードの後部は露出されたｐｎ接合を生成する襞間によって限定された 。

−光ダイオードの長さは窒化シリコンマスクによって完全に決定される。従来、 短いＰＩＮ長は、長さが襞間位置によって決定されるために達成し難かった。こ の位置は正確に配置することが困難であり、マスク配向からの襞間平面の僅かな ずれが結果的にウェハから切断されたバーに沿った異なるＰＩＮ長を生じさせた 。ここで、ＰＩＮ長は高い精度で制御し易く、これは低いキャパシタンス、した がって高い速度にとって重要である。

本発明による方法は、集積された光学系および光信号処理の分野における別の適 応を見出だす。このような適応のための装置は１つまたは多数のレーザ増幅器セ グメントおよび１つ以上の検出器セグメントから構成されてもよい。

別の製造方法において、レーザ増幅器のアクチブ層および光ダイオードの吸収層 は異なる材料（例えば５０１より低い小さいバンドギャップの材料が吸収層に対 して使用される）から形成される。このような方法において、選択的エピタキシ に後続される選択的エツチングが使用されて置換レーザアクチブ領域、またはさ らに好ましくは置換吸収層のいずれかを成長させる。選択的エビタキンは大きい 成長領域によりさらに成功的である可能性か高いため、第２の変形か好ましい。

プロセスはンリカまたは窒化シリコン誘電体層の成長まで前と同じである（アク チブ層のバンドギャップを除いて）。その誘電体は次にレーザのアクチブ領域上 で窓を開くようにエツチングされるか、スペーサ（もし使用された場合に）およ びアクチブ層がエツチングによって除去され、小さいバンドギャップの置換アク チブ層が選択的エピタキシによって成長させられる（スペーサ層の置換部分はま た必要ならば成長させられる）。次に、リッジの選択的エピタキシャル成長のた めのマスク準備物を形成するために別の誘電体エツチングが実行される。その他 の処理は前の通りである。

好ましい別の態様において、最初の誘電体エツチングはレーザのアクチブ領域を 除いて全てを露出する。もし使用された場合スペーサ層およびアクチブ層はエツ チングによって除去される。選択的エピタキシャル成長は小さいバンドギャップ の例えば（５０ｎ＝より低い）４成分化合物の層とアクチブ層を“置換”するた めに使用される。スペーサ層は、もし要求された場合には再度成長される。誘電 体層は、必要ならばまず残りの誘電体を除去した後に再形成される。その他の処 理は前の通りである。

アクチブ層および吸収層を形成するために使用される材料間のバンドギャップの 差が大き過ぎると望ましくない強い反射器を生成しないように回避されなければ ならない。

単−ウェハから複数の装置を製造するために、襞間が使用されることができる。

しかしながら、ポリイミドフィルムは連続的であり、破断が困難である。したが って、切断の前に切断位置に沿ってポリイミドをエツチングすることが好ましい 。さらに、選択的エピタキシャル層の過剰成長は、正しい位置において伝播する 切断の機会を増やすためにこれらの切断位置において阻止される（チャンネルは このラインに沿って結晶を弱くする選択的エピタキシによって形成される）。

スクライブされたチャンネルは装置長のフレキシビリティを減少させる可能性が 高いが、本発明の実施例においてそれらは異なる長さが切断されることができる ように装置の長さく例えば２５０μｍごと）に沿って配置されることができる。

ポリイミドによって発生させられる別の問題は、金属結合パッドがポリイミドに あまり良く結合しない傾向があることである。これに対する可能な解決方法には 、金属およびポリイミドの両方に結合する中間層、例えば窒化シリコンの中間層 を含む必要がある。これは実現できるが、しかし余分の複雑なプロセス（余分の フォトリソグラフィ段階）を必要とする。金属付着前のポリイミドの簡単な予備 エツチング処理は成功的な結合量を増加させることが認められている。水酸化カ リウムの水性溶液が使用されることができる。これはポリイミド用の既知の液相 エツチング剤であり、本発明の目的は数百オングストロームの深さのポリイミド 材料を除去するたけである。（気相エツチングの、ような別のエツチング技術が 代りに使用されてもよい。）水酸化カリウムの水性溶液が使用された場合、適切 な濃度は少なくとも０２モルである。

本発明の実施例による光・電気装置は、リッジ構造のものに匹敵する深さにスペ ーサ層１０を付着することによってほぼ平坦な上面を提供するように設計される ことができる。しかしながら、当業者によって一般的に理解されるように、これ は物理的な特性であって、装置が“平坦な”技術にしたがって製造されることを 示すものではないことが理解されるであろう。

前置増幅器バイアス電流　ｍＡ 周波数　、　ＧＨｚ νヒ 要約−ラ 光・電気装置は第１のｎ型のエピタキシャル層（２）、前記第１の層上で成長さ れた第２のエピタキシャル層を含むアクチブ層（３）、およびｐ−ｎ接合がリッ ジの下方で整列されたｐ型材料の領域とアクチブ層の隣接したｎ型領域との間で アクチブ層中に形成される、アクチブ層上またはその上方で選択的に成長された リッジ構造（８′）の形態のｐ型材料の第３のエピタキシャル層（８）を含み、 下に位置している第１の層（２）は完全にｎ型である。このような装置を製造す る方法は全てのｎ型平面を成長させ、誘電体マスク（５）を形成し、選択的エピ タキシによってｐ型材料のリッジ構造を成長させ、拡散によってｐ−ｎ接合を同 時に形成することを含んでいる。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成４年１１月２Ｂ

Claims (51)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基体上に成長された第１の導電型の第１のエピタキシャル層と、前 記第１の層上に成長され、第１の層のものより高い屈折率を有する第２のエピタ キシャル層と、前記第２の層上またはそれを覆って選択的に成長されたリッジ構 造の形態の第２の導電型の第３のエピタキシャル層とを含んでおり、ｐ−ｎ接合 は前記リッジの下方において整列されている前記第２の導電型の材料の領域と、 前記第１の導電型の前記第２の層の隣接した領域との間の前記第２のエピタキシ ャル層中に形成されている光・電気半導体装置。
2. （２）前記第１の導電型はｎ型であり、前記第２の導電型はｐ型である請求項１ 記載の装置。
3. （３）前記第１のエピタキシャル層は導波層であり、前記第２のエピタキシャル 層はアクチブ層である請求項１または２記載の装置。
4. （４）前記第１の層は第１のキャリア濃度にドープされ、前記第２の層の前記第 １の導電型の領域は第１のものより低い第２のキャリア濃度にドープされ、前記 第３の層は第１および第２の濃度の中間のキャリア濃度にドープされている請求 項１乃至３のいずれか１項記載の装置。
5. （５）第４のエピタキシャル層は前記第２および前記第３のエピタキシャル層の 間に存在し、第４のエピタキシャル層は第２のものの上に成長させられ、第３の エピタキシャル層は第４のものの上に成長させられ、前記ｐ−ｎ接合はまた第４ の層中に形成されている請求項１、２または３のいずれか１項記載の装置。
6. （６）前記第１の層は第１のキャリア濃度にドープされ、前記第２および第４の 層の前記第１の導電型の領域は第１のものより低い第２のキャリア濃度にドープ され、第３の層は第１および第２の濃度の中間のキャリア濃度にドープされてい る請求項５記載の装置。
7. （７）さらにリッジ構造の位置を限定するときに使用される誘電体マスクを含ん でいる請求項１乃至６のいずれか１項記載の装置。
8. （８）マスクは窒化シリコンである請求項７記載の装置。
9. （９）前記リッジ構造は１０μｍ以下の基本幅を有している請求項１乃至８のい ずれか１項記載の装置。
10. （１０）前記リッジ構造の幅は１．５乃至５μｍである請求項９記載の装置。
11. （１１）前記リッジ構造の幅は１．５乃至３μｍである請求項１０記載の装置。
12. （１２）前記リッジ構造の幅は１．５乃至２．５μｍである請求項１１記載の装 置。
13. （１３）前記リッジ構造はチャンネル領域によって広げられている請求項１乃至 １２のいずれか１項記載の装置。
14. （１４）前記チャンネル領域は４乃至１０μｍの幅を有している請求項１３記載 の装置。
15. （１５）前記チャンネル領域は５乃至８μｍの幅を有している請求項１３記載の 装置。
16. （１６）さらに劈開面を含み、その面は反射防止被覆を有している請求項１乃至 １５のいずれか１項記載の装置。
17. （１７）少なくとも１つの付加的な劈開面を含み、付加的な劈開面はそれぞれ反 射防止被覆を有している請求項１６記載の装置。
18. （１８）さらに第２のリッジ構造を含み、前記第２のリッジ構造はその下の前記 第２のエピタキシャル層中の前記第２の導電型の第２の領域と整列しており、Ｐ −ｎ接合は前記第２の導電型の材料の前記第２の領域と前記第２の層の前記の第 １の導電型の隣接した領域との間で前記第２のエピタキシャル層中に形成されて いる請求項１乃至１７のいずれか１項記載の装置。
19. （１９）前記第２のエピタキシャル層は前記第２の導電型の材料の前記第１およ び第２の領域間において不連続的であり、それによって第１および第２の領域は 互いに絶縁されている請求項１８記載の装置。
20. （２０）前記第２のエピタキシャル層は前記第２の導電型の材料の前記第１およ び第２の領域間の前記第１の導電型である請求項１８記載の装置。
21. （２１）前記第１および第２のリッジ構造は少なくとも２μｍだけ分離されてい る請求項１８乃至２０のいずれか１項記載の装置。
22. （２２）光導波手段は第１および第２のリッジ構造間に設けられ、それによって 第１のリッジの下の前記第２のエピタキシャル層は前記第２のリッジの下で前記 第２のエピタキシャル層に光学的に結合されている請求項１８または１９記載の 装置。
23. （２３）光フィルタが前記第１および第２のリッジ構造の間の光路中に設けられ ている請求項２２記載の装置。
24. （２４）第１のリッジ構造は第２のリッジ構造の長さの少なくとも１０倍である 請求項１８乃至２３のいずれか１項記載の装置。
25. （２５）第２のリッジ構造は３０乃至６０μｍの長さを有している請求項１８乃 至２４のいずれか１項記載の装置。
26. （２６）第１のリッジ構造は３００乃至６５０μｍの長さを有している請求項１ ８乃至２５のいずれか１項記載の装置。
27. （２７）電圧は装置のその部分を順バイアスするように第１のリッジ構造に供給 され、第２の電圧は装置のその部分を逆バイアスするように第２のリッジ構造に 逆バイアス方向に供給される請求項１８乃至２６のいずれか１項記載の装置。
28. （２８）さらに装置の使用時に低い結合パッドキャパシタンスを与えるように前 記リッジ構造に関して横方向に延在するスペーサ層を含んでいる請求項１乃至２ ７のいずれか１項記載の装置。
29. （２９）前記スペーサ層はポリイミド材料を含んでいる請求項２８記載の装置。
30. （３０）前記リッジ構造の端部は、前記リッジ構造の存在によって少なくとも部 分的に装置の使用時に光路に沿って誘導されて前記端部において光路を出て行く 光子が一般に前記通路中に反射して戻されないように導波効果を与えないか、或 は導波効果を減少させるかいずれかの材料領域で終端されている請求項１乃至１ ６、ＩＳ乃至２９のいずれか１項記載の装置。
31. （３１）前記リッジ構造は装置の平面または実質的に平坦な部分上に形成され、 光路は実質的に前記平坦な部分に存在し、リッジ構造は平坦な部分がリッジ構造 の前記端部を越えて延在するように前記平坦な部分に達せずに終端し、これは平 坦な部分の延在された領域において導波効果を与えないか、或は減少させている 請求項３０記載の装置。
32. （３２）前記誘電体マスクはまたリッジ構造の端部に関して平坦な部分の前記延 在された領域を限定するのにも使用されている請求項７および３１記載の装置。
33. （３３）前記スペーサ層はまたリッジ構造の前記端部に隣接して延在する請求項 ２８または２９のいずれか１項記載の装置。
34. （３４）前記リッジ構造の前記端部は前記第１のリッジ構造に関して前記第２の リッジ構造の遠い端部を含んでいる請求項３０乃至３３のいずれか１項記載の装 置。
35. （３５）実質的に平坦な構造を含み、前記スペーサ層は前記リッジ構造と同じま たはほぼ同じ深さを有している請求項２８乃至３４のいずれか１項記載の装置。
36. （３６）請求項１乃至３５のいずれか１項記載の少なくとも１つの装置を含んで いる光受信機。
37. （３７）半導体基体上に第１の導電型の第１のエピタキシャル層を成長し、 前記第１の層上に前記第１の導電型の第２のエピタキシャル層を成長し、 前記第２の層上またはそれを覆って誘電層を形成し、前記誘電層においてパター ンを限定し、パターン化された誘電体によって露出された半導体上に第３のエピ タキシャル層を成長するために選択的なエピタキシを使用し、前記第３のエピタ キシャル層は少なくとも１つのリッジ構造を含み、 前記第３のエピタキシャル層から前記第２の層中にドーパントを拡散し、それに よって前記第２の層の領域の導電型を選択的に変換し、それによって前記第２の 層の導電型を変換して、前記第１のエピタキシャル層の下にある部分の導電型を 変換せずにｐ−ｎ接合を形成するステップを含んでいる光・電気装置を製造する 方法。
38. （３８）前記第１の導電型はｎ型であり、前記第２の導電型はｐ型である請求項 ３７記載の方法。
39. （３９）前記第１の導電型の第４のエピタキシャル層が前記誘電体層の形成前に 前記第２の層上で成長され、第３のエピタキシャル層は誘電体パターン化段階で 露出された前記第４の層の領域上に選択的に成長される請求項３７または３８の いずれか１項記載の方法。
40. （４０）基体は前記第１のエピタキシャル層がその上に成長されるバッファ層を 含んでいる請求項３７、３８または３９のいずれか１項記載の方法。
41. （４１）成長された前記第１のエピタキシャル層は第１のキャリア濃度にドープ され、成長された前記第２のエピタキシャル層は前記第１の濃度より低い第２の キャリア濃度にドープされ、成長された前記第３のエピタキシャル層は前記第１ および前記第２の濃度の中間の第３のキャリア濃度にドープされている請求項３ ７乃至４０のいずれか１項記載の装置。
42. （４２）第２の導電型のドーパントは亜鉛である請求項３７乃至４１のいずれか １項記載の装置。
43. （４３）（ｉ）全てが第１の導電型であり、導波層および前記導波層上にあるア クチブ層を含んでいる平面を成長させ、（ｉｉ）前記平面上に無機誘電体層を形 成し、（ｉｉｉ）下にある半導体を露出するために前記誘電体層をパターン化し 、 （ｉｖ）前記露出された半導体上に第２の導電型の材料を成長させるために選択 的なエピタキシャル成長を使用し、この選択的なエピタキシャル成長は少なくと も１つのリッジを含み、 （ｖ）ｐ−ｎ接合の予め定められた配置を形成するために第２の導電型の前記材 料から平面中にドーパントをステップ（ｉｖ）と同時に拡散し、前記リッジと整 列された横方向のｐ−ｎ接合を含んでいる光・電気装置を製造する方法。
44. （４４）前記第１の導電型はｎ型であり、前記第２の導電型はｐ型である請求項 ４３記載の方法。
45. （４５）完成された装置は半導体をエッチングせずに生成される請求項３７乃至 ４４のいずれか１項記載の方法。
46. （４６）光・電気装置はレーザ、レーザ増幅器または集積されたレーザ増幅器お よびＰＩＮ光検出器であり、前記アクチブ層はヒ化インジウム・ガリウム・リン の４成分合金より構成されている請求項４３、４４または４５のいずれか１項記 載の方法。
47. （４７）光・電気装置はＰＩＮ光検出器であり、前記アクチブ層はヒ化インジウ ム・ガリウムの３成分の合金である請求項４３、４４または４５のいずれか１項 記載の方法。
48. （４８）装置の使用時に結合パッドキャパシタンスを減少するために前記リッジ またはリッジ構造のいずれかの側にスペーサ材料を付着するステップを含んでい る請求項３７乃至４７のいずれか１項記載の方法。
49. （４９）前記スペーサ材料は最初に非選択的に付着され、次に電気接触が光・電 気装置において形成されるリッジまたはリッジ構造の表面を露出するためにエッ チングされる請求項４８記載の方法。
50. （５０）添付図面を参照して実質的に上記されたように光・電気装置を製造する 方法。
51. （５１）添付図面を参照して実質的に上記されたような光・電気装置。