JPH08274413A - 半導体デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体レーザー等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
デバイスの構造及び製造工程を簡単にして安価且つ良好
な動作持性を有する半導体デバイスを得ること。 【課題を解決するための手段】ＩＩＩ−Ｖ換化合物半導
体サブストレート１上に上下クラッド層４，２にサンド
イッチされた活性層３が積層形成される。これら上面に
ＳｉＮｘフィルム６を設け、拡散用窓を形成して、自己
整合型で半導体デバイスを製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイス、
特にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を使用する光電（オ
プトエレクトロニクス）半導体デバイス及びその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザー及びレーザーダイオー
ド、ＬＥＤ（発光ダイオード）、光増幅器、光検出器、
光変調器等のレーザー関連デバイスは、他の多くの技術
分野と同様に通信分野の発展に大きな役割を演じて来
た。半導体レーザーの基本材料構成は図１に示すとおり
である。これは当該技術分野ではヘテロストラクチャと
称される２以上の異なる材料により構成される。斯る構
成を使用することにより、次に述べるレーザー効果を生
じる。

【０００３】活性（アクティブ）層３が相互に逆導電性
の２つのクラッド層２及び４間にサンドイッチ状に配置
される。説明の都合上、上側クラッド層４がＰ^-形半導
体にドーピングされ、下側クラッド層２がｎ^-にドーピ
ングされていると仮定する。活性層３は、軽いｎ^-形に
ドーピングするか、ｎ^-にド−ピングするか、或は意図
に反したドーピングであり、他方接触（コンタクト）層
５は図示の例ではＰ⁺、即ち十分なｐ形にドーピングさ
れている。最後に、サブストレート（基体）１は図示の
例ではｎ⁺、即ち十分なｎ形にドーピングされている。
クラッド層２及び４は、活性層よりもバンドギャップが
十分大きい材料である。

【０００４】この活性層３を中心とする、この半導体構
造のエネルギーバンド図を図２に示す。このＰ−ｎ^-−
ｎ半導体構造は、２つのヘテロ接合（ジャンクション）
を構成するので、ダブルへテロ構造（ＤＨ）を構成す
る。この接合のいずれかの側にフェルミレベルＥｆのア
ライメントをすると、導電（コンダクション）バンドＥ
ｃと等価（バレンス）バンドＥｖのエネルギーに図示の
如き不連続を生じる。これら不連続は活性層とクラッド
層間の接合の空乏（ディプレション）領域に生じる。

【０００５】斯る構造の利点として活性層内での再結合
により解放されたフォトンエネルギーが吸収されること
なくクラッド層を通過することである。その理由は、ク
ラッド層のバンドギャップは活性層のそれよりも大きい
為である。それ故に、クラッド層は活性層３から放射さ
れた光に対して実質的に透明である。また、エネルギー
バンドレベルＥｃとＥｖの不連続により、活性層３から
クラッド層２，４へ電子及び／又はホール（正孔）が流
出するのを阻止する大きな障壁を生じる。これによりキ
ャリヤが閉じ込められることとなる。

【０００６】従って、サンドイッチ（挟持）する層より
も十分低いバンドギャップを有する活性層を有する斯る
構造とすることにより、種々のデバイスをサポートする
構造が得られる。特に、ダブルへテロ構造により、レー
ザーが形成される。この活性層３は比較的狭いバンドギ
ャップを有するのみならず、外側のクラッド層２，４よ
りも屈折率が高い。従って、この構造は誘電体フラグ導
波器（ウェーブガイド）となる。クラッド層２，４は、
導波層又はクラッド層を更にサンドイッチする付加クラ
ッド層として選択可能である。後者の場合には、この構
造はセパレートコンファインメントヘテロ構造（ＳＣ
Ｈ）と称され、活性層の厚さが約１００オングストロー
ムのクオンタム（量子）井戸（ＱＷ）活性層であると
き、活性層への光閉じ込めを強化する為に一般に使用さ
れる。

【０００７】この構造のキャリア閉じ込め特性により、
この構造に電子又は光ポンピングを行うとき、活性層内
に小数キャリヤが高度に集中することとなる。これによ
りレーシング（ｌａｓｉｎｇ）条件に必要なポピュレー
ション反転を生じる。更に、ポピュレーション反転に達
すると、この構造の光閉じ込め特性は導波方向に沿って
光増幅を生じ、この光増幅が十分大きいと、レーシング
となる。

【０００８】しかし、図１に示す構造では、キャリヤと
光閉じ込めは一次元、即ち活性（アクティブ）層に垂直
方向のみである。この活性層と平行方向又は横方向で
は、閉じ込めは生じない。このように、横方向への閉じ
込めがないので、スレッシュホールド電流が高く且つレ
ーシング特性が低下する。従って、既存の大部分の構造
は２次元閉じ込めを有し且つ２次元閉じ込めを有効にす
る為に多大の努力が払われた。

【０００９】例えば、図３は活性層（領域）３が前述し
たクラッド層２，４に加えて高いバンドギャップ／低イ
ンデックス材料６により側面を包囲して閉じ込めた従来
の典型構造を示す。その結果、キャリヤと光波の双方を
活性層の垂直及び水平（横）方向に閉じ込める矩形導波
器が得られる。これにより、レーシングスレッシュホー
ルドが下がり、レーシング特性を良好とする。この種レ
ーザーは埋込みヘテロ構造（ＢＨ）レーザーと呼ばれ
る。また、この構造はＬＥＤ及びその変形デバイスの製
造にも使用される。このＢＨ構造は一般的であり、本発
明の基本となるので以下に詳細に説明する。

【００１０】図３に示すＢＨ構造は、高バンドギャップ
材料２，４の上下層でサンドイッチされた活性領域３を
有する。更に、キャリヤ及び光閉じ込め領域として作用
して上述した利点を生じる閉じ込め材料６がある。これ
ら閉じ込み領域は種々の方法で形成可能である。

【００１１】その１例はサブストレート１上に半導体層
５，４，３及び２を成長させる。次いで、これら層２乃
至５の選択された領域をエッチング（食刻）する。これ
ら層の成長には分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）法、メ
タルオーガニック化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）法、液相エピ
タキシ法及び当業者に周知の他の方法を用いて行うこと
ができる。次に、この構造を所定エッチング剤に対して
不活性である材料で選択的にマスキングし、半導体層の
うちマスキングされなかった領域をエッチング剤でエッ
チングする。このマスキング剤の代表例はＳｉＮｘ又は
ＳｉＯ₂であり、例えばエッチング工程が完了すると除
去する。最後に、所望のエッチングが完了すると、エッ
チングされた領域に閉じ込め材料６を成長させるかデポ
ジションさせることにより、埋込みヘテロ構造が完成す
る。周知ではあるが、エッチング及び再成長技法はＢＨ
デバイスの製造に最適とは言えない。その理由は、デバ
イスの製造工程を複雑にし、量産に不向きである為であ
る。例えば、この種の製法は単一ウェハ上に多数の相互
接続されたデバイスを集積するのが困難である。

【００１２】他方、ＢＨ構造はその多くの利点の為に使
用されているが、ＢＨデバイスを高信頼性且つ安価に製
造できることが好ましい。例えばレーザーに応用するに
は、ＢＨレーザーはスラブヘテロ接合レーザーよりもキ
ャリヤ及び光波動閉じ込め機能が優れているので、低電
流レベルでレーシング効果を生じさせるスレッシュホー
ルド電流が低くなることが判明している。

【００１３】ＢＨデバイスの利点を最大限に活用すると
共にその製造工程の欠点を低減する為に、ＢＨデバイス
の製造工程の複雑さを低減する技術が開発されている。
ＢＨデバイスの製造を簡単にする１つの技法は拡散によ
る不純物誘起ディスオーダリング（ＩＩＤ）である。特
に、このＩＩＤ技法は比較的簡単なプロセスによりバン
ドギャップを制御することができ、しかもデバイス表面
を比較的平坦に維持することが可能である。このＩＩＤ
技法の詳細は下記の文献等に記載されている。

【００１４】（１）ＩＥＥＥ フォトニクス テクノロジ
ー ニュースレター 第３巻 第５号（１９９１年５月)
“ＩＩＤによる超低スレッシュホールドストレインＩＮ
_yＧａ_1-yＡｓ−ＧａＡｓ量子井戸レーザー”（Ｗ．Ｘ．
Ｚｏｕ等著） （２）アプライト フィジックス レター ５７（２４）
（１９９１年１２月１０日）“自己整合Ｓｉ−Ｚｎ拡散
による低スレッシュホールド高効率、高歩留りＩＩＤレ
ーザー”（Ｗ．Ｘ．Ｚｏｕ等著） （３）アプライド フィジックス レター 第３８巻 第７
７６−７７８頁（１９８１年）“不純物拡散によるＡｌ
_xＧａ_1-xＡｓ−ＧａＡｓスーパーラティスのディスオー
ダリング”（Ｗ．Ｄ．Ｌａｉｄｉｇ等著） （４）エレクトロニクス レターズ 第２７巻 第１４号
（１９９１年７月４日）“ＩＩＤによる超低スレッシュ
ホールドストレインＩｎＧａＡｓ−ＧａＡｓ量子井戸レ
ーザー”（Ｗ．Ｘ．Ｚｏｕ等著） （５）アプライド フィジックス レター ４７（１２）
（１９８５年１２月１５日）“ＩＩＤにより製造された
低スレッシュホールドプレーナ形埋込みへテロ構造レー
ザー”（Ｒ．Ｌ．Ｔｈｏｒｎｔｏｎ等著） （６）アプライド フィジックス レター ４５（５）
（１９８４年９月１日）“ドナー拡散によるＡｌ_xＧａ
_1-xＡｓ−ＧａＡｓスーパーラティスのディスオーダ”
（Ｋ．Ｍｅｅｈａｎ等著） （７）ジャ−ナル オブ アプライド フィジックス ６４
（４）（１９８８年８月１５日）“ＧａＡｓ及びＡｌＧ
ａＡｓへの自己整合Ｓｉ−Ｚｎ拡散”（Ｗ．Ｘ．Ｚｏｕ
等著） （８）ジャーナル オブ アプライド フィジックス ７３
（４）（１９９３年２月１５日）“自己整合工程及び従
来の開管アニーリングによる高性能拡散ディスオーダＡ
ｌ_xＧａ_1-xＡｓレーザー”（Ｒ．Ｓ．Ｂｕｒｔｏｎ等
著）

【００１５】尚、これら文献はここに参考文献として組
込むこととする。ＩＩＤの工程と利点は本発明の理解に
不可欠な基礎であるので、ここでＩＩＤについて相当多
くの説明をする。

【００１６】上述した如く、ＢＨ構造は、サンドイッチ
層に加えて側方が高バンドギャップ／低インデックス材
料で包囲されて活性領域が閉じ込められている構造であ
る。高信頼性且つ安価に、このＢＨ構造を得るには、Ｉ
ＩＤを含む種々の技法がある。ＩＩＤは半導体ウェハの
重ね合わされた層内にエージェントを導入することによ
り見つけられた現象である。このエージェントは半導体
内に拡散し、半導体の結晶構造のアクセプタ（又はドナ
ー）部と結合し、結晶構造を変化させ且つその物性をも
変化する。材料の特性のうち１つのクリティカルな変化
は、隣接する層のアイソエレクトロニック電子（例えば
ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層のＧａ及びＡｌ原子）の相互
拡散（インターディフュージョン）が劇的に強化される
ことである。従って、ＱＷ層の合金成分はその隣接層で
混合され、ディスオーダリングを生じる。

【００１７】そこで、ウェハの選択された領域全体に拡
散するドナー又はアクセプタエージェントを導入するこ
とにより、ＱＷ層の材料のバンドギャップは所望レベル
に変化させることができる。更に、材料の屈折率も、こ
のプロセスにより変化される。これはレーザーデバイス
の製造には必須である。活性層として作用する層はＱＷ
層であり、ディスオーダリングエージェントの導入によ
り選択的にディスオーダリングされるのが一般的であ
る。

【００１８】ドーピング及び／又はＩＩＤを生じる拡散
は均一及び信頼性電気特性の双方を有するデバイスの製
造の為には信頼性のあるプロセスであることが知られて
いる。拡散された不純物の侵入深さは拡散温度及び時間
の関数であり、これらを制御することにより極めて正確
に制御可能である。マスキング及びエッチングにより、
拡散領域を正確に制御することができる。しかも、Ｓｉ
Ｏ₂及びＳｉＮｘの如き容易に成長可能な層は多くのド
ナー及びアクセプタ不純物の双方の拡散に対するマスク
として作用することが立証済である。

【００１９】同じ結晶構造であるが、合金成分が異質で
異なる隣接領域又は層を形成可能にするように不純物を
使用する。これにより、ＱＷ層に所望変化を生じさせ、
同じ層のうち変化させない領域に対して高いバンドギャ
ップ及び／又は低屈折率を有する領域を生じさせること
ができる。ＩＩＩ−Ｖ族半導体のデバイスの顕著な層構
造はＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓのスーパーラティスであ
り、これは高バンドギャップ層間にサンドイッチされた
複数のインターリーブされた低バンドギャップ層であ
る。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓのスーパーラティス構造の
全て又は選択された部分は最初のスーパーラティス層の
平均エネルギーギャップを有する単結晶ＡｌＧａＡｓに
変換可能である。

【００２０】斯る電子／光電子デバイスのＩＩＤの物性
の応用（用途）は例えば米国特許第４，３７８，２５５
号及び第４，６３９，２７５号に開示しているので、こ
こに参考として引用する。前者の米国特許公報は障壁層
に隣接するスーパーラティス構造にＺｎ（亜鉛）を拡散
することを開示している。他方、後者の公報には選択拡
散を行う為に周知であるフォトリソグラフ技法によりＳ
ｉＮ（窒化シリコン）を使用することを開示している。
拡散はスーパーラティスコンポーネントのクロス拡散温
度より十分低い温度、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの場合に
は例えば５００〜６００℃で特定時間Ｚｎを導入して行
う。Ｚｎ原子はマスキングされない露出層内に拡散し、
スーパーラティスの活性及び障壁層が成分上ディスオー
ダ状ＡｌＧａＡｓ合金となり、しかも結晶構造を維持す
るようにする。従って、未拡散状領域のラテラル閉じ込
め領域は種々のＢＨデバイスを形成するよう容易に製造
可能である。

【００２１】上述した如く、本発明の要点（キー）は活
性領域と閉じ込め領域間のエネルギーバンドの不連続性
にある。レーザーにあっては、材料の誘電率の変化によ
り明白な如く、屈折率の変化も含んでいる。ＩＩＤの物
性は導電／バレンスバンドエネルギーと屈折率のバリヤ
を生じさせるのに使用される。しかし、デバイスのラテ
ラル閉じ込め領域を生じさせる為に、この領域へのドー
ピングのタイプもしばしば変えられて寄生ＰＮ接合が形
成される。この寄生ＰＮ接合は注入電流が活性領域をバ
イパスしてレーシング作用を生じさせないようにするパ
ス（通路）を形成し得る。

【００２２】そこで注入電流が活性領域内に閉じ込めら
れるように寄生ＰＮ接合をリフォームする為に別の拡散
工程がしばしば必要となる。例えば、ｎ⁺ＧａＡｓサブ
ストレート・ｎ^-ＧａＡｓ下クラッド層、ｉ−ＧａＡｓ
活性領域、ｐ形ドーピングを行った上クラッド層を有す
るウェハにあっては、Ｓｉ（シリコン）の拡散が必要と
するラテラル閉じ込め領域を生じさせる。斯る構造にあ
っては、Ｚｎ拡散をしばしば使用して活性領域とコンタ
クト層間の寄生ＰＮ接合をリフォームするのに使用す
る。明らかに、拡散によるＩＩＤは上述したエッチング
及び再成長プロセスに比してＢＨデバイスを製造するは
るかに簡単且つ安価な方法である。

【００２３】ラテラル障壁領域及び寄生ＰＮ接合のリフ
ォームの双方に拡散を使用する詳細は下記の２つの文献
に開示されている。

【００２４】（１）アプライド フィジックス レター
４７（１２）（１９８５年１２月１５日）“ＩＩＤによ
り製造された低スレッシュホールドプレーナ形ＢＨ構造
のレーザー”（Ｒ．Ｌ．Ｔｈｏｒｎｔｏｎ等著） （２）ジャーナル オブ アプライド フィジックス５８
（１２）（１９８５年１２月１５日）“低スレッシュホ
ールドディスオーダーＢＨ構造Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ−Ｇａ
Ａｓ量子井戸レーザー”（Ｄ．Ｇ．Ｄｅｐｐｅ等著）

【００２５】これらの文献は参考資料としてここに引用
することとする。

【００２６】ＢＨ構造デバイスの製造時に半導体ウェハ
の選択的ディスオーダリングを行うアプローチには、例
えば不純物又はベイカンシ（ｖａｃａｎｃｙ）拡散、イ
オン又は電子ビーム衝撃、又はディスオーダリングエー
ジェントの過圧有無と共に急激な熱又はレーザー強化ア
ニーリングを含んでいる。出願人は斯るアプローチにつ
いては熟知しているが、より一層簡単で高信頼性の方法
で同じ結果を得ようと希求している。従って、最も近い
技術の効果に焦点を当てて、本明細書の説明を十分理解
する必要がある。

【００２７】図４ａ乃至図４ｄにはＩＩＤにより製造さ
れる低スレッシュホールド高効率レーザーの製造工程が
示されている。特に図４ａを参照すると、使用するウェ
ハはｎ形ＡｌＧａＡｓクラッド層を上面にデポジット又
は成長させたｎ⁺ＧａＡｓサブストレート１を具える。
活性層３は、層２上にデポジット又は成長される。活性
層３は単一量子井戸（ＱＷ）又はマルチ量子井戸層より
成る。次に、ｐ形のＡｌＧａＡｓ上クラッド層４とｎ形
ＧａＡｓコンタクト層が活性層３の上面に成長又はデポ
ジットされる。Ｓｉ拡散を行う為に、ｐ形クラッド層４
上にＳｉフィルム６を被着形成し、標準のリフトオフ技
法により拡散窓を形成する。

【００２８】次に、図４ｂに示す如く、ＳｉＯ₂フィル
ム７を被着形成し、ウェハを加熱して選択的拡散を行
う。ＳｉＯ₂層はＳｉ拡散を強化すると共に加熱中のウ
ェハを保護する。ここで、ＳｉＯ₂層はＧａのアウトデ
ィフュージョンを可能にする。これにより、Ｇａのベイ
カント（欠乏）部分をＳｉで置換可能にする。この工程
の更に詳細説明は米国特許第４，８２４，７９８号に開
示しているので、ここに参考資料として引用する。この
拡散の結果、活性領域３の場所に閉じ込み領域８を形成
することとなる。しかし、Ｓｉはドナーとして作用する
ので、上クラッド層のこの部分はｎ形となり、Ｓｉ拡散
窓の間及び下に寄生ＰＮ接合が形成される。この寄生Ｐ
Ｎ接合をリフォームする為に、Ｚｎ拡散を行う。

【００２９】次に、図４ｃを参照する。バッファＨＦ溶
液により先ずＳｉＯ₂層を除去する。最初のＳｉフィル
ムをマスクとして使用し、所定時間高温にしてＺｎ拡散
を行う。Ｚｎはアクセプタとして作用するので、寄生Ｐ
Ｎ接合は除去される。機能デバイスを作るには、オーミ
ックコンタクトを形成する必要がある。この例にあって
は、Ｚｎ拡散の後にウェハ上に被着形成されたＳｉＯ₂
フィルム１０の上面にＡｕ−Ｚｎ層９を蒸着することに
より行う。このＳｉＯ₂層は電気的絶縁（隔離）フィル
ムとして作用し、バイアス電圧を所望領域のみに生じさ
せる。

【００３０】このレーザー構造にあっては、Ｚｎ拡散窓
は自動的且つ高精度でＳｉ拡散窓と整合（アライメン
ト）されているので、自己整合Ｓｉ−Ｚｎ拡散となるこ
とに注目されたい。この種の自己整合は製造工程を簡単
にするのみならず、デバイスの性能を向上することにも
なる。ここで説明したデバイスの製法の詳細は下記の２
文献に開示されている。

【００３１】（１）アプライド フィジックス レター
５７（２４）（１９９０年１２月１０日）“自己整合Ｓ
ｉ−Ｚｎ拡散による低スレッシュホールド高効率高歩留
りＩＩＤ層”（Ｗ．Ｘ．Ｚｏｕ等著） （２）ＩＥＥＥフォトニクス テクニカル レター 第５
巻 ５９１〜５９４頁（１９９３年）“ＩＩＤによる
１．０ｍＡスレッシュホールド非コーティングレーザ
ー”（Ｗ．Ｘ．Ｚｏｕ等著）

【００３２】構造が比較的簡単であり高信頼性且つ高性
能なオプトエレクトロニクスデバイスの製造技術が必要
である。既に十分説明した如く、ＩＩＤの物性はこの目
的として成熟しつつあり、また、自己整合技法もある程
度優れた解決策であると思える。Ｈｏｌｏｎｙａｋジュ
ニア等の発明に係る米国特許第５，２６２，３６０号に
は、自己整合法でＩＩＤを行う為に自然（ネイティブ）
酸化物を使用することを開示しており、これを参考文献
としてここに引用する。

【００３３】この技法により量子井戸ヘテロ構造のレー
ザーを製造する為に、この引用文献の例５に説明があ
る。この例にあっては、ｎ⁺形ＧａＡｓサブストレート
を使用し、レーザーのＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層がそこ
に被着形成される。このプロセスの後に、Ｚｎ拡散を行
ってマスク領域の下にＳｉのラテラル拡散の制御を助け
る。次に、Ｓｉ拡散窓の形成の為にストライプ上にパタ
ーン化されたＳｉ3Ｎ4マスク上に被着形成したＳｉフィ
ルムを用いてＳｉ拡散を行う。次に、酸化工程により自
然酸化物層を形成する。これは、アルミニウム（Ａｌ）
成分が高い領域のみに形成され、エッチングマスクとし
て使用されたＳｉＮｘストライプ付きコンタクト層のウ
ェットエッチングにより前もって製造されたＧａＡｓス
トライプ上には酸化物が形成されないので、自然酸化物
層は選択的に形成される。

【００３４】次に、この半導体ウェハをＺｎＡｓ₂ソー
スのアンプル内に封止して、アンプルを熱アニーリング
すると、自然酸化物を選択Ｚｎ拡散のマスクとして使用
し、ＧａＡｓストライプを介してＺｎ拡散が行なわれ
る。また、選択的金属コンタクト用の絶縁物も形成され
る。ここで、金属コンタクト窓はＺｎ拡散窓と自動的に
自己整合される。更に、自然酸化物はウェハのＧａＡｓ
コンタクト層上には形成されないので、自然酸化物はＧ
ａＡｓ層ストライプと自己整合され、これは選択的Ｓｉ
拡散の窓として作用する。従って、この技法により自己
整合プロセスが示されるが、自然酸化物はＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体では白明のものではない。自然酸化物の形
成はＡｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ又はＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓの如き
Ａｌ含有率量の高い材料のみに起る。更に、自然酸化物
は、Ｓｉの如きＶＩ族半導体の自然酸化物の形成の如く
比較的簡単且つ容易であるものに比して、極めて厳密
に、制御すると共に長時間を要するプロセスである。

【００３５】

【発明が解決しようとする課題】埋込みヘテロ構造（Ｂ
Ｈ）デバイスの製造に使用される種々の技法につき説明
したが、上述した如き他の技法の制約や欠点のない、自
己整合プロセスで斯るデバイスを製造することであるこ
とが明白になったと思う。より一層簡単で、フレキシブ
ルで且つ高信頼性でＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体デバイ
ス、特に光電子デバイスを製造する自己整合プロセスの
開発が好ましい。

【００３６】

【課題を解決するための手段】従って、本発明にあって
は、上述した従来の製法の欠点を解決し上述の目的を達
成する為に、異なる厚さ、バンドギャップ及び／又はド
−ピングで半導体サブストレート上に成長された多くの
ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を有する半導体ウェハ上にＳｉＮ
ｘフィルムをスパッタリングで被着形成（以下単にスパ
ッタという）する。このＳｉＮｘフィルムは最初に選択
的Ｓｉ拡散ソースとして使用し、所定光電子デバイスに
必要な所望バンドギャップの構造を得る。次に、同じＳ
ｉＮｘフィルムはウェハ内への選択的Ｚｎ拡散を行うマ
スクとして使用し、その後、このＳｉＮｘマスクを用い
てデバイスの選択的オーミックコンタクト用電気絶縁体
とする。ＳｉＮｘフィルムは、その屈折率がフィルムの
化合物及び物理密度の良好な目安であるので、特定レン
ジの屈折率のものを選択した。異なる結果を得るには異
なる屈折率レンジのものを使用する。最後に、Ｓｉ拡散
中に、ウェハの封止体としてＰＥＣＶＤ法によるＳｉＯ
₂フィルムを使用することに注目されたい。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明による半導体デバ
イス及びその製造方法の好適実施形態を添付図、特に図
５及び図６を参照して詳述する。

【００３８】レーザーダイオード又は半導体レーザーは
Ｓｉ及びＺｎ拡散を行うＩＩＤ技法により製造される。
本発明による半導体デバイスの製法は自己整合型である
ので、製造工程が極めて簡単且つ反復再現性（高信頼
性）である。

【００３９】先ず図５ａ乃至図５ｄを参照して説明す
る。ここに、本発明の半導体デバイスの主要製造プロセ
スを示す。本発明による半導体デバイス、特にＢＨレー
ザーの製造に使用される半導体ウェハはｎ⁺型サブスト
レート１を有する。これに続く層は好ましくは分子ビー
ムエピタキシ（ＭＢＥ）又はメタルオーガニック化学蒸
着（ＭＯＣＶＤ）により成長されるが、他の技法により
成長又は被着形成（デポジション）可能であることは当
業者には容易に理解されるところである。

【００４０】下クラッド層２はｎ形のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａ
ｓであり、厚さは好ましくは約１μ（ミクロン）且つド
ーピング密度は好ましくは約５×１０¹⁷ｃｍ^-3である。
活性領域３はドーピングを行なわず、好ましくは２つの
対称なＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ導波層がＩｎ_yＧａ_1-yＡｓのＱ
Ｗ層の２つの厚さ１００オングストロームのＧａＡｓス
ペーサ層でサンドイッチされて形成される。ここで、ｘ
は０．１乃至約０．２で各導波層の厚さは約０．０７μ
である。また、ｙは０．１乃至約０．２であり、その厚
さは約８０乃至８５オングストロームであるのが好まし
い。しかし、ＱＷ活性領域に使用する材料については、
ここに述べたものが好ましいが、本発明はそれに限定す
るものではなく、他の材料や厚さのものが使用可能であ
ることに注意されたい。例えば、ＱＷ活性領域は米国特
許第４，６７１，８３０号に開示する如く、本発明の活
性領域の製造にはファンクショナルであるとしているの
で、ここに参考文献として引用する。

【００４１】最後に、他の構造として、（上述した米国
特許第４，６３９，２７５号に例示した）スーパーラテ
ィスやクラッド／閉じ込め層より低バンドギャップを有
する単一層の半導体材料も活性領域に使用可能である。
上クラッド層４はｐ形のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層であり、
厚さは好ましくは約１μであり、ドーピング密度は好ま
しくは約３×１０¹⁷ｃｍ^-3である。最後に好ましくは
０．２μの厚さを有するｎ形ＧａＡｓ層５をコンタクト
層として被着形成される。

【００４２】最初に、コンタクト層５上に好ましくはポ
ジティブフォトレジストである２μのフォトレジスト材
料１１のストライプを正確なフォトリソグラフ技法によ
り好ましくは（０１１）結晶方向に形成する。これにウ
ェットエッチングをＮＨ₄ＯＨ：Ｈ₂Ｏ₂：Ｈ₂Ｏ＝１５：
１：３０内で約１０秒間実施して、フォトレジストスト
ライプで保護された部分を除くコンタクト層を除去す
る。使用するウェットエッチング剤は過酸化水素中心の
ものではなくて、ＮＨ₄ＯＨ中心のエッチング剤であ
り、過酸化物で生じた酸化物は、水酸化アンモニウムに
より迅速に除去可能にする。

【００４３】最後に、ウェットエッチングの後に酸化物
が全く残らないようにする為に、ウェットエッチングの
後に水酸化アンモニウムと水の１対１の水溶液中に約３
〜４秒間浸漬する。このすぐ後に、真空状態のスパッタ
用チャンバ内にウェハを入れ、アルゴンガスで２度洗浄
し、チャンバ内に残留する酸化物をできる限り除去す
る。次に、チャンバの圧力レベルを好ましくは３×１０
^-7トルに下げ、約１，０００〜２，０００オングストロ
ーム（好ましくは１，３００〜１，７００オングストロ
ーム）の厚さのＳｉＮ₂フィルム６をウェハにスパッタ
する。このスパッタリングは、ＡｒイオンによりＳｉタ
ーゲットからＤＣプラズマ活性化化学反応により行い、
Ｎ₂ガスをチャンバ内に導入する（図５ａ参照）。

【００４４】ＳｉＮｘのデポジション速度は約１２０オ
ングストローム／分であった。窒素ガスの移動速度とＳ
ｉターゲットのバイアスレベルを調整することにより、
ＳｉＮｘのバルクは屈折率が約２．０乃至２．２の範囲
で化学量数となるよう制御される。最後に、約２００〜
６００オングストローム（好ましくは３００〜５００オ
ングストローム）のＳｉＮｘフィルムが約２．６〜３．
２の屈折率でＳｉリッチとなるよう制御される。ＳｉＮ
ｘの化合物の重要性について以下に説明する。ＳｉＮｘ
フィルムがサブストレートのエッチングされた領域に良
好に接着することが、この製法にとり重要である。ウェ
ットエッチングの後にエッチングされた領域を空気中に
露出させるかウェットエッチング中に過酸化水素により
生じた酸化物の除去が不十分である為に、ＳｉＮｘフィ
ルムの形成前にエッチングされた領域表面の残留酸化物
は、ＳｉＮｘフィルムの接着力を阻止する。従って、ウ
ェットエッチング工程と、その後の取扱中に十分注意す
る必要がある。

【００４５】ＳｉＮｘフィルムのデポジション後に、フ
ォトレジストストライプ１１を、その上のＳｉＮｘフィ
ルム部分と共に、例えばウェハをアセトン中で洗浄する
等の標準のリフトオフプロセスで除去する。従って、拡
散窓がＧａＡｓコンタクトストライプ５と同様に同じ領
域にＳｉＮｘフィルム内に現れる。このＳｉＮｘフィル
ムは好ましくはスパッタにより被着形成されるが、電子
ビーム衝撃等の他の技法も使用可能である。

【００４６】図５ｂに示す如く、ＳｉＯ₂フィルム１２
が約６００〜８００オングストロームの厚さでＰＥＣＶ
Ｄにより形成され、ウェハを封止する。この封止が完了
すると、Ａｓの過圧下で好ましくは８５０℃で閉鎖クオ
ーツ（石英）管内で好ましくは３〜４時間熱アニーリン
グを行う。このＰＥＣＶＤ被着形成されたＳｉＯ₂フィ
ルムは良好な封止材として機能し、熱アニーリング中に
ウェハが劣化するのを保護し、ＳｉＮｘフィルムはＳｉ
拡散ソースとして作用する。封止材として、またＳｉＮ
ｘフィルムをＳｉ拡散ソースとして使用する物性は次に
説明する。

【００４７】Ｇａ及びＡｓに対してＳｉＯ₂は透過可能
であるので、それはＧａのアウトディフュージョンを可
能とし、従って、コンタクト窓を介してＧａＡｓに空白
部位（サイト）を生じる。そこで、これら空白部位にＳ
ｉ置換を強化する。この置換によりＳｉソースはＳｉＮ
ｘフィルムからである。ＳｉＯ₂を封止に使用する詳細
については前述した米国特許第４，８２４，７９８号に
開示されている。このＳｉ拡散はＩＩＤによる活性層に
ディスオーダリングを生じ、これはＳｉ拡散フロントが
活性層を通過したウェハ領域において生じる。これを図
５ｂに示す。

【００４８】ＳｉＯ₂フィルムが比較的高温且つ長時間
のＳｉ拡散プロセス中にウエハの良好な封止体として作
用する為には、このＳｉＯ₂フィルムは高密度且つ一様
でなければならない。これは低周波、好ましくは３０〜
５０ｋＨｚのブレーナダイオード形ＰＥＣＲＤリアクタ
を用いて行い、例えば１３．５ＭＨｚの高周波ＰＥＣＶ
Ｄ、熱ＣＶＤ又はスパッタリングは、ウェハをＳｉ拡散
プロセス中に劣化から保護するに足る十分なＳｉＯ₂フ
ィルムの被着形成ができないことが判明した。

【００４９】Ｓｉ拡散プロセスが完了した後、バッファ
ＨＦ溶解中に好ましくは１分間浸漬してＳｉＯ₂フィル
ムを除去する。熱アニーリングプロセス中、ＳｉＮｘフ
ィルムの強度及び密度により、ウェットエッチングの後
もＳｉＮｘフィルムは実質的に不変である。その後、Ｓ
ｉＮｘフィルムをＺｎ拡散のマスクとして使用する。こ
のＺｎ拡散はＡｓ過圧下で好ましくは６５０℃の閉鎖石
英管内で約１５分間行なわれ、Ｚｎ片をソースとして使
用する。尚、Ｚｎが好ましいが、Ｂｅもこの拡散工程で
機能し得る。前述した如く、Ｚｎ拡散は金属コンタクト
の形成を行うが、寄生ＰＮ接合のリフォームも行ない、
これらは完全に上Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａsクラッド層内にあ
り、全ての寄生ＰＮ接合が高バンドギャップを有し、活
性ＰＮ接合よりも「ターンオン」を困難にする。しか
し、Ｚｎ拡散領域は、オーミックコンタクトを作り且つ
寄生ＰＮ接合のリフォームに十分な大きさであれば、で
きる限り小さいのが好ましい。その理由は、寄生ＰＮ接
合部は電流漏洩問題に顕著な効果を有するからである。
Ｓｉ拡散部が小さければ小さい程電流漏洩の悪影響が少
ないので、電流閉じ込めが良好である。

【００５０】上述した如く、使用したＳｉＮｘフィルム
のバルクは２．０乃至２．２の範囲の屈折率を有し、Ｓ
ｉＮｘフィルムの屈折率はその品質及びその総合的な化
学的化合物の良好な目安となる。ここに参考文献として
引用するジャーナル オブ アプライド フィジックス ６
２（３）（１９８７年８月１日）の“Ｚｎ拡散のマスク
としてＳｉＮxフィルムの作用”（Ｚｏｕ等著）では、
ラテラル拡散を大幅に低減する為に略化学量数のＳｉＮ
xフィルムが極めて有効であるという事実を証明してい
る。これは、Ｇａを半導体からアウトディフューズする
ことができない為及びＡｓが半導体内へ拡散できなくす
る為であると推定される。したがって、斯るＳｉＮｘフ
ィルムはＺｎ拡散のマスクとして使用されるので、最小
ラテラル拡散で良好な拡散プロファイル（断面）を有
し、電流漏洩を最小に保持する。これは本発明の重要な
効果である。

【００５１】次に、図５ｄを参照すると、オーミック金
属コンタクトが作られる。Ｓｉ及びＺｎ拡散に使用され
たのと同じ窓を用いてｐ形コンタクトを形成する。この
オーミックコンタクトを形成する為に、好ましくは５０
オングストロームの厚さのＣｒフィルム１５００オング
ストロームの厚さのＡｕＺｎフィルム（Ａｕ中に５％の
Ｚｎ含有）及び厚さ２，５００オングストロームのＡｕ
フィルムを蒸着した３つの（３層）フィルム９を得る。
これはｐ形のオーミック金属コンタクトを構成する。
尚、上述した３層フィルム９が好ましいが、他のｐ形金
属コンタクトも使用可能であり、例えばＣｒ／Ａｕ又は
Ｔｉ／Ａｕの２層を用いてもよい。他側には、好ましく
は厚さ１，０００オングストロームのＡｕＧｅフィルム
（Ａｕ中に５％のＧｅ含有）、厚さ２００オングストロ
ームのＮｉフィルム及び厚さ１，２００オングストロー
ムのＡｕフィルムから成る３層のｎ形コンタクト１０が
形成される。

【００５２】走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による本発明
により製造されたＩＩＤレーザーの画像（図示せず）
は、このデバイスが高度に対称な断面を有することを示
している。この対称性は金属コンタクト窓、Ｓｉ拡散窓
及びＺｎ拡散窓がすべて自己整合である結果である。ま
た、ＳＥＭ画像は、前述したとおりＺｎのラテラル拡散
が最小であることを示している。

【００５３】図６は１．２μ幅で２５０μの長さを有す
る活性ストライプを有する単一ファセットから本発明に
より製造したレーザーの注入電流対光出力（Ｌ−Ｉ）カ
ーブの代表例である。この場合のスレッシュホールド電
流Ｉthは室温での連続波（ＲＴＣＷ）動作で２．４ｍＡ
であった。最後に、このＬ−Ｉカーブから明らかな如
く、約８ｍＷまで略線形応答特性で且つ／量子効率差ｎ
dはファセット当り３５％であり、デバイスに知覚し得
る損傷を生じることなく１５ｍＷまで反復駆動可能であ
る。

【００５４】図５に示すデバイスを順バイアスすると、
それはレーザーとして作用する。しかし、両ファセット
（面）に非反射性コーティングを施すと、光増幅器とし
て作用する。また、同じバイアスを逆デバイスすると、
ディテクタ又は変調器として作用する。このタイプの用
途での基本的質問は、デバイスを破壊することなく、ど
の位大きい逆バイアス電圧に耐えるかということであ
る。このデバイスの電流−電圧持性を示すＩ−Ｖカーブ
（図示せず）は、デバイスを破壊することなく逆バイア
ス電圧が５．０ボルトまで印加可能であり、この電圧レ
ベルでも漏洩電流は少ないことを示している。導電漏減
電流が小さいことは、低暗電流又は高オン／オフ比を有
する良好なディデクタ（検波器）又は変調器としてのみ
ならず、低スレッシュホールド電流及び高量子効率を有
する良好なレーザー又は光増幅器としてデバイスが機能
する為に大変重要である。このデバイスのＩ−Ｖ特性が
良好である理由は、化学量論的ＳｉＮｘフィルムの使用
による。これはラテラル方向に電流を閉じ込めるクリー
ンなＳｉ−Ｚｎ拡散プロフィルを提供するのみならずオ
ーミックコンタクトを超えて導電性電流路が形成される
のを阻止する良好な絶縁を行う。

【００５５】以上、本発明の半導体デバイス及びその製
造方法を好適実施形態につき詳述したが、本発明はその
要旨を逸脱することなく種々の変形変更が可能であるこ
と当業者には理解されよう。ＳｉＮｘフィルムを使用し
て半導体デバイスのマスキングを行い、多くの自己整合
型でＩＩＤを行ういかなる変形も本発明の技術的範囲に
包含されると解すべきである。

【００５６】

【発明の効果】以上の説明から理解される如く、本発明
の半導体デバイスによると、構造が簡単であるので、安
価に製造可能である。しかも、自己整合型であるので、
良好な動作持性を有するデバイスが実現でき、特に半導
体レーザー等の光電子デバイス及びその製造方法に極め
て好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の半導体レーザーの基本構造を示すデバイ
ス断面図。

【図２】図１の半導体デバイスの活性層周辺のエネルギ
ーバンドを示す図。

【図３】典型的な埋め込みヘテロ構造の断面図。

【図４】ＩＩＤ技法を使用する典型的な半導体レーザー
の製造工程図。

【図５】本発明による半導体デバイスの好適例の製造工
程図。

【図６】本発明により製造された典型的な半導体デバイ
スの駆動電流対光出力特性図。

【符号の説明】

１ 半導体サブストレート ２，４ 下上クラッド層 ３ 活性層 ５，１０ オーミックコンタクト ６ ＳｉＮｘフィルム ７ 選択領域 １１ フォトレジスト材料 １２ ＳｉＯ₂フィルム

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【手続補正書】

【提出日】平成８年４月２３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図６】

【図５】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体サブストート上に上下クラッド層に
   挟持して形成された活性層を有する半導体デバイスにお
   いて、 前記上クラッド層上に拡散窓を有するＳｉＮｘフィルム
   を形成し、前記クラッド層及び前記活性層の選択された
   領域に第１及び第２不純物を拡散可能にすることを特徴
   とする半導体デバイス。
2. 【請求項２】半導体材料の複数の層を有する半導体ウェ
   ハに自己整合型で半導体デバイスを製造する方法におい
   て、 前記半導体ウェハ上にＳｉＮｘフィルムを形成すること
   と、 該ＳｉＮｘフィルムの選択された領域に窓を形成するこ
   とと、 前記半導体ウェハ及び前記ＳｉＮｘフィルムを覆うＳｉ
   Ｏ₂フィルムを形成することと、 前記ＳｉＮｘ及びＳｉＯ₂フィルムが形成された前記半
   導体ウェハを熱アニーリングすることと、 前記ＳｉＯ₂フィルムを除去することと、 前記半導体ウェハ及び前記ＳｉＮｘフィルムを熱アニー
   リングしてＺｎソースからＺｎを拡散することと、 前記ＳｉＮｘフィルムの前記窓にオーミックコンタクト
   として作用する金属フィルムを形成することとより成る
   半導体デバイスの製造方法。