JPH10501923A - 半導体ダイオードレーザのような光電半導体装置を製造する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、既知の方法によるレーザのミラー面２０に相当する非活性層３が設けられる。この場合、形成されるべきミラー面と平行な終端面とともにメサ１２が形成される。非活性領域３は、終端面に対して再成長され、そしてこの成長部に切断によりミラー面２０が形成される。既知の方法の問題点は、レーザが、度々放出もしくは増幅された輻射の不均一なパターン、大きな起動電流、そして単寿命を呈するという点にある。本発明による方法において、非活性領域が、活性領域１の範囲に排他的に設けられる。核心的問題の影響が小さく、そして輻射経路における不均一性が回避される。この結果、輻射のパターンが一定で、そしてレーザが、小起動電流及び長寿命を呈する。非活性領域３は、二つの窪み３０が活性層１に到るように形成されるべきミラー面の範囲のレーザの層構造において形成されるという手法で、活性領域１の範囲にのみ設けられる。活性層１の部分が窪み３０の間に配置される場合、選択的に除去され、この上に、感情凹部３１において窪み３０から非活性領域３が成長される。この方法は、非活性ミラー領域を持つゲイン及びインデックス案内レーザの照射の製造に適する。しかしながら、この方法は、輻射案内の場合に第３の半導体領域による他の及び局所的な相互結合の上に配置される二つの輻射波案内として他の光電素子の製造に非常に適する。

Description

【発明の詳細な説明】 半導体ダイオードレーザのような光電半導体装置を製造する方法 技術分野 本発明は、半導体基板を有する半導体本体を持つ光電半導体装置を製造する方 法に関する。この方法は、半導体本体の一部を形成する第１半導体材料の第１半 導体層と、成長工程により第１半導体層に隣接して設けられる第１半導体材料と は異なる第２半導体材料の第２半導体装置及び第１半導体材料とは異なる第３半 導体材料の第３半導体層とを提供する。 背景技術 輻射波ガイド、ホトダイオード、LED(Light Emitting Diode)のような種々の 光電素子、特に半導体ダイオードレーザ増幅器を含む半導体ダイオードレーザが 、III−Ｖ若しくはII−VI半導体本体における方法により製造される。短波長の レーザとして度々参照される最後に述べた素子は、とりわけ、レーザプリンタ、 バーコードリーダ、ＣＤ（オーディオ）及びCDROM（データ）のような光学記録 担体用の読取り及び／若しくは書込み素子の部品として、そして光ファイバ通信 用のシステムにおける送信機若しくは増幅器として使用される。 このような方法は、１９９４年８月３１日に公開されたヨーロッパ特許公開公 報第0.613.222号から既知である。この公報の方法は、InP基板を有する半導体本 体を持つレーザの製造に使用される。レーザの活性層を形成するInGaAsPの第１ 半導体層の上には、レーザの禁制層を形成するInPの第２半導体層が設けられる 。この場合、メサ形状が半導体本体に形成され、そしてInPの第３の非活性半導 体層が後端面に対する成長工程で設けられる。この後端面には、活性層が生じる 。ミラー面は、クリービングにより、縦方向のInP層の中心に形成される。この ミラー面は、ここでは、非活性層により活性層から分離される。このような非活 性ミラー層は、重要な利点を有する。 既知の方法の問題点は、この方法で製造されたレーザが、放出もしくは増幅さ れた 輻射が不均一パターンであるのみならず、大きな起動電流を必要として、そして 寿命が短いという点にある。この問題点は、明らかに望ましくない。 発明の開示 本発明は、とりわけ、上述のような問題点若しくはより小さな角度を持たない 方法を提供することを目的とする。本発明は、小さな起動電流、長寿命、そして 放射もしくは増幅された輻射の通常パターンを有するレーザをもたらす。これら の要件は、同時に達成される。 本発明に係る上述のような方法は、二つの窪みが少なくとも第１半導体領域１ に落ち込む半導体本体の面から延在して半導体本体に形成され、第２半導体材料 に選択的に対応するエッチング液を持つエッチングによる窪みから第１半導体材 料の部分、即ち窪みの間に配置される層形状の半導体領域が除去され、この除去 により、半導体本体により窪みの間に相互結合が形成され、そして相互結合が、 成長工程により、二つの窪みから第３半導体材料で満たされ、これにより、第３ 半導体領域が形成されることを特徴とする。 本発明は、上述の問題が、第３半導体層の製造における核心的な問題と関連す るという驚くべき事実に基づく。本発明は同様に、核心的問題の作用の重力が、 終端の比較的大きな若しくは少なくとも比較的大きな大きさに関連する、という 認識に基づく。この終端に対しては、成長工程が実施される。レーザの場合、第 １半導体層を形成する活性層の下の終端において、比較的薄いクラッド層及び度 々同様の基板部分が設けられる。成長工程の始まりにおいて生じる欠陥は、活性 層の領域で拡大するであろう。これら問題は、特に終端が結晶方向（−110）と 並行である場合に生じる。この方向は、実施には望ましい方向である。本発明の 方法では、第３半導体層が対向して設けられた終端が、通常比較的薄い第１半導 体層の側面に限定される。慎重を期して、層の部分のみが除去され、そして第３ 半導体層を形成するであろう第３半導体材料が設けられた部分が除去される。成 長工程が実施される面については、最小の大きさ、少なくとも最小の高さであり 、核心的問題の影響が最小である。この結果、本発明により製造された素子は、 放射もしくは増幅輻射の通常パターンを持ち、レーザの場合、小さ な起動電流及び長寿命を有する。 本発明の第１実施例では、第２半導体層が禁制層として形成され、そして二つ の窪みが第１半導体層に形成される帯状活性若しくは輻射ガイド層の両者、そし て形成されるべき輻射入力若しくは出力面の領域に設けられる。この方法は、非 活性ミラー領域を持つ酸化帯レーザとして、ガイド案内型と呼ばれるレーザを提 供することに特に適している。例えば、２つの四角い窪みが相互に僅かな間隔を 持って配置されると、この場合プレナー二重ヘテロ構造にエッチングされる。こ の資格の二片は、形成されるべき帯状活性領域と並行に走り、他の二片が形成さ れるべきミラー面と平行に走る。これらの位置は、二つの窪みを貫く中心線に沿 って位置合わせされる。第３半導体領域（可能ならば成長により窪みを埋める） を生成後、例えば、SiO2層には、窪み（場合によっては満たされるであろう）の 間に存在する帯状開口が設けられる。この構造の上に、そして基板に対して、金 属層が設けられ、その後、２つのミラー面が切断により形成される。 本発明による望ましい実施例において、帯状メサが半導体本体の面に形成され る。このメサは、少なくとも第２半導体領域を有し、そしてマスク層がこの上に 設けられ、帯状メサの両側において、帯状メサと略々直交する帯状開口が設けら れ、メサの両側において窪みが規定される。このような方法は、輻射波ガイドも しくはインデックス案内形式と呼ばれるレーザの製造に特に適する。この素子は 、その上もしくは下に活性領域が形成される帯状メサである。 本発明の望ましい変形例では、第１導電型の半導体基板における順序が、第１ 型導電体の第１クラッド層、第１半導体領域１を形成する活性層、第１半導体材 料に対向し、第２半導体領域を形成する第２クラッド層、この上、望ましくは基 板に到達する帯状メサが形成され、開口を持つマスク層が形成され、更に、相互 結合が形成され、マスクとマスク層が除去され、望ましくはメサの両側で第３の 電流遮断クラッド層が成長され、この成長と同時に第３半導体領域が形成され、 第２クラッド層及び前記基板の各々に第１及び第２導電層が設けられ、そして半 導体本体がミラー面を形成するために第３半導体領域の領域において半導体本体 が切断されることを特徴とする。 この方法の比較的簡単な変更によって、SIPBH（Semi Insulatin Planar Burie d Hetero）構造を持つレーザが得られ、これレーザは、光ファイバ通信システム における送信機若しくは増幅器としての使用に特に適する。このレーザのミラー 面には、増幅器としての装置用に非反射コーティングが設けられる。 望ましくは、（多重）量子井戸層として９活性層が構築され、一方、活性層と 第１もしくは第２クラッド層の間に、比較的薄い分離各層若しくは放出案内層が 設けられ、これらの窪みの間に配置された部分は、例えば分離エッチング工程に おいて、相互結合の状態の間に選択的に除去され、この部分は、第３クラッド層 の半導体材料に置き換えられる。比較的薄い分離核層若しくは放出案内層は、多 くの装置に適する。活性層が（多重）比較的薄い量子井戸構造を持つ場合相互結 合の成長による組成及び再充填を促進する。放出案内層は、もし存在するならば 、DFB（Distributed Feed Back）形式のレーザ（増幅器）を得るための窪みを効 果的に設けても良い。 望ましくは、ｎ型InPが、半導体基板の半導体材料、第２クラッド層用のｐ型I nP、第３クラッド層用の半絶縁InP、活性層１用のInGaAs若しくはInGaAsP、そし て選択各層若しくは放出案内層、そして必要ならば第２クラッド層及び第１導電 層の間に配置される接触層用のｐ型InGaAs若しくはｐ型InGaAsPが使用されるこ とを特徴とする。 望ましくは、相互結合の長さ、幅、そして厚さが、それぞれ１乃至１０μm、 １０〜４０μm、0.1〜１μmの間に位置することを特徴とする。材料のこのよう な選択により、実際に光ファイバ通信で使用できる素子が得られる。請求項７。 このような長さ及び厚さは、エッチング用の相互結合及び再成長による充填の良 好な可能性をもたらす。このような幅は、切断により形成されるミラー面の位置 の誤差がおよそ二倍であるため、非活性ミラー領域の組成用に特に適する。 MOVOPE（Metal Organic Vapour Phase Epitaxy）は、望ましくは半導体層の成 長技術として使用される。この技術は、相互結合を満たすために特に適する。 図面の簡単な説明 第１図は本発明の方法により製造した半導体ダイオードレーザの正面図である 。 第２図は第１図に示した半導体ダイオードレーザのII−II断面を示す断面図で ある。 第３乃至第９図は本発明により製造の連続的な工程における第１図の半導体ダ イオードレーザの正面図、斜視図（第５及び第６図）、そして断面図（第９図） ある。 発明を実施するための最良の形態 実施例及び付随する図面を参照してより詳しく本発明を説明する。 上述の図面は、概念的でかつ、実際の寸法を示すものではなく、厚さ方向の寸 法は実際よりも特に拡大されている。簡略化のため、付近もしくは定位置のレー ザは、簡略化のため図示されていない。 第１図は、本発明により製造された光電半導体素子、ここでは半導体ダイオー ドレーザの正面図である。第１図のレーザのII−II線の断面を第２図に示す。レ ーザは（第１図参照）、第１の実施例においては、金属層８が設けられたｎ型導 電体である基板１１を持つ半導体本体１０を有する。この基板において、半導体 層の構造には、クラッド層２，４の間に位置しかつ、第１の実施例においては、 クラッド層２，４の間にｐｎ結合を有する活性層が設けられる（第２図参照）。 第１の実施例に対向する第２導電体形式の実施例では、ｐ形式の導電体である。 進行方向に特定の電流値が与えられると、ｐｎ結合が帯状メサ１２に位置する活 性層１の帯状活性窪み１における電磁輻射の発生を実現する。高抵抗の第３クラ ッド層５は、メサ１２の両側に存在する。レーザの２つの終端２０の近傍及び活 性窪み１に隣接して、高抵抗InPを有しかつ、防止する若しくは終端２０におい てレーザの減衰を少なくとも強力に抑圧する非活性窪み３が存在する。この例に おける終端２０には、１／４λハフニウム酸化層４０の非反射層４０が設けられ 、この結果、レーザが増幅器としての仕様に適する。主な経路は、上述の金属層 ８と、第２クラッド層２に存在する接触層６及び金属層７の作用で実現する。 第３乃至第９図は、本発明による方法の製造に係る連続的な工程における、図 １の半導体ダイオードレーザの正面図と、斜視図（第５及び第６図）と、断面図 （第９図）を示す図である。５×１０¹⁸のＳｉ atoms/cm³の濃度のｎ−InPから 作られた配合（100）を有する３６０μｍの基板１１にＬＰＥ（Liquid Phase Ep itaxy）による以下の半導体層を予測して製造が始まる（第３図参照）。 ２×１０¹⁸のＳｉ atoms/cm³のｎ型InPで１μｍ厚の第１クラッド層４、第１ 半導体窪み１を形成するIn_0.57Ga_0.43As_0.91P_0.09で0.15μmの低濃度の活性層１ 、そして第２半導体窪み２を形成する５×１０１７のＺｎ atoms/cm³の濃度のｐ 型InPで１μm厚の第２クラッド層２。成長機器から取り除かれた後、SiO₂のマス ク層１３が、例えばスパッタにより設けられ、そしてフォトリソグラフにより帯 状パターン１３が与えられる。 マスク１３の外側に位置する半導体層構造の部分及び１μmの基板１１がエッ チング、この場合ＲＥＩ（Reactive Ion Etching）により除去されると、基板１ １に到る帯状メサ１２が形成される（第４図参照）。 次に、Si₃N₄のマスク層１４が設けられ、そして少なくともフォトグラフィク による帯状開口１５、ここではメサ１２と直交する２つの開口が与えられ、そし て個の階乞う１５には、メサ１２の両端に毎回、窪み３０が形成される。この窪 み３０は、少なくと第１半導体層１、ここでは活性層１に到る半導体本体１０の 面から延在し、そしてこの例では基板１１に到る。帯状開口１５は、形成される べき複写用の入出力面の領域に存在する。本発明によると、窪み３０から始まり 、これら窪みの間に位置した第１半導体領域１の部分、ここでは活性領域１が、 第２半導体材料、ここではInPを有する材料に対応して選択されたエッチングに より、In_0.57Ga_0.43As_0.91P_0.09がエッチングされることにより除去される。こ のような選択エッチングは、例えば、K₃Fe(CN)₆（12mole% in H₂O）とKOH（20mo le% in H₂O）の混合である（組成の比は、１：１である）。 窪んだ相互結合３１が、２つの隣接した窪み３０の間の半導体本体１０の内側 に形成される（第６図を参照）。マスク層１４が次いで除去され、この結果、４ つの窪み３０がメサ１２の両側で２つの帯状窪み（３０）に結合される。次いで 、本発明によると、相互結合３１が第３半導体材料、ここではInPが、窪み３０ を基点として成長工程、ここではMOVPE成長工程において充填され、この結果、 第３半導体領域３が形成される。堆積されたInPは、高抵抗で主に遮断する。窪 み３０は、第３半導体領域３の充填により同じ材料で完全に充填される。同一の 成長工程において、高抵抗InPで充填されかつ、主に遮断する第３クラッド層５ が両側の窪み３０に形成される。結果としての構造の正面図を第７図に示す。比 活性ミラー領域３の組成について、非常に低い高さの面に対してのみ実現される 。即ち活性層１の厚さを越えることはなく、核心的な 問題の影響が小さく、そして放出もしくは増幅輻射の通常パターンを得られる、 そしてレーザの場合、小さな手動電流及び長寿命が得られる。 マスクを除去し、通常の方法で洗浄した後、得られた構造が再ひMOVPE成長工 程に曝され（第８図参照）、そして１×１０¹⁹のＺｎ atoms/cm³の濃度のおよそ １μm厚でｐ型In_0.57Ga_0.43As_0.91P_0.09の接触層６が入力上面に設けられる。成 長工程から基板が得られた後、この基板の厚さが、およそ100μmに削減され、そ して通常の成分の金属層７，８が通常の方法で半導体本体１０の上位及び下位面 に設けられ、結果として、ここにレーザ用の基本結合を実現できる。 第８図のIX−IX線がもたらす構造の断面を第９図に示す。半導体本体１０は、 第９図に２０で示した穴に連続的に沈められ、そしてハフニウムの１／４λ層４ ０がミラー面２０に、例えばスパッタリングもしくは蒸着堆積により設けられる 。最後に、最終装着に適した独立レーザが、隣接するメサ１２の間の半導体本体 １０の窪みにより得られる（第１及び第２図参照）。 上述の実施例の望ましい変形例としては、低濃度の輻射案内層（図示せず）、 例えばIn_0.72Ga_0.28As_0.60P_0.40（λ＝1.3μm）で、第１クラッド層４と活性層 １との間におよそ0.15μmの厚さをの層を設けることが含まれる。窪み３０の間 に配置された層の部分は、事前若しくは後に、さらには除去されるべき活性層１ の部分と同時に除去されるであろう。格子は、通常の方法で第１クラッド層４（ 基板１１と一致しても良い）に効果的に形成され、この結果、DFB形式のレーザ （増幅器）が得られるであろう。この格子上の更なる粒子は、例えば、ヨーロッ パ特許公開公報第EP-AO.632.222号に見られる。異なる望ましい変形例において （図示せず）、活性層１が（多重）量子井戸層として構築され、そして活性層１ とクラッド層２，４との間に位置するバンドギャップを持つ比較的薄い、例えば 100nm厚の分離核層によりクラッド層２，４から分離される。 InP/InGaAsP材料系用の選択は、本発明により得られたレーザ（増幅器）が光 ファイバ通信システムにおける使用に非常に適する、という結果をもたらす。相 互結合３１の長さは、メサ１２の幅に対応し、ここでは１２μmである。相互結 合３１の厚さは、活性層１の厚さに対応して、ここでは0.15μmである。長さと 厚さは、それぞれ１〜１０μm、0.1〜１μmの間に位置し、相互結合３１の組成 及び充填を促進する。１０〜４ ０μm、この例では２０μmである相互結合３１の幅は、この結合を貫通する孔に 非常に適する。この行程の誤差は、およそ±１０μmである。例えば、窪み３０ がレーザが消滅して見えない場合、製造の間の適当な時期にもたらされるであろ う配置生成と呼ばれる状態に帰結する。 本発明は以上の実施例に限定されず、種々の変形及び形態を、本発明が視野と する当業者は実現できるであろう。即ち、本実施例とは異なる形式の、厚さ、半 導体材料、組成、若しくは導電体を使用しても良い。また、半絶縁基板を基板と して使用しても良い。本発明が材料系GaAs/AlGaAs及びInGaP/InAlGaPに適用され ても良い事に特に注意されたい。窪みがエッチングにより形成される場合、選択 的若しくは非選択的、優先的若しくは非優先的に、RIEに代えて湿式エッチング を一つ若しくは複数使用することが可能である。窪みはしかしながらエッチング により形成される必要はない。形成されるべき窪みの領域に、半導体層（一部） を成長させる前にマスク（例えばSiO2）を設ける、そして選択的参加により層（ 残存する）を設けることも可能である。 本発明は、実施例で述べたSIPBHレーザの製造についてのみでなく、DCPBH（Du al Channel Planar Buried Hetero）の製造において同様に使用しても良い。本 発明は、埋め込みが可能な隆起型のレーザのような他の案内系レーザ用として効 果的に使用できる。酸化帯若しくは陽子衝撃レーザのようなゲイン案内型のレー ザについても同様である。本発明は、レーザに限定することを意味せず、非活性 ミラー領域の製造も意味する。即ち、上述の一方に存在しかつ、非活性層により 完全に分離された２つの輻射案内層と選択的に相互結合可能で、局所的には、介 在非活性層の部分が、輻射案内層と同様の半導体材料に置き換えられる。 最後に、成長工程のLPE及びMOVPEの代わりに、例えば、排他的MOVPEを使用す ることが可能である事に注意されたい。VPE（Vapour Phase Epitaxy）若しくはM BE（Molecular Beam Epitaxy）のような他の成長技術、若しくは大量移送技術や これらの複合技術を効果的に使用することが可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ファン ゲステル パトリック ヘンリカ ス オランダ国 5621 ベーアー アインドー フェン フルーネヴァウツウェッハ １ 【要約の続き】 ン及びインデックス案内レーザの照射の製造に適する。 しかしながら、この方法は、輻射案内の場合に第３の半 導体領域による他の及び局所的な相互結合の上に配置さ れる二つの輻射波案内として他の光電素子の製造に非常 に適する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．半導体本体１０の一部を形成する第１半導体材料の第１半導体領域１に、成 長工程により、前記第１半導体領域１に隣接して、前記第１半導体材料とは異な る第２半導体材料の第２半導体領域２と前記第１半導体材料とは異なる第３半導 体材料の第３半導体領域３とを設けることを実現する方法において、 二つの窪み３０が少なくとも前記第１半導体領域１に落ち込む前記半導体本体 １０の面から延在して前記半導体本体に形成され、 前記第２半導体材料に選択的に対応するエッチング液を持つエッチングによる 前記窪み３０から前記第１半導体材料の部分、即ち前記窪みの間に配置される層 形状の半導体領域１が除去され、 この除去により、前記半導体本体１０により窪み３０の間に相互結合３１が形 成され、そして前記相互結合が、前記成長工程により、前記二つの窪み３０から 第３半導体材料で満たされ、これにより、前記第３半導体領域３が形成される事 を特徴とする半導体基板１１を有する半導体本体１０を持つ光電半導体素子を製 造する方法。 ２．請求項１に記載の方法において、 前記第２半導体領域２が核領域として形成され、 前記二つの窪み３０が前記第１半導体領域１に形成されるべき帯状活性若しく は放出案内領域の両側に設けられることを特徴とする半導体基板１１を有する半 導体本体１０を持つ光電半導体素子を製造する方法。 ３．請求項１または２に記載の方法において、 帯状メサ１２がマスク１３の保護を有するエッチングにより前記半導体本体１ ０の前記表面に形成され、 前記メサが少なくとも第２半導体領域２と帯状メサ１２の上及び両側に設けら れ、そしてその内部において窪み３０が前記メサの両側で規定されかつ、前記帯 状メサ１２と略々直交する少なくとも一つの帯状開口１５が設けられたマスク層 １４を有することを特徴とする導体基板１１を有する半導体本体１０を持つ光電 半導体素子を製造する方法。 ４．請求項３に記載の方法であって、前記光電半導体素子が半導体ダイオードレ ーザとして構築される方法において、 第１導電型の半導体基板１１における順序が、 前記第１型導電体の第１クラッド層４、 第１半導体領域１を形成する活性層１、 前記第１半導体材料に対向し、前記第２半導体領域２を形成する第２クラッド 層２、する第２型導電体の第２クラッド層２、 この上、望ましくは前記基板に到達する帯状メサ１２が形成され、 前記開口１５を持つマスク層１４が形成され、 更に、相互結合３１が形成され、 前記マスク１３と前記マスク層１４が除去され、 望ましくは前記メサ１２の両側で第３の電流遮断クラッド層５が成長され、 この成長と同時に前記第３半導体領域３が形成され、 前記第２クラッド層２及び前記基板１１の各々に第１及び第２導電層７，８が 設けられ、 そして前記半導体本体１０がミラー面２０を形成するために前記第３半導体領 域３の領域において前記半導体本体１０が切断されることを特徴とする導体基板 １１を有する半導体本体１０を持つ光電半導体素子を製造する方法。 ５．請求項４に記載の方法において、 活性層１が（多重）量子井戸層として形成され、一方、活性層１と第１もしく は第２クラッド層４，２の間で、比較的薄い分離核層若しくは放出案内層が設け られ、当該層の前記窪みの間に配置された部分が、選択エッチング工程若しくは 他の工程において相互結合５の組成から選択的に除去され、当該部分が前記第３ クラッド層５の半導体材料で置き換えられることを特徴とする導体基板１１を有 する半導体本体１０を持つ光電半導体素子を製造する方法。 ６．請求項４または５に記載の方法において、 ｎ型InPが、半導体基板１１の半導体材料、第２クラッド層２用のｐ型InP、第 ３クラッド層５用の半絶縁InP、前記活性層１用のInGaAs若しくはInGaAsP、そし て選択各 層若しくは放出案内層、そして必要ならば第２クラッド層２及び第１導電層７の 間に配置される接触層６用のp型InGaAs若しくはp型InGaAsPが使用されることを 特徴とする導体基板１１を有する半導体本体１０を持つ光電半導体素子を製造す る方法。 ７．請求項１乃至６の何れか一項に記載の方法において、 前記相互結合３１の長さ、幅、そして厚さが、それぞれ１乃至１０μm、１０ 〜４０μm、0.1〜１μmの間に位置することを特徴とする導体基板１１を有する 半導体本体１０を持つ光電半導体素子を製造する方法。 ８．請求項１乃至７の何れか一項に記載の方法において、 有機金属ガス雰囲気酸化が、半導体層１〜６の成長技術として選択されること を特徴とする導体基板１１を有する半導体本体１０を持つ光電半導体素子を製造 する方法。