(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの層が０＜ｚ＜１および０＜ｘ＋ｚ＜１である、基板材料の上部における０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ≦１および０＜ｘ＋ｚ＜１であるＡｌ１−ｘ−ｚＧａｘＩｎｚＡｓ１−ｙＳｂｙの半導体材料の少なくとも三つの層を含み、少なくともいくつかの半導体層が、一つ以上の層のコアを中心とする二つのクラッド層を含む半導体デバイスであって（前記クラッド層は実質的に０＜ｘ＜０．６、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜０．５および０＜ｘ＋ｚ＜０．６であるＡｌ１−ｘ−ｚＧａｘＩｎｚＡｓ１−ｙＳｂｙからなる）：
ａ）デバイスの中を通る光学導波路および／または電気接続を画定するための半導体材料中のエッチングされた構造と、
ｂ）デバイスの部分を絶縁するため、ならびに／またはデバイス中／上のコンタクトおよび／もしくは伝導配線を画定するための電気絶縁層または部分と、
ｃ）デバイス中／上のコンタクトおよび／または伝導配線を画定するための金属層または部分と
を含む半導体デバイス。
【請求項２】
一つのクラッド層がｎドープされ、一つのクラッド層がｐドープされる、請求項１記載の半導体デバイス。
【請求項３】
層の組成として：
クラッド層が、０≦ｘ＜０．２および０＜ｙ＜０．５であるＡｌ０．９０−ｘＧａ０．１０ＩｎｘＡｓ０．０６Ｓｂ０．９４であり、
コア層がＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ０．０３Ｓｂ０．９７であり、
量子井戸層が、０．１＜ｘ＜０．５および０＜ｙ＜０．５であるＧａ１−ｘＩｎｘＡｓｙＳｂ１−ｙであり、
バリア層が、０．０９＜ｘ＜０．５および０＜ｙ＜０．５であるＡｌｘＧａ１−２ｘＩｎｘＡｓｙＳｂ１−ｙである、
請求項２記載の半導体デバイス。
【請求項４】
光学導波路が、少なくとも二つの出力導波路に伸びる少なくとも一つの入力導波路を含む材料中の湿式エッチングされたリッジ導波路接合であり、光学波が入力導波路から誘導され、分割されて出力導波路に入る、および／またはその反対となる、請求項３記載の半導体デバイス。
【請求項５】
二つの出力光学導波路間の溝／空間が、光学入力導波路が終端して出力導波路が開始する点でＵ字様の溝終端を有するように設計される、請求項４記載の半導体デバイス。
【請求項６】
入力導波路を中心とする導波路設計に少なくとも二つの要素が存在し、初期角度から出力導波路までの屈曲が平行となることにより、出力導波路に入る前の接合内で光学場が拡大し、光がより収集される、請求項５記載の半導体デバイス。
【請求項７】
デバイスから１．０〜５．０ミクロン領域の光が放射される、請求項２記載の半導体デバイス。
【請求項８】
少なくとも一つの層が０＜ｚ＜１および０＜ｘ＋ｚ＜１である、基板材料の上部における０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１および０＜ｘ＋ｚ＜１であるＡｌ１−ｘ−ｚＧａｘＩｎｚＡｓ１−ｙＳｂｙの半導体材料の少なくとも三つの層を含み、少なくともいくつかの半導体層が、一つ以上の層のコアを中心とする二つのクラッド層を含む半導体デバイスを形成する方法であって：
ａ）デバイスの中を通る光学導波路および／または電気接続を画定するための半導体材料中のエッチングされた構造を形成する工程と、
ｂ）デバイスの部分を絶縁するため、ならびに／またはデバイス中／上のコンタクトおよび／もしくは伝導配線を画定するための電気絶縁層または部分を形成する工程と、
ｃ）デバイス中／上のコンタクトおよび／または伝導配線を画定するための金属層または部分を形成する工程と、
ｄ）０＜ｘ＜０．６、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜０．５および０＜ｘ＋ｚ＜０．６であるＡｌ１−ｘ−ｚＧａｘＩｎｚＡｓ１−ｙＳｂｙを含むクラッド層を形成する工程と
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂおよび／またはＩｎＧａＡｓＳｂのＩＩＩ−Ｖ化合物の少なくとも三つの層から形成され、そのうちの少なくとも一つの層が５元ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ材料からなる、半導体光学デバイスの設計および加工に関する。そのうちの二つの層は、光が光学的に誘導されるコアを中心とするクラッドを形成することができ、コアは、多重量子井戸を埋め込むことができる複数の層を包含することができる。デバイスが半導体レーザ、半導体光学増幅器、電子吸収変調器、光学接合変調器または同様のデバイスである場合、多重量子井戸（ＭＱＷ）は活性領域の一部分であることができる。半導体デバイスは、一定の部分において半導体材料に接続される金属接続、好ましくはｐ型に対するＴｉ／Ｐｔ／Ａｕまたはｎ型に対するＰｄ／Ｐｔ／Ａｕを有する。非接続区域では、金属を絶縁材料、好ましくはスピンオンガラスの層で半導体から絶縁することができる。金属は、外部の電力供給装置に対する電気配線のためのコンタクトパッドを形成することができる。
【０００２】
傾斜側面を有する新たな型の光学リッジ導波路は、上側クラッドを湿式エッチングすることによって形成される。この新たなリッジ導波路は、従来の方形リッジ導波路よりもリッジ幅が広く、単一モードの誘導を支持する。
【０００３】
Ψ字接合半導体レーザは、デバイスの上側クラッドにエッチングされる一つ以上のΨ字接合からなる。Ψ字接合は、湿式エッチングによる光学接合の作製を可能にする新たな接合設計である。Ψ字接合は、デバイス内の二つ以上の光学リッジ導波路に接続される。光学導波路は、光が前後に反射し、レーザ発振が得られる光学キャビティに埋め込まれる。光学導波路および／または接合の終端を被膜し、反射を低減または増大させることができる。リッジおよび接合の均一な湿式エッチングを得るため、クラッドとして（ドープされた）ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂの層を有するレーザ構造が好ましい。レーザは、良好な光学利得および誘導を得るため、ＡｌＧａＡｓＳｂまたはＡｌＩｎＧａＡｓＳｂコアに埋め込まれた、ＡｌＧａＡｓＳｂまたはＡｌＩｎＧａＡｓＳｂバリアおよび圧縮歪を与えられたＩｎＧａＡｓＳｂ井戸のＭＱＷ活性層を包含する。二つ以上の光学導波路により、デバイスは、異なる光学導波路への注入電流を個別に変化させ、異なる波長に調整することができる。波長を調整することができる区域は、ＭＱＷ層の層厚さ、材料組成および歪に依存する。
【０００４】
光学接合変調器は、新たなΨ字接合設計によって、二つの接合で接続される二つの光学導波路からなる。接合内で光を分割する前および結合した後には、単一の導波路でデバイスを開始および終端させることができる。導波路または接合の終端を被覆し、デバイス内で、またはデバイス外で、より高いまたはより低い反射を得ることができる。
【０００５】
他のデバイスは、光学導波路、光学結合器／減結合器、アレイ導波路回折格子またはそれらの類似であることができる。これらのデバイスは、活性領域の有無を問わず、受動または活性デバイスであることができる。活性および受動デバイスのいずれの場合も、金属コンタクトを使用し、デバイスの各部分または全体を加熱することにより、デバイスの光学性能に影響する屈折率、機械的応力およびそれらの類似のパラメータを取り除くことができる。活性デバイスの場合、デバイスは、活性区域および／または層への電気注入により、デバイスの各部分または全体で光学利得を得る。
【０００６】
発明の背景
【０００７】
半導体マイクロレーザとして集積光学デバイスを作製するには、光を誘導してデバイスを通過させることができる必要がある。これは、デバイス内にリッジ導波路またはそれらの類似として光学導波路を作製することによって達成することができる。接合レーザでは、このようなリッジは直線である、屈曲している、および／または接合を有することができる。接合レーザ、たとえばＹ字接合では、レーザのデバイス性能は、接合をエッチングすることができる分解能に依存する。分解能が改善すると、内側部分はよりＶ字様の形状となり、接合が実際のＹ字接合になるにつれ、電力伝達がより良好となる（Ｐ．Ｓｅｗｅｌｌら（１９９７））。これは、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のような乾式エッチング技術により、従来から実施されてきた（Ｋ．Ａｌ  Ｈｅｍｙａｒｉら（１９９３））。ＲＩＥ工程は、表面が表面平面に対して直角にエッチングされ、リッジ形状の側壁が直線となる等方性エッチングをもたらす。
【０００８】
レーザの作製には、これまでＡｌＧａＡｓＳｂおよびＩｎＧａＡｓＳｂのようなＧａＳｂに基づく材料が使用されてきた（Ｃｈｏｉら（１９９１）、Ｓｉｍａｎｏｗｓｋｉら（２００１）、Ｙａｒｅｋｈａｍら（２０００））。これらのレーザは、すべて高電力の多モードレーザであり、遠隔計測およびそれらの類似のような応用がある。これは、場合によっては単一モードの光学動作が必要となるすべての電気光学マイクロシステムにとって十分ではない。
【０００９】
良好な制御および異方性形状によってＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ材料をエッチングすることができる湿式エッチング工程が、これまでに開発されている（Ｒ．Ｂｕｇｇｅら（２００２））。本発明におけるパターン形成では、このエッチング液を使用して新たな構造を作製した。
【００１０】
Ｔｅドープされた材料のドーピング濃度を増大させるための新たな工程が、これまでに別個の特許で提示されている（Ｒ．Ｂｕｇｇｅ（２００４））。
【００１１】
単一モードの光学部材を作製するため、ＡｌＩｎＧａＡｓＳｂの三つ以上の層に基づく新たな５元半導体構造を提唱する。この構造は、活性または受動部材の両方および特に中間赤外線レーザに使用することができる。クラッドおよびスピンエッチング加工でＡｌＩｎＧａＡｓＳｂ材料を使用することにより、良好なエッチング制御が実現されている。この湿式エッチング法により、精密なリッジ導波路が製造されている。リッジ導波路は、コアおよびクラッドを所定の屈折率で設計および作製された場合、単一モードの動作を提供する。Ｉｎ含有量の増大時にクラッドにおける屈折率の変化を補償するため、ＡｌＩｎＧａＡｓＳｂ材料をコアに使用することもできる。
【００１２】
活性デバイスでは、ＡｌＧａＡｓＳｂまたはＡｌＩｎＧａＡｓＳｂバリアおよびＩｎＧａＡｓＳｂまたはＡｌＩｎＧａＡｓＳｂ井戸のＭＱＷ活性領域をコアに埋め込んだ。コアとバリアとの間のバンドエッジ屈曲を防止するため、バリアにＩｎを使用した（コアがＩｎを包含する場合）。ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸に少量のＡｌを添加すると、井戸のバンドギャップが増大する。Ｉｎ拡散のため、基板のＭＢＥ成長温度は、ＩｎＧａＡｓＳｂ材料が基板上で成長した後には、ＡｌＧａＡｓＳｂの５５０Ｃに対して、４９０Ｃ未満に維持する必要がある。ＡｌＩｎＧａＡｓＳｂの上部でのＡｌＧａＡｓＳｂまたはＡｌＩｎＧａＡｓＳｂの順次的な成長中には、井戸とバリアとの間の正味のＩｎ拡散がより小さくなるため、４９０Ｃ制限（ＩｎＧａＡｓＳｂの場合）よりも高い成長温度を使用することができる。この構造のもう一つの利点として、事後的に、有意なＩｎ偏析（井戸からバリアへのＩｎ拡散）を生じることなく、構造上で急速加熱処理（ＲＴＡ）を実施することができる。
【００１３】
接合レーザおよび他の光学接合デバイスを湿式エッチングで作製するには、デバイス設計を従来の接合設計から変更する必要がある。湿式エッチングでは、加工後、Ｙ字接合のＶ字形状がエッチングの異方性のためにＵ字様の形状となる。Ｙ字接合設計のデバイスでは、これは結果的に作動しないデバイスとなるが、本発明におけるデバイスの設計規則を使用すると、接合に基づく作動するデバイスを作製することができる。
【００１４】
ウェーハ上にリッジを作製するには、ウェーハの表面にマスキング材料を適用する必要がある。加工後、マスキング材料はリッジのパターンを画定する。ウェーハの順次的な加工中、湿式化学エッチング液により、マスキング材料でマスクされていない材料をエッチングする。図１に示すように、（ここで使用する）湿式エッチングの異方性のため、エッチングは、エッジにおけるマスキング材料の下方に一定のエッチング（アンダーエッチング）をもたらす。この図では、本発明者らは、上部にフォトレジストマスキングが施された半導体材料のリッジを見る。順次的な加工中にフォトレジストが除去され、結果的に自立式のリッジとなる。図２に示すように、このアンダーエッチングが、接合の内側部分にＵ字様形状もたらすことから、本発明者らがリッジを設計する際に、このアンダーエッチングを考慮する必要があった。このようなＵ字様形状は、従来のＹ字接合リッジ構造において光の損失をもたらす。
【００１５】
本発明の概念は、接合屈曲の反対方向に屈曲を組み込むことにより、接合区域の導波路を延長し、Ψ字接合のＵ字状形状で損失する光を収集することであった（図３を参照されたい）。Ｕ字状形状は等方性の湿式エッチングの結果であり、湿式エッチングされた使用可能な接合を作製するためには、この形状の重要性を低減することが重要であった。
【００１６】
設計中、作製に先立って接合を試験するため、Ψ字接合に基づくデバイスの光学導波特性をシミュレートする必要があった。本発明者らは、ビーム伝播法（ＢＰＭ）を使用し、リッジ導波路接合をシミュレートした。図５は、本発明者らのΨ字接合設計の一つにおける伝播光学場を示す。一定の分割損失が見てとれるが、場の大部分は導波路に残存する。
【００１７】
現在の発明におけるデバイスの光学結合は、光学ファイバ、埋め込まれた導波路、平面導波路、リッジ導波路、レンズおよびそれらの類似を通じて導波路終端を他の導波デバイスに結合することによって行われる。反射がより高い、もしくはより低い被膜またはデバイスの導波路終端で光学場を調節する設計を使用することにより、結合損失を低減することができる。
【００１８】
発明の概要
【００１９】
一つの態様において、本発明は、：
ａ）少なくとも一つの層が０＜ｚ＜１および０＜ｘ＋ｚ＜１である、基板材料の上部における０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１および０＜ｘ＋ｚ≦１であるＡｌ１−ｘ−ｚＧａｘＩｎｚＡｓ１−ｙＳｂｙの半導体材料の少なくとも三つの層と、
ｂ）デバイスの中を通る光学導波路および／または電気接続を画定するための半導体材料中のエッチングされた構造と、
ｃ）デバイスの部分を絶縁するため、ならびに／またはデバイス中／上のコンタクトおよび／もしくは伝導配線を画定するための電気絶縁層または部分と、
ｄ）デバイス中／上のコンタクトおよび／または伝導配線を画定するための金属層または部分と
を含む半導体デバイスに関する。
【００２０】
さらなる態様において、本発明は、いくつかまたはすべての半導体層が一つ以上の層のコアを中心とする二つのクラッド層について妥協（ｃｏｍｐｒｏｍｉｓｅ）する、半導体デバイスを作製することに関する。
【００２１】
もう一つの実施態様において、本発明は、クラッド層が、０＜ｘ＜０．６、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜０．５および０＜ｘ＋ｚ＜０．６であるＡｌ１−ｘ−ｚＧａｘＩｎｚＡｓ１−ｙＳｂｙからなる、半導体デバイスを作製することに関する。
【００２２】
もう一つの実施態様において、本発明は、クラッド層が、テルルもしくはベリリウムまたは他のドーパントで均一または徐々にドープされる、半導体デバイスを作製することに関する。
【００２３】
もう一つの実施態様において、本発明は、コアが半導体材料の活性領域を中心とする半導体材料の二つの層から作製される、半導体デバイスを作製することに関する。
【００２４】
さらなる実施態様において、本発明は、活性領域を中心とする二つのコア層が、０．４＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜０．５および０．４＜ｘ＋ｚ＜１である、ドープされていない、徐々にドープされた、または均一にドープされたＡｌ１−ｘ−ｚＧａｘＩｎｚＡｓ１−ｙＳｂｙからなる、半導体デバイスを作製することに関する。
【００２５】
さらなる実施態様において、本発明は、半導体材料の活性領域が複数の層で作製され、少なくとも二つの半導体材料の多重量子井戸となる、半導体デバイスを作製することに関する。
【００２６】
さらなる実施態様において、本発明は、多重量子井戸の二つの半導体材料が０．４＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜０．５および０．４＜ｘ＋ｚ＜１であるＡｌ１−ｘ−ｚＧａｘＩｎｚＡｓ１−ｙＳｂｙのバリア層ならびに０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１および０．９＜ｘ＋ｚ≦１．００であるＡｌ１−ｘ−ｚＧａｘＩｎｚＡｓ１−ｙＳｂｙの井戸層からなる、半導体デバイスを作製することに関する。
【００２７】
もう一つの実施態様において、本発明は、半導体コンタクト層がクラッド層を中心にして、またはクラッド層と電気接続して存在する、半導体デバイスを作製することに関する。
【００２８】
さらなる実施態様において、本発明は、半導体コンタクト層がドープされていない、またはシリジウム（Ｓｉｌｉｓｉｕｍ）、テルル、ベリリウムまたはそれらの類似のｐ型もしくはｎ型ドーパントでドープされたＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂまたはＧａＩｎＡｓＳｂである、半導体デバイスを作製することに関する。
【００２９】
さらなる実施態様において、本発明は、基板が半導体コンタクト層の一つである、半導体デバイスを作製することに関する。
【００３０】
さらなる実施態様において、本発明は、デバイスがレーザ、光学増幅器、電子吸収変調器または他の光学デバイスである、半導体デバイスを作製することに関する。
【００３１】
もう一つの態様において、本発明は、一つ以上の光学導波路を画定するために、層がエッチングされている、半導体デバイスを作製することに関する。
【００３２】
さらなる実施態様において、本発明は、光学導波路を画定するために、湿式エッチングが使用される、半導体デバイスを作製することに関する。
【００３３】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、光学導波路がリッジ光学導波路である、半導体デバイスを作製することに関する。
【００３４】
さらなる実施態様において、本発明は、デバイスが光学導波路を有するレーザ、光学増幅器、電子吸収変調器、接合光学変調器、アレイ導波路回折格子または他のデバイスである、半導体デバイスを作製することに関する。
【００３５】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、導波路接合において一つのリッジ光学導波路が少なくとも二つのリッジ光学導波路に接続される、半導体デバイスを作製することに関する。
【００３６】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、導波路接合が少なくとも二つの出力導波路に伸びる少なくとも一つの入力導波路からなり、光学波が入力導波路から誘導され、分割されて出力導波路に入る、および／またはその反対となる、半導体デバイスを作製することに関する。
【００３７】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、二つの出力光学導波路間の溝／空間が、光学入力導波路が終端して出力導波路が開始する点でＵ字様の溝終端を有するように設計される、半導体デバイスを作製することに関する。
【００３８】
さらなる実施態様において、本発明は、入力導波路を中心とする導波路設計に少なくとも二つの要素が存在し、初期角度から出力導波路までの屈曲が平行となることにより、出力導波路に入る前の接合内で光学場が拡大する、半導体デバイスを作製することに関する。
【００３９】
さらなる実施態様において、本発明は、出力導波路が延長された平行な導波路部を有し、二つの出力導波路によってより多くの光学場を収集することができる、半導体デバイスを作製することに関する。
【００４０】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、出力導波路が延長された平行な導波路部を有し、二つの出力導波路でより多くの光学場を収集することができる、半導体デバイスを作製することに関する。
【００４１】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、デバイスが、接合を有する湿式エッチングされた光学導波路を有するレーザ、光学増幅器、電子吸収変調器、接合光学変調器、アレイ導波路回折格子または他のデバイスである、半導体デバイスを作製することに関する。
【００４２】
もう一つの実施態様において、本発明は、光学導波路が終端において一つ以上の層からなる光学被膜を有する、半導体デバイスを作製することに関する。
【００４３】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、光学被膜がＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘＮｙ、スピンオンガラス、ＴｉＯｘ、ＡｌＯｘ、ＡｌＮｘ、ＣＶＤダイヤモンドまたはそれらの類似の一つ以上の層を有する、半導体デバイスを作製することに関する。
【００４４】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、導波路の終端で反射を増大または低減させるため、光学被膜が交互に屈折率が高低する層を有し、屈折率が大気の屈折率と０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１および０＜ｘ＋ｚ≦１であるＡｌ１−ｘ−ｚＧａｘＩｎｚＡｓ１−ｙＳｂｙの屈折率との間である、半導体デバイスを作製することに関する。
【００４５】
さらなる実施態様において、本発明は、光学被膜が被膜層の上部または被膜層間に一つ以上の金属層を有し、増大された反射率をもたらす、半導体デバイスを作製することに関する。
【００４６】
さらなる実施態様において、本発明は、光学被膜がその下方の半導体表面を電気的に不動態化している、半導体デバイスを作製することに関する。
【００４７】
もう一つの実施態様において、本発明は、導波路をデバイスの他の部分から電気的に絶縁するため、電気絶縁材料の層が導波路または導波路の各部分の上部に適用される、半導体デバイスを作製することに関する。
【００４８】
さらなる実施態様において、本発明は、電気絶縁材料がＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘＮｙ、スピンオンガラス、ＴｉＯｘ、ＡｌＯｘ、ＡｌＮｘ、ＣＶＤダイヤモンドまたはそれらの類似の誘電体である、半導体デバイスを作製することに関する。
【００４９】
もう一つの実施態様において、本発明は、金属コンタクト層が部分的に電気絶縁材料の上部にあり、電気絶縁材料で被覆されていない区域の各部分で半導体コンタクト層に接続される、半導体デバイスを作製することに関する。
【００５０】
さらなる実施態様において、本発明は、ｐ型クラッドが、ｐドープされた半導体コンタクト層との電気接続を有し、ｐドープされた半導体コンタクト層が、上部にチタン層、白金層および金層を含む金属コンタクトと電気接続している、半導体デバイスを作製することに関する。
【００５１】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、ｎ型クラッドが、ｎドープされた半導体コンタクト層との電気接続を有し、ｎドープされた半導体コンタクト層が、上部にパラジウム層、白金層および金層を含む金属コンタクトと電気接続している、半導体デバイスを作製することに関する。
【００５２】
もう一つの態様において、本発明は、コアの平均屈折率がクラッド材料の平均屈折率よりも高くなるように材料組成が選択される、半導体デバイスを作製することに関する。
【００５３】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、クラッドのアルミニウム含有量がコアのアルミニウム含有量よりも高い、半導体デバイスを作製することに関する。
【００５４】
もう一つの態様において、本発明は、半導体層が分子線エピタキシによって形成される、半導体デバイスを作製することに関する。
【００５５】
一つの実施態様において、本発明は、一つのクラッド層がｎドープされ、一つのクラッド層がｐドープされる、半導体デバイスを作製することに関する。
【００５６】
さらなる実施態様において、本発明は、ｐ型ドーパントがベリリウムであり、ｎ型ドーパントがテルルである、デバイスを作製することに関する。
【００５７】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、クラッド、バリアおよびコア層の格子定数が基板の格子定数に整合されるように半導体層の組成が選択される、デバイスを作製することに関する。
【００５８】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、格子定数が基板の格子定数と相違するように量子井戸層の組成が選択される、デバイスを作製することに関する。
【００５９】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、量子井戸層が圧縮歪を有するデバイスを作製することに関する。
【００６０】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、層の組成として：
クラッド層が、０≦ｘ＜０．２および０＜ｙ＜０．５であるＡｌ０．９０−ｘＧａ０．１０ＩｎｘＡｓ０．０６Ｓｂ０．９４であり、
コア層がＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ０．０３Ｓｂ０．９７であり、
量子井戸層が、０．１＜ｘ＜０．５および０＜ｙ＜０．５であるＧａ１−ｘＩｎｘＡｓｙＳｂ１−ｙであり、
バリア層が、０．０９＜ｘ＜０．５および０＜ｙ＜０．５であるＡｌｘＧａ１−２ｘＩｎｘＡｓｙＳｂ１−ｙである、
デバイスを作製することに関する。
【００６１】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、層の厚さとして：
クラッド層が１９００nmであり、
（量子井戸を中心とする）コア層が１１５nmであり、
量子井戸層が１０nmであり、
バリア層が２０nmである、
デバイスを作製することに関する。
【００６２】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、デバイスに電流を注入するため、金属および／または半導体コンタクト層がクラッド層とコンタクトする、デバイスを作製することに関する。
【００６３】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、ｐ型クラッドが、１００nmのＢｅドープされたＧａＳｂ半導体コンタクト層とのコンタクトを有し、ＧａＳｂ半導体コンタクト層が、上部に５００nmのチタン層、５００nmの白金層および２０００nmの金層を含む金属コンタクトとコンタクトしている、デバイスを作製することに関する。
【００６４】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、ｎ型クラッドが、５０〜１００μmのＴｅドープされたＧａＳｂ半導体コンタクト層とのコンタクトを有し、ＧａＳｂ半導体コンタクト層が、上部に５００nmのパラジウム層、５００nmの白金層および２０００nmの金層を含む金属コンタクトとコンタクトしている、デバイスを作製することに関する。
【００６５】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、伝導および価電子バンド屈曲を低減するため、クラッド層と半導体コンタクト層との間の界面が段階化される、デバイスを作製することに関する。
【００６６】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、注入された電流が、活性層からの光放射を発生させる、デバイスを作製することに関する。
【００６７】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、半導体本体が光学キャビティを含む、または光学キャビティ内に配置される、デバイスを作製することに関する。
【００６８】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、クラッド層の一つに対して一つ以上のリッジおよび／または接合を湿式エッチングすることによって光学キャビティが作製される、デバイスを作製することに関する。
【００６９】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、リッジが１〜２５０μmの幅を有する、デバイスを作製することに関する。
【００７０】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、リッジ側面および上部の全部または部分が、スピンオンガラスで被覆される、デバイスを作製することに関する。
【００７１】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、リッジ上部および／またはスピンオンガラスの全部または部分が、金属コンタクト層で被覆される、デバイスを作製することに関する。
【００７２】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、デバイスがレーザ放射を発生させるレーザである、デバイスを作製することに関する。
【００７３】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、デバイスがリッジ導波路終端に低反射被膜を有し、リッジを通過する光学光を増幅する半導体光学増幅器である、デバイスを作製することに関する。
【００７４】
もう一つの実施態様において、本発明は、活性領域が光学的に励起される、デバイスを作製することに関する。
【００７５】
さらなる実施態様において、本発明は、半導体本体が光学キャビティを含む、または光学キャビティ内に配置される、デバイスを作製することに関する。
【００７６】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、クラッド層の一つに対してリッジを湿式エッチングすることによって光学キャビティが作製される、デバイスを作製することに関する。
【００７７】
なおもさらなる実施態様において、本発明は、デバイスがレーザ放射を発生させるレーザである、デバイスを作製することに関する。
【００７８】
もう一つの実施態様において、本発明は、活性領域が光学的に励起される、デバイスを作製することに関する。
【００７９】
もう一つの実施態様において、本発明は、活性領域から１．０〜５．０ミクロン領域の光が放射される、デバイスを作製することに関する。
【００８０】
もう一つの態様において、本発明は、デバイス内で１．０〜５．０ミクロン領域の光が誘導される、デバイスを作製することに関する。
【００８１】
一つの実施態様において、本発明は、光学導波路が、リッジ側面に段階的な傾斜を有する、単一モード挙動のリッジ光学導波路である、デバイスを作製することに関する。
【００８２】
一つの態様において、本発明は、分子線エピタキシまたは類似のエピタキシャル技術を使用して層が形成される、半導体デバイスを作製することに関する。
【００８３】
発明の詳細な説明
【００８４】
本発明は、下記の実施例に基づいて説明されるが、それらに限定されるものではない。本特許は、添付請求項に基づいて作製することができるすべての可能な変形および修正を対象とすることを意図する。
【００８５】
実施例
【００８６】
新たな波長可変性の中間赤外線半導体レーザは、クラッドとしてのＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ材料と、スペーサ（活性領域を中心とするコア）のためのＡｌＩｎＧａＡｓＳｂまたはＡｌＧａＡｓＳｂ材料と、多重量子井戸の活性領域におけるＡｌＩｎＧａＡｓＳｂまたはＡｌＧａＡｓＳｂバリアおよびＡｌＩｎＧａＡｓＳｂまたはＩｎＧａＡｓＳｂ井戸とを使用する。底部クラッドはＴｅドープされた（ｎ型）ＧａＳｂ基板上で成長させ、薄いｐ型ＧａＳｂコンタクト／キャップ層は上部クラッドの上部で成長させた。本発明者らは、試験レーザについて、Ａｌ０．８６Ｇａ０．１０Ｉｎ０．０４Ａｓ０．０６Ｓｂ０．９４クラッドが試料全体にわたってもっとも良好なエッチング均一性を示し、上部クラッドおよびコンタクト層から精密な深さでリッジをエッチングすることができることを発見した。Ａｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓ０．０６Ｓｂ０．９４クラッドも試験し、同様に妥当な結果を示した。リッジをエッチングすることにより、およそ３．５μmの上部リッジ幅でレーザを単一モードとすることができた。コア材料について、スペーサおよびバリアにＡｌ０２５／（０．９０＋ｘ）Ｇａ０．６５／（０．９０＋ｘ）Ｉｎｘ／（０．９０＋ｘ）ＡｓｙＳｂ１−ｙを使用し、井戸にＧａ０．６５／（０．６５＋ｘ）Ｉｎｘ／（０．６５＋ｘ）ＡｓｙＳｂ１−ｙを使用した。井戸のＶ族材料組成は、レーザの波長放射が、ｘ＝１７％のときに〜２．１０μm、ｘ＝２８％のときに〜２．３３μmおよびｘ＝２９％のときに〜２．３３８μmとなるように選択した。これにより、コアの成長中にＩｎフラックスを変化させることなく、ＭＢＥで構造を成長させることができた。
【００８７】
波長可変レーザを作製するため、デバイスの接合構造に対して湿式エッチングを使用することができるよう、Ψ字接合レーザと呼ばれる新たなレーザ型を設計した。図２は、接合の内側部分において通常のＵ字形状を示している、湿式エッチング後のΨ字接合を示す。図３は、従来の接合設計と新たなＵ字型接合との相違を示す。図４および６は、シミュレートされた構造を通じた屈折率の垂直プロフィールおよび等高線図を示す。図６の傾斜した等高線プロフィールは、フォトレジストのアンダーエッチングのため、傾斜したリッジ構造をもたらす湿式エッチングによるものである。図７および８は、図６のリッジ（上部が５μm幅）が一つより多いモードを有することを示す。これは、シミュレートされたリッジが３．２〜３．４μmの幅で単一モードとなることから、単一モードの誘導という点で好ましい。これは、方形リッジ導波路（側面傾斜なし）について有効な指数法が示す幅よりも大幅に広い。図１４は、クラッドがＲＩ＝３．３０であり、コア（厚さ０．４μm）がＲＩ＝３．６２である従来のリッジの場合、単一モードとするには幅が１．３８μm以下である必要があることを示す。このように、段階的な傾斜クラッドは、方形リッジ構造よりも単一モードのリッジの幅を広げ、したがって、注入電流をより高くすることを可能にすることから、段階的な傾斜クラッドを使用することは改善である。
【００８８】
図５（ａおよびｂ）は、ここで使用するΨ字接合のビーム伝播シミュレーションから得られた光学場を示す。図５では、光学場はＺ＝Ｘ＝０で入り、Ｚ＝２０００μmまで伝播し、そこで光学場の大部分が二つの導波路に分配されている。これは、Ψ字接合をレーザの光学スプリッターとして使用することができることを示す。
【００８９】
新たなΨ字接合をレーザ構造に組み込み、異なる長さを有する二つの光学経路を得た。これにより、長手方向におけるモード抑制が可能となり、デバイスの長手方向における単一モードの動作を実現することができた。オーミックのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ金属コンタクトをリッジの上部のＧａＳｂコンタクト層に適用することにより、電子注入を実現することができた。正孔（ホール）注入のため、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ金属コンタクトをｎ型ＧａＳｂ基板に接続した。その後、リッジの下方の活性層に対する電気注入を通じて光学放射を得た。このように、導波路内で光学利得を実現し、シミュレートされた放射を実現することができた。デバイスのエッジを劈開することにより、二つの光学キャビティの終端で反射を実現した。これにより、二つの導波路においてシミュレートされた放射を通じてレーザ発振が可能となった。スピンオンガラスの電気絶縁層の上部における金属接続を通じ、金属コンタクトを金属パッドに接続した。図１０に示すように、デバイスを電力供給装置に接続するための四つの異なるコンタクトパッドを、デバイスの異なる上部リッジ部分に接続した。これにより、異なる部分への注入電流を変化させ、デバイスを異なる波長に調整することができた。レーザ内の二つの導波路アーム間の長さの相違でレーザの可変性が決定される。（図１０のデバイスのように）アーム長さの相違が〜１５０umである場合、波長は、モードホップを生じることなく〜４nm以内で調整することができ（図１２を参照されたい）、長さの相違が〜５nmのみである場合、図１３に示すように、干渉モード間は１００nmを上回る。いずれのデバイスでも、レーザ内の注入電流を変化させる、および／またはデバイスの温度を変化させることにより、波長を調整する。
【００９０】
レーザ構造は、ＴｅドープされたＧａＳｂウェーハ上にＭＢＥで成長させ、２μmのＡｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓ０．０４Ｓｂ０．９６クラッドと、１５０nmのＡｌ０．２８Ｇａ０．７２ＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂおよび／またはＡｌ０．２２Ｉｎ０．２２Ｇａ０．５５ＡｓＳｂコアと、三つの２０nmのＡｌ０．２２Ｉｎ０．２２Ｇａ０．５５ＡｓＳｂ＋８nmのＩｎ０．２９Ｇａ０．７１ＡｓＳｂ量子井戸とからなる。ＧａＴｅドーピング源を使用し、Ｔｅドープされたウェーハにもっとも近接する下側クラッドをドープし、上側クラッドをＢｅドーピング源でドープした。本発明者らは、クラッドの上部に対し、ＢｅドープされたＧａＳｂのキャッピングを適用した。成長後、導波路のための開口部を有するウェーハにフォトレジストを適用した。その後、電子ビームメタライゼーションを使用し、ウェーハに、５０nmのＴｉ、５０nmのＰｔおよび２００nmのＡｕをメタライズした。その後、フォトレジストをアセトンで除去し、導波路コンタクトをリフトオフで画定した。リフトオフ後、新たなフォトレジスト層を導波路コンタクトの上部に適用し、暴露することにより、誘電体の隣接区域を画定した。その後、電子ビームを使用し、１００nmの誘電体ＳｉＯ２、５０nmのＣｒ金属および１５０nmのＡｕ金属を堆積させ、フォトレジストを除去してリフトオフを行った。結果的に、再び１０μmの開放区域およびそれを中心とする誘電体区域を有する導波路コンタクトが得られた。その後、リッジを画定するため、金属および誘電体を自己整合マスクとして使用し、レーザをスピンエッチング構成でエッチングした。エッチング液は、１００mlの２．５Ｍ乳酸、５mlの４８％ＨＦおよび２０mlの３３％Ｈ２Ｏ２からなり、２．７秒間にわたって２００rpmでウェーハ上に適用し、キャップおよびクラッドに対して１．９μmのエッチングを行った。
【００９１】
図１７は、Ａｌ０．２８Ｇａ０．７２ＡｓＳｂコアを有するＡｌ０．２２Ｉｎ０．２２Ｇａ０．５５ＡｓＳｂ／Ｉｎ０．２９Ｇａ０．７１ＡｓＳｂのＭＱＷレーザのスペクトル出力を示す。
【００９２】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】図１は、半導体リッジ導波路の上部の薄いフォトレジストマスキング層の走査型電子顕微鏡写真を示す。エッジにおいて、マスキング層の下方に一定のエッチングが見てとれる。
【図２】図２は、湿式エッチングされたΨ字接合リッジの光学ノマルスキー顕微鏡写真を示す（５００倍）。暗い区域は、クラッドがエッチング除去され、接合の内側部分のＵ字状形状が露呈されていることを示す。
【図３】図３は、Ｙ字およびΨ字接合設計の概略図およびその相違を示す。Ψ字接合は、等方性エッチングに起因するＵ字状形状による損失を低減するため、接合区域に反対の屈曲（Ｒ２）および延長された導波路を有する。
【図４】図４は、シミュレートされた構造の屈折率プロフィールを示す。ウェーハ表面はＹ＝２．３umであり、導波路コアはＹ＝０〜Ｙ＝０．４um（垂直方向）である。
【図５】図５は、対称Ψ字接合リッジによる光学ビーム分割のシミュレーションにおける電場のプロットを示す。ガウス光学ビームはＸ＝Ｚ＝０umで入り、Ｕ字接合およびさらには二つのアーム（Ｚ＝６００um後）と、一つのＳ字屈曲導波路と、一つの直線導波路とに伝播する。
【図６】図６は、湿式エッチングリッジのモデルから得られたリッジプロフィールの指数断面を示す。リッジの底部は６μm幅であるが、湿式エッチング中のアンダーエッチング形状のため、上部は５μmである。
【図７】図７は、図６における湿式エッチング型リッジ（５μm上部）の基本横モードを示す。図は、このリッジプロフィールに場損失がほとんどない（ただし、複数の横モードを支持することができる）ことを示す。
【図８】図８は、リッジ上部を３．５μm幅とした図６に示す湿式エッチング型リッジの横モードプロフィール（ｍ＝１）を示す。ビーム伝播は、この構造が第一の横モード（ｍ＝０）に加え、第二のモードのみを支持することができることを示す。
【図９】図９は、リッジ上部を３．３μm幅とした図ｘｘに示す湿式エッチング型リッジの横モードプロフィール（ｍ＝０）を示す。ビーム伝播は、３．２μm〜３．４μm幅のリッジ上部を有する構造では第二のモードを支持することができず、単一モードの伝播となることを示す。
【図１０】図１０は、Ψ字接合レーザ構造の光学顕微鏡写真を示す。写真は、パッド（黄）、導波路（黒）およびスピンオンガラス（オレンジ）との金属コンタクトを示す。上部にスピンオンガラス誘電体および金属コンタクトを適用するのに先立ち、導波路をエッチングした。
【図１１】図１１は、ＩｎをＡｌ０．９０Ｇａ０．１０ＡｓＳｂに添加した場合（ＧａＳｂに対する格子整合）に、乳酸に基づくエッチング液によるエッチング均一性が増大することを示唆する、Ａｌ０．９０Ｇａ０．１０ＡｓＳｂおよびＡｌ０．８２Ｇａ０．１０Ｉｎ０．０８ＡｓＳｂのエッチング速度を示す。
【図１２】図１２は、アーム長さの相違が〜１５０μmである（図１０のような）Ψ字接合レーザのモード利得を示す。デバイスは、２３３０nmの中心波長を中心に４nmの可変性を示す。
【図１３】図１３は、アーム長さの相違が〜５μmのみであるΨ字接合レーザのモード利得を示す。このようデバイスの場合、デバイスは、２３３０nmの中心波長を中心に１００nmを上回る潜在的な可変性を示す。
【図１４】図１４は、コア厚さの関数として、ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂリッジにおける単一モード挙動の最大導波路リッジ幅を示す。コア（リッジ）の上方にクラッドが存在し、リッジの側面にクラッドが存在しない場合（ＲＩ＝１．４）について、有効な指数法を使用して幅を計算した。コアの屈折率は、リッジが３．６２、クラッドが３．３０であった。
【図１５】ＧａＳｂにほぼ格子整合されたＡｌ０．２１Ｉｎ０．１５Ｇａ０．６４ＡｓｙＳｂ１−ｙまたはＡｌ０．２１Ｉｎ０．１５Ｇａ０．６４ＡｓｙＳｂ１−ｙバリアを有するＧａ０．８３Ｉｎ０．１７ＡｓｙＳｂ１−ｙ量子井戸からのＲＴでのフォトルミネッセンススペクトルである。
【図１６】室温でのＧａ０．７２Ｉｎ０．２８ＡｓｙＳｂ１−ｙ量子井戸およびＡｌ０．２２Ｇａ０．５６Ｉｎ０．２２ＡｓｙＳｂ１−ｙバリアを有する試料からの［００４］Ｘ線回折スペクトルである。
【図１７】スピンエッチング後のΨ字接合リッジレーザ構造の写真である。
【図１８】Ａｌ０．２２Ｉｎ０．２２Ｇａ０．５５ＡｓＳｂ／Ｉｎ０．２９Ｇａ０．７１ＡｓＳｂのＭＱＷの湿式エッチングされた接合リッジレーザ（ｐ側が下）からの放射スペクトルである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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