(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された平面構造を持つ平面領域と、該平面領域に接続された誘電体膜を持つメサストライプ構造のストライプ領域とを有する光半導体装置の製造方法であって、
前記ストライプ領域を、直線メサストライプ構造を持つ第１直線領域と、該第１直線領域に接してメサ幅が徐々に変化するメサストライプ構造を持つ遷移領域と、前記遷移領域に接すると共に前記平面領域に接して直線メサストライプ構造を持つ第２直線領域とで構成し、
前記ストライプ領域の横と前記平面領域の上に有機金属気相エピタキシャル法により結晶を選択成長させる工程を有する
ことを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１直線領域の直線メサストライプ構造のメサ幅が３μｍ以下とされ、
前記第２直線領域の直線メサストライプ構造のメサ幅がメサ深さの１．５倍から５倍とされ、長さがメサ深さの１倍から２倍とされ、
前記遷移領域のメサ幅が、前記第１直線領域に接するメサ幅から前記第２直線領域に接するメサ幅まで徐々に広がり変化し、広がり角度が１０度から４５度に設定されている
ことを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報通信等で用いられる光半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信はその大容量、超高速化により、多くの情報通信網が用いられている。このような光通信網では、発光素子や受光素子などに光半導体部品が広く利用されており、その研究開発が盛んに行われている。光半導体部品の研究開発は、半導体レーザ（ＬＤ）やフォトダイオード（ＰＤ）のような個別部品は勿論のこと、ＬＤやＰＤ、半導体増幅器（ＳＯＡ）、電界吸収型光変調器（ＥＡ）など半導体で作製可能な光デバイスを半導体基板上にモノリシック集積することも精力的に行われている。モノリシック集積では各々の機能に最適化された活性層構造及び導波路構造を用いること、これらを高い結合効率を保ったまま接続することが重要な課題の一つである。
【０００３】
一方、ＬＤなどの電流注入素子では、低消費電力を実現するために作動電流の低減が要求され、このためには注入効率を改善することが必須である。有機金属気相エピタキシャル（ＭＯＶＰＥ）法による選択成長で作製された埋め込み構造は、強い電流狭窄効果を得ることができるため、ＬＤなどの単体素子で広く用いられている。
【０００４】
しかしながら、モノリシック集積素子のように異種の導波路層をもち、導波路構造も埋め込み構造やハイメサ構造、リッジ構造など様々な構造が混在する場合には、単体素子での作製方法をそのまま用いることが困難になる。
【０００５】
従来の半導体装置における異種の導波路構造の接続方法（製造方法）を図７に基づいて説明する。ここでは、一例として、埋め込み構造をもつＬＤとハイメサ構造をもつアレイ導波路格子（ＡＷＧ）を突き合わせる場合について説明する。
【０００６】
図７(a) に示すように、まずInP 基板１上にＬＤ活性層２とp-InP クラッド層３を形成し、図中右半分をウェットエッチングで除去した後、ＡＷＧ導波路層４とi-InP クラッド層５を順次ＭＯＶＰＥ法により形成する。ＭＯＶＰＥ法では誘電体膜（SiO2）を用いた選択成長が可能なため、このような構造を作製することが可能となる。この後、ＬＤは埋め込み構造を作製するために、［０１１］方向に平行なメサストライプ構造を形成してＭＯＶＰＥ成長を行う。このとき、ＡＷＧ領域は埋め込み構造を必要としないので、メサストライプ上部と同様に誘電体膜を形成しておくことが考えられる。図７(b) には選択成長後の状態を示してある。
【０００７】
しかし、この場合、ＡＷＧ領域の誘電体膜の面積が埋め込み成長時の材料分子のマイグレーション距離より十分に大きくなり、ＡＷＧ領域の誘電体膜の上に多結晶状の異常成長を引き起こすため、現実的ではない。そこで、図８(a) に示すように、図７(a) と同様なメサストライプ構造を形成し、ＡＷＧ領域の誘電体膜を除去してＭＯＶＰＥ成長を行うことで埋め込み構造を作製することが考えられる。図８(b) には選択成長後の状態を示してある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８に示した場合にもＡＷＧ領域の端面で異常成長などが生じるため問題となる。以下その問題について詳細に説明する。
【０００９】
一般にGaInAsP 系のＬＤは（１００）面を表面としたInP 基板に作製される。また、メサストライプは［０１１］方向（逆メサ方向）に平行とし、このメサストライプを選択ＭＯＶＰＥ成長により埋め込む。これは、ＭＯＶＰＥ成長工程が異方性により（１１１Ｂ）面での成長レートが（１００）面の成長レートより低いため、図に示したように良好な選択成長を再現性よく得られることができるためである。
【００１０】
しかしながら、［０１−１］方向（順メサ方向）に平行とした場合には、逆メサ方向への成長レートが（１００）面の成長レートと同等であるため、図８(b) 中のIX矢視方向視を表す図９に示すように、マスク上に被る方向へも成長が進行する。これは、メサストライプとＡＷＧ領域とのマスク端面部分に相当する。これにより、端面からの成長がメサストライプ脇でも発生し、ここを起点として成長されるため端面付近のメサストライプ上にも成長される。この成長層は、メサ幅が３μｍ以下と狭いことから容易に側面のからの成長層と接合され、端面付近では複数の結晶面方位が露出する。このような、面方位の定まらないマスク上の成長領域では異常成長を誘発し、誘電体膜上にもInP が成長される。この結果、この部分には電極構造を作製することが不可能となるので、ＬＤの場合には大きな吸収損失領域となり、特性を大幅に劣化させる。
【００１１】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、特性を損なうことなく高性能なモノリシック集積素子を実現できる光半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の光半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された平面構造を持つ平面領域と、該平面領域に接続された誘電体膜を持つメサストライプ構造のストライプ領域とを有する光半導体装置の製造方法であって、前記ストライプ領域を、直線メサストライプ構造を持つ第１直線領域と、該第１直線領域に接してメサ幅が徐々に変化するメサストライプ構造を持つ遷移領域と、前記遷移領域に接すると共に前記平面領域に接して直線メサストライプ構造を持つ第２直線領域とで構成し、前記ストライプ領域の横と前記平面領域の上に有機金属気相エピタキシャル法により結晶を選択成長させる工程を有することを特徴とする。
【００１３】
そして、前記第１直線領域の直線メサストライプ構造のメサ幅が３μｍ以下とされ、前記第２直線領域の直線メサストライプ構造のメサ幅がメサ深さの１．５倍から５倍とされ、長さがメサ深さの１倍から２倍とされ、前記遷移領域のメサ幅が、前記第１直線領域に接するメサ幅から前記第２直線領域に接するメサ幅まで徐々に広がり変化し、広がり角度が１０度から４５度に設定されていることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１乃至図３には本発明の一実施形態例に係る光半導体装置の製造方法の工程説明を示してあり、図１は選択成長前の状態、図２は選択成長後の状態、図３は図２中のIII 矢視である上面からの状態である。
【００１５】
ここでは、一例として（１００）面を表面としたInP 基板で説明する。図中、１１はInP 基板、１２はＬＤ活性層、１３はp-InP クラッド層、１４はＡＷＧ導波路層、１５はi-InP クラッド層である。ＬＤでは光導波モードのシングルモード条件を満たす必要があるため、導波路幅を３μｍ以下としている。一般にメサストライプは１．５μｍ程度で、良好な埋め込み構造を得るために逆メサ方向に対して平行に形成される。
【００１６】
一方、選択成長工程では半絶縁性半導体であるFeをドーピングしたInP により埋め込む方法がある。この方法を用いると、素子容量が大幅に低減できるため光素子の高速動作が容易に実現できる。このとき、十分な絶縁抵抗を得るためには適当な埋め込み層厚が必要となり、一般的な埋め込み層厚は約３μｍ以上である。これが第１直線領域としての第１直線導波路２１に対応する。これに続いて、遷移領域２２及び第２直線領域としての第２直線導波路２３が配置される。このメサストライプ上に誘電体膜が配置され、これを選択成長用マスクとして選択成長を行い、以下に示した埋め込み構造を得る。
【００１７】
第１直線導波路２１では、逆メサ方向に対し平行に作製されたメサストライプと同様な良好な埋め込み構造が得られる。
【００１８】
遷移領域２２では、上記で述べた順メサ方向と逆メサ方向に平行なメサストライプの成分が共存するため、マスク上に被る方向への成長も進行する。この際、マスク上への成長は１の方向（逆メサ方向）に向かって進行するが、第１直線導波路２１の方向へは（１１１Ｂ）面での成長抑制により進行しない。また、遷移領域２２の第１直線導波路２１のメサ幅と同じ領域へもマスク上への成長は進行しない。
【００１９】
これは、従来例では、誘導体膜の端面が直近に位置しており、端面からの成長と両側面からの成長が接合して複数の結晶面方位が形成されて異常成長を誘発していたのに対し、本発明では、誘電体膜の端面を第２直線導波路２３まで遠ざけているいることにより異常成長が誘発されないこと、遷移領域２２のメサ幅が第２直線導波路２３のメサ幅まで徐々に広くなることから、万一、マスク上に成長膜厚分の成長が進行した場合でも第１直線導波路２１のメサ幅より内側まで到達しないことによるものである。
【００２０】
また、遷移領域２２の広がり角が大きくなると、側面での逆メサ方向への成長成分は増加し、順メサ方向への成長成分が減少する。良好な埋め込み形状を得るためには、逆メサ方向の成長成分は少ない方が好ましいので、広がり角は両成長成分が１：１となる４５度より小さいことが望ましい。広がり角は１０度から４５度に設定される。
【００２１】
第２直線導波路２３では、側面において逆メサ方向に対し平行に作製されたメサストライプと同様な良好な埋め込み構造が得られる。端面においては順メサ方向と平行なメサストライプの場合と同様にマスク上に被る方向、即ち、逆メサ方向に成長が進行する。これは、成長層厚と同程度以下であるので、第２直線導波路２３の長さは成長層厚、即ち、メサ深さの２倍以下であれば十分である。
【００２２】
第２直線導波路２３の長さはメサ深さの１倍から２倍に設定される。端面と側面の境界付近では、マスク上に被る方向の成長がみられるが、もう一方の側面との距離が成長層厚より十分広くなるようメサ幅が成長層厚、即ち、メサ深さの１．５倍以上で５倍以下となっているため、従来例のように、側面からの成長層と接合することがなく、マスク上が完全に覆われることや複数の結晶面方位が形成されて不安定となり、異常成長を誘発してInP が成長することがない。
【００２３】
このように本発明を用いると、直上に誘電体膜を持ったメサストライプ形状の埋め込み領域と誘電体膜を持たない乗り上げ成長領域が混在する光半導体装置において、選択成長用誘電体膜を用いた選択埋め込みＭＯＶＰＥ成長時に、メサストライプ上への成長や誘電体膜上へのInP の異常成長が抑制される。この結果、ＬＤなどの場合に大きな吸収損失領域となる異常成長領域が発生することなく、素子特性を損なわずに異種の素子構造をモノリシック集積することができる。
【００２４】
（実施例）
以下に本発明の実施例について図４乃至図６を参照して説明する。尚、実施例における成長は全てＭＯＶＰＥ法によるものである。図４乃至図６には本発明の一実施例に係る光半導体装置の製造方法の工程説明を示してある。
【００２５】
まず、図４(a) に示すように、（１００）面を表面としたｎ型 (n-)InP基板３１に多重量子井戸（ＭＱＷ）層３２とｐ型(p-)InP クラッド層３３、p-InGaAsキャップ層３４を全面に成長する。SiO2膜３５をスパッタ法により全面に形成し、図４(b) に示すように、フォトリソグラフィー法とCF4/H2-RIEによりＬＤ領域以外のSiO2膜３５を除去する。SiO2膜３５をマスクとして、p-InGaAsキャップ層３４、(p-)InP クラッド層３３及びＭＱＷ層３２を順次ウェットエッチングにより除去する。
【００２６】
図４(c) に示すように、再度SiO2膜３５を選択成長用マスクとしてＡＷＧ導波路層３６とｉ型(i-)InP クラッド層３７、InGaAsキャップ層３８を順次選択成長する。図４(d) に示すように、SiO2膜３５をウェットエッチングにより除去した後、再度SiO2膜３５を形成する。フォトリソグラフィー法とCF4/H2-RIEによりストライプを形成する。この際、ストライプはＬＤ領域を第１直線領域（図１に示した第１直線導波路２１）と対応させ、ストライプ幅を１．５μｍとし、ＡＷＧ領域に遷移領域（図１で示した遷移領域２２）及び第２直線領域（図１で示した第２直線導波路２３）を対応させて第２直線領域のストライプ幅を１０μｍとし、遷移領域は１．５μｍから１０μｍまで直線的にストライプ幅を変化させる。
【００２７】
図５(a) に示すように、SiO2膜３５をマスクとしてCF4/H2-RIEによりドライエッチングを行い、深さ３μｍのメサストライプ構造２６を形成する。図５(b) に示すように、フォトリソグラフィー法とCF4/H2-RIEにより、第１直線領域４１から遷移領域４２、第２直線領域４３の端面までの領域以外のSiO2膜３５を除去する。これにより、図１に示した本発明の誘電体膜の構造を形成できる。
【００２８】
図５(c) に示すように、SiO2膜３５を選択成長用マスクとしてFeドーピングされた(Fe-)InP埋め込み層３９を選択成長する。この際、上記で述べた本発明の効果により、第１直線領域４１と遷移領域４２、及び第２直線領域４３の端面から３μｍ以上離れた領域のストライプ幅１．５μｍの範囲内では異常成長が抑制される。図５(d) に示すように、SiO2膜３５をウェットエッチングにより除去した後、再度SiO2膜３５を形成する。フォトリソグラフィー法とCF4/H2-RIEによりＡＷＧ領域に乗り上げ成長された(Fe-)InP埋め込み層３９を除去する。
【００２９】
図６(a) に示すように、SiO2膜３５をウェットエッチングにより除去した後、再度SiO2膜３５を形成する。前記SiO2膜３５をフォトリソグラフィー法とCF4/H2-RIEによりＡＷＧ導波路形状に形成する。図６(b) に示すように、SiO2膜３５をマスクとしてBr2-RIE によるドライエッチングによりハイメサ構造２７を形成する。図６(c) に示すように、ＬＤ部にAuZnNi電極２８を形成すると共に、裏面の全面にAuGeNi電極２９を形成し、劈開により素子端面を形成する。
【００３０】
このように、直上にSiO2膜３５を持ったメサストライプ構造２６の埋め込み領域とSiO2膜３５を持たない乗り上げ成長領域であるＡＷＧ領域が混在する光半導体装置において、選択埋め込みＭＯＶＰＥ成長時に、メサストライプ構造２６上への成長やSiO2膜３５上へのInP の異常成長が抑制される。この結果、ＬＤなどの場合に大きな吸収損失領域となる異常成長領域が発生することなく、素子特性を損なわずに異種の素子構造をモノリシック集積することができる。
【００３１】
上記実施例では、InP 基板上での製造方法を例に挙げて説明したが、結晶構造と成長工程の異方性が同様であれば、例えば、本発明はGaAs基板上で製造を行うことも可能である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の光半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された平面構造を持つ平面領域と、平面領域に接続された誘電体膜を持つメサストライプ構造のストライプ領域とを有する光半導体装置において、ストライプ領域を、直線メサストライプ構造を持つ第１直線領域と、第１直線領域に接してメサ幅が徐々に変化するメサストライプ構造を持つ遷移領域と、遷移領域に接すると共に前記平面領域に接して直線メサストライプ構造を持つ第２直線領域とで構成したので、有機金属気相エピタキシャル法による結晶を選択成長時に、メサストライプ構造の上や誘電体膜の上への結晶成長を抑制することができる。この結果、特性を損なうことなく異種の素子構造をモノリシック集積することができ、高性能なモノリシック集積素子を実現できる光半導体装置の製造方法とすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係る光半導体装置の製造方法の工程説明図。
【図２】本発明の一実施形態例に係る光半導体装置の製造方法の工程説明図。
【図３】本発明の一実施形態例に係る光半導体装置の製造方法の工程説明図。
【図４】本発明の一実施例に係る光半導体装置の製造方法の工程説明図。
【図５】本発明の一実施例に係る光半導体装置の製造方法の工程説明図。
【図６】本発明の一実施例に係る光半導体装置の製造方法の工程説明図。
【図７】従来の光半導体装置の製造方法の説明図。
【図８】従来の光半導体装置の製造方法の説明図。
【図９】従来の光半導体装置の製造方法の説明図。
【符号の説明】
２１  第１直線導波路
２２  遷移領域
２３  第２直線導波路
２６  メサストライプ構造
２７  ハイメサ構造
２８  AuZnNi電極
２９  AuGeNi電極
３１   (n-)InP基板
３２  多重量子井戸（ＭＱＷ）層
３３  (p-)InP クラッド層
３４  p-InGaAsキャップ層
３５  SiO2膜
３６  ＡＷＧ導波路層
３７  (i-)InP クラッド層
３８  InGaAsキャップ層
３９  InP 埋め込み層
４１  第１直線領域
４２  遷移領域
４３  第２直線領域
【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】
0003654429.tif 000008
【図８】
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【図９】
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