(57)【要約】  基板上に複数の半導体構成部品を製造する方法が提供され、前記方法は、前記基板の表面上に所定の浮彫りパターンを形成する段階と、２種以上のＩＩＩ族元素と２種以上のＶ族元素の混合物から形成される層を前記表面にエピタキシ成長させる段階とを含み、前記浮彫りパターンが、異なる浮彫りパターン特性の領域内で、単一段階によって堆積された、前記Ｖ族元素間の比の異なる前記層をもたらし、前記異なる領域内に異なるバンド・ギャップを提供する。
2005512321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に複数の半導体構成部品を製造する方法であって、
前記基板の表面上に所定の浮彫りパターンを形成する段階と、
２種以上のＩＩＩ族元素と２種以上のＶ族元素の混合物から形成される層を前記表面上にエピタキシ成長させる段階とを含み、
前記浮彫りパターンが、異なる浮彫りパターン特性の領域内で、単一段階によって堆積された、前記Ｖ族元素間の比の異なる前記層をもたらし、前記異なる領域内に異なるバンド・ギャップを提供する方法。
【請求項２】
前記２種のＩＩＩ族元素が、ガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記２種のＶ族元素が、ヒ素（Ａｓ）及び窒素（Ｎ）である請求項１及び２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４】
前記２種のＶ族元素が、ヒ素（Ａｓ）及びアンチモン（Ｓｂ）である請求項１及び２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記半導体構成部品の少なくとも１個が光量子構成部品である請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記半導体構成部品の少なくとも１個が電子構成部品である請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記複数の半導体構成部品が分離した独立構成部品である請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記複数の半導体構成部品が結合された構成部品である請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記浮彫りパターン形成段階が、基板の選択エッチングによって実施される請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記浮彫りパターンが傾斜ファセットで縁取られた隆起を含む請求項１から９までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記ファセットの少なくとも１個が、整数指数（ｎ１１）に対応する傾斜を有する請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ファセットの少なくとも１個が、整数指数（３１１）に対応する傾斜を有する請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
隆起の前記浮彫りパターン特性が、その表面積とその縁の長さの比によって規定される請求項１０、１１、１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
エピタキシ堆積段階が、分子ビーム・エピタキシを用いて実施される請求項１から１３までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記浮彫りパターン形成段階が、前記基板を薄い誘電体層で被覆し、続いて前記誘電体層を選択した領域から除去することによって実施される請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記エピタキシ堆積段階が、分子有機気相エピタキシを用いて実施される請求項１から１５までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
請求項１から１６までのいずれか一項に記載の方法によって製造された半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に半導体構成部品を形成する分野、及びそのようにして形成された半導体構成部品に関する。より詳細には、本発明はエピタキシ成長によって集積半導体構成部品を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体光デバイスの主要な応用分野は、光ファイバ通信システムである。シリカ光ファイバは約１．３〜１．５５μｍで最小損失がある。したがって、１．３〜１．６μｍの範囲で動作するデバイスが特に必要である。これまで、この領域で動作する半導体デバイスの大部分はＩｎＰ基板に基づいており、一般にインジウムガリウムヒ素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）、又はアルミニウムガリウムインジウムヒ素（ＡｌＧａＩｎＡｓ）の四元合金から誘導された層を含む（一般的な四元から、二元及び三元の組合せがしばしば選択されるが、文脈上別の意味が示唆されないかぎり、これらの層を一般的に合金と呼ぶ）。適切に相対成分を選択することによって、合金層のバンド・ギャップを１．３〜１．６μｍの波長範囲に制御することが可能であり、またＩｎＰ基板上に合金層を高品質でエピタキシ成長させることが可能になる。多くの場合、合金は構造体（すなわち通常基板）の主要格子定数とは異なるバルク格子定数を有することができる。格子定数の差があまり大きくないと、合金層は成長プロセス中に弾性的に変形することができ、堆積された合金は歪んでいると言われる。現在の多くのデバイスは、量子井戸系（ＱＷ）において格子整合され歪んだ合金層を含むことが認められる。特に、歪んだ層は、デバイスの電子及び光特性に関して大きな動作上の利点を与える。しかし、十分確立されていることであるが、所与の厚さの層が対処できる歪み量には限界がある。ある歪み厚さの製品を超えると、層又は複数の層は層中の歪みを緩和するために優先的に転位を発生しがちである。活性層の中又は周囲に多数の転位が存在すると、層の光及び電子特性が極度に低下し、その結果デバイス全体の性能が低下する。これらの制約の中にもかかわらず、現在の材料技術は良く確立されており、全てＩｎＰ基板に基づいて、１．３〜１．６μｍの領域で動作するレーザ、変調器、検出器、増幅器を含めて、広範囲の種類のデバイスを製造することができる。
【０００３】
大面積のＧａＡｓ基板（現在直径１５．２４ｃｍ（６インチ）まで）が入手しやすくなると、光電子デバイスを大規模に製造する上でいくつかの魅力的な結果が生じる。第１に、ウェーハ当たりのデバイス収率が向上すると、各デバイスのコストを下げる助けとなる。加えて、いくつかのデバイス構成部品、例えばレーザと変調器の集積化は、基板面積が大きくなるほど魅力的になる。しかし、ＧａＡｓ基板上に量子井戸材料をエピタキシ成長させることは、必要な波長範囲（１．３〜１．６μｍ）内にバンド・ギャップを有する材料を高品質でエピタキシ成長させる必要があるので、これまで不可能であった。例えば、ＩｎＧａＡｓの三元合金は常套的にＧａＡｓ基板上に堆積され、しばしば歪みＱＷ系中に井戸層を形成する。このＱＷ系に基づく実際のレーザ・デバイスは、光ポンピングするＥｒをドープしたファイバ増幅器にしばしば使用される。しかし、良好な品質のエピタキシ成長を達成するために、インジウム組成物は一般に＜２０％の値に制限され、その結果、歪みＩｎＧａＡｓ層の帯域端は長波長限界が約１μｍである。１９９５年に日本の日立研究所の研究者達は、代替の半導体材料、いわゆるＧａＡｓ基板上にエピタキシ成長させることのできるガリウムインジウム窒素ヒ素（ＧａＩｎＮＡｓ）を提案し発表した。日立グループは、ＩｎＧａＡｓ合金中に窒素を少量（一般に＜１％）組み込むと、バルク格子定数をＧａＡｓの近くに維持しながら、高濃度（一般に３０％）のＩｎを使用可能にするのに十分であることを見出した。高品質の成長を達成することができ、最重要の結果は、長波長（１．３〜１．６μｍ）の動作に適したバンド・ギャップ・エネルギーを有する光放射材料であった（Ｋｏｎｄｏｗ等、Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、１９９６、３５ｐｐ１２７３〜１２７５）。
【０００４】
実施された量子井戸系は、ＧａＡｓと共に、井戸材料としてＧａＩｎＮＡｓ合金、又はバリアとしてＧａＡｓ基板上に成長することのできる他の広バンド・ギャップ材料を使用した。日立グループは、ＧａＡｓ基板上にエピタキシ成長させた、とりわけ約１．３μｍで動作する面内レーザ・ダイオードを実証した最初のグループであった。以来、他のグループもこの分野に参加し、この分野は、急速に、基礎材料物理からレーザ・ダイオード構造までに及ぶ華やかな研究分野になった。現在までに発表された多くのレーザ・ダイオード構造には、縦型空洞レーザ・ダイオードが含まれる（Ｌａｒｓｏｎ等、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９９７、ｐｐ９５９〜９６０）。前述のように、１．３〜１．６μｍで動作するデバイス構造を直接ＧａＡｓ基板上に製造できることは、ＧａＩｎＮＡｓ  ＱＷ系の大きな利点である。また、このＱＷ系は、四元ＩｎＧａＡｓＰからの合金の組合せを含む、通常使用されるＩｎＰに基づくＱＷ系に比べていくつかの重要な利点がある。すなわち、
（ｉ）伝導帯のオフセットがより大きい、すなわち電子閉じ込めの向上によって、レーザ構造のより良好な高温性能が達成される。
（ｉｉ）窒素の添加で、電子の有効質量が増大し、電子とホールの有効質量値がより緊密に整合するようになる。
【０００５】
ＧａＩｎＮＡｓ  ＱＷ系のそれらの利点はレーザ・ダイオード構造に特有のものではなく、例えば、半導体光増幅器（ＳＯＡ）及び多くの変調器構造全てに有利であることが期待される。
【０００６】
将来必要とされるであろう光ネットワーク用構成部品の要件を考慮するとき、ＧａＡｓ基板への適合性及び上述の改善の重要性は明白である。トラフィックの増大に対処するために、将来の光ファイバ通信ネットワークの波長チャンネルは４０Ｇｂ／ｓ以上で動作することが予測される。それらの変調速度はレーザ・ダイオードの直接変調では容易に達成されない。この状況において、外部変調が代替策となり、レーザ・ダイオードとあいまって、これらの先進ネットワークの重要な部分になるであろう。こうした線に沿って、システムの観点から見ていくつかの魅力的な集積デバイスの組合せがある。レーザ・ダイオードと電子吸収変調器（ＥＡＭ）の集積化は一例である。本明細書に開示する技術は多くの異なる集積化構成部品の組合せを含む広範囲のデバイスに利用されることは明らかであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
構成部品の組合せを集積化するときの重要な課題は、１つの構成部品の好ましい量子井戸設計が他の構成部品の要件に必ずしも一致しないことである。どちらも同一のＱＷ系を含むＱＷレーザ・ダイオードとＥＡＭの場合、レーザからの放射波長は基本的変調器構造の活性領域において有意な吸収とスペクトルが一致することができる。有意な吸収は検出器構成部品には（必ずしも最適ではないが）許容できるが、この吸収はＥＡＭには望ましくない。共通のエピタキシ堆積段階で同時に構造体を堆積すると、整合したバンド・ギャップを有する層が形成され、上記の問題を発生しがちである。より良好な状況は、ＥＡＭ変調器中のＱＷ系がレーザ放射波長よりも短い波長（より高いエネルギー）で吸収帯端を生じ、したがって高透過状態を形成するように構成されることである。外部から加えられた電界は、量子拘束スターク（Ｓｔａｒｋ）効果（ＱＣＳＥ）によって動作波長での吸収係数を増大させ、低透過状態を規定する。したがって、２個以上の構成部品を組み込んだ集積光チップは、ある種の局所的又は選択的なＱＷの電子及び光特性を制御することが必要である。この制御を提供するいくつかの後成長技術が今までに報告されており、ＱＷ系の組成及び寸法の局所的変化を起こさせる様々な不規則化技術がそれに含まれる。これらの技術の例は、不純物誘発不規則化（ＩＩＤ）及び不純物のない空洞不規則化（ＩＦＶＤ）である。これらの後成長技術を使用すると、複数段階のエピタキシ再成長（単層を成長させ後成長で修正することができる）が不要になるが、これらの手順を実施する追加の段階が必要であり、層の局在領域だけに作用させるためにマスキングがやはり必要である。
【０００８】
ＧａＩｎＡｓの歪み量子井戸は、ＧａＡｓ基板上にエピタキシ成長させることができる。特定の組成物を得る条件（すなわちインジウム含有量のパーセント）及び厚さは、平面基板上で十分確立されている。続いてがＧａＩｎＡｓ層の上にＧａＡｓ（又はＧａＡｌＡｓ）を堆積させると、ＧａＩｎＡｓ層は電子及びホールを封じ込めることのできる量子井戸を形成し、半導体の光特性が定まる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一態様では、本発明は基板上に複数の半導体構成部品を製造する方法を提供し、この方法は、
前記基板の表面上に所定の浮彫りパターンを形成する段階と、
２種以上のＩＩＩ族元素と２種以上のＶ族元素の混合物から形成される層を前記表面にエピタキシ成長させる段階とを含み、
前記浮彫りパターンが、異なる浮彫りパターンの特性を有する領域内で、単一段階によって堆積された、前記Ｖ族元素間の比の異なる前記層をもたらし、前記異なる領域内に異なるバンド・ギャップを提供する。
【００１０】
上記の方法を用いて、少ないエピタキシ製造段階で集積半導体構成部品を基板上に形成することができ、コストと複雑さが低減される。
【００１１】
この技術は効果の組合せを認識し利用したものである。浮彫り特性を用いて、ある位置に堆積されるＩＩＩ族元素の比を制御することができ、その位置のＶ族元素の比及びその位置の材料のバンド・ギャップを変化させることができる。したがって、単一エピタキシ成長段階において、浮彫り特性を用いて、バンド・ギャップの異なる部分を同時に堆積することを可能にすることができる。
【００１２】
ＩＩＩ族元素は多くの組合せから選択できることが認識できるが、好ましい実施例では、ＩＩＩ族元素はガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）である。これらの元素を含むエピタキシによって形成された層中のガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）に関する相対組成は前記基板の前記浮彫りパターン特性の影響を強く受けることが見出された（例えば、Ｋ．Ｋａｍａｔｈ、Ｐ．Ｂｈａｔｔａｃｈａｒｙａ、Ｊ．Ｓｉｎｇｈ、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  １７５／１７６（１９９７）、ｐｐ９３５〜９３９）。ガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）に関する相対組成は、Ｖ族元素に関する組成に影響を及ぼし、したがって層のバンド・ギャップに影響を及ぼす。これらの影響はバンド・ギャップの柔軟な制御に寄与する。
【００１３】
また、Ｖ族元素は多くの組合せから選択できることが認識できるが、好ましい実施例では、２種のＶ族元素はヒ素（Ａｓ）及び窒素（Ｎ）である。エピタキシによって形成された層中の窒素の存在は、高いインジウム含有率で高品質の層を成長させることを可能にする。この組合せ効果は、適切なバンド・ギャップを選択する上で大きな柔軟性を提供する。
【００１４】
他の好ましい実施例では、２種のＶ族元素はヒ素（Ａｓ）及びアンチモン（Ｓｂ）である。また、Ｖ族元素のこの組合せもバンド・ギャップ制御に適していることが見出されている。
【００１５】
半導体構成部品は多数の異なるタイプから選択できることが認識できるが、好ましい実施例では、前記半導体構成部品の少なくとも１つは光量子構成部品である。本発明の方法の好ましい実施例は、バンド・ギャップの繊細な制御を必要とする光量子構成部品の製造に良く適している。
【００１６】
これらの、及び他の好ましい実施例では、前記半導体構成部品の少なくとも１つは電子構成部品である。また、本発明の方法の好ましい実施例も電子構成部品の製造に良く適している。
【００１７】
さらに、少なくとも１つの光量子構成部品及び少なくとも１つの電子構成部品を製造する本発明の実施例は、２種の構成部品タイプの組合せを必要とする多くの用途に特に価値がある。
【００１８】
半導体構成部品は特定の構造又は構成に制限されないことが認識できるが、好ましい実施例では、複数の半導体構成部品は分離した構成部品である。この種類の構成は、例えば複数の独立構成部品を基板上に形成することが可能である。
【００１９】
これらの、及び他の好ましい実施例では、複数の半導体構成部品は結合された構成部品である。結合した半導体構成部品を基板上に形成することによって、集積システムの構築が容易になり、それによって個々の構成部品は互いに相互作用し動作することができる。さらに、分離し結合した構成部品が同じ基板上に形成される場合、これらの構成部品の組合せは殆ど任意の構造の半導体デバイスを有利に製造するのに役立つ。
【００２０】
前記浮彫りパターンは多数の異なる方法を用いて形成できることが認識できるが、好ましい実施例では、浮彫りパターンの形成段階は基板の選択エッチングによって実施される。基板の選択エッチングは比較的簡単かつ安価に行うことができる。
【００２１】
他の好ましい実施例では、前記浮彫りパターンの形成段階は、前記基板を薄い誘電体層で被覆し、続いて選択した領域から前記誘電体層を除去することによって行われる。このようにして形成した浮彫りパターン上へのエピタキシ成長は異なる挙動を示し、好ましい実施例では、異なる電子及び光特性を有する層を形成する。
【００２２】
浮彫りパターンは多数の異なる幾何形状の構造を含むことが認識できるが、好ましい実施例では、浮彫りパターンは傾斜ファセット（ｆａｃｅｔ）で縁取られた隆起を含む。この幾何形状を用いる浮彫りパターンは、エピタキシ成長プロセスを明確に制御し、基板の特定の領域に関するバンド・ギャップの精密な制御を可能にする。
【００２３】
前記ファセットの傾斜は様々な異なる角度を取り得ることを認識できるが、好ましい実施例は、結晶構造の整数指数（ｎ１１）に対応する傾斜を用いる。好ましい実施例では、傾斜のこの角度が、浮彫り構造の側部から前記浮彫り構造の頂部表面へ適切量の原子の移動を促進することが見出された。傾斜（３１１）は特に好ましい。
【００２４】
隆起の様々な特性（傾斜の角度、その高さ、及びその縁が湾曲しているか鋭いか）を用いてその浮彫りパターン特性を定義することができることが認識できるが、好ましい実施例では、前記浮彫りパターン特性はその表面積と縁の長さの比によって定義される。これによって、構成部品の設計者が基板上の１個又は複数の構成部品を設計するために、明確で柔軟な枠組みを用いることが可能になる。
【００２５】
エピタキシ堆積は多数の技術及び機構を用いて実施できることが認識できるが、好ましい実施例では、エピタキシ堆積段階は分子ビーム・エピタキシ（ＭＢＥ）を用いて実施される。分子ビーム・エピタキシの使用は、非常に低い欠陥率と共に層中に優れた均一性を提供する。ＭＢＥは、選択的にエッチングした基板及び誘電体層を用いて形成した浮彫りパターンを有する基板を含めて、多数の機構によって形成された予備パターン形成基板上にエピタキシ成長を促進するのに容易に使用することができる。
【００２６】
他の好ましい実施例では、エピタキシ堆積段階は分子有機気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ又はＭＯＣＶＤ）を用いて実施される。分子有機気相エピタキシの使用は、特に迅速な堆積を提供し、比較的容易に工業的規模で実施することができる。また、エピタキシ堆積のこの形は、誘電体層を用いて形成された浮彫りパターンを有する基板で使用するのにも特に適している。
【００２７】
他の態様から見て、本発明は基板上に複数の半導体構成部品を製造する方法によって製造された半導体デバイスであり、前記方法は、
前記基板の表面上に所定の浮彫りパターンを形成する段階と、
２種以上のＩＩＩ族元素と２種以上のＶ族元素の混合物から形成される層を前記表面にエピタキシ成長させる段階とを含み、
前記浮彫りパターンが、異なる浮彫りパターンの特性を有する領域内で、単一段階によって堆積された、前記Ｖ族元素間の比の異なる前記層をもたらし、前記異なる領域内に異なるバンド・ギャップを提供する。
【００２８】
本発明のこの態様の好ましい実施例は、本発明の第１態様の前述した好ましい実施例によって提供される。
【００２９】
ここで、本発明をより良く理解するために、添付の図面を例として参照する。
【実施例】
【００３０】
本発明の第１の実施例は、ガリウムインジウムヒ素窒素（ＧａＩｎＡｓＮ）層を成長させる分子ビーム・エピタキシ（ＭＢＥ）を用いて、基板上の複数の半導体構成部品を提供する。この実施例によれば、ＧａＩｎＡｓＮは予備パターン形成されたガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板上にエピタキシ成長する。「予備パターン形成された」とは、ある領域でＧａＡｓを除去して基板を選択的にエッチングし、幅数ミクロン程度の長く薄い隆起を１個又は複数形成することを意味する。図１Ａ及び１Ｂは、それぞれエッチングを行う前及び後のそれらの基板の断面を示している。
【００３１】
パターン形成された基板上の台形形状（図１Ｂ）は、選択的化学エッチング又はドライ・エッチングで除去されなかったＧａＡｓの区画である。この区画を規定する重要なパラメータは、その幅（数ミクロン又はそれ未満の程度でなければならない）及び側部の傾斜である。側部区画の傾斜は、特定の結晶ファセット（整数の指数（ｎｍｐ）、例えば（３１１）で識別される）を形成するエッチング条件を選択することによって決定することができる。第３の寸法において、この実施例の断面は少なくとも数十ミクロンの程度で一定に維持される。このパターン形成された基板上のＧａＩｎＡｓＮのＭＢＥ成長は、隆起の頂部表面上にＧａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｎを堆積させ、側部ファセットに堆積した原子がこれらのファセットから頂部表面へ移動することによって行われる。横方向の組成変化は原子の表面移動長さの相違によって得られる。したがって、インジウムの組成パーセント及び隆起頂部のＧａＩｎＡｓＮ層厚さは、隆起の幅、側部ファセットの配向、及び、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｎ原子の移動度に影響を及ぼす諸パラメータに依存する。
【００３２】
組み込むことのできる窒素の量は、ＧａとＩｎの相対組成の影響を非常に強く受け、したがって、予備パターン形成された基板上（図１Ｂに示すものなど）に成長するＧａＩｎＡｓＮの窒素含有量も、隆起の頂部の幅及び隆起の側部を形成するファセットの配向によって定まるであろう。ＧａＩｎＡｓＮ層の窒素含有量が半導体層のバンド・ギャップに強い影響を及ぼすので、予備パターン形成した基板上にＭＢＥ成長を行うことによって、ＧａＩｎＡｓＮ層のバンド・ギャップを制御することができる。これはまさしく単一基板上に異なる半導体構成部品を集積するために必要な主要点である。２個以上のデバイスを単一基板上に集積するために、基板はパターン形成された円形基板（図２）で図示したように予備パターン形成することができる。
【００３３】
この場合、陰影をつけた領域は同じ幅を有し、同じファセット傾斜で規定されるが、２個の陰影をつけた領域を結合する陰影のない領域は、陰影をつけた領域の約３倍の幅を有する。したがって、この基板上へのＧａＩｎＡｓＮの成長は、表面の全ての領域に材料が堆積されることになるが、非陰影領域に堆積される材料は陰影をつけた領域に堆積される材料とは異なる組成を、したがって異なるバンド・ギャップを有する。
【００３４】
無論、製造しようとするデバイスの種類によっては、多数の他の層、例えばＧａＡｌＡｓ又はＧａＡｓの層を堆積する必要があろう。しかし、上記の方法は、下地層の浮彫り特性を使用し、バンド・ギャップの異なる層の部分を単一エピタキシ堆積段階で同時に堆積する可能性を提供する。この実施例の利点は、ＧａＩｎＡｓＮ量子井戸を用いるとき、ＧａＩｎＡｓＮのＭＢＥ堆積に先立つＧａＡｓ基板の予備パターン形成が、バンド・ギャップ調整による構成部品集積化の基礎を提供することである。
【００３５】
予備パターン形成された基板の浮彫りパターン例は図３Ａに示されている。示された隆起は、両方ともその長さに沿って点線Ｃ−Ｃ’によって二分されており、長さｌｂのより広い第２区画に合体する、長さｌａのより薄い第１区画の２つの区画と考えることができる。図３Ｂは、線Ｃ−Ｃ’に沿った所与の任意点でのインジウム（％Ｉｎ）と窒素（％Ｎ）の組み込みを示している。隆起の広い区画はインジウムの組み込みがより少なく、したがって窒素の組み込みがより高くなることに留意すべきである。図３Ｃは線Ｃ−Ｃ’に沿った所与の任意点における帯域端を示している。図３Ｂと３Ｃの比較から、隆起の領域に伴う帯域端がその領域の窒素組み込みに直接比例し、隆起の幅に関係することは明らかである。しかし、隆起の幅だけが層の組成に寄与する要因ではなく、また、インジウムの組み込みだけが窒素の組み込みに寄与する要因でもないことを理解するのは重要である。しかし、浮彫り特性（この場合隆起の幾何形状）がその位置に堆積される２種のＩＩＩ族元素（この場合ガリウムとインジウム）の比を制御するのに使用できることは明らかであり、その位置のＶ族元素の比を、すなわちその位置の材料のバンド・ギャップを変化させることができる。
【００３６】
他の浮彫りパターンの例は図４Ａに示されている。このパターンは分離した隆起のアレイを含み、個々の隆起の長さと幅及びその間の空間に基づくバンド・ギャップの空間的変化を提供する。このアレイからの個々の隆起は図４Ｂに示されており、隆起は点線Ａ−Ａ’によってその幅を横断して二分されている。線Ａ−Ａ’に沿う隆起の断面は図４Ｃに示されており、水平面の結晶指数は（００１）で示され、ファセット端部の結晶指数は（３１１）で示されている。結晶指数はこれらの値に限定されるものではなく、様々な実施例において、ファセットから隆起の頂部への原子の移動を促進する任意の値を取ることができ、異なる結晶ファセットは原子の動力学的挙動を適切に変化させる。
【００３７】
図４Ｄは隆起の幅とエピタキシ成長層中のインジウム組み込みの間の関係を示している。インジウムの組み込みは隆起の幅が減少すると減少し、インジウムの濃度はパターン形成されない平面基板で予測されるそれに一致する濃度で「底をつく」ことが判る。図４Ｅは、エピタキシ成長層の帯域端が、隆起の幅が増加するにつれ増加することを示しており、帯域端はインジウム組み込みに実質上逆比例することが判る。
【００３８】
さらに他の浮彫りパターンの例が図５Ａに示されている。示された２個の隆起は間隙で分離されており、インジウム及び窒素の組み込みに対する間隙の影響は図５Ｂに示されている。間隙はその領域のインジウム組み込みの減少を招き、その結果、その領域での窒素組み込みの増加とバンド・ギャップの増加をもたらすことが判る。
【００３９】
これらの様々な浮彫りパターンの例は、所望の空間的変化を得るために、基板上のエピタキシ成長層のバンド・ギャップがどのように操作可能であるかについて、いくつかの考察を提供するものである。浮彫りパターンは特定の幾何形状（例えば隆起）に限定されず、例えば溝などの任意の幾何形状を含み得ることを強調する。
【００４０】
図を参照して示された原理は、ＩＩＩ族及びＶ族材料の異なる組合せにも等しく適用され、また、異なる基板組成にも適用される。本発明の様々な実施例は、ある種の特性を備えるようにドープされた層を含むことができる。上記の方法はドープされた材料に等しく十分適用される。
【００４１】
本発明の第２の実施例は、分子有機気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ又はＭＯＣＶＤ）を用いて、基板上の複数の半導体構成部品を提供する。また、予備パターン形成した基板上のエピタキシ再成長（第１の実施例の基板）をＭＯＶＰＥ成長技術と共に使用することもできる。ＭＢＥについての上記の機構はある程度適用されるが、代替の方法を用いることもできる。代替の方法は、最初に基板全体を例えば酸化ケイ素又は窒化ケイ素の薄い誘電体層で被覆し、続いて選択した領域からその誘電体材料を除去することによって、基板にパターン形成された領域を画定することを含む。一般に、誘電体材料を除去する領域の形状は、第１の実施例で上述した隆起構造の画定に類似した寸法を有する長く薄い領域である。したがって、この技術を用いて形成された予備パターン形成された基板は、１層又は複数の薄い誘電体材料層を表面に堆積したＧａＡｓ基板からなり、誘電体層は、ＧａＡｓ基板の制限された領域へアクセスするために開かれた長く狭い窓を有する。それらの基板上でのＭＯＶＰＥ成長は、開口領域で行われるが、誘電体材料の残る領域では行われない。開口窓に堆積したＧａＩｎＡｓＮの組成及び厚さは開口窓の幅に依存するであろう。したがって構成部品の集積化は、表面を誘電体材料で予備パターン形成し、所定の幅の窓を開口して、レーザ発振、変調、検出又は他の様々な用途に適したＧａＩｎＡｓＮ量子井戸を形成することによって行うことができる。
【００４２】
モノリシック集積構成部品の構造を示す例は図６に示されている。平面図（６Ａ）は３個の構成部品を集積化するための予備パターン形成された基板の浮彫りパターンの１つの可能性を示している。パターンの構成部分はその長さ（ｌ）と幅（ｗ）で規定することができる。図６Ａの場合、これらの寸法は必ずしもパターン全体を表すものではなくパターンの原理的な領域を示すものであり、寸法は上述の論議に従って所望のエネルギー・バンド・ギャップを形成するように選択される。他の可能なパターンは図６Ｂ〜Ｄに示されており、同じ集積構成部品の組に用いることができよう。
【００４３】
１つの好ましい構造は、レーザ区画、変調区画、及び増幅器区画の集積を含む。それらの構造は、３個の構成部品のバンド・ギャップのレーザ制御が必要である。例えば、レーザ及び増幅器区画は同じバンド・ギャップを有することができるが、一般に変調器のバンド・ギャップはより高エネルギーであることが望ましい。予備パターン形成した区画の寸法、主として幅によって、各区画のバンド・ギャップは異なるであろう。これらの３つの区画は全て異なる幅を有するように画定することができ、本発明の実施例によれば、３つの構成部品、レーザ、変調器、及び増幅器区画の全てが異なるバンド・ギャップを有するであろうことは明らかなはずである。
【００４４】
動作の際には、レーザ区画からの出力は変調区画に入り、そこで変調器区画の吸収が小さい「無損失（ｌｏｓｓｌｅｓｓ）」方式、又は、変調器の吸収が大きい「減衰（ａｔｔｅｎｕａｔｅ）」方式、のいずれかで伝播する。レーザ発振波長での吸収量はレーザ発振波長と比較した変調器区画のバンド・ギャップのスペクトルの近接性によって制御される。例えば、これは印加した電気を用いて外部的に調節することができる。この場合、印加電界の制御は変調の手段を提供し、所望の信号レベルを一時的にビームの強度に加えることができる。次いで変調されたビームは、区画の寸法によってレーザ及び変調器区画の両方と異なるバンド・ギャップを有することができるが、変調されたビームに十分な利得を与えるスペクトルに置かれている増幅器区画に送られる。それらの構造、特に増幅器区画は、光電子モジュールの整合（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）損失を防止するために有利に使用することができる。しかし、ここでの問題は動作の詳細ではなく、勿論構成部品の配列でもないことは明らかなはずである。むしろ、構成部品の集積化を可能にするのは、予備パターン形成技術によってバンド・ギャップのある局所的制御を達成する可能性である。
【００４５】
本発明の実施例は、組成を、したがって基板上のエピタキシ成長層のバンド・ギャップを空間的に制御する、代替の、且ついくつかの用途のための好ましい方法を提供する。他のエピタキシ成長技術と異なる技術の可能な組合せを用いて、類似の制御を提供することもできる。
【００４６】
本発明のこれらの及び他の実施例の両方で、基板の表面はエピタキシ成長の容易な表面を意味するものと解釈することができ、成長工程の前に堆積されたエピタキシ層、又は前に別の成長工程から作られたエピタキシ層を含むことができよう。
【００４７】
上述のように、本発明の好ましい実施例は、複数の半導体構成部品を結合された構成部品にすることを提供する。これらの構成部品のこの集積化は、とりわけ、
（ａ）集積化された平面内レーザと電子吸収変調器、
（ｂ）集積化された平面内レーザと電子屈折変調器、
（ｃ）集積化された平面内半導体光増幅器（ＳＯＡ）と変調器、
（ｄ）集積化された平面内レーザと受動光導波器、
（ｅ）集積化された平面内半導体光増幅器（ＳＯＡ）と受動光導波器、
（ｆ）集積化された受動光導波器と平面内光検出器、
（ｇ）電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と１個又は複数の光量子構成部品
などの組合せの形成に用いることができる。
【００４８】
さらに、いくつかの用途では個々の構成部品を基板上に一緒に作製することが必要であり、上記の技術はこれらにも等しく十分に適用されよう。
【００４９】
上記の説明は、例えば光が主として局在化される（受動導波器）、又は発生される（レーザなど）、又は増幅される（増幅器など）、又は吸収される（検出器など）、光電子デバイスの「能動（ａｃｔｉｖｅ）」領域に重点を置いたものであることに留意されたい。完成したデバイス（例えばレーザ、増幅器等）は完全なデバイスを形成するためにいくつかの他の層を含むであろう。これらは、電流の伝導を助けるための、又は電界を印加するためのドープされた層とすることができ、又は単純に案内プロセスのためのクラッド（ｃｌａｄｄｉｎｇ）領域として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１Ａ】エッチング前の基板の断面を示す図である。
【図１Ｂ】エッチング後の基板の断面を示す図である。
【図２】２個以上のデバイスを表面に集積するために調製された、予備パターン形成された円形基板を示す図である。
【図３Ａ】基板の表面に形成された浮彫りパターンを示す図である。
【図３Ｂ】後続の成長層の組成変化（隆起の長さに沿った）を示す図である。
【図３Ｃ】後続の成長層の帯域端を示す図である。
【図４Ａ】図４Ｂ及び４Ｃに示した幾何形状を有する分離した隆起（図４Ａ）を含む、基板の表面に形成された他の浮彫りパターンを示す図である。
【図４Ｂ】幾何形状を示す図である。
【図４Ｃ】幾何形状を示す図である。
【図４Ｄ】後続の成長層の組成変化を示す図である。
【図４Ｅ】後続の成長層の帯域端を示す図である。
【図５Ａ】基板の表面に形成された他の浮彫りパターンを示す図である。
【図５Ｂ】後続の成長層の組成変化を示す図である。
【図６Ａ】モノリシック集積構成部品の構造を示す図である。
【図６Ｂ】モノリシック集積構成部品の構造を示す図である。
【図６Ｃ】モノリシック集積構成部品の構造を示す図である。
【図６Ｄ】モノリシック集積構成部品の構造を示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年2月25日(2004.2.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に複数の半導体構成部品を製造する方法であって、
前記基板の表面上に所定の浮彫りパターンを形成する段階と、
２種以上のＩＩＩ族元素と２種以上のＶ族元素の混合物から形成される層であって、前記２種のＩＩＩ族元素がガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）であり、前記１種のＶ族元素が窒素（Ｎ）である層を前記表面にエピタキシ成長させる段階とを含み、
前記浮彫りパターンが、異なる浮彫りパターン特性の領域内で、単一段階形成によって堆積された、前記ガリウム（Ｇａ）とインジウム（Ｉｎ）の比の異なる前記層をもたらし、ガリウム（Ｇａ）とインジウム（Ｉｎ）の比が、前記層に組み込まれる窒素（Ｎ）の量に影響を及ぼし、前記異なる領域内部に異なる窒素（Ｎ）を組み込むことが、前記異なる領域内に異なるバンド・ギャップを提供する方法。
【請求項２】
前記１種のＶ族元素がヒ素（Ａｓ）である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記２種のＶ族元素が、ヒ素（Ａｓ）及びアンチモン（Ｓｂ）である請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記半導体構成部品の少なくとも１個が光量子構成部品である請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記半導体構成部品の少なくとも１個が電子構成部品である請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記複数の半導体構成部品が分離した独立構成部品である請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記複数の半導体構成部品が結合された構成部品である請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記浮彫りパターン形成段階が、基板の選択エッチングによって実施される請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記浮彫りパターンが傾斜ファセットで縁取られた隆起を含む請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記ファセットの少なくとも１個が、整数指数（ｎ１１）に対応する傾斜を有する請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ファセットの少なくとも１個が、整数指数（３１１）に対応する傾斜を有する請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
隆起の前記浮彫りパターン特性が、その表面積とその縁の長さの比によって規定される請求項９、１０、１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
エピタキシ堆積段階が、分子ビーム・エピタキシを用いて実施される請求項１から１２までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記浮彫りパターン形成段階が、前記基板を薄い誘電体層で被覆し、続いて前記誘電体層を選択した領域から除去することによって実施される請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記エピタキシ堆積段階が、分子有機気相エピタキシを用いて実施される請求項１から１４までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１から１５までのいずれか一項に記載の方法によって製造された半導体デバイス。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
一態様では、本発明は基板上に複数の半導体構成部品を製造する方法を提供し、この方法は、
前記基板の表面上に所定の浮彫りパターンを形成する段階と、
２種以上のＩＩＩ族元素と２種以上のＶ族元素の混合物から形成される層であって、前記２種のＩＩＩ族元素がガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）であり、前記１種のＶ族元素が窒素（Ｎ）である層を前記表面にエピタキシ成長させる段階とを含み、
前記浮彫りパターンが、異なる浮彫りパターンの特性を有する領域内で、単一段階形成によって堆積された、前記ガリウム（Ｇａ）とインジウム（Ｉｎ）の比の異なる前記層をもたらし、ガリウム（Ｇａ）とインジウム（Ｉｎ）の比が、前記層に組み込まれる窒素（Ｎ）の量に影響を及ぼし、前記異なる領域内部に異なる窒素（Ｎ）を組み込むことが、前記異なる領域内に異なるバンド・ギャップを提供する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
他の態様では、本発明は基板上に複数の半導体構成部品を製造する方法によって製造された半導体デバイスであり、前記方法は、
前記基板の表面上に所定の浮彫りパターンを形成する段階と、
２種以上のＩＩＩ族元素と２種以上のＶ族元素の混合物から形成される層であって、前記２種のＩＩＩ族元素がガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）であり、前記１種のＶ族元素が窒素（Ｎ）である層を前記表面にエピタキシ成長させる段階とを含み、
前記浮彫りパターンが、異なる浮彫りパターンの特性を有する領域内で、単一段階形成によって堆積された、前記ガリウム（Ｇａ）とインジウム（Ｉｎ）の比の異なる前記層をもたらし、ガリウム（Ｇａ）とインジウム（Ｉｎ）の比が、前記層に組み込まれる窒素（Ｎ）の量に影響を及ぼし、前記異なる領域内部に異なる窒素（Ｎ）を組み込むことが、前記異なる領域内に異なるバンド・ギャップを提供する。


【国際調査報告】
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