(57)【要約】【課題】本発明の目的は、従来技術において、成膜する絶縁膜を複数層積層することにより、残留応力の発生を抑制するため、界面が増えることにより成膜条件によって界面に蓄積する応力の制御が難しいという問題を解決する光半導体素子を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の光半導体素子は、活性層、または、光吸収層を有するレーザもしくは光変調器もしくは光増幅器の機能を有する半導体素子において、素子を形成する基板とは反対側に光を導波させるためのメサ構造部を有し、メサ構造部を有する側の表面の一部または全部が絶縁膜を備えており、その絶縁膜が、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）と窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）の化合物からなることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層、または、光吸収層を有するレーザもしくは光変調器もしくは光増幅器の機能を有する半導体素子において、
素子を形成する基板とは反対側に光を導波させるためのメサ構造部を有し、メサ構造部を有する側の表面の一部または全部が絶縁膜を備えており、
その絶縁膜が、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）と窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）の化合物からなることを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
さらに、絶縁膜の上に電極を取るための金属層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。
【請求項３】
前記活性層、または、光吸収層は、Ｉｎ（ｚ）Ｇａ（１−ｚ）Ａｓ（１−ｗ）Ｐ（ｗ）やＩｎ（１−ｚ−ｗ）Ａｌ（ｚ）Ｇａ（ｗ）Ａｓなどの４元混晶化合物半導体（ここで、ｚ、ｗは、混結晶の組成比である。）であることを特徴とする請求項１または２に記載の光半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁膜の形成の工程を有する光半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光半導体素子は、光の発生、変調、増幅などの機能を有し、現代の高度情報社会を支える光通信技術には、必要不可欠なデバイスである。光半導体素子は、（１）ＩｎＰなどの半導体基板上に、組成の異なる混晶化合物をＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によるエピタキシャル結晶成長、（２）光の導波路パターン形成のためのエッチング、（３）エッチング部分を部分的に埋め込むための再度の結晶成長、（４）電気的な絶縁や水分や空気から半導体表面を保護するための絶縁膜形成、さらには（５）電極形成のため蒸着による金属膜の形成など、非常に複雑なプロセスを経て作製される。
【０００３】
上記（１）〜（５）までの工程で使用される材料は、当然ながら、それぞれ物質の性質が異なる。これらを原子や分子レベルのオーダーで積層や蒸着といった作製する工程は、一般に工程ごとに異なる温度で行われる。工程後、温度は室温に戻るが、物質は温度によって膨張や収縮を起こすので、作製工程での温度変化を繰り返すことによって、異なる物質の界面とその周辺には大きな応力や歪みが発生することになる。
【０００４】
応力や歪みの発生やその分布は、積層材料の種類、結晶組成や形状などによって様々である。上記（１）〜（５）のうち、本発明に関わるのは、（４）の絶縁膜形成である。従来使用されてきた絶縁膜の代表的なものとしては、二酸化シリコンＳｉＯ2や窒化物Ｓｉ3Ｎ4がある。ＳｉＯ2を半導体表面上に成膜し室温に戻した場合には、半導体側は圧縮応力を受け、ＳｉＯ2膜は引張応力を受ける。一方、Ｓｉ3Ｎ4を半導体表面上に成膜し室温に戻した場合には、半導体側は引張応力を受け、Ｓｉ3Ｎ4膜は圧縮応力を受ける。応力が内在した状態で、光半導体素子を動作させると、素子の信頼性を劣化させることが知られており、ＳｉＯ2とＳｉ3Ｎ4を２層以上積層させることにより、界面で互いに各向きの応力をキャンセルする手法が提案されている（特許文献１参照。）。
【０００５】
性質の異なる材料を積層させるのであるから、そこに応力や歪みが内在してしまうことは、ある程度避けられない。特に、ＳｉＯ2やＳｉ3Ｎ4といった絶縁膜材料は、半導体と機械的物性の違いが大きい。そのような中で、従来の手法では、２層以上の絶縁体を使用して界面付近の応力をキャンセルするアプローチをとってきた。界面に生じる応力は、圧縮と引張という互いに反対符号の応力が生じ得るから、１＋（−１）＋１＋（−１）＝０といった考え方で薄膜を複数層重合形成することにより、見掛け上応力をキャンセルすることができる。しかしながら、界面や絶縁膜の種類が増えるほど、絶縁体薄膜の成膜条件によって界面に蓄積する応力を安定的に制御するのは難しいという問題があった。絶縁膜の厚みは、サブミクロンオーダーであり、極薄膜の安定的な制御といった現実的な観点から言えば、単層の絶縁膜の適用が最も望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４０９０７６８号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】山寺秀哉、『薄膜の熱応力測定と制御』、豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー、Ｖｏｌ．３４、Ｎｏ．１（１９９９.３）
【非特許文献２】『Ｑｕａｒｔｚ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ  （ＳｉＯ2）』、株式会社ネオトロン  ２０１１年１２月２８日検索、インターネットＵＲＬ＜http://www.neotron.co.jp/crystal/11/SiO2.html＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の背景技術の項目で述べた通り、従来の方法では、成膜する絶縁膜を複数層積層することにより、残留応力の発生を抑制していた。界面が増えることにより成膜条件によって界面に蓄積する応力の制御が難しいという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された光半導体素子は、活性層、または、光吸収層を有するレーザもしくは光変調器もしくは光増幅器の機能を有する光半導体素子において、素子を形成する基板とは反対側に光を導波させるためのメサ構造部を有し、メサ構造部を有する側の表面において、表面の一部または全部が絶縁膜を備えており、その絶縁膜が、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）と窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）の化合物からなることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に記載された発明は、請求項１に記載の半導体素子において、さらに、絶縁膜の上に電極を取るための金属層が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に記載された発明は、請求項１または２に記載の半導体素子において、前記活性層、または、光吸収層は、Ｉｎ（ｚ）Ｇａ（１−ｚ）Ａｓ（１−ｗ）Ｐ（ｗ）やＩｎ（１−ｚ−ｗ）Ａｌ（ｚ）Ｇａ（ｗ）Ａｓなどの４元混晶化合物半導体（ここで、ｚ、ｗは、混結晶の組成比である。）であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の光半導体素子によれば、一種類の材料で絶縁膜と接する半導体や金属の界面及び絶縁膜内部の残留応力も少ない半導体素子を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光半導体素子の構造を示す図である。
【図２】図１及び図５の実施形態の構造に対する応力分布のシミュレーションにおいて、絶縁膜（ＳｉＯ2）ｘ（Ｓｉ3Ｎ4）ｙの組成（ｘ、ｙ）に対する線膨張係数及びヤング率の特性を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る光半導体素子の構造において中心対称面と奥行き方向を示した図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る光半導体素子に関するフォン・ミーゼス応力のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る光半導体素子の構造を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る光半導体素子に関するフォン・ミーゼス応力のシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光半導体素子１００の構造を示す図である。  
図１において、光半導体素子１００は、リッジ型と呼ばれる半導体光導波路構造を有している。光半導体素子１００は、ｎ型ＩｎＰウェハ基板１０１上に積層された半導体活性層または吸収層１０２の上に、ｐ型ＩｎＰ層を積層し、エッチングにより、突起状のメサ形状１０３を形成し、最後に半導体表面を単層の絶縁膜１０４で覆った構造を有している。
【００１６】
半導体活性層または吸収層１０２は、Ｉｎ（ｚ）Ｇａ（１−ｚ）Ａｓ（１−ｗ）Ｐ（ｗ）やＩｎ（１−ｚ−ｗ）Ａｌ（ｚ）Ｇａ（ｗ）Ａｓなどの４元混晶化合物半導体などが考えられる。ここで、ｚ、ｗは、混結晶の組成比である。
【００１７】
絶縁膜１０４は、本発明に関わる単層膜（ＳｉＯ2）ｘ（Ｓｉ3Ｎ4）ｙであり、ｘは、二酸化ケイ素ＳｉＯ2の組成比、ｙは、窒化ケイ素Ｓｉ3Ｎ4の組成比である。
【００１８】
図１の３次元構造を計算機上に構築し、各部分にかかる応力分布を数値計算（有限要素法）により求めた。計算にあたっては、活性層（吸収層）１０２の部分は、ＩｎＰで置き換えた。４元混晶の機械的物性は、ＩｎＰのそれと同様であるため、一般性を失うことなく、効率的に計算を行うことができる。
【００１９】
本発明にかかわる材料設計において、重要な物性データは、線膨張係数、ヤング率、およびポアソン比である。ＳｉＯ2の線膨張係数は、ＳｉＯ2を成膜したＩｎＰウェハを実際に作成し、ウェハの反りを測定したニュートンリングの間隔から算出し、反りと線膨張係数の関係式を使用して求めた。Ｓｉ3Ｎ4の線膨張係数についても同様の実験を行い、算出した。ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4のこれらの算出値を線形補間することにより、絶縁膜（ＳｉＯ2）ｘ（Ｓｉ3Ｎ4）ｙの任意の組成比ｘ、ｙに対する線膨張係数を得た。その結果を図２の２００に示す。図からわかるように、線膨脹係数は組成によって正の膨張と負の膨張の両方をとり、一種類の材料であっても多様な応力分布に対応できる可能性を示唆している。
【００２０】
図２の２１０は、絶縁膜（ＳｉＯ2）ｘ（Ｓｉ3Ｎ4）ｙの任意の組成比ｘ、ｙに対するヤング率の特性を示す図である。これは、よく知られている文献データから線形補間により算出した。Ｓｉ3Ｎ4に対する最近の数値として、非特許文献１の２２頁のＴａｂｌｅ２の実験値があげられる。また、ＳｉＯ2に対しては、非特許文献２で公開されている特性表の値（７６．５ＧＰａ、Ｚ軸に対して垂直）をあげておく。ポアソン比については、材料による変動幅が小さいので０．２で一定とした。
【００２１】
図４に、図３の構造のシミュレーション結果を示す。図３の構造は、図１の構造と同一である。図３に示すように、導波路構造は点線で囲った面（中心対称面）に対して左右対称である。ただし、左右対称構造であるか否かは、本発明の効果と無関係である。図４は、その左右対称面内で、深さ方向が活性層の中心付近（図３に白矢印で示す。）、奥行き方向が端面から５ミクロンの位置でのフォン・ミーゼス応力と組成比ｘ、ｙの関係を計算した結果である。組成比ｘ、ｙを横軸にとり、ＳｉＯ2，Ｓｉ3Ｎ4いずれか一方のみの組成の場合の結果も含めてある。
【００２２】
図４から、絶縁膜（ＳｉＯ2）ｘ（Ｓｉ3Ｎ4）ｙの組成比ｘ、ｙをｘ＝０．１、ｙ＝０．９にすることにより、ＳｉＯ2単層やＳｉ3Ｎ4単層では得られない低い応力が得られていることが分かる。このカーブの形状は、（ＳｉＯ2）ｘ（Ｓｉ3Ｎ4）ｙの厚さによっても多様に変化する。
【００２３】
ここで、図４の縦軸のフォン・ミーゼス応力について説明する。フォン・ミーゼスの応力の単位は、ＭＰａである。そもそも、応力σは、９つの成分を有するテンソル（tensor）量である。例えば、σxyは、ｘ軸に垂直な面内におけるｙ軸方向の応力成分を表す。すなわち、３次元空間において、これらの成分は、
【００２４】
【数１】
2013214655.tif 000003
【００２５】
といった行列形式で表現される。
【００２６】
そこで、９つの成分を有するテンソル量を応力の主軸上に投影し、１つのスカラー値に変換したものをフォン・ミーゼス応力σVMと呼び、以下のような式で定義されている。
【００２７】
【数２】
2013214655.tif 000004
【００２８】
フォン・ミーゼス応力は、σVM方向を有する量を１つの値で定量的に表現できるので便利な指標として使用されている。ただし、ルートを取っているため、符号は必ず正になるので、これだけでは圧縮か引張かはわからない。圧縮にしろ、引張にしろ、応力が存在することは好ましくないという点において、フォン・ミーゼス応力σVMは便利だけでなく応力評価における強力な評価指標である。
【００２９】
σVMは、せん断応力（ｓｈｅａｒ  ｓｔｒｅｓｓ）による歪みエネルギーの密度に相当する。破壊工学では、この値が降伏点（弾性変形の限界点）に達したら、その構造はそこから降伏（塑性変形状態に移行）すると考える。この値が最も大きい部位が、力学的には最も脆い部位と判断される。
【００３０】
以上、説明したように、応力はテンソル量であり、方向や符号を有する複雑な量であるが、フォン・ミーゼス応力という正値のみをとるスカラー量によって議論することにより、応力の大小がどのように分布しているかを簡便かつ的確にとらえることができる。
【００３１】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る光半導体素子５００の構造を示す図である。
【００３２】
図５において、光半導体素子５００は、図１と類似のリッジ型と呼ばれる半導体光導波路構造を有する。図１に示す構造との相違点は、絶縁膜５０４の上面に電極用の金５０５が１ミクロン蒸着されている点である。図５に示すように、導波路構造は点線で囲った面（中心対称面）に対して左右対称である。繰り返しになるが、左右対称構造であるか否かは、本発明の効果と無関係である。
【００３３】
図６に、図５の構造のシミュレーション結果を示す。図６は、左右対称面内で、深さ方向が活性層の中心付近（図５に白矢印で示す。）、奥行き方向が端面から５ミクロンの位置でのフォン・ミーゼス応力と組成比ｘ、ｙの関係を計算した結果である。組成比ｘ、ｙを横軸にとり、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4いずれか一方のみの組成の場合の結果も含めてある。
【００３４】
図４と図６の差異は、金電極５０５が蒸着されたことにより、単層絶縁膜（ＳｉＯ2）ｘ（Ｓｉ3Ｎ4）ｙが上下左右方向から複雑な応力を受けることにある。本実施形態の場合、ｘ＝０．２〜０．３、ｙ＝０．８〜０．７を選択することにより、応力を最小化できている。金電極蒸着の条件・形状に基づき、ＳｉＯ2とＳｉ3Ｎ4の組成を適切に選択することにより、端面のみならず構造全体に対して応力を最小化できる。さらに、（ＳｉＯ2）ｘ（Ｓｉ3Ｎ4）ｙという単層の絶縁膜であるがゆえに絶縁膜内に界面がなく転位などによる破壊の起こるリスクがさらに低くなる。
【００３５】
応力の集中や増加がどこで生じるかについては、半導体の構造、電極の形状や厚さに依存する。したがって、それに応じた最適な単層絶縁膜組成ｘ、ｙも変化する。複数の絶縁膜の最適値を探すことなく、応力の少ない堅牢な構造を実現できる長所は大きい。
【００３６】
以上、本発明の光半導体素子によれば、１種類の材料（ｘ、ｙ）故に、破壊や故障の起点となる界面がより少なく、また、組成比を変更することにより、メサ型構造や上部電極の影響に対して強い素子を作成することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０１，３０１，５０１  ＩｎＰ半導体基板
１０２，３０２，５０２  半導体活性層または吸収層
１０３，３０３，５０３  ＩｎＰ半導体メサ
１０４，３０４，５０４  絶縁膜
５０５  電極
【図１】
2013214655.tif 000005
【図２】
2013214655.tif 000006
【図３】
2013214655.tif 000007
【図４】
2013214655.tif 000008
【図５】
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【図６】
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