專利名稱：光學(xué)半導(dǎo)體器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有半導(dǎo)體光波導(dǎo)的光學(xué)半導(dǎo)體器件的制造方法。
現(xiàn)已公開了通過在工序中使用生長阻擋掩模的已知選擇性金屬有機(jī)物汽相外延(MOVPE)法在半導(dǎo)體襯底上制造半導(dǎo)體光波導(dǎo)的常規(guī)方法(“晶體生長”(Journal of Crystal Growth)170卷，1997年1月，634-638頁，K.Kudo等人)。
通常，當(dāng)使用選擇性的MOVPE生長形成InP/InGaAsP基(based)光波導(dǎo)時(shí)，很難得到足夠平整度的InGaAsP層。
下面介紹主要原因。
即，源材料種類(species)在半導(dǎo)體襯底表面上的遷移長度很短。因此，在源材料種類沒有達(dá)到掩模開口部分的中心之前就發(fā)生了生長。
由此，靠近開口部分的生長阻擋掩模的部分(即，靠近形成的光波導(dǎo)的側(cè)表面的部分)的膜厚度厚于中心部分。
此外，由于InGaAsP具有多種組分，適合平整度的生長條件各不相同，通常增大源材料種類遷移的生長條件裕度降低。
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種制造具有能提高光波導(dǎo)平整度的光波導(dǎo)的光學(xué)半導(dǎo)體器件的方法。
根據(jù)本發(fā)明，通過使用包括源材料的選擇性金屬有機(jī)物汽相外延，將半導(dǎo)體層形成的光波導(dǎo)形成在半導(dǎo)體襯底上。此時(shí)，在選擇性金屬有機(jī)物汽相外延中間歇地提供源材料。
具體地，源材料以類脈沖形狀提供。這里，類脈沖形狀具有多個(gè)脈沖和脈沖暫停間隔。
此時(shí)，半導(dǎo)體層由Ⅲ-Ⅴ族化合物層形成。此外，源材料包括Ⅲ族材料和Ⅴ族材料。
在這種環(huán)境下，在選擇性金屬有機(jī)物汽相外延中連續(xù)地提供Ⅴ族材料同時(shí)間歇地提供Ⅲ族材料。
而且，通過使用每個(gè)脈沖在1和5個(gè)原子層之間的類脈沖形狀提供Ⅲ族材料。此外，脈沖暫停間隔為一秒或更多。
更具體地，在提供等待狀態(tài)期間通過間歇地提供源材料氣體，提供材料的半導(dǎo)體表面上的遷移增加或起動(dòng)。由此，通過采用脈沖模式的選擇性生長可以實(shí)現(xiàn)平整的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
采用這種脈沖模式的選擇性生長，在MOVPE選擇性生長中間歇地提供材料直接形成光波導(dǎo)。
而且，由于PL光譜線寬很窄，所以由脈沖模式選擇性生長形成的MQW結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的結(jié)晶性。由此，使用由脈沖模式選擇性生長形成的有源層的MQW結(jié)構(gòu)作為半導(dǎo)體激光器，可以低閾值和高效率地工作。
此外，由脈沖模式選擇性生長形成的MQW結(jié)構(gòu)具有窄PL光譜線寬。因此，當(dāng)帶隙波長接近入射波長時(shí)，介入損失沒有增加。由此，可以低驅(qū)動(dòng)電壓和小失調(diào)量(失調(diào)量=調(diào)制器吸收層的入射波長帶隙)實(shí)現(xiàn)大消光率。
因此，使用由脈沖模式選擇性生長形成的MQW結(jié)構(gòu)作為電吸收型半導(dǎo)體光學(xué)調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)低驅(qū)動(dòng)電壓、高消光率和低介入損失。


圖1A為根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)例子的光學(xué)半導(dǎo)體器件的剖面圖；圖1B為解釋根據(jù)本發(fā)明提供源材料的兩種模式圖；圖2為解釋本發(fā)明工作的特性曲線圖；圖3A到3E為根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)例子制造光學(xué)半導(dǎo)體激光器的一個(gè)方法；圖4為解釋本發(fā)明工作的特性曲線圖；圖5A到5C為根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)例子制造光學(xué)半導(dǎo)體激光器的一個(gè)方法；
圖6為解釋本發(fā)明的原理示出了MOVPE選擇性生長掩模的示意圖；圖7A和7B為解釋本發(fā)明工作的圖；圖8為解釋本發(fā)明工作的特性曲線圖；以及圖9為解釋本發(fā)明工作的特性曲線圖。
首先參考圖6介紹本發(fā)明的原理以較好地理解本發(fā)明。
首先在(100)InP襯底301上
方向內(nèi)以1.5μm的間隔形成一對(duì)條形掩模302。使用MOVPE選擇生長在1.5μm的間隔區(qū)域上生長InP303。此時(shí)，選擇生長的層303為脊形，由上表面(100)平面和側(cè)面的(111)平面的極平整晶面環(huán)繞。
因此，當(dāng)該結(jié)構(gòu)用做光波導(dǎo)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)低散射損失的理想光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
然而，當(dāng)InGaAsP層用做選擇生長層時(shí)，代替上表面上平整的(100)平面，在中心部分中形成凹形或槽形，如圖7B所示。此時(shí)，InGaAsP層用做夾心層，同時(shí)InP層用做一般的InP/InGaAsP基光波導(dǎo)中的覆蓋(clad)層。在圖7B示出的結(jié)構(gòu)中，不能實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的光波導(dǎo)。
接下來，介紹InP層和InGaAsP層之間選擇生長的形狀不同的原因。
即，對(duì)達(dá)到條形掩模302(SiO2掩模)或(111)平面的源材料來說不進(jìn)行外延生長，對(duì)(100)上表面進(jìn)行遷移，如圖6所示。此時(shí)，達(dá)到(100)上平面的源材料由外延生長消耗。
在此環(huán)境中，In源材料均勻地分布在(100)平面上，這是由于在圖6示出的(100)平面In源材料具有足夠長的遷移長度。
另一方面，在(100)平面Ga源材料具有短遷移長度。因此，達(dá)到(100)上平面的Ga源材料不足以移動(dòng)到(100)平面的中心部分。因此，Ga源材料聚集在光波導(dǎo)的側(cè)面附近。即，在側(cè)表面附近的分布增加。
由于以上提到的原因，當(dāng)選擇性地生長InP層時(shí)，形成平坦的(100)平面。與此相對(duì)比，當(dāng)選擇性地生長InGaAsP層時(shí)，沒有形成平坦的(100)平面。
因此，當(dāng)使用MOVPE選擇生長形成InGaAsP層時(shí)，在本發(fā)明中進(jìn)行脈沖模式選擇生長。這里，在該脈沖模式選擇生長中間歇地提供源材料。通過脈沖模式選擇生長，在暫停提供源材料期間遷移可以增加或起動(dòng)。因此，可以得到平坦的(100)上平面，如圖7A所示。
這里，下面解釋遷移增加的原因。
即，當(dāng)間歇地提供源材料時(shí)，由提供材料暫停狀態(tài)重新開始提供源材料的時(shí)刻，在生長襯底表面上不存在源材料。因此，生長的襯底表面和停滯層之間的材料濃度梯度比正常連續(xù)生長的大。
當(dāng)濃度梯度大時(shí)，在不進(jìn)行分解的條件下，達(dá)到襯底表面的材料比例變大。這是由于材料的擴(kuò)散速率變大。
在不分解材料的條件下，材料立刻陷入生長層。由此，在分解工序期間對(duì)(100)平面上的材料進(jìn)行遷移。
由此，與連續(xù)生長相比，脈沖模式生長中的材料種類的遷移長度變大。因此，可以在InGaAsP層內(nèi)形成平坦的(100)上平面。
接下來，參考附圖介紹本發(fā)明的實(shí)施例。首先，參考圖2介紹脈沖模式選擇生長。
在圖2中，比較使用連續(xù)的選擇生長形成的InGaAsP層的情況和使用脈沖模式選擇生長形成的情況得出了生長的膜厚度和平整度之間的實(shí)驗(yàn)關(guān)系。
此時(shí)，橫坐標(biāo)軸表示選擇生長的膜厚度，同時(shí)垂直坐標(biāo)表示不平整度。這里，應(yīng)該注意隨著不平整度變大，平整度降低。
在這種實(shí)驗(yàn)中，砷化三氫(AsH3)和磷化氫(PH3)用做Ⅴ族材料，在650℃的生長溫度和200hPa的生長壓力下，三甲基銦(TMIn)和三乙基鎵(TEGa)用做Ⅲ族材料。
在此條件中，連續(xù)地提供AsH3和PH3，同時(shí)間歇地提供TMIn和TEGa。此時(shí)，提供時(shí)間設(shè)為2秒鐘(對(duì)應(yīng)于1個(gè)原子層的生長時(shí)間)等待時(shí)間設(shè)為1秒鐘。因此，很大程度上提高了平整度。
同時(shí)，每個(gè)脈沖Ⅲ族材料提供量和平整度之間的關(guān)系表示在圖8中。這里，橫坐標(biāo)軸代表生長原子層(ML單層)數(shù)，同時(shí)縱坐標(biāo)代表不平整度。
由此，可以證實(shí)在1到5個(gè)原子之間的Ⅲ族材料提供量附近的平整度最出色，如圖8所示。
此外，生長等待時(shí)間和平整度之間的關(guān)系表示在圖9中。這里，使用Ⅲ族材料提供量作為參數(shù)，橫坐標(biāo)軸代表生長等待時(shí)間，同時(shí)縱坐標(biāo)代表不平整度。
由此，可以發(fā)現(xiàn)隨著等待時(shí)間變長，平整度提高。此外，在一秒鐘之前和之后效應(yīng)飽和。
如前面提到的，在晶體生長中間歇地提供源材料，其中使用MOVPE選擇生長法直接形成半導(dǎo)體光波導(dǎo)，如圖1所示。
混合物，例如砷化三氫(AsH3)和磷化氫(PH3)或有機(jī)Ⅴ族材料，例如(叔丁基砷化三氫)(TBAs)和(叔丁基磷化氫)(TBP)用做Ⅴ族材料，在600℃和700℃之間的生長溫度和30hPa和1000hPa之間的生長壓力下，有機(jī)金屬材料用做Ⅲ族材料，作為使用MOVPE選擇生長形成Ⅲ-Ⅴ化合物層的一個(gè)優(yōu)選例子。
在脈沖生長法中，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)于一個(gè)原子層連續(xù)地提供Ⅴ族材料，同時(shí)間歇地提供Ⅲ族材料。此時(shí)，等待時(shí)間(Ⅲ提供暫停時(shí)間)設(shè)為一秒鐘或更多。
由此，在本發(fā)明中間歇地提供材料。因此，在生長襯底表面上源材料種類的遷移被起動(dòng)。因此，可以實(shí)現(xiàn)平坦的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。(第一例)接下來，參考圖1A介紹本發(fā)明的第一個(gè)例子。
如圖1A所示，使用已知的熱化學(xué)汽相淀積(CVD)法在(100)n型InP襯底1上淀積100nm厚的SiO2膜，如圖1A所示。此后，在
方向內(nèi)構(gòu)圖距離為1.5μm的一對(duì)條形掩模2。
使用構(gòu)圖的襯底，通過MOVPE法選擇性生長InP/InGaAsP(帶隙波長1.29μm)的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
這里，在200hPa的生長壓力、0.60μm/h的生長速率和Ⅴ/Ⅲ之比例為200進(jìn)行生長。此外，使用脈沖模式進(jìn)行InGaAsP層的生長，如圖1B所示。此時(shí)，以2秒鐘的生長時(shí)間和1秒鐘的Ⅴ族等待時(shí)間的3秒鐘為一個(gè)周期進(jìn)行脈沖模式的生長。(第二例)接下來，參考圖3介紹本發(fā)明的第二個(gè)例子。
在第二個(gè)例子中，使用選擇性生長法形成應(yīng)變(strained)的多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)作為有源層。MQW結(jié)構(gòu)適用于掩埋的異質(zhì)(BH)型半導(dǎo)體激光器。
如圖3A所示，使用熱CVD法在(100)n型InP襯底101上淀積100nm厚的SiO2膜。此后，在
方向內(nèi)構(gòu)圖距離為1.5μm每個(gè)寬度為5μm的一對(duì)條形掩模102。
接下來，在1.5μm的空間區(qū)域選擇生長應(yīng)變的MQW結(jié)構(gòu)103，如圖3A所示。此時(shí)，層結(jié)構(gòu)由n型InP緩沖層(厚度100nm,n=1×1018cm-3)、包含具有O.7％壓縮變形的InGaAsP阱層和具有帶隙波長1.13μm成分的InGaAsP阻擋層構(gòu)成的六個(gè)周期的應(yīng)變的MQW結(jié)構(gòu)、以及p型InP層(厚度200nm,p=7×1017cm-3)構(gòu)成。
這里，在650℃的生長溫度、200hPa的生長壓力、0.60μm/h的生長速率和Ⅴ/Ⅲ之比例為200下進(jìn)行生長。
在此環(huán)境中，以2秒鐘的生長時(shí)間和1秒鐘的Ⅴ族等待時(shí)間的3秒鐘為一個(gè)周期進(jìn)行脈沖模式的生長。
此時(shí)，使用微面積光致發(fā)光(micro PL)測(cè)量評(píng)估應(yīng)變的MQW結(jié)構(gòu)。使用聚焦在1μm直徑的Ar激光束(波長514.5nm)作為激勵(lì)光源，結(jié)果PL峰值波長為1.31μm。
在圖4中表示PL光譜線寬與激勵(lì)光強(qiáng)度相關(guān)性。這里，應(yīng)該注意實(shí)線代表使用脈沖模式選擇生長形成的應(yīng)變的MQW結(jié)構(gòu)的測(cè)量結(jié)果。
與之相對(duì)比，虛線代表使用連續(xù)模式選擇生長形成的應(yīng)變的MQW結(jié)構(gòu)的測(cè)量結(jié)果。
在這兩種情況中，隨著激勵(lì)光強(qiáng)度增加，PL線寬也增加。該現(xiàn)象由已知的帶填充效應(yīng)和熱效應(yīng)引起。
這里，由脈沖模式選擇生長形成的DH結(jié)構(gòu)的PL光譜線寬在兩種激勵(lì)光強(qiáng)度中的5mev和10mev之間的范圍內(nèi)較窄。這一事實(shí)反映出InGaAsP的平整度，并意味著使用脈沖模式生長可以得到優(yōu)良的結(jié)晶性。
接下來，在應(yīng)變的MQW結(jié)構(gòu)的上表面上形成SiO2掩模104。此后，使用SiO2掩模104作為選擇生長掩模通過選擇生長嵌入電流阻擋層105、106和107，如圖3C所示。
此時(shí)，雖然形成p型InP層107以防止在再生長界面上形成pn結(jié)，但在本發(fā)明中不總需要。
最后，除掉SiO2掩模104，生長p型InP覆蓋層108和p+-InGaAsP帽蓋層109，如圖3D所示。
進(jìn)行電極形成工藝后，完成如圖3E所示的半導(dǎo)體激光器。
切割300μm長的該器件。此外，將反射膜涂敷其上。這里，反射膜分別在前端面為30％的反射指數(shù)在后端面為90％的反射指數(shù)。
在該條件下，評(píng)估由2英寸的晶片的整個(gè)表面得到的15,366個(gè)器件中的每一個(gè)的器件特性。由此，每個(gè)器件在室溫具有3.75mA的激光器振蕩閾值電流的平均值(標(biāo)準(zhǔn)偏差±0.12mA)和0.612W/A的斜率效率的平均值(標(biāo)準(zhǔn)偏差±0.022W/A)。
另一方面，器件在85℃的溫度下具有10.2mA的激光器振蕩閾值電流的平均值(標(biāo)準(zhǔn)偏差±0.75mA)和0.505W/A的斜率效率的平均值(標(biāo)準(zhǔn)偏差±0.041W/A)。(第三例)接下來，參考圖5介紹本發(fā)明的第三個(gè)例子。
在第三個(gè)例子中，本發(fā)明適用于已知的電場(chǎng)吸收型光學(xué)調(diào)制器。
在
方向內(nèi)以1.5μm的間隔在(100)n型InP襯底201上形成一對(duì)SiO2掩模202。這里，每個(gè)SiO2掩模202寬度為8μm。
隨后，使用MOVPE選擇生長在1.5μm的空間區(qū)域選擇生長多層結(jié)構(gòu)203，如圖3A所示。此時(shí)，層結(jié)構(gòu)由n型InP緩沖層(厚度100nm,n=1×1018cm-3)、包含具有0.45％壓縮變形的InGaAsP阱層(6nm厚)和具有帶隙波長1.20μm成分的InGaAsP阻擋層構(gòu)成的八個(gè)周期的應(yīng)變的MQW結(jié)構(gòu)、以及p型InP層(厚度100nm,p=7×1017cm-3)構(gòu)成。
此時(shí)，和以上的第一個(gè)例子一樣，應(yīng)變的MQW結(jié)構(gòu)使用脈沖模式選擇生長形成。
在該種情況中，使用微PL對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行晶體評(píng)估。由此，PL峰值波長為1.52μm。此外，PL光譜線寬為22mev具有很窄的值。在第三例中可以實(shí)現(xiàn)比第一例中的PL光譜線寬更窄的值。
下面介紹原因。
即，阱層的每一層中的載流子密度很低并且?guī)畛湫?yīng)很小，是由于MQW的周期很多(即，八層)。
接下來，去除部分SiO2掩模以將掩模開口寬度設(shè)為5μm，如圖5B所示。此后，選擇生長p型InP層覆蓋層204(150nm,p=1×1018cm-3)和p+InGaAsP帽蓋層205(300nm,p=6×1018cm-3)，如圖5B所示。
之后，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行電極形成工藝并切成200μm長的器件。最后，將非反射膜涂在兩個(gè)端面以得到圖5C所示的電場(chǎng)吸收型半導(dǎo)體光學(xué)調(diào)制器。這里，應(yīng)該注意非反射膜的反射指數(shù)為0.1％以下。
在該條件下，評(píng)估由2英寸的晶片的整個(gè)表面得到的27,684個(gè)器件中的每一個(gè)的器件特性。由此，每個(gè)器件具有對(duì)于1.552μm的波長的入射光束在1V的驅(qū)動(dòng)電壓下15.22dB的消光比例的平均值(標(biāo)準(zhǔn)偏差±0.95 dB)和對(duì)于1.552μm的波長的入射光束在2V的驅(qū)動(dòng)電壓下22.13dB的消光比例的平均值(標(biāo)準(zhǔn)偏差±1.53 dB)。
此外，對(duì)于介入損耗，器件為3.22dB的平均值(標(biāo)準(zhǔn)偏差±0.28dB)。
下面介紹原因。
即，由脈沖模式選擇生長形成的應(yīng)變的MQW結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的結(jié)晶性和極窄的PL光譜寬度。由此，即使當(dāng)應(yīng)變的MQW吸收層的帶隙波長(1.52μm)接近入射波長(1.552μm)以得到低壓下的大消光比例時(shí)，在零偏置下吸收損耗可以抑制得較低。
在以上的例子中，雖然使用SiO2膜作為生長阻擋掩模，但也可以使用其它種類的膜例如其它的硅氧化膜和氮化硅膜。
權(quán)利要求
1．一種制造光學(xué)半導(dǎo)體器件的方法，該器件具有半導(dǎo)體襯底，包括步驟通過使用包括源材料的選擇性金屬有機(jī)物汽相外延，將半導(dǎo)體層形成的光波導(dǎo)形成在所述半導(dǎo)體襯底上，在選擇性金屬有機(jī)物汽相外延中間歇地提供源材料。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中源材料以類脈沖形狀提供，類脈沖形狀具有多個(gè)脈沖和脈沖暫停間隔。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述半導(dǎo)體層由Ⅲ-V族化合物層形成。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中源材料包括Ⅲ族材料和V族材料，以及在選擇性金屬有機(jī)物汽相外延中連續(xù)地提供V族材料同時(shí)間歇地提供Ⅲ族材料。
5．根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中通過使用每個(gè)脈沖在1和5個(gè)原子層之間的類脈沖形狀提供Ⅲ族材料。
6．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中脈沖暫停間隔為一秒或更多。
7．一種制造光學(xué)半導(dǎo)體器件的方法，該器件具有半導(dǎo)體襯底，包括步驟通過使用包括源材料的選擇性金屬有機(jī)物汽相外延，將半導(dǎo)體層形成的光波導(dǎo)形成在所述半導(dǎo)體襯底上，所述半導(dǎo)體層具有InP層和InGaAsP層，在選擇性金屬有機(jī)物汽相外延中間歇地提供源材料，以便僅形成InGaAsP層。
8．根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中源材料以類脈沖形狀提供，類脈沖形狀具有多個(gè)脈沖和脈沖暫停間隔。
9．根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中源材料包括Ⅲ族材料和Ⅴ族材料，以及在選擇性金屬有機(jī)物汽相外延中連續(xù)地提供Ⅴ族材料同時(shí)間歇地提供Ⅲ族材料。
10．根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中通過使用每個(gè)脈沖在1和5個(gè)原子層之間的類脈沖形狀提供Ⅲ族材料。
11．根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中脈沖暫停間隔為一秒或更多。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中Ⅲ族材料包括具有一個(gè)預(yù)定遷移長度的Ga材料，在脈沖暫停間隔期間，InGaAsP層上的遷移長度增加。
13．根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中增加遷移長度以得到InGaAsP層上的平坦表面。
全文摘要
在制造具有半導(dǎo)體襯底的光學(xué)半導(dǎo)體器件的方法中,通過使用包括源材料的選擇性金屬有機(jī)物汽相外延,將半導(dǎo)體層形成的光波導(dǎo)形成在所述半導(dǎo)體襯底上。在選擇性金屬有機(jī)物汽相外延中間歇地提供源材料。
文檔編號(hào)B82Y20/00GK1213197SQ9812005
公開日1999年4月7日 申請(qǐng)日期1998年9月28日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月30日
發(fā)明者阪田康隆 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社