JPH03238813A - エピタキシャル成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、エピタキシャル成長方法に関し、例えば半導
体レーザーの製造に適用して好適なものである。

〔発明の概要〕

本発明は、エピタキシャル成長方法において、半導体基
板上に威長可面と成長不可面とを有する段差部を形成し
、半導体層のエピタキシャル成長を行うようにすること
によって、成長時にマスクを用いることなく半導体層の
選択成長を行うこと〔従来の技術〕 エピタキシャル成長技術は、半導体デバイスや半導体レ
ーザーなどの製造に用いられている結晶成長技術である
。従来、このエピタキシャル成長は、半導体基板全面に
結晶成長を行うものであった。このことは、第１１図に
示すように表面にステップが形成された半導体基板１０
１上に半導体層１０２のエピタキシャル成長を行う場合
や、第１２図に示すようにストライプ状のパターン１０
１ａが形成された半導体基板１０１上に半導体層１０２
のエピタキシャル成長を行う場合も変わりない。

このように半導体層１０２が全面成長した半導体基板１
０１を用いて半導体デバイスなどを製造する場合には、
エピタキシャル成長後に素子間分離などのプロセスが必
要であるばかりでなく、素子間分離のプロセスで半導体
層１０２に損傷が生じるなどの問題がある。

一方、全面成長ではなく、選択成長を行う例としては、
第１３図に示すように、半導体基板１０１上にマスク１
０３を形成し、このマスク１０３の開口１０３ａの部分
に露出した半導体基板１０１上に半導体層１０２を選択
成長させるものがある。ここで、マスク１０３としては
、例えば窒化シリコン（５ｉｓＮａ　）膜により形成し
たものが用いられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述のように、従来のエピタキシャル成長においては全
面成長を行うのが通常であり、選択成長を行う場合には
成長時にマスク１０３を用いなければならなかった。

本発明の目的は、成長時にマスクを用いることなく半導
体層の選択成長を行うことができるエピタキシャル成長
方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は、エピタキシャル
成長方法において、半導体基板（１）上に成長可面と成
長不可面とを有する段差部（１ａ。

１５）を形成し、半導体層（２）のエピタキシャル成長
を行うようにしている。

ここで、段差部（１ａ、　　１５）は、半導体基板（１
）自身をパターンニングすることにより形成されたもの
でも、この半導体基板（１）上に半導体層を形成してこ
れをパターンニングすることにより形成されたものでも
よい。

また、成長不可面とは、その上で半導体層（２）の成長
が全く起きない面のほか、半導体層（２）の成長は起き
るがその成長厚さが極めて小さい面も含むものである。

〔作用〕

上述のように構成された本発明のエピタキシャル成長方
法によれば、エピタキシャル成長を行った場合、半導体
基板（１）上に形成された段差部（１ａ、　　Ｉ　５）
の成長可面ではエピタキシャル成長が起きるが、成長不
可面ではエピタキシャル成長が全く起きないか、仮に起
きたとしてもその成長厚さは極めて小さい。これによっ
て、半導体基板（１）上に形成された段差部（１ａ、　
　１５）の成長可面に半導体層（２）を選択成長させる
ことができる。この場合、この選択成長にあたって、半
導体基板（１）上にマスクを形成する必要はない。

以上により、成長時にマスクを用いることなく半導体層
の選択成長を行うことができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明
する。なお、実施例の全図において、同一の部分には同
一の符号を付す。

第１図Ａ及び第１図Ｂは本発明の第１実施例を示す。

この第１実施例においては、第１図Ａに示すように、ま
ず例えば（１１３）面方位でその表面が（１１３）Ｂ面
（ヒ素（Ａｓ）面）である半絶縁性ヒ化ガリウム（Ｇａ
Ａｓ　）基板１を例えば反応性イオンエツチング（ＲＩ
Ｅ）によりパターンニングしてストライブ状のパターン
ｌａを形成する。このストライプ状のパターン１ａの長
手方向は〈１１０〉方向となるようにする。この場合、
このストライブ状のパターン１ａの第１図Ａ中左側及び
右側の側面はそれぞれ（１１１）Ａ面（ガリウム（Ｇａ
　）面）及び（１１１）　Ｂ面である。

次に、メチル系の原料を用いた有機金属化学気相成長（
ＭＯＣＶＤ）法により半導体のエピタキシャル成長を行
う。例えば、ＡｌＧａＡｓ　（ＡＩ　ニアルミニウム）
やＧａＡｓなとのエピタキシャル成長を行う場合のメチ
ル系原料の例を挙げると、ＡＩの原料としてＴＭＡ（）
リメチルアルミニウム、（ＣＨ３）３Ａｌ）　、Ｇａの
原料としてＴＭＧ　（）リメチルガリウム、（ＣＨｓ）
ｓＧａ）を用いる。また、Ａｓの原料としては例えばＡ
ＳＨ３（アルシン）を用いる。このメチル系の原料を用
いたＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長により、第
１図Ｂに示すように、ストライプ状のパターン１ａの（
１１１）Ａ面である図中左側の側面ではエピタキシャル
成長が起きるが、ストライプ状のパーターン１ａの（１
１，１）Ｂ面である図中右側の側面ではエピタキシャル
成長は起きない。すなわち、ストライプ状のパターン１
ａの（１１１）Ａ面である第２図中右側の側面は成長回
頭であり、この成長回頭には半導体層２が成長するが、
ストライプ状のパターン１ａの（１１１）　Ｂ面である
第２図中右側の側面は成長不可面であり、この成長不可
面には半導体層２は成長しない。なお、この場合、スト
ライプ状のパターン１ａの上面にも半導体層２が成長す
るが、このパターン１ａの上面での半導体層２の成長は
、その断面形状で見て三角形の頂点が形成された時点で
自動的に停止する。

このように、この第１実施例によれば、半絶縁性ＧａＡ
ｓ基板１上にその一方の側面が成長回頭で他方の側面が
成長不可面であるストライプ状のパターン１ａを形成し
、その後にメチル系の原料を用いたＭＯＣＶＤ法により
エピタキシャル成長を行っているので、成長時にマスク
を用いることなく、ストライプ状のパターン１ａの成長
回頭である一方の側面に半導体層２を選択成長させるこ
とができる。

第２図は本発明の第２実施例を示す。

第２図に示すように、この第２実施例においては、例え
ば（１１０）面方位の半絶縁性ＧａＡｓ基板ｌを用い、
第１実施例で述べたと同様にしてこの半絶縁性ＧａＡｓ
基板１を例えばＲＩＥによりパターンニングしてストラ
イプ状のパターン１ａを形成する。この場合、このスト
ライプ状のパターン１ａの第２図中左側の側面は成長回
頭である（１１１）Ａ面であり、ストライプ状のパター
ン１ａの第２図中右側の側面は成長不可面である（１１
１）Ｂ面である。この後、メチル系の原料を用いたＭＯ
ＣＶＤ法により例えばＡｌＧａＡｓやＧａＡｓなどの半
導体のエピタキシャル成長を行う。これによって、スト
ライプ状のパターン１ａの成長回頭である第２図中左側
の側面に半導体層２が選択成長する。

このように、この第２実施例によれば、（１１０）面方
位の半絶縁性ＧａＡｓ基板１を用いた場合において、第
１実施例と同様に、成長時にマスクを用いることなく、
ストライプ状のパターンｌａの成長回頭である一方の側
面に半導体層２を選択成長させることができる。

成長時にマスクを用いることなく選択成長を行うことが
できる上述の第１実施例及び第２実施例によるエピタキ
シャル成長法は、例えば半導体レーザーの製造に適用す
ることができる。この場合には、ストライプ状のパター
ン１ａの成長回頭である一方の側面にクラッド層や活性
層などを順次積層させることにより、この側面にレーザ
ー構造を形成することができる。さらに、例えばストラ
イプ状のパターン１ａの部分にＦＥＴなどの半導体素子
をあらかじめ形成しておき、その後に上述と同様にこの
パターンｌａの側面にクラッド層や活性層などを選択成
長させてレーザー構造を形成することにより、光電子集
積回路（ＯＥＩＣ）などを実現することもできる。

第３図は本発明の第３実施例を示す。

第３図に示すように、この第３実施例においては、例え
ば第２実施例で用いたものと同様な、ストライプ状のパ
ターンｌａが形成された（１１０）面方位の半絶縁性Ｇ
ａＡｓ基板１上に、例えばまずメチル系の原料を用いた
ＭＯＣＶＤ法により半導体層３をエピタキシャル成長さ
せる０次に、エチル系の原料を用いたＭＯＣＶＤ法によ
り半導体層４をエピタキシャル成長させる。次に、再び
メチル系の原料を用いたＭＯＣＶＤ法により半導体層５
及び半導体層６をエピタキシャル成長させる。この後、
エチル系の原料を用いたＭＯＣＶＤ法により半導体層７
をエピタキシャル成長させる。これらの半導体層３，４
，５，６．７は、例えばＡｌＧａＡｓ層やＧａＡｓ層な
どである。この場合、上述のメチル系の原料を用いたＭ
ＯＣＶＤでは、ストライプ状のパターン１ａの成長回頭
である第３図中左側の側面ではエピタキシャル成長が起
きるが、ストライプ状のパターン１ａの成長不可面であ
る第３図中右側の側面ではエピタキシャル成長が起きな
い。このため、上述の半導体層３．５．６は、ストライ
プ状のパターンｌａの成長回頭である第３図中左側の側
面に選択成長する。一方、エチル系の原料を用いたＭＯ
ＣＶＤでは、ストライプ状のパターン１ａの第３図中右
側の側面を含めた全面にエピタキシャル成長が起き、従
って半導体層４゜７は全面に成長する。

このように、この第３実施例によれば、ＭＯＣＶＤの原
料としてメチル系の原料とエチル系の原料とを使い分け
ることにより、ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長
だけで、しかも成長時にマスクを用いることなく、スト
ライプ状のパターン１ａの成長回頭である第３図中左側
の側面には半導体層３，４，５．６．７が積層された構
造を形成するとともに、ストライプ状のパターンｌａの
第３図中右側の側面には半導体層４．７だけが積層され
た構造を形成することができる。すなわち、ストライプ
状のパターン１ａの両側面に異なった積層構造を形成す
ることができる。

第４図は本発明の第４実施例を示す。

第４図に示すように、この第４実施例においては、例え
ば第２実施例で用いたものと同様な、ストライプ状のパ
ターン１ａが形成され？−（１１０）面方位の半絶縁性
ＧａＡｓ基板１上に、メチル系の原料を用いたＭＯＣＶ
Ｄ法によるエピタキシャル成長とエチル系の原料を用い
たＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長とを交互に行
うことにより、ｐ型の半導体層８、ｎ型の半導体層９、
ｐ型の半導体層１Ｏ１ｎ型の半導体層１１、ｐ型の半導
体層１２及びｎ型の半導体層１３を順次エピタキシャル
成長させる。ここで、ｐ型の半導体層８，１０．１２は
メチル系の原料を用いたＭＯＣＶＤ法により成長された
ものであり、ｎ型の半導体層９゜１１．１３はエチル系
の原料を用いたＭＯＣＶＤ法により成長されたものであ
る。この場合、メチル系の原料を用いたＭＯＣＶＤ法に
より成長されたｐ型の半導体層８，１０．１２は、スト
ライプ状のパターン１ａの成長回頭である第４図中左側
の側面に選択成長する。一方、エチル系の原料を用いた
ＭＯＣＶＤ法により成長されたｎ型の半導体層９，１１
．１３は、ストライプ状のパターンｌａの成長不可面で
ある第４図中右側の側面を含めた全面に成長する。

この第４実施例によれば、ＭＯＣＶＤの原料としてメチ
ル系の原料とエチル系の原料とを使い分けることにより
、ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長だけで、しか
も成長時にマスクを用いることなく、ストライプ状のパ
ターン１ａの第４図中左側の側面にｐ型の半導体層８、
ｎ型の半導体層９、ｐ型の半導体層１０、ｎ型の半導体
層１１、ｐ型の半導体層１２及びｎ型の半導体層１３が
交互に積層されたｐｎｐｎｐｎ構造を形成するとともに
、ストライプ状のパターン１ａの第４図中右側の側面に
はｎ型の半導体層９，１１．１３だけが積層された構造
を形成することができる。

ところで、近年、面発光型レーザーの研究が活発に行わ
れている（例えば、電子情報通信学会論文誌　ＣＶｏｌ
、　Ｊ７１−　ＣＮｏ、９　　ｐｐ、１２６７−１２７
３１９８８年９月）、シかし、この面発光型レーザーは
、レーザー構造を形成するためのエピタキシャル成長後
のプロセスが複雑であるばかりでなく、このエピタキシ
ャル成長後に機械研磨などによる基板のラッピングが行
われるため、活性層などに損傷が生じるおそれがある。

さらに、この従来の面発光型レーザーにおいては、レー
ザー光が出力される面と電極が形成された面とがいずれ
も基板表面と平行であり、しかもこの電極はレーザー光
が出力される面のすぐ隣に形成されていることから、例
えばこの面発光型レーザーをアレイ状に多数配置したレ
ーザーアレイなどを製造する場合には不利である。そこ
で、次にこのような問題を解決することができる実施例
について説明する。

第５図Ａ及び第５図Ｂは本発明の第５実施例を示す。こ
の第５実施例は、本発明をＧａＡｓ層　ＡｌＧａＡｓダ
ブルへテロ接合構造の面発光型レーザーの製造に通用し
た実施例である。

この第５実施例においては、第５図Ａに示すように、ま
ず例えば第２実施例で用いたものと同様な（１１０）面
方位の半絶縁性ＧａＡｓ基板１を用い、この半絶縁性Ｇ
ａＡｓ基板１上に例えばノンドープ超格子から成るブラ
ングリフレクタ−１４及び例えばｎ型ＧａＡｓ１ｉ　１
５を順次成長させた後、このｎ型ＧａＡｓ層１５を例え
ばＲＩＨによりストライプ状にパターンニングする。こ
のようにして形成されたストライプ状のｎ型ＧａＡｓ層
１５の長手方向は〈１１２〉方向となるようにする。こ
の場合、このストライプ状のｎ型ＧａＡｓＪｉ　１５の
第５図Ａ中左側及び右側の側面はそれぞれ（１１１）Ａ
面及び（１１１）Ｂ面である。なお、ブラッグリフレク
タ−１４の厚さは例えば数千人程度である。

次に、第５図Ｂに示すように、メチル系の原料を用いた
ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長により、ｎ型Ａ
ｌＧａＡｓ層１６、ｎ型ＧａＡｓ層１７、ｐ型Ａ］Ｇａ
Ａｓ層１８、ｎ型ＧａＡｓ層１９及びノンドープ超格子
から成るブラッグリフレクタ−２０を順次成長させる。

この場合、ストライプ状のｎ型ＧａＡｓ層１５の成長回
頭である第５図Ｂ中左側の側面にこれらのｎ型ＡｌＧａ
Ａｓ層１６、ｎ型ＧａＡｓ層１７、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ層
１８、ｎ型ＧａＡｓ層１９及びノンドープ超格子から成
るブラッグリフレクタ−２０が選択成長する。一方、ス
トライプ状のｎ型ＧａＡｓ層１５の成長不可面である第
５図Ｂ中右側の側面にはこれらのｎ型ＡｌＧａＡｓ層１
６、ｐ型ＧａＡｓｌｌ１１７、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１８
、ｎ型ＧａＡｓ層１９及びブラッグリフレクタ−２０は
成長しない。この後、例えば斜め蒸着法などにより電極
２１．２２を形成して、目的とするＧａＡｓ／ＡｌＧａ
Ａｓダブルへテロ接合構造の面発光型レーザーを°完成
させる。

このようにして製造されたにａＡｓ／　ＡｌＧａＡｓダ
ブルへテロ接合構造の面発光型レーザーにおいては、ｎ
型ＡＩＧａＡｓＪｉ　１６及びＰ型ＡｌＧａＡｓ層１８
がクラッド層を形成し、それらの間にはさまれたｐ型Ｇ
ａＡｓ層７が活性層を形成する。そして、電極２１，２
２間にしきい（Ｉ！電流以上の順方向電流を流すことに
よりレーザー発振が起き、レーザー光が出力される。こ
の場合、活性層を形成するｐ型ＧａＡｓ層７の上下のブ
ラングリフレクタ−２０，１４が鏡面となり、従ってレ
ーザー光の出力方向は矢印で示すように基板表面に垂直
な方向となる。

このように、この第５実施例によれば、半絶縁性ＧａＡ
ｓ基板１上にその一方の側面が成長回頭であり、他方の
側面が成長不可面であるストライプ状のｎ型ＧａＡｓ層
１５を形成し、その後にメチル系の原料を用いたＭＯＣ
ＶＤ法によりレーザー構造を形成するためのエピタキシ
ャル成長を行っているので、成長時にマスクを用いるこ
となく、ストライプ状のｎ型ＧａＡｓ層１５の成長回頭
である一方の側面にｎ型ＡｌＧａＡｓ層１６、ｎ型Ｇａ
Ａｓ層１７、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１８及びＰ型ＧａＡｓ
層１９を選択成長させることができる。そして、これに
よって、このストライプ状のｎ型ＧａＡｓ層１５の成長
回頭である一方の側面に面発光型レーザーを形成するこ
とができる。この場合、レーザー構造を形成するための
エピタキシャル成長後のプロセスは電極２１，２２０形
威プロセスなどだけであり、極めて簡単である。また、
この面発光型レーザーにおいては、レーザー光が出力さ
れる面と電極２１．２２が形成された面とは互いにほぼ
直角であるので、この面発光型レーザーを用いたレーザ
ーアレイなどを製造する場合に有利である。

また、この第５実施例によれば、レーザーの共振器長は
ほぼｎ型ＧａＡｓ層１５の厚さに等しくなるが、このｎ
型ＧａＡｓ層１５の厚さはそのエピタキシャル成長時に
容易に制御することができるから、レーザーの共振器長
を所望の寸法に容易に設定することができる。そして、
これによりこの共振器長を例えば５０００人程度もしく
はそれ以下の寸法とすることができる。また、電流狭窄
幅もこのｎ型ＧａＡｓ層１５の厚さにより決定されるか
ら、この電流狭窄幅も共振器長と同様に５０００Ａ程度
もしくはそれ以下の寸法とすることができる。すなわち
、この第５実施例においては、共振器長も電流狭窄幅も
、レーザー構造を形成するためのエピタキシャル成長を
行うと同時に決定することができる。

また、この第５実施例によれば、レーザー構造を形成す
るためのエピタキシャル成長後に半絶縁性ＧａＡｓ基板
１を機械研磨などによりう・ンビングする必要がなく、
従って活性層などに損傷が生じるおそれがない。

さらに、この第５実施例による面発光型レーザーをアレ
イ状に多数配置したレーザーアレイを製造する場合には
、各面発光型レーザーは自動的に分離して形成されるの
で、レーザー構造を形威するためのエピタキシャル成長
後に素子間分離を行う必要がなく、従ってこの素子間分
離のプロセスで活性層などの損傷が生じる問題もない。

また、このレーザーアレイを製造する場合、従来はレー
ザー構造を形威するためのエピタキシャル成長後にＲＩ
Ｅなどによりレーザーアレイのパターンを形成する必要
があったが、例えば上述の半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に
レーザーアレイのパターンに対応したｎ型ＧａＡｓ層１
５のパターンをあらかじめ形威しておき、その後に上述
の第５実施例と同様にしてレーザー構造を形威するため
のエピタキシャル成長を行うことにより、レーザーアレ
イのパターンを形成するために従来必要であったＲＩＥ
は不要となる。従って、このＲｒＥによる損傷が生じる
おそれもない。

上述の第５実施例においては、（１１０）面方位の半絶
縁性ＧａＡｓ基ｆ！１上にく１ｘ２＞方向に延びるスト
ライブ状のｎ型ＧａＡｓ層１５を形成したものをエピタ
キシャル成長の基板として用いたが、面方位は第６図に
示すような関係にあることから、例えば第７図に示すよ
うな形状のｎ型ＧａＡｓ層１５のパターンが形威された
半絶縁性ＧａＡｓ基板１をエピタキシャル成長の基板と
して用いることもできる。

また、例えば第８図に示すようなｎ型ＧａＡｓＪｉ１５
のパターンが形威された半絶縁性ＧａＡｓ基板１をエピ
タキシャル成長の基板として用いた場合には、エピタキ
シャル成長は半絶縁性ＧａＡｓ基板ｌの中心部に向かっ
て進行する。さらに、第９図に示すようなｎ型ＧａＡｓ
層１５のパターンが形威された半絶縁性ＧａＡｓ基板１
をエピタキシャル成長の基板として用いた場合には、エ
ピタキシャル成長は半絶縁性ＧａＡｓ基板１の周辺部に
向かって進行する。さらにまた、第１０図に示すような
形状のｎ型ＧａＡｓ層１５のパターンが形威された半絶
縁性ＧａＡｓ基板ｌをエピタキシャル成長の基板として
用いた場合には、第８図に示す成長と第９図に示す成長
とを組み合わせた成長を行うことができる。これらの例
のように、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上のｎ型ＧａＡｓ層
１５のパターンの選び方によってエピタキシャル成長が
起きる場所や形状などの制御を行うことができるので、
例えばレーザーアレイなどを製造する場合に有利である
。

以上、本発明の実施例につき具体的に説明したが、本発
明は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明
の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

例えば、上述の第１実施例においては、その表面が（１
１３）Ｂ面である半絶縁性ＧａＡｓ基板ｌを用いた場合
について説明したが、例えばその表面が（１１２）Ｂ面
、（エエ５）Ｂ面、（１１７）Ｂ面、（１１９）Ｂ面な
どである半絶縁性ＧａＡｓ基板ｌを用いることも可能で
ある。また、半絶縁性ＧａＡｓ基板工以外の他の半導体
基板を用いることも可能である。さらに、上述の第４実
施例または第５実施例における各半導体層の導電型が逆
の場合にも本発明の適用が可能である。

また、上述の第５実施例においては、ＧａＡｓ／ＡｌＧ
ａＡｓダブルへテロ接合構造の面発光型レーザーの製造
に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は
、他の半導体へテロ接合を用いた面発光型レーザーの製
造に適用することも可能であることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、半導体基板上に成
長回頭と成長不可面とを有する段差部を形威し、半導体
層のエピタキシャル成長を行うようにしているので、成
長時にマスクを用いることなく半導体層の選択成長を行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ及び第１図Ｂは本発明の第１実施例を説明する
ための断面図、第２図は本発明の第２実施例を説明する
ための断面図、第３図は本発明の第３実施例を説明する
ための断面図、第４図は本発明の第４実施例を説明する
ための断面図、第５図Ａ及び第５図Ｂは本発明の第５実
施例を説明するための断面図、第６図は面方位の関係を
示す図、第７図、第８図、第９図及び第１０図はそれぞ
れ異なるパターンが形成された基板を用いた場合のエピ
タキシャル成長の例を説明するための説明図、第１１図
、第１２図及び第１３図はそれぞれ従来のエピタキシャ
ル威長方法を説明するための断面図である。 図面における主要な符号の説明 １：半絶縁性ＧａＡｓ基板、　　１ａニスドライブ状の
パターン、　　１４，２０ニブラッグリフレクタ−１５
＝ストライプ状のｎ型ＧａＡｓ層、　　１６：ｎ型Ａ］
ＧａＡｓ層、　　１７：ｐ型ＧａＡｓ層、　　１８：ｐ
型ＡｔＧａＡｓ層、　　１９：ｐ型ＧａＡｓ層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板上に成長可面と成長不可面とを有する段差部
   を形成し、半導体層のエピタキシャル成長を行うように
   したことを特徴とするエピタキシャル成長方法。