導波路型フォトダイオードの製造方法
【課題】素子抵抗の大きさのばらつきを抑制することが可能な導波路型フォトダイオードの製造方法を提供する。
【解決手段】導波路型フォトダイオードの製造方法は、半導体積層２３に第１方向に沿って延びるメサ部３１を形成するメサ部形成工程と、一対の光導波路部４１、５１を形成することにより半導体構造物５３を得る光導波路部形成工程と、第１方向と直交する第２方向に沿って延びる第２マスク６７を用いて、下部コンタクト層５が露出するようにメサ部３１をエッチングすると共に、一対の光導波路部４１、５１をエッチングする半導体構造物エッチング工程とを備える。半導体構造物エッチング工程においては、下部コンタクト層５をエッチングストップ層としてメサ部３１及び一対の光導波路部４１、５１をエッチングする。
【解決手段】導波路型フォトダイオードの製造方法は、半導体積層２３に第１方向に沿って延びるメサ部３１を形成するメサ部形成工程と、一対の光導波路部４１、５１を形成することにより半導体構造物５３を得る光導波路部形成工程と、第１方向と直交する第２方向に沿って延びる第２マスク６７を用いて、下部コンタクト層５が露出するようにメサ部３１をエッチングすると共に、一対の光導波路部４１、５１をエッチングする半導体構造物エッチング工程とを備える。半導体構造物エッチング工程においては、下部コンタクト層５をエッチングストップ層としてメサ部３１及び一対の光導波路部４１、５１をエッチングする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路型フォトダイオードの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、導波路型フォトダイオード及びその製造方法が記載されている。この製造方法においては、フォトダイオード部を形成した後に、Butt-Jointプロセスによりフォトダイオード部の光軸方向の両端部に光導波路部を形成する。続いて、フォトダイオード部と光導波路部をエッチングして、光軸方向に沿って延びるメサを形成する。そして、当該メサの両側面を半絶縁性半導体により埋め込む。
【０００３】
当該製造方法によれば、へき開を行わなくてもフォトダイオード部の積層方向と垂直な断面積を小さくすることができるため、フォトダイオード部の静電容量を低下させて高速動作を可能とするために当該断面積を小さくしても、当該断面積のばらつきを低減させること、及び、これにより、フォトダイオード部の受光特性のばらつきを低減させることが可能であることが、記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１２７３３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載の導波路型フォトダイオードの製造方法においては、半絶縁性基板が用いられ、半絶縁性基板の主面上にフォトダイオード部の下部電極を形成している。これにより、導電性基板を用いて、その裏面に下部電極を形成した導波路型フォトダイオードと比較して、フォトダイオードの部の静電容量を低下させることができる。その結果、高速動作が可能な導波路型フォトダイオードが得られる。
【０００６】
このような導波路型フォトダイオードを製造する際には、まず、半絶縁性半導体基板の主面上にフォトダイオード部を形成した後に、Butt-Jointプロセスによりフォトダイオード部の光軸方向の両端部に光導波路部を形成する。続いて、フォトダイオード部と光導波路部とを一括してエッチングして、光軸方向に沿って延びるメサを形成する。このエッチングは、フォトダイオード部内のコンタクト層の表面を露出させるように行う。その後、当該コンタクト層の表面に下部電極を形成することにより、半絶縁性基板の主面上にフォトダイオード部の下部電極を形成することができる。
【０００７】
しかしながら、上述のような導波路型フォトダイオードの製造方法においては、フォトダイオード部と光導波路部とを一括してエッチングしてメサを形成する工程においてフォトダイオード部のコンタクト層を露出させる必要があるため、当該コンタクト層の厚さ（残厚）を所望の厚さに制御することが困難な場合がある。そのため、コンタクト層の厚さ（残厚）がばらついてしまう場合がある。このようにコンタクト層の厚さがばらつくと、得られる導波路型フォトダイオードの素子抵抗の大きさがばらついてしまうため、導波路型フォトダイオードの特性がばらついてしまう。
【０００８】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、素子抵抗の大きさのばらつきを抑制することが可能な導波路型フォトダイオードの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解決するため、本発明に係る導波路型フォトダイオードの製造方法は、半導体基板の主面上に、ｐ型ＡｌＩｎＡｓからなるコンタクト層と、ｉ型ＧａＩｎＡｓからなる吸収層と、ｎ型ＩｎＰからなるクラッド層と、をこの順に堆積することにより、ｐｉｎ型フォトダイオード部のｐｉｎ構造を有する半導体積層を形成する半導体積層形成工程と、半導体基板の主面における第１方向に沿って延びる第１マスクを半導体積層上に形成し、半導体積層の第１マスクによって覆われていない領域のコンタクト層が除去されるように半導体積層をエッチングすることにより、半導体積層に第１方向に沿って延びるストライプ状のメサ部を形成するメサ部形成工程と、メサ部の両側面と接するように半導体材料からなる一対の光導波路部を形成することにより、当該一対の光導波路部とメサ部とを含む半導体構造物を得る光導波路部形成工程と、半導体基板の主面における第１方向と直交する第２方向に沿って延びると共に一対の光導波路部の各々の一部及びメサ部の一部を覆う第２マスクを半導体構造物上に形成する第２マスク形成工程と、第２マスクを用いて、コンタクト層をエッチングストップ層としてメサ部及び一対の光導波路部をエッチングすることにより、コンタクト層を露出させると共に、一対の光導波路部を第２方向に沿って延びるストライプ状に加工する半導体構造物エッチング工程と、メサ部のクラッド層上にカソード電極を形成し、コンタクト層のうち、半導体構造物エッチング工程において露出した領域上にアノード電極を形成する、電極形成工程と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る導波路型フォトダイオードの製造方法においては、半導体構造物エッチング工程におけるメサ部及び一対の光導波路部のエッチングは、上記コンタクト層をエッチングストップ層として用いて行われる。これにより、当該コンタクト層の厚さ（残厚）を所望の厚さに制御し易くなるため、当該コンタクト層の厚さ（残厚）のばらつきを抑制することができる。その結果、本発明に係る導波路型フォトダイオードの製造方法によれば、得られる導波路型フォトダイオードの素子抵抗の大きさのばらつきを抑制することができる。
【００１１】
さらに、本発明に係る導波路型フォトダイオードの製造方法においては、半導体積層形成工程において、ｉ型ＧａＩｎＡｓＰからなる第１介在層をさらに堆積し、半導体積層において、第１介在層は前記コンタクト層と吸収層との間に設けられており、第１介在層のバンドギャップは、コンタクト層のバンドギャップよりも小さく、かつ、吸収層のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。
【００１２】
これにより、価電子帯の上端のエネルギーレベルは、吸収層の当該エネルギーレベル、第１介在層の当該エネルギーレベル、及び、下部コンタクト層の当該エネルギーレベルの順に、段階的に減少することになる。そのため、第１介在層が存在しない場合と比較して、導波路型フォトダイオードに逆バイアスが印加されると、吸収層で生じたホールはコンタクト層に移動し易くなる。その結果、導波路型フォトダイオードの動作周波数帯域（高速性）が向上する。
【００１３】
さらに、本発明に係る導波路型フォトダイオードの製造方法においては、半導体積層形成工程において、ｉ型ＧａＩｎＡｓＰからなる第２介在層をさらに堆積し、半導体積層において、第２介在層は第１介在層と吸収層との間に設けられており、第２介在層のバンドギャップは、第１介在層のバンドギャップよりも小さく、かつ、吸収層のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。
【００１４】
これにより、価電子帯の上端のエネルギーレベルは、吸収層１１の当該エネルギーレベル、第２介在層の当該エネルギーレベル、第１介在層の当該エネルギーレベル、及び、下部コンタクト層５の当該エネルギーレベルの順に、段階的に減少することになる。そのため、第２介在層が存在しない場合と比較して、導波路型フォトダイオードに逆バイアスが印加されると、吸収層で生じたホールはコンタクト層にさらに移動し易くなる。その結果、導波路型フォトダイオードの動作周波数帯域（高速性）がさらに向上する。
【００１５】
さらに、本発明に係る導波路型フォトダイオードの製造方法では、半導体構造物エッチング工程においては、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法によって、メサ部及び一対の光導波路部をエッチングすることが好ましい。
【００１６】
これにより、半導体構造物エッチング工程におけるメサ部及び一対の光導波路部のエッチングの際、コンタクト層のエッチングレートを、他の層のエッチングレートよりも特に小さくすることができる。そのため、コンタクト層の厚さ（残厚）を所望の厚さに特に制御し易くなるため、当該コンタクト層の厚さ（残厚）のばらつきを特に抑制することができる。その結果、得られる導波路型フォトダイオードの素子抵抗の大きさのばらつきを特に抑制することができる。
【００１７】
さらに、本発明に係る導波路型フォトダイオードの製造方法では、光導波路部形成工程においては、第１マスクを選択成長マスクとして用いて一対の光導波路部を成長させ、当該製造方法は、光導波路部形成工程と第２マスク形成工程との間に、メサ部及び一対の光導波路部を覆うように、半導体材料からなるキャップ層を形成するキャップ層形成工程をさらに備えることが好ましい。
【００１８】
これにより、光導波路部形成工程においては、第１マスクを選択成長マスクとして用いて一対の光導波路部を成長させるため、メサ部の両側面と接するように一対の光導波路部を形成することが容易となる。そして、光導波路部形成工程後において、一対の光導波路とメサ部との間に生じた窪みによって半導体構造物の表面の平坦性が悪くなった場合であっても、キャップ層によって平坦性を改善することができる。その結果、半導体構造物の表面の平坦性の悪さに起因して後の工程において不具合が生じることを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、素子抵抗の大きさのばらつきを抑制することが可能な導波路型フォトダイオードの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】半導体積層堆積工程を説明するための斜視図である。
【図２】バッファー層からクラッド層までの各層のエネルギーバンド構造を示す図である。
【図３】メサ部形成工程を説明するための斜視図である。
【図４】メサ部形成工程を説明するための斜視図である。
【図５】光導波路部形成工程を説明するための斜視図である。
【図６】キャップ層形成工程を説明するための斜視図である。
【図７】第２マスク形成工程を説明するための斜視図である。
【図８】半導体構造物エッチング工程を説明するための斜視図である。
【図９】半導体構造物エッチング工程を説明するための斜視図である。
【図１０】選択比のバイアスパワー依存性の実験結果を示す図である。
【図１１】埋め込み部形成工程を説明するための斜視図である。
【図１２】埋め込み部形成工程を説明するための斜視図である。
【図１３】電極形成工程を説明するための斜視図である。
【図１４】電極形成工程を説明するための部分切断斜視図である。
【図１５】電極形成工程を説明するための部分切断斜視図である。
【図１６】電極形成工程を説明するための部分切断斜視図である。
【図１７】電極形成工程を説明するための部分切断斜視図である。
【図１８】電極形成工程を説明するための部分切断斜視図である。
【図１９】電極形成工程を説明するための斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、実施の形態に係る導波路型フォトダイオードの製造方法について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。
【００２２】
本実施形態の導波路型フォトダイオードの製造方法は、主として、半導体積層形成工程と、メサ部形成工程と、光導波路部形成工程と、第２マスク形成工程と、半導体構造物エッチング工程と、埋め込み部形成工程と、電極形成工程と、を備える。以下、これらの工程について、詳細に説明する。
【００２３】
（半導体積層形成工程）
半導体積層堆積工程では、半導体基板の主面上に、半導体積層を堆積する。図１は、半導体積層堆積工程を説明するための斜視図である。本工程では、図１に示すように、半導体基板１の主面１Ｓ上に、例えば有機金属気相成長法等のエピタキシャル成長法によって、バッファー層３と、下部コンタクト層５と、第１介在層７と、第２介在層９と、吸収層１１と、第３介在層１３と、第４介在層１５と、クラッド層１７と、上部コンタクト層１９と、をこの順に堆積する。このようにして、バッファー層３から上部コンタクト層１９までの層からなる半導体積層２３を半導体基板１の主面１Ｓ上に堆積する。なお、図１においては、直交座標系２を示しており、半導体基板１の主面１Ｓと平行な方向にＸ軸及びＹ軸を設定している。図２以降の各図においても、必要に応じて図１に対応した直交座標系２を示している。
【００２４】
半導体基板１は、半絶縁性の半導体材料（例えば、Ｆｅ等がドープされたＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）で構成されることが好ましい。何故なら、半絶縁性の半導体基板は導電性の半導体基板と比較して、低静電容量化に有利だからである。
【００２５】
バッファー層３は、例えば、ｉ型のＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。下部コンタクト層５は、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＡｌＩｎＡｓからなる。下部コンタクト層５の厚さは、例えば０．５μｍ以上、１．０μｍ以下とすることができる。
【００２６】
第１介在層７及び第２介在層９は、下部コンタクト層５と吸収層１１との間に介在する層である。第１介在層７及び第２介在層９は、それぞれ、ｉ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＩｎＡｓＰからなる。ここで、ｉ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を形成する際に、ｎ型不純物元素及びｐ型不純物元素を意図してドープしていないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体をいい、一般に、その不純物濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以下である。
【００２７】
吸収層１１は、ｉ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＩｎＡｓからなる。第３介在層１３及び第４介在層１５は、吸収層１１とクラッド層１７との間に介在する層である。第３介在層１３及び第４介在層１５は、それぞれ、例えばｎ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＩｎＡｓＰからなる。
【００２８】
クラッド層１７は、ｎ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＩｎＰからなる。上部コンタクト層１９は、例えば、ｎ型のＧａＩｎＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。
【００２９】
半導体積層２３は、ｐｉｎ型フォトダイオード部のためのｐｉｎ構造２１を含んでいる。本実施形態では、下部コンタクト層５がｐｉｎ構造２１のｐ型層となり、第１介在層７、第２介在層９、及び、吸収層１１がｐｉｎ構造２１のｉ型層１２となり、第３介在層１３、第４介在層１５、及び、クラッド層１７がｐｉｎ構造２１のｎ型層１８となる。即ち、下部コンタクト層５、ｉ型層１２、及び、ｎ型層１８が本実施形態のｐｉｎ構造２１を構成する。バッファー層３、ｐｉｎ構造２１、及び、上部コンタクト層１９が本実施形態の半導体積層２３を構成する。
【００３０】
吸収層１１は、光を吸収してキャリアである電子及び正孔を生成する光吸収部として機能する。下部コンタクト層５は、後述のアノード電極とオーミック接触する機能を有する他、下部クラッドとしての機能、及び、後述のようにエッチングストップ層としての機能を有する。クラッド層１７は、上部クラッドとして機能する。
【００３１】
また、下部コンタクト層５からクラッド層１７までの各層のバンドギャップは、互いに所定の関係を有している。図２は、バッファー層からクラッド層までの各層のエネルギーバンド構造を示す図である。図２においては、電子のエネルギー値を縦軸に示している。
【００３２】
図２に示すように、第１介在層７のバンドギャップＥ７は、下部コンタクト層５のバンドギャップＥ５よりも小さく、かつ、吸収層１１のバンドギャップＥ１１よりも大きい。また、第２介在層９のバンドギャップＥ９は、第１介在層７のバンドギャップＥ７よりも小さく、かつ、吸収層１１のバンドギャップＥ１１よりも大きい。
【００３３】
上述のような第１介在層７及び第２介在層９の存在により、吸収層１１から下部コンタクト層５に向かって伝導帯の下端のエネルギーレベルが段階的に上昇する。即ち、伝導帯の下端のエネルギーレベルは、吸収層１１の当該エネルギーレベル、第２介在層９の当該エネルギーレベル、第１介在層７の当該エネルギーレベル、下部コンタクト層５の当該エネルギーレベルの順に段階的に上昇する。
【００３４】
また、上述のような第１介在層７及び第２介在層９の存在により、吸収層１１から下部コンタクト層５に向かって価電子帯の上端のエネルギーレベルが段階的に減少する。即ち、価電子帯の上端のエネルギーレベルは、吸収層１１の当該エネルギーレベル、第２介在層９の当該エネルギーレベル、第１介在層７の当該エネルギーレベル、下部コンタクト層５の当該エネルギーレベルの順に段階的に減少する。
【００３５】
下部コンタクト層５から吸収層１１までの各層のバンドギャップが上述の関係を満たすようにするために、例えば下部コンタクト層５から吸収層１１までの各層の化合物半導体の組成比を調整することができる。例えば、上述の関係を満たすようにするために、下部コンタクト層５のバンドギャップ波長が８６０ｎｍ、第１介在層７のバンドギャップ波長が１１５０ｎｍ、第２介在層９のバンドギャップ波長が１３００ｎｍ、及び、吸収層１１のバンドギャップ波長が１６７０ｎｍとなるように、下部コンタクト層５、第１介在層７、第２介在層９、及び、吸収層１１の化合物半導体の組成をそれぞれ調整することができる。
【００３６】
また、ＡｌＩｎＡｓからなる層とＧａＩｎＡｓＰからなる層とを接合させると、それらの間の価電子帯におけるバンドオフセットは、それらの間の伝導帯におけるバンドオフセットよりも小さくなることが知られている。そのため、図２に示すように、ＡｌＩｎＡｓからなる下部コンタクト層５と、ＧａＩｎＡｓＰからなる第１介在層７との間の価電子帯におけるバンドオフセットＥ５Ｖは、下部コンタクト層５と第１介在層７との間の伝導帯におけるバンドオフセットＥ５Ｃよりも小さくなる。
【００３７】
また、下部コンタクト層５から吸収層１１までの各層の屈折率の関係は、上述のバンドギャップの関係と逆になる。即ち、下部コンタクト層５から吸収層１１までの各層のうち、吸収層１１の屈折率が最も高く、吸収層１１の屈折率、第２介在層９の屈折率、第１介在層７の屈折率、及び、下部コンタクト層５の屈折率の順に、段階的に屈折率は減少する。
【００３８】
また、図２に示すように、第４介在層１５のバンドギャップＥ１５は、クラッド層１７のバンドギャップＥ１７よりも小さく、かつ、吸収層１１のバンドギャップＥ１１よりも大きい。また、第３介在層１３のバンドギャップＥ１３は、第４介在層１５のバンドギャップＥ１５よりも小さく、かつ、吸収層１１のバンドギャップＥ１１よりも大きい。
【００３９】
上述のような第３介在層１３及び第４介在層１５の存在により、吸収層１１からクラッド層１７に向かって伝導帯の下端のエネルギーレベルが段階的に上昇する。即ち、伝導帯の下端のエネルギーレベルは、吸収層１１の当該エネルギーレベル、第３介在層１３の当該エネルギーレベル、第４介在層１５の当該エネルギーレベル、クラッド層１７の当該エネルギーレベルの順に段階的に上昇する。
【００４０】
また、上述のような第３介在層１３及び第４介在層１５の存在により、吸収層１１からクラッド層１７に向かって価電子帯の上端のエネルギーレベルが段階的に減少する。即ち、価電子帯の上端のエネルギーレベルは、吸収層１１の当該エネルギーレベル、第３介在層１３の当該エネルギーレベル、第４介在層１５の当該エネルギーレベル、クラッド層１７の当該エネルギーレベルの順に段階的に減少する。
【００４１】
吸収層１１からクラッド層１７までの各層のバンドギャップが上述の関係を満たすようにするために、例えば吸収層１１からクラッド層１７までの各層の化合物半導体の組成比を調整することができる。例えば、上述の関係を満たすようにするために、吸収層１１のバンドギャップ波長が１６７０ｎｍ、第３介在層１３のバンドギャップ波長が１３００ｎｍ、第４介在層１５のバンドギャップ波長が１１５０ｎｍ、及び、クラッド層１７のバンドギャップ波長が９２０ｎｍとなるように、吸収層１１、第３介在層１３、第４介在層１５、及び、クラッド層１７の化合物半導体の組成をそれぞれ調整することができる。
【００４２】
また、吸収層１１からクラッド層１７までの各層の屈折率の関係は、上述のバンドギャップの関係と逆になる。即ち、吸収層１１からクラッド層１７までの各層のうち、吸収層１１の屈折率が最も高く、吸収層１１の屈折率、第３介在層１３の屈折率、第４介在層１５の屈折率、及び、クラッド層１７の屈折率の順に、段階的に屈折率は減少する。
【００４３】
（メサ部形成工程）
次に、メサ部形成工程が行われる。図３及び図４は、メサ部形成工程を説明するための斜視図である。本工程では、まず図３に示すように、半導体積層２３上に、半導体基板１の主面１Ｓにおける第１方向（図３におけるＹ軸方向）に沿って延びる第１マスク２７を形成する。第１マスク２７は、半導体積層２３の上面の一部を覆う。第１マスク２７は、ＳｉＮ等の絶縁材料からなり、第１マスク２７の厚さは例えば２００ｎｍとすることができる。第１マスク２７は、後述のように突合せ結合（butt-joint）用のマスクとなる。
【００４４】
このような第１マスク２７は、例えば、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等の堆積法によって、半導体積層２３の上面全体にＳｉＮ等の絶縁材料からなる層を形成し、フォトリソグラフィー法によって、所定の形状にパターニングすることにより、形成することができる。
【００４５】
続いて、図４に示すように、第１マスク２７を用いて半導体積層２３を、例えばウェットエッチング法によってエッチングする。この際、半導体積層２３のうち第１マスク２７に覆われていない領域の下部コンタクト層５が除去されるようにする。これにより、半導体積層２３に、第１方向（Ｙ軸方向）に沿って延びるストライプ状のメサ部３１を形成する。本実施形態においては、ｐｉｎ構造２１（下部コンタクト層５、ｉ型層１２、ｎ型層１８）、及び、上部コンタクト層１９がメサ部３１を構成する。
【００４６】
上述の半導体積層２３のエッチングの際、下部コンタクト層５の直下の層（本実施形態の場合、バッファー層３）をエッチングストップ層として用いることが好ましい。即ち、半導体積層２３のエッチングは、下部コンタクト層５に対するエッチングレートが、下部コンタクト層５の直下の層に対するエッチングレートよりも大きくなるようなエッチング法を用いて行うことが好ましい。下部コンタクト層５のエッチングの際、直下のバッファー層３がエッチングストップ層として機能するエッチング液としては、Ｈ２ＳＯ４＋Ｈ２Ｏ２系、あるいは、ＨＣｌ＋Ｈ２Ｏ２系のエッチング液を挙げることができる。
【００４７】
（光導波路部形成工程）
次に、光導波路部形成工程が行われる。図５は、光導波路部形成工程を説明するための斜視図である。本工程では、図５に示すように、上述のメサ部形成工程で形成した第１マスク２７を突合せ結合（butt-joint）用のマスクとして用いて、メサ部３１の両側面（半導体基板１の主面１Ｓにおける第１方向と直交する第２方向（Ｘ軸方向）のメサ部３１の両側面）と接するように半導体材料からなる一対の光導波路部４１、５１を形成する。具体的には、第１マスク２７を選択成長マスクとして用いた有機金属気相成長法等のエピタキシャル成長法によって、一対の光導波路部４１、５１を成長させる。これにより、メサ部３１と一対の光導波路部４１、５１とを含む半導体構造物５３が得られる。メサ部３１を形成するために用いた第１マスク２７を、本工程において選択成長マスクとして用いることにより、メサ部３１の両側面と接するように一対の光導波路部４１、５１を形成することが容易となる。
【００４８】
光導波路部４１は、下部クラッド層３５、コア層３７、及び、上部クラッド層３９を有する。コア層３７は、下部クラッド層３５と上部クラッド層３９の間に介在する。下部クラッド層３５及び上部クラッド層３９は、それぞれ、例えば、ｉ型のＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。コア層３７は、例えばｉ型のＧａＩｎＡｓＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。また、下部クラッド層３５、コア層３７、及び、上部クラッド層３９は、Ａｌを実質的に含まない、又は、組成比でのＡｌ含有率が、下部コンタクト層５のＡｌ含有率よりも低いことが好ましい。これにより、後述の下部コンタクト層５のエッチングストップ層としての機能が有効に発揮される。
【００４９】
本実施形態においては、下部クラッド層３５は下部コンタクト層５の第２方向の側面に接し、コア層３７は吸収層１１の第２方向の側面に接し、上部クラッド層３９は上部コンタクト層１９の第２方向の側面に接する。
【００５０】
同様に、光導波路部５１は、下部クラッド層４５、コア層４７、及び、上部クラッド層４９を有する。コア層４７は、下部クラッド層４５と上部クラッド層４９の間に介在する。下部クラッド層４５及び上部クラッド層４９は、それぞれ、例えば、ｉ型のＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。コア層４７は、例えばｉ型のＧａＩｎＡｓＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。また、下部クラッド層４５、コア層４７、及び、上部クラッド層４９は、Ａｌを実質的に含まない、又は、組成比でのＡｌ含有率が、下部コンタクト層５のＡｌ含有率よりも低いことが好ましい。これにより、後述の下部コンタクト層５のエッチングストップ層としての機能が有効に発揮される。
【００５１】
本実施形態においては、下部クラッド層４５は下部コンタクト層５の第２方向の側面に接し、コア層４７は吸収層１１の第２方向の側面に接し、上部クラッド層４９は上部コンタクト層１９の第２方向の側面に接する。
【００５２】
上述のように第１マスク２７を選択成長マスクとして用いた成長法によって一対の光導波路部４１、５１を成長させる際、第１マスク２７に近い領域においては一対の光導波路部４１、５１の成長速度が遅くなる。そのため、一対の光導波路部４１、５１の第１マスク２７近傍には、窪み４１Ｄ、５１Ｄが形成される場合がある。このような窪み４１Ｄ、５１Ｄが存在すると、半導体構造物５３の表面の平坦性が悪化する。半導体構造物５３の表面の平坦性が悪いと、後の工程において不具合が生じる場合がある。（例えば、後の第２マスク形成工程において、第２マスク６７をフォトリソグラフィーで形成するためのレジストパターンに不良が生じたり、第２マスク６７が剥がれたりする場合がある。）
【００５３】
そのため、光導波路部形成工程後であって、第２マスク形成工程を行う前に、キャップ層形成工程を行うことが好ましい。図６は、キャップ層形成工程を説明するための斜視図である。本工程では、図６に示すように、まず第１マスク２７を除去する。その後、メサ部３１及び一対の光導波路部４１、５１を覆うように、例えば有機金属気相成長法等のエピタキシャル成長法によって、半導体構造物５３上に半導体材料からなるキャップ層５５を形成する。キャップ層５５は、例えば、ｉ型のＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。
【００５４】
このようなキャップ層５５によって窪み４１Ｄ、５１Ｄは埋め込まれるため、平坦性が改善される。即ち、キャップ層５５の表面の平坦性は、半導体構造物５３の表面の平坦性よりも良くなる。その結果、半導体構造物５３の表面の平坦性の悪さに起因して後の工程において不具合が生じることを抑制することができる。
【００５５】
（第２マスク形成工程）
次に、第２マスク形成工程が行われる。図７は、第２マスク形成工程を説明するための斜視図である。本工程においては、図７に示すように、半導体構造物５３上に第２方向に沿って延びる第２マスク６７を形成する。第２マスク６７は、ＳｉＮ等の絶縁材料からなる。また、第２マスク６７は、光導波路部４１の一部を覆うマスク部６１と、メサ部３１の一部を覆うマスク部６３と、光導波路部５１の一部を覆うマスク部６５と、を有する。マスク部６１、マスク部６３、マスク部６５は、一体的に形成されている。本実施形態においては、マスク部６３の第１方向に沿った幅は、マスク部６１及びマスク部６５の第１方向に沿った幅よりも広くなっている。第２マスク６７の厚さは例えば３００ｎｍとすることができる。
【００５６】
このような第２マスク６７は、例えば、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等の堆積法によって、半導体構造物５３上（本実施形態においてはキャップ層５５の直上）にＳｉＮ等の絶縁材料からなる層を形成し、フォトリソグラフィー法によって、所定の形状にパターニングすることにより、形成することができる。
【００５７】
（半導体構造物エッチング工程）
次に、半導体構造物エッチング工程が行われる。図８及び図９は、半導体構造物エッチング工程を説明するための斜視図である。本工程では、第２マスク６７を用いて、下部コンタクト層５をエッチングストップ層としてメサ部３１及び一対の光導波路部４１、５１を一括してエッチングする。
【００５８】
具体的には、図８に示すように、第２マスク６７を用いて下部コンタクト層５が露出するようにメサ部３１をエッチングする。これにより、マスク部６３の下に、下部コンタクト層５の一部の領域５Ｓが露出すると共に、メサ部３１のうちの下部コンタクト層５よりも上部の各層及びキャップ層５５からなる矩形メサ部７３を形成する。
【００５９】
また、第２マスク６７を用いて一対の光導波路部４１、５１をエッチングすることにより、マスク部６１及びマスク部６３の下の一対の光導波路部４１、５１及びキャップ層５５を第２方向に沿って延びるストライプ状に加工する。本実施形態では、一対の光導波路部４１、５１のエッチングは、一対の光導波路部４１、５１のうち第２マスク６７によって覆われていない領域が全て除去されるように（即ち、バッファー層３が露出するように）行われる。
【００６０】
そして、このようなメサ部３１及び光導波路部４１、５１のエッチングは、下部コンタクト層５をエッチングストップ層として用いたエッチングによって行われる。即ち、メサ部３１のエッチングと一対の光導波路部４１、５１のエッチングとは、下部コンタクト層５に対するエッチングレートが、メサ部３１のうちの下部コンタクト層５よりも上部の各層（本実施形態では、ｉ型層１２及びｎ型層１８を形成する各層、図１参照）、及び、一対の光導波路部４１、５１を構成する各層に対するエッチングレートよりも小さくなるようなエッチング法を用いて行う。
【００６１】
これにより、下部コンタクト層５の厚さの減少を抑制することができるため、下部コンタクト層５の厚さ（残厚）を所望の厚さに制御し易くなる。そのため、下部コンタクト層５の厚さ（残厚）のばらつきを抑制することができる。その結果、本実施形態に係る導波路型フォトダイオードの製造方法によれば、得られる導波路型フォトダイオード１００（図１９参照）の素子抵抗の大きさのばらつきを抑制することができる。
【００６２】
上述のエッチング法としては、例えば、平行平板型プラズマ反応性イオンエッチング法や誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法等の反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）を挙げることができる。
【００６３】
上述のエッチング法として誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法を採用することは、以下の理由により特に好ましい。即ち、平行平板型プラズマ反応性イオンエッチング法等と比較して、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法は、エッチングの際のバイアスパワーを低くできる。バイアスパワーが低い程、Ａｌを含有する半導体層はエッチングされ難くなる。そのため、下部コンタクト層５のエッチングレートを他の各層のエッチングレートよりも特に小さくすることができる。即ち、下部コンタクト層５の選択比（下部コンタクト層５のエッチングレートと他の各層のエッチングレートの比であり、下部コンタクト層５のエッチングのされ難さを示す比）を大きくすることができる。これにより、下部コンタクト層５の厚さ（残厚）を所望の厚さに特に制御し易くなるため、下部コンタクト層５の厚さ（残厚）のばらつきを特に抑制することができる。その結果、得られる導波路型フォトダイオード１００（図１９参照）の素子抵抗の大きさのばらつきを特に抑制することができる。
【００６４】
上述のエッチング法として誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法を採用した場合、エッチングガスとしては、例えば、ＣＨ４とＨ２の混合ガスを用いることができ、ＣＨ４とＨ２の混合比は例えば１：３、エッチング圧力は例えば２Ｐａとすることができる。また、バイアスパワーは、０Ｗ／ｃｍ２以上、１Ｗ／ｃｍ２であることが好ましく、０．３Ｗ／ｃｍ２以上、０．６Ｗ／ｃｍ２以下であることがさらに好ましい。また、ＩＣＰパワーは、例えば４．４Ｗ／ｃｍ２とすることができる。
【００６５】
また、上述のエッチング法として、反応性イオンエッチング法を用いた場合、下部コンタクト層５のＡｌ含有率は、組成比で５０％以上、７０％以下であることが好ましい。下部コンタクト層５のＡｌ含有率が組成比で５０％以上であると、下部コンタクト層５に対するエッチングレートを、メサ部３１のうちの下部コンタクト層５よりも上部の各層、及び、一対の光導波路部４１、５１を構成する各層に対するエッチングレートよりも、特に小さくすることができるため、得られる導波路型フォトダイオード１００（図１９参照）の素子抵抗の大きさのばらつきを特に抑制することができる。また、下部コンタクト層５のＡｌ含有率が組成比で７０％以下であると、下部コンタクト層５の上部の各層の結晶性を十分に高くすることができる。
【００６６】
続いて、図９に示すように、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）等によるウェットエッチング等によって、第２マスク６７を除去する。このようにして、メサ部３１の下部コンタクト層５の一部を露出させ、メサ部３１に矩形メサ部７３を形成すると共に、一対の光導波路部４１、５１を第２方向に沿って延びるストライプ状に加工する。
【００６７】
また、発明者らは、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法によってＡｌＩｎＡｓ及びＩｎＰをエッチングする際の、ＡｌＩｎＡｓの選択比とバイアスパワーの関係について、実験を行った。図１０は、選択比のバイアスパワー依存性の実験結果を示す図である。本実験においては、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法によって同一条件でＡｌＩｎＡｓのエッチングレートと、ＩｎＰのエッチングレートを測定し、ＩｎＰのエッチングレートをＡｌＩｎＡｓのエッチングレートで除することにより、ＡｌＩｎＡｓの選択比を求めた。エッチングの際のエッチングガスＣＨ４／Ｈ２の混合比、エッチング圧力、ＩＣＰパワーは全て固定とし、バイアスパワーのみ変化させ、それぞれのバイアスパワーごとに、ＡｌＩｎＡｓの選択比を求めた。
【００６８】
図１０では、縦軸に選択比の逆数を示しており、横軸にバイアスパワーを示している。図１０に示すＡｌＩｎＡｓの選択比のバイアスパワー依存性の結果より、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法によってＡｌＩｎＡｓをエッチングする際のＩｎＰに対するＡｌＩｎＡｓの選択比は、バイアスパワーが低いほど大きくなる（ＡｌＩｎＡｓがエッチングされ難くなる）ことがわかった。
【００６９】
（埋め込み部形成工程）
次に、埋め込み部形成工程を行う。図１１及び図１２は、埋め込み部形成工程を説明するための斜視図である。本工程では、まず、図１１に示すように、各層の露出面（即ち、バッファー層３、光導波路部４１、光導波路部５１、矩形メサ部７３、下部コンタクト層５、及び、キャップ層５５の露出面）に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の酸化物材料からなる保護層７９を、ＣＶＤ法等によって形成する。
【００７０】
続いて、図１２に示すように、保護層７９上に、埋め込み部８１を形成する。これにより、メサ部３１（矩形メサ部７３及び下部コンタクト層５）と一対の光導波路部４１、５１を、埋め込み部８１によって埋め込む。埋め込み部８１は、例えば、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）等の樹脂からなる。
【００７１】
（電極形成工程）
次に、電極形成工程を行う。図１３及び図１９は、電極形成工程を説明するための斜視図であり、図１４〜図１８は、電極形成工程を説明するための部分切断斜視図である。
【００７２】
本工程では、まず、図１３に示すように、埋め込み部８１上にレジスト層８３を形成した後、フォトリソグラフィーにより、レジスト層８３に開口８３Ｈを形成する。図１４（Ａ）は、図１３において、光導波路部４１を第２方向（Ｘ軸方向）と垂直な面で切断した部分切断斜視図であり、図１４（Ｂ）は、図１３において、矩形メサ部７３を第２方向（Ｘ軸方向）と垂直な面で切断した部分切断斜視図である。後述の図１４（Ａ）、図１５（Ａ）、図１６（Ａ）、図１７（Ａ）、図１８（Ａ）、及び、図１９（Ａ）は、図１４（Ａ）に対応しており、図１４（Ｂ）、図１５（Ｂ）、図１６（Ｂ）、図１７（Ｂ）、図１８（Ｂ）、及び、図１９（Ｂ）は、図１４（Ｂ）に対応している。
【００７３】
図１４に示すように、開口８３Ｈは、矩形メサ部７３の上方に形成されており、光導波路部４１上（及び光導波路部５１上）には形成されていない。
【００７４】
続いて、図１５（Ｂ）に示すように、レジスト層８３を用いて、例えば、ＣＦ４とＯ２の混合ガスを用いたＲＩＥ法等によって、レジスト層８３を用いて埋め込み部８１をエッチングすることにより、レジスト層８３の表面から矩形メサ部７３上の保護層７９の表面７９Ｓに至る深さを有するように開口８１Ｈを深くする。このエッチングの際、図１５（Ａ）に示すように、光導波路部４１（及び光導波路部５１）はレジスト層８３によって保護されており、光導波路部４１（及び光導波路部５１）上の埋め込み部８１はエッチングされない。
【００７５】
次に、図１６に示すように、レジスト層８３を除去した後に、矩形メサ部７３及び埋め込み部８１上にレジスト層８５を形成する。そして、フォトリソグラフィーによって、レジスト層８５のうち、上述のメサ部エッチング工程において露出した下部コンタクト層５の領域５Ｓ上の領域に開口を形成するようにレジスト層８５をパターニングする。そして、パターニングされたレジスト層８５を用いて、例えば、ＣＦ４とＯ２の混合ガスを用いたＲＩＥ法等によって、埋め込み部８１をエッチングすることにより、埋め込み部８１に開口８１Ｈを形成する。この開口８１Ｈにより下部コンタクト層５の領域５Ｓ上の保護層７９を露出させる。
【００７６】
続いて、レジスト層８５を除去した後、図１７に示すように、矩形メサ部７３上の保護層７９、及び、下部コンタクト層５の領域５Ｓ上の保護層７９を、例えば、ＣＦ４ガスを用いたＲＩＥ法等によって、エッチングする。これにより、矩形メサ部７３のキャップ層５５、及び、下部コンタクト層５の領域５Ｓを露出させる。上述の保護層７９のエッチングの際、埋め込み部８１はエッチングマスクとして機能する。
【００７７】
続いて、図１８に示すように、矩形メサ部７３のキャップ層５５をエッチングすることにより、矩形メサ部７３の上部コンタクト層１９を露出させる。この際、矩形メサ部７３のキャップ層５５のエッチングレートが、下部コンタクト層５のエッチングレートよりも大きくなるようなエッチング法を用いる。これにより、下部コンタクト層５の領域５Ｓの厚さの減少は抑制される。このようなエッチング法としては、例えば、ＨＣｌ及びＣＨ３ＣＯＯＨをエッチング液として用いたウェットエッチングを挙げることができる。このような矩形メサ部７３のキャップ層５５のエッチングにおいて、キャップ層５５と埋め込み部８１とは異なる材料で形成されているため、キャップ層５５を埋め込み部８１よりも早いエッチングレートでエッチングすることができる。これにより、キャップ層５５を厚くしても、矩形メサ部７３のキャップ層５５のエッチングの際に、埋め込み部８１はマスクとして機能させることができる。
【００７８】
次に、図１９に示すように、矩形メサ部７３のクラッド層１７上に上部コンタクト層１９を介してカソード電極９１を形成し、下部コンタクト層５の領域５Ｓ上にアノード電極９３を形成する。このようにして、導波路型フォトダイオード１００が製造される。
【００７９】
光導波路部４１の端面（又は光導波路部５１の端面）から光が入射すると、当該光は光導波路部４１（又は光導波路部５１）内を伝搬し、吸収層１１に入射する。吸収層１１に光が入射すると、当該光の強度に対応した量の電子及び正孔が吸収層１１に生じる。そして、ｐｉｎ構造２１に逆バイアスが印加されるようにカソード電極９１及びアノード電極９３間に電圧が印加されると、正孔は下部コンタクト層５を経由してアノード電極９３に移動し、電子は上部コンタクト層１９を経由してカソード電極９１に移動するため、カソード電極９１及びアノード電極９３に接続された外部機器に電流が流れる。この電流の大きさを測定することにより、導波路型フォトダイオード１００に入射した光の強度を測定することができる。
【００８０】
また、上述のように第１介在層７及び第２介在層９の存在により、吸収層１１から下部コンタクト層５に向かって価電子帯の上端のエネルギーレベルが段階的に減少する（図２参照）。そのため、第１介在層７及び第２介在層９が存在しない場合と比較して、導波路型フォトダイオード１００に逆バイアスが印加されると、吸収層１１で生じたホールは下部コンタクト層５に移動し易くなる。そのため、導波路型フォトダイオード１００の動作周波数帯域が向上する。
【００８１】
さらに、本実施形態においては、上述のように下部コンタクト層５と第１介在層７との間の価電子帯におけるバンドオフセットＥ５Ｖが、下部コンタクト層５と第１介在層７との間の伝導帯におけるバンドオフセットＥ５Ｃよりも小さくなるように、下部コンタクト層５を構成する材料と第１介在層７を構成する材料を選択している（図２参照）。そのため、吸収層１１で生じたホールは下部コンタクト層５に特に移動し易くなる。そのため、導波路型フォトダイオード１００の動作周波数帯域が特に向上する。
【００８２】
また、上述のように第３介在層１３及び第４介在層１５の存在により、吸収層１１からクラッド層１７に向かって伝導帯の下端のエネルギーレベルが段階的に上昇する（図２参照）。そのため、第３介在層１３及び第４介在層１５が存在しない場合と比較して、導波路型フォトダイオード１００に逆バイアスが印加されると、吸収層１１で生じた電子は上部コンタクト層１９に移動し易くなる。そのため、導波路型フォトダイオード１００の動作周波数帯域が向上する。
【００８３】
本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。
【００８４】
例えば、上述の実施形態においては、光導波路部形成工程と前記第２マスク形成工程との間にキャップ層形成工程を行っているが（図６参照）、キャップ層形成工程を省略することもできる。
【００８５】
また、上述の実施形態においては、半導体積層２３は、第２介在層９を有しているが（図１参照）、半導体積層２３は第２介在層９を有していなくてもよい。その場合であっても、価電子帯の上端のエネルギーレベルは、吸収層１１の当該エネルギーレベル、第１介在層７の当該エネルギーレベル、及び、下部コンタクト層５の当該エネルギーレベルの順に、段階的に減少することになる。そのため、第１介在層７が存在しない場合と比較して、導波路型フォトダイオードに逆バイアスが印加されると、吸収層１１で生じたホールは下部コンタクト層５に移動し易くなる。その結果、導波路型フォトダイオードの動作周波数帯域が向上する。また、半導体積層２３は、第１介在層７及び第２介在層９の双方を有していなくてもよい。
【００８６】
また、上述の実施形態においては、半導体積層２３は、第４介在層１５を有しているが（図１参照）、半導体積層２３は第４介在層１５を有していなくてもよい。また、半導体積層２３は、第３介在層１３と第４介在層１５の双方を有していなくてもよい。
【００８７】
また、半導体積層２３は、上部コンタクト層１９を有していなくてもよい。この場合、クラッド層１７をコンタクト層として用いることができる。
【符号の説明】
【００８８】
１・・・半導体基板、５・・・（下部）コンタクト層、１１・・・吸収層、１７・・・クラッド層、２１・・・ｐｉｎ構造、２３・・・半導体積層、２７・・・第１マスク、３１・・・メサ部、４１、５１・・・一対の光導波路部、５３・・・半導体構造物、６７・・・第２マスク。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路型フォトダイオードの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、導波路型フォトダイオード及びその製造方法が記載されている。この製造方法においては、フォトダイオード部を形成した後に、Butt-Jointプロセスによりフォトダイオード部の光軸方向の両端部に光導波路部を形成する。続いて、フォトダイオード部と光導波路部をエッチングして、光軸方向に沿って延びるメサを形成する。そして、当該メサの両側面を半絶縁性半導体により埋め込む。
【０００３】
当該製造方法によれば、へき開を行わなくてもフォトダイオード部の積層方向と垂直な断面積を小さくすることができるため、フォトダイオード部の静電容量を低下させて高速動作を可能とするために当該断面積を小さくしても、当該断面積のばらつきを低減させること、及び、これにより、フォトダイオード部の受光特性のばらつきを低減させることが可能であることが、記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１２７３３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載の導波路型フォトダイオードの製造方法においては、半絶縁性基板が用いられ、半絶縁性基板の主面上にフォトダイオード部の下部電極を形成している。これにより、導電性基板を用いて、その裏面に下部電極を形成した導波路型フォトダイオードと比較して、フォトダイオードの部の静電容量を低下させることができる。その結果、高速動作が可能な導波路型フォトダイオードが得られる。
【０００６】
このような導波路型フォトダイオードを製造する際には、まず、半絶縁性半導体基板の主面上にフォトダイオード部を形成した後に、Butt-Jointプロセスによりフォトダイオード部の光軸方向の両端部に光導波路部を形成する。続いて、フォトダイオード部と光導波路部とを一括してエッチングして、光軸方向に沿って延びるメサを形成する。このエッチングは、フォトダイオード部内のコンタクト層の表面を露出させるように行う。その後、当該コンタクト層の表面に下部電極を形成することにより、半絶縁性基板の主面上にフォトダイオード部の下部電極を形成することができる。
【０００７】
しかしながら、上述のような導波路型フォトダイオードの製造方法においては、フォトダイオード部と光導波路部とを一括してエッチングしてメサを形成する工程においてフォトダイオード部のコンタクト層を露出させる必要があるため、当該コンタクト層の厚さ（残厚）を所望の厚さに制御することが困難な場合がある。そのため、コンタクト層の厚さ（残厚）がばらついてしまう場合がある。このようにコンタクト層の厚さがばらつくと、得られる導波路型フォトダイオードの素子抵抗の大きさがばらついてしまうため、導波路型フォトダイオードの特性がばらついてしまう。
【０００８】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、素子抵抗の大きさのばらつきを抑制することが可能な導波路型フォトダイオードの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解決するため、本発明に係る導波路型フォトダイオードの製造方法は、半導体基板の主面上に、ｐ型ＡｌＩｎＡｓからなるコンタクト層と、ｉ型ＧａＩｎＡｓからなる吸収層と、ｎ型ＩｎＰからなるクラッド層と、をこの順に堆積することにより、ｐｉｎ型フォトダイオード部のｐｉｎ構造を有する半導体積層を形成する半導体積層形成工程と、半導体基板の主面における第１方向に沿って延びる第１マスクを半導体積層上に形成し、半導体積層の第１マスクによって覆われていない領域のコンタクト層が除去されるように半導体積層をエッチングすることにより、半導体積層に第１方向に沿って延びるストライプ状のメサ部を形成するメサ部形成工程と、メサ部の両側面と接するように半導体材料からなる一対の光導波路部を形成することにより、当該一対の光導波路部とメサ部とを含む半導体構造物を得る光導波路部形成工程と、半導体基板の主面における第１方向と直交する第２方向に沿って延びると共に一対の光導波路部の各々の一部及びメサ部の一部を覆う第２マスクを半導体構造物上に形成する第２マスク形成工程と、第２マスクを用いて、コンタクト層をエッチングストップ層としてメサ部及び一対の光導波路部をエッチングすることにより、コンタクト層を露出させると共に、一対の光導波路部を第２方向に沿って延びるストライプ状に加工する半導体構造物エッチング工程と、メサ部のクラッド層上にカソード電極を形成し、コンタクト層のうち、半導体構造物エッチング工程において露出した領域上にアノード電極を形成する、電極形成工程と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る導波路型フォトダイオードの製造方法においては、半導体構造物エッチング工程におけるメサ部及び一対の光導波路部のエッチングは、上記コンタクト層をエッチングストップ層として用いて行われる。これにより、当該コンタクト層の厚さ（残厚）を所望の厚さに制御し易くなるため、当該コンタクト層の厚さ（残厚）のばらつきを抑制することができる。その結果、本発明に係る導波路型フォトダイオードの製造方法によれば、得られる導波路型フォトダイオードの素子抵抗の大きさのばらつきを抑制することができる。
【００１１】
さらに、本発明に係る導波路型フォトダイオードの製造方法においては、半導体積層形成工程において、ｉ型ＧａＩｎＡｓＰからなる第１介在層をさらに堆積し、半導体積層において、第１介在層は前記コンタクト層と吸収層との間に設けられており、第１介在層のバンドギャップは、コンタクト層のバンドギャップよりも小さく、かつ、吸収層のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。
【００１２】
これにより、価電子帯の上端のエネルギーレベルは、吸収層の当該エネルギーレベル、第１介在層の当該エネルギーレベル、及び、下部コンタクト層の当該エネルギーレベルの順に、段階的に減少することになる。そのため、第１介在層が存在しない場合と比較して、導波路型フォトダイオードに逆バイアスが印加されると、吸収層で生じたホールはコンタクト層に移動し易くなる。その結果、導波路型フォトダイオードの動作周波数帯域（高速性）が向上する。
【００１３】
さらに、本発明に係る導波路型フォトダイオードの製造方法においては、半導体積層形成工程において、ｉ型ＧａＩｎＡｓＰからなる第２介在層をさらに堆積し、半導体積層において、第２介在層は第１介在層と吸収層との間に設けられており、第２介在層のバンドギャップは、第１介在層のバンドギャップよりも小さく、かつ、吸収層のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。
【００１４】
これにより、価電子帯の上端のエネルギーレベルは、吸収層１１の当該エネルギーレベル、第２介在層の当該エネルギーレベル、第１介在層の当該エネルギーレベル、及び、下部コンタクト層５の当該エネルギーレベルの順に、段階的に減少することになる。そのため、第２介在層が存在しない場合と比較して、導波路型フォトダイオードに逆バイアスが印加されると、吸収層で生じたホールはコンタクト層にさらに移動し易くなる。その結果、導波路型フォトダイオードの動作周波数帯域（高速性）がさらに向上する。
【００１５】
さらに、本発明に係る導波路型フォトダイオードの製造方法では、半導体構造物エッチング工程においては、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法によって、メサ部及び一対の光導波路部をエッチングすることが好ましい。
【００１６】
これにより、半導体構造物エッチング工程におけるメサ部及び一対の光導波路部のエッチングの際、コンタクト層のエッチングレートを、他の層のエッチングレートよりも特に小さくすることができる。そのため、コンタクト層の厚さ（残厚）を所望の厚さに特に制御し易くなるため、当該コンタクト層の厚さ（残厚）のばらつきを特に抑制することができる。その結果、得られる導波路型フォトダイオードの素子抵抗の大きさのばらつきを特に抑制することができる。
【００１７】
さらに、本発明に係る導波路型フォトダイオードの製造方法では、光導波路部形成工程においては、第１マスクを選択成長マスクとして用いて一対の光導波路部を成長させ、当該製造方法は、光導波路部形成工程と第２マスク形成工程との間に、メサ部及び一対の光導波路部を覆うように、半導体材料からなるキャップ層を形成するキャップ層形成工程をさらに備えることが好ましい。
【００１８】
これにより、光導波路部形成工程においては、第１マスクを選択成長マスクとして用いて一対の光導波路部を成長させるため、メサ部の両側面と接するように一対の光導波路部を形成することが容易となる。そして、光導波路部形成工程後において、一対の光導波路とメサ部との間に生じた窪みによって半導体構造物の表面の平坦性が悪くなった場合であっても、キャップ層によって平坦性を改善することができる。その結果、半導体構造物の表面の平坦性の悪さに起因して後の工程において不具合が生じることを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、素子抵抗の大きさのばらつきを抑制することが可能な導波路型フォトダイオードの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】半導体積層堆積工程を説明するための斜視図である。
【図２】バッファー層からクラッド層までの各層のエネルギーバンド構造を示す図である。
【図３】メサ部形成工程を説明するための斜視図である。
【図４】メサ部形成工程を説明するための斜視図である。
【図５】光導波路部形成工程を説明するための斜視図である。
【図６】キャップ層形成工程を説明するための斜視図である。
【図７】第２マスク形成工程を説明するための斜視図である。
【図８】半導体構造物エッチング工程を説明するための斜視図である。
【図９】半導体構造物エッチング工程を説明するための斜視図である。
【図１０】選択比のバイアスパワー依存性の実験結果を示す図である。
【図１１】埋め込み部形成工程を説明するための斜視図である。
【図１２】埋め込み部形成工程を説明するための斜視図である。
【図１３】電極形成工程を説明するための斜視図である。
【図１４】電極形成工程を説明するための部分切断斜視図である。
【図１５】電極形成工程を説明するための部分切断斜視図である。
【図１６】電極形成工程を説明するための部分切断斜視図である。
【図１７】電極形成工程を説明するための部分切断斜視図である。
【図１８】電極形成工程を説明するための部分切断斜視図である。
【図１９】電極形成工程を説明するための斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、実施の形態に係る導波路型フォトダイオードの製造方法について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。
【００２２】
本実施形態の導波路型フォトダイオードの製造方法は、主として、半導体積層形成工程と、メサ部形成工程と、光導波路部形成工程と、第２マスク形成工程と、半導体構造物エッチング工程と、埋め込み部形成工程と、電極形成工程と、を備える。以下、これらの工程について、詳細に説明する。
【００２３】
（半導体積層形成工程）
半導体積層堆積工程では、半導体基板の主面上に、半導体積層を堆積する。図１は、半導体積層堆積工程を説明するための斜視図である。本工程では、図１に示すように、半導体基板１の主面１Ｓ上に、例えば有機金属気相成長法等のエピタキシャル成長法によって、バッファー層３と、下部コンタクト層５と、第１介在層７と、第２介在層９と、吸収層１１と、第３介在層１３と、第４介在層１５と、クラッド層１７と、上部コンタクト層１９と、をこの順に堆積する。このようにして、バッファー層３から上部コンタクト層１９までの層からなる半導体積層２３を半導体基板１の主面１Ｓ上に堆積する。なお、図１においては、直交座標系２を示しており、半導体基板１の主面１Ｓと平行な方向にＸ軸及びＹ軸を設定している。図２以降の各図においても、必要に応じて図１に対応した直交座標系２を示している。
【００２４】
半導体基板１は、半絶縁性の半導体材料（例えば、Ｆｅ等がドープされたＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）で構成されることが好ましい。何故なら、半絶縁性の半導体基板は導電性の半導体基板と比較して、低静電容量化に有利だからである。
【００２５】
バッファー層３は、例えば、ｉ型のＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。下部コンタクト層５は、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＡｌＩｎＡｓからなる。下部コンタクト層５の厚さは、例えば０．５μｍ以上、１．０μｍ以下とすることができる。
【００２６】
第１介在層７及び第２介在層９は、下部コンタクト層５と吸収層１１との間に介在する層である。第１介在層７及び第２介在層９は、それぞれ、ｉ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＩｎＡｓＰからなる。ここで、ｉ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を形成する際に、ｎ型不純物元素及びｐ型不純物元素を意図してドープしていないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体をいい、一般に、その不純物濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以下である。
【００２７】
吸収層１１は、ｉ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＩｎＡｓからなる。第３介在層１３及び第４介在層１５は、吸収層１１とクラッド層１７との間に介在する層である。第３介在層１３及び第４介在層１５は、それぞれ、例えばｎ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＩｎＡｓＰからなる。
【００２８】
クラッド層１７は、ｎ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＩｎＰからなる。上部コンタクト層１９は、例えば、ｎ型のＧａＩｎＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。
【００２９】
半導体積層２３は、ｐｉｎ型フォトダイオード部のためのｐｉｎ構造２１を含んでいる。本実施形態では、下部コンタクト層５がｐｉｎ構造２１のｐ型層となり、第１介在層７、第２介在層９、及び、吸収層１１がｐｉｎ構造２１のｉ型層１２となり、第３介在層１３、第４介在層１５、及び、クラッド層１７がｐｉｎ構造２１のｎ型層１８となる。即ち、下部コンタクト層５、ｉ型層１２、及び、ｎ型層１８が本実施形態のｐｉｎ構造２１を構成する。バッファー層３、ｐｉｎ構造２１、及び、上部コンタクト層１９が本実施形態の半導体積層２３を構成する。
【００３０】
吸収層１１は、光を吸収してキャリアである電子及び正孔を生成する光吸収部として機能する。下部コンタクト層５は、後述のアノード電極とオーミック接触する機能を有する他、下部クラッドとしての機能、及び、後述のようにエッチングストップ層としての機能を有する。クラッド層１７は、上部クラッドとして機能する。
【００３１】
また、下部コンタクト層５からクラッド層１７までの各層のバンドギャップは、互いに所定の関係を有している。図２は、バッファー層からクラッド層までの各層のエネルギーバンド構造を示す図である。図２においては、電子のエネルギー値を縦軸に示している。
【００３２】
図２に示すように、第１介在層７のバンドギャップＥ７は、下部コンタクト層５のバンドギャップＥ５よりも小さく、かつ、吸収層１１のバンドギャップＥ１１よりも大きい。また、第２介在層９のバンドギャップＥ９は、第１介在層７のバンドギャップＥ７よりも小さく、かつ、吸収層１１のバンドギャップＥ１１よりも大きい。
【００３３】
上述のような第１介在層７及び第２介在層９の存在により、吸収層１１から下部コンタクト層５に向かって伝導帯の下端のエネルギーレベルが段階的に上昇する。即ち、伝導帯の下端のエネルギーレベルは、吸収層１１の当該エネルギーレベル、第２介在層９の当該エネルギーレベル、第１介在層７の当該エネルギーレベル、下部コンタクト層５の当該エネルギーレベルの順に段階的に上昇する。
【００３４】
また、上述のような第１介在層７及び第２介在層９の存在により、吸収層１１から下部コンタクト層５に向かって価電子帯の上端のエネルギーレベルが段階的に減少する。即ち、価電子帯の上端のエネルギーレベルは、吸収層１１の当該エネルギーレベル、第２介在層９の当該エネルギーレベル、第１介在層７の当該エネルギーレベル、下部コンタクト層５の当該エネルギーレベルの順に段階的に減少する。
【００３５】
下部コンタクト層５から吸収層１１までの各層のバンドギャップが上述の関係を満たすようにするために、例えば下部コンタクト層５から吸収層１１までの各層の化合物半導体の組成比を調整することができる。例えば、上述の関係を満たすようにするために、下部コンタクト層５のバンドギャップ波長が８６０ｎｍ、第１介在層７のバンドギャップ波長が１１５０ｎｍ、第２介在層９のバンドギャップ波長が１３００ｎｍ、及び、吸収層１１のバンドギャップ波長が１６７０ｎｍとなるように、下部コンタクト層５、第１介在層７、第２介在層９、及び、吸収層１１の化合物半導体の組成をそれぞれ調整することができる。
【００３６】
また、ＡｌＩｎＡｓからなる層とＧａＩｎＡｓＰからなる層とを接合させると、それらの間の価電子帯におけるバンドオフセットは、それらの間の伝導帯におけるバンドオフセットよりも小さくなることが知られている。そのため、図２に示すように、ＡｌＩｎＡｓからなる下部コンタクト層５と、ＧａＩｎＡｓＰからなる第１介在層７との間の価電子帯におけるバンドオフセットＥ５Ｖは、下部コンタクト層５と第１介在層７との間の伝導帯におけるバンドオフセットＥ５Ｃよりも小さくなる。
【００３７】
また、下部コンタクト層５から吸収層１１までの各層の屈折率の関係は、上述のバンドギャップの関係と逆になる。即ち、下部コンタクト層５から吸収層１１までの各層のうち、吸収層１１の屈折率が最も高く、吸収層１１の屈折率、第２介在層９の屈折率、第１介在層７の屈折率、及び、下部コンタクト層５の屈折率の順に、段階的に屈折率は減少する。
【００３８】
また、図２に示すように、第４介在層１５のバンドギャップＥ１５は、クラッド層１７のバンドギャップＥ１７よりも小さく、かつ、吸収層１１のバンドギャップＥ１１よりも大きい。また、第３介在層１３のバンドギャップＥ１３は、第４介在層１５のバンドギャップＥ１５よりも小さく、かつ、吸収層１１のバンドギャップＥ１１よりも大きい。
【００３９】
上述のような第３介在層１３及び第４介在層１５の存在により、吸収層１１からクラッド層１７に向かって伝導帯の下端のエネルギーレベルが段階的に上昇する。即ち、伝導帯の下端のエネルギーレベルは、吸収層１１の当該エネルギーレベル、第３介在層１３の当該エネルギーレベル、第４介在層１５の当該エネルギーレベル、クラッド層１７の当該エネルギーレベルの順に段階的に上昇する。
【００４０】
また、上述のような第３介在層１３及び第４介在層１５の存在により、吸収層１１からクラッド層１７に向かって価電子帯の上端のエネルギーレベルが段階的に減少する。即ち、価電子帯の上端のエネルギーレベルは、吸収層１１の当該エネルギーレベル、第３介在層１３の当該エネルギーレベル、第４介在層１５の当該エネルギーレベル、クラッド層１７の当該エネルギーレベルの順に段階的に減少する。
【００４１】
吸収層１１からクラッド層１７までの各層のバンドギャップが上述の関係を満たすようにするために、例えば吸収層１１からクラッド層１７までの各層の化合物半導体の組成比を調整することができる。例えば、上述の関係を満たすようにするために、吸収層１１のバンドギャップ波長が１６７０ｎｍ、第３介在層１３のバンドギャップ波長が１３００ｎｍ、第４介在層１５のバンドギャップ波長が１１５０ｎｍ、及び、クラッド層１７のバンドギャップ波長が９２０ｎｍとなるように、吸収層１１、第３介在層１３、第４介在層１５、及び、クラッド層１７の化合物半導体の組成をそれぞれ調整することができる。
【００４２】
また、吸収層１１からクラッド層１７までの各層の屈折率の関係は、上述のバンドギャップの関係と逆になる。即ち、吸収層１１からクラッド層１７までの各層のうち、吸収層１１の屈折率が最も高く、吸収層１１の屈折率、第３介在層１３の屈折率、第４介在層１５の屈折率、及び、クラッド層１７の屈折率の順に、段階的に屈折率は減少する。
【００４３】
（メサ部形成工程）
次に、メサ部形成工程が行われる。図３及び図４は、メサ部形成工程を説明するための斜視図である。本工程では、まず図３に示すように、半導体積層２３上に、半導体基板１の主面１Ｓにおける第１方向（図３におけるＹ軸方向）に沿って延びる第１マスク２７を形成する。第１マスク２７は、半導体積層２３の上面の一部を覆う。第１マスク２７は、ＳｉＮ等の絶縁材料からなり、第１マスク２７の厚さは例えば２００ｎｍとすることができる。第１マスク２７は、後述のように突合せ結合（butt-joint）用のマスクとなる。
【００４４】
このような第１マスク２７は、例えば、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等の堆積法によって、半導体積層２３の上面全体にＳｉＮ等の絶縁材料からなる層を形成し、フォトリソグラフィー法によって、所定の形状にパターニングすることにより、形成することができる。
【００４５】
続いて、図４に示すように、第１マスク２７を用いて半導体積層２３を、例えばウェットエッチング法によってエッチングする。この際、半導体積層２３のうち第１マスク２７に覆われていない領域の下部コンタクト層５が除去されるようにする。これにより、半導体積層２３に、第１方向（Ｙ軸方向）に沿って延びるストライプ状のメサ部３１を形成する。本実施形態においては、ｐｉｎ構造２１（下部コンタクト層５、ｉ型層１２、ｎ型層１８）、及び、上部コンタクト層１９がメサ部３１を構成する。
【００４６】
上述の半導体積層２３のエッチングの際、下部コンタクト層５の直下の層（本実施形態の場合、バッファー層３）をエッチングストップ層として用いることが好ましい。即ち、半導体積層２３のエッチングは、下部コンタクト層５に対するエッチングレートが、下部コンタクト層５の直下の層に対するエッチングレートよりも大きくなるようなエッチング法を用いて行うことが好ましい。下部コンタクト層５のエッチングの際、直下のバッファー層３がエッチングストップ層として機能するエッチング液としては、Ｈ２ＳＯ４＋Ｈ２Ｏ２系、あるいは、ＨＣｌ＋Ｈ２Ｏ２系のエッチング液を挙げることができる。
【００４７】
（光導波路部形成工程）
次に、光導波路部形成工程が行われる。図５は、光導波路部形成工程を説明するための斜視図である。本工程では、図５に示すように、上述のメサ部形成工程で形成した第１マスク２７を突合せ結合（butt-joint）用のマスクとして用いて、メサ部３１の両側面（半導体基板１の主面１Ｓにおける第１方向と直交する第２方向（Ｘ軸方向）のメサ部３１の両側面）と接するように半導体材料からなる一対の光導波路部４１、５１を形成する。具体的には、第１マスク２７を選択成長マスクとして用いた有機金属気相成長法等のエピタキシャル成長法によって、一対の光導波路部４１、５１を成長させる。これにより、メサ部３１と一対の光導波路部４１、５１とを含む半導体構造物５３が得られる。メサ部３１を形成するために用いた第１マスク２７を、本工程において選択成長マスクとして用いることにより、メサ部３１の両側面と接するように一対の光導波路部４１、５１を形成することが容易となる。
【００４８】
光導波路部４１は、下部クラッド層３５、コア層３７、及び、上部クラッド層３９を有する。コア層３７は、下部クラッド層３５と上部クラッド層３９の間に介在する。下部クラッド層３５及び上部クラッド層３９は、それぞれ、例えば、ｉ型のＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。コア層３７は、例えばｉ型のＧａＩｎＡｓＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。また、下部クラッド層３５、コア層３７、及び、上部クラッド層３９は、Ａｌを実質的に含まない、又は、組成比でのＡｌ含有率が、下部コンタクト層５のＡｌ含有率よりも低いことが好ましい。これにより、後述の下部コンタクト層５のエッチングストップ層としての機能が有効に発揮される。
【００４９】
本実施形態においては、下部クラッド層３５は下部コンタクト層５の第２方向の側面に接し、コア層３７は吸収層１１の第２方向の側面に接し、上部クラッド層３９は上部コンタクト層１９の第２方向の側面に接する。
【００５０】
同様に、光導波路部５１は、下部クラッド層４５、コア層４７、及び、上部クラッド層４９を有する。コア層４７は、下部クラッド層４５と上部クラッド層４９の間に介在する。下部クラッド層４５及び上部クラッド層４９は、それぞれ、例えば、ｉ型のＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。コア層４７は、例えばｉ型のＧａＩｎＡｓＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。また、下部クラッド層４５、コア層４７、及び、上部クラッド層４９は、Ａｌを実質的に含まない、又は、組成比でのＡｌ含有率が、下部コンタクト層５のＡｌ含有率よりも低いことが好ましい。これにより、後述の下部コンタクト層５のエッチングストップ層としての機能が有効に発揮される。
【００５１】
本実施形態においては、下部クラッド層４５は下部コンタクト層５の第２方向の側面に接し、コア層４７は吸収層１１の第２方向の側面に接し、上部クラッド層４９は上部コンタクト層１９の第２方向の側面に接する。
【００５２】
上述のように第１マスク２７を選択成長マスクとして用いた成長法によって一対の光導波路部４１、５１を成長させる際、第１マスク２７に近い領域においては一対の光導波路部４１、５１の成長速度が遅くなる。そのため、一対の光導波路部４１、５１の第１マスク２７近傍には、窪み４１Ｄ、５１Ｄが形成される場合がある。このような窪み４１Ｄ、５１Ｄが存在すると、半導体構造物５３の表面の平坦性が悪化する。半導体構造物５３の表面の平坦性が悪いと、後の工程において不具合が生じる場合がある。（例えば、後の第２マスク形成工程において、第２マスク６７をフォトリソグラフィーで形成するためのレジストパターンに不良が生じたり、第２マスク６７が剥がれたりする場合がある。）
【００５３】
そのため、光導波路部形成工程後であって、第２マスク形成工程を行う前に、キャップ層形成工程を行うことが好ましい。図６は、キャップ層形成工程を説明するための斜視図である。本工程では、図６に示すように、まず第１マスク２７を除去する。その後、メサ部３１及び一対の光導波路部４１、５１を覆うように、例えば有機金属気相成長法等のエピタキシャル成長法によって、半導体構造物５３上に半導体材料からなるキャップ層５５を形成する。キャップ層５５は、例えば、ｉ型のＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。
【００５４】
このようなキャップ層５５によって窪み４１Ｄ、５１Ｄは埋め込まれるため、平坦性が改善される。即ち、キャップ層５５の表面の平坦性は、半導体構造物５３の表面の平坦性よりも良くなる。その結果、半導体構造物５３の表面の平坦性の悪さに起因して後の工程において不具合が生じることを抑制することができる。
【００５５】
（第２マスク形成工程）
次に、第２マスク形成工程が行われる。図７は、第２マスク形成工程を説明するための斜視図である。本工程においては、図７に示すように、半導体構造物５３上に第２方向に沿って延びる第２マスク６７を形成する。第２マスク６７は、ＳｉＮ等の絶縁材料からなる。また、第２マスク６７は、光導波路部４１の一部を覆うマスク部６１と、メサ部３１の一部を覆うマスク部６３と、光導波路部５１の一部を覆うマスク部６５と、を有する。マスク部６１、マスク部６３、マスク部６５は、一体的に形成されている。本実施形態においては、マスク部６３の第１方向に沿った幅は、マスク部６１及びマスク部６５の第１方向に沿った幅よりも広くなっている。第２マスク６７の厚さは例えば３００ｎｍとすることができる。
【００５６】
このような第２マスク６７は、例えば、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等の堆積法によって、半導体構造物５３上（本実施形態においてはキャップ層５５の直上）にＳｉＮ等の絶縁材料からなる層を形成し、フォトリソグラフィー法によって、所定の形状にパターニングすることにより、形成することができる。
【００５７】
（半導体構造物エッチング工程）
次に、半導体構造物エッチング工程が行われる。図８及び図９は、半導体構造物エッチング工程を説明するための斜視図である。本工程では、第２マスク６７を用いて、下部コンタクト層５をエッチングストップ層としてメサ部３１及び一対の光導波路部４１、５１を一括してエッチングする。
【００５８】
具体的には、図８に示すように、第２マスク６７を用いて下部コンタクト層５が露出するようにメサ部３１をエッチングする。これにより、マスク部６３の下に、下部コンタクト層５の一部の領域５Ｓが露出すると共に、メサ部３１のうちの下部コンタクト層５よりも上部の各層及びキャップ層５５からなる矩形メサ部７３を形成する。
【００５９】
また、第２マスク６７を用いて一対の光導波路部４１、５１をエッチングすることにより、マスク部６１及びマスク部６３の下の一対の光導波路部４１、５１及びキャップ層５５を第２方向に沿って延びるストライプ状に加工する。本実施形態では、一対の光導波路部４１、５１のエッチングは、一対の光導波路部４１、５１のうち第２マスク６７によって覆われていない領域が全て除去されるように（即ち、バッファー層３が露出するように）行われる。
【００６０】
そして、このようなメサ部３１及び光導波路部４１、５１のエッチングは、下部コンタクト層５をエッチングストップ層として用いたエッチングによって行われる。即ち、メサ部３１のエッチングと一対の光導波路部４１、５１のエッチングとは、下部コンタクト層５に対するエッチングレートが、メサ部３１のうちの下部コンタクト層５よりも上部の各層（本実施形態では、ｉ型層１２及びｎ型層１８を形成する各層、図１参照）、及び、一対の光導波路部４１、５１を構成する各層に対するエッチングレートよりも小さくなるようなエッチング法を用いて行う。
【００６１】
これにより、下部コンタクト層５の厚さの減少を抑制することができるため、下部コンタクト層５の厚さ（残厚）を所望の厚さに制御し易くなる。そのため、下部コンタクト層５の厚さ（残厚）のばらつきを抑制することができる。その結果、本実施形態に係る導波路型フォトダイオードの製造方法によれば、得られる導波路型フォトダイオード１００（図１９参照）の素子抵抗の大きさのばらつきを抑制することができる。
【００６２】
上述のエッチング法としては、例えば、平行平板型プラズマ反応性イオンエッチング法や誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法等の反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）を挙げることができる。
【００６３】
上述のエッチング法として誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法を採用することは、以下の理由により特に好ましい。即ち、平行平板型プラズマ反応性イオンエッチング法等と比較して、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法は、エッチングの際のバイアスパワーを低くできる。バイアスパワーが低い程、Ａｌを含有する半導体層はエッチングされ難くなる。そのため、下部コンタクト層５のエッチングレートを他の各層のエッチングレートよりも特に小さくすることができる。即ち、下部コンタクト層５の選択比（下部コンタクト層５のエッチングレートと他の各層のエッチングレートの比であり、下部コンタクト層５のエッチングのされ難さを示す比）を大きくすることができる。これにより、下部コンタクト層５の厚さ（残厚）を所望の厚さに特に制御し易くなるため、下部コンタクト層５の厚さ（残厚）のばらつきを特に抑制することができる。その結果、得られる導波路型フォトダイオード１００（図１９参照）の素子抵抗の大きさのばらつきを特に抑制することができる。
【００６４】
上述のエッチング法として誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法を採用した場合、エッチングガスとしては、例えば、ＣＨ４とＨ２の混合ガスを用いることができ、ＣＨ４とＨ２の混合比は例えば１：３、エッチング圧力は例えば２Ｐａとすることができる。また、バイアスパワーは、０Ｗ／ｃｍ２以上、１Ｗ／ｃｍ２であることが好ましく、０．３Ｗ／ｃｍ２以上、０．６Ｗ／ｃｍ２以下であることがさらに好ましい。また、ＩＣＰパワーは、例えば４．４Ｗ／ｃｍ２とすることができる。
【００６５】
また、上述のエッチング法として、反応性イオンエッチング法を用いた場合、下部コンタクト層５のＡｌ含有率は、組成比で５０％以上、７０％以下であることが好ましい。下部コンタクト層５のＡｌ含有率が組成比で５０％以上であると、下部コンタクト層５に対するエッチングレートを、メサ部３１のうちの下部コンタクト層５よりも上部の各層、及び、一対の光導波路部４１、５１を構成する各層に対するエッチングレートよりも、特に小さくすることができるため、得られる導波路型フォトダイオード１００（図１９参照）の素子抵抗の大きさのばらつきを特に抑制することができる。また、下部コンタクト層５のＡｌ含有率が組成比で７０％以下であると、下部コンタクト層５の上部の各層の結晶性を十分に高くすることができる。
【００６６】
続いて、図９に示すように、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）等によるウェットエッチング等によって、第２マスク６７を除去する。このようにして、メサ部３１の下部コンタクト層５の一部を露出させ、メサ部３１に矩形メサ部７３を形成すると共に、一対の光導波路部４１、５１を第２方向に沿って延びるストライプ状に加工する。
【００６７】
また、発明者らは、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法によってＡｌＩｎＡｓ及びＩｎＰをエッチングする際の、ＡｌＩｎＡｓの選択比とバイアスパワーの関係について、実験を行った。図１０は、選択比のバイアスパワー依存性の実験結果を示す図である。本実験においては、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法によって同一条件でＡｌＩｎＡｓのエッチングレートと、ＩｎＰのエッチングレートを測定し、ＩｎＰのエッチングレートをＡｌＩｎＡｓのエッチングレートで除することにより、ＡｌＩｎＡｓの選択比を求めた。エッチングの際のエッチングガスＣＨ４／Ｈ２の混合比、エッチング圧力、ＩＣＰパワーは全て固定とし、バイアスパワーのみ変化させ、それぞれのバイアスパワーごとに、ＡｌＩｎＡｓの選択比を求めた。
【００６８】
図１０では、縦軸に選択比の逆数を示しており、横軸にバイアスパワーを示している。図１０に示すＡｌＩｎＡｓの選択比のバイアスパワー依存性の結果より、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法によってＡｌＩｎＡｓをエッチングする際のＩｎＰに対するＡｌＩｎＡｓの選択比は、バイアスパワーが低いほど大きくなる（ＡｌＩｎＡｓがエッチングされ難くなる）ことがわかった。
【００６９】
（埋め込み部形成工程）
次に、埋め込み部形成工程を行う。図１１及び図１２は、埋め込み部形成工程を説明するための斜視図である。本工程では、まず、図１１に示すように、各層の露出面（即ち、バッファー層３、光導波路部４１、光導波路部５１、矩形メサ部７３、下部コンタクト層５、及び、キャップ層５５の露出面）に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の酸化物材料からなる保護層７９を、ＣＶＤ法等によって形成する。
【００７０】
続いて、図１２に示すように、保護層７９上に、埋め込み部８１を形成する。これにより、メサ部３１（矩形メサ部７３及び下部コンタクト層５）と一対の光導波路部４１、５１を、埋め込み部８１によって埋め込む。埋め込み部８１は、例えば、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）等の樹脂からなる。
【００７１】
（電極形成工程）
次に、電極形成工程を行う。図１３及び図１９は、電極形成工程を説明するための斜視図であり、図１４〜図１８は、電極形成工程を説明するための部分切断斜視図である。
【００７２】
本工程では、まず、図１３に示すように、埋め込み部８１上にレジスト層８３を形成した後、フォトリソグラフィーにより、レジスト層８３に開口８３Ｈを形成する。図１４（Ａ）は、図１３において、光導波路部４１を第２方向（Ｘ軸方向）と垂直な面で切断した部分切断斜視図であり、図１４（Ｂ）は、図１３において、矩形メサ部７３を第２方向（Ｘ軸方向）と垂直な面で切断した部分切断斜視図である。後述の図１４（Ａ）、図１５（Ａ）、図１６（Ａ）、図１７（Ａ）、図１８（Ａ）、及び、図１９（Ａ）は、図１４（Ａ）に対応しており、図１４（Ｂ）、図１５（Ｂ）、図１６（Ｂ）、図１７（Ｂ）、図１８（Ｂ）、及び、図１９（Ｂ）は、図１４（Ｂ）に対応している。
【００７３】
図１４に示すように、開口８３Ｈは、矩形メサ部７３の上方に形成されており、光導波路部４１上（及び光導波路部５１上）には形成されていない。
【００７４】
続いて、図１５（Ｂ）に示すように、レジスト層８３を用いて、例えば、ＣＦ４とＯ２の混合ガスを用いたＲＩＥ法等によって、レジスト層８３を用いて埋め込み部８１をエッチングすることにより、レジスト層８３の表面から矩形メサ部７３上の保護層７９の表面７９Ｓに至る深さを有するように開口８１Ｈを深くする。このエッチングの際、図１５（Ａ）に示すように、光導波路部４１（及び光導波路部５１）はレジスト層８３によって保護されており、光導波路部４１（及び光導波路部５１）上の埋め込み部８１はエッチングされない。
【００７５】
次に、図１６に示すように、レジスト層８３を除去した後に、矩形メサ部７３及び埋め込み部８１上にレジスト層８５を形成する。そして、フォトリソグラフィーによって、レジスト層８５のうち、上述のメサ部エッチング工程において露出した下部コンタクト層５の領域５Ｓ上の領域に開口を形成するようにレジスト層８５をパターニングする。そして、パターニングされたレジスト層８５を用いて、例えば、ＣＦ４とＯ２の混合ガスを用いたＲＩＥ法等によって、埋め込み部８１をエッチングすることにより、埋め込み部８１に開口８１Ｈを形成する。この開口８１Ｈにより下部コンタクト層５の領域５Ｓ上の保護層７９を露出させる。
【００７６】
続いて、レジスト層８５を除去した後、図１７に示すように、矩形メサ部７３上の保護層７９、及び、下部コンタクト層５の領域５Ｓ上の保護層７９を、例えば、ＣＦ４ガスを用いたＲＩＥ法等によって、エッチングする。これにより、矩形メサ部７３のキャップ層５５、及び、下部コンタクト層５の領域５Ｓを露出させる。上述の保護層７９のエッチングの際、埋め込み部８１はエッチングマスクとして機能する。
【００７７】
続いて、図１８に示すように、矩形メサ部７３のキャップ層５５をエッチングすることにより、矩形メサ部７３の上部コンタクト層１９を露出させる。この際、矩形メサ部７３のキャップ層５５のエッチングレートが、下部コンタクト層５のエッチングレートよりも大きくなるようなエッチング法を用いる。これにより、下部コンタクト層５の領域５Ｓの厚さの減少は抑制される。このようなエッチング法としては、例えば、ＨＣｌ及びＣＨ３ＣＯＯＨをエッチング液として用いたウェットエッチングを挙げることができる。このような矩形メサ部７３のキャップ層５５のエッチングにおいて、キャップ層５５と埋め込み部８１とは異なる材料で形成されているため、キャップ層５５を埋め込み部８１よりも早いエッチングレートでエッチングすることができる。これにより、キャップ層５５を厚くしても、矩形メサ部７３のキャップ層５５のエッチングの際に、埋め込み部８１はマスクとして機能させることができる。
【００７８】
次に、図１９に示すように、矩形メサ部７３のクラッド層１７上に上部コンタクト層１９を介してカソード電極９１を形成し、下部コンタクト層５の領域５Ｓ上にアノード電極９３を形成する。このようにして、導波路型フォトダイオード１００が製造される。
【００７９】
光導波路部４１の端面（又は光導波路部５１の端面）から光が入射すると、当該光は光導波路部４１（又は光導波路部５１）内を伝搬し、吸収層１１に入射する。吸収層１１に光が入射すると、当該光の強度に対応した量の電子及び正孔が吸収層１１に生じる。そして、ｐｉｎ構造２１に逆バイアスが印加されるようにカソード電極９１及びアノード電極９３間に電圧が印加されると、正孔は下部コンタクト層５を経由してアノード電極９３に移動し、電子は上部コンタクト層１９を経由してカソード電極９１に移動するため、カソード電極９１及びアノード電極９３に接続された外部機器に電流が流れる。この電流の大きさを測定することにより、導波路型フォトダイオード１００に入射した光の強度を測定することができる。
【００８０】
また、上述のように第１介在層７及び第２介在層９の存在により、吸収層１１から下部コンタクト層５に向かって価電子帯の上端のエネルギーレベルが段階的に減少する（図２参照）。そのため、第１介在層７及び第２介在層９が存在しない場合と比較して、導波路型フォトダイオード１００に逆バイアスが印加されると、吸収層１１で生じたホールは下部コンタクト層５に移動し易くなる。そのため、導波路型フォトダイオード１００の動作周波数帯域が向上する。
【００８１】
さらに、本実施形態においては、上述のように下部コンタクト層５と第１介在層７との間の価電子帯におけるバンドオフセットＥ５Ｖが、下部コンタクト層５と第１介在層７との間の伝導帯におけるバンドオフセットＥ５Ｃよりも小さくなるように、下部コンタクト層５を構成する材料と第１介在層７を構成する材料を選択している（図２参照）。そのため、吸収層１１で生じたホールは下部コンタクト層５に特に移動し易くなる。そのため、導波路型フォトダイオード１００の動作周波数帯域が特に向上する。
【００８２】
また、上述のように第３介在層１３及び第４介在層１５の存在により、吸収層１１からクラッド層１７に向かって伝導帯の下端のエネルギーレベルが段階的に上昇する（図２参照）。そのため、第３介在層１３及び第４介在層１５が存在しない場合と比較して、導波路型フォトダイオード１００に逆バイアスが印加されると、吸収層１１で生じた電子は上部コンタクト層１９に移動し易くなる。そのため、導波路型フォトダイオード１００の動作周波数帯域が向上する。
【００８３】
本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。
【００８４】
例えば、上述の実施形態においては、光導波路部形成工程と前記第２マスク形成工程との間にキャップ層形成工程を行っているが（図６参照）、キャップ層形成工程を省略することもできる。
【００８５】
また、上述の実施形態においては、半導体積層２３は、第２介在層９を有しているが（図１参照）、半導体積層２３は第２介在層９を有していなくてもよい。その場合であっても、価電子帯の上端のエネルギーレベルは、吸収層１１の当該エネルギーレベル、第１介在層７の当該エネルギーレベル、及び、下部コンタクト層５の当該エネルギーレベルの順に、段階的に減少することになる。そのため、第１介在層７が存在しない場合と比較して、導波路型フォトダイオードに逆バイアスが印加されると、吸収層１１で生じたホールは下部コンタクト層５に移動し易くなる。その結果、導波路型フォトダイオードの動作周波数帯域が向上する。また、半導体積層２３は、第１介在層７及び第２介在層９の双方を有していなくてもよい。
【００８６】
また、上述の実施形態においては、半導体積層２３は、第４介在層１５を有しているが（図１参照）、半導体積層２３は第４介在層１５を有していなくてもよい。また、半導体積層２３は、第３介在層１３と第４介在層１５の双方を有していなくてもよい。
【００８７】
また、半導体積層２３は、上部コンタクト層１９を有していなくてもよい。この場合、クラッド層１７をコンタクト層として用いることができる。
【符号の説明】
【００８８】
１・・・半導体基板、５・・・（下部）コンタクト層、１１・・・吸収層、１７・・・クラッド層、２１・・・ｐｉｎ構造、２３・・・半導体積層、２７・・・第１マスク、３１・・・メサ部、４１、５１・・・一対の光導波路部、５３・・・半導体構造物、６７・・・第２マスク。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の主面上に、ｐ型ＡｌＩｎＡｓからなるコンタクト層と、ｉ型ＧａＩｎＡｓからなる吸収層と、ｎ型ＩｎＰからなるクラッド層と、をこの順に堆積することにより、ｐｉｎ型フォトダイオード部のｐｉｎ構造を有する半導体積層を形成する半導体積層形成工程と、
前記半導体基板の前記主面における第１方向に沿って延びる第１マスクを前記半導体積層上に形成し、前記半導体積層の前記第１マスクによって覆われていない領域の前記コンタクト層が除去されるように前記半導体積層をエッチングすることにより、前記半導体積層に前記第１方向に沿って延びるストライプ状のメサ部を形成するメサ部形成工程と、
前記メサ部の両側面と接するように半導体材料からなる一対の光導波路部を形成することにより、当該一対の光導波路部と前記メサ部とを含む半導体構造物を得る光導波路部形成工程と、
前記半導体基板の前記主面における第１方向と直交する第２方向に沿って延びると共に前記一対の光導波路部の各々の一部及び前記メサ部の一部を覆う第２マスクを前記半導体構造物上に形成する第２マスク形成工程と、
前記第２マスクを用いて、前記コンタクト層をエッチングストップ層として前記メサ部及び前記一対の光導波路部をエッチングすることにより、前記コンタクト層を露出させると共に、前記一対の光導波路部を前記第２方向に沿って延びるストライプ状に加工する半導体構造物エッチング工程と、
前記メサ部の前記クラッド層上にカソード電極を形成し、前記コンタクト層のうち、前記半導体構造物エッチング工程において露出した領域上にアノード電極を形成する、電極形成工程と、
を備えることを特徴とする導波路型フォトダイオードの製造方法。
【請求項２】
前記半導体積層形成工程において、ｉ型ＧａＩｎＡｓＰからなる第１介在層をさらに堆積し、
前記半導体積層において、前記第１介在層は前記コンタクト層と前記吸収層との間に設けられており、
前記第１介在層のバンドギャップは、前記コンタクト層のバンドギャップよりも小さく、かつ、前記吸収層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の導波路型フォトダイオードの製造方法。
【請求項３】
前記半導体積層形成工程において、ｉ型ＧａＩｎＡｓＰからなる第２介在層をさらに堆積し、
前記半導体積層において、前記第２介在層は前記第１介在層と前記吸収層との間に設けられており、
前記第２介在層のバンドギャップは、前記第１介在層のバンドギャップよりも小さく、かつ、前記吸収層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の導波路型フォトダイオードの製造方法。
【請求項４】
前記半導体構造物エッチング工程においては、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法によって、前記メサ部及び前記一対の光導波路部をエッチングすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の導波路型フォトダイオードの製造方法。
【請求項５】
前記光導波路部形成工程においては、前記第１マスクを選択成長マスクとして用いて前記一対の光導波路部を成長させ、
前記光導波路部形成工程と前記第２マスク形成工程との間に、前記メサ部及び前記一対の光導波路部を覆うように、半導体材料からなるキャップ層を形成するキャップ層形成工程をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の導波路型フォトダイオードの製造方法。
【請求項１】
半導体基板の主面上に、ｐ型ＡｌＩｎＡｓからなるコンタクト層と、ｉ型ＧａＩｎＡｓからなる吸収層と、ｎ型ＩｎＰからなるクラッド層と、をこの順に堆積することにより、ｐｉｎ型フォトダイオード部のｐｉｎ構造を有する半導体積層を形成する半導体積層形成工程と、
前記半導体基板の前記主面における第１方向に沿って延びる第１マスクを前記半導体積層上に形成し、前記半導体積層の前記第１マスクによって覆われていない領域の前記コンタクト層が除去されるように前記半導体積層をエッチングすることにより、前記半導体積層に前記第１方向に沿って延びるストライプ状のメサ部を形成するメサ部形成工程と、
前記メサ部の両側面と接するように半導体材料からなる一対の光導波路部を形成することにより、当該一対の光導波路部と前記メサ部とを含む半導体構造物を得る光導波路部形成工程と、
前記半導体基板の前記主面における第１方向と直交する第２方向に沿って延びると共に前記一対の光導波路部の各々の一部及び前記メサ部の一部を覆う第２マスクを前記半導体構造物上に形成する第２マスク形成工程と、
前記第２マスクを用いて、前記コンタクト層をエッチングストップ層として前記メサ部及び前記一対の光導波路部をエッチングすることにより、前記コンタクト層を露出させると共に、前記一対の光導波路部を前記第２方向に沿って延びるストライプ状に加工する半導体構造物エッチング工程と、
前記メサ部の前記クラッド層上にカソード電極を形成し、前記コンタクト層のうち、前記半導体構造物エッチング工程において露出した領域上にアノード電極を形成する、電極形成工程と、
を備えることを特徴とする導波路型フォトダイオードの製造方法。
【請求項２】
前記半導体積層形成工程において、ｉ型ＧａＩｎＡｓＰからなる第１介在層をさらに堆積し、
前記半導体積層において、前記第１介在層は前記コンタクト層と前記吸収層との間に設けられており、
前記第１介在層のバンドギャップは、前記コンタクト層のバンドギャップよりも小さく、かつ、前記吸収層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の導波路型フォトダイオードの製造方法。
【請求項３】
前記半導体積層形成工程において、ｉ型ＧａＩｎＡｓＰからなる第２介在層をさらに堆積し、
前記半導体積層において、前記第２介在層は前記第１介在層と前記吸収層との間に設けられており、
前記第２介在層のバンドギャップは、前記第１介在層のバンドギャップよりも小さく、かつ、前記吸収層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の導波路型フォトダイオードの製造方法。
【請求項４】
前記半導体構造物エッチング工程においては、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法によって、前記メサ部及び前記一対の光導波路部をエッチングすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の導波路型フォトダイオードの製造方法。
【請求項５】
前記光導波路部形成工程においては、前記第１マスクを選択成長マスクとして用いて前記一対の光導波路部を成長させ、
前記光導波路部形成工程と前記第２マスク形成工程との間に、前記メサ部及び前記一対の光導波路部を覆うように、半導体材料からなるキャップ層を形成するキャップ層形成工程をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の導波路型フォトダイオードの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１３−１６６０１（Ｐ２０１３−１６６０１Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４７６５４（Ｐ２０１１−１４７６５４）
【出願日】平成２３年７月１日（２０１１．７．１）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１日（２０１１．７．１）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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