JP2005129833A - 半導体レーザの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、回折格子上に半導体層を有機金属気相成長法で結晶成長させる際に、マストランスポートの活性化により変成層が生じ、回折格子深さが浅くなることのない半導体レーザの製造方法を提供するものである。
【解決手段】本発明の半導体レーザの製造方法は、ｎ型ＩｎＰ基板２上にシリコン酸化膜１０２とフォトレジスト膜１１を積層し、フォトレジスト膜１１をパターニングしフォトレジストマスク１１ａを形成し、それを用いてシリコン酸化膜１０２をパターニングしシリコン酸化膜マスク１０２ａを形成し、それを用いてｎ型ＩｎＰ基板２表面にドライエッチングで回折格子３ａを形成し、シリコン酸化膜マスク１０２ａを結晶成長阻止用の保護マスクとして残したまま、回折格子３ａを埋め込む厚さまで第１半導体層４ａを結晶成長させ、シリコン酸化膜マスク１０２ａを除去した後、さらに第２半導体層４ｂを結晶成長させてガイド層４を形成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体レーザの製造方法に関し、特に、半導体基板表面に形成した回折格子の上に半導体層を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）で結晶成長させる際に生じるマストランスポート(mass-transport)の活性化を抑制できる半導体レーザの製造方法に関する。

近年急激に伸びている通信需要に対応するため、１本の光ファイバ中に異なる波長の光信号を伝送させることにより、光ファイバを新たに増設することなく大幅に通信容量を拡大できる波長分割多重（ＷＤＭ：wavelength division multiplexing）光通信システムが進展してきている。このＷＤＭ光通信システムには、発振波長（発振スペクトル）純度の高い光源が必要なため、単一波長出力が可能な分布帰還型（ＤＦＢ：distributed feedback）半導体レーザが用いられる。この分布帰還型半導体レーザの分布帰還動作による単一波長出力動作は、半導体光導波路内部に周期的な屈折率変化を発生させる回折格子を導入することで実現される。そして、この回折格子の凹凸の形状や深さ（凹凸の段差寸法）を最適なものにすることは単一波長発振をより安定させるために非常に重要である。

尚、回折格子は、その周期に対応した波長の光のみを選択的に反射する特性を有しており、回折格子の周期で決まる特定の波長のみが回折格子により反射され、分布帰還型半導体レーザ内で相互作用（帰還）し増幅され定在波ができる。即ち、出力光の波長は所定の深さを有する回折格子の周期によって決定され単一波長出力が実現する。

従来の半導体レーザの一例として分布帰還型半導体レーザ（以降、ＤＦＢレーザと呼ぶ）を図５に示す。図５（ａ）は、ＤＦＢレーザを光導波路方向に水平な面で切った縦断面図、図５（ｂ）は、半導体基板表面に形成した回折格子の斜視図である。

ＤＦＢレーザ１は、ｎ型ＩｎＰ基板２表面に形成した多数本の凹凸のラインパターンから成る回折格子３と、その回折格子３を埋め込んでさらにその上に一定の厚さ成長させたｎ型ＩｎＧａＡｓＰで成るガイド層４と、その上に形成した多重井戸構造の活性層５と、その上に形成したｐ型ＩｎＰで成るクラッド層６と、その上に形成したＩｎＧａＡｓＰで成るキャップ層７と、Ｔｉ／Ａｕなどで成る表面及び裏面にそれぞれ形成したｐ側電極８及びｎ側電極９とで構成されている。

また、回折格子３は所定の深さｄ（凹凸の段差寸法；以降、回折格子深さｄと呼ぶ）を有する一定周期Λの凹凸形状であり、この場合、後述するように、ウェットエッチング（等方性）で形成されているため断面形状は比較的コーナ部が丸い波形状（略Ｖ字形）となっている。

また、回折格子３の凹部には、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰで成るガイド層４とは組成が異なるＩｎＡｓＰで成る変成層１０が堆積している。尚、この変成層１０は、後述する有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）でガイド層４を形成するときに生じる。

ここで、ブラッグ反射を起こすための回折格子３の周期Λと発振波長λとの間には、以下の関係がある。

（数１）
Λ＝ｍ・λ／（２・ｎ_ｅ）
（ｍ；正の整数、ｎ_ｅ；ＤＦＢレーザ内部の光導波路の等価屈折率）

そして、上記の数式中の等価屈折率（ｎ_ｅ）を精度よく得るためには、回折格子深さｄが重要な寸法となってくる。

しかしながら、変成層１０はガイド層４とは屈折率が異なる上に、その凹部への堆積によって回折格子深さｄを変化（浅化）させるため、等価屈折率（ｎ_ｅ）を変動させる要因となった。

次に、このＤＦＢレーザ１の製造方法を図６，図７を用いて説明する。図６，図７は製造方法の工程順を示す断面図である。

先ず、ｎ型ＩｎＰ基板２表面に回折格子を形成する。回折格子の形成方法は、図６（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板２上にポジ型のフォトレジスト膜１１を塗布形成する。

次に、図６（ｂ）に示すように、電子ビーム露光法により電子ビームでフォトレジスト膜に所定の周期Λを有する回折格子パターンを直接描画した後、現像してフォトレジストマスク１１ａを得る。

尚、ここでは、フォトレジストマスク１１ａの形成方法として電子ビーム露光法を用いて説明したが他の露光法として、干渉露光法やマスク（図示せず）のパターンを転写する方法などを採用してもよい。また、電子ビーム露光法は最も精密で微細な周期を形成できＤＦＢレーザの製造に適しているが、描画スピードが遅くスループットの点で劣るため、回折格子をｎ型ＩｎＰ基板２全面に形成せず、実際にレーザ発振可能な活性層に対応する部分とその周辺にのみ局所的に形成するなどして描画距離及び描画時間の短縮を図ってもよい。

次に、図６（ｃ）に示すように、フォトレジストマスク１１ａをエッチングマスクとして、この場合、ウェットエッチングによりｎ型ＩｎＰ基板２をエッチングして回折格子３を形成する。

尚、このとき、ウェットエッチングは等方的にエッチングが進むため、どうしてもフォトレジストマスク１１ａ下にエッチング液が回り込み、回折格子３の凹凸形状は比較的コーナ部が丸い波形状（略Ｖ字形）となる。

次に、図７（ｄ）に示すように、フォトレジストマスクを除去した後、回折格子３を埋め込んでさらに一定の厚さ、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）でＩｎＧａＡｓＰを結晶成長させガイド層４を形成する。

尚、このときの昇温で回折格子３が含む元素（Ｉｎ）のマストランスポートが活性化し原料ガス（ＡｓＨ_３，ＰＨ_３）と反応してＩｎＡｓＰで成る変成層１０が生じる。そしてその結果、回折格子３の凸部は消費されて高さが低くなる一方、凹部は生じた変成層１０で埋め込まれ、回折格子深さｄが浅くなった。（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１１−１１２０９８号公報（第２頁、０００４段落、図７）

また、このマストランスポートによって回折格子深さｄが浅くなる現象は、回折格子３の断面形状が波形状（略Ｖ字形）に近いほど顕著で、矩形状（略Ｕ字形）に近いほど影響が少ない。

その理由の一つとして考えられることは、回折格子３の断面形状が波形状（略Ｖ字形）であると、凸部／凹部はそれぞれ先細り形状となるため、細い凸部は減りやすく、狭い凹部は埋め込まれやすいためである。そしてそれに加えて、凸部に生じたＩｎＡｓＰの結晶は回折格子３の斜面に沿って凹部に移動（落下）していき、その移動によって下から新たな回折格子３面が露出しマストランスポートが活性化され、次々と新たなＩｎＡｓＰの結晶が生じるためである。

一方、回折格子３の断面形状が矩形状（略Ｕ字形）であると、凸部／凹部はそれぞれ一定面積の平坦面を有する平坦形状となるため、広い凸部は減りにくく、広い凹部は埋め込まれにくい。また、凸部に生じたＩｎＡｓＰの結晶は移動せず平坦な凸部に留まるため新たなＩｎＡｓＰの成長が抑制される。

即ち、変成層１０の凹部への堆積による回折格子深さｄの変化（浅化）量は、回折格子の断面の形状に影響され、断面形状は、より矩形状に近いことが望ましいと言える。

次に、図７（ｅ）に示すように、ガイド層４上に順次、多重井戸構造の活性層５，ｐ型ＩｎＰで成るクラッド層６，ＩｎＧａＡｓＰで成るキャップ層７を結晶成長させる。

次に、図７（ｆ）に示すように、蒸着法またはスパッタ法で、表面及び裏面にそれぞれＴｉ／Ａｕなどで成るｐ側電極８，ｎ側電極９を形成しＤＦＢレーザ１が完成する。

上述したように、従来のＤＦＢレーザ１の製造方法では、ｎ型ＩｎＰ基板２表面に形成した回折格子３上にガイド層４を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）で形成する際に、その昇温によって回折格子３に含まれる元素（Ｉｎ）のマストランスポートが活性化し、ガイド層４とは組成および屈折率が異なる変成層１０が生じると共に、回折格子３の凸部が消費され高さが低くなる一方、生じた変成層１０で凹部が埋め込まれるため、結果的に回折格子深さｄが浅くなり、所望の等価屈折率（ｎ_ｅ）を得ることができなくなるおそれがあった。また、この回折格子深さｄの変化（浅化）量は回折格子３の断面形状が波形状（略Ｖ字形）に近いほど顕著であった。

本発明の目的は、半導体基板表面に形成した回折格子上に半導体層を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）で結晶成長させる際に、マストランスポートの活性化により変成層が生じ、その変成層で回折格子深さが浅くなることのない半導体レーザの製造方法を提供するものである。

本発明の半導体レーザの製造方法は、
少なくとも、
半導体基板上に回折格子を形成する工程と、
回折格子上に有機金属気相成長法で半導体層を結晶成長させる際に、回折格子に含まれる元素のマストランスポートが活性化しないように回折格子の凸部を結晶成長阻止用の保護マスクで被覆して、半導体層を結晶成長させる工程とを含むことを特徴とする半導体レーザの製造方法である。

また、さらに、本発明の半導体レーザの製造方法は、
少なくとも、
半導体基板上に結晶成長阻止用の保護マスクとなる保護膜を形成する工程と、
保護膜上にフォトレジスト膜を積層形成する工程と、
フォトレジスト膜を回折格子パターンに露光および現像しフォトレジストマスクを形成する工程と、
フォトレジストマスクを用いて保護膜をエッチングし回折格子パターンを有する保護マスクを形成する工程と、
フォトレジストマスクを除去後、保護マスクを用いて半導体基板をエッチングし回折格子を形成する工程と、
回折格子の凸部に保護マスクを残したまま、有機金属気相成長法で、丁度、回折格子を埋め込む厚さまで第１半導体層を結晶成長させる工程と、
保護マスクを除去後、さらに一定の厚さ第１半導体層と同じ材料で成る第２半導体層を結晶成長させる工程とを含むことを特徴とする半導体レーザの製造方法である。

本発明の半導体レーザの製造方法によれば、半導体基板表面に形成した回折格子上に半導体層を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）で形成する際に、回折格子に含まれる元素のマストランスポートが活性化し不所望な変成層が生じその結果、回折格子深さが浅くなることがないように、回折格子の凸部を結晶成長阻止用の保護マスクで被覆して結晶成長させるため、回折格子深さが維持でき、所望の等価屈折率（ｎ_ｅ）を得ることができる。また、回折格子をドライエッチング（異方性）を用いて、その断面形状を矩形状に形成すると、さらに回折格子深さｄの変化（浅化）量を低減できる。

本発明の半導体レーザの一例として分布帰還型半導体レーザ（以降、ＤＦＢレーザと呼ぶ）を図１に示す。図１（ａ）は、ＤＦＢレーザを光導波路方向に水平な面で切った縦断面図、図１（ｂ）は、半導体基板表面に形成した回折格子の斜視図である。尚、図５と同一部分には同一符号を付す。

ＤＦＢレーザ１０１は、ｎ型ＩｎＰ基板２表面に形成した多数本の凹凸のラインパターンから成る回折格子３ａと、その回折格子３ａを丁度、平坦となるように埋め込んだｎ型ＩｎＧａＡｓＰで成る第１半導体層４ａ及び、その上にさらに一定の厚さ結晶成長させた同じくｎ型ＩｎＧａＡｓＰで成る第２半導体層４ｂとで構成したガイド層４と、その上に形成した多重井戸構造の活性層５と、その上に形成したｐ型ＩｎＰで成るクラッド層６と、その上に形成したＩｎＧａＡｓＰで成るキャップ層７と、Ｔｉ／Ａｕなどで成る表面及び裏面にそれぞれ形成したｐ側電極８及びｎ側電極９とで構成されている。

また、回折格子３ａは所定の深さｄ（凹凸の段差寸法；以降、回折格子深さｄと呼ぶ）を有する一定周期Λの凹凸形状であり、この場合、後述するように、ドライエッチング（異方性）で形成されているため断面形状は比較的コーナ部が角張った矩形状（略Ｕ字形）となっている。

また、回折格子３ａの凹部には不所望な変成層の堆積は見られない。

ここで、ブラッグ反射を起こすための回折格子３ａの周期Λと発振波長λとの間には、以下の関係がある。

（数１）
Λ＝ｍ・λ／（２・ｎ_ｅ）
（ｍ；正の整数、ｎ_ｅ；ＤＦＢレーザ内部の光導波路の等価屈折率）

そして、上記の数式中の等価屈折率（ｎ_ｅ）を精度よく得るためには、回折格子深さｄが重要な寸法となってくる。

次に、このＤＦＢレーザ１０１の製造方法を図２〜図４を用いて説明する。図２〜図４は製造方法の工程順を示す断面図である。尚、図６，図７と同一部分には同一符号を付す。

先ず、ｎ型ＩｎＰ基板２表面に回折格子を形成する。回折格子の形成方法は、図２（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板２上に、後で有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）を用いる際に、結晶成長阻止用の保護マスクとなる予定のシリコン酸化膜１０２をＣＶＤ法で形成する。

次に、図２（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜１０２上にポジ型のフォトレジスト膜１１を塗布形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように、電子ビーム露光法により電子ビームでフォトレジスト膜に所定の周期Λを有する回折格子パターンを直接描画した後、現像してフォトレジストマスク１１ａを得る。

尚、ここでは、フォトレジストマスク１１ａの形成方法として電子ビーム露光法を用いて説明したが他の露光法として、干渉露光法やマスク（図示せず）のパターンを転写する方法などを採用してもよい。また、電子ビーム露光法は最も精密で微細な周期を形成できＤＦＢレーザの製造に適しているが、描画スピードが遅くスループットの点で劣るため、回折格子をｎ型ＩｎＰ基板２全面に形成せず、実際にレーザ発振可能な活性層に対応する部分とその周辺にのみ局所的に形成するなどして描画距離及び描画時間の短縮を図ってもよい。

次に、図３（ｄ）に示すように、フォトレジストマスク１１ａをエッチングマスクとしてドライエッチング（異方性）によりシリコン酸化膜をエッチングしてシリコン酸化膜マスク１０２ａを形成する。

このとき、シリコン酸化膜をドライエッチング（異方性）で形成するのでシリコン酸化膜マスク１０２ａのパターンエッジはシャープとなり、後でｎ型ＩｎＰ基板２をエッチングして回折格子を形成する際に、よりシャープな断面形状を有する回折格子を得るのに好適である。

次に、図３（ｅ）に示すように、シリコン酸化膜マスク１０２ａをエッチングマスクとしてドライエッチング（異方性）によりｎ型ＩｎＰ基板２を所定深さｄだけエッチングして断面形状が矩形状（略Ｕ字形）の回折格子３ａを形成する。

次に、図３（ｆ）に示すように、シリコン酸化膜マスク１０２ａを回折格子３ａの凸部の結晶成長阻止用の保護マスクとして残したまま、丁度、回折格子３ａを埋め込む厚さまで有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）でｎ型ＩｎＧａＡｓＰで成る第１半導体層４ａを結晶成長させガイド層の一部を形成する。

尚、このときの昇温の際に、回折格子３ａの凸部は、本発明の特徴である結晶成長阻止用の保護マスクとしてのシリコン酸化膜マスク１０２ａで被覆されているため不所望な変成層は生じにくい。そのため、回折格子３ａの凸部が消費されたり、凹部が変成層で埋め込まれたりせず、回折格子深さｄが維持できる。

また、回折格子３ａはドライエッチング（異方性）によって断面形状が矩形状（略Ｕ字形）に形成されている点でも回折格子深さｄの変化（浅化）量を低減できる。

次に、回折格子３ａの埋め込みが完了したら、シリコン酸化膜マスクをフッ酸で除去した後、図４（ｇ）に示すように、同じくｎ型ＩｎＧａＡｓＰで成る第２半導体層４ｂをさらに一定の厚さ有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）で結晶成長させ、第１半導体層４ａと第２半導体層４ｂとで構成するガイド層４を完成させる。

次に、図４（ｈ）に示すように、ガイド層４上に順次、多重井戸構造の活性層５，ｐ型ＩｎＰで成るクラッド層６，ＩｎＧａＡｓＰで成るキャップ層７を結晶成長させる。

次に、図４（ｉ）に示すように、蒸着法またはスパッタ法で、表面及び裏面にそれぞれＴｉ／Ａｕなどで成るｐ側電極８，ｎ側電極９を形成しＤＦＢレーザ１０１が完成する。

このようにｎ型ＩｎＰ基板２表面に形成した回折格子３ａ上にガイド層４を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）で形成する際に、回折格子３ａの凸部を結晶成長阻止用のシリコン酸化膜マスク１０２ａで保護して結晶成長させるとマストランスポートの活性化を抑制でき変成層が生じにくく、その結果として回折格子深さｄが維持できる。また、回折格子３ａの断面形状を矩形状（略Ｕ字形）に形成したので、さらに回折格子深さｄの変化（浅化）量を低減できる。

尚、上記では、回折格子３ａをドライエッチング（異方性）で形成し断面形状を矩形状（略Ｕ字形）とすることで説明したが、例えば、回折格子をウェットエッチング（等方性）で形成し断面形状が波形状（略Ｖ字形）となった場合であっても、回折格子の凸部を結晶成長阻止用の保護マスクで被覆して結晶成長させることによるマストランスポートの抑制効果はそれなりに得ることができることは言うまでもない。

また、上記では、結晶成長阻止用の保護マスクの材料として、シリコン酸化膜で説明したが、特にこれに限るものではなく、例えば、シリコン窒化膜などであってもよい。但し、この場合、ホットリン酸などで除去する必要がある。

半導体基板表面に形成した回折格子上に半導体層を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）で形成する際に、回折格子の凸部を結晶成長阻止用の保護マスクで被覆して結晶成長させることで不所望な変成層を生じさせず、その結果、回折格子深さを維持できる半導体レーザの製造方法に適用できる。

本発明の半導体レーザの一例としてのＤＦＢレーザの要部断面図及び回折格子の斜視図 本発明のＤＦＢレーザの製造方法の工程順を示す断面図 本発明のＤＦＢレーザの製造方法の工程順を示す断面図 本発明のＤＦＢレーザの製造方法の工程順を示す断面図 従来の半導体レーザの一例としてのＤＦＢレーザの要部断面図及び回折格子の斜視図 従来のＤＦＢレーザの製造方法の工程順を示す断面図 従来のＤＦＢレーザの製造方法の工程順を示す断面図

符号の説明

１ 従来のＤＦＢレーザ
２ ｎ型ＩｎＰ基板
３ 従来の回折格子
３ａ 本発明の回折格子
４ ガイド層
４ａ 第１半導体層
４ｂ 第２半導体層
５ 活性層
６ クラッド層
７ キャップ層
８ ｐ側電極
９ ｎ側電極
１０ 変成層
１１ フォトレジスト膜
１１ａ フォトレジストマスク
１０１ 本発明のＤＦＢレーザ
１０２ シリコン酸化膜
１０２ａ シリコン酸化膜マスク
ｄ 回折格子深さ（凹凸の段差寸法）
Λ 回折格子の周期

Claims (6)

1. 少なくとも、
   半導体基板上に回折格子を形成する工程と、
   前記回折格子上に有機金属気相成長法で半導体層を結晶成長させる際に、前記回折格子に含まれる元素のマストランスポートが活性化しないように前記回折格子の凸部を結晶成長阻止用の保護マスクで被覆して、前記半導体層を結晶成長させる工程とを含むことを特徴とする半導体レーザの製造方法。
2. 本発明の半導体レーザの製造方法は、
   少なくとも、
   半導体基板上に結晶成長阻止用の保護マスクとなる保護膜を形成する工程と、
   前記保護膜上にフォトレジスト膜を積層形成する工程と、
   前記フォトレジスト膜を回折格子パターンに露光および現像しフォトレジストマスクを形成する工程と、
   前記フォトレジストマスクを用いて前記保護膜をエッチングし回折格子パターンを有する保護マスクを形成する工程と、
   前記フォトレジストマスクを除去後、前記保護マスクを用いて前記半導体基板をエッチングし回折格子を形成する工程と、
   前記回折格子の凸部に前記保護マスクを残したまま、有機金属気相成長法で、丁度、前記回折格子を埋め込む厚さまで第１半導体層を結晶成長させる工程と、
   前記保護マスクを除去後、さらに一定の厚さ前記第１半導体層と同じ材料で成る第２半導体層を結晶成長させる工程とを含むことを特徴とする半導体レーザの製造方法。
3. 前記第１半導体層および前記第２半導体層で構成される半導体層は分布帰還型半導体レーザのガイド層であり、前記ガイド層上にさらに活性層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１、または、請求項２に記載の半導体レーザの製造方法。
4. 前記保護マスクは、シリコン酸化膜、または、シリコン窒化膜で成ることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体レーザの製造方法。
5. 前記保護マスクを形成するエッチング方法は、ドライエッチングであって、前記保護マスクのパターンエッジをシャープに形成することを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の半導体レーザの製造方法。
6. 前記半導体基板表面に前記回折格子を形成するエッチング方法は、ドライエッチングであって、前記回折格子の光導波路方向に水平な面で切った断面形状が矩形状になるように形成することを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の半導体レーザの製造方法。

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