(57)【要約】  本発明は、半導体材料のみから構成される回折格子マスクパターンによるｉｎ−ｓｉｔｕエッチングと、容易に酸化する半導体材料を保護する、半導体回折格子マスクの下の保護層の製作との組合せである。したがって、本発明は、２段階プロセスに基づく。最初に、回折格子パターンが半導体材料内で画定され、このパターンは半導体回折格子マスクと呼ばれる。半導体回折格子マスクは、保護材料の層の上面に配置され、この保護材料は、容易に酸化する半導体材料の上にあって、下にある材料の酸化を防止する。次いで、半導体構造は反応器に移送されて、第２段階において、マスクパターンがｉｎ−ｓｉｔｕエッチングによって、下にある保護層および容易に酸化する半導体材料中に転写される。次いで、同一の反応器内で、エッチングされた回折格子を大気に露出させることなく、回折格子はオーバーグロースされる。オーバーグロースされた材料は、その構造体を反応器から取り出すときに、下にある半導体材料を、酸化から保護する。
2007510302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容易に酸化する半導体材料の１または２以上の層に回折格子パターンを製造する方法であって、
（ａ）前記１または２以上の層の上に保護層を形成するステップであって、前記保護層を半導体材料から形成して、前記１または２以上の層を保護する、前記ステップ；
（ｂ）前記保護層上に成長させた半導体材料に回折格子パターンを形成するステップであって、それによって半導体回折格子マスクを形成する、前記ステップ；
（ｃ）エピタキシャル成長反応器内でｉｎ−ｓｉｔｕエッチングを使用して、前記１または２以上の層中に回折格子パターンを転写するステップ；および
（ｄ）前記エピタキシャル成長反応器から取り外す前に、前記１または２以上の層上に、半導体材料をオーバーグロースさせるステップ、
を含む前記方法。
【請求項２】
回折格子パターンを形成するステップが、
（ａ）保護層上に成長させた半導体材料上に堆積されたマスキング材料に所望の回折格子パターンを生成するステップであって、それによってマスクを画定する、前記ステップ；
（ｂ）前記マスクによって画定されるように、前記保護層上に成長させた前記半導体材料を部分的にエッチングするステップ；
（ｃ）前記保護層の上方に成長した前記半導体材料を選択的にエッチングするステップであって、前記回折格子パターンを形成し、それによって、前記半導体回折格子マスクを形成する、前記ステップ；および
（ｄ）前記マスク材料を除去するステップ、
を含む請求項１に記載の、容易に酸化する半導体材料の１または２以上の層に回折格子パターンを製造する方法。
【請求項３】
選択的にエッチングをするステップを、誘導結合プラズマを使用して実行する、請求項２に記載の、容易に酸化する半導体材料の１または２以上の層に回折格子パターンを製造する方法。
【請求項４】
選択的にエッチングするステップを、選択されたエッチング剤に基づいて、保護層に到達すると停止させる、請求項２に記載の、容易に酸化する半導体材料の１または２以上の層に回折格子パターンを製造する方法。
【請求項５】
所望の回折格子パターンを生成するステップを、フォトレジストマスクを使用するプラズマエッチングプロセスまたはウェットエッチングプロセスを使用して実行する、請求項２に記載の、容易に酸化する半導体材料の１または２以上の層に回折格子パターンを製造する方法。
【請求項６】
マスキング材料が誘電体材料である、請求項２に記載の、容易に酸化する半導体材料の１または２以上の層に回折格子パターンを製造する方法。
【請求項７】
回折格子パターンを転写するステップの間に、保護層上に成長した半導体材料を部分的にエッチング除去する、請求項１に記載の、容易に酸化する半導体材料の１または２以上の層に回折格子パターンを製造する方法。
【請求項８】
回折格子パターンを転写するステップの間に、保護層上に成長させた半導体材料を完全にエッチング除去する、請求項１に記載の、容易に酸化する半導体材料の１または２以上の層に回折格子パターンを製造する方法。
【請求項９】
エピタキシャル成長反応器が、ＭＯＣＶＤ反応器である、請求項１に記載の、容易に酸化する半導体材料の１または２以上の層に回折格子パターンを製造する方法。
【請求項１０】
半導体材料の１または２以上の層を、Ａｌ（Ｉｎ，Ｇａ）Ａｓ材料系から選択する、請求項１に記載の、容易に酸化する半導体材料の１または２以上の層に回折格子パターンを製造する方法。
【請求項１１】
保護層が、ＩｎＰである、請求項１に記載の、容易に酸化する半導体材料の１または２以上の層に回折格子パターンを製造する方法。
【請求項１２】
保護層上に成長させる半導体材料が、ＩｎＧａＡｓである、請求項１に記載の、容易に酸化する半導体材料の１または２以上の層に回折格子パターンを製造する方法。
【請求項１３】
選択的にエッチングするステップを、ＨＢｒを使用する誘導結合プラズマを使用して実行する、請求項１２に記載の、容易に酸化する半導体材料の１または２以上の層に回折格子パターンを製造する方法。
【請求項１４】
選択的にエッチングするステップが、クエン酸の水溶液を使用してエッチングすることをさらに含む、請求項１３に記載の、容易に酸化する半導体材料の１または２以上の層に回折格子パターンを製造する方法。
【請求項１５】
オーバーグロースさせるステップの間に堆積される材料と、保護層を形成する材料とが、同一の組成である、請求項１に記載の、容易に酸化する半導体材料の１または２以上の層に回折格子パターンを製造する方法。
【請求項１６】
半導体材料の１または２以上の層が、ＤＦＢレーザーの活性領域を形成する、請求項１に記載の、容易に酸化する半導体材料の１または２以上の層に回折格子パターンを製造する方法。
【請求項１７】
（ａ）容易に酸化する半導体材料の１または２以上の層であって、回折格子パターンがその中にエッチングされている、前記１または２以上の層；
（ｂ）前記１または２以上の層の上の保護層であって、前記回折格子パターンをその中に有する、前記保護層；
（ｃ）前記保護層上に成長させた半導体材料のオーバーグロース層であって、前記１または２以上の層の中にグレーティンパターンをカプセル化する、前記オーバーグロース層、を含む半導体デバイス。
【請求項１８】
活性領域を有し、該活性領域は、１または２以上の層の内部に位置する、請求項１７に記載の半導体デバイス。
【請求項１９】
１または２以上の層が、Ａｌ（Ｉｎ，Ｇａ）Ａｓ材料系から選択される、請求項１７に記載の半導体デバイス。
【請求項２０】
保護層がＩｎＰである、請求項１７に記載の半導体デバイス。
【請求項２１】
オーバーグロース層がＩｎＧａＡｓである、請求項１７に記載の半導体デバイス。
【請求項２２】
保護層およびオーバーグロース層が、同一の材料組成を有する、請求項１７に記載の半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、半導体レーザーの分野に関し、特に、容易に酸化する半導体材料中に回折格子を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
高温度で動作するレーザーは、高温度で動作可能なレーザーに対するパッケージコストおよび動作コストが低いために、電気通信における多くの用途に対して要求されている。活性領域にＡｌ（Ｉｎ，Ｇａ）Ａｓを含有する、分布帰還（ＤＦＢ：Distributed Feedback）レーザーは、広い温度範囲にわたってその閾値電流および効率が比較的安定していることから、高温用途に対して有望であることがわかっている。このような挙動は、T. J. Houle, et al, "A detailed comparison of temperature sensitivity of threshold for InGaAsP/InP, AlGaAs/GaAs, and AlInGaAs/InP lasers," CLEO, CTuO1, Baltimore, MD, 2001；J. Piprek, et al, "What limits the maximum output power of long-wavelength AlGaInAs/InP laser diodes?," IEEE J. Quantum Electron. 38, 1253(2002)；およびJ. C. L. Yong, et al, "1.3-mm quantum-well InGaAsP, AlGaInAs, and InGaAsN laser material gain: A theoretical study," IEEE J. Quantum Electron. 38, 1553(2002). などの刊行物に記載されている。
【０００３】
ＤＦＢレーザーおよび分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）レーザーを含む、多くの半導体レーザーは、回折格子を包含する。この回折格子は、レーザー空隙の全部または一部を通過するか、あるいはレーザー空隙の外部に、周期的な反射をもたらす。回折格子の特性は、効率、閾値電流、動作波長、および外部動揺に対する抵抗を含む、レーザーの多くの特性に影響を与える。電気通信用途におけるＤＦＢレーザーが、フィーチャサイズが１００ｎｍ未満で、周期が２００ｎｍという低さの回折格子を有することはまれではない。
【０００４】
２種類のＤＦＢレーザーがあり、それはすなわち屈折率結合（index-coupled）および利得結合（gain-coupled）である。屈折率結合レーザーにおいては、回折格子は、光を放出する材料である活性領域に隣接している。回折格子は活性領域に入らないので、活性領域は、屈折率結合回折格子によって物理的な修正は受けず、したがって、活性領域内では、エッチングまたはオーバーグロースは実行されない。屈折率結合ＤＦＢレーザーの１つの欠点は、その性能が、回折格子に対する前ファセット（front facet）および後ファセット（rear facet）の位置によって、大きく影響されることである。製造においては、収量を最大化するために、この現象、すなわちファセット位相（facet phase）、を制御することはできない。さらに、偶然にせよ、設計によるにしろ、好適なファセット位相が達成されるときでも、屈折率結合レーザーは、それらのパッケージにおけるその他の構成要素からの反射による動揺（perturbation）に敏感である。利得結合回折格子を備えるＤＦＢレーザーと比較して、それらは、また、比較的遅い応答時間を有する可能性ある。これらの欠点にもかかわらず、それらの製作が容易であることから、今日までは、電気通信業界における研究、製造、および展開において、屈折率結合ＤＦＢレーザーに注力されてきた。
【０００５】
利得結合ＤＦＢレーザーにおいて、回折格子は、デバイスの活性領域中まで延びている。回折格子が活性領域を周期的に中断することは、１つの動作モード、右ブラッグモード（right-Bragg mode）、に好適であり、回折格子に対するファセットの位置に対する感度を低下させる。このようなファセット位相に対する低い感度によって、レーザーの製造収量が向上する。さらに、利得結合は、屈折率結合レーザーよりも、外部動揺に対するレーザーの抵抗を増大させ、その他の光学構成要素とレーザーをパッケージングするのが安価となる。
【０００６】
レーザービーム上に信号を乗せる最も安価な方法の一つは、高速で光源レーザーをオン／オフさせることである。この直接変調は、レーザーと別個の外部変調器とに対する費用よりも、安価になることが多い。ＤＦＢレーザーにおいて、最大効率変調周波数は、レーザーの緩和振動（relaxation oscillation）周波数と関係しており、これは平均小信号変調出力電力が最大となる周波数である。緩和振動周波数を増大させると、レーザーを直接変調することのできる速度が増大する。利得結合回折格子は、活性領域の差動利得を増大させることによって、緩和振動周波数を増大させる。このことは、利得結合回折格子を備えるＤＦＢレーザーに対する需要が増大している、もう一つの理由である。
【０００７】
利得結合回折格子を有する分布帰還レーザーは、有機金属化合物化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、化学ビームエピタキシー（ＣＢＥ）、または液相エピタキシー（ＬＰＥ）などの、エピタキシャル技法を使用して、活性領域を構成する半導体材料を、基板ウエハ上に成長させることによって製造される。回折格子が活性領域にエッチング加工され、次いで、ウエハがエピタキシャル反応器に戻されて、回折格子が追加の半導体材料によって覆われる。従来型製造技法においては、活性領域はオーバーグロース段階の前に大気中に露出されるとともに、利得結合回折格子が活性領域中に侵入する場所で、活性領域は露出される。
【０００８】
当該技術において知られている方法を使用して、容易に酸化する半導体材料を含む活性領域を有する、屈折率結合レーザーにおける回折格子を製作することは比較的簡単である。従来型製造技法を応用することができる理由は、屈折率結合回折格子は、活性領域中に延びることがなく、回折格子のエッチングを活性領域に達する前に終了し、それによって活性領域を大気に露出させないようにすることができるためである。しかしながら、上述のように、利得結合回折格子は、差動利得を増大させることによって、製造工程におけるファセット位相に対する感受性を低減し、外部動揺に対する耐性を向上させ、かつ緩和発振周波数を増大させることが望ましい。したがって、容易に酸化する材料、例えばアルミニウムを含む、活性領域内で利得結合回折格子を製作することは難題である。
【０００９】
例えば、Ａｌ（Ｉｎ，Ｇａ）Ａｓ材料系からの材料、例えば、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、およびＡｌＡｓは、空気に露出されると容易に酸化する。この酸化物は、除去することが非常に困難であり、それを除去できる場合でも、回折格子における微小構造（small feature）における解像度は低下することになる。このことは、活性領域にアルミニウム含有材料が使用される、利得結合分布帰還レーザーを製作するときに、特に問題となる。従来方式でエッチングされる回折格子は、上端側エピタキシャル層の成長のために、ＭＯＣＶＤ反応器内にそれを設置することができる前に、酸化することになる。この酸化物によって、回折格子インターフェイスにおける材料の不満足な電気的、熱的、および物理的な特性を生じ、したがってチップ性能と信頼性に対する重大な影響を与えることになる。
【００１０】
アジアおよび欧州における研究グループは、アルミニウム含有材料中に回折格子をエッチング加工し、その回折格子を大気雰囲気中に露出させ、次いで、結果として生じた酸化物を、次のエピタキシャル成長の前に、除去または不動態化することを試みている。例えば、Ｃｈｅｎらは、その刊行物"A novel 1.3 mm high T0 AlGaInAs/InP strained-compensated multi-quantum well complex-coupled distributed feedback laser diode," Jpn. J. Appl. Phys., 1999．において、硫酸中でのエッチングを用いてＡｌＩｎＡｓの表面を不動態化することの試みについて記述している。この著者らは、高閾値電流および低スロープ効率を含む、好ましくないデバイスの結果は、結果として生じる不完全な、回折格子再成長界面における非発光性再結合（non-radiative recombination）によるものであるとしている。
【００１１】
別の研究グループ、Kunzelらは、その刊行物 "MBE regrowth on AlGaInAs DFB gratings using in-situ hydrogen radical cleaning," J. Crystal Gr, 1997. において、ＭＢＥシステムにおいて反応性水素遊離基を使用して、成長前に成長界面を清浄化している。著者らは、結果として生じる材料が、再成長界面なしに成長した構造よりも、約１０分の１のＰＬ強度を示し、これは再成長界面における非発光性再結合の表れであることを実証している。さらに、彼らの技法は、業界において圧倒的に好まれているエピタキシャル技法である、ＭＯＣＶＤ反応器においては実証されていない。これらの結果は電気通信応用における製品の現行標準に合致しないこと、すなわち成長界面における材料品質の制御ができないことに加えて、回折格子形態の制御が不十分であることから、既存技術は、学術研究の関心事となってきた。
【００１２】
良好なエッチング制御を達成しながら、成長界面における汚染を低減する、既存の技法は、ｉｎ−ｓｉｔｕエッチングである。ｉｎ−ｓｉｔｕエッチングとは、エピタキシャル成長に従来から使用される反応器、例えば、ＭＢＥ、ＣＢＥ、またはＭＯＣＶＤ用の反応器の内部でのエッチングである。エッチング後に、同じ反応器を使用して、エッチング表面上に半導体材料を成長させることができる。例えば、Knightは、米国特許第５８６９３９８号において、ＭＯＣＶＤ反応器内でＩｎＰをエッチングして、次いで追加のＩｎＰを、エッチング表面上で、その表面を大気に露出することなく、ＩｎＰを成長させることができることを示している。このｉｎ−ｓｉｔｕエッチングおよびオーバーグロース過程によって、オーバーグロースの以前にｉｎ−ｓｉｔｕエッチングを受けなかったサンプルと比較して、成長界面でのシリコンおよび酸素汚染のレベルが低下した。この技法の限界は、エッチングすべきパターンを画定する、従来型方法が適切でないことである。エッチングすべきパターンを画定する従来式方法を用いると、サンプルを反応器から取り外して、マスク材料を除去しなければならない。例えば、パターンを、フォトレジストまたは（ＳｉＯ２またはＳｉＮｘなどの）誘電体において画定する場合には、ウエハを反応器から取り外して、このマスキング材料を除去し、エッチング表面を汚染物に対して露出させる必要がある。
【００１３】
したがって、容易に酸化する半導体材料中に回折格子をエッチングするのに好適な方法が必要とされている。この背景情報は、出願人が考える既知の情報を、本発明に関係する可能性のあるものとする目的で提供するものである。前述の情報のいずれかが本発明に対する先行技術を構成することを、必ずしも承認するものではなく、またそのように解釈すべきではない。
【発明の開示】
【００１４】
発明の概要
本発明の目的は、容易に酸化する半導体材料に回折格子を製造する方法を提供することである。本発明の一観点によれば、容易に酸化する半導体材料の１または２以上の層に回折格子パターンを製造する方法であって、前記１または２以上の層の上面に保護層を形成するステップであって、前記保護層を半導体材料から形成して、前記１または２以上の層を保護する、前記ステップ；前記保護層上に成長させた半導体材料中に回折格子パターンを形成するステップであって、それによって半導体回折格子マスクを形成する、前記ステップ；エピタキシャル成長反応器内でｉｎ−ｓｉｔｕエッチングを使用して、前記１または２以上の層中に回折格子パターンを転写するステップ；および前記エピタキシャル成長反応器から取り外す前に、前記１または２以上の層上に、半導体材料をオーバーグロースさせるステップを含む、前記方法が提供される。
【００１５】
本発明の別の観点によれば、半導体デバイスであって、容易に酸化する半導体材料の１または２以上の層であって、回折格子パターンがその中にエッチングされている、前記１または２以上の層；前記１または２以上の層の上の保護層であって、前記回折格子パターンをその中に有する、前記保護層；前記保護層上に成長させた半導体材料のオーバーグロース層であって、前記１または２以上の層の中の回折格子パターンをカプセル化する、前記オーバーグロース層、を含む前記半導体デバイスが提供される。
【００１６】
発明の詳細な説明
本発明は、容易に酸化する半導体材料中に回折格子を製造する方法を提供する。この方法は、広範囲の応用に対して適しており、例えば、分布帰還レーザー用の回折格子、分布ブラッグ反射器用の回折格子、および回折格子構造を備える光学導波路に基づくフィルタの製造に対して特に好適である。本発明は、回折格子深さおよび形状の精度の向上、容易に酸化する半導体材料中にエッチングされた回折格子内の汚染物質および酸化剤の低減をもたらし、その結果として、例えば、その性能の向上および製造の再現性をもたらす。
【００１７】
本発明は、半導体材料だけからなる回折格子マスクパターンを用いるｉｎ−ｓｉｔｕエッチングと、容易に酸化する半導体材料を保護する、その半導体回折格子マスクの下の保護層の製造とを組み合わせるものである。したがって、本発明は２段階プロセスに基づいている。第１に、回折格子パターンが、半導体材料中で画定され、このパターンを半導体回折格子パターンと呼ぶ。半導体回折格子パターンは、保護材料の層の上に置かれており、この保護材料の層は、容易に酸化する半導体材料の上にあって、下にある材料の酸化を防止する。次いで、半導体構造は、反応器中に移されて、そこで、第２段階として、マスクパターンが、ｉｎ−ｓｉｔｕエッチングによって、下にある保護層および容易に酸化する半導体材料に転写される。次いで、回折格子を、エッチングされた回折格子を大気に露出することなく、同じ反応器中でオーバーグロースさせる。オーバーグロースされた材料は、構造体を反応器から取り外すときに、下にある半導体材料を酸化から保護する。
【００１８】
半導体回折格子マスクと容易に酸化する半導体材料との間の保護層は、ｉｎ−ｓｉｔｕエッチング工程中にこの保護層に穴が空けられるまで、この材料を、酸化から保護する。半導体回折格子マスクおよび保護層は、ｉｎ−ｓｉｔｕエッチング中に、部分的にエッチングされるか、または全体をエッチング除去されて、残留する材料は、オーバーグロース段階の間に完成構造体中に組み込まれる。このマスキングと保護材料を最終構造体中に組み込むことは、エッチングとオーバーグロースの間に、マスキング材料を除去するために、この構造体を、反応器から取り出す必要がないことを意味する。容易に酸化する半導体材料をｉｎ−ｓｉｔｕエッチング工程の後で露出する場合には、後続のステップにおいて、オーバーグロースさせた材料がこの半導体材料中を密封するまで、構造体は、酸化を防止する環境に置かれる。
【００１９】
半導体材料回折格子マスクを、ｉｎ−ｓｉｔｕエッチングおよびオーバーグロースと組み合わせると、さらに、最少の汚染での半導体上の回折格子の形成が可能になる。したがって、過剰のｐ型ドーパントを添加し、それによって導波路の光吸収を増大させることによって、汚染によるｎ型ドーピングに対する補償をする必要がない。本発明は、全ウエハ上に均一に破格の回折格子深さとともに、工程の再現性をもたらすというさらなる利点がある。
【００２０】
さらに、本発明は、容易に酸化する半導体材料を含む、半導体レーザーの活性領域における、回折格子を生成することの困難さを克服する手段を提供することができる。
本発明は、半導体回折格子マスクおよび保護層を生成することができれば、広範囲の回折格子を製造するのに適している。好適な回折格子構造としては、従来式ＤＦＢレーザーに見られるような規則間隔の波形（corrugations）、チャープドグレーティング（chirped grating）を含むデバイスに見られるもののような可変間隔波形、および分布ブラッグ反射器を含むデバイスに見られるもののような、さらに複雑な波形群が挙げられる。
【００２１】
本発明は、様々な半導体材料に回折格子を製造するのに適しているが、空気に露出されるときに容易に酸化する材料、例えば、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、およびＡｌＩｎＡｓなどのＡｌ（Ｉｎ，Ｇａ）Ａｓ型化合物の材料に対して最も大きな便益がある。本発明は、利得結合回折格子を、様々なＩｎ（Ｇａ，Ａｓ）ＰおよびＡｌ（Ｉｎ，Ｇａ）Ａｓ材料の、多数量子井戸／量子バリヤスタックで構成される活性領域中に製作するのに好適である。本発明は、容易に酸化する半導体材料はアルミニウムを含有するように記載してあるが、本発明は、容易に酸化する任意の材料であって、半導体レーザーの機能に対して所望の効果をもたらすことのできる材料に対して好適である。さらに、本発明の実施態様は、半導体レーザーの活性領域内に回折格子を生成することを可能にする、この製造方法の使用について記載するが、半導体レーザーのその他の層にも、容易に酸化するとともに、その中に回折格子構造を必要とする、半導体材料が含まれてもよい。したがって、これらその他の層は、本発明による方法を使用して、同様に製造することができる。
【００２２】
本発明の一態様を図１に示してある。図１は、本発明に従って画定される回折格子を有する、半導体構造の横断面図を示す。層１０は、回折格子パターンを受け入れる材料であり、層１０には、複数の層の半導体材料を含めてもよい。層１０における材料の一部分は、酸化の危険性のある材料である。層１０の下方には、この図には示していない、追加の層が存在してもよい。層２０は、半導体材料の複数の層で構成してもよく、層２０は、層１０を酸化から保護する、保護層である。層２０は、大気中に露出されるときに酸化に耐えるとともに、ｉｎ−ｓｉｔｕエッチング工程中にエッチングすることができる、材料を含む。層３０は、半導体回折格子マスクとなる材料である。
【００２３】
図１で表わす構造体がエッチングされて、図２で表わす構造体が生成される。層３０がパターン形成されて、層３０’で表わす半導体回折格子マスクが製作され、ここで層２０は、層１０の材料を酸化から保護する。
図２に表わす構造体は、エピタキシャル反応器に装入されて、そこでｉｎ−ｓｉｔｕエッチングを用いて、半導体回折格子マスク内のパターンを、保護層２０を介して、層１０中へと転写する。図３の層１０’は、回折格子パターンがその中にエッチングされた、元の層１０を表わす。層２０’は、パターン形成された保護層を表わす。本発明のこの態様においては、層３０’は、ｉｎ−ｓｉｔｕエッチングの間に、完全にエッチング除去されること、および層２０の一部がｉｎ−ｓｉｔｕエッチングの間にエッチング除去されるので、層２０’は層２０よりも薄くなることを仮定している。しかしながら、代替態様においては、層３０’は、ｉｎ−ｓｉｔｕエッチング工程において、完全にはエッチング除去されず、したがって、この場合には、層３０’は、当業者であればすぐに理解するように、結果として得られる半導体レーザーの設計および性能において考慮しなくてはならない。
【００２４】
反応器からウエハを取り出すことなく、層４０と表示してある、Ｉｎ（Ｇａ，Ａｓ）ＰもしくはＡｌ（Ｉｎ，Ｇａ）Ａｓ、または基板およびその他の半導体層に適合するその他の好適な半導体材料系の半導体材料が、パターン形成された層１０’および層２０’の上に成長して、図４に表わす構造体が得られる。完成した回折格子は、層１０’および層２０’内の波形によって画定される。図３に示していない、追加の層を、層４０の上に成長させてもよい。構造体を反応器から取り出すときに、回折格子を有する領域は、半導体の内側に密封されて、それによって酸化および汚染から保護される。エッチング段階とオーバーグロース段階との間には、反応器内部の環境が制御可能であることから、酸化または汚染が発生する機会はなく、それによって、酸化および／または汚染による欠陥のレベルの低い、再現可能な製造工程がもたらされる。
【００２５】
本発明のさらに別の観点は、図２に層３０’で示す、半導体回折格子マスクを形成する手段である。図１の層３０を、図２の層３０’に変換するのに適用した、本発明の一態様を、図５および図６に示してある。
従来式手段を使用して、図５の層５０で表わすように、層３０の上のマスキング材料内に回折格子パターンを生成する。次いで、層５０内の材料をマスクとして用い、層３０内の材料をエッチングするエッチング工程を使用して、図５の構造体をエッチング加工する。添付の図において説明する態様においては、エッチングは、保護層を表わす層２０を貫通する以前に、層３０の底部付近で停止される。図６は、エッチング工程が終了した後の構造体を表わす。半導体回折格子マスクの製造の最終段階において、選択エッチング工程を使用して、層３０’’の残留部分を、回折格子の歯（grating teeth）の底部から除去する。層２０を貫通する以前にパターンの転写を停止し、それによって層２０が層１０内の半導体材料を酸化から保護することを確実にするために、選択エッチング剤は、層３０の材料をエッチングしなければならないが、層２０の材料をエッチングしてはならない。マスキング材料（層５０）を除去した後に、結果として得られる構造体は図２に示す構造体である。
【００２６】
本発明の一態様において、層１０は、ＤＦＢレーザーの活性領域である。この活性領域は、Ａｌ（Ｉｎ，Ｇａ）ＡｓおよびＩｎ（Ｇａ，Ａｓ）Ｐ材料系からの材料を含む、量子井戸／量子障壁（quantum well/quantum barrier）スタックを含む。この態様においては、層２０は、下にある活性領域を酸化から保護する、５ｎｍ厚さのＩｎＰの層である。この態様においては、層３０は、５０ｎｍ厚さのＩｎＧａＡｓの層である。当業者には明白であるように、その他の層厚および材料を、同じ概念の工程に適用することも可能であり、そのような他の厚さおよび材料は、本発明の範囲に入るものである。本発明のこの態様において、層４０において成長する材料は、層２０’における材料と同一の組成であり、そのような層４０、２０’は実質的に区別不能である。
【００２７】
本発明の一態様において、図６に示す層３０’’を製作するために図５の層３０をパターン形成するエッチングは、ＨＢｒソースガスを使用する、誘導結合プラズマである。本発明のこの態様において、図６に示す、回折格子の歯（grating teeth）の底部の残部のＩｎＧａＡｓは、クエン酸の水溶液を使用してエッチングされる。この酸は、制御可能な速度でＩｎＧａＡｓをエッチングするという理由で選択され、回折格子の歯の底部の、層２０のＩｎＰに到達するとエッチングを停止する。
【００２８】
本発明のその他の態様が可能であり、それらの場合には、層３０をパターン形成するエッチング剤は、層２０に到達したときに自己停止する。そのような態様においては、構造体が図６に示す構造体に似ている場合には、エッチングを停止する必要はない。そのような態様においては、エッチングが完了して、マスキング材料を除去した後に、構造体は、追加の選択ウェットエッチングを実行することなく、図２に示す構造体と類似している。一態様においては、誘導結合プラズマを使用して、層３０のほとんどを貫通してエッチングすることによって、図６に示す構造体が得られる。この方法は、その選択エッチング剤を用いる単独エッチングステップを使用して達成することができるものより、より垂直に近い回折格子側壁が得られるので、有利である。
【００２９】
本発明の一態様において、層５０のマスキング材料は、誘電体材料、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、またはシリコンオキシナイトライドであり、この誘電体は、当該技術において知られている方法を用いてパターン形成してもよい。例えば、それは、フォトレジストマスクを使用して、プラズマエッチング工程またはウェットエッチング工程によってエッチングすることができる。フォトレジストは、当該技術においてよく知られている技法である、ホログラフィによってパターン形成することができる。当業者は理解するように、電子ビームリソグラフィ、近接ホログラフィ、およびナノインプリント（nano-imprint）リソグラフィを含む、その他任意のリソグラフィプロセスを使用して、フォトレジスト回折格子マスクを生成することができる。当業者であれば、層５０に画定された回折格子パターンは、均一波形としてもよく、またはそれに、位相ジャンプ（phase jump）、チャープ周期、または回折格子のパッチを含めてもよいこと、および回折格子パターンが不規則の場合には、電子ビームリソグラフィが、フォトレジストにパターン形成するための好ましい手段であることを認識するであろう。
【００３０】
本発明の一態様においては、ｉｎ−ｓｉｔｕエッチングとオーバーグロースは、ＭＯＣＶＤ反応器内で実施される。当業者には明白であるように、化学ビームエピタキシ（ＣＢＥ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）および液相エピタキシを含む、その他のエピタキシ成長技法を応用することも可能である。このプロセスの重要な部分は、層１０へのパターンの転写の物理的深さの制御であり、この場合に、エッチング速度は、エッチングされる材料、エッチング剤、エッチング剤フラックスおよび温度に依存する。本発明の一態様において、層３０’から層１０への回折格子パターンの転写は、ＨＣｌを使用するｉｎ−ｓｉｔｕエッチングによって達成される。当業者には明白であるように、それに限定はされないが、塩化メチル、第三塩化ブチル、ヨウ化水素、ジヨードメタン、トリヨードメタン、四ヨウ化炭素、ヨードエタン、ｎ−プロピルヨード化物、イソプロピルヨード化物を含む、その他のハロゲン含有化合物が、好適なエッチング剤となる。しかしながら、ＨＣｌは、Ａｌ（Ｉｎ，Ｇａ）Ａｓ化合物をエッチングし、かつＩｎＰ保護層をエッチングするのと同時にＩｎＧａＡｓを過大な速度ではエッチングしないという理由で、使用される。すぐに理解されるように、温度およびその他のパラメータを制御することは、容易に酸化する半導体材料を含む活性層中にエッチングされる、回折格子の深さの精度に対して重要である。
【００３１】
本発明において記述した処理ステップが完了した後に、半導体構造は、従来式手段によって処理されてデバイス製作が完了する。
図に示すように、層または領域の大きさは、説明の目的で誇張してあり、すなわち、本発明の全体構造を示すために提示したものである。本発明の様々な態様を、基板またはその他の層もしくは構造体上に形成された、層または構造体を参照して説明した。当業者であれば理解するように、別の層または基板の「上」に形成されている層についての言及は、他の層が介入する可能性を考慮するものである。
【００３２】
さらに、当業者であれば容易に理解するように、図は特定の数の層を示すが、これらの識別された層のそれぞれは、目的用途に応じて複数の層で形成することができる。
本発明をこれまで説明したが、本発明を様々な方法で変更できることは明白であろう。そのような変形形態は、本発明の趣旨と範囲からの逸脱するものとは見なすものではなく、そのような修正形態のすべては、当業者には明白であるように、添付のクレームの範囲に含めることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一態様による、回折格子マスクをエッチングする前の、半導体構造を示す図である。
【図２】本発明の一態様による、回折格子マスクの形成後の、半導体構造を示す図である。
【図３】本発明の一態様による、活性領域に回折格子を生成するためのｉｎ−ｓｉｔｕエッチング後の、半導体構造を示す図である。
【図４】本発明の一態様による、オーバーグロース後の半導体構造を示す図である。
【図５】本発明の一態様による、画定された回折格子パターンを有する、半導体構造を示す図である。
【図６】本発明の一態様による、回折格子マスクのエッチング完了前の、半導体構造を示す図である。
【図１】
2007510302.tif 000003
【図２】
2007510302.tif 000004
【図３】
2007510302.tif 000005
【図４】
2007510302.tif 000006
【図５】
2007510302.tif 000007
【図６】
2007510302.tif 000008
【国際調査報告】
2007510302.tif 000009
2007510302.tif 000010