(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子カスケード半導体レーザを作製する方法であって、
量子カスケードのための半導体層を含む半導体積層上に形成された絶縁体マスクを用いて前記半導体積層をエッチングして、量子カスケードのためのコア層を備えるメサ構造体を基板の主面上に形成する工程と、
ハロゲン系物質及び原料を含むガスを用いる結晶成長により前記メサ構造体の高さより大きな厚さの半導体厚膜を前記メサ構造体を埋め込むように前記絶縁体マスクを用いて形成する工程と、
化学的・機械的研磨法により前記半導体厚膜を処理して、前記メサ構造体及び埋込領域を含む基板生産物を作製する工程と、
前記絶縁体マスクを除去した後に、前記基板生産物の前記メサ構造体及び前記埋込領域上にパターンを有するマスクを形成する工程と、
前記マスクを用いて前記基板生産物の前記メサ構造体及び前記埋込領域をエッチングして、前記量子カスケード半導体レーザのための分布反射構造を作製する工程と、
を備える、量子カスケード半導体レーザを作製する方法。
【請求項２】
前記処理は、前記絶縁体マスクを用いて、該処理の終点検出を行う、請求項１に記載された量子カスケード半導体レーザを作製する方法。
【請求項３】
前記半導体厚膜はＩｎＰを備え、前記ＩｎＰの上面は（１００）面を備える、請求項１又は請求項２に記載された量子カスケード半導体レーザを作製する方法。
【請求項４】
前記メサ構造体の上面は、第１基準面に沿って延在し、
前記半導体厚膜は、前記第１基準面に対して傾斜する第２基準面に沿って延在する側面を有し、前記半導体厚膜の前記側面は（１１１）Ｂ面を備える、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された量子カスケード半導体レーザを作製する方法。
【請求項５】
前記処理のための研磨液は、Ｂｒ／メタノール混合液を含む、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された量子カスケード半導体レーザを作製する方法。
【請求項６】
前記メサ構造体は、分布帰還型の回折格子層を含む、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された量子カスケード半導体レーザを作製する方法。
【請求項７】
量子カスケード半導体レーザであって、
支持基体の主面の第１エリア上に設けられ量子カスケードのためのコア層を含む導波路構造と、
前記支持基体の前記主面の第２エリア及び第３エリア上に設けられ前記導波路構造を埋め込む埋込領域と、
前記導波路構造より広い幅を有しており前記導波路構造の端面に光学的に結合された分布反射構造と、
を備え、
前記導波路構造は、第１軸の方向に延在し、
前記分布反射構造は、前記第１軸に交差する第２軸の方向に延在する一又は複数の半導体壁を有し、
各半導体壁は、前記第１エリア上に設けられた第１部分と、前記第２エリア及び前記第３エリア上にそれぞれ設けられた第２部分及び第３部分とを含み、
前記第２部分、前記第１部分及び前記第３部分は、前記第２軸の方向にこの順に配列され、
前記第２部分の上面及び前記第３部分の上面は、前記第１部分の上面より高い、量子カスケード半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子カスケード半導体レーザを作製する方法、及び量子カスケード半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、量子カスケードレーザ素子を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２１８９１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
中赤外の量子カスケードレーザ素子に、誘電体反射膜に替えて分布反射（ＤＲ）構造を適用できる。しかしながら、この量子カスケードレーザ素子の発振波長が、いわゆる通信用の半導体レーザの発振波長より長いので、量子カスケードレーザ素子の導波路のためのメサの端面から出射された光は、通信用の半導体レーザの光に比べて広がる。広がった光を受けると共に反射するために、量子カスケードレーザ素子は、導波路のためのメサより広い幅の分布反射構造を必要とする。発明者の知見によれば、該メサを埋め込む半導体領域の厚さは、埋込選択成長における結晶成長に起因して、ウエハ上においてメサからの距離が遠ざかるにつれて薄くなる。発明者の更なる知見によれば、半導体領域の厚さの変化は、埋込成長の後に行われる露光における解像に影響する。望まれていることは、厚みの影響を低減できる手法であり、また厚さに関して良好な均一性を有する分布反射構造を提供することである。
【０００５】
本発明の一側面は、このような事情を鑑みて為されたものであって、寸法に関して良好な均一性を有すると共に所望の横幅を有する分布反射構造を作製可能な、量子カスケード半導体レーザを作製する方法を提供することを目的とする。また、本発明の別の側面は、寸法に関して良好な均一性と所望の横幅とを有する分布反射構造を備える量子カスケード半導体レーザ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】
【０００６】
本発明の一側面は、量子カスケード半導体レーザを作製する方法に係る。量子カスケード半導体レーザを作製する方法は、量子カスケードのための半導体層を含む半導体積層上に形成された絶縁体マスクを用いて前記半導体積層をエッチングして、量子カスケードのためのコア層を備えるメサ構造体を基板の主面上に形成する工程と、ハロゲン系物質及び原料を含むガスを用いる結晶成長により前記メサ構造体の高さより大きな厚さの半導体厚膜を前記メサ構造体を埋め込むように前記絶縁体マスクを用いて形成する工程と、化学的・機械的研磨法により前記半導体厚膜の処理を行って、前記メサ構造体及び埋込領域を含む基板生産物を作製する工程と、前記絶縁体マスクを除去した後に、前記基板生産物の前記メサ構造体及び前記埋込領域上にパターンを有するマスクを形成する工程と、前記マスクを用いて前記基板生産物の前記メサ構造体及び前記埋込領域をエッチングして、前記量子カスケード半導体レーザのための分布反射構造を作製する工程と、を備える。
【０００７】
本発明の別の側面に係る量子カスケード半導体レーザは、支持基体の主面の第１エリア上に設けられ量子カスケードのためのコア層を含む導波路構造と、前記支持基体の前記主面の第２エリア及び第３エリア上に設けられ前記導波路構造を埋め込む埋込領域と、前記導波路構造より広い幅を有しており前記導波路構造の端面に光学的に結合された分布反射構造と、を備え、前記導波路構造は、第１軸の方向に延在し、前記分布反射構造は、前記第１軸に交差する第２軸の方向に延在する一又は複数の半導体壁を有し、各半導体壁は、前記第１エリア上に設けられた第１部分と、前記第２エリア及び前記第３エリア上にそれぞれ設けられた第２部分及び第３部分とを含み、前記第２部分、前記第１部分及び前記第３部分は、前記第２軸の方向にこの順に配列され、前記第２部分の上面及び前記第３部分の上面は、前記第１部分の上面より高い。
【０００８】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、寸法に関して良好な均一性を有すると共に所望の横幅を有する分布反射構造を作製可能な、量子カスケード半導体レーザを作製する方法が提供される。また、本発明の別の側面によれば、寸法に関して良好な均一性と所望の横幅とを有する分布反射構造を備える量子カスケード半導体レーザが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図２】図２は、実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図３】図３は、実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図４】図４は、実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図５】図５は、実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図６】図６は、メサ構造体を埋め込む半導体層の成長の過程を模式的に示す図面である。
【図７】図７は、メサ構造体を埋め込む半導体層の成長の過程を模式的に示す図面である。
【図８】図８は、メサ構造体を埋め込む半導体層の成長の過程を模式的に示す図面である。
【図９】図９は、メサ構造体を埋込選択成長による埋め込む構造を有する半導体生産物ＣＤＥＶを示す図面である。
【図１０】図１０は、半導体生産物ＣＤＥＶにおけるレジストの解像を示す図面である。
【図１１】図１１は、本実施形態に係るデバイス構造を有する半導体生産物ＰＤＥＶを示す図面である。
【図１２】図１２は、半導体生産物ＰＤＥＶにおけるレジストの解像を示す図面である。
【図１３】図１３は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
引き続き、いくつかの具体例を説明する。
【００１２】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザを作製する方法は、（ａ）量子カスケードのための半導体層を含む半導体積層上に形成された絶縁体マスクを用いて前記半導体積層をエッチングして、量子カスケードのためのコア層を備えるメサ構造体を基板の主面上に形成する工程と、（ｂ）ハロゲン系物質及び原料を含むガスを用いる結晶成長により前記メサ構造体の高さより大きな厚さの半導体厚膜を前記メサ構造体を埋め込むように前記絶縁体マスクを用いて形成する工程と、（ｃ）化学的・機械的研磨法により前記半導体厚膜の処理を行って、前記メサ構造体及び埋込領域を含む基板生産物を作製する工程と、（ｄ）前記絶縁体マスクを除去した後に、前記基板生産物の前記メサ構造体及び前記埋込領域上にパターンを有するマスクを形成する工程と、（ｅ）前記マスクを用いて前記基板生産物の前記メサ構造体及び前記埋込領域をエッチングして、前記量子カスケード半導体レーザのための分布反射構造を作製する工程と、を備える。
【００１３】
量子カスケード半導体レーザを作製する方法によれば、メサ構造体を埋め込むように半導体厚膜を形成すると共に、メサ構造体の高さより大きな厚さの半導体厚膜を化学的・機械的研磨法により処理する。半導体厚膜の処理により、メサ構造体を埋め込む埋込領域が形成される。半導体厚膜の処理は、上記の研磨法によりメサ構造体ではなく半導体厚膜を薄くする。この処理の後に、埋込領域及びメサ構造体上に、分布反射構造のためのマスクを形成するので、マスク形成に係る露光に際して、埋込領域の表面上における解像及びメサ構造体の表面上における解像の差を低減できる。これ故に、分布反射構造は、メサ構造体の幅より広く、またメサ構造体の一方側に設けられた一埋込部分から、メサ構造体の他方側に設けられた他埋込部分まで、メサ構造体を横切って延在する。
【００１４】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザを作製する方法では、前記処理は、前記絶縁体マスクを用いて、該処理の終点検出を行う。
【００１５】
量子カスケード半導体レーザを作製する方法によれば、メサ構造体の高さに関連づけて処理の終点検出を行うことができる。
【００１６】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザを作製する方法では、前記半導体厚膜はＩｎＰを備え、前記ＩｎＰの上面は（１００）面を備える。
【００１７】
量子カスケード半導体レーザを作製する方法によれば、引き続く処理の下地面として高い平坦性の表面を提供できる。
【００１８】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザを作製する方法では、前記メサ構造体の上面は、第１基準面に沿って延在し、前記半導体厚膜は、前記第１基準面に対して傾斜する第２基準面に沿って延在する側面を有し、前記半導体厚膜の前記側面は（１１１）Ｂ面を備える。
【００１９】
量子カスケード半導体レーザを作製する方法によれば、半導体厚膜の側面に（１１１）Ｂ面が現れるような成長は、半導体厚膜の上面に平坦な表面を提供することを容易にする。
【００２０】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザを作製する方法では、前記処理のための研磨液は、Ｂｒ／メタノール混合液を含む。
【００２１】
量子カスケード半導体レーザを作製する方法によれば、Ｂｒ／メタノール混合液の混合割合に応じて、処理の速度を制御できる。
【００２２】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザを作製する方法では、前記メサ構造体は、分布帰還型の回折格子層を含む。
【００２３】
量子カスケード半導体レーザを作製する方法によれば、ＤＦＢ型量子カスケード半導体レーザが提供される。
【００２４】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザは、（ａ）支持基体の主面の第１エリア上に設けられ量子カスケードのためのコア層を含む導波路構造と、（ｂ）前記支持基体の前記主面の第２エリア及び第３エリア上に設けられ前記導波路構造を埋め込む埋込領域と、（ｃ）前記導波路構造より広い幅を有しており前記導波路構造の端面に光学的に結合された分布反射構造と、を備え、前記導波路構造は、第１軸の方向に延在し、前記分布反射構造は、前記第１軸に交差する第２軸の方向に延在する一又は複数の半導体壁を有し、各半導体壁は、前記第１エリア上に設けられた第１部分と、前記第２エリア及び前記第３エリア上にそれぞれ設けられた第２部分及び第３部分とを含み、前記第２部分、前記第１部分及び前記第３部分は、前記第２軸の方向にこの順に配列され、前記第２部分の上面及び前記第３部分の上面は、前記第１部分の上面より高い。
【００２５】
量子カスケード半導体レーザによれば、導波路構造を導波した光は、導波路構造の端面から出射されて上下及び左右の方向に広がる。分布反射構造は第２部分の上面及び第３部分の上面が第１部分の上面より高い一又は複数の半導体壁を備える。分布反射構造内の半導体壁の厚さの均一性は、分布反射構造における半導体壁の第２部分及び第３部分の高さが半導体壁の第１部分の高さより大きい構造のお陰で高くなる。
【００２６】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、量子カスケード半導体レーザを作製する方法、及び量子カスケード半導体レーザに係る実施形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２７】
図１から図５は、実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。半導体結晶成長のための基板（例えば、図１の（ａ）部に示される基板１１）を準備する。この基板は、例えば、半導体ウエハを含むことができ、具体的には、ＩｎＰといったＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を備える。図１の（ａ）部に示されるように、基板１１上に、量子カスケードのための半導体層を含む半導体積層１３を成長する。この成長は、例えば有機金属気相成長法、及び／又は分子線エピタキシー法等を用いて行われることができる。半導体積層１３は、例えば量子カスケードコア層のための半導体層１３ａ、及び上部クラッド層のための半導体層１３ｂを含み、必要な場合には、コンタクト層又はキャップ層のための半導体層１３ｃを含むことができる。さらに必要な場合には、半導体積層１３は、下部クラッド層又はバッファ層のための半導体層を含むことができる。
基板１１の例示：ＩｎＰウエハ。
主面の面方位：（１００）面、オフ角の範囲：−０．３〜＋０．３度。
半導体積層１３の例示。
量子カスケードコア層のための半導体層１３ａ：ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの量子井戸、厚さ３μｍ。
上部クラッド層のための半導体層１３ｂ：ｎ型ＩｎＰ、厚さ３μｍ。
コンタクト層又はキャップ層のための半導体層１３ｃ：ｎ型ＧａＩｎＡｓ。厚さ１００ｎｍ。
下部クラッド層又はバッファ層のための半導体層：ｎ型ＩｎＰ。
半導体積層１３は、必要な場合には、分布帰還型の回折格子層のための半導体層を含むことができ、これによって、ＤＦＢ型量子カスケード半導体レーザの提供が可能になる。
【００２８】
図１の（ｂ）部に示されるように、半導体積層１３上に絶縁体マスク１５を形成する。絶縁体マスク１５は、量子カスケード層を含む導波路メサの形状を規定するパターンを有する。本実施例では、絶縁体マスク１５のパターンは、一素子区画の一辺及び他辺（一辺の反対側の辺）を横切るストライプ形状を有する。絶縁体マスク１５は、例えばシリコン系無機絶縁体を備え、シリコン系無機絶縁体は、シリコン窒化物膜（例えばＳｉＮ）、シリコン酸化膜（例えばＳｉＯ２）、シリコン酸化窒化膜（例えばＳｉＯＮ）を包含する。本実施例におけるＳｉＮは、例えば化学的気相成長（ＣＶＤ）法により成長される。絶縁体マスク１５の厚さは、例えば１００〜１０００ｎｍ程度であることができる。
【００２９】
図１の（ｃ）部に示されるように、絶縁体マスク１５を用いて半導体積層１３をエッチングする。このエッチングにより、半導体積層１３及び基板１１の表層が加工されて、メサ構造体１７が形成される。メサ構造体１７は、その名が示すように、メサ形状を有する半導構造物であって、レーザキャビティのための導波路に利用可能なように基板１１の主面１１ａ上を延在する。メサ構造体１７のメサ高Ｈ１は、例えば５〜１０μｍ程度であり、メサ構造体１７のメサ幅Ｗ１は、例えば５〜１０μｍ程度である。メサ構造体１７は、量子カスケードのためのコア層１７ａ、上部クラッド層１７ｂ、及びコンタクト層１７ｃを備える。エッチングは、ハロゲン系エッチャント、例えば塩素、塩化水素、三塩化ホウ素、四塩化ケイ素、臭化水素、ヨウ化水素を用いるドライエッチングであることができる。エッチングの後においても、絶縁体マスク１５は、除去されることなく残される。エッチング工程において、メサ構造体１７を含む第１基板生産物ＳＰ１が形成される。第１基板生産物ＳＰ１の基板表面及びメサ構造体１７の側面が露出される一方で、メサ構造体１７の上面は、絶縁体マスク１５で覆われる。
【００３０】
メサ構造体１７は、半導体積層１３の構造に依存して、分布帰還型の回折格子層を含むことができる。
【００３１】
図２の（ａ）部に示されるように、エッチングの後に、第１基板生産物ＳＰ１上に半導体の成長を行って、半導体厚膜１９を形成する。この結晶成長では、第１基板生産物ＳＰ１が絶縁体マスク１５を有するので、選択成長の形態で半導体の成長が進む。また、選択成長に際して、半導体の成長のための原料に加えてハロゲン系物質を含むガスが、成長炉に供給される。ハロゲン系物質は、例えば塩化水素（塩酸）、四臭化炭素等であることができる。原料ガスと共に供給されるハロゲン系ガスは、メサの側面方向（０１１）の成長速度を低下させる効果がある。ハロゲン系ガスの流量を調節し、メサ側面方向のエッチング速度とウエハ表面方向（１００）の成長速度の比率を１：２にすることにより、メサ構造体１７の周辺と絶縁体マスク１５上に埋め込み用の半導体が被ることを抑制できる。この成長では、第１基板生産物ＳＰ１の基板表面及びメサ構造体１７の側面に埋込用の半導体の結晶成長が生じて、メサ構造体１７が埋め込まれると共に、絶縁体マスク１５で覆われたメサ構造体１７の上面上には埋込用の半導体の結晶成長が生じない。
成長条件の一例。
半導体厚膜１９：鉄ドープの半絶縁性ＩｎＰ。
半導体厚膜１９の成長温度：摂氏５５０〜６００度。
ハロゲン種：塩酸（ＨＣｌ）。
ハロゲンの供給量：毎分１〜１０ｃｍ３（摂氏０度、１０１３ｈＰａ環境での換算）。
燐原料（例えばＰＨ３）の供給量：毎分１０〜１００ｃｍ３（摂氏０度、１０１３ｈＰａ環境での換算）。
インジウム（例えばトリメチルインジウム）の供給量：１〜１０ｃｍ３（摂氏０度、１０１３ｈＰａ環境での換算）。
成長温度は、成長炉のステージ温度としてモニタできる。
【００３２】
埋込用の半導体、本実施例における半導体厚膜１９は、メサ構造体１７の高さを越えて厚く成長される。図２の（ａ）部は、理解を容易にするために、成長用の基板１１における一素子の区画を示し、またこの区画に隣接する区画を破線で描いている。成長用の基板１１として用いられるウエハは、図２の（ａ）部に示される単一のメサ構造体１７だけでなく、これに実質的に同等な一又は複数のメサ構造体の配列を含む。半導体厚膜１９は、この配列内のメサ構造体の間に成長されて、実施的に平坦な上面１９ａを有する。半導体厚膜１９は、絶縁体マスク１５の縁の辺りから上面１９ａの縁まで斜めの延在する側面１９ｂ、１９ｃを含む。これらの側面１９ｂ、１９ｃによって、絶縁体マスク１５上に開口１９ｄが規定される。（１００）面を備えるＩｎＰ基板の主面上における成長では、半導体厚膜１９の上面１９ａは（１００）面を備え、また側面１９ｂ、１９ｃは（１１１）Ｂ面を備えることができる。
【００３３】
半導体厚膜１９は、メサ構造体の間において、これらのメサ構造体を埋め込むように基板主面及びメサ構造体を覆う埋込部分１９ｅと、埋込部分から盛り上がって基板主面の法線方向に突出する盛上部分１９ｆとを含む。盛上部分１９ｆは、実施的に平坦な上面１９ａと、該上面１９ａに対して傾斜する側面１９ｂ、１９ｃとを含む。盛上部分１９ｆは、盛上部分１９ｆの全体にわたって、メサ構造体１７の上面１７ｄに沿って延在する第１基準面Ｒ１より上に設けられる。この第１基準面Ｒ１と盛上部分１９ｆの上面１９ａとの間隔は、例えば５〜１０μｍ程度である。埋込のための半導体を成長中において、メサ構造体１７の上面１７ｄの縁辺りの実効的な成長レートがハロゲンの働きによって抑えられて、メサ構造体１７の間に埋込のための半導体が成長されていく。半導体によってメサ構造体１７が埋め込まれた後において半導体の成長を続けて半導体厚膜１９のための半導体を成長して、半導体厚膜１９を形成する。この厚膜成長工程においては、半導体厚膜１９を含む第２基板生産物ＳＰ２が形成される。第２基板生産物ＳＰ２のおもて面においては、半導体厚膜１９が、絶縁体マスク１５に沿って延在する開口１９ｄを含む。基板表面及びメサ構造体１７の側面が、半導体厚膜１９で埋め込まれる一方で、メサ構造体１７の上面１７ｄは、絶縁体マスク１５の作用により形成される開口１９ｄから露出される。半導体厚膜１９は、例えば半絶縁性ＩｎＰを備えることができる。ＩｎＰ（１００）面上への成長においては、半導体厚膜１９の上面１９ａがＩｎＰ（１００）面を備えると共に側面１９ｂ、１９ｃが（１１１）Ｂ面を備えるように、半導体厚膜１９を成長する。引き続く処理の下地面として高い平坦性の表面を第２基板生産物ＳＰ２のおもて面の一部分に提供できる。
【００３４】
メサ構造体１７の上面１７ｄは、第１基準面に沿って延在する。半導体厚膜１９の側面１９ｂ、１９ｃの各々は、第１基準面Ｒ１に対して傾斜する第２基準面Ｒ２に沿って延在する。好適な実施例では、半導体厚膜１９の側面１９ｂ、１９ｃの各々は（１１１）Ｂ面を備える。半導体厚膜１９の側面１９ｂ、１９ｃに（１１１）Ｂ面が現れるような成長は、半導体厚膜１９の上面１９ａに平坦な表面を提供することを容易にする。
【００３５】
半導体厚膜１９を成長した後に、図２の（ｂ）部に示されるように、絶縁体マスク１５を除去することなく残したまま、第２基板生産物ＳＰ２のおもて面の加工を行う。この加工は、化学的・機械的研磨（ＣＭＰ）法による処理を含む。例えば、化学的・機械的研磨法により半導体厚膜１９を加工して、次の基板生産物（図３に示される第３基板生産物ＳＰ３）を作製する。この加工では、第２基板生産物ＳＰ２の半導体厚膜１９が化学的・機械的研磨法により薄く加工される。この加工の完了の後において、盛上部分１９ｆの大部分が加工により除去されるけれども、好適な実施例では、盛上部分１９ｆの一部は残存する。この残存部分は、化学的・機械的研磨法によりによって達成された実質的に平坦な上面を有する。盛上部分１９ｆの加工量、或いは盛上部分１９ｆの残存量は、引き続く工程において行われる露光（分布反射器のためのマスクパターン形成において露光）の焦点深度に関連している。図２の（ｂ）部に示される加工装置ＣＭＰＡは、加工されるべき基板生産物を支持すると共に加工のためのバフを備える支持台２３ａ、研磨液２３ｂを供給する供給器２３ｃ、加工のための荷重を加えるホルダ２３ｄ、支持台２３ａを回転させる第１回転機構２３ｅ、及びホルダ２３ｄを回転させる第２回転機構２３ｆを含む。研磨に際しては、支持台２３ａに第２基板生産物ＳＰ２のおもて面を向けて第２基板生産物ＳＰ２を加工装置ＣＭＰＡに取り付ける。
加工条件の例示。
バフの種類：不織布、ウレタンフォーム。
研磨液２３ｂ：Ｂｒ／メタノール。
ホルダ２３ｄによる荷重：８０ｋＰａ。
第１回転機構２３ｅの回転速度：４００ｒｐｍ。
第２回転機構２３ｆの回転速度：８００ｒｐｍ。
研磨液は、Ｂｒ／メタノール混合液（混合比（質量比）：Ｂｒ／メタノール＝１／１０００〜１／１０を主成分として含む。処理の速度は、Ｂｒ／メタノール混合液の混合割合及び回転速度に応じて制御される。半導体厚膜１９の加工において、絶縁体マスク１５は、メサ構造体１７の上面を保護する。
【００３６】
加工工程において、盛上部分１９ｆの所望の研磨量、又は盛上部分１９ｆの所望の残存量が実現された後に、半導体厚膜１９の加工を完了して、第３基板生産物ＳＰ３を得る。引き続く説明において、所望の状態に加工された半導体厚膜１９を「埋込領域」として参照する。
【００３７】
所望の加工の達成（加工の終点）の検出のために、この実施例では、絶縁体マスク１５を利用することができる。処理の終点検出をメサ構造体の高さに関連づけて行うことができる。加工装置ＣＭＰＡは、盛上部分１９ｆのＩｎＰ半導体及び絶縁体マスク１５（例えばＳｉＮ）の研磨と、盛上部分１９ｆのＩｎＰ半導体の研磨とにおける研磨圧力の違いを検知する。この検知に応答して、加工を停止する。
【００３８】
図２の（ｂ）部は、加工中の第２基板生産物ＳＰ２を示す一方で、図３の（ａ）部は、加工完了の後に加工装置ＣＭＰＡから取り外された第３基板生産物ＳＰ３を示している。第３基板生産物ＳＰ３は、基板１１、メサ構造体１７、及び埋込領域２５を備える。加工工程における残存量に応じて、埋込領域２５は、メサ構造体１７の上面１７ｄよりも盛り上がっており、またＣＭＰ法により提供された実質的に平坦な上面２５ａを有する。加工工程の後において残存している絶縁体マスク（絶縁体マスク１５）の上面と埋込領域２５の上面２５ａとの境界には段差が形成される。この段差の大きさは、平坦化加工における残存量の検知（例えば、絶縁体マスク１５を用いた終点検出）からの要求に依存してゼロμｍ以上であり、また、露光における所望の残存量からの要求に依存して５μｍ以下である。このような段差がメサ構造体１７の上面１７ｄの両縁に沿って延在するけれども、メサ構造体１７の上面１７ｄは、基板１１上へのエピタキシャル成長により達成される平坦性を有しており、埋込領域２５の上面２５ａは、ＣＭＰ法により達成可能な平坦性を有している。
【００３９】
図３の（ｂ）部に示されるように、第３基板生産物ＳＰ３から絶縁体マスク１５を除去して、第４基板生産物ＳＰ４を得る。ＳｉＮのエッチングは、例えバッファードフッ酸により行われる。絶縁体マスク１５の除去により、メサ構造体１７の上面１７ｄが第４基板生産物ＳＰ４の表面に現れる。第４基板生産物ＳＰ４において、メサ構造体１７の上面１７ｄと埋込領域２５の上面２５ａとの段差ＳＴの大きさは、平坦化加工における残存量の要求（例えば、絶縁体マスク１５の厚さ）からの要求に依存して０．１μｍより大きく、また、露光におけるフォーカシングからの要求に依存して５μｍ以下である。段差ＳＴを除けば、メサ構造体１７の上面１７ｄは平坦であり、埋込領域２５の上面２５ａも平坦である。段差ＳＴは、露光の観点から小さいことが好ましい。
【００４０】
絶縁体マスク１５を除去した後に、メサ構造体１７及び埋込領域２５上にパターンを有するマスクを形成する。埋込領域２５の上面２５ａにおける表面粗さは、鏡面（面粗さＲｚが２００ｎｍ以下）であることができる。この表面粗さは、分布反射構造の作製のための露光を可能にする。
【００４１】
具体的な手順を説明する。図３の（ｃ）部に示されるように、分布反射器のためのマスクに用いる絶縁膜２７を第４基板生産物ＳＰ４上に成長する。この絶縁膜２７は、例えばシリコン系無機絶縁体、具体的にはシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）、シリコン酸化窒化膜（ＳｉＯＮ）からなり、シリコン系無機絶縁体は、シリコン窒化物膜（例えばＳｉＮ）を包含する。ＳｉＮは、例えば化学的気相成長（ＣＶＤ）法により成長される。絶縁膜２７の厚さは、例えば１００〜５００ｎｍ程度であることができる。
【００４２】
分布反射器マスクのパターン形成のためのレジストの塗布及び露光を行う。図４の（ａ）部に示されるように、絶縁膜２７上にレジスト２９を塗布すると共に、分布反射器マスクのパターンをレジスト２９に転写するための露光ＥＸＰＥＣＴを行う。本実施例では、作製されるべき分布反射器の横幅は、メサ構造体１７のメサ幅より広い。埋込領域２５は、メサ構造物の高さになるようにメサ構造物の間の基板表面に埋込成長されるのではなく、メサ構造体１７の間の基板表面上の半導体厚膜１９を加工することにより作製されている。これ故に、上記の露光ＥＸＰＳに際して、メサ構造体１７のメサ幅より広いエリアにわたって、分布反射器マスクのパターンがレジスト２９に的確に転写される。このようにしてレジストマスクが形成される。図４の（ａ）部では、メサ構造体１７は第１軸Ａｘ１の方向に延在する。
【００４３】
このレジストマスクを用いて絶縁膜２７をドライエッチングして、図４の（ｂ）部に示されるように、分布反射器の形状を規定するためのマスク３１を形成する。分布反射器の作製では、マスク３１を用いて、このマスク３１の下に位置する半導体領域、本実施例では埋込領域２５及びメサ構造体１７をドライエッチングして、量子カスケード半導体レーザのための分布反射構造３３及び導波路メサ３５を作製する。分布反射構造３３及び導波路メサ３５は、第１軸Ａｘ１の方向に配列される。分布反射構造３３は導波路メサ３５に光学的に結合さて、レーザ共振器を構成する。分布反射構造３３の幅（基板主面への法線軸及び第１軸Ａｘ１に直交する方向の幅）はメサ構造体１７のメサ幅より大きいけれども、厚膜成長及びＣＭＰ法の加工の組み合わせのお陰で、分布反射構造３３に所望の幅の半導体壁３４ａ、３４ｂが形成される。また、本実施例では、エッチングは、メサ構造体１７の高さ（例えば８μｍ）よりも深くまで行われる。分布反射構造３３のためのエッチング深さ（分布反射構造３３の半導体壁の高さ）は、例えば１０μｍである。
【００４４】
この作製方法によれば、メサ構造体１７を埋め込むと共にメサ構造体１７の高さより厚く半導体厚膜１９を形成する。メサ構造体１７の高さより大きな厚さの半導体厚膜１９を化学的・機械的研磨（ＣＭＰ）法により加工する。半導体厚膜１９の加工により、メサ構造体１７を埋め込む埋込領域２５が形成される。半導体厚膜１９の加工は、上記の研磨法によりメサ構造体１７ではなく半導体厚膜１９を薄くする。この加工の後に、埋込領域２５及びメサ構造体１７上に、分布反射構造３３のためのマスク３１を形成するので、マスク形成に係る露光ＥＸＰＳに際して、埋込領域２５の上面２５ａ上における解像及びメサ構造体１７の上面１７ｄ上における解像の差を低減できる。これ故に、分布反射構造３３は、図４の（ｂ）部のＩＶｃ−ＩＶｃ線にそったとられた断面（図４の（ｃ）部に示される断面）に示されるように、メサ構造体１７の幅より広く、またメサ構造体１７の一方側に設けられた一埋込部分２４ａから、メサ構造体１７の他方側に設けられた他埋込部分２４ｂまで、メサ構造体１７を横切って延在する。図４の（ｃ）部には、半導体壁３４ａ、３４ｂの幅が、「ＳＷ」の破線により示されている。ＳＷの破線は、溝３４ｃ、２４ｄ、３４ｅの幅も示している。本実施例では、半導体壁３４ａ、３４ｂの両端は半導体領域を介して接続される。
【００４５】
分布反射構造３３を形成した後に、図５の（ａ）部に示されるように、導波路メサ３５の上面３５ａ及び埋込領域２５の上面２５ａ上に保護膜３７（例えばＳｉＯＮ）を成長する。保護膜３７は、コンタクトのために導波路メサ３５の上面３５ａ上に位置する開口３７ａを有する。保護膜３７を形成した後に、図５の（ｂ）部に示されるように、保護膜３７上に第１電極３９を形成する。第１電極３９は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの構造を有する。必要な場合には、基板１１の裏面を研磨した後に、図５の（ｃ）部に示されるように、基板１１の裏面上に第２電極４１を形成する。第２電極４１は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの構造を有する。
【００４６】
これらの工程によって、量子カスケード半導体レーザを作製できる。
【００４７】
図６、図７及び図８は、メサ構造体を埋め込む半導体層の成長の過程を模式的に示す図面である。図６は、ハロゲン系物質（例えばＨＣｌ）の作用が実質的に働かない成長（例えば、ハロゲン系物質（例えばＨＣｌ）の供給が僅かである成長）を３つの段階において示す。ハロゲン系物質を供給しない成長は、これと同様の成長の傾向を示す。図６の（ａ）部は、成長の初期の段階におけるＦｅドープＩｎＰの成長を示す。メサ側面における成長が優勢である。図６の（ｂ）部は、成長の中期の段階におけるＦｅドープＩｎＰの成長を示す。メサ上部の縁における成長が顕著に観察される。図６の（ｃ）部は、ＩｎＰの（１００）面が現れた段階（成長の終期）におけるＦｅドープＩｎＰの成長を示す。半導体領域がメサ上のＳｉＮマスク上にせり出しており、メサ上部の縁においてメサ上面より高く突出している。突出部分には、ＩｎＰ（１００）面が形成されている。メサの間のエリアでは、半導体領域がメサ上面の高さより低く、半導体厚膜が成長できない。
【００４８】
図７は、ハロゲン系物質（例えばＨＣｌ）の供給量、及び好適な成長温度における成長を３つの段階において示す。図７の（ａ）部は、成長の初期の段階におけるＦｅドープＩｎＰの成長を示す。メサ側面より基板表面における成長が優勢である。図７の（ｂ）部は、成長の中期の段階におけるＦｅドープＩｎＰの成長を示す。メサ上部の縁における大きな異常成長が観察されない。図７の（ｃ）部は、ＩｎＰの（１００）面が現れた段階（成長の終期）におけるＦｅドープＩｎＰの成長を示す。半導体領域がメサ上のＳｉＮマスク上にせり出しが実質的に無く、メサ上部の縁だけなくメサ間のエリアにおいてもその全体にわたってメサ上面より高く突出している。突出部分の上面にはＩｎＰ（１００）面が形成され、また突出部分の側面にはＩｎＰ（１１１）Ｂ面が形成されている。メサの間のエリアでは、半導体領域の上面が平坦であって、半導体厚膜が成長されている。
【００４９】
図８は、ハロゲン系物質（例えばＨＣｌ）の供給量、及び低めの成長温度における成長を３つの段階において示す。図８の（ａ）部は、成長の初期の段階におけるＦｅドープＩｎＰの成長を示す。メサ側面における成長が基板表面における成長より少し優勢である。図８の（ｂ）部は、成長の中期の段階におけるＦｅドープＩｎＰの成長を示す。メサ側面における成長が優勢であることに起因して、メサ上部の縁からの距離に応じて成長レートに差が観察される。図８の（ｃ）部は、ＩｎＰの（１００）面が現れた段階（成長の終期）におけるＦｅドープＩｎＰの成長を示す。半導体領域がメサ上のＳｉＮマスク上に実質的にせり出しこと無く、メサの間のエリアでは半導体領域の上面に起伏がある。半導体厚膜における起伏の大きさは、例えば５μｍ以下であることが好ましい。半導体領域は、メサの上縁だけなく基板の全体にわたってメサ上面の高さ以上に高く突出していて、突出部分の一部分にはＩｎＰ（１００）面が形成されている。また、突出部分の側面にはＩｎＰ（１１１）Ｂ面が形成されている。
【００５０】
図９は、メサ構造体を埋込選択成長により埋め込む構造を有する半導体生産物ＣＤＥＶを示す。メサ構造物の高さになるようにメサ構造物の間の基板表面に成長される半導体領域は、メサ構造物の近傍では、メサ構造物の側面及び基板表面から半導体が成長する一方で、メサ構造物の遠隔では、メサ構造物の側面からの成長は無く基板表面から半導体が成長する。このような成長の違いに起因して、選択成長により堆積される埋込の半導体領域の厚さは、２つのメサ構造物の間において、一方のメサ構造物から離れるにつれて薄くなり、また他方のメサ構造物に近づくにつれて厚くなる。このような半導体領域の表面は、５μｍ程度の窪みを有していて、これ故に平坦ではない。
【００５１】
図９に示されるように、選択成長による埋込に起因して、メサ構造体を埋め込む半導体領域の窪みの底とメサ構造体の上面との差は５μｍ以上である。分布反射構造のパターン形成のための露光において、露光装置に半導体生産物ＣＤＥＶが設置されている。光源５１からの光が、レチクル５３を介してレンズ５５によって半導体生産物ＣＤＥＶのメサ構造体の上面に焦点を結ぶ。しかし、半導体領域の窪み（５μｍ程度の窪み）は、メサ構造体の上面の外側において解像度の低下を引き起こす原因となる。メサ構造体の上面の外側では、露光量の不足に起因して、レチクル５３上のパターンがレジストにおいて解像されない。図１０は、半導体生産物ＣＤＥＶにおけるレジストの解像を示す。分布反射構造のマスクパターンにおいては、半導体をエッチングするための開口の幅が狭くなる、或いは該開口がメサ上面において形成されない。量子カスケード半導体レーザは、赤外、又は中赤外の波長領域におけるレーザ光を生成するので、導波路メサの端面から出射された光は、４５度程度の角度で左右に広がる。分布反射構造は、広がった光を受けるために幅広の半導体壁を必要とする。分布反射構造は３つ以上の半導体壁を備えることが良い。３つの半導体壁を備える分布反射構造は、約２０μｍの長さを有しており、半導体壁の幅は、片側で２５μｍ程度の広がりを有する。しかし、メサ構造体を埋め込む半導体領域の窪み（約５μｍ）により、幅広の半導体壁を形成するためのマスクを作製できない。
【００５２】
図１１は、本実施形態に係るデバイス構造（半導体厚膜１９による盛上部分とＣＭＰ法による加工との組み合わせにより作製される構造）を有する半導体生産物ＰＤＥＶを示す。図１２は、半導体生産物ＰＤＥＶにおけるレジストの解像を示す。実施形態の説明から理解されるように、盛上構造による平坦化に起因して、メサ構造体を埋め込む半導体領域の上面とメサ構造体の上面との差は、許容可能な解像が可能な程度にまで小さくなる。図１１に示されるように、分布反射構造のパターン形成のための露光において、露光装置に半導体生産物ＰＤＥＶが設置されている。半導体生産物ＰＤＥＶでは、光源５１からの光は、レチクル５３を介してレンズ５５によって半導体生産物ＰＤＥＶのメサ構造体１７の上面において焦点を結ぶと共に、埋込領域２５の上面において焦点を結ぶ。これ故に、レチクル５３上のパターンが、ウエハの全体において解像される。分布反射構造のパターンにおいては、図１２に示されるように、メサ構造体１７の上面及び埋込領域２５の上面のいずれにおいても、適切な開口の幅が形成される。この厚さの均一性は、分布反射構造の厚さ（半導体壁の厚さ）の均一性になる。量子カスケード半導体レーザは、赤外、又は中赤外の波長領域におけるレーザ光を生成するので、導波路メサの端面から出射された光は、４５度程度の角度で左右に広がる。分布反射構造は、広がった光を受けるために幅広の半導体壁を必要とする。３つの半導体壁を備える分布反射構造では、既に説明したように、半導体壁の幅は、片側で２５μｍ程度の広がりを有する。半導体生産物ＰＤＥＶでは、メサ幅より大きい所望の横幅の半導体壁を形成できる。
【００５３】
図１３は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを模式的に示す斜視図である。量子カスケード半導体レーザ６１は、導波路構造６３と、埋込領域６５と、分布反射構造６７とを備える。導波路構造６３は、支持基体７１の主面７１ａの第１エリア７１ｂ上に設けられ、また量子カスケードのためのコア層６３ａ及びクラッド層６３ｂを含む。埋込領域６５は、支持基体７１の主面７１ａの第２エリア７１ｃ及び第３エリア７１ｄ上に設けられ導波路構造６３を埋め込む。分布反射構造６７は、導波路構造６３より広い幅を有しており導波路構造６３の端面６３ｄに光学的に結合される。導波路構造６３は、第１軸Ａｘ１の方向に延在し、分布反射構造６７は、第１軸Ａｘ１に交差する第２軸Ａｘ２の方向に延在する一又は複数の半導体壁７３を有する。各半導体壁７３は、第１エリア７１ｂ上に位置する第１部分７３ａと、第２エリア７１ｃ及び第３エリア７１ｄ上にそれぞれ位置する第２部分７３ｂ及び第３部分７３ｃとを含む。第２部分７３ｂ、第１部分７３ａ及び第３部分７３ｃは、第２軸Ａｘ２の方向にこの順に配列される。第２部分７３ｂの上面及び第３部分７３ｃの上面は、第１部分７３ａの上面より高い。本実施例では、第１部分７３ａは、導波路構造６３に対応する積層構造を有する。第２部分７３ｂ及び第３部分７３ｃは、埋込領域６５に対応する構造を有する。
【００５４】
量子カスケード半導体レーザ６１によれば、導波路構造６３を導波した光は、導波路構造６３の端面６３ｄから出射されて上下及び左右の方向に広がる。分布反射構造６７は第２部分７３ｂの上面及び第３部分７３ｃの上面が第１部分７３ａの上面より高い一又は複数の半導体壁７３を備える。半導体壁７３の幅は、分布反射構造６７における半導体壁７３の第２部分７３ｂ及び第３部分７３ｃの高さが半導体壁７３の第１部分７３ａの高さより大きい構造に起因して、第１軸Ａｘ１の方向の長さ（具体的には、半導体壁の厚さ）に関して第２軸Ａｘ２の方向に沿って所望の均一性を有する。また、分布反射構造６７の反射率は、厚さの均一性により所望の精度で制御でき、また分布反射構造６７における半導体壁７３の第２部分７３ｂ及び第３部分７３ｃの高さが半導体壁７３の第１部分７３ａの高さより大きい構造からの寄与を有する。
【００５５】
量子カスケード半導体レーザ６１は、分布反射構造６７の反対側に位置する反射構造６９を有する。反射構造６９は、所望の反射構造を有することができ、例えば誘電体膜を備えることができるが、これに限定されない。分布反射構造６７、導波路構造６３及び反射構造６９は、第１軸Ａｘ１の方向に配列されて、レーザ共振器を構成する。
【００５６】
量子カスケード半導体レーザ６１は、導波路構造６３及び埋込領域６５上に設けられたパッシベーション膜７５と、導波路構造６３の上面に接触を成す第１電極７７と、支持基体７１の裏面７１ｅに接触を成す第２電極７９とを更に備える。
【００５７】
半導体壁７３の各々は、第２軸Ａｘ２の方向に係る長さ２５〜１００マイクロメートルを有する。半導体壁７３の第２部分７３ｂ及び第３部分７３ｃの各々は、第２軸Ａｘ２の方向に係る長さ２５μｍ以上の横幅を有する。分布反射構造６７における半導体壁７３の第２部分７３ｂ及び第３部分７３ｃの高さが半導体壁７３の第１部分７３ａの高さより大きい構造は、第２軸Ａｘ２の方向に関する光の広がりに応じた横幅の半導体壁７３を量子カスケード半導体レーザ６１に提供できる。
【００５８】
埋込領域６５は、第２エリア７１ｃ上に設けられ一埋込部分６５ａと、第３エリア７１ｄ上に設けられ他埋込部分６５ｂとを含む。他埋込部分６５ｂ（一埋込部分６５ａ）の上面６５ｄは、導波路構造６３の上面６３ｅより高い。
【００５９】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上説明したように、本実施形態によれば、寸法に関して良好な均一性を有すると共に所望の横幅を有する分布反射構造を作製可能な、量子カスケード半導体レーザを作製する方法が提供される。また、本実施形態によれば、寸法に関して良好な均一性と所望の横幅とを有する分布反射構造を備える量子カスケード半導体レーザが提供される。
【符号の説明】
【００６１】
１１…基板、１７…メサ構造体、１９…半導体厚膜、２４ａ…一埋込部分、２４ｂ…他埋込部分、２５…埋込領域、ＥＸＰＳ…露光、２７…絶縁膜、３１…マスク、３３…分布反射構造、３４ａ、３４ｂ…半導体壁、３４ｃ、２４ｄ、３４ｅ…溝。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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