(57)【要約】【課題】  回折格子の深さを再現性良く制御可能とする回折格子の形成方法を提供するとともに、製品歩留まりの高い構造を備えたDFBレーザ等の半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】  III-V族化合物半導体からなるモニタ半導体層２２と、モニタ半導体層２２を構成する元素と異なる構成元素または異なる組成を有するIII-V族化合物半導体層２４を成長する工程と、III-V族化合物半導体層２４上に、回折格子パターンが転写された絶縁膜マスク５０ａを形成する工程と、絶縁膜マスク５０ａを用いてドライエッチング法によりIII-V族化合物半導体層２４及びモニタ半導体層２２をエッチングするドライエッチング工程を備え、このドライエッチング工程において、III-V族化合物半導体層２４またはモニタ半導体層２２を構成する元素のうちの少なくとも一つの元素からの発光強度をモニタリングする。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、
III-V族化合物半導体からなるモニタ半導体層と、前記モニタ半導体層を構成する元素と異なる構成元素または異なる組成を有するIII-V族化合物半導体層を成長する工程と、
前記III-V族化合物半導体層上に、回折格子パターンが転写された絶縁膜マスクを形成する工程と、
前記絶縁膜マスクを用いてドライエッチング法により前記III-V族化合物半導体層及び前記モニタ半導体層をエッチングするドライエッチング工程を備え、
前記ドライエッチング工程において、前記III-V族化合物半導体層または前記モニタ半導体層を構成する元素のうちの少なくとも一つの元素からの発光強度をモニタリングすることを特徴とする回折格子の作製方法。
【請求項２】
前記III-V族化合物半導体層がＧａＩｎＡｓＰ材料からなり、前記モニタ半導体層がＩｎＰ材料からなり、砒素、燐またはガリウムの発光強度のいずれか１つを検出することを特徴とする請求項１に記載の回折格子の作製方法。
【請求項３】
前記モニタ半導体層と前記III-V族化合物半導体層が交互に２層以上積層されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回折格子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分布帰還型半導体レーザ素子等の回折格子の作製方法に関し、特に回折格子の深さの制御性および再現性に優れた回折格子の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
分布帰還型半導体レーザ素子（以下、ＤＦＢレーザという）や分布反射型半導体レーザ素子（以下、ＤＢＲレーザという）では、屈折率が周期的に変化する回折格子を有する。半導体レーザの発振波長は、この回折格子の周期で決定され、単一の波長で安定したレーザ発振が得られるため、光通信用光源として広く用いられている。
【０００３】
下記の特許文献１には、ＤＦＢレーザ等の回折格子の形成方法が開示されている。半導体レーザに回折格子を形成するためには、まず、２光束干渉露光法や電子ビーム露光法を用いて、半導体層上に設けたマスク層に回折格子のパターンを形成する。次に、このマスク層をマスクとしてドライエッチングまたはウエットエッチングにより、半導体層をエッチングすることにより、回折格子が形成される。マスク層としては、一般にフォトレジストあるいは、ＳｉＯ２等の絶縁膜が用いられる。
【０００４】
回折格子を形成する際に、回折格子の深さは回折格子の回折効率や波長選択性あるいは波長単一性に影響するため、この回折格子の深さを再現性よく制御することが必要である。回折格子の深さは、微小なエッチング量で制御されるが、特許文献１にはドライエッチング法を用いて回折格子を形成する際に、マスク層としてＳｉＯ２膜を用い、このＳｉＯ２膜から成るマスク層が完全に無くなるまでエッチングすることにより回折格子の深さを制御する方法が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−７５６１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
回折格子を形成する際に、回折格子の深さの制御は、一般に、あらかじめエッチング速度を把握した上で、エッチング時間により制御する方法がとられている。しかし、この方法では、回折格子を形成する際の微小なエッチング量の制御は難しく、再現性よくエッチング深さを制御することは困難である。回折格子を有するＤＦＢレーザ等において、回折格子の結合係数は、重要なパラメータの一つであるが、この結合係数やレーザ特性は、回折格子の深さの精度により大きく影響を受ける。エッチング時間による回折格子の深さ制御では、この結合係数やレーザ特性にばらつきが生じ易いといった課題があった。具体的には、回折格子の深さが浅く、結合係数が小さすぎると、波長選択性が十分得られず多モード発振に成り易く、また逆に回折格子の深さが深すぎて、結合係数が大きすぎると、軸方向のホールバーニングにより高電流注入時に動作が不安定になる傾向がある。
【０００７】
引用文献１に開示された回折格子の形成方法においては、回折格子の深さを制御するためにＳｉＯ２膜が完全に無くなるまでエッチングする必要があるが、このＳｉＯ２膜のエッチングの制御は、あらかじめＳｉＯ２膜のエッチング速度を取得し、エッチング時間により制御する点においては、従来方法と変わりはない。また、ＳｉＯ２膜が完全に無くなる時点を正確に検出するのも困難である。
【０００８】
したがって上記のような回折格子の深さの制御方法を用いた場合には、回折格子の深さの制御性、再現性に問題があった。その結果、この回折格子の深さの制御性に起因した、結合係数の制御性、再現性に問題を生じ、所定の結合係数を有するＤＦＢレーザ等を歩留まり良く作成することが必ずしも容易ではなかった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、回折格子の深さを再現性良く制御可能とする回折格子の形成方法を提供するとともに、製品歩留まりの高い構造を備えたＤＦＢレーザ等の半導体レーザ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る回折格子の作製方法は、半導体基板上に、III-V族化合物半導体からなるモニタ半導体層と、前記モニタ半導体層を構成する元素と異なる構成元素または異なる組成を有するIII-V族化合物半導体層を成長する工程と、前記III-V族化合物半導体層上に、回折格子パターンが転写された絶縁膜マスクを形成する工程と、前記絶縁膜マスクを用いてドライエッチング法により前記III-V族化合物半導体層及び前記モニタ半導体層をエッチングするドライエッチング工程を備え、前記ドライエッチング工程において、前記III-V族化合物半導体層またはモニタ半導体層を構成する元素のうちの少なくとも一つの元素からの発光強度をモニタリングすることを特徴としている。
【００１１】
上記の回折格子の作製方法によれば、回折格子を形成すべきIII-V族化合物半導体層と異なる材料または組成を有するモニタ半導体層を備えることにより、ドライエッチング法によりIII-V族化合物半導体層をエッチングする場合に、III-V族化合物半導体層またはモニタ半導体層を構成する元素からの発光強度をモニタリングすることで、正確にかつ容易にエッチング終点を検出することが可能である。さらに、回折格子の深さは、III-V族化合物半導体層およびモニタ半導体層の厚みで決定することができるので、回折格子の深さを高精度で再現性良く制御することができる。
【００１２】
また、本発明に係る回折格子の作製方法では、III-V族化合物半導体層がＧａＩｎＡｓＰ材料からなり、モニタ半導体層がＩｎＰ材料からなり、砒素、燐またはガリウムの発光強度のいずれか１つを検出することを特徴としている。
【００１３】
特に、III-V族化合物半導体層とモニタ半導体層とが、相互に構成元素が異なる材料から構成されている場合、どちらか一方の半導体層のみに含まれる構成元素からの発光強度を選択して検出することにより、発光強度の検出が一層容易となる。
【００１４】
また、本発明に係る回折格子の作製方法では、モニタ半導体層とIII-V族化合物半導体層が交互に２層以上積層されていることを特徴としている。モニタ半導体層とIII-V族化合物半導体層が交互に２層以上積層されていることにより、エッチング工程において、エッチング途中の状態をより正確に把握できるとともに、III-V族化合物半導体層のエッチングレートを見積もることもできるので、エッチング工程の操作性が向上する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、回折格子を形成する半導体層にエッチング深さを示すモニタ半導体層を含む。回折格子を形成するために、ドライエッチング法を用いて半導体層をエッチングする際に、このモニタ半導体層の構成元素に起因したプラズマ発光を検出することで、エッチング時のエッチング深さを容易にモニタすることができる。このように、エッチング時に、エッチング深さをモニタすることで、エッチング深さの制御性が向上し、その結果、ＤＦＢレーザ等の結合効率の制御性、再現性も向上することができ、安定した素子特性を有するＤＦＢレーザ等を歩留まり良く作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＤＦＢレーザの部分断面斜視図であり、図２は、本発明の第１の実施形態に係るＤＦＢレーザの図１の線Ａ−Ａの断面図である。本実施形態のＤＦＢレーザ１０は、図１に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１２上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層１４、下部ＳＣＨ層１６、ＭＱＷ活性層１８、第１上部ＳＣＨ層２０、第２上部ＳＣＨ層２４、回折格子２６、及び回折格子を埋め込んだ第１ｐ型ＩｎＰクラッド層２８を有する。
【００１８】
下部ＳＣＨ層１６、第１上部ＳＣＨ層２０および第２上部ＳＣＨ層２４は、バンドギャップ波長が１．１μｍのＧａＩｎＡｓＰからなる。ＭＱＷ活性層１８は、厚みが５ｎｍでバンドギャプ波長が１．３５μｍのＧａＩｎＡｓＰ層からなる１０層の量子井戸層と、厚みが１０ｎｍでバンドギャップ波長が１．２μｍのＧａＩｎＡｓＰからなり、量子井戸層を挟むように形成された障壁層とから成る１０層の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造として構成されている。なお、多重量子井戸構造の利得ピーク波長は、約１３００ｎｍとなるように設定されている。回折格子の一部を構成する格子層は、第２上部ＳＣＨ層２４とｐ型ＩｎＰからなるモニタ半導体層２２とで構成される。さらに、回折格子２６は、この格子層と、格子層を埋め込んだ第１ｐ型ＩｎＰクラッド層２８とから形成されている。
【００１９】
第１ｐ型ＩｎＰクラッド層２８、回折格子２６、第１上部ＳＣＨ層２０、ＭＱＷ活性層１８、下部ＳＣＨ層１６及びｎ型ＩｎＰバッファ層１４の上部は、活性層幅が約１．５μｍとなるようにストライプ状メサ構造に加工され、その両側にｐ型ＩｎＰ層３６とｎ型ＩｎＰ層３８とからなる電流ブロック層で埋め込まれている。第１ｐ型ＩｎＰクラッド層２８および電流ブロック層の上部には、第２ｐ型ＩｎＰクラッド層３０およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３２が積層されている。また、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３２上には、ｐ側電極４０が、ｎ型ＩｎＰ基板１２の裏面にはｎ側電極４２が形成されている。ｐ側電極４０は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるオーミック性電極であり、ｎ側電極４２はＡｕＧｅＮｉ合金からなるオーミック性電極である。
【００２０】
次に、本発明に係るＤＦＢレーザ素子を製造する主な工程について、その一例を図３および図４を参照して説明する。図３および図４は、ＤＦＢレーザの作製する際の工程毎の基板断面を示す断面図である。まず、ｎ型ＩｎＰ基板上１２に、ｎ型ＩｎＰバッファ層１４（下部クラッド層）、バンドギャップ波長が１．１μｍのＧａＩｎＡｓＰからなる下部ＳＣＨ層１６、ＭＱＷ活性層１８、バンドギャップ波長が１．１μｍのＧａＩｎＡｓＰからなる第１上部ＳＣＨ層２０、厚みがｔ１（例えば、１０ｎｍ）でＩｎＰから成るモニタ半導体層２２、および厚みがｔ２（例えば、３０ｎｍ）でバンドギャップ波長が１．１μｍのＧａＩｎＡｓＰからなる第２上部ＳＣＨ層２４を順次、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によりエピタキシャル成長し形成する。ここで、第２上部ＳＣＨ層２４の厚みｔ２とモニタ半導体層２２の厚みｔ１の総厚（ｔ１＋ｔ２）を回折格子の深さとほぼ同じ厚みに設定することが好適である。回折格子の深さは、この第２上部ＳＣＨ層２４の厚みｔ２とモニタ半導体層２２の厚みｔ１の総厚（ｔ１＋ｔ２）でほぼ決定され、回折格子の深さを再現性良く制御することができる。また、モニタ半導体層２２の厚みｔ１は、格子層を介してキャリアが活性層に注入されるために十分に薄い厚みとすることができる。ＭＱＷ活性層１８は、バンドギャプ波長が１．３５μｍのＧａＩｎＡｓＰ層からなる量子井戸層と、バンドギャップ波長が１．２μｍのＧａＩｎＡｓＰからなる障壁層とで構成された１０層の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造として形成される。
【００２１】
次に、第２上部ＳＣＨ層２４上に、絶縁膜５０を形成し、その上にフォトレジスト５２を塗布し、レジスト層を形成する。絶縁膜５０として、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）やシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を使用できる。電子ビーム（ＥＢ）描画装置を使用して、周期が約２００ｎｍの回折格子パターンを有するレジストマスク層５２ａを形成する。このレジストマスク層５２ａをマスクとして、ドライエッチングによりレジストマスク層５２ａのマスクパターンを絶縁膜５０に転写し、絶縁膜から成る絶縁膜マスク層５０ａを形成する。次に、レジストマスク層５２ａをプラズマアッシング法を用いて除去する。次に、回折格子パターンを有する絶縁膜マスク層５０ａを使って、ＣＨ４とＨ２との混合ガスを用いて反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）によりエッチングを行う。このエッチングにより、第２上部ＳＣＨ層２４およびｐ型ＩｎＰから成るモニタ半導体層２２がエッチングされる。
【００２２】
第２上部ＳＣＨ層２４およびｐ型ＩｎＰから成るモニタ半導体層２２をＲＩＥによりエッチングするための条件は、
エッチングガス：ＣＨ４／Ｈ２＝２０／２０  ［ＳＣＣＭ］
圧力：２．０  ［Ｐａ］
出力：１００［Ｗ］
である。
【００２３】
ＲＩＥ法によりエッチングを行う際、真空チャンバには、エッチング中に発生しているプラズマからの発光を検出し、分光分析するための分光装置が接続されている（図示せず）。この分光装置を用いて、砒素（Ａｓ）の波長１９４ｎｍの発光分光スペクトルをモニタリングする。図５に、エッチング時間に対する砒素の発光強度の変化を示す。Ｔ１はエッチング開始時間であり、Ｔ３はエッチング終了時間である。エッチング開始時には、ＧａＩｎＡｓＰからなる第２上部ＳＣＨ層がエッチングされるため、砒素の発光が検出されるが、エッチングがＩｎＰから成るモニタ半導体層２２に達した時点（Ｔ２）で、砒素の発光強度は急激に低下するので、モニタ半導体層２２のエッチング開始時点（Ｔ２）を容易に検出することができる。さらにエッチングを進めると、ＧａＩｎＡｓＰからなる第１上部ＳＣＨ層２０がエッチングされるので、再び砒素の発光強度が増加し始める（Ｔ３）。このＴ３の時点において、エッチングを停止することにより、回折格子の深さは、第２上部ＳＣＨ層２４の厚み（ｔ２）とモニタ半導体層２２の厚み（ｔ１）との総厚（ｔ１＋ｔ２）で決定されることになる。
【００２４】
また、エッチング中の発光分光スペクトルとして、燐の発光（２５３ｎｍ）を検出してもよいし、砒素と燐の発光を同時に検出してもよい。燐の発光をモニタリングする場合は、エッチングするＧａＩｎＡｓＰ層およびＩｎＰ層のＰ組成の違いによる燐の発光強度の変化を検出することになる。また、砒素と燐の発光を同時に検出することにより、モニタ半導体層のエッチング開始時点（Ｔ２）では砒素の発光強度の減少と燐の発光強度の増加とを同時に検出することができるので、モニタ半導体層のエッチング開始時点（Ｔ２）をより正確に検出することができる。
また、砒素の発光に代えてガリウム（Ｇａ）の発光（４１７ｎｍ）を検出してもよい。
【００２５】
また、モニタ半導体層は、図６に示すように、ＧａＩｎＡｓＰ層とＩｎＰ層とを交互に積層して複数形成してもよい。この場合のエッチング時間に対する砒素の発光強度の変化を図７に示す。エッチング中の砒素の発光をモニタリングすることで、ＧａＩｎＡｓＰから成る第２上部ＳＣＨ層のエッチング終点を検出することに加えて、さらに、エッチング中におけるＧａＩｎＡｓＰからなるＳＣＨ層のエッチングレートを精度良く見積もることも可能である。
【００２６】
次に、ＭＯＣＶＤ法によって、第１ｐ型ＩｎＰクラッド層２８を埋め込み成長させ、回折格子の溝部を埋め込む。
【００２７】
次に、ストライプ状メサ構造を形成するために、通常のフォトリソグラフィを用いて第１ｐ型ＩｎＰクラッド層２８上に、ストライプ状の絶縁膜から成るマスクを形成する。ストライプ状マスクのための絶縁膜として、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）やシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を使用できる。このストライプ状絶縁膜から成るマスクを用いて、第１ｐ型ＩｎＰクラッド層２８、回折格子を含む第１上部ＳＣＨ層２０及び第２上部ＳＣＨ層２４、ＭＱＷ活性層１８、下部ＳＣＨ層１６、及びｎ型ＩｎＰバッファ層１４の上部をエッチングし、活性層幅が約１．５μｍとなるようにストライプ状メサ構造を形成する。さらに、ストライプ状絶縁膜から成るマスクを選択成長マスクと使用し、ストライプ状メサ構造の両側にｐ型ＩｎＰ層３６およびｎ型ＩｎＰ層３８を順次、ＭＯＣＶＤ法により結晶成長し、電流ブロック層を埋め込み形成する。
【００２８】
ストライプ状マスクを除去した後、第２ｐ型ＩｎＰクラッド層３０及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３２を、ストライプ状メサ構造及び電流ブロック層の上面にわたって成長する。
【００２９】
次に、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３２上面に絶縁膜３４が設けられている。絶縁膜３４としては、絶縁性シリコン化合物であるシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）やシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）が使用できる。絶縁膜３４には、コンタクト層に到達する開口部が設けられている。ｐ側電極４０として、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ多層金属膜を蒸着法により形成し、ｎ型ＩｎＰ基板１２の裏面には、ｎ側電極４２としてＡｕＧｅＮｉ合金を蒸着法により形成する。これまでの工程によって、図１に示されるようなＤＦＢレーザ素子を形成することができる。
【００３０】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は本発明の一実施形態における半導体レーザ素子の部分断面斜視図である。
【図２】図２は本発明の一実施形態における半導体レーザ素子の図１の線Ａ−Ａの断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態における回折格子の作製工程を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態における回折格子の作製工程を示す断面図である。
【図５】図５は、エッチング工程におけるエッチング時間に対する砒素の発光強度の変化を示す図である。
【図６】図６は、本発明の他の実施形態における回折格子の作製工程を示す断面図である。
【図７】図７は、図６の実施形態において、エッチング工程におけるエッチング時間に対する砒素の発光強度の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０…実施形態の半導体レーザ素子、１２…ｎ型ＩｎＰ基板、１４…ｎ型ＩｎＰバッファ層、１６…ＧａＩｎＡｓＰ下部ＳＣＨ層、１８…ＭＱＷ活性層、２０…ＧａＩｎＡｓＰ第１上部ＳＣＨ層、２２…ＩｎＰモニタ半導体層、２４…ＧａＩｎＡｓＰ第２上部ＳＣＨ層、２６…回折格子、２８…第１ｐ型ＩｎＰクラッド層、３０…第２ｐ型ＩｎＰクラッド層、３２…ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、３４…絶縁膜、４０…ｐ側電極、４２…ｎ側電極、５０…絶縁膜マスク、５２…レジストマスク
【図１】
2008098387.tif 000003
【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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