(57)【要約】【課題】  マスクを用いたエッチング加工を改良した半導体素子の作製方法及び半導体素子を提供すること。【解決手段】  ＩｎＰ基板１４０上のＩｎＰクラッド層１４１の表面にマスク材料１４２を形成する。マスク材料上にレジストを塗布した後に電子ビーム露光法により回折格子の作製マスク用のレジストパターン１４３を作製する。反応性ドライエッチングによってマスク材料を加工することにより、レジストパターンをマスク材料１４２に転写する。レジストパターン１４３を除去することにより、ＩｎＰ基板上に回折格子の作製用のマスク１４５が形成される。マスク１４５を用いてドライエッチングを施すと、素子両端で深さが浅く素子中央部で深い回折格子１４６が形成される。【選択図】  図１４
2004247710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体の加工方法における該半導体の表面上に形成するマスクにおいて、マスクパターンの面積が該マスク内において変化していることを特徴とする半導体素子の作製方法。
【請求項２】
前記半導体の加工方法が、ガスを用いるドライエッチングであることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の作製方法。
【請求項３】
前記半導体の加工方法が、ガスに炭化水素系ガスを用いる加工方法であって、前記半導体の表面に炭化水素系重合体（ポリマー）を堆積させる工程と、該炭化水素系重合体（ポリマー）を除去する工程とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の作製方法。
【請求項４】
前記半導体の加工方法が、半導体素子内に回折格子を作製するものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の作製方法。
【請求項５】
前記半導体の加工方法が、前記マスクをそのまま用いて、該加工方法により加工された前記半導体の表面上のみに半導体を成長する工程を備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の作製方法。
【請求項６】
基板上にバッファ層を介して形成された回折格子と、該回折格子上にガイド層を介して形成された活性層と、該活性層上にガイド層を介して形成されたクラッド層とを備えた半導体素子の作製方法において、
基板上に形成されたクラッド層の表面にマスク材料を形成する第１の工程と、
該第１の工程により形成されたマスク材料上に回折格子の作製マスク用のレジストパターンを作製する第２の工程と、
該第２の工程により作製されたレジストパターンをマスクとして反応性ドライエッチングによって前記マスク材料を加工することにより、レジストパターンをマスク材料に転写する第３の工程と、
該第３の工程により形成されたレジストパターンを除去することにより、回折格子の作製用のマスクを形成する第４の工程と、
該第４の工程により形成されたマスクを用いてドライエッチングを施して、回折格子の素子長方向における端部の深さが浅く中央部の深さが深い回折格子を形成する第５の工程と、
該第５の工程により形成された回折格子上に各層を積層させる第６の工程と
を備えたことを特徴とする半導体素子の作製方法。
【請求項７】
半導体の加工方法における該半導体の表面上に形成するマスクのマスクパターンの面積が、該マスク内において変化しており、半導体素子内に回折格子を有する半導体素子であって、該回折格子の深さが該半導体素子内で変化していることを特徴とする半導体素子。
【請求項８】
前記半導体素子における回折格子の素子長方向での中央部近傍の深さが、回折格子の端部の深さより深いことを特徴とする請求項７に記載の半導体素子。
【請求項９】
半導体の加工方法における該半導体の表面上に形成するマスクのマスクパターンの面積が、該マスク内において変化しており、半導体素子内に回折格子を有する半導体素子であって、該回折格子の結合係数が該半導体素子内で変化していることを特徴とする半導体素子。
【請求項１０】
前記半導体素子における回折格子の素子長方向での中央部近傍の結合係数が、回折格子の端部の結合係数より高いことを特徴とする請求項９に記載の半導体素子。
【請求項１１】
基板上にバッファ層を介して形成された回折格子と、該回折格子上にガイド層を介して形成された活性層と、該活性層上にガイド層を介して形成されたクラッド層とを備えた半導体素子において、前記回折格子の深さが、該回折格子の素子長方向における端部と中央部とで異なる深さの構造を有することを特徴とする半導体素子。
【請求項１２】
前記端部の深さよりも前記中央部の深さが深いことを特徴とする請求項１１に記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の作製方法及び半導体素子に関し、より詳細には、超高速波長多重光通信に必要な半導体素子の作製方法及び半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
将来の通信情報量の増大に対して、光周波数（波長）多重通信システムにおける高性能・高機能デバイスの研究開発が盛んである。このとき、複雑なデバイスの構造の集積化が重要となり、加工（エッチング）、結晶再成長技術などによるデバイス作製プロセス技術が必要となる（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）。特に、複数の構造を集積化する場合、通常、複数回数のエッチングプロセスが必要となる（例えば、非特許文献２参照）。
【０００３】
図１（ａ）〜（ｆ）は、深さのエッチングを施すエッチングプロセスの従来方法を説明するための工程図で、図１（ａ）はマスク（誘電体など）を形成した試料、図１（ｂ）は１回目のエッチング工程、図１（ｃ）はマスク除去工程、図１（ｄ）は２回目のエッチング用のマスク形成工程、図１（ｅ）は２回目のエッチング工程、図１（ｆ）はマスク除去後の各プロセス段階での試料を各々示す図である。
【０００４】
試料（例えば、ＩｎＰ結晶）１１に異なる深さのエッチングを施す場合には、初めのエッチングの際にエッチングしない部分をマスク（誘電体など）１２で覆った（図１（ａ））後にエッチングする（図１（ｂ））。次に、１回目のエッチング用のマスクを除去した（図１（ｃ））後に、２回目のエッチングのために再度エッチングしない部分をマスクで覆い（図１（ｄ））、さらにエッチングする（図１（ｅ），（ｆ））というプロセスを繰り返さなくてはならない（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
一方、（波長）多重通信システムで用いられるデバイスの１つとして、回折格子を有する半導体レーザ、例えば、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザまたは分布反射型（ＤＢＲ）半導体レーザは、優れた単一モード発振特性を示すことから注目されている。
【０００６】
図２は、回折格子を有する半導体レーザの素子長方向の断面図で、図中符号２０はｎ型ＩｎＰ基板、２１はｎ型ＩｎＰバッファ層、２２は回折格子、２３はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層、２４は６層のＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸（歪量：１．０％）層と５層のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）の多重量子井戸層からなる活性層（発光波長：１．５５μｍ、活性層長４００μｍ）、２５はＤＢＲ回折格子領域ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．４μｍ）ガイド層（回折格子長は活性層の前後それぞれ４００μｍ）、２６はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）ガイド層、２７はｐ型ＩｎＰクラッド層、２８はｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．６５μｍ）コンタクト層、２９１はｎ型オーミック電極、２９２はｐ型オーミック電極を示している。
【０００７】
図３は、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザの素子長方向の断面図で、図中符号３０はｎ型ＩｎＰ基板、３１はｎ型ＩｎＰバッファ層、３２は回折格子、３３はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層、３４は６層のＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸（歪量：１．０％）層と５層のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）の多重量子井戸層からなる活性層（発光波長：１．５５μｍ）、３５はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層、３６はｐ型ＩｎＰクラッド層、３７はｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．６５μｍ）コンタクト層、３８はｎ型オーミック電極、３９はｐ型オーミック電極を示している。
【０００８】
このように従来の半導体素子の構成においては、半導体素子内での回折格子２２，３２の深さが一定であり、すなわち、結合定数が一定である。
【０００９】
【特許文献１】特開平８−２５０４５９号公報
【非特許文献１】“Electrical Evaluation of Dry Etching Damage on the Side Wall of Mesa Structure”, N. Yamamoto, H. Mawatari, and K. Kishi, Jpn. J. Appl. Phys. Vol.38(1999) pp.1143-1146
【非特許文献２】Low-Loss, Compact, and Polarization Independent PHASAR Demultiplexer Fabricated by Using a Double-Etch Process”, IEEE Photonics Technol. Lett. Vol.14, No.1(2002) pp.62-64.
【非特許文献３】半導体フォトニクス工学、池上徹彦他著、コロナ社、１９９５年１月１０日発行  ｐ．３０７、ｐ２００
【非特許文献４】光集積デバイス、小林功郎著、共立出版、１９９９年７月１５日発行、ｐ．１４０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
半導体素子の作製において、深さの異なるエッチングを要する場合には、複数回のマスク形成工程とエッチングの工程が必須となるため、時間やコスト面での浪費につながるという問題があった。また、このような問題を考慮すると、深さが異なる微細かつ複雑な構造をエッチングにより形成することは実質的に困難であった。
【００１１】
一方、回折格子を有する半導体レーザにおいて、素子内での回折格子の深さが一定である場合、すなわち、結合定数が一定である場合、図４に示すように、回折格子の反射特性は多波長（モード）でピークを有する（例えば、非特許文献３参照）。したがって、当該回折格子をＤＦＢ，ＤＢＲ半導体レーザに用いた場合、半導体レーザより出射される光スペクトルは、図５に示すように、中心波長５１の両脇に数個のピーク（サイドモード）５２を有する。このことは、半導体レーザを高周波数で動作させる際には動作モード（動作波長）を不安定にするので問題となる。
【００１２】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高速多波長光通信に不可欠な高速半導体光素子として、マスクを用いたエッチング加工を改良した半導体素子の作製方法及び半導体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体の加工方法における該半導体の表面上に形成するマスクにおいて、マスクパターンの面積が該マスク内において変化していることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記半導体の加工方法が、ガスを用いるドライエッチングであることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記半導体の加工方法が、ガスに炭化水素系ガスを用いる加工方法であって、前記半導体の表面に炭化水素系重合体（ポリマー）を堆積させる工程と、該炭化水素系重合体（ポリマー）を除去する工程とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記半導体の加工方法が、半導体素子内に回折格子を作製するものであることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記半導体の加工方法が、前記マスクをそのまま用いて、該加工方法により加工された前記半導体の表面上のみに半導体を成長する工程を備えたことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項６に記載の発明は、基板上にバッファ層を介して形成された回折格子と、該回折格子上にガイド層を介して形成された活性層と、該活性層上にガイド層を介して形成されたクラッド層とを備えた半導体素子の作製方法において、基板上に形成されたクラッド層の表面にマスク材料を形成する第１の工程と、該第１の工程により形成されたマスク材料上に回折格子の作製マスク用のレジストパターンを作製する第２の工程と、該第２の工程により作製されたレジストパターンをマスクとして反応性ドライエッチングによって前記マスク材料を加工することにより、レジストパターンをマスク材料に転写する第３の工程と、該第３の工程により形成されたレジストパターンを除去することにより、回折格子の作製用のマスクを形成する第４の工程と、該第４の工程により形成されたマスクを用いてドライエッチングを施して、回折格子の素子長方向における端部の深さが浅く中央部の深さが深い回折格子を形成する第５の工程と、該第５の工程により形成された回折格子上に各層を積層させる第６の工程とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
また、請求項７に記載の発明は、半導体の加工方法における該半導体の表面上に形成するマスクのマスクパターンの面積が、該マスク内において変化しており、半導体素子内に回折格子を有する半導体素子であって、該回折格子の深さが該半導体素子内で変化していることを特徴とする半導体素子。
【００２０】
また、請求項８に記載の発明は、請求項７記載の発明において、前記半導体素子における回折格子の素子長方向での中央部近傍の深さが、回折格子の端部の深さより深いことを特徴とする。
【００２１】
また、請求項９に記載の発明は、半導体の加工方法における該半導体の表面上に形成するマスクのマスクパターンの面積が、該マスク内において変化しており、半導体素子内に回折格子を有する半導体素子であって、該回折格子の結合係数が該半導体素子内で変化していることを特徴とする半導体素子。
【００２２】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の発明において、前記半導体素子における回折格子の素子長方向での中央部近傍の結合係数が、回折格子の端部の結合係数より高いことを特徴とする。
【００２３】
また、請求項１１に記載の発明は、基板上にバッファ層を介して形成された回折格子と、該回折格子上にガイド層を介して形成された活性層と、該活性層上にガイド層を介して形成されたクラッド層とを備えた半導体素子において、前記回折格子の深さが、該回折格子の素子長方向における端部と中央部とで異なる深さの構造を有することを特徴とする。
【００２４】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の発明において、前記端部の深さよりも前記中央部の深さが深いことを特徴とする。
【００２５】
つまり、本発明は、異なる深さのエッチングを施す際に、エッチング深さに対応して面積の異なるマスクを用いることにより、１回のエッチングにより深さの異なるエッチングを可能にする。
【００２６】
このような構成により、回折格子の作製時に用いるマスクとして、回折格子の周辺部での面積が異なるマスクを用いることにより、半導体素子内での深さが変化する。すなわち、結合定数が変化する回折格子を有する半導体レーザを作製することができる。この回折格子の透過特性と反射特性は、図６に示すように、単一波長（モード）となる。この回折格子を半導体フィルタに用いた場合は消光比が改善される。また、ＤＦＢ、ＤＢＲ半導体レーザに用いた場合、出射される光スペクトルのサイドモードは抑制され、半導体レーザを動作させる際に動作モード（動作波長）が安定する。なお、図６において、符号６１は結合定数が変化する回折格子を有する半導体レーザより出射される光スペクトルを示し、符号６２は結合定数が一定である回折格子を有する半導体レーザより出射される光スペクトルを示している。
【００２７】
また、図７（ａ）〜（ｃ）は、半導体におけるエッチング過程を説明するための図で、図７（ａ）はエッチング前（半導体とエッチング種の反応前）、図７（ｂ）はエッチング時（半導体とエッチング種の反応時）、図７（ｃ）はエッチング後（半導体とエッチング種の反応後）を各々示し、図中符号７１は半導体原子、７２はエッチング種（原子）を示している。
【００２８】
図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、半導体のエッチング過程において半導体表面で半導体とエッチング種（エッチングガスあるいはエッチング溶液）が反応することによりエッチングが進行する。
【００２９】
また、図８（ａ）〜（ｃ）は、表面にマスクを形成した半導体におけるエッチング過程を説明するための図で、図８（ａ）はエッチング前（半導体とエッチング種の反応前）、図８（ｂ）はエッチング時（半導体とエッチング種の反応時）、図８（ｃ）はエッチング後（半導体とエッチング種の反応後）を各々示し、図中符号８１は半導体原子、８２はエッチング種（原子）、８３はマスクを示している。
【００３０】
図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、このエッチングをする際に半導体表面をエッチング種と反応しない物質（例えば、酸化シリコン、窒化シリコンなどの誘電体など）をマスクに用いて覆った場合、マスク上のエッチング種は拡散してマスクで覆われていない半導体表面に到達する。この結果、マスク近傍の半導体表面ではエッチング種の密度が増加する。このエッチング種の増加は半導体のエッチング速度を増加させる。したがって、マスクの面積を変化させることにより半導体表面のエッチング種の密度を変化させることが可能になる。このことはエッチング深さの異なる形状の形成を可能にする。
【００３１】
また、図９（ａ），（ｂ）は、表面にマスクを形成した半導体のエッチングにプラズマ状態のガスを用いる場合のドライエッチングの過程を説明するための図で、図９（ａ）はエッチング時、図９（ｂ）はエッチング後を各々示し、図中符号９１は半導体原子、９２はマスク、９３は電界の方向を示している。
【００３２】
図９（ａ），（ｂ）に示すように、半導体のエッチングにプラズマ状態のガスを用いるドライエッチングの場合、マスクで覆われていない半導体表面に電界が集中することもエッチング速度に影響を与える。エッチング速度の制御にエッチング種に加えて電界の効果を考慮すれば制御性は向上する。すなわち、エッチング深さの異なる形状を高精度で形成することが可能になる。
【００３３】
また、半導体のエッチングにプラズマ状態のガスを用いるドライエッチングにおいて、ガスにメタンやエタンなどの炭化水素系のガスを用いる場合には、プラズマ状態においてガスが炭化水素基と水素に分解され、それぞれイオン化あるいは化学的に活性化（ラジカル化）される。以下、イオン化あるいは化学的に活性化（ラジカル化）された炭化水素基を「炭化水素プラズマ」、同様の水素原子を「水素プラズマ」という。
【００３４】
この炭化水素プラズマと水素プラズマが半導体に接触すると、半導体をエッチングする過程と半導体をエッチングすることなく、半導体上に重合体（ポリマー）を形成して堆積する過程が起こる。一般に水素プラズマが十分にある場合にはエッチング過程が主となり、水素プラズマが不足するとポリマーが堆積する過程が主となる。同時に誘電体（ＳｉＯ２など）マスク表面においては、炭化水素プラズマと水素プラズマが誘電体と反応しないので重合物（ポリマー）となって堆積する。
【００３５】
図１０（ａ）〜（ｄ）は、炭化水素系エッチングにおいてポリマーが堆積する過程を説明するための図で、図１０（ａ）はエッチング前（半導体とエッチング種の反応前）、図１０（ｂ），（ｃ）はエッチング時（半導体とエッチング種の反応時）、図１０（ｄ）はエッチング後（半導体とエッチング種の反応後）を示す図である。図中符号１０１は半導体原子、１０２は炭化水素プラズマ、１０３は水素プラズマ、１０４は誘電体（ＳｉＯ２など）マスク、１０５はポリマーを示している。
【００３６】
炭化水素系ガス又は炭化水素系ガスと水素の混合ガスは、プラズマ状態において炭化水素プラズマと水素プラズマに分解される（図１０（ａ））。半導体表面において飛来した炭化水素プラズマ１０２に比べて水素プラズマ１０３が不足するとき、半導体およびマスク表面のほとんどを炭化水素プラズマが覆う（図１０（ｂ））。このとき、マスク上でポリマーの堆積に寄与しなかった余剰の炭化水素プラズマ１０２が半導体表面に流入する。そこで、マスク面積（マスク幅）の増加に伴い半導体表面に流入する炭化水素基の量（濃度）が増加するので、堆積するポリマーの厚さが増加する（図１０（ｃ））。そして、異なるマスク面積によりその周辺の開口部（半導体表面）に堆積するポリマー１０５の厚さが変化する（図１０（ｄ））。
【００３７】
この半導体上に堆積されたポリマー１０５は、酸素プラズマ照射により酸素プラズマと反応した結果、炭酸ガスと水となって除去される。そこで、酸素プラズマの一定時間照射により部分的に厚さの異なるポリマーのうち一定の厚さ以下のポリマーが除去されるので、部分的に選択的にポリマーを除去して半導体表面を露出することができる。
【００３８】
この試料についてエッチング過程が主となるプラズマ条件によりエッチングを施せば、ポリマーが堆積した部分は、エッチングが進行せずに半導体表面が露出した部分のみ選択的にエッチングが進行する。このことはエッチング深さの異なる形状の形成を可能にする。
【００３９】
さらに、上述のプラズマ状態において、水素プラズマの量は炭化水素系ガスに水素を混合させることにより増加でき、また、放電電力やガス圧力などによりプラズマ状態を制御することにより増減できる。
【００４０】
図１１（ａ）〜（ｄ）は、炭化水素系エッチングにおいてポリマーの堆積とともにエッチングが進行する過程を説明するための図で、図１１（ａ）はエッチング前（半導体とエッチング種の反応前）、図１１（ｂ），（ｃ）はエッチング時（半導体とエッチング種の反応時）、図１１（ｄ）はエッチング後（半導体とエッチング種の反応後）を示す図である。図中符号１１１は半導体原子、１１２は炭化水素プラズマ、１１３は水素プラズマ、１１４は誘電体（ＳｉＯ２など）マスク、１１５はポリマーを示している。
【００４１】
この水素プラズマの量の制御により堆積するポリマーの量を制御でき、さらに部分的にエッチングを進行させることができる。炭化水素系ガスまたは炭化水素系ガスと水素の混合ガスは、プラズマ状態において炭化水素プラズマ１１２と水素プラズマ１１３に分解される（図１１（ａ））。これらの炭化水素プラズマ１１２と水素プラズマ１１３は、半導体およびマスク１１４の表面に到達する（図１１（ｂ））。このとき、水素プラズマ１１３の量を増加させれば、マスク表面においてポリマーの形成に寄与しなかった水素プラズマ１１３が、マスク１１４の近傍の半導体表面に流入する（図１１（ｃ））。
【００４２】
この水素プラズマ１１３が、半導体表面のエッチングの進行に不足していた水素プラズマを補充することにより、マスク１１４の近傍の半導体表面においては、ポリマーが堆積することなくエッチングが進行する。一方、マスク１１４から離れた部分では水素プラズマ１１３が補充されないためポリマー１１５が堆積する（図１１（ｄ））。
【００４３】
したがって、半導体のエッチングはマスクから離れた部分では進行せず、マスク近傍においてのみ選択的に進行する。このことはエッチング深さの異なる形状の形成を可能にする。また、このエッチング過程において、マスク表面および半導体表面上に堆積されたポリマーは、酸素プラズマ照射により酸素プラズマと反応した結果、炭酸ガスと水となって除去される。
【発明の効果】
【００４４】
以上説明したように本発明によれば、半導体の加工方法における半導体の表面上に形成するマスクにおいて、マスクパターンの面積がマスク内において変化しているので、異なる深さのエッチングを施す際に、エッチング深さに対応して面積の異なるマスクを用いることにより、１回のエッチングにより深さの異なるエッチングを可能にし、高速多波長光通信に不可欠な高速半導体光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。  
【実施例１】
【００４６】
図１２は、本発明の実施例１であるＤＢＲ半導体レーザの素子長方向の断面図で、図中符号１２０はｎ型ＩｎＰ基板、１２１はｎ型ＩｎＰバッファ層、１２２は回折格子、１２３はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層、１２４は６層のＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸（歪量：１．０％）層と５層のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）の多重量子井戸層からなる活性層（発光波長：１．５５μｍ、活性層長：４００μｍ）、１２５はＤＢＲ回折格子領域ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．４μｍ）ガイド層（回折格子長は活性層の前後それぞれ４００μｍ）、１２６はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）ガイド層、１２７はｐ型ＩｎＰクラッド層、１２８はｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．６５μｍ）コンタクト層、１２９１はｎ型オーミック電極、１２９２はｐ型オーミック電極を示している。
【００４７】
本発明は、ＩｎＰ基板１２０上にバッファ層１２１を介して形成された回折格子１２２と、この回折格子１２２上にガイド層１２３を介して形成された活性層１２４と、この活性層１２４上にガイド層１２６を介して形成されたクラッド層１２７とを備えた半導体素子であり、回折格子１２２の深さが、この回折格子１２２の素子長方向における端部と中央部とで異なる深さの構造を有する。より具体的には、端部の深さよりも中央部の深さが深い構造を有している。
【００４８】
半導体素子の発振波長は１．５５μｍである。半導体素子の長さは５００μｍである。回折格子１２２のピッチ（周期）は２４０ｎｍ（凸部：１２０ｎｍ、凹部：１２０ｎｍ）であり、深さは素子における回折格子の素子長方向での端部で浅くなっており５ｎｍ、素子における回折格子の素子長方向での中央部で深くなっており３０ｎｍである。
【００４９】
このように、本発明は、半導体の表面上に形成するマスクのマスクパターンの面積が、マスク内において変化しており、半導体素子内に回折格子を有し、この回折格子の深さが半導体素子内で変化しており、半導体素子における回折格子の素子長方向での中央部近傍の回折格子の深さが、半導体素子における回折格子の素子長方向での端部の深さより深く構成されている。
【００５０】
図１３（ａ），（ｂ）は、本発明における回折格子により得られる反射特性を示す図で、図１３（ａ）は、位置に対する結合係数κを示し、図１３（ｂ）はブラッグ波長からのずれに対する反射率を示している。
【００５１】
図中符号１３１は、この回折格子の有する結合係数を示す。回折格子の深さが回折格子の両端部で５ｎｍ、中央部で３０ｎｍとなるように変化させることにより、結合係数κは回折格子の両端部で５ｃｍ−１、中央部で８０ｃｍ−１と変化する。この回折格子を用いた場合の反射スペクトルを１３２に示す。比較のために結合係数が８０ｎｍ−１一定の場合の反射スペクトルを１３３に示す。回折格子の深さ、すなわち、結合係数を変化させることにより反射スペクトルのサイドモードが抑制されることがわかる。このことは、ＤＦＢレーザを高周波数（高速）動作させたときの発振スペクトルにおけるサイドモードが抑制されることを示唆する。このように、本実施例の構造の回折格子を有するＤＦＢ半導体レーザは高速動作に優れる。
【実施例２】
【００５２】
図１４（ａ）〜（ｈ）は、本発明の実施例２として、上述した実施例１のＤＢＲ半導体レーザにおける回折格子の作製方法を示す図で、図１４（ａ）は用意された試料、図１４（ｂ）は表面に酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１４２を形成した試料、図１４（ｃ）はＳｉＯ２膜１４２上にレジストパターン１４３を作製した試料、図１４（ｄ）はレジストパターン１４３をマスクとしてＳｉＯ２マスクを形成した試料、図１４（ｅ）はＳｉＯ２マスクを形成した試料（レジストパターン１４２除去後）、図１４（ｆ）は図１４（ｅ）の断面図、図１４（ｇ）はエッチング後の試料断面図、図１４（ｈ）は回折格子形成後（ＳｉＯ２マスク除去後）の試料断面図を各々示している。
【００５３】
ＩｎＰ基板１４０上のＩｎＰクラッド層１４１の表面に（図１４（ａ））酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１４２を形成する（図１４（ｂ））。次に、ＳｉＯ２膜上にレジストを塗布した後に電子ビーム露光法により回折格子の作製マスク用のレジストパターン１４３を作製する（図１４（ｃ））。次に、レジストパターン１４３をマスクとして反応性ドライエッチングによってＳｉＯ２膜を加工することにより、レジストパターンをＳｉＯ２膜１４２に転写する（図１４（ｄ））。次に、レジストパターン１４３を除去することにより、ＩｎＰ基板１４１上に回折格子の作製用のＳｉＯ２マスク１４５が形成される（図１４（ｅ），（ｆ））。
【００５４】
次に、ＳｉＯ２マスク１４５の形状１４５０は、素子長１４５１が５００μｍ。回折格子の幅１４５２が３．０μｍ、ピッチ（周期）１４５３は２４０ｎｍ（ＳｉＯ２部：１２０ｎｍ、窓部：１２０ｎｍ）であり、回折格子の周辺でのマスクの面積は回折格子の両端で狭くなっており（マスク幅１４５４は１μｍ）、回折格子の中央部で広くなっている（マスク幅１４５６は５μｍ）。なお、図中符号１４５５は、回折格子の端部から回折格子の中央部までの距離を示している。
【００５５】
このＳｉＯ２マスク１４５を用いて、メタン／水素混合ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によりドライエッチングを施すと、回折格子の両端で深さが浅く回折格子の中央部で深い回折格子１４６が形成される（図１４（ｇ））。次に、ＳｉＯ２マスク１４５の除去後（図１４（ｈ））に、この回折格子１４６上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により積層することにより、図１２に示すような素子構造が作製される。
【００５６】
つまり、半導体の表面上に形成するマスクにおいて、マスクパターンの面積がマスク内において変化しており、半導体の加工方法がガスを用いるドライエッチングであり、これにより、半導体素子内に回折格子を作製する（図１４（ｇ））。
【００５７】
また、半導体の表面上に形成するマスクのマスクパターンの面積が、マスク内において変化しており、半導体素子内に回折格子を有し、この回折格子の結合係数が半導体素子内で変化しており、この半導体素子における回折格子の素子長方向での中央部近傍の結合係数が、半導体素子における回折格子の素子長方向での端部の結合係数より高く構成されている。
【実施例３】
【００５８】
本発明の実施例３として、上述した実施例１のＤＢＲ半導体レーザにおける回折格子の作製方法について説明する。  
本実施例３は、ドライエッチングに炭化水素系のガスを用いる場合において一定の条件で生じるポリマーを利用するものである。ＩｎＰ基板上の回折格子の作製用のＳｉＯ２マスクは、上述した実施例２と同様のものを用いる。
【００５９】
図１５（ａ）〜（ｆ）は、本実施例３における回折格子の作製方法を説明するための回折格子の一部を示す図で、図１５（ａ）はエッチング前の回折格子作製用マスクを有する試料の一部、図１５（ｂ）は１回目のエッチングによりポリマーが堆積した試料の一部、図１５（ｃ）は酸素プラズマを照射した試料の一部、図１５（ｄ）は２回目のエッチングをした試料の一部、図１５（ｅ）はエッチングと酸素プラズマ照射図１５（ｂ）〜図１５（ｄ）を繰り返し施して作製された回折格子深さの異なる試料の一部、図１５（ｆ）はその断面図を示す図である。図中符号１５０はＩｎＰ基板、１５１は回折格子作製用マスク、１５１ａはマスクの開口部、１５２はポリマーを示している。
【００６０】
ＩｎＰ基板１５０の表面に回折格子周辺でのマスクの面積（幅）が異なるマスク１５１を形成した試料（図１５（ａ））について、メタンガスを用いた反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）を施す。ＲＩＥ条件はメタンガス流量が８０ｓｃｃｍ、ガス圧力が５Ｐａ、放電電力が５０Ｗであり、この条件下ではポリマー１５２が堆積する過程が主となる。このとき、開口部１５１ａに堆積するポリマー１５２の厚さはマスク１５１の幅に依存し、マスク１５１の幅が広いほどマスク１５１上から開口部１５１ａに流入する炭化水素基が多量になるので、堆積するポリマー１５２の厚さは増加する（図１５（ｂ））。
【００６１】
例えば、図１５（ａ）において、ＲＩＥを１０分間施したときに開口部１５１ａに堆積するポリマー１５２の厚さは、マスク幅が広くなるにつれて０．１μｍ、０．２μｍ、０．３μｍと増加するものとする。引き続き、酸素プラズマを酸素流量１０ｓｃｃｍ、ガス圧力１０Ｐａ、放電電力１００Ｗで１分間照射すると、開口部１５１ａに堆積したポリマー０．１μｍ厚が除去される。
【００６２】
したがって、上述したＲＩＥ時に０．１μｍより厚いポリマー１５２が堆積した開口部１５１ａにおいては、ポリマー１５２が残留し、０．１μｍ以下の厚さでポリマー１５２が堆積した開口部１５１ａにおいては、ポリマー１５２が完全に除去されてＩｎＰ基板１５０の表面が露出する（図１５（ｃ））。引き続き、エッチング過程が主となる条件（メタンと水素の混合ガス（メタン濃度２０％）のガス流量８０ｓｃｃｍ、ガス圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗ）でＲＩＥを施せばＩｎＰ基板１５０が露出した開口部１５１ａのみエッチングが進行し、ポリマー１５２が残留する開口部１５１ａでは、エッチングが進行しない（図１５（ｄ））。
【００６３】
このように、初めに０．１μｍ以下の厚さでポリマーが堆積した開口部においてのみ選択的にエッチングがされる。引き続き、同様の酸素プラズマ照射による０．１μｍ厚さのポリマーの除去とＲＩＥを繰り返して施すことにより、深さの異なる回折格子を形成することができる（図１５（ｅ），（ｆ））。ＳｉＯ２マスク除去後に、この回折格子上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）で積層することにより、図１２に示す素子構造が作製される。
【００６４】
本実施例３におけるＩｎＰ基板上に堆積するポリマーの厚さの開口部幅依存性は、メタンガス流量を０−５００ｓｃｃｍ、ガス圧力を０．０１−５０Ｐａ、放電電力を５０−５００Ｗの範囲で変化させることにより変化する。また、ＲＩＥ時間を変化させることにより、堆積するポリマーの厚さを変化させることができる。また、メタンと水素の混合ガスのメタンガス濃度を０．１−１００％、ガス流量を０−５００ｓｃｃｍ、ガス圧力を０．０１−５０Ｐａ、放電電力を５０−５００Ｗの範囲で変化させることにより、エッチング速度を変化させることができる。酸素プラズマ照射は、本実施例３の条件に限定されず他の条件でもポリマーを除去することができる。
【実施例４】
【００６５】
図１６（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施例４として、上述した実施例１のＤＢＲ半導体レーザにおける回折格子の作製方法を示す図で、図１５（ａ）は回折格子作製マスク形成後の試料の上面図、図１５（ｂ）はその全体図、図１５（ｃ）はその断面図、図１５（ｄ）はエッチングした後の試料の断面図、図１５（ｅ）はＳｉＯ２マスク除去後の試料の断面図である。図中符号１６０は回折格子作製用ＳｉＯ２マスク、１６１は回折格子長、１６２はマスクの幅、１６３はピッチ（周期）、１６４は素子両端でのマスク幅、１６５は素子中央部でのマスク幅を示している。
【００６６】
本実施例４は、炭化水素系のガスを用いたドライエッチングにおいて生じるポリマーを利用する点で上述した実施例３と同じであるが、エッチングに用いるマスク形状、回折格子の形成過程が異なる。
【００６７】
本実施例４に用いるＳｉＯ２マスクの形状１６０は、回折格子長１６１が４００μｍ、マスクの幅１６２が４０μｍ、ピッチ（周期）１６３は２４０ｎｍ（ＳｉＯ２部：１２０ｎｍ、窓部：１２０ｎｍ）であり、回折格子の開口部の幅は素子両端で広くなっており（開口部の幅１６４は３０μｍ）、素子中央部で狭くなっている（開口部の幅１６５は１μｍ）。
【００６８】
図１７（ａ）〜（ｇ）は、本実施例４における回折格子の作製方法を説明するための回折格子の一部を示す図で、図１７（ａ）はエッチング前の回折格子作製用マスクを有する試料の一部、図１７（ｂ）は１回目のエッチングにより開口部の一部にポリマーが堆積した試料の一部、図１７（ｃ）は酸素プラズマを照射した試料の一部、図１７（ｄ）は２回目のエッチングをした試料の一部、図１７（ｅ）はエッチングと酸素プラズマ照射図１７（ｂ）〜図１７（ｄ）を繰り返し施して作製された回折格子深さの異なる試料の一部、図１７（ｆ）はメサ構造に加工された試料、図１７（ｇ）はその断面図である。図中符号１７０はＩｎＰ基板、１７１は回折格子作製用マスク、１７１ａはマスクの開口部、１７２はポリマーを示している。
【００６９】
ＩｎＰ基板１７０の表面に回折格子の開口部１７１ａの幅が異なるマスク１７１を形成する（図１７（ａ））。ここで開口部１７１ａの幅はそれぞれ２．０μｍ、４．０μｍ、６．０μｍ、８．０μｍとする。初めにメタンと水素の混合ガスを用いたＲＩＥをメタン流量４０ｓｃｃｍ、水素流量２ｓｃｃｍ、ガス圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗで施すと、幅が２μｍ以下の開口部１７１ａにおいては、マスク１７１上から水素の供給が十分あるのでポリマーが堆積することなくエッチングが進行する。
【００７０】
一方、幅が２μｍより広い開口部１７１ａにおいては、マスク１７１上から水素の供給が不足するので、ポリマー１７２が堆積してエッチングが進行しない（図１７（ｂ））。引き続き、酸素プラズマを酸素流量１０ｓｃｃｍ、ガス圧力１０Ｐａ、放電電力４００Ｗで１分間照射すると、堆積したポリマー１７２が除去される（図１７（ｃ））。
【００７１】
次に、水素流量を増加させた条件（メタン流量４０ｓｃｃｍ、水素流量５ｓｃｃｍ、ガス圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗ）でＲＩＥを施すと、幅が４μｍ以下の開口部１７１ａにおいては、水素の供給が増加するのでポリマー１７２が堆積することなくエッチングが進行する。一方、幅が４μｍより広い開口部１７１ａにおいては、マスク１７１上から水素の供給がまだ不足するので、ポリマー１７１が堆積してエッチングが進行しない（図１７（ｄ））。
【００７２】
したがって、幅が２μｍ以下の開口部１７１ａにおいては、初めのＲＩＥによるエッチングの後にさらに２度目のＲＩＥによるエッチングが進行するので、その深さは、幅が２μｍから４μｍまでの開口部の深さよりも深くなる。引き続き酸素プラズマを照射することにより、上述と同様に堆積したポリマー１７２が除去される（図１７（ｅ））。このようにＲＩＥと酸素プラズマ照射を交互に繰り返す際に、ＲＩＥを施すごとに水素流量を増加させることにより、深さの異なる回折格子を形成することができる。
【００７３】
このとき、水素流量は１００ｓｃｃｍまで増加させることができる。その後、メサ構造加工（図１７（ｆ））、ＳｉＯ２マスク除去（図１７（ｇ））後に、この回折格子上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により積層することにより、図１２に示す素子構造が作製される。
【００７４】
この際、回折格子の開口部の両端部にはマスク上で反応に寄与しなかった水素（プラズマ）が流入する。この水素プラズマ分だけメタンが反応してエッチングが進行する。したがって、ポリマーが堆積する開口部においても両端の一部分のみでエッチングが進行する。このように、開口部の全域において深さが均一にならないという問題が生じる場合がある。しかしながら、実際のデバイスにおいてはメサ構造が採用されるため、開口部の両端部はメサ形成時に切り落とされるので、実際のデバイス作製上における問題とはならない。
【００７５】
本実施例４では、ＲＩＥ時に開口部において、エッチングに寄与する水素の量を水素流量により変化させたが、ガス圧（０．０１Ｐａ−５０Ｐａ）によるマスク上から水素の拡散距離の変化または放電電力（５０−５００Ｗ）によるイオン化される水素の量の変化によっても変化させることができ、同様の効果が得られる。
【実施例５】
【００７６】
図１８は、本発明の実施例５として回折格子の深さが素子両端面で浅く、素子中央部で深くなっているＤＦＢ半導体レーザの素子長方向の断面図で、図中符号１８０はｎ型ＩｎＰ基板、１８１はｎ型ＩｎＰバッファ層、１８２は回折格子、１８３はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層、１８４は６層のＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸（歪量：１．０％）層と５層のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）の多重量子井戸層からなる活性層（発光波長：１．５５μｍ）、１８５はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）ガイド層、１８６はｐ型ＩｎＰクラッド層、１８７はｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．６５μｍ）コンタクト層、１８８はｎ型オーミック電極、１８９はｐ型オーミック電極を示している。
【００７７】
半導体素子の発振波長は１．５５μｍである。半導体素子の長さは５００μｍである。回折格子１８２のピッチ（周期）は２４０ｎｍ（凸部：１２０ｎｍ、凹部：１２０ｎｍ）であり、深さは素子における回折格子の素子長方向での端部で浅くなっており５ｎｍ、素子における回折格子の素子長方向での中央部で深くなっており３０ｎｍである。このように、回折格子の深さを素子両端面で浅く、素子中央部で深くすることにより、このＤＦＢ半導体レーザを動作させたときの発振スペクトルにおけるサイドモードが抑制される。
【００７８】
図１９は、回折格子の深さが一方の素子端面近傍で浅く、もう一方の素子端面近で深くなっているＤＦＢ半導体レーザの構造の断面図で、図中符号１９０はｎ型ＩｎＰ基板、１９１はｎ型ＩｎＰバッファ層、１９２は回折格子、１９３はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層、１９４は６層のＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸（歪量：１．０％）層と５層のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）障壁層の多重量子井戸層からなる活性層（発光波長：１．５５μｍ）、１９５はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層、１９６はｐ型ＩｎＰクラッド層、１９７はｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１６１５μｍ）コンタクト層、１９８はｎ型オーミック電極、１９９はｐ型オーミック電極を示している。
【００７９】
半導体素子の発振波長は１．５５μｍである。半導体素子の長さは５００μｍである。回折格子１９２のピッチ（周期）は２４０ｎｍ（凸部：１２０ｎｍ、凹部：１２０ｎｍ）である。その深さは一方の素子端面で５ｎｍであり、もう一方の素子端面に向って素子内で単調増加して、もう一方の端面近傍で３０ｎｍである。このように回折格子の深さを素子内で単調に変化させることによっても、この図１９のＤＦＢレーザを動作させたときの発振スペクトルにおけるサイドモードは抑制される。なお、本実施例５における回折格子の作製方法及び効果は、上述した実施例１の場合と同様である。
【実施例６】
【００８０】
図２０は、本発明の実施例６である半導体波長可変フィルタの構成図である。図中符号２００はｎ型ＩｎＰ基板、２０１はｎ型ＩｎＰバッファ層、２０２は回折格子、２０３はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層、２０４はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．４μｍ）ガイド層、２０５はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層、２０６はｐ型ＩｎＰクラッド層、２０７はｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．６５μｍ）コンタクト層、２０８はｎ型オーミック電極、２０９はｐ型オーミック電極、２０１０は入力光、２０１１は出力光を示している。
【００８１】
半導体素子の長さは１ｍｍである。回折格子２０２のピッチ（周期）は２４０ｎｍ（凸部：１２０ｎｍ、凹部：１２０ｎｍ）であり、深さは素子両端面で浅くなっており５ｎｍ、素子中央部で深くなっており３０ｎｍである。多波長の光を含む入力光２１０から、回折格子のピッチとガイド層の屈折率から定まる波長の光２１１を選択して出力する。出力光２１１の波長は、素子内への電流注入に伴うガイド層２０４の屈折率の変化により変化させることができる。
【００８２】
この素子の構造（ガイド層のＩｎＧａＡｓＰ組成と回折格子のピッチ）は、１．５５μｍ周辺の波長に対応できるように設計されている。この素子において、回折格子の深さを変化させることにより、回折格子の深さが一定の場合に比べて、単一のモード（波長）の光が出力できるようになる。
【実施例７】
【００８３】
図２１（ａ）〜（ｈ）は、本発明の実施例７である半導体レーザ素子の作製方法を示す図で、図２１（ａ）はこの半導体レーザ素子の全体図、図２１（ｂ）は作製プロセス前の試料、図２１（ｃ）はドライエッチングを施した試料、図２１（ｄ）はエッチングされた後に引き続きガイド層を選択成長した試料、図２１（ｅ）はメサ形成用ストライプマスクが形成された試料、図２１（ｆ）はメサ構造に加工された試料、図２１（ｇ）はｐｎ構造埋め込み層が成長された試料、図２１（ｈ）はクラッド層とコンタクト層が成長された試料を示す図である。
【００８４】
図中符号２１０はｎ型ＩｎＰ基板、２１１はｎ型ＩｎＰバッファ層、２１２は活性層、２１３はスポットサイズ変換用ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）ガイド層、２１４はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層、２１５はｐ型ＩｎＰ埋込み層、２１６はｎ型ＩｎＰ埋込み層、２１７はｐ型ＩｎＰクラッド層、２１８はｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．６５μｍ）コンタクト層、２１９はＳｉＯ２層、２１１０はｎ型オーミック電極、２１１１はｐ型オーミック電極、２１１２はスポットサイズ変換部作製用マスク、２１４１はメサ形成用ストライプマスクを示している。
【００８５】
この半導体レーザ素子は、出射部分にスポットサイズ変換部を有することを特徴とする（例えば、非特許文献４参照）。スポットサイズ変換部とは、素子からの出射光の光ファイバに入射する効率（結合効率）を向上させるために発光ビーム径を広げるものである。このスポットサイズ変換部では、導波層の厚みを徐々に薄くすることにより、光分布をクラッド層に染み出させてスポットサイズを大きくする。
【００８６】
活性層２１２は、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層、６層のＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸（歪量：０．８％）層と５層のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）障壁層の多重量子井戸層からなる活性層（発光波長：１．３μｍ）、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層からなっている。
【００８７】
このレーザ構造におけるスポットサイズ変換部の作製方法を説明する。  
活性層２１２に隣接するスポットサイズ変換用ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）ガイド層２１３の表面にＳｉＯ２マスク２１１２を形成する（図２１（ｂ））。このマスク２１１２においては、活性層２１２との境界側のマスク幅が狭く出射端側のマスク幅が広い形状を有する。同時に活性層２１２の表面は全面マスク２１１２で覆われている。この試料について実施例２示すドライエッチングで施すと、エッチング深さは、活性層２１２との境界側で浅く出射端側で深くなる（図２１（ｃ））。
【００８８】
このマスクをそのまま用いて、エッチングされたＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）ガイド層上にＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層２１４を選択成長する（図２１（ｄ））。この選択成長は、幅の広いマスク近傍で成長層厚が厚く、幅の狭いマスク近傍で成長層厚が薄くなる特徴を有する（例えば、非特許文献３参照）。この特徴は、マスク上に飛来した成長原子がマスク上で成長せずに開口部（半導体表面）に拡散して開口部での成長に寄与することに起因する。したがって、幅の狭いマスク近傍に比べて幅の広いマスク近傍の方が開口部で成長に寄与する成長原子が多くなるので、成長層厚が厚くなる。
【００８９】
このように、エッチング深さの深い幅の広いマスク近傍で選択成長される層厚が厚いので、スポットサイズ変換部の表面は平坦になる。最後にメサ形成用ストライプマスク２１４１を形成（図２１（ｅ））後にメサ構造に加工する（図２１（ｆ））ことによりスポットサイズ変換部が形成される。この構造について、ｐｎ構造埋め込み層の成長（図２１（ｇ））、クラッド層とコンタクト層の成長（図２１（ｈ））後に、電極形成することより、本実施例７の半導体レーザ素子の構造が作製される（図２１（ａ））。
【実施例８】
【００９０】
図２２（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施例８である深さ方向に光を導波する光導波路（光配線）の作製方法を説明するための図で、図２２（ａ）は作製プロセス前の試料、図２２（ｂ）はドライエッチングを施した試料、図２２（ｃ）はエッチングされた後に引き続きガイド層を選択成長した試料、図２２（ｄ）は引き続きクラッド層を選択成長した試料、図２２（ｅ）はメサ形成用ストライプマスクが形成された試料を示す図である。図中符号２２０はＩｎＰ基板、２２１はエッチング用マスク、２２２はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層、２２３はＩｎＰクラッド層を示している。
【００９１】
ＩｎＰ基板２２０の表面上にマスク幅が変化するマスク２２１を形成する（図２２（ａ））。この試料について上述した実施例２で示すドライエッチングを施すと、エッチング深さはマスク幅の広い領域で深く、マスク幅の狭い領域で浅くなる（図２２（ｂ））。このマスクをそのまま用いて、エッチングされたＩｎＰ基板２２０上にＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層２２２を選択成長して（図２２（ｃ））、引き続きＩｎＰクラッド層２２３を選択成長する（図２２（ｄ））。
【００９２】
さらに、この選択成長は幅の広いマスク近傍で成長層厚が厚く、幅の狭いマスク近傍で成長層厚が薄くなる特徴を有する。このように、幅の広いマスク近傍で選択成長される層厚が厚いので、導波路の表面は平坦になる。最後にメサ構造に加工することにより深さ方向に光を導波できる光導波路が形成される（図２２（ｅ））。
【００９３】
この構造について、埋め込み成長とエッチングを繰り返し施すことにより、３次元的な光導波路による光配線も可能になる。また、本実施例８によれば、導波路層厚が場所によって変化するが、選択成長の際にマスク幅を調整したマスクを新たに形成すれば、導波路層厚を一定にすることも可能である。
【００９４】
以上、本発明の各実施例について説明したが、上述した実施例では、回折格子を有する半導体素子としてＤＢＲ，ＤＦＢレーザに適用したが、同様に回折格子を有する光フィルタなどの半導体素子にも適用できる。
【００９５】
また、上述した実施例では、回折格子の深さを５〜３０ｎｍに設定したが、この深さに限られることはない。また、回折格子は素子長方向に対称である構造を有しているが対称である必要はない。さらに、回折格子は素子長方向における中央部の深さが両端部より深い構造を有しているが、回折格子の一方の端部からもう一方の端部に向けて深さが単純に増加する構造のように、回折格子の深さが変化する構造であれば同様の効果を奏する。この深さに対応して変化する結合係数も５〜８０ｃｍ−１に設定したがこの値に限られることはない。
【００９６】
また、結合係数が素子長方向に対称である構造を有しているが対称である必要はない。さらに、結合係数は素子長方向における中央部の値が両端部より高い構造を有しているが、結合係数の一方の端部からもう一方の端部に向けて値が単純に増加する構造のように、結合係数の値が変化する構造であれば同様の効果を奏する。
【００９７】
また、上述した実施例では、素子用の半導体結晶として化合物半導体ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ結晶を用いたが、ＣａＡｓ、ＳｉＧｅなどの化合物半導体結晶やＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＳｂなどの混晶結晶を用いても可能である。また、本発明による装置が対応するレーザ光の波長として１．５５μｍを用いたが、ＩｎＧａＡｓＰ結晶の組成などの構造、回折格子のピッチ（周期）を変えることにより１．０〜１．７μｍの長波長帯にも対応でき、活性層に他の材料（ＩｎＧａＡｌＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＳｂなど）を用いることにより、０．８、２．５μｍなどの他の波長にも対応できる。また、活性層における多重量子井戸構造には、６層、５ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸層（歪量：１．０％）、５層、１０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ障壁層（組成波長：１．１μｍ）を用いたが、歪量、層数、層厚、結晶組成などの構造因子は変化させてもかまわない。
【００９８】
また、上述した実施例では、回折格子の加工にメタン／水素混合ガスを用いたＲＩＥをドライエッチングとして用いたが、エッチングガスはメタン以外でもエタンやハロゲン系ガスなどでも構わない。また、希釈ガスも水素ガスだけではなく、Ｎ２、Ａｒなどでも構わないし、希釈ガスは用いなくても構わない。また、ドライエッチング法にＲＩＥ法を用いたが、イオンビームエッチングなどを用いても加工できる。また、エッチングガスを用いたドライエッチング以外でも、酸溶液も用いたウエットエッチングにより加工することも可能である。レジストパターン作製には、電子ビーム露光法を用いたが、干渉露光法を用いても作製できる。
【００９９】
また、上述した実施例では、回折格子の作製用のマスク材料として、ＳｉＯ２を用いたが、このＳｉＯ２に限らずに窒化シリコンなどの他の誘電体、金属、レジスト等でもエッチングガスやエッチング酸溶液に対して耐性があれば用いることが可能である。
【０１００】
また、上述した実施例では、回折格子等の半導体の加工のためのドライエッチングにおいて、エッチングガスとして塩素やメタンを用いたが、エタン等の他の炭化水素系ガスや臭素などのハロゲン系ガスなど他のガスを用いても構わない。また、エッチングガスとして混合ガスを用いる際の希釈ガスには水素ガスだけでなく窒素やアルゴンなどでも構わないし、希釈ガスは用いなくても構わない。また、ドライエッチング法にＲＩＢＥ、ＲＩＥ法を用いたが、イオンビームアシストエッチングなどを用いても加工できる。
【０１０１】
また、プラズマ状態のガスを用いたドライエッチング以外でも、プラズマ状態でないガスを用いたガスエッチング、酸溶液を用いたウエットエッチングにより加工することも可能である。レジストパターン作製には電子ビーム露光法以外でも干渉露光法を用いることができる。エッチングの際に半導体表面に形成するマスクには酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用いたが、窒化シリコン、酸化チタンなどの誘電体や、金やチタンなどの金属を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】（ａ）〜（ｆ）は、深さのエッチングを施すエッチングプロセスの従来方法を説明するための図である。
【図２】回折格子を有する半導体レーザの素子長方向の断面図である。
【図３】分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザの素子長方向の断面図である。
【図４】半導体レーザより出射される光スペクトルを示す図である。
【図５】半導体レーザより出射される光スペクトルを示す図である。
【図６】半導体レーザより出射される光スペクトルを示す図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、半導体におけるエッチング過程を説明するための図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、表面にマスクを形成した半導体におけるエッチング過程を説明するための図である。
【図９】（ａ），（ｂ）は、表面にマスクを形成した半導体のエッチングにプラズマ状態のガスを用いる場合のドライエッチングの過程を説明するための図である。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）は、炭化水素系エッチングにおいてポリマーが堆積する過程を説明するための図である。
【図１１】（ａ）〜（ｄ）は、炭化水素系エッチングにおいてポリマーの堆積とともにエッチングが進行する過程を説明するための図である。
【図１２】本発明の実施例１であるＤＢＲ半導体レーザの素子長方向の断面図である。
【図１３】（ａ），（ｂ）は、本発明における回折格子により得られる反射特性を示す図である。
【図１４】（ａ）〜（ｈ）は、本発明の実施例２として、上述した実施例１のＤＢＲ半導体レーザにおける回折格子の作製方法を示す図である。
【図１５】（ａ）〜（ｆ）は、本実施例３における回折格子の作製方法を説明するための回折格子の一部を示す図である。
【図１６】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施例４として、上述した実施例１のＤＢＲ半導体レーザにおける回折格子の作製方法を示す図である。
【図１７】（ａ）〜（ｇ）は、本実施例４における回折格子の作製方法を説明するための回折格子の一部を示す図である。
【図１８】本発明の実施例５として回折格子の深さが素子両端面で浅く、素子中央部で深くなっているＤＦＢ半導体レーザの素子長方向の断面図である。
【図１９】回折格子の深さが一方の素子端面近傍で浅く、もう一方の素子端面近で深くなっているＤＦＢ半導体レーザの構造の断面図である。
【図２０】本発明の実施例６である半導体波長可変フィルタの構成図である。
【図２１】（ａ）〜（ｈ）は、本発明の実施例７である半導体レーザ素子の構成図である。
【図２２】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施例８である深さ方向に光を導波する光導波路（光配線）の作製方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１１  試料（ＩｎＰ結晶）
１２  マスク
２０，３０  ｎ型ＩｎＰ基板
２１，３１  ｎ型ＩｎＰバッファ層
２２，３２  回折格子
２３，２５，２６，３３，３５  ＩｎＧａＡｓＰガイド層
２４，３４  活性層
２７，３６  ｐ型ＩｎＰクラッド層
２８，３７  ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
２９１，３８  ｎ型オーミック電極
２９２，３９  ｐ型オーミック電極
７１，８１，９１  半導体原子
７２，８２  エッチング種（原子）
８３，９２  マスク
９３  電界の方向
１０１，１１１  半導体原子
１０２，１１２  炭化水素プラズマ
１０３，１１３  水素プラズマ
１０４，１１４  誘電体（ＳｉＯ２など）マスク
１０５，１１５  ポリマー
１２０，１８０，１９０，２００，２１０  ｎ型ＩｎＰ基板
１２１，１８１，１９１，２０１，２１１  ｎ型ＩｎＰバッファ層
１２２，１８２，１９２，２０２  回折格子
１２３，１２５，１２６，１８３，１８４，１９３，１９５，２０３，２０４，２０５，２１３，２１４  ＩｎＧａＡｓＰガイド層
１２４，１８４，１９４，２１２  活性層
１２７，１８６，１９６、２０６，２１７  ｐ型ＩｎＰクラッド層
１２８，１８７，１９７，２０７，２１８  ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１２９１，１８８，１９８，２０８，２１１０  ｎ型オーミック電極
１２９２，１８９，１９９，２０９，２１１１  ｐ型オーミック電極
１４０  ＩｎＰ基板
１４１  ＩｎＰクラッド層
１４２  酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜
１４３  レジストパターン
１４５  ＳｉＯ２マスク
１４６  回折格子
１４５０  ＳｉＯ２マスクの形状
１４５１  素子長
１４５２  回折格子の幅
１４５３，１６３  ピッチ（周期）
１４５４，１６４  素子端部でのマスク幅
１４５５  素子端部から素子中央部までの距離
１４５６，１６５  素子中央部でのマスク幅
１５１，１７１  回折格子作製用マスク
１５２，１７２  ポリマー
１６０  回折格子作製用ＳｉＯ２マスク
１６１  回折格子長
１６２  マスクの幅
２１５  ｐ型ＩｎＰ埋込み層
２１６  ｎ型ＩｎＰ埋込み層
２１９  ＳｉＯ２層
２１１２  スポットサイズ変換部作製用マスク
２１４１  メサ形成用ストライプマスク
２２０  ＩｎＰ基板
２２１  エッチング用マスク
２２２  ＩｎＧａＡｓＰガイド層
２２３  ＩｎＰクラッド層
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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