(57)【要約】【課題】サイドモード抑制の効果が大きく、均一性、再現性に優れる深さの異なる回折格子を含む半導体素子およびその作製方法を提供すること。【解決手段】開口部幅の異なる複数の開口部を有するマスクを複数の組成の異なる層かなる半導体表面上に形成する。開口部幅が同じ開口部毎に、マスク端での水素プラズマ濃度が所定の濃度となる条件でエッチング（メタン／水素プラズマ照射）を行う。表面で凹凸を著しく増加させるようなエッチングとポリマーの生成が同時に起きるような水素プラズマ量の領域を避けるように、プラズマ条件（拡散距離または圧力）とマスク形状（開口部幅）を設定することにより、表面の凹凸を抑制して同一面内でエッチング深さが異なる形状を加工することができる。複数の組成の異なる層の内、エッチングされる層が開口部幅によって異なるようにエッチングする。【選択図】図６
2012054367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路中に回折格子を有する光半導体素子であって、
前記光導波路は、伝播光の進行方向に対して垂直な第１の方向に積層された複数の組成の異なる層からなり、
前記回折格子は、前記第１の方向の回折格子の深さが異なる複数の領域からなり、前記複数の組成の異なる層の内、前記回折格子が存在する層は少なくとも２つの前記領域で異なることを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
開口部幅が変化する開口部を有するマスクが形成された複数の組成の異なる層からなる半導体の表面にエッチング種を供給して、前記半導体を複数の異なる深さにエッチングする半導体素子の作製方法であって、
前記複数の組成の異なる層の内、エッチングされる層が少なくとも２つの前記開口部幅の異なる開口部において異なるようにエッチングするステップを有することを特徴とする半導体素子の作製方法。
【請求項３】
前記エッチング種は炭化水素系プラズマと水素プラズマであり、
前記エッチングするステップは、
所定の流量の前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマに対して、前記開口部幅の異なる領域毎に、前記半導体表面のエッチングが進行する第１の状態か、前記半導体表面に一様にポリマーが生成される第２の状態かのどちらか一方のみが発現するように前記開口部幅が設定されたマスクを前記半導体表面に形成する第１の工程と、
前記所定の流量の前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマを、前記マスクを有する半導体表面に供給する第２の工程と、
前記第１の工程において前記半導体表面に堆積した前記ポリマーを、酸素を有するプラズマ供給により除去する第３の工程と、
前記水素プラズマが開口部内にマスク端から到達する距離を変化させ、前記開口部幅の異なる領域のうち少なくとも１つの領域において発現する前記状態を、前記第１の状態および前記第２の状態のいずれかに変化させるように、前記水素プラズマの前記所定の流量を変化させる第４の工程とを有し、
前記第４の工程の後に前記第２の工程をさらに行うことを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の作製方法。
【請求項４】
前記マスクが、
前記半導体表面上に形成された第１のパターンを有する第１のマスク部と、
前記第１のマスク部上に形成され、前記第１のマスク部のマスク厚よりも厚く、前記第１のパターンの開口部幅を画定する第２のパターンを有する第２のマスク部と
からなることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体素子およびその作製方法に関し、より詳細には、同一面内でエッチング深さが異なる形状を加工する半導体素子およびその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高性能・高機能デバイスの研究開発において、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。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。
【０００３】
図１（ａ）〜（ｆ）に、従来法による異なる深さのエッチングを施す場合のエッチング過程を示す。試料（例えばＩｎＰ結晶）１１１０に異なる深さのエッチングを施す場合、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）１１２０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））、さらにエッチングし（図１（ｅ））、マスクを除去する（図１（ｆ））というプロセスを繰り返さなくてはならない。
【０００４】
半導体光素子作製において、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、エッチング、マスクの除去の工程が必須となるため、時間、コスト面での浪費につながるので問題となっていた。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。
【０００５】
そこで、上述の課題を解決するために、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方法が発明された（特許文献１参照）。
【０００６】
図２（ａ）〜（ｃ）に、基本的なエッチング過程を示す。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、半導体によるエッチング過程において半導体表面で半導体４１１とエッチング種（エッチングガス）４１２が反応することによりエッチングが進行する。
【０００７】
図３（ａ）〜（ｃ）に、エッチング種と反応しないマスクを用いた場合のエッチング過程を示す。このエッチングをする際に半導体表面をエッチング種５１２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５１３に用いて覆った場合、マスク上のエッチング種５１２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５１２の密度が増加する。このエッチング種５１２の増加は半導体のエッチング速度を増加させる。
【０００８】
このように、マスク上に飛来したエッチング種が半導体表面に拡散して半導体のエッチングを促進するので、マスク面積の増加にともない半導体のエッチング量が増加する。従って、この方法によれば、深さが変化する単純な溝構造を容易に作製することができる。
【０００９】
この方法を用いて作製できる深さが変化する回折格子について説明する。図４に、一定の深さの回折格子を有する分布反射型（ＤＢＲ）レーザと深さが変化する回折格子を有する分布反射型（ＤＢＲ）レーザの発振スペクトルを示す。回折格子の深さを変化させた場合（９１）、回折格子の深さを変化させなかった場合（９２）に比べてサイドモードが低減されていることが分かる。このサイドモードの低減はレーザ特性に波長安定性をもたらす。このような効果を得るためには、回折格子において変化する深さの差を大きくして結合係数の変化を大きくすることが重要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−２４７７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、深さの異なる回折格子を形成する場合、深さを変化させる境界ではエッチングガスの分布が変動しやすい。したがって、この境界における隣接する回折格子の深さの差が大き過ぎると回折格子形状の均一性、再現性が低下する。また、深さの差が大きい回折格子の形成においては、作製誤差（実際に形成される深さと設計上の深さの差）が大きくなる。さらに、深さの差が大きい回折格子上に結晶を再成長する場合、再成長後の結晶表面は回折格子の形状を反映して凹凸になりやすく再成長後の表面を平坦にすることは困難である。
【００１２】
そこで、隣接する回折格子の深さの差を低減することが重要である。一方、隣接する回折格子の深さの差が小さ過ぎると結合係数の変化分も小さくなるので、深さの異なる回折格子の効果（サイドモード抑制）も小さくなる。したがって、深さの異なる回折格子の形成において作製誤差を低減し再成長後の表面を平坦にするためには、可能な限り深さの差が小さい回折格子を用いて可能な限り大きな利得結合の差を生じさせる必要があった。
【００１３】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、サイドモード抑制の効果が大きく、均一性、再現性に優れる深さの異なる回折格子を含む半導体素子およびその作製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、光導波路中に回折格子を有する光半導体素子であって、前記光導波路は、伝播光の進行方向に対して垂直な第１の方向に積層された複数の組成の異なる層からなり、前記回折格子は、前記第１の方向の回折格子の深さが異なる複数の領域からなり、前記複数の組成の異なる層の内、前記回折格子が存在する層は少なくとも２つの前記領域で異なることを特徴とする。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、開口部幅が変化する開口部を有するマスクが形成された複数の組成の異なる層からなる半導体の表面にエッチング種を供給して、前記半導体を複数の異なる深さにエッチングする半導体素子の作製方法であって、前記複数の組成の異なる層の内、エッチングされる層が少なくとも２つの前記開口部幅の異なる開口部において異なるようにエッチングするステップを有することを特徴とする。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の半導体素子の作製方法において、前記エッチング種は炭化水素系プラズマと水素プラズマであり、前記エッチングするステップは、所定の流量の前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマに対して、前記開口部幅の異なる領域毎に、前記半導体表面のエッチングが進行する第１の状態か、前記半導体表面に一様にポリマーが生成される第２の状態かのどちらか一方のみが発現するように前記開口部幅が設定されたマスクを前記半導体表面に形成する第１の工程と、前記所定の流量の前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマを、前記マスクを有する半導体表面に供給する第２の工程と、前記第１の工程において前記半導体表面に堆積した前記ポリマーを、酸素を有するプラズマ供給により除去する第３の工程と、前記水素プラズマが開口部内にマスク端から到達する距離を変化させ、前記開口部幅の異なる領域のうち少なくとも１つの領域において発現する前記状態を、前記第１の状態および前記第２の状態のいずれかに変化させるように、前記水素プラズマの前記所定の流量を変化させる第４の工程とを有し、前記第４の工程の後に前記第２の工程をさらに行うことを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の半導体素子の作製方法において、前記マスクが、前記半導体表面上に形成された第１のパターンを有する第１のマスク部と、前記第１のマスク部上に形成され、前記第１のマスク部のマスク厚よりも厚く、前記第１のパターンの開口部幅を画定する第２のパターンを有する第２のマスク部とからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、サイドモード抑制の効果が大きく、均一性、再現性に優れる深さの異なる回折格子を容易に作製可能にする。これにより、高速半導体光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来法による異なる深さのエッチングを施す場合のエッチング過程を示す図である。
【図２】基本的なエッチング過程を示す図である。
【図３】エッチング種と反応しないマスクを用いた場合のエッチング過程を示す図である。
【図４】一定の深さの回折格子を有する分布反射型（ＤＢＲ）レーザと深さが変化する回折格子を有する分布反射型（ＤＢＲ）レーザの発振スペクトルを示す図である。
【図５】本発明に係る回折格子を作製する積層構造を示す図である。
【図６】本発明に係る回折格子を作製された積層構造を示す図である。
【図７】ガイド層における回折格子深さと結合係数の関係を示す図である。
【図８】３種類の回折格子における反射スペクトルを示す図である。
【図９】本発明の実施形態１に係るＤＢＲ半導体レーザに用いる回折格子部分の作製方法を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態１に係るＤＢＲ半導体レーザの構造を示す。
【図１１】メタンプラズマを用いたエッチングを施した場合にマスクのない領域において起きる現象を示す図である。
【図１２】メタンプラズマを用いたエッチングを施した場合にマスクに囲まれた領域において起きる現象を示す図である。
【図１３】本発明の実施形態２に係る回折格子を作製するためのマスクを示す図である。
【図１４】本発明の実施形態２に係る回折格子の作製工程を示す図である。
【図１５】マスク上のエッチング種の挙動を示す図である。
【図１６】膜厚の薄いマスクを用いる場合と膜厚の厚いマスクを用いる場合におけるエッチング種の挙動を示す図である。
【図１７】本実施形態３において試料表面に形成するＳｉＮX／ＳｉＯ2マスクを示す図である。
【図１８】本実施形態３における回折格子形成に用いる面内で厚さの異なるマスクの作製工程を示す図である。
【図１９】本実施形態３に係る作製方法における回折格子の作製工程を示す図である。
【図２０】本発明に用いることができるマスク形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２１】
図５に、本発明に係る回折格子を作製する積層構造を示し、図６に本発明に係る回折格子を作製された積層構造を示す。本願発明。ｎ型ＩｎＰ基板１５０上にＩｎＰバッファ層１５１、ガイド層１５３、光導波層１５５、ガイド層１５６、ＩｎＰクラッド層１５７を積層したものである。光導波層１５５は１．４μｍ波長帯に対応するものである。ガイド層１５３はＩｎＧａＡｓＰ（１．１μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）からなり、ガイド層１５６はＩｎＧａＡｓＰ（１．３μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）１５６ａとＩｎＧａＡｓＰ（１．１μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）１５６ｂからなる。このガイド層１５６に、図６に示すように２つの深さを有する回折格子を形成する。深さはそれぞれ１５ｎｍと２５ｎｍである。
【００２２】
ここで深さとは、ガイド層１５６ｂとＩｎＰクラッド層との境界からガイド層１５６ａへの方向の深さである。したがって、回折格子は１５ｎｍ深さの領域はＩｎＧａＡｓＰ（１．１μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）のみからなり、２５ｎｍ深さの領域はＩｎＧａＡｓＰ（１．１μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）とＩｎＧａＡｓＰ（１．３μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）とからなる。
【００２３】
図７に、このガイド層における回折格子深さと結合係数の関係ａ３３を示す。比較のためにＩｎＧａＡｓＰ（１．１μｍ波長組成）のみからなるガイド層に回折格子を形成した場合ａ３１とＩｎＧａＡｓＰ（１．３μｍ波長組成）のみからなるガイド層に回折格子を形成した場合ａ３２も示す。このように、それぞれの場合において回折格子の深さの増加に伴い結合係数は増加する。
【００２４】
ＩｎＧａＡｓＰ（１．１μｍ波長組成）のみからなるガイド層に回折格子を形成した場合ａ３１とＩｎＧａＡｓＰ（１．３μｍ波長組成）のみからなるガイド層に回折格子を形成した場合ａ３２とついては、結合係数の増加の程度（傾き）がほぼ一定であり、その傾きはＩｎＧａＡｓＰ（１．３μｍ波長組成）のａ３２方が大きい。上述のように深さが１５ｎｍと２５ｎｍである回折格子を形成する場合、ＩｎＧａＡｓＰ（１．１μｍ波長組成）のみからなるガイド層においては深さが１５ｎｍ、２５ｎｍそれぞれに対する結合係数は２５ｃｍ-1、３５ｃｍ-1である。このように１５ｎｍと２５ｎｍの深さの差による結合係数の差は１０ｃｍ-1程度に留まる。
【００２５】
一方、本発明のＩｎＧａＡｓＰ（１．１μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）１５６ｂとＩｎＧａＡｓＰ（１．３μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）１５６ａからなるガイド層１５６においては、深さが２０ｎｍ以上になると回折格子がＩｎＧａＡｓＰ（１．１μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）１５６ｂだけでなくＩｎＧａＡｓＰ（１．３μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）１５６ａも含むようになるので結合係数の増加の程度（傾き）が増加する。深さが１５ｎｍと２５ｎｍである回折格子を形成する場合には１５ｎｍ、２５ｎｍそれぞれに対する結合係数は２０ｃｍ-1、５０ｃｍ-1である。このように１５ｎｍと２５ｎｍの深さの差による結合係数の差は３０ｃｍ-1程度に増加する。
【００２６】
また、ＩｎＧａＡｓＰ（１．３μｍ波長組成）のみからなるガイド層においては深さが１５ｎｍ、２５ｎｍそれぞれに対する結合係数は５５ｃｍ-1、９５ｃｍ-1である。このように１５ｎｍと２５ｎｍの深さの差による結合係数の差は４０ｃｍ-1程度になる
図８に、上述の３種類の回折格子における反射スペクトルを示す。ａ３１の場合（ａ）は、反射率が０．８程度と低くストップバンドが小さい。ａ３２の場合（ｂ）は、反射率が１．０と高くストップバンドがａ３１の場合に比べて大きい。しかしながら、サイドモードの反射率が０．２程度で大きい。
【００２７】
一方、本発明（ｃ）によれば反射率が高くストップバンドはａ３１の場合に比べて大きく、サイドモードの反射率は０．１未満に低減できている。ＤＢＲレーザ等回折格子を有する光デバイスにおいて、ストップバンドが大きければ波長可変範囲を拡大でき、サイドモードが小さければデバイス動作時のモード跳び（波長跳び）を抑制できるという効果が得られる。
【００２８】
このように、回折格子を形成するガイド層を２つの組成から構成することにより、回折格子において深さが変化する差を可能な限り小さくして、かつ、結合係数の変化分を可能な限り大きくすることにより、ストップバンドが大きく、かつ、サイドモードを低減することができる。
【００２９】
尚、ここでは回折格子のガイド層１５６ｂに納まる部分の深さ、および回折格子のガイド層１５６ａまで達する部分の深さは一定としているが、本発明では、回折格子をガイド層１５６ｂに納まる深さにおいて複数の異なる深さ有するように形成しても良く、ガイド層１５６ａまで達する深さにおいて複数の異なる深さを有するように形成しても良い。
【００３０】
（実施形態１）
図９に、本発明の実施形態１に係るＤＢＲ半導体レーザに用いる回折格子部分の作製方法を示す。本実施形態１では、ドライエッチング方法に反応性イオンビームエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｅｔｃｈｉｎｇ，  ＲＩＢＥ）を用いた場合について説明する。
【００３１】
試料はｎ型ＩｎＰ基板１２１０と積層構造１２１１から構成される（図９（ａ））。積層構造１２１１は、ｎ型ＩｎＰバッファ層１２１２、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層１２１３、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）１２１４、ＩｎＧａＡｓＰガイド層１２１５からなる。ＩｎＧａＡｓＰガイド層１２１５はＩｎＧａＡｓＰ（１．１μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）とＩｎＧａＡｓＰ（１．３μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）からなる。この積層構造は、図５の１５１、１５３、１５５、１５６からなる積層構造に相当する。
【００３２】
初めに、積層構造１２１１の表面に酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜１２２１を形成する（図９（ｂ））。
【００３３】
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作製マスク用のレジストパターン１２３１を作製する（図９（ｃ））。レジストパターン１２３１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１２２１に転写する（図９（ｄ））。レジストパターン１２３１を除去することにより、ＩｎＰ上に回折格子作製用のＳｉＯ2マスクが形成される（図９（ｅ）、（ｆ）、（ｇ））。
【００３４】
ＳｉＯ2マスクの形状１２５０は、回折格子長１２５１が４００μｍ、回折格子の幅１２５２が３．０μｍ、ピッチ（周期）１２５３は２４０ｎｍ（ＳｉＯ2部：１２０ｎｍ、窓部：１２０ｎｍ）であり、回折格子周辺でのマスクの面積は素子両端で狭くなっており（マスク幅１２５４は１μｍ）、素子中央部で広くなっている（マスク幅１２５５は５μｍ）。
【００３５】
このＳｉＯ2マスクを形成した試料にＲＩＢＥを施す。エッチングガスには塩素を用いて、ガス流量は４ｓｃｃｍ、ガス圧力は１０Ｔｏｒｒ、マイクロ波放電電力は３００Ｗ、イオン引出し電圧は５００Ｖ、基板温度は２００℃である。マスク幅の広い回折格子中央部ではマスク上で反応しないイオン化あるいはラジカル化した塩素原子（塩素プラズマ）が多量に開口部に拡散することにより開口部での該原子は高濃度になりエッチング速度が増加する。一方、マスク幅の狭い回折格子両端部ではマスク上で反応せずに開口部に拡散する塩素プラズマは、マスク幅の広い領域に比べて少量となりエッチング速度は遅くなる。したがって、中央部での深さは２５ｎｍと深く、両端部での深さは１５ｎｍと浅い回折格子が形成される（図９（ｈ））。
【００３６】
この回折格子においては、深さが２０ｎｍ未満の領域では回折格子がＩｎＧａＡｓＰ（１．１μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）のみからなるので結合係数は比較的小さく、深さが２０ｎｍ以上の領域では回折格子がＩｎＧａＡｓＰ（１．１μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）とＩｎＧａＡｓＰ（１．３μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）からなるので結合係数は増加する。従がって、回折格子における結合係数の変化はガイド層がＩｎＧａＡｓＰ（１．１μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）のみからなる場合に比べて大きくなる。
【００３７】
ＳｉＯ2マスク除去後（図９（ｉ））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６に示す素子構造が作製される。ここで、回折格子深さが２５ｎｍ以下なので積層された結晶の表面の凹凸は抑制され平坦である。
【００３８】
図１０に、本発明の実施形態１に係るＤＢＲ半導体レーザの構造を示す。第一の実施例の方法により作製された深さの異なる回折格子を有する試料表面のＳｉＯ2マスク除去後、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、深さの変化する回折格子を用いたＤＢＲ半導体レーザ構造が作製される。
【００３９】
深さの変化する回折格子を用いたＤＢＲ半導体レーザ構造は、ｎ型ＩｎＰ基板１５０、ｎ型ＩｎＰバッファ層１５１、回折格子１５２、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層１５３、８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１５４（発光波長：１．５５μｍ、活性層長：４００μｍ）、ＤＢＲ回折格子領域ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．４μｍ）ガイド層１５５（回折格子長は活性層の前後それぞれ４００  μｍ）、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）とＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）とからなるガイド層１５６、ｐ型ＩｎＰクラッド層１５７、ｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．８５μｍ）コンタクト層１５８、ｎ型オーミック電極１５９１、ｐ型オーミック電極１５９２からなる。この素子の発振波長は１．５５μｍであり、素子長は１５００μｍである。回折格子１５２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。
【００４０】
このレーザの発振スペクトルは、サイドモードが抑制されて波長安定性に優れる。また、ストップバンドが大きく波長可変特性に優れる。
【００４１】
このように、本実施形態１を用いれば、回折格子における深さの変化の差を可能な限り小さくして、かつ、結合係数の変化分を可能な限り大きくすることができ、均一性、再現性に優れる深さの異なる回折格子を形成して波長安定性に優れる光半導体素子を提供することができる。
【００４２】
（実施形態２）
本発明の実施形態２として、実施形態１のＤＢＲ半導体レーザにおける回折格子の別の作製方法を説明する。本実施形態２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実施形態１と異なる。
【００４３】
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該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、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。尚、本願明細書では以降、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呼ぶこととする。
【００４４】
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ことから重合物（ポリマー）となって堆積する。
【００４５】
ここで、上述のドライエッチングをマスクのある試料に施した場合について説明する。図１１（ａ）、（ｂ）に、メタンプラズマを用いたエッチングを施した場合にマスクのない領域において起きる現象を示し、図１２（ａ）〜（ｃ）に、メタンプラズマを用いたエッチングを施した場合にマスクに囲まれた領域において起きる現象を示す。
【００４６】
マスクのない領域ではメタンプラズマに対して水素プラズマは試料表面に均一に分布する（図１１（ａ））。この均一に分布した水素プラズマの濃度が低い場合、エッチングするには水素が不足するので、試料表面にはポリマーが生成され、試料表面を覆うのでエッチングが進行しない（図１１（ｂ））。この水素プラズマの不足によるポリマーの堆積は、マスクの開口部幅が広く、マスクから距離が十分にある領域においても起きる。
【００４７】
一方、マスクで囲まれた領域、とくにマスクの開口部幅の狭い領域では、まず、メタンプラズマに対して水素プラズマは試料表面にマスクの上にも開口部の半導体表面にも均一に分布する（図１１（ａ））。マスク上ではマスク材料（ＳｉＯ2）はエッチングされないのでメタンプラズマはエッチングに寄与することなくポリマーが生成される。マスク上の水素プラズマは、メタンプラズマと反応することなくマスク上を拡散して開口部に凝集する。その結果、開口部での水素プラズマの濃度は増加する（図１１（ｂ））。従って、開口部では水素プラズマの濃度がエッチングを生じさせるのに十分な濃度に達するのでエッチングが進行する。
【００４８】
図１３に、本発明の実施形態２に係る回折格子を作製するためのマスクを示す。マスクの開口部幅（回折格子部分）１９１３は、１．０μｍ、１．５μｍ、２．０μｍに設定する。回折格子外部１９１１の幅１９１５は一定である。このマスクを用いて第１の実施例と同様に水素流量を変化させながらエッチングを施すことにより、深さが変化する回折格子が作製できる。
【００４９】
図１４（ａ）〜（ｅ）に、本発明の実施形態２に係る回折格子の作製工程を示す。図１３に示すマスク上から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２．５ｓｃｃｍ、ガス圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗで２０秒間施す（図１４（ａ））。すると、幅が１．０μｍの開口部２００１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（エッチング深さ：２０ｎｍ）。一方、幅が１．０μｍより広い開口部２００２、２００３においては、ポリマーが堆積してエッチングが進行しない（図１４（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、堆積したポリマーが除去される（図１４（ｃ））。
【００５０】
次に、水素流量を変化させた条件（５ｓｃｃｍ）でＲＩＥを２０秒間施すと、幅が１．５μｍ以下の開口部２００１、２００２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（エッチング深さ：２０ｎｍ）。一方、幅が２．０μｍの開口部２００３においては、ポリマーが堆積してエッチングが進行しない（図１４（ｄ））。従って、幅が１．０μｍ以下の開口部２００１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、その深さは第２の開口部２００２の深さよりも深くなる（合計のエッチング深さ：４０ｎｍ）。
【００５１】
次に、水素流量を変化させた条件（１０ｓｃｃｍ）でＲＩＥを１０秒間施すと、全ての開口部２００１、２００２、２００３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（エッチング深さ：１０ｎｍ）。従って、幅が１．０μｍ以下の開口部２００１においては３度目のＲＩＥによるエッチングが進行するので、その深さは合計５０ｎｍになり、幅が１．５μｍの開口部２００２においては２度目のＲＩＥによるエッチングが進行するので、その深さは合計３０ｎｍになり、幅が２．０μｍの開口部２００３においては１度目のＲＩＥによるエッチングが進行するので、その深さは１０ｎｍになる。引き続き酸素プラズマを照射によるポリマーの除去により、深さの異なる回折格子を形成することができる（図１４（ｅ））。
【００５２】
この回折格子においては、深さが２０ｎｍ未満の領域では回折格子がＩｎＧａＡｓＰ（１．１μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）のみからなるので結合係数は比較的小さく、深さが２０ｎｍ以上の領域では回折格子がＩｎＧａＡｓＰ（１．２μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）を含むので結合係数は増加し、深さが４０ｎｍ以上の領域ではＩｎＧａＡｓＰ（１．３μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）をさらに含むので結合係数はさらに増加する。従がって、回折格子における結合係数の変化はガイド層がＩｎＧａＡｓＰ（１．１μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）のみからなる場合に比べて大きくなる。
【００５３】
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）により積層することにより図１０に示す素子構造が作製される。ここで、回折格子深さが５０ｎｍ以下なので積層された結晶の表面の凹凸は抑制され平坦である。
【００５４】
本実施形態２において、３つの開口部幅を用いた深さが３段階変化するエッチングについて説明したが、より多数の開口部幅を用いて、その開口部幅に応じた圧力（拡散長）の条件下でメタン／水素ＲＩＥを施すことにより、より多段で深さが変化するエッチングを行うことができる。
【００５５】
本実施形態２の回折格子を用いれば、光半導体素子において、実施形態１と同様の効果が得られる。
【００５６】
（実施形態３）
本発明の実施形態３として、面内で深さが変化する回折格子の作製方法を示す。本実施形態３では回折格子部分のマスクの厚さと回折格子外部のマスクの厚さとが異なることを特徴とする。
【００５７】
まず、回折格子部分のマスクの厚さと回折格子外部のマスクの厚さとが異なることによる作用について説明する。
【００５８】
実施形態３の方法を用いて回折格子を作製する場合、図１５に示すように回折格子外部部分のマスク８２上に飛来した水素８４だけでなく、回折格子部分のマスク８１上に飛来した水素８３もエッチングに影響を与えるため、回折格子のエッチング形状の制御が困難になる。
【００５９】
上述の表面にマスクを形成した半導体のドライエッチングにおいて、異なる厚さのマスクを用いた場合について説明する。
【００６０】
図１６（ａ）、（ｂ）に、膜厚の薄いマスクを用いる場合と膜厚の厚いマスクを用いる場合におけるエッチング種の挙動を示す。膜厚の薄いマスクを用いる場合（図１６（ａ））には、プラズマ照射時のマスクのチャージアップ量が小さいのでマスクに誘引される水素プラズマは少ない。従がって、エッチングに寄与する水素プラズマは少ない。
【００６１】
一方、膜厚の厚いマスクを用いる場合（図１６（ｂ））には、プラズマ照射時のマスクのチャージアップ量は膜厚が厚い分増加するので、マスクに誘引される水素プラズマも増加する。従がって、エッチングに寄与する水素プラズマ増加してエッチング深さも増加する。
【００６２】
そこで、図１５に示す回折格子外部部分のマスク８２の厚さを回折格子部分のマスク８１の厚さに比べて厚くすれば、マスク厚の厚い回折格子外部からの水素の寄与が大きく、マスク厚の薄い回折格子部分からの水素の寄与を小さくできる。従がって、開口部幅の狭い領域では、膜厚の薄いマスク８１から開口部へのエッチング種の供給はほとんどないが、マスク８２上から開口部へ供給される（拡散する）エッチング種は開口部中央まで到達してエッチングに寄与するので、開口部中央付近を含めた全体でエッチング速度が速くなる。
【００６３】
一方、開口部幅の広い領域では、膜厚の薄いマスク８１から開口部へのエッチング種の供給はほとんどなく、マスク８２上から開口部へ供給される（拡散する）エッチング種は開口部中央まで到達しないので、開口部中央付近ではエッチング速度は遅くなる。そこで、このマスクを用いれば、膜厚の薄いマスク８１から開口部へのエッチング種の供給の影響を抑制して、開口部幅の狭い領域では開口部中央付近でのエッチング深さを深く、開口部幅の広い領域では浅くすることができる。
【００６４】
図１７に、本実施形態３において試料表面に形成するＳｉＮX／ＳｉＯ2マスクを示す。ＳｉＮXで形成される格子状マスク１９１０の厚さが２０ｎｍ、回折格子の長さ１９１２が５００μｍ、格子幅１９１３が変化しており素子中央部から素子両端に向かって１．８、３．７、７．５μｍである。また、ピッチ（周期）１９１４は２４０ｎｍ（ＳｉＯ2部：１２０ｎｍ、窓部：１２０ｎｍ）である。一方、ＳｉＯ2で形成される開口部幅調整マスク１９１１の厚さが１μｍ、幅１９１５は２０μｍで一定である。
【００６５】
図１８（ａ）〜（ｄ）に、本実施形態３における回折格子形成に用いる面内で厚さの異なるマスクの作製工程を示す。初めに、ＩｎＰ基板１３１０上のＩｎＰクラッド層１３１１の表面に３０ｎｍ厚の酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜を形成する。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作製マスク用のレジストパターンを作製する。レジストパターンをマスクとしてフッ化炭素系（ＣＦ4、Ｃ2Ｆ6など）を用いた反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ，ＲＩＥ）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膜に転写する。レジストパターンを除去することにより、ＩｎＰ上に回折格子部分作製用のＳｉＯ2マスク１３１１が形成される（図１８（ａ））。
【００６６】
次に、上述の回折格子部分ＳｉＯ2マスクを有するＩｎＰ表面上に１μｍ厚の窒化シリコン（ＳｉＮX）膜１３２１を形成する（図１８（ｂ））。ＳｉＮX膜上にレジストを塗布した後に開口部幅調整マスク用のレジストパターン１３３１を作製する（図１８（ｃ））。このレジストパターンは電子ビーム露光だけでなく通常のフォトリソグラフィによるレジスト露光により形成できる。レジストパターン１３３１をマスクとしてフッ化硫黄系ガス（ＳＦ6など）を用いたＲＩＥによってＳｉＮX膜を加工することにより、レジストパターンをＳｉＮX膜１３４１に転写する（図１８（ｄ））。このとき、回折格子部分ＳｉＯ2マスクはフッ化硫黄系ガス（ＳＦ6など）に耐性を有するのでエッチングされずに残る。この結果、レジストパターン１３３１を除去することにより、ＩｎＰ上に格子状部分と開口部幅調整部分で厚さの異なるマスクが形成される（図１８（ｄ））。
【００６７】
図１９（ａ）〜（ｅ）に、本実施形態３に係る作製方法における回折格子の作製工程を示す。ＩｎＰ２００表面に上述のマスクを形成する（図１９（ａ））。ここで開口部２００１、２００２、２００３の幅はそれぞれ１．０、１．５、２．０μｍとする。以下に説明する一連のエッチング過程において、マスク厚の厚い開口部幅調整マスク上からのメタン・水素プラズマの寄与が大きく、マスク厚の薄い格子状マスク上からのメタン・水素プラズマの寄与は小さい。
【００６８】
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２．５ｓｃｃｍ、ガス圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗで２０秒間施すと、幅が１．０μｍの開口部２００１においては、マスク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。一方、幅が１．０μｍより広い開口部２００２、２００３においては、マスク上から水素の供給が不足するので、ポリマー２０２１が堆積してエッチングが進行しない（図１９（ｂ））。
【００６９】
次いで、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、堆積したポリマーが除去される（図１９（ｃ））。次に、水素流量を増加させた条件（５ｓｃｃｍ）でＲＩＥを２０秒間施すと、幅が１．５μｍ以下の開口部２００１、２００２においては、水素の供給が増加す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（エッチング深さ：２０ｎｍ）。
【００７０】
一方、幅が２．０μｍの開口部２００３においては、ポリマーが堆積してエッチングが進行しない（図１９（ｄ））。従って、幅が１．０μｍの開口部２００１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、その深さは開口部２００２の深さよりも深くなる（合計のエッチング深さ：４０ｎｍ）。
【００７１】
次に、水素流量を増加させた条件（１０ｓｃｃｍ）でＲＩＥを１０秒間施すと、全ての開口部２００１、２００２、２００３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（エッチング深さ：１０ｎｍ）。従って、幅が１．０μｍの開口部２００１においては３度目のＲＩＥによるエッチングが進行するので、その深さは合計で５０ｎｍになり、幅が１．５μｍの開口部２００２においては２度目のＲＩＥによるエッチングが進行するので、その深さは合計で３０ｎｍになり、幅が２．０μｍの開口部２００３においては１度目のＲＩＥによるエッチングが進行するので、その深さは１０ｎｍになる。引き続き、酸素プラズマの照射によるポリマーの除去により、深さの異なる回折格子を形成することができる（図１９（ｅ））。
【００７２】
この回折格子においては、深さが２０ｎｍ未満の領域では回折格子がＩｎＧａＡｓＰ（１．１μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）のみからなるので結合係数は比較的小さく、深さが２０ｎｍ以上の領域では回折格子がＩｎＧａＡｓＰ（１．２μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）を含むので結合係数は増加し、深さが４０ｎｍ以上の領域ではＩｎＧａＡｓＰ（１．３μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）をさらに含むので結合係数はさらに増加する。したがって、回折格子における結合係数の変化はガイド層がＩｎＧａＡｓＰ（１．１μｍ波長組成、２０ｎｍ厚）のみからなる場合に比べて大きくなる。
【００７３】
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）により積層することにより図１０に示す素子構造が作製される。ここで、回折格子深さが５０ｎｍ以下なので積層された結晶の表面の凹凸は抑制され平坦である。
【００７４】
本実施形態３において、３つの開口部幅を用いた深さが３段階変化するエッチングについて説明したが、より多数の開口部幅を用いて、その開口部幅に応じた圧力（拡散長）の条件下でメタン／水素ＲＩＥを施すことにより、より多段で深さが変化するエッチングを行うことができる。
【００７５】
本実施形態３の回折格子を用いれば、光半導体素子において、第一の実施例と同様の効果が得られる。
【００７６】
本実施形態１〜３では、回折格子の深さを１５−２５、１０−５０ｎｍに設定したが、この深さに限られることはなく素子内で回折格子の深さが一定でなく変化しており、複数の組成からなるガイド層の層厚との関係において回折格子の深さが複数の組成に及ぶように設定してあれば、同様の効果が得られる。この際、回折格子の深さが素子長方向に対称である必要もない。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。
【００７７】
本実施形態１〜３においては回折格子を形成するガイド層が組成の異なる２層または３層からなる場合について説明したが、より多くの組成の異なる層からなるものであってもよい。またガイド層の組成波長として１．１μｍ、１．２μｍ、１．３μｍを用いたが光導波層の組成波長より短波長であればよく組成波長が連続的に変化するものであってもよい。またガイド層の組成波長は光導波層側からクラッド層に向けて長波長から短波長に変化させたが、逆に短波長から長波長に変化させても、１．１μｍ、１．３μｍ、１．２μｍのように不規則な順に変化させて効果を得ることができる。
【００７８】
本実施形態１〜３においては回折格子はクラッド側のガイド層に形成したが、基板側のガイド層に形成しても良い。
【００７９】
本実施形態１〜３においては、水素流量を変化させ前記水素プラズマが開口部内にマスク端から供給される量を変化させることにより開口部端のエッチングされる領域を変化させたが、パワーを変化させてエッチングに寄与する水素プラズマの量を変化させてもよい。また圧力を変化させて水素プラズマの拡散長を変化させることにより開口部端のエッチングされる領域を変化させてもよい。
【００８０】
本実施形態１〜３において、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、開口部全域の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。
【００８１】
本実施形態１〜３ではマスクにおける開口部の外部のマスク幅を一定としたが、開口部に拡散する水素プラズマがマスク上を拡散する距離が無視できる程度の長さ（幅）であればマスク幅は一定である必要はない。例えば、図２０に示すような形状でもよい。
【００８２】
また、本実施形態１〜３では素子用半導体結晶として化合物半導体ＩｎＰ結晶を用いたが、ＧａＡｓ、ＳｉＧｅなどの化合物半導体結晶やＩｎＧａＡｓＰ、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波長が１．０μｍから１．７μｍまで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波長が１．０μｍ未満の短波長帯や１．７μｍ以上の長波長帯にも対応できる。また、活性層における多重量子井戸構造には、８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。
【００８３】
また、本実施形態１〜３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メタンを用いたが、エタン等の他の炭化水素系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はなく水素ガスと共に窒素やアルゴンを用いても構わない。
【００８４】
また、ポリマーを除去するために酸素プラズマを照射したが、酸素を含むプラズマでもよい。例えば、酸素と窒素、アルゴン等不活性ガスとの混合ガス、酸素と水素の混合ガス等でもよい。
【００８５】
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。レジストパターン作製には電子ビーム露光法以外に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。
【００８６】
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、酸溶液を用いたウェットエッチングにより加工することも可能である。
【００８７】
また、本実施形態１〜３では、ＤＢＲレーザに適用したが、光フィルタ等の他の光半導体素子にも適用できる。
【符号の説明】
【００８８】
８１、８２  マスク
８３、８４  エッチング種
１５０  ｎ型ＩｎＰ基板
１５１  ｎ型ＩｎＰバッファ層
１５２  回折格子  
１５３  ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層
１５４  活性層（発光波長：１．５５μｍ、活性層長：４００μｍ）
１５５  ＤＢＲ回折格子領域ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．４μｍ）ガイド層
１５６ａ  ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）ガイド層
１５６ｂ  ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層
１５７  ＩｎＰクラッド層
１５８  ｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．８５μｍ）コンタクト層
１５９１  ｎ型オーミック電極
１５９２  ｐ型オーミック電極
４１１、５１１、１０１０、１０２０  半導体
５１３、１０１１、１０２１、１１２０  マスク
４１２、５１２、１０１２、１０２２  エッチング種
１２１０  ｎ型ＩｎＰ基板
１２１１  積層構造
１２２１  酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜
１２３１  レジストパターン
１５９１  ｎ型オーミック電極
１５９２  ｐ型オーミック電極
１９１３、２０１０  開口部幅
１９１５、２０１１  マスク幅
１９１１  マスク
１９１２  回折格子の長さ
１９１４  ピッチ
２００１、２００２、２００３  開口部
【図１】
2012054367.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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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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１１】
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【図１２】
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【図２０】
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