JP2009004630A - 半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性の向上と、単一モード性の確保とを両立させることができる半導体レーザ素子の製造方法を提供する。
【解決手段】この半導体レーザ素子１の製造方法では、レジスト層１９に溝パターン２０を形成するにあたって、ナノインプリント法を用いている。これにより、回折格子層１３に対して深さの異なる複数の溝パターン２１を一括形成することができるので、電子線描画法に比べて、生産性の向上が図られる。また、ナノスタンパ２２をレジスト層１９に直接押し付けるので、雑音や振動の影響を小さくでき、さらに、電子線照射量の揺らぎの問題や電子銃の劣化の問題を生じないので、精度の高い溝パターン２１の形成が可能となる。従って、回折格子層１３の結合係数を最適値に近づけることが容易となるので、半導体レーザ素子１の共振器内における光強度分布の均一化が図られ、単一モード性を確保できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体レーザ素子の製造方法に関する。

従来の半導体レーザ素子として、活性層と、活性層の一面側に設けられ、所定軸に沿って周期構造を有する回折格子層とを含んで構成される、いわゆる分布帰還型の半導体レーザ素子がある。このような半導体レーザ素子における回折格子層の溝パターンを形成する技術として、例えば特許文献１に記載の電子線描画法がある。電子線描画法は、特に回折格子の周期構造に位相シフト部を設けた場合の溝パターンの形成に用いられている。
特開平７−４５５０６号公報

しかしながら、前述した電子線描画法を用いた回折格子層の溝パターン形成においては、電子線を１本ずつ走査してパターンを形成している。そのため、１枚のウエハに全ての回折格子層の溝パターンを形成するのには数日かかる場合があり、生産性の観点で問題があった。また、電子線描画法では、描画中の雑音や振動の影響による電子線照射量の揺らぎの問題や、電子銃の長時間の使用に伴う、電子線の劣化によりビーム径が拡大する問題があった。このような電子線照射量の揺らぎや、電子線のビーム径の拡大は、回折格子層の溝パターン精度の低下につながり、回折格子層の結合係数を最適値から変動させる要因となり得る。その結果、半導体レーザ素子の共振器内において、光強度が局在する部分が生じ、ホールバーニング効果によって半導体レーザ素子の単一モード性が損なわれるおそれがあった。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、生産性の向上と、単一モード性の確保とを両立させることができる半導体レーザ素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題解決のために、本発明は、活性層と、活性層の一面側に設けられ、所定軸に沿って周期構造を有する回折格子層とを含んで構成される半導体レーザ素子の製造方法であって、半導体基板上に活性層と回折格子層とを積層する工程と、回折格子層上にレジスト層を形成する工程と、ナノインプリント法を用いることにより、レジスト層に対し、深さの異なる複数の溝パターンを所定軸に沿って形成する工程と、レジスト層をマスクとして用いたエッチングにより、回折格子層に対し、レジスト層の溝パターンとは深さの反転した複数の溝パターンを所定軸に沿って形成する工程とを備えたことを特徴とする。

この半導体レーザ素子の製造方法では、レジスト層に溝パターンを形成するにあたって、ナノインプリント法を用いている。すなわち、ナノスタンパをレジスト層に押し付けることにより、深さの異なる複数の溝パターンを所定軸に沿って形成し、このレジスト層をマスクとして用いた回折格子層のエッチングにより、マイクロローディング効果を利用して、レジスト層の溝パターンとは反転した溝パターンを回折格子層に形成する。このような手法により、この半導体レーザ素子の製造方法では、回折格子に対して深さの異なる複数の溝パターンを一括形成することができるので、電子線によって一本ずつ溝パターンを形成する電子線描画法に比べて、生産性の向上が図られる。また、レジスト層に溝パターンを形成するにあたって、ナノスタンパをレジスト層に直接押し付けるので、雑音や振動の影響を小さくでき、さらに、電子線照射量の揺らぎの問題や電子銃の劣化の問題を生じないので、精度の高い溝パターンの形成が可能となる。従って、この半導体レーザ素子の製造方法では、回折格子層の結合係数を最適値に近づけることが容易となるので、半導体レーザ素子の共振器内における光強度分布の均一化が図られ、単一モード性を確保できる。

また、回折格子層の周期構造には、位相シフト部が設けられており、レジスト層の溝パターンは、位相シフト部に対応する部分の深さが、他の部分に比べて深くなっていることが好ましい。この場合、位相シフト部に局在する光を分散させることができ、半導体レーザ素子の共振器内において光強度分布を均一化させることができる。従って、回折格子層の同期構造に位相シフト部が設けられている場合であっても、単一モード性を確保することができる。

本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法によれば、生産性の向上と、単一モード性の確保とを両立させることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１及び図２は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を適用して作製された半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。また、図２は、図１におけるII−II線断面図である。

図１に示す半導体レーザ素子１は、発振波長が１．５５μｍの分布帰還型半導体レーザである。半導体レーザ素子１は、安定した単一モード性を要求される光通信等の光源として使用されるものであり、特に長距離の通信に適している。半導体レーザ素子１は、半導体基板２と、半導体基板２の一面側において、矢印Ａ方向（図２参照）に延在する半導体メサ部３と、半導体メサ部３の両側部を覆うように形成された埋め込み層４，５と、半導体メサ部３及び埋め込み層４，５の表面に形成されたクラッド層６と、クラッド層６の表面に形成されたコンタクト層７と、コンタクト層７の表面に形成された電極層８と、半導体基板２の他面側に形成された電極層９と、矢印Ａ方向の両端面にそれぞれ形成された反射膜１０とを備えている（以下、矢印Ａ方向を「導波路方向」と示す）。

半導体基板２は、例えばＳｎがドープされたｎ型ＩｎＰ基板である。半導体基板２の厚みは、約１００μｍとなっている。半導体メサ部３は、半導体基板２に対して隆起状に形成され、半導体基板２側から順に、クラッド層１１、活性層１２、回折格子層１３、クラッド層１４が積層されて構成されている。半導体メサ部３は、活性層１２を含む半導体領域を積層方向にエッチングで切り出すことにより、ストライプ状に形成されている。

クラッド層１１は、例えばＳｉがドープされたｎ型ＩｎＰ層である。また、クラッド層１４は、例えばＺｎがドープされたｐ型ＩｎＰ層である。クラッド層１１，１４の屈折率は、活性層１２よりも小さいものとなっている。これによりクラッド層１１，１４は、活性層１２において発光した光を閉じ込める層として機能する。

活性層１２は、例えばＩｎＧａＡｓＰ層である。活性層１２は、例えば多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。活性層１２には、クラッド層６及びクラッド層１１，１４からキャリアが注入され、このキャリアが再結合することにより、光が発生する。

回折格子層１３は、例えばＺｎがドープされたＧａＩｎＡｓＰ層である。回折格子層１３は、図２に示すように、導波路方向に沿った周期的な溝パターン１５を有している。溝パターン１５は、互いに深さの異なるパターン１６，１７からなる。パターン１６は、回折格子層１３における導波路方向の両端部側に設けられている。パターン１６における凹部の深さは、例えば３０ｎｍとなっており、その間隔は、例えば１２０ｎｍとなっている。

一方、パターン１７は、回折格子層１３の中央部分に設けられている。パターン１７における凹部の深さは、例えば２０ｎｍとなっており、その間隔は、例えば１２０ｎｍとなっている。このような回折格子層１３は、導波路方向に進行する光の一部を、進行方向とは反対の方向に回折する。従って、クラッド層１１，１４の間では、回折格子層１３の溝パターン１５の周期で決まる波長の光が帰還される。

また、パターン１７の中央部分には位相シフト部１８が設けられている。位相シフト部１８のパターン１７における凹部の深さは、例えば２０ｎｍとなっている。また、その間隔は、例えば２４０ｎｍとなっている。

埋め込み層４は、例えばＺｎがドープされたｐ型ＩｎＰ層である。埋め込み層４は、半導体メサ部３の両側に近づくにつれて厚みが増していき、クラッド層１４の側部までを覆っている。埋め込み層５は、例えばＦｅがドープされたｎ型ＩｎＰ層である。埋め込み層５は、埋め込み層４の表面に形成され、埋め込み層５の表面は、フラットになるように形成されている。

クラッド層６は、例えばＺｎがドープされたｐ型ＩｎＰ層である。クラッド層６は、クラッド層４の表面に形成され、クラッド層１１，１４との協働によって活性層１２の光をさらに閉じ込める。コンタクト層７は、例えばＺｎがドープされたｐ型ＩｎＧａＡｓ層である。コンタクト層７は、高い導電性の電極層８と半導電性の半導体基板２と半導体メサ部３とクラッド層６との間で、整流作用のないオーミック接触させるために形成されている。

電極層８は、例えばＡｕめっきであり、コンタクト層７の表面に形成されている。電極層８の厚さは、１０μｍ程度に形成されている。電極層９は、例えばＡｕめっきであり、半導体基板２の他面側に形成されている。反射膜１０は、例えばＴｉＯ_２とＡｌＯ_３の多層膜からなり、半導体レーザ素子１における導波路方向の両端面の反射の影響を低減させる。

以下、上述した半導体レーザ素子１の製造方法について、図３〜図１０を参照しながら説明する。

まず、図３に示すように、ＳｎがドープされたＩｎＰからなる半導体基板２を用意する。そして、例えばＭＯＣＶＤ法により、半導体基板２の一面側にクラッド層１１、活性層１２、回折格子層１３を順次積層する。

次に、図４に示すように、回折格子層１３の表面全面に、紫外線硬化樹脂を例えばスピン塗布法で塗布することにより、レジスト層１９を形成する。紫外線硬化樹脂は、紫外線硬化剤を含む樹脂体であり、例えばアクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエステル系樹脂等を用いることができる。レジスト層１９の厚みは、所望の回折格子層１３の溝パターン１５の深さに応じて適宜決定される。

次に、図５に示すような、ナノスタンパ２０を準備する。ナノスタンパ２０は、例えば石英からなり、紫外線を透過すると共に、好適な強度及び加工容易性を有する。ナノスタンパ２０下面には、例えば一辺が３００μｍの矩形の印面２１が設けられている。印面２１には、周期構造を有する溝パターン２２が所定の方向に形成されている。

より具体的には、溝パターン２２は、互いに深さの異なる２つのパターン２３，２４からなる。パターン２３は、ナノスタンパ２０における印面２１の両端部側にそれぞれ位置している。パターン２３における凹部の深さは、例えば６０ｎｍとなっており、その間隔は、例えば１２０ｎｍとなっている。一方、パターン２４は、ナノスタンパの印面２１の中央部分に位置している。パターン２４における凹部の深さはパターン２３よりも深く、例えば１７０ｎｍとなっている。また、その間隔は、例えば１２０ｎｍとなっている。

また、パターン２４の中央部分には、位相シフト部２５が設けられている。位相シフト部２５では、凸部の幅が他の凸部の幅の２倍程度となっており、周期構造が発振波長の１／４だけずれた状態となっている。

このようなナノスタンパ２０を、図６に示すように、溝パターン２２が導波路方向に沿うようにして、レジスト層１９の表面に押し付ける。そして、ナノスタンパ２０の上方から紫外線２６を照射し、ナノスタンパ２０を透過した紫外線２６によってレジスト層１９を硬化させる。これにより、ナノスタンパ２０の印面２１の溝パターン２２が転写され、レジスト層１９の表面には、ナノスタンパ２０の溝パターン２２とは凹凸が反転した溝パターン２７が形成される。

レジスト層１９に転写された溝パターン２７は、互いに深さの異なるパターン２８，２９からなる。より具体的には、パターン２８は、ナノスタンパ２０のパターン２３が転写された部分であり、レジスト層１９の両端部側にそれぞれ位置している。パターン２８における凹部の深さは、例えば６０ｎｍとなっており、その間隔は、例えば１２０ｎｍとなっている。一方、レジスト層１９のパターン２９は、ナノスタンパ２０のパターン２４が転写された部分であり、レジスト層１９の中央部分に位置している。パターン２９における凹部の深さはパターン２８よりも深く、例えば１７０ｎｍとなっている。また、その間隔は、例えば１２０ｎｍとなっている。パターン２９の中央部分には、位相シフト部３０が設けられている。位相シフト部３０のパターン２９における凹部の深さは、例えば２０ｎｍとなっている。また、その間隔は、例えば２４０ｎｍとなっている。

レジスト層１９にナノスタンパ２０の印面２１の溝パターン２２を転写した後、図７に示すように、ナノスタンパ２０をレジスト層１９から離型する。このとき、回折格子層１３の表面と、レジスト層１９の溝パターン２０の凹部との間に残渣が残る場合がある。この場合、例えば酸素プラズマを用いたドライエッチングによって残渣の処理を行うようにしてもよい。

次に、溝パターン２７が形成されたレジスト層１９をマスクとして用い、回折格子層１３の表面を約１分間ウェットエッチングする。エッチャントとしては、例えば飽和臭素水と臭化水素と水とを１：１０：４００の比で混合したものを用いることができる。

このエッチングにおいては、マイクロローディング効果により、図８に示すように、回折格子層１３の表面は、レジスト層１９の深さが深い部分が浅くエッチングされ、レジスト層１９の深さが浅い部分が深くエッチングされる。これにより、レジスト層１９の溝パターン２７とは深さの反転した溝パターン１５が回折格子層１３の表面に形成される。

このように形成された回折格子層１３の溝パターン１５は、互いに深さの異なるパターン１６，１７からなる。パターン１７は、回折格子層１３の両端部側にそれぞれ位置している。パターン１６における凹部の深さは、例えば３０ｎｍとなっており、その間隔は、例えば１２０μｍとなっている。一方、パターン１７は、回折格子層１３の中央部分に位置している。パターン１７における凹部の深さはパターン１６よりも浅く、例えば２０ｎｍとなっている。また、その間隔は、例えば１２０μｍとなっている。回折格子層１３のパターン１７中央には、周期構造が発振波長の１／４だけずれた位相シフト部１８が形成される。

エッチングを行った後、図９に示すように、マスクとして用いたレジスト層１９を、所定のエッチングで除去する。そして、回折格子層１３の表面に、例えばＭＯＣＶＤ法により、クラッド層１４を形成する。次に、クラッド層１４の表面に、ストライプ状のマスクを形成し、このマスクを用いてクラッド層１４、回折格子層１３、活性層１２、クラッド層１１を例えばドライエッチングする。これにより、半導体基板２上に隆起状の半導体メサ部３が形成される。

半導体メサ部３を形成した後、例えばＭＯＣＶＤ法により、半導体メサ部３の両側に埋め込み層４，５をそれぞれ積層すると、半導体基板２の一面側に埋め込みヘテロ構造が形成される。その後、図１０に示すように、クラッド層６とコンタクト層７を形成する。そして、コンタクト層７の表面に電極層８と、半導体基板２の裏面に電極層９とを形成し、低反射膜１０を導波路方向の両端面にそれぞれ形成すると、図１及び図２に示した半導体レーザ素子１が完成する。

以上説明したように、この半導体レーザ素子の製造方法では、レジスト層１９に溝パターン２７を形成するにあたって、ナノインプリント法を用いている。すなわち、互いに深さの異なる溝パターン２２が形成されたナノスタンパ２０の印面２１をレジスト層１９に押し付けることにより、深さの異なる複数の溝パターン２７を導波路方向に沿って形成し、その後、マイクロローディング効果を利用したエッチングをすることで、回折格子層１３に対して深さの異なる複数の溝パターン１５を一括形成している。これにより、電子線描画法を用いる場合のように、電子線によって一本ずつ回折格子層１３に溝パターンを形成する場合に比べて、生産性の向上が図られる。

また、この半導体レーザ素子の製造方法では、レジスト層１９に溝パターン２７を形成するにあたって、ナノスタンパ２０をレジスト層１９に直接押し付けるので、雑音や振動の影響を小さくできる。これに加え、電子線照射量の揺らぎの問題や電子銃の劣化の問題も生じない。従って、精度の高い溝パターン１５の形成が可能となり、回折格子層１３における結合係数を、最適値に近づけることが容易となるの。このことは、半導体レーザ素子１の導波路方向における光強度分布の均一化を容易なものとし、ホールバーニングの抑制による単一モード性の確保を可能にする。

また、この半導体レーザ素子の製造方法では、回折格子層１３の溝パターン１５において、位相シフト部１８に対応する中央のパターン１７の深さは、半導体レーザ素子１の導波路方向の両端部側に対応するパターン１６よりも深くなっている。

ここで、図１１は、半導体レーザ素子の導波路方向における光強度分布を示す図である。一般的な位相シフト型の半導体レーザ素子では、図１１（ａ）に示すように、位相シフト部を含む中央部分で光強度が大きくなり、両端部側では小さくなる。これに対し、半導体レーザ素子１では、回折格子層１３の溝パターン１５が、導波路方向の中央部分に形成されたパターン１７と、両端部側に形成されたパターン１６とからなり、パターン１６の深さはパターン１７よりも深くなっている。このため、回折格子層１３の結合係数は、溝パターン１５の深さの大きい導波路方向の両端部側に比べて、溝パターン１５の深さの小さい導波路方向の中央部分で小さくなる。従って、半導体レーザ素子１では、図１１（ｂ）に示すように、位相シフト部１８を含む導波路方向の中央部分では光密度が抑えられ、両端部側では光強度が引き上げられることになる。これにより、導波路方向における光強度分布が均一化され、その結果、回折格子層１３の周期構造に位相シフト部１８が設けられている場合であっても、単一モード性が確保される。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、ナノスタンパ２２の素材に石英を用いているが、紫外線を透過する素材であればよい。また、紫外線を照射する光ナノインプリントではなく、熱を加えてパターンを形成する熱ナノインプリントを用いてもよい。また、回折格子層１３のエッチングには、ウェットエッチングだけではなくドライエッチングを用いてもよい。

本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子製造方法を適用して作製された半導体レーザ素子の断面図である。 図１におけるII−II線断面図である。 図１に示した半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 図３の後続の工程を示す図である。 図４の後続の工程を示す図である。 図５の後続の工程を示す図である。 図６の後続の工程を示す図である。 図７の後続の工程を示す図である。 図８の後続の工程を示す図である。 図９の後続の工程を示す図である。 （ａ）は一般的な位相シフト型の半導体レーザ素子の光強度分布であり、（ｂ）は図１に示した半導体レーザ素子の光強度分布である。

符号の説明

１…半導体レーザ素子、２…半導体基板、１３…回折格子層、１５，２７…溝パターン、１８…位相シフト部、１９…レジスト層。

Claims (2)

1. 活性層と、前記活性層の一面側に設けられ、所定軸に沿って周期構造を有する回折格子層とを含んで構成される半導体レーザ素子の製造方法であって、
   半導体基板上に前記活性層と前記回折格子層とを積層する工程と、
   前記回折格子層上にレジスト層を形成する工程と、
   ナノインプリント法を用いることにより、前記レジスト層に対し、深さの異なる複数の溝パターンを前記所定軸に沿って形成する工程と、
   前記レジスト層をマスクとして用いたエッチングにより、前記回折格子層に対し、前記レジスト層の前記溝パターンとは深さの反転した複数の溝パターンを前記所定軸に沿って形成する工程とを備えたことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
2. 前記回折格子層の前記周期構造には、位相シフト部が設けられており、
   前記レジスト層の前記溝パターンは、前記位相シフト部に対応する部分の深さが、他の部分に比べて深くなっていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子の製造方法。

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