JP5326811B2 - 半導体光素子を作製する方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体光素子を作製する方法に関する。

特許文献１には、半導体発光装置の製造方法が記載されている。この方法では、下地の化合物半導体層上に第１のリン含有化合物半導体層及び第２のリン含有化合物半導体層が順次に形成される。第２のリン含有化合物半導体層は、該第１のリン含有化合物半導体層とは異なる構成材料からなる。次いで、第１のリン含有化合物半導体層に回折格子が形成されとともに、該回折格子の凸部上に該第２のリン含有化合物半導体層が残される。この後に、熱処理することにより該回折格子凸部上の該第２のリン含有化合物半導体層が該回折格子の凹部内に埋め込まれる。

特許文献２には、微細パターン形成方法が記載されている。この方法では、電子ビーム露光法を用いて、露光装置の電子ビーム最小移動距離に制限されないピッチを有する回折格子を作製する。これによって、分布帰還型レーザの発振波長精密な制御が容易になる。

特許文献３には、ナノインプリンティング法によるパターニングのアライメント可能な微細パターンの製造方法が記載されている。光透過可能なモールド基板にナノインプリントのモールドを設置すると共に、このモールド基板に位置参照用のマークを設ける。ウエハにも、モールド基板のマークに対応したマークを形成する。モールド基板でのモールドの位置決めを精度良く行うために、ナノインプリントのモールドはモールド基板にマークを形成した後に、マーク位置を参照して形成する。モールド基板にモールド及びマークを形成することによって、ウエハ上側からモールド基板を通してモールド基板のマークとウエハのマークを同時に参照できる。この参照によって、ウエハとモールドとの相対位置をアライメントする。

特開平６−２１５７０号公報 特開平８−２２７８３８号公報 特開２０００−３２３４６１号公報

回折格子を有する半導体素子、例えば分布帰還（ＤＦＢ）型半導体レーザの作製では、特許文献１に記載されているように、半導体をエッチングして回折格子のための周期構造を形成する。発明者の知見によれば、回折格子を形成するエッチングにおいては、エッチング量の変化により周期構造を画定する溝の深さのばらつきが生じる。この周期構造の深さの変動は、ＤＦＢ型半導体レーザの回折格子の結合係数を変化させる。

一方、光通信に用いられる半導体レーザの発振波長は仕様書において詳細に規定されており、規定された発振波長の光を発生するＤＦＢ型半導体レーザを得るために、分布帰還のための回折格子の周期を調整している。

回折格子の形成のための半導体プロセスでは、半導体基板上のレジストに回折格子のパターンを形成して、レジストマスクを形成する。このマスクを用いて半導体層をエッチングして、半導体層にパターンを転写する。この半導体層には、回折格子を構成するように配置された複数の凹凸が形成される。

多くのＤＦＢ型半導体レーザの回折格子は周期が一定であり、回折格子形成のためのパターン形成では、例えば二光束干渉露光法によって回折格子の周期を細かく調整している。また、位相シフト構造やチャープ回折格子といった周期変調のある複雑なパターンの形成では、電子ビーム露光法によるマスク形成及びエッチングによる半導体層へのパターン形成を行って回折格子を形成している。複雑なパターンの形成では、電子ビーム露光と同様に、ナノインプリンティング法を用いることができる。ナノインプリンティング法では、回折格子のパターン構造を形成した金型（モールド）を準備する。半導体表面に塗布した樹脂にモールドのパターン面を押付けてパターン形成された樹脂体を形成する。パターン形成された樹脂体を用いてエッチングにより半導体層にパターン（開口）を形成している。

回折格子の形成方法の側面と別に、半導体素子の特性の面では、回折格子は、レーザ波長を規定する周期を有するだけでなく、素子内を伝搬するレーザ光と回折格子との相互作用の結合係数に関連している。回折格子の結合係数（κ）と共振器長（Ｌ）との積（κ×Ｌ）が、半導体レーザの特性に大きく影響を及ぼす。結合係数は、回折格子を形成する材料の屈折率差、回折格子の溝の深さ、及び回折格子のデューティ比等に関係している。

干渉露光法では回折格子のための均一な大面積のパターンのマスクを形成でき、またこのマスクを用いたエッチングにより、半導体層にパターン形成している。そして、同じ干渉露光装置に付属の回折効率測定装置を用いて、エッチングされた半導体層における開口の深さを評価できる。

しかし、電子ビーム露光法やナノインプリンティング法を用いる回折格子の形成では、回折格子の特性を上記と同様に予め評価することができない。その理由は以下のものである：一度のパターン形成する領域が狭い；複数の種類のパターンが混在している。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、回折格子の結合係数の変化による素子特性への影響を低減可能な、半導体光素子を作製する方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面は、半導体光素子を作製する方法である。この方法は、（ａ）第１及び第２のエリアを有する基板上に、一又は複数の半導体層を含む半導体領域を形成する工程と、（ｂ）素子サイズに対応したサイズ値で周期的に前記第１のエリア上に設けられた第１のパターンと前記第２のエリア上に設けられた第２のパターンとを有する第１のマスクを、電子ビーム露光法及びナノインプリンティング法のいずれかを用いて、前記半導体領域上に形成する工程と、（ｃ）前記第１のマスクを用いて前記半導体領域をエッチングして、前記第１のパターンに対応する複数の回折格子用の周期構造を前記第１のエリア上の前記半導体領域に形成すると共に前記第２のパターンに対応する該周期構造の形状のモニタ用のモニタ構造物を前記第２のエリア上の前記半導体領域に形成する工程と、（ｄ）前記エッチングの後に、前記第１のマスクを除去する工程と、（ｅ）前記モニタ構造物を測定すると共に、該測定の結果を記録する工程と、（ｆ）前記測定後に、半導体層を前記半導体領域上に成長する工程と、（ｇ）前記測定の結果に基づいて、前記複数の周期構造から所望の周期構造を決定する工程と、（ｈ）前記所望の周期構造上にパターンを有する第２のマスクを形成する工程と、（ｉ）前記第２のマスクを用いて、前記所望の周期構造を含むストライプメサを形成する工程とを備える。前記複数の周期構造の各々は所定の軸の方向に延在し、前記複数の周期構造は同一の周期性を有すると共に互いに異なるデューティ比を有する。

この方法によれば、半導体領域にエッチングにより形成されたモニタ構造物を測定すると共に、測定の結果に基づいて、複数の周期構造から所望の周期構造を決定している。モニタ構造物の測定により、エッチングによるマイクロローディング効果の影響やエッチング毎のエッチングレート変動の影響に関する情報を得ることができる。モニタ構造物の測定結果を用いて、所望の結合係数を回折格子に提供するデューティ比の周期構造を決定できる。

本発明に係る方法では、前記モニタ構造物は、互いに幅の異なる複数の溝を含むことができる。この方法によれば、モニタ構造物の溝の形成は、回折格子のための周期構造におけるマイクロローディング効果やエッチング毎のエッチングレートの変動による溝の深さの違いを反映している。モニタ構造物の溝の深さの測定値は、複数の周期構造のどれが所望の結合係数を達成できるかの情報を提供できる。

本発明に係る方法では、前記複数の溝は、前記所定の方向に配列されている。前記複数の溝の配列において、隣接した溝の間隔は互いに異なる。前記複数の溝の各々は、前記所定の方向に交差する方向に延在する。

この方法では、モニタ構造物の溝を所定の方向に配列して回折格子のための周期構造の延在方向と合わせる。また、モニタ構造物の各溝を所定の方向に交差する方向に向けて、回折格子のための周期構造の内部パターンの向きと合わせる。これ故に、モニタ構造物の溝の深さのモニタにより、マイクロローディング効果やエッチングレートの変動への補正の精度が向上できる。

本発明に係る方法では、前記モニタ構造物の測定は、原子間力顕微鏡を用いて前記溝の深さを測定することが好ましい。原子間力顕微鏡を用いることによって、回折格子のための周期構造に対して測定の影響を与えることがない。

本発明に係る方法では、前記第２のマスクは、前記所望の周期構造以外の残りの周期構造上に開口を有し、前記残りの周期構造は、前記ストライプメサの形成の際に除去され、当該方法は、前記ストライプメサを埋め込む埋込層を成長する工程と更に備えることが好ましい。

この方法によれば、ストライプメサが所望の周期構造を含む。また、所望の周期構造以外の残りの周期構造を除去したので、所望の周期構造以外の残りの周期構造の干渉が生じない。また、除去の後に、この領域にストライプメサを埋め込む埋込領域を設けることができ、本方法を採用するとき素子構造を変更する必要がない。

本発明に係る方法は、前記第２のエリア上の半導体領域に第１アライメントマークを形成する工程を備えることができる。前記第１のマスクを形成する工程において、前記電子ビーム露光法のための露光、またはナノインプリンティング法のためのモールドの位置合わせは、前記第１アライメントマークに位置を合わせて行われ、前記第２のマスクの前記パターンは、前記第１アライメントマークを合わせて位置合わせされる。

この方法よれば、第１のマスクを形成する工程において、電子ビーム露光法のための露光、或いはナノインプリンティング法のためのモールドの位置合わせが、半導体領域の第２のエリア上にあらかじめ設けられたアライメントマークを基準にして位置決めされると共に、第２のマスクの位置決めが同じアライメントマークで行われるので、所望の回折格子を含むストライプメサを作製できる。また、第１及び第２のパターンの相対配置が、第１のマスクのためのパターンを形成する工程において、常に保たれる。

本発明に係る方法では、前記第１のマスクはナノインプリンティング法を用いて行われ、前記第１のマスクは第２アライメントマークのためのパターンを有しており、前記第２のマスクの前記パターンは、前記第２アライメントマークを合わせて位置合わせされる。

この方法によれば、第１のマスクはアライメントマークのためのパターンを有するので、第２アライメントマークを用いて、所望の回折格子を含むストライプメサを作製できる。また、第１及び第２のパターンの相対位置が、第１のマスクを形成するためのモールドに形成されたパターン精度によって担保される。

本発明に係る方法では、前記モニタ構造物の測定は、前記第１のマスクの除去の後に行われることが好ましい。この方法によれば、第１のマスクの厚さの影響を受けることなく、モニタ構造物の測定を行うことができる。あるいは、本発明に係る方法では、前記モニタ構造物の測定は、前記第１のマスクの除去に先だって行われることが好ましい。この方法によれば、エッチングによるマイクロローディング効果の影響を考慮して、第１のマスクの厚さに関する量を用いてモニタ構造物の測定値を補正することによって、所望の結合係数を有する周期構造を選ぶことができる。

本発明に係る方法では、前記ストライプメサは、第１の光ガイド層、活性層、第２の光ガイド層及び回折格子層を含み、前記第１の光ガイド層、前記活性層、前記第２の光ガイド層、及び前記回折格子層は当該半導体光素子の支持基体上に順に配列されており、当該半導体光素子は、分布帰還型半導体レーザを含む。

この方法によれば、分布帰還のための回折格子が所望の結合係数を示す半導体レーザを作製する方法を提供できる。

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。

以上説明したように、本発明によれば、回折格子の結合係数の変化によって素子特性の変動を低減可能な、半導体光素子を作製する方法が提供される。

図１は、本実施の形態に係る半導体光素子を作製する方法におけるエピタキシャル成長工程を示す図面である。 図２は、エピタキシャル基板上に作成される回折格子ためのパターンを示す図面である。 図３は、本実施の形態に係る半導体光素子を作製する方法における回折格子のパターン形成工程を示す図面である。 図４は、ナノインプリントのモールドを示す図面である。 図５は、本実施の形態に係る半導体光素子を作製する方法における回折格子のエッチング工程を示す図面である。 図６は、本実施の形態に係る回折格子のための配列及びモニタ構造物を示す図面である。 図７は、モニタ構造物のパターンと、エッチングにより形成される溝の深さとの関係を示す図面である。 図８は、回折格子抜け幅ｗ、積κ×Ｌ及び回折格子溝の測定深さｄ０〜ｄ３との関係、及び回折格子抜け幅ｗ、積κ×Ｌ及びモニタ構造物の溝の測定深さＧ０〜Ｇ３との関係を示す図面である。 図９は、本実施の形態に係る半導体光素子を作製する方法における第１クラッド形成工程及びストライプメサ形成工程を示す図面である。 図１０は選択された周期構造を示す図面である。 図１１は、本実施の形態に係る半導体光素子を作製する方法における再成長工程及びを示す図面である。

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、本発明の半導体光素子を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本実施の形態に係る半導体光素子を作製する方法における主要な工程を示す図面である。引き続く説明では、半導体光素子として分布帰還（ＤＦＢ）型半導体レーザを作製する方法を説明するけれども、本実施の形態は、回折格子を含む半導体光素子に適用可能である。この回折格子は、以下の説明から明らかにされるように、電子ビーム露光法及びナノインプリンティング法のいずれかを用いて作製される。半導体レーザを作製する方法において、半導体層の成長は例えば有機金属気相成長法等を用いることができる。

半導体光素子の作製では、基板準備工程では基板１１を準備する。基板１１は、ＩｎＰ、ＧａＡｓ等といった半導体からなることができ、好ましくは導電性を有する。図１（ａ）を参照して説明をすると、工程Ｓ１０１では、基板１１上に半導体領域１３を形成する。半導体領域１３は、複数のIII−Ｖ化合物半導体層１５、１７、１９、２１、２３、２５を含む。これらの半導体層１５、１７、１９、２１、２３、２５は、例えば有機金属気相成長法を用いてエピタキシャル成長により形成され、また基板１１の主面１１ａの法線軸Ｎｘに主面１１ａ上に沿って配置されている。図１（ａ）を参照すると、直交座標系Ｓが示されている。Ｚ軸は法線軸Ｎｘに向いており、主面１１ａは、例えばＸ軸及びＹ軸によって規定される平面に平行である。２インチＳｎドープＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長を行う一実施例では、III−Ｖ化合物半導体層１５はｎ型バッファ（例えばｎ型ＩｎＰ、厚さ３００ｎｍ）層であり、III−Ｖ化合物半導体層１７はｎ型クラッド（例えばｎ型ＩｎＰ、厚さ５５０ｎｍ）層であり、III−Ｖ化合物半導体層１９はｎ側光ガイド（例えばアンドープＧａＩｎＡｓＰ、厚さ５０ｎｍ）層であり、III−Ｖ化合物半導体層２１は活性層であり、III−Ｖ化合物半導体層２３はｐ側光ガイド層（例えばアンドープＧａＩｎＡｓＰ、厚さ２０ｎｍ）であり、III−Ｖ化合物半導体層２５は回折格子層（例えばｐ型ＧａＩｎＡｓＰ、厚さ４５ｎｍ）である。工程Ｓ１０１において、エピタキシャル基板Ｅ１が形成される。活性層は、単一の半導体膜からなることができるが、好ましくは量子井戸構造２７を有する。量子井戸構造２７は、交互に配列された障壁層２７ａ及び井戸層２７ｂを含む。障壁層２７ａは例えばバンドギャップ波長１２００ｎｍのＧａＩｎＡｓＰからなり、その厚さは例えば１０ｎｍである。井戸層２７ｂは例えばＧａＩｎＡｓＰからなり、量子井戸構造の活性層から発光するＰＬ光波長が１５６２ｎｍとなるように組成を調整したものであり、その厚さは例えば厚さ５ｎｍである。また、井戸層２７ｂに圧縮歪みが印加されるように井戸層の格子定数をＩｎＰ基板の格子定数より大きくした歪量子井戸構造としてもよい。

また、工程Ｓ１０２において、図１（ｂ）に示されるように、エピタキシャル基板Ｅ１にアライメントマークＷ１を形成する。このアライメントマークＷ１は、例えばエピタキシャル基板Ｅ１に形成された凹部である。アライメントマークＷ１は、例えば以下のように作製される。エピタキシャル基板Ｅ１上に、ＳｉＮといった絶縁膜（例えば、厚さ０．３μｍ）を化学気相成長法（ＣＶＤ）で形成する。フォトリソグラフィ及びエッチング法を用いて、アライメントマークのパターンを絶縁膜に転写してレジストマスクを形成する。レジストマスクを用いて、反応性イオンエッチングで絶縁膜をエッチングして、マスク２９を形成する。マスク２９は、アライメントマークのための開口を有しており、この開口に半導体領域１３の主面１３ａが露出されている。ＳｉＮ用のエッチャントとして、ＣＦ_４が用いられ、またレジストの除去のために、Ｏ_２アッシングが用いられる。次いで、マスク２９を用いて、反応性イオンエッチングで半導体領域１３をエッチングして、アライメントマークを転写する。半導体領域１３のエッチングのためのエッチャントとして、例えばＣＨ_４／Ｈ_２混合ガスが用いられる。アライメントマークＷ１のための凹部の深さは例えば０．５μｍである。この後に、マスク２９を除去する。このエッチャントは例えばフッ化水素酸である。

工程Ｓ１０３では、回折格子のためのマスク３１を形成する。図２（ａ）に示されるように、エピタキシャル基板Ｅ１では、半導体領域１３は、第１及び第２の領域１３ｂ、１３ｃを有する。半導体領域１３の第１の領域１３ｂは、基板１１の主面１１ａにおける第１のエリア１１ｂ上に位置しており、半導体領域１３の第２の領域１３ｃは、基板１１の主面１１ａにおける第２のエリア１１ｃ上に位置している。基板１１の第１のエリア１１ｂ上には、例えば光素子のアレイを形成する。また、基板１１の第２のエリア１１ｃには、光素子とは異なる所定のパターンを有するアクセサリ（例えばアライメントマーク）が形成される。例えば、工程Ｓ１０２において形成されるアライメントマークＷ１は、半導体領域１３の第２の領域１３ｃに形成される。半導体領域１３の第１の領域１３ｂには、光素子のアレイを形成される。図２（ｂ）に示されるように、マスク３１は、半導体領域１３の主面１３ａ上に形成される。マスク３１は、第１のパターン３１ａ及び第２のパターン３１ｂを有する。図２（ｂ）を参照すると、一素子分の回折格子ためのパターン３１ａが示されている。第１のパターン３１ａのアレイは、半導体領域１３の第１の領域１３ｂ上に形成される。第２のパターン３１ｂが第２の領域１３ｃ上に形成される。第１のパターン３１ａの各々は、単一の素子サイズに回折格子のための複数のパターン部３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆ、３２ｇを含む。パターン部３２ａ〜３２ｇは、同一の方向に延在している。パターン部３２ａ〜３２ｇは同一の周期性Ｔを有すると共に互いに異なるデューティ比（Ｔ１／Ｔ２）を有する。

マスク３１は、電子ビーム露光法及びナノインプリンティング法のいずれかを用いて形成される。まず、工程Ｓ１０３−１では、図３（ａ）に示されるように、絶縁膜３３を半導体領域１３の主面１３ａ上に形成する。絶縁膜３３は例えばＳｉＯＮ膜であり、ＳｉＯＮ膜は例えばＣＶＤ法で形成され、その厚さは例えば５０ｎｍである。

例えば、電子ビーム露光法を用いて以下のように作製される。絶縁膜３３上には、ＥＢ露光用のレジスト（例えば、日本ゼオン製ZEP520）３５が塗布される。レジスト３５の厚さは例えば８０ｎｍである。電子ビーム描画装置で、あらかじめ半導体領域１３の第２の領域１３ｃに形成されたアライメントマークＷ１の座標を読み取り、この座標を基準として所定の位置に、マスク３１のためのパターンを描画する。このパターンは、回折格子を規定するための第１のパターン３１ａ、および、モニタ構造物を規定するための評価用の第２のパターン３１ｂを含む。

工程Ｓ１０３−２では、図３（ｂ）に示されるように、マスク３１の第１のパターン３１ａ及び第２のパターン３１ｂを描画したレジストを現像して、レジストマスク３５ａを形成する。レジストマスク３５ａには、第１のパターン３１ａ及び第２のパターン３１ｂがパターン形成されている。

また、例えばナノインプリンティング法の適用のために以下の工程が行われる。まず、準備工程では、図４に示されるモールド４１を準備する。モールド４１のパターン面４１ａは、第１及び第２のパターン４２ａ、４２ｂを有する。パターン面４１ａの第１のエリア４１ｂには第１のパターン４２ａが配置されており、パターン面４１ａの第２のエリア４１ｃには第２のパターン４２ｂが配置されている。第１のパターン４２ａは、パターン面４１ａにおいてアレイ状に配列されている。第１のパターン４２ａは、Ｘ軸の方向に半導体光素子のチップサイズに一方の辺の長さを周期ＴＸに配列されており、Ｘ軸の方向に直交するＹ軸の方向に半導体光素子のチップサイズに他方の辺の長さを周期ＴＹに配列されている。第１のパターン４２ａは、回折格子のための複数の周期構造を規定する。第２のエリア４１ｃの第２のパターン４２ｂは、第２アライメントマークＰＷ２とモニタ構造物４３を規定する。

次いで、塗布工程では、樹脂を半導体領域１３の主面１３ａ上に塗布して、ナノインプリンティングのための樹脂体を形成する。樹脂体としては、紫外線硬化性樹脂や熱可塑性樹脂などを用いることができる。次のパターン工程においては、電子ビーム露光法と同様に、あらかじめ半導体領域１３の第２の領域１３ｃに形成されたアライメントマークＷ１の座標を読み取り、この座標を基準としてモールド４１の位置決めを行い、モールド４１を樹脂体に押し当てることで、モールド４１に形成されたパターンを、樹脂体の所定の位置に転写する。例えば、樹脂体として、熱可塑性樹脂を用いた場合は、温度をガラス転移点以上に上げて軟化させた後、この樹脂体にモールド４１を押し当てて、次にモールド４１のパターンと樹脂体との接触を維持しながら、樹脂が硬化する温度まで温度を下げることで熱可塑性樹脂を硬化させ、樹脂体にパターンを転写する。一方、樹脂体として紫外線硬化性樹脂を用いた場合は、まず樹脂体にモールド４１を押し当てて、モールド４１のパターンと樹脂体との接触を維持しながら、樹脂体に紫外線を照射することにより硬化させることで、樹脂体にパターンを転写することができる。この場合、モールド４１の材料としては、紫外線を透過する材料、例えば、石英を用いることができる。必要な場合には、繰返工程で、所定のピッチでモールド４１を移動すると共にモールド４１を塗布樹脂に押し当てることを交互に繰り返すことができる。これらの工程により、半導体領域１３の主面１３ａ上に樹脂体マスクが形成される。樹脂体マスク（レジストマスク３５ａに対応する）には、第１のパターン４２ａ（第１のパターン３１ａに対応する）及び第２のパターン４２ｂ（第２のパターン３１ｂ）によって規定される型抜き起伏が形成される。ナノインプリンンティング法でパターン形成することにより、スループットを格段に改善できる。

このように、電子ビーム露光法及びナノインプリンティング法のいずれかを用いて、回折格子及びモニタ構造物のためのマスク３１を形成する準備が整う。

引き続く説明では、電子ビーム露光法を採用した工程フローを説明する。工程Ｓ１０３−３では、図５（ａ）に示されるように、レジストマスク３５ａを用いて絶縁膜３３をエッチングして、絶縁膜マスク３３ａ（図２におけるマスク３１に対応する）を形成する。エッチングは例えば反応性イオンエッチングにより行われる。絶縁膜３３がＳｉＯＮ膜であるとき、エッチャントとしてＣＦ_４を用いることができる。絶縁膜マスク３３ａを形成した後に、レジストマスク３５ａを除去する。この除去はＯ_２プラズマアッシングにより行われる。ナノインプリンティング法を用いた場合は、レジストマスク３５ａのかわりに、樹脂体マスクを用いて絶縁膜３３をエッチングして、絶縁膜マスク３３ａを形成する。

工程１０４では、図５（ｂ）に示されるように、絶縁膜マスク３３ａを用いて回折格子層のためのIII−Ｖ化合物半導体層２５を所定の時間だけエッチングして、回折格子層２５ａを形成する。このエッチングは例えば反応性イオンエッチングにより行われる。絶縁膜マスク３３ａがＳｉＯＮ膜であるとき、エッチャントとしてＣＨ_４／Ｈ_２混合ガスを用いることができる。回折格子層２５ａを形成した後に、絶縁膜マスク３３ａを除去する。ＳｉＯＮマスクは、フッ化水素酸を用いて除去される。

図６は、回折格子層２５ａの形成工程における基板生産物の上面を示す図面である。基板生産物Ｐ１は半導体領域１３を含み、半導体領域１３の最上層には回折格子像２５ａが設けられている。図６を参照すると、破線ＢＯＸで示されたエリアの拡大図には、９個の半導体光素子を含む素子区画（Ｘ軸方向に３個の配列及びＹ軸方向に３個の配列）とモニタ構造物４４及びアライメントマークＷ２を含むアクセサリ区画が示されている。素子区画では、一素子分のエリアに、複数の回折格子のための周期構造４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ、４２ｆ、４２ｇが設けられている。アクセサリ区画では、該周期構造４２ａ〜４２ｇの形状をモニタするためのモニタ構造物４４が設けられている。周期構造４２ａ〜４２ｇは、それぞれ、パターン部３２ａ〜３２ｇのパターンを転写して形成される。周期構造４２ａ〜４２ｇの各々は同一の方向（Ｙ軸の方向）に延在する。周期構造４２ａ〜４２ｇは同一の周期性を有すると共に互いに異なるデューティ比を有する。

回折格子の構造の実施例を説明する。互いに異なるデューティ（Ｄｕｔｙ）比を有する複数種類の回折格子を、最終的にレーザチップ幅となる領域内に形成する。１．５μｍ帯の半導体レーザでは、回折格子周期は約２４０ｎｍである。この周期は、電子ビーム描画装置で均一で大面積（５ｍｍ×５ｍｍ）のパターンを形成した後に、波長３６３．８ｎｍのアルゴンイオンレーザ光を用いた回折角測定で校正することができる。回折格子の凹凸のデューティ比が１：１のときκＬが最大となる。このデューティ比が１：１からずれると、結合係数（κ）と共振器長（Ｌ）との積（κ×Ｌ）は小さくなる。ここでは、２４０ｎｍ周期の回折格子において、回折格子層表面の凹凸のへこみ（単一の回折格子のためのレジストパターン列における隣接レジストパターンの間隔）が１１０ｎｍから１５０ｎｍまで５ｎｍ間隔で変化された９種類のデューティ比の回折格子パターンを描画する。また、１．３μｍ帯の半導体レーザでは、回折格子周期は約２００ｎｍである。デューティ比が１：１となる１００ｎｍを含む９０ｎｍから１３０ｎｍまで５ｎｍ間隔で９種類の周期を持つ回折格子パターンを描画する。

図６を参照すると、Ｘ軸の方向の素子サイズＬＸに対応したサイズ値でＸ軸の方向に周期的に（例えば３周期分）周期構造４２ａ〜４２ｇが描かれている。また、周期構造４２ａ〜４２ｇの各々は、Ｙ軸の方向の素子サイズＬＹに対応したサイズ値でＸ軸の方向に周期的に（例えば３周期分）描かれている。Ｘ軸の方向に関しては、周期構造４２ａ〜４２ｇのうちのいずれの周期構造を起点として素子サイズＬＸの長さに、必ず周期構造４２ａ〜４２ｇの全てが含まれる。

図６に示されるように、モニタ構造物４４は、例えば複数の溝４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ、４４ｆ、４４ｇを含む。溝４４ａ〜４４ｇはそれぞれ幅Ｂ１〜Ｂ７を有し、幅Ｂ１〜Ｂ７は互いに異なる。溝４４ａ〜４４ｇは、例えばＹ軸の方向に配列されており、溝４４ａ〜４４ｇの各々はＸ軸の方向に延在する。

図７（ａ）はモニタ構造物４４の近傍を示す平面図であり、図７（ｂ）はモニタ構造物４４における断面を示す図面である。溝４４ａ〜４４ｇを形成するエッチングにおいて、マイクロローディング効果により、溝幅Ｇ１〜Ｇ７に依存して溝の深さＤ１〜Ｄ７が変動する。溝４４ａから溝４４ｇへの配列において、周期は一定であり、隣接する溝の幅が単調に減少する。このため、溝４４ａから溝４４ｇへの配列において、隣接する溝の間の距離と当該溝の幅とにより規定される比も単調に変化するする。この比の変化は、デューティ比の変化と類似の影響をエッチングに与えると考えられる。溝の深さを原子間力顕微鏡で測定するためのプローブをモニター構造物の位置に容易に合わせられるように溝のＸ軸方向の大きさは５ｍｍとする。

エッチング後に実際の回折格子の凹部の深さを測定するとき、実際の深さを正確に知ることができるとも考えられる。しかしながら、複数種類のデューティ比の回折格子の各々を測定する作業が膨大となる。デバイスを作製するエリアと異なるエリアに、実際の回折格子とは別の構造の疑似回折格子構造を含むモニタ構造物４４を用意することができる。この計測用のモニタ構造物４４を用いて、膨大な測定作業を避けて、実用的な時間内で所望の回折格子を得ることができる。モニタ構造物４４は、デューティ比が異なるマスクパターンを用いるエッチングによって形成される。モニタ構造物４４のためのマスクパターンでは、回折格子のための実際のマスクパターンにおけるパターン密度が異なるけれども、反応性イオンエッチングにおけるマイクロローディング効果によって深さに差が生じる。モニタ構造物４４の測定結果を利用するために、同じデューティ比のパターンについて、素子のための実際の回折格子における溝の深さとモニタ構造物における溝の深さとの対応付けを行う。

モニタ工程では、モニタ装置４７を用いて、溝４４ａ〜４４ｇの深さを測定する。モニタ装置４７として、例えば原子間力顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡等を用いることができる。

モニタ構造物４４の深さ測定をマスク３１の除去に先だって行うことができる。マスク３１の厚さに関する量を用いてモニタ構造物の測定値を補正することによって、エッチングによるマイクロローディング効果の影響を考慮して、所望の結合係数を有する周期構造を選ぶことができる。マスク３１が残されているので、追加のエッチングによりエッチング量を調整できる。あるいは、モニタ構造物４４における深さの測定をマスク３１の除去の後に行うことができる。溝の段差を直接に測定して、モニタ構造物４４の測定結果を得ることができる。

モニタ構造物４４の深さの測定値を記録する。この記録は、例えば電子計算機のメモリまたは記録媒体等に格納される。モニタ構造物４４の深さの測定値は、所望のκ×Ｌを与える周期構造を一群の周期構造４２ａ〜４２ｇから選択するときに用いられる。

図８（ａ）は、実際の回折格子抜け幅ｗ、積κ×Ｌ及び実際の回折格子溝の深さｄ０〜ｄ３との関係を示す図面である。抜け幅ｗは回折格子パターン工程において電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって測定される。この関係図は、回折格子抜け幅及び実際の回折格子溝の深さ等を測定することによって作成される。このとき、簡易な測定を行うことが可能な検査パターン、つまりモニタ構造物４４において深さを測定して、実際の回折格子溝の深さｄ０〜ｄ３に替えて、実際の回折格子抜け幅ｗ、積κ×Ｌ及びモニタ構造物４４の溝の深さＧ０〜Ｇ３の関係を作成することができる。図８（ｂ）は、実際の回折格子抜け幅ｗ、積κ×Ｌ及びモニタ構造物４４の溝の深さＧ０〜Ｇ３との関係を示す図面である。図８（ｂ）に示される関係図を用いることによって、モニタ構造物４４の有用性が理解される。

再び半導体レーザの作製の工程に戻る。図９（ａ）に示されるように、工程Ｓ１０５では、半導体領域４９を成長する。半導体層４９は、例えばｐ型ＩｎＰクラッド層及びｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層を含むことができる。この工程において、回折格子層２５ａを半導体領域４９で覆ってエピタキシャル基板Ｅ２を作製する。

図９（ｂ）に示されるように、工程Ｓ１０６では、メサストライプを形成する。モニタ構造物４４の測定結果から、当該エピタキシャル基板Ｅ２において、回折格子のための周期構造４２ａ〜４２ｇから、所望のκ×Ｌ値を与えることができる周期構造を選択することができる。本実施例では、図１０に示されるように、周期構造４２ａ〜４２ｇの内から周期構造４２ｃが選択されて、後の工程において、周期構造４２ｃを含むメサストライプが形成される。ストライプメサは、所望のκ×Ｌ値を与えることができる周期構造を含むように位置決めされる。周期構造４２ａ〜４２ｇの内いずれの周期構造が選ばれても、ストライプメサの配列は周期的になる。これ故に、レーザ素子の素子サイズは変更されない。

図９（ｂ）を参照しながらストライプ形成の一例を説明する。メサストライプの向き及び幅を規定するマスク５１を形成する。マスク５１の形成は、例えばフォトリソグラフィ及びエッチングを用いることができる。先の工程で作製されたアライメントマーク（W１またはW２）を用いて、所望の周期構造上にマスク５１を位置決めできる。先の実施例では、第２アライメントマークW２が、ナノインプリンティンンティング法を用いて第１のマスクに形成する方法を説明したが、電子ビーム露光法を用いても同様のパターンを形成することができる。マスク５１の位置決めには、エピタキシャル基板Ｅ１に形成された第１アライメントマークＷ１を用いても、或いは、基板生産物に形成された第２アライメントマークＷ２を用いても行うことができる。第１アライメントマークＷ１を用いて、電子ビーム露光法のための露光、或いはナノインプリンティング法のためのモールドの位置合わせを行い、さらに、マスク５１の位置決めを行った場合は、同じアライメントマーク（Ｗ１）を用いて行われるので、所望の回折格子を含むストライプメサを作製できる。また、第１のパターン３１ａ及び第２のパターン３１ｂの相対配置が、第１のマスクのためのパターンを形成する工程において常に保たれる。ところで、エピタキシャル基板Ｅ１に形成された第１アライメントマークＷ１は、その後のエピタキシャル成長により、一部または全部が被覆される可能性があるので、この場合は、第２アライメントマークＷ２を用いてマスク５１の位置決めを行うのが好適である。さらに、ナノインプリンンティング法を用いて第２アライメントマークを含むパターンが形成されたモールドを用いて、第１のマスクを形成し、この第２アライメントマークを用いて、マスク５１の位置決めを行った場合は、第１及び第２のパターンの相対位置が、第１のマスクを形成するためのモールドに形成されたパターン精度によって担保される。マスク５１は例えばシリコン系無機絶縁膜からなることができ、シリコン系無機絶縁膜は例えばＳｉＮである。マスク５１の厚さは例えば０．５μｍである。ＳｉＮのためのエッチングガスは、例えばＣＦ_４を含むことができる。反応性イオンエッチングを用いてＳｉＮ膜にレジストのパターンを転写する。エッチング終了後に、Ｏ_２プラズマアッシングを用いてレジストを除去する。これによってマスク５１が形成される。マスク５１を用いてエピタキシャル基板Ｅ２をエッチングして、ストライプメサ５３を形成する。ストライプメサ５３は半導体層１５ｂ、１７ｂ、１９ｂ、２１ｂ、２３ｂ、２５ｂ、４９ｂを含む。このエッチングは、ドライエッチング、ウエットエッチングのいずれを用いても良い。例えばウエットエッチングを用いることには、Ｂｒメタノールをエッチャントとして用いて、半導体をエッチングする。サイドエッチングで活性層の幅が１．２μｍとなる時間で停止させる。ストライプメサの高さは例えば２．０μｍ程度である。

図１１（ａ）に示されるように、工程Ｓ１０７では、マスク５１を用いてメサストライプ５３を埋込層５５で埋め込む。埋込層５５は、例えばｐｎ埋込構造、又は半絶縁性埋込構造を用いることができる。ｐｎ埋込構造を用いるとき、まず、厚さ１μｍのｐ型ＩｎＰ層を成長し、次いで厚さ１μｍのｎ型ＩｎＰ層を成長し、さらに、厚さ０．２μｍのｐ型ＩｎＰ層を成長する。埋込成長工程の後に、マスク５１を除去する。ＳｉＮマスクは例えばフッ化水素酸で除去される。マスク５１の除去の後に、ストライプメサ５３の最上層のキャップ層を除去して、メサ５３ａを形成する。キャップ層がＩｎＧａＡｓからなるとき、リン酸と過酸化水素水の混合溶液で選択エッチングして除去できる。

図１１（ｂ）に示されるように、工程Ｓ１０８では、半導体領域５７を成長する。半導体領域５７は、例えばｐ型ＩｎＰクラッド層５７ａ及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５７ｂを含むことができる。この工程において、メサ５３ａ及び埋込層５５を半導体領域５７で覆ってエピタキシャル基板Ｅ３を作製する。

電極形成工程では、エピタキシャル基板Ｅ３上に電極を形成する。まず、コンタクト窓を有する絶縁膜を形成する。コンタクト窓及び絶縁膜上に、ＴｉＰｔＡｕのオーミック金属を蒸着する。リフトオフ法により電極にパターン形成を行って、基板生産物を得る。基板生産物を加熱しオーミック金属と半導体界面に合金層を形成する。オーミック金属部分にＡｕメッキ層を形成する。半導体基板１１の裏面を研磨して厚さ約１００μｍ程度までに薄くする。研磨面にＡｕＧｅオーミック金属を蒸着し、合金化処理を行って、最終の基板生産物を得る。

この基板生産物を分離して、レーザバーを作製する。個々のレーザバーから多数の半導体レーザチップを得る。回折格子のための複数の周期構造が周期的に配列されているので、メサストライプが、一チップ分のサイズの所望の位置になるように、レーザバーを切断できる。

これらの工程によって、半導体レーザを作製できる。

以上説明したように、半導体レーザチップとなる領域に複数の回折格子をエッチングにより形成する。これらの回折格子は、互いに異なるデューティ比を持つ。各回折格子は、周期とデューティ比とによって規定される溝の配列を有する。回折格子の組に加えて、これらの回折格子と同一のデューティ比を持つ測定用パターンを準備する。回折格子を形成するエッチングにより、測定用パターンに対応した溝が形成される。溝の深さ測定用パターンの溝の深さ、及び実際の回折格子の溝の深さを測定し、これらの溝の深さ及びデューティ比と所望の結合係数を有する回折格子パターンとの関係を予め求めておく。実際の半導体レーザの作製において所望の結合係数を得るために、測定用パターンの溝の深さの測定値及び測定用パターンのデューティ比を利用して、多数のデューティ比の周期構造から適切な結合係数の周期構造を選ぶことができる。ストライプ形成時に選択した回折格子上にストライプを形成する。これ故に、回折格子エッチング深さの変動による結合係数の変化によって生じる半導体レーザの特性変動を抑制でき、歩留が向上する。

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。

１１…基板、１１ａ…基板主面、１１ｂ…第１のエリア、１１ｃ…第２のエリア、１３…半導体領域、１３ａ…半導体領域主面、１５、１７、１９、２１、２３、２５…III−Ｖ化合物半導体層、１５ｂ、１７ｂ、１９ｂ、２１ｂ、２３ｂ、２５ｂ、４９ｂ…半導体層、２７…量子井戸構造、２７ａ…障壁層、２７ｂ…井戸層、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３…エピタキシャル基板、Ｗ１、Ｗ２…アライメントマーク、２９…マスク、２５ａ…回折格子層、３１…マスク、３１ａ…第１のパターン、３１ｂ…第２のパターン、３２ａ〜３２ｇ…パターン部、３３…絶縁膜、３５…レジスト、３５ａ…レジストマスク、４１…モールド、４２ａ、４２ｂ…モールドのパターン、ＰＷ２…第２アライメントマーク、４３…モニタ構造物、３３ａ…絶縁膜マスク、４２ａ〜４２ｇ…周期構造、４４…モニタ構造物、４４ａ〜４４ｇ…溝、４７…モニタ装置、４９…半導体領域、５１…マスク、５３…ストライプメサ、５５…埋込層、５７…半導体領域、５７ａ…ｐ型ＩｎＰクラッド層、５７ｂ…ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層

Claims (10)

1. 半導体光素子を作製する方法であって、
   第１及び第２のエリアを有する基板上に、一又は複数の半導体層を含む半導体領域を形成する工程と、
   素子サイズに対応したサイズ値で周期的に前記第１のエリア上に設けられた第１のパターンと前記第２のエリア上に設けられた第２のパターンとを有する第１のマスクを、電子ビーム露光法及びナノインプリンティング法のいずれかを用いて、前記半導体領域上に形成する工程と、
   前記第１のマスクを用いて前記半導体領域をエッチングして、前記第１のパターンに対応する複数の回折格子用の周期構造を前記第１のエリア上の前記半導体領域に形成すると共に前記第２のパターンに対応する該周期構造の形状のモニタ用のモニタ構造物を前記第２のエリア上の前記半導体領域に形成する工程と、
   前記エッチングの後に、前記第１のマスクを除去する工程と、
   前記モニタ構造物の測定を行うと共に、該測定の結果を記録する工程と、
   前記測定後に、半導体層を前記半導体領域上に成長する工程と、
   前記モニタ構造物の測定結果に基づいて、前記複数の周期構造のうちから所望の周期構造を決定する工程と、
   前記所望の周期構造上にパターンを有する第２のマスクを形成する工程と、
   前記第２のマスクを用いて、前記所望の周期構造を含むストライプメサを形成する工程と、
   を備え、
   前記複数の周期構造の各々は所定の軸の方向に延在し、
   前記複数の周期構造は同一の周期性を有すると共に互いに異なるデューティ比を有し、
   前記モニタ構造物は、異なるデューティ比を有するように配列され互いに幅の異なる複数の溝を含み、前記モニタ構造物の前記測定では、前記モニタ構造物の前記溝の深さを測定し、
   前記回折格子用の周期構造の前記第１のパターン及び前記モニタ用のモニタ構造物の前記第２のパターンにおける同じデューティ比のパターンについて、前記周期構造における溝の深さと前記モニタ構造物における溝の深さとの対応付けが行われており、前記複数の周期構造のうちから所望の周期構造を決定する工程では、該対応付けを用いて前記モニタ構造物の前記測定の結果を利用し、前記複数の周期構造のうちの一周期構造を前記所望の周期構造として選択し、
   前記第２のマスクは、前記所望の周期構造以外の残りの周期構造上に開口を有し、
   前記所望の周期構造以外の残りの周期構造は、前記ストライプメサの形成の際に除去される、ことを特徴とする方法。
2. 前記ストライプメサを埋め込む埋込層を成長する工程と更に備える、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
3. 前記複数の溝は、前記所定の方向に配列されており、
   前記複数の溝の配列において、隣接した溝の間隔は互いに異なり、
   前記複数の溝の各々は、前記所定の方向に交差する方向に延在する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された方法。
4. 前記モニタ構造物の測定は、原子間力顕微鏡を用いて前記溝の深さを測定する、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された方法。
5. 前記第２のエリア上の半導体領域に第１アライメントマークを形成する工程を備え、
   前記第１のマスクを形成する工程において、前記電子ビーム露光法のための露光、またはナノインプリンティング法のためのモールドの位置合わせは、前記第１アライメントマークに位置を合わせて行われ、
   前記第２のマスクの前記パターンは、前記第１アライメントマークを合わせて位置合わせされる、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された方法。
6. 前記第１のマスクはナノインプリンティング法を用いて作製され、
   前記第１のマスクは第２アライメントマークのためのパターンを有しており、
   前記第２のマスクの前記パターンは、前記第２アライメントマークを合わせて位置合わせされる、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された方法。
7. 前記モニタ構造物の測定は、前記第１のマスクの除去の後に行われる、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された方法。
8. 前記モニタ構造物の測定は、前記第１のマスクの除去に先だって行われる、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された方法。
9. 前記ストライプメサは、第１の光ガイド層、活性層、第２の光ガイド層及び回折格子層を含み、
   前記回折格子は前記活性層に光学的に結合されており、
   前記第１の光ガイド層、前記活性層、前記第２の光ガイド層、及び前記回折格子層は当該半導体光素子の支持基体上に順に配列されており、
   当該半導体光素子は、分布帰還型半導体レーザを含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された方法。
10. 前記測定の結果に基づいて、追加のエッチングを行うことにより、前記複数の周期構造のエッチング量を調整する、ことを特徴する請求項９に記載された方法。

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