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JPH07221392A - 量子細線の作製方法、量子細線、量子細線レーザ、及び量子細線レーザの作製方法、回折格子の作製方法、及び分布帰還型半導体レーザ - Google Patents

量子細線の作製方法、量子細線、量子細線レーザ、及び量子細線レーザの作製方法、回折格子の作製方法、及び分布帰還型半導体レーザ

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Publication number
JPH07221392A
JPH07221392A JP6013894A JP1389494A JPH07221392A JP H07221392 A JPH07221392 A JP H07221392A JP 6013894 A JP6013894 A JP 6013894A JP 1389494 A JP1389494 A JP 1389494A JP H07221392 A JPH07221392 A JP H07221392A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor
layer
quantum wire
mask
semiconductor layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP6013894A
Other languages
English (en)
Inventor
Katsuhiko Goto
勝彦 後藤
Yutaka Mihashi
豊 三橋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP6013894A priority Critical patent/JPH07221392A/ja
Priority to GB9501858A priority patent/GB2286288B/en
Priority to US08/385,168 priority patent/US5518955A/en
Priority to DE19504117A priority patent/DE19504117A1/de
Publication of JPH07221392A publication Critical patent/JPH07221392A/ja
Priority to US08/611,579 priority patent/US5684823A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 加工損傷のない細線を得ること、及び細線の
間隔を狭くして高密度に細線を形成することが可能な量
子細線の作製方法、またこれと同様な方法にて得られる
回折格子の作製方法を得る。 【構成】 ＩｎＰ基板１上に絶縁膜２を〈０／１／１〉
方向のストライプ状に所定間隔でパターニングし、この
上にＩｎＰ３を選択成長して（１１１）Ｂ面を側面とす
る微小な選択成長層３を形成し、該選択成長層３の（１
１１）Ｂ面以外の部分，即ち選択成長領域の上面と、そ
の間の底面に、同時に細線４ａ，４ｂを成長するように
した。 【効果】 高密度に細線を作ることができ、かつ加工損
傷のない高品質の細線を得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体レーザ等で用
いられる量子細線や、回折格子等の半導体微細構造，及
びその作製方法に関するものであり、より詳しくは、量
子細線の作製方法、量子細線、量子細線レーザ、及び量
子細線レーザの作製方法、回折格子の作製方法、及び分
布帰還型半導体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図１２ないし図１６はＩＥＥＥ ジャー
ナル オブ カンタム エレクトロニクス，ＱＥ−２２
巻，９号，１９１５〜１９２１頁（IEEE Journal of Qu
antumElectronics, Vol.QE-22, No.9, September 1986
p.1915 〜1921）に示された量子細線，及び量子箱の効
果を説明するための図である。
【０００３】図１２はバルク活性層を示す斜視図であ
り、図において、９１は厚さが２０ｎｍ以上のＧａＡｓ
からなるバルク層、９２はＧａＡｓバルク層９１を挟む
ように配置されたＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓからなるクラッ
ド層である。図１３は量子薄膜活性層を示す斜視図であ
り、図において、９３は厚さ１０ｎｍのＧａＡｓからな
る量子薄膜である。図１４は量子細線を示す斜視図であ
り、図において、９４は厚さ１０ｎｍ，幅１０ｎｍのＧ
ａＡｓからなる量子細線である。図１５は量子箱を示す
斜視図であり、図において、９５は厚さ１０ｎｍ，幅１
０ｎｍ，奥行１０ｎｍのＧａＡｓからなる量子箱であ
る。図１６は半導体レーザに上記バルク層９１，量子薄
膜９３，量子細線９４，及び量子箱９５が適用された場
合に得られる量子効果を示したグラフで、縦軸には得ら
れる最大ゲイン、横軸には注入されるキャリア密度を示
している。
【０００４】次に原理，動作について説明する。半導体
レーザの発光領域となる活性層は、活性層のバンドギャ
ップより大きな材料で囲まれることにより、活性層に注
入されるキャリアが、活性層内に効率良く閉じ込められ
るようになっている。ここでの説明ではバンドギャップ
の差を０．２６ｅＶ程度とった場合について述べる。図
１２は従来から広く用いられているバルク活性層９１の
場合であるが、これを図１３のように２０ｎｍ以下に薄
くして量子薄膜９３と呼ばれる状態にすると、活性層に
注入されるキャリア密度が同一でも大きなゲインが得ら
れるようになる。このような量子効果を幅方向にも適用
したものが図１４に示した量子細線９４であり、さらに
奥行方向にも適用したものが、図１５に示した量子箱９
５である。図１６はこれらそれぞれの活性層構造におけ
るキャリア密度に対するレーザの最大ゲインの計算値を
示す図であり、図からわかるように、キャリア濃度が３
〜４×１０18cm-3においては、バルク９１、量子薄膜９
３、量子細線９４、量子箱９５の順番にゲインが高くな
っていく。レーザの発振しきい値電流は得られるゲイン
が大きいほど小さくなるため、上述のキャリア濃度の範
囲においてはバルク９１，量子薄膜９３，量子細線９
４，量子箱９５の順にしきい値が低くなっていく。
【０００５】現状では、バルク活性層９１と量子薄膜９
３が用いられた半導体レーザが実用化されており、量子
細線９４，量子箱９５については作製が困難であるため
半導体レーザにおける実用化には至っていないが、量子
細線９４については最近活発に研究が進められており、
半導体レーザの試作も試みられている。
【０００６】図１７は、例えば、東大の多田教授の論文
“ＯＭＶＰＥによる量子細線構造レーザ”（以下、文献
(1) という）に記載された、従来の量子細線レーザの構
造を示す図であり、図において、２０１はｎ型ＩｎＰ基
板、２０２はｎ型ＩｎＰバッファ層、２０３はｎ型Ｇａ
ＩｎＡｓＰ導波路層、２０４はｎ型ＩｎＰバリア層、２
０５はノンドープＧａＩｎＡｓＰ量子井戸層、２０６は
ｐ型ＩｎＰ層、２０７はｐ型ＩｎＰクラッド層、２０８
はｐ+ 型ＧａＩｎＡｓＰキャップ層２０８、２０９はＳ
ｉＯ2 膜、２１０はＡｕ／Ｚｎからなるｐ側電極、２１
１はＡｕ／Ｓｎからなるｎ側電極である。また、図１８
は図１７に示す量子細線レーザの製造工程を示す図であ
り、図において、図１７と同一符号は同一又は相当部分
である。
【０００７】以下、図１８に沿って図１７に示す量子細
線レーザの製造工程を説明する。まず、ｎ型ＩｎＰ基板
２０１上にｎ型ＩｎＰバッファ層（キャリア濃度２×１
０18cm-3，層厚２μｍ）２０２，ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ導
波路層（１．３μｍ組成，キャリア濃度２×１０18c
m-3，層厚約５０ｎｍ）２０３，ｎ型ＩｎＰバリア層
（キャリア濃度２×１０18cm-3，層厚２０ｎｍ）２０
４，ノンドープＧａＩｎＡｓＰ量子井戸層（１．５６μ
ｍ組成，層厚約３０ｎｍ）２０５，及びｐ型ＩｎＰ層
（キャリア濃度５×１０17cm-3，層厚２０ｎｍ）２０６
をＯＭＶＰＥ法により順次結晶成長する（図１８(a)
）。
【０００８】このような単層量子井戸構造を干渉露光法
及びウエットエッチングを用いて活性層の多次元化を行
なう。即ち、〈０１／１〉方向にＨｅ−Ｃｄレーザビー
ムの干渉露光により形成した周期約２２０ｎｍのレジス
トパターンをマスクとして、ＨＢｒ：ＨＮＯ3 ：Ｈ2 Ｏ
によるウエットエッチングを行ない、深さ約６０ｎｍの
グレーティング形状を形成する（図１８(b) ）。
【０００９】レジストを除去した後、ＯＭＶＰＥ法によ
り比較的低い温度（６００℃前後）でｐ型ＩｎＰクラッ
ド層（キャリア濃度５×１０17cm-3，層厚２μｍ）２０
７，及びｐ+ 型ＧａＩｎＡｓＰキャップ層２０８の再成
長を行ない（図１８(c) ）、さらに、電極形成等の工程
を経て、図１７に示す量子細線レーザが完成する。
【００１０】また、図１９は例えばアプライドフィジク
スレターズ，１９８９年，５５巻，２６号，２７１５〜
２７１７頁（"single quantum wire semiconductor las
ers"by E. Kapon, et al., Appl. Phys. Lett. 55(26),
25 December (1989), pp2715-2717)（以下、文献(2)
という）に開示された、従来例の他の量子細線レーザの
構造を示す断面構造図である。
【００１１】図において、１０１は表面が（１００）面
であるｎ型ＧａＡｓ基板である。１０９は上記基板１０
１の表面に〔０１／１〕方向に形成されたＶ溝であり、
１０９ａはＶ溝底、１０９ｂはＶ溝斜面である。１２１
は厚さ１．２５μｍのｎ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ下クラ
ッド層１２１は基板１０１上に配置される。また、厚さ
０．２μｍのｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ下グレーデッドク
ラッド層１２２は下クラッド層１２１上に配置され、そ
のＡｌ組成比ｘは下クラッド層１２１に接する側が０．
５であり上層に向かって０．２まで徐々に変化してい
る。厚さ７ｎｍのＧａＡｓからなる量子薄膜活性層１２
３は下グレーデッドクラッド層１２２上に配置され、１
２３ａはＶ溝底１０９ａ上の領域、１２３ｂはＶ溝斜面
１０９ｂ上の領域である。厚さ０．２μｍのｐ型Ａｌx
Ｇａ1-x Ａｓ上グレーデッドクラッド層１２４は活性層
１２３上に配置され、そのＡｌ組成比ｘは活性層１２３
に接する側が０．２であり上層に向かって０．５まで徐
々に変化している。また、厚さ１．２５μｍのｐ型Ａｌ
0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ上クラッド層１２５は上グレーデッド
クラッド層１２４上に配置され、厚さ０．２μｍのｐ型
ＧａＡｓキャップ層１０５は上クラッド層１２５上に配
置される。また、１０６はプロトン注入により形成され
た電流阻止領域、１０７はｐ側電極、１０８はｎ側電極
である。
【００１２】この従来の量子細線半導体レーザは、以下
のようにして作製される。即ち、まず、（１００）ｎ型
ＧａＡｓ基板１０１上に、〔０１／１〕方向に延びるス
トライプ状のＶ溝１０９を、Ｈ2 ＳＯ4 ：Ｈ2 Ｏ2 （３
０モル％）：Ｈ2 Ｏ（体積比１：８：４０）をエッチン
グ液として用いて形成する。溝の開口幅，及び深さはい
ずれも約５μｍである。
【００１３】次に、このように溝１０９が形成された基
板１０１上にＭＯＣＶＤ( Metalorganic Chemical Vapo
r Deposition) 法によって、ＡｌＧａＡｓ下クラッド層
１２１，ＡｌＧａＡｓ下グレーデッドクラッド層１２
２，ＧａＡｓ量子薄膜活性層１２３，ＡｌＧａＡｓ上グ
レーデッドクラッド層１２４，ＡｌＧａＡｓクラッド層
１２５，及びＧａＡｓキャップ層１０５を順次積層させ
る。このような一連の結晶成長を行うと、各ＡｌＧａＡ
ｓ層はＶ溝１０９の形を残し、Ｖ溝１０９の斜面１０９
ｂ上でやや厚く成長するが、ＧａＡｓの量子薄膜活性層
１２３はＶ溝底部１０９ａ上で比較的厚く成長し、１０
ｎｍ厚の三日月状の領域１２３ａとなる。一方、溝の斜
面１０９ｂ上の活性層１２３ｂは７ｎｍ程度と薄いた
め、量子効果により、三日月状活性層１２３ａよりもバ
ンドギャップが大きくなっている。従って、三日月状活
性層１２３ａは、もともと活性層１２３を構成する材料
よりもバンドギャップの大きな材料からなる上下グレー
デッドクラッド層１２２，１２４によって上下方向を、
層厚の違いにより三日月状活性層１２３ａよりもバンド
ギャップの大きい活性層１２３ｂによって横方向を囲ま
れた量子細線構造となる。
【００１４】上述の結晶成長工程の後、Ｖ溝の底部１０
９ａに対向する領域以外の領域に、キャップ層１０５表
面からプロトンをイオン注入し、電流阻止領域１０６を
形成する。この後、ｐ側電極１０７をキャップ層１０５
上に、ｎ側電極１０８を基板１０１裏面にそれぞれ形成
する工程等を経て図１８に示す半導体レーザが完成す
る。
【００１５】レーザ動作については、ｎ側電極１０８に
陰極，ｐ側電極１０７に陽極の電流源を接続し電流注入
を行なうと、電流は電流阻止領域１０６の存在しない、
Ｖ溝の底部１０９ａ上の領域を通過して量子細線１２３
ａへ注入されレーザ発振が起こる。
【００１６】また、図２０は例えばジャーナル・オブ・
クリスタル・グロウス，１０７号，５９１〜５９７
頁（"Patterning and overgrowth of nanostructure qu
antum well wire arreys by LP-MOVPE" by N. H. Kara
m, et al., Journal of Crystal Growth 107 (1991) 59
1-597, North-Holland ）（以下、文献(3) という）に
記載された従来の量子細線の作製方法を示す工程図であ
り、図において、３０１はＧａＡｓウェハ、３０２はＧ
ａＡｓウェハ３０１上に結晶成長された第１のＡｌＧａ
Ａｓ層、３０３は第１のＡｌＧａＡｓ層３０２上に結晶
成長されたＧａＡｓ層、３０４はＶ溝、３０５は低圧有
機金属気相成長エピタキシ（ＬＰ−ＭＯＶＰＥ）により
結晶成長された第２のＡｌＧａＡｓ層である。
【００１７】本従来例においては、Ｘ線ナノリソグラフ
ィパターニングと、ＬＰ−ＭＯＶＰＥ技術によるオーバ
ー成長とを用いて、１０〜７０ｎｍの範囲の水平寸法を
持ち、かつ２００ｎｍの周期を持つナノミクロンスケー
ルのＧａＡｓ量子井戸細線（ＱＷＷ）アレイを作製して
いる。
【００１８】以下、この文献(3) に記載された従来の量
子細線の作製方法を図について説明する。まず、図２０
(a) に示すように、５〜２０ｎｍ厚のＧａＡｓ膜３０３
が第１のＡｌＧａＡｓ層３０２がコートされたＧａＡｓ
基板３０１上に堆積される。ウェハはその後、Ｘ線ナノ
リソグラフィ技術を用いた写真製版によりパターニング
され、ＮＨ4 ＯＨ：Ｈ2 Ｏ2 ：Ｈ2 Ｏ液（これはＧａＡ
ｓとＡｌＧａＡｓを同じレートでエッチングする）でエ
ッチングされ、図２０(b) に示すように、２００ｎｍの
周期を持つ、幅６０〜８０ｎｍのＧａＡｓワイヤアレイ
３０３ａとＡｌＧａＡｓ中に達するＶ溝３０４とが形成
される。続いて、ウェハは洗浄されて、ＭＯＣＶＤ反応
炉に搭載され、Ｖ溝３０４及びＧａＡｓワイヤアレイ３
０３ａを埋め込むように第２のＡｌＧａＡｓ層３０５を
結晶成長することにより、図２０(c) に示す量子細線構
造が完成する。
【００１９】図２１は同じく文献(3) に記載された従来
の他の量子細線の作製方法を示す図であり、図におい
て、４０１はＧａＡｓウェハ、４０２はＧａＡｓウェハ
４０１に形成されたＶ溝、４０３は第１のＡｌＧａＡｓ
層、４０４はＧａＡｓ量子細線、４０５は第２のＡｌＧ
ａＡｓ層である。
【００２０】まず、ＧａＡｓウェハ４０１は上記図２０
に示す作製方法で用いたパターニング方法と同様の方法
でパターニングされ、２００ｎｍの周期を持つ鋸歯状の
構造が形成される（図２１(a) ）。ここで、Ｖ溝４０２
の深さは、代表的に４０〜６０ｎｍの範囲にあり、これ
は溝幅およびエッチレートの遅い（１１１）Ａ面により
決定される。続いて、ウェハは洗浄され、反応炉に入れ
られ、図２１(b) に示すように、第１のＡｌＧａＡｓ層
４０３，ＧａＡｓ量子細線４０４，及び第２のＡｌＧａ
Ａｓ層４０５が連続的に結晶成長される。ここで、Ｇａ
Ａｓ層は、基板４０１に形成されたＶ溝４０２を踏襲し
て第１のＡｌＧａＡｓ層４０３の表面に生じたＶ溝内の
みに結晶成長され、これにより、このＧａＡｓ層４０４
が第１のＡｌＧａＡｓ層４０３及び第２のＡｌＧａＡｓ
層４０５に取り囲まれた量子細線構造が得られる。作製
された量子細線の寸法は、１５ｎｍ／サイド（幅約３０
ｎｍ）であり、この従来例では、このような量子細線が
約２００ｎｍの周期に集積された量子細線構造を実現し
ているものである。
【００２１】また、図２２は例えばジャーナル・オブ・
クリスタル・グロウス，１３２号，９１〜９８頁（"InG
aAs/InP quantum wires selectively grown by chemica
l beam epitaxy" by Toshio Nishida, et al., Journal
of Crystal Growth 132 (1993) 91-98, North-Hollan
d）（以下、文献(4) という）に記載された従来の量子
細線の作製方法を示す工程図であり、図において、５０
１は（００１）面のｎ型ＩｎＰ基板、５０２は基板５０
１表面に形成されたＳｉＯ2 パターン、５０３はＳｉＯ
2 パターン５０２の開口部分において基板５０１表面に
結晶成長されたＩｎＰバッファ層、５０４はＩｎＰバッ
ファ層５０３上に結晶成長されたＩｎＧａＡｓウェル
層、５０５はＩｎＧａＡｓウェル層５０４を覆うように
結晶成長されたＩｎＰキャップ層である。
【００２２】この文献に示される従来の量子細線の作製
方法は、電子ビーム（ＥＢ）リソグラフィ技術と、ケミ
カルビームエピタキシ（ＣＢＥ）による成長においては
ＩｎＧａＡｓはｎ型ＩｎＰの（１１１）Ｂ面上には成長
しないことを利用して、微細なＩｎＧａＡｓの量子細線
を形成している。
【００２３】以下、この文献(4) に記載された従来の量
子細線の作製方法を図について説明する。まず、選択成
長のマスク材料はＲＦマグネトロンスパッタリングによ
り堆積されたＳｉＯ2 膜である。Ｓｎドープされた（０
０１）面のｎ型ＩｎＰ基板５０１上にＳｉＯ2 膜を堆積
した後、ＥＢ露光用のレジストをＳｉＯ2 膜上にスピン
コートする。ＳｉＯ2 膜およびレジストの代表的な厚さ
はそれぞれ５０〜１００ｎｍおよび１７０ｎｍである。
次に〔１１０〕方向に沿ったグレーティングパターンを
ＥＢ露光技術により露光する。現像されたレジストパタ
ーンをＣ2 Ｆ6を用いたＲＩＥによりＳｉＯ2 に転写
し、レジストを除去した後、基板を濃硫酸により洗浄す
ることにより、図２２(a) に示すように、表面にＳｉＯ
2 パターン５０２が形成された基板５０１を得る。
【００２４】この後、図２２(b) 〜図２２(d) に示すよ
うに、基板５０１上に、ＩｎＰバッファ層５０３，Ｉｎ
ＧａＡｓ単一量子井戸層５０４およびＩｎＰキャップ層
５０５をＣＢＥ法により順次結晶成長する。ソース材料
はトリメチルインジウム（ＴＭＩ），トリエチルガリウ
ム（ＴＥＧ），ホスフィン（ＰＨ3 ）およびアルシン
（ＡｓＨ3 ）である。成長温度は１０-2Ｐａの圧力のも
とでＩｎＰについて５１５℃、ＩｎＧａＡｓについて５
２０℃としている。
【００２５】図２２(b) に示されるように、〔１１０〕
に沿って成長したＩｎＰバッファ層５０３の両側面上に
は｛１１１｝Ｂ面が現れる。また、図２２(c) に示され
るように、ＩｎＧａＡｓ単一量子井戸層５０４の｛１１
１｝Ｂ面上への面成長は、（００１）面上への成長に比
し大変遅い。この成長速度の差により、図２２(d) に示
すように、ＩｎＰバッファおよびキャップ層の両方によ
り有効に囲まれた、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層を実現する
ことができ、また、ＩｎＧａＡｓ井戸の幅は開口の幅よ
りより小さくすることができる。文献では、１１０ｎｍ
幅の開口に５５ｎｍ幅のＩｎＧａＡｓ井戸が形成された
ものを示している。
【００２６】また、図２３は例えば特開平２−１６３９
２８号公報に記載された、従来の他の量子細線構造また
は量子箱構造の作製方法を示す図である。図において、
６０１はＧａＡｓ基板、６０２は基板６０１上に設けら
れたＳｉＯ2 膜、６０３はＳｉＯ2 膜６０２に設けられ
た開口部、６０４はＧａＡｓバッファ層、６０５は第１
のＡｌＧａＡｓ層、６０６はＧａＡｓ層、６０７は第２
のＡｌＧａＡｓ層である。
【００２７】以下、この従来例の製造工程について説明
する。まず、図２３(a) に示すように、ＧａＡｓ基板６
０１の（１００）面をＳｉＯ2 膜６０２で被覆し、幅ｄ
1 のＳｉＯ2 膜６０２′を挟む開口部６０３を形成す
る。量子細線を形成する場合は、該開口部６０３は幅ｄ
1 のストライプ状のＳｉＯ2 膜６０２′を挟む長方形形
状とし、量子箱を形成する場合は一辺の長さがｄ1 の正
方形形状のＳｉＯ2 膜６０２′を囲む同心の方形形状と
する。
【００２８】上記処理を終えたＧａＡｓ基板６０１上
に、ＭＯＶＰＥ法によりＧａＡｓバッファ層６０４を結
晶成長させる。この結晶成長では、成長速度に異方性が
あり、（１００）面では速く、（１１１）Ｂ面では殆ど
成長しない。従って、図２３(a) のように窓を開けた
（１００）面に選択的にＭＯＶＰＥ法による結晶成長を
行うと、図２３(b) に示すように、（１１１）Ｂ面で囲
まれた、断面三角形の突起を形成したところで結晶成長
は停止し、該突起に囲まれた断面擬Ｖ字型の窪みが形成
される。
【００２９】次に、ＳｉＯ2 膜６０２，６０２′を除去
し、原子層エピタキシー（ＡＬＥ，atomic layer epita
xy）法により第１のＡｌＧａＡｓ層６０５を成長させ
る。ＡＬＥは成分元素毎に原料を供給して、１原子層ず
つ堆積させる成長法であり、異方性を示すことがないの
で、（１００）面と同様に（１１１）Ｂ面にも結晶成長
が進行し、図２３(c) に示すように、第１のＡｌＧａＡ
ｓ層６０５がウエハ全面に成長する。最初ｄ1 の幅があ
った擬Ｖ字型の窪みの底の（１００）面は、第１のＡｌ
ＧａＡｓ層６０５の成長に伴ってその幅が減少するの
で、図に示すように、この幅がｄ2 になるまで第１のＡ
ｌＧａＡｓ層６０５を成長させる。このｄ2が量子細
線，あるいは量子箱の幅となる。
【００３０】続いて、ＭＯＶＰＥ法によりＧａＡｓ層を
数原子層の厚さに堆積形成する。この厚さはキャリア閉
じ込めに適した値に設定され、原料の供給速度と時間に
よって制御される。上述のように、ＭＯＶＰＥ法による
結晶成長は異方性を示し、ＡＬＥにより形成された第１
のＡｌＧａＡｓ層６０５の（１１１）Ｂ面上への成長速
度がほとんど０であるため、事実上（１００）面上のみ
に結晶成長が進行して、図２３(d) に示すように、擬Ｖ
字型の窪みの底面に幅ｄ2 のＧａＡｓ層６０６が形成さ
れる。
【００３１】その後、再びＡＬＥにより第２のＡｌＧａ
Ａｓ層６０７を成長させる。この第２のＡｌＧａＡｓ層
６０７は等方的に成長するので、図２３(e) に示すよう
に、ＧａＡｓ層６０６を包み込むことになり、量子細
線，又は量子箱としての構造が得られる。
【００３２】また、図２４は例えば特開平３−１６２８
８号公報に記載された、従来の回折格子を有する半導体
レーザ素子（ＤＦＢレーザ）の製造方法を示す図であ
る。図において、７０１は表面が（００１）面であるｎ
型ＧａＡｓ基板、７０２はｎ型ＧａＡｓバッファ層、７
０３はｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、７０４はアンド
ープＡｌＧａＩｎＰ活性層、７０５は第１のｐ型ＡｌＧ
ａＩｎＰクラッド層、７０６はｐ型ＧａＩｎＰ回折格子
形成層、７０７は第２のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド
層、７０８はｐ型ＧａＩｎＰ層、７０９はｐ型ＧａＡｓ
コンタクト層、７１１はｐ側電極、７１２はｎ側電極、
７１３はＳｉＯ2 膜、７１４はレジストである。
【００３３】以下、製造工程について説明する。まず、
表面が（００１）面であるｎ型ＧａＡｓ基板７０１上
に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層７０２（厚さ０．５μｍ，
不純物濃度１×１０18cm-3），ｎ型（Ａｌx Ｇａ1-x ）
0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層７０３（厚さ０．８〜１．０
μｍ，不純物濃度１×１０17cm-3，ｘ＝０．６），アン
ドープ（Ａｌy Ｇａ1-y ）0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層７０４
（厚さ０．０４〜０．０８μｍ，０≦ｙ＜０．１），及
び第１のｐ型（Ａｌx Ｇａ1-x ）0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッ
ド層７０５（厚さ０．２〜０．８μｍ，不純物濃度７×
１０17cm-3，ｘ＝０．６）を順次ＭＯＣＶＤ法によって
エピタキシャル成長する。次に、ｐ型クラッド層７０５
上にＳｉＯ2 膜７１３（厚さ０．１〜０．２μｍ）を蒸
着し、さらにホトレジスト７１４を塗布した後、Ｈｅ−
Ｃｄレーザ（波長３２５ｎｍ）を用いて干渉露光法によ
りレジスト７１４に周期ピッチΛ＝２８０〜２９０ｎｍ
のパターニングを行う（図２４(a) ）。この後、レジス
ト７１４をマスクとして、ＳｉＯ2 膜７１３を弗酸溶液
を用いてエッチングし、図２４(b) に示すようにＳｉＯ
2 膜７１３の回折格子パターンを得る。
【００３４】次に、ＭＯＣＶＤ法によりｐ型Ｇａ0.51Ｉ
ｎ0.49Ｐ回折格子形成層７０６（厚さ６０〜１２０ｎ
ｍ，不純物濃度１×１０18〜１×１０19cm-3）を選択成
長することにより、回折格子を図２４(c) に示すような
台形形状に周期的に形成する。この後、ＳｉＯ2 膜７１
３をエッチング除去し、第２のｐ型（Ａｌx Ｇａ1-x ）
0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層７０７（厚さ０．５〜０．８
μｍ，不純物濃度７×１０17cm-3，ｘ＝０．６），ｐ型
Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ層７０８（厚さ０．０５〜０．１μ
ｍ，不純物濃度１〜３×１０18cm-3），及びｐ型ＧａＡ
ｓコンタクト層７０９（厚さ１．０〜２．０μｍ，不純
物濃度５×１０18〜５×１０19cm-3）をＭＯＣＶＤ法に
より埋込成長する。この後、コンタクト層７０９上にｐ
側電極７１１を、基板７０１裏面にｎ側電極７１２を形
成する工程等を経て、図２４(d) に示すＤＦＢレーザが
完成する。
【００３５】この従来例によれば、回折格子の形状をエ
ッチング加工によることなく、結晶成長条件によっての
み決定することができ、回折格子を有する半導体レーザ
素子を再現性よく製造することができる。また、この従
来例では、ＳｉＯ2 膜のパターニングの際に、素子中央
部で位相をλ／４分ずらしたλ／４シフト回折格子パタ
ーンを形成しておくことにより、１０ＧＨｚ以上の高速
変調時においても動的縦単一モードを実現できる半導体
レーザ素子を作製できた旨が記載されている。
【００３６】
【発明が解決しようとする課題】上記文献(1) に記載さ
れた従来の量子細線の作製方法は、上述のように、エピ
タキシャル成長した単層量子井戸構造をエッチングによ
って細線形状に加工しているため、エッチングにより細
線が損傷を受けるという問題があり、特に、ウエットエ
ッチングよりも幅方向の制御性に優れたドライエッチン
グによって細線の形成を行った場合にはその損傷が顕著
であるという問題点があった。また、単層量子井戸構造
を結晶成長して一旦成長炉からウエハを取り出し、エッ
チングによる細線加工を行った後に再び成長炉で埋込成
長を行うようにしているので、埋込再成長を行う際の再
加熱により細線が変形するという問題点もあった。
【００３７】また、上記文献(2) に記載された従来の量
子細線の作製方法は、上記文献(1)の方法のように、エ
ッチングにより細線が損傷を受けたり、再加熱により細
線が変形するという問題はないが、溝のサイズが３〜５
μｍと大きいため、２次元的に高密度に細線を作ること
はできないという問題点があった。
【００３８】また、上記文献(3) に記載された、図２０
に示す従来の量子細線の作製方法も、量子細線となるべ
き半導体層を面状に結晶成長した後に、これをエッチン
グにより細線形状に加工し、その後、再成長によって、
この細線形状の半導体層を埋め込むようにしているた
め、上記文献(1) に記載された従来の量子細線の作製方
法と同様、エッチングにより細線が損傷を受けるという
問題があり、また、埋込再成長を行う際の再加熱により
細線が変形するという問題点があった。
【００３９】また、同じく上記文献(3) に記載された、
図２１に示す従来の量子細線の作製方法は、Ｘ線ナノリ
ソグラフィ技術を用いて、基板に微細な間隔をもってＶ
溝を形成し、これにより量子細線のアレイ化を図ってい
るが、量子井戸細線の寸法と間隔は、１５ｎｍ／サイド
の寸法，かつ２００ｎｍの周期であり、それほど小さい
ものではなかった。
【００４０】また、上記文献(4) に記載された従来の量
子細線の作製方法は、結晶成長の面方位依存性を用い
て、マスクパターンの開口幅よりも細い量子細線を形成
しているが、量子細線間の間隔はマスクパターンの微細
化の限界によって拘束されるという問題点があり、その
値は現在では２０〜３０ｎｍ程度が限界である。
【００４１】また、特開平２−１６３９２８号公報に記
載された従来の量子細線の作製方法は、ＡＬＥの技術と
結晶成長の面方位依存性を用いて、マスクパターン幅よ
りも細い量子細線を形成しているが、量子細線を断面三
角形状に結晶成長した半導体層の間に形成するようにし
ているので、量子細線が微細な間隔で配置されたアレイ
構造を得ることは困難であるという問題点があった。
【００４２】量子細線を半導体レーザに利用する場合、
量子細線によるレーザ特性向上の効果を得るためには、
加工損傷のない細線を得ること、及び細線の間隔を狭く
して高密度に細線を形成することが必要であるが、上記
のような問題点のために、未だにレーザ特性の向上が実
際に確認された例は無いのが実情である。
【００４３】また、一方、分布帰還型（distributed fe
edback：以下、ＤＦＢと称す）レーザの回折格子（グレ
ーティング）は、通常は上記文献(1) に示されるのと同
様の方法で、即ち干渉露光により形成したレジストパタ
ーンをマスクとして、回折格子となるべき半導体層をエ
ッチング成形して形成するようにしている。従って、上
記量子細線の作製方法における問題点でも述べたように
埋込再成長を行う際の再加熱により回折格子の形状が変
形し、再現性よくＤＦＢレーザを製造できないという問
題点がある。また、この方法によって、いわゆるλ／４
シフト型回折格子を形成するためには、レジストパター
ンの形成に、干渉露光を用いた２回の写真製版を行う方
法や、ＥＢ直描により各パターンを順次描画していく方
法を用いなければならず、その作製に時間が長くかかる
こととなり、スループットが悪いという問題点がある。
また、ＤＦＢレーザにおいては、回折格子の高さを部分
的に変えることにより、共振器長方向の光密度分布を調
整し、空間ホールバーニングを抑制することが既に提案
されているが、上述の回折格子の形成方法では均一な高
さの回折格子しか形成できないため、回折格子の高さを
部分的に変えるためには、別工程で部分的にエッチング
する等の方法を適用しなければならないという問題点が
あった。
【００４４】また、特開平３−１６２８８号公報に記載
された従来のＤＦＢレーザの製造方法では、回折格子の
形状をエッチング加工によることなく、結晶成長条件に
よってのみ決定することができ、回折格子を有する半導
体レーザ素子を再現性よく製造することができるが、λ
／４シフト型回折格子の形成や共振器長方向の光密度分
布の調整に関しては上記文献(1) に示される方法を用い
た回折格子の作製方法と同様の問題点を有するものであ
る。
【００４５】この発明は以上のような従来の問題点に鑑
みてなされたもので、加工損傷がなく、かつ細線の間隔
を狭くして高密度に集積された量子細線を形成すること
が可能である，量子細線の作製方法、及びこれにより作
製される，量子細線を提供することを目的としている。
【００４６】またこの発明は、加工損傷がなく、かつ高
密度に集積された量子細線を有し、向上されたレーザ特
性を有する，量子細線レーザ，及びこれを作製するため
の，量子細線レーザの作製方法を提供することを目的と
している。
【００４７】またこの発明は、上記量子細線の作製方法
と同様な方法にて得ることのできる回折格子の作製方法
を提供することを目的としている。
【００４８】またこの発明は、上記回折格子の作製方法
によって作製した回折格子を有する分布帰還型半導体レ
ーザを提供することを目的としている。
【００４９】
【課題を解決するための手段】本発明にかかる量子細線
の作製方法は、第１の半導体の表面に絶縁膜を、１００
ｎｍ以下の幅の微細パターンに形成する工程と、上記絶
縁膜をマスクとして上記第１の半導体の表面に、断面が
台形形状となりその上に第３の半導体の成長の起こらな
い半導体結晶面をその斜面とする第２の半導体層を選択
的に結晶成長する工程と、上記第１，第２の半導体より
バンドギャップの小さい第３の半導体層を、上記第２の
半導体の選択成長層の上記の半導体結晶面よりなる斜面
以外の部分である上記台形形状の上面，及び隣接する該
選択成長層の間の上記第１の半導体の表面に成長し、量
子細線となる第３の半導体層を形成する工程と、その
後、上記第３の半導体よりバンドギャップの大きい第４
の半導体層を、上記第３の半導体層，及び第２の半導体
層上にこれらを埋込むように形成する工程とを含むもの
である。
【００５０】またこの発明は、上記量子細線の作製方法
において、上記第１の半導体をＩｎＰ、上記第２の半導
体をＩｎＰ、上記第３の半導体をＩｎＧａＡｓ、上記第
４の半導体をＩｎＰとしたものである。またこの発明に
かかる量子細線は、上記量子細線の作製方法において、
上記第２の半導体の選択成長層の斜面である半導体結晶
面を、（１１１）Ａ面，または（１１１）Ｂ面としたも
のである。
【００５１】またこの発明は、上記量子細線の作製方法
において、上記第３の半導体層を成長する工程の前に、
上記第２の半導体の選択成長層の斜面，及び上面，及び
隣接する該選択成長層間の上記第１の半導体の表面に、
第１の半導体であるＩｎＰ層を薄く成長する工程を含む
ものとしたものである。
【００５２】またこの発明にかかる量子細線は、第１の
半導体の表面上に、１００ｎｍ以下の幅の微細パターン
になるよう形成した絶縁膜上に、該絶縁膜をマスクとし
て上記第１の半導体の表面上に選択的に結晶成長してな
る、断面が台形形状でその上に第３の半導体の成長の起
こらない半導体結晶面を斜面とする第２の半導体層と、
上記第２の半導体の選択成長層の上記の半導体結晶面の
斜面以外の部分である上記台形形状の上面，及び隣接す
る該選択成長層の間の上記第１の半導体の表面に成長さ
れた、量子細線となる，上記第１，第２の半導体よりバ
ンドギャップの小さい第３の半導体層と、上記第３の半
導体層，及び第２の半導体層上にこれらを埋込むように
形成された、上記第３の半導体よりバンドギャップの大
きい第４の半導体層とを備えたものである。
【００５３】またこの発明にかかる量子細線レーザは、
第１の半導体の表面上に、１００ｎｍ以下の幅の微細パ
ターンになるよう形成した絶縁膜上に、該絶縁膜をマス
クとして上記第１の半導体の表面上に選択的に結晶成長
してなる、断面が台形形状でその上に第３の半導体の成
長の起こらない半導体結晶面を斜面とする第２の半導体
層と、上記台形形状の上記の半導体結晶面の斜面以外の
部分である上記台形形状の選択成長層の上面，及び該隣
接する選択成長層の間の上記第１の半導体の表面に成長
された、量子細線となる，上記第１，第２の半導体より
バンドギャップの小さい第３の半導体層と、上記第３の
半導体層，及び第２の半導体層上にこれらを埋込むよう
に形成された、上記第３の半導体よりバンドギャップの
大きい第４の半導体層とを備えてなる量子細線を、その
活性層に有するものである。
【００５４】またこの発明にかかる量子細線レーザの作
製方法は、第１の半導体の表面に絶縁膜を、１００ｎｍ
以下の幅の微細パターンに形成する工程と、上記絶縁膜
をマスクとして上記第１の半導体の表面に、断面が台形
形状となりその上に第３の半導体の成長の起こらない半
導体結晶面を斜面とする第２の半導体層を選択的に結晶
成長する工程と、上記第１，第２の半導体よりバンドギ
ャップの小さい第３の半導体層を、上記第２の半導体の
選択成長層の上記の半導体結晶面の斜面以外の部分であ
る上記台形形状の上面，及び隣接する該選択成長層の間
の上記第１の半導体の表面に成長し、量子細線となる第
３の半導体層を形成する工程と、その後、上記第３の半
導体よりバンドギャップの大きい第４の半導体層を、上
記第３の半導体層，及び第２の半導体層上にこれらを埋
込むように形成する工程と、以上の工程で得られた半導
体層構造に対し、上記量子細線よりなる活性層への電流
の流れる領域を制限するための電流狭窄構造，及び該活
性層への電流を注入するための電極を形成する工程とを
含むものである。
【００５５】またこの発明にかかる回折格子の作製方法
は、ピッチが１００〜４００ｎｍであるラインアンドス
ペースの第１のマスクと、この第１のマスクの一部を、
該第１のマスクの配列方向と垂直な方向にて両側から挟
む一対の第２のマスクとからなる選択成長用のマスク膜
を、第１の半導体上に形成する工程と、上記マスク膜を
用いて、上記第１の半導体よりも屈折率の大きい第２の
半導体層を選択成長し、上記第２のマスクに挟まれた領
域では他の領域よりも該選択成長層の高さが高くなるよ
うに該成長を行う工程と、上記マスク膜を除去する工程
と、上記第１の半導体上に上記第２の半導体層を形成し
たものの上に、上記選択成長層よりも屈折率の小さい第
３の半導体層をこれらを埋込むように形成する工程とを
含むものである。
【００５６】またこの発明にかかる分布帰還型半導体レ
ーザは、ピッチが１００〜４００ｎｍであるラインアン
ドスペースの第１のマスクと、この第１のマスクの一部
を、該第１のマスクの配列方向と垂直な方向にて両側か
ら挟む一対の第２のマスクとからなる選択成長用のマス
ク膜を、第１の半導体上に形成する工程と、上記マスク
膜を用いて、上記第１の半導体よりも屈折率の大きい第
２の半導体層を選択成長し、上記第２のマスクに挟まれ
た領域では他の領域よりも該選択成長層の高さが高くな
るように該成長を行う工程と、上記マスク膜を除去する
工程と、上記第１の半導体上に上記第２の半導体層を形
成したものの上に、上記選択成長層よりも屈折率の小さ
い第３の半導体層をこれらを埋込むように形成する工程
とを含む回折格子の作製方法によって作製された、共振
器内で回折格子の高さが領域によって異なる回折格子を
有し、該回折格子の高さが異なることによって共振器内
の光密度分布を調整してなるものである。
【００５７】またこの発明は、上記分布帰還型半導体レ
ーザにおいて、上記回折格子の高さを、共振器中央領域
で高く、共振器端面近傍で低いものとし、回折格子の全
体での光密度分布を均一にしたものである。
【００５８】またこの発明は、上記分布帰還型半導体レ
ーザにおいて、上記回折格子を、共振器中央部におい
て、回折格子の高さの異なる領域を有し、その屈折率変
化によりλ／４シフト回折格子として作用するものとし
たものである。
【００５９】
【作用】本発明にかかる量子細線の作製方法において
は、第１の半導体の表面に絶縁膜を、１００ｎｍ以下の
幅の微細パターンに形成する工程と、上記絶縁膜をマス
クとして上記第１の半導体の表面に、断面が台形形状と
なりその上に第３の半導体の成長の起こらない半導体結
晶面をその斜面とする第２の半導体層を選択的に結晶成
長する工程と、上記第１，第２の半導体よりバンドギャ
ップの小さい第３の半導体層を、上記第２の半導体の選
択成長層の上記の半導体結晶面よりなる斜面以外の部分
である上記台形形状の上面，及び隣接する該選択成長層
の間の上記第１の半導体の表面に成長し、量子細線とな
る第３の半導体層を形成する工程と、その後、上記第３
の半導体よりバンドギャップの大きい第４の半導体層
を、上記第３の半導体層，及び第２の半導体層上にこれ
らを埋込むように形成する工程とを含むものとしたの
で、高密度に細線を作ることができ、かつ加工損傷のな
い高品質の細線を得られる効果がある。
【００６０】また本発明においては、上記量子細線の作
製方法において、上記第１の半導体をＩｎＰ、上記第２
の半導体をＩｎＰ、上記第３の半導体をＩｎＧａＡｓ、
上記第４の半導体をＩｎＰとしたので、上記第３の半導
体層の成長を、高い選択比でもって行うことができる。
【００６１】また本発明においては、上記量子細線の作
製方法において、上記第２の半導体の選択成長層の斜面
である半導体結晶面を、（１１１）Ａ面，または（１１
１）Ｂ面としたので、上記第３の半導体層の成長を、高
い選択比でもって行うことができる。
【００６２】また本発明にかかる量子細線は、第１の半
導体の表面上に、１００ｎｍ以下の幅の微細パターンに
なるよう形成した絶縁膜上に、該絶縁膜をマスクとして
上記第１の半導体の表面上に選択的に結晶成長してな
る、断面が台形形状でその上に第３の半導体の成長の起
こらない半導体結晶面を斜面とする第２の半導体層と、
上記第２の半導体の選択成長層の上記の半導体結晶面の
斜面以外の部分である上記台形形状の上面，及び隣接す
る該選択成長層の間の上記第１の半導体の表面に成長さ
れた、量子細線となる，上記第１，第２の半導体よりバ
ンドギャップの小さい第３の半導体層と、上記第３の半
導体層，及び第２の半導体層上にこれらを埋込むように
形成された、上記第３の半導体よりバンドギャップの大
きい第４の半導体層とを備えたものとしたので、加工損
傷のない高品質で、かつ高密度の細線を得ることができ
る。
【００６３】また本発明にかかる量子細線レーザは、上
記のような量子細線をその活性層に有するものとしたの
で、加工損傷のない高品質で、かつ高密度の細線を用い
て、低しきい値電流、高効率、及び低い温度依存性等の
特性の良い量子細線レーザを得ることができる。
【００６４】またこの発明にかかる量子細線レーザの作
製方法は、第１の半導体の表面に絶縁膜を、１００ｎｍ
以下の幅の微細パターンに形成する工程と、上記絶縁膜
をマスクとして上記第１の半導体の表面に、断面が台形
形状となりその上に第３の半導体の成長の起こらない半
導体結晶面を斜面とする第２の半導体層を選択的に結晶
成長する工程と、上記第１，第２の半導体よりバンドギ
ャップの小さい第３の半導体層を、上記第２の半導体の
選択成長層の上記の半導体結晶面の斜面以外の部分であ
る上記台形形状の上面，及び隣接する該選択成長層の間
の上記第１の半導体の表面に成長し、量子細線となる第
３の半導体層を形成する工程と、その後、上記第３の半
導体よりバンドギャップの大きい第４の半導体層を、上
記第３の半導体層，及び第２の半導体層上にこれらを埋
込むように形成する工程と、上記工程で得られた半導体
層構造に対し、上記量子細線よりなる活性層への電流の
流れる領域を制限するための電流狭窄構造，及び該活性
層への電流を注入するための電極を形成する工程とを含
むものとしたので、高密度で、加工損傷のない高品質の
細線を得ることができ、これを活性層に有する，低しき
い値電流、高効率、及び低い温度依存性等の特性の良い
量子細線レーザを作製することができる。
【００６５】またこの発明にかかる回折格子の作製方法
においては、ピッチが１００〜４００ｎｍであるライン
アンドスペースの第１のマスクと、この第１のマスクの
一部を、該第１のマスクの配列方向と垂直な方向にて両
側から挟む一対の第２のマスクとからなる選択成長用の
マスク膜を、第１の半導体上に形成する工程と、上記マ
スク膜を用いて、上記第１の半導体よりも屈折率の大き
い第２の半導体層を選択成長し、上記第２のマスクに挟
まれた領域では他の領域よりも該選択成長層の高さが高
くなるように該成長を行う工程と、上記マスク膜を除去
する工程と、その後上記第１の半導体上に上記第２の半
導体層を形成したものの上に、上記選択成長層よりも屈
折率の小さい第３の半導体層をこれらを埋込むように形
成する工程とを含むものとしたので、その高さが領域に
よって異なる回折格子を得ることができる。
【００６６】またこの発明にかかる分布帰還型半導体レ
ーザにおいては、上記回折格子の作製方法によって作製
した、共振器内で回折格子の高さが領域によって異なる
回折格子を有し、該回折格子の高さが異なることによっ
て共振器内の光密度分布を調整してなるものとしたの
で、分布帰還型レーザの共振器内の光密度分布として所
要の分布を得ることができる。
【００６７】またこの発明においては、上記分布帰還型
半導体レーザにおいて、上記回折格子の高さを、共振器
中央領域で高く、共振器端面近傍で低いものとしたの
で、レーザ共振器内の光密度分布を均一にすることがで
きる。
【００６８】またこの発明においては、上記分布帰還型
半導体レーザにおいて、上記回折格子を、共振器中央部
において、回折格子の高さの異なる領域を有し、その屈
折率変化によりλ／４シフト回折格子として作用するも
のとしたので、λ／４シフト型の分布帰還型レーザを容
易に得ることができる。
【００６９】
【実施例】実施例１ ．以下、この発明の第１の実施例による、選択
成長により量子細線を作製する、量子細線の作製方法に
ついて図を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実
施例による量子細線の作製方法を示す断面模式図であ
る。
【００７０】図１において、１はｎ型ＩｎＰ基板、２は
該ｎ型ＩｎＰ基板１上に形成される絶縁膜、３はストラ
イプ状にパターン化された上記絶縁膜２間のｎ型ＩｎＰ
基板１上に選択成長されるｎ型ＩｎＰ層、４ａ，４ｂは
該ｎ型ＩｎＰ層３上、及び該ｎ型ＩｎＰ層３間の，上記
絶縁膜２を除去した上記ｎ型ＩｎＰ基板１上、にそれぞ
れ成長されたＩｎＧａＡｓ層、５は上記ＩｎＧａＡｓ層
４ａ，４ｂ，及び上記ｎ型ＩｎＰ層３上を埋め込むよう
に成長されたｐ型ＩｎＰ層である。
【００７１】以下、本実施例１による量子細線の作製方
法を図１について説明する。まず、図１(a) に示すよう
に、厚さ３５０μｍ，不純物濃度約４×１０18cm-3の
（１００）面のｎ型ＩｎＰ基板１上に、ＣＶＤ（Ｃｈｅ
ｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法に
よりＳｉＯ２ 膜を，あるいは上記ｎ型ＩｎＰ基板１表
面の自然酸化による自然酸化膜等の絶縁膜２を、数１０
ｎｍの厚さに形成する。ここで、この絶縁膜はＳｉＮそ
の他の膜であってもよいものである。
【００７２】次に、図１(b) に示すように、ＥＢ（電子
ビーム）やＦＩＢ（集束イオンビーム）等によるエッチ
ングを用いて上記絶縁膜２を、２０ｎｍ程度の幅の〈０
／１／１〉方向のストライプ状で、間隔が該絶縁膜２の
幅よりも若干広い３０ｎｍ程度になるようにパターニン
グし、パターンを形成する。
【００７３】次に、図１(c) に示すように、ＭＯＣＶＤ
(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 法やＣＢ
Ｅ(Chemical Beam Epitaxy) 等の方法で、上記絶縁膜２
をマスクとして、該絶縁膜２が除去された開口部に露出
する上記ｎ型ＩｎＰ基板１上に選択的にｎ型ＩｎＰを約
７ｎｍの高さに成長する。この時、上記絶縁膜２のパタ
ーンはそのストライプが〈０／１／１〉の方位に向いて
いるので、ｎ型ＩｎＰ層３は、側面が（１１１）Ｂ面と
なる台形形状になる。
【００７４】次に、図１(d) に示すように、上記絶縁膜
２を全て除去する。上記絶縁膜２を全て除去した後、上
記ｎ型ＩｎＰ基板１上に上記台形形状の複数のｎ型Ｉｎ
Ｐ層３を有する状態において、その全面に、ＩｎＧａＡ
ｓ層を５ｎｍ程度の厚みに成長する。この時、ＩｎＧａ
Ａｓは上記ｎ型ＩｎＰ層３の（１１１）Ｂ面上には成長
しないものであり、図１(e) に示すように、該台形形状
のｎ型ＩｎＰ層３の上面３ａ上，及び台形形状のｎ型Ｉ
ｎＰ層３に挟まれた底面の部分１ａ上、にのみ成長し、
それぞれＩｎＧａＡｓ層４ａ、４ｂとなる。ここで、Ｉ
ｎＧａＡｓがｎ型ＩｎＰ層の（１１１）Ｂ面上には成長
しないことは、上記文献(4) にも記述されている通りで
ある。
【００７５】図２は、絶縁膜２のパターン幅ｗ1 ，パタ
ーン間隔ｗ2 ，ｎ型ＩｎＰ層３の層厚ｄ，ｎ型ＩｎＰ層
３上の平坦部の幅ｗ3 ，及び細線間の間隔ｗ4 の関係を
説明するための図である。図からわかるように、ｎ型Ｉ
ｎＰ層３上の平坦部の幅ｗ３は、 ｗ３ ＝ｗ2 −２ｗ4 ＝ｗ2 −２（ cotθ・ｄ） と表すことができる。ｎ型ＩｎＰ層３の側面は（１１
１）Ｂ面となるので、ｎ型ＩｎＰ層３の側面と基板１表
面のなす角度θは約５５°である。また、上述のように
パターン間隔ｗ2 を３０ｎｍ、ｎ型ＩｎＰ層３の層厚ｄ
を７ｎｍとしているので、ｎ型ＩｎＰ層３上の平坦部の
幅ｗ3 は、 ３０−２×４．９＝２０．２（ｎｍ） となり、パターン幅ｗ1 とほぼ等しくなる。また、細線
間の間隔ｗ4 は４．９ｎｍである。
【００７６】即ち、ｎ型ＩｎＰ層３上の平坦部３ａ上に
形成されるＩｎＧａＡｓ層４ａと、ｎ型ＩｎＰ層３に挟
まれた基板表面１１上に形成されるＩｎＧａＡｓ層４ｂ
は、いずれもその幅が約２０ｎｍ，厚み５ｎｍ程度の細
線であり、細線間の間隔も４．９ｎｍと極めて狭いもの
である。
【００７７】続いて、図１(f) に示すように、全面に不
純物濃度約１×１０18cm-3のｐ型ＩｎＰ層５を成長す
る。このとき、ＩｎＰ層５を厚く成長することにより、
ＩｎＰが（１１１）Ｂ面上にも成長するので、全体がｐ
型ＩｎＰ層５で埋込まれる。その結果、ＩｎＧａＡｓ細
線４ａ，４ｂが、ｎ型ＩｎＰ基板１と、ｐ型ＩｎＰ層５
との間に形成されるｐｎ接合に沿って高密度に埋込まれ
てなる量子細線構造を得ることができることとなる。
【００７８】このように、本実施例１の量子細線の作製
方法では、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、微細な間隔で配置さ
れた断面台形形状のｎ型ＩｎＰ層３を形成し、ＩｎＧａ
Ａｓが（１１１）Ｂ面上には結晶成長しないことを利用
して、ｎ型ＩｎＰ層３上の平坦面３ａ上と、ｎ型ＩｎＰ
層３に挟まれた基板表面１１上に、それぞれＩｎＧａＡ
ｓ層４ａ，４ｂを結晶成長するようにしたから、極めて
微細な間隔で配置された、微細な寸法の細線を作製する
ことができ、その結果、従来方法でパターンサイズの限
界により制限されていた密度の限界の２倍近い密度の、
高密度の細線を実現することができる。しかも上記細線
の形成においては、細線はいずれも選択的結晶成長のみ
によって形成されるので、加工損傷の全くない細線を得
ることができ、その結果、高品質の，光学特性に優れた
量子細線を得ることができる。
【００７９】なお、上記説明では、絶縁膜２のパターン
をそのストライプが〈０／１／１〉の方位に向いたもの
とし、側面が（１１１）Ｂ面である断面台形形状のｎ型
ＩｎＰ層３を成長させるようにしている。しかし、例え
ば、ジャーナル・オブ・クリスタル・グロウス，１０８
号，２０３〜２１８頁（"CODE: a novel single stepMO
VPE technique for the fabrication of low-dimension
al devices, quantumwires and quantum dots" by A.
J. Moseley, et al., Journal of Crystal Growth 108
(1991) 203-218, North-Holland）には、ＩｎＧａＡｓ
は（１１１）Ｂ面，（１１１）Ａ面のいずれにもほとん
ど成長しないことが報告されている。従って、上記絶縁
膜２のストライプパターンを〈０／１１〉の方位とし、
上記ｎ型ＩｎＰ層３を該成長層の側面が（１１１）Ａ面
となるようにしてもよい。
【００８０】また、図１に示す作製工程では、ｎ型Ｉｎ
Ｐ層３を結晶成長し、絶縁膜２を除去した後、ｎ型Ｉｎ
Ｐ層３の平坦面３ａ上、及び基板表面１１上に、直接Ｉ
ｎＧａＡｓ層４ａ，４ｂを成長するようにしたが、図３
(a) に示すように、ウエハ全面にｎ型ＩｎＰ層１２を薄
く成長してから、図３(b) に示すようにＩｎＧａＡｓ層
４ａ，４ｂを成長するようにしてもよい。この場合、再
成長界面とｐｎ接合界面が一致しないので、信頼性の高
い量子細線構造を得ることができる。
【００８１】また、上記実施例ではＩｎＰ及びＩｎＧａ
Ａｓをその構成材料として用いたものについて説明した
が、他の化合物半導体を用いることもできる。例えば、
ｎ型ＩｎＰ基板の代わりに、ＡｌＧａＡｓ層を表面に
０．５μｍ以上成長したＧａＡｓ基板を用い、ｎ型Ｉｎ
Ｐ層３の代わりにｎ型ＡｌＧａＡｓ層を用い、ＩｎＧａ
Ａｓ層４ａ，４ｂの代わりにＧａＡｓ層を用い、ｐ型Ｉ
ｎＰ層５の代わりにｐ型ＡｌＧａＡｓ層を用いるように
してもよい。また、このとき、ＧａＡｓ基板上にＧａＡ
ｓバッファ層を成長させてからｎ型ＡｌＧａＡｓ層を成
長させるようにしてもよい。
【００８２】実施例２．図４は、本発明の第２の実施例
による，上記実施例１の量子細線構造を用いて構成した
量子細線レーザを示すものである。図４において、１，
３，５，４ａ，４ｂは、上記図１と同じものを示し、１
ａはｎ側電極、９は電流狭窄用のＳｉＯ2 膜、１０は電
流注入領域、１０ａはｐ側電極である。
【００８３】即ち、図４に示すように、上記実施例１で
説明した方法により、ｎ型ＩｎＰ基板１上にｎ型ＩｎＰ
層３，ｐ型ＩｎＰ層５により埋め込まれてなるＩｎＧａ
Ａｓよりなる量子細線４ａ，４ｂを有する，図１(f) に
示す構造を形成し、これに対し、ｐ型ＩｎＰ層５上にＳ
ｉＯ2 膜９を形成し、これにストライプ状の開口を設け
ることによって、細線４ａ、４ｂの走る方向と直交する
方向にストライプ状の電流注入領域１０，あるいは導波
領域を形成し、基板１側、及び電流注入領域側にそれぞ
れ電極１ａ，１０ａを形成するようにしたものである。
【００８４】このような本実施例２においては、上記実
施例１の量子細線の作製方法により作製される量子細線
を用いた半導体レーザを得ることができ、上記のよう
に、細線の間隔を狭くした高密度の細線，かつ加工損傷
がなく、高品質の，光学特性に優れた細線を得ることが
できることから、該量子細線を用いて、低しきい値電
流，高効率，及び低い温度依存性等のレーザ特性の向上
した半導体レーザを得ることができる。
【００８５】実施例３．上記図４に示した本発明の第２
の実施例は、最も簡単な電極ストライプ構造のものであ
ったが、レーザの構造は所望の構造であってもよく、本
発明の第３の実施例に示すように、ストライプ状にエッ
チングでメサを形成して、それをさらに埋込むことによ
って、ＢＨ（buried heterostructure）構造のレーザと
したものである。以下、この実施例３の構造、及び作製
方法を図５を用いて詳細に説明する。
【００８６】図５に示す該本実施例３の量子細線レーザ
において、１，３，４ａ，４ｂ，５は上記実施例１にお
けると同じものであり、１は上記ｎ型ＩｎＰ基板、４
ａ，４ｂは該基板１上に交互に高い位置と低い位置とに
形成された量子細線、５は該量子細線４ａ，４ｂ上に形
成されたｐ型ＩｎＰ層である。また、６は上記ｎ型Ｉｎ
Ｐ基板１、上記量子細線４ａ，４ｂ、及び上記ｐ型Ｉｎ
Ｐ層（第１上クラッド層）５をリッジエッチングして形
成したリッジ、７ａ，７ｂは上記リッジエッチングして
できたリッジ側部の凹部に埋め込み結晶成長して形成し
た、それぞれ不純物濃度１×１０18cm-3のｐ型ＩｎＰ
層，不純物濃度５×１０18のｎ型ＩｎＰ層である電流ブ
ロック層、８は上記ｐ型ＩｎＰ層５，及び上記電流ブロ
ック層７ｂ上に形成した、不純物濃度１×１０18のｐ型
ＩｎＰ第２上クラッド層、１９は該ｐ型ＩｎＰ層８上に
形成したｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、１０は該ｐ
型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１９上に形成したｐ側電
極、１ａは上記ｎ型基板１側に形成したｎ側電極であ
る。
【００８７】次に、本実施例３の量子井戸レーザの製造
方法について説明する。まず、上記実施例１で説明した
方法により、ｎ型ＩｎＰ基板１上に量子細線４ａ，４ｂ
を形成し、さらにその上をｐ型ＩｎＰ層５で埋め込ん
で、図１(f) に示す構造を形成する。
【００８８】次に、この構造の上にＳｉＯ2, またはＳ
ｉ3 Ｎ4 からなるリッジエッチングマスクをパターニン
グ（図示せず）により形成し、これをマスクとして上記
図１(f) の構造をエッチングして、上記ｎ型ＩｎＰ基板
１の上方部分，量子細線４ａ，４ｂ，及びｐ型ＩｎＰ層
５よりなるリッジ６を形成する。
【００８９】その後、上記エッチングマスク（図示せ
ず）を除去した後、再び結晶成長を行い、上記リッジ６
の側部にそれぞれｐ型ＩｎＰ，ｎ型ＩｎＰよりなる電流
ブロック層７ａ，７ｂを連続して形成する。
【００９０】その後、さらに上記リッジ６上面に露出す
るｐ型ＩｎＰ層５の上面，及び上記電流ブロック層７ｂ
の上面上に第３回目の結晶成長を行い、ｐ型ＩｎＰ第２
上クラッド層８，及びｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
１９を形成する。さらに、該ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタ
クト層１９上にｐ側電極を形成し、上記ｎ型基板１側に
ｎ側電極１ａを形成し、本実施例の量子細線レーザを完
成する。
【００９１】このように本実施例３の量子細線レーザの
作製方法においては、上記実施例１の量子細線の作製方
法により作製される高密度の細線，を用いたＢＨ（ bur
iedheterostructure ）構造の半導体レーザを得ること
ができ、上記のように、細線の間隔を狭くした高密度の
細線，かつ加工損傷がなく、高品質の，光学特性に優れ
た細線を得ることができることから、該量子細線を用い
て、低しきい値電流，高効率，及び低い温度依存性等の
レーザ特性の向上した半導体レーザを得ることができ
る。
【００９２】以上のように、従来の方法では得られなか
った量子細線レーザに必須の高密度で高品質の量子細線
を、上記実施例１によって実現することができ、この高
密度で高品質の細線を用いた量子細線レーザを、上記実
施例２，３でもって実現することができるものである。
【００９３】実施例４．次に、本発明の第４の実施例に
よる，選択成長により回折格子を作製する回折格子の作
製方法について説明する。図６は本実施例４による回折
格子を選択成長によって形成するためのマスクの上面図
であり、図７はこのマスクを用いて回折格子を作製した
場合の断面模式図である（図６のＡ−Ａ′断面図）。
【００９４】図６，図７において、１６は回折格子を形
成するための，図示縦方向にストライプ状のパターンを
図示横方向に並べてなる回折格子形成用のマスク、１５
は該回折格子形成用マスク１６をその図示上下方向から
挟むよう配列された，該マスク１５により形成される回
折格子の高さ調整用のマスクである。
【００９５】次にこの回折格子の作製方法について説明
する。まず、不純物濃度約５×１０18cm-3のｐ型ＩｎＰ
基板２１上に、厚さ１μｍ，不純物濃度約１×１０18cm
-3のｐ型ＩｎＰ層２２、厚さ０．１μｍのアンドープの
ＩｎＧａＡｓＰ活性層（その組成は波長１．３μｍ，又
は１．５５μｍに相当する）２３、厚さ０．１μｍ，不
純物濃度約１×１０18cm-3のｎ型ＩｎＰ層２４、を成長
したウエハの表面に、ＳｉＯ2 膜２６を形成し、該Ｓｉ
Ｏ2 膜２６を、図６のようなパターンにパターニングす
る。
【００９６】ここで、上記回折格子形成用のマスク１５
は、約２００ｎｍ程度のピッチにする。このマスク１５
の一部の領域の部分を両側から挟むように、層厚制御用
のマスク１６を共振器長方向に数１０μｍの幅にわたっ
て設ける。上記マスク１５を挟む層厚制御用マスク１６
間の間隔は、約１００μｍとする。
【００９７】このように回折格子形成用のマスク１５
と、層厚制御用のマスク１６とを有するマスクを形成し
たウエハに、ＭＯＣＶＤ，あるいはＣＢＥ等の方法でＩ
ｎＧａＡｓＰ２５（その組成は波長１．１５μｍに対応
する）を選択成長させると、図７(a) に示すように、回
折格子形成用マスク１５の開口部の部分に、台形形状の
ＩｎＧａＡｓＰ回折格子２５ａ，２５ｂが形成される
が、上記層厚制御マスク１６で挟まれた部分では、台形
形状の回折格子２５ａの高さが約５０ｎｍと、それ以外
の部分の台形形状の回折格子２５ｂの高さ約３０ｎｍに
比べて高くなる。これは、上記層厚制御用マスク１６で
挟まれた領域では、該マスク１６上に供給されるIII 族
の原料種（Ｉｎ，Ｇａ）が、気相拡散や表面マイグレー
ションによって該挟まれた領域でのマスク１５の開口部
に移動し、該回折格子２５ａの成長に寄与することとな
るためである。この後、上記選択成長マスク１５，１６
を除去し、図７(b) に示すように、全体をｎ型ＩｎＰ層
２７で埋込むようにすれば、埋込型の回折格子を形成す
ることができる。
【００９８】このような本実施例４の回折格子の作製方
法では、上記実施例１の量子細線の作製方法と同様の方
法により、個々の回折格子の高さが領域によって異なる
回折格子を作製することができる。そして、このように
回折格子を、その高さを部分的に変えて作製することが
できるため、以下の実施例で説明するように、回折格子
を有する分布帰還型のレーザを構成する際、該レーザの
共振器方向に沿って回折格子の高さを部分的に変えるこ
とにより、共振器内の光密度分布を調整したり、λ／４
シフト型回折格子を形成したりすることが可能になるも
のである。
【００９９】実施例５．本発明の第５の実施例は、上記
実施例４の方法を用いてその共振器方向の光密度分布を
調整するようにした分布帰還型レーザを提供するもので
あり、以下この第５の実施例について説明する。図８は
本第５の実施例による分布帰還型半導体レーザを示す図
であり、図において、５１は回折格子、５０は回折格子
の全体、５２はその共振器中央部の領域、５３は共振器
端領域、５４はλ／４シフト領域である。
【０１００】図１０は従来の分布帰還型半導体レーザを
示し、この図１０に示すような，その共振器方向の全体
にわたって均一な高さの回折格子７１からなり、共振器
中央部にλ／４位相シフト領域７２を備えた回折格子
（λ／４シフト型回折格子）７０を形成した場合、共振
器方向の光密度分布は、図１１に示すように、中央部で
光密度が大きくなる不均一な分布８１となる。このよう
な光密度の大きい部分８２は、該分布帰還型レーザにお
いて、空間ホールバーニングを生ずる原因となり、ＬＤ
特性、特に光出力電流特性の劣化を引き起こす。
【０１０１】このような場合、図８に示す本発明の第５
の実施例のように、共振器中央部の領域５２で回折格子
５１の高さを低くし、共振器端近くの領域５３で回折格
子５１の高さを高くすれば、光密度分布を共振器長の全
体にわたって平均化して、均一に近づけることができ
る。
【０１０２】ここで、その理由について説明すると、一
般に、共振器内を伝播する光が回折格子で反射される割
合は、光と回折格子との結合定数ｋが大きいほど高い。
また、回折格子の高さが高い方が結合定数は大きくな
る。即ち、回折格子５１の高さの低い共振器中央部の領
域５２では、回折格子５１による光の反射・帰還が弱
く、一方、回折格子５１の高さが高い共振器端近傍の領
域５３では、光の反射・帰還の効果が強くなる。その結
果、図１０のような均一な高さの回折格子７０の場合と
比べて、共振器中央部の領域５２では光密度が小さく、
共振器端近傍の領域５３では光密度が大きくなる。従っ
て、均一な高さの回折格子７０の場合に得られる，図１
１の不均一な光密度分布８１を平均化し、均一にするこ
とができるものである。
【０１０３】以上のように、本実施例５による分布帰還
型半導体レーザでは、上記実施例４による回折格子の作
製方法を用いて回折格子を作製し、その際共振器中央部
の領域５２で回折格子５１の高さを低くし、共振器端近
くの領域５３で回折格子５１の高さを高くすることによ
り、光密度分布を共振器長の全体にわたって均一にする
ことができ、空間ホールバーニングによるＬＤ特性、特
に光出力電流特性の劣化を生ずることのない分布帰還型
半導体レーザを得られる効果がある。
【０１０４】実施例６．上記実施例４におけるように、
回折格子の高さを部分的に変える方法を、λ／４シフト
型回折格子自身の作製にも応用することができ、本発明
の第６の実施例は、そのようにしてλ／４シフト型回折
格子を有する分布帰還型半導体レーザを構成したもので
ある。λ／４シフト型回折格子は、分布帰還型レーザの
単一波長性を改善するために、素子中央部で回折格子の
ピッチを１／４波長分ずらした領域を形成したものであ
る。
【０１０５】λ／４シフト型回折格子は通常、干渉露光
や、ＥＢ直描（電子ビーム直接描画）でパターニングを
行って作製するが、干渉露光法ではλ／４シフトさせる
ために写真製版工程を２回行わなければならず、その工
程が非常に複雑であり、一方、ＥＢ直描では各パターン
を順次描画していかなければならないため、その作製に
時間が長くかかることとなり、スループットが悪いとい
う問題点があった。
【０１０６】これに対して、本発明の第６の実施例は、
上記実施例３で述べた方法を、λ／４シフト型回折格子
の作製に適用し、導波領域の屈折率を部分的に変えて、
等価的に位相をシフトさせてλ／４シフト型回折格子を
得るようにしたものであり、以下この本発明の第６の実
施例による回折格子の作製方法について説明する。
【０１０７】図９において、６１は回折格子、６０は回
折格子の全体、６２はその共振器中央部の長さＬのλ／
４シフト領域で、導波領域の屈折率を部分的に変えて、
等価的に位相をシフトさせるようにした領域である。
【０１０８】この図９に示すように、素子中央部のλ／
４シフト領域６２で、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子６１の高
さを低く（，あるいは高く）すると、伝播する光の層厚
方向の分布と、ＩｎＰ１とＩｎＧａＡｓＰ６１のそれぞ
れの屈折率と層厚で決まる等価的な屈折率ｎに変化が生
じる。
【０１０９】この等価的な屈折率ｎが変化している領域
の長さをＬ，該等価屈折率ｎの変化量を△ｎとすると、 △ｎ・Ｌ＝λ／４ （λは光の波長） の条件を満たすように、回折格子の高さと長さＬを設計
すれば、λ／４シフトが実現される。一例として、λ＝
１．５５μｍとすると、Δｎ＝０．００７７５，Ｌ＝５
０μｍとすればよい。
【０１１０】この方法では、全体の回折格子６０のピッ
チは一定でよく（回折格子間の間隔が約２００μｍ）、
上記のように２回の写真製版工程が必要であるとか、各
パターンごとにいちいちパターン描画をしなければなら
ないといった，ピッチをずらすための複雑な工程を実施
することが不要となるので、簡単にλ／４シフト型回折
格子を作製することができる。
【０１１１】このように本発明の第６の実施例によるλ
／４シフト型回折格子を有する分布帰還型半導体レーザ
では、上記実施例４におけるように、回折格子の高さを
部分的に変える方法を、λ／４シフト型回折格子自身の
作製に応用したので、分布帰還型レーザの単一波長性を
改善するための素子中央部で回折格子のピッチを１／４
波長分ずらしてなるλ／４シフト型回折格子を、従来の
ように干渉露光法を用いた写真製版工程を２回必要とし
工程が非常に複雑である，とか、ＥＢ直描により各パタ
ーンを順次描画しなければならず作製に時間が長くかか
る、等の問題を生ずることなく、簡易に作製することが
でき、単一波長性を改善したλ／４シフト型分布帰還型
レーザを容易に得られる効果がある。
【０１１２】
【発明の効果】以上のようにこの発明にかかる量子細線
の作製方法によれば、第１の半導体の表面に絶縁膜を、
１００ｎｍ以下の幅の微細パターンに形成する工程と、
上記絶縁膜をマスクとして上記第１の半導体の表面に、
断面が台形形状でその上に第３の半導体の成長の起こら
ない半導体結晶面を斜面とする第２の半導体層を選択成
長する工程と、上記第１，第２の半導体よりバンドギャ
ップの小さい第３の半導体層を、上記台形形状の上記の
半導体結晶面の斜面以外の部分である上記台形形状の選
択成長層の上面，及び該隣接する選択成長層の間の領域
に成長し、量子細線となる層を形成する工程と、上記第
３の半導体層よりバンドギャップの大きい第４の半導体
層を、上記第３の半導体層，及び上記第２の半導体層上
にこれらを埋込むように形成する工程とを含み、まず、
上記半導体結晶面を側面とする微小な選択成長領域を形
成し、該半導体結晶面以外の部分，即ち選択成長領域の
上面と、その間の底面に同時に細線を成長するようにし
たので、高密度に細線を作ることができ、かつ加工損傷
のない高品質の細線を得られる効果がある。
【０１１３】また、本発明にかかる量子細線の作製方法
によれば、上記断面台形形状の上記の半導体結晶面の斜
面を、（１１１）Ｂ面，または（１１１）Ａ面としたの
で、上記第３の半導体層の成長を、高い選択比でもって
行うことができる効果がある。
【０１１４】また、本発明にかかる量子細線によれば、
第１の半導体の表面上に、１００ｎｍ以下の幅の微細パ
ターンになるよう形成した絶縁膜上に、該絶縁膜をマス
クとして上記第１の半導体の表面上に選択的に結晶成長
してなる、断面が台形形状でその上に第３の半導体の成
長の起こらない半導体結晶面を斜面とする第２の半導体
層と、上記第２の半導体の選択成長層の上記の半導体結
晶面の斜面以外の部分である上記台形形状の上面，及び
隣接する該選択成長層の間の上記第１の半導体の表面に
成長された、量子細線となる，上記第１，第２の半導体
よりバンドギャップの小さい第３の半導体層と、上記第
３の半導体層，及び第２の半導体層上にこれらを埋込む
ように形成された、上記第３の半導体よりバンドギャッ
プの大きい第４の半導体層とを備えたものとしたので、
加工損傷のない高品質で、かつ高密度の細線を得ること
ができる効果がある。
【０１１５】また、本発明にかかる量子細線レーザによ
れば、上記量子細線をその活性層としてレーザを構成し
たので、加工損傷のない高品質で、かつ高密度の細線を
用いて、低しきい値、高効率、及び低い温度依存性等の
特性の良い量子細線レーザを得ることができる効果があ
る。
【０１１６】また、この発明にかかる回折格子の作製方
法によれば、第１の半導体からなる基板、又は半導体基
板上に第１の半導体層を形成してなるものを準備する工
程と、ピッチが１００〜４００ｎｍであるラインアンド
スペースの第１のマスクと、この第１のマスクの一部
を、該第１のマスクの配列方向と垂直な方向にて両側か
ら挟む一対の第２のマスクとからなる選択成長用のマス
ク膜を、第１の半導体基板、又は層上に形成する工程
と、上記マスク膜を用いて、上記第１の半導体基板、又
は層よりも屈折率の大きい第２の半導体層を選択成長
し、上記第２のマスクに挟まれた領域では他の領域より
も該選択成長層の高さが高くなるように該成長を行う工
程と、上記マスク膜を除去する工程と、その後上記第１
の半導体基板、又は層上に上記第２の半導体層を形成し
たものの上に、上記選択成長層よりも屈折率の小さい第
３の半導体層をこれらを埋込むように形成する工程とを
含むものとしたので、回折格子を選択成長によって作製
する際、選択成長用マスクによって回折格子の高さを部
分的に変えることができ、領域によって高さの異なる回
折格子を作製することができる。
【０１１７】また、この発明にかかる分布帰還型半導体
レーザによれば、上記回折格子の作製方法によって作製
した、共振器内で回折格子の高さが領域によって異なる
回折格子を有し、該回折格子の高さが異なることによっ
て共振器内の光密度分布を調整するものとしたので、共
振器内で所望の光密度分布を得ることができ、例えば、
共振器内の光密度分布を均一にして空間ホールバーニン
グによる光出力電流特性の劣化をのない分布帰還型半導
体レーザを得られる効果がある。
【０１１８】また、この発明にかかる分布帰還型半導体
レーザによれば、上記回折格子の作製方法によって作製
した、共振器中央部において、回折格子の高さの異なる
領域を有し、その屈折率変化により１／４波長シフト回
折格子として作用する，回折格子を有するものとしたの
で、分布帰還型レーザの単一波長性を改善するために素
子中央部で回折格子のピッチを１／４波長分ずらしてな
るλ／４シフト型回折格子を、その工程が複雑となる干
渉露光法を用いた写真製版工程、あるいはその作製に時
間がかかるＥＢ直描法によることなく作製することがで
き、１／４波長シフト型の分布帰還型半導体レーザを簡
易に得ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例による量子細線の作製
方法を示す断面模式図である。
【図２】第１の実施例による量子細線の作製方法によっ
て作製される量子細線の寸法を説明するための図であ
る。
【図３】第１の実施例の変形例による量子細線の作製方
法を示す断面模式図である。
【図４】上記第１の実施例による量子細線の作製方法に
より作製される，この発明の第２の実施例による量子細
線レーザを示す模式図（斜視図）である。
【図５】上記第１の実施例による量子細線の作製方法に
より作製される，この発明の第３の実施例による量子細
線レーザを示す模式図（斜視図）である。
【図６】この発明の第４の実施例による回折格子の作製
方法において用いる選択成長用マスクを示す上面図であ
る。
【図７】この発明の第４の実施例による回折格子の作製
方法により作製される回折格子の断面模式図である。
【図８】この発明の第５の実施例による分布帰還型レー
ザの，共振器と、回折格子とを示す断面模式図である。
【図９】この発明の第６の実施例によるλ／４シフト型
の分布帰還型レーザの，共振器と、回折格子とを示す断
面模式図である。
【図１０】従来のλ／４シフト型の分布帰還型レーザの
共振器と回折格子を示す断面模式図である。
【図１１】従来のλ／４シフト型の分布帰還型レーザの
共振器内の光密度分布を示す断面模式図である。
【図１２】バルク活性層を示す図である。
【図１３】量子薄膜活性層を示す図である。
【図１４】量子細線活性層を示す図である。
【図１５】量子箱活性層を示す図である。
【図１６】量子薄膜構造，量子井戸構造，及び量子箱構
造による量子効果を説明するための図である。
【図１７】従来の量子細線の作製方法を用いて作製され
た量子細線レーザの構造を示す図である。
【図１８】図１７の量子細線レーザの製造工程を示す図
である。
【図１９】従来の他の量子細線の作製方法を用いて作製
された量子細線レーザの構造を示す図である。
【図２０】従来のさらに他の量子細線の作製方法を示す
図である。
【図２１】従来のさらに他の量子細線の作製方法を示す
図である。
【図２２】従来のさらに他の量子細線の作製方法を示す
図である。
【図２３】従来のさらに他の量子細線の作製方法を示す
図である。
【図２４】従来の回折格子を有する半導体レーザの製造
方法を示す図である。
【符号の説明】
１ ｎ型ＩｎＰ基板 ２ ＳｉＯ2 膜，あるいは自然酸化膜等の絶縁膜 ３ 断面台形形状のｎ型ＩｎＰ層 ４ａ，４ｂ ＩｎＧａＡｓ層 ５ ｐ型ＩｎＰ層 ６ リッジ ７ａ，７ｂ 電流ブロック層 ８ ｐ型ＩｎＰ層 ９ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層 １０ 電流注入領域 １０ａ ｐ側電極 １ａ ｎ側電極 １５ マスク １６ マスク ２１ ｐ型ＩｎＰ基板 ２２ ｐ型ＩｎＰ層 ２３ ＩｎＧａＡｓＰ活性層 ２４ ｎ型ＩｎＰ層 ２５ ＩｎＧａＡｓＰ回折格子 ２６ ＳｉＯ2 膜 ２７ ｎ型ＩｎＰ層 ５０ 回折格子 ５１ 共振器中央部の領域 ５２ 共振器端近傍の領域 ７０ 回折格子 ７１ 回折格子（１つ） ７２ １／４波長位相シフト領域 ８１ 中央部で光密度が大きくなる不均一な光密度分
布 ８２ 光密度が大きい部分

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 量子細線の作製方法において、 第１の半導体の表面に絶縁膜を、１００ｎｍ以下の幅の
    微細パターンに形成する工程と、 上記絶縁膜をマスクとして上記第１の半導体の表面に、
    断面が台形形状となりその上に第３の半導体の成長の起
    こらない半導体結晶面をその斜面とする第２の半導体層
    を選択的に結晶成長する工程と、 上記第１，第２の半導体よりバンドギャップの小さい第
    ３の半導体層を、上記第２の半導体の選択成長層の上記
    の半導体結晶面よりなる斜面以外の部分である上記台形
    形状の上面，及び隣接する該選択成長層の間の上記第１
    の半導体の表面に成長し、量子細線となる第３の半導体
    層を形成する工程と、 その後、上記第３の半導体層よりバンドギャップの大き
    い第４の半導体層を、上記第３の半導体層，及び第２の
    半導体層上にこれらを埋込むように形成する工程とを含
    むことを特徴とする量子細線の作製方法。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の量子細線の作製方法に
    おいて、 上記第１の半導体がＩｎＰであり、上記第２の半導体が
    ＩｎＰであり、上記第３の半導体がＩｎＧａＡｓであ
    り、上記第４の半導体がＩｎＰであることを特徴とする
    量子細線の作製方法。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の量子細線の作製方法に
    おいて、 上記第２の半導体の選択成長層の斜面である半導体結晶
    面が、（１１１）Ａ面，または（１１１）Ｂ面であるこ
    とを特徴とする量子細線の作製方法。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の量子細線の作製方法に
    おいて、 上記第３の半導体層を成長する工程の前に、上記第２の
    半導体の選択成長層の斜面，及び上面，及び隣接する該
    選択成長層間の上記第１の半導体の表面に、第１の半導
    体であるＩｎＰ層を薄く成長する工程を含むことを特徴
    とする量子細線の作製方法。
  5. 【請求項５】 量子細線において、 第１の半導体の表面上に、１００ｎｍ以下の幅の微細パ
    ターンになるよう形成した絶縁膜上に、該絶縁膜をマス
    クとして上記第１の半導体の表面上に選択的に結晶成長
    してなる、断面が台形形状でその上に第３の半導体の成
    長の起こらない半導体結晶面を斜面とする第２の半導体
    層と、 上記第２の半導体の選択成長層の上記の半導体結晶面の
    斜面以外の部分である上記台形形状の上面，及び隣接す
    る該選択成長層の間の上記第１の半導体の表面に成長さ
    れた、量子細線となる，上記第１，第２の半導体よりバ
    ンドギャップの小さい第３の半導体層と、 上記第３の半導体層，及び第２の半導体層上にこれらを
    埋込むように形成された、上記第３の半導体よりバンド
    ギャップの大きい第４の半導体層とを備えたことを特徴
    とする量子細線。
  6. 【請求項６】 量子細線レーザにおいて、 第１の半導体の表面上に、１００ｎｍ以下の幅の微細パ
    ターンになるよう形成した絶縁膜上に、該絶縁膜をマス
    クとして上記第１の半導体の表面上に選択的に結晶成長
    してなる、断面が台形形状でその上に第３の半導体の成
    長の起こらない半導体結晶面を斜面とする第２の半導体
    層と、 上記第２の半導体の選択成長層の上記の半導体結晶面の
    斜面以外の部分である上記台形形状の上面，及び該隣接
    する選択成長層の間の上記第１の半導体の表面に成長さ
    れた、量子細線となる，上記第１，第２の半導体よりバ
    ンドギャップの小さい第３の半導体層と、 上記第３の半導体層，及び第２の半導体層上にこれらを
    埋込むように形成された、上記第３の半導体よりバンド
    ギャップの大きい第４の半導体層とを備えた、量子細線
    を、その活性層に有することを特徴とする量子細線レー
    ザ。
  7. 【請求項７】 量子細線レーザの作製方法において、 第１の半導体の表面に絶縁膜を、１００ｎｍ以下の幅の
    微細パターンに形成する工程と、 上記絶縁膜をマスクとして上記第１の半導体の表面に、
    断面が台形形状となりその上に第３の半導体の成長の起
    こらないを斜面とする第２の半導体層を選択的に結晶成
    長する工程と、 上記第１，第２の半導体よりバンドギャップの小さい第
    ３の半導体層を、上記第２の半導体の選択成長層の上記
    の半導体結晶面の斜面以外の部分である上記台形形状の
    上面，及び隣接する該選択成長層の間の上記第１の半導
    体の表面に成長し、量子細線となる第３の半導体層を形
    成する工程と、 その後、上記第３の半導体よりバンドギャップの大きい
    第４の半導体層を、上記第３の半導体層，及び第２の半
    導体層上にこれらを埋込むように形成する工程と、 以上の工程で得られた半導体層構造に対し、上記量子細
    線よりなる活性層への電流の流れる領域を制限するため
    の電流狭窄構造，及び該活性層への電流を注入するため
    の電極を形成する工程とを含むことを特徴とする量子細
    線レーザの作製方法。
  8. 【請求項８】 回折格子の作製方法において、 ピッチが１００〜４００ｎｍであるラインアンドスペー
    スの第１のマスクと、この第１のマスクの一部を、該第
    １のマスクの配列方向と垂直な方向にて両側から挟む一
    対の第２のマスクとからなる選択成長用のマスク膜を、
    第１の半導体上に形成する工程と、 上記マスク膜を用いて、上記第１の半導体よりも屈折率
    の大きい第２の半導体層を選択成長し、上記第２のマス
    クに挟まれた領域では他の領域よりも該選択成長層の高
    さが高くなるように該成長を行う工程と、 上記マスク膜を除去する工程と、 上記第１の半導体上に上記第２の半導体層を形成したも
    のの上に、上記選択成長層よりも屈折率の小さい第３の
    半導体層をこれらを埋込むように形成する工程とを含む
    ことを特徴とする回折格子の作製方法。
  9. 【請求項９】 分布帰還型半導体レーザにおいて、 ピッチが１００〜４００ｎｍであるラインアンドスペー
    スの第１のマスクと、この第１のマスクの一部を、該第
    １のマスクの配列方向と垂直な方向にて両側から挟む一
    対の第２のマスクとからなる選択成長用のマスク膜を、
    第１の半導体上に形成する工程と、 上記マスク膜を用いて、上記第１の半導体よりも屈折率
    の大きい第２の半導体層を選択成長し、上記第２のマス
    クに挟まれた領域では他の領域よりも該選択成長層の高
    さが高くなるように該成長を行う工程と、 上記マスク膜を除去する工程と、 上記第１の半導体上に上記第２の半導体層を形成したも
    のの上に、上記選択成長層よりも屈折率の小さい第３の
    半導体層をこれらを埋込むように形成する工程とを含む
    回折格子の作製方法によって作製され、共振器内で回折
    格子の高さが領域によって異なる回折格子を有し、 該回折格子の高さが異なることによって共振器内の光密
    度分布を調整してなるものであることを特徴とする分布
    帰還型半導体レーザ。
  10. 【請求項１０】 請求項９に記載の分布帰還型半導体レ
    ーザにおいて、 上記回折格子の高さは、共振器中央領域で高く、共振器
    端面近傍で低いものであることを特徴とする分布帰還型
    半導体レーザ。
  11. 【請求項１１】 請求項９に記載の分布帰還型半導体レ
    ーザにおいて、 上記回折格子は、共振器中央部において、回折格子の高
    さの異なる領域を有し、その屈折率変化により１／４波
    長シフト回折格子として作用するものであることを特徴
    とする分布帰還型半導体レーザ。
JP6013894A 1994-02-08 1994-02-08 量子細線の作製方法、量子細線、量子細線レーザ、及び量子細線レーザの作製方法、回折格子の作製方法、及び分布帰還型半導体レーザ Pending JPH07221392A (ja)

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