JP2006216752A - 回折格子の製造方法および半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】 従来よりも信頼性を向上することができる回折格子の製造方法および半導体レーザを提供すること。
【解決手段】 回折格子を形成する回折格子形成層を含む１層以上の薄膜を基板上に堆積する薄膜堆積工程Ｓ１１０と、回折格子形成層上に回折格子を保護する保護膜である回折格子保護層を堆積する第１の保護層堆積工程Ｓ１２０と、回折格子形成層および回折格子保護層を加工して回折格子を形成する保護回折格子形成工程Ｓ１３０と、回折格子を保護する保護膜である格子保護増強層を堆積する第２の保護層堆積工程Ｓ１４０と、さらに薄膜を堆積する格子上薄膜堆積工程Ｓ１５０とを有する回折格子の製造方法であって、回折格子形成層が耐酸化性の材料を用いて形成され、回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料を用いて回折格子保護層および格子保護増強層が堆積される構成を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、回折格子の製造方法および半導体レーザに関する。

近年、分布帰還型（Distributed FeedBack 以下、単にＤＦＢという。）レーザは、光情報記録、光情報処理、光応用計測等で極めて有用なものであるとして、開発および実用化が進められている。これは、ＤＦＢレーザが、（１）高速かつ直接に変調する利用方法でも単一縦モードで発振する、（２）へき開面を必要としないため集積化に適する、（３）温度や駆動電流によって発振波長を連続的に変化できる、（４）回折格子の周期により発振波長を精密に設定できる等の特徴を有するからである。

以下に、ＤＦＢレーザの従来の製造方法を説明する。図７は、ＤＦＢレーザの従来の製造方法を説明するための模式的な断面図である（例えば、特許文献１参照）。まず、図７（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓバッファ層７２、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層７３、ＡｌＧａＡｓ活性層７４、ｐ−ＡｌＧａＡｓバリア層７５、ｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層７６およびｐ−ＩｎＧａＰマスク層７７（ＧａＡｓに格子整合）を、例えば、ＭＯＶＰＥ、ＭＢＥ技術等を用いて、半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ基板）７１上に順次成長する。このとき、ｐ−ＩｎＧａＰマスク層７７は、回折格子用の周期パターンを形成するために、２０〜３０ｎｍ程度の膜厚とされる。

次に、図７（ｂ）に示すように、ｐ−ＩｎＧａＰマスク層７７の上に、フォトレジスト７８を５０ｎｍ程度の厚さに塗布し、Ｈｅ−Ｃｄレーザビーム７９（波長３２５ｎｍ）を用いて二光束干渉露光を行う。このとき、形成するレーザ素子の発振波長が１．１μｍ以下の場合、１次の回折格子の周期は１６０ｎｍ以下となるので、さらに短波長のレーザビームを用いて露光しない限り形成するのが困難であるため、通常は２次以上の回折格子を形成する。

次に、現像を行うことによって、図７（ｃ）に示すような周期的なパターンの断面構造のレジストマスク７８'が形成される。図７（ｃ）に示すレジストマスク７８'を用いてｐ−ＩｎＧａＰマスク層７７をエッチングすることによって、図７（ｄ）に示すような断面構造の回折格子形成用のｐ−ＩｎＧａＰマスク７７'が得られる。このエッチング用のエッチング液には、例えば臭素系のエッチング液を用いる。このとき、臭素系のエッチング液に対しては、レジストマスク７８'とｐ−ＩｎＧａＰマスク層７７との密着がよいために、ｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層７６の表面が露呈する前にｐ−ＩｎＧａＰマスク層７７が消滅するようなサイドエッチングの進行はない。

次に、レジストマスク７８'を除去し、ｐ−ＩｎＧａＰマスク７７'を用いて、例えば硫酸系のエッチング液を用いてｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層７６をエッチングし、回折格子７６'を形成する（図７（ｅ）参照）。このとき、ｐ−ＩｎＧａＰマスク７７'はほとんどエッチングされず、エッチングを適度な時間で停止すれば、回折格子７６'上に、ｐ−ＩｎＧａＰマスク７７'が残った状態になる。ここで、ｐ−ＩｎＧａＰマスク７７'は、ｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層７６上に結晶成長したものであるため密着が強く、高さのある良好な形状の回折格子７６'が形成できる。

次に、パターン化されたｐ−ＩｎＧａＰマスク７７'を残したまま、ｐ−ＩｎＧａＰクラッド層８０、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８１を順次成長する（図７（ｆ）参照）。このとき、ｐ−ＩｎＧａＰマスク７７'を残しているため、成長時の加熱下において、ＩｎＧａＰのマストランスポートによる回折格子７６'表面のパッシベーションがなされ、ｐ−ＩｎＧａＰクラッド層８０の成長が円滑に進み、均一で、表面が鏡面状態の良質な結晶が得られる。
特開平０５−２９１７０２号公報

しかし、このような従来の回折格子の製造技術では、ＡｌＧａＡｓ層表面を露出させて回折格子を形成するため、ＡｌＧａＡｓ層が空気に晒されて酸化させてしまい、形成された回折格子の信頼性を低下させてしまうという問題があった。そのため、ＤＦＢレーザ等の回折格子を用いる素子等では、回折格子と同様に信頼性が低下していた。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、従来よりも信頼性を向上することができる回折格子の製造方法および半導体レーザを提供するものである。

以上の点を考慮して、請求項１に係る発明は、回折格子を形成する回折格子形成層を含む１層以上の薄膜を、前記回折格子形成層が表面になるように基板上に堆積する薄膜堆積工程と、前記回折格子形成層上に前記回折格子を保護する保護膜である回折格子保護層を堆積する回折格子保護層堆積工程と、前記回折格子形成層および前記回折格子保護層を加工して前記回折格子を形成する保護回折格子形成工程と、前記保護回折格子形成工程で形成された回折格子を有する基板面上にさらに薄膜を堆積する格子上薄膜堆積工程とを有する回折格子の製造方法であって、前記薄膜堆積工程で、耐酸化性の材料を用いて前記回折格子形成層が形成され、前記回折格子保護層堆積工程で、前記回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料を用いて前記回折格子保護層が堆積される構成を有する。

この構成により、薄膜堆積工程で耐酸化性の材料を用いて回折格子形成層が形成されるため回折格子を形成する際に回折格子が酸化されにくく、また回折格子が高温に晒された際に回折格子形状が崩れやすい場合でも、回折格子保護層堆積工程で回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料を用いて回折格子保護層が堆積されるため格子上薄膜堆積工程に至るまでに回折格子が高温雰囲気に晒されても回折格子の周期構造を維持することができ、従来よりも信頼性を向上することが可能な回折格子の製造方法を実現することができる。

また、請求項２に係る発明は、回折格子を形成する回折格子形成層を含む１層以上の薄膜を、前記回折格子形成層が表面になるように基板上に堆積する薄膜堆積工程と、前記回折格子形成層を加工して前記回折格子を形成する回折格子直接形成工程と、前記回折格子直接形成工程で形成された回折格子を有する基板面上に前記回折格子を保護する保護膜である露出格子保護層を堆積する露出格子保護層堆積工程と、前記露出格子保護層上にさらに薄膜を堆積する格子上薄膜堆積工程とを有する回折格子の製造方法であって、前記薄膜堆積工程で、耐酸化性の材料を用いて前記回折格子形成層が形成され、前記露出格子保護層堆積工程で、前記回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料を用いて前記露出格子保護層が堆積される構成を有する。

この構成により、薄膜堆積工程で耐酸化性の材料を用いて回折格子形成層が形成されるため回折格子を形成する際に回折格子が酸化されにくく、また回折格子が高温雰囲気に晒された際に回折格子形状が崩れやすい場合でも、露出格子保護層堆積工程で回折格子の形状が維持されている温度において回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料を用いて露出格子保護層が堆積されるため、格子上薄膜堆積工程に至るまでに回折格子が高温雰囲気に晒されても回折格子の周期構造を維持することができ、従来よりも信頼性を向上することが可能な回折格子の製造方法を実現することができる。

また、請求項３に係る発明は、回折格子を形成する回折格子形成層を含む１層以上の薄膜を、前記回折格子形成層が表面になるように基板上に堆積する薄膜堆積工程と、前記回折格子形成層上に前記回折格子を保護する保護膜である回折格子保護層を堆積する回折格子保護層堆積工程と、前記回折格子形成層および前記回折格子保護層を加工して前記回折格子を形成する保護回折格子形成工程と、前記保護回折格子形成工程で形成された回折格子を有する基板面上に前記回折格子を保護する保護膜である格子保護増強層を堆積する格子保護増強層堆積工程と、前記格子保護増強層堆積工程で堆積された格子保護増強層を有する基板面上にさらに薄膜を堆積する格子上薄膜堆積工程とを有する回折格子の製造方法であって、前記薄膜堆積工程で、耐酸化性の材料を用いて前記回折格子形成層が形成され、前記回折格子保護層堆積工程で、前記回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料を用いて前記回折格子保護層が堆積され、前記格子保護増強層堆積工程で、前記回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料を用いて前記格子保護増強層が堆積される構成を有する。

この構成により、薄膜堆積工程で耐酸化性の材料を用いて回折格子形成層が形成されるため回折格子を形成する際に回折格子が酸化されにくく、また回折格子が高温に晒された際に回折格子形状が崩れやすい場合でも、回折格子保護層堆積工程および格子保護増強層堆積工程の両工程で回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料を用いて回折格子を保護するための保護層が堆積されるため、格子上薄膜堆積工程に至るまでに回折格子が高温雰囲気に晒されても高い確実性で回折格子の周期構造を維持することができ、従来よりも信頼性を向上することが可能な回折格子の製造方法を実現することができる。

また、請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項において、前記格子上薄膜堆積工程が、前記格子上薄膜堆積工程より前の工程で堆積された、前記回折格子を保護する保護膜を除去する保護膜除去工程を有し、前記保護膜除去工程で前記回折格子を保護する保護膜を除去した後に、さらに前記薄膜を堆積する構成を有する。

この構成により、請求項１から請求項３までのいずれか１項の効果に加え、この回折格子を利用した素子等の特性がこの保護膜の存在によって影響を受ける場合に、格子上薄膜堆積工程の直前に設けた保護膜除去工程で回折格子を保護する保護膜を除去するため、保護膜の影響を受けず、所望の素子特性等を得ることが可能な回折格子の製造方法を実現することができる。

また、請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項において、前記回折格子形成層がＩｎＧａＡｓＰからなり、前記回折格子を保護する保護膜がＧａＡｓからなる構成を有する。

この構成により、請求項１から請求項４までのいずれか１項の効果に加え、回折格子形成層がＩｎＧａＡｓＰからなり、回折格子を保護する保護膜がＧａＡｓからなるため、回折格子を形成する際に回折格子が酸化されにくく、またＩｎＧａＡｓＰ上に回折格子を形成した場合に高温雰囲気で回折格子形状が崩れやすいという問題に対しても、ＧａＡｓ保護層により回折格子表面を保護することで、安定して回折格子の周期構造を形成することができ、ＧａＡｓにほぼ格子整合する材料系で、とりわけ赤色から近赤外の波長帯で動作する半導体レーザに用いることができると共に、従来よりも信頼性を向上することができる回折格子の製造方法を実現することができる。

また、請求項６に係る発明は、所定の波長の光を放射する活性層と、前記活性層を挟むように形成された複数のクラッド層と、前記活性層に電流を狭窄して注入する電流狭窄部と、前記活性層と複数の前記クラッド層のうちのいずれか１層のクラッド層との間、またはクラッド層中に回折格子が形成された回折格子形成層とを備える半導体レーザであって、前記回折格子形成層が耐酸化性の材料からなり、前記回折格子形成層の前記基板と反対側の界面に、前記回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料からなる薄膜を有する構成をなす。

この構成により、回折格子形成層に耐酸化性の材料を用い、回折格子の基板と反対側の界面に回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料からなる薄膜が設けられているため、酸化されにくく安定した周期構造の回折格子を得ることができ、従来よりも信頼性を向上することができる半導体レーザを実現することができる。ここで、電流狭窄部の構造を、例えば、リッジ導波路構造、電流ブロック層埋め込み構造、インナーストライプ構造、電極ストライプ構造等とするのでもよい。

また、請求項７に係る発明は、請求項６において、前記回折格子形成層がＩｎＧａＡｓＰからなり、前記回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料からなる薄膜がＧａＡｓからなる構成を有する。

この構成により、請求項６の効果に加え、回折格子形成層がＩｎＧａＡｓＰからなり、回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料からなる薄膜がＧａＡｓからなるため、回折格子を形成する際に回折格子が酸化されにくく、またＩｎＧａＡｓＰ上に回折格子を形成した場合に高温雰囲気で回折格子形状が崩れやすいという問題に対しても、ＧａＡｓ保護層により回折格子表面を保護することで、安定して回折格子の周期構造を形成することができ、ＧａＡｓにほぼ格子整合する材料系で、とりわけ赤色から近赤外の波長帯で動作することが可能な半導体レーザを実現することができる。

本発明は、耐酸化性の材料を用いて回折格子形成層が形成されるため回折格子を形成する際に回折格子が酸化されにくく、回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料を用いて回折格子を保護する保護層が堆積されるため回折格子の周期構造を維持することができ、従来よりも信頼性を向上することが可能な回折格子の製造方法を提供することができると共に、かかる回折格子の製造方法で半導体レーザを製造することによって従来よりも信頼性を向上することができる半導体レーザを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ１００の立体構造（図１（ａ））と断面構造（図１（ｂ））の一例を示す図である。図１（ａ）において、符号１３を付した層は活性層であり、符号１４を付した層は回折格子形成層であり、符号２１および２２を付した部分は電極であり、符号３１を付したものは回折格子であり、符号３２を付した部分は導波路としてのリッジ部である。

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す半導体レーザ１００のリッジ部３２の中央を通り基板に垂直な面での断面図である。図１（ｂ）に示すように、半導体レーザ１００は、半導体基板１１と、クラッド層１２と、活性層１３と、回折格子形成層１４と、クラッド層１５ａ、１５ｂと、エッチング阻止層１６と、コンタクト層１７と、コンタクト層１７上の電極２１と、半導体基板１１の裏面（上記の半導体層１２〜１７が積層された基板面と反対側の面をいう。）上の電極２２とを有する。なお、図１には、半導体層１５〜１７が露出した表面を覆う絶縁膜が記載されていないが、かかる絶縁膜を施すのでもよい。

ここで、リッジ部３２は、導波路としての機能と、活性層１３に注入する電流を狭窄する電流狭窄部としての機能を有する。導波路としての機能および電流狭窄部としての機能は、リッジ部３２を有するリッジ構造に代え、例えば、電流ブロック層埋め込み構造、インナーストライプ構造、電極ストライプ構造等とすることによって実現するのでもよい。

以下では、本発明を、ｎ−ＧａＡｓ基板を用いて形成される赤色から近赤外の波長帯に用いられる半導体レーザに適用した例について説明する。これに応じて、上記の電極２１をｐ電極２１ともいい、電極２２をｎ電極２２ともいう。半導体基板１１は、ｎ−ＧａＡｓ基板である。半導体基板１１としては、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体を用いることができるが、活性層１３との組み合わせが好適であること、高い品質の基板が得られること、物性が比較的明らかになっていること、入手の容易性等からＧａＡｓ基板を用いるのが好適である。また、電流狭窄機能を持つリッジ部３２が活性層１３より表面側に位置する構成を用いた場合、基板にはｎ−ＧａＡｓ基板を用い、エッチング阻止層１６の下側のクラッド層１５ａにｐ型の材料を用いることで、活性層１３への電流拡がりを抑えることができる。

クラッド層１２は、ｎ−Ａｌ_ｘｂＧａ_{（１−ｘｂ）}Ａｓからなる。Ａｌ_ｘｂＧａ_{（１−ｘｂ）}Ａｓは、ＧａＡｓと格子定数の差が小さいため格子不整合に伴う欠陥の問題を回避できて好適である。ここで、ｘｂは略０．４５であり、不純物濃度は略１×１０^1８ｃｍ^-３、層厚は略２μｍである。ｎ型の不純物としては、例えば、Ｓｉが好適である。

活性層１３は、例えば、ダブルへテロのｐｎ接合を有する構造、量子井戸構造、多重量子井戸構造等の層とすることができる。ここで、活性層１３の形成に用いる材料は、発振波長に応じて決定される。具体的には、活性層１３は、８５０ｎｍ程度の波長帯用に対して、例えば、井戸層がアンドープのＧａＡｓを用いて形成され、障壁層がアンドープのＡｌ_ｘｂＧａ_{（１−ｘｂ）}Ａｓを用いて形成される多重量子井戸構造の層とするのでもよい。

回折格子形成層１４は、回折格子が形成された層であり、ｐ−Ｉｎ_ｘａＧａ_{（１−ｘａ）}Ａｓ_ｙＰ_{（１−ｙ）}層からなる。Ｉｎ_ｘａＧａ_{（１−ｘａ）}Ａｓ_ｙＰ_{（１−ｙ）}は、耐酸化性の材料であるため、回折格子を形成する際に回折格子が酸化されにくく好適である。ここで、ｘａは略０．２５であり、ｙは略０．５であり、不純物濃度は略１×１０^1８ｃｍ^-３、層厚は略０．１μｍである。ｐ型の不純物としては、例えば、Ｚｎが好適である。

クラッド層１５ａ、１５ｂは、ｐ−Ａｌ_ｘｂＧａ_{（１−ｘｂ）}Ａｓ層からなり、不純物濃度は略１×１０^1８ｃｍ^-３、合計の層厚は略２μｍである。なお、クラッド層１５ａとクラッド層１５ｂとの間に設けられたエッチング阻止層１６は、ｐ−ＩｎＧａＰからなり、層厚は略３０ｎｍである。コンタクト層１７は、ｐ^＋−ＧａＡｓ層からなり、不純物濃度は略１×１０^1９ｃｍ^-３、層厚は略１μｍである。ｐ型の不純物としては、例えば、Ｚｎが好適である。

なお、半導体レーザ１００が半導体層１５〜１７の露出した表面を覆う絶縁膜を有する場合、半導体レーザ１００は、例えばＳｉＯ_２からなる絶縁膜の所定部分に設けられたコンタクトホールを介して、ｐ電極２１とコンタクト層１７とが電気的に接続される構成を有する。

以下、本発明の実施の形態に係る回折格子および半導体レーザの製造方法について、上記の半導体レーザ１００を例にとり、図面を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態に係る回折格子および半導体レーザの製造方法を説明するための工程図である。図２において、Ｓ１１０〜Ｓ１５０の工程が回折格子の製造方法を構成する工程であり、Ｓ１１０〜Ｓ１７０の工程が半導体レーザの製造方法を構成する工程である。

まず、薄膜堆積工程（Ｓ１１０）で、ｎ−ＧａＡｓからなる半導体基板１１の（１００）面上に、ｎ−Ａｌ_ｘｂＧａ_{（１−ｘｂ）}Ａｓからなるクラッド層１２、アンドープのＧａＡｓの井戸層とアンドープのＡｌＧａＡｓ障壁層からなる量子井戸を有する活性層１３、および、ｐ−Ｉｎ_ｘａＧａ_{（１−ｘａ）}Ａｓ_ｙＰ_{（１−ｙ）}からなる回折格子形成層１４を、この順番に堆積する。これによって、回折格子形成層１４が表面になるように半導体基板１１上に堆積される。以下、半導体基板１１、クラッド層１２および活性層１３を下層エピ基板１１０という。

次に、第１の保護層堆積工程（Ｓ１２０）で、回折格子形成層１４上に回折格子を保護する保護膜である回折格子保護層１８を堆積する（図３参照）。第１の保護層堆積工程（Ｓ１２０）では、例えばＧａＡｓからなる厚さ１５ｎｍの回折格子保護層１８が堆積される。

上記の各半導体層１２〜１４、１８は、例えば、ＭＯＶＰＥ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）等の技術を用いて連続的に堆積されるが、その他の技術を用いて形成するのでもよい。ＭＯＶＰＥ技術を用いて成膜する場合、Ａｌ_ＸｂＧａ_{（１−Ｘｂ）}Ａｓの結晶品質の観点から、７００度程度以上の温度で成膜するのが好適である。また、ｎ型の不純物としては、例えば、Ｓｉ等が用いられ、ｐ型の不純物としては、例えば、Ｚｎ等が用いられる。ただし、本発明の適用は、これらの元素に限定されるものではなく、他の所定の元素を用いるのでもよい。以下で堆積する半導体層についても同様とする。

ＧａＡｓは回折格子形成層１４の材料ｐ−Ｉｎ_ｘａＧａ_{（１−ｘａ）}Ａｓ_ｙＰ_{（１−ｙ）}よりも耐熱性のよい材料の一例であり、本発明の適用は、回折格子保護層１８にＧａＡｓを用いて堆積する場合に限られず、回折格子形成層１４の材料よりも耐熱性に優れた所定の材料を回折格子保護層１８の形成に用いるのであればよい。ここで、第１の保護層堆積工程（Ｓ１２０）は、特許請求の範囲に記載された回折格子保護層堆積工程に対応するものである。

第１の保護層堆積工程（Ｓ１２０）で回折格子形成層１４上に回折格子保護層１８を堆積した後、回折格子形成工程（Ｓ１３０）で、回折格子形成層１４および回折格子保護層１８を加工して回折格子を形成する。図４は、回折格子形成工程（Ｓ１３０）以降の工程の一部を説明するための図である。

回折格子の形成は、まず、図４（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ技術等を用いて、回折格子のパターンを有するレジストマスクＭを形成する。ここで、回折格子の格子縞の方向は、[０１１]軸に直交する方向を向いているものとする。上記のレジストマスクＭを形成するために、まず、回折格子保護層１８上にフォトレジストを５０ｎｍ程度の厚さに塗布する。

次に、Ｈｅ−Ｃｄレーザビーム（波長３２５ｎｍ）を用いて二光束干渉露光を行う。このとき、本実施の形態に係る半導体レーザを８５０ｎｍ付近の波長帯で用いる場合、１次の回折格子の周期は１１０〜１３０ｎｍと短いため、形成するのが困難である。そこで、この場合には２次（２２０〜２６０ｎｍ）の回折格子を形成するのが好適である。最後に、現像を行うことによって、図４（ａ）に示すような周期的なパターンの断面構造のレジストマスクＭが形成される。

図４（ａ）に示すようにレジストマスクＭが形成された後、レジストマスクＭをエッチング用のマスクとし、回折格子形成層１４と回折格子保護層１８の材料に対して選択性のないエッチング液を用いて回折格子形成層１４と回折格子保護層１８の一部をエッチングして回折格子形成層１４に回折格子を形成する（図４（ｂ）参照）。

ここで、上記の選択性のないエッチング液としては、臭素と燐酸の混合液を用いることができる。図４（ｂ）に示すように回折格子を形成した後、レジストマスクＭを所定の有機溶媒を用いて除去する（図４（ｃ）参照）。なお、第１の保護層堆積工程（Ｓ１２０）で回折格子形成層１４上に回折格子保護層１８を堆積した後に回折格子を形成する回折格子形成工程（Ｓ１３０）は、請求項１および請求項３に記載された保護回折格子形成工程に対応するものである。

回折格子形成工程（Ｓ１３０）で回折格子を形成した後、第２の保護層堆積工程（Ｓ１４０）で、回折格子を有する基板面上に回折格子を保護する保護膜である露出格子保護層（請求項３においては格子保護増強層に対応、以下同様）１９を堆積する（図４（ｄ）参照）。ここで、露出格子保護層１９は、回折格子形成層１４の材料よりも耐熱性に優れた所定の材料であり、回折格子保護層１８と同じ材料であるＧａＡｓを用いて２０ｎｍ程度の厚さに堆積するのが好適である。また、露出格子保護層１９を例えばＭＯＶＰＥ技術を用いて堆積する場合、耐熱性の弱い回折格子の形状が崩れていない温度条件下で堆積する必要がある。この温度は、例えば回折格子形成層１４にＩｎ_ｘａＧａ_{（１−ｘａ）}Ａｓ_ｙＰ_{（１−ｙ）}を用いる場合、５６０度程度が好適である。

ただし、本発明の適用は、露出格子保護層１９にＧａＡｓを用いて堆積する場合に限られず、回折格子形成層１４の材料よりも耐熱性に優れた所定の材料を露出格子保護層１９の形成に用いるのであればよい。ここで、第２の保護層堆積工程（Ｓ１４０）は、請求項２に記載された露出格子保護層堆積工程および請求項３に記載された格子保護増強層堆積工程に対応するものである。

第２の保護層堆積工程（Ｓ１４０）で露出格子保護層１９を堆積した後、格子上薄膜堆積工程（Ｓ１５０）で、回折格子を有する基板面上にさらに薄膜を堆積する。図５は、格子上薄膜堆積工程（Ｓ１５０）について説明するための図である。

格子上薄膜堆積工程（Ｓ１５０）として、図５（ａ）を用いて説明する。まず、成長温度設定工程（Ｓ１５１）で、クラッド層１５ａの成長温度に設定する。Ａｌ_ｘｂＧａ_{（１−ｘｂ）}Ａｓからなるクラッド層１５ａを堆積する場合、成長温度は例えば約７００度とするのでもよい。ここで、第２の保護層堆積工程（Ｓ１４０）での成長温度（約５６０度）から成長温度設定工程（Ｓ１５１）での成長温度（約７００度）まで温度を上昇させる時間、回折格子形成層１４に形成された回折格子は、耐熱性の材料からなる回折格子保護層１８および露出格子保護層１９のいずれか１つ以上の層により保護される。

次に、保護膜除去工程（Ｓ１５２）で、回折格子保護層１８、露出格子保護層１９等の回折格子を保護するための保護膜を除去する（図４（ｅ）参照）。上記の保護膜の材料としてＧａＡｓを用い、半導体膜の成長をＭＯＶＰＥで行う場合、例えば、塩酸ガスを所定濃度含む雰囲気ガスを成長室内に流してＧａＡｓ保護膜を除去する。

保護膜除去工程（Ｓ１５２）で上記の保護膜を除去した後、塩酸ガスを含む雰囲気ガスを半導体膜堆積用のガスに切り替え、所定の半導体膜を堆積する（Ｓ１５３）。すなわち、上記の半導体レーザ１００を製作する場合は、クラッド層１５ａ、１５ｂ、エッチング阻止層１６、コンタクト層１７を堆積する（図６（ｆ）参照）。

ここで、回折格子形成層１４の表面に形成された回折格子は、７００度程度の温度では周期構造が壊れやすくなる（耐熱性が低い）ため、保護膜除去工程（Ｓ１５２）をできるだけ短時間で済ませると共に、次の薄膜堆積工程（Ｓ１５３）へ速やかに移行する必要がある。こうすることで、回折格子の形状が高熱下での表面マイグレーションにより崩れるのを防ぐことができる。また、薄膜堆積工程（Ｓ１５３）で回折格子表面が薄膜で覆われることにより、その後の工程においても回折格子を保存することが可能となる。この回折格子を利用した半導体レーザ等の特性が上記の保護膜の存在によって影響を受ける場合に、保護膜除去工程（Ｓ１５２）で回折格子を保護する保護膜を除去するため、この回折格子を利用した半導体レーザ等の特性を所望のものにすることができる。

なお、上記では、保護膜除去工程（Ｓ１５２）を有する格子上薄膜堆積工程（Ｓ１５０）について説明したが、図５（ｂ）に示すように保護膜除去工程（Ｓ１５２）を省くのでもよい。回折格子を保護する保護膜が回折格子の結合効率を向上させる等の所定の場合は、上記の保護膜を残しておくのが好ましい。また、上記の保護膜による悪影響がない場合または少ない場合は、保護膜を残しておくことによって、より好適に回折格子の周期構造を維持できる。以上で、半導体レーザ１００に用いる回折格子が形成された。

なお、上記では、第１の保護層堆積工程（Ｓ１２０）と第２の保護層堆積工程（Ｓ１４０）との両工程を含む回折格子の製造方法について説明したが、本発明の適用は、必ずしも上記の両工程Ｓ１２０、Ｓ１４０を含む製造方法に限定されず、いずれかの工程を省くことができる。

すなわち、上記の第２の保護層堆積工程（Ｓ１４０）および保護膜除去工程（Ｓ１５２）を省略した回折格子の製造方法は、請求項１に記載された発明に対応し、第１の保護層堆積工程（Ｓ１２０）および保護膜除去工程（Ｓ１５２）を省略した回折格子の製造方法は、請求項２に記載された発明に対応し、保護膜除去工程（Ｓ１５２）を省略した回折格子の製造方法は、請求項３に記載された発明に対応する。また、上記の第２の保護層堆積工程（Ｓ１４０）を省略した回折格子の製造方法、第１の保護層堆積工程（Ｓ１２０）を省略した回折格子の製造方法、および、上記の全工程を含む回折格子の製造方法は、請求項４に記載された発明に対応する。

なお、上記では、回折格子を保護するための回折格子保護層１８として回折格子形成層１４の材料よりも耐熱性に優れたＧａＡｓを用い、回折格子保護層１８の表面にレジストを塗布して干渉露光しレジストマスクＭを形成する場合について説明したが、この回折格子保護層１８上に例えばＩｎＧａＰ層等のレジストとの密着性のよい半導体層を堆積し、この半導体層の表面にレジストを塗布して干渉露光によりレジストマスクＭを形成し、レジストマスクＭ形成後は上記と同様の工程により回折格子を形成するでもよい。このようにすることによって、上記の半導体層とレジストとの密着性が高まるため、より好適に回折格子の形状を形成できると共に、上記の半導体層があることによって、より安定に回折格子を形成することができる。

次に、半導体レーザ１００の製造には、さらにＳ１６０およびＳ１７０の工程を行う。まず、リッジ形成工程（Ｓ１６０）で、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて、導波路となるリッジ部３２を形成する。図６（ｇ）は、リッジ形成工程（Ｓ１６０）終了後の、回折格子の長手方向に平行な断面についての断面図である。エッチングは、硫酸と過酸化水素水の混合液を用いて行う。

リッジ形成工程（Ｓ１６０）で導波路となるリッジ部３２を形成した後、電極形成工程（Ｓ１７０）で、ｐ電極２１およびｎ電極２２を形成する。図６（ｈ）は、電極形成工程（Ｓ１７０）終了後の、回折格子の長手方向に平行な断面についての断面図である。電極の形成方法については周知であるため、さらなる説明を省略する。なお、電極形成工程（Ｓ１７０）に先立ち、例えばＳｉＯ_２からなる絶縁膜を堆積し、リッジ部３２上の所定部分にコンタクトホールを形成し、しかる後に電極形成工程（Ｓ１７０）を行ってｐ電極２１およびｎ電極２２を形成するのでもよい。これによって、半導体層１５〜１７を保護することができ、好適である。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る回折格子の製造方法は、耐酸化性の材料を用いて回折格子形成層が形成されるため回折格子を形成する際に回折格子が酸化されにくく、また回折格子が高温に晒された際に回折格子形状が崩れやすい場合でも、回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料を用いて回折格子保護層および露出格子保護層のうちのいずれか１つ以上の層が堆積されるため回折格子が高温雰囲気に晒されても回折格子の周期構造を維持することができ、回折格子の信頼性を従来よりも向上させることができる。

また、この回折格子を利用した素子等の特性がこの保護膜の存在によって影響を受ける場合に、格子上薄膜堆積工程の直前に設けた保護膜除去工程で回折格子を保護する保護膜を除去するため、保護膜の影響を受けず、所望の素子特性等を得ることができる。

さらに、回折格子形成層がＩｎＧａＡｓＰからなり、回折格子を保護する保護膜がＧａＡｓからなるため、回折格子を形成する際に回折格子が酸化されにくく、またＩｎＧａＡｓＰ上に回折格子を形成した場合に高温雰囲気で回折格子形状が崩れやすいという問題に対しても、ＧａＡｓ保護層により回折格子表面を保護することで、安定して回折格子の周期構造を形成することができ、ＧａＡｓにほぼ格子整合する材料系で、とりわけ赤色から近赤外の波長帯で動作する半導体レーザに用いることができると共に、従来よりも信頼性を向上することができる。

また、本発明の実施の形態に係る半導体レーザは、回折格子形成層に耐酸化性の材料を用い、回折格子の基板と反対側の界面に回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料からなる薄膜が設けられているため、酸化されにくく安定した周期構造の回折格子を得ることができ、従来よりも信頼性を向上することができる。

さらに、本発明の実施の形態に係る半導体レーザは、回折格子形成層がＩｎＧａＡｓＰからなり、回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料からなる薄膜がＧａＡｓからなるため、回折格子を形成する際に回折格子が酸化されにくく、またＩｎＧａＡｓＰ上に回折格子を形成した場合に高温雰囲気で回折格子形状が崩れやすいという問題に対しても、ＧａＡｓ保護層により回折格子表面を保護することで、安定して回折格子の周期構造を形成することができ、ＧａＡｓにほぼ格子整合する材料系で、とりわけ赤色から近赤外の波長帯で動作することができる。

本発明に係る回折格子の製造方法および半導体レーザは、従来よりも信頼性を向上することができるという効果が有用な、光情報記録用素子、光情報通信用素子、光情報処理用素子、光応用計測用素子等およびその製造方法の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態に係る半導体レーザ１００の構造の１例を示す斜視図（ａ）とリッジ中央部を通り基板に垂直な面での断面図（ｂ） 本発明の実施の形態に係る回折格子および半導体レーザの製造方法を説明するための工程図 Ｓ１２０までの工程で堆積された半導体膜の積層構造を説明するための図 Ｓ１３０以降の工程の一部を説明するための図 Ｓ１５０の工程について説明するための図 回折格子上に半導体膜を堆積する工程以降の工程を説明するための図 従来の半導体レーザの製造方法を説明するための図

符号の説明

１１、７１ 半導体基板
１２ クラッド層
１３ 活性層
１４ 回折格子形成層
１５ａ、１５ｂ クラッド層
１６ エッチング阻止層
１７ コンタクト層
２１ ｐ電極
２２ ｎ電極
３１ 回折格子
３２ リッジ部
７２ ｎ−ＧａＡｓバッファ層
７３ ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層
７４ ＡｌＧａＡｓ活性層
７５ ｐ−ＡｌＧａＡｓバリア層
７６ ｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層
７６' 回折格子
７７ ｐ−ＩｎＧａＰマスク層
７７' ｐ−ＩｎＧａＰマスク
７８ フォトレジスト
７８' レジストマスク
７９ Ｈｅ−Ｃｄレーザビーム
８０ ｐ−ＩｎＧａＰクラッド層
８１ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１００ 半導体レーザ
１１０ 下層エピ基板

Claims (7)

1. 回折格子を形成する回折格子形成層を含む１層以上の薄膜を、前記回折格子形成層が表面になるように基板上に堆積する薄膜堆積工程と、前記回折格子形成層上に前記回折格子を保護する保護膜である回折格子保護層を堆積する回折格子保護層堆積工程と、前記回折格子形成層および前記回折格子保護層を加工して前記回折格子を形成する保護回折格子形成工程と、前記保護回折格子形成工程で形成された回折格子を有する基板面上にさらに薄膜を堆積する格子上薄膜堆積工程とを有する回折格子の製造方法であって、
   前記薄膜堆積工程で、耐酸化性の材料を用いて前記回折格子形成層が形成され、前記回折格子保護層堆積工程で、前記回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料を用いて前記回折格子保護層が堆積されることを特徴とする回折格子の製造方法。
2. 回折格子を形成する回折格子形成層を含む１層以上の薄膜を、前記回折格子形成層が表面になるように基板上に堆積する薄膜堆積工程と、前記回折格子形成層を加工して前記回折格子を形成する回折格子直接形成工程と、前記回折格子直接形成工程で形成された回折格子を有する基板面上に前記回折格子を保護する保護膜である露出格子保護層を堆積する露出格子保護層堆積工程と、前記露出格子保護層上にさらに薄膜を堆積する格子上薄膜堆積工程とを有する回折格子の製造方法であって、
   前記薄膜堆積工程で、耐酸化性の材料を用いて前記回折格子形成層が形成され、前記露出格子保護層堆積工程で、前記回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料を用いて前記露出格子保護層が堆積されることを特徴とする回折格子の製造方法。
3. 回折格子を形成する回折格子形成層を含む１層以上の薄膜を、前記回折格子形成層が表面になるように基板上に堆積する薄膜堆積工程と、前記回折格子形成層上に前記回折格子を保護する保護膜である回折格子保護層を堆積する回折格子保護層堆積工程と、前記回折格子形成層および前記回折格子保護層を加工して前記回折格子を形成する保護回折格子形成工程と、前記保護回折格子形成工程で形成された回折格子を有する基板面上に前記回折格子を保護する保護膜である格子保護増強層を堆積する格子保護増強層堆積工程と、前記格子保護増強層堆積工程で堆積された格子保護増強層を有する基板面上にさらに薄膜を堆積する格子上薄膜堆積工程とを有する回折格子の製造方法であって、
   前記薄膜堆積工程で、耐酸化性の材料を用いて前記回折格子形成層が形成され、前記回折格子保護層堆積工程で、前記回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料を用いて前記回折格子保護層が堆積され、前記格子保護増強層堆積工程で、前記回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料を用いて前記格子保護増強層が堆積されることを特徴とする回折格子の製造方法。
4. 前記格子上薄膜堆積工程が、前記格子上薄膜堆積工程より前の工程で堆積された、前記回折格子を保護する保護膜を除去する保護膜除去工程を有し、前記保護膜除去工程で前記回折格子を保護する保護膜を除去した後に、さらに前記薄膜を堆積することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の回折格子の製造方法。
5. 前記回折格子形成層がＩｎＧａＡｓＰからなり、前記回折格子を保護する保護膜がＧａＡｓからなることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の回折格子の製造方法。
6. 所定の波長の光を放射する活性層と、前記活性層を挟むように形成された複数のクラッド層と、前記活性層に電流を狭窄して注入する電流狭窄部と、前記活性層と複数の前記クラッド層のうちのいずれか１層のクラッド層との間、またはクラッド層中に回折格子が形成された回折格子形成層とを備える半導体レーザであって、
   前記回折格子形成層が耐酸化性の材料からなり、前記回折格子形成層の前記基板と反対側の界面に、前記回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料からなる薄膜を有することを特徴とする半導体レーザ。
7. 前記回折格子形成層がＩｎＧａＡｓＰからなり、前記回折格子形成層の材料よりも耐熱性に優れた材料からなる薄膜がＧａＡｓからなることを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ。

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