JP2011071282A - Method for manufacturing semiconductor photonic device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a semiconductor element, manufacturing a diffraction grating having its depth (coupling coefficient) easily changing to suppress the concavity and convexity on the surface of the diffraction grating of a manufactured element, and thereby decreasing an optical loss and showing characteristics of a side mode being suppressed. <P>SOLUTION: An SiO2 mask 1803 having the opening part changing its width is formed on an InGaAsP waveguide layer 1801. When RIE (reactive ion etching) is performed using a mixed gas of methane and hydrogen with a methane flow volume of 40 sccm, a hydrogen flow volume of 5 sccm, an electric discharge power of 100 W, and a gas pressure of 40 Pa, etching is promoted at a first opening part 1804 having a width of 1.8 μm to generates polymer on the surface of a second opening part 1805 and a third opening part 1806 without causing concavity and convexity (Fig. 7(b)). Successively, oxygen plasma is irradiated under an oxygen volume of 10 sccm, a gas pressure of 10 Pa, and a discharge power of 400 W, for one minute to remove the deposited polymer (Fig. 7(c)). <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は半導体光素子の作製方法に関し、より詳細には、プラズマ状態のガスを用いてドライエッチングを行う半導体光素子の作製方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor optical device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor optical device in which dry etching is performed using a plasma state gas.

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。   In the research and development of high-performance and high-function devices, it is important to integrate the structure of complex devices, and device fabrication process technology such as processing (etching) and crystal regrowth technology is required. In particular, when a plurality of structures are integrated, usually a plurality of etching processes are required.

図20に、従来の複数の深さのエッチングを施す工程を示す。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には、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20(a))後にエッチングする(図20(b))。次に、1回目のエッチング用のマスクを除去した(図20(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20(d))、さらにエッチングする(図20(e)−(f))、というプロセスを繰り返さなくてはならない。   FIG. 20 shows a conventional step of etching at a plurality of depths. In the case where the sample (for example, InP crystal) 1110 is etched at different depths, the portion not etched at the time of the first etching is covered with a mask (dielectric material) 1120 (FIG. 20A) (FIG. 20A) and then etched. FIG. 20 (b)). Next, after removing the mask for the first etching (FIG. 20C), the portion not etched again for the second etching is covered with a mask (FIG. 20D), and further etched (FIG. 20). 20 (e)-(f)) must be repeated.

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。   In the fabrication of semiconductor optical devices, when etching with different depths is required, a plurality of mask formation and etching steps are essential, leading to waste in terms of time and cost. In consideration of such a problem, it has been substantially difficult to form fine and complicated structures having different depths by etching.

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)。図21(a)〜(c)に、従来のプラズマ状態のガスを用いたエッチングの原理を示す。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。図22(a)〜(c)に、従来のプラズマ状態のガスを用いたエッチングにおいてマスクを使用した場合のエッチング特性を示す。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(図22(b))。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。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が増加する。したがって、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。   Therefore, in order to solve the above-mentioned problem, when performing etching at different depths, it is possible to perform etching with different depths by performing etching once by using masks having different areas corresponding to the etching depths. Has been invented (see Patent Document 1). FIGS. 21A to 21C show the principle of etching using a conventional plasma state gas. In the case of dry etching using a plasma state gas for etching a semiconductor, the etching proceeds by the reaction of the semiconductor 411 and the etching species (etching gas) 412 on the semiconductor surface in the etching process by the semiconductor. FIGS. 22A to 22C show etching characteristics when a mask is used in etching using a conventional plasma state gas. When the surface of the semiconductor is covered with a material that does not react with the etching species 512 (for example, a dielectric such as silicon oxide or silicon nitride) using the mask 513, the etching species 512 on the mask is diffused and masked. It reaches the surface of the semiconductor not covered with (FIG. 22B). As a result, the density of the etching species 512 increases on the semiconductor surface near the mask. This increase in the etching species 512 increases the etching rate of the semiconductor. As described above, the etching species flying on the mask diffuses on the semiconductor surface and promotes the etching of the semiconductor, so that the etching of the semiconductor increases as the mask area increases. Therefore, according to this method, a simple groove structure whose depth changes can be easily manufactured.

特に、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には、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。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ので重合物(ポリマー)となって堆積する。 In particular, when a hydrocarbon gas such as methane or ethane is used as the gas in dry etching using a plasma gas for semiconductor etching, the gas is decomposed into hydrocarbon groups and hydrogen in the plasma state, and each ionized. Alternatively, it is chemically activated (radicalized). Hereinafter, ionized or chemically activated (radicalized) hydrocarbon groups are referred to as hydrocarbon plasma, and similar hydrogen atoms are referred to as hydrogen plasma. When the hydrocarbon plasma and the hydrogen plasma come into contact with the semiconductor, a process of etching the semiconductor and a process of forming and depositing a polymer on the semiconductor without etching the semiconductor occur. In general, when there is sufficient hydrogen plasma, the etching process is the main process, and when hydrogen plasma is insufficient, the process of polymer deposition is the main process. At the same time, hydrocarbon plasma and hydrogen plasma do not react with the dielectric on the surface of the dielectric (such as SiO 2 ) mask, so that they are deposited as a polymer.

図23(a)、(b)に、マスクの無い領域に炭化水素プラズマと水素プラズマを用いた場合の状態を示す。マスクの無い領域ではプラズマ状態のメタンに対してプラズマ状態の水素は試料表面に均一に分布する(図23(a))。この均一に分布したプラズマ状態の水素の濃度が低い場合、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し試料表面を覆う(図23(b))のでエッチングが進行しない。この現象はマスクの開口部幅の広いときにも同様に発現する。   FIGS. 23A and 23B show a state in which hydrocarbon plasma and hydrogen plasma are used in a region without a mask. In the region without the mask, the plasma state hydrogen is uniformly distributed on the sample surface with respect to the plasma state methane (FIG. 23A). When the concentration of hydrogen in this uniformly distributed plasma state is low, there is insufficient hydrogen for etching, so that a polymer is generated on the sample surface and covers the sample surface (FIG. 23B), so that the etching does not proceed. This phenomenon also appears when the mask opening is wide.

図24(a)〜(c)に、マスクの有る領域に炭化水素プラズマと水素プラズマを用いた場合の状態を示す。マスクの有る領域、特にマスクの開口部幅の狭い領域では、まず、メタンのプラズマに対してプラズマ状態の水素は試料表面にマスクの上にも開口部表面にも均一に分布する(図24(a))。マスク上のプラズマ状態の水素はプラズマ状態のメタンと反応することなく開口部に拡散する。その結果、開口部でのプラズマ状態の水素の濃度は増加する(図24(b))。したがって、開口部ではプラズマ状態の水素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。一方、マスク上ではマスク材料(SiO2)はエッチングされないのでプラズマ状態のメタン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(図24(c))。 FIGS. 24A to 24C show states when hydrocarbon plasma and hydrogen plasma are used in a region where a mask is present. In the region where the mask is present, particularly in the region where the opening width of the mask is narrow, hydrogen in the plasma state with respect to the methane plasma is uniformly distributed on the surface of the sample on the mask and on the surface of the opening (FIG. 24 ( a)). The hydrogen in the plasma state on the mask diffuses into the opening without reacting with the methane in the plasma state. As a result, the concentration of hydrogen in the plasma state at the opening increases (FIG. 24B). Therefore, the etching proceeds because the plasma concentration of hydrogen reaches a concentration sufficient to cause etching in the opening. On the other hand, since the mask material (SiO 2 ) is not etched on the mask, the methane in the plasma state generates a polymer without contributing to the etching (FIG. 24C).

このようにマスクの無い領域またはマスクの開口部幅の広い領域ではポリマーが生成してエッチングが進行せず、開口部幅の狭い領域ではエッチングが進行する。したがって、1回のエッチング過程で深さの異なる形状を加工することができる。   As described above, in the region without the mask or the region where the opening width of the mask is wide, the polymer is generated and the etching does not proceed, and the etching proceeds in the region where the opening width is narrow. Therefore, shapes having different depths can be processed in one etching process.

特開2004−247710号公報JP 2004-247710 A

熊谷他編、「真空の物理と応用」、裳華房、1970年、p.33,44,89Kumagai, et al., “Physics and Applications of Vacuum”, Kubobo, 1970, p. 33, 44, 89

しかしながら、マスクの無い領域またはマスクの開口部幅の広い領域(ポリマーが生成してエッチングが進行しない領域)と開口部幅の狭い領域(エッチングが進行する領域)との境界領域ではポリマーの生成とエッチングが同時に起きる。この場合、ポリマーが生成されてエッチングされない領域とポリマーが生成されずにエッチングされる領域が混在するため、プラズマ照射後の半導体表面に凹凸が生じるという課題があった。   However, in the boundary region between the region without the mask or the region where the opening of the mask is wide (the region where the polymer is generated and the etching does not proceed) and the region where the opening is narrow (the region where the etching proceeds), the formation of the polymer Etching occurs simultaneously. In this case, since a region where the polymer is generated and not etched and a region where the polymer is not generated and mixed are mixed, there is a problem that unevenness is generated on the semiconductor surface after plasma irradiation.

図25(a)、(b)に、ポリマーの生成とエッチングが同時に起きたときに発生するポリマーによって生じる凹凸の例を示す。このとき、表面に部分的にポリマーが生成されそのポリマーをマスクとしてエッチングが進行するので凹凸が生じる(図25(a))。また、ポリマーが表面に点在して残留すると残留したポリマーをマスクとしてエッチングが進行するので、針状の突起物が表面に形成され著しく凹凸が生じる場合もある(図25(b))。   FIGS. 25 (a) and 25 (b) show examples of unevenness caused by the polymer generated when the generation and etching of the polymer occur simultaneously. At this time, a polymer is partially generated on the surface, and etching proceeds using the polymer as a mask, resulting in unevenness (FIG. 25A). In addition, if the polymer is scattered on the surface and remains, etching proceeds using the remaining polymer as a mask, so that needle-like protrusions may be formed on the surface, resulting in significant unevenness (FIG. 25 (b)).

図26に、メタンプラズマ量を一定とした時のエッチング速度の水素プラズマ量依存性を示す。水素プラズマ量が0からh0までは水素プラズマ量が不足してポリマーが生成されエッチングがされない。h0以上になるとポリマーの生成と同時にエッチングが始まる。h0からh1まではポリマーの生成が支配的でありエッチング速度が遅いため表面に生じる凹凸も大きくない。h1以上になるとエッチング速度が増加し始め表面の凹凸も著しくなる。h2以上になるとエッチングが支配的になりポリマーの生成が減少するので凹凸も小さくなる。1以上になると水素のプラズマ量が十分になるのでポリマーの生成がなくなりエッチングが進行し凹凸が生じなくなる。   FIG. 26 shows the dependence of the etching rate on the amount of hydrogen plasma when the amount of methane plasma is constant. When the amount of hydrogen plasma is from 0 to h0, the amount of hydrogen plasma is insufficient and a polymer is generated and etching is not performed. When h0 or more, etching starts simultaneously with the generation of the polymer. From h0 to h1, the formation of polymer is dominant and the etching rate is slow, so that the unevenness generated on the surface is not large. When it becomes h1 or more, the etching rate starts to increase and the unevenness of the surface becomes remarkable. When h2 or more, etching becomes dominant and the generation of polymer is reduced, so that the unevenness is also reduced. If it is 1 or more, the amount of plasma of hydrogen becomes sufficient, so that no polymer is generated, etching proceeds, and unevenness does not occur.

このように、水素のプラズマ量がh1からh2までの領域ではポリマーの生成とエッチングが同時に起き、表面の凹凸が著しくなる。   Thus, in the region where the plasma amount of hydrogen is from h1 to h2, polymer generation and etching occur at the same time, and the surface unevenness becomes remarkable.

表面にマスクを有する試料にメタン/水素プラズマを照射する場合について説明する。図27に、マスク端からか拡散する水素の分布を示す。縦軸はマスク端での水素濃度Csにより規格化された水素濃度Cx/Csである。マスク端から離れるにつれて水素のプラズマ量は減少して距離L2でh2、L1でh1になる。つまり、図26で説明したようにh1からh2までの領域ではポリマーの生成とエッチングが同時に起きるので、マスク端からの距離L2とL1の間では表面の凹凸が著しくなる。   A case where a sample having a mask on the surface is irradiated with methane / hydrogen plasma will be described. FIG. 27 shows the distribution of hydrogen diffusing from the mask edge. The vertical axis represents the hydrogen concentration Cx / Cs normalized by the hydrogen concentration Cs at the mask end. As the distance from the mask edge increases, the amount of hydrogen plasma decreases to h2 at a distance L2 and h1 at L1. That is, as described with reference to FIG. 26, the generation and etching of the polymer occur simultaneously in the region from h1 to h2, so that the surface unevenness becomes significant between the distances L2 and L1 from the mask end.

このように表面に凹凸が生じ、この表面上に積層する結晶の品質が劣化するという課題があった。また、この表面上に積層する導波路層に光を導波させるときに凹凸部により光が散乱するという課題があった。   As described above, there is a problem that unevenness is generated on the surface, and the quality of the crystal laminated on the surface is deteriorated. In addition, there is a problem that light is scattered by the concavo-convex portion when light is guided to the waveguide layer laminated on the surface.

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、簡易に深さ(結合係数)が変化する回折格子の作製することができ、作製された素子の回折格子表面の凹凸が抑制されるため、光損失が低減され、サイドモードが抑制された特性を示す半導体素子の作製方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to easily manufacture a diffraction grating whose depth (coupling coefficient) varies, and to manufacture the diffraction grating of the manufactured element. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor element exhibiting characteristics in which surface unevenness is suppressed, light loss is reduced, and side modes are suppressed.

上記の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、炭化水素系プラズマと水素プラズマを開口部幅が変化する開口部を有するマスクを形成された半導体表面に照射して、半導体表面を異なる複数の深さにエッチングする半導体素子の作製方法であって、所定の前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマの拡散距離および圧力に対し、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を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、前記炭化水素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照射する第2の工程とを有することを特徴とする。   In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is directed to irradiating a semiconductor surface on which a mask having an opening having a variable opening width is irradiated with hydrocarbon-based plasma and hydrogen plasma. A method of manufacturing a semiconductor device that etches the semiconductor surface to a plurality of different depths, wherein the semiconductor surface is formed for each region having a different opening width with respect to a predetermined diffusion distance and pressure of the hydrocarbon-based plasma and the hydrogen plasma. A mask whose opening width is set so that only one of the first state in which etching progresses or the second state in which a polymer is uniformly generated on the semiconductor surface appears. A first step of forming on the surface; and a second step of irradiating the surface of the semiconductor having the mask with the hydrocarbon plasma and the hydrogen plasma. .

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の半導体素子の作製方法において、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照射により除去する第2の工程をさらに有することを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor element according to the first aspect, the second step of removing the polymer deposited on the semiconductor surface in the first step by plasma irradiation having oxygen. It further has these.

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、前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマのプラズマ条件の圧力を変化させることにより前記水素プラズマの拡散距離を変化させ、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変化させる第3の工程をさらに有し、前記第3の工程の後に第2の工程をさらに行うことを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the second aspect, the diffusion distance of the hydrogen plasma is changed by changing the pressure of the plasma conditions of the hydrocarbon plasma and the hydrogen plasma. The method further comprises a third step of changing the state of expression in at least one of the regions having different opening widths, and further performing a second step after the third step. To do.

請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3いずれか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。   According to a fourth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor element according to any one of the first to third aspects, the mask includes a first mask portion having a first pattern formed on the semiconductor surface; A second mask portion formed on the first mask portion and having a second pattern thicker than a mask thickness of the first mask portion and defining an opening width of the first pattern. It is characterized by becoming.

本発明は、簡易に深さ(結合係数)が変化する回折格子の作製することができ、作製された素子の回折格子表面の凹凸が抑制されるため、作製された半導体素子の光損失を低減し、サイドモードを抑制する効果を奏する。   The present invention makes it possible to easily produce a diffraction grating with a varying depth (coupling coefficient), and suppresses irregularities on the surface of the produced grating, thereby reducing the optical loss of the produced semiconductor element. In addition, there is an effect of suppressing the side mode.

拡散距離が1μmから100μmまでの場合のマスク端からの水素プラズマの分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of the hydrogen plasma from a mask edge in case a diffusion distance is 1 micrometer to 100 micrometers. 拡散距離が10μmと100μmの場合のマスク端からの水素プラズマの分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of the hydrogen plasma from the mask end in case diffusion distance is 10 micrometers and 100 micrometers. 拡散距離と圧力の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a diffusion distance and a pressure. 本発明の実施例1として作製された同一面内で層厚が変化した導波路層の断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section of the waveguide layer by which layer thickness changed in the same surface produced as Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係るInGaAsP(組成波長:1.2μm)導波路層上に開口部の幅を変化させたマスクが形成された試料の上面図である。It is a top view of the sample by which the mask which changed the width | variety of an opening part was formed on the InGaAsP (composition wavelength: 1.2 micrometer) waveguide layer concerning Example 1 of this invention. 拡散距離が5、10、25μmの場合のマスク端からの水素プラズマの分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of the hydrogen plasma from a mask end in case diffusion distance is 5, 10, 25 micrometers. 本発明の本実施例1に係る導波路層の作製工程を示す図である。It is a figure which shows the preparation processes of the waveguide layer which concerns on the present Example 1 of this invention. 本発明の実施例2に係る層厚が変化する導波路構造をスポットサイズ変換部に用いた半導体レーザ素子の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the semiconductor laser element which used the waveguide structure from which the layer thickness which concerns on Example 2 of this invention changes for the spot size conversion part. 本発明の実施例3に係る回折格子を作製するために用いるマスクが形成された試料の上面図である。It is a top view of the sample in which the mask used in order to produce the diffraction grating which concerns on Example 3 of this invention was formed. 本発明の実施例3に係る回折格子の作製工程を示す図である。It is a figure which shows the preparation processes of the diffraction grating which concerns on Example 3 of this invention. 本発明の実施例2に係るDBR半導体レーザの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the DBR semiconductor laser which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例3に係る回折格子の有する結合係数を示す図である。It is a figure which shows the coupling coefficient which the diffraction grating which concerns on Example 3 of this invention has. 本発明の実施例3に係る回折格子を用いた場合の反射スペクトルと、結合係数が80nm-1一定の場合の反射スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the reflection spectrum at the time of using the diffraction grating which concerns on Example 3 of this invention, and a reflection spectrum in case a coupling coefficient is constant 80nm- 1 . 回折格子外部と回折格子部とからエッチング種が開口部に集まる様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that an etching seed | species gathers in an opening part from the diffraction grating exterior and a diffraction grating part. (a)は膜厚の薄いマスクを用いる場合を示す図であり、図15(b)は膜厚の厚いマスクを用いる場合を示す図である。(A) is a figure which shows the case where a thin film mask is used, and FIG.15 (b) is a figure which shows the case where a thick film mask is used. 本発明の実施例4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。It is a figure which shows the SiNX / SiO2 mask formed in the sample surface in Example 4 of this invention. 本発明の実施例4に係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。It is a figure which shows the preparation process of the mask from which thickness differs in the surface used for the diffraction grating formation which concerns on Example 4 of this invention. (a)〜(e)は、本発明の実施例4に係る回折格子の作製工程を示す図である。(A)-(e) is a figure which shows the preparation processes of the diffraction grating which concerns on Example 4 of this invention. 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。It is a figure which shows the mask shape which can be used for this invention. (a)〜(f)は、従来の複数の深さのエッチングを施す工程を示す図である。(A)-(f) is a figure which shows the process of performing the etching of the conventional several depth. (a)〜(c)は、従来のプラズマ状態のガスを用いたエッチングの原理を示す図である。(A)-(c) is a figure which shows the principle of the etching using the gas of the conventional plasma state. (a)〜(c)は、従来のプラズマ状態のガスを用いたエッチングにおいてマスクを使用した場合のエッチング特性を示す図である。(A)-(c) is a figure which shows the etching characteristic at the time of using a mask in the etching using the gas of the conventional plasma state. (a)、(b)は、マスクの無い領域に炭化水素プラズマと水素プラズマを用いた場合の状態を示す図である。(A), (b) is a figure which shows the state at the time of using hydrocarbon plasma and hydrogen plasma in the area | region without a mask. (a)〜(c)は、マスクの有る領域に炭化水素プラズマと水素プラズマを用いた場合の状態を示す図である。(A)-(c) is a figure which shows the state at the time of using hydrocarbon plasma and hydrogen plasma for the area | region with a mask. (a)、(b)は、ポリマーの生成とエッチングが同時に起きたときに発生するポリマーによって生じる凹凸の例を示す図である。(A), (b) is a figure which shows the example of the unevenness | corrugation produced by the polymer produced | generated when the production | generation and etching of a polymer occur simultaneously. メタンプラズマ量を一定とした時のエッチング速度の水素プラズマ量依存性を示す図である。It is a figure which shows the hydrogen plasma amount dependence of the etching rate when the amount of methane plasma is made constant. マスク端からか拡散する水素の分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of the hydrogen diffused from a mask end.

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

図1に、拡散距離が1μmから100μmまでの場合のマスク端からの水素プラズマの分布を示す。縦軸はマスク端での水素濃度Csにより規格化された水素濃度Cx/Csである。   FIG. 1 shows the distribution of hydrogen plasma from the mask edge when the diffusion distance is from 1 μm to 100 μm. The vertical axis represents the hydrogen concentration Cx / Cs normalized by the hydrogen concentration Cs at the mask end.

図2に、拡散距離が10μmと100μmの場合のマスク端からの水素プラズマの分布を示す。拡散距離が100μmの場合、マスク端からの距離が28μmのときにh2、72μmのときにh1になる。したがって、マスク端からの距離が28μmから72μmの領域で凹凸が著しくなる。一方、拡散距離が10μmの場合、マスク端からの距離が3μmのときにh2、8μmのときにh1になる。したがって、マスク端からの距離が3μmから8μmの領域で凹凸が著しくなる。このように、水素プラズマの拡散距離を変化させることにより凹凸が著しい領域を変化させることができる。   FIG. 2 shows the distribution of hydrogen plasma from the mask edge when the diffusion distance is 10 μm and 100 μm. When the diffusion distance is 100 μm, h2 when the distance from the mask edge is 28 μm and h1 when the distance is 72 μm. Therefore, the unevenness becomes remarkable in the region where the distance from the mask edge is 28 μm to 72 μm. On the other hand, when the diffusion distance is 10 μm, h2 when the distance from the mask edge is 3 μm and h1 when the distance from the mask edge is 8 μm. Accordingly, the unevenness becomes remarkable in the region where the distance from the mask edge is 3 μm to 8 μm. As described above, by changing the diffusion distance of the hydrogen plasma, it is possible to change the region where the unevenness is remarkable.

次に、拡散距離と圧力の関係について説明する。分子の平均速度を   Next, the relationship between the diffusion distance and the pressure will be described. The average speed of the molecule

Figure 2011071282
Figure 2011071282

、ボルツマン定数をk、温度をT、分子の半径をd、圧力をpとすると、拡散定数Dは、 Where the Boltzmann constant is k, the temperature is T, the molecular radius is d, and the pressure is p, the diffusion constant D is

Figure 2011071282
Figure 2011071282

である。式(1)は、例えば、非特許文献1における式(2.12)、(2.46)、(2.140)より導出される。拡散距離Ldは、 It is. Expression (1) is derived from, for example, Expressions (2.12), (2.46), and (2.140) in Non-Patent Document 1. The diffusion distance L d is

Figure 2011071282
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(tは拡散時間)と表されるので、 (T is the diffusion time)

Figure 2011071282
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に比例し、圧力pと相関を持つ。 Is proportional to the pressure p.

図3に、拡散距離と圧力の関係を示す。ここで縦軸は圧力が1Paの時の拡散距離Ld0で規格化した拡散距離Ld/Ld0である。圧力の増加に伴い拡散距離は減少して圧力を1Paから10Paに増加させることにより拡散距離は1/3程度減少する。さらに100Paに増加させると1Paのときに比べて拡散距離は1桁減少する。このように、圧力を変化させることにより拡散距離を変化させることができる。したがって、圧力を変化させることにより拡散距離を変化させて、プラズマ照射時に凹凸が生じる面積を低減することができる。 FIG. 3 shows the relationship between the diffusion distance and the pressure. Here, the vertical axis represents the diffusion distance L d / L d0 normalized by the diffusion distance L d0 when the pressure is 1 Pa. The diffusion distance decreases with increasing pressure, and the diffusion distance decreases by about 1/3 by increasing the pressure from 1 Pa to 10 Pa. When the pressure is further increased to 100 Pa, the diffusion distance is reduced by an order of magnitude compared to 1 Pa. Thus, the diffusion distance can be changed by changing the pressure. Therefore, by changing the pressure, the diffusion distance can be changed, and the area where unevenness is generated during plasma irradiation can be reduced.

(実施例1)
図4に、本発明の実施例1として作製された同一面内で層厚が変化した導波路層の断面を示す。1800はn型InP基板、1801はInGaAsP(組成波長:1.2μm)導波路層、1802はInPクラッド層である。本実施例1の作製方法について以下に説明する。
Example 1
FIG. 4 shows a cross section of a waveguide layer whose layer thickness is changed in the same plane manufactured as Example 1 of the present invention. Reference numeral 1800 denotes an n-type InP substrate, 1801 denotes an InGaAsP (composition wavelength: 1.2 μm) waveguide layer, and 1802 denotes an InP clad layer. A manufacturing method of Example 1 will be described below.

図5に、本発明の実施例1に係るInGaAsP(組成波長:1.2μm)導波路層上に開口部の幅を変化させたマスクが形成された試料の上面図を示す。n型InP1800基板上に、InGaAsP(組成波長:1.2μm)1801と開口部1900の幅が変化するマスクを形成する。ここで開口部の幅は以下に示すように決定する。開口部外部のマスク幅1901は40μmで一定である。導波路長1902は500μmである。   FIG. 5 shows a top view of a sample in which a mask in which the width of the opening is changed is formed on the InGaAsP (composition wavelength: 1.2 μm) waveguide layer according to Example 1 of the present invention. On the n-type InP1800 substrate, a mask in which the width of the InGaAsP (composition wavelength: 1.2 μm) 1801 and the opening 1900 is changed is formed. Here, the width of the opening is determined as follows. The mask width 1901 outside the opening is constant at 40 μm. The waveguide length 1902 is 500 μm.

図6に、拡散距離が5、10、25μmの場合のマスク端からの水素プラズマの分布を示す。図6は、図1の一部を拡大した図であって、この図6に基づいて、水素プラズマの相対量(縦軸)が0.3〜0.6のときに上述のようにエッチングとポリマーの生成が同時に生じるために表面の凹凸が著しく大きくなると仮定する。   FIG. 6 shows the distribution of hydrogen plasma from the mask edge when the diffusion distance is 5, 10, and 25 μm. FIG. 6 is an enlarged view of a part of FIG. 1. Based on FIG. 6, etching is performed as described above when the relative amount (vertical axis) of hydrogen plasma is 0.3 to 0.6. It is assumed that the surface roughness is significantly increased due to simultaneous polymer formation.

まず、拡散距離が5μmの場合、開口部幅が1.8μm以下で水素プラズマの相対量が0.6以上になりエッチングが支配的に起きる。一方、3.7μm以上で水素プラズマの相対量が0.3以下になりポリマーの生成が支配的に起きる。   First, when the diffusion distance is 5 μm, the opening width is 1.8 μm or less, the relative amount of hydrogen plasma is 0.6 or more, and etching occurs predominantly. On the other hand, when the thickness is 3.7 μm or more, the relative amount of hydrogen plasma becomes 0.3 or less, and polymer formation occurs predominantly.

次に、拡散距離が10μmの場合、開口部幅が3.7μm以下で水素プラズマの相対量が0.6以上になりエッチングが支配的に起きる。一方、7.4μm以上で水素プラズマの相対量が0.3以下になりポリマーの生成が支配的に起きる。   Next, when the diffusion distance is 10 μm, the opening width is 3.7 μm or less, the relative amount of hydrogen plasma is 0.6 or more, and etching occurs predominantly. On the other hand, at 7.4 μm or more, the relative amount of hydrogen plasma becomes 0.3 or less, and polymer formation occurs predominantly.

次に、拡散距離が25μmの場合、開口部幅が9.2μm以下で水素プラズマの相対量が0.6以上になりエッチングが支配的に起きる。一方、18.4μm以上で水素プラズマの相対量が0.3以下になりポリマーの生成が支配的に起きる。そこで、第1の開口部幅を1.8μm、第2の開口部幅を3.7μm、第3の開口部幅を7.5μmに決定する。   Next, when the diffusion distance is 25 μm, the opening width is 9.2 μm or less, the relative amount of hydrogen plasma is 0.6 or more, and etching occurs predominantly. On the other hand, at 18.4 μm or more, the relative amount of hydrogen plasma becomes 0.3 or less, and polymer formation occurs predominantly. Therefore, the first opening width is determined to be 1.8 μm, the second opening width is determined to be 3.7 μm, and the third opening width is determined to be 7.5 μm.

このような開口部幅を有するマスクを用いて、まず、拡散距離が5μmとなる条件でエッチング(メタン/水素プラズマ照射)を行うと、開口部幅が1.8μm以下でエッチングが支配的に起きるので、第1の開口部のみがエッチングされる。一方、3.7μm以上でポリマーの生成が支配的に起きるので、第2の開口部(幅:3.7μm)と第3の開口部(幅:7.5μm)の表面はポリマーが生成され凹凸はほとんど生じない。   First, when etching (methane / hydrogen plasma irradiation) is performed on the condition that the diffusion distance is 5 μm using a mask having such an opening width, etching occurs predominantly when the opening width is 1.8 μm or less. Therefore, only the first opening is etched. On the other hand, since the formation of polymer is dominant at 3.7 μm or more, the surface of the second opening (width: 3.7 μm) and the third opening (width: 7.5 μm) is polymerized and uneven. Hardly occurs.

次に、拡散距離が10μmとなる条件でエッチング(メタン/水素プラズマ照射)を行うと、開口部幅が3.7μm以下でエッチングが支配的に起きるので、第1の開口部と第2の開口部がエッチングされる。一方、7.4μm以上でポリマーの生成が支配的に起きるので、第3の開口部(幅:7.5μm)の表面はポリマーが生成され凹凸はほとんど生じない。   Next, when etching (methane / hydrogen plasma irradiation) is performed under the condition that the diffusion distance is 10 μm, the etching occurs predominantly when the opening width is 3.7 μm or less. Therefore, the first opening and the second opening The part is etched. On the other hand, since the generation of polymer predominantly occurs at 7.4 μm or more, a polymer is generated on the surface of the third opening (width: 7.5 μm), and unevenness hardly occurs.

次に、拡散距離が25μmとなる条件でエッチング(メタン/水素プラズマ照射)を行うと、開口部幅が9.2μm以下でエッチングが支配的に起きるので、第1の開口部と第2の開口部と第3の開口部がエッチングされる。   Next, when etching (methane / hydrogen plasma irradiation) is performed under the condition that the diffusion distance is 25 μm, the etching occurs predominantly when the opening width is 9.2 μm or less, so the first opening and the second opening And the third opening are etched.

ここで、拡散距離を5μm、10μm、25μmとするためにプラズマ条件である圧力をそれぞれ40Pa、10Pa、1.5Paと設定する。   Here, in order to set the diffusion distance to 5 μm, 10 μm, and 25 μm, the pressure as the plasma condition is set to 40 Pa, 10 Pa, and 1.5 Pa, respectively.

以上のように、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。   As described above, plasma conditions (diffusion distance or pressure) and mask shape (opening width) should be avoided so as to avoid a region of hydrogen plasma volume that causes simultaneous etching and polymer generation that significantly increase the surface roughness. By setting this, it is possible to process shapes having different etching depths in the same plane while suppressing surface irregularities.

仮に、本発明によることなく、第2の開口部幅を3.0μmと設定した場合、拡散距離が5μmの条件でエッチングしたとき3μmの開口部幅における水素プラズマの相対量は0.4程度となるのでエッチング後の表面の凹凸は著しく増加する。このように一度生じた表面の凹凸形状は、その後エッチングを施しても維持されるので、作製される導波路層における第2の開口部に相当する領域に導波路層表面には凹凸が残ることになる。このような凹凸が生じると、この表面上に積層する結晶の品質が劣化するので問題となる。また、導波路層に光を導波させるときに凹凸部により光が散乱するので問題となる。   If the second opening width is set to 3.0 μm without using the present invention, the relative amount of hydrogen plasma at the opening width of 3 μm is about 0.4 when etching is performed under the condition that the diffusion distance is 5 μm. Therefore, the unevenness of the surface after etching increases remarkably. Since the uneven shape of the surface once generated in this way is maintained even after etching, unevenness remains on the surface of the waveguide layer in a region corresponding to the second opening in the manufactured waveguide layer. become. When such irregularities occur, the quality of the crystal laminated on the surface deteriorates, which causes a problem. In addition, when light is guided through the waveguide layer, the light is scattered by the concavo-convex portion, which is a problem.

以上のように、本発明では、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設定する。これにより、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ので、導波路層上に積層されるクラッド層の結晶品質を良好に維持することができ、導波路層に凹凸部により光が散乱することなく光損失を抑制して光を導波させることができる。   As described above, in the present invention, the plasma conditions (diffusion distance or pressure) and the mask shape (opening width) are set so as to avoid a region of hydrogen plasma amount in which etching and polymer generation occur simultaneously. As a result, it is possible to process shapes having different etching depths in the same plane while suppressing surface irregularities, so that the crystal quality of the clad layer laminated on the waveguide layer can be maintained well, Light can be guided while suppressing light loss without being scattered by the uneven portions in the waveguide layer.

図7(a)〜(e)に、本発明の本実施例1に係る導波路層の作製工程を示す。1800はn型InP基板、1801はInGaAsP(組成波長:1.2μm)導波路層である。InGaAsP(組成波長:1.2μm)導波路層1801上に上述の開口部の幅を変化させたSiO2マスク1803を形成する(図7(a))。この試料について、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5sccm、放電電力100W、ガス圧力40Paにおいて施すと、幅が1.8μmの第1の開口部1804においてエッチングが進行し、第2の開口部(幅:3.7μm)1805と第3の開口部(幅:7.5μm)1806の表面はポリマーが生成され凹凸はほとんど生じない(図7(b))。但し、第2の開口部1805と第3の開口部1806においてほとんどの領域にポリマーが堆積するが、マスクとの境界の一部の領域ではエッチングが進行する。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7(c))。 7A to 7E show a manufacturing process of the waveguide layer according to the first embodiment of the present invention. Reference numeral 1800 denotes an n-type InP substrate, and 1801 denotes an InGaAsP (composition wavelength: 1.2 μm) waveguide layer. On the InGaAsP (composition wavelength: 1.2 μm) waveguide layer 1801 is formed an SiO 2 mask 1803 in which the width of the opening is changed (FIG. 7A). When this sample was first subjected to RIE using a mixed gas of methane and hydrogen at a methane flow rate of 40 sccm, a hydrogen flow rate of 5 sccm, a discharge power of 100 W, and a gas pressure of 40 Pa, etching was performed at the first opening 1804 having a width of 1.8 μm. The surface of the second opening (width: 3.7 [mu] m) 1805 and the third opening (width: 7.5 [mu] m) 1806 is formed with a polymer, and there is almost no unevenness (FIG. 7 (b)). . However, although the polymer is deposited in most of the regions in the second opening 1805 and the third opening 1806, etching proceeds in a part of the boundary with the mask. Subsequently, when the oxygen plasma is irradiated at an oxygen flow rate of 10 sccm, a gas pressure of 10 Pa, and a discharge power of 400 W for 1 minute, the deposited polymer is removed (FIG. 7C).

次に、メタン流量、水素流量、放電電力を一定にして、ガス圧力が10Paで施すと、幅が3.7μm以下の第1、第2の開口部1804、1805においてエッチングが進行し、第3の開口部(幅:7.5μm)1806の表面はポリマーが生成され凹凸はほとんど生じない(図7(d))。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。したがって、幅が1.5μmの第1の開口部1804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、第2の開口部1805の深さよりも深くなる。   Next, when the methane flow rate, the hydrogen flow rate, and the discharge power are made constant and the gas pressure is applied at 10 Pa, the etching proceeds in the first and second openings 1804 and 1805 having a width of 3.7 μm or less. A polymer is generated on the surface of the opening (width: 7.5 μm) 1806, and unevenness hardly occurs (FIG. 7 (d)). Subsequently, when the oxygen plasma is irradiated at an oxygen flow rate of 10 sccm, a gas pressure of 10 Pa, and a discharge power of 400 W for 1 minute, the deposited polymer is removed. Accordingly, in the first opening 1804 having a width of 1.5 μm, the second RIE etching further proceeds after the first RIE etching, so that the first opening 1804 becomes deeper than the depth of the second opening 1805.

次に、メタン流量、水素流量、放電電力を一定にして、ガス圧力が1.5Paで施すと、幅が7.5μm以下の第1〜第3の開口部1804〜1806においてエッチングが進行する(図7(e))。この結果、エッチング深さは第1〜第3の開口部1804〜1806の順に深くなる。さらに、エッチングされた表面の凹凸はほとんどない。   Next, when the methane flow rate, the hydrogen flow rate, and the discharge power are made constant and the gas pressure is 1.5 Pa, etching proceeds in the first to third openings 1804 to 1806 having a width of 7.5 μm or less ( FIG. 7 (e)). As a result, the etching depth increases in the order of the first to third openings 1804 to 1806. Furthermore, there are almost no irregularities on the etched surface.

その後、表面上に有機金属気相成長法(MOVPE)によりInPクラッド層1802を積層することにより同一面内で層厚が変化する導波路構造が作製される。   Thereafter, an InP clad layer 1802 is laminated on the surface by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE), thereby producing a waveguide structure whose layer thickness varies within the same plane.

本実施例において、3つの開口部幅を用いた深さが3段階に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有するマスクを用いて、その開口部幅に応じた圧力(拡散距離)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。   In this embodiment, the etching using three opening widths in which the depth is changed in three stages has been described. However, a pressure (diffusion) corresponding to the opening width is used using a mask having a larger number of opening widths. By performing methane / hydrogen RIE under the condition of (distance), it is possible to perform etching with varying depth in more stages.

(実施例2)
図8に、本発明の実施例2に係る層厚が変化する導波路構造をスポットサイズ変換部に用いた半導体レーザ素子の構造を示す。このレーザ素子は出射光部分にスポットサイズ変換部を有することを特徴とする。スポットサイズ変換部とは、素子からの出射光の光ファイバに入射する効率(結合効率)を向上させるために発光ビーム径を広げるものである。このスポットサイズ変換部では導波層の厚みを徐々に薄くすることにより光分布をクラッド層に染み出させてスポットサイズを大きくする。2000はn型InP基板、2001はn型InPバッファ層、 2002は活性層、2003はスポットサイズ変換用InGaAsP(組成波長:1.2μm)ガイド層、2004はInGaAsP(組成波長:1.1μm)ガイド層、2005はp型InP埋込み層、2006はn型InP埋込み層、2007はp型InPクラッド層、2008はp型InGaAs(組成波長:1.65μm)コンタクト層、2009はSiO2層、2010はn型オーミック電極、2011はp型オーミック電極である。活性層1802は、InGaAsP(組成波長:1.1μm)ガイド層、6層のInGaAsP歪量子井戸(歪量:0.8%)層と5層のInGaAsP(組成波長:1.1μm)障壁層の多重量子井戸層からなる活性層(発光波長:1.3μm)、InGaAsP(組成波長:1.1μm)ガイド層からなる。
(Example 2)
FIG. 8 shows a structure of a semiconductor laser device using a waveguide structure with a layer thickness varying according to the second embodiment of the present invention for a spot size conversion unit. This laser element is characterized by having a spot size conversion portion in the outgoing light portion. The spot size conversion unit is a device that widens the diameter of the light-emitting beam in order to improve the efficiency (coupling efficiency) of the light emitted from the element incident on the optical fiber. In this spot size conversion section, the light distribution is oozed out into the cladding layer by gradually reducing the thickness of the waveguide layer, thereby increasing the spot size. 2000 is an n-type InP substrate, 2001 is an n-type InP buffer layer, 2002 is an active layer, 2003 is an InGaAsP (composition wavelength: 1.2 μm) guide layer for spot size conversion, and 2004 is an InGaAsP (composition wavelength: 1.1 μm) guide 2005, a p-type InP buried layer, 2006 an n-type InP buried layer, 2007 a p-type InP clad layer, 2008 a p-type InGaAs (composition wavelength: 1.65 μm) contact layer, 2009 a SiO 2 layer, 2010 An n-type ohmic electrode, 2011 is a p-type ohmic electrode. The active layer 1802 includes an InGaAsP (composition wavelength: 1.1 μm) guide layer, six InGaAsP strained quantum well (strain amount: 0.8%) layers, and five InGaAsP (composition wavelength: 1.1 μm) barrier layers. It consists of an active layer (light emission wavelength: 1.3 μm) composed of a multiple quantum well layer and an InGaAsP (composition wavelength: 1.1 μm) guide layer.

この実施例2のレーザ構造におけるスポットサイズ変換部の作製方法を説明する。活性層2002に隣接するスポットサイズ変換用InGaAsP(組成波長:1.2μm)ガイド層2003の表面に実施例1と同様のSiO2マスクを形成する。このマスクにおいては、活性層2002との境界側のマスク幅が広く出射端側のマスク幅が狭い形状を有する。同時に活性層2002表面は全面マスクで覆われている。この試料について実施例1で示すドライエッチングを施すと、エッチング深さは活性層2002の境界側で浅く出射端側で深くなる。次に、InPクラッド層2007を積層した後に、メサ形成用ストライプマスクを形成してメサ構造に加工することによりスポットサイズ変換部が形成される。この構造に、pn構造埋め込み層2005の成長、クラッド層2007とコンタクト層2008の成長後に、電極形成することにより本実施例2の半導体レーザ素子の構造が作製される。 A method for manufacturing the spot size conversion portion in the laser structure of the second embodiment will be described. A SiO 2 mask similar to that of the first embodiment is formed on the surface of the spot size converting InGaAsP (composition wavelength: 1.2 μm) guide layer 2003 adjacent to the active layer 2002. This mask has a shape in which the mask width on the boundary side with the active layer 2002 is wide and the mask width on the emission end side is narrow. At the same time, the surface of the active layer 2002 is covered with the entire mask. When dry etching shown in Example 1 is performed on this sample, the etching depth is shallow on the boundary side of the active layer 2002 and deep on the emission end side. Next, after laminating the InP clad layer 2007, a spot size converting portion is formed by forming a mesa forming stripe mask and processing it into a mesa structure. In this structure, an electrode is formed after the growth of the pn structure buried layer 2005 and the growth of the cladding layer 2007 and the contact layer 2008, whereby the structure of the semiconductor laser device of the second embodiment is manufactured.

このように、本実施例2を用いれば、簡易に層厚が変化する導波路層(スポットサイズ変換部)を作製することができる。作製された素子は導波路層(スポットサイズ変換部)での光損失が低減され、室温における閾値電流が6.7mA、効率が0.42W/Aである良好な特性を示す。   As described above, if Example 2 is used, a waveguide layer (spot size conversion unit) whose layer thickness can be easily changed can be manufactured. The manufactured device has good characteristics such that the optical loss in the waveguide layer (spot size conversion portion) is reduced, the threshold current at room temperature is 6.7 mA, and the efficiency is 0.42 W / A.

(実施例3)
図9に、本発明の実施例3に係る回折格子を作製するために用いるマスクが形成された試料の上面図を示す。また図10(a)〜(e)に、本発明の実施例3に係る回折格子の作製工程を示す。マスク3020の開口部幅(回折格子部分)3010の幅は実施例1と同様に設定する。回折格子外部3011の幅は一定である。
(Example 3)
FIG. 9 shows a top view of a sample on which a mask used for manufacturing a diffraction grating according to Example 3 of the present invention is formed. FIGS. 10A to 10E show a manufacturing process of the diffraction grating according to Example 3 of the present invention. The opening width (diffraction grating portion) 3010 of the mask 3020 is set in the same manner as in the first embodiment. The width of the diffraction grating exterior 3011 is constant.

実施例1と同様に、開口部を変化させたマスク3020を用いて圧力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。   Similar to the first embodiment, a diffraction grating with a varying depth can be manufactured by performing etching while changing the pressure using a mask 3020 in which the opening is changed.

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5sccm、ガス圧力が40Pa、放電電力が100Wで施すと、幅が1.8μmの開口部3001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。一方、幅が1.8μmより広い開口部3002、3003においては、ポリマー3021が堆積してエッチングが進行しない(図10(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10(c))。次に、圧力を変化させた条件(ガス圧力が10Pa)でRIEを施すと、幅が3.7μm以下の開口部3001、3002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。一方、幅が7.5μmの開口部3003においては、ポリマー3021が堆積してエッチングが進行しない(図10(d))。したがって、幅が1.8μm以下の開口部3001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3002の深さよりも深くなる。引き続き酸素プラズマを照射によるポリマーの除去の後に、圧力を変化させてRIE、酸素プラズマ照射を交互に繰り返すことにより、深さの異なる回折格子を形成することができる(図10(e))。このとき、その後、マスク除去、メサ構造加工後に、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11に示す素子構造が作製される。   First, when RIE using a mixed gas of methane and hydrogen is performed at a methane flow rate of 40 sccm, a hydrogen flow rate of 5 sccm, a gas pressure of 40 Pa, and a discharge power of 100 W, the polymer is deposited in the opening 3001 having a width of 1.8 μm. Etching progresses without doing. On the other hand, in the openings 3002 and 3003 having a width larger than 1.8 μm, the polymer 3021 is deposited and the etching does not proceed (FIG. 10B). Subsequently, when the oxygen plasma is irradiated at an oxygen flow rate of 10 sccm, a gas pressure of 10 Pa, and a discharge power of 400 W for 1 minute, the deposited polymer is removed (FIG. 10C). Next, when RIE is performed under the condition where the pressure is changed (gas pressure is 10 Pa), etching proceeds without depositing polymer in the openings 3001 and 3002 having a width of 3.7 μm or less. On the other hand, in the opening 3003 having a width of 7.5 μm, the polymer 3021 is deposited and the etching does not proceed (FIG. 10D). Accordingly, in the opening 3001 having a width of 1.8 μm or less, the second RIE etching further proceeds after the first RIE etching, so that the depth becomes deeper than the depth of the second opening 3002. Subsequently, after removing the polymer by irradiating with oxygen plasma, by changing the pressure and alternately repeating RIE and oxygen plasma irradiation, diffraction gratings having different depths can be formed (FIG. 10E). At this time, after the mask removal and mesa structure processing, the element structure shown in FIG. 11 is manufactured by stacking on the diffraction grating by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE).

本実施例において、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(拡散距離)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。   In the present embodiment, the etching using three opening widths in which the depth is changed in three stages has been described. However, using a larger number of opening widths, the conditions of pressure (diffusion distance) corresponding to the opening widths are described. By performing methane / hydrogen RIE under the etching, it is possible to perform etching that changes in depth in more stages.

図11に、本発明の実施例3に係るDBR半導体レーザの構造を示す。実施例2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)により以下の各層を積層することにより、図11に示す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。 FIG. 11 shows the structure of a DBR semiconductor laser according to Example 3 of the present invention. After removing the SiO 2 mask from the sample surface having a diffraction grating with a different depth produced by the method of Example 2, the following layers are stacked on the diffraction grating by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE): A DBR semiconductor laser structure using a diffraction grating of varying depth shown in FIG. 11 is produced.

3100はn型InP基板、3101はn型InPバッファ層、3102は回折格子、3103はInGaAsP(組成波長:1.1μm)ガイド層、3104は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(発光波長:1.55μm、活性層長:400μm)、3105は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)、3106はInGaAsP(組成波長:1.3μm)ガイド層、3107はp型InPクラッド層、3108はp型InGaAs(組成波長:1.85μm)コンタクト層、3191はn型オーミック電極、3192はp型オーミック電極である。素子の発振波長は1.55μmである。素子の長さは1500μmである。回折格子3102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。   3100 is an n-type InP substrate, 3101 is an n-type InP buffer layer, 3102 is a diffraction grating, 3103 is an InGaAsP (composition wavelength: 1.1 μm) guide layer, and 3104 is an eight-layer InGaAsP strained quantum well (strain: 1.0). %) And 5 layers of InGaAsP (composition wavelength: 1.3 μm) active layer consisting of multiple quantum well layers of barrier layers (emission wavelength: 1.55 μm, active layer length: 400 μm), 3105 is a DBR diffraction grating region InGaAsP ( Composition wavelength: 1.4 μm) Guide layer (diffraction grating length is 400 μm before and after the active layer), 3106 is an InGaAsP (composition wavelength: 1.3 μm) guide layer, 3107 is a p-type InP cladding layer, and 3108 is a p-type InGaAs ( Composition wavelength: 1.85 μm) A contact layer, 3191 is an n-type ohmic electrode, and 3192 is a p-type ohmic electrode. The oscillation wavelength of the element is 1.55 μm. The length of the element is 1500 μm. The pitch (period) of the diffraction grating 3102 is 240 nm (convex portion: 120 nm, concave portion: 120 nm), and the depth is 5 nm which is shallow at both ends of the element, and 30 nm which is deep at the center of the element.

ここで、実施例3に係るDBR半導体レーザに用いる回折格子により得られる反射特性について説明する。図12に、この実施例3の回折格子の有する結合係数を示す。回折格子の深さが素子両端部で5nm、中央部で30nmとなるように変化させることにより、結合係数κは素子両端部で5cm-1、中央部で80cm-1と変化する。 Here, the reflection characteristics obtained by the diffraction grating used in the DBR semiconductor laser according to Example 3 will be described. FIG. 12 shows the coupling coefficient of the diffraction grating according to the third embodiment. 5nm in depth element end portions of the diffraction grating, by varying such that the 30nm at the center, the coupling coefficient kappa 5 cm -1 at element end portions, changes 80 cm -1 at the central portion.

図13に、この実施例3の回折格子を用いた場合の反射スペクトルを(a)に示し、比較のために結合係数が80nm-1一定の場合の反射スペクトルを(b)に示す。回折格子の深さ、すなわち、結合係数を変化させることにより反射スペクトルのサイドモードが抑制されることがわかる。このことは、この回折格子を用いたDBRレーザを動作させたときの発振スペクトルにおけるサイドモードが抑制されることを示唆する。 FIG. 13A shows a reflection spectrum when the diffraction grating of Example 3 is used, and FIG. 13B shows a reflection spectrum when the coupling coefficient is constant at 80 nm −1 for comparison. It can be seen that the side mode of the reflection spectrum is suppressed by changing the depth of the diffraction grating, that is, the coupling coefficient. This suggests that the side mode in the oscillation spectrum when the DBR laser using this diffraction grating is operated is suppressed.

このように、本実施例3を用いれば、簡易に深さ(結合係数)が変化する回折格子の作製することができる。作製された素子は回折格子における表面の凹凸が抑制されるため、光損失が低減され、設計通りにサイドモードが抑制された特性を示す。   As described above, if Example 3 is used, a diffraction grating whose depth (coupling coefficient) changes easily can be manufactured. Since the fabricated element has suppressed surface irregularities in the diffraction grating, the optical loss is reduced and the side mode is suppressed as designed.

(実施例4)
実施例4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。本実施例4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。
Example 4
Example 4 shows a method for manufacturing a diffraction grating whose depth changes in the plane. The fourth embodiment is characterized in that the thickness of the mask in the diffraction grating portion is different from the thickness of the mask outside the diffraction grating.

まず、回折格子部分のマスク4001の厚さと回折格子外部のマスク4002の厚さとが異なる点(作用)について説明する。   First, the difference (action) in which the thickness of the mask 4001 at the diffraction grating portion is different from the thickness of the mask 4002 outside the diffraction grating will be described.

実施例3の方法を用いて回折格子を作製する場合には、図14に示すように回折格子外部のマスク4002上に飛来したエッチング種4004だけでなく回折格子部分のマスク4001上に飛来したエッチング種4003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。   When the diffraction grating is manufactured by using the method of the third embodiment, as shown in FIG. 14, not only the etching seed 4004 flying on the mask 4002 outside the diffraction grating but also the etching flying on the mask 4001 in the diffraction grating portion. Since the seed 4003 also affects the etching, it becomes difficult to control the etching shape of the diffraction grating.

そこで、本実施例4では、厚さを変化させたマスクを用いてエッチングを行う。図15(a)に膜厚の薄いマスク4011を用いる場合を示し、図15(b)に膜厚の厚いマスク4021を用いる場合を示す。   Therefore, in the fourth embodiment, etching is performed using a mask whose thickness is changed. FIG. 15A shows a case where a thin mask 4011 is used, and FIG. 15B shows a case where a thick mask 4021 is used.

膜厚の薄いマスク4011を用いる場合、エッチング種4012は半導体4010表面からマスク4011の端を越えてマスク4011上に拡散できるので半導体4010表面上のエッチング種密度は高くならない。したがって、膜厚の薄いマスク4011を用いる場合、半導体のエッチング速度は増加しない。   In the case where the mask 4011 having a small thickness is used, the etching species 4012 can diffuse from the surface of the semiconductor 4010 to the mask 4011 beyond the edge of the mask 4011, so that the etching species density on the surface of the semiconductor 4010 does not increase. Therefore, when the thin film mask 4011 is used, the etching rate of the semiconductor does not increase.

一方、膜厚の厚いマスク4021を用いる場合、エッチング種4022はマスク4021の端が障壁となりマスク4021の端を越えられないため、エッチング種4022が半導体4020表面に閉じ込められて半導体4020表面上におけるエッチング種密度は増加する。したがって、膜厚の厚いマスク4021を用いる場合、半導体のエッチング速度が増加する。   On the other hand, in the case where the mask 4021 having a large thickness is used, the etching seed 4022 becomes an obstacle at the end of the mask 4021 and cannot exceed the end of the mask 4021, so that the etching seed 4022 is confined on the surface of the semiconductor 4020 and etched on the surface of the semiconductor 4020. Species density increases. Therefore, when the thick mask 4021 is used, the etching rate of the semiconductor is increased.

そこで、回折格子外部のマスク4002の厚さを回折格子部分のマスク4001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エッチング種の寄与が大きく、マスク厚の薄い回折格子部分からのエッチング種の寄与を小さくできる。したがって、マスク厚の厚いマスクのマスク幅の広い領域では、マスク上で反応しないエッチング種が多量に開口部に拡散して閉じ込められることにより、開口部でのエッチング種は高濃度になりエッチング速度が増加する。一方、マスク厚の厚いマスクのマスク幅の狭い領域では、マスク上で反応せずに開口部に拡散するエッチング種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、マスク厚の厚いマスクを用いることにより、マスク幅の広い領域ではエッチング深さは深く、マスク幅の狭い領域では浅くなるという特性が顕著にすることができる。   Therefore, if the thickness of the mask 4002 outside the diffraction grating is made thicker than the thickness of the mask 4001 at the diffraction grating portion, the contribution of the etching species from the outside of the diffraction grating having a large mask thickness is large, and the diffraction grating having a thin mask thickness. The contribution of the etching species from the part can be reduced. Therefore, in a wide mask area of a mask having a large mask thickness, a large amount of etching species that do not react on the mask are diffused and confined in the opening, resulting in a high concentration of etching species in the opening and an etching rate. To increase. On the other hand, in the narrow mask area of the thick mask, the amount of etching species that does not react on the mask and diffuses into the opening is smaller than that in the wide mask area, and the etching rate is slow. Therefore, by using a mask having a large mask thickness, the characteristics that the etching depth is deep in a region having a large mask width and shallow in a region having a small mask width can be made remarkable.

図16に、本発明の実施例4において試料表面に形成するSiNX/SiO2マスクを示す。SiNXで形成される回折格子部分のマスク4110のマスク厚が20nm、回折格子の長さ4112が500μm、幅4113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)4114は240nm(SiO2部:120nm、窓部:120nm)である。一方、SiO2で形成される回折格子外部のマスク4111のマスク厚が1μm、マスクの幅4115は20μmで一定である。 FIG. 16 shows a SiN x / SiO 2 mask formed on the sample surface in Example 4 of the present invention. The mask thickness of the diffraction grating portion mask 4110 formed of SiN x is 20 nm, the diffraction grating length 4112 is 500 μm, and the width 4113 is changed, and 1.8 to 3.7 from the center of the element toward both ends of the element. 7.5 μm. The pitch (period) 4114 is 240 nm (SiO 2 part: 120 nm, window part: 120 nm). On the other hand, the mask thickness of the mask 4111 outside the diffraction grating formed of SiO 2 is 1 μm, and the mask width 4115 is constant at 20 μm.

図17に、本発明の実施例4に係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基板上のInPクラッド層4210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、C26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クラッド層4210上に回折格子部分作製用のSiO2マスク4211が形成される(図17(a))。 FIG. 17 shows a manufacturing process of masks having different thicknesses in the plane used for forming the diffraction grating according to the fourth embodiment of the present invention. First, a 30 nm thick silicon oxide (SiO 2 ) film is formed on the surface of the InP clad layer 4210 on the InP substrate. After coating a resist on the SiO 2 film, a resist pattern for a diffraction grating fabrication mask is fabricated by electron beam exposure. By processing the SiO 2 film by reactive ion etching (RIE) using a fluorocarbon system (CF 4 , C 2 F 6, etc.) using the resist pattern as a mask, the resist pattern is turned into an SiO 2 film. Transcript. By removing the resist pattern, a SiO 2 mask 4211 for forming a diffraction grating portion is formed on the InP cladding layer 4210 (FIG. 17A).

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4212を形成する(図17(b))。SiNX膜上にレジストを塗布した後に回折格子外部のマスク用のレジストパターン4213を作製する(図17(c))。このレジストパターン4213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4213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4212に転写する。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4213を除去することにより、クラッド層4210上に回折格子部分と回折格子外部部分で厚さの異なるマスクが形成される(図17(d))。 Next, a 1 μm thick silicon nitride (SiN x ) film 4212 is formed on the InP surface having the above-mentioned diffraction grating portion SiO 2 mask (FIG. 17B). After applying a resist on the SiN x film, a resist pattern 4213 for a mask outside the diffraction grating is produced (FIG. 17C). This resist pattern 4213 can be formed not only by electron beam exposure but also by resist exposure by ordinary photolithography. The resist pattern 4213 is transferred to the SiN x film 4212 by processing the SiN x film by RIE using sulfur fluoride gas (SF 6 or the like) using the resist pattern 4213 as a mask. At this time, the diffraction grating portion SiO 2 mask remains unetched because it is resistant to sulfur fluoride gas (SF 6 or the like). As a result, by removing the resist pattern 4213, masks having different thicknesses are formed on the cladding layer 4210 at the diffraction grating portion and the outer portion of the diffraction grating (FIG. 17D).

このように、細かなパターンをマスク厚の薄いマスクで形成し、マスク厚の厚いマスクでエッチング種の量を制御するためのパターンを形成することにより、より簡易にマスクを作製することが可能になる。   In this way, a fine pattern can be formed with a mask having a thin mask thickness, and a pattern for controlling the amount of etching species can be formed with a mask having a large mask thickness, thereby making it possible to manufacture a mask more easily. Become.

図18(a)〜(e)に、本発明の実施例4に係る回折格子の作製工程を示す。InPクラッド4300表面に上述のマスクを形成する(図18(a))。ここで開口部4301、4302、4303の幅はそれぞれ1.8、3.7、7.5μmとする。以下に説明する一連のエッチング過程において、マスク厚の厚い回折格子外部からのメタン・水素プラズマの寄与が大きく、マスク厚の薄い回折格子部分からのメタン・水素プラズマの寄与は小さい。   18 (a) to 18 (e) show a manufacturing process of a diffraction grating according to Example 4 of the present invention. The above-described mask is formed on the surface of the InP clad 4300 (FIG. 18A). Here, the widths of the openings 4301, 4302, and 4303 are 1.8, 3.7, and 7.5 μm, respectively. In a series of etching processes described below, the contribution of methane / hydrogen plasma from the outside of the diffraction grating having a large mask thickness is large, and the contribution of methane / hydrogen plasma from the diffraction grating portion having a thin mask thickness is small.

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2sccm、放電電力100W、ガス圧力40Paで施すと、幅が1.8μmの開口部4301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1.8μmより広いの開口部4302、4303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4321が堆積してエッチングが進行しない(図18(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18(c))。次に、水素流量を増加させた条件(メタン流量40sccm、水素流量5sccm、ガス圧力が10Pa、放電電力が100W)でRIEを施すと、幅が3.7μm以下の開口部4301、4302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。一方、幅が7.5μmの開口部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4321が堆積してエッチングが進行しない(図18(d))。したがって、幅が1.8μmの開口部4301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、その深さは幅が開口部4302の深さよりも深くなる。引き続き酸素プラズマを照射によるポリマーの除去の後に、圧力を変化させたRIE、酸素プラズマ照射を交互に繰り返すことにより、深さの異なる回折格子を形成することができる(図18(e))。その後、マスク除去、メサ構造加工後に、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11に示す素子構造が作製される。   When RIE using a mixed gas of methane and hydrogen is first performed at a methane flow rate of 40 sccm, a hydrogen flow rate of 2 sccm, a discharge power of 100 W, and a gas pressure of 40 Pa, hydrogen is supplied from above the mask in the opening 4301 having a width of 1.8 μm. Therefore, etching proceeds without polymer deposition. On the other hand, in the openings 4302 and 4303 having a width wider than 1.8 μm, the supply of hydrogen is insufficient from above the mask, so that the polymer 4321 is deposited and the etching does not proceed (FIG. 18B). Subsequently, when the oxygen plasma is irradiated at an oxygen flow rate of 10 sccm, a gas pressure of 10 Pa, and a discharge power of 400 W for 1 minute, the deposited polymer is removed (FIG. 18C). Next, when RIE is performed under the condition where the hydrogen flow rate is increased (methane flow rate 40 sccm, hydrogen flow rate 5 sccm, gas pressure 10 Pa, discharge power 100 W), the openings 4301 and 4302 having a width of 3.7 μm or less are as follows: Since the supply of hydrogen is increased, etching proceeds without polymer deposition. On the other hand, in the opening 2003 having a width of 7.5 μm, since the supply of hydrogen is insufficient from above the mask, the polymer 4321 is deposited and the etching does not proceed (FIG. 18D). Therefore, in the opening 4301 having a width of 1.8 μm, the etching by the second RIE further proceeds after the first etching by RIE, so that the depth becomes deeper than the depth of the opening 4302. Subsequently, after removal of the polymer by irradiation with oxygen plasma, RIE with different pressures and oxygen plasma irradiation are alternately repeated, whereby diffraction gratings having different depths can be formed (FIG. 18E). Thereafter, after removing the mask and processing the mesa structure, the element structure shown in FIG. 11 is fabricated by stacking on the diffraction grating by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE).

本実施例4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(拡散距離)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。このように作製された回折格子は実施例3と同様の特性を有する。   In the fourth embodiment, the etching in which the depth using three opening widths changes in three stages has been described. However, a larger number of opening widths are used and the pressure (diffusion distance) corresponding to the opening width is changed. By performing methane / hydrogen RIE under the conditions, it is possible to perform etching with depth changing in more stages. The diffraction grating produced in this way has the same characteristics as in Example 3.

以上のように、本実施例4の方法を用いれば、簡易に深さ(結合係数)が変化する回折格子の作製することができる。作製された素子は回折格子における表面の凹凸が抑制されるため、光損失が低減され、設計通りにサイドモードが抑制された特性を示す。   As described above, by using the method of the fourth embodiment, it is possible to easily manufacture a diffraction grating whose depth (coupling coefficient) changes. Since the fabricated element has suppressed surface irregularities in the diffraction grating, the optical loss is reduced and the side mode is suppressed as designed.

本発明において、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では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。   In the present invention, hydrogen (plasma) that did not contribute to the reaction on the mask flows into both ends of the opening of the diffraction grating. Etching proceeds with the reaction of methane by this amount of hydrogen plasma. Therefore, even in the opening where the polymer is deposited, etching proceeds at a part of both ends. Thus, there may be a problem that the depth is not uniform over the entire opening. However, since a mesa structure is adopted in an actual device, both ends of the opening are cut off when the mesa is formed, and this does not cause a problem in actual device fabrication.

本発明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19に示すような、試料4401全体を覆うものから開口部を除去しただけの形状のマスク4402でもよい。   In the present invention, the mask width outside the opening in the mask is constant, but the mask width is constant as long as the distance that the hydrogen plasma diffusing into the opening can be disregarded on the mask is long (width). There is no need. For example, as shown in FIG. 19, a mask 4402 having a shape in which an opening is removed from what covers the entire sample 4401 may be used.

本明細書では、回折格子の深さを5−30nm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い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。 In this specification, the depth of the diffraction grating is set to 5 to 30 nm. However, the depth is not limited to this, and the same effect can be obtained if the depth of the diffraction grating is not constant and varies within the element. It is done. At this time, the depth of the diffraction grating does not need to be symmetrical in the element length direction. The coupling coefficient that changes in accordance with this depth is also set to 5-80 cm −1 , but is not limited to this value.

また、本実施例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。   In this embodiment, a compound semiconductor InP crystal is used as the element semiconductor crystal. However, a compound semiconductor crystal such as GaAs or SiGe or a mixed crystal such as InGaAsP, AlGaInAs, InGaN, GaInNAs, or AlGaSb can be used. . Further, although 1.55 μm is used as the wavelength of the laser beam to which the apparatus according to the present invention is applicable, the wavelength is changed from 1.0 μm to 1.7 μm by changing the structure such as the composition of the InGaAsP crystal and the pitch (period) of the diffraction grating. Up to a long wavelength band up to 1, and by using other materials (InGaAlN, AlGaInP, AlGaSb, etc.) for the active layer, it also supports a short wavelength band of less than 1.0 μm and a long wavelength band of 1.7 μm or more. it can. The multi-quantum well structure in the active layer includes an 8 layer, 5 nm thick InGaAsP strained quantum well layer (strain amount: 1.0%), a 5 layer, 10 nm thick InGaAsP barrier layer (composition wavelength: 1.1 μm). However, the structural factors such as the amount of strain, the number of layers, the layer thickness, and the crystal composition may be changed.

また、本発明では、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。   In the present invention, methane is used as an etching gas in dry etching for processing a semiconductor such as a diffraction grating, but other hydrocarbon gases such as ethane may be used. In addition, as a dilution gas when using a mixed gas as an etching gas, not only hydrogen gas but also nitrogen or argon may be used together with hydrogen gas.

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。   Further, although oxygen plasma is irradiated to remove the polymer, plasma containing oxygen may be used. For example, a mixed gas of oxygen and an inert gas such as nitrogen or argon, a mixed gas of oxygen and hydrogen, or the like may be used.

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。 Further, although RIBE and RIE methods are used for the dry etching method, processing can also be performed using ion beam assist etching or the like. In addition to the electron beam exposure method, an interference exposure method can be used for producing the resist pattern. Although silicon oxide (SiO 2 ) is used as a mask formed on the semiconductor surface during etching, a dielectric such as silicon nitride or titanium oxide, or a metal such as gold or titanium can also be used.

411、511 半導体
412、512 エッチング種
513 マスク
1110 InP結晶
1120 マスク
1800、2000 n型InP基板
1801 InGaAsP導波路層
1802 InPクラッド層
1803 マスク
1804 第1の開口部
1805 第2の開口部
1806 第3の開口部
2001 n型InPバッファ層
2002 活性層
2003 スポットサイズ変換用InGaAsPガイド層
2004 InGaAsPガイド層
2005 p型InP埋込み層
2006 n型InP埋込み層
2007 p型InPクラッド層
2008 p型InGaAsコンタクト層
2009 SiO2
2010 n型オーミック電極
2011 p型オーミック電極
3001 第1の開口部
3002 第2の開口部
3003 第3の開口部
3010、3011 マスクの開口部幅
3020 マスク
3021 ポリマー
3100 n型InP基板
3101 n型InPバッファ層
3102 回折格子
3103 InGaAsPガイド層
3104 活性層
3105 DBR回折格子領域InGaAsPガイド層
3106 InGaAsPガイド層
3107 p型InPクラッド層
3108 p型InGaAsコンタクト層
3191 n型オーミック電極
3192 p型オーミック電極
4001 回折格子部分のマスク
4002 回折格子外部のマスク
4003、4004 エッチング種
4010、4020 半導体
4011 膜厚の薄いマスク
4012、4022 エッチング種
4021 膜厚の厚いマスク
4110 回折格子部分のマスク
4111 回折格子外部のマスク
4112 回折格子の長さ
4113 回折格子の幅
4114 回折格子のピッチ(周期)
4115 マスクの幅
4210 InPクラッド層
4211 SiO2マスク
4212 窒化シリコン(SiNX)膜
4213 レジストパターン
4301 第1の開口部
4302 第2の開口部
4303 第3の開口部
4320 SiO2マスク
4321 ポリマー
4401 試料
4402 マスク
411, 511 Semiconductor 412, 512 Etching species 513 Mask 1110 InP crystal 1120 Mask 1800, 2000 n-type InP substrate 1801 InGaAsP waveguide layer 1802 InP clad layer 1803 Mask 1804 First opening 1805 Second opening 1806 Third Opening 2001 n-type InP buffer layer 2002 active layer 2003 InGaAsP guide layer for spot size conversion 2004 InGaAsP guide layer 2005 p-type InP buried layer 2006 n-type InP buried layer 2007 p-type InP clad layer 2008 p-type InGaAs contact layer 2009 SiO 2 Layer 2010 n-type ohmic electrode 2011 p-type ohmic electrode 3001 first opening 3002 second opening 3003 third opening 3010, 30 1 mask opening width 3020 mask 3021 polymer 3100 n-type InP substrate 3101 n-type InP buffer layer 3102 diffraction grating 3103 InGaAsP guide layer 3104 active layer 3105 DBR diffraction grating region InGaAsP guide layer 3106 InGaAsP guide layer 3107 p-type InP cladding layer 3108 p-type InGaAs contact layer 3191 n-type ohmic electrode 3192 p-type ohmic electrode 4001 mask of diffraction grating portion 4002 mask outside diffraction grating 4003, 4004 etching species 4010, 4020 semiconductor 4011 thin masks 4012, 4022 etching species 4021 film thickness Thick mask 4110 Diffraction grating part mask 4111 Diffraction grating external mask 4112 Diffraction grating length 4113 Diffraction case Width 4114 pitch of the diffraction grating (period)
4115 Mask width 4210 InP cladding layer 4211 SiO 2 mask 4212 Silicon nitride (SiN x ) film 4213 Resist pattern 4301 First opening portion 4302 Second opening portion 4303 Third opening portion 4320 SiO 2 mask 4321 Polymer 4401 Sample 4402 mask

Claims (4)

炭化水素系プラズマと水素プラズマを開口部幅が変化する開口部を有するマスクを形成された半導体表面に照射して、半導体表面を異なる複数の深さにエッチングする半導体素子の作製方法であって、
所定の前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマの拡散距離および圧力に対し、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を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、
前記炭化水素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照射する第2の工程と
を有することを特徴とする半導体素子の作製方法。
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: irradiating a semiconductor surface having a mask having an opening having a variable opening width with hydrocarbon-based plasma and hydrogen plasma; and etching the semiconductor surface to a plurality of different depths.
For the predetermined hydrocarbon-based plasma and the diffusion distance and pressure of the hydrogen plasma, the etching of the semiconductor surface proceeds for each region having a different opening width, or uniformly on the semiconductor surface. A first step of forming, on the semiconductor surface, a mask having the opening width set so that only one of the second states in which a polymer is produced is developed;
And a second step of irradiating the surface of the semiconductor having the mask with the hydrocarbon plasma and the hydrogen plasma.
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照射により除去する第2の工程をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の作製方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a second step of removing the polymer deposited on the semiconductor surface in the first step by plasma irradiation having oxygen. 前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマのプラズマ条件の圧力を変化させることにより前記水素プラズマの拡散距離を変化させ、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変化させる第3の工程をさらに有し、
前記第3の工程の後に第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。
The diffusion distance of the hydrogen plasma is changed by changing the pressure of the plasma conditions of the hydrocarbon-based plasma and the hydrogen plasma, and the state expressed in at least one of the regions having different opening widths is changed. And further comprising a third step of
The method for manufacturing a semiconductor element according to claim 2, wherein a second step is further performed after the third step.
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1乃至3いずれかに記載の半導体素子の作製方法。
The mask is
A first mask portion having a first pattern formed on the semiconductor surface;
And a second mask portion formed on the first mask portion and having a second pattern that is thicker than a mask thickness of the first mask portion and defines an opening width of the first pattern. 4. The method for manufacturing a semiconductor element according to claim 1, wherein
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