JP2012054367A - Semiconductor element, and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor element including diffraction gratings which have a high effect of side mode suppression and excellent uniformity and reproducibility and whose depths are different each other, and a method of manufacturing the semiconductor element.SOLUTION: A mask with a plurality of openings having different opening widths is formed on a surface of a semiconductor comprising a plurality of layers with different compositions. Etching (methane/hydrogen plasma irradiation) is performed for each opening having the same opening width, in a condition where a hydrogen plasma concentration at a mask end becomes a predetermined concentration. By setting a plasma condition (a diffusion distance or a pressure) and a mask shape (the opening width) so as to avoid a region with a hydrogen plasma amount in which etching and polymer generation that drastically increase the unevenness occur simultaneously on its surface, a shape with different etching depths can be processed in the same plane while suppressing the unevenness on the surface. Etching is performed so that a layer to be etched among the layers with different compositions is different depending on the opening width.

Description

本発明は半導体素子およびその作製方法に関し、より詳細には、同一面内でエッチング深さが異なる形状を加工する半導体素子およびその作製方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor element and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor element that processes shapes having different etching depths in the same plane and a manufacturing method thereof.

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1(a)〜(f)に、従来法による異なる深さのエッチングを施す場合のエッチング過程を示す。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、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1(a))後にエッチングする(図1(b))。次に、1回目のエッチング用のマスクを除去した(図1(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1(d))、さらにエッチングし(図1(e))、マスクを除去する(図1(f))というプロセスを繰り返さなくてはならない。   FIGS. 1A to 1F show an etching process when etching is performed at different depths according to the conventional method. When etching is performed on the sample (for example, InP crystal) 1110 at different depths, a portion not etched at the time of the first etching is covered with a mask (dielectric material) 1120 (FIG. 1A) and then etched (FIG. 1). (B)). Next, after removing the mask for the first etching (FIG. 1C), the portion not etched again for the second etching is covered with a mask (FIG. 1D), and further etched (FIG. 1). 1 (e)) and the process of removing the mask (FIG. 1 (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、マスクの除去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, etching, and mask removal processes are essential, which leads 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)。   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).

図2(a)〜(c)に、基本的なエッチング過程を示す。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。   2A to 2C show a basic etching process. 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.

図3(a)〜(c)に、エッチング種と反応しないマスクを用いた場合のエッチング過程を示す。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。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。   3A to 3C show an etching process when a mask that does not react with the etching species is used. 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. The semiconductor surface that is not covered with is reached. 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.

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量が増加する。従って、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。   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 amount of etching of the semiconductor increases as the mask area increases. Therefore, according to this method, it is possible to easily produce a simple groove structure whose depth changes.

この方法を用いて作製できる深さが変化する回折格子について説明する。図4に、一定の深さの回折格子を有する分布反射型(DBR)レーザと深さが変化する回折格子を有する分布反射型(DBR)レーザの発振スペクトルを示す。回折格子の深さを変化させた場合(91)、回折格子の深さを変化させなかった場合(92)に比べてサイドモードが低減されていることが分かる。このサイドモードの低減はレーザ特性に波長安定性をもたらす。このような効果を得るためには、回折格子において変化する深さの差を大きくして結合係数の変化を大きくすることが重要になる。   A diffraction grating having a variable depth that can be manufactured using this method will be described. FIG. 4 shows oscillation spectra of a distributed reflection (DBR) laser having a diffraction grating with a constant depth and a distributed reflection (DBR) laser having a diffraction grating with a varying depth. It can be seen that the side mode is reduced when the depth of the diffraction grating is changed (91) and when the depth of the diffraction grating is not changed (92). This reduction in side mode provides wavelength stability to the laser characteristics. In order to obtain such an effect, it is important to increase the change in coupling coefficient by increasing the difference in depth that changes in the diffraction grating.

特開2004−247710号公報JP 2004-247710 A

しかしながら、深さの異なる回折格子を形成する場合、深さを変化させる境界ではエッチングガスの分布が変動しやすい。したがって、この境界における隣接する回折格子の深さの差が大き過ぎると回折格子形状の均一性、再現性が低下する。また、深さの差が大きい回折格子の形成においては、作製誤差(実際に形成される深さと設計上の深さの差)が大きくなる。さらに、深さの差が大きい回折格子上に結晶を再成長する場合、再成長後の結晶表面は回折格子の形状を反映して凹凸になりやすく再成長後の表面を平坦にすることは困難である。   However, when forming diffraction gratings having different depths, the distribution of the etching gas tends to fluctuate at the boundary where the depth is changed. Therefore, if the difference in depth between adjacent diffraction gratings at this boundary is too large, the uniformity and reproducibility of the diffraction grating shape deteriorates. Further, in forming a diffraction grating having a large depth difference, a manufacturing error (a difference between an actually formed depth and a designed depth) increases. Furthermore, when a crystal is regrown on a diffraction grating with a large difference in depth, the crystal surface after the regrowth tends to be uneven due to the diffraction grating shape, and it is difficult to flatten the surface after the regrowth. It is.

そこで、隣接する回折格子の深さの差を低減することが重要である。一方、隣接する回折格子の深さの差が小さ過ぎると結合係数の変化分も小さくなるので、深さの異なる回折格子の効果(サイドモード抑制)も小さくなる。したがって、深さの異なる回折格子の形成において作製誤差を低減し再成長後の表面を平坦にするためには、可能な限り深さの差が小さい回折格子を用いて可能な限り大きな利得結合の差を生じさせる必要があった。   Therefore, it is important to reduce the difference in depth between adjacent diffraction gratings. On the other hand, if the difference in depth between adjacent diffraction gratings is too small, the amount of change in the coupling coefficient is also small, so that the effect of diffraction gratings having different depths (side mode suppression) is also small. Therefore, in order to reduce fabrication errors in the formation of diffraction gratings with different depths and to flatten the surface after regrowth, it is possible to use as large a gain coupling as possible using diffraction gratings with as small a depth difference as possible. It was necessary to make a difference.

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、サイドモード抑制の効果が大きく、均一性、再現性に優れる深さの異なる回折格子を含む半導体素子およびそ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 provide a semiconductor element including diffraction gratings having different depths that have a large effect of side mode suppression and are excellent in uniformity and reproducibility, and the same. It is to provide a manufacturing method.

上記の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、光導波路中に回折格子を有する光半導体素子であって、前記光導波路は、伝播光の進行方向に対して垂直な第1の方向に積層された複数の組成の異なる層からなり、前記回折格子は、前記第1の方向の回折格子の深さが異なる複数の領域からなり、前記複数の組成の異なる層の内、前記回折格子が存在する層は少なくとも2つの前記領域で異なることを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problems, an invention according to claim 1 is an optical semiconductor device having a diffraction grating in an optical waveguide, wherein the optical waveguide is a first perpendicular to the traveling direction of propagating light. A plurality of layers having different compositions stacked in the direction of the first, and the diffraction grating includes a plurality of regions having different depths of the diffraction grating in the first direction. The layer in which the diffraction grating exists is different in at least two of the regions.

請求項2に記載の発明は、開口部幅が変化する開口部を有するマスクが形成された複数の組成の異なる層からなる半導体の表面にエッチング種を供給して、前記半導体を複数の異なる深さにエッチングする半導体素子の作製方法であって、前記複数の組成の異なる層の内、エッチングされる層が少なくとも2つの前記開口部幅の異なる開口部において異なるようにエッチングするステップを有することを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, an etching species is supplied to a surface of a semiconductor composed of a plurality of layers having different compositions, on which a mask having an opening having a variable opening width is formed. A method of manufacturing a semiconductor element to be etched includes the step of etching so that, among the plurality of layers having different compositions, the layer to be etched is different in at least two openings having different opening widths. Features.

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、前記エッチング種は炭化水素系プラズマと水素プラズマであり、前記エッチングするステップは、所定の流量の前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマに対して、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が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、前記所定の流量の前記炭化水素系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供給する第2の工程と、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供給により除去する第3の工程と、前記水素プラズマが開口部内にマスク端から到達する距離を変化させ、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、前記第1の状態および前記第2の状態のいずれかに変化させるように、前記水素プラズマの前記所定の流量を変化させる第4の工程とを有し、前記第4の工程の後に前記第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 etching species are hydrocarbon plasma and hydrogen plasma, and the etching step includes the hydrocarbon system at a predetermined flow rate. For the plasma and the hydrogen plasma, whether the etching of the semiconductor surface proceeds in each region having a different opening width or the second state in which a polymer is uniformly generated on the semiconductor surface A first step of forming, on the semiconductor surface, a mask having an opening width set so that only one of them is developed; and the hydrocarbon-based plasma and the hydrogen plasma at the predetermined flow rates And supplying the polymer deposited on the semiconductor surface in the first step to a plasma supply containing oxygen. And a third step of removing the hydrogen plasma, and changing the distance that the hydrogen plasma reaches from the edge of the mask into the opening, and expressing the state in at least one of the regions having different opening widths. And a fourth step of changing the predetermined flow rate of the hydrogen plasma so as to change to either the state or the second state, and the second step is further performed after the fourth step. It is characterized by performing.

請求項4に記載の発明は、請求項2又は3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 the second or third aspect, the mask includes 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 the mask thickness of the first mask portion and defines an opening width of the first pattern. It is characterized by.

本発明は、サイドモード抑制の効果が大きく、均一性、再現性に優れる深さの異なる回折格子を容易に作製可能にする。これにより、高速半導体光素子を提供することができる。   The present invention makes it possible to easily produce diffraction gratings with different depths that have a great effect of suppressing side modes and are excellent in uniformity and reproducibility. Thereby, a high-speed semiconductor optical device can be provided.

従来法による異なる深さのエッチングを施す場合のエッチング過程を示す図である。It is a figure which shows the etching process in the case of performing the etching of the different depth by a conventional method. 基本的なエッチング過程を示す図である。It is a figure which shows a basic etching process. エッチング種と反応しないマスクを用いた場合のエッチング過程を示す図である。It is a figure which shows the etching process at the time of using the mask which does not react with an etching seed | species. 一定の深さの回折格子を有する分布反射型(DBR)レーザと深さが変化する回折格子を有する分布反射型(DBR)レーザの発振スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the oscillation spectrum of the distributed reflection type (DBR) laser which has a diffraction grating of fixed depth, and the distributed reflection type (DBR) laser which has a diffraction grating from which depth changes. 本発明に係る回折格子を作製する積層構造を示す図である。It is a figure which shows the laminated structure which produces the diffraction grating which concerns on this invention. 本発明に係る回折格子を作製された積層構造を示す図である。It is a figure which shows the laminated structure with which the diffraction grating which concerns on this invention was produced. ガイド層における回折格子深さと結合係数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the diffraction grating depth in a guide layer, and a coupling coefficient. 3種類の回折格子における反射スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the reflection spectrum in three types of diffraction gratings. 本発明の実施形態1に係るDBR半導体レーザに用いる回折格子部分の作製方法を示す図である。It is a figure which shows the preparation methods of the diffraction grating part used for the DBR semiconductor laser which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態1に係るDBR半導体レーザの構造を示す。1 shows a structure of a DBR semiconductor laser according to Embodiment 1 of the present invention. メタンプラズマを用いたエッチングを施した場合にマスクのない領域において起きる現象を示す図である。It is a figure which shows the phenomenon which arises in the area | region without a mask when etching using methane plasma is given. メタンプラズマを用いたエッチングを施した場合にマスクに囲まれた領域において起きる現象を示す図である。It is a figure which shows the phenomenon which occurs in the area | region enclosed by the mask when etching using methane plasma is performed. 本発明の実施形態2に係る回折格子を作製するためのマスクを示す図である。It is a figure which shows the mask for producing the diffraction grating which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態2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 Embodiment 2 of this invention. マスク上のエッチング種の挙動を示す図である。It is a figure which shows the behavior of the etching seed | species on a mask. 膜厚の薄いマスクを用いる場合と膜厚の厚いマスクを用いる場合におけるエッチング種の挙動を示す図である。It is a figure which shows the behavior of the etching seed | species in the case where a mask with a thin film thickness is used and a mask with a thick film thickness are used. 本実施形態3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。In the present embodiment 3 is a diagram showing a SiN X / SiO 2 mask is formed on the sample surface. 本実施形態3におけ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 in this Embodiment 3. FIG. 本実施形態3に係る作製方法における回折格子の作製工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the diffraction grating in the manufacturing method which concerns on this Embodiment 3. FIG. 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.

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5に、本発明に係る回折格子を作製する積層構造を示し、図6に本発明に係る回折格子を作製された積層構造を示す。本願発明。n型InP基板150上にInPバッファ層151、ガイド層153、光導波層155、ガイド層156、InPクラッド層157を積層したものである。光導波層155は1.4μm波長帯に対応するものである。ガイド層153はInGaAsP(1.1μm波長組成、20nm厚)からなり、ガイド層156はInGaAsP(1.3μm波長組成、20nm厚)156aとInGaAsP(1.1μm波長組成、20nm厚)156bからなる。このガイド層156に、図6に示すように2つの深さを有する回折格子を形成する。深さはそれぞれ15nmと25nmである。   FIG. 5 shows a laminated structure for producing the diffraction grating according to the present invention, and FIG. 6 shows a laminated structure produced with the diffraction grating according to the present invention. Invention of the present application. An InP buffer layer 151, a guide layer 153, an optical waveguide layer 155, a guide layer 156, and an InP cladding layer 157 are stacked on an n-type InP substrate 150. The optical waveguide layer 155 corresponds to the 1.4 μm wavelength band. The guide layer 153 is made of InGaAsP (1.1 μm wavelength composition, 20 nm thickness), and the guide layer 156 is made of InGaAsP (1.3 μm wavelength composition, 20 nm thickness) 156a and InGaAsP (1.1 μm wavelength composition, 20 nm thickness) 156b. A diffraction grating having two depths is formed on the guide layer 156 as shown in FIG. The depth is 15 nm and 25 nm, respectively.

ここで深さとは、ガイド層156bとInPクラッド層との境界からガイド層156aへの方向の深さである。したがって、回折格子は15nm深さの領域はInGaAsP(1.1μm波長組成、20nm厚)のみからなり、25nm深さの領域はInGaAsP(1.1μm波長組成、20nm厚)とInGaAsP(1.3μm波長組成、20nm厚)とからなる。   Here, the depth is a depth in a direction from the boundary between the guide layer 156b and the InP cladding layer to the guide layer 156a. Therefore, the diffraction grating is made of only InGaAsP (1.1 μm wavelength composition, 20 nm thickness) in the region of 15 nm depth, and InGaAsP (1.1 μm wavelength composition, 20 nm thickness) and InGaAsP (1.3 μm wavelength) in the 25 nm depth region. Composition, 20 nm thickness).

図7に、このガイド層における回折格子深さと結合係数の関係a33を示す。比較のためにInGaAsP(1.1μm波長組成)のみからなるガイド層に回折格子を形成した場合a31とInGaAsP(1.3μm波長組成)のみからなるガイド層に回折格子を形成した場合a32も示す。このように、それぞれの場合において回折格子の深さの増加に伴い結合係数は増加する。   FIG. 7 shows a relationship a33 between the diffraction grating depth and the coupling coefficient in this guide layer. For comparison, a31 when a diffraction grating is formed on a guide layer made of only InGaAsP (1.1 μm wavelength composition) and a32 when a diffraction grating is formed on a guide layer made only of InGaAsP (1.3 μm wavelength composition) are also shown. Thus, in each case, the coupling coefficient increases as the depth of the diffraction grating increases.

InGaAsP(1.1μm波長組成)のみからなるガイド層に回折格子を形成した場合a31とInGaAsP(1.3μm波長組成)のみからなるガイド層に回折格子を形成した場合a32とついては、結合係数の増加の程度(傾き)がほぼ一定であり、その傾きはInGaAsP(1.3μm波長組成)のa32方が大きい。上述のように深さが15nmと25nmである回折格子を形成する場合、InGaAsP(1.1μm波長組成)のみからなるガイド層においては深さが15nm、25nmそれぞれに対する結合係数は25cm-1、35cm-1である。このように15nmと25nmの深さの差による結合係数の差は10cm-1程度に留まる。 When a diffraction grating is formed on a guide layer made only of InGaAsP (1.1 μm wavelength composition), a31 is increased when a diffraction grating is formed on a guide layer made only of InGaAsP (1.3 μm wavelength composition), and the coupling coefficient is increased. The inclination (inclination) is substantially constant, and the inclination of InGaAsP (1.3 μm wavelength composition) a32 is larger. As described above, when a diffraction grating having a depth of 15 nm and 25 nm is formed, in the guide layer made of only InGaAsP (1.1 μm wavelength composition), the coupling coefficients for the depths of 15 nm and 25 nm are 25 cm −1 and 35 cm, respectively. -1 . Thus, the difference in coupling coefficient due to the difference in depth between 15 nm and 25 nm remains at about 10 cm −1 .

一方、本発明のInGaAsP(1.1μm波長組成、20nm厚)156bとInGaAsP(1.3μm波長組成、20nm厚)156aからなるガイド層156においては、深さが20nm以上になると回折格子がInGaAsP(1.1μm波長組成、20nm厚)156bだけでなくInGaAsP(1.3μm波長組成、20nm厚)156aも含むようになるので結合係数の増加の程度(傾き)が増加する。深さが15nmと25nmである回折格子を形成する場合には15nm、25nmそれぞれに対する結合係数は20cm-1、50cm-1である。このように15nmと25nmの深さの差による結合係数の差は30cm-1程度に増加する。 On the other hand, in the guide layer 156 composed of InGaAsP (1.1 μm wavelength composition, 20 nm thickness) 156b and InGaAsP (1.3 μm wavelength composition, 20 nm thickness) 156a of the present invention, the diffraction grating becomes InGaAsP ( In addition to InGaAsP (1.3 μm wavelength composition, 20 nm thickness) 156a as well as 1.1 μm wavelength composition, 20 nm thickness) 156b, the degree of increase (slope) in the coupling coefficient increases. In the case of forming a diffraction grating having a depth of 15 nm and 25 nm, the coupling coefficients for 15 nm and 25 nm are 20 cm −1 and 50 cm −1 , respectively. Thus, the difference in coupling coefficient due to the difference in depth between 15 nm and 25 nm increases to about 30 cm −1 .

また、InGaAsP(1.3μm波長組成)のみからなるガイド層においては深さが15nm、25nmそれぞれに対する結合係数は55cm-1、95cm-1である。このように15nmと25nmの深さの差による結合係数の差は40cm-1程度になる
図8に、上述の3種類の回折格子における反射スペクトルを示す。a31の場合(a)は、反射率が0.8程度と低くストップバンドが小さい。a32の場合(b)は、反射率が1.0と高くストップバンドがa31の場合に比べて大きい。しかしながら、サイドモードの反射率が0.2程度で大きい。
Further, in the guide layer made of only InGaAsP (1.3 μm wavelength composition), the coupling coefficients for the depths of 15 nm and 25 nm are 55 cm −1 and 95 cm −1 , respectively. Thus, the difference in coupling coefficient due to the difference in depth between 15 nm and 25 nm is about 40 cm −1 . FIG. 8 shows reflection spectra in the above-described three types of diffraction gratings. In the case of a31 (a), the reflectance is as low as about 0.8 and the stop band is small. In the case of a32 (b), the reflectance is as high as 1.0, and the stopband is larger than that in the case of a31. However, the side mode reflectivity is as high as about 0.2.

一方、本発明(c)によれば反射率が高くストップバンドはa31の場合に比べて大きく、サイドモードの反射率は0.1未満に低減できている。DBRレーザ等回折格子を有する光デバイスにおいて、ストップバンドが大きければ波長可変範囲を拡大でき、サイドモードが小さければデバイス動作時のモード跳び(波長跳び)を抑制できるという効果が得られる。   On the other hand, according to the present invention (c), the reflectance is high and the stop band is larger than in the case of a31, and the reflectance of the side mode can be reduced to less than 0.1. In an optical device having a diffraction grating such as a DBR laser, the wavelength variable range can be expanded if the stop band is large, and the mode jump (wavelength jump) during device operation can be suppressed if the side mode is small.

このように、回折格子を形成するガイド層を2つの組成から構成することにより、回折格子において深さが変化する差を可能な限り小さくして、かつ、結合係数の変化分を可能な限り大きくすることにより、ストップバンドが大きく、かつ、サイドモードを低減することができる。   In this way, by configuring the guide layer forming the diffraction grating from two compositions, the difference in depth change in the diffraction grating is made as small as possible and the change in the coupling coefficient is made as large as possible. By doing so, the stop band is large and the side mode can be reduced.

尚、ここでは回折格子のガイド層156bに納まる部分の深さ、および回折格子のガイド層156aまで達する部分の深さは一定としているが、本発明では、回折格子をガイド層156bに納まる深さにおいて複数の異なる深さ有するように形成しても良く、ガイド層156aまで達する深さにおいて複数の異なる深さを有するように形成しても良い。   Here, the depth of the portion of the diffraction grating that fits in the guide layer 156b and the depth of the portion of the diffraction grating that reaches the guide layer 156a are constant, but in the present invention, the depth of fitting the diffraction grating in the guide layer 156b. May be formed to have a plurality of different depths, or may be formed to have a plurality of different depths in the depth reaching the guide layer 156a.

(実施形態1)
図9に、本発明の実施形態1に係るDBR半導体レーザに用いる回折格子部分の作製方法を示す。本実施形態1では、ドライエッチング方法に反応性イオンビームエッチング(Reactive Ion Beam Etching, RIBE)を用いた場合について説明する。
(Embodiment 1)
FIG. 9 shows a method for manufacturing a diffraction grating portion used in the DBR semiconductor laser according to Embodiment 1 of the present invention. In the first embodiment, a case where reactive ion beam etching (RIBE) is used as a dry etching method will be described.

試料はn型InP基板1210と積層構造1211から構成される(図9(a))。積層構造1211は、n型InPバッファ層1212、InGaAsP(組成波長:1.1μm)ガイド層1213、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)1214、InGaAsPガイド層1215からなる。InGaAsPガイド層1215はInGaAsP(1.1μm波長組成、20nm厚)とInGaAsP(1.3μm波長組成、20nm厚)からなる。この積層構造は、図5の151、153、155、156からなる積層構造に相当する。   The sample is composed of an n-type InP substrate 1210 and a laminated structure 1211 (FIG. 9A). The laminated structure 1211 includes an n-type InP buffer layer 1212, an InGaAsP (composition wavelength: 1.1 μm) guide layer 1213, a DBR diffraction grating region InGaAsP (composition wavelength: 1.4 μm) guide layer (diffraction grating length before and after the active layer, respectively) 400 μm) 1214 and an InGaAsP guide layer 1215. The InGaAsP guide layer 1215 is made of InGaAsP (1.1 μm wavelength composition, 20 nm thickness) and InGaAsP (1.3 μm wavelength composition, 20 nm thickness). This laminated structure corresponds to the laminated structure composed of 151, 153, 155, and 156 in FIG.

初めに、積層構造1211の表面に酸化シリコン(SiO2)膜1221を形成する(図9(b))。 First, a silicon oxide (SiO 2 ) film 1221 is formed on the surface of the laminated structure 1211 (FIG. 9B).

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1231を作製する(図9(c))。レジストパターン1231をマスクとして反応性ドライエッチングによってSiO2膜を加工することにより、レジストパターンをSiO2膜1221に転写する(図9(d))。レジストパターン1231を除去することにより、InP上に回折格子作製用のSiO2マスクが形成される(図9(e)、(f)、(g))。 After applying a resist on the SiO 2 film, a resist pattern 1231 for a diffraction grating fabrication mask is fabricated by electron beam exposure (FIG. 9C). By processing the SiO 2 film by reactive dry etching using the resist pattern 1231 as a mask, the resist pattern is transferred to the SiO 2 film 1221 (FIG. 9D). By removing the resist pattern 1231, a SiO 2 mask for producing a diffraction grating is formed on InP (FIGS. 9E, 9F, and 9G).

SiO2マスクの形状1250は、回折格子長1251が400μm、回折格子の幅1252が3.0μm、ピッチ(周期)1253は240nm(SiO2部:120nm、窓部:120nm)であり、回折格子周辺でのマスクの面積は素子両端で狭くなっており(マスク幅1254は1μm)、素子中央部で広くなっている(マスク幅1255は5μm)。 The SiO 2 mask shape 1250 has a diffraction grating length 1251 of 400 μm, a diffraction grating width 1252 of 3.0 μm, and a pitch (period) 1253 of 240 nm (SiO 2 part: 120 nm, window part: 120 nm). The area of the mask is narrow at both ends of the element (mask width 1254 is 1 μm) and wide at the center of the element (mask width 1255 is 5 μm).

このSiO2マスクを形成した試料にRIBEを施す。エッチングガスには塩素を用いて、ガス流量は4sccm、ガス圧力は10Torr、マイクロ波放電電力は300W、イオン引出し電圧は500V、基板温度は200℃である。マスク幅の広い回折格子中央部ではマスク上で反応しないイオン化あるいはラジカル化した塩素原子(塩素プラズマ)が多量に開口部に拡散することにより開口部での該原子は高濃度になりエッチング速度が増加する。一方、マスク幅の狭い回折格子両端部ではマスク上で反応せずに開口部に拡散する塩素プラズマは、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、中央部での深さは25nmと深く、両端部での深さは15nmと浅い回折格子が形成される(図9(h))。 RIBE is applied to the sample on which the SiO 2 mask is formed. The etching gas is chlorine, the gas flow rate is 4 sccm, the gas pressure is 10 Torr, the microwave discharge power is 300 W, the ion extraction voltage is 500 V, and the substrate temperature is 200 ° C. At the center of the diffraction grating with a wide mask width, a large amount of ionized or radicalized chlorine atoms (chlorine plasma) that do not react on the mask diffuses into the opening, resulting in a high concentration of the atom in the opening and an increase in the etching rate. To do. On the other hand, the chlorine plasma that diffuses into the opening without reacting on the mask at both ends of the diffraction grating with a narrow mask width is smaller than the region with a large mask width, and the etching rate is slow. Therefore, a shallow diffraction grating is formed with a depth of 25 nm at the center and a depth of 15 nm at both ends (FIG. 9H).

この回折格子においては、深さが20nm未満の領域では回折格子がInGaAsP(1.1μm波長組成、20nm厚)のみからなるので結合係数は比較的小さく、深さが20nm以上の領域では回折格子がInGaAsP(1.1μm波長組成、20nm厚)とInGaAsP(1.3μm波長組成、20nm厚)からなるので結合係数は増加する。従がって、回折格子における結合係数の変化はガイド層がInGaAsP(1.1μm波長組成、20nm厚)のみからなる場合に比べて大きくなる。   In this diffraction grating, since the diffraction grating is made of only InGaAsP (1.1 μm wavelength composition, 20 nm thickness) in the region where the depth is less than 20 nm, the coupling coefficient is relatively small, and the diffraction grating is in the region where the depth is 20 nm or more. Since it is composed of InGaAsP (1.1 μm wavelength composition, 20 nm thickness) and InGaAsP (1.3 μm wavelength composition, 20 nm thickness), the coupling coefficient increases. Therefore, the change in the coupling coefficient in the diffraction grating is larger than when the guide layer is made only of InGaAsP (1.1 μm wavelength composition, 20 nm thickness).

SiO2マスク除去後(図9(i))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6に示す素子構造が作製される。ここで、回折格子深さが25nm以下なので積層された結晶の表面の凹凸は抑制され平坦である。 After removal of the SiO 2 mask (FIG. 9 (i)), the device structure shown in FIG. 6 is fabricated by stacking on this diffraction grating by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). Here, since the diffraction grating depth is 25 nm or less, the unevenness of the surface of the stacked crystal is suppressed and flat.

図10に、本発明の実施形態1に係るDBR半導体レーザの構造を示す。第一の実施例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)により積層することにより、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. 10 shows the structure of the DBR semiconductor laser according to Embodiment 1 of the present invention. After removing the SiO 2 mask from the surface of the sample having the diffraction grating of different depth produced by the method of the first embodiment, the depth is obtained by stacking on this diffraction grating by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). Thus, a DBR semiconductor laser structure using a diffraction grating with a varying diameter is fabricated.

深さの変化する回折格子を用いたDBR半導体レーザ構造は、n型InP基板150、n型InPバッファ層151、回折格子152、InGaAsP(組成波長:1.1μm)ガイド層153、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154(発光波長:1.55μm、活性層長:400μm)、DBR回折格子領域InGaAsP(組成波長:1.4μm)ガイド層155(回折格子長は活性層の前後それぞれ400 μm)、InGaAsP(組成波長:1.3μm)とInGaAsP(組成波長:1.1μm)とからなるガイド層156、p型InPクラッド層157、p型InGaAs(組成波長:1.85μm)コンタクト層158、n型オーミック電極1591、p型オーミック電極1592からなる。この素子の発振波長は1.55μmであり、素子長は1500μmである。回折格子152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。   A DBR semiconductor laser structure using a diffraction grating having a variable depth includes an n-type InP substrate 150, an n-type InP buffer layer 151, a diffraction grating 152, an InGaAsP (composition wavelength: 1.1 μm) guide layer 153, and eight InGaAsP layers. Active layer 154 (emission wavelength: 1.55 μm, active layer length) composed of multiple quantum well layers of strained quantum well (strain amount: 1.0%) and five InGaAsP (composition wavelength: 1.3 μm) barrier layers 400 μm), DBR diffraction grating region InGaAsP (composition wavelength: 1.4 μm) guide layer 155 (diffraction grating length is 400 μm respectively before and after the active layer), InGaAsP (composition wavelength: 1.3 μm) and InGaAsP (composition wavelength: 1. 1 μm), p-type InP cladding layer 157, p-type InGaAs (composition wavelength: 1.85 μm) contact layer 1 8, n-type ohmic electrode 1591, a p-type ohmic electrode 1592. The oscillation wavelength of this element is 1.55 μm, and the element length is 1500 μm. The pitch (period) of the diffraction grating 152 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.

このレーザの発振スペクトルは、サイドモードが抑制されて波長安定性に優れる。また、ストップバンドが大きく波長可変特性に優れる。   In the oscillation spectrum of this laser, the side mode is suppressed and the wavelength stability is excellent. In addition, the stopband is large and the wavelength tunable characteristics are excellent.

このように、本実施形態1を用いれば、回折格子における深さの変化の差を可能な限り小さくして、かつ、結合係数の変化分を可能な限り大きくすることができ、均一性、再現性に優れる深さの異なる回折格子を形成して波長安定性に優れる光半導体素子を提供することができる。   As described above, when the first embodiment is used, the difference in the depth change in the diffraction grating can be made as small as possible, and the change in the coupling coefficient can be made as large as possible. It is possible to provide an optical semiconductor device having excellent wavelength stability by forming diffraction gratings having different depths with excellent properties.

(実施形態2)
本発明の実施形態2として、実施形態1のDBR半導体レーザにおける回折格子の別の作製方法を説明する。本実施形態2は、炭化水素系のガスを用いたドライエッチングにおいて生じるポリマーを利用する点で実施形態1と異なる。
(Embodiment 2)
As a second embodiment of the present invention, another method for manufacturing a diffraction grating in the DBR semiconductor laser of the first embodiment will be described. The second embodiment is different from the first embodiment in that a polymer generated in dry etching using a hydrocarbon-based gas is used.

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、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。尚、本願明細書では以降、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ととする。   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 a hydrocarbon group and hydrogen in the plasma state, and is ionized or chemically It is activated (radicalized). In the present specification, hereinafter, ionized or chemically activated (radicalized) hydrocarbon groups are referred to as hydrocarbon plasma, and similar hydrogen atoms are referred to as hydrogen plasma.

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ことから重合物(ポリマー)となって堆積する。 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, on the surface of the dielectric mask (such as SiO 2 ), the hydrocarbon plasma and the hydrogen plasma do not react with the dielectric, so that they are deposited as a polymer.

ここで、上述のドライエッチングをマスクのある試料に施した場合について説明する。図11(a)、(b)に、メタンプラズマを用いたエッチングを施した場合にマスクのない領域において起きる現象を示し、図12(a)〜(c)に、メタンプラズマを用いたエッチングを施した場合にマスクに囲まれた領域において起きる現象を示す。   Here, a case where the above-described dry etching is performed on a sample having a mask will be described. FIGS. 11A and 11B show a phenomenon that occurs in a region without a mask when etching using methane plasma is performed. FIGS. 12A to 12C show etching using methane plasma. This shows the phenomenon that occurs in the area surrounded by the mask when applied.

マスクのない領域ではメタンプラズマに対して水素プラズマは試料表面に均一に分布する(図11(a))。この均一に分布した水素プラズマの濃度が低い場合、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され、試料表面を覆うのでエッチングが進行しない(図11(b))。この水素プラズマの不足によるポリマーの堆積は、マスクの開口部幅が広く、マスクから距離が十分にある領域においても起きる。   In the region without the mask, the hydrogen plasma is uniformly distributed on the sample surface with respect to the methane plasma (FIG. 11A). When the concentration of the uniformly distributed hydrogen plasma is low, there is insufficient hydrogen for etching, so that a polymer is generated on the sample surface and covers the sample surface, so that the etching does not proceed (FIG. 11B). The polymer deposition due to the lack of hydrogen plasma also occurs in a region where the width of the opening of the mask is wide and the distance from the mask is sufficient.

一方、マスクで囲まれた領域、とくにマスクの開口部幅の狭い領域では、まず、メタンプラズマに対して水素プラズマは試料表面にマスクの上にも開口部の半導体表面にも均一に分布する(図11(a))。マスク上ではマスク材料(SiO2)はエッチングされないのでメタンプラズマ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。マスク上の水素プラズマは、メタンプラズマと反応することなくマスク上を拡散して開口部に凝集する。その結果、開口部での水素プラズマの濃度は増加する(図11(b))。従って、開口部では水素プラズマ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。 On the other hand, in the region surrounded by the mask, particularly in the region where the opening width of the mask is narrow, first, hydrogen plasma is uniformly distributed on the sample surface on the mask as well as on the semiconductor surface of the opening (see FIG. FIG. 11 (a)). Since the mask material (SiO 2 ) is not etched on the mask, the methane plasma does not contribute to the etching and a polymer is generated. The hydrogen plasma on the mask diffuses on the mask without reacting with the methane plasma and aggregates in the opening. As a result, the concentration of hydrogen plasma at the opening increases (FIG. 11B). Therefore, the etching proceeds because the concentration of hydrogen plasma at the opening reaches a concentration sufficient to cause etching.

図13に、本発明の実施形態2に係る回折格子を作製するためのマスクを示す。マスクの開口部幅(回折格子部分)1913は、1.0μm、1.5μm、2.0μmに設定する。回折格子外部1911の幅1915は一定である。このマスクを用いて第1の実施例と同様に水素流量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。   FIG. 13 shows a mask for producing a diffraction grating according to Embodiment 2 of the present invention. The opening width (diffraction grating portion) 1913 of the mask is set to 1.0 μm, 1.5 μm, and 2.0 μm. The width 1915 of the diffraction grating exterior 1911 is constant. By using this mask and performing etching while changing the hydrogen flow rate in the same manner as in the first embodiment, a diffraction grating with a varying depth can be produced.

図14(a)〜(e)に、本発明の実施形態2に係る回折格子の作製工程を示す。図13に示すマスク上から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2.5sccm、ガス圧力が10Pa、放電電力が100Wで20秒間施す(図14(a))。すると、幅が1.0μmの開口部2001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(エッチング深さ:20nm)。一方、幅が1.0μmより広い開口部2002、2003においては、ポリマーが堆積してエッチングが進行しない(図14(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14(c))。   14A to 14E show a manufacturing process of the diffraction grating according to Embodiment 2 of the present invention. RIE using a mixed gas of methane and hydrogen is performed on the mask shown in FIG. 13 at a methane flow rate of 40 sccm, a hydrogen flow rate of 2.5 sccm, a gas pressure of 10 Pa, and a discharge power of 100 W for 20 seconds (FIG. 14A). Then, in the opening 2001 having a width of 1.0 μm, etching proceeds without depositing polymer (etching depth: 20 nm). On the other hand, in the openings 2002 and 2003 having a width wider than 1.0 μm, the polymer is deposited and the etching does not proceed (FIG. 14B). Subsequently, when the oxygen plasma is irradiated for 1 minute at an oxygen flow rate of 10 sccm, a gas pressure of 10 Pa, and a discharge power of 400 W, the deposited polymer is removed (FIG. 14C).

次に、水素流量を変化させた条件(5sccm)でRIEを20秒間施すと、幅が1.5μm以下の開口部2001、2002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(エッチング深さ:20nm)。一方、幅が2.0μmの開口部2003においては、ポリマーが堆積してエッチングが進行しない(図14(d))。従って、幅が1.0μm以下の開口部2001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2002の深さよりも深くなる(合計のエッチング深さ:40nm)。   Next, when RIE is performed for 20 seconds under a condition where the hydrogen flow rate is changed (5 sccm), etching proceeds without etching in the openings 2001 and 2002 having a width of 1.5 μm or less (etching depth). : 20 nm). On the other hand, in the opening 2003 having a width of 2.0 μm, the polymer is deposited and the etching does not proceed (FIG. 14D). Accordingly, in the opening 2001 having a width of 1.0 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 2002 ( Total etching depth: 40 nm).

次に、水素流量を変化させた条件(10sccm)でRIEを10秒間施すと、全ての開口部2001、2002、2003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(エッチング深さ:10nm)。従って、幅が1.0μm以下の開口部2001においては3度目のRIEによるエッチングが進行するので、その深さは合計50nmになり、幅が1.5μmの開口部2002においては2度目のRIEによるエッチングが進行するので、その深さは合計30nmになり、幅が2.0μmの開口部2003においては1度目のRIEによるエッチングが進行するので、その深さは10nmになる。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14(e))。   Next, when RIE is performed for 10 seconds under a condition where the hydrogen flow rate is changed (10 sccm), etching proceeds without depositing polymer in all the openings 2001, 2002, and 2003 (etching depth: 10 nm). . Therefore, since the etching by the third RIE proceeds in the opening 2001 having a width of 1.0 μm or less, the depth is 50 nm in total, and the opening 2002 having a width of 1.5 μm is performed by the second RIE. Since the etching progresses, the depth becomes 30 nm in total, and the etching by the first RIE proceeds in the opening 2003 having a width of 2.0 μm, so the depth becomes 10 nm. Subsequently, by removing the polymer by irradiation with oxygen plasma, diffraction gratings having different depths can be formed (FIG. 14E).

この回折格子においては、深さが20nm未満の領域では回折格子がInGaAsP(1.1μm波長組成、20nm厚)のみからなるので結合係数は比較的小さく、深さが20nm以上の領域では回折格子がInGaAsP(1.2μm波長組成、20nm厚)を含むので結合係数は増加し、深さが40nm以上の領域ではInGaAsP(1.3μm波長組成、20nm厚)をさらに含むので結合係数はさらに増加する。従がって、回折格子における結合係数の変化はガイド層がInGaAsP(1.1μm波長組成、20nm厚)のみからなる場合に比べて大きくなる。   In this diffraction grating, since the diffraction grating is made of only InGaAsP (1.1 μm wavelength composition, 20 nm thickness) in the region where the depth is less than 20 nm, the coupling coefficient is relatively small, and the diffraction grating is in the region where the depth is 20 nm or more. Since InGaAsP (1.2 μm wavelength composition, 20 nm thickness) is included, the coupling coefficient increases. In the region where the depth is 40 nm or more, InGaAsP (1.3 μm wavelength composition, 20 nm thickness) further includes the coupling coefficient. Therefore, the change in the coupling coefficient in the diffraction grating is larger than when the guide layer is made only of InGaAsP (1.1 μm wavelength composition, 20 nm thickness).

SiO2マスク除去後に、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10に示す素子構造が作製される。ここで、回折格子深さが50nm以下なので積層された結晶の表面の凹凸は抑制され平坦である。 After removing the SiO 2 mask, the element structure shown in FIG. 10 is produced by stacking on this diffraction grating by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). Here, since the diffraction grating depth is 50 nm or less, the unevenness of the surface of the stacked crystal is suppressed and flat.

本実施形態2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(拡散長)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 second embodiment, the etching in which the depth using three opening widths is changed in three steps has been described. However, a larger number of opening widths are used and the pressure (diffusion length) 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.

本実施形態2の回折格子を用いれば、光半導体素子において、実施形態1と同様の効果が得られる。   If the diffraction grating of the second embodiment is used, the same effect as that of the first embodiment can be obtained in the optical semiconductor element.

(実施形態3)
本発明の実施形態3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。本実施形態3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。
(Embodiment 3)
As Embodiment 3 of the present invention, a method of manufacturing a diffraction grating whose depth changes in the plane will be described. The third embodiment is characterized in that the thickness of the mask at 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の厚さと回折格子外部のマスクの厚さとが異なることによる作用について説明する。   First, the effect of the difference between the mask thickness at the diffraction grating portion and the mask thickness outside the diffraction grating will be described.

実施形態3の方法を用いて回折格子を作製する場合、図15に示すように回折格子外部部分のマスク82上に飛来した水素84だけでなく、回折格子部分のマスク81上に飛来した水素83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 using the method of the third embodiment, as shown in FIG. 15, not only the hydrogen 84 that has come on the mask 82 in the outer part of the diffraction grating but also the hydrogen 83 that has come on the mask 81 in the diffraction grating part. Since this also affects the etching, it becomes difficult to control the etching shape of the diffraction grating.

上述の表面にマスクを形成した半導体のドライエッチングにおいて、異なる厚さのマスクを用いた場合について説明する。   A case where masks having different thicknesses are used in dry etching of a semiconductor having a mask formed on the surface will be described.

図16(a)、(b)に、膜厚の薄いマスクを用いる場合と膜厚の厚いマスクを用いる場合におけるエッチング種の挙動を示す。膜厚の薄いマスクを用いる場合(図16(a))には、プラズマ照射時のマスクのチャージアップ量が小さいのでマスクに誘引される水素プラズマは少ない。従がって、エッチングに寄与する水素プラズマは少ない。   FIGS. 16A and 16B show the behavior of etching species when a thin film mask is used and when a thick film mask is used. When a thin mask is used (FIG. 16A), the amount of hydrogen plasma attracted to the mask is small because the amount of charge-up of the mask during plasma irradiation is small. Therefore, there is little hydrogen plasma that contributes to etching.

一方、膜厚の厚いマスクを用いる場合(図16(b))には、プラズマ照射時のマスクのチャージアップ量は膜厚が厚い分増加するので、マスクに誘引される水素プラズマも増加する。従がって、エッチングに寄与する水素プラズマ増加してエッチング深さも増加する。   On the other hand, when a thick mask is used (FIG. 16B), the amount of charge up of the mask during plasma irradiation increases as the film thickness increases, so that the hydrogen plasma attracted by the mask also increases. Accordingly, the hydrogen plasma contributing to etching increases and the etching depth also increases.

そこで、図15に示す回折格子外部部分のマスク82の厚さを回折格子部分のマスク81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水素の寄与が大きく、マスク厚の薄い回折格子部分からの水素の寄与を小さくできる。従がって、開口部幅の狭い領域では、膜厚の薄いマスク81から開口部へのエッチング種の供給はほとんどないが、マスク82上から開口部へ供給される(拡散する)エッチング種は開口部中央まで到達してエッチングに寄与するので、開口部中央付近を含めた全体でエッチング速度が速くなる。   Therefore, if the thickness of the mask 82 in the outer part of the diffraction grating shown in FIG. 15 is made larger than the thickness of the mask 81 in the diffraction grating part, the contribution of hydrogen from the outside of the diffraction grating having a larger mask thickness will be larger, and the mask thickness will be increased. The contribution of hydrogen from the thin diffraction grating portion can be reduced. Accordingly, in the region where the opening width is narrow, the etching species supplied from the thin mask 81 to the opening is hardly supplied, but the etching species supplied (diffused) from the mask 82 to the opening is Since it reaches the center of the opening and contributes to etching, the etching rate is increased as a whole including the vicinity of the center of the opening.

一方、開口部幅の広い領域では、膜厚の薄いマスク81から開口部へのエッチング種の供給はほとんどなく、マスク82上から開口部へ供給される(拡散する)エッチング種は開口部中央まで到達しないので、開口部中央付近ではエッチング速度は遅くなる。そこで、このマスクを用いれば、膜厚の薄いマスク81から開口部へのエッチング種の供給の影響を抑制して、開口部幅の狭い領域では開口部中央付近でのエッチング深さを深く、開口部幅の広い領域では浅くすることができる。   On the other hand, in a region having a wide opening, there is almost no etching species supplied from the thin mask 81 to the opening, and the etching species supplied (diffused) from the mask 82 to the opening reaches the center of the opening. Since it does not reach, the etching rate becomes slow near the center of the opening. Therefore, if this mask is used, the influence of the supply of the etching species from the thin mask 81 to the opening is suppressed, and the etching depth near the center of the opening is deepened in the region where the opening width is narrow. It can be made shallow in a wide region.

図17に、本実施形態3において試料表面に形成するSiNX/SiO2マスクを示す。SiNXで形成される格子状マスク1910の厚さが20nm、回折格子の長さ1912が500μm、格子幅1913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)1914は240nm(SiO2部:120nm、窓部:120nm)である。一方、SiO2で形成される開口部幅調整マスク1911の厚さが1μm、幅1915は20μmで一定である。 FIG. 17 shows a SiN x / SiO 2 mask formed on the sample surface in the third embodiment. The thickness of the lattice-shaped mask 1910 made of SiN x is 20 nm, the length of the diffraction grating 1912 is 500 μm, and the grating width 1913 is changed, and 1.8, 3.7, 3.7, 7.5 μm. The pitch (period) 1914 is 240 nm (SiO 2 part: 120 nm, window part: 120 nm). On the other hand, the opening width adjustment mask 1911 formed of SiO 2 has a constant thickness of 1 μm and a width 1915 of 20 μm.

図18(a)〜(d)に、本実施形態3におけ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1310上のInPクラッド層1311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上に回折格子部分作製用のSiO2マスク1311が形成される(図18(a))。 18A to 18D show a process for manufacturing masks having different thicknesses in the plane used for forming the diffraction grating in the third embodiment. First, a 30 nm thick silicon oxide (SiO 2 ) film is formed on the surface of the InP clad layer 1311 on the InP substrate 1310. 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 1311 for producing a diffraction grating portion is formed on InP (FIG. 18A).

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1321を形成する(図18(b))。SiNX膜上にレジストを塗布した後に開口部幅調整マスク用のレジストパターン1331を作製する(図18(c))。このレジストパターン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1331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1341に転写する(図18(d))。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1331を除去することにより、InP上に格子状部分と開口部幅調整部分で厚さの異なるマスクが形成される(図18(d))。 Next, a 1 μm thick silicon nitride (SiN x ) film 1321 is formed on the InP surface having the above-described diffraction grating portion SiO 2 mask (FIG. 18B). After applying a resist on the SiN x film, a resist pattern 1331 for an opening width adjustment mask is produced (FIG. 18C). This resist pattern can be formed not only by electron beam exposure but also by normal photolithography resist exposure. The resist pattern 1331 is transferred to the SiN x film 1341 by processing the SiN x film by RIE using sulfur fluoride gas (SF 6 or the like) using the resist pattern 1331 as a mask (FIG. 18D). 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 1331, masks having different thicknesses are formed on the InP at the lattice-like portion and the opening width adjustment portion (FIG. 18D).

図19(a)〜(e)に、本実施形態3に係る作製方法における回折格子の作製工程を示す。InP200表面に上述のマスクを形成する(図19(a))。ここで開口部2001、2002、2003の幅はそれぞれ1.0、1.5、2.0μmとする。以下に説明する一連のエッチング過程において、マスク厚の厚い開口部幅調整マスク上からのメタン・水素プラズマの寄与が大きく、マスク厚の薄い格子状マスク上からのメタン・水素プラズマの寄与は小さい。   19A to 19E show a diffraction grating manufacturing process in the manufacturing method according to the third embodiment. The above-described mask is formed on the surface of InP200 (FIG. 19A). Here, the widths of the openings 2001, 2002, and 2003 are 1.0, 1.5, and 2.0 μm, respectively. In a series of etching processes described below, the contribution of methane / hydrogen plasma from above the opening width adjustment mask having a large mask thickness is large, and the contribution of methane / hydrogen plasma from the lattice mask 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2.5sccm、ガス圧力が10Pa、放電電力が100Wで20秒間施すと、幅が1.0μmの開口部2001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1.0μmより広い開口部2002、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2021が堆積してエッチングが進行しない(図19(b))。   First, when RIE using a mixed gas of methane and hydrogen is performed for 20 seconds at a methane flow rate of 40 sccm, a hydrogen flow rate of 2.5 sccm, a gas pressure of 10 Pa, and a discharge power of 100 W, in the opening 2001 having a width of 1.0 μm, Since there is sufficient supply of hydrogen from above the mask, etching proceeds without polymer deposition. On the other hand, in the openings 2002 and 2003 having a width larger than 1.0 μm, supply of hydrogen from the mask is insufficient, so that the polymer 2021 is deposited and the etching does not proceed (FIG. 19B).

次いで、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19(c))。次に、水素流量を増加させた条件(5sccm)でRIEを20秒間施すと、幅が1.5μm以下の開口部2001、2002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(エッチング深さ:20nm)。   Next, when the oxygen plasma is irradiated for 1 minute at an oxygen flow rate of 10 sccm, a gas pressure of 10 Pa, and a discharge power of 400 W, the deposited polymer is removed (FIG. 19C). Next, when RIE is performed for 20 seconds under the condition where the hydrogen flow rate is increased (5 sccm), the supply of hydrogen is increased in the openings 2001 and 2002 having a width of 1.5 μm or less, so that etching is performed without polymer deposition. Progresses (etching depth: 20 nm).

一方、幅が2.0μmの開口部2003においては、ポリマーが堆積してエッチングが進行しない(図19(d))。従って、幅が1.0μmの開口部2001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、その深さは開口部2002の深さよりも深くなる(合計のエッチング深さ:40nm)。   On the other hand, in the opening 2003 having a width of 2.0 μm, the polymer is deposited and the etching does not proceed (FIG. 19D). Accordingly, in the opening 2001 having a width of 1.0 μm, the etching by the second RIE proceeds after the etching by the first RIE, so that the depth becomes deeper than the depth of the opening 2002 (the total etching depth). (40 nm).

次に、水素流量を増加させた条件(10sccm)でRIEを10秒間施すと、全ての開口部2001、2002、2003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(エッチング深さ:10nm)。従って、幅が1.0μmの開口部2001においては3度目のRIEによるエッチングが進行するので、その深さは合計で50nmになり、幅が1.5μmの開口部2002においては2度目のRIEによるエッチングが進行するので、その深さは合計で30nmになり、幅が2.0μmの開口部2003においては1度目のRIEによるエッチングが進行するので、その深さは10nmになる。引き続き、酸素プラズマの照射によるポリマーの除去により、深さの異なる回折格子を形成することができる(図19(e))。   Next, when RIE is performed for 10 seconds under the condition where the hydrogen flow rate is increased (10 sccm), etching proceeds without depositing polymer in all the openings 2001, 2002, and 2003 (etching depth: 10 nm). . Therefore, since the etching by the third RIE proceeds in the opening 2001 having a width of 1.0 μm, the total depth is 50 nm, and the opening 2002 having a width of 1.5 μm is performed by the second RIE. Since the etching proceeds, the depth becomes 30 nm in total, and the etching by the first RIE proceeds in the opening 2003 having a width of 2.0 μm, so the depth becomes 10 nm. Subsequently, by removing the polymer by irradiation with oxygen plasma, diffraction gratings having different depths can be formed (FIG. 19E).

この回折格子においては、深さが20nm未満の領域では回折格子がInGaAsP(1.1μm波長組成、20nm厚)のみからなるので結合係数は比較的小さく、深さが20nm以上の領域では回折格子がInGaAsP(1.2μm波長組成、20nm厚)を含むので結合係数は増加し、深さが40nm以上の領域ではInGaAsP(1.3μm波長組成、20nm厚)をさらに含むので結合係数はさらに増加する。したがって、回折格子における結合係数の変化はガイド層がInGaAsP(1.1μm波長組成、20nm厚)のみからなる場合に比べて大きくなる。   In this diffraction grating, since the diffraction grating is made of only InGaAsP (1.1 μm wavelength composition, 20 nm thickness) in the region where the depth is less than 20 nm, the coupling coefficient is relatively small, and the diffraction grating is in the region where the depth is 20 nm or more. Since InGaAsP (1.2 μm wavelength composition, 20 nm thickness) is included, the coupling coefficient increases. In the region where the depth is 40 nm or more, InGaAsP (1.3 μm wavelength composition, 20 nm thickness) further includes the coupling coefficient. Therefore, the change in the coupling coefficient in the diffraction grating is larger than when the guide layer is made of only InGaAsP (1.1 μm wavelength composition, 20 nm thickness).

SiO2マスク除去後に、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10に示す素子構造が作製される。ここで、回折格子深さが50nm以下なので積層された結晶の表面の凹凸は抑制され平坦である。 After removing the SiO 2 mask, the element structure shown in FIG. 10 is produced by stacking on this diffraction grating by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). Here, since the diffraction grating depth is 50 nm or less, the unevenness of the surface of the stacked crystal is suppressed and flat.

本実施形態3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(拡散長)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 third embodiment, the etching in which the depth using the three opening widths is changed in three stages has been described. However, using a larger number of opening widths, the pressure (diffusion length) corresponding to the opening widths is increased. By performing methane / hydrogen RIE under the conditions, it is possible to perform etching with depth changing in more stages.

本実施形態3の回折格子を用いれば、光半導体素子において、第一の実施例と同様の効果が得られる。   If the diffraction grating of Embodiment 3 is used, the same effect as that of the first example can be obtained in the optical semiconductor element.

本実施形態1〜3では、回折格子の深さを15−25、10−50nm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おり、複数の組成からなるガイド層の層厚との関係において回折格子の深さが複数の組成に及ぶように設定してあれば、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 the first to third embodiments, the depth of the diffraction grating is set to 15-25 and 10-50 nm. However, the depth is not limited to this, and the depth of the diffraction grating is not constant and changes in the element. If the depth of the diffraction grating is set so as to reach a plurality of compositions in relation to the thickness of the guide layer having a plurality of compositions, the same effect can be obtained. 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.

本実施形態1〜3においては回折格子を形成するガイド層が組成の異なる2層または3層からなる場合について説明したが、より多くの組成の異なる層からなるものであってもよい。またガイド層の組成波長として1.1μm、1.2μm、1.3μmを用いたが光導波層の組成波長より短波長であればよく組成波長が連続的に変化するものであってもよい。またガイド層の組成波長は光導波層側からクラッド層に向けて長波長から短波長に変化させたが、逆に短波長から長波長に変化させても、1.1μm、1.3μm、1.2μmのように不規則な順に変化させて効果を得ることができる。   In the first to third embodiments, the case where the guide layer forming the diffraction grating is composed of two or three layers having different compositions has been described. However, the guide layer may be composed of more layers having different compositions. Moreover, although 1.1 μm, 1.2 μm, and 1.3 μm are used as the composition wavelength of the guide layer, the composition wavelength may be continuously changed as long as it is shorter than the composition wavelength of the optical waveguide layer. The composition wavelength of the guide layer was changed from the long wavelength to the short wavelength from the optical waveguide layer side toward the clad layer. Conversely, even if the wavelength was changed from the short wavelength to the long wavelength, 1.1 μm, 1.3 μm, 1 The effect can be obtained by changing in an irregular order such as .2 μm.

本実施形態1〜3においては回折格子はクラッド側のガイド層に形成したが、基板側のガイド層に形成しても良い。   In the first to third embodiments, the diffraction grating is formed on the guide layer on the clad side, but may be formed on the guide layer on the substrate side.

本実施形態1〜3においては、水素流量を変化させ前記水素プラズマが開口部内にマスク端から供給される量を変化させることにより開口部端のエッチングされる領域を変化させたが、パワーを変化させてエッチングに寄与する水素プラズマの量を変化させてもよい。また圧力を変化させて水素プラズマの拡散長を変化させることにより開口部端のエッチングされる領域を変化させてもよい。   In the first to third embodiments, the region to be etched at the opening end is changed by changing the flow rate of hydrogen and the amount of hydrogen plasma supplied from the mask end into the opening, but the power is changed. Thus, the amount of hydrogen plasma that contributes to etching may be changed. Alternatively, the region to be etched at the end of the opening may be changed by changing the diffusion length of the hydrogen plasma by changing the pressure.

本実施形態1〜3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のみで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 first to third embodiments, hydrogen (plasma) that has not contributed 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, the etching proceeds only 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.

本実施形態1〜3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20に示すような形状でもよい。   In the first to third embodiments, the mask width outside the opening in the mask is constant. However, the mask has a length (width) that allows the hydrogen plasma diffusing into the opening to be diffused over the mask. The width need not be constant. For example, the shape shown in FIG.

また、本実施形態1〜3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 the first to third embodiments, 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 may be used. Is possible. 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、本実施形態1〜3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 first to third embodiments, 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.

また、プラズマ状態のガスを用いたドライエッチング以外でも、プラズマ状態でないガスを用いたガスエッチング、酸溶液を用いたウェットエッチングにより加工することも可能である。   In addition to dry etching using a plasma state gas, it is also possible to perform processing by gas etching using a non-plasma state gas or wet etching using an acid solution.

また、本実施形態1〜3では、DBRレーザに適用したが、光フィルタ等の他の光半導体素子にも適用できる。   In the first to third embodiments, the present invention is applied to the DBR laser, but the present invention can also be applied to other optical semiconductor elements such as an optical filter.

81、82 マスク
83、84 エッチング種
150 n型InP基板
151 n型InPバッファ層
152 回折格子
153 InGaAsP(組成波長:1.1μm)ガイド層
154 活性層(発光波長:1.55μm、活性層長:400μm)
155 DBR回折格子領域InGaAsP(組成波長:1.4μm)ガイド層
156a InGaAsP(組成波長:1.3μm)ガイド層
156b InGaAsP(組成波長:1.1μm)ガイド層
157 InPクラッド層
158 p型InGaAs(組成波長:1.85μm)コンタクト層
1591 n型オーミック電極
1592 p型オーミック電極
411、511、1010、1020 半導体
513、1011、1021、1120 マスク
412、512、1012、1022 エッチング種
1210 n型InP基板
1211 積層構造
1221 酸化シリコン(SiO2)膜
1231 レジストパターン
1591 n型オーミック電極
1592 p型オーミック電極
1913、2010 開口部幅
1915、2011 マスク幅
1911 マスク
1912 回折格子の長さ
1914 ピッチ
2001、2002、2003 開口部
81, 82 Mask 83, 84 Etching species 150 n-type InP substrate 151 n-type InP buffer layer 152 diffraction grating
153 InGaAsP (composition wavelength: 1.1 μm) guide layer 154 active layer (emission wavelength: 1.55 μm, active layer length: 400 μm)
155 DBR diffraction grating region InGaAsP (composition wavelength: 1.4 μm) guide layer 156a InGaAsP (composition wavelength: 1.3 μm) guide layer 156b InGaAsP (composition wavelength: 1.1 μm) guide layer 157 InP cladding layer 158 p-type InGaAs (composition) (Wavelength: 1.85 μm) Contact layer 1591 n-type ohmic electrode 1592 p-type ohmic electrode 411, 511, 1010, 1020 semiconductor 513, 1011, 1021, 1120 mask 412, 512, 1012, 1022 Etching species 1210 n-type InP substrate 1211 lamination structure 1221 silicon oxide (SiO 2) film 1231 resist pattern 1591 n-type ohmic electrode 1592 p-type ohmic electrode 1913,2010 opening width 1915,2011 mask width 19 1 mask 1912 the length of the diffraction grating 1914 pitch 2001,2002,2003 opening

Claims (4)

光導波路中に回折格子を有する光半導体素子であって、
前記光導波路は、伝播光の進行方向に対して垂直な第1の方向に積層された複数の組成の異なる層からなり、
前記回折格子は、前記第1の方向の回折格子の深さが異なる複数の領域からなり、前記複数の組成の異なる層の内、前記回折格子が存在する層は少なくとも2つの前記領域で異なることを特徴とする光半導体素子。
An optical semiconductor element having a diffraction grating in an optical waveguide,
The optical waveguide is composed of a plurality of layers having different compositions stacked in a first direction perpendicular to the traveling direction of propagating light,
The diffraction grating is composed of a plurality of regions having different depths of the diffraction grating in the first direction, and of the plurality of layers having different compositions, the layer where the diffraction grating exists is different in at least two of the regions. An optical semiconductor element characterized by the above.
開口部幅が変化する開口部を有するマスクが形成された複数の組成の異なる層からなる半導体の表面にエッチング種を供給して、前記半導体を複数の異なる深さにエッチングする半導体素子の作製方法であって、
前記複数の組成の異なる層の内、エッチングされる層が少なくとも2つの前記開口部幅の異なる開口部において異なるようにエッチングするステップ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, wherein an etching seed is supplied to a surface of a semiconductor composed of a plurality of layers having different compositions, on which a mask having an opening having a variable opening width is formed, and the semiconductor is etched to a plurality of different depths Because
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: etching a layer to be etched in at least two openings having different opening widths among the plurality of layers having different compositions.
前記エッチング種は炭化水素系プラズマと水素プラズマであり、
前記エッチングするステップは、
所定の流量の前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマに対して、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が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、
前記所定の流量の前記炭化水素系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供給する第2の工程と、
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供給により除去する第3の工程と、
前記水素プラズマが開口部内にマスク端から到達する距離を変化させ、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、前記第1の状態および前記第2の状態のいずれかに変化させるように、前記水素プラズマの前記所定の流量を変化させる第4の工程とを有し、
前記第4の工程の後に前記第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 etching species are hydrocarbon plasma and hydrogen plasma,
The etching step includes
With respect to the hydrocarbon-based plasma and the hydrogen plasma at a predetermined flow rate, the polymer is uniformly applied to the semiconductor surface in the first state where the etching of the semiconductor surface proceeds for each region having a different opening width. A first step of forming on the semiconductor surface a mask in which the opening width is set so that only one of the generated second states is manifested;
A second step of supplying the hydrocarbon-based plasma and the hydrogen plasma at the predetermined flow rate to the semiconductor surface having the mask;
A third step of removing the polymer deposited on the semiconductor surface in the first step by supplying a plasma having oxygen;
The state in which the hydrogen plasma reaches the inside of the opening from the edge of the mask is changed, and the state that appears in at least one of the regions having different opening widths is any of the first state and the second state. And a fourth step of changing the predetermined flow rate of the hydrogen plasma so as to change
The method for manufacturing a semiconductor element according to claim 2, wherein the second step is further performed after the fourth 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2又は3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. The method for manufacturing a semiconductor element according to claim 2, wherein:
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