JP2013016650A - サンプルドグレーティングの形成方法及び半導体レーザの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】様々な態様のサンプルドグレーティングを低コストで形成することが可能な形成方法等を提供する。
【解決手段】サンプルドグレーティング２１Ｐの形成方法は、複数の凹部３を含むパターン面１Ｐを有するナノインプリント用のモールド１を準備する工程と、周期的に設けられた光透過部７Ｔを有するマスク７を準備する工程と、半導体層２１上に、フォトレジスト層２７と、樹脂部２９とをこの順に形成する工程と、熱ナノインプリント法によってモールド１の複数の凹部３の形状を樹脂部２９に転写する工程と、マスク７を介してフォトレジスト層２７に露光光ＬＥを照射する工程と、フォトレジスト層２７を現像する工程と、フォトレジスト層２７の形状を半導体層２１に転写する工程と、を備える。
【選択図】図１４

Description

本発明は、サンプルドグレーティングの形成方法及び半導体レーザの製造方法に関する。
下記特許文献１には、ナノインプリント法を用いた分布帰還型半導体レーザの製造方法が記載されている。この方法では、分布帰還型半導体レーザの回折格子のための半導体層のパターニングを、ナノインプリント法で行っている。また、下記非特許文献１には、サンプルドグレーティング（Sampled Grating, SG）を有する分布帰還型半導体レーザが記載されている。
特開２００９−５３２７１号公報
V. Jayaraman, et. al., "Widely tunable continuous-wave InGaAsP/InPsampled grating lasers", Electronics letters, Vol. 30, No. 18, pp. 1492-1494, (1st September, 1994)
半導体レーザ素子が有する回折格子を形成する方法として、ナノインプリント法を採用することが検討されている。回折格子の形成にナノインプリント法を採用することで、半導体レーザ等のデバイスの製造コストを低減させることができる等の利点がある。
ナノインプリント法によって回折格子を形成する際には、まず、回折格子を形成すべき半導体層上に樹脂層を形成する。そして、この回折格子の形状に対応した凹凸パターンを有するモールドをこの樹脂層に押し付け、その状態で樹脂層を硬化させる。これにより、モールドの凹凸パターンを樹脂層に転写する。その後、この樹脂層の形状を半導体層に転写することにより、半導体層に微細構造を形成する。
しかしながら、サンプルドグレーティングを有する分布帰還型半導体レーザの製造において、当該サンプルドグレーティングをナノインプリント法で形成する場合、以下のような問題点があった。
即ち、サンプルドグレーティングは、交互に周期的に設けられた回折格子部と非回折格子部を有する。そして、サンプルドグレーティングの態様、例えば、周期方向に沿った回折格子部の長さ（回折格子部における凹部の本数）や周期方向に沿った非回折格子部の長さ（共振器方向における回折格子部の位置）等に依存して、当該サンプルドグレーティングの結合効率やフィルタ特性等が変化する。
しかしながら、サンプルドグレーティングをナノインプリント法で形成する場合、１つのモールドを用いて形成された複数のサンプルドグレーティングは、全て同じ態様となる。そのため、様々な態様のサンプルドグレーティングを形成するためには、目的とする態様ごとに、当該態様に対応した凹凸パターンを有する複数のモールドを準備する必要がある。しかし、モールドの製造時には、一般に、石英基板等を電子線リソグラフィー等によって高精度に微細加工する必要があるため、製造コストが比較的高く、製作期間が長いという問題点がある。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、様々な態様のサンプルドグレーティングを低コストかつ短時間で形成することが可能な形成方法、及び、様々な態様のサンプルドグレーティングを有する半導体レーザを低コストかつ短時間で製造することが可能な製造方法を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明の第１の態様に係るサンプルドグレーティングの形成方法は、交互に周期的に設けられた回折格子部と非回折格子部からなるサンプルドグレーティングの形成方法であって、周期的に設けられた複数の凹部を含むパターン面を有するナノインプリント用のモールドを準備するモールド準備工程と、光遮光部に周期的に設けられた光透過部を有するマスクを準備するマスク準備工程と、サンプルドグレーティングの形成対象層上に、フォトレジスト層と、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂からなる樹脂部と、をこの順に形成する樹脂部形成工程と、熱ナノインプリント法によってモールドの複数の凹部の形状を樹脂部に転写することにより、樹脂部に複数の凹部を形成するナノインプリント工程と、ナノインプリント工程の後に、マスクを介してフォトレジスト層に露光光を照射することにより、フォトレジスト層の一部を露光する部分露光工程と、部分露光工程の後に、フォトレジスト層を現像する現像工程と、現像工程の後に、フォトレジスト層の形状を形成対象層に転写することにより、形成対象層に前記サンプルドグレーティングを形成するフォトレジスト層転写工程と、を備える。部分露光工程では、フォトレジスト層は、光遮光部に対応する複数の第１領域と、光透過部に対応する複数の第２領域と、を有し、複数の第１領域は露光されず、複数の第２領域のうち、樹脂部の複数の凹部下の領域が露光され、現像工程では、フォトレジスト層の複数の第２領域に、複数の凹部が形成され、フォトレジスト層転写工程では、形成対象層に、フォトレジスト層の複数の第１領域に対応する形状を有する非回折格子部を形成すると共に、フォトレジスト層の複数の第２領域に対応する形状を有する回折格子部を形成することを特徴とする。
本発明の第１の態様に係るサンプルドグレーティングの形成方法においては、形成されるサンプルドグレーティングにおける周期方向に沿った回折格子部の長さや周期方向に沿った非回折格子部の長さを、マスクの態様、即ち、マスクにおける光透過部の周期方向に沿った長さや、１つの光透過部から隣接する他の光透過部までの長さによって制御することができる。そのため、複数の態様のマスクを準備すれば、１種類のモールドを用いて、複数の態様のサンプルドグレーティングを形成することができる。そして、マスクの製造コストは、一般に、モールドの製造コストよりも１０分の１以下程度と低い。そのため、本発明の第１の態様に係るサンプルドグレーティングの形成方法によれば、様々な態様のサンプルドグレーティングを低コストで形成することが可能となる。
また、上述の課題を解決するため、本発明の第２の態様に係るサンプルドグレーティングの形成方法は、交互に周期的に設けられた回折格子部と非回折格子部からなるサンプルドグレーティングの形成方法であって、周期的に設けられた複数の凹部を含むパターン面を有するナノインプリント用のモールドを準備するモールド準備工程と、光遮光部に周期的に設けられた光透過部を有するマスクを準備するマスク準備工程と、サンプルドグレーティングの形成対象層上に、フォトレジスト層と、光非透過層と、紫外線硬化樹脂からなる樹脂部と、をこの順に形成する樹脂部形成工程と、光ナノインプリント法によってモールドの複数の凹部の形状を樹脂部に転写することにより、樹脂部に複数の凹部を形成するナノインプリント工程と、ナノインプリント工程後に、樹脂部をマスクとして光非透過層をエッチングすることにより、樹脂部の形状を光非透過層に転写し、これにより光非透過層に複数の凹部を形成する光非透過層エッチング工程と、光非透過層エッチング工程の後に、マスクを介してフォトレジスト層に露光光を照射することにより、フォトレジスト層の一部を露光する部分露光工程と、部分露光工程の後に、フォトレジスト層を現像する現像工程と、現像工程の後に、フォトレジスト層の形状を形成対象層に転写することにより、形成対象層にサンプルドグレーティングを形成するフォトレジスト層転写工程と、を備える。部分露光工程では、フォトレジスト層は、光遮光部に対応する複数の第１領域と、光透過部に対応する複数の第２領域と、を有し、複数の第１領域は露光されず、複数の第２領域のうち、樹脂部の複数の凹部下の領域が露光され、現像工程では、フォトレジスト層の複数の第２領域に、複数の凹部が形成され、フォトレジスト層転写工程では、形成対象層に、フォトレジスト層の複数の第１領域に対応する形状を有する非回折格子部を形成すると共に、フォトレジスト層の複数の第２領域に対応する形状を有する回折格子部を形成することを特徴とする。
本発明の第２の態様に係るサンプルドグレーティングの形成方法においては、形成されるサンプルドグレーティングにおける周期方向に沿った回折格子部の長さや周期方向に沿った非回折格子部の長さを、マスクの態様、即ち、マスクにおける光透過部の周期方向に沿った長さや、１つの光透過部から隣接する他の光透過部までの長さによって制御することができる。そのため、複数の態様のマスクを準備すれば、１種類のモールドを用いて、複数の態様のサンプルドグレーティングを形成することができる。そして、マスクの製造コストは、モールドの製造コストよりも低い。そのため、本発明の第２の態様に係るサンプルドグレーティングの形成方法によれば、様々な態様のサンプルドグレーティングを低コストで形成することが可能となる。
さらに、本発明の第１の態様又は第２の態様に係るサンプルドグレーティングの形成方法において、部分露光工程は、フォトレジスト層とマスクとを対向させた後に、マスクの光透過部の周期方向が、樹脂部の複数の凹部の周期方向に対して平行になるように、又は、平行に近づくように、マスクと樹脂部との相対位置を調節する調節工程をさらに含むことが好ましい。
これにより、サンプルドグレーティングの回折格子部における凹部の数、および実質的な回折格子周期が、所望の数および値からずれてしまうことを抑制することができる。
また、上述の課題を解決するため、本発明の半導体レーザの製造方法は、半導体基板上に、活性層と上記形成対象層とを含む半導体レーザのための半導体積層を堆積する半導体積層堆積工程と、上述のいずれかのサンプルドグレーティングの形成方法によって上記形成対象層にサンプルドグレーティングを形成する工程と、を備える。
本発明の半導体レーザの製造方法においては、上述のいずれかの形成方法によってサンプルドグレーティングを形成するため、様々な態様のサンプルドグレーティングを低コストで形成することが可能となる。そのため、本発明の半導体レーザの製造方法によれば、様々な態様のサンプルドグレーティングを有する半導体レーザを低コストで製造することが可能となる。
本発明によれば、様々な態様のサンプルドグレーティングを低コストで形成することが可能な形成方法、及び、様々な態様のサンプルドグレーティングを有する半導体レーザを低コストで製造することが可能な製造方法が提供される。
モールド準備工程で準備されるモールドを示す平面図である。 図１に示すモールドの領域１Ａを拡大して示す平面図である。 図２のモールドのＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った端面図である。 マスク準備工程で準備されるマスクを示す平面図である。 図４に示すマスクの領域７Ａを拡大して示す平面図である。 半導体積層堆積工程及び樹脂部形成工程を説明するための端面図である。 ナノインプリント工程を説明するための端面図である。 ナノインプリント工程を説明するための端面図である。 ナノインプリント工程を説明するための端面図である。 ナノインプリント工程を説明するための平面図である。 部分露光工程を説明するための端面図である。 調節工程を説明するための平面図である。 調節工程を説明するための平面図である。 部分露光工程を説明するための端面図である。 現像工程を説明するための端面図である。 フォトレジスト層転写工程を説明するための端面図である。 フォトレジスト層転写工程を説明するための端面図である。 フォトレジスト層転写工程を説明するための端面図である。 メサ部形成工程及び電極形成工程を説明するための部分切断斜視図である。 第２実施形態の樹脂部形成工程を説明するための端面図である。 第２実施形態のナノインプリント工程を説明するための端面図である。 第２実施形態のナノインプリント工程を説明するための端面図である。 第２実施形態の光非透過層エッチング工程を説明するための端面図である。 第２実施形態の部分露光工程を説明するための端面図である。 第２実施形態の現像工程を説明するための端面図である。 第２実施形態のフォトレジスト層転写工程を説明するための端面図である。 第２実施形態のフォトレジスト層転写工程を説明するための端面図である。 第２実施形態のフォトレジスト層転写工程を説明するための端面図である。
以下、実施の形態に係るサンプルドグレーティングの形成方法及び半導体レーザの製造方法について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。
（第１実施形態）
第１実施形態に係る半導体レーザの製造方法は、半導体基板上に半導体積層を堆積する半導体積層堆積工程と、半導体積層内の半導体層に第１実施形態に係るサンプルドグレーティングの形成方法によってサンプルドグレーティングを形成する工程と、メサ部形成工程と、電極形成工程と、を備えている。また、第１実施形態に係るサンプルドグレーティングの形成方法は、モールド準備工程と、マスク準備工程と、樹脂部形成工程と、ナノインプリント工程と、部分露光工程と、現像工程と、フォトレジスト層転写工程と、を備えている。以下、これらの各工程について詳細に説明する。
（モールド準備工程）
初めに、モールドを準備するモールド準備工程が行われる。図１は、モールド準備工程で準備されるモールドを示す平面図であり、図２は、図１に示すモールドの領域１Ａを拡大して示す平面図であり、図３は、図２のモールドのＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った端面図である。
図１に示すように、本工程で準備されるナノインプリント用のモールド１は、略平坦なパターン面１Ｐを有する矩形の平板状の部材であり、石英、シリコーン樹脂等で構成されている。図１においては、直交座標系２が示されており、モールド１の厚さ方向にＺ軸を設定し、パターン面１Ｐと平行な方向にＸ軸とＹ軸をそれぞれ設定している。図２以降の各図においても、必要に応じて直交座標系２を示している。
図１に示すように、第１実施形態のモールド１のパターン面１Ｐには、複数（例えば、図に示すように４行９列）のラインアンドスペースパターン３Ｐが形成されている。また、図２及び図３に示すように、パターン面１ＰにはＺ軸の負方向に凹むと共にＸ軸に沿った方向に延びる複数の凹部３が設けられている。これらの複数の凹部３によって各ラインアンドスペースパターン３Ｐが規定される。複数の凹部３は、パターン面１ＰにおいてＹ軸に沿って周期的に設けられている。即ち、複数の凹部３は、パターン面１Ｐにおいて、Ｙ軸と平行な周期方向３Ｃに沿って周期的に設けられている。
各ラインアンドスペースパターン３Ｐの複数のライン部は、それぞれ略同形であり、それぞれＸ軸に沿った方向に延びている。各ライン部のＹＺ面に沿った断面は、矩形状である。各ラインアンドスペースパターン３Ｐの複数のスペース部となる複数の凹部３は、それぞれ略同形であり、それぞれＹ軸に沿った方向に延びている。各凹部３のＹＺ面に沿った断面は、矩形状である。
各ラインアンドスペースパターン３Ｐの形状は、後述のサンプルドグレーティング２１Ｐの回折格子部２１Ｂにおける複数の凹部２１Ｄの形状に対応している（図１８参照）。また、複数の凹部３が設けられている周期、即ち、各ラインアンドスペースパターン３Ｐの１つのライン部のＹ軸方向に沿った幅と１つの凹部３のＹ軸方向に沿った幅の合計値は、後述のサンプルドグレーティング２１Ｐの回折格子部２１Ｂにおける複数の凹部２１Ｄが設けられている周期と略等しい（図１８参照）。
（マスク準備工程）
次に、マスク準備工程が行われる。図４は、マスク準備工程で準備されるマスクを示す平面図であり、図５は、図４に示すモールドの領域７Ａを拡大して示す平面図である。
図４及び図５に示すように、本工程で準備されるマスク７は、略平坦な表面を有する矩形の平板状の部材である。図４及び図５においては、マスク７の厚さ方向にＺ軸を設定し、マスク７の表面と平行な方向にＸ軸とＹ軸をそれぞれ設定している。マスク７は、光遮光部７Ｓと、光遮光部７Ｓに設けられた複数の光透過部７Ｔとを有する。光遮光部７Ｓは、Ｚ軸方向に沿って進む光を遮光するための領域であり、光透過部７Ｔは、Ｚ軸方向に沿って進む光を透過させるための領域である。
複数の光透過部７Ｔは、マスク７の表面においてＹ軸と平行な方向に沿って周期的に設けられている。即ち、複数の光透過部７Ｔは、マスク７の表面において、Ｙ軸と平行な周期方向７Ｃに沿って周期的に設けられている。光透過部７Ｔの周期方向７Ｃに沿った幅Ｗ７Ｔは、モールド１のラインアンドスペースパターン３Ｐの周期方向３Ｃに沿った長さよりも小さく、かつ、モールド１の各凹部３の周期方向３Ｃに沿った幅よりも大きい（図１及び図２参照）。１つの光透過部７Ｔと、それに隣接する光透過部７Ｔとの周期方向３Ｃに沿った長さＢ７Ｔは、モールド１のラインアンドスペースパターン３Ｐの周期方向３Ｃに沿った長さよりも小さく、かつ、モールド１の各凹部３の周期方向３Ｃに沿った幅よりも大きい（図１及び図２参照）。また、複数の光透過部７Ｔの周期方向７Ｃの周期は、モールド１の複数の凹部３ｄの周期方向３Ｃの周期よりも大きい（図２参照）。
第１実施形態においては、光透過部７Ｔの幅Ｗ７Ｔは、後述のサンプルドグレーティング２１Ｐの回折格子部２１ＢのＹ軸方向に沿った長さに対応しており、上記の長さＢ７Ｔは、後述のサンプルドグレーティング２１Ｐの非回折格子部２１ＡのＹ軸方向に沿った長さに対応している。また、光透過部７ＴのＸ軸方向に沿った長さは、モールド１の各凹部３のＸ軸方向に沿った長さよりも長い。
第１実施形態の光透過部７Ｔは、開口であるが、光透過部７Ｔは、合成石英等の後述の露光光ＬＥ（図１４参照）が透過することが可能な材料で構成されていてもよい。光遮光部７Ｓは、酸化クロム等の後述の露光光ＬＥ（図１４参照）が実質的に透過することができない材料で構成されている。
そして、マスク準備工程では、光透過部７Ｔ及び光遮光部７Ｓの形状が異なる複数のマスク７を準備する。例えば、光透過部７Ｔの周期方向７Ｃに沿った幅Ｗ７Ｔや、１つの光透過部７Ｔから隣接する他の光透過部７Ｔまでの長さＢ７Ｔや、光透過部７Ｔの周期方向７Ｃ方向の周期が互いに異なる複数種類の態様の複数のマスク７を準備する。
（半導体積層堆積工程）
次に、半導体積層堆積工程が行われる。図６は、半導体積層堆積工程及び次の樹脂部形成工程を説明するための端面図である。半導体積層堆積工程では、まず、半導体基板１１の主面上に、半導体レーザのための半導体積層２３を堆積する。具体的には、図６に示すように、例えば有機金属気相成長法等のエピタキシャル成長法によって、半導体基板１１上に、下部クラッド層１３、下部光閉じ込め層１５、活性層１７、上部光閉じ込め層１９、及び、半導体層２１をこの順に堆積する。半導体基板１１、下部クラッド層１３、下部光閉じ込め層１５、活性層１７、上部光閉じ込め層１９、及び、半導体層２１で半導体積層２３となる。
なお、図６及び以降の各図においては、半導体基板１１の厚さ方向に直交座標系２のＺ軸を設定し、モールド１の主面と平行な方向にＸ軸とＹ軸をそれぞれ設定している。半導体基板１１の主面及び裏面は、それぞれＸＹ平面と略平行な平面であり、下部クラッド層１３、下部光閉じ込め層１５、活性層１７、上部光閉じ込め層１９、及び、半導体層２１の積層方向は、Ｚ軸に沿っている。
半導体基板１１は、第１導電型（例えばｎ型）の半導体基板であり、例えば、ＩｎＰやＧａＮ等のIII-V族化合物半導体からなる。下部クラッド層１３は、第１導電型の例えばＩｎＰやＧａＮ等のIII-V族化合物半導体からなる。下部光閉じ込め層１５は、第１導電型の例えばＧａＩｎＡｓＰ等のIII−V族化合物半導体からなる。活性層１７は、例えば、ＭＱＷ（多重量子井戸）構造やＳＱＷ（単一量子井戸）構造を有する。また、活性層１７は、例えば、ＧａＩｎＡｓＰやＡｌＧａＩｎＡｓ等のIII-V族化合物半導体からなる。上部光閉じ込め層１９は、第２導電型（第１導電型がｎ型の場合、ｐ型）の例えばＧａＩｎＡｓＰ等のIII−V族化合物半導体からなる。半導体層２１は、第２導電型の例えばＧａＩｎＡｓＰ等のIII−V族化合物半導体からなる。半導体層２１は、サンプルドグレーティング２１Ｐ（図１８参照）の形成対象層である。なお、半導体積層２３は、下部光閉じ込め層１５及び上部光閉じ込め層１９を有していなくてもよい。
（樹脂部形成工程）
次に、樹脂部形成工程が行われる。本工程では、図６に示すように、半導体層２１上に、転写層２５と、フォトレジスト層２７と、樹脂部２９と、をこの順に形成する。
転写層２５は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）や窒化酸化シリコン（ＳｉＯＮ）等の絶縁材料からなり、例えば、化学気相成長法等の気相成長法によって形成される。フォトレジスト層２７は、第１実施形態では、ポジ型のフォトレジストからなる。樹脂部２９は、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等の熱可塑性樹脂や、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）等の熱硬化性樹脂からなる。フォトレジスト層２７及び樹脂部２９は、例えば、塗布法によって形成することができる。なお、本工程においては、転写層２５を形成しなくてもよい。
（ナノインプリント工程）
続いて、ナノインプリント工程が行われる。図７〜図９は、ナノインプリント工程を説明するための端面図であり、図１０は、ナノインプリント工程を説明するための平面図である。
本工程では、熱ナノインプリント法によってモールド１の複数の凹部３の形状を樹脂部２９に転写する。具体的には、まず、樹脂部２９が熱可塑性樹脂からなる場合、樹脂部２９を、そのガラス転移温度又は融点以上の温度まで加熱することにより、樹脂部２９を軟化させる。樹脂部２９が熱硬化性樹脂からなる場合、このような加熱は不要である。
続いて、図７に示すように樹脂部２９にモールド１のパターン面１Ｐを押し付ける。そして、樹脂部２９にモールド１のパターン面１Ｐを押し付けた状態で、樹脂部２９を硬化させる。この樹脂部２９の硬化は、樹脂部２９が熱可塑性樹脂からなる場合、樹脂部２９を、そのガラス転移温度又は融点以下の温度まで冷却することにより行うことができ、樹脂部２９が熱硬化性樹脂からなる場合、樹脂部２９を、その重合温度以上に加熱することにより行うことができる。
続いて、図８に示すように、モールド１を樹脂部２９から離間させる。これにより、樹脂部２９には、モールド１のパターン面１Ｐの反転形状が転写される。即ち、樹脂部２９には、複数の凹部２９Ｄが形成され、モールド１のパターン面１Ｐの反転形状であるラインアンドスペースパターンが複数の凹部２９Ｄによって規定される。
次に、図９に示すように、複数の凹部２９Ｄがフォトレジスト層２７に達するように、即ち、複数の凹部２９Ｄにおいてフォトレジスト層２７の表面が露出するように、例えば、Ｏ２ガスを用いた反応性イオンエッチング法によって、樹脂部２９をエッチングする。
図１０は、図９の状態の樹脂部等を示す平面図である。図１０に示すように、複数の凹部２９Ｄは、モールド１のパターン面１Ｐの反転形状であるラインアンドスペースパターンを規定する。そのため、複数の凹部２９Ｄは、Ｚ軸負側に凹むと共にＸ軸に沿って延びる。また、複数の凹部２９Ｄは、樹脂部２９の表面においてＹ軸に沿って周期的に設けられている。即ち、複数の凹部２９Ｄは、樹脂部２９の表面において、Ｙ軸と平行な周期方向２９Ｃに沿って周期的に設けられている。
（部分露光工程）
次に、部分露光工程が行われる。図１１及び図１４は、部分露光工程を説明するための端面図であり、図１２及び図１３は、部分露光工程で行うことができる調節工程を説明するための平面図である。
部分露光工程では、まず、図１１に示すように、樹脂部２９を介してフォトレジスト層２７とマスク７の表面とを対向させる。その後、調節工程を行うことができる。図１２及び図１３は、フォトレジスト層とマスクとを対向させた状態を示す平面図である。図１２に示すように、フォトレジスト層２７とマスク７の表面とを対向させた状態において、マスク７の光透過部７Ｔの周期方向７Ｃと、樹脂部２９の複数の凹部２９Ｄの周期方向２９Ｃとが、非平行である場合がある。その場合、図１３に示すように、マスク７の光透過部７Ｔの周期方向７Ｃが、樹脂部２９の複数の凹部２９Ｄの周期方向２９Ｃに対して平行になるように、又は、平行に近づくように、マスク７と樹脂部２９との相対位置を調節することができる。
また、図１３に示すように、フォトレジスト層２７とマスク７とを対向させた状態において、Ｚ軸方向から見て、マスク７の光透過部７Ｔと、凹部２９Ｄのうちの少なくとも１つ（第１実施形態では３つ）とが重複するようにする。これにより、図１１に示すように、フォトレジスト層２７のうちの第１領域２７Ａはマスク７によって覆われ、フォトレジスト層２７のうちの第２領域２７Ｂはマスク７によって覆われない。即ち、本工程において、フォトレジスト層２７は、第１領域２７Ａと第２領域２７Ｂを有し、第１領域２７Ａは、マスク７の光遮光部７Ｓに対応する領域であり、第２領域２７Ｂは、マスク７の光透過部７Ｔに対応する領域である。
続いて、図１４に示すように、マスク７を介してフォトレジスト層２７に露光光ＬＥを照射する。露光光ＬＥは、複数の凹部２９Ｄを通過してフォトレジスト層２７に到達する。これにより、フォトレジスト層２７の第２領域２７Ｂのうち、樹脂部２９の複数の凹部２９Ｄの下の領域２７Ｅを露光する。この際、フォトレジスト層２７のうち、第１領域２７Ａはマスク７の作用により露光されず、第２領域２７Ｂのうち、樹脂部２９によって覆われた領域は樹脂部２９の作用によって露光されない。
（現像工程）
続いて、現像工程が行われる。図１５は、現像工程を説明するための端面図である。本工程では、図１５に示すように、アルカリ現像液によってフォトレジスト層２７を現像する。これにより、フォトレジスト層２７の第２領域２７Ｂに、複数の凹部２７Ｄを形成する。その結果、フォトレジスト層２７の第２領域２７Ｂには、樹脂部２９の形状の非反転パターンが転写され、当該第２領域２７Ｂには、複数の凹部２７Ｄが形成される。これらの複数の凹部２７Ｄは、当該第２領域２７Ｂにおけるラインアンドスペースパターンを規定する。フォトレジスト層２７の第１領域２７Ａには、凹部等によって規定されるパターンは形成されない。
（フォトレジスト層転写工程）
次に、フォトレジスト層転写工程が行われる。図１６〜図１８は、フォトレジスト層転写工程を説明するための端面図である。本工程では、フォトレジスト層２７の第１領域２７Ａ及び第２領域２７Ｂの形状を半導体層２１に転写する。
具体的には、まず、図１６に示すように、フォトレジスト層２７をマスクとして、例えば、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング法によって、転写層２５を選択的にエッチングする。これにより、フォトレジスト層２７の形状を転写層２５に転写する。転写層２５には、ラインアンドスペースパターンを規定する複数の凹部２５Ｄが形成される。
続いて、図１７に示すように、例えば、Ｏ２ガスを用いたプラズマアッシングによって、フォトレジスト層２７及び樹脂部２９を除去する。続いて、図１８に示すように、例えば、ＣＨ４とＨ２の混合ガスを用いた反応性イオンエッチング法によって、転写層２５をマスクとして用いて半導体層２１をエッチングすることにより、半導体層２１に複数の凹部２１Ｄを形成する。その後、例えばフッ酸等を用いたウェットエッチングによって、転写層２５を除去する。
これにより、半導体層２１に、フォトレジスト層２７の第１領域２７Ａ（図１５参照）に対応する形状を有する非回折格子部２１Ａが形成される共に、フォトレジスト層２７の第２領域２７Ｂ（図１５参照）に対応する形状を有する回折格子部２１Ｂを形成する。その結果、Ｙ軸に沿った方向を周期方向とするサンプルドグレーティング２１Ｐ、即ち、Ｙ軸に沿って交互に周期的に設けられた非回折格子部２１Ａと回折格子部２１Ｂとからなるサンプルドグレーティング２１Ｐが半導体層２１に形成される。
第１実施形態では、サンプルドグレーティング２１Ｐの回折格子部２１Ｂにおける複数の凹部２１Ｄによって規定されるラインアンドスペースパターンは、モールド１のパターン面１Ｐの複数の凹部３によって規定されるラインアンドスペースパターン３Ｐの反転形状に対応する。
なお、樹脂部形成工程において転写層２５を形成しなかった場合、図１５に示すフォトレジスト層２７をマスクとして、例えばＣＨ４とＨ２の混合ガスを用いた反応性イオンエッチング法によって半導体層２１をエッチングした後に、例えば、Ｏ２ガスを用いたプラズマアッシングによって、フォトレジスト層２７及び樹脂部２９を除去することにより、図１８に示すように、半導体層２１にサンプルドグレーティング２１Ｐが形成される。
以上のような工程を経て、第１実施形態に係るサンプルドグレーティングの形成方法が終了する。
（メサ部形成工程、電極形成工程）
次に、メサ部形成工程及び電極形成工程が行われる。これらの工程では、まず、図１９に示すように、例えば有機金属気相成長法によって、サンプルドグレーティング２１Ｐを形成した半導体層２１上に埋め込み層３１を形成する。埋め込み層３１はサンプルドグレーティング２１Ｐを埋め込んでいる。また、埋め込み層３１は、第２導電型の例えばＩｎＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体からなる。埋め込み層３１は、半導体層２１と同様の材料から構成されていてもよいし、異なる材料から構成されていてもよい。埋め込み層３１は、第１上部クラッドとして機能する。
その後、埋め込み層３１、半導体層２１、上部光閉じ込め層１９、活性層１７、下部光閉じ込め層１５、及び、下部クラッド層１３をウェットエッチング等によってエッチングすることにより半導体メサを形成する。当該半導体メサは、Ｚ軸方向に沿って突出し、Ｙ軸方向に沿って延びるメサ形状を有する。さらに、その半導体メサを埋め込むメサ埋め込み層３３を形成した後、メサ埋め込み層３３及び埋め込み層３１上に第２上部クラッド層３５を形成する。メサ埋め込み層３３は、例えばＦｅがドープされたＩｎＰ等の半絶縁性III-V族化合物半導体からなる。メサ埋め込み層３３は、第１導電型のＩｎＰ等からなるIII-V族化合物半導体層及び第２導電型のＩｎＰ等からなるIII-V族化合物半導体層とが積層された積層構造を有してもよい。第２上部クラッド層３５は、例えば第２導電型のＩｎＰ等のIII-V族化合物半導体からなる。なお、第２上部クラッド層３５を形成しなくてもよい。
その後、第２上部クラッド層３５上に、コンタクト層３７及び上部電極３９をこの順に形成する。コンタクト層３７は、例えば第２導電型のＧａＩｎＡｓ等のIII-V族化合物半導体からなる。上部電極３９は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる積層構造を有する。また、半導体基板１１の裏面上に下部電極４１を形成する。下部電極４１は、例えばＡｕＧｅＮｉ合金からなる。上述の各工程を経ることによって、サンプルドグレーティング２１Ｐを有する分布帰還型半導体レーザ５０を製造することができる。
そして、マスク準備工程で準備された異なる態様のマスク７を用いて、上述の各工程を行うことにより、異なる態様のサンプルドグレーティング２１Ｐを半導体層２１に形成することができ、また、異なる態様のサンプルドグレーティング２１Ｐを有する分布帰還型半導体レーザ５０を製造することができる。
上述の第１実施形態に係るサンプルドグレーティングの形成方法においては、形成されるサンプルドグレーティング２１Ｐにおける周期方向に沿った回折格子部２１Ｂの長さや周期方向に沿った非回折格子部２１Ａの長さを、マスク７の態様、即ち、マスク７における光透過部７Ｔの周期方向７Ｃに沿った幅Ｗ７Ｔや、１つの光透過部７Ｔから隣接する他の光透過部７Ｔまでの長さＢ７Ｔによって制御することができる（図５及び図１８参照）。そのため、複数の態様のマスク７を準備すれば、１種類のモールド１を用いて、複数の態様のサンプルドグレーティング２１Ｐを形成することができる。そして、マスク７の複数の光透過部７Ｔの周期方向７Ｃの周期は、モールド１の複数の凹部３ｄの周期方向３Ｃの周期よりも大きいため、マスク７の製造コストは、モールド１の製造コストよりも低くすることができる。そのため、第１実施形態に係るサンプルドグレーティングの形成方法によれば、様々な態様のサンプルドグレーティング２１Ｐを低コストで形成することが可能となる。
さらに、上述の第１実施形態に係るサンプルドグレーティングの形成方法において、部分露光工程は、フォトレジスト層２７とマスク７とを対向させた後に、マスク７の光透過部７Ｔの周期方向７Ｃが、樹脂部２９の複数の凹部２９Ｄの周期方向２９Ｃに対して平行になるように、又は、平行に近づくように、マスク７と樹脂部２９との相対位置を調節する調節工程をさらに含んでいる（図１２及び図１３参照）。
これにより、サンプルドグレーティング２１Ｐの回折格子部２１Ｂにおける複数の凹部２１Ｄの数、および実質的な回折格子周期が、所望の数および値からずれてしまうことを抑制することができる。
また、上述の第１実施形態の半導体レーザの製造方法においては、上述のような形成方法によってサンプルドグレーティング２１Ｐを形成するため、様々な態様のサンプルドグレーティング２１Ｐを低コストで形成することが可能となる。そのため、第１実施形態の半導体レーザの製造方法によれば、様々な態様のサンプルドグレーティング２１Ｐを有する分布帰還型半導体レーザ５０を低コストで製造することが可能となる（図１９参照）。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係るサンプルドグレーティングの形成方法及び半導体レーザの製造方法について説明する。第２実施形態のサンプルドグレーティングの形成方法及び半導体レーザの製造方法は、光非透過層エッチング工程をさらに備えている点、及び、樹脂部形成工程と、ナノインプリント工程と、部分露光工程と、フォトレジスト層転写工程の内容において、第１実施形態のサンプルドグレーティングの形成方法及び半導体レーザの製造方法と異なる。以下、主に第１実施形態との相違部分について説明し、特に説明されていない部分については、第１実施形態における場合と同様である。
（樹脂部形成工程）
図２０は、第２実施形態の樹脂部形成工程を説明するための端面図であり、第１実施形態の図６に対応する。第２実施形態の樹脂部形成工程においては、図２０に示すように、半導体層２１上に、転写層２５と、フォトレジスト層２７と、光非透過層２８と、樹脂部２９と、をこの順に形成する。第１実施形態の転写層２５及びフォトレジスト層２７は、第１実施形態の転写層２５及びフォトレジスト層２７とそれぞれ同様の材料からなる。光非透過層２８は、後述の紫外線ＵＶを反射及び／又は吸収する材料、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）等の金属材料や、ＴｉＯ２等の金属酸化材料からなる。第２実施形態の樹脂部２９は、プレポリマー、モノマー、光重合開始剤、添加剤などを含む、紫外線のエネルギーによる光重合反応を利用して硬化する樹脂（紫外線硬化樹脂）からなる。紫外線硬化樹脂の代表的な種類として、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂がある。
（ナノインプリント工程）
図２１及び図２２は、第２実施形態のナノインプリント工程を説明するための端面図であり、第１実施形態の図７及び図９にそれぞれ対応する。第２実施形態のナノインプリント工程においては、光ナノインプリント法によってモールド１の複数の凹部３の形状を樹脂部２９に転写する。具体的には、まず、図２１に示すように、樹脂部２９にモールド１のパターン面１Ｐを押し付けた状態で、モールド１の上方からモールド１を経由して樹脂部２９に紫外線ＵＶを照射することにより、樹脂部２９を硬化させる。この際、光非透過層２８は紫外線ＵＶを反射及び／又は吸収するため、光非透過層２８の下のフォトレジスト層２７は露光されない。
続いて、図２２に示すように、モールド１を樹脂部２９から離間させ、複数の凹部２９Ｄが光非透過層２８に達するように、即ち、複数の凹部２９Ｄにおいて光非透過層２８の表面が露出するように、例えば、Ｏ２ガスを用いた反応性イオンエッチング法によって、樹脂部２９をエッチングする。これにより、第１実施形態における場合と同様に、樹脂部２９に複数の凹部２９Ｄが形成される。
（光非透過層エッチング工程）
続いて、光非透過層エッチング工程が行われる。図２３は、第２実施形態の光非透過層エッチング工程を説明するための端面図である。本工程では、図２３に示すように、例えば、Ｃｌ２ガスを用いた反応性イオンエッチング法によって、樹脂部２９をマスクとして光非透過層２８をエッチングすることにより、樹脂部２９の形状を光非透過層２８に転写する。これにより、光非透過層２８に複数の凹部２８Ｄが形成される。
（部分露光工程）
光非透過層エッチング工程の後に、部分露光工程が行われる。図２４は、第２実施形態の部分露光工程を説明するための端面図であり、第１実施形態の図１４に対応する。第２実施形態の部分露光工程では、まず、図２４に示すように、樹脂部２９及び光非透過層２８を介してフォトレジスト層２７とマスク７の表面とを対向させる。その後、第１実施形態における場合と同様に調節工程を行うことができる。
そして、図２４に示すように、第１実施形態における場合と同様にマスク７を介してフォトレジスト層２７に露光光ＬＥを照射する。露光光ＬＥは、複数の凹部２９Ｄと複数の凹部２８Ｄを通過してフォトレジスト層２７に到達する。これにより、第１実施形態における場合と同様にフォトレジスト層２７の第２領域２７Ｂのうち、樹脂部２９の複数の凹部２９Ｄの下の領域２７Ｅを露光する。この際、フォトレジスト層２７のうち、第１領域２７Ａは露光されず、第２領域２７Ｂのうち、樹脂部２９によって覆われた領域は露光されない。
（現像工程）
次に、現像工程が行われる。図２５は、第２実施形態の現像工程を説明するための端面図であり、第１実施形態の図１５に対応する。第２実施形態の現像工程は、第１実施形態の現像工程と同様である。即ち、アルカリ現像液によってフォトレジスト層２７を現像することにより、フォトレジスト層２７の第２領域２７Ｂに、複数の凹部２７Ｄを形成する。
（フォトレジスト層転写工程）
続いて、フォトレジスト層転写工程が行われる。図２６〜図２８は、第２実施形態のフォトレジスト層転写工程を説明するための端面図であり、第１実施形態の図１６〜図１８にそれぞれ対応する。本工程では、フォトレジスト層２７の第１領域２７Ａ及び第２領域２７Ｂの形状を半導体層２１に転写する。具体的には、まず、図２６に示すように、第１実施形態における場合と同様に、フォトレジスト層２７をマスクとして転写層２５を選択的にエッチングし、フォトレジスト層２７の形状を転写層２５に転写することにより、転写層２５に複数の凹部２５Ｄを形成する。
続いて、図２７に示すように、例えば、Ｏ２ガスを用いたプラズマアッシングによって、フォトレジスト層２７、光非透過層２８、及び樹脂部２９を除去する。続いて、図２８に示すように、第１実施形態における場合と同様に、転写層２５をマスクとして用いて半導体層２１をエッチングすることにより、半導体層２１に複数の凹部２１Ｄを形成する。その後、例えばフッ酸等を用いたウェットエッチングによって、転写層２５を除去する。これにより、半導体層２１に、第１実施形態における場合と同様のサンプルドグレーティング２１Ｐが形成される。
その後、第１実施形態における場合と同様にメサ部形成工程及び電極形成工程をおこなうことにより、サンプルドグレーティング２１Ｐを有する分布帰還型半導体レーザ５０を製造することができる（図１９参照）。
上述の第２実施形態に係るサンプルドグレーティングの形成方法においては、第１実施形態に係るサンプルドグレーティングの形成方法における場合と同様の理由に基づき、様々な態様のサンプルドグレーティング２１Ｐを低コストで形成することが可能となる。
また、上述の第２実施形態に係る半導体レーザの製造方法においては、第１実施形態に係る半導体レーザの製造方法における場合と同様の理由に基づき、様々な態様のサンプルドグレーティング２１Ｐを有する分布帰還型半導体レーザ５０を低コストで製造することが可能となる（図１９参照）。
本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。
例えば、上述の各実施形態の樹脂部形成工程では、フォトレジスト層２７を構成する材料として、ポジ型のフォトレジストを用いているが（図６参照）、当該材料としてネガ型のフォトレジストを用いることもできる。この場合、部分露光工程及び現像工程を行うことにより、フォトレジスト層２７の第２領域２７Ｂには、樹脂部２９の形状の反転パターンが転写され（図１４及び図１５参照）、サンプルドグレーティング２１Ｐの回折格子部２１Ｂにおける複数の凹部２１Ｄによって規定されるラインアンドスペースパターンは、モールド１のパターン面１Ｐの複数の凹部３によって規定されるラインアンドスペースパターン３Ｐの非反転形状に対応する（図１８参照）。
また、上述の各実施形態においては、サンプルドグレーティング２１Ｐを活性層１７よりも上部に設けられた半導体層２１に形成しているが（図１８参照）、活性層１７よりも下部に設けられた層にサンプルドグレーティング２１Ｐを形成してもよい。
１・・・モールド、１Ｐ・・・パターン面、３・・・モールドの複数の凹部、７・・・マスク、７Ｓ・・・光遮光部、７Ｔ・・・光透過部、２１・・・半導体層（形成対象層）、２１Ｐ・・・サンプルドグレーティング、２７・・・フォトレジスト層、２９・・・樹脂部。

Claims (4)

  1. 交互に周期的に設けられた回折格子部と非回折格子部からなるサンプルドグレーティングの形成方法であって、
    周期的に設けられた複数の凹部を含むパターン面を有するナノインプリント用のモールドを準備するモールド準備工程と、
    光遮光部に周期的に設けられた光透過部を有するマスクを準備するマスク準備工程と、
    前記サンプルドグレーティングの形成対象層上に、フォトレジスト層と、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂からなる樹脂部と、をこの順に形成する樹脂部形成工程と、
    熱ナノインプリント法によって前記モールドの前記複数の凹部の形状を前記樹脂部に転写することにより、前記樹脂部に複数の凹部を形成するナノインプリント工程と、
    前記ナノインプリント工程の後に、前記マスクを介して前記フォトレジスト層に露光光を照射することにより、前記フォトレジスト層の一部を露光する部分露光工程と、
    前記部分露光工程の後に、前記フォトレジスト層を現像する現像工程と、
    前記現像工程の後に、前記フォトレジスト層の形状を前記形成対象層に転写することにより、前記形成対象層に前記サンプルドグレーティングを形成するフォトレジスト層転写工程と、
    を備え、
    前記部分露光工程では、前記フォトレジスト層は、前記光遮光部に対応する複数の第１領域と、前記光透過部に対応する複数の第２領域と、を有し、前記複数の第１領域は露光されず、前記複数の第２領域のうち、前記樹脂部の前記複数の凹部下の領域が露光され、
    前記現像工程では、前記フォトレジスト層の前記複数の第２領域に、複数の凹部が形成され、
    前記フォトレジスト層転写工程では、前記形成対象層に、前記フォトレジスト層の前記複数の第１領域に対応する形状を有する前記非回折格子部を形成すると共に、前記フォトレジスト層の前記複数の第２領域に対応する形状を有する前記回折格子部を形成することを特徴とするサンプルドグレーティングの形成方法。
  2. 交互に周期的に設けられた回折格子部と非回折格子部からなるサンプルドグレーティングの形成方法であって、
    周期的に設けられた複数の凹部を含むパターン面を有するナノインプリント用のモールドを準備するモールド準備工程と、
    光遮光部に周期的に設けられた光透過部を有するマスクを準備するマスク準備工程と、
    前記サンプルドグレーティングの形成対象層上に、フォトレジスト層と、光非透過層と、紫外線硬化樹脂からなる樹脂部と、をこの順に形成する樹脂部形成工程と、
    光ナノインプリント法によって前記モールドの前記複数の凹部の形状を前記樹脂部に転写することにより、前記樹脂部に複数の凹部を形成するナノインプリント工程と、
    前記ナノインプリント工程後に、前記樹脂部をマスクとして前記光非透過層をエッチングすることにより、前記樹脂部の形状を前記光非透過層に転写し、これにより前記光非透過層に複数の凹部を形成する光非透過層エッチング工程と、
    前記光非透過層エッチング工程の後に、前記マスクを介して前記フォトレジスト層に露光光を照射することにより、前記フォトレジスト層の一部を露光する部分露光工程と、
    前記部分露光工程の後に、前記フォトレジスト層を現像する現像工程と、
    前記現像工程の後に、前記フォトレジスト層の形状を前記形成対象層に転写することにより、前記形成対象層に前記サンプルドグレーティングを形成するフォトレジスト層転写工程と、
    を備え、
    前記部分露光工程では、前記フォトレジスト層は、前記光遮光部に対応する複数の第１領域と、前記光透過部に対応する複数の第２領域と、を有し、前記複数の第１領域は露光されず、前記複数の第２領域のうち、前記樹脂部の前記複数の凹部下の領域が露光され、
    前記現像工程では、前記フォトレジスト層の前記複数の第２領域に、複数の凹部が形成され、
    前記フォトレジスト層転写工程では、前記形成対象層に、前記フォトレジスト層の前記複数の第１領域に対応する形状を有する前記非回折格子部を形成すると共に、前記フォトレジスト層の前記複数の第２領域に対応する形状を有する前記回折格子部を形成することを特徴とするサンプルドグレーティングの形成方法。
  3. 前記部分露光工程は、前記フォトレジスト層と前記マスクとを対向させた後に、前記マスクの前記光透過部の周期方向が、前記樹脂部の前記複数の凹部の周期方向に対して平行になるように、又は、平行に近づくように、前記マスクと前記樹脂部との相対位置を調節する調節工程をさらに含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のサンプルドグレーティングの形成方法。
  4. 半導体基板上に、活性層と前記形成対象層とを含む半導体レーザのための半導体積層を堆積する半導体積層堆積工程と、
    請求項１〜３のいずれか一項に記載のサンプルドグレーティングの形成方法によって前記形成対象層に前記サンプルドグレーティングを形成する工程と、
    を備える半導体レーザの製造方法。
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