JP3298619B2 - 半導体レーザの製造方法 - Google Patents

半導体レーザの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子ビーム露光法
を用いた部分的に回折格子を有する半導体レーザの回折
格子基板の製造方法、及びこの回折格子基板を用いた部
分的に回折格子を有する半導体レーザの製造方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】回折格子を有する半導体レーザの製造方
法においては、回折格子基板上の回折格子形状を精密に
制御することが性能、歩留まりを確保する上で最も重要
な要素の一つとなっている。この目的のために、電子ビ
ーム露光(以下EB露光)により、精密に制御された周
期をもった精細な回折格子レジストパターンを半導体基
板上に形成し、エッチングにより、このレジストパター
ンを半導体基板上に転写する方法が知られている。この
場合、EB露光によりウエハー全面にわたり回折格子パ
ターンを形成することは膨大な露光時間を要することか
ら、通常は部分的に回折格子を形成し、回折格子形成部
のみ露光して、開口パターンを形成する方法か知られて
いる。
【0003】図13は、上記の従来法により回折格子を
形成した回折格子基板の模式図であるが、半導体基板3
02上に塗布されたレジスト305の一部に回折格子を
形成するための回折格子レジストパターン301が形成
され、ウェットエッチングにより、回折格子306が形
成されていることを示す図である。この図に示すよう
に、レジストパターンが同一面積の開口部の繰り返し構
造である場合、パターン効果により、回折格子形成領域
終端部303の近傍でエッチング速度が速くなり、回折
格子のえぐれ304を生じ、均一な形状の回折格子でき
ないという問題を生じている。
【0004】このような不均一な部分回折格子を持つ半
導体レーザでは、回折格子形成領域終端部の境界で、回
折格子のえぐれ形状に起因した光の反射や散乱により、
レーザ導波損失や電界分布不均一を引き起こすという問
題をもたらしている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、回折格子の
えぐれを抑えた均一な回折格子基板の製造方法及びこの
基板を用いた部分的に回折格子を有する半導体レーザの
製造方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板上
に回折格子を形成するためのレジストパターンを形成す
るレジストパターニング工程と、このレジストパターン
を用いてエッチングにより半導体基板に回折格子を形成
するエッチング工程とを有する、部分的に回折格子を有
する半導体レーザの回折格子基板の製造方法において、
得られる回折格子の深さが均一になるように、前記レジ
ストパターンの開口面積を回折格子形成領域終端部に向
かって徐々に増大させることを特徴とする回折格子基板
の製造方法に関する。
【0007】さらに本発明は、上記製造方法を用いて製
造した部分的に回折格子を有する半導体レーザの回折格
子基板を用いて、さらに前記回折格子基板の上にガイド
層、活性層、クラッド層を成長させる工程を有する半導
体レーザの製造方法に関する。より具体的には、本発明
の半導体レーザの製造方法は、後述する実施例に記載す
る、レーザ部分に加えて、そのレーザ光の導波方向と一
致させて、変調器部をも設ける構成の半導体レーザの作
製に適用可能な製造方法であり、すなわち、かかる態様
における本発明の半導体レーザの製造方法は、レーザ部
と変調器部とを有する半導体レーザの製造方法であっ
て、半導体レーザの前記レーザ部となる半導体基板上に
は回折格子が形成されており、前記レーザ部の半導体基
板にエッチングにより回折格子を形成するため、半導体
基板を覆うレジストマスクを利用して、回折格子の溝部
に選択的なエッチングを施すための開口部を設けたレジ
ストパターンを、前記開口部をレーザ部の半導体基板部
分のみに設け、かつ、得られる回折格子の溝部の深さが
均一になるように、前記開口部の開口面積をレーザ部の
回折格子形成領域終端部に向かって徐々に増大させて形
成するレジストパターニング工程と、このレジストパタ
ーンをエッチングマスクに用いて、エッチングにより半
導体基板上に部分的に回折格子を形成するエッチング工
程と、変調器部ならびに前記回折格子の形成されたレー
ザ部を設ける半導体基板上に、ガイド層、活性層、クラ
ッド層を成長により形成する工程とを有することを特徴
とする半導体レーザの製造方法である。その際、前記レ
ジストパターニング工程は、電子ビームを用いてレジス
ト上にパターン形成するレジストパターニング工程であ
ることを特徴とする半導体レーザの製造方法とできる。
例えば、前記レジストパターニング工程において、前記
レジストパターンは、開口長は一定で、開口幅を徐々に
広げることによって、その開口部の開口面積を広げたレ
ジストパターンとすることもでき、また、前記レジスト
パターニング工程において、前記レジストパターンは、
開口幅は一定で、開口長を徐々に広げることによって、
その開口部の開口面積を広げたレジストパターンとする
こともできる。一方、かかるエッチング工程において、
エッチングは、ウエットエッチングを利用することがで
きる。
【0008】本発明者は、半導体基板上に部分的に回折
格子を作製する際、そのエッチングマスクとして利用す
るレジストパターンと、その開口部を選択的にエッチン
グして形成された回折格子のえぐれの関係を鋭意調べ
た。その結果、特にウエットエッチングの場合、回折格
子形成領域終端部において、エッチング液が滞留しやす
いことにより、溝部のエッチング深さが過度になり、回
折格子のえぐれ現象が発生することを見い出した。すな
わち、レジストパターンが一定の周期で形成されている
部分については、エッチング液の消費速度が一定である
が、回折格子形成領域終端部においては、エッチング部
位の急激な減少により、エッチング液の消費速度もそれ
に伴い低下するため(パターン効果)、その結果滞留す
るのである。したがって、回折格子形成領域終端部に近
づくにしたがってレジストパターンの開口面積を徐々に
広げることにより、回折格子形成領域終端部と内部方向
の回折格子形成領域とでエッチング液の消費速度を合わ
せ、滞留を避けることにより、均一な回折格子形状を得
ることが可能となり本発明に到った。
【0009】
【実施例】(実施例1)本発明の一実施例として、電界
吸収型変調器を集積したDFBレーザの製造工程を、図
1〜12に示す。
【0010】まず、図1に示すようにn型(100)面
方位のInP基板101上にレジスト102を塗布し、
<011>方向にEB露光により、レーザ部103のみ
に開口長100nm(一定値)、周期241.7nm
(一定値)の回折格子レジストパターン104を部分的
に形成した。ウエハー上ではパターンが繰り返し形成さ
れるため400μm長の平坦部と1000μm長の回折
格子部が繰り返し形成されたことになる。このとき、レ
ジストパターン開口幅は回折格子形成領域終端部105
から内部方向106に向かって5μmにわたり10μm
から5μmへと変化させた。
【0011】本実施例では、開口幅を内部から回折格子
形成領域終端部105に向かって線形的に広げた。した
がって開口面積も線形的に増大したことになる。変化さ
せた領域は、終端部105から内部方向106に向かっ
て5μmの範囲であった。内部方向106に向かってこ
の5μmmの範囲から先の範囲では、開口幅は一定値5
μmとした。5μmから先の部分で一定値とした理由
は、この領域では、もはやパターン効果によるエッチン
グ速度の上昇を無視できる領域であるからである。この
パターン効果の影響の及ぶ範囲については、本実施例で
は、回折格子形成領域終端部105から内部方向106
に向かって5μmの範囲としたが、回折格子の設計によ
るため、5μmの範囲に限定されるものではなく、適宜
選択できる。開口幅の変化のさせ方は、本実施例では、
線形的に変化させたが、内部から回折格子形成領域終端
部105に向かって2次関数、3次関数等のn次関数
や、指数的に増加させることも可能であり、この関数に
ついては、回折格子の深さが均一になるように適宜選択
することができる。
【0012】次に、エッチング方法としてウエットエッ
チングにより回折格子を形成した。レジストのエッチン
グができればウエットエッチングに限定されない。本実
施例では、臭化水素と過酸化水素と水とからなるエッチ
ング液を用いてInP基板上に回折格子レジストパター
ン104を転写し回折格子107を形成した。図2は図
1のA−A’線に沿ったウェットエッチング後の断面図
を示す。次にレジストを除去し、部分的に回折格子を有
する半導体レーザの回折格子基板を完成させた。さら
に、この基板上に図3に示すように、熱CVD法により
SiO2を150nm堆積させ、<011>方向に間隔
が1.5μm、幅はレーザ部103で18μm、長さ5
00μm、変調器部108では幅5μm、長さ200μ
mとなる1対のストライプパターンに通常のフォトリソ
グラフィとウェットエッチングにより加工し成長阻止マ
スク109を形成した。
【0013】次に、図4に示すように、選択MOVPE
(Metal Organic Vapor PhaseEpitaxy:有機金属気
相成長)により成長圧力75Torr、成長温度625
℃で、層厚0.1μm、キャリア濃度5x1017cm-3
でバンドギャップ波長が1.13μmのInGaAsP
層ガイド層、レーザ部でバンドギャップ波長組成が1.
56μmとなるような層厚6nmの0.5%歪InGa
AsPウェルと層厚8nmのバンドギャップ波長が1.
13μmのバリア層をもつ8周期のMQW(Multi Qua
ntum Well:多重量子井戸)活性層、層厚60nm、キ
ャリア濃度5x1017cm-3でバンドギャップ波長が
1.13μmのInGaAsP光閉じ込め層、層厚0.
1μm、キャリア濃度5x1017cm-3のp−InPク
ラッド層を順次積層し導波路メサ110を形成した。こ
のとき、変調器部のMQW層のバンドギャップ波長は
1.47μmであった。
【0014】次に、通常のフォトリソグラフィとウェッ
トエッチングにより成長阻止マスク開口幅を7μm幅に
広げた後、図5に示すように、選択MOVPEにより、
成長圧力75Torr、成長温度625℃で層厚0.3
μm、キャリア濃度5x10 17cm-3のp−InP層
と、層厚1.5μm、キャリア濃度1x1018cm-3
p−InP層からなる埋め込み層111、層厚0.2μ
m、キャリア濃度5x1018cm-3のInGaAsキャ
ップ層112を順次積層し、結晶成長が完了した。
【0015】その後、SiO2113を350nm堆積
させ、通常のフォトリソグラフィとウェットエッチング
により、コンタクト用の窓を開け、Ti、Auをそれぞ
れ100nm、300nmの厚みにスパッタ法により堆
積させ、通常のフォトリソグラフィとウェットエッチン
グにより変調器部、レーザ部にそれぞれパッド構造のp
側電極114を形成した後、ウエハーを100μmに研
磨し、裏面にn側電極115となるTi、Auをそれぞ
れ100nm、300nmの厚みにスパッタ法により堆
積させ、N2雰囲気中でシンターを行った。最後にレー
ザ部、変調器部の中央で劈開し、レーザ側の端面に反射
率90%の高反射膜116、変調器側に反射率0.1%
の低反射膜117を形成して、図6に示すように素子を
完成させた。
【0016】このように、レーザ部103に回折格子1
07を形成する際に、回折格子パターン104の開口幅
を回折格子終端部105の近傍で漸次広くすることによ
り、ウェットエッチング時に回折格子終端部105の近
傍でパターン効果によりエッチング速度が速くなるため
発生する回折格子のえぐれを抑制し、均一な形状の回折
格子107を形成した。その結果、導波路の不連続が発
生しない。従って、回折格子形成領域と平坦部境目で、
導波路不連続に起因する光の反射によるシングルモード
歩留まりの低下を防ぎ、散乱に起因する変調器部との結
合損を防止するという効果がもたらされる。
【0017】本実施例で製造した素子を評価したとこ
ろ、レーザ発振スペクトルのシングルモード歩留まりと
して70%と、端面位相のランダム性から予想される理
論値にほぼ一致する良好な結果が得られた。また、DF
Bレーザ部と変調器部との光学的結合はほぼ100%で
あった。また、レーザの発振しきい値8mA、100m
Aでの光出力10mW、2Vの逆バイアス電圧を変調器
に印加したときの消光比15dB以上と、従来と遜色の
ない特性が得られた。更に、変調速度2.5Gb/sで
150kmのノーマルファイバによる伝送試験において
も、ペナルティが1dB以下と、良好な結果が得られ
た。
【0018】(実施例2)本発明の一実施例として、ア
ナログ伝送用部分回折格子型レーザの製造工程を、図7
〜12に示す。
【0019】図7に示すようにまず、n型(100)面
方位のInP基板201上にレジスト202を塗布し、
<011>方向にEB露光により、素子長300μmの
うち、回折格子レジストパターン203を長さ100μ
mにわたり形成した。このときの回折格子レジストパタ
ーンは、幅5μm(一定値)、周期202.7nm(一
定値)で、ウエハー上ではパターンが繰り返し形成され
るため400μm長の回折格子部と200μm長の平坦
部とが繰り返し形成されたことになる。このとき、パタ
ーン開口長は回折格子形成領域終端部204から内部方
向205に向かって3μmにわたり150nmから50
nmへと変化させた。
【0020】本実施例では、開口長を内部から回折格子
形成領域終端部204に向かって線形的に広げた。した
がって開口面積も線形的に増大したことになる。変化さ
せた領域は、終端部204から内部方向205に向かっ
て3μmの範囲であった。内部方向205に向かってこ
の3μmの範囲から先の範囲では、開口長は一定値50
nmとした。この理由は、実施例1の場合と同じく、こ
の3μmの範囲から先の範囲では、パターン効果の影響
を無視できる範囲であるからである。この範囲について
は、実施例1と同じく回折格子のパターン設計によるも
のであり、適宜選択される。開口長の変化のさせ方は、
本実施例では、線形的に変化させたが、内部から回折格
子形成領域終端部204に向かって2次関数、3次関数
等のn次関数にしたがって、増加させることも可能であ
り、また指数的に増加させることも可能であり、この関
数については、回折格子の深さが一定になるように適宜
選択できる。
【0021】次に、エッチング方法としてウエットエッ
チングにより回折格子を形成した。レジストのエッチン
グができればウエットエッチングに限定されない。本実
施例では、臭化水素と過酸化水素と水とからなるエッチ
ング液でInP基板上に回折格子パターン203を転写
し回折格子206を形成した。図8は図7のB−B’線
に沿ったウェットエッチング後の断面図を示す。次にレ
ジストを除去し、部分的に回折格子を有する半導体レー
ザの回折格子基板を完成させた。さらに、この基板上に
図9に示すように、熱CVD法によりSiO2を150
nm堆積させ、<011>方向に間隔が1.5μm、幅
3μmの一対のストライプパターンに通常のフォトリソ
グラフィとウェットエッチングにより加工し、成長阻止
マスク207を形成した。
【0022】次に図10に示すように、選択MOVPE
により成長圧力75Torr、成長温度625℃で、層
厚が0.1μm、キャリア濃度1x1018cm-3でバン
ドギャップ波長が1.05μmのInGaAsPガイド
層、層厚0.02μm、キャリア濃度1x1018cm-3
のInPスペーザ層、バンドギャップ波長組成が1.3
1μmとなるような層厚5nmの0.7%歪InGaA
sPウェルと層厚10nmのバンドギャップ波長が1.
05μmのバリア層をもつ7周期のノンドープMQW活
性層、層厚90nm、バンドギャップ波長が1.05μ
mのノンドープInGaAsP光閉じこめ層、層厚0.
1μm、キャリア濃度5x1017cm-3のp−InPクラ
ッド層を順次形成し導波路メサ208を形成した。次
に、ウエハー全面にSiO2を350nm堆積させた
後、フォトリソグラフィとウェットエッチングにより、
メサ上にSiO2パターンを形成した。
【0023】次に、選択MOVPEにより成長圧力75
Torr、成長温度625℃で層厚0.3μm、キャリ
ア濃度5x1017cm-3のp−InP層、層厚1μm、
キャリア濃度1x1018cm-3のn−InP層、層厚
0.2μm、キャリア濃度5x1017cm-3のp−In
P層を順次積層し、SiO2マスクを除去した後、MO
VPE成長により、成長圧力75Torr、成長温度6
25℃で層厚1.5μm、キャリア濃度1x1018cm
-3のp−InP層を成長してサイリスタ構造の電流ブロ
ック層209を形成し、層厚0.2μm、キャリア濃度
5x1018cm-3のInGaAsキャップ層210を順
次積層し、図11に示すように結晶成長を完了した。
【0024】次に、通常のフォトリソグラフィとウェッ
トエッチングにより幅10μmのメサストライプ211
を形成した。その後、SiO2212を350nm堆積
させ、通常のフォトリソグラフィとウェットエッチング
により、コンタクト用の窓を開け、Ti、Auをそれぞ
れ100nm、300nmの厚みにスパッタ法により堆
積させ、通常のフォトリソグラフィとウェットエッチン
グによりパッド構造のp側電極213を形成した後、ウ
エハーを90μmに研磨し、裏面にn側電極214とな
るTi、Auをそれぞれ100nm、300nmの厚み
にスパッタ法により堆積させ、N2雰囲気中でシンター
を行った。最後に回折格子形成領域、平坦領域のそれぞ
れ中央で劈開し、平坦面領域側の端面に反射率70%の
高反射膜215、回折格子領域端面に反射率1%の低反
射膜216を形成して、図12に示すように素子を完成
させた。
【0025】このように、回折格子206を形成する際
に、回折格子パターン203の開口長を回折格子終端部
204の近傍で漸次長くすることにより、ウエットエッ
チング時に、回折格子終端部204の近傍でパターン効
果によりエッチング速度が速くなるために発生する回折
格子のえぐれを抑制し、均一な形状の回折格子107を
形成した。その結果、導波路の不連続が発生しない。従
って、回折格子終端部204での導波路不連続に起因す
る光の反射や散乱が抑制され、導波路方向での電界分布
を均一にして良好なアナログ特性を得るという、部分回
折格子型DFBレーザの性能が充分引き出された。本実
施例のアナログ特性を評価したところ光出力30mW時
の相互2次変調歪み−65dBと従来に比べ10dB以
上の改善が見られた。また、発振しきい値10mA、ス
ロープ効率0.58W/Aと静特性も従来と遜色のない
結果が得られた。
【0026】
【発明の効果】本発明によれば、回折格子を形成するた
めのレジストパターンを、得られる回折格子の深さが均
一になるように、レジストパターンの開口面積を回折格
子形成領域終端部に向かって徐々に増大させることによ
り、その後のウエットエッチング工程において、回折格
子形成領域終端部でのパターン効果によるエッチング速
度の上昇を抑えることが可能になる。この結果、レーザ
導波損失や電解分布不均一のない部分的に回折格子を有
する半導体レーザの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例である電界吸収型変調器を集
積したDFBレーザの製造工程を示す図である。
【図2】本発明の一実施例である電界吸収型変調器を集
積したDFBレーザの製造工程を示す図である。
【図3】本発明の一実施例である電界吸収型変調器を集
積したDFBレーザの製造工程を示す図である。
【図4】本発明の一実施例である電界吸収型変調器を集
積したDFBレーザの製造工程を示す図である。
【図5】本発明の一実施例である電界吸収型変調器を集
積したDFBレーザの製造工程を示す図である。
【図6】本発明の一実施例である電界吸収型変調器を集
積したDFBレーザの製造工程を示す図である。
【図7】本発明の一実施例であるアナログ伝送用部分回
折格子型レーザの製造工程を示す図である。
【図8】本発明の一実施例であるアナログ伝送用部分回
折格子型レーザの製造工程を示す図である。
【図9】本発明の一実施例であるアナログ伝送用部分回
折格子型レーザの製造工程を示す図である。
【図10】本発明の一実施例であるアナログ伝送用部分
回折格子型レーザの製造工程を示す図である。
【図11】本発明の一実施例であるアナログ伝送用部分
回折格子型レーザの製造工程を示す図である。
【図12】本発明の一実施例であるアナログ伝送用部分
回折格子型レーザの製造工程を示す図である。
【図13】従来法を用いた半導体レーザの回折格子基板
の製造方法を示す図である。
【符号の説明】
101 InP基板 102 レジスト 103 レーザ部 104 回折格子レジストパターン 105 回折格子形成領域終端部 106 内部方向 107 回折格子 108 変調器部 109 成長阻止マスク 110 導波路メサ 111 埋め込み層 112 キャップ層 113 SiO2 114 p側電極 115 n側電極 116 高反射膜 117 低反射膜 201 InP基板 202 レジスト 203 回折格子レジストパターン 204 回折格子形成領域終端部 205 内部方向 206 回折格子 207 成長阻止マスク 208 導波路メサ 209 電流ブロック層 210 キャップ層 211 メサストライプ 212 SiO2 213 p側電極 214 n側電極 215 高反射膜 216 低反射膜 301 回折格子レジストパターン 302 半導体基板 303 回折格子形成領域終端部 304 回折格子のえぐれ 305 レジスト 306 回折格子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 JICSTファイル(JOIS)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザ部と変調器部とを有する半導体レ
    ーザの製造方法であって、 半導体レーザの前記レーザ部となる半導体基板上には回
    折格子が形成されており、 前記レーザ部の半導体基板にエッチングにより回折格子
    を形成するため、 半導体基板を覆うレジストマスクを利用して、回折格子
    の溝部に選択的なエッチングを施すための開口部を設け
    たレジストパターンを、 前記開口部をレーザ部の半導体基板部分のみに設け、か
    つ、得られる回折格子の溝部の深さが均一になるよう
    に、前記開口部の開口面積をレーザ部の回折格子形成領
    域終端部に向かって徐々に増大させて形成するレジスト
    パターニング工程と、 このレジストパターンをエッチングマスクに用いて、エ
    ッチングにより半導体基板上に部分的に回折格子を形成
    するエッチング工程と、 変調器部ならびに前記回折格子の形成されたレーザ部を
    設ける半導体基板上に、ガイド層、活性層、クラッド層
    を成長により形成する工程とを有することを特徴とする
    半導体レーザの製造方法。
  2. 【請求項2】 前記レジストパターニング工程は、電子
    ビームを用いてレジスト上にパターン形成するレジスト
    パターニング工程であることを特徴とする請求項1に記
    載の半導体レーザの製造方法。
  3. 【請求項3】 前記レジストパターニング工程におい
    て、前記レジストパターンは、開口長は一定で、開口幅
    を徐々に広げることによって、その開口部の開口面積を
    広げたレジストパターンであることを特徴とする請求項
    1または2に記載の半導体レーザの製造方法。
  4. 【請求項4】 前記レジストパターニング工程におい
    て、前記レジストパターンは、開口幅は一定で、開口長
    を徐々に広げることによって、その開口部の開口面積を
    広げたレジストパターンであることを特徴とする請求項
    1または2に記載の半導体レーザの製造方法。
  5. 【請求項5】 前記エッチング工程において、エッチン
    グは、ウエットエッチングであることを特徴とする請求
    項1〜4のいずれかに記載の半導体レーザの製造方法。
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