JP4828485B2

JP4828485B2 - 半導体素子端面の誘電体薄膜膜厚評価方法

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Publication number: JP4828485B2
Application number: JP2007210599A
Authority: JP
Inventors: 達也竹下; 満須郷; 和利加藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-08-13
Filing date: 2007-08-13
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2027-08-13
Also published as: JP2009044108A

Description

本発明は、光ファイバ通信、光情報処理、光ディスクなどに用いられる半導体レーザ、半導体光増幅器又は半導体光スイッチ等アクティブ素子に用いられているコーティング膜の反射率最適化を可能とする半導体素子端面の誘電体薄膜膜厚評価方法に関する。

劈開した半導体レーザは劈開面が反射率０．３のミラーを自動的に形成する。この半導体レーザに電流を注入すると光利得が増加し、ロスを補償するまで駆動電流を増加させるとレーザ発振を起こす。このレーザ発振は、ロスを下げる（反射率を上げる）と低電流駆動で生じることから、半導体レーザの端面には反射率を制御する手段として誘電体薄膜（以下、コーティング膜という）のコーティングが行われている。一方、半導体レーザの両端面に反射防止（Antireflection；ＡＲ）膜をコーティングすると、端面によるファブリー・ペローモードが抑制され、半導体光増幅器又は光スイッチを作製することができる。このように、半導体レーザの端面コーティングは多機能の光素子を作製する上で必須の技術となっている。

図７に分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）の一部破断した斜視図を示す。図中１は１．３μｍ組成InGaAsP活性層、２は１．１μｍ組成下部InGaAsPガイド層、３は１．１μｍ組成上部InGaAsPガイド層、４はp‐InPバッファー層、５はn‐InPクラッド層、６はn⁺‐InGaAsPキャップ層、７はp‐InP基板、８はRu添加半絶縁体（semi‐insulator；ＳＩ）‐InP電流ブロック層、９はp電極、１０はn電極である。なお、１．１μｍ組成InGaAsPガイド層３には分布帰還（Distributed feedback）を実現する構造としてグレーティング１１が作製され、単一縦モード発振を可能にしている。

図７に示す半導体レーザでは、コーティング膜として、前端面側にＡＲ膜１２、後端面側に高反射（High reflection；ＨＲ）膜１３のコーティングがなされ、これによって、光出力の大きい前端面側から図示しない光ファイバへ効率良くレーザ光を結合させることが可能となっている。さらに、劈開端面が誘電体膜でコーティングされるため、劈開端面の劣化が抑制され、長期信頼性が確保される。このように、端面コーティングは半導体素子の光特性及び信頼性の観点から必須な技術となっている。

半導体レーザ端面の反射率、即ち、半導体レーザ端面にコーティングされたコーティング膜の反射率は該コーティング膜の膜厚と屈折率の２つのパラメータから決定され、適切な設計が必要とされる。しかしながら、これら２つのパラメータ（膜厚、屈折率）はコーティング膜の作製に依存し変動する。２つのパラメータが変動すると、該コーティング膜の反射率が設計値からずれてしまう。コーティング膜の反射率と設計値とのずれを修正するためには該コーティング膜の反射率の精密な測定が必要であり、測定した結果をもとに上記パラメータを設計値に近づけることが可能となる。

以下、一例として図７に示す半導体レーザの端面反射率を測定する測定法について説明する。コーティング膜の反射率は半導体レーザの光出力Ｐと関係があり、次の（１）式で表される。

但し、Ｒ_fとＲ_rはそれぞれ半導体レーザの前端面側反射率と後端面側反射率（図７に示す構成においては、ＡＲ膜１２の反射率とＨＲ膜１３の反射率）である。コーティング前の反射率は約０．３であるので、半導体レーザ端面の反射率は各コーティング前後の前端面側光出力Ｐ_fと後端面側光出力Ｐ_rの比から見積もることができる。

上記測定法で見積もられた前端面側反射率Ｒ_fと後端面側反射率Ｒ_rをもとに、コーティング膜の解析が可能となる。

まず、後端面側のＨＲ膜１３について説明する。後端面側のＨＲ膜１３はそれぞれ光学的に１／４波長の厚さの高屈折率の誘電体と低屈折率の誘電体をペアとして用いることにより実現でき、さらに、ペア数の増加はコーティング膜の反射率を増加させる（例えば、非特許文献１参照）。一例として１ペアの高屈折率（例えば、屈折率２．３）のTiO₂膜と低屈折率（例えば、屈折率１．４５）のSiO₂膜を使い、波長λ＝１３１０nmのレーザ光に対する該ＨＲ膜１３の反射率Ｒ_rを計算すると０．６１程度となる。

コーティング膜の反射率は既に述べたように膜厚と屈折率に依存して変化する。一般的にコーティングに使用する誘電体は安定な物質であり、上記誘電体の屈折率変動はほとんどない。この理由から、コーティング膜の反射率の設計値からのずれはコーティング膜の膜厚が設計値からずれたことによるものであることがわかる。

図８に、波長１３１０nmのレーザ光を用いた場合におけるTiO₂膜厚d_TiO2-xとSiO₂膜厚d_SiO2-xのそれぞれの膜厚の設計値である設計膜厚d_TiO2-0とd_SiO2-0からのずれ（以下、それぞれTiO₂膜厚のずれ、SiO₂膜厚のずれという）（d_TiO2-x−d_TiO2-0）と（d_SiO2-x−d_SiO2-0）に伴うＨＲ膜１３の反射率、即ち後端面側反射率Ｒ_rの変化（計算値）を示す。

図８に示すように、TiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）、SiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）が±１０nmの範囲であれば反射率Ｒ_rは０．６０以上０．６１以下となり、ＨＲ膜では膜厚の設計値からのずれに対する反射率の変化は小さい。しかしながら、膜厚のトレランスが大きいことは、反射率の測定値から膜厚のずれを見積もることを困難にする。

次に、前端面側のＡＲ膜１２について説明する。前端面側のＡＲ膜１２は（１）式を用いた測定法では、前端面側反射率Ｒ_fが数％以下になると前端面側光出力Ｐ_fの増加は小さくなり、精度よく前端面側反射率Ｒ_fを見積もることは困難になる。そこで、前端面側反射率Ｒ_fが数％以下の場合においては、レーザ発振前の波長スペクトルのリップル測定が行われる。リップルの最大値と最小値の比をｍとすると、利得Ｇと反射率Ｒ_f、Ｒ_rの関係は以下の（２）式のようになる。

as-cleaved素子では前端面側反射率Ｒ_fと後端面側反射率Ｒ_rはそれぞれ０．３であることから、閾値電流以下の電流でリップルの最大値と最小値の比ｍを測定することにより利得Ｇを見積もることができる。次に、ＡＲ膜１２のコーティング後、同電流で測定されたリップルの最大値と最小値の比ｍと、ＡＲ膜１２のコーティング前に測定した利得Ｇを使い、前端面側反射率Ｒ_fを見積もることができる。

反射率を０．１％程度に下げるには、一層からなるＡＲ膜に比べ屈折率制限のない二層からなるＡＲ膜が適している。一例として低屈折率（例えば、屈折率１．４５）のSiO₂膜と高屈折率（例えば、屈折率２．３）のTiO₂膜を使い、波長１３１０nmの光を用いた場合における、最低となる前端面側反射率Ｒ_fを計算すると、０．０００２以下となる。

図９に、波長１３１０nmの光を用いた場合におけるSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）とTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）に対するＡＲ膜の反射率、即ち前端面側反射率Ｒ_fの変化（計算値）を示す。

図９に示すように、それぞれの膜厚が設計値から１０nm程度ずれた場合、前端面側反射率Ｒ_fはTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）とSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）がそれぞれ０である場合に比べて１０倍以上増加している。また、前端面側反射率Ｒ_fはSiO₂膜厚d_SiO2-x、TiO₂膜厚d_TiO2-xに対してほぼ同心円状に変化している。従って、仮にリップル測定法により前端面側反射率Ｒ_f＝０．０００５と見積もられたとすると、作製されたコーティング膜のSiO₂膜厚d_SiO2-x、TiO₂膜厚d_TiO2-xがそれぞれの設計値d_SiO2-0、d_TiO2-0に対してどのようにずれているか判別することはできない。

一般的に、ファブリ・ペロー型半導体レーザの場合、（１）式と（２）式を用いることにより、前端面側反射率Ｒ_fと後端面側反射率Ｒ_rを見積もることができる。しかしながら、上述したように、ＤＦＢレーザではグレーティング構造を持ち、前端面側反射率Ｒ_fは０．１％程度になることから、ファブリ・ペロー型半導体レーザと同様な方法で前端面側反射率Ｒ_fを見積もることは困難である。

M.Ettenberg、"A new dielectronic facet reflector for semiconductor lasers"、Appl. Phys. Lett.、vol.32、1978年、p.724-726

このように例えば図７に示すような半導体レーザにおいて、該半導体レーザ端面の反射防止／高反射を実現するにはコーティング膜の膜厚制御が重要であり、特にＡＲ膜１２では従来の光パワーの比を用いた測定方法で前端面側反射率Ｒ_fを精度よく見積もることは容易ではなかった。二つ目に、図８に示したように、ＨＲ膜１３では膜厚のずれによる後端面側反射率Ｒ_rの変化が小さいため、後端面側反射率Ｒ_rの測定値から膜厚のずれを見積もることは困難であった。三つ目に、ＡＲ膜では、特に、ＤＦＢレーザのグレーティング特性が現れるため、ＡＲ膜１２をコーティングした半導体レーザ端面の反射率測定は困難であった。最後に、波長スペクトルのリップルを使った測定では、設計波長近傍であることから、図８及び図９に示したように、反射率の変化に対してSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）とTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）の関係が同心円状の膜厚のずれの解として現れ、膜厚の設計値である設計膜厚との差を判定することはできなかった。

なお、上記のように半導体レーザの特性から反射率を求める方法以外に、モニタ用ウエハにコーティング膜を作製し、その反射パワーを測定し、反射率を見積もる方法がある。しかしながら、半導体レーザ端面の光出射領域とモニタウエハの等価屈折率が異なるため、異なった反射率特性を示すことになる。従って、測定する領域は半導体レーザの光出射端面である必要がある。

本発明はこのような課題を解決するものであり、半導体素子端面の反射率を精度よく測定するとともに、測定値に基づいて該半導体素子端面の反射率をより設計値に近づけた半導体レーザ、半導体光増幅器又は半導体光スイッチ等アクティブ素子を得ることを可能とする半導体素子端面の誘電体薄膜膜厚評価方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る半導体素子端面の誘電体薄膜膜厚評価方法は、第一の薄膜および第二の薄膜を備え、半導体素子の光出射端面に設けられて該光出射端面における反射率を決定する誘電体薄膜の膜厚評価方法であって、前記誘電体薄膜に前記半導体素子の光出射端面外部から励起光を照射し、前記半導体素子の出射端面を透過した光によって生成された光励起電流を測定し、前記光励起電流の測定値に基づいて前記誘電体薄膜が設計膜厚である場合に対する前記光励起電流の変動率を算出し、前記光励起電流の変動率の算出結果と、予め参考値として計算した前記第一の薄膜の設計膜厚と実際の膜厚のずれ及び前記第二の薄膜の設計膜厚と実際の膜厚のずれに対する前記変動率の関係とを比較し、前記光励起電流の変動率の正負に応じて前記第一の薄膜の実際の膜厚と前記第二の薄膜の実際の膜厚の取り得る領域を決定することを特徴とする。

第２の発明に係る半導体素子端面の誘電体薄膜膜厚評価方法は、第１の発明において、前記励起光の波長として、前記誘電体薄膜の反射率が波長の変化に対して０．１％／nm以上又は−０．１％／nm以下変動する波長帯の波長を用いることを特徴とする。

第３の発明に係る半導体素子端面の誘電体薄膜膜厚評価方法は、第１又は第２の発明において、前記光励起電流の変動率の算出結果と、前記参考値と、予め計算した前記第一の薄膜の設計膜厚と実際の膜厚のずれ及び前記第二の薄膜の設計膜厚と実際の膜厚のずれに対する前記光出射端面における前記励起光の波長での反射率の関係とを比較し、前記第一の薄膜の実際の膜厚と前記第二の薄膜の実際の膜厚の取り得る領域を決定することを特徴とする。

第４の発明に係る半導体素子端面の誘電体薄膜膜厚最適化方法は、第１乃至第３のいずれかの発明に係る半導体素子端面の誘電体薄膜膜厚評価方法によって得られた前記第一の薄膜の実際の膜厚と前記第二の薄膜の実際の膜厚の取り得る領域に基づいて前記第一の薄膜の実際の膜厚と前記第二の薄膜の実際の膜厚を導出し、導出した結果に基づいて前記第一の薄膜の膜厚及び前記第二の薄膜の膜厚が設計膜厚となるように調整することを特徴とする。

上述した本発明に係る半導体素子端面の誘電体薄膜膜厚評価方法によれば、半導体レーザの光出射端面の高反射又は反射防止コーティング膜、さらに、半導体光増幅器又は半導体光スイッチ等アクティブ素子の光出射端面の反射防止コーティング膜の最適化に関して、励起波長光源を用いた光励起電流の測定を行い、光励起電流の変動率の正負に応じて第一の薄膜と第二の薄膜の実際の膜厚と設計膜厚とのずれが存在する領域を決定することにより、第一の薄膜と第二の薄膜の実際の膜厚を設計膜厚に近づけるプロセスを短縮できる。

さらに、光励起電流の変動率の算出結果と、第一の薄膜の設計膜厚と実際の膜厚のずれ及び第二の薄膜の設計膜厚と実際の膜厚のずれに対する光励起電流の変動率の関係と、第一の薄膜の設計膜厚と実際の膜厚のずれ及び第二の薄膜の設計膜厚と実際の膜厚のずれに対する光出射端面における前記励起光の波長での反射率の関係とを比較し、第一の薄膜の実際の膜厚と第二の薄膜の実際の膜厚の取り得る領域を決定するようにすれば、取り得る膜厚の解を２又は１点に絞ることができ、設計膜厚に近づけるプロセスを更に短縮できる。

本発明の実施の形態について図を用いて説明する。本実施形態は、半導体レーザ等の光出射端面の高反射率／低反射率のコーティング膜の膜厚の最適化を可能とする半導体素子端面の誘電体薄膜膜厚評価方法であって、従来のコーティング膜の光学的な反射特性に加えて新たに光励起電流特性を考慮するものであり、コーティング膜の膜厚最適化に係る工程を短縮することができる。以下、本発明を半導体レーザに適用した例について説明する。

図１０（ａ）に誘電体薄膜としてのＨＲ膜の反射率の波長依存性（計算値）、図１０（ｂ）に他の誘電体薄膜としてのＡＲ膜の反射率の波長依存性（計算値）をそれぞれ示す。両図に示すように、ＨＲ膜の反射率、ＡＲ膜の反射率ともに、設計波長１３１０nmから離れていくと反射率が大きく変化する領域がある。

また、図１１にＨＲ膜とＡＲ膜のｄＲ／ｄλの波長依存性（計算値）を示す。図１１に示すように、コーティング膜のｄＲ／ｄλの絶対値が０．１％／nm以上となる領域としては、ＨＲ膜では波長８２０〜１０８０nmの波長帯等、ＡＲ膜では５１０〜６５０nmの波長帯等がある。なお、ｄＲ／ｄλは波長の変化に対する反射率の変動率である。

これらの波長帯では、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示したように、膜厚のずれ、即ち実際の膜厚と設計値との差によって生じる反射率の変化も大きくなっている。従って、励起光源として上述した波長帯の光を半導体レーザ外部から該半導体レーザの光出射端面に照射し、端面を透過した光によって生成された光励起電流を測定すると、反射率（透過率）の差を反映し光励起電流が大きく変動し、微小な反射率変動を膜厚のずれとして高精度に見積もることができる。

従って、本実施形態においては、ＨＲ膜の反射率測定のため、上述したコーティング膜のｄＲ／ｄλの絶対値が０．１％／nm以上となるとともに膜厚のずれによって生じる反射率の変化が大きい波長８２０〜１０８０nmの波長帯の範囲から、一例として波長９４０nmの光を励起光源として半導体レーザの光出射端面に照射し、その結果生じる光励起電流を測定し、膜厚のずれを判定する。

また、ＡＲ膜の反射率測定のため、上述したコーティング膜のｄＲ／ｄλの絶対値が０．１％／nm以上となるとともに膜厚のずれによって生じる反射率の変化が大きい波長５１０〜６５０nmの波長帯の範囲から、一例として波長６００nmの光を励起光源として半導体レーザの光出射端面に照射し、その結果生じる光励起電流を測定し、膜厚のずれを判定する。

さらに、本実施形態の光励起電流測定から見積もった反射率の解を従来のリップル測定から見積もった反射率の解と比較することにより、該当し得る解を２又は１点に絞り込むものである。

本実施形態に係る半導体素子端面の誘電体薄膜膜厚評価方法によれば、半導体素子端面の反射率を精度よく測定することができるとともに、測定値に基づいて該半導体素子端面の反射率をより設計値に近づけることができる。

以下、図１乃至図３を用いて本発明の第１の実施例を詳細に説明する。本実施例においてはコーティング膜として１ペアの第一の薄膜としての高屈折率（例えば、屈折率２．３）のTiO₂膜と第二の薄膜としての低屈折率（例えば、屈折率１．４５）のSiO₂膜からなるＨＲ膜を使い、設計波長１３１０nmで最大反射率となるように、TiO₂膜とSiO₂膜の設計膜厚d_TiO2-0とd_SiO2-0を、それぞれ１４２．３９と２２５．８６nmとした。

図１に、ＨＲ膜の膜厚のずれによって反射率Ｒが大きく変動する波長として９４０nmを用いた場合における、TiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）とSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）によるＨＲ膜の反射率Ｒの変化（計算値）を示す。図１に示すように、本実施例にあっては、TiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）とSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）の値が±１０ｎｍの範囲において、ＨＲ膜の反射率が０．１５〜０．３９の範囲で変化している。

ＨＲ膜の反射率としてある一定値を付与する可能性のあるTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）とSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）の関係はライン状の軌跡となり、TiO₂膜厚d_TiO2-xとSiO₂膜厚d_SiO2-xが増加・減少するに従い、ＨＲ膜の反射率はそれぞれ減少・増加している。また、図１に示す波長９４０nmの励起光源を用いた場合のTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）とSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）が±１０nmの範囲における反射率変動は、図８に示した波長１３１０nmのレーザ光を用いた場合と比べ、一桁以上反射率の変動が大きくなっている。

図２にＨＲ膜の膜厚が設計値である場合、即ち、TiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）とSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）がそれぞれ０である場合の光励起電流（以下、設計値の光励起電流という）を基準にして、TiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）とSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）に対する光励起電流の変動率を計算した結果を示す。反射率変動を反映して、半導体レーザ端面の透過光が変動すると、半導体に吸収される光励起電流が変化する。設計値の光励起電流Ｉ_phは以下に示す（３）式で表される。

ここで、Ｒは反射率、ηは量子効率、ｑは電子電荷、ｈはプランク定数、νは周波数、Γは光閉じ込め係数、α₀は内部損失、Ｐ_i（ｘ）はパワーである。パワーＰ_i（ｘ）は以下の（４）式で表される。

なお、P_i0は入射パワーである。

図２に示すように、本実施例にあっては、TiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）とSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）が±１０ｎｍの範囲において、光励起電流の変動率が−１６％〜１６％の範囲で変化しており、TiO₂膜厚d_TiO2-xとSiO₂膜厚d_SiO2-xが増加・減少するに従い、光励起電流は、それぞれ増加・減少している。

例えば、図２中（a）点においては矢印の方向、即ち、SiO₂膜厚d_SiO2-xを減少させるとともにTiO₂膜厚d_TiO2-xを増加させることにより、ＨＲ膜の膜厚を設計膜厚に近づけることができる。また、（b）点においては矢印の方向、即ちSiO₂膜厚d_SiO2-x及びTiO₂膜厚d_TiO2-xを減少させることにより、ＨＲ膜の膜厚を設計膜厚に近づけることができる。また、（c）点においては矢印の方向、即ちSiO₂膜厚d_SiO2-xを増加させるとともにTiO₂膜厚d_TiO2-xを減少させることにより、ＨＲ膜の膜厚を設計膜厚に近づけることができる。

図２に示すように、d_TiO2-x−d_TiO2-0＝０のラインとd_SiO2-x−d_SiO2-0＝０のラインを境界として４つの領域（I）〜（IV）に分ける。即ち、領域（I）、（II）、（III）と（IV）はそれぞれ（i）d_TiO2-x−d_TiO2-0＜０とd_SiO2-x−d_SiO2-0＞０、（ii）d_TiO2-x−d_TiO2-0＞０とd_SiO2-x−d_SiO2-0＞０、（iii）d_TiO2-x−d_TiO2-0＜０とd_SiO2-x−d_SiO2-0＜０、（iv）d_TiO2-x−d_TiO2-0＞０とd_SiO2-x−d_SiO2-0＜０の領域となる。

ここで、光励起電流の変動率が正の場合と負の場合に注目すると、光励起電流の変動率が正の場合、TiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）とSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）は領域（I）、（II）と（IV）に分布することがあるが、領域（III）に分布することはない。一方、光励起電流の変動率が負の場合、TiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）とSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）は領域（I）、（III）と（IV）に分布することがあるが、領域（II）に分布することはない。

つまり、光励起電流の変動率が正の場合と負の場合とでは、SiO₂膜厚d_SiO2-x及びTiO₂膜厚d_TiO2-xをそれぞれ設計膜厚に近づけるために、それぞれ、SiO₂膜厚d_SiO2-x／TiO₂膜厚d_TiO2-xを、増加／増加と減少／減少にする解はないことを示している。

図３に本実施例における光励起電流測定装置の概略構成図を示す。１４は励起光源、１５はビームスプリッタ、１６はパワーメータ、１７はガルバノメータ、１８はリレーレンズ、１９はミラー、２０は測定試料、２１は光励起電流測定器、２２はコンピュータである。本実施例においては、測定試料２０としてレーザダイオード（ＬＤ）を用いた。ＬＤ端面にはコーティング膜が形成され、その表面上に励起光源１４からの光を照射する。ＬＤは表面と裏面に電極を有しそれぞれからの配線を光励起電流測定器２１に接続することにより光励起電流を測定する。

本実施例において、励起波長光源９４０nmを用い、ＬＤ光出射端面の光励起電流を測定したところ、標準試料の光励起電流に比べ４％増加した。つまり、図２に示す領域（I）、（II）と（IV）にある４％のライン状軌跡に実際のTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）とSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）の関係を満たす可能性のある解があり、このライン状軌跡のどこかに実際の設計膜厚とのずれが存在する。これは、SiO₂膜厚d_SiO2-x／TiO₂膜厚d_TiO2-xを図２中（a）に示すように減少／増加するように変化させる、（b）に示すように減少／減少するように変化させる、又は、（c）に示すように増加／減少するように変化させることにより、ＨＲ膜の膜厚を設計膜厚に近づけることができることを示している。

このように領域（III）を排除した結果、残る領域（I）、（II）、（IV）それぞれに基づいて膜厚の最適化を行った。まず、領域（I）に基づいて設計膜厚に近づけるようにSiO₂膜厚d_SiO2-xを減少させTiO₂膜厚d_TiO2-xを増加させた結果、設計膜厚に相当する結果は得られなかった。次に、領域（II）に基づいて設計膜厚に近づけるようにSiO₂膜厚d_SiO2-xを減少させTiO₂膜厚d_TiO2-xを減少させた結果、設計膜厚に相当する結果は得られなかった。最後に、領域（IV）に基づいて設計膜厚に近づけるようにSiO₂膜厚d_SiO2-xを増加させTiO₂膜厚d_TiO2-xを減少させた結果、設計膜厚に相当する結果が得られた。この設計膜厚が得られた条件でＬＤ端面にＨＲ膜を形成した結果、波長１３１０nmの光に対する反射率が０．６１という良好なＬＤ特性が得られた。

以上のように、本実施例による励起波長光源を用いた光励起電流測定により、光励起電流の変動率が正の場合と負の場合において、TiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）とSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）がそれぞれ領域（III）と領域（II）に存在する可能性を排除でき、コーティング膜の膜厚を設計膜厚に近づけるプロセスを短縮できる。なお、本実施例では設計波長として１３１０nmを用いたが、他の波長を用いても同様の効果が得られることは明らかである。

以下、図４乃至図６を用いて本発明の第２の実施例を詳細に説明する。本実施例においては、コーティング膜として１ペアの低屈折率（例えば、屈折率１．４５）のSiO₂膜と高屈折率（例えば、屈折率２．３）のTiO₂膜からなるＡＲ膜を使い、波長１３１０nmで最小反射率となるように、SiO₂膜とTiO₂膜の設計膜厚d_SiO2-0とd_TiO2-0を、それぞれ１６８．８６と１０１．６７nmとした。

図４にＡＲ膜の膜厚のずれによって反射率が大きく変動する波長の一例として６００nmの光を用いた場合における、SiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）とTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）によるＡＲ膜の反射率の変化（計算値）を示す。図４に示すように、本実施例にあっては、SiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）とTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）の値が±１０ｎｍの範囲において、ＡＲ膜の反射率が０．０６〜０．１８の範囲で変化している。

ＡＲ膜の反射率としてある一定値を付与する可能性のあるSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）とTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）の関係はライン状の軌跡となり、SiO₂とTiO₂の膜厚が増加・減少するに従い、ＡＲ膜の反射率は、それぞれ、増加・減少している。また、図４に示す波長６００nmの励起光源を用いた場合のSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）とTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）が±１０nmの範囲における反射率変動は、図９に示した波長１３１０nmの場合と比べ、一桁以上反射率の変化が大きくなっている。

図５に、SiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）とTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）がそれぞれ０である場合の設計値の光励起電流を基準にして、SiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）とTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）に対して光励起電流の変動率を計算した結果を示す。反射率変動を反映して、ＬＤ端面の透過光が変動し、その結果、半導体に吸収される光励起電流が変化する。

図５に示すように、本実施例にあっては、SiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）とTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）の値が±１０ｎｍの範囲において、光励起電流の変動率が６％〜−８％の範囲で変化しており、TiO₂膜厚d_TiO2-xとSiO₂膜厚d_SiO2-xが増加・減少するに従い、光励起電流は、それぞれ、減少・増加している。

図５において、d_SiO2-X−d_SiO2-0＝０のラインとd_TiO2-X−d_TiO2-0＝０のラインを境界として４つの領域（I）〜（IV）に分ける。即ち、領域（I）、（II）、（III）と（IV）はそれぞれ（i）d_SiO2-X−d_SiO2-0＜０及びd_TiO2-X−d_TiO2-0＞０、（ii）d_SiO2-X−d_SiO2-0＞０及びd_TiO2-X−d_TiO2-0＞０、（iii）d_SiO2-X−d_SiO2-0＜０及びd_TiO2-X−d_TiO2-0＜０と（iv）d_SiO2-X−d_SiO2-0＞０及びd_TiO2-X−d_TiO2-0＜０の領域となる。

ここで、光励起電流の変動率が正の場合と負の場合に注目すると、光励起電流の変動率が正の場合、SiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）とTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）の値は領域（I）、（III）と（IV）に分布することがあるが、領域（II）に分布することはない。一方、光励起電流の変動率が負の場合、SiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）とTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）の値は領域（I）、（II）と（IV）に分布することがあるが、領域（III）に分布することはない。

つまり、光励起電流の変動率が正の場合と負の場合とでは、TiO₂膜厚d_TiO2-xとSiO₂膜厚d_SiO2-xを設計膜厚に近づけるために、それぞれ、TiO₂膜厚d_TiO2-X／SiO₂膜厚d_SiO2-Xを、減少／減少及び増加／増加にする解はないことを示している。

本実施例において、図３に示し上述した光励起電流測定系を用い、励起波長光源６００nmとして、ＬＤ光出射端面の光励起電流を測定したところ、標準試料の光励起電流に比べ２％増加した。つまり、図５に示す領域（I）、（III）と（IV）にある２％のライン状軌跡に実際のSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）とTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）の関係を満たす可能性のある解があり、このライン状軌跡のどこかに実際の設計膜厚とのずれが存在する。これはTiO₂膜厚d_TiO2-x／SiO₂膜厚d_SiO2-xを、図５の（d）に示すように減少／増加するように変化させる、（e）に示すように増加／増加するように変化させる、又は、（f）に示すように増加／減少するように変化させることにより、ＡＲ膜の膜厚を設計膜厚に近づけることができることを示している。

図６に本発明に係る設計値の光励起電流を基準にした場合における、SiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）とTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）による光励起電流の変動率特性（計算値）（図６中実線で示す）、及び、SiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）とTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）によるＡＲ膜の反射率（波長１３１０nm）の変化（計算値）（図６中破線で示す）を示す。

リップルの測定から設定波長を１３１０nmとした場合の反射率は０．０００５であった。これにより、SiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）とTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）の解は図６に示す反射率０．０００５の同心円状軌跡上にあることがわかる。また、波長６００nmの光励起電流測定から、SiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）とTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）の解は２％のライン状軌跡上にある。従って、反射率０．０００５の同心円と光励起電流の変動率２％のラインが交わる点（A）と点（B）は双方を満足する点であり、どちらかの点が実際のSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）とTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）である。これは、TiO₂膜厚d_TiO2-x／SiO₂膜厚d_SiO2-xを（A）減少／増加又は（B）増加／減少の方法により、設計膜厚に近づけることができることを意味している。

このように領域（II）と（III）を排除し、領域（I）にある点（A）、領域（IV）にある点（B）それぞれに基づいて膜厚の最適化を行った。まず、点（A）に基づいて設計膜厚に近づけるようにSiO₂膜厚d_SiO2-xを減少させTiO₂膜厚d_TiO2-xを増加させた結果、設計膜厚に相当する結果は得られなかった。一方、点（B）に基づいて設計膜厚に近づけるようにSiO₂膜厚d_SiO2-xを増加させTiO₂膜厚d_TiO2-xを減少させた結果、設計膜厚に相当する結果が得られた。この設計膜厚が得られた条件でＬＤ端面にＡＲ膜を形成した結果、設定波長１３１０nmにおける反射率が０．０００２という良好な特性が得られた。

以上のように、本発明による励起波長光源を用いた光励起電流測定により、光励起電流の変動率が正の場合と負の場合とで、それぞれ領域（II）と領域（III）を排除でき、コーティング膜の膜厚を設計膜厚に近づけるプロセスを短縮できる。さらに、本発明の光励起電流測定から見積もった反射率の解を従来のリップル測定から見積もった反射率の解に取り込むことにより、取り得る解を２又は１点（本実施例では２点）に絞り込むことができ、コーティング膜の膜厚を設計膜厚に近づけるプロセスを更に短縮できる。

なお、本実施例においては設計波長として１３１０nmを用いたが、他の波長を用いても同様の効果が得られることは明らかである。また、本実施例ではＡＲ膜コーティングを施す半導体素子として半導体レーザを用いたが、半導体光増幅器又は半導体光スイッチ等アクティブ素子を用いても同様の効果が得られることは明らかである。

本発明は、光ファイバ通信、光情報処理、光ディスクなどに用いられる半導体レーザ、半導体光増幅器又は半導体光スイッチ等アクティブ素子に用いられているコーティング膜の反射率最適化を可能とする半導体素子端面の誘電体薄膜膜厚評価方法に適用して好適なものである。

本発明の実施例１における励起光の波長を９４０ｎｍとした場合のTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）とSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）に対するＨＲ反射率（計算値）を示すグラフである。本発明の実施例１における励起光の波長を９４０ｎｍとした場合のTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）とSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）に対する光励起電流の変動率（計算値）を示すグラフである。本発明の実施例１に係る光励起電流測定装置の概略構成図である。本発明の実施例２における励起光の波長を６００ｎｍとした場合のSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）とTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）に対するＡＲ反射率（計算値）を示すグラフである。本発明の実施例２における励起光の波長を６００ｎｍとした場合のSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）とTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）に対する光励起電流の変動率（計算値）を示すグラフである。本発明の実施例２における励起光の波長を６００ｎｍとした場合のSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）とTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）に対する光励起電流の変動率（計算値）及び反射率を示すグラフである。分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）を一部破断して示す斜視図である。設定波長１３１０ｎｍとした場合のTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）とSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）に対するＨＲ反射率（計算値）を示すグラフである。設定波長１３１０ｎｍとした場合のSiO₂膜厚のずれ（d_SiO2-x−d_SiO2-0）とTiO₂膜厚のずれ（d_TiO2-x−d_TiO2-0）に対するＡＲ反射率（計算値）を示すグラフである。図１０（ａ）はＨＲ膜の反射率の波長依存性を示すグラフ、図１０（ｂ）はＡＲ膜の反射率の波長依存性を示すグラフである。ＨＲ膜及びＡＲ膜の波長の変化に対する反射率の変動率の波長依存性を示すグラフである。

符号の説明

１１．３μｍ組成InGaAsP活性層
２１．１μｍ組成下部InGaAsPガイド層
３１．１μｍ組成上部InGa AsPガイド層
４ p‐InPバッファー層
５ n‐InPクラッド層
６ n⁺‐InGaAsPキャップ層
７ p‐InP基板
８ Ru添加ＳＩ‐InP電流ブロック層
９ p電極
１０ n電極
１１グレーティング
１２反射防止（ＡＲ）膜
１３高反射（ＨＲ）膜
１４励起光源
１５ビームスプリッタ
１６パワーメータ
１７ガルバノメータ
１８リレーレンズ
１９ミラー
２０測定試料
２１光励起電流測定器
２２コンピュータ

Claims

第一の薄膜および第二の薄膜を備え、半導体素子の光出射端面に設けられて該光出射端面における反射率を決定する誘電体薄膜の膜厚評価方法であって、
前記誘電体薄膜に前記半導体素子の光出射端面外部から励起光を照射し、
前記半導体素子の出射端面を透過した光によって生成された光励起電流を測定し、
前記光励起電流の測定値に基づいて前記誘電体薄膜が設計膜厚である場合に対する前記光励起電流の変動率を算出し、
前記光励起電流の変動率の算出結果と、予め参考値として計算した前記第一の薄膜の設計膜厚と実際の膜厚のずれ及び前記第二の薄膜の設計膜厚と実際の膜厚のずれに対する前記光励起電流の変動率の関係とを比較し、
前記光励起電流の変動率の正負に応じて前記第一の薄膜の実際の膜厚と前記第二の薄膜の実際の膜厚の取り得る領域を決定する
ことを特徴とする半導体素子端面の誘電体薄膜膜厚評価方法。
前記励起光の波長として、前記誘電体薄膜の反射率が波長の変化に対して０．１％／nm以上又は−０．１％／nm以下変動する波長帯の波長を用いる
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子端面の誘電体薄膜膜厚評価方法。
前記光励起電流の変動率の算出結果と、前記参考値と、予め計算した前記第一の薄膜の設計膜厚と実際の膜厚のずれ及び前記第二の薄膜の設計膜厚と実際の膜厚のずれに対する前記光出射端面における前記励起光の波長での反射率の関係とを比較し、
前記第一の薄膜の実際の膜厚と前記第二の薄膜の実際の膜厚の取り得る領域を決定する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体素子端面の誘電体薄膜膜厚評価方法。
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に係る半導体素子端面の誘電体薄膜膜厚評価方法によって得られた前記第一の薄膜の実際の膜厚と前記第二の薄膜の実際の膜厚の取り得る領域に基づいて前記第一の薄膜の実際の膜厚と前記第二の薄膜の実際の膜厚を導出し、導出した結果に基づいて前記第一の薄膜の膜厚及び前記第二の薄膜の膜厚が設計膜厚となるように調整することを特徴とする半導体素子端面の誘電体薄膜膜厚最適化方法。