JP5315803B2 - 回折格子の形成方法及び分布帰還型半導体レーザの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回折格子の形成方法及び分布帰還型半導体レーザの製造方法に関する。

ナノインプリント法により、所定のパターンを有する石英製のモールドを樹脂体に押し付けて、当該樹脂体にパターンを形成する方法が知られている（特許文献１参照）。
特開２００７−１０７６０号公報

所定のピッチで周期的に配列されたパターンを有する石英製のモールドのパターンを樹脂体に押し付けると、当該樹脂体に回折格子を形成することができる。この場合、一つのモールドに対して回折格子のピッチは一つに決まるので、互いに異なるピッチを有する複数の回折格子を作成する場合、回折格子の個数と同数のモールドが必要になる。

本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、回折格子のピッチを変えることができる回折格子の形成方法及び分布帰還型半導体レーザの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、本発明の回折格子の形成方法は、弾性材料からなり、回折格子を形成するためのパターンを有するモールドを準備する工程と、前記モールドを変形させた状態で前記パターンを樹脂体に押し付ける工程と、前記パターンを前記樹脂体に押し付けた状態で前記樹脂体を硬化させることによって、硬化した樹脂体に前記回折格子を形成する工程とを含む。

本発明の回折格子の形成方法では、モールドが弾性材料からなるので、モールドを変形させることができる。そのため、モールドのパターンを変形させることによって、硬化した樹脂体に形成される回折格子のピッチを変えることができる。

また、前記パターンを前記樹脂体に押し付ける際に、前記モールドの前記樹脂体側の面とは反対側の面を押圧することが好ましい。

この場合、モールドが撓むことによる余計な変形を抑制することができる。よって、回折格子のピッチを高精度に制御することができる。

本発明の分布帰還型半導体レーザの製造方法は、活性層を含む半導体基板上に樹脂体を形成する工程と、弾性材料からなり、回折格子を形成するためのパターンを有するモールドを準備する工程と、前記モールドを変形させた状態で前記パターンを前記樹脂体に押し付ける工程と、前記パターンを前記樹脂体に押し付けた状態で前記樹脂体を硬化させることによって、硬化した樹脂体に前記回折格子を形成する工程とを含む。

本発明の分布帰還型半導体レーザの製造方法では、モールドが弾性材料からなるので、モールドを変形させることができる。そのため、モールドのパターンを変形させることによって、硬化した樹脂体に形成される回折格子のピッチを変えることができる。

本発明によれば、回折格子のピッチを変えることができる回折格子の形成方法及び分布帰還型半導体レーザの製造方法が提供される。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。

＜回折格子の形成方法＞
図１、図２及び図３は、実施形態に係る回折格子の形成方法の各工程を模式的に示す図である。図１、図２及び図３には、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向からなるＸＹＺ空間座標系を示す。

（モールド準備工程）
まず、図１（Ａ）に示されるように、弾性材料からなるモールド１０を準備する。モールド１０は例えば平板状である。モールド１０は、回折格子を形成するためのパターン１２を有する。パターン１２は、例えば所定方向（Ｚ方向）に延びる凸パターンであるが、Ｚ方向に延びる溝パターンであってもよい。パターン１２が凸パターンの場合、モールド１０は、基材と、基材上に設けられ基材とは異なる材料からなる凸パターンとを有してもよい。パターン１２は、Ｚ方向と交差する方向（Ｘ方向）に、所定のピッチλ_１で周期的に配列されている。Ｘ方向におけるモールド１０の両端１０ａ，１０ｂには、モールド１０を支持するクランプ１４が取り付けられている。

モールド１０を構成する弾性材料としては、例えば、合成ゴム、シリコーンゴム、フッ素系ゴム等のゴムが挙げられる。合成ゴムとしては、例えば、スチレンゴム（ＳＢＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、ネオプレンゴム（ＣＲ）等が挙げられる。シリコーンゴムとしては、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等が挙げられる。

また、モールド１０を構成する弾性材料として、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）を用いることもできる。熱可塑性エラストマーとしては、例えば、スチレン系エラストマー（ＳＢＣ）、オレフィン系エラストマー（ＴＰＯ）等が挙げられる。

また、モールド１０を構成する弾性材料のヤング率は、室温で１．５〜５．０ＭＰａであることが好ましい。弾性材料に加える添加剤の量及び弾性材料の組成を調整することによって、モールド１０を構成する弾性材料のヤング率を調整することができる。

モールド１０は、例えば下記（１）〜（４）のうちいずれか一つの方法で作製される。

（１）電子ビーム描画
モールド１０を構成する弾性材料からなる基材上に、電子ビーム描画用レジストを塗布する。その後、電子ビーム描画用レジストに電子ビームで所望のパターンを描画する。次に、電子ビーム描画用レジストを現像し、基材をエッチングすることにより、基材に溝パターンを形成する。このようにして、モールド１０を作製する。

（２）光リソグラフィ
モールド１０を構成する弾性材料からなる基材上に、フォトレジストを塗布する。その後、フォトレジストに例えばＫｒＦレーザで所望のパターンを露光する。次に、フォトレジストを現像し、基材をエッチングすることにより、基材に溝パターンを形成する。このようにして、モールド１０を作製する。

（３）ナノインプリント
上記（１）電子ビーム描画及び（２）光リソグラフィのうちいずれか一つの方法を用いて、Ｓｉ基材に溝パターンを形成することにより、Ｓｉモールドを作製する。その後、モールド１０を構成する弾性材料からなる基材に、例えばメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）等の熱可塑性樹脂を塗布する。その後、塗布された熱可塑性樹脂を、熱可塑性樹脂のガラス転移点（ＰＭＭＡの場合１０５℃）以上（例えば１２０℃）に加熱する。さらに、軟化した熱可塑性樹脂にＳｉモールドの溝パターンを押し付けて、軟化した熱可塑性樹脂を室温まで冷却する。その後、Ｓｉモールドを離型することにより、基材上に、熱可塑性樹脂からなる凸パターンを形成する。このようにして、モールド１０を作製する。

（４）ソフトリソグラフィ
上記（３）ナノインプリントと同様に、Ｓｉモールドを作製する。その後、Ｓｉモールドに、モールド１０を構成する弾性材料（例えばＰＤＭＳ）を塗布する。さらに、当該弾性材料を硬化させ、離型することによって、モールド１０を作製する。

（モールド変形工程）
次に、図１（Ｂ）に示されるように、クランプ１４をＸ方向に動かすことにより、モールド１０をＸ方向に外力Ｆ_１で引き伸ばす。これにより、パターン１２のピッチがλ_２となる。λ_２はλ_１よりも大きくなる。なお、パターン１２にシワがよらないようにモールド１０をＸ方向に圧縮してもよい。この場合、λ_２はλ_１よりも小さくなる。また、モールド１０をＺ方向に引き伸ばしてもよいし、Ｚ方向に圧縮してもよい。

実際のナノインプリント加工は、図３（Ａ）に示されるように以下のようにして実現されることが好ましい。すなわち、モールド１０において、回折格子のパターン１２に平行な２辺をクランプ１４で挟み、把持する。クランプ１４は、ボールねじ１５を介してステッピングモーター（図示せず）に接続されている。当該ステッピングモーターを回転させることにより、ボールねじ１５を回転させ、クランプ１４をＸ方向に動かすことができる。これにより、モールド１０を変形させることが可能になる。ステッピングモーターを正回転又は逆回転させることによって、モールド１０を圧縮又は引き伸ばすことができる。回折格子の所望のピッチに合わせ、クランプ１４の必要な変位量を計算し、ステッピングモーターに送るパルス電流のパルス数を制御することにより、精密にモールド１０の変形量を制御することができる。
ボールねじ１５の先端は接続部材１５ａによってモールド変形機構の本体に接続されている。また、クランプ１４は、Ｘ方向に沿って配置された棒状のガイド部材１５ｂを介してモールド変形機構の本体に接続されている。ガイド部材１５ｂは、クランプ１４をＸ方向にスライドさせる。接続部材１５ａ及びガイド部材１５ｂを用いると、ボールねじ１５の位置が固定されるので、クランプ１４のスライド方向がＸ方向からずれることを抑制できる。
ここで、一実施例において、モールド１０は、Ｘ方向の寸法６０ｍｍ×Ｚ方向の寸法６０ｍｍ×Ｙ方向の寸法１ｍｍの平板であり、モールド１０を構成する弾性材料はヤング率５．０ＭＰａのシリコーンゴムである。必要とされるモールド１０の歪みを例えば１１％とすると、応力σは以下のように算出される。
σ＝０．１１×５．０［ＭＰａ］＝０．５５［ＭＰａ］
よって、必要とされる外力Ｆ_１は以下のように算出される。
Ｆ_１＝０．５５［ＭＰａ］×６０［ｍｍ^２］＝３３［Ｎ］
すなわち、一般的に容易に入手可能なモーターによって、上述のようなモールド変形機構が実現できる。

（モールド押し付け工程）
次に、図２（Ａ）、図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）に示されるように、ナノインプリント法により、モールド１０を変形させた状態でパターン１２を樹脂体２２に押し付ける。樹脂体２２は、半導体基板等の基板２０上に形成されている。ここで、モールド１０の樹脂体２２側（パターン１２が形成されている側）の面Ｓ_１とは反対側の面Ｓ_２を外力Ｆ_２で押圧することが好ましい。面Ｓ_２を押圧するためには、例えば空気等の気体で面Ｓ_２を押圧してもよいし、例えば水等の液体で面Ｓ_２を押圧してもよいし、例えば石英基板等の固体で面Ｓ_２を押圧してもよい。気体で面Ｓ_２を押圧する場合には、面Ｓ_２側を面Ｓ_１側に対して陽圧にするためのチャンバを面Ｓ_２側に配置することが好ましい。気体で面Ｓ_２を押圧する場合に、気体によって膨らませた風船を面Ｓ_２側に配置してもよい。
樹脂体２２が例えば水と同程度の粘度（≒０．９ ｍＰａ・s）を有する場合、パターン１２を樹脂体２２に押し付ける際の押し付け圧力は０．１ＭＰａ以下でよい。樹脂体２２が１０ ｍＰａ・ｓ以上の粘度を有する場合、樹脂体２２に十分に回折格子のパターン１２を転写するために、１０ＭＰａ程度以上の押し付け圧力を必要とする場合がある。この場合、弾性材料からなるモールド１０が、Ｙ方向に撓むことがある。これを抑制するため、モールド１０の面Ｓ_２を基板２０側へ押すようなプレス機構１６を面Ｓ_２側に設けることが望ましい。

（硬化工程）
次に、図２（Ｂ）に示されるように、パターン１２を樹脂体２２に押し付けた状態で樹脂体２２を硬化させる。これにより、硬化した樹脂体２２ａに回折格子２４が形成される。回折格子２４のピッチは、モールド１０のピッチに対応してλ_２となる。樹脂体２２を硬化させるために、樹脂体２２に紫外線Ｌを照射してもよいし（ＵＶ式ナノインプリント法）、樹脂体２２を加熱してもよい（熱式ナノインプリント法）。樹脂体２２を硬化させる際にも、モールド１０の樹脂体２２側の面Ｓ_１とは反対側の面Ｓ_２を外力Ｆ_２で押圧することが好ましい。

ＵＶ式ナノインプリント法では、樹脂体２２はＵＶ硬化性樹脂からなることが好ましい。紫外線Ｌをモールド１０側から樹脂体２２に照射する場合、モールド１０は紫外線Ｌに対して透明であることが更に好ましい。紫外線Ｌを基板２０側から樹脂体２２に照射する場合、基板２０は紫外線Ｌに対して透明であることが更に好ましい。そのような基板２０の材料としては例えば石英が挙げられる。

熱式ナノインプリント法では、樹脂体２２は、熱可塑性樹脂（例えばポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ））、熱硬化性樹脂（例えばポリウレタン（ＰＵＲ））等からなることが好ましい。

（離型工程）
次に、図２（Ｃ）に示されるように、硬化した樹脂体２２ａからモールド１０を剥離する。

以上の工程を経ることによって、Ｚ方向に延びる溝１２ａがＸ方向に周期的に配列されてなる回折格子２４を形成することができる。溝１２ａは、パターン１２に対応している。溝１２ａの深さは、例えば０．０５〜０．５μｍである。溝１２ａの底における硬化した樹脂体２２ａの厚さは、例えば０．０１〜０．２μｍである。なお、硬化した樹脂体２２ａを全面ドライエッチングしてもよい。この場合、溝１２ａの底に基板２０が露出してもよい。さらに、基板２０の露出した部分を、例えばプラズマや酸などを用いてエッチングし、基板２０に回折格子パターンを転写してもよい。
このように基板側に回折格子を転写する方法は、ＤＦＢレーザの作製方法として好適である。つまり、基板側に回折格子を転写形成し、これを埋めるようにさらに結晶を再成長させ、上部のコンタクト層までを形成する。回折格子を光学材料（例えばPMMA）で形成し、それをそのまま残すという方法は、例えばＤＢＲレーザ（具体的には、活性層直上ではなく、活性層脇に回折格子を形成するような構造のＤＢＲレーザ）等に適用可能である。また、ＵＶナノインプリントは、熱式に比べて圧力が小さいので、結晶へのダメージを小さくできる。さらに、クラッド層をもう１層挟んで、その上にインプリントした方が好ましい。これにより、活性層（例えば多重量子井戸層で形成された活性層）への物理的ダメージの発生の可能性を低減できる。

本実施形態の回折格子の形成方法では、モールド１０が弾性材料からなるので、モールド１０を変形させることができる。そのため、モールド１０のパターン１２をＸ方向に変形させることによって、硬化した樹脂体２２ａに形成される回折格子２４のピッチλ_２を変えることができる。モールド１０の変形量を調整することによって、回折格子２４のピッチλ_２を所望の値とすることができる。したがって、１つのモールド１０を用いるだけで、互いに異なるピッチを有する複数の回折格子２４を形成することができる。よって、低コストかつ短時間で容易に回折格子２４を形成することができる。

また、パターン１２を樹脂体２２に押し付ける際に、モールド１０の面Ｓ_２を押圧すると、モールド１０がＹ方向に撓むことを抑制できる。このため、パターン１２の余計な変形を抑制することができる。よって、回折格子２４のピッチλ_２を高精度に制御することができる。

＜分布帰還型半導体レーザの製造方法＞
図４は、実施形態に係る分布帰還型半導体レーザの製造方法の各工程を模式的に示す図である。図５は、上記製造方法により製造される分布帰還型半導体レーザを一部破断して示す斜視図である。

（樹脂体形成工程）
まず、図４（Ａ）に示されるように、基板２０ａ上に、第１クラッド層３０、第１光閉じ込め層３２、活性層３４、第２光閉じ込め層３６、回折格子層３８及び樹脂体２２をこの順に形成する。基板２０ａは、例えばｎ型ＩｎＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体からなる。第１クラッド層３０は、例えばｎ型ＩｎＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体からなる。第１光閉じ込め層３２は、例えばｎ型ＧａＩｎＡｓＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体からなる。活性層３４は、例えばＧａＩｎＡｓＰからなる多重量子井戸構造を有する。第２光閉じ込め層３６は、例えばｐ型ＧａＩｎＡｓＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体からなる。回折格子層３８は、例えばｐ型ＧａＩｎＡｓＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体からなる。なお、第１光閉じ込め層３２及び第２光閉じ込め層３６を形成しなくてもよい。基板２０ａ、第１クラッド層３０、第１光閉じ込め層３２、活性層３４、第２光閉じ込め層３６、及び回折格子層３８によって基板２０が構成される。

次に、図４（Ｂ）に示されるように、本実施形態の回折格子の形成方法を用いて、樹脂体２２にパターン１２を押し付けることにより、硬化した樹脂体２２ａに回折格子２４を形成する。

次に、樹脂体２２ａを全面エッチングし、樹脂体２２ａの溝底にあたる部分を完全に除去し、基板２０の一部を露出させる。

次に、残った樹脂体２２ａをマスクとして、回折格子層３８を前記に例示した方法によりエッチングし、回折格子を形成する。次に、樹脂体２２ａを除去する。

次に、図５に示されるように、回折格子を形成した回折格子層３８上に第２クラッド層３９を形成する。第２クラッド層３９は、回折格子層３８の材料とは異なる材料からなり、例えばｐ型ＩｎＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体からなる。その後、回折格子層３８、第２クラッド層３９、第２光閉じ込め層３６、活性層３４、第１光閉じ込め層３２、及び第１クラッド層３０をウェットエッチングすることにより半導体メサを形成する。さらに、その半導体メサを埋め込む半導体層４０を形成した後、半導体層４０及び第２クラッド層３９上に第３クラッド層４２を形成する。半導体層４０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。半導体層４０は、ｎ型ＩｎＰ層及びｐ型ＩｎＰ層からなる積層構造を有してもよい。第３クラッド層４２は、例えばｐ型ＩｎＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体からなる。なお、第３クラッド層４２を形成しなくてもよい。その後、第３クラッド層４２上に、コンタクト層４４及び電極４６をこの順に形成する。コンタクト層４４は、例えばｐ型ＧａＩｎＡｓ等のIII−Ｖ族化合物半導体からなる。電極４６は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる積層構造を有する。また、基板２０の裏面上に電極４８を形成する。電極４８は、例えばＡｕＧｅＮｉ合金からなる。

上記工程を経ることによって、分布帰還型半導体レーザ５０を製造することができる。本実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法によれば、本実施形態の回折格子の形成方法と同様に、回折格子２４のピッチλ_２を変えることができる。したがって、１つのモールド１０を用いるだけで、互いに異なる発振波長を有する複数の分布帰還型半導体レーザ５０を製造することができる。よって、低コストかつ短時間で容易に分布帰還型半導体レーザ５０を形成することができる。

互いに異なる発振波長を有する複数の分布帰還型半導体レーザ５０は、例えばＣＷＤＭに用いられる。例えば１．３１μｍ帯のＣＷＤＭ用の分布帰還型半導体レーザ５０を製造する場合、回折格子２４のピッチλ_２を１９５〜２１５ｎｍの範囲で変化させることが好ましい。例えば１．５５μｍ帯のＣＷＤＭ用の分布帰還型半導体レーザ５０を製造する場合、回折格子２４のピッチλ_２を２１５〜２５５ｎｍの範囲で変化させることが好ましい。

例えば、ピッチλ_１が１９５ｎｍのパターン１２を有するモールド１０を用いる場合、モールド１０を変形させることによってピッチλ_２を２１５ｎｍまで大きくするためには、モールド１０の歪みを約１１％とする必要がある。

ここで、例えば１．５５μｍ帯のＣＷＤＭ用の分布帰還型半導体レーザを製造する場合、回折格子のピッチは、１０種類以上（例えば２２２ｎｍ、２２６ｎｍ、２３０ｎｍ、２３４ｎｍ、・・・等）に及ぶ。この場合、各ピッチに対応するモールドを準備する必要がある。また、ピッチが微細であるため、モールドの作製には電子ビーム描画が必要になる。例えばピッチ２２２．０ｎｍに対応するモールドを作製する場合、電子ビーム描画の描画精度により、例えばピッチが２２２．２ｎｍになってしまうことがある。そのような場合、モールドを再作製する必要があり、分布帰還型半導体レーザの製造歩留が低下してしまう。

一方、モールド１０を用いると、例えばピッチが２２２．２ｎｍになってしまっても、モールド１０を変形させることによりピッチを２２２．０ｎｍとすることができる。よって、モールド１０の再作製も不要になり、分布帰還型半導体レーザ５０の製造歩留を向上させることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。

実施形態に係る回折格子の形成方法の各工程を模式的に示す図である。 実施形態に係る回折格子の形成方法の各工程を模式的に示す図である。 実施形態に係る回折格子の形成方法の各工程を模式的に示す図である。 実施形態に係る分布帰還型半導体レーザの製造方法の各工程を模式的に示す図である。 実施形態に係る製造方法により製造される分布帰還型半導体レーザを一部破断して示す斜視図である。

符号の説明

１０…モールド、１２…パターン、２０…基板、２２…樹脂体、２２ａ…硬化した樹脂体、２４…回折格子、３４…活性層、５０…分布帰還型半導体レーザ、Ｓ_１…モールドの樹脂体側の面、Ｓ_２…モールドの樹脂体側の面とは反対側の面。

Claims (3)

1. 弾性材料からなり、回折格子を形成するためのパターンを有するモールドを準備する工程と、
   前記パターンが配列される方向に平行に外力を印加することにより前記モールドを変形させるモールド変形工程と、
   前記モールド変形工程の後に、前記モールドを変形させた状態で前記パターンを樹脂体に押し付ける工程と、
   前記パターンを前記樹脂体に押し付けた状態で前記樹脂体を硬化させることによって、硬化した樹脂体に前記回折格子を形成する工程と、
   を含み、
   前記パターンを前記樹脂体に押し付ける際に、前記モールドの前記樹脂体側の面とは反対側の面を押圧する、回折格子の形成方法。
2. 弾性材料からなり、回折格子を形成するためのパターンを有するモールドを準備する工程と、
   前記パターンが配列される方向に平行に外力を印加することにより前記モールドを変形させるモールド変形工程と、
   前記モールド変形工程の後に、前記モールドを変形させた状態で前記パターンを樹脂体に押し付ける工程と、
   前記パターンを前記樹脂体に押し付けた状態で前記樹脂体を硬化させることによって、硬化した樹脂体に前記回折格子を形成する工程と、
   を含み、
   前記パターンを前記樹脂体に押し付ける際に、前記モールドの前記樹脂体側の面とは反対側の面に設けられたプレス機構により、前記反対側の面を押圧する、回折格子の形成方法。
3. 活性層を含む半導体基板上に樹脂体を形成する工程と、
   弾性材料からなり、回折格子を形成するためのパターンを有するモールドを準備する工程と、
   前記パターンが配列される方向に平行に外力を印加することにより前記モールドを変形させるモールド変形工程と、
   前記モールド変形工程の後に、前記モールドを変形させた状態で前記パターンを前記樹脂体に押し付ける工程と、
   前記パターンを前記樹脂体に押し付けた状態で前記樹脂体を硬化させることによって、硬化した樹脂体に前記回折格子を形成する工程と、
   を含み、
   前記パターンを前記樹脂体に押し付ける際に、前記モールドの前記樹脂体側の面とは反対側の面を押圧する、分布帰還型半導体レーザの製造方法。

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