JP5440304B2 - 光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
格子状のホトレジストを形成する方法として電子線(EB)露光方法と、干渉露光法が広く用いられている。
、緑色の波長帯、例えば波長532nmの光を発光する半導体レーザは未だ製品化されていない。
周期Λが158nmの回折格子を形成するための露光方法としてEB露光法を用いることができる。しかし、EB露光法によれば、回折格子の本数と同じ回数で電子ビームを走査する必要があるので、基板1枚当たりの露光時間が長くなる。このため、EB露光法を用いる回折格子の形成方法は量産性に向かない。
その後に、回折格子の複数の凸部の上面に光吸収層を形成し、同時に凸部の間の凹部の底にもp−GaAs光吸収層を形成する。それらの光吸収層は、周期Λの1次の回折格子として使用される。
記第1方向における下面の長さが上面の長さに比べて長いか又は同一の第1回折格子層と、前記第1半導体層の上方で前記第1方向に前記第1回折格子層と間隔をおいて交互に形成され、前記第1方向における上面の長さが下面の長さに比べて長い第2回折格子層と、前記第1回折格子層と前記第2回折格子層を有する回折格子と、前記第1回折格子層と前記第2回折格子層の間の領域と前記第2回折格子の下に形成され、前記第1回折格子層及び前記第2回折格子層とは屈折率の異なる第2半導体層と、前記第1回折格子層と前記第2回折格子層の上に形成され、前記第1回折格子層と前記第2回折格子層とは屈折率が異なる第3半導体層と、を有する光半導体装置が提供される。
別の観点によれば、基板の上方に第1半導体層と第1回折格子層を形成する工程と、前記第2格子層の上方に、第1方向に間隔をおいて形成される複数のストライプを有する格子状マスクを形成する工程と、前記格子状マスクから露出する前記第1回折格子層をエッチングする工程と、前記格子状マスクから露出する前記第1半導体層をエッチングして前記第1方向に複数の凸部を形成するする工程と、前記複数の凸部の間に形成される凹部の底面上に第2半導体層を形成する工程と、前記凹部の上方の前記第2半導体層の凹部に第2回折格子層を選択的に形成する工程と、前記第1回折格子層と前記第2回折格子層から形成される回折格子の上と前記第2半導体層の上に第3半導体層を形成する工程と、を有する光半導体装置の製造方法が提供される。
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解すべきである。
マイグレーションし易い元素を含む第2回折格子層は、第1回折格子層の間に形成される半導体層の凹部に選択的に形成されるので、第1、第2回折格子層の材料の選択範囲が広がる。しかも、第1回折格子層と第2回折格子層の間の間隔は半導体層により確保される。
また、凹凸の高低差が小さい場合には回折格子を構成する上下の光吸収層の間隔が十分確保できなくなる。これに対し、凹凸の高低差が大きい場合には、回折格子全体が厚くなってしまう。
そのような高い温度は、光導波路層の構成材料を変更すると凹凸が熱変形するおそれもある。凹凸に変形が生じると、凹部及び凸部の上に形成される回折格子の光の結合係数κが想定値からずれる懸念がある。
さらに、凹凸が形成される光導波路層をAlGaAsから形成すると、熱変形は生じにくいが、AlGaAsは酸化され易いので、光素子の信頼性を低下させる。
図1A〜図1Jは、本発明の第1実施形態に係る光半導体装置であるDFB半導体レーザの形成工程を示す断面図であり、[−110]方向から見た断面図である。なお、図1A〜図1Jの右から左への方向は[011]方向となる。
まず、n型GaAs基板1の主面、例えば(001)面の上に厚さ300nmのn型ガリウム砒素(GaAs)バッファ層2と、厚さ1.5μmのn型アルミニウムガリウム砒素(Al0.3Ga0.7As)クラッド層3を分子線エピタキシー(MBE)法により形成する。なお、n型不純物としてシリコン(Si)がドープされる。
続いて、図1Cに示すように、光源として例えばArレーザ光又はHe−Cdレーザ光を用いる干渉露光法によりホトレジスト8を露光し、ホトレジスト8に干渉縞のストライプパターン潜像を形成する。
まず、マスク7aの周期Λ0の格子状ストライプパターンから露出した第1のp型InGaP回折格子層6を塩酸系エッチャント、例えば塩酸を用いてウエットエッチングする。これにより、第1のp型InGaP回折格子層6は格子形状にパターニングされ、第1のp型InGaP回折格子層6の格子状ストライプの隙間からp型GaAs導波路層5が露出する。
が形成される。凸部5aのストライプ幅は約79nmであり、また、凸部5aのピッチは2次の周期2Λであって約316nmである。これにより、凸部5aの側面には(111)A面が現れる。また、凸部5aの間に形成される凹部の底面には(001)面が現れる。この後に、マスク7aを緩衝フッ酸により除去する。
また、p型GaAs中間層9の凹部9bの底面は、第1のp型InGaP回折格子層6の下面とほぼ同じ水平位置になっている。即ち、第1のp型InGaP回折格子層6と第2のp型InGaP回折格子層10は実質的に同じ高さに位置する。
また、[011]方向において、第1のp型InGaP回折格子層6のストライプの下面の長さは上面の長さよりも長く、第2のp型InGaP回折格子層10のストライプの上面の長さは下面の長さよりも長い。
続いて、p型GaAs被覆層11の上に、厚さ1.0μmのp型InGaPクラッド層12と厚さ0.3μmのp型GaAsコンタクト層13をMOCVD法により形成する。
まず、絶縁膜18として例えばシリコン酸化膜をp型GaAsコンタクト層13上面と凹部13a内面の上に形成する。その後に、絶縁膜18上に、光導波路領域の上方のストライプ領域に開口を有するレジストパターン(不図示)を形成する。
続いて、n型GaAs基板1とその上の積層構造を劈開することにより、図4の斜視図に示すDFB半導体レーザが形成される。
反射端面には光反射膜(不図示)を形成する。光出射膜、光反射膜として、シリコン酸化膜、アルミナ膜のような誘電体膜が形成される。
り、ストライプ状の第2のp型InGaP層10の上面の長さが下面の長さに比べて長い。
なお、n型GaAs基板1上に形成される化合物半導体層は閃亜鉛鉱結晶構造を有している。
まず、第1実施形態と同様に、n型GaAs基板1の主面、例えば(001)面の上にMBE法により、n型GaAsバッファ層2、n型Al0.3Ga0.7Asクラッド層3、活性層4を順に形成する。活性層4は、第1実施形態と同様な条件で形成され、例えば図2に示したと同様に、ノンドープGaAs層41、量子ドット4a、ウェッティング層4b、ノンドープGaAs層4cを有する。
まず、第1のp型InGaP層6上にシリコン酸化膜7をCVD法により形成した後に、シリコン酸化膜7の上にホトレジスト8を塗布し、ベークする。
次に、図6Gに示すように、第2のp型InGaP回折格子層10を第1実施形態と同様な条件のMOCVD法により約20nmの厚さに形成する。
また、回折格子の周期方向において、第1のp型InGaP回折格子層6のストライプの下面の長さは上面の長さよりも長く、第2のp型InGaP回折格子層10のストライプの上面の長さは下面の長さよりも長い。
その後に、図3A〜図3Cに示したと同様な方法により、p型InGaPクラッド層12とp型GaAsコンタクト層13を光導波路領域に沿ったストライプ形状にパターニングする。
ト層13上にp側電極14を形成する。さらに、第1実施形態と同様に、n型GaAs基板1の下面にn側電極15を形成する。このような構造の[110]方向から見た断面を図7に示す。
さらに、n型GaAs基板1とその上の積層構造を劈開することにより、図4の斜視図に示すと同様なDFB半導体レーザを形成する。なお、図4において、p型GaAs保護層19は、その上のp型GaAs中間層9と一体化して示されている。
回折格子層6と第2のp型InGaP回折格子層10をn型GaAs基板1に対して異なる高さに形成してもよい。これにより、結合係数κが制御される。
さらに、リン含有回折格子層の周囲に形成される化合物半導体は、GaAsに限定されるものではなく、回折格子層とは屈折率が異なる他の材料から形成されてもよい。例えば、1次の周期Λで形成される回折格子層をInGaAsPから形成する場合に、回折格子層をInP層で囲んでもよい。
以上説明した1次の回折格子は、DFB半導体レーザ又はDBR半導体レーザに採用することに限られるものではなく、それ以外の光半導体装置、例えばフィルター、光結合器光導波路に適用されてもよい。
(付記1)第1半導体層の上方で第1方向に間隔をおいて複数形成され、前記第1方向における下面の長さが上面の長さに比べて長い又は同一の第1回折格子層と、前記第1半導体層の上方で前記第1方向に前記第1回折格子層と間隔をおいて交互に形成され、前記第1方向における上面の長さが下面の長さに比べて長い第2回折格子層と、前記第1回折格
子層と前記第2回折格子層を有する回折格子と、前記第1回折格子層と前記第2回折格子層の間の領域と前記第2回折格子層の下に形成され、前記第1回折格子層及び前記第2回折格子層とは屈折率の異なる第2半導体層と、前記第1回折格子層と前記第2回折格子層の上に形成され、前記第1回折格子層と前記第2回折格子層とは屈折率が異なる第3半導体層と、を有する光半導体装置。
(付記2)前記第1回折格子層の側面が(111)A面、(011)面のいずれである付記1に記載の光半導体装置。
(付記3)前記回折格子の下方に形成された量子ドットを有する付記1又は付記2に記載の光半導体装置。
(付記4)前記第1回折格子層と前記第2回折格子層の間には、前記第2回折格子層の側面に接合する面が(311)Aである半導体中間層が形成されている付記1乃至付記3のいずれか1項に記載の光半導体装置。
(付記5)前記第1回折格子層と前記第2回折格子層は、リン含有化合物半導体から形成される付記1乃至付記4のいずれかに記載の光半導体装置。
(付記6)基板の上方に第1半導体層と第1回折格子層を形成する工程と、前記第1回折格子層の上方に、第1方向に間隔をおいて形成される複数のストライプを有する格子状マスクを形成する工程と、前記格子状マスクから露出する前記第1回折格子層をエッチングする工程と、前記格子状マスクから露出する前記第1半導体層をエッチングすることにより、前記第1方向に複数の凸部を前記第1半導体層に形成するする工程と、前記複数の凸部の間に形成される凹部の底面上に第2半導体層を形成する工程と、前記第2半導体層の形成前か形成後のいずれかに前記格子状マスクを除去する工程と、前記凹部の上方の前記第2半導体層の凹部に第2回折格子層を選択的に形成する工程と、前記第1回折格子層と前記第2回折格子層を有する回折格子の上と前記第2半導体層の上に第3半導体層を形成する工程と、を有する光半導体装置の製造方法。
(付記7)前記第2半導体層を形成する前に前記格子状マスクを除去する場合に、前記第2半導体層は前記第1回折格子層の上にも形成される付記6又は付記7に記載の光半導体装置の製造方法。
(付記8)前記第2半導体層を形成した後に前記格子状マスクを除去する場合に、前記格子状マスクは誘電体から形成される付記7に記載の光半導体装置の製造方法。
(付記9)前記第2半導体層は、前記第1半導体層の前記凸部の高さと同じ値の厚さに形成され、前記第2回折格子層は、前記第1回折格子層と同じ厚さに形成される付記6乃至付記8のいずれか1項に記載の光半導体装置の製造方法。
(付記10)前記格子状マスクの前記ストライプは、ホトレジストを干渉露光法により露光した後に、前記ホトレジストを現像するレジストマスクを使用して形成されることを特徴とする付記6乃至付記9のいずれか1項に記載の光半導体装置の製造方法。
(付記11)前記格子状マスクを形成する前に、前記第1回折格子層の上に第4半導体層を形成する工程と、前記格子状マスクから露出する前記第4半導体層をエッチングすることにより前記格子状マスクから前記第1回折格子層を露出する工程と、前記第3半導体層を前記第4半導体層の上にも形成する工程と、を有することを特徴とする付記6乃至付記10のいずれか1項に記載の光半導体装置の製造方法。
(付記12)前記第1回折格子層と前記第2回折格子層はリン含有化合物半導体から形成される付記6乃至付記11のいずれか1項に記載の光半導体装置の製造方法。
(付記13)前記第1半導体層、前記第2半導体層はガリウム砒素から形成される付記12に記載の光半導体装置の製造方法。
(付記14)前記第1半導体層と前記基板の間には量子ドットを有する活性層が形成され、前記第1半導体層、前記第1回折格子層、前記第2半導体層及び前記第2回折格子層は、前記量子ドットの劣化温度よりも低い温度条件で形成される付記6乃至付記13のいずれか1項に記載の光半導体装置の製造方法。
3 n型AlGaAsクラッド層
4 活性層
4a 量子ドット
5 p型GaAs導波路層
6 p型InGaP回折格子層
7a マスク
8a レジストパターン
9 p型GaAs中間層
10 p型InGaP回折格子層
11 p型GaAs被覆層
12 p型InGaPクラッド層
13 p型GaAsコンタクト層
19 p型GaAs保護層
Claims (10)
- 第1半導体層の上方で第1方向に間隔をおいて複数形成され、前記第1方向における下面の長さが上面の長さに比べて長いか又は同一の第1回折格子層と、
前記第1半導体層の上方で前記第1方向に前記第1回折格子層と間隔をおいて交互に形成され、前記第1方向における上面の長さが下面の長さに比べて長い第2回折格子層と、
前記第1回折格子層と前記第2回折格子層を有する回折格子と、
前記第1回折格子層と前記第2回折格子層の間の領域と前記第2回折格子層の下に形成され、前記第1回折格子層及び前記第2回折格子層とは屈折率の異なる第2半導体層と、
前記第1回折格子層と前記第2回折格子層の上に形成され、前記第1回折格子層と前記第2回折格子層とは屈折率が異なる第3半導体層と、
を有する光半導体装置。 - 前記第1回折格子層の側面が(111)A面、(011)面のいずれである請求項1に記載の光半導体装置。
- 前記第1回折格子層と前記第2回折格子層は、リン含有化合物半導体から形成される請求項1又は請求項2に記載の光半導体装置。
- 基板の上方に第1半導体層と第1回折格子層を形成する工程と、
前記第1回折格子層の上方に、第1方向に間隔をおいて形成される複数のストライプを有する格子状マスクを形成する工程と、
前記格子状マスクから露出する前記第1回折格子層をエッチングする工程と、
前記格子状マスクから露出する前記第1半導体層をエッチングすることにより、前記第1方向に複数の凸部を前記第1半導体層に形成するする工程と、
前記複数の凸部の間に形成される凹部の底面上に第2半導体層を形成する工程と、
前記第2半導体層の形成前か形成後のいずれかに前記格子状マスクを除去する工程と、
前記凹部の上方の前記第2半導体層の凹部に第2回折格子層を選択的に形成する工程と、
前記第1回折格子層と前記第2回折格子層を有する回折格子の上と前記第2半導体層の上に第3半導体層を形成する工程と、
を有する光半導体装置の製造方法。 - 前記第2半導体層を形成する前に前記格子状マスクを除去する場合に、前記第2半導体層は前記第1回折格子層の上にも形成される請求項4に記載の光半導体装置の製造方法。
- 前記第2半導体層を形成した後に前記格子状マスクを除去する場合に、前記格子状マスクは誘電体から形成される請求項4に記載の光半導体装置の製造方法。
- 前記第2半導体層は、前記第1の半導体層の前記凸部の高さと同じ値の厚さに形成され、前記第2回折格子層は、前記第1回折格子層と同じ厚さに形成される請求項4乃至請求項6のいずれか1項に記載の光半導体装置の製造方法。
- 前記格子状マスクを形成する前に、前記第1回折格子層の上に第4半導体層を形成する工程と、
前記格子状マスクから露出する前記第4半導体層をエッチングすることにより前記格子状マスクから前記第1回折格子層を露出する工程と、
前記第3半導体層を前記第4半導体層の上にも形成する工程と、
を有することを特徴とする請求項4乃至請求項7のいずれか1項に記載の光半導体装置の製造方法。 - 前記第1回折格子層と前記第2回折格子層はリン含有化合物半導体から形成される請求項4乃至請求項8のいずれか1項に記載の光半導体装置の製造方法。
- 前記第1半導体層と前記基板の間には量子ドットを有する活性層が形成され、
前記第1半導体層、前記第1回折格子層、前記第2半導体層及び前記第2回折格子層は、前記量子ドットの劣化温度よりも低い温度条件で形成される
請求項4乃至請求項9のいずれか1項に記載の光半導体装置の製造方法。
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