JP5891695B2

JP5891695B2 - 量子カスケード半導体レーザを作製する方法

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Publication number: JP5891695B2
Application number: JP2011223171A
Authority: JP
Inventors: 幸洋辻
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-10-07
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2031-10-07
Also published as: JP2013084733A

Description

本発明は、量子カスケード半導体レーザを作製する方法に関する。

特許文献１には、量子カスケード（ＱＣ）レーザが記載されている。量子カスケードレーザは、自己モード同期を実現する。

特開２００１−３２０１３６号公報

分布帰還型半導体レーザの作製方法を量子カスケードレーザの作製に適用して、回折格子を量子カスケードレーザエピ構造に組み込むことができる。このような量子カスケードレーザは、環境計測を目的とした分光分析の分野に適用可能なレーザ光源としてや、室温或いはその近傍温度で単一モード光を連続発振し得る分布帰還型のレーザ光源として期待されている。

この量子カスケードレーザエピ構造では、ＱＣＬコア層を形成した後に、半導体メサの形成に先立ってＤＦＢ回折格子構造を形成する。この回折格子構造を形成する際に、回折格子構造を規定するマスクパターンに係るアライメント精度及び半導体メサを規定するマスクパターンに係るアライメント精度の両影響を避けるために、回折格子構造のためのパターンを転写するエリアを後工程で形成される半導体メサの付近に該半導体メサの幅より広くする。発明者の検討によれば、この回折格子構造パターンを転写したエリアがメサ幅より広いとき、メサエッチングの際に半導体メサ上面だけでなく他の部分にも、予期しない周期構造が形成される。この予期しない周期構造は、発明者の検討によれば、単一モード発振を妨げることがある。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、量子カスケードレーザに分布帰還型の回折格子を作り込む際に、半導体メサ上面に回折格子構造を作製できる、量子カスケード半導体レーザを作製する方法を提供することを目的とする。

本発明は、量子カスケード半導体レーザを作製する方法に関する。この方法は、（ａ）メサストライプのための第１マスクを半導体積層上に形成する工程と、（ｂ）前記第１マスクを用いて前記半導体積層をエッチングすることにより半導体メサ部と該半導体メサ部を規定する凹部とを形成して、前記半導体メサ部の形状及び前記凹部の形状を反映した表面形状を有する半導体領域を形成する工程と、（ｃ）前記第１マスクを除去した後に、前記半導体メサ部の表面及び前記凹部の表面の上に誘電体膜を成長する工程と、（ｄ）前記誘電体膜を成長した後に、前記凹部の表面及び前記半導体メサ部の表面の上にそれぞれ位置する第１部分及び第２部分を含むレジスト膜を形成する工程と、（ｅ）回折格子を規定するためのパターンを前記半導体メサ部の上面の上の前記レジスト膜の前記第２部分に転写するための露光を行い露光されたレジスト膜を形成すると共に前記露光されたレジスト膜の現像を行って、第２マスクを形成する工程と、（ｆ）前記第２マスクを用いて前記誘電体膜のエッチングを行って、誘電体マスクを形成する工程と、（ｇ）前記誘電体マスクを用いて前記半導体領域のエッチングを行って、前記半導体メサ部の上面に回折格子構造を形成する工程と、（ｈ）前記誘電体マスクを除去する工程とを備える。前記第２マスクは第１レジスト部及び第２レジスト部を含み、前記第１レジスト部は前記回折格子を規定するパターンを有すると共に前記半導体メサ部の前記上面の上に設けられ、前記第２レジスト部は前記凹部の表面を覆い、前記半導体メサ部は、第１クラッド領域、量子カスケードレーザコア層及び第２クラッド領域を含み、前記量子カスケードレーザコア層は前記第１クラッド領域と第２クラッド領域との間に設けられ、前記第１クラッド領域の導電型は前記第２クラッド領域の導電型と同じである。

この量子カスケード半導体レーザを作製する方法によれば、半導体メサ部の形状と該半導体メサ部を規定する凹部とを有する半導体領域を形成した後に、回折格子を規定するためのパターンを半導体メサ部の上面上のレジスト膜に転写するための露光を行い露光されたレジスト膜を形成する。この露光されたレジスト膜を現像して第２マスクを形成するとき、この第２マスクは、回折格子を規定するパターンを有し半導体メサ部の上面上に設けられる第１レジスト部と、半導体領域の凹部の表面を覆う第２レジスト部とを含む。これ故に、回折格子を規定するためのマスクパターンを半導体メサ部の上面上に形成できる。第２マスクを用いたエッチングにより、半導体メサ部の上面に回折格子構造を形成することができる。

本発明に係る作製方法では、前記第２マスクを形成する前記工程は、前記半導体メサ部の上の前記レジスト膜を解像するように前記露光におけるフォーカスを調整する工程と、前記半導体メサ部の上の前記レジスト膜に前記パターンを転写するための露光を行う工程と、前記露光されたレジスト膜の現像を行って、前記第２マスクを形成する工程とを含むことができる。前記フォーカスの調整は、前記凹部の上にレジストが解像されないように行われる。

この作製方法によれば、露光におけるフォーカスの調整により、半導体メサ部の上面上のレジストに、解像のために十分な露光を提供できる。また、露光におけるフォーカスの調整により、半導体メサ部の上面の高さと異なる高さの位置に設けられたレジスト（例えば凹部上のレジスト）に解像不可能な露光を提供する。これ故に、フォーカスの調整は、半導体領域の表面における高低差を利用して、パターンの転写エリアを選択できる。

本発明に係る作製方法では、前記半導体メサ部の高さは３μｍ以上であることができる。この作製方法によれば、フォーカスの調整により、高低差に基づく解像差を提供できる。

本発明に係る作製方法では、前記半導体メサ部の上面に回折格子構造を形成する前記工程は、前記半導体領域の前記第２クラッド領域のエッチングを行う工程を含み、前記第２クラッド領域は前記回折格子構造の少なくとも一部分を含むことができる。

この作製方法によれば、回折格子構造と量子カスケードレーザコア層との結合を大きくできる。

本発明に係る作製方法では、前記半導体積層の前記エッチングでは、前記第１マスクを用いてドライエッチングを行って前記半導体メサ部の高さのうち第１部分を形成すると共に、該ドライエッチングの後に前記第１マスクを用いたウエットエッチングを行って前記半導体メサ部の高さのうち第２部分を形成することができる。

この作製方法によれば、半導体メサ部が上部部分及び下部部分からなるとき、ドライエッチングにより上部部分の側面における垂直性を高めることができると共に、ウエットエッチングにより下部部分の側面における垂直性を弱めることができる。

本発明に係る作製方法では、前記ドライエッチングは誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング法を用いるエッチングを含むことができる。この作製方法によれば、半導体メサ部の形成において、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング法の利用により、異方性の強いエッチングが可能になる。

本発明に係る作製方法では、前記半導体領域のエッチングは基板バイアスを印加したがら行われることが好ましい。

この作製方法によれば、基板バイアスの利用は、誘電体マスクを用いて半導体領域をエッチングしながら誘電体マスクの側面を後退させることができる。誘電体マスクに形成されるこの傾斜を半導体表面に転写できる。

本発明に係る作製方法は、前記誘電体マスクを除去した後に、パッシベーションのための絶縁膜を前記半導体領域の表面の上に成長する工程と、前記絶縁膜をエッチングして、前記半導体メサ部の前記上面に開口を有する工程とを更に備えることができる。

この作製方法によれば、回折格子構造上に電極のための開口を形成できる。

本発明に係る作製方法では、前記回折格子構造は、前記半導体メサ部の前記上面において、前記半導体メサ部の延在方向に交差する方向に延在する複数の凸部を含み、前記凸部は上面及び側面を有し、前記凸部の前記側面は前記凸部の前記上面に対してゼロより大きく９０度より小さい角度で傾斜することができる。

この作製方法によれば、回折格子構造上に開口を形成する際に、半導体表面を覆う保護膜の除去が容易になり、回折格子構造上の開口における保護膜のエッチング残りを低減できる。

本発明に係る作製方法では、前記誘電体マスクを除去した後に、前記凸部の前記側面及び前記凸部の前記上面に接触を成す電極を形成する工程を更に備えることができる。

この作製方法によれば、保護膜のエッチング残りが低減された開口に電極を設けることができる。

以上説明したように、本発明によれば、量子カスケードレーザに分布帰還型の回折格子を作り込む際に、半導体メサ上面に回折格子構造を作製できる、量子カスケード半導体レーザを作製する方法が提供される。

図１は、本実施の形態に係る、エピタキシャル基板を作製する工程を示す図面である。図２は、本実施の形態に係る、メサストライプのためのマスクを作製する工程を模式的に示す図面である。図３は、本実施の形態に係る、量子カスケード半導体レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。図４は、本実施の形態に係る、量子カスケード半導体レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。図５は、本実施の形態に係る、量子カスケード半導体レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。図６は、本実施の形態に係る、量子カスケード半導体レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。図７は、本実施の形態に係る、量子カスケード半導体レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。図８は、本実施の形態に係る、量子カスケード半導体レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。図９は、本実施の形態に係る、量子カスケード半導体レーザを作製する方法における回折格子形成及びコンタクト開口ための主要な工程を模式的に示す図面である。図１０は、本実施の形態に係る、量子カスケード半導体レーザを作製する方法における回折格子形成及びコンタクト開口ための主要な工程を模式的に示す図面である。

引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の量子カスケード半導体レーザを作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

量子カスケード半導体レーザの製造方法を図面を参照しながら説明する。まず、半導体基板（図１の（ａ）部に示された符号「１１」）を準備する。半導体基板１１は導電性を有しており、例えばｎ導電性を有する。半導体基板１１は、主面１１ａと、主面１１ａと反対側の裏面１１ｂとを有する。半導体基板１１は、例えばｎ型ＩｎＰからなる。この半導体基板１１の主面１１ａ上に半導体エピタキシャル層の積層体を成長する。成長法としては、例えばＯＭＶＰＥ（Organometallic Vapor Phase Epitaxy）又はＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）等の結晶成長法を用いることができる。本実施例では、有機金属気相成長法を用いる。第１クラッド領域、量子カスケードレーザコア層及び第２クラッド領域を含む半導体積層を成長する。

図１の（ａ）部に示されるように、有機金属気相成長法を用いて、III−Ｖ化合物半導体からなる第１クラッド領域１３を半導体基板１１の主面１１ａ上に成長する。第１クラッド領域１３は、下部クラッド層として働く例えばｎ型ＩｎＰからなることができる。下部クラッド層の厚さは例えば３０００〜４０００ｎｍ程度であることができる。なお、第１クラッド領域１３は半導体基板１１の表面付近の領域を利用してもよい。本実施例では、厚さ５００ｎｍ程度のＩｎＰバッファ層を第１クラッド領域１３として成長する。

図１の（ｂ）部に示されるように、有機金属気相成長法を用いて、III−Ｖ化合物半導体からなるコア領域１５を第１クラッド領域１３の主面上に成長する。コア領域１５は、例えば量子カスケードレーザコア層１７を含む。必要な場合には、量子カスケードレーザコア層１７は、下部光閉じ込め層１９および上部光閉じ込め層２１の間に設けられることができる。この形態では、下部光閉じ込め層１９を第１クラッド領域１３上に成長する。コア領域１５では、下部光閉じ込め層１９は、第１クラッド領域１３と量子カスケードレーザコア層１７との間に設けられる。下部光閉じ込め層１９は、第１クラッド領域１３上に設けられている。下部光閉じ込め層１９は、例えばｎ型ＧａＩｎＡｓにより構成され、その厚さは例えば４００〜５００ｎｍ程度である。

量子カスケードレーザコア層１７は、発光領域である複数の活性層と、活性層にキャリアを注入するための複数の注入層とを含む。量子カスケードレーザコア層１７は、複数の活性層及び複数の注入層交互に配列されたカスケード構造を有している。これらの活性層および注入層は、それぞれ、例えばＧａＩｎＡｓおよびＡｌＩｎＡｓからなることができ、超格子列を構成する。量子カスケードレーザコア層１７の厚さは、例えば２μｍ程度であることができる。

量子カスケードレーザコア層１７は、例えば、以下の第１半導体層〜第１６半導体層が順に接続された超格子列からなる単位積層体２３を含む。

単位積層体２３の構造の一例は、10〜20層で構成されるGaInAsとAlGaInAsが交互に積層された半導体層であり、1層の厚みは0.5nmから10nm程度である。

量子カスケードレーザコア層１７は、この単位積層体２３が多段に（例えば３０単位）接続された構造を有している。この量子カスケードレーザコア層１７により、例えば８μｍ帯のレーザ発振のための発光領域が提供される。

次いで、必要な場合には、上部光閉じ込め層２１を量子カスケードレーザコア層１７上に成長することができる。上部光閉じ込め層２１は、例えばｎ型ＧａＩｎＡｓにより構成され、その厚さは例えば４００〜５００ｎｍ程度である。

図１の（ｃ）部に示されるように、有機金属気相成長法を用いて、III−Ｖ化合物半導体からなる第２クラッド領域２５を量子カスケードレーザコア層１７上の主面上に成長する。第１クラッド領域１３の導電型は第２クラッド領域２５の導電型と同じである。第２クラッド領域２５は、上部クラッド層として働く例えばｎ型ＩｎＰからなることができる。下部クラッド層の厚さは例えば３０００〜４０００ｎｍ程度であることができる。本実施例では、上部クラッド層は、上部光閉じ込め層２１上に設けられている。この上部クラッド層は、下部クラッド層と同じ導電型であって、例えばｎ型ＩｎＰにより構成されている。また、上部クラッド層の厚さは、例えば３０００〜４０００ｎｍ程度であり、本実施例では３０００ｎｍである。

これらの工程により、エピタキシャル基板Ｅが作製される。エピタキシャル基板Ｅは、半導体基板１１と該半導体基板１１上に成長された半導体積層２７とを含む。

引き続く工程では、図２の（ａ）部に示されるように、メサストライプのための第１マスク３１を半導体積層２７の主面２７ａ上に形成する。半導体積層２７の主面２７ａは、素子エリア２７ｂ及び周辺エリア２７ｃを含む。第１マスク３１は半導体積層２７の主面２７ａ上に形成される。第１マスク３１は、半導体積層２７の主面２７ａの周辺エリア２７ｃを覆う被覆部３１ａと共に、メサストライプのためのパターン部３１ｂを主面２７ａの素子エリア２７ｂ上に有する。半導体基板１１が例えば２インチウエハであるときは、パターン部３１ｂは例えば３０ミリメートル角程度の四辺形を有することができる。図２の（ｂ）部を参照すると、破線で示されたエリアＣＩＲＣの拡大図が示されている。パターン部３１ｂは、メサストライプを規定する第１パターン３３ａと、必要な場合に設けられるテラスを規定する第２パターン３３ｂとを含み、第１パターン３３ａと第２パターン３３ｂとの間には溝を規定する開口３３ｃを有する。第２パターン３３ｂ、開口３３ｃ、第１パターン３３ａ、及び開口３３ｃをユニットとして、該ユニットが一方向に配列されている。本実施例では、パターン部３１ｂが第２パターン３３ｂを含む。テラスは必要な場合に設けられることができ、テラスを用いないときは、第１パターン３３ａ及び開口３３ｃからなる別のユニットを用いることもでき、溝を規定する開口は２つの第１パターン３３ａにより規定される。メサ幅は例えば５μｍ〜１５μｍ程度であり、溝幅は例えば０．１５μｍ〜０．８μｍ程度である。

引き続く図３〜図７は、図２の（ｂ）部に破線で示されたＢＯＸのエリアにおける作製を模式的に示す。図３の（ａ）部を参照すると、第１マスク３１が半導体積層２７の主面２７ａ上に形成されている。第１マスク３１を用いて半導体積層２７をエッチングして、図４の（ａ）部に示されるように、半導体領域３９を形成する。この工程のエッチングにより、半導体メサ部３５と該半導体メサ部３５を規定する凹部３７ａ、３７ｂとが形成される。半導体メサ部３５は、第１クラッド領域１３、量子カスケードレーザコア層１５及び第２クラッド領域２５を含む。本実施例では、テラス部３５ｃも、半導体メサ部３５と同様な層構造として、第１クラッド領域１３、量子カスケードレーザコア層１５及び第２クラッド領域２５を含むけれども、これに限定されるものではない。

このエッチングは、ドライエッチング及びウエットエッチングの少なくともいずれか一方を用いて行われることができる。メサを形成するエッチングは、例えば以下のように行うことができる。半導体積層２７のエッチングでは、図３の（ｂ）部に示されるように、第１マスク３１を用いてドライエッチングを行って半導体メサ部３５の高さのうち第１部分Ｈ１を形成すると共に、図４の（ａ）部に示されるように、該ドライエッチングの後に第１マスク３１を用いたウエットエッチングを行って半導体メサ部３５の高さのうち第２部分Ｈ２を形成することができる。このとき、半導体メサ部３５の高さは、第１部分Ｈ１及び第２部分Ｈ２の和Ｈ０になる。好適な実施例では、半導体メサ部３５の向きは、III−Ｖ化合物半導体の＜０１１＞方向に延在するように規定される。半導体メサ部３５の高さは、例えば６μｍ〜８μｍであることができる。

このエッチングの手順によれば、半導体メサ部３５が上部部分３５ａ及び下部部分３５ｂからなるとき、ドライエッチングにより上部部分３５ａの側面３５ｄにおける垂直性を高めることができると共に、ウエットエッチングにより下部部分３５ｂの側面３５ｄに傾斜を形成することができる。このような側面の垂直性及び傾斜は、テラス部３５ｃの側面３５ｅにも適用される。また、ドライエッチングに誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング法を用いるとき、半導体メサ部３５の形成において、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング法の異方性により、垂直性の制御が可能になる。半導体メサ部３５の上部部分の側面における鋭い傾斜は、後の露光工程において行われる高低差に基づくフォーカス／デフォーカスに有効に作用する。

エッチングの一実施例では、ＣＶＤ法で成長されたシリコン窒化膜（例えば厚さ１００ｎｍ）にフォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、シリコン窒化膜マスクを作製する。このシリコン窒化膜マスクを用いて、半導体積層２７に対して誘導結合プラズマ型反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）を行う。このドライエッチング工程では、例えば形成すべきメサ高の約５０％程度又は３μｍ程度のエッチングを行う。エッチングガスとしては、メタン及び水素の混合ガスが好適である。或いは、ＨＣｌ、ＳｉＣｌ_４、ＨＩ等をエッチングガスとして用いてもよい。この工程によって、半導体基板１３の主面１３ａに対して略垂直な側面を半導体メサ部の上部部分に形成できる。

続いて、シリコン窒化膜マスクを用いて、半導体メサ部の下部部分を形成するためのウエットエッチングを行う。このウエットエッチング工程では、例えば形成すべきメサ高の約５０％程度又は３μｍ程度のエッチングを行う。このウエットエッチング工程では、エッチャントとして、摂氏０度の液温のメタノールに容積比約１％のＢｒを混合した溶液、若しくは、ＨＢｒ、Ｈ_２Ｏ_２、Ｈ_２Ｏ及びＨＣｌの混合液（混合比は、例えばＨＢｒ：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏ：ＨＣｌ＝２０：２：２０：２０）が使用される。この工程によって、図４の（ａ）部に示されるように、ストライプメサ構造が形成される。なお、本実施例では、半導体積層２７のＡｌＩｎＡｓ層からＩｎＰ基板２１に達するエッチングを行い、ＩｎＰ基板２１を或る程度エッチングしたところで該ウエットエッチングを停止する。したがって、半導体メサ部３５は、半導体積層２７のエッチングから形成された部分に加えて半導体基板（例えばＩｎＰ基板）１３のエッチングから形成された部分を含む。

ドライエッチング及びウエットエッチングの組み合わせにより、上部部分３５ａの側面が６０度から８０度程度（本実施例では例えば７５度）の垂直性を有すると共に下部部分３５ｂの側面が２０度から３０度程度（本実施例では例えば２５度）の傾斜面を有する半導体メサ部３５を形成できる。

エッチングが完了した後に、図４の（ｂ）部に示されるように、第１マスク３１を除去する。第１マスク３１が例えばシリコン窒化膜マスクからなるときは、その除去には例えばフッ酸溶液等を用いることができる。半導体メサ部３５の形状、テラス部３５ｃの形状、及び凹部３７ａ、３７ｂの形状を反映した表面形状を有する半導体領域３９を形成する。半導体領域３９の表面３９ａは、半導体メサ部３５の形状、テラス部３５ｃの形状、及び凹部３７ａ、３７ｂの形状を反映した表面形状を有する。

第１マスク３１を除去した後に、図５の（ａ）部に示されるように、半導体メサ部３５の表面、凹部３７ａ、３９ｂの表面、及びテラス部３５ｃ（形成されているとき）上に、半導体領域３９の表面形状を反映するように誘電体膜４１を成長する。誘電体膜４１は例えばシリコン系無機絶縁膜からなることができる。シリコン系無機絶縁膜は例えば化学的気相成長法で成長されることができる。本実施例では、シリコン窒化膜を成長する。誘電体膜４１の膜厚は、例えば５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲にある。

誘電体膜４１を成長した後に、図５の（ｂ）部に示されるように、レジスト膜４３を形成する。レジスト膜４３は、半導体メサ部３５の表面に位置する第１部分４３ａ、凹部３７ａ、３７ｂの表面上に位置する第２部分４３ｂ、テラス部３５ｃの表面上に位置する第３部分４３ｃを含む。レジスト膜４３は、半導体領域３９の表面形状を反映するように塗布されることが好ましい。レジスト膜４３の膜厚は、半導体メサ部３５の上面３５ｆ上で例えば５００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲にある。

レジスト膜４３を形成した後に、露光及び現像を行う。露光には、例えば縮小投影露光法、露光用マスクアライナを用いた露光法等を適用できる。露光のために、回折格子を規定するためのパターンを有するフォトマスク（例えばレチクル）４５及び露光装置４７を準備する。フォトマスク４５を露光装置４７にセットした後に、回折格子を規定するためのパターンを半導体メサ部３５の上面３５ｆ上のレジスト膜４３の第２部分４３ｂ（図５の（ｂ）部を参照）に転写するための露光を行って、図６の（ａ）部に示されるように、露光されたレジスト膜４９を形成する。次いで、露光されたレジスト膜４９の現像を行って、図６の（ｂ）部に示されるように、第２マスク５１を形成する。第２マスク５１は、半導体メサ部３５の上面３５ｆ上のレジスト膜５１に形成された回折格子構造用パターン５３を有する。第２マスク５１は第１レジスト部５１ａ及び第２レジスト部５１ｂを含む。第１レジスト部５１ａは、回折格子を規定するパターンを含む回折格子構造用パターン５３を有すると共に半導体メサ部３５の上面上の誘電体膜４１の表面に設けられる。第２レジスト部５１ｂは凹部３７ａ、３７ｂ上の誘電体膜４１の表面を覆う。第３レジスト部５１ｃはテラス部３５ｃの上面上の誘電体膜４１の表面を覆う。回折格子構造用パターン５３は、複数の開口５３ａと複数のレジスト突起５３ｂを含み、開口５３ａ及びレジスト突起５３ｂは交互に配列されており、また回折格子を規定できるように周期的に配置される。開口５３ａには、半導体メサ部３５の上面の誘電体膜４１の一部が露出されている。

露光について更に説明する。図６の（ａ）部を参照すると、露光されたレジスト膜４９は、半導体メサ部３５の表面に位置する第１部分４９ａ、凹部３７ａ、３７ｂの表面上に位置する第２部分４９ｂ、テラス部３５ｃの表面上に位置する第３部分４９ｃを含む。半導体メサ部３５の表面に位置する第１部分４９ａは、回折格子のためのパターン（図６の（ａ）部に示されるパターンＰ０がフォトマスクから転写されている。つまり、半導体メサ部３５の表面に位置する第１部分４９ａには、露光装置４５におけるアライメントにより位置合わせたフォトマスク上のパターン（つまり、回折格子を規定するパターン）が、解像可能なように転写される。テラス部３５ｃの表面上に位置する第３部分４９ｃには、露光装置４５におけるアライメントにより位置合わせたフォトマスク上のパターン（本実施例では、レジストのポシ／ネガに応じて、光を遮断するパターン／光を透過させるパターン）が、解像可能なように転写される。露光装置４５におけるアライメントにより位置合わせたフォトマスク上の回折格子を規定するパターンは、半導体メサ部３５の上面の横幅より広いエリアにパターン形成可能なサイズで設けられているけれども、凹部３７ａ、３７ｂの表面上に位置する第２部分４３ｂのレジストには、解像可能なように転写されない。半導体メサ部の高さが例えば３μｍ程度より大きいとき、半導体メサ部の上面の高さにフォーカスを合わせるとき、フォーカス調整に関しては、半導体メサ部を規定する溝部の底に対してデフォーカスの状態になる。

上記なような解像を可能にする露光は、例えば以下のように行われる。第２マスク５１を形成する工程は、半導体メサ部３５上の第１部分４３ａのレジストへの解像が可能なように露光装置４７において露光のためのフォーカスを調整する。フォーカスの調整は、例えば図２に示された周辺エリアにおいて行われることができ、調整工程では一回、又は調整場所を変えながら複数回の調整を行うことができる。次いで、半導体メサ部３５上のレジスト膜４３にフォトマスク４５上のパターンを転写するための露光を行う。露光されたレジスト膜４９の現像を行って、第２マスク５１を形成する。フォーカスの調整は、凹部３７ａ、３７ｂ上にレジストが解像されないように行われる。

この方法によれば、露光工程におけるフォーカスの調整により、半導体メサ部３５上面上のレジストに、解像のために十分な露光のために光量を提供できる。また、露光におけるフォーカスの調整により、半導体メサ部３５の上面と異なる高さの位置に設けられたレジスト（例えば凹部３７ａ、３７ｂ上のレジスト）には解像が不可能な光量の光を提供する。これ故に、フォーカスの調整は、半導体領域３９の表面３９ａにおける高低差を利用して、パターンの転写エリアを選択できる。半導体メサ部３５の高さは例えば３μｍ以上であることができ、本実施例では高さ６μｍの半導体メサを形成する。フォーカスの調整により、高低差に基づく解像差を提供できる。

次の工程では、第２マスク５１を用いて誘電体膜４１のエッチングを行って、図７の（ａ）部に示されるように、誘電体マスク５５を形成する。第２マスク５１を除去した後において、誘電体マスク５５は、半導体メサ部３５の上面３５ｆ上の誘電体膜４１の部分４１ａに形成された回折格子構造用パターン５７を有する。誘電体マスク５５は第１誘電体マスク部５５ａ及び第２誘電体マスク部５５ｂを含む。第１誘電体マスク部５５ａは回折格子を規定するパターンを含む回折格子構造用パターン５７を有すると共に半導体メサ部３５の上面の表面に設けられる。第２誘電体マスク部５５ｂは凹部３７ａ、３７ｂの表面を覆う。第３誘電体マスク部５５ｃはテラス部３５ｃの表面を覆う。回折格子構造用パターン５７は、複数の開口５７ａと複数の誘電体突起５７ｂを含み、開口５７ａ及び誘電体突起５７ｂは交互に配列されており、また回折格子を規定できるように周期的に配置される。開口５７ａには、半導体メサ部３５の上面の一部が露出されている。

誘電体マスク５５を用いて半導体領域３９のエッチングを行って、図７の（ｂ）部に示されるように、半導体メサ部３５の上面に回折格子構造５９を形成する。半導体領域３９のエッチングの後に、誘電体マスク５５を除去する。誘電体マスク５５を除去した後において、半導体メサ部３５の上面は、半回折格子構造５９を有する。回折格子構造５９は、複数の窪み５９ｂと複数の突起５９ｃを含み、窪み５９ｂ及び突起５９ｃは交互に配列されており、また回折格子を規定できるように周期的に配置される。回折格子構造５９における窪み５９ｂの底面及び窪み５９ｂの側面の少なくとも一部には、半導体メサ部３５内のクラッド領域が露出されている。窪み５９ｂの深さは、例えば３００ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが好ましく、また突起５９ｃの高さは、例えば３００ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが好ましい。また、この構造では、回折格子構造５９上に設けられる電極は、クラッド領域に直接に接触するので、コア層からの熱を電極に伝えるために好適である。

この量子カスケード半導体レーザを作製する方法によれば、半導体メサ部３５の形状及び凹部３７ａ、３７ｂを有する半導体領域３９を形成した後に、回折格子を規定するためのパターンを半導体メサ部３５の上面上のレジスト膜４１に転写するための露光を行い露光されたレジスト膜４９を形成する。この露光されたレジスト膜４９を現像して第２マスク５１を形成するとき、この第２マスク５１は、凹部３７ａ、３７ｂの表面を覆う第１レジスト部５１ａと、半導体メサ部３５の上面上に設けられ回折格子を規定するパターンを有する第２レジスト部５１ｂを含む。これ故に、回折格子を規定するためのマスクパターンを半導体メサ部３５の上面上に形成できる。第２マスク５１を用いたエッチングにより、半導体メサ部３５の上面に回折格子構造５９を形成できる。回折格子の周期は例えば３００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲であることができる。

本実施形態に係る作製方法では、半導体メサ部３５の上面に回折格子構造５９を形成する工程では、半導体領域３９の第２クラッド領域２５のエッチングを行う工程を行うことができる。第２クラッド領域２５は回折格子構造５９の少なくとも一部分を含むことができる。この作製方法によれば、回折格子構造５９と量子カスケードレーザコア層１５との結合を大きくできる。

誘電体マスク５５を除去した後に、図８の（ａ）部に示されるように、パッシベーションのための保護膜６１をエッチングされた半導体領域３９の表面上に成長する。保護膜６１は、例えばシリコン酸窒化（ＳｉＯＮ）膜といったシリコン系無機絶縁膜を含むことができる。保護膜６１は例えば３００ｎｍ以上であることが好ましい。３００ｎｍ以上の厚さは、保護膜６１におけるピンホールの形成を低減できる。保護膜６１は例えば５００ｎｍ以下であることが好ましい。５００ｎｍ以下の厚さは、保護膜６１からの応力に起因する半導体の歪みを低減できる。

次いで、図８の（ｂ）部に示されるように、保護膜６１をエッチングして、半導体メサ部３５の上面に開口６１ａを形成する。この工程によれば、回折格子構造５９上に電極のためのコンタクト窓を形成できる。次いで、保護膜６１に開口６１ａを形成した後に、突起５９ｃの側面及び突起５９ｃの上面、並びに窪み５９ｂの側面及び窪み５９ｂの底面に接触を成す電極６３を形成することができる。これらの側面が傾斜するとき、保護膜６１のエッチング残りが低減された開口に電極６３を設けることができる。電極６３は、半導体メサ部３５の上面上に設けられ、また凹部３７ａ、３７ｂ上の保護膜６１に設けられてテラス部３５ｃ上の保護膜６１まで延在する。電極６３は、例えば蒸着法で形成された５００ｎｍ厚のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなることができる。また、半導体基板１１の裏面１１ｂを研磨した後に、研磨面上に別の電極を形成する。この別の電極は例えばＡｕＧｅ／Ｎｉからなることができる。

保護膜の開口形成には、平行平板型反応性イオンエッチング法を適用することができ、エッチングガスは、フルオロカーボン（例えばＣＦ_４）及び水素の混合ガスを含むことができる。好ましくは、半導体領域３９（又は、半導体メサ部３５）のエッチングは基板バイアスを印加したがら行われることができる。基板バイアスの利用は、誘電体マスク５５を用いて半導体領域３９をエッチングしながら誘電体マスク５５の上面及び側面の上エッジを後退させることができる。このようなエッチングによれば、誘電体マスク５５に形成されるこの傾斜を半導体表面に転写できる。図９及び図１０を参照しながら、誘電体マスク５５を用いた基板バイアス印加のエッチングを説明する。図９及び図１０は、図７の（ａ）部に示されたI−I線にそって取られた断面を模式的に示す。

図９の（ａ）部に示されるように、半導体メサ部３５の上面に誘電体マスク５５の回折格子構造用パターン５５ａが設けられている。エッチング装置では、誘導結合プラズマ型反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）が半導体のエッチングに適用される。発明者の実験によれば、エッチング中における誘電体マスクの変形は、基板のステージに印加されるバイアス電圧に応じて変更される。バイアス印加電圧が１５W程度であるとき、マスク後退量は少ないが、バイアス印加電圧が３０W程度になると、マスク後退量が大きくなり、これによって回折格子構造の突起部の側面に傾斜を付けることができる。好ましくは、３０Ｗ以上５０Ｗ以下のバイアス印加電圧が好ましい。エッチングガスは、炭化水素（例えばＣＨ_４）及び水素（Ｈ_２）の混合ガスを含むことができる。

図９の（ｂ）部に示されるように、エッチングの開始の後では、半導体領域が誘電体マスクパターンに応じてエッチングされると共に、誘電体マスクの上面のエッジも消失していく。図９の（ｃ）部に示されるように、さらにエッチングを続けると、誘電体マスクの上面エッジの消失が進み、エッチングの終了間際では上面エッジの傾斜が半導体表面のエッチングに転写されていく。そして、図９の（ｄ）部に示されるように、エッチングの終了後に、エッチングにより変形した誘電体マスクを除去すると、回折格子構造５９が提供される。

図９の（ｄ）部に示されるように、このように作製された回折格子構造５９は、半導体メサ部３５の上面において、半導体メサ部３５の延在方向に交差する方向に延在する複数の突起（凸部）５９ｃ及び複数の窪み（凹部）５９ｂを含み、突起５９ｃは上面５９ｄ及び側面５９ｅを有する。突起部５９ａの側面５９ｅは上面５９ｄに対してゼロより大きく９０度より小さい角度で傾斜する。

次いで、図１０の（ａ）部に示されるように、回折格子構造５９の表面に保護膜６１を堆積する。保護膜６１は突起５９ｃ及び窪み５９ｂを覆っており、突起５９ｃの側面５９ｅ及び上面５９ｄも覆う。続く工程では、図１０の（ａ）部に示されるように、フォトリソグラフィ及びエッチングにより保護膜６１に開口６１を形成する。突起５９ｂの側面５９ｅが傾斜しているので、この回折格子構造５９上に開口６１ａを形成する際に、半導体表面を覆う保護膜６１の除去が容易になり、回折格子構造上の開口における保護膜のエッチング残りを低減できる。次の工程では、図１０の（ｃ）部に示されるように、回折格子構造５９の表面に電極６３のための金属膜を堆積する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、分布帰還型の量子カスケードレーザが提供される。

半導体メサ部を形成する前に、エピタキシャル基板上において半導体メサ部の上面よりも広いエリアに、回折格子構造を形成するとき、この回折格子構造は、半導体メサ部の上面に残されるだけではなく、メサエッチングの結果、半導体メサ部を規定する凹部の側面及び底面にも転写される。凹部の側面及び底面における周期構造は、半導体メサ部の上面の回折格子構造に基づく単一モードレーザ発振を妨げる。一方、本実施の形態に係る分布帰還型の量子カスケードレーザは、半導体メサ部の上面に位置する回折格子構造を備えると共に凹部（半導体メサ部を規定する凹部）の側面及び底面には不要な回折格子構造を備えないので、この回折格子構造に基づく単一モードレーザ発振が可能になる。

本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。

本実施の形態によれば、量子カスケードレーザに分布帰還型の回折格子を組み込む際に、半導体メサ上面に回折格子構造を作製できる、量子カスケード半導体レーザを作製する方法が提供される。

１１…半導体基板、１３…第１クラッド領域、１５…コア領域、１９…下部光閉じ込め層、２１…上部光閉じ込め層、２３…単位積層体、２５…第２クラッド領域、２７…半導体積層、３１…第１マスク、３５…半導体メサ部、３７ａ、３７ｂ…凹部、３５ｃ…テラス部、４１…誘電体膜、４３…レジスト膜、４５…マスク部品（例えばレチクル）、４７…露光装置、４９…露光されたレジスト膜、５１…第２マスク、５５…誘電体マスク、５５ａ…回折格子構造用パターン、５７ａ…開口、５７ｂ…誘電体突起、５９…回折格子構造、５９ｂ…窪み、５９ｃ…突起、６１…保護膜、６３…電極。

Claims

量子カスケード半導体レーザを作製する方法であって、
メサストライプのための第１マスクを半導体積層の上に形成する工程と、
前記第１マスクを用いて前記半導体積層をエッチングすることにより半導体メサ部と該半導体メサ部を規定する凹部とを形成して、前記半導体メサ部の形状及び前記凹部の形状を反映した表面形状を有する半導体領域を形成する工程と、
前記第１マスクを除去した後に、前記半導体メサ部の表面及び前記凹部の表面の上に誘電体膜を成長する工程と、
前記誘電体膜を成長した後に、前記凹部の表面及び前記半導体メサ部の表面の上にそれぞれに位置する第１部分及び第２部分を含むレジスト膜を形成する工程と、
回折格子を規定するためのパターンを前記半導体メサ部の上面の上の前記レジスト膜の前記第２部分に転写するための露光を行い露光されたレジスト膜を形成すると共に前記露光されたレジスト膜の現像を行って、第２マスクを形成する工程と、
前記第２マスクを用いて前記誘電体膜のエッチングを行って、誘電体マスクを形成する工程と、
前記誘電体マスクを用いて前記半導体領域のエッチングを行って、前記半導体メサ部の上面に回折格子構造を形成する工程と、
前記誘電体マスクを除去する工程と、
前記誘電体マスクを除去した後に前記回折格子構造上に電極を形成する工程と、
を備え、
前記第２マスクは第１レジスト部及び第２レジスト部を含み、
前記第１レジスト部は前記回折格子を規定するパターンを有すると共に前記半導体メサ部の前記上面の上に設けられ、前記第２レジスト部は前記凹部の表面を覆い、
前記半導体メサ部は、第１クラッド領域、量子カスケードレーザコア層及び第２クラッド領域を含み、
前記量子カスケードレーザコア層は前記第１クラッド領域と第２クラッド領域との間に設けられ、
前記第１クラッド領域の導電型は前記第２クラッド領域の導電型と同じであり、
前記第２マスクを形成する前記工程は、
前記半導体メサ部の上の前記レジスト膜を解像するように前記露光におけるフォーカスを調整する工程と、
前記半導体メサ部の上の前記レジスト膜に前記パターンを転写するための露光を行う工程と、
前記露光されたレジスト膜の現像を行って、前記第２マスクを形成する工程と、
を含み、
前記フォーカスの調整は、前記凹部の上にレジストが解像されないように行われる、量子カスケード半導体レーザを作製する方法。
前記半導体メサ部の高さは３μｍ以上である、請求項１に記載された量子カスケード半導体レーザを作製する方法。
前記半導体メサ部の上面に回折格子構造を形成する前記工程は、前記半導体領域の前記第２クラッド領域のエッチングを行う工程を含み、
前記第２クラッド領域は前記回折格子構造の少なくとも一部分を含む、請求項１又は請求項２に記載された量子カスケード半導体レーザを作製する方法。
前記半導体領域のエッチングは、基板バイアスを印加しながら行われる、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された量子カスケード半導体レーザを作製する方法。
前記半導体積層の前記エッチングでは、前記第１マスクを用いてドライエッチングを行って前記半導体メサ部の高さのうち第１部分を形成すると共に、該ドライエッチングの後に前記第１マスクを用いたウエットエッチングを行って前記半導体メサ部の高さのうち第２部分を形成する、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された量子カスケード半導体レーザを作製する方法。
前記ドライエッチングは誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング法を用いるエッチングを含む、請求項５に記載された量子カスケード半導体レーザを作製する方法。
前記回折格子構造は、前記半導体メサ部の前記上面において、前記半導体メサ部の延在方向に交差する方向に延在する複数の凸部を含み、
前記凸部は上面及び側面を有し、
前記凸部の前記側面は前記凸部の前記上面に対してゼロより大きく９０度より小さい角度で傾斜する、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された量子カスケード半導体レーザを作製する方法。
前記電極は、前記凸部の前記側面及び前記凸部の前記上面に接触を成す、請求項７に記載された量子カスケード半導体レーザを作製する方法。
前記誘電体マスクを除去した後に、パッシベーションのための保護膜を前記半導体領域の表面の上に成長する工程と、
前記保護膜をエッチングして、前記半導体メサ部の前記上面に開口を有する工程と、
を更に備える、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された量子カスケード半導体レーザを作製する方法。