JPH0344601A - グレーティングの作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明は、光通信などに使用される各種光半導体素子に
形成されるグレーティングの作製方法に関する。

〔従来の技術〕

周期的な凹凸や屈折率分布、つまりグレーティングを先
導波層の近傍に形成することにより、光導波層を通る光
のうち特定の波長を反射する機能を与えることができる
。例えば、発光素子である半導体レーザにグレーティン
グを導入して分布帰還型や分布ブラッグ反射型にした場
合には、高速変調時に波長安定させることが可能となる
。また、光検出器の前段に置けば、特定の波長がここで
反射されるため光検出器に波長選択機能を付加すること
が可能となる。このように各種光半導体素子にグレーテ
ィングを導入することにより、素子本来の性能を向上し
たり、機能を付与することができる。

光半導体素子に使用されるグレーティングは、基板上に
周期的に凹凸を形成したレリーフ型か、あるいは周期的
５二屈折率を変えた屈折率変調型でつくられる。このう
ちレリーフ型は、従来、フォトレジストを基板上に塗布
しそこに何らかの方法でグレーティングパターンを形成
したのち、各種エツチング方法により凹部を作る方法が
一般的である。レジストのグレーティングパターンは、
ｉｌ＋露光マスクを用いた通常のフォトリソ法、（２）
コヒーレントな露光光源を三光束に分岐し、レジスト表
面で干渉させ干渉縞を露光する三光束干渉露光法、 （３）電子ビームでレジスト上に直接描画してし′シス
トパターンをつくる電子ビーム露光法。

等があげられる。このあとレジストパターンをマスクと
して、各種エツチングを施して周期的な凹凸を作製する
。

この他に、レジストパターンを用いずに、集束イオンビ
ームを操作してイオンを打ち込み、イオンの衝撃でスパ
ッタするか、あるいはイオン打ち込み後、イオン打ち込
み箇所をエツチングして選択的に除去し、周期的な凹凸
を作製する方法もある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来例では以下のような欠点があっ
た。

光半導体素子が必要とするグレーティングのピッチは細
かいため、再現性よく作製するのが困難である。例えば
、光通信の分野で使用されている光源の波長は、０．８
μｍ”−１，５μｍであり、そこで必要なグレーティン
グのピッチは２次のものを用いたとしても０．２３〜０
．４７μｍ、１次のものを用いる場合では０．１１〜０
．２３μｍが必要になる。

このためにレジストパターンは、光の波長オーダーでの
精度が要求されるが、露光マスクを用いた通常のフォト
リソグラフィでは、光源に遠紫外線を用いても０．５ミ
クロン程度の精度が下限である。また三光束干渉露光法
を用いた場合には、二つに分岐した光線の光路長および
強度を精密に合わせなければ干渉縞の露光コントラスト
が充分に得られず、結果として、作られたレジストパタ
ーンの輪郭が不鮮明となり、その後のエツチング工程に
支障が出る。また、有効露光面積が小さく、−度に大面
積のレジストパターンを作ることができないという欠点
がある。電子ビームの直接描画を用いる場合には微細な
レジストパターンを作製できるが、装置が大がかりであ
る、描画に時間がかかる、大きな面積に露光することが
できないなどの欠点がある。

本発明は、微細かつ精度の良い格子ピッチを有するグレ
ーティングを広い面積において作製することができるグ
レーティングの作製方法を実現することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は、酸化されにくい第１の半導体層と酸化されや
すい第２の半導体層で構成された超格子層を用いて行な
うグレーティングの作製方法であって、 半導体基板上に前記超格子層を形成させる工程と、 前記超格子層を一定角度の斜面に加工する工程と、 前記一定角度の斜面に加工された超格子層上に第３の半
導体層を再成長させる工程と、前記第３の半導体層に対
して、エツチングを行なう工程より成るもので、 第１の半導体層と第２の半導体層の厚さが一定である超
格子層を用いる場合、 あるいは、′ｆＪ１の半導体層と第２の半導体層の少な
くとも一方の厚さを徐々に変化させた超格子層を用いる
場合がある。

〔作用〕

一定角度の斜面に加工されたＭｔ８子層の表面のうち、
酸化されやすい第２の半導体屑の表面には酸化膜が形成
される。このため、次の工程において超格子層上に形成
される第３の半導体層のうち、１ｇ２の半導体層−Ｅに
形成されるものは多結晶のものとなり、第１の半導体層
上に形成されるものは単結晶のものとなる。単結晶の半
導体と多結晶の半導体とではエツチング速度が異なり、
多結晶のものは＊結晶のものよりもエツチング速度が大
きいので、次に行なわれるエツチング工程にて、１ｇ３
の半導体層のうち単結晶のもののみが残り、超格子層の
積層間隔と斜面の角度によって格子ピッチが決定された
グレーティングが形成される。超格子層の第１および第
２の半導体層の淳ざが一定の場合、一定格子ピッチ、す
なわち一定周期のグレーティングとなり、第１と第２の
半導体層の少なくとも一方の厚さが徐々に変化する場合
、格子ピッチが変化するグレーティング、すなわち周期
が変化するグレーティングとなる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例によるグレーティングの特徴
を最もよく表す図である。

同図において１はグレーティングの下部構造を含む半導
体基板、２は超格子層、３は超格子層を構成する第１の
半導体、４は超格子層を構成する第２の半導体、５は超
格子層の加工後再成長した半導体単結晶を表す。再成長
した半導体層の間隔が、必要なグレーティングの周期に
なるように合わせて光導波層の近傍に設置すれば、グレ
ーティングとして機能する。このグレーティングでは、
超格子層２を一定角度の斜面に加工する工程において、
超格子層２を半導体基板１の長手方向であるＸ方向に対
して一定の角度をもつ斜面に加工したものである。

このグレーティングの作製方法を、第２図を参照して説
明する。

本実施例では、超格子層２において、酸化されにくい半
導体層である第１の半導体層３としてＧａＡｓを用い、
酸化されやすい半導体層である第２の半導体層４として
Ａ１．　、Ｇａ、、　、、Ａｓを用いており、第２図（
ａ）に示すように、半導体基板１Ｆに、それらの半導体
層３および４を２００Ａずつ交互に成長させて超格子層
２を形成している。次に、研摩などの手段により、第２
図（ｂ）に示すように、超格子層２′を半導体基板１の
面の長手方向であるＸ方向に対して一定の角度の斜面に
加工する。加工された斜面には、超格子層２を形成する
第１および第２半導体層３，４、すなわちＧａＡｓ層と
ＡｌＯ，ｙＧａｏ３Ａｓ層とが交互にストライブになっ
て露出する。つづいて、この斜面上に分子線エピタキシ
ーによりＧａＡｓを再成長させる。この場合、第２図（
Ｃ）に示すように、斜面に露出した超格子層２のうち、
ＧａＡｓの部分にはＧａＡｓ半導体単結晶５が成長する
が、Ａ１．、　、Ｇａｏ３Ａｓの部分には、その表面に
酸化膜が存在するため、単結晶は成長しにくくＧａＡｓ
半導体多結晶６が成長する。そして、再成長させた、Ｇ
ａＡｓ層−導体単結晶５とＧａＡｓ半導体多結晶６にエ
ツチングを行なう。この場合、ＧａＡｓ半導体単結晶５
とＧａＡｓ半導体多結晶６とではＧａＡｓ半導体多結晶
６の方がエツチング速度が速いため、第２図（ｄ）に示
すように、ＧａＡｓ半導体多結晶６の部分のみが除去さ
れ、前述した第１図に示すよう、な、単結晶によるグレ
ーティングを作製することができる。

このグレーティングの実効的な周期は、超格子層２の各
半導体層３．４の厚さと、Ｍｉ格子層２を斜めに加工す
る際の角度で決定される。

ここで、得たいグレーティングの周期をＰ入とし、超格
子層２の各半導体層３．４のＰ’ｌさを０人（一定）と
すると、斜め加工の、半導体基板１の面に対する角度θ
は次式で表わされる。

θ＝　　ｊａｎ−’　（Ｄ／　Ｐ　） したがって、ＧａＡｓ系で波長０．８μｍの光に対する
、周期１２００人の１次のグレーティングを、角度θ＝
１℃で加工して得たい場合、半導体層３．４の厚さＤは
２１λとなる。近来では分子線エピタキシーや有機金属
化学気相法などによって精密に超薄膜を成長することが
可能であるので、本実施例に述へた超格子も容易に作製
可能である。これ以外にもとりたてて困難な工程は無く
、１ミクロン以下の狭周期のグレーティングを精密かつ
容易に作製することが可能である。

次に、本発明の第２実施例について説明する。

第３図は本発明の第２実施例によるグレーティングの特
徴を最もよく表す図である。

このグレーティングは、第１図に示したものとほぼ同様
の構成で、同一の構造のものには同一番号を付している
。

本実施例によるグレーティングと第１図に示したグレー
ティングとの相違点は、超格子層２を構成する第１また
は第２半導体層３．４の厚さに変化を持たせたことにあ
る。

ここでは、第３図に示すように、超格子層２を構成する
第２の半導体層４の厚さを徐々に変化させており、これ
によって周期が徐々に変化するグレーティングを形成す
ることができる。

このグレーティングの作製方法を、第４図を参照して説
明する。

本実施例においても、前述の第１実施例の場合と同様に
、超格子層２を、ＧａＡｓの半導体層３とＡ１．　、Ｇ
ａＯ３八ｓの半導体層４とで形成し、第４図（ａ）に示
すように、−半導体基板１上に、半導体層３．４を交互
に、そして第２の半導体層４の厚さが徐々に変化するよ
うに成長させる。このときの第２の半導体層４の層厚は
、後に斜め研摩してその斜面に超格子層２が露出した際
の周期を想定して決める。次に、半導体基板ｌ上に成長
された超格子層２を研摩により、第４図（ｂ）に示すよ
うに、半導体基板１の面の長手方向であるＸ方向に対し
て一定の角度の斜面に加工する。加工された斜面には、
超格子層２を形成する第１および第２の半導体層３，４
、すなわちＧａＡｓ層とＡＩ。、　、Ｇａ０．　。

ＡＳｉとがストライブになって露出する。つづいて、こ
の斜面上に、分子線エピタキシーによりＧａＡｓを再成
長させる。この場合、第４図（Ｃ）に示すように、斜面
に露出した超格子層２のうち、ＧａＡｓの部分にはＧａ
Ａｓ半導体単結晶５が成長するが、Ａｌｏ７Ｇａｏ３Ａ
ｓの部分にはその表面に酸化膜が存在するため、単結晶
は成長しに（（ＧａＡｓ半導体多結晶６が成長する。そ
して、再成長させた、ＧａＡｓ半導体単結晶５とＧａＡ
ｓ半導体多結晶６にエツチングを行なう。この場合、Ｇ
ａＡｓ半導体単結晶とＧａＡｓ半導体多結晶とでは、多
結晶の方がエツチング速度が速いため、第４図（ｄ）に
示すように、ＧａＡｓ半導体多結晶６の部分のみが除去
され、前述の第３図に示すような、単結晶のグレーティ
ングを作製することができる。

このようにして作製されたグレーティングは、一般にチ
ャープグレーティングと呼ばれ、周期が徐々に変化して
いるため、ブラッグ反射する波長が場所によって変わり
、複数の波長が混在した光を分波する機能を有するもの
となる。したがって、チャープグレーティングを光検出
器と組合せた場合、分波機能付光検出器を得ることがで
きる。

ここで、本発明によって作製したチャープグレーティン
グの一例を使用した分波機能付光検出器の一例を、第５
図を参照して説明する。

この分波機能付光検出器で使用するチャーブグレーティ
ングは、超格子層２を一定角度の斜面に加工する工程で
、超格子層２を、半導体基板１の、長平方向であるＸ方
向とＸ方向に直交するＹ方向とに対して、一定の角度を
もった斜面に加工したものである。したがって、加工さ
れた斜面上に再成長された半導体単結晶５は、第５図の
ように、半導体基板１のＸ方向およびＹ方向に対して角
度をもったものとなっている。

この分波機能付光検出器は、導波路を備えた半導体基板
１上に、エツチングによって再成長されたＧａＡｓ半導
体単結晶５で形成されたチャーブグレーティングに対し
て、光の反射方向に光検出器５１、５２．５３．５４が
配置されている。この光検出器５１、５２．５３．５４
は、それぞれ波長λ１．λ２゜λ３．λ４の光を検出す
る構成となっている。

波長λ１．λ２．λ３．λ４の光を含む複数の波長の光
信号５５が半導体基層１の導波路に入射されると、チャ
ーブグレーティングのグレーティング間隔が場所によっ
て異なるため、信号光５５のうち特定波長λ１．λ２．
λ３．λ４の光は、ある特定のグレーティング間隔の場
所でブラッグ反射し、その射出光５６．５７．５８．５
９の反射方向にそれぞれ配置されている光検出器５１．
５２．５３．５４に入射されて検知されることになる。

この分波機能付光検出器ではλ１〜λ４の４波長の光を
検出する例を示したが、光検出器の、個数の増減あるい
は配置位置の変更により、検出光の数およびその波長を
コントロールすることが可能である。さらに、集積化も
容易な構成となっており、小型で、かつ低価格な分波機
能付光検出器を提供することができる。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、以下に示すような
効果を奏するものである。

（１）グレーティングを作製する部分に超格子層を設け
、これを基板面に対して一定の角度の斜面に加工し、そ
の斜面に、超格子層を構成する複数の半導体層に対して
結晶性あるいは成長速度が異なるような条件で半導体結
晶を成長させることにより、特に１ミクロン以下の短い
周期をもつグレーティングを、広範囲にわたって精密か
つ容易に作製することが可能となる。

（２）研摩、エツチング処理によりグレーティングを形
成することができるので、大がかりな装置が不要となっ
て、経済的にも有利である。

（３）超格子層を構成する半導体層の厚さを変化させる
ことでグレーティング周期を変化させることができるの
で、応用範囲の広いグレーティングを容易に作製するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１筒は本発明の第１実施例によるグレーティングを示
す図、第２図は第１図に示したグレーティングの作製方
法を示す図、第３図は本発明の第２実施例によるグレー
ティングを示す図、第４図は第３図に示したグレーティ
ングの作製方法を示す図、第５図は第３図に示したグレ
ーティングを使用した分波機能付光検出器の一例を示す
図である。 １・・・半導体基板、　　　　２・・・超格子層、３．
４−・・半導体層、　　　５・・・半導体単結晶、６・
・・半導体多結晶、　　５１〜５４・・・光検出器、５
５−・・信号光、　　　　　５６〜５９・・・分波光。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、酸化されにくい第１の半導体層と酸化されやすい第
   ２の半導体層で構成された超格子層を用いて行なうグレ
   ーティングの作製方法であって、半導体基板上に前記超
   格子層を形成させる工程と、 前記超格子層を一定角度の斜面に加工する工程と、 前記一定角度の斜面に加工された超格子層上に第３の半
   導体層を再成長させる工程と、 前記第３の半導体層に対して、エッチングを行なう工程
   より成るグレーティングの作製方法。 ２、第１の半導体層と第２の半導体層の厚さが一定であ
   る超格子層を用いる請求項１記載のグレーティングの作
   製方法。 ３、第１の半導体層と第２の半導体層の少なくとも一方
   の厚さを徐々に変化させた超格子層を用いる請求項１記
   載のグレーティングの作製方法。