KR20150088184A - 분포 귀환형 반도체 레이저 소자, 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 제조방법 - Google Patents

분포 귀환형 반도체 레이저 소자, 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 제조방법 Download PDF

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카즈시게 카와사키
마사후미 미나미
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 전자선 묘화에 필요로 하는 시간을 단축할 수 있는 분포 귀환형 반도체 레이저 소자, 및 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 기판(12)과, 이 기판(12)의 윗쪽에 형성된 활성층(16)과, 제1패턴(20a)과, 상기 제1패턴(20a)보다 짧고, 상기 제1패턴(20a)의 중앙부에 대향하는 제2패턴(20b)을 갖고, 이 활성층(16)에서 발생한 빛을 회절하는 회절격자(20)를 구비한 것을 특징으로 한다.

Description

분포 귀환형 반도체 레이저 소자, 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 제조방법{DISTRIBUTED FEEDBACK LASER DIODE AND DISTRIBUTED FEEDBACK LASER DIODE FABRICATION METHOD}
본 발명은, 전자선 묘화에 의해 회절격자를 형성하는 분포 귀환형 반도체 레이저 소자, 및 그 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 제조방법에 관한 것이다.
특허문헌 1에는, InGaAsP 광 가이드층과 p형 InP 클래드층의 계면에, 톱니 형상의 요철을 갖는 회절격자를 구비한 분포 귀환형 반도체 레이저 소자가 개시되어 있다.
일본국 특개 2005-353761호 공보
전자선 묘화로 레지스트에 회절격자 패턴을 묘화하고, 그 회절격자 패턴을 이용해서 회절격자를 형성하는 일이 있다. 전자선 묘화에 따르면 미세한 회절격자 패턴을 그리는 것이 가능하지만, 회절격자 패턴의 면적에 비례해서 처리 시간이 길어지는 문제가 있었다.
본 발명은, 전술한 것과 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 전자선 묘화에 필요로 하는 시간을 단축할 수 있는 분포 귀환형 반도체 레이저 소자, 및 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본원의 발명에 관한 분포 귀환형 반도체 레이저 소자는, 기판과, 상기 기판의 윗쪽에 형성된 활성층과, 제1패턴과, 상기 제1패턴보다 짧고, 상기 제1패턴의 중앙부에 대향하는 제2패턴을 갖고, 상기 활성층에서 발생한 빛을 회절하는 회절격자를 구비한 것을 특징으로 한다.
본원의 발명에 관한 기타의 분포 귀환형 반도체 레이저 소자는, 기판과, 상기 기판의 윗쪽에 형성된 활성층과, 복수의 패턴을 갖고, 상기 활성층에서 발생한 빛을 회절하는 회절격자를 구비하고, 상기 복수의 패턴은, 각각, 2.5㎛ 이상의 길이의 도트가 줄지어 늘어섬으로써 형성된 것을 특징으로 한다.
본원의 발명에 관한 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 제조방법은, 기판의 윗쪽에 회절격자층을 형성하는 공정과, 상기 회절격자층의 윗쪽에 도전층을 형성하는 공정과, 상기 도전층 위에 레지스트를 형성하는 공정과, 상기 레지스트에 전자선을 쬐어 회절격자 패턴을 전자선 묘화하는 공정과, 상기 회절격자 패턴의 바로 아래의 상기 회절격자층을 남기도록 상기 회절격자층을 에칭하여, 회절격자를 형성하는 공정을 구비한 것을 특징으로 한다.
본원의 발명에 관한 또 다른 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 제조방법은, 기판의 윗쪽에 회절격자층을 형성하는 공정과, 상기 회절격자층 위에 직선 형상으로 패터닝된 절연층을 형성하는 공정과, 상기 절연층과 상기 회절격자층 위에, 상기 회절격자층 위의 부분보다도 상기 절연층 위의 부분이 얇아지도록, 레지스트를 형성하는 공정과, 상기 절연층 위의 상기 레지스트에 전자선을 쬐어 회절격자 패턴을 전자선 묘화하는 공정과, 상기 회절격자 패턴의 바로 아래의 상기 회절격자층을 남기도록 상기 회절격자층을 에칭하여, 회절격자를 형성하는 공정을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 회절격자를 구성하는 패턴의 길이를 짧게 하거나, 해당 패턴을 큰 도트로 형성하거나, 레지스트의 아래에 도전층 또는 절연층을 형성함으로써, 전자선 묘화에 필요한 시간을 단축할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 관한 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 단면도다.
도 2는 도 1의 회절격자의 평면도다.
도 3은 변형예에 관한 회절격자의 평면도다.
도 4는 다른 변형예에 관한 회절격자의 평면도다.
도 5는 본 발명의 실시형태 2에 관한 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 회절격자의 평면도다.
도 6은 본 발명의 실시형태 3에 관한 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 제조방법을 설명하는 웨이퍼의 일부 단면 사시도다.
도 7은 본 발명의 실시형태 4에 관한 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 제조방법을 설명하는 웨이퍼의 일부 단면 사시도다.
도 8은 레지스트 등을 나타낸 웨이퍼의 일부 단면 사시도다.
본 발명의 실시형태에 관한 분포 귀환형 반도체 레이저 소자, 및 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 제조방법에 대해서 도면을 참조해서 설명한다. 동일 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 부호를 붙이고, 설명의 반복을 생략하는 경우가 있다.
실시형태 1.
도 1은, 본 발명의 실시형태 1에 관한 분포 귀환형 반도체 레이저 소자(10)의 단면도다. 분포 귀환형 반도체 레이저 소자(10)는, 예를 들면 p형 InP로 형성된 기판(12)을 구비하고 있다. 기판(12) 위에는 p형 클래드층(14)이 형성되어 있다. p형 클래드층(14) 위에는 활성층(16)이 형성되어 있다. 활성층(16) 위에는 n형 스페이서층(18)이 형성되어 있다.
n형 스페이서층(18) 위에는, 예를 들면 InP로 회절격자(20)가 형성되어 있다. 회절격자(20)를 구성하는 복수의 패턴 사이에는, 예를 들면 InGaAsP로 광 가이드층(22)이 형성되어 있다. 광 가이드층(22) 위에는, 예를 들면 InP로 n형 클래드층(24)이 형성되어 있다. 따라서, 회절격자(20)는, n형 클래드층(24)과 광 가이드층(22)에 의해 매립되어 있다.
n형 클래드층(24) 위에는, 콘택층(26)을 개재하여 n측 전극(28)이 형성되어 있다. 또한, 기판(12)의 이면에는 p측 전극(30)이 형성되어 있다. 분포 귀환형 반도체 레이저 소자(10)는, 단부면(32, 34)을 갖는 공진기를 구성하고 있다.
도 2는, 도 1의 회절격자(20)의 평면도다. 회절격자(20)는, 제1패턴(20a)과, 제1패턴보다 짧은 제2패턴(20b)이 교대로 형성되는 구성으로 되어 있다. 제1패턴(20a)의 길이(x1)는 예를 들면 10㎛이다. 제2패턴(20b)의 길이(x2)는 예를 들면 3㎛이다. 제1패턴(20a)과 제2패턴(20b)의 간격은 예를 들면 200nm 정도이다
제2패턴(20b)은, 제1패턴(20a)의 중앙부에 대향하고 있다. 즉, 제1패턴(20a)의 단부에는 제2패턴(20b)이 대향하고 있지 않다. 그 결과, 회절격자(20)는, 단부면 32로부터 단부면 34에 걸쳐서, 폭 3㎛으로, 복수의 패턴이 등간격으로 설치된 회절격자로서 기능한다. 그리고, 회절격자(20)가 활성층(16)에서 발생한 빛을 회절함으로써 발광 파장의 단일화를 실현하고 있다.
이어서, 회절격자(20)의 형성방법에 대해 설명한다. 우선, 회절격자를 형성하기 위한 회절격자층을 웨이퍼 전체면에 형성한다. 이어서, 회절격자층 위에 레지스트를 형성한다. 이어서, 이 레지스트에 전자선 묘화를 실시함으로써, 회절격자의 패턴에 대응하는 회절격자 패턴을 1개씩 형성한다. 이어서, 해당 회절격자 패턴을 마스크로 해서 회절격자층의 일부를 에칭해서 회절격자(20)를 형성한다.
그런데, 회절격자를 구성하는 패턴의 폭을 10㎛로 형성해도, 실제로 사용하는 것은 중앙의 3㎛의 부분 뿐이며, 다른 7㎛의 부분은 프로세스 격차에 대응하기 위해 형성되어 있다. 그 때문에, 어느 정도 프로세스 격차를 억제할 수 있는 경우에는, 회절격자를 구성하는 패턴의 폭을 10㎛보다 짧게 해도 된다.
본 발명의 실시형태 1에 관한 회절격자(20)는, 제2패턴(20b)을 제1패턴(20a)보다도 짧게 했으므로, 그 만큼 전자선 묘화에 필요한 시간을 단축할 수 있다. 더구나, 제1패턴(20a)과 제2패턴(20b)에 의해, 단부면 32로부터 단부면 34에 걸쳐서, 폭 3㎛으로, 복수의 패턴이 등간격으로 설치된 회절격자가 형성되어 있으므로, 제1패턴 만으로 구성된 회절격자와 동등한 기능을 갖는 회절격자를 제공할 수 있다.
도 3은, 변형예에 관한 회절격자의 평면도다. 이 분포 귀환형 반도체 레이저 소자 50의 회절격자는, 분포 귀환형 반도체 레이저 소자 10의 회절격자와 비교하여, 제2패턴(20b)의 밀도가 낮다. 도 4는, 다른 변형예에 관한 회절격자의 평면도다. 이 분포 귀환형 반도체 레이저 소자(100)의 회절격자는, 제2패턴 20b, 20c를 구비하고 있다. 제2패턴 20b, 20c는 모두 제1패턴(20a)보다 짧지만, 제2패턴 20c 쪽이 제2패턴 20b보다 짧다. 도 2 및 도 3을 참조해서 설명한 것과 같이, 제2패턴의 밀도를 변화시키거나, 복수의 다른 길이의 제2패턴을 설치해도 된다.
제1패턴(20a)의 길이와 제2패턴(20b)의 길이는 특별히 한정되지 않지만, 전자선 묘화에 필요한 시간이 길어지지 않도록, 3∼10㎛ 중 어느 하나가 바람직하다. 또한, 회절격자의 위상을 의도적으로 어긋나게 한 위상 시프트부를 형성해도 된다. 이때, 이들 변형은, 이하의 실시형태에 관한 분포 귀환형 반도체 레이저 소자와 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 제조방법에 응용할 수 있다.
실시형태 2.
도 5는, 본 발명의 실시형태 2에 관한 분포 귀환형 반도체 레이저 소자(150)의 회절격자의 평면도다. 복수 형성된 x방향에 평행한 패턴(152)이, 회절격자(154)를 구성하고 있다. 복수의 패턴(152)은, 각각, 2.5㎛의 길이의 도트(152a, 152b, 152c, 152d)가 직선적으로 줄지어 늘어섬으로써 형성되어 있다. 이때, 도트의 길이는 2.5㎛ 이상이면 특별히 한정되지 않는다.
전자선 묘화에서는, 펄스 형상으로 전자선을 발생시키는 전자선 조사장치에 대하여, 웨이퍼를 주사시킴으로써, 레지스트에 회절격자 패턴을 형성하는 일이 있다. 그 경우, 복수의 도트가 줄지어 늘어섬으로써 회절격자 패턴이 형성된다. 예를 들면, 이 도트 직경을 수 100nm로 하면 길이가 10㎛인 1개의 패턴을 형성하는데 많은 도트가 필요하게 되어, 전자선 묘화에 장시간을 필요로 한다.
그렇지만, 본 발명의 실시형태 2에 관한 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 제조방법에서는, 2.5㎛ 이상의 길이의 도트를 줄지어 늘어서 1개의 패턴을 형성하므로, 극히 소수의 도트로 1개의 패턴을 형성할 수 있다. 따라서, 전자선 조사장치 에 대한 웨이퍼의 주사 속도를 높게 해서, 전자선 묘화에 필요한 시간을 단축할 수 있다.
실시형태 3.
도 6은, 본 발명의 실시형태 3에 관한 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 제조방법을 설명하기 위한 웨이퍼의 일부 단면 사시도다. 이 제조방법에서는, 우선, 기판(12)의 윗쪽에 회절격자층(20A)을 형성한다. 이어서, 회절격자층(20A) 위에, 예를 들면 SiO2로 절연층(200)을 형성한다. 이어서, 절연층(200) 위에, 예를 들면 W(텅스텐)으로 도전층(202)을 형성한다. 도전층(202)은 회절격자층(20A)의 윗쪽에 형성되어 있다.
이어서, 도전층(202) 위에 레지스트(204)를 형성한다. 이어서, 레지스트(204)에 전자선을 쬐어 회절격자 패턴을 전자선 묘화한다. 구체적으로는, 전자선 조사장치(210)로부터 발생한 전자선(212)을 레지스트(204)에 쬐어, 회절격자를 형성하기 위한 회절격자 패턴(214)을 형성한다. 도 6에는, 회절격자 패턴의 형성 도중의 상태가 도시되어 있다.
이어서, 예를 들면 드라이에칭으로, 회절격자 패턴(214)의 바로 아래의 회절격자층(20A)을 남기도록 도전층(202), 절연층(200), 및 회절격자층(20A)을 에칭하여, 회절격자를 형성한다. 회절격자의 형성후, 절연층(200)과 도전층(202)을 제거한다. 또는, 회절격자 패턴(214)에 대응하는 패턴을 절연층(200)에 형성한 후에, 절연층(200)을 마스크로 하여 회절격자층(20A)을 에칭해도 된다.
본 발명의 실시형태 3에 관한 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 제조방법에서는, 도전층(202)을 형성했으므로, 레지스트(204)에 전자선을 조사하는 것에 의한 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 챠지업(대전)을 방지할 수 있다. 따라서, 전자선 조사장치(210)의 가속 전압과 빔 전류를 높여 해상도를 향상시켜, 전자선 묘화에 필요한 시간을 단축할 수 있다.
또한, 도전층(202)은 전자선 반사막으로서 기능하므로, 도전층(202)을 형성하지 않는 경우와 비교해서 레지스트 감도를 상승시킬 수 있다. 따라서, 전자선 묘화의 속도를 높여, 전자선 묘화에 필요한 시간을 단축할 수 있다.
절연층(200)은, 회절격자층(20A)을 도전층(202)으로부터 보호하기 위해서 설치되어 있다. 따라서, 회절격자층(20A)에 대미지가 없다면, 절연층(200)을 생략해도 된다. 또한, 도전층(202)의 재료는, 챠지업 방지와 레지스트 감도의 상승이 가능한 재료이면 되고, W에 한정되지 않는다.
실시형태 4.
도 7은, 본 발명의 실시형태 4에 관한 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 제조방법을 설명하기 위한 웨이퍼의 일부 단면 사시도다. 우선, 기판(12)의 윗쪽에 회절격자층(20A)을 형성한다. 이어서, 회절격자층(20A) 위에 직선 형상으로 패터닝된 절연층(250)을 형성한다. 절연층(250)은 예를 들면 SiO2로 형성한다. 절연층(250)의 폭(x4)은 예를 들면 10㎛이다.
이어서, 절연층(250)과 회절격자층(20A) 위에, 레지스트를 형성한다. 도 8에는, 레지스트(252)가 도시되어 있다. 레지스트(252)는, 회절격자층(20A) 위의 부분(제1부분(252a))과 절연층(250) 위의 부분(제2부분(252)b)을 갖고 있다. 그리고, 절연층(250) 표면은 회절격자층(20A)의 (100) 표면보다도 레지스트가 부착하기 어려운 성질을 이용하여, 제1부분(252a)의 두께(Z1)보다도 제2부분(252b)의 두께(Z2)를 얇게 하였다. 이때, 다른 방법으로 제1부분(252a)보다도 제2부분(252b)을 얇게 해도 된다.
이어서, 절연층(250) 위의 레지스트(제2부분(252b))에 전자선을 쬐어 회절격자 패턴을 전자선 묘화한다. 구체적으로는, 전자선 조사장치(210)로부터 발생한 전자선(212)으로 회절격자 패턴(214)을 형성한다. 도 8에는, 회절격자 패턴의 형성 도중의 상태가 도시되어 있다. 이어서, 예를 들면 드라이에칭으로, 회절격자 패턴(214)의 바로 아래의 회절격자층(20A)을 남기도록, 절연층(250)과 회절격자층(20A)을 에칭하여, 회절격자를 형성한다. 회절격자의 형성후, 나머지의 절연층(250)을 제거한다.
전자선 묘화의 속도를 빠르게 하기 위해서는, 레지스트를 얇게 하는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시형태 4에서는, 레지스트(252)가 얇은 부분(제2부분(252b))에 대하여 전자선 묘화하므로, 전자선 묘화의 속도를 빠르게 하여, 전자선 묘화에 필요한 시간을 단축할 수 있다. 이때, 여기까지 설명한 각 실시형태의 특징은, 적절히 조합할 수 있다.
10 분포 귀환형 반도체 레이저 소자, 12 기판, 14 p형 클래드층, 16 활성층, 18 스페이서층, 20 회절격자, 20a 제1패턴, 20b 제2패턴, 22 광 가이드층, 24 n형 클래드층, 152 패턴, 152a, 152b, 152c, 152d 도트, 154 회절격자, 200 절연층, 202 도전층, 204 레지스트, 214 회절격자 패턴, 250 절연층, 252 레지스트

Claims (7)

  1. 기판과,
    상기 기판의 윗쪽에 형성된 활성층과,
    제1패턴과, 상기 제1패턴보다 짧고, 상기 제1패턴의 중앙부에 대향하는 제2패턴을 갖고, 상기 활성층에서 발생한 빛을 회절하는 회절격자를 구비한 것을 특징으로 하는 분포 귀환형 반도체 레이저 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1패턴의 길이와, 상기 제2패턴의 길이는 3∼10㎛ 중 어느 한개인 것을 특징으로 하는 분포 귀환형 반도체 레이저 소자.
  3. 기판과,
    상기 기판의 윗쪽에 형성된 활성층과,
    복수의 패턴을 갖고, 상기 활성층에서 발생한 빛을 회절하는 회절격자를 구비하고,
    상기 복수의 패턴은, 각각, 2.5㎛ 이상의 길이의 도트가 줄지어 늘어섬으로써 형성된 것을 특징으로 하는 분포 귀환형 반도체 레이저 소자.
  4. 기판의 윗쪽에 회절격자층을 형성하는 공정과,
    상기 회절격자층의 윗쪽에 도전층을 형성하는 공정과,
    상기 도전층 위에 레지스트를 형성하는 공정과,
    상기 레지스트에 전자선을 쬐어 회절격자 패턴을 전자선 묘화하는 공정과,
    상기 회절격자 패턴의 바로 아래의 상기 회절격자층을 남기도록 상기 회절격자층을 에칭하여, 회절격자를 형성하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 회절격자층을 형성한 후, 상기 도전층을 형성하기 전에, 상기 회절격자층 위에 절연층을 형성하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 제조방법.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 도전층은 텅스텐을 재료로 하는 것을 특징으로 하는 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 제조방법.
  7. 기판의 윗쪽에 회절격자층을 형성하는 공정과,
    상기 회절격자층 위에 직선 형상으로 패터닝된 절연층을 형성하는 공정과,
    상기 절연층과 상기 회절격자층 위에, 상기 회절격자층 위의 부분보다도 상기 절연층 위의 부분이 얇아지도록, 레지스트를 형성하는 공정과,
    상기 절연층 위의 상기 레지스트에 전자선을 쬐어 회절격자 패턴을 전자선 묘화하는 공정과,
    상기 회절격자 패턴의 바로 아래의 상기 회절격자층을 남기도록 상기 회절격자층을 에칭하여, 회절격자를 형성하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 분포 귀환형 반도체 레이저 소자의 제조방법.
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