DE69622943T2

DE69622943T2 - Optisches Dünnfilmmessverfahren, Filmformationsverfahren und Halbleiterlaserfabrikationsverfahren

Info

Publication number: DE69622943T2
Application number: DE69622943T
Authority: DE
Inventors: Takeo Kaneko; Takayuki Kondo; Katsumi Mori
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1995-07-17
Filing date: 1996-07-16
Publication date: 2003-03-27
Anticipated expiration: 2016-07-17
Also published as: JPH0933223A; US5724145A; TW368713B; EP0754932B1; JP3624476B2; KR970007298A; CN1065046C; EP0754932A3; CN1140832A; DE69622943D1; KR100203229B1; EP0754932A2

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum optischen Filmdickenmessen, das während der Erzeugung eines Stapels aus einer Mehrzahl von Schichten auf einem Substrat verwendet, und ein Filmerzeugungsverfahren und ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers, wo dieses optische Filmdickenmessverfahren angewendet wird.

Stand der Technik

Ein Halbleiterlaser wird hergestellt durch Erzeugen eines Stapels aus einer Mehrzahl von Halbleiterschichten durch epitaxiales Kristallwachstum auf einem Substrat.
Im Stand der Technik wird die Kristallwachstumsgeschwindigkeit bei diesem Typ von Kristallwachstums- oder -zuchtverfahren vorab anhand der Filmdicke der Halbleiterschicht festgelegt, die erhalten wird durch Messung der Dicke eines Querschnittes oder des Reflexionsspektrums eines Probesubstrates, nachdem eine vorgegebene Halbleiterschicht darauf im Reaktionsrohr gebildet und es dann daraus entnommen worden ist. Die Filmdicke jeder Schicht wird in der Praxis durch diese Kristallwachstumsgeschwindigkeit und die Filmbildungszeit gesteuert. Dieses Verfahren weist jedoch einige Probleme auf.
Das erste Problem bei diesem Verfahren betrifft die Art und Weise, in der die Kristallwachstumsgeschwindigkeit jederzeit konstant gehalten werden muss, es in der Tat zwischen Chargen jedoch nicht ist und solche Schwankungen in der Wachstumsgeschwindigkeit es unmöglich machen, die Filmdicke exakt zu steuern. Ein wesentliches Merkmal eines Vielschichtfilmspiegels vom Typ mit verteilter Bragg-Reflexion (DBR-Spiegel) ist z. B. ein hoher Wert des Reflexionsgrads, der durch exakte Steuerung der optischen Filmdicken von dessen Halbleiterschichten erreicht wird. Schwankungen in der Wachstumsgeschwindigkeit machen es bei dem herkömmlichen Steuerungsverfahren, das auf Kristallwachstumsgeschwindigkeit und Wachstumszeit beruht, schwierig, die optische Filmdicke exakt zu steuern, und so ist es schwierig, ein Produkt zu erzeugen, das dem Reflexionsgrad-Wellenlängenbereich für Licht, für den es entworfen ist, entspricht.
Ein zweites Problem betrifft die Art und Weise, wie der Wert des Brechungsindex n als Faktor zum Bestimmen der optischen Filmdicke benutzt wird, wobei jedoch der Brechungsindex eines Halbleiterlasers auch mit der Wellenlänge des einfallenden Lichtes variiert. Deshalb ist es notwendig, den Brechungsindex jeder Schicht streng mit Licht einer vorgegebenen Wellenlänge zu messen, was aber diese Messung äußerst schwierig durchzuführen macht.
M. Oshikiri et al. "Optical Thickness Monitoring in Dieelectric Multilayer Deposition for Surface- Emitting Laser Reflectors", Electronics and Communication in Japan, Teil II, Electronics 75 (1992), Seiten 12-18 offenbart ein Verfahren nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 2 und 3, das zum Messen der Filmdicke der einzelnen Schichten eines Bragg-Reflektors während des Abscheidens der Schichten verwendet wird.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Ein Ziel der Erfindung ist, ein optisches Filmdickenmessverfahren und ein Filmerzeugungsverfahren anzugeben, die es ermöglichen, einen Film zu bilden und dabei gleichzeitig die optische Filmdicke exakt zu messen, und die besonders geeignet sind für die Erzeugung eines Stapels von Halbleiterschichten, die eine Schicht mit hohem Reflexionsgrad umfassen, wie etwa einen Halbleiterlaser mit einem reflektierenden Spiegel.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist, ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers anzugeben, bei dem das oben erwähnte optische Filmdickenmessverfahren und Filmerzeugungsverfahren angewendet werden.
Diese Ziele werden erreicht mit einem Verfahren wie in Anspruch 1, 2 bzw. 3 beansprucht. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei diesem optischen Filmdickenmess- und Filmerzeugungsverfahren wird während der Erzeugung eines zweiten Filmes mit einem Absorptionskoeffizienten von 1000 cm&supmin;¹ oder weniger, vorzugsweise 100 cm&supmin;¹ oder weniger, auf einem ersten Film, der einen vorgegebenen Wellenlängenbereich (im Folgenden als höherer Reflexionsgradbereich) mit einem hohen Wert des Reflexionsgrades von wenigstens 98%, vorzugsweise wenigstens 99% und noch besser wenigstens 99,5% hat, die Wellenlänge eines Überwachungslichtstrahles für den zweiten Film unter Wellenlängen gewählt, die von denen des höheren Reflexionsgradbereiches verschieden sind.
Der zum Überwachen des ersten Filmes verwendete erste Überwachungslichtstrahl hat eine Wellenlänge, die im höheren Reflexionsgradbereich liegt. Wenn z. B. der erste Film aus alternierenden optischen Filmschichten von zwei Materialtypen mit unterschiedlichen Brechungsindizes gebildet wird, um einen reflektierenden Vielschichtfilm zu erzeugen, bei dem jede Schicht eine einer vorgegebenen Wellenlänge entsprechende Dicke hat, ermöglicht die Verwendung von Licht der vorgegebenen Wellenlänge als Überwachungslichtstrahl eine exaktere und direktere Steuerung der optischen Filmdicke.
Indem die Wellenlänge des zweiten Überwachungslichtstrahles verschieden von den Wellenlängen des höheren Reflexionsgradbereiches des ersten Filmes gesetzt wird, ist es möglich, die optische Filmdicke eines zweiten Filmes exakt zu messen, der einen kleinen Absorptionskoeffizienten (das heisst, einen Absorptionskoeffizienten innerhalb des obigen Zahlenbereiches) hat und unabhängig von den Reflexionseffekten des ersten Filmes transparent oder nahezu transparent ist, so dass die optische Filmdicke exakt gesteuert werden kann.
Dieser zweite Überwachungslichtstrahl hat vorzugsweise eine Wellenlänge, die kürzer als die des höheren Reflexionsgradbereiches ist. Dadurch ist gewährleistet, dass die minimale Filmdicke, die mit dem Überwachungslichtstrahl gemessen werden kann, vom Extremwert der Reflexionsintensität erhalten werden kann, das heisst vom Abstand zwischen benachbarten Maxima und Minima. Da diese minimale optische Filmdicke einem Viertel der Wellenlänge des Überwachungslichtstrahles entspricht, ist die messbare optische Filmdicke um so kleiner, je kürzer die Wellenlänge des Überwachungslichtstrahles ist, was eine exaktere Messung ermöglicht.
Bei dem Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers entspricht der DBR-Spiegel dem ersten Film bei dem oben beschriebenen optischen Filmdickenmessverfahren und Filmerzeugungsverfahren. Während der Erzeugung von dessen Filmen werden Änderungen des Reflexionsgrades der auf dem Substrat gebildeten Halbleiterschichten gemessen durch Einstrahlen eines ersten Überwachungslichtstrahles einer vorgegebenen Wellenlänge auf das Substrat und Erfassen der Reflexionsintensität eines von dort reflektierten Lichtes. Zum Erzeugen des DBR-Spiegels werden Halbleiterschichten mit jeweils hohem und niedrigem Brechungsindex abwechselnd zu einem Stapel durch Umschalten der Abscheidung von einem Typ Halbleiterschicht auf die eines anderen Typs Halbleiterschicht mit einem anderen Brechungsindex bei Extremwerten (Maxima und Minima) dieser Reflexionsgrad gebildet.
Bei diesem Halbleiterlaser-Herstellungsverfahren wird die Wellenlänge des ersten Überwachungslichtstrahles vorzugsweise gleich der Konstruktionswellenlänge (der mittleren Wellenlänge im höheren Reflexionsgradbereich) λ0 des DBR-Spiegels bei Zimmertemperatur gesetzt. Genauer gesagt ist es bevorzugt, eine Wellenlänge λ0' (im Folgenden als "kompensierte Wellenlänge" bezeichnet) zu verwenden, die die durch Hinzufügen einer Temperaturkompensation während der Filmbildung kompensierte Konstruktionswellenlänge λ0 ist. Die optische Filmdicke wird ausgedrückt als Produkt des Brechungsindex und der Filmdicke. Der Brechungsindex einer Kristallschicht hat jedoch eine Temperaturabhängigkeit, die dem Material inhärent ist, so dass die Filmdicke von der Temperatur entsprechend dessen thermischem Ausdehnungskoeffizient abhängt. Wenn also die optische Filmdicke während der Filmbildung überwacht werden soll, ist es erforderlich, die Wellenlänge unter Berücksichtigung der Filmwachstumstemperatur und des Materials zu kompensieren. Durch Überwachung mit einem ersten Überwachungslichtstrahl einer Wellenlänge λ0, die der Konstruktionswellenlänge des DBR-Spiegels entspricht, oder vorzugsweise einer kompensierten Wellenlänge λ0' ist es möglich, dass der Abstand zwischen Maxima und Minima in der Reflexionsintensität mit einem Viertel der Wellenzahl der Konstruktionswellenlänge übereinfällt. Dies ermöglicht eine genauere und direktere Steuerung der optischen Filmdicke jeder Schicht des DBR- Spiegels.
Dieser Reflexionsgrad hängt nur von der optischen Filmdicke jeder Schicht ab, nicht von der Kristallwachstumsgeschwindigkeit oder Wachstumszeit. Deshalb kann die Zusammensetzung der den Stapel bildenden Schichten an Extremwerten der Reflexionsgrad geändert werden, so dass Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex alternierend durch epitaxiales Wachstum erzeugt werden können, wobei jede Schicht die theoretisch vorhergesagte Dicke hat. Die vorgegebene Wellenlänge kann exakt eingestellt werden durch Auswählen eines Halbleiterlasers mit einer vorgegebenen Laserwellenlänge als Lichtquelle des zum Messen der Reflexionsintensität verwendeten Überwachungslichtstrahles. Da die Reflexionsintensität des DBR-Spiegels selbst während des Kristallwachstums gemessen werden kann, kann die Zahl von Schichtpaaren in dem Spiegel während der Filmbildung variiert und so die Struktur optimiert werden.
Der DBR-Spiegel hat einen Reflexionsgrad im hohen Reflexionsgradbereich von wenigstens 98%, vorzugsweise wenigstens 99% und noch besser wenigstens 99,5%.
Die erste Deckschicht wird erzeugt, während deren optische Filmdicke durch einen zweiten Überwachungslichtstrahl gemessen wird, der eine von den Wellenlängen im höheren Reflexionsgradbereich des DBR-Spiegels verschiedene Wellenlänge hat und vorzugsweise kleiner als die Wellenlängen in dem höheren Reflexionsgradbereich ist. Diese erste Deckschicht hat einen Absorptionskoeffizienten von 1000 cm&supmin;¹ oder weniger, vorzugsweise 100 cm&supmin;¹ und besonders bevorzugt zwischen 10 cm&supmin;¹ und 100 cm&supmin;¹. Die erste Deckschicht wirkt als Potentialsperre zum Verhindern des Eindringens von Ladungsträgern (Elektronen und Löchern) in die aktive Schicht und ist gleichzeitig als Teil des optischen Wellenleiters des Laserresonators konfiguriert. Dies bedeutet, dass die optische Absorption der ersten Deckschicht, in anderen Worten das Vorhandensein von optischen Verlusten darin, zu einer Beeinträchtigung der Eigenschaften des Lasers wie etwa einer Zunahme des Schwellenstromes, einem Abfall in der Lasereffizienz oder zur Erzeugung von Hitze in dem Element führen würde. Deshalb ist es bevorzugt, den Absorptionskoeffizienten der ersten Deckschicht so klein wie möglich zu machen.
Die nachfolgende Diskussion betrifft den Grund, weshalb die Wellenlänge des Überwachungslichtstrahles beim erfindungsgemässen Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers verschieden von den Wellenlängen im höheren Reflexionsgradbereich des DBR-Spiegels gesetzt wird. Bei der Konstruktionswellenlänge hat ein DBR-Spiegel üblicherweise einen Reflexionsgrad von nahezu 100 % in einem Bereich von ±30 um beiderseits der Konstruktionswellenlänge, und die erste Deckschicht ist aus einem Material mit geringer optischer Absorption im Bezug auf die Konstruktionswellenlänge und dieser benachbarte Wellenlängen hergestellt. Wenn also der gleiche Überwachungslichtstrahl wie der erste Überwachungslichtstrahl während der Erzeugung der ersten Deckschicht verwendet würde, wäre eine der optischen Filmdicke der ersten Deckschicht entsprechende Reflexionsgradänderung durch die Wirkung der Reflexionsintensität des DBR-Spiegels sehr gering, so dass es schwierig würde, Maxima und Minima des Reflexionsgrades zu unterscheiden. Die Verwendung eines zweiten Überwachungslichtstrahles mit einer von denen im höheren Reflexionsgradbereich des DBR-Spiegels verschiedenen Wellenlänge als Überwachungslichtstrahl für die erste Deckschicht gemäss dieser Erfindung macht es möglich, Extremwerte der Reflexionsintensität klar zu unterscheiden und ermöglicht es so, die optische Filmdicke der ersten Deckschicht exakt zu überwachen.
Licht mit einer kürzeren Wellenlänge als der des höheren Reflexionsgradbereiches wird vorzugsweise als zweiter Überwachungslichtstrahl verwendet. Die Verwendung von solchem Licht macht es wie oben beschrieben möglich, die minimale optische Filmdicke zu verringern, die gesteuert werden kann, so dass eine noch exaktere Messung möglich ist.
Ferner ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers bevorzugt, dass die optische Filmdicke während der Erzeugung der aktiven Schicht, der zweiten Deckschicht und der Kontaktschicht mit dem ersten Überwachungslichtstrahl überwacht wird, nachdem die erste Deckschicht erzeugt und überwacht worden ist.
Die optische Filmdicke jeder Schicht des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Halbleiterlasers, insbesondere die des DBR-Spiegels und der ersten Deckschicht, kann streng so gesteuert werden, dass ein Halbleiterlaser mit überlegenen Eigenschaften hinsichtlich Schwellenstrom und externer differentieller Quanteneffizienz erzeugt wird.
Das Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers gemäß dieser Erfindung ist anwendbar auf einen beliebigen Halbleiterlaser, der einen DBR-Spiegel und eine erste Deckschicht umfasst. Ein Einbettungsverfahren, ein Stromeinschnürungsverfahren, die Erzeugung einer aktiven Schicht oder die Erzeugung einer oberen aktiven Schicht sind bei der vorliegenden Erfindung nicht eingeschränkt.
Das erfindungsgemäße Filmdickenmessverfahren und Filmerzeugungsverfahren sollten nicht angesehen werden als eingschränkt auf ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers wie hier beschrieben; es ist auch anwendbar auf Herstellungsverfahren anderer Vorrichtungen wie etwa Photodioden, Phototransistoren oder Glühbirnen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Querschnitts eines Halbleiterlasers vom oberflächenemittierenden Typ, auf den die Erfindung angewendet wird;
Fig. 2 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Restfilmdicke t der Deckschicht und der externen differentiellen Quanteneffizienz (Steilheitseffizienz, Slope Efficiency) bei dem in Fig. 1 gezeigten oberflächenemittierenden Halbleiterlaser zeigt;
Figs. 3A bis 3C sind Querschnitte, die schematisch das Verfahren zum Herstellen des in Fig. 1 gezeigten oberflächenemittierenden Halbleiterlasers zeigen;
Figs. 4D bis 4F sind Querschnitte, die schematisch das Verfahren zum Herstellen des in Fig. 1 gezeigten oberflächenemittierenden Halbleiterlasers zeigen, fortgesetzt aus Fig. 3;
Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm der bei der Erzeugung der Halbleiterschicht des in Fig. 1 gezeigten oberflächenemittierenden Halbleiterlasers verwendeten MOVPE-Vorichtung;
Figs. 6A bis 6C zeigen Konfigurationsbeispiele der Lichtquellen in der in Fig. 5 verwendeten MOVPE-Vorrichtung;
Figs. 7A und 7B zeigen Konfigurationsbeispiele des Lichtempfangssystems in der in Fig. 5 gezeigten MOVPE-Vorrichtung;
Fig. 8 ist ein Graph der Beziehung zwischen der Reflexionsgrad des DBR-Spiegels und der Wellenlänge bei dem in Fig. 1 gezeigten oberflächenemittierenden Halbleiterlaser;
Fig. 9 ist ein Graph der Beziehung zwischen Filmerzeugungszeit und Reflexionsgrad während des Prozesses des Erzeugens der Filme für den DBR-Spiegel, die erste Deckschicht und die aktive Schicht, erhalten mit dem ersten Überwachungslichtstrahl;
Fig. 10 ist ein Graph der Beziehung zwischen Filmerzeugungszeit und Reflexionsgrad während des Prozesses des Erzeugens der Filme für die erste Deckschicht und die aktive Schicht, erhalten mit dem zweiten Überwachungslichtstrahl;
Fig. 11 ist eine Vergrößerung eines Teiles von Fig. 9, die schematisch die Beziehung zwischen der Filmerzeugungszeit und der Reflexionsgrad in den Anfangsstufen des Prozesses der Erzeugung der Filme für den DBR-Spiegel zeigt;
Fig. 12 ist ein Graph der Beziehung zwischen Zeit und Reflexionsgrad während der Erzeugung der ersten Deckschicht, wenn der zweite Überwachungslichtstrahl verwendet wird;
Fig. 13 zeigt schematisch die RIBE-Vorrichtung, die für den Prozess des Herstellens des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers aus Fig. 1 verwendet wird;
Figs. 14A bis 14C zeigen Änderungen im Reflexionsspektrum während des RIBE-Prozesses;
Fig. 15 zeigt die beim Prozess des Ätzens des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers aus Fig. 1 verwendete RIBE-Vorrichtung; und
Fig. 16 ist ein Graph der Beziehung zwischen der optischen Filmdicke der SiO&sub2;-Schicht und des Reflexionsgrades, wenn RIBE mit der in Fig. 15 gezeigten Vorrichtung durchgeführt wird.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen

Eine in Fig. 1 gezeigte schematische perspektivische Ansicht ist die eines Querschnittes eines typischen oberflächenemittierenden Halbleiterlasers, der mit dem optischen Filmerzeugungsverfahren und mit der Anwendung des Filmdickenmessverfahrens gemäß dieser Erfindung erzeugt ist.

Struktur des Halbleiterlasers

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst ein Halbleiterlaser 100 ein Substrat 102 aus GaAs vom n-Typ, auf dem der Reihe nach abgeschieden sind: ein Vielschichtfilmspiegel vom Typ mit verteilter Bragg- Reflexion (im Folgenden als "DBR-Spiegel" bezeichnet) 103, gebildet aus Paaren einer Al0,8Ga0,2As- Schicht vom n-Typ und einer Al0,15Ga0,85As-Schicht vom n-Typ, die abwechselnd übereinander abgeschieden sind, und der einen Reflexionsgrad von wenigstens 99,5% für Licht einer Wellenlänge von ca. 800 nm hat; eine erste Deckschicht 104 aus Al0,7Ga0,3As vom n-Typ, eine aktive Quantentrogschicht 105, gebildet aus einer GaAs-Trogschicht vom n&supmin;-Typ und einer Al0,3Ga0,7As-Sperrschicht vom n&supmin;-Typ; eine zweite Deckschicht 106 aus Al0,7Ga0,3As vom p-Typ und eine Kontaktschicht 109 aus Al0,15Ga0,85As vom p&spplus;-Typ.
Es wird dann ein Ätzen abwärts von der Oberfläche des Stapels der Halbleiterschichten bis teilweise durch die zweite Deckschicht 106 durchgeführt, um eine Struktur wie etwa einen zylindrischen säulenartigen Abschnitt 114 (im Folgenden als "Resonatorabschnitt" bezeichnet) zu bilden. Die Peripherie dieses Säulenabschnittes 114 wird dann in eine erste Isolationsschicht 107 aus einem Siliziumoxidfilm (SiOx-Film) wie etwa SiO&sub2;, die durch ein Verfahren wie etwa thermische CVD (Chemical Vapor Deposition, chemische Gasphasenabscheidung) aufgebracht wird, und eine zweite Isolationsschicht 108 eingebettet, die aus einem hitzebeständigem Harz wie etwa einem Polyimid gebildet ist. Die erste Isolationsschicht 107 ist durchgehend über den Oberflächen der zweiten Deckschicht 106 und der Kontaktschicht 109 gebildet, während die zweite Isolationsschicht 108 ausgebildet ist, um die erste Isolationsschicht 107 zu überdecken.
Eine Kontaktmetallschicht (obere Elektrode) 112, die z. B. aus Cr und einer Au-Zn-Legierung gebildet ist, ist in ringförmigem Kontakt mit der Kontaktschicht 109 als Stromeinspeisungselektrode gebildet. Der kreisrunde Abschnitt der Kontaktschicht 109, der von der oberen Elektrode 112 nicht bedeckt ist, liegt frei. Die freiliegende Oberfläche der Kontaktschicht 109 (im Folgenden als "Öffnung 113" bezeichnet) ist vollständig mit einem dielektrischen Vielschichtfilmspiegel 111 bedeckt, der eine SiOx-(wie etwa SiO&sub2;)-Schicht und eine Ta&sub2;O&sub5;-Schicht umfasst, die abwechselnd übereinander abgeschieden sind, und der einen Reflexionsgrad im Bereich von 98,5% bis 99,5% in Bezug auf eine Wellenlänge von ca. 800 nm hat.
Eine Elektrodenmetallschicht (untere Elektrode) 101 aus einem Material wie etwa Ni und einer Au- Ge-Legierung ist an der Unterseite des GaAs-Substrats 102 vom n-Typ gebildet.
Wenn eine Vorwärtsspannung zwischen oberer und unterer Elektrode 112 und 101 angelegt wird (in dieser Ausgestaltung wird die Spannung von der oberen Elektrode 112 zur unteren Elektrode 101 angelegt), wird ein Strom in den Halbleiterlaser eingespeist. Der eingespeiste Strom wird an der aktiven Quantentrogschicht 105 in Licht umgewandelt. Das Licht wird zwischen den durch den DBR- Spiegel 103 und den dielektrischen Vielschichtfilmspiegel 111 definierten reflektierenden Spiegeln hin- und hergeworfen und verstärkt, um einen Laserstrahl zu bilden, der durch die Öffnung 113 (die freiliegende Oberfläche der Kontaktschicht 109) in eine Richtung 110 senkrecht zum Substrat 102 ausgestrahlt wird.
Der Halbleiterlaser nach dieser Ausgestaltung hat vorzugsweise die nachfolgend diskutierte Konfiguration.

(A) Struktur des DBR-Spiegels

Der Reflexionsgrad des DBR-Spiegels 103 muss ausreichend höher als die Konstruktions-Laserwellenlänge sein. Eine Spitze des Reflexionsgrades des DBR-Spiegels wird erreicht durch exakte Steuerung der optischen Filmdicke der Halbleiterschichten (aus Al0,8Ga0,2As und Al0,15Ga0,85As), die den DBR-Spiegel konfigurieren, und der Spitzenwert des Reflexionsgrades kann erhöht werden durch Vergrößern der Zahl der Paare des DBR-Spiegels. Da die optische Filmdicke der Kristallschichten innerhalb der Wafer-Oberfläche niemals völlig gleichförmig ist, hat das Reflexionsgradspektrum des DBR-Spiegels eine Streubreite innerhalb eines bestimmten Bereiches. Deshalb ist der Reflexionsgrad des DBR-Spiegels wenigstens 98%, vorzugsweise wenigstens 99% und noch besser wenigstens 99,5% in einem Bereich von ±30 nm um die Konstruktions-Laserwellenlänge. Wenn diese Reflexionsgradbedingung nicht erfüllt ist, könnte ein Bereich, in dem keine Laserschwingung auftreten kann, auf der Waferoberfläche erzeugt werden. Bei dieser Ausgestaltung wird ein Stapel von zwischen 25 und 50 Paaren, vorzugsweise 40 Paaren von Halbleiterschichten, für den DBR-Spiegel verwendet, wodurch sichergestellt ist, dass Laserschwingung bei der Konstruktionswellenlänge auf der Waferoberfläche auftritt, auch wenn die optischen Filmdicken um z. B. ±2,5 % variieren.

(B) Struktur der Deckschicht

Die optischen Filmdicken der ersten und zweiten Deckschicht 104 bzw. 106 müssen streng gesteuert werden. Das heisst, das Maximum der elektrischen Feldstärkenverteilung der im Resonator induzierten stehenden Welle muss mit der Position der aktiven Schicht (in der Dickenrichtung) während der Laserschwingung übereinfallen. Dadurch ist gewährleistet, dass die induzierte Emission und Rekombination von Ladungsträgern effizient in der aktiven Schicht auftritt, die die Quelle des Lasers ist. Die Effizienz der induzierten Emission und Rekombination von Ladungsträgern in dieser aktiven Schicht ist proportional zum Integral der elektrischen Feldstärke der in der aktiven Schicht vorhandenen stehenden Welle. Die elektrische Feldstärke dieser stehenden Welle hat eine stark schwankende Verteilung, ausgedrückt durch eine Kurve, die das Quadrat des Sinus der Länge in Stapelrichtung (Dickenrichtung) ist. Wenn die aktive Schicht dünn ist, wie etwa wenn die optische Filmdicke der aktiven Schicht kleiner als die Laserwellenlänge ist, wird auch ein winziger Fehler in der Position der aktiven Schicht eine starke Auswirkung auf den Laserschwellwert und die Effizienz haben. Um die Genauigkeit der Position der aktiven Schichten zu steuern, ist es deshalb sehr wichtig, die optische Filmdicke der Deckschichten, insbesondere der ersten Deckschicht, zu steuern.

(C) Struktur der aktiven Quantentrogschicht

Die aktive Quantentrogschicht 105 umfasst GaAs-Trogschichten vom n&supmin;-Typ und Al0,3Ga0,7As- Sperrschichten vom n&supmin;-Typ. Bei dieser Ausgestaltung ist sie eine aktive Schicht einer Multiquantentrogstruktur (MQW). Die optische Filmdicke der Trogschicht liegt zwischen 4 nm und 12 nm und ist vorzugsweise gleich 4,5 nm, wohingegen die optische Filmdicke der Sperrschicht zwischen 4 nm und 10 nm liegt und vorzugsweise gleich 4 nm ist. Die Gesamtzahl von Trogschichten liegt zwischen 10 und 40 und ist vorzugsweise gleich 21. Dies macht es möglich, einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser zu schaffen, bei dem der Schwellwert verringert, die Ausgangsleistung erhöht, die Temperaturcharakteristik verbessert und die Reproduzierbarkeit der Laserwellenlänge verbessert ist im Vergleich zu herkömmlichen Lasern.

(D) Struktur der Einbettungs-Isolationsschicht

Die Einbettungs-Isolationsschicht hat eine Doppelschichtstruktur, die einen dünnen und dichten Siliziumoxidfilm 107 (erste Isolationsschicht), erzeugt durch ein Verfahren wie etwa thermische CVD, und eine zweite Isolationsschicht 108 umfasst, die die erste Isolationsschicht 107 überdeckt, um die Oberfläche des Elementes zu glätten. Die erste dünne Isolationsschicht 107 wird erzeugt, weil die zweite Isolationsschicht 108, die nachher geformt wird, viele Verunreinigungen (z. B. Natrium, Chlor, Schwermetalle, Wasser und andere) enthalten kann. Diese Verunreinigungen müssen daran gehindert werden, in die zweite Deckschicht 106 und die aktive Quantentrogschicht 105 einzudiffundieren, wenn sich der Laser erhitzt. Deshalb wird die erste Isolationsschicht 107 so gebildet, dass sie Eigenschaften und eine Filmdicke (von z. B. 50 bis 200 nm) hat, die diese Verunreinigungen abblocken können. Da die erste Isolationsschicht 107 dieser Ausgestaltung durch thermische CVD bei einer hohen Temperatur von 500ºC bis 600ºC erzeugt wird, wird diese erste Isolationsschicht 107 nicht als eine einzelne Deckschicht unter Berücksichtigung der Wirkungen der Hitze auf das Element gebildet, sondern sie wird als eine Doppelschichtstruktur mit einer dünnen ersten Isolationsschicht 107, bedeckt mit einer zweiten Isolationsschicht 108, die bei einer niedrigeren Temperatur gebildet werden kann und nicht so gute Abdichteigenschaften haben muss, gebildet.
Die zweite Isolationsschicht 108 kann aus einem beliebigen Material gebildet werden, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Materialien, die bei einer relativ niedrigen Temperatur (400ºC oder weniger) durch ein Verfahren wie etwa CVD unter Verwendung eines organischen Materials gebildet werden kann (wie etwa Plasma-CVD oder TEOS), zum Beispiel: Siliziumoxidschichten (SiOx-Filme) wie etwa SiO&sub2;, Siliziumnitrid-Filme (SiNx-Filme) wie etwa Si&sub3;N&sub4;, Siliziumkarbidschichten (SiCx-Filme) wie etwa SiC, isolierende Siliziumverbindungsschichten wie etwa SOG- Filme (SiOx wie etwa SiO&sub2;, erzeugt durch ein Glas-Aufschleuderverfahren (Spin-on-Glass) und Halbleiterfilme der polykristallinen II-VI-Verbindungen (z. B. ZnSe), zusätzlich zu einem hitzebeständigen Harz wie etwa einem Polyimid. Unter diesen isolierenden Materialien wird ein Siliziumoxid wie etwa SiO&sub2;, ein Polyimid oder ein SOG-Film bevorzugt verwendet, da sie bei relativ niedriger Temperatur gebildet werden können. Insbesondere wird ein SOG-Film bevorzugt verwendet, da er eine Oberfläche hat, die leicht gestaltet und eingeebnet werden kann.
Es gibt viele verschiedene Verfahren, die benutzt werden können, um die Siliziumoxidschicht (SiOx- Film) zu bilden, die die erste Isolationsschicht konfiguriert, wie etwa ein CVD-Verfahren oder ein Reaktivabscheidungsverfahren, und das am besten geeignete Filmbildungsverfahren ist ein Normaldruck-Thermo-CVD-Prozess unter Verwendung von Monosilan (SiH&sub4;) und Sauerstoff (O&sub2;) als reaktive Gase und Stickstoff (N&sub2;) als Trägergas. Der Grund hierfür ist, dass die Filme mit unter Atmosphärendruck auftretenden Reaktionen sowie unter Sauerstoff-Überschussbedingungen gebildet werden. Deshalb werden dichte SiOx-Filme mit wenig Sauerstoffdefekten gebildet, und die Stufenabdeckung ist gut, so dass im Wesentlichen die gleiche optische Filmdicke an den Seitenflächen und Stufenabschnitten des Resonatorabschnitts 114 sowie an den flachen Abschnitten der Vorrichtung erhalten wird.
Bei dieser Ausgestaltung reicht die Einbettungs-Isolationsschicht nicht bis zur aktiven Quantentrogschicht 105. Das heisst, eine vorgegebene Dicke (t) der zweiten Deckschicht (106) bleibt zwischen der ersten Isolationsschicht 107 und der aktiven Quantentrogschicht 105 in der Region um den Resonatorabschnitt 114 zurück. Diese verbleibende Filmdicke t wird vorzugsweise zwischen 0 und 0,58 um, besonders bevorzugt zwischen 0 und 0,35 um gesetzt. Dies stellt sicher, dass kein Schnittstellen-Rekombinationsstrom im Einbettungs-Isolationsschichtabschnitt auftritt, was den oberflächenemittierenden Halbleiterlaser effizienter und zuverlässiger macht.
Die bevorzugten Zahlenbereiche für die verbleibende Filmdicke t der Deckschicht 106 werden nun detaillierter mit Bezug auf Fig. 2 behandelt. In diesem Graphen ist die Steigung der externen differentiellen Quanteneffizienz (Steilheitseffizienz) entlang der vertikalen Achse aufgetragen, und die verbleibende Filmdicke t der Deckschicht ist entlang der horizontalen Achse aufgetragen. Wenn die Steilheitseffizienz 0,1 (d. h. 10%) ist, kann ein Strom von 10 mA eine optische Leistung von nicht mehr als 1 mW erzeugen. Im Allgemeinen ist ein Strom von 10 mA nahe der Grenze, an der ein Laserelement thermisch sättigt, so dass dieser Strom effektiv eine Grenze ist. Die für praktikableren Gebrauch erforderliche Steilheit ist wenigstens 0,1, und da Fig. 2 zeigt, dass die verbleibende Filmdicke t bei einer Steilheitseffizienz von 0,1 ca. 0,58 um beträgt, setzt dies den Bereich der bevorzugten verbleibenden Filmdicke t auf zwischen 0 und 0,58 um fest.

(E) Struktur des dielektrischen Vielschichtfilmspiegels

Der dielektrische Vielschichtfilmspiegel 111 ist aus 6 bis 9 Paaren, vorzugsweise 7 Paaren von dielektrischen Schichten gebildet, die aus abwechselnden SiOx- (z. B. SiO&sub2;)-Schichten und Ta&sub2;O&sub5;- Schichten gebildet sind, die abwechselnd übereinander abgeschieden sind, und hat für Licht der Konstruktions-Laserwellenlänge einen Reflexionsgrad von zwischen 98,5% und 99,5%. Ein Reflexionsgrad von weniger als 98,5% würde zu einem dramatischen Anstieg der Laserschwelle führen. Umgekehrt würde ein Reflexionsgrad von über 99,5% es schwer machen, die optische Leistung nach aussen zu extrahieren, und so die externe differentielle Quanteneffizienz verringern. Deshalb wird die Zahl der Paare des dielektrischen Vielschichtfilmspiegels 111 so festgelegt, dass der obige Reflexionsgrad erreicht wird, und ein dünner Film wird so gebildet. Ein Material, das durch geringe Absorptionsverluste für Licht bei der Laserwellenlänge des Lasers gekennzeichnet ist, wird als dielektrisches Material verwendet. Dies ist wichtig zum Verringern des Schwellwertes und zum Erhöhen der externen differentiellen Quanteneffizienz. Schichten aus ZrOx-Film, ZrTiOx-Film oder TiOx-Film könnten anstelle der Ta&sub2;O&sub5;-Schichten dieses dielektrischen Vielschichtfilmspiegels 111 verwendet werden. Dies würde eine Verringerung des Schwellwertes ermöglichen und die externe differentielle Quanteneffizienz des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers erhöhen.

Verfahren zum Herstellen des Halbleiterlasers

Eine Ausgestaltung des Verfahrens zum Herstellen des in Fig. 1 gezeigten oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 100 wird nun mit Bezug auf Figs. 3A bis 3C und Figs. 4D bis 4F beschrieben, die diverse Schritte des Prozesses schematisch darstellen.
(A) Der DBR-Spiegel 103 wird als ein unterer Spiegel aus z. B. 40 Paaren aus einer Al0,15Ga0,85As- Schicht vom n-Typ und einer Al0,8Ga0,2As-Schicht vom n-Typ, die abwechselnd auf dem GaAs- Substrat 102 vom n-Typ abgeschieden sind, gebildet und hat einen Reflexionsgrad von wenigstens 99,5% mit Bezug auf Licht einer Wellenlänge von 800 nm. Nachdem die Al0,7Ga0,3As-Schicht vom n- Typ (erste Deckschicht) 104 auf dem DBR-Spiegel 103 gebildet worden ist, wird die aktive Schicht 105 der Multiquantentrogstruktur (MQW) durch abwechselndes Abscheiden von GaAs-Trogschichten vom n&supmin;-Typ und Al0,3Ga0,7As-Sperrschichten vom n&supmin;-Typ gebildet. Anschließend werden die Al0,7Ga0,3As-Schicht vom p-Typ (zweite Deckschicht) 106 und die Al0,15Ga0,85As-Schicht vom p-Typ (Kontaktschicht 109) nacheinander abgeschieden (siehe Fig. 3A).
Diese Schichten werden durch den metallorganischen Gasphasenepitaxieprozess (MOVPE) epitaxial aufgewachsen. Ein Beispiel für die Bedingungen ist wie folgt: die Aufwachstemperatur ist 750ºC, der Aufwachsdruck ist 2 · 10&sup4; Pa, die Materialien der Gruppe III sind metallorganische Verbindungen wie Galliumtrimethyl (TMGa) oder Aluminiumtrimethyl (TMAI), das Material der Gruppe V ist AsH&sub3;; H&sub2;Se wird als Dotiermittel vom n-Typ und Zinkdiethyl (DEZn) als Dotiermittel vom p-Typ verwendet.
Das Verfahren zum Messen der optischen Filmdicke und das Filmbildungsverfahren, die diese Erfindung kennzeichnen, werden in diesem epitaxialen Aufwachsprozess, wie später beschrieben wird, verwendet, um die Filme zu bilden und dabei die optische Filmdicke jeder Schicht exakt zu kontrollieren.
Nachdem diese Schichten gebildet worden sind, wird eine Schutzschicht I auf den epitaxialen Schichten durch das Normaldruck-Thermo-CVD-Verfahren gebildet. Diese Schutzschicht umfasst eine SiO&sub2;-Schicht mit einer Filmdicke von ca. 25 nm. Die Schutzschicht I verhindert eine Verunreinigung der epitaxialen Schichten während der nachfolgenden die Halbleiterschichten überdeckenden Prozesse.
(B) Ein Resistmuster R1 wird auf der Schutzschicht I gebildet. Die Schutzschicht 1, die Kontaktschicht 109 und der obere Bereich der zweiten Deckschicht 106 werden dann bis teilweise durch die zweite Deckschicht 106 hindurch durch Reaktivionenstrahlätzung (RIBE) geätzt, so dass ein säulenartiger Resonatorabschnitt 114 zurückbleibt, der mit dem Resistmuster R1 bedeckt ist. So hat der säulenartige Resonatorabschnitt 114 das gleiche Profil wie das Resistmuster R1 darauf (siehe Fig. 3B). Die Verwendung des RIBE-Prozesses gewährleistet, dass die Seiten des säulenartigen Abschnitts im Wesentlichen vertikal sind und die epitaxialen Schichten im Wesentlichen unbeschädigt sind. Ein Beispiel für die Bedingungen des RIBE-Prozesses war ein Druck von 60 mPa, eine Mikrowelleneingangsleistung von 150 W und eine Ausgangsspannung von 350 V mit einer Kombination von Chlor und Argon als Ätzgas.
Während der Bildung des säulenartigen Abschnitts durch den RIBE-Prozess ist die Temperatur am Substrat 102 vorzugsweise auf ein relativ niedriges Niveau wie etwa zwischen 0ºC und 40ºC und besonders bevorzugt auf zwischen 10ºC und 20ºC gesetzt. Dadurch ist gewährleistet, dass die Seitenätzung in die auf dem Substrat durch epitaxiales Wachstum abgeschiedenen Halbleiterschichten kontrolliert werden kann. Wenn die Temperatur des Substrats zwischen 0ºC und 10ºC ist, so ist dies zum Kontrollieren des Seitenätzens bevorzugt, allerdings ist die Ätzrate unerwünscht verlangsamt. Wenn die Temperatur des Substrats 40ºC überschreitet, nimmt die Ätzrate in unerwünschter Weise zu, was zu einer Aufrauhung der geätzten Oberfläche und auch zu einer verringerten Kontrolle der Ätzrate führt.
(C) Anschließend wird das Resistmuster R1 entfernt und die SiO&sub2;-Schicht (erste Isolationsschicht) 107 von ca. 100 nm wird durch den Normaldruck-Thermo-CVD-Prozess gebildet. Ein Beispiel der Bedingungen für diesen Prozess war eine Substrattemperatur von 450ºC, Monosilan (SiH&sub4;) und Sauerstoff als Materialien und Stickstoff als Trägergas. Der Spin-on-Glass-(SOG)-Film 108L wird dann durch einen Schleuderbeschichtungsprozess auf die erste Isolationsschicht 107 aufgetragen. Anschließend wird der SOG-Film 108L nacheinander in einer Stickstoffatmospäre 1 Minute lang bei 80ºC, 2 Minuten lang bei 150ºC und 30 Minuten lang bei 300ºC getempert (siehe Fig. 3C).
(D) Dann werden der SOG-Film 108L und der SiO&sub2;-Film 107 und die Schutzschicht I geätzt, um eine flache, mit der freiliegenden Oberfläche der Kontaktschicht 109 bündige Oberfläche zu schaffen (siehe Fig. 4D). In diesem Fall wird das Ätzen durch Reaktivionenätzung (RIE) unter Verwendung von flachen Elektroden durchgeführt, wobei das reaktive Gas eine Kombination von SF&sub6;, CHF&sub3; und Ar ist.
(E) Die obere Elektrode 112 wird dann in ringförmigem Kontakt mit der Kontaktschicht 109 durch ein bekanntes Abhebeverfahren (siehe Fig. 4E) gebildet.
(F) Ein Teil der Kontaktschicht 109 bleibt durch die kreisrunde Öffnung der oberen Elektrode 112 frei. Der dielektrische Vielschichtfilmspiegel (obere Spiegel) 111 wird mit einem bekannten Abhebeverfahren erzeugt, um die freiliegende Oberfläche der Kontaktschicht 109 abzudecken (siehe Fig. 4F). Die Erzeugung des oberen Spiegels 111 wird bewirkt durch abwechselndes Abscheiden von 7 Paaren aus SiO&sub2;- und Ta&sub2;O&sub5;-Schichten durch Elektronenstrahlabscheidung. Der obere Spiegel 111 hat einen Reflexionsgrad im Bereich zwischen 98,5% und 99,5% für Licht einer Wellenlänge von ca. 800 nm. Ein Beispiel für die Bedingungen dieses Prozeßes war eine Abscheidegeschwindigkeit von 0,5 nm/min für SiO&sub2; und 0,2 nm/min für Ta&sub2;O&sub5;. Zu beachten ist, dass der obere Spiegel 111 durch Ätzen mit dem RIE-Prozess anstatt durch das obige Abhebeverfahren erzeugt werden kann.
Anschließend wird die untere Elektrode 101 aus Nickel und eine Au-Ge-Legierung an der Unterseite des Substrats 102 gebildet, um den oberflächenemittierenden Halbleiterlaser fertigzustellen.
Ein Verfahren zum Erzeugen des oben beschriebenen oberflächenemittierenden Halbleiterlasers mit verringertem Schwellenstrom und verbesserter externer differentieller Quanteneffizienz wird nun im Detail beschrieben.
Wie oben beschrieben, ist die Kristallaufwachstechnik einer der wichtigsten Faktoren bei dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser nach der vorliegenden Erfindung, da die DBR-Spiegelschicht, die Deckschicht und die Multiquantentrogstruktur durch Kristallaufwachsen erzeugt werden. Eine solche Kristallaufwachstechnik erfordert, dass:
(1) die Heterogrenzfläche scharf ist, nämlich in der Größenordnung von einer Atomschicht;
(2) die Filmdicke über eine große Fläche im Wesentlichen gleichförmig ist;
(3) die Reproduzierbarkeit der Filmdicke, Zusammensetzung und Dotiereffizienz hoch ist.
Insbesondere die Schärfe der Grenzfläche in Punkt (1) ist wichtig für die Verbesserung der Eigenschaften des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers. Verfahren zum Sicherstellen der Schärfe der Grenzschicht bei der Kristallaufwachstechnik für Verbindungshalbleiter umfassen Molekularstrahlepitaxie (MBE) und metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE). Das Flüssigphasenepitaxie-Verfahren (LPE) ermöglicht das Wachstum hochreiner Kristalle, ist aber nicht geeignet zur Verwendung bei der Produktion des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers, da es schwierig ist, die benötigte Schärfe der Heterogrenzschicht zu erreichen, da es ein Wachstum von der flüssigen Phase in die feste Phase umfasst. Die MBE- und MOVPE-Verfahren hingegen können theoretisch eine Schärfe der Grenzfläche in der Größenordnung von einer Atomschicht erreichen, weil der Kristall auf atomarer Ebene durch einen Molekularstrahl oder aus der Gasphase in die Festkörperphase gezüchtet wird.
Mit dem MBE-Verfahren kann die Wachstumsgeschwindigkeit jedoch nicht erhöht werden, weil der Kristall durch einen Molekularstrahl gebildet wird und daher nur eine relativ geringe Wachstumsgeschwindigkeit in der Größenordnung von 0,01 bis 0,1 nm/s erreicht werden kann. Deshalb ist das MBE-Verfahren nicht geeignet zur Verwendung für Kristallwachstum, bei dem eine Dicke der epitaxialen Schicht von mehreren Mikrometern erforderlich ist, wie etwa bei dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser. Bei dem MBE-Verfahren machen es außerdem strukturelle Einschränkungen der Vorrichtung schwierig, einen gleichförmigen Kristall hoher Qualität auf einer großen Fläche zu züchten. Außerdem schränkt eine Begrenzung der Menge an ladbarem Material die Anzahl kontinuierlicher Kristallwachstumsschritte ein. Diese Begrenzungen schränken den Durchsatz des Kristallwachstums ein und machen die Massenproduktion von Substraten schwierig.
Im Gegensatz dazu kann das bei dieser Ausgestaltung verwendete MOVPE-Verfahren die gleiche Schärfe der Heterogrenzschicht wie das MBE-Verfahren in der Größenordnung einer Atomschicht liefern, wie oben beschrieben. Da dies ein Gasphasenwachstum ist, ist eine Wachstumsgeschwindigkeit von zwischen 0,01 nm/s und mehreren nm/s durch Ändern der Materialzufuhrmenge erreichbar.
Im Hinblick auf die Gleichförmigkeit der Filmdicke in dem obigen Punkt (2) könnte eine Filmdickentoleranz von ±2% auf etwa 75% der Fläche des Substrats mit einem Durchmesser von 3" erreicht werden durch Optimieren der Konfiguration des Reaktionsrohres in der Kristallzuchtvorrichtung.
Im Hinblick auf die Reproduzierbarkeit unter Punkt (3) können die Reproduzierbarkeit der Filmdicke, der Zusammensetzung und der Dotiereffizienz sowohl mit dem MBE- als auch dem MOVPE- Verfahren verbessert werden, weil beide in der Theorie das Kristallwachstum effektiv steuern.
Unter ausgewogener Betrachtung der obigen Gründe ist es vorzuziehen, das MOVPE-Verfahren als Kristallzuchtverfahren zum Implementieren des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers nach der vorliegenden Erfindung zu verwenden.
Unter weiterer Betonung des Punktes (3) wird im Folgenden gezeigt, dass die Kombination des MOVPE-Verfahrens mit einem Herstellungsverfahren unter Anwendung des optischen Filmdickenmessverfahrens nach dieser Erfindung gewährleistet, dass die epitaxialen Schichten mit verbesserter Reproduzierbarkeit und Kontrollierbarkeit gebildet werden.
Ein Beispiel einer Filmbildungsvorrichtung, auf die das MOVPE-Verfahren angewendet wird, und die die Reflexionsintensität der epitaxialen Schichten zu allen Zeiten während des Kristallwachstums messen kann, ist schematisch in Fig. 5 gezeigt. Diese Filmbildungsvorrichtung hat z. B. die Form eines MOVPE-Systems mit einem transversalen wassergekühlten Reaktionsrohr. Ein Bereich des wassergekühlten Rohres oberhalb des Zuchtsubstrats ist fortgelassen, und ein optisches Fenster ist eingefügt, durch welches Licht von ausserhalb des Reaktionsrohres auf das Zuchtsubstrat übertragen wird.
Genauer gesagt ist die MOVPE-Vorrichtung mit einem Kühlabschnitt 12 versehen, der um die Peripherie eines Reaktionsrohres 10 angeordnet ist, das mit einem Materialgas beschickt ist, dessen Zusammensetzung durch eine Verteilerventilsteuerung 24 gesteuert ist. Eine Substanz wie etwa Wasser fließt innerhalb des Kühlabschnittes 12, um das Reaktionsrohr 10 zu kühlen. Ein Heizträger 14, auf dem ein Substrat S plaziert ist, ist innerhalb des Reaktionsrohres 10 vorgesehen. Ein optisches Fenster 16 ist in der Wand des Reaktionsrohres 10 gegenüber dem Heizträger 14 gebildet. Eine Lichtquelle 18 und ein Photosensor 20 sind über dem optischen Fenster 16 angeordnet. Licht von der Lichtquelle 18 wird auf das Substrat S auf dem Heizträger 14 über das optische Fenster 16 übertragen, und von dort reflektiertes Licht wird zurück zum Photosensor 20 durch das optische Fenster 16 gelenkt. Der Photosensor 20 ist mit einem Rechen-Steuerabschnitt 22 verbunden, und dieser Rechen-Steuerabschnitt 22 ist mit der Verteilerventilsteuerung 24 verbunden.
Das Licht von der Lichtquelle 18 wird auf das Substrat S im Wesentlichen senkrecht zum Substrat (unter einer Abweichung von nicht mehr als 5º) eingespeist. Änderungen der Reflexionsintensität der jeweiligen epitaxialen Schicht können gemessen werden, während das epitaxiale Wachstum auf dem Substrat weitergeht, durch Messen des von dort reflektierten Lichtes mit dem Photosensor 20, wie später beschrieben wird. Die Konfiguration ist derart, dass diese Änderungen der Reflexionsintensität entsprechend vorgegebenen Formeln in dem Rechen-Steuerabschnitt 22 verarbeitet werden und so erhaltene Daten an die Verteilerventilsteuerung 24 rückgekoppelt werden können.
Diese Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle 18 zwei Überwachungslichtstrahlsysteme erzeugt: einen ersten Überwachungslichtstrahl und einen zweiten Überwachungslichtstrahl. Die Überwachungslichtstrahlen können entsprechend der Halbleiterschicht, die gerade gebildet wird, umgeschaltet werden.
Es gibt keine besonderen Einschränkungen hinsichtlich der Lichtquelle 18, die die zwei Überwachungslichtstrahlsysteme erzeugt, und so kann z. B. die in Figs. 6A bis 6C gezeigte Konfiguration hierfür verwendet werden.
Die in Fig. 6A gezeigte Lichtquelle 18 ist mit zwei Laserlichtquellen 18a und 18b, die nahe beieinander angeordnet sind, und zwei Kollimatorlinsen 18c und 18d versehen, die in deren optischen Wegen angeordnet sind, so dass die zwei Laserstrahlen entweder parallele Lichtstrahlen sind oder wenigstens zu einem Fokus jenseits des Substrats kommen. Bevorzugt ist, dass die zwei Überwachungsstrahlen unter bis zu einem Grad zueinander auf das Substrat eingespeist werden; besser noch ist, dass sie parallel sind. Es ist auch bevorzugt, dass die zwei Überwachungslichtstrahlen auf die gleiche Position am Substrat S eingespeist werden.
In der in Fig. 6B gezeigten Lichtquelle 18 sind die optischen Wege der zwei Laserlichtquellen 18a und 18b so angeordnet, dass sie einander in rechtem Winkel schneiden, und ein Halbspiegel 18e ist am Schnittpunkt dieser optischen Wege z. B. unter einem Winkel von 45º angeordnet. Kollimatorlinsen 18c und 18d sind zwischen jeder Lichtquelle 18a und 18b und dem Halbspiegel 18e angeordnet. Die Anordnung des Halbspiegels 18e bei diesem Typ von Lichtquelle 18 ermöglicht zwei Überwachungsstrahlen von vorgegebenen Wellenlängen mit fluchtenden optischen Achsen.
In der in Fig. 6C gezeigten Lichtquelle 18 sind zwei Laserlichtquellen 18a und 18b auf der gleichen Linie angeordnet, und ein Spiegel 18f, der einen einstellbaren Platzierwinkel hat, ist in ihrem gemeinsamen Strahlengang angeordnet. Außerdem sind Kollimatorlinsen 18c und 18d zwischen jeder Lichtquelle 18a bzw. 18b und dem Spiegel 18f angeordnet.
In jeder der in Figs. 6A und 6B gezeigten Lichtquellen 18 können die zwei Überwachungslichtstrahlen unabhängig gesteuert werden, so dass beide Überwachungslichtstrahlsysteme jederzeit leuchten können, oder die Überwachungslichtstrahlen können umgeschaltet werden durch Ein- oder Ausschalten des Betriebes eines der Systeme. Mit der in Fig. 6C gezeigten Lichtquelle 18 kann Licht von einer der Lichtquellen 18a und 18b durch Ändern des Winkels des Spiegels 18f ausgewählt werden, so dass der Überwachungslichtstrahl ungeschaltet werden kann.
Für die Lichtquellen kann jeder der im Folgenden beispielhaft aufgelisteten Halbleiterlaser verwendet werden. Auch die Wellenlängenbereiche dieser Laser sind im Folgenden aufgelistet.
InGaAsP-Typ: 1,2 um bis 1,6 um und 0,62 um bis 0,9 um
InGaAs-Typ: 0,96 um bis 0,98 um
GaAlAs-Typ: 0,7 um bis 0,88 um
InGaAlP-Typ: 0,62 um bis 0,67 um
ZnSSe-Typ: 0,4 um bis 0,5 um
ZnCdSe-Typ: 0,4 um bis 0,5 um
GaInAlN-Typ: 0,3 um bis 0,5 um.
Anstelle der obigen Halbleiterlaser kann ein beliebiger anderer für optische Überwachungszwecke weit verbreiteter Laser als Lichtquelle verwendet werden, z. B. ein He-Ne-Laser (Laserwellenlänge: 0,63 um und 1,15 um).
Beispiele der Konfiguration des Lichtempfangssystems sind in Fig. 7 gezeigt, wobei Fig. 7A die Konfiguration eines Typs mit einem einzigen Überwachungslichtstrahl und Fig. 7B ein Beispiel einer Konfiguration mit zwei Überwachungslichtstrahlen zeigt.
In der in Fig. 7A gezeigten Vorrichtung ist der Photosensor 20, der eine Photodiode oder ein Photomultiplier ist, direkt mit dem Rechen-Steuerabschnitt 22 verbunden, und vom Überwachungslichtstrahl reflektiertes Licht wird an den Rechen-Steuerabschnitt 22 über den Photosensor 20 ausgegeben.
Die in Fig. 7B gezeigte Vorrichtung umfasst den Photosensor 20, der aus einem ersten Photosensor 20a und einem zweiten Photosensor 20b besteht, einen spektroskopischen Abschnitt 80, der aus einem Prisma oder einem Hologramm gebildet ist und zwischen den Photosensoren 20a und 20b und dem Substrat S angeordnet ist, und einen Schlitz 82. Der erste Photosensor 20a und der zweite Photosensor 20b sind mit dem Rechen-Steuerabschnitt 22 über einen Schalter 84 verbunden. Bei dieser Vorrichtung umfasst das reflektierte Licht Komponenten sowohl vom ersten als auch vom zweiten Überwachungslichtstrahl, deshalb wird dieses reflektierte Licht an den entsprechenden ersten bzw. zweiten Photosensor 20A bzw. 20B durch den Spektroskopieabschnitt 80 und den Schlitz 82 geführt. Das zu überwachende Ausgangssignal wird durch Betätigen des Schalters 84 wahlweise an den Rechen-Steuerabschnitt 22 ausgegeben.
Oben ist das Konzept einer Vorrichtung zum Abstrahlen und Erfassen eines Überwachungslichtstrahles beschrieben worden, doch sollte die vorliegende Erfindung nicht als auf diese Ausgestaltung beschränkt angesehen werden. Allgemein gebräuchliche Komponenten wie etwa optische Mittel und Datenverarbeitungsmittel können bei der Implementierung dieser Erfindung in geeigneter Form eingesetzt werden.
Es werden nun der erste und zweite Überwachungslichtstrahl behandelt.
Der erste Überwachungslichtstrahl wird benutzt zum Messen der optischen Filmdicke des wenigstens einen DBR-Spiegels 103 und vorzugsweise des DBR-Spiegels und der anderen Halbleiterschichten, soweit diese Halbleiterschichten nicht die erste Deckschicht 104 umfassen. Der zweite Überwachungslichtstrahl wird benutzt, um die optische Filmdicke wenigstens der ersten Deckschicht 104 zu messen. Die Wellenlängen des ersten und des zweiten Überwachungslichtstrahles sind vorzugsweise so gesetzt, dass sie die unten beschriebenen Bedingungen erfüllen.
Das heisst, der DBR-Spiegel 103 muss einen hohen Reflektivitätsgrad in dem vorgegebenen Wellenlängenbereich haben, der wenigstens die Konstruktionswellenlänge λ&sub0; ± 30 um umfasst. Genauer gesagt sollte er vorzugsweise einen Reflexionsgrad von wenigstens 98%, besser wenigstens 99% und noch besser wenigstens 99,5% haben. Um diese Bedingung zu erfüllen, muss die Dicke jeder der den DBR-Spiegel bildenden Schichten λ/4n sein. In diesem Fall ist λ eine vorgegebene Wellenlänge (in dieser Ausgestaltung die Konstruktionslaserwellenlänge λ&sub0;), und n ist der Brechungsindex bei dieser vorgegebenen Wellenlänge.
Das Reflektivitätsspektrum des DBR-Spiegels ist in Fig. 8 gezeigt, wobei der Reflexionsgrad auf der vertikalen Achse und die Wellenlänge entlang der horizontalen Achse aufgetragen ist. In diesem Reflexionsspektrum wird der Bereich, in der der Reflexionsgrad 99,5% oder höher ist, als "höherer Reflexionsgradbereich" bezeichnet. Man beachte, dass der auf der vertikalen Achse in Figs. 9 bis 11 aufgetragene Reflexionsgrad die Reflexionsintensität, ausgedrückt als Reflexionsgrad, bezeichnet. Genauer gesagt wird die Beziehung zwischen Reflexionsgrad und Reflexionsintensität bei der Filmerzeugungsvorrichtung nach dieser Ausgestaltung vorab untersucht, indem Referenzspiegel mit Reflektivitäten von 100%, 50% und 0% an der Substratposition in der Filmbildungsvorrichtung nach dieser Ausgestaltung angeordnet werden und Messungen für jede Überwachungswellenlänge durchgeführt werden. Jede Reflexionsintensität wird in einen Reflexionsgrad des Substrates konvertiert.
Die Konstruktionswellenlänge (die mittlere Wellenlänge innerhalb dieses höheren Reflexionsgradbereiches) des DBR-Spiegels ist auf 800 nm gesetzt, die Konstruktionslaserwellenlänge λ&sub0; des Halbleiterlasers. Bei einem AlGaAs-Halbleiter wie dem dieser Ausgestaltung ist es bevorzugt, dass die Wellenlänge jedes Überwachungslichtstrahles mit Rücksicht auf die Tatsache festgelegt wird, dass es einen Unterschied in der optischen Filmdicke von ca. 4,5% zwischen der Temperatur, bei der der Film gezüchtet wird, und der Zimmertemperatur gibt. So entspricht z. B. einer Wellenlänge von 800 nm bei Zimmertemperatur eine Wellenlänge von 836 nm bei einer Filmbildungstemperatur von 750ºC. Deshalb wird ein Laserstrahl aus einem Halbleiterlaser mit einer Wellenlänge von 836 nm als erster Überwachungslichtstrahl in dieser Ausgestaltung benutzt. Diese Wellenlänge entspricht der Konstruktionswellenlänge (800 nm) des DBR-Spiegels bei Zimmertemperatur.
Die Wellenlänge λm des zweiten Überwachungslichtstrahles wird auf eine Wellenlänge gesetzt, die außerhalb des höheren Reflexionsgradbereiches bei der Filmbildungstemperatur liegt. Das heisst, wenn die niedrigste Wellenlänge in dem höheren Reflexionsgradbereich λl ist und die höchste Wellenlänge in dem höheren Reflexionsgradbereich λh ist, so gilt eine der folgenden Beziehungen:
λm < λl
λh < λm
Vorzugsweise ist die Wellenlänge λm des zweiten Überwachungslichtstrahles in einem Wellenlängenbereich unterhalb des höheren Reflexionsgradbereiches festgelegt (siehe Fig. 8). So wird ein Laserstrahl von einem Halbleiterlaser mit einer Wellenlänge von 786 nm als zweiter Überwachungslichtstrahl bei dieser Ausgestaltung verwendet. Die Gründe hierfür werden im Folgenden behandelt.
Während des MOVPE-Aufwachsprozesses des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers dieser Ausgestaltung unter Verwendung der Filmbildungsvorrichtung von Fig. 5 wurden zeitliche Änderungen des Reflexionsgrades der den DBR-Spiegel 103, die erste Deckschicht 104 und die aktive Quantentrogschicht 105 bildenden epitaxialen Schichten wie in Fig. 9 gezeigt aufgetragen. Die Aufwachszeit der epitaxialen Schichten ist entlang der horizontalen Achse aufgetragen, und der Reflexionsgrad ist entlang der vertikalen Achse aufgetragen. Der bei den Reflexionsgradmessungen von Fig. 9 verwendete erste Überwachungslichtstrahl hatte eine Wellenlänge gleich einer kompensierten Wellenlänge λ&sub0;' (836 nm), bei der die Konstruktionslaserwellenlänge λ&sub0; um die Temperaturdifferenz während der Filmbildung kompensiert war.
In Fig. 9 entspricht eine Filmbildungszeit T0 bis T2 dem Prozess des Bildens der Filme für den DBR- Spiegel 103, eine Filmbildungszeit T2 bis T3 entspricht der Bildung der ersten Deckschicht 104, und eine Filmbildungszeit T3 bis T4 entspricht der Bildung der aktiven Schicht 105. Wie aus diesem Graphen deutlich zu erkennen ist, gibt es deutliche Extremwerte (Maxima und Minima), die dramatische Änderungen im Reflexionsgrad während der Anfangsschritte der Bildung (Filmbildungszeit T0 bis T1) des DBR-Spiegels 103 (des unteren Teiles des Spiegels) und während der Bildung (Filmbildungszeit T3 bis T4) der aktiven Schicht 105 darstellen. Im Gegensatz dazu sind solche Reflexionsgradänderungen klein und so offensichtliche Extremwerte sind nicht zu messen während der abschließenden Schritte der Bildung (Filmbildungszeit T1 bis T2) des DBR-Spiegels 103 (des oberen Teiles des Spiegels) und der Bildung (Filmbildungszeit T2 bis T3) der ersten Deckschicht 104. Deshalb werden bei dieser Ausgestaltung wenigstens während des Prozesses des Bildens der ersten Deckschicht 104 Messungen mit einem zweiten Überwachungslichtstrahl mit einer Wellenlänge λm durchgeführt, die sich von der des ersten Überwachungslichtstrahles unterscheidet. Die Beziehung zwischen jedem Filmbildungsprozess und dem Reflexionsgrad wird nachfolgend genauer diskutiert.

(a) Filmbildung für den DBR-Spiegel

Das in Fig. 9 gezeigte Reflektivitätsspektrum für die anfänglichen Schritte des Prozesses des Bildens der Filme für den DBR-Spiegel 103 ist in Fig. 11 schematisch vergrößert dargestellt.
Wie aus Fig. 11 deutlich zu sehen ist, führt, wenn die erste Al0,8Ga0,2As-Schicht mit niedrigem Brechungsindex n&sub1; auf dem GaAs-Substrat abgeschieden wird, die resultierende Zunahme der optischen Filmdicke zu einer Abnahme des Reflexionsgrades. Ein Minimum (1) wird erreicht, wenn die optische Filmdicke λ&sub0;/4n&sub1; erreicht. Wenn dieses Minimum erfasst wird, wird das Material umgeschaltet auf die Abscheidung von Al0,15Ga0,85As, das einen hohen Brechungsindex n&sub2; hat. Der Reflexionsgrad nimmt mit zunehmender optischer Filmdicke der Al0,15Ga0,85As-Schicht zu, bis er ein Maximum (2) bei einer optischen Filmdicke von λ&sub0;/4n&sub2; erreicht. Das Material wird zurückgeschaltet auf Abscheidung von Al0,8Ga0,2As mit niedrigem Brechungsindex n&sub1;, wenn dieses Maximum erfasst wird. Bei der Wiederholung dieser Operationen variiert der Reflexionsgrad des DBR-Spiegels wiederholt zwischen einem niedrigem Reflexionsgrad und einem hohen Reflexionsgrad, bis der Reflexionsgrad ein abschließendes Maximum erreicht.
Diese Änderungen des Reflexionsgrades hängen nur von der optischen Filmdicke jeder Schicht ab, nicht von der Kristallwachstumsgeschwindigkeit oder -wachstumszeit. Daher ist es möglich, einen DBR-Spiegel mit einer optischen Filmdicke λ/4n, wie theoretisch vorhergesagt, durch Ändern der Al- Zusammensetzung der Schichten bei Extremwerten im Reflexionsspektrum (wo das Differential erster Ordnung Null ist) zu erhalten, wodurch das epitaxiale Wachstum abwechselnder Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex bewirkt wird.
Fig. 9 zeigt, dass der Reflexionsgrad mit zunehmender Zahl von Paaren während des Prozesses des Bildens der Filme für den DBR-Spiegel zunimmt, aber auch zu einer Abnahme der Änderungen des Reflexionsgrades führt. In der Praxis ist ein Ausschlag von wenigstens 10% zwischen einem Maximum und einem Minimum des Reflexionsgrades erforderlich, um ein solches Maximum oder Minimum exakt zu erfassen. Mit Rücksicht hierauf können die während der Anfangsstufen-Filmbildungszeit T0 bis T1 erhaltenen Messdaten benutzt werden, um Filmbildungsgeschwindigkeiten für den Bereich abzuleiten, in dem der DBR einen hohen Reflexionsgrad hat (dem Bereich der Filmbildungszeit T1 bis T2 in Fig. 9), das heisst, nach der Filmbildungszeit T1, wenn die Differenz im Reflexionsgrad zwischen Maximum und Minimum auf ca. 10% fällt. Die optischen Filmdicken dieser aufeinanderfolgenden Schichten werden gesteuert auf der Grundlage der so erhaltenen Filmbildungsgeschwindigkeit.

(b) Filmbildung für die erste Deckschicht

Die Beziehung zwischen der Filmbildungszeit und dem Reflexionsgrad, die durch Überwachen der ersten Deckschicht 104 und der aktiven Schicht 105 mit dem zweiten Überwachungslichtstrahl mit der Wellenlänge λm erhalten wird, ist in Fig. 10 gezeigt. Aus dieser Figur wird deutlich, dass Messungen, bei denen der zweite Überwachungslichtstrahl verwendet wird, deutliche Änderungen im Reflexionsvermögen aufweisen, die während des Prozesses des Bildens der ersten Deckschicht (Filmbildungszeit T1 bis T3) unter Verwendung des ersten Überwachungslichtstrahles der Wellenlänge λ&sub0;' im wesentlichen ungesehen bleiben, und die Maxima und Minima sind klar zu sehen.
Die für den zweiten Überwachungslichtstrahl verwendete Wellenlänge λm muss außerhalb des höheren Reflexionsgradbereiches des DBR-Spiegels liegen, wie bereits gesagt wurde. Genauer gesagt muss die Wellenlänge λm entweder auf der kürzerwelligen Seite des höheren Reflexionsgradbereiches oder auf der längerwelligen Seite desselben liegen, und eine Wellenlänge auf der kürzeren Seite ist bevorzugt. Dies liegt daran, dass es schwierig ist, den Absolutwert des Reflexionsgrades exakt zu messen, so dass es üblich ist, Wellenzahlen für die Maxima und Minima der Reflexionsintensität zu erhalten. So ist die minimale optische Filmdicke, die mit diesem Verfahren bewertet werden kann, äquivalent einem Viertel der Wellenzahl bei der Wellenlänge des Überwachungslichtstrahles, und deshalb können um so kleinere optische Filmdicken gemessen werden, je kürzer die Wellenlänge des Überwachungslichtstrahles wird.
Die Filmbildungsgeschwindigkeit kann aus der Filmbildungszeit ΔT berechnet werden, die der Wellenzahl (1/4) des zweiten Überwachungslichtstrahles entspricht, und die schließliche Filmbildungszeit für die benötigte optische Filmdicke kann aus der so erhaltenen Filmbildungsgeschwindigkeit berechnet werden. Durch Ausüben dieser zeitlichen Steuerung gleichzeitig mit der Überwachung der optischen Filmdicke kann eine optische Filmdicke einer beliebigen gewünschten Wellenzahl N&sub0; bei der Konstruktionslaserwellenlänge λ&sub0; (der kompensierten Wellenlänge λ&sub0;') erhalten werden.
Wenn z. B. ΔT die Zeit zwischen dem Minimum und dem Maximum beim zweiten Überwachungslichtstrahl ist, mit anderen Worten die Filmbildungszeit ist, die einem Viertel der Wellenzahl (Nm) des Überwachungslichtstrahles mit der Wellenlänge λm äquivalent ist, ist die zum Bilden der ersten Deckschicht benötigte Filmbildungszeit TEND (T3 bis T2) gegeben durch folgende Formel 1
In Formel 1 sind nm und n&sub0;' die Brechungsindizes bei der Filmaufwachstemperatur für die Wellenlängen λm bzw. λ&sub0;, da aber nm und n&sub0;' praktisch die gleiche Temperaturabhängigkeit haben, kann das Verhältnis zwischen ihnen als unabhängig von der Temperatur konstant angenommen werden. Deshalb können für nm und n&sub0;, die Brechungsindizes bei Zimmertemperatur eingesetzt werden.
Sowohl der zweite Überwachungslichtstrahl mit der Wellenlänge λm, der zum Messen der ersten Deckschicht verwendet wird, als auch der erste Überwachungslichtstrahl mit der Wellenlänge λ&sub0; könnten auf das Substrat gleichzeitig eingestrahlt werden, oder es könnte ein System verwendet werden, in dem zu einem geeigneten Zeitpunkt, z. B. dem Filmbildungszeitpunkt T2 in Figs. 9 und 10, vom ersten Überwachungslichtstrahl auf den zweiten Überwachungslichtstrahl umgeschaltet wird.

(c) Filmbildung für die aktive Schicht und andere Schichten

Während der Bildung der Filme für die aktive Schicht 105 variiert der für den ersten Überwachungslichtstrahl mit der Wellenlänge λ&sub0; (der kompensierten Wellenlänge λ&sub0;') erhaltene Reflexionsgrad stark, unabhängig von den Wirkungen des DBR-Spiegels. Da diese Extremwerte klar gemessen werden können, können die optischen Filmdicken durch Messen der optischen Filmdicke mit dem ersten Überwachungslichtstrahl exakt kontrolliert werden. Vorzugsweise wird die Messung der optischen Filmdicke durch den ersten Überwachungslichtstrahl dann für die Filmbildung für die zweite Deckschicht 106 und die Kontaktschicht 109 eingesetzt, die nacheinander oben auf der aktiven Quantentrogschicht 105 erzeugt werden.
Dieses Filmbildungsverfahren macht es möglich, die Anzahl von Schichtpaaren des DBR-Spiegels während der Bildung der Schichten zu variieren und so die Konfiguration zu optimieren, weil es die Messung der Reflexionsintensität des DBR-Spiegels selbst während des Kristallwachstums erlaubt.
Da die optische Filmdicke der ersten Deckschicht wie auch der aktiven Schicht über dem DBR- Spiegel entsprechend dem Extremwert der Reflexionsintensität exakt gesteuert werden kann, kann ein Kristallwachstumssubstrat mit einem Verfahren erzeugt werden, das eine bessere Reproduzierbarkeit und einen höheren Durchsatz erlaubt als das herkömmliche Filmbildungsverfahren, bei dem die Wachstumszeit gesteuert ist. In der Praxis kann ein DBR-Spiegel mit einem Reflexionsgrad von wenigstens 99,5%, der für ein oberflächenimitierendes Laserelement geeignet ist, mit guter Kontrollierbarkeit mit dem Aufwachsverfahren nach dieser Ausgestaltung erhalten werden.
Wie oben erwähnt, ist das Verfahren zum Überwachen des Reflexionsgrades von Schichten und dadurch Kontrollieren der optischen Filmdicke von Kristallschichten nicht auf den MOVPE-Prozess beschränkt. Es kann auch mit anderen Filmbildungsprozessen wie etwa dem MBE-Prozess eingesetzt werden.
Die Beschreibung befasst sich nun mit einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei der das obige Reflektivitätsüberwachungsverfahren in einem Prozess zum Erzeugen eines säulenartigen Resonatorabschnitts durch den RIBE-Prozess (siehe Fig. 3B) eingesetzt wird.
Wie oben beschrieben, wird der Resonatorabschnitt 114 erzeugt durch Ätzen mit dem RIBE- Prozess, da dieses Verfahren es erlaubt, den Resonatorabschnitt 114 mit vertikalen Seitenwänden herzustellen, ohne dessen Oberflächen zu beschädigen. Während dieser Bildung des säulenartigen Resonatorabschnitts ist es wichtig, die Ätztiefe zu kontrollieren, das heisst die Restfilmdicke t der zweiten Deckschicht 106. Der Grund, weswegen die Restfilmdicke kontrolliert werden muss, um eine vorgegebene Dicke zu erreichen, ist bereits beschreiben worden.
Ein Prozess zum Überwachen der Restfilmdicke bei gleichzeitigem Trockenätzen mit dem RIBE- Prozess wird nun detaillierter beschrieben.
Ein Beispiel einer RIBE-Vorrichtung, die bei laufendem Ätzen den Reflexionsgrad einer epitaxialen Schicht misst, ist schematisch in Fig. 13 gezeigt.
Diese RIBE-Vorrichtung umfasst eine Ätzkammer 30, die mit einer Plasmakammer 40 und einer als Absaugmittel arbeitenden Vakuumpumpe 32 kommuniziert. Die Ätzkammer 30 ist mit einem Halter 34 versehen, auf dem ein Substrat in einer Position gegenüber der Plasmakammer 40 platziert werden soll. Der Halter 34 kann sich durch eine Lade- und Schleusenkammer 50 vor- und zurückbewegen. Die Seitenwände der Ätzkammer 30 sind nahe der Plasmakammer 40 mit optischen Fenstern 36 und 38 versehen, die einander gegenüberliegend positioniert sind. Ein Paar von reflektierenden Spiegeln M1 und M2 sind innerhalb der Ätzkammer 30 auf einer die optischen Fenster 36 und 38 verbindenden Linie angeordnet. Eine Lichtquelle 26 ist außerhalb eines optischen Fensters 36 angeordnet, während ein Photosensor 28 ausserhalb des anderen optischen Fensters 38 angeordnet ist. Die Plasmakammer 40 ist mit einem Mikrowelleneinspeisungsabschnitt 44 und Gaszufuhrabschnitten 46 und 48 zum Zuführen eines Reaktionsgases in die Plasmakammer 40 verbunden. Ein Magnet 42 ist außen um die Plasmakammer 40 herum angeordnet.
Diese RIBE-Vorrichtung kann nicht nur eine auf dem Substrat S gebildete Kristallschicht mit einem beliebigen herkömmlichen Verfahren ätzen, sondern sie kann auch den Reflexionsgrad der Kristallschicht auf dem Substrat durch Einstrahlen von Licht von der Lichtquelle 26 durch das optische Fenster 36 und den reflektierenden Spiegel M1 auf das Substrat S und dann Verwenden des Photosensors 28 zum Messen des davon über den reflektierenden Spiegel M1 und das optische Fenster 38 reflektierten Lichts überwachen.
Der Prozess des Messens der Restfilmdicke t der zweiten Deckschicht während des Ätzens wird nun genauer mit Bezug auf Figs. 14A bis 14C beschrieben.
Die epitaxiale Kristallschichtstruktur, die den Resonator vor dem Ätzen bildet (in Fig. 3A gezeigt) weist ein Reflexionsspektrum wie das in Fig. 14A gezeigte auf. Da der Reflexionsgrad des DBR- Spiegels extrem hoch ist und die Kristallschichten auf dem DBR-Spiegel so dünn sind, ist das von dort reflektierte Spektrum im Wesentlichen das des DBR-Spiegels. Wenn Licht auf die Kristallschichten von außen eingestrahlt wird, absorbiert die aktive Schicht Licht mit der Wellenlänge der stehenden Welle (vertikale Mode) innerhalb der als ein Stapel auf dem DBR-Spiegel gebildeten Kristallschichten, so da der Reflexionsgrad bei dieser Wellenlänge abfällt und so ein Einbruch im Reflexionsspektrum erzeugt wird. Dies ist ein Dip (D&sub0;).
Die Wellenlänge λ&sub0; dieses Dips D&sub0; entspricht der gesamten optischen Filmdicke der Kristallschichten über dem DBR-Spiegel. Wenn die optische Filmdicke durch das Ätzen verringert wird, wandert der Dip D&sub0; zu kürzeren Wellenlängen bis zu einer Wellenlänge λ' (siehe Fig. 14B).
Ein zweiter DIP D&sub1; mit einer Wellenlänge λ" wird auf der längerwelligen Seite erzeugt und wandert dann zu einer Wellenlänge λ&sub1; auf der kürzerwelligen Seite (siehe Fig. 14C). Wenn das Ätzen weitergeht, wird erneut ein neuer Dip auf der längerwelligen Seite erzeugt. Diese Bewegung und das Auftreten von Dips wiederholen sich. Wenn angenommen wird, dass der a-te seit dem Beginn des Ätzens beobachtete Dip eine Wellenlänge λa hat, ist das Ausmaß des Ätzens gegeben durch die Formel
wobei m = {λ" + 2θ (λ' - λ")}/(λ" - λ') ist, θ eine strukturabhängige Konstante und in dieser Ausgestaltung gleich 1/2 oder 1/4 ist und n der mittlere Brechungsindex der epitaxialen Schicht ist.
Während jeder Dip aus dem höheren Reflexionsgardbereich zu kürzeren Wellenlängen durch das Ätzen verschoben wird, wird ein neuer, der nächsten longitudinalen Mode entsprechender DIP auf der längerwelligen Seite erzeugt und wandert dann zu kürzeren Wellenlängen. Deshalb können Ausmaß und Geschwindigkeit des Ätzens durch Messen der Zahl von in dem höheren Reflexionsgradbereich vorhandenen Dips und ihrer Bewegung während des Ätzens kontrolliert werden. Auf diese Weise kann der Resonatorabschnitt 114 exakt, unter Belassung einer vorgegebenen Restfilmdicke in der zweiten Deckschicht, produziert werden.
Da das Niveau und die Gestalt des Reflexionsspektrums gleichzeitig während des Ätzens überwacht werden können, können Abschätzungen von Verunreinigung und Beschädigung der Oberfläche während des Ätzens durchgeführt werden. Die Ergebnisse dieser Abschätzungen können rückgekoppelt werden, um die Ätzbedingungen zu steuern.
Der Prozess des Ätzens einer Schicht aus SiO&sub2; mit dem RIE-Prozess unter Einsatz der Reflexionsgrad-Überwachungsmittel wird nun beschrieben.
Während des Prozesses des Erzeugens des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers aus Fig. 1 wird die Kontaktschicht 109 vom p-Typ auf der Resonatoroberfläche mit der SiO&sub2;-Oberflächenschutzschicht I bedeckt (siehe Fig. 3A), bis die ringförmige obere Elektrode 112 auf der Laserstrahlaustrittsseite gebildet ist. Um die obere Elektrode zu bilden, muss die SiO&sub2;-Schicht vollständig weggeätzt sein. Wenn jedoch das Ätzen länger als notwendig weitergeht, wird unglücklicherweise auch die Kontaktschicht so weit geätzt, dass sie beschädigt wird oder die Resonatorlänge im Bezug auf die Laserwellenlänge verändert.
Deshalb ist es wichtig, das Ausmaß des Ätzens der SiO&sub2;-Schicht I zu kontrollieren. Bei dieser Ausgestaltung wird daher die RIE-Vorrichtung zum Ätzen der SiO&sub2;-Schicht I mit einem Prozess zum Messen des Reflexionsgrades der epitaxialen Kristallschicht eingesetzt, um das Ausmaß des Ätzens während des Ätzschrittes zu bestimmen.
Eine RIE-Apparatur mit parallelen flachen Platten, die das Reflexionsgradmessmittel einsetzt, ist schematisch in Fig. 15 gezeigt. Diese RIE-Apparatur umfasst eine Ätzkammer 60, die mit einer Platzierungselektrode 62 und einer gitterartigen Gegenelektrode 64 in einer parallelen Anordnung ausgestattet ist. Die Platzierungselektrode 62 ist mit einem Hochfrequenzoszillator 61 verbunden. Die Ätzkammer 60 ist mit einem Gasversorgungsabschnitt 70 und einer Vakuumpumpe 66 verbunden. Die Wand der Ätzkammer 60, die der Platzierungselektrode 62 gegenüberliegt, ist mit einem optischen Fenster 68 versehen. Eine Lichtquelle 72 und ein Photosensor 74 sind außerhalb des optischen Fenster 68 angeordnet. Licht von der Lichtquelle 72 wird auf ein Substrat S durch das optische Fenster 68 eingestrahlt, und das von dort reflektierte Licht dringt über das optische Fenster 68 in den Photosensor 74 ein. Diese RIE-Apparatur ätzt nicht nur die SiO&sub2;-Schicht mit einem herkömmlichen Mechanismus, sondern überwacht auch den Reflexionsgrad der geätzten Oberfläche durch Erfassen des von dort reflektierten Lichtes der Lichtquelle 72.
Änderungen des Reflexionsgrades des Lichtes von 800 nm, wenn die SiO&sub2;-Schicht eine Kontaktschicht 109 vom p-Typ ist, sind in Fig. 16 gezeigt. Die optische Filmdicke der SiO&sub2;-Schicht ist auf der horizontalen Achse aufgetragen, während der Reflexionsgrad auf der vertikalen Achse aufgetragen ist. Wie in diesem Graph gezeigt, variiert der Reflexionsgrad mit der Restfilmdicke der SiO&sub2;-Schicht.
Jedesmal, wenn die Restfilmdicke λ/4n wird, erreicht der Reflexionsgrad ein Maximum oder Minimum. Hier wird angenommen, dass λ die Wellenlänge des Messlichtes und n der Brechungsindex der SiO&sub2;-Schicht ist. So kann die SiO&sub2;-Schicht durch Messen ihres Reflexionsgrades und Überwachen der Reflexionsgradkurve während des RIE-Ätzens vollständig geätzt werden.
Nachdem die SiO&sub2;-Schicht vollständig geätzt worden ist, kann zum Bestimmen der Resonatorlänge der Reflexionsgrad mit einer beliebigen geeigneten Lichtquelle gemessen werden, wie beim oben erwähnten RIBE-Prozess, um den Reflexionsgrad während des RIE zu messen, wie etwa mit durch ein Spektroskop geführtem Licht oder einem Laserstrahl von variabler Wellenlänge, der Licht einer Wellenlänge im Bereich zwischen 700 und 900 nm einstrahlt. Insbesondere wenn das RIE-Ätzen durchgeführt wird, während die Dips im Reflexionsgrad gemessen werden, kann das Ausmaß des Ätzens exakt festgestellt werden, um die Resonatorlänge entsprechend der obigen Formel 2 zu kontrollieren. Der RIE-Prozess wird eingesetzt, weil das Ätzen mit der gleichen Vorrichtung durchgeführt werden kann, nachdem die SiO&sub2;-Schicht zum Schützen der Kontaktschicht 109 vom p- Typ vollständig geätzt worden ist, und die Resonatorlänge ist leichter kontrollierbar, da der RIE- Prozess mit einer geringeren Geschwindigkeit als der RIBE-Prozess durchgeführt werden kann. Dabei kommen als Ätzbedingungen ein Druck von 2 Pa, eine Hochfrequenzleistung von 70 W und die Verwendung von CHF&sub3; als Ätzgas in Betracht.
Wie oben beschrieben, muss die Laserwellenlänge, die durch den höheren Reflexionsgradbereich des DBR-Spiegels und die Resonatorlänge festgelegt ist, gleich der Konstruktionslaserwellenlänge gemacht werden, um den oberflächenemittierenden Halbleiterlaser nach dieser Erfindung zu implementieren. Da aber der Resonator nach dem epitaxialen Wachstum mit RIE unter Überwachung des Reflexionsgrades exakt auf eine beliebige vorgegebene Länge geätzt werden kann, ist es möglich, eine genauere Vorrichtung mit guter Ausbeute herzustellen, auch wenn die Konstruktionslaserwellenlänge in der Anfangsverarbeitung nicht erreicht wurde.
Das Ätzen unter Überwachung des Reflexionsgrades kann auch eingesetzt werden, um Bereiche mit unterschiedlichen Resonatorlängen innerhalb der Substratoberfläche exakt zu formen, wodurch es möglich wird, zwei oder mehr oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit verschiedenen Laserwellenlängen auf einem einzigen Substrat zu erzeugen.

Claims

1. Verfahren zum Messen einer optischen Filmdicke, bei dem ein Überwachungslichtstrahl während der Bildung eines Stapels von Filmen (103, 104) auf einem Substrat (102) auf das Substrat (102) gestrahlt wird und die optische Filmdicke anhand von Extremwerten der Reflexionsintensität des von dort reflektierten Lichts gemessen wird,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Stapel von Filmen umfasst:

einen ersten Film (103) mit einem Reflexionsgrad von wenigstens 98% in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich, und

einen zweiten Film (104), der auf dem ersten Film gebildet ist und einen Absorptionskoeffizienten von 1000 cm&supmin;¹ oder weniger in dem vorgegebenen Wellenlängenbereich hat, und

dass das Verfahren die Schritte umfasst:

Messen des ersten Films mit einem ersten Überwachungslichtstrahl, der eine Wellenlänge innerhalb des vorgegebenen Wellenlängenbereiches hat, und

Messen des zweiten Films mit einem zweiten Überwachungslichtstrahl, der eine Wellenlänge hat, die sich von dem vorgegebenen Wellenlängenbereich unterscheidet.

2. Filmbildungsverfahren zum Bilden eines Stapels von Filmen (103, 104) auf einem Substrat (102), bei dem ein Überwachungslichtstrahl auf das Substrat (102) während der Bildung des Stapels von Filmen gestrahlt wird und die optische Filmdicke anhand von Extremwerten der Reflexionsintensität des von dort reflektierten Lichts gemessen wird,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Stapel von Filmen umfasst:

einen zweiten Film (104), der auf dem ersten Film gebildet ist und einen Absorptionskoeffizienten von 1000 cm&supmin;¹ oder weniger in dem vorgegebenen Wellenlängenbereich hat,

wobei der erste Film (103) gebildet wird, während ein erster Überwachungslichtstrahl mit einer Wellenlänge innerhalb des vorgegebenen Wellenlängenbereichs auf das Substrat (102) gestrahlt und seine optische Filmdicke anhand von Extremwerten der Reflexionsintensität des von dort reflektierten Lichtes überwacht wird; und

der zweite Film (104) gebildet wird, während ein zweiter Überwachungslichtstrahl mit einer von denen des vorgegebenen Wellenlängenbereichs verschiedenen Wellenlänge auf das Substrat (102) gestrahlt wird und seine optische Filmdicke anhand von Extremwerten der Reflexionsintensität des von dort reflektierten Lichtes überwacht wird.

3. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers, bei dem ein Stapel von Halbleiterschichten auf dem Substrat (102) eines ersten Leitfähigkeitstyps durch epitaxiales Aufwachsen erzeugt wird und bei dem der Stapel von Halbleiterschichten wenigstens einen Vielschichtfilmspiegel vom Typ mit verteilter Bragg-Reflexion (DBR-Spiegel) (103) eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine erste Deckschicht (104) des ersten Leitfähigkeitstyps, eine aktive Schicht (105), eine zweite Deckschicht (106) eines zweiten Leitfähigkeitstyps und eine Kontaktschicht (109) des zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst, und bei dem ein Überwachungslichtstrahl auf das Substrat (102) während der Bildung des DBR-Spiegels (103) gestrahlt wird und die optische Filmdicke anhand von Extremwerten der Reflexionsintensität des von dort reflektierten Lichtes gemessen wird,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Dicke des DBR-Spiegels (103) gemessen wird durch Einstrahlen eines ersten Überwachungslichtstrahls mit einer Wellenlänge innerhalb eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs auf das Substrat (102) während des Filmbildungsprozesses und Umschalten von der Bildung einer Halbleiterschicht auf die Bildung einer anderen Halbleiterschicht mit einem anderen Brechungsindex, wenn ein Extremwert der Reflexionsintensität des von dort reflektierten Lichts erreicht wird, so dass Halbleiterschichten mit jeweils hohen und niedrigen Brechnungsindizes abwechselnd in einem Stapel gebildet werden, und der DBR-Spiegel (103) einen Reflexionsgrad von wenigstens 98% in dem vorgegebenen Wellenlängenbereich hat; und

die erste Deckschicht (104) gebildet wird, während ihre optische Filmdicke kontrolliert wird durch Einstrahlen eines zweiten Überwachungslichtstrahls mit einer von denen im vorgegebenen Wellenlängenbereich verschiedenen Wellenlänge auf das Substrat (102) und Überwachen von Extremwerten der Reflexionsintensität von von dort reflektiertem Licht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Vielschichtfilmspiegel vom Typ mit verteilter Bragg-Reflexion einen Refelxionsgrad von wenigstens 99% in dem vorgegebenen Wellenlängenbereich hat.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die erste Deckschicht (104) einen Absorptionskoeffizienten von 1000 cm&supmin;¹ oder weniger hat.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem der erste Überwachungslichtstrahl die gleiche Wellenlänge wie die Soll-Laser-Wellenlänge des Halbleiterlasers hat.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem die aktive Schicht (105), die zweite Deckschicht (106) und die Kontaktschicht (109) gebildet werden, während deren optische Filmdicken durch Messen mit dem ersten Überwachungslichtstrahl kontrolliert werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der zweite Überwachungslichtstrahl eine kürzere Wellenlänge als den vorgegebenen Wellenlängenbereich hat.