JP3624476B2 - 半導体レーザ装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体レーザ装置は、基板上に複数の半導体層をエピタキシャル結晶成長によって積層して形成される。
【０００３】
従来のこの種の結晶成長方法では、通常、サンプル基板に所定の半導体層を形成した後、これを反応管外に取り出して、例えば半導体層の断面膜厚の測定や、反射スペクトルの測定等を用いて前記半導体層の光学的膜厚から結晶成長速度をあらかじめ求め、この結晶成長速度と成膜時間で層の光学的膜厚を制御している。しかし、この方法では幾つかの問題を有する。
【０００４】
第１の問題は、この方法では結晶の成長速度を常に一定にしなければならなく、成長速度がロット間で再現しなかったり、成長速度が揺らぐと光学的膜厚を正確に制御することができないことである。例えば、分布反射型多層膜ミラー（ＤＢＲミラー）は各半導体層の光学的膜厚を正確に制御することにより高い反射率を得る必要があるが、従来の結晶成長速度と成長時間で制御する方法では成長速度の揺らぎによって光学的膜厚を正確に制御することが困難であり、その結果、反射帯域波長を設計どおりに作成することが難しい。
【０００５】
また、第２の問題は、光学的膜厚を決定する要因として、屈折率ｎの値があるが、半導体層は波長によって屈折率も変化するため、所定の波長での各層の屈折率も厳密に測定しなければならず、そしてこの測定は非常に困難であることである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の従来技術の問題を解決し、その目的は、成膜工程と同時に光学的膜厚を正確に測定することができ、特に高い反射率を有する半導体層を含む積層体、例えば反射ミラーを含む半導体レーザ装置の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
光学的膜厚測定方法は、基板上に複数の膜を積層する際に、基板に向けてモニタ光を照射し、その反射強度の極値から光学的膜厚を測定する光学的膜厚測定方法において、
積層される複数の膜は、所定の波長帯域において９８％以上の反射率を有する第１の膜と、この第１の膜上に形成され、かつ前記所定の波長帯域において１０００ｃｍ−１以下の吸収係数を有する第２の膜とを含み、
前記第１の膜は、所定波長を有する第１のモニタ光によって測定され、
前記第２の膜は前記所定の波長帯域と異なる波長を有する第２のモニタ光によって測定されることを特徴とする。
【０００８】
さらに、この光学的膜厚測定方法を適用した膜形成方法は、基板上に複数の膜を積層する膜形成方法において、
積層される複数の膜は、所定の波長帯域において９８％以上の反射率を有する第１の膜と、この第１の膜上に形成され、かつ前記所定の波長帯域において１０００ｃｍ−１以下の吸収係数を有する第２の膜とを含み、
前記第１の膜は、所定波長を有する第１のモニタ光を基板に向けて照射し、その反射強度の極値から光学的膜厚をモニタしながら形成され、前記第２の膜は、前記所定の波長帯域と異なる波長を有する第２のモニタ光を基板に向けて照射し、その反射強度の極値から光学的膜厚をモニタしながら形成されることを特徴とする。
【０００９】
これらの光学的膜厚測定方法および膜形成方法においては、９８％以上、好ましくは９９％以上、さらに好ましくは９９．５％以上の高反射率を有する所定の波長帯域（以下、これを「高反射帯域」という）を有する第１の膜上に、１０００ｃｍ−１以下、好ましくは１００ｃｍ−１以下の吸収係数を有する第２の膜を形成する際に、第２の膜のモニタ光の波長は前記高反射帯域と異なる波長から選択される。このように第２のモニタ光の波長を第１の膜の高反射帯域の波長と異なる波長にすることにより、第１の膜の反射の影響を受けずに、吸収係数の小さい、つまり前記数値範囲の吸収係数を有し透明もしくは透明に近い第２の膜の光学的膜厚を正確に測定し、かつその光学的膜厚を正確に制御することができる。
【００１０】
そして、前記第２のモニタ光は、前記高反射帯域より短い波長を有することが好ましい。これは、モニタ光によって測定できる光学的な最小膜厚は反射強度の極値、つまり隣接する極大点と極小点との間隔から得られ、この最小光学的膜厚はモニタ光の波長の１／４に相当するため、モニタ光の波長が短いほど、測定可能な光学的膜厚を小さくすることができ、より正確な測定が可能であるからである。
【００１１】
また、前記第１の膜をモニタするための第１のモニタ光は、前記高反射帯域に含まれる波長であることが好ましい。例えば、第１の膜が多層反射膜のように、屈折率の異なる２種類の層をそれぞれ所定波長に相当する光学的膜厚で交互に積層していく場合には、モニタ光として前記所定波長の光を用いることにより、光学的膜厚制御がより正確にかつ直接的に行えるからである。
【００１２】
本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、前記光学的膜厚測定方法および膜形成方法が適用され、具体的には、第１導電型の化合物半導体からなる基板上に、少なくとも、第１導電型の分布反射型多層膜ミラー、第１導電型の第１クラッド層、活性層、第２導電型の第２クラッド層および第２導電型のコンタクト層を含む半導体層をエピタキシャル成長によって形成する工程を含み、
前記分布反射型多層膜ミラーは、成膜時に、所定波長の第１のモニタ光を基板に向けて照射してその反射強度を測定し、この反射強度の極値で屈折率の異なる一方の半導体層の堆積から他方の半導体層の堆積に切り替えることによって、低屈折率の半導体層と高屈折率の半導体層とを交互に積層して形成され、かつ所定の波長帯域において９８％以上の反射率を有し、
前記第１クラッド層は、前記分布反射型多層膜ミラーにおける前記所定の波長帯域と異なる波長を有する第２のモニタ光を基板に向けて照射し、その反射強度の極値をモニタすることによって光学的膜厚を制御しながら形成されることを特徴とする。
【００１３】
前記分布反射型多層膜ミラーは、前記光学的膜厚測定方法および膜形成方法における第１の膜に相当する。そして、前記分布反射型多層膜ミラーは、成膜時に所定波長を有する第１のモニタ光を基板上に照射してその反射強度を検出することにより、基板上に形成された半導体層の反射強度変化（反射率スペクトル）を測定し、この反射率スペクトルの極値（極大点および極小点）で屈折率の異なる一方の半導体層の堆積から他方の半導体層の堆積に切り替えることによって、低屈折率の半導体層と高屈折率の半導体層とを交互に積層して形成される。
【００１４】
この製造方法においては、第１のモニタ光は、室温での分布反射型多層膜ミラーの設計波長（高反射帯域の中心波長）λ０と同じ波長、より厳密には設計波長λ０に成膜時における温度補正を加えた波長（以下、これを「補正波長」という）λ０′を用いることが好ましい。光学的膜厚は、屈折率の逆数と膜厚の積で表されるが、結晶膜の屈折率には材質固有の温度依存性があり、光学的膜厚は熱膨張係数にしたがう温度依存性を持つため、成膜中の光学的膜厚をモニタする場合には、成膜温度と材質を考慮した波長の補正を行う必要がある。そして、分布反射型多層膜ミラーの設計波長に相当する波長λ０、好ましくは補正波長λ′０を有する第１のモニタ光でモニタすることで、反射強度の極大点および極小点の間隔を設計波長の１／４波数に一致させることができ、分布反射型多層膜ミラーの各層の光学的膜厚の制御がより正確にかつ直接的に行える。
【００１５】
前記反射率スペクトルは、結晶の成長速度や成長時間に依存せず、各層の光学的膜厚のみに依存している。従って、反射率スペクトルの極値で積層する層の組成を変更し、屈折率の違う層を交互にエピタキシャル成長させることにより、各層が理論通りの厚さを有する。また、反射強度を測定するためのモニタ光の光源として、例えば所定の発振波長を持つ半導体レーザを選ぶことにより、所定波長を厳密に設定できる。そして、分布反射型多層膜ミラー自体の反射強度を結晶成長中に測定できることから、層形成中にミラーのペア数を変更したり、構造の最適化がはかれる。
【００１６】
前記分布反射型多層膜ミラーは、高反射帯域で、９８％以上、好ましくは９９％以上、より好ましくは９９．５％以上の反射率を有する。
【００１７】
前記第１クラッド層は、前記分布反射型多層膜ミラーにおける高反射帯域と異なる波長、好ましくは該高反射帯域より小さい波長を有する第２のモニタ光によって、光学的膜厚を測定しながら形成される。前記第１クラッド層は、１０００ｃｍ−１以下、好ましくは１００ｃｍ−１以下、より好ましくは１０〜１００ｃｍ−１の吸収係数を有する。第１クラッド層は、活性層への注入キャリア（電子および正孔）の閉じ込こめのためのポテンシャル障壁として機能し、同時にレーザ共振器の光導波路の一部を構成する。従って、第１クラッド層の光吸収つまり光損失の存在は、しきい値電流の上昇、レーザ出力効率の低下、あるいは素子内の発熱など特性の悪化の原因となり、そのため第１クラッド層の吸収係数はできるだけ小さいことが望ましい。
【００１８】
本発明の半導体レーザ装置の製造方法において、第１クラッド層のモニタ光の波長を分布反射型多層膜ミラーの高反射帯域と異なる波長に設定する理由は、以下の通りである。すなわち、前記分布反射型多層膜ミラーは、設計発振波長において、通常は設計発振波長±３０μｍの範囲において１００％に近い反射率を有し、かつ前記第１クラッド層は設計発振波長およびその近傍の波長に対して光吸収が小さい材質を用いるため、第１クラッド層の形成時に第１のモニタ光と同じモニタ光を用いたのでは、分布反射型多層膜ミラーの反射強度が反映して第１クラッド層の光学的膜厚に対応する反射強度の変化が非常に小さくなり、反射率の極大点および極小点の判別が困難となる。そこで、本発明においては、第１クラッド層のモニタ光として分布反射型多層膜ミラーの高反射帯域と異なる波長の第２のモニタ光を用いることにより、反射強度の極値の判別が明瞭となり、その結果第１クラッド層の光学的膜厚を正確にモニタすることができる。
【００１９】
また、前記第２のモニタ光は前記高反射帯域より短い波長を有する光を用いることより、前述したように、制御可能な最小光学的膜厚を小さくすることができ、より精度の高い測定を行うことができる。
【００２０】
さらに、本発明の半導体レーザ装置の製造方法においては、前記第１クラッド層のモニタに引き続いて、前記活性層、第２クラッド層およびコンタクト層の形成において、前記第１のモニタ光によって光学的膜厚をモニタしながら成膜されることが好ましい。
【００２１】
本発明の製造方法によって形成された半導体レーザ装置は、各層、特に分布反射型多層膜ミラーおよび第１クラッド層の光学的膜厚が厳密に制御され、発振しきい値、外部微分量子効率などの特性が優れた半導体レーザ装置を提供することができる。
【００２２】
本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、分布反射型多層膜ミラーおよび第１クラッド層を含む半導体レーザ装置であれば適用することができ、例えば埋め込み方法、電流狭窄方法、活性層の構造、上部反射膜の構造などは特に限定されず、種々の態様を取りうる。
【００２３】
さらに、本発明の光学的膜厚測定方法および膜形成方法は、半導体レーザ装置の製造方法のみならず、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ライトバルブなどの装置の製造方法にも適用することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の光学的膜厚測定方法および膜形成方法を適用して形成された面発光型半導体レーザ装置の一例の断面を模式的に示す斜視図である。
【００２５】
（半導体レーザの構造）
図１に示す半導体レーザ装置１００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２上に、ｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層し波長８００ｎｍ付近の光に対し９９．５％以上の反射率を持つ分布反射型多層膜ミラー（以下、これを「ＤＢＲミラー」と表記する）１０３、ｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層からなる第１クラッド層１０４、 ｎ−型ＧａＡｓウエル層とｎ−型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層から成る量子井戸活性層１０５、ｐ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層からなる第２クラッド層１０６およびｐ＋型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層からなるコンタクト層１０９が、順次積層されて成る。
【００２６】
そして、第２クラッド層１０６の途中まで、半導体の積層体の上面からみて例えば円形形状の柱状部１１４（以下、この部分を「共振器部」と記す）が形成されるようにエッチングされている。柱状部１１４の周囲は、例えば熱ＣＶＤ法により形成されたＳｉＯ２等のシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ膜）からなる第１絶縁層１０７と、例えばポリイミド等の耐熱性樹脂からなる第２絶縁層１０８とで埋め込まれている。第１絶縁層１０７は、第２クラッド層１０６およびコンタクト層１０９の表面に沿って連続して形成され、第２絶縁層１０８は、この第１絶縁層１０７の周囲を埋め込む状態で形成されている。
【００２７】
また、例えばＣｒとＡｕ−Ｚｎ合金で構成されるコンタクト金属層（上側電極）１１２は、コンタクト層１０９とリング状に接触して形成され、電流注入のための電極となる。このコンタクト層１０９の上側電極１１２で覆われていない部分は、円形に露出している。そして、そのコンタクト層１０９の露出面（以後、この部分を「開口部１１３」と記す）を充分に覆う面積で、ＳｉＯ２等のＳｉＯｘ層とＴａ２Ｏ５層とを交互に積層し波長８００ｎｍ付近の光に対し９８．５〜９９．５％の反射率を持つ誘電体多層膜ミラー１１１が形成されている。
【００２８】
また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２の下には、例えばＮｉとＡｕ−Ｇｅ合金から成る電極用金属層（下側電極）１０１が形成されている。
【００２９】
そして、上側電極１１２と下側電極１０１との間に順方向の電圧が印加されて（本実施例の場合は、上側電極１１２から下側電極１０１への方向に電圧が印加される）、電流注入が行なわれる。注入された電流は、量子井戸活性層１０５で光に変換され、ＤＢＲミラー１０３と誘電体多層膜ミラー１１１とで構成される反射鏡の間をその光が往復することにより増幅され、開口部１１３（コンタクト層１０９の露出面）から矢印１１０で示す方向すなわち基板１０２に対して垂直方向にレーザ光が放射される。
【００３０】
本実施例の半導体レーザ装置は、以下に示す構造上の特徴を有することが望ましい。
【００３１】
（Ａ）ＤＢＲミラーの構造
ＤＢＲミラー１０３は、設計発振波長に対してＤＢＲミラーの反射率が充分に高い必要がある。ＤＢＲミラーの反射率のピークはＤＢＲミラーを構成する半導体層（Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ／Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ）の光学的膜厚を正確に制御する事によって得られ、ピーク反射率の値はＤＢＲミラーの対数を多くする事によって上げることができる。ところで、通常ウエハ面内で結晶層の光学的膜厚は完全に均一ではないので、ＤＢＲミラーの反射率スペクトルはウエハ面内である範囲の分布を持っている。従って、ＤＢＲミラーの反射率は、設計発振波長に対して±３０ｎｍの領域において、９８％以上、好ましくは９９％以上、さらに好ましくは９９．５％以上の反射率を有する。この反射率の条件を満たさないと、ウエハ面内でレーザ発振を起こさない領域が生じてしまう事がある。本実施例においては、ＤＢＲミラーとして２５〜５０ペア、好ましくは４０ペアの半導体層を積層してあり、ウエハ面内で例えば±２．５％の光学的膜厚の分布があっても、設計発振波長でレーザ発振を起こさせることが可能である。
【００３２】
（Ｂ）クラッド層の構造
第１クラッド層１０４および第２クラッド層１０６は、その光学的膜厚が厳密に制御される必要がある。つまり、レーザ発振時においては、共振器内に生ずる定在波の電解強度分布の極大部と活性層位置（厚さ方向）とを一致させる必要がある。両者を一致させることで、レーザ発振の源である活性層でのキャリアの誘導放出，再結合が効率よく実現される。この活性層でのキャリアの誘導放出，再結合の効率は、活性層内に存在する定在波の電解強度の積分に比例する。この定在波の電解強度は、積層方向（厚さ方向）に対してｓｉｎの２乗の曲線で示される変化の大きな分布を有している。そのため、活性層が薄い場合、例えば活性層の光学的膜厚が発振波長の１波長より小さい場合などには、活性層の位置がわずかにずれただけでも、発振しきい値および効率などに大きく影響する。そのため、活性層の位置を精密に制御するためには、クラッド層、特に第１クラッド層の光学的膜厚の制御は極めて重要である。
【００３３】
（Ｃ）量子井戸活性層の構造
量子井戸活性層１０５は、ｎー型ＧａＡｓウエル層とｎー型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層から成る。本実施例の場合は、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層となっている。ウエル層の光学的膜厚は、４０〜１２０オングストローム，好ましくは４５オングストローム、バリア層の光学的膜厚は４０〜１００オングストローム，好ましくは４０オングストローム、ウエル層の総数は１０〜４０層，好ましくは２１層である。これにより、面発光型半導体レーザ装置の低閾値化、高出力化、温度特性の向上、発振波長の再現性の向上が達成できる。
【００３４】
（Ｄ）埋込み絶縁層の構造
埋込み絶縁層は、前述したように、例えば熱ＣＶＤ法により形成された膜厚の薄いち密なシリコン酸化膜（第１絶縁層）１０７と、その上に埋め込まれ、素子の表面を平坦化するための第２絶縁層１０８との２層構造から構成されている。この構造において、薄い第１絶縁層１０７を形成する理由は、その後に形成する第２絶縁層１０８は不純物（例えばナトリウム、塩素、重金属、水等）を多く含有しやすいので、その不純物が第２クラッド層１０６中や量子井戸活性層１０５中へ熱等により拡散することを阻止するためである。したがって、第１絶縁層１０７は、不純物を阻止できる膜質および膜厚（例えば５０〜２００ｎｍ）を有すればよい。本実施例においては、第１絶縁層１０７は、例えば５００〜６００℃の高温の熱ＣＶＤにより形成されるため、素子への熱の悪影響を考慮して、この第１絶縁層１０７を厚くして１層とするのではなく、薄い第１絶縁層１０７と、膜質がち密でなくても、より低温で形成できる第２絶縁層１０８との２層構造とした。
【００３５】
第２絶縁層１０８は、前述のポリイミド等の耐熱性樹脂の他に、プラズマＣＶＤ，ＴＥＯＳ等の有機原料ＣＶＤなどの方法で比較的低温（４００℃以下）で形成できるＳｉＯ２等のシリコン酸化物（ＳｉＯＸ膜）、Ｓｉ３Ｎ４等のシリコン窒化膜（ＳｉＮＸ）、ＳｉＣ等のシリコン炭化物（ＳｉＣＸ）、ＳＯＧ（スピンオングラス法によるＳｉＯ２等のＳｉＯＸ）などの絶縁性シリコン化合物、あるいは多結晶のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体（例えばＺｎＳｅ）などから構成されてもよい。これら、絶縁物の中でも、低温で形成可能であるＳｉＯ２等のシリコン酸化物、ポリイミドまたはＳＯＧを用いるのが好まく、さらには、形成が簡単であり、容易に表面が平坦となることからＳＯＧを用いるのが好ましい。
【００３６】
第１絶縁層を構成するシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ膜）の形成方法には、プラズマＣＶＤ法、反応性蒸着法など幾つかの種類があるが、ＳｉＨ４（モノシラン）ガスとＯ２（酸素）ガスを用い、Ｎ２（窒素）ガスをキャリアガスとする常圧熱ＣＶＤ法による成膜方法が最も適している。その理由は、反応を大気圧で行い、更にＯ２が過剰な条件下で成膜するのでＳｉＯｘ膜中の酸素欠損が少なく緻密な膜となること、および、ステップ・カバーレッジが良く、共振器部１１４の側面および段差部も平坦部とほぼ同じ光学的膜厚が得られることである。
【００３７】
また、本実施例においては、埋込み絶縁層が量子井戸活性層１０５に至らない状態、つまり、共振器部１１４以外の領域において、第１絶縁層１０７と量子井戸活性層１０５との間に、第２クラッド層１０６を所定の厚さ（ｔ）だけ残すように形成されている。この残す膜厚ｔは、好ましくは０〜０．５８μｍ、さらに好ましくは０〜０．３５μｍに設定される。これにより、面発光型半導体レーザ装置において、埋込み絶縁層部分の界面再結合電流をなくし、高効率化、高信頼性化が達成できる。
【００３８】
さらに、このクラツド層の残り膜厚ｔの好ましい数値範囲について、図２を用いて説明する。図２において、縦軸は外部微分量子効率を示す傾き（スロープ効率）の値を示し、横軸はクラッド層の残り膜厚ｔを示す。スロープ効率が０．１（つまり１０％）であるということは、１０ｍＡの電流でも１ｍＷの光出力しか得られないことになる。一般的に、この１０ｍＡという電流値は、レーザ素子が熱飽和する電流値に近い電流値であり、ほとんど限界に近いものである。従って、実用上要求される傾きは０．１以上であり、図２からスロープ効率が０．１の時の残り膜厚ｔは、約０．５８μｍとなり、このことから好ましい残り膜厚ｔは０〜０．５８μｍとなる。
【００３９】
（Ｅ）誘電体多層膜ミラーの構造
誘電体多層膜ミラー１１１は、ＳｉＯ２等のＳｉＯｘ層とＴａ２Ｏ５層とを交互に積層し設計発振波長の光に対し９８．５〜９９．５％の反射率を持つ、６〜９ペア、好ましくは７ペアの誘電体多層膜から形成されている。反射率が９８．５％より低いと、発振閾電流が大幅に増大してしまう。逆に、反射率が９９．５％よりも大きいと光出力が外部に取り出しにくく、外部微分量子効率が低下してしまう。従って、前述の反射率になるように誘電体多層膜ミラー１１１の対数を決定して薄膜を形成する。更に、誘電体の材料として、レーザ発振波長に対して光の吸収損失が少ない特性のものを使用することが、閾値を低くし外部微分量子効率を向上させるために重要である。この誘電体多層膜ミラー１１１を構成するＴａ２Ｏ５層の代わりに、ＺｒＯＸ膜、ＺｒＴｉＯＸ膜、ＴｉＯＸ膜も用いられる。これにより、面発光型半導体レーザ装置の低閾値化、外部微分量子効率の向上が達成できる。
【００４０】
（半導体レーザ装置の製造方法）
次に、図１に示す面発光型半導体レーザ装置１００の製造プロセスの一例について説明する。図３（Ａ）〜（Ｃ）および図４（Ｄ）〜（Ｆ）は、面発光型半導体レ−ザ装置の製造工程を模式的に示したものである。
【００４１】
（Ａ）ｎ型ＧａＡｓ基板１０２に、ｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層とを交互に積層して波長８００ｎｍ付近の光に対し９９．５％以上の反射率を持つ、例えば４０ペアのＤＢＲミラー１０３を下部ミラーとして形成する。さらに、ｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層（第１クラッド層）１０４を形成した後、ｎ−型ＧａＡｓウエル層とｎ−型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層とを交互に積層した量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１０５を形成する。その後、ｐ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層（第２クラッド層）１０６、およびｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（コンタクト層）１０９を順次積層する（図３（Ａ）参照）。
【００４２】
上記の各層は、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ−ＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法でエピタキシャル成長させた。この時、例えば、成長温度は７５０℃、成長圧力は１５０Ｔｏｒｒで、ＩＩＩ族原料にＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）の有機金属を用い、Ｖ族原料にＡｓＨ３ 、ｎ型ドーパントにＨ２Ｓｅ 、ｐ型ドーパントにＤＥＺｎ（ジエチルジンク）を用いた。
【００４３】
このエピタキシャル成長工程においては、後に詳述するように、本願発明の特徴を成す光学的膜厚測定方法および膜形成方法を用い、各層の光学的膜厚を正確に制御しながら成膜を行っている。
【００４４】
各層の形成後、エピタキシャル層上に常圧熱ＣＶＤ法を用いて、２５ｎｍ程度のＳｉＯ２ 層からなる保護層Ｉを形成する。この保護層Ｉが、積層された半導体層を覆うことにより、プロセス中の表面汚染を防いでいる。
【００４５】
（Ｂ）次に、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法により、レジストパターンＲ１で覆われた柱状の共振器部１１４を残して、第２クラッド層１０６の途中までエッチングする。このエッチングプロセスの実施により、共振器部１１４を構成する柱状部は、その上のレジストパターンＲ１の輪郭形状と同じ断面を持つ（図３（Ｂ）参照）。また、ＲＩＢＥ法を用いるため、前記柱状部の側面はほぼ垂直であり、またエピタキシャル層へのダメージもほとんどない。ＲＩＢＥの条件としては、例えば、圧力６０ｍＰａ、入力マイクロ波のパワー１５０Ｗ、引出し電圧３５０Ｖとし、エッチングガスには塩素およびアルゴンの混合ガスを使用した。
【００４６】
このＲＩＢＥ法による柱状部の形成においては、エッチング中、前記基板１０２の温度は好ましくは０〜４０℃、より好ましくは１０〜２０℃に設定される。このように基板の温度を比較的低温に保持することにより、エピタキシャル成長によって積層される半導体層のサイドエッチングを抑制することができる。ただし、基板の温度が０〜１０℃であると、サイドエッチングを抑制するという点からは好ましいが、エッチングレートが遅くなってしまうために実用的には不向きである。また、基板の温度が４０℃を越えると、エッチングレートが大きくなりすぎるため、エッチング面が荒れてしまうだけでなく、エッチングレートの制御がしにくいという不都合がある。
【００４７】
（Ｃ）この後、レジストパターンＲ１を取り除き、常圧熱ＣＶＤ法で、表面に１００ｎｍ程度のＳｉＯ２ 層（第１絶縁膜）１０７を形成する。この際のプロセス条件としては、例えば、基板温度４５０℃、原料としてＳｉＨ４ （モノシラン）と酸素を使用し、キャリアガスには窒素を用いた。さらにこの上にスピンコート法を用いてＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｒａｓｓ）膜１０８Ｌを塗布し、その後、例えば、８０℃で１分間、１５０℃で２分間、さらに３００℃で３０分間、窒素中でベーキングする（図３（Ｃ）参照）。
【００４８】
（Ｄ）次に、ＳＯＧ膜１０８ＬとＳｉＯ２ 膜１０７と保護層Ｉをエッチバックして、露出したコンタクト層１０９の表面と面一になるように平坦化させる（図４（Ｄ）参照）。エッチングには平行平板電極を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を採用し、反応ガスとして、ＳＦ６ 、ＣＨＦ３ およびＡｒを組み合わせて使用する。
【００４９】
（Ｅ）次に、コンタクト層１０９とリング状に接触する上側電極１１２を公知のリフトオフ法により形成する（図４（Ｅ）参照）。
【００５０】
（Ｆ）コンタクト層１０９は上側電極１１２の円形開口を介して露出しており、この露出面を充分に覆うように誘電体多層膜ミラー（上部ミラー）１１１を公知のリフトオフ方法により形成する（図４（Ｆ）参照）。上部ミラー１１１は、電子ビーム蒸着法を用いて、ＳｉＯ２ 層とＴａ２Ｏ５層を交互に例えば７ペア積層して形成され、波長８００ｎｍ付近の光に対して９８．５〜９９．５％の反射率を持つ。このときの蒸着スピードは、例えばＳｉＯ２ が０．５ｎｍ／分、Ｔａ２Ｏ５層が０．２ｎｍ／分とした。なお、上部ミラー１１１の形成には、上述のリフトオフ法以外にＲＩＥ法によるエッチングを用いてもよい。
【００５１】
しかる後、基板１０２の下面に、ＮｉとＡｕＧｅ合金とからなる下側電極１０１が形成されて、面発光型半導体レ−ザ装置が完成する。
【００５２】
次に、前述の様な低閾電流を持ち、外部微分量子効率の高い面発光型半導体レーザ装置を実現するための製造方法のポイントについてさらに詳述する。これまで述べてきたように、結晶成長によってＤＢＲミラー層、クラッド層および多重量子井戸構造の活性層などを形成するので、結晶成長技術が本発明の面発光型半導体レーザ装置の製造方法において最も重要である。結晶成長技術には、
（１）ヘテロ界面が原子層オーダーで急峻であること
（２）広い面積にわたって膜厚の均一性が高いこと
（３）膜厚、組成およびドーピング効率の再現性が高いこと
等が必要な要件である。
【００５３】
特に（１）の界面の急峻性が、面発光型半導体レーザ装置の特性の向上の為には重要である。化合物半導体の結晶成長技術において界面の急峻性を確保する方法には、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、有機金属気相エピタキシー法（ＭＯＶＰＥ法）がある。液相エピタキシー法（ＬＰＥ法）は高純度の結晶成長が可能であるが、液相から固相への成長方法であるのでヘテロ界面の急峻性を実現する事は困難で、面発光型半導体レーザ装置の製造方法には適さない。これに対しＭＢＥ法とＭＯＶＰＥ法はそれぞれ分子線、気相から固相への成長方法であるので原理的には原子層オーダーの界面急峻性が得られる。
【００５４】
しかし、ＭＢＥ法は分子線からの結晶形成であり成長速度を高めることはできず、０．０１〜０．１ｎｍ／秒といった比較的遅い成長速度しか得られず、面発光型レ−ザの様に数μｍ程度のエピタキシャル層を必要とする結晶成長には不向きである。またＭＢＥ法は、その製造装置の構造上、大面積において均一かつ高品質に結晶成長させることは非常に難しく、また原料の充填量の制約から、連続した結晶成長の回数にも制限がある。このことは、結晶成長のスループットを制限する点であり、基板の量産を難しくする要因となっている。
【００５５】
これに対し、本実施例で用いているＭＯＶＰＥ法は、前述した、ＭＢＥ法と同等の原子層オーダのヘテロ界面の急峻性が得られており、また、気相成長であるため原料の供給量を変化させることにより、０．０１〜数ｎｍ／秒の成長速度を得ることができる。
【００５６】
また、（２）の膜厚の均一性については、成長装置の反応管形状を最適化することにより、例えば直径が３インチ円形基板のほぼ７５％の面積で、±２％以内の膜厚分布が得られることが確認された。
【００５７】
（３）の再現性の点では、ＭＢＥ法やＭＯＶＰＥ法は成長の制御性が原理上よいので、膜厚、組成およびドーピング効率の再現性が高く、本実施例の面発光型半導体レーザ装置を実現する結晶成長方法はＭＯＶＰＥ法が好ましい。
【００５８】
（３）の点については、ＭＯＶＰＥ法において、以下に示す、本発明の光学的膜厚測定方法を適用した製造方法を組み合わせることにより、さらに再現性かつ制御性よくエピタキシャル層を作製することができる。
【００５９】
図５は、ＭＯＶＰＥ法が適用され、かつ結晶成長中にエピタキシャル層の反射強度を常時測定することが可能な成膜装置の一例を模式的に示したものである。この成膜装置は、例えば横型水冷反応管を用いたＭＯＶＰＥ装置において、成長基板上部の水冷管部分を無くし、反応管外部から成長基板上に光を入れることが可能な光学窓を有する。
【００６０】
具体的には、このＭＯＶＰＥ装置は、マスフローコントローラ２４によって組成が制御された原料ガスが供給される反応管１０の周囲に、内部に例えば水を通すことによって反応管１０を冷却する冷却部１２が設けられている。反応管１０の内部には基板Ｓを載置するためのサセプタ１４が設けられ、このサセプタ１４の基板載置面に面する部分の反応管１０壁面に光学窓１６が設けられている。光学窓１６の上方には光源１８および光検出部２０が設置され、光源１８から出射された光は光学窓１６を介してサセプタ１４上の基板Ｓに到達し、その反射光は再び光学窓１６を介して光検出部２０に到達するように構成されている。そして、光検出部２０は、演算制御部２２と接続され、この演算制御部２２は前記マスフローコント．ローラ２４に接続されている。
【００６１】
そして、光源１８からの光は基板Ｓ上にほぼ垂直（最大５°）に入射するように設定され、その反射光を光検出部２０によって測定することにより、基板Ｓ上にエピタキシャル成長を行いながら、後に詳述するように、同時に生成するエピタキシャル層の反射強度の変化を測定し、この反射強度変化を演算制御部２２において所定の演算式によって処理し、得られたデータをマスフローコントローラ２４にフィードバックできるように構成されている。
【００６２】
本実施例において特徴的なことは、前記光源１８は２系統のモニタ光、つまり第１のモニタ光および第２のモニタ光を構成し、形成される半導体層に応じてモニタ光を変換できる点にある。
【００６３】
２系統のモニタ光を構成する光源１８は、その構成は特に制限されないが、例えば図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すものを挙げることができる。
【００６４】
図６（Ａ）に示す光源１８においては、２つのレーザ光源１８ａおよび１８ｂを近接して設置し、各光路上にコリメータレンズ１８ｃおよび１８ｄを設け、２本のレーザビームを平行光もしくは少なくとも基板より遠方に焦点を持たせるようにする。２本のモニタビームは、互いに１度以内の範囲に入ることが好ましく、平行であることが最も望ましい。また、この２本のモニタビームは基板Ｓ上において同一位置に照射されることが好ましい。
【００６５】
図６（Ｂ）に示す光源１８においては、２つのレーザ光源１８ａおよび１８ｂの各光路が互いに直交するように配置され、これらの光路の交点にハーフミラー１８ｅを光路に対して例えば４５度の角度で設置されている。また、各光源１８ａおよび１８ｂとハーフミラー１８ｅとの間には、光路上にコリメータレンズ１８ｃおよび１８ｄがそれぞれ設置されている。このタイプの光源１８においては所定の波長を有する２本のモニタビームをハーフミラー１８ｅを介することによって光軸を一致させたモニタビームとすることができる。
【００６６】
図６（Ｃ）に示す光源１８においては、２つのレーザ光源１８ａおよび１８ｂを同一線上に配置し、その光路上に、設置角度が調節可能なミラー１８ｆを設けている。また、各光源１８ａ，１８ｂとミラー１８ｆとの間にはそれぞれコリメータレンズ１８ｃ，１８ｄが設けられている。
【００６７】
図６（Ａ）および（Ｂ）に示す光源１８においては、２本のモニタ光を独立に制御することができ、したがって常時２系統のモニタ光を照射することもでき、あるいは何れかの光源の作動をオン・オフすることによりモニタ光を切り換えることもできる。図６（Ｃ）に示す光源１８においては、ミラー１８ｆの角度を切り換えることにより光源１８ａ，１８ｂからの光の一方を選択でき、モニタ光を切り換えることができる。
【００６８】
光源として用いられる半導体レーザとしては以下のものを例示することができる。なお、その波長範囲を併記する。
ＩｎＧａＡｓＰ 系 ； １．２〜１．６μｍ，０．６２〜０．９ μｍ
ＩｎＧａＡｓ 系 ； ０．９６〜０．９８ μｍ
ＧａＡｌＡｓ 系 ； ０．７〜０．８８ μｍ
ＩｎＧａＡｌＰ 系 ； ０．６２〜０．６７ μｍ
ＺｎＳＳｅ 系 ； ０．４〜０．５ μｍ
ＺｎＣｄＳｅ 系 ； ０．４〜０．５ μｍ
ＧａＩｎＡｌＮ 系 ； ０．３〜０．５ μｍ
光源としては、上記のものの他に光学モニタ用として広く用いられているＨｅ−Ｎｅレーザ（発振波長；０．６３μｍ，１．１５μｍ）などを用いることができる。
【００６９】
図７は、受光系の構成例を示し、同図（Ａ）は、モニタ光が１系統のタイプの構成を示し、同図（Ｂ）は２系統のモニタ光が用いられる場合の構成を示す。
【００７０】
図７（Ａ）に示す装置においては、フォトダイオードあるいは光電子増倍管などからなる光検出部２０が直接演算制御部２２と接続され、モニタ光の反射光は光検出部２０を介して演算制御部２２に出力される。
【００７１】
図７（Ｂ）に示す装置においては、第１の光検出部２０ａおよび第２の光検出部２０ｂとからなる光検出部２０と、光検出部２０ａ，２０ｂと基板Ｓとの間に配置された、プリズムあるいはホログラムなどからなる分光部８０と、スリット８２とを有する。そして、第１の光検出部２０ａおよび第２の光検出部２０ｂはスイッチ８４を介して演算制御部２２と接続されている。この装置においては、反射光が第１および第２のモニタ光を含んでいるため、この反射光を分光部８０およびスリット８２を介してそれぞれ第１および第２の光検出部２０ａ，２０ｂに送る。そして、スイッチ８４によってモニタしたい出力を選択的に演算制御部２２に出力する。
【００７２】
以上、モニタ光の照射および検出に用いられる装置の概略を説明したが、本実施例はこれに限定されるものではなく、通常用いられている光学手段、データ処理手段等を適宜用いることができる。
【００７３】
次に、第１および第２のモニタ光について詳述する。
【００７４】
第１のモニタ光は、第１クラッド層１０４を除く半導体層であって、少なくともＤＢＲミラー、好ましくはＤＢＲミラーおよび他の半導体層の光学的膜厚測定に用いられる。第２のモニタ光は、少なくとも第１クラッド層１０４の測定に用いられる。そして、第１のモニタ光および第２のモニタ光の波長は、以下の条件を満たすように設定される。
【００７５】
すなわち、ＤＢＲミラー１０３は所定の波長範囲、つまり少なくとも設計発振波長λ０±３０μｍに対して高い反射率、具体的には９８．０％以上、より好ましくは９９．０％以上、さらに好ましくは９９．５％以上の反射率を持つことが望まれている。これを満たすためには、ＤＢＲミラーを構成する各層の厚さがλ／４ｎでなければならない。ここで、λは所定波長（本実施例では設計発振波長λ０）、ｎは所定波長での屈折率を示す。
【００７６】
図８は、ＤＢＲミラーの反射率スペクトルを示し、縦軸は反射率を示し、横軸は波長を示している。この反射率スペクトルにおいては、反射率が９９．５％以上の領域を「高反射帯域」という。なお、図８〜図１１に示す反射率スペクトルの縦軸は、反射強度を反射率として表したものである。具体的には、各モニタ波長において１００％，５０％，０％の反射率を持つリファレンスミラーを本実施例の成膜装置の基板位置に置いて測定を行い、本実施例の成膜装置における反射率と反射強度の関係をあらかじめ調べておくことで、反射強度を基板の反射率に変換したものである。
【００７７】
前記ＤＢＲミラーの設計波長（高反射帯域の中心波長）は、半導体レーザ装置の設計発振波長λ０である８００ｎｍに設定されている。そして本実施例のようなＡｌＧａＡｓ系半導体の場合、成膜温度と室温の間には、約４．５％の光学的膜厚の差が存在するため、これを考慮してモニタ光の波長を設定することが望ましい。例えば、室温における波長８００ｎｍは成膜温度７５０℃において８３６ｎｍに相当する。したがって、本実施例では第１のモニタ光として８３６ｎｍの波長の半導体レーザによるレーザ光を使用した。この波長は、室温におけるＤＢＲミラーの設計波長（８００ｎｍ）に該当する。
【００７８】
また、第２のモニタ光の波長λｍは、成膜温度において高反射帯域に含まれない波長に設定される。つまり、高反射帯域の最も小さい波長をλｌ、高反射帯域の最も大きい波長をλｈとすると、以下の関係
λｍ＜λｌ
λｈ＜λｍ
が成立する。第２のモニタ光の波長λｍは、高反射帯域よりも小さい波長領域に設定されることが好ましく（図８参照）、本実施例では、第２のモニタ光として７８６ｎｍの波長の半導体レーザによるレーザ光を使用した。その理由については後に詳述する。
【００７９】
図９は、本実施例の面発光型半導体レーザ装置を図５に示す成膜装置を用いてＭＯＶＰＥ成長させる工程において、ＤＢＲミラー１０３、第１クラッド層１０４および活性層１０５を構成するエピタキシャル層の反射率の経時的変化を示したものである。横軸がエピタキシャル層の成長時間を示し、縦軸が反射率を示している。図９に示す反射率測定においては、モニタ光としては、設計発振波長λ０に成膜時の温度補正を加えた補正波長λ０′（８３６ｎｍ）と同じ波長を有する第１のモニタ光を用いた。
【００８０】
図９において、成膜時間Ｔ０−Ｔ２はＤＢＲミラー１０３の成膜工程に、成膜時間Ｔ２−Ｔ３は第１クラッド層１０４の成膜工程に、成膜時間Ｔ３−Ｔ４は活性層１０５の成膜工程にそれぞれ対応している。図９から明らかなように、ＤＢＲミラー１０３の前段（下部）の成膜（成膜時間Ｔ０−Ｔ１）および活性層１０５の成膜（成膜時間Ｔ３−Ｔ４）においては、反射率の変化が顕著であり極値（極大点および極小点）が明確に現れている。これに対し、ＤＢＲミラー１０３の後段（ミラー上部）の成膜（成膜時間Ｔ１−Ｔ２）および第１クラッド層１０４の成膜（成膜時間Ｔ２−Ｔ３）においては、反射率の変化が小さく明確な極値を測定できない。そこで、本実施例においては、少なくとも第１クラッド層１０４の成膜工程において、第１のモニタ光と異なる波長λｍを有する第２のモニタ光によって測定を行う。以下、各成膜工程と反射率との関係について詳細に説明する。
【００８１】
（ａ）ＤＢＲミラーの成膜
図１１に、図９に示す、ＤＢＲミラー１０３の成膜工程の前段における反射率スペクトルを模式的に拡大して示す。
【００８２】
図１１から明らかなように、ＧａＡｓ基板上に初め低屈折率ｎ１のＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓを積層すると光学的膜厚が増加するにつれ反射率が減少する。光学的膜厚が（λ０／４ｎ１）になると極小点▲１▼を向かえるので、この極小点をモニタして、高屈折率ｎ２のＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓの推積に切り替える。そして、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層の光学的膜厚が増加すると反射率は増加していくが、光学的膜厚が（λ０／４ｎ２）になると極大点▲２▼に到達するので、再び低屈折率ｎ１のＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓの推積に切り替える。この操作を繰り返すことにより、ＤＢＲミラーは、その反射率が低反射率および高反射率をくり返しながら変動し、反射率が増加していく。
【００８３】
この反射率の変化は、結晶の成長速度や成長時間に依存せず、各層の光学的膜厚のみに依存している。従って、反射率スペクトルの極値（１次微分値０）で積層する層のＡｌ組成を変更し、屈折率の違う層を交互にエピタキシャル成長させることにより、各層が理論通りの光学的膜厚（λ／４ｎ）を持ったＤＢＲミラーが得られる。
【００８４】
図９に示すように、ＤＢＲミラーの成膜工程において、ミラーのペア数が増加すると反射率が大きくなるが、それに伴って反射率の変化率が小さくなる。実用上、反射率の極大点および極小点を精度よく検出するためには、連続する極大点と極小点との差が反射率で少なくとも１０％程度必要である。この事を考慮すると、ＤＢＲミラーの高反射率の領域（図９における成膜時間Ｔ１−Ｔ２の領域）、すなわち例えば極大点と極小点との差が反射率で１０％程度となる成膜時間Ｔ１以降は、前段の成膜時間Ｔ０−Ｔ１で求められた測定データから成膜速度を求め、この成膜速度をもとに各層の光学的膜厚をコントロールすることができる。
【００８５】
（ｂ）第１クラッド層の成膜
図１０は、波長λｍを有する第２のモニタ光によって、第１クラッド層１０４および活性層１０５をモニタして得られた、成膜時間と反射率との関係を示す図である。図１０から明らかなように、第２のモニタ光を用いた測定においては、第１クラッド層の成膜工程（成膜時間Ｔ２−Ｔ３）において、第１のモニタ光（波長：λ０′）を用いた場合にはほとんど見られなかった反射率の変化が顕著に現れ、極小点と極大点が明瞭に現れていることがわかる。
【００８６】
第２のモニタ光で用いられる波長λｍは、前述したように、ＤＢＲミラーの高反射帯域から外れた波長であることが必要である。具体的には、波長λｍはＤＢＲミラーの高反射帯域より短波長側もしくは長波長側で選択されることが必要であり、さらに短波長側の波長であることが望ましい。その理由は、反射率の絶対値を測定することは精度的に困難であるため、通常は反射強度の極大点および極小点によって波数を求める。そのため、評価できる光学的な最低膜厚はモニタ光の波長で１／４の波数となる。従って、モニタ光の波長が短いほど、測定可能な光学的膜厚が小さくできる。
【００８７】
そして、第２のモニタ光の波数（１／４）に対応する成膜時間△Ｔから成膜速度を算出することができ、さらに得られた成膜速度から最終的に必要な光学的膜厚の成膜時間が算出できる。したがって、光学的膜厚モニタに時間制御を併用することにより、設計発振波長λ０（補正波長λ０′）における任意の波数Ｎ０の光学的膜厚を得ることができる。
【００８８】
例えば、図１２に示すように、第２のモニタ光における極小点と極大点との時間間隔、すなわち波長λｍのモニタ光の１／４波数（Ｎｍ）に相当する成膜時間を△Ｔとすると、第１クラッド層を形成するために必要な成膜時間ＴＥＮＤ（Ｔ３−Ｔ２）は下記（式１）で表される。
【００８９】
【数１】
【００９０】
（式１）において、ｎｍ、ｎ０′は、それぞれ波長λｍ、λ０′での成膜温度における屈折率であるが、ｎｍとｎ０′はほとんど同じ温度依存性を示すので、その比は温度によらず一定と見なせる。したがって、ｎｍおよびｎ０′としてそれぞれの波長での室温における屈折率を代入することができる。
【００９１】
第１クラッド層の測定に用いられる波長λｍの第２のモニタ光は、波長λ０の第１のモニタ光と同時に２系統で基板に照射されていてもよく、あるいは所定のタイミング（図９および図１０における成膜時間Ｔ２−Ｔ３）において、第１のモニタ光から第２のモニタ光に変換されるシステムでもよい。
【００９２】
（ｃ）活性層およびその他の層の成膜
活性層１０５の成膜においては、図９に示すように、波長λ０（補正波長λ０′）の第１のモニタ光による反射率がＤＢＲミラーの影響を受けずに大きく変動し、その極値を明確に測定することができるため、第１のモニタ光による光学的膜厚の測定を行うことにより光学的膜厚を正確に制御することができる。活性層１０５の上に順次積層される第２クラッド層１０６およびコンタクト層１０９の成膜においても、引き続き第１のモニタ光を用いた光学的膜厚の測定を適用することが望ましい。
【００９３】
さらに、この成膜方法では、ＤＢＲミラー自体の反射強度を結晶成長中に測定できることから、層形成中にＤＢＲミラーのペア数を変更したり、構造の最適化がはかれる。
【００９４】
また、反射強度の極値から、ＤＢＲミラーより上部の第１クラッド層および活性層などの各層の光学的膜厚も正確に制御できることから、従来の成長時間を管理する成膜方法に比べ、再現性がよく、かつスループットが高い方法で、結晶成長基板を作製できる。実際に、本実施例の成長方法により、面発光型レーザ素子に好適な９９．５％以上の反射率を持つＤＢＲミラーが制御性よく得られた。
【００９５】
上述した、層の反射率をモニタして結晶層の光学的膜厚を制御する方法は、ＭＯＶＰＥ法だけでなく、他の成膜プロセス、例えばＭＢＥ法などにも使用できる。
【００９６】
次に、柱状共振器部をＲＩＢＥ法で形成する工程（図３（Ｂ）参照）に、上述した反射率をモニタする手段を使用した実施例について述べる。
【００９７】
前述したように、共振器部１１４の作製には、垂直側面が得られ、かつ表面ダメージの少ない点から、ＲＩＢＥ法によるエッチングを行っている。この柱状共振器部の形成において重要なポイントは、エッチング深さ、つまり第２クラッド層１０６の残り膜厚ｔを制御することである。この残り膜厚を管理して、所定の厚さにしなければならない理由は先に記した。
【００９８】
ＲＩＢＥ法によるドライエッチングを行いながら、残り膜厚を測定する方法を、以下に具体的に示す。
【００９９】
図１３に、エッチングしながらエピタキシャル層の反射率を測定できるＲＩＢＥ装置の概略図を示す。
【０１００】
このＲＩＢＥ装置は、エッチング室３０に、プラズマ室４０および排気手段を構成する真空ポンプ３２が接続されている。エッチング室３０は、前記プラズマ室４０に対向する位置に基板Ｓを載置するためのホルダ３４を有する。このホルダ３４は、ロードロック室５０を介して進退自由に設けられている。エッチング室３０のプラズマ室４０側の側壁には、光学窓３６および３８が対向する位置に設けられている。そして、エッチング室３０内には、前記光学窓３６および３８を結ぶライン上に一対の反射ミラーＭ１およびＭ２が設けられている。一方の光学窓３６の外方には光源２６が設置され、他方の光学窓３８の外方には光検出部２８が設置されている。また、プラズマ室４０は、マイクロ波導入部４４および反応ガスをプラズマ室４０に供給するためのガス供給部４６および４８が連結されている。そして、プラズマ室４０の周囲にはマグネット４２が設けられている。
【０１０１】
このＲＩＢＥ装置においては、通常の方法によって基板Ｓ上に形成された結晶層をエッチングするとともに、光源２６から照射される光を光学窓３６および反射ミラーＭ１を介して基板Ｓ上に照射し、その反射光を反射ミラーＭ１および光学窓３８を介して光検出部２８によって測定することにより、基板Ｓ上の結晶層の反射率をモニタすることができる。
【０１０２】
次に、図１４（Ａ）〜（Ｃ）に基づいて、エッチング中の第２クラッド層の残り膜厚ｔの測定方法を具体的に説明する。
【０１０３】
エッチング前状態（図３（Ａ）で示す状態）での共振器を構成するエピタキシャル結晶層は、図１４（Ａ）に示す様な反射スペクトルを示す。ＤＢＲミラーの反射率が非常に高く、かつＤＢＲミラー上の結晶層の膜厚が薄いことから、スペクトルの概容はＤＢＲミラーの反射スペクトルとなっている。また外部から結晶層に光を入射すると、ＤＢＲミラー上に積層された結晶層内に定在波（縦モード）が存在する波長で活性層が光を吸収するため、その波長での反射率が低下し、反射スペクトル内にくぼみ、つまりディップ（Ｄｏ）を形成する。
【０１０４】
このディップ（Ｄｏ）の波長λｏは、ＤＢＲミラーから上の結晶層の光学的膜厚に対応することから、エッチングにより光学的膜厚が薄くなると、ディップ（Ｄｏ）も短波長側に移動して波長λ′となる（図１４（Ｂ）参照）。
【０１０５】
さらに、長波長側に次のディップ（Ｄ１）（波長：λ″）が発生し、これが短波長側の波長λ１へと移動する（図１３（Ｃ）参照）。さらにエッチングを続けると、再び長波長側に新たなディップが発生し、ディップの移動と発生が繰り返えされる。エッチング前の状態から、ａ個めのディップの波長をλａとすると、この時のエッチング量△ａは下記（式２）で表される。
【０１０６】
【数２】
【０１０７】
（式２）において、Θは構造から決まる定数で、本実施例では１／２または１／４、ｎはエピタキシャル層の平均屈折率である。
【０１０８】
このようにエッチングによりディップが短波長側にシフトして高反射帯域からはずれても、長波長側に次の縦モードに対応するディップが発生し、これがさらに短波長側にシフトするので、エッチング中に高反射帯域に存在するディップの数および波長移動量を測定することにより、エッチング量およびエッチング速度を管理できる。したがって、第２クラッド層において所定の残り膜厚を有する共振器部１１４を正確に作製することができる。
【０１０９】
また、反射スペクトルの値や形状もエッチング中に同時にモニタできるので、エッチング時の表面の汚れ、ダメージなども評価でき、これらの評価結果をエッチング条件にフィードバックすることができる。
【０１１０】
さらに、反射率のモニタ手段を使ったプロセスとして、ＲＩＥ法によるＳｉＯ２層のエッチングについて説明する。
【０１１１】
図１に示す面発光型半導体レ−ザ装置の作製工程においては、前述したように、レ−ザ光出射側のリング状の上側電極１１２を形成する前まで、共振器表面のｐ型コンタクト層１０９は表面保護用のＳｉＯ２ 層Ｉ（図３（Ｂ）参照）で覆われているが、上側電極を形成するためには、このＳｉＯ２ 層を完全にエッチングしなければならない。ただし、必要以上にエッチングを行うと、コンタクト層もエッチングすることになり、コンタクト層へダメージを与えたり、発振波長に関係する共振器長が変化してしまう問題が起こる。
【０１１２】
従って、ＳｉＯ２層Ｉのエッチング量の管理が重要である。そこで、本実施例ではＳｉＯ２層Ｉのエッチングに使用するＲＩＥ装置に、エッチング中にエピタキシャル結晶層の反射率を測定できる方法を導入し、エッチング量を測定することとした。
【０１１３】
図１５に反射率測定手段を導入した平行平板型ＲＩＥ装置の概略図を示す。このＲＩＥ装置においては、エッチング室６０内に、ＲＦ発振器６１に接続された載置電極６２とメッシュ状の対向電極６４とが対向して設けられている。エッチング室６０には、ガス供給部７０と排気用の真空ポンプ６６とが接続されている。そして、エッチング室６０の、前記載置電極６２と対向する壁面には、光学窓６８が設けられており、この光学窓６８の外方には光源７２と光検出部７４とが設置されている。そして、光源７２から照射された光は光学窓６８を介して基板Ｓに到達し、その反射光は光学窓６８を介して光検出部７４に至る。このＲＩＥ装置においては、通常のメカニズムによってＳｉＯ２層がエッチングされるとともに、光源７２からの光を検出することによってエッチング面の反射率をモニタすることができる。
【０１１４】
図１６は、ｐ型コンタクト層１０９上にＳｉＯ２ 層があるときの、８００ｎｍの光に対する反射率の変化を示したものである。横軸がＳｉＯ２ 層の光学的膜厚、縦軸が反射率である。図に示したように、反射率はＳｉＯ２ 層の残り膜厚によって変化し、残り膜厚が（λ／４ｎ）になるごとに極大点と極小点をとり、ＳｉＯ２ 層が完全にエッチングされると反射率変化はなくなる。ここでλは測定光源の波長、ｎはＳｉＯ２層の屈折率である。従って、ＲＩＥによるエッチング中に反射率を測定し、反射率曲線の極値をモニタすることにより、ＳｉＯ２ 層のエッチングを完全に行うことができる。
【０１１５】
また、ＳｉＯ２ 層の完全なエッチング終了後、前記ＲＩＢＥプロセスと同様に、ＲＩＥ中の反射率測定の光源として分光器を通した光若しくは波長可変のレ−ザ光を用いて例えば７００〜９００ｎｍの波長の光を照射することにより、反射率のディップが測定でき、共振器長が測定できる。つまり、この反射率のディップを測定しながらＲＩＥによるエッチングを進めると、エッチング量は前記（式２）で求められ、共振器長を正確に制御することができる。ここで、ＲＩＥを用いているのは、ｐ型コンタクト層１０９を保護するためのＳｉＯ２ 層を完全にエッチングした後、同一装置内でエッチングが可能なこと、またＲＩＢＥによるエッチングよりもエッチング速度が遅いので共振器長を制御しやすいことが挙げられる。このときのエッチング条件としては、例えば、圧力２Ｐａ、ＲＦパワー７０Ｗとし、エッチンガスとしてはＣＨＦ３を使用した。
【０１１６】
前述した様に本発明の面発光型半導体レーザ装置の実現には、ＤＢＲミラーの高反射帯域と共振器長によって定まる発振波長を設計発振波長にしなければならないが、エピタキシャル成長後に仮にその設計発振波長が得られなくとも、反射率をモニタしたＲＩＥを用いることにより、共振器長を所定長さに精度良くエッチングできるので、高い精度のデバイスを歩留まりよく製造することが可能である。
【０１１７】
また、反射率をモニタしたエッチングを用いることにより、基板面内で共振器長の異なる部分を精度良く作ることもでき、１枚の基板で発振波長の異なる面発光型半導体レーザ装置を作製することもできる。
【０１１８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した面発光型半導体レーザ装置の断面を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のクラッド層の残り膜厚ｔと外部微分量子効率（スロープ効率）の値との関係を示す図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、図１に示す面発光型半導体レーザ装置の製造プロセスを模式的に示す断面図である。
【図４】（Ｄ）〜（Ｆ）は、図３に引き続いて行われる、図１に示す面発光型半導体レーザ装置の製造プロセスを模式的に示す断面である。
【図５】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の半導体層を形成する際に用いられるＭＯＶＰＥ装置を模式的に示す図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｃ）は、図５に示すＭＯＶＰＥ装置の光源の構成例を示す図である。
【図７】（Ａ）および（Ｂ）は、図５に示すＭＯＶＰＥ装置の受光系の構成例を示す図である。
【図８】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のＤＢＲミラーの反射率と波長との関係を示す図である。
【図９】第１のモニタ光を用いて得られた、ＤＢＲミラー、第１クラッド層および活性層の成膜工程における成膜時間と反射率との関係を示す図である。
【図１０】第２のモニタ光を用いて得られた、第１クラッド層および活性層の成膜工程における成膜時間と反射率との関係を示す図である。
【図１１】図９に示す、ＤＢＲミラーの成膜工程の前段における成膜時間と反射率との関係を模式的に示す図である。
【図１２】第２のモニタ光を用いた、第１クラッド層の成膜における時間と反射率との関係を示す図である。
【図１３】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の製造プロセスにおいて用いられるＲＩＢＥ装置を模式的に示す図である。
【図１４】（Ａ）〜（Ｃ）は、ＲＩＢＥプロセスにおける反射スペクトルの変化を示す図である。
【図１５】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のエッチングプロセスにおいて用いられるＲＩＢＥ装置を模式的に示す図である。
【図１６】図１５に示す装置を用いてＲＩＢＥを行ったときのＳｉＯ２層の光学的膜厚と反射率との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０２ 基板
１０３ ＤＢＲミラー
１０４ 第１クラッド層
１０５ 活性層
１０６ 第２クラッド層
１０７ 第１絶縁層
１０８ 第２絶縁層
１０９ コンタクト層
１１１ 誘電体多層膜ミラー
１１４ 共振器部
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体レーザ装置は、基板上に複数の半導体層をエピタキシャル結晶成長によって積層して形成される。
【０００３】
従来のこの種の結晶成長方法では、通常、サンプル基板に所定の半導体層を形成した後、これを反応管外に取り出して、例えば半導体層の断面膜厚の測定や、反射スペクトルの測定等を用いて前記半導体層の光学的膜厚から結晶成長速度をあらかじめ求め、この結晶成長速度と成膜時間で層の光学的膜厚を制御している。しかし、この方法では幾つかの問題を有する。
【０００４】
第１の問題は、この方法では結晶の成長速度を常に一定にしなければならなく、成長速度がロット間で再現しなかったり、成長速度が揺らぐと光学的膜厚を正確に制御することができないことである。例えば、分布反射型多層膜ミラー（ＤＢＲミラー）は各半導体層の光学的膜厚を正確に制御することにより高い反射率を得る必要があるが、従来の結晶成長速度と成長時間で制御する方法では成長速度の揺らぎによって光学的膜厚を正確に制御することが困難であり、その結果、反射帯域波長を設計どおりに作成することが難しい。
【０００５】
また、第２の問題は、光学的膜厚を決定する要因として、屈折率ｎの値があるが、半導体層は波長によって屈折率も変化するため、所定の波長での各層の屈折率も厳密に測定しなければならず、そしてこの測定は非常に困難であることである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の従来技術の問題を解決し、その目的は、成膜工程と同時に光学的膜厚を正確に測定することができ、特に高い反射率を有する半導体層を含む積層体、例えば反射ミラーを含む半導体レーザ装置の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
光学的膜厚測定方法は、基板上に複数の膜を積層する際に、基板に向けてモニタ光を照射し、その反射強度の極値から光学的膜厚を測定する光学的膜厚測定方法において、
積層される複数の膜は、所定の波長帯域において９８％以上の反射率を有する第１の膜と、この第１の膜上に形成され、かつ前記所定の波長帯域において１０００ｃｍ−１以下の吸収係数を有する第２の膜とを含み、
前記第１の膜は、所定波長を有する第１のモニタ光によって測定され、
前記第２の膜は前記所定の波長帯域と異なる波長を有する第２のモニタ光によって測定されることを特徴とする。
【０００８】
さらに、この光学的膜厚測定方法を適用した膜形成方法は、基板上に複数の膜を積層する膜形成方法において、
積層される複数の膜は、所定の波長帯域において９８％以上の反射率を有する第１の膜と、この第１の膜上に形成され、かつ前記所定の波長帯域において１０００ｃｍ−１以下の吸収係数を有する第２の膜とを含み、
前記第１の膜は、所定波長を有する第１のモニタ光を基板に向けて照射し、その反射強度の極値から光学的膜厚をモニタしながら形成され、前記第２の膜は、前記所定の波長帯域と異なる波長を有する第２のモニタ光を基板に向けて照射し、その反射強度の極値から光学的膜厚をモニタしながら形成されることを特徴とする。
【０００９】
これらの光学的膜厚測定方法および膜形成方法においては、９８％以上、好ましくは９９％以上、さらに好ましくは９９．５％以上の高反射率を有する所定の波長帯域（以下、これを「高反射帯域」という）を有する第１の膜上に、１０００ｃｍ−１以下、好ましくは１００ｃｍ−１以下の吸収係数を有する第２の膜を形成する際に、第２の膜のモニタ光の波長は前記高反射帯域と異なる波長から選択される。このように第２のモニタ光の波長を第１の膜の高反射帯域の波長と異なる波長にすることにより、第１の膜の反射の影響を受けずに、吸収係数の小さい、つまり前記数値範囲の吸収係数を有し透明もしくは透明に近い第２の膜の光学的膜厚を正確に測定し、かつその光学的膜厚を正確に制御することができる。
【００１０】
そして、前記第２のモニタ光は、前記高反射帯域より短い波長を有することが好ましい。これは、モニタ光によって測定できる光学的な最小膜厚は反射強度の極値、つまり隣接する極大点と極小点との間隔から得られ、この最小光学的膜厚はモニタ光の波長の１／４に相当するため、モニタ光の波長が短いほど、測定可能な光学的膜厚を小さくすることができ、より正確な測定が可能であるからである。
【００１１】
また、前記第１の膜をモニタするための第１のモニタ光は、前記高反射帯域に含まれる波長であることが好ましい。例えば、第１の膜が多層反射膜のように、屈折率の異なる２種類の層をそれぞれ所定波長に相当する光学的膜厚で交互に積層していく場合には、モニタ光として前記所定波長の光を用いることにより、光学的膜厚制御がより正確にかつ直接的に行えるからである。
【００１２】
本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、前記光学的膜厚測定方法および膜形成方法が適用され、具体的には、第１導電型の化合物半導体からなる基板上に、少なくとも、第１導電型の分布反射型多層膜ミラー、第１導電型の第１クラッド層、活性層、第２導電型の第２クラッド層および第２導電型のコンタクト層を含む半導体層をエピタキシャル成長によって形成する工程を含み、
前記分布反射型多層膜ミラーは、成膜時に、所定波長の第１のモニタ光を基板に向けて照射してその反射強度を測定し、この反射強度の極値で屈折率の異なる一方の半導体層の堆積から他方の半導体層の堆積に切り替えることによって、低屈折率の半導体層と高屈折率の半導体層とを交互に積層して形成され、かつ所定の波長帯域において９８％以上の反射率を有し、
前記第１クラッド層は、前記分布反射型多層膜ミラーにおける前記所定の波長帯域と異なる波長を有する第２のモニタ光を基板に向けて照射し、その反射強度の極値をモニタすることによって光学的膜厚を制御しながら形成されることを特徴とする。
【００１３】
前記分布反射型多層膜ミラーは、前記光学的膜厚測定方法および膜形成方法における第１の膜に相当する。そして、前記分布反射型多層膜ミラーは、成膜時に所定波長を有する第１のモニタ光を基板上に照射してその反射強度を検出することにより、基板上に形成された半導体層の反射強度変化（反射率スペクトル）を測定し、この反射率スペクトルの極値（極大点および極小点）で屈折率の異なる一方の半導体層の堆積から他方の半導体層の堆積に切り替えることによって、低屈折率の半導体層と高屈折率の半導体層とを交互に積層して形成される。
【００１４】
この製造方法においては、第１のモニタ光は、室温での分布反射型多層膜ミラーの設計波長（高反射帯域の中心波長）λ０と同じ波長、より厳密には設計波長λ０に成膜時における温度補正を加えた波長（以下、これを「補正波長」という）λ０′を用いることが好ましい。光学的膜厚は、屈折率の逆数と膜厚の積で表されるが、結晶膜の屈折率には材質固有の温度依存性があり、光学的膜厚は熱膨張係数にしたがう温度依存性を持つため、成膜中の光学的膜厚をモニタする場合には、成膜温度と材質を考慮した波長の補正を行う必要がある。そして、分布反射型多層膜ミラーの設計波長に相当する波長λ０、好ましくは補正波長λ′０を有する第１のモニタ光でモニタすることで、反射強度の極大点および極小点の間隔を設計波長の１／４波数に一致させることができ、分布反射型多層膜ミラーの各層の光学的膜厚の制御がより正確にかつ直接的に行える。
【００１５】
前記反射率スペクトルは、結晶の成長速度や成長時間に依存せず、各層の光学的膜厚のみに依存している。従って、反射率スペクトルの極値で積層する層の組成を変更し、屈折率の違う層を交互にエピタキシャル成長させることにより、各層が理論通りの厚さを有する。また、反射強度を測定するためのモニタ光の光源として、例えば所定の発振波長を持つ半導体レーザを選ぶことにより、所定波長を厳密に設定できる。そして、分布反射型多層膜ミラー自体の反射強度を結晶成長中に測定できることから、層形成中にミラーのペア数を変更したり、構造の最適化がはかれる。
【００１６】
前記分布反射型多層膜ミラーは、高反射帯域で、９８％以上、好ましくは９９％以上、より好ましくは９９．５％以上の反射率を有する。
【００１７】
前記第１クラッド層は、前記分布反射型多層膜ミラーにおける高反射帯域と異なる波長、好ましくは該高反射帯域より小さい波長を有する第２のモニタ光によって、光学的膜厚を測定しながら形成される。前記第１クラッド層は、１０００ｃｍ−１以下、好ましくは１００ｃｍ−１以下、より好ましくは１０〜１００ｃｍ−１の吸収係数を有する。第１クラッド層は、活性層への注入キャリア（電子および正孔）の閉じ込こめのためのポテンシャル障壁として機能し、同時にレーザ共振器の光導波路の一部を構成する。従って、第１クラッド層の光吸収つまり光損失の存在は、しきい値電流の上昇、レーザ出力効率の低下、あるいは素子内の発熱など特性の悪化の原因となり、そのため第１クラッド層の吸収係数はできるだけ小さいことが望ましい。
【００１８】
本発明の半導体レーザ装置の製造方法において、第１クラッド層のモニタ光の波長を分布反射型多層膜ミラーの高反射帯域と異なる波長に設定する理由は、以下の通りである。すなわち、前記分布反射型多層膜ミラーは、設計発振波長において、通常は設計発振波長±３０μｍの範囲において１００％に近い反射率を有し、かつ前記第１クラッド層は設計発振波長およびその近傍の波長に対して光吸収が小さい材質を用いるため、第１クラッド層の形成時に第１のモニタ光と同じモニタ光を用いたのでは、分布反射型多層膜ミラーの反射強度が反映して第１クラッド層の光学的膜厚に対応する反射強度の変化が非常に小さくなり、反射率の極大点および極小点の判別が困難となる。そこで、本発明においては、第１クラッド層のモニタ光として分布反射型多層膜ミラーの高反射帯域と異なる波長の第２のモニタ光を用いることにより、反射強度の極値の判別が明瞭となり、その結果第１クラッド層の光学的膜厚を正確にモニタすることができる。
【００１９】
また、前記第２のモニタ光は前記高反射帯域より短い波長を有する光を用いることより、前述したように、制御可能な最小光学的膜厚を小さくすることができ、より精度の高い測定を行うことができる。
【００２０】
さらに、本発明の半導体レーザ装置の製造方法においては、前記第１クラッド層のモニタに引き続いて、前記活性層、第２クラッド層およびコンタクト層の形成において、前記第１のモニタ光によって光学的膜厚をモニタしながら成膜されることが好ましい。
【００２１】
本発明の製造方法によって形成された半導体レーザ装置は、各層、特に分布反射型多層膜ミラーおよび第１クラッド層の光学的膜厚が厳密に制御され、発振しきい値、外部微分量子効率などの特性が優れた半導体レーザ装置を提供することができる。
【００２２】
本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、分布反射型多層膜ミラーおよび第１クラッド層を含む半導体レーザ装置であれば適用することができ、例えば埋め込み方法、電流狭窄方法、活性層の構造、上部反射膜の構造などは特に限定されず、種々の態様を取りうる。
【００２３】
さらに、本発明の光学的膜厚測定方法および膜形成方法は、半導体レーザ装置の製造方法のみならず、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ライトバルブなどの装置の製造方法にも適用することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の光学的膜厚測定方法および膜形成方法を適用して形成された面発光型半導体レーザ装置の一例の断面を模式的に示す斜視図である。
【００２５】
（半導体レーザの構造）
図１に示す半導体レーザ装置１００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２上に、ｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層し波長８００ｎｍ付近の光に対し９９．５％以上の反射率を持つ分布反射型多層膜ミラー（以下、これを「ＤＢＲミラー」と表記する）１０３、ｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層からなる第１クラッド層１０４、 ｎ−型ＧａＡｓウエル層とｎ−型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層から成る量子井戸活性層１０５、ｐ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層からなる第２クラッド層１０６およびｐ＋型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層からなるコンタクト層１０９が、順次積層されて成る。
【００２６】
そして、第２クラッド層１０６の途中まで、半導体の積層体の上面からみて例えば円形形状の柱状部１１４（以下、この部分を「共振器部」と記す）が形成されるようにエッチングされている。柱状部１１４の周囲は、例えば熱ＣＶＤ法により形成されたＳｉＯ２等のシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ膜）からなる第１絶縁層１０７と、例えばポリイミド等の耐熱性樹脂からなる第２絶縁層１０８とで埋め込まれている。第１絶縁層１０７は、第２クラッド層１０６およびコンタクト層１０９の表面に沿って連続して形成され、第２絶縁層１０８は、この第１絶縁層１０７の周囲を埋め込む状態で形成されている。
【００２７】
また、例えばＣｒとＡｕ−Ｚｎ合金で構成されるコンタクト金属層（上側電極）１１２は、コンタクト層１０９とリング状に接触して形成され、電流注入のための電極となる。このコンタクト層１０９の上側電極１１２で覆われていない部分は、円形に露出している。そして、そのコンタクト層１０９の露出面（以後、この部分を「開口部１１３」と記す）を充分に覆う面積で、ＳｉＯ２等のＳｉＯｘ層とＴａ２Ｏ５層とを交互に積層し波長８００ｎｍ付近の光に対し９８．５〜９９．５％の反射率を持つ誘電体多層膜ミラー１１１が形成されている。
【００２８】
また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２の下には、例えばＮｉとＡｕ−Ｇｅ合金から成る電極用金属層（下側電極）１０１が形成されている。
【００２９】
そして、上側電極１１２と下側電極１０１との間に順方向の電圧が印加されて（本実施例の場合は、上側電極１１２から下側電極１０１への方向に電圧が印加される）、電流注入が行なわれる。注入された電流は、量子井戸活性層１０５で光に変換され、ＤＢＲミラー１０３と誘電体多層膜ミラー１１１とで構成される反射鏡の間をその光が往復することにより増幅され、開口部１１３（コンタクト層１０９の露出面）から矢印１１０で示す方向すなわち基板１０２に対して垂直方向にレーザ光が放射される。
【００３０】
本実施例の半導体レーザ装置は、以下に示す構造上の特徴を有することが望ましい。
【００３１】
（Ａ）ＤＢＲミラーの構造
ＤＢＲミラー１０３は、設計発振波長に対してＤＢＲミラーの反射率が充分に高い必要がある。ＤＢＲミラーの反射率のピークはＤＢＲミラーを構成する半導体層（Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ／Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ）の光学的膜厚を正確に制御する事によって得られ、ピーク反射率の値はＤＢＲミラーの対数を多くする事によって上げることができる。ところで、通常ウエハ面内で結晶層の光学的膜厚は完全に均一ではないので、ＤＢＲミラーの反射率スペクトルはウエハ面内である範囲の分布を持っている。従って、ＤＢＲミラーの反射率は、設計発振波長に対して±３０ｎｍの領域において、９８％以上、好ましくは９９％以上、さらに好ましくは９９．５％以上の反射率を有する。この反射率の条件を満たさないと、ウエハ面内でレーザ発振を起こさない領域が生じてしまう事がある。本実施例においては、ＤＢＲミラーとして２５〜５０ペア、好ましくは４０ペアの半導体層を積層してあり、ウエハ面内で例えば±２．５％の光学的膜厚の分布があっても、設計発振波長でレーザ発振を起こさせることが可能である。
【００３２】
（Ｂ）クラッド層の構造
第１クラッド層１０４および第２クラッド層１０６は、その光学的膜厚が厳密に制御される必要がある。つまり、レーザ発振時においては、共振器内に生ずる定在波の電解強度分布の極大部と活性層位置（厚さ方向）とを一致させる必要がある。両者を一致させることで、レーザ発振の源である活性層でのキャリアの誘導放出，再結合が効率よく実現される。この活性層でのキャリアの誘導放出，再結合の効率は、活性層内に存在する定在波の電解強度の積分に比例する。この定在波の電解強度は、積層方向（厚さ方向）に対してｓｉｎの２乗の曲線で示される変化の大きな分布を有している。そのため、活性層が薄い場合、例えば活性層の光学的膜厚が発振波長の１波長より小さい場合などには、活性層の位置がわずかにずれただけでも、発振しきい値および効率などに大きく影響する。そのため、活性層の位置を精密に制御するためには、クラッド層、特に第１クラッド層の光学的膜厚の制御は極めて重要である。
【００３３】
（Ｃ）量子井戸活性層の構造
量子井戸活性層１０５は、ｎー型ＧａＡｓウエル層とｎー型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層から成る。本実施例の場合は、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層となっている。ウエル層の光学的膜厚は、４０〜１２０オングストローム，好ましくは４５オングストローム、バリア層の光学的膜厚は４０〜１００オングストローム，好ましくは４０オングストローム、ウエル層の総数は１０〜４０層，好ましくは２１層である。これにより、面発光型半導体レーザ装置の低閾値化、高出力化、温度特性の向上、発振波長の再現性の向上が達成できる。
【００３４】
（Ｄ）埋込み絶縁層の構造
埋込み絶縁層は、前述したように、例えば熱ＣＶＤ法により形成された膜厚の薄いち密なシリコン酸化膜（第１絶縁層）１０７と、その上に埋め込まれ、素子の表面を平坦化するための第２絶縁層１０８との２層構造から構成されている。この構造において、薄い第１絶縁層１０７を形成する理由は、その後に形成する第２絶縁層１０８は不純物（例えばナトリウム、塩素、重金属、水等）を多く含有しやすいので、その不純物が第２クラッド層１０６中や量子井戸活性層１０５中へ熱等により拡散することを阻止するためである。したがって、第１絶縁層１０７は、不純物を阻止できる膜質および膜厚（例えば５０〜２００ｎｍ）を有すればよい。本実施例においては、第１絶縁層１０７は、例えば５００〜６００℃の高温の熱ＣＶＤにより形成されるため、素子への熱の悪影響を考慮して、この第１絶縁層１０７を厚くして１層とするのではなく、薄い第１絶縁層１０７と、膜質がち密でなくても、より低温で形成できる第２絶縁層１０８との２層構造とした。
【００３５】
第２絶縁層１０８は、前述のポリイミド等の耐熱性樹脂の他に、プラズマＣＶＤ，ＴＥＯＳ等の有機原料ＣＶＤなどの方法で比較的低温（４００℃以下）で形成できるＳｉＯ２等のシリコン酸化物（ＳｉＯＸ膜）、Ｓｉ３Ｎ４等のシリコン窒化膜（ＳｉＮＸ）、ＳｉＣ等のシリコン炭化物（ＳｉＣＸ）、ＳＯＧ（スピンオングラス法によるＳｉＯ２等のＳｉＯＸ）などの絶縁性シリコン化合物、あるいは多結晶のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体（例えばＺｎＳｅ）などから構成されてもよい。これら、絶縁物の中でも、低温で形成可能であるＳｉＯ２等のシリコン酸化物、ポリイミドまたはＳＯＧを用いるのが好まく、さらには、形成が簡単であり、容易に表面が平坦となることからＳＯＧを用いるのが好ましい。
【００３６】
第１絶縁層を構成するシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ膜）の形成方法には、プラズマＣＶＤ法、反応性蒸着法など幾つかの種類があるが、ＳｉＨ４（モノシラン）ガスとＯ２（酸素）ガスを用い、Ｎ２（窒素）ガスをキャリアガスとする常圧熱ＣＶＤ法による成膜方法が最も適している。その理由は、反応を大気圧で行い、更にＯ２が過剰な条件下で成膜するのでＳｉＯｘ膜中の酸素欠損が少なく緻密な膜となること、および、ステップ・カバーレッジが良く、共振器部１１４の側面および段差部も平坦部とほぼ同じ光学的膜厚が得られることである。
【００３７】
また、本実施例においては、埋込み絶縁層が量子井戸活性層１０５に至らない状態、つまり、共振器部１１４以外の領域において、第１絶縁層１０７と量子井戸活性層１０５との間に、第２クラッド層１０６を所定の厚さ（ｔ）だけ残すように形成されている。この残す膜厚ｔは、好ましくは０〜０．５８μｍ、さらに好ましくは０〜０．３５μｍに設定される。これにより、面発光型半導体レーザ装置において、埋込み絶縁層部分の界面再結合電流をなくし、高効率化、高信頼性化が達成できる。
【００３８】
さらに、このクラツド層の残り膜厚ｔの好ましい数値範囲について、図２を用いて説明する。図２において、縦軸は外部微分量子効率を示す傾き（スロープ効率）の値を示し、横軸はクラッド層の残り膜厚ｔを示す。スロープ効率が０．１（つまり１０％）であるということは、１０ｍＡの電流でも１ｍＷの光出力しか得られないことになる。一般的に、この１０ｍＡという電流値は、レーザ素子が熱飽和する電流値に近い電流値であり、ほとんど限界に近いものである。従って、実用上要求される傾きは０．１以上であり、図２からスロープ効率が０．１の時の残り膜厚ｔは、約０．５８μｍとなり、このことから好ましい残り膜厚ｔは０〜０．５８μｍとなる。
【００３９】
（Ｅ）誘電体多層膜ミラーの構造
誘電体多層膜ミラー１１１は、ＳｉＯ２等のＳｉＯｘ層とＴａ２Ｏ５層とを交互に積層し設計発振波長の光に対し９８．５〜９９．５％の反射率を持つ、６〜９ペア、好ましくは７ペアの誘電体多層膜から形成されている。反射率が９８．５％より低いと、発振閾電流が大幅に増大してしまう。逆に、反射率が９９．５％よりも大きいと光出力が外部に取り出しにくく、外部微分量子効率が低下してしまう。従って、前述の反射率になるように誘電体多層膜ミラー１１１の対数を決定して薄膜を形成する。更に、誘電体の材料として、レーザ発振波長に対して光の吸収損失が少ない特性のものを使用することが、閾値を低くし外部微分量子効率を向上させるために重要である。この誘電体多層膜ミラー１１１を構成するＴａ２Ｏ５層の代わりに、ＺｒＯＸ膜、ＺｒＴｉＯＸ膜、ＴｉＯＸ膜も用いられる。これにより、面発光型半導体レーザ装置の低閾値化、外部微分量子効率の向上が達成できる。
【００４０】
（半導体レーザ装置の製造方法）
次に、図１に示す面発光型半導体レーザ装置１００の製造プロセスの一例について説明する。図３（Ａ）〜（Ｃ）および図４（Ｄ）〜（Ｆ）は、面発光型半導体レ−ザ装置の製造工程を模式的に示したものである。
【００４１】
（Ａ）ｎ型ＧａＡｓ基板１０２に、ｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層とを交互に積層して波長８００ｎｍ付近の光に対し９９．５％以上の反射率を持つ、例えば４０ペアのＤＢＲミラー１０３を下部ミラーとして形成する。さらに、ｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層（第１クラッド層）１０４を形成した後、ｎ−型ＧａＡｓウエル層とｎ−型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層とを交互に積層した量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１０５を形成する。その後、ｐ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層（第２クラッド層）１０６、およびｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（コンタクト層）１０９を順次積層する（図３（Ａ）参照）。
【００４２】
上記の各層は、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ−ＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法でエピタキシャル成長させた。この時、例えば、成長温度は７５０℃、成長圧力は１５０Ｔｏｒｒで、ＩＩＩ族原料にＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）の有機金属を用い、Ｖ族原料にＡｓＨ３ 、ｎ型ドーパントにＨ２Ｓｅ 、ｐ型ドーパントにＤＥＺｎ（ジエチルジンク）を用いた。
【００４３】
このエピタキシャル成長工程においては、後に詳述するように、本願発明の特徴を成す光学的膜厚測定方法および膜形成方法を用い、各層の光学的膜厚を正確に制御しながら成膜を行っている。
【００４４】
各層の形成後、エピタキシャル層上に常圧熱ＣＶＤ法を用いて、２５ｎｍ程度のＳｉＯ２ 層からなる保護層Ｉを形成する。この保護層Ｉが、積層された半導体層を覆うことにより、プロセス中の表面汚染を防いでいる。
【００４５】
（Ｂ）次に、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法により、レジストパターンＲ１で覆われた柱状の共振器部１１４を残して、第２クラッド層１０６の途中までエッチングする。このエッチングプロセスの実施により、共振器部１１４を構成する柱状部は、その上のレジストパターンＲ１の輪郭形状と同じ断面を持つ（図３（Ｂ）参照）。また、ＲＩＢＥ法を用いるため、前記柱状部の側面はほぼ垂直であり、またエピタキシャル層へのダメージもほとんどない。ＲＩＢＥの条件としては、例えば、圧力６０ｍＰａ、入力マイクロ波のパワー１５０Ｗ、引出し電圧３５０Ｖとし、エッチングガスには塩素およびアルゴンの混合ガスを使用した。
【００４６】
このＲＩＢＥ法による柱状部の形成においては、エッチング中、前記基板１０２の温度は好ましくは０〜４０℃、より好ましくは１０〜２０℃に設定される。このように基板の温度を比較的低温に保持することにより、エピタキシャル成長によって積層される半導体層のサイドエッチングを抑制することができる。ただし、基板の温度が０〜１０℃であると、サイドエッチングを抑制するという点からは好ましいが、エッチングレートが遅くなってしまうために実用的には不向きである。また、基板の温度が４０℃を越えると、エッチングレートが大きくなりすぎるため、エッチング面が荒れてしまうだけでなく、エッチングレートの制御がしにくいという不都合がある。
【００４７】
（Ｃ）この後、レジストパターンＲ１を取り除き、常圧熱ＣＶＤ法で、表面に１００ｎｍ程度のＳｉＯ２ 層（第１絶縁膜）１０７を形成する。この際のプロセス条件としては、例えば、基板温度４５０℃、原料としてＳｉＨ４ （モノシラン）と酸素を使用し、キャリアガスには窒素を用いた。さらにこの上にスピンコート法を用いてＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｒａｓｓ）膜１０８Ｌを塗布し、その後、例えば、８０℃で１分間、１５０℃で２分間、さらに３００℃で３０分間、窒素中でベーキングする（図３（Ｃ）参照）。
【００４８】
（Ｄ）次に、ＳＯＧ膜１０８ＬとＳｉＯ２ 膜１０７と保護層Ｉをエッチバックして、露出したコンタクト層１０９の表面と面一になるように平坦化させる（図４（Ｄ）参照）。エッチングには平行平板電極を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を採用し、反応ガスとして、ＳＦ６ 、ＣＨＦ３ およびＡｒを組み合わせて使用する。
【００４９】
（Ｅ）次に、コンタクト層１０９とリング状に接触する上側電極１１２を公知のリフトオフ法により形成する（図４（Ｅ）参照）。
【００５０】
（Ｆ）コンタクト層１０９は上側電極１１２の円形開口を介して露出しており、この露出面を充分に覆うように誘電体多層膜ミラー（上部ミラー）１１１を公知のリフトオフ方法により形成する（図４（Ｆ）参照）。上部ミラー１１１は、電子ビーム蒸着法を用いて、ＳｉＯ２ 層とＴａ２Ｏ５層を交互に例えば７ペア積層して形成され、波長８００ｎｍ付近の光に対して９８．５〜９９．５％の反射率を持つ。このときの蒸着スピードは、例えばＳｉＯ２ が０．５ｎｍ／分、Ｔａ２Ｏ５層が０．２ｎｍ／分とした。なお、上部ミラー１１１の形成には、上述のリフトオフ法以外にＲＩＥ法によるエッチングを用いてもよい。
【００５１】
しかる後、基板１０２の下面に、ＮｉとＡｕＧｅ合金とからなる下側電極１０１が形成されて、面発光型半導体レ−ザ装置が完成する。
【００５２】
次に、前述の様な低閾電流を持ち、外部微分量子効率の高い面発光型半導体レーザ装置を実現するための製造方法のポイントについてさらに詳述する。これまで述べてきたように、結晶成長によってＤＢＲミラー層、クラッド層および多重量子井戸構造の活性層などを形成するので、結晶成長技術が本発明の面発光型半導体レーザ装置の製造方法において最も重要である。結晶成長技術には、
（１）ヘテロ界面が原子層オーダーで急峻であること
（２）広い面積にわたって膜厚の均一性が高いこと
（３）膜厚、組成およびドーピング効率の再現性が高いこと
等が必要な要件である。
【００５３】
特に（１）の界面の急峻性が、面発光型半導体レーザ装置の特性の向上の為には重要である。化合物半導体の結晶成長技術において界面の急峻性を確保する方法には、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、有機金属気相エピタキシー法（ＭＯＶＰＥ法）がある。液相エピタキシー法（ＬＰＥ法）は高純度の結晶成長が可能であるが、液相から固相への成長方法であるのでヘテロ界面の急峻性を実現する事は困難で、面発光型半導体レーザ装置の製造方法には適さない。これに対しＭＢＥ法とＭＯＶＰＥ法はそれぞれ分子線、気相から固相への成長方法であるので原理的には原子層オーダーの界面急峻性が得られる。
【００５４】
しかし、ＭＢＥ法は分子線からの結晶形成であり成長速度を高めることはできず、０．０１〜０．１ｎｍ／秒といった比較的遅い成長速度しか得られず、面発光型レ−ザの様に数μｍ程度のエピタキシャル層を必要とする結晶成長には不向きである。またＭＢＥ法は、その製造装置の構造上、大面積において均一かつ高品質に結晶成長させることは非常に難しく、また原料の充填量の制約から、連続した結晶成長の回数にも制限がある。このことは、結晶成長のスループットを制限する点であり、基板の量産を難しくする要因となっている。
【００５５】
これに対し、本実施例で用いているＭＯＶＰＥ法は、前述した、ＭＢＥ法と同等の原子層オーダのヘテロ界面の急峻性が得られており、また、気相成長であるため原料の供給量を変化させることにより、０．０１〜数ｎｍ／秒の成長速度を得ることができる。
【００５６】
また、（２）の膜厚の均一性については、成長装置の反応管形状を最適化することにより、例えば直径が３インチ円形基板のほぼ７５％の面積で、±２％以内の膜厚分布が得られることが確認された。
【００５７】
（３）の再現性の点では、ＭＢＥ法やＭＯＶＰＥ法は成長の制御性が原理上よいので、膜厚、組成およびドーピング効率の再現性が高く、本実施例の面発光型半導体レーザ装置を実現する結晶成長方法はＭＯＶＰＥ法が好ましい。
【００５８】
（３）の点については、ＭＯＶＰＥ法において、以下に示す、本発明の光学的膜厚測定方法を適用した製造方法を組み合わせることにより、さらに再現性かつ制御性よくエピタキシャル層を作製することができる。
【００５９】
図５は、ＭＯＶＰＥ法が適用され、かつ結晶成長中にエピタキシャル層の反射強度を常時測定することが可能な成膜装置の一例を模式的に示したものである。この成膜装置は、例えば横型水冷反応管を用いたＭＯＶＰＥ装置において、成長基板上部の水冷管部分を無くし、反応管外部から成長基板上に光を入れることが可能な光学窓を有する。
【００６０】
具体的には、このＭＯＶＰＥ装置は、マスフローコントローラ２４によって組成が制御された原料ガスが供給される反応管１０の周囲に、内部に例えば水を通すことによって反応管１０を冷却する冷却部１２が設けられている。反応管１０の内部には基板Ｓを載置するためのサセプタ１４が設けられ、このサセプタ１４の基板載置面に面する部分の反応管１０壁面に光学窓１６が設けられている。光学窓１６の上方には光源１８および光検出部２０が設置され、光源１８から出射された光は光学窓１６を介してサセプタ１４上の基板Ｓに到達し、その反射光は再び光学窓１６を介して光検出部２０に到達するように構成されている。そして、光検出部２０は、演算制御部２２と接続され、この演算制御部２２は前記マスフローコント．ローラ２４に接続されている。
【００６１】
そして、光源１８からの光は基板Ｓ上にほぼ垂直（最大５°）に入射するように設定され、その反射光を光検出部２０によって測定することにより、基板Ｓ上にエピタキシャル成長を行いながら、後に詳述するように、同時に生成するエピタキシャル層の反射強度の変化を測定し、この反射強度変化を演算制御部２２において所定の演算式によって処理し、得られたデータをマスフローコントローラ２４にフィードバックできるように構成されている。
【００６２】
本実施例において特徴的なことは、前記光源１８は２系統のモニタ光、つまり第１のモニタ光および第２のモニタ光を構成し、形成される半導体層に応じてモニタ光を変換できる点にある。
【００６３】
２系統のモニタ光を構成する光源１８は、その構成は特に制限されないが、例えば図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すものを挙げることができる。
【００６４】
図６（Ａ）に示す光源１８においては、２つのレーザ光源１８ａおよび１８ｂを近接して設置し、各光路上にコリメータレンズ１８ｃおよび１８ｄを設け、２本のレーザビームを平行光もしくは少なくとも基板より遠方に焦点を持たせるようにする。２本のモニタビームは、互いに１度以内の範囲に入ることが好ましく、平行であることが最も望ましい。また、この２本のモニタビームは基板Ｓ上において同一位置に照射されることが好ましい。
【００６５】
図６（Ｂ）に示す光源１８においては、２つのレーザ光源１８ａおよび１８ｂの各光路が互いに直交するように配置され、これらの光路の交点にハーフミラー１８ｅを光路に対して例えば４５度の角度で設置されている。また、各光源１８ａおよび１８ｂとハーフミラー１８ｅとの間には、光路上にコリメータレンズ１８ｃおよび１８ｄがそれぞれ設置されている。このタイプの光源１８においては所定の波長を有する２本のモニタビームをハーフミラー１８ｅを介することによって光軸を一致させたモニタビームとすることができる。
【００６６】
図６（Ｃ）に示す光源１８においては、２つのレーザ光源１８ａおよび１８ｂを同一線上に配置し、その光路上に、設置角度が調節可能なミラー１８ｆを設けている。また、各光源１８ａ，１８ｂとミラー１８ｆとの間にはそれぞれコリメータレンズ１８ｃ，１８ｄが設けられている。
【００６７】
図６（Ａ）および（Ｂ）に示す光源１８においては、２本のモニタ光を独立に制御することができ、したがって常時２系統のモニタ光を照射することもでき、あるいは何れかの光源の作動をオン・オフすることによりモニタ光を切り換えることもできる。図６（Ｃ）に示す光源１８においては、ミラー１８ｆの角度を切り換えることにより光源１８ａ，１８ｂからの光の一方を選択でき、モニタ光を切り換えることができる。
【００６８】
光源として用いられる半導体レーザとしては以下のものを例示することができる。なお、その波長範囲を併記する。
ＩｎＧａＡｓＰ 系 ； １．２〜１．６μｍ，０．６２〜０．９ μｍ
ＩｎＧａＡｓ 系 ； ０．９６〜０．９８ μｍ
ＧａＡｌＡｓ 系 ； ０．７〜０．８８ μｍ
ＩｎＧａＡｌＰ 系 ； ０．６２〜０．６７ μｍ
ＺｎＳＳｅ 系 ； ０．４〜０．５ μｍ
ＺｎＣｄＳｅ 系 ； ０．４〜０．５ μｍ
ＧａＩｎＡｌＮ 系 ； ０．３〜０．５ μｍ
光源としては、上記のものの他に光学モニタ用として広く用いられているＨｅ−Ｎｅレーザ（発振波長；０．６３μｍ，１．１５μｍ）などを用いることができる。
【００６９】
図７は、受光系の構成例を示し、同図（Ａ）は、モニタ光が１系統のタイプの構成を示し、同図（Ｂ）は２系統のモニタ光が用いられる場合の構成を示す。
【００７０】
図７（Ａ）に示す装置においては、フォトダイオードあるいは光電子増倍管などからなる光検出部２０が直接演算制御部２２と接続され、モニタ光の反射光は光検出部２０を介して演算制御部２２に出力される。
【００７１】
図７（Ｂ）に示す装置においては、第１の光検出部２０ａおよび第２の光検出部２０ｂとからなる光検出部２０と、光検出部２０ａ，２０ｂと基板Ｓとの間に配置された、プリズムあるいはホログラムなどからなる分光部８０と、スリット８２とを有する。そして、第１の光検出部２０ａおよび第２の光検出部２０ｂはスイッチ８４を介して演算制御部２２と接続されている。この装置においては、反射光が第１および第２のモニタ光を含んでいるため、この反射光を分光部８０およびスリット８２を介してそれぞれ第１および第２の光検出部２０ａ，２０ｂに送る。そして、スイッチ８４によってモニタしたい出力を選択的に演算制御部２２に出力する。
【００７２】
以上、モニタ光の照射および検出に用いられる装置の概略を説明したが、本実施例はこれに限定されるものではなく、通常用いられている光学手段、データ処理手段等を適宜用いることができる。
【００７３】
次に、第１および第２のモニタ光について詳述する。
【００７４】
第１のモニタ光は、第１クラッド層１０４を除く半導体層であって、少なくともＤＢＲミラー、好ましくはＤＢＲミラーおよび他の半導体層の光学的膜厚測定に用いられる。第２のモニタ光は、少なくとも第１クラッド層１０４の測定に用いられる。そして、第１のモニタ光および第２のモニタ光の波長は、以下の条件を満たすように設定される。
【００７５】
すなわち、ＤＢＲミラー１０３は所定の波長範囲、つまり少なくとも設計発振波長λ０±３０μｍに対して高い反射率、具体的には９８．０％以上、より好ましくは９９．０％以上、さらに好ましくは９９．５％以上の反射率を持つことが望まれている。これを満たすためには、ＤＢＲミラーを構成する各層の厚さがλ／４ｎでなければならない。ここで、λは所定波長（本実施例では設計発振波長λ０）、ｎは所定波長での屈折率を示す。
【００７６】
図８は、ＤＢＲミラーの反射率スペクトルを示し、縦軸は反射率を示し、横軸は波長を示している。この反射率スペクトルにおいては、反射率が９９．５％以上の領域を「高反射帯域」という。なお、図８〜図１１に示す反射率スペクトルの縦軸は、反射強度を反射率として表したものである。具体的には、各モニタ波長において１００％，５０％，０％の反射率を持つリファレンスミラーを本実施例の成膜装置の基板位置に置いて測定を行い、本実施例の成膜装置における反射率と反射強度の関係をあらかじめ調べておくことで、反射強度を基板の反射率に変換したものである。
【００７７】
前記ＤＢＲミラーの設計波長（高反射帯域の中心波長）は、半導体レーザ装置の設計発振波長λ０である８００ｎｍに設定されている。そして本実施例のようなＡｌＧａＡｓ系半導体の場合、成膜温度と室温の間には、約４．５％の光学的膜厚の差が存在するため、これを考慮してモニタ光の波長を設定することが望ましい。例えば、室温における波長８００ｎｍは成膜温度７５０℃において８３６ｎｍに相当する。したがって、本実施例では第１のモニタ光として８３６ｎｍの波長の半導体レーザによるレーザ光を使用した。この波長は、室温におけるＤＢＲミラーの設計波長（８００ｎｍ）に該当する。
【００７８】
また、第２のモニタ光の波長λｍは、成膜温度において高反射帯域に含まれない波長に設定される。つまり、高反射帯域の最も小さい波長をλｌ、高反射帯域の最も大きい波長をλｈとすると、以下の関係
λｍ＜λｌ
λｈ＜λｍ
が成立する。第２のモニタ光の波長λｍは、高反射帯域よりも小さい波長領域に設定されることが好ましく（図８参照）、本実施例では、第２のモニタ光として７８６ｎｍの波長の半導体レーザによるレーザ光を使用した。その理由については後に詳述する。
【００７９】
図９は、本実施例の面発光型半導体レーザ装置を図５に示す成膜装置を用いてＭＯＶＰＥ成長させる工程において、ＤＢＲミラー１０３、第１クラッド層１０４および活性層１０５を構成するエピタキシャル層の反射率の経時的変化を示したものである。横軸がエピタキシャル層の成長時間を示し、縦軸が反射率を示している。図９に示す反射率測定においては、モニタ光としては、設計発振波長λ０に成膜時の温度補正を加えた補正波長λ０′（８３６ｎｍ）と同じ波長を有する第１のモニタ光を用いた。
【００８０】
図９において、成膜時間Ｔ０−Ｔ２はＤＢＲミラー１０３の成膜工程に、成膜時間Ｔ２−Ｔ３は第１クラッド層１０４の成膜工程に、成膜時間Ｔ３−Ｔ４は活性層１０５の成膜工程にそれぞれ対応している。図９から明らかなように、ＤＢＲミラー１０３の前段（下部）の成膜（成膜時間Ｔ０−Ｔ１）および活性層１０５の成膜（成膜時間Ｔ３−Ｔ４）においては、反射率の変化が顕著であり極値（極大点および極小点）が明確に現れている。これに対し、ＤＢＲミラー１０３の後段（ミラー上部）の成膜（成膜時間Ｔ１−Ｔ２）および第１クラッド層１０４の成膜（成膜時間Ｔ２−Ｔ３）においては、反射率の変化が小さく明確な極値を測定できない。そこで、本実施例においては、少なくとも第１クラッド層１０４の成膜工程において、第１のモニタ光と異なる波長λｍを有する第２のモニタ光によって測定を行う。以下、各成膜工程と反射率との関係について詳細に説明する。
【００８１】
（ａ）ＤＢＲミラーの成膜
図１１に、図９に示す、ＤＢＲミラー１０３の成膜工程の前段における反射率スペクトルを模式的に拡大して示す。
【００８２】
図１１から明らかなように、ＧａＡｓ基板上に初め低屈折率ｎ１のＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓを積層すると光学的膜厚が増加するにつれ反射率が減少する。光学的膜厚が（λ０／４ｎ１）になると極小点▲１▼を向かえるので、この極小点をモニタして、高屈折率ｎ２のＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓの推積に切り替える。そして、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層の光学的膜厚が増加すると反射率は増加していくが、光学的膜厚が（λ０／４ｎ２）になると極大点▲２▼に到達するので、再び低屈折率ｎ１のＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓの推積に切り替える。この操作を繰り返すことにより、ＤＢＲミラーは、その反射率が低反射率および高反射率をくり返しながら変動し、反射率が増加していく。
【００８３】
この反射率の変化は、結晶の成長速度や成長時間に依存せず、各層の光学的膜厚のみに依存している。従って、反射率スペクトルの極値（１次微分値０）で積層する層のＡｌ組成を変更し、屈折率の違う層を交互にエピタキシャル成長させることにより、各層が理論通りの光学的膜厚（λ／４ｎ）を持ったＤＢＲミラーが得られる。
【００８４】
図９に示すように、ＤＢＲミラーの成膜工程において、ミラーのペア数が増加すると反射率が大きくなるが、それに伴って反射率の変化率が小さくなる。実用上、反射率の極大点および極小点を精度よく検出するためには、連続する極大点と極小点との差が反射率で少なくとも１０％程度必要である。この事を考慮すると、ＤＢＲミラーの高反射率の領域（図９における成膜時間Ｔ１−Ｔ２の領域）、すなわち例えば極大点と極小点との差が反射率で１０％程度となる成膜時間Ｔ１以降は、前段の成膜時間Ｔ０−Ｔ１で求められた測定データから成膜速度を求め、この成膜速度をもとに各層の光学的膜厚をコントロールすることができる。
【００８５】
（ｂ）第１クラッド層の成膜
図１０は、波長λｍを有する第２のモニタ光によって、第１クラッド層１０４および活性層１０５をモニタして得られた、成膜時間と反射率との関係を示す図である。図１０から明らかなように、第２のモニタ光を用いた測定においては、第１クラッド層の成膜工程（成膜時間Ｔ２−Ｔ３）において、第１のモニタ光（波長：λ０′）を用いた場合にはほとんど見られなかった反射率の変化が顕著に現れ、極小点と極大点が明瞭に現れていることがわかる。
【００８６】
第２のモニタ光で用いられる波長λｍは、前述したように、ＤＢＲミラーの高反射帯域から外れた波長であることが必要である。具体的には、波長λｍはＤＢＲミラーの高反射帯域より短波長側もしくは長波長側で選択されることが必要であり、さらに短波長側の波長であることが望ましい。その理由は、反射率の絶対値を測定することは精度的に困難であるため、通常は反射強度の極大点および極小点によって波数を求める。そのため、評価できる光学的な最低膜厚はモニタ光の波長で１／４の波数となる。従って、モニタ光の波長が短いほど、測定可能な光学的膜厚が小さくできる。
【００８７】
そして、第２のモニタ光の波数（１／４）に対応する成膜時間△Ｔから成膜速度を算出することができ、さらに得られた成膜速度から最終的に必要な光学的膜厚の成膜時間が算出できる。したがって、光学的膜厚モニタに時間制御を併用することにより、設計発振波長λ０（補正波長λ０′）における任意の波数Ｎ０の光学的膜厚を得ることができる。
【００８８】
例えば、図１２に示すように、第２のモニタ光における極小点と極大点との時間間隔、すなわち波長λｍのモニタ光の１／４波数（Ｎｍ）に相当する成膜時間を△Ｔとすると、第１クラッド層を形成するために必要な成膜時間ＴＥＮＤ（Ｔ３−Ｔ２）は下記（式１）で表される。
【００８９】
【数１】
（式１）において、ｎｍ、ｎ０′は、それぞれ波長λｍ、λ０′での成膜温度における屈折率であるが、ｎｍとｎ０′はほとんど同じ温度依存性を示すので、その比は温度によらず一定と見なせる。したがって、ｎｍおよびｎ０′としてそれぞれの波長での室温における屈折率を代入することができる。
【００９１】
第１クラッド層の測定に用いられる波長λｍの第２のモニタ光は、波長λ０の第１のモニタ光と同時に２系統で基板に照射されていてもよく、あるいは所定のタイミング（図９および図１０における成膜時間Ｔ２−Ｔ３）において、第１のモニタ光から第２のモニタ光に変換されるシステムでもよい。
【００９２】
（ｃ）活性層およびその他の層の成膜
活性層１０５の成膜においては、図９に示すように、波長λ０（補正波長λ０′）の第１のモニタ光による反射率がＤＢＲミラーの影響を受けずに大きく変動し、その極値を明確に測定することができるため、第１のモニタ光による光学的膜厚の測定を行うことにより光学的膜厚を正確に制御することができる。活性層１０５の上に順次積層される第２クラッド層１０６およびコンタクト層１０９の成膜においても、引き続き第１のモニタ光を用いた光学的膜厚の測定を適用することが望ましい。
【００９３】
さらに、この成膜方法では、ＤＢＲミラー自体の反射強度を結晶成長中に測定できることから、層形成中にＤＢＲミラーのペア数を変更したり、構造の最適化がはかれる。
【００９４】
また、反射強度の極値から、ＤＢＲミラーより上部の第１クラッド層および活性層などの各層の光学的膜厚も正確に制御できることから、従来の成長時間を管理する成膜方法に比べ、再現性がよく、かつスループットが高い方法で、結晶成長基板を作製できる。実際に、本実施例の成長方法により、面発光型レーザ素子に好適な９９．５％以上の反射率を持つＤＢＲミラーが制御性よく得られた。
【００９５】
上述した、層の反射率をモニタして結晶層の光学的膜厚を制御する方法は、ＭＯＶＰＥ法だけでなく、他の成膜プロセス、例えばＭＢＥ法などにも使用できる。
【００９６】
次に、柱状共振器部をＲＩＢＥ法で形成する工程（図３（Ｂ）参照）に、上述した反射率をモニタする手段を使用した実施例について述べる。
【００９７】
前述したように、共振器部１１４の作製には、垂直側面が得られ、かつ表面ダメージの少ない点から、ＲＩＢＥ法によるエッチングを行っている。この柱状共振器部の形成において重要なポイントは、エッチング深さ、つまり第２クラッド層１０６の残り膜厚ｔを制御することである。この残り膜厚を管理して、所定の厚さにしなければならない理由は先に記した。
【００９８】
ＲＩＢＥ法によるドライエッチングを行いながら、残り膜厚を測定する方法を、以下に具体的に示す。
【００９９】
図１３に、エッチングしながらエピタキシャル層の反射率を測定できるＲＩＢＥ装置の概略図を示す。
【０１００】
このＲＩＢＥ装置は、エッチング室３０に、プラズマ室４０および排気手段を構成する真空ポンプ３２が接続されている。エッチング室３０は、前記プラズマ室４０に対向する位置に基板Ｓを載置するためのホルダ３４を有する。このホルダ３４は、ロードロック室５０を介して進退自由に設けられている。エッチング室３０のプラズマ室４０側の側壁には、光学窓３６および３８が対向する位置に設けられている。そして、エッチング室３０内には、前記光学窓３６および３８を結ぶライン上に一対の反射ミラーＭ１およびＭ２が設けられている。一方の光学窓３６の外方には光源２６が設置され、他方の光学窓３８の外方には光検出部２８が設置されている。また、プラズマ室４０は、マイクロ波導入部４４および反応ガスをプラズマ室４０に供給するためのガス供給部４６および４８が連結されている。そして、プラズマ室４０の周囲にはマグネット４２が設けられている。
【０１０１】
このＲＩＢＥ装置においては、通常の方法によって基板Ｓ上に形成された結晶層をエッチングするとともに、光源２６から照射される光を光学窓３６および反射ミラーＭ１を介して基板Ｓ上に照射し、その反射光を反射ミラーＭ１および光学窓３８を介して光検出部２８によって測定することにより、基板Ｓ上の結晶層の反射率をモニタすることができる。
【０１０２】
次に、図１４（Ａ）〜（Ｃ）に基づいて、エッチング中の第２クラッド層の残り膜厚ｔの測定方法を具体的に説明する。
【０１０３】
エッチング前状態（図３（Ａ）で示す状態）での共振器を構成するエピタキシャル結晶層は、図１４（Ａ）に示す様な反射スペクトルを示す。ＤＢＲミラーの反射率が非常に高く、かつＤＢＲミラー上の結晶層の膜厚が薄いことから、スペクトルの概容はＤＢＲミラーの反射スペクトルとなっている。また外部から結晶層に光を入射すると、ＤＢＲミラー上に積層された結晶層内に定在波（縦モード）が存在する波長で活性層が光を吸収するため、その波長での反射率が低下し、反射スペクトル内にくぼみ、つまりディップ（Ｄｏ）を形成する。
【０１０４】
このディップ（Ｄｏ）の波長λｏは、ＤＢＲミラーから上の結晶層の光学的膜厚に対応することから、エッチングにより光学的膜厚が薄くなると、ディップ（Ｄｏ）も短波長側に移動して波長λ′となる（図１４（Ｂ）参照）。
【０１０５】
さらに、長波長側に次のディップ（Ｄ１）（波長：λ″）が発生し、これが短波長側の波長λ１へと移動する（図１３（Ｃ）参照）。さらにエッチングを続けると、再び長波長側に新たなディップが発生し、ディップの移動と発生が繰り返えされる。エッチング前の状態から、ａ個めのディップの波長をλａとすると、この時のエッチング量△ａは下記（式２）で表される。
【０１０６】
【数２】
（式２）において、Θは構造から決まる定数で、本実施例では１／２または１／４、ｎはエピタキシャル層の平均屈折率である。
【０１０８】
このようにエッチングによりディップが短波長側にシフトして高反射帯域からはずれても、長波長側に次の縦モードに対応するディップが発生し、これがさらに短波長側にシフトするので、エッチング中に高反射帯域に存在するディップの数および波長移動量を測定することにより、エッチング量およびエッチング速度を管理できる。したがって、第２クラッド層において所定の残り膜厚を有する共振器部１１４を正確に作製することができる。
【０１０９】
また、反射スペクトルの値や形状もエッチング中に同時にモニタできるので、エッチング時の表面の汚れ、ダメージなども評価でき、これらの評価結果をエッチング条件にフィードバックすることができる。
【０１１０】
さらに、反射率のモニタ手段を使ったプロセスとして、ＲＩＥ法によるＳｉＯ２層のエッチングについて説明する。
【０１１１】
図１に示す面発光型半導体レ−ザ装置の作製工程においては、前述したように、レ−ザ光出射側のリング状の上側電極１１２を形成する前まで、共振器表面のｐ型コンタクト層１０９は表面保護用のＳｉＯ２ 層Ｉ（図３（Ｂ）参照）で覆われているが、上側電極を形成するためには、このＳｉＯ２ 層を完全にエッチングしなければならない。ただし、必要以上にエッチングを行うと、コンタクト層もエッチングすることになり、コンタクト層へダメージを与えたり、発振波長に関係する共振器長が変化してしまう問題が起こる。
【０１１２】
従って、ＳｉＯ２層Ｉのエッチング量の管理が重要である。そこで、本実施例ではＳｉＯ２層Ｉのエッチングに使用するＲＩＥ装置に、エッチング中にエピタキシャル結晶層の反射率を測定できる方法を導入し、エッチング量を測定することとした。
【０１１３】
図１５に反射率測定手段を導入した平行平板型ＲＩＥ装置の概略図を示す。このＲＩＥ装置においては、エッチング室６０内に、ＲＦ発振器６１に接続された載置電極６２とメッシュ状の対向電極６４とが対向して設けられている。エッチング室６０には、ガス供給部７０と排気用の真空ポンプ６６とが接続されている。そして、エッチング室６０の、前記載置電極６２と対向する壁面には、光学窓６８が設けられており、この光学窓６８の外方には光源７２と光検出部７４とが設置されている。そして、光源７２から照射された光は光学窓６８を介して基板Ｓに到達し、その反射光は光学窓６８を介して光検出部７４に至る。このＲＩＥ装置においては、通常のメカニズムによってＳｉＯ２層がエッチングされるとともに、光源７２からの光を検出することによってエッチング面の反射率をモニタすることができる。
【０１１４】
図１６は、ｐ型コンタクト層１０９上にＳｉＯ２ 層があるときの、８００ｎｍの光に対する反射率の変化を示したものである。横軸がＳｉＯ２ 層の光学的膜厚、縦軸が反射率である。図に示したように、反射率はＳｉＯ２ 層の残り膜厚によって変化し、残り膜厚が（λ／４ｎ）になるごとに極大点と極小点をとり、ＳｉＯ２ 層が完全にエッチングされると反射率変化はなくなる。ここでλは測定光源の波長、ｎはＳｉＯ２層の屈折率である。従って、ＲＩＥによるエッチング中に反射率を測定し、反射率曲線の極値をモニタすることにより、ＳｉＯ２ 層のエッチングを完全に行うことができる。
【０１１５】
また、ＳｉＯ２ 層の完全なエッチング終了後、前記ＲＩＢＥプロセスと同様に、ＲＩＥ中の反射率測定の光源として分光器を通した光若しくは波長可変のレ−ザ光を用いて例えば７００〜９００ｎｍの波長の光を照射することにより、反射率のディップが測定でき、共振器長が測定できる。つまり、この反射率のディップを測定しながらＲＩＥによるエッチングを進めると、エッチング量は前記（式２）で求められ、共振器長を正確に制御することができる。ここで、ＲＩＥを用いているのは、ｐ型コンタクト層１０９を保護するためのＳｉＯ２ 層を完全にエッチングした後、同一装置内でエッチングが可能なこと、またＲＩＢＥによるエッチングよりもエッチング速度が遅いので共振器長を制御しやすいことが挙げられる。このときのエッチング条件としては、例えば、圧力２Ｐａ、ＲＦパワー７０Ｗとし、エッチンガスとしてはＣＨＦ３を使用した。
【０１１６】
前述した様に本発明の面発光型半導体レーザ装置の実現には、ＤＢＲミラーの高反射帯域と共振器長によって定まる発振波長を設計発振波長にしなければならないが、エピタキシャル成長後に仮にその設計発振波長が得られなくとも、反射率をモニタしたＲＩＥを用いることにより、共振器長を所定長さに精度良くエッチングできるので、高い精度のデバイスを歩留まりよく製造することが可能である。
【０１１７】
また、反射率をモニタしたエッチングを用いることにより、基板面内で共振器長の異なる部分を精度良く作ることもでき、１枚の基板で発振波長の異なる面発光型半導体レーザ装置を作製することもできる。
【０１１８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した面発光型半導体レーザ装置の断面を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のクラッド層の残り膜厚ｔと外部微分量子効率（スロープ効率）の値との関係を示す図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、図１に示す面発光型半導体レーザ装置の製造プロセスを模式的に示す断面図である。
【図４】（Ｄ）〜（Ｆ）は、図３に引き続いて行われる、図１に示す面発光型半導体レーザ装置の製造プロセスを模式的に示す断面である。
【図５】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の半導体層を形成する際に用いられるＭＯＶＰＥ装置を模式的に示す図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｃ）は、図５に示すＭＯＶＰＥ装置の光源の構成例を示す図である。
【図７】（Ａ）および（Ｂ）は、図５に示すＭＯＶＰＥ装置の受光系の構成例を示す図である。
【図８】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のＤＢＲミラーの反射率と波長との関係を示す図である。
【図９】第１のモニタ光を用いて得られた、ＤＢＲミラー、第１クラッド層および活性層の成膜工程における成膜時間と反射率との関係を示す図である。
【図１０】第２のモニタ光を用いて得られた、第１クラッド層および活性層の成膜工程における成膜時間と反射率との関係を示す図である。
【図１１】図９に示す、ＤＢＲミラーの成膜工程の前段における成膜時間と反射率との関係を模式的に示す図である。
【図１２】第２のモニタ光を用いた、第１クラッド層の成膜における時間と反射率との関係を示す図である。
【図１３】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の製造プロセスにおいて用いられるＲＩＢＥ装置を模式的に示す図である。
【図１４】（Ａ）〜（Ｃ）は、ＲＩＢＥプロセスにおける反射スペクトルの変化を示す図である。
【図１５】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のエッチングプロセスにおいて用いられるＲＩＢＥ装置を模式的に示す図である。
【図１６】図１５に示す装置を用いてＲＩＢＥを行ったときのＳｉＯ２層の光学的膜厚と反射率との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０２ 基板
１０３ ＤＢＲミラー
１０４ 第１クラッド層
１０５ 活性層
１０６ 第２クラッド層
１０７ 第１絶縁層
１０８ 第２絶縁層
１０９ コンタクト層
１１１ 誘電体多層膜ミラー
１１４ 共振器部
Claims (5)
- 第１導電型の化合物半導体からなる基板上に、少なくとも、第１導電型の分布反射型多層膜ミラー、第１導電型の第１クラッド層、活性層、第２導電型の第２クラッド層および第２導電型のコンタクト層を含む半導体層をエピタキシャル成長によって形成する工程を含み、
前記分布反射型多層膜ミラーは、成膜時に、所定波長の第１のモニタ光を基板に向けて照射してその反射強度を測定し、この反射強度の極値で屈折率の異なる一方の半導体層の堆積から他方の半導体層の堆積に切り替えることによって、低屈折率の半導体層と高屈折率の半導体層とを交互に積層して形成され、かつ所定の波長帯域において９８％以上の反射率を有し、
前記第１クラッド層は、前記分布反射型多層膜ミラーにおける前記所定の波長帯域と異なる波長を有する第２のモニタ光を基板に向けて照射し、その反射強度の極値をモニタすることによって光学的膜厚を制御しながら形成され、
前記第２のモニタ光は、前記所定の波長帯域より小さい波長を有することを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。 - 請求項１において、
前記分布反射型多層膜ミラーは、前記所定の波長帯域で９９％以上の反射率を有することを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。 - 請求項１または請求項２において、
前記第１クラッド層は、１０００ｃｍ−１以下の吸収係数を有することを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。 - 請求項１〜請求項３のいずかにおいて、
前記第１のモニタ光は、設計発振波長と同等の波長を有することを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。 - 請求項１〜請求項４のいずれかにおいて、
前記活性層、前記第２クラッド層および前記コンタクト層は前記第１のモニタ光によって光学的膜厚を制御しながら形成されることを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
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