JP3885677B2

JP3885677B2 - 面発光型半導体レーザ及びその製造方法ならびにその製造装置

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Publication number: JP3885677B2
Application number: JP2002201594A
Authority: JP
Inventors: 秀生中山; 朗坂本
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2022-07-10
Also published as: US20040008747A1; US7157298B2; US20050185688A1; JP2004047636A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報処理や光通信用の光源、または光記録装置や画像形成装置の光源として用いられる面発光型半導体レーザの製造方法及びその製造装置に関する。特に、電流狭窄部の選択酸化領域によって包囲される開口（アパーチャー）を精度良く再現することが可能な面発光型半導体レーザの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信や光インターコネクション等の技術分野において、光源のアレイ化が容易な垂直共振型面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser、以下「面発光レーザ」という）への需要が高まっている。
【０００３】
面発光レーザのタイプは、利得導波構造を有するプロトン注入型と、屈折率導波構造を有する選択酸化型との２つに大別されるが、現在では後者が主流になりつつある。選択酸化型の半導体レーザは、一般にメサ構造のレーザ素子部を有し、メサ構造の活性領域近傍にＡｌＡｓ層あるいはＡｌＧａＡｓ層の一部が選択酸化された電流狭窄層が形成され、この電流狭窄層によって抵抗率を高めると共に屈折率を低下させ、光導波路を形成している。
【０００４】
選択酸化型の面発光レーザにおいて、電流狭窄層の開口（アパーチャー）あるいは選択酸化領域よって囲まれた未酸化領域の寸法精度は、レーザの動作特性上非常に重要である。これはレーザのしきい値電流やレーザの発振横モードは、開口の径に大きく左右されるためである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
電流狭窄層の開口を形成する酸化プロセスは、一般にウエット酸化法が用いられる。この方法は、窒素をキャリアガスに用い、１００度近くにまで過熱された純粋の水蒸気を炉内に搬送し、メサによって側面を露出されたＡｌＡｓ層あるいはＡｌＧａＡｓ層がその側面から酸化を開始される。
【０００６】
しかし、メサ側面からのＡｌＡｓ層あるいはＡｌＧａＡｓ層の酸化距離をプロセス毎に再現性良く制御し、設計通りの電流狭窄層の開口を形成することは非常に困難である。メサそのもののエッチングによる精度誤差や、それ以外にも、水蒸気の温度、窒素ガス輸送量、ＡｌＡｓ層やＡｌＧａＡｓ層側面の自然酸化膜の膜厚等によって酸化レートが左右されてしまうからである。
【０００７】
こうした問題を解決するために本出願人は、特開平２００１−９３８９７号においてモニター用サンプルを用い、これの酸化反応の進行度合いを追跡することで半導体前躯体の電流狭窄層の酸化反応を制御する発明を開示している。
【０００８】
この発明は、モニター用サンプルと半導体前躯体の電流狭窄層とを酸化炉内に配し、これらに同時に酸化処理を施し、モニター用サンプルの酸化領域の変化により変動する反射光を監視して、電流狭窄層の酸化反応を制御するものである。
【０００９】
しかしながら、上記公報に記載の発明は、酸化炉内の温度を４００度に加熱し、その温度で電流狭窄層の酸化を行うため、ＡｌＡｓ層またはＡｓＧａＡｓ層の酸化レートが比較的速く、モニター用サンプルからの反射光を監視して酸化反応を停止させたとしても、ＡｌＡｓ層またはＡｓＧａＡｓ層のメサ側面からの酸化がある程度進行してしまい、結果として電流狭窄層の開口（あるいは開口の径）が設計範囲内におさまらないことがある。さらに、プロセス毎に電流狭窄層の開口が精度良く再現されないと製造歩留まりが低下し、低コストの面発光レーザを提供することができない。
【００１０】
そこで本発明の目的は、上記従来の技術の課題を解決し、Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化反応を精度良く制御することが可能な面発光型半導体レーザの製造方法を提供することを目的とする。
さらに本発明の目的は、モニター用半導体の酸化反応を監視し、電流狭窄層の開口を精度良く再現することが可能な面発光型半導体レーザの製造方法を提供する。
さらに本発明の目的は、低コストで製造歩留まりを改善することが可能な面発光型半導体レーザを製造するための製造装置を提供する。
さらに本発明の目的は、電流狭窄層の開口精度が優れた面発光型半導体レーザを提供する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る、Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層を有するメサ構造のレーザ素子部を備えた面発光型半導体レーザの製造方法は、以下の工程を備える。Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の一部がメサ側面で露出されたメサ構造と、酸化可能領域を有するモニター用半導体を基板上に形成し、前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層をメサ側面より酸化速度（Ｓ）で酸化を開始し、前記モニター用半導体に光を照射し、その反射光の反射率または反射率の変化に基づいて前記モニター用半導体の酸化可能領域が所定領域酸化された時点を求める処理を行い、前記モニター用半導体の酸化可能領域が所定領域酸化された時点から一定時間（Ｔ）経過を待って、前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化を停止させる面発光型半導体レーザの製造方法。
【００１２】
本発明の製造方法によれば、Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層を酸化速度（Ｓ）でメサ側面から酸化を開始し、モニター用半導体の反射光の反射率または反射率の変化に基づいてモニター用半導体の酸化可能領域が所定領域酸化された時点を求める処理を行い、モニター用半導体の酸化可能領域が所定領域酸化された時点から一定時間（Ｔ）経過を待って、Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化を停止させるようにしたので、Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化距離を、その酸化速度と酸化時間によって制御することができ、その結果電流狭窄層の開口を精度良く再現することが可能となる。
【００１３】
好ましくは、前記モニター用半導体の反射率または反射率の変化が所定値に到達したときの前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の未酸化領域である開口を（Ｄ）、前記酸化を停止されたときの前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の選択された未酸化領域である開口を（Ｄ１）とすると、前記一定時間（Ｔ）は前記選択された開口（Ｄ１）と前記開口（Ｄ）の差および前記酸化速度（Ｓ）によって決定される。酸化を停止させる一定時間（Ｔ）は、モニター用半導体の反射率または反射率の変化が所定値に到達した時点を起点とし、開口（Ｄ）と開口（Ｄ１）との差から算出される期間経過時に酸化反応を終了させることになるので、最終的に形成されるべき開口Ｄ１を非常に精度よく形成することができる。
【００１４】
好ましくは、酸化速度（Ｓ）は、Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化温度によって決定される。例えば、Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層がＡｌＡｓ層である場合には、ＡｌＡｓ層を３７５度以下の温度で酸化することが望ましい。３７５度を越えると、ＡｌＡｓ層の酸化速度が比較的速くなり、モニター用半導体からの反射率または反射率の変化が所定値に到達した時点から酸化反応を停止させるまでの一定時間（Ｔ）を制御することが困難になるためである。
【００１５】
３７５度以下であれば、酸化速度は０．５μｍ／ｍｉｎであるため、酸化反応を停止させるまでの時間制御を容易に行い得る。ＡｌＡｓ層の選択された未酸化領域の開口（Ｄ１）がおおよそ３ミクロンである場合には、３７５度以下の温度で酸化をすることが非常に有効である。開口の形状は、円形状であることが望ましいが、これ以外にも楕円、長円、矩形、多角形等の種々の形状であってもよく、これは面発光型半導体レーザのレーザ素子部のメサ形状（あるいはポスト形状）に対応する。さらに、記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、ＡｌＧａＡｓ層であってもよい。
【００１６】
好ましくは、モニター用半導体は、前記メサ構造の形成と同時に形成される第２のメサ構造を有し、該第２のメサ構造は側面を露出させた第２のＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層を含むものであってもよい。モニター用半導体のメサ構造をレーザ素子部側のメサ構造と同一構造にすることにより、レーザ素子部側の酸化反応はモニター用半導体の酸化反応と実質的に均しくなり、このようなモニター用半導体の反射率の監視により非常に高精度にレーザ素子部側のＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化を制御することができる。
【００１７】
好ましくは、モニター用半導体は、前記メサ構造の形成と同時に形成される複数のメサ構造を有し、該複数のメサ構造はそれぞれ側面を露出させた複数のＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層を含むものであってもよい。複数のメサ構造のＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化状態を監視することで、全体的にムラの少ない酸化状態をモニターすることができる。
【００１８】
好ましくは、モニター用半導体のメサ構造に含まれるＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化可能領域は、前記レーザ素子部のメサ構造に含まれるＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化可能領域よりも小さくすることができる。こうすることで、モニター用半導体の酸化可能領域がすべて酸化されたとき、言い換えれば、反射率の変化がゼロに等しいときを起点とし、そこから一定時間後に酸化反応を停止させ、レーザ素子部側のＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層に所望の大きさの開口を形成することができる。反射率の変化がゼロとなる時点は、比較的検出が容易であり、かつその検出結果も安定していることから、酸化反応を停止させる起点の変動やバラツキ等を抑えることができ、結果として寸法精度の高い開口を備えた電流狭窄層を得ることができる。
【００１９】
さらに本発明に係る、Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の一部を選択酸化した電流狭窄部を有する面発光型半導体レーザの製造方法は、以下の工程を有する。基板上に酸化可能領域であるＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の一部を側面で露出させた第１、第２のメサを形成し、前記第１のメサに光を照射し、その反射光の反射率または反射率の変化に基づいて、第２のメサのＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化領域を制御して前記電流狭窄部を形成する酸化工程を含み、前記酸化工程は、前記反射率または反射率の変化が所定状態になった時点を求める第 1 の工程と、該第 1 の工程により求められた反射率または反射率の変化が所定状態になった時点から一定時間経過を待って第２のメサのＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化を停止する第２の工程とを含む。
【００２０】
上記製造方法によれば、基板上に第１、第２のメサを形成し、第１のメサのＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化状態を監視して、第２のメサのＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化を制御するため、第１、第２のメサはそれぞれ共通のプロセス環境に置かれかつ共通の環境因子によって酸化を左右されることとなり、非常に精度良く電流狭窄部の開口を形成することができる。
【００２１】
好ましくは、第１、第２のメサはそれぞれ同一の組成を有するように前記基板上に同時に形成され、前記第１のメサのＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、前記第２のメサのＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層よりも小さい酸化可能領域を有するようにしても良い。同一の組成とは、メサを構成する半導体各層の構成が同じことであり、それによって第１、第２のメサはともに同様な酸化状態に置かれる。また、第２のメサの酸化可能領域を小さくすることにより、この酸化可能領域のすべてが酸化された時点を検出したときに、第１のメサの酸化反応を停止させることができる。例えば、前記第１のメサのＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化可能領域のすべてが酸化されたことを反射率から検知し、その検知から一定時間経過後に前記第２のメサのＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化を停止させるようにしてもよい。好ましくは、この一定時間は、前記酸化可能領域のすべてが酸化されたことを判定するに要する処理時間よりも大きく、その処理時間は、前記反射率の変化点を求めるため反射率を時間で微分する処理を含む。
【００２２】
好ましくは、面発光型半導体レーザの製造方法は以下のステップを有する。第１導電型の第１の反射ミラー層、前記第１の反射ミラー層上の活性領域、Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層、および前記活性領域上に第２導電型の第２の反射鏡を含む複数の半導体層を基板上に形成するステップと、前記複数の半導体層の所定の半導体層をエッチングし、前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の側面が露出されるように前記基板上にメサ構造を形成するステップと、前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層を前記側面より３７５度以下で酸化させ、前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の反射率または反射率の変化を監視し、該反射率または反射率の変化が所定値に到達した時点から一定時間経過後に前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化を停止させるステップとを備える。
【００２３】
上記製造方法によれば、メサ構造のＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層をメサ側面より３７５度以下で酸化させ、このＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の反射率または反射率の変化が所定値に到達した時点から一定時間経過後にＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化を停止させるようにしたので、Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化速度が比較的緩やかであるため、メサ側面からの酸化距離を容易にかつ高精度で制御することができる。従って、電流狭窄層の開口の寸法精度を高くし、かつそのような開口を再現性よく形成することができる。
【００２４】
好ましくは、前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化は、約３００度以上で行われる。例えば、ＡｌＡｓ層の場合、酸化温度が３００度以下では酸化速度が非常に遅く、このような温度以下での酸化はあまり実用的ではない。
【００２５】
本発明に係る、Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の一部を選択酸化した電流狭窄部を有する面発光型半導体レーザを製造するための製造装置は、以下の構成を有する。Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層が側面で露出され、且つＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化可能領域の大きさが異なる複数のメサを備えた基板を酸化処理する際に、少なくとも１つのメサに光を照射する光照射手段と、前記光を照射されたメサからの反射光を受け取り、該反射光を電気信号に変換する光電変換手段と、前記光電変換手段から出力される電気信号に基づき、前記複数のメサの少なくとも１つのメサのＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族族半導体層の酸化状態を監視し、前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化可能領域の所定領域が酸化されたときに、それを示す信号を出力する演算手段と、前記演算手段の出力を受け取った後一定時間経過をまって、前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化処理を停止させる酸化停止手段とを有する。
【００２６】
上記製造装置によれば、Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層をメサ側面から選択酸化させるに際して、その酸化状態を監視しながらメサ側面からの酸化距離を制御することにより、Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化領域を非常に精度良く形成することができ、その結果、面発光レーザの動作特性を安定化させ、かつ面発光レーザの製造歩留まりを向上させることができる。
【００２７】
好ましくは製造装置は、前記演算手段の出力に応じて前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化状態を表示させる表示手段を含むようにしても良い。これによって、オペレータ（操作者）が表示手段を介して酸化状態を視覚的に認識し、必要に応じて酸化状態を停止することも可能となる。
【００２８】
好ましくは、メサ構造のレーザ素子部を備えた面発光型半導体レーザは、基板と、前記基板上に形成された複数の半導体層であって、前記複数の半導体層は、第１導電型の第１の反射層、前記第１の反射層上の活性領域、一部に酸化領域を含む少なくとも一つの電流狭窄層、前記電流狭窄層上の第２導電型の第２の反射層とを含む、前記複数の半導体層とを有し、前記メサ構造は、少なくとも前記第２の反射層から前記電流狭窄層まで延び、前記電流狭窄層の酸化領域は前記メサ構造の側面から内側に延びかつ３７５度以下の温度で酸化されるものである。
【００２９】
上記面発光型半導体レーザによれば、電流狭窄層の酸化領域を３７５度以下の温度で酸化させるようにしたので、電流狭窄層の酸化速度も緩やかに進行し、メサ側面からの酸化距離を高精度で制御することができ、その結果、電流狭窄層のアパーチャーまたは開口の径を設計範囲内におさめることができ、面発光型半導体レーザの歩留まりを向上させることができる。
【００３０】
好ましくは、電流狭窄層はＡｌＡｓ層を用いることができる。あるいは、ＡｌＧａＡｓ層を電流狭窄層に用いても良い。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１(ａ)は本発明に係る面発光レーザの断面図であり、同図（ｂ）はその平面図である。本実施の形態に係る面発光レーザ１００は、矩形状のメサ構造（あるいはポスト構造、ピラー構造）から成るレーザ素子部１０１を備えた選択酸化型の面発光型半導体レーザである。同図に示す面発光レーザ１００は、レーザ素子部あるいはメサ構造１０１上に塗布される保護膜や、金属コンタクト層から延在されるボンディングパッド部等を省略している。ここでは、メサ構造を角柱状で示しているが、これに限らず、円柱状のものであっても良い。
【００３２】
１はｎ型のＧａＡｓ基板、２は基板上に形成されたｎ型のバッファ層、３はｎ型の下部ＤＢＲ(Distributed Bragg Reflector:分布ブラック型反射鏡)である。下部ＤＢＲ上に、アンドープの下部スペーサ層４、アンドープの量子井戸活性層５、及びアンドープの上部スペーサ層６とを含む活性領域７が形成される。活性領域７上にはｐ型の上部ＤＢＲ８とｐ型のコンタクト層９が順次積層される。そして、上部ＤＢＲ８の最下層は、ｐ型のＡｌＡｓ層１０が挿入され、ＡｌＡｓ層１０は酸化領域によって囲まれた矩形状の開口１０ａを備えた電流狭窄層として機能する。
【００３３】
レーザ素子部１０１の中央部にはレーザ光の出射窓１１が形成され、出射窓１１は矩形状を有し、この中心は電流狭窄層１０の開口１０ａの中心と一致し、かつ基板から垂直方向にメサ構造１０１の中心を延びる光軸ともほぼ一致する。１２はメサ構造の側面およびメサ底部を覆う層間絶縁膜であり、層間絶縁膜１２上に金属層１３が形成さる。金属層１３は層間絶縁膜１２によりメサ構造から絶縁され、レーザ素子部１０１の頂部においてコンタクト層９と電気的に接続され、ｐ側電極として機能する。１４は基板１の裏面に形成されたｎ側の裏面電極である。
【００３４】
下部ＤＢＲ３は、ｎ型のＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とｎ型のＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層との複数層積層体で、各層の厚さはλ／４ｎ_ｒ（但し、λは発振波長、ｎ_ｒは媒質の屈折率）であり、これらを交互に４０．５周期で積層してある。ｎ型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。
【００３５】
活性領域７において、下部スペーサ層４はアンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層であり、量子井戸活性層５はアンドープＡｌ_0. _１１Ｇａ_0. _８９Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ_0. _３Ｇａ_0. _７Ａｓ障壁層を含み、上部スペーサ層６はアンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層である。
【００３６】
上部ＤＢＲ８は、ｐ型のＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とｐ型のＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層との積層体で、各層の厚さはλ／４ｎ_ｒ（但し、λは発振波長、ｎ_ｒは媒質の屈折率）であり、これらを交互に３０周期積層してある。ｐ型不純物であるカーボンをドーピングした後のキャリア濃度は３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。
【００３７】
ｐ型のコンタクト層９はＧａＡｓ層で、膜厚２０ｎｍ、カーボン濃度は１×１０^２０ｃｍ^-3である。ｐ側電極として機能する金属層１３は、Ｔｉ／Ａｕの積層膜である。
【００３８】
図１では省略されているが、レーザ素子の直列抵抗を下げるため、ｐ型の上部ＤＢＲあるいは下部ＤＢＲ中に、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層との間の中間のＧａＡｓ／ＡｌＡｓ混晶比を有する中間層（グレーデッド層）を挿入してもよい。
【００３９】
次に、図１に示す面発光レーザの製造方法について説明する。図２（ａ）に示すように、基板１上にバッファ層２、下部ＤＢＲ３、活性領域７、ＡｌＡｓ層１０、上部ＤＢＲ８およびコンタクト層９を順次積層する。
【００４０】
図２（ｂ）に示すように、コンタクト層９上にパターン形成されたシリコン酸化物２０１、２０２を形成する。シリコン酸化物２０１、３０１は、それぞれ基板上にメサ構造するためのマスク層として機能する。
【００４１】
図２（ｃ）に示すように、シリコン酸化物２０１、３０１をマスクにコンタクト層９、上部ＤＢＲ８、活性領域７、および下部ＤＢＲ３の一部まで三塩化ホウ素と塩素（ＢＣｌ_３＋Ｃｌ_２）ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により異方性エッチングを行い、レーザ素子部のメサ２１０と、モニター用のメサ３１０を形成する。なお、エッチングは必ずしも下部ＤＢＲまで行う必要はなく、少なくともＡｌＡｓ層１０の側面が露出されればよく、例えば、活性領域７の活性層５までエッチングするようにしても良い。
【００４２】
レーザ素子部のメサ２１０は角柱状であり、それを平面から見た形状は正方形である。モニター用のメサ３１０は、好ましくは角柱であるが、それを平面から見た形状は細長い長方形である。メサ３１０の長手方向（図面に垂直方向）は短手方向に比べてかなり大きい。また、メサ３１０の短手方向の長さは、メサ２１０の正方形の一辺よりも小さく、その長手方向の長さは、メサ２１０の一辺よりも大きい。
【００４３】
次にＡｌＡｓ層１０の選択酸化を行う。窒素をキャリアガスに用いて９５度に加熱された純水をバブリングして水蒸気を炉に輸送して酸化するウエット酸化炉を用いる。予め、酸化炉内に上記基板を配し、炉内の温度を約３４０度に加熱し、メサ２１０、３１０に含まれるＡｌＡｓ層をメサ側面から酸化させる。
【００４４】
本実施の形態による製造方法は、ＡｌＡｓ層の酸化反応を制御するために、ＡｌＡｓ層の酸化状態をモニター（監視）し、これに基づきＡｌＡｓ層の未酸化領域、即ちアパーチャー径を制御する。
【００４５】
ＡｌＡｓ（あるいはＡｌＧａＡｓ）は、酸化された部分にＡｌＯｘが形成されてその部分が絶縁化されるとともに、光学的な特性である反射率がＡｌＡｓとＡｌＯｘとでは異なる。例えば８００〜１０００ｎｍの波長帯域での平均反射率では、ＡｌＡｓが０．４５であるのに対し、ＡｌＯｘは０．５８である。従って、酸化反応中のＡｌＡｓ層の平均反射率を測定することにより、ＡｌＡｓ層の酸化反応の進行度合いを追跡することが可能となる。
【００４６】
そこで、本実施の形態では、モニター用のメサ３１０のＡｌＡｓ層３１１を含む領域（実質的にはメサ３１０の表面）に、４００〜１１００ｎｍの波長帯域に包含される光を照射し、その反射光をフォトダイオードあるいはフォトトランジスタ等の光電変換素子を用いて検出し、これをモニターすることにより、実際に行われているＡｌＡｓ層の酸化状態をトラッキングする。
【００４７】
図４は、モニター用のメサ３１０のＡｌＡｓ層３１１の平均反射率の変化を示す図であり、図５はモニター用のメサ３１０のＡｌＡｓ層３１１の酸化状態とレーザ素子側のメサ２１０のＡｌＡｓ層の酸化状態との関係を示す図である。ここで、レーザ素子部のメサ２１０のＡｌＡｓ層の平面パターン（酸化可能領域）は、ほぼ正方形であり、その一辺の大きさはＨｒである。モニター用のメサ３１０のＡｌＡｓ層３１１の平面パターンは、その短手方向の大きさがＨｍ、長手方向の大きさがＶｍであり、Ｈｍ＜Ｈｒ、Ｈｍ＜＜Ｖｍの関係にある。
【００４８】
酸化開始時点Ａにおいて、メサ２１０、３１０のＡｌＡｓ層は未だ酸化が開始されておらず、モニター用のメサ３１０からの平均反射率は所定値ｒにある。時間ｔ１が経過した時点Ｂでは、メサ２１０のＡｌＡｓ層は、メサ側面から均一に内部に向けて酸化が進行され（図面のハッチング領域）、その中央に未酸化領域である矩形状の開口が残される。他方、モニター用のメサ３１０は、その長辺Ｖｍが短辺Ｈｍに比べて非常に大きいので、ＡｌＡｓ層３１１の酸化は、事実上メサの対向する長辺Ｖｍ側からの進行とみなすことができる。このときのＡｌＡｓ層３１１の平均反射率はｒ１であり、時点Ａの時の平均反射率ｒよりも大きい。
【００４９】
酸化時間ｔ２が経過した時点Ｃで、メサ３１０のＡｌＡｓ層３１１がすべて酸化され、このとき平均反射率はｒ２となる。これに対し、レーザ素子部側のメサ２１０は、幅ＨｒがＨｍよりも大きいため、メサ２１０には開口Ｐ１の未酸化領域が残される。
【００５０】
本実施の形態では、メサ２１０に設計値にほぼ等しい寸法の開口Ｐｘを形成させるため、モニター用のメサ３１０のＡｌＡｓ層３１１がすべて酸化された時点Ｃから一定期間経過後の時間ｔ３の時点で酸化プロセスを終了させる。
【００５１】
メサ３１０のＡｌＡｓ層３１１がすべて酸化されると、その平均反射率ｒ２は一定であり、言い換えれば、その平均反射率の変化はゼロとなる。時点Ｃにおいて、平均反射率の変化がゼロであることを判定するためには、時間ｔ２より遅い時間での平均反射率を求める必要がある。このため、時間ｔ２のときに合わせて酸化プロセスを終了させようとすれば、必ずその遅延分だけＡｌＡｓ層の酸化が進行してしまい、設計値通りの開口Ｐｘを得ることが難しくなってしまう。
【００５２】
そこで、時点Ｃのときに開口Ｐ１となる関係を予め選択しておき、平均反射率の変化がゼロを検出するのに必要な処理時間を考慮し、この処理時間よりも大きい期間（ｔ３−ｔ２）の経過後に酸化プロセスを終了させ、開口Ｐｘを得る。この場合、酸化温度が高温であると、それに比例して酸化速度が大きくなるため、期間（ｔ３−ｔ２）を制御して開口Ｐｘを得ることが非常に困難になるので、酸化速度を適切な値に選定する必要がある。
【００５３】
本実施の形態では、時点Ｄでの作成したい開口Ｐｘの一辺は３μｍであり、その直前の開口Ｐ１の一辺は４μｍである。開口Ｐ１から開口Ｐｘへ酸化を進行させる場合、その酸化距離は０．５μｍ（酸化は両側から進むので、Ｐ１とＰｘの口径差が１μｍの場合、その酸化距離は０．５μｍとなる）となり、時点Ｃから時点Ｄまでの期間（ｔ３−ｔ２）において、０．５μｍの酸化を制御しなければならない。
【００５４】
図６は、ＡｌＡｓの酸化速度と酸化温度の関係を示す図である（出典：「Kinetics of growth of AlAs oxide in selectively oxidized vertical cavity surface emitting lasers, Bikash Koley 他, Journal Applied Physics. 82,4586(1997)」）。同図に示されるように、酸化温度が３８０度のとき、その酸化速度が０．５μｍ／ｍｉｎであり、従って、期間（ｔ３−ｔ２）は約１分となる。現実的にはこのような短期間内において、酸化を制御することは、上述した時点Ｃの平均反射率の変化を判定するに要する処理時間との関係から非常に困難である。他方、時点Ｃを早い時間、つまりモニター用のメサ３１０のＡｌＡｓ層３１１のパターンの幅Ｈｍを狭くすることで、期間（ｔ３−ｔ２）に余裕を持たせることも可能であるが、そうすると開口Ｐｘを制御する精度が下がってしまう。そこで、酸化温度は、３８０度未満、好ましくは３７５度以下で行う。
【００５５】
時点Ｃにおける反射率の変化を判定する方法として、次のような手法を用いることができる。例えば、反射率を時間で一次微分し、これによってその変化率を求めたり、あるいは二次微分することによって極値を求めるようにしてもよい。これとは別に、外挿により時点Ｃを判定することもできる。これは、反射率の増加（あるいは減少）部分を直線化し、終点から先の部分（反射率変化が止まった部分、または小さくなった部分）を直線化したものとの交点を求め、それを終点とする方法である。
【００５６】
以上のような酸化制御プロセスにより、図３（ｄ）に示すように、メサ２１０のＡｌＡｓ層の一部を選択酸化し、その中央に開口を備えた電流狭窄層１０を形成する。
【００５７】
再び図３に戻り、エッチングマスクとして使用したシリコン酸化物２０１、３０１を除去し、メサ２１０を覆うように層間絶縁膜１２をする。なお、当然のことではあるが、これ以降のプロセスにおいてモニター用のメサ３１０は、必ずしもメサ２１０と同様の処理を施される必要はない。
【００５８】
次いで、メサの頂部の層間絶縁膜１２に出射窓１１が形成され、コンタクト層９と接続される金属層１３がパターン形成され、これがｐ側電極となる。そして、基板１の裏面に、ｎ側裏面電極１４が形成される。
【００５９】
上記実施の形態では、同一基板上（あるいはウエハー上）にレーザ素子部とは別にモニター用のメサを有する半導体を形成し、これの酸化状態をモニターするようにしたが、これ以外にも種々のモニター方法が可能である。
【００６０】
例えば、モニター用のメサ３１０は、ＡｌＡｓ層３１１を長方形状の平面パターンを有するものを用いたが、形状はこれに限る必要ななく、楕円、長円のような円形状、あるいは多角形の平面パターンであっても良い。
【００６１】
また、モニター用のメサ３１０は、１つに限らず複数を基板上に設けても良い。例えば、上記実施の態様で用いたＡｌＡｓ層３１１の長方形状のパターンが繰り返されるようなストライプ状のパターンを形成することも可能である。複数のメサあるいは複数のパターンのＡｌＡｓ層の酸化状態の反射光をチェックすることで、より正確でバラツキや誤差の少ない酸化状態を監視しることが可能である。
【００６２】
さらに、上記嫉視の態様では、モニターの対象としてモニター用のメサを用いたが、必ずしもこれに限る必要はない。実際に作成しようとしている面発光レーザのメサ表面を照射し、そのメサのＡｌＡｓ層の酸化状態を直接監視し、そのＡｌＡｓ層の酸化反応を制御するようにしても良い。
【００６３】
上記実施の形態では、レーザ素子部のメサ２１０、モニター用のメサ３１０を角柱としたが、これに限らず円柱状であっても良い。さらに、電流狭窄層１０としてＡｌＡｓ層を用いたが、これ以外にもＡｌＧａＡｓ等のＡｌを有するＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いることも可能である。
【００６４】
さらに実施の形態では、上部ＤＢＲ８をｐ型とし、下部ＤＢＲ３をｎ型としたが、これに限定されることなく、導電型を反対にすることも可能である。出射光を基板裏面から取り出す場合には、上部ＤＢＲ８の層数を下部ＤＢＲ３のそれよりも多くして、相対的に高い反射率を持つようにすべきである。
【００６５】
さらに、量子井戸活性層を構成する材料として、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系半導体を用いたが、これに限定されることなく、例えば量子井戸活性層にＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系半導体、あるいはＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ系半導体を使用することもできる。これらの量子井戸層からの発光波長はＧａＡｓ基板に対して透明であるから、基板裏面側から出射光を取り出すことが可能であり、工程的利点もある。なお、上記説明中、コンタクト層９と上部ＤＢＲ８は機能を分離して別の層として取り扱ったが、コンタクト層９も上部ＤＢＲ８の一部を構成していることは言うまでもない。
【００６６】
本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層を酸化速度（Ｓ）でメサ側面から酸化を開始し、モニター用半導体の反射率または反射率の変化が所定値に到達した時点から一定時間（Ｔ）経過後にＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化を停止するにようにしたので、Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化距離を、その酸化速度と酸化時間によって制御することができ、その結果電流狭窄層の開口を精度良く再現することが可能となり、同時に製造歩留まりを改善し、低コストの面発光レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの断面図であり同図（ｂ）のＸ−Ｘ線断面である。同図（ｂ）はその平面図である。
【図２】図２（ａ）ないし（ｃ）は、図１に示す表面発光型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図３】図３（ｄ）および（ｅ）は、図１に示す表面発光型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図４】ＡｌＡｓ層の酸化時間と平均反射率の関係を示す図である。
【図５】図５はモニター用のメサのＡｌＡｓ層の酸化状態とレーザ素子部のメサのＡｌＡｓ層の酸化状態との関係を示す図である。
【図６】ＡｌＡｓ層の酸化温度と酸化速度の関係を示す図である。
【符号の説明】
１ｎ型ＧａＡｓ基板、２バッファ層
３下部ＤＢＲ、７活性領域、
８上部ＤＢＲ、９コンタクト層、
１０電流狭窄層、１１出射窓、
１２層間絶縁膜１３金属層
１４ｎ側裏面電極、１００：面発光レーザ、
１０１：レーザ素子部、２１０レーザ素子部のメサ、
３１０：モニター用のメサ、３１１ＡｌＡｓ層

Claims

Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層を有するメサ構造のレーザ素子部を備えた面発光型半導体レーザの製造方法であって、
Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の一部がメサ側面で露出されたメサ構造と、酸化可能領域を有するモニター用半導体を基板上に形成し、
前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層をメサ側面より酸化速度（Ｓ）で酸化を開始し、
前記モニター用半導体に光を照射し、その反射光の反射率または反射率の変化に基づいて前記モニター用半導体の酸化可能領域が所定領域酸化された時点を求める処理を行い、
前記モニター用半導体の酸化可能領域が所定領域酸化された時点から一定時間（Ｔ）経過を待って、前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化を停止させる面発光型半導体レーザの製造方法。
前記一定時間（Ｔ）は、前記モニター用半導体の酸化可能領域の所定領域が酸化された時点を求める処理時間よりも大きい請求項１に記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
前記所定領域は、前記モニター用半導体の酸化可能領域全体である請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
前記酸化速度（Ｓ）は、前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化温度によって決定される、請求項１乃至３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層はＡｌＡｓ層であり、該ＡｌＡｓ層は３７５度以下の温度で酸化される請求項１乃至４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
前記反射率は、平均反射率である請求項１乃至５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
前記レーザ素子部は、第1導電型の第1の反射ミラー層、活性領域、Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層、および第２導電型の第２の反射ミラー層とを含む半導体積層体からなる請求項１乃至６いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
前記モニター用半導体は、前記メサ構造の形成と同一工程にて形成される第２のメサ構造を有し、
前記酸化可能領域は、前記第２のメサ構造に含まれるＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層であり、前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、前記第２のメサ構造の側面で露出されている請求項１乃至７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
前記モニター用半導体は、前記メサ構造の形成と同一工程にて形成される複数のメサ構造を有し、該複数のメサ構造はそれぞれＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層を含み、
前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、それぞれ前記複数のメサ構造の側面で露出されている請求項１乃至８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
前記モニター用半導体のメサは、レーザ素子用のメサよりも小さい請求項８または９に記載の面発光型半導体レーザ製造方法。
前記酸化可能領域は、前記モニター用半導体のメサ構造の内部に設けられ、前記光は前記モニター用半導体のメサの表面層に照射される請求項８乃至１０いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザ製造方法。
Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の一部を選択酸化した電流狭窄部を有する面発光型半導体レーザの製造方法であって、
基板上に酸化可能領域であるＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の一部を側面で露出させた第１、第２のメサを形成し、
前記第１のメサに光を照射し、その反射光の反射率または反射率の変化に基づいて、前記第２のメサのＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化領域を制御して前記電流狭窄部を形成する酸化工程を含み、
前記酸化工程は、前記反射率または反射率の変化が所定状態になった時点を求める第1の工程と、該第1の工程により求められた反射率または反射率の変化が所定状態になった時点から一定時間経過を待って前記第２のメサのＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化を停止する第２の工程とを含む面発光型半導体レーザの製造方法。
前記一定時間は、前記第１の工程に要する時間よりも大きい請求項１２に記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
前記所定状態は、反射率が一定または反射率の変化がない状態である請求項１２または１３に記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
前記第１のメサと第２のメサは、メサを構成する半導体各層の構成が同じである請求項１２乃至１４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
前記第１のメサは前記第２のメサよりも小さい酸化可能領域を有する請求項１２乃至１５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
前記第１及び第２のメサのＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、ＡｌＡｓ層である請求項１２乃至１６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
前記第1の工程は、前記反射率の変化点を求めるため反射率を時間で微分する処理を含む請求項１２乃至１７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
前記酸化工程は、第１及び第２のメサを３７５度以下の酸化雰囲気に晒す請求項１２乃至１８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
前記酸化可能領域は、前記第１と第２のメサ構造の内部に設けられ、前記光は前記第1のメサの表面層に照射される請求項１２乃至１９いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
前記反射率は平均反射率である請求項１２乃至２０いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の一部を選択酸化した電流狭窄部を有する面発光型半導体レーザの製造方法であって、
基板上にＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化可能領域の大きさが異なる複数のメサ構造を形成し、該ＩＩＩ−Ｖ族半導体層の一部はメサ側面で露出され、
前記複数のメサの少なくとも１つのメサに光を照射し、その反射光の反射率または反射率の変化が所定状態になった時点から一定時間経過をまって前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化を停止させる工程を含む面発光型半導体レーザの製造方法。
前記一定時間は、反射光の反射率または反射率の変化が所定状態になった時点を演算により求める処理に要する時間より大きい請求項２２に記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
前記所定状態は、反射率が一定または反射率の変化がない状態である請求項２２または２３に記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の一部を選択酸化した電流狭窄部を有する面発光型半導体レーザを製造するための製造装置であって、
Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層が側面で露出され、且つＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化可能領域の大きさが異なる複数のメサを備えた基板を酸化処理する際に、少なくとも１つのメサに光を照射する光照射手段と、
前記光を照射されたメサからの反射光を受け取り、該反射光を電気信号に変換する光電変換手段と、
前記光電変換手段から出力される電気信号に基づき、前記複数のメサの少なくとも１つのメサのＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族族半導体層の酸化状態を監視し、前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化可能領域の所定領域が酸化されたときに、それを示す信号を出力する演算手段と、
前記演算手段の出力を受け取った後一定時間経過をまって、前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化処理を停止させる酸化停止手段と、を有する面発光型半導体レーザの製造装置。
前記一定時間は、前記反射光に基づきＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化可能領域の所定領域が酸化されたときに、それを示す信号を出力する演算処理に要する時間よりも大きいことを特徴とする請求項２５に記載の面発光型半導体レーザの製造装置。
前記所定領域は、前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の酸化可能領域全体である請求項２５または２６に記載の面発光型半導体レーザの製造装置。
前記製造装置は、前記演算手段の出力に応じて前記Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体の酸化状態を表示させる表示手段を含む請求項２５乃至２７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザの製造装置。
前記演算処理は、前記反射光の反射率の変化点を求めるため反射率を時間で微分する処理を含む請求項２５乃至２８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザの製造装置。
前記反射率は平均反射率である請求項２５乃至２９いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザの製造装置。