JP6520454B2 - Method of manufacturing vertical cavity surface emitting laser - Google Patents

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この発明は、垂直共振器型面発光レーザの製造方法に関する。   The present invention relates to a method of manufacturing a vertical cavity surface emitting laser.

垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)は、基板面と垂直方向に光共振器を形成することにより、基板面と垂直方向にレーザ光を出力するレーザ装置である。通常、VCSELでは、電流を発光領域に集中させるために電流狭窄構造が形成される。   A vertical cavity surface emitting laser (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser) is a laser device that outputs laser light in the direction perpendicular to the substrate surface by forming an optical resonator in the direction perpendicular to the substrate surface. Usually, in a VCSEL, a current confinement structure is formed to concentrate current in a light emitting region.

電流狭窄構造として多くの場合、AlAs(アルミニウム・ヒ素)層の外周側を酸化させることによって形成された開口構造が利用される。具体的には、AlAs層が側面に露出するようにメサ型に加工した積層体(酸化対象物)が形成された基板を400〜500℃の加熱水蒸気中に保持することによってAlAs層の酸化が実行される。設計どおりに電流狭窄層を作製するためには、AlAs層の酸化量を精密に制御する必要がある。   In many cases, an open structure formed by oxidizing the outer peripheral side of an AlAs (aluminum-arsenic) layer is used as a current confinement structure. Specifically, oxidation of the AlAs layer is achieved by holding the substrate on which the laminate (object to be oxidized) formed into a mesa shape so that the AlAs layer is exposed on the side surface (object to be oxidized) in heated steam at 400 to 500 ° C. To be executed. In order to produce the current confinement layer as designed, it is necessary to precisely control the amount of oxidation of the AlAs layer.

たとえば、特開2006−228811号公報(特許文献1)は、AlAs層の酸化量を精密に制御するための方法を開示する。具体的にこの文献の方法は、処理容器内で試料の酸化処理中に処理を中断する工程、酸化処理の中断中に処理容器に設けられた観察窓を通して試料の酸化量を検出する工程、検出した酸化量に基づいて追加酸化量を求め、その求めた追加酸化量だけ試料を追加酸化する工程を含む。試料の酸化量を検出する工程では、マイクロスコープによって試料の拡大画像が取得される。取得された拡大画像において、AlAs層の酸化領域と未酸化領域との境界は明瞭に認識できる。   For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-228811 (Patent Document 1) discloses a method for precisely controlling the oxidation amount of an AlAs layer. Specifically, the method of this document includes the steps of interrupting the treatment during oxidation treatment of the sample in the treatment vessel, detecting the oxidation amount of the sample through the observation window provided in the treatment vessel during interruption of the oxidation treatment, and detecting And determining the amount of additional oxidation on the basis of the amount of oxidation, and additionally oxidizing the sample by the determined amount of additional oxidation. In the step of detecting the amount of oxidation of the sample, the microscope acquires a magnified image of the sample. In the acquired magnified image, the boundary between the oxidized region and the unoxidized region of the AlAs layer can be clearly recognized.

特開2006−303415号公報(特許文献2)は、上記の文献と同様の方法を開示している。この文献の方法では、試料表面でレーザ光を走査した際の反射光量の差に基づいて、AlAs層の酸化領域と未酸化領域との境界が判別される。   Japanese Patent Laid-Open No. 2006-303415 (Patent Document 2) discloses the same method as the above-mentioned document. In the method of this document, the boundary between the oxidized area and the unoxidized area of the AlAs layer is determined based on the difference in the amount of reflected light when the laser light is scanned on the sample surface.

特開2006−228811号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2006-228811 特開2006−303415号公報JP, 2006-303415, A

上記の特開2006−228811号公報(特許文献1)に記載の製造方法では、水蒸気と窒素の混合ガスを処理容器に導入した後に、加熱ヒータがオンされ、所定の酸化温度まで試料の温度が上昇される。このため、試料の温度の上昇中にも試料の酸化がある程度進むと考えられるが、この温度上昇中の酸化の影響については何ら考慮されていない。   In the manufacturing method described in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-228811 (Patent Document 1), after the mixed gas of steam and nitrogen is introduced into the processing container, the heater is turned on and the temperature of the sample reaches a predetermined oxidation temperature. To be raised. For this reason, it is considered that the oxidation of the sample proceeds to some extent also during the rise of the temperature of the sample, but the influence of the oxidation during the temperature rise is not considered at all.

上記の特開2006−303415号公報(特許文献2)に記載の製造方法では、酸化ガスが噴出されるともに所定温度に設定された酸化炉内に試料を入れることによって酸化工程が開始される。この場合、試料を酸化炉に入れた直後では試料の温度が安定していないために酸化の進行が一定にならないという問題がある。   In the manufacturing method described in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-303415 (Patent Document 2), the oxidation process is started by putting the sample in an oxidation furnace which is set to a predetermined temperature while the oxidation gas is jetted. In this case, there is a problem that the progress of oxidation is not constant because the temperature of the sample is not stable immediately after the sample is put into the oxidation furnace.

この発明は、上記の問題点を考慮してなされたものであり、その目的は、電流狭窄層を作製する際の酸化量の制御性をより高めることが可能な、垂直共振器型面発光レーザの製造方法を提供することである。   The present invention has been made in consideration of the above problems, and its object is to provide a vertical cavity surface emitting laser capable of further improving the controllability of the amount of oxidation when producing a current confinement layer. It is to provide a manufacturing method of

この発明は、垂直共振器型面発光レーザの製造方法であって、第1および第2の反射鏡層、活性層、ならびに電流狭窄構造となる被酸化層を含む積層体を基板上に形成するステップと、少なくとも被酸化層の側面が露出するように、積層体を加工するステップと、積層体を加工した後に、電流狭窄構造の形成のために被酸化層を側面から酸化するステップとを備える。この酸化するステップは、少なくともN回(N≧3)実行される。各回の酸化するステップは、加工後の積層体を昇温する第1ステップと、予め設定された酸化温度で予め設定された酸化時間の間、加工後の積層体の水蒸気酸化を行う第2ステップと、水蒸気の供給を停止して加工後の積層体を降温する第3ステップとを含む。製造方法は、さらに、第1回目から第N−1回目までの各回の酸化するステップの終了後に、各回ごとの被酸化層の酸化量を測定するステップと、第1回目から第N−1回目の各回ごとの酸化量の測定値および酸化時間の設定値に基づいて、第N回目の酸化するステップにおける第2ステップ以外での被酸化層の酸化量と、第2ステップでの被酸化層の酸化速度とを推定し、推定した酸化量および酸化速度に基づいて第N回目の酸化するステップでの酸化時間を決定するステップとを備える。   The present invention is a method of manufacturing a vertical cavity surface emitting laser, comprising forming on a substrate a laminate including first and second reflector layers, an active layer, and an oxidized layer to be a current narrowing structure. And processing the laminate so that at least the side surface of the layer to be oxidized is exposed; and oxidizing the layer to be oxidized from the side surface to form a current confinement structure after processing the laminate. . This oxidation step is performed at least N times (N ≧ 3). The oxidation step of each time includes a first step of raising the temperature of the processed laminate, and a second step of performing steam oxidation of the processed laminate for a preset oxidation time at a preset oxidation temperature. And a third step of stopping the supply of water vapor to lower the temperature of the processed laminate. The manufacturing method further includes the steps of measuring the amount of oxidation of the layer to be oxidized each time after the completion of each of the first to N-1th oxidation steps, and the first to N-1th times. The oxidation amount of the layer to be oxidized in the second oxidation step and the oxidation amount of the layer to be oxidized in the second step based on the measured value of the oxidation amount and the set value of the oxidation time for each time Estimating the oxidation rate, and determining the oxidation time in the Nth oxidation step based on the estimated oxidation amount and the oxidation rate.

上記の製造方法によれば、第2ステップ以外、すなわち第1ステップ(昇温時)、第3ステップ(降温時)、第1ステップから第2ステップへの切替え時、および第2ステップから第3ステップへの切替え時での酸化量も考慮しているので、より正確に、第N回目の酸化するステップでの酸化時間を決定することができる。   According to the above manufacturing method, other than the second step, that is, the first step (during temperature rising), the third step (during temperature lowering), switching from the first step to the second step, and the second to third steps. Since the oxidation amount at the time of switching to the step is also taken into consideration, the oxidation time in the Nth oxidation step can be determined more accurately.

好ましくは、酸化時間を決定するステップは、第1回目から第N−1回目の各回の酸化量の測定値と酸化時間の設定値との関係を近似直線に当て嵌めるステップと、酸化時間が0のときの近似直線の切片に基づいて、第2ステップ以外での被酸化層の酸化量を推定するステップと、近似直線の傾きに基づいて、第2ステップでの被酸化層の酸化速度を推定するステップとを含む。   Preferably, the step of determining the oxidation time is a step of fitting the relationship between the first to (N-1) th times of the measured value of the oxidation amount and the set value of the oxidation time to an approximate straight line; Estimating the oxidation amount of the layer to be oxidized in steps other than the second step on the basis of the intercept of the approximate straight line at the time of, and estimating the oxidation rate of the oxidized layer in the second step based on the slope of the approximate straight line And the step of

上記のように直線近似を行うことによって、最低3回(N=3)の酸化するステップで精度良く電流狭窄層の酸化を行うことができる。   By performing the linear approximation as described above, it is possible to perform the oxidation of the current confinement layer accurately in the oxidation step at least three times (N = 3).

好ましくは、垂直共振器型面発光レーザの製造方法は、第1回目の酸化するステップの前に被酸化層を側面から予備的に酸化するステップと、この予備的に酸化するステップの終了後に被酸化層の酸化量を測定することによって、第1回目の酸化するステップによる酸化量の測定の際の基準位置を決定するステップとをさらに備える。   Preferably, in the method of manufacturing a vertical cavity surface emitting laser, the steps of: preoxidizing the layer to be oxidized from the side before the first oxidizing step; and after the end of the preoxidizing step. Determining the reference position in the measurement of the oxidation amount by the first oxidation step by measuring the oxidation amount of the oxide layer.

上記の製造方法によれば、メサポスト加工後(酸化前)の電流狭窄層の側面に存在する自然酸化膜の影響によって、最初の酸化工程による酸化の進行量が安定しないという問題を解消することができる。   According to the above manufacturing method, the problem that the progress amount of oxidation in the first oxidation step is not stable due to the influence of the natural oxide film existing on the side surface of the current confinement layer after mesa post processing (before oxidation) it can.

好ましくは、上記の第1ステップでは、水蒸気を供給しながら前記加工後の積層体を昇温する。第1ステップでは、必ずしも水蒸気を供給しなくてもよいが、酸化炉の内部空間の雰囲気を安定化させるために、予めこの段階で水蒸気を供給しておいても構わない。   Preferably, in the first step described above, the temperature of the processed laminate is raised while supplying water vapor. In the first step, the water vapor may not necessarily be supplied, but the water vapor may be supplied in this stage in advance in order to stabilize the atmosphere in the internal space of the oxidation furnace.

好ましくは、第1回目から第N回目までの各回の第1ステップにおける水蒸気の供給量および温度上昇の条件は同一である。これによって、第2ステップ以外での被酸化層の酸化量の推定精度を高めることができる。   Preferably, the supply amount of steam and the conditions of temperature rise in the first step of each of the first to N-th times are the same. As a result, it is possible to improve the estimation accuracy of the oxidation amount of the layer to be oxidized other than the second step.

好ましくは、各酸化するステップは、密閉された酸化炉内で実行される。そして、第3ステップでは、酸化炉内を排気してから加工後の積層体が降温される。これによって、降温時の残留水蒸気による酸化の影響を考慮する必要がなくなる。   Preferably, each oxidation step is carried out in a closed oxidation furnace. Then, in the third step, the inside of the oxidation furnace is exhausted and then the laminate after processing is cooled. By this, it is not necessary to consider the influence of oxidation due to residual water vapor at the time of temperature decrease.

したがって、この発明によれば、垂直共振器型面発光レーザの電流狭窄層を作製する際の酸化量の制御性をより高めることができる。   Therefore, according to the present invention, the controllability of the amount of oxidation when producing the current confinement layer of the vertical cavity surface emitting laser can be further enhanced.

VCSELの構成を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows the structure of VCSEL typically. 図1のII−II線に沿った断面構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-section which followed the II-II line of FIG. 図2のうちレーザ光の生成に関係する部分を示した断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a portion related to generation of laser light in FIG. 2; 図3の各層のAl組成の分布図である。It is a distribution map of Al composition of each layer of FIG. VCSELの作製プロセスにおいてメサポスト構造の形成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically formation of a mesa post structure in the preparation process of VCSEL. VCSELの作製プロセスにおいて電流狭窄層の外周部の酸化を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically oxidation of the outer peripheral part of a current confinement layer in the preparation process of VCSEL. VCSELの作製プロセスを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the preparation process of VCSEL. 電流狭窄層の形成に用いる半導体酸化装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the semiconductor oxidation device used for formation of a current confinement layer. 第1の実施形態による垂直共振器型面発光レーザの製造方法において、電流狭窄層の酸化手順を示すフローチャートである。In the manufacturing method of the vertical cavity surface emitting laser according to the first embodiment, it is a flowchart showing the oxidation procedure of the current confinement layer. 図9の酸化工程の詳細を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detail of the oxidation process of FIG. 各酸化工程における温度の変化を示すタイミング図である。It is a timing diagram which shows the change of the temperature in each oxidation process. 図8のマイクロスコープ130で撮影された半導体試料111の拡大画像の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the enlarged image of the semiconductor sample 111 image | photographed with the microscope 130 of FIG. 酸化時間と酸化幅との関係を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the relationship between oxidation time and oxidation width. 各酸化時間に対する酸化幅の変化を実験的に測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured the change of the oxidation width | variety with respect to each oxidation time experimentally. 第1回目の酸化工程からの積算の昇温/酸化時間と、積算の酸化量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the temperature rising / oxidation time of the integration | stacking from the 1st oxidation process, and the oxidation amount of integration. 第2の実施形態による垂直共振器型面発光レーザの製造方法において、電流狭窄層の酸化手順を示すフローチャートである。In the manufacturing method of the vertical cavity surface emitting laser according to the second embodiment, it is a flow chart showing the oxidation procedure of the current confinement layer. 第2の実施形態の場合において、各酸化工程における温度の変化を示すタイミング図である。In the case of 2nd Embodiment, it is a timing diagram which shows the change of the temperature in each oxidation process. 第2の実施形態の場合において、図8のマイクロスコープ130で撮影された半導体試料111の拡大画像の一例を示す図である。FIG. 9 is a view showing an example of a magnified image of the semiconductor sample 111 taken by the microscope 130 of FIG. 8 in the case of the second embodiment. 予備的な酸化工程からの積算の昇温/酸化時間と、積算の酸化幅との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the temperature rising / oxidation time of the integration from a preliminary oxidation process, and the oxidation width of integration.

以下、各実施形態について図面を参照して詳しく説明する。以下では、最初にVCSELの全体構成およびその製造方法について簡単に説明し、次に、電流狭窄層の作製方法について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない場合がある。   Hereinafter, each embodiment will be described in detail with reference to the drawings. In the following, first, the entire structure of the VCSEL and a method of manufacturing the same will be briefly described, and then a method of manufacturing the current confinement layer will be described in detail. In the following description, the same or corresponding parts may be denoted by the same reference numerals, and the description thereof may not be repeated.

<第1の実施形態>
[VCSELの構成]
図1は、VCSELの構成を模式的に示す平面図である。図2は、図1のII−II線に沿った断面構造を模式的に示す図である。図3は、図2のうちレーザ光の生成に関係する部分を示した断面図である。なお、図2および図3に示す断面図は模式図である。図中の各層の厚みは実際のデバイスの厚みと比例関係になく、図2の厚みと図3の厚みも比例関係にない。
First Embodiment
[Configuration of VCSEL]
FIG. 1 is a plan view schematically showing the structure of a VCSEL. FIG. 2 is a view schematically showing a cross-sectional structure taken along line II-II of FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a portion related to generation of laser light in FIG. The sectional views shown in FIGS. 2 and 3 are schematic views. The thickness of each layer in the figure is not proportional to the thickness of the actual device, and the thickness of FIG. 2 and the thickness of FIG. 3 are also not proportional to each other.

図1〜図3を参照して、VCSEL1は、基板10と、半導体多層膜反射鏡層(DBR:Distributed Bragg Reflector)11,15と、クラッド層12,14と、活性層13と、半導体多層膜反射鏡層15の内部に設けられた電流狭窄層16と、アノード電極層19と、カソード電極層20とを含む。   Referring to FIGS. 1 to 3, the VCSEL 1 includes a substrate 10, semiconductor multilayer film reflector layers (DBR: Distributed Bragg Reflectors) 11 and 15, cladding layers 12 and 14, an active layer 13, and a semiconductor multilayer film. It includes a current narrowing layer 16 provided inside the reflecting mirror layer 15, an anode electrode layer 19, and a cathode electrode layer 20.

この実施形態では、基板10としてN型の導電型を示すGaAs(ガリウム・ヒ素)半導体基板が用いられる。基板10の裏面にカソード電極層(裏面電極層)20が形成される。   In this embodiment, a GaAs (gallium arsenide) semiconductor substrate exhibiting N-type conductivity is used as the substrate 10. A cathode electrode layer (back surface electrode layer) 20 is formed on the back surface of the substrate 10.

基板10の主面上には、N型の導電型を示す化合物半導体で構成されたDBR層11が形成される。DBR層11は、たとえばAl0.15Ga0.85AsとAl0.9Ga0.1Asとを光学膜厚λ/4(λは発振波長を表す)ずつ交互に積層した構造を含む。N型の導電型を与えるためにSi(シリコン)がドーピングされており、その濃度は、たとえば2〜3×1018[cm-3]である。SiはGa(Al)サイトに配位してドナーになりやすい。P型不純物は意図的にはドーピングされていない。 On the main surface of the substrate 10, a DBR layer 11 made of a compound semiconductor exhibiting an N-type conductivity type is formed. DBR layer 11 (the lambda represents the emission wavelength) for example Al 0.15 Ga 0.85 As and Al 0.9 Ga 0.1 As optical thickness lambda / 4 comprises a structure of alternately laminated one by. Si (silicon) is doped to give an N type conductivity, and its concentration is, for example, 2 to 3 × 10 18 [cm −3 ]. Si is likely to be a donor by coordinating to the Ga (Al) site. P-type impurities are intentionally not doped.

なお、AlXGa(1-X)As(アルミニウム・ガリウム・ヒ素)は、GaAsとAlAsとの混晶半導体であり、Al組成(X)が高いほどエネルギーギャップが広く、屈折率は低くなる。Al組成(X)に応じて格子定数がほとんど変化しないために、あらゆるAl組成(X)のAlXGa(1-X)As膜をGaAs基板上にエピタキシャル成長可能である。この明細書では、Al組成(X)を特定しない場合には、AlGaAsと記載する場合がある。 Al x Ga (1-x) As (aluminum gallium arsenide) is a mixed crystal semiconductor of GaAs and AlAs. The higher the Al composition (X), the wider the energy gap and the lower the refractive index. Since the lattice constant hardly changes according to the Al composition (X), an Al x Ga (1-x) As film of any Al composition (X) can be epitaxially grown on a GaAs substrate. In this specification, when the Al composition (X) is not specified, it may be described as AlGaAs.

DBR層11の上に、レーザ光を発生する活性領域が形成される。活性領域は、クラッド層12,14と、クラッド層12,14に挟まれた光学利得を有する活性層13とによって構成される。活性層13およびクラッド層12,14は、発振波長に応じて適宜、その膜厚および材料を調整することができる。たとえば、活性層13には、量子井戸層と障壁層とを多重に積層した多重量子井戸(MQW:Multiple Quantum Well)が形成される。活性層13は、不純物を意図的に導入しないノンドープ領域である。   An active region for generating laser light is formed on the DBR layer 11. The active region is constituted of cladding layers 12 and 14 and an active layer 13 having optical gain sandwiched between cladding layers 12 and 14. The film thickness and material of the active layer 13 and the cladding layers 12 and 14 can be appropriately adjusted according to the oscillation wavelength. For example, in the active layer 13, a multiple quantum well (MQW: Multiple Quantum Well) in which a quantum well layer and a barrier layer are stacked in multiple layers is formed. The active layer 13 is a non-doped region in which an impurity is not intentionally introduced.

クラッド層12,14は、デバイスの抵抗値の設計に応じて、ノンドープにすることも部分的に不純物をドープすることもできる。本実施形態では、N型およびP型DBR層11,15に接するクラッド層12,14の一部に、隣接するDBR層11,15と同じ導電型の不純物をドープしている。したがって、P型不純物がドープされた領域31(以下、P型ドープ領域31と記載する)は、上層側のDBR層15から上層側のクラッド層14の一部にまで至る。N型不純物がドープされた領域30(以下、N型ドープ領域30と記載する)は、下層側のDBR層11から下層側のクラッド層12の一部にまで至る。   The cladding layers 12 and 14 can be non-doped or partially doped depending on the design of the device resistance. In this embodiment, a part of the cladding layers 12 and 14 in contact with the N-type and P-type DBR layers 11 and 15 is doped with an impurity of the same conductivity type as that of the adjacent DBR layers 11 and 15. Therefore, the region 31 doped with the P-type impurity (hereinafter referred to as the P-type doped region 31) extends from the DBR layer 15 on the upper layer side to a part of the cladding layer 14 on the upper layer side. The region 30 doped with N-type impurities (hereinafter referred to as the N-type doped region 30) extends from the lower DBR layer 11 to a part of the lower cladding layer 12.

活性領域の上に、P型の化合物半導体で構成された上層側のDBR層15が形成される。上層側のDBR層15は、下層側のDBR層11とともに光共振器を構成する。DBR層15は、電流狭窄層16を除いて、下層側(基板側)のDBR層11と同様に、たとえばAl0.15Ga0.85AsとAl0.9Ga0.1Asとを光学膜厚λ/4ずつ交互に積層した構造を含む。P型の導電型を与えるために、C(カーボン)がドーピングされており、その濃度は、たとえば2〜3×1018[cm-3]である。CはAsサイトに配位してアクセプタになりやすい。 An upper DBR layer 15 formed of a P-type compound semiconductor is formed on the active region. The upper DBR layer 15 constitutes an optical resonator together with the lower DBR layer 11. The DBR layer 15 has, for example, Al 0.15 Ga 0.85 As and Al 0.9 Ga 0.1 As alternately with an optical film thickness λ / 4, similarly to the DBR layer 11 on the lower layer side (substrate side) except for the current confinement layer 16. Includes stacked structures. C (carbon) is doped to give a P type conductivity, and its concentration is, for example, 2 to 3 × 10 18 [cm −3 ]. C is likely to be an acceptor by coordinating to the As site.

ここで、導電型を上記と反対にして、基板10をP型半導体基板にし、下層側のDBR層11の導電型をP型にし、上層側のDBR層15の導電型をN型としてもよい。なお、この明細書において第1および第2の導電型と記載した場合には、第1および第2の導電型のうち一方がP型であり、他方がN型である。   Here, the conductivity type may be opposite to the above, the substrate 10 may be a P-type semiconductor substrate, the conductivity type of the lower DBR layer 11 may be P-type, and the conductivity type of the upper DBR layer 15 may be N-type. . When the first and second conductivity types are described in this specification, one of the first and second conductivity types is P-type, and the other is N-type.

さらに、上層側のDBR層15の一部に、活性領域に効率よく電流を注入し、レンズ効果をもたらす電流狭窄層16が形成される。図3に示すように、電流狭窄層16は中心部分の未酸化部18とその周囲のほぼ絶縁体の酸化部17とを有する。この構造は、電流狭窄層16となるべき被酸化層を0.95≦X≦1のAlXGa(1-X)Asで形成し(X=1の場合、すなわちAlAsを含む)、被酸化層を含むエピタキシャル多層膜をメサポスト形状に加工した後に、加熱水蒸気雰囲気下で被酸化層を周囲から選択的に酸化させることによって得られる。中心部分の未酸化部18のみが電流経路となるので、活性領域に効率よく電流を注入できる。 Furthermore, current is efficiently injected into the active region in a part of the upper DBR layer 15 to form a current confinement layer 16 that provides a lens effect. As shown in FIG. 3, the current confinement layer 16 has an unoxidized portion 18 at the central portion and an oxidized portion 17 of a substantially insulator around it. In this structure, the layer to be oxidized to be the current confinement layer 16 is formed of Al x Ga (1-x) As in 0.95 ≦ x ≦ 1 (in the case of X = 1, that is, including AlAs) After processing the epitaxial multilayer film including the layer into a mesa post shape, it is obtained by selectively oxidizing the layer to be oxidized from the periphery under a heated water vapor atmosphere. Since only the unoxidized portion 18 in the central portion is a current path, current can be efficiently injected into the active region.

図1、図2に示すようにメサポスト構造を有するエピタキシャル多層膜上には、防湿用の絶縁膜21(耐湿膜とも称する)が形成されている。メサポスト上部の絶縁膜21にはDBR層15の上面(基板から遠い側の表面)が露出するような開口が形成される。露出したDBR層15の上面には、アノード電極層19(リング電極層)が接続される。アノード電極層19にはボンディング用のパッド電極23が接続される。パッド電極23とDBR層11との間には、寄生容量を低減するために絶縁層(ポリイミドパターン)22が設けられている。   As shown in FIG. 1 and FIG. 2, a moisture-proof insulating film 21 (also referred to as a moisture-resistant film) is formed on the epitaxial multilayer film having a mesa post structure. An opening is formed in the insulating film 21 at the top of the mesa post so that the upper surface of the DBR layer 15 (surface on the side far from the substrate) is exposed. The anode electrode layer 19 (ring electrode layer) is connected to the top surface of the exposed DBR layer 15. A pad electrode 23 for bonding is connected to the anode electrode layer 19. An insulating layer (polyimide pattern) 22 is provided between the pad electrode 23 and the DBR layer 11 in order to reduce parasitic capacitance.

なお、図1〜図3の場合と異なるが、基板10として半絶縁性を示すノンドープのGaAs基板を用いることもできる。この場合には、図2において、たとえば、成膜工程の段階で基板10とN型DBR層11との間にN型半導体コンタクト層を形成しておく。メサポスト構造および耐湿膜21の形成後に、耐湿膜21およびN型DBR層11(図2のメサポスト構造の左側の部分)を貫通する掘り込みパターンを形成することによってN型半導体コンタクト層の上面を露出させる。この露出したN型半導体コンタクト層の上にカソード電極を形成することができる。   Although different from the case of FIGS. 1 to 3, it is also possible to use a non-doped GaAs substrate showing semi-insulation as the substrate 10. In this case, in FIG. 2, for example, an N-type semiconductor contact layer is formed between the substrate 10 and the N-type DBR layer 11 at the stage of the film forming process. After the formation of the mesa post structure and the moisture resistant film 21, the upper surface of the N-type semiconductor contact layer is exposed by forming a digging pattern that penetrates the moisture resistant film 21 and the N-type DBR layer 11 (a portion on the left side of the mesa post structure in FIG. 2). Let A cathode electrode can be formed on the exposed N-type semiconductor contact layer.

[Al組成分布]
図4は、図3の各層のAl組成の分布図である。図4の縦軸はAlXGa(1-X)AsのAl組成(X)を示し、横軸はVCSELの深さ方向を任意単位(AU)で示す。X=0の場合はGaAsを意味し、X=1の場合はAlAsを意味する。
[Al composition distribution]
FIG. 4 is a distribution diagram of the Al composition of each layer of FIG. The vertical axis in FIG. 4 indicates the Al composition (X) of Al x Ga (1-x) As, and the horizontal axis indicates the depth direction of the VCSEL in arbitrary units (AU). In the case of X = 0, it means GaAs, and in the case of X = 1, it means AlAs.

図4を参照して、DBR層11,15では、Al含有量が多い低屈折率層と、Al含有量が少ない高屈折率層とが交互に積層されている。DBR層11,15のうちクラッド層12,14に隣接する領域が第1番目の低屈折率層に相当する。図4の場合、電流狭窄層16は、DBR層15の第1番目の低屈折率層内で、最も活性層13から離間した位置に形成される。電流狭窄層16を第1番目の低屈折率層内でより下層側(たとえば、クラッド層14に隣接する位置)に配置してもよい。   Referring to FIG. 4, in the DBR layers 11 and 15, a low refractive index layer having a high Al content and a high refractive index layer having a low Al content are alternately stacked. The region adjacent to the cladding layers 12 and 14 in the DBR layers 11 and 15 corresponds to the first low refractive index layer. In the case of FIG. 4, the current confinement layer 16 is formed in the first low refractive index layer of the DBR layer 15 at a position most distant from the active layer 13. The current confinement layer 16 may be disposed on the lower side (for example, a position adjacent to the cladding layer 14) in the first low refractive index layer.

なお、電流狭窄層16は、DBR層15を構成する第1番目の低屈折率層の内部に形成されていたが、クラッド層14の内部など、より活性層13に近い位置に配置することも可能である。したがって、より一般的に言えば、電流狭窄層16は、DBR層15の内部またはDBR層15と活性層13との間に配置される。あるいは、電流狭窄層16は、活性層13よりも基板10側に配置することも可能であり、DBR層11の内部またはDBR層11と活性層13との間に配置してもよい。   Although the current confinement layer 16 is formed inside the first low refractive index layer constituting the DBR layer 15, it may be disposed closer to the active layer 13, such as inside the cladding layer 14. It is possible. Therefore, more generally speaking, the current confinement layer 16 is disposed inside the DBR layer 15 or between the DBR layer 15 and the active layer 13. Alternatively, the current confinement layer 16 can be disposed closer to the substrate 10 than the active layer 13, and may be disposed inside the DBR layer 11 or between the DBR layer 11 and the active layer 13.

[VCSELの作製プロセス]
次にVCSELの作製プロセスについて説明する。
[Process of fabricating VCSEL]
Next, a process of manufacturing a VCSEL will be described.

図5は、VCSELの作製プロセスにおいてメサポスト構造の形成を模式的に示す断面図である。図6は、VCSELの作製プロセスにおいて電流狭窄層の外周部の酸化を模式的に示す断面図である。図7は、VCSELの作製プロセスを示すフローチャートである。以下、図2、図5〜図7を参照して、VCSEL1の作製方法について説明する。   FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the formation of a mesa post structure in the process of fabricating a VCSEL. FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing oxidation of the outer peripheral portion of the current confinement layer in the manufacturing process of the VCSEL. FIG. 7 is a flowchart showing a process of manufacturing a VCSEL. Hereinafter, a method of manufacturing the VCSEL 1 will be described with reference to FIGS. 2 and 5 to 7.

まず、半導体基板10(ここでは、N型GaAs基板)上に、多層のエピタキシャル膜11〜16を形成する(ステップS100)。エピタキシャル膜の形成はMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)またはMBE(Molecular Beam Epitaxy)などの手法が好適である。   First, multilayer epitaxial films 11 to 16 are formed on a semiconductor substrate 10 (here, an N-type GaAs substrate) (step S100). The formation of the epitaxial film is preferably a method such as MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) or MBE (Molecular Beam Epitaxy).

具体的に、GaAs基板10上に、まずN型の導電型を示すDBR層11を形成する。次に、N型DBR層11の上に、クラッド層12,14に挟まれた形で量子井戸(QW:Quantum Well)を含む活性層13を形成する。次に、クラッド層14の上に、P型のDBR層15,15Aを形成する。P型のDBR層15,15Aの形成の途中で、電流狭窄層16となるべき被酸化層を形成する。   Specifically, first, on the GaAs substrate 10, a DBR layer 11 showing an N-type conductivity type is formed. Next, an active layer 13 including a quantum well (QW: Quantum Well) is formed on the N-type DBR layer 11 so as to be sandwiched between the cladding layers 12 and 14. Next, P-type DBR layers 15 and 15A are formed on the cladding layer 14. During the formation of the P-type DBR layers 15 and 15A, an oxidized layer to be the current confinement layer 16 is formed.

図1〜図4で説明した構造の場合には、クラッド層14に接する第1番目の低屈折率層内に電流狭窄層16となるべき被酸化層を形成する。例えば、クラッド層14の上にAlXGa(1-X)As層15A(ただし、X=0.65)を2〜3×1018[cm-3]程度のC(カーボン)を導入しながら形成し、次に、Al組成Xを0.95以上に増加させることによって、被酸化層としてAlXGa(1-X)As層(ただし、0.95≦X≦1)を2〜3×1018[cm-3]程度のC(カーボン)を導入しながら形成する。なお、電流狭窄層16となるべき被酸化層は、酸化処理を行うときの体積収縮により歪が発生するので、歪の影響を抑えるために40nm以下にすることが望ましい。 In the case of the structure described with reference to FIGS. 1 to 4, an oxidized layer to be the current confinement layer 16 is formed in the first low refractive index layer in contact with the cladding layer 14. For example, while introducing an Al X Ga (1-X) As layer 15A (where X = 0.65) and C (carbon) of about 2 to 3 x 10 18 [cm -3 ] on the cladding layer 14 formed, then, by increasing the Al composition X 0.95 or more, Al X Ga (1-X) as layer as the layer to be oxidized (where, 0.95 ≦ X ≦ 1) a 2 to 3 × It is formed while introducing C (carbon) of about 10 18 [cm -3 ]. Since the distortion of the layer to be oxidized, which is to become the current confinement layer 16, is caused by volume contraction during the oxidation process, it is desirable to set the thickness to 40 nm or less in order to suppress the influence of the distortion.

次に、図5に示すように、基板10上に形成されたエピタキシャル多層膜(積層体)を、たとえばφ30μmのメサポスト構造に加工する(ステップS105)。メサポスト構造は、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングの手法で形成する。ドライエッチングは、少なくとも電流狭窄層16となるべき被酸化層の側面が露出するまで行う必要があり、図5の場合には下層側のDBR層11の上面(基板から遠い側の表面)が露出する深さまで行っている。   Next, as shown in FIG. 5, the epitaxial multilayer film (laminated body) formed on the substrate 10 is processed into, for example, a mesa post structure with a diameter of 30 μm (step S105). The mesa post structure is formed by photolithography and dry etching. The dry etching needs to be performed at least until the side surface of the oxidized layer to be the current confinement layer 16 is exposed. In the case of FIG. 5, the upper surface (the surface far from the substrate) of the lower DBR layer 11 is exposed. I'm going to the depth I want.

次に、メサポストパターンに加工されたエピタキシャル多層膜付きの基板を水蒸気雰囲気中で400〜500℃程度に加熱する。この結果、電流狭窄層16となるべき被酸化膜の外周部から酸化が進行し、図6に示すような酸化部17が形成される(ステップS110)。この酸化工程ついては後で詳しく説明する。   Next, the substrate with the epitaxial multilayer film processed into the mesa post pattern is heated to about 400 to 500 ° C. in a water vapor atmosphere. As a result, oxidation proceeds from the outer peripheral portion of the oxide film to be the current confinement layer 16 to form an oxidized portion 17 as shown in FIG. 6 (step S110). The oxidation process will be described in detail later.

その後、耐湿膜21として、窒化シリコン膜または酸化シリコン膜を形成する(ステップS115)。耐湿膜21の形成は、CVDまたはスパッタなどの手法が適用可能である。メサポストの上部の耐湿膜21には、コンタクト電極層用の開口部が、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングの手法で形成される。   Thereafter, a silicon nitride film or a silicon oxide film is formed as the moisture resistant film 21 (step S115). The moisture-resistant film 21 can be formed by a method such as CVD or sputtering. An opening for a contact electrode layer is formed in the moisture-resistant film 21 on the top of the mesa post by photolithography and dry etching.

次に、上記の開口部に、たとえばフォトリソグラフィーおよび蒸着によってアノード電極層(コンタクト電極層)19を形成する(ステップS120)。アノード電極層19として、たとえば、Ti(チタン)、Pt(白金)、およびAu(金)からなる積層膜を利用することができる。   Next, an anode electrode layer (contact electrode layer) 19 is formed in the above-mentioned opening by, for example, photolithography and vapor deposition (step S120). As the anode electrode layer 19, for example, a laminated film made of Ti (titanium), Pt (platinum), and Au (gold) can be used.

次に、パッド電極23下の容量低減の目的で絶縁層(ポリイミドパターン)22を形成する(ステップS125)。その後、P型コンタクト電極層19と接続するパッド電極23を、たとえばフォトリソグラフィーおよびスパッタリング製膜の手法で形成する(ステップS130)。   Next, the insulating layer (polyimide pattern) 22 is formed for the purpose of capacity reduction under the pad electrode 23 (step S125). Thereafter, a pad electrode 23 connected to the P-type contact electrode layer 19 is formed, for example, by photolithography and sputtering film formation (step S130).

次に、基板10の厚みを調整した後にカソード電極層(裏面電極層)20を形成する(ステップS135)。裏面電極層20として、たとえば、Au、Ge、およびNiからなる積層膜を用いることができる。さらに、各電極層19,20と半導体層とのオーミックコンタクトをとるためのアニール処理を行うことによって、VCSELが完成する。   Next, after adjusting the thickness of the substrate 10, the cathode electrode layer (rear surface electrode layer) 20 is formed (step S135). As the back electrode layer 20, for example, a laminated film of Au, Ge, and Ni can be used. Furthermore, the VCSEL is completed by performing annealing treatment for ohmic contact between the electrode layers 19 and 20 and the semiconductor layer.

[電流狭窄層の形成方法の詳細]
以下、加熱水蒸気酸化による電流狭窄層の形成方法(図7のステップS110)について詳細に説明する。
[Details of formation method of current confinement layer]
Hereinafter, the method of forming the current confinement layer by heating steam oxidation (step S110 in FIG. 7) will be described in detail.

(半導体酸化装置の構成)
図8は、電流狭窄層の形成に用いる半導体酸化装置の構成を示す図である。図8を参照して、半導体酸化装置100は、酸化炉101と、半導体試料111を支持するための基台110と、回転昇降機構120と、マイクロスコープ130と、画像処理部131と、配管140,150,160と、電磁弁143,144,151,161と、窒素供給源145と、水蒸気供給源146と、真空装置152と、制御装置170とを含む。
(Configuration of semiconductor oxidation device)
FIG. 8 is a diagram showing the configuration of a semiconductor oxidation device used to form a current confinement layer. Referring to FIG. 8, the semiconductor oxidation apparatus 100 includes an oxidation furnace 101, a base 110 for supporting a semiconductor sample 111, a rotary lift mechanism 120, a microscope 130, an image processing unit 131, and a pipe 140. , 150, 160, solenoid valves 143, 144, 151, 161, a nitrogen supply source 145, a water vapor supply source 146, a vacuum device 152, and a control device 170.

酸化炉101は、ステンレスなどの金属壁によって外部と仕切られた耐圧密閉容器である。酸化炉101の内部空間105の底部には、半導体試料111を支持するための基台110が設けられている。酸化炉101の天井壁103には、透明の耐熱材料によって形成された観察窓104が、基台110と対向する位置に設けられている。   The oxidation furnace 101 is a pressure-tight sealed container separated from the outside by a metal wall such as stainless steel. A base 110 for supporting the semiconductor sample 111 is provided at the bottom of the internal space 105 of the oxidation furnace 101. An observation window 104 formed of a transparent heat-resistant material is provided on the ceiling wall 103 of the oxidation furnace 101 at a position facing the base 110.

基台110は、加熱テーブル113と試料テーブル112とを含む。加熱テーブル113は、電熱線またはランプヒータなどのヒータ114を備えており、試料テーブル112を介して半導体試料111を加熱する。加熱テーブル113は、回転昇降機構120によって回転および昇降が可能である。試料テーブル112は、半導体試料111を支持固定するとともに加熱テーブル113が発生した熱を半導体試料111に伝熱するための部材である。なお、試料テーブル112と加熱テーブル113とが一体となっている場合もある。   The base 110 includes a heating table 113 and a sample table 112. The heating table 113 includes a heater 114 such as a heating wire or a lamp heater, and heats the semiconductor sample 111 via the sample table 112. The heating table 113 can be rotated and raised and lowered by the rotating and raising and lowering mechanism 120. The sample table 112 is a member for supporting and fixing the semiconductor sample 111 and transferring the heat generated by the heating table 113 to the semiconductor sample 111. The sample table 112 and the heating table 113 may be integrated.

回転昇降機構120は、駆動軸121と、モータ122と、昇降機構123とを含む。駆動軸121は、容器101の底壁102を上下方向に貫通することによって、酸化炉101の内部で加熱テーブル113と接続される。モータ122は、酸化炉101の外部で駆動軸121と連結され、駆動軸121をその軸線の回りに回転させる。モータ122の駆動に基づいて、基台110は、駆動軸121を中心として回転する。昇降機構123は、モータ122を駆動軸121とともに上下方向に移動させる。図8の場合、昇降機構123は、モータ124とラックアンドピニオン(図示せず)とによって構成されるが、その他の構成、たとえば、油圧シリンダまたは空圧シリンダであってもよい。昇降機構123の駆動に基づいて、基台110は、実線で示す酸化位置(下降位置)と点線で示す観察位置(上昇位置)との間を移動する。   The rotation lift mechanism 120 includes a drive shaft 121, a motor 122, and a lift mechanism 123. The drive shaft 121 is connected to the heating table 113 inside the oxidation furnace 101 by penetrating the bottom wall 102 of the container 101 in the vertical direction. The motor 122 is connected to the drive shaft 121 outside the oxidation furnace 101 and rotates the drive shaft 121 about its axis. Based on the drive of the motor 122, the base 110 rotates around the drive shaft 121. The lifting mechanism 123 moves the motor 122 together with the drive shaft 121 in the vertical direction. In the case of FIG. 8, the elevating mechanism 123 is configured by the motor 124 and a rack and pinion (not shown), but may be another configuration, for example, a hydraulic cylinder or a pneumatic cylinder. Based on the driving of the lifting mechanism 123, the base 110 moves between an oxidation position (falling position) shown by a solid line and an observation position (raising position) shown by a dotted line.

マイクロスコープ130は、顕微鏡付きのカメラであって、図示しない移動機構によって水平2方向および垂直1方向の3方向に移動可能に構成されている。マイクロスコープ130は、基台110が観察位置のときに半導体試料111を撮影する。撮影された画像は画像処理部131によって処理される。   The microscope 130 is a camera with a microscope, and is configured to be movable in two horizontal directions and one vertical direction by a moving mechanism (not shown). The microscope 130 images the semiconductor sample 111 when the base 110 is at the observation position. The photographed image is processed by the image processing unit 131.

酸化炉101の内部空間105の雰囲気を制御するために、酸化炉101の壁を貫通する配管140,150,160が設けられている。   In order to control the atmosphere of the internal space 105 of the oxidation furnace 101, pipes 140, 150, and 160 which penetrate the wall of the oxidation furnace 101 are provided.

配管140は、酸化炉101の外部で2つの配管141,142に分岐する。分岐した一方の配管141は、電磁弁143を介して窒素供給源145と接続される。分岐した他方の配管142は、電磁弁144を介して水蒸気供給源146と接続される。これによって、酸化炉101の内部空間105に水蒸気および/または窒素を供給することができる。   The pipe 140 branches into two pipes 141 and 142 outside the oxidation furnace 101. One branched pipe 141 is connected to a nitrogen supply source 145 via a solenoid valve 143. The other branched pipe 142 is connected to the water vapor supply source 146 via the solenoid valve 144. Thus, steam and / or nitrogen can be supplied to the internal space 105 of the oxidation furnace 101.

配管150は、酸化炉101の外部で電磁弁151を介して真空装置152と接続される。酸化炉101の内部空間105は真空装置152によって排気することができる。真空装置152は、酸化炉101の内部空間の残留ガスを急速に排気する場合に用いられる。   The pipe 150 is connected to the vacuum device 152 via the solenoid valve 151 outside the oxidation furnace 101. The internal space 105 of the oxidation furnace 101 can be evacuated by a vacuum device 152. The vacuum device 152 is used when the residual gas in the internal space of the oxidation furnace 101 is rapidly exhausted.

配管160は、電磁弁161と接続される。水蒸気および/または窒素の供給時には電磁弁161を開放状態にすることによって、水蒸気および/または窒素の循環(フロー)状態を保つことができる。   The pipe 160 is connected to the solenoid valve 161. By opening the solenoid valve 161 at the time of supply of water vapor and / or nitrogen, circulation (flow) of water vapor and / or nitrogen can be maintained.

制御装置170は、CPU(Central Processing Unit)およびメモリを含むコンピュータをベースに構成される。制御装置170は、ヒータ114の温度制御、電磁弁143,144,151,161の開閉、モータ122の駆動制御、および昇降機構123の駆動制御、マイクロスコープ130の制御など、半導体酸化装置100全体を制御する。   The control device 170 is configured based on a computer including a central processing unit (CPU) and a memory. The controller 170 controls the entire semiconductor oxidation apparatus 100 such as temperature control of the heater 114, opening and closing of the solenoid valves 143, 144, 151 and 161, drive control of the motor 122, drive control of the elevation mechanism 123, control of the microscope 130, and so on. Control.

(酸化方法の詳細)
次に、上記の半導体酸化装置100を用いた酸化方法の詳細について説明する。図7のステップS110で説明したように、メサポストパターンに加工されたエピタキシャル多層膜付きの基板を水蒸気雰囲気中で400〜500℃程度に加熱することによって、被酸化膜の外周部から酸化が進行する。
(Details of oxidation method)
Next, the details of the oxidation method using the above-described semiconductor oxidation apparatus 100 will be described. As described in step S110 of FIG. 7, the oxidation progresses from the outer peripheral portion of the film to be oxidized by heating the substrate with the epitaxial multilayer film processed into the mesa post pattern to about 400 to 500 ° C. in a water vapor atmosphere. Do.

図9は、第1の実施形態による垂直共振器型面発光レーザの製造方法において、電流狭窄層の酸化手順を示すフローチャートである。電流狭窄層の形成のために、合計3回の酸化工程が実行される点に特徴がある(ステップS210,S220,S235)。   FIG. 9 is a flowchart showing an oxidation procedure of the current confinement layer in the method of manufacturing the vertical cavity surface emitting laser according to the first embodiment. A feature is that a total of three oxidation steps are performed to form a current confinement layer (steps S210, S220, and S235).

図10は、図9の酸化工程の詳細を示すフローチャートである。
図8〜図10を参照して、最初に、半導体試料111が酸化炉101内の試料テーブル112上に固定される(ステップS200)。制御装置170は、昇降機構123を駆動することによって、基台110を酸化位置(下降位置)に移動する。この状態で、制御装置170は、ヒータ114によって半導体試料111を加熱することによって、半導体試料111の温度を待機温度TEMP1まで上昇させる(ステップS205)。待機温度TEMP1は、たとえば、200℃程度であり、水蒸気雰囲気中でも被酸化層(たとえば、AlAs層)の酸化がほとんど進行しない温度である。
FIG. 10 is a flowchart showing details of the oxidation process of FIG.
Referring to FIGS. 8 to 10, first, semiconductor sample 111 is fixed on sample table 112 in oxidation furnace 101 (step S200). The control device 170 moves the base 110 to the oxidation position (lower position) by driving the lifting mechanism 123. In this state, the control device 170 raises the temperature of the semiconductor sample 111 to the standby temperature TEMP1 by heating the semiconductor sample 111 by the heater 114 (step S205). The standby temperature TEMP1 is, for example, about 200 ° C., and is a temperature at which oxidation of a layer to be oxidized (for example, an AlAs layer) hardly progresses even in a water vapor atmosphere.

次に、第1回目の酸化工程が実行される(ステップS210)。具体的には、制御装置170は、最初に図8の電磁弁143,144,161を開放することによって、酸化炉101の内部空間105に窒素および水蒸気の混合ガスを循環させる(ステップS300)。   Next, a first oxidation step is performed (step S210). Specifically, the control device 170 circulates the mixed gas of nitrogen and water vapor in the internal space 105 of the oxidation furnace 101 by first opening the solenoid valves 143, 144, 161 of FIG. 8 (step S300).

酸化炉101の内部空間105の雰囲気が安定したら、制御装置170は、ヒータ114の出力を徐々に上昇させることによって、半導体試料111の温度を待機温度TEMP1から酸化温度TEMP2まで上昇させる(ステップS305)。上記の昇温時のプロセス条件は、3回の酸化工程のいずれでも同じにする。   When the atmosphere in the internal space 105 of the oxidation furnace 101 is stabilized, the controller 170 raises the temperature of the semiconductor sample 111 from the standby temperature TEMP1 to the oxidation temperature TEMP2 by gradually increasing the output of the heater 114 (step S305). . The above-mentioned temperature rising process conditions are the same in any of the three oxidation steps.

制御装置170は、半導体試料111の温度が酸化温度TEMP2に達したら、ヒータ114の出力を一定に保つことによって酸化温度TEMP2で維持するとともに、半導体試料111の温度が酸化温度TEMP2に達してからの時間経過を測定する。これによって、設定された酸化温度TEMP2での半導体試料111の酸化が開始される(ステップS310)。なお、酸化中には、モータ122によって半導体試料111を回転させることが望ましい。これによって、半導体基板面内への水蒸気の供給を均一化することができる。   When the temperature of the semiconductor sample 111 reaches the oxidation temperature TEMP2, the controller 170 maintains the output of the heater 114 at a constant oxidation temperature TEMP2 and the temperature of the semiconductor sample 111 reaches the oxidation temperature TEMP2 Measure the passage of time. Thereby, the oxidation of the semiconductor sample 111 at the set oxidation temperature TEMP2 is started (step S310). During oxidation, the semiconductor sample 111 is desirably rotated by the motor 122. Thus, the supply of water vapor into the surface of the semiconductor substrate can be made uniform.

上記の昇温プロセス(ステップS300,S305)では、必ずしも水蒸気を供給しなくてもよい。この場合、酸化炉101の内部空間105に窒素ガスのみを循環させながら(ステップS300)、半導体試料111の温度を待機温度TEMP1から酸化温度TEMP2まで上昇させる(ステップS305)。半導体試料111の温度が酸化温度TEMP2に達したら、または酸化温度TEMP2に達する前に、酸化炉101の内部空間105に窒素ガスに加えてさらに水蒸気が導入される。半導体試料111の温度が酸化温度TEMP2に達するとともに水蒸気が酸化炉101の内部空間105に導入された後に、酸化時間の計測が開始される。水蒸気が内部空間105に導入されてから酸化時間計測を開始するまでの間にも半導体試料111の酸化は進行するが、この間の酸化量は後述する近似直線の切片bに含まれる。   In the above-described temperature raising process (steps S300 and S305), the water vapor may not necessarily be supplied. In this case, while circulating only nitrogen gas in the internal space 105 of the oxidation furnace 101 (step S300), the temperature of the semiconductor sample 111 is raised from the standby temperature TEMP1 to the oxidation temperature TEMP2 (step S305). When the temperature of the semiconductor sample 111 reaches the oxidation temperature TEMP2 or before the oxidation temperature TEMP2 is reached, steam is further introduced into the internal space 105 of the oxidation furnace 101 in addition to nitrogen gas. After the temperature of the semiconductor sample 111 reaches the oxidation temperature TEMP2 and water vapor is introduced into the internal space 105 of the oxidation furnace 101, measurement of the oxidation time is started. The oxidation of the semiconductor sample 111 proceeds during the time from the introduction of water vapor into the inner space 105 to the start of the measurement of the oxidation time, but the amount of oxidation during this time is included in the segment b of the approximate straight line described later.

制御装置170は、測定時間が予め設定した酸化時間Tox1に達したら、電磁弁144を閉じることによって水蒸気の供給を停止する(ステップS315)。なお、窒素の供給を継続することによって、酸化炉101の内部空間に残留している水蒸気は配管160から外部に排出される。制御装置170は、さらに、ヒータ114の出力を減少させることによって、半導体試料111の温度を酸化温度TEMP2から待機温度TEMP1まで下降させる(ステップS320)。降温時のプロセス条件は、3回の酸化工程でいずれも同じにする。以上によって、第1回目の酸化工程が終了する。   When the measurement time reaches the preset oxidation time Tox1, the controller 170 stops the supply of water vapor by closing the solenoid valve 144 (step S315). By continuing the supply of nitrogen, the water vapor remaining in the internal space of the oxidation furnace 101 is discharged from the pipe 160 to the outside. The controller 170 further reduces the temperature of the semiconductor sample 111 from the oxidation temperature TEMP2 to the standby temperature TEMP1 by decreasing the output of the heater 114 (step S320). The process conditions for temperature lowering are the same in all three oxidation steps. Thus, the first oxidation process is completed.

第1回目の酸化工程が終了すると、制御装置170は、昇降機構123を駆動することによって、基台110を観察位置(上昇位置)に移動する。この状態で、制御装置170は、マイクロスコープ130によって半導体基板に垂直な方向から半導体試料111の拡大画像を取得する。取得された拡大画像において、電流狭窄層の酸化領域と未酸化領域との境界は明瞭に認識できる。画像処理部131は、取得した拡大画像に基づいて、第1回目の酸化工程による酸化の進行量(酸化幅W1)を測定する(ステップS215)。   When the first oxidation process is completed, the control device 170 moves the base 110 to the observation position (the raised position) by driving the elevation mechanism 123. In this state, the control device 170 acquires a magnified image of the semiconductor sample 111 from the direction perpendicular to the semiconductor substrate by the microscope 130. In the acquired magnified image, the boundary between the oxidized region and the unoxidized region of the current confinement layer can be clearly recognized. The image processing unit 131 measures the amount of progress of oxidation (oxidation width W1) in the first oxidation process based on the acquired enlarged image (step S215).

なお、酸化幅の測定方法は他の方法でも構わない。たとえば、レーザ光を半導体試料111の表面を走査したときの反射光の強度の相違から、図3の酸化部17と未酸化部18とを検出することができる。   The method of measuring the oxidation width may be another method. For example, the oxidized portion 17 and the unoxidized portion 18 in FIG. 3 can be detected from the difference in the intensity of the reflected light when the surface of the semiconductor sample 111 is scanned with a laser beam.

次に、制御装置170は、昇降機構123を駆動することによって、基台110を酸化位置(下降位置)に移動してから、第2回目の酸化工程を実行する(ステップS220)。第2回目の酸化工程では酸化温度TEMP2での酸化時間がTox2に変更されるが、その他の条件は第1回目の酸化工程と同じである。   Next, the control device 170 moves the base 110 to the oxidation position (lower position) by driving the elevation mechanism 123, and then executes the second oxidation process (step S220). In the second oxidation step, the oxidation time at the oxidation temperature TEMP2 is changed to Tox2, but the other conditions are the same as in the first oxidation step.

第2回目の酸化工程が終了すると、制御装置170は、昇降機構123を駆動することによって、基台110を観察位置(上昇位置)に移動してから、マイクロスコープ130によって半導体基板に垂直な方向から半導体試料111の拡大画像を取得する。画像処理部131は、取得した拡大画像に基づいて、第2回目の酸化工程による酸化の進行量(酸化幅W2)を測定する(ステップS225)。   When the second oxidation process is completed, the control device 170 moves the base 110 to the observation position (raising position) by driving the elevation mechanism 123, and then the direction perpendicular to the semiconductor substrate by the microscope 130. To obtain an enlarged image of the semiconductor sample 111. The image processing unit 131 measures the amount of progress of oxidation (oxidation width W2) in the second oxidation step based on the acquired enlarged image (step S225).

制御装置170は、第1回目の酸化工程の酸化時間Tox1と検出された酸化幅W1、および第2回目の酸化工程の酸化時間Tox2と検出された酸化幅W2に基づいて、最終的に所望の未酸化部18の寸法を得るために必要な追加の酸化幅W3を決定する。さらに、その追加の酸化幅W3を得るのに必要な酸化時間Tox3を決定する(ステップS230)。具体的な酸化時間の決定方法については、図13〜図15を参照して後述する。   The controller 170 is finally desired based on the oxidation width W1 detected as the oxidation time Tox1 of the first oxidation step, and the oxidation width W2 detected as the oxidation time Tox2 of the second oxidation step. The additional oxidation width W3 required to obtain the dimensions of the unoxidized portion 18 is determined. Further, the oxidation time Tox3 required to obtain the additional oxidation width W3 is determined (step S230). A specific method of determining the oxidation time will be described later with reference to FIGS. 13 to 15.

その後、制御装置170は、昇降機構123を駆動することによって、基台110を酸化位置(下降位置)に移動してから、第3回目の酸化工程を実行する(ステップS235)。第3回目の酸化工程では酸化温度TEMP2での酸化時間がステップ230で決定された酸化時間Tox3に変更されるが、その他の条件は第1回目および第2回目の酸化工程と同じである。   Thereafter, the control device 170 moves the base 110 to the oxidation position (falling position) by driving the elevation mechanism 123, and then executes the third oxidation step (step S235). In the third oxidation step, the oxidation time at the oxidation temperature TEMP2 is changed to the oxidation time Tox3 determined in step 230, but the other conditions are the same as in the first and second oxidation steps.

第3回目の酸化工程の終了後に半導体試料111は、酸化炉101から取り出される。なお、第1回目の酸化工程の開始から第3回目の酸化工程の終了まで酸化炉101の外部に半導体試料111を取り出さないようにすることによって、各酸化工程における酸化の進行を安定化することができる。   After completion of the third oxidation step, the semiconductor sample 111 is taken out of the oxidation furnace 101. Note that the progress of oxidation in each oxidation step is stabilized by preventing the semiconductor sample 111 from being taken out of the oxidation furnace 101 from the start of the first oxidation step to the end of the third oxidation step. Can.

図11は、各酸化工程における温度の変化を示すタイミング図である。横軸は時間を表し、縦軸は半導体試料111の温度を表す。図11には、さらに、酸化炉101内に供給されるガスの種類も併せて示されている。   FIG. 11 is a timing chart showing changes in temperature in each oxidation step. The horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the temperature of the semiconductor sample 111. Further, FIG. 11 also shows the type of gas supplied into the oxidation furnace 101.

図11を参照して、第1回目の酸化工程は、時刻t11から時刻t14までに相当する。第2回目の酸化工程は、時刻t21から時刻t24までに相当する。第3回目の酸化工程は、時刻t31から時刻t34までに相当する。各酸化工程での昇温時間Tup1,Tup2,Tup3は同一であり、温度の上昇速度も同一である。各酸化工程での降温時間Tdown1,Tdown2,Tdown3は同一であり、温度の降下速度も同一である。   Referring to FIG. 11, the first oxidation step corresponds to time t11 to time t14. The second oxidation step corresponds to time t21 to time t24. The third oxidation step corresponds to time t31 to time t34. The temperature rising times Tup1, Tup2 and Tup3 in the respective oxidation steps are the same, and the temperature rising speed is also the same. The temperature lowering time Tdown1, Tdown2 and Tdown3 in each oxidation step are the same, and the temperature lowering speed is also the same.

降温期間(時刻t13から時刻t14まで、時刻t23から時刻t24まで、時刻t33から時刻t34まで)と、酸化幅を測定するために待機温度TEMP1に維持されている期間(時刻t14から時刻t21まで、時刻t24から時刻t31まで)とでは、酸化炉101の内部空間105内に窒素が供給されている。窒素の供給に代えて、図8の真空装置152を用いることによって酸化炉101の内部空間105を排気状態にするようにしてもよい。この場合は、各酸化工程での降温時間Tdown1,Tdown2,Tdown3を同一にする必要がなく、温度の降下速度も同一にする必要がない。   Temperature reduction period (from time t13 to time t14, from time t23 to time t24, from time t33 to time t34) and a period maintained at the standby temperature TEMP1 to measure the oxidation width (from time t14 to time t21, From time t24 to time t31), nitrogen is supplied into the internal space 105 of the oxidation furnace 101. Instead of the supply of nitrogen, the internal space 105 of the oxidation furnace 101 may be evacuated by using the vacuum device 152 of FIG. In this case, it is not necessary to equalize the temperature lowering time Tdown1, Tdown2 and Tdown3 in each oxidation step, and it is not necessary to make the temperature decreasing rate the same.

図12は、図8のマイクロスコープ130で撮影された半導体試料111の拡大画像の一例を示す図である。図12では、メサポスト形状が円柱状の例が示されているが、メサポストの断面形状は円に限らず、正方形または長方形など、どのような形状であっても構わない。   FIG. 12 is a view showing an example of a magnified image of the semiconductor sample 111 taken by the microscope 130 of FIG. Although FIG. 12 shows an example in which the mesa post shape is cylindrical, the cross-sectional shape of the mesa post is not limited to a circle, and may be any shape such as a square or a rectangle.

図12(A)は、第1回目の酸化工程の終了後における半導体試料111の拡大画像の例を示す。第1回目の酸化工程では、メサポスト構造の端部50から、酸化部と未酸化部との境界51まで酸化が進行する。このときの酸化幅はW1である。   FIG. 12A shows an example of a magnified image of the semiconductor sample 111 after completion of the first oxidation step. In the first oxidation step, oxidation proceeds from the end 50 of the mesa post structure to the boundary 51 between the oxidized portion and the unoxidized portion. The oxidation width at this time is W1.

図12(B)は、第2回目の酸化工程の終了後における半導体試料111の拡大画像の例を示す。第2回目の酸化工程では、第1回目の酸化工程における酸化部と未酸化部との境界51からさらに酸化幅W2だけ酸化が進行する。   FIG. 12B shows an example of a magnified image of the semiconductor sample 111 after completion of the second oxidation step. In the second oxidation step, oxidation proceeds by an oxidation width W2 from the boundary 51 between the oxidized portion and the unoxidized portion in the first oxidation step.

図12(C)は、第3回目の酸化工程の終了後における半導体試料111の拡大画像の例を示す。第3回目の酸化工程では、第2の回目の酸化工程における酸化部と未酸化部との境界52からさらに酸化幅W3だけ酸化が進行する。最終的に、メサポスト構造の端部50から、酸化部と未酸化部との境界53までの酸化幅はW1+W2+W3になる。   FIG. 12C shows an example of a magnified image of the semiconductor sample 111 after completion of the third oxidation step. In the third oxidation step, oxidation proceeds by an oxidation width W3 further from the boundary 52 between the oxidized portion and the unoxidized portion in the second oxidation step. Finally, the oxidation width from the end 50 of the mesa post structure to the boundary 53 between the oxidized portion and the unoxidized portion is W1 + W2 + W3.

[酸化時間の決定方法]
次に、図9のステップS230における酸化時間の決定方法について説明する。
[Method of determining oxidation time]
Next, the method of determining the oxidation time in step S230 of FIG. 9 will be described.

図13は、酸化時間と酸化幅との関係を模式的に示す図である。図13では、第1回目の酸化工程における酸化時間Tox1と検出された酸化幅W1、第2回目の酸化工程における酸化時間Tox2と検出された酸化幅W2、および第3回目の酸化工程における酸化時間Tox3と検出された酸化幅W3とがプロットされている。図13に示すように酸化時間Tox1,Tox2,Tox3と酸化幅W1,W2,W3との関係は、傾きaおよび切片bを有する直線で近似することができる。   FIG. 13 is a view schematically showing the relationship between the oxidation time and the oxidation width. In FIG. 13, the oxidation width W1 detected as the oxidation time Tox1 in the first oxidation step, the oxidation width W2 detected as the oxidation time Tox2 in the second oxidation process, and the oxidation time in the third oxidation step The Tox3 and the detected oxidation width W3 are plotted. As shown in FIG. 13, the relationship between the oxidation times Tox1, Tox2, Tox3 and the oxidation widths W1, W2, W3 can be approximated by a straight line having a slope a and an intercept b.

近似直線の傾きaおよび切片bは、第1回目および第2回目の酸化工程における酸化の進行量(すなわち、酸化時間Tox1,Tox2に対する酸化幅W1,W2)から、
a=(W1−W2)/(Tox1−Tox2) …(1)
b=W1−a×Tox1=W2−a×Tox2 …(2)
に従って求めることができる。
The slope a and the intercept b of the approximate straight line are calculated from the amounts of progress of oxidation in the first and second oxidation steps (ie, the oxidation widths W1 and W2 with respect to the oxidation times Tox1 and Tox2),
a = (W1-W2) / (Tox1-Tox2) (1)
b = W1-a × Tox1 = W2-a × Tox2 (2)
It can be asked according to

上記の傾きaは、第1回目および第2回目の酸化工程における電流狭窄層の酸化速度を意味している。したがって、水蒸気の供給量および酸化温度TEMP2が第3回目の酸化工程においても同じであれば、第3回目の酸化工程における電流狭窄層の酸化速度も同じ酸化速度aを有することが推定される。   The above slope a means the oxidation rate of the current confinement layer in the first and second oxidation steps. Therefore, if the supply amount of water vapor and the oxidation temperature TEMP2 are the same in the third oxidation step, it is presumed that the oxidation rate of the current confinement layer in the third oxidation step also has the same oxidation rate a.

上記の切片bは、第1回目および第2回目の各酸化工程における酸化温度TEMP2以外の温度での酸化量、すなわち昇温時の酸化量と降温時の残留水蒸気による酸化量の和を意味している。したがって、水蒸気の供給量、昇温時間、降温時間、温度の上昇速度、および温度の下降速度などが第3回目の酸化工程においても同じであれば、第3回目の酸化工程における酸化温度TEMP2以外の温度での酸化量も同じ酸化量bを有することが推定される。   The above section b means the amount of oxidation at temperatures other than the oxidation temperature TEMP2 in the first and second oxidation steps, that is, the sum of the amount of oxidation at temperature rising and the amount of oxidation by residual water vapor at temperature lowering. ing. Therefore, if the supply amount of steam, temperature increase time, temperature decrease time, temperature increase rate, and temperature decrease rate are the same in the third oxidation step, the oxidation temperature TEMP2 other than the third oxidation step The amount of oxidation at the temperature of is also estimated to have the same amount of oxidation b.

よって、所望の未酸化部18の寸法を得るために必要な追加の酸化幅をW3(酸化部17の設計寸法からW1+W2を減算することによって求められる)とすると、第3回目の酸化工程の酸化時間Tox3は、
W3=a×Tox3+b …(3)
の関係式を満たすことがわかる。すなわち、酸化時間Tox3は、
Tox3=(W3−b)/a …(4)
によって求めることができる。
Therefore, assuming that the additional oxidation width necessary to obtain the desired size of the unoxidized portion 18 is W3 (determined by subtracting W1 + W2 from the design dimension of the oxidized portion 17), the oxidation of the third oxidation step Time Tox3
W3 = a × Tox3 + b (3)
It can be seen that the relational expression of That is, the oxidation time Tox3
Tox3 = (W3-b) / a (4)
It can be determined by

なお、酸化温度TEMP2における酸化が終了した時点で、真空装置152を用いて酸化炉101内を急速に排気するようにすれば、降温期間における残留水蒸気による酸化の影響を考慮する必要がなくなる。すなわち、上記の切片bは昇温時における酸化量のみを意味していることになる。   When the oxidation at the oxidation temperature TEMP2 is completed, if the inside of the oxidation furnace 101 is rapidly exhausted using the vacuum device 152, it is not necessary to consider the influence of the oxidation due to the residual water vapor in the temperature lowering period. That is, the above segment b means only the amount of oxidation at the time of temperature rise.

図14は、各酸化時間に対する酸化幅の変化を実験的に測定した結果を示す図である。図14では、3通りの酸化温度A,B,Cの場合の実験結果が示されている。いずれの酸化温度の場合も、酸化時間と酸化幅とは直線で近似できることが実証されている。   FIG. 14 is a diagram showing the results of experimentally measuring the change in oxidation width with respect to each oxidation time. In FIG. 14, experimental results in the case of three oxidation temperatures A, B and C are shown. It has been demonstrated that the oxidation time and the oxidation width can be approximated by a straight line at any oxidation temperature.

図15は、第1回目の酸化工程からの積算の昇温/酸化時間と、積算の酸化量との関係を示す図である。図15では、降温期間の残留水蒸気による酸化の影響は無視できるものとしている。   FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the temperature increase / oxidation time integrated from the first oxidation step and the oxidation amount integrated. In FIG. 15, the influence of oxidation due to residual water vapor during the temperature lowering period is assumed to be negligible.

図15を参照して、各酸化工程の昇温時間Tup1,Tup2,Tup3は全て同一である。この場合、各酸化工程の昇温期間ごとに酸化幅bだけ酸化が進行する。ただし、半導体試料111の温度が待機温度TEMP1に近いときにはほとんど酸化は進行せず、半導体試料111の温度が酸化温度TEMP2に近づくほど酸化が進行するので、昇温時の酸化量bと昇温時間Tup1,Tup2,Tup3とは比例関係にない。   Referring to FIG. 15, temperature rising times Tup1, Tup2 and Tup3 of the respective oxidation steps are all the same. In this case, the oxidation proceeds by the oxidation width b every heating period of each oxidation process. However, when the temperature of the semiconductor sample 111 is close to the standby temperature TEMP1, oxidation hardly progresses, and as the temperature of the semiconductor sample 111 approaches the oxidation temperature TEMP2, oxidation progresses, so the oxidation amount b at the time of temperature rise and temperature rise time There is no proportional relationship with Tup1, Tup2 and Tup3.

一方、各酸化工程の酸化温度TEMP2での酸化量w1,w2,w3は、酸化時間Tox1,Tox2,Tox3と比例関係にある(比例定数a)。マイクロスコープ130によって検出された酸化幅W1,W2,W3は、酸化温度TEMP2での酸化量w1,w2,w3に昇温時の酸化量bを加算することによってそれぞれ求めることができる。   On the other hand, the oxidation amounts w1, w2, w3 at the oxidation temperature TEMP2 of each oxidation step are in proportion to the oxidation times Tox1, Tox2, Tox3 (proportional constant a). The oxidation widths W1, W2 and W3 detected by the microscope 130 can be obtained by adding the oxidation amount b at the time of temperature rise to the oxidation amounts w1, w2 and w3 at the oxidation temperature TEMP2.

[第1の実施形態の効果]
以上のとおり、第1の実施形態によれば、第1回目と第2回目の酸化工程の各々における酸化時間と酸化量の測定値に基づいて、酸化時間と酸化量との関係を表す近似直線の傾きおよび切片が決定される。決定した傾きおよび切片を用いて第3回目の酸化工程における酸化時間を決定するので、制御性良く電流狭窄層を作製することができる。
[Effect of First Embodiment]
As described above, according to the first embodiment, the approximate straight line representing the relationship between the oxidation time and the oxidation amount based on the oxidation time and the measured value of the oxidation amount in each of the first and second oxidation steps. The slope and intercept of are determined. Since the oxidation time in the third oxidation step is determined using the determined slope and section, the current confinement layer can be fabricated with good controllability.

<第2の実施形態>
第2の実施形態では、第1の実施形態における第1回目の酸化工程の前に予備的な酸化工程が追加される。すなわち、電流狭窄層の形成のために合計4回の酸化工程が実行される点に特徴がある。この場合、予備的な酸化工程は、第1回目の酸化工程による酸化量の測定の基準位置を決定するためだけに実行され、予備的な酸化工程による酸化幅の測定値は、酸化時間と酸化幅との関係を表す近似直線の係数(傾き)aおよび切片bを求めるためには用いられない。この理由は、メサポスト加工後(酸化前)の電流狭窄層の側面に存在する自然酸化膜の影響によって、最初の酸化工程による酸化の進行量が安定しない場合があるからである。以下、第2の実施形態の場合の電流狭窄層の形成方法(被酸化層の酸化方法)について詳細に説明する。なお、半導体酸化装置は、第1の実施形態と同じものが用いられる。
Second Embodiment
In the second embodiment, a preliminary oxidation step is added before the first oxidation step in the first embodiment. That is, the present invention is characterized in that a total of four oxidation steps are performed to form a current confinement layer. In this case, the preliminary oxidation step is performed only to determine the reference position of measurement of the amount of oxidation in the first oxidation step, and the measurement value of the oxidation width in the preliminary oxidation step is the oxidation time and oxidation It is not used to obtain the coefficient (slope) a and the intercept b of the approximate straight line representing the relationship with the width. The reason is that the amount of progress of oxidation in the first oxidation step may not be stable due to the influence of the natural oxide film present on the side surface of the current confinement layer after mesa post processing (before oxidation). Hereinafter, the method of forming the current confinement layer (the method of oxidizing the layer to be oxidized) in the second embodiment will be described in detail. The same semiconductor oxidation apparatus as in the first embodiment is used.

[酸化方法について]
図16は、第2の実施形態による垂直共振器型面発光レーザの製造方法において、電流狭窄層の酸化手順を示すフローチャートである。図16のフローチャートは、予備的な酸化工程(酸化時間Tox0)の実行するステップS206と、予備的な酸化工程の終了後にマイクロスコープ130を用いて酸化幅W0を測定するステップS207とが追加された点で、第1の実施形態の場合の図9のフローチャートと異なる。以下では、図9のフローチャートと異なる点を主に説明し、共通する点については説明を繰り返さない。
[About the oxidation method]
FIG. 16 is a flow chart showing the oxidation procedure of the current confinement layer in the method of manufacturing the vertical cavity surface emitting laser according to the second embodiment. The flowchart of FIG. 16 has a step S206 for performing the preliminary oxidation step (oxidation time Tox0) and a step S207 for measuring the oxidation width W0 using the microscope 130 after the completion of the preliminary oxidation step. This point is different from the flow chart of FIG. 9 in the case of the first embodiment. In the following, differences from the flowchart of FIG. 9 will be mainly described, and the description of the common points will not be repeated.

図8および図16を参照して、最初に、半導体試料111が酸化炉101内の試料テーブル112上に固定され(ステップS200)、半導体試料111の温度が待機温度TEMP1まで上昇した後に(ステップS205)、予備的な酸化工程(酸化時間Tox0)が実行される(ステップS206)。酸化工程の詳細は、図10で説明したものと同様であるので説明を繰り返さない。予備的な酸化工程は、第1回目の酸化工程による酸化幅W1の測定の際の基準位置を決定するために実行される。   Referring to FIGS. 8 and 16, first, semiconductor sample 111 is fixed on sample table 112 in oxidation furnace 101 (step S200), and the temperature of semiconductor sample 111 rises to standby temperature TEMP1 (step S205). And a preliminary oxidation step (oxidation time Tox0) is performed (step S206). The details of the oxidation step are the same as those described with reference to FIG. The preliminary oxidation step is performed to determine the reference position in the measurement of the oxidation width W1 in the first oxidation step.

予備的な酸化工程が終了すると、制御装置170は、昇降機構123を駆動することによって、基台110を観察位置(上昇位置)に移動する。その状態で、制御装置170は、マイクロスコープ130によって半導体基板に垂直な方向から半導体試料111の拡大画像を取得する。画像処理部131は、取得した拡大画像に基づいて、予備的な酸化工程による酸化の進行量(酸化幅W0)を測定する(ステップS207)。   When the preliminary oxidation process is completed, the control device 170 moves the base 110 to the observation position (the raised position) by driving the elevating mechanism 123. In that state, the control device 170 acquires a magnified image of the semiconductor sample 111 from the direction perpendicular to the semiconductor substrate by the microscope 130. The image processing unit 131 measures the amount of progress of oxidation (oxidation width W0) in the preliminary oxidation step based on the acquired enlarged image (step S207).

次に、制御装置170は、昇降機構123を駆動することによって、基台110を酸化位置(下降位置)に移動してから、第1回目の酸化工程を実行する(ステップS210)。第1回目の酸化工程以降の手順は、図9の場合と同じであるので説明を繰り返さない。なお、予備的な酸化工程の開始から第3回目の酸化工程の終了まで酸化炉101の外部に半導体試料111を取り出さないようにすることによって、第1〜第3回目の酸化工程における酸化の進行を安定化することができる。   Next, the control device 170 moves the base 110 to the oxidation position (lower position) by driving the lifting mechanism 123, and then executes the first oxidation step (step S210). The procedures after the first oxidation step are the same as in the case of FIG. Note that the progress of oxidation in the first to third oxidation steps is prevented by preventing the semiconductor sample 111 from being taken out of the oxidation furnace 101 from the start of the preliminary oxidation step to the end of the third oxidation step. Can be stabilized.

図17は、第2の実施形態の場合において、各酸化工程における温度の変化を示すタイミング図である。横軸は時間を表し、縦軸は半導体試料111の温度を表す。図17には、さらに、酸化炉101内に供給されるガスの種類も併せて示されている。   FIG. 17 is a timing chart showing changes in temperature in each oxidation step in the case of the second embodiment. The horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the temperature of the semiconductor sample 111. Further, FIG. 17 also shows the type of gas supplied into the oxidation furnace 101.

図17を参照して、予備的な酸化工程は時刻t1から時刻t4までに相当する。予備的な酸化工程の昇温時間Tup0および温度の上昇速度は、第1から第3回目の酸化工程での昇温時間Tup1,Tup2,Tup3および温度の上昇速度と同じである必要はない。同様に、予備的な酸化工程の降温時間Tdown0および温度の下降速度は、第1から第3回目の酸化工程での降温時間Tdown1,Tdown2,Tdown3および温度の下降速度と同じである必要はない。さらに、予備的な酸化工程における酸化温度は、図17の場合には第1〜第3回目の酸化工程での酸化温度TEMP2と同じにしているが、必ずしも同じにする必要はない。なお、第1〜第3回目の酸化工程のタイミング図は図11の場合と同様であるので説明を繰り返さない。   Referring to FIG. 17, the preliminary oxidation step corresponds to time t1 to time t4. The temperature rising time Tup0 of the preliminary oxidation step and the temperature rising speed do not have to be the same as the temperature rising times Tup1, Tup2, Tup3 and the temperature rising speed in the first to third oxidation steps. Similarly, the temperature decrease time Tdown0 of the preliminary oxidation step and the temperature decrease rate do not have to be the same as the temperature decrease rates Tdown1, Tdown2 and Tdown3 and the temperature decrease rate in the first to third oxidation steps. Furthermore, although the oxidation temperature in the preliminary oxidation step is the same as the oxidation temperature TEMP2 in the first to third oxidation steps in the case of FIG. 17, it does not necessarily have to be the same. The timing chart of the first to third oxidation steps is the same as that of FIG. 11, and therefore the description will not be repeated.

図18は、第2の実施形態の場合において、図8のマイクロスコープ130で撮影された半導体試料111の拡大画像の一例を示す図である。   FIG. 18 is a view showing an example of a magnified image of the semiconductor sample 111 taken by the microscope 130 of FIG. 8 in the case of the second embodiment.

図18(A)は、予備的な酸化工程の終了後における半導体試料111の拡大画像の例を示す。予備的な酸化工程では、メサポスト構造の端部50から、酸化部と未酸化部との境界50Aまで酸化が進行する。このときの酸化幅はW0である。   FIG. 18A shows an example of a magnified image of the semiconductor sample 111 after completion of the preliminary oxidation step. In the preliminary oxidation step, oxidation proceeds from the end 50 of the mesa post structure to the boundary 50A between the oxidized portion and the unoxidized portion. The oxidation width at this time is W0.

図18(B)は、第1回目の酸化工程の終了後における半導体試料111の拡大画像の例を示す。第1回目の酸化工程では、予備的な酸化工程における酸化部と未酸化部との境界50Aからさらに酸化幅W1だけ酸化が進行する。   FIG. 18B shows an example of a magnified image of the semiconductor sample 111 after completion of the first oxidation step. In the first oxidation step, oxidation proceeds by an oxidation width W1 from the boundary 50A between the oxidized portion and the unoxidized portion in the preliminary oxidation step.

図18(C)は、第2回目の酸化工程の終了後における半導体試料111の拡大画像の例を示す。第2回目の酸化工程では、第1回目の酸化工程における酸化部と未酸化部との境界51からさらに酸化幅W2だけ酸化が進行する。   FIG. 18C shows an example of a magnified image of the semiconductor sample 111 after completion of the second oxidation step. In the second oxidation step, oxidation proceeds by an oxidation width W2 from the boundary 51 between the oxidized portion and the unoxidized portion in the first oxidation step.

図18(D)は、第3回目の酸化工程の終了後における半導体試料111の拡大画像の例を示す。第3回目の酸化工程では、第2回目の酸化工程における酸化部と未酸化部との境界52からさらに酸化幅W3だけ酸化が進行する。最終的に、メサポスト構造の端部50から、酸化部と未酸化部との境界53までの酸化幅はW0+W1+W2+W3になる。   FIG. 18D shows an example of a magnified image of the semiconductor sample 111 after completion of the third oxidation step. In the third oxidation step, oxidation proceeds by an oxidation width W3 further from the boundary 52 between the oxidized portion and the unoxidized portion in the second oxidation step. Finally, the oxidation width from the end 50 of the mesa post structure to the boundary 53 between the oxidized portion and the unoxidized portion is W0 + W1 + W2 + W3.

[酸化時間の決定方法]
次に、図16のステップS230における第3回目の酸化工程における酸化時間の決定方法について説明する。酸化時間の決定方法は、基本的には図13に関連して説明した方法と同じである。ただし、第3回目の酸化時間における追加の酸化幅W3は、酸化部17の設計寸法からW0+W1+W2を減算することによって求められる。酸化幅W3に対応する酸化時間Tox3が前述の式(4)に従って求められる点は、第1の実施形態の場合と同じである。
[Method of determining oxidation time]
Next, a method of determining the oxidation time in the third oxidation step in step S230 of FIG. 16 will be described. The method of determining the oxidation time is basically the same as the method described in connection with FIG. However, the additional oxidation width W3 in the third oxidation time is obtained by subtracting W0 + W1 + W2 from the design size of the oxidation portion 17. The point that the oxidation time Tox3 corresponding to the oxidation width W3 is obtained according to the above-mentioned equation (4) is the same as the case of the first embodiment.

図19は、予備的な酸化工程からの積算の昇温/酸化時間と、積算の酸化幅との関係を示す図である。図19では、降温期間の残留水蒸気による酸化の影響は無視できるものとしている。   FIG. 19 is a diagram showing the relationship between the integrated temperature rise / oxidation time from the preliminary oxidation step and the integrated oxidation width. In FIG. 19, the influence of oxidation due to residual water vapor during the temperature lowering period is assumed to be negligible.

図19を参照して、第1〜第3回目の酸化工程の昇温時間Tup1,Tup2,Tup3は全て同一である。この場合、第1〜第3回目の酸化工程において、昇温期間ごとに共通の酸化幅bだけ酸化が進行する。ただし、半導体試料111の温度が待機温度TEMP1に近いときにはほとんど酸化は進行せず、半導体試料111の温度が酸化温度TEMP2に近づくほど酸化が進行するので、昇温時の酸化量bと昇温時間Tup1,Tup2,Tup3とは比例関係にない。   Referring to FIG. 19, temperature rising time Tup1, Tup2 and Tup3 in the first to third oxidation steps are all the same. In this case, in the first to third oxidation steps, the oxidation proceeds by a common oxidation width b every heating period. However, when the temperature of the semiconductor sample 111 is close to the standby temperature TEMP1, oxidation hardly progresses, and as the temperature of the semiconductor sample 111 approaches the oxidation temperature TEMP2, oxidation progresses, so the oxidation amount b at the time of temperature rise and temperature rise time There is no proportional relationship with Tup1, Tup2 and Tup3.

一方、第1〜第3回目の酸化工程において、酸化温度TEMP2での酸化量w1,w2,w3は、酸化時間Tox1,Tox2,Tox3と比例関係にある(比例定数a)。検出された酸化幅W1,W2,W3は、酸化温度TEMP2での酸化量w1,w2,w3に昇温時の酸化量bを加算することによってそれぞれ求めることができる。   On the other hand, in the first to third oxidation steps, the oxidation amounts w1, w2, w3 at the oxidation temperature TEMP2 are in proportion to the oxidation times Tox1, Tox2, Tox3 (proportional constant a). The detected oxidation widths W1, W2 and W3 can be obtained by adding the oxidation amount b at the time of temperature rise to the oxidation amounts w1, w2 and w3 at the oxidation temperature TEMP2.

予備的な酸化工程における昇温時の酸化量cは、昇温時間Tup0が第1回目以降の酸化工程における昇温時間Tup1,Tup2,Tup3と同じであったとしても、第1回目以降の酸化工程における酸化量bと等しくならない場合がある。この理由は、メサポスト加工後(酸化前)の電流狭窄層の側面に存在する自然酸化膜の影響によって、予備的な酸化工程による酸化の進行量が安定しないからである。また、予備的な酸化工程における酸化温度TEMP2での酸化についても開始直後の酸化は自然酸化膜の影響を受けると考えられるので、酸化量w0が酸化時間Tox0と比例しない場合があり得る。   Even if the amount of oxidation c at the time of temperature rise in the preliminary oxidation step is the same as the temperature rise times Tup1, Tup2 and Tup3 in the first and subsequent oxidation steps, the oxidation amount c at the first and subsequent times is It may not be equal to the oxidation amount b in the process. The reason is that the amount of progress of oxidation in the preliminary oxidation step is not stable due to the influence of the natural oxide film present on the side surface of the current confinement layer after mesa post processing (before oxidation). In addition, since the oxidation immediately after the start of the oxidation at the oxidation temperature TEMP2 in the preliminary oxidation step is considered to be affected by the natural oxide film, the oxidation amount w0 may not be proportional to the oxidation time Tox0.

そこで、第2の実施形態では、第1回目の酸化工程での酸化量の測定の基準位置を決定するだけのために、予備的な酸化工程が実行される。酸化時間と酸化幅との関係を表す近似直線の係数(傾き)aおよび切片bは、予備的な酸化工程の実行後の第1回目および第2回目の酸化工程での酸化時間および酸化幅を用いて計算される。これによって、第3回目の酸化工程における酸化時間Tox3を、第1の実施形態の場合よりも精度良く決定することができる。   Thus, in the second embodiment, a preliminary oxidation step is performed only to determine the reference position of measurement of the amount of oxidation in the first oxidation step. The coefficients (slope) a and intercept b of the approximate straight line representing the relationship between the oxidation time and the oxidation width indicate the oxidation time and the oxidation width in the first and second oxidation steps after execution of the preliminary oxidation step. Calculated using. Thus, the oxidation time Tox3 in the third oxidation step can be determined more accurately than in the first embodiment.

[変形例]
上記の実施形態では、DBR層11,15、クラッド層12,14、活性層13、および電流狭窄層16となるべき被酸化層を含む積層体をメサポスト状に加工した。これに代えてリセス構造に積層体を加工してもよい。リセス構造の場合も、電流狭窄層16となるべき被酸化層の側面から酸化が進行することによって、未酸化部を取り囲むように酸化部が形成される。
[Modification]
In the above embodiment, the laminate including the DBR layers 11 and 15, the cladding layers 12 and 14, the active layer 13, and the oxidized layer to be the current confinement layer 16 is processed into a mesa post. Instead of this, the laminate may be processed into a recess structure. Also in the case of the recess structure, the oxidation proceeds from the side surface of the oxidized layer to be the current confinement layer 16 to form an oxidized portion so as to surround the unoxidized portion.

上記の実施形態では、予備的な酸化工程を除いて合計3回の酸化工程を実行しているが、3回を超える酸化工程を実行してもよい。たとえば、N回(N≧3)の酸化工程が実行される場合には、第1回から第N−1回目までの酸化工程における酸化時間をそれぞれTox1,Tox2,…,ToxN−1とし、第1回から第N−1回目までの酸化工程における酸化の進行度(酸化幅)をそれぞれW1,W2,…,WN−1とする。これらN−1個の酸化時間と、対応するN−1個の酸化幅との関係を、傾きaおよび切片bを有する直線で近似する。データ点が多くなるほど直線近似の精度を高めることができるので、所望の酸化量を得るために必要な第N回目の酸化工程における酸化時間ToxNの決定精度を高めることができる。   In the above embodiment, a total of three oxidation steps are performed except for the preliminary oxidation step, but more than three oxidation steps may be performed. For example, when N (N ≧ 3) oxidation steps are performed, let the oxidation times in the first to (N−1) th oxidation steps be Tox1, Tox2,. The progress of oxidation (oxidation width) in the first to the (N-1) th oxidation steps is W1, W2, ..., WN-1, respectively. The relationship between these N-1 oxidation times and the corresponding N-1 oxidation widths is approximated by a straight line having a slope a and an intercept b. As the number of data points increases, the accuracy of the linear approximation can be enhanced, so that the determination accuracy of the oxidation time ToxN in the Nth oxidation process necessary to obtain the desired amount of oxidation can be enhanced.

今回開示された各実施形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiments disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description but by the scope of claims, and is intended to include all modifications within the scope and meaning equivalent to the scope of claims.

1 VCSEL、10 基板、11,15 半導体多層膜反射鏡層(DBR層)、12,14 クラッド層、13 活性層、16 電流狭窄層、17 酸化部、18 未酸化部、19 コンタクト電極層(アノード電極層)、20 裏面電極層(カソード電極層)、21 耐湿膜(絶縁膜)、22 ポリイミドパターン、23 パッド電極、25 高抵抗領域、30 N型ドープ領域、31 P型ドープ領域、100 半導体酸化装置、101 酸化炉、104 観察窓、105 内部空間、110 基台、111 半導体試料、112 試料テーブル、113 加熱テーブル、114 ヒータ、120 回転昇降機構、121 駆動軸、122,124 モータ、123 昇降機構、130 マイクロスコープ、131 画像処理部、145 窒素供給源、146 水蒸気供給源、152 真空装置、170 制御装置。   Reference Signs List 1 VCSEL, 10 substrate, 11, 15 semiconductor multilayer reflector layer (DBR layer), 12, 14 cladding layer, 13 active layer, 16 current confinement layer, 17 oxidized portion, 18 unoxidized portion, 19 contact electrode layer (anode Electrode layer), 20 back electrode layer (cathode electrode layer), 21 moisture resistant film (insulation film), 22 polyimide pattern, 23 pad electrode, 25 high resistance region, 30 N type doped region, 31 P type doped region, 100 semiconductor oxide Apparatus, 101 oxidation furnace, 104 observation window, 105 internal space, 110 base, 111 semiconductor sample, 112 sample table, 113 heating table, 114 heater, 120 rotation lift mechanism, 121 drive shaft, 122, 124 motor, 123 lift mechanism , 130 microscope, 131 image processing unit, 145 nitrogen source, 146 Water vapor source, 152 vacuum unit, 170 control unit.

Claims (5)

垂直共振器型面発光レーザの製造方法であって、
第1および第2の反射鏡層、活性層、ならびに電流狭窄構造となる被酸化層を含む積層体を基板上に形成するステップと、
少なくとも前記被酸化層の側面が露出するように、前記積層体を加工するステップと、
前記積層体を加工した後に、電流狭窄構造の形成のために前記被酸化層を側面から酸化するステップとを備え、
前記酸化するステップは、少なくともN回(N≧3)実行され、
各回の前記酸化するステップは、
前記加工後の積層体を昇温する第1ステップと、
予め設定された酸化温度で予め設定された酸化時間の間、前記加工後の積層体の水蒸気酸化を行う第2ステップと、
水蒸気の供給を停止して前記加工後の積層体を降温する第3ステップとを含み、
前記製造方法は、さらに、
第1回目から第N−1回目までの各回の前記酸化するステップの終了後に、各回ごとの前記被酸化層の酸化量を測定するステップと、
第1回目から第N−1回目の各回ごとの前記酸化量の測定値および前記酸化時間の設定値に基づいて、第N回目の前記酸化するステップにおける前記第2ステップ以外での前記被酸化層の酸化量と、前記第2ステップでの前記被酸化層の酸化速度とを推定し、前記推定した酸化量および酸化速度に基づいて第N回目の前記酸化するステップでの酸化時間を決定するステップと
第1回目の前記酸化するステップの前に前記被酸化層を側面から予備的に酸化するステップと、
前記予備的に酸化するステップの終了後に前記被酸化層の酸化量を測定することによって、第1回目の前記酸化するステップによる酸化量の測定の際の基準位置を決定するステップとを備える、垂直共振器型面発光レーザの製造方法。
A method of manufacturing a vertical cavity surface emitting laser, comprising:
Forming on the substrate a laminate including a first and second reflecting mirror layer, an active layer, and an oxidized layer to be a current narrowing structure;
Processing the laminate such that at least the side surface of the layer to be oxidized is exposed;
Oxidizing the oxidized layer from the side surface to form a current confinement structure after processing the laminate.
The oxidizing step is performed at least N times (N ≧ 3),
The oxidizing step of each time is
A first step of raising the temperature of the laminated body after the processing;
A second step of steam oxidation of said processed laminate for a preset oxidation time at a preset oxidation temperature;
And d) stopping the supply of water vapor to lower the temperature of the processed laminate.
The method further includes
Measuring the amount of oxidation of the layer to be oxidized each time after the completion of each of the first to (N-1) -th oxidation steps;
The oxidized layer other than the second step in the Nth oxidation step based on the first to (N-1) th measured values of the oxidation amount and the set value of the oxidation time each time And estimating the oxidation rate of the layer to be oxidized in the second step, and determining the oxidation time in the Nth oxidation step based on the estimated oxidation amount and the oxidation rate. and,
Pre-oxidizing the layer to be oxidized from the side prior to the first oxidizing step;
Determining the reference position in the measurement of the oxidation amount by the first oxidation step by measuring the oxidation amount of the layer to be oxidized after the completion of the preliminary oxidation step. Method of manufacturing a resonator type surface emitting laser.
前記酸化時間を決定するステップは、
第1回目から第N−1回目の各回の前記酸化量の測定値と前記酸化時間の設定値との関係を近似直線に当て嵌めるステップと、
前記酸化時間が0のときの前記近似直線の切片に基づいて、前記第2ステップ以外での前記被酸化層の酸化量を推定するステップと、
前記近似直線の傾きに基づいて、前記第2ステップでの前記被酸化層の酸化速度を推定するステップとを含む、請求項1に記載の垂直共振器型面発光レーザの製造方法。
The step of determining the oxidation time is
Fitting the relationship between the first to (N-1) -th measured values of the amount of oxidation and the set value of the oxidation time to an approximate straight line;
Estimating the amount of oxidation of the layer to be oxidized in steps other than the second step based on the intercept of the approximate straight line when the oxidation time is zero;
And V. estimating the oxidation rate of the layer to be oxidized in the second step based on the slope of the approximate straight line.
前記第1ステップでは、水蒸気を供給しながら前記加工後の積層体を昇温する、請求項1または2に記載の垂直共振器型面発光レーザの製造方法。 The method of manufacturing a vertical cavity surface emitting laser according to claim 1 or 2 , wherein in the first step, the processed laminate is heated while supplying water vapor. 第1回目から第N回目までの各回の前記第1ステップにおける水蒸気の供給量および温度上昇の条件は同一である、請求項に記載の垂直共振器型面発光レーザの製造方法。 The method for manufacturing a vertical cavity surface emitting laser according to claim 3 , wherein the conditions for the supply of water vapor and the temperature rise in the first step of each of the first to N-th times are the same. 各前記酸化するステップは、密閉された酸化炉内で実行され、
前記第3ステップでは、前記酸化炉内を排気してから前記加工後の積層体が降温される、請求項1〜のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光レーザの製造方法。
Each said oxidizing step is carried out in a closed oxidation furnace,
The method for manufacturing a vertical cavity surface emitting laser according to any one of claims 1 to 4 , wherein in the third step, the inside of the oxidation furnace is evacuated and then the temperature of the processed laminate is lowered.
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