JPH0927611A - 光検出部を備えた面発光型半導体レーザ及びその製造方法並びにそれを用いたセンサ - Google Patents

光検出部を備えた面発光型半導体レーザ及びその製造方法並びにそれを用いたセンサ

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JPH0927611A
JPH0927611A JP7198203A JP19820395A JPH0927611A JP H0927611 A JPH0927611 A JP H0927611A JP 7198203 A JP7198203 A JP 7198203A JP 19820395 A JP19820395 A JP 19820395A JP H0927611 A JPH0927611 A JP H0927611A
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克己 森
Takayuki Kondo
貴幸 近藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 発光部でのレーザ発振特性と、光検出部での
光−電流変換効率とを、共に良好に確保できる光検出部
付きの面発光型半導体レーザを提供すること。 【解決手段】 高抵抗の半導体基板１０２上の少なくと
も２つの領域に、第１導電型半導体層１０１Ａと、第２
導電型半導体層１０１Ｂとが積層して形成される。基板
１０２上の一方の領域には、第２導電型半導体層１０１
Ｂ１上に、半導体基板１０２と垂直な方向に光を出射す
る光共振器１２０が形成される。基板１０２上の他方の
領域では、第１，第２導電型半導体層１０１Ａ，１０１
Ｂ２にてフォトダイオードが構成される。一方の領域の
第２導電型半導体層１０１Ｂ１が１μｍ以上の厚さで形
成されて、光共振器１２０への電流注入用の下部電極と
して用いられる。さらに、他方の領域にてフォトダイオ
ードを構成する第２導電型半導体層１０１Ｂ２は、エッ
チング後に１μｍ未満の厚さに形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光検出部を備えた
面発光型半導体レーザ及びその製造方法並びにそれを用
いたセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】フォト
ダイオード、トランジスタ等で構成される光検出部と、
半導体レーザ等の発光部とを、一対で使用するものとし
て、例えば光を用いて情報を記録、再生する光ピックア
ップが知られている。これは、半導体レーザからのレー
ザ光を記録媒体に入射させ、その反射光を光検出部にて
検出して、情報の記録、再生を行うものである。また、
光インターコネクション又は光コンピュータでは、光検
出部に入射された光によって、半導体レーザに通電し
て、光検出部に入射した光強度に応じて、該半導体レー
ザよりレーザ光を出射するものである。
【０００３】この種の光検出部を備えた半導体レーザで
は、光検出部と半導体レーザとの位置関係を厳密に設定
する必要がある。
【０００４】ここで、光検出部と半導体レーザとを別体
で形成した場合には、両者の位置関係は、その後の実装
精度に依存し、高い取付精度を確保するには限界があ
る。
【０００５】一方、特開平５−１９０９７８、特開平６
−２０９１３８号公報に、光検出部と発光部とを同一の
基板上に形成した提案もなされている。
【０００６】これらの各公報に記載された発明では、光
検出部と発光部とに必要な結晶成長層を、同一基板上で
同時に結晶成長させて形成している。このため、光検出
部と発光部との位置関係は、フォトリソグラフィー工程
でのパターニング精度で定まり、高い位置精度を確保で
きる。
【０００７】しかしながら、発光部と光検出部とでは、
同一の結晶成長層にて求められる最適条件が異なってお
り、一方の素子特性に合ったプロセス条件にて結晶成長
層を形成すると、他方の素子特性が劣化する問題があっ
た。
【０００８】特に、発光部の素子特性に合ったプロセス
条件にて結晶成長を行うと、光検出部の感度が劣化し、
光検出部にて微弱な強度の光を精度良く検出することが
できなかった。
【０００９】そこで、本発明の目的は、同一基板上に発
光部及び検出部を形成しながらも、発光部でのレーザ発
振特性と、光検出部での感度特性とを、ともに良好に確
保することができる検出部を備えた面発光型半導体レー
ザ及びその製造方法並びにそれを用いたセンサを提供す
ることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る光
検出部を有する面発光型半導体レーザでは、高抵抗の半
導体基板上の少なくとも２つの領域に、第１導電型半導
体層と、第２導電型半導体層とが積層して形成されてい
る。基板上の一方の領域には、第２導電型半導体層上
に、前記半導体基板と垂直な方向に光を出射する光共振
器が形成されている。基板上の他方の領域では、前記第
１，第２導電型半導体層にてフォトダイオードが構成さ
れている。そして、前記一方の領域の前記第２導電型半
導体層が１μｍ以上の厚さで形成されて、前記光共振器
への電流注入用の下部電極として用いられる。さらに、
前記他方の領域にて前記フォトダイオードを構成する前
記第２導電型半導体層が、１μｍ未満の厚さに形成され
ている。
【００１１】このように、第２導電型半導体層の厚さ
を、発光部と光検出部とで異ならせている理由は、次の
通りである。まず、発光部側の第２導電型半導体層は、
下側電極層として機能するため、その層抵抗を小さくし
ないと、発光部の素子抵抗にさらに上乗せされる抵抗値
が大きくなり、発熱が無視できなくなる。第２導電型半
導体層の抵抗値は、その膜厚とキャリア濃度に依存し、
抵抗値を低くするのに、その膜厚が厚ければキャリア濃
度を低くできる。そして、その膜厚の下限が１μｍであ
れば、抵抗値を小さくするのに、２×１０19ｃｍ-3を越
える過剰のキャリア濃度とはならず、高キャリア濃度に
起因した結晶劣化も低減する。光検出部側の第２導電型
半導体層も、発光部側の第２導電型半導体層と同一プロ
セスにて形成されるため、結晶劣化が光検出部側にも生
じなくなり、光−電流変換率を劣化させることがない。
また、第２導電型半導体層のキャリア濃度は、発光部で
の抵抗値に依存して決定されるため、発光部側と同じキ
ャリア濃度を持つ光検出部側の第２導電型半導体層での
光吸収率を低く抑えるために、光検出部の第２導電型半
導体層の膜厚を１μｍ未満としている。
【００１２】請求項２の発明は、前記一方の領域での前
記第２導電型の半導体層の厚さが５μｍ以下であること
を定義している。
【００１３】発光部側の第２導電型半導体層の厚さは、
厚いほど抵抗値を小さくできるが、膜厚が厚いとその分
成長時間が長くなり、量産性、結晶性が問題となるた
め、５μｍ以下としている。
【００１４】請求項３の発明は、 前記第２導電型の半
導体層のキャリア濃度は、５×１０17〜２×１０19ｃｍ
-3であることを定義している。
【００１５】発光部側の第２導電型半導体層の膜厚を、
その上限の５μｍとしたとき、低抵抗化のために必要な
キャリア濃度は５×１０17ｃｍ-3となり、その下限の１
μｍとした時には、２×１０19ｃｍ-3のキャリア濃度が
必要となる。従って、発光部側の第２導電型半導体層の
膜厚を、１μｍ〜５μｍであることを考慮すると、その
キャリア濃度は５×１０17〜２×１０19ｃｍ-3とするこ
とが好ましい。
【００１６】請求項４の発明は、前記一方の領域での前
記第２導電型の半導体層の厚さが、２〜３μｍであるこ
とを定義している。発光部側の第２導電型半導体層の低
抵抗化と、量産性、結晶性との双方を考慮すると、膜厚
を上記範囲とすることが好ましい。
【００１７】請求項５の発明は、第２導電型の半導体層
のキャリア濃度は、１×１０18〜１×１０19ｃｍ-3であ
ることを定義している。発光部の第２導電型半導体層の
膜厚を、より好適な範囲である２μｍ〜３μｍとする
と、低抵抗を確保する観点から、そのキャリア濃度は１
×１０18〜１×１０19ｃｍ-3とすることが好ましい。
【００１８】請求項６の発明は、前記他方の領域での前
記第２導電型の半導体層の厚さが０．８μｍ以下である
ことを定義している。
【００１９】請求項６、７に示すように、前記他方の領
域での前記第２導電型の半導体層の厚さが好ましくは
０．８μｍ以下、さらに好ましくは０．５μｍ以下とす
るとよい。光検出部での光−電流変換効率を高く確保で
きるからである。なお、この光検出部での領域の第２導
電型半導体層の膜厚は０．１μｍ以上であることが好ま
しい。この理由の一つは、この下限値を下回ると電流が
流れ難く発熱等の問題が生ずるからである。また、他の
理由として、製造プロセス上もエッチング時にその下限
値以下に膜厚制御することが困難であるばかりか、その
下限値を下回る薄膜にしても、後述の通り光電変換効率
は向上しないからである。この点を考慮すると、この光
検出部での領域の第２導電型半導体層の膜厚は０．４〜
０．５μｍとすることで、実用上十分な光電変換効率が
得られ、しかも製造プロセスが困難となることもない。
【００２０】請求項８の発明では、前記光共振器が、一
対の反射ミラーと、前記一対の反射ミラーの間に形成さ
れ、少なくとも活性層及びクラッド層を含む多層の半導
体層と、を含む構成を定義している。この場合、前記多
層の半導体層の少なくとも前記クラッド層を含む上層側
が柱状に形成された柱状部分とされ、前記柱状部分の周
囲に絶縁層が埋め込み形成される。さらに、前記柱状部
分の端面に臨んで開口を有する上部電極がさらに設けら
れ、前記一対のミラーのうちの光出射側ミラーが前記開
口を覆って形成される。
【００２１】この構造によれば、共振器に注入される電
流、それにより活性層にて生ずる光が、絶縁層にて埋め
込まれた柱状部分に閉じこめられ、効率よくレーザ発振
させることができる。
【００２２】上記構造を採用する場合には、請求項９に
示すように、前記一対の反射ミラーのうち、前記第２導
電型の半導体層上に形成されたミラーは半導体多層膜ミ
ラーであり、前記光出射側のミラーが誘電体多層膜ミラ
ーであり、前記一対のミラー間に形成される前記多層の
半導体層は、前記半導体多層膜ミラー上に形成された第
１クラッド層と、前記第１クラッド層上に形成された、
量子井戸構造の活性層と、前記活性層上に形成された第
２クラッド層と、前記第２クラッド層上に形成されたコ
ンタクト層と、を含み、前記第２クラッド層及び前記コ
ンタクト層により前記柱状部分が構成されていることが
好ましい。
【００２３】この構造では、光共振器に注入された電流
は、量子井戸活性層で効率よく光に変換され、半導体多
層膜ミラーと誘電体多層膜ミラーとで構成される反射ミ
ラーであって、多層構造により比較的高い反射率を持つ
反射ミラーの間をその光が往復することにより、高効率
で増幅される。しかも、光共振器中に注入された電流及
び生成されかつ増幅された光は、柱状部分の周囲に埋め
込まれた絶縁層により閉じこめられ、効率よくレーザ発
振動作を行うことができる。
【００２４】請求項１０の発明は、一方の領域の第１導
電型半導体層と他方の領域の第１導電型半導体層との間
と、一方の領域の第２導電型半導体層と他方の領域の第
２導電型半導体層との間とが、それぞれ電気的に絶縁さ
れていることを特徴とする。
【００２５】こうすると、発光部と光検出部とが電気的
に独立し、例えば発光部から出射されたレーザ光の反射
光を、光検出部にて受光してその反射強度を測定でき、
種々のセンサとして利用できる。
【００２６】請求項１１の発明は、請求項８の光検出部
を備えた面発光型半導体レーザの製造方法を定義してい
る。この方法では、高抵抗半導体基板上の第１の領域に
面発光型半導体レーザを形成し、前記基板上の第２の領
域にフォトダイオードを形成するにあたり、（ａ）前記
基板上の前記第１，第２の領域に共通して、第１導電型
の半導体層と、１μｍ以上の厚さの第２導電型の半導体
層と、一対の反射ミラー及びその間に形成される多層の
半導体層にて形成される光共振器のうち光出射側の反射
ミラーを除く各層と、を順次エピタキシャル成長させる
工程と、（ｂ）前記エピタキシャル成長層の前記第１の
領域について、少なくともクラッド層を含む前記多層の
半導体層の上層側を柱状にエッチングして柱状部分を形
成する工程と、（ｃ）前記柱状部分の周囲に絶縁層を埋
め込み形成する工程と、（ｄ）前記柱状部分の端面に臨
んで開口を有する上部電極を形成する工程と、（ｅ）前
記開口を覆って光出射側の反射ミラーを形成する工程
と、（ｆ）前記エピタキシャル成長層の前記第２の領域
を、前記第２導電型の半導体層の途中までエッチングし
て、前記第２導電型の半導体層の厚さを１μｍ未満に形
成する工程と、を有することを特徴とする。
【００２７】請求項１２の発明は、請求項９の光検出部
を備えた面発光型半導体レーザの製造方法を定義してい
る。この方法では、請求項１１の発明の（ａ）工程の反
射ミラーを半導体多層膜ミラーとし、多層の半導体層
を、第２導電型の第１クラッド層と、量子井戸構造の活
性層と、第１導電型の第２クラッド層と、第１導電型の
コンタクト層とし、これら各層を順次エピタキシャル成
長させることを定義している。
【００２８】請求項１３の発明は、光検出部を備えた面
発光型半導体レーザの製造方法を定義し、前記工程
（ａ）では、前記第２導電型の半導体層のキャリア濃度
を、５×１０17〜２×１０19ｃｍ-3とし、前記第２導電
型の半導体層の厚さを５μｍ以下に形成している。
【００２９】請求項１４の発明は、請求項５の光検出部
を備えた面発光型半導体レーザの製造方法を定義し、前
記工程（ａ）では、前記第２導電型の半導体層のキャリ
ア濃度を、１×１０18〜１×１０19ｃｍ-3とし、前記第
２導電型の半導体層の厚さを、２〜３μｍに形成してい
る。
【００３０】請求項１５の発明は、請求項６の光検出部
を備えた面発光型半導体レーザの製造方法を定義し、前
記工程（ｅ）では、前記第２導電型の半導体層の厚さを
０．８μｍ以下に形成している。
【００３１】請求項１６の発明は、請求項７の光検出部
を備えた面発光型半導体レーザの製造方法を定義し、前
記工程（ｅ）では、前記第２導電型の半導体層の厚さを
０．５μｍ以下に形成している。
【００３２】請求項１７の発明は、前記工程（ａ）で
は、少なくとも第２導電型半導体層及びその上層の前記
ミラーのエピタキシャル成長時に、所定波長の光を前記
第２導電型半導体層及びその上層の前記ミラーに照射し
て、その反射スペクトルを検出し、その反射率プロファ
ィルを測定することにより、前記第２導電型半導体層及
びその上層の前記ミラーの膜厚を制御することを特徴と
する。
【００３３】これにより、発光部については、第２導電
型半導体層の膜厚を低抵抗のための設計値通りに成膜で
きるとともに、反射ミラーにて所定の屈折率を得るため
の膜厚をも設計通りに形成できる。加えて、光検出部側
について言うと、後の（ｆ）工程にてエッチングされる
第２導電型半導体層の膜厚と、その上層のミラーの膜厚
とを、成膜時に厳密にコントロールすることができ、
（ｆ）工程にて所定の膜厚を得るためのエッチングが容
易となる。
【００３４】請求項１８の発明では、前記工程（ｆ）お
いて、少なくとも第２導電型半導体層及びその上層の前
記ミラーのエッチング時に、所定波長の光を前記第２導
電型の半導体層及びその上層の前記ミラーに照射して、
その反射スペクトルを検出し、その反射率プロファィル
を測定している。これにより、所定の膜厚を得るための
前記第２導電型の半導体層のエッチング量を厳密にコン
トロールできる。さらに、その上層の前記ミラーのエッ
チングエンドポインも厳密に測定できるため、所定の膜
厚を得るための前記第２導電型の半導体層のエッチング
スタートポイントをも厳密に測定できる。
【００３５】請求項１９の発明は、請求項１０の光検出
部を備えた面発光型半導体レーザの製造方法を定義し、
前記第１，第２の領域間で、前記第１導電型半導体層同
士及び第２導電型半導体層同士を絶縁させる工程をさら
に設けている。
【００３６】請求項２０〜２２の発明は、請求項１０に
記載の光検出部を備えた面発光型半導体レーザを用いた
センサを定義している。
【００３７】請求項２０では、発光部から出射されたレ
ーザ光を、位置が変化する被測定対象に照射し、その反
射光を前記光検出部にて受光して、前記被測定対象の位
置を検出するセンサを定義している。
【００３８】請求項２１では、発光部から出射されたレ
ーザ光を、作用する圧力に応じて変位する部材に照射
し、その反射光を前記光検出部にて受光して、前記変位
部材に作用する圧力の大きさを検出するセンサを定義し
ている。
【００３９】いずれのセンサの場合も、発光部では高効
率でレーザ発振でき、光検出部では微弱な光強度も検出
可能となり、しかも発光部及び光検出部の相対的位置が
フォトリソグラフィ工程でのパターニング精度で決定さ
れるため、精度の高いセンシングを行うことができる。
また、両センサとも微小寸法で構成でき、小型部品等へ
の搭載が可能となる。
【００４０】請求項２２では、請求項２０又は２１にお
いて、一つの前記発光部より出射されたレーザ光の前記
反射光をそれぞれ受光する複数の前記光検出部を有する
センサを定義している。この場合、複数の前記光検出部
にてそれぞれ検出された受光量の分布に基づいてセンシ
ングを行うことができ、単一の光検出部を設けた場合の
光強度のみに基づくセンシングと比較して、検出精度を
向上できる。
【００４１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図面を
参照して説明する。
【００４２】（全体構造の概要）図１は、本発明の一実
施例における光検出部を備えた面発光型半導体レーザ装
置の発光部及び光検出部の断面を模式的に示す断面図で
あり、図２はその概略斜視図である。
【００４３】図１，図２に示す光検出部付きの半導体レ
ーザ装置１００は、高抵抗半導体基板１０２上の異なる
領域に、それぞれ発光部１００Ａと光検出部１００Ｂと
が形成されている。本実施例では、発光部１００Ａが、
面発光型半導体レーザであり、光検出部１００Ｂがフォ
トダイオードにて形成されている。この発光部１００
Ａ，光検出部１００Ｂの平面的レイアウトとしては、図
２に示すように、例えば発光部１００Ａの周囲の４箇所
に、光検出部１００Ｂを形成している。このような平面
的にレイアウトを有する一体型チップを各種のセンサと
して用いることができる。例えば、位置が変化する部材
に向けて発光部１００Ａよりレーザ光を出射し、その反
射光を４つの光検出部１００Ｂで検出する場合には、４
つの光検出部１００Ｂで受光される受光量の分布によ
り、位置が変化する部材の変位量を求めることができ
る。この一体型チップによりセンサを構成する場合に
は、発光部１００Ａおよび光検出部１００Ｂの数は、図
２に示す数に限定されるものではない。一つの発光部１
００Ａに対して、一つ又は複数の光検出部１００Ｂを有
するものであればよい。あるいは、複数の発光部１００
Ａに対して、複数の光検出部１００Ｂを有するものでも
よい。
【００４４】（基板上の共通構造）まず、発光部１００
Ａ及び光検出部１００Ｂの共通の構造について説明する
と、高抵抗半導体基板１０２は、本実施例ではＧａＡｓ
基板にて形成され、好ましくは不純物濃度が１×１０16
ｃｍ-3以下であり、さらに好ましくは、１×１０15ｃｍ
-3以下である。
【００４５】高抵抗ＧａＡｓ基板１０２上には、第１導
電型半導体層例えばｐ型ＧａＡｓ層１０１Ａが形成さ
れ、さらにその上に、第２導電型半導体層例えばｎ型Ｇ
ａ0.85Ａｌ0.15Ａｓ層１０１Ｂ（発光部１０１Ａ側の層
を１０１Ｂ１とし、光検出部１０１Ｂ側の層を１０１Ｂ
２とする）が形成されている。なお、この第１，第２導
電型半導体層１０１Ａ，１０１Ｂは、レーザ光の波長に
応じて他の材料、例えばＧａＡｌＡｓ層のＡｌの組成を
変えたもの等にて形成することができる。なお、第１，
第２導電型半導体層１０１Ａ，１０１Ｂは、後述するよ
うに成膜時又はエッチング時に反射率をモニタして膜厚
制御を行う場合には、反射率の増大、減少を明確にモニ
タする観点から、材料あるいは組成が異なる組合せとす
ることが好ましい。第２導電型半導体層１０１Ｂを第１
導電型半導体層１０１Ａと同じ材質にして、ｎ型ＧａＡ
ｓ層で形成することも可能であり、この場合両層はキャ
リアの極性及び濃度が異なるため、上記モニタ時の反射
率を層毎に異ならせることはできる。ただし、材質又は
組成を代えた場合ほど反射率の変化は期待できない。こ
の点については、図９を参照して後述する。
【００４６】ここで、光検出部１００Ｂの領域に形成さ
れた第１，第２導電型半導体層１０１Ａ，１０１Ｂ２
は、フォトダイオードを構成するものである。
【００４７】一方、発光部１００Ａの領域に形成された
第２導電型半導体層１０１Ｂ１は、面発光型半導体レー
ザの光共振器に電流を注入するための下側電極層として
機能する。この第２導電型半導体層１０１Ｂ１と併せ
て、第１導電型半導体層１０１Ａも、レーザ発振のため
の電極層として機能させることもできるが、この点につ
いては後述する。
【００４８】さらに、発光部１００Ａの領域に形成され
た第１，第２導電型半導体層１０１Ａ，１０１Ｂ１を、
発光部１００Ａから漏れた光を検出して、レーザ発光強
度をモニタするモニタ用のフォトダイオードとして使用
することも可能である。
【００４９】上述した各機能を持たせるために、発光部
１００Ａの領域の第１，第２導電型半導体層１０１Ａ，
１０１Ｂ１は露出され、この露出面１１５ａ，１１５ｃ
がそれぞれ電極パターン形成面となる。同様に、光検出
部１００Ｂの領域の第１導電型半導体層１０１Ａも露出
され、この露出面１１５ｂが電極パターン形成面とな
る。
【００５０】なお、発光部１００Ａ及び光検出部１００
Ｂにそれぞれ形成された第２導電型半導体層１０１Ｂ
１，１０１Ｂ２は、同一の成膜工程にて形成されるた
め、同一のキャリア濃度にて基板１０２上にエピタキシ
ャル成長される。ただし、光検出部１００Ｂ側の第２導
電型半導体層１０１Ｂ２は成膜後にエッチングされ、発
光部１００Ａの第２導電型半導体層１０１Ｂ１よりも薄
膜となっている。
【００５１】また、本実施例では、発光部１００Ａの領
域に形成された第１，第２導電型半導体層１０１Ａ，１
０１Ｂ１と、光検出部１００Ｂの領域に形成された第
１，第２導電型半導体層１０１Ａ，１０１Ｂ２とは、分
離溝１１６により、電気的に絶縁されている。ただし、
この光検出部付きの半導体レーザを、光検出部１００Ｂ
にて変換された電流に基づき発光部１００Ａを駆動する
方式、例えば光インターコネクションに使われる素子と
して利用する場合には、分離溝１１６などで上記層１０
１Ａ，１０１Ｂ１と１０１Ａ，１０１Ｂ２とを絶縁する
必要はない。
【００５２】（発光部の構造）次に、発光部１００Ａに
ついて説明する。第２導電型半導体層１０１Ｂ１上に、
ｎ型Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層とｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ
層を交互に積層し、例えば波長８００ｎｍ付近の光に対
し９９．５％以上の反射率を持つ４０ペアの分布反射型
多層膜ミラー（以下これを「ＤＢＲミラー」とも表記す
る）１０３，ｎ型Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ層からなる第１ク
ラッド層１０４，ｎー型ＧａＡｓウエル層とｎー型Ａｌ
0.3Ｇａ0.7Ａｓバリア層から成り該ウエル層が２１層で
構成される量子井戸活性層１０５（本実施例の場合は、
多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層となっている）、
ｐ型Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ層からなる第２クラッド層１０
６およびｐ+型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層からなるコンタ
クト層１０９が、順次積層されている。
【００５３】そして、第２クラッド層１０６の途中ま
で、半導体の積層体の上面からみて円形または矩形形状
にエッチングされて、柱状部分１１４が形成される。こ
の柱状部分１１４の基板１０２と平行な横断面を、長辺
及び短辺から成る矩形とすると、柱状部分１１４の発振
領域より出射されるレーザ光の偏波面の方向を、短辺方
向に揃えることができる。
【００５４】この柱状部分１１４の周囲には、熱ＣＶＤ
法により形成されたＳｉＯ2等のシリコン酸化膜（Ｓｉ
Ｏx膜）からなる第１絶縁層１０７と、ポリイミド等の
耐熱性樹脂等からなる第２絶縁層１０８で埋め込まれて
いる。
【００５５】第１絶縁層１０７は、第２クラッド層１０
６およびコンタクト層１０９の表面に沿って連続して形
成され、第２絶縁層１０８は、この第１絶縁層１０７の
周囲を埋め込む状態で形成されている。
【００５６】第２絶縁層１０８としては、前述のポリイ
ミド等の耐熱性樹脂の他に、ＳｉＯ2等のシリコン酸化
膜（ＳｉＯX膜），Ｓｉ3Ｎ4等のシリコン窒化膜（Ｓｉ
ＮX膜），ＳｉＣ等のシリコン炭化膜（ＳｉＣX膜），Ｓ
ＯＧ（スピンオングラス法によるＳｉＯ2等のＳｉＯX）
膜などの絶縁性シリコン化合物膜、あるいは多結晶のＩ
Ｉ−ＶＩ族化合物半導体膜（例えばＺｎＳｅなど）でも
よい。これら、絶縁膜の中でも、低温で形成可能である
ＳｉＯ2等のシリコン酸化膜、ポリイミドまたはＳＯＧ
膜を用いるのが好ましい。さらには、形成が簡単であ
り、容易に表面が平坦となることからＳＯＧ膜を用いる
のが好ましい。
【００５７】ここで、図１のシリコン酸化膜（ＳｉＯx
膜）からなる第１絶縁層１０７は、膜厚が500〜2000オ
ングストロームで、常圧の熱ＣＶＤ法により形成された
ものである。耐熱性樹脂等からなる第２絶縁層１０８は
素子の表面を平坦化するために必要なものである。たと
えば、耐熱性樹脂には高抵抗を有するものの、膜中に水
分の残留が発生しやすく、直接、半導体層と接触させる
と、素子に長時間通電した場合に半導体との界面に於て
ボイドが発生し素子の特性を劣化させる。そこで、本実
施例の様に、第１絶縁層１０７のような薄膜を半導体層
との境界に挿入すると、第１絶縁層１０７が保護膜とな
り前述の劣化が生じない。第１絶縁層を構成するシリコ
ン酸化膜（ＳｉＯx膜）の形成方法には、プラズマＣＶ
Ｄ法、反応性蒸着法など種類があるが、ＳｉＨ4（モノ
シラン）ガスとＯ2（酸素）ガスを用い、Ｎ2（窒素）ガ
スをキャリアガスとする常圧熱ＣＶＤ法による成膜方法
が最も適している。その理由は、反応を大気圧で行い、
更にＯ2が過剰な条件下で成膜するのでＳｉＯx膜中の酸
素欠損が少なく緻密な膜となること、および、ステップ
・カバーレッジが良く、柱状部分１１４の側面および段
差部も平坦部と同じ膜厚が得られることである。
【００５８】なお、第１，第２絶縁層１０７，１０８で
埋込層を形成するものに限らず、例えばＩＩ−ＶＩ族化
合物半導体エピタキシャル層にて形成することもでき
る。
【００５９】また、例えばＣｒとＡｕ−Ｚｎ合金で構成
されるコンタクト金属層（上側電極）１１２が、コンタ
クト層１０９とリング状に接触して形成され、電流注入
のための電極となる。このコンタクト層１０９の上側電
極１１２で覆われていない部分は、円形に露出してい
る。そして、そのコンタクト層１０９の露出面（以後、
この部分を「開口部１１３」と記す）を充分に覆う面積
で、第１層例えばＳｉＯ2等のＳｉＯx層と、第２層例え
ばＴａ2Ｏ5層とを交互に積層し、波長８００ｎｍ付近の
光に対し９８．５〜９９．５％の反射率を持つ７ペアの
誘電体多層膜ミラー１１１が形成されている。
【００６０】この一対のミラー１０３，１１１及びその
間に形成される多層の半導体層にて光共振器１２０を形
成している。そして、誘電体多層膜ミラー１１１を構成
する第１層及び２層のそれぞれの厚さは、光共振器１２
０内部を導波されるレーザ光の波長をλとし、各層での
波長λの屈折率をｎとしたとき、λ／４ｎに設定されて
いる。
【００６１】（光共振器でのレーザ発振動作）上側電極
１１２と、図１に示すパターン形成面１１５ａ上に形成
された図示しない電極とコンタクトする下側電極層１０
１Ｂ１との間に順方向電圧が印加されて（本実施例の場
合は、上側電極１１２から下側電極層である第２導電型
半導体層１０１Ｂ１への方向に電圧が印加される）電流
注入が行なわれる。注入された電流は、量子井戸活性層
１０５で光に変換され、ＤＢＲミラー１０３と誘電体多
層膜ミラー１１１とで構成される反射鏡の間をその光が
往復することにより増幅される。しかも、光共振器１２
０中に注入された電流及び生成されかつ増幅された光
は、柱状部分１１４の周囲に埋め込まれた第１，第２の
絶縁層１０７，１０８により閉じこめられ、効率よくレ
ーザ発振動作を行うことができる。
【００６２】そして、開口部１１３（コンタクト層１０
９の露出面）及び誘電体多層膜ミラー１１１を介して、
基板１０２に対して垂直方向にレーザ光が放射される。
【００６３】他の駆動方法として、ｐ型半導体層１０１
Ａ、ｎ型半導体層１０１Ｂ１及び光共振器１２０のｐ型
部で、トランジスタ構造を構成し、活性層に通電するこ
ともできる。例えば、ｐ型半導体層１０１Ａ、上側電極
１１２間にレーザ発振する電圧を加えたとき、ｎ型半導
体層１０１Ｂ１に微小電流を加えると、トランジスタの
スイッチング効果により、活性層に電流が注入され、レ
ーザ発振が可能となる。このような駆動方法は、微小電
流のスイッチングでレーザの発振、非発振を制御できる
ことから、一枚の基板１０２上の複数の発光部１００Ａ
を高速にレーザ発振させることができる。
【００６４】ここで、面発光型半導体レーザの下側電極
層として機能する第２導電型半導体層１０１Ｂ１は、そ
の横方向の抵抗を数Ω程度にする必要がある。その理由
は、発光部１００Ａの素子抵抗が５０〜１００Ω程度有
り、第２導電型半導体層１０１Ｂ１の抵抗が数１０Ωあ
ると、この抵抗による発熱が無視できないからである。
【００６５】この第２導電型半導体層１０１Ｂ１の抵抗
値は、その層の膜厚とキャリア濃度とに依存し、膜厚が
厚ければキャリア濃度を低くできる。この第２導電型半
導体層１０１Ｂ１の膜厚は、抵抗を低く抑える観点から
すれば膜厚を厚くするほどよいが、その分成長時間が長
くなり、量産性、膜の結晶性に問題が生ずる。この点を
考慮すると、第２導電型半導体層１０１Ｂ１の膜厚の上
限としては、５μｍ以下、さらに好ましくは３μｍ以下
とするものがよい。
【００６６】次に、第２導電型半導体層１０１Ｂ１の膜
厚の下限は、キャリア濃度をどの程度過剰にできるかで
決められる。第２導電型半導体層１０１Ｂ１の膜厚を１
μｍ未満とした時には、抵抗値を低くするためには、２
×１０19ｃｍ-3を越える過剰のキャリア濃度が必要とな
り、結晶劣化の恐れが高くなる。しかも、この結晶劣化
は、同一プロセスにより形成される光共振器１００Ｂ側
の第２導電型半導体層１０１Ｂ２にも同様に生ずること
になるので、フォトダイオードの光−電流変換効率の劣
化につながる。従って、第２導電型半導体層１０１Ｂ１
の膜厚は、１μｍ以上とする必要がある。
【００６７】以上の考察から、抵抗を低く押さえ、か
つ、成長時間を短縮する観点から言えば、発光部１００
Ａの第２導電型半導体層１０１Ｂ１の膜厚は、２〜３μ
ｍに設定するものが好ましい。
【００６８】なお、第１導電型半導体層１０１Ａの膜厚
についても、量産性、結晶性を考慮して、５μｍ以下に
することが好ましい。また、この層１０１Ａの膜厚は１
μｍ以上とすることが好ましく、この値を下回ると発熱
や電流が流れ難くなる問題などが生ずる。
【００６９】次に、第２導電型半導体層１００Ｂ１，１
００Ｂ２のキャリア濃度について考察すると、発光部１
００Ａの第２導電型半導体層１０１Ｂ１の膜厚を、その
上限の５μｍとしたとき、低抵抗化のために必要なキャ
リア濃度は、５×１０17ｃｍ-3となる。一方、第２導電
型半導体層１０１Ｂ１の膜厚を、その下限の１μｍとし
た時には、抵抗値を低くするためには、２×１０19ｃｍ
-3のキャリア濃度が必要となる。
【００７０】従って、発光部１００Ａの第２導電型半導
体層１０１Ｂ１の膜厚が、１μｍ〜５μｍであることを
考慮すると、そのキャリア濃度は５×１０17〜２×１０
19ｃｍ-3とすることが好ましい。
【００７１】さらに、発光部１００Ａの第２導電型半導
体層１０１Ｂ１の膜厚を、より好適な範囲の下限である
２μｍとしたとき、低抵抗を確保するのに要するキャリ
ア濃度は１×１０19ｃｍ-3であり、上限である３μｍと
したとき、そのキャリア濃度は１×１０18ｃｍ-3であ
る。従って、第２導電型半導体層１０１Ｂ１の膜厚を、
より好適な範囲である２〜３μｍとすると、そのキャリ
ア濃度は１×１０18〜１×１０19ｃｍ-3とすることが好
ましい。
【００７２】（光検出部での光検出動作）発光部１００
Ａから出射されたレーザ光は、測定すべき対象物にて反
射され、光検出部１００Ｂに入射する。この光検出部１
００Ｂは、第１，第２導電型半導体層１０１Ａ，１０１
Ｂ２によりフォトダイオードを構成しており、この両層
１０１Ａ，１０１Ｂ２の間の界面に形成される空乏層に
て光−電流変換される。そして、光検出部１００Ｂの第
２導電型半導体層１０１Ｂ２上に形成される図示しない
電極と、図１に示すパターン形成面１１５ｂ上に形成さ
れる図示しない電極とを用いて、受光量を電気信号とし
て出力することができる。
【００７３】ここで、光検出部１００Ｂの第２導電型半
導体層１０１Ｂ２は、発光部１００Ａの対応する層１０
１Ｂ１と同一プロセスにて形成されるため、この層１０
１Ｂ２中のキャリア濃度が比較的高く、上述の値となっ
ている。
【００７４】そこで、本実施例では、光検出部１００Ｂ
中の第２導電型半導体層１０１Ｂ２の膜厚を薄くするこ
とで、光吸収率を低下させ、光−電流変換効率を向上さ
せている。本実施例では、この光検出部１００Ｂ中の第
２導電型半導体層１０１Ｂ２の膜厚を、１μｍ未満に設
定している。
【００７５】図６は、レーザ光の発振波長を８００ｎｍ
とし、第２導電型半導体層１０１Ｂ２中の不純物濃度を
１×１０18ｃｍ-3とした場合の、第２導電型半導体層１
０１Ｂ２の膜厚と、変換される光電流との関係を示すシ
ュミレーション結果である。図６から明らかなように、
第２導電型半導体層１０１Ｂ２の厚さが薄いほど、光電
流の変換効率が高く、特に０．８μｍ以下では９０％と
なり、０．５μｍでは９５％の光変換効率を得ることが
できる。この点から言えば、第２導電型半導体層１０１
Ｂ２の膜厚は、好ましくは０．８μｍ以下、さらに好ま
しくは０．５μｍ以下とするのが良い。なお、この膜厚
は０．１μｍ以上とするものがよい。膜厚の下限である
０．１μｍを下回ると、電流が流れ難く発熱の問題が生
じるからである。しかも、図６から明らかなように、
０．１μｍ以上の膜厚にて１００％の光電流が得られて
おり、０．１μｍを下回る薄膜としても光電変換効率は
改善されないからである。
【００７６】（製造プロセス）次に、図１に示す面発光
型半導体レーザ１００の製造プロセスについて説明す
る。図３（Ａ）〜（Ｃ），図４（Ａ）〜（Ｃ）及び図５
（Ａ），（Ｂ）は、光検出部を備えた面発光型半導体レ
−ザ装置の製造工程を示したものである。
【００７７】高抵抗ＧａＡｓ基板１０２に、ｐ型ＧａＡ
ｓ層１０１Ａと、ｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ａｓ層１０１Ｂ
とをそれぞれエピタキシャル成長させて形成する。この
際、ｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ａｓ層１０１Ｂの厚さは、１
μｍ以上で形成され、好ましくは５μｍ以下である。更
に、ｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ａｓ層１０１Ｂ中のキャリア
濃度は、好ましくは５×１０17〜２×１０19ｃｍ-3であ
り、さらに好ましくは、１×１０18〜１×１０19ｃｍ-3
である。なお、上述の工程により、発光部１００Ａの第
２導電型半導体層１０１Ｂ１が形成される。
【００７８】その後、ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層とｎ
型Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層とを交互に積層して波長８００
ｎｍ付近の光に対し９９．５％以上の反射率を持つ４０
ペアのＤＢＲミラー１０３を下部ミラーとして形成す
る。さらに、ｎ型Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ層（第１クラッド
層）１０４を形成した後、ｎ-型ＧａＡｓウエル層とｎ-
型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓバリア層とを交互に積層した量子
井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１０５を形成する。その
後、ｐ型Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ層（第２クラッド層）１０
６、およびｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層（コンタクト
層）１０９を順次積層する（図３（Ａ）参照）。
【００７９】上記の各層１０１Ａ、１０１Ｂ、１０３〜
１０６及び１０９は、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：
Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ
Ｅｐｉｔａｘｙ）法でエピタキシャル成長させた。こ
の時、例えば、成長温度は７５０℃、成長圧力は１５０
Ｔｏｒｒで、ＩＩＩ族原料にＴＭＧａ（トリメチル亜
鉛），ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）の有機金属
を用い、Ｖ族原料にＡｓＨ3 ，ｎ型ドーパントにＨ2Ｓ
ｅ ，ｐ型ドーパントにＤＥＺｎ（ジエチルジンク）を
用いた。
【００８０】各層の形成後、エピタキシャル層上に常圧
熱ＣＶＤ法を用いて、２５０オングストローム程度のＳ
ｉＯ2 層からなる保護層Ｉ１を形成する。この保護層Ｉ
１が積層された半導体層を覆うことにより、プロセス中
の表面汚染を防いでいる。
【００８１】次に、反応性イオンビームエッチング（Ｒ
ＩＢＥ）法により、レジストパターンＲ１で覆われた柱
状の部分１１４及び光検出部１００Ｂの領域を残し、柱
状部分１１４の周囲に溝１１０を形成しながら、第２ク
ラッド層１０６の途中までエッチングする。このエッチ
ングプロセスの実施により、柱状部分１１４は、その上
のレジストパターンＲ１の輪郭形状と同じ断面を持つ
（図３（Ｂ）参照）。また、ＲＩＢＥ法を用いるため、
前記柱状部分１１４の側面はほぼ垂直であり、またエピ
タキシャル層へのダメージもほとんどない。ＲＩＢＥの
条件としては、例えば、圧力６０ｍＰａ，入力マイクロ
波のパワー１５０Ｗ，引出し電圧３５０Ｖとし、エッチ
ングガスには塩素およびアルゴンの混合ガスを使用し
た。
【００８２】この後、レジストパターンＲ１を取り除
き、常圧熱ＣＶＤ法で、表面に１０００オングストロー
ム程度のＳｉＯ2 層（第１絶縁膜）１０７を形成する。
この際のプロセス条件としては、例えば、基板温度４５
０℃、原料としてＳｉＨ4 （モノシラン）と酸素を使用
し、キャリアガスには窒素を用いた。さらにこの上にス
ピンコート法を用いてＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｒａ
ｓｓ）膜１０８Ｌを塗布し、その後例えば、８０℃で１
分間、１５０℃で２分間、さらに３００℃で３０分間、
窒素中でベーキングする（図３（Ｃ）参照）。
【００８３】次にＳＯＧ膜１０８ＬとＳｉＯ2 膜１０
７をエッチングバックして、露出したコンタクト層１０
９の表面と面一になるように平坦化させた（図４（Ａ）
参照）。エッチングには平行平板電極を用いた反応性イ
オンエッチング（ＲＩＥ）法を採用し、反応ガスとし
て、ＳＦ6 ，ＣＨＦ3 およびＡｒを組み合わせて使用し
た。
【００８４】次に、発光部１００Ａを柱状に残して、そ
の周囲を、下部ミラー１０３とその下層のｎ型Ｇａ0.85
Ａｌ0.15Ａｓ層１０１Ｂの境界までエッチングする。換
言すれば、発光部１００Ａの周囲にて、ｎ型Ｇａ0.85Ａ
ｌ0.15Ａｓ層１０１Ｂの表面を露出させるためのエッチ
ングを行う。
【００８５】このエッチングのために、保護膜Ｉ２（例
えばＳｉＯ2）を形成し、エッチングされるべきでない
発光部１００Ａと対向する領域に、レジストパターンＲ
２を形成している（図４（Ｂ）参照）。
【００８６】次に、図４（Ｃ）に示すように、光検出部
１００Ｂと対向する領域についてのみ、ｎ型Ｇａ0.85Ａ
ｌ0.15Ａｓ層１０１Ｂを光検出部１００Ｂの光検出に最
適な厚さまでエッチングする。このために、発光部１０
０Ａと対向する領域にはレジストパターンＲ２が形成さ
れている。さらに、後に電極パターン形成面１１５ａを
形成する領域を覆ってレジストパターンＲ３が形成され
ている。このエッチングにより、光検出部１００Ａにて
フォトダイオードを構成する一要素であるｎ型Ｇａ0.85
Ａｌ0.15Ａｓ層１０１Ｂ２を、１μｍ未満、好ましくは
０．８μｍ以下、さらに好ましくは０．５μｍ以下で
０．１μｍ以上の膜厚に形成することができる。
【００８７】次に、図５（Ａ）に示すように、ｐ型Ｇａ
Ａｓ層１０１Ａと、ｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ａｓ層１０１
Ｂ１，１０１Ｂ２とにそれぞれ、エッチングにより段差
面を形成し、各層を露出させて電極パターン形成面１１
５ａ，１１５ｂ，１１５ｃを形成している。電極パター
ン形成面１１５ａはｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ａｓ層１０１
Ｂ１に形成され、下部電極層であるｎ型Ｇａ0.85Ａｌ
0.15Ａｓ層１０１Ｂ１にコンタクトするための電極パタ
ーンが後に形成される。電極パターン形成面１１５ｂ
は、光検出部１００Ｂのｐ型ＧａＡｓ層１０１Ａ上に形
成される。さらに、電極パターン面１１５ｃは、発光部
１００Ａ側のｐ型ＧａＡｓ層１０１Ａ上に形成される。
【００８８】さらに、発光部１００Ａ及び光検出部１０
０Ｂの第１導電型半導体層１０１Ａ同士と、発光部１０
０Ａ及び光検出部１００Ｂの第２導電型半導体層１０１
Ｂ１，１０１Ｂ２同士とを電気的に絶縁させるために、
両者の境界部分における各層１０１Ａ，１０１Ｂを例え
ばエッチングにより除去して、分離溝１１６を形成して
いる。この分離溝１１６の形成にあたり、ドライエッチ
ングを用いることが好ましいが、この分離溝１１６にお
ける界面は発光及び受光に影響がないため、ウェットエ
ッチング、あるいはダイシングソーにより形成すること
もできる。また、分離溝１１６による絶縁に代えて、上
記境界部分に例えばイオン注入により不純物例えばプロ
トン又は酸素イオンなどを導入して絶縁しても良い。
【００８９】次に、コンタクト層１０９とリング状に接
触する上側電極１１２を公知のリフトオフ法により形成
した（図５（Ｂ）参照）。コンタクト層１０９は上側電
極１１２の円形開口１１３を介して露出しており、この
露出面を充分に覆うように誘電体多層膜ミラー（上部ミ
ラー）１１１を公知のリフトオフ方法もしくはエッチン
グ方法により形成する（図５（Ｂ）参照）。上部ミラー
１１１は、電子ビーム蒸着法を用いて、ＳｉＯ2 層とＴ
ａ2Ｏ5層を交互に例えば７ペア積層して形成され、波長
８００ｎｍ付近の光に対して９８．５〜９９．５％の反
射率を持つ。この時の蒸着スピードは、例えばＳｉＯ2
が５オングストローム／分、Ｔａ2Ｏ5層が２オングスト
ローム／分とした。
【００９０】以上の工程により、図１に示す光検出部付
きの面発光型半導体レーザが完成する。
【００９１】図７は、図３（Ａ）のＭＯＶＰＥ法の実施
に際して、結晶成長中にエピタキシャル層の反射率を常
時測定することが可能な成膜装置の一例を示したもので
ある。この成膜装置は、横型水冷反応管を用いたＭＯＶ
ＰＥ装置において、成長基板上部の水冷管部分を無く
し、反応管外部から成長基板上に光を入れることが可能
な無反射窓をもつ構造を特徴としている。
【００９２】つまり、このＭＯＶＰＥ装置は、原料ガス
が供給されるガス供給部２１０ａおよびガス排出部２１
０ｂを有する反応管２１０の周囲に、内部に水を通すこ
とによって反応管を冷却する冷却部２１２が設けられて
いる。反応管２１０の内部には基板Ｓを載置するための
サセプタ２１４が設けられ、このサセプタ２１４の基板
載置面に面する部分の反応管２１０壁面に監視窓２１６
が設けられている。監視窓２１６の上方には光源２１８
および光検出器２２０が設置され、光源２１８から出射
された光は監視窓２１６を介してサセプタ２１４上の基
板Ｓに到達し、その反射光は再び監視窓２１６を介して
光検出器２２０に到達するように構成されている。
【００９３】そして、光源２１８からの光は基板Ｓ上に
ほぼ垂直（最大５°）に入射するように設定され、その
反射光を光検出器２２０によって測定することにより、
基板Ｓ上にエピタキシャル成長を行いながら、同時に生
成するエピタキシャル層の反射率の変化を測定すること
ができる。
【００９４】図８は、本実施例の面発光型半導体レーザ
装置を構成する第２導電型半導体層１０１Ｂ及びＤＢＲ
ミラー１０３を図７に示す成膜装置を用いてＭＯＶＰＥ
成長させる工程において、エピタキシャル層の反射率の
経時的変化を示したものである。横軸がエピタキシャル
層の成長時間を示し、縦軸が反射率を示している。同様
に、図９は図８中の第２導電型半導体層１０１Ｂの成膜
工程における膜厚と反射率との関係を示している。
【００９５】図９に示すように、第２導電型半導体層１
０１Ｂは、モニタする波長をλとし、第２導電型半導体
層１０１Ｂの屈折率をｎとしたとき、λ／２ｎの膜厚エ
ッチング毎に同じ反射率に戻ることから、反射率の極大
値（ほぼ３２％）と極小値（ほぼ３０％）との間を周期
的にくり返しながら、反射率が変化している。この反射
率プロファイルは、結晶の成長速度や成長時間に依存せ
ず、第２導電型半導体層１０１Ｂの膜厚のみに依存して
いる。従って、この反射率プロファイルをモニタするこ
とで、第２導電型半導体層１０１Ｂの膜厚を厳密にコン
トロールすることができる。
【００９６】なお、上述の通り第１，第２導電型半導体
層１０１Ａ，１０１Ｂをそれぞれｐ型、ｎ型ＧａＡｓで
形成した場合には、反射率の極大値（ほぼ３２％）と極
小値（ほぼ３１％）との間を周期的にくり返し、極大値
と極小値との差がより小さくなることが判明した。従っ
て、上述のモニタ法を採用する場合には、両層間で材質
又は組成を変えて、反射率の相違をより大きくすること
が好ましい。
【００９７】一方、下部ミラー１０３の成膜に関して
は、図８に示すとおり、第２導電型半導体層１０１Ｂ上
に初め低屈折率ｎ1のＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓを積層すると
膜厚が増加するにつれ反射率が減少する。膜厚が（λ／
４ｎ1）になると変曲点を向かえるので、この変曲点
をモニタして、高屈折率ｎ2のＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓの
推積に切り替える。そして、Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層の
膜厚が増加すると反射率は増加していくが、膜厚が（λ
／４ｎ2）になると変曲点に到達するので、再び低屈
折率ｎ1のＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓの推積に切り替える。こ
の操作を繰り返すことにより、ＤＢＲミラーは、その反
射率が低反射率および高反射率をくり返しながら変動
し、反射率が増加していく。
【００９８】この反射率プロファイルは、結晶の成長速
度や成長時間に依存せず、各層の膜厚のみに依存してい
る。従って、反射率プロファイルの変曲点（１次微分値
０）で積層する層のＡｌ組成を変更し、屈折率の違う層
を交互にエピタキシャル成長させることにより、各層が
理論通りの厚さ（λ／４ｎ）を持ったＤＢＲミラー１０
３が得られる。
【００９９】さらに、ＤＢＲミラー１０３自体の反射率
を結晶成長中に測定できることから、層形成中にＤＢＲ
ミラー１０３のペア数を変更したり、構造の最適化がは
かれる。
【０１００】また、変曲点から測定した各層の成長速度
を元にしてＤＢＲミラー１０３より上部の各層の膜厚も
制御できることから、従来の成長時間を管理する成膜方
法に比べ、再現性がよく、かつスループットが高い方法
で、結晶成長基板を作製できる。実際に、本実施例の成
長方法により、面発光型レーザ素子に必要な９９．５％
以上の反射率を持つＤＢＲミラーが制御性よく得られ
た。
【０１０１】なお、上記の膜厚制御方法は、ＭＯＶＰＥ
法だけでなく、他の成膜プロセス、例えばＭＢＥ法など
にも使用できる。
【０１０２】次に、図４（Ｂ），（Ｃ）にＲＩＢＥ法を
採用する際に、上述した反射率をモニタする手段を使用
した実施例について述べる。
【０１０３】ここで、このエッチングの際に、光検出部
１００Ｂの第２導電型半導体層であるｎ型Ｇａ0.85Ａｌ
0.15Ａｓ層１０１Ｂ２の膜厚を正確に得るために、図１
０に示すエッチング装置を用いている。
【０１０４】図１０は、エッチングしながらエピタキシ
ャル層の反射率を測定できるＲＩＢＥ装置の概略図であ
る。
【０１０５】このＲＩＢＥ装置は、エッチング室２３０
に、プラズマ室２４０および排気手段を構成する真空ポ
ンプ２３２が接続されている。エッチング室２３０は、
前記プラズマ室２４０に対向する位置に基板Ｓを載置す
るためのホルダ２３４を有する。このホルダ２３４は、
ロードロック室２５０を介して進退自由に設けられてい
る。エッチング室２３０のプラズマ室２４０側の側壁に
は、監視窓２３６および２３８が対向する位置に設けら
れている。そして、エッチング室２３０内には、前記監
視窓２３６および２３８を結ぶライン上に一対の反射ミ
ラーＭ１およびＭ２が設けられている。一方の監視窓２
３６の外方には光源２２６が設置され、他方の監視窓２
３８の外方には光検出器２２８が設置されている。ま
た、プラズマ室２４０は、マイクロ波導入部２４４およ
び反応ガスをプラズマ室２４０に供給するためのガス供
給部２４６および２４８が連結されている。そして、プ
ラズマ室２４０の周囲にはマグネット２４２が設けられ
ている。
【０１０６】このＲＩＢＥ装置においては、通常の方法
によって基板Ｓ上に形成された結晶層をエッチングする
とともに、光源２２６から照射される光を監視窓２３６
および反射ミラーＭ１を介して基板Ｓ上に照射し、その
反射光を反射ミラーＭ１および監視窓２３８を介して光
検出器２２８によって測定することにより、基板Ｓ上の
結晶層の反射率をモニタすることができる。
【０１０７】図１１は、ｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ａｓ層１
０１Ｂ及びＤＢＲミラー１０３を、図１０に示すエッチ
ング装置を用いてエッチングした際の、各層の反射率の
経時的変化を示したものである。この図１１は、エピタ
キシャル成長過程を示す図８の時間軸を逆にしたものと
同一である。従って、反射率プロファイルをモニタする
ことで、図４（Ｂ）に示すように、第２導電型半導体層
１０１Ｂの表面を露出させる際のエッチングエンドポイ
ントを厳密にコントロールすることができる。さらにそ
の後行われる図４（Ｃ）の第２導電型半導体層１０１Ｂ
を所定の膜厚までエッチングするための膜厚管理をも、
厳密にコントロールすることができる。
【０１０８】しかも、本実施例においては、図３（Ａ）
に示す各層のエピタキシャル成長を行う際に、その成膜
時の反射率プロファイルを予めモニタすることができる
ため、この成膜時の反射率プロファイルを利用して、Ｄ
ＢＲミラー１０３及び第２導電型半導体層１０１Ｂのエ
ッチングを厳密にコントロールすることが可能となる。
また、この反射率プロファイルに基づくエッチングは、
ＤＢＲミラー１０３の上部の各層のエッチングにも適用
できる。
【０１０９】（位置検出センサへの応用）図１２は、上
記実施例にかかる光検出部付きの半導体レーザ装置１０
０を、位置検出センサに適用した実施例を示している。
このセンサによれば、位置を検出すべき検出対象３００
には例えば凹部３０２が形成されている。発光部１００
Ａから出射されたレーザは、この凹部３０２とそれ以外
の領域とで反射され、発光部１００Ａの周囲に設けられ
た例えば２つの光検出部１００Ｂにて、その反射光が検
出される。ところで、発光部１００Ａと光検出部１００
Ｂとは、同一基板１０２上に、パターニング精度で正確
に配置されている。従って、この２つの光検出部１００
Ｂにて検出された反射光の受光量の割合をモニタするこ
とで、被測定対象３００の位置を検出することができ
る。光検出部１００Ｂが一つの場合には、その一つの光
検出部１００Ｂにて検出される受光量により、被測定対
象３００の位置を検出することができる。
【０１１０】（圧力センサへの応用）図１３は、本実施
例にかかる検出部付きの半導体レーザ装置１００を、圧
力センサに適用した実施例を示している。このレーザ装
置１００は、基台４００上に配置され、作用する圧力に
よって変位する変位部材例えば金属薄膜４０２が、弾性
体例えばゴム４０４を介して基台４００上に配置されて
いる。この圧力センサでは、図１２に示す位置検出セン
サの場合と同様に、例えば中央の発光部１００Ａより出
射されたレーザが、金属薄膜４０２の裏面にて反射さ
れ、その反射光が複数の光検出部１００Ｂにて検出され
る。そして、この複数の光検出部１００Ｂにて検出され
る受光量の割合をモニタすることで、金属薄膜４０２に
作用する圧力の大きさを検出することができる。
【０１１１】（モニタ用としての光検出部の使用）光検
出部１００Ｂは、発光部１００Ａより出射されるレーザ
光の強度をモニタするために用いることもできる。一般
に、この種の半導体レーザはキャップ封止される。この
場合、キャップに形成された光取り出し用のガラス窓
は、例えば１％程度の光を光検出部１００Ｂに向けて反
射させるように加工することができる。そして、発光部
１００Ａより出射されたレーザ光はキャップのガラス窓
で反射され、その反射した微弱な光を光検出部１００Ｂ
にて検出することができる。この際、検出された反射光
の強度が低下したら、半導体レーザの出力低下と判断
し、ＡＰＣ（オートパワーコントロール）回路により半
導体レーザに多く電流を流すことで、光出力の自動制御
が可能となる。
【０１１２】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が
可能である。本発明の光検出部付きの半導体レーザ装置
は、上述の位置検出センサ、圧力センサ等に適用される
ものに限らず、高電送速度光ファイバリンク、高速光カ
プラ、光ドライブ、光空間電送、光ピックアップなどに
も適用することが可能である。これらの用途に応じて、
分離溝１１６などで発光部１００Ａと光検出部１００Ｂ
とを電気的に絶縁するか否かを決定すればよい。
【０１１３】また、本発明方法は図３から図５に示す手
順又は順序で行うものに限らず、他の種々の変形実施が
可能である。例えば、図３（Ｂ）の柱状部分１１４を形
成するためのエッチング時に、同時に光検出部１００Ｂ
側のエピタキシャル層をエッチングしても良い。その
後、光検出部１００Ｂ側の残りのＤＢＲミラー１０３及
び第２導電型半導体層１０１Ｂを含むエピタキシャル層
を、所定の第２導電型半導体層１０１Ｂ２の膜厚が得ら
れるまで連続してエッチングすることもできる。さら
に、例えば図５（Ｂ）の上部電極１１２、誘電体多層膜
ミラー１１１の形成工程を、図４（Ａ）の工程の前で行
うなど、工程順序を入れ替えることもできる。
【０１１４】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る光検出部を備えた面発
光型半導体レーザの断面を模式的に示す断面図である。
【図２】図１に示す装置の概略斜視図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ図１に示す装置の
製造プロセスを説明するための概略断面図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ図３のプロセスに
引き続き行われる製造プロセスを示す概略断面図であ
る。
【図５】（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ図４に示すプロセ
スに引き続き行われる製造プロセスを示す概略断面であ
る。
【図６】図１に装置中の光検出部における第２導電型層
の膜厚と光電流との関係を示す特性図である。
【図７】図１に示す装置のエピタキシャル層の成膜装置
の一例であるＭＯＶＰＥ装置を示す概略断面図である。
【図８】図７の装置を用いて、第２導電型層及び下部ミ
ラーを成膜する工程にて、各層の反射率の経時的変化を
示す特性図である。
【図９】図８中の第２導電型層の膜厚と反射率との関係
を示す特性図である。
【図１０】エッチングしながらエピタキシャル層の反射
率を測定できるＲＩＢＥ装置の概略図である。
【図１１】図１０の装置を用いて下部ミラー及び第２導
電型層をエッチングする際の、各層の反射率の経時的変
化を示す特性図である。
【図１２】図１に示す装置を用いた位置検出センサでの
検出原理を示す概略図である。
【図１３】図１に示す装置を用いた圧力センサでの検出
原理を示す概略図である。
【符号の説明】
１００Ａ 発光部（面発光型半導体レーザ） １００Ｂ 光検出部（フォトダイオード） １０１Ａ 第１導電型半導体層 １０１Ｂ、１０１Ｂ１、１０１Ｂ２ 第２導電型半導体
層 １０２ 高抵抗半導体基板 １０３ 下部ミラー １０４ 第１クラッド層 １０５ 活性層 １０６ 第２クラッド層 １０７ 第１絶縁層 １０８ 第２絶縁層 １０９ コンタクト層 １１１ 上部ミラー １１２ 上部電極 １１３ 開口部 １１４ 柱状部分 １１６ 分離溝 １２０ 光共振器

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高抵抗の半導体基板上の少なくとも２つ
    の領域にそれぞれ、第１導電型半導体層と、第２導電型
    半導体層とが積層して形成され、 一方の領域には、第２導電型半導体層上に、前記半導体
    基板と垂直な方向に光を出射する光共振器が形成され、 他方の領域では、前記第１，第２導電型半導体層にてフ
    ォトダイオードが構成され、 前記一方の領域の前記第２導電型半導体層が１μｍ以上
    の厚さで形成されて、前記光共振器への電流注入用の下
    部電極として用いられ、 前記他方の領域にて前記フォトダイオードを構成する前
    記第２導電型半導体層が、１μｍ未満の厚さに形成され
    ていることを特徴とする光検出部を有する面発光型半導
    体レーザ。
  2. 【請求項２】 請求項１において、 前記一方の領域での前記第２導電型半導体層の厚さが５
    μｍ以下であることを特徴とする光検出部を備えた面発
    光型半導体レーザ。
  3. 【請求項３】 請求項２において、 前記第２導電型半導体層のキャリア濃度は、５×１０17
    〜２×１０19ｃｍ-3であることを特徴とする光検出部を
    備えた面発光型半導体レーザ。
  4. 【請求項４】 請求項１において、 前記一方の領域での前記第２導電型半導体層の厚さが、
    ２〜３μｍであることを特徴とする光検出部を備えた面
    発光型半導体レーザ。
  5. 【請求項５】 請求項４において、 前記第２導電型半導体層のキャリア濃度は、１×１０18
    〜１×１０19ｃｍ-3であることを特徴とする光検出部を
    備えた面発光型半導体レーザ。
  6. 【請求項６】 請求項１乃至５のいずれかにおいて、 前記他方の領域での前記第２導電型半導体層の厚さが
    ０．８μｍ以下であることを特徴とする光検出部を備え
    た面発光型半導体レーザ。
  7. 【請求項７】 請求項１乃至５のいずれかにおいて、 前記他方の領域での前記第２導電型半導体層の厚さが
    ０．５μｍ以下であることを特徴とする光検出部を備え
    た面発光型半導体レーザ。
  8. 【請求項８】 請求項１乃至７のいずれかにおいて、 前記光共振器は、 一対の反射ミラーと、 前記一対の反射ミラーの間に形成され、少なくとも活性
    層及びクラッド層を含む多層の半導体層と、 を有し、前記多層の半導体層の少なくとも前記クラッド
    層を含む上層側が柱状に形成された柱状部分とされ、前
    記柱状部分の周囲に絶縁層が埋め込み形成され、前記柱
    状部分の端面に臨んで開口を有する上部電極がさらに設
    けられ、前記一対のミラーのうちの光出射側ミラーが前
    記開口を覆って形成されていることを特徴とする光検出
    部を備えた面発光型半導体レーザ。
  9. 【請求項９】 請求項８において、 前記一対の反射ミラーのうち、前記第２導電型半導体層
    上に形成されたミラーは半導体多層膜ミラーであり、前
    記光出射側のミラーが誘電体多層膜ミラーであり、 前記一対のミラー間に形成される前記多層の半導体層
    は、 前記半導体多層膜ミラー上に形成された第１クラッド層
    と、 前記第１クラッド層上に形成された、量子井戸構造の活
    性層と、 前記活性層上に形成された第２クラッド層と、 前記第２クラッド層上に形成されたコンタクト層と、 を含み、前記第２クラッド層及び前記コンタクト層によ
    り前記柱状部分が構成されていることを特徴とする光検
    出部を備えた面発光型半導体レーザ。
  10. 【請求項１０】 請求項１乃至９のいずれかにおいて、 前記一方の領域の前記第１導電型半導体層と前記他方の
    領域の前記第１導電型半導体層との間と、前記一方の領
    域の前記第２導電型半導体層と前記他方の領域の前記第
    ２導電型半導体層との間とが、それぞれ電気的に絶縁さ
    れていることを特徴とする光検出部を備えた面発光型半
    導体レーザ。
  11. 【請求項１１】 高抵抗半導体基板上の第１の領域に面
    発光型半導体レーザを形成し、前記基板上の第２の領域
    にフォトダイオードを形成するにあたり、 （ａ）前記基板上の前記第１，第２の領域に共通して、
    第１導電型半導体層と、１μｍ以上の厚さの第２導電型
    半導体層と、一対の反射ミラー及びその間に形成される
    多層の半導体層にて形成される光共振器のうち光出射側
    の反射ミラーを除く各層と、を順次エピタキシャル成長
    させる工程と、 （ｂ）前記エピタキシャル成長層の前記第１の領域につ
    いて、少なくともクラッド層を含む前記多層の半導体層
    の上層側を柱状にエッチングして柱状部分を形成する工
    程と、 （ｃ）前記柱状部分の周囲に絶縁層を埋込形成する工程
    と、 （ｄ）前記柱状部分の端面に臨んで開口を有する上部電
    極を形成する工程と、 （ｅ）前記開口を覆って光出射側の反射ミラーを形成す
    る工程と、 （ｆ）前記エピタキシャル成長層の前記第２の領域を、
    前記第２導電型半導体層の途中までエッチングして、前
    記第２導電型半導体層の厚さを１μｍ未満に形成する工
    程と、 を有することを特徴とする光検出部を備えた面発光型半
    導体レーザの製造方法。
  12. 【請求項１２】 高抵抗半導体基板上の第１の領域に面
    発光型半導体レーザを形成し、前記基板上の第２の領域
    にフォトダイオードを形成するにあたり、 （ａ）前記基板上の前記第１，第２の領域に共通して、
    第１導電型半導体層と、１μｍ以上の厚さの第２導電型
    半導体層と、半導体多層膜ミラーと、第１クラッド層
    と、量子井戸構造の活性層と、第２クラッド層と、コン
    タクト層とを順次エピタキシャル成長させる工程と、 （ｂ）前記エピタキシャル成長層の前記第１の領域につ
    いて、前記第２クラッド層の途中まで柱状にエッチング
    して、前記第２クラッド層及びコンタクト層から成る柱
    状部分を形成する工程と、 （ｃ）前記柱状部分の周囲に絶縁層を埋込形成する工程
    と、 （ｄ）前記柱状部分の端面に臨んで開口を有する上部電
    極を形成する工程と、 （ｅ）前記開口を覆って誘電体多層膜ミラーを形成する
    工程と、 （ｆ）前記エピタキシャル成長層の前記第２の領域を、
    前記第２導電型半導体層の途中までエッチングして、前
    記第２導電型半導体層の厚さを１μｍ未満に形成する工
    程と、 を有することを特徴とする光検出部を備えた面発光型半
    導体レーザの製造方法。
  13. 【請求項１３】 請求項１１又は１２において、 前記工程（ａ）では、前記第２導電型半導体層のキャリ
    ア濃度を、５×１０17〜２×１０19ｃｍ-3とし、前記第
    ２導電型半導体層の厚さを５μｍ以下に形成することを
    特徴とする光検出部を備えた面発光型半導体レーザの製
    造方法。
  14. 【請求項１４】 請求項１１又は１２において、 前記工程（ａ）では、前記第２導電型半導体層のキャリ
    ア濃度を、１×１０18〜１×１０19ｃｍ-3とし、前記第
    ２導電型半導体層の厚さを、２〜３μｍに形成すること
    を特徴とする光検出部を備えた面発光型半導体レーザの
    製造方法。
  15. 【請求項１５】 請求項１１乃至１４のいずれかにおい
    て、 前記工程（ｆ）では、前記第２導電型半導体層の厚さを
    ０．８μｍ以下に形成することを特徴とする光検出部を
    備えた面発光型半導体レーザの製造方法。
  16. 【請求項１６】 請求項１１乃至１４のいずれかにおい
    て、 前記工程（ｆ）では、前記第２導電型半導体層の厚さを
    ０．５μｍ以下に形成することを特徴とする光検出部を
    備えた面発光型半導体レーザの製造方法。
  17. 【請求項１７】 請求項１１乃至１６のいずれかにおい
    て、 前記工程（ａ）では、少なくとも第２導電型半導体層及
    びその上層の前記ミラーのエピタキシャル成長時に、所
    定波長の光を前記第２導電型半導体層及びその上層の前
    記ミラーに照射して、その反射スペクトルを検出し、そ
    の反射率プロファィルを測定することにより、前記第２
    導電型半導体層及びその上層の前記ミラーの膜厚を制御
    することを特徴とする光検出部を備えた面発光型半導体
    レーザの製造方法。
  18. 【請求項１８】 請求項１１乃至１７のいずれかにおい
    て、 前記工程（ｆ）では、少なくとも第２導電型半導体層及
    びその上層の前記ミラーのエッチング時に、所定波長の
    光を前記第２導電型の半導体層及びその上層の前記ミラ
    ーに照射して、その反射スペクトルを検出し、その反射
    率プロファィルを測定することにより、前記第２導電型
    の半導体層及びその上層の前記ミラーのエッチング量を
    制御することを特徴とする光検出部を備えた面発光型半
    導体レーザの製造方法。
  19. 【請求項１９】 請求項１１乃至１８のいずれかにおい
    て、 前記一方の領域の前記第１導電型半導体層と前記他方の
    領域の前記第１導電型半導体層との間と、前記一方の領
    域の前記第２導電型半導体層と前記他方の領域の前記第
    ２導電型半導体層との間とを、それぞれ電気的に絶縁さ
    せる工程をさらに設けたことを特徴とする光検出部を備
    えた面発光型半導体レーザの製造方法。
  20. 【請求項２０】 請求項１０に記載の光検出部を備えた
    面発光型半導体レーザを有し、前記発光部から出射され
    たレーザ光を、位置が変化する被測定対象に照射し、そ
    の反射光を前記光検出部にて受光して、前記被測定対象
    の位置を検出することを特徴とするセンサ。
  21. 【請求項２１】 請求項１０に記載の光検出部を備えた
    面発光型半導体レーザを有し、前記発光部から出射され
    たレーザ光を、作用する圧力に応じて変位する部材に照
    射し、その反射光を前記光検出部にて受光して、前記変
    位部材に作用する圧力の大きさを検出することを特徴と
    するセンサ。
  22. 【請求項２２】 請求項２０又は２１において、 一つの前記発光部より出射されたレーザ光の前記反射光
    をそれぞれ受光する複数の前記光検出部を有し、 複数の前記光検出部にてそれぞれ検出された受光量の分
    布に基づいて検出を行うことを特徴とするセンサ。
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