CN1065046C - 成膜方法和半导体激光器制造方法 - Google Patents

成膜方法和半导体激光器制造方法 Download PDF

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Abstract

光学膜厚测量方法和成膜方法是在基片上淀积多层膜时，把监测光照射到基片上，根据其反射强度的极值来测量膜厚。淀积的多层膜包括第1膜和第2膜，第1膜在规定波长范围内具有98%以上的反射率；第2膜在上述第1膜上形成并且在上述规定波长范围内具有1000cm-1以下的吸收系数。再者，上述第1膜利用具有规定波长的第1监测光进行测量；上述第2膜利用波长与上述规定波长范围不同的第2监测光进行测量。

Description

成膜方法和 半导体激光器制造方法
本发明涉及薄膜形成方法以及半导体激光器的制造方法。
半导体激光器是利用外延晶体生长方法在基片上制作多层半导体薄膜而形成的。
过去的这种晶体生长方法，通常是在试样基片上形成规定的半导体膜层片，将试样基片从反应管内取出，例如从半导体膜层的断面上测量膜层厚度或者利用反射光谱来测量膜层厚度，根据上述半导体膜层厚度预先求出晶体生长速度，再根据该晶体生长速度和成膜时间来控制膜层厚度。但是，这种方法有以下几个问题。
第1个问题是，用这种方法必须使晶体生长速度始终保持一致，如果在各批产品之间晶体生长速度不一致，产生波动变化，那么就不能精确地控制膜层厚度。例如，分布发射型多层膜反射镜(DBR分布式布喇格反射器)，必须通过准确地控制各半导体层的光学膜厚来获得高反射率。过去的方法是根据晶体生长速度和生长时间来进行控制的，由于生长速度有波动变化，所以，难于准确地控制光学膜厚，其结果，很难制作出符合设计要求的反射波段波长。
再者，第二个问题是，决定光学膜厚的主要因素是折射率n的值，而半导体膜厚的折射率也随波长而变化，因此，也必须精密地测量在规定波长下的各层膜的折射率。并且，这种测量是非常困难的。
本发明的目的在于提供这样一种薄膜成形方法，即可在成膜工艺过程中正确地测量光学膜厚，尤其适用于包含高反射率半导体膜层的多层物体，例如包含反射镜的半导体激光器的半导体膜层。
本发明的另一目的在于提供可采用这种成膜方法的半导体激光器的制造方法。
本发明的成膜方法是：在基片上形成多层膜的成膜方法中，
形成的多层膜包括：
第1膜，它在预定的波长波段内具有98％以上的反射率和、
第2膜，它是在上述第1膜上形成的，而且在上述预定的波长波段内具有1000cm-1以下的吸收系数，
上述第1膜，把具有预定波长的第1监测光照射到基片上，一边根据光的反射强度的极值来监测光学膜厚，一边进行成膜；上述第2膜，把具有与上述预定波长波段不同的波长的第2监测光照射到基片上，一边根据光反射强度的极值来监测光学膜厚，一边进行成膜。
在这种成膜方法中，第1层膜具有预定的波长波段(以下称为“高反射波段”)，其高反射率应为98％以上，希望达到99％以上，最好达到99．5％以上，当在第1层膜上形成具有1000cm-1以下(最好是100cm-1以下)的吸收系数的第2层膜时，从与上述高反射波段不同的波长中选择出第2层膜的监测光波长。这样，使第2监测光的波长不同于第一膜的高反射波段的波长，从而可以不受第1膜的反射的影响，可以正确地测量吸收系数小(在上述数值范围内)的透明或接近透明的第2膜的光学膜厚，而且可以正确地控制光学膜厚。
再者，上述第2监测光，其波长最好短于上述高反射波段的波长。这样，可以根据反射强度的极值、即相邻的极大点和极小点的间隔来求出利用监测光可以测量的光学最小厚度。由于该最小光学膜厚相当于监视光的波长的1／4，所以，监测光的波长越短，可以测量的光学膜厚就越薄，从而可以更正确地进行测量。
并且，监测上述第1膜的第1监测光，最好采用上述高反射波段范围内的波长。这是因为，例如像第1膜为多层反射膜那样，折射率不同的2膜层分别按照相当于预定波长的光学膜厚交替地进行成膜时，利用上述规定波长的光作为检测光，可以更正确地而且直接地控制光学膜厚。
本发明的半导体激光器的制造方法，适合使用上述成膜方法，其中包括利用外延生长方法来形成半导体膜层的工序，具体来说是在由第1导电型化合物半导体构成的基片上形成半导体膜层，该膜层中至少包括：第1导电型的分布反射型多层膜镜、第1导电型的第1金属包层、活性层、第2导电型的第2金属包层和第2导电型的接触层。
上述分布反射型多层膜镜，在成膜时把预定波长的第1监测光照射到基片上，测量其反射强度，利用该反射强度的极值从折射率不同的一种半导体膜层的淀积切换到另一种半导体膜层的淀积，以此来交替地淀积形成低折射率半导体膜层和高折射率半导体膜层，而且，在规定的波长波段内具有98％以上的反射率。
上述第1包层，在成膜时把第2监测光照射到基片上，光的波长不同于上述分布反射型多层膜镜的上述预定波长波段，一边通过监测其反射强度的极值来控制光学膜厚，一边进行成膜。
上述分布反射型多层膜镜相当于上述成膜方法中的第1膜。并且，上述分布反射型多层膜镜，在成膜时把具有预定波长的第1监测光照射到基片上，检测出其反射强度，以此来测量在基片上形成的半导体膜层的反射强度的变化，利用该反射率的极值(极大点和极小点)，从折射率不同的一种半导体膜层的淀积切换到另一种半导体膜层的淀积，以此交替地淀积形成低折射率的半导体膜层和高折射率的半导体膜层。
在这种半导体激光器制造方法中，第1监测光最好采这样的波长，即等于在室温下的分布反射型多层膜镜的设计波长(高反射波段的中心波长)λo更严格来说，是波长λo’(以下称为“校正波长”)，这是在设计波长λo上增加了成膜时的温度校正。光学膜厚用折射率和膜厚的积来表示。但是，晶体膜的折射率具有材质固有的温度依赖性，膜厚具有随热膨胀系数而变化的温度依赖性，所以，在成膜过程中监测光学膜厚时，必须考虑成膜温度和材质，进行波长校正。并且，第1监测光可采用波长λo(相当于分布反射型多层膜镜的设计波长)，最好采用校正波长λo’，利用这监测光来进行监测，可以使反射强度的极大点和极小点的间隔与设计波长的1／4波数相一致，可以更正确地而且直接地控制分布反射型多层膜镜的各层光学膜厚。
上述反射率的变化不受晶体生长速度和生长时间的影响，仅随各层的光学膜厚而变化。所以，利用反射率的极值来调整变更淀积膜层的组成，交替地外延生长折射率不同的膜层，这样即可使各膜层厚度达到近似理论值。并且，选择具有规定振荡波长的半导体激光器作为测量反射强度所用的监测光的光源，即可严密地设定出规定波长。并且，可以在晶体生长过程中测量分布反射型多层膜镜本身的反射强度，因此，可以在膜层形成过程中变更镜的成对数，实现最佳结构。
上述分布反射型多层膜镜，在高反射波段内具有98％以上的反射率，希望达到99％以上，若能达到99．5％以上，则更好。
上述第1包层，一边利用第2监测光来测量光学膜厚，一边进行成膜，监测光的波长应不同于上述分布反射型多层膜镜中的高反射波段，最好小于该高反射波段。上述第1包层具有1000cm-1以下的吸收系数，希望达到100cm-1以下，最好达到10～100cm-1。第1包层具有势垒的功能，用于阻挡载波子(电子和空穴)注入活性层，同时构成激光谐振器的光波导的一部分。所以，第1包层的光吸收即光损耗的存在会造成阈值电流上升、激光输出效率下降或器件内发热等特性恶化，因此希望尽量减小第1包层的吸收系数。
在本发明的半导体激光器制造方法中，把第1包层的监测光的波长设定为与分布反射型多层膜镜高反射波段不同的波长，其理由如下。也就是说，上述分布反射型多层膜镜，在设计振荡波长内，通常在设计振荡波长±30μm范围内具有接近于100％的反射率，而且，上述第1包层采用对设计振荡波垂及其附近的波长来说光吸收较小的材料，所以，在形成第1包层时，利用与第1监测光相同波长的监测光，这样，分布反射型多层膜镜的反射强度能充分反映，对应于第1包层光学膜厚的反射强度，变化非常小，很难判断反射率的极大点和极小点。因此，在本发明中，利用波长与分布反射型多层膜镜的高反射波段不同的第2监测光作为第1包层的监测光，这样，可以明确地判断出反射强度的极值，其结果，可以正确地监测第1包层的光学膜厚。
再者，上述第2监测光最好利用波长比上述高反射波段短的光。利用这种光，如上所述，可以减小能够控制的最小光学膜厚，可以进行更精密的测量。
另外，在本发明的半导体激光器制造方法中，继上述第1包层监测之后再进行上述活性层、第2包层和接触层的形成时，最好利用上述第1监测光一边监测光学膜厚，一边进行成膜。
利用本发明的制造方法而形成的半导体激光器，其各膜层，特别是分布反射型多层膜镜和第1包层的光学膜厚可以严格控制，可以提供阈值电流、外部微分量子效率等特性良好的半导体激光器。
本发明半导体激光器制造方法可以适用于包含分布反射型多层膜镜和第1包层的半导体激光器的制作，不仅限于列举的埋入法，电流狭窄法、活性层结构、上部反射膜结构等，还可以得到各种形式。
另外，本发明的光学膜厚测量方法和成膜方法不仅适用于半导体激光器的制造方法，而且也可以适用于光电二极管、光电晶体管和光阀等器件的制造方法。
附图的简单说明
图1是用模型方式来表示采用本发明的制造方法的面发光型半导体激光器的断面的斜视图。
图2表示图1所示的面发光型半导体激光器的包层残留膜厚t与外部微分量子效率(倾斜效率)值的关系图。
图3A～图3C是利用模型方式来表示图1所示的面发光型半导体激光器的制造工艺的断面图。
图4D～图4F是利用模型方式来表示继图3所示工艺之后进行的图1所示面发光型半导体激光器制造工艺的断面图。
图5是利用模型来表示在形成图1所示面发光型半导体激光器的半导体层时所用的MOVPE(有机金属汽相外延)装置的图。
图6A～图6C是表示图5所示MOVPE装置的光源结构例的图。
图7A和7B是表示图5所示MOVPE装置的受光***结构例的图。
图8是表示图1所示面发光型半导体激光器的DBR(分布式布喇格反射器)镜的反射率和波长的关系的图。
图9是表示利用第1监测光制成的DBR镜、第1包包层和活性层的成膜工序中的成膜时间与反射率的关系的图。
图10是表示利用第2监测光制成的第1包层和活性层的成膜工序中的成膜时间与反射率的关系的图。
图11是利用模型来表示图9所示DBR镜的成膜工序的前段中的成膜时间与反射率的关系的图。
图12是表示利用第2监测光的第1包层的成膜时间与反射率的关系的图。
图13是利用模型方式来表示在图1所示的面发光型半导体激光器制造工艺中所用的RIBE(反应离子束腐蚀)装置的图。
图14A～图14C是表示RIBE工艺中的反射光谱变化的图。
图15是利用模型方式来表示图1所示面发光半导体激光器腐蚀工艺中所用的RIBE装置的图。
图16是表示利用图15所示装置来进行RIBE时的SiO2的光学膜厚和反射率的关系的图。
发明的适当实施例的说明
图1是利用模型方式来表示采用本发明的光学膜厚测量方法和成膜方法而形成的面发光型半导体激光器一例的断面的斜视图。
(半导体激光器的结构)
图1所示的半导体激光器100，其结构是：在n型GaAs基片102上交替地淀积n型Al0．8Ga0．2As层和n型Al0．15Ga0．85As层，依次形成：对波长800nm(毫微米)左右的光具有99．5％以上的反射率的分布反射型多层膜镜(以下称为“DBR镜”)103、由n型Al0．7Ga0．3As层构成的第1包层104、由n-型GaAs阱层和n-型Al0．3Ga0．7As势垒层构成的量子阱活性层105、由P型Al0．7Ga0．3As层构成的第2包层106和由P+型Al0．15Ga0．85As层构成的接触层109。
并且，从半导体的叠层体的上面来看，例如像形成圆形的柱状部114(以下将该部分称为“谐振器部”)那样，腐蚀到第2包层106的中途。在柱状部114的周围，填埋第1绝缘层107和第2绝缘层108，第1绝缘层107是由例如用热CVD(化学汽相淀积)法形成的SiO2等氧化硅膜(SiOx膜)构成的；第2绝缘层108是由例如聚酰亚胺等耐热性树脂构成的。第1绝缘层107是沿着第2包层106和接触层109的表面连续形成的；第2绝缘层108是以填埋第1绝缘层107的周围空隙的状态而形成的。
再者，例如由Cr和Au～Zn合金构成的接触金属层(上侧电极)112，与接触层109呈圆环状接触，形成为电流注入用的电极。该接触层109未被上侧电极112覆盖的部分呈圆形露出。而且，在其上面交替地淀积SiO2等SiOx层和Ta2O5层，淀积面积要保证充分覆盖上述接触层109的露出面(以下将该部分称为“开口部113”)，形成对波长800nm左右的光具有98．5～99．5％的反射率的电介质多层膜镜111。
另外，在n型GaAs基片102的下面，例如形成由Ni和Au～Ge合金形成的电极用金属层(下侧电极)101。
并且，在上侧电极112和下侧电极101之间加上正向电压(在本实施例的情况下，从上侧电极112向下侧电极101的方向加电压)，进行电流注入。被注入的电流在量子阱活性层105中变换成光，该光在由DBR镜103和电介质多层膜镜111构成的反射镜之间往复运动而被放大，激光从开口部113(接触层109的露出面)放射到箭头110所示的方向，即垂直于基片102的方向上。
本实施例的半导体激光器最好具有以下结构特征：
(A)DBR镜的结构
DBR镜103对设计振荡波长必须具有足够高的反射率。对构成DBR镜的半导体层(Al0．8Ga0．2As／Al0．15Ga0．85As)的光学膜厚进行正确的控制，可以获得DBR镜的反射率峰值，增多DBR镜的对数，可以提高反射率的峰值。但是，通常在晶片面内晶体层的光学膜厚并不是完全均匀一致的，所以，DBR镜的反射率光谱在晶片面内具有一定的分布范围。因此，DBR镜的反射率在相对于设计振荡波长±30nm的变化范围内，为98％以上，较好的为99％以上，更好的为99．5％以上。若不能满足这种反射率的条件，则在晶片面内可能出现不能进行激光振荡的区域。在本实施例中，淀积25～50对、最好是40对的半导体层作为DBR镜，即使在晶体面内出现±2．5％的光学膜厚分布误差，也能按照设计振荡波长进行激光振荡。
(B)包层的结构
第1包层104和第2包层106，其光学膜厚必须严格控制。也就是说，在激光振荡时，必须使谐振器内产生的驻波的电场强度分布的极大处与活性层位置相一致。通过使二者相一致，作为激光振荡源的活性层内的载流子就可以高效率地受激发射和复合。该活性层内的载流子的受激发射和复合的效率，与活性层内的驻波的电场强度的积分成正比。该驻波的电场强度在层叠方向(厚度方面)上的分布变化很大，可用sin的二次方的曲线来表示。因此，当活性层很薄时，例如活性层的光学膜厚小于振荡波长的1个波长时，即使活性层的位置稍有一点变化，也会严重影响振荡阈值和效率等。所以，为了精密控制活性层的位置，对包层、特别是第1包层的光学膜进行控制是非常重要的。
(C)量子阱活性层的结构
量子阱活性层105由n-型GaAs阱层和n-型Al0．3Ga0．7As垫垒层构成。在本实施例的情况下采用多重量子阱结构(MQW)的活性层。阱层的光学膜厚为4～12nm，最好为4．5nm；势垒层的光学膜厚为4～10nm，最好为4nm，阱层的总数为1～40层，最好为21层。这样，可以降低面发光型半导体激光器的阈值，提高输出功率，提高温度特性，提高振荡波长的重复性。
(D)埋入绝缘层的结构
埋入绝缘层如上所述，由第1绝缘层107和第2绝缘层108构成，第1绝缘层107是利用热CVD方法形成的很薄的致密的硅氧化膜；第2绝缘层108填埋在第1绝缘层107的上面，目的在于使器件表面平坦。在这种结构中，形成很薄的第1绝缘层107，其目的在于阻止杂质因受热等而扩散到第2包层106和量子阱活性层105中，因为在第1绝缘层之后形成的第2绝缘层108中容易含有杂质(例如钠、氯、重金属和水等)。所以，只要第1绝缘层107具有能阻止杂质的膜质和膜厚(例如50～200nm)即可。在本实施例中，第1绝缘层107，由于是利用500～600℃的高温热CVD方式形成的，所以，考虑到热量对器件的不良影响，未采用第1绝缘层107作得很厚的单层结构，而采用了双层结构，即第1层是很薄的绝缘层107，第2层是膜层虽然不致密，但可在较低温度下形成的第2绝缘层108。
第2绝缘层108，除了可采用上述聚酰亚胺等耐热性树脂外，也可采用借助等离子体CVD、TEOS等有机原料CVD等方法可在较低温度下(400℃以下)形成的材料，例如，SiO2等硅氧化物(SiOx膜)、Si3N4等硅氮化物(SiNx)、SiC等硅碳化物(SiCx)、SOG(自旋玻璃法形成的SiO2等SiOx)等绝缘性硅化合物、或者多晶的Ⅱ～Ⅵ族化合物半导体(例如ZnSe)等。在这些绝缘物中，最好采用可以在低温下形成的SiO2等硅氧化物、聚酰亚胺或SOG，另外，从形成方法简单和容易制作平坦表面考虑，最好采用SOG。
构成第1绝缘层的硅氧化膜(SiOx膜)的形成方法有CVD法，反应性蒸发淀积法等数种方法。但最佳的成膜方法是利用SiH4(甲硅烷)气体和O2(氧)气，以N2(氮)气为载流气体的常压热CVD法。其理由是，由于在大气压下进行反应，并且在O2过剩的条件下进行成膜，所以，SiOx膜中的缺氧现象很少，膜层致密，分段涂敷性良好，谐振器部114的侧面积台阶部也可获得与平坦部基本相同的光学膜厚。
并且，在本实施例中，形成了埋入绝缘层未抵达量子阱活性层105的状态，即在谐振器部114以外的区域内，在第1绝缘层107和量子阱活性层105之间，仅按规定的厚度(t)留下第2包层106。这个留下的膜厚(残留膜厚)t可以设定为0～0．58μm，最好设定为0～0．35μm。这样，在面发光型半导体激光器内，可以消除埋入绝缘层部分的界面复合电流，可以提高效率和可靠性。
关于该包层的残留厚度t的适当数值范围，进一步根据图2来说明。在图2中，纵坐标是表示外部微分量子效率的倾斜值(倾斜效率)、横坐标表示包层的残留厚度t。倾斜效率为0．1(即10％)，是指即使10mA的电流也只能获得1mW的光输出功率。一般来说，10mA的电流值是接近激光器件热饱和电流值的电流值，几乎是接近于极限。所以，实用上要求的倾斜值为0．1以上，从图2中可以看出：倾斜效率为0．1时的残留膜厚t约为0．58μm，因此，合适的残留膜厚t为0～0．58μm。
(E)电介质多层膜镜的结构
电介质多层膜镜111，是交替地淀积SiO2等SiOx层和Ta2O5层，其构成部分是对设计振荡波长的光具有98．5～99．5％的反射率的6～9对、最好是7对的电介质多层膜。若反射率低于98．5％，则振荡阈值电流将大幅度增加。反之，若反射率大于99．5％，则难于向外部取出光输出，使外部微分量子效率降低。所以要适当决定电介质多层膜镜111的对数后再进行成膜，以便使反射率达到上述要求。另外，电介质材料要选用特性符合要求的材料，即对激光振荡波长要具有较小的光吸收损耗。这对降低阈值和提高外部微分量子效率来说是很重要的。构成该电介质多层膜镜111的Ta2O5，也可由ZrOx膜、ZrTiOx膜、TiOx膜来取代。这样，可以降低面发光型半导体激光器的阈值，提高外部微分量子效率。
(半导体激光器的制造方法)
下面说明图1所示的面发光型半导体激光器100的制造工艺示例。图3A～图3C和图4D～图4F是用模型方式来表示面发光型半导体激光器的制造工序。
(A)在n型GaAs基片102上交替地淀积n型Al0．15Ga0．85As层和n型Al0．8Ga0．2As层，形成对波长800nm左右的光具有99．5％以上的反射率的40对DBR镜103作为下部镜。并且，在形成n型Al0．7Ga0．3As层(第1包层)104之后，交替地淀积n-型GaAs阱层和n-型Al0．3Ga0．7As势垒层，形成量子阱结构(MQW)的活性层105。然后，依次淀积P型Al0．7Ga0．3As层(第2包层)106和P型Al0．15Ga0．85As层(接触层)109(参见图3A)。
上述各层均采用有机金属汽相生长(MOVPE：Metal～OrganicVapor Phase Epitaxy)法进行外延生长。这时，生长温度为750℃，生长压力为2×104Pa，Ⅲ族原料采用TMGa(三甲基镓)、TMAl(三甲基铝)有机金属，Ⅴ族原料采用AsH3，n型掺杂剂采用H2Se，P型掺杂剂采用DEZn(二乙基锌)。
在该外延生长工序中，如后面所述，利用作为本发明特征的光学膜厚测量方法和成膜方法，一边正确地控制各层的光学膜厚，一边进行成膜。
在各层形成之后，利用常压热CVD法在外延层上形成由25nm左右的SiO2层构成的绝缘保护层I。该保护层I对重叠的半导体层进行覆盖，以此来防止工艺过程中的表面污染。
(B)然后，利用反应性离子束腐蚀(RIBE)法进行腐蚀，一直腐蚀到第2包层106的中间为止，留下由光致抗蚀剂图形R1覆盖的柱状谐振器部114。利用该腐蚀工艺，使构成谐振器部114的柱状部的断面形状与其上面的光致抗蚀剂图形R1的轮廓形状相同(参见图3B)。并且，由于采用RIBE法，所以，上述柱状部的侧面基本上是垂直的，而且，几乎不损伤外延层。RIBE的条件是压力60mPa、输入微波功率150W、取出电压350V，腐蚀气体采用氯和氩的混合气体。
在利用该RIBE法来形成柱状部时，在腐蚀过程中，上述基片102的温度设定为0～40℃，若设定在10～20℃则更好。这样把基片保持在较低的温度下进行外延生长而形成的半导体叠层，其侧面腐蚀可以控制。但是，若基片温度为0～10℃，则更便于控制侧面腐蚀，不过，腐蚀速度太慢，不符合实际需要。另外，若基片温度超过40℃，则腐蚀速度太快，所以不仅腐蚀面粗糙，而且难于控制腐蚀速度。因此也不合适。
(C)然后，除掉光致抗蚀剂图形R1，利用常压热CVD法在表面上形成100nm左右的SiO2层(第1绝缘膜)107。这时的工艺条件是：基片温度450℃，原料采用SiH4(甲硅烷)和氧，载流气体采用氮。另外，在其上面利用自旋涂敷法来涂敷SOG(Spin on Glass：在玻璃上自旋)膜108L。之后，例如：在氮气中80℃下烘干1分钟，在150℃下烘干2分钟，再在300℃下烘干30分钟(参见图3C)。
(D)然后，对SOG膜108L、SiO2膜107和保护膜I进行腐蚀(平坦化处理)，使其均与露出的接触层109的表面在同一平面上(参见图4D)。腐蚀时采用平行平板电极的反应性离子腐蚀(RIE)法，反应气体应组合使用SF6、CHF3和Ar。
(E)然后，利用众所周知的剥离法来形成与接触层109呈环状接触的上侧电极112(参见图4E)。
(F)接触层109通过上侧电极112的圆形开口而露出在外。利用众所周知的剥离法来形成电介质多层膜镜(上部镜)111，把上述露出面完全覆盖起来(参见图4F)。上部镜111，其形成方法是利用电子束蒸发法交替地淀积7对SiO2层和Ta2O5层，对波长800nm左右的光具有98．5～99．5％的反射率。这时的蒸发速度，例如SiO2为0．5nm／分，Ta2O5层为0．2nm／分。而且，在形成上部镜111时，也可采用上述分离法以外的RIE法进行腐蚀。
然后，在基片102的下面，形成由Ni和AuGe合金构成的下侧电极101，制成面发光型半导体激光器。
具有上述低阈值电流的、外部微分子量子效率高的面发光型半导体激光器，其制造方法的要点，现详细说明如下。如上所述，由于利用晶体生长方法来形成DBR镜层、包层和多重量子阱结构的活性层等，所以，晶体生长技术在本发明的面发光型半导体激光器的制造方法中是最重要的。晶体生长技术必须具备以下主要条件：
(1)异质结界面处的原子层阶应当陡峭。
(2)在整个大面积内膜厚应当均匀一致。
(3)膜厚、成分和掺杂效率的重复性应当良好。
尤其是第(1)条的界面陡峭性，对于提高面发光型半导体激光器特性来说是很重要的。在化合物半导体的晶体生长技术中，能确保界面陡峭性的方法有：分子束外延法(MBE法)、有机金属汽相外延法(MOVPE法)。液相外延法(LPE法)可用于生长高纯度晶体，但由于是从液相向固相的生长方法，所以很难制作出陡峭的异质结界面，不适合用于制作面发光型半导体激光器。与此相反，MBE法和MOVPE法，由于是分子束生长方法或从汽相到固相的生长方法，所以，从原理上讲，可以制作出原子层阶的陡峭界面。
但是，MBE法是从分子束中生长晶体的，不能提高生长速度，只能达到0．01～0．1nm／秒的较低生长速度，所以，不适合用于生长像面发光型激光器那样需要数μm左右的外延层的晶体。并且，MBE法，其制造设备的结构很难保证在大面积上生长均匀一致的高质量晶体，并且，受原料充填量的限制，连续生长晶体的次数也有限制。因此，晶体生长能力有限，难于大批生产基片。
与此相反，在本实施例中采用的MOVPE法，可以制作出陡峭度与上述MBE法相同的原子层阶的异质结界面，并且，由于是汽相生长，所以，通过调整原料的供给量，即可达到0．01～数nm／秒的生长速度。
再者，关于第(2)项的膜厚均匀性，现已证明，选用生长设备的最佳反应管形状，即可在直径3英寸的圆形基片的约75％的面积上，使膜厚分布误差达到±2％以内。
第(3)项的重复性问题，MBE法和MOVPE法，由于从原理上讲都容易控制膜层的生长，所以，膜厚，成分和掺杂效率的重复性良好，制作本实施例的面发光型半导体激光器时的晶体生长方法，最好采用MOVPE法。
关于第(3)项条件，若采用MOVPE法，再加上下述的采用本发明的光学膜厚测量方法的制造方法，则可制作出重复性更好而且更容易控制的外延层。
图5是利用模型方式来表示成膜设备的一例，其中采用MOVPE法，而且在生长晶体时可随时测量由外延层决定的光反射强度。该成膜设备是在采用卧式水冷反应管的MOVPE装置中，去掉了生长基片上部的水冷管部分，设置了一个光学窗口，光线可从反应管外部通过该光学窗***入到生长基片上。
具体来说，在反应管10的周围设备冷却部12，向反应管10内供应的原料气体，其成分由多阀控制器24进行控制，冷却水通入冷却部12的内部，对反应管10进行冷却，在反应管10的内部，设置用于放置基片S的基座14，在反应管10的壁面上，在与基座14上放置基片的面相对应的位置上设置光学窗口16。在光学窗口16的上方设置光源18和光检测部20，从光源18射出的光通过光学窗口16照射到基座14上的基片S上，其反射光再通过光学窗口16反射到光检测部20上。并且，光检测部20与运算控制部22相连接，该控制运算部22与上述质量流控制器24相连接。
再者，从结构设计上看，从光源18射出的光几乎是垂直地(最大偏转5°)照射到基片S上，其反射光由光检测部20进行测量，这样可一边在基片S上进行外延生长，一边如下所述，同时测量生成的外延层的光反射强度的变化，在运算控制部22内利用规定的运算式来处理该光反射强度的变化，把处理后获得的数据反馈到多阀控制器24内。
在本实施例中，其特征在于，由上述光源18来产生2个***的监测光，即第1监测光和第2监测光，可根据被形成的半导体层来转换监测光。
产生2个***的监测光所用的光源18，其结构不受特别限制，可以采用例如图6A～图6C所示的结构。
在图6A所示的光源18中，把2个激光源18a和18b设置在互相靠近的位置上，在各光路上设置准直透镜18c和18d，要使2条激光束成为平行光，或者起码使焦点远离基片。2条监测光束相互间的夹角应在1度以内，最好达到平行。并且，这2条监测光束最好照射在基片S上的几乎同一位置上。
在图6B所示的光源18中，2个激光源18a和18b，各自的光路互相垂直配置，半透明反射镜18e设置在这些光路的交点上，与各光路构成45度角。并且，光源18a和18b与半透明反射镜18e之间，在光路上分别设置准直透镜18c和18d。在这种光源18内，具有规定波长的2条监测光束通过半透明反射镜18e，可以形成光轴一致的监测光束。
在图6c所示的光源18内，把2个激光源18a和18b配置在同一条线上，在其光路上设置了角度可以调整的反射镜18f。并且，在各光源18a、18b和反射镜18f之间，分别设置准直透镜18c、18d。
在图6A和图6B所示的光源18中，可以独立控制2条监测光，所以，也可以经常照射2个***的监测光，或者对某一光源进行通断动作，也可以切换监测光。在图6c所示的光源18中，通过对反射镜18f的角度进行切换，可以选择光源18a和18b中的某一种光，可以切换监测光。
作为光源使用的半导体激光器，可举例表示如下，并分别注明其波长范围。
InGaAsP系：1．2～1．6μm、0．62～0．9μm
InGaAs系： 0．96～0．98μm
GaAlAs系： 0．7～0．88μm
InGaAlP系：0．62～0．67μm
ZnSSe系：  0．4～0．5μm
ZnCdSe系： 0．4～0．5μm
GaInAlN系：0．3～0．5μm
作为光源，除上述激光器外，还可采用广泛用作光学监视器的He～Ne激光器(振荡波长：0．63μm、1．15μm)等。
图7A和图7B表示受光***的构成示例，图7A表示监视光为一种***的构成；图7B表示采用2种***的监视光时的构成。
在图7A所示的装置中，由光电二极管或光电倍增管等构成的光检测部20直接与运算控制部22相连接，监视光的反射光通过光检测部20输出到运算控制部22内。
在图7B所示的装置中，具有光检测部20、分光部80和缝隙82。其中的光检测部20由第1光检测部20a和第2光检测部20b构成；分光部80由棱镜或全息图等构成，并配置在光检测部20a和20b与基片S之间。而且，第1光检测部20a和第2光检测部20b通过开关84与运算控制部22相连接。在该装置内，反射光包括第1和第2监测光，所以，该反射光通过分光部80和缝隙82分别被送到第1和第2光检测部20a、20b。然后，由开关84选择需要监测的输出并将其送入运算控制部22内。
以上简要地说明了监测光的照射和检测所用的装置，但本实施例并非仅限于此，而是可以适当地选用通常所用的光学装置和数据处理装置等。
以下详细说明第1和第2监测光。
第1监测光用于测量除第1包层104外的半导体层，至少是DBR镜、最好是DBR镜和其他半导体层的光学膜厚。第2监测光至少用于测量第1包层104。并且，第1监测光和第2监测光的波长最好设计成能满足下列条件。
也就是说，DBR镜103对规定波长范围，即至少对设计振荡波长λo±30μm应具有高反射率，具体来说应为98％以上，能达到99％以上更好，能达到99．5％为最好。为满足这一条件，构成DBR镜的各膜层厚度应当是λ／4n。其中，λ表示规定波长(在本实施例中为设计振荡波长λo)，n表示在规定波长时的折射率。
图8表示DBR镜的反射率光谱，纵坐标表示反射率，横坐标表示波长。在该反射率光谱中，把反射率为99．5％以上的波段称为“高反射波段”。另外，图9～图11所示的反射率在成膜时的变化，其纵坐标是把反射强度表示为反射率。具体来说，把在各监测波长下具有100％、50％、0％的反射率的基准镜放置到本实施例的成膜设备的基片位置上进行测量，预先检测出本实施例的成膜设备中的反射率与反射强度的关系，这样一来，把反射强度变换成基片的反射率。
上述DBR镜的设计波长(高反射波段的中心波长)设定为半导体激光器的设计振荡波长λo，即800nm。并且，在本实施例的AlGaAs半导体的情况下，成膜温度和室温之间有大约4．5％的光学膜厚差，所以，应当考虑到这一因素，适当地设定监测光波长。例如，室温下的波长800nm，相当于成膜温度750℃时的836nm。所以，在本实施例中，采用836nm波长的半导体激光器的激光作为第1监测光。该波长相当于室温下的DBR镜的设计波长(800nm)。
再者，第2监测光的波长λm设定为，在成膜温度下未包含在高反射波段内的波长。也就是说，假定高反射波段的最小波长为λ1；高反射波段的最大波长为λh，那么，以下关系即可成立：
λm＜λ1
λh＜λm
第2监测光的波长λm最好设定在比高反射波段小的波长范围内(参见图8)。在本实施例中，第2监测光采用786nm波长的半导体激光器的激光。其原因将在下面详细说明。
图9表示，在利用图5所示的成膜设备，进行MOVPE生长，制作本实施例的面发光型半导体激光器时，构成DBR镜103、第1包层104和活性层105的外延层的反射率随时间的变化。横坐标表示外延层的成膜时间；纵坐标表示反射率。在图9所示的反射率测量时，监测光采用了第1监测光，其波长等于校正波长λo’。(836nm)，λo’是对设计振荡波长λo加上成膜时的温度校正而得出的。
在图9中，成膜时间T0～T2对应于DBR镜103的成膜工序；成膜时间T2～T3对应于第1包层104的成膜工序；成膜时间T3～T4对应于活性层105的成膜工序。从图9中可以看出：在DBR镜103的前段(镜下部)的成膜(成膜时间T0～T1)和活性层105的成膜(成膜时间T3～T4)中，反射率变化显著，极值(极大点和极小点)明确。与此相反，在DBR镜103的后段(镜上部)的成膜(成膜时间T1～T2)和第1包层104的成膜(成膜时间T2～T3)中，反射率变化小，不能测量出明确的极值。因此，在本实施例中，至少在第1包层104的成膜工序中，利用波长与第1监测光不同的波长为λm的第2监测光来进行测量。下面详细说明各成膜工序与反射率的关系。
(a)DBR镜的成膜
在图11中用模型方式放大表示图9所示的DBR反射镜103成膜工序前段的反射率光谱。
从图11可以看出：在GaAs基片上最初淀积低折射率n1的Al0．8Ga0．2As时，反射率随着光学膜厚的增加而降低。当由光学膜厚达到(λo／4n1)时出现极小点①，所以，监测出该极小点，然后切换到高折射率n2的Al0．15Ga0．85As的淀积。并且，当Al0．15Ga0．85As层的光学膜厚增加时，反射率就提高，当光学膜厚达到(λo／4n2)时出现极大点②，所以，再次切换到低折射率n1的Al0．8Ga0．2As的淀积。重复进行这样的操作，可使DBR镜的反射率一高一低反复变化，极大点的反射率逐渐提高。
该反射率的变化不受晶体生长速度和生长时间的影响，仅与各层的光学膜厚有关。所以，按照反射率光谱的极值(1次微分值0)对淀积的膜层的Al成分进行变更，交替地外延生长折射率不同的膜层，可以获得各层均具有近似理论值光学膜厚(λ／4n)的DBR镜。
如图9所示，在DBR镜成膜工序中，镜的对数增加时反射率就提高，但反射率的变化率随之减小。在实用上为了能精密地检测出反射率的极大点和极小点，连续的极大点和极小点之差，必须达到反射率至少10％左右。考虑到这一点，DBR镜的高反射率区域(图9的成膜时间T1～T2的区域)，也就是说，极大点和极小点的差达到反射率约为10％的成膜时间T1以后，根据在前段成膜时间T0～T1中所求得的测量数据来求出成膜速度，可以根据该成膜速度来控制各层的光学膜厚。
(b)第1包层的成膜
图10表示利用具有波长λm的第2监测光来监测第1包层104和活性层105而获得的成膜时间与反射率的关系。从图10中可以看出：在利用第2监测光进行测量时，在第1包层的成膜工序(成膜时间T2～T3)中，反射率出现了明显的变化，这在采用第1监测光(波长：λo’)时是几乎看不到的。极小点和极大点很明显。
第2监测光所采用的波长λm如前所述，必须是离开DBR镜的高反射波段的波长。具体来说，波长λm必须在比DBR镜的高反射波段短的波长一侧或者长的波长一侧进行选择，并且最好是短波长一侧的波长。其理由是，由于很难精密地测量反射率的绝对值，所以，通常根据反射强度的极大点和极小点来求波数。因此，可以测量的光学最小膜厚为监测光的波长的1／4波数。所以，监测光的波长越短，可测量的光学膜厚就越薄。
再者，根据与第2监测光的波数(1／4)相对应的成膜时间Δt，可以计算出成膜速度。并且，再根据获得的成膜速度可以计算出最终所需的光学膜厚的成膜时间，所以，光学膜厚的监测与时间控制同时并用，可以获得设计振荡波长λo(校正波长λo’)时的任意波数No的光学膜厚。
例如图12所示，若假定第2监测光的极小点和极大点的时间间隔，即相当于波长λm的监测光的1／4波数(Nm)的成膜时间为Δt，则为了形成第1包层所必须的成膜时间TEND(T3～T2)可用下式(式1)来表示。 T ENO = 4 N O λ O ' λ m n m n O ' ΔT
在式1中，nm、no’分别为波长λm、λo’的成膜温度时的折射率。nm和no’的温度依存性几乎相同，所以，其比不受温度影响，是一定的，因此，nm和no’可分别将其波长的室温下的折射率代入式中。
测量第1包层所用的波长λm的第2监测光，也可以和波长λo的第1监测光同时在2个***中照射基片，也可以按照规定的时间(图9和图10中的成膜时间T2)，从第1监测光***变换到第2监测光***。
(c)活性层和其他层的成膜
在活性层105的成膜过程中，如图9所示，波长λo(校正波长λo’)的第1监测光所产生的反射率不受DBR镜的影响，变动很大，其极值可以明显地测量出来，所以，利用第1监测光来测量光学膜厚，可以准确地控制光学膜厚。在活性层105上依次淀积的第2包层106和接触层109，成膜时也最好继续采用第1监测光来测量光学膜厚。
并且，这种成膜方法可以在晶体生长过程中测量DBR镜本身的反射强度，因此，膜层形成过程中可以变更DBR镜的对数，以形成最佳结构。
再者，位于DBR镜的上部的第1包层和活性层等各层的光学膜厚也可以根据反射强度的极值而准确地进行控制。因此，与过去的对生长时间进行控制的成膜方法相比，是更好的制作方法，它可以提高晶体生长基片的生产能力和改善其重复性。实际上，利用本实施例的生长方法，很容易制作出适用于面发光型激光器件的、反射率为99．5％以上的DBR镜。
通过监测膜层反射率来控制晶体层光学膜厚的上述方法，不仅可以用于MOVPE法，而且，也可以用于其他工艺，例如MBE法等。
在利用RIBE法来形成柱状谐振器部的工序(参见图3B)中，使用对上述反射率进行监测的装置，其实施例，现说明如下。
采用RIBE法进行腐蚀，如上所述，是因为在制作谐振器部114时可以获得垂直侧面，而且表面损伤很少。在形成该柱状谐振器部时，重要的问题是控制腐蚀深度、即第2包层106的剩余膜厚t。必须加强管理剩余膜厚，使其达到规定厚度的理由在前面已经进行了说明。
下面具体地说明利用RIBE法一边进行干腐蚀，一边测量剩余膜厚的方法。
图13表示可以边腐蚀边测量外延层反射率的RIBE装置的概要图。
该RIBE装置是把等离子室40和构成排气装置的真空泵32连接到腐蚀室30上。在腐蚀室30内，在与上述等离子室40相对面的位置上设置了用于放置基片S的支座34。该支座34可以通过装载定位室50而自由地前进和后退。在腐蚀室30内靠近等离子室40的侧壁上设置光学窗口36和38，这两个窗口的位置呈互相面对面的状态。并且，在腐蚀室30内，在上述光学窗36和38的连结线上设置一对反射镜M1和M2。在一个光学窗口36的外边设置光源26；在另一个光学窗口38的外边设置光检测部28。再者，等离子室40连结微波导入部44和向等离子室40供应反应气体用的气体供给部46和48。并且，在等离子室40的周围设置磁铁42。
在该RIBE装置中，对利用通常的方法在基片上形成的晶体层进行腐蚀，同时通过光学窗口36和反射镜M1把光源26发出的光照射到基片S上，利用光检测部28通过反射镜M2和光学窗口38来测量反射光。这样即可监测基片S上的晶体层的反射率。
下面根据图14A～图14C来具体说明腐蚀中的第2包层剩余膜厚t的测量方法。
腐蚀前状态(图3A所示的状态)下的构成谐振器的外延晶体层，其反射光谱如图14A所示。由于DBR镜的反射率很高而且DBR镜上的晶体层膜厚很薄，所以，主要光谱是DBR镜的反射光谱。并且，当光从外部射入晶体层内时，DBR镜上淀积的晶体层内存在驻波(纵向波型)，其波长使活性层对光进行吸收，因此，在该波长下的反射率下降，反射光谱变形，形成下陷(Do)。
该下陷(Do)的波长λo对应于DBR上部的晶体层的光学膜厚，所以，当通过腐蚀使光学膜厚变薄时，下陷部分(Do)也向短波长一侧移动，形成波长λ’(参见图14B)。
在长波长一侧，进而产生下一个下陷(D1)(波长：λ”)，并向短波长一侧的波长λ1移动(参见图14c)。若进一步继续腐蚀，则在长波长一侧再次产生新的下陷，就这样重复进行下陷的移动和产生。从腐蚀前的状态开始，若假定第a个下陷的波长为λa，则这时的腐蚀量Δa可用下式(式2)表示。 Δ a = 1 n ( θ + m 2 ) λ o - ( θ + m - a 2 ) λ a 式中， m = λ ′ ′ + 2 θ ( λ ′ - λ ′ ′ ) λ ′ ′ - λ ′
在式2中，一是由结构决定的常数，在本实施例中是1／2或1／4，n是外延层的平均折射率。
这样，通过腐蚀使下陷向短波长一侧移动，即使离开高反射波段，也能在长波长一侧产生与下一个纵向波型相对应的下陷，并且进一步向短波长一侧移动，所以，通过测量在腐蚀中高反射波段内存在的下陷的数量和波长移动量，即可对腐蚀量和腐蚀速度进行控制。因此，在第2包层中可以准确地制作出具有规定剩余膜厚的谐振器部114。
并且，在腐蚀中也可以同时监测反射光谱的数值和形状，因此，也可以测定腐蚀时的表面沾污、损伤等，可以把这些测定结果返馈到腐蚀条件内。
下面进一步说明采用反射率监测装置的另一种工艺，即利用RIE法的SiO2层腐蚀。
在图1所示的面发光型半导体激光器制作工序中，如前所述，在形成激光射出侧的环状上侧电极112之前，谐振器表面的P型接触层109被表面保护用的SiO2层I(参见图3A)所覆盖。为了形成上侧电极，必须把该SiO2层完全腐蚀掉。但是，如果腐蚀量超过需要，那么，接触层也将受到腐蚀，使接触层受到损伤，结果使谐振器长度发生变化，从而影响振荡波长。
所以，对SiO2层I的腐蚀量进行控制是很重要的。因此，在本实施例中，SiO2层I的腐蚀所使用的RIE装置中采用了在腐蚀过程中可以测量外延晶体层反射率的方法，对腐蚀量进行测量。
图15表示采用反射率测量装置的平行平板型RIE装置的概要图。在该RIE装置中，在腐蚀室60内设置了互相对置的两个电极，一个是与RF(高频)振荡器61相连接的装载(片)电极62；另一个是网状的对面电极64。在腐蚀室60内，连接了气体供给部70和排气用真空泵66。并且，在腐蚀室60的上述装载电极62的对面的壁面上设置了光学窗口68。在该光学窗口68的外边设置了光源72和光检测部74。而且从光源72射出的光通过光学窗口68照射到基片S上，其反射光通过光学窗口68照射到光检测部74上。在该RIE装置中，利用一般机理来腐蚀SiO2层，同时可以通过检测光源72射出的光，即可监测腐蚀面的反射率。
图16表示在P型接触层109上具有SiO2层时对800nm光的反射率的变化。横坐标为SiO2层的光学膜厚；纵坐标为反射率。如图所示，反射率随SiO2层的剩余膜厚而变化，每当剩余膜厚达到(λ／4n)时就出现极大点和极小点，当SiO2层完全被腐蚀掉时反射率就不再变化。在这里，λ为测量光源的波长，n为SiO2层的折射率。所以，在利用RIE法进行腐蚀的过程中，通过测量反射率，监测反射率曲线的极值，即可完全腐蚀掉SiO2层。
并且，在SiO2层的腐蚀完全结束后，和上述RIBE工艺一样，利用通过分光器的光或波长可变的激光作为RIE中的反射率测量光源，例如照射700～900nm波长的光，即可测量出反射率的下陷，可以测量出谐振器的长度。也就是说，若一边测量该反射率的下陷，一边用RIE进行腐蚀，则可用上述(式2)来求出腐蚀量，可以准确地控制谐振器长度。在这里采用RIE是因为在保护P型接触层109所用的SiO2层被完全腐蚀掉以后，能够在同一装置内进行其他腐蚀，并且与采用RIBE的腐蚀相比，腐蚀速度较慢，所以便于控制谐振器长度。这时的腐蚀条件是，压力2Pa、RF功率70W，腐蚀气体采用CHF3。
如上所述，为了制作出本发明的面发光型半导体激光器，由DBR镜的高反射波段和谐振器长度所决定的振荡波长必须达到设计振荡波长。但是，在外延生长后即使达不到设计振荡波长，也可利用监测反射率的RIE来进行腐蚀使谐振器长度准确地达到规定长度，因此，在制造高精度器件时可提高产品合格率。
并且，利用对反射率进行监测的腐蚀方法，也可以在基片面内精密地制作出谐振器长度不同的部分，也可以在一块基片上制作出振荡波长不同的面发光型半导体激光器。

Claims (9)

1．一种成膜方法，其特征在于：在基片上淀积多层膜的成膜方法中，淀积的多层膜包括：
第1膜，它在预定波长范围内具有98％以上的反射率；
第2膜，它在第1膜上形成而且在上述预定波长范围内具有1000cm-1以下的吸收系数。
上述第1膜，是把具有预定波长的第1监测光照射到基片上，根据其反射强度的极值，一边监测光学膜厚，一边进行成膜；
上述第2膜，是把波长与上述预定波长范围不同的第2监测光照射到基片上，根据其反射强度的极值，一边监测光学膜厚，一边进行成膜。
2．如权利要求1所述的成膜方法，其特征在于，上述第2监测光的波长比上述预定波长范围短。
3．如权利要求1或2所述的成膜方法，其特征在于，上述第1监测光的波长在上述预定波长范围内。
4．一种半导体激光器的制造方法，其特征在于：
包括这样的成膜工序，即在由第1导电型化合物半导体构成的基片上，利用外延生长法形成多层半导体层，其中至少包括：第1导电型的分布反射型多层膜镜、第1导电型的第1包层、活性层、第2导电型的第2包层和第2导电型的接触层，
上述分布反射型多层膜镜，在成膜时把预定波长的第1监测光照射到基片上，测量其反射强度，根据该反射强度的极值，从折射率不同的一种半导体层的淀积转换到另一种半导体层的淀积，以此交替地淀积形成低折射率的半导体层和高折射率的半导体层，而且在预定波长范围内具有98％以上的反射率。
上述第1包层，是把第2监测光照射到基片上，第2监测光的波长不同于上述分布反射型多层膜镜的上述预定波长范围，对其反射强度的极值进行监测，以此一边控制光学膜厚，一边进行成膜。
5．如权利要求4所述的半导体激光器制造方法，其特征在于，上述分布反射型多层膜镜在上述预定波长范围内具有99％以上的反射率。
6．如权利要求4或5所述的半导体激光器制造方法，其特征在于上述第1包层具有1000cm-1以下的吸收系数。
7．如权利要求4所述的半导体激光器制造方法，其特征在于上述第2监测光的波长小于上述预定波长范围。
8．如权利要求4或7所述的半导体激光器制造方法，其特征在于上述第1监测光的波长等于所述半导体激光器的设计振荡波长。
9．如权利要求4所述的半导体激光器制造方法，其特征在于，上述活性层，上述第2包层和上述接触层，利用上述第1监测光，一边控制光学膜厚，一边进行成膜。
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