JPH0933223A - 光学的膜厚測定方法、膜形成方法および半導体レーザ装置の製造方法 - Google Patents

光学的膜厚測定方法、膜形成方法および半導体レーザ装置の製造方法

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JPH0933223A
JPH0933223A JP7202872A JP20287295A JPH0933223A JP H0933223 A JPH0933223 A JP H0933223A JP 7202872 A JP7202872 A JP 7202872A JP 20287295 A JP20287295 A JP 20287295A JP H0933223 A JPH0933223 A JP H0933223A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 成膜工程と同時に光学的膜厚を正確に測定す
ることができ、例えば反射ミラーを含む半導体レーザ装
置の半導体層の成膜工程に適用することができる光学的
膜厚測定方法、膜形成方法、およびこれらの方法を適用
した半導体レーザ装置の製造方法を提供する。 【解決手段】 光学的膜厚測定方法および膜形成方法
は、基板上に複数の膜を積層する際に、基板に向けてモ
ニタ光を照射し、その反射強度の極値から膜の厚さを測
定する光学的膜厚測定方法において、積層される複数の
膜は、所定の波長帯域において９８％以上の反射率を有
する第１の膜と、この第１の膜上に形成され、かつ前記
所定の波長帯域において１０００ｃｍ-1以下の吸収係数
を有する第２の膜とを含む。そして、前記第１の膜は、
所定波長を有する第１のモニタ光によって測定され、前
記第２の膜は前記所定の波長帯域と異なる波長を有する
第２のモニタ光によって測定される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、基板上に複数の膜
を積層する際に用いられる光学的膜厚測定方法、この光
学的膜厚測定方法を適用した膜形成方法および半導体レ
ーザ装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、半導体レーザ装置は、基板上に
複数の半導体層をエピタキシャル結晶成長によって積層
して形成される。
【０００３】従来のこの種の結晶成長方法では、通常、
サンプル基板に所定の半導体層を形成した後、これを反
応管外に取り出して、例えば半導体層の断面膜厚の測定
や、反射スペクトルの測定等を用いて前記半導体層の光
学的膜厚から結晶成長速度をあらかじめ求め、この結晶
成長速度と成膜時間で層の光学的膜厚を制御している。
しかし、この方法では幾つかの問題を有する。
【０００４】第１の問題は、この方法では結晶の成長速
度を常に一定にしなければならなく、成長速度がロット
間で再現しなかったり、成長速度が揺らぐと光学的膜厚
を正確に制御することができないことである。例えば、
分布反射型多層膜ミラー（ＤＢＲミラー）は各半導体層
の光学的膜厚を正確に制御することにより高い反射率を
得る必要があるが、従来の結晶成長速度と成長時間で制
御する方法では成長速度の揺らぎによって光学的膜厚を
正確に制御することが困難であり、その結果、反射帯域
波長を設計どおりに作成することが難しい。
【０００５】また、第２の問題は、光学的膜厚を決定す
る要因として、屈折率ｎの値があるが、半導体層は波長
によって屈折率も変化するため、所定の波長での各層の
屈折率も厳密に測定しなければならず、そしてこの測定
は非常に困難であることである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の従来
技術の問題を解決し、その目的は、成膜工程と同時に光
学的膜厚を正確に測定することができ、特に高い反射率
を有する半導体層を含む積層体、例えば反射ミラーを含
む半導体レーザ装置の半導体層に好適な光学的膜厚測定
方法、膜形成方法、およびこれらの方法を適用した半導
体レーザ装置の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の光学的膜厚測定
方法は、基板上に複数の膜を積層する際に、基板に向け
てモニタ光を照射し、その反射強度の極値から光学的膜
厚を測定する光学的膜厚測定方法において、積層される
複数の膜は、所定の波長帯域において９８％以上の反射
率を有する第１の膜と、この第１の膜上に形成され、か
つ前記所定の波長帯域において１０００ｃｍ-1以下の吸
収係数を有する第２の膜とを含み、前記第１の膜は、所
定波長を有する第１のモニタ光によって測定され、前記
第２の膜は前記所定の波長帯域と異なる波長を有する第
２のモニタ光によって測定されることを特徴とする。
【０００８】さらに、この光学的膜厚測定方法を適用し
た、本発明の膜形成方法は、基板上に複数の膜を積層す
る膜形成方法において、積層される複数の膜は、所定の
波長帯域において９８％以上の反射率を有する第１の膜
と、この第１の膜上に形成され、かつ前記所定の波長帯
域において１０００ｃｍ-1以下の吸収係数を有する第２
の膜とを含み、前記第１の膜は、所定波長を有する第１
のモニタ光を基板に向けて照射し、その反射強度の極値
から光学的膜厚をモニタしながら形成され、前記第２の
膜は、前記所定の波長帯域と異なる波長を有する第２の
モニタ光を基板に向けて照射し、その反射強度の極値か
ら光学的膜厚をモニタしながら形成されることを特徴と
する。
【０００９】これらの光学的膜厚測定方法および膜形成
方法においては、９８％以上、好ましくは９９％以上、
さらに好ましくは９９．５％以上の高反射率を有する所
定の波長帯域（以下、これを「高反射帯域」という）を
有する第１の膜上に、１０００ｃｍ-1以下、好ましくは
１００ｃｍ-1以下の吸収係数を有する第２の膜を形成す
る際に、第２の膜のモニタ光の波長は前記高反射帯域と
異なる波長から選択される。このように第２のモニタ光
の波長を第１の膜の高反射帯域の波長と異なる波長にす
ることにより、第１の膜の反射の影響を受けずに、吸収
係数の小さい、つまり前記数値範囲の吸収係数を有し透
明もしくは透明に近い第２の膜の光学的膜厚を正確に測
定し、かつその光学的膜厚を正確に制御することができ
る。
【００１０】そして、前記第２のモニタ光は、前記高反
射帯域より短い波長を有することが好ましい。これは、
モニタ光によって測定できる光学的な最小膜厚は反射強
度の極値、つまり隣接する極大点と極小点との間隔から
得られ、この最小光学的膜厚はモニタ光の波長の１／４
に相当するため、モニタ光の波長が短いほど、測定可能
な光学的膜厚を小さくすることができ、より正確な測定
が可能であるからである。
【００１１】また、前記第１の膜をモニタするための第
１のモニタ光は、前記高反射帯域に含まれる波長である
ことが好ましい。例えば、第１の膜が多層反射膜のよう
に、屈折率の異なる２種類の層をそれぞれ所定波長に相
当する光学的膜厚で交互に積層していく場合には、モニ
タ光として前記所定波長の光を用いることにより、光学
的膜厚制御がより正確にかつ直接的に行えるからであ
る。
【００１２】本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、
前記光学的膜厚測定方法および膜形成方法が適用され、
具体的には、第１導電型の化合物半導体からなる基板上
に、少なくとも、第１導電型の分布反射型多層膜ミラ
ー、第１導電型の第１クラッド層、活性層、第２導電型
の第２クラッド層および第２導電型のコンタクト層を含
む半導体層をエピタキシャル成長によって形成する工程
を含み、前記分布反射型多層膜ミラーは、成膜時に、所
定波長の第１のモニタ光を基板に向けて照射してその反
射強度を測定し、この反射強度の極値で屈折率の異なる
一方の半導体層の堆積から他方の半導体層の堆積に切り
替えることによって、低屈折率の半導体層と高屈折率の
半導体層とを交互に積層して形成され、かつ所定の波長
帯域において９８％以上の反射率を有し、前記第１クラ
ッド層は、前記分布反射型多層膜ミラーにおける前記所
定の波長帯域と異なる波長を有する第２のモニタ光を基
板に向けて照射し、その反射強度の極値をモニタするこ
とによって光学的膜厚を制御しながら形成されることを
特徴とする。
【００１３】前記分布反射型多層膜ミラーは、前記光学
的膜厚測定方法および膜形成方法における第１の膜に相
当する。そして、前記分布反射型多層膜ミラーは、成膜
時に所定波長を有する第１のモニタ光を基板上に照射し
てその反射強度を検出することにより、基板上に形成さ
れた半導体層の反射強度変化（反射率スペクトル）を測
定し、この反射率スペクトルの極値（極大点および極小
点）で屈折率の異なる一方の半導体層の堆積から他方の
半導体層の堆積に切り替えることによって、低屈折率の
半導体層と高屈折率の半導体層とを交互に積層して形成
される。
【００１４】この製造方法においては、第１のモニタ光
は、室温での分布反射型多層膜ミラーの設計波長（高反
射帯域の中心波長）λ0と同じ波長、より厳密には設計
波長λ0に成膜時における温度補正を加えた波長（以
下、これを「補正波長」という）λ0′を用いることが
好ましい。光学的膜厚は、屈折率の逆数と膜厚の積で表
されるが、結晶膜の屈折率には材質固有の温度依存性が
あり、光学的膜厚は熱膨張係数にしたがう温度依存性を
持つため、成膜中の光学的膜厚をモニタする場合には、
成膜温度と材質を考慮した波長の補正を行う必要があ
る。そして、分布反射型多層膜ミラーの設計波長に相当
する波長λ0、好ましくは補正波長λ′0を有する第１の
モニタ光でモニタすることで、反射強度の極大点および
極小点の間隔を設計波長の１／４波数に一致させること
ができ、分布反射型多層膜ミラーの各層の光学的膜厚の
制御がより正確にかつ直接的に行える。
【００１５】前記反射率スペクトルは、結晶の成長速度
や成長時間に依存せず、各層の光学的膜厚のみに依存し
ている。従って、反射率スペクトルの極値で積層する層
の組成を変更し、屈折率の違う層を交互にエピタキシャ
ル成長させることにより、各層が理論通りの厚さを有す
る。また、反射強度を測定するためのモニタ光の光源と
して、例えば所定の発振波長を持つ半導体レーザを選ぶ
ことにより、所定波長を厳密に設定できる。そして、分
布反射型多層膜ミラー自体の反射強度を結晶成長中に測
定できることから、層形成中にミラーのペア数を変更し
たり、構造の最適化がはかれる。
【００１６】前記分布反射型多層膜ミラーは、高反射帯
域で、９８％以上、好ましくは９９％以上、より好まし
くは９９．５％以上の反射率を有する。
【００１７】前記第１クラッド層は、前記分布反射型多
層膜ミラーにおける高反射帯域と異なる波長、好ましく
は該高反射帯域より小さい波長を有する第２のモニタ光
によって、光学的膜厚を測定しながら形成される。前記
第１クラッド層は、１０００ｃｍ-1以下、好ましくは１
００ｃｍ-1以下、より好ましくは１０〜１００ｃｍ-1の
吸収係数を有する。第１クラッド層は、活性層への注入
キャリア（電子および正孔）の閉じ込こめのためのポテ
ンシャル障壁として機能し、同時にレーザ共振器の光導
波路の一部を構成する。従って、第１クラッド層の光吸
収つまり光損失の存在は、しきい値電流の上昇、レーザ
出力効率の低下、あるいは素子内の発熱など特性の悪化
の原因となり、そのため第１クラッド層の吸収係数はで
きるだけ小さいことが望ましい。
【００１８】本発明の半導体レーザ装置の製造方法にお
いて、第１クラッド層のモニタ光の波長を分布反射型多
層膜ミラーの高反射帯域と異なる波長に設定する理由
は、以下の通りである。すなわち、前記分布反射型多層
膜ミラーは、設計発振波長において、通常は設計発振波
長±３０μｍの範囲において１００％に近い反射率を有
し、かつ前記第１クラッド層は設計発振波長およびその
近傍の波長に対して光吸収が小さい材質を用いるため、
第１クラッド層の形成時に第１のモニタ光と同じモニタ
光を用いたのでは、分布反射型多層膜ミラーの反射強度
が反映して第１クラッド層の光学的膜厚に対応する反射
強度の変化が非常に小さくなり、反射率の極大点および
極小点の判別が困難となる。そこで、本発明において
は、第１クラッド層のモニタ光として分布反射型多層膜
ミラーの高反射帯域と異なる波長の第２のモニタ光を用
いることにより、反射強度の極値の判別が明瞭となり、
その結果第１クラッド層の光学的膜厚を正確にモニタす
ることができる。
【００１９】また、前記第２のモニタ光は前記高反射帯
域より短い波長を有する光を用いることより、前述した
ように、制御可能な最小光学的膜厚を小さくすることが
でき、より精度の高い測定を行うことができる。
【００２０】さらに、本発明の半導体レーザ装置の製造
方法においては、前記第１クラッド層のモニタに引き続
いて、前記活性層、第２クラッド層およびコンタクト層
の形成において、前記第１のモニタ光によって光学的膜
厚をモニタしながら成膜されることが好ましい。
【００２１】本発明の製造方法によって形成された半導
体レーザ装置は、各層、特に分布反射型多層膜ミラーお
よび第１クラッド層の光学的膜厚が厳密に制御され、発
振しきい値、外部微分量子効率などの特性が優れた半導
体レーザ装置を提供することができる。
【００２２】本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、
分布反射型多層膜ミラーおよび第１クラッド層を含む半
導体レーザ装置であれば適用することができ、例えば埋
め込み方法、電流狭窄方法、活性層の構造、上部反射膜
の構造などは特に限定されず、種々の態様を取りうる。
【００２３】さらに、本発明の光学的膜厚測定方法およ
び膜形成方法は、半導体レーザ装置の製造方法のみなら
ず、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ、
ライトバルブなどの装置の製造方法にも適用することが
できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の光学的膜厚測定
方法および膜形成方法を適用して形成された面発光型半
導体レーザ装置の一例の断面を模式的に示す斜視図であ
る。
【００２５】（半導体レーザの構造）図１に示す半導体
レーザ装置１００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２上に、ｎ
型Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層とｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層
とを交互に積層し波長８００ｎｍ付近の光に対し９９．
５％以上の反射率を持つ分布反射型多層膜ミラー（以
下、これを「ＤＢＲミラー」と表記する）１０３、ｎ型
Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ層からなる第１クラッド層１０４、
ｎ-型ＧａＡｓウエル層とｎ-型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓバ
リア層から成る量子井戸活性層１０５、ｐ型Ａｌ0.7Ｇ
ａ0.3Ａｓ層からなる第２クラッド層１０６およびｐ+型
Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層からなるコンタクト層１０９
が、順次積層されて成る。
【００２６】そして、第２クラッド層１０６の途中ま
で、半導体の積層体の上面からみて例えば円形形状の柱
状部１１４（以下、この部分を「共振器部」と記す）が
形成されるようにエッチングされている。柱状部１１４
の周囲は、例えば熱ＣＶＤ法により形成されたＳｉＯ2
等のシリコン酸化膜（ＳｉＯx膜）からなる第１絶縁層
１０７と、例えばポリイミド等の耐熱性樹脂からなる第
２絶縁層１０８とで埋め込まれている。第１絶縁層１０
７は、第２クラッド層１０６およびコンタクト層１０９
の表面に沿って連続して形成され、第２絶縁層１０８
は、この第１絶縁層１０７の周囲を埋め込む状態で形成
されている。
【００２７】また、例えばＣｒとＡｕ−Ｚｎ合金で構成
されるコンタクト金属層（上側電極）１１２は、コンタ
クト層１０９とリング状に接触して形成され、電流注入
のための電極となる。このコンタクト層１０９の上側電
極１１２で覆われていない部分は、円形に露出してい
る。そして、そのコンタクト層１０９の露出面（以後、
この部分を「開口部１１３」と記す）を充分に覆う面積
で、ＳｉＯ2等のＳｉＯx層とＴａ2Ｏ5層とを交互に積層
し波長８００ｎｍ付近の光に対し９８．５〜９９．５％
の反射率を持つ誘電体多層膜ミラー１１１が形成されて
いる。
【００２８】また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２の下には、
例えばＮｉとＡｕ−Ｇｅ合金から成る電極用金属層（下
側電極）１０１が形成されている。
【００２９】そして、上側電極１１２と下側電極１０１
との間に順方向の電圧が印加されて（本実施例の場合
は、上側電極１１２から下側電極１０１への方向に電圧
が印加される）、電流注入が行なわれる。注入された電
流は、量子井戸活性層１０５で光に変換され、ＤＢＲミ
ラー１０３と誘電体多層膜ミラー１１１とで構成される
反射鏡の間をその光が往復することにより増幅され、開
口部１１３（コンタクト層１０９の露出面）から矢印１
１０で示す方向すなわち基板１０２に対して垂直方向に
レーザ光が放射される。
【００３０】本実施例の半導体レーザ装置は、以下に示
す構造上の特徴を有することが望ましい。
【００３１】（Ａ）ＤＢＲミラーの構造 ＤＢＲミラー１０３は、設計発振波長に対してＤＢＲミ
ラーの反射率が充分に高い必要がある。ＤＢＲミラーの
反射率のピークはＤＢＲミラーを構成する半導体層（Ａ
ｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ／Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ）の光学的膜
厚を正確に制御する事によって得られ、ピーク反射率の
値はＤＢＲミラーの対数を多くする事によって上げるこ
とができる。ところで、通常ウエハ面内で結晶層の光学
的膜厚は完全に均一ではないので、ＤＢＲミラーの反射
率スペクトルはウエハ面内である範囲の分布を持ってい
る。従って、ＤＢＲミラーの反射率は、設計発振波長に
対して±３０ｎｍの領域において、９８％以上、好まし
くは９９％以上、さらに好ましくは９９．５％以上の反
射率を有する。この反射率の条件を満たさないと、ウエ
ハ面内でレーザ発振を起こさない領域が生じてしまう事
がある。本実施例においては、ＤＢＲミラーとして２５
〜５０ペア、好ましくは４０ペアの半導体層を積層して
あり、ウエハ面内で例えば±２．５％の光学的膜厚の分
布があっても、設計発振波長でレーザ発振を起こさせる
ことが可能である。
【００３２】（Ｂ）クラッド層の構造 第１クラッド層１０４および第２クラッド層１０６は、
その光学的膜厚が厳密に制御される必要がある。つま
り、レーザ発振時においては、共振器内に生ずる定在波
の電解強度分布の極大部と活性層位置（厚さ方向）とを
一致させる必要がある。両者を一致させることで、レー
ザ発振の源である活性層でのキャリアの誘導放出，再結
合が効率よく実現される。この活性層でのキャリアの誘
導放出，再結合の効率は、活性層内に存在する定在波の
電解強度の積分に比例する。この定在波の電解強度は、
積層方向（厚さ方向）に対してｓｉｎの２乗の曲線で示
される変化の大きな分布を有している。そのため、活性
層が薄い場合、例えば活性層の光学的膜厚が発振波長の
１波長より小さい場合などには、活性層の位置がわずか
にずれただけでも、発振しきい値および効率などに大き
く影響する。そのため、活性層の位置を精密に制御する
ためには、クラッド層、特に第１クラッド層の光学的膜
厚の制御は極めて重要である。
【００３３】（Ｃ）量子井戸活性層の構造 量子井戸活性層１０５は、ｎー型ＧａＡｓウエル層とｎー
型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓバリア層から成る。本実施例の場
合は、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層となってい
る。ウエル層の光学的膜厚は、４０〜１２０オングスト
ローム，好ましくは４５オングストローム、バリア層の
光学的膜厚は４０〜１００オングストローム，好ましく
は４０オングストローム、ウエル層の総数は１０〜４０
層，好ましくは２１層である。これにより、面発光型半
導体レーザ装置の低閾値化、高出力化、温度特性の向
上、発振波長の再現性の向上が達成できる。
【００３４】（Ｄ）埋込み絶縁層の構造 埋込み絶縁層は、前述したように、例えば熱ＣＶＤ法に
より形成された膜厚の薄いち密なシリコン酸化膜（第１
絶縁層）１０７と、その上に埋め込まれ、素子の表面を
平坦化するための第２絶縁層１０８との２層構造から構
成されている。この構造において、薄い第１絶縁層１０
７を形成する理由は、その後に形成する第２絶縁層１０
８は不純物（例えばナトリウム、塩素、重金属、水等）
を多く含有しやすいので、その不純物が第２クラッド層
１０６中や量子井戸活性層１０５中へ熱等により拡散す
ることを阻止するためである。したがって、第１絶縁層
１０７は、不純物を阻止できる膜質および膜厚（例えば
５０〜２００ｎｍ）を有すればよい。本実施例において
は、第１絶縁層１０７は、例えば５００〜６００℃の高
温の熱ＣＶＤにより形成されるため、素子への熱の悪影
響を考慮して、この第１絶縁層１０７を厚くして１層と
するのではなく、薄い第１絶縁層１０７と、膜質がち密
でなくても、より低温で形成できる第２絶縁層１０８と
の２層構造とした。
【００３５】第２絶縁層１０８は、前述のポリイミド等
の耐熱性樹脂の他に、プラズマＣＶＤ，ＴＥＯＳ等の有
機原料ＣＶＤなどの方法で比較的低温（４００℃以下）
で形成できるＳｉＯ2等のシリコン酸化物（ＳｉＯ
X膜）、Ｓｉ3Ｎ4等のシリコン窒化膜（ＳｉＮX）、Ｓｉ
Ｃ等のシリコン炭化物（ＳｉＣX）、ＳＯＧ（スピンオ
ングラス法によるＳｉＯ2等のＳｉＯX）などの絶縁性シ
リコン化合物、あるいは多結晶のＩＩ−ＶＩ族化合物半
導体（例えばＺｎＳｅ）などから構成されてもよい。こ
れら、絶縁物の中でも、低温で形成可能であるＳｉＯ2
等のシリコン酸化物、ポリイミドまたはＳＯＧを用いる
のが好まく、さらには、形成が簡単であり、容易に表面
が平坦となることからＳＯＧを用いるのが好ましい。
【００３６】第１絶縁層を構成するシリコン酸化膜（Ｓ
ｉＯx膜）の形成方法には、プラズマＣＶＤ法、反応性
蒸着法など幾つかの種類があるが、ＳｉＨ4（モノシラ
ン）ガスとＯ2（酸素）ガスを用い、Ｎ2（窒素）ガスを
キャリアガスとする常圧熱ＣＶＤ法による成膜方法が最
も適している。その理由は、反応を大気圧で行い、更に
Ｏ2が過剰な条件下で成膜するのでＳｉＯx膜中の酸素欠
損が少なく緻密な膜となること、および、ステップ・カ
バーレッジが良く、共振器部１１４の側面および段差部
も平坦部とほぼ同じ光学的膜厚が得られることである。
【００３７】また、本実施例においては、埋込み絶縁層
が量子井戸活性層１０５に至らない状態、つまり、共振
器部１１４以外の領域において、第１絶縁層１０７と量
子井戸活性層１０５との間に、第２クラッド層１０６を
所定の厚さ（ｔ）だけ残すように形成されている。この
残す膜厚ｔは、好ましくは０〜０．５８μｍ、さらに好
ましくは０〜０．３５μｍに設定される。これにより、
面発光型半導体レーザ装置において、埋込み絶縁層部分
の界面再結合電流をなくし、高効率化、高信頼性化が達
成できる。
【００３８】さらに、このクラツド層の残り膜厚ｔの好
ましい数値範囲について、図２を用いて説明する。図２
において、縦軸は外部微分量子効率を示す傾き（スロー
プ効率）の値を示し、横軸はクラッド層の残り膜厚ｔを
示す。スロープ効率が０．１（つまり１０％）であると
いうことは、１０ｍＡの電流でも１ｍＷの光出力しか得
られないことになる。一般的に、この１０ｍＡという電
流値は、レーザ素子が熱飽和する電流値に近い電流値で
あり、ほとんど限界に近いものである。従って、実用上
要求される傾きは０．１以上であり、図２からスロープ
効率が０．１の時の残り膜厚ｔは、約０．５８μｍとな
り、このことから好ましい残り膜厚ｔは０〜０．５８μ
ｍとなる。
【００３９】（Ｅ）誘電体多層膜ミラーの構造 誘電体多層膜ミラー１１１は、ＳｉＯ2等のＳｉＯx層と
Ｔａ2Ｏ5層とを交互に積層し設計発振波長の光に対し９
８．５〜９９．５％の反射率を持つ、６〜９ペア、好ま
しくは７ペアの誘電体多層膜から形成されている。反射
率が９８．５％より低いと、発振閾電流が大幅に増大し
てしまう。逆に、反射率が９９．５％よりも大きいと光
出力が外部に取り出しにくく、外部微分量子効率が低下
してしまう。従って、前述の反射率になるように誘電体
多層膜ミラー１１１の対数を決定して薄膜を形成する。
更に、誘電体の材料として、レーザ発振波長に対して光
の吸収損失が少ない特性のものを使用することが、閾値
を低くし外部微分量子効率を向上させるために重要であ
る。この誘電体多層膜ミラー１１１を構成するＴａ2Ｏ5
層の代わりに、ＺｒＯX膜、ＺｒＴｉＯX膜、ＴｉＯX膜
も用いられる。これにより、面発光型半導体レーザ装置
の低閾値化、外部微分量子効率の向上が達成できる。
【００４０】（半導体レーザ装置の製造方法）次に、図
１に示す面発光型半導体レーザ装置１００の製造プロセ
スの一例について説明する。図３（Ａ）〜（Ｃ）および
図４（Ｄ）〜（Ｆ）は、面発光型半導体レ−ザ装置の製
造工程を模式的に示したものである。
【００４１】（Ａ）ｎ型ＧａＡｓ基板１０２に、ｎ型Ａ
ｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層とｎ型Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層とを
交互に積層して波長８００ｎｍ付近の光に対し９９．５
％以上の反射率を持つ、例えば４０ペアのＤＢＲミラー
１０３を下部ミラーとして形成する。さらに、ｎ型Ａｌ
0.7Ｇａ0.3Ａｓ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Ａｌ0.7Ｇａ0.3
Ａｓ層（第２クラッド層）１０６、およびｐ型Ａｌ0.15
Ｇａ0.85Ａｓ層（コンタクト層）１０９を順次積層する
（図３（Ａ）参照）。
【００４２】上記の各層は、有機金属気相成長（ＭＯＶ
ＰＥ：Ｍｅｔａｌ−ＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒ Ｐｈａ
ｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法でエピタキシャル成長させ
た。この時、例えば、成長温度は７５０℃、成長圧力は
１５０Ｔｏｒｒで、ＩＩＩ族原料にＴＭＧａ（トリメチ
ルガリウム）、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）の
有機金属を用い、Ｖ族原料にＡｓＨ3 、ｎ型ドーパント
にＨ2Ｓｅ 、ｐ型ドーパントにＤＥＺｎ（ジエチルジン
ク）を用いた。
【００４３】このエピタキシャル成長工程においては、
後に詳述するように、本願発明の特徴を成す光学的膜厚
測定方法および膜形成方法を用い、各層の光学的膜厚を
正確に制御しながら成膜を行っている。
【００４４】各層の形成後、エピタキシャル層上に常圧
熱ＣＶＤ法を用いて、２５ｎｍ程度のＳｉＯ2 層からな
る保護層Ｉを形成する。この保護層Ｉが、積層された半
導体層を覆うことにより、プロセス中の表面汚染を防い
でいる。
【００４５】（Ｂ）次に、反応性イオンビームエッチン
グ（ＲＩＢＥ）法により、レジストパターンＲ１で覆わ
れた柱状の共振器部１１４を残して、第２クラッド層１
０６の途中までエッチングする。このエッチングプロセ
スの実施により、共振器部１１４を構成する柱状部は、
その上のレジストパターンＲ１の輪郭形状と同じ断面を
持つ（図３（Ｂ）参照）。また、ＲＩＢＥ法を用いるた
め、前記柱状部の側面はほぼ垂直であり、またエピタキ
シャル層へのダメージもほとんどない。ＲＩＢＥの条件
としては、例えば、圧力６０ｍＰａ、入力マイクロ波の
パワー１５０Ｗ、引出し電圧３５０Ｖとし、エッチング
ガスには塩素およびアルゴンの混合ガスを使用した。
【００４６】このＲＩＢＥ法による柱状部の形成におい
ては、エッチング中、前記基板１０２の温度は好ましく
は０〜４０℃、より好ましくは１０〜２０℃に設定され
る。このように基板の温度を比較的低温に保持すること
により、エピタキシャル成長によって積層される半導体
層のサイドエッチングを抑制することができる。ただ
し、基板の温度が０〜１０℃であると、サイドエッチン
グを抑制するという点からは好ましいが、エッチングレ
ートが遅くなってしまうために実用的には不向きであ
る。また、基板の温度が４０℃を越えると、エッチング
レートが大きくなりすぎるため、エッチング面が荒れて
しまうだけでなく、エッチングレートの制御がしにくい
という不都合がある。
【００４７】（Ｃ）この後、レジストパターンＲ１を取
り除き、常圧熱ＣＶＤ法で、表面に１００ｎｍ程度のＳ
ｉＯ2 層（第１絶縁膜）１０７を形成する。この際のプ
ロセス条件としては、例えば、基板温度４５０℃、原料
としてＳｉＨ4 （モノシラン）と酸素を使用し、キャリ
アガスには窒素を用いた。さらにこの上にスピンコート
法を用いてＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｒａｓｓ）膜１
０８Ｌを塗布し、その後、例えば、８０℃で１分間、１
５０℃で２分間、さらに３００℃で３０分間、窒素中で
ベーキングする（図３（Ｃ）参照）。
【００４８】（Ｄ）次に、ＳＯＧ膜１０８ＬとＳｉＯ2
膜１０７と保護層Ｉをエッチバックして、露出したコ
ンタクト層１０９の表面と面一になるように平坦化させ
る（図４（Ｄ）参照）。エッチングには平行平板電極を
用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を採用し、
反応ガスとして、ＳＦ6 、ＣＨＦ3 およびＡｒを組み合
わせて使用する。
【００４９】（Ｅ）次に、コンタクト層１０９とリング
状に接触する上側電極１１２を公知のリフトオフ法によ
り形成する（図４（Ｅ）参照）。
【００５０】（Ｆ）コンタクト層１０９は上側電極１１
２の円形開口を介して露出しており、この露出面を充分
に覆うように誘電体多層膜ミラー（上部ミラー）１１１
を公知のリフトオフ方法により形成する（図４（Ｆ）参
照）。上部ミラー１１１は、電子ビーム蒸着法を用い
て、ＳｉＯ2 層とＴａ2Ｏ5層を交互に例えば７ペア積層
して形成され、波長８００ｎｍ付近の光に対して９８．
５〜９９．５％の反射率を持つ。このときの蒸着スピー
ドは、例えばＳｉＯ2 が０．５ｎｍ／分、Ｔａ2Ｏ5層が
０．２ｎｍ／分とした。なお、上部ミラー１１１の形成
には、上述のリフトオフ法以外にＲＩＥ法によるエッチ
ングを用いてもよい。
【００５１】しかる後、基板１０２の下面に、ＮｉとＡ
ｕＧｅ合金とからなる下側電極１０１が形成されて、面
発光型半導体レ−ザ装置が完成する。
【００５２】次に、前述の様な低閾電流を持ち、外部微
分量子効率の高い面発光型半導体レーザ装置を実現する
ための製造方法のポイントについてさらに詳述する。こ
れまで述べてきたように、結晶成長によってＤＢＲミラ
ー層、クラッド層および多重量子井戸構造の活性層など
を形成するので、結晶成長技術が本発明の面発光型半導
体レーザ装置の製造方法において最も重要である。結晶
成長技術には、 （１）ヘテロ界面が原子層オーダーで急峻であること （２）広い面積にわたって膜厚の均一性が高いこと （３）膜厚、組成およびドーピング効率の再現性が高い
こと 等が必要な要件である。
【００５３】特に（１）の界面の急峻性が、面発光型半
導体レーザ装置の特性の向上の為には重要である。化合
物半導体の結晶成長技術において界面の急峻性を確保す
る方法には、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、有機
金属気相エピタキシー法（ＭＯＶＰＥ法）がある。液相
エピタキシー法（ＬＰＥ法）は高純度の結晶成長が可能
であるが、液相から固相への成長方法であるのでヘテロ
界面の急峻性を実現する事は困難で、面発光型半導体レ
ーザ装置の製造方法には適さない。これに対しＭＢＥ法
とＭＯＶＰＥ法はそれぞれ分子線、気相から固相への成
長方法であるので原理的には原子層オーダーの界面急峻
性が得られる。
【００５４】しかし、ＭＢＥ法は分子線からの結晶形成
であり成長速度を高めることはできず、０．０１〜０．
１ｎｍ／秒といった比較的遅い成長速度しか得られず、
面発光型レ−ザの様に数μｍ程度のエピタキシャル層を
必要とする結晶成長には不向きである。またＭＢＥ法
は、その製造装置の構造上、大面積において均一かつ高
品質に結晶成長させることは非常に難しく、また原料の
充填量の制約から、連続した結晶成長の回数にも制限が
ある。このことは、結晶成長のスループットを制限する
点であり、基板の量産を難しくする要因となっている。
【００５５】これに対し、本実施例で用いているＭＯＶ
ＰＥ法は、前述した、ＭＢＥ法と同等の原子層オーダの
ヘテロ界面の急峻性が得られており、また、気相成長で
あるため原料の供給量を変化させることにより、０．０
１〜数ｎｍ／秒の成長速度を得ることができる。
【００５６】また、（２）の膜厚の均一性については、
成長装置の反応管形状を最適化することにより、例えば
直径が３インチ円形基板のほぼ７５％の面積で、±２％
以内の膜厚分布が得られることが確認された。
【００５７】（３）の再現性の点では、ＭＢＥ法やＭＯ
ＶＰＥ法は成長の制御性が原理上よいので、膜厚、組成
およびドーピング効率の再現性が高く、本実施例の面発
光型半導体レーザ装置を実現する結晶成長方法はＭＯＶ
ＰＥ法が好ましい。
【００５８】（３）の点については、ＭＯＶＰＥ法にお
いて、以下に示す、本発明の光学的膜厚測定方法を適用
した製造方法を組み合わせることにより、さらに再現性
かつ制御性よくエピタキシャル層を作製することができ
る。
【００５９】図５は、ＭＯＶＰＥ法が適用され、かつ結
晶成長中にエピタキシャル層の反射強度を常時測定する
ことが可能な成膜装置の一例を模式的に示したものであ
る。この成膜装置は、例えば横型水冷反応管を用いたＭ
ＯＶＰＥ装置において、成長基板上部の水冷管部分を無
くし、反応管外部から成長基板上に光を入れることが可
能な光学窓を有する。
【００６０】具体的には、このＭＯＶＰＥ装置は、マス
フローコントローラ２４によって組成が制御された原料
ガスが供給される反応管１０の周囲に、内部に例えば水
を通すことによって反応管１０を冷却する冷却部１２が
設けられている。反応管１０の内部には基板Ｓを載置す
るためのサセプタ１４が設けられ、このサセプタ１４の
基板載置面に面する部分の反応管１０壁面に光学窓１６
が設けられている。光学窓１６の上方には光源１８およ
び光検出部２０が設置され、光源１８から出射された光
は光学窓１６を介してサセプタ１４上の基板Ｓに到達
し、その反射光は再び光学窓１６を介して光検出部２０
に到達するように構成されている。そして、光検出部２
０は、演算制御部２２と接続され、この演算制御部２２
は前記マスフローコント．ローラ２４に接続されてい
る。
【００６１】そして、光源１８からの光は基板Ｓ上にほ
ぼ垂直（最大５°）に入射するように設定され、その反
射光を光検出部２０によって測定することにより、基板
Ｓ上にエピタキシャル成長を行いながら、後に詳述する
ように、同時に生成するエピタキシャル層の反射強度の
変化を測定し、この反射強度変化を演算制御部２２にお
いて所定の演算式によって処理し、得られたデータをマ
スフローコントローラ２４にフィードバックできるよう
に構成されている。
【００６２】本実施例において特徴的なことは、前記光
源１８は２系統のモニタ光、つまり第１のモニタ光およ
び第２のモニタ光を構成し、形成される半導体層に応じ
てモニタ光を変換できる点にある。
【００６３】２系統のモニタ光を構成する光源１８は、
その構成は特に制限されないが、例えば図６（Ａ）〜
（Ｃ）に示すものを挙げることができる。
【００６４】図６（Ａ）に示す光源１８においては、２
つのレーザ光源１８ａおよび１８ｂを近接して設置し、
各光路上にコリメータレンズ１８ｃおよび１８ｄを設
け、２本のレーザビームを平行光もしくは少なくとも基
板より遠方に焦点を持たせるようにする。２本のモニタ
ビームは、互いに１度以内の範囲に入ることが好まし
く、平行であることが最も望ましい。また、この２本の
モニタビームは基板Ｓ上において同一位置に照射される
ことが好ましい。
【００６５】図６（Ｂ）に示す光源１８においては、２
つのレーザ光源１８ａおよび１８ｂの各光路が互いに直
交するように配置され、これらの光路の交点にハーフミ
ラー１８ｅを光路に対して例えば４５度の角度で設置さ
れている。また、各光源１８ａおよび１８ｂとハーフミ
ラー１８ｅとの間には、光路上にコリメータレンズ１８
ｃおよび１８ｄがそれぞれ設置されている。このタイプ
の光源１８においては所定の波長を有する２本のモニタ
ビームをハーフミラー１８ｅを介することによって光軸
を一致させたモニタビームとすることができる。
【００６６】図６（Ｃ）に示す光源１８においては、２
つのレーザ光源１８ａおよび１８ｂを同一線上に配置
し、その光路上に、設置角度が調節可能なミラー１８ｆ
を設けている。また、各光源１８ａ，１８ｂとミラー１
８ｆとの間にはそれぞれコリメータレンズ１８ｃ，１８
ｄが設けられている。
【００６７】図６（Ａ）および（Ｂ）に示す光源１８に
おいては、２本のモニタ光を独立に制御することがで
き、したがって常時２系統のモニタ光を照射することも
でき、あるいは何れかの光源の作動をオン・オフするこ
とによりモニタ光を切り換えることもできる。図６
（Ｃ）に示す光源１８においては、ミラー１８ｆの角度
を切り換えることにより光源１８ａ，１８ｂからの光の
一方を選択でき、モニタ光を切り換えることができる。
【００６８】光源として用いられる半導体レーザとして
は以下のものを例示することができる。なお、その波長
範囲を併記する。 ＩｎＧａＡｓＰ 系 ； １．２〜１．６μｍ，０．６
２〜０．９ μｍ ＩｎＧａＡｓ 系 ； ０．９６〜０．９８ μｍ ＧａＡｌＡｓ 系 ； ０．７〜０．８８ μｍ ＩｎＧａＡｌＰ 系 ； ０．６２〜０．６７ μｍ ＺｎＳＳｅ 系 ； ０．４〜０．５ μｍ ＺｎＣｄＳｅ 系 ； ０．４〜０．５ μｍ ＧａＩｎＡｌＮ 系 ； ０．３〜０．５ μｍ 光源としては、上記のものの他に光学モニタ用として広
く用いられているＨｅ−Ｎｅレーザ（発振波長；０．６
３μｍ，１．１５μｍ）などを用いることができる。
【００６９】図７は、受光系の構成例を示し、同図
（Ａ）は、モニタ光が１系統のタイプの構成を示し、同
図（Ｂ）は２系統のモニタ光が用いられる場合の構成を
示す。
【００７０】図７（Ａ）に示す装置においては、フォト
ダイオードあるいは光電子増倍管などからなる光検出部
２０が直接演算制御部２２と接続され、モニタ光の反射
光は光検出部２０を介して演算制御部２２に出力され
る。
【００７１】図７（Ｂ）に示す装置においては、第１の
光検出部２０ａおよび第２の光検出部２０ｂとからなる
光検出部２０と、光検出部２０ａ，２０ｂと基板Ｓとの
間に配置された、プリズムあるいはホログラムなどから
なる分光部８０と、スリット８２とを有する。そして、
第１の光検出部２０ａおよび第２の光検出部２０ｂはス
イッチ８４を介して演算制御部２２と接続されている。
この装置においては、反射光が第１および第２のモニタ
光を含んでいるため、この反射光を分光部８０およびス
リット８２を介してそれぞれ第１および第２の光検出部
２０ａ，２０ｂに送る。そして、スイッチ８４によって
モニタしたい出力を選択的に演算制御部２２に出力す
る。
【００７２】以上、モニタ光の照射および検出に用いら
れる装置の概略を説明したが、本実施例はこれに限定さ
れるものではなく、通常用いられている光学手段、デー
タ処理手段等を適宜用いることができる。
【００７３】次に、第１および第２のモニタ光について
詳述する。
【００７４】第１のモニタ光は、第１クラッド層１０４
を除く半導体層であって、少なくともＤＢＲミラー、好
ましくはＤＢＲミラーおよび他の半導体層の光学的膜厚
測定に用いられる。第２のモニタ光は、少なくとも第１
クラッド層１０４の測定に用いられる。そして、第１の
モニタ光および第２のモニタ光の波長は、以下の条件を
満たすように設定される。
【００７５】すなわち、ＤＢＲミラー１０３は所定の波
長範囲、つまり少なくとも設計発振波長λ0±３０μｍ
に対して高い反射率、具体的には９８．０％以上、より
好ましくは９９．０％以上、さらに好ましくは９９．５
％以上の反射率を持つことが望まれている。これを満た
すためには、ＤＢＲミラーを構成する各層の厚さがλ／
４ｎでなければならない。ここで、λは所定波長（本実
施例では設計発振波長λ0）、ｎは所定波長での屈折率
を示す。
【００７６】図８は、ＤＢＲミラーの反射率スペクトル
を示し、縦軸は反射率を示し、横軸は波長を示してい
る。この反射率スペクトルにおいては、反射率が９９．
５％以上の領域を「高反射帯域」という。なお、図８〜
図１１に示す反射率スペクトルの縦軸は、反射強度を反
射率として表したものである。具体的には、各モニタ波
長において１００％，５０％，０％の反射率を持つリフ
ァレンスミラーを本実施例の成膜装置の基板位置に置い
て測定を行い、本実施例の成膜装置における反射率と反
射強度の関係をあらかじめ調べておくことで、反射強度
を基板の反射率に変換したものである。
【００７７】前記ＤＢＲミラーの設計波長（高反射帯域
の中心波長）は、半導体レーザ装置の設計発振波長λ0
である８００ｎｍに設定されている。そして本実施例の
ようなＡｌＧａＡｓ系半導体の場合、成膜温度と室温の
間には、約４．５％の光学的膜厚の差が存在するため、
これを考慮してモニタ光の波長を設定することが望まし
い。例えば、室温における波長８００ｎｍは成膜温度７
５０℃において８３６ｎｍに相当する。したがって、本
実施例では第１のモニタ光として８３６ｎｍの波長の半
導体レーザによるレーザ光を使用した。この波長は、室
温におけるＤＢＲミラーの設計波長（８００ｎｍ）に該
当する。
【００７８】また、第２のモニタ光の波長λmは、成膜
温度において高反射帯域に含まれない波長に設定され
る。つまり、高反射帯域の最も小さい波長をλl、高反
射帯域の最も大きい波長をλhとすると、以下の関係 λm＜λl λh＜λm が成立する。第２のモニタ光の波長λmは、高反射帯域
よりも小さい波長領域に設定されることが好ましく（図
８参照）、本実施例では、第２のモニタ光として７８６
ｎｍの波長の半導体レーザによるレーザ光を使用した。
その理由については後に詳述する。
【００７９】図９は、本実施例の面発光型半導体レーザ
装置を図５に示す成膜装置を用いてＭＯＶＰＥ成長させ
る工程において、ＤＢＲミラー１０３、第１クラッド層
１０４および活性層１０５を構成するエピタキシャル層
の反射率の経時的変化を示したものである。横軸がエピ
タキシャル層の成長時間を示し、縦軸が反射率を示して
いる。図９に示す反射率測定においては、モニタ光とし
ては、設計発振波長λ0に成膜時の温度補正を加えた補
正波長λ0′（８３６ｎｍ）と同じ波長を有する第１の
モニタ光を用いた。
【００８０】図９において、成膜時間Ｔ０−Ｔ２はＤＢ
Ｒミラー１０３の成膜工程に、成膜時間Ｔ２−Ｔ３は第
１クラッド層１０４の成膜工程に、成膜時間Ｔ３−Ｔ４
は活性層１０５の成膜工程にそれぞれ対応している。図
９から明らかなように、ＤＢＲミラー１０３の前段（下
部）の成膜（成膜時間Ｔ０−Ｔ１）および活性層１０５
の成膜（成膜時間Ｔ３−Ｔ４）においては、反射率の変
化が顕著であり極値（極大点および極小点）が明確に現
れている。これに対し、ＤＢＲミラー１０３の後段（ミ
ラー上部）の成膜（成膜時間Ｔ１−Ｔ２）および第１ク
ラッド層１０４の成膜（成膜時間Ｔ２−Ｔ３）において
は、反射率の変化が小さく明確な極値を測定できない。
そこで、本実施例においては、少なくとも第１クラッド
層１０４の成膜工程において、第１のモニタ光と異なる
波長λmを有する第２のモニタ光によって測定を行う。
以下、各成膜工程と反射率との関係について詳細に説明
する。
【００８１】（ａ）ＤＢＲミラーの成膜 図１１に、図９に示す、ＤＢＲミラー１０３の成膜工程
の前段における反射率スペクトルを模式的に拡大して示
す。
【００８２】図１１から明らかなように、ＧａＡｓ基板
上に初め低屈折率ｎ1のＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓを積層する
と光学的膜厚が増加するにつれ反射率が減少する。光学
的膜厚が（λ0／４ｎ1）になると極小点を向かえるの
で、この極小点をモニタして、高屈折率ｎ2のＡｌ0.15
Ｇａ0.85Ａｓの推積に切り替える。そして、Ａｌ0.15Ｇ
ａ0.85Ａｓ層の光学的膜厚が増加すると反射率は増加し
ていくが、光学的膜厚が（λ0／４ｎ2）になると極大点
に到達するので、再び低屈折率ｎ1のＡｌ0.8Ｇａ0.2
Ａｓの推積に切り替える。この操作を繰り返すことによ
り、ＤＢＲミラーは、その反射率が低反射率および高反
射率をくり返しながら変動し、反射率が増加していく。
【００８３】この反射率の変化は、結晶の成長速度や成
長時間に依存せず、各層の光学的膜厚のみに依存してい
る。従って、反射率スペクトルの極値（１次微分値０）
で積層する層のＡｌ組成を変更し、屈折率の違う層を交
互にエピタキシャル成長させることにより、各層が理論
通りの光学的膜厚（λ／４ｎ）を持ったＤＢＲミラーが
得られる。
【００８４】図９に示すように、ＤＢＲミラーの成膜工
程において、ミラーのペア数が増加すると反射率が大き
くなるが、それに伴って反射率の変化率が小さくなる。
実用上、反射率の極大点および極小点を精度よく検出す
るためには、連続する極大点と極小点との差が反射率で
少なくとも１０％程度必要である。この事を考慮する
と、ＤＢＲミラーの高反射率の領域（図９における成膜
時間Ｔ１−Ｔ２の領域）、すなわち例えば極大点と極小
点との差が反射率で１０％程度となる成膜時間Ｔ１以降
は、前段の成膜時間Ｔ０−Ｔ１で求められた測定データ
から成膜速度を求め、この成膜速度をもとに各層の光学
的膜厚をコントロールすることができる。
【００８５】（ｂ）第１クラッド層の成膜 図１０は、波長λmを有する第２のモニタ光によって、
第１クラッド層１０４および活性層１０５をモニタして
得られた、成膜時間と反射率との関係を示す図である。
図１０から明らかなように、第２のモニタ光を用いた測
定においては、第１クラッド層の成膜工程（成膜時間Ｔ
２−Ｔ３）において、第１のモニタ光（波長：λ0′）
を用いた場合にはほとんど見られなかった反射率の変化
が顕著に現れ、極小点と極大点が明瞭に現れていること
がわかる。
【００８６】第２のモニタ光で用いられる波長λmは、
前述したように、ＤＢＲミラーの高反射帯域から外れた
波長であることが必要である。具体的には、波長λmは
ＤＢＲミラーの高反射帯域より短波長側もしくは長波長
側で選択されることが必要であり、さらに短波長側の波
長であることが望ましい。その理由は、反射率の絶対値
を測定することは精度的に困難であるため、通常は反射
強度の極大点および極小点によって波数を求める。その
ため、評価できる光学的な最低膜厚はモニタ光の波長で
１／４の波数となる。従って、モニタ光の波長が短いほ
ど、測定可能な光学的膜厚が小さくできる。
【００８７】そして、第２のモニタ光の波数（１／４）
に対応する成膜時間△Ｔから成膜速度を算出することが
でき、さらに得られた成膜速度から最終的に必要な光学
的膜厚の成膜時間が算出できる。したがって、光学的膜
厚モニタに時間制御を併用することにより、設計発振波
長λ0（補正波長λ0′）における任意の波数Ｎ0の光学
的膜厚を得ることができる。
【００８８】例えば、図１２に示すように、第２のモニ
タ光における極小点と極大点との時間間隔、すなわち波
長λmのモニタ光の１／４波数（Ｎm）に相当する成膜時
間を△Ｔとすると、第１クラッド層を形成するために必
要な成膜時間ＴEND（Ｔ３−Ｔ２）は下記（式１）で表
される。
【００８９】
【数１】
【００９０】（式１）において、ｎm、ｎ0′は、それぞ
れ波長λm、λ0′での成膜温度における屈折率である
が、ｎmとｎ0′はほとんど同じ温度依存性を示すので、
その比は温度によらず一定と見なせる。したがって、ｎ
mおよびｎ0′としてそれぞれの波長での室温における屈
折率を代入することができる。
【００９１】第１クラッド層の測定に用いられる波長λ
mの第２のモニタ光は、波長λ0の第１のモニタ光と同時
に２系統で基板に照射されていてもよく、あるいは所定
のタイミング（図９および図１０における成膜時間Ｔ２
−Ｔ３）において、第１のモニタ光から第２のモニタ光
に変換されるシステムでもよい。
【００９２】（ｃ）活性層およびその他の層の成膜 活性層１０５の成膜においては、図９に示すように、波
長λ0（補正波長λ0′）の第１のモニタ光による反射率
がＤＢＲミラーの影響を受けずに大きく変動し、その極
値を明確に測定することができるため、第１のモニタ光
による光学的膜厚の測定を行うことにより光学的膜厚を
正確に制御することができる。活性層１０５の上に順次
積層される第２クラッド層１０６およびコンタクト層１
０９の成膜においても、引き続き第１のモニタ光を用い
た光学的膜厚の測定を適用することが望ましい。
【００９３】さらに、この成膜方法では、ＤＢＲミラー
自体の反射強度を結晶成長中に測定できることから、層
形成中にＤＢＲミラーのペア数を変更したり、構造の最
適化がはかれる。
【００９４】また、反射強度の極値から、ＤＢＲミラー
より上部の第１クラッド層および活性層などの各層の光
学的膜厚も正確に制御できることから、従来の成長時間
を管理する成膜方法に比べ、再現性がよく、かつスルー
プットが高い方法で、結晶成長基板を作製できる。実際
に、本実施例の成長方法により、面発光型レーザ素子に
好適な９９．５％以上の反射率を持つＤＢＲミラーが制
御性よく得られた。
【００９５】上述した、層の反射率をモニタして結晶層
の光学的膜厚を制御する方法は、ＭＯＶＰＥ法だけでな
く、他の成膜プロセス、例えばＭＢＥ法などにも使用で
きる。
【００９６】次に、柱状共振器部をＲＩＢＥ法で形成す
る工程（図３（Ｂ）参照）に、上述した反射率をモニタ
する手段を使用した実施例について述べる。
【００９７】前述したように、共振器部１１４の作製に
は、垂直側面が得られ、かつ表面ダメージの少ない点か
ら、ＲＩＢＥ法によるエッチングを行っている。この柱
状共振器部の形成において重要なポイントは、エッチン
グ深さ、つまり第２クラッド層１０６の残り膜厚ｔを制
御することである。この残り膜厚を管理して、所定の厚
さにしなければならない理由は先に記した。
【００９８】ＲＩＢＥ法によるドライエッチングを行い
ながら、残り膜厚を測定する方法を、以下に具体的に示
す。
【００９９】図１３に、エッチングしながらエピタキシ
ャル層の反射率を測定できるＲＩＢＥ装置の概略図を示
す。
【０１００】このＲＩＢＥ装置は、エッチング室３０
に、プラズマ室４０および排気手段を構成する真空ポン
プ３２が接続されている。エッチング室３０は、前記プ
ラズマ室４０に対向する位置に基板Ｓを載置するための
ホルダ３４を有する。このホルダ３４は、ロードロック
室５０を介して進退自由に設けられている。エッチング
室３０のプラズマ室４０側の側壁には、光学窓３６およ
び３８が対向する位置に設けられている。そして、エッ
チング室３０内には、前記光学窓３６および３８を結ぶ
ライン上に一対の反射ミラーＭ１およびＭ２が設けられ
ている。一方の光学窓３６の外方には光源２６が設置さ
れ、他方の光学窓３８の外方には光検出部２８が設置さ
れている。また、プラズマ室４０は、マイクロ波導入部
４４および反応ガスをプラズマ室４０に供給するための
ガス供給部４６および４８が連結されている。そして、
プラズマ室４０の周囲にはマグネット４２が設けられて
いる。
【０１０１】このＲＩＢＥ装置においては、通常の方法
によって基板Ｓ上に形成された結晶層をエッチングする
とともに、光源２６から照射される光を光学窓３６およ
び反射ミラーＭ１を介して基板Ｓ上に照射し、その反射
光を反射ミラーＭ１および光学窓３８を介して光検出部
２８によって測定することにより、基板Ｓ上の結晶層の
反射率をモニタすることができる。
【０１０２】次に、図１４（Ａ）〜（Ｃ）に基づいて、
エッチング中の第２クラッド層の残り膜厚ｔの測定方法
を具体的に説明する。
【０１０３】エッチング前状態（図３（Ａ）で示す状
態）での共振器を構成するエピタキシャル結晶層は、図
１４（Ａ）に示す様な反射スペクトルを示す。ＤＢＲミ
ラーの反射率が非常に高く、かつＤＢＲミラー上の結晶
層の膜厚が薄いことから、スペクトルの概容はＤＢＲミ
ラーの反射スペクトルとなっている。また外部から結晶
層に光を入射すると、ＤＢＲミラー上に積層された結晶
層内に定在波（縦モード）が存在する波長で活性層が光
を吸収するため、その波長での反射率が低下し、反射ス
ペクトル内にくぼみ、つまりディップ（Ｄｏ）を形成す
る。
【０１０４】このディップ（Ｄｏ）の波長λｏは、ＤＢ
Ｒミラーから上の結晶層の光学的膜厚に対応することか
ら、エッチングにより光学的膜厚が薄くなると、ディッ
プ（Ｄｏ）も短波長側に移動して波長λ′となる（図１
４（Ｂ）参照）。
【０１０５】さらに、長波長側に次のディップ（Ｄ１）
（波長：λ″）が発生し、これが短波長側の波長λ１へ
と移動する（図１３（Ｃ）参照）。さらにエッチングを
続けると、再び長波長側に新たなディップが発生し、デ
ィップの移動と発生が繰り返えされる。エッチング前の
状態から、ａ個めのディップの波長をλａとすると、こ
の時のエッチング量△ａは下記（式２）で表される。
【０１０６】
【数２】
【０１０７】（式２）において、Θは構造から決まる定
数で、本実施例では１／２または１／４、ｎはエピタキ
シャル層の平均屈折率である。
【０１０８】このようにエッチングによりディップが短
波長側にシフトして高反射帯域からはずれても、長波長
側に次の縦モードに対応するディップが発生し、これが
さらに短波長側にシフトするので、エッチング中に高反
射帯域に存在するディップの数および波長移動量を測定
することにより、エッチング量およびエッチング速度を
管理できる。したがって、第２クラッド層において所定
の残り膜厚を有する共振器部１１４を正確に作製するこ
とができる。
【０１０９】また、反射スペクトルの値や形状もエッチ
ング中に同時にモニタできるので、エッチング時の表面
の汚れ、ダメージなども評価でき、これらの評価結果を
エッチング条件にフィードバックすることができる。
【０１１０】さらに、反射率のモニタ手段を使ったプロ
セスとして、ＲＩＥ法によるＳｉＯ2層のエッチングに
ついて説明する。
【０１１１】図１に示す面発光型半導体レ−ザ装置の作
製工程においては、前述したように、レ−ザ光出射側の
リング状の上側電極１１２を形成する前まで、共振器表
面のｐ型コンタクト層１０９は表面保護用のＳｉＯ2 層
Ｉ（図３（Ｂ）参照）で覆われているが、上側電極を形
成するためには、このＳｉＯ2 層を完全にエッチングし
なければならない。ただし、必要以上にエッチングを行
うと、コンタクト層もエッチングすることになり、コン
タクト層へダメージを与えたり、発振波長に関係する共
振器長が変化してしまう問題が起こる。
【０１１２】従って、ＳｉＯ2層Ｉのエッチング量の管
理が重要である。そこで、本実施例ではＳｉＯ2層Ｉの
エッチングに使用するＲＩＥ装置に、エッチング中にエ
ピタキシャル結晶層の反射率を測定できる方法を導入
し、エッチング量を測定することとした。
【０１１３】図１５に反射率測定手段を導入した平行平
板型ＲＩＥ装置の概略図を示す。このＲＩＥ装置におい
ては、エッチング室６０内に、ＲＦ発振器６１に接続さ
れた載置電極６２とメッシュ状の対向電極６４とが対向
して設けられている。エッチング室６０には、ガス供給
部７０と排気用の真空ポンプ６６とが接続されている。
そして、エッチング室６０の、前記載置電極６２と対向
する壁面には、光学窓６８が設けられており、この光学
窓６８の外方には光源７２と光検出部７４とが設置され
ている。そして、光源７２から照射された光は光学窓６
８を介して基板Ｓに到達し、その反射光は光学窓６８を
介して光検出部７４に至る。このＲＩＥ装置において
は、通常のメカニズムによってＳｉＯ2層がエッチング
されるとともに、光源７２からの光を検出することによ
ってエッチング面の反射率をモニタすることができる。
【０１１４】図１６は、ｐ型コンタクト層１０９上にＳ
ｉＯ2 層があるときの、８００ｎｍの光に対する反射率
の変化を示したものである。横軸がＳｉＯ2 層の光学的
膜厚、縦軸が反射率である。図に示したように、反射率
はＳｉＯ2 層の残り膜厚によって変化し、残り膜厚が
（λ／４ｎ）になるごとに極大点と極小点をとり、Ｓｉ
Ｏ2 層が完全にエッチングされると反射率変化はなくな
る。ここでλは測定光源の波長、ｎはＳｉＯ2層の屈折
率である。従って、ＲＩＥによるエッチング中に反射率
を測定し、反射率曲線の極値をモニタすることにより、
ＳｉＯ2 層のエッチングを完全に行うことができる。
【０１１５】また、ＳｉＯ2 層の完全なエッチング終了
後、前記ＲＩＢＥプロセスと同様に、ＲＩＥ中の反射率
測定の光源として分光器を通した光若しくは波長可変の
レ−ザ光を用いて例えば７００〜９００ｎｍの波長の光
を照射することにより、反射率のディップが測定でき、
共振器長が測定できる。つまり、この反射率のディップ
を測定しながらＲＩＥによるエッチングを進めると、エ
ッチング量は前記（式２）で求められ、共振器長を正確
に制御することができる。ここで、ＲＩＥを用いている
のは、ｐ型コンタクト層１０９を保護するためのＳｉＯ
2 層を完全にエッチングした後、同一装置内でエッチン
グが可能なこと、またＲＩＢＥによるエッチングよりも
エッチング速度が遅いので共振器長を制御しやすいこと
が挙げられる。このときのエッチング条件としては、例
えば、圧力２Ｐａ、ＲＦパワー７０Ｗとし、エッチンガ
スとしてはＣＨＦ3を使用した。
【０１１６】前述した様に本発明の面発光型半導体レー
ザ装置の実現には、ＤＢＲミラーの高反射帯域と共振器
長によって定まる発振波長を設計発振波長にしなければ
ならないが、エピタキシャル成長後に仮にその設計発振
波長が得られなくとも、反射率をモニタしたＲＩＥを用
いることにより、共振器長を所定長さに精度良くエッチ
ングできるので、高い精度のデバイスを歩留まりよく製
造することが可能である。
【０１１７】また、反射率をモニタしたエッチングを用
いることにより、基板面内で共振器長の異なる部分を精
度良く作ることもでき、１枚の基板で発振波長の異なる
面発光型半導体レーザ装置を作製することもできる。
【０１１８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した面発光型半導体レーザ装置の
断面を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のクラッ
ド層の残り膜厚ｔと外部微分量子効率（スロープ効率）
の値との関係を示す図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、図１に示す面発光型半導体
レーザ装置の製造プロセスを模式的に示す断面図であ
る。
【図４】（Ｄ）〜（Ｆ）は、図３に引き続いて行われ
る、図１に示す面発光型半導体レーザ装置の製造プロセ
スを模式的に示す断面である。
【図５】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の半導体
層を形成する際に用いられるＭＯＶＰＥ装置を模式的に
示す図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｃ）は、図５に示すＭＯＶＰＥ装置
の光源の構成例を示す図である。
【図７】（Ａ）および（Ｂ）は、図５に示すＭＯＶＰＥ
装置の受光系の構成例を示す図である。
【図８】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のＤＢＲ
ミラーの反射率と波長との関係を示す図である。
【図９】第１のモニタ光を用いて得られた、ＤＢＲミラ
ー、第１クラッド層および活性層の成膜工程における成
膜時間と反射率との関係を示す図である。
【図１０】第２のモニタ光を用いて得られた、第１クラ
ッド層および活性層の成膜工程における成膜時間と反射
率との関係を示す図である。
【図１１】図９に示す、ＤＢＲミラーの成膜工程の前段
における成膜時間と反射率との関係を模式的に示す図で
ある。
【図１２】第２のモニタ光を用いた、第１クラッド層の
成膜における時間と反射率との関係を示す図である。
【図１３】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の製造
プロセスにおいて用いられるＲＩＢＥ装置を模式的に示
す図である。
【図１４】（Ａ）〜（Ｃ）は、ＲＩＢＥプロセスにおけ
る反射スペクトルの変化を示す図である。
【図１５】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のエッ
チングプロセスにおいて用いられるＲＩＢＥ装置を模式
的に示す図である。
【図１６】図１５に示す装置を用いてＲＩＢＥを行った
ときのＳｉＯ2層の光学的膜厚と反射率との関係を示す
図である。
【符号の説明】
１０２ 基板 １０３ ＤＢＲミラー １０４ 第１クラッド層 １０５ 活性層 １０６ 第２クラッド層 １０７ 第１絶縁層 １０８ 第２絶縁層 １０９ コンタクト層 １１１ 誘電体多層膜ミラー １１４ 共振器部
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｐ Ｈ０１Ｓ 3/18 Ｈ０１Ｓ 3/18

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上に複数の膜を積層する際に、基板
    に向けてモニタ光を照射し、その反射強度の極値から光
    学的膜厚を測定する光学的膜厚測定方法において、 積層される複数の膜は、所定の波長帯域において９８％
    以上の反射率を有する第１の膜と、この第１の膜上に形
    成され、かつ前記所定の波長帯域において１０００ｃｍ
    -1以下の吸収係数を有する第２の膜とを含み、 前記第１の膜は、所定波長を有する第１のモニタ光によ
    って測定され、 前記第２の膜は、前記所定の波長帯域と異なる波長を有
    する第２のモニタ光によって測定されることを特徴とす
    る光学的膜厚測定方法。
  2. 【請求項２】 請求項１において、 前記第２のモニタ光は、前記所定の波長帯域より短い波
    長を有することを特徴とする光学的膜厚測定方法。
  3. 【請求項３】 請求項１または請求項２において、 前記第１のモニタ光は、前記所定の波長帯域に含まれる
    ことを特徴とする光学的膜厚測定方法。
  4. 【請求項４】 基板上に複数の膜を積層する膜形成方法
    において、 積層される複数の膜は、所定の波長帯域において９８％
    以上の反射率を有する第１の膜と、この第１の膜上に形
    成され、かつ前記所定の波長帯域において１０００ｃｍ
    -1以下の吸収係数を有する第２の膜とを含み、 前記第１の膜は、所定波長を有する第１のモニタ光を基
    板に向けて照射し、その反射強度の極値から光学的膜厚
    をモニタしながら形成され、 前記第２の膜は、前記所定の波長帯域と異なる波長を有
    する第２のモニタ光を基板に向けて照射し、その反射強
    度の極値から光学的膜厚をモニタしながら形成されるこ
    とを特徴とする膜形成方法。
  5. 【請求項５】 請求項４において、 前記第２のモニタ光は、前記所定の波長帯域より短い波
    長を有することを特徴とする膜形成方法。
  6. 【請求項６】 請求項４または請求項５において、 前記第１のモニタ光は、前記所定の波長帯域に含まれる
    ことを特徴とする膜形成方法。
  7. 【請求項７】 第１導電型の化合物半導体からなる基板
    上に、少なくとも、第１導電型の分布反射型多層膜ミラ
    ー、第１導電型の第１クラッド層、活性層、第２導電型
    の第２クラッド層および第２導電型のコンタクト層を含
    む半導体層をエピタキシャル成長によって形成する工程
    を含み、 前記分布反射型多層膜ミラーは、成膜時に、所定波長の
    第１のモニタ光を基板に向けて照射してその反射強度を
    測定し、この反射強度の極値で屈折率の異なる一方の半
    導体層の堆積から他方の半導体層の堆積に切り替えるこ
    とによって、低屈折率の半導体層と高屈折率の半導体層
    とを交互に積層して形成され、かつ所定の波長帯域にお
    いて９８％以上の反射率を有し、 前記第１クラッド層は、前記分布反射型多層膜ミラーに
    おける前記所定の波長帯域と異なる波長を有する第２の
    モニタ光を基板に向けて照射し、その反射強度の極値を
    モニタすることによって光学的膜厚を制御しながら形成
    されることを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
  8. 【請求項８】 請求項７において、 前記分布反射型多層膜ミラーは、前記所定の波長帯域で
    ９９％以上の反射率を有することを特徴とする半導体レ
    ーザ装置の製造方法。
  9. 【請求項９】 請求項７または請求項８において、 前記第１クラッド層は、１０００ｃｍ-1以下の吸収係数
    を有することを特徴とする半導体レーザ装置の製造方
    法。
  10. 【請求項１０】 請求項７〜請求項９のいずれかにおい
    て、 前記第２のモニタ光は、前記所定の波長帯域より小さい
    波長を有することを特徴とする半導体レーザ装置の製造
    方法。
  11. 【請求項１１】 請求項７〜請求項１０のいずかにおい
    て、 前記第１のモニタ光は、設計発振波長と同等の波長を有
    することを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
  12. 【請求項１２】 請求項７〜請求項１１のいずれかにお
    いて、 前記活性層、前記第２クラッド層および前記コンタクト
    層は前記第１のモニタ光によって光学的膜厚を制御しな
    がら形成されることを特徴とする半導体レーザ装置の製
    造方法。
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