(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
面発光レーザの製造方法であって、
ＧａＡｓ基板又はＳｉ基板から成る半導体基板を用意する工程と、
前記半導体基板上に、発光波長に対して１／４の厚さとなるように決定して交互に積層されて成るＳｉＯ２層及びＴｉＯ２層の多層膜構造を形成する工程とを含み、
該多層膜構造を形成する工程は、
前記ＴｉＯ２層を蒸着手法により成膜して光学的吸収を最小にするための成膜条件を決定する工程と、
前記ＴｉＯ２層を、酸素イオンビームアシストを伴う蒸着手法により形成する工程と、
前記ＴｉＯ２層によって生じる残留伸張力を補うための収縮力を決定する工程と、
所定の酸素分圧下で前記ＳｉＯ２層を成膜して決定された収縮力を前記ＳｉＯ２層が持つようにするために有効な成膜速度を、収縮力及び酸素分圧との所定の相関データから決定する工程と、
前記ＳｉＯ２層を、酸素イオンビームによるアシストを伴わない蒸着手法により、所定の酸素分圧及び決定された成膜速度で形成する工程とを含むことを特徴とする面発光レーザの製造方法。
【請求項２】
前記多層膜構造を形成する工程で、前記ＴｉＯ２層及び前記ＳｉＯ２層を蒸着手法により形成する工程は、室温で行われることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記ＳｉＯ２の成膜速度は、前記ＴｉＯ２層の成膜速度より速い速度とされることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
半導体基板上に、第１および第２の層を交互に積層する際の、積層体の合成内部残留応力を大幅に低減させることができる多層膜構造、および該多層膜構造を反射ミラーに応用した面発光レーザに関する。
【０００２】
【技術背景】
半導体レーザの性能は、ミラーの反射率およびレーザの活性層内の欠陥に大きく影響される。面発光レーザでは、ミラーとして誘電体多層膜や半導体多層膜が用いられる。活性層内に欠陥を生じさせずに、ミラーの反射率を大きくすることで、しきい値が１ｍＡ程度よりも小さく、また第２高調波出力が１ｍＷより大きい半導体レーザの製造が可能となる。
【０００３】
誘電体多層膜のミラーは、例えばＳｉＯ２から成る第１の層と、ＴｉＯ２とから成る第２の層とを交互に積層して作製される。通常、面発光レーザでは、これらの層は、ＧａＡｓ，Ｓｉ等から成る半導体基板やエッチングストップ層等の基材（本発明では、これらを総称して「半導体基板」と言う）上に、蒸着により積層される。
【０００４】
従来、上記したＳｉＯ２層とＴｉＯ２層とが交互に積層された誘電体多層膜ミラーを作製する場合、反射率を高めるために、ＳｉＯ２とＴｉＯ２の蒸着を高温下で行っていた。
【０００５】
その結果、ミラー全体が積層面に平行な方向に収縮または伸張し、ミラーが形成された半導体基板が湾曲する結果、前記半導体基板内部、特にレーザ活性層内に歪が生じ、クラックが発生する。クラックが生じると、キャリアの非発光再結合が生じやすくなるなどの理由により、電流のしきい値が高くなり光出力（基本波，第２高調波等）が低下する。この結果、該部分に温度上昇が生じ、さらに電流のしきい値が高くなると言った悪循環を招く。
【０００６】
【発明の目的】
本発明の１つの目的は、半導体基板上に第１の層と第２の層とが、蒸着により、それぞれ所定厚さで交互に形成されて構成される多層膜構造において、上記半導体基板に生じる内部歪を大幅に低減できる該多層膜構造を提供することである。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、多層膜ミラー（特に、誘電体多層膜ミラー）の反射率が高く、ミラー作製後に半導体基板に生じる歪（特に、活性層内部に生じる歪）が大幅に低減された面発光レーザを提供することである。更に述べると、本発明の他の目的は、高い光出力あるいは第２高調波出力を生成できる面発光レーザを提供することである。
【０００８】
【発明の概要】
本発明者は、研究を重ねた結果、多層膜ミラー作製後に面発光レーザ内に生じる歪は、該ミラー作製時に基板を高温にしたために生じるのではなく、また該歪みは、ミラー作製の条件、特に蒸着雰囲気圧により制御できる、との結論を得た。
【０００９】
半導体基板上に多層膜ミラーを作製するに際して、該基板内部に歪が生じないようにするために、多層膜ミラー全体が、該ミラーの積層面に沿った方向に収縮，伸張しないようにすれば、該基板内部の歪を低減ないし解消することができる、との知見を得た。また、この技術思想は、上記多層膜ミラーについてのみならず、他の技術分野における積層技術についても広く応用できるとの知見も得た。
【００１０】
本発明の多層膜構造は、それぞれ所定厚さを持つ第１の層と第２の層の対が、半導体基板上に蒸着されて形成されて成り、前記半導体基板上に蒸着した状態で、第１の層は残留収縮応力を有し、第２の層は前記残留収縮応力と等しいか、またはほぼ等しい大きさの残留伸張応力を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の多層膜構造は、次に述べる面発光レーザの反射ミラーに応用される他、光学フィルタ等にも応用される。ここで、第１の層，第２の層は、誘電体により構成することもできるし、半導体により構成することもできる。
【００１２】
本発明の面発光レーザでは、前記半導体基板はＧａＡｓまたはＳｉから成る。また、前記第１の層がＳｉＯ２により形成され、前記第２の層がＴｉＯ２から形成される。前記第１の層は、特定の酸素分圧の雰囲気と蒸着速度の下での電子ビーム蒸着により形成されて成り、第２の層は、特定の酸素分圧の雰囲気と蒸着速度の下で、酸素やアルゴンなどのイオンビーム照射による蒸着のアシスト（以下、「イオンビームアシスト」とも言う）を行いつつ電子ビーム蒸着により形成されて成る。
なお、上記面発光レーザは、第２高調波の発生機能を有することもできる。
【００１３】
上記多層膜構造は、以下に述べるステップにより作製することができる。
最初のステップでは、第１の層および第２の層の材料として、所定の基板（収縮応力・伸張応力測定用の基板）に第１の層を蒸着したときに該層に生じる力が収縮応力であり、前記所定の基板に第２の層を蒸着したときに該層に生じる力が伸張応力となるような材料をそれぞれ選択する。なお、収縮応力・伸張応力測定用の基板として、通常、前記半導体基板と同一の材料から成るものを用いることもできるし、他の材料から成るものを用いることもできる。
【００１４】
本発明の面発光レーザでは、多層膜ミラーは、第１の層と第２の層の対の複数から形成される（通常、３〜４対以上とされる）。この場合、第１および第２の層を共に誘電体層により形成することもできし、共に半導体多層から形成することもできる。また、一方の層を誘電体により形成し、他方の層を半導体により形成することもできる。第１および第２の層を共に誘電体から形成する場合には、第１の層をＳｉＯ２により、第２の層をＴｉＯ２により形成することができる。
【００１５】
次のステップでは、前記所定厚さで第１および第２の層を積層した際に、前記伸張応力と前記収縮応力とが、同一またはほぼ同一の大きさとなるように、第１および第２の層の蒸着速度および蒸着雰囲気の条件を選択する。蒸着速度および蒸着雰囲気の条件は、第１の層を蒸着するときと、第２の層を蒸着するときとでは通常異なる。
【００１６】
本発明の面発光レーザが、ＳｉＯ２層とＴｉＯ２層との多層膜ミラーを持つ場合には、第１の層（ＳｉＯ２）および第２の層（ＴｉＯ２）の蒸着条件は以下のように定める。
蒸着温度（あるいは、半導体基板の温度）は、適宜設定される。この温度は、面発光レーザが使用される温度（通常、室温）、あるいは面発光レーザが使用される温度に近い温度とすることができる。こうすることで、半導体基板および該基板上に積層された多層膜の温度変化に伴う歪の発生がさらに防止される。
【００１７】
ＴｉＯ２の蒸着の雰囲気は、適当な酸素分圧雰囲気とし、イオンビームアシストを用いるものとする。これにより、光学的吸収率を低減することができる。ＴｉＯ２の蒸着温度および酸素分圧は、光学的吸収が最小になるように決定する。この条件下で、ＴｉＯ２を所定厚さ（例えば、λ／４に相当する厚さ、ただしλはレーザ光の波長）に形成した場合には、伸張応力が生じる。
【００１８】
ＳｉＯ２の蒸着の雰囲気および蒸着速度は、上記伸張応力に応じて選択される。すなわち、ＳｉＯ２を所定厚さ（例えばλ／４に相当する厚さ）形成した場合に、上記伸張応力と同じ大きさの収縮応力が生じるように、ＳｉＯ２層の酸素分圧および蒸着速度が選択される。ＳｉＯ２の厚さが特定されている場合、蒸着したＳｉＯ２層に生じる収縮応力は、蒸着速度と酸素分圧の関数として表される。したがって、例えば、予め、蒸着速度ごとに、収縮応力と酸素分圧との関係を調べておけば、所定厚さのＴｉＯ２層に生じる伸張応力と、所定厚さのＳｉＯ２層に生じる収縮応力とが同一（あるいは、ほぼ同一）となる条件を容易に選択することができる。第１の層（ＳｉＯ２）の蒸着に際しては、イオンビームアシストは行わない。その理由は、イオンビームアシストを行うと、該層に大きな伸張応力が発生し、Ｔｉ２層の伸張応力をキャンセルするどころか増長してしまうからである。
【００１９】
更に次のステップでは、第１および第２の層を、上記条件に基づき、順次半導体基板上に交互に積層する。積層の順序は、第１の層を最初に形成してもよいし、第２の層を最初に積層してもよい。
本発明の面発光レーザが、ＳｉＯ２層とＴｉＯ２層との多層膜ミラーを持つ場合、半導体基板（ＧａＡｓ）へのＳｉＯ２層とＴｉＯ２層の蒸着は、電子ビーム法により行う。
【００２０】
本発明の多層膜構造では、第１の層が収縮応力を生じさせ、第２の層が該収縮応力の大きさにほぼ等しい大きさの伸張応力を生じさせる。これにより、多層膜は、半導体基板に対して積層面に平行な方向への収縮や伸張が殆ど生じない。また、本発明の面発光レーザでは、多層膜ミラー形成後に、レーザ内部（特に、レーザ活性層内部）に生じる歪が大幅に低減される。これにより、しきい値を低くすることができ、高い光出力あるいは第２高調波出力を得ることができる。
【００２１】
【実施例】
以下、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）面発光レーザの誘電体多層膜ミラーに適用した本発明の実施例を説明する。なお、本実施例では半導体基板としてＧａＡｓを用い、蒸着は電子ビーム蒸着装置により行った。
【００２２】
まず、最初のステップとして、第１および第２の層（誘電体層）の材料を選択する。本実施例では、第１の層の材料としてＳｉＯ２を、第２の層の材料としてＴｉＯ２をそれぞれ選択した。
【００２３】
ＳｉＯ２膜の収縮応力およびＴｉＯ２膜の伸張応力の測定は、収縮応力・伸張応力測定用の基板（ここでは、上記半導体基板と同一素材から成るＧａＡｓ基板）上に、ＳｉＯ２およびＴｉＯ２を形成することにより行った。
【００２４】
次のステップでは、第１および第２の層の蒸着条件の選択を行う。
本実施例では、まず第２の誘電体層（以下、「ＴｉＯ２層」と言う）の蒸着条件を、光学的吸収が最小になるように確定し、該蒸着条件により決定した伸張応力と同一の収縮応力が生じるように第１の誘電体層（以下、「ＳｉＯ２層」と言う）の蒸着条件を決定した。
【００２５】
（ｉ）まず、ＴｉＯ２を、λ／４の厚さ、酸素分圧３．１×１０−４Ｔｏｒｒ（背圧１．５×１０−６Ｔｏｒｒ）下で、イオン電流５０．０ｍＡ、加速電圧５００Ｖの酸素イオンビームでアシストしつつ、ＧａＡｓ基板に蒸着した。なお、蒸着速度を０．８Å／ｓｅｃとした。このときの、基板温度は室温（２０℃）とした。
そして、ＴｉＯ２膜の伸張応力を測定したところ、２．２（任意単位）であった。
【００２６】
（ｉｉ）つぎに、ＳｉＯ２を、λ／４の厚さ、特定の酸素分圧の下で、ＧａＡｓ基板に蒸着した。このときの、蒸着速度は４．０Å／ｓｅｃとした。また、基板温度はＴｉＯ２の蒸着のときと同様室温（２０℃）とした。
そして、ＳｉＯ２膜の収縮応力を測定した。上記蒸着および、収縮応力の測定は、背圧１．５×１０−６Ｔｏｒｒの下で酸素分圧を種々変化させて多数回行った。
【００２７】
このときの、収縮応力と酸素分圧との関係をグラフで表すと図１の実線で表された。図１のグラフから、ＳｉＯ２膜の収縮応力が、ＴｉＯ２膜の伸張応力と同一の値となるＳｉＯ２膜の酸素分圧は、４．９×１０−５Ｔｏｒｒとなることがわかった。
【００２８】
（ｉｉｉ）したがって、ＴｉＯ２については、基板温度２０℃（室温）、酸素分圧３．１×１０−４Ｔｏｒｒ、酸素イオンビームアシスト電流５０．０ｍＡ、加速電圧５００Ｖ、蒸着速度０．８Å／ｓｅｃの条件で、ＳｉＯ２については、蒸着温度２０℃（室温）、酸素分圧７．２×１０−５Ｔｏｒｒ、イオンビームアシスト無し、蒸着速度４．０Å／ｓｅｃの条件で蒸着を行えば、ＴｉＯ２膜の残留伸張応力とＳｉＯ２の残留収縮応力とをほぼ同一にすることができる。
なお、同図では、ＳｉＯ２についてＯ２の蒸着速度を２０．０Å／ｓｅｃとしたときの収縮応力と酸素分圧との関係を点線で示す。この場合には、ＳｉＯ２膜の酸素分圧は、図から約６．１×１０−５Ｔｏｒｒとすればよい。
【００２９】
上記の条件に基づいて、ＧａＡｓ基板１に、ＳｉＯ２層２とＴｉＯ２層３とを交互に蒸着し誘電体多層膜ミラー４を形成した。図２（Ａ）は、作製したミラー４の様子を示す概念図である。従来、上記の条件に基づかずに誘電体多層膜ミラーを形成している。このときのミラーの概念図を図２（Ｂ）に示す。なお、図２（Ａ），（Ｂ）共に、ＳｉＯ２層２とＴｉＯ２層３を６対形成してある。また、収縮応力および伸張応力の方向を矢印で示し、収縮応力および伸張応力の大きさを矢印の長さで表してある。
【００３０】
図２（Ａ）のミラーでは、ＳｉＯ２膜に生じる収縮応力と、ＴｉＯ２膜に生じる伸張応力とがほぼ同一の大きさを持つので、積層面に平行な方向への収縮や伸張は生じない。したがって、半導体基板内部における歪は生じない。これに対し、図２（Ｂ）のミラーでは、ＳｉＯ２膜に生じる収縮応力と、ＴｉＯ２膜に生じる伸張応力とが異なっているので、積層面に平行な方向への収縮や伸張が生じる。したがって、半導体基板内部に歪が生じる。
【００３１】
上記実施例では、誘電体膜としてＳｉＯ２およびＴｉＯ２を用いたが、本発明はこれに限定されず、蒸着後に収縮応力あるいは伸張応力が生じる誘電体材料、例えば、Ａｌ２Ｏ３，ＭｇＯ，ＣａＦ２，ＭｇＦ２などにも適用できる。さらに、上記の実施例では、室温において蒸着を行ったが、室温でない場合にも、半導体基板内部に歪が生じるない等、上記実施例と同様の効果を得ることができる。しかし、前述したように、通常、面発光レーザは室温近傍の温度で使用されるので、蒸着は室温の近傍温度で行うことが好ましい。
【００３２】
また、上記の誘電体多層膜ミラーは、メサキャップ構造のＤＢＲ面発光レーザ、電流狭窄構造のＤＢＲ面発光レーザ等の面発光レーザの光出射側のミラーとしても、ヒートシンク側のミラーとしても用いることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（１）多層膜を構成する交互に積層された第１，第２の層が、同一またはほぼ同一の残留収縮応力と残留伸張応力を持つ。これにより、多層膜内部の積層面に平行な方向への収縮や伸張により半導体基板内部に生じる歪が、大幅に低減される。
（２）本発明を面発光レーザの多層膜ミラーの作製に適用した場合には、該レーザ内部（特に、レーザ活性層の内部）の歪を大幅に低減することができる。これにより、該ミラーにおける吸収を低減すると共に、しきい値を下げることができ、高い光出力あるいは第２高調波出力を得ることができる。
（３）本発明を、山田等に１９９４年８月２３日に発行された米国特許５３４１３９０号に開示されている「面発光第２高調波生成素子」のミラーに適用すれば、その性能が大幅に改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に用いる、収縮応力と酸素分圧との関係を示すグラフである。
【図２】（Ａ）は本発明の面発光レーザに使用される誘電体多層膜ミラーを示す概念図、（Ｂ）は従来の面発光レーザに使用される誘電体多層膜ミラーを示す概念図である。
【符号の説明】
１  ＧａＡｓ基板
２  ＳｉＯ２層（第１の層）
３  ＴｉＯ２層（第２の層）
４  誘電体多層膜ミラー
【図１】
0003691544.tif 000002
【図２】
0003691544.tif 000003