(57)【要約】【課題】ＡｌＡｓ層の厚さが比較的薄い場合にも、反射率変化に基づく酸化狭窄の制御を良好に行なうことの可能な半導体製造方法を提供する。【解決手段】酸化炉内において、半導体多層膜構造に被酸化層を含む被測定物に光を照射し、酸化反応中の被測定物からの反射光を検出し、前記反射光の反射率、平均反射率、反射率の変化率、平均反射率の変化率を演算し、該演算結果に基づき酸化反応の進行を検出し、酸化反応の制御を行なう半導体製造方法であって、前記被測定物は、半導体基板上のモニターサンプルであり、かつ半導体多層膜構造の被酸化層よりも上部の少なくとも一部がエッチングにより除去されている。【選択図】　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化炉内において、半導体多層膜構造に被酸化層を含む被測定物に光を照射し、酸化反応中の被測定物からの反射光を検出し、前記反射光の反射率、平均反射率、反射率の変化率、平均反射率の変化率を演算し、該演算結果に基づき酸化反応の進行を検出し、酸化反応の制御を行なう半導体製造方法であって、前記被測定物は、半導体基板上のモニターサンプルであり、かつ半導体多層膜構造の被酸化層よりも上部の少なくとも一部がエッチングにより除去されていることを特徴とする半導体製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体製造方法において、半導体多層膜中の被酸化層よりも上部にエッチングストップ層を設け、モニターサンプルにおいてはエッチングストップ層によりエッチング深さを一定とすることを特徴とする半導体製造方法。
【請求項３】
酸化炉内において、半導体多層膜構造に被酸化層を含む被測定物に光を照射し、酸化反応中の被測定物からの反射光を検出し、前記反射光の反射率、平均反射率、反射率の変化率、平均反射率の変化率を演算し、該演算結果に基づき酸化反応の進行を検出し、酸化反応の制御を行なう面発光型半導体レーザの製造方法において、被酸化層として電流狭窄構造を選択酸化によって形成するためのＡｌＡｓ層が設けられていることを特徴とする面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の面発光型半導体レーザの製造方法において、半導体多層膜構造にＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの積層による分布ブラッグ反射鏡を含み、被酸化層であるＡｌＡｓ層よりも上部にエッチングストップ層としてＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＰ，ＡｌＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＡｌＩｎＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層のいずれかを設けたことを特徴とする面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項５】
請求項３または請求項４記載の面発光型半導体レーザの製造方法において、発振波長が１２００ｎｍ以上であり、かつ、ＡｌＡｓ層の厚さが５０ｎｍ以下であることを特徴とする面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項６】
請求項３乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザの製造方法により作製されたことを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
【請求項７】
請求項６記載の面発光型半導体レーザ素子において、活性層がＧａＩｎＮＡｓであることを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
【請求項８】
請求項７記載の面発光型半導体レーザ素子を用いたことを特徴とする光送信モジュール。
【請求項９】
請求項７記載の面発光型半導体レーザ素子を用いたことを特徴とする光送受信モジュール。
【請求項１０】
請求項７記載の面発光型半導体レーザ素子を用いたことを特徴とする光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造方法および面発光型半導体レーザの製造方法および面発光型半導体レーザ素子および光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｃａｖｉｔｙ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｌａｓｅｒ）は、端面発光型半導体レーザに比べて、製造コストが低く、アレイによる集積化が容易であるなどの多くの利点を有していることから、光通信，光インターコネクション，光記録などの多くの分野で用いられることが期待されている。
【０００３】
面発光型半導体レーザの中で、しきい電流値，消費電力等の、レーザ特性の観点から最も有望視されているものに、選択酸化型ＶＣＳＥＬと呼ばれるものがある。これは、結晶成長の際に、ＡｌＡｓ層（あるいはＡｌ組成が極めて１に近いＡｌＧａＡｓ層）を分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）の一部として成長し、このＡｌＡｓ層を選択酸化することで電流狭窄構造をＶＣＳＥＬ構造の中に作りこんだものである。選択酸化型ＶＣＳＥＬは、結晶成長後にＡｌＡｓあるいはＡｌＧａＡｓの選択酸化プロセスを用いて電流狭窄構造が作製されるものであり、インプラ型で電流狭窄構造を作製した場合に発生しやすい活性層に与えるダメージの心配はない。
【０００４】
例えば酸化されずに残ったＡｌＡｓの開口部（アパーチャ）の径が数μｍ程度である場合、面発光型半導体レーザに両面の電極を通して電流を注入すると、注入された電流は、酸化されなかったメサ形状の中心の数μｍだけに狭窄され、低しきい電流値を示すなど、選択酸化型ＶＣＳＥＬは優れたレーザ特性を有している。
【０００５】
この時のしきい電流値などのレーザ特性は、このアパーチャの径により大きく左右される。最も良く用いられる選択酸化の方法はウェット酸化法である。これは、窒素をキャリアガスに用いて、８０〜１００℃に加熱された純水をバブリングし、その水蒸気を炉に輸送してＡｌＡｓあるいはＡｌＧａＡｓ層の一部だけを選択的に酸化する方法で、酸化炉の温度は通常４００から５００℃である。従来は、実際に使用する酸化炉を用いて種々の条件でこの酸化プロセスによる酸化実験を繰り返し行い、得られた結果を基に最適化した条件で酸化を行い、選択酸化型ＶＣＳＥＬを作製していた。
【０００６】
この選択酸化のプロセスを再現性良く、安定に行なうための方法としては、特開２００１−９３８９７に記載されているような方法がある。これは、酸化炉内に光を照射するための光源と反射光を検出する手段とを設け、酸化反応に伴い被酸化層（例えばＡｌＡｓ）の屈折率が変化することにより特定の波長域で反射率が変化することを利用し、酸化反応の進行度合いを判定し、制御するというものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、選択酸化のプロセスを再現性良く、安定に行なうための上述した従来の方法には、以下のような問題点がある。すなわち、ＡｌＡｓ層は酸化されることでＡｌＯｘへと変化するが、この時に体積が膨張する。この体積の膨張は、当然層の厚さが厚いほど大きいが、体積膨張が大きすぎる場合は、結晶中へ欠陥が導入されやすくなり、信頼性の面で好ましくない。そのため、ＡｌＡｓ層をあまり厚くすることは通常好ましくないこととされている。また、酸化速度は通常層厚が厚いほど速くなるため、特に酸化狭窄によるアパーチャの径を絞りたい場合には制御性を上げるために、ある程度層厚を薄くして酸化速度を抑えることが良く行なわれている。
【０００８】
このようにＡｌＡｓ層の厚さをあまり厚くしたくない場合、特に発振波長が１２００ｎｍ以上の長波長において各低屈折率層の厚さが厚くなり、すべてをＡｌＡｓ層とすることが好ましくない場合には、ＡｌＡｓの層厚を例えば５０ｎｍ以下程度の比較的薄い厚さにし、ＡｌＡｓを面発光型半導体レーザのＤＢＲにおける低屈折率層の一部として例えばＡｌＧａＡｓ層に挟まれた形で用いたりする（図１を参照）。この場合、低屈折率層の一部であるＡｌＡｓ層の酸化によるＶＣＳＥＬ構造全体の反射率の変化は、ＡｌＡｓの厚さを薄くするにつれて小さくなってしまう（図２を参照）。このように、ＡｌＡｓ層の厚さが薄い場合には、反射率の変化が小さくなるに伴い、制御を行なうためのエンドポイントの見極めがしにくくなるという問題点があった。
【０００９】
本発明は、ＡｌＡｓ層の厚さが比較的薄い場合にも、反射率変化に基づく酸化狭窄の制御を良好に行なうことの可能な半導体製造方法および面発光型半導体レーザの製造方法および面発光型半導体レーザ素子および光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光通信システムを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、酸化炉内において、半導体多層膜構造に被酸化層を含む被測定物に光を照射し、酸化反応中の被測定物からの反射光を検出し、前記反射光の反射率、平均反射率、反射率の変化率、平均反射率の変化率を演算し、該演算結果に基づき酸化反応の進行を検出し、酸化反応の制御を行なう半導体製造方法であって、前記被測定物は、半導体基板上のモニターサンプルであり、かつ半導体多層膜構造の被酸化層よりも上部の少なくとも一部がエッチングにより除去されていることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体製造方法において、半導体多層膜中の被酸化層よりも上部にエッチングストップ層を設け、モニターサンプルにおいてはエッチングストップ層によりエッチング深さを一定とすることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項３記載の発明は、酸化炉内において、半導体多層膜構造に被酸化層を含む被測定物に光を照射し、酸化反応中の被測定物からの反射光を検出し、前記反射光の反射率、平均反射率、反射率の変化率、平均反射率の変化率を演算し、該演算結果に基づき酸化反応の進行を検出し、酸化反応の制御を行なう面発光型半導体レーザの製造方法において、被酸化層として電流狭窄構造を選択酸化によって形成するためのＡｌＡｓ層が設けられていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の面発光型半導体レーザの製造方法において、半導体多層膜構造にＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの積層による分布ブラッグ反射鏡を含み、被酸化層であるＡｌＡｓ層よりも上部にエッチングストップ層としてＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＰ，ＡｌＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＡｌＩｎＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層のいずれかを設けたことを特徴としている。
【００１４】
また、請求項５記載の発明は、請求項３または請求項４記載の面発光型半導体レーザの製造方法において、発振波長が１２００ｎｍ以上であり、かつ、ＡｌＡｓ層の厚さが５０ｎｍ以下であるを特徴としている。
【００１５】
また、請求項６記載の発明は、請求項３乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザの製造方法により作製されたことを特徴としている。
【００１６】
また、請求項７記載の発明は、請求項６記載の面発光型半導体レーザ素子において、活性層がＧａＩｎＮＡｓであることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項８記載の発明は、請求項７記載の面発光型半導体レーザ素子を用いたことを特徴とする光送信モジュールである。
【００１８】
また、請求項９記載の発明は、請求項７記載の面発光型半導体レーザ素子を用いたことを特徴とする光送受信モジュールである。
【００１９】
また、請求項１０記載の発明は、請求項７記載の面発光型半導体レーザ素子を用いたことを特徴とする光通信システムである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
第１の実施形態
本発明の第１の実施形態の半導体製造方法は、酸化炉内において、半導体多層膜構造に被酸化層を含む被測定物に光を照射し、酸化反応中の被測定物からの反射光を検出し、前記反射光の反射率、平均反射率、反射率の変化率、平均反射率の変化率を演算し、該演算結果に基づき酸化反応の進行を検出し、酸化反応の制御を行なう半導体製造方法であって、前記被測定物は、半導体基板上のモニターサンプルであり、かつ半導体多層膜構造の被酸化層よりも上部の少なくとも一部がエッチングにより除去されていることを特徴としている。
【００２２】
このように、本発明の第１の実施形態では、酸化炉内において、半導体多層膜構造に被酸化層を含む被測定物に光を照射し、酸化反応中の被測定物からの反射光を検出し、前記反射光の反射率、平均反射率、反射率の変化率、平均反射率の変化率を演算し、該演算結果に基づき酸化反応の進行を検出し、酸化反応の制御を行なう半導体製造方法において、前記被測定物は、半導体基板上のモニターサンプルであり、かつ半導体多層膜構造の被酸化層よりも上部の少なくとも一部がエッチングにより除去されていることで、被酸化層の酸化によるモニターサンプルの反射率の変化を大きくし、酸化反応の制御性を向上させることができる。
【００２３】
また、この第１の実施形態の半導体製造方法において、半導体多層膜中の被酸化層よりも上部にエッチングストップ層を設け、モニターサンプルにおいてはエッチングストップ層によりエッチング深さを一定とすることができる。
【００２４】
このように、半導体多層膜中の被酸化層よりも上部にエッチングストップ層を設け、モニターサンプルにおいてはエッチングストップ層によりエッチング深さを一定とすることで、反射率の変化をあらかじめ予想し計測できるようになり、一定の条件で制御ができ、酸化反応の制御性を向上させることができる。
【００２５】
第２の実施形態
本発明の第２の実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法は、酸化炉内において、半導体多層膜構造に被酸化層を含む被測定物に光を照射し、酸化反応中の被測定物からの反射光を検出し、前記反射光の反射率、平均反射率、反射率の変化率、平均反射率の変化率を演算し、該演算結果に基づき酸化反応の進行を検出し、酸化反応の制御を行なう面発光型半導体レーザの製造方法において、被酸化層として電流狭窄構造を選択酸化によって形成するためのＡｌＡｓ層を設けたことを特徴としている。
【００２６】
このように、本発明の第２の実施形態では、酸化炉内において、半導体多層膜構造に被酸化層を含む被測定物に光を照射し、酸化反応中の被測定物からの反射光を検出し、前記反射光の反射率、平均反射率、反射率の変化率、平均反射率の変化率を演算し、該演算結果に基づき酸化反応の進行を検出し、酸化反応の制御を行なう面発光型半導体レーザの製造方法において、被酸化層として電流狭窄構造を選択酸化によって形成するためのＡｌＡｓ層を設けたことで、ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ＤＢＲを採用した面発光型半導体レーザの製造において酸化反応の制御性を向上できるようになる。
【００２７】
この第２の実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法において、半導体多層膜構造にＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの積層による分布ブラッグ反射鏡を含み、被酸化層であるＡｌＡｓ層よりも上部にエッチングストップ層としてＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＰ，ＡｌＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＡｌＩｎＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層のいずれかを設けることかできる。
【００２８】
このように、第２の実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法において、半導体多層膜構造にＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの積層による分布ブラッグ反射鏡を含み、被酸化層であるＡｌＡｓ層よりも上部にエッチングストップ層としてＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＰ，ＡｌＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＡｌＩｎＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層のいずれかを設けたことで、反応性イオンエッチング等のドライエッチングにおいて、制御性良くエッチングストップを行なえるようになり、その結果、反射率の変化をあらかじめ予想し計測できるようになり、一定の条件で制御ができ、酸化反応の制御性を向上させることができる。
【００２９】
また、第２の実施形態では、面発光型半導体レーザの発振波長が１２００ｎｍ以上であり、かつ、ＡｌＡｓ層の厚さが５０ｎｍ以下である場合においても、より制御性の高い酸化の制御を有効に行なって選択酸化を行ない、面発光型半導体レーザを製造できる。
【００３０】
第３の実施形態
本発明の第３の実施形態は、第２の実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法によって作製された面発光型半導体レーザ素子である。
【００３１】
この第３の実施形態の面発光型半導体レーザ素子は、第２の実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法によって作製された面発光型半導体レーザ素子であるので、より酸化の制御性が向上され、歩留まり良く、特性の安定した面発光型半導体レーザ素子を提供することができる。
【００３２】
なお、この第３の実施形態の面発光型半導体レーザ素子において、活性層をＧａＩｎＮＡｓにすることができる。
【００３３】
このように、第３の実施形態の面発光型半導体レーザ素子において、活性層がＧａＩｎＮＡｓである場合には、選択酸化の制御性を良くすることができ、歩留まり良く特性のそろった１．２−１．３μｍ帯での発振が得られる面発光型半導体レーザ素子を提供することができる。
【００３４】
第４の実施形態
本発明の第４の実施形態は、第３の実施形態の面発光型半導体レーザ素子を用いたことを特徴とする光送信モジュールである。
【００３５】
この第４の実施形態では、第３の実施形態の面発光型半導体レーザ素子を用いたことで（すなわち、歩留まり良く、特性のそろった１．２−１．３μｍ帯での発振を得られる面発光型半導体レーザ素子を用いたことで）、低コストで特性の優れた小型の光送信モジュールを提供することができる。
【００３６】
第５の実施形態
本発明の第５の実施形態は、第３の実施形態の面発光型半導体レーザ素子を用いたことを特徴とする光送受信モジュールである。
【００３７】
この第５の実施形態では、第３の実施形態の面発光型半導体レーザ素子を用いたことで（すなわち、歩留まり良く、特性のそろった１．２−１．３μｍ帯での発振を得られる面発光型半導体レーザ素子を用いたことで）、低コストで特性の優れた小型の光送受信モジュールを提供することができる。
【００３８】
第６の実施形態
本発明の第６の実施形態は、第３の実施形態の面発光型半導体レーザ素子を用いたことを特徴とする光通信システムである。
【００３９】
この第６の実施形態では、第３の実施形態の面発光型半導体レーザ素子を用いたことで（すなわち、歩留まり良く、特性のそろった１．２−１．３μｍ帯での発振を得られる面発光型半導体レーザ素子を用いたことで）、低コストで小型の光通信システムを提供できる。
【００４０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００４１】
実施例１
図３は本発明の半導体製造方法によって作製された半導体分布ブラッグ反射鏡を含む面発光型半導体レーザの一例を示す図である。
【００４２】
図３の面発光型半導体レーザでは、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡、ＧａＡｓ下部スペーサ層、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層、ＧａＡｓ上部スペーサ層、ＡｌＡｓ層を含む低屈折率層、ｐ型半導体多層膜反射鏡が順次に形成されている。
【００４３】
ここで、ＡｌＡｓ層を含む低屈折率層は、図４に示すように、全体で光学長が３／４λとなるように作られている。なお、この低屈折率層の厚さは、１／４λの奇数倍であれば良く、必ずしも３／４λでなければならないわけではない。この低屈折率層は、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とＡｌＡｓ層とからなっており、ＡｌＡｓ層は例えば３０ｎｍの厚さになっている。
【００４４】
また、図３の面発光型半導体レーザでは、ＡｌＡｓ層を含む低屈折率層の上部に、１／４λの厚さのＧａＡｓ高屈折率層があり、その上には、例えばＧａＩｎＰ低屈折率層が１／４λの厚さで設けられている。
【００４５】
この面発光型半導体レーザを作製する工程は以下のようになる。
【００４６】
すなわち、まず、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓとＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓをそれぞれレーザの発振波長に対して光学長が１／４λとなるような厚さで交互に積層（例えば３５周期）して下部ＤＢＲ（ｎ型半導体多層膜反射鏡）とし、その上部に、ＧａＩｎＮＡｓ層からなる量子井戸活性層をＧａＡｓスペーサ層で挟んだ光学長λの共振器構造を作製し、さらにその上に、ＡｌＡｓ層を含む低屈折率層から始まる上部ＤＢＲ（ｐ型半導体多層膜反射鏡）（例えば２５周期）を形成する。
【００４７】
次に、上記積層構造を反応性イオンエッチングにより活性層下までエッチングし、例えば約５０μｍφのポスト状のメサに加工する。このとき、例えば同じ形状でデバイスの近傍にモニター用のメサを形成しておく。次に同じく反応性イオンエッチングを用いてモニター用のメサのみ、上部ＤＢＲの一部をエッチングする。この時、ＧａＩｎＰ低屈折率層においてはＩｎを含むことによりドライエッチング時にエッチングレートが大きく低下する。そのため時間管理と併用することでＧａＩｎＰ層において反応性イオンエッチングをストップすることが容易になっている。この結果、モニター用サンプルは、ＡｌＡｓ層を含む低屈折率層から見て１周期上のＧａＩｎＰ層までエッチングされることになる（図５を参照）。
【００４８】
図６には、このようにエッチングされたモニターサンプルにおいてＡｌＡｓ層が酸化される前後におけるサンプルの反射率の変化が示されている。また、比較のために、図７には、上部ＤＢＲをエッチングしなかった場合でのＡｌＡｓ層が酸化される前後におけるサンプルの反射率の変化が示されている。この時、ＡｌＯｘの屈折率はおよそ１．７６程度として計算した。また、この実施例１では、ＤＢＲや共振器は波長１２７０ｎｍを発振波長として設計されている。
【００４９】
図６を図７と比べると分かるように、いずれの場合も、メインローブにおいては反射率はほとんど変化せず、サイドロ−ブにおいて反射率が変化している様子がわかる。ＤＢＲをエッチングしないサンプルでの反射率の変化は、ＡｌＡｓ層の厚さが薄いこともあり、その変化は比較的小さく、かつ、反射率が高くなる部分と低くなる部分とが比較的短周期（数十ｎｍ周期）に現れているのが分かる。それに対して、ＡｌＡｓ層から１周期上部のＧａＩｎＰ層までエッチングしてある場合は、例えば１０５０−１１５０ｎｍや１３５０−１４５０ｎｍの範囲で比較するとはっきり分かるが、反射率の変化も大きくなり、また反射率の高くなる部分と低くなる部分の周期も長くなる（１００ｎｍ以上の周期となる）。
【００５０】
反射率を用いてアパーチャ径を制御する方法は以下のようなものである。
【００５１】
すなわち、上記のモニターサンプルと同じ構造で作成したサンプルにおいて、この反射率変化の大きい波長域の光（例えばこの実施例１では１３５０−１４５０ｎｍの範囲）を用いてモニターサンプル上に照射した光の平均反射率を計測しながらあらかじめ酸化反応を行なう時間をある程度の幅でふって、選択酸化を行なっておく。これにより、酸化を終わったサンプルのアパーチャ径と平均反射率の変化との相関をあらかじめ計測しておくことができる。この時、相関は、例えば図８に示すような関係となる。この関係は、光の照射条件、照射範囲、メサ形状、積層構造が同一であれば、アパーチャ径に対して一意に決まるため、この相関に基づいてあらかじめ希望のアパーチャ径に達した時の平均反射率の値を求めておき、本番の反応においてはその値をもってエンドポイントを確認することで、アパーチャ径を制御して酸化を行なうことが可能になる。
【００５２】
あるいは別の方法としては、実際のデバイスよりもわずかにメサの径が小さいモニターサンプルを用意しておき、選択酸化の際に平均反射率を、この実施例１のサンプルにおいては例えば１３５０−１４５０ｎｍの範囲の光を用いて計測しつつ、酸化を行ない、平均反射率の値が、あらかじめ求めておいた完全に酸化された時の平均反射率の値と一致したときに酸化反応を止めることで、実デバイスではある一定のアパーチャ径を残して酸化をストップすることができる。当然モニターサンプルのメサ径を調整することで、任意のアパーチャ径に対してエンドポイントを判定するためのモニターサンプルを設定することができる。さらに別の方法としては平均反射率の変化率を用いる方法がある。当然、モニターサンプルがすべて酸化されれば、その時の平均反射率の変化率は０となるので、これをもってモニターサンプルの酸化反応のエンドポイントを知ることもできる。
【００５３】
平均反射率の変化率をもって酸化反応のエンドポイントを知る方法は、何も変化率が０となる点を利用するものとは限らない。例えば、この実施例１のように円形のメサ状のモニターサンプルの場合、図８に示すような平均反射率とアパーチャ径との相関を持つわけであるが、この場合、ある程度アパーチャ径が残っていた方が平均反射率の変化率が大きいことが分かる。そのため、モニターサンプルに実デバイスより大きなメサ径を持たせておくことで、エンドポイント見極め時の平均反射率の変化率を大きくすることができる。あらかじめ相関さえ把握しておけば、平均反射率の変化を測定しやすくなる分、制御が行ないやすくなる。
【００５４】
このように、実デバイスとモニターサンプルとの間で、酸化反応時に、モニターサンプルの平均反射率と実デバイスのアパーチャ径との相関が一意に決まるようなものであれば、上記のように例えばメサ径や形状が実デバイスとモニターサンプルとである程度異なっていてもかまわない。
【００５５】
以上のような方法により酸化の制御を行なう場合には、例えばグレーティングなどを用いて白色光源から反射率の変化が大きくなる部分の波長の光を取り出して反射率を測定することでＳ／Ｎ比を高くすることが考えられるが、上記のように上部ＤＢＲの一部をエッチングしたサンプルでは、反射率の変化する部分において、その変化量がエッチングしないサンプルに比べて大きい。また、反射率の増減の周期も長いので、バンドパスフィルタなどにより反射率が増加する（あるいは減少する）波長域の光を取り出してモニターサンプルへ照射し、平均反射率を求めるような場合においても、比較的広い範囲の波長を選択して用いることができるため、より望ましいといえる。
【００５６】
また、メサ径が小さいサンプルでメサあたりの反射光が少なくなり計測しにくいような場合には、複数のモニターサンプル用のメサを隣接してある程度の範囲を持って形成し、その範囲での反射率を計測するようにすることで、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００５７】
以上のことから、選択酸化においてアパーチャ径の制御を行なうに際して、上記のような上部ＤＢＲの一部をエッチングしたモニターサンプルを設けて上記のような方法によりモニターすることで、選択酸化の制御性を上げることができ、アパーチャ径を絞り、特性の優れた面発光型半導体レーザを歩留まり良く作製することが可能になる。
【００５８】
また、ＧａＩｎＰのようにＩｎを含む層をエッチングストップ層として用いることで、反応性イオンエッチングのようなドライエッチングにおいて、比較的制御性良くエッチングストップを行なえるため、あらかじめ反射率の変化を予想できることから、より好ましい波長範囲を予想して、選択酸化制御時の反射率測定を行なうことができ、これにより正確な制御が行なえるようになる。
【００５９】
さらに、選択酸化の際の被酸化層としてＡｌＡｓ層を用いることで、ＧａＡｓ基板上でのＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系のＤＢＲと被酸化層を同一の結晶成長過程で成長できる。ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系のＤＢＲは、ＡｌＧａＡｓが任意のＡｌ組成においてＧａＡｓ基板上で格子整合し、熱伝導も比較的良好で屈折率差も大きく取れるため良好なＤＢＲを得ることができる。実際、０．８５μｍ帯および０．９８μｍ帯の面発光型半導体レーザは、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ積層型のＤＢＲを用いて実際に製造販売されており、ＧａＡｓ基板上の面発光型半導体レーザにおいては、このＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ積層型のＤＢＲは必須ともいえるものである。よって、ＡｌＡｓ酸化層を用いることで良好な制御性で酸化狭窄を行なって、ＧａＡｓ基板上に面発光型半導体レーザを得ることが可能になる。
【００６０】
この実施例１では、１２７０ｎｍの発振波長を持つ面発光型半導体レーザについて示したが、必ずしもこの波長に限定されるものではなく、より短波の面発光型半導体レーザについても適用される。
【００６１】
しかしながら、１２００ｎｍ以上の長波長においては、ＤＢＲの１／４λ低屈折率層としてすべてをＡｌＡｓ層とするような場合は、層の厚さが１００ｎｍを越えてしまう。そのため、信頼性，酸化速度の制御性等の点からは、上記実施例１のようにＡｌＡｓ層を５０ｎｍ以下にし、ＡｌＧａＡｓ層との積層にして低屈折率層の一部としてしまうことが通常良く行なわれる。すなわち１２００ｎｍ以上の発振波長を持つ面発光型半導体レーザにおいては、ＡｌＡｓ層の含まれる低屈折率層においてＡｌＡｓの占める厚さの割合が必然的に小さくなる。そのような場合でも、本発明を用いることで、１２００ｎｍ以上の発振波長をもちＡｌＡｓ層の厚さを５０ｎｍ以下にしたような場合でも、反射率の変化から制御性良く選択酸化をコントロールできるようになる。
【００６２】
実施例２
図９は実施例２の半導体製造装置を示す図である。図９の半導体製造装置では、グレーティングにより白色光源から特定波長の光を光ファイバーに導入して酸化炉内のモニターサンプルへ照射できるようになっており、また、モニターサンプルからの反射光は、光ファイバーで光検出器へと送られるようになっている。この時、光照射の範囲を絞るためのレンズを設けたりしてももちろんかまわない。モニターサンプルは、あらかじめ上部ＤＢＲの一部をエッチングしてあり、あらかじめ反射率が酸化によって大きく変化する波長を求めておき、その波長の光をグレーティングにより選択し、光ファイバーを通して酸化炉内のモニターサンプルへ照射できるようになっている。
【００６３】
モニターサンプルから反射した光は、光ファイバーを通して光検出器へと導かれる。光検出器としては、例えば測定波長に対して感度を有するフォトディテクタを用いることができる。このフォトディテクタは、例えば増幅器などを介してＡ／Ｄコンバータなどに接続され、その値をデジタル変換し、表示器に表示したり、コンピューター上で処理したりすることができるようになっている。当然この測定した値から反射率を求めてコンピュータ上で制御を行なうことも可能である。
【００６４】
また、光の照射範囲をコントロールしたり、より効率的に反射光を取りこむために光ファイバーの先端にレンズを組み合わせることも可能である。
【００６５】
以上のような構成により、酸化反応を行ないながらモニターサンプルに特定波長の光を照射し、その反射率を測定することが可能になる。
【００６６】
図９のような装置で選択酸化を行ない、実施例１で示したような方法を用いれば制御性良く選択酸化を行なうことができる。
【００６７】
実施例３
図１０は実施例３の半導体製造装置を示す図である。図１０の半導体製造装置の基本構成は、実施例２の半導体製造装置と同じであるが、この実施例３では、照射する光の波長を選択する方法として、バンドパスフィルタを用いている。この実施例３では、例えば計算であらかじめ求めておいた、反射率が酸化によって大きく変化する波長域を透過するフィルターを用いてその波長範囲の平均反射率を求めて、選択酸化の際の制御を行なうことができる。この時、例えば酸化によって反射率が高くなるような波長域を透過する複数の種類のバンドパスフィルタ（図６に示したようなサンプルの場合、例えば１３５０ｎｍ−１４５０ｎｍ範囲の複数のフィルタ）を用意しておき、これを短時間で切り替えながら光を照射し、その平均反射率の変化を求めることで、より広い波長範囲での反射率変化を利用することが可能になる。そのため、アパーチャ径と平均反射率との相関をより精度良く求めることが可能になり、より選択酸化を厳密に制御することが可能になる。
【００６８】
実施例４
図１１は本発明のＧａＩｎＮＡｓ活性層を有する面発光型半導体レーザ素子の一例を示す図である。図１１に示すように、本発明は、酸化狭窄によるアパーチャ径を３μｍ程度へ絞るようなきわめて制御が難しいような場合においても歩留まりを上げるのに効果を発揮する。このようにシングルモードで発振する面発光型半導体レーザは光通信の分野では非常に望まれるものである。特にＧａＩｎＮＡｓを用いた面発光型半導体レーザは、１．２−１．３μｍ帯での発振を得られる素子であり、これらの波長では石英系の光ファイバに対しての損失が少ないなどの理由により、通信用の光源として好適であるとされている。
【００６９】
本発明では、制御性良く選択酸化を行ないアパーチャ径をシングルモード発振に必要な小さい径に絞るような場合でも、面発光型半導体レーザ素子の特性を制御性良く安定に作ることができる。
【００７０】
また、ＧａＩｎＮＡｓ活性層を用いることで、石英系の光ファイバに対しての損失が少ない面発光型半導体レーザをより安定な特性で得ることが可能になる。
【００７１】
実施例５
図１２は本発明の光送受信モジュールの一例を示す図である。図１２の光送受信モジュールは、実施例４の面発光型半導体レーザ素子と受信用フォトダイオードと光ファイバーとを組み合わせたものとなっている。
【００７２】
本発明による面発光型半導体レーザ素子を光通信システムに用いる場合、面発光型半導体レーザ素子は低コストであるので、図１２に示すように送信用の面発光型半導体レーザ素子（例えば１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子）と、受信用フォトダイオードと、光ファイバーとを組み合わせた光送信モジュールを低コストで得られる。
【００７３】
ＧａＩｎＮＡｓを用いた面発光型半導体レーザは、１．２−１．３μｍ帯での発振を得られる素子として知られており、これらの波長では石英系の光ファイバに対しての損失が少ないなどの理由により、通信用の光源として有望視されている。さらには、特に１．３μｍ等の長波長帯で低損失となるフッ素添加ＰＯＦ（プラスチックファイバ）とＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いた面発光型レーザとを組み合わせるとファイバが低コストであること、ファイバの径が大きくてファイバとのカップリングが容易で実装コストを低減できることから、極めて低コストのモジュールを実現できる。また、ＧａＩｎＮＡｓはその優れた温度特性から、強力な冷却用の構成を必要としない。そのため、冷却用のコストが削減でき、小型で安価な光通信モジュールを得られる。
【００７４】
本発明によれば、ＡｌＡｓ層を制御良く選択酸化することで、シングルモード発振に必要な酸化狭窄径を有する面発光型半導体レーザを歩留まり良く得ることができるため、光通信に好適な面発光型半導体レーザ素子を製造することがより容易に行なえるようになり、高性能の通信用長波長帯面発光型半導体レーザ素子を実現でき、さらにこれらの素子を用いると、低コストの光ファイバー通信システム，光インターコネクションシステムなどの光通信システムを実現することができる。
【００７５】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、酸化炉内において、半導体多層膜構造に被酸化層を含む被測定物に光を照射し、酸化反応中の被測定物からの反射光を検出し、前記反射光の反射率、平均反射率、反射率の変化率、平均反射率の変化率を演算し、該演算結果に基づき酸化反応の進行を検出し、酸化反応の制御を行なう半導体製造方法において、前記被測定物は、半導体基板上のモニターサンプルであり、かつ半導体多層膜構造の被酸化層よりも上部の少なくとも一部がエッチングにより除去されていることで、被酸化層の酸化によるモニターサンプルの反射率の変化を大きくし、酸化反応の制御性を向上させることができる。
【００７６】
また、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の半導体製造方法において、半導体多層膜中の被酸化層よりも上部にエッチングストップ層を設け、モニターサンプルにおいてはエッチングストップ層によりエッチング深さを一定とすることで、反射率の変化をあらかじめ予想し計測できるようになり、一定の条件で制御ができ、酸化反応の制御性を向上させることができる。
【００７７】
また、請求項３記載の発明によれば、酸化炉内において、半導体多層膜構造に被酸化層を含む被測定物に光を照射し、酸化反応中の被測定物からの反射光を検出し、前記反射光の反射率、平均反射率、反射率の変化率、平均反射率の変化率を演算し、該演算結果に基づき酸化反応の進行を検出し、酸化反応の制御を行なう面発光型半導体レーザの製造方法において、被酸化層として電流狭窄構造を選択酸化によって形成するためのＡｌＡｓ層を設けたことで、ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ＤＢＲを採用した面発光型半導体レーザの製造において酸化反応の制御性を向上できるようになる。
【００７８】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の面発光型半導体レーザの製造方法において、半導体多層膜構造にＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの積層による分布ブラッグ反射鏡を含み、被酸化層であるＡｌＡｓ層よりも上部にエッチングストップ層としてＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＰ，ＡｌＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＡｌＩｎＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層のいずれかを設けたことで、反応性イオンエッチング等のドライエッチングにおいて、制御性良くエッチングストップを行なえるようになり、その結果、反射率の変化をあらかじめ予想し計測できるようになり、一定の条件で制御ができ、酸化反応の制御性を向上させることができる。
【００７９】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項３または請求項４記載の面発光型半導体レーザの製造方法において、発振波長が１２００ｎｍ以上であり、かつ、ＡｌＡｓ層の厚さが５０ｎｍ以下である場合においても、より制御性の高い酸化の制御を有効に行なって選択酸化を行ない、面発光型半導体レーザを製造できる。
【００８０】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項３乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザの製造方法により作製された面発光型半導体レーザ素子であるので、より酸化の制御性を向上し、歩留まり良く、特性の安定した面発光型半導体レーザ素子を提供することができる。
【００８１】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項６記載の面発光型半導体レーザ素子において、活性層がＧａＩｎＮＡｓであることにより、選択酸化の制御性を良くすることができ、歩留まり良く特性のそろった１．２−１．３μｍ帯での発振が得られる面発光型半導体レーザ素子を提供することができる。
【００８２】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項７記載の面発光型半導体レーザ素子を用いたことで（すなわち、歩留まり良く、特性のそろった１．２−１．３μｍ帯での発振を得られる面発光型半導体レーザ素子を用いたことで）、低コストで特性の優れた小型の光送信モジュールを提供することができる。
【００８３】
また、請求項９記載の発明によれば、請求項７記載の面発光型半導体レーザ素子を用いたことで（すなわち、歩留まり良く、特性のそろった１．２−１．３μｍ帯での発振を得られる面発光型半導体レーザ素子を用いたことで）、低コストで特性の優れた小型の光送受信モジュールを提供することができる。
【００８４】
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項７記載の面発光型半導体レーザ素子を用いたことで（すなわち、歩留まり良く、特性のそろった１．２−１．３μｍ帯での発振を得られる面発光型半導体レーザ素子を用いたことで）、低コストで小型の光通信システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＡｌＡｓの層厚を例えば５０ｎｍ以下程度の比較的薄い厚さにし、ＡｌＡｓを面発光型半導体レーザのＤＢＲにおける低屈折率層の一部として例えばＡｌＧａＡｓ層に挟まれた形で用いる構成を示す図である。
【図２】図１の構成において、低屈折率層の一部であるＡｌＡｓ層の酸化によるＶＣＳＥＬ構造全体の反射率の変化を示す図である。
【図３】本発明の半導体製造方法によって作製された半導体分布ブラッグ反射鏡を含む面発光型半導体レーザの一例を示す図である。
【図４】ＡｌＡｓ層を含む低屈折率層を示す図である。
【図５】モニター用サンプルを示す図である。
【図６】モニターサンプルにおいてＡｌＡｓ層が酸化される前後におけるサンプルの反射率の変化を示す図である。
【図７】上部ＤＢＲをエッチングしなかった場合でのＡｌＡｓ層が酸化される前後におけるサンプルの反射率の変化を示す図である。
【図８】平均反射率とアパーチャ径との相関を示すである。
【図９】実施例２の半導体製造装置を示す図である。
【図１０】実施例２の半導体製造装置を示す図である。
【図１１】本発明のＧａＩｎＮＡｓ活性層を有する面発光型半導体レーザ素子の一例を示す図である。
【図１２】本発明の光送受信モジュールの一例を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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