面发光半导体激光器的制造方法及采用该激光器的传感器的制作方法

专利名称：面发光半导体激光器的制造方法及采用该激光器的传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及带有光检测部分的面发光式半导体激光器的制造方法，以及应用了这种带有光检测部分的面发光式半导体激光器的传感器。
背景技术：
作为把用光电二极管、晶体管等构成的光检测部分和半导体激光器等的发光部分作成一对来使用的装置，比如用光进行信息记录和再生的光拾波器(pickup)，是大家都知道的。这种装置使半导体激光器发出的激光对记录媒体入射、并用光检测部分检测其反射光以进行信息的记录和再生。而在光互连(interconnection)和光计算机中，用入射到光检测部分的光给半导体激光器通电，并根据入射到光检测部分上去的光强度从该半导体激光器中射出激光。
在带有这类光检测部分的半导体激光器中，必须严密地设定光检测部分和半导体激光器之间的位置关系。
在光检测部分与半导体激光器分开来制作的情况下，两者之间的位置关系取决于之后的装配精度，要想保持高装配精度，存在着一个限度。
另一方面，在特开平5-190478、特开平6-209138号公报中，有人提出了在同一基板上形成光检测部分和发光部分的方案。
在述于这些公报中的发明中，在同一基板上同时进行晶体生长以形成对光检测部分和发光部分来说所必需的晶体生长层。这样，光检测部分和发光部分之间的位置关系由光刻工序中的图形化精度决定，故可以确保高位置精度。
但是，在发光部分与光检测部分中，对同一晶体生长层所求出的最佳条件互不相同，若在对一方的器件特性合适的工艺条件下形成晶体生长层，则存在着使另一方的器件特性变坏的问题。
特别是若在对发光部分的器件特性满意的工艺条件下生长单晶时，将使光检测部分的灵敏度变坏，以致不能用光检测部分精度良好地检测出微弱强度的光。

发明内容
本发明的目的是提供一种虽然在同一基板上形成发光部分和检测部分，但却具有可同时良好地确保在发光部分上的激光振荡特性和在光检测部分上的灵敏度特性的检测部分的面发光式半导体激光器及其制造方法以及应用了这种激光器的传感器。
在具有本发明所涉及的光检测部分的面发光式半导体激光器中，在半导体基板上的第1、第2区域中分别叠层形成第1导电型半导体层和第2导电型半导体层。在基板上的第1区域里形成发光部分，因此，在第1区域的第2导电型半导体层上边，在与上述半导体基板垂直的方向上形成了发射光的光谐振器。在基板上的第2区域里形成光检测部分，并用该第2区域的上述第1；第2导电型半导体层构成光电二极管。接下来，上述第1区域的上述第2导电型半导体层的厚度被形成为大于1μm并被用作用于向上述光谐振器注入电流的下部电极。再在上述第2区域上，把构成上述光电二极管的上述第2导电型半导体层形成为不足1μm的厚度。
像这样地把第2导电型半导体层的厚度作得与发光部分及光检测部分不同的理由如下所述。首先，由于发光部分一侧的第2导电型半导体层的功能是用作下侧电极层，故若不把该层的电阻减小，则发光部分的器件电阻就要水涨船高地变得更大，以致变得不能忽视其发热。第2导电型半导体层的电阻值依赖于其膜厚和载流子浓度，若降低电阻值而使其膜厚增加，则可降低载流子浓度。而且，若其膜厚的下限为1μm，则减小了电阻值而却不会形成越过×1019cm-3的过剩的载流子浓度，从而减小了起因于高载流子浓度的晶体劣化。由于光检测部分一侧的第2导电型半导体层也是用与发光部分一侧的第2导电型半导体层同一工艺形成的，故在光检测部分一侧也不会产生晶体劣化，因而光-电流变换率不会劣化。此外，由于第2导电型半导体层的载流子浓度取决于在发光部分处的电阻值，故为了压低在与发光部分一侧具有相同的载流子浓度的光检测部分一侧的第2导电型半导体层中的光吸收率，把光检测部分的第2导电型半导体层的膜厚作成为不足1μm。
在本发明中，理想的是把上述第1区域中的上述第2导电型半导体层的厚度作成为小于5μm。
发光部分一侧的第2导电型半导体层的厚度越厚则越可以减小电阻值，但由于膜厚越厚则生长时间相应地要变长，且在量产和结晶性上会成为问题，故作成为5μm以下。
在本发明中，上述第1和第2区域的上述第2导电型半导体层的载流子浓度，理想的是5×1017～2×1019cm-3。
在把发光部分一侧的第2导电型半导体层的膜厚作成为其上限的5μm的时候，为了低电阻化所必需的载流子浓度为5×1017cm-3，而作成为其下限的1μm时，所需的载流子浓度为2×1019cm-3。因此，若考虑为把发光部分一侧的第2导电型半导体层的膜厚为1μm～5μm时，理想的是把其载流子的浓度定为5×1017～2×1019cm-3。
在本发明中，上述第1区域中的上述第2导电型的半导体层的厚度理想的是2～3μm。当同时考虑发光部分一侧的第2导电型半导体的低电阻化和量产性、结晶性这两方面的时候，理想的是把膜厚定为上述范围。
在本发明中，第2导电型的半导体层的载流子浓度理想的是1×1018～1×1019cm-3。当把发光部分的第2导电型半导体层的膜厚作成为更合适的范围的2μm～3μm的时候，从确保低电阻的观点考虑，把其载流子浓度定为1×1018～1×1019cm-3是理想的。
在本发明中，在上述第2区域中的上述第2导电型的半导体层的厚度可以定为小于0.8μm，更令人满意的是定为小于0.5μm。因为这样可以较高地确保在光检测部分中的光-电流变换效率。还有，在该光检测部分中的区域的第2导电型半导体层的膜厚理想的是大于0.1μm。其理由之一是因为当低于此下限值时电流将不易流动而产生发热之类的问题。此外，作为另一理由是在制造工艺上，在刻蚀时，不仅难于把膜厚控制为其下限值以下，且即便是作出了低于其下限值的薄膜，如后边要提到的那样，光电变换效率也提不高。当考虑这一点时，通过把在该光检测部分中的区域的第2导电型半导体层的膜厚作成为0.4～0.5μm，就可以得到在实用上足够的光电变换效率，而且制造工艺也不会变得困难。
在本发明中，上述光谐振器可以构成为含有一对反射镜和形成于上述一对反射镜之间，至少包含活性层和包层的多层半导体层。在这种情况下，上述多层的半导体层的至少含有上述包层的上层一侧被作成已形成为柱状的柱状部分，并在上述柱状部分的周围埋沟形成绝缘层。再形成面对上述柱状部分的端面有开口的上部电极，上述一对镜子中的光射出一侧的镜子被形成为把上述开口覆盖起来。
若采用这种构造，则注入谐振器的电流和用此电流在活性层上所产生的光就被封闭在由绝缘层填埋起来的柱状部分中间，因而能够使激光高效率地振荡。
在采用上述构造的情况下，理想的是上述一对反射镜之中，形成于上述第2导电型半导体层上边的镜子是半导体多层膜镜、上述光射出一侧的镜子是电介质多层膜镜；形成于上述一对镜子之间的上述多层半导体层包含以下各层形成于上述半导体多层膜镜子上边的第1包层，
形成于上述第1包层上边的量子阱构造的活性层，形成于上述活性层上边的第2包层，形成于上述第2包层上边的接触层；用上述第2包层和上述接触层构成上述柱状部分。
在这种构造中，已注入到光谐振器中去的电流，在量子阱活性层中，以良好的效率变换为光，并借助于使该光在既是用半导体多层膜镜子和电介质多层膜镜子构成的一对反射镜、又是因为用多层构造而具有比较高的反射率的一对反射镜之间进行往返的办法，使之以高效率进行放大。而且，注入到光谐器中去的电流以及产生并被放大之后的光，用埋入到柱状部分的周围的绝缘层封闭起来，故能够以良好的效率进行激光器振荡动作。
在本发明中，理想的是第1区域的第1导电型半导体层与第2区域的第1导电型半导体层电绝缘，第1区域的第2导电半导体层与第2区域的第2导电型半导体层电绝缘。
这样的话，发光部分与光检测部分在电性上相互独立，且可用光检测部分接受比如说由发光部分射出的激光的反射光以测定其反射强度，可以用作各种各样的传感器。
在本发明方法中，当在高阻半导体基板上的第1区域里形成面发光式半导体激光器，在上述基板上的第2区域里形成光电二极管的时候，其特征是具有下述工序(a)在上述基板上的上述第1、第2区域上共同地顺次外延生长第1导电型的半导体层，厚度大于1μm的第2导电型半导体层、和用一对反射镜及在其之间形成的多层半导体层所形成的光谐振器中，除去光射出一侧的反射镜之外的各层的工序；(b)把上述第1区域的上述外延生长层，至少把包含包层的上述多层半导体层的上层一侧刻蚀成柱状以形成柱状部分的工序；(c)在上述柱状部分的周围埋入形成绝缘层的工序；(d)形成在面对上述柱状部分的端面有开口的上部电极的工序；
(e)把上述开口覆盖起来形成光射出一侧的反射镜的工序；(f)对上述第2区域的上述外延生长层进行刻蚀，一直刻蚀到上述第2导电型的半导体层的中间，以把上述第2导电型的半导体层的厚度形成为不足1μm的工序。
在本发明方法中，把在(a)工序中形成的反射镜作为半导体多层膜镜子，把多层的半导体层当作第2导电型的第1包层，量子阱构造的活性层、第1导电型的第2包层和第1导电型的接触层，也可以使这些各层顺次进行外延生长。
在本发明方法的上述工序(a)中，理想的是把上述第2导电型的半导体层的载流子浓度定为5×1017～2×1019cm-3，把上述第2导电型的半导体层的厚度形成为小于5μm。
在本发明方法的上述工序(a)中，更为理想的是把上述第2导电型的半导体层的载流子浓度定为1×1018～1×1019cm-3，把上述第2导电型半导体层的厚度形成为2～3μm。
在本发明方法的上述(f)工序中，可把上述第2导电型的半导体层的厚度形成为小于0.8μm，更为理想的是形成为小于0.5μm。
在本发明方法的上述工序(a)中，至少在第2导电型半导体层及其上层的上述镜子的外延生长时，把规定波长的光照射到上述第2导电型半导体层及其上层的上述镜子上并检测其反射光谱、测定其反射率分布。用这种方法就可控制上述第2导电型半导体层及其上层的上述镜子的膜厚。
这样一来，对发光部分来说，可把第2导电型半导体层的膜厚形成为为了获得低电阻的设计值，同果还可在反射镜中，把为了得到规定的反射率膜厚形成为设计值。再加上，对光检测部分来说，可以在成膜时严密地控制在后边的(f)工序将被刻蚀的第2导电型半导体层的膜厚和其上层的镜子的膜厚，故使得在(f)工序中用于获得规定的膜厚的刻蚀变得容易了起来。
在本发明方法的上述工序(f)中，至少在第2导电型半导体层及其上层的上述镜子的刻蚀时，先把规定波长的光照到上述第2导电型的半导体层及其上层的上述镜子上并检测其反射光谱，就可以测定其反射率的分布。用这种办法，就可以严密地控制用于获得规定的膜厚的上述第2导电型半导体层的刻蚀量。由于还可以严密地测定其上层的上述镜子的刻蚀终点，故还可以严密地测定用于获得规定的膜厚的上述第2导电型的半导体层的刻蚀终点。
在本发明方法中，理想的是在上述第1、第2区域之间，再设有使上述第1导电型半导体层彼此之间以及第2导电型半导体层彼此间绝缘的工序。
用本发明所涉及的具有光检测部分的面发光型半导体激光器可以构成传感器。在这种情况下，把从光谐振器中射出来的激光照射到位置进行变化的被测对象上，用上述光电二极管接受此反射光，就可以检测出上述被测对象的位置。
或者，把从光谐振器中射出的激光照射到根据作用压力而变位的构件上，用上述光电二极管接受该反射光，就可以检测出作用到上述变位构件上的压力的大小。
不管是在哪一种传感器的情况下，用本身即是发光部分的谐振器可以高效率地产生激光振荡，可以用本身就是光检测部分的光电二极管检测出微弱的光强度，而且发光部分与光检测部分的相对位置可由光刻工序中的图形精度决定，故可以进行高精度的传感。另外，两个传感器都可以用微小的尺寸构成，故使得可以装配到小型部件上去。
在本发明所涉及的传感器中，可以设置多个光电二极管，它们分别接受由一个上述光谐振器射出的激光的上述反射光。在这种情况下，可以根据用多个上述光电二极管分别检测出来的受光量的分布进行信号传感，与仅仅依据设置单个光电二极管时的光强度进行的信号传感相比，可以提高检测精度。


图1的断面图模式性地示出了本发明的一个实施例所涉及的带有光检测部分的面发光式半导体激光器的断面。
图2是图1所示装置的概略性的斜视图。
图3A～3C的概略性的断面图分别用于说明示于图1的装置的制造工艺。
图4A～图4C的概略性的断面图分别示出了接着图3A～图3C的工艺之后进行的制造工艺。
图5A，图5B的概略性断面图分别示出了接着图4A～图4C的工艺之后进行的制造工艺。
图6的特性图示出了图1的装置中的光检测部分的第2导电型层的膜厚与光电流的关系。
图7是一概略性的断面图，它示出了身为示于图1的装置的外延层的成膜装置的一个例子的MOVPE装置。
图8是一特性图，它示出了用图7的装置，在第2导电型层和下部镜子的成膜工序中各层的反射率随时间的变化特性。
图9的特性图示出了图8中的第2导电型层的膜厚与反射率的关系。
图10是RIBE装置的示意图，这种装置可一边进行刻蚀一边测定外延层的反射率。
图11是一特性图，它示出了用图10的装置刻蚀下部镜子和第2导电型层的时候的各层的反射率随时间的变化特性。
图12的示意图示出了应用示于图1的装置的位置检测传感器进行检测的检测原理。
图13的示意图示出了应用示于图1的装置的压力传感器进行检测的检测原理。
具体实施例方式
以下参照

本发明的一个实施例。
图1是一断面图，它模式性地示出了本发明的一个实施例中的带光检测部分的面发光式半导体激光装置的发光部分和光检测部分的断面。图2是其概略性的斜视图。
示于图1、图2的带光检测部分的半导体激光装置100，在高阻半导体基板102上的不同的区域里分别形成了发光部分100A和光检测部分100B。在本实施例中，发光部分100A是用面发光式半导体激光器、光检测部分100B是用光电二极管形成的。作为该发光部分100A、光检测部分100B的平面式的布局，如图2所示，比如说在发光部分100A的周围的4个地方形成光检测部分100B。可以把具有这样的平面式布局的一体(形成为一个整体)型芯片用作各种传感器。比如，在用发光部分100A向着位置进行变化的构件射出激光，用4个光检测部分100B检测其反射光的情况下，借助于用4个光检测部分100B受光的受光量分布就可以求出位置进行变化的构件的变位量。在用这种一体型芯片构成传感器的情况下，发光部分100A和光检测部分100B的个数并不受限于图2所示的个数。只要是对一个发光部分100A有一个或多个光检测部分100B就行。或者也可以是对于多个发光部分100A，有多个光检测部分100B。
首先，对发光部分100A和光检测部分100B的共同的构造进行说明，高阻半导体基板102在本实施例中由GaAs基板构成，其杂质浓度理想的是低于1×1016cm-3，更为令人满意的是低于1×1015cm-3。
在高阻GaAs基板102的上边，形成第1导电型半导体层，比如说P型GaAs层101A，再在其上边形成第2导电型半导体层比如说n型Ga0.85Al0.15As层101B(把发光部分100A一侧的层定为101B1，把光检测部分101B一侧的层定为101B2)。另外，该第1、第2导电型半导体层101A，101B可以相应于激光的波长，用比如说改变GaAlAs层的Al的组成等等来形成。还有，第1，第2导电型半导体层101A，101B如后所述，在成膜时或刻蚀时，监测反射率以进行膜厚控制时，从明确地监测反射率的增大减少的观点来看，理想的是把材料或组分作成为不同的组合。由于把第2导电型半导体层101B作成为与第1导电型半导体层101A相同的材料，用n型GaAs层形成也是可能的、且在这种情况下两层的载流子极性和浓度不同，故在进行上述监测时的反射率在每一层都可使之不同。但是，不能期待其反射率的变化像代换过材质或组分情况下时那么大。关于这一点在以后将参照图9进行说明。
在这里，在光检测部分100B的区域里形成的第1，第2导电型半导体层101A，101B2是用于构成光电二极管的。
另一方面，形成于发光部分100A的区域中的第2导电型半导体层101B1的功能是用作向面发光式半导体激光器的光谐振器中注入电流的下侧电极层。与此第2导电型半导体层101B1一起，第1导电型半导体层101A也可以使之起到用于产生激光振荡的电极层的作用，这一点将在后边叙述。
此外，还可以把形成于发光部分100A的区域中的第1，第2导电型半导体层101A，101B1用作用于监测的光电二极管，检测从发光部分100A漏出来的光并监测激光器发光强度。
为了使之具有上述各项功能，要使发光部分100A的区域的第1、第2导电型半导休层101A，101B1露出来，并使该露出面115a，115c分别变成为电极图形形成面。同样地，使光检测部分100B的区域的第1导电型半导体层101A也露出来，并使该露出面115b变成为电极图形形成面。
再者，因为分别形成于发光部分100A和光检测部分100B上的第2导电型半导体层101B1，101B2是用同一成膜工序形成的，故用同一载流子浓度外延生长在基板102上边。其中，光检测部分100B一侧的第2导电型半导体层101B2在形成膜之后被刻蚀，变成为比发光部分100A的第2导电型半导体层101B1还薄的薄膜。
此外，在本实施例中，用隔离沟116把形成于发光部分100A的区域中的第1，第2导电型半导体层101A，101B1和形成于光检测部分100B的区域中的第1，第2导电型半导体层101A，101B2进行电绝缘。但是，在把该带光检测部分的半导体激光器用作依据用光检测部分100B变换之后的电流来驱动发光部分100A的方式，比如用作光互连的器件的情况下，则不需要用隔离沟116等使上述层101A，101B1与101A，101B2绝缘。
其次，对发光部分100A进行说明。在第2导电型半导体层101B1上边先交互地叠层n型Al0.8Ga0.2As和n型Al0.15Ga0.85As层，比如对于波长800nm附近的光，再依次叠加上具有99.5％以上的反射率的40对分布反射型多层膜镜子(以下也把它表述为“DBR镜子”)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，且该阱层由21层构成的量子阱活性层105(在本实施例的情况下变成为多量子阱构造(MQW的活性层))、由P型Al0.7Ga0.3As层构成的第2包层106以及由P+型Al0.15Ga0.85As层构成的接触层109。
这样一来，直到第2包层106的中间部分，从半导体的叠层体的上面看去，被刻蚀成圆形或者矩形而形成柱状部分114。若设与该柱状部分114的基板102平行的横截面是由长边和短边组成的矩形，则可以把从柱状部分114的振荡区域射出来的激光的偏振波面的方向与短边的方向上一致。
在该柱状部分114的周围，已埋入了由用热CVD法形成的SiO2之类的硅氧化膜(SiOα膜)构成的第1绝缘层107和由聚酰亚胺等耐热性树脂等构成的第2绝缘层108。
第1绝缘层107沿着第2包层106和接触层109的表面连续地形成，第2绝缘层108被形成为把该第1绝缘层107的周围填满了的状态。
作为第2绝缘层108，除去上述的聚酰亚胺之类的耐热性树脂之外，也可是SiO2等等的硅氧化膜(SiOx膜)，Si3N4等的硅氮化膜(SiNx膜)，SiC等等的硅碳化膜(SiCx膜)，SOG(用旋转玻璃法(Spin on glass)生成的SiO2等的SiOx)膜等等的绝缘性硅化合物膜，或者多晶的IIVI族化合物半导体膜(例如ZnSe等)。这些膜，理想的是用在绝缘膜中可以在低温下形成的SiO2之类的硅氧化膜，聚酰亚胺或SOG膜。而更令人满意的是用SOG膜，因为SOG膜形成简单，又易于使表面变得平坦。
在这里，由图1的硅氧化膜(SiOx膜)构成的第1绝缘膜107是膜厚为500～2000、用常压的热CVD法形成的绝缘膜。由耐热性树脂等构成的第2绝缘膜108是为了使器件的表面平坦化所必须的绝缘膜。例如，在耐热性树脂中虽然具有高电阻，但膜中易于产生残余水分，当直接与半导体层接触，在长时间给器件通电的情况下，在和半导体的交界面上将产生空隙而使器件的特性劣化。因而，如本实施例那样，若在与半导体层的交界面上插入一层第1绝缘层107那样的薄膜，则第1绝缘层107变成为保护膜、不产生上述的劣化。在构成第1绝缘层的硅氧化膜(SiOx膜)的形成方法中，有等离子体CVD法，反应性蒸镀法等等多种，但最为合适的方法是应用SiH4(硅烷)气体和O2(氧)气体、以N2(氮)气体为携载气体的常压CVD法的成膜方法。其理由是由于在大气压下进行反应而且在O2过剩的条件成膜，故SiOx膜中的氧缺损少因而变成为致密的膜，以及，可以得到台阶覆盖好、柱状部分114的侧面和台阶部分也和平坦部分相同的膜厚。
还有，不限于用第12绝缘层107，108形成埋入层，比如也可用II-VI族化合物半导体外延层形成埋入层。
另外，用比如说Cr与Au-Zn合金构成的接触金属层(上侧电极)112被形成为与接触层109环状地接触，变成为用于进行电流注入的电极。该接触层109的未被上侧电极112所覆盖的部分呈圆形地露了出来。接着，以充分地把该接触层109的露出来的面(以后把这一部分标为“开口部分113”)覆盖起来的面积，使第1层，比如SiO2等的SiOx层和第2层，比如说Ta2O5层交互进行叠层，形成对波长800nm附近的光具有98.5～99.5％的反射率的7对电介质多层膜镜子111。
用这一成对的镜子103，111及形成于它们之间的多层的半导体层形成光谐振器120。构成电介质多层膜镜子111的第1层和第2层的各自的厚度、在假定光谐振器120内部传播的激光的波长为λ、在各层上的波长λ的折射率为n的时候，可设定为λ/4n。
在上侧电极112和、与形成于示于图1的图形形成面115a上边的没有画出来的电极接触的下侧电极101B1之间加上正向电压(在本实施例的情况下，从上侧电极112向本身就是下侧电极的第2导电型半导体层101B1的方向加上电压)以进行电流注入。被注入的电流在量子阱活性层105中变换成光、并借助于在用DBR镜子103和电介质多层膜镜子111构成的反射镜之间使上述光进行往返的办法而被放大。而且，已被注入到光谐振器120中去的电流和由它(变换)生成并被放大后的光，被已埋入到柱状部分114的周围中去的第1，第2绝缘层封闭起来，因而可以以良好的效率进行激光器振荡动作。
这样一来，介以开口部分113(接触层109的露出来的面)和电介质多层膜镜111，在对基板102垂直的方向上发射激光。
作为其他的驱动方法，也可以用P型半导体层101A、n型半导体层101B1及光谐振器120的P型部分构成晶体管构造，给活性层通电。比如说，在P型半导体层101A、上侧电极112之间加上使激光器振荡的电压时，若给n型半导体层1010B1加以微小的电流则由于晶体管的开关效应，给活性层注入电流，激光器振荡就变为可能。由于这样的方法可以用微小的电流开关控制激光器的振荡和非振荡，故可以高速地使一块基板102上的多个发光部分100A产生激光器振荡。
在这里，作为面发光式半导体激光器的下侧电极而起作用的第2导电型半导体层101B1必须把其横方向电阻作成为约几个Ω。其理由是若发光部分100A的元件电阻为50～100Ω左右，第2导电型半导体层101B1的电阻为几十Ω，则不能忽视该电阻的发热。
该第2导电型半导体层101B1的电阻值依赖该层的膜厚和载流子浓度，膜厚加厚则可以降低载滚子浓度。该第2导电型半导体层1010B1的膜厚，从压低电阻的观点考虑的话，膜厚越厚越好，但是膜越厚生长时间就相应地变长，在量产性和膜的结晶性上将会产生问题。当考虑这一点时，作为第2导电型半导体层101B1的膜厚的上限，应定为5μm以下，更为理想的是定为3μm以下。
其次，第2导电型半导体层101B1的膜厚的下限决定于载流子浓度可以过剩到何种程度。在第2导电型半导体层101B1的膜厚不足1μm的时候，要想降低电阻值就需要越过×1019cm-3的过剩的载流子浓度，因而晶体劣化的危险性变高。而且，由于这种晶体劣化在用同一个工艺形成的光谐振器100B一侧的第2导电型半导体层101B2中也同样地会产生，所以牵涉到光电二极管的光-电变换效率的劣化。所以，需要把第2导电型半导体层101B1的膜厚作成为大于1μm。
从以上的考察可知，若从压低电阻且缩短生长时间的观点来说，发光部分100A的第2导电型半导体层101B1的膜厚理想的是设定为2～3μm。
还有，对于第1导电型半导体层101A的膜厚，在考虑到量产性和结晶性之后，理想的是也要作成5μm以下。此外，该层101A的膜厚理想的是作成为1μm以上，若低于这一值，则将产生发热或者电流难于流动的问题。
其次，当对第2导电型半导体层101B1、100B2的载流子浓度进行考察时，当把发光部分100A的第2导电型半导体层101B1的膜厚取为其上限的5μm的时候，低电阻化所必需的载流子浓度将变为5×1017cm-3。另一方面，在把第2导电型半导体层101B1的膜厚取为其下限的1μm时，为要降低电阻值，就需要2×1019cm-3的载流子浓度。
因而，当考虑到发光部分100A的第2导电型半导体层101B1的膜厚为1μm～5μm时，理想的是把其载流子浓度定为5×1017～2×1019cm-3。
在把发光部分100A的第2导电型半导体层101B1的膜厚取为更为合适范围的下限2μm时，为确保低电阻所需要的载流子浓度为1×1019cm-3，在取为作为上限值的3μm时，其载流子浓度是1×1018cm-3。因此，当把第2导电型半导体层101B1的膜厚取为作为更合适范围的2～3μm时，其载流子浓度理想的是定为1×1018～1×1019cm-3。
从发光部分100A射出来的激光被应进行测定的对象物反射、入射到光检测部分100B上去。该光检测部分100B由第1，第2导电型半导体层101A，101B2构成光电二极管，并用在该两层101A和101B2之间的交界面上形成的耗尽层进行光-电变换。这样一来，就可以用形成于光检测部分100B的第2导电型半导体层101B2上的图中没有画出来的电极和在示于图1的图形形成面115b上边形成的图中没有画出来的电极，把受光量作为电信号而输出。
在这里，光检测部分100B的第2导电型半导体层101B2是用与发光部分100A的相应的层101B1相同的工艺形成的，故该层101B2里边的载流子浓度比较高、变成为上述的值。
因而，在本实施例中，通过把光检测部分100B中的第2导电型半导体层101B2的膜厚作薄的办法，使光吸收率降低，使光-电变换效率提高。在本实施例中，把该光检测部分100B中的第2导电型半导体层101B2的膜厚设定为不足1μm。
图6是一模拟结果，它示出了把激光的振荡波长设定为800nm，是把第2导电型半导体层101B2中的杂质浓度设定为1×1018cm-3情况下的、第2导电型半导体层101B2的膜厚与被变换的光电流之间的关系。从图6可知，第2导电型半导体层101B2的厚度越薄，光电流的变换效率就越高、特别是在低于0.8μm时光电流变换效率为90％，而在0.5μm时，可以得到95％的光电流的变换效率。从这一点来说，第2导电型半导体层101B2的膜厚理想的是作成0.8μm以下，更为理想的是作成为0.5μm以下。再有该膜厚要作成为0.1μm以上。因为当膜厚低于本身为膜厚的下限的0.1μm时，就会产生电流难流和发热的问题。而且，如从图6所知，用0.1μm以上的膜厚可以得到100％的光电流，即使作成为薄于0.1μm的薄膜，光电变换效率也不会改善。
其次，对示于图1的面发光式半导体激光器100的制造工艺进行说明。图3A～图3C，图4A～图4C和图5A、图5B示出了带光检测部分的面发光式半导体激光器装置的制造工序。
在高阻GaAs基板102上分别进行外延生长以形成P型GaAs层101A和n型Ga0.85Al0.15As层101B。这时，n型Ga0.85Al0.15As层101B的厚度被形成为1μm以上、理想的是5μm以下。而n型Ga0.85Al0.15As层101B中的载流子浓度理想的是5×1017～2×1019cm-3，更为理想的是1×1018-1×1019cm-3。还有，用上述工序，形成发光部分100A的第2导电型半导体层101B1。
之后，使n型Al0.15Ga0.85As层和Al0.8Ga0.2As层交互叠层形成对波长800nm附近的光具有99.5％以上的反射率的40对的DBR镜子103用作为下部镜子。在形成了n型Al0.7Ga0.3As层(第1包层)104之后，再形成把n-型GaAs阱层和n-型Al0.3Ga0.7As势垒层交互地叠层的量子阱构造(MQW)的活性层105。之后，顺次地叠层形成P型Al0.7Ga0.3As层(第2包层)106，和P型Al0.15Ga0.85As层(接触层)109(参照图3A)。
上述的各层101A、101B、103～106和109用MOVPE(Metal-organic Vapor Phase Epitaxy有机金属汽相外延法)进行外延生长。这时，比如说生长温度为750℃、生长压力为150Torr、把TMGa(三甲基镓trimethytGa)、TMA1(三甲基铝)的有机金属用作III族原料，把AsH3用作V族原料，把H2Se用作n型掺杂物，把DEZn(di-ethy l-Zinc双乙基Zn)用作P型掺杂物。
在各层形成之后，在外延层上边用常压热CVD法，形成由约250的SiO2层构成的保护层I1。该保护层I1把叠层的半导体层覆盖起来，以此来防止工艺处理中的表面污染。
其次，用反应性离子束刻蚀法(RIBE)，留下被光刻胶图形R1盖住的柱状部分114和光检测部分100B的区域，在柱状部分114的周围形成沟110的同时，进行一直到达第2包层106的中间部分上的刻蚀。借助于实施这一刻蚀工艺，柱状部分114具有和其上边的光刻胶图形R4的轮廓形状相同的断面(参照图3B)。
另外，因为应用RIBE法，故上述柱状部分114的侧面几乎是垂直的，几乎不对外延层造成损伤。作为RIBE的条件，比如说，压力为60mPa，输入微波功率150W，引出电压350V，把氯气和氩气的混合气体用作刻蚀气体。
之后，除掉光刻胶图形R1，用常压热CVD法，在表面上形成约1000的SiO2层(第1绝缘膜)107。这时的工艺条件为比如，基板温度450℃，把SiH4(硅烷)和氧用作原料，把氮气用作携带气体。再在其上边用旋转涂敷法涂敷上SOG(旋转玻璃Spin on glass)膜108L，然后，比如说，用80℃一分钟，150℃二分钟，再用300℃30分钟，在氮气中进行坚膜(参照图3C)。
其次，对SOG膜108L和SiO2膜107进行反向刻蚀(Etchingback)使之平坦化，使得与已露了出来的接触层109的表面变成为一个平面(参照图4A)。在刻蚀中，采用应用于平行平板电极的反应性离子刻蚀(RIE)法，作为反应气体，使用了SF6，CHF3和Ar的组合。
接着，把发光部分100A留作柱状，对其周围进行刻围蚀，一直刻蚀到下部镜子103与其下层的n型Ga0.85Al0.15As层101B的交界处。换句话说，在发光部分100A的周围进行刻蚀以使n型Ga0.85Al0.15As层101B的表面露出来。
为了这一刻蚀，先形成保护膜I2(比如SiO2)，再在与不应被刻蚀的发光部分100A相向的区域上形成光刻胶图形R2(参照图4B)。
其次，如图4C所示，仅仅对与光检测部分100B相向的区域，刻蚀n型Ga0.85Al0.15As层101B，把它刻蚀为对光检测部分100B的光检测变成为最佳的厚度。为此，在与发光部分100A相向的区域上形成光刻胶图形R2。之后，再形成光刻胶图形R3，以把形成电极图形形成面115a的区域覆盖起来。借助于这一刻蚀，可把在光检测部分100A中作为构成光电二极管的一个要素的n型Ga0.85Al0.15As层101B2形成为不足1μm、理想的是0.8μm以下，更为理想的是0.5μm以下、0.1μm以上的膜厚。
其次，如图5A所示，在P型GaAs层101A和n型Ga0.85Al0.15As层101B1、101B2上边分别用刻蚀技术形成阶梯面，使各层露出来以形成电极图形形成面115a，115b，115c。电极形成面115a在n型Ga0.85Al0.15As层101B1上形成，紧接着在作为下部电极层的n型Ga0.85Al0.15As层101B1上形成用于进行接触的电极图形。电极图形形成面115b在光检测部分100B的P型GaAs层101A上边形成。还有，电极图形形成面115c形成于发光部分100A一侧的P型GaAs层101A上边。
为了使发光部分100A和光检测部分的第1导电型半导体层101A之间及发光部分100A和光检测部分100B的第2导电型半导体层101B1、101B2之间电绝缘，比如说用刻蚀技术除去两者的交界部分处的各层101A、101B，以形成隔离沟116。在形成该隔离沟116之际，理想的是用干法刻蚀技术，但是，由于该隔离沟116中的交界面对发光和受光没有影响，故也可以用湿法刻蚀技术或者用划线锯形成。此外，还可不用隔离沟116进行绝缘而代之以用离子注入法向上述交界部分注入杂质，例如导入质子或者氧离子以进行绝缘。
其次，用众所周知的剥离法形成与接触层109环状接触的上侧电极112(参照图5B)。接触层109介以上侧电极112的圆形开口113露了出来，用众所周知的剥离法或湿法刻蚀方法形成电介质多层膜镜子(上部镜子)111，使得把上述露出来的面充分地覆盖起来(参照图5B)。上部镜子111用电子束蒸镀法，把SiO2层和Ta2O5层交互地形成为比如说7对叠层，对波长800nm附近的光具有98.5～99.5％的反射率。这时的蒸镀速度比如说定为对SiO2为5/分，对Ta2O5层定为2/分。
应用以上的工序，示于图1的带光检测部分的面发光式半导体激光器就完成了。
图7示出了成膜装置的一个例子，这是一个在实施图3A的MOVPE法时，在整个晶体生长期间都可测定外延层的反射率的成膜装置。该成膜装置的特征是，在应用了横式水冷反应管的MOVPE装置中，具有去掉了生长基板上部的水冷管部分，且可从反应管外部向生长基板上送入光的无反射窗构造。
即，该MOVPE装置，在具有供给原料气体的气体供给部分210a和气体排出部分210b的反应管210的周围设有采用向内部通水的办法冷却反应管的冷却部分212。在反应管210的内部设有用于载置基板S的托架214，并在面对该托架214的基板载置面的部分的反应管210的壁面上设有监视窗216。在监视窗216的上方设有光源218和光检测器220，从光源218射出来的光介以监视窗216到达托架214上的基板S上，其反射光再次介以监视窗216到达光检测器220。
这样一来，从光源218来的光被设定为大体上垂直(最大5°)地入射到基板S上边，并借助于用光检测器220测定其反射光的办法，就可以在基板S上边进行外延生长的同时，测定正在生长的外延层的反射率的变化。
图8示出了在用示于图7的成膜装置，MOVPE生长构成本实施例的面发光式半导体激光装置的第2导电型半导体层101B和DBR镜子103的工序中，外延层的反射率随时间的变化。横轴示出了外延层的生长时间，纵轴示出了反射率。同样地，图9示出了在图8中的第2导电型半导体层101B的成膜工序中的膜厚与反射率之间的关系。
如图9所示，在假定监测波长为λ，第2导电型半导体层10B的折射率为n的时候，由于每淀积λ/2n的膜厚就回到相同的反射率，故第2导电型半导体层101B的反射率在极大值(大致上为32％)和极小值(大体上约30％)之间周围性地进行反复的同时，反射率发生变化，该反射率的分布与晶体的生长速度和时间无关，仅仅依赖于第2导电型半导体层101B的膜厚。因此，通过监测该反射率分布，就可以严密地控制第2导电型半导体层101B的膜厚。
另外，已经知道，在如上述那样，分别用P型、n型GaAs形成第1、第2导电型半导体层101A、101B的情况下，反射率在极大值(大体上32％)和极小值(大体上31％)之间周期性地反复，且极大值与极小值之差变得更小。因此，在采用上述监测法的情况下，理想的是在两层之间改变材质或组分，使反射率的差别作得更大。
另一方面，对于下部镜子103的成膜来说，如图8所示那样，若在第2导电型半导体层101B上边最初先叠上一层低折射率n1的Al0.85Ga0.15As，则随着膜厚的增加反射率减少。当膜厚度成为(λ/4n1)，由于向着拐点①前进，故监测该拐点并切换为淀积高折射率n2 Al0.85Ga0.15As层。这样一来，当Al0.85Ga0.15As层的膜厚增加时，反射率虽然会增加下去，但由于膜厚度为(λ/4n2)时到达拐点②，故再次切换为淀积低折射率n1的Al0.2Ga0.8As。通过反复进行这一操作，DBR镜子，其反射率在反复低反射率和高反射率的同时变动，反射率增加下去。
这种反射率分布不依赖于晶体生长速度或生长时间，仅仅依赖于各层的膜厚。因此，在反射率分布曲线的拐点(1次微分值为0)上改变正在叠层的层的Al组分，使之交互外延生长折射率不同的层，用这种办法就可以得到各层具有理论计算的厚度(λ/4n)的DBR镜子103。
由于DBR镜子103本身的反射率可以在整个晶体生长中测定，则若进一步在层形成中改变DBR镜子103的对数，可以求得构造的最佳化。
此外，由于以从拐点测到的各层的生长速度为基础，上部的各层的膜厚也可以用DBR镜子103控制，故与现有的管理生长时间的成膜方法相比，是一种重复性好，而且吞吐率高的方法，故可以制作晶体生长基板。实际上，用本实施例的生长方法，可用良好的控制性得到具有面发光式激光器工件所必需的99.5％以上的反射率的DBR镜子。
另外，上述的膜厚控制方法，不仅可使用于MOVPE法，也可以使用于其他的成膜工艺例如MBE法等等中去。
其次，在示于图4B，图4C的工艺中采用RIBE法的时候，对使用了上边说过的反射率监测方法的实施例进行说明。
在这里，在进行该刻蚀之际，为了正确地得到作为光检测部分100B的第2导电型半导体层的n型Ga0.85Al0.15As层101B2的膜厚，应用了示于图10的刻蚀装置。
图10是可以一边刻蚀一边测定外延层的反射率的RIBE装置的示意图。
该RIBE装置，在刻蚀室230上连接有等离子体室240和构成排气装置的真空泵232。刻蚀室230在与上述等离子体室240相向的位置上具有用于载置基板S的支架234。该支架234介以装载联锁(load lock)室250被设置为可以自由地进退。在刻蚀室232的等离子体室240一侧的侧壁上，在相向的位置上设有监视窗236和238。而在刻蚀室230的里边，在把上述监视窗236和238连起来的线上设置一对反射镜M1和M2。在一方的监视窗236的外方设置有光源226，在另一方的监视窗238的外方设置有光检测器228。此外，等离子体室240把微波导入部244和用于向等离子体240供给反应气体的气体供应部分246和248连结起来。在等离子体室240的周围设有磁铁242。
在这种RIBE装置中，用通常的方法对已形成于基板S上的晶体层进行刻蚀的同时，介以监视窗236和反射镜M1把从光源照射出来的光照射到基板S上，并介以反射镜M2和监视窗238，用光检测器228测定其反射光。用这样的办法就可以监测基板S上的晶体层的反射率。
图11示出的是用示于图10的刻蚀装置刻蚀n型Ga0.85Al0.15As层101B和DBR镜子103时的各层的反射率随时间的变化。该图11与把示出了外延生长过程的图8的时间轴倒过来的图相同。因此，通过监测反射率分布，如图4B所示，就可以严密地控制使第2导电型半导体层101B的表面露出来时的刻蚀终点。还可以严密地控制用于把之后进行的图4C的第2导电型半导体层101B刻蚀到规定的膜厚的膜厚管理。
而且，在本实施例中，在进行示于图3的各层的外延生长时，由于可以事先监测其成膜时的反射率分布，故可以利用这种成膜时的反射率分布严密地控制DBR镜子103和第2导电型半导体层101B的刻蚀。另外，以其反射率分布为依据的刻蚀也可应用于DBR镜子103的上部的各层的刻蚀。
图12示出的实施例是把上述实施例所涉及的带光检测部分的半导体激光器装置100应用到位置检测传感器中去的实施例。若采用这种传感器，则在应检测位置的被检测对象300上例如形成凹下部分302。从发光部分100A射出来的激光在该凹下部分302和除此之外的区域上被反射，用已设置在发光部分100A的周围的比如说两个光检测部分100B检测其反射光。然而，发光部分100A和光检测部分100B以图形化精度正确地被配置于同一基板102上边。因此，通过对用这两个光检测部分100B所检测到的反射光的受光量的比率进行监测的办法，就可以检测被测定对象300的位置。在光检测部分100B为一个的情况下，可用该一个光检测部分100B检测的受光量检测被测对象300的位置。
图13示出的实施例是把本实施例所涉及的带检测部分的半导体激光器装置应用到压力传感器中去的实施例。这种激光器装置100被配于基台400上，因作用压力而变位的变位构件比如说金属膜402，介以弹性体如橡胶404，被配置到基台400上边。在该压力传感器中，和示于图12的位置检测传感器的情况下一样，例如从中央的发光部分100A射出来的激光，被金属薄膜402的背面反射，并用多个光检测部分100B检测其反射光。而且，通过对用该多个光检测部分100B检测到的受光量的比率进行监测，就可以检测出作用到金属膜402上的压力的大小。
光检测部分100B还可以用于监测从发光部分100A射出的激光的强度。一般这种类型的半导体激光器被密封于管帽里边。在这种情况下，形成于管帽上的用于取出光的玻璃窗可加工为使之把例如1％的光向着光检测部分100B反射。而且，从发光部分100A射出来的激光被管帽的玻璃窗反射，就可以用光检测部分100B检测这一反射过来的微弱的光。这时，若检测到的反射光的强度降低，则判断为半导体激光器的输出降低，通过用APC(自动功率控制)电路向半导体激光器中流入更多的电流，就可以进行光输出功率的自动控制。
此外，本发明并不受限于上述实施例所举出的装置，在本发明的宗旨的范围内可以有各种各样的变形实施例。本发明的带光检测部分的半导体激光器装置并不受限于被应用在上述位置检测传感器、压力传感器等等中，也可以应用到高传送速度光纤链路、高速光耦合器、光驱动器、光空间传送、光拾波器等等。可以根据这些用途决定是否要用隔离沟116等对发光部分100A和光检测部分100B之间施行电绝缘。
另外，本发明方法不限于用示于图3A到图5B的步骤或顺序来进行，其他的各种各样的变形实施是可能的。例如，在进行用于形成图3B的柱状部分114的刻蚀时，也可以同时对光检测部分100B一侧的外延层进行刻蚀。然后，还可以对含有光检测部分100B一侧的剩下的DBR镜子103及第2导电型半导体层101B的外延层连续地进行刻蚀，直到得到规定的第2导电型半导体层101B2的膜厚。再者，还可以改换工序顺序，比如，把图5B的上部电极112、电介质多层膜镜子111的形成工序放在图4A的工序之前进行。
权利要求
1.一种带光检测部分的面发光式半导体激光器的制造方法，其特征是在半导体基板上的第1区域上形成面发光式半导体激光器，在上述半导体基板上的第2区域上形成光电二极管的时候，具有下述步骤(a)在上述半导体基板上的上述第1，第2区域里，共同地顺次外延生长第1导电型半导体层，厚度为1μm以上的第2导电型半导体层、半导体多层膜镜子、第1包层、量子阱构造的活性层、第2包层、接触层的步骤；(b)把上述第1区域的上述外延生长层蚀成柱状，一直刻蚀到上述第2包层的中间深度，以形成由上述第2包层和接触层构成的柱状部分的步骤；(c)在上述柱状部分的周围埋入形成绝缘层的步骤；(d)形成面对上述柱状部分的端面有开口的上部电极的步骤；(e)形成电介质多层膜镜子，把上述开口覆盖起来的步骤；(f)对上述第2区域的上述外延层进行刻蚀，一直刻蚀到上述第2导电型半导体层的中间深度，以把上述第2区域的上述第2导电型半导体层的厚度形成为不足1μm的步骤。
2.一种传感器，其特征是具有带光检测部分的面发光式半导体激光器，该带光检测部分的面发光式半导体激光器，具有半导体基板，分别形成于上述基板上的第1，第2区域上的第1导电型半导体层，分别叠层于上述第1、第2区域上的第1导电型半导体层上的第2导电型半导体层，形成于上述第1区域的上述第2导电型半导体层上边且向与上述半导体基板垂直的方向上射出光的光谐振器、且上述第1区域的上述第2导电型半导体层其厚度被形成为大于1μm，并被用作向上述光谐振器注入电流的下部电极，在上述第2区域中，用上述第1、第2导电半导体层构成光电二极管，而且，在上述第2区域上构成上述光电二极管的上述第2导电型半导体层被形成为厚度不足1μm，上述第1区域的上述第1导电型半导体层与上述第2区域的上述第1导电型半导体层电绝缘；上述第1区域的上边第2导电型半导体层与上述第2区域的上述第2导电型半导体层电绝缘，并把由上述光谐振器射出来的激光照射到相应于作用压力而变位的构件上，用上述光电二极管接受其反射光，以检测作用到上述变位构件上的压力的大小。
3.权利要求2中所述的传感器，其特征是具有分别接受由一个上述光谐振器射出来的激光的上述反射光的多个上述光电二极管，并依据用多个上述光电二极管分别检测到的受光量的分布，检测作用到上述变位构件上的压力的大小。
全文摘要
带光检测部的面发光式半导体激光器的制造方法及采用该激光器的传感器。在半导体基板上的第1第2区域上，叠层形成第1和第2导电型半导体层。第1区域中第2导电型半导体层上形成与基板垂直发出光的光谐振器。第2区域中用第1第2导电型半导体层构成光电二极管。第1区域中第2导电型半导体层厚1μm以上并用作向光谐振器注入电流的下部电极。构成光电二极管的第2导电型半导体层，在刻蚀后厚度不足1μm。
文档编号G11B7/12GK1396686SQ0210179
公开日2003年2月12日 申请日期2002年1月18日 优先权日1995年7月11日
发明者森克己, 近藤贵幸, 金子丈夫 申请人:精工爱普生株式会社