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JP4470819B2 - 光素子 - Google Patents
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Description

本発明は、光素子に関する。
発光ダイオード、面発光型半導体レーザ、フォトダイオードなどの光素子は、発光または受光領域を限定するために柱状の領域を形成するため、各素子の端部は段差のある構造を有する。また、絶縁膜やボンディングパッドなどの形成領域においても、同様に段差のある構造を有する。このような段差の構造を有する領域では、電極が断線しやすいという問題があった。
特許文献１には、素子の側面を順テーパ形状とすることにより、電極の断線を防止する方法が開示されている。
特開２００４−３１１７０１号公報
本発明は、電極の断線により光素子の信頼性が低下するのを防止することのできる光素子を提供することにある。
本発明にかかる光素子は、
第１半導体素子と第２半導体素子とを備えた光素子であって、
前記第１半導体素子は、
半導体層と、
前記第１半導体素子を駆動するための、前記半導体層の上方の互いに離れた位置に形成された第１導電型の第１電極および第２電極と、
前記第１半導体素子を駆動するための第２導電型の第３電極と、を含み、
前記第２半導体素子は、
前記第２半導体素子を駆動するための第１導電型の第４電極と、
前記第２半導体素子を駆動するための第２導電型の第５電極と、を含み、
当該光素子は、前記第１電極と前記第５電極との接続、および前記第２電極と前記第５電極との接続のための接続電極をさらに備える。
このように、接続電極によって、第２半導体素子の第５電極を、第１半導体素子と複数の位置で電気的に接続することによって、一方の接続が断線した場合でも、第１半導体素子と第２半導体素子の双方を機能させることができ、光素子の信頼性を向上させることができる。
本発明にかかる光素子において、
前記第１電極および前記第２電極と、前記第５電極とは、異なる高さに形成され、
前記接続電極は、前記基板上において前記第１電極の上面から前記第５電極の上面まで連続的に形成され、かつ前記第２電極の上面から前記第５電極の上面まで連続的に形成されていることができる。
このように、前記第１電極および前記第２電極と、前記第５電極とが、異なる高さに形成されている場合であっても、複数方向に連続的に形成されていることによって、断線を防止することができる。
本発明にかかる光素子において、
前記第１半導体素子と前記第２半導体素子の間に形成された絶縁層をさらに含み、
前記接続電極は、前記絶縁層の上面を介して前記第１電極の上面から前記第５電極の上面まで連続的に形成され、かつ前記絶縁層の上面を介して前記第２電極の上面から前記第５電極の上面まで連続的に形成されていることができる。
本発明にかかる光素子において、
前記第１電極および前記第２電極は、基板側からみて前記第５電極より高い位置に形成され、
前記絶縁層は、前記第１電極および前記第２電極側から前記第５電極側に下方に傾斜した側面を有することができる。
本発明にかかる光素子において、
前記第１電極と前記第２電極は、前記半導体層の上面に形成され、
前記半導体層は、平面視において、前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ仮想線上の領域の少なくとも一部を含まない領域に形成されていることができる。
本発明にかかる光素子において、
前記接続電極は、平面視において、前記半導体層の形成領域以外の領域を介して、第１電極の上面から前記第２電極の上面に連続的に形成されていることができる。
本発明にかかる光素子において、
前記第２半導体素子は、面発光型半導体レーザであることができる。
本発明にかかる光素子において、
前記第１半導体素子は、前記面発光型半導体レーザと電気的に並列接続された整流素子であることができる。
本発明にかかる光素子は、
面発光型半導体レーザと、当該面発光型半導体レーザと並列接続された整流素子とを備えた光素子であって、
前記整流素子は、
基板側から順に形成された第２導電型の第１半導体層および第１導電型の第２半導体層と、
前記第２半導体層の上方に互いに離れた位置に形成された第１導電型の第１電極および第２電極と、
第２導電型の第３電極と、を含み、
前記面発光型半導体レーザは、
基板側から順に形成された第１ミラー、活性層、および第２ミラーと、
第１導電型の第４電極と、
第２導電型の第５電極と、を含み、
当該光素子は、前記第１電極と前記第５電極との接続、および前記第２電極と前記第５電極との接続のための接続電極をさらに備える。
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
１．光素子の構造
図１は、本発明を適用した実施の形態に係る光素子１００を模式的に示す平面図であり、図２は、本発明を適用した実施の形態に係る光素子１００を模式的に示す断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線における断面を示す図である。
本実施の形態にかかる光素子１００は、図１および図２に示すように、第１半導体素子の一例としての整流素子１７０と、第２半導体素子の一例としての面発光型半導体レーザ１６０と、面発光型半導体レーザ１６０と整流素子１７０とを並列接続するための第１接続電極１４１および第２接続電極１４２と、を含む。面発光型半導体レーザ１６０および整流素子１７０は、同一基板（半導体基板１０１）上に形成されている。
以下、面発光型半導体レーザ１６０、整流素子１７０、および全体の構成について説明する。
１．１．面発光型半導体レーザ
面発光型半導体レーザ１６０は、垂直共振器を有する。また、この面発光型半導体レーザ１６０は、柱状の半導体堆積体（以下「柱状部」とする）１６２を含むことができる。
面発光型半導体レーザ１６０は、第１ミラー１０２と、活性層１０３と、第２ミラー１０４と、コンタクト層１０６とを有する。第１ミラーとしては、例えば、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した４０ペアの分布ブラッグ反射型ミラー（ＤＢＲ）を用いることができる。活性層１０３としては、ＧａＡｓウエル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層からなり、ウエル層が３層で構成される量子井戸構造を適用することができる。第２ミラー１０４としては、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した２５ペアの分布反射型多層膜ミラーを用いることができる。コンタクト層１０６としては、たとえばｐ型ＧａＡｓ層を用いることができる。なお、上述した各層の組成および層数はこれに限定されるわけではない。
第２ミラー１０４は、たとえば炭素（Ｃ）がドーピングされることによりｐ型にされ、第１ミラー１０２は、たとえばケイ素（Ｓｉ）がドーピングされることによりｎ型にされている。したがって、ｐ型の第２ミラー１０４、不純物がドーピングされていない活性層１０３、およびｎ型の第１ミラー１０２により、ｐｉｎダイオードが形成される。なお、本実施の形態では、柱状部１６２の平面形状を円形としたが、この形状は任意の形状をとることができる。
さらに、第２ミラー１０４を構成する層のうち活性層１０３に近い領域に、ＡｌＧａＡｓ層を側面から酸化することにより得られる電流狭窄層１０５が形成されている。この電流狭窄層１０５は、柱状部１６２の周縁に沿ったリング形状を有することができる。
また、面発光型半導体レーザ１６０は、さらにｐ型の第４電極１２１とｎ型の第５電極１２２とを有する。第４電極１２１は、第２ミラー１０４上に設けられている。第４電極１２１は、たとえばリング状に形成され、開口部は、レーザ光の出射面１０８として機能する。第５電極１２２は、第１ミラー１０２上、かつ第２接続電極１４２の下に柱状部１６２を取り囲むように設けられている。この第４電極１２１および第５電極１２２は、面発光型半導体レーザ１６０を駆動するために使用される。
１．２．整流素子
整流素子は、整流作用を有するｐｎ接合ダイオードやショットキー障壁ダイオード障壁ダイオードなどの接合ダイオードからなることができる。
整流素子１７０は、半導体基板１０１側から順に配置された第１半導体層１１６と、第２半導体層１１７と、第３半導体層１１８と、第１電極１３１ａと、第２電極１３１ｂと、第３電極１３２とを有する。
第１半導体層１１６は、図１に示すように、平面視において屈曲した形状（略Ｌ字形状）を有する。
第２半導体層１１７および第３半導体層１１８は、図２に示すように、第１半導体層１１６の一部の領域に形成される。また第２半導体層１１７および第３半導体層１１８は、平面視において、第１半導体層１１６の中央部を含む領域に形成される。第１電極１３１ａおよび第２電極１３１ｂは、第１半導体層１１６上における第２半導体層１１７および第３半導体層１１８が形成されていない領域に形成される。第１電極１３１ａは、第１半導体層１１６上の一方の端部に形成され、第２電極１３１ｂは、他方の端部に形成される。第３電極１３２は、第３半導体層１１８上に形成される。
第１半導体層１１６は、上述したコンタクト層１０６と同一組成からなる。第２半導体層１１７としては、たとえば不純物がドーピングされていないＧａＡｓ層を用いることができる。第３半導体層１１８としては、たとえばｎ型ＧａＡｓ層を用いることができる。
また、整流素子１７０は、上述した第２ミラー１０４と同一組成からなる第４半導体層１１４を含んでもよい。即ち、第４半導体層１１４が接合ダイオードの一部として機能してもよい。
また整流素子１７０は、活性層１０３と同一の組成を有する第５半導体層１１３、および第１ミラー１０２の上方に形成されている。このように、面発光型半導体レーザ１６０を形成するための層の上方に整流素子１７０を形成することによって、整流素子１７０と面発光型半導体レーザ１６０とをモノリシックに形成することが可能となる。
第１電極１３１ａと第２電極１３１ｂは、同一の機能を有する電極であり、互いに離れた位置に形成されている。また第１半導体層１１６は、平面視において、第１電極１３１ａと第２電極１３１ｂとを結ぶ仮想線上の領域の少なくとも一部を含まない領域に形成されている。即ち、第１半導体層１１６は屈曲しており、第１電極１３１ａと第２電極１３１ｂは、第１半導体層１１６上において反対側の端部に形成されている。屈曲方向は、第２接続電極１４２の屈曲方向と同じであり、これにより、素子面積をコンパクトにすることが可能となる。
また、このように第１電極１３１ａと第２電極１３１ｂとが一直線の第１半導体層１１６上にないことにより、第１半導体層１１６が製造工程において収縮することによって生じる応力を分散させることができ、第２接続電極１４２が断線するのを防止することができる。
１．３．全体の構成
上述したように、面発光型半導体レーザ１６０と整流素子１７０は並列接続されている。即ち、面発光型半導体レーザ１６０の第４電極１２１と、整流素子１７０の第３電極１３２とが第１接続電極１４１によって電気的に接続され、面発光型半導体レーザ１６０の第５電極１２２と、整流素子１７０の第１電極１３１ａおよび第２電極１３１ｂとが第２接続電極１４２によって電気的に接続されている。
第１接続電極１４１は、第４電極１２１の上面から第３電極１３２の上面にかけて連続的に形成されている。第４電極１２１と第３電極１３２は、互いに異なる高さに形成されている。さらに、面発光型半導体レーザ１６０は柱状部１６２を有し、整流素子１７０は柱状部１７４を有するため、柱状部１６２と柱状部１７４との間には溝が形成される。したがって、第４電極１２１と第３電極１３２の間には複数の段差があるため、第１接続電極１４１は、段差の上方において断線しやすい。
そこで本実施の形態にかかる光素子１００においては、面発光型半導体レーザ１６０の柱状部１６２と整流素子１７０の柱状部１７４との間に絶縁層の一例としての樹脂層１４３が形成されている。かかる樹脂層１４３は、図２に示すように、第３電極１３２側から第４電極１２１側にかけて下方に傾斜した面を有する。
これにより、第１接続電極１４１が第４電極１２１と第３電極１３２との間に形成された段差を樹脂層１４３が被覆するため、第１接続電極１４１が直接的に複数の段差を乗り越えることによって断線することを防止することができる。
第２接続電極１４２は、第１電極１３１ａおよび第２電極１３１ｂの上面から第５電極１２２の上面にかけて連続的に形成されている。第２接続電極１４２と、第１電極１３１ａおよび第２電極１３１ｂとは、互いに異なる高さに形成されている。さらに、整流素子１７０は柱状部１７４を有するため、柱状部１７４と第５電極１２２との間には段差がある。このため、第２接続電極１４２は、この段差の上方において断線しやすい。
そこで本実施の形態にかかる光素子１００においては、第１電極１３１ａおよび第２電極１３１ｂと第５電極１２２との間に絶縁層の一例としての樹脂層１４４が形成されている。かかる樹脂層１４４は、図２に示すように、第１電極１３１ａおよび第２電極１３１ｂ側から第５電極１２２側にかけて下方に傾斜した面を有する。
これにより、第２接続電極１４２が第５電極１２２と第１電極１３１ａおよび第２電極１３１ｂとの間に形成された段差を樹脂層１４４が被覆するため、第２接続電極１４２が直接的に複数の段差を乗り越えることによって断線することを防止することができる。
また第２接続電極１４２は、第５電極１２２と２箇所で接続している。即ち、第２接続電極１４２は、第１電極１３１ａと第５電極１２２との接続、および第２電極１３１ｂと第５電極１２２と接続を行っている。これにより、一方の接続が断線した場合でも、他方が電気的に接続されているため、光素子１００の信頼性を向上することができる。
２．光素子の製造方法
本発明を適用した実施の形態の光素子１００の製造方法の一例について、図３〜図１０を用いて説明する。図３〜図１０は、光素子１００の製造工程を示す図であり、図２に対応している。
（１）まず、ｎ型ＧａＡｓ層からなる半導体基板１０１の表面に、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより、図３に示すように、半導体多層膜が形成される。ここで、半導体多層膜は、例えば、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した４０ペアの第１ミラー１０２ａ、ＧａＡｓウエル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層からなり、ウエル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層１０３ａ、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した２５ペアの第２ミラー１０４ａ、ｐ型ＧａＡｓ層からなる第１半導体層１０６ａ、不純物がドーピングされていないＧａＡｓ層からなる第２半導体層１０７ａ、およびｎ型ＧａＡｓ層からなる第３半導体層１０８ａからなる。これらの層を順に半導体基板１０１上に積層させることにより、図３に示すように半導体多層膜が形成される。
エピタキシャル成長を行う際の温度は、成長方法や原料、半導体基板１０１の種類、あるいは形成する半導体多層膜の種類、厚さ、およびキャリア密度によって適宜決定されるが、一般に、４５０℃〜８００℃であるのが好ましい。また、エピタキシャル成長を行う際の所要時間も、温度と同様に適宜決定される。また、エピタキシャル成長させる方法としては、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法や、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、あるいはＬＰＥ法（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いることができる。
なお、第２ミラー１０４ａを成長させる際に、活性層１０３ａ近傍の少なくとも１層は、後に酸化され、絶縁層となる層に形成される（図８参照）。
（２）次に、第３半導体層１０８ａおよび第２半導体層１０７ａを所定の形状にパターニングして、第３半導体層１１８及び第２半導体層１１７を形成する（図４および図５参照）。
まず、半導体多層膜上にレジスト（図示せず）を塗布した後、リソグラフィ法により該レジストをパターニングすることにより、図４に示すように所定のパターンのレジスト層Ｒ１が形成される。
ついで、レジスト層Ｒ１をマスクとして、例えばドライエッチング法により、第３半導体層１０８ａおよび第２半導体層１０７ａの一部をエッチングする。その後、レジスト層Ｒ１が除去される。
（３）次に、第３半導体層１１８、第２半導体層１１７、第１半導体層１０６ａ、第２ミラー１０４ａ、活性層１０３ａ、および第１ミラー１０２ａの一部を所定の形状にパターニングする（図６および図７参照）。具体的には、まず、第１半導体層１０５の上方にレジスト（図示せず）を塗布した後、リソグラフィ法により該レジストをパターニングすることにより、第２の形状を有するレジスト層Ｒ２が形成される。次いで、レジスト層Ｒ２をマスクとして、例えばドライエッチング法によりエッチングする。その後、レジスト層Ｒ２を除去する。
これにより、整流素子１７０の柱状部１７２と、面発光型半導体レーザ１６０の柱状部１６２とを同時に形成することができる。
（４）次に、例えば４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、上記工程によって面発光型半導体レーザ１６０の柱状部１６２および整流素子１７０の柱状部１７２が形成された半導体基板１０１を投入することにより、前述の第２ミラー１０４中のＡｌ組成が高い層を側面から酸化して、面発光型半導体レーザ１６０の電流狭窄層１０５（図８参照）が形成される。
（５）次に、半導体基板１０１上の所定の領域に、樹脂層１４３、１４４を形成する（図９参照）。樹脂層１４３、１４４は、窒化シリコンや酸化シリコンなどの無機物質からなってもよいし、ポリイミド樹脂、フッ素系樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などの樹脂からなってもよい。なお、樹脂層は、複数層であってもよいし、単層であってもよい。
（６）次に、第１電極１３１ａ、第２電極１３１ｂ、第３電極１３２、第４電極１２１、および第５電極１２２が形成される（図１０参照）。
まず、電極形成工程前に、必要に応じて、プラズマ処理等を用いて、それぞれの電極形成位置を洗浄してもよい。
第１電極１３１ａと第２電極１３１ｂは、同一の材料を用いて形成される。第４電極１２１と第１電極１３１ａおよび第２電極１３１ｂは、ｐ型の電極材料からなり、たとえば白金（Ｐｔ）と金（Ａｕ）の積層膜からなることができる。第５電極１２２および第３電極１３２は、ｎ型の電極材料からなり、たとえば金とゲルマニウムの合金（ＡｕＧｅ）とニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）との積層膜からなることができる。また、電極の形成方法は、例えば、スパッタ法または真空蒸着法によって少なくとも１層の導電層を形成し、その後、リフトオフ法によって導電層の一部を除去してもよい。なお、リフトオフ法のかわりに、ドライエッチング法を適用してもよい。第４電極１２１の開口部は、面発光型半導体レーザ１６０の出射面１０８を形成する。さらに、電極形成と同時にアライメントマーク２２０を形成してもよい（図１参照）。
（７）次に、第１接続電極１４１および第２接続電極１４２が形成される（図１および図２参照）。
第１接続電極１４１および第２接続電極１４２は、たとえば金（Ａｕ）を用いて形成することができる。電極の形成方法としては、上述した形成方法と同様のものを用いることができる。
こうして、整流素子１７０と、面発光型半導体レーザ１６０とを含む光素子１００を形成することができる。これによれば、面発光型半導体レーザ１６０に逆バイアスの電圧が印加されても、整流素子１７０に電流が流れるので、逆バイアスの電圧に対する静電破壊耐圧が著しく向上する。したがって、実装プロセス等における静電破壊を防止して、信頼性の向上を図ることができる。
なお、本実施の形態に係る光素子の製造方法は、上述の光素子の説明から導き出せる内容を含む。
３．変形例
本実施の形態にかかる光素子１００は、上述の光素子の説明から導き出せる種々の変形例をとることもできる。
３．１．第１の変形例
たとえば、図２において、本実施の形態にかかる樹脂層１４３は、コンタクト層１０６および第３半導体層１１８上に乗り上げていないが、これにかえて、一部乗り上げて形成されてもよい。樹脂層１４３がコンタクト層１０６および第３半導体層１１８上に乗り上げていないとき、たとえば樹脂層１４３と柱状部１６２、１７２との間に隙間が形成され、その隙間に電極材料が入り込むことによって断線が生じることがある。そこで、樹脂層１４３が、コンタクト層１０６および第３半導体層１１８上に一部乗り上げて形成されることにより、第１接続電極１４１の断線を防止することができる。
樹脂層１４４についても、樹脂層１４３と同様に第１半導体層１１６に乗り上げて形成されることにより、第２接続電極１４２の断線を防止することができる。
３．２．第２の変形例
図１において、本実施の形態にかかる柱状部１７４は、平面視において、第２接続電極１４２と同一の方向に屈曲した形状を有するが、第２接続電極１４２と反対の方向に屈曲している形状を有してもよい。
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び結果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
本実施の形態にかかる光素子を模式的に示す平面図。 本実施の形態にかかる光素子を模式的に示す断面図。 本実施の形態にかかる光素子の製造工程を示す図。 本実施の形態にかかる光素子の製造工程を示す図。 本実施の形態にかかる光素子の製造工程を示す図。 本実施の形態にかかる光素子の製造工程を示す図。 本実施の形態にかかる光素子の製造工程を示す図。 本実施の形態にかかる光素子の製造工程を示す図。 本実施の形態にかかる光素子の製造工程を示す図。 本実施の形態にかかる光素子の製造工程を示す図。
符号の説明
１００ 光素子、１０１ 半導体基板、１０２ 第１ミラー、１０３ 活性層、１０４ 第２ミラー、１０５ 電流狭窄層、１０６ コンタクト層、１０８ 出射面、１１６ 第１半導体層、１１７ 第２半導体層、１１８ 第３半導体層、１２１ 第４電極、１２２ 第５電極、１３１ａ 第１電極、１３１ｂ 第２電極、１３２ 第３電極、１４１ 第１接続電極、１４２ 第２接続電極、１４３、１４４ 樹脂層、１６０ 面発光型半導体レーザ、１６２ 柱状部、１７０ 整流素子、１７２ 柱状部

Claims (4)

  1. 第１半導体素子と第２半導体素子とを備えた光素子であって、
    前記第１半導体素子は、
    第1半導体層と第2半導体層と第3半導体層からなる半導体層と、
    前記第１半導体素子を駆動するための、前記半導体層の上方の互いに離れた位置に形成された第１導電型の第１電極および第２電極と、
    前記第１半導体素子を駆動するための第２導電型の第３電極と、を含み、
    前記第２半導体素子は、
    前記第２半導体素子を駆動するための第１導電型の第４電極と、
    前記第２半導体素子を駆動するための第２導電型の第５電極と、を含み、
    当該光素子は、前記第１電極と前記第５電極との接続、および前記第２電極と前記第５電極との接続のための接続電極をさらに備え、
    前記第１電極と前記第２電極は、前記半導体層の上面に形成されて
    前記半導体層は、平面視において、前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ仮想線上の領域の少なくとも一部を含まない領域に形成されている、光素子。
  2. 請求項１において、
    前記第１電極および前記第２電極と、前記第５電極とは、異なる高さに形成され、
    前記接続電極は、前記基板上において前記第１電極の上面から前記第５電極の上面まで連続的に形成され、かつ前記第２電極の上面から前記第５電極の上面まで連続的に形成されている、光素子。
  3. 請求項２において、
    前記第１半導体素子と前記第２半導体素子の間に形成された絶縁層をさらに含み、
    前記接続電極は、前記絶縁層の上面を介して前記第１電極の上面から前記第５電極の上面まで連続的に形成され、かつ前記絶縁層の上面を介して前記第２電極の上面から前記第５電極の上面まで連続的に形成されている、光素子。
  4. 請求項３において、
    前記第１電極および前記第２電極は、基板側からみて前記第５電極より高い位置に形成され、
    前記絶縁層は、前記第１電極および前記第２電極側から前記第５電極側に下方に傾斜した側面を有する、光素子。
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