CN113711366A - 光半导体元件、光半导体装置、光传输系统以及光半导体装置的制造方法 - Google Patents

光半导体元件、光半导体装置、光传输系统以及光半导体装置的制造方法 Download PDF

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Abstract

光半导体元件具备：半绝缘性的半导体基板；柱状体，其形成于半导体基板的正面侧，从正面侧射出光或接受光；与柱状体连接的正面侧的电极；形成于半导体基板的背面侧的背面侧的电极；导电部件，其贯通半导体基板，对正面侧的电极与背面侧的电极进行连接，并且具有向半导体基板的正面侧突出的突出部。

Description

光半导体元件、光半导体装置、光传输系统以及光半导体装置 的制造方法
技术领域
本发明涉及光半导体元件、光半导体装置、光传输系统以及光半导体装置的制造方法。
背景技术
在专利文献1中公开了一种半导体激光装置，它是在基板上包含台面结构的面发光型半导体激光元件的激光装置，其中，在基板上包含至少1个静电破坏防止用的突出部，该至少1个突出部具有与基准电位连接的导电路径，并且配置在面发光型半导体激光元件的周围。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-059673号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本公开的非限定性的实施方式的一个方式涉及提供在与外部连接的情况下，能够在减少寄生元件的同时保护正面的、从正面射出或接受光的光半导体元件、光半导体装置、光传输系统以及光半导体装置的制造方法。
用于解决课题的手段
根据本公开的一个方式，提供一种光半导体元件，其具备：半绝缘性的半导体基板；柱状体，其形成于所述半导体基板的正面侧，从所述正面侧射出光或接受光；与所述柱状体连接的正面侧的电极；形成于所述半导体基板的背面侧的背面侧的电极；导电部件，其贯通所述半导体基板，对所述正面侧的电极与所述背面侧的电极进行连接，并且具有向所述半导体基板的正面侧突出的突出部。
在[1]的光半导体元件中，也可以是，所述突出部具有到达所述柱状体的上表面的高度。
在[1]的光半导体元件中，也可以是，所述突出部具有超过所述柱状体的上正面的高度。
在[1]的光半导体元件中，也可以是，所述突出部具有超过所述正面侧的电极的高度。
在[1]至[4]中任一项所涉及的光半导体元件中，也可以是，所述导电部件与所述正面侧的电极在所述半导体基板的形成有所述柱状体的一侧的面被连接。
在[1]至[5]中任一项所涉及的光半导体元件中，也可以是，还具有在所述背面侧的电极形成的凸点。
在[1]至[6]中任一项所涉及的光半导体元件中，也可以是，所述正面侧的电极包含俯视观察时呈闭合形状的电极，所述突出部与俯视观察时呈所述闭合形状的电极的至少一部分连接。
根据本公开的另一方式，提供一种光半导体装置，其具备：[1]至[7]中任一项的光半导体元件；以及光学部件，其与所述光半导体元件光耦合，所述光学部件与所述柱状体之间的位置关系由所述突出部规定。
在[8]的光半导体装置中，也可以是，所述光半导体元件是发光元件，所述光学部件是使从所述光半导体元件射出的光向外部扩散的光扩散部件。
根据本公开的另一方式，提供一种光传输系统，其具备：[8]所涉及的光半导体装置；以及对从所述光半导体元件射出的光或由所述光半导体元件接受的光进行传输的作为所述光学部件的光传输路径。
根据本公开的另一方式，提供一种光半导体元件的制造方法，包括：在半导体基板的正面形成从所述正面侧射出或接受光的柱状体以及与所述柱状体连接的布线；在所述半导体基板的正面涂布抗蚀剂；形成通过了所述抗蚀剂以及所述布线、未到达所述半导体基板的背面的深度的开口部；在所述半导体基板的正面形成导电层并利用所述导电层填埋所述开口部；磨削所述抗蚀剂上的所述导电层；以及对所述半导体基板的背面进行磨削而使所述开口部露出。
在[11]所涉及的光半导体元件的制造方法中，也可以是，形成所述柱状体以及与所述柱状体连接的布线包括以在所述布线的一部分中形成闭合形状的布线的方式形成所述柱状体以及与所述柱状体连接的布线，形成所述开口部包括以俯视观察时呈所述闭合形状的布线的至少一部分与所述开口部的一部分连接的方式形成所述开口部。
在[11]或[12]的光半导体元件的制造方法中，也可以是，还包括形成凸点，该凸点与在所述半导体基板的背面露出的所述导电层连接。
发明效果
根据[1]、[8]、[10]以及[11]，能够提供在从正面射出或接受光的光半导体元件中，在与外部连接的情况下能够在减少寄生元件的同时保护正面的光半导体元件、光半导体装置、光传输系统以及光半导体装置的制造方法。
根据[2]、[3]和[4]，能够根据光半导体元件的用途等适当地调整突出部的高度。
根据[5]，与导电部件和正面侧的电极未连接的情况相比，能够使导电部件和电极为相同电位。
根据[6]，与不具备形成于背面侧的电极的凸点的情况相比，能够以倒装的方式安装光半导体元件。
根据[7]，与和突出部连接的电极在俯视时为开放形状的情况相比，能够实现在布线连接中不良情况较少的光半导体元件。
根据[9]，与不具备使从光半导体元件射出的光向外部扩散的光扩散部件的情况相比，能够扩大光的射出角度。
根据[12]，与以在布线的一部分形成开放形状的布线的方式形成柱状体以及与柱状体连接的布线，以开放形状的布线的至少一部分与开口部的一部分连接的方式形成开口部的情况相比，能够增加制造工序中的对位余量。
根据[13]，与不包括形成凸点的情况相比，能够制造倒装安装型的光半导体元件，该凸点与在半导体基板的背面露出的导电层连接。
附图说明
图1是示出第一例示的实施方式的光半导体元件的结构的一例的剖视图。
图2是说明第一例示的实施方式的光半导体元件的制造方法的一例的剖视图的一部分。
图3是说明第一例示的实施方式的光半导体元件的制造方法的一例的剖视图的一部分。
图4是示出第一例示的实施方式的光半导体元件的包含电极片的布线的俯视图。
图5是示出第一例示的实施方式的光半导体元件的应用例的图。
图6是示出第二例示的实施方式的光半导体元件的结构的一例的剖视图。
图7是示出第三例示的实施方式的光半导体装置和光传输系统的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的例示的实施方式进行详细说明。另外，在以下的说明中，作为本发明的光半导体元件，例示面发光型半导体激光器(VCSEL：Vertical CavitySurface Emitting Laser：垂直腔面发射激光器)进行说明。
[第一例示的实施方式]
参照图1至图4，对本例示的实施方式的光半导体元件以及光半导体元件的制造方法进行说明。
参照图1，对本例示的实施方式的光半导体元件10的结构的一例进行说明。如图1所示，光学半导体元件10包括形成在半绝缘GaAs(砷化镓)基板12上的n型GaAs接触层14、下DBR(Distributed Bragg Reflector：分布式布拉格反射器)16、有源区24、氧化限制层32和上DBR26。在光学半导体元件10中，接触层14、下DBR16、有源区24、氧化限制层32和上DBR26的各结构形成柱状体(下文中称为“柱P”)，并且柱P构成激光器部分。
在包括柱P的半导体层的周围形成有作为无机绝缘膜的层间绝缘膜34。层间绝缘膜34从柱P的侧面延伸至基板12的正面。作为一例，本例示的实施方式的层间绝缘膜34由氮化硅膜(SiN膜)形成。层间绝缘膜34的材料不限于氮化硅膜，例如也可以是氧化硅膜(SiO2膜)或者氮氧化硅膜(SiON膜)等。
如图1所示，在层间绝缘膜34上设置有p侧电极布线36。p侧电极布线36的一端侧与形成在上DBR26的最上层的接触层(未示出)连接，并且与接触层形成了欧姆接触。另一方面，p侧电极布线36的另一端侧从柱P的侧面延伸至基板12的正面，构成电极片(省略图示)。p侧电极布线36例如由Ti(钛)/Au(金)的层叠膜形成。如图1所示，在本例示的实施方式中，p侧电极布线36与后述的突出部50-1连接。
同样地，经由层间绝缘膜34的开口部而设置有n侧电极布线30。n侧电极布线30的一端侧与接触层14连接，并与接触层14之间形成欧姆接触。另一方面，n侧电极布线30的另一端侧延伸至基板12的正面，形成电极片(省略图示)。n侧电极布线30例如通过膜形成而形成AuGe/Ni/Au的层叠膜。如图1所示，在本实施方式中，n侧电极布线30与后述的突出部50-2连接。
作为一个例子，形成在基板12上的接触层14由掺杂有Si的GaAs层形成。接触层14的一端连接于n型的下DBR16，并且另一端连接于n侧电极布线30。即，接触层14介于下DBR16和n侧电极布线30之间，并且起到向由柱P构成的激光器部分提供负电位的作用。
形成在接触层14上的n型的下DBR16是通过交替地重复层叠折射率不同的2个半导体层而形成的多层反射镜。在将光半导体元件10的振荡波长设为λ、将介质(半导体层)的折射率设为n的情况下，上述2个半导体层分别具有0.25λ/n的膜厚。具体地，下DBR16例如通过交替地重复层叠由Al0.90Ga0.1As制成的n型低折射率层和由Al0.15Ga0.85As制成的n型高折射率层而构成。
本例示的实施方式所涉及的有源区24例如也可以构成为包含下部间隔层、量子阱有源层以及上部间隔层(省略图示)。本例示的实施方式的量子阱有源层例如可以由4层的由Al0.3Ga0.7As构成的势垒层和设置于其间的3层的由GaAs构成的量子阱层构成。另外，下间隔层和上间隔层分别设置在量子阱有源层与下DBR16之间、以及量子阱有源层与上DBR26之间。由此，下部间隔层和上部间隔层具有调整谐振器的长度的功能，并且还具有作为用于封闭载流子的包覆层的功能。
设置在有源区24上的p型的氧化限制层32是电流限制层，构成为包括非氧化区32a和氧化区32b。从p侧电极布线36朝向n侧电极布线30流动的电流通过非氧化区域32a而被缩小。
形成在氧化限制层32上的上部DBR26是通过交替地重复层叠分别具有0.25λ/n的膜厚并且折射率彼此不同的2个半导体层而构成的多层膜反射镜。具体地，上DBR26例如通过交替地重复层叠由Al0.90Ga0.1As制成的p型低折射率层和由Al0.15Ga0.85As制成的p型高折射率层而构成。
在本例示的实施方式中，如上所述，在上部DBR26的最上层设置接触层(省略图示)，在接触层上设置有保护光的射出面的射出面保护层38。作为一个例子，射出面保护层38由氮化硅膜形成。
如图1所示，光半导体元件10还具备通孔52-1、52-2(以下，在统称的情况下为“通孔52”)、凸点54-1、54-2(以下，在统称的情况下为“凸点54”)。凸点54例如在将光半导体元件10以倒装的方式安装于印刷基板等的情况下使用。通孔52-1、52-2分别与突出部50-1、50-2(以下，在统称的情况下为“突出部50”)连接。突出部50如后述那样具有作为对准标记的功能、在制造工序中保护元件正面的功能(接触损伤的预防功能)等功能。考虑到正面电极的保护，突出部50距光半导体元件10的正面的高度构成为最低限度也要超过p侧电极布线或n侧电极布线的高度。
作为一例，通孔52和突出部50由金属一体地形成，两者没有明确的边界线。以下，为了方便，将从基板12的正面到背面形成的金属部分称为通孔52，将从基板12的正面突出的金属部分称为突出部50。通孔52-1和突出部50-1组合得到的金属部分是导电部件58-1，通孔52-2和突出部50-2组合得到的金属部分是导电部件58-2(以下，在统称的情况下为“导电部件58”)。
在此，相关技术的发光元件在射出光的波段为被基板吸收的波段的情况下，通常设为正面射出。在该情况下，在发光元件的正面电极与外部(印刷基板等)连接的情况下，通过引线接合而连接。另外，在想要高速驱动发光元件的情况下，为了减少寄生元件，有时在基板上形成贯通电极并在背面设置凸点来进行连接。但是，无论哪一种方法，都没有从发光元件芯片的正面的保护的观点出发进行特别的研究。在本例示的实施方式的光半导体元件10中，在基板设置贯通电极并在背面进行凸点连接，并且在正面设置与贯通电极连续(一体化)的突出部50。由此，在从元件正面射出光的光半导体元件中，在与外部连接的情况下，能够在减少寄生元件的同时保护元件正面。此外，如后所述，本例示的实施方式的突出部在本例示的实施方式的制造方法中自动地形成。另外，在相关技术的光半导体元件中，从元件的背面形成开口部并从正面填埋。与此相对，在本例示的实施方式的光半导体元件中，从正面形成开口部并从正面填埋。
接着，参照图2和图3，对光半导体元件10的制造方法进行说明。另外，在以下的说明中，设包含柱P的VCSEL元件已经形成在基板70上。即，在基板70上形成柱P，进而形成绝缘膜72，在绝缘膜72上形成布线74。另外，虽然图2和图3的工序通常在形成有多个VCSEL元件的晶片状态下进行，但在此使用示出1个光半导体元件10的图进行说明。
首先，使用光刻以及蚀刻，在基板12的正面侧形成用于形成导电部件58的开口部80。为此，在基板12的正面侧涂敷抗蚀剂76，在抗蚀剂76的与开口部80对应的位置形成开口部78(图2的(a))。
在此，在本例示的实施方式中，如图4所示，在布线74的与开口部80对应的位置形成有电极片75。作为一个例子，布线74和电极片75由Au等金属形成。为了在形成开口部80时的蚀刻中减少对布线金属的蚀刻，本例示的实施方式所涉及的电极片75如图4所示那样被形成为环形状(闭合形状)。这是因为，例如即使基板12的面上的开口部80的位置稍微偏移，也能够进行与导电部件58的连接。即，在本例示的实施方式中，电极片75为环状，由此在布线形成中，制造上的对位的容许度与线状的布线(一般为开放形状的布线)相比得到提高。
接着，通过经由开口部78进行的蚀刻，在基板12形成开口部80(图2的(b))。此时的蚀刻可以是干式蚀刻也可以是湿式蚀刻，但在本例示的实施方式中使用干式蚀刻。
接着，作为一例，利用溅射形成金属膜82(图2的(c))。金属膜82用于提高电极片75与以下说明的导电部件84之间的电连接性，在电连接性不特别成为问题的情况下等，也可以省略本工序。
接着，用导电部件84埋入开口部80(图2的(d))。导电部件84的材料、形态没有特别限定，例如通过基于铜的金属镀敷、例如基于银膏的真空印刷来进行。在本例示的实施方式中，作为一例，使用银膏形成导电部件84。
接着，对形成于抗蚀剂76上的金属膜82和导电部件84进行切削，使开口部80内的导电部件84残留下来(图2的(e))。残留的导电部件84构成图1所示的导电部件58。在本例示的实施方式的光半导体元件10的制造方法中，在制造工序的中途形成导电构件58，因此在后续工序的背面研磨工序、各工序间的处理中，柱P的射出面等得到保护。
接着，使用RIE(Reactive Ion Etching：反应性离子蚀刻)或湿式蚀刻，将抗蚀剂76分离(图2的(f))。此时，也可以保留抗蚀剂76的一部分。另外，在图2的(g)以后，例示了使抗蚀剂76残留的情况。
接下来，作为一个例子，在基板12的正面侧粘贴背磨带86(图2的(g)、图2的(g)相对于图2的(f)上下反转)。
接着，例如使用CMP(Chemical Mechanical Polishing：化学机械抛光)对基板12的背面进行磨削，使导电构件84露出(图2的(h))。如图2的(h)所示，在本例示的实施方式中，通过基板12的背面磨削而使导电部件84(即图1所示的通孔52)露出。
接着，在整个面上涂敷抗蚀剂88，使用光刻法在与导电部件84对应的位置形成开口部89(图3的(a))。
接着，作为一例，印刷由银形成的膏90(图3的(b))，然后将膏90切削到抗蚀剂88的位置(图3的(c))。
接下来，作为一个例子，形成由Ni(镍)/Au构成的金属膜92(图3的(d))，之后通过剥离将抗蚀剂88以及抗蚀剂88上的金属膜92剥离(图3的(e))。
接着，粘贴切割带94(图3的(f))，剥离背磨带86(图3的(g))。
接着，将晶片状态下的多个VCSEL元件单片化，制造本例示的实施方式的光半导体元件10。图3的(g)中的基板70、绝缘膜72以及导电部件84分别相当于图1所示的基板12、层间绝缘膜34以及导电部件58。在此，图1所示的凸点54根据需要形成在金属膜92上。
接着，参照图5，对本例示的实施方式的光半导体元件10的应用方式进行说明。
图5的(a)示出将突出部50用作对准标记的方式的光半导体元件10A。相对于光半导体元件10，光半导体元件10A还具有突出部50A。将该突出部50A用作对准标记，例如进行与连接于光半导体元件10A的外部的部件的对准。此外，在图5的(a)的例子中，例示了使用通孔52A并使用贯通了基板12的导电部件的方式，但不一定需要贯通，也可以采用停止在基板12的内部的方式。在该情况下，将图2的(b)所示的开口部80形成得更浅即可。
图5的(b)是使用突出部50进行光半导体元件10的检查的方式。如图1所示，在本例示的实施方式的光半导体元件10中，突出部50与p侧电极布线36或n侧电极布线30连接，因此如图5的(b)所示，通过使例如测试器的探针(探头)300与突出部50接触，能够进行光半导体元件10的检查。即，不使用凸点54而从正面侧进行检查。另外，此时的光半导体元件10可以是晶片级，也可以是单片化。
[第二例示的实施方式]
参照图6，对第二例示的实施方式的光半导体元件10B进行说明。光半导体元件10B是在光半导体元件10中在正面设置有抗蚀剂56的形态。因此，对与光半导体元件10相同的结构标注相同的附图标记，并省略详细的说明。
如图6所示，在光半导体元件10B中，突出部50的顶部以外的部分被抗蚀剂56覆盖。因此，根据光半导体元件10B，提供了在与外部连接的情况下、在减少寄生元件的同时保护正面的、可靠性更高的光半导体元件。
[第三例示的实施方式]
参照图7，对第三例示的实施方式所涉及的光半导体装置以及光传输系统进行说明。
如图7的(a)所示，本例示的实施方式的光半导体装置100包含光半导体元件10及光扩散板102。光扩散板102具有扩大从光半导体元件10射出的射出光的出射角的功能，例如通过粘接剂固定于突出部50。光半导体装置100例如作为距离计测装置的投光光源，具有向被计测对象照射具有一定宽度的均匀的光的用途。在光半导体装置100中，光扩散板102通过突出部50而被定位(对准)。即，例如通过使突出部50与设置于光扩散板102的凹部等抵接，从而自动地设定光半导体元件10与光扩散板102之间的位置关系。另外，此时，光半导体元件10与光扩散板102的间隔也自动地确定，因此也实现了光半导体装置100的低高度化。换言之，在光半导体装置100中，能够高精度地调整光半导体元件10与光扩散板102之间的距离。另外，光扩散板102是本发明的“光学部件”的一例。
如图7的(b)所示，本例示的实施方式所涉及的光传输系统200包括光半导体元件10以及光纤202。光纤202通过与光扩散板102相同的方法固定于突出部50，并通过相同的方法进行对准。即，由于自动地设定光半导体元件10的射出光的光轴与光纤202的纤芯的相对位置关系，因此光半导体元件10与光纤202之间的耦合效率提高。换言之，在光传输系统200中，能够进行光半导体元件10与光纤202之间的耦合效率的调整。在此，光纤202是本发明的“光学部件”的一例。
此外，在上述各例示的实施方式中，例示说明了将本发明应用于发光元件的方式，但不限于此，也能够应用于受光元件。该情况下的受光元件也按照图2和图3中说明的制造方法来制造。
另外，在上述各例示的实施方式中，例示了导电部件58与p侧电极布线36或者n侧电极布线30连接的方式并进行了说明，但不限于此。例如，当导电部件58用作对准标记并且p侧电极布线36或n侧电极布线例如通过接合引线连接时，导电部件58可以不与p侧电极布线36和n侧电极布线30连接。当然，也可以根据需要而设为将导电部件58与p侧电极布线36和n侧电极布线30中的任意一方连接的方式。
以上，参照附图对各种例示的实施方式进行了说明，但本发明当然不限定于这样的例子。只要是本领域技术人员，当然能够在权利要求书所记载的范畴内想到各种变更例或修正例，这些变更例或修正例当然也属于本发明的技术范围。另外，在不脱离发明的主旨的范围内，也可以将上述例示的实施方式中的各构成要素任意地组合。
另外，本申请是基于2019年2月7日申请的日本专利申请(日本特愿2019-021032)，该申请的内容在本申请中作为参照而被援引。

Claims (13)

1.一种光半导体元件，具备：
半绝缘性的半导体基板；
柱状体，其形成于所述半导体基板的正面侧，从正面侧射出光或接受光；
与所述柱状体连接的正面侧的电极；
形成于所述半导体基板的背面侧的背面侧的电极；
导电部件，其贯通所述半导体基板，对所述正面侧的电极与所述背面侧的电极进行连接，并且具有向所述半导体基板的正面侧突出的突出部。
2.根据权利要求1所述的光半导体元件，其中，
所述突出部具有到达所述柱状体的上表面的高度。
3.根据权利要求1所述的光半导体元件，其中，
所述突出部具有超过所述柱状体的上表面的高度。
4.根据权利要求1所述的光半导体元件，其中，
所述突出部具有超过所述正面侧的电极的高度。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的光半导体元件，其中，
所述导电部件与所述正面侧的电极在所述半导体基板的形成有所述柱状体的一侧的面被连接。
6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的光半导体元件，其中，
所述光半导体元件还具有在所述背面侧的电极形成的凸点。
7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的光半导体元件，其中，
所述正面侧的电极包含俯视观察时呈闭合形状的电极，所述突出部与俯视观察时所述呈闭合形状的电极的至少一部分连接。
8.一种光半导体装置，其中，
该光半导体装置具有：
权利要求1～7中的任意一项所述的光半导体元件；以及
光学部件，其与所述光半导体元件光耦合，
所述光学部件与所述柱状体之间的位置关系由所述突出部规定。
9.根据权利要求8所述的光半导体装置，其中，
所述光半导体元件是发光元件，
所述光学部件是使从所述光半导体元件射出的光向外部扩散的光扩散部件。
10.一种光传输系统，其具有：
权利要求8所述的光半导体装置；以及
对从所述光半导体元件射出的光或由所述光半导体元件接受的光进行传输的作为所述光学部件的光传输路径。
11.一种光半导体元件的制造方法，包括：
在半导体基板的正面形成从所述正面侧射出光或接受光的柱状体以及与所述柱状体连接的布线；
在所述半导体基板的正面涂布抗蚀剂；
形成通过了所述抗蚀剂以及所述布线、未到达所述半导体基板的背面的深度的开口部；
在所述半导体基板的正面形成导电层并利用所述导电层填埋所述开口部；
磨削所述抗蚀剂上的所述导电层；以及
对所述半导体基板的背面进行磨削而使所述开口部露出。
12.根据权利要求11所述的光半导体元件的制造方法，其中，
形成所述柱状体以及与所述柱状体连接的布线包括以在所述布线的一部分中形成闭合形状的布线的方式形成所述柱状体以及与所述柱状体连接的布线，
形成所述开口部包括以使俯视观察时呈所述闭合形状的布线的至少一部分与所述开口部的一部分连接的方式形成所述开口部。
13.根据权利要求11或12所述的光半导体元件的制造方法，其中，
还包括形成凸点，该凸点与在所述半导体基板的背面露出的所述导电层连接。
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