CN1580826A - 光元件及其制造方法、光模块、光传输装置 - Google Patents

光元件及其制造方法、光模块、光传输装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种包括其形状、大小及设置位置得以良好控制的光学构件的光元件及其制造方法、具有所述光元件的光模块、以及光传输装置。本发明的光元件(100)，包含具有光学面(108)的元件部(140)、包围光学面(108)设置的尖状部(124)以及至少一部分设置在光学面(108)上的光学构件(132)。

Description

光元件及其制造方法、光模块、光传输装置
技术领域
本发明涉及一种包含其设置位置、形状及大小得以良好控制的光学构件的光元件及其制造方法。
本发明还涉及包含所述光元件的光模块及光传输装置。
背景技术
例如作为制造透镜等的光学构件的方法之一，公知的有将由液体材料构成的液滴喷吐到基体上后使其固化从而制造光学构件的方法。例如，有通过采用喷墨头喷出液滴制造微透镜的方法(比如参照专利文献1)。在该方法中，需在喷出液滴之前，对液滴落入的区域进行抗湿处理或亲液处理。但是，在这个方法中，有时很难严密控制微透镜的形状及形成位置。
另外，例如，有通过形成凹部，将形成微透镜的液体保持在此凹部内的微透镜制造方法(例如，参照专利文献2)。但是，在此制造方法中，可以保持在凹部内的液体量受到限制。特别是在制造凸形的微透镜时，限制了所形成的透镜的大小。
[文献1]特开2000-2802号公报
[文献2]特开2000-75106号公报
发明内容
本发明的目的在于提供包含良好控制了其设置位置、形状及大小的光学构件的光元件及其制造方法。
本发明的目的还在于提供包含上述光元件的光模块及光传输装置。
1.光元件
本发明的光元件，包括具有光学面的元件部、包围所述光学面而设置的尖状部以及至少一部分设置在所述光学面上的光学构件。
在本申请中，所谓“尖状部”，系指突峰的部分。另外，所谓“光学面”，系指光通过的面。此“光学面”，既可以是从本发明的光元件向外部出射光的出射面，也可以是从外部向本发明的光元件入射光的入射面。另外，所谓“外部”是说本发明的光元件以外的区域。再有，所谓“光学构件”是说具有改变光学性质及进行方向的功能的构件。
另外，所谓“包围光学面设置的尖状部”，是指由尖状部包围的区域内至少一部分设置成光学面。
本发明的光元件，因为具有上述的构成，因此可通过控制所述尖状部的形状及高度，而得到包含其设置位置、形状及大小得以良好控制的光学构件的光元件。其细节，在本实施例栏中进行说明。
本发明的光元件，可以采用以下(A)～(H)实施方式。
(A)所述尖状部的先端可以处于比所述光学面高的位置。
(B)所述尖状部具有第一表面及第二表面，由所述第一表面及以上光学面构成开口部，所述光学构件的至少一部分可以设置在所述开口部内。
(C)所述光学构件的顶上部，可以处在高于所述尖状部的尖端的位置。
(D)所述光学构件可以具有透镜的作用。
此时，由所述尖状部的尖端构成圆或椭圆，所述光学构件的剖面是圆或椭圆，可以使所述光学面的中心和所述尖状部的尖端构成的圆或椭圆的中心保持一致。
(E)所述元件部包含柱状部，所述柱状部的上表面包含所述光学面，所述柱状部的侧壁由绝缘层覆盖，所述绝缘层的上部至少构成所述尖状部的一部分，且能够以包围所述柱状部的上面的状态设置所述尖状部。
(F)所述尖状部的至少一部分可以与所述元件部一体设置。
(G)所述光学构件是通过施加能量使可固化的液体材料固化而形成。
(H)所述光元件，可以是面发光型半导体激光器，半导体发光二极管，有机LED，或光敏二极管中的任意一种。
2.光元件的制造方法
本发明的光元件制造方法，包含以下步骤：
(a)形成具有光学面的元件部，
(b)形成包围所述光学面的尖状部，
(c)对于所述光学面吐出液滴，形成光学构件前身，
(d)使所述光学构件前身固化，形成光学构件。
根据所述本发明的光元件制造方法，通过在所述步骤(b)中，调整所述尖状部的形状及高度，以及在所述步骤(c)中，调整所述液滴的吐出量等方法，可以形成包含其设置位置、形状及大小得以良好控制的光学构件的光元件。其细节在本实施例一节中说明。
在所述本发明的光元件的制造方法中，可以采用以下的(A)及(B)实施例。
(A)在所述步骤(c)中，所述液滴的吐出，可以通过喷墨法进行。这里，所谓“喷墨法”，是采用喷墨头吐出液滴的方法。只是，此时吐出的液滴不是在印刷物所用意义上的墨，而是包含所述光学构件原料的液体物质“液体材料”。通过此方法，因为可以进行所述液滴的吐出量的微妙调整，所以可以在所述光学面上简便地设置细微的光学构件前身。
(B)在所述步骤(d)中，可以通过施加能量进行所述光学构件前身的固化。
3.光模块及光传输装置
本发明的光模块，包括所述面发光型发光元件和光导波管。另外，本发明的光传输装置包括所述光模块。
附图说明
图1是本发明第一实施方式涉及的光元件的模式示意剖面图。
图2是图1及图2所示的光元件的模式示意平面图。
图3是表示图1及图2所示的光元件一个制造步骤的模式示意剖面图。
图4是表示图1及图2所示的光元件的一个制造步骤的模式示意剖面图。
图5是表示图1及图2所示的光元件的一个制造步骤的模式示意剖面图。
图6是表示图1及图2所示的光元件的一个制造步骤的模式示意剖面图。
图7是表示图1及图2所示的光元件的一个制造步骤的模式示意剖面图。
图8是表示图1及图2所示的光元件的一个制造步骤的模式示意剖面图。
图9是表示图1及图2所示的光元件的一个制造步骤的模式示意剖面图。
图10是表示图1及图2所示光元件的一个制造步骤的模式示意剖面图。
图11是本发明第二实施方式涉及的光元件的模式示意剖面图。
图12是图11所示的光元件的模式示意平面图。
图13是表示图11及图12所示光元件的一个制造步骤的模式示意剖面图。
图14是表示图11及图12所示光元件的一个制造步骤的模式示意剖面图。
图15是表示图11及图12所示光元件的一个制造步骤的模式示意剖面图。
图16是表示图11及图12所示光元件的一个制造步骤的模式示意剖面图。
图17是表示图11及图12所示光元件的一个制造步骤的模式示意剖面图。
图18是表示图11及图12所示光元件的一个制造步骤的模式示意剖面图。
图19是表示图11及图12所示光元件的一个制造步骤的模式示意剖面图。
图20是表示图11及图12所示光元件的一个制造步骤的模式示意剖面图。
图21的图21(a)是将图1所示光元件的光学构件附近扩大并模式示意的剖面图，图21(b)是将图11所示光元件的光学构件附近扩大并模式示意的剖面图。
图22的图22(a)图22(b)分别是将图11所示光元件的尖状部分变形例的模式示意剖面图。
图23是本发明第三实施方式涉及的光元件的模式示意剖面图。
图24是本发明第四实施方式涉及的光模块的模式示意剖面图。
图25是本发明第五实施方式涉及的光传递装置的模式示意剖面图。
图26是本发明第六实施方式涉及的光传递装置的使用例模式示意剖面图。
具体实施方式
以下，就本发明的最佳实施方式，参照附图加以说明。
(第一种实施例)
1.光元件的构造
图1是典型地表示应用本发明的一实施例中相关的光元件100的剖面图。图2是典型地表示图1所示的光元件100的平面图。另外，图1是表示图2中A-A线处剖开的剖面图。
本实施的例的光元件100，包含具有光学面108的元件部140，包围光学面108设置的尖状部124，至少在光学面108上设置一部分的光学构件132。另外，在本实施的例中，以面发光型半导体激光器的情况为例进行说明光元件100。首先，对于本实施的例的光元件100的各构成要素进行说明。
(元件部)
在本实施的例中的光元件100中，元件部140设置在半导体基板101上。此元件部140是垂直谐振器(以下也称为“谐振器”)，可以包含柱状部130。半导体基板101由n型GaAs构成。
柱状部130的上表面130a的一部分包括光学面108。在此光元件100中，其激光从光学面108射出。另外，在此光元件100中，柱状部130的上表面130a内部未被第一电极107覆盖的部分为凹部111，凹部111的底面是光学面108。
接着，对构成元件部140的各要素进行说明。
柱状部130是元件部140的一部分，称为至少包含第二反射镜104的柱状的半导体层压体。此柱状部130镶嵌在绝缘层106内。也就是，柱状部130的侧壁130b被绝缘层106覆盖。另外，在柱状部130上形成第一电极107。
发光元件部分140例如由以下部分依次层叠构成：即、n型Al0.9Ga0.1As层和n型Al0.15Ga0.85As层交替层叠的40对分布反射型多层膜反射镜(以下称为“第一反射镜”)102；由GaAs势阱层和Al0.3Ga0.7As阻挡层构成的、并且包括由3层构成的势阱层的量子阱结构的激活层103；以及p型Al0.9Ga0.1As层和p型Al0.15Ga0.85As层交替层叠的25对分布反射型多层膜反射镜(以下称为“第二反射镜”)104依次层压构成。另外构成第一反射镜102、激活层103以及第二反射镜104的各层组分和层数不受此限。
第二反射镜104例如，通过掺杂C形成p型，第一反射镜102例如，通过掺杂Si形成n型。因此，利用p型的第二反射镜104、不掺杂杂质的激活层103和n型的第一反射镜102，形成pin二极管。
另外，在元件部分140中，从光元件100的激光射出侧到第一反射镜102的中途的部分，从激光射出侧看被蚀刻为圆形形状，形成柱状部130。另外，在本实施列例中，将柱状部分130的平面形状做成圆形，但是，该形状可以为任意形状。
在构成第二反射镜104层中的靠近激活层103的区域，形成由氧化铝构成的狭窄电流层105。该狭窄电流层105呈环状。也就是，该狭窄电流层105在以平行于光学面108的面切断的场合，其剖面为同心圆。
另外，在此光元件100中形成绝缘层106，覆盖在柱状部130的侧壁130b及第一反射镜102的上面。
第一电极107，在绝缘层106及柱状部130的上面130a上形成。第一电极107，例如由Au和Zn的合金以及和Au的层压膜构成。另外，在半导体基板101的背面101b上，形成第二电极109。此光元件100中，其柱状部130的上表面130a与第一电极107接合，并且，在半导体基板101的背面与第二电极109接合，通过第一电极107及第二电极109将电流注入激活层103。第二电极109，例如由Au和Ge的合金以及和Au的层压膜构成。
用于形成第一及第二电极107、109的材料，不仅限于上述材料，例如还可以利用Ti及Pt等金属以及这些合金等。
此光元件100的制造工序中，形成第一电极107及第二电极109时，通常要在约400℃下进行退火处理(参照后述的制造工艺)。因此，当采用树脂形成绝缘层106时，为了能够耐受此退火处理工艺，构成绝缘层106的树脂必需是耐热性优异的。为了满足此要求，构成绝缘层106的树脂最好是聚酰亚胺树脂，氟系树脂，丙烯酸树脂，或环氧树脂等，特别是，从加工的容易性及绝缘性的观点考虑，希望是聚酰亚胺树脂或氟系树脂。此时，绝缘层106由热或光等的能量照射而固化或通过化学反应使树脂前身固化而形成。或者绝缘层106也可以是氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层等绝缘性高的材质。
(光学构件)
光学构件132，让规定波长的光通过。此光学构件132可以具有例如将入射光集光、偏转、或分光的功能。另外，这里所谓的‘通过’，系指光入射到光学构件132后，从该光学构件132射出，这不只是包括射入到光学构件132的光全部从此光学构件132出射的情况，还包括射入光学构件132的光的一部分从此光学构件132出射的情况。
(光学构件的立体形状)
光学构件132可以作为透镜起作用。此时，由尖状部124的尖端124c构成圆或椭圆，光学构件132的截面是圆或椭圆，光学面108的中心和由尖状部124的尖端124c构成的圆或椭圆的中心最好一致。这种情况同样适用于后述的实施例中的尖状部及光学构件。
在本实施例中，如图2所示，尖状部124由覆盖绝缘层106和绝缘层106的第一电极107组成，由尖状部124的尖端124c构成圆，光学构件132的截面是圆，光学面108的中心和由尖状部124的尖端124c构成的圆的中心一致。
另外，本实施例的光元件100，开口部122的底面位于柱状部130的上面130a上，柱状部130的上表面130a是圆。还有，如图1所示，光学构件132的顶部132c其大小要做到处于比尖状部124的尖端124c高的位置，这样光学构件132中尖状部124的尖端124c上部的立体形状可以形成圆球状或切断圆球状。如此，所得到的光学构件132可以用作为透镜或偏转元件。
如图2所示，本实施例的光元件100，光学构件132的截面是圆。另外，如图1及图2所示，可以设定光学构件132的截面的最大径(直径)d1大于尖状部124的尖端124c构成的圆的最大直径(直径)d2。
(光学构件的材质)
光学构件132，例如通过施加热能或光能等能量使可以固化的液体材料固化而形成。具体的说，光学构件132，是通过对光学面108吐出由所述液体材料构成的液滴而形成光学构件前身(后述)后，通过固化该光学构件前身而形成所述光学构件。
作为所述液体材料，例如可以采用紫外线固化型树脂及热固化型树脂的前身。作为紫外线固化型树脂，例如可以采用紫外线固化型的丙烯酸系树脂及环氧系树脂。另外，作为热固化型树脂，可以例示热固化型的聚酰亚胺系树脂。
(尖状部)
尖状部124以包围光学面108状态而设置，尖状部124的第一表面124a构成开口部122的侧壁。在本实施的例的光元件100中，尖状部124包围柱状部130的上表面130a而设置。另外，光学面108构成开口部122的底面的一部分。还有，光学构件132，其一部分设置在开口部122内。
在本实施的例的光元件100中，尖状部124的一部分与绝缘层106一体化设置。具体的说，绝缘层106的上部构成尖状部124的一部分。因此，尖状部124中除了第一电极107外其余部分都由和绝缘层106相同的材质构成。
更具体的说，如图1所示，尖状部124具有第一表面124a及第二表面124b。第一表面124a和第二表面124b所形成的角θ1为锐角。另外，尖状部124的第二表面124b(尖状部124的表面上未构成开口部122的侧壁的部分)具有斜度。随着远离开口部122，此尖状部124的第二表面124b，和半导体基板101之间的距离变小。也就是在形成尖状部124的区域中，包含尖状部124的绝缘层106的膜厚随着远离开口部122而变小。另外，尖状部124的第一表面124a，构成开口部122的侧壁。
在尖状部124中，第一表面124a和第二表面124b的交点是尖端124c。尖状部124的尖端124c处在比光学面108高的位置。也就是，从半导体基板101到尖状部124的尖端124c的距离，比从半导体基板101到光学面108的距离大。另外，光学构件132的顶部132c，处在比尖状部124的尖端124c高的位置。即，从半导体基板101到光学构件132的顶部132c的距离，比从半导体基板101到尖状部124的尖端124c的距离大。
另外，在本实施例中，以光元件100为面发光型半导体激光器为例进行了说明，但本发明能够应用的光元件不只限定于面发光型半导体激光器，对于其他的发光元件(例如，半导体发光二极管、有机LED)或受光元件(例如光敏二极管)，也可以适用本发明。
2.光元件的制造方法
接下来，对于图1及图2所示的光元件100的制造方法，参照图3～图10进行说明。图3～图10是分别模式表示图1及图2所示光元件100的一种制造工序的剖面图，与图1所示的剖面对应。
(1)首先，形成包含柱状部130的元件部140(参照图3～图5)。
具体的说，在由n型GaAs构成的半导体衬底101的表面，通过一边调整组成一边进行外延生长的方法，形成如图3所示的半导体多层膜150(参照图3)。其中，半导体多层膜150例如，可由以下部分构成：n型Al0.9Ga0.1As层和n型Al0.15Ga0.85As层交替层叠的40对第一反射镜102；由GaAs势阱层和Al0.3Ga0.7As阻挡层构成的、并且包括由3层构成势阱层的多量子阱结构的激活层103；由p型Al0.9Ga0.1As层和p型Al0.15Ga0.85As层交替层叠的25对第二反射镜104；这些层按照顺序在半导体衬底101上进行层叠，形成半导体多层膜150。
在使第二反射镜104生长时，至少在激活层103附近形成一层AlAs层或Al组分大于等于0.95的AlGaAs层。形成这一层之后被氧化，变成狭窄电流层105(参照图5)。另外，在后工序形成第二电极109时，至少要提高第二反射镜104中的与第二电极109连接部分附近的载流子密度，使其与第二电极109的欧姆接触性更好。
进行外延生长时的温度，根据生长方法和原料以及半导体衬底101的种类或者形成半导体多层膜150的种类、厚度和载流子密度适当决定。但一般最好为450℃至800℃。另外，也和温度一样，适当决定外延生长时的所需时间。外延生长方法可以采用有机金属气相生长法(MOVPE：Metal-Organic Vapor phase Epitaxy)及MBE(分子束外延法：Molecular Beam Epitaxy)法或LPE(液相外延法：Liquid Phase Epitax)法。
接着，通过图案形成柱状部130(参照图4)。具体的说，首先在第二反射镜104上涂敷光敏抗蚀剂(无图示)后，通过光刻法对该光敏抗蚀剂进行图案曝光，形成具有规定图案的抗蚀层R1(参照图3)。
接着，将抗蚀层R1作为掩膜，例如通过干式蚀刻法，蚀刻第二反射镜104、激活层103及第一反射镜102的一部分。如图4所示，因此形成柱状部130。另外，通过以上的工序，在半导体基板101上形成包含柱状部130的元件部(谐振器)140(参照图4)。其后，除去抗蚀层R1。
接着，例如，将采用上述工艺已经形成柱状部分130的半导体衬底101投入到400℃的水蒸气介质气体中，从侧面对所述的第二反射镜104中的Al成分高的层进行氧化，形成狭窄电流层105(参照图5)。
氧化率依存于炉的温度，水蒸气的供给量，应进行氧化的层(所述Al组成高的层)的Al组分及膜厚，在具备由氧化形成的狭窄电流层的面发光型半导体激光器中，在驱动时，只在未形成狭窄电流层的部分(未氧化的部分)中流过电流。因此，在依靠氧化形成电流狭窄层的工序中，通过控制形成的狭窄电流层105的范围，可以控制电流密度。
(2)接下来，形成尖状部124(参照图6～图8)。
首先，柱状部130的上表面130a及侧壁130b由绝缘层106覆盖(参照图6)。另外，这里说明的是采用聚酰亚胺树脂作为形成绝缘层106的材料的情况。
例如采用旋压覆盖法涂敷树脂前身以(聚酰亚胺前身；无图示)覆盖柱状部130后，令酰亚胺化，形成绝缘层106(参照图6)。作为所述树脂前身的涂敷方法，除了上述的旋压覆盖法之外，还可以利用浸渍法、喷洒覆盖法、喷墨法等公知技术。另外，作为此绝缘层106的形成方法，除了上述方法之外，例如，可以采用特愿2001-066299号(日本专利申请2001-066299号)公报中记载的方法。
在本实施例中，通过在元件部140上设置柱状部130，在包含此柱状部130的元件部140上形成绝缘层106，通过在绝缘层106中柱状部130上设置的部分，构成凸部160(参照图6)。在本实施例中，利用此凸部160，可以包围柱状部130的上表面130a形成尖状部124。
另外，绝缘层106中在柱状部130的上表面130a上设置的部分的膜厚，是决定在后述的工序中形成的尖状部124的高度的一个因子。因此，通过调整绝缘层106中柱状部130的上表面130a上设置部分的膜厚，可以控制尖状部124的形状及高度。
接着，在绝缘层106上涂敷光敏抗蚀剂(无图示)后，通过光刻法对该光敏抗蚀剂进行图案曝光，形成规定图案的抗蚀层R2(参照图7)。此抗蚀层R2具有开口部192。此开口部192设置在绝缘层106上形成开口部122(参照图8)的区域。
接着，将抗层R2作为掩膜，例如通过干式蚀刻法蚀刻绝缘层106。其后，抗层R2被除去。由此，如图8所示，在绝缘层106上设置开口部122，由此，形成尖状部124。此尖状部124构成绝缘层106的上部。另外，在本实施例中，此开口部122，设置在柱状部130的上表面130a上。也就是，开口部122的底面成柱状部130的上表面130a。
(3)接着，在第一电极107及第二电极109形成的同时，在元件部140上设置光学面108(参照图9)。
首先，形成第一电极110及第二电极109之前，根据需要，采用等离子体处理法等，洗净绝缘层106的上表面106a及半导体基板101的背面101b(参照图8)。由此，可以形成特性更为稳定的元件。
接着，通过真空蒸镀法，例如形成比如Au和Zn的合金与Au的层压膜(无图示)。接着，通过剥离法除去指定的位置以外的层压膜，从而在绝缘层106上形成第一电极107。此时，柱状部130的上表面130a上形成了无所述层压膜的部分。此部分是凹部111，凹部111的底面为光学面108。通过上述工艺，光学面108被设置在元件部140上。另外，在以上工序中，除了剥离法之外还可以采用干式蚀刻法。
接着，以同样的方法，将例如Au和Ge的合金和Au的层压膜制作成图案，在半导体基板101的背面101b上形成第二电极109(参照图9)。然后，进行退火处理。退火处理的温度根据电极材料而定。在本实施例中采用的电极材料通常的退火处理温度在400℃左右。通过以上步骤，形成第二电极109(参照图9)。
(4)接下来，形成光学构件132(参照图9及图10)。具体的说，对于光学面108吐出用于形成光学构件132的液体材料的液滴132b，而形成光学构件前身132a。如上所述，所述液体材料具有可以靠附加能量进行固化的性质。
作为吐出液滴132b的方法，例如，可以列举分配法或喷墨法。分配法是作为吐出液滴的方法的一般方法，在比较宽的区域吐出液滴132b时有效。另外，喷墨法是采用喷墨头吐出液滴的方法，对于吐出液滴的位置可以控制到μm量级的单位。另外，吐出的液滴量，可以以微微升量级的单位进行控制。由此，在本工艺中通过采用喷墨法吐出液滴，可以制作微细结构的光学构件132。图9中，表示从喷墨头120的喷嘴112对光学面108吐出液滴132b的步骤。
光学构件前身132a的大小，可以通过调整液滴132b的吐出量来控制。另外，如图10所示，调整液滴132b的吐出量，以达到使光学构件前身132a的顶部132c比尖状部124的尖端124c高的位置的目的。
另外，在液滴132b吐出之前，根据需要，开口部122的底面及侧壁上通过进行亲液性处理或抗湿性处理，可以通过控制对于液滴132b的浸润性，从而可以形成具有规定形状及大小的光学构件132。
接着，固化光学构件前身132a，形成光学构件132(参照图10)。具体的说，对于光学构件前身132a，附加热能或光能等的能量113。固化光学构件前身132a时，根据所述液体材料的种类采用适当的方法。例如，可以列举附加热能，或紫外线或激光等的光照射。
通过以上步骤，得到具有光学构件132的光元件100(参照图1及图2)。
3.特征
本实施例涉及的光元件100及其制造方法，具有以下所示的特征。
(1)第一，由于包含至少一部分在光学面108上设置的光学构件132，可以在调整从光学面108射出的光射出角之后，使其向外部放出。更为具体的是，通过设置光学构件132，可以使在元件部140产生的光的射出角度变窄。由此，将从本实施例的光元件100射出的光导入例如光纤等光导波通路(无图示)时，向所述光导波通路导入所述光变得容易。
(2)第二，可以得到设置了具有所希望的形状及大小的光学构件132的光元件100。也就是根据本实施例涉及的光元件的制造方法，如图1所示，设置尖状部124，以包围光学面108。由此，在光学构件132的形成工序(参照图9)中，至少光学面108上形成光学构件前身132a时，只要尖状部124的第二表面124b不因光学构件前身132a而润湿，第二表面124b的表面张力对光学构件前身132a就不起作用，而光学构件前身132a本身的表面张力起主要作用。因此，通过调整形成光学构件前身132a的液滴132b的吐出量，可以控制光学构件前身132a的形状。由此，可以得到具有所希望的形状及大小的光学构件132。
再有，本实施例的光元件100，其尖状部124的一部分(尖状部124中不合第一电极的部分)与绝缘层106一体形成。即，可以将覆盖柱状部130的侧壁130b的绝缘层106的一部分作为尖状部124来利用。
(3)第三，可以严密控制光学构件132的大小及形状。也就是光学构件132的形状可以根据液滴132b的吐出量控制。因此，可以得到包含希望的形状及大小的光学构件132的光元件100。
(4)第四，通过以包围光学面108的状态设置尖状部124，可以稳定光学构件132并设置在光学面108上。也就是，光学构件132，不只是和光学面108接合，也和尖状部124的第一表面124a(开口部122的侧壁)接合。因此，光学构件132不容易从开口部122脱落。由此，可以得到光学构件132和开口部122的底面及侧壁的接合部分的机械强度优异的光元件100。
(5)第五，形成光学构件132时的定位容易，并且可以严密控制光学构件132的设置位置。如上所述，光学构件132是在对光学面108吐出液滴132b形成光学构件前身132a后，通过固化光学构件前身132a而形成(参照图9及图10)。在以上工序中，依靠使液滴落入由尖状部124包围的区域内，形成光学构件前身132a。因此，不用特别严密进行位置对合，也可以形成光学构件132。由此，可以简易得到其设置位置得以控制的光学构件132。
(第二种实施例)
1.光元件的构造
图11，是适用本发明的一实施例涉及的光元件200的模式剖面图。图12是表示图11中所示的光元件200的模式平面图。另外，图11是表示图12中A-A线处剖开的剖面图。
本实施例的光元件200，其光学构件232只设置在光学面208上，这一点使其具有不同于第一实施例的光元件100(参照图1及图2)的结构。其他的构成要素，几乎具有与第一的实施例的光元件100差不多一样。因此，在本实施例的光元件200中，有关和光元件100同样的构成要素，赋予与第一实施例的各构成要素同一符号，省略其详细说明。
本实施例的光元件200包含具有光学面208的元件部140、包围光学面208设置的尖状部224以及光学构件232。光学构件232只在光学面208上设置。更为具体的是尖状部224具有第一表面224a及第二表面224b，由第一表面224a及光学面208构成开口部232。即，第一表面224a是开口部232的侧壁，光学面208是开口部232的底面。另外，尖状部224的尖端224c是第一表面224a和第二表面224b的交点。
另外，光学构件232的一部分设置在此开口部232内。此光学构件232的顶部232c，设在比尖状部224的尖端224c高的位置上。
尖状部224包含第一表面224a及第二表面224b。第一表面224a和第二表面224b所形成的角θ2是锐角。本实施例的光元件200，其尖状部224和元件部140一体设置。更具体而言，尖状部224和元件部140的第二反射镜104一体化设置。另外，此光元件200，其柱状部130的上表面130a上的第一电极107未覆盖的部分是凹部211，在此凹部211内形成尖状部224。
2.光元件的制造方法
接下来，描述关于图11及图12所示的光元件200的制造方法，参照图13～图20进行说明。图13～图20是分别为图11及图12所示的光元件200的一制造工序的模式剖面图，对应于图13所示的剖面。
(1)首先，在半导体基板101上形成半导体多层膜250(参照图13)。该半导体多层膜250的形成方法与第一实施例中形成半导体多层膜150的方法相同，半导体多层膜250的层构造几乎和半导体多层膜150一样。另外，本实施例中，在半导体多层膜250中的第二反射镜104a的膜厚，要按比半导体多层膜150中的第二反射镜104厚出一层104b的量来形成。此层104b，在后述工序中被用来形成尖状部224。
(2)接下来，形成柱状部130(参照图14)。具体的说，首先第二反射镜104a上涂敷光敏抗蚀剂(无图示)后，通过光刻法使该光敏抗蚀剂形成图案，从而形成规定图案的抗蚀层R3(参照图13)。
接下来，将抗蚀层R3作为掩膜，例如用干式蚀刻法蚀刻第二反射镜104a、激活层103以及第一反射镜102的一部分。由此，如图14所示，形成柱状部130。另外，依靠以上工艺，在半导体基板101上形成包括柱状部130的元件部(谐振器)140(参照图14)。其后，除去抗蚀层R3。
接着，用和第一实施例同样的方法，在第二反射镜104a上形成狭窄电流层105(参照图15)。
(2)接着，形成尖状部224(参照图16～图20)。
首先，涂敷抗蚀层R4，以使覆盖柱状部130的上表面130a及侧壁130b(参照图16)后，用光刻法使该光敏抗蚀剂形成图案，形成具有规定图案的抗蚀层R4(图17参照)。此抗蚀层R4在柱状部130的上表面130a上具有开口部922。然后，通过将此抗蚀层R4作为掩膜成型第二反射镜104a，在第二反射镜104a上形成开口部322(参照图18)。接着，除去此抗蚀层R4。
这里，通过调整抗蚀层R4的坚膜条件及曝光的条件等，使此开口部322形成正锥形的形状(参照图18)。也就是，开口部322在平行于半导体基板101的表面101a的截面，越靠近半导体基板101越小。
然后，借助公知的光刻法，在开口部322及第一反射镜102上形成规定图案的抗蚀层R5(参照图19)。此抗蚀层R5在柱状部130的上表面130a中开口部322以外的区域中具有开口部822(参照图19)。
接着，将此抗蚀层R5作为掩膜，通过蚀刻成型第二反射镜104a，形成尖状部224。由于形成了此尖状部224，就形成了开口部222(参照图20)。接着，除去此抗蚀层R5。
形成尖状部224时，例如可以控制蚀刻的时间，或者利用蚀刻比率之差。在利用蚀刻比率差时，在为了形成尖状部224的层104a的正下面，先形成和层104a蚀刻比率不同的层(无图示)，可以在此蚀刻比率不同的层露出时结束蚀刻。
另外，在本实施例中如前所述，是按首先形成柱状部130后，再形成尖状部224的状态说明的，但也可以在形成尖状部224后再形成柱状部130。
(3)接着，采用与第一实施例相同的方法形成绝缘层106及第一电极107、第二电极109后，再形成光学构件232。光学构件232，可以用与第一实施例的光学构件132同样的方法制造。
通过以上的工序，可以得到包括光学构件232的光元件200(参照图11及图12)。
3.特征
根据本实施例的光元件200，具有与第一实施例涉及的光元件100同样的特征。
以及，根据本实施例的光元件200，可由于光学构件232只在光学面208上设置，而使从光学构件232射出的光的括散量减小。关于此特征，参照图21(a)及图21(b)进行说明。图21(a)是图1所示的光元件100的光学构件132附近扩大后典型地表示的剖面图，图21(b)是图11及图12所示光元件200的光学构件232附近扩大后模式地表示的剖面图。
本实施例的光元件200的光学构件232如图21(a)所示，只设置在光学面232上。因此，与光学构件132(参照图21(a))比较，光学构件232(参照图21(b))的曲率可以缩小。因此，如图21(b)所示，可以缩小从光学面208到光学构件232的顶部232c的距离L1。其结果，就能够减小从光学构件232射出的光的扩散量(参照图21(b))。由此，将本实施例的光元件200射出的光导入例如光纤等的光导波管(无图示)时，使把所述光导入所述的光波导管变的容易。
另外，在本实施例的光元件200中，尖状部224和元件部140(第二反射镜104)一体化形成。也就是因为能够利用构成元件部140的层形成尖状部224，因此可以用简便的工艺形成尖状部224。
4.变形例
本实施例的光元件200的尖状部的变形例示于图22(a)及图22(b)。另外，在图22(a)及图22(b)中，将尖状部附近扩大后并模式地表示，省略光学构件的图示。图22(a)给出了尖状部424，图22(b)给出了尖状部524。
尖状部424具有第一表面424a及第二表面424b，第一表面424a和第二表面424b所形成的角θ4为锐角。同样，尖状部524具有第一表面524a及第二表面524b，第一表面524a和第二表面524b所形成的角θ5为锐角。
一方面，如图22(a)所示，在尖状部424中，第二表面424b和光学面408所形成的角θ6几乎为直角，反之，如图22(b)所示，在尖状部524中，第二表面524b和光学面508所形成的角θ7则为锐角。象尖状部524那样，当第二表面524b和光学面508所形成的角θ7为锐角时，如图22(b)所示，在元件部140的激活层103产生的光就被第二表面524b反射掉了，于是就有不从光学面508射出而生成返回到激活层103的光(回馈光)的现象。此回馈光，有可能会影响到元件部140的驱动。因此，就回馈光的发生少这一点而言，尖状部424的形状比起尖状部524的形状更好。
另外，本实施例的光元件200的尖状部224，和图22(a)所示的尖状部424同样，第二表面224b和光学面208所形成的角θ6几乎为直角(参照图12)。
再有，像尖状部424那样，第二表面424b和光学面408所成的角θ6几乎接近于直角，对光学面408吐出液滴形成光学构件前身(无图示)固化后形成光学构件(无图示)时，光学构件前身和第二表面424b难以浸湿。即，由于第二表面424b和光学面408所成的角θ6接近直角的尖状部424，所以较比起第二表面524b和光学面508所成的角θ7为锐角的尖状部524，能够更切实地形成光学构件前身。
(第三实施例)
1.光元件的构造
图23是适用了本发明的一实施例涉及的光元件300的模式示意剖面图。
本实施例的光元件300，在半导体基板101的背面101b上设置开口部322，在该开口部322内设置光学构件332这一点，以及在射出来自该光学构件332的光这一点上具有和第一实施例的光元件100(参照图1及图2)不同的结构。其他构成要素和第一实施例的光元件100同样。因此，在本实施例的光元件300中，对于与第一实施例的光元件100同样的构成要素，赋予同样的符号，省略详细的说明。
本实施例的光元件300，包括具有光学面308的元件部140、包围光学面308设置的尖状部324和在光学面308上设置的光学构件332。尖状部324具有第一表面324a及第二表面324b，第一表面324a和第二表面324b所成的角θ3为锐角。尖状部324的尖端324c是第一表面324a和第二表面324b的交点，处在比光学面308高的位置上。
另外，在本实施例的光元件300中，第一表面324a构成凹部322的侧壁。另外，光学面308是凹部322的底面。
另外，在本实施例的光元件300中，第一电极107覆盖柱状部130的上表面130a。另外，在绝缘层106设置开口部522。在开口部522，第二反射镜102上设置第二电极109。
2.光元件的制造方法
本实施例的光元件300可以用与第一实施例的光元件100相同的工序形成。具体的说，可以在形成元件部140、形成第一及第二电极107及109之后形成尖状部324及光学构件332。
尖状部324通过对半导体基板101的背面101b形成图案而得。可以在形成尖状部324后，形成光学构件332。尖状部324及光学构件332，可以采用与第一实施例中形成尖状部124及光学构件132的方法同样的方法。
3.特征
本实施例的光元件300，具有和第一实施例的光元件同样的特征。
另外，根据本实施例的光元件300，为使在激活层103产生的光从半导体基板101的背面101b射出，可以利用由蚀刻去除半导体基板101的步骤形成尖状部324。因此，可以高效率地形成尖状部324。
(第四实施例)
图24是适用了本发明的第四实施例的光模块的模式示意图。此光模块500包含第一实施例的光元件100(参照图1及图2)、半导体芯片20和光纤30。另外，在本实施例的光模块500中，除第一实施例的光元件100外，采用第二实施例的发光元件200或第三实施例的光元件300也可以得到同样的作用及效果。这一点在后述的第五及第六的实施例中也一样。
1.光模块的构造
光元件100吸收从光纤30的端面30a射出的光。此光元件100，与光纤30的端面30a的相对位置呈固定状态。具体的说，光元件100的光学面108正好面向光纤30的端面30a。
半导体芯片20为了驱动光元件100而设置。也就是说，半导体芯片20中内置有用于驱动光元件100的电路。半导体芯片20中，在内部的电路上形成电连接的多个电极(或者衬垫)22。最好在形成电极22的面上形成至少与一个电极22电连接的布线图案24、64。
半导体芯片20和光元件100形成电连接。例如，布线图案14和半导体芯片20上形成的布线图案24通过锡焊26实现电连接。此布线图案14，与光元件100的第二电极109(图24中无图示)电连接。另外，光元件100的第一电极107和半导体芯片20上形成的布线图案24通过电线27实现电连接。
光元件100可以对着半导体芯片20倒安装。这样通过焊锡26，不仅可以进行电连接，还可以固定光元件100和半导体芯片20。另外，为了连接布线图案14和布线图案64，还可以使用电线，或者采用导电胶。
也可以在光元件100和半导体芯片20之间，设置填充材料40。当填充材料40覆盖光元件100的光学面108时，填充材料40优选是透明的。填充材料40在覆盖光元件100和半导体芯片20的电连接部分并加以保护的同时，也保护光元件100及半导体芯片20的表面。另外，填充材料40使光元件100及半导体芯片20的接合状态得以保持。
半导体芯片20上，也可以形成孔(例如贯通孔)28。孔28上插入光纤30。孔28避开内部的电路，从形成电极22的面直通到其相反的面。最好至少在孔28一边的开口端部，形成锥形29。由于形成锥形29，很容易将光纤30插入孔28。
半导体芯片20也可以安装在基板42上。具体的说，半导体芯片20通过粘接剂44粘贴在基板42上也可以。在基板42上形成孔46。孔46形成在与半导体芯片20的孔28连通的位置上。连接半导体芯片20和基板42的粘接剂44的设置应不妨碍2个孔28、46的连通，不造成堵塞。基板42的孔46，在和半导体芯片20相反的方向内径变大，成锥形的形状。由此，光纤30就容易插入。
基板42也可以由树脂、玻璃或陶瓷等具有绝缘性的材料形成，还可以由金属等具有导电性的材料形成。当基板42由导电性的材料构成时，至少在安装半导体芯片20的面上形成绝缘膜43为最好。另外，在以下的实施例中，作为基板42可以采用同样的材料。
另外，基板42最好具有高的热传导性。由此，基板42促进光元件100和半导体芯片20的至少一方面的散热。此时，基板42是散热片或热扩展器。本实施例中，由于半导体芯片20连接基板42，所以可以直接冷却半导体芯片20。另外，连接半导体芯片20和基板42的粘接剂44最好具有热传导性。再则，由于半导体芯片20得以冷却，所以与半导体芯片20接合的光元件100也得到冷却。
在基板42上，设置了布线图案48。另外，在基板42上设置了外部端子50。在本实施例中，外部端子50是引线。在基板42上形成的布线图案48例如通过电线52，与半导体芯片20的电极22，及半导体芯片20上形成的配线模式24、64的至少一个实现电连接。另外，布线图案48和外部端子50也可以实行电连接。
光纤30插入半导体芯片20的孔28。另外，光纤30插入基板42的孔46。孔46的内径向着半导体芯片20的孔28逐渐变小，在与半导体芯片20相反的一面，孔46的开口的内径，比光纤30的大。光纤30和孔46的内表面之间的间隙，最好用树脂等充填材料54填充。充填材料54也有固定光纤30以阻止其滑出的功能。
另外，在本实施例的光模块中，用树脂56封闭了光元件100及半导体芯片20。树脂56也封闭了光元件100和半导体芯片20的电连接部分及半导体芯片20和基板42形成的布线图案48的电连接部分。
(第五实施例)
图25是表示适用本发明的第五实施例的光传输装置图。光传输装置90是与计算机、显示器、存储装置、打印机等电子机器92相互连接的。电子机器92也可以是信息通讯机器。光传输装置90，也可以是在电缆94的两端设有插头96的装置。电缆94，包含光纤30(参照图24)。插头96，内置有光元件100及半导体芯片20。另外，由于光纤30内置在电缆94中，光元件100及半导体芯片20内置在插头96中，因而图25中没有图示。光纤30和光元件100的安装状态如在第四实施例进行说明的那样。
光纤30的一端设置第一实施例中的光元件100上，光纤30的另一端设置了受光元件(无图示)。此受光元件在将输入的光信号转换为电气信号后，将此电气信号输入到另一侧的电子机器92中。另外，从电子机器92输出的电信号通过光元件100转换为光信号。此光信号传过光纤30，输入到受光元件。另外，受光元件也可以是应用本发明而制作的受光元件。
如上所述，根据本实施例的光传输装置90，可以通过光信号实现电子机器92之间的信息传递。
(第六实施例)
图26是表示应用本发明的第六实施例的光传输装置的使用例示意图。光传输装置90在电子机器80间连接。作为电子机器80，可以举出液晶表示监示器或数字化的CRT(在金融，通信销售，医疗，教育的领域中均有使用。)、液晶投影仪、等离子显示面板(PDP)、数字TV，零售店的现金收入记录机(POS(Point of Sale Scanning)用)，录像机，调谐器，游戏装置，打印机等。
本发明不限于以上的实施例，可以进行各种变形。例如，包括与本发明在实施例中说明的构成实质上等同的构成(例如，功能，方法及结果相同的构成，或者目的及结果相同的构成)。另外，本发明还包含等同替换了实施例中描述的构成的非本质部分的构成。另外，本发明包含了与实施例中说明的构成起同样作用效果的构成或达成同样目的的构成。另外，本发明还包含在实施例中说明的构成上附加公知技术的构成。
例如，在以上实施例中，虽然仅围绕具有一个柱状部的面发光型发光元件进行了描述，但在基板面内设多个柱状部也无损于本发明的形态。另外，即使将多个面发光型发光元件阵列化，也具有同样的作用及效果。
另外，例如，在以上实施例中，调换各半导体层的p型和n型也不偏离本发明的主旨。在以上所举实施例中，围绕AlGaAs系的材料进行了描述，但是，也可以根据振荡波长而采用其他材料系，例如，GaInP系，ZnSSe系，InGaN系，AlGaN系，InGaAs系，GaInNAs系，GaAsSb系的半导体材料。
尽管本发明已经参照附图和优选实施例进行了说明，但是，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。本发明的各种更改、变化和等同替换均由所附的权利要求书的内容涵盖。
附图标记
14、24、64、48布线图案，20半导体芯片，22电极，26焊锡，27导线28、46孔穴；29锥体；30光纤；30a光纤维的横截面；40填充材料；42基板；43绝缘膜；44粘接剂；50外部端子；52导线；54填充材料；56树脂；80，92电子仪器；90光传输装置；94电缆；96插头；100、200、300光元件；101，半导体基板；101a半导体基板的表面；101b半导体基板的里面；102第一反射镜；103，激活层；104、104a，204a第二反射镜；104b尖状部形成用层；105狭窄电流层；106绝缘层，106a绝缘层的上表面；107第一电极；108、208、308、408、508出射面；109第二电极；110元件部；111，211凹部；112喷嘴，113能源线，120喷墨头；122、192、222、322、522、822、922开口部；124、224、324、424、524尖状部；124a、224a、324a、424a、524a尖状部的第一表面；124b、224b、324b、424b、524b尖状部的第二表面；124c、234c、334c尖状部的顶端；130柱状部；130a柱状部的上表面；130b柱状部的侧壁；132、232、332光学构件；132a光学构件的前身；132b液滴；140元件部(谐振器)150半导体多层膜；160凸部；224a尖状部的第一表面；224b尖状部的第二侧面，500光模块，P1、R2、R3、R4阻挡层。

Claims (15)

1.一种光学元件，包括：具有光学面的元件部分；
包围所述光学面而设置的尖状部分；以及至少一部分设置在所述光学面上的光学构件。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述尖状部分的顶端位于比所述光学面高的位置上。
3.根据权利要求1或2所述的光学元件，其中，所述尖状部分具有第一表面和第二表面，
由所述第一表面及所述光学面构成开口部分，
所述光学构件的至少一部分设置在所述开口部分内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学元件，其中，所述光学构件的顶端上部，位于比所述尖状部分的顶端高的位置上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学元件，其中所述光学构件起到透镜的作用。
6.根据权利要求5所述的光学元件，其中，由所述尖状部分的顶端构成圆或椭圆，所述光学构件的截面是圆或椭圆，所述光学面的中心与由所述尖状部分的顶端构成的圆或椭圆的中心一致。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学元件，其中，所述元件部分包括柱状部分，所述柱状部分的上面包括所述光学面，所述柱状部分的侧壁由绝缘层覆盖，所述绝缘层的上部构成所述尖状部分的至少一部分，以及所述尖状部分包围所述柱状部分的上面而设置。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的光学元件，其中，所述尖状部分的至少一部分与所述元件部分形成一体而设置。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光学元件，其中，所述光学构件是通过附加能量使可固化的液体材料固化而形成的。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光学元件是表面发光型半导体激光器、半导体发光二极管、有机LED、或光敏二极管中的任意一种。
11.一种用于制造光学元件的方法，包括以下步骤：
(a)形成具有光学面的元件部分；
(b)形成包围所述光学面的尖状部分；
(c)通过向所述光学面喷吐液滴，形成光学构件的前身；
(d)使所述光学构件前身固化，形成光学构件。
12.根据权利要求11所述的光学元件制造方法，其中，在所述(c)步骤中，通过喷墨法进行所述液滴的喷吐。
13.根据权利要求11或12所述的光学元件制造方法，其中，在所述(d)步骤中，通过施加能量进行所述光学构件前身的固化。
14.一种光模块，包括权利要求1至10中任一项所述的光学元件和光导波管。
15.一种光传导装置，包括权利要求14所述的光模块。
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