JP2002359437A - 光半導体素子および光半導体素子の製造方法 - Google Patents

光半導体素子および光半導体素子の製造方法

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Takayuki Matsuyama
隆之 松山
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Toshiba Development and Engineering Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低いしきい値電流、単一横モード発振の容易
性などの特長を有し、かつ素子の寄生容量が低減された
高速直接変調が可能な光半導体素子を提供する。 【解決手段】 この光半導体素子は、第１導電型基板
と、前記第１導電型基板上に形成されたストライプ状の
活性層と、前記活性層の周囲に形成された該活性層より
大きなバンドギャップを有するメサ状の埋め込み層と、
前記埋め込み層を電気的に分離する溝とを備え、前記埋
め込み層の断面が、上底部が下底部より長い逆台形状を
有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光半導体素子およ
びその製造方法に係わり、特に、素子容量が低く、１０
Ｇｂ／ｓ以上の高周波において直接変調動作が可能な光
半導体素子と、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、情報通信需要の増大に伴い、
幹線系はもとより支線に至るまで、より多くの情報を安
価に伝送する技術が求められている。特に近年、インタ
ーネットが普及し、音声や映像という大容量を必要とす
るデジタルコンテンツを、より速くかつ安価に末端の利
用者まで伝送する技術が求められている。
【０００３】例えば、企業内のＬＡＮや家庭内のホーム
サーバーのような末端の通信システムにまで、光通信化
が進むと考えられる。今後、そのような短距離でかつ安
価な光通信システムの市場が急速に拡大することが予想
され、それらのシステムに使用される、安価で高速変調
可能な光源に対する期待が高まっている。
【０００４】通常、短距離・低コストの通信システムに
は、半導体レーザを直接変調する方式が採用される。半
導体レーザを直接変調するためには、素子の寄生容量や
シリーズ抵抗を低減することが望まれる。
【０００５】また、半導体レーザは温度によって特性が
大きく変動するので、システムを安定動作させるため
に、ペルチェクーラーにより、半導体レーザの温度を一
定に制御して駆動することが多い。しかし、より安価な
システムでは、ペルチェクーラー等を搭載せず、温度制
御が不要な半導体レーザが求められる。
【０００６】半導体レーザを冷却することなく動作させ
るためには、より低いしきい値電流と、リーク電流のな
い構造、および発光効率の向上が望まれる。そして、そ
のような目的で、埋め込み構造の半導体レーザが使用さ
れている。
【０００７】図１６は、従来の埋め込み型半導体レーザ
の構造の一例を示す断面図である。図に示すように、ｎ
型ＩｎＰ基板５１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層５２とＩ
ｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層５３が順
に形成されている。ＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷ活性層５３
は、ストライプ状（幅１．５μｍ）で断面が台形に形成
され、その周囲にｐ型ＩｎＰ埋め込み層５４とｎ型Ｉｎ
Ｐ埋め込み層５５とが形成されている。そして、活性層
５３はこれらの埋め込み層に埋め込まれている。
【０００８】また、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層５５の上に、
ｐ型ＩｎＰクラッド層５６とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタク
ト層５７が順に形成されている。さらに、前記した埋め
込み層を電気的に分離するために、活性層２３の両側に
溝５８が形成され、溝５８内にＳｉＯ２膜５９が形成さ
れている。ここで、活性層５３の両側に形成された溝５
８の間の間隔は、１０μｍとなっている。
【０００９】またさらに、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト
層５７上に、ｐ側電極６０とボンディングパッド６１が
順に形成され、ｎ型ＩｎＰ基板５１の裏面にｎ側電極６
２が形成されている。
【００１０】このような構造の半導体レーザでは、活性
層５３の両側にｎ型ＩｎＰとｐ型ＩｎＰのｐ−ｎ逆接合
が形成され、無効な電流が流れない。そして、ｐ側電極
６０から注入された電流は、ＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷ活
性層５３のみに流れる。ｐ側電極６０にプラスの電圧が
印加された場合、埋め込み層のｐ−ｎ接合にも同様にバ
イアス電圧が印加され、ｎ型ＩｎＰ層５５とｐ型ＩｎＰ
層５４との界面に空乏層が生じる。埋め込み層に生じた
空乏層は、電気的に容量となる。
【００１１】このように、埋め込み型半導体レーザは、
電極に注入された電流が活性層にのみ効率良く流れるた
め、レーザ発振に必要な電流値（しきい値電流）が小さ
くなるという優れた特長を有する。
【００１２】また、埋め込み型半導体レーザとは別の構
造を有する半導体レーザとして、リッジ導波型半導体レ
ーザがある。この半導体レーザにおいては、活性層の上
にリッジストライプ状のクラッド層が設けられ、電極か
ら注入・供給された電流をリッジ部に導いて電流狭窄を
行うようになっている。なお、電流狭窄層であるリッジ
部において、活性層に隣接するストライプの幅は、例え
ば２．５μｍに設計される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】このようなリッジ導波
型半導体レーザにおいては、前記した埋め込み型半導体
レーザに比べて、埋め込み層に生じる空乏層による寄生
容量がないという利点があるが、リッジストライプに隣
接する活性層の周辺部にも電流が流れやすく、発振しき
い値電流が比較的高くなるという欠点を有する。
【００１４】上述したように、図１６に示す埋め込み型
の半導体レーザでは、低い発振しきい値電流を持つ素子
を容易に得ることができるが、高速変調するためには寄
生容量を小さくすることが求められる。例えば、１０Ｇ
Ｈｚ以上の応答を得るためには、寄生容量を３ｐＦ以下
にしなければならない。
【００１５】図１７に、埋め込み層のｐ−ｎ接合部の幅
（以下、メサ幅と示す。）と寄生容量との関係を示す。
図１７に実線で示すように、寄生容量を３ｐＦ以下にす
るには、埋め込み層のメサ幅を４．８μｍ以下にする必
要がある。
【００１６】メサ幅が狭くなるように加工した埋め込み
型半導体レーザを、図１８に示す。この構造において、
埋め込み層のｐ−ｎ接合部の幅であるメサ幅を４．８μ
ｍにすると、メサ頂上部ＭＴの幅は３μｍになり、この
ように狭いメサ頂上部ＭＴにｐ側電極などを形成するこ
とが極めて難しかった。
【００１７】また、電極を形成することができたとして
も、その幅は１μｍ程度となり、配線部のシリーズ抵抗
が増大するため、時定数（容量とシリーズ抵抗との積に
比例）を低減することができなかった。
【００１８】また、図１６に示す埋め込み型構造の半導
体素子において、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層５５のキャリア
濃度を低くすることで、ｐ−ｎ接合にバイアスが印加さ
れたときに生じる空乏層の幅を広くすることができる。
そして、メサ幅を狭くすることなく、寄生容量を低減す
ることが可能である。
【００１９】図１７に破線で示すグラフは、ｎ型ＩｎＰ
埋め込み層５５のキャリア濃度を１×１０１７ｃｍ−３
とした場合の、素子寄生容量とメサ幅との関係を示すも
のである。この図に示すように、キャリア濃度が１×１
０１７ｃｍ−３の場合には、メサ幅を１０μｍにしても
接合部の寄生容量は３ｐＦ以下と低くなっている。
【００２０】しかしこの構造では、リーク電流が増大
し、発振しきい値電流が増大するという問題が生じてい
た。例えば、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３の場
合のしきい値電流は６ｍＡであるが、キャリア濃度を１
×１０１７ｃｍ−３とした場合には９ｍＡとなり、発振
しきい値電流が５０％増大してしまうという問題があっ
た。
【００２１】さらに、リッジ導波型半導体レーザでは、
埋め込み層が設けられていないため、素子の寄生容量を
１ｐＦ程度とすることが可能であるが、基本横モード発
振を得る最適活性層幅が２．５μｍ前後と広いため、発
振しきい値電流が高い（例えば約１１ｍＡ）という問題
があった。また、埋め込み型の半導体レーザと比較して
活性層がやや広いため、発振後のキャリア密度が若干小
さく、したがって緩和振動周波数を高くすることが比較
的難しいという問題があった。
【００２２】本発明の目的は、低いしきい値電流、単一
横モード発振の容易性などの特長を有し、しかも素子の
寄生容量が低減され、高速の直接変調が可能な光半導体
素子およびその製造方法を提供することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】本発明の実施形態に係る
光半導体素子は、第１導電型基板と、前記第１導電型基
板上に形成されたストライプ状の活性層と、前記活性層
の周囲に形成された該活性層より大きなバンドギャップ
を有するメサ（台地）状の埋め込み層と、前記埋め込み
層を電気的に分離する溝とを備え、前記埋め込み層の断
面が、上底部が下底部より長い逆台形状を有することを
特徴とする。
【００２４】また、本発明の別の実施形態に係る光半導
体素子は、第１導電型基板と、前記第１導電型基板上に
形成された活性層と、前記活性層の上に形成されたリッ
ジストライプ状の電流狭窄層と、前記電流狭窄層を電気
的に分離する溝とを備え、前記溝内に空間部を有し、か
つ前記溝を跨いで配設されたフローティング（浮遊）配
線部を有することを特徴とする。
【００２５】また、本発明の別の実施形態に係る光半導
体素子は、第１導電型基板と、前記第１導電型基板上に
形成された活性層と、前記活性層の上に形成されたメサ
状の電流狭窄層とを備え、前記電流狭窄層の周りに配設
されたフローティング配線部を有することを特徴とす
る。
【００２６】また、本発明の別の実施形態に係る光半導
体素子の製造方法は、第１導電型基板を用意する工程
と、前記第１導電型基板上にストライプ状の活性層を形
成する工程と、前記活性層の周りに該活性層より大きな
バンドギャップを有する埋め込み層を形成する工程と、
前記埋め込み層をストライプ状に分離する溝を形成し、
この溝の形成により、該埋め込み層の断面を上底部が下
底部より長い逆台形状に形成する工程と、前記溝内に樹
脂充填層を形成する工程と、前記樹脂充填層の上に配線
を形成する工程と、前記樹脂充填層を選択的にエッチン
グしてその一部または全部を除去し、前記配線の下方の
溝内に空間部を形成する工程とを備えることを特徴とす
る。
【００２７】さらに、本発明の別の実施形態に係る光半
導体素子の製造方法は、第１導電型基板を用意する工程
と、前記第１導電型基板上に活性層を形成する工程と、
前記活性層の上に電流狭窄層を形成する工程と、前記電
流狭窄層の周りに樹脂充填層を形成する工程と、前記樹
脂充填層の上に配線を形成する工程と、前記樹脂充填層
を選択的にエッチングしてその一部または全部を除去
し、前記配線の下方に空間部を形成する工程とを備える
ことを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】本発明によれば、低い素子容量を
容易に実現することができ、したがって、１０Ｇｂ／ｓ
以上の高周波の変調が可能な光半導体素子を得ることが
できる。
【００２９】すなわち、本発明の一つの実施形態によれ
ば、埋め込み層の断面形状を上底部が下底部より長い逆
台形とすることで、埋め込み層のｐ−ｎ接合部の幅（お
よび面積）を低減し、低い素子容量を実現することがで
きる。したがって、埋め込み構造の特長である低いしき
い値電流、単一横モード発振の容易性などの特性を備
え、かつ素子の寄生容量を低くすることができる。
【００３０】本発明の実施態様として、前記埋め込み層
が、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層との積層
構造を有することができる。また、実施態様として、前
記第１導電型半導体層と第２導電型半導体層のキャリア
濃度を、いずれも１×１０１ ７ｃｍ−３より大きくする
ことができる。
【００３１】このように、埋め込み層を第１導電型半導
体層と第２導電型半導体層との積層により構成し、かつ
前記半導体層のキャリア濃度をそれぞれ１×１０１７ｃ
ｍ− ３より大きくすることで、リーク電流を低減するこ
とができる。
【００３２】また、実施態様において、前記溝の底面に
エッチングストップ層を配置することができる。このよ
うに、埋め込み層の最下層を、上層を構成する半導体と
異なる材料により構成し、エッチングストップ層とする
ことで、逆台形状の埋め込み層をウェットエッチングに
より効率的に形成することができる。
【００３３】また、実施態様において、前記埋め込み層
を電気的に分離する前記溝内に樹脂層を有する。このよ
うに埋め込み層の周辺の溝内に樹脂層を有することによ
り、電極とボンディングパッドとの配線を容易に形成す
ることができる。
【００３４】また、実施態様において、前記樹脂層を構
成する樹脂がベンゾシクロブテン樹脂を含むことができ
る。これにより、より信頼性の高い光半導体素子が得ら
れる。
【００３５】また、実施態様において、前記樹脂層の上
面が前記埋め込み層の上面より低い位置にあり、前記溝
を跨いで配設されたフローティング（浮遊）構造の配線
を有する。また、実施態様において、前記溝内に充填物
がなく、前記溝を跨いで配設されたフローティング配線
を有する。これらの実施態様によれば、活性層への熱ス
トレスの集中が緩和・低減されるとともに、配線部の寄
生容量が低減される。
【００３６】また、本発明の別の実施形態によれば、電
流狭窄層を電気的に分離する溝内に充填された樹脂が選
択的にエッチングされることにより、その一部または全
部が除去され、溝を跨いで配設された配線部の下部に空
間部が形成されているので、活性層に熱応力がかかりに
くく、高い信頼性が得られる。さらに、空間部の誘電率
は１であり、樹脂よりも低いので、配線部の寄生容量が
低減される効果も得られる。
【００３７】また、別の実施形態によれば、メサ状の電
流狭窄層の周りに形成された樹脂層の一部または全部が
エッチング除去され、配線部の下部に空間部が形成され
ているので、活性層に熱応力がかかりにくく、高い信頼
性が得られるうえに、配線部の寄生容量が低減される。
【００３８】以下、本発明の実施形態に係わる光半導体
素子およびその製造方法について、図面を参照しながら
説明する。
【００３９】図１は、本発明に第１の実施形態に係る半
導体レーザの概略構成を示す斜視図である。図におい
て、符号１はｎ型ＩｎＰ基板を示し、その上にｎ型Ｉｎ
Ｐバッファ層２が設けられ、さらにその上に、ＩｎＧａ
ＡｓＰ−ＭＱＷ活性層３とｐ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層
４およびｐ型ＩｎＰ層５が順に積層されたメサ（台地）
状のストライプ部ＳＴが設けられている。
【００４０】このストライプ部ＳＴの周囲には、上底部
が下底部より長い逆台形状の断面を有する埋め込み層Ｇ
Ｍが設けられ、ストライプ部ＳＴは埋め込み層ＧＭに埋
め込まれている。埋め込み層ＧＭの両側には、隣り合う
埋め込み層ＧＭとの間を電気的に分離する溝６が設けら
れている。この溝６は例えば６μｍの深さを有する。
【００４１】埋め込み層ＧＭは、ｐ型ＩｎＰ埋込み層７
とその上に積層されたｎ型ＩｎＰ埋め込み層８とを有
し、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層８の上には、ｐ型ＩｎＰクラ
ッド層９とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０とが順に
形成されている。また、埋め込み層ＧＭの最下層には、
ｐ型ＩｎＧａＡｓＰから成るエッチングストップ層１１
が設けられている。ここで、埋め込み層ＧＭの上部であ
る逆台形の上部の幅は、例えば約１２μｍであり、下部
の幅（メサネック幅）は例えば４μｍとなっている。
【００４２】さらに、埋め込み層ＧＭを電気的に分離す
る溝６内に、ＳｉＯ２膜１２が形成され、樹脂１３が充
填されている。また、埋め込み層ＧＭ上部のｐ型ＩｎＧ
ａＡｓコンタクト層１０上にｐ側電極１４が形成され、
このｐ側電極１４上から樹脂１３層上に亘って、ボンデ
ィングパッド１５が形成されている。さらに、ｎ型Ｉｎ
Ｐ基板１の裏面にｎ側電極１６が形成されている。
【００４３】このように構成される第１の実施形態にお
いては、埋め込み層ＧＭが逆台形の断面形状を有してお
り、埋め込み層ＧＭを構成するｐ型ＩｎＰ埋め込み層７
とｎ型ＩｎＰ埋め込み層８との接合面の面積が、従来に
比べて小さくなっているので、この接合に起因する寄生
容量が低減される。そして、概ね３ｐＦ以下の素子容量
が再現性よく実現される。
【００４４】また、埋め込み層ＧＭの両側の溝６内に、
樹脂１３が充填されているので、この樹脂１３層の上に
ｐ側電極１４に接続するボンディングパッド１５を容易
に形成することができ、配線の形成が容易である。
【００４５】さらに、溝６の底面に、ｐ型ＩｎＰ埋め込
み層７とｎ型ＩｎＰ埋め込み層８に比べてエッチング速
度が極めて遅いＩｎＧａＡｓＰ層（エッチングストップ
層１１）が設けられているので、例えばウェットエッチ
ングにより、溝を形成するとともに埋め込み層ＧＭを断
面逆台形に加工する際に、エッチングストップ層１１の
直上でエッチングを自動的に停止させることができ、エ
ッチングの制御が容易である。
【００４６】また、結晶面方位に対して選択性のあるエ
ッチング液を用いることで、埋め込み層ＧＭの側面を形
成する際に、エッチングを（１１１）Ａ面が露出した段
階で自動的に停止することができる。これにより、メサ
ネック幅の再現性を高くすることができる。
【００４７】次に、図面を参照しながら、第１の実施形
態の半導体レーザを製造する方法について説明する。
【００４８】まず、図２に示すように、面方位（１０
０）を主面とするｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＩｎＰバ
ッファ層２とＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷ活性層３およびｐ
型ＩｎＧａＡｓＰガイド層４を、ＭＯＣＶＤ法（有機金
属気相成長法）により順にエピタキシャル結晶成長させ
る。次に、図３に示すように、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰガイ
ド層４上に回折格子１７を形成した後、図４に示すよう
に、回折格子１７上にｐ型ＩｎＰ層５を結晶成長させ
る。
【００４９】次いで、全面にＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜
を堆積した後、図５に示すように、フォトリソグラフィ
ー技術およびエッチング技術を用いることにより、Ｓｉ
Ｏ２膜をストライプ状にパターニングし、ＳｉＯ２膜パ
ターン１８を形成する。なお、ＳｉＯ２膜パターン１８
の幅は、例えば３μｍとする。そして、このＳｉＯ２膜
パターン１８をマスクとしてウェットエッチングを行う
ことにより、メサ状のストライプ部ＳＴを形成する。
【００５０】次に、図６に示すように、ＳｉＯ２膜パタ
ーン１８をマスクとしてｎ型ＩｎＰバッファ層２上に、
ｐ型ＩｎＧａＡｓＰから成るエッチングストップ層１
１、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層７およびｎ型ＩｎＰ埋め込み
層８をＭＯＣＶＤ法により順次形成する。ＳｉＯ２膜上
には結晶成長しないため、ストライプ部ＳＴの周辺部
に、前記エッチングストップ層１１とｐ型ＩｎＰ埋め込
み層７およびｎ型ＩｎＰ埋め込み層８が選択的に形成さ
れる。ここで、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層７およびｎ型Ｉｎ
Ｐ埋め込み層８のキャリア濃度は、いずれも１×１０
１８ｃｍ−３とする。
【００５１】次いで、ＳｉＯ２膜パターン１８を除去し
た後、図７に示すように、全面にｐ型ＩｎＰクラッド層
９とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０を順にエピタキ
シャル結晶成長させる。次に、図８に示すように、溝６
に相当する部分のｐ型およびｎ型のＩｎＰ埋め込み層
７、８とｐ型ＩｎＰクラッド層９およびｐ型ＩｎＧａＡ
ｓコンタクト層１０を、ウェットエッチングにより除去
し、活性層（メサ状ストライプ部ＳＴ）の周辺の埋め込
み層を、断面が逆台形状に形成する。
【００５２】ウェットエッチングによる溝６形成の手順
は、以下のとおりである。まず、ｐ型ＩｎＧａＡｓコン
タクト層１０を、硫酸と過酸化水素水との混合液でエッ
チングして除去する。その後、ＩｎＰ埋め込み層のエッ
チングは、形成される側面１９の結晶面が（１１１）Ａ
となるように、臭化水素酸とリン酸との混合液をエッチ
ング液として行う。このエッチング液の使用では、Ｉｎ
ＧａＡｓＰはエッチングされないので、ｐ型ＩｎＧａＡ
ｓＰから成るエッチングストップ層１１の直上でエッチ
ングが停止する。こうして、溝６の深さを例えば６μｍ
とし、埋め込み層ＧＭの逆台形上部の幅を例えば１２μ
ｍ、下部の幅（メサネック幅）を４μｍとすることがで
きる。
【００５３】その後、図８に示すように、全面にＳｉＯ
２膜１２をＣＶＤ法により堆積する。次いで、図１に示
すように、溝６内に樹脂１３を充填し、２５０〜３５０
℃の温度で加熱して樹脂１３をキュア（架橋硬化）した
後、埋め込み層ＧＭの頂上部に、蒸着などの方法により
ｐ側電極１４とボンディングパッド１５を形成する。そ
して、裏面研磨を行い、ｎ型ＩｎＰ基板（ウェハ）１を
１００μｍの厚さに研磨した後、研磨された裏面にｎ側
電極１６を形成する。その後、シンター処理を行い、ｐ
側電極１４およびｎ側電極１６を合金化する。最後に、
ウェハから長さ３００μｍ、幅３００μｍのサイズの素
子を切り出し、半導体レーザ素子を完成する。
【００５４】なお、上述した第１の実施形態では、ＭＯ
ＣＶＤ法により結晶成長させる方法について説明した
が、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長）法やＡＬＥ
（原子層エピタキシャル）法などを用いても良い。
【００５５】このようにして製造された半導体レーザ素
子の容量は、２ｐＦであった。また、素子の周波数特性
を測定したところ、図９に実線で示す結果が得られた。
比較のために、従来の埋め込み型半導体レーザの周波数
特性を、同図に点線で示す。
【００５６】従来の埋め込み型半導体レーザは、素子容
量が６ｐＦ前後と十分に小さくなっていないため、大き
なロールオフ現象が見られる。高周波になるにしたがっ
て、緩和振動による帯域改善が見られるものの、−３ｄ
Ｂ遮断周波数は４ＧＨｚであった。これに対して、第１
の実施形態の半導体レーザは、素子容量が２ｐＦと小さ
く、ロールオフ現象が見られなかった。そして、−３ｄ
Ｂ遮断周波数は１５ＧＨｚと高く、１０Ｇｂ／ｓの直接
変調用光源として十分な特性を示した。
【００５７】また、埋め込み層のｐ−ｎ接合部の幅（メ
サ幅）を容易に狭くすることができるので、埋め込み層
のキャリア濃度を低くすることなく、素子容量を低減す
ることができる。第１の実施形態の半導体レーザでは、
埋め込み層のキャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３であ
るので、キャリア濃度が低い場合に問題となる、しきい
値電流の増大や電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性の直線性の
悪化が生じない。
【００５８】図１０は、第１の実施形態の半導体レーザ
のＩ−Ｌ特性と、従来のキャリア濃度が低い（１×１０
１７ｃｍ−３）半導体レーザのＩ−Ｌ特性を、それぞれ
示すグラフである。なお、図１０の点線は、Ｉ−Ｌ特性
の線形性をわかりやすくするために記入した直線であ
る。
【００５９】第１の実施形態の半導体レーザのしきい値
電流は６ｍＡである。第１の実施形態では、従来の低キ
ャリア濃度の半導体レーザ（９ｍＡ）と比べて、しきい
値電流を大幅に低減することができる。また、第１の実
施形態のＩ−Ｌ特性が、ほぼ直線になっているのに対し
て、従来の低キャリア濃度埋め込み型半導体レーザのＩ
−Ｌ特性は、直線から大きく外れていることがわかる。
このように、本発明の第１の実施形態によれば、Ｉ−Ｌ
特性の線形性を改善することができる。
【００６０】図１１は、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層のキャリ
ア濃度としきい値電流との関係を示すグラフである。第
１の実施形態の半導体レーザでは、埋め込み層のキャリ
ア濃度を１×１０１８ｃｍ−３と高くすることができる
ため、低いしきい値電流を容易に実現することができ
る。
【００６１】さらに第１の実施形態において、溝に埋め
込む樹脂材料として、吸湿性が小さいベンゾシクロブテ
ン樹脂を用いた場合には、しきい値電流の経時変化が少
なく、高い信頼性が得られる。
【００６２】図１２は、第１の実施形態の半導体レーザ
において、溝に埋め込む樹脂材料として、ベンゾシクロ
ブテン樹脂を用いた場合とポリイミド樹脂を用いた場合
の信頼性試験の結果を示すグラフである。なお、雰囲気
温度１００℃、電流値２００ｍＡ一定の条件で試験を行
った。
【００６３】ベンゾシクロブテン樹脂を使用した場合に
は、図１２Ａに示すように、しきい値電流の経時的変化
が小さいのに対して、ポリイミド樹脂を使用した場合に
は、図１２Ｂに示すように、しきい値電流の経時的な増
大が大きく、５０時間を経過した時点において、２５％
以上しきい値電流が上昇する素子が見られた。
【００６４】このように、溝内にベンゾシクロブテン樹
脂を充填することにより、高い信頼性を得ることができ
る。
【００６５】さらに、本発明の第１の実施形態におい
て、溝内に充填された樹脂層の上にボンディングパッド
などの配線を形成した後、樹脂の一部または全部を除去
し、配線の下側に誘電率が低い空間部を形成することに
より、より高い信頼性が得られる。
【００６６】図１３は、本発明の第２の実施形態に係る
半導体レーザの概略構成を示す断面図である。この半導
体レーザにおいては、埋め込み層ＧＭを電気的に分離す
る溝６内に樹脂層が存在せず、溝６内に空間部が形成さ
れている。そして、溝６を跨いで配設されたボンディン
グパッド１５などの配線が、フローティング（浮遊）構
造になっている。なお、その他の部分は、第１の実施形
態と同様に構成されているので、説明を省略する。
【００６７】第２の実施形態において、フローティング
構造の配線部は、以下に示すようにして形成される。
【００６８】すなわち、溝６内に樹脂を充填し、２５０
〜３５０℃の温度で加熱して樹脂をキュアした後、断面
逆台形状の埋め込み層ＧＭの頂上部に、蒸着などの方法
によりｐ側電極１４を形成する。また、そのｐ側電極１
４上から樹脂層上に亘ってボンディングパッド１５を形
成する。次いで、溝６内に充填された樹脂を全てドライ
エッチングにより除去する。例えば、ＣＦ４とＯ２との
混合ガスを用いてエッチングを行うことで、溝６内に充
填された樹脂だけを選択的に除去することができる。次
に、裏面研磨を行った後、研磨されたｎ型ＩｎＰ基板
（ウェハ）１の裏面にｎ側電極１６を形成し、しかる後
シンターを行い、ｐ側電極１４およびｎ側電極１６を合
金化する。
【００６９】このような方法では、溝６内に充填された
樹脂が全てエッチングにより除去された後に、シンター
処理が行われるので、活性層３に熱応力が加わりにく
く、高い信頼性が得られる。すなわち、通常シンター処
理（合金化）の際の加熱温度は、樹脂のキュア温度より
高いので、溝６内に樹脂が充填されている状態では、半
導体と樹脂との熱膨張係数の違いに起因するストレスが
活性層に集中し、信頼性が低下する場合がある。溝６内
の樹脂をエッチングにより除去することで、活性層への
ストレスの集中が緩和され、信頼性が向上する。
【００７０】また、第２の実施形態では、ボンディング
パッド１５などの配線が溝６を跨いで配設され、これら
の配線の下部に空間部が形成されている。空間部の誘電
率は１であり、樹脂よりも低くなっているので、配線部
の寄生容量が低減される効果も得られる。
【００７１】なお、溝６内に充填された樹脂を全て除去
しても良いが、一部だけを除去し、溝６内の下部に樹脂
層が残留していても良い。そのような構造でも、活性層
３へのストレスの集中が緩和・低減され、かつ配線部の
寄生容量が低減される。
【００７２】このような配線部のフローティング構造
は、リッジ導波型の半導体レーザにおいても適用するこ
とができる。
【００７３】図１４は、本発明の第３の実施形態に係る
リッジ導波型構造の半導体レーザの概略構成を示す断面
図である。この半導体レーザにおいては、ｎ型ＩｎＰ基
板２０上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰクラッド層２１とＩｎ
ＧａＡｓＰ−ＭＱＷ活性層２２およびｐ型ＩｎＧａＡｓ
Ｐクラッド層２３が順に形成されている。そして、ｐ型
ＩｎＧａＡｓＰクラッド層２３の上には、リッジストラ
イプ状のｐ型ＩｎＰクラッド層２４が設けられ、その上
にｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２５が形成されてい
る。そして、ｐ型ＩｎＰクラッド層２４のリッジ部ＲＧ
の両側には、リッジ部ＲＧを電気的に分離する溝２６が
形成されている。ｐ型ＩｎＰクラッド層２４のリッジ部
ＲＧは、電流狭窄層として働き、後述するｐ側電極から
注入・供給された電流を狭窄し、活性層２２に流入させ
る。なお、ｐ型ＩｎＰクラッド層２４において、活性層
２２に隣接するストライプの幅は２．５μｍとなってい
る。
【００７４】また、溝２６内にＳｉＯ２膜２７が形成さ
れている。ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２５の上にｐ
側電極２８が形成され、さらにｐ側電極２８に接続する
ボンディングパッドなどの配線部２９が、溝２６を跨い
で形成されている。溝２６内には樹脂などの充填物が存
在せず、空間部が形成されており、ボンディングパッド
などの配線部２９はフローティング構造になっている。
またさらに、ｎ型ＩｎＰ基板２０の裏面にはｎ側電極３
０が形成されている。
【００７５】このような第３の実施形態におけるフロー
ティング構造の配線部も、第２の実施形態と同様にして
形成される。
【００７６】すなわち、溝２６に相当する部分のｐ型Ｉ
ｎＰクラッド層２４とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２
５をエッチング除去し、電流狭窄層であるリッジ部ＲＧ
を形成した後、ＣＶＤ法により全面にＳｉＯ２膜２７を
堆積し、次いで溝２６内に樹脂を充填し、２５０〜３５
０℃の温度で加熱して樹脂をキュアする。その後、リッ
ジ部ＲＧのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２５の上に、
蒸着などの方法でｐ側電極２８を形成し、さらにｐ側電
極２８上から溝２６内の樹脂層上に亘って、ボンディン
グパッドなどの配線部２９を形成する。次いで、溝２６
内に充填された樹脂を全てドライエッチングにより除去
する。次に、裏面研磨を行った後、研磨されたｎ型Ｉｎ
Ｐ基板（ウェハ）２０の裏面にｎ側電極３０を形成し、
しかる後シンター処理を行い、ｐ側電極２８およびｎ側
電極３０を合金化する。
【００７７】このように構成される第３の実施形態で
は、溝２６内に充填された樹脂が全てエッチングにより
除去された後に、シンター処理が行われるので、活性層
２２に熱応力が加わりにくく、高い信頼性が得られる。
また、ボンディングパッドなどの配線部２９が溝２６を
跨いで配設され、配線部２９の下部に、誘電率が樹脂よ
りも低い空間部が形成されているので、配線部２９の寄
生容量が低減される。
【００７８】なお、溝２６内に充填された樹脂は、全て
がエッチング除去されても良いが、一部だけが除去され
溝２６内の下部に残留する樹脂があっても、同様な効果
を得ることができる。
【００７９】さらに、本発明の第４の実施形態について
説明する。第４の実施形態では、図１５に示すように、
ｐ側電極２８から注入・供給された電流を狭窄して活性
層２２へ流す働きをする電流狭窄層が、メサ状を呈して
いる。そして、このメサ状の電流狭窄層Ｍの周りに、フ
ローティング構造を有する配線部２９が形成されてい
る。
【００８０】このような配線構造も、第２および第３の
実施形態と同様にして形成することができる。すなわ
ち、ｐ型ＩｎＰクラッド層２４とｐ型ＩｎＧａＡｓコン
タクト層２５をエッチングし、メサ状の電流狭窄層Ｍを
形成した後、全面にＳｉＯ２膜２７をＣＶＤ法により堆
積する。次いで、メサ状電流狭窄層Ｍの周りの低部に樹
脂３１を充填し、加熱して樹脂をキュアする。
【００８１】その後、ｐ側電極２８を形成し、さらにｐ
側電極２８上から樹脂３１層上に亘って、ボンディング
パッドなどの配線部２９を形成した後、ボンディングパ
ッドをマスクとして樹脂３１をドライエッチングにより
除去する。こうして、ボンディングパッドの下部にのみ
樹脂３１が残留し、フローティング構造の配線部２９が
形成される。次に、裏面研磨を行った後、研磨されたｎ
型ＩｎＰ基板（ウェハ）２０の裏面にｎ側電極３０を形
成し、しかる後シンター処理を行い、ｐ側電極２８およ
びｎ側電極３０を合金化する。
【００８２】このように構成される第４の実施形態の光
半導体素子においても、前記実施形態と同様に、活性層
２２への熱的ストレスの集中が緩和・低減され、かつ配
線部２９の寄生容量が低減される。
【００８３】なお、上述した実施形態では、ＩｎＧａＡ
ｓＰ／ＩｎＰ系材料を用いた場合について説明したが、
ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料やＡｌＧａＩｎＰ系材料
を用いるようにしてもよい。また、本発明は、半導体レ
ーザに限定されず、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＰＤ
（光ダイオード）、光変調器、光半導体スイッチなどの
各種の光半導体素子に適用することができる。
【００８４】
【発明の効果】本発明によれば、低い素子容量を容易に
実現することができ、したがって、１０Ｇｂ／ｓ以上の
高周波の変調が可能な光半導体素子を得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザの
概略構成を示す斜視図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザの
製造工程を示す斜視図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザの
製造工程を示す斜視図。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザの
製造工程を示す斜視図。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザの
製造工程を示す斜視図。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザの
製造工程を示す斜視図。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザの
製造工程を示す斜視図。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザの
製造工程を示す斜視図。
【図９】第１の実施形態に係る半導体レーザの周波数特
性を示す図。
【図１０】第１の実施形態に係る半導体レーザのＩ−Ｌ
特性を、従来の低キャリア濃度半導体レーザのＩ−Ｌ特
性と比較して示す図。
【図１１】第１の実施形態に係る半導体レーザにおい
て、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層のキャリア濃度としきい値電
流との関係を示すグラフである。
【図１２】（ａ）は、第１の実施形態に係る半導体レー
ザにおいて、埋め込み用樹脂としてベンゾシクロブテン
樹脂を用いた場合の信頼性試験の結果を示す図、（ｂ）
は、ポリイミド樹脂を用いた場合の信頼性試験の結果を
示す図。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ
の概略構成を示す斜視図。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ
の概略構成を示す断面図。
【図１５】本発明の第４の実施形態に係る光半導体素子
の概略構成を示す断面図。
【図１６】従来の埋め込み型半導体レーザの概略構成を
示す断面図。
【図１７】従来の埋め込み型半導体レーザにおいて、埋
め込み層のメサ幅と寄生容量との関係を表す図。
【図１８】従来の埋め込み型半導体レーザの別の例の概
略構成を示す断面図。
【符号の説明】
１………ｎ型ＩｎＰ基板、２………ｎ型ＩｎＰバッファ
層、３………ＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷ活性層、６………
溝、７………ｐ型ＩｎＰ埋め込み層、８………ｎ型Ｉｎ
Ｐ埋め込み層、１０………ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト
層、１１………ｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチングストップ
層、１３………樹脂、１４………ｐ側電極、１５………
ボンディングパッド、１６………ｎ側電極、１８………
ＳｉＯ２膜パターン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F073 AA11 AA26 AA53 AA74 AA89 BA02 CA12 CB02 DA05 DA22 EA14 EA23

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１導電型基板と、 前記第１導電型基板上に形成されたストライプ状の活性
    層と、 前記活性層の周囲に形成された該活性層より大きなバン
    ドギャップを有するメサ状の埋め込み層と、 前記埋め込み層を電気的に分離する溝とを備え、 前記埋め込み層の断面が、上底部が下底部より長い逆台
    形状を有することを特徴とする光半導体素子。
  2. 【請求項２】 前記埋め込み層が、第１導電型半導体層
    と第２導電型半導体層との積層構造を有することを特徴
    とする請求項１記載の光半導体素子。
  3. 【請求項３】 前記第１導電型半導体層と第２導電型半
    導体層のキャリア濃度が、いずれも１×１０１７ｃｍ
    −３より大きいことを特徴とする請求項２記載の光半導
    体素子。
  4. 【請求項４】 前記溝の底面にエッチングストップ層が
    配置されていることを特徴とする請求項１記載の光半導
    体素子。
  5. 【請求項５】 前記溝内に樹脂層を有することを特徴と
    する請求項１記載の光半導体素子。
  6. 【請求項６】 前記樹脂層を構成する樹脂が、ベンゾシ
    クロブテン樹脂を含むことを特徴とする請求項５記載の
    光半導体素子。
  7. 【請求項７】 前記樹脂層の上面が、前記埋め込み層の
    上面より低い位置にあり、前記溝を跨いで配設されたフ
    ローティング配線部を有することを特徴とする請求項５
    記載の光半導体素子。
  8. 【請求項８】 前記溝内に充填物がなく、前記溝を跨い
    で配設されたフローティング配線部を有することを特徴
    とする請求項１記載の光半導体素子。
  9. 【請求項９】 第１導電型基板と、 前記第１導電型基板上に形成された活性層と、 前記活性層の上に形成されたリッジストライプ状の電流
    狭窄層と、 前記電流狭窄層を電気的に分離する溝とを備え、 前記溝内に空間部を有し、かつ前記溝を跨いで配設され
    たフローティング配線部を有することを特徴とする光半
    導体素子。
  10. 【請求項１０】 第１導電型基板と、 前記第１導電型基板上に形成された活性層と、 前記活性層の上に形成されたメサ状の電流狭窄層とを備
    え、 前記電流狭窄層の周りに配設されたフローティング配線
    部を有することを特徴とする光半導体素子。
  11. 【請求項１１】 第１導電型基板を用意する工程と、 前記第１導電型基板上にストライプ状の活性層を形成す
    る工程と、 前記活性層の周りに該活性層より大きなバンドギャップ
    を有する埋め込み層を形成する工程と、 前記埋め込み層をストライプ状に分離する溝を形成し、
    この溝の形成により、該埋め込み層の断面を上底部が下
    底部より長い逆台形状に形成する工程と、 前記溝内に樹脂充填層を形成する工程と、 前記樹脂充填層の上に配線を形成する工程と、 前記樹脂充填層を選択的にエッチングしてその一部また
    は全部を除去し、前記配線の下方の溝内に空間部を形成
    する工程とを備えたことを特徴とする光半導体素子の製
    造方法。
  12. 【請求項１２】 第１導電型基板を用意する工程と、 前記第１導電型基板上に活性層を形成する工程と、 前記活性層の上に電流狭窄層を形成する工程と、 前記電流狭窄層の周りに樹脂充填層を形成する工程と、 前記樹脂充填層の上に配線を形成する工程と、 前記樹脂充填層を選択的にエッチングしてその一部また
    は全部を除去し、前記配線の下方に空間部を形成する工
    程とを備えたことを特徴とする光半導体素子の製造方
    法。
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