JP2004031633A - Surface emitting semiconductor laser element and light transmission system - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光半導体レーザ素子及び光伝送システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
面発光半導体レーザ素子は、活性層近傍に電流と光を閉じ込める必要があるため、及び、高速変調のために寄生容量を低減するため、多くの場合、レーザ構造としては半導体柱構造をとる。
【0003】
さらに、このような面発光半導体レーザ素子では、素子への水分を遮断し素子が劣化するのを防ぐため、また、素子表面の平坦化により配線パターニングを容易にするため、また、放熱のため、また、高速変調を可能にするため、レーザ構造部である半導体柱の周辺は、一般に、耐熱性があり、機械的強度が高く、水分遮断性が高く、低誘電率であり、膜形成が容易であるポリイミド保護膜で覆われる。
【0004】
ところで、近年になり急速に開始されだした長波長帯(例えば、1.1μm以上の波長帯)のGaInNAs系材料を活性層に用いた半導体レーザは、発振波長が長波長帯なので、石英系ファイバとの整合性が高い。さらに、GaAs基板上に形成できるので、活性層の周りの層(スペーサ層等の層)にワイドバンドギャップ材料を選択でき、キャリアの閉じ込めが良好になり、温度特性が良好である。このため、InP基板上に形成するGaInAsPを活性層とする従来の長波長帯レーザの場合と異なり、冷却装置を必要としない。
【0005】
さらに、この材料を活性層に用いた面発光半導体レーザ素子は、GaAs基板上に形成できるので、GaAs基板上に形成できる屈折率差の大きいAl(Ga)As/GaAs、より広義には、AlxGa(1−x)As/AlyGa(1−y)As(0≦y<x≦1)を半導体DBR(分布ブラック反射鏡)として用いるのが好適である。よって、少ない層数の半導体DBRをもつ面発光半導体レーザ素子が得られる。
【0006】
このように、GaInNAs系面発光半導体レーザ素子は優れた特性をもつので、光通信システムや、コンピューター間,チップ間,チップ内の光インターコネクションや、光コンピューティングにおいて、キーデバイスになると考えられている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、長波長帯(例えば、1.1μm以上の波長帯)のGaInNAs系面発光半導体レーザ素子では、従来の0.85μm帯,0.98μm帯の面発光半導体レーザ素子と比べて、上部多層膜反射鏡の半導体柱の高さが大きくなって、ポリイミド保護膜の厚さが従来と比較して1.3〜1.8倍になる。これにより、ポリイミド保護膜の膜応力がより大きくなり、ポリイミドの硬化反応後、ポリイミド保護膜中にクラック及び界面でのはく離が発生しやすくなる。また、長波長帯のGaInNAs系面発光半導体レーザ素子の活性層は高歪をもつので、さらに熱応力が加わることによる面発光半導体レーザ素子,すなわちVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)素子の寿命の低下が懸念され、また、活性層に歪が加わり、発振波長がシフトするという問題があった。
【0008】
また、前述のように、GaInNAs系材料を活性層に用いたレーザは、発振波長が長波長帯であるので、石英系ファイバとの整合性が高く、高速に変調できれば高速大容量伝送が可能になる。そのためには、レーザ構造部とともに配線部や保護膜部等のレーザ構造周辺部においても寄生容量を低減して高速変調が可能な構造にする必要がある。
【0009】
本発明は、面発光半導体レーザ素子が長波長帯(例えば、1.1μm以上の波長帯)のGaInNAs系のものであっても、ポリイミド保護膜のクラックやはく離を生じさせず、また、素子の信頼性を低下させず、素子を安定に動作させることの可能な面発光半導体レーザ素子を提供することを目的としている。
【0010】
また、本発明は、さらに、寄生容量を低減して高速変調が可能な面発光半導体レーザ素子を提供することを目的としている。
【0011】
また、本発明は、さらに、信頼性が高く、安定に動作し、高速伝送が可能な、簡便な構成の光伝送システムを提供することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、半導体基板上に、NとAsを含むIII−V族混晶半導体からなる活性層を含む共振器と、共振器の上下に設けられた多層膜反射鏡とが、レーザ構造部として形成されている面発光半導体レーザ素子において、前記レーザ構造部の表面に、内部応力が2.5×102Pa・m以下のポリイミド保護膜が設けられていることを特徴としている。
【0013】
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜は、感光性のポリイミドで形成されていることを特徴としている。
【0014】
また、請求項3記載の発明は、請求項1乃至請求項2のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、前記レーザ構造部の表面と前記ポリイミド保護膜との間に、SiNまたはSiON膜からなるパッシベーション層が設けられていることを特徴としている。
【0015】
また、請求項4記載の発明は、請求項3記載の面発光半導体レーザ素子において、前記レーザ構造部の表面と前記パッシベーション層との間に、SiO2膜からなる応力緩和層が設けられていることを特徴としている。
【0016】
また、請求項5記載の発明は、請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜は、厚さが3μm以上であることを特徴としている。
【0017】
また、請求項6記載の発明は、請求項5記載の面発光半導体レーザ装置において、前記ポリイミド保護膜上に、配線電極およびボンディングパッドが形成されていることを特徴としている。
【0018】
また、請求項7記載の発明は、請求項6記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜の表面が酸素プラズマ処理されており、かつ、酸素プラズマ処理されたポリイミド保護膜の表面と接するボンディングパッドの部分および/または配線電極の部分が、TiまたはCrを含む材料で形成されていることを特徴としている。
【0019】
また、請求項8記載の発明は、請求項6乃至請求項7のいずれか一項に記載の記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜上に形成された配線電極およびボンディングパッドの一部が半導体積層構造上に形成されていることを特徴としている。
【0020】
また、請求項9記載の発明は、請求項1乃至請求項8のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、該面発光半導体レーザ素子は、活性層にGaInNAs系材料からなる層を含むことを特徴としている。
【0021】
また、請求項10記載の発明は、請求項9記載の面発光半導体レーザ素子において、半導体基板がGaAsで構成されており、上部半導体多層膜反射鏡および下部半導体多層膜反射鏡がAlGaAs系材料で構成されていることを特徴としている。
【0022】
また、請求項11記載の発明は、請求項9または請求項10に記載の面発光半導体レーザ素子が用いられている光伝送システムである。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0024】
図1は本発明に係る面発光半導体レーザ素子の基本的な構成例を示す図(断面図)である。図1を参照すると、この面発光半導体レーザ素子は、半導体基板(n−GaAs基板)上に、下部半導体分布ブラッグ反射鏡(下部半導体DBR:下部ミラー層)と、NとAsを含むIII−V族混晶半導体(GaInNAs系材料)からなる活性層を含む共振器構造と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡(上部半導体DBR:上部ミラー層)とが順次に積層されて、半導体積層構造として形成されている。そして、この半導体積層構造の表面から少なくとも活性層の下端まで(図1の例では、下部半導体DBR(下部ミラー層)の表面まで)がエッチング除去されて柱状構造をなし、レーザ構造部が形成されており、このレーザ構造部の表面に、全応力2.5×102Pa・m以下のポリイミド保護膜が設けられている。
【0025】
ここで、共振器構造中の活性層に隣接して上下スペーサ層が積層され、また、活性層の近傍には電流狭窄層が形成されている。また、上部半導体DBR(上部ミラー層)の最上面に接して、光取り出し窓を有する上部電極が形成されており、半導体基板(n−GaAs基板)の裏面には下部電極が形成されている。
【0026】
なお、電流狭窄層としては、AlAs膜の酸化による絶縁性のAlxOy膜による構造の他に、プロトンインプランテーションや酸素イオンインプラテーションにより活性層近傍に絶縁領域を設ける構造を用いることができる。
【0027】
また、ポリイミド保護膜としては、全応力(S)が2.5×102Pa・m以下のポリイミドが使用されるのが良い。すなわち、従来の0.85μm帯,0.98μm帯の面発光半導体レーザ素子で使用されているポリイミド保護膜の物性は特に検討されていなかった。しかし、本発明のように長波長帯のGaInNAs系面発光半導体レーザ素子を意図する場合には、前述のように、レーザ構造部(半導体柱)の高さ(半導体柱高さ)hが大きくなり、ポリイミド保護膜の厚さが従来と比較して大幅に大きくなるため、ポリイミド膜の内部応力のレーザ構造体への影響がより大きくなり、ポリイミドの硬化反応後にポリイミド保護膜中にクラック及び界面でのはく離が発生しやすくなったり、また、活性層に歪が加わるため発振波長がシフトする場合があった。
【0028】
このような問題を回避するため、本発明では、全応力が2.5×102Pa・m以下のポリイミド保護膜を用いるようにしている。
【0029】
このようなポリイミド保護膜を用いると、ポリイミド保護膜の硬化処理中にクラック及び界面でのはく離が発生せず、素子の動作中でも、クラックや界面でのはく離が発生せず、ポリイミド膜の応力による発振波長のシフトが発生しなくなる。
【0030】
ポリイミドは、主鎖にイミド基をもつポリマーである。一般には、芳香族テトラカルボン酸二無水物と芳香族ジアミンの縮合反応によって得られ、イミド環で芳香族基を連結したポリマーである。
【0031】
ポリイミド保護膜は、ポリイミドワニスやポリイミド前駆体などと呼ばれる前記縮合反応の中間反応物を塗布した後、加熱硬化させて形成される。この中間反応物はポリアミド酸溶液である場合が多い。
【0032】
ポリイミド保護膜の面内方向の単位幅当りの全応力(S)の値は、レーザ構造部表面に形成する条件と同一の条件で、GaAs基板にポリイミド保護膜を形成し、ポリイミド保護膜の形成前後のGaAs下地基板の弾性変形量を測定することによって求められる。
【0033】
具体的に、円板状基板を用いる場合は、ニュートン環,光てこ法,触針法などにより変形した基板の曲率半径を求め、次式(数1)で全応力(S)を求めることができる。
【0034】
【数1】
S=Es×D2/{6×(1−νs)×R}
Es:基板のヤング率、νs:基板のポアッソン比、D:基板の厚さ
R:膜の応力によって曲面に変形した基板の曲率半径
【0035】
また、短冊状基板を用いる場合は、基板の一端を固定し、ポリイミド保護膜作製前後の自由端の移動量(δ)を直接遊動顕微鏡,光てこ法,触針法などで求め、次式(数2)で全応力(S)を求めることができる。
【0036】
【数2】
S=Es×D2×δ/{3×l2×(1−νs)}
δ:自由端の移動量、l:膜の長さ
【0037】
なお、膜の応力(σ)は、全応力(S)と次式(数3)の関係にある。
【0038】
【数3】
σ=S/d
d:膜の厚さ
【0039】
このような膜の応力の評価法は、一般に知られており、例えば文献[馬来,応用物理,57(1988)1856]に記載されている。
【0040】
また、基板の種類によりEs/(1−νs)の値は知られており、GaAsの場合は次の値を用いる。すなわち、
GaAs(100)では、1.239×1012dyne/cm2を用い、
GaAs(111)では、1.741×1012dyne/cm2を用いる。
【0041】
ポリイミド保護膜の面内方向の単位断面積当りの応力(σ)は、膜の構造に起因する真応力と、膜構造が形成されるキュア過程から常温への降温過程で発生する、膜と基板との熱膨張係数の差による熱応力とが合計された力である。
【0042】
また、レーザ構造を形成するGaAs系材料と同等の熱膨張係数をもつGaAs基板を用いポリイミド保護膜の全応力を評価することにより、実際のレーザ素子でのポリイミド保護膜の全応力を見積もることができる。
【0043】
また、前記レーザ構造体をなすGaAs系材料の熱線膨張係数はおおよそ6×10―6℃―1であり、多くのポリイミドの熱線膨張係数は20〜80×10―6℃―1である。このように、両材料間の熱線膨張係数の差が大きいため、ポリイミド保護膜の応力は、熱応力に起因する割合が大きい。
【0044】
このため、ポリイミド保護膜の全応力を小さくするには、まず、熱線膨張係数が小さい材料及び形成条件を選択することが有効である。
【0045】
このように、本発明では、半導体基板上に、GaInNAs系材料からなる活性層を含む共振器と、共振器の上下に設けられる多層膜反射鏡とが、レーザ構造部として形成されている面発光半導体レーザ素子において、前記レーザ構造部の表面に全応力が2.5×102Pa・m以下のポリイミド保護膜を設けることにより、半導体柱の高さhが高い長波長帯面発光半導体レーザにおいても、ポリイミド保護膜の硬化処理中に、クラック及び界面でのはく離が発生せず、素子の動作中でも、クラックや界面でのはく離が発生せず、ポリイミド保護膜の応力による発振波長のシフトが発生しなくなる。
【0046】
また、上述した本発明の面発光半導体レーザ素子において、ポリイミド保護膜は、非感光性のポリイミドで形成されても良いが、より好ましくは、感光性のポリイミドで形成されるのが良い。
【0047】
図2には、ポリイミド保護膜を感光性のポリイミドで形成する場合の面発光半導体レーザ素子の作製工程例が示されている。また、図3には、ポリイミド保護膜を非感光性のポリイミドで形成する場合の面発光半導体レーザ素子の作製工程例が示されている。
【0048】
先ず、ポリイミド保護膜を非感光性ポリイミドで形成する図3の作製工程例について説明する。図3を参照すると、先ずn−GaAs基板上に、下部多層膜反射鏡(下部ミラー層),スペーサ層,活性層,スペーサ層,AlAs選択酸化層,上部多層膜反射鏡(上部ミラー層),p−GaAsコンタクト層を順次に積層して、レーザ構造積層膜を作製する。次いで、レーザ構造積層膜をエッチングして半導体柱を形成し、次いで、選択酸化によってAlAs選択酸化層をAlxOy電流狭窄層に変化させ、次いで、半導体柱の周囲にポリイミドを塗布し、プリベーク工程を施す。
【0049】
しかる後、ポリイミドに非感光性ポリイミドを用いる場合には、図3のように、レジストを塗布し、フォトマスクを介してレジストを露光,現像し、上部電極のための開口部のレジストを除去し、次いで、ヒドラジンなどのエッチング剤に浸漬したり、O2ガスによるドライエッチングにより、ポリイミドの開口部を形成する。次いで、レジストを除去し、ポリイミドを加熱硬化させた後、レジスト塗布,露光,現像,上部電極の蒸着,リフトオフ,下部電極の蒸着の工程を行なって、面発光半導体レーザ素子を作製する。
【0050】
これに対し、ポリイミドに感光性ポリイミドを用いる場合には、図2のように、フォトマスクを介しポリイミドを露光,現像し、直接、上部電極のための開口部を形成する。次いで、加熱硬化工程を行なった後、に示すように、レジスト塗布,露光,現像,上部電極の蒸着,リフトオフ,下部電極の蒸着の工程を行なって、面発光半導体レーザ素子を作製する。
【0051】
図2の作製工程例を図3の作製工程例と比べればわかるように、感光性のポリイミドを使用すれば、面発光半導体レーザ素子の作製プロセスを簡略化することができる。
【0052】
なお、このような感光性のポリイミドの例としては、感光基をエステル結合で導入したエステル結合型感光性ポリイミドや、感光基を有するアミノ化合物とポリアミック酸のカルボキシル基とで塩結合で感光基を導入した塩結合型感光性ポリイミドなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、感光性ポリイミドには、ポジ型とネガ型があるが、いずれの型のものをも用いることができる。
【0053】
また、図1の面発光半導体レーザ素子において、レーザ構造部の表面とポリイミド保護膜との間に、SiNまたはSiON膜からなるパッシベーション層を設けることもできる。
【0054】
図4には、図1の面発光半導体レーザ素子において、レーザ構造部の表面とポリイミド保護膜との間に、SiNまたはSiON膜からなるパッシベーション層が設けられている面発光半導体レーザ素子が示されている。
【0055】
ここで、SiNまたはSiON膜からなるパッシベーション層は、プラズマCVDなどで作製することができる。
【0056】
このように、図1の面発光半導体レーザ素子において、レーザ構造部の表面とポリイミド保護膜との間に、SiNまたはSiON膜からなるパッシベーション層を設けることで、レーザ構造部への水分遮蔽効果をより高めることができ、面発光半導体レーザ素子の信頼性をより高めることができる。
【0057】
さらに、図4の面発光半導体レーザ素子において、レーザ構造部の表面とパッシベーション層との間に、SiO2膜からなる応力緩和層を設けることもできる。
【0058】
図5には、図4の面発光半導体レーザ素子において、レーザ構造部の表面とパッシベーション層との間に、SiO2膜からなる応力緩和層が設けられている面発光半導体レーザ素子が示されている。
【0059】
ここで、SiO2膜からなる応力緩和層は、プラズマCVD,TEOS−CVD,塗布法などで作製することができる。なお、応力緩和層としては、PSG(リンシリケートガラス)のように、SiO2の他に他の成分を含む場合もある。
【0060】
SiNまたはSiON膜からなるパッシベーション層は内部応力が大きいが、レーザ構造部の表面とパッシベーション層との間に、柔らかいSiO2膜からなる応力緩和層を設けることで、レーザ構造部への応力の影響を緩和することができる。
【0061】
一般に、面発光半導体レーザ素子において、電流注入領域以外の活性層部分は、寄生容量の増大をもたらす。そこで、面発光半導体レーザ素子では、高速変調するために、電流注入領域以外の活性層部分をエッチングで除去して柱状構造を形成し、柱状構造周辺を低誘電率材料で埋め込むことにより寄生容量を低減している。
【0062】
通常、エッチングは下部多層膜反射鏡(下部ミラー層)に達する深さまで行われるため、エッチング深さは上部多層膜反射鏡(上部ミラー層)及び共振器構造の厚さにほぼ相当する。従来の0.85μm帯面発光レーザにおいては、例えばAlGaAsとAlAsを20周期積層した多層膜反射鏡の全層厚は2.7μmであり、λ共振器構造の層厚は0.25μmとなっている。従って、エッチング深さは、約3μm程度となっていた。この3μm程度の深さを平坦に埋め込む低誘電率材料としては、一般にポリイミドが用いられている。
【0063】
一方、本発明においては、エッチング深さを深くして、3μm以上の層厚でポリイミド保護膜を埋め込んでいる。ポリイミド保護膜の層厚を厚くすることで、電流注入領域以外の電極間の寄生容量を低減することができる。これにより、発振波長が1.1μmより長波長の面発光半導体レーザの変調周波数を増加させることができる。
【0064】
例えば、発振波長1.3μmの場合に、GaAsとAlAsを20周期積層した半導体多層膜反射鏡の層厚は4.1μmとなる。また、λ共振器の層厚は0.38μmとなる。よって、4.5μmの深さでエッチングして柱状構造を形成することにより、少なくとも活性層の下端までエッチングすることが可能となる。
【0065】
そして、ポリイミド保護膜を4.5μmの厚さに形成することにより、ポリイミド保護膜の寄生容量を従来の67%に低減できる。また、ポリイミド保護膜の厚さhを6μmに設定した場合には、更に寄生容量を低減することができ、従来の半分の寄生容量に低減できる。
【0066】
次表(表1)には、ポリイミド保護膜の厚さhが3μm,4.5μm,6μmであるときの寄生容量(100μm×100μm面積当たりの寄生容量)が示されている。
【0067】
【表1】
【0068】
表1から、ポリイミド保護膜の厚さhが3μm,4.5μm,6μmと大きくなるに従い、寄生容量を小さくできることがわかる。
【0069】
埋め込んだポリイミド保護膜の厚さhが均一でない場合には、ポリイミド保護膜の厚さhが薄くなっている部分では寄生容量が増加してしまう。従って、本発明では、最も薄い部分のポリイミド保護膜の厚さhが3μm以上であるのが望ましい。
【0070】
図6(a),(b)は本発明の面発光半導体レーザ素子のより詳細な構成例を示す図である。なお、図6(a)は平面図、図6(b)は断面図である。
【0071】
図6(a),(b)の例では、ポリイミド保護膜7とエッチングした半導体層14の表面との間に絶縁膜11が設けられている。また、上部電極8には、配線電極12,ボンディングパッド13が接続されている。
【0072】
ところで、図6(a),(b)の例では、ボンディングパッド13は、絶縁膜11を介して半導体層14上に形成されている。これにより、ボンディングパッド13を半導体層14上に形成した場合でも、ポリイミド保護膜7上に形成した配線電極12の部分の面積に相当する寄生容量を低減することができる。しかしながら、寄生容量をより一層低減するには、ボンディングパッド13をポリイミド保護膜7上に形成するのが良い。
【0073】
また、図7(a),(b)は図6(a),(b)の面発光半導体レーザ素子の変形例を示す図である。なお、図7(a),(b)において、図6(a),(b)と対応する箇所には同じ符号を付している。
【0074】
図7(a),(b)を参照すると、この面発光半導体レーザ素子は、ポリイミド保護膜7上に、配線電極12及びボンディングパッド13が形成されている。
【0075】
すなわち、図7(a),(b)の例では、半導体層14とオーミック接触を形成する上部電極8を除いて、上部電極8,配線電極12,ボンディングパッド13と下部電極9との間に低誘電率のポリイミド保護膜7を厚さ3μm以上埋め込んでいる。従って、電極8,12,13と電極9との間の寄生容量をより一層低減して、変調周波数を増加させることができる。
【0076】
図8には、配線電極12とボンディングパッド13をポリイミド保護膜7上に形成した場合(図7(a),(b)の例の場合)の周波数伝達関数の周波数依存性が符号(a)で示されている。また、図8には、比較のため、ボンディングパッド13を半導体層14上に形成した場合(図6(a),(b)の例の場合)の周波数伝達関数の周波数依存性が符号(b)で示されている。図8から、配線電極12とボンディングパッド13をポリイミド保護膜7上に形成した場合(図7(a),(b)の例の場合)には、ボンディングパッド13を半導体層14上に形成した場合(図6(a),(b)の例の場合)に比べて、周波数伝達関数は周波数が高くなっても差程低下せず、従って、変調周波数を増加させることができることがわかる。
【0077】
図9は図7(a),(b)の面発光半導体レーザ素子の変形例を示す図である。図9の面発光半導体レーザ素子では、例えば図7(a),(b)の面発光半導体レーザ素子において、ポリイミド保護膜7の表面が酸素プラズマ処理されており、かつ、酸素プラズマ処理されたポリイミド保護膜7の表面(酸素プラズマ処理された領域)20と接するボンディングパッド13の部分および/または配線電極12の部分が、TiまたはCrを含む材料で形成されている。
【0078】
具体的には、上部電極8は例えばAuZn/Auで形成され、配線電極12,ボンディングパッド13は例えばTi/AuまたはCr/Auで形成されている。
【0079】
このように、ポリイミド保護膜7の表面近傍を酸素プラズマ処理することによって、酸素原子がポリイミド保護膜7中に取り込まれる。そして、その上に、例えば1層目にTiまたはCrを含む配線電極12および/またはボンディングパッド13を形成すると、ポリイミド保護膜7と配線電極12および/またはボンディングパッド13との界面にTiOxまたはCrOyが形成されて、ポリイミド保護膜7と配線電極12および/またはボンディングパッド13との接合力が強固になる。従って、ポリイミド保護膜7上に形成したボンディングパッド13にワイヤボンディングを行う場合に、ボンディングパッド13や配線電極12の膜はがれを防止することができる。
【0080】
図10(a),(b)は図7(a),(b)の面発光半導体レーザ素子の他の変形例を示す図である。図10(a),(b)の面発光半導体レーザ素子では、図7(a),(b)の面発光半導体レーザ素子において、ポリイミド保護膜7上に形成された配線電極12およびボンディングパッド13の一部が半導体積層構造14上に形成されている。
【0081】
ここで、上部電極8,配線電極12,ボンディングパッド13は、例えばAuZn/Auで形成されている。
【0082】
このように、図10(a),(b)の面発光半導体レーザ素子では、配線電極12及びボンディングパッド13の周辺部が半導体積層構造14上に形成されている。例えば、配線電極12及びボンディングパッド13の周辺部の5〜10μm幅が半導体積層構造上14にはみ出している。
【0083】
このような構成では、上部電極8のアニール処理時に、配線電極12及びボンディングパッド13のAu系電極が半導体積層構造14の半導体層と合金化する。これにより、配線電極12及びボンディングパッド13の密着性が向上し、ワイヤボンディング時に、配線電極12及びボンディングパッド13の膜はがれを防止することができる。
【0084】
一方、配線電極12及びボンディングパッド13の大部分の面積は、厚さ3μm以上のポリイミド保護膜7上に形成されているため、寄生容量の増加を抑制することができる。
【0085】
なお、図10(a),(b)の例では、配線電極12及びボンディングパッド13が形成された半導体積層構造14の表面には、プロトンイオンが注入されて半絶縁性になっている。このように、素子以外のメサ頂上表面近傍にプロトンイオンが注入されて半絶縁化されていることにより、素子以外のメサ頂上部に電流が注入されることを防止できる。
【0086】
また、図11(a),(b)は図10(a),(b)の面発光半導体レーザ素子の変形例を示す図である。図11(a),(b)の面発光半導体レーザ素子では、配線電極12及びボンディングパッド13の周辺部が、絶縁膜11をはさんで半導体積層構造14上に形成されている。例えば、配線電極12及びボンディングパッド13の周辺部の5〜10μm幅が半導体積層構造14にはみ出している。
【0087】
ここで、上部電極8は例えばAuZn/Auで形成され、配線電極12,ボンディングパッド13は例えばTi/AuまたはCr/Auで形成され、また、絶縁膜11は例えばSiO2層で形成されている。
【0088】
このような構成では、1層目にTiまたはCrを含む配線電極12,ボンディングパッド13をSiO2絶縁膜11上に形成すると、SiO2絶縁膜11と配線電極12,ボンディングパッド13との界面にTiOxまたはCrOyが形成されて、接合力が強固になる。従って、ボンディングパッド13にワイヤボンディングを行う場合に、ボンディングパッド13や配線電極12の膜はがれを防止することができる。
【0089】
一方、配線電極12およびボンディングパッド13の大部分の面積は、厚さ3μm以上のポリイミド保護膜7上に形成されているため、寄生容量の増加を抑制することができる。
【0090】
上述した各例の面発光半導体レーザ素子において、活性層はNとAsを含むIII−V族混晶半導体(GaInNAs系材料)で構成されている。具体的には、GaAsN,GaInNAs,GaAsNSb,GaInNAsSbなどで構成されている。
【0091】
このような材料は、GaAs基板上に、波長1.1μmよりも長波長で発光する活性層を形成できる。
【0092】
また、このような材料は、GaAsまたはAlGaAsとヘテロ接合を形成したときに、伝導帯バンド不連続を200meV以上と大きく取ることができるので、活性層に電子を有効に閉じ込めることができる。よって、温度特性の良好なレーザを形成できる。
【0093】
また、半導体基板としてGaAs単結晶基板を用いる場合には、上部多層膜反射鏡および下部多層膜反射鏡としては、これを、GaAs基板と格子整合し屈折率差を大きくとれるAlxGa(1−x)As/AlyGa(1−y)As(0≦y<x≦1)の半導体DBRで構成するのが好適である。これは、少ない層数で高い反射率の半導体DBRが得られるので、半導体DBR部の熱抵抗を低くでき、放熱性に優れるためである。従って、1.1μmよりも長波長帯において、より温度特性の良好な面発光半導体レーザを提供できる。
【0094】
図12は本発明の面発光半導体レーザ素子の具体例を示す図である。図12の例では、面発光半導体レーザ素子は、n型GaAs基板上に、n型GaAs/AlAsDBR、GaAsスペーサ層、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層、GaAsスペーサ層、AlAs層、p型GaAs/AlAsDBRが順次に積層され、p型GaAs/AlAsDBRからn型GaAs/AlAsDBRの表面までがエッチング除去されて半導体柱状構造として形成され、AlAs層が選択酸化されてAlxOy絶縁層(電流狭さく層)が形成されている。
【0095】
そして、半導体柱状構造の周囲には、SiNパッシベーション層を介してポリイミド保護膜が設けられている。そして、p型GaAs/AlAsDBR上およびポリイミド保護膜上にはp側電極が設けられ、また、n型GaAs基板の裏面にはn側電極が形成されている。
【0096】
この面発光半導体レーザ装置の活性層は、発振波長が例えば1.3μmであり、ポリイミド保護膜の厚さhは5μm、SiN膜の膜厚は0.1μmである。
【0097】
この面発光半導体レーザ素子では、ポリイミド膜の厚さhが5μmとなっていることにより、p側電極とn側電極との間の寄生容量を低減することができ、1.3μmの面発光半導体レーザの変調周波数を増加させることができる。
【0098】
この長波長帯GaInNAs系面発光半導体レーザ素子を用いて光伝送システムを構成することができる。
【0099】
図13は、本発明の面発光半導体レーザ素子を用いた並列伝送方式光伝送システムの一例を示す図である。図13の並列伝送方式光伝送システムでは、面発光半導体レーザ素子(GaInNAs面発光レーザ)からの光信号を複数の光ファイバを用いて同時に伝送するようになっている。
【0100】
また、図14は、本発明の面発光半導体レーザ素子を用いた多波長伝送方式光伝送システムの一例を示す図である。図14の多波長伝送方式光伝送システムでは、発振波長の異なる複数の面発光半導体レーザ素子(GaInNAs面発光レーザ)からの光信号が、それぞれ光ファイバを介して光合波器に導入され、光合波器において、波長の異なる複数の光信号は合波され、1本の光ファイバ中に導入されて伝送され、伝送された光信号は伝送先の機器に接続される光分波器を通って元の波長の異なる複数の光信号に分離され、それぞれファイバを介して複数の受光素子に達するようになっている。
【0101】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。なお、以下の各実施例では、面発光半導体レーザ素子の具体的な構成は、図15のようなものであるとする。
【0102】
(実施例1)
実施例1では、図15の構成の面発光半導体レーザ素子において、ポリイミドとして、全応力が2.0〜3.0×102Pa・mの非感光性のものを用いた。なお、実施例1では、図15において、SiN/SiO2は設けない。
【0103】
実施例1では、先ず、MOCVD法により、n−GaAs(100)基板上に、n−AlGaAs/n−GaAsの28ペアからなる下部多層膜反射鏡(n型AlGaAs/GaAs DBR)、GaAsスペーサ層、3層のGaInNAsと2層のGaAsからなる多重量子井戸活性層、GaAsスペーサ層、AlAs選択酸化層、p−AlGaAs/p−GaAsの20ペアからなる上部多層膜反射鏡(p型AlGaAs/GaAs DBR)、p−GaAsコンタクト層を、レーザ構造積層膜として形成する。
【0104】
次に、このレーザ構造積層膜の30μm×30μmの領域のポスト形状のレーザ発振部の半導体柱が残るように、AlAs選択酸化層に達する深さ以上までCl2ガスでECRエッチングする。このとき、半導体柱の高さは、7μmである。
【0105】
次に、半導体柱のAlAs選択酸化層の端面から水蒸気を導入し、AlAs選択酸化層を、約25μm2の断面の電流経路を残して、絶縁性のAlxOy電流狭窄層に変化させる。
【0106】
次に、非感光性ポリイミドワニス[宇部興産(株)製U−ワニス−A]をスピンコートにより塗布する。このとき硬化後の膜厚が8.0μmになるように、スピンコート回転数を調整する。
【0107】
次に、360℃で硬化させる。これらの試料の場合、硬化時間が長くなると全応力が小さくなる。続いて、10℃/分の速度で試料温度を室温まで下げる。
【0108】
表1に示すように、全応力が2.5×102Pa・m以下の試料では、いずれの試料でもクラック及び界面でのはく離は起こらない。全応力が2.6×102Pa・m以上の試料では、クラックか界面でのはく離が発生する場合がある。
【0109】
ポリイミド膜の全応力は、3インチGaAs(100)ウェハ上に、上記レーザ構造体上と同様の条件でポリイミド膜を形成し、、ポリイミド膜形成前後のGaAs基板のそり量をTENCOR社MODEL FLX−2400を用いて計測し、求める。次表(表2)には、実施例1でのポリイミド膜硬化後の欠損の発生状況が示されている。
【0110】
【表2】
【0111】
次に、クラックやはく離がない試料を用い、図3に示した工程により、レジストを塗布し、リソグラフィー、O2ガスを用いたRIEエッチングにより、半導体柱の上面の25μm×25μmの領域のポリイミドを除去する。次に、このポリイミドを除去した半導体柱の上面の光出射部を除いた領域とポリイミド表面に、Au/Au−Zn/Crの上部電極(p側電極)及び配線部及びボンディングパッドを、蒸着とリフトオフ法で形成する。また、n−GaAs基板の裏面にAu/Ni/Au−Ge下部電極(n側電極)を蒸着する。このようにして、1.3μm帯面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【0112】
実施例1によれば、全応力が2.5×102Pa・m以下のポリイミド保護膜であれば、クラック及びはく離を発生させずに、素子の寿命が低下しにくく、また、発振波長がシフトしにくい1.3μm帯面発光半導体レーザ素子を提供できる。
【0113】
また、実施例1によれば、ポリイミド保護膜の厚さが3μm以上であるので、高速変調が可能な1.3μm帯面発光半導体レーザ素子を提供できる。
【0114】
(実施例2)
実施例2では、図15の面発光半導体レーザ素子において、ポリイミドとして、全応力が2.5×102Pa・mの感光性のものを用いた。
【0115】
実施例2では、先ず、実施例1と同様の半導体柱をもつレーザ構造積層膜を形成する。
【0116】
次に、レーザ構造積層膜の表面にSiH4ガスとN2Oガスを用いたプラズマCVDにより、厚さ0.5μmのSiO2の応力緩和層を形成する。次に、この応力緩和層の上にSiH4ガスとNH3ガスを用いたプラズマCVDにより厚さ0.2μmのSiNのパッシベーション層を形成する。すなわち、実施例2では、図15において、SiN/SiO2を設ける。
【0117】
次に、ネガ型感光性ポリイミド前駆体[旭化成(株)製PIMEL I―8124C]をスピンコートにより塗布する。このとき、硬化後の膜厚が5.0μmになるように、スピンコート回転数を調整する。
【0118】
次に、フォトリソグラフィーにより半導体柱の上面の25μm×25μmの領域のポリイミドを除去したのち、360℃で硬化させる。これらの試料の場合も、硬化時間により全応力が変化する。
【0119】
続いて、10℃/分の速度で試料温度を室温まで下げる。
【0120】
次表(表3)には、実施例2でのポリイミド膜硬化後の欠損の発生状況が示されている。
【0121】
【表3】
【0122】
表3に示すように、全応力が2.5×102Pa・m以下の試料では、いずれの試料でもクラック及び界面でのはく離は起こらない。これに対し、全応力が2.6×102Pa・m以上の試料では、クラックか界面でのはく離が発生する場合がある。
【0123】
次に、クラックやはく離がない試料を用い、ポリイミドをマスクとして、CF4+H2ガスを用いたRIEエッチング法により半導体柱の上面のSiN膜とSiO2膜を除去し、p−GaAsコンタクト層を露出させる。次に、この露出部で光出射部を除いた領域とポリイミド表面に、Au/Au−Zn/Crの上部電極(p側電極)及び配線部及びボンディングパッドを、蒸着とリフトオフ法で形成する。また、n−GaAs基板の裏面にAu/Ni/Au−Ge下部電極(n側電極)を蒸着する。このようにして、1.3μm帯面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【0124】
実施例2によれば、全応力2.5×102Pa・m以下のポリイミド保護膜であれば、クラック及びはく離を発生させずに、素子の寿命が低下しにくく、また、発振波長がシフトしにくい1.3μm帯面発光半導体レーザ素子を提供できる。
【0125】
また、実施例2では、感光性のポリイミドを用いているので、実施例1の場合よりも、ポリイミド保護膜の作製プロセスがより簡便なものとなる。
【0126】
また、SiNパッシベーション層を設けているので、実施例1の場合よりも
、水分の遮蔽効果がより大きくなり、素子の寿命の低下をより一層防止できる。また、SiO2膜の応力緩和層を設けているので、SiNパッシベーション層の欠陥の発生が抑制される。このようにして、より信頼性の高い、1.3μm帯面発光半導体レーザを提供できる。
【0127】
また、実施例2によれば、ポリイミド保護膜の厚さが3μm以上であるので、高速変調が可能な1.3μm帯面発光半導体レーザ素子を提供できる。
【0128】
(実施例3)
実施例3では、図15の面発光半導体レーザ素子において、ポリイミドとして、全応力が2.5×102Pa・mの感光性のものを用いた。
【0129】
実施例3では、先ず、実施例1,実施例2と同様の半導体柱をもつレーザ構造積層膜を形成する。次に、レーザ構造積層膜の表面にSiH4ガスとN2Oガスを用いたプラズマCVDにより、厚さ0.5μmのSiO2膜の応力緩和層を形成する。次に、この応力緩和層の上に、SiH4ガスとNH3ガスを用いたプラズマCVDにより厚さ0.2μmのSiN膜のパッシベーション層を形成する。すなわち、実施例3では、図15において、SiN/SiO2を設ける。
【0130】
次に、ネガ型感光性ポリイミド前駆体[日立化成デュポンマイクロシステムズ(株)製PI−2731]をスピンコートにより塗布する。このとき、硬化後の膜厚が10μmになるように、スピンコート回転数を調整する。
【0131】
次に、フォトリソグラフィーのより半導体柱の上面の25μm×25μmの領域のポリイミドを除去したのち、360℃で硬化させる。これらの試料の場合も、硬化時間によりポリイミド膜の全応力が変化する。
【0132】
続いて、10℃/分の速度で試料温度を室温まで下げる。
【0133】
次表(表4)には、実施例3でのポリイミド膜硬化後の欠損の発生状況が示されている。
【0134】
【表4】
【0135】
表4に示すように、全応力が2.5×102Pa・m以下の試料では、いずれの試料でもクラック及び界面でのはく離は起こらない。これに対し、全応力が2.6×102Pa・m以上の試料では、クラックか界面でのはく離が発生する場合がある。
【0136】
次に、ポリイミドをマスクとして、CF4+H2ガスを用いたRIEエッチング法により半導体柱の上面のSiN膜とSiO2膜を除去し、p−GaAsコンタクト層を露出させる。次に、この露出部で光出射部を除いた領域とポリイミド表面に、Au/Au−Zn/Crの上部電極(p側電極)及び配線部及びボンディングパッドを、蒸着とリフトオフ法で形成する。また、n−GaAs基板の裏面にAu/Ni/Au−Ge下部電極(n側電極)を蒸着する。このようにして、1.3μm帯面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【0137】
実施例3によれば、全応力2.5×102Pa・m以下のポリイミド保護膜であれば、クラック及びはく離を発生させずに、素子の寿命が低下しにくく、また、発振波長がシフトしにくい1.3μm帯面発光半導体レーザ素子を提供できる。
【0138】
また、実施例3では、感光性のポリイミドを用いているので、実施例1の場合よりも、ポリイミド保護膜の作製プロセスがより簡便なものとなる。
【0139】
また、SiNパッシベーション層を設けているので、実施例1の場合よりも、水分の遮蔽効果がより大きくなり、素子の寿命の低下をより一層防止できる。また、SiO2膜の応力緩和層を設けているので、SiNパッシベーション層の欠陥の発生が抑制される。このようにして、より信頼性の高い1.3μm帯面発光半導体レーザを提供できる。
【0140】
また、実施例3によれば、ポリイミド保護膜の厚さが3μm以上であるので、高速変調が可能な1.3μm帯面発光半導体レーザ素子を提供できる。
【0141】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項1乃至請求項10記載の発明によれば、半導体基板上に、NとAsを含むIII−V族混晶半導体からなる活性層を含む共振器と、共振器の上下に設けられた多層膜反射鏡とが、レーザ構造部として形成されている面発光半導体レーザ素子において、前記レーザ構造部の表面に、全応力が2.5×102Pa・m以下のポリイミド保護膜が設けられるので、半導体柱の高さが高い長波長帯面発光半導体レーザにおいても、ポリイミド保護膜のクラック及びはく離が発生しにくく、また、素子の寿命が低下しにくく、また、発振波長をシフトしにくくすることができる。
【0142】
特に、請求項2記載の発明によれば、請求項1記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜は感光性のポリイミドで形成されているので、面発光半導体レーザ素子の作製プロセスを簡略化することができる。
【0143】
また、請求項3記載の発明によれば、請求項1乃至請求項2のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、前記レーザ構造部の表面と前記ポリイミド保護膜との間に、SiNまたはSiON膜からなるパッシベーション層が設けられているので、レーザ構造部への水分遮蔽効果をより高めることができ、面発光半導体レーザ素子の信頼性をより高めることができる。
【0144】
また、請求項4記載の発明によれば、請求項3記載の面発光半導体レーザ素子において、前記レーザ構造部の表面と前記パッシベーション層との間に、SiO2膜からなる応力緩和層が設けられているので、SiNまたはSiON膜からなるパッシベーション層によるレーザ構造部への応力の影響を緩和することができる。
【0145】
また、請求項5記載の発明によれば、請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜は、厚さが3μm以上であるので、寄生容量が低減され、高速変調が可能になる。
【0146】
特に、請求項6記載の発明によれば、請求項5記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜上には、配線電極およびボンディングパッドが形成されているので、寄生容量がより一層低減され、変調周波数を増加させることができる。
【0147】
また、請求項7記載の発明によれば、請求項6記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜の表面が酸素プラズマ処理されており、かつ、酸素プラズマ処理されたポリイミド保護膜の表面と接するボンディングパッドの部分および/または配線電極の部分が、TiまたはCrを含む材料で形成されているので、ポリイミド保護膜上に形成したボンディングパッドにワイヤボンディングを行う場合に、ボンディングパッドや配線電極の膜はがれを防止することができる。
【0148】
また、請求項8記載の発明によれば、請求項6乃至請求項7のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜上に形成された配線電極およびボンディングパッドの一部が半導体積層構造上に形成されているので、上部電極のアニール処理時に、配線電極及びボンディングパッドのAu系電極が半導体積層構造の半導体層と合金化することにより、配線電極及びボンディングパッドの密着性が向上し、ワイヤボンディング時に、配線電極及びボンディングパッドの膜はがれを防止することができる。
【0149】
また、請求項9記載の発明によれば、請求項1乃至請求項8のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、該面発光半導体レーザ素子は、活性層にGaInNAs系材料からなる層を含むので、発振波長が光ファイバーと整合性のよい1.1μmよりも長波長帯のレーザを形成できる。さらに、活性層に電子を有効に閉じ込めることができるので、環境温度が変化してもレーザ特性が変化しにくい、つまり温度特性の良好な、ポリイミドのクラック及びはく離が発生しにくく、素子の寿命が低下しにくく、発振波長がシフトしにくい、高速変調が可能な長波長帯レーザを形成できる。
【0150】
また、請求項10記載の発明によれば、請求項9記載の面発光半導体レーザ素子において、半導体基板がGaAsで構成されており、上部半導体多層膜反射鏡および下部半導体多層膜反射鏡がAlGaAs系材料で構成されているので、少ない層数で高い反射率の半導体DBRが得られる。このため、半導体DBR部の熱抵抗を低くでき、放熱性に優れ、より温度特性のよい、ポリイミドのクラック及びはく離が発生しにくく、素子の寿命が低下しにくく、発振波長がシフトしにくい、高速変調が可能な長波長帯面発光半導体レーザ素子を形成できる。
【0151】
また、請求項11記載の発明によれば、請求項9乃至請求項10のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子が用いられていることを特徴とする光伝送システムであるので、信頼性が高く、安定に動作し、高速伝送でき、光源部に冷却装置を必要としない簡便な構成をもつ光伝送システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る面発光半導体レーザ素子の基本的な構成例を示す図(断面図)である。
【図2】ポリイミド保護膜を感光性のポリイミドで形成する場合の面発光半導体レーザ素子の作製工程例を示す図である。
【図3】ポリイミド保護膜を非感光性のポリイミドで形成する場合の面発光半導体レーザ素子の作製工程例を示す図である。
【図4】図1の面発光半導体レーザ素子において、レーザ構造部の表面とポリイミド保護膜との間に、SiNまたはSiON膜からなるパッシベーション層が設けられている面発光半導体レーザ素子を示す図である。
【図5】図4の面発光半導体レーザ素子において、レーザ構造部の表面とパッシベーション層との間に、SiO2膜からなる応力緩和層が設けられている面発光半導体レーザ素子を示す図である。
【図6】本発明の面発光半導体レーザ素子のより詳細な構成例を示す図である。
【図7】図6(a),(b)の面発光半導体レーザ素子の変形例を示す図である。
【図8】配線電極とボンディングパッドをポリイミド保護膜上に形成した場合(図7(a),(b)の例の場合)の周波数伝達関数の周波数依存性とボンディングパッドを半導体層上に形成した場合(図6(a),(b)の例の場合)の周波数伝達関数の周波数依存性とを示す図である。
【図9】図7(a),(b)の面発光半導体レーザ素子の変形例を示す図である。
【図10】図7(a),(b)の面発光半導体レーザ素子の他の変形例を示す図である。
【図11】図10(a),(b)の面発光半導体レーザ素子の変形例を示す図である。
【図12】本発明の面発光半導体レーザ素子の具体例を示す図である。
【図13】本発明の面発光半導体レーザ素子を用いた並列伝送方式光伝送システムの一例を示す図である。
【図14】本発明の面発光半導体レーザ素子を用いた多波長伝送方式光伝送システムの一例を示す図である。
【図15】面発光半導体レーザ素子の具体的な構成を示す図である。
【符号の説明】
7 ポリイミド保護膜
8 上部電極
9 下部電極
11 絶縁膜
12 配線電極
13 ボンディングパッド
14 半導体層
20 酸素プラズマ処理された領域[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface emitting semiconductor laser device and an optical transmission system.
[0002]
[Prior art]
A surface emitting semiconductor laser device often has a semiconductor pillar structure as a laser structure because it is necessary to confine current and light near an active layer and to reduce parasitic capacitance for high-speed modulation.
[0003]
Furthermore, in such a surface-emitting semiconductor laser device, in order to block moisture to the device and prevent the device from being deteriorated, to facilitate wiring patterning by flattening the device surface, and to dissipate heat. In addition, in order to enable high-speed modulation, the periphery of the semiconductor pillar, which is a laser structure, is generally heat-resistant, has high mechanical strength, has high moisture barrier properties, has a low dielectric constant, and is easy to form a film. Is covered with a polyimide protective film.
[0004]
By the way, a semiconductor laser using a GaInNAs-based material for a long wavelength band (for example, a wavelength band of 1.1 μm or more) for an active layer, which has begun rapidly in recent years, has a long wavelength band. And high consistency. Furthermore, since it can be formed on a GaAs substrate, a wide band gap material can be selected for a layer around the active layer (a layer such as a spacer layer), carrier confinement is good, and temperature characteristics are good. Therefore, unlike the case of the conventional long wavelength band laser using GaInAsP formed on the InP substrate as an active layer, no cooling device is required.
[0005]
Furthermore, since a surface emitting semiconductor laser device using this material for an active layer can be formed on a GaAs substrate, it can be formed on a GaAs substrate and has a large difference in refractive index, Al (Ga) As / GaAs. x Ga (1-x) As / Al y Ga (1-y) It is preferable to use As (0 ≦ y <x ≦ 1) as a semiconductor DBR (distributed black reflector). Accordingly, a surface emitting semiconductor laser device having a small number of semiconductor DBRs can be obtained.
[0006]
As described above, the GaInNAs-based surface emitting semiconductor laser device has excellent characteristics, and is considered to be a key device in an optical communication system, an optical interconnection between computers, between chips, an intra-chip optical interconnection, and optical computing. I have.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, a GaInNAs-based surface emitting semiconductor laser device in a long wavelength band (for example, a wavelength band of 1.1 μm or more) has an upper multilayer film in comparison with the conventional 0.85 μm and 0.98 μm surface emitting semiconductor laser devices. The height of the semiconductor pillar of the reflecting mirror is increased, and the thickness of the polyimide protective film is 1.3 to 1.8 times as compared with the related art. As a result, the film stress of the polyimide protective film is further increased, and after the curing reaction of the polyimide, cracks and peeling at the interface are liable to occur in the polyimide protective film. In addition, since the active layer of a GaInNAs-based surface emitting semiconductor laser device in a long wavelength band has a high strain, the life of a surface emitting semiconductor laser device, that is, a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) device is reduced by further applying thermal stress. In addition, there is a problem that strain is applied to the active layer and the oscillation wavelength shifts.
[0008]
In addition, as described above, a laser using a GaInNAs-based material for the active layer has a long oscillation wavelength, and thus has high compatibility with a quartz-based fiber, and enables high-speed and large-capacity transmission if modulated at high speed. Become. For this purpose, it is necessary to reduce the parasitic capacitance in the peripheral portion of the laser structure, such as the wiring portion and the protective film portion, as well as the laser structure portion, so that a structure capable of high-speed modulation is required.
[0009]
According to the present invention, even if the surface emitting semiconductor laser device is a GaInNAs-based device having a long wavelength band (for example, a wavelength band of 1.1 μm or more), the polyimide protective film is not cracked or peeled off. It is an object of the present invention to provide a surface emitting semiconductor laser device capable of operating the device stably without reducing the reliability.
[0010]
Another object of the present invention is to provide a surface-emitting semiconductor laser device capable of high-speed modulation by reducing parasitic capacitance.
[0011]
Another object of the present invention is to provide an optical transmission system having a simple configuration, which has high reliability, operates stably, and can transmit at high speed.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is provided on a semiconductor substrate, a resonator including an active layer made of a group III-V mixed crystal semiconductor containing N and As, and provided above and below the resonator. And a multi-layer reflecting mirror formed as a laser structure in a surface emitting semiconductor laser device, wherein an internal stress of 2.5 × 10 2 It is characterized in that a polyimide protective film of Pa · m or less is provided.
[0013]
According to a second aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser device of the first aspect, the polyimide protective film is formed of photosensitive polyimide.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, there is provided the surface emitting semiconductor laser device according to any one of the first to second aspects, wherein the surface of the laser structure and the polyimide protective film are provided with SiN or It is characterized in that a passivation layer made of a SiON film is provided.
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser device according to the third aspect, a SiO 2 layer is provided between the surface of the laser structure and the passivation layer. 2 It is characterized in that a stress relaxation layer made of a film is provided.
[0016]
According to a fifth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser device according to any one of the first to fourth aspects, the polyimide protective film has a thickness of 3 μm or more. .
[0017]
According to a sixth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser device according to the fifth aspect, a wiring electrode and a bonding pad are formed on the polyimide protective film.
[0018]
According to a seventh aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser device according to the sixth aspect, the surface of the polyimide protective film is subjected to oxygen plasma treatment, and is in contact with the surface of the polyimide protective film subjected to oxygen plasma treatment. The bonding pad portion and / or the wiring electrode portion are formed of a material containing Ti or Cr.
[0019]
According to an eighth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser device according to any one of the sixth to seventh aspects, one of the wiring electrode and the bonding pad formed on the polyimide protective film is provided. The portion is formed on the semiconductor laminated structure.
[0020]
According to a ninth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser device according to any one of the first to eighth aspects, the surface emitting semiconductor laser device includes a GaInNAs-based material as an active layer. It is characterized by including.
[0021]
According to a tenth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser device according to the ninth aspect, the semiconductor substrate is made of GaAs, and the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror and the lower semiconductor multilayer film reflecting mirror are made of an AlGaAs-based material. It is characterized by being constituted.
[0022]
An eleventh aspect of the present invention is an optical transmission system using the surface emitting semiconductor laser device according to the ninth or tenth aspect.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0024]
FIG. 1 is a diagram (cross-sectional view) showing a basic configuration example of a surface emitting semiconductor laser device according to the present invention. Referring to FIG. 1, this surface emitting semiconductor laser device includes a lower semiconductor distributed Bragg reflector (lower semiconductor DBR: lower mirror layer) and a III-V layer containing N and As on a semiconductor substrate (n-GaAs substrate). A resonator structure including an active layer made of a Group III mixed crystal semiconductor (GaInNAs-based material) and an upper semiconductor distributed Bragg reflector (upper semiconductor DBR: upper mirror layer) are sequentially laminated to form a semiconductor laminated structure. I have. Then, from the surface of the semiconductor laminated structure to at least the lower end of the active layer (up to the surface of the lower semiconductor DBR (lower mirror layer) in the example of FIG. 1) is removed by etching to form a columnar structure, and a laser structure is formed. And a total stress of 2.5 × 10 2 A polyimide protective film of Pa · m or less is provided.
[0025]
Here, upper and lower spacer layers are stacked adjacent to the active layer in the resonator structure, and a current confinement layer is formed near the active layer. An upper electrode having a light extraction window is formed in contact with the uppermost surface of the upper semiconductor DBR (upper mirror layer), and a lower electrode is formed on the back surface of the semiconductor substrate (n-GaAs substrate).
[0026]
Note that the current constriction layer is made of insulating Al due to oxidation of the AlAs film. x O y In addition to the structure using a film, a structure in which an insulating region is provided near the active layer by proton implantation or oxygen ion implantation can be used.
[0027]
The polyimide protective film has a total stress (S) of 2.5 × 10 2 It is preferable to use a polyimide of Pa · m or less. That is, the physical properties of the polyimide protective film used in the conventional 0.85 μm band and 0.98 μm band surface-emitting semiconductor laser devices have not been particularly studied. However, when a long wavelength band GaInNAs-based surface emitting semiconductor laser device is intended as in the present invention, the height (semiconductor column height) h of the laser structure (semiconductor column) becomes large as described above. Since the thickness of the polyimide protective film is much larger than before, the influence of the internal stress of the polyimide film on the laser structure becomes larger, and cracks and interfaces occur in the polyimide protective film after the curing reaction of the polyimide. In some cases, delamination is likely to occur, and the oscillation wavelength is shifted due to strain applied to the active layer.
[0028]
In order to avoid such a problem, in the present invention, the total stress is 2.5 × 10 2 A polyimide protective film of Pa · m or less is used.
[0029]
When such a polyimide protective film is used, cracks and peeling at the interface do not occur during the curing treatment of the polyimide protective film, and even during operation of the device, cracks and peeling at the interface do not occur, and the stress of the polyimide film does not occur. No oscillation wavelength shift occurs.
[0030]
Polyimide is a polymer having an imide group in the main chain. Generally, it is a polymer obtained by a condensation reaction of an aromatic tetracarboxylic dianhydride and an aromatic diamine and having aromatic groups linked by an imide ring.
[0031]
The polyimide protective film is formed by applying an intermediate reaction product of the condensation reaction called a polyimide varnish or a polyimide precursor and then heating and curing the intermediate product. This intermediate reactant is often a polyamic acid solution.
[0032]
The value of the total stress (S) per unit width in the in-plane direction of the polyimide protective film is the same as the condition formed on the surface of the laser structure, the polyimide protective film is formed on the GaAs substrate, and the polyimide protective film is formed. It is determined by measuring the amount of elastic deformation of the front and rear GaAs underlying substrates.
[0033]
Specifically, when a disc-shaped substrate is used, the radius of curvature of the substrate deformed by Newton's ring, optical lever method, stylus method, or the like is obtained, and the total stress (S) is obtained by the following equation (Equation 1). it can.
[0034]
(Equation 1)
S = Es × D 2 / {6 × (1-νs) × R}
Es: Young's modulus of the substrate, vs: Poisson's ratio of the substrate, D: thickness of the substrate
R: radius of curvature of a substrate deformed into a curved surface by film stress
[0035]
When a strip-shaped substrate is used, one end of the substrate is fixed, and the movement amount (δ) of the free end before and after the production of the polyimide protective film is directly determined by a floating microscope, an optical lever method, a stylus method, and the like, and the following equation ( The total stress (S) can be obtained by Expression 2).
[0036]
(Equation 2)
S = Es × D 2 × δ / {3 × l 2 × (1-νs)}
δ: amount of movement of free end, l: length of film
[0037]
Note that the stress (σ) of the film has a relationship of the following equation (Equation 3) with the total stress (S).
[0038]
[Equation 3]
σ = S / d
d: film thickness
[0039]
Methods for evaluating the stress of such a film are generally known, and are described, for example, in the literature [Mago, Applied Physics, 57 (1988) 1856].
[0040]
The value of Es / (1−νs) is known depending on the type of the substrate, and the following value is used in the case of GaAs. That is,
For GaAs (100), 1.239 × 10 12 dyne / cm 2 Using
For GaAs (111), 1.741 × 10 12 dyne / cm 2 Is used.
[0041]
The stress (σ) per unit cross-sectional area in the in-plane direction of the polyimide protective film is the true stress caused by the structure of the film and the film and substrate generated in the process of curing the film structure from the curing process to normal temperature. And the thermal stress due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the two.
[0042]
Also, by evaluating the total stress of the polyimide protective film using a GaAs substrate having the same thermal expansion coefficient as the GaAs-based material forming the laser structure, it is possible to estimate the total stress of the polyimide protective film in the actual laser device. it can.
[0043]
The GaAs-based material forming the laser structure has a coefficient of linear thermal expansion of about 6 × 10 ―6 ° C ―1 The thermal expansion coefficient of many polyimides is 20 to 80 × 10 ―6 ° C ―1 It is. As described above, since the difference in the coefficient of linear thermal expansion between the two materials is large, the ratio of the stress of the polyimide protective film due to the thermal stress is large.
[0044]
Therefore, in order to reduce the total stress of the polyimide protective film, first, it is effective to select a material having a small coefficient of linear thermal expansion and forming conditions.
[0045]
As described above, according to the present invention, a surface emitting device in which a resonator including an active layer made of a GaInNAs-based material and a multilayer reflector provided above and below the resonator are formed as a laser structure on a semiconductor substrate. In the semiconductor laser device, the total stress is 2.5 × 10 on the surface of the laser structure. 2 By providing a polyimide protective film of Pa.m or less, even in a long wavelength band surface emitting semiconductor laser having a high semiconductor pillar height h, cracking and peeling at the interface do not occur during the curing treatment of the polyimide protective film. Even during the operation of the device, cracks and peeling at the interface do not occur, and the shift of the oscillation wavelength due to the stress of the polyimide protective film does not occur.
[0046]
In the above-described surface emitting semiconductor laser device of the present invention, the polyimide protective film may be formed of non-photosensitive polyimide, but is more preferably formed of photosensitive polyimide.
[0047]
FIG. 2 shows an example of a manufacturing process of a surface-emitting semiconductor laser device when a polyimide protective film is formed of photosensitive polyimide. FIG. 3 shows an example of a manufacturing process of a surface-emitting semiconductor laser device when the polyimide protective film is formed of non-photosensitive polyimide.
[0048]
First, an example of a manufacturing process of FIG. 3 for forming a polyimide protective film with a non-photosensitive polyimide will be described. Referring to FIG. 3, first, on an n-GaAs substrate, a lower multilayer reflector (lower mirror layer), a spacer layer, an active layer, a spacer layer, an AlAs selective oxidation layer, an upper multilayer reflector (upper mirror layer), A p-GaAs contact layer is sequentially laminated to form a laser structure laminated film. Next, the laser structure laminated film is etched to form semiconductor pillars, and then the AlAs selectively oxidized layer is formed by selective oxidation. x O y The layer is changed to a current confinement layer, and then a polyimide is applied around the semiconductor pillar, and a pre-bake step is performed.
[0049]
Thereafter, when a non-photosensitive polyimide is used as the polyimide, as shown in FIG. 3, a resist is applied, the resist is exposed and developed through a photomask, and the resist in the opening for the upper electrode is removed. Then, immersion in an etching agent such as hydrazine, 2 An opening of polyimide is formed by dry etching with a gas. Next, after the resist is removed and the polyimide is cured by heating, the steps of resist application, exposure, development, deposition of an upper electrode, lift-off, and deposition of a lower electrode are performed to produce a surface emitting semiconductor laser device.
[0050]
On the other hand, when a photosensitive polyimide is used as the polyimide, as shown in FIG. 2, the polyimide is exposed and developed through a photomask to directly form an opening for an upper electrode. Next, after performing a heat curing step, as shown in the following, the steps of resist coating, exposure, development, deposition of an upper electrode, lift-off, and deposition of a lower electrode are performed to produce a surface emitting semiconductor laser device.
[0051]
As can be seen by comparing the example of the manufacturing process of FIG. 2 with the example of the manufacturing process of FIG. 3, the manufacturing process of the surface emitting semiconductor laser device can be simplified by using photosensitive polyimide.
[0052]
Examples of such a photosensitive polyimide include an ester-bonded photosensitive polyimide in which a photosensitive group is introduced through an ester bond, and a photosensitive group formed by a salt bond between an amino compound having a photosensitive group and a carboxyl group of a polyamic acid. Examples include, but are not limited to, the introduced salt-bonded photosensitive polyimide. The photosensitive polyimide includes a positive type and a negative type, and any type can be used.
[0053]
Further, in the surface emitting semiconductor laser device of FIG. 1, a passivation layer made of a SiN or SiON film may be provided between the surface of the laser structure and the polyimide protective film.
[0054]
FIG. 4 shows the surface emitting semiconductor laser device of FIG. 1 in which a passivation layer made of a SiN or SiON film is provided between the surface of the laser structure and the polyimide protective film. ing.
[0055]
Here, the passivation layer made of a SiN or SiON film can be manufactured by plasma CVD or the like.
[0056]
As described above, in the surface emitting semiconductor laser device of FIG. 1, by providing the passivation layer made of a SiN or SiON film between the surface of the laser structure and the polyimide protective film, the moisture shielding effect on the laser structure can be reduced. The reliability of the surface emitting semiconductor laser device can be further improved.
[0057]
Further, in the surface emitting semiconductor laser device shown in FIG. 4, between the surface of the laser structure and the passivation layer, SiO 2 2 A stress relaxation layer made of a film can be provided.
[0058]
FIG. 5 shows that, in the surface emitting semiconductor laser device of FIG. 2 A surface emitting semiconductor laser device provided with a stress relaxation layer made of a film is shown.
[0059]
Where SiO 2 The stress relaxation layer made of a film can be formed by plasma CVD, TEOS-CVD, a coating method, or the like. The stress relaxation layer is made of SiO such as PSG (phosphosilicate glass). 2 May contain other components in addition to.
[0060]
The passivation layer made of a SiN or SiON film has a large internal stress, but a soft SiON is formed between the surface of the laser structure and the passivation layer. 2 By providing the stress relaxation layer made of a film, the influence of stress on the laser structure can be reduced.
[0061]
Generally, in a surface emitting semiconductor laser device, an active layer portion other than a current injection region causes an increase in parasitic capacitance. Therefore, in a surface emitting semiconductor laser device, in order to perform high-speed modulation, the active layer portion other than the current injection region is removed by etching to form a columnar structure, and the periphery of the columnar structure is buried with a low dielectric constant material to reduce parasitic capacitance. Has been reduced.
[0062]
Usually, the etching is performed to a depth reaching the lower multilayer reflector (lower mirror layer), and thus the etching depth substantially corresponds to the thickness of the upper multilayer reflector (upper mirror layer) and the resonator structure. In a conventional 0.85 μm band surface emitting laser, for example, the total thickness of a multilayer reflector in which AlGaAs and AlAs are stacked for 20 periods is 2.7 μm, and the layer thickness of the λ resonator structure is 0.25 μm. I have. Therefore, the etching depth was about 3 μm. Polyimide is generally used as a low dielectric constant material to bury the depth of about 3 μm flat.
[0063]
On the other hand, in the present invention, the polyimide protective film is buried with a layer thickness of 3 μm or more by increasing the etching depth. By increasing the thickness of the polyimide protective film, the parasitic capacitance between the electrodes other than the current injection region can be reduced. As a result, the modulation frequency of the surface emitting semiconductor laser having an oscillation wavelength longer than 1.1 μm can be increased.
[0064]
For example, when the oscillation wavelength is 1.3 μm, the layer thickness of a semiconductor multilayer mirror in which GaAs and AlAs are stacked for 20 periods is 4.1 μm. The layer thickness of the λ resonator is 0.38 μm. Therefore, by etching at a depth of 4.5 μm to form a columnar structure, it is possible to etch at least to the lower end of the active layer.
[0065]
By forming the polyimide protective film to a thickness of 4.5 μm, the parasitic capacitance of the polyimide protective film can be reduced to 67% of the conventional value. Further, when the thickness h of the polyimide protective film is set to 6 μm, the parasitic capacitance can be further reduced, and the parasitic capacitance can be reduced to half of the conventional one.
[0066]
The following table (Table 1) shows the parasitic capacitance (parasitic capacitance per 100 μm × 100 μm area) when the thickness h of the polyimide protective film is 3 μm, 4.5 μm, and 6 μm.
[0067]
[Table 1]
[0068]
Table 1 shows that the parasitic capacitance can be reduced as the thickness h of the polyimide protective film increases to 3 μm, 4.5 μm, and 6 μm.
[0069]
If the thickness h of the embedded polyimide protective film is not uniform, the parasitic capacitance increases in the portion where the thickness h of the polyimide protective film is small. Therefore, in the present invention, it is desirable that the thickness h of the thinnest portion of the polyimide protective film is 3 μm or more.
[0070]
FIGS. 6A and 6B are diagrams showing a more detailed configuration example of the surface emitting semiconductor laser device of the present invention. 6A is a plan view, and FIG. 6B is a cross-sectional view.
[0071]
6A and 6B, the insulating
[0072]
6A and 6B, the
[0073]
FIGS. 7A and 7B are views showing a modification of the surface emitting semiconductor laser device of FIGS. 6A and 6B. In FIGS. 7A and 7B, the same reference numerals are given to portions corresponding to FIGS. 6A and 6B.
[0074]
Referring to FIGS. 7A and 7B, in this surface emitting semiconductor laser device, a
[0075]
That is, in the example of FIGS. 7A and 7B, except for the
[0076]
FIG. 8 shows the frequency dependence of the frequency transfer function when the
[0077]
FIG. 9 is a view showing a modification of the surface emitting semiconductor laser device of FIGS. 7 (a) and 7 (b). In the surface-emitting semiconductor laser device shown in FIG. 9, for example, in the surface-emitting semiconductor laser device shown in FIGS. 7A and 7B, the surface of the polyimide
[0078]
Specifically, the
[0079]
As described above, oxygen atoms are taken into the polyimide
[0080]
FIGS. 10A and 10B are diagrams showing another modification of the surface emitting semiconductor laser device of FIGS. 7A and 7B. In the surface emitting semiconductor laser device shown in FIGS. 10A and 10B, the
[0081]
Here, the
[0082]
As described above, in the surface emitting semiconductor laser device of FIGS. 10A and 10B, the peripheral portions of the
[0083]
In such a configuration, the Au-based electrodes of the
[0084]
On the other hand, most areas of the
[0085]
In the examples of FIGS. 10A and 10B, the surface of the
[0086]
FIGS. 11A and 11B are views showing a modification of the surface emitting semiconductor laser device of FIGS. 10A and 10B. In the surface emitting semiconductor laser device shown in FIGS. 11A and 11B, peripheral portions of the
[0087]
Here, the
[0088]
In such a configuration, the
[0089]
On the other hand, most areas of the
[0090]
In each of the above-described surface emitting semiconductor laser devices, the active layer is made of a III-V mixed crystal semiconductor (GaInNAs-based material) containing N and As. Specifically, it is composed of GaAsN, GaInNAs, GaAsNSb, GaInNAsSb and the like.
[0091]
Such a material can form an active layer that emits light at a wavelength longer than 1.1 μm on a GaAs substrate.
[0092]
In addition, when such a material forms a heterojunction with GaAs or AlGaAs, the conduction band discontinuity can be as large as 200 meV or more, so that electrons can be effectively confined in the active layer. Therefore, a laser having good temperature characteristics can be formed.
[0093]
When a GaAs single crystal substrate is used as the semiconductor substrate, the upper multilayer reflector and the lower multilayer reflector are made of Al which can lattice-match with the GaAs substrate to obtain a large refractive index difference. x Ga (1-x) As / Al y Ga (1-y) It is preferable to use a semiconductor DBR of As (0 ≦ y <x ≦ 1). This is because a semiconductor DBR having a high reflectance can be obtained with a small number of layers, so that the thermal resistance of the semiconductor DBR portion can be reduced and the heat dissipation is excellent. Therefore, it is possible to provide a surface emitting semiconductor laser having better temperature characteristics in a wavelength band longer than 1.1 μm.
[0094]
FIG. 12 is a view showing a specific example of the surface emitting semiconductor laser device of the present invention. In the example of FIG. 12, the surface-emitting semiconductor laser device includes an n-type GaAs substrate, an n-type GaAs / AlAs DBR, a GaAs spacer layer, a GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer, a GaAs spacer layer, an AlAs layer, and a p-type GaAs / AlAsDBRs are sequentially stacked, the portions from the p-type GaAs / AlAsDBR to the surface of the n-type GaAs / AlAsDBR are removed by etching to form a semiconductor columnar structure, and the AlAs layer is selectively oxidized to form an AlAsDBR. x O y An insulating layer (current narrowing layer) is formed.
[0095]
Then, a polyimide protective film is provided around the semiconductor columnar structure via a SiN passivation layer. A p-side electrode is provided on the p-type GaAs / AlAsDBR and on the polyimide protective film, and an n-side electrode is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate.
[0096]
The active layer of this surface emitting semiconductor laser device has an oscillation wavelength of, for example, 1.3 μm, the thickness h of the polyimide protective film is 5 μm, and the thickness of the SiN film is 0.1 μm.
[0097]
In this surface emitting semiconductor laser device, since the thickness h of the polyimide film is 5 μm, the parasitic capacitance between the p-side electrode and the n-side electrode can be reduced. The modulation frequency of the laser can be increased.
[0098]
An optical transmission system can be configured using the long wavelength band GaInNAs surface emitting semiconductor laser device.
[0099]
FIG. 13 is a diagram showing an example of a parallel transmission type optical transmission system using the surface emitting semiconductor laser device of the present invention. In the parallel transmission type optical transmission system of FIG. 13, optical signals from a surface emitting semiconductor laser device (GaInNAs surface emitting laser) are simultaneously transmitted using a plurality of optical fibers.
[0100]
FIG. 14 is a diagram showing an example of a multi-wavelength transmission type optical transmission system using the surface emitting semiconductor laser device of the present invention. In the multi-wavelength transmission type optical transmission system shown in FIG. 14, optical signals from a plurality of surface emitting semiconductor laser elements (GaInNAs surface emitting lasers) having different oscillation wavelengths are introduced into optical multiplexers via optical fibers, respectively. In a device, a plurality of optical signals having different wavelengths are multiplexed, introduced into one optical fiber and transmitted, and the transmitted optical signal passes through an optical demultiplexer connected to a transmission destination device. Are separated into a plurality of optical signals having different wavelengths and reach a plurality of light receiving elements via respective fibers.
[0101]
【Example】
Hereinafter, examples of the present invention will be described. In each of the following embodiments, the specific configuration of the surface emitting semiconductor laser device is as shown in FIG.
[0102]
(Example 1)
In Example 1, in the surface-emitting semiconductor laser device having the configuration shown in FIG. 15, the total stress was 2.0 to 3.0 × 10 as polyimide. 2 A non-photosensitive material of Pa · m was used. Note that, in the first embodiment, in FIG. 2 Is not provided.
[0103]
In the first embodiment, first, a lower multilayer film reflecting mirror (n-type AlGaAs / GaAs DBR) composed of 28 pairs of n-AlGaAs / n-GaAs and a GaAs spacer layer are formed on an n-GaAs (100) substrate by MOCVD. An upper multilayer reflector (p-type AlGaAs / GaAs) comprising a multiple quantum well active layer composed of three layers of GaInNAs and two layers of GaAs, a GaAs spacer layer, an AlAs selective oxidation layer, and 20 pairs of p-AlGaAs / p-GaAs. DBR) and a p-GaAs contact layer are formed as a laser structure laminated film.
[0104]
Next, Cl is increased to a depth not less than the depth reaching the AlAs selective oxidation layer so that the semiconductor pillar of the post-shaped laser oscillation portion in the region of 30 μm × 30 μm of the laser structure laminated film remains. 2 ECR etching with gas. At this time, the height of the semiconductor pillar is 7 μm.
[0105]
Next, water vapor is introduced from the end face of the AlAs selective oxidation layer of the semiconductor pillar to make the AlAs selective oxidation layer approximately 25 μm thick. 2 Insulating Al x O y Change to a current confinement layer.
[0106]
Next, a non-photosensitive polyimide varnish [U-varnish-A manufactured by Ube Industries, Ltd.] is applied by spin coating. At this time, the spin coating rotation speed is adjusted so that the film thickness after curing becomes 8.0 μm.
[0107]
Next, it is cured at 360 ° C. For these samples, the longer the cure time, the lower the total stress. Subsequently, the sample temperature is lowered to room temperature at a rate of 10 ° C./min.
[0108]
As shown in Table 1, the total stress was 2.5 × 10 2 Cracks and peeling at the interface do not occur in any of the samples of Pa · m or less. 2.6 × 10 total stress 2 In the case of a sample of Pa · m or more, cracking or peeling at the interface may occur.
[0109]
The total stress of the polyimide film is obtained by forming a polyimide film on a 3-inch GaAs (100) wafer under the same conditions as on the laser structure, and measuring the amount of warpage of the GaAs substrate before and after the polyimide film is formed by using MODEL FLX- It is measured and determined using 2400. The following table (Table 2) shows the occurrence of defects after curing the polyimide film in Example 1.
[0110]
[Table 2]
[0111]
Next, using a sample without cracks or peeling, a resist is applied by the process shown in FIG. 2 The polyimide in a 25 μm × 25 μm region on the upper surface of the semiconductor pillar is removed by RIE etching using a gas. Next, an Au / Au-Zn / Cr upper electrode (p-side electrode), a wiring portion, and a bonding pad are formed on the region excluding the light emitting portion on the upper surface of the semiconductor pillar from which the polyimide has been removed and on the polyimide surface by vapor deposition. It is formed by a lift-off method. Further, an Au / Ni / Au-Ge lower electrode (n-side electrode) is deposited on the back surface of the n-GaAs substrate. Thus, a 1.3 μm band surface emitting semiconductor laser device can be manufactured.
[0112]
According to Example 1, the total stress is 2.5 × 10 2 With a polyimide protective film of Pa · m or less, it is possible to provide a 1.3 μm band surface emitting semiconductor laser device in which cracks and peeling do not occur, the life of the device is hardly reduced, and the oscillation wavelength is hardly shifted.
[0113]
Further, according to the first embodiment, since the thickness of the polyimide protective film is 3 μm or more, a 1.3 μm band surface emitting semiconductor laser device capable of high-speed modulation can be provided.
[0114]
(Example 2)
In the second embodiment, in the surface emitting semiconductor laser device of FIG. 2 A photosensitive material of Pa · m was used.
[0115]
In the second embodiment, first, a laser structure laminated film having semiconductor pillars similar to the first embodiment is formed.
[0116]
Next, SiH is applied to the surface of the laser structure laminated film. 4 Gas and N 2 0.5 μm thick SiO 2 by plasma CVD using O gas 2 Is formed. Next, on this stress relaxation layer, SiH 4 Gas and NH 3 A passivation layer of SiN having a thickness of 0.2 μm is formed by plasma CVD using a gas. That is, in the second embodiment, in FIG. 2 Is provided.
[0117]
Next, a negative photosensitive polyimide precursor [PIMEL I-8124C manufactured by Asahi Kasei Corporation] is applied by spin coating. At this time, the spin coating rotation speed is adjusted so that the film thickness after curing becomes 5.0 μm.
[0118]
Next, after removing the polyimide in a 25 μm × 25 μm region on the upper surface of the semiconductor pillar by photolithography, the polyimide is cured at 360 ° C. Also in these samples, the total stress changes depending on the curing time.
[0119]
Subsequently, the sample temperature is lowered to room temperature at a rate of 10 ° C./min.
[0120]
The following table (Table 3) shows the occurrence of defects after curing the polyimide film in Example 2.
[0121]
[Table 3]
[0122]
As shown in Table 3, the total stress was 2.5 × 10 2 Cracks and peeling at the interface do not occur in any of the samples of Pa · m or less. In contrast, the total stress was 2.6 × 10 2 In the case of a sample of Pa · m or more, cracking or peeling at the interface may occur.
[0123]
Next, using a sample without cracks and peeling, using polyimide as a mask, CF 4 + H 2 SiN film and SiO on the upper surface of the semiconductor pillar by RIE etching using gas 2 The film is removed to expose the p-GaAs contact layer. Next, an Au / Au-Zn / Cr upper electrode (p-side electrode), a wiring portion, and a bonding pad are formed by vapor deposition and a lift-off method on the exposed region except the light emitting portion and on the polyimide surface. Further, an Au / Ni / Au-Ge lower electrode (n-side electrode) is deposited on the back surface of the n-GaAs substrate. Thus, a 1.3 μm band surface emitting semiconductor laser device can be manufactured.
[0124]
According to Example 2, the total stress was 2.5 × 10 2 With a polyimide protective film of Pa · m or less, it is possible to provide a 1.3 μm band surface emitting semiconductor laser device in which cracks and peeling do not occur, the life of the device is hardly reduced, and the oscillation wavelength is hardly shifted.
[0125]
Further, in the second embodiment, since the photosensitive polyimide is used, the manufacturing process of the polyimide protective film is simpler than in the first embodiment.
[0126]
In addition, since the SiN passivation layer is provided, compared with the first embodiment,
In addition, the effect of shielding moisture is increased, and the life of the element can be further prevented from being shortened. In addition, SiO 2 Since the stress relaxation layer of the film is provided, generation of defects in the SiN passivation layer is suppressed. In this manner, a more reliable 1.3 μm band surface emitting semiconductor laser can be provided.
[0127]
Further, according to the second embodiment, since the thickness of the polyimide protective film is 3 μm or more, a 1.3 μm band surface emitting semiconductor laser device capable of high-speed modulation can be provided.
[0128]
(Example 3)
In the third embodiment, in the surface emitting semiconductor laser device of FIG. 2 A photosensitive material of Pa · m was used.
[0129]
In the third embodiment, first, a laser structure laminated film having semiconductor pillars similar to those of the first and second embodiments is formed. Next, SiH is applied to the surface of the laser structure laminated film. 4 Gas and N 2 0.5 μm thick SiO 2 by plasma CVD using O gas 2 A stress relaxation layer of the film is formed. Next, on this stress relaxation layer, SiH 4 Gas and NH 3 A passivation layer of a 0.2 μm thick SiN film is formed by plasma CVD using a gas. That is, in the third embodiment, in FIG. 2 Is provided.
[0130]
Next, a negative photosensitive polyimide precursor [PI-2731 manufactured by Hitachi Chemical DuPont Microsystems Co., Ltd.] is applied by spin coating. At this time, the spin coating rotation speed is adjusted so that the film thickness after curing becomes 10 μm.
[0131]
Next, polyimide is removed at a region of 25 μm × 25 μm on the upper surface of the semiconductor pillar by photolithography, and then cured at 360 ° C. Also in the case of these samples, the total stress of the polyimide film changes depending on the curing time.
[0132]
Subsequently, the sample temperature is lowered to room temperature at a rate of 10 ° C./min.
[0133]
The following table (Table 4) shows the occurrence of defects after curing the polyimide film in Example 3.
[0134]
[Table 4]
[0135]
As shown in Table 4, the total stress was 2.5 × 10 2 Cracks and peeling at the interface do not occur in any of the samples of Pa · m or less. In contrast, the total stress was 2.6 × 10 2 In the case of a sample of Pa · m or more, cracking or peeling at the interface may occur.
[0136]
Next, using polyimide as a mask, CF 4 + H 2 SiN film and SiO on the upper surface of the semiconductor pillar by RIE etching using gas 2 The film is removed to expose the p-GaAs contact layer. Next, an Au / Au-Zn / Cr upper electrode (p-side electrode), a wiring portion, and a bonding pad are formed by vapor deposition and a lift-off method on the exposed region except the light emitting portion and on the polyimide surface. Further, an Au / Ni / Au-Ge lower electrode (n-side electrode) is deposited on the back surface of the n-GaAs substrate. Thus, a 1.3 μm band surface emitting semiconductor laser device can be manufactured.
[0137]
According to Example 3, the total stress was 2.5 × 10 2 With a polyimide protective film of Pa · m or less, it is possible to provide a 1.3 μm band surface emitting semiconductor laser device in which cracks and peeling do not occur, the life of the device is hardly reduced, and the oscillation wavelength is hardly shifted.
[0138]
Further, in the third embodiment, since photosensitive polyimide is used, the manufacturing process of the polyimide protective film is simpler than in the first embodiment.
[0139]
Further, since the SiN passivation layer is provided, the effect of shielding moisture is larger than in the case of the first embodiment, so that the life of the device can be further prevented from being shortened. In addition, SiO 2 Since the stress relaxation layer of the film is provided, generation of defects in the SiN passivation layer is suppressed. Thus, a more reliable 1.3 μm band surface emitting semiconductor laser can be provided.
[0140]
According to the third embodiment, since the thickness of the polyimide protective film is 3 μm or more, a 1.3 μm band surface emitting semiconductor laser device capable of high-speed modulation can be provided.
[0141]
【The invention's effect】
As described above, according to the first to tenth aspects of the present invention, a resonator including an active layer made of a group III-V mixed crystal semiconductor containing N and As on a semiconductor substrate; In a surface emitting semiconductor laser device in which a multilayer film reflecting mirror provided above and below is formed as a laser structure, a total stress of 2.5 × 10 2 Since a polyimide protective film of Pa.m or less is provided, even in a long wavelength band surface emitting semiconductor laser having a high semiconductor pillar height, cracks and peeling of the polyimide protective film are unlikely to occur, and the life of the element is reduced. And it is possible to make it difficult to shift the oscillation wavelength.
[0142]
In particular, according to the second aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser device according to the first aspect, since the polyimide protective film is formed of photosensitive polyimide, the manufacturing process of the surface emitting semiconductor laser device is simplified. Can be
[0143]
According to a third aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser device according to any one of the first to second aspects, between the surface of the laser structure and the polyimide protective film, Since the passivation layer made of the SiN or SiON film is provided, the effect of shielding the laser structure from the moisture can be further enhanced, and the reliability of the surface emitting semiconductor laser device can be further enhanced.
[0144]
According to a fourth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser device according to the third aspect, SiO 2 is provided between a surface of the laser structure and the passivation layer. 2 Since the stress relaxation layer made of the film is provided, the influence of the stress on the laser structure due to the passivation layer made of the SiN or SiON film can be reduced.
[0145]
According to a fifth aspect of the present invention, in the surface-emitting semiconductor laser device according to any one of the first to fourth aspects, the thickness of the polyimide protective film is 3 μm or more. The capacity is reduced, and high-speed modulation becomes possible.
[0146]
In particular, according to the invention of claim 6, in the surface emitting semiconductor laser device of claim 5, since the wiring electrode and the bonding pad are formed on the polyimide protective film, the parasitic capacitance is further reduced. Thus, the modulation frequency can be increased.
[0147]
According to a seventh aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser device according to the sixth aspect, the surface of the polyimide protective film is subjected to oxygen plasma processing, and the surface of the polyimide protective film subjected to oxygen plasma processing. Since the portion of the bonding pad and / or the portion of the wiring electrode in contact with the substrate are formed of a material containing Ti or Cr, when performing wire bonding to the bonding pad formed on the polyimide protective film, the bonding pad and the wiring electrode Can be prevented from peeling off.
[0148]
According to an eighth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser device according to any one of the sixth to seventh aspects, one of the wiring electrode and the bonding pad formed on the polyimide protective film is provided. Since the portion is formed on the semiconductor laminated structure, the Au electrode of the wiring electrode and the bonding pad is alloyed with the semiconductor layer of the semiconductor laminated structure during the annealing process of the upper electrode, so that the adhesion of the wiring electrode and the bonding pad is achieved. Thus, the film of the wiring electrode and the bonding pad can be prevented from peeling during wire bonding.
[0149]
According to a ninth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser device according to any one of the first to eighth aspects, the surface emitting semiconductor laser device includes a GaInNAs-based material for an active layer. Since the layer includes the layer, it is possible to form a laser having an oscillation wavelength longer than 1.1 μm, which has good compatibility with the optical fiber. Further, since electrons can be effectively confined in the active layer, laser characteristics are hardly changed even when the environmental temperature changes, that is, cracks and peeling of polyimide with good temperature characteristics are hard to occur, and the life of the element is reduced. It is possible to form a long-wavelength laser which is hardly lowered and whose oscillation wavelength is hardly shifted and capable of high-speed modulation.
[0150]
According to a tenth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser device according to the ninth aspect, the semiconductor substrate is made of GaAs, and the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror and the lower semiconductor multilayer film reflecting mirror are made of AlGaAs. Since it is made of a material, a semiconductor DBR having a high reflectance can be obtained with a small number of layers. For this reason, the thermal resistance of the semiconductor DBR portion can be reduced, the heat radiation property is excellent, the temperature characteristics are better, cracks and peeling of the polyimide are less likely to occur, the life of the element is less likely to be reduced, the oscillation wavelength is less likely to shift, and A long wavelength band surface emitting semiconductor laser device capable of modulation can be formed.
[0151]
According to the eleventh aspect of the present invention, there is provided an optical transmission system using the surface emitting semiconductor laser device according to any one of the ninth to tenth aspects. It is possible to provide an optical transmission system that has high performance, can operate stably, can transmit at high speed, and has a simple configuration that does not require a cooling device in the light source unit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram (cross-sectional view) showing a basic configuration example of a surface emitting semiconductor laser device according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a manufacturing process of a surface-emitting semiconductor laser device when a polyimide protective film is formed of photosensitive polyimide.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a manufacturing process of a surface-emitting semiconductor laser device when a polyimide protective film is formed of non-photosensitive polyimide.
FIG. 4 is a view showing a surface emitting semiconductor laser device in which a passivation layer made of a SiN or SiON film is provided between a surface of a laser structure and a polyimide protective film in the surface emitting semiconductor laser device of FIG. 1; is there.
FIG. 5 is a view illustrating a surface emitting semiconductor laser device of FIG. 4 in which SiO 2 is provided between a surface of a laser structure and a passivation layer; 2 FIG. 3 is a diagram illustrating a surface-emitting semiconductor laser device provided with a stress relaxation layer made of a film.
FIG. 6 is a diagram showing a more detailed configuration example of the surface emitting semiconductor laser device of the present invention.
FIG. 7 is a view showing a modification of the surface emitting semiconductor laser device of FIGS. 6 (a) and 6 (b).
FIG. 8 shows a case where a wiring electrode and a bonding pad are formed on a polyimide protective film (in the case of the example of FIGS. 7A and 7B), and a frequency dependence of a frequency transfer function and a bonding pad is formed on a semiconductor layer. FIG. 7 is a diagram showing the frequency dependence of the frequency transfer function in the case of the above (in the case of the example of FIGS. 6A and 6B).
FIG. 9 is a view showing a modification of the surface emitting semiconductor laser device of FIGS. 7 (a) and 7 (b).
FIG. 10 is a view showing another modification of the surface emitting semiconductor laser device of FIGS. 7 (a) and 7 (b).
FIG. 11 is a view showing a modification of the surface emitting semiconductor laser device of FIGS. 10 (a) and (b).
FIG. 12 is a diagram showing a specific example of the surface emitting semiconductor laser device of the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing an example of a parallel transmission type optical transmission system using the surface emitting semiconductor laser device of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing an example of a multi-wavelength transmission type optical transmission system using the surface emitting semiconductor laser device of the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing a specific configuration of a surface emitting semiconductor laser device.
[Explanation of symbols]
7 Polyimide protective film
8 Upper electrode
9 Lower electrode
11 Insulating film
12 Wiring electrode
13 Bonding pad
14 Semiconductor layer
20 Oxygen plasma treated area
Claims (11)
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