JP2006049428A

JP2006049428A - 光素子およびその製造方法

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Publication number: JP2006049428A
Application number: JP2004225612A
Authority: JP
Inventors: Hajime Onishi; 一大西; Takeo Kaneko; 丈夫金子
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2004-08-02
Filing date: 2004-08-02
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】発光部と受光部とを含む光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る光素子１００は，基板１０１の上方に、基板１０１側から配置された、第１半導体層１０２と、活性層１０３と、第２半導体層１０４と、を含む発光部１４０と、発光部１４０の上方に、発光部１４０側から配置された、第１コンタクト層１１１と、光吸収層１１２と、第２コンタクト層１１３と、を含む受光部１２０と、を含み、光吸収層１１２の上面の面積は、光吸収層１１２の下面の面積以上であり、第２コンタクト層１１３の上面の面積は、光吸収層１１２の上面の面積以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光素子およびその製造方法に関する。

面発光型半導体レーザは、環境温度により光出力が変動するという特性を有する。このため、面発光型半導体レーザを用いた光モジュールにおいては、面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光の一部を検出して光出力値をモニタするための光検出機能が備えられている場合がある。例えば、面発光型半導体レーザ上にフォトダイオード等の光検出素子を設けることにより、面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光の一部を同一素子内でモニタすることができる（例えば、特許文献１参照）。

また、面発光型半導体レーザ上にフォトダイオードを積層させた同様の構造を用いて、１本の光ファイバで双方向通信を行うための送受信フォトニックＩＣの開発が行われている（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−１１４６５８号公報特開平１１−４０４６号公報

本発明の目的は、発光部と受光部とを含む光素子およびその製造方法を提供することにある。

本発明に係る光素子は、
基板の上方に、該基板側から配置された、第１半導体層と、活性層と、第２半導体層と、を含む発光部と、
前記発光部の上方に、該発光部側から配置された、第１コンタクト層と、光吸収層と、第２コンタクト層と、を含む受光部と、を含み、
前記光吸収層の上面の面積は、前記光吸収層の下面の面積以上であり、
前記第２コンタクト層の上面の面積は、前記光吸収層の上面の面積以上である。

本発明に係る光素子において、特定のもの（以下、「Ａ」という）の「上方」の他の特定のもの（以下、「Ｂ」という）とは、Ａ上に直接形成されたＢと、Ａ上に、Ａ上の他のものを介して形成されたＢと、を含む。この「上方」の定義については、本発明に係る光素子の製造方法においても同様である。

この光素子によれば、前記光吸収層の上面の面積が、該光吸収層の下面の面積より小さい場合に比べ、水平方向に拡がっていく光を、より多く該光吸収層に取り込むことができる。その結果、前記発光部で生じた光の出力を、より正確にモニタすることができる。

本発明に係る光素子において、
前記光吸収層における前記基板の主表面に平行な断面の面積は、該断面の位置が上になるにつれて大きくなることができる。

本発明に係る光素子において、
前記基板は、（１００）面を主表面とし、
前記第２コンタクト層および前記光吸収層の平面形状は多角形であり、
前記第２コンタクト層および前記光吸収層の平面形状の各辺は、［０１１］方向、［０１０］方向、または、［００１］方向のいずれかに平行であることができる。

本発明に係る光素子において、
前記第２コンタクト層は、前記光吸収層に対してオーバーハングしていることができる。

本発明に係る光素子において、
前記第２コンタクト層の上方に、該第２コンタクト層と電気的に接続された電極を有し、
前記第２コンタクト層の上面のうちの前記電極に覆われていない部分の面積は、前記光吸収層の上面の面積以上であることができる。

本発明に係る光素子において、
前記発光部は、面発光型半導体レーザとして機能し、
前記第１半導体層は、第１ミラーであり、
前記第２半導体層は、第２ミラーであることができる。

本発明に係る光素子において、
前記発光部は、発光ダイオードとして機能し、
前記第１半導体層は、第１導電型であり、
前記第２半導体層は、第２導電型であることができる。

本発明に係る光素子の製造方法は、
発光部および受光部を含む光素子の製造方法であって、
基板の上方に、少なくとも、第１半導体層、活性層、第２半導体層、第１コンタクト層、光吸収層、および第２コンタクト層を構成するための半導体層を積層する工程と、
前記半導体層をエッチングすることにより、前記第２コンタクト層を形成する工程と、
前記半導体層をエッチングすることにより、前記光吸収層を形成する工程と、
前記半導体層をエッチングすることにより、前記第１コンタクト層を形成する工程と、
前記半導体層をエッチングすることにより、少なくとも前記第２半導体層の一部を含む柱状部を形成する工程と、を含み、
前記光吸収層の上面の面積が、該光吸収層の下面の面積以上となり、
前記第２コンタクト層の上面の面積が、前記光吸収層の上面の面積以上となるように形成する。

本発明に係る光素子の製造方法において、
前記基板は、（１００）面を主表面とするものを用い、
前記第２コンタクト層を形成する工程において、マスク層をマスクとして用いて、前記半導体層をエッチングし、
前記マスク層の平面形状は多角形であり、
前記マスク層の平面形状の各辺は、［０１１］方向、［０１０］方向、または、［００１］方向のいずれかに平行であることができる。

この光素子の製造方法によれば、前記光吸収層の上面の面積が、該光吸収層の下面の面積以上であり、前記第２コンタクト層の上面の面積が、前記光吸収層の上面の面積以上である光素子を提供することができる。

本発明に係る光素子の製造方法において、
前記光吸収層を形成する工程において、少なくとも前記第２コンタクト層をマスクとして用いて、前記半導体層をサイドエッチングすることができる。

この光素子の製造方法によれば、前記第２コンタクト層が前記光吸収層に対してオーバーハングしている光素子を提供することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

１．第１の実施の形態
１−１．光素子１００の構造
図１および図２は、本発明を適用した実施の形態に係る光素子１００を模式的に示す断面図である。また、図３は、図１および図２に示す光素子１００を模式的に示す平面図である。なお、図１は、図３のＡ−Ａ線における断面を示す図であり、図２は、図３のＢ−Ｂ線における断面を示す図である。

本実施の形態に係る光素子１００は、図１および図２に示すように、発光部１４０と、受光部１２０と、を含む。本実施の形態においては、発光部１４０が面発光型半導体レーザとして機能し、受光部１２０がｐｉｎ型フォトダイオードとして機能する場合について説明する。以下、発光部１４０、受光部１２０、および全体の構成について説明する。

１−１−１．発光部１４０
発光部１４０は、（１００）面を主表面とする半導体基板（本実施形態ではｎ型ＧａＡｓ基板）１０１上に設けられている。発光部１４０は垂直共振器を有する。また、発光部１４０は、柱状の半導体堆積体（以下、「第１柱状部」という）１３０を含むことができる。

発光部１４０は、例えば、ｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層とを交互に積層した３８．５ペアの分布反射型多層膜ミラー（以下、「第１ミラー」という）１０２と、ＧａＡｓウェル層とＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓバリア層からなり、ウェル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層１０３と、ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層とを交互に積層した２４ペアの分布反射型多層膜ミラー（以下、「第２ミラー」という）１０４と、が順次積層されて構成されている。なお、第１ミラー１０２、活性層１０３、および第２ミラー１０４を構成する各層の組成および層数は特に限定されるわけではない。

第２ミラー１０４は、例えば炭素（Ｃ）がドーピングされることによりｐ型にされ、第１ミラー１０２は、例えばケイ素（Ｓｉ）がドーピングされることによりｎ型にされている。従って、ｐ型の第２ミラー１０４、不純物がドーピングされていない活性層１０３、およびｎ型の第１ミラー１０２により、ｐｉｎダイオードが形成される。

また、発光部１４０のうち、第２ミラー１０４から第１ミラー１０２の途中にかけての部分が、第２ミラー１０４の上面１０４ａからみて円形の形状にエッチングされて第１柱状部１３０が形成されている。第１柱状部１３０の平面形状である円形の直径は適宜設定されるが、例えば５０μｍ程度とすることができる。なお、本実施の形態では、第１柱状部１３０の平面形状を円形としたが、この形状は任意の形状をとることができる。

さらに、第２ミラー１０４を構成する層のうち活性層１０３に近い領域に、ＡｌＧａＡｓ層を側面から酸化することにより得られる電流狭窄層１０５が形成されている。この電流狭窄層１０５はリング状に形成されている。すなわち、この電流狭窄層１０５は、図１および図２に示す半導体基板１０１の表面１０１ａと平行な面で切断した場合における断面形状が、第１柱状部１３０の平面形状の円形と同心の円のリング状である。

また、発光部１４０には第１電極１０７および第２電極１０９が設けられている。この第１電極１０７および第２電極１０９は、発光部１４０を駆動するために使用される。具体的には、図１および図２に示すように、第１電極１０７は、半導体基板１０１の裏面１０１ｂ上に設けられている。第２電極１０９は、第２ミラー１０４の上面１０４ａ上に設けられている。第２電極１０９は、図３に示すように、リング状の平面形状を有する。すなわち、第２電極１０９は、後述する第１コンタクト層１１１を取り囲むように設けられている。言い換えれば、第１コンタクト層１１１は第２電極１０９の内側に設けられている。第２電極１０９と、後述する第３電極１１６とは、接続電極１１７を用いて接続されている。具体的には、接続電極１１７は、第２電極１０９の上面と接しており、かつ第３電極１１６の上面および側面と接している。

なお、本実施の形態では、第１電極１０７が半導体基板１０１の裏面１０１ｂ上に設けられている場合について示したが、第１電極１０７を第１ミラー１０２の上面１０２ａ上に設けてもよい。

第１電極１０７は、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金と、ニッケル（Ｎｉ）と、金（Ａｕ）との積層膜からなる。また、第２電極１０９は、例えば金（Ａｕ）と亜鉛（Ｚｎ）との合金と、金（Ａｕ）との積層膜からなる。第１電極１０７と第２電極１０９とによって活性層１０３に電流が注入される。なお、第１電極１０７および第２電極１０９を形成するための材料は、前述したものに限定されるわけではなく、例えば白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、および金（Ａｕ）の積層膜などが利用可能である。接続電極１１７としては、例えばクロム（Ｃｒ）および金（Ａｕ）の積層膜などを用いることができるが、特に限定されず、公知の金属、合金、あるいはそれらの積層膜を用いることができる。

１−１−２．受光部１２０
受光部１２０は発光部１４０上に設けられている。具体的には、受光部１２０は、第２ミラー１０４上に設けられている。本実施の形態に係る光素子１００においては、受光部１２０の上面はレーザ光の出入射面１０８を含んでいる。また、受光部１２０は、柱状の半導体堆積体（以下、「第２柱状部」という）１３２を含むことができる。

また、受光部１２０は、第１コンタクト層１１１と、光吸収層１１２と、第２コンタクト層１１３と、を含む。第１コンタクト層１１１は第２ミラー１０４上に設けられ、光吸収層１１２は第１コンタクト層１１１上に設けられ、第２コンタクト層１１３は光吸収層１１２上に設けられている。第２コンタクト層１１３および光吸収層１１２は、第２柱状部１３２を構成する。第１コンタクト層１１１の平面形状は、円形とすることができる。第１コンタクト層１１１の平面形状である円形の直径は適宜設定されるが、例えば、４０μｍ程度とすることができる。

第２コンタクト層１１３および光吸収層１１２の平面形状、即ち、第２柱状部１３２の平面形状は、多角形であることができる。そして、第２コンタクト層１１３および光吸収層１１２の平面形状の各辺が、[０１−１]方向に平行とならないようにすることができる。具体的には、第２コンタクト層１１３および光吸収層１１２の平面形状の各辺は、例えば、［０１１］方向、［０１０］方向、または、［００１］方向のいずれかに平行であることができる。具体的には、以下の通りである。

図４および図５は、第２コンタクト層１１３および光吸収層１１２の平面形状を模式的に示した図である。第２コンタクト層１１３および光吸収層１１２の平面形状は、例えば、図４に示すように、［０１１］方向の２辺、［０１０］方向の２辺、および、［００１］方向の２辺から構成される六角形であることができる。あるいは、第２コンタクト層１１３および光吸収層１１２の平面形状は、例えば、図５に示すように、［０１０］方向の２辺、および、［００１］方向の２辺から構成される四角形であることができる。なお、図１〜図３に示す例は、第２コンタクト層１１３および光吸収層１１２の平面形状が、六角形である場合（図４の場合）の例である。

光吸収層１１２の上面の面積は、図１に示すように、光吸収層１１２の下面の面積以上である。より具体的には、光吸収層１１２における半導体基板１０１の主表面１０１ａに平行な断面、すなわちｘ−ｙ断面の面積は、該断面の位置が上になるにつれて大きくなることができる。例えば、光吸収層１１２の側面のうち、［０１１］方向に平行な２つの面（図１に示されている面）は、｛１１１｝面となることができる。図１に示すように、光吸収層１１２の露出している側面（｛１１１｝面）と、第１コンタクト層１１１の露出している上面（（１００）面）との成す角θは、例えば約５４．７度となることができる。また、例えば、光吸収層１１２の側面のうち、［００１］方向に平行な２つの面、および、［０１０］方向に平行な２つの面（図２に示されている面）は、｛００１｝面となることができる。図２に示すように、光吸収層１１２の露出している側面（｛００１｝面）と、第１コンタクト層１１１の露出している上面（（１００）面）との成す角θは、例えば９０度となることができる。

また、第２コンタクト層１１３および光吸収層１１２の平面形状が、例えば図５に示すような四角形である場合、光吸収層１１２の側面のうち、［０１０］方向に平行な２つの面、および、［００１］方向に平行な２つの面は、｛００１｝面となることができる。

第２コンタクト層１１３の上面の面積は、光吸収層１１２の上面の面積以上である。より具体的には、上述した光吸収層１１２と同様に、第２コンタクト層１１３におけるｘ−ｙ断面の面積は、該断面の位置が上になるにつれて大きくなる。

第１コンタクト層１１１は例えばｎ型ＧａＡｓ層からなり、光吸収層１１２は例えば不純物が導入されていないＧａＡｓ層からなり、第２コンタクト層１１３は例えばｐ型ＧａＡｓ層からなることができる。具体的には、第１コンタクト層１１１は、例えばケイ素（Ｓｉ）がドーピングされることによりｎ型にされ、第２コンタクト層１１３は、例えば炭素（Ｃ）がドーピングされることによりｐ型にされている。従って、ｐ型の第２コンタクト層１１３、不純物がドーピングされていない光吸収層１１２、およびｎ型の第１コンタクト層１１１により、ｐｉｎ構造が形成される。

受光部１２０には、第３電極１１６および第４電極１１０が設けられている。この第３電極１１６および第４電極１１０は受光部１２０を駆動させるために使用される。第３電極１１６は、図１および図２に示すように、第１コンタクト層１１１上に形成されている。第３電極１１６は、図３に示すように、リング状の平面形状を有する。すなわち、第３電極１１６は、光吸収層１１２を取り囲むように設けられている。言い換えれば、光吸収層１１２は、第３電極１１６の内側に設けられている。上述したように、第３電極１１６と、第２電極１０９とは、接続電極１１７を用いて接続されている。

第４電極１１０は、図１および図２に示すように、受光部１２０の上面上（第２コンタクト層１１３上）に設けられている。第４電極１１０は、図１および図２に示すように、第２コンタクト層１１３の上面１１３ａの周縁に形成されている。第４電極１１０には開口部１１４が設けられており、この開口部１１４によって第２コンタクト層１１３の上面の一部が露出する。この露出した面が、レーザ光の出入射面１０８である。従って、開口部１１４の平面形状および大きさを適宜設定することにより、出入射面１０８の形状および大きさを適宜設定することができる。本実施の形態においては、図３に示すように、出入射面１０８が六角形である場合を示す。

また、本実施の形態に係る光素子１００においては、第３電極１１６は第１電極１０７と同じ材質にて形成することができ、第４電極１１０は第２電極１０９と同じ材質にて形成することができる。

１−１−３．全体の構成
本実施の形態に係る光素子１００においては、発光部１４０のｎ型第１ミラー１０２およびｐ型第２ミラー１０４、ならびに受光部１２０のｎ型第１コンタクト層１１１およびｐ型第２コンタクト層１１３から、全体としてｎｐｎｐ構造が構成される。

なお、本実施の形態においては、発光部１４０が面発光型半導体レーザとして機能する場合について説明したが、本発明は、面発光型半導体レーザ以外の発光素子にも適用可能である。なお、本発明を適用できる発光素子としては、例えば、発光ダイオードなどが挙げられる。このことは、後述する第２〜第４の実施の形態の発光部でも同様に適用される。

また、本実施の形態においては、受光部１２０がｐｉｎ型フォトダイオードとして機能する場合について説明したが、本発明は、ｐｉｎ型フォトダイオード以外の受光素子にも適用可能である。なお、本発明を適用できる受光素子としては、例えば、アバランシェ型フォトダイオード、または、ＭＳＭ型フォトダイオードなどが挙げられる。このことは、後述する第２〜第４の実施の形態の受光部でも同様に適用される。

１−２．光素子１００の動作
本実施の形態の光素子１００の一般的な動作を以下に示す。なお、下記の光素子１００の駆動方法は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の変更が可能である。

受光部１２０は、発光部１４０で生じた光の出力をモニタする機能を有する。具体的には、受光部１２０は、発光部１４０で生じた光を電流に変換する。この電流の値によって、発光部１４０で生じた光の出力が検知される。より具体的には、以下の通りである。

まず、第１電極１０７と第２電極１０９とで、ｐｉｎダイオードに順方向の電圧を印加すると、発光部１４０の活性層１０３において、電子と正孔との再結合が起こり、該再結合による発光が生じる。そこで生じた光が第２ミラー１０４と第１ミラー１０２との間を往復する際に誘導放出が起こり、光の強度が増幅される。光利得が光損失を上まわると、レーザ発振が起こり、第２ミラー１０４の上面１０４ａからレーザ光が出射し、受光部１２０の第１コンタクト層１１１へと入射する。

次に、受光部１２０において、第１コンタクト層１１１に入射した光は、次に光吸収層１１２に入射する。この入射光の一部が光吸収層１１２にて吸収される結果、光吸収層１１２において光励起が生じ、電子および正孔が生じる。そして、素子外部から印加された電界により、電子は第３電極１１６に、正孔は第４電極１１０にそれぞれ移動する。その結果、受光部１２０において、第１コンタクト層１１１から第２コンタクト層１１３の方向に電流（光電流）が生じる。この電流の値を測定することにより、発光部１４０の光出力を検知することができる。

また、発光部１４０の光出力は、主として発光部１４０に印加するバイアス電圧によって決定される。特に、発光部１４０の光出力は、発光部１４０の周囲温度や発光部１４０の寿命によって大きく変化する。このため、発光部１４０において所定の光出力を維持することが必要である。

本実施の形態に係る光素子１００では、発光部１４０の光出力をモニタし、受光部１２０にて発生した電流の値に基づいて発光部１４０に印加する電圧値を調整することによって、発光部１４０内を流れる電流の値を調整することができる。従って、発光部１４０において所定の光出力を維持することができる。発光部１４０の光出力を発光部１４０に印加する電圧値にフィードバックする制御は、外部電子回路（駆動回路；図示せず）を用いて実施することができる。

また、受光部１２０は、光素子１００の外部から出入射面１０８に入射する光を電流に変換する機能を有する。この電流信号によって、光素子１００の外部からの光信号が検知される。この場合の具体的な動作については、第４の実施の形態の項にて説明する。

１−３．光素子の製造方法
次に、本発明を適用した実施の形態に係る光素子１００の製造方法の一例について、図６〜図８を用いて説明する。図６〜図８は、図１〜図３に示す光素子１００の一製造工程を模式的に示す断面図であり、それぞれ図１に示す断面図に対応している。

（１）まず、（１００）面を主表面とするｎ型ＧａＡｓ層からなる半導体基板１０１の表面１０１ａに、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより、図６に示すように、半導体多層膜１５０が形成される。ここで、半導体多層膜１５０は例えば、ｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層とを交互に積層した３８．５ペアの第１ミラー１０２、ＧａＡｓウェル層とＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓバリア層からなり、ウェル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層１０３、ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層とを交互に積層した２４ペアの第２ミラー１０４、ｎ型ＧａＡｓ層からなる第１コンタクト層１１１、不純物がドーピングされていないＧａＡｓ層からなる光吸収層１１２、およびｐ型ＧａＡｓ層からなる第２コンタクト層１１３からなる。これらの層を順に半導体基板１０１上に積層させることにより、半導体多層膜１５０が形成される。

なお、第２ミラー１０４を成長させる際に、活性層１０３近傍の少なくとも１層を、後に酸化されて電極狭窄層１０５となるＡｌＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層に形成することができる。この電流狭窄層１０５となるＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、例えば０．９５以上である。本実施の形態において、ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成とは、３族元素に対するアルミニウム（Ａｌ）の組成である。ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、０から１までである。すなわち、ＡｌＧａＡｓ層は、ＧａＡｓ層（Ａｌ組成が０の場合）およびＡｌＡｓ層（Ａｌ組成が１の場合）を含む。また、第２ミラー１０４の最表面の層は、キャリア密度を高くし、電極（第２電極１０９）とのオーミック接触をとりやすくしておくのが望ましい。

エピタキシャル成長を行う際の温度は、成長方法や原料、半導体基板１０１の種類、あるいは形成する半導体多層膜１５０の種類、厚さ、およびキャリア密度によって適宜決定されるが、一般に、４５０℃〜８００℃であるのが好ましい。また、エピタキシャル成長を行う際の所要時間も、温度と同様に適宜決定される。また、エピタキシャル成長させる方法としては、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ−ＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）法や、ＭＢＥ法（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）法、あるいはＬＰＥ法（ＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）を用いることができる。

（２）次に、図７に示すように、第２コンタクト層１１３および光吸収層１１２から構成される第２柱状部１３２を形成する。まず、半導体多層膜１５０上にレジスト（図示せず）を塗布した後、リソグラフィ法により該レジストをパターニングすることにより、所定のパターンのマスク層１２２が形成される。マスク層１２２の平面形状は、後述する光吸収層１１２のエッチング工程において、光吸収層１１２の上面の面積を光吸収層１１２の下面の面積以上とすることができ、かつ、第２コンタクト層１１３の上面の面積を、光吸収層１１２の上面の面積以上とすることができるようなものとする。具体的には、例えば、以下の通りである。

マスク層１２２の平面形状は、多角形であることができる。そして、マスク層１２２の平面形状の各辺が、[０１−１]方向に平行とならないようにすることができる。具体的には、マスク層１２２の平面形状の各辺は、例えば、［０１１］方向、［０１０］方向、または、［００１］方向のいずれかに平行であることができる。具体的には、上述した第２コンタクト層１１３および光吸収層１１２の平面形状と同様である。マスク層１２２の平面形状は、例えば、図４に示すように、［０１１］方向の２辺、［０１０］方向の２辺、および、［００１］方向の２辺から構成される六角形であることができる。あるいは、マスク層１２２の平面形状は、例えば、図５に示すように、［０１０］方向の２辺、および、［００１］方向の２辺から構成される四角形であることができる。

次いで、マスク層１２２をマスクとして、ウェットエッチング法により、第２コンタクト層１１３、および光吸収層１１２をエッチングする。これにより、マスク層１２２と同じ平面形状を有する第２コンタクト層１１３と、第２コンタクト層１１３と同じ平面形状を有する光吸収層１１２とが形成される。

上述したように、マスク層１２２の平面形状を多角形とし、かつ、マスク層１２２の平面形状の各辺を、[０１−１]方向に平行とならないようにすることができる。これにより、光吸収層１１２の上面の面積を、図７に示すように、光吸収層１１２の下面の面積以上とすることができる。より具体的には、光吸収層１１２におけるｘ−ｙ断面の面積を、該断面の位置が上になるにつれて大きくすることができる。また、第２コンタクト層１１３の上面の面積を、光吸収層１１２の上面の面積以上とすることができる。より具体的には、第２コンタクト層１１３におけるｘ−ｙ断面の面積を、該断面の位置が上になるにつれて大きくすることができる。

例えば、マスク層１２２の平面形状が、図４に示すように、［０１１］方向の２辺、［０１０］方向の２辺、および、［００１］方向の２辺から構成される六角形である場合には、光吸収層１１２の側面のうち、［０１１］方向に平行な２つの面は、｛１１１｝Ａ面となることができる。この理由は、以下の通りである。

{１１１}Ａ面は、安定な面であるためにエッチングレートが遅い。従って、{１１１}Ａ面のエッチングは進行しにくいが、半導体基板１０１の主表面１０１ａに垂直な方向（図７に示す−ｚ方向）のエッチングは進行しやすい。その結果、光吸収層１１２の側面のうち、［０１１］方向に平行な２つの面は、｛１１１｝Ａ面となる。なお、図７に示すように、光吸収層１１２の露出している側面（｛１１１｝面）と、第１コンタクト層１１１の露出している上面（（１００）面）との成す角θは、例えば約５４．７度となることができる。

また、例えば、マスク層１２２の平面形状が、図４に示すような六角形である場合には、光吸収層１１２の側面のうち、［００１］方向に平行な２つの面、および、［０１０］方向に平行な２つの面は、｛００１｝面となることができる。この理由は、以下の通りである。

［００１］方向、および、［０１０］方向に平行な面の中では、｛００１｝面が安定な面であり、他の面方位よりエッチングレートが遅い。従って、エッチングが進行するにつれて、光吸収層１１２の側面には、｛００１｝面が現れてくる。なお、光吸収層１１２の露出している側面（｛００１｝面）と、第１コンタクト層１１１の露出している上面（（１００）面）との成す角θは、例えば９０度となることができる。

同様に、例えば、マスク層１２２の平面形状が、図５に示すように、［０１０］方向の２辺、および、［００１］方向の２辺から構成される四角形である場合には、光吸収層１１２の側面のうち、［０１０］方向に平行な２つの面、および、［００１］方向に平行な２つの面は、｛００１｝面となることができる。

ウェットエッチング法に用いられるエッチャントとしては、例えば、硫酸、過酸化水素、および、水の混合液などを用いることができる。この場合にエッチャントの比率は、例えば、硫酸：過酸化水素：水＝３〜８：１：１である。エッチング温度は、例えば３０〜７０℃である。次いで、マスク層１２２を除去する。

（３）次いで、図８に示すように、公知のリソグラフィ技術を用いて第１コンタクト層１１１をパターニングすることにより、所望の形状を有する第１コンタクト層１１１を形成する。パターニングの際に用いられるエッチング方法としては、例えばドライエッチング法などを用いることができる。これにより受光部１２０が形成される。この受光部１２０は、第２コンタクト層１１３、光吸収層１１２および第１コンタクト層１１１を含む。

次いで、公知のリソグラフィ技術を用いて第２ミラー１０４、活性層１０３、および第１ミラー１０２の一部をパターニングすることにより、所望の形状を有する第１柱状部１３０を形成する。パターニングの際に用いられるエッチング方法としては、例えばドライエッチング法などを用いることができる。これにより、図８に示すように、半導体基板１０１上に、第１柱状部１３０を含む発光部１４０が形成される。

以上の工程により、発光部１４０と、受光部１２０との積層体が形成される。なお、本実施の形態においては前述したように、受光部１２０をまず形成した後に発光部１４０を形成する場合について説明したが、発光部１４０を形成した後に受光部１２０を形成してもよい。

（４）次いで、例えば４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、上記工程によって受光部１２０および発光部１４０が形成された半導体基板１０１を投入することにより、前述の第２ミラー１０４中のＡｌ組成が高い層を側面から酸化して、電流狭窄層１０５が形成される（図８参照）。

酸化レートは、炉の温度、水蒸気の供給量、酸化すべき層のＡｌ組成および膜厚に依存する。酸化により形成される電流狭窄層１０５を備えた発光部１４０では、駆動する際に、電流狭窄層１０５が形成されていない部分（酸化されていない部分）のみに電流が流れる。従って、酸化によって電流狭窄層１０５を形成する工程において、形成する電流狭窄層１０５の範囲を制御することにより、電流密度の制御が可能となる。

また、発光部１４０から出射する光の大部分が第１コンタクト層１１１に入射するように、電流狭窄層１０５が形成されていない部分（酸化されていない部分）の円形の直径を調整することが望ましい。この直径は、適宜設定することができるが、例えば８μｍ程度とすることができる。

（５）次いで、図１〜図３に示すように、第２ミラー１０４の上面１０４ａ上に第２電極１０９が形成され、受光部１２０の上面（第２コンタクト層１１３の上面１１３ａ）上に第４電極１１０が形成される。まず、第２電極１０９および第４電極１１０を形成する前に、必要に応じて、プラズマ処理法等を用いて、第２ミラー１０４の上面１０４ａおよび第２コンタクト層１１３の上面１１３ａを洗浄する。これにより、より安定した特性の素子を形成することができる。

次いで、例えば真空蒸着法により、例えば金（Ａｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の合金、および金（Ａｕ）の積層膜（図示せず）を形成する。次いで、リフトオフ法により、所定の位置以外の積層膜を除去することにより、第２電極１０９および第４電極１１０が形成される。この際、第２コンタクト層１１３の上面１１３ａに、前記積層膜が形成されていない部分が形成される。この部分が開口部１１４となり、開口部１１４によって、第２コンタクト層１１３の上面１１３ａの一部が露出する。この露出した面がレーザ光の出入射面１０８となる。

次いで、図１〜図３に示すように、第１コンタクト層１１１の上面１１１ａ上に第３電極１１６が形成される。まず、第３電極１１６を形成する前に、必要に応じて、プラズマ処理法等を用いて、第１コンタクト層１１１の上面１１１ａを洗浄する。これにより、より安定した特性の素子を形成することができる。

次いで、例えば真空蒸着法により、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金、ニッケル（Ｎｉ）、および金（Ａｕ）の積層膜（図示せず）を形成する。次に、公知のリフトオフ技術を用いて、所定の位置以外の積層膜を除去することで、受光部１２０の第１コンタクト層１１１上に第３電極１１６が形成される。

次いで、図１および図２に示すように、半導体基板１０１の裏面１０１ｂ上に第１電極１０７が形成される。まず、第１電極１０７を形成する前に、必要に応じて、プラズマ処理法等を用いて、半導体基板１０１の裏面１０１ｂを洗浄する。これにより、より安定した特性の素子を形成することができる。

次いで、例えば真空蒸着法により、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金、ニッケル（Ｎｉ）、および金（Ａｕ）の積層膜（図示せず）を形成する。

次いで、例えば窒素雰囲気中において、アニール処理を行う。アニール処理の温度は、例えば４００℃前後で行う。アニール処理の時間は、例えば３分程度行う。

次いで、図１〜図３に示すように、第２電極１０９の上面、並びに、第３電極１１６の上面および側面の上に接続電極１１７が形成される。まず、例えば真空蒸着法により、例えばクロム（Ｃｒ）および金（Ａｕ）の積層膜（図示せず）を形成する。次に、公知のリフトオフ技術を用いて、所定の位置以外の積層膜を除去することで、第２電極１０９と第３電極１１６とを電気的に接続する接続電極１１７が形成される。以上の工程により、図１〜図３に示すように、第１電極１０７、第２電極１０９、第３電極１１６、第４電極１１０、および接続電極１１７が形成される。

なお、上記工程において、リフトオフ法のかわりにドライエッチング法またはウェットエッチング法を用いることもできる。また、上記工程において、真空蒸着法のかわりにスパッタ法を用いることもできる。また、前記工程においては、第２電極１０９および第４電極１１０を同時にパターニングしているが、第２電極１０９および第４電極１１０を個々に形成することもできる。また、第１電極１０７、第２電極１０９、第３電極１１６、および、第４電極１１０を形成する順番は、特に限定されない。

以上の工程により、図１〜図３に示すように、本実施の形態の光素子１００が得られる。

１−４．作用・効果
本実施の形態に係る光素子１００の製造方法によれば、マスク層１２２をマスクとして、ウェットエッチング法により、第２コンタクト層１１３、および光吸収層１１２をエッチングする。マスク層１２２の平面形状は多角形であり、マスク層１２２の平面形状の各辺は、［０１１］方向、［０１０］方向、または、［００１］方向のいずれかに平行であることができる。

例えば、マスク層１２２の平面形状が円形であり、ドライエッチング法を用いる場合には、結晶の面方位に関係なくエッチングが進行する。そのため、エッチング開始時には、ほぼ垂直にエッチングできるが、マスクとなるレジスト層の外周の裾部分もエッチングされる。その結果、ドライエッチングが進むにつれて、レジスト層が後退する。すなわち、ドライエッチングのマスクが次第に小さくなる。そのため、第２柱状部１３２のｘ−ｙ断面の面積は、該断面の位置が上になるにつれて小さくなる。また、半導体基板１０１の主表面１０１ａに垂直な方向（−ｚ方向）に加え、水平な方向（ｘ−ｙ方向）のエッチング成分も存在するので、エッチングは水平方向にも進行する。そのため、第２柱状部１３２のｘ−ｙ断面の面積は、該断面の位置が上になるにつれて小さくなる。具体的には、光吸収層１１２の露出している側面と、第１コンタクト層１１１の露出している上面との成す角θは、例えば１００度程度となる。

また、例えば、マスク層１２２の平面形状が円形であり、ウェットエッチング法を用いる場合には、第２コンタクト層１１３および光吸収層１１２の特定の結晶面が出現しない。すなわち、エッチングは、垂直方向（−ｚ方向）にも、水平方向（ｘ−ｙ方向）にも進行する。その結果、出入射面１０８に近い側では、より水平方向のエッチングが進む。従って、第２柱状部１３２のｘ−ｙ断面の面積は、該断面の位置が上になるにつれて小さくなる。具体的には、光吸収層１１２の露出している側面と、第１コンタクト層１１１の露出している上面との成す角θは、例えば１４０度程度となる。

これらに対し、本実施の形態に係る光素子１００の製造方法によれば、マスク層１２２をマスクとして、ウェットエッチング法により、第２コンタクト層１１３、および光吸収層１１２をエッチングする。マスク層１２２の平面形状は多角形であり、マスク層１２２の平面形状の各辺は、［０１１］方向、［０１０］方向、または、［００１］方向のいずれかに平行であることができる。これにより、光吸収層１１２の上面の面積が、光吸収層１１２の下面の面積以上であり、第２コンタクト層１１３の上面の面積が、光吸収層１１２の上面の面積以上である光素子１００を提供することができる。

本実施の形態に係る光素子１００によれば、光吸収層１１２の上面の面積は、光吸収層１１２の下面の面積以上である。より具体的には、光吸収層１１２における半導体基板１０１の主表面１０１ａに平行な断面、すなわち、ｘ−ｙ断面（図１参照）の面積は、該断面の位置が上になるにつれて大きくなることができる。発光部１４０で生じた光は、第２ミラー１０４の上面１０４ａから上方向に出射され、水平方向（ｘ−ｙ方向）に拡がっていく。本実施の形態に係る光素子１００によれば、光吸収層１１２の上面の面積が、光吸収層１１２の下面の面積より小さい場合に比べ、水平方向に拡がっていく光を、より多く光吸収層１１２に取り込むことができる。その結果、発光部１４０で生じた光の出力を、より正確にモニタすることができる。

また、上述したように、例えば、第２コンタクト層１１３および光吸収層１１２をエッチングする際に用いるマスク層１２２の平面形状が円形である場合、光吸収層１１２におけるｘ−ｙ断面の面積が、該断面の位置が上になるにつれて小さくなる。この場合、発光部１４０で生じた光の出力をより正確にモニタするためには、この光の入射面となる光吸収層１１２の下面の面積を大きくする必要がある。そして、光吸収層１１２の下面の面積を大きくするためには、発光部１４０、より具体的には第１柱状部１３０におけるｘ−ｙ断面の面積を大きくする必要がある。本実施の形態に係る光素子１００によれば、光吸収層１１２におけるｘ−ｙ断面の面積が、該断面の位置が上になるにつれて大きくなるので、光吸収層１１２の下面の面積を大きくすることなく、発光部１４０で生じた光の出力を、より正確にモニタすることができる。すなわち、第１柱状部１３０におけるｘ−ｙ断面の面積を大きくする必要がない。従って、本実施の形態に係る光素子１００によれば、発光部１４０の特性を低下させることなく、かつ、発光部１４０の良品率を低下させることなく、発光部１４０で生じた光の出力を、より正確にモニタすることができる。

また、本実施の形態に係る光素子１００を光導波路（例えば光ファイバなど）と接続する際（例えば、第４の実施の形態の項を参照）に、光素子１００の外部からの光信号を、より効率的に検知するためには、光吸収層１１２の上面の面積を大きくする必要がある。例えば、上述したように、第２コンタクト層１１３および光吸収層１１２をエッチングする際に用いるマスク層１２２の平面形状が円形である場合、光吸収層１１２におけるｘ−ｙ断面の面積が、該断面の位置が上になるにつれて小さくなる。この場合、光吸収層１１２の上面の面積を大きくするには、光吸収層１１２の下面の面積を大きくする必要がある。そして、光吸収層１１２の下面の面積を大きくするためには、発光部１４０、より具体的には第１柱状部１３０におけるｘ−ｙ断面の面積を大きくする必要がある。本実施の形態に係る光素子１００によれば、光吸収層１１２におけるｘ−ｙ断面の面積が、該断面の位置が上になるにつれて大きくなるので、光吸収層１１２の下面を大きくすることなく、光素子１００の外部からの光信号を、より効率的に検知することができる。すなわち、第１柱状部１３０におけるｘ−ｙ断面の面積を大きくする必要がない。従って、本実施の形態に係る光素子１００によれば、発光部１４０の特性を低下させることなく、かつ、発光部１４０の良品率を低下させることなく、光素子１００の外部からの光信号を、より効率的に検知することができる。

また、本実施の形態に係る光素子１００によれば、光吸収層１１２の上面の面積は、光吸収層１１２の下面の面積以上であり、第２コンタクト層１１３の上面の面積は、光吸収層１１２の上面の面積以上である。より具体的には、第２柱状部１３２におけるｘ−ｙ断面の面積は、該断面の位置が上になるにつれて大きくなる。これにより、本実施の形態に係る光素子１００を光導波路と接続する際に、第２柱状部１３２におけるｘ−ｙ断面の位置が上になるにつれて、該断面の面積が小さくなる場合に比べ、光導波路との結合効率を向上させることができる。そして、光素子１００と光導波路との位置合わせを容易に行うことができる。

２．第２の実施の形態
２−１．光素子の構造
図９は、本発明を適用した第２の実施の形態に係る光素子２００を模式的に示す断面図である。また、図１０は、図９に示す光素子２００を模式的に示す平面図である。なお、図９は、図１０のＡ−Ａ線における断面を示す図である。

本実施の形態に係る光素子２００は、受光部２２０の形状が、第１の実施の形態に係る光素子１００の場合と異なる。また、本実施の形態に係る光素子２００では、基板２０１として、半導体基板（具体的には、ｎ型ＧａＡｓ基板）２０１を用いることができる。基板２０１の主表面の面指数は、特に限定されない。なお、本実施の形態に係る光素子２００において、第１の実施の形態に係る光素子１００の構成要素「１ＸＸ」と類似する構成要素を「２ＸＸ」と示す。すなわち、「２ＸＸ」は、第１の実施の形態に係る光素子１００の「１ＸＸ」と同様の構成要素を表しており、基本的に同様の材質からなるため、その詳細な説明については省略する。

本実施の形態に係る光素子２００は、図９に示すように、発光部２４０と、受光部２２０と、を含む。本実施の形態においては、発光部２４０が面発光型半導体レーザとして機能し、受光部２２０がｐｉｎ型フォトダイオードとして機能する場合について説明する。以下、受光部２２０について、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。なお、発光部２４０および全体の構成については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

受光部２２０は、第１コンタクト層２１１と、光吸収層２１２と、第２コンタクト層２１３と、を含む。第１コンタクト層２１１は第２ミラー２０４上に設けられ、光吸収層２１２は第１コンタクト層２１１上に設けられ、第２コンタクト層２１３は光吸収層２１２上に設けられている。第１コンタクト層２１１の平面形状は、円形とすることができる。第１コンタクト層２１１の平面形状である円形の直径は適宜設定されるが、例えば、４０μｍ程度とすることができる。

光吸収層２１２および第２コンタクト層２１３の平面形状は、円形とすることができる。第２コンタクト層２１３の上面の面積は、光吸収層２１２の上面の面積以上である。より具体的には、第２コンタクト層２１３は、図９に示すように、光吸収層２１２に対してオーバーハングしていることができる。すなわち、円柱状の第２コンタクト層２１３のｘ−ｙ断面積は、円柱状の光吸収層２１２のｘ−ｙ断面積より大きいことができる。また、第２コンタクト層２１３の上面２１３ａのうちの、後述する第４電極２１０に覆われていない部分、すなわち、後述する出入射面２０８の面積を、光吸収層２１２の上面の面積以上とすることができる。例えば、図９および図１０に示す例は、出入射面２０８の面積が光吸収層２１２の上面の面積と同じ場合である。光吸収層２１２の平面形状である円形の直径は、例えば２５μｍ程度とすることができる。第２コンタクト層２１３の平面形状である円形の直径は、例えば３１μｍ程度とすることができる。

第１コンタクト層２１１は、例えばｎ型ＧａＡｓ層、ｎ型ＩｎＧａＰ層、または、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層からなり、光吸収層２１２は、例えば不純物が導入されていないＧａＡｓ層からなり、第２コンタクト層２１３は、例えばｐ型ＩｎＧａＰ層またはｐ型ＡｌＧａＡｓ層からなることができる。第２コンタクト層２１３は、ｐ型ＩｎＧａＰ層またはｐ型ＡｌＧａＡｓ層の上に、ｐ型ＧａＡｓ層を積層した積層膜を用いることもできる。これにより、コンタクト抵抗をより小さくすることができる。

第２コンタクト層２１３の膜厚は、機械的強度が確保できる程度に厚く形成されていることができる。上述したように、第２コンタクト層２１３は、例えばｐ型ＩｎＧａＰ層またはｐ型ＡｌＧａＡｓ層からなることができる。これらの材料は、例えばＧａＡｓ層からなる光吸収層２１２において吸収される光を吸収しない。従って、第２コンタクト層２１３の膜厚が厚く形成されていても、光吸収層２１２における光吸収効率を低下させないことができる。

第１コンタクト層２１１は、例えばケイ素（Ｓｉ）がドーピングされることによりｎ型にされ、第２コンタクト層２１３は、例えば炭素（Ｃ）がドーピングされることによりｐ型にされている。従って、ｐ型の第２コンタクト層２１３、不純物がドーピングされていない光吸収層２１２、およびｎ型の第１コンタクト層２１１により、ｐｉｎ構造が形成される。

第４電極２１０は、図９に示すように、受光部２２０の上面上（第２コンタクト層２１３上）に設けられている。第４電極２１０は、図９および図１０に示すように、第２コンタクト層２１３の上面２１３ａの周縁に形成されている。第４電極２１０には開口部２１４が設けられており、この開口部２１４によって第２コンタクト層２１３の上面の一部が露出する。この露出した面が、レーザ光の出入射面２０８である。従って、開口部２１４の平面形状および大きさを適宜設定することにより、出入射面２０８の形状および大きさを適宜設定することができる。本実施の形態においては、図１０に示すように、出入射面２０８が円形である場合を示す。

２−２．光素子の動作
本実施の形態に係る光素子２００の基本的な動作は、第１の実施の形態に係る光素子１００と同様であるため、説明は省略する。

２−３．光素子の製造方法
次に、本発明を適用した実施の形態に係る光素子２００の製造方法の一例について、図１１〜図１３を用いて説明する。図１１〜図１３は、図９および図１０に示す光素子２００の一製造工程を模式的に示す断面図であり、それぞれ図９に示す断面図に対応している。なお、第１の実施の形態と同様の点については、詳細な説明を省略する。

（１）まず、ｎ型ＧａＡｓ層からなる半導体基板２０１の表面２０１ａに、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより、図１１に示すように、半導体多層膜２５０が形成される。ここで、半導体多層膜２５０は例えば、ｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層とを交互に積層した３８．５ペアの第１ミラー２０２、ＧａＡｓウェル層とＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓバリア層からなり、ウェル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層２０３、ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層とを交互に積層した２４ペアの第２ミラー２０４、ｎ型ＧａＡｓ層、ｎ型ＩｎＧａＰ層、または、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層からなる第１コンタクト層２１１、不純物がドーピングされていないＧａＡｓ層からなる光吸収層２１２、およびｐ型ＩｎＧａＰ層またはｐ型ＡｌＧａＡｓ層からなる第２コンタクト層２１３からなる。これらの層を順に半導体基板２０１上に積層させることにより、半導体多層膜２５０が形成される。

なお、ｐ型ＩｎＧａＰ層またはｐ型ＡｌＧａＡｓ層の上に、ｐ型ＧａＡｓ層を積層し、第２コンタクト層２１３を、ｐ型ＩｎＧａＰ層またはｐ型ＡｌＧａＡｓ層の上に、ｐ型ＧａＡｓ層が積層した積層膜とすることもできる。これにより、コンタクト抵抗をより小さくすることができる。

エピタキシャル成長を行う際の温度は、成長方法や原料、半導体基板２０１の種類、あるいは形成する半導体多層膜２５０の種類、厚さ、およびキャリア密度によって適宜決定されるが、一般に、４５０℃〜８００℃であるのが好ましい。また、エピタキシャル成長を行う際の所要時間も、温度と同様に適宜決定される。また、エピタキシャル成長させる方法としては、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法、あるいはＬＰＥ法などを用いることができる。

（２）次に、図１２に示すように、第２コンタクト層２１３を形成する。まず、半導体多層膜２５０上にレジスト（図示せず）を塗布した後、リソグラフィ法により該レジストをパターニングすることにより、所定のパターンのマスク層２２２が形成される。

次いで、マスク層２２２をマスクとして、ウェットエッチング法により、第２コンタクト層２１３をエッチングする。これにより、第２コンタクト層２１３が形成される。ウェットエッチング法に用いられるエッチャントとしては、例えば、第２コンタクト層２１３がＩｎＧａＰからなる場合には、ＨＣｌと水との混合液、および、塩化水素（ＨＣｌ）とリン酸（Ｈ_３ＰＯ_４）と水との混合液などを用いることができる。また、例えば、第２コンタクト層２１３がＡｌＧａＡｓ層からなる場合には、リン酸（Ｈ_３ＰＯ_４）と過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）と水との混合液などを用いることができる。

次に、図１２に示すように、マスク層２２２および第２コンタクト層２１３をマスクとして、ウェットエッチング法により、光吸収層２１２をエッチングする。これにより、光吸収層２１２が形成される。ウェットエッチング法に用いられるエッチャントとしては、光吸収層２１２がエッチングされやすく、第２コンタクト層２１３がエッチングされにくいものを用いることができる。具体的には、例えば、第２コンタクト層２１３がＩｎＧａＰからなる場合には、リン酸（Ｈ_３ＰＯ_４）と過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）と水との混合液などを用いることができる。また、例えば、第２コンタクト層２１３がＡｌＧａＡｓ層からなる場合には、クエン酸と過酸化水素と水との混合液、および、アンモニア水（ＮＨ_４ＯＨ）と過酸化水素と水との混合液などを用いることができる。

このエッチング工程では、水平方向（ｘ−ｙ方向）にもエッチングが進行するため、図１２に示すように、光吸収層２１２はサイドエッチングされる。その結果、第２コンタクト層２１３を、光吸収層２１２に対してオーバーハングさせることができる。

このエッチング工程において、例えば、第１コンタクト層２１１を第２コンタクト層２１３と同じ材料にすることにより、垂直方向（−ｚ方向）のエッチング量に影響されずに、水平方向（ｘ−ｙ方向）のエッチング量を決定することができる。次いで、マスク層２２２を除去する。

（３）次いで、図１３に示すように、公知のリソグラフィ技術を用いて第１コンタクト層２１１をパターニングすることにより、所望の形状を有する第１コンタクト層２１１を形成する。これにより受光部２２０が形成される。この受光部２２０は、第２コンタクト層２１３、光吸収層２１２および第１コンタクト層２１１を含む。

次いで、図１３に示すように、公知のリソグラフィ技術を用いて第２ミラー２０４、活性層２０３、および第１ミラー２０２の一部をパターニングすることにより、所望の形状を有する第１柱状部２３０を形成する。これにより半導体基板２０１上に、第１柱状部２３０を含む発光部２４０が形成される。

以上の工程により、発光部２４０と、受光部２２０との積層体が形成される。なお、本実施の形態においては前述したように、受光部２２０をまず形成した後に発光部２４０を形成する場合について説明したが、発光部２４０を形成した後に受光部２２０を形成してもよい。

（４）次いで、例えば４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、上記工程によって受光部２２０および発光部２４０が形成された半導体基板２０１を投入することにより、第２ミラー２０４中のＡｌ組成が高い層を側面から酸化して、電流狭窄層２０５が形成される（図１３参照）。

（５）次いで、図９および図１０に示すように、第２ミラー２０４の上面２０４ａ上に第２電極２０９が形成され、受光部２２０の上面（第２コンタクト層２１３の上面２１３ａ）上に第４電極２１０が形成される。次いで、図９および図１０に示すように、第１コンタクト層２１１の上面２１１ａ上に第３電極２１６が形成される。次いで、図９に示すように、半導体基板２０１の裏面２０１ｂ上に第１電極２０７が形成される。

次いで、例えば窒素雰囲気中において、アニール処理を行う。次いで、図９および図１０に示すように、第２電極２０９の上面、並びに、第３電極２１６の上面および側面の上に接続電極２１７が形成される。以上の工程により、図９および図１０に示すように、第１電極２０７、第２電極２０９、第３電極２１６、第４電極２１０、および接続電極２１７が形成される。

以上の工程により、図９および図１０に示すように、本実施の形態に係る光素子２００が得られる。

２−４．作用・効果
本実施の形態に係る光素子２００によれば、第２コンタクト層２１３の上面の面積は、光吸収層２１２の上面の面積以上である。より具体的には、第２コンタクト層２１３は、図９に示すように、光吸収層２１２に対してオーバーハングしている。発光部２４０で生じた光は、第２ミラー２０４の上面２０４ａから上方向に出射され、水平方向（ｘ−ｙ方向）に拡がっていく。本実施の形態に係る光素子２００によれば、第２コンタクト層２１３が光吸収層２１２に対してオーバーハングしていない場合に比べ、発光部から出射される光は、第４電極２１０によって遮られることがない。これにより、発光部から出射される光を、より多く出入斜面２０８から出射させることができる。その結果、出入射面２０８から出射される光の出力を、より正確にモニタすることができる。

また、本実施の形態に係る光素子２００を光導波路（例えば光ファイバなど）と接続する際（例えば、第４の実施の形態の項を参照）に、光素子２００の外部からの光信号を、より効率的に検知するためには、出入射面２０８の面積を大きくする必要がある。例えば、第２コンタクト層２１３が光吸収層２１２に対してオーバーハングしていない場合、出入射面２０８の面積を大きくするには、光吸収層２１２の下面の面積を大きくする必要がある。そして、光吸収層２１２の下面の面積を大きくするためには、発光部２４０、より具体的には第１柱状部２３０におけるｘ−ｙ断面の面積を大きくする必要がある。本実施の形態に係る光素子２００によれば、第２コンタクト層２１３が光吸収層２１２に対してオーバーハングしているので、光吸収層２１２の下面を大きくすることなく、出入射面２０８の面積を大きくすることができる。すなわち、第１柱状部２３０におけるｘ−ｙ断面の面積を大きくする必要がない。従って、本実施の形態に係る光素子２００によれば、発光部２４０の特性を低下させることなく、かつ、発光部２４０の良品率を低下させることなく、光素子２００の外部からの光信号を、より効率的に検知することができる。

また、本実施の形態に係る光素子２００によれば、第２コンタクト層２１３が光吸収層２１２に対してオーバーハングしている。これにより、第２コンタクト層２１３が光吸収層２１２に対してオーバーハングしていない場合に比べ、出入射面２０８の面積を大きくすることができる。その結果、本実施の形態に係る光素子２００を光導波路と接続する際に、第２コンタクト層２１３が光吸収層２１２に対してオーバーハングしていない場合に比べ、光導波路との結合効率を向上させることができる。そして、光素子２００と光導波路との位置合わせを容易に行うことができる。

本実施の形態に係る光素子２００の製造方法によれば、少なくとも第２コンタクト層２１３をマスクとして用いて、光吸収層２１２をサイドエッチングすることができる。これにより、第２コンタクト層２１３が光吸収層２１２に対してオーバーハングしている光素子２００を提供することができる。

３．第３の実施の形態
図１４は、本発明を適用した第３の実施の形態に係る光素子６００を模式的に示す断面図である。本実施の形態に係る光素子６００は、第１の実施の形態と第２の実施の形態とを組み合わせたものである。図１４は、第１の実施の形態における図１に示す断面図、および、第２の実施の形態における図９に示す断面図に対応している。なお、本実施の形態に係る光素子６００において、第１および第２の実施の形態に係る光素子１００、２００の構成要素「１ＸＸ」、「２ＸＸ」と類似する構成要素を「６ＸＸ」と示す。すなわち、「６ＸＸ」は、第１および第２の実施の形態に係る光素子１００、２００の「１ＸＸ」、「２ＸＸ」と同様の構成要素を表しており、基本的に同様の材質からなるため、その説明については省略する。

本実施の形態に係る光素子６００の製造方法は、まず、第２の実施の形態に係る光素子２００の製造方法と同様に、半導体多層膜を形成する（図１１参照）。次に、第１の実施の形態に係る光素子１００の製造方法と同様に、マスク層を形成する（図７参照）。次に、第２の実施の形態に係る光素子２００の製造方法と同様に、第２コンタクト層および光吸収層をエッチングする（図１２参照）。その後の工程については、第１および第２の実施の形態に係る光素子１００、２００の製造方法と同様である。

本実施の形態に係る光素子６００によれば、第１の実施の形態における作用・効果の項で述べた作用・効果と、実質的に同じ作用および効果を有し、さらに、第２の実施の形態における作用・効果の項で述べた作用・効果と、実質的に同じ作用および効果を有する。

４．第４の実施の形態
図１５は、本発明を適用した第４の実施の形態に係る光モジュール５００を模式的に示す図である。この光モジュール５００は、光素子４００（第１光素子４００ａ，第２光素子４００ｂ）と、半導体チップ３２と、光導波路（光ファイバ３０）とを含む。光素子４００は、受光部３２０が、発光部３４０から出射する光を電流に変換する機能と、出入射面３０８から受光部３２０へと入射する光を電流に変換する機能とを有する。以下、第１光素子４００ａおよび第２光素子４００ｂの共通の構造または機能に関する記載については、「４００」として説明する。

４−１．光モジュールの構造
光モジュール５００においては、図１５に示すように、光ファイバ３０の端面３０ａ，３０ｂにそれぞれ第１および第２光素子４００ａ，４００ｂが設けられている。この第１および第２光素子４００ａ，４００ｂは同じ構造を有する。第１および第２光素子４００はそれぞれ、発光部３４０および受光部３２０を含む。発光部３４０および受光部３２０を構成する各層は、電極の設置位置を除いて、図１〜図３に示す光素子１００の発光部１４０および受光部１２０とほぼ同様の構成を有する。なお、図１５においては、発光部３４０および受光部３２０を構成する各層の表示が省略されており、また、受光部３２０の形状が簡略化して記載されている。

図１５に示す光素子４００においては、第１電極３０７および接続電極３１７が発光部３４０を駆動させるために機能し、接続電極３１７および第４電極３１０が受光部３２０を駆動させるために機能する。また、第４電極３１０のうち受光部３２０上に位置する領域の一部に開口部３１４が設けられている。この開口部３１４によって露出した受光部１２０の上面が出入射面３０８である。

第１電極３０７、第４電極３１０、および、接続電極３１７はそれぞれ、一部が絶縁層３０６上に設けられている。絶縁層３０６は例えば、ポリイミド樹脂、フッ素系樹脂、アクリル樹脂、またはエポキシ樹脂等の樹脂、あるいは窒化シリコン、酸化シリコン、酸化窒化シリコン等の絶縁材料であることが望ましい。

第１および第２光素子４００ａ，４００ｂはそれぞれ、受光素子または発光素子として機能する。この光モジュール５００では双方向通信が可能である。第１光素子４００ａが発光素子として機能し、第２光素子４００ｂが受光素子として機能する場合、第１光素子４００ａの発光部３４０にて生じた光が出入射面３０８を出射する。その後、出入射面３０８から出射した前記光は、光ファイバ３０の端面３０ａに入射する。この入射光は光ファイバ３０内を伝搬して端面３０ｂから出射し、第２光素子４００ｂの出入射面３０８に入射した後、第２光素子４００ｂの受光部３２０にて吸収される。

あるいは、第１光素子４００ａが受光素子として機能し、第２光素子４００ｂが発光素子として機能する場合、第２光素子４００ｂの発光部３４０にて生じた光が出入射面３０８を出射する。その後、出入射面３０８から出射した前記光は、光ファイバ３０の端面３０ｂに入射する。この入射光は光ファイバ３０内を伝搬して端面３０ａから出射し、第１光素子４００ａの出入射面３０８に入射した後、第１光素子４００ａの受光部３２０にて吸収される。

第１光素子４００ａは、光ファイバ３０の端面３０ａとの相対的な位置が固定された状態となっており、第２光素子４００ｂは、光ファイバ３０の端面３０ｂとの相対的な位置が固定された状態となっている。また、第１光素子４００ａの出入射面３０８は光ファイバ３０の端面３０ａと対向しており、第２光素子４００ｂの出入射面３０８は光ファイバ３０の端面３０ｂと対向している。

半導体チップ３２は、光素子４００を駆動するために設置されている。すなわち、半導体チップ３２には、光素子４００を駆動するための回路が内蔵されている。半導体チップ３２上には、内部の回路に電気的に接続された複数の配線パターン２４，３４，６４が設けられている。

半導体チップ３２と光素子４００とは電気的に接続されている。例えば、第１電極３０７と配線パターン２４とがハンダ２６を介して電気的に接続されている。また、接続電極３１７と配線パターン６４とがハンダ２６を介して電気的に接続されている。さらに、第４電極３１０と配線パターン３４とがハンダ２６を介して電気的に接続されている。

光素子４００は、半導体チップ３２に対してフェースダウン実装させることができる。こうすることで、ハンダ２６によって電気的な接続を行えるのみならず、光素子４００と半導体チップ３２とを固定することができる。なお、上記各電極と配線パターンとの接続に、ハンダ２６を用いるかわりに、ワイヤを使用したり、あるいは導電ペーストを用いたりしてもよい。

また、図１５に示すように、光素子４００と半導体チップ３２との間を、樹脂５６を用いて固定することができる。すなわち、樹脂５６は光素子４００と半導体チップ３２との接合状態を保持する機能を有する。

半導体チップ３２には、穴（例えば貫通穴）２８が設けられている。光ファイバ３０はこの穴２８に挿入されている。この穴２８は、内部の回路を避けて、半導体チップ３２の配線パターン２４，３４，６４が設置されている面からその反対側の面に至るまで設けられている。なお、穴２８の少なくとも一方の開口端部に、テーパ（図示せず）を設けてもよい。テーパを形成することで、穴２８に光ファイバ３０を挿入しやすくなる。

なお、本実施の形態においては、光素子４００として第１の実施の形態に係る光素子１００を適用した例について説明したが、光素子４００として、第２の実施の形態に係る光素子２００および第３の実施の形態に係る光素子３００のうちの少なくとも一方を適用することもできる。

４−２．光モジュールの駆動方法
次に、図１５に示す光モジュール５００の駆動方法について、図１６を参照して説明する。図１６は、図１５に示す光素子４００の駆動回路（要部）の一例を模式的に示す図である。

図１５に示す光モジュール５００では、第１光素子４００ａと第２光素子４００ｂとの間において、時分割によって光送信と光受信とを切り替えるように制御が行なわれる。前述したように、第１光素子４００ａが発光素子として機能するときは、第１光素子４００ａで発生した光を第２光素子４００ｂが受光するように制御が行なわれ、第２光素子４００ｂが発光素子として機能するときは、第２光素子４００ｂで発生した光を第１光素子４００ａが受光するように制御が行なわれる。また、時分割は、ドライバＩＣ４０およびスイッチング回路４２にそれぞれ入力されるクロック５４，５５によって制御される。

光素子４００の駆動回路は、図１６に示すように、ドライバＩＣ４０と、スイッチング回路４２と、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）４４とを含む。図１６に示す駆動回路は１つの光素子４００毎に設置される。また、光素子４００においては、発光部３４０に順バイアスを、受光部３２０に逆バイアスを印加することができる。

ドライバＩＣ４０は光素子４００の発光部３４０の一方の電極と電気的に接続され、スイッチング回路４２は光素子４００の受光部３２０の一方の電極と電気的に接続されている。一方、図１６に示すように、発光部３４０の他方の電極および受光部３２０の他方の電極は接地されている。さらに、受光部３２０の一方の電極に逆バイアスが印加される。ＴＩＡ４４はスイッチング回路４２に電気的に接続されている。

ドライバＩＣ４０は、光素子４００の発光部３４０を駆動させるために設けられている。具体的には、送信信号５８がドライバＩＣ４０に入力されている間は、発光部３４０で生じた光が出射する。また、発光部３４０が駆動している間、受光部３２０は、発光部３４０で生じた光の出力をモニタすることができる。以下、図１６を参照しながら、発光部３４０の駆動時における回路の動作をより具体的に説明する。まず、送信信号５８がドライバＩＣ４０に入力されると、ドライバＩＣ４０は発光部３４０の駆動を開始する。そして、送信信号５８がドライバＩＣ４０に入力されている間、受光部３２０によって、発光部３４０で生じた光の出力が検知される。検知された光出力は、スイッチング回路４２により、ＡＰＣ入力５２としてドライバＩＣ４０へと入力される。

一方、送信信号５８がドライバＩＣ４０に入力されていない間は、光ファイバ３０の端面３０ａから出射された光が、光素子４００の出入射面３０８に入射する。具体的には、光素子４００に送信信号５８が入力されていない間は、スイッチング回路４２はＴＩＡ４４側に切り替わる（図１６参照）。このＴＩＡ４４は受信信号５０を増幅する機能を有する。

以上に説明したように、本実施の形態の光モジュール５００においては、第１光素子４００ａが発光状態であるときに第２光素子４００ｂが受光状態となり、第１光素子４００ａが受光状態であるときに第２光素子４００ｂが発光状態となるように、第１および第２光素子４００ａ，４００ｂを時分割により制御することができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について述べたが、本発明はこれらに限定されず、各種の態様を取りうる。例えば、上記実施の形態では、発光部がＡｌＧａＡｓ系のものについて説明したが、発振波長に応じてその他の材料系、例えば、ＡｌＧａＰ系、ＧａＩｎＰ系、ＺｎＳＳｅ系、ＩｎＧａＮ系、ＡｌＧａＮ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮＡｓ系、ＧａＡｓＳｂ系などの半導体材料を用いることも可能である。

また、上述の実施の形態では、基板にｎ型ＧａＡｓ基板を用いる例について述べたが、例えば、基板に絶縁性または半絶縁性の基板を用いることもできる。これにより、寄生容量が低減され、より高速に光素子を動作させることができる。絶縁性の基板としては、例えば、サファイアなどを用いることができる。半絶縁性の基板としては、例えば、アンドープのＧａＡｓなどを用いることができる。

第１の実施の形態に係る光素子を模式的に示す断面図。第１の実施の形態に係る光素子を模式的に示す断面図。第１の実施の形態に係る光素子を模式的に示す平面図。第１の実施の形態に係る光素子の要部を模式的に示す図。第１の実施の形態に係る光素子の要部を模式的に示す図。第１の実施の形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。第１の実施の形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。第１の実施の形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。第２の実施の形態に係る光素子を模式的に示す断面図。第２の実施の形態に係る光素子を模式的に示す平面図。第２の実施の形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。第２の実施の形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。第２の実施の形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。第３の実施の形態に係る光素子を模式的に示す断面図。第４の実施の形態に係る光モジュールを模式的に示す断面図。図１５に示す光素子の駆動回路の一例を模式的に示す図である。

符号の説明

２４配線パターン、２６ハンダ、３０光ファイバ、３２半導体チップ、３４配線パターン、４２スイッチング回路、５０受信信号、５２入力、５６樹脂、５８送信信号、６４配線パターン、１００光素子、１０１基板、１０２第１ミラー、１０３活性層、１０４第２ミラー、１０５電流狭窄層、１０７第１電極、１０８出入射面、１０９第２電極、１１０第４電極、１１１第１コンタクト層、１１２光吸収層、１１３第２コンタクト層、１１４開口部、１１６第３電極、１１７接続電極、１２０受光部、１２２マスク層、１３０第１柱状部、１３２第２柱状部、１４０発光部、１５０半導体多層膜、２００光素子、２０１基板、２０２第１ミラー、２０４第２ミラー、２０５電流狭窄層、２０７第１電極、２０８出入射面、２０９第２電極、２１０第４電極、２１１第１コンタクト層、２１２光吸収層、２１３第２コンタクト層、２１４開口部、２１６第３電極、２１７接続電極、２２０受光部、２２２マスク層、２３０第１柱状部、２４０発光部、２５０半導体多層膜、３０６絶縁層、３０７第１電極、３０８出入射面、３１０第３電極、３１４開口部、３１７接続電極、３２０受光部、３４０発光部、４００光素子、５００光モジュール、６００光素子

Claims

基板の上方に、該基板側から配置された、第１半導体層と、活性層と、第２半導体層と、を含む発光部と、
前記発光部の上方に、該発光部側から配置された、第１コンタクト層と、光吸収層と、第２コンタクト層と、を含む受光部と、を含み、
前記光吸収層の上面の面積は、該光吸収層の下面の面積以上であり、
前記第２コンタクト層の上面の面積は、前記光吸収層の上面の面積以上である、光素子。
請求項１において、
前記光吸収層における前記基板の主表面に平行な断面の面積は、該断面の位置が上になるにつれて大きくなる、光素子。
請求項１または２において、
前記基板は、（１００）面を主表面とし、
前記第２コンタクト層および前記光吸収層の平面形状は多角形であり、
前記第２コンタクト層および前記光吸収層の平面形状の各辺は、［０１１］方向、［０１０］方向、または、［００１］方向のいずれかに平行である、光素子。
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記第２コンタクト層は、前記光吸収層に対してオーバーハングしている、光素子。
請求項４において、
前記第２コンタクト層の上方に、該第２コンタクト層と電気的に接続された電極を有し、
前記第２コンタクト層の上面のうちの前記電極に覆われていない部分の面積は、前記光吸収層の上面の面積以上である、光素子。
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記発光部は、面発光型半導体レーザとして機能し、
前記第１半導体層は、第１ミラーであり、
前記第２半導体層は、第２ミラーである、光素子。
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記発光部は、発光ダイオードとして機能し、
前記第１半導体層は、第１導電型であり、
前記第２半導体層は、第２導電型である、光素子。
発光部および受光部を含む光素子の製造方法であって、
基板の上方に、少なくとも、第１半導体層、活性層、第２半導体層、第１コンタクト層、光吸収層、および第２コンタクト層を構成するための半導体層を積層する工程と、
前記半導体層をエッチングすることにより、前記第２コンタクト層を形成する工程と、
前記半導体層をエッチングすることにより、前記光吸収層を形成する工程と、
前記半導体層をエッチングすることにより、前記第１コンタクト層を形成する工程と、
前記半導体層をエッチングすることにより、少なくとも前記第２半導体層の一部を含む柱状部を形成する工程と、を含み、
前記光吸収層の上面の面積が、該光吸収層の下面の面積以上となり、
前記第２コンタクト層の上面の面積が、前記光吸収層の上面の面積以上となるように形成する、光素子の製造方法。
請求項８において、
前記基板は、（１００）面を主表面とするものを用い、
前記第２コンタクト層を形成する工程において、マスク層をマスクとして用いて、前記半導体層をエッチングし、
前記マスク層の平面形状は多角形であり、
前記マスク層の平面形状の各辺は、［０１１］方向、［０１０］方向、または、［００１］方向のいずれかに平行である、光素子の製造方法。
請求項８または９において、
前記光吸収層を形成する工程において、少なくとも前記第２コンタクト層をマスクとして用いて、前記半導体層をサイドエッチングする、光素子の製造方法。