JP2006066482A - 面発光型半導体レーザ素子およびその製造方法、並びに光学ユニットおよび光学モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電極配線に断線が生ずる虞がなく、製造時間を短縮することができると共に、歩留まり低下を防止でき、信頼性を向上させることのできる面発光型の半導体レーザ素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】
基板１１上に、円柱部Ｃ１，Ｃ２および角柱部Ｓ１からなるメサ部１０が形成されている。メサ部１０上にはｐ側電極層２０が設けられている。ｐ側電極層２０は、ｐ側電極コンタクト層１８と電気的に接続される接続部２０Ａ、ワイヤボンディング用のパッド部２０Ｂ、および接続部２０Ａとパッド部２０Ｂとを電気的に接続するための配線部２０Ｃにより構成され、接続部２０Ａには光を射出するための開口部２０Ｄが設けられている。接続部２０Ａは円柱部Ｃ１、パッド部２０Ｂは円柱部Ｃ２、配線部２０Ｃは角柱部Ｓ１上にそれぞれ設けられている。開口部２０Ｄに対向する領域内にのみ電流注入領域（ＡｌＡｓ層）１７Ａが存在している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電流狭窄層を有する面発光型半導体レーザ素子およびその製造方法に係り、特に、ＡｌＡｓ（アルミニウム・ヒ素）層の選択酸化により形成される電流狭窄層を有する面発光型半導体レーザ素子およびその製造方法、並びにその面発光型半導体レーザ素子を有する光学ユニットおよびその面発光型半導体レーザ素子を用いて電気信号を光信号に変換する機能と、光電変換素子を用いて光信号を電気信号に変換する機能とを兼ね備えた光学モジュールに関する。

面発光型半導体レーザ素子は、従来のファブリペロー共振器型半導体レーザ素子とは異なり、基板面に対して直交する方向に光を出射するものであり、同じ基板上に２次元アレイ状に多数の素子を配列することが可能であることから、近年、データ通信分野で注目されている。この面発光型半導体レーザ素子では、一般に、ＡｌＡｓ層の選択酸化により電流狭窄構造が設けられている。

面発光型半導体レーザ素子は、ＧａＡｓやＩｎＰといった半導体基板上に１対の半導体多層膜反射鏡（例えば、ＧａＡｓ系ではＡｌ（Ｇａ）Ａｓ／ＡｌＧａＡｓ等）を形成し、その対の反射鏡の間に発光領域となる活性層を有するレーザ構造部を備えたものである。そして、電流効率を高め、しきい値電流を下げるために、Ａｌ酸化層で電流狭窄構造を構成した酸化狭窄型の面発光型半導体レーザ素子が提案されている。例えば、ＧａＩｎＮＡｓ系材料は、ＧａＡｓ基板上に形成できるので、熱伝導率が良好で、反射率の高いＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲミラー層を用いることができ、１．２μｍ〜１．６μｍの長波長域の光を発光できる面発光型半導体レーザ素子として有望視されている。

図１５〜１７は、このような電流狭窄構造を有する従来の８５０ｎｍ帯の面発光型半導体レーザ素子の平面図、斜視図および断面図を表したものである。この半導体レーザ素子１１０は、ｎ型ＧａＡｓからなる基板１１１上に、それぞれの層の厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｎ型Ａｌ0.9 ＧａＡｓ／ｎ型Ａｌ0.2 ＧａＡｓの３５ペアからなる下部ＤＢＲミラー層１１２、ｎ型Ａｌ0.7 ＧａＡｓからなる下部クラッド層１１３、ＧａＩｎＡｓからなる活性層１１４、ｐ型Ａｌ0.7 ＧａＡｓ上部クラッド層１１５、およびそれぞれの層の厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｐ型Ａｌ0.9 ＧａＡｓ／ｐ型Ａｌ0.2 ＧａＡｓの２５ペアからなる上部ＤＢＲミラー層１１６、ｐ型電極コンタクト層１１８、絶縁層１１９、ｐ側電極層１２０およびｎ側電極層１２１を備えている。

上部ＤＢＲミラー層１１６のうち、活性層１１４に近い側の一層はＡｌ0.9 ＧａＡｓ層に代わってＡｌＡｓ層１１７Ａで形成されており、このＡｌＡｓ層１１７Ａの電流注入領域以外の外周領域のＡｌ（アルミニウム）が選択的に酸化されることによりＡｌ酸化層１１７Ｂからなる電流狭窄層１１７を構成している。

ところで、このような多層膜からなる従来の酸化層狭窄型の半導体レーザ素子１１０では、このＡｌＡｓ層１１７Ａの電流注入領域以外の外周領域のＡｌを選択的に酸化するために、多層膜をエッチングして円筒状のメサ構造に加工する。このメサ構造は、一般的には、上面は直径４０μｍ程度と小さく、かつ電極部分の中央部に光を出射するための開口部１２０Ｄが設けられ、この開口部１２０Ｄで露出したｐ型電極コンタクト層１１８の面積も非常に小さい。ここで、このｐ型電極コンタクト層１１８と接続したｐ側電極層１２０をカンパッケージの端子ピン（図示せず）と電気的に接続させる必要があるが、ｐ側電極層１２０のｐ型電極コンタクト層１１８との接続部１２０Ａに直接ワイヤボンディングを行うことができず、ｐ側電極層１２０を延長してメサ構造上面以外の場所にワイヤボンディング用の電極パッド１２０Ｂを設けている。

しかしながら、このメサ構造は高さが４〜６μｍあり、側面は略垂直に切り立っており、他の構造物から孤立しているので、その上面にある接続部１２０Ａからその上面以外に設けた電極パッド１２０Ｂまで配線する際にこのメサ構造の側面を介する必要がある。その結果、この電極配線１２０Ｃを形成する際に、この電極配線１２０Ｃが断線しやすいという問題が生じていた。その解決方法としては、（１）メサ構造をポリイミドなどの樹脂で埋め込むことで、メサ構造上の接続部１２０Ａと電極パッド１２０Ａとの間にあった段差をスロープ状にする（特許文献１参照）、（２）電極配線１２０Ｃの成膜を付き回りが良好な手法、例えばめっきにより行う、などが挙げられる。
特開２００３−８１４２号公報

しかしながら、電極配線の断線防止のために、上述の方法を用いると、製造工程が増え、完成までの期間が長くなるという問題があった。更に、（１）の方法においては、使用する樹脂の長期信頼性の問題もある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、製造工程を増加することなく電極配線の断線を防止することができ、製造歩留まりを向上させることができる、信頼性の向上した面発光型半導体レーザ素子およびその製造方法並びに光学ユニットおよび光学モジュールを提供することにある。

本発明の面発光型半導体レーザ素子は、以下の構成要素（Ａ）〜（Ｃ）を備えた構成を有するものである。
（Ａ）基板上に、少なくとも活性層、電流狭窄層および電極コンタクト層を含む半導体層を積層して構成され、実質的に平坦面を有するメサ部
（Ｂ）メサ部の平坦面上に形成されると共に、電極コンタクト層と電気的に接続される接続部、ワイヤボンディング用のパッド部、接続部とパッド部とを電気的に接続するための配線部および光を射出するための開口部を有する電極層
（Ｃ）電流狭窄層は、電流狭窄領域と共に、前記開口部に対向する位置に電流注入領域を有すること
なお、「実質的に平坦面」とは、必ずしも厳密に平坦であることを意味するものではなく、電極コンタクト層の表面に、例えば電極層の膜厚より薄いものであれば、複数の段差があっても構わない。このことから、メサ部上の電極層も電極コンタクト層と同様にほぼ平坦になるので、電極層の膜厚が局所的に極端に薄くなるようなことはない。

メサ部の具体的な形状としては、以下の態様が考えられる。
（１）電極層の接続部およびパッド部それぞれに対応して第１円柱部および第２円柱部を有し、第２円柱部の径が第１円柱部のそれよりも小さい場合。
具体的には、電流狭窄層の電流狭窄領域は、メサ部を形成した後に、ＡｌＡｓ層の選択酸化により形成されたものであり、そのときの酸化距離をｄｏとすると、第１円柱部の半径はｄｏより大きく、第２円柱部の半径はｄｏ以下の大きさを有している。
（２）電極層の接続部およびパッド部それぞれに対応して第１円柱部および第２円柱部を有し、前記第２円柱部の径が第１円柱部の径と同じ、あるいはそれよりも大きく、かつ第２の円柱部が積層方向に貫通する少なくとも１つの空孔を有する場合。
具体的には、電流狭窄層の電流狭窄領域は、メサ部を形成した後にＡｌＡｓ層の選択酸化により形成されたものであり、第２円柱部の電流狭窄層は、メサ部の外部からだけではなく、空孔の内部からも酸化されてすべてＡｌ酸化層となる。
（３）電極層の接続部およびパッド部それぞれに対応して円柱部および平面形状が矩形の角柱部を有し、前記角柱部の面積が円柱部の面積よりも大きく、かつ角柱部が積層方向に貫通する少なくとも１つの空孔を有する場合。
この場合も具体的には、（２）と同様に、電流狭窄層の電流狭窄領域が、メサ部を形成した後にＡｌＡｓ層の選択酸化により形成されたものであり、角柱部の電流狭窄層は、メサ部の外部からだけではなく、空孔の内部からも酸化されてすべてＡｌ酸化層となる。

また、本発明の面発光型半導体レーザ素子の製造方法は、以下の工程（Ａ）〜（Ｃ）を含むものである。
（Ａ）基板上に、少なくとも活性層、電流狭窄層および電極コンタクト層を含む半導体層を積層したのち、エッチングにより、実質的に平坦面を有するメサ部を形成する工程
（Ｂ）メサ部の平坦面上に電極層を形成したのち、前記電極層のリフトオフや選択エッチングにより電極コンタクト層と電気的に接続される接続部、ワイヤボンディング用のパッド部、接続部とパッド部とを電気的に接続するための配線部を形成すると共に、光を射出するための開口部を形成する工程
（Ｃ）電流狭窄層を選択酸化することにより、電流狭窄領域を形成する共に、開口部に対向する位置に電流注入領域を設ける工程

具体的には、メサ部の形状に応じて、以下の態様が考えられる。
（１）電極層の接続部およびパッド部それぞれに対応して第１円柱部および第２円柱部を設け、第２円柱部の径を第１円柱部のそれよりも小さくする場合には、電流狭窄層の電流狭窄領域を、メサ部を形成した後にＡｌＡｓ層の選択酸化により形成するものとし、そのときの酸化距離をｄｏとすると、第１円柱部の半径をｄｏより大きく、第２円柱部の半径をｄｏ以下の大きさとする。
（２）電極層の接続部およびパッド部それぞれに対応して第１円柱部および第２円柱部を設け、第２円柱部の径を第１円柱部の径と同じ、あるいはそれよりも大きくする場合には、第２の円柱部に積層方向に貫通する少なくとも１つの空孔を形成する。このとき、第２円柱部の電流狭窄層は、メサ部の外部からだけではなく、空孔の内部からも同時に酸化されてすべて電流狭窄領域となる。
（３）電極層の接続部およびパッド部それぞれに対応して円柱部および平面形状が矩形の角柱部を設け、角柱部の面積を円柱部の面積よりも大きくする場合には、角柱部に積層方向に貫通する少なくとも１つの空孔を形成する。このとき、角柱部における電流狭窄層は、（２）と同様に、メサ部の外部からだけではなく、空孔の内部からも同時に酸化されてすべて電流狭窄領域となる。

本発明の面発光型半導体レーザ素子の製造方法では、接続部、パッド部および配線部を含む電極層の全体がメサ部上に形成されるので、メサ部の表面積が大きくなるが、エッチングによりメサ部を形成する際に同時に、パッド部に対応する第２円柱部（あるいは角柱部）に１または２以上の空孔を形成しておくことにより、電流狭窄層を酸化して電流狭窄領域を形成する際に、空孔の内部からも酸化され、発光用の開口部に対向する領域（電流注入領域）以外の領域に未酸化領域ができるようなことがなくなる。

本発明の面発光型半導体レーザ素子およびその製造方法によれば、面積の大きいメサ部を形成し、このメサ部上に、外部端子と接続されるパッド部を、電極コンタクト層に接続される接続部および配線部と共に形成するようにしたので、電極層に断線が生ずる虞がなくなる。従って、電極配線の断線防止のための前述のような製造工程が不要となり、製造時間を短縮することができると共に、電極配線の断線による歩留まり低下を防止でき、信頼性を向上させることができる。よって、この面発光型半導体レーザ素子を用いて光学ユニットおよび光学モジュール等を構成することにより、それぞれ信頼性が向上するものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

〔第１の実施の形態〕
図１〜図３は、本発明の第１の実施の形態に係る酸化層狭窄型の面発光型半導体レーザ素子１の平面図、斜視図、断面図をそれぞれ表したものである。この面発光型の半導体レーザ素子１は、基板１１の上面に、下部ＤＢＲミラー層１２，下部クラッド層１３，活性層１４，上部クラッド層１５、上部ＤＢＲミラー層１６およびｐ側電極コンタクト層１８の各半導体層をこの順に積層したのち、エッチングによりメサ部１０としたものである。

ここで、メサ部１０は、例えば２つの円柱部を角柱でつないだ形状となっており、その２つの円柱部のうち後述の電流注入領域（アルミニウム・ヒ素（ＡｌＡｓ）層１７Ａ）を有する円柱部Ｃ１の直径は例えば４０μｍとなっており、他方の円柱部Ｃ２の直径は３５μｍとなっている。また、積層方向における厚さ（以下、単に厚さという）は、例えば４〜６μｍ程度となっている。

基板１１、下部ＤＢＲミラー層１２、下部クラッド層１３、活性層１４、上部クラッド層１５および上部ＤＢＲミラー層１６は、ガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）系の化合物半導体によりそれぞれ構成されている。なお、ＧａＡｓ系化合物半導体とは、短周期型周期表における３Ｂ族元素のうち少なくともガリウム（Ｇａ）と、短周期型周期表における５Ｂ族元素のうち少なくともヒ素（Ａｓ）とを含む化合物半導体のことをいう。

基板１１は、例えば厚さが１００μｍであり、ケイ素（Ｓｉ）あるいはセレン（Ｓｅ）などのｎ型不純物を添加したｎ型ＧａＡｓにより構成されている。

下部ＤＢＲミラー層１２は、例えばそれぞれの層の厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｎ型Ａｌ0.9 ＧａＡｓ／ｎ型Ａｌ0.2 ＧａＡｓの３５ペアにより構成されている。下部クラッド層１３は、例えば厚さが０．１μｍであり、ＳｉあるいはＳｅなどのｎ型不純物を添加したｎ型Ａｌ0.7 ＧａＡｓにより構成されている。

活性層１４は、例えば厚さが３０ｎｍとなっており、不純物を添加しないＧａＩｎＮＡｓにより構成されている。この活性層１４は、電流が注入される電流注入領域１４Ａと、この電流注入領域１４Ａ以外の非電流注入領域１４Ｂとを有している。

上部クラッド層１５は、例えば厚さが０．１μｍであり、亜鉛（Ｚｎ）またはマグネシウム（Ｍｇ）などのｐ型不純物を添加したｐ型Ａｌ0.7 ＧａＡｓにより構成されている。

上部ＤＢＲミラー層１６は、例えばそれぞれの層の厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｐ型Ａｌ0.9 ＧａＡｓ／ｐ型Ａｌ0.2 ＧａＡｓの２５ペアにより構成されている。なお、上部ＤＢＲミラー層１６において、上部クラッド層１５に最も近い１ペア目のｐ型Ａｌ0.9 ＧａＡｓ層の部位が、ｐ型Ａｌ0.9 ＧａＡｓ層に代わって、ＡｌＡｓ層１７Ａにより形成されると共に、そのＡｌＡｓ層１７Ａの一部（電流注入領域）を除く領域が選択的に酸化され、アルミニウム（Ａｌ）酸化層１７Ｂとなっている。ここで、電流注入領域（ＡｌＡｓ層１７Ａ）は、例えば円形となっており、その直径は例えば５μｍとなっている。これらのＡｌＡｓ層１７ＡおよびＡｌ酸化層１７Ｂにより電流狭窄層１７が構成されている。

ｐ側電極コンタクト層１８は、例えば厚さが０．１μｍであり、ＺｎまたはＭｇなどのｐ型不純物を添加したｐ型ＧａＡｓにより構成されている。ｐ側電極コンタクト層１８は、電流狭窄層１７における電流注入領域に対向する領域に例えば円形の開口部１８Ａを有している。この開口部１８Ａの直径は例えば１０μｍである。

さらにｐ側電極コンタクト層１８上には、絶縁層１９およびｐ側電極層２０がこの順に積層されている。

絶縁層１９は、例えば厚さが０．３μｍであり、ＳｉＯ₂により構成されている。絶縁層１９は、開口部１８Ａより大きな直径（例えば３８μｍ）の開口部を有しており、この絶縁層１９の開口部の中心点は、例えば開口部１８Ａのそれと同一となっている。また、絶縁層１９は、この絶縁層１９の開口部を除いたｐ側電極コンタクト層１８の表面上に積層されると共に、メサ部１０の側壁およびメサ部１０の周辺基板上にも積層されている。

ｐ側電極層２０は、例えば厚さが０．８μｍであり、例えばチタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）が順次積層された構造を有している。ｐ側電極層２０は、開口部１８Ａの外周領域において外部に露出したｐ側電極コンタクト層１８の表面の一部と電気的に接続されると共に、絶縁膜１９上に堆積されている。

また、ｐ側電極層２０は、ｐ型電極コンタクト層１８と電気的に接続された接続部２０Ａ、外部端子への実装時におけるワイヤボンディング用のパッド部２０Ｂ、および接続部２０Ａとパッド部２０Ｂとを電気的に接続するための配線部２０Ｃにより構成されている。これら接続部２０Ａ、パッド部２０Ｂおよび配線部２０Ｃはメサ部１０上に形成されている。

なお、ｐ側電極層２０の膜厚は、メサ部１０上の段差による断線を防止するために、絶縁層１９の膜厚よりも厚いことが望ましい。ｐ側電極層２０の膜厚が局所的に極端に薄くなることを防止することができるからである。本実施の形態では、接続部２０Ａと配線部２０Ｃとの間には絶縁層１９の膜厚（０．３μｍ）分だけ段差があるが、ｐ側電極層２０の膜厚を絶縁層１９の膜厚より厚い０．８μｍとしているので、この段差によってｐ側電極層２０の膜厚が極端に薄くなることはない。従って、ｐ側電極層２０に断線が生じることはない。仮にｐ側電極層２０とｐ型電極コンタクト層１８との間に絶縁層１９以外の層が形成されており、この層による段差が絶縁層１９による段差がある箇所と同一の箇所にあるような場合には、ｐ側電極層２０がその層の膜厚と絶縁層１９の膜厚とを合わせた膜厚よりも厚く形成されていればよい。

また、パッド部２０Ｂおよび配線部２０Ｃの一部がメサ部１０の周辺の基板１１上に延長して形成されていてもよい。このメサ部１０の周辺の基板１１上に延長して形成された領域を、例えばメサ部１０上のパッド部２０Ｂにワイヤボンディングする際にメサ部１０上からはみ出したボンディング材の受け皿として用いることができるからである。本実施の形態では、メサ部１０の周辺の基板１１上にパッド部２０Ｂが延長して設けられており、メサ部１０の周辺に延長された領域を含めたパッド部２０Ｂは、一辺が例えば１００μｍの正方形となっている。また、接続部２０Ａとパッド部２０Ｂとを接続する配線部２０Ｃは、線幅が例えば１０μｍ、長さが例えば５０μｍとなっている。

基板１１の裏面側にはｎ側電極層２１が形成されている。ｎ側電極層２１は、例えばＡｕＧｅ：Ｎｉおよび金（Ａｕ）を順次積層して熱処理により合金化した構造を有しており、基板１１と電気的に接続されている。

次に、上記面発光型の半導体レーザ素子１の製造方法について説明する。

図４（Ａ）〜（Ｂ）は、面発光型の半導体レーザ素子１の製造工程における断面図を表したものである。図５（Ａ）〜（Ｂ）は、電流狭窄層１７について説明するための概念図である。

まず、図４（Ａ）に示したように、ｎ型の｛１００｝基板１１上にＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ）法により、例えば、基板温度８１０℃、成長圧力０．００７ＭＰａの条件下で、下部ＤＢＲミラー層１２を３５λ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）μｍ、下部クラッド層１３を０．１μｍ、活性層１４を３０ｎｍ、上部クラッド層１５を０．１μｍ、上部ＤＢＲミラー層１６を３５λ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）μｍ、ｐ型電極コンタクト層１８を０．１μｍ、順次結晶成長させる。このうち上部ＤＢＲミラー層１６の１ペア目のｐ型Ａｌ0.9 ＧａＡｓ層の部位には、ｐ型Ａｌ0.9 ＧａＡｓ層の代わりにＡｌＡｓ層１７Ａが形成される。この層は、後に詳述するが、電流狭窄層１７へ転化させるために形成されたものである。その後、エッチングによりｐ型電極コンタクト層１８の円柱部Ｃ１の中心部分を選択的に除去して開口部１８Ａを形成する。

続いて、上記の半導体積層構造を例えばフォトリソグラフィとＲＩＥ（Reactive Ion Etching) によって２つの円柱部Ｃ１，Ｃ２を角柱Ｓ１でつないだ形状のメサ部１０を形成する。この際、この２つの円柱部のうち後の工程で電流注入領域が形成されることとなる円柱部Ｃ１の直径が例えば４０μｍ、他方の円柱部Ｃ２の直径が例えば３０μｍとなるように加工すると共に、ＡｌＡｓ層１７Ａよりも下方の層までエッチングする。本実施の形態では、下部ＤＢＲミラー層１２の一部をエッチングする深さまでエッチングを行い、このときのエッチング深さ（メサ部１０の厚さ）は例えば４〜６μｍとなる。

次に、図４（Ｂ）に示したように、水蒸気雰囲気中にて、約４００℃の温度で酸化処理を行い、メサ部１０の外側からＡｌＡｓ層１７ＡのＡｌを選択的に酸化する。これにより、円柱部Ｃ１の中心領域に電流注入領域（ＡｌＡｓ層１７Ａ）が形成され、それ以外の領域には電流狭窄領域（Ａｌ酸化層１７Ｂ）が形成される。

ここで、円柱部Ｃ１において、Ａｌ酸化層１７Ｂの径方向の幅が例えば１７．５μｍの帯状のリングとなった場合には、径の中心領域にあるＡｌＡｓ層１７Ａの面積、即ち電流注入される面積は、約８０μｍ² になる。一方、円柱部Ｃ２においては、このような電流注入領域は形成されない。なぜなら、円柱部Ｃ１において、Ａｌ酸化層１７Ｂの径方向の幅が例えば１７．５μｍの帯状のリングとなるようにＡｌＡｓ層１７Ａを酸化すると、円柱部Ｃ２の半径が１５μｍであることから、円柱部Ｃ２におけるＡｌＡｓ層１７Ａは全て酸化されてしまうからである。

図５（Ａ）〜（Ｂ）を参照しながら、更に詳細に説明する。メサ部１０の外周上の任意の点を中心とした半径ｄｏの円Ｒ１をメサ部１０の外周に渡って移動させたときに、円Ｒ１内に含まれなかった領域が酸化されない領域に相当し、逆に円Ｒ１内に含まれた領域が酸化される領域に相当する。すなわち、ＡｌＡｓ層１７Ａがメサ部１０の側面から酸化される距離が円Ｒ１の半径ｄｏに相当する。本実施の形態では、円柱部Ｃ１の半径がｄｏより大きく、円柱部Ｃ２の半径がｄｏより小さくなるように設定されているので、ＡｌＡｓ層１７の酸化工程で酸化されない領域、すなわち電流注入領域（ＡｌＡｓ層１７Ａ）は円柱部Ｃ１内にだけ存在することになり、円柱部Ｃ２内にはＡｌＡｓ層１７の酸化工程で酸化される領域、すなわち電流狭窄領域（Ａｌ酸化層１７Ｂ）のみ存在し、電流注入領域は存在しないことになる。

次に、図１〜図３に示したように、メサ部１０上およびメサ部１０の周辺基板上に例えばＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition) 法により絶縁層１９を例えば０．３μｍ積層させる。その後、エッチングにより絶縁層１９の円柱部Ｃ１の表面部分を選択的に除去する。

続いて、ｐ側電極コンタクト層１８および絶縁膜１９上に例えば真空蒸着法により例えばＴｉ、ＰｔおよびＡｕを順次積層して、膜厚が例えば０．８μｍのｐ側電極層２０を形成する。その後、リフトオフまたは選択エッチングにより、ｐ側電極コンタクト層１８の開口部１８Ａに対応する領域に、直径が例えば１５μｍの開口部２０Ｄを形成する。これにより、径方向の幅が例えば１７．５μｍのリング状の接続部２０Ａ、一辺が例えば１００μｍの正方形からなるパッド部２０Ｂ、および線幅が例えば１０μｍ、長さが例えば２０μｍの配線部２０Ｃがメサ部１０上に形成されると共に、直径が例えば１５μｍの開口部２０Ｄが円柱部Ｃ１上に形成される。なお、リフトオフにより開口部２０Ｄを形成する場合には、ｐ側電極層２０を形成する前に、円柱部Ｃ１上に例えば１５μｍの円形パターンからなるフォトレジスト膜をあらかじめ形成しておく。その後、ｐ側電極層２０の円形パターン上の部分をそのフォトレジストと共に除去することにより、ｐ側電極層２０に開口部２０Ｄを形成することができる。

次いで、基板１１の裏面を適宜研磨して、基板厚さを例えば１００μｍの厚さに調整した後、その面上にｎ側電極層２１を形成する。このようにして面発光型の半導体レーザ素子１が製造される。

次に、この面発光型の半導体レーザ素子１の作用・効果について説明する。

すなわち、この半導体レーザ素子１では、ｎ側電極層２１とｐ側電極層２０との間に所定の電圧が印加されると、電流注入領域（ＡｌＡｓ層１７Ａ）を通して活性層１４に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の下部ＤＢＲミラー層１２および上部ＤＢＲミラー層１６により反射され、素子内を一往復したときの位相の変化が２πの整数倍となる波長でレーザ発振を生じ、円柱部Ｃ１の開口部２０Ｄからレーザビームとして外部に出射される。

本実施の形態では、接続部２０Ａ、パッド部２０Ｂおよび配線部２０Ｃを有する電極層（ｐ側電極層２０）全体を、メサ部１０の平坦面上に形成するようにしたので、配線の断線が生ずる虞がなくなる。すなわち、電極配線の断線防止のための従来のような製造工程が不要となり、製造時間を短縮することができると共に、電極配線の断線による歩留まり低下を防止できるので信頼性が向上する。

また、本実施の形態では、電流が円Ｒ１内のＡｌＡｓ層１７Ａのみを集中して流れるようにしたので、メサ部１０の面積を大きくしたとしても、しきい値電流が大きくなることはない。

以下、他の実施の形態について説明する。

〔第２の実施の形態〕
第１の実施の形態では、メサ部１０を、２つの円柱部Ｃ１，Ｃ２を角柱部Ｓ１でつないだ形状とし、円柱部Ｃ２の直径を円柱部Ｃ１の直径より小さくしたが、円柱部Ｃ２の直径を円柱部Ｃ１の直径より大きくしたり、円柱部Ｃ１，Ｃ２を円柱に限らず正方形やその他の形状に変更することも可能である。以下、第２の実施の形態として、第１の実施の形態の円柱部Ｃ２を、平面形状が正方形の角柱部Ｓ２に変更し、さらに角柱部Ｓ２の面積を円柱部Ｃ１の面積より大きくする例について説明する。

図６〜図７および図１０〜図１２は、第１の実施の形態における円柱部Ｃ２を角柱部Ｓ２に変更し、さらに角柱部Ｓ２の面積を円柱部Ｃ１の面積より大きくした場合における、面発光型の半導体レーザ素子２の製造工程における平面図、斜視図および断面図を表したものである。図８（Ａ）〜（Ｂ）〜図９（Ａ）〜（Ｂ）は、空孔Ｈを形成する工程およびその後に酸化する工程を説明するための断面図である。

図６〜図８（Ａ）に示したように、まず、例えばフォトリソグラフィとＲＩＥによって円柱部Ｃ１，角柱部Ｓ２を角柱部Ｓ１でつないだ形状のメサ部３０を形成すると共に、後述の未酸化領域３７Ｃ内に１つまたは２つ以上の空孔Ｈを形成する。この際、円柱部Ｃ１の直径が例えば４０μｍ、角柱部Ｓ２の表面の一辺が例えば１００μｍとなるように形成すると共に、電流注入領域が形成されることとなるＡｌＡｓ層３７Ａよりも下方の層までエッチングする。本実施の形態では、下部ＤＢＲミラー層１２の一部をエッチングする深さまでエッチングを行い、このときのエッチング深さ（メサ部１０の厚さ）は例えば４〜６μｍとなる。

続いて、ＡｌＡｓ層３７Ａを酸化することにより、図８（Ｂ）に示したように、水蒸気雰囲気中にて、約４００℃の温度で酸化処理を行い、メサ部３０の外側および空孔Ｈの内部からＡｌＡｓ層１７ＡのＡｌを選択的に酸化する。これにより、円柱部Ｃ１の中心領域に電流注入領域（ＡｌＡｓ層１７Ａ）が形成され、それ以外の領域には電流狭窄領域（Ａｌ酸化層１７Ｂ）が形成される。

ここで、上述のように、円柱部Ｃ１の中心領域にのみ電流注入領域（ＡｌＡｓ層１７Ａ）が形成されるように空孔Ｈを形成する方法について詳細に説明する。

図９（Ａ）〜（Ｂ）に示したように、メサ部３０の外周上の任意の点を中心とした半径ｄｏの円Ｒ１をメサ部３０の外周に渡って移動させたときに円Ｒ１内に含まれない未酸化領域３７Ｃが存在する場合には、未酸化領域３７Ｃ内に空孔Ｈを形成する。その後、空孔Ｈの外周上の任意の点を中心とした半径ｄｏの円Ｒ２を空孔Ｈの外周に渡って移動させたときに、角柱部Ｓ２内に円Ｒ２内に含まれない未酸化領域３７Ｃが残存する場合には、さらにその残存した未酸化領域３７Ｃ内に新たに空孔Ｈを形成する。そして、最終的にはその未酸化領域３７Ｃがなくなるように、言い換えると、後の工程で円柱部Ｃ１の電流注入領域となるＡｌＡｓ層３７Ａを除いた全ての領域が円Ｒｘ（ｘは１以上の整数）によって含まれるように、空孔Ｈを繰り返し形成する。

次に、図１０〜図１２に示したように、メサ部３０上およびメサ部３０の周辺基板上に例えばＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition) 法により絶縁層３９を例えば０．３μｍ積層させる。その後、エッチングにより絶縁層３９の円柱部Ｃ１の表面部分を選択的に除去する。続いて、ｐ側電極コンタクト層３８および絶縁膜３９上に例えば真空蒸着法により例えばＴｉ、ＰｔおよびＡｕを順次積層して、膜厚が例えば０．８μｍのｐ側電極層４０を形成する。その後、リフトオフまたは選択エッチングにより、ｐ側電極コンタクト層３８の開口部３８Ａに対応する領域に、直径が例えば１５μｍの開口部４０Ｄを形成する。これにより、径方向の幅が例えば１７．５μｍのリング状の接続部４０Ａ、一辺が例えば１００μｍの正方形からなるパッド部４０Ｂ、および線幅が例えば１０μｍ、長さが例えば２０μｍの配線部４０Ｃがメサ部３０上に形成されると共に、直径が例えば１５μｍの開口部４０Ｄが円柱部Ｃ１上形成される。

次いで、基板３１の裏面を適宜研磨して、基板厚さを例えば１００μｍの厚さに調整した後、その面上にｎ側電極層４１を形成する。このようにして面発光型の半導体レーザ素子２が製造される。

本実施の形態では、角柱部Ｓ２に１または２以上の空孔Ｈを形成するようにしたので、角柱部Ｓ２の面積を円柱部Ｃ１の面積より大きくした場合であっても、角柱部Ｓ２ではＡｌＡｓ層３７Ａがすべて酸化され、その結果電流注入領域を円柱部Ｃ１内に１つだけ形成することが可能となる。よって、本実施の形態においても、しきい値電流が大きくなることはない。その他の作用効果は第１の実施の形態と同様である。

次に、上記面発光型の半導体レーザ素子１，２の具体的なデバイスへの適用例について半導体レーザ素子１を代表して説明する。

（光学ユニット）
図１３は、半導体レーザ素子１を備えた光学ユニット６０の構成を表すものである。この光学ユニット６０は、例えば受送信装置における送信部に用いられるものであり、半導体レーザ素子１の他に、光ファイバ５０を備えている。

光ファイバ５０は、半導体レーザ素子１からの光ＬＢを伝送するコア層５０Ａを有し、コア層５０Ａの周囲に光を閉じ込めるためのクラッド層５０Ｂが設けられている。コア層５０Ａの径φ５０Ａは例えば５０μｍ、クラッド層５０Ｂの径φ５０Ｂは例えば２００μｍである。

なお、光ファイバ５０は、半導体レーザ素子１からの光ＬＢを効率よく取り入れることができるように配置されていることが望ましい。

この光学ユニット６０では、半導体レーザ素子１の発光領域で発生した光ＬＢは、開口部２０Ｄから外部に射出され、光ファイバ５０のコア層５０Ａまたはクラッド層５０Ｂに入射する。コア層５０Ａに入射した光はそのままコア層５０Ａ内部に進入するが、一部はコア層５０Ａの端面で反射される。クラッド層５０Ｂに入射した光は、クラッド層５０Ｂの端面で反射される。これらの反射光は、例えばモニタ光電変換素子（図示せず）に受光され、光出力モニタリングに利用される。

（光学モジュール）
図１４は、上記光学ユニット６０を備えた光学モジュール７０の概略構成を表したものである。この光学モジュール７０は、高速光通信システムにおいて光信号と電気信号とを変換するＦＥＭ（フロントエンドモジュール）などとして用いられるものであり、光学ユニット６０を有する送信部７０Ａと、受信部７０Ｂとを備えている。

送信部７０Ａには、光学ユニット６０と、ドライバ５１とが含まれている。ドライバ５１は、公知のドライバＩＣ（Integrated Circuit；集積回路）から構成されており、これにより半導体レーザ素子１が駆動される。

受信部７０Ｂには、光ファイバ５２と、光電変換素子５３と、増幅器５４とが含まれている。光電変換素子５３は、例えばフォトダイオードにより構成されており、光ファイバ５２からの光信号Ｐ２を受光するものである。増幅器５４は、例えば、ＴＩＡ（トランスインピーダンスアンプリファイア）またはＬＩＡ（リミティングインピーダンスアンプリファイア）などから構成されており、光電変換素子５３からの信号を増幅するものである。なお、光ファイバ５２は、コネクタ（図示せず）を介して光電変換素子５３に接続されている。

この光学モジュール７０では、送信部７０Ａにおいて、外部から供給された電気信号Ｓｉｇ１に基づいてドライバ５１により半導体レーザ素子１が駆動され、光信号Ｐ１が光ファイバ５０を介して送信される。また、受信部７０Ｂにおいて、光ファイバ５２を介して供給された光信号Ｐ２が光電変換素子５３に入射して電気信号に変換され、この電気信号が増幅器５４により増幅され、必要な変換処理が加えられて電気信号Ｓｉｇ２として外部へ出力される。

以上の光学ユニット６０および光学モジュール７０では、上記半導体レーザ素子１を備えているので、電極配線の断線が生ずる虞がなく、信頼性が向上したものとなる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態において説明した半導体レーザ素子１の各層の材料、厚さおよび基板、または成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の材料、厚さおよび基板としてもよく、または他の成膜方法および成膜条件としてもよい。

また、半導体レーザ素子１，２を適用するデバイスとしては、上記光学ユニット６０および光学モジュール７０以外のものであってもよいことは言うまでもない。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ素子の平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ素子の斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ素子の断面図である。 半導体レーザ素子の製造工程を説明するための断面図である。 半導体レーザ素子の酸化狭窄層を説明するための平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造工程を説明するための平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造工程を説明するための斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造工程を説明するための断面図である。 半導体レーザ素子の酸化狭窄層を説明するための平面図である。 図８に続く工程を説明するための平面図である。 図８に続く工程を説明するための斜視図である。 図８に続く工程を説明するための断面図である。 光学ユニットの概略構成図である。 光学モジュールの概略構成図である。 従来の半導体レーザ素子の平面図である。 従来の半導体レーザ素子の斜視図である。 従来の半導体レーザ素子の断面図である。

符号の説明

１，２…面発光型半導体レーザ素子、１０，３０…メサ部、１１，３１…基板、１２，３２…下部ＤＢＲミラー層、１３，３３…下部クラッド層、１４，３４…活性層、１５，３５…上部クラッド層、１６，３６…上部ＤＢＲミラー層、１７，３７…電流狭窄層、１７Ａ，３７Ａ…ＡｌＡｓ層、１７Ｂ，３７Ｂ…Ａｌ酸化層、１８，３８…ｐ型電極コンタクト層、１８Ａ，２０Ｄ，３８Ａ，４０Ｄ…開口部、１９，３９…絶縁層、２０，４０…ｐ側電極層、２０Ａ，４０Ａ…接続部、２０Ｂ，４０Ｂ…パッド部、２０Ｃ，４０Ｃ…配線部、２１，４１…ｎ側電極層、３７Ｃ…未酸化領域、５０, ５２…光ファイバ、５０Ａ…コア層、５０Ｂ…クラッド層、５１…ドライバ、５３…光電変換素子、５４…増幅器、６０…光学ユニット、７０…光学モジュール、７０Ａ…送信部、７０Ｂ…受信部、Ｃ，Ｃ１，Ｃ２…円柱部、Ｈ…空孔、ＬＢ…光、Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２…信号、Ｓ１，Ｓ２…角柱部、Ｒ１，Ｒ２…円、φ５０Ａ…コア層の直径、φ５０Ｂ…クラッド層の直径

Claims (18)

1. 基板上に、少なくとも活性層、電流狭窄層および電極コンタクト層を含む半導体層を積層して構成され、実質的に平坦面を有するメサ部と、
   前記メサ部の平坦面上に形成されると共に、前記電極コンタクト層と電気的に接続される接続部、ワイヤボンディング用のパッド部、前記接続部とパッド部とを電気的に接続するための配線部および光を射出するための開口部を有する電極層とを備え、
   前記電流狭窄層は、電流狭窄領域と共に、前記開口部に対向する位置に電流注入領域を有する
   ことを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
2. 前記メサ部は、前記電極層の接続部およびパッド部それぞれに対応して第１円柱部および第２円柱部を有し、第２円柱部の径は第１円柱部のそれよりも小さい
   ことを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体レーザ素子。
3. 前記電流狭窄層の電流狭窄領域は、前記メサ部を形成した後に、ＡｌＡｓ層の選択酸化により形成されたものであり、そのときの酸化距離をｄｏとすると、第１円柱部の半径はｄｏより大きく、第２円柱部の半径はｄｏ以下の大きさを有する
   ことを特徴とする請求項２記載の面発光型半導体レーザ素子。
4. 前記メサ部は、前記電極層の接続部およびパッド部それぞれに対応して第１円柱部および第２円柱部を有し、前記第２円柱部の径は第１円柱部の径と同じ、あるいはそれよりも大きく、かつ第２の円柱部は積層方向に貫通する少なくとも１つの空孔を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体レーザ素子。
5. 前記電流狭窄層の電流狭窄領域は、前記メサ部を形成した後にＡｌＡｓ層の選択酸化により形成されたものであり、前記第２円柱部の電流狭窄層はすべてＡｌ酸化層により構成されている
   ことを特徴とする請求項４記載の面発光型半導体レーザ素子。
6. 前記メサ部は、前記電極層の接続部およびパッド部それぞれに対応して円柱部および平面形状が矩形の角柱部を有し、前記角柱部の面積は円柱部の面積よりも大きく、かつ角柱部は積層方向に貫通する少なくとも１つの空孔を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体レーザ素子。
7. 前記電流狭窄層の電流狭窄領域は、前記メサ部を形成した後にＡｌＡｓ層の選択酸化により形成されたものであり、前記角柱部における電流狭窄層はすべてＡｌ酸化層により構成されている
   ことを特徴とする請求項６記載の面発光型半導体レーザ素子。
8. 前記電極コンタクト層の表面は、少なくとも１つ以上の段差を有し、個々の段差は前記電極層の厚みより薄い
   ことを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体レーザ素子。
9. 前記メサ部は、ＧａＩｎＮＡｓ系材料により形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体レーザ素子。
10. 基板上に、少なくとも活性層、電流狭窄層および電極コンタクト層を含む半導体層を積層したのち、エッチングにより、実質的に平坦面を有するメサ部を形成する工程と、
    前記メサ部の平坦面上に電極層を形成したのち、前記電極層のリフトオフまたは選択エッチングにより前記電極コンタクト層と電気的に接続される接続部、ワイヤボンディング用のパッド部、前記接続部とパッド部とを電気的に接続するための配線部を形成すると共に、光を射出するための開口部を形成する工程と、
    前記電流狭窄層を選択酸化することにより、電流狭窄領域を形成する共に、前記開口部に対向する位置に電流注入領域を設ける工程と
    を含むことを特徴とする面発光型半導体レーザ素子の製造方法。
11. 前記メサ部の、前記電極層の接続部およびパッド部それぞれに対応する領域を、第１円柱部および第２円柱部とし、第２円柱部の径を第１円柱部のそれよりも小さくする
    ことを特徴とする請求項１０記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法。
12. 前記電流狭窄層の電流狭窄領域を、前記メサ部を形成した後に、ＡｌＡｓ層の選択酸化により形成し、そのときの酸化距離をｄｏとすると、第１円柱部の半径をｄｏより大きく、第２円柱部の半径をｄｏ以下の大きさとする
    ことを特徴とする請求項１１記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法。
13. 前記メサ部の、前記電極層の接続部およびパッド部それぞれに対応する領域を、第１円柱部および第２円柱部とし、前記第２円柱部の径を第１円柱部の径と同じ、あるいはそれよりも大きくし、かつ第２の円柱部に積層方向に貫通する少なくとも１つの空孔を形成し、選択酸化を前記メサ部の外部および空孔の内部から同時に行う
    ことを特徴とする請求項１０記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法。
14. 前記電流狭窄層の電流狭窄領域を、前記メサ部を形成した後にＡｌＡｓ層の選択酸化により形成し、前記第２円柱部の電流狭窄層をすべてＡｌ酸化層とする
    ことを特徴とする請求項１３記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法。
15. 前記メサ部の、前記電極層の接続部およびパッド部それぞれに対応する領域を、円柱部および平面形状が矩形の角柱部とし、前記角柱部の面積を円柱部の面積よりも大きくし、かつ角柱部は積層方向に貫通する少なくとも１つの空孔を形成する
    ことを特徴とする請求項１０記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法。
16. 前記電流狭窄層の電流狭窄領域を、前記メサ部を形成した後にＡｌＡｓ層の選択酸化により形成し、前記角柱部における電流狭窄層をすべてＡｌ酸化層とする
    ことを特徴とする請求項１５記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法。
17. 面発光型半導体レーザ素子と、前記面発光型半導体レーザ素子からの光を伝送するコア層を有する光ファイバとを備えた光学ユニットであって、
    前記面発光型半導体レーザ素子は、
    基板上に、少なくとも活性層、電流狭窄層および電極コンタクト層を含む半導体層を積層して構成され、実質的に平坦面を有するメサ部と、
    前記メサ部の平坦面上に形成されると共に、前記電極コンタクト層と電気的に接続される接続部、ワイヤボンディング用のパッド部、前記接続部とパッド部とを電気的に接続するための配線部および光を射出するための開口部を有する電極層とを備え、
    前記電流狭窄層は、電流狭窄領域と共に、前記開口部に対向する位置に電流注入領域を有する
    ことを特徴とする光学ユニット。
18. 面発光型半導体レーザ素子を用いて電気信号を光信号に変換する機能と、光電変換素子を用いて光信号を電気信号に変換する機能とを兼ね備えた光学モジュールであって、
    前記面発光型半導体レーザ素子は、
    基板上に、少なくとも活性層、電流狭窄層および電極コンタクト層を含む半導体層を積層して構成され、実質的に平坦面を有するメサ部と、
    前記メサ部の平坦面上に形成されると共に、前記電極コンタクト層と電気的に接続される接続部、ワイヤボンディング用のパッド部、前記接続部とパッド部とを電気的に接続するための配線部および光を射出するための開口部を有する電極層とを備え、
    前記電流狭窄層は、電流狭窄領域と共に、前記開口部に対向する位置に電流注入領域を有する
    ことを特徴とする光学モジュール。
    

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