JP2006190762A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】電極パッドの付着強度の向上した半導体レーザを提供する。
【解決手段】一対の下部ＤＢＲミラー層１１および上部ＤＢＲミラー層１５が形成され、その対の下部ＤＢＲミラー層１１および上部ＤＢＲミラー層１５の間に活性層１３を有すると共に、上面の一部に凸部が形成されたレーザ構造部と、レーザ構造部の上面のうち凸部以外の領域に形成された低誘電率層１８と、凸部上に形成されたｐ側電極２０と、低誘電率層１８上に形成された第２の絶縁層１９と、第２の絶縁層１上に形成されたパッド部２２と、ｐ側電極２０およびパッド部２２を電気的に接続する配線部２１とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電極構造を改良した半導体レーザに係り、特に、面発光型半導体レーザに対して好適に適用可能な半導体レーザに関する。

半導体レーザには、主にファブリペロー共振器型のものと、面発光型のものがあり、前者は、大出力の光を出射することが可能なものであり、近年、加工分野、エネルギー分野、医療分野、ディスプレイ分野、印刷分野という幅広い分野で注目されている。一方、後者は、ファブリペロー共振器型半導体レーザとは異なり、基板に対して直交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。

ここで、面発光型半導体レーザの基本構造について簡単に説明する。面発光型半導体レーザは、半導体基板上に一対の多層膜反射鏡が形成され、その対の多層膜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ている。さらに、レーザ構造部の一部をメサポストとすると共に、そのメサポストを低誘電率材料、例えばポリイミドで埋め込んだ構造を備えている。このような構造とすることにより、活性層への光やキャリアの閉じ込め性を高めることができ、また、このメサポストの上面に形成されるｐ側電極と、メサポストと異なる領域に形成される電極パッドとの接続を容易にすると共に、電極パッドとレーザ構造部との間に生じる寄生容量を減少させることが可能となる。さらに、特許文献１記載の発明のように、メサポストを埋め込む低誘電率材料を内部応力の小さいものにすることにより、低誘電率材料の歪みがメサポストへ伝わるのを抑制することが可能となる。なお、ファブリペロー共振器型の半導体レーザも、上記と同様の構造を備えている（特許文献２）。

特開２００４−３１６３３号公報 特開平１−２０１９８０号公報

ところで、上記のように低誘電率材料でメサポストを埋め込むように構成すると、メサポスト上に形成された上部電極から引き出された電極パッドを上記の低誘電率材料の上に形成することが必要となる。しかしながら、低誘電率材料の上に電極パッドを形成すると、電極パッドの付着強度が弱いため、ワイヤーボンディング時に電極パッドが低誘電率材料から剥がれてしまう虞がある。

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、電極パッドの付着強度の向上した半導体レーザを提供することにある。

本発明の半導体レーザは、一対の光閉じ込め層が形成され、その対の光閉じ込め層の間に活性層を有すると共に、上面の一部に凸部が形成されたレーザ構造部と、レーザ構造部の上面のうち凸部以外の領域に形成された低誘電率層と、凸部上に形成された上部電極と、低誘電率層上に形成された絶縁層と、絶縁層上に形成された電極パッドと、上部電極および電極パッドを電気的に接続する配線とを備えたものである。

本発明の半導体レーザでは、電極パッドと低誘電率層との間に、絶縁層が設けられている。絶縁層は、具体的には窒化物または酸化物により構成されており、電極パッドや低誘電率層に対して優れた密着性を有している。

本発明の半導体レーザによれば、電極パッドと低誘電率層との間に、絶縁層を設けるようにしたので、電極パッドの付着強度を向上させることができ、その結果、電極パッドが低誘電率材料から剥がれるのを防止することができる。

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（Ａ）は、本発明の一実施の形態に係る面発光型半導体レーザ１の断面構造を表したものである。また、図１（Ｂ）は、図１の面発光型半導体レーザ１の上面を表したものである。

面発光型半導体レーザ１は、基板１０の一面側に、下部ＤＢＲミラー層１１（光閉じ込め層）、下部クラッド層１２、活性層１３、上部クラッド層１４、上部ＤＢＲミラー層１５（光閉じ込め層）およびｐ型コンタクト層１６をこの順に積層したレーザ構造部を備えている。ここで、下部クラッド層１２の一部、活性層１３、上部クラッド層１４、上部ＤＢＲミラー層１５およびｐ型コンタクト層１６は、ｐ型コンタクト層１６まで形成されたのち、上面から選択的にエッチングされることにより凸状のメサポスト３０となっている。

また、面発光型半導体レーザ１は、第１の絶縁層１７、低誘電率層１８、第２の絶縁層１９（絶縁層）、ｐ側電極２０（上部電極）、配線部２１（配線）およびパッド部２２（電極パッド）をメサポスト３０の上部または周辺部に積層して構成したものであり、ｎ型コンタクト層２３およびｎ側電極２４を基板１０の裏面にこの順に積層して構成したものである。

基板１０、下部ＤＢＲミラー層１１、下部クラッド層１２、活性層１３、上部クラッド層１４、上部ＤＢＲミラー層１５およびｐ型コンタクト層１６は、例えばＧａＡｓ（ガリウム・ヒ素）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１０は、例えばｎ型ＧａＡｓにより構成されている。下部ＤＢＲミラー層１１は、低屈折率層１１Ａｉおよび高屈折率層１１Ｂｉ（１≦ｉ≦ｘ）を１組として、それをｘ組分含んで構成されたものである。なお、活性層１４側に向かうにつれてｉの値は小さくなるものとする。この低屈折率層１１Ａｉは、例えば厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｎ型Ａｌ_a Ｇａ_1-a Ａｓ（０＜ａ＜１）により構成されており、高屈折率層１１Ｂｉは、例えば厚さがλ／４ｎのｎ型Ａｌ_b Ｇａ_1-b Ａｓ（０≦ｂ＜ａ）により構成されている。ここで、ｎ型不純物としては、例えばケイ素（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などが挙げられる。

下部クラッド層１２は、例えばＡｌ_c Ｇａ_1-c Ａｓ（０＜ｃ＜１）により構成されている。活性層１３は、例えばＧａＡｓ系材料により構成されている。上部クラッド層１４は、例えばＡｌ_f Ｇａ_1-f Ａｓ（０＜ｆ＜１）により構成されている。この下部クラッド層１２、活性層１３および上部クラッド層１４は、アンドープであることが望ましいが、ｐ型またはｎ型不純物が含まれていてもよい。

上部ＤＢＲミラー層１５は、低屈折率層１５Ａｊおよび高屈折率層１５Ｂｊ（１≦ｊ≦ｙ）を１組として、それをｙ組分含んで構成されたものである。なお、活性層１４側に向かうにつれてｊの値は小さくなるものとする。この低屈折率層１５Ａｊは、例えば厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｐ型Ａｌ_g Ｇａ_1-g Ａｓ（０＜ｇ＜１）により構成されており、高屈折率層１５Ｂｊは、例えば厚さがλ／４ｎのｐ型Ａｌ_h Ｇａ_1-h Ａｓ（０≦ｈ＜ｇ）により構成されている。ここで、ｐ型不純物としては、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）などが挙げられる。

ただし、上部ＤＢＲミラー層１５において、活性層１３側から数えてｊ組離れた低屈折率層１５Ａｊの部位には、低屈折率層１５Ａｊの代わりに、電流狭窄層１５Ｃが形成されている。この電流狭窄層１５Ｃは、その中央領域に設けられた電流注入領域１５Ｃ−１、および電流注入領域１５Ｃ−１を取り囲む部位に設けられた電流狭窄領域１５Ｃ−２を含んで構成されている。電流注入領域１５Ｃ−１は、例えば、Ａｌ_k Ｇａ_1-k Ａｓ（ｇ＜ｋ＜１）により構成されており、電流狭窄領域１５Ｃ−２は、例えば、Ａｌ₂ Ｏ₃ により構成されている。なお、図１は、上部ＤＢＲミラー層１５の端面である、低屈折率層１５Ａ１の部位に電流狭窄層１５Ｃを設けるようにした場合を例示したものである。

ｐ型コンタクト層１６は、例えばｐ型ＧａＡｓにより構成されており、上記の電流注入領域１５Ｃ−１と対向する領域に例えば円形の開口部１６Ａを有している。

第１の絶縁層１７は、上記開口部１６Ａと、ｐ型コンタクト層１６のうち開口部１６Ａの周縁部とを除くメサポスト３０全体を覆うように形成されており、例えば窒化物または酸化物により構成されている。低誘電率層１８は、メサポスト３０を埋め込むように形成されており、例えばポリイミドにより構成されている。第２の絶縁層１９は、低誘電率層１８と、ｐ側電極２０、配線部２１およびパッド部２２との間に挟まれるように形成されており、例えば窒化物または酸化物により構成されている。ここで、窒化物としては、例えばＳｉＮが挙げられ、酸化物としては、例えばＳｉＯ₂ が挙げられる。

ｐ側電極２０は、開口部１６Ａの周縁部に形成されており、パッド部２２は、第２の絶縁層１９上に形成されており、配線部２１は、ｐ側電極２０と第２の絶縁層１９とを電気的に接続するように形成されている。このｐ側電極２０、配線部２１およびパッド部２２は、例えば、チタン（Ｔｉ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層をこの順に積層して構成されたものであり、ｐ型コンタクト層１６と電気的に接続されている。なお、パッド部２２は、図１（Ｂ）に示したように、ワイヤーボンディングをするのに十分な表面積を有している。

ｎ型コンタクト層２３は、例えばｎ型ＧａＡｓにより構成されている。また、ｎ側電極２４は、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金層，ニッケル（Ｎｉ）層および金（Ａｕ）層とを基板１０の側から順に積層した構造を有しており、ｎ型コンタクト層２３と電気的に接続されている。

このような構成の面発光型半導体レーザ１では、ｎ側電極２４とｐ側電極２０との間に所定の電圧が印加されると、電流狭窄層１５Ｃにおける電流注入領域１５Ｃ−１を通して活性層１３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１１および上部ＤＢＲミラー層１５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、レーザビームとして外部に出射される。

本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ１は、例えば次のようにして製造することができる。

図２（Ａ）〜（Ｃ）は、その製造方法を工程順に表したものである。例えばＧａＡｓ（ガリウム・ヒ素）系の面発光型半導体レーザ１を製造するためには、基板１０上の化合物半導体層を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により形成する。この際、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アルシン (ＡｓＨ₃)を用い、ドナー不純物の原料としては、例えば、Ｈ₂ Ｓｅを用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えば、ジメチルジンク（ＤＭＺ）を用いる。

具体的には、まず、図２（Ａ）に示したように、基板１０上に、下部ＤＢＲミラー層１１，下部クラッド層１２，活性層１３，上部クラッド層１４，上部ＤＢＲミラー層１５およびｐ側コンタクト層１６をこの順に積層する。

次に、図２（Ｂ）に示したように、例えば、ｐ側コンタクト層１６の上にマスク層（図示せず）を形成し、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）法により、ｐ側コンタクト層１６，上部ＤＢＲミラー層１５，上部クラッド層１４，活性層１３および下部クラッド層１２の一部を選択的に除去すると共に、ｐ側コンタクト層１６の一部をエッチングして開口部１６Ａを形成する。これにより、頂上に開口部１６Ａを有するメサポスト３０が形成される。

次に、図２（Ｃ）に示したように、水蒸気雰囲気中にて、高温で酸化処理を行い、メサポスト３０の外側から例えば電流狭窄層１５ＣとなることとなるＡｌ_k Ｇａ_1-k Ａｓ層１５ＤのＡｌを選択的に酸化する。これにより、その層の中心領域に電流注入領域１５Ｃ−１が形成され、それ以外の領域には電流狭窄領域１５Ｃ−２が形成され、その結果、電流注入領域１５Ｃ−１および電流狭窄領域１５Ｃ−２からなる電流狭窄層１５Ｃが形成される。

次に、図１に示したように、メサポスト３０上およびメサポスト３０の周辺基板上に例えばＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition) 法により第１の絶縁層１７を積層させる。その後、エッチングにより第１の絶縁層１７のうちメサポスト３０の頂上の一部分を選択的に除去して、開口部１６Ａ内に上部ＤＢＲミラー層１５を露出させると共に、ｐ側コンタクト層１６のうち開口部１６Ａの外縁部を露出させる。

続いて、低誘電率層１８を形成する。例えば、非感光性のポリイミドを用いた場合について説明すると、まず、メサポスト３０を埋め込むようにポリイミドを塗布したのち、プリベイクする。次に、ポリイミドの上にレジスト（図示せず）を塗布し、フォトマスクを介してレジストを露光、現像して、塗布されたポリイミドのうち開口部１６Ａと対向する部分を露出させる。続いて、その露出した部分を例えばウエットエッチングにより除去して、開口部１６Ａを露出させる。次いで、レジストを除去し、ポリイミドをポストベイクして固化させる。

このようにして形成された低誘電率層１８は、表面がつるつるしており、その表面にパッド部２２などの金属を形成しても、付着強度が弱いため、ワイヤーボンディング時に、パッド部２２がポリイミドから剥がれてしまう虞がある。なお、ポリイミドの表面をアッシングにより荒くして付着強度を高めることも考えられるが、このような表面処理を行ったとしても付着強度が多少強くなるものの、ワイヤーボンディング時に、パッド部２２が低誘電率層１８から剥がれることを防止することは困難である。

一方、本実施の形態では、低誘電率層１８上にさらに、例えばＣＶＤ法により第２の絶縁層１９を形成したのち、例えば真空蒸着法により、ｐ側コンタクト層１６上にｐ側電極２０を、第２の絶縁層１９上に配線部２１およびパッド部２２を形成する。この第２の絶縁層１９は、配線部２１およびパッド部２２などの金属や低誘電率層１８に対して優れた密着性を有する材料により構成されていることから、上記のように、配線部２１およびパッド部２２と、低誘電率層１８との間に、第２の絶縁層１９を設けることにより、電極パッドの付着強度を向上させることができる。その結果、電極パッドが低誘電率材料から剥がれるのを防止することができる。

その後、リフトオフまたは選択エッチングにより、開口部１６Ａ内にｐ型クラッド層１５を露出させる。なお、リフトオフによりｐ型クラッド層１５を露出させる場合には、ｐ側電極１８を形成する前に、開口部１６Ａにフォトレジスト膜をあらかじめ形成したのち、ｐ側電極１８をそのフォトレジスト膜と共に除去する。

次いで、基板１１の裏面を適宜研磨して基板の厚さを調整した後、その面上にｎ側コンタクト層２３およびｎ側電極２０をこの順に積層する。このようにして面発光型半導体レーザ１が製造される。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ２について説明する。なお、本実施例において、上記の実施の形態の面発光型半導体レーザ１と共通する構成、作用、製法および効果については適宜省略する。

図３は、第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ２のを表したものである。この面発光型半導体レーザ２は、上記のように、メサポスト３０および低誘電率層１８が所定の距離を隔てて設けられた構造を備えており、この点で、メサポスト３０および低誘電率層１８が密接して設けられた構造を備えた第１の実施の形態と相違する。

なお、図３において、その隔てた領域およびメサポスト３０の表面に第２の絶縁層１９が設けられているが、少なくとも配線部２１およびパッド部２２が低誘電率層１８の表面と接する領域に第２の絶縁層１９が設けられていれば十分であり、その隔てた領域およびメサポスト３０の表面に第２の絶縁層１９が設けられていなくても構わない。

以下に、メサポスト３０および低誘電率層１８を所定の距離を隔てて設ける方法について説明する。例えば、低誘電率層１８の材料として非感光性のポリイミドを用いた場合について説明すると、まず、メサポスト３０を埋め込むようにポリイミドを塗布したのち、プリベイクする。次に、ポリイミドの上にレジスト（図示せず）を塗布し、フォトマスクを介してレジストを露光、現像して、塗布されたポリイミドのうち開口部１６Ａと対向する部分およびメサポスト３０の外周部を露出させる。続いて、その露出した部分を例えばウエットエッチングにより除去して、開口部１６Ａ、および第１の絶縁層１７のうちメサポスト３０の外周部に相当する部分を露出させる。次いで、レジストを除去し、ポリイミドをポストベイクして固化させる。

このようにして形成された低誘電率層１８は、メサポスト３０と所定の距離を有しており、メサポスト３０と直接接する部分を有していない。これにより、低誘電率層１８が例えばポリイミドなどの歪みを生じさせる物質で構成されている場合であっても、低誘電率層１８内で生じた応力がメサポスト３０に伝わらなくなる。その結果、メサポスト３０のうち特に歪みに弱い電流狭窄層１５Ｃ内にクラックや格子欠陥が生じることを防止することができ、面発光型半導体レーザ２の静特性や信頼性を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、低誘電率層１８はメサポスト３０と直接接する部分を有していないが、低誘電率層１８内で生じた応力により電流狭窄層１５Ｃ内にクラックや格子欠陥が生じない程度であれば、低誘電率層１８の一部がメサポスト３０に多少接していても構わない。また、低誘電率層１８とメサポスト３０との間に低誘電率層１８内で生じた応力がメサポスト３０に伝わらないような物質が充填されていても構わない。

以上、２つの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、種々変形可能である。

例えば、本発明は、上記のような面発光型半導体レーザに対して好適に適用可能であるが、レーザ構造部の凸部に電極を形成し、レーザ構造部の凸部以外の領域に電極パッドを形成するタイプの半導体レーザ、例えばファブリペロー共振器型半導体レーザに対しても適用可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの断面構成図である。 図１に示したレーザの製造過程を説明するための断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの断面構成図である。

符号の説明

１，２…面発光型半導体レーザ、１０…基板、１１…下部ＤＢＲミラー層、１１Ａｉ，１５Ａｊ…低屈折率層、１１Ｂｉ，１５Ｂｊ…高屈折率層、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、１５Ｃ…電流狭窄層、１５Ｃ−１…電流注入領域、１５Ｃ−２…電流狭窄領域、１５Ｄ…Ａｌ_k Ｇａ_1-k Ａｓ層、１６…ｐ側コンタクト層、１７…第１の絶縁層、１８…低誘電率層、１９…第２の絶縁層、２０…ｐ側電極、２１…配線部、２２…パッド部、２３…ｎ型コンタクト層、２４…ｎ側電極２４、３０…メサポスト

Claims (3)

1. 一対の光閉じ込め層が形成され、その対の光閉じ込め層の間に活性層を有すると共に、上面の一部に凸部が形成されたレーザ構造部と、
   前記レーザ構造部の上面のうち前記凸部以外の領域に形成された低誘電率層と、
   前記凸部上に形成された上部電極と、
   前記低誘電率層上に形成された絶縁層と、
   前記絶縁層上に形成された電極パッドと、
   前記上部電極および前記電極パッドを電気的に接続する配線と
   を備えたことを特徴とする半導体レーザ。
2. 前記低誘電率層および前記凸部は、所定の距離を隔てて形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
3. 前記低誘電率層は、ポリイミドにより構成されており、
   前記絶縁層は、窒化物または酸化物により構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
   

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