JP2006202871A - Plane emitting semiconductor laser, manufacturing method thereof and optical communication module - Google Patents
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Description
本発明は、面発光型半導体レーザの製造方法および面発光型半導体レーザおよび光通信用モジュールに関する。 The present invention relates to a surface emitting semiconductor laser manufacturing method, a surface emitting semiconductor laser, and an optical communication module.
面発光型半導体レーザ素子（面発光型半導体レーザ）は、活性層近傍へ電流と光を閉じ込める必要があるため、かつ変調の際に妨げとなる寄生容量を可能な限り小さくする必要性があるため、メサ状のポスト形状に加工されて素子化される。 A surface emitting semiconductor laser element (surface emitting semiconductor laser) needs to confine current and light in the vicinity of an active layer, and it is necessary to reduce parasitic capacitance that hinders modulation as much as possible. Then, it is processed into a mesa-like post shape to form an element.
この際、このような面発光型半導体レーザでは、大気中から素子への水分の進入を遮断し素子が劣化するのを防ぐために、その表面を保護し、かつ、メサ状の形状を含むレーザの表面をある程度平坦化して電極等の配線を行いやすくするために、樹脂で覆う構造をとることが多い。この樹脂としては、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を用いることが多い。 At this time, in such a surface emitting semiconductor laser, in order to prevent moisture from entering the element from the atmosphere and prevent the element from deteriorating, the surface of the surface emitting semiconductor laser is protected, and a laser including a mesa shape is used. In order to facilitate the wiring of electrodes and the like by flattening the surface to some extent, a structure covered with a resin is often used. As this resin, generally, a polyimide having heat resistance, high mechanical strength, high moisture barrier property, low dielectric constant, and easy film formation is often used.
このポリイミドで面発光型半導体レーザの表面を覆い、素子を作製する従来の１つの方法（第１の従来例）として、表面に比較的薄く感光性を有するポリイミド膜を形成し、その後、フォトリソグラフィーでメサの上部のポリイミドを除去し、メサの上部を露出させ、電極を取り出す方法について、図１乃至図４を用いて説明する。 As one conventional method (first conventional example) for covering the surface of a surface emitting semiconductor laser with this polyimide and producing an element, a relatively thin photosensitive polyimide film is formed on the surface, and then photolithography is performed. A method for removing the polyimide on the top of the mesa, exposing the top of the mesa, and taking out the electrode will be described with reference to FIGS.
第１の従来例の方法では、まず図１のように、面発光型半導体レーザの積層構造を成長した表面に、たとえばＳｉＯ２などの膜を形成し、フォトリソグラフィーでパターンニング後、エッチングによりメサ形状にエッチングする。この際のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもどちらでもかまわない。エッチングは、通常、活性層より下の層までエッチングする。エッチング後、たとえば酸化狭窄による電流狭窄を行うための被酸化層（たとえばＡｌＡｓ層）が設けられている場合には、エッチングしたメサの側面よりたとえば水蒸気による選択酸化により酸化狭窄構造を形成する。 In the first conventional method, first, as shown in FIG. 1, a film of, for example, SiO 2 is formed on the surface on which the stacked structure of the surface emitting semiconductor laser is grown, patterned by photolithography, and then mesa is etched. Etch to shape. The etching at this time may be either dry etching or wet etching. Etching is usually performed to a layer below the active layer. When an oxidized layer (for example, an AlAs layer) for current confinement by, for example, oxidation constriction is provided after etching, an oxide constriction structure is formed by selective oxidation with, for example, water vapor from the side surface of the etched mesa.
しかる後、表面に絶縁膜としてたとえばＳｉＯ２膜などを設けた後に、表面にスピンコートなどで液状ポリイミドを塗布する（図２を参照）。このポリイミドは感光性を有しており、低温でベークした後にフォトリソグラフィーによりメサの最上部のポリイミドを除去し、メサの最上部を露出させる（図３を参照）。その後、ポリイミドを高温で完全に硬化させる。露出したメサの最上部はＳｉＯ２で覆われているが、これをたとえばＢＨＦなどで除去し、メサ上のコンタクト層を露出させる。 Thereafter, after providing, for example, a SiO 2 film as an insulating film on the surface, liquid polyimide is applied to the surface by spin coating or the like (see FIG. 2). This polyimide has photosensitivity, and after baking at a low temperature, the polyimide at the top of the mesa is removed by photolithography to expose the top of the mesa (see FIG. 3). Thereafter, the polyimide is completely cured at a high temperature. The exposed uppermost portion of the mesa is covered with SiO 2 , but this is removed with, for example, BHF to expose the contact layer on the mesa.
その後、コンタクト層上に光射出口を設けた電極を形成し、さらに基板裏面にも電極を設けることで、面発光型半導体レーザを作製することができる（図４を参照）。 After that, an electrode having a light emission port is formed on the contact layer, and an electrode is also provided on the back surface of the substrate, whereby a surface emitting semiconductor laser can be manufactured (see FIG. 4).
しかしながら、このポリイミド膜の形成には、通常、熱硬化型のポリイミドを液体状態で塗布後、過熱を行い、固体化する。この際に、ポリイミドの液体はかなりの粘性を有しており、塗布を行う際に面発光型半導体レーザの基板表面に均一な塗布を行うことはきわめて難しい。たとえば通常、半導体基板上へフォトレジストなどの樹脂を均一に塗布するにはスピンコータなどを用いることが一般的であるが、ポリイミドの液体は通常のレジストよりも粘度が高いため、通常のスピンコートではポリイミドの塗布厚が大きくばらつく。また、面発光型半導体レーザの保護膜としてはフォトレジストなどと比較してかなり厚い塗布を行う必要があるため、さらにそのポリイミドの厚さのばらつきは大きくなる傾向がある。 However, this polyimide film is usually formed by applying thermosetting polyimide in a liquid state and then heating to solidify. At this time, the polyimide liquid has a considerable viscosity, and it is extremely difficult to uniformly apply the surface of the surface emitting semiconductor laser to the substrate surface during the application. For example, a spin coater is generally used to uniformly apply a resin such as a photoresist onto a semiconductor substrate. However, a polyimide liquid has a higher viscosity than a normal resist. The coating thickness of polyimide varies greatly. Moreover, since it is necessary to apply a considerably thick coating as a protective film of a surface emitting semiconductor laser as compared with a photoresist or the like, the variation in the thickness of the polyimide tends to be larger.
このようにポリイミドの厚さのばらつきが大きい場合は、たとえばフォトリソグラフィーでメサ上部のポリイミドを除去しようとしたとき、厚さの違う部分で露光の最適条件が異なり、メサ上のポリイミドの開口形状や開口寸法にばらつきが生じてしまう。また、露光時にアライナータイプの露光機を用いた場合などは、フォトリソグラフィーに用いるフォトマスクと基板との密着性にばらつきが生じ、同一の基板上で開口形状や開口寸法のばらつきがさらに大きくなり、最悪の場合には、開口しないなどの不具合を生じることもある。 In this way, when the variation in the polyimide thickness is large, for example, when removing the polyimide on the mesa by photolithography, the optimum exposure conditions are different at different thicknesses. Variations occur in the opening dimensions. In addition, when an aligner type exposure machine is used at the time of exposure, the adhesiveness between the photomask used for photolithography and the substrate varies, and the variation in opening shape and opening size on the same substrate further increases. In the worst case, problems such as not opening may occur.
次に、他の１つの従来例（第２の従来例）として、特許文献１に示されているように、比較的厚くポリイミド膜を形成した後にドライエッチングでエッチバックし、メサの上部を露出させ、電極を取り出す方法を、図５乃至図７を用いて説明する。 Next, as another conventional example (second conventional example), as shown in Patent Document 1, a relatively thick polyimide film is formed and then etched back by dry etching to expose the upper part of the mesa. A method of taking out the electrodes will be described with reference to FIGS.
この第２の従来例の方法は、ポリイミドを塗布する前までの工程は、前述した第１の従来例の方法と同一であるが、その後が若干違う。すなわち、ポリイミドを塗布する際は、ポリイミドがメサ形状を完全に埋没するまで厚くポリイミド膜を塗布する（図５を参照）。これを硬化させた後、たとえばＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などでエッチバックしていく。すると徐々にポリイミドが薄くなっていき、メサの最上部が露出するので、その時点をもってエッチバックを停止する（図６を参照）。その後、露出したメサ上部のＳｉＯ２をたとえばＢＨＦなどで除去し、メサ上のコンタクト層を露出させる。その後、コンタクト層上に光射出口を設けた電極を形成し、さらに基板裏面にも電極を設けることで、面発光型半導体レーザを作製することができる（図７）。 The method of the second conventional example is the same as the method of the first conventional example described above, but the steps before applying polyimide are slightly different. That is, when applying polyimide, the polyimide film is applied thickly until the polyimide completely embeds the mesa shape (see FIG. 5). After this is cured, it is etched back by, for example, RIE (reactive ion etching). Then, the polyimide gradually becomes thinner and the uppermost part of the mesa is exposed, and the etch back is stopped at that point (see FIG. 6). Thereafter, the SiO 2 on the exposed upper part of the mesa is removed with, for example, BHF to expose the contact layer on the mesa. Thereafter, by forming an electrode having a light emission port on the contact layer and further providing an electrode on the back surface of the substrate, a surface emitting semiconductor laser can be manufactured (FIG. 7).
この第２の従来例のように厚く形成したポリイミド膜をエッチバックしてメサの上部を露出させる場合にも、ポリイミド膜の厚さ分布に起因してメサ最上部の露出までのエッチング時間に差異が生じやすい。一般にＲＩＥなどでポリイミドをエッチングする場合、その厚さ分布をある程度緩和する平坦化の効果を有するが、粘度の高い液状ポリイミドを厚く塗った場合に生じるような大きな厚さ分布では、その平坦化の効果でも十分ではなく、結果としてメサの最上部の露出の程度に大きなばらつきを生じてしまう。 Even when the thickly formed polyimide film is etched back as in the second conventional example to expose the upper part of the mesa, the etching time until the top of the mesa is exposed is different due to the thickness distribution of the polyimide film. Is likely to occur. In general, when polyimide is etched by RIE or the like, it has a flattening effect that relaxes the thickness distribution to some extent. However, in a large thickness distribution that occurs when thick liquid polyimide is applied thick, The effect is not sufficient, and as a result, there is a large variation in the degree of exposure of the top of the mesa.
このようなメサ上の露出部分のばらつきは、メサ上の露出部分が大きすぎる場合はメサ側面等への電流リークなどが起きやすく、メサ上の露出部分が小さすぎる場合は電極の接触が小さくなり、不良となったりするというような不具合が起きやすい。そのため、結果的には、これらのばらつきが面発光型半導体レーザの歩留まりを低下させる要因となっている。 The variation of the exposed part on the mesa is likely to cause current leakage to the side surface of the mesa if the exposed part on the mesa is too large, and the contact of the electrode becomes small if the exposed part on the mesa is too small. It is easy for problems such as failure to occur. Therefore, as a result, these variations are factors that reduce the yield of the surface emitting semiconductor laser.
特にＧａＩｎＮＡｓ系に代表されるような光ファイバーを用いた光通信に好適な１．３μｍ帯の面発光型半導体レーザは、０．８５μｍ帯，０．９８μｍ帯の面発光型半導体レーザと比べて、上部多層膜反射鏡の半導体層の厚さが厚くなり、結果としてメサの高さが大きくなっているため、その表面を完全に覆うために粘度の高いポリイミドで厚く塗布する必要が出てくる。そのために、ポリイミドの膜厚分布が大きくなりやすく、上述したような点が非常に問題になる。
本発明は、ポリイミドを保護層として用いる面発光型半導体レーザにおいて、歩留まり良く特性の安定した面発光型半導体レーザを製造することの可能な面発光型半導体レーザの製造方法および面発光型半導体レーザおよび光通信用モジュール方法を提供することを目的としている。 The present invention relates to a surface-emitting semiconductor laser manufacturing method, a surface-emitting semiconductor laser, and a surface-emitting semiconductor laser capable of manufacturing a surface-emitting semiconductor laser having stable characteristics and good yield in a surface-emitting semiconductor laser using polyimide as a protective layer, and An object is to provide a module method for optical communication.
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、屈折率の異なる半導体層を交互に積層してなる分布ブラッグ反射鏡と活性層を含む共振器とを有する面発光型半導体レーザの積層構造を成長する工程と、該積層構造をメサ状にエッチングする工程と、前記積層構造がメサ状にエッチングされた面発光型半導体レーザの表面に絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜が形成された面発光型半導体レーザの表面上をポリイミド層で覆う工程と、前記ポリイミド層の一部を除去し、メサの最上面を露出させる工程と、メサの最上面の絶縁膜を除去する工程と、メサ上に電極を形成する工程とを含む面発光型半導体レーザの製造方法において、ポリイミド層の一部を除去する工程に、ポリイミド層の表面を物理的な研磨によって平坦化する工程を含ませることを特徴とする面発光型半導体レーザの製造方法である。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a surface emitting device comprising a distributed Bragg reflector formed by alternately laminating semiconductor layers having different refractive indexes on a semiconductor substrate and a resonator including an active layer. A step of growing a stacked structure of the semiconductor laser, a step of etching the stacked structure in a mesa shape, a step of forming an insulating film on the surface of the surface emitting semiconductor laser in which the stacked structure is etched in a mesa shape, A step of covering the surface of the surface emitting semiconductor laser on which the insulating film is formed with a polyimide layer; a step of removing a part of the polyimide layer to expose the uppermost surface of the mesa; and an insulating film on the uppermost surface of the mesa In a surface emitting semiconductor laser manufacturing method including a step of removing and a step of forming an electrode on a mesa, the surface of the polyimide layer is planarized by physical polishing in the step of removing part of the polyimide layer A method for manufacturing a surface-emitting type semiconductor laser, characterized in that the inclusion of that process.
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の面発光型半導体レーザの製造方法において、ポリイミド層の一部を除去する工程は、すべて物理的な研磨によって行なわれることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the method for manufacturing a surface-emitting type semiconductor laser according to the first aspect, all the steps of removing a part of the polyimide layer are performed by physical polishing.
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の面発光型半導体レーザの製造方法において、ポリイミド層の一部を除去する工程は、ポリイミド層の表面を物理的な研磨によって平坦化する工程と、ポリイミド層の表面を物理的な研磨によって平坦化する工程を行なった後に、ドライエッチングによりポリイミド層をエッチングする工程とからなることを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, in the method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser according to the first aspect, the step of removing a part of the polyimide layer is a step of planarizing the surface of the polyimide layer by physical polishing. And a step of flattening the surface of the polyimide layer by physical polishing and then etching the polyimide layer by dry etching.
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザの製造方法において、面発光型半導体レーザの前記積層構造は、その表面のコンタクト層上にさらに犠牲層としての半導体層が成長されたものとなっており、メサの最上面の絶縁膜を除去する工程とメサ上に電極を形成する工程との間に、犠牲層をエッチングしてコンタクト層をメサ最上面に露出させる工程を有していることを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser according to any one of the first to third aspects, the stacked structure of the surface emitting semiconductor laser has a contact on the surface thereof. A semiconductor layer as a sacrificial layer is further grown on the layer, and the sacrificial layer is etched between the step of removing the insulating film on the top surface of the mesa and the step of forming an electrode on the mesa. And a step of exposing the contact layer to the uppermost surface of the mesa.
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型半導体レーザの製造方法を用いて作製した面発光型半導体レーザであって、該面発光型半導体レーザの活性層はＧａＩｎＮＡｓであることを特徴としている。 The invention according to claim 5 is a surface emitting semiconductor laser manufactured by using the surface emitting semiconductor laser manufacturing method according to any one of claims 1 to 4, wherein the surface emitting semiconductor laser is formed. The active layer of the type semiconductor laser is characterized by being GaInNAs.
また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の面発光型半導体レーザにおいて、該面発光型半導体レーザには、熱線膨張係数が５０×１０―６ ℃―１以下のポリイミド保護膜が用いられていることを特徴としている。 According to a sixth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser according to the fifth aspect, a polyimide protective film having a thermal linear expansion coefficient of 50 × 10 −6 ° C. −1 or less is used for the surface emitting semiconductor laser. It is characterized by being.
また、請求項７記載の発明は、請求項５または請求項６記載の面発光型半導体レーザを用いた光通信用モジュールである。 A seventh aspect of the present invention is an optical communication module using the surface emitting semiconductor laser according to the fifth or sixth aspect.
請求項１乃至請求項４記載の発明によれば、半導体基板上に、屈折率の異なる半導体層を交互に積層してなる分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）と活性層を含む共振器とを有する面発光型半導体レーザの積層構造を成長する工程と、該積層構造をメサ状にエッチングする工程と、前記積層構造がメサ状にエッチングされた面発光型半導体レーザの表面に絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜が形成された面発光型半導体レーザの表面上をポリイミド層で覆う工程と、前記ポリイミド層の一部を除去し、メサの最上面を露出させる工程と、メサの最上面の絶縁膜を除去する工程と、メサ上に電極を形成する工程とを含む面発光型半導体レーザの製造方法において、ポリイミド層の一部を除去する工程に、ポリイミド層の表面を物理的な研磨によって平坦化する工程を含ませることにより、メサ最上部の電極形成部分において均一な構造を得ることが可能となり、電流リークの懸念や、電極の段切れなどの懸念が無く、基板全面にわたって均一に歩留まりのよい面発光型半導体レーザを作製することができる。 According to the first to fourth aspects of the invention, a surface having a distributed Bragg reflector (DBR) formed by alternately laminating semiconductor layers having different refractive indexes on a semiconductor substrate and a resonator including an active layer. A step of growing a laminated structure of the light emitting semiconductor laser, a step of etching the laminated structure in a mesa shape, and a step of forming an insulating film on the surface of the surface emitting semiconductor laser having the laminated structure etched in a mesa shape; A step of covering the surface of the surface emitting semiconductor laser on which the insulating film is formed with a polyimide layer; a step of removing a part of the polyimide layer to expose the uppermost surface of the mesa; and an insulating film on the uppermost surface of the mesa In the method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser including the step of removing the electrode and the step of forming the electrode on the mesa, the surface of the polyimide layer is flattened by physical polishing in the step of removing a part of the polyimide layer By including this process, it is possible to obtain a uniform structure in the electrode formation portion at the top of the mesa, and there is no concern about current leakage or electrode breakage, and the yield is uniformly uniform over the entire surface of the substrate. A surface-emitting type semiconductor laser can be manufactured.
特に、請求項２記載の発明では、請求項１記載の面発光型半導体レーザの製造方法において、ポリイミド層の一部を除去する工程は、すべて物理的な研磨によって行なわれるので、物理的な研磨によって平坦化しつつメサ最上部を均一に露出させることができて、均一に歩留まりのよい面発光型半導体レーザを作製することができる。 In particular, in the invention according to claim 2, in the method for manufacturing the surface emitting semiconductor laser according to claim 1, since all the steps of removing a part of the polyimide layer are performed by physical polishing, physical polishing is performed. Thus, the top surface of the mesa can be uniformly exposed while being flattened, and a surface emitting semiconductor laser with a uniform and good yield can be manufactured.
また、請求項３記載の発明では、請求項１記載の面発光型半導体レーザの製造方法において、ポリイミド層の一部を除去する工程は、ポリイミド層の表面を物理的な研磨によって平坦化する工程と、平坦化する工程を行なった後に、ドライエッチングによりポリイミド層をエッチングする工程とからなるので、メサの最上部にダメージを与える可能性が少なくなり、より歩留まりを向上させることができる。 According to a third aspect of the present invention, in the method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser according to the first aspect, the step of removing a part of the polyimide layer is a step of planarizing the surface of the polyimide layer by physical polishing. Then, after performing the flattening step, the step of etching the polyimide layer by dry etching can reduce the possibility of damaging the uppermost portion of the mesa and further improve the yield.
また、請求項４記載の発明では、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザの製造方法において、面発光型半導体レーザの前記積層構造は、その表面のコンタクト層上にさらに犠牲層としての半導体層が成長されたものとなっており、メサの最上面の絶縁膜を除去する工程とメサ上に電極を形成する工程との間に、犠牲層をエッチングしてコンタクト層をメサ最上面に露出させる工程を有しており、犠牲層が設けられていることによって面発光型半導体レーザのメサ上のコンタクト層にダメージを与える可能性が少なくなり、より一層歩留まりを向上させることができる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser according to any one of the first to third aspects, the stacked structure of the surface emitting semiconductor laser has a contact on the surface thereof. A semiconductor layer as a sacrificial layer is further grown on the layer, and the sacrificial layer is etched between the step of removing the insulating film on the top surface of the mesa and the step of forming an electrode on the mesa. The step of exposing the contact layer to the top surface of the mesa, and the provision of the sacrificial layer reduces the possibility of damaging the contact layer on the mesa of the surface emitting semiconductor laser, thereby further increasing the yield. Can be improved.
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型半導体レーザの製造方法を用いることで、活性層としてＧａＩｎＮＡｓを用いた面発光型半導体レーザを作製する場合にも、均一に歩留まりのよい面発光型半導体レーザを得ることができる。 Further, according to the invention described in claim 5, by using the surface emitting semiconductor laser manufacturing method according to any one of claims 1 to 4, a surface emitting type using GaInNAs as an active layer. Even in the case of manufacturing a semiconductor laser, a surface emitting semiconductor laser having a uniform and good yield can be obtained.
また、請求項６記載の発明によれば、請求項５記載の面発光型半導体レーザにおいて、該面発光型半導体レーザには、熱線膨張係数が５０×１０―６ ℃―１以下のポリイミド保護膜が用いられているので、ポリイミドを厚く塗布しても熱応力に起因するクラックや剥離を防止することが可能になり、より歩留まりの良い面発光型半導体レーザを得ることができる。 According to a sixth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser according to the fifth aspect, the surface emitting semiconductor laser includes a polyimide protective film having a thermal linear expansion coefficient of 50 × 10 −6 ° C. −1 or less. Therefore, even if polyimide is applied thickly, it becomes possible to prevent cracks and peeling due to thermal stress, and a surface emitting semiconductor laser with a better yield can be obtained.
また、請求項７記載の発明によれば、請求項５または請求項６記載の面発光型半導体レーザを用いた光通信用モジュールであるので、安価で特性の安定な光送信モジュールを提供することができる。
Further, according to the invention described in claim 7, since it is a module for optical communication using the surface emitting semiconductor laser according to claim 5 or 6, it is possible to provide an inexpensive optical transmission module with stable characteristics. Can do.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
（第１の形態）
本発明の第１の形態は、半導体基板上に、屈折率の異なる半導体層を交互に積層してなる分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）と活性層を含む共振器とを有する面発光型半導体レーザの積層構造を成長する工程と、該積層構造をメサ状にエッチングする工程と、前記積層構造がメサ状にエッチングされた面発光型半導体レーザの表面に絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜が形成された面発光型半導体レーザの表面上をポリイミド層で覆う工程と、前記ポリイミド層の一部を除去し、メサの最上面を露出させる工程と、メサの最上面の絶縁膜を除去する工程と、メサ上に電極を形成する工程とを含む面発光型半導体レーザの製造方法において、ポリイミド層の一部を除去する工程に、ポリイミド層の表面を物理的な研磨によって平坦化する工程を含ませることを特徴としている。
(First form)
A first embodiment of the present invention is a surface emitting semiconductor laser having a distributed Bragg reflector (DBR) formed by alternately laminating semiconductor layers having different refractive indexes on a semiconductor substrate and a resonator including an active layer. A step of growing a laminated structure, a step of etching the laminated structure in a mesa shape, a step of forming an insulating film on the surface of the surface emitting semiconductor laser in which the laminated structure is etched in a mesa shape, and an insulating film is formed Covering the surface of the surface-emitting type semiconductor laser with a polyimide layer, removing a part of the polyimide layer to expose the uppermost surface of the mesa, and removing the insulating film on the uppermost surface of the mesa In the method of manufacturing the surface emitting semiconductor laser including the step of forming an electrode on the mesa, the step of removing a part of the polyimide layer includes the step of planarizing the surface of the polyimide layer by physical polishing. It is characterized in that.
ここで、面発光型半導体レーザの積層構造は、ＭＯＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法などのその層構成に応じた半導体のエピタキシャル成長技術であれば、いずれの方法でもかまわず、特にその成長方法は限定されない。また、メサ形状への加工方法も、ウエットエッチング，ドライエッチングのいずれでも、所定形状へ加工可能であれば、その手法には限定されない。また、絶縁膜を形成する方法も、通常のＣＶＤやスパッタリングなどで形成可能であり、そのいずれを用いても特に問題は無い。また、ポリイミドの塗布も、スピンコート，スプレーコートなどいくつかの方法が考えられるが、特に限定されない。 Here, the stacked structure of the surface emitting semiconductor laser may be any method as long as it is a semiconductor epitaxial growth technique corresponding to the layer structure such as MOCVD method or MBE method, and the growth method is not particularly limited. Also, the method for processing into a mesa shape is not limited to that method as long as it can be processed into a predetermined shape by either wet etching or dry etching. In addition, the insulating film can be formed by ordinary CVD, sputtering, or the like, and any of them can be used without any problem. In addition, polyimide may be applied by several methods such as spin coating and spray coating, but is not particularly limited.
また、第１の形態においては、ポリイミド層の一部を除去する工程に物理的な研磨を用いている。この物理的な研磨については、例えば特開２０００−３４０５３８に示されているような、砥石のような固定砥粒を用いた平坦化法などを用いることができる。この方法は、凹凸のある基板表面を平坦化する方法として好適であり、凹凸パターンの種類，間隔段差などの構造による依存性が少ない方法として提案されている。また、この方法においては、基板の平坦化の終点を検出する方法として、基板の裏面を押し付けるポッドに温度センサを取り付け、研磨の際の熱による基板裏面の温度分布で基板の平坦度を検知できるので、本発明を実施するための一手段として有効であると考えられる。これらのような固定砥粒を用いた研磨方法においても、半導体素子の多層配線などの平坦化が可能なレベルで平坦化が可能であり、本発明で必要とされるポリイミド塗布後の凹凸の平坦化には十分な平坦化能力があると考えられる。当然例示した以外にも十分な平坦化が可能であれば、例えば流動タイプの砥粒（スラリー）などを用いる他の物理研磨方法でもかまわない。また、このような研磨方法においては例えば図８のような研磨冶具を用いて研磨する。すなわち、図８の仕方では、研磨されるウエハは、圧縮空気で押し出されるパッドに抑えられ、研磨面を下にして研磨される。この時、研磨面の平行度がウエハの裏面に対して保たれない懸念があるが、このような平行度のずれは主に回転軸のぶれによる傾きや、パッドの遊びがあることによる傾きが原因であるため、そのようなぶれや遊びを取り除くことで、十分な平行度を持って研磨を行うことが可能になる。 In the first embodiment, physical polishing is used in the step of removing a part of the polyimide layer. For this physical polishing, for example, a flattening method using fixed abrasive grains such as a grindstone as disclosed in JP-A-2000-340538 can be used. This method is suitable as a method for flattening a substrate surface with unevenness, and has been proposed as a method with less dependence on the structure such as the type of unevenness pattern and the interval step. Also, in this method, as a method for detecting the end point of planarization of the substrate, a temperature sensor is attached to a pod that presses the back surface of the substrate, and the flatness of the substrate can be detected by the temperature distribution on the back surface of the substrate due to heat during polishing. Therefore, it is considered effective as one means for carrying out the present invention. Even in a polishing method using such fixed abrasive grains, flattening is possible at a level at which flattening of a multilayer wiring of a semiconductor element and the like is possible, and unevenness after polyimide coating required in the present invention is flattened. It is considered that there is sufficient flattening ability for the conversion. Of course, other physical polishing methods using, for example, fluidized abrasive grains (slurry) may be used as long as sufficient flattening is possible in addition to those illustrated. In such a polishing method, for example, polishing is performed using a polishing jig as shown in FIG. That is, in the method of FIG. 8, the wafer to be polished is held by the pad pushed out by compressed air and polished with the polishing surface facing down. At this time, there is a concern that the parallelism of the polishing surface may not be maintained with respect to the back surface of the wafer, but such a deviation in parallelism is mainly caused by tilting of the rotating shaft or tilting due to pad play. Therefore, it is possible to perform polishing with sufficient parallelism by removing such shaking and play.
このように、本発明の第１の形態では、半導体基板上に、屈折率の異なる半導体層を交互に積層してなる分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）と活性層を含む共振器とを有する面発光型半導体レーザの積層構造を成長する工程と、該積層構造をメサ状にエッチングする工程と、前記積層構造がメサ状にエッチングされた面発光型半導体レーザの表面に絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜が形成された面発光型半導体レーザの表面上をポリイミド層で覆う工程と、前記ポリイミド層の一部を除去し、メサの最上面を露出させる工程と、メサの最上面の絶縁膜を除去する工程と、メサ上に電極を形成する工程とを含む面発光型半導体レーザの製造方法において、ポリイミド層の一部を除去する工程に、ポリイミド層の表面を物理的な研磨によって平坦化する工程を含ませることにより、メサ最上部の電極形成部分において均一な構造を得ることが可能となり、電流リークの懸念や、電極の段切れなどの懸念が無く、基板全面にわたって均一に歩留まりのよい面発光型半導体レーザを作製することができる。 As described above, in the first embodiment of the present invention, a surface emitting device having a distributed Bragg reflector (DBR) formed by alternately laminating semiconductor layers having different refractive indexes on a semiconductor substrate and a resonator including an active layer. A step of growing a stacked structure of the semiconductor laser, a step of etching the stacked structure in a mesa shape, a step of forming an insulating film on the surface of the surface emitting semiconductor laser in which the stacked structure is etched in a mesa shape, A step of covering the surface of the surface emitting semiconductor laser on which the insulating film is formed with a polyimide layer; a step of removing a part of the polyimide layer to expose the uppermost surface of the mesa; and an insulating film on the uppermost surface of the mesa In a method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser including a step of removing and a step of forming an electrode on a mesa, the surface of the polyimide layer is planarized by physical polishing in the step of removing a part of the polyimide layer By including the process, it is possible to obtain a uniform structure in the electrode formation portion at the top of the mesa, and there is no concern about current leakage or electrode breakage, and the surface has a good yield uniformly over the entire surface of the substrate. A light emitting semiconductor laser can be manufactured.
（第２の形態）
本発明の第２の形態は、第１の形態の面発光型半導体レーザの製造方法において、ポリイミド層の一部を除去する工程は、すべて物理的な研磨によって行なわれることを特徴としている。
(Second form)
According to a second aspect of the present invention, in the method for manufacturing a surface-emitting type semiconductor laser according to the first aspect, all steps of removing a part of the polyimide layer are performed by physical polishing.
ここで、物理研磨としては、例えば固定砥粒を用いた研磨方法を用いることで、ポリイミドの凹凸を十分なレベルに平坦化することが可能になる。これは、十分な平坦化が可能な範囲であれば、流動タイプの砥粒（スラリー）などを用いる他の物理研磨方法でもかまわない。 Here, as physical polishing, for example, by using a polishing method using fixed abrasive grains, it becomes possible to flatten the unevenness of polyimide to a sufficient level. This may be another physical polishing method using fluidized abrasive grains (slurry) as long as sufficient planarization is possible.
本発明の第２の形態では、第１の形態の面発光型半導体レーザの製造方法において、ポリイミド層の一部を除去する工程は、すべて物理的な研磨によって行なわれるので、物理的な研磨によって平坦化しつつメサ最上部を均一に露出させることができて、均一に歩留まりのよい面発光型半導体レーザを作製することができる。 In the second embodiment of the present invention, in the method for manufacturing the surface-emitting type semiconductor laser of the first embodiment, all the steps of removing a part of the polyimide layer are performed by physical polishing. The top surface of the mesa can be uniformly exposed while being flattened, and a surface emitting semiconductor laser with a uniform and good yield can be manufactured.
（第３の形態）
本発明の第３の形態は、第１の形態の面発光型半導体レーザの製造方法において、ポリイミド層の一部を除去する工程は、ポリイミド層の表面を物理的な研磨によって平坦化する工程と、ポリイミド層の表面を物理的な研磨によって平坦化する工程を行なった後に、ドライエッチングによりポリイミド層をエッチングする工程とからなることを特徴としている。
(Third form)
According to a third aspect of the present invention, in the method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser according to the first aspect, the step of removing a part of the polyimide layer includes a step of planarizing the surface of the polyimide layer by physical polishing. And a step of flattening the surface of the polyimide layer by physical polishing, followed by a step of etching the polyimide layer by dry etching.
ここで、物理研磨としては、例えば固定砥粒を用いた研磨方法を用いることで、ポリイミドの凹凸を十分なレベルに平坦化することができる。また、ドライエッチングとしては、例えばＥＣＲエッチングなどを用いることで、メサの最上部を均一に露出させることが可能になる。ドライエッチング方法は、ポリイミド層を除去し、メサの最上部を被覆している絶縁膜についてはこれをエッチングしないような条件であれば、特にその方法は限定されない。 Here, as physical polishing, for example, by using a polishing method using fixed abrasive grains, the unevenness of polyimide can be flattened to a sufficient level. Further, as dry etching, for example, ECR etching or the like is used, so that the uppermost portion of the mesa can be uniformly exposed. The dry etching method is not particularly limited as long as the polyimide layer is removed and the insulating film covering the top of the mesa is not etched.
本発明の第３の形態では、第１の形態の面発光型半導体レーザの製造方法において、ポリイミド層の一部を除去する工程は、ポリイミド層の表面を物理的な研磨によって平坦化する工程と、ポリイミド層の表面を物理的な研磨によって平坦化する工程を行なった後に、ドライエッチングによりポリイミド層をエッチングする工程とからなるので、メサの最上部にダメージを与える可能性が少なくなり、より歩留まりを向上させることができる。 In the third aspect of the present invention, in the method of manufacturing the surface-emitting type semiconductor laser of the first aspect, the step of removing a part of the polyimide layer includes the step of planarizing the surface of the polyimide layer by physical polishing. Since the process of flattening the surface of the polyimide layer by physical polishing is followed by the process of etching the polyimide layer by dry etching, the possibility of damaging the top of the mesa is reduced and the yield is further increased. Can be improved.
（第４の形態）
本発明の第４の形態は、第１乃至第３のいずれかの形態の面発光型半導体レーザの製造方法において、面発光型半導体レーザの前記積層構造は、その表面のコンタクト層上にさらに犠牲層としての半導体層が成長されたものとなっており、メサの最上面の絶縁膜を除去する工程とメサ上に電極を形成する工程との間に、犠牲層をエッチングしてコンタクト層をメサ最上面に露出させる工程を有していることを特徴としている。
(4th form)
According to a fourth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser manufacturing method according to any one of the first to third aspects, the stacked structure of the surface emitting semiconductor laser is further sacrificed on the contact layer on the surface. A semiconductor layer is grown as a layer, and the contact layer is formed by etching the sacrificial layer between the step of removing the insulating film on the uppermost surface of the mesa and the step of forming the electrode on the mesa. It has the process exposed to the uppermost surface.
この第４の形態では、半導体の犠牲層を用いるが、これには例えばＧａＩｎＰ層を用いることができる。この層は、ある程度の強度を有してエッチングにより容易に除去できるものであれば、特に限定されない。この第４の形態では、ポリイミド層の機械的研磨の際に、万が一メサの最上部が研磨されるような事態が起きても、犠牲層としてＧａＩｎＰ層が設けられていることにより、分布ブラッグ反射鏡（例えば、ｐ型半導体多層膜反射鏡）の表面のコンタクト層を傷つける可能性をより低くすることが可能となる。かつ、ＧａＩｎＰ層は塩酸系エッチャントでＧａＡｓ層をエッチングストップ層として容易に選択エッチングできるため、除去が容易である。 In the fourth embodiment, a semiconductor sacrificial layer is used. For example, a GaInP layer can be used. This layer is not particularly limited as long as it has a certain degree of strength and can be easily removed by etching. In the fourth embodiment, even when a situation occurs in which the uppermost portion of the mesa is polished during mechanical polishing of the polyimide layer, the distributed Bragg reflection is achieved by providing the GaInP layer as a sacrificial layer. The possibility of damaging the contact layer on the surface of a mirror (for example, a p-type semiconductor multilayer film reflecting mirror) can be further reduced. In addition, the GaInP layer can be easily removed by selective etching with a hydrochloric acid-based etchant using the GaAs layer as an etching stop layer.
このように、第４の形態では、第１乃至第３のいずれかの形態の面発光型半導体レーザの製造方法において、面発光型半導体レーザの前記積層構造は、その表面のコンタクト層上にさらに犠牲層としての半導体層が成長されたものとなっており、メサの最上面の絶縁膜を除去する工程とメサ上に電極を形成する工程との間に、犠牲層をエッチングしてコンタクト層をメサ最上面に露出させる工程を有しており、犠牲層が設けられていることによって面発光型半導体レーザのメサ上のコンタクト層にダメージを与える可能性が少なくなり、より一層歩留まりを向上させることができる。 Thus, in the fourth embodiment, in the method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser according to any one of the first to third embodiments, the stacked structure of the surface emitting semiconductor laser is further provided on the contact layer on the surface. A semiconductor layer is grown as a sacrificial layer, and the contact layer is etched by etching the sacrificial layer between the step of removing the insulating film on the top surface of the mesa and the step of forming an electrode on the mesa. It has a step of exposing the top surface of the mesa, and the provision of the sacrificial layer reduces the possibility of damaging the contact layer on the mesa of the surface emitting semiconductor laser, thereby further improving the yield. Can do.
（第５の形態）
本発明の第５の形態は、第１乃至第４のいずれかの形態の面発光型半導体レーザの製造方法を用いて作製した面発光型半導体レーザであって、該面発光型半導体レーザの活性層はＧａＩｎＮＡｓであることを特徴としている。
(5th form)
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a surface emitting semiconductor laser manufactured using the surface emitting semiconductor laser manufacturing method according to any one of the first to fourth aspects, wherein the surface emitting semiconductor laser is activated. The layer is characterized by being GaInNAs.
この第５の形態においては、第１乃至第４のいずれかの形態の面発光型半導体レーザの製造方法を用いることで、活性層としてＧａＩｎＮＡｓを用いた面発光型半導体レーザを作製する場合にも、均一に歩留まりのよい面発光型半導体レーザを得ることができる。 In the fifth embodiment, even when a surface emitting semiconductor laser using GaInNAs as an active layer is manufactured by using the surface emitting semiconductor laser manufacturing method according to any one of the first to fourth embodiments. A surface emitting semiconductor laser with a uniform and good yield can be obtained.
（第６の形態）
本発明の第６の形態は、第５の形態の面発光型半導体レーザにおいて、該面発光型半導体レーザには、熱線膨張係数が５０×１０―６ ℃―１以下のポリイミド保護膜が用いられていることを特徴としている。
(Sixth form)
According to a sixth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser of the fifth aspect, a polyimide protective film having a thermal linear expansion coefficient of 50 × 10 −6 ° C. −1 or less is used for the surface emitting semiconductor laser. It is characterized by having.
この第６の形態においては、第５の形態の面発光型半導体レーザにおいて、該面発光型半導体レーザには、熱線膨張係数が５０×１０―６ ℃―１以下のポリイミド保護膜が用いられているので、ポリイミドを厚く塗布しても熱応力に起因するクラックや剥離を防止することが可能になり、より歩留まりの良い面発光型半導体レーザを得ることができる。 In the sixth embodiment, in the surface emitting semiconductor laser of the fifth embodiment, a polyimide protective film having a thermal linear expansion coefficient of 50 × 10 −6 ° C. −1 or less is used for the surface emitting semiconductor laser. Therefore, even if polyimide is applied thickly, it becomes possible to prevent cracks and peeling due to thermal stress, and a surface emitting semiconductor laser with a better yield can be obtained.
（第７の形態）
本発明の第７の形態は、第５または第６の形態の面発光型半導体レーザを用いた光通信用モジュールである。
(7th form)
A seventh aspect of the present invention is an optical communication module using the surface-emitting type semiconductor laser of the fifth or sixth aspect.
この第７の形態においては、第５または第６の形態の面発光型半導体レーザを用いた光通信用モジュールであるので、安価で特性の安定な光送信モジュールを提供することができる。 In the seventh embodiment, since it is an optical communication module using the surface emitting semiconductor laser of the fifth or sixth embodiment, it is possible to provide an inexpensive optical transmission module with stable characteristics.
実施例１では、本発明の製造方法を用いて、ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓ系１．３μｍ帯の面発光型半導体レーザを製造した。 In Example 1, a GaInNAs-based 1.3 μm surface emitting semiconductor laser was manufactured on a GaAs substrate by using the manufacturing method of the present invention.
本実施例１においては、まず、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、積層構造として、ｎ型半導体多層膜反射鏡、ＧａＡｓ下部スペーサ層、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層、ＧａＡｓ上部スペーサ層、ＡｌＡｓ層、ｐ型半導体多層膜反射鏡を順次に積層する。 In Example 1, first, an MOCVD method is used to form an n-type semiconductor multilayer mirror, a GaAs lower spacer layer, a GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer, and a GaAs upper portion on a n-type GaAs substrate as a stacked structure. A spacer layer, an AlAs layer, and a p-type semiconductor multilayer mirror are sequentially stacked.
ここで、ｎ型半導体多層膜反射鏡は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ低屈折率層とを交互に積層したｎ型分布ブラッグ反射鏡（ｎ型ＤＢＲ）で構成されている。同様に、ｐ型半導体多層膜反射鏡も、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層とｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ低屈折率層を交互に積層したｐ型分布ブラッグ反射鏡（ｐ型ＤＢＲ）で構成されている。 Here, the n-type semiconductor multilayer mirror is an n-type distributed Bragg reflector (n-type) in which n-type GaAs high refractive index layers and n-type Al 0.8 Ga 0.2 As low refractive index layers are alternately stacked. DBR). Similarly, the p-type semiconductor multilayer mirror is also a p-type distributed Bragg reflector (p-type DBR) in which p-type GaAs high refractive index layers and p-type Al 0.8 Ga 0.2 As low refractive index layers are alternately stacked. ).
また、多重量子井戸活性層を含む、第１のＧａＡｓ下部スペーサ層からＧａＡｓ上部スペーサ層までの領域は、λ共振器を構成している。 Further, the region from the first GaAs lower spacer layer to the GaAs upper spacer layer including the multiple quantum well active layer constitutes a λ resonator.
そして、上記積層構造上に例えばＳｉＯ２層を形成しフォトリソグラフィーを用いて例えば円形状にパターンニングする。これをエッチングマスクとして、ｎ型半導体多層膜反射鏡（ｎ型ＤＢＲ）に達するまで円筒状にドライエッチングして、メサ構造を形成する（図９を参照）。これはドライエッチングでもウエットエッチングでも所定形状にエッチングできるのであれば、どちらでもかまわない。実施例１では、メササイズは直径が例えば約３０μｍφとなっている。そして、エッチングして表面が露出した側面からＡｌＡｓ層を選択的に酸化させ、ＡｌＯｘ絶縁領域を形成することにより、電流狭窄構造が形成されている。この電流狭窄構造により最終的にレーザ素子が完成し、駆動する際には、電流は、ＡｌＯｘ絶縁領域によって例えばおよそ３μｍφの酸化開口領域に集中して活性層に注入される。 Then, for example, a SiO 2 layer is formed on the laminated structure, and patterned, for example, in a circular shape using photolithography. Using this as an etching mask, a mesa structure is formed by dry etching in a cylindrical shape until it reaches the n-type semiconductor multilayer mirror (n-type DBR) (see FIG. 9). This may be either dry etching or wet etching as long as it can be etched into a predetermined shape. In the first embodiment, the mesa size has a diameter of, for example, about 30 μmφ. Then, the AlAs layer is selectively oxidized from the side surface exposed by etching to form an AlO x insulating region, thereby forming a current confinement structure. When the laser element is finally completed and driven by this current confinement structure, the current is concentrated in the oxide opening region of about 3 μmφ, for example, by the AlO x insulating region and injected into the active layer.
選択酸化の後、全面にＳｉＯ２膜を保護膜として成長し、その後、ポリイミドを塗布する（図１０を参照）。ポリイミドは、メサ構造が完全に埋没する状態にまで厚く塗布し、その後硬化する。このとき、一度で厚く塗布しきれない場合には、複数回に分けて塗布を行ってもかまわない。塗布の際には、例えばスピンコータ−を用いて、ある程度均一に塗布されるようにする。また、この塗布の厚さはかなり厚いほうが、その後の工程で機械的研磨の平坦化を行いやすいため、可能な限り厚く塗布するのが好ましい。 After the selective oxidation, a SiO 2 film is grown on the entire surface as a protective film, and then polyimide is applied (see FIG. 10). The polyimide is applied thickly until the mesa structure is completely buried and then cured. At this time, if the coating cannot be performed thickly at one time, the coating may be performed in a plurality of times. At the time of coating, for example, a spin coater is used so that the coating is uniformly applied to some extent. In addition, it is preferable that the coating is made as thick as possible because the coating is considerably thicker because it is easy to flatten mechanical polishing in the subsequent steps.
ポリイミドを塗布し、硬化したポリイミドはスピンコータを用いてもその膜厚は完全に均一にはならない。特にスピンコータを用いた場合には回転させた基板の周辺部が厚くなる傾向があり、通常外周部はその後の工程でポリイミドの膜厚の違いに起因するばらつきによってエラーが頻発するため、素子を得ることができない部分となることが多い。 Even if a polyimide is applied and cured, the film thickness is not completely uniform even if a spin coater is used. In particular, when a spin coater is used, the peripheral portion of the rotated substrate tends to be thick, and an error is frequently generated in the outer peripheral portion due to the difference in the film thickness of the polyimide in the subsequent process, thereby obtaining an element. It often becomes a part that cannot be done.
そこで本実施例１では、このポリイミドの表面を機械的研磨により平坦化する（図１１を参照）。このとき、機械的研磨にはそれほど硬い研磨材や冶具を用いる必要は無く、かつ、応力も最小限でゆっくり研磨するのが好ましい。また、平面度が重要であるため、きわめて目の細かい固定砥粒などを用いて研磨することで、希望の平坦度を得ることができる。研磨方法としては以下のような方法が考えられる。 Therefore, in Example 1, the surface of this polyimide is flattened by mechanical polishing (see FIG. 11). At this time, it is not necessary to use a hard abrasive material or jig for the mechanical polishing, and it is preferable to perform the polishing slowly with minimal stress. In addition, since flatness is important, desired flatness can be obtained by polishing using fixed abrasive grains that are extremely fine. As a polishing method, the following methods can be considered.
図１２には、研磨方法の一例が示されている。図１２においては、ウエハは、ポリイミドを塗布した状態で下向きになっている。ウエハの上面は、ウエハホルダに取り付けられているゴム製等の弾性体で構成された加圧支持体であるゴム製ポッドにより研磨用の砥石などに押し付けられている。ウエハホルダは、ゴム製ポッドとともにウエハなどの基板を保持する支持体となっている。ゴム製ポッドは、ウエハホルダに設けられた圧縮空気供給のための管を介してウエハホルダとゴム製ポッドとの間の空間に圧縮空気（加圧空気）を導入することで、ウエハをその面内で均等に研磨体である砥石に押し付ける構成となっている。つまり、ウエハホルダがシリンダのようになり、ゴム製ポッドの外周部がピストンのように作用してウエハの砥石への押し付け圧力を任意にコントロールできるようになっている。また、砥石は、一定速度で回転する機構を有しており、任意の回転速度で回転可能になっている。 FIG. 12 shows an example of the polishing method. In FIG. 12, the wafer is faced down with polyimide applied. The upper surface of the wafer is pressed against a polishing grindstone or the like by a rubber pod which is a pressure support body made of an elastic body made of rubber or the like attached to the wafer holder. The wafer holder is a support for holding a substrate such as a wafer together with the rubber pod. The rubber pod introduces compressed air (pressurized air) into the space between the wafer holder and the rubber pod through a tube for supplying compressed air provided on the wafer holder, so that the wafer is moved in the plane. It is configured to press evenly against a grindstone that is a polishing body. In other words, the wafer holder is like a cylinder, and the outer peripheral portion of the rubber pod acts like a piston so that the pressing pressure of the wafer against the grindstone can be controlled arbitrarily. Further, the grindstone has a mechanism that rotates at a constant speed, and can rotate at an arbitrary rotation speed.
図１２のような研磨機構で研磨加工を行うことで、表面のポリイミドはその凹凸が平坦化される。このときの平坦度は、好適な条件（ポリイミドの種類等、材料系によって異なる）で研磨することで、半導体の多層配線の際の平坦化処理として用いるレベルで可能になっており、十分に本発明の目的を達成できる平坦度を得ることが可能になる。さらに、研磨用のホルダの回転軸はぶれや傾きが無いようになっており、かつゴム製ポッドもホルダに対してシリンダ状の押し出しで傾きの無いような構造になっている。これにより、研磨すべきウエハのポッドと接している裏面が傾くことは無いため、基板の表面は基板の裏面に対して平行に研磨され、プロセスに問題ないレベルで研磨面の平行度も保たれる。 By polishing with a polishing mechanism as shown in FIG. 12, the surface polyimide is flattened. The flatness at this time can be achieved at a level used as a planarization process in the case of semiconductor multilayer wiring by polishing under suitable conditions (varies depending on the material type, such as the type of polyimide). It becomes possible to obtain flatness that can achieve the object of the invention. Furthermore, the rotating shaft of the polishing holder is not shaken or tilted, and the rubber pod is also structured to be tilted with respect to the holder by a cylindrical extrusion. As a result, the back surface in contact with the pod of the wafer to be polished does not tilt, so the surface of the substrate is polished parallel to the back surface of the substrate, and the parallelism of the polished surface is maintained at a level that does not cause a problem in the process. It is.
通常、ドライエッチングでエッチングを行った際には、ＲＩＥなどではある程度の平坦化はなされるが、面発光型半導体レーザ上に粘度の高いポリイミドを塗布した際の厚さ分布を完全に取り除くほどの平坦化は、条件にもよるが、きわめて難しい。これに対して、本実施例１のように機械的研磨を行った場合、容易にポリイミドの表面の平坦化を行うことが可能になる。また、ポリイミドの厚さに不均一があっても、基板の裏面の平行度が保たれているため、表面が傾いて研磨されるようなことは無く、表面の平行度を十分に保つことができる。 Normally, when etching is performed by dry etching, the surface is flattened to some extent by RIE or the like, but flat enough to completely remove the thickness distribution when a high-viscosity polyimide is applied on a surface emitting semiconductor laser. Conversion is extremely difficult, depending on the conditions. On the other hand, when mechanical polishing is performed as in the first embodiment, the surface of the polyimide can be easily flattened. Even if the polyimide thickness is uneven, the parallelism of the back surface of the substrate is maintained, so that the surface is not inclined and polished, and the parallelism of the surface can be kept sufficiently. it can.
その後、ゆっくりと研磨を行っていくと、メサの最上部が露出する（図１３を参照）。この際、メサの最上面はＳｉＯ２膜で保護されているので、慎重に研磨を行うことでｐ型半導体多層膜反射鏡の表面に傷をつけることを避けることができる。研磨量の管理方法としては、例えば特開２０００−３４０５３８に示されているように、研磨の際のウエハ裏面の温度分布と積算量から検知する方法などがあり、これらの方法を用いることで、比較的再現性良く、メサの最上部までを研磨で除去することも可能である。 Thereafter, when polishing is performed slowly, the top of the mesa is exposed (see FIG. 13). At this time, since the uppermost surface of the mesa is protected by the SiO 2 film, it is possible to avoid scratching the surface of the p-type semiconductor multilayer film reflecting mirror by carefully polishing. As a management method of the polishing amount, for example, as disclosed in JP-A-2000-340538, there is a method of detecting from the temperature distribution and integrated amount on the back surface of the wafer at the time of polishing, and by using these methods, The top of the mesa can be removed by polishing with relatively good reproducibility.
なお、仮に平坦化を行わずドライエッチングのエッチバックのみでメサの最上部を露出させようとした場合、ポリイミドの厚いところと比較的薄いところとでは、露出するまでのエッチング時間が異なり、基板全面のメサを露出させようとするとメサの上部が大きく露出する部分とかろうじて露出する部分とが混在することになってしまうが、本実施例１では平坦化を行っているため、メサの最上部は基板上で一様になり、ばらつきがほぼ無くなる。 Note that if the top of the mesa is exposed only by dry etching etchback without planarization, the etching time until the exposure is different between the thick part of the polyimide and the relatively thin part. When the mesa is exposed, a portion where the upper portion of the mesa is largely exposed and a portion where the mesa is barely exposed are mixed, but since the planarization is performed in the first embodiment, the uppermost portion of the mesa is It becomes uniform on the substrate and there is almost no variation.
次に、メサの最上部が露出したら、表面のＳｉＯ２膜をエッチングしてメサ最上部のコンタクト層となるｐ型半導体多層膜反射鏡（ｐ型ＤＢＲ）の表面を露出させる。この際のＳｉＯ２エッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもどちらでもかまわない。このときに露出しているメサの上部が大きく露出していると、ＳｉＯ２エッチング時にメサの上部側面のＳｉＯ２も除去されてしまい、メサの側面への電流リークの懸念が生じる。そのため、均一にメサの最表面のみが露出したほうが好ましいといえる。 Next, when the uppermost part of the mesa is exposed, the SiO 2 film on the surface is etched to expose the surface of the p-type semiconductor multilayer mirror (p-type DBR) that becomes the contact layer on the uppermost part of the mesa. The SiO 2 etching at this time may be either dry etching or wet etching. When the upper portion of the mesa is exposed at this time is largely exposed, SiO 2 of upper side surface of the mesa when SiO 2 etch also will be removed, concern current leakage to the side surface of the mesa occurs. Therefore, it can be said that it is preferable that only the outermost surface of the mesa is exposed uniformly.
そして、ｐ型半導体多層膜反射鏡（ｐ型ＤＢＲ）の表面にリング状のｐ側電極を形成し、また、ｎ型ＧａＡｓ基板裏面にｎ側電極を形成して素子構造を完成させることができる（図１４を参照）。ｐ側電極の形成の際にも、メサの最上部が大きく飛び出しているとポリイミドとの段差が大きくなりやすく電極の段切れが起きる懸念が生じるため、やはり均一にメサの最上部が露出するのが好ましい。 Then, a ring-shaped p-side electrode is formed on the surface of the p-type semiconductor multilayer mirror (p-type DBR), and an n-side electrode is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate to complete the element structure. (See FIG. 14). Even when the p-side electrode is formed, if the top of the mesa protrudes greatly, the step with the polyimide tends to be large, and there is a concern that the electrode will be disconnected. Therefore, the top of the mesa is exposed uniformly. Is preferred.
特に、現在、実用化開発が急速になされているＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層に用いた面発光型半導体レーザにおいては、ポリイミドの膜厚分布はより問題化しやすい。このＧａＩｎＮＡｓ系面発光型半導体レーザは、発振が１．３μｍ帯で得られており、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、スペーサ層等の活性層周りの層にワイドバンドギャップ材料を選択できるので、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。このようにＧａＩｎＮＡｓ系面発光型半導体レーザ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、多くの応用が考えられている。 In particular, in a surface emitting semiconductor laser using a GaInNAs-based material, which is currently being developed and commercialized, as an active layer, the film thickness distribution of polyimide is more likely to become a problem. This GaInNAs surface emitting semiconductor laser has an oscillation in the 1.3 μm band and is highly compatible with a silica-based fiber. Furthermore, since it can be formed on a GaAs substrate and a wide band gap material can be selected as a layer around an active layer such as a spacer layer, carrier confinement is good and temperature characteristics are good. As described above, since the GaInNAs surface emitting semiconductor laser has excellent characteristics, many applications are considered in optical communication systems, between computers, between chips, in-chip optical interconnection, and optical computing. .
しかし、長波長帯（例えば、１．１μｍ以上の波長帯）のＧａＩｎＮＡｓ系面発光型半導体レーザでは、従来の０．８５μｍ帯，０．９８μｍ帯の面発光型半導体レーザと比べて、上部多層膜反射鏡の半導体厚さが厚くなり、結果としてメサの高さを高くする必要があるため、これを覆うようなポリイミドを塗布する工程においては粘度の高いポリイミドを選択せざるを得ず、どうしても膜厚分布が生じやすい。そのため本実施例１のようにメサの最上部を均一に露出できる工程は非常に有用であるといえる。 However, in a GaInNAs surface emitting semiconductor laser having a long wavelength band (for example, a wavelength band of 1.1 μm or more), an upper multilayer film is used as compared with conventional 0.85 μm band and 0.98 μm band surface emitting semiconductor lasers. As the semiconductor thickness of the reflector increases, and as a result, the height of the mesa needs to be increased, it is necessary to select a polyimide with a high viscosity in the process of coating the polyimide to cover this, and the film is inevitably Thickness distribution tends to occur. Therefore, it can be said that the process of uniformly exposing the top of the mesa as in the first embodiment is very useful.
以上説明したような工程で作製した面発光型半導体レーザはそのメサ最上部の電極形成部分において均一な構造を得ることが可能になっているため、電流リークの懸念や、電極の段切れなどの懸念が無く、基板全面に渡って均一に歩留まりのよい面発光型半導体レーザを得ることができる。 The surface-emitting type semiconductor laser manufactured by the process as described above can obtain a uniform structure in the electrode formation portion at the top of the mesa. There is no concern, and a surface emitting semiconductor laser having a uniform yield over the entire surface of the substrate can be obtained.
実施例２は、実施例１の変形実施例である。実施例２も、基本的な製造工程は、実施例１と全く同一であるが、実施例２では、ポリイミドの表面を機械的研磨により平坦化する工程の後に、ドライエッチングによるエッチバックでメサの最上部を露出させる点が、実施例１と異なっている。機械的研磨で最後まで研磨すると、最悪の場合、メサの最上部のＳｉＯ２保護膜を研磨の際に突き破って、ｐ型半導体多層膜反射鏡の表面を傷つけてしまう懸念がある。しかし、機械的研磨でポリイミドの平坦化を行った後、ある程度まで研磨したところで機械的研磨を中止し、その後、ポリイミドをドライエッチングでエッチバックすれば、メサの最上部を露出させる際にメサ上のｐ型半導体多層膜反射鏡の表面までを傷つけてしまう可能性が無くなる。そのため、より一層歩留まりの良い面発光型半導体レーザを得ることができる。 The second embodiment is a modified embodiment of the first embodiment. In Example 2, the basic manufacturing process is exactly the same as in Example 1, but in Example 2, the mesa is etched back by dry etching after the process of planarizing the surface of the polyimide by mechanical polishing. The point which exposes the top is different from Example 1. When polishing to the end by mechanical polishing, in the worst case, there is a concern that the uppermost SiO 2 protective film of the mesa may be broken during the polishing and damage the surface of the p-type semiconductor multilayer mirror. However, after planarizing the polyimide by mechanical polishing, if mechanical polishing is stopped after polishing to some extent, and then the polyimide is etched back by dry etching, the top of the mesa is exposed when the top of the mesa is exposed. The possibility of damaging the surface of the p-type semiconductor multilayer mirror is eliminated. Therefore, it is possible to obtain a surface emitting semiconductor laser with a better yield.
実施例３は実施例１の変形実施例である。実施例３も、基本的な製造工程は、実施例１と同一であるが、実施例３では、面発光型半導体レーザの積層構造の最上部のｐ型半導体多層膜反射鏡（ｐ型ＤＢＲ）の表面に犠牲層を設ける点で、実施例１と異なっている（図１５を参照）。なお、実施例３では、犠牲層として、１００ｎｍの厚さのＧａＩｎＰ層を設けている。この層は、ある程度の強度を有していてエッチングにより容易に除去できるものであれば、特に限定されない。本実施例３では、ポリイミドの機械的研磨の際に、万が一メサの最上部が研磨されるような事態（図１６を参照）が起きても、犠牲層としてＧａＩｎＰ層を設けているので、ｐ型半導体多層膜反射鏡の表面のコンタクト層を傷つける可能性をより低くすることができる。 The third embodiment is a modified embodiment of the first embodiment. The basic manufacturing process of Example 3 is the same as that of Example 1, but in Example 3, the uppermost p-type semiconductor multilayer mirror (p-type DBR) in the stacked structure of the surface-emitting type semiconductor laser is used. This is different from Example 1 in that a sacrificial layer is provided on the surface (see FIG. 15). In Example 3, a GaInP layer having a thickness of 100 nm is provided as a sacrificial layer. This layer is not particularly limited as long as it has a certain degree of strength and can be easily removed by etching. In Example 3, even when a situation (see FIG. 16) occurs where the uppermost portion of the mesa is polished during mechanical polishing of polyimide, the GaInP layer is provided as the sacrificial layer. The possibility of damaging the contact layer on the surface of the type semiconductor multilayer film reflecting mirror can be further reduced.
本実施例３では、メサの最上部が露出し、ＳｉＯ２保護膜が除去された後に、ＧａＩｎＰ層も例えば塩酸系のエッチャントを用いて取り除き、その後、電極等を形成して素子構造を得る（図１７を参照）。塩酸系のエッチャントであればＧａＩｎＰ層のみをエッチングし、コンタクト層としてのＧａＡｓ層はダメージを受けないので、犠牲層としてはＧａＩｎＰ層が好適であるといえる。 In Example 3, after the uppermost part of the mesa is exposed and the SiO 2 protective film is removed, the GaInP layer is also removed using, for example, a hydrochloric acid-based etchant, and then an electrode or the like is formed to obtain an element structure ( See FIG. In the case of a hydrochloric acid-based etchant, only the GaInP layer is etched, and the GaAs layer as the contact layer is not damaged. Therefore, it can be said that the GaInP layer is suitable as the sacrificial layer.
このように、実施例３では、ポリイミドの機械的研磨による平坦化の際に、メサ上のｐ型半導体多層膜反射鏡の表面までを傷つけてしまう可能性をより一層低減できるので、より安定な工程となり、歩留まりの良い面発光型半導体レーザを得ることができる。 Thus, in Example 3, the possibility of damaging the surface of the p-type semiconductor multilayer film reflecting mirror on the mesa at the time of planarization by mechanical polishing of polyimide can be further reduced, so that it is more stable. Thus, a surface emitting semiconductor laser with a good yield can be obtained.
実施例４は、実施例１において、ポリイミドとして、熱線膨張係数が５０×１０―６ ℃―１以下のものを用いている実施例である。実施例１ではＧａＩｎＮＡｓ活性層を用いた１．３μｍ帯の面発光型半導体レーザであるので、メサの高さが必然的に高くなり、これを完全に覆うようにするには、ポリイミドを厚く塗布する必要がある。このため、ポリイミドの熱膨張係数は、ＧａＡｓ系の半導体材料と近い値であるのが好ましい。熱線膨張係数が違いすぎると、厚く塗ったポリイミドを熱硬化させる際に熱応力が生じ、クラックや、基板からの剥離などが起きる懸念がある。本実施例４では、ポリイミドの熱線膨張係数が５０×１０―６ ℃―１以下と比較的ＧａＡｓ系材料に近いので、熱応力を比較的小さく抑えることが可能になり、ポリイミドの熱硬化の際にクラックや剥離がおきにくくなり、良好な歩留まりの面発光型半導体レーザを得ることができる。 Example 4 is an example in which, in Example 1, a polyimide having a thermal linear expansion coefficient of 50 × 10 −6 ° C. −1 or less is used. Since the surface emitting semiconductor laser of the 1.3 μm band using the GaInNAs active layer is used in Example 1, the height of the mesa is inevitably high, and in order to completely cover this, a thick polyimide is applied. There is a need to. For this reason, it is preferable that the thermal expansion coefficient of polyimide is a value close to that of a GaAs-based semiconductor material. If the thermal expansion coefficient is too different, thermal stress is generated when thermosetting a thickly applied polyimide, and there is a concern that cracks, peeling from the substrate, and the like may occur. In Example 4, since the thermal expansion coefficient of polyimide is 50 × 10 −6 ° C. −1 or less, which is relatively close to a GaAs-based material, it is possible to suppress the thermal stress to a relatively low level. Therefore, it is difficult to crack and peel off, and a surface emitting semiconductor laser with a good yield can be obtained.
図１８は実施例５の光通信用モジュール（光送受信モジュール）を示す図である。 FIG. 18 illustrates an optical communication module (optical transmission / reception module) according to the fifth embodiment.
本発明の面発光型半導体レーザ素子を光通信システムに用いる場合、本発明の面発光型半導体レーザは低コストであるので、図１８に示すように送信用の面発光型半導体レーザ（例えば１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ）と、受信用フォトダイオードと、光ファイバーとを組み合わせた光送受信モジュールを安価に得られる。 When the surface-emitting type semiconductor laser device of the present invention is used for an optical communication system, the surface-emitting type semiconductor laser of the present invention is low in cost, and therefore, as shown in FIG. An optical transceiver module combining a 3 μm band GaInNAs surface emitting semiconductor laser), a receiving photodiode, and an optical fiber can be obtained at low cost.
特に、本発明によれば、面発光型半導体レーザの製造工程における歩留まりが向上しているため、安価で特性の安定な光送受信モジュールを得ることができる。
In particular, according to the present invention, since the yield in the manufacturing process of the surface emitting semiconductor laser is improved, an inexpensive optical transceiver module having stable characteristics can be obtained.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008042053A (en) * | 2006-08-09 | 2008-02-21 | Sony Corp | Semiconductor light emitting element |
| JP2008226955A (en) * | 2007-03-09 | 2008-09-25 | Toyobo Co Ltd | Semiconductor device |
| WO2015033633A1 (en) * | 2013-09-03 | 2015-03-12 | 株式会社村田製作所 | Vertical cavity surface emitting laser element, semiconductor wafer and light emitting module provided with vertical cavity surface emitting laser element, and method for manufacturing vertical cavity surface emitting laser element |
-
2005
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