JP2007036140A - 光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光モニタするための光だけでなく、外部から発信された光も受光することのできる光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明にかかる光素子１００は、面発光型半導体レーザ１４０と、当該面発光型半導体レーザから出射されたレーザ光の一部を検出する光検出素子１５０と、外部からのレーザ光を受光する受光素子１２０と、を含み、前記光検出素子は、基板の上方に形成された第１の光吸収層１５１を有し、前記面発光型半導体レーザは、前記第１の光吸収層の上方に形成された第１ミラー１０２と、前記第１ミラーの上方に形成された活性層１０３と、前記活性層の上方に形成された第２ミラー１０４と、を有し、前記受光素子は、前記第２ミラーの上方に形成された第２の光吸収層１１２を有する。
【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、環境温度等の条件によって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素子においては、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素子が備えられている場合がある。たとえば、特開平１０−１３５５６８号公報には、面発光レーザと検出素子とが共通電極を有する３端子構造の光素子が開示されている。
特開平１０−１３５５６８号公報

本発明の目的は、光モニタするための光だけでなく、外部から発信された光も受光することのできる素子およびその製造方法を提供することにある。

本発明にかかる光素子は、
面発光型半導体レーザと、
当該面発光型半導体レーザから出射されたレーザ光の一部を検出する光検出素子と、
外部からのレーザ光を受光する受光素子と、を含み、
前記光検出素子は、基板の上方に形成された第１の光吸収層を有し、
前記面発光型半導体レーザは、前記第１の光吸収層の上方に形成された第１ミラーと、前記第１ミラーの上方に形成された活性層と、前記活性層の上方に形成された第２ミラーと、を有し、
前記受光素子は、前記第２ミラーの上方に形成された第２の光吸収層を有する。

本発明にかかる光素子によれば、面発光型半導体レーザと、光検出素子と、受光素子とを含むことから、モニタするための光だけでなく、外部から発信された光も受光することができる。また、面発光型半導体レーザの下方に光検出素子を有し、上方に受光素子を有するため、光検出素子は面発光型半導体レーザからの光を正確にモニタすることができ、受光素子は、外部からの光を結合効率よく受光することができる。

本発明にかかる光素子において、
前記第２の光吸収層は、前記面発光型半導体レーザの出射面の周囲に形成されていることができる。

これにより、受光素子が面発光型半導体レーザからの光を吸収するのを防止することができる。

本発明にかかる光素子において、
前記面発光型半導体レーザは、前記第２ミラーの上方に開口部を有する電極をさらに含み、
前記第２の光吸収層は、前記電極の周囲に形成されていることができる。

これにより、受光素子が面発光型半導体レーザからの光を吸収するのを防止することができる。

本発明にかかる光素子において、
前記面発光型半導体レーザは、第１ミラーまたは第２ミラーに電流狭窄層をさらに有し、
前記第２の光吸収層は、前記電流狭窄層の上方に形成されていることができる。

本発明にかかる光素子において、
前記面発光型半導体レーザは、第１ミラー、活性層、および第２ミラーから構成され、共振器として機能する柱状部を有し、
前記受光素子は、前記柱状部の上方に形成されていることができる。

本発明にかかる光素子において、
前記面発光型半導体レーザは、第１ミラー、活性層、および第２ミラーから構成され、共振器として機能する柱状部を有し、
前記受光素子は、平面視において前記柱状部の周囲に形成されていることができる。

本発明にかかる光素子において、
前記柱状部の周囲に形成され、前記第１ミラー、前記活性層、および前記第２ミラーと同一の層を含む土台部をさらに有し、
前記受光素子は、前記土台部の上方に形成されていることができる。

本発明にかかる光素子において、
前記第２の光吸収層の周囲に出射面を有することができる。

本発明にかかる光素子において、
前記面発光型半導体レーザは、前記第２ミラーの上方に開口部を有する電極を有し、
前記受光素子は、前記電極の開口部に形成されていることができる。

本発明にかかる光素子において、
前記受光素子の上方に形成された光学部材をさらに含むことができる。

本発明にかかる光素子において、
前記面発光型半導体レーザの出射面の上方に形成された光学部材をさらに含むことができる。

本発明にかかる光素子において、
前記光検出素子を駆動し、かつ前記面発光型半導体レーザを駆動する共通電極をさらに含むことができる。

本発明にかかる光素子において、
前記面発光型半導体レーザが出射するレーザ光の設計波長は、前記受光素子が受光するレーザ光の設計波長と異なることができる。ここで面発光型半導体レーザの設計波長とは、面発光型半導体レーザにおいて生じる光のうち強度が最大である光の波長という。また受光素子の設計波長とは、受光素子が受光するレーザ光のうち強度が最大である光の波長という。なお、光検出素子の設計波長は、面発光型半導体レーザの設計波長と同一である。

本発明にかかる光素子において、
前記第２ミラーと前記第２の光吸収層との間に形成された分離層をさらに含むことができる。

本発明にかかる光素子の製造方法は、
面発光型半導体レーザと、当該面発光型半導体レーザから出射されたレーザ光の一部を検出する光検出素子と、外部からのレーザ光を受光する受光素子と、を含む光素子の製造方法であって、
基板側から、前記光検出素子に含まれる第１の光吸収層と、前記面発光型半導体レーザに含まれる第１ミラー、活性層、および第２ミラーと、前記受光素子に含まれる第２の光吸収層とを構成するための半導体多層膜を積層する工程と、
前記第２の光吸収層をパターニングすることにより、前記面発光型半導体レーザの上面を露出させて出射面を形成する工程と、
前記第１ミラー、活性層、および第２ミラーの少なくとも一部をパターニングすることにより、共振器を形成する工程と、
を含む。

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．光素子の構造
図１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２は、図１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２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１００は、図１および図２に示すように、面発光型半導体レーザ１４０と、受光素子１２０と、光検出素子１５０とを含む。以下、光検出素子１５０、面発光型半導体レーザ１４０、受光素子１２０、および全体の構成について説明する。

１．１．光検出素子
光検出素子１５０は、面発光型半導体レーザ１４０から出射されたレーザ光の一部を検出する。光検出素子１５０は基板１０上に設けられている。光検出素子１５０は、第１の光吸収層１５１と、第１コンタクト層１５２と、第２電極１５３と、第１電極１５４とを含む。第１の光吸収層１５１は、基板１０上に設けられ、第１コンタクト層１５２は、第１の光吸収層１５１上に設けられている。第１の光吸収層１５１および第１コンタクト層１５２は、図２に示すように、それぞれ円形の平面形状を有することができる。

基板１０は、たとえばｎ型ＧａＡｓ基板からなることができる。第１の光吸収層１５１は、例えば不純物が導入されていないＧａＡｓ層からなる。第１コンタクト層１５２は、たとえばｎ型ＧａＡｓ層からなることができる。第１コンタクト層１５２は、たとえば炭素（Ｃ）がドーピングされることによりｐ型にされている。

第１電極１５４は、基板１０の裏面に形成されている。第２電極１５３は、第１コンタクト層１５２の上面に形成されている。第１電極１５４および第２電極１５３は、光検出素子１５０を駆動するために使用されている。第２電極１５３は、後述する第２コンタクト層１０１の周囲を取り囲むように形成され、たとえばリング状の平面形状を有する。

１．２．面発光型半導体レーザ
面発光型半導体レーザ１４０は、光検出素子１５０上に形成されている。面発光型半導体レーザ１４０は、第２コンタクト層１０１と、第１ミラー１０２と、活性層１０３と、第２ミラー１０４と、電流狭窄層１０５と、第３電極１０７と、第４電極１０９とを含む。面発光型半導体レーザ１４０は、垂直共振器を有する。第１ミラー１０２と、活性層１０３と、第２ミラー１０４と、電流狭窄層１０５とによって、柱状の半導体堆積体（柱状部１３０）が構成される。柱状部１３０は、面発光型半導体レーザ１４０の共振器として機能する。第２コンタクト層１０１は、第１コンタクト層１５２の上方に形成されている。第２コンタクト層１０１は、たとえばｎ型ＧａＡｓ層からなることができる。第１ミラー１０２は、第２コンタクト層１０１上に形成される。第１ミラー１０２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からなることができる。なお、第２コンタクト層１０１は、第１ミラー１０２の一部として機能することができる。活性層１０３は、第１ミラー１０２上に形成される。活性層１０３は、たとえば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ことができる。第２ミラー１０４は、活性層１０３上に形成される。第２ミラー１０４は、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からなることができる。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。

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。

電流狭窄層１０５は、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。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、基板１０と平行な面で切断した場合における断面形状が、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ことができる。

第３電極１０７および第４電極１０９は、面発光型半導体レーザ１４０を駆動するために使用される。第３電極１０７は、第２コンタクト層１０１上に形成されている。第３電極１０７は、柱状部１３０の周囲を取り囲むように形成され、リング状の平面形状を有することができる。第４電極１０９は、第２ミラー１０４上に形成されている。第４電極１０９は、柱状部１３０上において、図２に示すようにリング状の平面形状を有し、開口部１０９ａを有する。開口部１０９ａによって、面発光型半導体レーザ１４０がレーザ光を出射するための出射面１０８が形成される。第４電極１０９は、電流狭窄層１０５の上方に形成されることができる。

なお、第３電極１０７および第２電極１５３の上面には、共通電極１６０が形成されている。

１．４．分離層
本実施の形態の光素子１００においては、面発光型半導体レーザ１４０上に分離層１７０が形成されている。すなわち、分離層１７０は、面発光型半導体レーザ１４０と後述する受光素子１２０との間に設けられている。具体的には、図１に示すように、分離層１７０は、第２ミラー１０４上に形成されている。すなわち、分離層１７０は、第２ミラー１０４と後述する第３コンタクト層１１１との間に設けられている。

分離層１７０は、高抵抗層または絶縁層からなることができる。分離層１７０は、たとえば不純物をドーピングしていない半絶縁性の高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓ層を第２ミラー１０４上にエピタキシャル成長により積層することにより形成される。ここで、高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓ層とは、たとえばＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層である。分離層１７０は、Ａｌが含まれていることにより、酸化されることができる。よって、分離層１７０は、酸化されることにより、絶縁膜となることができる。

分離層１７０は、平面視において、第４電極１０９の周囲に形成される。分離層１７０は、平面視において、出射面１０８の周囲、すなわち第４電極１０９の周囲に形成されている。分離層１７０の平面形状は、第４電極１０９と同心円の開口部を有するリング形状の一部分、言い換えればＣ型形状であることができる。図示の例では、分離層１７０の平面形状は、第３コンタクト層１１１の平面形状と同じである。分離層１７０の平面形状は、第３コンタクト層１１１の平面形状よりも大きく形成することもできる。また分離層１７０は、電流狭窄層１０５の上方に形成されており、出射面１０８上には形成されていない。

このように分離層１７０を設けることにより、半導体層１２２と柱状部１３０とが電気的および光学的に分離されることができる。

１．５．受光素子
受光素子１２０は、外部からのレーザ光を受光する。受光素子１２０は分離層１７０上に設けられている。受光素子１２０は、第３コンタクト層１１１と、第２の光吸収層１１２と、第４コンタクト層１１３と、第５電極１１６と、第６電極１１５とを含む。

第３コンタクト層１１１は、分離層１７０上に形成されている。第３コンタクト層１１１は、分離層１７０と同様の平面形状を有することができる。第３コンタクト層１１１は、例えばｎ型ＧａＡｓ層からなることができる。第２の光吸収層１１２は、第３コンタクト層１１１上に形成されている。第２の光吸収層１１２は、例えば不純物が導入されていないＧａＡｓ層からなることができる。第４コンタクト層１１３は、第２の光吸収層１１２上に形成されている。第４コンタクト層１１３は、ｐ型ＧａＡｓ層からなることができる。

第２の光吸収層１１２および第４コンタクト層１１３は、図示の例では同様の平面形状を有する。第２の光吸収層１１２および第４コンタクト層１１３は、第４電極１０９の周囲を取り囲むように形成され、出射面１０８と同心円の開口部を有するリング状の一部分、言い換えればＣ型の平面形状を有する。また、第２の光吸収層１１２および第４コンタクト層１１３は、電流狭窄層１０５の上方に形成されており、出射面１０８上には形成されていない。

第５電極１１６および第６電極１１５は、受光素子１２０を駆動するために使用される。第５電極１１６は、第３コンタクト層１１１上に形成されている。第５電極１１６は、平面視において、第２の光吸収層１１２を取り囲むように形成されている。第５電極１１６は、図２に示すように、第４電極１０９のパッド部１０９Ｐへの引き出し部が形成されている領域を除いて、リング状の平面形状を有する。即ち第５電極１１６は、Ｃ型形状の平面形状を有する。第６電極１１５は、第４コンタクト層１１３上に形成されている。第６電極１１５は、第４コンタクト層１１３上の周縁に形成されており、開口部を有する。この第６電極１１５の開口部によって、受光素子１２０の受光面１１７が形成されている。また、第６電極１１５および第５電極１１６には、それぞれ電極パッド（第６電極１１５においては電極パッド１１５Ｐ）に接続するための引き出し部が形成されている。

１．６．全体の構成
本実施の形態に係る光素子１００においては、光検出素子１５０のｎ型基板１０およびｐ型第１コンタクト層１５２、面発光型半導体レーザ１４０のｎ型第１ミラー１０２およびｐ型第２ミラー１０４、ならびに受光素子１２０のｎ型第３コンタクト層１１１およびｐ型第４コンタクト層１１３から、全体としてｎｐｎｐｎｐ構造が構成される。

また、本実施の形態においては、受光素子１２０および光検出素子１５０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および光検出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および光検出素子としては、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。

２．光素子の動作
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。

光検出素子１５０は、面発光型半導体レーザ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、光検出素子１５０は、面発光型半導体レーザ１４０で生じた光を電流に変換する。この電流の値によって、面発光型半導体レーザ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３電極１０７と第４電極１０９とで、ｐｉｎダイオードに順方向の電圧を印加すると、面発光型半導体レーザ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１ミラー１０２の下面からレーザ光が出射し、光検出素子１５０の第１コンタクト層１５２へと入射する。

次に、光検出素子１５０において、第１コンタクト層１５２に入射した光は、次に第１の光吸収層１５１に入射する。この入射光の一部が第１の光吸収層１５１にて吸収される結果、第１の光吸収層１５１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１電極１５４に、正孔は第２電極１５３にそれぞれ移動する。その結果、光検出素子１５０において、基板１０から第１コンタクト層１５２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、面発光型半導体レーザ１４０の光出力を検知することができる。

また、面発光型半導体レーザ１４０の光出力は、主として面発光型半導体レーザ１４０に印加するバイアス電圧によって決定される。特に、面発光型半導体レーザ１４０の光出力は、面発光型半導体レーザ１４０の周囲温度や面発光型半導体レーザ１４０の寿命によって大きく変化する。このため、面発光型半導体レーザ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、面発光型半導体レーザ１４０の光出力をモニタし、光検出素子１５０にて発生した電流の値に基づいて面発光型半導体レーザ１４０に印加する電圧値を調整することによって、面発光型半導体レーザ１４０内を流れる電流の値を調整することができる。従って、面発光型半導体レーザ１４０において所定の光出力を維持することができる。面発光型半導体レーザ１４０の光出力を面発光型半導体レーザ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、受光素子１２０は、光素子１００の外部から受光面１１７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を検知することができる。

なお、面発光型半導体レーザ１４０の設計波長λ_１と受光素子１２０の設計波長λ_２とは異なることができる。これにより、受光素子１２０の設計波長λ_２の光が面発光型半導体レーザ１４０に入射した場合でも、設計波長λ_２の光は、面発光型半導体レーザ１４０内で減衰するため、光検出素子１５０に入射するのを防止することができる。また、面発光型半導体レーザ１４０の設計波長λ_１と受光素子１２０の設計波長λ_２とは異なることにより、光素子１００を波長分割多重通信（ＷＤＭ）に用いることができる。このように、面発光型半導体レーザ１４０と、受光素子１２０と、光検出素子１５０とを一つの光素子１００に含ませることにより、素子の小型化および製造コストの削減を実現することができる。

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３〜図５を用いて説明する。図３〜図５は、図１および図２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、ｎ型ＧａＡｓ層からなる基板１０の表面に、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３に示すように、半導体多層膜１８０が形成される。ここで、半導体多層膜１８０は、例えば、不純物がドーピングされていないＧａＡｓ層からなる第１の光吸収層１５１ａ、ｐ型ＧａＡｓ層からなる第１コンタクト層１５２ａ、ｎ型ＧａＡｓからなる第２コンタクト層１０１ａ、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１０２ａ、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１０３ａ、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１０４ａ、Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層からなる分離層１７０ａ、ｎ型ＧａＡｓ層からなる第３コンタクト層１１１ａ、不純物がドーピングされていないＧａＡｓ層からなる第２の光吸収層１１２ａ、ｐ型ＧａＡｓ層からなる第４コンタクト層１１３ａからなる。これらの層を順に基板１０上に積層させることにより、半導体多層膜１８０が形成される。

なお、第２ミラー１０４ａを成長させる際に、活性層１０３ａ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。

エピタキシャル成長を行う際の温度は、成長方法や原料、基板１０の種類、あるいは形成する半導体多層膜１８０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−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法や、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、あるいはＬＰＥ法（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いることができる。

（２）次に、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、半導体多層膜１８０を所望の形状にパターニングする。これにより、図４に示すように、第２コンタクト層１０１、柱状部１３０、分離層１７０ｂ、第３コンタクト層１１１、第２の光吸収層１１２、および第４コンタクト層１１３が形成される。

このパターニング工程では、各層の形成順序は特に限定されない。

（３）次いで、例えば４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、上記工程によって第２コンタクト層１０１、柱状部１３０、分離層１７０ｂ、第３コンタクト層１１１、第２の光吸収層１１２、および第４コンタクト層１１３が形成された基板１０を投入することにより、前述の第２ミラー１０４中のＡｌ組成が高い層および分離層１７０ｂを側面から酸化して、電流狭窄層１０５および分離層１７０が形成される（図５参照）。

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を備えた面発光型半導体レーザ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。なお、分離層１７０ｂの膜厚は、電流狭窄層１０５を形成するための膜厚より厚いことが好ましい。

また、面発光型半導体レーザ１４０から出射する光が第２の光吸収層１１２に入射しないように、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。これにより、第２の光吸収層１１２が面発光型半導体レーザ１４０から出射する光を吸収するのを防止することができる。

（４）次いで、図１に示すように、第１電極１５４、第２電極１５３、第３電極１０７、第４電極１０９、第５電極１１６、および第６電極１１５が形成される。また、第２電極１５３および第３電極１０７が形成された後に共通電極１６０が形成される。

まず、各電極を形成する前に、必要に応じて、プラズマ処理法等を用いて、電極の形成領域を洗浄する。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、電極用導電性材料の単層または積層膜（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、所望の領域に電極を形成することができる。

次いで、必要に応じて、たと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。

以上の工程を、電極ごとに行っても良いし、複数の電極を同時に形成してもよい。なお、第２電極１５３、第３電極１０７、および第６電極１１５は、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金、および金（Ａｕ）の積層膜によって形成される。第１電極１５４、第４電極１０９、および第５電極１１６は、たとえば白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）および金（Ａｕ）の積層膜によって形成される。共通電極１６０は、たとえばクロム（Ｃｒ）および金（Ａｕ）の積層膜によって形成される。なお、電極の材質は、上記のものに限定されず、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。

以上の工程により、図１および図２に示すように、本実施形態の光素子１００が得られる。このように、基板上におけるエピタキシャル成長の後にパターニングを行う工程により受光素子１２０、面発光型半導体レーザ１４０、および光検出素子１５０のすべてを製造することによって、素子の信頼性が高く、歩留まりの良好な光素子１００を形成することができる。また、光素子１００の小型化を図ることができる。

４．本実施の形態にかかる光素子１００において、光検出素子１５０は、面発光型半導体レーザ１４０の下方に形成されているため、面発光型半導体レーザ１４０の出射面１０８から出射するレーザ光の光路上には形成されていない。したがって、光検出素子１５０は、面発光型半導体レーザ１４０の光学特性に与える影響を低減することができる。また、受光素子１２０は、出射面１０８の周囲に形成されているため、面発光型半導体レーザ１４０の出射面１０８から出射するレーザ光の光路上には形成されない。したがって、受光素子１２０は、面発光型半導体レーザ１４０の光学特性に与える影響を低減することができる。また、本実施の形態にかかる光素子１００において、分離層１７０は、平面視において、出射面１０８の周囲に形成されているため、面発光型半導体レーザ１４０の出射面１０８から出射するレーザ光の光路上には形成されていない。したがって、分離層１７０は、面発光型半導体レーザ１４０の光学特性に与える影響を低減することができる。

さらに分離層１７０および受光素子１２０は、電流狭窄層１０５の上方にのみ形成されているため、電流狭窄層１０５の内側から出射するレーザ光の光路上には形成されない。したがって、分離層１７０および受光素子１２０は、面発光型半導体レーザ１４０の光学特性に与える影響を低減することができる。

５．変形例
次に、本実施の形態に係る変形例について説明する。

５．１．第１の変形例
図６は、第１の変形例にかかる光素子２００を模式的に示す断面図である。図７は、第１の変形例にかかる光素子２００を模式的に示す平面図である。なお、図６は、図７のＢ−Ｂ線における断面を示す図である。

第１の変形例にかかる光素子２００は、第１電極２５４が基板１０の上方に形成されている点で、第１電極１５４が基板１０の裏面に形成されている光素子１００と異なる。即ち、光素子２００は、光検出素子２５０の構成において光素子１００と異なる。

光検出素子２５０は、基板１０上に形成された第５コンタクト層２５５と、第５コンタクト層２５５上に形成された第１の光吸収層２５１と、第１の光吸収層２５１上に形成された第１コンタクト層２５２とを有する。さらに光検出素子２５０は、第５コンタクト層２５５上に形成された第１電極２５４と、第１コンタクト層２５２上に形成された第２電極１５３とを有する。第１電極２５４は、平面視において第１の光吸収層２５１を取り囲むように形成されている。

光素子１００は、たとえば不純物が含まれていないためにコンタクト層として機能し難い材質の基板を用いた場合に、裏面に電極を形成することができないことがある。そこで、このような基板を用いた場合であっても、基板上に不純物をドーピングしたコンタクト層を形成することによって、裏面ではなく上面に第１電極２５４を形成することができる。光素子２００において、基板１０としては、たとえばＧａＡｓ基板を用いることができる。第５コンタクト層２５５としては、たとえばｎ型のＧａＡｓ層を用いることができる。

第１の変形例にかかる光素子２００の他の構成および動作については、上述した本実施の形態にかかる光素子１００の構成および動作と同様であるので説明を省略する。

５．２．第２の変形例
図８は、第２の変形例にかかる光素子３００を模式的に示す断面図である。図９は、第２の変形例にかかる光素子３００を模式的に示す平面図である。なお、図８は、図９のＣ−Ｃ線における断面を示す図である。また、図９では、後述する光学部材３８０を省略する。

第２の変形例にかかる光素子３００は、出射面３０８が受光素子３２０の周囲に形成されている点で、受光素子１２０が出射面１０８の周囲に形成されている光素子１００と異なる。また、光素子３００は、光学部材３８０が出射面３０８上に形成されている点で、光素子１００と異なる。

光素子３００は、受光素子３２０と、分離層３７０と、面発光型半導体レーザ３４０とを含む。面発光型半導体レーザ３４０は、共振器として機能する柱状部３３０を有する。柱状部３３０は、第１ミラー３０２の一部と、活性層３０３と、電流狭窄層３０５と、第２ミラー３０４とによって構成される。面発光型半導体レーザ３４０は、さらに第２ミラー３０４上に形成された第４電極３０９をさらに有する。面発光型半導体レーザ３４０は、図９に示すように複数の出射面３０８を有してもよいし、受光素子３２０を取り囲むリング状の出射面を有してもよい。第４電極３０９は、第２ミラー３０４上に形成される。第４電極３０９は、図９に示すようにリング状の平面形状を有し、その開口部３０９ａによって出射面３０８が形成される。また、面発光型半導体レーザ３４０は、図８および図９に示すように、複数の第４電極３０９を有してもよい。

分離層３７０は、図８に示すように、第４電極３０９の内側に形成される。分離層３７０は、たとえば円形の平面形状を有することができる。

受光素子３２０は、第３コンタクト層３１１と、第２の光吸収層３１２と、第４コンタクト層３１３と、第５電極３１６と、第６電極３１５とを有する。第３コンタクト層３１１は、分離層３７０と同様の平面形状を有することができる。第２の光吸収層３１２および第４コンタクト層３１３は、第３コンタクト層３１１の上方に形成され、たとえば円形の平面形状を有することができる。第５電極３１６は、第２の光吸収層３１２を取り囲むように形成されている。第５電極３１６は、たとえばリング状の平面形状を有する。第６電極３１５は、第４コンタクト層３１３の周縁に形成され、たとえばリング状の平面形状を有する。第６電極３１５は開口部を有し、この開口部によって受光面３１７が形成される。

光素子３００は、さらに光学部材３８０を含む。光学部材３８０は、面発光型半導体レーザ３４０から出射されるレーザ光の放射角を小さくすることができる。同時に、光学部材３８０は、外部からの光を集光し、受光面３１７に入射させることができる。第３の変形例において光学部材３８０は、レンズとして機能することができる。光学部材３８０は、たとえば熱または光等のエネルギーによって硬化可能な液体材料を硬化させることにより形成される。光学部材３８０は、たとえばアクリル系樹脂、エポキシ系樹脂等の紫外線硬化型樹脂や、ポリイミド系樹脂等の熱硬化型樹脂からなることができる。光学部材３８０は、図８に示すように、切断円球状である。光学部材３８０は、切断円球状であることにより、レンズまたは偏光素子として機能することができる。ここで「切断円球状」とは、円球を一平面で切断して得られる形状をいい、この円球は完全な円球のみならず、円球に近似する形状をも含む。

光学部材３８０は、たとえばインクジェット法を用いて、上述した光学部材３８０の液体材料を含む液滴を受光面３１７および出射面３０８に向けて吐出する。上記液滴を吐出する前に、必要に応じて受光素子３２０および面発光型半導体レーザ３４０の上面等に撥液処理または親液処理を施してもよいし、液滴をせき止めるためのせき止め部材や土台部材等を予め形成してもよい。液滴を吐出した後に、紫外線等のエネルギー線を照射することにより、樹脂を硬化させる。

第２の変形例にかかる光素子３００の他の構成および動作については、上述した本実施の形態にかかる光素子１００の構成および動作と同様であるので説明を省略する。

５．３．第３の変形例
図１０は、第３の変形例にかかる光素子４００を模式的に示す断面図である。第３の変形例にかかる光素子４００は、受光素子４２０が面発光型半導体レーザ４４０の柱状部の周囲に形成されている点で、受光素子１２０が柱状部１３０上に形成されている光素子１００と異なる。光素子４００は、さらに土台部５３０を含む点で、光素子１００と異なる。

面発光型半導体レーザ４４０は、第２コンタクト層４０１と、柱状部４３０と、柱状部４３２とを有する。柱状部４３２は、第１ミラー４０２の一部を含み、柱状部４３０は、第１ミラー４０２の他の一部と、活性層４０３と、第２ミラー４０４と、電流狭窄層４０５とを含む。柱状部４３０は、たとえば円形の平面形状を有する。また面発光型半導体レーザ４４０は、さらに第４電極４０９および第３電極４０７を有する。第４電極４０９は、柱状部４３０の周縁に形成され、開口部を有し、たとえばリング状の平面形状を有する。第４電極４０９の開口部４０９ａによって出射面４０８が形成される。第２電極４５３および第３電極４０７は、柱状部４３２の周囲を取り囲むように形成され、たとえばリング状の平面形状を有する。第２電極４５３および第３電極４０７の上面には共通電極４６０が形成されている。柱状部４３０および柱状部４３２は、上述したパターニング技術により形成される。

土台部５３０は、図１０に示すように、柱状部４３０の周囲に形成されている。土台部５３０は、柱状部４３０を構成する半導体多層膜と同様の多層膜によって構成される。具体的には、土台部５３０は、第２コンタクト層５０１と、第１ミラー５０２と、活性層５０３と、第２ミラー５０４と、電流狭窄層５０５とを含む。土台部５３０の上面に受光素子４２０が形成されている。これにより、土台部５３０を有さない場合と比べて、受光素子４２０の結合効率を良好にすることができる。

受光素子４２０は、第３コンタクト層４１１と、第２の光吸収層４１２と、第４コンタクト層４１３と、第６電極４１５と、第５電極４１６と、受光面４１７とを有する。これらの平面形状については、上述した光素子１００と同様であるので説明を省略する。

さらに光素子４００は、分離層を有さない点で光素子１００と異なる。受光素子４２０は、柱状部４３０上ではなく土台部５３０上に形成されている。したがって、受光素子４２０は、電極が設けられていない土台部５３０と電気的に分離する必要がないからである。

上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。

例えば、上述した実施形態において、各半導体層におけるｐ型とｎ型とを入れ替えても本発明の趣旨を逸脱するものではない。また、上述した実施形態の光素子１００では、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、ＡｌＧａＩｎＡｓ系、ＧａＩｎＮＡｓ系、ＩｎＧａＡｓ系などの半導体材料を用いることも可能である。

本実施の形態にかかる光素子を模式的に示す断面図。 本実施の形態にかかる光素子を模式的に示す平面図。 本実施の形態にかかる光素子の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施の形態にかかる光素子の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施の形態にかかる光素子の製造工程を模式的に示す断面図。 第１の変形例にかかる光素子を模式的に示す断面図。 第１の変形例にかかる光素子を模式的に示す平面図。 第２の変形例にかかる光素子を模式的に示す断面図。 第２の変形例にかかる光素子を模式的に示す平面図。 第３の変形例にかかる光素子を模式的に示す断面図。

符号の説明

１０ 基板、１００ 光素子、１０１ 第２コンタクト層、１０２ 第１ミラー、１０３ 活性層、１０４ 第２ミラー、１０５ 電流狭窄層、１０８ 出射面、１１７ 受光面、１１２ 第２の光吸収層、１５１ 第１の光吸収層、１２０ 受光素子、１３０ 柱状部、１４０ 面発光型半導体レーザ、１５０ 光検出素子、１５２ 第１コンタクト層、１１１ 第３コンタクト層、１１３ 第４コンタクト層、１５４ 第１電極、１５３ 第２電極、１０７ 第３電極、１０９ 第４電極、１１６ 第５電極、１１５ 第６電極、１６０ 共通電極、１７０ 分離層

Claims (15)

1. 面発光型半導体レーザと、
   当該面発光型半導体レーザから出射されたレーザ光の一部を検出する光検出素子と、
   外部からのレーザ光を受光する受光素子と、を含み、
   前記光検出素子は、基板の上方に形成された第１の光吸収層を有し、
   前記面発光型半導体レーザは、前記第１の光吸収層の上方に形成された第１ミラーと、前記第１ミラーの上方に形成された活性層と、前記活性層の上方に形成された第２ミラーと、を有し、
   前記受光素子は、前記第２ミラーの上方に形成された第２の光吸収層を有する、光素子。
2. 請求項１において、
   前記第２の光吸収層は、前記面発光型半導体レーザの出射面の周囲に形成されている、光素子。
3. 請求項１において、
   前記面発光型半導体レーザは、前記第２ミラーの上方に開口部を有する電極をさらに含み、
   前記第２の光吸収層は、前記電極の周囲に形成されている、光素子。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記面発光型半導体レーザは、第１ミラーまたは第２ミラーに電流狭窄層をさらに有し、
   前記第２の光吸収層は、前記電流狭窄層の上方に形成されている、光素子。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記面発光型半導体レーザは、第１ミラー、活性層、および第２ミラーから構成され、共振器として機能する柱状部を有し、
   前記受光素子は、前記柱状部の上方に形成されている、光素子。
6. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記面発光型半導体レーザは、第１ミラー、活性層、および第２ミラーから構成され、共振器として機能する柱状部を有し、
   前記受光素子は、平面視において前記柱状部の周囲に形成されている、光素子。
7. 請求項６において、
   前記柱状部の周囲に形成され、前記第１ミラー、前記活性層、および前記第２ミラーと同一の層を含む土台部をさらに有し、
   前記受光素子は、前記土台部の上方に形成されている、光素子。
8. 請求項１において、
   前記第２の光吸収層の周囲に出射面を有する、光素子。
9. 請求項１において、
   前記面発光型半導体レーザは、前記第２ミラーの上方に開口部を有する電極を有し、
   前記受光素子は、前記電極の開口部に形成されている、光素子。
10. 請求項９において、
    前記受光素子の上方に形成された光学部材をさらに含む、光素子。
11. 請求項９または１０において、
    前記面発光型半導体レーザの出射面の上方に形成された光学部材をさらに含む、光素子。
12. 共通電極
    請求項１ないし１１のいずれかにおいて、
    前記光検出素子を駆動し、かつ前記面発光型半導体レーザを駆動する共通電極をさらに含む、光素子。
13. 請求項１ないし１２のいずれかにおいて、
    前記面発光型半導体レーザが出射するレーザ光の設計波長は、前記受光素子が受光するレーザ光の設計波長と異なる、光素子。
14. 請求項１ないし１３のいずれかにおいて、
    前記第２ミラーと前記第２の光吸収層との間に形成された分離層をさらに含む、光素子。
15. 面発光型半導体レーザと、当該面発光型半導体レーザから出射されたレーザ光の一部を検出する光検出素子と、外部からのレーザ光を受光する受光素子と、を含む光素子の製造方法であって、
    基板側から、前記光検出素子に含まれる第１の光吸収層と、前記面発光型半導体レーザに含まれる第１ミラー、活性層、および第２ミラーと、前記受光素子に含まれる第２の光吸収層とを構成するための半導体多層膜を積層する工程と、
    前記第２の光吸収層をパターニングすることにより、前記面発光型半導体レーザの上面を露出させて出射面を形成する工程と、
    前記第１ミラー、活性層、および第２ミラーの少なくとも一部をパターニングすることにより、共振器を形成する工程と、
    を含む、光素子の製造方法。
    
    

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