JP2007109925A - 光半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い接合強度を有する光学部品を備える光半導体素子、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 光半導体素子１０は、半導体基板２０上に形成されたフォトダイオード１１を備える。このフォトダイオード１１上には接合部１３が設けられており、その上部にマイクロレンズ１２が形成されている。接合部１３は、フォトダイオード１１上を開口する開口２４ａが形成されたコンタクト層２４と、開口２４ａの上方に開口２４ａの開口面積よりも小さな開口面積の開口２５ａが形成された電極２５とからなり、これら開口２４ａ，２５ａの内部にマイクロレンズ１２の一部が形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フォトダイオード（ＰＤ）、面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）等の光半導体素子及びその製造方法に関する。

光信号（レーザ光）を用いて通信を行う光通信においては、例えば光信号を射出するレーザ光源としての面発光型半導体レーザ、光信号を伝送する光伝送路としての光ファイバ、及び光ファイバを介した光信号を受光する受光素子としてのフォトダイオードが用いられる。光通信では光信号を効率的に使用するために、面発光型半導体レーザと光ファイバとの結合効率、又はフォトダイオードと光ファイバとの結合効率を高める必要がある。これらの結合効率を高めるために、面発光型半導体レーザから射出された光信号を集光して光ファイバに入射させるレンズ、又は光ファイバから射出された光信号を集光してフォトダイオードに入射させるレンズが用いられる。

近年においては、面発光型半導体レーザ又はフォトダイオード等の光半導体素子上に上記の結合効率を高めるためのマイクロレンズ（微小レンズ）がモノリシックに形成されている。以下の特許文献１，２には液滴吐出法を用いて光半導体素子上にマイクロレンズを形成する技術が開示されている。
特開２００４−２４１６３０号公報 特開２００５−１８１４１６号公報

ところで、マイクロレンズが形成された光半導体素子では、実装性や信頼性の面からマイクロレンズと光半導体素子との高い接合強度が必要となる。しかしながら、上記の特許文献１，２に開示された液滴吐出法によって形成されたマイクロレンズは、光半導体素子との接合強度が低いため、光半導体素子をステム（台座）等に実装する実装工程において光半導体素子から脱落したり、実装後においても機械的な振動によって脱落するという問題がある。

かかる問題を解消すべく、上記の特許文献１，２では、マイクロレンズと光半導体素子との接合部分を樹脂で埋め込んで、マイクロレンズと光半導体素子との接合強度を高めている。しかしながら、マイクロレンズと光半導体素子との接合部分を埋め込むための樹脂は、例えばスピンコーティング法を用いて光半導体素子上に塗布されるが、光半導体素子上に形成されたマイクロレンズと半導体素子との接合強度が低すぎるために樹脂を塗布している途中でマイクロレンズが脱落してしまう問題がある。この樹脂の塗布方法として液滴吐出法を用いればマイクロレンズの脱落は防止できると考えられるが、塗布に時間を要するため現実的ではない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高い接合強度を有する光学部品を備える光半導体素子、及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の光半導体素子は、光素子と、前記光素子上を開口する第１開口が形成された第１層と、前記第１開口の上方に前記第１開口の開口面積よりも小さな開口面積の第２開口が形成された第２層とを含んでなる接合部と、前記接合部の前記第１開口及び前記第２開口の内部に少なくとも一部が埋設された光学部品とを備えることを特徴としている。
この発明によると、光素子上には順に第１開口と第１開口の開口面積よりも小さな開口面積の第２開口が形成されており、これら第１開口及び第２開口の内部に光学部品の一部が埋設されている。第１開口は第２開口が形成された第２層によって上方が一部覆われた状態になっており、かかる第１開口の内部に少なくとも一部が埋設された状態で光学部品が光素子上に配置されているため、光学部品の接合強度を高めることができる。
また、本発明の光半導体素子は、前記第１層が半導体層であり、前記第２層が金属層であることを特徴としている。
ここで、本発明の光半導体素子は、前記金属層が、前記光素子の電極であることが望ましい。
また、本発明の光半導体素子は、前記第１層及び前記第２層が、共に半導体層であることを特徴としている。
ここで、本発明の光半導体素子は、前記第１層及び前記第２層が、互いに種類の異なる半導体で形成されていることが望ましい。
更に、本発明の光半導体素子は、前記光素子が、フォトダイオード及び面発光型半導体レーザの少なくとも一方であることを特徴としている。
上記課題を解決するために、本発明の光半導体素子の製造方法は、光半導体素子の製造方法において、基板上に、前記光素子をなす第１多層膜と、当該第１多層膜上に配置されて第１層と当該第１層上の第２層とを含んでなる第２多層膜とを形成する多層膜形成工程と、前記光素子上を開口する第１開口を前記第１層に形成するとともに、前記第１開口の上方に前記第１開口の開口面積よりも小さな開口面積の第２開口を前記第２層に形成して接合部を形成する接合部形成工程と、前記接合部の前記第１開口及び前記第２開口の内部に少なくとも一部が埋設された光学部品を形成する光学部品形成工程とを含むことを特徴としている。
この発明によると、基板上に光素子をなす第１多層膜が形成されるとともに、第１多層膜上に第１層と第１層上の第２層とを含んでなる第２多層膜が形成され、次いで光素子上に第１開口と第１開口の開口面積よりも小さな開口面積の第２開口が第１層及び第２層の各々に形成され、これら第１開口及び第２開口の内部に少なくとも一部が埋設された光学部品が形成される。第２開口が形成された第２層は第１開口の上方を一部覆うよう形成されており、光学部品は第１開口の内部に一部が埋め込まれた状態で光素子上に形成されるため、光学部品の接合強度を高めることができる。
また、本発明の光半導体素子の製造方法は、前記接合部形成工程が、前記第２層をエッチングして前記光素子の上方に前記第２開口を形成する第１エッチング工程と、前記第２層に形成された前記第２開口を介して前記第１層をエッチングして前記光素子上に前記第１開口を形成する第２エッチング工程とを含むことを特徴としている。
また、本発明の光半導体素子の製造方法は、前記多層膜形成工程が、前記第１多層膜と前記第２多層膜との間に、前記第２エッチング工程で行われるエッチングを止めるエッチングストップ層を形成する工程を含むことを特徴としている。
ここで、本発明の光半導体素子の製造方法は、前記多層膜形成工程が、前記第１層を半導体で形成し、前記第２層を金属で形成する工程であることが望ましい。
或いは、本発明の光半導体素子の製造方法は、前記多層膜形成工程が、前記第１層及び第２層を互いに種類の異なる半導体で形成する工程であることが望ましい。
更に、本発明の光半導体素子の製造方法は、前記光学部品形成工程が、前記光学部品の材料が含まれる液状体を、液滴吐出法により少なくとも前記第１開口及び前記第２開口の内部に吐出して前記光学部品を形成する工程であることを特徴としている。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による光半導体素子及びその製造方法について詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態は、本発明の一部の態様を示すものであり、本発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の説明で参照する各図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならせてある。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態による光半導体素子を模式的に示す断面図である。図１に示す通り、本実施形態の光半導体素子１０は、光素子としてのフォトダイオード１１と、光学部品としてのマイクロレンズ１２とを含んで構成される。フォトダイオード１１とマイクロレンズ１２との間にはこれらを接合する接合部１３が形成されている。

フォトダイオード１１は、半導体基板（本実施形態では半絶縁性のＧａＡｓ基板）２０上に形成されており、マイクロレンズ１２を介して半導体基板２０に向かって入射する光を受光する。半導体基板２０上には柱状の半導体堆積体（以下、柱状部という）Ｐ１が形成されており、この柱状部Ｐ１にフォトダイオード１１の一部をなす光吸収層２２が形成されている。つまり、フォトダイオード１１は、その一部が柱状部Ｐ１に形成された構成である。尚、柱状部Ｐ１は任意の断面形状に形成することができるが、ここでは断面形状が円形であるとする。

フォトダイオード１１は、例えばｎ型のＧａＡｓからなるコンタクト層２１と、上記の光吸収層２２とを半導体基板２０上に順次積層した構成である。また、フォトダイオード１１上には、例えばｐ型のＩｎＧａＰからなるエッチングストップ層２３と、接合部１３の一部をなす第１層としてのｐ型のＧａＡｓからなるコンタクト層２４とが順に積層されている。

フォトダイオード１１をなすコンタクト層２１は、例えばケイ素（Ｓｉ）がドーピングされることによりｎ型にされており、フォトダイオード１１上のエッチングストップ層２３及びコンタクト層２４は、例えば炭素（Ｃ）がドーピングされることによりｐ型にされている。従って、ｐ型のコンタクト層２４（ｐ型のエッチングストップ層２３）、不純物がドーピングされていない光吸収層２２、及びｎ型のコンタクト層２１により、ｐｉｎダイオードが形成される。

図１に示す通り、柱状部Ｐ１の上面中央部には、コンタクト層２４がエッチングされて開口２４ａが形成されており、この開口２４ａがフォトダイオード１１に入射する光の入射口となっている。尚、本実施形態においては、柱状部Ｐ１の上面中央部に形成される開口２４ａの平面形状が円形であるとする。但し、この形状は円形に限られる訳ではなく任意の形状であって良い。

また、図１に示す通り、コンタクト層２４上には接合部１３の一部をなす第２層としての電極２５が形成されており、コンタクト層２１上には電極２６が形成されている。これらの電極２５，２６は、フォトダイオード１１にバイアス電圧を印加すると共に、フォトダイオード１１で得られる光電流を外部に取り出すためのものである。電極２５には、コンタクト層２４に形成された開口２４ａの上方に開口２５ａが形成されている。尚、本実施形態においては、電極２５に形成される開口２５ａの平面形状が、コンタクト層２４に形成される開口２４ａと同様に、円形であるとする。但し、開口２４ａと同様に、この形状は円形に限られる訳ではなく任意の形状であって良い。

電極２５の開口２５ａは、その径がコンタクト層２４の開口２４ａの径よりも小さくなるよう形成されている。つまり、開口２５ａは、その面積（開口面積）が開口２４ａの開口面積よりも小さくなるよう形成されている。そして、図１に示す通り、これらの開口２４ａ，２５ａの内部にマイクロレンズ１２の一部が埋め込まれた状態で配置されている。電極２５の開口２５ａの径をコンタクト層２４の開口２４ａの径よりも小さくするのは、接合部１３にマイクロレンズ１２の一部を埋め込んだ状態にすることで、フォトダイオード１１とマイクロレンズ１２との接合強度を高めるためである。

ここで、電極２５の開口２５ａの径は、上述した通り、コンタクト層２４の開口２４ａの径よりも小さく形成されるが、開口２５ａの径を小さくしすぎるとフォトダイオード１１に入射する光量も減少してしまう。このため、開口２５ａの最小径は必要となるフォトダイオード１１の受光感度を確保することができる程度に設定される。

また、電極２５の開口２５ａの径とコンタクト層２４の開口２４ａとの径との差を大きくすれば接合部１３に埋め込まれる部分が増える。しかしながら、差を大きくしても強度の低い電極２５の張り出し部（電極２５がコンタクト層２４から柱状部Ｐ１の中央に向かって張り出している部分）が多くなるだけであり、フォトダイオード１１とマイクロレンズ１２との接合強度はさほど高くならない。但し、電極２５の厚みをより厚くすれば上記の張り出し部の強度をある程度高くすることができる。このため、電極２５の開口２５ａの径とコンタクト層２４の開口２４ａとの径との差、及び電極２５の厚みは必要となる接合強度が得られるよう適宜設定される。

電極２６は、コンタクト層２１の上面に形成されている。尚、図１に示す例では、柱状部Ｐ１の一側面側のコンタクト層２１上に電極２６が形成されている例を図示しているが、電極２６はコンタクト層２１上であって柱状部Ｐ１の近傍であれば、その形成位置は限定されない。例えば、半導体基板２０上のコンタクト層２１を、柱状部Ｐ１の径よりも大きな径を有する円形形状とし、柱状部Ｐ１と同心に形成した場合には、柱状部Ｐ１を取り囲むようにリング状に電極２６を形成することができる。

電極２５は、例えば、クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）と亜鉛（Ｚｎ）との合金、及び金（Ａｕ）の積層膜で形成することができる。或いは、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）及び金（Ａｕ）の積層膜からなる。また、電極２６は、例えば、クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金、ニッケル（Ｎｉ）、及び金（Ａｕ）の積層膜で形成することができる。

マイクロレンズ１２は、図１に示す通り、一部が接合部１３に埋め込まれた状態でフォトダイオード１１の上方に配置されている。このマイクロレンズ１２は、半導体基板２０の上方から半導体基板２０に向かう光を集光してフォトダイオード１１に入射させるために設けられている。マイクロレンズ１２は、例えば熱又は光等のエネルギーを付加することによって硬化可能な液体材料（例えば、紫外線硬化型樹脂や熱硬化型樹脂の前駆体）を硬化させることにより形成される。ここで、紫外線硬化型樹脂としては、例えば紫外線硬化型のアクリル系樹脂又はエポキシ系樹脂が挙げられる。また、熱硬化型樹脂としては、熱硬化型のポリイミド系樹脂が挙げられる。

上記構成において、半導体基板２０の上方から半導体基板２０に向けて光が照射されると、この光はマイクロレンズ１２で集光されて、電極２５に形成された開口２５ａ及びコンタクト層２４に形成された開口２４ａ並びにエッチングストップ層２３を順に介してフォトダイオード１１に入射する。フォトダイオード１１に入射した光は、光吸収層２２にて吸収され、この吸収された光によって光吸収層２２で光励起が生じ、電子及び正孔が生成される。そして、外部から印加された電界によって電子は電極２６に、正孔は電極２５にそれぞれ移動する。その結果、フォトダイオード１１において、コンタクト層２１から光吸収層２２の方向に電流が生じる。

次に、本発明の第１実施形態による光半導体素子１０の製造方法について説明する。図２〜図４は、本発明の第１実施形態による光半導体素子の製造工程を模式的に示す断面図である。本実施形態の光半導体素子１０を製造するには、図２（ａ）に示す通り、まず半絶縁性のＧａＡｓからなる半導体基板２０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て半導体多層膜を形成する。

ここで、半導体基板２０上に形成する半導体多層膜は、例えば、ｎ型のＧａＡｓからなるコンタクト層２１、光吸収層２２、ｐ型のＩｎＧａＰからなるエッチングストップ層２３、及びｐ型のＧａＡｓからなるコンタクト層２４からなる。これらの層を順に半導体基板２０上に積層させることにより、半導体多層膜が形成される。ここで、後の工程において電極２６が形成された際に、コンタクト層２１のうち少なくとも電極２６と接する部分の近傍は、キャリア密度を高くすることにより、電極２６とのオーム性接触をとり易くしておくのが望ましい。同様に、コンタクト層２４のうち少なくとも電極２５と接する部分の近傍は、キャリア密度を高くすることにより、電極２５とのオーム性接触をとり易くしておくのが望ましい。

エピタキシャル成長を行う際の温度は、成長方法や原料、半導体基板２０の種類、或いは形成する半導体多層膜の種類、厚さ、及びキャリア密度によって適宜決定されるが、一般に、４５０℃〜８００℃に設定するのが好ましい。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、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法、或いはＬＰＥ（Liquid Phase Epitaxy）法を用いることができる。

次に、図２（ｂ）に示す通り、柱状部Ｐ１を形成する。柱状部Ｐ１を形成するには、まず、半導体多層膜上にレジスト（図示省略）を塗布した後、リソグラフィ法によりレジストをパターニングする。これにより、コンタクト層２４の上面に所定の平面形状を有するレジスト層が形成される。次いで、このレジスト層をマスクとして、例えばドライエッチング法により、コンタクト層２４、エッチングストップ層２３、及び光吸収層２２をエッチングする。これにより、柱状部Ｐ１が形成される。尚、柱状部Ｐ１が形成されると、レジスト層は除去される。

柱状部Ｐ１を形成すると、図２（ｂ）に示す通り、コンタクト層２１を所定の形状にパターニングする。具体的には、まず、コンタクト層２１上にレジスト（図示省略）を塗布した後、リソグラフィ法により塗布したレジストをパターニングする。これにより、コンタクト層２１上に柱状部Ｐ１を覆うように所定のパターンのレジスト層が形成される。次いで、このレジスト層をマスクとして、例えばドライエッチング法により、コンタクト層２１をエッチングする。これにより、コンタクト層２１が所定形状にエッチングされる。尚、コンタクト層２１がエッチングされると、レジスト層は除去される。

尚、ここではドライエッチング法を用いてエッチングを行う場合を例に挙げたが、ウェットエッチング法によりエッチングしても良い。また、柱状部Ｐ１を形成した後でコンタクト層２１をエッチングする場合を例に挙げたが、まず、コンタクト層２４、エッチングストップ層２３、光吸収層２２、及びコンタクト層２１をエッチングした後で、柱状部Ｐ１を形成しても良い。

以上の工程が終了すると、図３に示す通り、コンタクト層２４の上面に電極２５が形成され、コンタクト層２１の上面に電極２６が形成される。これら電極２５，２６を形成する具体的な方法は以下の通りである。まず、電極２５及び電極２６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、コンタクト層２１の上面及びコンタクト層２４の上面を洗浄する。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。次に、例えば真空蒸着法により、例えばクロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）と亜鉛（Ｚｎ）との合金、及び金（Ａｕ）の積層膜（図示省略）を形成する。次いで、リフトオフ法により、所定の位置以外の積層膜を除去することにより電極２５が形成される。

この際、柱状部Ｐ１の上面に積層膜が形成されていない部分が形成される。この部分が開口２５ａとなり、コンタクト層２４の上面の一部が露出する。尚、上記工程において、リフトオフ法の代わりにドライエッチング法又はウェットエッチング法を用いることもできる。また、上記工程において、真空蒸着法の代わりにスパッタ法を用いることもできる。

次に、電極２５を形成する場合と同様の方法で、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金、ニッケル（Ｎｉ）、及び金（Ａｕ）の積層膜をパターニングすることで、図３に示す通り、コンタクト層２１上に電極２６を形成する。次いで、アニール処理を行う。アニール処理の温度は電極材料に依存する。本実施形態で用いる電極材料の場合は、通常４００℃前後で窒素雰囲気中で行うのが望ましい。以上により、電極２５、２６が形成される。

次に、図３（ｂ）に示す通り、コンタクト層２４に開口２４ａが形成される。開口２４ａを形成する具体的な方法は以下の通りである。まず、コンタクト層２１上及び柱状部Ｐ１を覆うようにレジスト（図示省略）を塗布した後、リソグラフィ法により塗布したレジストをパターニングする。これにより、柱状部Ｐ１上が開口したパターンのレジスト層が形成される。次に、このレジスト層をマスクとして、ウェットエッチング法によりコンタクト層２４をエッチングする。ここで、コンタクト層２４のエッチングには、エッチャントして、例えばリン酸、過酸化水素水、及び水の混合溶液を用いることができる。

エッチャントは電極２５に形成された開口２５ａを介してコンタクト層２４に接触するため、コンタクト層２４は開口２５ａの形成位置からエッチングされる。ここで、ｐ型のＧａＡｓからなるコンタクト層２４は、上記のエッチャントによって等方的にエッチングされるが、コンタクト層２４の下に配置されたエッチングストップ層２３及びコンタクト層２４上に配置された電極２５は上記のエッチャントではエッチングされない。このため、コンタクト層２４のエッチングは、エッチングストップ層２３が露出した時点で、エッチングストップ層２３の表面に交差する方向には止まり、コンタクト層２４とエッチングストップ層２３との界面に沿う方向に進む。

この結果、図３（ｂ）に示す通り、電極２５の開口２５ａの径よりも大きな径を有する開口２４ａがコンタクト層２４に形成される。これにより、コンタクト層２４から柱状部Ｐ１の中央に向かって電極２５が張り出している形状（オーバーハング形状）を形成することができる。尚、コンタクト層２４に開口２４ａを形成すると、エッチング時に用いたレジスト層は除去される。

次いで、図４に示す通り、柱状部Ｐ１上にマイクロレンズ１２が形成される。マイクロレンズ１２を形成する具体的な方法は以下の通りである。図４（ａ）に示す通り、マイクロレンズ１２の材料（例えば、前述した紫外線硬化型樹脂や熱硬化型樹脂の前駆体）を含む液状体を、液滴吐出法を用いてコンタクト層２４の開口２４ａに吐出する。つまり、上記の液状体Ｄを吐出ヘッドＨＤのノズルＮから吐出させてマイクロレンズ１２を形成する。

液状体Ｄを吐出するには、吐出ヘッドＨＤに設けられたガイドレールＧＬに沿って吐出ヘッドＨＤを移動させて、開口２４ａ，２５ａの上方に吐出ヘッドＨＤを位置決めする。位置決めが完了すると、吐出ヘッドＨＤのノズルＮから液状体Ｄを吐出させる。吐出された液状体Ｄは、電極２５の開口２５ａを介してコンタクト層２４の開口２４ａ内に溜まる。液状体Ｄの吐出を続けると開口２４ａ内に液状体Ｄが溜まり、電極２５の下方まで液状体Ｄが充填される。更に液状体Ｄの吐出を続けると電極２５上に液状体Ｄが溜まって、ひいては液状体Ｄの表面張力によってその形状が球形状になる。

最後に、柱状部Ｐ１上に配置された液状体Ｄに対して紫外線を照射し、又は加熱による乾燥等を行って液状体Ｄを硬化させることにより、図４（ｂ）に示す通り、柱状部Ｐ１上にマイクロレンズ１２が形成される。以上の工程によって本発明の第１実施形態による光半導体素子１０が製造される。この製造方法によって製造された光半導体素子１０は、マイクロレンズ１２を、その一部が接合部１３に埋め込まれた状態に形成することができるため、フォトダイオード１１とマイクロレンズ１２との接合強度を高めることができる。

尚、上記実施形態では、ｐ型のＩｎＧａＰからなる半導体層によってエッチングストップ層２３を形成し、ｐ型のＧａＡｓからなる半導体層によってコンタクト層２４を形成していた。しかしながら、エッチングストップ層２３とコンタクト層２４とは、これらの半導体層以外を用いることができる。例えば、ｐ型のＩｎＧａＰからなる半導体層によってエッチングストップ層２３を形成し、ｐ型のＩｎＧａＡｓからなる半導体層によってコンタクト層２４を形成することもできる。かかる半導体層を用いた場合には、コンタクト層２４に開口２４ａを形成する際のエッチャントとして、例えばリン酸、過酸化水素水、及び水の混合溶液を用いることができる。

また、ｐ型のＧａＡｓからなる半導体層によってエッチングストップ層２３を形成し、ｐ型のＩｎＧａＰからなる半導体層によってコンタクト層２４を形成することもできる。更に、ｐ型のＡｌＧａＡｓからなる半導体層によってエッチングストップ層２３を形成し、ｐ型のＩｎＧａＰからなる半導体層によってコンタクト層２４を形成することもできる。これらの半導体層を用いた場合には、コンタクト層２４に開口２４ａを形成する際のエッチャントとして、例えば塩酸と水との混合溶液を用いることができる。

〔第２実施形態〕
図５は、本発明の第２実施形態による光半導体素子を模式的に示す断面図である。尚、図５においては、図１に示す光半導体素子１０が備える部材と同一の部材には同一の符号を付してある。図５に示す通り、本実施形態の光半導体素子３０は、図１に示す光半導体素子１０と同様に、光素子としてのフォトダイオード１１と、光学部品としてのマイクロレンズ１２とを含んで構成される。図５に示す光半導体素子３０と、図１に示す光半導体素子１０とは、フォトダイオード１１とマイクロレンズ１２との間に設けられる接合部の構成が異なる。

図１に示す光半導体素子１０が備える接合部１３は、コンタクト層２４と、コンタクト層２４上に形成された電極２５とから形成されていたが、図５に示す光半導体素子３０が備える接合部１４は、第１層をなすコンタクト層２４と、コンタクト層２４上に形成された第２層をなす第２コンタクト層２７とから形成されている。従って、半導体基板２０上には、光吸収層２２、エッチングストップ層２３、コンタクト層２４、及び第２コンタクト層２７からなる柱状部Ｐ２が形成されている。コンタクト層２４と第２コンタクト層２７とは互いに種類の異なる半導体で形成される。例えば、コンタクト層２４はｐ型のＧａＡｓからなる半導体層によって形成され、第２コンタクト層２７はｐ型のＩｎＧａＰからなる半導体層によって形成される。この第２コンタクト層２７上に電極２５が形成されている。

コンタクト層２４には開口２４ａが形成されており、第２コンタクト層２７には開口２７ａが形成されており、電極２５には開口２５ａが形成されている。これらの開口２４ａ，２７ａ，２５ａは、開口２４ａの上方に開口２７ａが配置されており、開口２７ａの上方に開口２５ａが配置されている。尚、本実施形態においては、これらの開口２４ａ，２７ａ，２５ａの平面形状は全て円形であるとする。但し、開口２４ａ，２７ａ，２５ａの形状は円形に限られる訳ではなく任意の形状であって良い。

第２コンタクト層２７の開口２７ａは、その径がコンタクト層２４の開口２４ａの径よりも小さくなるよう形成されている。つまり、開口２７ａは、その面積（開口面積）が開口２４ａの開口面積よりも小さくなるよう形成されている。また、電極２５の開口２５ａは、その径が第２コンタクト層２７の開口２７ａの径と等しいか、又は開口２７ａの径よりも大に形成されている。つまり、本実施形態では、接合部１４の形状がコンタクト層２４から柱状部Ｐ１の中央に向かって第２コンタクト層２７が張り出している形状（オーバーハング形状）とされている。そして、図５に示す通り、これらの開口２４ａ，２７ａの内部にマイクロレンズ１２の一部が埋め込まれた状態で配置されている。ここで、本実施形態においては、第２コンタクト層２７の開口２７ａの径とコンタクト層２４の開口２４ａとの径との差、及び第２コンタクト層２７の厚みは必要となる接合強度が得られるよう適宜設定される。

本実施形態の光半導体素子３０は、図１に示す光半導体素子１０とほぼ同様の工程を経て製造される。但し、本実施形態の光半導体素子３０を製造する場合には、図２（ａ）に示す半導体基板２０上の半導体多層膜を形成するときに、コンタクト層２４上にｐ型のＩｎＧａＰからなる第２コンタクト層２７を形成する工程が必要になるとともに、第２コンタクト層２７に開口２７ａを形成する工程が必要になる点が図１に示す光半導体素子１０の製造工程と異なる。

第２コンタクト層２７上の電極２５に開口２５ａを形成した後で、第２コンタクト層２７に開口２７ａを形成する工程が行われ、続いてコンタクト層２４に開口２４ａを形成する工程が行われる。これらの開口２７ａ，２４ａの形成は、ウェットエッチング法により行われるが、第２コンタクト層２７をエッチングして開口２７ａを形成する場合と、コンタクト層２４をエッチングして開口２４ａを形成する場合とでは、用いられるエッチャントが異なる。

第２コンタクト層２７をエッチングして開口２７ａを形成する場合のエッチャントとしては、例えば塩酸と水との混合溶液を用いることができる。また、コンタクト層２４をエッチングして開口２４ａを形成する場合のエッチャントとしては、例えばリン酸、過酸化水素水、及び水の混合溶液を用いることができる。かかる２段階のエッチングを行うことにより、コンタクト層２４から柱状部Ｐ１の中央に向かって第２コンタクト層２７が張り出した形状（オーバーハング形状）を形成することができる。このため、本実施形態の光半導体素子３０においても、マイクロレンズ１２を、その一部が接合部１４に埋め込んだ状態に形成することができるため、フォトダイオード１１とマイクロレンズ１２との接合強度を高めることができる。

尚、上記実施形態では、ｐ型のＩｎＧａＰからなる半導体層によってエッチングストップ層２３を形成し、ｐ型のＧａＡｓからなる半導体層によってコンタクト層２４を形成し、ｐ型のＩｎＧａＰからなる半導体層によって第２コンタクト層２７を形成していた。しかしながら、エッチングストップ層２３、コンタクト層２４、及び第２コンタクト層２７は、これらの半導体層以外を用いることができる。例えば、ｐ型のＡｌＧａＡｓからなる半導体層によってエッチングストップ層２３を形成し、ｐ型のＩｎＧａＰからなる半導体層によってコンタクト層２４を形成し、ｐ型のＩｎＧａＡｓからなる半導体層によって第２コンタクト層２７を形成することもできる。かかる半導体層を用いた場合には、第２コンタクト層２７に開口２７ａを形成する際のエッチャントとして、例えばリン酸、過酸化水素水、及び水の混合溶液を用いることができ、コンタクト層２４に開口２４ａを形成する際のエッチャントとして、例えば塩酸と水との混合溶液を用いることができる。

〔第３実施形態〕
図６は、本発明の第３実施形態による光半導体素子を模式的に示す断面図である。図６に示す通り、本実施形態の光半導体素子４０は、光素子としての面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）４１と、光学部品としてのマイクロレンズ４２とを含んで構成される。面発光型半導体レーザ４１とマイクロレンズ４２との間にはこれらを接合する接合部４３が形成されている。

面発光型半導体レーザ４１は、半導体基板（本実施形態ではｎ型のＧａＡｓ基板）５０上に形成されており、レーザ光をマイクロレンズ４２を介して外部に射出する。半導体基板２０上には柱状の半導体堆積体（以下、柱状部という）Ｐ３が形成されており、この柱状部Ｐ３に面発光型半導体レーザ４１が形成されている。つまり、面発光型半導体レーザ４１は柱状部Ｐ３に形成された構成である。尚、柱状部Ｐ３は任意の断面形状に形成することができるが、ここでは断面形状が円形であるとする。

面発光型半導体レーザ４１は、例えば、ｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層とを交互に積層した４０ペアの分布反射型多層膜ミラー（以下、第１ミラーという）５１と、ＧａＡｓウェル層とＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓバリア層からなり、ウェル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層５２と、ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層とを交互に積層した２５ペアの分布反射型多層膜ミラー（以下、第２ミラーという）５３とが順次積層された多層構造である。

尚、本実施形態において、ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成とは、ガリウム（Ｇａ）に対するアルミニウム（Ａｌ）の組成をいう。ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、「０」から「１」までである。即ち、ＡｌＧａＡｓ層は、ＧａＡｓ層（Ａｌ組成が「０」の場合）及びＡｌＡｓ層（Ａｌ組成が「１」の場合）を含む。また、以上説明した第１ミラー５１、活性層５２、及び第２ミラー５３を構成する各層の組成及び層数は特に限定される訳ではない。

面発光型半導体レーザ４１をなす第１ミラー５１は、例えばケイ素（Ｓｉ）がドーピングされることによりｎ型にされており、第２ミラー５３は、例えば炭素（Ｃ）がドーピングされることによりｐ型にされている。従って、ｐ型の第２ミラー５３、不純物がドーピングされていない活性層５２、及びｎ型の第１ミラー５１により、ｐｉｎダイオードが形成される。

また、面発光型半導体レーザ４１上には、例えばｐ型のＩｎＧａＰからなるエッチングストップ層５４と、接合部４３の一部をなす第１層としてのｐ型のＧａＡｓからなるコンタクト層５５とが順に積層されている。図６に示す通り、柱状部Ｐ３の上面中央部には、コンタクト層５５がエッチングされて開口５５ａが形成されており、この開口５５ａが面発光型半導体レーザ４１から射出されるレーザ光の射出面となっている。尚、本実施形態においては、柱状部Ｐ３の上面中央部に形成される開口５５ａの平面形状が円形であるとする。但し、この形状は円形に限られる訳ではなく任意の形状であって良い。

また、図６に示す通り、コンタクト層５５上には接合部４３の一部をなす第２層としての電極５６が形成されており、半導体基板５０の裏面には電極５７が形成されている。これらの電極５６，５７は、面発光型半導体レーザ４１を駆動するためのものである。電極５６には、コンタクト層５５に形成された開口５５ａの上方に開口５６ａが形成されている。尚、本実施形態においては、電極５６に形成される開口５６ａの平面形状が、コンタクト層５５に形成される開口５５ａと同様に、円形であるとする。但し、開口５５ａと同様に、この形状は円形に限られる訳ではなく任意の形状であって良い。

これら電極５６の開口５６ａとコンタクト層５５の開口５５ａとの関係は、図１に示す電極２５の開口２５ａとコンタクト層２４の開口２４ａとの関係と同様である。つまり、電極５６の開口５６ａは、その径がコンタクト層５５の開口５５ａの径よりも小さくなるよう形成されている。つまり、開口５６ａは、その面積（開口面積）が開口５５ａの開口面積よりも小さくなるよう形成されている。但し、電極５６の開口５６ａの径は、面発光型半導体レーザ４１から射出されるレーザ光のモード（横モード）を変えない大きさに設定される。尚、ここでレーザ光の横モードとは、半導体基板５０の面内方向のモードをいう。そして、図６に示す通り、これらの開口５５ａ，２５ａの内部にマイクロレンズ４２の一部が埋め込まれた状態で配置されている。

また、第１実施形態と同様に、電極５６の開口５６ａの径とコンタクト層５５の開口５５ａとの径との差、及び電極５６の厚みは必要となる面発光型半導体レーザ４１とマイクロレンズ４２との接合強度が得られるよう適宜設定される。電極５７は、半導体基板５０の裏面に形成されている。尚、図１に示す光半導体素子１０と同様に、第１ミラー５１の平面形状を柱状部Ｐ３の平面形状よりも大きく形成し、第１ミラー５１上に電極５７を形成しても良い。

電極５６は、例えば、クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）と亜鉛（Ｚｎ）との合金、及び金（Ａｕ）の積層膜で形成することができる。或いは、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）及び金（Ａｕ）の積層膜からなる。また、電極５７は、例えば、クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金、ニッケル（Ｎｉ）、及び金（Ａｕ）の積層膜で形成することができる。

マイクロレンズ４２は、図６に示す通り、一部が接合部４３に埋め込まれた状態で面発光型半導体レーザ４１の上方に配置されている。このマイクロレンズ４２は、面発光型半導体レーザ４１から射出されたレーザ光を集光して、例えば光ファイバ（不図示）に入射させるために用いられる。このマイクロレンズ４２は、図１に示すマイクロレンズ１２と同様に、例えば熱又は光等のエネルギーを付加することによって硬化可能な液体材料（例えば、紫外線硬化型樹脂や熱硬化型樹脂の前駆体）を硬化させることにより形成される。ここで、紫外線硬化型樹脂としては、例えば紫外線硬化型のアクリル系樹脂又はエポキシ系樹脂が挙げられる。また、熱硬化型樹脂としては、熱硬化型のポリイミド系樹脂が挙げられる。

次に、本実施形態の光半導体素子４０の一般的な動作について説明する。尚、下記の光半導体素子４０の駆動方法は一例であり、本発明の範囲内で種々の変更が可能である。まず、電極５６，５７を不図示の電源に接続して電極５６と電極５７との間に順方向の電圧を印加すると、面発光型半導体レーザ４１の活性層５２において、電子と正孔との再結合が生じ、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５３と第１ミラー５１との間を往復する間に誘導放出が起こって光の強度が増幅される。光利得が光損失を上まわると、レーザ発振が起こり、第２ミラー５３の上面からレーザ光が射出され、エッチングストップ層５４を介してマイクロレンズ４２に入射する。マイクロレンズ４２に入射したレーザ光は、マイクロレンズ４２中を伝播しながらコンタクト層５５の開口５５ａ及び電極５６の開口５６ａを順に介し、マイクロレンズ４２の表面において屈折して集光されて外部に射出される。

尚、エッチングストップ層５４とコンタクト層５５をなす半導体層は、第１実施形態と同様に変更することができ、この半導体層の変更に合わせてコンタクト層５５に開口５５ａを形成するときに用いるエッチャントも適宜変更することができる。また、接合部４３の構成を、第２実施形態と同様に、互いに種類の異なる２層の半導体層からなる構成にすることも可能である。かかる構成にした場合も、接合部をなす各層の半導体層を適宜変更することができ、また各々の半導体層に形成する開口を形成するエッチャントも適宜変更することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明した、本発明は上記の実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、半導体基板２０上にフォトダイオード１１が形成され、又は半導体基板５０上に面発光型半導体レーザ４１が形成された光半導体素子について説明した。しかしながら、本発明は、半導体基板上に、面発光型半導体レーザと、面発光型半導体レーザからのレーザ光を受光するフォトダイオードとが重ねて形成されている光半導体素子にも適用することができる。

例えば、半導体基板上に面発光型半導体レーザが形成されており、この面発光型半導体レーザ上にフォトダイオードが形成されている構成の場合には、フォトダイオード上に接合部を設けてマイクロレンズが形成される。尚、かかる構成にする場合には、面発光型半導体レーザからのレーザ光を受光するためにフォトダイオードを用いるのではなく、外部からの光を受光するためにフォトダイオードを用いてもよい。具体的には、例えば光通信の用途に光半導体素子を用い、送信すべき光信号には面発光型半導体レーザから射出されたレーザ光を用い、送信されてきた光信号をフォトダイオードで受光することができる。また、例えば、半導体基板上にフォトダイオードが形成されており、このフォトダイオード上に面発光型半導体レーザが形成されている構成の場合には、面発光型半導体レーザ上に接合部を設けてマイクロレンズが形成される。

更に、上記実施形態において、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範囲外となるものではない。尚、各半導体層におけるｐ型とｎ型とを入れ替える場合には、電極の材料を入れ替えるのが好適である。即ち、ｎ型の半導体層と接する電極は、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金と金（Ａｕ）との積層膜等を用いることができ、ｐ型の半導体層と接する電極は、白金（Ｐｔ）を含むもの等を用いることができる。

また、更に上記の実施形態においては、光学部品としてマイクロレンズを備える光半導体素子を例に挙げて説明したが、光学部品はマイクロレンズに限られる訳ではない。例えば、光を反射させる光学部品、屈折させる光学部品、回折させる光学部品、散乱させる光学部品、偏光状態を変える光学部品等の種々の光学部品を備えることが可能である。

本発明の第１実施形態による光半導体素子を模式的に示す断面図である。 本発明の第１実施形態による光半導体素子の製造工程を模式的に示す断面図である。 本発明の第１実施形態による光半導体素子の製造工程を模式的に示す断面図である。 本発明の第１実施形態による光半導体素子の製造工程を模式的に示す断面図である。 本発明の第２実施形態による光半導体素子を模式的に示す断面図である。 本発明の第３実施形態による光半導体素子を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１０……光半導体素子
１１……フォトダイオード（光素子）
１２……マイクロレンズ（光学部品）
１３，１４……接合部
２０……半導体基板（基板）
２４……コンタクト層（第１層）
２４ａ……開口（第１開口）
２５……電極（第２層）
２５ａ……開口（第２開口）
２７……第２コンタクト層（第２層）
２７ａ……開口（第２開口）
３０……光半導体素子
４０……光半導体素子
４１……面発光型半導体レーザ（光素子）
４２……マイクロレンズ（光学部品）
４３……接合部
５０……半導体基板（基板）
５５……コンタクト層（第１層）
５５ａ……開口（第１開口）
５６……電極（第２層）
５６ａ……開口（第２開口）

Claims (12)

1. 光素子と、
   前記光素子上を開口する第１開口が形成された第１層と、前記第１開口の上方に前記第１開口の開口面積よりも小さな開口面積の第２開口が形成された第２層とを含んでなる接合部と、
   前記接合部の前記第１開口及び前記第２開口の内部に少なくとも一部が埋設された光学部品と
   を備えることを特徴とする光半導体素子。
2. 前記第１層は半導体層であり、前記第２層は金属層であることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
3. 前記金属層は、前記光素子の電極であることを特徴とする請求項２記載の光半導体素子。
4. 前記第１層及び前記第２層は、共に半導体層であることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
5. 前記第１層及び前記第２層は、互いに種類の異なる半導体で形成されていることを特徴とする請求項４記載の光半導体素子。
6. 前記光素子は、フォトダイオード及び面発光型半導体レーザの少なくとも一方であることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の光半導体素子。
7. 光半導体素子の製造方法において、
   基板上に、前記光素子をなす第１多層膜と、当該第１多層膜上に配置されて第１層と当該第１層上の第２層とを含んでなる第２多層膜とを形成する多層膜形成工程と、
   前記光素子上を開口する第１開口を前記第１層に形成するとともに、前記第１開口の上方に前記第１開口の開口面積よりも小さな開口面積の第２開口を前記第２層に形成して接合部を形成する接合部形成工程と、
   前記接合部の前記第１開口及び前記第２開口の内部に少なくとも一部が埋設された光学部品を形成する光学部品形成工程と
   を含むことを特徴とする光半導体素子の製造方法。
8. 前記接合部形成工程は、前記第２層をエッチングして前記光素子の上方に前記第２開口を形成する第１エッチング工程と、
   前記第２層に形成された前記第２開口を介して前記第１層をエッチングして前記光素子上に前記第１開口を形成する第２エッチング工程と
   を含むことを特徴とする請求項７記載の光半導体素子の製造方法。
9. 前記多層膜形成工程は、前記第１多層膜と前記第２多層膜との間に、前記第２エッチング工程で行われるエッチングを止めるエッチングストップ層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項８記載の光半導体素子の製造方法。
10. 前記多層膜形成工程は、前記第１層を半導体で形成し、前記第２層を金属で形成する工程であることを特徴とする請求項７から請求項９の何れか一項に記載の半導体素子の製造方法。
11. 前記多層膜形成工程は、前記第１層及び第２層を互いに種類の異なる半導体で形成する工程であることを特徴とする請求項７から請求項９の何れか一項に記載の半導体素子の製造方法。
12. 前記光学部品形成工程は、前記光学部品の材料が含まれる液状体を、液滴吐出法により少なくとも前記第１開口及び前記第２開口の内部に吐出して前記光学部品を形成する工程であることを特徴とする請求項７から請求項１１の何れか一項に記載の光半導体素子の製造方法。
    

Images