JP2009170535A - Semiconductor light emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信の分野で用いられる光半導体素子に関する。 The present invention relates to an optical semiconductor element used in the field of optical communication.
光通信は長距離、大容量伝送が可能であることから、特に長距離通信では早くから広く実用に供されてきた。一般に光通信の送信装置には光源として半導体レーザが用いられている。 Since optical communication is capable of long-distance and large-capacity transmission, long-distance communication has been widely used practically from early on. In general, a semiconductor laser is used as a light source in an optical communication transmitter.
半導体デバイスは、製造プロセス中や実装時に、装置もしくは人に蓄積した静電気を受け、初期特性あるいは信頼性が低下する場合がある。このような静電破壊を避けるため、デバイスに静電破壊防止回路や容量を付加することが行われている。特に、半導体レーザのようなダイオードは逆方向に静電気がかかると順方向の場合よりもダメージが大きいとされている。これを回避するための手段として、並列かつ逆方向に別のダイオードを付けた構造を取る場合が多い。 A semiconductor device may receive static electricity accumulated in an apparatus or a person during a manufacturing process or at the time of mounting, and initial characteristics or reliability may be reduced. In order to avoid such electrostatic breakdown, an electrostatic breakdown prevention circuit and a capacitor are added to the device. In particular, it is said that a diode such as a semiconductor laser is more damaged when static electricity is applied in the reverse direction than in the forward direction. As a means for avoiding this, a structure in which another diode is attached in parallel and in the opposite direction is often used.
一方、順方向についてはこれまであまり重視されていなかったが、レーザダイオード(LD:Laser Diode)の高速化につれて順方向の静電破壊も問題となりつつある。第1に、LDの高速化のためには活性層面積を小さくすることが有効であるが、活性層面積が小さくなるほど、静電気がかかった場合に活性層を流れる電流密度が増加するからである。第2に、高速化のためには寄生容量を小さくすることも必要となるが、その場合、静電気がかかった際に寄生容量を通じて流れる電流が減り、ほとんどが活性層を通じて流れることになるからである。 On the other hand, the forward direction has not been emphasized so far, but forward electrostatic breakdown is also becoming a problem as the speed of the laser diode (LD) increases. First, it is effective to reduce the area of the active layer in order to increase the speed of the LD. However, the smaller the active layer area, the higher the current density flowing through the active layer when static electricity is applied. . Second, to increase the speed, it is necessary to reduce the parasitic capacitance. In that case, the current flowing through the parasitic capacitance decreases when static electricity is applied, and most of the current flows through the active layer. is there.
順方向の静電破壊に対する対策としてはツェナーダイオードを用いたものがある。これは、レーザと並列かつ逆方向にツェナーダイオードを接続したものであり、例えば、特許文献1に記載されている。ツェナーダイオードの降伏電圧はレーザの動作電圧よりも高く設定されており、通常はツェナーダイオード側には流れないが、高い電圧がかかった場合にはツェナーダイオードがONになり、LD側に電流が流れるのを防ぐことができる。また、ツェナーダイオードは順方向には通常のダイオードとして機能するため、これをLDに逆方向に接続した構造では、LDに対する順方向、逆方向のいずれの静電破壊防止にも有効となる利点がある。
A countermeasure against forward electrostatic breakdown is one using a Zener diode. This is one in which a zener diode is connected in parallel with the laser and in the opposite direction, and is described in
別の対策としては、ダイオードを直列に接続したダイオード列を用いる方法が挙げられる。このダイオード列を保護すべきデバイスに並列に接続すると、順方向に高い電圧がかかった場合にダイオード列に電流が流れるため、デバイスに流れる電流を抑制することができる。また、電気容量は各ダイオードの容量の直列接続となるため、比較的小さくすることが可能であり、変調速度への影響を小さく抑えることができる。この構造は電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)のゲートを保護する場合などに用いられ、特許文献2にその例が挙げられている。FETの場合には基板上に積層された半導体層の同一面内に複数のダイオードを形成し、これを配線で直列に繋ぐことによりダイオード列を形成することが可能である。
しかし、特許文献1の方法では、一般にツェナーダイオードは容量が大きいため、LDの動作速度を低下させる。したがって、本構造は高速変調LDには適用できない。
However, in the method of
一方、特許文献2の方法では、面内に複数のダイオードを形成するため、デバイス全体として占める面積が増加する。また、各ダイオードを直列接続するためには、p側同士、n側同士は分離されている必要がある。したがって、半絶縁性基板上、あるいはアンドープ層上に形成することが必要となるが、この場合、基板側に電極を設けて電流を流すことが出来なくなるため、両電極を表面側から引き出すことが必要となる。したがって両電極のパッドが必要となり、この分の面積も必要となる。 On the other hand, in the method of Patent Document 2, since a plurality of diodes are formed in the plane, the area occupied by the entire device increases. Moreover, in order to connect each diode in series, it is necessary to isolate | separate p side and n side. Therefore, it is necessary to form it on a semi-insulating substrate or an undoped layer. In this case, since it becomes impossible to flow an electric current by providing an electrode on the substrate side, both electrodes can be drawn from the surface side. Necessary. Therefore, pads for both electrodes are required, and this area is also required.
ダイオードを同一面内ではなく、基板と垂直方向に複数形成し、これを直列に接続すれば面積を小さく抑えられる。しかし、この場合、各ダイオードに電極を形成するために複数の工程が必要となる。これは、歩留まりの低下、コストの増大の原因となる。 If a plurality of diodes are formed not in the same plane but in a direction perpendicular to the substrate and connected in series, the area can be kept small. In this case, however, a plurality of steps are required to form electrodes on each diode. This causes a decrease in yield and an increase in cost.
本発明はこのような背景のもとに行われたものであり、本発明の目的は、占有面積が小さく、製造が容易な静電破壊防止手段を備えた光半導体素子を提供することにある。 The present invention has been made under such a background, and an object of the present invention is to provide an optical semiconductor device having an electrostatic breakdown preventing means that has a small occupation area and is easy to manufacture. .
本発明に係る光半導体素子は、
半導体基板上に形成され、活性層を含む発光部と電気的に並列に接続された静電破壊防止素子を有し、
前記静電破壊防止素子は、前記半導体基板に垂直な方向に積層され、電気的に同方向に接続された複数のpin型ダイオードを備え、
隣接する前記pin型ダイオード同士の界面には、トンネル接合が形成されていることを特徴とするものである。
The optical semiconductor element according to the present invention is
An electrostatic breakdown preventing element formed on a semiconductor substrate and electrically connected in parallel with a light emitting unit including an active layer,
The electrostatic breakdown preventing element includes a plurality of pin-type diodes stacked in a direction perpendicular to the semiconductor substrate and electrically connected in the same direction,
A tunnel junction is formed at the interface between adjacent pin-type diodes.
また、本発明に係る他の光半導体素子は、
半導体基板上に形成され、吸収層を含む受光部と電気的に並列に接続された静電破壊防止素子を有し、
前記静電破壊防止素子は、前記半導体基板に垂直な方向に積層され、電気的に同方向に接続された複数のpin型ダイオードを備え、
隣接する前記pin型ダイオード同士の界面には、トンネル接合が形成されていることを特徴とするものである。
In addition, another optical semiconductor element according to the present invention is
An electrostatic breakdown preventing element formed on a semiconductor substrate and electrically connected in parallel with a light receiving portion including an absorption layer,
The electrostatic breakdown preventing element includes a plurality of pin-type diodes stacked in a direction perpendicular to the semiconductor substrate and electrically connected in the same direction,
A tunnel junction is formed at the interface between adjacent pin-type diodes.
本発明によれば、占有面積が小さく、製造が容易な静電破壊防止手段を備えた光半導体素子を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the optical semiconductor element provided with the electrostatic breakdown prevention means with a small occupation area and easy manufacture can be provided.
[第1の実施の形態]
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は本発明の第1の実施の形態に係る光半導体素子の断面図である。面発光レーザが形成されたメサ113の両側に、メサ112、114が形成されている。メサ112、114には、3つのpin型ダイオードからなる静電破壊防止用のダイオード列111a及び111bが各々形成されている。ダイオード列内のpin型ダイオード同士の接合界面にはトンネル接合が形成されており、これにより電気的に直列に接続されている。この2つのダイオード列はそれぞれ面発光レーザと並列に接続されている。ここで、メサ114のダイオード列は面発光レーザと電気的に順方向、メサ112のダイオード列は逆方向に接続されている。本構造の等価回路を図2に示す。
[First Embodiment]
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of an optical semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. Mesa 112 and 114 are formed on both sides of the
第1の実施の形態に係る光半導体素子では、図1に示すように、n型半導体基板101上に、n型DBR層102、n型クラッド層103、活性層104、p型クラッド層105、電流狭窄用の酸化層106、p型半導体層107、p型DBR層108、p+型コンタクト層109が積層されている。
In the optical semiconductor device according to the first embodiment, as shown in FIG. 1, an n-
さらに、左右のメサ112、114上には、エッチストップ層110が形成されている。このエッチストップ層110は、動作上の必須構成要素ではないが、これにより製造が容易になる。このエッチストップ層110上に、n+型半導体層、アンドープ(i型)半導体層、p+型半導体層の3層を1組として、これを複数積層したダイオード列層111a、111bが形成されている。ここで、n+型半導体層とアンドープ半導体層との間にn型半導体層を、p+型半導体層とアンドープ半導体層との間にp型半導体層を挿入し、4層1組又は5層1組としてもよい。なお、メサはそれぞれ表面からn型DBR102の表面まで達している。また、ダイオード列層111a、111bにおいて、隣接するpin型ダイオード同士の界面、すなわち、p+型半導体層とn+型半導体層との界面はトンネル接合を形成している。
Further, an
また、メサ113に形成された面発光レーザ、ダイオード列111a、メサ114に形成されたダイオード列の電流電圧特性は図3のようになっている。メサ114のダイオード列(図3では114と示した)の立ち上がり電圧V114はメサ113の面発光レーザ(図3では113と示した)の動作電圧V113よりも高い。また、メサ114のダイオード列の直列抵抗はメサ113の面発光レーザの直列抵抗よりも低くなっている。したがって、通常の面発光レーザの動作時にはメサ114のダイオード列には電流はほとんど流れない。
Further, the current-voltage characteristics of the surface emitting laser formed on the
また、この場合、ダイオード列111aは逆バイアスになるので、こちらにも電流はほとんど流れない。面発光レーザに対し、順方向に静電気などにより過大な電圧がかかり、メサ113の面発光レーザの立ち上がり電圧を十分超えた場合、メサ114のダイオードに電流が流れる。しかし、メサ114のダイオード列の直列抵抗は面発光レーザの直列抵抗よりも小さいため、図3に示したように、電圧が高い場合には、面発光レーザよりもメサ114のダイオード列に流れる電流の方が多くなる。したがって、本構造により、過大な電圧がかかった場合でも面発光レーザに過電流が流れるのを防止することができる。
In this case, since the
また、逆方向に過大な電圧がかかった場合、ダイオード列111aに電流が流れるため、面発光レーザに大きな逆方向電流が流れるのを防ぐことができる。順方向に接続するものは、面発光レーザの動作電圧よりも高い立ち上がり電圧を持つ必要がある。そのため、複数のダイオードを直列に接続したダイオード列である必要がある。一方、逆方向に接続するのは単一のダイオードでも良く、必ずしもダイオード列である必要はない。ここでは、逆方向にもダイオード列を用いた例を示したが、本構造には以下のような利点がある。
In addition, when an excessive voltage is applied in the reverse direction, a current flows through the
一般に、レーザダイオードの良否選別項目の一つとして、逆方向電圧印加時の電流測定がある。原理的にダイオードは降伏電圧以下であれば、逆方向に電圧印加した場合には電流はほとんど流れない。しかし、結晶欠陥などの不良がある場合、この逆方向電流が増加する。そのため、ある程度の逆方向電圧をかけた場合に流れる電流の大きさが一定以下であることを良品の一条件とすることが多い。 In general, as one of the quality selection items of a laser diode, there is current measurement when a reverse voltage is applied. In principle, if the diode is below the breakdown voltage, almost no current flows when voltage is applied in the reverse direction. However, this reverse current increases when there is a defect such as a crystal defect. Therefore, it is often a good condition that the magnitude of the current flowing when a certain amount of reverse voltage is applied is below a certain level.
しかし、逆方向の静電破壊対策のためにレーザダイオードと並列かつ逆方向にダイオードを接続した場合、レーザダイオードに逆方向に電圧をかけると、この静電破壊対策用ダイオードに電流が流れる。そのため、上記の判別方法が使用できない。ここで、印加する電圧を低くしてダイオードの立ち上がり電圧以下にすればある程度の判別は可能となるが、選別の判定精度は低下する。これに対し、ダイオードを直列に接続したダイオード列を逆方向静電破壊対策に用いた場合、立ち上がり電圧が高くなるため、比較的高い電圧をかけてもダイオード列に流れる電流は小さい。このため、上記のような選別方法の判定精度の低下を小さく抑えることが可能となる。 However, when a diode is connected in parallel to the laser diode in the reverse direction for countermeasures against reverse electrostatic breakdown, when a voltage is applied to the laser diode in the reverse direction, a current flows through the diode for electrostatic breakdown countermeasures. Therefore, the above discrimination method cannot be used. Here, if the applied voltage is lowered to be equal to or lower than the rising voltage of the diode, a certain degree of discrimination can be made, but the judgment accuracy of selection is lowered. On the other hand, when a diode string in which diodes are connected in series is used as a countermeasure against reverse electrostatic breakdown, the rising voltage becomes high, so that a current flowing through the diode string is small even when a relatively high voltage is applied. For this reason, it becomes possible to suppress the fall of the determination precision of the above sorting methods small.
次に、図4を参照して第1の実施の形態の製造方法を説明する。
まず、n型半導体基板101上に、n型DBR層102、n型クラッド層103、活性層104、p型クラッド層105、電流狭窄用の酸化層を形成するための高Al含有層106a、p型半導体層107、p型DBR層108、p+型コンタクト層109、エッチストップ層110、さらにn+型半導体層、アンドープ半導体層、p+型半導体層を1組として、これを3組積層したダイオード列層111を有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法にて順次積層する(図4A)。
Next, the manufacturing method of the first embodiment will be described with reference to FIG.
First, on the n-
次に、フォトリソグラフィ技術とエッチングにより、ウエハ上のダイオード列形成領域以外の領域にあるダイオード列層111を除去する(図4B)。
Next, the
次に、フォトリソグラフィ技術によりマスクを形成し、エッチングを用いてマスク外の部分をn型DBR層102表面まで除去し、これにより面発光レーザ用メサ113とその両脇に位置する静電破壊防止用のダイオード列用メサ112、114を形成する(図4C)。この際、一方のダイオード列用メサ114はレーザ用メサ113よりも面積が大きく、他方のダイオード列用メサ112はレーザ用メサ113よりも面積が小さい。面積が大きいダイオード列用メサ114が順方向静電破壊防止用、面積が小さいダイオード列用メサ112が逆方向静電破壊防止用となる。また、面発光レーザ用メサ113は先にダイオード列層111が除去された箇所に形成されている。
Next, a mask is formed by a photolithography technique, and portions other than the mask are removed to the surface of the n-
次に、上記メサエッチングにより露出したn型DBR層102上にn側電極115を形成する。続いて、水蒸気などを用いて高Al含有層106aの酸化を行う(図4D)。これにより、活性層104を含むメサ内の高Al含有層106aは一部を除いて酸化され、電流狭窄用の酸化層106が形成される。ここで、3つのメサ112〜114内部の高Al含有層106aも同時に酸化されるが、面積が大きいダイオード列用メサ114の非酸化領域の面積は、面発光レーザ用メサ113の非酸化領域の面積よりも大きくなる。一方、面積が小さいダイオード列用メサ112は、全面が酸化されるようにメサの面積が設計されている。これにより面積が小さいダイオード列用メサ112の酸化層106よりも上側は基板側と電気的に絶縁される。
Next, the n-
続いて、p側電極116〜119を形成する。ここで、メサ112には円形のp側電極116及びリング形状のp側電極117、メサ113には形状のp側電極118、メサ114には円形のp側電極119をそれぞれ形成する(図4E)。
Subsequently, p-
続いて、ウエハ上にポリイミド層120を形成し、フォトリソグラフィにより、先の工程で形成したn側電極115上及び各メサ112〜114の上のポリイミドを除去する。さらに、面発光レーザの順方向静電破壊防止用ダイオード列及び逆方向静電破壊防止用ダイオード列の各電極間を接続する金属配線も同時に形成される(図4F)。これにより、図1に示した構造が完成する。
Subsequently, a
本実施の形態では、トンネル接合により隣接するpin型ダイオードを電気的に接続しているので、各pin型ダイオードに電極を形成する工程が不要となる。したがって、歩留まりが高く、コスト低減が可能という利点が得られる。 In the present embodiment, adjacent pin-type diodes are electrically connected by tunnel junctions, so that a step of forming an electrode on each pin-type diode is not necessary. Therefore, there are obtained advantages that the yield is high and the cost can be reduced.
なお、本実施例では静電破壊防止用のダイオード列は面発光レーザと同じ層構造の上に形成されている。このため成長が1回で済み、面発光レーザ用メサを形成した後に再成長により基板上に静電破壊防止用ダイオード列に必要な層を積層する必要が無い。このため、コスト的にも有利である。さらに順方向のダイオード列には、その下にある面発光レーザと同じ層構造からなるpin型のダイオードも接続している。これにより順方向のダイオード列は一つ増えて4つとなっており、本ダイオード列の立ち上がり電圧のレーザダイオードの動作電圧に対する差、すなわち余裕が大きくなっている。 In this embodiment, the diode array for preventing electrostatic breakdown is formed on the same layer structure as that of the surface emitting laser. For this reason, it is only necessary to perform the growth once, and after forming the mesa for the surface emitting laser, it is not necessary to lay a layer necessary for the diode array for preventing electrostatic breakdown on the substrate by regrowth. For this reason, it is advantageous in terms of cost. Further, a pin type diode having the same layer structure as that of the underlying surface emitting laser is also connected to the forward diode array. As a result, the number of forward diode arrays is increased to four, and the difference between the rising voltage of the diode array and the operating voltage of the laser diode, that is, the margin is increased.
上記第1の実施の形態においては順方向静電破壊防止用のダイオード列111bと逆方向静電破壊防止用のダイオード列111aとを形成したが、いずれか片方のダイオード列のみを形成しても良い。
In the first embodiment, the
また、上記第1の実施の形態では、面発光レーザ用メサ113上部のダイオード列層111は除去したが、図5に示すように、これを除去せずにそのまま上部に残しても良い。ただし、この場合、面発光レーザ上部のダイオード列内及びその最上面の反射がレーザ特性に悪影響を与えないようにダイオード列内の各層の屈折率及び層厚を適宜調整する必要がある。
In the first embodiment, the
[第2の実施の形態]
逆方向静電破壊防止用のダイオード列のみを形成する場合には、上記実施の形態とは層構造を変えることもできる。すなわち、第2の実施の形態として図6に示すように、メサ212におけるダイオード列層211をn+型層とし、これと面発光レーザ用メサ213上部のp+型コンタクト層209とが接続されている。さらに、逆方向静電破壊防止用ダイオード列211を含むメサ212内でp+型コンタクト層209とn型DBR層202とが短絡した構成としても良い。第1の実施の形態では、逆方向破壊防止用ダイオード列111aの下は、酸化層106により、絶縁されていた。一方、第2の実施の形態では、必ずしも酸化層206により絶縁されている必要はない。第2の実施の形態に係る光半導体素子の構成及び製造方法の詳細については、実施例2において説明する。
[Second Embodiment]
When only the diode array for preventing reverse electrostatic breakdown is formed, the layer structure can be changed from that of the above embodiment. That is, as shown in FIG. 6 as the second embodiment, the
[第3の実施の形態]
さらに、本発明は、図9に示すように、面発光型レーザのみではなく、エッジエミッタ型に使用しても良い。第3の実施の形態に係る光半導体素子の構成及び製造方法の詳細については、実施例3において説明する。
[Third Embodiment]
Furthermore, as shown in FIG. 9, the present invention may be used not only for a surface emitting laser but also for an edge emitter type. Details of the configuration and the manufacturing method of the optical semiconductor device according to the third embodiment will be described in Example 3.
[第4の実施の形態]
また、本発明は、図11に示すように、受光素子に適用しても良い。図11に示すように、2つの円柱形状のメサ412、413を有している。右のメサ413が受光素子として機能し、左のメサ412が静電破壊防止機能を有する。
[Fourth Embodiment]
Further, the present invention may be applied to a light receiving element as shown in FIG. As shown in FIG. 11, two
具体的には、図11に示すように、n型半導体基板401上に、n型半導体層403、アンドープ半導体層404、p型半導体層405からなる受光素子が形成されている。その上に、p+型コンタクト層409が積層されている。
Specifically, as shown in FIG. 11, a light receiving element including an n-
さらに、左のメサ412上には、p+型半導体層、アンドープ(i型)半導体層、n+型半導体層を1組として、これを3組積層したダイオード列411が形成されている。なお、メサはそれぞれ表面からn型半導体基板401の表面まで達している。また、ダイオード列層411において、隣接するp+型半導体層とn+型半導体層とはトンネル接合を形成している。
Further, on the
第4の実施の形態では、受光素子と電気的逆方向にダイオード列を形成している。受光素子には通常逆バイアスをかけて使用するので、このダイオード列には順バイアスがかかることになる。ただし、複数のダイオードを直列接続しているので、通常のバイアス条件では電流は流れない。静電気により、受光素子に過度の逆バイアスがかかった場合に、ダイオード列がオンになり、電流が流れることによって受光素子を静電破壊から守ることができる。 In the fourth embodiment, a diode array is formed in the direction opposite to the light receiving element. Since the light receiving element is normally used with a reverse bias applied, a forward bias is applied to the diode array. However, since a plurality of diodes are connected in series, no current flows under normal bias conditions. When an excessive reverse bias is applied to the light receiving element due to static electricity, the diode array is turned on, and a current flows to protect the light receiving element from electrostatic breakdown.
また、本発明は同一基板上に形成される場合のみでなく、異なる基板上に形成されたものをそれぞれ切り出し、ワイヤボンディングなどの手段により電気的に接続しても良い。 In the present invention, not only when formed on the same substrate, but also those formed on different substrates may be cut out and electrically connected by means such as wire bonding.
次に、具体的な実施例を用いて、第1の実施の形態の構造及び製造方法を説明する。
ここでは、n型GaAs基板上に形成した発振波長1.3μmの酸化狭窄型面発光レーザに本発明を適用した例を挙げる。本実施例1の構造は図1に示すように、3つの円柱形状のメサ112〜114を有している。左のメサ112の半径が最も小さく、右のメサ114の半径が最も大きくなっている。中央のメサ113がレーザとして機能する。これらはGaAsからなるn型半導体基板101上に形成されている。
Next, the structure and manufacturing method of the first embodiment will be described using specific examples.
Here, an example in which the present invention is applied to an oxidized confined surface emitting laser having an oscillation wavelength of 1.3 μm formed on an n-type GaAs substrate will be described. The structure of the first embodiment has three
n型半導体基板101上に、n型GaAs層とn型Al0.9Ga0.1As層の一対を基本単位として、これを複数積層したn型DBR層102、Al0.3Ga0.7Asからなるn型クラッド層103、ノンドープGaInNAs量子井戸とGaAs障壁層からなる活性層104、Al0.3Ga0.7Asからなるp型クラッド層105、電流狭窄用の酸化層106、Al0.9Ga0.1Asからなるp型半導体層107、p型GaAs層とp型Al0.9Ga0.1As層の一対を基本単位として、これを複数積層したp型DBR層108、GaAsからなるp+型コンタクト層109が積層されている。
On the n-
さらに、左右のメサ112、114上には、n+型InGaPからなるエッチストップ層110が形成されている。このエッチストップ層110上に、n+型GaAs層、アンドープGaAs(i型GaAs)層、p+型GaAs層の3層を1組として、これを3組積層したダイオード列層111が形成されている。なお、メサはそれぞれ表面からn型DBR102の表面まで達している。また、ダイオード列層111において、隣接するp+型GaAs層とn+型GaAs層とは各々トンネル接合を形成している。
Further, an
次に、図4を用いて、上記構造を製造する方法を説明する。
まず、n型GaAs基板101上に、n型DBR層102、n型Al0.3Ga0.7Asクラッド層103、ノンドープGaInNAs量子井戸とGaAs障壁層からなる活性層104、p型Al0.3Ga0.7Asクラッド層105、p型AlAs層106a、p型Al0.9Ga0.1As層107、p型GaAs層とp型Al0.9Ga0.1As層の一対を基本単位として、これを複数積層したp型DBR層108、p+型GaAs層109、n+型InGaPからなるエッチストップ層110、さらに、n+型GaAs層、アンドープGaAs(i型GaAs)層、p+型GaAs層の3層を1組として、これを3組積層したダイオード列層111を有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法にて順次積層する(工程1、図4A)。
Next, a method for manufacturing the above structure will be described with reference to FIG.
First, an n-
次に、フォトリソグラフィ技術とエッチングにより、ウエハ内の一部からダイオード列層111を除去する(工程2、図4B)。
Next, the
次に、熱CVD法によりSiO2膜(不図示)を形成し、その上にフォトリソグラフィ技術により円形のレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクに用いて前記SiO2膜をエッチングする(工程3)。これにより円形のSiO2膜のパターンが形成される。 Next, a SiO 2 film (not shown) is formed by thermal CVD, a circular resist pattern is formed thereon by photolithography, and then the SiO 2 film is etched using this resist pattern as a mask ( Step 3). Thereby, a circular SiO 2 film pattern is formed.
次に、このSiO2膜パターンをマスクに用いて表面からn型DBR層102の表面までエッチングを行い、メサ112〜114を形成する(工程4、図4C)。この際、メサ112、113、114の直径はそれぞれ15μm、20μm、25μmとしている。また、メサ113は工程2でダイオード列層111が除去された箇所に形成されている。メサ112では、外周部の端から3μmは工程2でダイオード列層111が除去されており、メサ112の中央の直径9μmはダイオード列層111が残っている。一方、メサ114上部には全体にダイオード列111が残っている。ただし、実際には工程2および4で形成するエッチング用のマスクの位置ずれにより、外周部のダイオード列層111が除去され得るが、特に問題無い。その後、SiO2膜を除去する。
Next, etching is performed from the surface to the surface of the n-
次に、メサの周りの露出しているn型DBR層102上に、次のように電極を形成する。まず、ウエハ上全面にフォトレジストを塗布した後、リソグラフィにより電極を形成する部分のみフォトレジストを除去する。AuGe/AuNi/Ti/Pt/Auを蒸着した後、上記フォトレジストを除去してフォトレジスト上の金属をリフトオフすることにより第1のDBR層102上の一部に電極115が形成される(工程5)。
Next, an electrode is formed on the exposed n-
次に、水蒸気雰囲気中の炉内において温度約400℃で約10分間加熱を行う。これにより、工程3で側面が露出したp型AlAs層106aのみが選択的に同時に酸化され、酸化層106が形成される(工程6、図4D)。
Next, heating is performed at a temperature of about 400 ° C. for about 10 minutes in a furnace in a steam atmosphere. As a result, only the p-type AlAs
続いて、p側電極116〜119を、次のようにして形成する。まずフォトレジストをウエハ上に塗布し、マスク露光によりパターニングした後、Ti/Pt/Auを蒸着し、上記フォトレジストを除去してフォトレジスト上のTi/Pt/Auをリフトオフすることにより、図4Eに示すように、p側電極が形成される。ここで、メサ112には円形のp側電極116及びリング電極117、メサ113にはリング形状のp側電極118、メサ114には円形のp側電極119がそれぞれ形成される(工程7)。
Subsequently, the p-
次に、ポリイミド層120によりメサを埋め込んだ後、リソグラフィによりメサ112〜114及び工程5で形成したn側電極115上のポリイミド層120を除去する(工程8)。
Next, after filling the mesa with the
次に、ポリイミド層120上にパッド電極121及び122を形成する(工程9)。この際、パッド電極121と工程5で形成したn側電極115及び工程7で形成したp側電極116を結ぶ配線、パッド電極122と工程7で形成した電極117、118及び119を結ぶ配線が同時に形成される。
Next,
最後に、n型GaAs基板101の裏面側を厚さ150μmまで研磨した後、AuGe/AuNi/Ti/Auからなる裏面電極123を蒸着により形成する(工程10)。この金属は素子を半田によりヒートシンクなどに融着するために使用できる。以上により図1の素子が完成する(図4F)。
Finally, after the back side of the n-
次に、第2の実施の形態の構造及び製造方法を説明する。ここでは第1の実施例と同様に、n型GaAs基板上に形成した発振波長1.3μmの酸化狭窄型面発光レーザに本発明を適用した例を挙げる。本実施例2の構造は、図6に示すように、2つの円柱形状のメサ212、213を有している。右のメサ213がレーザとして機能し、左のメサ212が静電破壊防止機能を有する。これらはGaAsからなるn型半導体基板101上に形成されている。
Next, the structure and manufacturing method of the second embodiment will be described. Here, as in the first embodiment, an example in which the present invention is applied to an oxidized confined surface emitting laser having an oscillation wavelength of 1.3 μm formed on an n-type GaAs substrate will be described. The structure of the second embodiment has two
n型半導体基板201上に、n型GaAs層とn型Al0.9Ga0.1As層の一対を基本単位として、これを複数積層したn型DBR層202、Al0.3Ga0.7Asからなるn型クラッド層203、ノンドープGaInNAs量子井戸とGaAs障壁層からなる活性層204、Al0.3Ga0.7Asからなるp型クラッド層205、電流狭窄用の酸化層206、Al0.9Ga0.1Asからなるp型半導体層207、p型GaAs層とp型Al0.9Ga0.1As層の一対を基本単位として、これを複数積層したp型DBR層208、GaAsからなるp+型コンタクト層209が積層されている。
On an n-
さらに、左のメサ212上には、n+型InGaPからなるエッチストップ層210が形成されている。その上に、p+型GaAs層、アンドープGaAs(i型GaAs)層、n+型GaAs層を1組として、これを3組積層したダイオード列211が形成されている。なお、メサはそれぞれ表面からn型DBR202の表面まで達している。また、ダイオード列層211において、隣接するp+型GaAs層とn+型GaAs層とはトンネル接合を形成している。
Furthermore, an
次に、図7を用いて、上記構造を製造する方法を説明する。まず、n型GaAs基板201上にn型DBR層202、n型Al0.3Ga0.7Asクラッド層203、ノンドープGaInNAs量子井戸とGaAs障壁層からなる活性層204、p型Al0.3Ga0.7Asクラッド層205、p型AlAs層206a、p型Al0.9Ga0.1As層207、p型GaAs層とp型Al0.9Ga0.1As層の一対を基本単位として、これを複数積層したp型DBR層208、p+型GaAs層209、n+型InGaP層210、さらに、p+型GaAs層、アンドープGaAs(i型GaAs)層、n+型GaAs層の3層を1組として、これを3組積層したダイオード列層211を有機金属気相成長(MOCVD)法にて順次積層する(工程1。図7A)。
Next, a method for manufacturing the above structure will be described with reference to FIG. First, an n-
次に、フォトリソグラフィ技術とエッチングにより、ウエハ内の一部からダイオード列層211を除去する(工程2。図7B)。
Next, the
次に、熱CVD法によりSiO2膜(不図示)を形成し、その上にフォトリソグラフィ技術により円形のレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクに用いて前記SiO2膜をエッチングする(工程3)。これにより円形のSiO2膜のパターンが形成される。 Next, a SiO 2 film (not shown) is formed by thermal CVD, a circular resist pattern is formed thereon by photolithography, and then the SiO 2 film is etched using this resist pattern as a mask ( Step 3). Thereby, a circular SiO 2 film pattern is formed.
次に、このSiO2膜パターンをマスクに用いて表面からn型DBR層202の表面までエッチングを行い、メサ212、213を形成する(工程4、図7C)。ここで、メサ212、213の直径はいずれも20μmとしている。また、メサ213は工程2でダイオード列層211が除去された箇所に形成されている。一方、メサ212の外周部5μmは工程2でダイオード列層211が除去されており、中央の直径15μmはダイオード列211層が残っている。その後、SiO2膜を除去する。
Next, etching is performed from the surface to the surface of the n-
次に、メサの周りの露出しているn型DBR層202上に、次のように電極を形成する。まずウエハ上全面にフォトレジストを塗布した後、リソグラフィにより電極を形成する部分のみフォトレジストを除去する。AuGe/AuNi/Ti/Pt/Auを蒸着した後、上記フォトレジストを除去してフォトレジスト上の金属をリフトオフすることによりn型DBR層202上の一部に電極215が形成される(工程5)。
Next, an electrode is formed on the exposed n-
次に、水蒸気雰囲気中の炉内において温度約400℃で約10分間加熱を行う。これにより、工程3で側面が露出したp型AlAs層206aのみが選択的に同時に酸化され、酸化層206が形成される(工程6、図7D)。
Next, heating is performed at a temperature of about 400 ° C. for about 10 minutes in a furnace in a steam atmosphere. As a result, only the p-type AlAs
続いて、p側電極を、次のようにして形成する。まず、フォトレジストをウエハ上に塗布し、マスク露光によりパターニングした後、Ti/Pt/Auを蒸着し、上記フォトレジストを除去してフォトレジスト上のTi/Pt/Auをリフトオフすることによりp側電極が形成される。ここで、メサ212には円形のp側電極216及びリング電極217、メサ213にはリング形状のp側電極218がそれぞれ形成される(工程7、図7E)。
Subsequently, the p-side electrode is formed as follows. First, after applying a photoresist on the wafer and patterning by mask exposure, Ti / Pt / Au is deposited, the photoresist is removed, and Ti / Pt / Au on the photoresist is lifted off to p side. An electrode is formed. Here, a circular p-
次に、SiO2膜224を形成後、ポリイミド層220によりメサを埋め込み、リソグラフィによりメサ212、213及び工程5で形成した電極215上のSiO2膜224及びポリイミド層220を除去する(工程8)。
Next, after forming the SiO 2 film 224, the mesa is filled with the
次に、ポリイミド層220上にパッド電極221及び222を形成する(工程9)。この際、パッド電極221と工程5で形成した電極215と工程7で形成したリング電極217とを結ぶ配線、パッド電極222と工程7で形成したp側電極218とp側電極216とを結ぶ配線が同時に形成される。
Next,
最後に、n型GaAs基板201の裏面側を厚さ150μmまで研磨した後、AuGe/AuNi/Ti/Auからなる裏面電極223を蒸着により形成する(工程10)。この金属は素子を半田によりヒートシンクなどに融着するために使用できる。以上により図6の素子が完成する(図7F)。
Finally, after polishing the back side of the n-
実施例2のダイオード列層211は逆方向静電破壊を防止する機能を有する。なお、実施例1では逆方向静電破壊防止用メサ112内では酸化層106全面が酸化されており、その上下は電気的に絶縁されていた。レーザの動作時に電流がメサ112内を電極117から電極115に流れるのを防止するためである。一方、実施例2では、メサ212と213は同じ直径である。このため、メサ212内の酸化層206にもレーザ用メサ213と同じ径の未酸化部分があり、その上下は電気的に絶縁されていない。しかし、実施例2では、ダイオード列層211により構成されるダイオード列とレーザの電気的な接続が実施例1とは逆方向になっており、等価回路は図8に示すようになっている。すなわち、電極215とリング電極217は短絡されているので、酸化層206により絶縁されている必要はない。
The
次に、第3の実施の形態の構造及び製造方法を説明する。ここでは、n型InP基板上に形成した発振波長1.3μmの端面発光型レーザに本発明を適用した例を挙げる。本実施例3の構造は図9に示すように3つのストライプ構造を有している。 Next, the structure and manufacturing method of the third embodiment will be described. Here, an example in which the present invention is applied to an edge-emitting laser having an oscillation wavelength of 1.3 μm formed on an n-type InP substrate will be described. The structure of the third embodiment has three stripe structures as shown in FIG.
左のストライプ312が逆方向、右のメサ314が順方向の静電破壊防止のために形成されており、中央のメサ313がレーザとして機能する。これらはInPからなるn型半導体基板301上に形成されており、InPからなるn型半導体層302、InGaAsPからなるn型クラッド層303、ノンドープInGaAsP量子井戸とInGaAsP障壁層からなる活性層304、p型InGaAsPクラッド層305、InPからなるp型半導体層306、InGaAsからなるp+型コンタクト層309が積層されたレーザ部と、Feドープ半絶縁性InP層307、n型InP層308からなる電流ブロック構造を有している。
The
さらに、左右のメサはこの上にp+型InGaAsからなるエッチストップ層310及びn+型InP層、アンドープInP(i型InP)層、p+型InP層の3層を1組として、これを3組積層したダイオード列層311を有している。なお、ストライプを分離する溝はそれぞれ表面からn型半導体基板301の表面まで達している。ダイオード列層311において、隣接するp+型InP層とn+型InP層とがトンネル接合を形成している。また、エッチストップ層310とダイオード列層311の最下層のn+型InP層がそれぞれトンネル接合を形成している。
Furthermore, the left and right mesas are formed as a set of three layers, an
次に、図10を用いて、上記構造を製造する方法を説明する。まず、n型InP基板301上にn型InP層302と、n型In0.83Ga0.27As0.36P0.64クラッド層303、ノンドープIn0.8Ga0.2As0.64P0.36量子井戸とIn0.83Ga0.27As0.36P0.64障壁層からなる活性層304、p型In0.83Ga0.27As0.36P0.64クラッド層305、p型InP層306aを有機金属気相成長(MOCVD)法にて順次積層する(工程1)。
Next, a method for manufacturing the above structure will be described with reference to FIG. First, an n-
次に、ウエハ上にSiO2膜を堆積し、フォトリソグラフィとエッチングによりSiO2ストライプマスク(不図示)を形成する(工程2)。 Then, SiO 2 is deposited film on the wafer, to form the SiO 2 stripe mask (not shown) by photolithography and etching (step 2).
次に、ウエットエッチングによりマスクされていない部分をn型InP基板301までエッチングする(工程3、図10A)。 Next, the portion not masked by wet etching is etched down to the n-type InP substrate 301 (step 3, FIG. 10A).
続いて、再度MOCVD法により、FeドープInP層307と、n型InP層308を積層する(工程4、図10B)。これらの層はSiO2マスクが無い部分に選択的に積層される。
Subsequently, an Fe-doped
次に、SiO2マスクを除去し、p型InP層306b、p+型InGaAsコンタクト層309、さらに、p+型InGaAsからなるエッチストップ層310及びn+型InP層、アンドープInP(i型InP)層、p+型InP層の3層を1組として、これを3組積層したダイオード列層311をMOCVD法により積層する(工程5、図10C)。なお、工程1で形成されたp型InP層306aと工程5で形成されたp型InP層306bとから、一体化したp型InP層306が形成されている。
Next, the SiO 2 mask is removed, and a p-
次に、フォトリソグラフィとエッチングにより、一部のダイオード列層311を除去する(工程6、図10D)。
Next, a part of the
続いて、再度フォトリソグラフィとメサエッチングによりn型InP基板301まで達する溝を形成し、これにより3つのストライプ312、313、314を形成する(工程7、図10E)。ストライプ312はダイオード列311aを有しており、その下はFeドープInP層307とn型InP層308とからなる電流ブロック層となっている。ストライプ312は逆方向静電破壊防止のために用いられる。ストライプ313は、活性層304と、FeドープInP層307とn型InP層308とからなる電流ブロック層とを有し、レーザとして機能する。ストライプ314はダイオード列311bを有しており、その下に活性層304を含むダイオード構造を有している。ストライプ314は順方向静電破壊防止のために用いられる。
Subsequently, a groove reaching the n-
次に、本ウエハにSiO2膜324を形成した後、フォトリソグラフィとエッチングにより、各ストライプ上及びn型InP基板301上の一部のSiO2膜324を除去する(工程8)。
Next, after forming the SiO 2 film 324 on the wafer, a part of the SiO 2 film 324 on each stripe and on the n-
次に、SiO2膜324を除去した部分に電極を形成する。まず、レジストを塗布した後、フォトリソグラフィによりn型InP基板301上のSiO2膜を除去した部分の上のレジストを除去する。次に、AuGe/AuNi/Ti/Pt/Auを蒸着した後、リフトオフにより、レジスト上の金属を除去する(工程9)。これにより、n型InP基板301上に電極315が形成される。再度レジストを塗布した後、フォトリソグラフィによりメサ上のSiO2膜を除去した部分の上のレジストを除去する。
Next, an electrode is formed in the portion where the SiO 2 film 324 is removed. First, after applying a resist, the resist on the portion where the SiO 2 film on the n-
次に、Cr/Auを蒸着した後、リフトオフにより、レジスト上の金属を除去する(工程10)。これにより、ストライプ312のダイオード列311a上に電極316が、同ストライプ312のp+型InGaAsコンタクト層309上に電極317が形成される。また、ストライプ313のp+型InGaAsコンタクト層309上には、電極318が形成される。さらに、ストライプ314のダイオード列311b上には、電極319が形成される。同時に、パッド電極322と電極319、318、317とを結ぶ配線と、電極315と316を結ぶ配線が形成される。
Next, after depositing Cr / Au, the metal on the resist is removed by lift-off (step 10). Thus, the
最後に、n型InP基板301の裏面側を厚さ150μmまで研磨した後、AuGe/AuNi/Ti/Auを蒸着し、裏面電極323を形成する(工程11、図10F)。
Finally, after polishing the back surface side of the n-
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明の実施方法は上記した各種形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形が可能である。半導体発光素子の波長、材料についても実施例に挙げたもの以外を選ぶことが可能である。 As mentioned above, although the Example of this invention was described, the implementation method of this invention is not limited to above-mentioned various forms, A various deformation | transformation is possible in the range which does not deviate from the summary. Regarding the wavelength and material of the semiconductor light emitting device, those other than those listed in the examples can be selected.
101、201、301、401 n型半導体基板
102、202 n型DBR層
302 n型半導体層
103、203、303 n型クラッド層
104、204、304 活性層
105、205、305 p型クラッド層
106、206 酸化層
106a、206a 高Al含有層
107、207 p型半導体層
108、208 p型DBR層
109、209、309、409 p+型コンタクト層
110、210、310 エッチストップ層
111、211、311、411 ダイオード列層
112、113、114 メサ
115、116、117、118、119 電極
120、220、420 ポリイミド層
121、122、221、222、322 パッド電極
123、223、323 裏面電極
212、213 メサ
215、216、217、218 電極
224、324 SiO2膜
306 p型半導体層
307 Feドープ半絶縁性InP層
308 n型InP層
312、313、314 メサ
315、316、317、318、319 電極
403 n型半導体層
404 アンドープ半導体層
405 p型半導体層
412、413 メサ
415、416、417、418 電極
101, 201, 301, 401 n-
Claims (8)
前記静電破壊防止素子は、前記半導体基板に垂直な方向に積層され、電気的に同方向に接続された複数のpin型ダイオードを備え、
隣接する前記pin型ダイオード同士の界面には、トンネル接合が形成されていることを特徴とする光半導体素子。 An electrostatic breakdown preventing element formed on a semiconductor substrate and electrically connected in parallel with a light emitting unit including an active layer,
The electrostatic breakdown preventing element includes a plurality of pin-type diodes stacked in a direction perpendicular to the semiconductor substrate and electrically connected in the same direction,
An optical semiconductor element, wherein a tunnel junction is formed at an interface between adjacent pin-type diodes.
前記静電破壊防止素子は、前記半導体基板に垂直な方向に積層され、電気的に同方向に接続された複数のpin型ダイオードを備え、
隣接する前記pin型ダイオード同士の界面には、トンネル接合が形成されていることを特徴とする光半導体素子。 An electrostatic breakdown preventing element formed on a semiconductor substrate and electrically connected in parallel with a light receiving portion including an absorption layer,
The electrostatic breakdown preventing element includes a plurality of pin-type diodes stacked in a direction perpendicular to the semiconductor substrate and electrically connected in the same direction,
An optical semiconductor element, wherein a tunnel junction is formed at an interface between adjacent pin-type diodes.
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Cited By (2)
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JP2012186326A (en) * | 2011-03-07 | 2012-09-27 | Nichia Chem Ind Ltd | Method of manufacturing semiconductor laser driving device |
CN112216692A (en) * | 2020-09-30 | 2021-01-12 | 厦门市三安集成电路有限公司 | PIN antistatic structure and preparation method thereof |
-
2008
- 2008-01-11 JP JP2008004714A patent/JP2009170535A/en active Pending
Cited By (2)
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JP2012186326A (en) * | 2011-03-07 | 2012-09-27 | Nichia Chem Ind Ltd | Method of manufacturing semiconductor laser driving device |
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