JP2011077456A - 半導体光素子及び半導体光デバイス - Google Patents

半導体光素子及び半導体光デバイス Download PDF

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Abstract

【課題】歩留まりの安定化に向けての生産管理の簡単化を図ることができる半導体光素子及び半導体光デバイスを提供する。
【解決手段】半導体光素子１１Ａでは、半導体層１３の積層方向に形成された溝を識別マーク２５Ａとしており、この溝を出射端面Ｌに露出するように形成していることで、識別マーク２５Ａが光の出射端面Ｌ側から見て認識可能となっている。このため、半導体光素子１１Ａにレンズキャップ３を被せてパッケージ化し、半導体光デバイス１とした後であっても、球レンズ７を通して識別マーク２５Ａを認識することが可能となる。したがって、レンズキャップ３の固定後に別の識別番号を付与し直す必要がなくなるので、歩留まりの安定化に向けての生産管理の簡単化を図ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体光素子及び半導体光デバイスに関する。
半導体光素子及びこれを用いた半導体光デバイスの製造工程では、半導体ウェハから多数の半導体光素子を切り出してチップ化する工程や、チップ化した半導体光素子をステム上にマウントし、素子の光出射端面に対応するレンズキャップを被せてＣＡＮパッケージ化する工程などが含まれている。パッケージ化された半導体光デバイスは、ＴＯＳＡ（Transmitter Optical SubAssembly）等として光送受信モジュール内に組み込まれる。
近年、例えば１０Ｇｂｐｓ高速伝送システムの需要が拡大しており、半導体光デバイスにはＡｌ系の高利得材料や低容量プロセスが導入されるようになってきている。しかしながら、要求されるスペックが厳しくなるに伴って半導体光デバイスの製造マージンが減少するため、歩留まりの安定化が課題となっている。
そこで、例えば特許文献１に記載の半導体装置の製造方法では、ロット番号、半導体ウェハ番号、ウェハ上のチップ座標といった一連の情報を示すチップ識別情報を半導体光素子の上面に描画し、識別情報を半導体製造工程及びウェハ試験工程にフィードバックすることによって歩留まりの安定化を図っている。
国際公開２０００／５７４５８号パンフレット
しかしながら、上述した従来の半導体装置の製造方法では、チップの上面に識別情報を描画しているので、ＣＡＮパッケージ化によって半導体光素子がレンズキャップに覆われてしまうと、半導体光素子の識別情報を外部から読み取ることができなくなってしまうという問題があった。したがって、レンズキャップの固定後も生産管理を行うには別の識別番号を付与し直さなくてはならず、半導体光素子としての識別番号と半導体光デバイスとしての識別番号との対応表が必要になるなど、管理が複雑化するという問題が生じていた。
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、歩留まりの安定化に向けての生産管理の簡単化を図ることができる半導体光素子及び半導体光デバイスを提供することを目的とする。
上記課題の解決のため、本発明に係る半導体光素子は、活性層を含む複数の半導体層を半導体基板上に積層してなる半導体光素子であって、当該半導体光素子を識別する識別マークを有し、識別マークが活性層からの光の出射端面側から見て認識可能となっていることを特徴としている。
この半導体光素子では、当該半導体光素子を識別する識別マークが活性層からの光の出射端面側から見て認識可能となっている。このため、半導体光素子にレンズキャップを被せてパッケージ化した後であっても、レンズを通して識別マークを認識することが可能となるため、レンズキャップの固定後に別の識別番号を付与し直す必要がなくなる。したがって、この半導体光素子では、歩留まりの安定化に向けての生産管理の簡単化を図ることができる。
また、活性層の両側には、半導体層の最上層から半導体基板に到達する深さのトレンチ溝がそれぞれ形成されており、識別マークは、トレンチ溝よりも外側に位置していることが好ましい。この場合、識別マークの形成による応力が活性層側に伝達することを抑制できるので、半導体光素子の信頼性が担保される。
また、識別マークは、出射端面に位置していることが好ましい。この場合、レンズを通して識別マークを認識する際の視認性を高めることができる。
また、識別マークは、出射端面において半導体層の積層方向に形成された溝であることが好ましい。このような溝を用いることにより、識別マークとして視認性を十分に確保できる。また、パターン形成が容易であるので、多数の半導体光素子の識別にも対応可能となる。
また、識別マークは、出射端面において半導体層の最上層に形成された樹脂片であることが好ましい。このような樹脂片を用いることにより、識別マークとして視認性を十分に確保できる。また、パターン形成が容易であるので、多数の半導体光素子の識別にも対応可能となる。
また、識別マークは、出射端面において半導体層の最上層に形成されたメッキ片であることが好ましい。このようなメッキ片を用いることにより、識別マークとして視認性を十分に確保できる。また、パターン形成が容易であるので、多数の半導体光素子の識別にも対応可能となる。
また、出射端面において半導体層の積層方向に形成されたマーク用溝が形成され、識別マークは、マーク用溝の内壁面に位置していることが好ましい。このような構成においても、レンズを通して識別マークを認識する際の視認性を高めることができる。
また、本発明に係る半導体光デバイスは、上記の半導体光素子がステム上にマウントされ、半導体光素子の出射端面に対応する位置にレンズが配置されるようにレンズキャップがステムに被せられていることを特徴としている。
この半導体光デバイスでは、レンズを通して半導体光素子を光の出射端面側から視認することで、半導体光素子の識別マークを認識することができる。したがって、半導体光素子とは別の識別番号を付与し直す必要がなくなり、歩留まりの安定化に向けての生産管理の簡単化を図ることができる。
本発明に係る半導体光素子及び半導体光デバイスによれば、歩留まりの安定化に向けての生産管理の簡単化を図ることができる。
本発明の一実施形態に係る半導体光デバイスを示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係る半導体光素子を示す斜視図である。 識別マークのパターンの一例を示す斜視図である。 図２に示した半導体光素子の製造工程を示す図である。 図４の後続の工程を示す図である。 図５の後続の工程を示す図である。 図６の後続の工程を示す図である。 図７の後続の工程を示す図である。 図８の後続の工程を示す図である。 本発明の変形例に係る半導体光素子を示す斜視図である。 図１０に示した半導体光素子の製造工程の要部を示す図である。 本発明の別の変形例に係る半導体光素子を示す斜視図である。 本発明の更に別の変形例に係る半導体光素子を示す斜視図である。 図１３に示した半導体光素子の製造工程の要部を示す図である。 本発明の更に別の変形例に係る半導体光素子を示す斜視図である。 図１５に示した半導体光素子の製造工程の要部を示す図である。 図１６の後続の工程を示す図である。
以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体光素子及び半導体光デバイスの好適な実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体光デバイスの分解斜視図である。この半導体光デバイス１は、ＴＯＳＡ等として光送受信モジュール内に組み込まれ、例えば伝送速度が１０Ｇｂｐｓ以上の高速伝送システムにおける光源として利用されるデバイスである。半導体光デバイス１は、図１に示すように、ステム２とレンズキャップ３とによって形成される同軸型のＣＡＮパッケージの内部に半導体光素子１１が収容されて構成されている。
ステム２は、円盤状のステムベース４と、ステムベース４の上面に立設された半円柱状のステムブロック５と、ステムベース４を貫通するように設けられた複数のステムピン６とを有している。ステムピン６は、その先端部分が所定の長さだけステムベース４の上面に突出した状態で、ガラス封止材等によってステムベース４に固定されている。
半導体光素子１１は、例えば多重量子井戸構造が活性層に用いられた分布帰還型半導体レーザである。半導体光素子１１は、活性層からの光の出射端面Ｌをレンズキャップ３側に向けた状態でステムブロック５の側面に固定されている。半導体光素子１１のカソードは、導線を介してステムピン６に電気的に接続され、半導体光素子１１のアノードは、ビア及び導線を介してステム２に電気的に接続されている。
レンズキャップ３は、ステムブロック５を覆うようにしてステムベース４の上面に固定されている。レンズキャップ３の上壁の中央部分には、円形の開口部が形成され、球レンズ７が嵌め込まれている。球レンズ７は、半導体光素子１１の出射端面Ｌから出射するレーザ光を集光してレンズキャップ３の外部に出力する。
続いて、半導体光素子１１の構成について更に詳細に説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る半導体光素子１１Ａの構成を示す図である。半導体光素子１１Ａは、半導体基板１２と、半導体基板１２の一面側に積層された複数の半導体層１３と、半導体層１３の表面側に形成された表面電極１４と、半導体基板１２の他面側に形成された裏面電極１５とを備えている。
半導体層１３は、半導体基板１２の表面に形成されたメサ部１６と、メサ部１６を覆うように半導体基板１２の表面に形成された第１埋込層１７と、メサ部１６の両側において第１埋込層１７の表面に形成された第２埋込層１８と、第２埋込層１８及びメサ部１６の表面に形成されたクラッド層１９と、クラッド層１９の表面に形成されたコンタクト層２０とによって構成されている。
半導体基板１２は、例えばＳｎドープのｎ型ＩｎＰ基板である。半導体基板１２の厚みは、約１００μｍとなっている。メサ部１６は、活性層２１を含む半導体領域を積層方向にエッチングで切り出すことにより、ストライプ状に形成されている。活性層２１は、例えばＧａＩｎＡｓＰ層である。活性層２１は、ＭＱＷとＳＣＨ層とを有しており、ＳＣＨ層とクラッド層１９との界面には、活性層２１の導波路方向に沿った回折格子が形成されている。
活性層２１では、周囲のクラッド層から注入されたキャリアが再結合することによって光が発生する。回折格子は、メサ部１６の長手方向に沿って活性層２１の内部を進行する光の一部を進行方向とは反対の方向に反射させる。これにより、活性層２１の内部では、回折格子における凹凸パターンの周期で決まる波長の光が帰還される。
第１埋込層１７は、例えばＺｎドープのｐ型ＩｎＰ層である。また、第２埋込層１８は、例えばＳｉドープのｎ型ＩｎＰ層である。第２埋込層１８は、メサ部１６を埋め込んで素子の平坦化を実現すると共に、活性層２１の両側における電流ブロック層として機能する。クラッド層１９は、第１埋込層１７と同様に、例えばＺｎドープのｐ型ＩｎＰ層である。クラッド層１９は、活性層２１の内部で発生した光の閉じ込め効果を高める役割を果たしている。また、コンタクト層２０は、例えばＺｎがドープされたｐ型ＧａＩｎＡｓ層である。コンタクト層２０は、表面電極１４と第２クラッド層１９との間でのオーミック接触を実現する。
また、メサ部１６の両側には、一対のトレンチ溝２２，２２がそれぞれ形成されている。トレンチ溝２２，２２は、活性層２１の導波路方向に沿って、コンタクト層２０から半導体基板１２に到達する深さで半導体光素子１１Ａの出射端面Ｌから反対側の端面にかけて延在している。さらに、コンタクト層２０の表面には、例えばＳｉＯ２からなる厚み３００ｎｍ程度の保護膜２３が形成されている。保護膜２３は、活性層２１に対応する領域が開口しており、この領域を除いて、コンタクト層２０及びトレンチ溝２２，２２の内壁面を覆うように形成されている。
表面電極１４は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの三層構造となっている。表面電極１４の本体部分１４ａは、保護膜２３の開口部分から露出するコンタクト層２０を覆うように形成されており、表面電極１４のパッド部分１４ｂは、本体部分１４ａから見て一方のトレンチ溝２２よりも外側の領域に略円形に形成されている。本体部分１４ａとパッド部分１４ｂとは、トレンチ溝２２の内壁面に沿って形成された連結部分によって互いに接続されている。表面電極１４の表面には、厚さ３μｍ程度のメッキ層２４が形成されている。また、裏面電極１５は、例えばＡｕＧｅＮｉによって半導体基板１２の裏面側に形成されている。
さらに、半導体光素子１１Ａにおいて、活性層２１から見てトレンチ溝２２，２２よりも外側の位置には、当該半導体光素子１１Ａを識別する識別マーク２５Ａが形成されている。本実施形態では、識別マーク２５Ａとして半導体層１３の積層方向に形成された矩形の溝が用いられている。識別マーク２５Ａとしての溝は、例えばコンタクト層２０から第１埋込層１７に到達する深さで形成され、トレンチ溝２２，２２の深さよりは浅いものとなっている。そして、この溝が半導体光素子１１Ａにおける光の出射端面Ｌに露出していることにより、識別マーク２５Ａは、出射端面Ｌ側から見て認識可能となっている。
識別マーク２５Ａの形成パターンは、図３（ａ）及び図３（ｂ）にも示すように、溝の位置及び数などによって特徴付けられており、この形成パターンを識別することにより半導体光素子１１Ａのチップ番号を判別することができる。なお、チップ番号は、例えばウェハ上のチップ座標等と関連付けられており、チップ番号を識別することによりウェハプロセス情報との相関を確認することが可能となる。
続いて、上述した半導体光素子１１Ａの製造方法について説明する。半導体光素子１１Ａを得る場合、半導体基板１２を用意し、図４（ａ）に示すように、例えばＯＭＶＰＥ法を用いて半導体基板１２の一面側に活性層２１、クラッド層１９、及びキャップ層２６を成長させる。回折格子の形成には、電子ビーム露光又は干渉露光を用いることができる。
次に、例えばＣＶＤ法を用いてＳｉＮ膜をキャップ層２６上に形成する。そして、フォトリソグラフィーを用いて、メサ部１６の形成予定箇所に幅３μｍ程度のストライプ状のレジストパターンを形成し、例えばＣＨ４を用いたＲＩＥでＳｉＮ膜を選択エッチングする。この結果、図４（ｂ）に示すように、ストライプ状のＳｉＮマスク２７が形成される。この後、有機溶剤でレジストを除去し、ＳｉＮマスク２７を用いて、例えばブロムメタノールを用いたウェットエッチングによって活性層２１、クラッド層１９、及びキャップ層２６をエッチングし、メサ部１６を形成する。
メサ部１６の形成の後、図５（ａ）に示すように、例えばＯＭＶＰＥ法を用いて、第１埋込層１７、第２埋込層１８、及びクラッド層１９を成長させる。この後、フッ酸等を用いてＳｉＮマスク２７を除去し、図５（ｂ）に示すように、例えばＯＭＶＰＥ法を用いてクラッド層１９を更に成長させ、次いでコンタクト層２０を成長させる。なお、図５（ｂ）で成長させるクラッド層のドーピング濃度は、図４（ａ）及び図５（ａ）で成長させるクラッド層のドーピング濃度と異なっていてもよい。
コンタクト層２０を成長させた後、例えばＣＶＤ法を用いてコンタクト層２０上にＳｉＮ膜を形成する。次に、図６（ａ）に示すように、フォトリソグラフィーを用いてメサ部１６の両側の位置で幅１０μｍ程度のストライプ状のレジストパターンを形成し、例えばＣＦ４を用いたＲＩＥでＳｉＮ膜を選択エッチングする。この結果、ストライプ状の開口パターンを有するＳｉＮマスク２８が形成される。この後、有機溶剤でレジストを除去し、図６（ｂ）に示すように、ＳｉＮマスク２８を用いて、塩酸・酢酸・過水を用いたウェットエッチングにより、メサ部１６の両側にトレンチ溝２２，２２を形成する。トレンチ溝２２，２２の形成後、図６（ｃ）に示すように、フッ酸等を用いてＳｉＮマスク２８を除去する。
次に、図７（ａ）に示すように、コンタクト層２０及びトレンチ溝２２の内壁面を覆うようにＳｉＮ膜を形成し、フォトリソグラフィーとＲＩＥとを用いて、識別マーク２５の形成予定箇所で矩形状にＳｉＮマスク２９を開口させる。なお、このＳｉＮマスク２９の開口パターンは、ウェハをチップ化する際の切断線を跨ぐようにして隣接する素子側まで延在させておくとよい。こうすると、切断線が多少ずれたとしても識別マーク２５Ａが確実に出射端面Ｌに位置することとなる。
ＳｉＮマスク２９の開口パターンを形成した後、例えばＣＨ４／Ｈ２を用いたＲＩＥにより半導体層１３をエッチングし、図７（ｂ）に示すように、識別マーク２５Ａとしての溝を形成する。識別マーク２５Ａの形成後、図７（ｃ）に示すように、フッ酸等を用いてＳｉＮマスク２９を除去する。このとき、図７（ａ）〜図７（ｃ）の工程を繰り返すことにより、溝の深さを多段に形成してもよい。この場合、識別マーク２５Ａのパターン数を増加させることができる。
識別マーク２５Ａの形成の後、図８（ａ）に示すように、例えばＣＶＤ法を用いてコンタクト層２０、トレンチ溝２２の内壁面、及び識別マーク２５Ａである溝の内壁面を覆うように保護膜２３を形成する。次に、図８（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィーを用いて活性層２１に対応する領域で幅４μｍ程度のストライプ状に保護膜２３を開口させる。
保護膜２３を開口させた後、フォトリソグラフィーを用いて表面電極１４のパターニングを行い、図９（ａ）に示すように、蒸着法又はスパッタ法によって表面電極１４を形成する。次に、所定の有機溶剤を用いて不要な電極部分をリフトオフした後、フォトリソグラフィーを用いてメッキパターンを形成し、表面電極１４の表面にメッキ層２４を形成する。最後に、裏面工程で半導体基板１２の裏側に裏面電極１５を形成すると、図２に示した半導体光素子１１Ａが完成する。
以上説明したように、半導体光素子１１Ａでは、当該半導体光素子１１Ａを識別する識別マーク２５Ａが光の出射端面Ｌ側から見て認識可能となっている。このため、半導体光素子１１Ａにレンズキャップ３を被せてパッケージ化し、半導体光デバイス１とした後であっても、球レンズ７を通して識別マーク２５Ａを認識することが可能となる。したがって、レンズキャップ３の固定後に別の識別番号を付与し直す必要がなくなるので、歩留まりの安定化に向けての生産管理の簡単化を図ることができる。
また、半導体光素子１１Ａでは、半導体層１３の積層方向に形成された溝を識別マーク２５Ａとしており、この溝を出射端面Ｌに露出するように形成している。このように、出射端面Ｌに位置する半導体層１３の積層方向に形成された溝を用いることにより、球レンズ７を通して識別マーク２５Ａを認識する際の視認性を高めることができる。また、パターン形成が容易であるので、多数の半導体光素子１１の識別にも対応可能となる。
さらに、半導体光素子１１Ａでは、活性層２１の両側に半導体層１３の最上層から半導体基板１２に到達する深さのトレンチ溝２２，２２がそれぞれ形成されており、識別マーク２５Ａは、トレンチ溝２２，２２よりも外側に位置している。このような構成により、識別マーク２５Ａの形成による応力が活性層２１側に伝達することを抑制できるので、半導体光素子１１Ａの信頼性が担保される。
識別マークは、上述した溝によって形成したものに限られず、出射端面Ｌ側から見て認識可能であれば、種々の変形を適用可能である。例えば図１０に示す半導体光素子１１Ｂでは、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）などの樹脂片をトレンチ溝２２，２２の外側で出射端面Ｌに位置させ、識別マーク２５Ｂとして用いている。
このような樹脂片を形成する場合には、例えば図１１に示すように、コンタクト層２０及びトレンチ溝２２の内壁面を覆うように保護膜２３を形成した後、保護膜２３の開口パターンを形成する前に樹脂層をスピン塗布によって形成し、フォトリソグラフィーを用いて樹脂片をパターン形成すればよい。また、図１２に示す半導体光素子１１Ｃのように、溝及び樹脂片の組み合わせからなる識別マーク２５Ｃを用いてもよい。この場合、パターン数を増加できるので、より多数の半導体光素子１１の識別にも対応可能となる。
また、例えば図１３に示す半導体光素子１１Ｄでは、表面電極１４の表面のメッキ層２４と同じ材料で形成されたメッキ片をトレンチ溝２２，２２の外側で出射端面Ｌに位置させ、このメッキ片を識別マーク２５Ｄとして用いている。このようなメッキ片を形成する場合には、図１４に示すように、フォトリソグラフィーを用いた表面電極１４のパターニングの際にメッキ片のパターニングを同時に行い、メッキ層２４と共にメッキ片を形成すればよい。識別マークは、上述した溝、樹脂片、及びメッキ片を組み合わせて構成してもよい。
また、例えば図１５に示す半導体光素子１１Ｅでは、出射端面Ｌにおいて半導体層の積層方向にマーク用溝３１を形成し、マーク用溝３１の内壁面に印字したチップ番号を識別マーク２５Ｅとして用いている。マーク用溝３１は、半導体光素子１１Ａの出射端面Ｌにおいて、例えばトレンチ溝２２，２２と同様にコンタクト層２０から半導体基板１２に到達する深さで形成されており、マーク用溝３１の三方の内壁面は、半導体基板１２側に向かってマーク用溝３１の断面積が小さくなるような傾斜面となっている。
このようなマーク用溝３１を形成する場合には、まず、図１６（ａ）に示すように、トレンチ溝２２，２２を形成した後、コンタクト層２０及びトレンチ溝２２の内壁面を覆うようにＳｉＮ膜を形成する。そして、フォトリソグラフィーとＲＩＥとを用いて、マーク用溝３１の形成予定箇所で矩形状にＳｉＮ膜を開口させる。これにより、ＳｉＮマスク３２が形成される。
次に、例えば塩酸・酢酸・過水を用いたウェットエッチングにより半導体層１３をエッチングし、図１６（ｂ）に示すように、マーク用溝３１を形成する。マーク用溝３１の形成後、フッ酸等を用いてＳｉＮマスク３２を除去し、図１７（ａ）に示すように、保護膜２３を形成する。そして、図１７（ｂ）に示すように、表面電極１４の形成と同様の工程でマーク用溝３１の内壁面にチップ番号を印字する。
このような半導体光素子１１Ｅの構成においても、球レンズ７を通してレンズキャップ３の外部から識別マーク２５Ｅを認識できる。したがって、レンズキャップ３の固定後に別の識別番号を付与し直す必要がなくなるので、歩留まりの安定化に向けての生産管理の簡単化を図ることができる。なお、半導体光素子１１Ｅでは、マーク用溝３１の内壁面にチップ番号を印字しているので、印字部分へのメッキは不要である。
１…半導体光デバイス、２…ステム、３…レンズキャップ、７…球レンズ、１１（１１Ａ〜１１Ｅ）…半導体光素子、１３…半導体層、２１…活性層、２２…トレンチ溝、２５Ａ〜２５Ｅ…識別マーク、３１…マーク用溝、Ｌ…出射端面。

Claims (8)

  1. 活性層を含む複数の半導体層を半導体基板上に積層してなる半導体光素子であって、
    当該半導体光素子を識別する識別マークを有し、前記識別マークが前記活性層からの光の出射端面側から見て認識可能となっていることを特徴とする半導体光素子。
  2. 前記活性層の両側には、前記半導体層の最上層から前記半導体基板に到達する深さのトレンチ溝がそれぞれ形成されており、
    前記識別マークは、前記トレンチ溝よりも外側に位置していることを特徴とする請求項１記載の半導体光素子。
  3. 前記識別マークは、前記出射端面に位置していることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体光素子。
  4. 前記識別マークは、前記出射端面において前記半導体層の積層方向に形成された溝であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体光素子。
  5. 前記識別マークは、前記出射端面において前記半導体層の最上層に形成された樹脂片であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体光素子。
  6. 前記識別マークは、前記出射端面において前記半導体層の最上層に形成されたメッキ片であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体光素子。
  7. 前記出射端面において前記半導体層の積層方向に形成されたマーク用溝が形成され、
    前記識別マークは、前記マーク用溝の内壁面に位置していることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体光素子。
  8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体光素子がステム上にマウントされ、前記半導体光素子の前記出射端面に対応する位置にレンズが配置されるようにレンズキャップが前記ステムに被せられていることを特徴とする半導体光デバイス。
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