JP3966067B2 - 表面発光型半導体レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報処理や光通信用の光源として用いられる表面発光型半導体レーザに関し、特に、ボンディング配線用の電極パッド部の構造およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信や光インターコネクション等の技術分野において、光源のアレイ化が容易な表面発光型半導体レーザ（以下、面発光レーザと略すが、面発光レーザというときは、面発光レーザ素子および面発光レーザ装置の双方を含む）への需要が増している。光源を多重化することでデータのパラレル転送（並列処理）が可能となり、飛躍的な大容量化、あるいは通信速度の向上が期待できる。
【０００３】
面発光レーザにおいては、電流を効率良く活性層に閉じ込めるための電流狭窄構造が必要である。電流狭窄化の方法として、アルミニウムを含む半導体層を選択的に酸化させる方法が知られている。
【０００４】
屈折率導波構造を有するこのタイプのレーザは、活性層近傍の半導体多層反射膜の一部を選択的に酸化させ高抵抗領域を形成すると同時に、この部位の屈折率を低下させ光導波路を構成する。この強い光閉じ込め効果も相俟って、しきい値電流が低く、しかも応答性が速いという優れた特性を示す。
【０００５】
このような選択酸化型面発光レーザとして、レーザ素子部の周囲を除去した円柱や角柱を含むメサ形状などのポスト構造によりレーザ素子を形成した一般的な従来例を図８に示す。図８（ａ）は面発光レーザの断面構造を示し、同図（ｂ）はその上面図である。面発光レーザ１００は、半導体基板１０１上に選択酸化領域１１０を含むポスト構造の上面放出型レーザ素子部１０２を有し、その頂部のコンタクト領域１０３に接続された金属層１０４がそのまま引き出し配線１０６を介して電極パッド部１０５まで延在される。そして、金属層１０４が電極パッド部１０５において矩形状のボンディングパッド面１０７を形成し、ボンディングパッド面１０７上にボンディング配線１０８の端部に形成された金属ボール１０９が接着される。
【０００６】
レーザ素子部１０２と離間した基板上のポスト底部の平面内に電極パッド部１０５を設けていることから、素子部１０２に生ずる静電容量に加え、電極パッド部１０５に起因する静電容量（浮遊容量）が発生する。レーザ素子を高速で動作（変調）させようとすると、ＲＣ時定数に応じて応答性が低下する。
【０００７】
さらに図８の従来例に示す面発光レーザは、半導体基板１０１上に積層された半導体層をエッチングしてポスト構造を形成するとき、半導体基板１０１上に、ＡｌＧａＡｓの半導体層１１１が露出されている。ポスト構造に含まれるＡｌＡｓ半導体層をポスト側面から酸化し電流狭窄層を形成するが、同時に露出されたＡｌＧａＡｓ層の一部が酸化されてしまう。その後にＳｉＮｘ等の層間絶縁膜１１２を堆積し、さらにボンディング電極となる金属層１０４を蒸着することになるが、エッチング後の半導体表面（ＡｌＧａＡｓ層）とその上に堆積した層間絶縁膜１１２との密着性が不十分で、金属との界面ではがれ易く、例えばボンディングパッド電極としての強度に問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような構造上の課題を解決する手段として、エッチングした領域をポリイミドで埋め込み、金属電極と基板表面との距離を広げ、電極パッド部１０５に起因する静電容量を減らす方法が広く利用されている。ポリイミドの半導体材料との間の密着性は必ずしも十分ではないが、材料の性質として粘性を有するため、相対する材料の表面状態や組成の影響を受けにくいという利点もある。
【０００９】
しかしながら、段差が数ミクロンメータにおよぶ凹凸形状を有する面発光レーザの作製工程においては、埋め込んだポリイミド表面の平坦性を保つことが難しく、基板上の場所によって膜厚分布を生じ、均一な動作特性を持った素子を作製するのが難しいという欠点があった。また、浮遊容量をできるだけ減らすにはポリイミドの厚みを増やすことが必要だが、厚くし過ぎると出射口が形成されている素子部の周辺に材料が集まりやすくなり、コンタクト部の金属段切れや出射表面の汚染が生じて、歩留りを劣化させることが知られている。さらに言えば、ポリイミドと面発光レーザを構成する半導体材料とでは熱膨張係数の違いから動作時の発熱により界面付近にストレス（応力）を生じ、素子特性を変化させてしまうという問題があった。ポリイミドによる埋め込みという工程が増えて手間やコストがかかることも、研究開発段階ならともかく、量産段階では敬遠される一因となっていた。このように、高度で手間のかかる半導体プロセスを要求する割に、再現性に乏しく特性のばらつきが生じ易いという課題を有している。
【００１０】
他方、レーザ素子部の周囲の一部に複数の穴または溝を形成するトレンチ構造を持つ面発光レーザとして例えば特開平９−２２３８４１号がある。該公報に記載の面発光レーザは、歩留まり向上のためレーザ素子部から延びた電極引き出し部の両側に溝を形成し、レーザ素子部のＡｌＡｓを選択酸化させるときに電極引き出し部のＡｌＡｓを完全に酸化させる技術を開示する。
【００１１】
しかしながら、上記公報に記載の面発光レーザは、依然として電極パッド部に起因する静電容量の問題を抱えており、レーザ素子を高速動作させるには不適である。
【００１２】
本発明は上記従来技術に鑑み、単純な構造ながら電極パッド部に起因する浮遊容量を低減する効果を発揮し、かつ特性の均一性や歩留りを向上させたポスト構造を持つ表面発光型半導体レーザ素子を得ることを目的とする。
さらに本発明は、電極部の構造を改良し、ワイヤボンディング等に要求される電極構造としての強度を改善させたポスト構造を持つ表面発光型半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
さらに本発明は、上記新規な表面発光型半導体レーザ素子を製造するための簡便で再現性が高いという製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る表面発光型半導体レーザ素子は、基板と、前記基板上に形成される頂部にコンタクト領域を持つ第１のポスト構造を含むレーザ素子部と、前記基板上に形成される第２のポスト構造を含む電極部とを有し、前記電極部は、前記コンタクト領域に電気的に接続されかつ前記コンタクト領域から延在する導体層を含むものである。電極部をポスト構造とし、そのポスト構造に導体層を延在させるようにしたので、電極部に起因する浮遊容量を低減することが可能となり、レーザ素子の高速変調特性を向上させることができる。また、電極部をポスト構造にしそこに導体層を延在させたことで、ポスト形成時のエッチング液に晒されないポスト構造の頂部に電極面を形成することができ、電極面としての一定の強度を保つことができる。好ましくは、その電極面をボンディングパッド面として用いることができる。
【００１４】
好ましくは、前記第１のポスト構造は、前記基板上に第１、第２の半導体多層反射膜と、該第１、第２の半導体多層反射膜との間に活性層とを含み、前記第２のポスト構造は、前記第１、第２の半導体多層反射膜および前記活性領域と同一組成の半導体層を含む。また、前記第２のポスト構造は絶縁膜によって覆われ、前記第２のポスト構造の頂部において前記絶縁膜上に前記導体層が形成されるようにしてもよい。さらに好ましくは、前記レーザ素子部は、前記第１のポスト構造内に半導体層の一部を酸化させた電流狭窄層を有し、前記電極部は、前記第２のポスト構造内に前記半導体層の少なくとも一部を酸化した半導体層を含む。上記好ましい態様を用いることで、電極部の浮遊容量をより低減することが可能となる。また、前記第１の半導体多層反射膜は第１の導電型のＡｌＧａＡｓ層を含み、前記第２の半導体多層反射膜は第２の導電型のＡｌＧａＡｓ層を含むものであってもよい。さらに、ポスト構造は、互いに分離していることが望ましく、言い換えれば、各ポスト構造は互いに独立していることが望ましい。
【００１５】
第２の発明に係る表面発光型半導体レーザ素子は、第１の多層反射膜、酸化制御層、活性層及び第２の多層反射膜が積層されて成る表面発光型半導体レーザ素子において以下の構成を有する。少なくとも第１の多層反射膜から酸化制御層（半導体層の一部に酸化領域が形成された電流狭窄部のこと）まで周囲が除去され、かつ第１の多層反射膜の頂部に形成される第１導電型のコンタクト領域を含む第１のポスト構造を持つレーザ素子部と、少なくとも第１の多層反射膜から酸化制御層まで周囲が除去され、かつ第１の多層反射膜の頂部に絶縁膜を介して形成される第１のコンタクト領域に接続される電極層を含む第２のポスト構造を持つ電極部とを具備する。電極部がポスト構造を有することにより、電極部の浮遊容量を低減することおよび電極部の強度を向上することが可能となる。また、好ましくは前記電極部が、電極層を分割するように複数のポスト構造から成るようにしても良い。電極部を複数のポスト構造に分割することで、ポスト構造内の浮遊容量をより一層低減することができる。なお、上記第２のポスト構造を含む電極部は、多層反射膜や酸化制御層を含むが、この意図するところは、これら各半導体層がそのように機能するのではなく、レーザ素子部の多層反射膜や酸化制御層と同一の構成を有しているということである。
【００１６】
第３の発明に係る表面発光型半導体レーザ素子は、半導体基板上のアルミニウムを含む半導体層の一部を選択的に酸化してなる電流狭窄部を備えたレーザ素子部と、前記レーザ素子部に電流注入のため用いられる電極部とを有し、さらに前記電極部は半導体基板上のアルミニウムを含む半導体層の少なくとも一部を酸化してなる半導体酸化領域部を備え、前記電流狭窄部と前記半導体酸化領域部とが分離されていることを特徴とする。このように、電極部が半導体酸化領域部を備え、かつ電流狭窄部と分離されていることで、電極部の静電容量を低減することができ、レーザ素子の高速動作を行うことができる。
【００１７】
好ましくは、前記電極部は前記レーザ素子部から分離溝によって離間されている。あるいは、前記電極部は前記レーザ素子部から独立されている。好ましくは、前記導体層は金属層であって、ボンディング配線用の電極パッドを含む。
【００１８】
第４の発明に係る表面発光型半導体レーザ素子は、第１の多層反射膜、酸化制御層、活性層及び第２の多層反射膜が積層されて成る表面発光型半導体レーザ素子において以下の構成を有する。少なくとも第１の多層反射膜から酸化制御層まで周囲が除去され、かつ第１の多層反射膜の頂部に形成される第１導電型のコンタクト領域を含む第１のポスト構造を持つレーザ素子部と、少なくとも第１の多層反射膜から酸化制御層まで周囲が除去され、かつ第１の多層反射膜の頂部に絶縁膜を介して形成されると共に第１導電型コンタクト領域に接続される電極層を含む第２のポスト構造を持つ第１の電極部と、第２の多層反射膜側に形成される第２導電型のコンタクト領域と、少なくとも第１の多層反射膜から酸化制御層まで周囲が除去され、かつ第１の多層反射膜の頂部に絶縁膜を介して形成されると共に前記第２導電型コンタクト領域に接続される電極層を含む第３のポスト構造を持つ第２の電極部とを具備する。このような構成により第１、第２の電極部に起因する浮遊容量を低減することができる。また、第１、第２の電極部を同一面側に配することで、電極の形成を容易に行うことができ、電極形成面と反対側の基板からレーザ出射口を形成することも可能となる。
【００１９】
好ましくは、前記第１、第２の電極部の電極層は、ボンディング配線に接続される電極パッド面を有するようにしても良い。この場合、ポンディングパッド面が同一平面にあるためボンディング作業の効率化や信頼性を向上させることができる。また、前記第１、第２の電極部の電極層は、バンプ金属に接続されてもよい。こうすることで表面発光型半導体レーザ素子をフリップチップとして基板等に接続することができる。
【００２０】
第５の発明に係る表面発光型半導体レーザ素子の製造方法は、アルミニウムを含む半導体層および第１、第２導電型の半導体層を含む複数の半導体層を基板上に形成し、パターン形成されたマスクを用いて前記アルミニウムを含む半導体層の側面が露出されるように前記複数の半導体層をエッチングし、前記基板上に少なくとも第１、第２のポスト構造を形成し、前記第１、第２のポスト構造の前記アルミニウムを有する半導体層をポスト構造の側面より酸化させ、前記第１、第２のポスト構造を含む前記基板上に絶縁膜を形成し、前記第１のポスト構造の上面より前記絶縁膜を除去し、前記第１のポスト構造から第１導電型の半導体層の少なくとも一部を露出させ、前記第１のポスト構造の露出された半導体層から前記第２のポスト構造の頂部まで金属層を付着させる工程を含む。
【００２１】
好ましくは前記方法は、前記第２のポスト構造の頂部に延在する金属層上にボンディング配線を行う工程を含む。さらに好ましくは前記製造方法は、前記第２のポスト構造の頂部に延在する金属層上にバンプ金属を形成する工程を含むものであっても良い。
【００２２】
以上のように本発明によれば、電極部をレーザ素子部と同様の構成を含むポスト構造としたため、電極部はレーザ素子部の形成と同時に形成される半導体酸化物領域を含み、これによって電極部に起因する静電容量を低減させることができる。特に、第２のポスト構造に絶縁膜およびその下方にＡｌＡｓ酸化物等の半導体酸化物層が置かれているため、両者の合成容量は絶縁膜単層の場合に比べ低下する。
【００２３】
さらに本発明によれば、電極部がポスト構造を含み、ポスト構造が、ポスト構造を形成する際のエッチング液等に曝されない清浄な頂部を有しているため、かかる頂部上に絶縁膜を形成すれば絶縁膜の密着性が向上され、絶縁膜上にボンディングパッド等の電極面を形成しても、電極面が剥離してしまうような不良の発生を抑制することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の表面発光型半導体レーザ素子は、いわゆる酸化型ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）である。レーザ素子部および電極部はポスト構造を含み、ポスト構造はメサ状であってもよい。ポスト構造とは、その周囲を除去された構造をいい、物理的に周囲から分離もしくは離間された構造である。ポスト構造の形成により結果的に周囲に溝あるいは堀等が形成されてもよく、それらの溝あるいは堀の大きさ、形状、あるいは深さについて特に制限するものではない。
【００２５】
基板は、半導体基板であることが望ましいが、絶縁基板を用いることも可能である。絶縁基板を用いる場合には、基板の裏面にコンタクト層を設けるのではなく、基板の表面からコンタクトを取る必要がある。この場合、レーザの出射出口を基板裏面から取るようにしても良い。半導体基板は、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ等を用いることができる。
【００２６】
レーザ素子部および電極部の各ポスト構造は、基板上に積層された複数の半導体層を互いに共通に含む。電極部のポスト構造は、ＳｉＮｘ、ＳｉＯ２等の絶縁膜によって覆われ、ポスト構造の頂部において絶縁膜上に電極パッド面を形成する。レーザ素子部のＡｌＡｓ層を選択酸化して電流狭窄部を形成するとき、電極部のＡｌＡｓ層も同時に酸化され、この酸化領域が電極部の静電容量の低減に寄与する。
【００２７】
電極部の第２のポスト構造は、複数に分割されたポスト構造であってもよい。ポスト構造を適当な幅の複数のポストに分割することで、各ポストに含まれるＡｌＡｓ層を好ましくは完全に酸化させることができ、より静電容量を低減させることが可能である。また、電極部のポスト構造上に配される金属層は、ボンディング配線に接続される電極パッド面でもよいし、バンプ金属に接続される電極面でもよい。
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明に係る面発光レーザの断面図である。１はｎ型のＧａＡｓ基板、２はｎ型の下部多層半導体反射膜、３はアンドープのスペーサ層とアンドープの量子井戸層とアンドープの障壁層との複数層積層体よりなる活性領域、４はＡｌＡｓ酸化物よりなる電流狭窄部および浮遊容量低減部、５はｐ型の上部多層反射膜、６はｐ型のコンタクト層、７は層間絶縁膜、９はｐ側環状電極、１０は環状電極９から引き出される引き出し配線、１１は引き出し配線１０から延在する電極パッド、１２はｎ側全面電極、１３は金属ボール、１４は金属ボール１３から引き出されたボンディングワイヤ、１５は光出射口である。
【００２９】
面発光レーザのレーザ素子部２０は、半導体基板１上に積層された半導体層をエッチングすることにより形成された半導体柱（ポスト形状またはポスト構造、あるいはメサ、メサ型と呼ばれることもある）を有する、いわゆる選択酸化型の面発光レーザを構成する。ＡｌＡｓ半導体層の一部を選択酸化し、この酸化物により形成された電流狭窄部４が設けられているため効率の良い電流及び光閉じ込めが実現され、低しきい値電流かつ横モードの安定したレーザ発振が得られる。その反面、電流狭窄部４は等価回路的に素子部に寄生した（ｐａｒａｓｉｔｉｃ）静電容量を与える要因ともなっているから、過度に大きいと電極パッド部３０に起因する浮遊容量と共に素子の高速変調を阻害する働きをしてしまう。
【００３０】
レーザ素子部２０に電流を注入するためのコンタクト（環状）電極９は素子頂部のｐ型のコンタクト層６に接続される。実用のため素子をステム等の保持具に実装する際、素子の頂部に設けられたコンタクト電極９に直接ボンディングワイヤを取り付けることも考えられるが、そのためにはコンタクト電極９の領域面積を十分広く取らなければならず、作製工程的にも特性的にも現実的でない。
【００３１】
そこで本発明では、レーザ素子部２０とは別に、ボンディングワイヤを取り付けるための電極パッド部３０を採用する。電極パッド部３０は、レーザ素子部２０と同様のポスト構造を有し、当然ながらレーザ素子部２０と全く同じ半導体積層構造を有している。従って、電極パッド部３０のポスト構造は、ＡｌＡｓ半導体層の一部を酸化させた酸化物領域４を含み、これはレーザ素子部２０の電流狭窄層部４に対応する。またこの酸化物領域４はポスト頂部が層間絶縁膜７により全面覆われているから電流非注入領域である。したがって電極パッド部３０に設けられたＡｌＡｓ酸化物領域４は電流狭窄には関与しないが、ポスト頂部を覆う層間絶縁膜７と共に静電容量を生ずる。
【００３２】
電気回路理論が教えるところによれば、直列接続された静電容量Ｃ_１、Ｃ_２の容量性リアクタンスを有する素子の合成容量Ｃは次式で与えられる。
１／Ｃ＝１／Ｃ_１＋１／Ｃ_２
これより有限のＣ_１並びにＣ_２を与えれば、必ずＣ＜Ｃ_１，Ｃ_２が成り立つから、ある容量性素子に対し直列に別の容量性素子を付加すると、合成容量はいずれの素子単体の値よりも低下することがわかる。
【００３３】
このような原理に基づき本発明は、電極パッド部３０において層間絶縁膜７に加えこれに直列となるＡｌＡｓ酸化物領域４ａを設け、ＡｌＡｓ酸化物領域４ａを浮遊容量低減部として機能させ、ボンディング配線のため用いられる電極パッド部に起因する浮遊容量を低減させている。さらに、電極パッド部３０のポスト構造をレーザ素子部２０のポスト構造と分離させることにより以下のような新たな利点があることも確認された。
【００３４】
レーザ素子部２０の形成にはエッチングと熱処理の各工程を行うが、その際、エッチングして露出した半導体表面はＡｌＧａＡｓ（面発光レーザの作製に用いられる典型的な材料）である場合が多く、Ａｌを含んだ半導体層は熱処理時に酸化されやすい。従来の電極パッド部は、実質的にこの酸化された半導体表面上に確保されており、エッチング時に露出された半導体層上に層間絶縁膜を堆積した後、金属電極を蒸着して電極パッドとしていた。
【００３５】
しかし、酸化された半導体表面（ＡｌＧａＡｓ）とその上に堆積された層間絶縁膜（ＳｉＮｘ等）との密着性が悪く、電極パッドに金属ワイヤをボンディングする際、層間絶縁膜が引っ張られ半導体表面と乖離し、その結果、層間絶縁膜自体がはがれるか、あるいは層間絶縁膜の変形に伴って電極パッドがはがれてしまうという不具合がしばしば発生した。
【００３６】
本発明に係る電極パッド部３０は、従来の電極パッド部の構造と異なり、レーザ素子部２０とは離間した位置に配置された第２のポスト構造を含み、第２のポスト構造の頂部はエッチング処理されずに残されたＧａＡｓのｐ型コンタクト層６のままである。このコンタクト層６は、レーザ素子部２０のコンタクト層６と同じであり、エッチング時も熱処理時も保護膜で覆われている関係で表面酸化はもちろんのこと、化学的な変性を受けることがない清浄な表面を維持している。このコンタクト層６に層間絶縁膜７と電極パッド１１を設けることで、両者の密着性は格段に向上し、ワイヤボンディング等によるはがれの問題は解消された。
【００３７】
【実施例】
次に、第１の実施の形態に係る面発光レーザの製造方法について図２および図３を参照して説明する。これらの図は本発明により作製された８５０ｎｍ帯面発光レーザの製造工程を説明するための工程断面図である。
【００３８】
有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によりｎ型のＧａＡｓ基板１の（１００）面上に、ｎ型の下部多層反射膜２と、アンドープの活性領域３と、ｐ型の上部多層反射膜５と、ｐ型のコンタクト層６とを順積層する（図２（ａ）参照）。
【００３９】
下部多層反射膜２は、ｎ型のＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とｎ型のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層との複数層積層体よりなるが、各層の厚さはλ／４ｎ_ｒ（但し、λは発振波長、ｎ_ｒは媒質の屈折率）であり、混晶比の異なる層を交互に４０．５周期積層してある。ｎ型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。
【００４０】
上部多層反射膜５は、ｐ型のＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とｐ型のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層との積層体であるが、各層の厚さはλ／４ｎ_ｒ（但し、λは発振波長、ｎ_ｒは媒質の屈折率）であり、混晶比の異なる層を交互に２４周期積層してある。ｐ型不純物である炭素をドーピングした後のキャリア濃度は５×１０¹⁸ｃｍ^-3である。上部多層反射膜５の最下層５ａは後にその一部を電流狭窄部４および浮遊容量低減部４ａとするためＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓに代わりＡｌＡｓを用いている。
【００４１】
上部多層反射膜５の周期数（層数）を下部多層反射膜２のそれよりも少なくしてある理由は、反射率に差をつけて出射光を基板上面より取り出すためである。また、ここでは詳しくは述べないが、素子の直列抵抗を下げるために、上部多層反射膜５中には、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層との間に、その中間のアルミニウム混晶比を有する中間（グレーデッド）層が介在している。
【００４２】
活性領域３は厚さが８ｎｍのアンドープＧａＡｓ層よりなる量子井戸層と厚さが５ｎｍのアンドープＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層よりなる障壁層とを交互に積層した量子井戸構造を含み、波長８５０ｎｍ帯の発光が得られるよう設計されている。
【００４３】
同じく活性領域３を構成するアンドープＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層よりなるスペーサ層はその中央部に量子井戸構造を含み、スペーサ層全体の膜厚はλ／ｎ_ｒ（但し、λは発振波長、ｎ_ｒは媒質の屈折率）の整数倍である。これにより活性領域３内に定在波が立つようにして、光強度の最も強い所謂「腹」の部分が量子井戸層の位置に来るようにしてある。
【００４４】
ｐ型のＧａＡｓ層よるなるコンタクト層６は厚さが２０ｎｍの薄い層であるが、ｐ型不純物である炭素をドーピングした後のキャリア濃度は１×１０²⁰ｃｍ^-3である。ＧａＡｓはエネルギーバンドギャップがおよそ１．４ｅＶで活性層から放射される８５０ｎｍ帯の光を吸収するが、膜厚が十分薄いため特に問題とならない。
【００４５】
基板を成長室から取り出し、ＲＦスパッタリング法を用いてｐ型のＧａＡｓ層からなるコンタクト層６の上部を含む基板全面に窒化シリコン（ＳｉＮｘ）膜を形成する。
【００４６】
フォトリソグラフィ技術を使って窒化シリコン膜を直径３０μｍの円形４１と、それと中心間距離が５０μｍ離れた一辺１００μｍの正方形４２の２つのマスク形状に加工する（図２（ｂ）参照）。
【００４７】
窒化シリコン膜４１、４２をエッチングマスクとして塩素系のガスを用いて異方性ドライエッチングを行い、ｐ型のＧａＡｓからなるコンタクト層６、およびｐ型のＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とｐ型のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層との複数層積層体よりなる上部多層反射膜５をエッチング除去して第１、第２の２つのポスト構造（円柱４３、および四角柱４４）を形成する。この時エッチングは、少なくとも上部多層反射膜５の最下層に位置するＡｌＡｓ層を露出させる必要がある。
【００４８】
残留された２つの構造物４３、４４を３５０℃の水蒸気に約２０分間接触させて、いわゆるウェット酸化を実施する。この工程により上部多層反射膜５中のＡｌＡｓ層は外周部（ポスト側面）から酸化されてＡｌ₂Ｏ₃が生成し、ポストの一部に絶縁領域（選択酸化層）が形成される。これによって、ポスト４３に電流狭窄部４が形成され、ポスト４４に浮遊容量低減部４ａが同時に形成される（図３（ａ）参照）。
【００４９】
次に、ＲＦスパッタリング法を用いて露出したポスト４３、４４の側面を含む基板全面を再び窒化シリコン膜７で覆ってから、フォトリソグラフィ技術を使って円柱状のポスト頂部４３の窒化シリコン膜７をエッチング加工して、直径２０μｍの開口４５を形成する。この時四角柱状のポスト４４の頂部については加工を要しない（図３（ｂ）参照）。
【００５０】
次に、ｐ型のＧａＡｓからなるコンタクト層６と電気的接触を取るよう円柱状のポスト４３の頂部の開口４５付近に導電性の高い材料からなる金属膜（Ti／Ａｕ等）を堆積してｐ側環状電極９、ポスト側面部から底部にかけては引き出し配線１０、四角柱状のポスト４４の頂部の窒化シリコン膜７上の電極パッド１１をそれぞれ形成する（図３（ｃ）参照）。
【００５１】
最後に基板１の裏面に同じく導電性の高い材料からなる金属膜（ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ等）を堆積してｎ側全面電極１２とすれば、図１に示す構成の発振波長８５０ｎｍの表面発光型半導体レーザ素子を得ることができる。
【００５２】
さらに実装工程へ進み、電極パッド１１に金属ボール１３を融着し、そこからボンディングワイヤ１４を引き出す。図１に示す実施の形態に係る表面発光型半導体レーザ素子と図７に示す従来の表面発光型半導体レーザ素子との間でボンディングワイヤのプルテスト（引っ張りテスト）を１０回を行ったところ、ポスト底部に電極パッドを配置した従来構造のものは強度６．９ｇ／標準偏差０．６２ｇであるのに対し、ポスト構造４４の頂部に電極パッド１１を配置した本実施の形態に係るものは強度８．８ｇ／標準偏差１．１７ｇを得ることができ、約３０％の強度の向上が確認された。
【００５３】
上記実施例では電流注入のため用いられる電極パッド部３０のポスト構造を正方形としたが、必ずしもこれに限定されることない。これ以外の形状、例えば、円形状、矩形状であっても良い。さらに、電極パッド部３０のポスト構造を上方から俯瞰した平面内に分離溝が形成されるような形態としても良い。
【００５４】
図４にその具体的構成の上面図を示す。同図（ａ）は、複数のストライプ状に分割されたポスト構造５１を示し、同図（ｂ）は複数のグリッド状に分割されたポスト構造５２を示し、同図（ｃ）は放射状に分割されたポスト構造５３を示す。同図（ｄ）は、ストライプ状のポスト構造５１の断面構成を示し、基板上に３列のポスト部５４、５５、５６を形成し、これらのポスト部は層間絶縁膜７によって覆われ、さらに層間絶縁膜７上に金属層５７が堆積させる。金属層５７は、レーザ素子部２０のコンタクト層６に接続され、ポスト構造５１の頂部において電極パッド面を形成する。この例では、金属層５７はポスト構造５１の頂部にのみ形成されているが、ポスト構造５１のポスト部５４、５５、５６の側面に付着されてもよい。
【００５５】
電極パッド部３０のポスト構造を図４に示すように複数に分割した場合、ポスト頂部の正味の面積の総計が上記第１の実施の形態の構造と同じであったとしても、ポストの周囲長が長くなるから熱処理時に酸化を受けるＡｌＡｓ層５８の面積が増える。分割されたポスト部の径（あるいは幅）がレーザ素子部２０の径より小さければ、ポスト部のＡｌＡｓ層５８を完全に酸化させることが可能である。これにより電極パッド部３０における合成容量が低減され、高速応答性の向上が期待できる。
【００５６】
また、ワイヤボンディング時に必要な面積はワイヤの径とそれに関係する金属ボールの径により決定されるので、複数の分割溝を有するポスト構造物で電極パッド部３０を構成する方法は、必要最小限の電極パッド面積に対して浮遊容量低減部の面積を増やすため有効な手段である。この時、金属電極はポスト頂部にのみ形成しても良いし、図４（ｄ）に示すように層間絶縁膜７で覆われた分離溝とその側面も含め形成しても良い。ちなみに、ボンディングワイヤのプルテストでは、同図（ａ）のストライプタイプのもので５−７ｇであり、従来のポスト底部のボンディングのものが２−７ｇのばらつきを有することに比べると、そのばらつき度合いが小さく、安定した接合強度を有している。
【００５７】
次に、本実施例に係る面発光レーザの静電容量について説明する。
平行平板導体間に生ずる静電容量Ｃは次式で与えられる。
Ｃ＝ε_０ε_ｓＡ／Ｌ
ここで、ε_０は真空の誘電率（８．８５４×１０^{- １２} Ｆ／ｍ）、ε_ｓは材料固有の比誘電率、Ａは導体の面積、Ｌは導体間の距離を表す。
【００５８】
ＡｌＡｓ酸化物の組成は、Ａｌ_２O_３にほぼ等しいから比誘電率はおよそ１０と推測される。実施例では層間絶縁膜としてＳｉＮｘを使用したが、この材料の比誘電率はおよそ６．５である。各々の膜厚はＡｌＡｓ酸化物の場合、元の材料であるＡｌＡｓ層を４０ｎｍとしたから膜厚の変化は+１０％と考えて４．４×１０^−８ ｍ、層間絶縁膜であるＳｉＮｘは３×１０^−７ ｍ（＝０．３μｍ）である。
【００５９】
後の計算では材料の層構成は同じで、面積のみ異なる場合が多いから、素子部に相当するＡｌＡｓ酸化物のみ有する場合（Ｉ型）、電極パッド部に相当する層間膜のみ有する場合（ＩＩ型）、ＡｌＡｓ酸化物と層間膜を有する場合（ＩＩＩ型）、の３つの場合に分けて考える。
【００６０】
はじめに層構成が単純なＩ型およびＩＩ型について上式に基づいて単位面積当たりの静電容量を計算すると、Ｉ型は２．０１×１０^―３ Ｆ／ｍ²、ＩＩ型は１．９２×１０^−４ Ｆ／ｍ²となる。
【００６１】
次に、上記実施例に示した面発光レーザ素子について、レーザ素子部２０および電極パッド部３０に起因する静電容量を求める。図５（ａ）はＩ型に対応し、レーザ素子部の上面図であってそのＡｌＡｓ酸化物の酸化領域を斜線で示している。ＡｌＡｓ酸化領域の内径は約５μｍ、外径は１５μｍであり、単位面積当たりの静電容量に面積を掛けた値は、約１．２６ｐＦである。
【００６２】
図５（ｂ）はＩＩ型に対応し、即ち従来例の電極パッド部の層間絶縁膜を示す。層間絶縁膜の一辺の長さは１００μｍであり、静電容量Ｃは、約１．９２ｐＦである。
【００６３】
図５（ｃ）はＩＩＩ型に対応し、即ち本実施例の面発光レーザにおける電極パッド部の層間絶縁膜とＡｌＡｓ酸化物領域とを示す。ＩＩＩ型はＡｌＡｓ酸化物に層間絶縁膜も加わって両者の直列接続と理解できる。全体は一辺が１００μｍであり、斜線で示している面積がＡｌＡｓの酸化領域の面積で、その幅は１０μｍである。静電容量Ｃは、約１．５３ｐＦであり、従来例と比較して静電容量Ｃが低減されている。
【００６４】
他方、電極パッド部のポスト構造を、図４（ａ）に示すような２０μｍ幅の複数のストライプに分割した場合、その静電容量Ｃは約１．２５ｐＦであり、図５（ｂ）に示す従来例と比べて３５％の静電容量の低減となる。但しここではボンディングに使用する電極はポスト頂部にのみ形成されると仮定した。
【００６５】
本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００６６】
図６は、面発光レーザの電極パッド部のポスト構造をバンプ電極に適用した例を示す。面発光レーザ６０は、レーザ素子部６１と第１、第２の電極部６２、６３を有する。レーザ素子部６１および電極部６２はそれぞれ分離溝によって隔離された第１、第２のポスト構造を有し、ポスト構造の構成は、上記第１の実施の態様（図１）と同様である。第１の電極部６２のポスト構造は、その表面にレーザ素子部６１のｐ型のコンタクト層に接続された金属層６４を延在させ、金属層６４を含むポスト構造上にバンプ電極６５が形成されている。
【００６７】
第２の電極部６３は、ポスト構造を形成する際にエッチングされたポスト底部上に形成されたバンプ電極６６を有する。エッチングにより露出された半導体層は、ｎ型の半導体多層反射膜の一部であり、この上に形成された層間絶縁膜７にコンタクト用の開口６７を形成する。コンタクト用の開口６７を介して金属層６８を付着し、金属層６８上にバンプ電極６６を形成する。バンプ電極６６はバンプ電極６５とほぼ同一の高さを有する。
【００６８】
第１、第２の電極６２、６３はほぼ同一の高さに形成され、これらのバンプ電極６５、６６をフリップ用電極として用いることができる。このような電極構造を採用することで、半導体基板の一面側に電極端子を配置させ、面発光レーザの取り付けに柔軟性を持たせることができる。なお、この場合には、レーザの出射口を基板の裏面側にしても良く、ｐ型の半導体多層反射膜の周期をｎ型の半導体多層反射膜の周期よりも大きくし、出射口に合わせて基板に溝を形成することが望ましい。
【００６９】
図７は、面発光レーザのｎ型の裏面電極をワイヤボンディング電極に代えた例を示す。面発光レーザ７０は、レーザ素子部７１と、第１、第２の電極パッド部７２、７３を有する。レーザ素子部７１および第１の電極７２は、上記第１の実施の形態（図１）の構成と同じである。
【００７０】
面発光レーザ７０は、第２の電極パッド部７３を形成するための第３のポスト構造を有する。第３のポスト構造は、第１の電極パッド部７２の第２のポスト構造と基本的な構成を同じにする。第３のポスト構造は、層間絶縁膜７によって覆われ、その上に電極パッド７４が形成され、電極パッド７４は金属層７５によって提供される。金属層７５は、ポスト構造の形成の際に露出されたｎ型の半導体多層反射膜２の一部に接続される。第３のポスト構造にもＡｌＡｓ酸化物領域が含まれており、第２の電極パッド部７３も第１の電極パッド部７２と同様に静電容量を低減され、かつワイヤボンディングによる電極面の接合強度も十分である。本例においても、半導体基板の一面側から電極端子を取る構成であり、レーザの出射口を半導体基板の裏面側にしても良い。
【００７１】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、ポスト構造を有する表面発光型半導体レーザ素子において、電極部（電極パッド部）をポスト構造とし、かかるポスト構造に導体層を形成するようにしたので、電極部に起因する浮遊容量を低減することが可能となり、レーザ素子の高速変調特性を格段に向上させることができる。特に、電極部がレーザ素子部の電流狭窄層と同様の構成からなる半導体酸化物領域を含めることでより一層の浮遊容量を低減させることが期待される。
【００７２】
さらに、ポスト構造の頂部に絶縁膜を挟んでワイヤボンディングのため用いられる導体層を備えており、ポスト構造形成時のエッチング液に曝されないポスト頂部にボンディング面があることから、半導体表面と絶縁膜との密着性が良好で、ボンディング時にワイヤがはがれるといった不良が発生せず、特性の均一性や歩留りを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態に係る面発光レーザの概略構成を示し、同図（ａ）はその断面図を示し、同図（ｂ）はその上面図を示す。
【図２】 本発明の実施の形態に係る面発光レーザの製造工程を示す図である。
【図３】 本発明の実施の形態に係る面発光レーザの製造工程を示す図である。
【図４】 本発明の第２の実施の形態に係る面発光レーザの電極パッド部の上面図である。
【図５】 図５（ａ）はＡｌＡｓ酸化物の領域を示し、同図（ｂ）は従来の電極パッド部の層間絶縁膜の領域を示し、同図（ｃ）は本実施の形態に係る電極パッド部のＡｌＡｓ酸化物と層間絶縁膜の領域を示す平面図である。
【図６】 本発明の第３の実施の形態に係る面発光レーザの構成を示す断面図である。
【図７】 本発明の第４の実施の形態に係る面発光レーザの構成を示す断面図である。
【図８】 従来の面発光レーザの一般的な構成を示し、同図（ａ）はその断面図を示し、同図（ｂ）はその上面図を示す。
【符号の説明】
１：ｎ型ＧａＡｓ基板、 ２：ｎ型下部多層反射膜、
３：活性領域、
４：ＡｌＡｓ酸化物（電流狭窄部、浮遊容量低減部）
５：ｐ型上部多層反射膜、 ５ａ：ＡｌＡｓ層、
６：ｐ型コンタクト層、 ７：層間絶縁膜、
９：ｐ側環状電極、 １０：引き出し配線、
１１：電極パッド、 １２：ｎ側電極、
１３：金属ボール、 １４：ボンディングワイヤ、
１５：光出射口、 ２０、６１、７１：レーザ素子部、
３０：電極パッド部、 ４３、４４：ポスト
５１、５２、５３：ポスト構造

Claims (14)

1. 基板と、前記基板上に形成される頂部にコンタクト領域を持つ第１のポスト構造を含むレーザ素子部と、前記基板上に形成される第２のポスト構造を含む電極部とを有し、第1および第２のポスト構造は、基板上に積層された半導体層の周囲を除去されており、第1のポスト構造の頂部には前記コンタクト層に電気的に接続されかつ光出射口が形成された電極層が形成され、前記電極部は、前記コンタクト領域に電気的に接続された前記電極層から延在する導体層を含み、
   さらに、前記第２のポスト構造は絶縁膜によって側面および頂部が覆われ、前記第２のポスト構造の頂部において前記絶縁膜上に前記導体層が形成され、
   前記レーザ素子部は、前記第１のポスト構造内にポスト側面から半導体層の一部を酸化させた酸化領域を有し、前記電極部は、前記第２のポスト構造内にポスト側面から半導体層の一部を酸化させた酸化領域を有する、表面発光型半導体レーザ素子。
2. 前記第１のポスト構造は、前記基板上に第１、第２の半導体多層反射膜と、該第１、第２の半導体多層反射膜との間に活性層とを含み、前記第２のポスト構造は、前記第１、第２の半導体多層反射膜および前記活性層と同一組成の半導体層を含む、請求項１に記載の表面発光型半導体レーザ素子。
3. 前記第１、第２のポスト構造は、メサ状である請求項１または２に記載の表面発光型半導体レーザ素子。
4. 前記第２のポスト構造の前記導体層は、ボンディング配線に接続される電極面またはバンプ金属に接続される電極面を提供する請求項１ないし３いずれかに記載の表面発光型半導体レーザ素子。
5. 前記第１のポスト構造内のポスト側面から半導体層の一部を酸化させた酸化領域は、電流狭窄領部であり、前記第２のポスト構造内のポスト側面から半導体層の一部を酸化させた酸化領域は、浮遊容量低減部である、請求項１ないし４いずれか１つに記載の表面発光型半導体レーザ素子。
6. 第１の多層反射膜、半導体層の一部に酸化領域を含む酸化層、活性層及び第２の多層反射膜が積層されて成る表面発光型半導体レーザ素子において、
   少なくとも第１の多層反射膜から酸化層まで周囲が除去され、かつ第１の多層反射膜の頂部に形成される第１導電型のコンタクト領域を含む第１のポスト構造を持つレーザ素子部と、
   少なくとも第１の多層反射膜から酸化層まで周囲が除去され、かつ第１の多層反射膜の頂部に絶縁膜を介して形成される第１導電型のコンタクト領域に接続される電極層を含む第２のポスト構造を持つ電極部とを具備し、
   第1のポスト構造の頂部には前記コンタクト層に電気的に接続されかつ光出射口が形成された電極が形成され、
   第２のポスト構造の頂部には前記絶縁膜を介して前記電極層が形成され、前記電極層は、第１のポスト構造と第２のポスト構造の間を沿うように形成された引き出し配線によって前記電極に接続され、
   第１および第２のポスト構造の酸化層は、ポスト側面から酸化を制御された酸化領域を含む、ことを特徴とする表面発光型半導体レーザ素子。
7. 前記電極部が、導体層を分割するように複数のポスト構造から成る請求項６に記載の表面発光型半導体レーザ素子。
8. 前記第１のポスト構造内のポスト側面から半導体層の一部を酸化させた酸化領域は、電流狭窄領部であり、前記第２のポスト構造内のポスト側面から半導体層の一部を酸化させた酸化領域は、浮遊容量低減部である、請求項６または７つに記載の表面発光型半導体レーザ素子。
9. 第１の多層反射膜、アルミニウムを含む半導体層の一部に酸化領域が形成された酸化層、活性層及び第２の多層反射膜が積層されて成る表面発光型半導体レーザ素子において、
   少なくとも第１の多層反射膜から酸化層まで周囲が除去され、かつ第１の多層反射膜の頂部に形成される第１導電型のコンタクト領域を含む第１のポスト構造を持つレーザ素子部と、
   少なくとも第１の多層反射膜から酸化層まで周囲が除去され、かつ第１の多層反射膜の頂部に絶縁膜を介して形成されると共に第１導電型コンタクト領域に接続される電極層を含む第２のポスト構造を持つ第１の電極部と、
   第２の多層反射膜側に形成される第２導電型のコンタクト領域と、
   少なくとも第１の多層反射膜から酸化層まで周囲が除去され、かつ第１の多層反射膜の頂部に絶縁膜を介して形成されると共に前記第２導電型コンタクト領域に接続される電極層を含む第３のポスト構造を持つ第２の電極部とを具備し、
   第１および第２のポスト構造の酸化層は、ポスト側面から酸化を制御された酸化領域を含む、表面発光型半導体レーザ素子。
10. 前記第１、第２の電極部の少なくとも一方の電極部が、電極層を分割するように複数のポスト構造から成る請求項９に記載の表面発光型半導体レーザ素子。
11. 前記第１のポスト構造内のポスト側面から半導体層の一部を酸化させた酸化領域は、電流狭窄領部であり、前記第２のポスト構造内のポスト側面から半導体層の一部を酸化させた酸化領域は、浮遊容量低減部である、請求項９または１０に記載の表面発光型半導体レーザ素子。
12. アルミニウムを含む半導体層および第１、第２導電型の半導体層を含む複数の半導体層を基板上に形成し、
    パターン形成されたマスクを用いて前記アルミニウムを含む半導体層の側面が露出されるように前記複数の半導体層をエッチングし、前記基板上に周囲が除去された少なくとも第１、第２のポスト構造を形成し、
    前記第１、第２のポスト構造の前記アルミニウムを有する半導体層をポスト構造の側面より酸化させ、前記アルミニウムを有する半導体層の一部に酸化領域を形成し、
    前記第１、第２のポスト構造を含む前記基板上に絶縁膜を形成し、
    前記第１のポスト構造の上面より前記絶縁膜を除去し、前記第１のポスト構造から第１導電型の半導体層の少なくとも一部を露出させ、
    前記第１のポスト構造の露出された半導体層から前記第２のポスト構造の頂部まで金属層を付着させる工程を含み、前記金属層には第１のポスト構造の頂部にレーザ光を出射する出射口が形成され、第２のポスト構造の頂部には絶縁層を介して前記金属層が形成されている、表面発光型半導体レーザ素子の製造方法。
13. 前記製造方法は、前記第２のポスト構造の頂部に延在する金属層上にボンディング配線を行う工程を含む、請求項９に記載の表面発光型半導体レーザ素子の製造方法。
14. 前記製造方法は、前記第２のポスト構造の頂部に延在する金属層上にバンプ金属を形成する工程を含む、請求項１３に記載の表面発光型半導体レーザ素子の製造方法。

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