JP3987029B2 - 半導体光素子の製造方法および半導体光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、光通信分野等に関わる半導体光素子の製造技術に関し、特に、半導体光素子の製造方法、この製造方法により製造された半導体光素子、この半導体光素子を基本構造とした集積化半導体光素子、半導体光素子を実装した光送受信モジュール等に適用して有効な技術に関する。
近年、光通信分野等においては、光通信の伝送速度の高速化が進んでいる。伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓを超えるような半導体光素子を実現するためには、半導体光素子に付随する寄生容量を低減することが重要である。
ここで、本発明者が、本発明の参考として検討した技術を図８，図９を用いて説明する。図８，図９は本発明の参考として検討した技術を示し、それぞれ、図８は埋込みヘテロ型半導体光素子のメサストライプ方向の概略構造を示す説明図、図９はリッジ導波路型半導体光素子のメサストライプ方向の概略構造を示す説明図、である。
伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓの半導体レーザは、例えば図８に示すように、ＩｎＰ基板１０１上に形成された半導体メサを有しており、この半導体メサを平坦化するために両脇をＦｅ―ＩｎＰ半導体１０２で埋込んでいる。この埋込み成長は、通常６００℃前後の高温で行われるため、半導体メサの部分からＦｅ―ＩｎＰ半導体１０２へのドーパント（例えばＺｎ等）の熱拡散１０３が起こる。また、パッド電極１０４は誘電率１２．６のＦｅ―ＩｎＰ半導体１０２上に形成されている。このため、寄生容量はＰＩＮ接合容量１０５、メサ両脇の拡散容量１０６、パッド容量１０７から形成される。
この半導体光素子に付随する寄生容量を低減するため、例えば図９に示すように、メサ両脇を誘電率３．６のポリイミド樹脂２０１で埋込んだリッジ構造が提案されている。この構造では、ドーパントの熱拡散１０３が無く、誘電率の低いポリイミド樹脂２０１上にパッド電極１０４を形成するため、寄生容量を大幅に低減することができる。
ところで、前記のような半導体光素子では、電流注入領域であるメサ型光導波路の部分に電流を注入してレーザ発振を行う。このためには、ダイボンド装置によりパッド電極にＡｕワイヤをボンディングし、半導体光素子と電源を接続する必要がある。この際、ワイヤプル強度が十分あり、パッド電極が剥がれないことが重要となる。しかしながら、有機材料上にパッド電極を形成する構造では、有機材料とパッド電極の密着性が非常に低く、ワイヤプル強度が不十分であり、ワイヤボンディング時またはワイヤプル試験時に電極が剥離することが知られている。
そこで、本発明の主な目的は、有機材料とパッド電極の密着性が高く、電極剥がれのない半導体光素子とその製造方法を提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明は、有機材料上にパッド電極を形成する際、酸素／アルゴン混合ガスを用いたドライエッチングにより有機材料表面に針状突起物を形成することを特徴とするものである。有機材料上に針状突起物を形成することができるドライエッチング条件は、ドライエッチング装置の反応ガスにフッ素系ガスを使用しないことおよび、酸素ガス流量に対するアルゴンガス流量比を２０％以下にすることが重要である。なお、酸素／アルゴン混合ガスにフッ素系ガスを混合した場合は、有機材料表面は平滑にエッチングされ、針状突起物を形成することはできない。また、酸素ガス流量に対するアルゴンガス流量比が２０％以上である場合は、針状突起物の形成される領域が基板内で不均一となり、安定に生産を行うことができない。よって、本発明により、有機材料とパッド電極の接触面積を増加させ、両者の密着性を向上することができ、十分なワイヤプル強度を有する高品質な半導体光素子を提供することができる。
本発明によれば、有機材料上に十分なワイヤプル強度を持ったパッド電極を形成することができ、寄生容量が小さく高品質な半導体光素子を得ることができる。さらに、この半導体光素子を用いることにより、光通信システムの大容量化を実現することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
（実施の形態１）
本実施の形態においては、本発明の特徴を分かり易くするために、本発明者が本発明の前提として検討した技術との比較により説明する。図１０〜図１２は本発明の前提として検討した技術を示し、それぞれ、図１０はリッジ導波路型半導体レーザの素子を示す外観図、図１１，図１２は図１０の作製フローを示す図であり、図１，図２は本発明の実施の形態１を示し、それぞれ、図１はリッジ導波路型半導体レーザの素子において、ポリイミド樹脂上に針状突起物を形成する作製フローを示す図、図２はリッジ導波路型半導体レーザの素子を示す外観図、である。
本実施の形態においては、本発明の特徴を分かり易くするために、本発明者が本発明の前提として検討した技術との比較により説明する。図１０〜図１２は本発明の前提として検討した技術を示し、それぞれ、図１０はリッジ導波路型半導体レーザの素子を示す外観図、図１１，図１２は図１０の作製フローを示す図であり、図１，図２は本発明の実施の形態１を示し、それぞれ、図１はリッジ導波路型半導体レーザの素子において、ポリイミド樹脂上に針状突起物を形成する作製フローを示す図、図２はリッジ導波路型半導体レーザの素子を示す外観図、である。
図１０に示すように、本発明の前提として検討した技術は、半導体光素子の一例として、リッジ両脇をポリイミド樹脂２０１にて埋込んだＩｎＰ系リッジ導波路型半導体レーザの素子となっており、表面にパッド電極１０４を含む上部電極４０８が設けられ、裏面に下部電極４０９が設けられている。このリッジ導波路型半導体レーザの素子は、図１１，図１２に示すように、以下のようにして作製される。なお、図１１，図１２においては、図１０のａ−ａ’断面の部分を図示している。
まず、光導波路を形成するため、半導体基板であるＩｎＰ基板１０１上に活性層４０１、ＩｎＰクラッド層４０２、コンタクト層４０３を含む多層構造を形成した後、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）酸化膜４０４（ＳｉＯ2膜等、厚さ１００ｎｍ）をマスクとして、コンタクト層４０３をストライプ幅２．０μｍ、ストライプ両脇の溝幅１０μｍのストライプ構造に加工する（図１１（Ａ））。
続いて、塩酸と燐酸の混合液によるウェットエッチングを用いてＩｎＰクラッド層４０２をエッチングし、図１１（Ｂ）に示すような逆メサ断面形状のリッジ導波路を形成する。その後、ＣＶＤ法により厚さ０．５μｍのパッシベーション膜４０５を基板全体に形成する。
さらに、有機材料であるポリイミド樹脂２０１を基板全体に塗布し（図１１（Ｃ））、リッジ導波路上部からリッジ導波路両側の溝部分にかけてレジストマスク４０６を形成し、酸素／アルゴン／フッ素系混合ガスを用いたドライエッチングによりポリイミド樹脂２０１のエッチバックを行う（図１２（Ｄ））。
続いて、レジストマスク４０６を除去し、パッド電極の部分となる領域にレジストマスク４０７を形成し、エッチバック法によりリッジ両脇の溝部のポリイミド樹脂２０１を平坦化すると同時に、リッジ導波路上部とリッジ導波路両脇の溝部以外のポリイミド樹脂２０１を完全に除去する（図１２（Ｅ））。
さらに、レジストマスク４０７を除去し、電流注入領域リッジ導波路におけるパッシベーション膜４０５を除去する。その後、ＥＢ蒸着法によりＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから成る厚さ１μｍ程度の上部電極４０８を形成する。そして、イオンミリングによりパッド電極１０４を含む上部電極４０８をパターニングした後、裏面研磨、下部電極４０９の形成、電極アロイ等の工程を経る（図１２（Ｆ））。
これらの工程を経た後、ウェハを２００μｍキャビティのバー状に劈開し、劈開面に反射保護膜を形成した後、チップ状に素子を分離する。こうして作製されたリッジ導波路型半導体レーザが、図１０に示すものである。
このリッジ導波路型半導体レーザの素子を鉛錫はんだを用いてチップキャリアに実装し、ダイボンディング装置によりＡｕワイヤをパッド電極１０４にボンディングしたところ、やはりパッド電極１０４とポリイミド樹脂２０１の界面から電極が剥離する現象が発生した。これは、ポリイミド樹脂２０１とパッド電極１０４との密着性が非常に低いことに起因している。
そこで、本発明では、実施の形態１のリッジ導波路型半導体レーザの素子として、図１（図２のａ−ａ’断面の部分を図示）に示すように、電流注入領域リッジ導波路におけるパッシベーション膜５０３を除去した後（図１（Ａ））、フッ素系反応ガスを含まない酸素／アルゴン混合ガスを用いたドライエッチングを行い、ポリイミド樹脂２０１の表面に数百ｎｍの針状突起物５０１を形成する構造とした（図１（Ｂ））。この針状突起物５０１の高さは、以降で形成されるパッド電極５０２の膜厚（〜１μｍ）よりも低い。
ここで、ドライエッチングの反応ガスである酸素／アルゴン混合ガスにフッ素系ガスを混合した場合、通常のポリイミド樹脂２０１をエッチバックする方法と同一となり、ポリイミド樹脂２０１の表面は平滑にエッチングされ、針状突起物５０１を形成することはできない。また、酸素ガス流量に対するアルゴンガス流量比を２０％以下にすることが重要である。酸素ガス流量に対するアルゴンガス流量比が２０％以上である場合は、針状突起物５０１の形成される領域が基板内で不均一となり、安定に生産を行うことができない。
その後の工程は、前記本発明の前提として検討した技術の構造と同一である（図１（Ｃ））。このように作製されたパッド電極５０２は、ポリイミド樹脂２０１の表面に形成された針状突起物５０１の微細な凹凸の効果により、ポリイミド樹脂２０１とパッド電極５０２の接触面積が増加すると同時に密着性が向上し、十分なワイヤプル強度を持たせることができる。最終的に、チップ状に分離され、作製されたリッジ導波路型半導体レーザの素子は、図２に示すような外観形状となる。
すなわち、本実施の形態のリッジ導波路型半導体レーザの素子は、図２に示すように、表面に針状突起物５０１を有するパッド電極５０２を含む上部電極４０８が設けられ、裏面に下部電極４０９が設けられている。
以上により、本実施の形態によれば、ＩｎＰ基板１０１上にリッジ導波路となるメサを形成し、このメサの両脇をポリイミド樹脂２０１で埋込み、このポリイミド樹脂２０１上にパッド電極５０２を含む上部電極４０８を形成した後、ＩｎＰ基板１０１の裏面に下部電極４０９を形成する工程において、ポリイミド樹脂２０１上にパッド電極５０２を形成する際、酸素／アルゴン混合ガスを用いたドライエッチングによりポリイミド樹脂２０１の表面に針状突起物５０１を形成する構造により、ポリイミド樹脂２０１上に十分なワイヤプル強度を持ったパッド電極５０２を形成することができ、リッジ導波路型半導体レーザの素子の品質を飛躍的に向上することができる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、前記実施の形態１において、パッド電極部分にのみ針状突起物を形成する場合であり、図３に基づいて説明する。図３は、リッジ導波路型半導体レーザの素子において、パッド電極部分にのみ針状突起物を形成する作製フローを示す図である。
本発明の実施の形態２は、前記実施の形態１において、パッド電極部分にのみ針状突起物を形成する場合であり、図３に基づいて説明する。図３は、リッジ導波路型半導体レーザの素子において、パッド電極部分にのみ針状突起物を形成する作製フローを示す図である。
本実施の形態のリッジ導波路型半導体レーザの素子においては、図３に示すように、パッド電極５０２となる領域以外にレジストマスク６０１を形成した後（図３（Ａ））、フッ素系反応ガスを含まない酸素／アルゴン混合ガスを用いたドライエッチングを行い、パッド電極５０２下のポリイミド樹脂２０１の表面にのみ数百ｎｍの針状突起物５０１を形成する（図３（Ｂ））。その後の工程は、前記本発明の前提として検討した技術の構造と同一である（図３（Ｃ））。
これにより、本実施の形態によれば、前記実施の形態１と同様の効果に加えて、リッジ導波路周辺のポリイミド樹脂２０１の表面を平滑に保つことができる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３は、前記実施の形態１において、針状突起物を形成したポリイミド樹脂とパッド電極の間に絶縁膜を挿入した場合であり、図４に基づいて説明する。図４は、ポリイミド樹脂とパッド電極の間に絶縁膜を挿入した場合のストライプ方向に対する断面図である。
本発明の実施の形態３は、前記実施の形態１において、針状突起物を形成したポリイミド樹脂とパッド電極の間に絶縁膜を挿入した場合であり、図４に基づいて説明する。図４は、ポリイミド樹脂とパッド電極の間に絶縁膜を挿入した場合のストライプ方向に対する断面図である。
本実施の形態のリッジ導波路型半導体レーザの素子においては、図４に示すように、針状突起物５０１を形成したポリイミド樹脂２０１上に、プラズマＣＶＤ法により親水性の高いＳｉＯ2膜やＳｉＮ膜等の絶縁膜７０１を成膜し、ポリイミド樹脂２０１とパッド電極５０２の間に絶縁膜７０１を挟む構造とする。
これにより、本実施の形態によれば、前記実施の形態１と同様の効果に加えて、さらに密着性を向上させることができる。
また、本発明者らは、プラズマＣＶＤ法以外の成膜方法、例えば常圧ＣＶＤ法やマグネトロンスパッタ法等により図４に示す構造と同様の素子を作製し、ワイヤプル試験を実施した。その結果、プラズマＣＶＤ法により絶縁膜７０１を成膜した場合が最もポリイミド樹脂２０１との密着性が良く、ワイヤプル強度が高いことを確認している。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４は、前記実施の形態１〜３と異なり、有機材料上に針状突起物を形成しないパッド電極を有する構造において、パッド電極端を感光性ポリイミド樹脂を用いて固定する構造であり、図５に基づいて説明する。図５は、パッド電極端を感光性ポリイミド樹脂を用いて固定する構造の作製フローを示す図である。
本発明の実施の形態４は、前記実施の形態１〜３と異なり、有機材料上に針状突起物を形成しないパッド電極を有する構造において、パッド電極端を感光性ポリイミド樹脂を用いて固定する構造であり、図５に基づいて説明する。図５は、パッド電極端を感光性ポリイミド樹脂を用いて固定する構造の作製フローを示す図である。
本実施の形態のリッジ導波路型半導体レーザの素子においては、図５に示すように、パッド電極１０４を形成後に、感光性ポリイミド樹脂８０１を基板全面に塗布する（図５（Ａ））。次に、フォトリソグラフィーによりパッド電極１０４の端部以外の感光性ポリイミド樹脂８０１を除去する（図５（Ｂ））。
これにより、本実施の形態によれば、パッド電極１０４の端部をポリイミド樹脂２０１と同種の材料からなる感光性ポリイミド樹脂８０１にて接着して固定することにより、前記実施の形態１と同様に、より強固なワイヤプル強度を持ったパッド電極１０４を形成することができる。
なお、前記実施の形態１〜４では、リッジ導波路の形状が逆メサ形状の場合について示したが、順メサ形状、垂直メサ形状のリッジ導波路に適用した場合においても前記と全く同様の効果が得られることは言うまでもない。また、前記実施の形態では、ＩｎＰ系リッジ導波路型半導体レーザについて説明したが、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＡｓ等の他の半導体光導波路素子に適用した場合においても前記と全く同様の効果が得られることは言うまでもない。
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５は、前記実施の形態１〜４の半導体光素子を基本構造とした半導体レーザ、光増幅器、光変調器、光受光素子、またはこれらを組み合わせて一体集積した集積化半導体光素子に適用した場合であり、図６に基づいて説明する。図６は、リッジ導波路型変調器集積レーザの素子を示す外観図である。
本発明の実施の形態５は、前記実施の形態１〜４の半導体光素子を基本構造とした半導体レーザ、光増幅器、光変調器、光受光素子、またはこれらを組み合わせて一体集積した集積化半導体光素子に適用した場合であり、図６に基づいて説明する。図６は、リッジ導波路型変調器集積レーザの素子を示す外観図である。
本実施の形態のリッジ導波路型変調器集積レーザの素子は、図６に示すように、前記実施の形態１〜４の半導体レーザと、同様に、表面に針状突起物５０１を有するパッド電極５０２を含む上部電極４０８が設けられ、裏面に下部電極４０９が設けられたＥＡ変調器９０１等の半導体光素子が複数集積化された構造で、前記実施の形態１〜４と同様のプロセスで製造することが可能である。
これにより、本実施の形態によれば、前記実施の形態１と同様に、十分なワイヤプル強度を持ったパッド電極を形成することができ、集積化半導体光素子の品質を飛躍的に向上することができる。
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６は、前記実施の形態１〜５の半導体レーザおよび導波路受光素子をシリコン基板上に実装したレーザモジュール、変調器モジュール、または光受信モジュールからなる光送受信モジュールを作製した例に適用した場合であり、図７に基づいて説明する。図７は、半導体レーザを実装した光送受信モジュールを示す図である。
本発明の実施の形態６は、前記実施の形態１〜５の半導体レーザおよび導波路受光素子をシリコン基板上に実装したレーザモジュール、変調器モジュール、または光受信モジュールからなる光送受信モジュールを作製した例に適用した場合であり、図７に基づいて説明する。図７は、半導体レーザを実装した光送受信モジュールを示す図である。
本実施の形態の光送受信モジュールは、図７に示すように、半導体レーザ１１０１および導波路受光素子１１０２を光ファイバ１１０３が装着されたシリコン基板１１０４上に実装した構造である。この光送受信モジュールは、半導体レーザ１１０１および導波路受光素子１１０２のそれぞれにＡｕワイヤ１１０５をボンディングし、シリコン基板１１０４と接続している。
これにより、本実施の形態によれば、半導体レーザ１１０１は前記実施の形態で説明した通り、Ａｕワイヤ１１０５をボンディングするパッド電極に針状突起物を形成しているため、実装時および実装後にパッド電極が剥がれるという不具合は生じることなく、高品質な光送受信モジュールを実現することができる。
近年の光通信の伝送容量増大の重要が増している状況において、本発明は、この要求に応えるための高品質な半導体光素子に係るものであり、高速動作が可能なレーザモジュール、変調器モジュールおよび光受信モジュール等の光送受信モジュールに利用できる。
１０１…ＩｎＰ基板、１０２…Ｆｅ−ＩｎＰ半導体、１０３…熱拡散、１０４…パッド電極、１０５…ＰＩＮ接合容量、１０６…メサ両脇の拡散容量、１０７…パッド容量、２０１…ポリイミド樹脂、４０１…活性層、４０２…ＩｎＰクラッド層、４０３…コンタクト層、４０４…ＣＶＤ酸化膜、４０５…パッシベーション膜、４０６…レジストマスク、４０７…レジストマスク、４０８…上部電極、４０９…下部電極、５０１…針状突起物、５０２…パッド電極、５０３…パッシベーション膜、６０１…レジストマスク、７０１…絶縁膜、８０１…感光性ポリイミド樹脂、９０１…ＥＡ変調器、１１０１…半導体レーザ、１１０２…導波路受光素子、１１０３…光ファイバ、１１０４…シリコン基板、１１０５…Ａｕワイヤ。
Claims (10)
- 半導体基板上に導波路となるメサを形成する工程と、
前記メサの両脇を有機材料で埋込む工程と、
前記有機材料上に針状突起物を形成する工程と、
前記針状突起物上に上部電極を形成する工程と、
前記半導体基板の裏面に下部電極を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体光素子の製造方法。 - 請求項１記載の半導体光素子の製造方法において、
前記有機材料は、ポリイミド樹脂であることを特徴とする半導体光素子の製造方法。 - 請求項１記載の半導体光素子の製造方法において、
前記針状突起物は、ドライエッチングにより形成し、前記ドライエッチングの工程において、ドライエッチング装置の反応ガスに酸素／アルゴン混合ガスを使用し、フッ素系ガスを含まないことを特徴とする半導体光素子の製造方法。 - 請求項１記載の半導体光素子の製造方法において、
前記針状突起物は、前記上部電極のパッド電極部分にのみ形成し、前記パッド電極部分以外の有機材料上には針状突起物を形成しないことを特徴とする半導体光素子の製造方法。 - 請求項１記載の半導体光素子の製造方法において、
前記針状突起物の高さは、前記上部電極のパッド電極部分の膜厚よりも低いことを特徴とする半導体光素子の製造方法。 - 請求項１記載の半導体光素子の製造方法において、
前記有機材料と前記上部電極のパッド電極部分との間に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜をプラズマＣＶＤ法により成膜することを特徴とする半導体光素子の製造方法。 - 半導体基板上に導波路となるメサを形成する工程と、
前記メサの両脇を有機材料で埋込む工程と、
前記有機材料上に上部電極を形成する工程と、
前記上部電極のパッド電極部分を感光性の有機材料で固定する工程と、
前記半導体基板の裏面に下部電極を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体光素子の製造方法。 - 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体光素子の製造方法により製造されたことを特徴とする半導体光素子。
- 請求項８記載の半導体光素子を基本構造とした半導体レーザ、光増幅器、光変調器、光受光素子、またはこれらを組み合わせて一体集積したことを特徴とする集積化半導体光素子。
- 請求項８記載の半導体光素子を用い、
光導波路または光ファイバが設けられた実装基板上に前記半導体光素子を実装したレーザモジュール、変調器モジュール、または光受信モジュールからなることを特徴とする光送受信モジュール。
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