JP4019285B2 - 面発光型装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、面発光型装置及びその製造方法に関する。
面発光型半導体レーザは、従来の端面発光型半導体レーザに比べて素子の体積が小さいため、素子自体の静電破壊耐圧が低い。このため、実装プロセスにおいて、機械又は作業者から加えられた静電気によって素子がダメージを受けることがある。特に、面発光型半導体レーザなどの面発光型装置は、順バイアス電圧にはある程度の耐性を有するが、逆バイアス電圧には耐性が低く、逆バイアス電圧が印加されることによって素子が破壊されることがある。通常、実装プロセスでは、静電気を除去するためにさまざまな対策が施されるが、それらの対策には限界がある。
特開２００４−６５４８号公報
本発明の目的は、面発光型装置及びその製造方法に関して、静電破壊を防止して、信頼性の向上を図ることにある。
本発明に係る面発光型装置は、
基板と、該基板の上方に形成された第１半導体層と、を含む整流部と、
前記基板の上方に形成された第１導電型の第２半導体層と、該第２半導体層の上方に形成された活性層と、該活性層の上方に形成された第２導電型の第３半導体層と、を含む発光部と、
前記基板と、該基板の上方に形成された光吸収層と、該光吸収層の上方に形成されたコンタクト層と、を含む光検出部と、
を含み、
前記第１半導体層と、前記コンタクト層とは、同一の工程で形成されており、
前記整流部と前記発光部とは、電気的に並列接続され、
前記整流部は、前記発光部とは逆方向の整流作用を有する。
この面発光型装置によれば、前記発光部に逆バイアス電圧が印加されても、前記発光部と並列接続された前記整流部に電流が流れる。これにより、この面発光型装置の逆バイアス電圧に対する静電破壊耐圧を著しく向上させることができる。従って、実装プロセス等における静電破壊を防止できるため、取り扱いに優れるとともに、信頼性の向上を図ることができる。
なお、本発明において、特定のもの（以下、「Ａ」という）の上方に形成された他の特定のもの（以下、「Ｂ」という）とは、Ａ上に直接形成されたＢと、Ａ上に、Ａ上の他のものを介して形成されたＢと、を含む。また、本発明において、Ａの上方にＢを形成するとは、Ａ上に直接Ｂを形成する場合と、Ａ上に、Ａ上の他のものを介してＢを形成する場合と、を含む。
また、本発明において、「光吸収層」とは、空乏層を含む概念である。
本発明に係る面発光型装置において、
前記基板と電気的に接続された基板接続電極と、
前記第１、第２、第３半導体層とそれぞれ電気的に接続された第１、第２、第３電極と、を含み、
前記基板は、第１導電型であり、
前記第１半導体層は、第２導電型であり、
前記基板接続電極と前記第３電極とは、電気的に接続され、
前記第１電極と前記第２電極とは、電気的に接続されていることができる。
本発明に係る面発光型装置において、
前記整流部は、前記基板と前記第１半導体層との間に形成された第４半導体層を有し、
前記光検出部は、前記基板と前記光吸収層との間に形成された第２コンタクト層を有し、
前記第４半導体層と、前記第２コンタクト層とは、同一の工程で形成されていることができる。
本発明に係る面発光型装置において、
前記第１、第２、第３、第４半導体層とそれぞれ電気的に接続された第１、第２、第３、第４電極を有し、
前記第１半導体層は、第２導電型であり、
前記第４半導体層は、第１導電型であり、
前記第１電極と前記第２電極とは、電気的に接続され、
前記第３電極と前記第４電極とは、電気的に接続されていることができる。
本発明に係る面発光型装置において、
前記発光部は、前記光検出部のうちの少なくとも一部の垂直上方に形成されていることができる。
本発明に係る面発光型装置において、
前記基板と、該基板の上方に形成された他の光吸収層と、該他の光吸収層の上方に形成された他のコンタクト層と、を含む他の光検出部を有し、
前記光吸収層と、前記他の光吸収層とは、同一の工程で形成されており、
前記コンタクト層と、前記他のコンタクト層とは、同一の工程で形成されていることができる。
本発明に係る面発光型装置において、
前記基板の上方に形成された支持部を有し、
前記支持部は、
第１支持層と、
前記第１支持層の上方に形成された第２支持層と、
前記第２支持層の上方に形成された第３支持層と、を含み、
前記第１支持層は、前記第２半導体層と同一の工程で形成されており、
前記第２支持層と、前記活性層と同一の工程で形成されており、
前記第３支持層と、前記第３半導体層と同一の工程で形成されており、
前記他の光検出部は、前記支持部のうちの少なくとも一部の垂直上方に形成されており、
前記整流部および前記光検出部は、前記発光部のうちの少なくとも一部の垂直上方に形成されていることができる。
本発明に係る面発光型装置において、
前記基板と、前記第１半導体層との間には、容量調整層が形成されており、
前記容量調整層は、前記光吸収層と同一の工程で形成されていることができる。
本発明に係る面発光型装置において、
前記発光部は、面発光型半導体レーザとして機能し、
前記第２半導体層および前記第３半導体層は、ミラーであり、
前記光検出部は、前記面発光型半導体レーザのためのモニタフォトダイオードとして機能することができる。
本発明に係る面発光型装置において、
前記発光部は、面発光型半導体レーザとして機能し、
前記第２半導体層および前記第３半導体層は、ミラーであり、
前記光検出部は、双方向光通信の受信用フォトダイオードとして機能することができる。
本発明に係る面発光型装置の製造方法は、
基板の上方に第１半導体層およびコンタクト層を形成する工程と、該基板の上方に第１導電型の第２半導体層を形成する工程と、該第２半導体層の上方に活性層を形成する工程と、該活性層の上方に第２導電型の第３半導体層を形成する工程と、を含む、半導体多層膜を形成する工程と、
前記基板と、前記第１半導体層と、を含む整流部、前記第２半導体層と、前記活性層と、前記第３半導体層と、を含む発光部、および、前記基板と、前記光吸収層と、前記コンタクト層と、を含む光検出部が形成されるように、前記半導体多層膜をパターニングする工程と、
を含み、
前記整流部と前記発光部とは、電気的に並列接続されるように配置され、
前記整流部は、前記発光部とは逆方向の整流作用を有するように形成される。
この面発光型装置の製造方法によれば、前記コンタクト層は、前記第１半導体層と同一の工程で形成されることができる。従って、同一基板上に前記整流部、前記発光部、および前記光検出部を形成する場合に、製造工程を簡素化することができる。
本発明に係る面発光型装置の製造方法において、
前記半導体多層膜を形成する工程は、前記第１半導体層および前記コンタクト層を形成する工程の前に、前記基板の上方に第４半導体層および第２コンタクト層を形成する工程を有し、
前記半導体多層膜をパターニングする工程は、
前記第４半導体層を有する前記整流部が形成されるように行われ、
前記第２コンタクト層を有する前記光検出部が形成されるように行われることができる。
本発明に係る面発光型装置の製造方法において、
前記発光部は、前記光検出部のうちの少なくとも一部の垂直上方に形成されることができる。
本発明に係る面発光型装置の製造方法において、
前記半導体多層膜を形成する工程において、
前記光吸収層と同一の工程で他の光吸収層を形成し、
前記コンタクト層と同一の工程で他のコンタクト層を形成し、
前記半導体多層膜をパターニングする工程は、
前記基板と、前記他の光吸収層と、前記他のコンタクト層と、を含む他の光検出部が形成されるように行われることができる。
本発明に係る面発光型装置の製造方法において、
前記半導体多層膜を形成する工程において、
前記第２半導体層と同一の工程で第１支持層を形成し、
前記活性層と同一の工程で第２支持層を形成し、
前記第３半導体層と同一の工程で第３支持層を形成し、
前記半導体多層膜をパターニングする工程は、
前記第１支持層と、前記第２支持層と、前記第３支持層と、を含む支持部が形成されるように行われ、
前記他の光検出部は、前記支持部のうちの少なくとも一部の垂直上方に形成され、
前記整流部および前記光検出部は、前記発光部のうちの少なくとも一部の垂直上方に形成されることができる。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
１．第１の実施形態
１−１． まず、第１の実施形態に係る面発光型装置１００について説明する。
図１は、図２のI−I線断面図であり、図２は、面発光型装置１００を模式的に示す平面図である。図３は、面発光型装置１００の要部の回路図である。
面発光型装置１００は、図１および図２に示すように、整流部１２０と、発光部１４０と、光検出部１７０と、を含む。本実施形態においては、整流部１２０が接合ダイオード（ツェナーダイオードを含む）として、発光部１４０が面発光型半導体レーザとして、光検出部１７０がフォトダイオードとして機能する場合について説明する。
整流部１２０は、基板１０１と、基板１０１の上方に形成された第４半導体層１１１と、第４半導体層１１１の上方に形成された容量調整層１１２と、容量調整層１１２の上方に形成された第１半導体層１１４と、を含む。整流部１２０は、整流作用を有する。基板１０１としては、例えば半絶縁性ＧａＡｓ基板などを用いることができる。基板１０１は、整流部１２０、発光部１４０、および光検出部１７０を支持している。言い換えれば、整流部１２０、発光部１４０、および光検出部１７０は、同一基板（同一チップ）に形成され、モノリシック構造を成している。
第４半導体層１１１は、例えば第１導電型（例えばｎ型）ＧａＡｓ層からなり、容量調整層１１２は、例えば不純物がドーピングされていないＧａＡｓ層からなり、第１半導体層１１４は、例えば第２導電型（例えばｐ型）ＧａＡｓ層からなることができる。従って、ｐ型の第１半導体層１１４、不純物がドーピングされていない容量調整層１１２、およびｎ型の第４半導体層１１１により、ｐｉｎダイオードが形成される。
容量調整層１１２および第１半導体層１１４は、柱状の半導体堆積体（以下「第３柱状部」という）１１３を構成している。第３柱状部１１３の平面形状は、例えば円形などである。
第４半導体層１１１には、第４電極１１９が電気的に接続されており、第１半導体層１１４には、第１電極１１６が電気的に接続されている。例えば、第４電極１１９は、第４半導体層１１１の上に形成されている。第４電極１１９の平面形状は、例えば、図２に示すようなリング状などである。例えば、第１電極１１６は、第１半導体層１１４の上面全面に形成されている。第１電極１１６の平面形状は、例えば、図２に示すような円形などである。第４電極１１９および第１電極１１６は、整流部１２０を駆動させるために使用される。
整流部１２０の側方には、図１および図２に示すように、発光部１４０および光検出部１７０が形成されている。整流部１２０と、発光部１４０および光検出部１７０との間には、素子分離領域１８１が形成されている。具体的には、素子分離領域１８１は、例えば、第４半導体層１１１の側面と、基板１０１の上面と、第２コンタクト層１７１の側面とによって構成される溝であることができる。即ち、この溝は、少なくとも基板１０１の上面が露出する深さまで掘られていることができる。この場合に、基板１０１に絶縁性または半絶縁性の基板を用いることにより、整流部１２０と、発光部１４０および光検出部１７０とを確実に電気的に分離することができる。素子分離領域１８１の溝の平面形状は、例えば、直線状などである。また、第４半導体層１１１および第２コンタクト層１７１は、例えば、図２に示すように、基板１０１の上面のうち、素子分離領域１８１以外の全面に形成されていることができる。
光検出部１７０は、基板１０１と、基板１０１の上方に形成された第２コンタクト層１７１と、第２コンタクト層１７１の上方に形成された光吸収層１７２と、光吸収層１７２の上方に形成された第１コンタクト層１７４と、を含む。第２コンタクト層１７１は、第４半導体層１１１と同一の工程で形成されており、光吸収層１７２は、容量調整層１１２と同一の工程で形成されており、第１コンタクト層１７４は、第１半導体層１１４と同一の工程で形成されている。言い換えるならば、第２コンタクト層１７１は、第４半導体層１１１と同じ組成の半導体からなり、光吸収層１７２は、容量調整層１１２と同じ組成の半導体からなり、第１コンタクト層１７４は、第１半導体層１１４と同じ組成の半導体からなることができる。そして、基板１０１と光吸収層１７２との距離は、基板１０１と容量調整層１１２との距離と同程度であり、基板１０１と第１コンタクト層１７４との距離は、基板１０１と第１半導体層１１４との距離と同程度である。
具体的には、第２コンタクト層１７１は、例えば第１導電型（例えばｎ型）ＧａＡｓ層からなり、光吸収層１７２は、例えば不純物がドーピングされていないＧａＡｓ層からなり、第１コンタクト層１７４は、例えば第２導電型（例えばｐ型）ＧａＡｓ層からなることができる。従って、ｐ型の第１コンタクト層１７４、不純物がドーピングされていない光吸収層１７２、およびｎ型の第２コンタクト層１７１により、ｐｉｎダイオードが形成される。
第１コンタクト層１７４および光吸収層１７２は、柱状の半導体堆積体（以下「第４柱状部」という）１７３を構成している。第４柱状部１７３の平面形状は、例えば円形などである。
第１コンタクト層１７４には、第５電極１７６が電気的に接続されており、第２コンタクト層１７１には、第６電極１７８が電気的に接続されている。例えば、第５電極１７６は、第１コンタクト層１７４の上であって、周縁に形成されている。第５電極１７６の平面形状は、例えば、図２に示すようなリング状などである。例えば、第６電極１７８は、第２コンタクト層１７１の上に形成されている。第６電極１７８の平面形状は、例えば、図２に示すようなリング状などである。第５および第６電極１７６，１７８は、光検出部１７０を駆動させるために使用される。
光検出部１７０上には、分離層１２２が形成されている。分離層１２２は、光検出部１７０と発光部１４０との間に設けられている。具体的には、図１に示すように、分離層１２２は、第１コンタクト層１７４と後述する第３コンタクト層１２４との間に設けられている。分離層１２２により、光検出部１７０と発光部１４０とを電気的に分離することができる。分離層１２２としては、例えば、不純物がドーピングされていないＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層などを用いることができる。なお、第１コンタクト層１７４上の分離層１２２が形成されていない領域に、第５電極１７６が形成されている。また、図示はしないが、分離層１２２を形成せずに、第１半導体層１１４上に直接第３コンタクト層１２４を形成し、第５電極１７６と後述する第２電極１０７とを電気的に接続することもできる。
発光部１４０は、分離層１２２上に形成されている。また、発光部１４０は、光検出部１７０のうちの少なくとも一部の垂直上方に形成されている。言い換えるならば、平面視において、発光部１４０のうちの最下層（本実施形態では、第３コンタクト層１２４）の外縁は、光検出部１７０のうちの最上層（本実施形態では、第１コンタクト層１７４）の外縁の内側（両方の外縁が一致する場合を含む。）である。発光部１４０は、第１導電型（例えばｎ型）の第３コンタクト層１２４と、第３コンタクト層１２４の上に形成された第１導電型の第２半導体層１０２と、第２半導体層１０２の上に形成された活性層１０３と、活性層１０３の上に形成された第２導電型（例えばｐ型）の第３半導体層１０４と、を含む。具体的には、第３コンタクト層１２４は、例えば、ｎ型ＧａＡｓ層である。第２半導体層１０２は、例えば、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した４０ペアの分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）ミラーである。活性層１０３は、例えば、ＧａＡｓウェル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層とから構成される量子井戸構造を３層重ねた多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。第３半導体層１０４は、例えば、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した２５ペアのＤＢＲミラーである。なお、第３半導体層１０４の最上層は、例えばｐ型ＧａＡｓ層からなるコンタクト層であることもできる。また、第２半導体層１０２、活性層１０３、および第３半導体層１０４を構成する各層の組成および層数は特に限定されるわけではない。ｐ型の第３半導体層１０４、不純物がドーピングされていない活性層１０３、およびｎ型の第２半導体層１０２により、ｐｉｎダイオードが形成される。
第３コンタクト層１２４および上述した分離層１２２は、柱状の半導体堆積体を構成している。この柱状の半導体堆積体の平面形状は、例えば円形などである。また、発光部１４０のうち、第３半導体層１０４から第２半導体層１０２の途中にかけての部分が、柱状の半導体堆積体（以下「第１柱状部」という）１３０を構成しており、第２半導体層１０２の残りの部分が、他の柱状の半導体堆積体（以下「第２柱状部」という）１３２を構成している。第１柱状部１３０の平面形状は、例えば図２に示すような円形である。第２柱状部１３２の平面形状は、例えば第１柱状部１３０の円形よりも径の大きい円形である。
また、発光部１４０は、酸化狭窄層１０５を有する。酸化狭窄層１０５は、例えば、第３半導体層１０４を構成する層のうちの１層である。酸化狭窄層１０５は、活性層１０３に近い領域に形成されている。酸化狭窄層１０５としては、例えば、ＡｌＧａＡｓ層を酸化したものなどを用いることができる。酸化狭窄層１０５は、開口部を有する絶縁層である。酸化狭窄層１０５はリング状に形成されている。より具体的には、酸化狭窄層１０５は、図１に示す基板１０１の表面１０１ａと平行な面で切断した場合における断面形状が、第１柱状部１３０の平面形状の円形と同心のリング状に形成されている。
第２電極１０７は、第３コンタクト層１２４の上面上に形成されている。第２電極１０７の平面形状は、例えば図２に示すようなリング状である。第２電極１０７は、第３コンタクト層１２４と電気的に接続されている。第３電極１０９は、第１柱状部１３０の上に形成されている。第３電極１０９の平面形状は、例えば図２に示すようなリング状である。第３電極１０９は、第３半導体層１０４と電気的に接続されている。第３電極１０９は、第１柱状部１３０上に開口部１８０を有する。即ち、開口部１８０によって、第３半導体層１０４の上面上に第３電極１０９の設けられていない領域が形成される。この領域が、レーザ光の出射面１０８である。出射面１０８の形状は、例えば、図２に示すような円形などである。
図１および図２に示す面発光型装置１００では、第２電極１０７は第３コンタクト層１２４を介して第２半導体層１０２と接合し、かつ、第３電極１０９は第１柱状部１３０上で第３半導体層１０４と接合している。第２電極１０７および第３電極１０９によって活性層１０３に電流が注入される。
整流部１２０と発光部１４０とは、図３の回路図に示すように、電気的に並列接続されており、整流部１２０は、発光部１４０とは逆方向の整流作用を有する。具体的な接続形態としては、例えば、第１電極１１６と第２電極１０７とが第１配線１２６によって電気的に接続され、第３電極１０９と第４電極１１９とが第２配線１２８によって電気的に接続されることができる。なお、第１および第２配線１２６，１２８の図示は、図１では簡略され、図２では省略されている。
発光部１４０を駆動する際、発光部１４０には順バイアス電圧が印加され、整流部１２０には逆バイアス電圧が印加される。この際に、発光部１４０のみに電流を流すために、整流部１２０のブレークダウン電圧は、発光部１４０の駆動電圧よりも大きいことが好ましい。これにより、発光部１４０に順バイアス電圧を印加しても、整流部１２０には逆電流が流れない（または、ほとんど流れない）ので、発光部１４０では正常に発光動作が行われる。
ここで、整流部１２０のブレークダウン電圧は、例えば、第１半導体層１１４および第４半導体層１１１の組成、不純物濃度などを調整することで適宜制御可能である。例えば、第１半導体層１１４および第４半導体層１１１の不純物濃度を小さくすれば、整流部１２０のブレークダウン電圧を大きくすることができる。第１半導体層１１４および第４半導体層１１１は、発光部１４０の発光動作に寄与する半導体層とは別個に形成される。そのため、第１半導体層１１４および第４半導体層１１１の組成、不純物濃度などを自由に調整することができる。従って、より理想的な特性を有する整流部１２０を容易に形成することができ、静電破壊の効果的な防止と、より安定した発光動作を実現することができる。
あるいは、発光部１４０の第２および第３の半導体層１０２，１０４の組成、不純物濃度などを調整することで、発光部１４０の駆動電圧を整流部１２０のブレークダウン電圧より小さくすることもできる。
また、容量調整層１１２の膜厚を変化させることにより、整流部１２０の容量を変化させて、所望の値に適宜設定することができる。例えば、容量調整層１１２の膜厚を薄くすることにより、整流部１２０の容量を大きくすることができ、延いては、整流部１２０のブレークダウン電圧を上げることができる。
なお、本発明は、発光部１４０が面発光型半導体レーザである場合に限定されず、その他の面発光型装置（例えば半導体発光ダイオードや有機ＬＥＤ）に適用することができる。また、本発明は、整流部１２０が接合ダイオードである場合に限定されず、その他の整流素子（例えばショットキーダイオード）に適用することができる。
また、本実施形態においては、光検出部１７０がｐｉｎ型フォトダイオードとして機能する場合について説明しているが、本発明は、ｐｉｎ型フォトダイオード以外の光検出素子にも適用可能である。なお、本発明を適用できる光検出素子としては、例えば、ｐｎ型フォトダイオード、アバランシェ型フォトダイオード、ＭＳＭ型フォトダイオードなどが挙げられる。このことは、後述する第２の実施形態の第１および第２光検出部１７０，１９０でも同様に適用される。
また、本実施形態においては、第４半導体層１１１および第２コンタクト層１７１を形成する場合について説明しているが、例えば、図４に示すように、第４半導体層１１１および第２コンタクト層１７１を形成しないこともできる。図４は、この場合の面発光型装置１００を模式的に示す断面図であり、図１に示す断面図に対応している。この場合、基板１０１としては、例えば第１導電型（例えばｎ型）ＧａＡｓ基板などを用いることができ、そして、基板１０１に例えば溝を掘り、素子分離領域１８１とすることができる。基板１０１には、基板接続電極１１８が電気的に接続されている。具体的な電極の接続形態としては、例えば、第１電極１１６と第２電極１０７とが第１配線１２６によって電気的に接続され、第３電極１０９と基板接続電極１１８とが第２配線１２８によって電気的に接続されることができる。
１−２． 次に、本実施形態に係る面発光型装置１００の製造方法の一例について、図１、図２、図５、図６を参照しながら説明する。図５、図６は、図１および図２に示す本実施形態の面発光型装置１００の一製造工程を模式的に示す断面図であり、それぞれ図１に示す断面図に対応している。
（１）まず、図５に示すように、基板１０１として、例えば半絶縁性ＧａＡｓ基板を用意する。
次に、基板１０１の上に、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより、半導体多層膜１５０を形成する。半導体多層膜１５０は、第４半導体層１１１（第２コンタクト層１７１）、容量調整層１１２（光吸収層１７２）、第１半導体層１１４（第１コンタクト層１７４）、分離層１２２、第３コンタクト層１２４、第２半導体層１０２、活性層１０３、および第３半導体層１０４を構成する半導体層を順に積層したものである。ここで、第４半導体層１１１を構成する半導体層は、第２コンタクト層１７１を構成する半導体層でもあり、容量調整層１１２を構成する半導体層は、光吸収層１７２を構成する半導体層でもあり、第１半導体層１１４を構成する半導体層は、第１コンタクト層１７４を構成する半導体層でもある。
なお、第３半導体層１０４を成長させる際に、活性層１０３近傍の少なくとも１層を、後に酸化されて酸化狭窄層１０５となる層とすることができる。酸化狭窄層１０５となる層としては、例えば、Ａｌ組成が０．９５以上のＡｌＧａＡｓ層などを用いることができる。ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成とは、III族元素に対するアルミニウム（Ａｌ）の組成である。
（２）次に、図６に示すように、半導体多層膜１５０をパターニングし、所望の形状の第４半導体層１１１および第２コンタクト層１７１、容量調整層１１２および光吸収層１７２、第１半導体層１１４および第１コンタクト層１７４、分離層１２２、第３コンタクト層１２４、第２半導体層１０２、活性層１０３、並びに、第３半導体層１０４を形成する。ここで、第４半導体層１１１と第２コンタクト層１７１とを、同じパターニング工程で形成することができ、容量調整層１１２と光吸収層１７２とを、同じパターニング工程で形成することができ、第１半導体層１１４と第１コンタクト層１７４とを、同じパターニング工程で形成することができる。また、第４半導体層１１１および第２コンタクト層１７１を形成する際に、両方の間に素子分離領域１８１を形成することができる。このパターニング工程により、第１〜第４柱状部１３０，１３２，１１３，１７３が形成される。半導体多層膜１５０のパターニングは、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術により行うことができる。
次に、図６に示すように、例えば４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、上記工程によって第１〜第４柱状部１３０，１３２，１１３，１７３が形成された基板１０１を投入することにより、前述の酸化狭窄層１０５となる層を側面から酸化して、酸化狭窄層１０５を形成する。酸化狭窄層１０５を有する発光部１４０では、駆動する際に、酸化狭窄層１０５が形成されていない部分（酸化されていない部分）のみに電流が流れる。従って、酸化狭窄層１０５を形成する工程において、形成する酸化狭窄層１０５の範囲を制御することにより、電流密度の制御が可能となる。
（３）次に、図１および図２に示すように、第１〜第６電極１１６，１０７，１０９，１１９，１７６，１７８、第１および第２配線１２６，１２８を形成する。これらの電極および配線は、例えば、真空蒸着法およびリフトオフ法の組み合わせ等により形成することができる。第１電極１１６第３電極１０９、および第５電極１７６としては、例えば、金（Ａｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の合金、および金（Ａｕ）の積層膜を用いることができる。第２電極１０７第４電極１１９、および第６電極１７８としては、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金、ニッケル（Ｎｉ）、および金（Ａｕ）の積層膜を用いることができる。第１および第２配線１２６，１２８としては、例えば、金（Ａｕ）を用いることができる。なお、各電極、各配線を形成する順番は、特に限定されない。
以上の工程により、図１および図２に示すように、本実施形態の面発光型装置１００が得られる。
１−３． 本実施形態に係る面発光型装置１００よれば、発光部１４０に逆バイアス電圧が印加されても、発光部１４０と並列接続された整流部１２０に電流が流れる。これにより、面発光型装置１００の逆バイアス電圧に対する静電破壊耐圧を著しく向上させることができる。従って、実装プロセス等における静電破壊を防止できるため、取り扱いに優れるとともに、信頼性の向上を図ることができる。
また、本実施形態に係る面発光型装置１００およびその製造方法によれば、第２コンタクト層１７１は、第４半導体層１１１と同一の工程で形成され、光吸収層１７２は、容量調整層１１２と同一の工程で形成され、第１コンタクト層１７４は、第１半導体層１１４と同一の工程で形成されることができる。従って、同一基板上に整流部１２０、発光部１４０、および光検出部１７０を形成する場合に、製造工程を簡素化することができる。
本実施形態に係る光検出部１７０は、面発光型半導体レーザとして機能する発光部１４０の光出力の一部をモニタすることができる。言い換えるならば、光検出部１７０は、面発光型半導体レーザのためのモニタフォトダイオードとして機能することができる。このモニタした結果を駆動回路にフィードバックすることで、温度等による出力変動を補正することができるため、安定した光出力を得ることができる。
２．第２の実施形態
２−１． 次に、第２の実施形態に係る面発光型装置２００について説明する。なお、上述した図１および図２に示す面発光型装置１００と異なる点を中心に説明し、同様の点については説明を省略する。
図７は、図８のVII−VII線断面図であり、図８は、面発光型装置２００を模式的に示す平面図である。なお、上述した図１および図２に示す面発光型装置１００と同一の部材については、同一の符合を付している。
面発光型装置２００は、図７および図８に示すように、整流部１２０と、発光部１４０と、光検出部（以下「第１光検出部」という）１７０と、他の光検出部（以下「第２光検出部」という）１９０と、を含む。本実施形態においては、整流部１２０が接合ダイオード（ツェナーダイオードを含む）として、発光部１４０が面発光型半導体レーザとして、第１および第２光検出部１７０，１９０がフォトダイオードとして機能する場合について説明する。
基板１０１は、整流部１２０、発光部１４０、第１および第２光検出部１７０，１９０を支持している。言い換えれば、整流部１２０、発光部１４０、第１および第２光検出部１７０，１９０は、同一基板（同一チップ）に形成され、モノリシック構造を成している。基板１０１としては、例えば第１導電型（例えばｎ型）ＧａＡｓ基板などを用いることができる。
基板１０１の上には、発光部１４０および支持部１８６が形成されている。支持部１８６は、第１支持層１８２と、第１支持層１８２の上方に形成された第２支持層１８３と、第２支持層１８３の上方に形成された第３支持層１８４と、を含む。第１支持層１８２は、第２半導体層１０２と同一の工程で形成されており、第２支持層１８３は、活性層１０３と同一の工程で形成されており、第３支持層１８４は、第３半導体層１０４と同一の工程で形成されている。言い換えるならば、第１支持層１８２は、第２半導体層１０２と同じ組成の半導体からなり、第２支持層１８３は、活性層１０３と同じ組成の半導体からなり、第３支持層１８４は、第３半導体層１０４と同じ組成の半導体からなることができる。そして、基板１０１と第２支持層１８３との距離は、基板１０１と活性層１０３との距離と同程度であり、基板１０１と第３支持層１８４との距離は、基板１０１と第３半導体層１０４との距離と同程度である。
具体的には、第１支持層１８２は、例えば、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した４０ペアのＤＢＲミラーである。第２支持層１８３は、例えば、ＧａＡｓウェル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層とから構成される量子井戸構造を３層重ねた多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。第３支持層１８４は、例えば、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した２５ペアのＤＢＲミラーである。なお、図７および図８に示すように、第１支持層１８２と、第２半導体層１０２との境界線Ａは、例えば便宜上、平面視において、第４コンタクト層１９４と、第３電極１０９との間の中間線（図８参照）とすることができる。
例えば、図７に示すように、第２電極１０７は、基板１０１の裏面１０１ｂの全面に形成されることができる。第２電極１０７は基板１０１を介して第２半導体層１０２と接合し、かつ、第３電極１０９は第１柱状部１３０上で第３半導体層１０４と接合している。第２電極１０７および第３電極１０９によって活性層１０３に電流が注入される。
発光部１４０の上には、分離層１２２を介して、整流部１２０および第１光検出部１７０が形成されている。即ち、整流部１２０および第１光検出部１７０は、発光部１４０のうちの少なくとも一部の垂直上方に形成されている。また、支持部１８６の上には、分離層１２２を介して、第２光検出部１９０が形成されている。即ち、第２光検出部１９０は、支持部１８６のうちの少なくとも一部の垂直上方に形成されている。第２光検出部１９０は、分離層１２２により、発光部１４０と電気的に分離されている。
第２光検出部１９０は、基板１０１と、基板１０１の上方に形成された第５コンタクト層１９１と、第５コンタクト層１９１の上方に形成された他の光吸収層（以下「第２光吸収層」という）１９２と、第２光吸収層１９２の上方に形成された他のコンタクト層（以下「第４コンタクト層」という）１９４と、を含む。第５コンタクト層１９１は、第４半導体層１１１および第２コンタクト層１７１と同一の工程で形成されており、第２光吸収層１９２は、容量調整層１１２および光吸収層（以下「第１光吸収層」という）１７２と同一の工程で形成されており、第４コンタクト層１９４は、第１半導体層１１４および第１コンタクト層１７４と同一の工程で形成されている。言い換えるならば、第５コンタクト層１９１は、第４半導体層１１１と同じ組成の半導体からなり、第２光吸収層１９２は、容量調整層１１２と同じ組成の半導体からなり、第４コンタクト層１９４は、第１半導体層１１４と同じ組成の半導体からなることができる。そして、基板１０１と第５コンタクト層１９１との距離は、基板１０１と第４半導体層１１１との距離と同程度であり、基板１０１と第２光吸収層１９２との距離は、基板１０１と容量調整層１１２との距離と同程度であり、基板１０１と第４コンタクト層１９４との距離は、基板１０１と第１半導体層１１４との距離と同程度である。
具体的には、第５コンタクト層１９１は、例えば第１導電型（例えばｎ型）ＧａＡｓ層からなり、第２光吸収層１９２は、例えば不純物がドーピングされていないＧａＡｓ層からなり、第４コンタクト層１９４は、例えば第２導電型（例えばｐ型）ＧａＡｓ層からなることができる。従って、ｐ型の第４コンタクト層１９４、不純物がドーピングされていない第２光吸収層１９２、およびｎ型の第５コンタクト層１９１により、ｐｉｎダイオードが形成される。
第５コンタクト層１９１、分離層１２２、第３支持層１８４、第２支持層１８３、および第１支持層１８２の一部は、柱状の半導体堆積体を構成している。この柱状の半導体堆積体の平面形状は、例えば、第１柱状部１３０を取り囲むリング状などである。第４コンタクト層１９４および第２光吸収層１９２は、柱状の半導体堆積体を構成している。この柱状の半導体堆積体の平面形状は、例えばリング状などである。この柱状の半導体堆積体の内側の側面は、第５コンタクト層１９１の内側の側面と連続している。
第４コンタクト層１９４には、第７電極１９６が電気的に接続されており、第５コンタクト層１９１には、第８電極１９８が電気的に接続されている。例えば、第７電極１９６は、第４コンタクト層１９４の上であって、周縁に形成されている。第７電極１９６の平面形状は、例えば、図８に示すようなリング状などである。例えば、第８電極１９８は、第５コンタクト層１９１の上に形成されている。第８電極１９８の平面形状は、例えば、図８に示すようなリング状などである。第７および第８電極１９６，１９８は、第２光検出部１９０を駆動させるために使用される。
２−２． 次に、本実施形態に係る面発光型装置２００の製造方法の一例について、図７〜図１０を参照しながら説明する。なお、上述した図１および図２に示す面発光型装置１００の製造方法と異なる点を中心に説明し、同様の点については説明を省略する。
図９、図１０は、図７および図８に示す本実施形態の面発光型装置２００の一製造工程を模式的に示す断面図であり、それぞれ図７に示す断面図に対応している。
（１）まず、図９に示すように、基板１０１として、例えば第１導電型（例えばｎ型）ＧａＡｓ基板を用意する。
次に、基板１０１の上に、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより、半導体多層膜１５０を形成する。半導体多層膜１５０は、第２半導体層１０２（第１支持層１８２）、活性層１０３（第２支持層１８３）、第３半導体層１０４（第３支持層１８４）、分離層１２２、第４半導体層１１１（第２および第５コンタクト層１７１，１９１）、容量調整層１１２（第１および第２光吸収層１７２，１９２）、および第１半導体層１１４（第１および第４コンタクト層１７４，１９４）を構成する半導体層を順に積層したものである。ここで、第２半導体層１０２を構成する半導体層は、第１支持層１８２を構成する半導体層でもあり、活性層１０３を構成する半導体層は、第２支持層１８３を構成する半導体層でもあり、第３半導体層１０４を構成する半導体層は、第３支持層１８４を構成する半導体層でもあり、第４半導体層１１１を構成する半導体層は、第２および第５コンタクト層１７１，１９１を構成する半導体層でもあり、容量調整層１１２を構成する半導体層は、第１および第２光吸収層１７２，１９２を構成する半導体層でもあり、第１半導体層１１４を構成する半導体層は、第１および第４コンタクト層１７４，１９４を構成する半導体層でもある。
（２）次に、図１０に示すように、半導体多層膜１５０をパターニングし、所望の形状の第２半導体層１０２（第１支持層１８２）、活性層１０３（第２支持層１８３）、第３半導体層１０４（第３支持層１８４）、分離層１２２、第４半導体層１１１（第２および第５コンタクト層１７１，１９１）、容量調整層１１２（第１および第２光吸収層１７２，１９２）、並びに、第１半導体層１１４（第１および第４コンタクト層１７４，１９４）を形成する。ここで、第２半導体層１０２と第１支持層１８２とを、同じパターニング工程で形成することができ、活性層１０３と第２支持層１８３とを、同じパターニング工程で形成することができ、第３半導体層１０４と第３支持層１８４とを、同じパターニング工程で形成することができ、第４半導体層１１１と第２コンタクト層１７１と第５コンタクト層１９１とを、同じパターニング工程で形成することができ、容量調整層１１２と第１光吸収層１７２と第２光吸収層１９２とを、同じパターニング工程で形成することができ、第１半導体層１１４と第１コンタクト層１７４と第４コンタクト層１９４とを、同じパターニング工程で形成することができる。次に、図１０に示すように、酸化狭窄層１０５を形成する。
（３）次に、図７および図８に示すように、第１〜第８電極１１６，１０７，１０９，１１９，１７６，１７８，１９６，１９８、第１および第２配線１２６，１２８を形成する。第７電極１９６としては、例えば、金（Ａｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の合金、および金（Ａｕ）の積層膜を用いることができ、第８電極１９８としては、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金、ニッケル（Ｎｉ）、および金（Ａｕ）の積層膜を用いることができる。
以上の工程により、図７および図８に示すように、本実施形態の面発光型装置２００が得られる。
２−３． 本実施形態に係る面発光型装置２００によれば、第１の実施形態で述べた作用および効果と、実質的に同じ作用および効果を有する。
また、本実施形態に係る面発光型装置２００およびその製造方法によれば、第５コンタクト層１９１は、第４半導体層１１１および第２コンタクト層１７１と同一の工程で形成され、第２光吸収層１９２は、容量調整層１１２および第１光吸収層１７２と同一の工程で形成され、第４コンタクト層１９４は、第１半導体層１１４および第１コンタクト層１７４と同一の工程で形成されることができる。従って、同一基板上に整流部１２０、発光部１４０、第１および第２光検出部１７０，１９０を形成する場合に、製造工程を簡素化することができる。つまり、本実施形態に係る面発光型装置２００およびその製造方法によれば、整流部１２０と、発光部１４０と、第１および第２光検出部１７０，１９０とを、容易に同一基板上に集積させることができる。
また、本実施形態に係る第２光検出部１９０は、双方向光通信の受信用フォトダイオードとして機能することができる。本実施形態に係る面発光型装置２００およびその製造方法によれば、双方向光通信の発信用の発光部１４０と、受信用の第２光検出部１９０とを、容易に同一基板上に集積させることができる。また、本実施形態に係る面発光型装置２００によれば、双方向光通信の発信用の発光部１４０と、受信用の第２光検出部１９０とが、同一基板上に形成されているため、光通信に使用される光導波路（例えば光ファイバ等）とのアライメント工程を簡素化することができる。その結果、製造コストを削減することができる。
上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
例えば、上述した実施形態の面発光型装置１００，２００では、発光部１４０に第１柱状部１３０が一つ設けられている場合について説明したが、発光部１４０に第１柱状部１３０が複数個設けられている場合、あるいは、半導体多層膜１５０をパターニングする工程において、第１柱状部１３０を形成しない場合においても本発明の形態は損なわれない。また、複数の面発光型装置１００，２００がアレイ化されている場合でも、同様の作用および効果を奏する。また、例えば、上述した実施形態において、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趣旨を逸脱するものではない。
第１の実施形態に係る面発光型装置を模式的に示す断面図。 第１の実施形態に係る面発光型装置を模式的に示す平面図。 第１の実施形態に係る面発光型装置の要部の回路図。 第１の実施形態に係る面発光型装置を模式的に示す断面図。 第１の実施形態に係る面発光型装置の製造方法を模式的に示す断面図。 第１の実施形態に係る面発光型装置の製造方法を模式的に示す断面図。 第２の実施形態に係る面発光型装置を模式的に示す断面図。 第２の実施形態に係る面発光型装置を模式的に示す平面図。 第２の実施形態に係る面発光型装置の製造方法を模式的に示す断面図。 第２の実施形態に係る面発光型装置の製造方法を模式的に示す断面図。
符号の説明
１００ 面発光型装置、１０１ 基板、１０２ 第２半導体層、１０３ 活性層、１０４ 第３半導体層、１０５ 酸化狭窄層、１０７ 第２電極、１０８ 出射面、１０９ 第３電極、１１１ 第４半導体層、１１２ 容量調整層、１１３ 第３柱状部、１１４ 第１半導体層、１１６ 第１電極、１１９ 第４電極、１２０ 整流部、１２２ 分離層、１２４ 第３コンタクト層、１２６ 第１配線、１２８ 第２配線、１３０ 第１柱状部、１３２ 第２柱状部、１４０ 発光部、１５０ 半導体多層膜、１７０ 第１光検出部、１７１ 第２コンタクト層、１７２ 第１光吸収層、１７３ 第４柱状部、１７４ 第１コンタクト層、１７６ 第５電極、１７８ 第６電極、１８０ 開口部、１８１ 素子分離領域、１８２ 第１支持層、１８３ 第２支持層、１８４ 第３支持層、１８６ 支持部、１９０ 第２光検出部、１９１ 第５コンタクト層、１９２ 第２光吸収層、１９４ 第４コンタクト層、１９６ 第７電極、１９８ 第８電極，２００ 面発光型装置

Claims (15)

  1. 基板と、該基板の上方に形成された第１半導体層と、を含む整流部と、
    前記基板の上方に形成された第１導電型の第２半導体層と、該第２半導体層の上方に形成された活性層と、該活性層の上方に形成された第２導電型の第３半導体層と、を含む発光部と、
    前記基板と、該基板の上方に形成された光吸収層と、該光吸収層の上方に形成されたコンタクト層と、を含む光検出部と、を含み、
    前記第１半導体層と、前記コンタクト層とは、同一の層構造を有し、
    前記整流部と前記発光部とは、電気的に並列接続され、
    前記整流部は、前記発光部とは逆方向の整流作用を有する、面発光型装置。
  2. 請求項１において、
    前記基板と電気的に接続された基板接続電極と、
    前記第１、第２、第３半導体層とそれぞれ電気的に接続された第１、第２、第３電極と、を含み、
    前記基板は、第１導電型であり、
    前記第１半導体層は、第２導電型であり、
    前記基板接続電極と前記第３電極とは、電気的に接続され、
    前記第１電極と前記第２電極とは、電気的に接続されている、面発光型装置。
  3. 請求項１において、
    前記整流部は、前記基板と前記第１半導体層との間に形成された第４半導体層を有し、
    前記光検出部は、前記基板と前記光吸収層との間に形成された第２コンタクト層を有し、
    前記第４半導体層と、前記第２コンタクト層とは、同一の層構造を有する、面発光型装置。
  4. 請求項３において、
    前記第１、第２、第３、第４半導体層とそれぞれ電気的に接続された第１、第２、第３、第４電極を有し、
    前記第１半導体層は、第２導電型であり、
    前記第４半導体層は、第１導電型であり、
    前記第１電極と前記第２電極とは、電気的に接続され、
    前記第３電極と前記第４電極とは、電気的に接続されている、面発光型装置。
  5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
    前記発光部は、前記光検出部のうちの少なくとも一部の垂直上方に形成されている、面発光型装置。
  6. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
    前記基板と、該基板の上方に形成された他の光吸収層と、該他の光吸収層の上方に形成された他のコンタクト層と、を含む他の光検出部を有し、
    前記光吸収層と、前記他の光吸収層とは、同一の層構造を有し、
    前記コンタクト層と、前記他のコンタクト層とは、同一の層構造を有する、面発光型装置。
  7. 請求項６において、
    前記基板の上方に形成された支持部を有し、
    前記支持部は、
    第１支持層と、
    前記第１支持層の上方に形成された第２支持層と、
    前記第２支持層の上方に形成された第３支持層と、を含み、
    前記第１支持層は、前記第２半導体層と同一の層構造を有し、
    前記第２支持層と、前記活性層と同一の層構造を有し、
    前記第３支持層と、前記第３半導体層と同一の層構造を有し、
    前記他の光検出部は、前記支持部のうちの少なくとも一部の垂直上方に形成されており、
    前記整流部および前記光検出部は、前記発光部のうちの少なくとも一部の垂直上方に形成されている、面発光型装置。
  8. 請求項１〜７のいずれかにおいて、
    前記基板と、前記第１半導体層との間には、容量調整層が形成されており、
    前記容量調整層は、前記光吸収層と同一の層構造を有する、面発光型装置。
  9. 請求項１〜８のいずれかにおいて、
    前記発光部は、面発光型半導体レーザとして機能し、
    前記第２半導体層および前記第３半導体層は、ミラーであり、
    前記光検出部は、前記面発光型半導体レーザのためのモニタフォトダイオードとして機能する、面発光型装置。
  10. 請求項１〜８のいずれかにおいて、
    前記発光部は、面発光型半導体レーザとして機能し、
    前記第２半導体層および前記第３半導体層は、ミラーであり、
    前記光検出部は、双方向光通信の受信用フォトダイオードとして機能する、面発光型装置。
  11. 基板の上方に光吸収層を形成する工程と、該基板の上方に第１半導体層およびコンタクト層を同一の層として形成する工程と、該基板の上方に第１導電型の第２半導体層を形成する工程と、該第２半導体層の上方に活性層を形成する工程と、該活性層の上方に第２導電型の第３半導体層を形成する工程と、を含む、半導体多層膜を形成する工程と、
    前記基板と、前記第１半導体層と、を含む整流部、前記第２半導体層と、前記活性層と、前記第３半導体層と、を含む発光部、および、前記基板と、前記光吸収層と、前記コンタクト層と、を含む光検出部が形成されるように、前記半導体多層膜をパターニングする工程と、を含み、
    前記整流部と前記発光部とは、電気的に並列接続されるように配置され、
    前記整流部は、前記発光部とは逆方向の整流作用を有するように形成される、面発光型装置の製造方法。
  12. 請求項１１において、
    前記半導体多層膜を形成する工程は、前記第１半導体層および前記コンタクト層を形成する工程の前に、前記基板の上方に第４半導体層および第２コンタクト層を同一の層として形成する工程を有し、
    前記半導体多層膜をパターニングする工程は、
    前記第４半導体層を有する前記整流部が形成されるように行われ、
    前記第２コンタクト層を有する前記光検出部が形成されるように行われる、面発光型半導体装置の製造方法。
  13. 請求項１１または１２において、
    前記発光部は、前記光検出部のうちの少なくとも一部の垂直上方に形成される、面発光型装置の製造方法。
  14. 請求項１１または１２において、
    前記半導体多層膜を形成する工程において、
    前記光吸収層と同一の層として他の光吸収層を形成し、
    前記コンタクト層と同一の層として他のコンタクト層を形成し、
    前記半導体多層膜をパターニングする工程は、
    前記基板と、前記他の光吸収層と、前記他のコンタクト層と、を含む他の光検出部が形成されるように行われる、面発光型装置の製造方法。
  15. 請求項１４において、
    前記半導体多層膜を形成する工程において、
    前記第２半導体層と同一の層として第１支持層を形成し、
    前記活性層と同一の層として第２支持層を形成し、
    前記第３半導体層と同一の層として第３支持層を形成し、
    前記半導体多層膜をパターニングする工程は、
    前記第１支持層と、前記第２支持層と、前記第３支持層と、を含む支持部が形成されるように行われ、
    前記他の光検出部は、前記支持部のうちの少なくとも一部の垂直上方に形成され、
    前記整流部および前記光検出部は、前記発光部のうちの少なくとも一部の垂直上方に形成される、面発光型装置の製造方法。
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