JP4058633B2 - 面発光型発光素子、光モジュール、光伝達装置 - Google Patents

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Description

本発明は、面発光型発光素子およびその製造方法、ならびに該面発光型発光素子を含む光モジュールおよび光伝達装置に関する。
面発光型発光素子の一種である面発光型半導体レーザは、温度により光出力が変動する。このため、面発光型半導体レーザを用いた光モジュールには、光出力値をモニタするために、面発光型半導体レーザからの出射光の一部を検出する機能が設置される場合がある。例えば、面発光型半導体レーザを光検出用のフォトダイオード上に実装し、この面発光型半導体レーザからの出射光の一部をパッケージの光出射窓で反射させて得られた反射光を、前記フォトダイオードに入射させることにより、光強度をモニタする方法がある（例えば、特許文献１参照）。
この方法では、前記反射光は、面発光型半導体レーザとフォトダイオードとの間の実装精度や、パッケージの形状および大きさによって影響を受ける。このため、この方法によっては、面発光型半導体レーザからの出射光のみを正確に検出することが困難である。さらに、フォトダイオード上に面発光型半導体レーザを実装することや、面発光型半導体レーザからの出射光を反射させるためにパッケージの光出射窓を設ける必要があることから、モジュールの小型化が困難である。
特開２０００−３２３７９１号公報
本発明の目的は、面発光型発光素子の特性を維持し、かつ、出射光を正確に検出できる、面発光型発光素子を提供することにある。
また、本発明の目的は、前記面発光型発光素子を含む光モジュールおよび光伝達装置を提供することにある。
［面発光型発光素子］
本発明の面発光型発光素子は、
半導体基板上に設けられ、該半導体基板と垂直に光を出射する発光素子部と、
前記発光素子部上に設けられた光検出部と、
前記光検出部を駆動させる第１電極および第２電極と、を含み、
前記光検出部は、
第２コンタクト層と、
前記第２コンタクト層の上方に設けられた光吸収層と、
前記光吸収層の上方に設けられた第１コンタクト層と、を含み、
前記第１コンタクト層は、
第１光通過部と、
前記第１光通過部から延出する少なくとも１つの第１電極接続部と、を含み、
前記第１電極は、前記第１コンタクト層のうち前記第１電極接続部上に設けられている。
本発明の面発光型発光素子によれば、前記第１コンタクト層が前記第１光通過部と、該第１光通過部から延出する前記第１電極接続部を含み、前記第１電極が前記第１コンタクト層のうち前記第１電極接続部上に設けられていることにより、前記光吸収層を通過して前記第１光通過部に入射した光の大部分を、前記第１光通過部の上面から出射させることができる。これにより、出射光の出力を正確に検出することができる。
上記面発光型発光素子は、以下の態様（１）〜（８）をとることができる。
（１）前記第１電極を、前記第１光通過部の上面から排除することができる。
（２）前記光検出部の上面は前記光の出射面を含み、前記出射面の面積を前記第１光通過部の上面の面積とほぼ等しくすることができる。
この場合、前記出射面は前記第１光通過部の上面であることができる。
（３）前記第１電極および前記第２電極は前記光検出部を取り囲んでいないようにすることができる。
（４）前記第２コンタクト層は、第２光通過部と、前記第２光通過部から延出する少なくとも１つの第２電極接続部と、を含み、前記第２コンタクト層のうち前記第２電極接続部のみが、前記光検出部を駆動させるための第２電極とオーム性接触できる。
（５）前記発光素子部上にはさらに、前記発光素子部を駆動させるための第３電極の少なくとも一部が設けられ、前記第３電極は、前記第２コンタクト層を部分的に取り囲むように設けられ、前記第１および第２電極は、前記第３電極によって部分的に取り囲まれた領域ならびに該領域の鉛直上方の領域内から排除できる。
この場合、前記第１光通過部は円柱状であり、前記第３電極の内側面によって擬似円が構成され、前記擬似円の直径を、前記第１光通過部の断面の直径とほぼ等しくすることができる。
（６）前記発光素子部は、面発光型半導体レーザとして機能することができる。
（７）前記発光素子部および前記光検出部は、全体としてｐｎｐｎ構造またはｎｐｎｐ構造をなすことができる。
（８）前記発光素子部および前記光検出部は、全体としてｎｐｎ構造またはｐｎｐ構造をなすことができる。
［光モジュールおよび光伝達装置］
本発明の光モジュールは、前記面発光型発光素子と、光導波路とを含む。また、本発明の光伝達装置は前記光モジュールを含む。
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
［第１の実施の形態］
１．面発光型発光素子の構造
図１は、本発明を適用した第１の実施の形態に係る面発光型発光素子１００を模式的に示す平面図および断面図である。図１においては、平面図と、この平面図のＡ−Ａ線およびＢ−Ｂ線それぞれに沿った断面図とが示されている。また、図２は、図１に示す第１コンタクト層１１４を拡大して模式的に示す平面図および断面図である。図３は、図１に示す第２コンタクト層１１２を拡大して模式的に示す平面図および断面図である。図４は、図１に示す第１電極１１０、第２電極１１１、第３電極１０９および第４電極１０７を拡大して模式的に示す平面図および断面図である。なお、図２および図３では、第１コンタクト層１１４および第２コンタクト層１１２のみをそれぞれ抜き出して記載している。
本実施の形態の面発光型発光素子１００は、図１に示すように、発光素子部１４０と、発光素子部１４０上に設けられた光検出部１２０とを含む。本実施の形態においては、発光素子部１４０が面発光型半導体レーザとして機能する場合を示す。
この面発光型発光素子１００においては、出射面１０８から半導体基板１０１と垂直方向にレーザ光を出射できる。この出射面１０８は、光検出部１２０の上面（後述する第１光通過部１１４ａの上面１１４ｘ）に設けられている。
以下、発光素子部１４０および光検出部１２０それぞれについて説明する。
（発光素子部）
発光素子部１４０は、半導体基板（本実施形態ではｎ型ＧａＡｓ基板）１０１上に設けられている。この発光素子部１４０は垂直共振器（以下「共振器」とする）からなり、柱状の半導体堆積体（以下「柱状部」とする）１３０を含む。
発光素子部１４０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ペアの分布反射型多層膜ミラー（以下、「第１ミラー」という）１０２、ＧａＡｓウエル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層からなり、ウエル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層１０３、およびｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した２５ペアの分布反射型多層膜ミラー（以下、「第２ミラー」という）１０４が順次積層されて構成されている。なお、第１ミラー１０２、活性層１０３、および第２ミラー１０４を構成する各層の組成および層数はこれに限定されるわけではない。
第２ミラー１０４は、例えばＣがドーピングされることによりｐ型にされ、第１ミラー１０２は、例えばＳｉがドーピングされることによりｎ型にされている。したがって、ｐ型の第２ミラー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１ミラー１０２により、ｐｉｎダイオードが形成される。
また、発光素子部１４０のうち面発光型発光素子１００のレーザ光出射側から第１ミラー１０２の途中にかけての部分が、レーザ光出射側からから見て円形の形状にエッチングされて柱状部１３０が形成されている。なお、本実施の形態では、柱状部１３０の平面形状を円形としたが、この形状は任意の形状をとることができる。
さらに、第２ミラー１０４を構成する層のうち活性層１０３に近い領域に、酸化アルミニウムからなる電流狭窄層１０５が形成されている。この電流狭窄層１０５はリング状に形成されている。すなわち、この電流狭窄層１０５は、図１に示す半導体基板１０１の表面１０１ａと平行な面で切断した場合における断面が同心円状である形状を有する。
また、本実施の形態に係る面発光型発光素子１００においては、柱状部１３０の側面ならびに第１ミラー１０２の上面を覆うようにして、絶縁層（第１絶縁層１０６ａ）が形成されている。すなわち、柱状部１３０の側壁は第１絶縁層１０６ａで取り囲まれている。第１絶縁層１０６ａは例えばポリイミド樹脂、フッ素系樹脂、アクリル樹脂、またはエポキシ樹脂等であることができ、特に、加工の容易性や絶縁性の観点から、ポリイミド樹脂またはフッ素系樹脂であるのが望ましい。
また、発光素子部１４０には第３電極１０９および第４電極１０７が設けられている。この第３電極１０９および第４電極１０７は、発光素子部１４０を駆動するために使用される。発光素子１４０上には、第３電極１０９の少なくとも一部が設けられている。具体的には、図１に示すように、この第３電極１０９は柱状部１３０および第１絶縁層１０６ａ上に設けられている。この第３電極１０９は、図１に示すように、第２コンタクト層１１２を部分的に取り囲むように設けられている。すなわち、この第３電極１０９は第２コンタクト層１１２を完全に取り囲んでいない。また、第１ミラー１０２の上面のうち第１絶縁層１０６ａが設けられていない領域上に第４電極１０７が設けられている。なお、本実施の形態では、第４電極１０７が第１ミラー１０２上に設けられている場合について示したが、第４電極１０７は半導体基板１０１の裏面１０１ｂに設けてもよい。このことは、後述する第２および第３の実施の形態でも同様である。
第３電極１０９は、例えばＰｔ、ＴｉおよびＡｕの積層膜からなる。また、第４電極１０７は、例えばＡｕとＧｅの合金とＡｕとの積層膜からなる。この第３電極１０９と第４電極１０７とによって活性層１０３に電流が注入される。なお、第３および第４電極１０９，１０７を形成するための材料は、前述したものに限定されるわけではなく、例えばＡｕとＺｎとの合金などが利用可能である。
（光検出部）
光検出部１２０は、第２コンタクト層１１２と、光吸収層１１３と、第１コンタクト層１１４とを含む。光吸収層１１３は第２コンタクト層１１２の上方に設けられ、第１コンタクト層１１４は光吸収層１１３の上方に設けられている。
第２コンタクト層１１２は例えばｎ型ＧａＡｓ層からなり、光吸収層１１３は例えば不純物が導入されていないＧａＡｓ層からなり、第１コンタクト層１１４は例えばｐ型ＧａＡｓ層からなることができる。また、第２コンタクト層１１２は、例えばＣがドーピングされることによりｐ型にされ、第１コンタクト層１１４は、例えばＳｉがドーピングされることによりｎ型にされている。したがって、ｎ型の第２コンタクト層１１２、不純物がドーピングされていない光吸収層１１３、およびｐ型の第１コンタクト層１１４により、ｐｉｎダイオードが形成される。
光検出部１２０には、第１電極１１０および第２電極１１１が設けられている。この第１電極１１０および第２電極１１１は光検出部１２０を駆動させるために使用される。この第１電極１１０および第２電極１１１は光検出部１２０を取り囲んでいない。本実施の形態の面発光型発光素子１００においては、第１電極１１０は第３電極１０９と同じ材質にて形成することができ、第２電極１１１は第４電極１０７と同じ材質にて形成することができる。
また、図４に示すように、第１電極１１０および第２電極１１１は領域Ｘ内から排除されている。すなわち、領域Ｘ内には、第１電極１１０および第２電極１１１は設けられていない。ここで、領域Ｘは、第３電極１０９によって部分的に取り囲まれた領域Ｘ１と、領域Ｘ１の鉛直上方の領域Ｘ２とから構成される（図４参照）。なお、図４において、点で示した領域が領域Ｘである。
第１コンタクト層１１４は、図２に示すように、第１光通過部１１４ａと、少なくとも１つの第１電極接続部１１４ｂとを含む。第１電極接続部１１４ｂは、第１光通過部１１４ａから延出している。また、図１に示すように、第１コンタクト層１１４のうち第１電極接続部１１４ｂ上（第１電極接続部１１４ｂの上面１１４ｙ上）にのみ第１電極１１０が設けられている。すなわち、第１コンタクト層１１４のうち第１電極接続部１１４ｂのみが、光検出部１２０を駆動させるための第１電極１１０とオーム性接触している。したがって、第１電極１１０は第１光通過部１１４ａの上面１１４ｘから排除されている。
図１に示すように、第１光通過部１１４ａは円柱状の形状を有する。また、図４に示すように、第３電極１０９は第２コンタクト層１１２の周囲を部分的に取り囲んでおり、第３電極１０９の内側面によって擬似円が構成されている。この擬似円の直径ｄ２（図４参照）は、第１光通過部１１４ａの断面の直径ｄ１（図１および図２参照）とほぼ等しい。
第２コンタクト層１１２は、図３に示すように、第２光通過部１１２ａと、少なくとも１つの第２電極接続部１１２ｂとを含む。第２電極接続部１１２ｂは、第２光通過部１１２ａから延出している。この第２電極接続部１１２ｂは図１に示すように、第１コンタクト層１１４の第１電極接続部１１４ｂと平面的に重ならない位置に設けることが望ましい。
また、第２コンタクト層１１２のうち第２電極接続部１１２ｂ上（第２電極接続部１１２ｂの上面１１２ｙ上）にのみ第２電極１１１が設けられている。すなわち、第２電極１１１は第２光通過部１１２ａの上面１１２ｘから排除されている。また、第２コンタクト層１１２のうち第２電極接続部１１２ｂのみが、光検出部１２０を駆動させるための第２電極１１１とオーム性接触している。
第２光通過部１１２ａの断面は、発光素子部１４０（具体的には第２ミラー１０４の上面１０４ａ）から出射した光が光検出部１２０にできるだけ多く入射できるように、設置位置および面積を調整することが望ましい。より望ましくは、第２光通過部１１２ａの断面の設置位置および面積を、第２ミラー１０４の上面１０４ａから出射した光の大部分が第２光通過部１１２ａに入射できるようにする。
さらに、光検出部１２０の上面は光の出射面１０８を含む。具体的には、第１コンタクト層１１４のうち第１光通過部１１４ａの上面１１４ｘが、出射面１０８である。この場合、図１に示すように、出射面１０８の面積は第１光通過部１１４ａの上面１１４ｘの面積とほぼ等しい。
また、図１に示すように、第１電極１１０は第１電極接続部１１４ｂおよび第２絶縁層１０６ｂ上に形成され、第２絶縁層１０６ｂは第１絶縁層１０６ａ上に形成されている。図１に示すように、光検出部１２０のうち、第１コンタクト層１１４の第１電極接続部１１４ａの側壁、光吸収層１１３の側壁の一部、および第２コンタクト層１１２の第２電極接続部１１２ｂの側壁が第２絶縁層１０６ｂと接している。
第２絶縁層１０６ｂは例えば窒化シリコン、酸化シリコン、または酸化窒化シリコンからなることができる。この第１絶縁層１０６ａおよび第２絶縁層１０６ｂから絶縁層１０６が構成される。
なお、本実施の形態においては、絶縁層１０６が第１絶縁層１０６ａおよび第２絶縁層１０６ｂからなる場合について示したが、絶縁層１０６は二層構造に限定されるわけではなく、例えば、同一の材質からなる１層をパターニングして形成されていてもよい。
（全体の構成）
本実施の形態の面発光型発光素子１００においては、発光素子部１４０のｎ型第１ミラー１０２およびｐ型第２ミラー１０４、ならびに光検出部１２０のｎ型第１コンタクト層１１４およびｐ型第２コンタクト層１１２から、全体としてｐｎｐｎ構造が構成される。なお、上記各層において、ｐ型とｎ型を入れ替えることにより、全体としてｎｐｎｐ構造を構成することもできる。
光検出部１２０は、発光素子部１４０で生じた光の出力をモニタする機能を有する。具体的には、光検出部１２０は、発光素子部１４０で生じた光を電流に変換する。この電流の値によって、発光素子部１４０で生じた光の出力が算定される。
より具体的には、光検出部１２０において、発光素子部１４０により生じた光の一部が光吸収層１１３にて吸収され、この吸収された光によって、光吸収層１１３において光励起が生じ、電子および正孔が生じる。そして、素子外部から印加された電界により、電子は第２電極１１１に、正孔は第１電極１１０にそれぞれ移動する。その結果、光検出部１２０において、第２コンタクト層１１２から第１コンタクト層１１４の方向に電流が生じる。
また、発光素子部１４０の光出力は、主として発光素子部１４０に印加するバイアス電圧によって決定される。特に、発光素子部１４０が面発光型半導体レーザである場合、発光素子部１４０の光出力は、発光素子部１４０の周囲温度や発光素子部１４０の寿命によって大きく変化する。このため、発光素子部１４０の光出力を光検出部１２０でモニタし、光検出部１２０にて発生した電流の値に基づいて発光素子部１４０に印加する電圧値を調整することによって、発光素子部１４０内を流れる電流の値を調整することにより、発光素子部１４０において所定の光出力を維持することが必要である。発光素子部１４０の光出力を発光素子部１４０に印加する電圧値にフィードバックする制御は、外部電子回路（図示せず）を用いて実施することができる。
なお、本実施の形態においては、面発光型発光素子１００が面発光型半導体レーザである場合について説明したが、本発明は、面発光型半導体レーザ以外の発光素子にも適用可能である。なお、本発明を適用できる面発光型発光素子としては、例えば、半導体発光ダイオードなどが挙げられる。このことは、後述する第２および第３の実施の形態に係る面発光型発光素子でも同様に適用される。
２．面発光型発光素子の動作
本実施の形態の面発光型発光素子１００の一般的な動作を以下に示す。なお、下記の面発光型半導体レーザの駆動方法は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の変更が可能である。
まず、第３電極１０９と第４電極１０７とで、ｐｉｎダイオードに順方向の電圧を印加すると、活性層１０３において、電子と正孔との再結合が起こり、前記再結合による発光が生じる。そこで生じた光が第２ミラー１０４と第１ミラー１０２との間を往復する際に誘導放出が起こり、光の強度が増幅される。光利得が光損失を上まわると、レーザ発振が起こり、第２ミラー１０４の上面１０４ａからレーザ光が出射し、光検出部１２０の第２コンタクト層１１２（第２光通過部１１２ｂ）へと入射する。
次に、光検出部１２０において、第２コンタクト層１１２（第２光通過部１１２ａ）に入射した光は、次に光吸収層１１３に入射する。この入射光の一部が光吸収層１１３にて吸収される結果、光吸収層１１３において光励起が生じ、電子および正孔が生じる。そして、素子外部から印加された電界により、電子は第２電極１１１に、正孔は第１電極１１０にそれぞれ移動する。その結果、光検出部１２０において、第２コンタクト層１１２から第１コンタクト層１１４の方向に電流（光電流）が生じる。この電流の値を測定することにより、発光素子部１４０の光出力を検知することができる。
３．面発光型発光素子の製造方法
次に、本発明を適用した第１の実施の形態の面発光型発光素子１００の製造方法の一例について、図５〜図１４を用いて説明する。図５〜図１４は、図１に示す面発光型発光素子１００の一製造工程を模式的に示す平面図および断面図であり、それぞれ図１に示す平面図および断面図に対応している。
（１）まず、ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板１０１の表面に、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、図５に示すように、半導体多層膜１５０が形成される（図５参照）。ここで、半導体多層膜１５０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ペアの第１ミラー１０２、ＧａＡｓウエル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層からなり、ウエル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層１０３、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した２５ペアの第２ミラー１０４、ｎ型ＧａＡｓからなる第２コンタクト層１１２、不純物がドーピングされていないＧａＡｓからなる光吸収層１１３、およびｐ型ＧａＡｓからなる第１コンタクト層１１４からなる。これらの層を順に半導体基板１０１上に積層させることにより、半導体多層膜１５０が形成される。
なお、第２ミラー１０４を成長させる際に、活性層１０３近傍の少なくとも１層がＡｌＡｓ層またはＡｌ組成が０．９５以上のＡｌＧａＡｓ層に形成される。この層は後に酸化され、電流狭窄層１０５となる（図９参照）。また、後の工程において第２電極１１１および第３電極１０９が形成された際に、第２コンタクト層１１２のうち少なくとも第２電極１１１に接する部分の近傍は、キャリア密度を高くすることにより、第２電極１１１とのオーム性接触をとりやすくしておくのが望ましい。同様に、第２ミラー１０４のうち少なくとも第３電極１０９と接する部分の近傍は、キャリア密度を高くすることにより、第３電極１０９とのオーム性接触をとりやすくしておくのが望ましい。
エピタキシャル成長を行なう際の温度は、成長方法や原料、半導体基板１０１の種類、あるいは形成する半導体多層膜１５０の種類、厚さ、およびキャリア密度によって適宜決定されるが、一般に、４５０℃〜８００℃であるのが好ましい。また、エピタキシャル成長を行なう際の所要時間も、温度と同様に適宜決定される。また、エピタキシャル成長させる方法としては、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法や、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、あるいはＬＰＥ法（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いることができる。
（２）次に、第１コンタクト層１１４および光吸収層１１３を所定の形状にパターニングする（図６参照）。
まず、半導体多層膜１５０上にフォトレジスト（図示せず）を塗布した後、フォトリソグラフィ法により該フォトレジストをパターニングすることにより、所定のパターンのレジスト層Ｒ１が形成される。
ついで、レジスト層Ｒ１をマスクとして、例えばドライエッチング法により、第１コンタクト層１１４および光吸収層１１３をエッチングする。これにより、図６に示すように、第１光通過部１１４ａおよび第１電極接続部１１４ｂからなる第１コンタクト層１１４（図２参照）と、第１コンタクト層１１４と同じ平面形状を有する光吸収層１１３とが形成される。その後、レジスト層Ｒ１が除去される。
（３）次いで、第２コンタクト層１１２を所定の形状にパターニングする（図７参照）。具体的には、まず、第２コンタクト層１１２上にフォトレジスト（図示せず）を塗布した後、フォトリソグラフィ法により該フォトレジストをパターニングすることにより、所定のパターンのレジスト層Ｒ２が形成される（図７参照）。
次いで、レジスト層Ｒ２をマスクとして、例えばドライエッチング法により、第２コンタクト層１１２をエッチングする。これにより、図７に示すように、第２光通過部１１２ａおよび第２電極接続部１１２ｂからなる第２コンタクト層１１２（図３参照）が形成される。第２電極接続部１１２ｂは、第１コンタクト層１１４の第１電極接続部１１４ｂと平面的に重ならない位置に形成される。その後、レジスト層Ｒ２が除去される。これにより、第２コンタクト層１１２のうち第２電極接続部１１２ｂのみが露出するとともに、光検出部１２０が形成される。
（４）次いで、パターニングにより柱状部１３０が形成される（図８参照）。具体的には、まず、第２ミラー１０４上にフォトレジスト（図示せず）を塗布した後、フォトリソグラフィ法により該フォトレジストをパターニングすることにより、所定のパターンのレジスト層Ｒ３が形成される（図８参照）。
次いで、レジスト層Ｒ３をマスクとして、例えばドライエッチング法により、第２ミラー１０４、活性層１０３、および第１ミラー１０２の一部をエッチングする。これにより、図８に示すように、柱状部１３０が形成される。以上の工程により、図４に示すように、半導体基板１０１上に、柱状部１３０を含む共振器（発光素子部１４０）が形成される。その後、レジスト層Ｒ３が除去される。
なお、本実施の形態においては前述したように、光検出部１２０をまず形成した後に柱状部１３０を形成する場合について説明したが、柱状部１３０を形成した後に光検出部１２０を形成してもよい。
（５）続いて、例えば４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、上記工程によって柱状部１３０が形成された半導体基板１０１を投入することにより、前述の第２ミラー１０４中のＡｌ組成が高い層を側面から酸化して、電流狭窄層１０５が形成される（図９参照）。
酸化レートは、炉の温度、水蒸気の供給量、酸化すべき層（前記Ａｌ組成が高い層）のＡｌ組成および膜厚に依存する。酸化により形成される電流狭窄層を備えた面発光レーザでは、駆動する際に、電流狭窄層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。したがって、酸化によって電流狭窄層を形成する工程において、形成する電流狭窄層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。
また、発光素子部１４０から出射する光の大部分が第２コンタクト層１１２（本実施の形態では第２コンタクト層１１２の第２光通過部１１２ａ）に入射するように、電流狭窄層１０５の径を調整することが望ましい。
（６）次いで、柱状部１３０の側壁を覆う第１絶縁層１０６ａが形成される（図１０および図１１参照）。
まず、柱状部１３０の側壁が第１絶縁層１０６ａで覆われるように、第１絶縁層１０６ａが形成される。なお、ここでは、第１絶縁層１０６ａを形成するための材料として、ポリイミド樹脂を用いた場合について説明する。
例えばスピンコート法を用いて、樹脂前駆体（ポリイミド前駆体；図示せず）を柱状部１３０の側壁に塗布した後イミド化させて、第１絶縁層１０６ａを形成する。前記樹脂前駆体の塗布方法としては、前述したスピンコート法のほか、ディッピング法、スプレーコート法、インクジェット法等の公知技術を利用することができる。
次に、第１絶縁層１０６ａ上にフォトレジスト（図示せず）を塗布した後、フォトリソグラフィ法により該フォトレジストをパターニングすることにより、所定のパターンのレジスト層Ｒ４が形成される（図１０参照）。
次いで、レジスト層Ｒ４をマスクとして、例えばドライエッチング法により、第１絶縁層１０６ａの一部をエッチングする。その後、レジスト層Ｒ４が除去される。これにより、図１１に示すように、所定のパターンの第１絶縁層１０６ａが形成される。
なお、この第１絶縁層１０６ａの形成方法としては、上述した方法のほか、例えば、特願２００１−０６６２９９号公報に記載されている方法を用いることができる。
（７）次いで、第１絶縁層１０６ａ上に第２絶縁層１０６ｂが形成される（図１２および図１３参照）。
まず、第１絶縁層１０６ａ上に第２絶縁層１０６ｂを積層する。第２絶縁層１０６ｂは前述した材質から形成することができる。例えば、窒化シリコンを用いて第２絶縁層１０６ｂを形成する場合、プラズマＣＶＤ法等により形成することができる。
次いで、第２絶縁層１０６ｂ上にフォトレジスト（図示せず）を塗布した後、フォトリソグラフィ法により該フォトレジストをパターニングすることにより、所定のパターンのレジスト層Ｒ５が形成される（図１２参照）。
続いて、レジスト層Ｒ５をマスクとして、例えばドライエッチング法により、第２絶縁層１０６ｂを除去する。その後、レジスト層Ｒ５が除去される。これにより、図１３に示すように、所定のパターンの第２絶縁層１０６ｂが形成される。
（８）次に、第１電極接続部１１４ｂとオーミック接触し、第２絶縁層１０６ｂ上に至る第１電極１１０と、第２ミラー１０４とオーミック接触し、第１絶縁層１０６ａ上に至る第３電極１０９とが形成される（図１４参照）。
まず、第１電極１１０および第３電極１０９を形成する前に、必要に応じて、プラズマ処理法等を用いて、第１コンタクト層１１４の上面（１１４ｘおよび１１４ｙ）、ならびに第１絶縁層１０６ａおよび第２絶縁層１０６ｂの上面を洗浄する。これにより、より安定した特性の素子を形成することができる。
次いで、例えば真空蒸着法により、例えばＰｔ、ＴｉおよびＡｕの積層膜（図示せず）を形成する。次いで、リフトオフ法により、所定の位置以外の積層膜を除去することにより、第１電極１１０および第３電極１０９が形成される。この際、第１コンタクト層１１４のうち第１光通過部１１４ａの上面１１４ｘに、前記積層膜が形成されていない部分が形成される。この部分が出射面１０８となる。なお、前記工程において、リフトオフ法のかわりにドライエッチング法を用いることもできる。また、前記工程においては、第１電極１１０および第３電極１０９を同時にパターニングしているが、第１電極１１０および第３電極１０９を個々に形成してもかまわない。
（９）次に、同様の方法で、例えばＡｕとＧｅの合金とＡｕとの積層膜をパターニングすることで、発光素子部１４０の第１ミラー１０２上に第４電極１０７が形成され、光検出部１２０の第２電極接続部１１２ｂ上に第２電極１１１が形成される（図１参照）。次いで、アニール処理する。アニール処理の温度は電極材料に依存する。本実施形態で用いる電極材料の場合は、通常４００℃前後で行なう。以上の工程により、第２電極１１１および第４電極１０７が形成される（図１参照）。
以上の工程により、図１に示すように、発光素子部１４０および光検出部１２０を含む面発光型発光素子１００が得られる。
４．作用効果
本実施の形態の面発光型発光素子１００は、以下に説明する作用効果１〜３を有する。なお、以下の各作用効果１〜３の説明の欄において、（Ａ）にて、比較例である公知の面発光型発光素子の構造等を説明し、（Ｂ）にて、本実施の形態の面発光型発光素子１００の構造および作用効果について説明する。
（１）作用効果１
（Ａ）公知の面発光型発光素子
図２４は、公知の面発光型発光素子９００を模式的に示す断面図および平面図である。この面発光型発光素子９００は、半導体基板９０１上に設けられた発光素子部９４０と、発光素子部９４０上に設けられた光検出部９２０とを含む。発光素子部９４０は面発光型半導体レーザとして機能する。すなわち、発光素子部９４０において光（レーザ光）が生じる。光検出部９２０は前記光の一部を吸収し、吸収した光を光電流へと変換する。この光電流の値から、発光素子部９４０の光出力を検知することができる。
発光素子部９４０は、ｎ型の第１ミラー９０２、不純物がドーピングされていない活性層９０３、およびｐ型の第２ミラー９０４を含む。これらの層はｎ型の半導体基板９０１上に設けられている。第２ミラー９０４には電流狭窄層９０５が設けられている。また、半導体基板９０１のうち第１ミラー９０２の設置面と反対側の面には、第４電極９０７が設けられている。さらに、第２ミラー９０４上には、第３電極９０９が設けられている。また、第２コンタクト層９１２の上には第２電極９１１が設けられている。第３電極９０９および第２電極９１１はリング状の平面形状を有する。第３電極９０９および第４電極９０７は、活性層９０３に電流を注入するために設けられている。また、第１電極９１０および第２電極９１１は光検出部９２０を駆動させるために設けられている。
光検出部９２０は発光素子部９４０上に設けられ、ｐ型の第２コンタクト層９１２、不純物がドーピングされていない光吸収層９１３、およびｎ型の第１コンタクト層９１１を含む。また、第１コンタクト層９１４上には第１電極９１０が設けられている。第１電極９１０はリング状の平面形状を有する。光検出部９２０において、光吸収層９１３に吸収された光は光電流へと変換される。
この面発光型発光素子９００においては、光検出部９２０の上面に光の出射面９０８が設けられている。具体的には、リング状の第１電極９１０によって構成された開口部９９０の底面が出射面９０８である。また、この面発光型発光素子９００の発光素子部９４０では、マルチモードのレーザ光が生じる場合について説明する。
この面発光型発光素子９００を駆動させた場合における、発光素子部９４０の駆動電流と、出射面９０８から出射する光の出力（光出力）および光検出部９２０で生じる光電流との関係を図２５に示す。
面発光型発光素子９００を駆動させたときに、光出力が生じる点と光電流が生じる点がほぼ同じである場合、光検出部９２０で発生した光電流は、発光素子部９４０からの光出力を正確に検出しているといえる（図２５の点線参照）。
しかしながら、この面発光型発光素子９００においては、図２５に示すように、第３電極９０９と第４電極９０７との間に所定の電圧を印加すると、発光素子部９４０の駆動電流が増大していき、光出力が生じる前すなわち出射面９０８から光が出射する前に、光検出部９２０に光電流が生じる。すなわち、この場合、光検出部９２０で発生した光電流の値からは、発光素子部９４０からの光出力を正確に検出することができないといえる。
このように、光電流の発生時期と光出力の発生時期との間にずれが生じる原因を以下に説明する。図２６（ａ）は、図２４に示す面発光型発光素子９００の光検出部９２０の一部を拡大して模式的に示す断面図である。
図２６（ａ）には、光検出部９２０のうち、光吸収層９１３、第１コンタクト層９１４、および第１電極９１０が示されている。なお、図２６（ａ）には、発光素子部９４０の活性層９０３で発生した後、光吸収層９１３に入射したレーザ光の強度分布を示す線が示されており、一点破線で示されているのはシングルモードの光の強度分布であり、実線で示されているのはマルチモードの光の強度分布である。一般に、面発光型半導体レーザにて発生するレーザ光がシングルモードまたはマルチモードを有するかは、電流狭窄層の径の大きさに影響される。
光吸収層９１３では、発光素子部９４０で生じたレーザ光の一部が吸収され、残りは光吸収層９１３を通過して第１コンタクト層９１４へと入射する。しかしながら、図２６（ａ）に示すように、第１コンタクト層９１４の上には第１電極９１０が設けられている。このため、第１コンタクト層９１４のうち上部に第１電極９１０が存在する領域（図２６（ａ）の点線より外側の領域）では、光吸収層９１３を通過して第１コンタクト層９１４に入射した光が、第１電極９１０と第１コンタクト層９１４との界面によって反射される。したがって、この領域では、光吸収層９１３を通過して第１コンタクト層９１４に入射した光が出射面９０８から出射するのが困難である。
図２５に示す駆動電流と光出力および光電流との関係は、この面発光型発光素子９００の発光素子部９４０において、マルチモードのレーザ光が生じる場合である。したがって、図２６（ａ）に示すように、まず、第１コンタクト層９１４のうち第１電極９１０の下に位置する領域に入射した光により光電流が発生するため、光出力が生じる前に光電流が発生すると考えられる。
（Ｂ）本実施の形態の面発光型発光素子
これに対して、本実施の形態の面発光型発光素子１００によれば、図２６（ｂ）に示すように、第１コンタクト層１１４が第１光通過部１１４ａと、第１光通過部１１４ａから延出する第１電極接続部１１４ｂを含み、第１コンタクト層１１４のうち第１電極接続部１１４ｂ上にのみ、第１電極１１０が設けられている。
図２６（ｂ）は、図１に示す面発光型発光素子１００の光検出部１２０の一部を拡大して模式的に示す断面図である。図２６（ｂ）に示すように、第１光通過部１１４ａ上には第１電極１１０が設けられていない。すなわち、第１電極１１０は、第１光通過部１１４ａの上面１１４ｘから排除されている。この構成によれば、光吸収層１１３を通過して第１光通過部１１４ａに入射した光の大部分を第１光通過部１１４ａの上面１１４ｘ（出射面１０８）から出射させることができる。光検出部１２０を流れる光電流と、出射面１０８から出射する光の出力との間に相関性が生じる。これにより、出射面１０８からの出射光の出力を正確に検出することができる。
（２）作用効果２
（Ａ）面発光型半導体レーザは、駆動電流の大きさによって、発生するレーザ光の強度分布が変化する特性を有することが明らかになっている（IEEE Journal Of Quantum Electronics, Vol.38, No.2, February 2002）。面発光型半導体レーザにて発生するレーザ光がシングルモードである場合（図２６（ａ）で一点破線で示した波形参照）、発生するレーザ光の強度分布の変化が小さいため、駆動電流の変化に対して、発生するレーザ光の強度分布の変化は比較的少ない。このため、図２４に示す面発光型発光素子９００において、発生するレーザ光がシングルモードである場合、第１コンタクト層９１４に入射した全光量に対する、出射面９０８から出射する光の割合は、駆動電流の変化によって著しく変化することはない。
これに対して、面発光型半導体レーザにて発生するレーザ光がマルチモードである場合（図２６（ａ）で実線で示した波形参照）、発生するレーザ光の強度分布の変化が大きいため、駆動電流の変化に対して、発生するレーザ光の強度分布が大きく変化する。
したがって、面発光型発光素子９００において、発生するレーザ光がマルチモードである場合、第１コンタクト層９１４に入射した全光量に対する、出射面９０８から出射する光の割合は、駆動電流の変化によって大きく変化する。このため、第１コンタクト層９１４に入射した全光量に対して、第１電極９１０によって反射され出射面９０８から出射できない光の割合も大きく変化する。
すなわち、発生するレーザ光がマルチモードである場合、駆動電流の変化に対して、発生するレーザ光の強度分布が大きく変化するため、図２６（ａ）において、領域Ａに存在する光と領域Ｂに存在する光との割合が大きく変化する。その結果、光検出部９２０で発生した光電流と、出射面９０８から出射する光の出力との間の相関性が小さくなる。これにより、光検出部９２０によって、発光素子部９４０の出射光の出力を正確にモニタすることが困難である。
（Ｂ）これに対して、本実施の形態の面発光型発光素子１００によれば、第１コンタクト層１１４のうち第１電極接続部１１４ｂ上にのみ、第１電極１１０が設けられているため、光吸収層１１３を通過して第１光通過部１１４ａに入射した光の大部分を出射面１０８から出射させることができる。このため、発光素子部１４０で生じた光がマルチモードを有する場合であっても、光の強度分布の変化によって、出射面１０８から出射する光の割合が変化するのを防止することができる。その結果、光電流と光出力との相関性を維持することができる。
なお、本実施の形態の面発光型発光素子１００において、シングルモードの光を生じる場合およびマルチモードの光を生じる場合のいずれにおいても上記作用効果を奏することができるが、特にマルチモードの光を生じる場合には、上記課題を解決することができる。
一般に、マルチモードの光を生じる面発光型半導体レーザは、マルチモード光ファイバに結合されることが多い。マルチモードの出射光とマルチモード光ファイバとの結合は、シングルモードの出射光とシングルモード光ファイバとの結合と比較して、位置合わせが容易である。このため、小型化および低価格化が必要な、比較的短距離の光通信に適している。
（３）作用効果３
（Ａ）図２４に示す面発光型発光素子９００においては、第３電極９０９が発光素子部９４０上に設けられ、かつリング状の形状を有する。光検出部９２０は第３電極９０９の内側に設けられている。したがって、発光素子部９４０は光検出部９２０よりも直径が大きい。
ところで、酸化によって電流狭窄層９０５を発光素子部９４０に形成する場合、発光素子部９４０の径が大きくなると、酸化によって発光素子部９４０内に電流狭窄層９０５を形成する場合、一般に、電流狭窄層の径を制御することが難しくなる。
（Ｂ）これに対して、本実施の形態の面発光型発光素子１００においては、第３電極１０９は第２コンタクト層１１２を部分的に取り囲むように設けられ、第１電極１１０および第２電極１１１は、第３電極１０９によって部分的に取り囲まれた領域Ｘ１ならびに領域Ｘ１の鉛直上方の領域Ｘ２内から排除されている（図４参照）。これにより、第３電極１０９の内側に光検出部１２０を形成する必要がない。このため、光検出部１２０の径の大きさと発光素子部１４０の径の大きさとの差を小さくすることができる。したがって、発光素子部１４０の径を小さくすることが可能であり、この場合、電流狭窄層１０５の径をより容易に制御することができる。
［第２の実施の形態］
１．面発光型発光素子の構造
図１５は、本発明を適用した第２の実施の形態に係る面発光型発光素子２００を模式的に示す断面図である。図１６は、図１５に示す第２コンタクト層２１２を拡大して模式的に示す平面図および断面図である。図１７は、図１５に示す第２コンタクト層２１２および第２電極２１１を拡大して模式的に示す平面図および断面図である。なお、本実施の形態においては、第１の実施の形態と同様に、面発光型発光素子として面発光型半導体レーザを用いた場合について説明する。
本実施の形態に係る面発光型発光素子２００は、第２コンタクト層２１２の第２電極接続部２１２ｂと、第２電極２１１とがそれぞれ複数設けられている点以外は、第１の実施の形態に係る面発光型発光素子１００とほぼ同様の構造を有する。このため、第１の実施の形態に係る面発光型発光素子１００と実質的に同じ構成要素には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
図１５〜図１７に示すように、本実施の形態の面発光型発光素子１００の光検出部２２０においては、第２コンタクト層２１２の第２電極接続部２１２ｂが複数設けられている。また、第２電極接続部２１２ｂの上には、それぞれ第２電極２１１が設けられている。さらに、第２電極２１１の一部は第３電極１０９上に設けられている。
第２電極接続部２１２ｂおよび第２電極２１１はそれぞれ、第１の実施の形態の第１電極接続部１１２ｂおよび第２電極１１１と同じ材質からなることができる。各第２電極接続部２１２ｂは、図１５に示すように、第１コンタクト層１１４の第１電極接続部１１４ｂとは平面的に重ならない位置に設けられている。
２．面発光型発光素子の動作
本実施の形態の面発光型発光素子２００の動作は、第１の実施の形態の面発光型発光素子１００と基本的に同様であるため、詳しい説明は省略する。
３．面発光型発光素子の製造方法
本実施の形態に係る面発光型発光素子２００の製造方法では、第２コンタクト層２１２をパターニングする工程で、所定の平面形状を有するレジスト層Ｒ６をマスクとしてパターニングすることにより、複数の第２電極接続部２１２ｂを設けた後（図１８参照）、各第２電極接続部２１２ｂ上に第２電極２１１を設ける。上記の点以外は、前述した第１の実施形態に係る面発光型発光素子１００の製造工程（図５〜図１４参照）と同様である。このため、詳しい説明は省略する。
４．作用効果
本実施の形態に係る面発光型発光素子２００は、第１の実施の形態に係る面発光型発光素子１００と実質的に同じ作用および効果を有する。さらに、本実施の形態に係る面発光型発光素子２００においては、第２コンタクト層２１２の第２電極接続部２１２ｂおよび第２電極２１１が複数設けられているため、第２コンタクト層２１２によって効果的に均一な電界を形成することができる。これにより、光検出部１２０をより高速に駆動させることができる。なお、本実施の形態の面発光型発光素子２００の第２コンタクト層２１２および第２電極２１１を、後述する第３の実施の形態の面発光型発光素子に適用してもよい。
［第３の実施の形態］
１．面発光型発光素子の構造
図１９は、本発明を適用した第３の実施の形態に係る面発光型発光素子３００を模式的に示す断面図である。なお、本実施の形態においては、第１および第２の実施の形態と同様に、面発光型発光素子として面発光型半導体レーザを用いた場合について説明する。
本実施の形態に係る面発光型発光素子３００は、光検出部３２０において、ｐ型ＧａＡｓからなる第２コンタクト層３１２と、ｎ型ＧａＡｓからなる第１コンタクト層３１４とを含む点、第２コンタクト層３１２に第２電極接続部が設けられていない点、ならびに第３電極１０９が第２電極としても機能する点で、第１の実施の形態の面発光型発光素子１００と異なる構成を有する。上記の点以外は、第１の実施の形態に係る面発光型発光素子１００とほぼ同様の構造を有する。このため、第１の実施の形態に係る面発光型発光素子１００と実質的に同じ構成要素には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
本実施の形態の面発光型発光素子３００の光検出部３２０においては、ｐ型ＧａＡｓからなる第２コンタクト層３１２と、不純物がドーピングされていない光吸収層１１３と、ｎ型ＧａＡｓからなる第１コンタクト層３１４とが順に積層されている。この光検出部３２０では、第２コンタクト層３１２、光吸収層１１３、および第１コンタクト層３１４は同じ平面形状を有する。また、発光素子部１４０の第３電極１０９が、光検出部３２０を駆動させるための第２電極としても機能する。すなわち、発光素子部１４０および光検出部３２０が第３電極１０９を共有している。
また、発光素子部１４０においては、ｎ型の第１ミラー１０２、活性層１０３、およびｐ型の第２ミラー１０４が順に積層されている。また、ｐ型の第２ミラー１０４の上には、光検出部３２０のｐ型の第２コンタクト層３１２が設けられている。したがって、発光素子部１４０および光検出部３２０は、ｎ型の第１ミラー１０２、ｐ型の第２ミラー１０４、ｐ型第２コンタクト層３１２、およびｎ型第１コンタクト層３１４により、全体としてｎｐｎ構造をなしている。この場合、各層のｎ型とｐ型とを入れ替えることにより、全体としてｐｎｐ構造を有する面発光型発光素子を形成することもできる。
２．面発光型発光素子の動作
本実施の形態の面発光型発光素子３００においては、光検出部３２０において、ダイオードの積層構造が第１の実施の形態の面発光型発光素子１００と逆である。このため、本実施の形態の面発光型発光素子３００の動作は、第１の実施の形態の面発光型発光素子１００の動作と比較して、光検出部３２０において、光吸収層１１３にて光が吸収されることにより生じた電荷が移動する方向と、光電流が流れる方向とが反対である。上記の点以外の動作は、第１の実施の形態の面発光型発光素子１００と基本的に同様であるため、詳しい説明は省略する。
３．面発光型発光素子の製造方法
本実施の形態に係る面発光型発光素子３００の製造工程では、図２０に示すように、第１コンタクト層１１４および光吸収層１１３をパターニングした後に、第２コンタクト層３１２を別途パターニングする工程を省略できる。また、第３電極１０９が第２電極の機能を兼ねるため、電極形成時に第２電極を形成する必要がない。上記の点以外は、前述した第１の実施形態に係る面発光型発光素子１００の製造工程（図５〜図１４参照）と同様である。このため、詳しい説明は省略する。
４．作用効果
本実施の形態に係る面発光型発光素子３００およびその製造方法は、第１の実施の形態に係る面発光型発光素子１００およびその製造方法と実質的に同じ作用および効果を有する。
さらに、本実施の形態に係る面発光型発光素子３００によれば、第２コンタクト層３１２を別途パターニングする工程が不要であるため、より短工程にて面発光型発光素子３００を製造することができる。加えて、本実施の形態に係る面発光型発光素子３００によれば、発光素子部１４０および光検出部３２０が第３電極１０９を共有しているため、光検出部３２０を駆動させるための第２電極を別途形成する必要がない。これにより、製造工程の短縮化を図ることができる。
［第４の実施の形態］
図２１は、本発明を適用した第４の実施の形態の光モジュールを模式的に示す図である。この光モジュールは、第１の実施の形態の面発光型発光素子１００（図１参照）と、半導体チップ２０と、光ファイバ３０とを含む。なお、本実施の形態の光モジュールにおいて、第１の実施の形態の面発光型発光素子１００のかわりに、第２の実施の形態の面発光型発光素子２００または第３の実施の形態の面発光型発光素子３００を用いた場合でも、同様の作用および効果を奏することができる。このことは、後述する第５および第６の実施形態においても同様である。
１．光モジュールの構造
面発光型発光素子１００は、光ファイバ３０の端面３０ａから出射される光を吸収する。この面発光型発光素子１００は、光ファイバ３０の端面３０ａとの相対的な位置が固定された状態となっている。具体的には、面発光型発光素子１００の出射面１０８が光ファイバ３０の端面３０ａと対向している。
半導体チップ２０は、面発光型発光素子１００を駆動するために設置されている。すなわち、半導体チップ２０には、面発光型発光素子１００を駆動するための回路が内蔵されている。半導体チップ２０には、内部の回路に電気的に接続された複数の電極（またはパッド）２２が形成されている。電極２２が形成された面に、少なくとも一つの電極２２と電気的に接続した配線パターン２４，６４が形成されることが好ましい。
半導体チップ２０と面発光型発光素子１００とは電気的に接続されている。例えば、配線パターン１４と、半導体チップ２０上に形成された配線パターン２４とがハンダ２６を介して電気的に接続されている。この配線パターン１４は、面発光型発光素子１００の第３電極１０９（図２１では図示せず）と電気的に接続されている。また、配線パターン３４と、半導体チップ２０上に形成された配線パターン６４とがハンダ２６を介して電気的に接続されている。この配線パターン３４は、面発光型発光素子１００の第４電極１０７（図２１では図示せず）と電気的に接続されている。
面発光型発光素子１００は、半導体チップ２０に対してフェースダウン実装させることができる。こうすることで、ハンダ２６によって、電気的な接続を行えるのみならず、面発光型発光素子１００と半導体チップ２０とを固定することができる。なお、配線パターン１４と配線パターン２４との接続、ならびに配線パターン３４と配線パターン６４との接続には、ワイヤを使用したり、導電ペーストを用いてもよい。
面発光型発光素子１００と半導体チップ２０との間に、アンダーフィル材４０を設けてもよい。アンダーフィル材４０が面発光型発光素子１００の出射面１０８を覆うときには、アンダーフィル材４０は透明であることが好ましい。アンダーフィル材４０は、面発光型発光素子１００と半導体チップ２０との電気的な接続部分を覆って保護するとともに、面発光型発光素子１００および半導体チップ２０の表面も保護する。さらに、アンダーフィル材４０は、面発光型発光素子１００および半導体チップ２０の接合状態を保持する。
半導体チップ２０には、穴（例えば貫通穴）２８が形成されていてもよい。穴２８には光ファイバ３０が挿入される。穴２８は、内部の回路を避けて、電極２２が形成された面からその反対側の面に至るまで形成されている。穴２８の少なくとも一方の開口端部には、テーパ２９が形成されていることが好ましい。テーパ２９を形成することで、穴２８に光ファイバ３０を挿入しやすくなる。
半導体チップ２０は、基板４２に取り付けられていてもよい。詳しくは、半導体チップ２０は、接着剤４４を介して基板４２に貼り付けられていてもよい。基板４２には、穴４６が形成されている。穴４６は、半導体チップ２０の穴２８と連通する位置に形成されている。半導体チップ２０と基板４２とを接着する接着剤４４は、２つの穴２８、４６の連通を妨げないように、これらを塞がないように設けられる。基板４２の穴４６は、半導体チップ２０とは反対側の方向に内径が大きくなるように、テーパが付された形状になっている。これにより、光ファイバ３０を挿入しやすくなっている。
基板４２は、樹脂、ガラスまたはセラミックなどの絶縁性を有する材料から形成されてもよいが、金属などの導電性を有する材料から形成されてもよい。基板４２が導電性の材料からなるときには、少なくとも半導体チップ２０が取り付けられる面に絶縁膜４３を形成することが好ましい。なお、以下の実施の形態でも、基板４２として同様の材料を用いることができる。
また、基板４２は、高い熱伝導性を有することが好ましい。これによれば、基板４２が、面発光型発光素子１００および半導体チップ２０の少なくとも一方の熱の発散を促進する。この場合、基板４２はヒートシンクまたはヒートスプレッダである。本実施の形態では、半導体チップ２０が基板４２に接着されているので、直接的には半導体チップ２０を冷却することができる。なお、半導体チップ２０と基板４２とを接着する接着剤４４は、熱伝導性を有することが好ましい。さらに、半導体チップ２０が冷却されるので、半導体チップ２０に接合された面発光型発光素子１００も冷却される。
基板４２には、配線パターン４８が設けられている。また、基板４２には、外部端子５０が設けられている。本実施の形態では、外部端子５０はリードである。基板４２に形成された配線パターン４８は、例えばワイヤ５２を介して、半導体チップ２０の電極２２、ならびに半導体チップ２０上に形成された配線パターン２４，６４のうち少なくとも１つと電気的に接続される。また、配線パターン４８は、外部端子５０と電気的に接続されてもよい。
光ファイバ３０は、半導体チップ２０の穴２８に挿入されている。また、光ファイバ３０は、基板４２の穴４６にも挿通されている。穴４６は、半導体チップ２０の穴２８に向けて徐々に内径が小さくなっており、半導体チップ２０とは反対側の面では、穴４６の開口の内径は、光ファイバ３０よりも大きくなっている。光ファイバ３０と穴４６の内面との間の隙間は、樹脂などの充填材５４で埋めることが好ましい。充填材５４は、光ファイバ３０を固定して抜け止めを図る機能も有する。
この光ファイバ３０はシングルモードファイバであってもよいし、マルチモードファイバであってもよい。面発光型発光素子１００がマルチモードの光を出射する場合、光ファイバ３０としてマルチモードファイバを使用することにより、面発光型発光素子１００からの出射光を光ファイバ３０に確実に導入することができる。
また、本実施の形態の光モジュールにおいては、面発光型発光素子１００および半導体チップ２０が樹脂５６で封止されている。樹脂５６は、面発光型発光素子１００と半導体チップ２０との電気的な接続部分や、半導体チップ２０と基板４２に形成された配線パターン４８との電気的な接続部分も封止する。
［第５の実施の形態］
図２２は、本発明を適用した第５の実施の形態の光伝達装置を示す図である。光伝達装置９０は、コンピュータ、ディスプレイ、記憶装置、プリンタ等の電子機器９２を相互に接続するものである。電子機器９２は、情報通信機器であってもよい。光伝達装置９０は、ケーブル９４の両端にプラグ９６が設けられたものであってもよい。ケーブル９４は、光ファイバ３０（図２１参照）を含む。プラグ９６は、面発光型発光素子１００および半導体チップ２０を内蔵する。なお、光ファイバ３０はケーブル９４に内蔵され、面発光型発光素子１００および半導体チップ２０はプラグ９６に内蔵されているため、図２２には図示されていない。光ファイバ３０と面発光型発光素子１００との取り付け状態は、第４の実施の形態にて説明した通りである。
光ファイバ３０の一方の端部には、第１の実施の形態の面発光型発光素子１００が設けられており、光ファイバ３０の他方の端部には、受光素子（図示せず）が設けられている。この受光素子は入力された光信号を電気信号に変換した後、この電気信号を一方の電子機器９２に入力する。一方、電子機器９２から出力された電気信号は、面発光型発光素子１００によって光信号に変換される。この光信号は光ファイバ３０を伝わり、受光素子に入力される。
以上説明したように、本実施の形態の光伝達装置９０によれば、光信号によって、電子機器９２間の情報伝達を行うことができる。
［第６の実施の形態］
図２３は、本発明を適用した第６の実施の形態の光伝達装置の使用形態を示す図である。光伝達装置９０は、電子機器８０間に接続されている。電子機器８０として、液晶表示モニタまたはディジタル対応のＣＲＴ（金融、通信販売、医療、教育の分野で使用されることがある。）、液晶プロジェクタ、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、ディジタルＴＶ、小売店のレジ（ＰＯＳ（Point of Sale Scanning）用）、ビデオ、チューナー、ゲーム装置、プリンタ等が挙げられる。
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および結果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
例えば、上記実施の形態では、柱状部を一つ有する面発光型発光素子について説明したが、基板面内で柱状部が複数個設けられていても本発明の形態は損なわれない。また、複数の面発光型発光素子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有する。
また、例えば、上記実施の形態において、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。上記実施の形態では、ＡｌＧａＡｓ系のものについて説明したが、発振波長に応じてその他の材料系、例えば、ＧａＩｎＰ系、ＺｎＳＳｅ系、ＩｎＧａＮ系、ＡｌＧａＮ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮＡｓ系、ＧａＡｓＳｂ系の半導体材料を用いることも可能である。
本発明の第１の実施の形態の面発光型発光素子を模式的に示す平面図および断面図である。 図１に示す第２コンタクト層を拡大して模式的に示す平面図および断面図である。 図１に示す第１コンタクト層を拡大して模式的に示す平面図および断面図である。 図１に示す第１〜第４電極を拡大して模式的に示す平面図および断面図である。 図１に示す面発光型発光素子の一製造工程を模式的に示す平面図および断面図である。 図１に示す面発光型発光素子の一製造工程を模式的に示す平面図および断面図である。 図１に示す面発光型発光素子の一製造工程を模式的に示す平面図および断面図である。 図１に示す面発光型発光素子の一製造工程を模式的に示す平面図および断面図である。 図１に示す面発光型発光素子の一製造工程を模式的に示す平面図および断面図である。 図１に示す面発光型発光素子の一製造工程を模式的に示す平面図および断面図である。 図１に示す面発光型発光素子の一製造工程を模式的に示す平面図および断面図である。 図１に示す面発光型発光素子の一製造工程を模式的に示す平面図および断面図である。 図１に示す面発光型発光素子の一製造工程を模式的に示す平面図および断面図である。 図１に示す面発光型発光素子の一製造工程を模式的に示す平面図および断面図である。 本発明の第２の実施の形態の面発光型発光素子を模式的に示す平面図および断面図である。 図１５に示す第２コンタクト層を拡大して模式的に示す平面図および断面図である。 図１５に示す第２コンタクト層および第２電極を拡大して模式的に示す平面図および断面図である。 図１５に示す面発光型発光素子の一製造工程を模式的に示す平面図および断面図である。 本発明の第３の実施の形態の面発光型発光素子を模式的に示す平面図および断面図である。 図１９に示す面発光型発光素子の一製造工程を模式的に示す平面図および断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る光モジュールを模式的に示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る光伝達装置を模式的に示す図である。 本発明の第６の実施の形態に係る光伝達装置の使用形態を模式的に示す図である。 公知の面発光型発光素子を模式的に示す断面図および平面図である。 図２４に示す公知の面発光型発光素子を駆動させた際の駆動電流と光出力および光電流との関係を模式的に示す図である。 図２６（ａ）は、図２４に示す公知の面発光型発光素子の動作を模式的に示す断面図であり、図２６（ｂ）は図１に示す面発光型発光素子の動作を模式的に示す平面図である。
符号の説明
１４，２４，３４，６４，４８ 配線パターン、 ２０ 半導体チップ、
２２ 電極、 ２６ ハンダ、 ２８，４６ 穴、 ２９ テーパ、 ３０ 光ファイバ、 ３０ａ 光ファイバの端面、 ４０ アンダーフィル材、 ４２ 基板、 ４３ 絶縁膜、 ４４ 接着剤、 ５０ 外部端子、 ５２ ワイヤ、 ５４ 充填材、 ５６ 樹脂、 ８０，９２ 電子機器、 ９０ 光伝達装置、 ９４ ケーブル、 ９６ プラグ、 １００，２００，３００ 面発光型発光素子、 １０１ 半導体基板、 １０１ａ 半導体基板１０１の表面、 １０１ｂ 半導体基板１０１の裏面、 １０２ 第１ミラー、 １０３ 活性層、 １０４ 第２ミラー、 １０４ａ 第２ミラー１０４の上面、 １０５ 電流狭窄層、 １０６ 絶縁層、 １０６ａ 第１絶縁層、 １０６ｂ 第２絶縁層、 １０７ 第４電極、 １０８ 出射面、 １０９ 第３電極、 １１０ 第１電極、 １１１，２１１ 第２電極、 １１２，２１２，３１２ 第２コンタクト層、 １１２ａ，２１２ａ 第２光通過部、 １１２ｂ，２１２ｂ 第２電極接続部、 １１２ｘ 第２光通過部１１２ａの上面、 １１２ｙ 第２電極接続部１１２ｂの上面、 １１３ 光吸収層、 １１４，３１４ 第１コンタクト層、 １１４ａ 第１光通過部、 １１４ｂ 第１電極接続部、 １１４ｘ 第１光通過部１１４ａの上面、 １１４ｙ 第１電極接続部１１４ｂの上面、 １２０，２２０，３２０ 光検出部、 １３０ 柱状部、 １４０ 発光素子部、 １５０ 半導体多層膜、 Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７ レジスト層、 Ｘ，Ｘ１，Ｘ２ 領域

Claims (13)

  1. 半導体基板上に設けられ、該半導体基板と垂直に光を出射する発光素子部と、
    前記発光素子部上に設けられた光検出部と、
    前記光検出部を駆動させる第１電極および第２電極と、を含み、
    前記光検出部は、
    第２コンタクト層と、
    前記第２コンタクト層の上方に設けられた光吸収層と、
    前記光吸収層の上方に設けられた第１コンタクト層と、を含み、
    前記第１コンタクト層は、
    第１光通過部と、
    前記第１光通過部から部分的に突出する少なくとも１つの第１電極接続部と、を含み、
    前記第１電極は、前記第１コンタクト層のうち前記第１電極接続部上に設けられている、面発光型発光素子。
  2. 請求項１において、
    前記第１電極は、前記第１光通過部の上面から排除されている、面発光型発光素子。
  3. 請求項１または２において、
    前記光検出部の上面は前記光の出射面を含み、
    前記出射面の面積は前記第１光通過部の上面の面積とほぼ等しい、面発光型発光素子。
  4. 請求項３において、
    前記出射面は前記第１光通過部の上面である、面発光型発光素子。
  5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
    前記第１電極および前記第２電極は前記光検出部を取り囲んでいない、面発光型発光素子。
  6. 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
    前記第２コンタクト層は、
    第２光通過部と、
    前記第２光通過部から部分的に突出する少なくとも１つの第２電極接続部と、を含み、
    前記第２コンタクト層のうち前記第２電極接続部のみが、前記光検出部を駆動させるための第２電極とオーム性接触している、面発光型発光素子。
  7. 請求項１ないし６のいずれかにおいて、
    前記発光素子部上にはさらに、前記発光素子部を駆動させるための第３電極の少なくとも一部が設けられ、
    前記第３電極は、前記第２コンタクト層を部分的に取り囲むように設けられ、
    前記第１光通過部は円柱状であり、
    前記第３電極の内側面によって擬似円が構成され、
    前記第１および第２電極は、前記第３電極によって部分的に取り囲まれた前記擬似円内の領域ならびに該領域の鉛直上方の領域内から排除されている、面発光型発光素子。
  8. 請求項７において、
    前記擬似円の直径は、前記第１光通過部の断面の直径とほぼ等しい、面発光型発光素子。
  9. 請求項１ないし８のいずれかにおいて、
    前記発光素子部は、面発光型半導体レーザとして機能する、面発光型発光素子。
  10. 請求項１ないし９のいずれかにおいて、
    前記発光素子部および前記光検出部は、全体としてｐｎｐｎ構造またはｎｐｎｐ構造をなす、面発光型発光素子。
  11. 請求項１ないし９のいずれかにおいて、
    前記発光素子部および前記光検出部は、全体としてｎｐｎ構造またはｐｎｐ構造をなす、面発光型発光素子。
  12. 請求項１ないし１１のいずれかに記載の面発光型発光素子と、光導波路とを含む、光モジュール。
  13. 請求項１２に記載の光モジュールを含む、光伝達装置。
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