JP4145612B2 - 光学多層膜及びそれを有する光半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学多層膜及びそれを有する光半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体レーザや光変調器等の光半導体装置は、装置内部の機密性を確保するために、金属やセラミックス等のパッケージで封止されて提供されていた。しかしながら、このような封止方式では高価なパッケージと煩雑な封止工程とが必要となり、これを安価且つ容易に提供することが困難であるという問題が存在した。
【０００３】
そこで、近年では、上記の代替手段として、光半導体装置を樹脂等で封止する方式が提供された。しかしながら、この方式では、樹脂等で封止する前と後とで、光学素子である光半導体装置を覆う媒質の屈折率に差が生じるため、光半導体装置が所望する光学特性を発揮し得ないという問題が存在した。
【０００４】
このような問題を解決する方法としては、例えば以下の特許文献１で例示するような技術が存在する。この従来技術は、単層の反射防止膜が形成された半導体装置を樹脂で封止する構成において、反射防止膜と樹脂との境界面で反射された光を反射防止膜内部を伝播する光で減衰（又はキャンセル）する構成を有することで、光半導体装置の光学特性の劣化を抑制するように構成されている。
【０００５】
一方、反射防止膜等の光学膜の透過率をより向上させるために、これを多層膜で構成することが一般的に知られている（例えば特許文献２参照）。しかしながら、本従来技術では、光半導体装置の光学特性を高く且つ安定化できる技術について検討がなされていない。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−４２１６９号公報
【特許文献２】
特開平７−１１３９０１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、光学特性をより安定化する光学多層膜及びそれを有する光半導体装置を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は、上記の目的を達成し、且つ樹脂等で封止した状態と封止しない状態とで透過率が劣化することが防止された光学多層膜及びそれを有する光半導体装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明による光半導体装置は、請求項１記載のように、フッ化マグネシウムを主成分とする第１層と、酸化窒化チタンを主成分とする第２層と、フッ化マグネシウムを主成分とする第３層とがこの順番で積層された積層構造を持ち、該積層構造の内部に複数の反射面を備えるとともに、該積層構造は光半導体の光出射面に設けられ、前記第２層の厚みは該光半導体の光出射面から出射される光の１／４波長より薄いことを特徴とする。このように、応力の制御性に富む酸化窒化チタンを用いることで、低屈折率光学膜として有用なフッ化マグネシウムの応力を酸化窒化チタンで制御できるため応力が低減された光学多層膜を用いて光半導体装置を製造することが可能となる。更に、本発明では、最低でも３層の多層構造を有することで光学多層膜内部に複数の反射面が形成されるため、高屈折率光学膜である第２層の膜厚を光学距離に換算した１／４波長より薄くした場合でも、反射光の干渉を起こさせることが可能となる。尚、本発明においては酸化窒化チタンあるいはフッ化マグネシウムはそれぞれの元素のみで構成されているという意味に限定されるのではなく、それぞれの元素に微量な他の元素が混在していても、その光学特性あるいは応力が同等であれば、その範疇である。
【００１７】
また、上記の光半導体装置は、好ましくは請求項２記載のように、前記第１層と第２層とが接しているように構成される。このように、酸化窒化チタンとフッ化マグネシウムとは直接接していてもよい。
【００２１】
また、上記の光半導体装置は、例えば請求項３記載のように、前記積層構造は、反射防止膜であるように構成されてもよい。このように本発明は、光学多層膜であれば、反射防止膜においても利用可能である。
【００２２】
また、上記の光半導体装置は、好ましくは請求項４記載のように、前記第２層がイオンアシスト蒸着によって成膜された層である。即ち、酸化窒化チタンを主成分とする膜は、その制御性に富むイオンアシスト蒸着を用いて成膜される。
【００２３】
また、上記の光半導体装置は、例えば請求項５記載のように、少なくともその光出射面が樹脂によって封止されてなるように構成することもできる。このように本発明は、樹脂によって封止された場合であっても、同様に上記の効果を発揮することができる。
【００２４】
また、上記の光半導体装置は、例えば請求項６記載のように、前記第１層は、前記光半導体の光出射面に接して設けられている構成とすることもできる。
【００２５】
本発明はまた、請求項７に記載のように、酸化シリコンを主成分とする第１層と、酸化窒化チタンを主成分とする第２層と、フッ化マグネシウムを主成分とする第３層とがこの順番で積層された積層構造を持ち、該積層構造の内部に複数の反射面を備えるとともに、該積層構造は前記第１の層が光半導体の光出射面に対向するように設けられ、該第２層の厚みは該光半導体の光出射面から出射される光の１／４波長より薄いことを特徴とする光半導体装置である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
〔原理〕
従来技術として存在する２層構造を有する光学多層膜では、その内部に１つしか反射面が存在しない。このため、この反射面では、光学多層膜の外側（空気など）との屈折率差で生じる反射面での反射光としか干渉を起こすことができない。従って、２つの光を干渉させる場合、２層構造の光学多層膜は光学距離に換算した１／４波長の厚みの膜を有することがその設計条件とされるため、これよりも薄い膜を形成しても所望する光学多層膜の機能を得ることが不可能である。
【００２９】
これに対して、本実施形態のように３層以上の積層構造を有する光学多層膜を形成することで、その内部に複数の反射面が形成される。このため、複数ある反射面のいずれか同士に干渉を生じさせられれば、光学多層膜としての機能が実現されるため、各膜の厚みを光学距離に換算した１/４波長より薄くすることが可能となり、酸化窒化チタンによる応力制御性を向上させることが可能となる。
【００３１】
一般的に光学多層膜は、屈折率の異なる材料の組み合わせによって生じる多重反射や干渉を利用して、反射防止特性や高反射特性など、所定の光学特性を実現するものである。このため、光学多層膜を構成する膜には、所定の屈折率差を実現できることが重要であり、一般には屈折率差を大きく出来る材料の組み合わせを必要とする。そこで本発明者は、フッ化マグネシウムが屈折率が低い材料であり、これを光学多層膜の材料として採用すれば、屈折率の高い側の材料との屈折率差が大きく出来ることに着目し、これを採用することを検討した。
【００３２】
しかしながら、本発明者らは、光学多層膜が光半導体に対して大きな応力を印加することは避けなければならないが、このフッ化マグネシウムが製造条件などを制御しても応力自体はさほど変化しない材料であることを見出した。そこで、本発明は、上記のようにフッ化マグネシウムに酸化窒化チタンを組み合わせる構成を有する。
【００３３】
この酸化窒化チタンは、製造条件などによってその応力の制御性に富んでいる。即ち、酸化窒化チタンとフッ化マグネシウムとの組み合わせにより、低屈折率光学膜として有用なフッ化マグネシウムの応力を酸化窒化チタンが制御できるため、応力の低減された光学多層膜が期待できる。
【００３４】
但し、単に酸化窒化チタンとフッ化マグネシウムとの２層構造の光学多層膜を形成する場合には、応力の低減効果は低い。これは、光学多層膜が屈折率の異なる面で生じる反射光同士の干渉によって、所定の光学効果を発揮するためである。このため、２層構造の光学多層膜では、その内部に反射面が１箇所しか存在しなく、干渉を生じさせるために最低でも１／４波長の厚みが必要となる。従って、これ以上薄く構成した場合では干渉を生じさせることが困難である。換言すれば、酸化窒化チタンとフッ化マグネシウムとの２層構造では、各層の厚みを小さくすることができず、酸化窒化チタンの採用によって応力制御が可能になった反面、、フッ化マグネシウムの層の応力制御性に限界が生じてしまう。
【００３５】
そこで本発明では、上記のように、酸化窒化チタンとフッ化マグネシウムとの他にさらに層を追加し、その内部に複数の反射面を形成する。この構成により、光学多層膜の内部に複数の反射面が形成されるため、複数ある反射面の何れかの組み合わせで干渉を生じるように構成すればよい。言い換えれば、光学距離に換算した１／４波長より薄く構成した場合でも、設計により干渉を生じさせることが可能となる。
【００３６】
以下、これを実現する本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。尚、以下の説明において、酸化窒化チタンあるいはフッ化マグネシウムはそれぞれの元素のみで構成されているという意味に限定されるのではなく、それぞれの元素に微量な他の元素が混在していても、その光学特性あるいは応力が同等であれば、その範疇である。
【００３７】
〔第１の実施形態〕
まず、本発明の第１の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本実施形態による光半導体装置１００Ａの概略構成を示す断面図である。尚、図１では半導体チップ１０の光軸に沿った断面図を示す。
【００３８】
図１に示すように、本実施形態では半導体チップ１０の一方の端若しくは両端に多層構造を有する光学多層膜１３が形成されている。個々の光学多層膜１３は、半導体チップ１０に接する第１層１３ａから最外に位置する第３層１３ｃまでの３層構造を有しており、樹脂２００による封止された状態と封止されない状態とで良好な透過特性を発揮するように形成されている。換言すれば、本実施形態による光学多層膜１３は、空気（又は真空）及び樹脂の双方に対して反射防止膜として機能するように構成される。尚、樹脂２００による封止は、出荷時や稼働時に光学多層膜１３及び半導体チップ１０を保護することを目的としており、光半導体装置１００Ａの性能を保証するために有効で且つ安価及び容易な手法である。
【００３９】
このように双方に対して反射防止膜として作用するように設計する方法は、例えば使用する樹脂２００の屈折率に基づいて最外に位置する第３層１３ｃの大まかな条件をまず決定し、次に第１層１３ａ及び第２層１３ｂで構成される多層膜が樹脂２００に対して反射防止膜として作用するように設計し、最後に空気（又は真空）の屈折率に対して光学多層膜１３全体が反射防止膜として作用するように第３層１３ｃを上記の条件内で設計する手順で実現される。尚、樹脂２００としては、例えばエポキシ樹脂等が適用される。
【００４０】
また、この手順に基づいて設計した場合、光学多層膜１３における各層の屈折率は、第２層１３ｂが最も高く、第１層１３ａ及び第３層１３ｃが第２層１３ｂの屈折率よりも低いという関係を有する。
【００４１】
以上の手順に基づいて設計することで、光半導体装置１００Ａの特性（性能）評価の際と、これを実際に使用する際とで同等に反射防止膜として機能する光学多層膜１３が実現され、使用の際の光学特性が仕様と異ならない光半導体装置１００Ａを実現することができる。
【００４２】
また、本発明者らは、応力の異なる層を積層して光学多層膜を形成した場合、半導体チップにストレスが発生し、光半導体装置の光学特性が経時的に劣化することを見いだした。これは、図２（ａ），（ｂ）に示すように、時間に伴い、光半導体装置の動作閾値電流（光半導体装置が動作するための最小の電流）が上昇することからも証明される。尚、図２は、第１層（半導体チップと接する層）を膜厚が５７．０ｎｍ，屈折率が１．３７のＭｇＦ膜で形成し、第３層（最外に位置する層）を膜厚が１００．０ｎｍ，屈折率が１．３７のＭｇＦ膜で形成し、第２層（第１層及び第３層で挟まれた層）を膜厚が１００．０ｎｍ，屈折率が２．２７のＴｉＯ膜で形成した半導体装置に関してスクリーニングを行った結果であり、（ａ）は応力（圧縮ストレス）がかかった状態、（ｂ）は応力のかからない（又は小さい）状態になるように、それぞれ膜を付けて測定した結果である。図（ａ），（ｂ）から明らかなように、応力がかかっている場合、スクリーニングによって特性（閾値）が安定しずらい。
【００４３】
そこで本実施形態による光学多層膜１３は、相反する性質の応力を生じる層が積層された構造を有するように構成する。即ち、本実施形態では、引張と圧縮との応力を配置することで、多層膜全体としてこれを相殺し、半導体チップ１０にストレスが生じることを防止する。例えば、第１層１３ａと第３層１３ｃとの間に、応力調整のための第２層１３ｂを設けることで、半導体チップ１０の端面（光学多層膜１３が形成された面）にストレスが発生することを防止する。これを図１に基づいて説明すると、第１層１３ａ及び第３層１３ｃは例えば性質が圧縮の応力を生じる材料を用いて形成し、これらに挟まれる第２層１３ｂは上記とは逆に性質が引張の応力を生じる材料を用いて形成する。以下、本実施形態による光半導体装置１００Ａの詳細を図面を用いて詳細に説明する。
【００４４】
図３は本実施形態による光半導体装置１００Ａの構成を示す斜視図であり、図４はこの光半導体装置１００Ａの構成を示すＡ−Ａ’断面図である。尚、本実施形態では、半導体装置１００Ａとして分布帰還形レーザ（ＤＦＢレーザ）を例に挙げて説明する。
【００４５】
半導体装置１００Ａは半導体チップ１０と光学多層膜１３とを含んで構成される。半導体チップ１０は、図３及び図４に示すように、回折格子２が形成された半導体基板１上に、ｎ型クラッド層３と活性層４とｐ型クラッド層５とｐ型層６とコンタクト層７とが、メサ状に形成された構成を有する。活性層４は例えばＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）等で形成される。また、メサ構造以外の領域には、半絶縁性埋め込みヘテロ領域９が形成される。
【００４６】
この層構造における上部と下部にはそれぞれ上部電極１１と下部電極１２とが形成される。尚、コンタクト層７上の上部電極１１以外の領域にはキャップ層８が形成される。
【００４７】
以上の構成は、例えば半導体基板１への選択エピタキシャル成長や、選択エッチングやメサ埋め込み成長や基板研磨や電極堆積やパターニングやへき開等の方法を用いて形成することが可能である。
【００４８】
このような構成を有する半導体チップ１０の両端には、それぞれ反射防止膜として機能する光学多層膜１３が形成される。この光学多層膜１３は３層（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）の構造を有しており、中央の層１３ｂがこれを挟む２つの層（１３ａ，１３ｃ）と異なる性質の応力を発生する材料で形成されている。即ち、本実施形態による光学多層膜１３は、材質や製法によって生じる密着性、結晶構造で、それぞれの膜が隣接する材料との間で発生する応力が相互に相殺される構成を有する。これにより、半導体チップ１０の端面にストレスが生じることを防止し、安定した光学特性を得られる構成となる。
【００４９】
光学多層膜１３において、中央に位置する第２層１３ｂは、例えば酸化窒化チタン（ＴｉＯＮ）で形成される。このＴｉＯＮは引張の応力を発生する材料である。従って、これを挟む層（第１層１３ａ，第３層１３ｃ）は、第２層１３ｂと逆の性質である圧縮の応力を発生する材料で形成される。この材料としては、例えばフッ化マグネシウム（ＭｇＦ）が存在する。但し、この他にも例えばフッ化シリコン（ＳｉＦ）等を用いてもよい。尚、本実施形態において、各材料の組成比は限定されないため、これを省略して説明する。
【００５０】
また、光学多層膜１３における各層は、上述にもあるように、それぞれの条件で反射防止膜として機能するように設計されている。以下、この設計手順も含め、光半導体装置１００Ａの製造方法について図面を用いて詳細に説明する。但し、本実施形態では、半導体チップ１０として上記したＤＦＢレーザに限定されず、如何なる光半導体素子を使用してもよいため、以下の説明では半導体チップ１０の製造方法を省略する。
【００５１】
図５は、本実施形態による光半導体装置１００Ａの製造プロセスを示す断面図である。尚、図５では、上記と同様にＡ−Ａ’断面図を用いる。
【００５２】
本製造プロセスでは、まず、完成後の光半導体装置１００Ａを封止するための樹脂２００の屈折率に基づいて、第３層１３ｃの条件（材料，膜厚，成膜方法等）を大まかに決定する。即ち、樹脂２００と同程度の屈折率を有し、第３層１３ｃの外側（半導体チップ１０と反対側）の面で反射された光が第３層１３ｃを伝播する光で減衰（又はキャンセル）される膜厚を有するような第３層１３ｃが形成される条件を大まかに決定する。
【００５３】
次に、第１層１３ａ及び第２層１３ｂからなる多層膜が樹脂２００に対して反射防止膜として作用するように、第１層１３ａ及び第２層１３ｂを設計する。これは、樹脂２００の屈折率に基づいて、第１層１３ａ，第２層１３ｂの材料や膜厚や成膜方法を決定することで行われる。
【００５４】
その後、第１層１３ａ，第２層１３ｂ及び第３層１３ｃより成る光学多層膜１３が特性評価の際の条件（大気や真空）下で反射防止膜として作用するように、第３層１３ｃを設計する。これは、上記で決定した条件と、第１層１３ａ及び第２層１３ｂの構成とを考慮して行われる。
【００５５】
このように、光学多層膜１３の構成を設計すると、次に、図５（ａ）に示すように、製造した半導体チップ１０に対して上記の光学多層膜１３を形成する。この過程では、まず、半導体チップ１０における所定の面上に第１層１３ａを成膜する。これは蒸着法やエピタキシャル成長法等、如何なる方法を用いも良い。本実施形態では第１層１３ａを膜厚が６２．０ｎｍのＭｇＦ膜で形成する。また、この際、第１層１３ａの屈折率が１．３７となるように形成する。
【００５６】
次に、図５（ｂ）に示すように、形成した第１層１３ａ上に第２層１３ｂを成膜する。但し、この成膜には、第１層１３ａとの密着性やストレスを鑑みてイオンアシスト蒸着法を用いる。図６にイオンアシスト蒸着するための装置構成を示す。但し、本実施形態では、第２層１３ｂとして膜厚が７０．０ｎｍのＴｉＯＮ膜を形成する場合について説明する。また、この最、第２層１３ｂの屈折率が２．４８となるように形成する。
【００５７】
図６を参照すると、イオンアシスト蒸着装置は、装置室５１の上側に半導体チップ１０を装着する回転ドーム５２が回転部５２ａにより回転可能に取り付けられている。また、蒸着室５１の下側の一方の角には、原料物質収納用のカートリッジ式ハース５３が回転ドーム５２の基板装着面に対向して取り付けられている。また、カートリッジ式ハース５３内の原料に電子を照射するための電子ガン５４が設けられている。
【００５８】
更に、蒸着室５１の下側の別の隅には、カウフマン型のイオンガン５６（直径８０ｍｍ、ドーム中心まで１１００ｍｍ）が回転ドーム５２の基板装着面に対向して取り付けられている。このイオンガン５６は、イオン化ガス導入口５７から導入されたガスを内部にあるフィラメントから放出される熱電子によりイオン化し、イオン加速電極５８の印加電圧によって回転ドーム５２に向けて放出する。
【００５９】
また、蒸着室５１の側壁のうちイオンガン５６と回転ドーム５２との間の領域には、ガス導入口５９が設けられている。このガス導入口５９から導入されるガスは、自動圧力調整器６０により流量が調整される。また、蒸着室５１のうちガス導入口５９と反対側の側壁には排気口６１が形成され、その近傍には水晶振動子式蒸着速度モニタ６２が取り付けられている。
【００６０】
回転ドーム５２の中央の上には、反射光によって膜厚をモニタする第１の光電式膜厚モニタ６３が設けられている。この第１の光電式膜厚モニタ６３は、回転ドーム５２の中央にあるモニタ用ガラス基板６４の表面に形成された膜の膜厚をモニタする。また、第１の光電式膜厚モニタ６３に対向し且つイオンガン５６と電子ガン５４との間の位置には、第２の光電式膜厚モニタ６５が取り付けられている。この第２の光電式膜厚モニタ６５は、モニタ用ガラス基板６４表面の膜の膜厚を透過光によって測定する。
【００６１】
このようなイオンアシスト蒸着装置を用いてＴｉＯＮ膜を形成するにあたり、まず、モニタ用ガラス基板６４の周囲の回転ドーム５２の下面に、第１層１３ａが形成された半導体チップ１０を装着し、また、原材料であるＴｉ３Ｏ５を充填したカートリッジ式ハース５３を蒸着室５１内に装着する。次に、排気口６１から蒸着室５１内のガスを排気する。更に、イオン化ガス導入口５７を通してイオンガン５６内に酸素（Ｏ２）ガスを供給し、イオン加速電極５８に１ｋＶの電圧を印加してイオンガン５６内に２０ｍＡのイオン電流を流す。これにより、酸素がイオン化されて蒸着室５１内に放出される。
【００６２】
また、ガス導入口５９を通して窒素（Ｎ２）ガスを蒸着室５１内に導入する。このとき、ガス導入口５９から導入されるガスの流量が自動圧力調整器６０により所定の流量に調整される。また、電子ガン５４から放出される電子ビームは、磁界によって軌跡が１８０度変えられ、カートリッジ式ハース５３内のＴｉ３Ｏ５に照射される。これにより、蒸気化されたＴｉ３Ｏ５が、開かれたシャッタ５５を介して回転ドーム５２の下面へ放出される。
【００６３】
この際、電子ガン５４内の電極に例えば６．０ｋＶの電圧を印加する。このように蒸気化された酸化チタンとイオン化された酸素及び窒素とを、回転ドーム５２の下の半導体チップ１０とその側方のモニタ用ガラス基板６４とのそれぞれに供給することで、ＴｉＯＮ膜が０．０３〜０．０８ｎｍ／ｓの蒸着速度で成膜される。尚、蒸着速度は電子ガン５４に流す電流量によって調整できる。
【００６４】
また、ＴｉＯＮ膜の成長度合いは、回転ドーム５２側の第１の光電式厚膜モニタ６３により検出される。第１の光電式厚膜モニタ６３は光源と光検出器とを有し、モニタ用ガラス基板６４又はその表面に堆積したＴｉＯＮ膜で反射された光源からの光を計測することでＴｉＯＮの膜厚を測定する。
【００６５】
また、ＴｉＯＮ膜の膜厚は、第２の光電式厚膜モニタ６５によっても検出される。更に、カートリッジ式ハース５３から蒸気化された物質の一部は、水晶振動式蒸着速度モニタ６２内の水晶板の上に堆積する。従って、水晶振動式蒸着速度モニタ６２は、その堆積量の増加によって生じる水晶板の振動数の変動に基づいて蒸着速度を測定する。
【００６６】
このように第２層１３ｂまでを成膜すると、図５（ｃ）に示すように、成膜した第２層１３ｂ上に第３層を成膜する。これは蒸着法やエピタキシャル成長法等、如何なる方法を用いも良い。本実施形態では第３層１３ｃを膜厚が１００．０ｎｍのＭｇＦ膜で形成する。また、この際、第３層１３ｃの屈折率は１．３７となるように形成する。
【００６７】
以上のように設計、製造した光半導体装置１００Ａに関する動作閾値電流の経時的変化を図７に示す。図７に示すように、本実施形態により、時間経過に対する光半導体装置１００Ａの動作閾値電流を安定化すること可能となる。即ち、本実施形態の構成を有することで、半導体チップ１０の端面にストレスが生じることが防止され、光半導体装置１００Ａの光学特性が安定化された。これは、図２（ａ）に示すグラフと比較すると容易に理解できる。
【００６８】
以上のように、本実施形態によれば、特性（性能）評価の際と、これを実際に使用する際とで同等に反射防止膜として機能する光学多層膜１３が実現され、使用の際の光学特性が仕様と異ならない光半導体装置１００Ａを実現することができる。更に、引張と圧縮との応力を混在して配置することで、半導体チップ１０にストレスが生じることを防止し、光半導体装置１００Ａの特性を安定化することが可能となる。尚、この効果は、樹脂２００で光半導体装置１００Ａを封止した際により顕著に現れる。
【００６９】
また、本実施形態において、半導体チップ１０には上記したＤＦＢレーザに限らず、例えばファブリ・ペロー型レーザや面発光レーザや発光ダイオードや光変調器等、種々の光半導体素子を適用することが可能である。
【００７０】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。第１の実施形態では、半導体チップ１０と接する第１層１３ａをＭｇＦで形成していた。しかしながら、本発明者らは、第１層１３ａにＭｇＦ膜を適用した場合、図８に示すように、このＭｇＦ膜（第１層１３ａのみ）に１μｍ角程度の亀裂が生じる可能性が存在することを見いだした。
【００７１】
そこで、本実施形態では、このような不具合を解消するために、第１層１３ａを例えば酸化シリコン（ＳｉＯ）で形成する。これにより、亀裂が生じない光学多層膜１３が形成され、光半導体装置１００Ａの光学特性を安定化することができる。
【００７２】
尚、ＳｉＯを用いた第１層１３ａの形成は、例えば蒸着法やエピタキシャル成長法等、如何なる方法を用いも良い。本実施形態では第１層１３ａを膜厚が５０．０μｍのＳｉＯ膜で形成する。また、この際、第１層１３ａの屈折率は１．４５となるように形成する。
【００７３】
以上のように構成することで、本実施形態では、第１の実施形態による効果の他に、第１層１３ａに亀裂が生じることを防止でき、より光半導体装置１００Ａの光学特性を安定化することができる。尚、他の構成は、第１の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００７４】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。第１の実施形態では、３層構造の光学多層膜１３を反射防止膜として機能させていた。本実施形態では同様な構成に新たな層を追加することで、反射膜又は半透過膜を形成する場合について図面を用いて詳細に説明する。
【００７５】
図９は、本実施形態による光半導体装置３００の概略構成を示す断面図である。尚、図９では半導体チップ１０の光軸に沿った断面図を示す。
【００７６】
図９を参照すると明らかなように、光半導体装置３００は、第１の実施形態と同様な半導体チップ１０の一方の端面又は両端面に第４層１４が形成されており、この第４層１４上に第１の実施形態と同様な光学多層膜１３が形成されている。この第４層１４は、光学多層膜１３における第１層１３ａよりも高い屈折率を有するように構成される。このように、光学多層膜１３と半導体チップ１０との間に第１層１３ａよりも高い屈折率の第４層１４を設けることで、第４層１４を含む光学多層膜全体を反射膜として機能させることが可能となる。また、他の構成は、第１の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００７７】
〔他の実施形態〕
以上、説明した実施形態は本発明の好適な一実施形態にすぎず、本発明はその趣旨を逸脱しない限り種々変形して実施可能である。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、応力の制御性に富む酸化窒化チタンを用いることで、低屈折率光学膜として有用なフッ化マグネシウムの応力を酸化窒化チタンで制御できるため応力が低減された光学多層膜及びそれを有する光半導体装置を製造することが可能となる。更に、本発明では、最低でも３層の多層構造を有することで光学多層膜内部に複数の反射面が形成されるため、高屈折率光学膜である第２層の膜厚を光学距離に換算した１／４波長より薄くした場合でも、反射光の干渉を起こさせることが可能となる。尚、本発明においては酸化窒化チタンあるいはフッ化マグネシウムはそれぞれの元素のみで構成されているという意味に限定されるのではなく、それぞれの元素に微量な他の元素が混在していても、その光学特性あるいは応力が同等であれば、その範疇である。
【００７９】
また、本発明によれば、光学多層膜の最表層が気体に接する場合と、最表層の屈折率と類似する樹脂などによって封止される場合とで、その光学特性の変動を抑えることが可能である。即ち、最表層の材料と類似の屈折率を持つ樹脂によって封止する場合、最表層はその外側の材料とともに光学的には均質であると近似できる点に着目し、最表層との最表面の層と空気あるいは不活性の気体との屈折率差を加味して生じる第１の光学特性と、当該最表層とその外側の材料との屈折率差を加味しない場合に生じる第２の光学特性とを実質的に同じに設計することで、樹脂などの充填前後で光学特性の変動を防止し、樹脂などを充填する前に測定された光学特性が、樹脂などの充填後も変わらないように構成される。
【００８０】
更に、本発明によれば、第１の光学特性と第２の光学特性とが、最終的なデバイス形態（たとえば樹脂封止された形態）で要求される光学特性をともに満たすことで、最表層が気体であるか、その他の材料で充填されているかの違いなく、所望の光学特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による光半導体装置１００Ａの概略構成を示す断面図である。
【図２】光半導体装置における動作閾値電流の経時的変化を示すグラフであり、（ａ）は応力を発生する光学多層膜を有する光半導体装置の特性を示し、（ｂ）は応力を発生しない光学多層膜を有する光半導体装置の特性を示す。
【図３】本発明の第１の実施形態による光半導体装置１００Ａの構成を示す斜視図である。
【図４】図３に示す光半導体装置１００ＡのＡ−Ａ’断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による光半導体装置１００Ａの製造プロセスを示す断面図である。
【図６】図５に示す製造プロセスにおいて第２層１３ｂを成膜する際に使用するイオンアシスト蒸着装置の構成を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態による光半導体装置１００Ａにおける動作閾値電流の経時的変化を示すグラフである。
【図８】第１層１３ａにフッ化マグネシウムを使用し且つ第２層１３ｂに酸化窒化チタンを使用した場合に第１層１３ａに生じた亀裂を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施形態による光半導体装置３００の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 半導体チップ
１３ 光学多層膜
１３ａ 第１層
１３ｂ 第２層
１３ｃ 第３層
１００Ａ、３００ 光半導体装置
２００ 樹脂
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学多層膜及びそれを有する光半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体レーザや光変調器等の光半導体装置は、装置内部の機密性を確保するために、金属やセラミックス等のパッケージで封止されて提供されていた。しかしながら、このような封止方式では高価なパッケージと煩雑な封止工程とが必要となり、これを安価且つ容易に提供することが困難であるという問題が存在した。
【０００３】
そこで、近年では、上記の代替手段として、光半導体装置を樹脂等で封止する方式が提供された。しかしながら、この方式では、樹脂等で封止する前と後とで、光学素子である光半導体装置を覆う媒質の屈折率に差が生じるため、光半導体装置が所望する光学特性を発揮し得ないという問題が存在した。
【０００４】
このような問題を解決する方法としては、例えば以下の特許文献１で例示するような技術が存在する。この従来技術は、単層の反射防止膜が形成された半導体装置を樹脂で封止する構成において、反射防止膜と樹脂との境界面で反射された光を反射防止膜内部を伝播する光で減衰（又はキャンセル）する構成を有することで、光半導体装置の光学特性の劣化を抑制するように構成されている。
【０００５】
一方、反射防止膜等の光学膜の透過率をより向上させるために、これを多層膜で構成することが一般的に知られている（例えば特許文献２参照）。しかしながら、本従来技術では、光半導体装置の光学特性を高く且つ安定化できる技術について検討がなされていない。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−４２１６９号公報
【特許文献２】
特開平７−１１３９０１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、光学特性をより安定化する光学多層膜及びそれを有する光半導体装置を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は、上記の目的を達成し、且つ樹脂等で封止した状態と封止しない状態とで透過率が劣化することが防止された光学多層膜及びそれを有する光半導体装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明による光半導体装置は、請求項１記載のように、フッ化マグネシウムを主成分とする第１層と、酸化窒化チタンを主成分とする第２層と、フッ化マグネシウムを主成分とする第３層とがこの順番で積層された積層構造を持ち、該積層構造の内部に複数の反射面を備えるとともに、該積層構造は光半導体の光出射面に設けられ、前記第２層の厚みは該光半導体の光出射面から出射される光の１／４波長より薄いことを特徴とする。このように、応力の制御性に富む酸化窒化チタンを用いることで、低屈折率光学膜として有用なフッ化マグネシウムの応力を酸化窒化チタンで制御できるため応力が低減された光学多層膜を用いて光半導体装置を製造することが可能となる。更に、本発明では、最低でも３層の多層構造を有することで光学多層膜内部に複数の反射面が形成されるため、高屈折率光学膜である第２層の膜厚を光学距離に換算した１／４波長より薄くした場合でも、反射光の干渉を起こさせることが可能となる。尚、本発明においては酸化窒化チタンあるいはフッ化マグネシウムはそれぞれの元素のみで構成されているという意味に限定されるのではなく、それぞれの元素に微量な他の元素が混在していても、その光学特性あるいは応力が同等であれば、その範疇である。
【００１７】
また、上記の光半導体装置は、好ましくは請求項２記載のように、前記第１層と第２層とが接しているように構成される。このように、酸化窒化チタンとフッ化マグネシウムとは直接接していてもよい。
【００２１】
また、上記の光半導体装置は、例えば請求項３記載のように、前記積層構造は、反射防止膜であるように構成されてもよい。このように本発明は、光学多層膜であれば、反射防止膜においても利用可能である。
【００２２】
また、上記の光半導体装置は、好ましくは請求項４記載のように、前記第２層がイオンアシスト蒸着によって成膜された層である。即ち、酸化窒化チタンを主成分とする膜は、その制御性に富むイオンアシスト蒸着を用いて成膜される。
【００２３】
また、上記の光半導体装置は、例えば請求項５記載のように、少なくともその光出射面が樹脂によって封止されてなるように構成することもできる。このように本発明は、樹脂によって封止された場合であっても、同様に上記の効果を発揮することができる。
【００２４】
また、上記の光半導体装置は、例えば請求項６記載のように、前記第１層は、前記光半導体の光出射面に接して設けられている構成とすることもできる。
【００２５】
本発明はまた、請求項７に記載のように、酸化シリコンを主成分とする第１層と、酸化窒化チタンを主成分とする第２層と、フッ化マグネシウムを主成分とする第３層とがこの順番で積層された積層構造を持ち、該積層構造の内部に複数の反射面を備えるとともに、該積層構造は前記第１の層が光半導体の光出射面に対向するように設けられ、該第２層の厚みは該光半導体の光出射面から出射される光の１／４波長より薄いことを特徴とする光半導体装置である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
〔原理〕
従来技術として存在する２層構造を有する光学多層膜では、その内部に１つしか反射面が存在しない。このため、この反射面では、光学多層膜の外側（空気など）との屈折率差で生じる反射面での反射光としか干渉を起こすことができない。従って、２つの光を干渉させる場合、２層構造の光学多層膜は光学距離に換算した１／４波長の厚みの膜を有することがその設計条件とされるため、これよりも薄い膜を形成しても所望する光学多層膜の機能を得ることが不可能である。
【００２９】
これに対して、本実施形態のように３層以上の積層構造を有する光学多層膜を形成することで、その内部に複数の反射面が形成される。このため、複数ある反射面のいずれか同士に干渉を生じさせられれば、光学多層膜としての機能が実現されるため、各膜の厚みを光学距離に換算した１/４波長より薄くすることが可能となり、酸化窒化チタンによる応力制御性を向上させることが可能となる。
【００３１】
一般的に光学多層膜は、屈折率の異なる材料の組み合わせによって生じる多重反射や干渉を利用して、反射防止特性や高反射特性など、所定の光学特性を実現するものである。このため、光学多層膜を構成する膜には、所定の屈折率差を実現できることが重要であり、一般には屈折率差を大きく出来る材料の組み合わせを必要とする。そこで本発明者は、フッ化マグネシウムが屈折率が低い材料であり、これを光学多層膜の材料として採用すれば、屈折率の高い側の材料との屈折率差が大きく出来ることに着目し、これを採用することを検討した。
【００３２】
しかしながら、本発明者らは、光学多層膜が光半導体に対して大きな応力を印加することは避けなければならないが、このフッ化マグネシウムが製造条件などを制御しても応力自体はさほど変化しない材料であることを見出した。そこで、本発明は、上記のようにフッ化マグネシウムに酸化窒化チタンを組み合わせる構成を有する。
【００３３】
この酸化窒化チタンは、製造条件などによってその応力の制御性に富んでいる。即ち、酸化窒化チタンとフッ化マグネシウムとの組み合わせにより、低屈折率光学膜として有用なフッ化マグネシウムの応力を酸化窒化チタンが制御できるため、応力の低減された光学多層膜が期待できる。
【００３４】
但し、単に酸化窒化チタンとフッ化マグネシウムとの２層構造の光学多層膜を形成する場合には、応力の低減効果は低い。これは、光学多層膜が屈折率の異なる面で生じる反射光同士の干渉によって、所定の光学効果を発揮するためである。このため、２層構造の光学多層膜では、その内部に反射面が１箇所しか存在しなく、干渉を生じさせるために最低でも１／４波長の厚みが必要となる。従って、これ以上薄く構成した場合では干渉を生じさせることが困難である。換言すれば、酸化窒化チタンとフッ化マグネシウムとの２層構造では、各層の厚みを小さくすることができず、酸化窒化チタンの採用によって応力制御が可能になった反面、、フッ化マグネシウムの層の応力制御性に限界が生じてしまう。
【００３５】
そこで本発明では、上記のように、酸化窒化チタンとフッ化マグネシウムとの他にさらに層を追加し、その内部に複数の反射面を形成する。この構成により、光学多層膜の内部に複数の反射面が形成されるため、複数ある反射面の何れかの組み合わせで干渉を生じるように構成すればよい。言い換えれば、光学距離に換算した１／４波長より薄く構成した場合でも、設計により干渉を生じさせることが可能となる。
【００３６】
以下、これを実現する本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。尚、以下の説明において、酸化窒化チタンあるいはフッ化マグネシウムはそれぞれの元素のみで構成されているという意味に限定されるのではなく、それぞれの元素に微量な他の元素が混在していても、その光学特性あるいは応力が同等であれば、その範疇である。
【００３７】
〔第１の実施形態〕
まず、本発明の第１の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本実施形態による光半導体装置１００Ａの概略構成を示す断面図である。尚、図１では半導体チップ１０の光軸に沿った断面図を示す。
【００３８】
図１に示すように、本実施形態では半導体チップ１０の一方の端若しくは両端に多層構造を有する光学多層膜１３が形成されている。個々の光学多層膜１３は、半導体チップ１０に接する第１層１３ａから最外に位置する第３層１３ｃまでの３層構造を有しており、樹脂２００による封止された状態と封止されない状態とで良好な透過特性を発揮するように形成されている。換言すれば、本実施形態による光学多層膜１３は、空気（又は真空）及び樹脂の双方に対して反射防止膜として機能するように構成される。尚、樹脂２００による封止は、出荷時や稼働時に光学多層膜１３及び半導体チップ１０を保護することを目的としており、光半導体装置１００Ａの性能を保証するために有効で且つ安価及び容易な手法である。
【００３９】
このように双方に対して反射防止膜として作用するように設計する方法は、例えば使用する樹脂２００の屈折率に基づいて最外に位置する第３層１３ｃの大まかな条件をまず決定し、次に第１層１３ａ及び第２層１３ｂで構成される多層膜が樹脂２００に対して反射防止膜として作用するように設計し、最後に空気（又は真空）の屈折率に対して光学多層膜１３全体が反射防止膜として作用するように第３層１３ｃを上記の条件内で設計する手順で実現される。尚、樹脂２００としては、例えばエポキシ樹脂等が適用される。
【００４０】
また、この手順に基づいて設計した場合、光学多層膜１３における各層の屈折率は、第２層１３ｂが最も高く、第１層１３ａ及び第３層１３ｃが第２層１３ｂの屈折率よりも低いという関係を有する。
【００４１】
以上の手順に基づいて設計することで、光半導体装置１００Ａの特性（性能）評価の際と、これを実際に使用する際とで同等に反射防止膜として機能する光学多層膜１３が実現され、使用の際の光学特性が仕様と異ならない光半導体装置１００Ａを実現することができる。
【００４２】
また、本発明者らは、応力の異なる層を積層して光学多層膜を形成した場合、半導体チップにストレスが発生し、光半導体装置の光学特性が経時的に劣化することを見いだした。これは、図２（ａ），（ｂ）に示すように、時間に伴い、光半導体装置の動作閾値電流（光半導体装置が動作するための最小の電流）が上昇することからも証明される。尚、図２は、第１層（半導体チップと接する層）を膜厚が５７．０ｎｍ，屈折率が１．３７のＭｇＦ膜で形成し、第３層（最外に位置する層）を膜厚が１００．０ｎｍ，屈折率が１．３７のＭｇＦ膜で形成し、第２層（第１層及び第３層で挟まれた層）を膜厚が１００．０ｎｍ，屈折率が２．２７のＴｉＯ膜で形成した半導体装置に関してスクリーニングを行った結果であり、（ａ）は応力（圧縮ストレス）がかかった状態、（ｂ）は応力のかからない（又は小さい）状態になるように、それぞれ膜を付けて測定した結果である。図（ａ），（ｂ）から明らかなように、応力がかかっている場合、スクリーニングによって特性（閾値）が安定しずらい。
【００４３】
そこで本実施形態による光学多層膜１３は、相反する性質の応力を生じる層が積層された構造を有するように構成する。即ち、本実施形態では、引張と圧縮との応力を配置することで、多層膜全体としてこれを相殺し、半導体チップ１０にストレスが生じることを防止する。例えば、第１層１３ａと第３層１３ｃとの間に、応力調整のための第２層１３ｂを設けることで、半導体チップ１０の端面（光学多層膜１３が形成された面）にストレスが発生することを防止する。これを図１に基づいて説明すると、第１層１３ａ及び第３層１３ｃは例えば性質が圧縮の応力を生じる材料を用いて形成し、これらに挟まれる第２層１３ｂは上記とは逆に性質が引張の応力を生じる材料を用いて形成する。以下、本実施形態による光半導体装置１００Ａの詳細を図面を用いて詳細に説明する。
【００４４】
図３は本実施形態による光半導体装置１００Ａの構成を示す斜視図であり、図４はこの光半導体装置１００Ａの構成を示すＡ−Ａ’断面図である。尚、本実施形態では、半導体装置１００Ａとして分布帰還形レーザ（ＤＦＢレーザ）を例に挙げて説明する。
【００４５】
半導体装置１００Ａは半導体チップ１０と光学多層膜１３とを含んで構成される。半導体チップ１０は、図３及び図４に示すように、回折格子２が形成された半導体基板１上に、ｎ型クラッド層３と活性層４とｐ型クラッド層５とｐ型層６とコンタクト層７とが、メサ状に形成された構成を有する。活性層４は例えばＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）等で形成される。また、メサ構造以外の領域には、半絶縁性埋め込みヘテロ領域９が形成される。
【００４６】
この層構造における上部と下部にはそれぞれ上部電極１１と下部電極１２とが形成される。尚、コンタクト層７上の上部電極１１以外の領域にはキャップ層８が形成される。
【００４７】
以上の構成は、例えば半導体基板１への選択エピタキシャル成長や、選択エッチングやメサ埋め込み成長や基板研磨や電極堆積やパターニングやへき開等の方法を用いて形成することが可能である。
【００４８】
このような構成を有する半導体チップ１０の両端には、それぞれ反射防止膜として機能する光学多層膜１３が形成される。この光学多層膜１３は３層（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）の構造を有しており、中央の層１３ｂがこれを挟む２つの層（１３ａ，１３ｃ）と異なる性質の応力を発生する材料で形成されている。即ち、本実施形態による光学多層膜１３は、材質や製法によって生じる密着性、結晶構造で、それぞれの膜が隣接する材料との間で発生する応力が相互に相殺される構成を有する。これにより、半導体チップ１０の端面にストレスが生じることを防止し、安定した光学特性を得られる構成となる。
【００４９】
光学多層膜１３において、中央に位置する第２層１３ｂは、例えば酸化窒化チタン（ＴｉＯＮ）で形成される。このＴｉＯＮは引張の応力を発生する材料である。従って、これを挟む層（第１層１３ａ，第３層１３ｃ）は、第２層１３ｂと逆の性質である圧縮の応力を発生する材料で形成される。この材料としては、例えばフッ化マグネシウム（ＭｇＦ）が存在する。但し、この他にも例えばフッ化シリコン（ＳｉＦ）等を用いてもよい。尚、本実施形態において、各材料の組成比は限定されないため、これを省略して説明する。
【００５０】
また、光学多層膜１３における各層は、上述にもあるように、それぞれの条件で反射防止膜として機能するように設計されている。以下、この設計手順も含め、光半導体装置１００Ａの製造方法について図面を用いて詳細に説明する。但し、本実施形態では、半導体チップ１０として上記したＤＦＢレーザに限定されず、如何なる光半導体素子を使用してもよいため、以下の説明では半導体チップ１０の製造方法を省略する。
【００５１】
図５は、本実施形態による光半導体装置１００Ａの製造プロセスを示す断面図である。尚、図５では、上記と同様にＡ−Ａ’断面図を用いる。
【００５２】
本製造プロセスでは、まず、完成後の光半導体装置１００Ａを封止するための樹脂２００の屈折率に基づいて、第３層１３ｃの条件（材料，膜厚，成膜方法等）を大まかに決定する。即ち、樹脂２００と同程度の屈折率を有し、第３層１３ｃの外側（半導体チップ１０と反対側）の面で反射された光が第３層１３ｃを伝播する光で減衰（又はキャンセル）される膜厚を有するような第３層１３ｃが形成される条件を大まかに決定する。
【００５３】
次に、第１層１３ａ及び第２層１３ｂからなる多層膜が樹脂２００に対して反射防止膜として作用するように、第１層１３ａ及び第２層１３ｂを設計する。これは、樹脂２００の屈折率に基づいて、第１層１３ａ，第２層１３ｂの材料や膜厚や成膜方法を決定することで行われる。
【００５４】
その後、第１層１３ａ，第２層１３ｂ及び第３層１３ｃより成る光学多層膜１３が特性評価の際の条件（大気や真空）下で反射防止膜として作用するように、第３層１３ｃを設計する。これは、上記で決定した条件と、第１層１３ａ及び第２層１３ｂの構成とを考慮して行われる。
【００５５】
このように、光学多層膜１３の構成を設計すると、次に、図５（ａ）に示すように、製造した半導体チップ１０に対して上記の光学多層膜１３を形成する。この過程では、まず、半導体チップ１０における所定の面上に第１層１３ａを成膜する。これは蒸着法やエピタキシャル成長法等、如何なる方法を用いも良い。本実施形態では第１層１３ａを膜厚が６２．０ｎｍのＭｇＦ膜で形成する。また、この際、第１層１３ａの屈折率が１．３７となるように形成する。
【００５６】
次に、図５（ｂ）に示すように、形成した第１層１３ａ上に第２層１３ｂを成膜する。但し、この成膜には、第１層１３ａとの密着性やストレスを鑑みてイオンアシスト蒸着法を用いる。図６にイオンアシスト蒸着するための装置構成を示す。但し、本実施形態では、第２層１３ｂとして膜厚が７０．０ｎｍのＴｉＯＮ膜を形成する場合について説明する。また、この最、第２層１３ｂの屈折率が２．４８となるように形成する。
【００５７】
図６を参照すると、イオンアシスト蒸着装置は、装置室５１の上側に半導体チップ１０を装着する回転ドーム５２が回転部５２ａにより回転可能に取り付けられている。また、蒸着室５１の下側の一方の角には、原料物質収納用のカートリッジ式ハース５３が回転ドーム５２の基板装着面に対向して取り付けられている。また、カートリッジ式ハース５３内の原料に電子を照射するための電子ガン５４が設けられている。
【００５８】
更に、蒸着室５１の下側の別の隅には、カウフマン型のイオンガン５６（直径８０ｍｍ、ドーム中心まで１１００ｍｍ）が回転ドーム５２の基板装着面に対向して取り付けられている。このイオンガン５６は、イオン化ガス導入口５７から導入されたガスを内部にあるフィラメントから放出される熱電子によりイオン化し、イオン加速電極５８の印加電圧によって回転ドーム５２に向けて放出する。
【００５９】
また、蒸着室５１の側壁のうちイオンガン５６と回転ドーム５２との間の領域には、ガス導入口５９が設けられている。このガス導入口５９から導入されるガスは、自動圧力調整器６０により流量が調整される。また、蒸着室５１のうちガス導入口５９と反対側の側壁には排気口６１が形成され、その近傍には水晶振動子式蒸着速度モニタ６２が取り付けられている。
【００６０】
回転ドーム５２の中央の上には、反射光によって膜厚をモニタする第１の光電式膜厚モニタ６３が設けられている。この第１の光電式膜厚モニタ６３は、回転ドーム５２の中央にあるモニタ用ガラス基板６４の表面に形成された膜の膜厚をモニタする。また、第１の光電式膜厚モニタ６３に対向し且つイオンガン５６と電子ガン５４との間の位置には、第２の光電式膜厚モニタ６５が取り付けられている。この第２の光電式膜厚モニタ６５は、モニタ用ガラス基板６４表面の膜の膜厚を透過光によって測定する。
【００６１】
このようなイオンアシスト蒸着装置を用いてＴｉＯＮ膜を形成するにあたり、まず、モニタ用ガラス基板６４の周囲の回転ドーム５２の下面に、第１層１３ａが形成された半導体チップ１０を装着し、また、原材料であるＴｉ３Ｏ５を充填したカートリッジ式ハース５３を蒸着室５１内に装着する。次に、排気口６１から蒸着室５１内のガスを排気する。更に、イオン化ガス導入口５７を通してイオンガン５６内に酸素（Ｏ２）ガスを供給し、イオン加速電極５８に１ｋＶの電圧を印加してイオンガン５６内に２０ｍＡのイオン電流を流す。これにより、酸素がイオン化されて蒸着室５１内に放出される。
【００６２】
また、ガス導入口５９を通して窒素（Ｎ２）ガスを蒸着室５１内に導入する。このとき、ガス導入口５９から導入されるガスの流量が自動圧力調整器６０により所定の流量に調整される。また、電子ガン５４から放出される電子ビームは、磁界によって軌跡が１８０度変えられ、カートリッジ式ハース５３内のＴｉ３Ｏ５に照射される。これにより、蒸気化されたＴｉ３Ｏ５が、開かれたシャッタ５５を介して回転ドーム５２の下面へ放出される。
【００６３】
この際、電子ガン５４内の電極に例えば６．０ｋＶの電圧を印加する。このように蒸気化された酸化チタンとイオン化された酸素及び窒素とを、回転ドーム５２の下の半導体チップ１０とその側方のモニタ用ガラス基板６４とのそれぞれに供給することで、ＴｉＯＮ膜が０．０３〜０．０８ｎｍ／ｓの蒸着速度で成膜される。尚、蒸着速度は電子ガン５４に流す電流量によって調整できる。
【００６４】
また、ＴｉＯＮ膜の成長度合いは、回転ドーム５２側の第１の光電式厚膜モニタ６３により検出される。第１の光電式厚膜モニタ６３は光源と光検出器とを有し、モニタ用ガラス基板６４又はその表面に堆積したＴｉＯＮ膜で反射された光源からの光を計測することでＴｉＯＮの膜厚を測定する。
【００６５】
また、ＴｉＯＮ膜の膜厚は、第２の光電式厚膜モニタ６５によっても検出される。更に、カートリッジ式ハース５３から蒸気化された物質の一部は、水晶振動式蒸着速度モニタ６２内の水晶板の上に堆積する。従って、水晶振動式蒸着速度モニタ６２は、その堆積量の増加によって生じる水晶板の振動数の変動に基づいて蒸着速度を測定する。
【００６６】
このように第２層１３ｂまでを成膜すると、図５（ｃ）に示すように、成膜した第２層１３ｂ上に第３層を成膜する。これは蒸着法やエピタキシャル成長法等、如何なる方法を用いも良い。本実施形態では第３層１３ｃを膜厚が１００．０ｎｍのＭｇＦ膜で形成する。また、この際、第３層１３ｃの屈折率は１．３７となるように形成する。
【００６７】
以上のように設計、製造した光半導体装置１００Ａに関する動作閾値電流の経時的変化を図７に示す。図７に示すように、本実施形態により、時間経過に対する光半導体装置１００Ａの動作閾値電流を安定化すること可能となる。即ち、本実施形態の構成を有することで、半導体チップ１０の端面にストレスが生じることが防止され、光半導体装置１００Ａの光学特性が安定化された。これは、図２（ａ）に示すグラフと比較すると容易に理解できる。
【００６８】
以上のように、本実施形態によれば、特性（性能）評価の際と、これを実際に使用する際とで同等に反射防止膜として機能する光学多層膜１３が実現され、使用の際の光学特性が仕様と異ならない光半導体装置１００Ａを実現することができる。更に、引張と圧縮との応力を混在して配置することで、半導体チップ１０にストレスが生じることを防止し、光半導体装置１００Ａの特性を安定化することが可能となる。尚、この効果は、樹脂２００で光半導体装置１００Ａを封止した際により顕著に現れる。
【００６９】
また、本実施形態において、半導体チップ１０には上記したＤＦＢレーザに限らず、例えばファブリ・ペロー型レーザや面発光レーザや発光ダイオードや光変調器等、種々の光半導体素子を適用することが可能である。
【００７０】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。第１の実施形態では、半導体チップ１０と接する第１層１３ａをＭｇＦで形成していた。しかしながら、本発明者らは、第１層１３ａにＭｇＦ膜を適用した場合、図８に示すように、このＭｇＦ膜（第１層１３ａのみ）に１μｍ角程度の亀裂が生じる可能性が存在することを見いだした。
【００７１】
そこで、本実施形態では、このような不具合を解消するために、第１層１３ａを例えば酸化シリコン（ＳｉＯ）で形成する。これにより、亀裂が生じない光学多層膜１３が形成され、光半導体装置１００Ａの光学特性を安定化することができる。
【００７２】
尚、ＳｉＯを用いた第１層１３ａの形成は、例えば蒸着法やエピタキシャル成長法等、如何なる方法を用いも良い。本実施形態では第１層１３ａを膜厚が５０．０μｍのＳｉＯ膜で形成する。また、この際、第１層１３ａの屈折率は１．４５となるように形成する。
【００７３】
以上のように構成することで、本実施形態では、第１の実施形態による効果の他に、第１層１３ａに亀裂が生じることを防止でき、より光半導体装置１００Ａの光学特性を安定化することができる。尚、他の構成は、第１の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００７４】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。第１の実施形態では、３層構造の光学多層膜１３を反射防止膜として機能させていた。本実施形態では同様な構成に新たな層を追加することで、反射膜又は半透過膜を形成する場合について図面を用いて詳細に説明する。
【００７５】
図９は、本実施形態による光半導体装置３００の概略構成を示す断面図である。尚、図９では半導体チップ１０の光軸に沿った断面図を示す。
【００７６】
図９を参照すると明らかなように、光半導体装置３００は、第１の実施形態と同様な半導体チップ１０の一方の端面又は両端面に第４層１４が形成されており、この第４層１４上に第１の実施形態と同様な光学多層膜１３が形成されている。この第４層１４は、光学多層膜１３における第１層１３ａよりも高い屈折率を有するように構成される。このように、光学多層膜１３と半導体チップ１０との間に第１層１３ａよりも高い屈折率の第４層１４を設けることで、第４層１４を含む光学多層膜全体を反射膜として機能させることが可能となる。また、他の構成は、第１の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００７７】
〔他の実施形態〕
以上、説明した実施形態は本発明の好適な一実施形態にすぎず、本発明はその趣旨を逸脱しない限り種々変形して実施可能である。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、応力の制御性に富む酸化窒化チタンを用いることで、低屈折率光学膜として有用なフッ化マグネシウムの応力を酸化窒化チタンで制御できるため応力が低減された光学多層膜及びそれを有する光半導体装置を製造することが可能となる。更に、本発明では、最低でも３層の多層構造を有することで光学多層膜内部に複数の反射面が形成されるため、高屈折率光学膜である第２層の膜厚を光学距離に換算した１／４波長より薄くした場合でも、反射光の干渉を起こさせることが可能となる。尚、本発明においては酸化窒化チタンあるいはフッ化マグネシウムはそれぞれの元素のみで構成されているという意味に限定されるのではなく、それぞれの元素に微量な他の元素が混在していても、その光学特性あるいは応力が同等であれば、その範疇である。
【００７９】
また、本発明によれば、光学多層膜の最表層が気体に接する場合と、最表層の屈折率と類似する樹脂などによって封止される場合とで、その光学特性の変動を抑えることが可能である。即ち、最表層の材料と類似の屈折率を持つ樹脂によって封止する場合、最表層はその外側の材料とともに光学的には均質であると近似できる点に着目し、最表層との最表面の層と空気あるいは不活性の気体との屈折率差を加味して生じる第１の光学特性と、当該最表層とその外側の材料との屈折率差を加味しない場合に生じる第２の光学特性とを実質的に同じに設計することで、樹脂などの充填前後で光学特性の変動を防止し、樹脂などを充填する前に測定された光学特性が、樹脂などの充填後も変わらないように構成される。
【００８０】
更に、本発明によれば、第１の光学特性と第２の光学特性とが、最終的なデバイス形態（たとえば樹脂封止された形態）で要求される光学特性をともに満たすことで、最表層が気体であるか、その他の材料で充填されているかの違いなく、所望の光学特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による光半導体装置１００Ａの概略構成を示す断面図である。
【図２】光半導体装置における動作閾値電流の経時的変化を示すグラフであり、（ａ）は応力を発生する光学多層膜を有する光半導体装置の特性を示し、（ｂ）は応力を発生しない光学多層膜を有する光半導体装置の特性を示す。
【図３】本発明の第１の実施形態による光半導体装置１００Ａの構成を示す斜視図である。
【図４】図３に示す光半導体装置１００ＡのＡ−Ａ’断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による光半導体装置１００Ａの製造プロセスを示す断面図である。
【図６】図５に示す製造プロセスにおいて第２層１３ｂを成膜する際に使用するイオンアシスト蒸着装置の構成を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態による光半導体装置１００Ａにおける動作閾値電流の経時的変化を示すグラフである。
【図８】第１層１３ａにフッ化マグネシウムを使用し且つ第２層１３ｂに酸化窒化チタンを使用した場合に第１層１３ａに生じた亀裂を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施形態による光半導体装置３００の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 半導体チップ
１３ 光学多層膜
１３ａ 第１層
１３ｂ 第２層
１３ｃ 第３層
１００Ａ、３００ 光半導体装置
２００ 樹脂
Claims (7)
- フッ化マグネシウムを主成分とする第１層と、酸化窒化チタンを主成分とする第２層と、フッ化マグネシウムを主成分とする第３層とがこの順番で積層された積層構造を持ち、該積層構造の内部に複数の反射面を備えるとともに、該積層構造は光半導体の光出射面に設けられ、前記第２層の厚みは該光半導体の光出射面から出射される光の１／４波長より薄いことを特徴とする光半導体装置。
- 前記第１層と第２層とは接していることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
- 前記積層構造は、反射防止膜であることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
- 前記第２層は、イオンアシスト蒸着によって成膜された層であることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
- 前記光半導体装置は、少なくともその光出射面が樹脂によって封止されてなることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
- 前記第１層は、前記光半導体の光出射面に接して設けられていることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
- 酸化シリコンを主成分とする第１層と、酸化窒化チタンを主成分とする第２層と、フッ化マグネシウムを主成分とする第３層とがこの順番で積層された積層構造を持ち、該積層構造の内部に複数の反射面を備えるとともに、該積層構造は前記第１の層が光半導体の光出射面に接して設けられ、前記第２層の厚みは該光半導体の光出射面から出射される光の１／４波長より薄いことを特徴とする光半導体装置。
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