JP4164685B2 - 光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光素子及びその製造方法に関する。
光素子として、基板と、基板の上方に形成されるとともに光が出射又は入射する柱状部と、基板の上方であって柱状部の周囲に形成された樹脂層と、樹脂層の上方を通過して柱状部の上面と電気的に接続された電極と、を含む構造が知られている。これによれば、樹脂層は軟らかいので、樹脂層上の電極にワイヤ等をボンディングすると、樹脂層が変形する場合がある。
ボンディング性向上のため、樹脂層の下部に硬い材質からなる応力緩和層を設けることが知られているが（特許文献１参照）、この形態でも、樹脂層の変形を防止するには不十分である。樹脂層が変形すると、電極が剥離するおそれがあり、電気的な接続信頼性が維持できなることがある。
特開２００４−３１６３３号公報
本発明の目的は、光素子及びその製造方法に関して、信頼性の向上を図ることにある。
本発明に係る光素子は、
基板と、
前記基板の上方に形成された、第１ミラーと活性層と第２ミラーとを有する素子部と、
前記素子部の一部であって、光が出射又は入射する上面を有する柱状部と、
前記第１ミラーの上方の一部であって、前記柱状部の周囲の領域に形成された樹脂層と、
前記樹脂層の上方に形成され、前記樹脂層よりも硬い材質からなる補強層と、
前記補強層の上方に形成されたボンディング部を有し、前記柱状部の前記上面における露出領域の端部に電気的に接続された電極と、を含み、
前記補強層は、前記樹脂層の全体を覆い、さらに前記第１ミラーまたは前記基板の露出面を覆うように形成されている。
この光素子において、
前記補強層は、前記ボンディング部の全体を含む領域に形成されてもよい。
この光素子において、
前記補強層は、無機系材料から構成されてもよい。
この光素子において、
前記補強層は、金属から構成されてもよい。
この光素子において、
前記樹脂層は、前記第１ミラーの上方の一部であって前記柱状部の周囲に設けられた第１の部分と、前記柱状部の前記上面の端部に設けられた第２の部分と、を含んでもよい。
本発明に係る光素子の製造方法は、
（ａ）基板の上方に形成された第１ミラー、活性層および第２ミラーを有し、光が出射又は入射する上面を有する柱状部を含む素子部を形成すること、
（ｂ）前記第１ミラーの上方の一部であって、前記柱状部の周囲の領域に樹脂層を形成すること、
（ｃ）前記樹脂層の全体を覆い、さらに前記第１ミラーまたは前記基板の露出面を覆うように前記樹脂層よりも硬い材質からなる補強層を形成すること、
（ｄ）前記補強層の上方にボンディング部を有し、前記柱状部の前記上面における露出領域の端部に電気的に接続する電極を形成すること、
を含む。
（１）本発明に係る光素子は、
基板と、
前記基板の上方に形成され、光が出射又は入射する上面を有する柱状部と、
前記基板の上方であって前記柱状部の周囲を含む領域に形成された樹脂層と、
前記樹脂層の上方に形成され、前記樹脂層よりも硬い材質からなる補強層と、
前記補強層の上方に形成されたボンディング部を有し、前記柱状部の前記上面における露出領域の端部に電気的に接続された電極と、
を含む。
基板と、
前記基板の上方に形成された、第１ミラーと活性層と第２ミラーとを有する素子部と、
前記素子部の一部であって、光が出射又は入射する上面を有する柱状部と、
前記第１ミラーの上方の一部であって、前記柱状部の周囲の領域に形成された樹脂層と、
前記樹脂層の上方に形成され、前記樹脂層よりも硬い材質からなる補強層と、
前記補強層の上方に形成されたボンディング部を有し、前記柱状部の前記上面における露出領域の端部に電気的に接続された電極と、を含み、
前記補強層は、前記樹脂層の全体を覆い、さらに前記第１ミラーまたは前記基板の露出面を覆うように形成されている。
この光素子において、
前記補強層は、前記ボンディング部の全体を含む領域に形成されてもよい。
この光素子において、
前記補強層は、無機系材料から構成されてもよい。
この光素子において、
前記補強層は、金属から構成されてもよい。
この光素子において、
前記樹脂層は、前記第１ミラーの上方の一部であって前記柱状部の周囲に設けられた第１の部分と、前記柱状部の前記上面の端部に設けられた第２の部分と、を含んでもよい。
本発明に係る光素子の製造方法は、
（ａ）基板の上方に形成された第１ミラー、活性層および第２ミラーを有し、光が出射又は入射する上面を有する柱状部を含む素子部を形成すること、
（ｂ）前記第１ミラーの上方の一部であって、前記柱状部の周囲の領域に樹脂層を形成すること、
（ｃ）前記樹脂層の全体を覆い、さらに前記第１ミラーまたは前記基板の露出面を覆うように前記樹脂層よりも硬い材質からなる補強層を形成すること、
（ｄ）前記補強層の上方にボンディング部を有し、前記柱状部の前記上面における露出領域の端部に電気的に接続する電極を形成すること、
を含む。
（１）本発明に係る光素子は、
基板と、
前記基板の上方に形成され、光が出射又は入射する上面を有する柱状部と、
前記基板の上方であって前記柱状部の周囲を含む領域に形成された樹脂層と、
前記樹脂層の上方に形成され、前記樹脂層よりも硬い材質からなる補強層と、
前記補強層の上方に形成されたボンディング部を有し、前記柱状部の前記上面における露出領域の端部に電気的に接続された電極と、
を含む。
本発明によれば、ボンディング部の下地には、硬い材質の補強層が位置しているので、軟らかい樹脂層を下地とするのに比べて、ボンディング時の応力に起因する樹脂層の変形を効果的に防止することができる。また、樹脂層の変形に伴う電極の剥離や損傷を防止することができる。
なお、本発明において、特定のＡ層の上方にＢ層が設けられているとは、Ａ層上に直接Ｂ層が設けられている場合と、Ａ層上に他の層を介してＢ層が設けられている場合と、を含むものとする。
（２）この光素子において、
前記補強層は、前記ボンディング部の全体を含む領域に形成されてもよい。
前記補強層は、前記ボンディング部の全体を含む領域に形成されてもよい。
（３）この光素子において、
前記補強層は、前記樹脂層の全体を含む領域に形成されてもよい。
前記補強層は、前記樹脂層の全体を含む領域に形成されてもよい。
これによれば、補強層が樹脂層の全体を押さえ込むように保護するので、外部応力に対して樹脂層が変形するのを効果的に防止することができる。また、補強層によって樹脂層を保護することができる。
（４）この光素子において、
前記樹脂層は、前記基板の上方の一部に形成されてもよい。
前記樹脂層は、前記基板の上方の一部に形成されてもよい。
（５）この光素子において、
前記補強層は、前記樹脂層の全体を含み、さらに前記樹脂層の外側を含む領域に形成されてもよい。
前記補強層は、前記樹脂層の全体を含み、さらに前記樹脂層の外側を含む領域に形成されてもよい。
これによれば、補強層によって樹脂層及びその外側の領域を保護することができる。
（６）この光素子において、
前記補強層は、無機系材料から構成されてもよい。
前記補強層は、無機系材料から構成されてもよい。
（７）この光素子において、
前記補強層は、金属から構成されてもよい。
前記補強層は、金属から構成されてもよい。
（８）この光素子において、
前記樹脂層は、前記基板の上方であって前記柱状部の周囲に設けられた第１の部分と、前記柱状部の前記上面の端部に設けられた第２の部分と、を含んでもよい。
前記樹脂層は、前記基板の上方であって前記柱状部の周囲に設けられた第１の部分と、前記柱状部の前記上面の端部に設けられた第２の部分と、を含んでもよい。
（９）本発明に係る光素子の製造方法は、
（ａ）基板の上方に、光が出射又は入射する上面を有する柱状部を形成すること、
（ｂ）前記基板の上方であって前記柱状部の周囲を含む領域に樹脂層を形成すること、
（ｃ）前記樹脂層の上方に前記樹脂層よりも硬い材質からなる補強層を形成すること、
（ｄ）前記補強層の上方にボンディング部を有し、前記柱状部の前記上面における露出領域の端部に電気的に接続する電極を形成すること、
を含む。
（ａ）基板の上方に、光が出射又は入射する上面を有する柱状部を形成すること、
（ｂ）前記基板の上方であって前記柱状部の周囲を含む領域に樹脂層を形成すること、
（ｃ）前記樹脂層の上方に前記樹脂層よりも硬い材質からなる補強層を形成すること、
（ｄ）前記補強層の上方にボンディング部を有し、前記柱状部の前記上面における露出領域の端部に電気的に接続する電極を形成すること、
を含む。
本発明によれば、ボンディング部の下地に、硬い材質の補強層を配置するので、軟らかい樹脂層を下地とするのに比べて、ボンディング時の応力に起因する樹脂層の変形を効果的に防止することができる。また、樹脂層の変形に伴う電極の剥離や損傷を防止することができる。
なお、本発明において、特定のＡ層の上方にＢ層が設けられているとは、Ａ層上に直接Ｂ層が設けられている場合と、Ａ層上に他の層を介してＢ層が設けられている場合と、を含むものとする。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
１．光素子について
図１は、本発明を適用した第１の実施の形態に係る光素子の平面図である。図２は、本実施の形態に係る光素子の断面図であり、図１のII−II線断面図である。また、図１２及び図１３は、本実施の形態の変形例に係る光素子の断面図である。
１．光素子について
図１は、本発明を適用した第１の実施の形態に係る光素子の平面図である。図２は、本実施の形態に係る光素子の断面図であり、図１のII−II線断面図である。また、図１２及び図１３は、本実施の形態の変形例に係る光素子の断面図である。
本実施の形態に係る光素子１００は、基板１１０と、柱状部１３０と、樹脂層１４０と、補強層１８０と、電極１５０，１５２と、を含む。本実施の形態では、光素子１００が面発光半導体レーザである場合を例として説明する。
基板１１０は、半導体基板（例えばｎ型ＧａＡｓ基板）である。柱状部１３０は、基板１１０に支持されている。柱状部１３０は、例えば円柱形状をなしている。図１に示す例では、１つの基板１１０に１つの柱状部１３０を有するが、複数の柱状部１３０を有していてもよい。柱状部１３０の上面１３２の中央部は、光（レーザ光）が出射する光学面１２８となっている。光学面１２８は、樹脂層１４０、補強層１８０及び電極１５０から露出している。
図２に示す例では、基板１１０上に素子部１２０が形成され、素子部１２０の一部が柱状部１３０となっている。素子部１２０の断面形状は、凸型をなしている。基板１１０及び素子部１２０の両者の平面形状は、同一（例えば矩形）であってもよい。あるいは、素子部１２０の平面形状は基板１１０の平面形状よりも小さくてもよく、素子部１２０から基板１１０の一部が露出していてもよい。面発光型半導体レーザの場合、素子部１２０は共振器（垂直共振器）と呼ばれる。
素子部１２０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である第１ミラー１２２と、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１２３と、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である第２ミラー１２４と、が順次積層して構成されている。なお、第１ミラー１２２、活性層１２３、及び第２ミラー１２４を構成する各層の組成及び層数はこれに限定されるわけではない。
第２ミラー１２４は、例えばＣ，Ｚｎ，Ｍｇなどがドーピングされることによりｐ型にされ、第１ミラー１２２は、例えばＳｉ，Ｓｅなど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、第２ミラー１２４、不純物がドーピングされていない活性層１２３、及び第１ミラー１２２により、ｐｉｎダイオードが形成される。
第２ミラー１２４を構成する層のうち活性層１２３に近い領域に、酸化アルミニウムを主成分とする電流狭窄層１２５が形成されている。この電流狭窄層１２５は、リング状に形成されている。すなわち、この電流狭窄層１２５は、光学面１２８に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。
柱状部１３０は、少なくとも第２ミラー１２４を含む（例えば第２ミラー１２４、活性層１２３及び第１ミラー１２２の一部を含む）半導体積層体をいう。柱状部１３０は、素子部１２０の他の部分を介して、基板１１０の上方に形成されている。
樹脂層１４０は、柱状部１３０に接触して形成されている。本実施の形態で示す例では、樹脂層１４０は、基板１１０の上方であって柱状部１３０の周囲に形成された第１の部分１４２と、柱状部１３０の上面１３２の端部に形成された第２の部分１４４と、を含む。樹脂層１４０は、例えば、ポリイミド樹脂、フッ素系樹脂、アクリル樹脂、又はエポキシ樹脂などから形成することができ、特に、加工の容易性や絶縁性の観点から、ポリイミド樹脂又はフッ素系樹脂から形成することが好ましい。
樹脂層１４０の第１の部分１４２は、素子部１２０上に形成され、柱状部１３０の側面１３４の全部を覆っていてもよい。これによって、柱状部１３０の側面を樹脂層１４０によって保護することができる。第１の部分１４２は、図１に示すように基板１１０の一部とオーバーラップしていてもよいし、柱状部１３０の領域を除いて基板１１０の全体とオーバーラップしていてもよい。図２に示す例では、第１の部分１４２の上面１４３は、柱状部１３０の上面１３２に対して低くてもよいし、ほぼ同じ高さでもよいし、あるいは高くてもよい。樹脂層１４０が厚ければ、電極１５０と基板１１０（電極１５２）の間に浮遊する寄生容量を低減させることができ、高周波特性の向上を図ることができる。したがって、光素子の信頼性の向上が図れる。また、図２に示す例では、第１の部分１４２の厚みは、ほぼ均一になっている。あるいは、第１の部分１４２の厚みは、柱状部１３０から離れるに従って小さくなっていてもよい。すなわち、第１の部分１４２の上面１４３は、柱状部１３０から離れるに従って低くなるように緩やかに傾斜していてもよい。
樹脂層１４０の第２の部分１４４は、光学面１２８を避けて形成されている。第２の部分１４４は、第１の部分１４２と一体的（連続的）に形成されている。樹脂層１４０は、柱状部１３０の上面１３２及び側面１３４の間の角部を覆い、さらに、第２の部分１４４が柱状部１３０の上面１３２の端部を覆っている。第１の部分１４２の上面１４３が柱状部１３０の上面１３２とほぼ同じ高さ又はそれよりも低い場合、図２に示すように、第１の部分１４２は柱状部１３０に近づくに従って隆起する。なお、柱状部１３０の上面１３２の幅（直径）が３５〜４０μｍ程度である場合に、第２の部分１４４は、柱状部１３０の上面１３２の周縁から中央に、３〜１２μｍ程度入り込む領域を覆ってもよい。上記数値範囲内であれば、樹脂層１４０をマスクでパターニングするときに、マスクの位置ずれ誤差の範囲内に留めることができるので、製造プロセス上、第２の部分１４４を確実に形成することができる。
図１に示すように、第２の部分１４４は、柱状部１３０の上面１３２の周縁に沿って連続して形成されていてもよい。例えば、第２の部分１４４はリング状に形成されていてもよい。その場合、柱状部１３０の上面１３２上に、樹脂層１４０の開口部１４６が形成される。これによれば、柱状部１３０の上面１３２の全周にわたる角部も覆うことになり、樹脂層１４０及び柱状部１３０の密着性が非常に高い。また、柱状部１３０の側面１３４を完全に覆うことができるので、柱状部１３０が光学面１２８を除いて外気にさらされることがなく、光素子の信頼性の向上を図ることができる。
あるいは、樹脂層１４０の第２の部分１４４は、柱状部１３０の上面１３２の周縁の一部に形成されていてもよい。すなわち、第２の部分１４４は、柱状部１３０の上面１３２の周縁に沿って連続して形成されていなくてもよい。あるいは、樹脂層１４０は、柱状部１３０の上面１３２に形成されず、柱状部１３０の周囲のみに形成されていてもよい。
また、図２に示すように、第２の部分１４４は、柱状部１３０の上面１３２の周縁から中央の方向に従って厚みが小さくなっていてもよい。第２の部分１４４の上面は滑らかな曲面をもって形成されていてもよい。これによれば、後述する電極１５０を樹脂層１４０の第２の部分１４４の形状に従って滑らかに傾斜して形成することができるので、電極１５０の断線を効果的に防止することができる。
補強層１８０は、樹脂層１４０上に形成され、樹脂層１４０よりも硬い材質（ヤング率が大きい材質）で形成されている。例えば、樹脂層１４０としてヤング率が０．３ＧＰａ〜５ＧＰａ程度のものを使用し、補強層１８０としてヤング率が１０ＧＰａ〜１００ＧＰａ程度のものを使用してもよい。例えば、補強層１８０は、ポリイミド樹脂層（ヤング率２．０７ＧＰａ程度）よりも硬い材質で形成されていてもよい。補強層１８０の厚みは限定されないが、例えば、１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度（好ましくは３００ｎｍ〜５００ｎｍ程度）であってもよい。補強層１８０が厚いと、樹脂層１４０の変形を効果的に防止することができる。例えば、補強層１８０を形成しない場合と比べて、厚み１００ｎｍにおいて５０％、厚み２００ｎｍにおいて６７％、厚み３００ｎｍにおいて８５％の割合で電極１５０の剥離防止が可能となる。なお、補強層１８０は、絶縁材料から形成してもよいし、導電材料から形成してもよい。また、補強層１８０は、例えば樹脂層１４０よりも厚く形成されていてもよい。
補強層１８０は、酸化物又は窒化物等の無機系材料で形成してもよい。例えば、補強層１８０は、シリコン酸化層（ヤング率９２ＧＰａ程度）であってもよいし、シリコン窒化層（ヤング率１４．６ＧＰａ程度）であってもよい。補強層１８０が無機系材料で形成された場合、樹脂層１４０よりも電極１５０との密着性に優れるので、電極１５０の剥離が効果的に防止される。
あるいは、補強層１８０は、金属で形成してもよい。例えば、補強層１８０は、金層（ヤング率７９ＧＰａ程度）であってもよい。その場合、補強層１８０は、電極１５０における補強層１８０に接する層とは異なる材料で形成されていてもよい。
電極（第１の電極）１５０は、ボンディング部１５６を有し、ボンディング部１５６の少なくとも一部が補強層１８０上に形成されている。詳しくは、ボンディング部１５６の少なくとも一部は、樹脂層１４０及び補強層１８０の両方にオーバーラップしている。これによれば、ボンディング部１５６の下地には、硬い材質の補強層１８０が位置しているので、ボンディング時の応力に起因する樹脂層１４０の変形を効果的に防止することができる。
ボンディング部１５６は、外部との電気的接続部である。ボンディング部１５６は、ワイヤやバンプなどの導電部材（図示しない）がボンディングされる領域を含む。光素子１００がボンディングされる形態は、フェースアップ実装又はフェースダウン実装のいずれであってもよい。
図１に示すように、補強層１８０は、樹脂層１４０の全体を含み、さらに樹脂層１４０の外側を含む領域に形成されていてもよい。詳しくは、図２に示すように、補強層１８０は、樹脂層１４０の全体を覆い、樹脂層１４０から露出する素子部１２０（又は基板１１０）も覆う。補強層１８０は、基板１１０の平面形状の全体とオーバーラップしていてもよい。その場合、補強層１８０は、光学面１２８を避けて形成されている。これによれば、補強層１８０が樹脂層１４０の全体を押さえ込むように保護するので、ボンディング時の応力などの外部応力に対して樹脂層１４０が変形するのを効果的に防止することができる。また、補強層１８０が樹脂層１４０及び素子部１２０（又は基板１１０）の保護材として機能するので、外部環境（熱、湿度又は薬品等）に対する信頼性の向上を図ることができる。
ここで、補強層の形成領域は上述に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
変形例として、図１２に示す例では、補強層２８０は、樹脂層１４０の全体を含む領域に形成されている。また、補強層２８０は、樹脂層１４０のみに形成され、樹脂層１４０から露出する素子部１２０（又は基板１１０）には形成されていない。補強層２８０が樹脂層１４０の外側の一部を露出して形成されていれば、当該露出領域に例えば電極１５２を形成することが可能になる。また、補強層２８０が少なくとも樹脂層１４０の全体を押さえ込むように保護するので、上述した効果も達成される。
他の変形例として、図１３に示す例では、補強層３８０は、ボンディング部１５６の全体を含む領域に形成されている。また、補強層３８０は、ボンディング部１５６のみ（又はボンディング部１５６よりもわずかに大きい領域）に形成され、樹脂層１４０の一部には形成されていない。補強層３８０がボンディング部１５６に形成されていれば、少なくともボンディング時の応力に起因する樹脂層１４０の変形を効果的に防止することができる。
図２に示すように、電極１５０は、樹脂層１４０の第１及び第２の部分１４２，１４４上を通過して、柱状部１３０の上面１３２における露出領域の端部に電気的に接続されている。電極１５０は、当該露出領域の周縁に沿って連続して形成されている。例えば、電極１５０は、柱状部１３０の上面１３２と接触する部分がリング状になっていてもよい。こうすることで、柱状部１３０に均一に電流を流すことができる。電極１５０は、例えばＡｕ及びＺｎの合金とＡｕとの積層膜からなる。また、Ｃｒ膜を付加すれば、樹脂層１４０又は補強層１８０との密着性を向上させることができる。一方、図２に示す例では、電極（第２の電極）１５２は、基板１１０の裏面に形成されている。電極１５２は、例えばＡｕ及びＧｅの合金とＡｕとの積層膜からなる。これによれば、電極１５０，１５２によって、第１及び第２ミラー１２２，１２４の間の活性層１２３に電流を流すことができる。なお、電極１５０，１５２の材料は、上述に限定されず、例えばＴｉ，Ｎｉ，Ａｕ又はＰｔなどの金属やこれらの合金などが利用可能である。
ここで、光素子（面発光型半導体レーザ）の駆動方法の一例を説明する。この光素子１００では、電極１５０，１５２において、ｐｉｎダイオードに順方向の電圧を印加すると、活性層１２３において、電子と正孔との再結合が起こり、かかる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１２４と第１ミラー１２２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、柱状部１３０の上面１３２にある光学面１２８（出射面）から、基板１１０に対して垂直方向にレーザ光が出射する。
本実施の形態に係る光素子によれば、ボンディング部１５６の下地には、硬い材質の補強層１８０が位置しているので、軟らかい樹脂層１４０を下地とするのに比べて、ボンディング時の応力に起因する樹脂層１４０の変形を効果的に防止することができる。すなわち、電極１５０に対するボンディング時の応力が樹脂層１４０に伝わるのを防止することができる。また、樹脂層１４０の変形に伴う電極１５０の剥離や損傷を防止することができる。
また、樹脂層１４０が柱状部１３０の上面１３２の端部に至るまで形成されていれば、樹脂層１４０及び柱状部１３０の密着性の向上を図ることができる。そのため、熱によって樹脂層１４０が柱状部１３０よりも大きく収縮しても、樹脂層１４０が柱状部１３０から剥離するのを防止することができ、それに伴って電極１５０の断線を防止することができる。すなわち、樹脂層１４０の硬化収縮に起因する応力を緩和して、電極１５０が断線するのを防止することができる。
また、樹脂層１４０の機械的特性値（熱膨張率など）を、例えば基板１１０や柱状部１３０等と同一又は近似の数値にしなくても光素子の信頼性の向上を図ることができ、材料選択の自由度が大きいという利点もある。
なお、本発明が適用できる光素子は、面発光型半導体レーザに限定されるわけではなく、他の発光素子（例えば、半導体発光ダイオードや、有機ＬＥＤ）であってもよく、あるいは受光素子（例えばフォトダイオード）であってもよい。受光素子であれば、柱状部１３０の光学面が光の入射面となる。また、柱状部１３０の上面１３２（光学面１２８）上に、マイクロレンズ等の光学部材（図示しない）が設けられていてもよい。
また、上述の各半導体において、ｐ型とｎ型を入れ替えてもよい。また、上述の例では、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。
２．光素子の製造方法について
図３〜図１１は、本発明を適用した第１の実施の形態に係る光素子の製造方法を示す図である。
図３〜図１１は、本発明を適用した第１の実施の形態に係る光素子の製造方法を示す図である。
（１）まず、柱状部１３０を含む素子部１２０を形成する（図３〜図５参照）。
図３に示すように、ｎ型ＧａＡｓからなる基板１１０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、半導体多層膜１５８を形成する。ここで、半導体多層膜１５８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１２２、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１２３、及びｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した２５ペアの第２ミラー１２４からなる。これらの層を順に基板１１０上に積層させることによって、半導体多層膜１５８が形成される。
なお、第２ミラー１２４を成長させる際に、活性層１２３近傍の少なくとも１層を、ＡｌＡｓ層又はＡｌ組成が０．９５以上のＡｌＧａＡｓ層に形成する。この層は後に酸化され、電流狭窄層１２５となる（図５参照）。また、第２ミラー１２４の最表面の層は、キャリア密度を高くし、電極１５０とのオーミック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う際の温度は、成長方法や原料、基板１１０の種類、あるいは形成する半導体多層膜１５８の種類、厚さ、及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（Molecular Beam Epitaxy）法、あるいはＬＰＥ（Liquid Phase Epitaxy）法などを用いることができる。
続いて、半導体多層膜１５８上に、レジストを塗布した後フォトリソグラフィ法により該レジストをパターニングすることにより、図３に示すように、所定のパターンのレジスト層Ｒ１００を形成する。レジスト層Ｒ１００は、柱状部１３０（図１及び図２参照）の形成予定領域の上方に形成する。次いで、このレジスト層Ｒ１００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１２４、活性層１２３、及び第１ミラー１２２の一部をエッチングして、図４に示すように、柱状部１３０を形成する。その後、レジスト層Ｒ１００を除去する。
続いて、図５に示すように、例えば４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、上記工程によって柱状部１３０が形成された基板１１０を投入することにより、上述した第２ミラー１２４中のＡｌ組成が高い層（Ａｌ組成が０．９５以上の層）を側面から酸化して、電流狭窄層１２５を形成する。酸化レートは、炉の温度、水蒸気の供給量、酸化すべき層のＡｌ組成及び膜厚に依存する。上述した電流狭窄層１２５を備えた面発光型半導体レーザでは、駆動する際に、電流狭窄層１２５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１２５を形成する工程において、電流狭窄層１２５の形成領域を制御することにより、電流密度の制御が可能となる。
（２）次に、樹脂層１４０を形成する（図６〜図１１参照）。
まず、樹脂層前駆体層１６０を、基板１１０の全体とオーバーラップさせて設ける。樹脂層前駆体層１６０は、柱状部１３０の上面１３２及び側面１３４を覆い、さらに素子部１２０の他の部分も覆うように設ける。樹脂層前駆体層１６０は、例えばスピンコート法によって塗布してもよい。あるいは、ディッピング法、スプレーコート法、液滴吐出法（例えばインクジェット法）等の公知技術を適用してもよい。樹脂層前駆体層１６０は、柱状部１３０の突出に従って隆起させてもよい。あるいは、樹脂層前駆体層１６０は、柱状部１３０のさらに上方で上面が平坦になるように形成してもよい。
ウエットエッチング工程（溶解除去工程）を適用して、樹脂層前駆体層１６０をパターニングしてもよい。ウエットエッチング工程は、フォトリソグラフィ技術のウエット現像工程であってもよい。本実施の形態で示す例では、感光性を有する樹脂層前駆体層１６０を、フォトリソグラフィ技術を適用して露光及び現像する。
ウエットエッチング工程前（詳しくは露光前）に、樹脂層前駆体層１６０を例えば８０〜１００℃程度にプリベークして、樹脂層前駆体層１６０中の溶媒を飛ばしてもよい。こうすることで、ウエットエッチング時の溶解速度を均一にすることができる。また、後述するように、樹脂層前駆体層１６０上にレジスト層Ｒ１１０を設け、それらを同時に露光及び現像する場合には、プリベークによって、樹脂層前駆体層１６０の溶解速度をレジスト層Ｒ１１０の溶解速度よりも遅らせることができる。
図７に示すように、樹脂層前駆体層１６０上にレジスト層Ｒ１１０を設ける。レジスト層Ｒ１１０は感光性レジストである。レジスト層Ｒ１１０として、光エネルギーの照射部分の溶解性が増加するポジ型を使用してもよい。
まず、第１のパターニング工程として、樹脂層前駆体層１６０における柱状部１３０よりも外側の一部を除去する。具体的には、柱状部１３０を含む領域の上方にマスク１７０を配置し、光エネルギー１７２を照射する。レジスト層Ｒ１１０及び樹脂層前駆体層１６０には、マスク１７０から露出する領域に光エネルギー１７２が照射される。こうして、レジスト層Ｒ１１０及び樹脂層前駆体層１６０を一括して露光する。その後、現像液に浸漬することによって、光エネルギー１７２が照射された部分を一括して除去する。なお、光エネルギーの照射部分の溶解性が減少するネガ型のレジスト層を使用する場合には、光エネルギー１７２の照射部分を反転させればよい。
次に、第２のパターニング工程として、樹脂層前駆体層１６０における柱状部１３０の上面１３２の一部を除去する。具体的には、柱状部１３０の上面１３２の中央部を開口させてマスク１７４を配置し、光エネルギー１７６を照射する。レジスト層Ｒ１１０及び樹脂層前駆体層１６０を一括して露光及び現像するのは、第１のパターニング工程で説明した通りである。第２のパターニング工程では、第１のパターニング工程で残されたレジスト層Ｒ１１０をそのまま使用して行う。パターニングを複数回行うことによって、それぞれに最適な露光及び現像時間を確保することができ、パターニング形状の最適化を図ることができる。
こうして、図１０に示すように、柱状部１３０の上面１３２の中央部を露出させることができる。レジスト層Ｒ１１０及び樹脂層前駆体層１６０は、柱状部１３０の周囲だけでなく、柱状部１３０の上面１３２の端部にも設けられている。その後、レジスト層Ｒ１１０を除去する。レジストシンナー（例えばＬＢシンナー（商品名））等を使用して、レジスト層Ｒ１１０を溶解除去（ウエットエッチング）してもよい。その場合、レジスト層Ｒ１１０とプリベーク済みの樹脂層前駆体層１６０との溶解速度の比が異なることを利用して、レジスト層Ｒ１１０の全部を除去し、かつ、樹脂層前駆体層１６０の表層部を除去してもよい。こうすることで、レジスト層Ｒ１１０除去後の樹脂層前駆体層１６０の上面を滑らかな曲面にすることができる。詳しくは、柱状部１３０の上面１３２においては、樹脂層前駆体層１６０が上面１３２の周縁から中央の方向に従って厚みが小さくなり、後述する電極１５０の断線を効果的に防止することができる。
その後、樹脂層前駆体層１６０を硬化させる。例えば、樹脂層前駆体層１６０を３５０℃程度に加熱して、ほぼ完全に硬化した樹脂層１４０を形成することができる。樹脂層前駆体層１６０としてポリイミド樹脂層前駆体層を使用した場合には、加熱硬化させることによってポリイミド樹脂層を形成する。樹脂層１４０は、上述した第１及び第２の部分１４２，１４４を含む。
上述の例では、２回のパターニング工程を行ったが、１回のパターニング工程でレジスト層Ｒ１１０及び樹脂層前駆体層１６０をパターニングしてもよい。その場合、レジスト層Ｒ１１０及び樹脂層前駆体層１６０における、柱状部１３０の上方の膜厚と、柱状部１３０の外側の膜厚とを調整して、最適な露光及び現像時間を確保すればよい。
あるいは、上述の例では、レジスト層Ｒ１１０を設けた場合を説明したが、レジスト層Ｒ１１０を設けることなく、樹脂層前駆体層１６０のみをパターニングしてもよい。その場合には、樹脂層前駆体層１６０の上面を滑らかな曲面にするために、ウエットエッチング等を改めて行ってもよい。
あるいは、樹脂層前駆体層１６０は非感光性材料で形成してもよく、その場合には、通常のウエットエッチング工程を適用してパターニングすることができる。
なお、樹脂層１４０は。柱状部１３０の上面１３２に形成せず、柱状部１３０の周囲のみに形成してもよい。
（３）次に、補強層１８０を形成する（図２参照）。
補強層１８０は、樹脂層１４０上を含む領域に形成する。補強層１８０は、樹脂層１４０よりも硬い材質から形成する。補強層１８０は、無機系材料で形成してもよいし、金属で形成してもよい。例えば、補強層１８０として、シリコン酸化層やシリコン窒化層を、スパッタ法又はＣＶＤ法によって形成してもよい。その後、柱状部１３０の上面１３２の光学面１２８を開口するために、補強層１８０をパターニングする。パターニングは、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチングによって行うことができる。補強層１８０は、樹脂層１４０よりも硬い材質であるので、エッチングの寸法精度が高く、光学面１２８の開口領域を正確に決定することができる。したがって、光素子の特性の均一化が図れる製造工程を行うことができる。なお、上述の図１２又は図１３に示す補強層は、パターニング領域を変更することによって形成することが可能である。
（４）最後に、電極１５０，１５２を形成する（図２参照）。電極１５０は第２ミラー１２４に電気的に接続させ、電極１５２は第１ミラー１２２に電気的に接続させる。
電極１５０を柱状部１３０の上面１３２及び補強層１８０上に形成する。詳しくは、電極１５０を、樹脂層１４０の第１及び第２の部分１４２，１４４上を通過させ、柱状部１３０の上面１３２の露出領域の端部に電気的に接続させる。また、電極１５２を基板１１０の裏面（素子部１２０とは反対の面）上に形成する。必要に応じて、プラズマ処理等を用いて、柱状部１３０の上面、樹脂層１４０の上面及び基板１１０の裏面を洗浄してもよい。これにより安定した特性の素子を形成することができる。
次に、例えば真空蒸着法により、例えばＡｕ及びＺｎの合金とＡｕの積層膜を形成する。その後、リフトオフ法により、積層膜の一部を除去して、柱状部１３０の上面１３２及び補強層１８０上に、電極１５０をパターニングすることができる。このとき、柱状部１３０の上面１３２の中央部は、積層膜から開口しており、かかる開口部１５４の底面が光学面１２８となっている。なお、リフトオフ法のかわりに、ドライエッチング法を適用して、電極１５０をパターニングしてもよい。
同様にして、例えばＡｕ及びＧｅの合金とＡｕとの積層膜をパターニングすることによって、基板１１０の裏面に電極１５２を形成する。その後、アニール処理してもよい。こうして、電極１５０，１５２を形成することができる。
本実施の形態に係る光素子の製造方法によれば、ボンディング部１５６の下地に、硬い材質の補強層１８０を配置するので、軟らかい樹脂層１４０を下地とするのに比べて、ボンディング時の応力に起因する樹脂層１４０の変形を効果的に防止することができる。また、樹脂層１４０の変形に伴う電極１５０の剥離や損傷を防止することができる。
また、樹脂層１４０を柱状部１３０の上面１３２の端部に至るまで形成すれば、樹脂層１４０及び柱状部１３０の密着性の向上を図ることができる。そのため、熱によって樹脂層１４０が柱状部１３０よりも大きく収縮しても、樹脂層１４０が柱状部１３０から剥離するのを防止することができ、それに伴って電極１５０の断線を防止することができる。すなわち、樹脂層１４０の硬化収縮に起因する応力を緩和して、電極１５０が断線するのを防止することができる。
なお、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、上述の半導体装置の説明から導き出せる内容を含む。
（第２の実施の形態）
図１４は、本発明を適用した第２の実施の形態に係る光伝達装置を示す図である。光伝達装置２００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２０２を相互に接続するものである。電子機器２０２は、情報通信機器であってもよい。光伝達装置２００は、ケーブル２０４の両端にプラグ２０６が設けられたものであってもよい。ケーブル２０４は、光ファイバを含む。プラグ２０６は、上述の光素子を内蔵する。プラグ２０６は、半導体チップをさらに内蔵してもよい。
図１４は、本発明を適用した第２の実施の形態に係る光伝達装置を示す図である。光伝達装置２００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２０２を相互に接続するものである。電子機器２０２は、情報通信機器であってもよい。光伝達装置２００は、ケーブル２０４の両端にプラグ２０６が設けられたものであってもよい。ケーブル２０４は、光ファイバを含む。プラグ２０６は、上述の光素子を内蔵する。プラグ２０６は、半導体チップをさらに内蔵してもよい。
光ファイバの一方の端部に接続される光素子は、発光素子であり、光ファイバの他方の端部に接続される光素子は、受光素子である。一方の電子機器２０２から出力された電気信号は、発光素子によって光信号に変換される。光信号は光ファイバを伝わり、受光素子に入力される。受光素子は、入力された光信号を電気信号に変換する。そして、電気信号は、他方の電子機器２０２に入力される。こうして、本実施の形態に係る光伝達装置２００によれば、光信号によって、電子機器２０２の情報伝達を行うことができる。
（第３の実施の形態）
図１５は、本発明を適用した第３の実施の形態に係る光伝達装置の使用形態を示す図である。光伝達装置２１２は、電子機器２１０間を接続する。電子機器２１０として、液晶表示モニター又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。
図１５は、本発明を適用した第３の実施の形態に係る光伝達装置の使用形態を示す図である。光伝達装置２１２は、電子機器２１０間を接続する。電子機器２１０として、液晶表示モニター又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、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及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。
１００…光素子 １１０…基板 １２０…素子部 １３０…柱状部 １３２…上面
１４０…樹脂層 １４２…第１の部分 １４４…第２の部分 １５０，１５２…電極
１５６…ボンディング部 １６０…樹脂層前駆体層 １８０，２８０，３８０…補強層
１４０…樹脂層 １４２…第１の部分 １４４…第２の部分 １５０，１５２…電極
１５６…ボンディング部 １６０…樹脂層前駆体層 １８０，２８０，３８０…補強層
Claims (6)
- 基板と、
前記基板の上方に形成された、第１ミラーと活性層と第２ミラーとを有する素子部と、
前記素子部の一部であって、光が出射又は入射する上面を有する柱状部と、
前記第１ミラーの上方の一部であって、前記柱状部の周囲の領域に形成された樹脂層と、
前記樹脂層の上方に形成され、前記樹脂層よりも硬い材質からなる補強層と、
前記補強層の上方に形成されたボンディング部を有し、前記柱状部の前記上面における露出領域の端部に電気的に接続された電極と、を含み、
前記補強層は、前記樹脂層の全体を覆い、さらに前記第１ミラーまたは前記基板の露出面を覆うように形成された、光素子。 - 請求項１記載の光素子において、
前記補強層は、前記ボンディング部の全体を含む領域に形成された、光素子。 - 請求項１又は請求項２記載の光素子において、
前記補強層は、無機系材料からなる、光素子。 - 請求項１又は請求項２記載の光素子において、
前記補強層は、金属からなる、光素子。 - 請求項１から請求項４のいずれかに記載の光素子において、
前記樹脂層は、前記第１ミラーの上方の一部であって前記柱状部の周囲に設けられた第１の部分と、前記柱状部の前記上面の端部に設けられた第２の部分と、を含む、光素子。 - （ａ）基板の上方に形成された第１ミラー、活性層および第２ミラーを有し、光が出射又は入射する上面を有する柱状部を含む素子部を形成すること、
（ｂ）前記第１ミラーの上方の一部であって、前記柱状部の周囲の領域に樹脂層を形成すること、
（ｃ）前記樹脂層の全体を覆い、さらに前記第１ミラーまたは前記基板の露出面を覆うように前記樹脂層よりも硬い材質からなる補強層を形成すること、
（ｄ）前記補強層の上方にボンディング部を有し、前記柱状部の前記上面における露出領域の端部に電気的に接続する電極を形成すること、
を含む、光素子の製造方法。
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