JP4609508B2 - Surface emitting semiconductor laser array device with improved reliability by stress control of interlayer insulating film - Google Patents
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本発明は、表面発光型半導体アレイ素子に関し、特に、表面発光型半導体レーザアレイ素子の積層構造に関する。 The present invention relates to a surface emitting semiconductor array element, and more particularly to a stacked structure of surface emitting semiconductor laser array elements.
表面発光型半導体レーザ(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode:以下、VCSELと称する)素子は、半導体基板の表面から光を放射するタイプのレーザダイオードであり、端面発光型のレーザダイオードに比べ、駆動のため要する電流値が低い(低しきい値電流)、ウエハレベルで特性検査が可能(非破壊測定)、2次元アレイ化が容易、といった優れた特徴を備えている。このため光情報処理装置や光通信素子、あるいは光を用いたデータ記憶装置の光源として利用されている。 A surface-emitting semiconductor laser (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode: hereinafter referred to as VCSEL) element is a laser diode that emits light from the surface of a semiconductor substrate, and is driven in comparison with an edge-emitting laser diode. Therefore, it has excellent characteristics such as low current value (low threshold current), characteristic inspection at wafer level (non-destructive measurement), and easy two-dimensional array. For this reason, it is used as a light source of an optical information processing device, an optical communication element, or a data storage device using light.
図17は、特許文献1に示される従来の選択酸化型VCSEL素子の構造を模式的に示したものである。基板1上に形成されたn型の下部DBR層3と、p型の上部DBR層9と、それらのDBR層の間に配された活性領域7と、選択的に酸化された酸化領域8bを含む電流狭窄層8とを有する。基板上に形成されたメサ構造は、コンタクト層10、上部DBR層9および電流狭窄層8を含み、メサ構造の上面の縁部、側面、メサ底部が層間絶縁膜13によって覆われている。特許文献1は、層間絶縁膜13の内部応力を1.5×109(dyne/cm2)以下とし、メサ構造等の脱落を予防し素子の長寿命化を図った酸化型VCSEL素子を開示している。
FIG. 17 schematically shows the structure of a conventional selective oxidation VCSEL element disclosed in Patent Document 1. An n-type lower DBR layer 3 formed on the substrate 1, a p-type upper DBR layer 9, an active region 7 disposed between the DBR layers, and a selectively oxidized oxide region 8b. And a current confinement layer 8. The mesa structure formed on the substrate includes a contact layer 10, an upper DBR layer 9, and a current confinement layer 8, and an edge portion, a side surface, and a mesa bottom portion of the mesa structure are covered with an
特許文献2は、VCSEL構造を部分的に貫通する酸化空洞を形成し、この構造内の層を酸化する。さらに酸化空洞の表面上に第1のパッシベーション層を形成し、この上に第2のパッシベーション層を形成する。第1のパッシベーション層は窒化珪素(SiN)で、第2のパッシベーション層はシリコンオキシナイトライド(SiON)でそれぞれ形成される。いずれか一方のパッシベーション層に存在し得るピンホールは、他方のパッシベーション層で覆われるため、製造プロセス上で残り得る水分の入る経路が断たれ、酸化型VCSEL素子の信頼性が高められる。 U.S. Pat. No. 6,057,059 forms an oxidation cavity that partially penetrates the VCSEL structure and oxidizes the layers in this structure. Further, a first passivation layer is formed on the surface of the oxidation cavity, and a second passivation layer is formed thereon. The first passivation layer is formed of silicon nitride (SiN), and the second passivation layer is formed of silicon oxynitride (SiON). Since the pinhole that may exist in one of the passivation layers is covered with the other passivation layer, the path for moisture remaining in the manufacturing process is cut off, and the reliability of the oxidized VCSEL element is improved.
特許文献3は、メサ構造体の側面上に無機材料からなる第1の絶縁膜、周辺部を埋める樹脂層、この上に無機材料からなる第2の絶縁膜が形成する。メサ構造体の上面には開口部を有する上部コンタクト電極が形成されている。これにより、製造時に樹脂層の酸化および変質が抑制され、メサ構造体を隙間なく埋め込むことで絶縁膜に挟まれた樹脂層の酸化および変質を抑制した高信頼性のVCSEL素子を得ることができる。 In Patent Document 3, a first insulating film made of an inorganic material, a resin layer filling a peripheral portion, and a second insulating film made of an inorganic material are formed on the side surface of the mesa structure. An upper contact electrode having an opening is formed on the upper surface of the mesa structure. As a result, oxidation and alteration of the resin layer are suppressed during manufacturing, and a highly reliable VCSEL element that suppresses oxidation and alteration of the resin layer sandwiched between the insulating films by embedding the mesa structure without gaps can be obtained. .
ところで選択酸化型VCSEL素子の課題のひとつに、いわゆる突然死の問題がある。これは酸化による積層材料の組成変化に伴い積層膜中に転位(点欠陥)が生じ、レーザ発振に付随して発生した熱が転位の移動を促進、増殖させ、これが活性層を貫いて突然死(素子劣化)を誘引するものと考えられている。しかしその後の研究により、単純に酸化反応のみに起因して転位が生じるのではなく、酸化領域近傍に形成された層間絶縁膜との間で生じる内部応力(ストレス)が、要因のひとつであることがわかってきた。 Incidentally, one of the problems of the selective oxidation type VCSEL device is a problem of so-called sudden death. This is because dislocations (point defects) occur in the laminated film due to the composition change of the laminated material due to oxidation, and the heat generated accompanying laser oscillation promotes and propagates the movement of dislocations, which suddenly dies through the active layer. It is thought to induce (element degradation). However, in subsequent research, dislocations are not caused simply by the oxidation reaction, but internal stress (stress) generated between the insulating layers formed in the vicinity of the oxidized region is one of the factors. I understand.
VCSELのベースとなる半導体層と誘電体膜からなる層間絶縁膜とは、熱膨張係数が異なることから温度上昇時のストレス発生は避けられない。またこの現象は、基板の反りのため元々ストレスを生じ易い長尺のアレイ素子(発光点を複数個有するもの)においてとりわけ顕著であり、その解決が待たれている。 Since the semiconductor layer serving as the base of the VCSEL and the interlayer insulating film composed of the dielectric film have different thermal expansion coefficients, the occurrence of stress when the temperature rises is unavoidable. This phenomenon is particularly remarkable in a long array element (having a plurality of light emitting points) that is likely to be stressed due to warping of the substrate, and a solution for this phenomenon is awaited.
本発明は、層間絶縁膜内に発生する応力を制御することでストレス起因の寿命劣化を抑制し、信頼性を向上させた表面発光型半導体レーザアレイ素子およびその製造方法を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a surface emitting semiconductor laser array element and a method for manufacturing the same, which suppresses the lifetime deterioration due to stress by controlling the stress generated in the interlayer insulating film and improves the reliability. To do.
本発明に係る表面発光型半導体レーザアレイ素子は、少なくとも第1の多層膜反射膜、活性層および第2の多層膜反射膜が形成された長手方向に延在する基板と、前記第1の多層膜反射膜、前記活性層および前記第2の多層膜反射膜の少なくとも一部を選択的に除去することで前記基板上に形成された複数のメサ部と、前記第1の多層膜反射膜または前記第2の多層膜反射膜の少なくとも一方に形成された選択酸化領域と、少なくとも前記メサ部の側部および底部を覆う層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜を覆う表面保護膜とを備え、前記表面保護膜には、前記表面保護膜の少なくとも一部分を除去する溝が前記基板の長手方向に沿って複数形成されている。 A surface emitting semiconductor laser array device according to the present invention includes a substrate extending in a longitudinal direction on which at least a first multilayer reflective film, an active layer, and a second multilayer reflective film are formed, and the first multilayer A plurality of mesa portions formed on the substrate by selectively removing at least a part of the film reflection film, the active layer, and the second multilayer film reflection film, and the first multilayer film reflection film or A selective oxidation region formed on at least one of the second multilayer reflective film, an interlayer insulating film that covers at least the side and bottom of the mesa portion, and a surface protective film that covers the interlayer insulating film, A plurality of grooves for removing at least a part of the surface protective film are formed in the surface protective film along the longitudinal direction of the substrate.
溝は、表面保護膜とその直下の層間絶縁膜に至るまで形成することができる。溝は、前記基板の短手方向に形成されたスリットを含むことができる。好ましくは、線状に配列されたメサ部の数をn(nは2以上の自然数)としたとき、溝の数は少なくともn−1個である。例えば、8つのメサ部(発光部)が線状に配列されたとき、溝は少なくとも7個形成される。好ましくは層間絶縁膜は、単一の無機絶縁膜または材料の異なる複数の無機絶縁膜からなる積層膜である。好ましくは、表面保護膜は、前記層間絶縁膜の持つ法線応力と逆向きの法線応力を持つ膜質の絶縁膜である。好ましくは、層間絶縁膜は、少なくともその1層がアルミニウムを含む無機絶縁膜からなる。また、層間絶縁膜は、アルミニウムを含む無機絶縁膜とシリコンを含む無機絶縁膜からなる積層膜であってもよい。好ましくは、第1および第2の多層膜反射膜は、Alを含むIII−V族半導体層であり、選択酸化領域は、メサ部の側面から選択的に酸化されたAlを含む半導体層である。さらに好ましくは溝内には、絶縁物質が充填されるようにしてもよい。 The trench can be formed up to the surface protective film and the interlayer insulating film immediately below it. The groove may include a slit formed in a short direction of the substrate. Preferably, when the number of mesa portions arranged in a line is n (n is a natural number of 2 or more), the number of grooves is at least n-1. For example, when eight mesa parts (light emitting parts) are arranged in a line, at least seven grooves are formed. Preferably, the interlayer insulating film is a single inorganic insulating film or a laminated film including a plurality of inorganic insulating films made of different materials. Preferably, the surface protective film is a film quality insulating film having a normal stress opposite to the normal stress of the interlayer insulating film. Preferably, the interlayer insulating film is made of an inorganic insulating film containing at least one layer of aluminum. Further, the interlayer insulating film may be a laminated film including an inorganic insulating film containing aluminum and an inorganic insulating film containing silicon. Preferably, the first and second multilayer reflective films are III-V group semiconductor layers containing Al, and the selective oxidation region is a semiconductor layer containing Al selectively oxidized from the side surface of the mesa portion. . More preferably, the groove may be filled with an insulating material.
本発明に係る、複数のメサ部が形成された表面発光型半導体レーザアレイ素子を製造する方法は、長手方向に延在する基板上に、少なくとも第1の多層膜反射膜、活性層および第2の多層膜反射膜が形成するステップと、第1の多層膜反射膜、活性層および第2の多層膜反射膜の少なくとも一部をエッチングし、基板上に複数のメサ部を形成するステップと、前記複数のメサ部の側面から選択的に酸化された酸化領域を形成するステップと、少なくとも前記複数のメサ部の側部および底部を覆うように基板上に層間絶縁膜を形成するステップと、前記層間絶縁膜上に表面保護膜を形成するステップと、前記表面保護膜の少なくとも一部分を除去する溝を前記基板の長手方向に沿って前記表面保護膜に複数形成するステップとを有する。 According to the present invention, there is provided a method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser array element having a plurality of mesa portions formed on a substrate extending in a longitudinal direction, at least a first multilayer reflective film, an active layer, and a second layer. Forming a plurality of mesa portions on the substrate, etching the at least part of the first multilayer film reflection film, the active layer, and the second multilayer film reflection film; Forming an oxidized region selectively oxidized from a side surface of the plurality of mesa portions; forming an interlayer insulating film on the substrate so as to cover at least side portions and bottom portions of the plurality of mesa portions; and Forming a surface protective film on the interlayer insulating film; and forming a plurality of grooves in the surface protective film along a longitudinal direction of the substrate to remove at least a part of the surface protective film.
本発明によれば、活性層近傍に設けられた酸化領域と層間絶縁膜との間に生ずる内部応力を、層間絶縁膜を覆うように形成された表面保護膜に溝を有していない構造と比べ、積層材料中の転位の増殖を抑え、高信頼性の半導体レーザアレイ素子を得ることができる。 According to the present invention, the internal stress generated between the oxide region provided in the vicinity of the active layer and the interlayer insulating film has a structure in which the surface protective film formed so as to cover the interlayer insulating film has no groove. In comparison, the growth of dislocations in the laminated material can be suppressed, and a highly reliable semiconductor laser array element can be obtained.
また、発熱による活性層近傍の温度上昇は、メサ部の側面を被覆する層間絶縁膜に放熱性の高いアルミニウムを主材料とする絶縁膜を用いない構造と比べ、活性層より発せられた熱を外部へ効率的に放出することができる。 Also, the temperature rise in the vicinity of the active layer due to heat generation is due to the heat generated by the active layer compared to the structure that does not use an insulating film mainly made of aluminum with high heat dissipation in the interlayer insulating film covering the side surface of the mesa. It can be efficiently discharged to the outside.
以下、本発明に係る選択酸化型VCSELアレイ素子の実施例を図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the selective oxidation type VCSEL array device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施例に係る選択酸化型VCSELのアレイ素子の模式的な平面図である。図1に例示されるアレイ素子20は、細長の矩形状の基板22に複数のメサ部24(発光部)を直線状に配列している。基板上に、8個のメサ部24がほぼ一定の間隔に形成されている。基板上には、メサ部24に対応して複数のp側電極26と複数のn側電極28が形成されている。p側電極26は、メサ部24の頂部のp型コンタクト層に電気的に接続され、n側電極28は、メサ部24のn型の半導体層に電気的に接続されている。p側電極26とn側電極28に順方向バイアス電流を与えることで、対応するメサ部24の頂部からレーザ光が出射される。図1に示す例は、複数のp側電極26と複数のn側電極28を示しているが、すべてのメサ部24を同時に駆動する場合には、複数のp側電極26を1つの電極に共通化し、複数のn側電極28を1つの電極に共通化してもよい。
FIG. 1 is a schematic plan view of an array element of a selective oxidation VCSEL according to an embodiment of the present invention. The
基板表面には、メサ部24を保護するための表面保護膜32が形成されているが、本実施例では、表面保護膜32に、メサ部とメサ部との間を分離するための分離溝30が形成される。好ましくは、基板上にn個(nは2以上の自然数)のメサ部24が直線状に配列されているとき、分離溝30は、各々のメサ部24の間を仕切るように少なくともn−1個形成される。但し、1つメサ部とこれに隣接するメサ部との間に形成される分離溝は、単一であってもよいし、複数であってもよい。図1の例では、直線状に配列された8個のメサ部に対して7個の分離溝30が形成されている。
A surface
分離溝30は、図1に示すように、表面保護膜32の一端から他端にまで延在して表面保護膜32を完全に分断してもよいし、部分的に表面保護膜32を分断するものであってもよい。また、分離溝30の形状は、直線状であってもよいが、図2に示すような曲線状31a、屈曲を含むもの31b、あるいは直交する部分を含むもの31cであってもよい。図1の例では、それぞれの分離溝30は互いに並行に、かつ基板の長手方向に対して一定の角度で交差するように斜め方向に直線に延在し、表面保護膜32を完全に分断している。
As shown in FIG. 1, the
図3は、複数のメサ部(発光部)が2次元状に配列されたときのアレイ素子の模式的な平面図を示している。メサ部24は、矩形状の基板22の長手方向に沿って5行×2列で配列されている。分離溝30は、各メサ部の間を分離するため、行方向に4つ、列方向に1つ形成されている。好ましくは、メサ部24の配列がn行×m列(n、mは自然数)であるとき、行方向の分離溝は、少なくともn−1個、列方向の分離溝は、少なくともm−1個である。
FIG. 3 shows a schematic plan view of the array element when a plurality of mesa portions (light emitting portions) are arranged two-dimensionally. The
次に、VCSELアレイ素子の詳細な構成を説明する。図4Aは、図1に示すVCSELのA−A線断面図、図4Bは、図1に示すVCSELのB−B線断面図である。便宜上、図4Bではp側電極およびn側の電極を省略してある。またこの断面図は、必ずしも図1に示す平面図とのスケールを一致させたものではない。 Next, a detailed configuration of the VCSEL array element will be described. 4A is a cross-sectional view taken along line AA of the VCSEL shown in FIG. 1, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line BB of the VCSEL shown in FIG. For convenience, the p-side electrode and the n-side electrode are omitted in FIG. 4B. Further, this cross-sectional view does not necessarily match the scale of the plan view shown in FIG.
半絶縁性の半導体基板22上に、n型の下部多層反射鏡(以下、下部DBR)40、スペーサ層42(基板に近い方を42a、遠い方を42b)、量子井戸活性層44、p型の酸化制御層46、p型の上部多層反射鏡(以下、上部DBR)48の順に半導体薄膜が積層されている。下部DBR40および上部DBR48は、分布ブラッグ型反射鏡(Distributed Bragg Reflector)であり、基板上に垂直共振器構造を形成する。スペーサ層42は、量子井戸活性層44を挟んで基板面の上下方向に積層されているため、基板に近い側を42a、遠い側を42bで表している。上部DBR48の上層には、p型のコンタクト層50が形成され、コンタクト層50上には環状のコンタクト電極52が形成されている。コンタクト電極52の開口52aは、レーザ光の出射窓となる。
On a
上部DBR48からスペーサ層42または下部DBR40に至るまで半導体薄膜をエッチングすることによって、基板22上に円筒(円柱)状のメサ部(またはポスト)24が形成されている。メサ部24の頂部の周縁、側壁および底部は層間絶縁膜54によって覆われ、保護されている。メサ部24の頂部において、層間絶縁膜54には、コンタクト電極52の一部を露出させるための円形状のコンタクトホール54aが形成されている。
By etching the semiconductor thin film from the
さらに基板全面を覆うように層間絶縁膜54上に表面保護膜32が形成されている。メサ部24の頂部において、表面保護膜32には、層間絶縁膜54のコンタクトホール54aを露出させるため円形状のコンタクトホール32aが形成されている。コンタクトホール32aは、コンタクトホール54aよりも幾分だけ径が大きい。さらに表面保護膜32には、図1において示したように、メサ部24とメサ部24のとの間を区切るための分離溝30がエッチングにより形成されている。分離溝30の形状、幅等は、特に制限されないが、この分離溝30によって層間絶縁膜54の表面が露出される。
Further, a surface
p側電極26は、図4Aに示すように、メサ部24の頂部において、表面保護膜32のコンタクトホール32aおよび層間絶縁膜54のコンタクトホール54aによって露出されたコンタクト電極52と接続される。n側電極28は、メサ部24の底部において、層間絶縁膜54および表面保護膜32にそれぞれ形成されたコンタクトホール54b、32bによって露出されたn型の下部DBR40に電気的に接続される。
As shown in FIG. 4A, the p-
本実施例に係るVCSELアレイ素子によれば、メサ部の間を分離するための分離溝30が表面保護膜32に形成されている。このため、表面保護膜32を媒介とする応力の素子内部への伝播が遮断され、これにより、酸化制御層46の酸化領域46aと層間絶縁膜54との間に生じた応力を低減させ、これに基因するVCSELアレイ素子の長期信頼性の劣化が抑制される。特に、基板とその上に積層された半導体薄膜との熱膨張係数の差異等により基板に反りが生じた際、表面保護膜32を媒介とする応力の伝播が起きやすいが、分離溝30の効果により応力の伝播が抑制される。
According to the VCSEL array element according to the present embodiment, the
図5は、層間絶縁膜と表面保護膜との法線応力の関係を説明する図である。活性層44近傍の酸化制御層46の酸化領域46aに起因する歪み応力により、層間絶縁膜54に図示するようなメサ部24の法線方向に縮むような法線応力f1が生じる場合、表面保護膜32は、法線応力f1と逆向きの法線応力f2を持つ膜質であることが望ましい。これと反対に、層間絶縁膜54の法線応力f1が延びる方向であれば、表面保護膜32は、法線応力f2が縮む方向の膜質であることが望ましい。このような関係となるように、層間絶縁膜54および表面保護膜32の材料、膜厚等の良好な組合せが選択される。これにより、層間絶縁膜54からの応力が表面保護膜32に伝播しても、層間絶縁膜54の法線応力f1の全部または一部がキャンセルされ、メサ部24内の各層への応力の伝播を低減することができる。
FIG. 5 is a diagram for explaining the relationship between the normal stresses of the interlayer insulating film and the surface protective film. When the normal stress f1 contracting in the normal direction of the
次に、VCSELアレイ素子の製造方法について図6および図7を参照して説明する。図6および図7は、図4Bに示す部分に対応する。図6Aに示すように、GaAs基板12上に形成されたn型の下部多層反射鏡(DBR)40は、例えば、Al0.9Ga0.1AsとAl0.3Ga0.7Asとが交互に複数の周期(ペア)で積層され、各層の厚さはλ/4nr(但し、λは発振波長、nrは媒質の屈折率)である。スペーサ層42(42a、42b)は、例えば、アンドープのAl0.5Ga0.5Asからなり、量子井戸活性層44は、例えば、アンドープのGaAs量子井戸層とアンドープのAl0.2Ga0.8As障壁層で構成される。スペーサ層32と量子井戸活性層44とを合わせた膜厚はλ/nrである。p型の上部多層反射鏡(DBR)48は、例えば、Al0.9Ga0.1AsとAl0.3Ga0.7Asとが交互に複数のペアで積層され、各層の厚さは下部多層反射鏡40同様、媒質内波長の1/4である。なお上部多層反射鏡48の下層にはp型AlAs層(酸化制御層)46が、その反対側の上層には、例えば、キャリア濃度が一段と高いp型のGaAsコンタクト層50が積層され、これらも反射鏡の一部を構成する。
Next, a manufacturing method of the VCSEL array element will be described with reference to FIGS. 6 and 7 correspond to the portion shown in FIG. 4B. As shown in FIG. 6A, an n-type lower multilayer reflector (DBR) 40 formed on a GaAs substrate 12 has, for example, Al 0.9 Ga 0.1 As and Al 0.3 Ga 0.7 As alternately in a plurality of periods (pairs). ) And the thickness of each layer is λ / 4n r (where λ is the oscillation wavelength and n r is the refractive index of the medium). Spacer layer 42 (4 2a, 4 2b) is, for example, an undoped Al 0.5 Ga 0.5 As, a quantum well
つづいて図6Bに示すように、コンタクト層50の頂部に円環状のコンタクト電極52が形成される。コンタクト電極52は、例えばTi/Auの2層構造からなり、これが円環状である理由は、レーザ光が出射される開口の役割を果たすためである。
Subsequently, as shown in FIG. 6B, an
次に、基板上にフォトリソ工程により所定のマスクパターンを形成し、図6Cに示すように、上部多層反射鏡48からスペーサ層42a若しくは下部多層反射鏡40の一部に至るまで半導体層をリアクティブイオンエッチングし、円筒状若しくは矩形状のメサ部(ポスト)24が複数個形成される。ここでは2つの円筒状のメサ部24が示されている。
Next, a predetermined mask pattern by photolithography on the substrate, as shown in FIG. 6 C, the semiconductor layer from the upper multilayer
次に図7Aに示すように、基板を高温の水蒸気下で熱処理することによりメサ部24内の酸化制御層(AlAs層)46の周囲に酸化領域46aを形成する。これによって酸化制御層46の内側部に光閉じ込め領域、兼電流狭窄層46bが形成される。
Next, as shown in FIG. 7A, an
次に図7Bに示すように、基板全面に層間絶縁膜54を積層し、メサ部24の頂部においてコンタクト電極52の内側のみ除去したコンタクトホール54aを形成する。なお、層間絶縁膜54のエッチングは、公知のフォトリソ工程により形成されたマスクパターンを用いて行われる。層間絶縁膜54の材料としては、例えば窒化アルミニウム(AlN)、アルミナ(Al2O3)、窒化珪素(SiNx)等の無機絶縁膜が用いられる。とりわけアルミニウムを含有する絶縁性材料は、熱伝導率が高く、層間絶縁膜材料として好ましい。層間絶縁膜54は、AlNの単層としても良いし、Al2O3、あるいはSiNx等の無機絶縁膜と組み合せた積層膜としても良い。
Next, as shown in FIG. 7B, an
つづいて図7Cに示すように、層間絶縁膜54上に、層間絶縁膜54の法線応力f1と逆向きのストレス(法線応力f2)を有する表面保護膜32を基板全面に積層する。そして、メサ部24の頂部において層間絶縁膜54のコンタクトホール54aよりも幾分大きなコンタクトホール32aが形成されるように表面保護膜32をエッチングする。コンタクトホール32aの形成と同時に、図4Bに示すように各メサ部24を分離する分離溝30を、表面保護膜32にエッチングにより形成する。なお、表面保護膜32のエッチングは、公知のフォトリソ工程により形成されたマスクパターンを用いて行われる。
Subsequently, as shown in FIG. 7C, a surface
表面保護膜32の材料としては、窒化珪素(SiNx)、酸化珪素(SiO2)、あるいは酸化窒化珪素(SiON)等を用いることができる。たとえば層間絶縁膜54にAlNまたはAl2O3の単層または積層膜を用いる場合、表面保護膜32には法線応力の関係から窒化珪素(SiNx)を用いるのが望ましい。層間絶縁膜54に窒化珪素(SiNx)を用いる場合、酸化珪素(SiO2)、あるいは酸化窒化珪素(SiON)を用いるのが好適である。
As a material of the surface
図8は、本実施例に係るVCSELアレイ素子の高温通電試験による信頼性の比較例である。本明細書では、一定電流注入時に光出力が2dB低下(約37%ダウン)した時点を故障と定義し、試験に投入された素子の半数が故障するまでの時間を平均故障時間Ftと称する。この平均故障時間Ftについて、図8Aは、表面保護膜32が連続的に形成され、分離溝のない従来構造の結果を示し、図8Bは、表面保護膜32がメサ部24間で切断された分離溝30を有する、本実施例に係るVCSELアレイ素子で得られた結果を示している。これらの図からも明らかなように、従来構造のVCSELアレイ素子の平均故障時間Ftは、約120時間であるのに対し、本実施例のVCSELアレイ素子の平均故障時間Ftは、約180時間であり、本施例に係るVCSELアレイ素子において平均故障時間が50%程度伸び、信頼性が改善されていることがわかる。
FIG. 8 is a comparative example of the reliability of the VCSEL array element according to the present embodiment by a high-temperature energization test. In this specification, the time when the optical output is reduced by 2 dB (down about 37%) at the time of constant current injection is defined as a failure, and the time until half of the elements put into the test fail is referred to as an average failure time Ft. For this average failure time Ft, FIG. 8A shows the result of the conventional structure in which the surface
また、層間絶縁膜54に使用されるAlN、Al2O3等は熱伝導率が高く、放熱性が良好であることから、量子井戸活性層44より光と共に発せられた熱を層間絶縁膜54を経由して外部へ効率的に放出することができる。これにより、VCSEL素子の高温時の特性が改善され、最高発振温度が100度から120度へと20%改善された(図示せず)。その結果、高温動作時でも安定的な動作を保持することが可能となった。
In addition, since AlN, Al 2 O 3 and the like used for the
次に、本発明の第2の実施例について説明する。第1の実施例では、表面保護膜のみに分離溝を形成したが、第2の実施例では、表面保護膜とその直下の層間絶縁膜に分離溝を形成する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, the isolation groove is formed only in the surface protective film, but in the second embodiment, the isolation groove is formed in the surface protective film and the interlayer insulating film immediately below the surface protective film.
図9は、第2の実施例に係るVCSELアレイ素子の要部断面を示す図であり、図4Bと同一構成については同一参照番号を付してある。図に示すように、第2の実施例の分離溝30aは、表面保護膜32のみならず、層間絶縁膜54も貫通して半導体表面にまで達している。上述したように、層間絶縁膜54上にこれと逆向きの法線応力を有する表面保護膜32を設けることで、応力を緩和あるいはその発生を抑制することが発明の狙いのひとつとなっているものの、これを完全に消滅させることは難しい。従って、層間絶縁膜54自身も応力の伝播を媒介することが予想されることから、これも表面保護膜32同様に切断またはスリットを形成することで、層間絶縁膜54を経由した応力の伝播が遮断され、長期信頼性の改善を図ることができる。
FIG. 9 is a diagram showing a cross-section of the main part of the VCSEL array element according to the second embodiment. The same components as those in FIG. 4B are given the same reference numerals. As shown in the drawing, the
次に、本発明の第3の実施例について説明する。第2の実施例において、分離溝30aは、層間絶縁膜54の一部を除去するが、層間絶縁膜54の除去により露出された半導体表面が大気に曝されると、酸化や腐食の原因となりうる。これを避けるため、第3の実施例では、図10に示すように、メサ部とメサ部の間の分離溝30aを含む空間内にポリイミド等の樹脂60を充填することも可能である。イミド結合を含む有機高分子化合物であるポリイミドは、無機絶縁膜に比べ伸縮性に富み、接触する表面保護膜32との間で応力を生ずる恐れは少ない。さらに、応力の伝播を媒介することもないから、応力基因の長期信頼性に対する影響は小さい。ただし、熱伝導率が低く、吸湿性もあるので、高温、多湿環境下での利用は別の意味で注意を要する。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, the
以下に、本発明の第4の実施例から第9の実施例を説明するが、これらの説明に用いられる図面は、第1ないし第3の実施例の構成と同一のものについて同一参照番号を付してある。 In the following, the fourth to ninth embodiments of the present invention will be described. In the drawings used for these descriptions, the same reference numerals are assigned to the same components as those in the first to third embodiments. It is attached.
本発明の第4の実施例に係るVCSELアレイ素子の平面図を図11に示す。第4の実施例では、図11Aに示すように、アレイ素子が形成された基板22の長手方向に沿って複数の溝70Aを形成しているが、これらの溝70Aは、表面保護膜32を完全に分断していない。すなわち、溝70Aは、基板22の長手方向と直交する短手方向に一定の長さで閉じるスリットであり、表面保護膜32は、基板22の短手方向の両端部において分断されずに残っている。このような溝70Aは、第1ないし第3の実施例と同様に、層間絶縁膜の応力を緩和するとともに、溝70Aによる露出される領域が低減されるため、外部からの湿気や水分の進入が困難となり、耐湿性や耐水性を向上させることができる。
FIG. 11 shows a plan view of a VCSEL array element according to the fourth embodiment of the present invention. In the fourth embodiment, as shown in FIG. 11A, a plurality of
図11Bは、第4の実施例の変形例である。この変形例では、メサ部間に形成される溝70Bは、単一のスリットではなく、複数のスリットを有している。図示する例では、溝70Bは、端手方向に3本のスリットを有し、これが基板の長手方向のメサ部間に配置されている。溝70Bによる露出領域がさらに低減されるため、アレイ素子への耐湿性や耐水性を向上させることができる。
FIG. 11B is a modification of the fourth embodiment. In this modification, the
次に、本発明の第5の実施例に係るVCSELアレイ素子の平面図を図12に示す。第1の実施例では、メサの数がn個のときn−1個の分離溝を形成する例を示したが、第5の実施例では、溝の数をn−1個に限定せず、それよりも少ない数の溝を形成する。図12Aに示す例では、溝70Cは、左右に位置するメサ部を除き、2つおきにメサ部間に形成されている。これは一例であり、例えば、基板22の長手方向に形成されるメサ部の数が非常に多くなった場合には、溝は、3つおきやそれ以上の間隔で形成されてもよい。また、溝のパターンは1種類に限らず、複数のパターンを形成するものであってもよい。例えば、図12Bに示すように、複数のスリットを含む溝70Dが2つのおきにメサ部間に形成され、直線状の溝70Eが2つのおきにメサ部間に形成され、溝70Dと溝70Eとが基板22の長手方向に交互に配列されている。メサ部の数に対する溝の数を減らすことで、露出する領域が減少するため、耐湿性や耐水性が向上する。他方、溝による層間絶縁膜の応力も緩和される。
Next, FIG. 12 shows a plan view of a VCSEL array element according to the fifth embodiment of the present invention. In the first embodiment, an example in which n-1 separation grooves are formed when the number of mesas is n is shown. However, in the fifth embodiment, the number of grooves is not limited to n-1. , Forming a smaller number of grooves. In the example shown in FIG. 12A, the grooves 70 </ b> C are formed between every two mesa portions except for the mesa portions located on the left and right. This is an example. For example, when the number of mesa portions formed in the longitudinal direction of the
次に、本発明の第6の実施例に係るVCSELアレイの要部断面図を図13に示す。第6の実施例では、溝70Fは、表面保護膜32を完全に分断せず、表面保護膜32の一定の深さに形成されている。例えばエッチング時間を調整することで所望の深さの溝70Fを得ることができる。溝70Fは、下地の層間絶縁膜54を露出させないため、溝70Fから層間絶縁膜54へ湿気や水分が浸入することが抑制され、アレイ素子の耐湿性や耐水性が向上される。
Next, FIG. 13 shows a cross-sectional view of an essential part of a VCSEL array according to the sixth embodiment of the present invention. In the sixth embodiment, the groove 70 </ b> F is formed at a certain depth of the surface
また、図13Bに示すように、溝70Gの断面形状をテーパ型とすることができる。例えば、等方性のウエットエッチングを行うことでテーパを形成する。図13Aに示すような鋭角な段差を有する溝70Fと比較して、溝70Gは傾斜した段差をもつため、段差における応力集中が緩和される。また、表面保護膜32の層間絶縁膜54への密着性も向上する。さらに溝70G内に、図10に示すような埋め込み樹脂を充填する場合に、溝に傾斜があるので溝70G内にボイドが発生し難いという利点がある。
Further, as shown in FIG. 13B, the cross-sectional shape of the
次に、本発明の第7の実施例に係るVCSELアレイの要部断面図を図14に示す。第7の実施例は、図10に示す第3の実施例の変形である。すなわち第7の実施例では、埋め込み樹脂60Aが、表面保護膜32および層間絶縁膜54に形成された溝70Gを充填するが、メサ部間の空間のすべてを充填していない。埋め込み樹脂60Aの充填量を制限することで、樹脂60Aがメサ部の酸化制御層近傍に及ぼすおそれのある熱応力を低減することができる。
Next, FIG. 14 shows a cross-sectional view of an essential part of a VCSEL array according to the seventh embodiment of the present invention. The seventh embodiment is a modification of the third embodiment shown in FIG. That is, in the seventh embodiment, the embedded
次に、本発明の第8の実施例に係るVCSELアレイの要部断面図を図15に示す。第8の実施例では、メサ部間をポリイミド等の絶縁材料80で充填し、メサ部24の間を平坦化する。層間絶縁膜54Bおよび表面保護膜32Bは、平坦化された絶縁材料80上に形成され、表面保護膜32Bに溝70Hが形成される。メサ部間を平坦化することで、層間絶縁膜54Bおよび表面保護膜32Bの形成が容易となり、かつこれらの膜厚を薄くすることができる。
Next, FIG. 15 shows a cross-sectional view of a relevant part of a VCSEL array according to an eighth embodiment of the present invention. In the eighth embodiment, the space between the mesas is filled with an insulating
次に、本発明の第9の実施例に係るVCSELアレイの要部断面図を図16に示す。図16は、図1のB−B線断面に相当する。第9の実施例は、第1の実施例(図4Bを参照)と異なり、発光するメサ部24とメサ部24との間に中間メサ部24Aが形成されている。中間メサ部24Aは、メサ部24と同一の半導体積層構造を有し、メサ頂部には電極層が配線される。このようなアレイ素子構造において、メサ部の底部の表面保護膜32に溝70Jが形成され、中間メサ部24Aのメサ頂部の表面保護膜32に溝70Kが形成される。溝70Jは、メサ部24に近接しているため、層間絶縁膜54の応力緩和を効果的に行うことができる。また、溝70Kは、メサ部24から離れた位置にあるため、そこからメサ部24への湿気や水分の浸入経路が長くなり、メサ部24の耐湿性または耐水性に効果的である。
Next, FIG. 16 shows a cross-sectional view of an essential part of a VCSEL array according to the ninth embodiment of the present invention. FIG. 16 corresponds to a cross section taken along line BB in FIG. In the ninth embodiment, unlike the first embodiment (see FIG. 4B), an
以上のように、上記実施例によれば、VCSELアレイ素子において表面保護膜の形成並びに分離溝または溝の形成によって層間絶縁膜の応力が緩和され、素子の信頼性向上を図ることができる。なお、分離溝または溝の数や形状等は、目的や用途に応じて適宜変更することができる。また、上記第1ないし第9の実施例をそれぞれ組み合わせることも可能である。 As described above, according to the above embodiment, the stress of the interlayer insulating film is relieved by the formation of the surface protective film and the formation of the isolation groove or groove in the VCSEL array element, and the reliability of the element can be improved. The number or shape of the separation grooves or grooves can be changed as appropriate according to the purpose and application. It is also possible to combine the first to ninth embodiments.
上述した実施例は例示的なものであり、これによって本発明の範囲が限定的に解釈されるべきものではなく、本発明の構成要件を満足する範囲内で他の方法によっても実現可能であることは言うまでもない。 The above-described embodiments are illustrative, and the scope of the present invention should not be construed as being limited thereto, and can be realized by other methods within the scope satisfying the configuration requirements of the present invention. Needless to say.
本発明に係る表面発光型半導体アレイ素子は、基板上に一次元もしくは二次元アレイ状に配列されたLEDやレーザダイオードのような発光素子に適用され、それらを光通信や光記録等の光源に用いることができる。 The surface-emitting type semiconductor array device according to the present invention is applied to light-emitting devices such as LEDs and laser diodes arranged in a one-dimensional or two-dimensional array on a substrate, and these are used as light sources for optical communication and optical recording. Can be used.
20:VCSELアレイ素子
22:基板
24:メサ部
26:p側電極
28:n側電極
30、30a:分離溝
31a、31b、31c:分離溝パターン
32:表面保護膜
40:下部DBR
42(42a、42b):スペーサ層
44:活性層
46:AlAs層
46a:酸化領域
48:上部DBR
50:コンタクト(キャップ)層
52:コンタクト電極
54:層間絶縁膜
54a、32a:コンタクトホール
60、60A:埋め込み樹脂
70A、70B、70C、70D、70E:溝
70F、70G、70H、70J、70K:溝
80:絶縁物質
20: VCSEL array element 22: substrate 24: mesa portion 26: p-side electrode 28: n-
42 (42a, 42b): spacer layer 44: active layer 46: AlAs
50: Contact (cap) layer 52: Contact electrode 54:
Claims (19)
前記第1の多層膜反射膜、前記活性層および前記第2の多層膜反射膜の少なくとも一部を選択的に除去することで前記基板上に所定の配列方向で形成された複数のメサ部と、
前記第1の多層膜反射膜または前記第2の多層膜反射膜の少なくとも一方に形成された選択酸化領域と、
各メサ部の頂部の周縁、側壁および底部を覆う層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜を覆う表面保護膜とを備え、
前記表面保護膜には、各々のメサ部の間を仕切るような溝が前記配列方向に沿って複数形成されている、
表面発光型半導体レーザアレイ素子。 A longitudinally extending substrate on which at least a first multilayer reflective film, an active layer, and a second multilayer reflective film are formed;
A plurality of mesa portions formed in a predetermined arrangement direction on the substrate by selectively removing at least a part of the first multilayer film reflection film, the active layer, and the second multilayer film reflection film; ,
A selective oxidation region formed on at least one of the first multilayer film reflective film or the second multilayer film reflective film;
An interlayer insulating film covering the periphery, sidewalls and bottom of the top of each mesa portion ;
A surface protective film covering the interlayer insulating film,
In the surface protective film, a plurality of grooves that partition between the mesa portions are formed along the arrangement direction .
Surface emitting semiconductor laser array element.
長手方向に延在する基板上に、少なくとも第1の多層膜反射膜、活性層および第2の多層膜反射膜が形成するステップと、
第1の多層膜反射膜、活性層および第2の多層膜反射膜の少なくとも一部をエッチングし、基板上に所定の配列方向で複数のメサ部を形成するステップと、
前記複数のメサ部の側面から選択的に酸化された酸化領域を形成するステップと、
各メサ部の頂部の周縁、側壁および底部を覆うように基板上に層間絶縁膜を形成するステップと、
前記層間絶縁膜上に表面保護膜を形成するステップと、
前記表面保護膜に各々のメサ部の間を仕切るような溝を前記配列方向に沿って複数形成するステップと、
を有する表面発光型半導体レーザアレイ素子の製造方法。 A method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser array element having a plurality of mesa portions formed,
Forming at least a first multilayer reflective film, an active layer, and a second multilayer reflective film on a substrate extending in a longitudinal direction;
Etching at least a part of the first multilayer film reflective film, the active layer, and the second multilayer film reflective film to form a plurality of mesa portions in a predetermined arrangement direction on the substrate;
Forming an oxidized region selectively oxidized from a side surface of the plurality of mesas,
Forming an interlayer insulating film on the substrate so as to cover the peripheral edge, side wall, and bottom of the top of each mesa unit ;
Forming a surface protective film on the interlayer insulating film;
Forming multiple grooves that partition the respective mesa portions on the surface protective film along the arrangement direction,
A method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser array device having:
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