JP5087874B2 - Surface emitting semiconductor laser and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、光情報処理あるいは高速光通信の光源として利用される面発光型半導体レーザおよびその製造方法に関し、特に、高次横モードの発振を抑制する技術に関する。 The present invention relates to a surface-emitting type semiconductor laser used as a light source for optical information processing or high-speed optical communication, and a method for manufacturing the same, and more particularly to a technique for suppressing high-order transverse mode oscillation.
光通信や光記録等の技術分野において、面発光型半導体レーザ(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode:以下VCSELと呼ぶ)への関心が高まっている。VCSELは、しきい値電流が低く消費電力が小さい、円形の光スポットが容易に得られる、ウエハ状態での評価や光源の二次元アレイ化が可能であるといった、端面発光型半導体レーザにはない優れた特長を有する。これらの特長を生かし、通信分野における光源としての需要がとりわけ期待されている。 In the technical fields such as optical communication and optical recording, interest in a surface-emitting semiconductor laser (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode: hereinafter referred to as VCSEL) is increasing. VCSELs are not available in edge-emitting semiconductor lasers that have low threshold currents, low power consumption, can easily obtain a circular light spot, and can be evaluated in a wafer state or a two-dimensional array of light sources. Has excellent features. Taking advantage of these features, demand as a light source in the communication field is particularly expected.
素子の動作特性を安定化させかつ長い動作寿命を得るため、電極パッド等の金属層下で使用される絶縁膜の耐湿性や耐圧性を向上させる必要がある。このような技術に関する提案が幾つか成されている。例えば特許文献1の半導体装置は、基板上の上層配線を含む絶縁膜上に、第1のSiN層、SiO2層、及び第2のSiN層を順次積層し、表面保護膜を形成している。これにより、表面保護膜の上層を形成する第2のSiN層にごくわずかに存在するピンホールを透過して浸入する水分を吸水性のあるSiO2層で吸収するようにしている。
In order to stabilize the operating characteristics of the element and obtain a long operating life, it is necessary to improve the moisture resistance and pressure resistance of an insulating film used under a metal layer such as an electrode pad. Several proposals for such techniques have been made. For example, in the semiconductor device of
特許文献2は、LEDアレイにおいて、配線層と基板との層間絶縁膜がアルミナ膜と第二絶縁膜の積層膜で構成され、アルミナ膜および第二絶縁膜の形成時にそれぞれピンホールが生じても両膜のピンホール同士が重なる確率は非常に低く、結果的にピンホールが少ない絶縁膜を得るものである。 Patent Document 2 discloses that in an LED array, an interlayer insulating film between a wiring layer and a substrate is composed of a laminated film of an alumina film and a second insulating film, and pinholes are generated when the alumina film and the second insulating film are formed. The probability that the pinholes of both films overlap is very low, and as a result, an insulating film with few pinholes is obtained.
特許文献3は、共振型ダイオードにおいて、絶縁材料からなる耐湿性保護膜を形成し、耐湿性保護膜の膜厚を波長の1/2の整数倍とするものである。好ましくは、耐湿性保護膜は、酸化ケイ素および窒化ケイ素から構成される。 In Patent Document 3, in a resonant diode, a moisture-resistant protective film made of an insulating material is formed, and the film thickness of the moisture-resistant protective film is an integral multiple of 1/2 of the wavelength. Preferably, the moisture resistant protective film is composed of silicon oxide and silicon nitride.
特許文献4は、VCSEL構造を部分的に貫通する酸化空洞を形成し、酸化空洞の表面上に第1のパッシベーションとして窒化珪素(SiN)を形成し、この上に第2のパッシベーションとして、シリコンオキシナイトライド(SiON)を形成し、いずれか一方のパッシベーションに存在しうるピンホールを他方のパッシベーションで覆うようにしている。 In Patent Document 4, an oxide cavity partially penetrating the VCSEL structure is formed, silicon nitride (SiN) is formed as a first passivation on the surface of the oxide cavity, and silicon oxynitride is formed thereon as a second passivation. A nitride (SiON) is formed, and a pinhole that may exist in one of the passivations is covered with the other passivation.
特許文献5は、VCSELのレーザ構造部の表面に熱線膨張係数が50×10-6℃-1以下のポリイミド保護膜を形成し、特許文献6は、レーザ構造部の表面に全応力が2.5×102Pa・m以下のポリイミド保護膜を形成し、ポリイミド保護膜のクラック発生やはく離を防止している。 In Patent Document 5, a polyimide protective film having a thermal linear expansion coefficient of 50 × 10 −6 ° C. −1 or less is formed on the surface of the VCSEL laser structure, and in Patent Document 6, the total stress is 2. A polyimide protective film of 5 × 10 2 Pa · m or less is formed to prevent cracking and peeling of the polyimide protective film.
図19は、従来のVCSELの平面図とそのA−A線断面図である。VCSELは、n型のGaAs半導体基板10上に、n型の下部DBR(Distributed Bragg Reflector:分布ブラッグ型反射鏡)12、活性層14、電流狭窄層16、p型の上部DBR18、p型のGaAsコンタクト層20の半導体層を積層している。半導体基板10上に積層された半導体層は、下部DBR12の一部が露出するまでエッチングされ、これにより、基板上に円筒状のポストPが形成されている。ポストPは、その頂部、側面および底部を層間絶縁膜または保護膜22によって覆われている。ポスト頂部において、保護膜22にはコンタクトホール24が形成され、そこにp側電極26が形成される。p側電極26の中央には、レーザ光を出射するための開口が形成されている。ポスト底部には、層間絶縁膜22を介して円形状の外部接続用の電極パッド28が形成され、電極パッド28は、引き出し配線30によりp側電極26に接続されている。また、半導体基板10の裏面にn側電極32が形成されている。
FIG. 19 is a plan view of a conventional VCSEL and a sectional view taken along line AA of FIG. The VCSEL has an n-type lower DBR (Distributed Bragg Reflector) 12, an
このようなVCSELにおいて、n型DBR12上の絶縁膜22として単一の保護膜を用い、保護膜上に金属電極パッド28を配置した場合、次のような課題があった。
In such a VCSEL, when a single protective film is used as the
n型DBR12と電極パッド28直下に挟まれた保護膜22に、着膜時のコンタミネーション、ピンホールまたは微小クラック等による低抵抗部分があると、例えばプローブピンを電極パッド28に接触させて逆方向に電流を印加する異常リーク電流測定を行うときやバーンインテストにおいて順方向の電流を印加するときに、異常電流経路により過剰電流がn型下部DBR12またはn型基板10に流れ、VCSEL素子が破壊されてしまう。このため、VCSELの製造歩留まりの低下や素子信頼性に悪影響を与えていた。
If the
また、n型DBR12上に電極パッド28以外の目的で形成された位置合わせ用電極34が形成されている場合に、位置合わせ用電極34の下方の保護膜に上記したようなピンホール等の異常があり、かつ誤ってプローブピンを位置合わせ用電極34にコンタクトしてバーンインを行うと、異常電流経路により過剰電流が流れてVCSELが破壊してしまう。さらに、図19示す構成とは異なるが、電極パッド28をp型DBR18上に絶縁膜を介して形成するタイプのVCSELにおいても、絶縁膜にピンホール等の欠陥があると、その絶縁耐圧が低下し、電極パッドに電圧が印加されたときに同様の問題を生じていた。
Further, when the
本発明は、上記従来の課題を解決し、外部接続用の電極パッド等の金属層が形成される領域の絶縁耐圧を増加させ、歩留まりの向上およびコスト低減を図った面発光型半導体レーザおよびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, increases the withstand voltage in a region where a metal layer such as an electrode pad for external connection is formed, and improves the yield and reduces the cost, and the surface emitting semiconductor laser An object is to provide a manufacturing method.
本発明に係る面発光型半導体レーザは、電極パッド等の金属部下にある保護膜のコンタミネーション、ピンホールやクラックによる異常電流経路を抑制するため、保護膜の絶縁性を向上させる。第1の解決手段として、保護膜を形成する半導体層表面に絶縁処理(プロトン注入)を施し絶縁耐圧を向上させる。第2の解決手段として、電極パッド等の金属部下にある保護膜を2層以上の多層構造にし、絶縁耐圧を向上させる。 The surface-emitting type semiconductor laser according to the present invention improves the insulating properties of the protective film in order to suppress contamination of the protective film under the metal part such as the electrode pad and the abnormal current path due to pinholes and cracks. As a first solution, an insulation treatment (proton implantation) is performed on the surface of the semiconductor layer on which the protective film is formed to improve the withstand voltage. As a second solution, a protective film under the metal part such as an electrode pad is formed in a multilayer structure of two or more layers to improve the withstand voltage.
本発明に係る面発光型半導体レーザは、基板上に、少なくとも第1導電型の第1の半導体多層反射膜、活性領域、および第2導電型の第2の半導体多層反射膜を含み、第2の半導体多層反射膜から第1の半導体多層反射膜の一部に至る半導体膜を除去することによりポストが形成され、当該ポスト頂部からレーザ光を出射するものであり、ポスト頂部の第2の半導体多層反射膜と電気的に接続される電極パッドと、前記電極パッドとポスト底部の第1の半導体多層反射膜との間に形成される多層絶縁膜とを有する。 The surface-emitting type semiconductor laser according to the present invention includes at least a first conductivity type first semiconductor multilayer reflection film, an active region, and a second conductivity type second semiconductor multilayer reflection film on a substrate. A post is formed by removing the semiconductor film from the semiconductor multilayer reflective film to a part of the first semiconductor multilayer reflective film, and a laser beam is emitted from the top of the post. The second semiconductor at the top of the post An electrode pad electrically connected to the multilayer reflective film; and a multilayer insulating film formed between the electrode pad and the first semiconductor multilayer reflective film at the bottom of the post.
好ましくは多層絶縁膜は、少なくとも第1の絶縁膜および第2の絶縁膜を含み、第1の絶縁膜はポスト底部の第1の半導体多層反射膜を覆い、第2の絶縁膜は第1の絶縁膜を覆いかつポスト側面を覆う。あるいは、第1の絶縁膜がポスト底部の第1の半導体多層反射膜およびポスト側面を覆い、第2の絶縁膜が電極パッド下において第1の絶縁膜を覆うようにしてもよい。 Preferably, the multilayer insulating film includes at least a first insulating film and a second insulating film, the first insulating film covers the first semiconductor multilayer reflective film at the bottom of the post, and the second insulating film is the first insulating film. Cover the insulating film and the side of the post. Alternatively, the first insulating film may cover the first semiconductor multilayer reflective film and the post side surface at the bottom of the post, and the second insulating film may cover the first insulating film under the electrode pad.
基板上の半導体膜の一部に溝を形成することでレーザ光を出射するポストを形成するとともにポストから分離されたパッド形成領域を形成する面発光型半導体レーザの場合には、電極パッドは、多層絶縁膜を介してパッド形成領域上に形成されるようにしてもよい。この場合、多層絶縁膜は、少なくとも第1の絶縁膜および第2の絶縁膜を含み、第1の絶縁膜は第2の半導体多層反射膜上に形成され、第2の絶縁膜は第1の絶縁膜を覆いかつポスト側面を覆う。あるいは、第1の絶縁膜が第2の半導体多層反射膜およびポスト側面を覆い、第2の絶縁膜が電極パッド下において第1の絶縁膜を覆うようにしてもよい。好ましくは、多層絶縁膜は、SiO2膜またはSiN膜を含み、SiO2膜またはSiN膜の膜厚は、少なくとも0.4ミクロンである。 In the case of a surface emitting semiconductor laser that forms a post that emits laser light by forming a groove in a part of a semiconductor film on a substrate and forms a pad formation region separated from the post, the electrode pad is: You may make it form on a pad formation area through a multilayer insulating film. In this case, the multilayer insulating film includes at least a first insulating film and a second insulating film, the first insulating film is formed on the second semiconductor multilayer reflective film, and the second insulating film is the first insulating film. Cover the insulating film and the side of the post. Alternatively, the first insulating film may cover the second semiconductor multilayer reflective film and the side surface of the post, and the second insulating film may cover the first insulating film under the electrode pad. Preferably, the multilayer insulating film comprises SiO 2 film or SiN film, the film thickness of the SiO 2 film or SiN film is at least 0.4 microns.
さらに本発明に係る面発光型半導体レーザは、基板上に、少なくとも第1導電型の第1の半導体多層反射膜、活性領域、および第2導電型の第2の半導体多層反射膜を含み、第2の半導体多層反射膜から第1の半導体多層反射膜の一部に至る半導体膜を除去することによりポストが形成され、当該ポスト頂部からレーザ光を出射し、ポスト頂部の第2の半導体多層反射膜と電気的に接続される電極パッドと、ポスト底部の第1の半導体多層反射膜と電極パッドとの間に形成される絶縁膜とを有し、少なくともポスト底部の第1の半導体多層反射膜の表面が絶縁処理されている。 The surface-emitting type semiconductor laser according to the present invention further includes at least a first conductivity type first semiconductor multilayer reflection film, an active region, and a second conductivity type second semiconductor multilayer reflection film on a substrate. A post is formed by removing the semiconductor film from the semiconductor multilayer reflective film 2 to a part of the first semiconductor multilayer reflective film, and a laser beam is emitted from the top of the post, and the second semiconductor multilayer reflective at the top of the post An electrode pad electrically connected to the film; and an insulating film formed between the first semiconductor multilayer reflective film at the bottom of the post and the electrode pad, and at least a first semiconductor multilayer reflective film at the bottom of the post The surface of is insulated.
基板上の半導体膜の一部に溝を形成することでレーザ光を出射するポストを形成するとともにポストから分離されたパッド形成領域を形成する面発光型半導体レーザの場合には、電極パッドは、パッド形成領域上において、絶縁処理された第2の半導体多層反射膜上に絶縁膜を介して形成されるようにしてもよい。 In the case of a surface emitting semiconductor laser that forms a post that emits laser light by forming a groove in a part of a semiconductor film on a substrate and forms a pad formation region separated from the post, the electrode pad is: On the pad forming region, the insulating layer may be formed on the second semiconductor multilayer reflective film that has been insulated.
好ましくは、絶縁処理は、プロトンイオン注入によって処理される。基板は、第1導電型の半導体基板、例えばGaAs基板であり、当該基板の裏面に下部電極が形成されている。さらに、第1の半導体多層反射膜は、n型のAlGaAs層を含み、第2の半導体多層反射膜は、p型のAlGaAs層を含む。好ましくは、第2の半導体多層反射膜は、屈折率の異なる対の半導体層を複数積層するDBRを含み、最上層に不純物濃度の高いコンタクト層を含むようにしてもよい。さらに第2の半導体多層反射膜は、第2導電型のAlAs等の電流狭窄層を含むようにしてもよい。なお、半導体多層反射膜は、AlGaAsのほかにも、GaInやGaNなどの他の化合物半導体を用いることができる。 Preferably, the insulating process is performed by proton ion implantation. The substrate is a first conductivity type semiconductor substrate, for example, a GaAs substrate, and a lower electrode is formed on the back surface of the substrate. Furthermore, the first semiconductor multilayer reflective film includes an n-type AlGaAs layer, and the second semiconductor multilayer reflective film includes a p-type AlGaAs layer. Preferably, the second semiconductor multilayer reflective film may include a DBR in which a plurality of pairs of semiconductor layers having different refractive indexes are stacked, and a contact layer having a high impurity concentration may be included in the uppermost layer. Further, the second semiconductor multilayer reflective film may include a current confinement layer such as a second conductivity type AlAs. For the semiconductor multilayer reflective film, other compound semiconductors such as GaIn and GaN can be used in addition to AlGaAs.
本発明に係る面発光型半導体レーザの製造方法は、基板上に、少なくとも第1導電型の第1の半導体多層反射膜、活性領域、および第2導電型の第2の半導体多層反射膜を積層するステップと、第2の半導体多層反射膜から第1の半導体多層反射膜の一部に至る半導体膜を除去することによりポストを形成するステップと、ポスト底部で露出された第1の半導体多層反射膜上に第1の絶縁膜を形成するステップと、第1の絶縁膜上に第2の絶縁膜を形成するステップと、第2の絶縁膜上に、ポスト頂部の第2の半導体多層反射膜と電気的に接続された電極パッドを形成するステップとを有する。 In the method of manufacturing the surface emitting semiconductor laser according to the present invention, at least the first conductive type first semiconductor multilayer reflective film, the active region, and the second conductive type second semiconductor multilayer reflective film are stacked on the substrate. Forming a post by removing the semiconductor film from the second semiconductor multilayer reflective film to a part of the first semiconductor multilayer reflective film, and the first semiconductor multilayer reflective exposed at the bottom of the post Forming a first insulating film on the film; forming a second insulating film on the first insulating film; and a second semiconductor multilayer reflective film on the top of the post on the second insulating film Forming electrode pads electrically connected to each other.
さらに本発明に係る面発光型半導体レーザの製造方法は、基板上に、少なくとも第1導電型の第1の半導体多層反射膜、活性領域、および第2導電型の第2の半導体多層反射膜を積層するステップと、第2の半導体多層反射膜から第1の半導体多層反射膜の一部に至る半導体膜を除去することによりポストを形成するステップと、ポスト底部で露出された第1の半導体多層反射膜にプロトンイオン注入を行い第1の半導体多層反射膜の表面を絶縁処理するステップと、絶縁処理された第1の半導体多層反射膜上に絶縁膜を形成するステップと、絶縁膜上にポスト頂部の第2の半導体多層反射膜と電気的に接続された電極パッドを形成するステップとを有する。 Furthermore, in the method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser according to the present invention, at least a first conductivity type first semiconductor multilayer reflection film, an active region, and a second conductivity type second semiconductor multilayer reflection film are formed on a substrate. Laminating, removing the semiconductor film from the second semiconductor multilayer reflective film to a part of the first semiconductor multilayer reflective film, forming a post, and the first semiconductor multilayer exposed at the bottom of the post Proton ion implantation is performed on the reflective film to insulate the surface of the first semiconductor multilayer reflective film, an insulating film is formed on the insulated first semiconductor multilayer reflective film, and a post is formed on the insulating film. Forming an electrode pad electrically connected to the top second semiconductor multilayer reflective film.
本発明によれば、電極パッドやその他の金属層等が形成される金属部下の絶縁膜を多層構造にし、あるいは絶縁膜を形成する下層を絶縁処理することにより、絶縁耐圧を向上させることができる。その結果、異常リーク電流測定やバーンイン時に異常電流経路により過剰電流が素子内部に流れることが防止され、面発光型半導体レーザの歩留まりが向上し、製造コストを低減することができる。 According to the present invention, the withstand voltage can be improved by making the insulating film under the metal part where the electrode pad or other metal layer or the like is formed have a multi-layer structure, or by insulating the lower layer forming the insulating film. . As a result, it is possible to prevent excess current from flowing inside the device due to the abnormal current path during abnormal leakage current measurement or burn-in, thereby improving the yield of the surface emitting semiconductor laser and reducing the manufacturing cost.
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明の第1の実施例に係るVCSELの平面図とそのB−B線断面図である。なお、従来の説明で用いた図19と同一構成については、同一参照番号を付してある。第1の実施例に係るVCSELは、ポストPの形成後に露出されたn型の下部DBR12の表面を一様にプロトンイオン注入することより絶縁処理を施し、DBR12の表面に絶縁領域100を形成している。好ましくは、基板上の半導体層をエッチングしてポストPを形成した後、ポストPをフォトレジストによりマスキングし、次いで、露出されたn型DBR12を一様にプロトンインプランテーションを実施する。その後、レジストを剥離し、洗浄を行った後、層間絶縁膜22を着膜する。
FIG. 1 is a plan view of a VCSEL according to a first embodiment of the present invention and a sectional view taken along line BB. The same components as those in FIG. 19 used in the conventional description are given the same reference numerals. In the VCSEL according to the first embodiment, the surface of the n-type
n型の下部DBR12は、屈折率を異にする1対の半導体層を複数積層したものであり、例えば、Alの含有量を異にする1対のAlGaAs層を30対以上積層する。n型の不純物として、例えばSiを用い、下部DBR12の厚さは、約4ミクロンである。下部DBR12の下層は、例えばSi不純物を含んだn型のGaAs基板である。下部DBR12へのプロトン注入は、好ましくはGaAs基板まで到達するように200KeV以上の加速電圧を与える。この際、インプランテーションの深さは4ミクロン以上となる。
n-type lower DBR12, which has a semiconductor layer of one pair having different refractive index stacking a plurality, for example, an AlGaAs layer of a pair having different content of Al laminating 30 pairs or more. For example, Si is used as the n-type impurity, and the thickness of the
第1の実施例によれば、下部DBR12の表面を絶縁処理し、そこに絶縁領域100を形成し、その上に層間絶縁膜22を形成するようにしたので、仮に、層間絶縁膜22にピンホールや微小クラックが生じたり、層間絶縁膜22が汚染されていたとしても、絶縁領域100が介在するため、電極パッド28および位置合わせ用電極34と下部DBR12間の絶縁耐圧が向上される。従って、電極パッド28を利用したリーク電流測定やバーンインの際に、低抵抗化による異常電流経路に過剰電流が流れてVCSELが破壊するのが防止される。同様に、プローブピンを誤って位置合わせ用電極34に接触させたときにVCSELが破壊されることが防止される。なお、位置合わせ用電極34は、必ずしも必須のものとして形成される必要はない。
According to the first embodiment, the surface of the
次に、本発明の第2の実施例について図2を参照して説明する。第2の実施例に係るVCSELは、ポストPを形成するときに露出されたn型の下部DBR12の表面に絶縁保護膜110を形成し、絶縁保護膜110上に層間絶縁膜22を形成し、層間絶縁膜22上に電極パッド28や位置合わせ用電極34を形成している。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the VCSEL according to the second embodiment, an insulating
好ましくは、基板上の半導体層をエッチングしてポストPを形成した後、ポストPをフォトレジストでマスキングし、露出されたn型下部DBR12上に、Si酸化膜、あるいはSi窒化膜単層、またはこれらの多層からなる絶縁保護膜110を着膜する。その後にレジストを剥離することでポスト上に着膜された絶縁保護膜はレジストと一緒に剥離される。絶縁保護膜110の着膜時の膜厚は、0.4ミクロン以上が好ましい。この膜厚であればピンホールが生じ難いためである。
Preferably, after the semiconductor layer on the substrate is etched to form the post P, the post P is masked with a photoresist, and an Si oxide film or a single layer of Si nitride film is formed on the exposed n-type
第2の実施例によれば、電極パッド28や位置合わせ用電極34とn型下部DBR112との間の絶縁膜を多層構造にしたので、仮に、層間絶縁膜22や絶縁保護膜110にピンホールや微小クラックが生じたり、それらが汚染されていたとしても、いずれか一方の膜が他方の膜を補完するため、電極パッド28と下部DBR12間の絶縁耐圧が向上される。このため、電極パッド28を利用したリーク電流測定やバーンインの際に、低抵抗化による異常電流経路を過剰電流が流れてVCSELが破壊することが防止される。同様に、プローブピンを誤って位置合わせ用電極34に接触させたときにVCSELが破壊されることが防止される。
According to the second embodiment, since the insulating film between the
次に、本発明の第3の実施例について図3を参照して説明する。第3の実施例は、第2の実施例のVCSELの変形である。すなわち、第2の実施例では、絶縁保護膜110は、ポストPを除く下部DBR12の全面に形成され、その絶縁保護膜110を覆うように層間絶縁膜22が形成されたが、第3の実施例では、層間絶縁膜22を形成し、層間絶縁膜22上に絶縁保護膜110aが形成されている。また、絶縁保護膜110aは、電極パッド28や位置合わせ用電極34が形成される領域にのみ形成されている。
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The third embodiment is a modification of the VCSEL of the second embodiment. That is, in the second embodiment, the insulating
次に、本発明の第4の実施例について図4を参照して説明する。第4の実施例は、第1の実施例のVCSELの変形である。すなわち、第1の実施例では、ポストP以外の下部DBR12の全面に一様に絶縁処理を行ったが、第4の実施例では、電極パッド28や位置合わせ用電極34が形成される領域においてのみに下部DBR12の表面に絶縁処理を施し、絶縁領域100を形成している。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The fourth embodiment is a modification of the VCSEL of the first embodiment. That is, in the first embodiment, the entire surface of the
次に、本発明の第5の実施例について図5を参照して説明する。第5の実施例では、n型のGaAs基板上に、下部DBR12、活性層14、電流狭窄層18、上部DBR20およびコンタクト層22を積層し、次いで、コンタクト層22から下部DBR12の一部に至る深さの環状またはリング状のトレンチ120を形成している。トレンチ120により、レーザ光を出射する発光部である円筒状のポストPが形成され、またポストPから隔てられたパッド形成領域130が形成されている。トレンチ120の形成と同時に、パッド形成領域130の外縁に沿う外縁溝140を形成するようにしてもよい。外縁溝140は、ウエハから各VCSELを切り出すときのスクライブ領域とすることができる。
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the fifth embodiment, a
パッド形成領域130の上部DBR18の表面は、プロトンイオン注入によって絶縁処理された絶縁領域150が形成されている。絶縁処理された上部DBR18およびポストPを含む全面に層間絶縁膜22が形成されている。p側電極26は、ポスト頂部においてコンタクトホールを介してコンタクト層20にオーミック接続され、さらに引き出し配線30を介して電極パッド28に接続されている
On the surface of the
好ましくは、ポストPを含んだトレンチ120をフォトレジストでマスキングした後、露出されたp型DBR18(コンタクト層20を含む)表面からプロトンインプランテーションにより絶縁処理を行い、表面に絶縁領域150を形成する。p型の上部DBR18は、屈折率を異にする1対の半導体層を複数積層したももであり、例えば、Alの含有量を異にする1対のAlGaAs層を30対以上積層する。p型の不純物として、例えば炭素(C)を用い、上部DBR18の厚さは、約3ミクロンである。上部DBR12の最上層は、p型GaAsコンタクト層20である。上部DBR18へのプロトン注入は、150KeV以上の加速電圧が好ましい。このとき、プロトンインプランテーションの深さは、1ミクロン以上である。
Preferably, after
第5の実施例によれば、層間絶縁膜22に仮にピンホールやクラック等の欠陥があっても、絶縁領域150による低抵抗化による異常電流経路を抑制することができ、電極パッド28や位置決め用電極34とp型上部DBR18との間の絶縁耐圧を向上させることができる。
According to the fifth embodiment, even if the
次に、本発明の第6の実施例について図6を参照して説明する。第6の実施例は、パッド形成領域130において上部DBR18(コンタクト層20)上に絶縁保護膜160が形成され、絶縁保護膜160を覆うように層間絶縁膜22が形成されている。好ましくは、ポストPを含んだトレンチ形成部をフォトレジストでマスキングし、露出されたp型上部DBR18上にSi酸化膜あるいはをSi窒化膜を単層または多層で着膜し、その後、フォトレジスト上の絶縁保護膜をレジストと一緒に剥離する。絶縁保護膜の着膜時の膜厚は、0.4ミクロン以上が好ましい。さらに、ポスト上部をフォトレジストでマスキングし、2層目の絶縁保護膜を着膜し、上記と同様にレジスト上の絶縁保護膜とレジストと一緒に除去するようにしてもよい。
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the sixth embodiment, an insulating
第6の実施例によれば、層間絶縁膜22と絶縁保護膜160によって、パッド電極28や位置決め用電極34と上部DBR18間の絶縁を行うようにしたので、絶縁耐圧を向上させることができる。
According to the sixth embodiment, since the insulation between the
次に、第1の実施例のVCSELの製造方法について図7および図8を参照して説明する。先ず、図7(a)に示すように、有機金属気相成長(MOCVD)法により、n型GaAs基板10上に、Siキャリア濃度1×1018cm-3、膜厚0.2μm程度のn型GaAsバッファ層11を積層し、その上に、Al0.9Ga0.1AsとAl0.12Ga0.88Asとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の1/4となるように交互に40.5周期積層され、キャリア濃度1×1018cm-3で総膜厚が約4μmとなる下部n型DBR12、アンドープ下部Al0.6Ga0.4Asスぺーサー層とアンドープ量子井戸活性層(膜厚70nmGaAs量子井戸層3層と膜厚50nmAl0.3Ga0.7As障壁層4層とで構成されている)とアンドープ上部Al0.6Ga0.4Asスぺーサー層とで構成された膜厚が媒質内波長となる活性領域14、p型のAlAs層16、その上にAl0.9Ga0.1AsとAl0.12Ga0.88Asとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の1/4となるように交互に30周期積層した炭素キャリア濃度が1×1018cm-3、総膜厚が約3μmとなる上部p型DBR18、キャリア濃度1×1019cm-3となる膜厚20nm程のp型のGaAsコンタクト層20を順次積層する。なお、DBRの電気的抵抗を下げるために、Al0.9Ga0.1AsとAl0.12Ga0.88Asの界面にAl組成を90%から30%に段階的に変化させた膜厚が20nm程度の領域を設けることも可能である。
Next, a manufacturing method of the VCSEL of the first embodiment will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 7A, an n-
次に、図7(b)に示すように、フォトリソ工程により結晶成長層上にレジストマスクRを形成し、三塩化ホウ素をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチングにより下部DBR12の途中までエッチングし、図7(c)に示すように、円柱状のポストPを形成する。ポストPは、10〜30μm程度の径を有する。勿論、円柱以外にも角柱のポストであってもよい。
Next, as shown in FIG. 7B, a resist mask R is formed on the crystal growth layer by a photolithography process, and etching is performed to the middle of the
次に、図7(d)に示すように、例えば340℃の水蒸気雰囲気に基板を一定時間晒し、酸化処理を行う。電流狭窄層16を構成するAlAs層は、同じくその一部を構成するAl0.9Ga0.1As層やAl0.12Ga0.88As層と比べ著しく酸化速度が速いため、ポストPの側面からポスト形状を反映した酸化領域16aが形成され、酸化されずに残った非酸化領域(導電領域)が電流注入領域あるいは導電領域となる。
Next, as shown in FIG. 7D, the substrate is exposed to a steam atmosphere of, for example, 340 ° C. for a certain period of time to perform an oxidation treatment. Since the AlAs layer constituting the
次に、図8(e)に示すように、レジストRを除去した後、ポストPを取り囲むレジストR1を形成する。次に、図8(f)に示すように、レジストR1をマスクに用い、ポストPの底部において露出されたn型の下部DBR12の表面からプロトンイオン注入を行う。好ましくは、下部DBR12へのプロトン注入をGaAs基板まで到達させ、200KeV以上の加速電圧を与える。この際、インプランテーションの深さは、4ミクロン以上が好ましい。こうして、n型下部DBR12の表面に絶縁領域100が形成される。
Next, as shown in FIG. 8E, after removing the resist R, a resist R1 surrounding the post P is formed. Next, as shown in FIG. 8F, proton ions are implanted from the surface of the n-type
次に、レジストR1を除去した後、図8(g)に示すように、プラズマCVD装置を用いて、ポストPを含む基板全面にSiNからなる層間絶縁膜22を蒸着する。その後、図8(h)に示すように、フォトリソ工程を用いて層間絶縁膜122をエッチングし、ポストPの頂部の円形状のコンタクトホールを形成し、コンタクト層20を露出させる。
Next, after removing the resist R1, as shown in FIG. 8G, an
その後、p側電極材料としてAuを100〜1000nm、望ましくは600nm蒸着し、リフトオフ工程により、p側電極26、電極パッド28、引き出し配線30、および位置合わせよう電極34を形成する。また、p側電極26の中央には、レーザ光を出射するための開口26aが形成される。
Thereafter, Au is deposited as a p-side electrode material at 100 to 1000 nm, preferably 600 nm, and the p-
そして、基板裏面には、n電極32としてAu/Geが蒸着される。その後、アニール温度250℃〜500℃、望ましくは300℃〜400℃で10分間アニールを行う。こうして、プロトン注入により絶縁耐圧が向上された第1の実施例のVCSELが得られる。
Then, Au / Ge is vapor-deposited as the n-
次に、第2の実施例のVCSELの製造方法について説明する。第2の実施例のVCSELは、図7(a)から図8(e)に示す工程は第1の実施例と同様である。次に、第2の実施例では、図9(i)に示すように、絶縁保護膜110を基板全面に形成する。次に、図9(j)に示すように、レジストR1を除去すると、レジストR1上の絶縁保護膜110が一緒に除去される。その結果、ポスト底部において露出された下部DBR12上に絶縁保護膜110がパターニングされる。
Next, a method for manufacturing the VCSEL of the second embodiment will be described. In the VCSEL of the second embodiment, the steps shown in FIGS. 7A to 8E are the same as those of the first embodiment. Next, in the second embodiment, as shown in FIG. 9I, an insulating
次に、図9(k)に示すように、層間絶縁膜22を形成し、図9(l)に示すように、層間絶縁膜22をパターニングし、第1の実施例のときと同様に、p側上部電極26、電極パッド28、引き出し配線30、および位置合わせよう電極34を形成する。
Next, as shown in FIG. 9 (k), an
第3および第4の実施例のVCSELを製造する場合には、プロトン注入または絶縁保護膜を形成するときのレジストマスクの形状を変更すればよい。 When the VCSELs of the third and fourth embodiments are manufactured, the shape of the resist mask when the proton implantation or the insulating protective film is formed may be changed.
次に、第5の実施例に係るVCSELの製造方法について説明する。第1の実施例と同様にGaAs基板上に半導体層を積層し、図10(a)に示すように、レジストマスクRを形成し、三塩化ホウ素をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチングにより下部DBR12の途中までエッチングし、図10(b)に示すように、環状のトレンチ120を形成する。これにより、10〜30μm程度の径の円柱もしくは角柱のポストPと、その周囲にパッド形成領域130を形成する。
Next, a method for manufacturing a VCSEL according to the fifth embodiment will be described. As in the first embodiment, a semiconductor layer is stacked on a GaAs substrate, a resist mask R is formed as shown in FIG. 10A, and the bottom is formed by reactive ion etching using boron trichloride as an etching gas. Etching is performed halfway through the
次に、図10(c)に示すように、電流狭窄層16を構成するAlAsをポストPの側面から酸化し、酸化領域16aが形成される。次に、図11(d)に示すように、レジストRを除去した後、ポストPを取り囲むレジストR1を形成する。次に、図11(e)に示すように、レジストR1をマスクに用い、パッド形成領域130において露出されたp型のコンタクト層20の表面からp型の上部DBR内へプロトンイオン注入を行う。好ましくは、150KeV以上の加速電圧を与える。この際、インプランテーションの深さは、3ミクロン以上が好ましい。こうして、コンタクト層20から上部DBR18の一部に絶縁領域150が形成される。
Next, as shown in FIG. 10C, AlAs constituting the
次に、レジストR1を除去した後、図11(f)に示すように、プラズマCVD装置を用いて、ポストPを含む基板全面にSiNからなる層間絶縁膜22を蒸着する。以後の工程は、第1の実施例と同様である。
Next, after removing the resist R1, as shown in FIG. 11F, an
図12は、VCSELチップが実装された半導体レーザ装置のパッケージ(モジュール)例を示す概略断面を示す図である。パッケージ300では、金属ステム330上のサブマウント320上に、VCSELアレイが形成されたチップ310が固定されている。導電性のリード340、342は、ステム330の貫通孔(図示省略)内に挿入され、一方のリード340は、チップ310の裏面に形成されたn側の下部電極32に電気的に接続され、他方のリード342は、チップ310の上面に形成されたp側電極26(電極パッド28)にボンディングワイヤ等を介して電気的に接続される。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing an example of a package (module) of a semiconductor laser device on which a VCSEL chip is mounted. In the
キャップ350の出射窓352内にボールレンズ360が固定されている。ボールレンズ360の光軸は、上部電極130の開口132のほぼ中心と一致するように位置決めされる。また、チップ310とボールレンズ360との距離は、チップ310からのレーザ光の放射角度θ内にボールレンズ360が含まれるように調整される。リード340、342間に順方向の電圧が印加されると、チップ310からレーザ光が出射され、ボールレンズ360を介して外部へ出力される。なお、キャップ内に、VCSELの発光状態をモニターするための受光素子を含ませるようにしてもよい。
A
図13は、さらに他のパッケージの構成を示す図であり、好ましくは、後述する空間伝送システムに使用される。同図に示すパッケージ302は、ボールレンズ360を用いる代わりに、キャップ350の中央の出射窓352内に平板ガラス362を固定している。平板ガラス362の中心は、チップ310の光軸と一致するように位置決めされる。チップ310と平板ガラス362との距離は、平板ガラス362の開口径がチップ310からのレーザ光の放射角度θ以上になるように調整されている。
FIG. 13 is a diagram showing the configuration of still another package, and is preferably used in a spatial transmission system described later. In the
図14は、図12に示すパッケージまたはモジュールを光送信装置に適用したときの構成を示す断面図である。光送信装置400は、ステム330に固定された円筒状の筐体410と、筐体410の端面に一体に形成されたスリーブ420と、スリーブ420の開口422内に保持されるフェルール430と、フェルール430によって保持される光ファイバ440とを含んで構成される。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a configuration when the package or module shown in FIG. 12 is applied to an optical transmitter. The optical transmission device 400 includes a cylindrical housing 410 fixed to the
ステム330の円周方向に形成されたフランジ332には、筐体410の端部が固定される。フェルール430は、スリーブ420の開口422に正確に位置決めされ、光ファイバ440の光軸がボールレンズ360の光軸に整合される。フェルール430の貫通孔432内に光ファイバ440の芯線が保持されている。
An end of the housing 410 is fixed to a
チップ310の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ360によって集光され、集光された光は、光ファイバ440の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ360を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。さらに、光送信装置400は、リード340、342に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光送信装置400は、光ファイバ440を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。
The laser light emitted from the surface of the
図15は、図13に示すパッケージを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。空間伝送システム500は、パッケージ300と、集光レンズ510と、拡散板520と、反射ミラー530とを含んでいる。空間伝送システム500では、パッケージ300に用いられたボールレンズ360を用いる代わりに、集光レンズ510を用いている。集光レンズ510によって集光された光は、反射ミラー530の開口532を介して拡散板520で反射され、その反射光が反射ミラー530へ向けて反射される。反射ミラー530は、その反射光を所定の方向へ向けて反射させ、光伝送を行う。空間伝送の光源の場合には、マルチスポット型のVCSELを用い、高出力を得るようにしてもよい。
FIG. 15 is a diagram showing a configuration when the package shown in FIG. 13 is used in a spatial transmission system. The spatial transmission system 500 includes a
図16は、VCSELを光源に利用した光伝送システムの一構成例を示す図である。光伝送システム600は、VCSELが形成されたチップ310を含む光源610と、光源610から放出されたレーザ光の集光などを行う光学系620と、光学系620から出力されたレーザ光を受光する受光部630と、光源610の駆動を制御する制御部640とを有する。制御部640は、VCSELを駆動するための駆動パルス信号を光源610に供給する。光源610から放出された光は、光学系620を介し、光ファイバや空間伝送用の反射ミラーなどにより受光部630へ伝送される。受光部630は、受光した光をフォトディテクターなどによって検出する。受光部630は、制御信号650により制御部640の動作(例えば光伝送の開始タイミング)を制御することができる。
FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration example of an optical transmission system using a VCSEL as a light source. The optical transmission system 600 receives a
次に、光伝送システムに利用される光伝送装置の構成について説明する。図17は、光伝送装置の外観構成を示している。光伝送装置700は、ケース710、光信号送信/受信コネクタ接合部720、発光/受光素子730、電気信号ケーブル接合部740、電源入力部750、動作中を示すLED760、異常発生を示すLED770、DVIコネクタ780、送信回路基板/受信回路基板790を有している。
Next, the configuration of an optical transmission device used in the optical transmission system will be described. FIG. 17 shows an external configuration of the optical transmission apparatus. The optical transmission device 700 includes a
光伝送装置700を用いた映像伝送システムを図18に示す。映像伝送システム800は、映像信号発生装置810、画像表示装置820、DVI用電気ケーブル830、送信モジュール840、受信モジュール850、映像信号伝送光信号用コネクタ860、光ファイバ870、制御信号用ケーブルコネクタ880、電源アダプタ890、DVI用電気ケーブル900を含んでいる。映像信号発生装置810で発生された映像信号を液晶ディスプレイなどの画像表示装置820に伝送するため、図17に示す光伝送装置を利用している。
A video transmission system using the optical transmission apparatus 700 is shown in FIG. The video transmission system 800 includes a video
本発明に係る面発光型半導体レーザは、光情報処理や光高速データ通信の分野で利用することができる。 The surface emitting semiconductor laser according to the present invention can be used in the fields of optical information processing and optical high-speed data communication.
10:GaAs半導体基板 12:下部下部DBR
14:活性層 16:電流狭窄層
18:上部DBR 20:コンタクト層
22:層間絶縁膜 24:コンタクトホール
26:p側電極 28:電極パッド
30:引き出し配線 32:n側電極
34:位置合わせ用電極 100:絶縁領域
110:絶縁保護膜 120:トレンチ
130:パッド形成領域 140:外縁溝
150:絶縁領域 P:ポスト
10: GaAs semiconductor substrate 12: Lower lower DBR
14: active layer 16: current confinement layer 18: upper DBR 20: contact layer 22: interlayer insulating film 24: contact hole 26: p-side electrode 28: electrode pad 30: lead-out wiring 32: n-side electrode 34: alignment electrode 100: Insulating region 110: Insulating protective film 120: Trench 130: Pad forming region 140: Outer edge groove 150: Insulating region P: Post
Claims (14)
ポスト頂部の第2の半導体多層反射膜と電気的に接続され、ポスト頂部から離れたポスト底部上に形成される電極パッドと、
ポスト底部の第1の半導体多層反射膜と電極パッドとの間に形成され、かつポストの側面およびポストの頂部の一部を覆う絶縁膜とを有し、前記絶縁膜が形成される下層の第1の半導体多層反射膜の表面が絶縁処理されている、面発光型半導体レーザ。 The substrate includes at least a first semiconductor multilayer reflective film of a first conductivity type, an active region, and a second semiconductor multilayer reflective film of a second conductivity type, and the first semiconductor multilayer reflective film is formed from the second semiconductor multilayer reflective film. A surface emitting semiconductor laser in which a post is formed by removing a semiconductor film reaching a part of a reflective film, and laser light is emitted from the top of the post.
An electrode pad electrically connected to the second semiconductor multilayer reflective film at the top of the post and formed on the bottom of the post away from the top of the post ;
An insulating film formed between the first semiconductor multilayer reflective film on the bottom of the post and the electrode pad , and covering a part of the side of the post and the top of the post, and a lower first layer on which the insulating film is formed A surface-emitting type semiconductor laser in which the surface of the semiconductor multilayer reflective film is insulated.
第2の半導体多層反射膜から第1の半導体多層反射膜の一部に至る半導体膜を除去することによりポストを形成するステップと、
ポスト底部で露出された第1の半導体多層反射膜にプロトンイオン注入を行い第1の半導体多層反射膜の表面を絶縁処理するステップと、
絶縁処理された第1の半導体多層反射膜およびポストを含む基板全面に絶縁膜を形成するステップと、
前記絶縁膜をエッチングしてポスト頂部にコンタクトホールを形成するステップと、
前記コントラクトホールを介して第2の半導体多層膜反射鏡に電気的に接続される上部電極、当該上部電極からポスト底部に延在する引き出し配線、および前記引き出し配線に接続されかつポスト底部において前記絶縁膜上に形成される電極パッドを形成するステップと、
を有する面発光型半導体レーザの製造方法。 Laminating at least a first semiconductor multilayer reflective film of a first conductivity type, an active region, and a second semiconductor multilayer reflective film of a second conductivity type on a substrate;
Forming a post by removing a semiconductor film from the second semiconductor multilayer reflective film to a part of the first semiconductor multilayer reflective film;
Injecting proton ions into the first semiconductor multilayer reflective film exposed at the bottom of the post to insulate the surface of the first semiconductor multilayer reflective film;
Forming an insulating film on the entire surface of the substrate including the insulating first semiconductor multilayer reflective film and the post; and
Etching the insulating film to form a contact hole at the top of the post;
An upper electrode electrically connected to the second semiconductor multilayer film reflecting mirror through the contract hole, a lead wiring extending from the top electrode to the bottom of the post, and the insulation connected to the lead wiring and at the bottom of the post Forming an electrode pad formed on the membrane;
Manufacturing method of surface emitting semiconductor laser having
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