JP5381198B2

JP5381198B2 - 面発光型半導体レーザ、光伝送装置およびその製造方法

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Publication number: JP5381198B2
Application number: JP2009065003A
Authority: JP
Inventors: 一隆武田
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2029-03-17
Also published as: JP2010219342A

Description

本発明は、面発光型半導体レーザ、光伝送装置およびその製造方法に関する。

光ファイバ等を用いた光通信において、その光源の発光素子として面発光型半導体レーザが利用されている。典型的な光ファイバ通信では、発光部または受光部に光伝送装置が取り付けられている。光伝送装置は、基板と、基板上に固定された面発光型半導体レーザと、基板上に保持台を介して基板と平行に固定された光ファイバとを含み、面発光型半導体レーザの出射面近傍の電極は、ボンディングワイヤによって基板上の電球億配線に接続されている。面発光型半導体レーザから出射されたレーザ光は、光ファイバの入射面に入射される。このような光モジュールは、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００２−２９６４５７号

本発明は、光導波路と面発光型半導体レーザの配置を近づけることが可能な面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。

請求項１に係る面発光型半導体レーザは、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第１導電型の半導体層と、前記半導体層上に形成された第１導電型の下部多層膜反射鏡と、下部多層膜反射鏡上に形成された活性層と、活性層上に形成された第２導電型の上部多層膜反射鏡と、第１の配線と、第２の配線とを有し、前記半導体基板上に上部多層膜反射鏡から前記半導体層に至る柱状構造が形成され、前記柱状構造から離れた各々の位置に、前記半導体層から前記半導体基板の底部に至る第１および第２の貫通孔が形成され、第１の配線は、第１の貫通孔内の少なくとも一部に延在しかつ前記半導体層に電気的に接続され、第２の配線は、第２の貫通孔内の少なくとも一部に延在しかつ上部多層反射鏡に電気的に接続される。
請求項２において、第１の配線は、絶縁膜を介して第１の貫通孔から前記半導体層上を延在し、第１の配線は、前記絶縁膜に形成された開口部を介して前記半導体層に電気的に接続され、第２の配線は、絶縁膜を介して第２の貫通孔から前記柱状構造の頂部にまで延在し、第２の配線は、前記柱状構造の頂部において上部多層膜反射鏡に電気的に接続される。
請求項３において、前記半導体基板は、第１導電型を有し、前記半導体基板の底部は絶縁膜によって覆われている。
請求項４において、面発光型半導体レーザはさらに、少なくとも導電性材料の第１および第２の突起が形成された配線基板を含み、第１および第２の突起は、前記半導体基板の底部側から第１および第２の貫通孔内に挿入され、前記半導体基板が前記配線基板上に実装される。
請求項５において、面発光型半導体レーザはさらに、少なくとも導電性材料の第１および第２の突起が形成された配線基板を含み、第１および第２の突起は、前記半導体基板の前記半導体層側から第１および第２の貫通孔内に挿入され、前記半導体基板上に前記配線基板が実装される。
請求項６において、第１および第２の貫通孔は、前記半導体基板の底部に向けて径が小さくなるように形成される。
請求項７に係る光伝送装置は、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、面発光型半導体レーザの柱状構造から出射されたレーザ光を入射する光伝送部材とを有し、前記柱状構造のレーザ光の出射口と前記光伝送部材の入射面とが直接的に光結合される。
請求項８において、光伝送装置はさらに、面発光型半導体レーザを支持するための支持部材と、前記光伝送部材を保持するための保持部材とを含み、前記支持部材と前記保持部材との結合によって前記柱状構造のレーザ光の出射口と前記光伝送部材の入射面との距離を決定する。
請求項９に係る光伝送装置は、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、少なくとも導電性材料の第１および第２の突起が形成されかつ光伝送部材を含む配線基板とを含み、第１および第２の突起は、前記半導体基板の前記半導体層側から第１および第２の貫通孔内に挿入され、前記半導体基板上に前記配線基板が実装され、前記柱状構造のレーザ光の出射口に前記光伝送部材の入射面が対向して配置される。
請求項１０に係る面発光型半導体レーザの製造方法は、半導体基板上に、第１導電型の半導体層、第１導電型の下部多層膜反射鏡、活性層、および第２導電型の上部多層膜反射鏡を形成する工程と、前記半導体基板上に上部多層膜反射鏡から前記半導体層に至る柱状構造を形成する工程と、前記柱状構造から離れた各々の位置に前記半導体層から前記半導体基板の底部に至る第１および第２の貫通孔を形成する工程と、第１の貫通孔内の少なくとも一部に延在しかつ前記半導体層に電気的に接続された第１の配線、および第２の貫通孔内の少なくとも一部に延在しかつ上部多層反射鏡に電気的に接続される第２の配線を形成する工程とを有する。
請求項１１において、面発光型半導体レーザの製造方法はさらに、導電性材料の第１および第２の突起が形成された配線基板を用意する工程と、前記配線基板の第１および第２の突起を、前記半導体基板の底部側から第１および第２の貫通孔内に充填する工程とを含む。
請求項１２において、面発光型半導体レーザの製造方法はさらに、導電性材料の第１および第２の突起が形成された配線基板を用意する工程と、前記配線基板の第１および第２の突起を、前記半導体基板の前記半導体層側から第１および第２の貫通孔内に充填する工程とを含む。
請求項１３に係る面発光型半導体レーザの製造方法は、請求項１０の製造方法により製造されたレーザ素子が複数形成されたウエハを用意する工程と、少なくとも第１および第２の突起がレーザ素子毎に複数形成された配線ウエハを用意する工程と、前記ウエハと前記配線ウエハとを位置決めする工程と、前記ウエハと前記配線ウエハとを結合する工程と、
結合された前記ウエハと前記配線ウエハをレーザ素子毎に切断する工程とを有する。
請求項１４において、前記配線ウエハの第１よび第２の突起は、前記ウエハの半導体基板の底部側から第１および第２の貫通孔内それぞれ充填される。
請求項１５において、前記配線ウエハの第１よび第２の突起は、前記ウエハの半導体基板の前記半導体層側から第１および第２の貫通孔内それぞれ充填される。

請求項１によれば、レーザ光を出射する出射口側の電極と配線基板を電気接続する場合と比較して、面発光型半導体レーザを光導波路に近づけて配置することができる。
請求項２によれば、第１および第２の貫通孔を第１導電型の半導体層および第２導電型の上部多層膜反射鏡に接続することができる。
請求項３によれば、半導体基板を外部から電気的に絶縁することができる。
請求項４によれば、第１および第２の突起を有さない場合と比較して、半導体基板を配線基板に容易に実装することができる。
請求項５によれば、第１および第２の突起を有さない場合と比較して、柱状構造を配線基板に近づけて配置することができる。
請求項６によれば、配線基板の脱落が抑制される。
請求項７によれば、レーザ光を出射する出射口側の電極と配線基板を電気接続する場合と比較して、面発光型半導体レーザを光伝送部材に近づけて配置した光伝送装置を提供できる。
請求項８によれば、本構成を持たない場合と比較して、面発光型半導体レーザの柱状構造を光伝送部材に容易に位置決めさせることができる。
請求項９によれば、レーザ光を出射する出射口側の電極と配線基板を電気接続する場合と比較して、面発光型半導体レーザの柱状構造を光伝送部材に近づけて配置した光伝送装置を提供できる。
請求項１０によれば、面発光型半導体レーザを光伝送部材に近づけて配置可能な面発光型半導体レーザを提供することができる。
請求項１１によれば、第１および第２の突起を有さない場合と比較して、面発光型半導体レーザと配線基板とを容易に実装することができる。
請求項１２によれば、第１および第２の突起を有さない場合と比較して、柱状構造を配線基板に近づけて配置することができる。
請求項１３ないし１５によれば、レーザ光を出射する出射口側の電極と配線基板を電気接続する場合と比較して、ウエハレベルで半導体基板と配線基板との結合を容易に行うことができる。

本発明の第１の実施例に係る面発光型半導体レーザを示す図であり、図１Ａは概略平面図、図１Ｂは、１Ｂ−１Ｂ線断面図である。図１に示す面発光型半導体レーザの配線基板への実装例を示す図である。図１に示す面発光型半導体レーザを配線基板にフリップチップ実装した例を示す図である。図１に示す面発光型半導体レーザの具体的な構成例を示す断面図である。本発明の第２の実施例に係る面発光型半導体レーザの断面図である。本発明の第３の実施例に係る面発光型半導体レーザの断面図である。本発明の第１の実施例に係る面発光型半導体レーザの製造工程を示す図である。本発明の第１の実施例に係る面発光型半導体レーザの製造工程を示す図である。本発明の第４の実施例に係る面発光型半導体レーザ実装体の製造方法を示す図である。本発明の第５の実施例に係る光モジュールの概略構成を示す断面図である。本発明の第６の実施例に係る光モジュールの概略構成を示す断面図である。本発明の第７の実施例に係る光モジュールの概略構成を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。

図１は、本発明の第1の実施例に係る面発光型半導体レーザを示し、図１Ａは、面発光型半導体レーザの概略平面図、図１Ｂは、１Ｂ−１Ｂ線断面図である。本実施例の面発光型半導体レーザ１０は、半絶縁性基板１２と、半絶縁性基板１２上に形成されたｎ型の半導体層１４と、半導体層１４上に形成されたｎ型の下部多層膜反射鏡１６と、活性層１８と、活性層１８上に形成されたｐ型の上部多層膜反射鏡２０と、ｎ側の金属配線２２と、ｐ側の金属配線２４とを含んで構成される。

基板１２上には、上部多層膜反射鏡２０から半導体層１４に至るまでメサまたはポスト（柱状構造）Ｐが形成されている。メサＰ内には、下部多層膜反射鏡１６、活性層１８および上部多層膜反射鏡２０が含まれ、メサＰは、レーザ光を発光する発光部として機能する。本実施例では、メサＰは、ほぼ円筒状に形成されているが、矩形状、楕円状に形成されてもよい。下部多層膜反射鏡１６は、後述するｎ側の金属配線２２に電気的に接続され、上部多層膜反射鏡２０は、ｐ側の金属配線２４に電気的に接続される。ｐ側の金属配線２４から上部多層膜反射鏡２０に電流が注入されると、活性層１８で電子と正孔が結合し光が発生する。発生した光は、垂直共振器を構成する下部多層膜反射鏡１６および上部多層膜反射鏡２０によって光増幅され、レーザ光は、メサＰの頂部の出射口から基板とほぼ垂直方向に出射される。

基板上のメサＰから離間された一方の端部には、半導体層１４から基板１２の底部まで貫通する貫通孔３０が形成されている。貫通孔３０の径は、底部に向けて徐々に狭くなるように円形状に加工されている。また、貫通孔３０の側壁を覆うように絶縁膜２６が形成され、この絶縁膜２６は、基板上の半導体層１４上を覆い、さらにメサＰの側壁および頂部の一部を覆っている。

ｎ側の金属配線２２は、絶縁膜２６を介して貫通孔３０を横切るようにストリップ状に延在している。すなわち、金属配線２２は、基板上の一方の端部から貫通孔３０の一方の側壁３０Ａまで延び、かつ貫通孔３０の対向する他方の側壁３０Ｂから再び基板上を延在する。さらに金属配線２２は、絶縁膜２６に形成された矩形状のコンタクトホール（開口部）２６Ａを介して半導体層１４に電気的に接続されている。

メサＰを挟んで反対側の他方の端部には、もう１つの貫通孔４０が形成されている。貫通孔４０は、貫通孔３０と同様にすり鉢状の円形であり、半導体層１４から基板１２の底部まで貫通している。ｐ側の金属配線２４は、絶縁膜２６を介して貫通孔４０を横切るようにストリップ状に延在している。すなわち、金属配線２４は、基板上の他方の端部から貫通孔４０の一方の側壁４０Ａまで延び、かつ貫通孔４０の対向する他方の側壁４０Ｂから再び基板上を延在する。さらに金属配線２４は、メサＰの頂部まで延在し、その端部はＣ字状の出射電極２４Ａに加工され、出射電極２４Ａは、上部多層膜反射鏡２０と電気的に接続される。

図２は、面発光型半導体レーザ１０の配線基板への実装例を示している。同図に示すように、配線基板５０の表面には、金属等の導体による配線パターン５２Ａ、５２Ｂが形成されている。配線パターン５２Ａ上には、円筒状のバンプまたは突起５４Ａが形成され、配線パターン５２Ｂ上には、バンプ５４Ｂが形成される。バンプ５４Ａ、５４Ｂは、例えば、銀ペースト、はんだボールまたは金ボール等の導電性材料から構成される。好ましくは、バンプ５４Ａ、５４Ｂは、スクリーン印刷やボンディングツールにより形成され、配線パターン５２Ａ、５２Ｂ上に高い位置精度で形成される。バンプ５４Ａ、５４Ｂの外径は、貫通孔３０、４０の底部の径よりも幾分だけ大きく、さらに、バンプ５４Ａと５４Ｂの間隔は、貫通孔３０と４０の中心間隔にほぼ等しい。なお、バンプの形状は、必ずしも円筒状に限らず、円錐状または角錐状などであってもよい。

図２Ａに示すように、面発光型半導体レーザ１０と配線基板５０との位置合わせを行った後、バンプ５４Ａ、５４Ｂが面発光型半導体レーザ１０の底部側から貫通孔３０、４０内に挿入される。バンプ５４Ａ、５４Ｂは、一定の荷重を与えられると、図２Ｂに示すように、貫通孔３０、４０内を充填するように変形される。これにより、配線パターン５２Ａは、バンプ５４Ａを介してｎ側の金属配線２２に電気的に接続され、配線パターン５２Ｂは、バンプ５４Ｂを介してｐ側の金属配線２４に電気的に接続される。貫通孔３０、４０は、底部に向けて径が狭くなっているため、バンプ５４Ａ、５４Ｂは、容易に貫通孔３０、４０から抜け落ちることはない。こうして、貫通孔３０および４０は、面発光型半導体レーザ１０を配線基板５０へ実装するための接続インターフェースを提供し、面発光型半導体レーザ１０を配線基板５０に表面実装することを可能にする。

図３は、面発光型半導体レーザをフリップチップ実装する例を示している。図３に示す配線基板５０Ａは、面発光型半導体レーザのメサＰと対向する位置にレーザ光を出射するための貫通孔５１が形成され、それ以外の構成は、図２に示す配線基板５０と同様である。なお、貫通孔５１には、レーザ光を透過するための透過部材が組み込まれてもよい。

図３Ａに示すように、面発光型半導体レーザのメサＰが配線基板５０Ａと対向するように位置合わせされる。次に、図３Ｂに示すように、バンプ５４Ａ、５４Ｂが面発光型半導体レーザ１０の半導体層１４側すなわち表面側から貫通孔３０、４０内に挿入される。面発光型半導体レーザ１０と配線基板５０Ａ間に一定の荷重が印加されると、バンプ５４Ａ、５４Ｂが貫通孔３０、４０の形状に倣うように変形される。こうして、バンプ５４Ａは、ｐ側の金属配線２４に電気的に接続され、バンプ５４Ｂがｎ側の金属配線２２に接続される。面発光型半導体レーザ１０が配線基板５０Ａに結合されたときに、メサＰが配線基板５０Ａの表面から僅かな距離だけ離されるように、バンプ５４Ａ、５４Ｂの形状、大きさ、ならびに貫通孔３０、４０の径の大きさが選択される。面発光型半導体レーザ１０が駆動されたとき、メサＰからのレーザ光は、貫通孔５１を通り外部へ出射される。このようなフリップチップ実装は、ボンディングワイヤによる接続をするときよりも、ボンディングワイヤによる制約がないため、面発光型半導体レーザ１０と配線基板５０Ａとを非常に近接させることができる。その結果、配線基板に実装された面発光型半導体レーザの小型化、薄型化を図ることができる。さらに、フリップチップ実装にすることで、面発光型半導体レーザのメサＰは、実質的に配線基板５０Ａにより外力から保護される。

なお、図３に示す貫通孔３０、４０は、基板１２の底部に向けて径が小さくなっているが、これとは反対に、貫通孔３０、４０は、基板１２の底部に向けて径が大きくなるように形成し、バンプ５４Ａ、５４Ｂが貫通孔３０、４０から離脱され難くすることができる。

次に、選択酸化型面発光型半導体レーザの典型的な構成例を図４に示す。同図に示すように、面発光型半導体レーザ１０は、半絶縁性のＧａＡｓ基板１２上に、ｎ型の不純物濃度が高いＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓの半導体層１４、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｎ型の下部多層膜反射鏡または下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector：分布ブラッグ型反射鏡）１６、活性層１８、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｐ型の上部多層膜反射鏡２０を積層している。上部多層膜反射鏡２０は、最下層に電流狭窄層２７を含み、最上層に不純物濃度が高いｐ型のＧａＡｓコンタクト層２８を含むことができる。電流狭窄層２７は、好ましくはｐ型のＡｌＡｓから成り、メサＰの側面から選択的に酸化された酸化領域を含み、当該酸化領域によって囲まれた酸化アパーチャ内に電流を狭窄する。

半導体層１４およびメサＰを覆う絶縁膜２６は、例えば、ＳｉＮやＳｉＯＮやＳｉＯ_２から構成される。絶縁膜２６には、メサＰの底部においてコンタクトホール２６Ａが形成される。ｎ側の金属配線２２は、好ましくはコンタクトホール２６Ａを介して半導体層１４にオーミック接続される。

メサＰの頂部に、環状電極２９を形成することができる。環状電極２９の中央には、円形状の出射口２９Ａが形成され、出射口２９Ａからレーザ光が出射される。環状電極２９は、ＧａＡｓコンタクト層２８にオーミック接続される。絶縁膜２６は、メサＰの頂部において環状電極２９が露出するように加工される。ｐ側の金属配線２４は、絶縁膜２６を介してメサＰの頂部まで延在し、出射電極２４Ａが環状電極２９に接続される。金属配線２２、２４、環状電極２９は、例えばＡｕまたはＡｕ／Ｔｉから構成される。

なお、面発光型半導体レーザは、必ずしも選択酸化型に限らず、他のプロトン注入型などであってもよい。さらに上記実施例では、半導体層１４を基板と下部多層膜反射鏡１６との間に形成したが、下部多層膜反射鏡１６の一部の層を半導体層１４として利用してもよい。この場合、下部多層膜反射鏡１６の一部の層がｎ側の金属配線２２に電気的に接続される。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。図５は、本発明の第２の実施例に係る面発光型半導体レーザを示す図である。第２の実施例に係る面発光型半導体レーザ１０Ａでは、基板１２に形成される貫通孔３２、４２が十字形状をしており、それ以外の構成は、第１の実施例と同様である。面発光型半導体レーザ１０を配線基板５０に位置合わせをするとき、貫通孔３２、４２の十字パターンを位置合わせマークに兼用する。十字パターンとすることで、面発光型半導体レーザ１０のＸ軸およびＹ軸の水平方向の位置合わせが容易になる。

次に、本発明の第３の実施例について説明する。図６は、本発明の第３の実施例に係る面発光型半導体レーザの断面図である。第３の実施例に係る面発光型半導体レーザ１０Ｂは、ｎ型の半導体基板１２Ａを用いるものである。基板１２Ａは、例えばｎ型のＧａＡｓ基板である。この場合には、基板１２Ａを配線基板５０の配線パターン５２Ａ、５２Ｂから電気的に絶縁するため、基板１２Ａの底面が絶縁膜２６によって覆われている。それ以外の構成は、第１または第２の実施例と同様である。

次に、本発明の第１の実施例に係る面発光型半導体レーザの製造方法について説明する。先ず、図７Ａに示すように、有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)法により、真性ＧａＡｓ基板１２上に、キャリア濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3のＧａＡｓの半導体層１４、キャリア濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3のＡｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓとＡｌ_0.12Ｇａ_0.88Ａｓ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複数周期積層したｎ型の下部多層膜反射鏡１６が形成される。その上に、アンドープ下部Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ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５０ｎｍＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ障壁層４層とで構成されている)とアンドープ上部Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ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層１８が形成され、その上に、キャリア濃度が２×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ型のＡｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓとＡｌ_0.12Ｇａ_0.88Ａｓ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複数周期積層したｐ型の上部多層膜反射鏡２０が形成される。上部多層膜反射鏡２０の最下層は、ｐ型のＡｌＡｓから構成された電流狭窄層を含み、最上層は、キャリア濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3となるｐ型のＧａＡｓコンタクト層を含むことができる。

次に、フォトリソ工程により結晶成長層上にレジストマスクを形成し、例えば、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半導体層１４に至るエッチングを行い、図７Ｂに示すように、円形状のメサＰを形成する。

次に、図７Ｃに示すように、基板全面に絶縁膜２６を形成し、絶縁膜２６にコンタクトホール２６Ａ、貫通孔形成用のホール２６Ｂ、２６Ｃ、メサ頂部のコンタクトホール２６Ｄを形成する。ここで、メサＰ内に電流狭窄層を含む場合には、酸化処理を行い、電流狭窄層内に酸化アパーチャを形成する。

次に、図７Ｄに示すように、基板１２の裏面を研磨し、基板を一定の厚さに加工する。次に、図８Ａに示すように、所定のエッチングマスクを基板上に形成し、貫通孔３０、４０を形成する。好ましくは、貫通孔３０、４０に若干のテーパが形成されるようにする。

次に、図８Ｂに示すように、貫通孔３０、４０の側壁に絶縁膜２６を形成する。エッチングマスクを除去した後、図８Ｃに示すように、ｎ側の金属配線２２およびｐ側の金属配線２４のパターンを形成する。そして、図８Ｄに示すように、面発光型半導体レーザ１０と配線基板５０とを接着し、面発光型半導体レーザ１０と配線基板５０の実装体を得る。本実施例によれば、ワイヤボンディングが不要であるため、ウエハレベルでパッケージングが可能となり、低コストな高密度実装が可能となる。

次に、本発明の第４の実施例について説明する。第１ないし第３の実施例は、ウエハからダイシングされた個々のチップ状の面発光型半導体レーザと配線基板との実装例を示したが、第４の実施例は、ウエハレベルで面発光型半導体レーザと配線基板との接着を行うものである。

図９Ａに示すように、第１ないし第３の実施例で説明したような面発光型半導体レーザが複数形成されたウエハ１００と、図２に示した配線パターンとバンプが複数形成された配線ウエハ１１０とを用意する。次に、図９Ｂに示すように、ウエハ１００と配線ウエハ１１０とを位置合わせし、両者をウエハレベルで接着する。このとき、配線ウエハ１１０の個々のバンプは、ウエハ１００の対応する貫通孔内に充填される。次に、接着されたウエハ１００と配線ウエハ１１０とをダイシングし、図９Ｃに示すように、個々に分離された面発光型半導体レーザと配線基板の実装体１２０を得る。配線ウエハ１１０の個々のバンプは、図２に示したように面発光型半導体レーザの基板の底部側から挿入してもよいし、図３に示したように面発光型半導体レーザの半導体層１４側から挿入してもよい。

次に、本実施例の面発光型半導体レーザと配線基板の実装体を用いた光モジュール（光伝送装置）について説明する。図１０は、本発明の第５の実施例に係る光モジュールの概略構成を示す断面図である。光モジュール２００は、面発光型半導体レーザと配線基板との実装体２１０と、実装体２１０を支持する支持部材２２０と、光ファイバ２３０と、光ファイバ２３０を保持する保持部材２４０とを有している。

支持部材２２０は、実装体２１０を固定する面２２２とその周囲に突出した壁部２２４とを有し、壁部２２４の端面には、保持部材２４０の外縁が接着剤等により固定されている。保持部材２４０は、その中央の開口部内に光ファイバ２３０を固定している。光ファイバ２３０は、コア部２３２とその周囲にクラッド部２３４を有し、コア部２３２の中心が面発光型半導体レーザのメサＰの出射口の中心にほぼ一致する。

本実施例の光モジュールでは、面発光型半導体レーザの電極の接続にワイヤボンディングが不要であるため、ワイヤの高さによる制限を受けることなく、壁部２２４の面２２２からの高さＨによって面発光型半導体レーザの出射面と光ファイバの入射面との距離を決定することができる。このため、面発光型半導体レーザと光ファイバ間にレンズ等を用いることなく、高効率な光結合を得ることができる。

次に、本発明の第６の実施例に係る光モジュールの概略断面を図１１に示す。第６の実施例に係る光モジュール２００Ａは、光伝送部材として光導波路を用いたものである。光モジュール２００Ａは、面発光型半導体レーザと配線基板の実装体２１０と、実装体２１０を支持する支持部材２２０と、光導波路２５０と、光導波路２５０を保持する保持部材２６０とを有している。保持部材２６０は、支持部材２２０の一方の壁部２２４に支持され、光導波路２５０は、支持部材２２０の他方の壁部２２４に支持されている。光導波路２５０は、コア部２５２とその周囲にクラッド部２５４を有、入射端面がほぼ４５度に傾斜されている。面発光型半導体レーザの出射口から出射されたレーザ光は、入射端面のコア部２５２に入射される。本実施例の光モジュール２００Ａにおいても、ボンディングワイヤの高さに制限されず、壁部２２４の高さによって光導波路２５０と面発光型半導体レーザ間の距離を決定することができ、光モジュールの薄型化を図ることができる。

次に、本発明の第７の実施例に係る光モジュールの概略断面を図１２に示す。第７の実施例に係る光モジュール２００Ｂは、複数の面発光型半導体レーザ１０を含むアレイ構造である。光モジュール２００Ｂは、複数の面発光型半導体レーザ１０（図では４つ）を実装した配線基板５０と、配線基板５０を支持する支持部材２２０と、複数の光ファイバ２３０と、複数の光ファイバ２３０を保持する保持部材２４０Ａとを有している。各面発光型半導体レーザの光軸上には、対応する光ファイバ２３０のコア部が位置されている。
このようなアレイ構造の光モジュールでも、各面発光型半導体レーザと光ファイバとの高効率な結合を得ることができるため、レンズ等の部品が不要となり、低コスト化および小型化を図ることができる。また、アレイ構造において面発光型半導体レーザの配線にボンディングワイヤを用いた場合、個々のワイヤの長さが異なると電気特性にばらつきが生じるが、ワイヤが不要であるため、個々の面発光型半導体レーザ間の電気特性のばらつきを抑制することができる。

また、図３に示したように面発光型半導体レーザ１０を配線基板５０Ａにフリップチップ実装する場合には、帆船基板５０Ａ上に光ファイバや光導波路を接着剤等により取り付けるようにしてもよい。面発光型半導体レーザのメサＰから出射されたレーザ光は、貫通孔５１を介して光ファイバまたは光導波路の入射面に直接結合され、そこから入射させることができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０：面発光型半導体レーザ
１２、１２Ａ：基板
１４：半導体層
１６：下部多層膜反射鏡
１８：活性層
２０：上部多層膜反射鏡
２２：ｎ型の金属配線
２４：ｐ型の金属配線
２６：絶縁膜
２６Ａ：コンタクトホール
３０、３２、４０、４２：貫通孔
３０Ａ、３０Ｂ、４０Ａ、４０Ｂ：側壁
５０、５０Ａ：配線基板
５１：貫通孔
５２Ａ、５２Ｂ：配線パターン
５４Ａ、５４Ｂ：バンプ
２００、２００Ａ、２００Ｂ：光モジュール
２１０：実装体
２２０：支持部材
２３０：光ファイバ
２４０：保持部材
２５０：光導波路

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１導電型の半導体層と、
前記半導体層上に形成された第１導電型の下部多層膜反射鏡と、
下部多層膜反射鏡上に形成された活性層と、
活性層上に形成された第２導電型の上部多層膜反射鏡と、
第１の配線と、
第２の配線とを有し、
前記半導体基板上に上部多層膜反射鏡から前記半導体層に至る柱状構造が形成され、
前記柱状構造から離れた各々の位置に、前記半導体層から前記半導体基板の底部に至る第１および第２の貫通孔が形成され、
第１の配線は、第１の貫通孔内の少なくとも一部に延在しかつ前記半導体層に電気的に接続され、第２の配線は、第２の貫通孔内の少なくとも一部に延在しかつ上部多層膜反射鏡に電気的に接続される、面発光型半導体レーザ。
第１の配線は、絶縁膜を介して第１の貫通孔から前記半導体層上を延在し、第１の配線は、前記絶縁膜に形成された開口部を介して前記半導体層に電気的に接続され、第２の配線は、絶縁膜を介して第２の貫通孔から前記柱状構造の頂部にまで延在し、第２の配線は、前記柱状構造の頂部において上部多層膜反射鏡に電気的に接続される、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
前記半導体基板は、第１導電型を有し、前記半導体基板の底部は絶縁膜によって覆われている、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
面発光型半導体レーザはさらに、少なくとも導電性材料の第１および第２の突起が形成された配線基板を含み、第１および第２の突起は、前記半導体基板の底部側から第１および第２の貫通孔内に挿入され、前記半導体基板が前記配線基板上に実装される、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
面発光型半導体レーザはさらに、少なくとも導電性材料の第１および第２の突起が形成された配線基板を含み、第１および第２の突起は、前記半導体基板の前記半導体層側から第１および第２の貫通孔内に挿入され、前記半導体基板上に前記配線基板が実装される、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
第１および第２の貫通孔は、前記半導体基板の底部に向けて径が小さくなるように形成される、請求項４に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、面発光型半導体レーザの柱状構造から出射されたレーザ光を入射する光伝送部材とを有し、前記柱状構造のレーザ光の出射口と前記光伝送部材の入射面とが直接的に光結合される、光伝送装置。
光伝送装置はさらに、面発光型半導体レーザを支持するための支持部材と、前記光伝送部材を保持するための保持部材とを含み、前記支持部材と前記保持部材との結合によって前記柱状構造のレーザ光の出射口と前記光伝送部材の入射面との距離を決定する、請求項７に記載の光伝送装置。
請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、少なくとも導電性材料の第１および第２の突起が形成されかつ光伝送部材を含む配線基板とを含み、第１および第２の突起は、前記半導体基板の前記半導体層側から第１および第２の貫通孔内に挿入され、前記半導体基板上に前記配線基板が実装され、前記柱状構造のレーザ光の出射口に前記光伝送部材の入射面が対向して配置される、光伝送装置。
半導体基板上に、第１導電型の半導体層、第１導電型の下部多層膜反射鏡、活性層、および第２導電型の上部多層膜反射鏡を形成する工程と、
前記半導体基板上に上部多層膜反射鏡から前記半導体層に至る柱状構造を形成する工程と、
前記柱状構造から離れた各々の位置に前記半導体層から前記半導体基板の底部に至る第１および第２の貫通孔を形成する工程と、
第１の貫通孔内の少なくとも一部に延在しかつ前記半導体層に電気的に接続された第１の配線、および第２の貫通孔内の少なくとも一部に延在しかつ上部多層反射鏡に電気的に接続される第２の配線を形成する工程と、
を有する面発光型半導体レーザの製造方法。
面発光型半導体レーザの製造方法はさらに、導電性材料の第１および第２の突起が形成された配線基板を用意する工程と、
前記配線基板の第１および第２の突起を、前記半導体基板の底部側から第１および第２の貫通孔内に充填する工程とを含む、請求項１０に記載の製造方法。
面発光型半導体レーザの製造方法はさらに、導電性材料の第１および第２の突起が形成された配線基板を用意する工程と、
前記配線基板の第１および第２の突起を、前記半導体基板の前記半導体層側から第１および第２の貫通孔内に充填する工程とを含む、請求項１０に記載の製造方法。
請求項１０の製造方法により製造されたレーザ素子が複数形成されたウエハを用意する工程と、
少なくとも第１および第２の突起がレーザ素子毎に複数形成された配線ウエハを用意する工程と、
前記ウエハと前記配線ウエハとを位置決めする工程と、
前記ウエハと前記配線ウエハとを結合する工程と、
結合された前記ウエハと前記配線ウエハをレーザ素子毎に切断する工程と、
を有する面発光型半導体レーザの製造方法。
前記配線ウエハの第１よび第２の突起は、前記ウエハの半導体基板の底部側から第１および第２の貫通孔内それぞれ充填される、請求項１３に記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
前記配線ウエハの第１よび第２の突起は、前記ウエハの半導体基板の前記半導体層側から第１および第２の貫通孔内それぞれ充填される、請求項１３に記載の面発光型半導体レーザの製造方法。