JP5718150B2

JP5718150B2 - 半導体発光素子、光モジュール及び半導体発光素子の製造方法

Info

Publication number: JP5718150B2
Application number: JP2011114001A
Authority: JP
Inventors: 俊彦深町; 優向久保; 鷲野　隆; 隆鷲野
Original assignee: 日本オクラロ株式会社
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2031-05-20
Also published as: JP2012244011A

Description

本発明は、半導体発光素子、光モジュール及び半導体発光素子の製造方法に関する。

インターネットが世界中に行き渡り、今日では我々の経済活動や日常生活に欠かせないインフラストラクチャーとなった。現在でもインターネットのトラフィック量は爆発的に増大しており、日本では年率１．３倍の割合で増大している。それに伴って、幹線網から加入者網に至るメトロ網内に配置されたルータの大容量化が必要となった。特に、１９９０年後半からの１０Ｇｂ／ｓ幹線光通信システムの導入加速により、ルータ間の光インタフェースとなる１０Ｇｂ／ｓトランシーバモジュールが待望視された。このモジュールには、伝送距離が短いことと、それに伴うコスト及び消費電力、単一モードファイバで分散極小波長という観点から、光源には広温度範囲で１０Ｇｂ／ｓ動作する１．３μｍ帯直接変調レーザを搭載することが望ましいと考えられた。その結果、１９９０年代後半より進展したＩｎＧａＡｌＡｓ系材料の研究開発により、２０００年代初めには広温度範囲で１．３μｍ帯で１０Ｇｂ／ｓ直接変調動作が実証された。

しかし、特に活性層にＡｌを含む半導体レーザでは、自ら発する強い光によって端面が破壊されてしまう、いわゆる光学損傷を引き起こし易いため、信頼性の確保が課題であった。信頼性確保の１つには、端面に保護膜を形成する方法がある。この端面保護膜に関して、これまで特許文献１乃至４が知られている。これら端面保護膜は、通常、所望の反射（透過）率が得られるようにお互いに屈折率が異なる多層膜で形成される。例えば、通信波長帯では低屈折率材料としてＡｌ_２Ｏ_３など、高屈折率材料として非晶質Ｓｉなど使用されることが特許文献１にある。以上のような端面保護膜の適用により、１０Ｇｂ／ｓで動作するＩｎＧａＡｌＡｓ系１．３μｍ帯直接変調レーザの信頼性が確保され、低消費電力の小型光モジュールに採用されるに至った。この小型光モジュールは世界各社のコア／エッジルータに適用され、現在の高度情報社会のインフラストラクチャーを支えている。

特許第４６９９４３２号公報特許第４１７８０２２号公報特開平６−２０４６０２号公報特開２００４−３２７６３７号公報

上述したような半導体発光素子の電極表面には通常Ａｕが使用されており、劈開の際に発生する電極金属のバリや端面保護膜の形成誤差などのため、高屈折率材料として使用されている非晶質Ｓｉが電極を形成しているＡｕに接することがあり、このような素子に外部から熱が加わることで電極を形成しているＡｕが急速に非晶質Ｓｉに拡散し、端面保護膜の反射（透過）率の変化や剥離が発生する恐れがあった。さらに前記半導体発光素子への通電や前記半導体発光素子の発光光によっても拡散は加速され、素子の初期劣化、自発光の光吸収による光学損傷の発生など信頼性を低下させるという恐れがあった。

本発明は、上述の事情に鑑みてされたものであり、耐久性及び信頼性を向上させた半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明の半導体発光素子は、半導体基板に活性層及び半導体層と共に積層され、多層金属からなる電極層と、少なくとも前記積層の側面に形成され、光学的損傷を防ぐための端面保護膜と、を備え、前記端面保護膜は、前記電極層の少なくとも１層を拡散質である金属薄膜として、拡散媒となりにくい物質からなる保護膜と、前記拡散媒となる物質からなり、前記金属薄膜と接しないように前記保護膜上に形成される拡散媒膜と、を有する、ことを特徴とする半導体発光素子である。

ここで、端面保護膜が形成される「積層の側面」は、信号光となる光の出射面であってもよいし、制御のために計測されるモニター光の出射面であってもよい。

また、本発明の半導体発光素子において、前記拡散媒膜は、前記保護膜を形成した面の面積よりも小さい面積で前記保護膜に接するように形成されている、とすることができる。

また、本発明の半導体発光素子において、前記保護膜は、前記電極層上の一部に更に積層されるように形成される第１保護膜と、少なくとも前記積層の端面に形成される第２保護膜と、を有していてもよい。

また、本発明の半導体発光素子において、前記電極層上には、前記拡散質となりにくい難拡散性金属層が更に積層されていてもよい。

また、本発明の半導体発光素子において、前記難拡散性金属層は、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄのいずれかである、とすることができる。

また、本発明の半導体発光素子において、前記拡散質である金属薄膜は、Ａｕ、Ａｇ及びＣｕのいずれかであり、前記拡散媒となる物質は、非晶質珪素及び珪素のいずれかであり、前記拡散媒となりにくい物質は、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化珪素及び酸化タンタルのいずれかである、とすることができる。

また、本発明の半導体発光素子において、前記半導体層は、ＩｎＰ基板又はＧａＡｓ基板とすることができる。

また、本発明の半導体発光素子は、前記活性層にはＡｌが含まれていてもよい。

本発明の光モジュールは、上述の半導体発光素子のうちのいずれかの半導体発光素子と、前記半導体発光素子から発光された光を受光する受光素子と、を備える光モジュールである。

本発明の半導体発光素子の製造方法は、半導体基板に活性層及び半導体層と共に、多層金属からなる電極層を積層する積層工程と、前記電極層からの距離が大きくなるに従って光の出射方向に延びる断面形状を有するマスクを、前記電極層上に重ねて設置するマスク工程と、前記マスク工程の後、前記積層の側面に、前記電極層の少なくとも１層を拡散質である金属薄膜として、拡散媒となりにくい物質からなる保護膜、及び前記拡散媒となる物質からなる拡散媒膜を順に重ねて端面保護膜を形成する端面保護膜形成工程と、を備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法である。

ここで「電極層からの距離が大きくなるに従って光の出射方向に延びる断面形状」とは、電極層の面に対して斜めに形成された面であってもよいし、階段状に形成された面であってもよい。

本発明によれば、半導体発光素子の耐久性及び信頼性を向上させることができる。

本発明の実施例１に係る半導体発光素子を搭載した光モジュールの分解斜視図である。図１のII−II線における断面の概略図である。本発明の実施例１に係る半導体発光素子の断面図である。本発明の実施例１に係る半導体発光素子の製造方法を示すフローチャートである。図４の半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。本発明の実施例２に係る半導体発光素子の断面図である。図６の半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。本発明の実施例３に係る半導体発光素子の断面図である。本発明の実施例４に係る半導体発光素子の断面図である。

以下に本発明の実施例１〜４について説明する。なお、以下の実施例１〜４の説明及び図面において、同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の実施例１に係る半導体発光素子２６を搭載した光モジュール１００の分解斜視図であり、図２は、図１のII−II線における断面の概略図である。図１及び図２に示されるように、光モジュール１００は、ステム２２と、ステム２２に取り付けられ、光モジュール１００の電気的な端子となる３本のリードピン２３と、ステム２２に取り付けられたマウント部２４と、マウント部２４から積み重ねられるように取り付けられたサブマウント部２５及び半導体発光素子２６と、ステム２２に取り付けられ、半導体発光素子２６からのモニター光２９を受光する受光素子２７と、マウント部２４、サブマウント部２５、半導体発光素子２６及び受光素子２７を覆うようにステム２２に取り付けられるキャップ２１と、キャップ２１に取り付けられ、出射光７が略中心を透過するように設置された非球面レンズ２０と、リードピン２３から半導体発光素子２６及び受光素子２７に電気信号を伝えるリード線２８と、を備えている。

リードピン２３およびリード線２８を介して半導体発光素子２６へ伝えられた電気信号は、半導体発光素子２６にて光信号に変換され、出射光７として外部へ伝えられる。一方、モニター光２９は受光素子２７で電気信号などに変換され、リードピン２３およびリード線２８を介して外部へ半導体発光素子２６の状態などの情報を伝える。

図３は、半導体発光素子２６の断面図であり、Ｎ型半導体層３上に活性層２が形成されており、上記活性層２上にはＰ型半導体層１が形成されており、Ｐ型半導体層１上には、少なくとも表面が易拡散性金属からなる多層のＰ側電極層４が形成されている。また半導体発光素子２６の少なくとも１つの端面には反射率が概０％となるように、少なくとも端面側からＰ側電極層４の易拡散性金属が拡散質とならない保護膜５、次いでＰ側電極層４の易拡散性金属の拡散媒となる拡散媒膜６の順で、少なくとも２層からなる端面保護膜１３が形成されており、半導体発光素子２６への通電により出射光７が出射される。なお、この図において、Ｎ型半導体層３に形成されたＮ側電極は省略されている。保護膜５はＰ側電極層４の易拡散性金属の端面側を覆うようにかつ端面に対して概均一に形成されており、拡散媒膜６は端面に対して概均一、かつ保護膜５よりも面積が小さく、かつ内側となるように形成されている。つまり、拡散媒膜６は、保護膜５を形成した面の面積よりも小さい面積で保護膜５に接するように形成されている。このように形成することで、劈開時の偶発的な電極のバリや端面保護膜１３の膜厚などの形成誤差が発生したとしても、Ｐ側電極層４の易拡散性金属が拡散媒膜６と接することはなく、その結果、組立時に熱が加わることでＰ側電極層４の易拡散性金属が拡散媒膜６へ拡散することを防止し、端面保護膜１３の剥離や初期不良、動作時に突発的な故障が発生することを防いでいる。

図４には、半導体発光素子２６の製造方法が示されている。この図に示されるように、まず、ステップＳ１１の成膜工程において、Ｎ型半導体の基板（ウェハ）上に上述した活性層２、Ｐ型半導体層１及びＰ側電極層４を順に積層し、基板の反対側面にはＮ側電極を形成する。次いで、ステップＳ１２の劈開工程において、基板を劈開させ半導体発光素子２６が一列に並んだ棒状物体とする。この時の棒状物体における一半導体発光素子２６の断面の様子が図５のステップＳ２１に示されている。なお、図５において、Ｎ側電極については図示していない。引き続き、ステップＳ１３において、その棒形物体における積層面の端面であり、出射光７及びモニター光２９の出射面に該当する面に端面コーティング用のマスク１０を取り付ける。図５のステップＳ２２には、マスク１０が取り付けられたときの様子が示されている。この図に示されるように、マスク１０は、Ｐ側電極側とＮ側電極側の両方に棒状物体を挟むように取り付けられる。また、Ｐ側電極側に取り付けられるマスク１０は、電極層からの距離が大きくなるに従って光の出射方向に延びる断面形状を有している。なお、本実施形態においては、マスク１０は、Ｐ側電極層４側の出射光側の面のみが斜めの面を有していることとしたが、モニター光側の面がモニター光の出射方向に延びる斜めの面を有していてもよいし、Ｎ側電極側のマスク１０がこのような斜めの面を有していてもよい。

図４に戻り、ステップＳ１４の端面コーティング工程において、保護膜５及び拡散媒膜６を順に成膜する（図５のステップＳ２３）。その後マスク１０を取り外すことにより、図５のステップＳ２４に示されるように、拡散媒膜６が保護膜５の内側に、より小さい面積で形成されることによりＰ側電極層４の易拡散性金属に触れない形状の端面保護膜１３が形成される。最後に図４のステップＳ１５のダイシング工程において、棒形物体を切断し、半導体発光素子２６とする。

上述のように形成することで、保護膜５はＰ側電極層４の易拡散性金属の端面側を覆うようにかつ端面に対して概均一に形成され、拡散媒膜６は、マスク１０の特殊な形状により、端面に対して概均一かつ保護膜５よりも面積が小さくかつ内側となるように形成される。また、端面保護膜１３はＰ側電極層４の端面側の易拡散性金属のＰ側電極側の面にも形成される。

活性層２にはＩｎＧａＡｌＡｓ系材料やＩｎＧａＡｓＰ系材料を、Ｐ型半導体層１やＮ型半導体層３にはＩｎＰ材料やＧａＡｓ材料などが用いられるが、これらに限定されるものではない。保護膜５として、例えば酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化珪素、酸化タンタルがあるが、これらに限定されるものではない。また拡散媒膜６として、例えば非晶質珪素、珪素があるが、これらに限定されるものではない。さらにＰ側電極層４に用いられる易拡散性電極材料として、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕがあるが、これらに限定されるものではない。

図６は、本発明の実施例２に係る半導体発光素子３６の断面図である。Ｎ型半導体層３上に活性層２が形成されており、上記活性層２上にはＰ型半導体層１が形成されており、Ｐ型半導体層１上には、少なくとも表面が易拡散性金属からなる多層のＰ側電極層４が形成されており、Ｐ側電極層４の易拡散性金属上には半導体発光素子端面付近に第１保護膜１１が形成されている。また半導体発光素子の少なくとも１つの端面には反射率が概０％となるように、少なくとも端面側からＰ側電極層４の易拡散性金属が拡散質とならない第２保護膜８、次いでＰ側電極層４の易拡散性金属の拡散媒となる拡散媒膜６の順で、かつ少なくとも２層からなる端面保護膜１３が形成されており、半導体発光素子３６への通電により出射光７が出射される。第２保護膜８は端面に対して概均一に形成されており、拡散媒膜６は端面に対して概均一となるように形成され、第１保護膜１１及び第２保護膜８を形成した面の面積よりも小さい面積で、第１保護膜１１及び第２保護膜８に接するように形成されている。

第１保護膜１１は以下の方法で形成される。Ｎ型半導体層３の基板（ウェハ）上に周知の半導体プロセスで活性層２、Ｐ型半導体層１及びＰ側電極層４を順に形成する。次いで、図７に示すようにＰ側電極層４の易拡散性金属が形成されている表面に第１保護膜１１を形成する。次いで、通常のフォトリソグラフィー工程などにより、Ｐ側電極層４の易拡散性金属の特定部分だけ第１保護膜１１が残るようにエッチングする。この状態で、第１保護膜１１の概中心位置１２を劈開する。このように形成することで、劈開時の偶発的な電極のバリを抑制し、かつ端面保護膜１３の膜厚などの形成誤差が発生したとしても、Ｐ側電極層４の易拡散性金属が拡散媒膜６と接することはなく、その結果、組立などで熱が加わることでＰ側電極層４の易拡散性金属が拡散媒膜６へ拡散することを防止し、端面保護膜１３の剥離や初期不良、動作時に突発的な故障が発生しなくなった。

第１保護膜１１として酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化珪素、酸化タンタルなどがあるが、これらに限るものではない。

図８は、本発明の実施例３に係る半導体発光素子４６の断面図であり、Ｎ型半導体層３上に活性層２が形成されており、上記活性層２上にはＰ型半導体層１が形成されており、Ｐ型半導体層１上には、少なくとも表面が易拡散性金属からなる多層のＰ側電極層４が形成されており、Ｐ側電極層４の易拡散性金属上の全体もしくは一部には表面が難拡散性金属からなる難拡散性金属層９が形成されている。また半導体発光素子４６の少なくとも１つの端面には反射率が概０％となるように、少なくとも端面側からＰ側電極層４の易拡散性金属が拡散質とならない保護膜５、次いでＰ側電極層４の易拡散性金属の拡散媒となる拡散媒膜６の順で端面に対して概均一に、少なくとも２層からなる端面保護膜１３が形成されており、半導体発光素子４６への通電により出射光７が出射される。このように形成することで、劈開時の偶発的な電極のバリや端面保護膜１３の膜厚などの形成誤差が発生したとしても、Ｐ側電極層４の易拡散性金属が拡散媒膜６と接することはなく、その結果、組立時に熱が加わることでＰ側電極層４の易拡散性金属が拡散媒膜６へ拡散することを防止し、端面保護膜１３の剥離や初期不良、動作時に突発的な故障が発生しなくなった。本実施例は本発明を説明する１つの例に過ぎず、これに限るものでない。

難拡散性金属層９を形成する難拡散性電極材料として、例えばＰｔ、Ｎｉ、Ｐｄを使用するのが好適であるが、これらに限定されるものではない。

図９は、本発明の実施例４に係る半導体発光素子５６の断面図であり、Ｎ型半導体層３上に活性層２が形成されており、上記活性層２上にはＰ型半導体層１が形成されており、Ｐ型半導体層１上には、少なくとも表面が易拡散性金属からなる多層のＰ側電極層４が形成されている。また半導体発光素子の少なくとも１つの端面には反射率が概０％となるように、少なくとも端面側からＰ側電極層４の易拡散性金属が拡散質とならない保護膜５、次いでＰ側電極層４の易拡散性金属の拡散媒となる拡散媒膜６の順で、少なくとも２層からなる端面保護膜１３が形成されており、半導体発光素子５６への通電により出射光７が出射される。

保護膜５は端面に対して概均一に形成されており、拡散媒膜６は端面に対して概均一、かつ保護膜５よりも十分に面積が小さく、かつ内側となるように、かつ半導体発光素子の発光光の近視野像よりも大きくなるように形成されている。つまり、拡散媒膜６は、保護膜５を形成した面の面積よりも小さい面積で保護膜５に接するように形成されている。このように形成することで、劈開時の偶発的な電極のバリや端面保護膜１３の膜厚などの形成誤差が発生したとしても、Ｐ側電極層４の易拡散性金属が拡散媒膜６と接することはなく、その結果、組立時に熱が加わることでＰ側電極層４の易拡散性金属が拡散媒膜６へ拡散することを防止し、端面保護膜１３の剥離や初期不良、動作時に突発的な故障が発生しなくなった。

以上説明したように、本発明の半導体発光素子では、耐久性及び信頼性をより向上させることができる。

なお、上述の実施例では各半導体発光素子にはＮ型基板を用いているが、Ｐ型基板や絶縁基板を用いた場合でも同様である。さらにＮ側の電極に易拡散性金属が用いられている場合でも同様の手法により耐久性及び信頼性をより向上させることができる。また、図面において端面保護膜１３は２層で記載されているが２層以上で形成されていてもよい。

１Ｐ型半導体層、２活性層、３Ｎ型半導体層、４Ｐ側電極層、５保護膜、６拡散媒膜、７出射光、８第２保護膜、９難拡散性金属層、１０マスク、１１第１保護膜、１３端面保護膜、２０非球面レンズ、２１キャップ、２２ステム、２３リードピン、２４マウント部、２５サブマウント部、２６半導体発光素子、２７受光素子、２８リード線、２９モニター光、３６半導体発光素子、４６半導体発光素子、５６半導体発光素子、１００光モジュール。

Claims

半導体基板に活性層及び半導体層と共に積層され、多層金属からなる電極層と、
前記積層の側面から前記電極層上の一部に渡って形成され、光学的損傷を防ぐための端面保護膜と、を備え、
前記端面保護膜は、連続して成膜された、
前記電極層の少なくとも１層を拡散質である金属薄膜として、拡散媒となりにくい物質からなる保護膜と、
前記拡散媒となる物質からなり、前記金属薄膜と接しないように前記保護膜上に形成される拡散媒膜と、を有し、
前記電極層上において、前記保護膜の端部は前記拡散媒膜の端部より前記側面から遠い側まで形成されている、ことを特徴とする半導体発光素子。
請求項１に記載の半導体発光素子であって、
前記電極層上には、前記拡散質となりにくい難拡散性金属層が更に積層される、ことを特徴とする半導体発光素子。
請求項２に記載の半導体発光素子であって、
前記難拡散性金属層は、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄのいずれかである、ことを特徴とする半導体発光素子。
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体発光素子であって、
前記拡散質である金属薄膜は、Ａｕ、Ａｇ及びＣｕのいずれかであり、
前記拡散媒となる物質は、非晶質珪素及び珪素のいずれかであり、
前記拡散媒となりにくい物質は、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化珪素及び酸化タンタルのいずれかである、ことを特徴とする半導体発光素子。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体発光素子であって、前記半導体層は、ＩｎＰ基板又はＧａＡｓ基板である、ことを特徴とする半導体発光素子。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体発光素子であって、前記活性層にはＡｌが含まれる、ことを特徴とする半導体発光素子。
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から発光された光を受光する受光素子と、を備える光モジュール。
半導体基板に活性層及び半導体層と共に、多層金属からなる電極層を積層する積層工程と、
前記電極層からの距離が大きくなるに従って光の出射方向に延びる断面形状を有するマスクを、前記電極層上に重ねて設置するマスク工程と、
前記マスク工程の後、前記積層の側面に、前記電極層の少なくとも１層を拡散質である金属薄膜として、拡散媒となりにくい物質からなる保護膜、及び前記拡散媒となる物質からなる拡散媒膜を順に重ねて、前記積層の側面から前記電極層上の一部に渡って形成され端面保護膜であって、前記電極層上において、前記保護膜の端部は前記拡散媒膜の端部より前記側面から遠い側まで形成されている、端面保護膜を形成する端面保護膜形成工程と、を備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。