(57)【要約】【課題】側面に段差がないメサを備えた光半導体素子と比較して、メサ側面の配線容量を低減しつつ、製造工程におけるレジストの流れ落ちがより抑制された光半導体素子を提供すること。【解決手段】半導体基板と、半導体基板上に形成されたコンタクト層と、複数の柱状体から構成されかつコンタクト層上に形成されたメサ構造体と、層間絶縁膜を挟んで半導体基板からメサ構造体の側面に沿って延伸されかつメサ構造体の上面に接続された第１の配線と、コンタクト層に接続された第２の配線と、を含み、複数の柱状体は、半導体基板からより離間する柱状体がより半導体基板に近い側の柱状体に含まれ、かつ複数の柱状体を縦断する仮想直線上において複数の柱状体の隣接する少なくとも１組の柱状体の外周間の距離が最小となっており、第１の配線の一部は、メサ構造体の側面において予め定められた幅で、かつ仮想直線に沿って形成されている。【選択図】図１
2019016628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半絶縁性の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたコンタクト層と、
複数の柱状体から構成されかつ前記コンタクト層上に形成されたメサ構造体と、
層間絶縁膜を挟んで前記半導体基板から前記メサ構造体の側面に沿って延伸されかつ前記メサ構造体の上面に接続された第１の配線と、
前記コンタクト層に接続された第２の配線と、を含み、
前記複数の柱状体は、前記半導体基板に垂直な方向から見た場合に前記半導体基板からより離間する柱状体がより前記半導体基板に近い側の柱状体に含まれ、かつ前記半導体基板に垂直な方向から見た場合に前記複数の柱状体を縦断する仮想直線上において前記複数の柱状体の隣接する少なくとも１組の柱状体の外周間の距離が最小となっており、
前記第１の配線の一部は、前記メサ構造体の側面において予め定められた幅で、かつ前記仮想直線に沿って形成されている
光半導体素子。
【請求項２】
前記複数の柱状体の各々の前記半導体基板に垂直な方向から見た場合の形状がかまぼこ型を含む円形状であり、前記複数の柱状体の各々は前記仮想直線に沿って偏心されている  請求項１に記載の光半導体素子。
【請求項３】
前記複数の柱状体の各々は直線部分が前記仮想直線に交差する方向に配置されたかまぼこ型であり、前記複数の柱状体の各々の前記直線部分が互いに平行である
請求項２に記載の光半導体素子。
【請求項４】
前記複数の柱状体の各々は、前記半導体基板に垂直な方向から見た場合の形状が多角形状であり、前記複数の柱状体の各々の重心が前記仮想直線に沿って配列されている
請求項１に記載の光半導体素子。
【請求項５】
前記複数の柱状体の各々は、前記仮想直線と交差する方向に配置された１辺を有し、前記複数の柱状体の各々の前記１辺が互いに平行である
請求項４に記載の光半導体素子。
【請求項６】
前記光半導体素子が面発光型半導体レーザ素子であり、
前記コンタクト層上に形成されかつ前記第２の配線に接続された第１の導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、前記第１の半導体多層膜反射鏡上に形成された量子井戸活性層、および前記量子井戸活性層上に形成されかつ前記第１の配線に接続された第２の導電型の第２の半導体多層膜反射鏡が前記メサ構造体の内部に形成された
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項７】
前記光半導体素子が受光素子であり、
前記コンタクト層上に形成されるとともに底面が前記第２の配線に接続されかつ上面が前記第１の配線に接続された光吸収層が前記メサ構造体の内部に形成された
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項８】
前記第１の配線に接続された第１の電極パッドと、
前記第２の配線に接続された第２の電極パッドと、をさらに含み、
前記第１の電極パッドおよび前記第２の電極パッドの少なくとも一方が、前記半導体基板上に形成された前記層間絶縁膜上に形成されている
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項９】
前記複数の柱状体の数が３である
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、配線の寄生容量低減を目的とした、半絶縁性の半導体基板上に形成された、第１導電型の半導体層、第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域および第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を含む柱状構造と、第１導電型の半導体層に電気的に接続される第１の電極と、第２の半導体多層膜反射鏡に電気的に接続される第２の電極と、第１の電極に接続された第１の金属配線と、第２の電極に接続された第２の金属配線とを有し、第１導電型の半導体層は、柱状構造の側面から延在した接続領域を含み、当該接続領域に第１の電極が接続され、第１の金属配線および第２の金属配線と半導体基板との間には第１導電型の半導体層が存在しない、面発光型半導体レーザが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−９９８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された面発光型半導体レーザでは、柱状構造の側面に段を有さないため、製造工程においてマスクを形成する際のレジストが流れ落ちてしまい、特にメサ構造体の上面に十分なレジストを塗布できない状態となる場合がある。このような状態が発生すると、例えばメサ構造体の上面にレーザ光の出射口が正常に形成されない等の現象が発生する場合がある。
【０００５】
本発明は、側面に段差がないメサを備えた光半導体素子と比較して、メサ側面の配線容量を低減しつつ、製造工程におけるレジストの流れ落ちがより抑制された光半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の光半導体素子は、半絶縁性の半導体基板と、前記半導体基板上に形成されたコンタクト層と、複数の柱状体から構成されかつ前記コンタクト層上に形成されたメサ構造体と、層間絶縁膜を挟んで前記半導体基板から前記メサ構造体の側面に沿って延伸されかつ前記メサ構造体の上面に接続された第１の配線と、前記コンタクト層に接続された第２の配線と、を含み、前記複数の柱状体は、前記半導体基板に垂直な方向から見た場合に前記半導体基板からより離間する柱状体がより前記半導体基板に近い側の柱状体に含まれ、かつ前記半導体基板に垂直な方向から見た場合に前記複数の柱状体を縦断する仮想直線上において前記複数の柱状体の隣接する少なくとも１組の柱状体の外周間の距離が最小となっており、前記第１の配線の一部は、前記メサ構造体の側面において予め定められた幅で、かつ前記仮想直線に沿って形成されているものである。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記複数の柱状体の各々の前記半導体基板に垂直な方向から見た場合の形状がかまぼこ型を含む円形状であり、前記複数の柱状体の各々は前記仮想直線に沿って偏心されているものである。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記複数の柱状体の各々は直線部分が前記仮想直線に交差する方向に配置されたかまぼこ型であり、前記複数の柱状体の各々の前記直線部分が互いに平行であるものである。
【０００９】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記複数の柱状体の各々は、前記半導体基板に垂直な方向から見た場合の形状が多角形状であり、前記複数の柱状体の各々の重心が前記仮想直線に沿って配列されているものである。
【００１０】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記複数の柱状体の各々は、前記仮想直線と交差する方向に配置された１辺を有し、前記複数の柱状体の各々の前記１辺が互いに平行であるものである。
【００１１】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の発明において、前記光半導体素子が面発光型半導体レーザ素子であり、前記コンタクト層上に形成されかつ前記第２の配線に接続された第１の導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、前記第１の半導体多層膜反射鏡上に形成された量子井戸活性層、および前記量子井戸活性層上に形成されかつ前記第１の配線に接続された第２の導電型の第２の半導体多層膜反射鏡が前記メサ構造体の内部に形成されたものである。
【００１２】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の発明において、前記光半導体素子が受光素子であり、前記コンタクト層上に形成されるとともに底面が前記第２の配線に接続されかつ上面が前記第１の配線に接続された光吸収層が前記メサ構造体の内部に形成されたものである。
【００１３】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の発明において、前記第１の配線に接続された第１の電極パッドと、前記第２の配線に接続された第２の電極パッドと、をさらに含み、前記第１の電極パッドおよび前記第２の電極パッドの少なくとも一方が、前記半導体基板上に形成された前記層間絶縁膜上に形成されているものである。
【００１４】
また、請求項９に記載の発明は、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の発明において、前記複数の柱状体の数が３であるものである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、側面に段差がないメサを備えた光半導体素子と比較して、メサ側面の配線容量を低減しつつ、製造工程におけるレジストの流れ落ちがより抑制された光半導体素子が提供される、という効果を奏する。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、複数の柱状体の各々が、半導体基板に垂直な方向から見た場合の形状が多角形状である場合と比較して、酸化狭窄層の電流注入領域の形状が円形に近い形状とされる、という効果を奏する。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、かまぼこ型の複数の柱状体の各々の直線部分が互いに平行でない場合と比較して、メサ構造体の側面における第１の配線が形成し易い、という効果を奏する。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、複数の柱状体の各々がかまぼこ型を含む円形状である場合と比較して、光半導体素子をアレイ化する場合に複数の光半導体素子を敷き詰め易い、という効果を奏する。
【００１９】
請求項５に記載の発明によれば、複数の柱状体の各々の、仮想直線と交差する方向に配置された１辺が互いに平行でない場合と比較して、メサ構造体の側面における第１の配線が形成し易い、という効果を奏する。
【００２０】
請求項６に記載の発明によれば、面発光型半導体レーザ素子にも本発明が適用される、という効果を奏する。
【００２１】
請求項７に記載の発明によれば、受光素子にも本発明が適用される、という効果を奏する。
【００２２】
請求項８に記載の発明によれば、第１の電極パッドおよび第２の電極パッドをコンタクト層上に形成された層間絶縁膜上に形成する場合と比較して、電極パッドにおける寄生容量がより削減される、という効果を奏する。
【００２３】
請求項９に記載の発明によれば、メサ構造体における複数の柱状体の数が３以外である場合と比較して、配線容量の低減と製造工程におけるレジストの流れ落ち抑制とを両立させ易い、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子の構成の一例を示す断面図および平面図である。
【図２】第１の実施の形態に係るメサ構造体の構成を説明する平面図である。
【図３】第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子の製造方法の一例を示す縦断面図の一部である。
【図４】第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子の製造方法の一例を示す縦断面図の一部である。
【図５】第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子の構成の一例を示す平面図の一部である。
【図６】第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子の構成の一例を示す平面図の一部である。
【図７】第３の実施の形態に係る受光素子の構成の一例を示す断面図および平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。以下の説明では、本発明に係る光半導体素子の一例としての面発光型半導体レーザ素子を例示して説明する。
【００２６】
［第１の実施の形態］
図１を参照して、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０の構成の一例について説明する。図１（ａ）は、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０の断面図であり、図１（ｂ）、は面発光型半導体レーザ素子１０の平面図である。図１（ａ）に示す断面図は、図１（ｂ）に示す平面図においてＡ−Ａ’で切断した断面図である。
【００２７】
図１に示すように、面発光型半導体レーザ素子１０は、半絶縁性ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）の基板１２上に形成されたｎ型ＧａＡｓのコンタクト層１４、下部ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）１６、活性領域２４、酸化狭窄層３２、上部ＤＢＲ２６、およびコンタクト層２８含んで構成されている。面発光型半導体レーザ素子１０では、コンタクト層１４、下部ＤＢＲ１６、活性領域２４、酸化狭窄層３２、上部ＤＢＲ２６、およびコンタクト層２８の各構成がメサ構造体Ｍを形成し、該メサ構造体Ｍがレーザ部分を構成している。
【００２８】
メサ構造体Ｍを含む半導体層の周囲は無機絶縁膜としての層間絶縁膜３４が着膜されている。該層間絶縁膜３４はメサ構造体Ｍの側面から基板１２の表面まで延伸され、電極パッド４２ａの下部に配置されている。本実施の形態に係る層間絶縁膜３４は、一例として、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）で形成されている。なお、層間絶縁膜３４の材料はシリコン窒化膜に限らず、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）、あるいはシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）等であてもよい。
【００２９】
図１（ａ）に示すように、層間絶縁膜３４の開口部を介してｐ側電極配線３６が設けられている。ｐ側電極配線３６の一端側はコンタクト層２８に接続され、コンタクト層２８との間でオーミック性接触を形成している。一方、ｐ側電極配線３６の他端側はメサ構造体Ｍの側面から基板１２の表面まで延伸され、電極パッド４２ａを構成している。ｐ側電極配線３６は、例えば、Ｔｉ（チタン）／Ａｕ（金）の積層膜を着膜して形成される。図１（ａ）に示すように、電極パッド４２ａは、一例として基板１２上に形成された層間絶縁膜３４上に形成されている。そのため、本実施の形態では、例えばコンタクト層上に形成された層間絶縁膜上に形成する場合と比較して、電極パッド４２ａの寄生容量もより削減されるように構成されている。また、後述する電極パッド４２ｂについても同様の構成としてもよい。
【００３０】
同様に、層間絶縁膜３４の開口部を介してｎ側電極配線３０が設けられている。ｎ側電極配線３０の一端側はコンタクト層１４に接続され、コンタクト層１４との間でオーミック性接触を形成している。一方、ｎ側電極配線３０の他端側は基板１２の表面まで延伸され、図１（ｂ）に示すように、電極パッド４２ｂを形成している（以下、総称する場合は「電極パッド４２」という）。ｎ側電極配線３０は、例えば、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの積層膜を着膜して形成される。
【００３１】
上記のように、本実施の形態に係る基板１２には、一例として半絶縁性のＧａＡｓ基板を用いている。半絶縁性のＧａＡｓ基板とは、不純物がドーピングされていないＧａＡｓ基板である。半絶縁性のＧａＡｓ基板は抵抗率が非常に高く、そのシート抵抗値は数ＭΩ程度の値を示す。
【００３２】
基板１２上に形成されたコンタクト層１４は、一例としてＳｉがドープされたＧａＡｓ層によって形成されている。コンタクト層１４の一端はｎ型の下部ＤＢＲ１６に接続され、他端はｎ側電極配線３０に接続されている。すなわち、コンタクト層１４は、下部ＤＢＲ１６とｎ側電極配線３０との間に介在し、メサ構造体Ｍで構成されるレーザ部分に負電位を付与する機能を有する。なお、コンタクト層１４は、サーマルクリーニング後、基板表面の結晶性を良好にするために設けられるバッファ層を兼ねてもよい。
【００３３】
コンタクト層１４上に形成されたｎ型の下部ＤＢＲ１６は、面発光型半導体レーザ素子１０の発振波長をλ、媒質（半導体層）の屈折率をｎとした場合に、膜厚がそれぞれ０．２５λ／ｎとされかつ屈折率の互いに異なる２つの半導体層を交互に繰り返し積層して構成される多層膜反射鏡である。具体的には、下部ＤＢＲ１６は、Ａｌ０．９０Ｇａ０．１Ａｓによるｎ型の低屈折率層と、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓによるｎ型の高屈折率層と、を交互に繰り返し積層することにより構成されている。なお、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０では、発振波長λを、一例として８５０ｎｍとしている。
【００３４】
本実施の形態に係る活性領域２４は、例えば、下部スペーサ層、量子井戸活性層、および上部スペーサ層を含んで構成されてもよい（図示省略）。本実施の形態に係る量子井戸活性層は、例えば、４層のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる障壁層と、その間に設けられた３層のＧａＡｓからなる量子井戸層と、で構成されてもよい。なお、下部スペーサ層、上部スペーサ層は、各々量子井戸活性層と下部ＤＢＲ１６との間、量子井戸活性層と上部ＤＢＲ２６との間に配置されることにより、共振器の長さを調整する機能とともに、キャリアを閉じ込めるためのクラッド層としての機能も有している。
【００３５】
活性領域２４上に設けられたｐ型の酸化狭窄層３２は電流狭窄層であり、電流注入領域３２ａおよび選択酸化領域３２ｂを含んで構成されている。ｐ側電極配線３６からｎ側電極配線３０に向かって流れる電流は、電流注入領域３２ａによって絞られる。
【００３６】
酸化狭窄層３２上に形成された上部ＤＢＲ２６は、膜厚がそれぞれ０．２５λ／ｎとされかつ屈折率の互いに異なる２つの半導体層を交互に繰り返し積層して構成される多層膜反射鏡である。具体的には、上部ＤＢＲ２６は、Ａｌ０．９０Ｇａ０．１Ａｓによるｐ型の低屈折率層と、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓによるｐ型の高屈折率層と、を交互に繰り返し積層することにより構成されている。
【００３７】
コンタクト層２８上には、光の出射面を保護する出射面保護層３８が設けられている。
出射面保護層３８は、一例としてシリコン窒化膜を着膜して形成される。
【００３８】
図１に示すように、本実施の形態に係るメサ構造体Ｍは、基板１２側から順に断面積が縮小された３つのメサ（柱状体）、すなわちメサＭ１、メサＭ２、メサＭ３を含む構造とされている。そのため、メサ構造体Ｍは、メサＭ１の上面、メサＭ２の上面を段部とする段差構造を備えている。メサ構造体Ｍの構造の詳細については後述する。
【００３９】
ところで、上記のような面発光型半導体レーザ素子は、基板に垂直な方向にレーザ出力を取り出せ、さらに２次元集積によるアレイ化が容易であることなどから、電子写真システムの書き込み用光源や光通信用光源として利用されている。
【００４０】
面発光型半導体レーザ素子は、半導体基板（基板１２）上に設けられた一対の分布ブラッグ反射器（下部ＤＢＲ１６および上部ＤＢＲ２６）、一対の分布ブラッグ反射器の間に設けられた活性領域（活性層、下部スペーサ層、および上部スペーサ層を含む活性領域２４）を備えて構成されている。そして、分布ブラッグ反射器の両側に設けられた電極（ｐ側電極配線３６およびｎ側電極配線３０）により活性層へ電流を注入し、基板面に対して垂直にレーザ発振を生じさせ、素子の上部（コンタクト層２８の面側）から発振した光を出射させる構成となっている。
【００４１】
また、低閾値電流化と、横モードの制御からＡｌを組成に含む半導体層を酸化して形成される酸化狭窄層（酸化狭窄層３２）を備えており、このＡｌを含む半導体層を酸化するために、素子はメサ形状にエッチング加工され、酸化処理が施される。その後、エッチング加工により露出したメサ形状の側面やエッチングされた半導体表面は、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜などの絶縁材料によって覆われるのが一般的である。
【００４２】
一方、面発光型半導体レーザ素子は、高速変調動作が可能であり、光通信等の分野で数多く使用されてきた。面発光型半導体レーザ素子の高速化には寄生容量の低減が必要であり、特に１０Ｇｂｐｓ（ｂｉｔ  ｐｅｒ  ｓｅｃｏｎｄ）を越える速度で変調動作させる場合には、配線の寄生容量にも配慮することが必要となる。例えば、メサ構造体の側面における、電極パッドからの配線と導電性半導体との間に形成された絶縁膜に寄生する配線容量を無視することができない。
【００４３】
メサ構造体の側面に形成される配線に起因する配線容量を低減するためには、側面に段（角部）を有さない単一メサ構造とすることが考えられる。しかしながら、側面に段を有さず高段差の（メサ構造体の高さが高い）メサ構造体の場合には、製造工程においてフォトリソグラフィでパターニングする際のマスク形成時のレジストが流れ落ちてしまい、特にメサ構造体の上面に十分なレジストを塗布できない状態となる場合がある。このような状態が発生すると、例えばメサ構造体の上面にレーザ光の出射口が正常に形成されない等の現象を引き起こし、製造歩留まり低下を招いてしまう場合がある。すなわち、配線容量の低減と製造工程での歩留まり向上とが両立された構造の光半導体素子が求められている。
【００４４】
そこで、本発明ではメサ構造体を構成する複数のメサを偏心させ、偏心方向の端部の位置に側面配線を形成することとした。すなわち、メサ構造体が階段状になるよう複数のドライエッチング工程でメサを形成しているので、高段差になった後でもレジストが塗布しやすい構造となっている。また、この階段状のメサ構造体で、間隔の短い段差部分に配線を形成することで、配線容量が極力小さくなるよう工夫している。このことにより、メサ構造体の側面における配線容量の低減とレジストの流れ落ちの抑制とが両立することとなった。なお、メサ構造体を構成するメサの数は、本実施の形態のように３つとすると配線容量の低減とレジストの流れ落ち抑制の両立がさせ易い。
【００４５】
図２を参照して、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０が備えるメサ構造体Ｍについて説明する。先述したように、本実施の形態に係るメサ構造体Ｍは、基板側から順に形成された３つのメサＭ１、Ｍ２、Ｍ３を含んで構成されている。図２に示すように、メサＭ１、Ｍ２、Ｍ３は平面視略円形状とされ、基板１２側から順に断面積が縮小されている。さらに、メサＭ１、Ｍ２、Ｍ３の各々は予め定められた方向（以下、「偏心方向」、図２に示す例では、−Ｙ軸方向）に偏心され、中心位置が偏心方向に偏っている。
【００４６】
そのため、メサＭ１の上面を上面Ｓ１とすると、上面Ｓ１上におけるメサＭ１とＭ２との距離は、偏心方向における距離ｄ４が最小値となっており、偏心方向と逆方向における距離ｄ３が最大値となっている。同様に、メサＭ２の上面を上面Ｓ２とすると、上面Ｓ２上におけるメサＭ２とＭ３との距離は、偏心方向における距離ｄ２が最小値となっており、偏心方向と逆方向における距離ｄ１が最大値となっている。従って、メサ構造体Ｍを構成する各メサ間の距離について、以下が成立している。
ｄ１≧ｄ２
ｄ３≧ｄ４
上式において等号がふくまれるのは、本実施の形態にいては、必ずしも複数のメサのすべてが偏心している必要はないことを示している。つまり、例えば、メサＭ１に対しメサＭ２が偏心されておらずメサＭ１とＭ２の中心が一致しており、メサＭ２に対してメサＭ３が偏心しておりメサＭ２とＭ３の中心がずれているような構成を含む。
【００４７】
そして、本実施の形態に係るｐ側電極配線３６は、メサＭ１とＭ２とが最短の距離ｄ４となる部分（メサＭ２とＭ３とが最短の距離ｄ２となる部分）に、予め定められた幅Ｗで形成されている。換言すると、メサ構造体Ｍを縦断する偏心方向に沿う仮想直線Ｃを考えた場合、ｐ側電極配線３６は仮想直線Ｃに沿って幅Ｗで形成されている。以上の説明から明らかなように、仮想直線Ｃに沿うｐ側電極配線３６の長さは、メサ構造体Ｍの側面の他のいずれの部分に形成された場合よりも短くされ、最短の配線長となっていることがわかる。従って、図１に示す面発光型半導体レーザ素子１０の構造において、ｐ側電極配線３６が最小の寄生容量を有する配線となっている。なお、幅Ｗは面発光型半導体レーザ素子１０に流す電流等を考慮して、例えば最小の幅を設定すればよい。
【００４８】
以上を要するに、メサ構造体ＭにおけるメサＭ１、Ｍ２、Ｍ３の配置方法と、ｐ側電極配線３６の形成方法は以下のようになっている。つまり、平面視でメサ構造体Ｍを縦断する仮想直線Ｃ上において、上面Ｓ１上におけるメサＭ１とＭ２との距離が最小となり、かつ上面Ｓ２上におけるメサＭ２とＭ３との距離が最小となるようにメサＭ１、Ｍ２、Ｍ３を配置する。ｐ側電極配線３６は、仮想直線Ｃに沿ってあらかじめ定められた幅Ｗで形成する。
【００４９】
一方、メサＭ３の上面をＳ３とすると、本実施の形態に係るメサ構造体Ｍは、ｐ側電極配線３６の形成領域を含む上面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３による段差部を備え、かつｐ側電極配線３６が形成されない段差部の面積はｐ側電極配線３６の配線容量とは無関係に設定されるので、製造工程におけるレジストを保持するのに十分な面積が確保され、メサ構造体Ｍからレジストが流れ落ちることも抑制される。従って、本実施の形態に係るメサ構造体Ｍによれば、レジストの流れ落ちに起因する製造歩留まりの低下も抑制される。
【００５０】
以上詳述したように、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０によれば、側面に段差がないメサを備えた光半導体素子と比較して、メサ側面の配線容量を低減しつつ、製造工程におけるレジストの流れ落ちがより抑制された光半導体素子が提供されるという効果を奏する。
【００５１】
次に、図３および図４を参照して、実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０の製造方法について説明する。本実施の形態では、１枚のウエハ上に複数の面発光型半導体レーザ素子１０が形成されるが、以下ではそのうちの１つの面発光型半導体レーザ素子１０について図示し説明する。
【００５２】
図３（ａ）に示すように、まず、半絶縁性ＧａＡｓの基板１２上に、ｎ型のコンタクト層１４、ｎ型の下部ＤＢＲ１６、活性領域２４、ｐ型の上部ＤＢＲ２６、およびｐ型のコンタクト層２８をこの順にエピタキシャル成長させたウエハを準備する。
【００５３】
その際、ｎ型のコンタクト層１４は、一例として、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３とし、膜厚を２μｍ程度として形成する。また、ｎ型の下部ＤＢＲ１６は、一例として、各々の膜厚が媒質内波長λ／ｎの１／４とされた、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とを交互に３７．５周期積層して形成される。Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層のキャリア濃度およびＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層のキャリア濃度は、各々約２×１０１８ｃｍ−３とされ、下部ＤＢＲ１６の総膜厚は約４μｍとされる。また、ｎ型キャリアとしては、一例として、Ｓｉ（シリコン）を用いる。
【００５４】
活性領域２４は、一例として、ノンドープのＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ層による下部スぺーサ層と、ノンドープの量子井戸活性層と、ノンドープのＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ層による上部スぺーサ層とで形成される。量子井戸活性層は、例えば、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓによる４層の障壁層、および各障壁層の間に設けられたＧａＡｓによる３層の量子井戸層で構成される。Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓによる障壁層の膜厚は各々約８ｎｍとされ、ＧａＡｓによる量子井戸層の膜厚は各々約８ｎｍとされ、活性領域２４全体の膜厚は媒質内波長λ／ｎとされる。
【００５５】
ｐ型の上部ＤＢＲ２６は、一例として、各々の膜厚が媒質内波長λ／ｎの１／４とされた、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とを交互に２５周期積層して形成される。この際、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層のキャリア濃度およびＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層のキャリア濃度は、各々約４×１０１８ｃｍ−３とされ、上部ＤＢＲ２６の総膜厚は約３μｍとされる。また、ｐ型キャリアとしては、一例として、Ｃ（カーボン）を用いる。さらに、上部ＤＢＲ２６中には、後述の工程において酸化狭窄層３２を形成するためのＡｌＡｓ層４０が含まれている。
【００５６】
ｐ型のコンタクト層２８は、一例として、キャリア濃度を約１×１０１９ｃｍ−３以上とし、膜厚を１０ｎｍ程度として形成する。
【００５７】
次に、エピタキシャル成長されたウエハのコンタクト層２８上に電極材料を成膜した後、該材料を例えばフォトリソグラフィによるマスクを用いてドライエッチングし、図３（ｂ）に示すように、ｐ側電極配線３６を取り出すためのコンタクトメタルＣＭｐを形成する。コンタクトメタルＣＭｐは、一例として、Ｔｉ／Ａｕの積層膜を用いて形成される。
【００５８】
次に、ウエハ面上に出射面保護層となる材料を成膜した後、該材料を例えばフォトリソグラフィによるマスクを用いてドライエッチングし、図３（ｃ）に示すように、出射面保護層３８を形成する。出射面保護層３８の材料としては、一例として、シリコン窒化膜を用いる。
【００５９】
次に、フォトリソグラフィおよびエッチングによりウエハ面上にマスクを形成し、該マスクを用いて上部ＤＢＲ２６、活性領域２４を含む部分をドライエッチングし、図３（ｄ）に示すようにメサＭ３を形成する。
【００６０】
次に、ウエハに酸化処理を施してＡｌＡｓ層４０を側面から選択酸化し、図３（ｅ）に示すように、メサＭ１内に酸化狭窄層３２を形成する。酸化狭窄層３２は、電流注入領域３２ａおよび選択酸化領域３２ｂを含んで構成されている。選択酸化領域３２ｂが上記酸化処理により酸化された領域であり、酸化されないで残された領域が電流注入領域３２ａである。電流注入領域３２ａは、円形または円形に近い形状をなしており、この電流注入領域３２ａにより、面発光型半導体レーザ素子１０のｐ側電極配線３６とｎ側電極配線３０との間を流れる電流が絞られ、例えば面発光型半導体レーザ素子１０の発振における横モードが制御される。
【００６１】
次に、フォトリソグラフィおよびエッチングによりウエハ面上にマスクを形成し、該マスクを用いて下部ＤＢＲ１６を含む部分をドライエッチングし、図３（ｆ）に示すようにメサＭ２を形成する。
【００６２】
次に、フォトリソグラフィおよびエッチングによりウエハ面上にマスクを形成し、該マスクを用いてコンタクト層１４をドライエッチングし、図４（ｇ）に示すようにメサＭ１を形成する。
【００６３】
次に、コンタクト層１４上に電極材料を成膜した後、該材料を例えばフォトリソグラフィによるマスクを用いてドライエッチングし、図４（ｈ）に示すように、ｎ側電極配線３０を取り出すためのコンタクトメタルＣＭｎを形成する。コンタクトメタルＣＭｎは、一例として、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの積層膜を用いて形成される。
【００６４】
次に、図４（ｉ）に示すように、ウエハの出射面保護層３８、コンタクトメタルＣＭｐ、ＣＭｎを除く領域にシリコン窒化膜による層間絶縁膜３４を成膜する。
【００６５】
次に、ウエハ面上に電極材料を成膜した後、該電極材料を例えばフォトリソグラフィによるマスクを用いてドライエッチングし、図４（ｊ）に示すように、ｐ側電極配線３６および電極パッド４２ａ、ｎ側電極配線３０および電極パッド４２ｂ（図示省略）を形成する。ｐ側電極配線３６および電極パッド４２ａ、ｎ側電極配線３０および電極パッド４２ｂは、一例として、Ｔｉ／Ａｕの積層膜を用いて形成する。本工程により、ｐ側電極配線３６がコンタクトメタルＣＭｐと接続され、ｎ側電極配線３０が、コンタクトメタルＣＭｎと接続される。
【００６６】
次に、図示しないダイシング領域においてダイシングし、面発光型半導体レーザ素子１０を分離して個片化する。以上の工程により、本実施の形態に係るメサ構造体Ｍを備えた面発光型半導体レーザ素子１０が製造される。
【００６７】
［第２の実施の形態］
図５および図６を参照して、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄについて説明する。本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０Ａ〜１０Ｅは、上記実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０におけるメサ構造体Ｍを構成する各メサの形状、段数を変えたものである。従って、面発光型半導体レーザ素子１０の構成と同様の構成には同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。
【００６８】
図５（ａ）は、比較のために同じ条件で図示した面発光型半導体レーザ素子１０の平面図である。面発光型半導体レーザ素子１０のメサ構造体Ｍは、略円形状の３つのメサＭ１、Ｍ２、Ｍ３を備えている。
【００６９】
図５（ｂ）は、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０Ａの平面図である。
図５（ｂ）に示すように、面発光型半導体レーザ素子１０Ａのメサ構造体ＭＡは、略円形状の２つのメサＭ１、Ｍ２を備えている。このように、メサの数は２つであってもよい。例えば、製造工程におけるレジストの流れ落ちが比較的問題とならない場合には、メサの数を限定してもよい。メサの数を限定することにより、面発光型半導体レーザ素子の製造がより簡易になる。図５（ｂ）では図２と同様の仮想直線Ｃを示している。すなわち、メサＭ１、Ｍ２は仮想直線Ｃに沿って偏心され、ｐ側電極配線３６Ａは仮想直線Ｃに沿って形成されている。従って、ｐ側電極配線３６Ａはメサ構造体ＭＡの側面に沿う配線容量が最小化されている。また、本例のようにメサを略円形にすると、選択酸化によって形成される電流注入領域３２ａの形状が円形、または円形に近い形状となる。
【００７０】
図５（ｃ）は、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０Ｂの平面図である。
図５（ｃ）に示すように、面発光型半導体レーザ素子１０Ｂのメサ構造体ＭＢは、略矩形状の３つのメサＭ１、Ｍ２、Ｍ３を備えている。このように、メサの形状は円形状に限られず矩形状であってもよい。メサの形状を矩形状とすることにより、例えば面発光型半導体レーザ素子アレイを構成する場合に、複数の面発光型半導体レーザ素子をアレイ状に敷き詰め易くなる。面発光型半導体レーザ素子１０ＢでもメサＭ１、Ｍ２、Ｍ３が仮想直線Ｃに沿って偏心され、ｐ側電極配線３６Ｂは仮想直線Ｃに沿って形成されているので、ｐ側電極配線３６Ｂはメサ構造体ＭＢの側面に沿う配線容量が最小化されている。また、図５（ｃ）に示すように、矩形状のメサＭ１、Ｍ２、Ｍ３の各々の１辺が仮想直線Ｃに交差する方向に平行に配置されていると、ｐ側電極配線３６が形成し易い。
【００７１】
図６（ａ）は、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０Ｃの平面図である。
図６（ａ）に示すように、面発光型半導体レーザ素子１０Ｃのメサ構造体ＭＣは、略円形状のメサＭ１と、ボウタイ状の２つのメサＭ２、Ｍ３を備えている。このように、各メサの形状はすべて同様の形状である必要はなく、一部異なっていてもよい。このことにより、例えば底部のメサの形状を予め定められた形状とし、上部のメサの形状として製造工程におけるレジストの流れ落ちをより有効に防止する形状が選択される。面発光型半導体レーザ素子１０ＣでもメサＭ１、Ｍ２、Ｍ３が仮想直線Ｃに沿って偏心され、ｐ側電極配線３６Ｃは仮想直線Ｃに沿って形成されているので、ｐ側電極配線３６Ｃはメサ構造体ＭＣの側面に沿う配線容量が最小化されている。
【００７２】
図６（ｂ）は、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０Ｄの平面図である。
図６（ｂ）に示すように、面発光型半導体レーザ素子１０Ｄのメサ構造体ＭＤは、略かまぼこ型のメサＭ１と、略円形状のメサＭ２を備えている。面発光型半導体レーザ素子１０ＤでもメサＭ１、Ｍ２が仮想直線Ｃに沿って偏心され、ｐ側電極配線３６Ｄは仮想直線Ｃに沿って形成されているので、ｐ側電極配線３６Ｄはメサ構造体ＭＤの側面に沿う配線容量が最小化されている。また、メサ構造体Ｍを構成する各メサを図６（ｂ）に示すメサＭ１のようにかまぼこ型とし、該かまぼこ型の直線部分を仮想直線Ｃに交差させて配置すると、互いに平行な部分を有する階段型の段差となるので、ｐ側電極配線３６が形成し易くなる。
【００７３】
［第３の実施の形態］
図７を参照して、本実施の形態に係る受光素子５０について説明する。本実施の形態は、本発明に係る光半導体素子を受光素子に適用した形態である。
【００７４】
図７に示すように受光素子５０は、半絶縁性ＧａＡｓの基板１２上に形成されたｎ型のコンタクト層１４、光吸収層５２、ｐ型のコンタクト層５４、および無反射コート５６含んで構成されている。受光素子５０では、コンタクト層１４、光吸収層５２、コンタクト層５４、および無反射コート５６の各構成がメサ構造体Ｍを形成し、該メサ構造体Ｍが、無反射コート５６を介して入射された光を受光する受光部分を構成している。
【００７５】
メサ構造体Ｍを含む半導体層の周囲は無機絶縁膜としての層間絶縁膜３４が着膜されている。該層間絶縁膜３４はメサ構造体Ｍの側面から基板１２の表面まで延伸され、電極パッド４２ａの下部に配置されている。本実施の形態に係る層間絶縁膜３４は、一例として、シリコン窒化膜で形成されている。なお、層間絶縁膜３４の材料はシリコン窒化膜に限らず、例えば、シリコン酸化膜、あるいはシリコン酸窒化膜等であてもよい。また、図７に示すように、電極パッド４２ａは基板１２上に形成された層間絶縁膜３４上に形成されている。
【００７６】
図７（ａ）に示すように、層間絶縁膜３４の開口部を介してｐ側電極配線３６が設けられている。ｐ側電極配線３６の一端側はコンタクト層５４に接続され、コンタクト層５４との間でオーミック性接触を形成している。一方、ｐ側電極配線３６の他端側はメサ構造体Ｍの側面から基板１２の表面まで延伸され、電極パッド４２ａを形成している。ｐ側電極配線３６は、例えば、Ｔｉ／Ａｕの積層膜を着膜して形成される。
【００７７】
同様に、層間絶縁膜３４の開口部を介してｎ側電極配線３０が設けられている。ｎ側電極配線３０の一端側はコンタクト層１４に接続され、コンタクト層１４との間でオーミック性接触を形成している。一方、ｎ側電極配線３０の他端側は基板１２の表面まで延伸され、図７（ｂ）に示すように、電極パッド４２ｂを形成している。ｎ側電極配線３０は、例えば、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの積層膜を着膜して形成される。
【００７８】
本実施の形態に係る基板１２には、一例として半絶縁性のＧａＡｓ基板を用いている。
【００７９】
基板１２上に形成されたｎ型のコンタクト層１４は、一端が光吸収層５２に接続され、他端がｎ側電極配線３０に接続され、光吸収層５２に正電位を印加する。コンタクト層１４は、一例としてＳｉがドープされたＧａＡｓ層によって形成されている。
【００８０】
光吸収層５２は、光を吸収して電子・正孔対に変換する層であり、不純物濃度を非常に低くしたＧａＡｓ層によって形成されている。
【００８１】
ｐ型のコンタクト層５４は、一方の面が光吸収層５２に接続され、他方の面がｐ側電極配線３６に接続され、光吸収層５２に負電位を印加する。コンタクト層５４は、一例としてＣがドープされたＧａＡｓ層によって形成されている。
【００８２】
上記の構造を有する受光素子５０は、いわゆるＰＩＮフォトダイオードを構成し、ｎ側電極配線３０に正電位、ｐ側電極配線３６に負電位を与える（つまり、逆バイアスを与える）ことにより光吸収層５２が空乏化する。その結果、光吸収層５２全体に電界がかかり、無反射コート５６を介して入射された光により発生した電子・正孔対が、飽和速度で各々コンタクト層１４、コンタクト層５４に移動する。この作用により、受光素子５０には、入力光信号に応じた電流が流れ、入力光信号を電気信号に変換する。
【００８３】
受光素子５０におけるメサ構造体Ｍは、図７に示すように、略円形のメサＭ１、Ｍ２の２つのメサを含んで構成されている。図７（ｂ）に示すように、メサＭ１に対してメサＭ２は予め定められた方向（図７（ｂ）正面視斜め左下方向、Ｂ−Ｂ’線のＢ’方向）に偏心され、中心位置がずらされている。ｐ側電極配線３６は、メサＭ１の上面において、メサＭ１とメサＭ２とが最短の距離になる位置に形成されている。従って、メサ構造体Ｍの側面におけるｐ側電極配線３６の寄生容量は最小化されている。一方、メサＭ１とメサＭ２とを配置することにより必要な段差が確保されているので、製造工程におけるレジストの流れ落ちも抑制される。
【００８４】
受光素子５０の製造方法は、図３および図４に示す面発光型半導体レーザ素子１０の製造方法に準じた製造方法となっている。
【００８５】
なお、上記実施の形態では、半絶縁性のＧａＡｓ基板を用いたＧａＡｓ系の面発光型半導体レーザ素子を例示して説明したが、これに限られず、ＧａＮ（窒化ガリウム）による基板、あるいはＩｎＰ（リン化インジウム）による基板を用いた形態としてもよい。
【００８６】
また、上記実施の形態では、基板にｎ型のコンタクト層を形成する形態を例示して説明したが、これに限られず、基板にｐ型のコンタクト層を形成する形態としてもよい。その場合には、上記の説明において、ｎ型とｐ型を逆に読み替えればよい。
【符号の説明】
【００８７】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ  面発光型半導体レーザ素子
１２      基板
１４      コンタクト層
１６      下部ＤＢＲ
２４      活性領域
２６      上部ＤＢＲ
２８      コンタクト層
３０      ｎ側電極配線
３２      酸化狭窄層
３２ａ    電流注入領域
３２ｂ    選択酸化領域
３４      層間絶縁膜
３６、３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄ  ｐ側電極配線
３８      出射面保護層
４０      ＡｌＡｓ層
４２、４２ａ、４２ｂ  電極パッド
５０      受光素子
５２      光吸収層
５４      コンタクト層
５６      無反射コート
Ｃ        仮想直線
ＣＭｐ、ＣＭｎ  コンタクトメタル
ｄ１〜ｄ４  距離
Ｍ        メサ構造体
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３  メサ
Ｓ１〜Ｓ３  上面
Ｗ        幅
【図１】
2019016628.tif 000003
【図２】
2019016628.tif 000004
【図３】
2019016628.tif 000005
【図４】
2019016628.tif 000006
【図５】
2019016628.tif 000007
【図６】
2019016628.tif 000008
【図７】
2019016628.tif 000009