(57)【要約】【課題】面発光半導体レーザ素子が長波長帯（例えば、１．１μｍ以上の波長帯）のＧａＩｎＮＡｓ系のものであっても、ポリイミド保護膜のクラックやはく離を生じさせず、また、素子の信頼性を低下させず、素子を安定に動作させる。【解決手段】半導体基板上に、ＮとＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を含む共振器と、共振器の上下に設けられた多層膜反射鏡とが、レーザ構造部として形成されている面発光半導体レーザ素子において、前記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が設けられている。【選択図】　　　図１
2004031633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、ＮとＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を含む共振器と、共振器の上下に設けられた多層膜反射鏡とが、レーザ構造部として形成されている面発光半導体レーザ素子において、前記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が設けられていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項２】
請求項１記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜は、感光性のポリイミドで形成されていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項３】
請求項１乃至請求項２のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、前記レーザ構造部の表面と前記ポリイミド保護膜との間に、ＳｉＮまたはＳｉＯＮ膜からなるパッシベーション層が設けられていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項４】
請求項３記載の面発光半導体レーザ素子において、前記レーザ構造部の表面と前記パッシベーション層との間に、ＳｉＯ２膜からなる応力緩和層が設けられていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜は、厚さが３μｍ以上であることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項６】
請求項５記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜上に、配線電極およびボンディングパッドが形成されていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項７】
請求項６記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜の表面が酸素プラズマ処理されており、かつ、酸素プラズマ処理されたポリイミド保護膜の表面と接するボンディングパッドの部分および／または配線電極の部分が、ＴｉまたはＣｒを含む材料で形成されていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項８】
請求項６乃至請求項７のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜上に形成された配線電極およびボンディングパッドの一部が半導体積層構造上に形成されていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、該面発光半導体レーザ素子は、活性層にＧａＩｎＮＡｓ系材料からなる層を含むことを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項１０】
請求項９記載の面発光半導体レーザ素子において、半導体基板がＧａＡｓで構成されており、上部半導体多層膜反射鏡および下部半導体多層膜反射鏡がＡｌＧａＡｓ系材料で構成されていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項１１】
請求項９乃至請求項１０のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子が用いられていることを特徴とする光伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光半導体レーザ素子及び光伝送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
面発光半導体レーザ素子は、活性層近傍に電流と光を閉じ込める必要があるため、及び、高速変調のために寄生容量を低減するため、多くの場合、レーザ構造としては半導体柱構造をとる。
【０００３】
さらに、このような面発光半導体レーザ素子では、素子への水分を遮断し素子が劣化するのを防ぐため、また、素子表面の平坦化により配線パターニングを容易にするため、また、放熱のため、また、高速変調を可能にするため、レーザ構造部である半導体柱の周辺は、一般に、耐熱性があり、機械的強度が高く、水分遮断性が高く、低誘電率であり、膜形成が容易であるポリイミド保護膜で覆われる。
【０００４】
ところで、近年になり急速に開始されだした長波長帯（例えば、１．１μｍ以上の波長帯）のＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層に用いた半導体レーザは、発振波長が長波長帯なので、石英系ファイバとの整合性が高い。さらに、ＧａＡｓ基板上に形成できるので、活性層の周りの層（スペーサ層等の層）にワイドバンドギャップ材料を選択でき、キャリアの閉じ込めが良好になり、温度特性が良好である。このため、ＩｎＰ基板上に形成するＧａＩｎＡｓＰを活性層とする従来の長波長帯レーザの場合と異なり、冷却装置を必要としない。
【０００５】
さらに、この材料を活性層に用いた面発光半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板上に形成できるので、ＧａＡｓ基板上に形成できる屈折率差の大きいＡｌ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ、より広義には、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ／ＡｌｙＧａ（１−ｙ）Ａｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）を半導体ＤＢＲ（分布ブラック反射鏡）として用いるのが好適である。よって、少ない層数の半導体ＤＢＲをもつ面発光半導体レーザ素子が得られる。
【０００６】
このように、ＧａＩｎＮＡｓ系面発光半導体レーザ素子は優れた特性をもつので、光通信システムや、コンピューター間，チップ間，チップ内の光インターコネクションや、光コンピューティングにおいて、キーデバイスになると考えられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、長波長帯（例えば、１．１μｍ以上の波長帯）のＧａＩｎＮＡｓ系面発光半導体レーザ素子では、従来の０．８５μｍ帯，０．９８μｍ帯の面発光半導体レーザ素子と比べて、上部多層膜反射鏡の半導体柱の高さが大きくなって、ポリイミド保護膜の厚さが従来と比較して１．３〜１．８倍になる。これにより、ポリイミド保護膜の膜応力がより大きくなり、ポリイミドの硬化反応後、ポリイミド保護膜中にクラック及び界面でのはく離が発生しやすくなる。また、長波長帯のＧａＩｎＮＡｓ系面発光半導体レーザ素子の活性層は高歪をもつので、さらに熱応力が加わることによる面発光半導体レーザ素子，すなわちＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｃａｖｉｔｙ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｌａｓｅｒ）素子の寿命の低下が懸念され、また、活性層に歪が加わり、発振波長がシフトするという問題があった。
【０００８】
また、前述のように、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層に用いたレーザは、発振波長が長波長帯であるので、石英系ファイバとの整合性が高く、高速に変調できれば高速大容量伝送が可能になる。そのためには、レーザ構造部とともに配線部や保護膜部等のレーザ構造周辺部においても寄生容量を低減して高速変調が可能な構造にする必要がある。
【０００９】
本発明は、面発光半導体レーザ素子が長波長帯（例えば、１．１μｍ以上の波長帯）のＧａＩｎＮＡｓ系のものであっても、ポリイミド保護膜のクラックやはく離を生じさせず、また、素子の信頼性を低下させず、素子を安定に動作させることの可能な面発光半導体レーザ素子を提供することを目的としている。
【００１０】
また、本発明は、さらに、寄生容量を低減して高速変調が可能な面発光半導体レーザ素子を提供することを目的としている。
【００１１】
また、本発明は、さらに、信頼性が高く、安定に動作し、高速伝送が可能な、簡便な構成の光伝送システムを提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、半導体基板上に、ＮとＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を含む共振器と、共振器の上下に設けられた多層膜反射鏡とが、レーザ構造部として形成されている面発光半導体レーザ素子において、前記レーザ構造部の表面に、内部応力が２．５×１０２Ｐａ・ｍ以下のポリイミド保護膜が設けられていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜は、感光性のポリイミドで形成されていることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、請求項１乃至請求項２のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、前記レーザ構造部の表面と前記ポリイミド保護膜との間に、ＳｉＮまたはＳｉＯＮ膜からなるパッシベーション層が設けられていることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の面発光半導体レーザ素子において、前記レーザ構造部の表面と前記パッシベーション層との間に、ＳｉＯ２膜からなる応力緩和層が設けられていることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜は、厚さが３μｍ以上であることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の面発光半導体レーザ装置において、前記ポリイミド保護膜上に、配線電極およびボンディングパッドが形成されていることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項７記載の発明は、請求項６記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜の表面が酸素プラズマ処理されており、かつ、酸素プラズマ処理されたポリイミド保護膜の表面と接するボンディングパッドの部分および／または配線電極の部分が、ＴｉまたはＣｒを含む材料で形成されていることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項８記載の発明は、請求項６乃至請求項７のいずれか一項に記載の記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜上に形成された配線電極およびボンディングパッドの一部が半導体積層構造上に形成されていることを特徴としている。
【００２０】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、該面発光半導体レーザ素子は、活性層にＧａＩｎＮＡｓ系材料からなる層を含むことを特徴としている。
【００２１】
また、請求項１０記載の発明は、請求項９記載の面発光半導体レーザ素子において、半導体基板がＧａＡｓで構成されており、上部半導体多層膜反射鏡および下部半導体多層膜反射鏡がＡｌＧａＡｓ系材料で構成されていることを特徴としている。
【００２２】
また、請求項１１記載の発明は、請求項９または請求項１０に記載の面発光半導体レーザ素子が用いられている光伝送システムである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は本発明に係る面発光半導体レーザ素子の基本的な構成例を示す図（断面図）である。図１を参照すると、この面発光半導体レーザ素子は、半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ基板）上に、下部半導体分布ブラッグ反射鏡（下部半導体ＤＢＲ：下部ミラー層）と、ＮとＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体（ＧａＩｎＮＡｓ系材料）からなる活性層を含む共振器構造と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡（上部半導体ＤＢＲ：上部ミラー層）とが順次に積層されて、半導体積層構造として形成されている。そして、この半導体積層構造の表面から少なくとも活性層の下端まで（図１の例では、下部半導体ＤＢＲ（下部ミラー層）の表面まで）がエッチング除去されて柱状構造をなし、レーザ構造部が形成されており、このレーザ構造部の表面に、全応力２．５×１０２Ｐａ・ｍ以下のポリイミド保護膜が設けられている。
【００２５】
ここで、共振器構造中の活性層に隣接して上下スペーサ層が積層され、また、活性層の近傍には電流狭窄層が形成されている。また、上部半導体ＤＢＲ（上部ミラー層）の最上面に接して、光取り出し窓を有する上部電極が形成されており、半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ基板）の裏面には下部電極が形成されている。
【００２６】
なお、電流狭窄層としては、ＡｌＡｓ膜の酸化による絶縁性のＡｌｘＯｙ膜による構造の他に、プロトンインプランテーションや酸素イオンインプラテーションにより活性層近傍に絶縁領域を設ける構造を用いることができる。
【００２７】
また、ポリイミド保護膜としては、全応力（Ｓ）が２．５×１０２Ｐａ・ｍ以下のポリイミドが使用されるのが良い。すなわち、従来の０．８５μｍ帯，０．９８μｍ帯の面発光半導体レーザ素子で使用されているポリイミド保護膜の物性は特に検討されていなかった。しかし、本発明のように長波長帯のＧａＩｎＮＡｓ系面発光半導体レーザ素子を意図する場合には、前述のように、レーザ構造部（半導体柱）の高さ（半導体柱高さ）ｈが大きくなり、ポリイミド保護膜の厚さが従来と比較して大幅に大きくなるため、ポリイミド膜の内部応力のレーザ構造体への影響がより大きくなり、ポリイミドの硬化反応後にポリイミド保護膜中にクラック及び界面でのはく離が発生しやすくなったり、また、活性層に歪が加わるため発振波長がシフトする場合があった。
【００２８】
このような問題を回避するため、本発明では、全応力が２．５×１０２Ｐａ・ｍ以下のポリイミド保護膜を用いるようにしている。
【００２９】
このようなポリイミド保護膜を用いると、ポリイミド保護膜の硬化処理中にクラック及び界面でのはく離が発生せず、素子の動作中でも、クラックや界面でのはく離が発生せず、ポリイミド膜の応力による発振波長のシフトが発生しなくなる。
【００３０】
ポリイミドは、主鎖にイミド基をもつポリマーである。一般には、芳香族テトラカルボン酸二無水物と芳香族ジアミンの縮合反応によって得られ、イミド環で芳香族基を連結したポリマーである。
【００３１】
ポリイミド保護膜は、ポリイミドワニスやポリイミド前駆体などと呼ばれる前記縮合反応の中間反応物を塗布した後、加熱硬化させて形成される。この中間反応物はポリアミド酸溶液である場合が多い。
【００３２】
ポリイミド保護膜の面内方向の単位幅当りの全応力（Ｓ）の値は、レーザ構造部表面に形成する条件と同一の条件で、ＧａＡｓ基板にポリイミド保護膜を形成し、ポリイミド保護膜の形成前後のＧａＡｓ下地基板の弾性変形量を測定することによって求められる。
【００３３】
具体的に、円板状基板を用いる場合は、ニュートン環，光てこ法，触針法などにより変形した基板の曲率半径を求め、次式（数１）で全応力（Ｓ）を求めることができる。
【００３４】
【数１】
Ｓ＝Ｅｓ×Ｄ２／｛６×（１−νｓ）×Ｒ｝
Ｅｓ：基板のヤング率、νｓ：基板のポアッソン比、Ｄ：基板の厚さ
Ｒ：膜の応力によって曲面に変形した基板の曲率半径
【００３５】
また、短冊状基板を用いる場合は、基板の一端を固定し、ポリイミド保護膜作製前後の自由端の移動量（δ）を直接遊動顕微鏡，光てこ法，触針法などで求め、次式（数２）で全応力（Ｓ）を求めることができる。
【００３６】
【数２】
Ｓ＝Ｅｓ×Ｄ２×δ／｛３×ｌ２×（１−νｓ）｝
δ：自由端の移動量、ｌ：膜の長さ
【００３７】
なお、膜の応力（σ）は、全応力（Ｓ）と次式（数３）の関係にある。
【００３８】
【数３】
σ＝Ｓ／ｄ
ｄ：膜の厚さ
【００３９】
このような膜の応力の評価法は、一般に知られており、例えば文献［馬来，応用物理，５７（１９８８）１８５６］に記載されている。
【００４０】
また、基板の種類によりＥｓ／（１−νｓ）の値は知られており、ＧａＡｓの場合は次の値を用いる。すなわち、
ＧａＡｓ（１００）では、１．２３９×１０１２ｄｙｎｅ／ｃｍ２を用い、
ＧａＡｓ（１１１）では、１．７４１×１０１２ｄｙｎｅ／ｃｍ２を用いる。
【００４１】
ポリイミド保護膜の面内方向の単位断面積当りの応力（σ）は、膜の構造に起因する真応力と、膜構造が形成されるキュア過程から常温への降温過程で発生する、膜と基板との熱膨張係数の差による熱応力とが合計された力である。
【００４２】
また、レーザ構造を形成するＧａＡｓ系材料と同等の熱膨張係数をもつＧａＡｓ基板を用いポリイミド保護膜の全応力を評価することにより、実際のレーザ素子でのポリイミド保護膜の全応力を見積もることができる。
【００４３】
また、前記レーザ構造体をなすＧａＡｓ系材料の熱線膨張係数はおおよそ６×１０―６℃―１であり、多くのポリイミドの熱線膨張係数は２０〜８０×１０―６℃―１である。このように、両材料間の熱線膨張係数の差が大きいため、ポリイミド保護膜の応力は、熱応力に起因する割合が大きい。
【００４４】
このため、ポリイミド保護膜の全応力を小さくするには、まず、熱線膨張係数が小さい材料及び形成条件を選択することが有効である。
【００４５】
このように、本発明では、半導体基板上に、ＧａＩｎＮＡｓ系材料からなる活性層を含む共振器と、共振器の上下に設けられる多層膜反射鏡とが、レーザ構造部として形成されている面発光半導体レーザ素子において、前記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設けることにより、半導体柱の高さｈが高い長波長帯面発光半導体レーザにおいても、ポリイミド保護膜の硬化処理中に、クラック及び界面でのはく離が発生せず、素子の動作中でも、クラックや界面でのはく離が発生せず、ポリイミド保護膜の応力による発振波長のシフトが発生しなくなる。
【００４６】
また、上述した本発明の面発光半導体レーザ素子において、ポリイミド保護膜は、非感光性のポリイミドで形成されても良いが、より好ましくは、感光性のポリイミドで形成されるのが良い。
【００４７】
図２には、ポリイミド保護膜を感光性のポリイミドで形成する場合の面発光半導体レーザ素子の作製工程例が示されている。また、図３には、ポリイミド保護膜を非感光性のポリイミドで形成する場合の面発光半導体レーザ素子の作製工程例が示されている。
【００４８】
先ず、ポリイミド保護膜を非感光性ポリイミドで形成する図３の作製工程例について説明する。図３を参照すると、先ずｎ−ＧａＡｓ基板上に、下部多層膜反射鏡（下部ミラー層），スペーサ層，活性層，スペーサ層，ＡｌＡｓ選択酸化層，上部多層膜反射鏡（上部ミラー層），ｐ−ＧａＡｓコンタクト層を順次に積層して、レーザ構造積層膜を作製する。次いで、レーザ構造積層膜をエッチングして半導体柱を形成し、次いで、選択酸化によってＡｌＡｓ選択酸化層をＡｌｘＯｙ電流狭窄層に変化させ、次いで、半導体柱の周囲にポリイミドを塗布し、プリベーク工程を施す。
【００４９】
しかる後、ポリイミドに非感光性ポリイミドを用いる場合には、図３のように、レジストを塗布し、フォトマスクを介してレジストを露光，現像し、上部電極のための開口部のレジストを除去し、次いで、ヒドラジンなどのエッチング剤に浸漬したり、Ｏ２ガスによるドライエッチングにより、ポリイミドの開口部を形成する。次いで、レジストを除去し、ポリイミドを加熱硬化させた後、レジスト塗布，露光，現像，上部電極の蒸着，リフトオフ，下部電極の蒸着の工程を行なって、面発光半導体レーザ素子を作製する。
【００５０】
これに対し、ポリイミドに感光性ポリイミドを用いる場合には、図２のように、フォトマスクを介しポリイミドを露光，現像し、直接、上部電極のための開口部を形成する。次いで、加熱硬化工程を行なった後、に示すように、レジスト塗布，露光，現像，上部電極の蒸着，リフトオフ，下部電極の蒸着の工程を行なって、面発光半導体レーザ素子を作製する。
【００５１】
図２の作製工程例を図３の作製工程例と比べればわかるように、感光性のポリイミドを使用すれば、面発光半導体レーザ素子の作製プロセスを簡略化することができる。
【００５２】
なお、このような感光性のポリイミドの例としては、感光基をエステル結合で導入したエステル結合型感光性ポリイミドや、感光基を有するアミノ化合物とポリアミック酸のカルボキシル基とで塩結合で感光基を導入した塩結合型感光性ポリイミドなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、感光性ポリイミドには、ポジ型とネガ型があるが、いずれの型のものをも用いることができる。
【００５３】
また、図１の面発光半導体レーザ素子において、レーザ構造部の表面とポリイミド保護膜との間に、ＳｉＮまたはＳｉＯＮ膜からなるパッシベーション層を設けることもできる。
【００５４】
図４には、図１の面発光半導体レーザ素子において、レーザ構造部の表面とポリイミド保護膜との間に、ＳｉＮまたはＳｉＯＮ膜からなるパッシベーション層が設けられている面発光半導体レーザ素子が示されている。
【００５５】
ここで、ＳｉＮまたはＳｉＯＮ膜からなるパッシベーション層は、プラズマＣＶＤなどで作製することができる。
【００５６】
このように、図１の面発光半導体レーザ素子において、レーザ構造部の表面とポリイミド保護膜との間に、ＳｉＮまたはＳｉＯＮ膜からなるパッシベーション層を設けることで、レーザ構造部への水分遮蔽効果をより高めることができ、面発光半導体レーザ素子の信頼性をより高めることができる。
【００５７】
さらに、図４の面発光半導体レーザ素子において、レーザ構造部の表面とパッシベーション層との間に、ＳｉＯ２膜からなる応力緩和層を設けることもできる。
【００５８】
図５には、図４の面発光半導体レーザ素子において、レーザ構造部の表面とパッシベーション層との間に、ＳｉＯ２膜からなる応力緩和層が設けられている面発光半導体レーザ素子が示されている。
【００５９】
ここで、ＳｉＯ２膜からなる応力緩和層は、プラズマＣＶＤ，ＴＥＯＳ−ＣＶＤ，塗布法などで作製することができる。なお、応力緩和層としては、ＰＳＧ（リンシリケートガラス）のように、ＳｉＯ２の他に他の成分を含む場合もある。
【００６０】
ＳｉＮまたはＳｉＯＮ膜からなるパッシベーション層は内部応力が大きいが、レーザ構造部の表面とパッシベーション層との間に、柔らかいＳｉＯ２膜からなる応力緩和層を設けることで、レーザ構造部への応力の影響を緩和することができる。
【００６１】
一般に、面発光半導体レーザ素子において、電流注入領域以外の活性層部分は、寄生容量の増大をもたらす。そこで、面発光半導体レーザ素子では、高速変調するために、電流注入領域以外の活性層部分をエッチングで除去して柱状構造を形成し、柱状構造周辺を低誘電率材料で埋め込むことにより寄生容量を低減している。
【００６２】
通常、エッチングは下部多層膜反射鏡（下部ミラー層）に達する深さまで行われるため、エッチング深さは上部多層膜反射鏡（上部ミラー層）及び共振器構造の厚さにほぼ相当する。従来の０．８５μｍ帯面発光レーザにおいては、例えばＡｌＧａＡｓとＡｌＡｓを２０周期積層した多層膜反射鏡の全層厚は２．７μｍであり、λ共振器構造の層厚は０．２５μｍとなっている。従って、エッチング深さは、約３μｍ程度となっていた。この３μｍ程度の深さを平坦に埋め込む低誘電率材料としては、一般にポリイミドが用いられている。
【００６３】
一方、本発明においては、エッチング深さを深くして、３μｍ以上の層厚でポリイミド保護膜を埋め込んでいる。ポリイミド保護膜の層厚を厚くすることで、電流注入領域以外の電極間の寄生容量を低減することができる。これにより、発振波長が１．１μｍより長波長の面発光半導体レーザの変調周波数を増加させることができる。
【００６４】
例えば、発振波長１．３μｍの場合に、ＧａＡｓとＡｌＡｓを２０周期積層した半導体多層膜反射鏡の層厚は４．１μｍとなる。また、λ共振器の層厚は０．３８μｍとなる。よって、４．５μｍの深さでエッチングして柱状構造を形成することにより、少なくとも活性層の下端までエッチングすることが可能となる。
【００６５】
そして、ポリイミド保護膜を４．５μｍの厚さに形成することにより、ポリイミド保護膜の寄生容量を従来の６７％に低減できる。また、ポリイミド保護膜の厚さｈを６μｍに設定した場合には、更に寄生容量を低減することができ、従来の半分の寄生容量に低減できる。
【００６６】
次表（表１）には、ポリイミド保護膜の厚さｈが３μｍ，４．５μｍ，６μｍであるときの寄生容量（１００μｍ×１００μｍ面積当たりの寄生容量）が示されている。
【００６７】
【表１】
2004031633.tif 000003
【００６８】
表１から、ポリイミド保護膜の厚さｈが３μｍ，４．５μｍ，６μｍと大きくなるに従い、寄生容量を小さくできることがわかる。
【００６９】
埋め込んだポリイミド保護膜の厚さｈが均一でない場合には、ポリイミド保護膜の厚さｈが薄くなっている部分では寄生容量が増加してしまう。従って、本発明では、最も薄い部分のポリイミド保護膜の厚さｈが３μｍ以上であるのが望ましい。
【００７０】
図６（ａ），（ｂ）は本発明の面発光半導体レーザ素子のより詳細な構成例を示す図である。なお、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は断面図である。
【００７１】
図６（ａ），（ｂ）の例では、ポリイミド保護膜７とエッチングした半導体層１４の表面との間に絶縁膜１１が設けられている。また、上部電極８には、配線電極１２，ボンディングパッド１３が接続されている。
【００７２】
ところで、図６（ａ），（ｂ）の例では、ボンディングパッド１３は、絶縁膜１１を介して半導体層１４上に形成されている。これにより、ボンディングパッド１３を半導体層１４上に形成した場合でも、ポリイミド保護膜７上に形成した配線電極１２の部分の面積に相当する寄生容量を低減することができる。しかしながら、寄生容量をより一層低減するには、ボンディングパッド１３をポリイミド保護膜７上に形成するのが良い。
【００７３】
また、図７（ａ），（ｂ）は図６（ａ），（ｂ）の面発光半導体レーザ素子の変形例を示す図である。なお、図７（ａ），（ｂ）において、図６（ａ），（ｂ）と対応する箇所には同じ符号を付している。
【００７４】
図７（ａ），（ｂ）を参照すると、この面発光半導体レーザ素子は、ポリイミド保護膜７上に、配線電極１２及びボンディングパッド１３が形成されている。
【００７５】
すなわち、図７（ａ），（ｂ）の例では、半導体層１４とオーミック接触を形成する上部電極８を除いて、上部電極８，配線電極１２，ボンディングパッド１３と下部電極９との間に低誘電率のポリイミド保護膜７を厚さ３μｍ以上埋め込んでいる。従って、電極８，１２，１３と電極９との間の寄生容量をより一層低減して、変調周波数を増加させることができる。
【００７６】
図８には、配線電極１２とボンディングパッド１３をポリイミド保護膜７上に形成した場合（図７（ａ），（ｂ）の例の場合）の周波数伝達関数の周波数依存性が符号（ａ）で示されている。また、図８には、比較のため、ボンディングパッド１３を半導体層１４上に形成した場合（図６（ａ），（ｂ）の例の場合）の周波数伝達関数の周波数依存性が符号（ｂ）で示されている。図８から、配線電極１２とボンディングパッド１３をポリイミド保護膜７上に形成した場合（図７（ａ），（ｂ）の例の場合）には、ボンディングパッド１３を半導体層１４上に形成した場合（図６（ａ），（ｂ）の例の場合）に比べて、周波数伝達関数は周波数が高くなっても差程低下せず、従って、変調周波数を増加させることができることがわかる。
【００７７】
図９は図７（ａ），（ｂ）の面発光半導体レーザ素子の変形例を示す図である。図９の面発光半導体レーザ素子では、例えば図７（ａ），（ｂ）の面発光半導体レーザ素子において、ポリイミド保護膜７の表面が酸素プラズマ処理されており、かつ、酸素プラズマ処理されたポリイミド保護膜７の表面（酸素プラズマ処理された領域）２０と接するボンディングパッド１３の部分および／または配線電極１２の部分が、ＴｉまたはＣｒを含む材料で形成されている。
【００７８】
具体的には、上部電極８は例えばＡｕＺｎ／Ａｕで形成され、配線電極１２，ボンディングパッド１３は例えばＴｉ／ＡｕまたはＣｒ／Ａｕで形成されている。
【００７９】
このように、ポリイミド保護膜７の表面近傍を酸素プラズマ処理することによって、酸素原子がポリイミド保護膜７中に取り込まれる。そして、その上に、例えば１層目にＴｉまたはＣｒを含む配線電極１２および／またはボンディングパッド１３を形成すると、ポリイミド保護膜７と配線電極１２および／またはボンディングパッド１３との界面にＴｉＯｘまたはＣｒＯｙが形成されて、ポリイミド保護膜７と配線電極１２および／またはボンディングパッド１３との接合力が強固になる。従って、ポリイミド保護膜７上に形成したボンディングパッド１３にワイヤボンディングを行う場合に、ボンディングパッド１３や配線電極１２の膜はがれを防止することができる。
【００８０】
図１０（ａ），（ｂ）は図７（ａ），（ｂ）の面発光半導体レーザ素子の他の変形例を示す図である。図１０（ａ），（ｂ）の面発光半導体レーザ素子では、図７（ａ），（ｂ）の面発光半導体レーザ素子において、ポリイミド保護膜７上に形成された配線電極１２およびボンディングパッド１３の一部が半導体積層構造１４上に形成されている。
【００８１】
ここで、上部電極８，配線電極１２，ボンディングパッド１３は、例えばＡｕＺｎ／Ａｕで形成されている。
【００８２】
このように、図１０（ａ），（ｂ）の面発光半導体レーザ素子では、配線電極１２及びボンディングパッド１３の周辺部が半導体積層構造１４上に形成されている。例えば、配線電極１２及びボンディングパッド１３の周辺部の５〜１０μｍ幅が半導体積層構造上１４にはみ出している。
【００８３】
このような構成では、上部電極８のアニール処理時に、配線電極１２及びボンディングパッド１３のＡｕ系電極が半導体積層構造１４の半導体層と合金化する。これにより、配線電極１２及びボンディングパッド１３の密着性が向上し、ワイヤボンディング時に、配線電極１２及びボンディングパッド１３の膜はがれを防止することができる。
【００８４】
一方、配線電極１２及びボンディングパッド１３の大部分の面積は、厚さ３μｍ以上のポリイミド保護膜７上に形成されているため、寄生容量の増加を抑制することができる。
【００８５】
なお、図１０（ａ），（ｂ）の例では、配線電極１２及びボンディングパッド１３が形成された半導体積層構造１４の表面には、プロトンイオンが注入されて半絶縁性になっている。このように、素子以外のメサ頂上表面近傍にプロトンイオンが注入されて半絶縁化されていることにより、素子以外のメサ頂上部に電流が注入されることを防止できる。
【００８６】
また、図１１（ａ），（ｂ）は図１０（ａ），（ｂ）の面発光半導体レーザ素子の変形例を示す図である。図１１（ａ），（ｂ）の面発光半導体レーザ素子では、配線電極１２及びボンディングパッド１３の周辺部が、絶縁膜１１をはさんで半導体積層構造１４上に形成されている。例えば、配線電極１２及びボンディングパッド１３の周辺部の５〜１０μｍ幅が半導体積層構造１４にはみ出している。
【００８７】
ここで、上部電極８は例えばＡｕＺｎ／Ａｕで形成され、配線電極１２，ボンディングパッド１３は例えばＴｉ／ＡｕまたはＣｒ／Ａｕで形成され、また、絶縁膜１１は例えばＳｉＯ２層で形成されている。
【００８８】
このような構成では、１層目にＴｉまたはＣｒを含む配線電極１２，ボンディングパッド１３をＳｉＯ２絶縁膜１１上に形成すると、ＳｉＯ２絶縁膜１１と配線電極１２，ボンディングパッド１３との界面にＴｉＯｘまたはＣｒＯｙが形成されて、接合力が強固になる。従って、ボンディングパッド１３にワイヤボンディングを行う場合に、ボンディングパッド１３や配線電極１２の膜はがれを防止することができる。
【００８９】
一方、配線電極１２およびボンディングパッド１３の大部分の面積は、厚さ３μｍ以上のポリイミド保護膜７上に形成されているため、寄生容量の増加を抑制することができる。
【００９０】
上述した各例の面発光半導体レーザ素子において、活性層はＮとＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体（ＧａＩｎＮＡｓ系材料）で構成されている。具体的には、ＧａＡｓＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＡｓＮＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂなどで構成されている。
【００９１】
このような材料は、ＧａＡｓ基板上に、波長１．１μｍよりも長波長で発光する活性層を形成できる。
【００９２】
また、このような材料は、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓとヘテロ接合を形成したときに、伝導帯バンド不連続を２００ｍｅＶ以上と大きく取ることができるので、活性層に電子を有効に閉じ込めることができる。よって、温度特性の良好なレーザを形成できる。
【００９３】
また、半導体基板としてＧａＡｓ単結晶基板を用いる場合には、上部多層膜反射鏡および下部多層膜反射鏡としては、これを、ＧａＡｓ基板と格子整合し屈折率差を大きくとれるＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ／ＡｌｙＧａ（１−ｙ）Ａｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）の半導体ＤＢＲで構成するのが好適である。これは、少ない層数で高い反射率の半導体ＤＢＲが得られるので、半導体ＤＢＲ部の熱抵抗を低くでき、放熱性に優れるためである。従って、１．１μｍよりも長波長帯において、より温度特性の良好な面発光半導体レーザを提供できる。
【００９４】
図１２は本発明の面発光半導体レーザ素子の具体例を示す図である。図１２の例では、面発光半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＡｓＤＢＲ、ＧａＡｓスペーサ層、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層、ＧａＡｓスペーサ層、ＡｌＡｓ層、ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＡｓＤＢＲが順次に積層され、ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＡｓＤＢＲからｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＡｓＤＢＲの表面までがエッチング除去されて半導体柱状構造として形成され、ＡｌＡｓ層が選択酸化されてＡｌｘＯｙ絶縁層（電流狭さく層）が形成されている。
【００９５】
そして、半導体柱状構造の周囲には、ＳｉＮパッシベーション層を介してポリイミド保護膜が設けられている。そして、ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＡｓＤＢＲ上およびポリイミド保護膜上にはｐ側電極が設けられ、また、ｎ型ＧａＡｓ基板の裏面にはｎ側電極が形成されている。
【００９６】
この面発光半導体レーザ装置の活性層は、発振波長が例えば１．３μｍであり、ポリイミド保護膜の厚さｈは５μｍ、ＳｉＮ膜の膜厚は０．１μｍである。
【００９７】
この面発光半導体レーザ素子では、ポリイミド膜の厚さｈが５μｍとなっていることにより、ｐ側電極とｎ側電極との間の寄生容量を低減することができ、１．３μｍの面発光半導体レーザの変調周波数を増加させることができる。
【００９８】
この長波長帯ＧａＩｎＮＡｓ系面発光半導体レーザ素子を用いて光伝送システムを構成することができる。
【００９９】
図１３は、本発明の面発光半導体レーザ素子を用いた並列伝送方式光伝送システムの一例を示す図である。図１３の並列伝送方式光伝送システムでは、面発光半導体レーザ素子（ＧａＩｎＮＡｓ面発光レーザ）からの光信号を複数の光ファイバを用いて同時に伝送するようになっている。
【０１００】
また、図１４は、本発明の面発光半導体レーザ素子を用いた多波長伝送方式光伝送システムの一例を示す図である。図１４の多波長伝送方式光伝送システムでは、発振波長の異なる複数の面発光半導体レーザ素子（ＧａＩｎＮＡｓ面発光レーザ）からの光信号が、それぞれ光ファイバを介して光合波器に導入され、光合波器において、波長の異なる複数の光信号は合波され、１本の光ファイバ中に導入されて伝送され、伝送された光信号は伝送先の機器に接続される光分波器を通って元の波長の異なる複数の光信号に分離され、それぞれファイバを介して複数の受光素子に達するようになっている。
【０１０１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。なお、以下の各実施例では、面発光半導体レーザ素子の具体的な構成は、図１５のようなものであるとする。
【０１０２】
（実施例１）
実施例１では、図１５の構成の面発光半導体レーザ素子において、ポリイミドとして、全応力が２．０〜３．０×１０２Ｐａ・ｍの非感光性のものを用いた。なお、実施例１では、図１５において、ＳｉＮ／ＳｉＯ２は設けない。
【０１０３】
実施例１では、先ず、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＧａＡｓ（１００）基板上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓ／ｎ−ＧａＡｓの２８ペアからなる下部多層膜反射鏡（ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ　ＤＢＲ）、ＧａＡｓスペーサ層、３層のＧａＩｎＮＡｓと２層のＧａＡｓからなる多重量子井戸活性層、ＧａＡｓスペーサ層、ＡｌＡｓ選択酸化層、ｐ−ＡｌＧａＡｓ／ｐ−ＧａＡｓの２０ペアからなる上部多層膜反射鏡（ｐ型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ　ＤＢＲ）、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層を、レーザ構造積層膜として形成する。
【０１０４】
次に、このレーザ構造積層膜の３０μｍ×３０μｍの領域のポスト形状のレーザ発振部の半導体柱が残るように、ＡｌＡｓ選択酸化層に達する深さ以上までＣｌ２ガスでＥＣＲエッチングする。このとき、半導体柱の高さは、７μｍである。
【０１０５】
次に、半導体柱のＡｌＡｓ選択酸化層の端面から水蒸気を導入し、ＡｌＡｓ選択酸化層を、約２５μｍ２の断面の電流経路を残して、絶縁性のＡｌｘＯｙ電流狭窄層に変化させる。
【０１０６】
次に、非感光性ポリイミドワニス［宇部興産（株）製Ｕ−ワニス−Ａ］をスピンコートにより塗布する。このとき硬化後の膜厚が８．０μｍになるように、スピンコート回転数を調整する。
【０１０７】
次に、３６０℃で硬化させる。これらの試料の場合、硬化時間が長くなると全応力が小さくなる。続いて、１０℃／分の速度で試料温度を室温まで下げる。
【０１０８】
表１に示すように、全応力が２．５×１０２Ｐａ・ｍ以下の試料では、いずれの試料でもクラック及び界面でのはく離は起こらない。全応力が２．６×１０２Ｐａ・ｍ以上の試料では、クラックか界面でのはく離が発生する場合がある。
【０１０９】
ポリイミド膜の全応力は、３インチＧａＡｓ（１００）ウェハ上に、上記レーザ構造体上と同様の条件でポリイミド膜を形成し、、ポリイミド膜形成前後のＧａＡｓ基板のそり量をＴＥＮＣＯＲ社ＭＯＤＥＬ　ＦＬＸ−２４００を用いて計測し、求める。次表（表２）には、実施例１でのポリイミド膜硬化後の欠損の発生状況が示されている。
【０１１０】
【表２】
2004031633.tif 000004
【０１１１】
次に、クラックやはく離がない試料を用い、図３に示した工程により、レジストを塗布し、リソグラフィー、Ｏ２ガスを用いたＲＩＥエッチングにより、半導体柱の上面の２５μｍ×２５μｍの領域のポリイミドを除去する。次に、このポリイミドを除去した半導体柱の上面の光出射部を除いた領域とポリイミド表面に、Ａｕ／Ａｕ−Ｚｎ／Ｃｒの上部電極（ｐ側電極）及び配線部及びボンディングパッドを、蒸着とリフトオフ法で形成する。また、ｎ−ＧａＡｓ基板の裏面にＡｕ／Ｎｉ／Ａｕ−Ｇｅ下部電極（ｎ側電極）を蒸着する。このようにして、１．３μｍ帯面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【０１１２】
実施例１によれば、全応力が２．５×１０２Ｐａ・ｍ以下のポリイミド保護膜であれば、クラック及びはく離を発生させずに、素子の寿命が低下しにくく、また、発振波長がシフトしにくい１．３μｍ帯面発光半導体レーザ素子を提供できる。
【０１１３】
また、実施例１によれば、ポリイミド保護膜の厚さが３μｍ以上であるので、高速変調が可能な１．３μｍ帯面発光半導体レーザ素子を提供できる。
【０１１４】
（実施例２）
実施例２では、図１５の面発光半導体レーザ素子において、ポリイミドとして、全応力が２．５×１０２Ｐａ・ｍの感光性のものを用いた。
【０１１５】
実施例２では、先ず、実施例１と同様の半導体柱をもつレーザ構造積層膜を形成する。
【０１１６】
次に、レーザ構造積層膜の表面にＳｉＨ４ガスとＮ２Ｏガスを用いたプラズマＣＶＤにより、厚さ０．５μｍのＳｉＯ２の応力緩和層を形成する。次に、この応力緩和層の上にＳｉＨ４ガスとＮＨ３ガスを用いたプラズマＣＶＤにより厚さ０．２μｍのＳｉＮのパッシベーション層を形成する。すなわち、実施例２では、図１５において、ＳｉＮ／ＳｉＯ２を設ける。
【０１１７】
次に、ネガ型感光性ポリイミド前駆体［旭化成（株）製ＰＩＭＥＬ　Ｉ―８１２４Ｃ］をスピンコートにより塗布する。このとき、硬化後の膜厚が５．０μｍになるように、スピンコート回転数を調整する。
【０１１８】
次に、フォトリソグラフィーにより半導体柱の上面の２５μｍ×２５μｍの領域のポリイミドを除去したのち、３６０℃で硬化させる。これらの試料の場合も、硬化時間により全応力が変化する。
【０１１９】
続いて、１０℃／分の速度で試料温度を室温まで下げる。
【０１２０】
次表（表３）には、実施例２でのポリイミド膜硬化後の欠損の発生状況が示されている。
【０１２１】
【表３】
2004031633.tif 000005
【０１２２】
表３に示すように、全応力が２．５×１０２Ｐａ・ｍ以下の試料では、いずれの試料でもクラック及び界面でのはく離は起こらない。これに対し、全応力が２．６×１０２Ｐａ・ｍ以上の試料では、クラックか界面でのはく離が発生する場合がある。
【０１２３】
次に、クラックやはく離がない試料を用い、ポリイミドをマスクとして、ＣＦ４＋Ｈ２ガスを用いたＲＩＥエッチング法により半導体柱の上面のＳｉＮ膜とＳｉＯ２膜を除去し、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層を露出させる。次に、この露出部で光出射部を除いた領域とポリイミド表面に、Ａｕ／Ａｕ−Ｚｎ／Ｃｒの上部電極（ｐ側電極）及び配線部及びボンディングパッドを、蒸着とリフトオフ法で形成する。また、ｎ−ＧａＡｓ基板の裏面にＡｕ／Ｎｉ／Ａｕ−Ｇｅ下部電極（ｎ側電極）を蒸着する。このようにして、１．３μｍ帯面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【０１２４】
実施例２によれば、全応力２．５×１０２Ｐａ・ｍ以下のポリイミド保護膜であれば、クラック及びはく離を発生させずに、素子の寿命が低下しにくく、また、発振波長がシフトしにくい１．３μｍ帯面発光半導体レーザ素子を提供できる。
【０１２５】
また、実施例２では、感光性のポリイミドを用いているので、実施例１の場合よりも、ポリイミド保護膜の作製プロセスがより簡便なものとなる。
【０１２６】
また、ＳｉＮパッシベーション層を設けているので、実施例１の場合よりも
、水分の遮蔽効果がより大きくなり、素子の寿命の低下をより一層防止できる。また、ＳｉＯ２膜の応力緩和層を設けているので、ＳｉＮパッシベーション層の欠陥の発生が抑制される。このようにして、より信頼性の高い、１．３μｍ帯面発光半導体レーザを提供できる。
【０１２７】
また、実施例２によれば、ポリイミド保護膜の厚さが３μｍ以上であるので、高速変調が可能な１．３μｍ帯面発光半導体レーザ素子を提供できる。
【０１２８】
（実施例３）
実施例３では、図１５の面発光半導体レーザ素子において、ポリイミドとして、全応力が２．５×１０２Ｐａ・ｍの感光性のものを用いた。
【０１２９】
実施例３では、先ず、実施例１，実施例２と同様の半導体柱をもつレーザ構造積層膜を形成する。次に、レーザ構造積層膜の表面にＳｉＨ４ガスとＮ２Ｏガスを用いたプラズマＣＶＤにより、厚さ０．５μｍのＳｉＯ２膜の応力緩和層を形成する。次に、この応力緩和層の上に、ＳｉＨ４ガスとＮＨ３ガスを用いたプラズマＣＶＤにより厚さ０．２μｍのＳｉＮ膜のパッシベーション層を形成する。すなわち、実施例３では、図１５において、ＳｉＮ／ＳｉＯ２を設ける。
【０１３０】
次に、ネガ型感光性ポリイミド前駆体［日立化成デュポンマイクロシステムズ（株）製ＰＩ−２７３１］をスピンコートにより塗布する。このとき、硬化後の膜厚が１０μｍになるように、スピンコート回転数を調整する。
【０１３１】
次に、フォトリソグラフィーのより半導体柱の上面の２５μｍ×２５μｍの領域のポリイミドを除去したのち、３６０℃で硬化させる。これらの試料の場合も、硬化時間によりポリイミド膜の全応力が変化する。
【０１３２】
続いて、１０℃／分の速度で試料温度を室温まで下げる。
【０１３３】
次表（表４）には、実施例３でのポリイミド膜硬化後の欠損の発生状況が示されている。
【０１３４】
【表４】
2004031633.tif 000006
【０１３５】
表４に示すように、全応力が２．５×１０２Ｐａ・ｍ以下の試料では、いずれの試料でもクラック及び界面でのはく離は起こらない。これに対し、全応力が２．６×１０２Ｐａ・ｍ以上の試料では、クラックか界面でのはく離が発生する場合がある。
【０１３６】
次に、ポリイミドをマスクとして、ＣＦ４＋Ｈ２ガスを用いたＲＩＥエッチング法により半導体柱の上面のＳｉＮ膜とＳｉＯ２膜を除去し、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層を露出させる。次に、この露出部で光出射部を除いた領域とポリイミド表面に、Ａｕ／Ａｕ−Ｚｎ／Ｃｒの上部電極（ｐ側電極）及び配線部及びボンディングパッドを、蒸着とリフトオフ法で形成する。また、ｎ−ＧａＡｓ基板の裏面にＡｕ／Ｎｉ／Ａｕ−Ｇｅ下部電極（ｎ側電極）を蒸着する。このようにして、１．３μｍ帯面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【０１３７】
実施例３によれば、全応力２．５×１０２Ｐａ・ｍ以下のポリイミド保護膜であれば、クラック及びはく離を発生させずに、素子の寿命が低下しにくく、また、発振波長がシフトしにくい１．３μｍ帯面発光半導体レーザ素子を提供できる。
【０１３８】
また、実施例３では、感光性のポリイミドを用いているので、実施例１の場合よりも、ポリイミド保護膜の作製プロセスがより簡便なものとなる。
【０１３９】
また、ＳｉＮパッシベーション層を設けているので、実施例１の場合よりも、水分の遮蔽効果がより大きくなり、素子の寿命の低下をより一層防止できる。また、ＳｉＯ２膜の応力緩和層を設けているので、ＳｉＮパッシベーション層の欠陥の発生が抑制される。このようにして、より信頼性の高い１．３μｍ帯面発光半導体レーザを提供できる。
【０１４０】
また、実施例３によれば、ポリイミド保護膜の厚さが３μｍ以上であるので、高速変調が可能な１．３μｍ帯面発光半導体レーザ素子を提供できる。
【０１４１】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１乃至請求項１０記載の発明によれば、半導体基板上に、ＮとＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を含む共振器と、共振器の上下に設けられた多層膜反射鏡とが、レーザ構造部として形成されている面発光半導体レーザ素子において、前記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が設けられるので、半導体柱の高さが高い長波長帯面発光半導体レーザにおいても、ポリイミド保護膜のクラック及びはく離が発生しにくく、また、素子の寿命が低下しにくく、また、発振波長をシフトしにくくすることができる。
【０１４２】
特に、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜は感光性のポリイミドで形成されているので、面発光半導体レーザ素子の作製プロセスを簡略化することができる。
【０１４３】
また、請求項３記載の発明によれば、請求項１乃至請求項２のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、前記レーザ構造部の表面と前記ポリイミド保護膜との間に、ＳｉＮまたはＳｉＯＮ膜からなるパッシベーション層が設けられているので、レーザ構造部への水分遮蔽効果をより高めることができ、面発光半導体レーザ素子の信頼性をより高めることができる。
【０１４４】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の面発光半導体レーザ素子において、前記レーザ構造部の表面と前記パッシベーション層との間に、ＳｉＯ２膜からなる応力緩和層が設けられているので、ＳｉＮまたはＳｉＯＮ膜からなるパッシベーション層によるレーザ構造部への応力の影響を緩和することができる。
【０１４５】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜は、厚さが３μｍ以上であるので、寄生容量が低減され、高速変調が可能になる。
【０１４６】
特に、請求項６記載の発明によれば、請求項５記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜上には、配線電極およびボンディングパッドが形成されているので、寄生容量がより一層低減され、変調周波数を増加させることができる。
【０１４７】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項６記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜の表面が酸素プラズマ処理されており、かつ、酸素プラズマ処理されたポリイミド保護膜の表面と接するボンディングパッドの部分および／または配線電極の部分が、ＴｉまたはＣｒを含む材料で形成されているので、ポリイミド保護膜上に形成したボンディングパッドにワイヤボンディングを行う場合に、ボンディングパッドや配線電極の膜はがれを防止することができる。
【０１４８】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項６乃至請求項７のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ポリイミド保護膜上に形成された配線電極およびボンディングパッドの一部が半導体積層構造上に形成されているので、上部電極のアニール処理時に、配線電極及びボンディングパッドのＡｕ系電極が半導体積層構造の半導体層と合金化することにより、配線電極及びボンディングパッドの密着性が向上し、ワイヤボンディング時に、配線電極及びボンディングパッドの膜はがれを防止することができる。
【０１４９】
また、請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、該面発光半導体レーザ素子は、活性層にＧａＩｎＮＡｓ系材料からなる層を含むので、発振波長が光ファイバーと整合性のよい１．１μｍよりも長波長帯のレーザを形成できる。さらに、活性層に電子を有効に閉じ込めることができるので、環境温度が変化してもレーザ特性が変化しにくい、つまり温度特性の良好な、ポリイミドのクラック及びはく離が発生しにくく、素子の寿命が低下しにくく、発振波長がシフトしにくい、高速変調が可能な長波長帯レーザを形成できる。
【０１５０】
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項９記載の面発光半導体レーザ素子において、半導体基板がＧａＡｓで構成されており、上部半導体多層膜反射鏡および下部半導体多層膜反射鏡がＡｌＧａＡｓ系材料で構成されているので、少ない層数で高い反射率の半導体ＤＢＲが得られる。このため、半導体ＤＢＲ部の熱抵抗を低くでき、放熱性に優れ、より温度特性のよい、ポリイミドのクラック及びはく離が発生しにくく、素子の寿命が低下しにくく、発振波長がシフトしにくい、高速変調が可能な長波長帯面発光半導体レーザ素子を形成できる。
【０１５１】
また、請求項１１記載の発明によれば、請求項９乃至請求項１０のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子が用いられていることを特徴とする光伝送システムであるので、信頼性が高く、安定に動作し、高速伝送でき、光源部に冷却装置を必要としない簡便な構成をもつ光伝送システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る面発光半導体レーザ素子の基本的な構成例を示す図（断面図）である。
【図２】ポリイミド保護膜を感光性のポリイミドで形成する場合の面発光半導体レーザ素子の作製工程例を示す図である。
【図３】ポリイミド保護膜を非感光性のポリイミドで形成する場合の面発光半導体レーザ素子の作製工程例を示す図である。
【図４】図１の面発光半導体レーザ素子において、レーザ構造部の表面とポリイミド保護膜との間に、ＳｉＮまたはＳｉＯＮ膜からなるパッシベーション層が設けられている面発光半導体レーザ素子を示す図である。
【図５】図４の面発光半導体レーザ素子において、レーザ構造部の表面とパッシベーション層との間に、ＳｉＯ２膜からなる応力緩和層が設けられている面発光半導体レーザ素子を示す図である。
【図６】本発明の面発光半導体レーザ素子のより詳細な構成例を示す図である。
【図７】図６（ａ），（ｂ）の面発光半導体レーザ素子の変形例を示す図である。
【図８】配線電極とボンディングパッドをポリイミド保護膜上に形成した場合（図７（ａ），（ｂ）の例の場合）の周波数伝達関数の周波数依存性とボンディングパッドを半導体層上に形成した場合（図６（ａ），（ｂ）の例の場合）の周波数伝達関数の周波数依存性とを示す図である。
【図９】図７（ａ），（ｂ）の面発光半導体レーザ素子の変形例を示す図である。
【図１０】図７（ａ），（ｂ）の面発光半導体レーザ素子の他の変形例を示す図である。
【図１１】図１０（ａ），（ｂ）の面発光半導体レーザ素子の変形例を示す図である。
【図１２】本発明の面発光半導体レーザ素子の具体例を示す図である。
【図１３】本発明の面発光半導体レーザ素子を用いた並列伝送方式光伝送システムの一例を示す図である。
【図１４】本発明の面発光半導体レーザ素子を用いた多波長伝送方式光伝送システムの一例を示す図である。
【図１５】面発光半導体レーザ素子の具体的な構成を示す図である。
【符号の説明】
７　　　　　ポリイミド保護膜
８　　　　　上部電極
９　　　　　下部電極
１１　　　　　絶縁膜
１２　　　　　配線電極
１３　　　　　ボンディングパッド
１４　　　　　半導体層
２０　　　　酸素プラズマ処理された領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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