(57)【要約】【課題】発光チップの膜質を良好に保持することができ、しかも長期にわたり発光特性を高く維持することが可能な生産コストの低い半導体レーザ素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板１上に第一反射層２と、上面に穴部３ａが形成された中間層３を順次積層するとともに、該中間層３の穴部３ａ内に発光チップ４を埋設し、該発光チップ４上に第二反射層５を被着させて半導体レーザ素子を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、該半導体基板上に被着される第一反射層と、該第一反射層上に設けられ、上面に穴部が形成された中間層と、該中間層の穴部内に埋設される発光チップと、該発光チップ上に被着される第二反射層とから成ることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記穴部の開口面積が第一反射層側よりも第二反射層側で大きくなるように穴部の内側面を中間層の上面に対して傾斜させたことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記穴部の内側面と中間層の上面との成す角度が１００°〜１４０°に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
半導体基板上に第一反射層及び中間層を順次積層するとともに、該中間層上に穴部を形成する工程１と、
一導電型半導体層、活性層及び逆導電型半導体層を順次積層してなる発光層を複数個に分割して発光チップを形成する工程２と、
該工程２で得た発光チップを工程１で得た穴部内に埋設する工程３と、
該工程３で埋設した発光チップ上に第二反射層を被着させる工程４と、を備えたことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信用の光源等に好適に用いられる半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光通信等の分野で好適に用いられる光源として半導体レーザ素子が知られている。
【０００３】
かかる従来の半導体レーザ素子としては、ＧａＡｓからなる半導体基板１１上に、ＡｌＡｓとＧａＡｓを交互に周期的に積層してなる第一反射層１２と、内部にｐｎ接合を有するＩｎＧａＡｓＰからなる発光層１４と、ＡｌＡｓとＧａＡｓを交互に周期的に積層してなる第二反射層１５とを順次被着させた構造のものが知られており、前記発光層１４に図示しない電極を介して所定の電力を印加し、発光層１４の内部で光を発生させるとともに、該発生させた光を前記第一及び第二反射層１２，１５間で共振・増幅させ、これを前記第一及び第二反射層１２，１５の一方側よりレーザ光として出射させることによって半導体レーザ素子として機能する。
【０００４】
このような半導体レーザ素子は、第一反射層１２、発光層１４、第二反射層１５を特開平６−９００６１号公報に示すような基板の貼り合わせ方法等を採用することによって半導体基板１１上に順次積層させて製作される。
【特許文献１】
特願平６−９００６１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の半導体レーザ素子においては、発光層１４の端面が外気に露出した状態となっていることから、大気中の水分によって発光層１４の端面が浸蝕され、発光層１４の膜質に影響を及ぼす欠点を有していた。
【０００６】
また発光層１４の端面が外気に対して露出しており、発光層１４の内部に熱が篭りやすい状態にあることから、半導体レーザ素子の使用に伴って発生した熱が発光層１４に蓄積して高温となり、半導体レーザ素子の発光特性を低下させる欠点を有していた。
【０００７】
更に上述した従来の半導体レーザ素子においては、発光層全体が発光領域となるものの、光源として必要な発光領域は極めて小さいことから、発光層１４の大部分が無駄な領域となり、このことが半導体レーザ素子の生産コストを高くする原因となっていた。
【０００８】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたものであり、その目的は、発光チップの膜質を良好に保持することができ、しかも長期にわたり発光特性を高く維持することが可能な生産コストの低い半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザ素子は、半導体基板と、該半導体基板上に被着される第一反射層と、該第一反射層上に設けられ、上面に穴部が形成された中間層と、該中間層の穴部内に埋設される発光チップと、該発光チップ上に被着される第二反射層とから成ることを特徴とするものである。
【００１０】
また本発明の半導体レーザ素子は、前記穴部の開口面積が第一反射層側よりも第二反射層側で大きくなるように穴部の内側面を中間層の上面に対して傾斜させたことを特徴とするものである。
【００１１】
更に本発明の半導体レーザ素子は、前記穴部の内側面と中間層の上面との成す角度が１００°〜１４０°に設定されていることを特徴とするものである。
【００１２】
そして本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、半導体基板上に第一反射層及び中間層を順次積層するとともに、該中間層上に穴部を形成する工程１と、一導電型半導体層、活性層及び逆導電型半導体層を順次積層してなる発光層を複数個に分割して発光チップを形成する工程２と、該工程２で得た発光チップを工程１で得た穴部内に埋設する工程３と、該工程３で埋設した発光チップ上に第二反射層を被着させる工程４と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明によれば、第一反射層と第二反射層との間に介在される中間層に穴部を設け、該穴部内に発光チップを埋設したことから、発光チップの端面が中間層によって外気に対して遮断された状態となり、発光チップの端面が大気中の水分等によって浸蝕されるが有効に防止され、発光チップの膜質を長期にわたり良好に維持することが可能となる。
【００１４】
しかもこの場合、半導体レーザ素子の使用に伴って発生した熱が中間層に良好に吸収されるようになり、発光チップを発光に適した温度状態に成して半導体レーザ素子の発光特性を長期にわたり高く維持することができる。
【００１５】
また本発明によれば、前記穴部の開口面積が第一反射層側よりも第二反射層側で大きくなるように穴部の内側面を中間層の上面に対して傾斜させたことから、発光チップを穴部内に収容する際の作業性を良好となすことができ、半導体レーザ素子の生産性を高く保つことが可能となる。
【００１６】
更に本発明によれば、発光層を複数個に分割することにより得られた発光チップを、中間層に形成された穴部の内部に埋設させて半導体レーザ素子を形成したことから、発光チップを必要な領域にのみ設けることができる上に、発光層の分割時に得られた残りの発光チップを他の半導体レーザ素子の形成にも用いることができ、発光チップを得るために形成した発光層の無駄を省いて半導体レーザ素子の生産コストを大幅に低くすることが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について添付図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる半導体レーザ素子の断面図であり、同図に示す半導体レーザ素子は大略的に、半導体基板１と、第一反射層２と、中間層３と、発光チップ４と、第二反射層５と、一対の電極６とで形成されている。
【００１８】
前記半導体基板１は、ＳｉやＧａＡｓ等の単結晶半導体材料により矩形状に形成されており、その上面には第一反射層２や中間層３、第二反射層５等が順次積層される一方、下面には電極６が被着され、これらを支持する支持母材として機能する。
【００１９】
また第一反射層２は、発光チップ１を構成する単結晶化合物半導体と格子定数が異なる複数種類の単結晶半導体薄膜（本実施形態においては２種類でＡｌＡｓ薄膜とＧａＡｓ薄膜）を交互に周期的に（２０周期〜３０周期）に積層させることにより３μｍ〜１０μｍの厚みに形成されており、前記発光チップ４の内部で発生した光を上方（第二反射層側）に反射させることにより、発光チップ４の光を共振・増幅させる作用を為している。
【００２０】
更に第一反射層２の上面には、ＡｌＧａＡｓ等の半導体材料からなる中間層３が０．１８μｍ〜２μｍの厚みに被着され、該中間層３の上面には、中間層３を厚み方向に貫通する穴部３ａが形成されている。
【００２１】
前記中間層３の穴部３ａは、その内部に発光チップ４を埋設・収容させることで、発光チップ４の端面が外気に対して露出することを有効に防止するためのものであり、その形状はメサ状を成す発光チップ４の外形に対応した形、すなわち、穴部３ａの開口面積が第一反射層２側よりも第二反射層５側で大きくなるように穴部３ａの内側面を中間層３の上面に対して傾斜させた形に成してあり、穴部３ａの内部に発光チップ４が嵌合し得るようになっている。具体的には、穴部３ａの内側面と中間層３の上面との成す角度αが１００°〜１４０°に設定されている。
【００２２】
このため、発光チップ４の端面が中間層３によって囲まれ、発光チップ４の端面が中間層３によって外気より遮断された状態となり、発光チップ４の端面が大気中の水分等によって浸蝕されるが有効に防止され、発光チップ４の膜質を長期にわたり良好に維持することが可能となる。
【００２３】
しかもこの場合、発光チップ４の端面と穴部３ａの内面とが接した状態となっていることから、半導体レーザ素子の使用中に発光チップ４の内部で発生した熱が中間層３に良好に吸収されるようになり、発光チップ４を発光に適した温度状態に成して半導体レーザ素子の発光特性を良好に維持することができる。なお、かかる作用効果を高めるためには、中間層３を構成する材料としては、発光チップ４を構成する半導体材料よりも熱伝導率の大きな材料、例えばＡｌＧａＡｓであることが好ましい。
【００２４】
そして、前記穴部３ａ内に収容される発光チップ４は、ｎ型クラッド層、活性層４ｂ、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層とを第一反射層２側から順に積層した構造を有しており、その厚みが０．１８μｍ〜２μｍに形成されている。
【００２５】
前記発光チップ４は、ｎ型クラッド層がＳｉ等の不純物を１×１０１６〜１０１８原子／ｃｍ３程度含有するＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０≦ｚ≦１）により形成され、活性層がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）により形成され、ｐ型クラッド層がＺｎ等の不純物を１×１０１６〜１０１８原子／ｃｍ３程度含有するＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０≦ｚ≦１）により形成され、ｐ型コンタクト層がＺｎ等の不純物を１×１０１８〜１０２０原子／ｃｍ３程度含有するＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０≦ｚ≦１）により形成されている。
【００２６】
そして前記発光チップ４は、その上面に被着される一対の電極６を介して所定の電力が印加されると、ｎ型クラッド層に正孔が、ｐ型クラッド層に電子がそれぞれ注入され、正孔と電子を活性層内で再結合させることによって光を発生し、該発生した光を発光チップ４の内部で共振・増幅させて、これをレーザ光として外部へ放出するようになっている。
【００２７】
また前記発光チップ４の上面一部、具体的には発光チップ４の上面中央域には、第二反射層５が被着されている。
【００２８】
前記第二反射層５は、ＳｉＯ２薄膜やＴｉＯ２薄膜等の複数種類の誘電体膜を周期的に（２０周期〜３０周期）に積層させることにより３μｍ〜１０μｍ形成されており、その下面が先に述べた第一反射層２の上面に対して略平行に配される。
【００２９】
そして、これら第一反射層２及び第２反射層５は、その表面が略平坦となっているため、前記発光チップ４の内部で発生した光が第一反射層２−第二反射層５間の領域で略垂直方向に反射され、かかる反射光が第一反射層２−第二反射層５間の領域で共振・増幅されることとなり、該共振・増幅させた光がレーザ光として垂直方向に外部に出射される。従って、レーザ光の出射方向が種々の方向に散乱することなく、迷光の少ないレーザ光を得ることができる。
【００３０】
また前記前記発光チップ４の上面に位置する第二反射層５の非形成領域と前記半導体基板１の下面には一対の電極６が被着されており、かかる一対の電極６は例えばＡｕ及びＧｅ等の金属材料を順次積層した構造を有しており、外部からの電力を発光チップ４に供給するための給電配線として機能する。
【００３１】
尚、前記一方の電極６と中間層３との間にはＳｉＮやＳｉＯ２等の絶縁材料により形成された絶縁層７が介在されており、かかる絶縁層７によって電極６と中間層３との電気的絶縁を図っている。
【００３２】
かくして上述した半導体レーザ素子は、前記発光チップ４に一対の電極６を介して所定の電力を印加し、発光チップ４の内部で光を発生させるとともに、該発生させた光を前記第一及び第二反射層２，５間で共振・増幅させ、該共振・増幅させた光をレーザ光として第二反射層５側より出射させることによって半導体レーザ素子として機能する。
【００３３】
次に、上述した半導体レーザ素子の製造方法を、図２及び図３を用いて詳細に説明する。
図２は半導体レーザ素子の製造方法を説明するための各工程の断面図、図３は半導体レーザ素子を構成する発光チップ４の製造方法を説明するための各工程の断面図である。
（１）まず、半導体基板１を準備し、その上面に第一反射層２及び中間層３を順次被着させる（図２（ａ））。
【００３４】
前記半導体基板１は、ＧａＡｓから成る場合、従来周知のバーチカル・ブリッジマン（ＶＢ法）等によって形成したＧａＡｓのインゴット（塊）を所定厚みにスライスし、これを表面研磨することによって製作される。
【００３５】
また第一反射層２は、ＡｌＡｓ及びＧａＡｓからなる場合、従来周知のＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を採用することにより、ＡｌＡｓ及びＧａＡｓを交互に周期的にエピタキシャル成長させることにより、前記半導体基板１の上面に３μｍ〜１０μｍの厚みに形成される。
【００３６】
更に前記中間層３は、ＡｌＧａＡｓから成る場合、従来周知のＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を採用し、ＡｌＧａＡｓをエピタキシャル成長させることにより、第一反射層２上に０．１８μｍ〜２μｍの厚みに形成される。
（２）次に、前記中間層３の上面に前記穴部３ａを形成する（図２（ｂ））。
【００３７】
前記穴部３ａは、従来周知のフォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を採用し、中間層３の上面の所定領域を硫酸、過酸化水素等からなるエッチング液に所定時間含浸させて除去することにより、穴部３ａの内側面が中間層３の上面に対して傾斜するように形成される。なお、穴部３ａの内側面が中間層３の上面に対して傾斜するには、サイドエッチングを利用するか、あるいは、従来周知の異方性エッチングを利用することによって形成される。なお、異方性エッチングを行う際には中間層上面の面方位を（１００）に設定することが好ましい。
（３）次に、（２）で得た穴部３ａの内部に発光チップ４を埋設する。（図２（ｃ））。
【００３８】
前記発光チップ４は、従来周知のＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を採用することにより、ＩｎＰからなる半導体ウエハ８上に先に述べたｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層を構成する半導体材料を順次エピタキシャル成長させて積層した発光層９を形成するとともに（図３（ａ））、半導体ウエハ８をエッチング除去して発光層９のみを得（図３（ｂ））、しかる後、残った発光層９をエッチングで複数個に分割・加工することにより一度に多数、製作される（図３（ｃ））。また得られた発光チップ４を穴部３ａの内部に埋設するには、発光チップ４を、フッ酸等を含有した水溶液と共に前記穴部３ａの内部に流し込んだ後、かかる発光チップ４の上面を第一反射層２側に押圧しながら５００℃〜７００℃の温度で加熱することによって発光チップ４が穴部３ａの内部に強固に埋設される。
【００３９】
このとき、先に述べた如く、前記穴部３ａは、その内側面を中間層３の上面に対して傾斜させて開口面積が上方で広くなっていることから、発光チップ４を穴部３ａ内に収容する際の作業性を良好となすことができ、半導体レーザ素子の生産性を高く保つことが可能となる。
【００４０】
また、前記発光チップ４は別途形成した発光層９を複数個に分割することにより得られ、かかる発光チップ４を中間層３に形成された穴部３ａの内部に埋設させたことから、発光チップ４を必要な領域にのみ設けることができる上に、発光層９の分割時に得られた残りの発光チップ４を他の半導体レーザ素子の形成にも用いることができ、発光層９の無駄を省いて半導体レーザ素子の生産コストを大幅に小さくすることが可能となる。
（４）最後に、前記発光チップ４の上面に第二反射層５を形成するとともに、発光チップ４上の第二反射層５の非形成領域や半導体基板の下面に一対の電極６を被着させることによって半導体レーザ素子が完成する（図２（ｄ））。
【００４１】
前記第二反射層５は、ＳｉＯ２及びＴｉＯ２から成る場合、従来周知のスパッタリングや蒸着法等によって、ＳｉＯ２膜及びＴｉＯ２膜を交互に周期的に発光チップ４上に部分的に積層することにより、３μｍ〜１０μｍの厚みに形成され、また前記一対の電極６は、Ａｕ及びＧｅからなる場合、従来周知の薄膜形成技術、すなわち電子ビーム蒸着法、スパッタリング、フォトリソグラフィー、エッチング等を採用することにより、Ａｕ膜及びＧｅ膜を発光チップ４上に０．５μｍ〜１．５μｍの厚みに形成される。
【００４２】
尚、前記一方の電極６と中間層３との短絡を有効に防止するための絶縁層７は、第二反射層５や一対の電極６の形成に先立って、従来周知のプラズマＣＶＤ法を採用することにより、中間層３及び発光チップ４の所定領域に０．１μｍ〜０．５μｍの厚みに形成される。
【００４３】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で改良・変更が可能である。
【００４４】
例えば、上述の実施形態において、前記第二反射層５を、ＡｌＡｓやＧａＡｓ等の半導体材料により形成しておけば、第二反射層５に導電性が付与されるため、第二反射層５上に電極６を形成することができるようになる。従って、第二反射層５の非形成領域に電極を形成する場合に比べて、第二反射層５と、その上の電極６とを従来周知の薄膜形成技術によって同時に一括的に形成することができ、半導体レーザ素子の生産性を向上させることが可能となる。
【００４５】
また上述の実施形態においては、穴部３ａを、中間層３を貫通するように形成したが、必ずしも穴部は中間層３を貫通する必要はなく、穴部の深さが中間層３の厚みよりも小さくなるように設定しても構わない。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、第一反射層と第二反射層との間に介在される中間層に穴部を設け、該穴部内に発光チップを埋設したことから、発光チップの端面が中間層によって外気に対して遮断された状態となり、発光チップの端面が大気中の水分等によって浸蝕されるが有効に防止され、発光チップの膜質を長期にわたり良好に維持することが可能となる。
【００４７】
しかもこの場合、半導体レーザ素子の使用に伴って発生した熱が中間層に良好に吸収されるようになり、発光チップを発光に適した温度状態に成して半導体レーザ素子の発光特性を長期にわたり高く維持することができる。
【００４８】
また本発明によれば、前記穴部の開口面積が第一反射層側よりも第二反射層側で大きくなるように穴部の内側面を中間層の上面に対して傾斜させたことから、発光チップを穴部内に収容する際の作業性を良好となすことができ、半導体レーザ素子の生産性を高く保つことが可能となる。
【００４９】
更に本発明によれば、発光層を複数個に分割することにより得られた発光チップを、中間層に形成された穴部の内部に埋設させて半導体レーザ素子を形成したことから、発光チップを必要な領域にのみ設けることができる上に、発光層の分割時に得られた残りの発光チップを他の半導体レーザ素子の形成にも用いることができ、発光チップを得るために形成した発光層の無駄を省いて半導体レーザ素子の生産コストを大幅に低くすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる半導体レーザ素子の断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は図１に示す半導体レーザ素子の製造方法を説明するための各工程における断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は図１に示す半導体レーザ素子を構成する発光チップ４の製造方法を説明するための各工程の断面図である。
【図４】従来の半導体レーザ素子の断面図である。
【符号の説明】
１・・・半導体基板
２・・・第一反射層
３・・・中間層
４・・・発光チップ
５・・・第二反射層
６・・・一対の電極
７・・・絶縁層
８・・・半導体ウエハ
９・・・発光層
【図１】
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【図２】
2004179433.tif 000004
【図３】
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【図４】
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