(57)【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族混晶半導体から成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のうちの少なくとも上部の多層膜反射鏡とが、柱状のレーザ構造部として形成されている１．１μｍ以上の波長を有す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周囲に熱線膨張係数が５０×１０―6℃―1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】
半導体基板上に、ＮとＡｓを含むIII−Ｖ族混晶半導体から成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のうちの少なくとも上部の多層膜反射鏡とが、柱状のレーザ構造部として形成されている１．１μｍ以上の波長を有す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周囲に熱線膨張係数が２０×１０―６℃―１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３】
請求項１または請求項２記載の面発光半導体レーザ素子において、該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４】
請求項１乃至請求項３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、該レーザ構造部の表面と該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５】
請求項４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６】
請求項１乃至請求項５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上には、上部電極に接続された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８】
請求項７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、活性層がＮとＡｓを含むIII−Ｖ族混晶半導体で構成されている層を含んでいる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または請求項１０に記載の面発光半導体レーザ素子が発光素子として用いられ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、また、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】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、急速に着目され始めた長波長帯（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、スペーサ層等の活性層周りの層にワイドバンドギャップ材料を選択できて、これにより、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、ＧａＩｎＮＡｓ系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をもつ面発光レーザが得られる。
【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】
しかし、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、ポリイミド保護膜中、及び、レーザ構造部中に発生する、両材料の熱膨張係数の差に起因した熱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なので、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発生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】
さらに、本発明は、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】
さらに、本発明は、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族混晶半導体から成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のうちの少なくとも上部の多層膜反射鏡とが、柱状のレーザ構造部として形成されている１．１μｍ以上の波長を有す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周囲に熱線膨張係数が５０×１０―6℃―1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、半導体基板上に、ＮとＡｓを含むIII−Ｖ族混晶半導体から成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のうちの少なくとも上部の多層膜反射鏡とが、柱状のレーザ構造部として形成されている１．１μｍ以上の波長を有す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周囲に熱線膨張係数が２０×１０―６℃―１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。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２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。
【００１５】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３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。
【００１６】
また、請求項５記載の発明は、請求項４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。
【００１７】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５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。
【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装置において、前記ポリイミド保護膜上には、上部電極に接続された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。
【００１９】
また、請求項８記載の発明は、請求項７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。
【００２１】
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、活性層がＮとＡｓを含むIII−Ｖ族混晶半導体で構成されている層を含んでいることを特徴としている。
【００２２】
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。
【００２３】
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発光素子として用いられる光伝送システムである。
【００２４】
【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。
【００２５】
第１の実施形態
図１は本発明に係る面発光半導体レーザ素子の構成例を示す図である。なお、図１において、符号１は半導体基板、符号２は下部多層膜反射鏡、符号３，５はスペーサ層、符号４は活性層、符号６は電流狭窄層、符号８は上部多層膜反射鏡、符号９はコンタクト層、符号１０は上部電極、符号１１は下部電極、符号１２はポリイミド保護膜である。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１上に、ＮとＡｓを含むIII−Ｖ族混晶半導体から成る活性層４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２，８とが、レーザ構造部として形成されており、前記レーザ構造部の表面に熱線膨張係数が５０×１０―5℃―1以下のポリイミド保護膜１２が設けられていることを特徴としている。
【００２６】
ここで、共振器は、スペーサ層３，５，活性層４，電流狭窄層６を有している。
【００２７】
また、レーザ構造部は、下部多層膜反射鏡２，共振器（スペーサ層３，５，活性層４，電流狭窄層６），上部多層膜反射鏡８，コンタクト層９により構成されている。
【００２８】
また、半導体基板１には、ｎ−ＧａＡｓ基板が用いられ、また、コンタクト層９には、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層が用いられる。
【００２９】
また、電流狭窄層６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ン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。
【００３０】
また、長波長帯のＧａＩｎＮＡｓ系面発光半導体レーザ素子では、活性層４には、ＧａＡｓＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等が用いられる。なお、本発明では、長波長帯の面発光半導体レーザ素子とは、発光波長が１．１０μｍ以上の波長範囲の面発光半導体レーザとする。
【００３１】
また、ポリイミド保護膜１２としては、熱線膨張係数が、ＧａＡｓ系材料の熱線膨張係数（６×１０―6℃―1）に近い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熱線膨張係数は特に検討されておらず、熱線膨張係数が例えば６０×１０―6℃―1程度のものが用いられていた。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ｈが大きくなり、ポリイミド保護膜１２の厚さが従来と比較して１．３〜１．８倍になるため、熱応力がより大きくなり、ポリイミドの硬化反応後にポリイミド保護膜１２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４に歪が加わるため発振波長がシフトする場合があった。
【００３２】
このような問題を回避するため、本発明の第１の実施形態では、ポリイミド保護膜１２として、熱線膨張係数が５０×１０―6℃―1以下のポリイミド材を用いるようにしている。このようなポリイミド保護膜１２を用いると、硬化処理後の硬化温度から室温までの降温速度が１０℃／分以下であればクラック及び界面でのはく離や熱応力による発振波長のシフトが発生しなくなる。
【００３３】
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。熱線膨張係数が小さいポリイミドの芳香族基の例としては、ピロメリット酸二無水物、ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、パラフェニレンジアミン、ｏ−トリジン、ジアミノターフェニル、及びそれらの誘導体などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００３４】
ポリイミド膜は、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。
【００３５】
また、熱線膨張係数は以下のようにして計測した値である。すなわち、試験するポリイミド前駆体をガラス基板等の表面に塗布し加温硬化させ、次に、フッ酸水溶液等によりガラス基板を溶解し、ポリイミドの試験膜を作製する。このときのポリイミドの膜厚は、３〜５０μｍとする。次に、ＴＭＡ微小線膨張計に上記試験膜をセットし昇温速度１０℃／分にて試料温度を２０℃〜２００℃に変化させ、次式により熱線膨張係数α１を計測することができる。
【００３６】
【数１】
熱線膨張係数（α１）＝〔（Ｌ２−Ｌ１）／（Ｔ２−Ｔ１）〕・（１／Ｌ）
【００３７】
ここで、Ｌは常温時の試料の長さ、Ｌ１は温度Ｔ１での試料の長さ、Ｌ２は温度Ｔ２での試料の長さである。
【００３８】
このように、本発明の第１の実施形態では、半導体基板１上に、ＮとＡｓを含むIII−Ｖ族混晶半導体から成る活性層４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２，８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熱線膨張係数が５０×１０―6℃―1以下のポリイミド保護膜１２を設けることにより、レーザ構造部とポリイミド保護膜１２との間の熱膨張係数の差が小さいので、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発生する熱応力が小さくなり、ポリイミド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。
【００３９】
第２の実施形態
また、本発明の第２の実施形態では、図１の構成例において、ポリイミド保護膜１２として、熱線膨張係数が２０×１０―6℃―1以下のポリイミド材を用いるようにしている。このようなポリイミド保護膜１２を用いると、硬化処理後の硬化温度から室温までの降温速度が２０℃／分以下であればクラック及び界面でのはく離や熱応力による発振波長のシフトが発生しなくなる。
【００４０】
このように、半導体基板１上に、ＮとＡｓを含むIII−Ｖ族混晶半導体から成る活性層４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２，８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熱線膨張係数が２０×１０―6℃―1以下のポリイミド保護膜１２を設けるときには、レーザ構造部とポリイミド保護膜１２との間の熱膨張係数の差がより一層小さくなるので、半導体柱の高さｈが高い長波長帯ＧａＩｎＮＡｓ系面発光半導体レーザにおいても発生する熱応力がより小さくなり、硬化工程後、より大きい速度で降温できて、プロセス時間を短縮でき、また、ポリイミドのクラック及びはく離がより発生しにくくなり、素子の寿命の低下をより一層防止でき、発振波長のシフトをより一層しにくくすることができる。
【００４１】
また、上述した第１または第２の実施形態の面発光半導体レーザ素子において、ポリイミド保護膜１２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。
【００４２】
図２には、ポリイミド保護膜１２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１２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。
【００４３】
先ず、ポリイミド保護膜１２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、図３（ａ）のように、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、下部多層膜反射鏡２，スペーサ層３，活性層４，スペーサ層５，ＡｌＡｓ選択酸化層６，上部多層膜反射鏡８，ｐ−ＧａＡｓコンタクト層９を順次に積層してレーザ構造積層膜を作製する。次いで、図３（ｂ）のように、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６をＡｌxＯy電流狭窄層６に変化させ、次いで、半導体柱の周囲にポリイミド１２を塗布し、プレベーク工程を施す。
【００４４】
しかる後、ポリイミド１２に非感光性ポリイミドを用いる場合には、図３（ｃ）のように、レジスト２０を塗布し、フォトマスクを介してレジスト２０を露光，現像し、上部電極のための開口部のレジスト２０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１２の開口部を形成する。次いで、レジスト２０を除去し、ポリイミド１２を加熱硬化させた後、図３（ｄ）に示すように、レジスト塗布，露光，現像，上部電極１０の蒸着，リフトオフ，下部電極１１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。
【００４５】
これに対し、ポリイミド保護膜１２を感光性ポリイミドで形成する図２の作製工程例では、図３（ａ），（ｂ）の作製と全く同様の工程により、図２（ａ），（ｂ）の作製を行なう。
【００４６】
しかる後、ポリイミド１２に感光性ポリイミドを用いる場合には、図２（ｃ）のように、フォトマスク２１を介しポリイミド１２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、図２（ｄ）に示すように、レジスト塗布，露光，現像，上部電極１０の蒸着，リフトオフ，下部電極１１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。
【００４７】
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。
【００４８】
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、及び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。
【００４９】
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１２との間に、ＳｉＮまたはＳｉＯＮ膜からなるパッシベーション層３０を設けることもできる。
【００５０】
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１２との間に、ＳｉＮまたはＳｉＯＮ膜からなるパッシベーション層３０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。
【００５１】
ここで、ＳｉＮまたはＳｉＯＮ膜からなるパッシベーション層３０は、プラズマＣＶＤなどで作製することができる。
【００５２】
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１２との間に、ＳｉＮまたはＳｉＯＮ膜からなるパッシベーション層３０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。
【００５３】
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３０との間に、ＳｉＯ2膜からなる応力緩和層３１を設けることもできる。
【００５４】
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３０との間に、ＳｉＯ2膜からなる応力緩和層３１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、ＳｉＯ2膜からなる応力緩和層３１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３１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。
【００５６】
ＳｉＮまたはＳｉＯＮ膜からなるパッシベーション層３０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３０との間に、柔らかいＳｉＯ2膜からなる応力緩和層３１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。
【００５７】
第３の実施形態
図６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６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５１上に、下部半導体多層膜反射鏡５２と、発振波長が１．１μｍよりも長波長の活性層４を含む共振器構造７０と、上部半導体多層膜反射鏡５６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おり、該半導体積層構造の表面から少なくとも活性層５４の下端まで（図６の例では、下部半導体多層膜反射鏡５２の表面まで）がエッチング除去により柱状構造として形成されており、該柱状構造の周辺には厚さｈが３μｍ以上のポリイミド膜５７が設けられている。
【００５８】
なお、図６において、符号５３，５５はスペーサ層、符号５８は上部電極、符号５９は下部電極、符号６０は光取り出し窓である。
【００５９】
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。
【００６０】
通常、エッチングは下部多層膜反射鏡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。
【００６１】
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５７を埋め込んでいる。ポリイミド保護膜５７の層厚を３μｍ以上と厚くすることで、電流注入領域以外の電極５８，５９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。
【００６２】
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。
【００６３】
そして、ポリイミド保護膜５７を４．５μｍの厚さに形成することにより、ポリイミド保護膜５７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５７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。
【００６４】
次表（表１）には、ポリイミド保護膜５７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。
【００６５】
【表１】
0004136401.tif 000002
【００６６】
表１から、ポリイミド保護膜５７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。
【００６７】
なお、ポリイミド保護膜５７の厚さｈは、エッチング深さを平坦に埋める必要上、エッチング深さに近い厚さとなる。また、前述のように、ポリイミド保護膜５７とエッチングした半導体層表面との間にパッシベーション層や応力緩和層からなる絶縁膜を設ける場合には、ポリイミド保護膜５７の厚さｈはエッチング深さから絶縁膜の厚さを引いた値となる。
【００６８】
また、埋め込んだポリイミド保護膜５７の厚さｈが均一でない場合には、ポリイミド保護膜５７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、本発明において、最も薄い部分のポリイミド保護膜５７の厚さｈが３μｍ以上であるのが望ましい。
【００６９】
図７（ａ），（ｂ）は本発明の第３の実施形態の面発光半導体レーザ素子の構成例を示す図である。なお、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は断面図である。
【００７０】
図７（ａ），（ｂ）の例では、ポリイミド保護膜５７とエッチングした半導体層表面との間に絶縁膜６１が設けられている。また、上部電極５８には配線電極６２，ボンディングパッド６３が接続されている。
【００７１】
ところで、図７（ａ），（ｂ）の例では、ボンディングパッド６３は、絶縁膜６１を介して半導体層６４上に形成されている。図７（ａ），（ｂ）のように、ボンディングパッド６３を半導体層６４上に形成した場合でも、ポリイミド保護膜５７上に形成した配線電極６２の部分の面積に相当する寄生容量は低減できる。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６３をポリイミド保護膜５７上に形成するのが良い。
【００７２】
図８（ａ），（ｂ）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８（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５７上に、配線電極６２及びボンディングパッド６３が形成されている。
【００７３】
すなわち、図８（ａ），（ｂ）の例では、半導体層とオーミック接触を形成する上部電極５８を除いて、上部電極５８，配線電極６２，ボンディングパッド６３と下部電極５９との間に低誘電率のポリイミド保護膜５７を厚さ３μｍ以上埋め込んでいる。従って、電極５８，６２，６３と電極５９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。
【００７４】
図９には、配線電極６２とボンディングパッド６３をポリイミド保護膜５７上に形成した場合（図８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９には、比較のため、ボンディングパッド６３を半導体層６４上に形成した場合（図７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９から、配線電極６２とボンディングパッド６３をポリイミド保護膜５７上に形成した場合には、ボンディングパッド６３を半導体層６４上に形成した場合に比べて、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。
【００７５】
図１０は図８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の面発光半導体レーザ素子では、例えば図８の面発光半導体レーザ素子において、ポリイミド保護膜５７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５７の表面（酸素プラズマ処理された領域）７２と接するボンディングパッド６３の部分および／または配線電極６２の部分が、ＴｉまたはＣｒを含む材料で形成されている。
【００７６】
具体的には、上部電極５８は例えばＡｕＺｎ／Ａｕで形成され、配線電極６２，ボンディングパッド６３は例えばＴｉ／ＡｕまたはＣｒ／Ａｕで形成されている。
【００７７】
このように、ポリイミド保護膜５７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５７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６２および／またはボンディングパッド６３を形成すると、ポリイミド保護膜５７と配線電極６２および／またはボンディングパッド６３との界面にＴｉＯxまたはＣｒＯyが形成されて、ポリイミド保護膜５７と配線電極６２および／またはボンディングパッド６３との接合力が強固になる。従って、ポリイミド保護膜５７上に形成したボンディングパッド６３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６３や配線電極６２の膜はがれを防止することができる。
【００７８】
図１１（ａ），（ｂ）は図８（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（ａ），（ｂ）の面発光半導体レーザ素子では、例えば図８の面発光半導体レーザ素子において、ポリイミド保護膜５７上に形成された配線電極６２およびボンディングパッド６３の一部が半導体積層構造６４上に形成されている。
【００７９】
ここで、上部電極５８，配線電極６２，ボンディングパッド６３は、例えばＡｕＺｎ／Ａｕで形成されている。
【００８０】
このように、図１１（ａ），（ｂ）の面発光半導体レーザ素子では、配線電極６２及びボンディングパッド６３の周辺部が半導体積層構造６４上に形成されている。例えば、配線電極６２及びボンディングパッド６３の周辺部の５〜１０μｍ幅が半導体積層構造６４にはみ出している。
【００８１】
このような構成では、上部電極５８のアニール処理時に、配線電極６２及びボンディングパッド６３のＡｕ系電極が半導体積層構造６４の半導体層と合金化する。これにより、配線電極６２及びボンディングパッド６３の密着性が向上し、ワイヤボンディング時に、配線電極６２及びボンディングパッド６３の膜はがれを防止することができる。
【００８２】
一方、配線電極６２及びボンディングパッド６３の大部分の面積は、厚さ３μｍ以上のポリイミド膜５７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。
【００８３】
なお、図１１（ａ），（ｂ）の例では、配線電極６２及びボンディングパッド６３が形成された半導体積層構造６４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。図１１（ｂ）において、符号６５はプロトン注入領域である。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。
【００８４】
また、図１２（ａ），（ｂ）は図１１（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（ａ），（ｂ）の面発光半導体レーザ素子では、配線電極６２及びボンディングパッド６３の周辺部が、絶縁膜６１をはさんで半導体積層構造６４上に形成されている。例えば、配線電極６２及びボンディングパッド６３の周辺部の５〜１０μｍ幅が半導体積層構造６４にはみ出している。
【００８５】
ここで、上部電極５８は例えばＡｕＺｎ／Ａｕで形成され、配線電極６２，ボンディングパッド６３は例えばＴｉ／ＡｕまたはＣｒ／Ａｕで形成され、また、絶縁膜６１は例えばＳｉＯ2層で形成されている。
【００８６】
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６２，ボンディングパッド６３をＳｉＯ2絶縁膜６１上に形成すると、ＳｉＯ2絶縁膜６１と配線電極６２，ボンディングパッド６３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６３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６３や配線電極６２の膜はがれを防止することができる。
【００８７】
一方、配線電極６２およびボンディングパッド６３の大部分の面積は、厚さ３μｍ以上のポリイミド保護膜５７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。
【００８８】
上述した第３の実施形態の各例の面発光半導体レーザ素子において、活性層５４はＮとＡｓを含むIII−Ｖ族混晶半導体で構成されており、具体的には、ＧａＡｓＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＡｓＮＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂなどで構成されている。
【００８９】
このような材料は、ＧａＡｓ基板５１上に、波長１．１μｍよりも長波長で発光する活性層５４を形成できる。
【００９０】
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５４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。
【００９１】
また、半導体基板５１としてＧａＡｓ単結晶基板を用いた場合、上部多層膜反射鏡５６および下部多層膜反射鏡５２を、ＧａＡｓ基板５１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、これにより、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。
【００９２】
図１３は本発明の第３の実施形態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の例では、面発光半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板５１上に、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ  ＤＢＲ５２、ＧａＡｓスペーサ層５３、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層５４、ＧａＡｓスペーサ層５５、ＡｌＡｓ層８１、ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ  ＤＢＲ５６が順次に積層され、ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ  ＤＢＲ５６からｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ  ＤＢＲ５２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８１が選択酸化されてＡｌxＯy絶縁層（電流狭さく層）８２が形成されている。
【００９３】
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８５を介してポリイミド保護膜５７が設けられている。そして、ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ  ＤＢＲ５６上およびポリイミド保護膜５７上にはｐ側電極（５８，６２，６３）が設けられ、また、ｎ型ＧａＡｓ基板５１の裏面にはｎ側電極５９が形成されている。
【００９４】
この面発光半導体レーザ素子の活性層５４は、発振波長が例えば１．３μｍであり、ポリイミド保護膜５７の厚さｈは５μｍ、ＳｉＮ膜８５の膜厚は０．１μｍである。
【００９５】
この面発光半導体レーザ素子では、ポリイミド膜５７の厚さｈが５μｍとなっていることにより、ｐ側電極５８，６２，６３とｎ側電極５９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。
【００９６】
第４の実施形態
上述した本発明（第１または第２または第３の実施形態）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。
【００９７】
図１４は、上述した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からの信号を複数のファイバを用い同時に伝送するように構成されている。
【００９８】
また、図１５は、上述した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の多波長伝送方式光伝送システムでは、発振波長がそれぞれ異なる複数の発光素子からの光信号が、それぞれ光ファイバを介して光合波器に導入され、この波長の異なる複数の光信号は合波されて、１本の光ファイバ中に導入され伝送され、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構成されている。
【００９９】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
【０１００】
実施例１
実施例１では、図１の面発光半導体レーザ素子の具体的な構成例および作製工程例を示す。なお、実施例１では、ポリイミドとして、熱線膨張係数が４０×１０-6℃-1の非感光性のものを用いている。
【０１０１】
実施例１では、先ず、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＧａＡｓ（１００）基板１上に、ｎ−ＡｌＡｓ／ｎ−ＧａＡｓの２８ペアからなる下部多層膜反射鏡２、第１のＧａＡｓスペーサ層３、３層のＧａＩｎＮＡｓと２層のＧａＡｓからなる多重量子井戸活性層４、第２のＧａＡｓスペーサ層５、ＡｌＡｓ選択酸化層６、ｐ−ＡｌＧａＡｓ／ｐ−ＧａＡｓの２０ペアからなる上部多層膜反射鏡８、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層９を、レーザ構造積層膜として形成する。
【０１０２】
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６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、４．５μｍである。
【０１０３】
次に、半導体柱のＡｌＡｓ選択酸化層６の端面から水蒸気を導入し、約２５μｍ2の断面の電流経路を残して、絶縁性のＡｌxＯy電流狭窄層６に変化させる。
【０１０４】
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、熱線膨張係数４０×１０-6℃-1］をスピンコートにより塗布し、エッチングした底面からの高さが５．５μｍになるように、３５０℃で硬化させる。次に、温度を制御しながら試料温度を下げる。降温速度が１０℃／分以下の場合、クラック及び界面でのはく離は起こらない。降温速度が１０℃／分より大きい場合、ポリイミド中でクラックが発生したり、界面ではく離が起こる場合がある。
【０１０５】
次に、図３（ｃ），（ｄ）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１０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１の裏面にＡｕ／Ｎｉ／Ａｕ−Ｇｅ下部電極１１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。
【０１０６】
実施例１によれば、ポリイミド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、発振波長がシフトしにくいポリイミド保護膜１２をもつ、１．３μｍ帯面発光半導体レーザ素子を提供できる。
【０１０７】
また、実施例１によれば、ポリイミド保護膜の厚さが５．５μｍなので、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。
【０１０８】
実施例２
実施例２では、図５の面発光半導体レーザ素子の具体的な構成例および作製工程例を示す。なお、実施例２では、ポリイミドとして、熱線膨張係数が５０×１０-6℃-1の感光性のものを用いている。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。
【０１０９】
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３１を形成する。次に、この応力緩和層３１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３０を形成する。
【０１１０】
次に、ネガ型感光性ポリイミド前駆体［旭化成（株）製Ｇ−７６２１熱線膨張係数５０×１０-6℃-1］をスピンコートにより塗布し、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、次いで、３５０℃で硬化させる。次に、温度を制御しながら試料温度を下げる。降温速度が１０℃／分以下の場合、クラック及び界面でのはく離は起こらない。降温速度が１０℃／分より大きい場合、ポリイミド中でクラックが発生したり、界面ではく離が起こる場合がある。なお、エッチングした底面からのポリイミド保護膜１２の高さは５．５μｍである。
【０１１１】
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９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１０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。ｎ−ＧａＡｓ基板１の裏面にＡｕ／Ｎｉ／Ａｕ−Ｇｅ下部電極１１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２によれば、ポリイミドのクラック及びはく離が発生しにくく、また、発振波長がシフトしにくいポリイミド保護膜１２をもつ１．３μｍ帯面発光半導体レーザ素子を提供できる。また、感光性のポリイミドを用いるので、実施例１の場合よりも、ポリイミド保護膜１２の作製プロセスがより簡便なものとなる。また、ＳｉＮパッシベーション層３０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３１を設けているので、ＳｉＮパッシベーション層３０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。
【０１１３】
また、実施例２によれば、ポリイミド保護膜の厚さが５．５μｍなので、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３
実施例３では、図５の面発光半導体レーザ素子の他の具体的な構成例および作製工程例を示す。なお、実施例３では、ポリイミドとして、熱線膨張係数が１６×１０-6℃-1の感光性のものを用いている。実施例３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。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３１を形成する。次に、この応力緩和層３１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３０を形成する。
【０１１５】
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、熱線膨張係数１６×１０-6℃-1］をスピンコートにより塗布し、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、次いで、３５０℃で硬化させる。次に、温度を制御しながら試料温度を下げる。このとき、降温速度が５０℃／分の場合でも、クラック及び界面でのはく離が起こらない。なお、エッチングした底面からのポリイミド保護膜の高さは５．５μｍである。
【０１１６】
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９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１０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１の裏面にＡｕ／Ｎｉ／Ａｕ−Ｇｅ下部電極１１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。
【０１１７】
実施例３によれば、ポリイミドに熱線膨張係数が１６×１０-6℃-1のものを用いているので、実施例１，実施例２の場合よりも、ポリイミドのクラック及びはく離が発生しにくく、また、実施例１，実施例２の場合よりも、発振波長がシフトしにくいポリイミド保護膜１２をもつ１．３μｍ帯面発光半導体レーザ素子を提供できる。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１２の作製プロセスがより簡便なものとなる。また、ＳｉＮパッシベーション層３０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３１を設けているので、ＳｉＮパッシベーション層３０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。
【０１１８】
また、実施例３によれば、ポリイミド保護膜の厚さが５．５μｍなので、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。
【０１１９】
実施例４
実施例４では、図１６の面発光半導体レーザ素子の具体的な構成例および作製工程例を示す。なお、実施例４では、ポリイミドとして、熱線膨張係数が３５〜５５×１０-6℃の感光性のものを用いている。また、図１６は図１３と同様の構成をしているが、図１３のｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ  ＤＢＲ５２のかわりに、図１６ではｎ型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ  ＤＢＲ９２が用いられている。
【０１２０】
実施例４では、先ず、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＧａＡｓ（１００）基板５１上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓ／ｎ−ＧａＡｓの２８ペアからなる下部多層膜反射鏡９２、第１のＧａＡｓスペーサ層５３、３層のＧａＩｎＮＡｓと２層のＧａＡｓからなる多重量子井戸活性層５４、第２のＧａＡｓスペーサ層５５、ＡｌＡｓ選択酸化層８１、ｐ−ＡｌＧａＡｓ／ｐ−ＧａＡｓの２０ペアからなる上部多層膜反射鏡５６（最上層はｐ−ＧａＡｓコンタクト層として機能）を、レーザ構造積層膜として形成する。
【０１２１】
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８１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。
【０１２２】
次に、半導体柱のＡｌＡｓ選択酸化層８１の端面から水蒸気を導入し、約２５μｍ2の断面の電流経路を残して、絶縁性のＡｌxＯy電流狭窄層８２に変化させる。
【０１２３】
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３．０μｍ、５．０μｍ、８．０μｍになるように、スピンコート回転数を調整する。
【０１２４】
次に、３５０℃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熱線膨張係数が小さくなる。続いて、１０℃／分の速度で試料温度を室温まで下げる。
【０１２５】
表２に示すように、熱線膨張係数が５０×１０-6℃以下の試料では、いずれの膜厚の試料でもクラック及び界面でのはく離は起こらない。熱線膨張係数が５１×１０-6℃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。
【０１２６】
【表２】
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【０１２７】
次に、クラックやはく離がない試料を用い、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膜５７の表面に、Ａｕ／Ａｕ−Ｚｎ／Ｃｒの上部電極５８及び配線部６２及びボンディングパッド６３を蒸着とリフトオフ法で形成する。また、ｎ−ＧａＡｓ基板５１の裏面にＡｕ／Ｎｉ／Ａｕ−Ｇｅ下部電極５９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。
【０１２８】
実施例４によれば、熱線膨張係数が５０×１０-6℃以下のポリイミド保護膜のであれば、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ポリイミド保護膜５７をもつ１．３μｍ帯面発光半導体レーザ素子を提供できる。
【０１２９】
また、実施例４によれば、ポリイミド保護膜５７の厚さが３μｍ以上なので、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。
【０１３０】
実施例５
実施例５では、図１７の面発光半導体レーザ素子の具体的な構成例および作製工程例を示す。なお、実施例５では、ポリイミドとして、熱線膨張係数が４０〜６０×１０-6℃の感光性のものを用いている。
【０１３１】
実施例５では、先ず、実施例４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。図１７において、符号８５がＳｉＯ2膜の応力緩和層／ＳｉＮ膜のパッシベーション層である。
【０１３２】
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３．０μｍ、５．０μｍ、８．０μｍになるように、スピンコート回転数を調整する。
【０１３３】
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、３５０℃で硬化させる。これらの試料の場合も、硬化時間により熱線膨張係数が変化し、４０〜６０×１０-6℃の範囲で変化する。
【０１３４】
続いて、１０℃／分の速度で試料温度を室温まで下げる。
【０１３５】
表３に示すように、熱線膨張係数が５０×１０-6℃以下の試料では、いずれの膜厚の試料でもクラック及び界面でのはく離は起こらない。熱線膨張係数が５１×１０-6℃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】
【表３】
0004136401.tif 000004
【０１３７】
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／ＳｉＯ2膜（８５）を除去し、ＤＢＲ５６（その最上層は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５８及び配線部６２及びボンディングパッド６３を蒸着とリフトオフ法で形成する。また、ｎ−ＧａＡｓ基板５１の裏面にＡｕ／Ｎｉ／Ａｕ−Ｇｅ下部電極５９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。
【０１３８】
実施例５によれば、熱線膨張係数が５０×１０-6℃以下のポリイミド保護膜５７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ポリイミド保護膜５７をもつ１．３μｍ帯面発光半導体レーザ素子を提供できる。
【０１３９】
また、実施例５では、感光性のポリイミドを用いるので、実施例４の場合よりも、ポリイミド保護膜５７の作製プロセスがより簡便なものとなる。また、実施例５では、ＳｉＮパッシベーション層（８５）を設けているので、実施例１，実施例４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、実施例５では、ＳｉＯ2膜の応力緩和層（８５）を設けているので、ＳｉＮパッシベーション層（８５）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５によれば、ポリイミド保護膜５７の厚さが３μｍ以上なのでなので、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】
実施例６
実施例６では、図１７の面発光半導体レーザ素子の他の具体的な構成例および作製工程例を示す。なお、実施例６では、ポリイミドとして、熱線膨張係数が１４〜３０×１０-6℃の感光性のものを用いている。
【０１４２】
実施例６では、先ず、実施例４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。図１７において、符号８５がＳｉＯ2膜の応力緩和層／ＳｉＮ膜のパッシベーション層である。
【０１４３】
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３．０μｍ、５．０μｍ、８．０μｍになるように、スピンコート回転数を調整する。
【０１４４】
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後、３５０℃で硬化させる。これらの試料の場合も、硬化時間により熱線膨張係数が変化し、１４〜３０×１０-6℃の範囲で変化する。
【０１４５】
続いて、試料温度を室温まで下げる。１０℃／分の降温速度の場合は、表４に示すように、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。
２０℃／分の降温速度の場合は、熱線膨張係数が１４〜２０×１０-6℃以下の試料では、いずれの膜厚の試料でもクラック及び界面でのはく離は起こらない。熱線膨張係数が２１〜３０×１０-6℃以上の試料では、クラックが発生するか、界面ではく離が発生する場合がある。
【０１４６】
【表４】
0004136401.tif 000005
【０１４７】
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／ＳｉＯ2膜（８５）を除去し、ＤＢＲ５６（その最上層は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５８及び配線部６２及びボンディングパッド６３を蒸着とリフトオフ法で形成する。また、ｎ−ＧａＡｓ基板５１の裏面にＡｕ／Ｎｉ／Ａｕ−Ｇｅ下部電極５９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。
【０１４８】
実施例６によれば、熱線膨張係数が５０×１０-6℃以下のポリイミド保護膜５７であるので、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ポリイミド保護膜５７をもつ１．３μｍ帯面発光半導体レーザ素子を提供できる。
【０１４９】
さらに、熱線膨張係数が２０×１０-6℃以下のポリイミド保護膜５７であれば、急速に降温してもクラック及びはく離を発生させずに、より素子の寿命が低下しにくく、また、より発振波長がシフトしにくいポリイミド保護膜５７をもつ１．３μｍ帯面発光半導体レーザ素子を提供できる。
【０１５０】
また、実施例６では、感光性のポリイミドを用いているので、実施例１，実施例４の場合よりも、ポリイミド保護膜５７の作製プロセスがより簡便なものとなる。また、実施例６では、ＳｉＮパッシベーション層（８５）を設けているので、実施例１，実施例４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、実施例６では、ＳｉＯ2膜の応力緩和層（８５）を設けているので、ＳｉＮパッシベーション層（８５）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。
【０１５１】
また、実施例６によれば、ポリイミド保護膜５７の厚さが３μｍ以上なので、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。
【０１５２】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１に記載の発明によれば、半導体基板上に、ＮとＡｓを含むIII−Ｖ族混晶半導体から成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のうちの少なくとも上部の多層膜反射鏡とが、柱状のレーザ構造部として形成されている１．１μｍ以上の波長を有す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周囲に熱線膨張係数が５０×１０―6℃―1以下のポリイミド保護膜が設けられるようになっており、レーザ構造部とポリイミド保護膜との間の熱膨張係数の差が小さいので、半導体柱の高い長波長帯面発光半導体レーザにおいても発生する熱応力が小さくなり、ポリイミド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。
【０１５３】
また、請求項２に記載の発明によれば、半導体基板上に、ＮとＡｓを含むIII−Ｖ族混晶半導体から成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のうちの少なくとも上部の多層膜反射鏡とが、柱状のレーザ構造部として形成されている１．１μｍ以上の波長を有す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周囲に熱線膨張係数が２０×１０―６℃―１以下のポリイミド保護膜が設けられるようになっており、レーザ構造部とポリイミド保護膜との間の熱膨張係数の差がより一層小さいので、半導体柱の高い長波長帯ＧａＩｎＮＡｓ系面発光半導体レーザにおいても発生する熱応力がより小さくなり、硬化工程後、より大きい速度で降温できて、プロセス時間を短縮でき、また、ポリイミドのクラック及びはく離がより発生しにくくなり、素子の寿命の低下をより一層防止でき、発振波長のシフトをより一層しにくくすることができる。
【０１５４】
特に、請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２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あるので、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。
【０１５５】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３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。
【０１５６】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項４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。
【０１５７】
また、請求項６乃至請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５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、さらに、寄生容量が低減され高速変調が可能になる。
【０１５８】
特に、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上には、上部電極に接続された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。
【０１５９】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項７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。
【０１６１】
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、活性層がＮとＡｓを含むIII−Ｖ族混晶半導体で構成されている層を含んでいるので（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。
【０１６２】
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。これにより、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。
【０１６３】
また、請求項１１記載の発明によれば、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発光素子として用いられ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構成例を示す図である。
【図２】本発明の面発光半導体レーザ素子の第１の作製工程例を示す図である。
【図３】本発明の面発光半導体レーザ素子の第２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の変形例を示す図である。
【図５】図４の面発光半導体レーザ素子の変形例を示す図である。
【図６】本発明に係る面発光半導体レーザ素子の構成例を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態の面発光半導体レーザ素子の構成例を示す図である。
【図８】図７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】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の周波数伝達関数の周波数依存性を示す図である。
【図１０】図８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】図８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１２】図１１の面発光半導体レーザ素子の変形例を示す図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態の面発光半導体レーザ素子の具体例を示す図である。
【図１４】本発明の面発光半導体レーザ素子を用いた並列伝送方式光伝送システムの一例を示す図である。
【図１５】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１６】面発光半導体レーザ素子の具体的な構成例を示す図である。
【図１７】面発光半導体レーザ素子の具体的な構成例を示す図である。
【符号の説明】
１          半導体基板
２          下部多層膜反射鏡
３          スペーサ層
４          活性層
５          スペーサ層
６          電流狭窄層
８          上部多層膜反射鏡
９          コンタクト層
１０        上部電極
１１        下部電極
１２        ポリイミド保護膜
３０        パッシベーション層
３１        応力緩和層
５１        ＧａＡｓ基板
５２        ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ  ＤＢＲ
５３        ＧａＡｓスペーサ層
５４        ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層
５５        ＧａＡｓスペーサ層
５６        ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ  ＤＢＲ
５７        ポリイミド保護膜
５８        上部電極
５９        下部電極
６０        光取り出し窓
６１        絶縁膜
６２        配線電極
６３        ボンディングパッド
６４        半導体積層構造
７２        酸素プラズマ処理された領域
８１        ＡｌＡｓ層
８２        ＡｌxＯy電流狭窄層
８５        ＳｉＯ2膜の応力緩和層／ＳｉＮ膜のパッシベーション層
９２        ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ  ＤＢＲ
【図１】
0004136401.tif 000006
【図２】
0004136401.tif 000007
【図３】
0004136401.tif 000008
【図４】
0004136401.tif 000009
【図５】
0004136401.tif 000010
【図６】
0004136401.tif 000011
【図７】
0004136401.tif 000012
【図８】
0004136401.tif 000013
【図９】
0004136401.tif 000014
【図１０】
0004136401.tif 000015
【図１１】
0004136401.tif 000016
【図１２】
0004136401.tif 000017
【図１３】
0004136401.tif 000018
【図１４】
0004136401.tif 000019
【図１５】
0004136401.tif 000020
【図１６】
0004136401.tif 000021
【図１７】
0004136401.tif 000022