JP2004235190A - 光半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】一芯双方向通信システムに使用する信頼性の高い光信号送受信装置として機能し、しかも経済的に製造できる構成の光半導体装置を提供する。
【解決手段】本光半導体装置３００は、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に、面発光半導体レーザ素子３２０と、素子分離領域３２２を介してレーザ素子の周りに集積して設けられたフォトダイオード３２４とを備える。レーザ素子は、基板上に形成された、ｎ−ＤＢＲミラー３０２、活性領域３０３、及びｐ−ＤＢＲミラー３０４からなり、側壁が絶縁膜３０６で被覆されたポスト状円柱状積層構造３０５を備える。フォトダイオードは、基板上に形成され、素子分離領域を介してレーザ素子を取り巻くｉ−ＧａＡｓ層３０７及びｐ−ＧａＡｓ層３０８の環状積層構造を備える。フォトダイオードの径は光半導体装置に光結合される光ファイバのコアの径より小さい。レーザ素子とフォトダイオードがモノリシックに集積されているので、素子同士の光学アライメントが不要になり、光ファイバとの光結合が容易である。
【選択図】 図１
【解決手段】本光半導体装置３００は、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に、面発光半導体レーザ素子３２０と、素子分離領域３２２を介してレーザ素子の周りに集積して設けられたフォトダイオード３２４とを備える。レーザ素子は、基板上に形成された、ｎ−ＤＢＲミラー３０２、活性領域３０３、及びｐ−ＤＢＲミラー３０４からなり、側壁が絶縁膜３０６で被覆されたポスト状円柱状積層構造３０５を備える。フォトダイオードは、基板上に形成され、素子分離領域を介してレーザ素子を取り巻くｉ−ＧａＡｓ層３０７及びｐ−ＧａＡｓ層３０８の環状積層構造を備える。フォトダイオードの径は光半導体装置に光結合される光ファイバのコアの径より小さい。レーザ素子とフォトダイオードがモノリシックに集積されているので、素子同士の光学アライメントが不要になり、光ファイバとの光結合が容易である。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一芯の光ファイバを用いた双方向通信システムの光信号送受信装置を構成する光半導体装置に関し、更に詳細には、光ファイバとの光学アライメントが容易な構成を有するモノリシックに集積された光半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、一芯の光ファイバ等を使って双方向通信を行う一芯双方向通信システムが実用化され、盛んに応用されている。
ここで、図１２を参照して、従来の一芯双方向通信システムの光信号送受信装置の構成を説明する。図１２は、従来の一芯双方向通信システムの光信号送受信装置の構成を示す模式図である。
従来の一芯双方向通信システムの光信号送受信装置は、図１２に示すように、所要の電気配線を備えた基板１０１の上にサブマウント１０２を介してマウントされた半導体レーザ素子１０３と、基板１０１上に直接マウントされたフォトダイオード１０４と、フォトダイオード１０４上に接着剤などで固定されたプリズム１０５とを備えている。
【０００３】
半導体レーザ素子１０３から出射されたレーザ光１０６は、プリズム１０５によって上方に向かって反射し、プリズム１０５上方の図示しない光ファイバ内を伝播して相手側に到達する。
光ファイバから出た相手側からのレーザ光は、その一部１０７がプリズム１０５で反射し、次いでプリズム１０５を透過してフォトダイオード１０４で受光される。
このような一芯双方向通信システムの光半導体装置により、一芯双方通信が可能となる。
【０００４】
また、特開平９−４５９９５号公報は、一芯双方通信の一つの応用例として、面発光半導体レーザ素子と受光素子とを集積した光信号送受信装置を開示し、アライメントが簡単で、バーコードリーダーや光学記録再生装置の光学ピックアップに適用できる光信号送受信装置であるとしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−４５９９５号公報（第３頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の一芯双方向通信システムの光信号送受信装置では、半導体レーザ素子１０３から出射されたレーザ光１０６がプリズム１０５で上方に向かって反射して光ファイバに入射し、相手側に到達するように、かつ、光ファイバから出た相手側からのレーザ光の一部１０７がプリズム１０５を透過してフォトダイオード１０４で到達するように、半導体レーザ素子１０３、プリズム１０５、及びフォトダイオード１０４を基板１０１上に配置することが必要である。
しかし、上述の機能を果たすように、基板１０１上の所定位置に、サブマウント１０２を介して半導体レーザ素子１０３をマウントし、フォトダイオード１０４を直接マウントし、またフォトダイオード１０４を介してプリズム１０５をマウントするという光学アライメントは、実際には極めて難しい。
その結果、高信頼性の光信号送受信装置を低コストで製造することが難しかった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、一芯双方向通信システムに使用する信頼性の高い光信号送受信装置として機能し、しかも経済的に製造できる構成の光半導体装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る光半導体装置（以下、第１の発明と言う）は、一芯の光ファイバを用いた双方向通信システムの光信号送受信装置を構成する光半導体装置であって、
光信号送信素子として設けられ、ポスト状の積層構造を有する面発光半導体レーザ素子と、
光信号受信素子として素子分離領域を介して面発光半導体レーザ素子の周囲に環状の積層構造を有して設けられ、積層構造上の環状の受光面を面発光半導体レーザ素子の積層構造上の出射面と同じ平面に有する受光素子と
を共通の半導体基板上に備え、
受光素子の径が、光半導体装置に光結合される光ファイバのコアの径より小さいことを特徴としている。
【０００９】
素子分離領域は、素子同士を電気的に分離する領域であって、物理的な分離溝でも、また分離溝を誘電体層、例えばポリイミド樹脂層で埋め込んだ分離領域でも良い。
第１の発明の好適な実施態様では、面発光半導体レーザ素子及び受光素子のそれぞれの一方の電極が共通電極として半導体基板の裏面に設けられ、
面発光半導体レーザ素子の他方の電極が面発光半導体レーザ素子の積層構造上に環状に設けられ、絶縁膜を介して受光素子上に延在する引出し電極によって引き出され、
受光素子の他方の電極が受光素子の受光面の周辺部に環状に設けられている。
【００１０】
また、本発明に係る別の光半導体装置（以下、第２の発明と言う）は、一芯の光ファイバを用いた双方向通信システムの光信号送受信装置を構成する光半導体装置であって、
光信号受信素子として半導体基板上に積層構造を有して設けられた受光素子と、
光信号送信素子として受光素子の積層構造上の中央領域に設けられ、受光素子の径より小さい径のポスト状の積層構造を有する面発光半導体レーザ素子と
を備え、
面発光半導体レーザ素子の領域を除く受光素子の積層構造上の領域が受光面を構成し、
受光素子の径が、光半導体装置に光結合される光ファイバのコアの径より小さいことを特徴としている。
【００１１】
第２の発明の好適な実施態様では、受光素子の一方の電極が半導体基板の裏面に、他方の電極が受光素子の積層構造上の受光面の周辺部に設けられ、
面発光半導体レーザ素子の一方の電極が面発光半導体レーザ素子の積層構造上に環状に設けられ、他方の電極が面発光半導体レーザ素子の積層構造から外方に受光素子の積層構造上に延在する面発光半導体レーザ素子の積層構造の下部層上に設けられている。
【００１２】
また、本発明に係る更に別の光半導体装置（以下、第３の発明と言う）は、一芯の光ファイバを用いた双方向通信システムの光信号送受信装置を構成する光半導体装置であって、
光信号送信素子として設けられ、半導体基板上にポスト状の積層構造を有する面発光半導体レーザ素子と、
面発光半導体レーザ素子の積層構造上に設けられ、面発光半導体レーザ素子の積層構造上の出射面を露出させる開口を中央に有する受光素子と
を備え、
受光素子の径が、光半導体装置に光結合される光ファイバのコアの径より小さいことを特徴としている。
【００１３】
第１から第３の発明で、受光素子は、例えばフォトダイオードである。また、フォトダイオードとして面発光半導体レーザ素子の発振波長のレーザ光を受光できるフォトダイオードを設けることもできる。これにより、一芯の光ファイバ等を使って双方向通信を行う一芯双方向通信システムの光信号送受信装置を実現することができる。
【００１４】
第１から第３の発明に係る光半導体装置は、プリズムを必要としないモノリシック構造で集積されているので、従来のような光学的アライメントが不要になり、光ファイバとの光結合が容易で、信頼性が高く、しかも経済的に作製することができる。
これにより、光信号送受信装置の小型化が可能となり、例えば一芯双方向通信が可能な超小型トランシーバーを実現することができる。
【００１５】
第１から第３の発明に係る光半導体装置の積層構造を構成する層構造、半導体基板、化合物半導体の組成等には制約はない。例えば、ＩＩＩ −Ｖ族化合物半導体、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系で形成された光半導体装置、特に面発光半導体レーザ素子がＧａＩｎＮＡｓ系で、フォトダイオードがＧａＩｎＡｓ系で形成された光半導体装置に好適に適用できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照して、実施形態例に基づいて本発明をより詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示した素子の層構造、導電型、膜種、膜厚、成膜方法、その他寸法等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、本発明はこれら例示に限定されるものではない。
実施形態例１
本実施形態例は第１の発明に係る光半導体装置の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の光半導体装置の構成を示す断面図、図２は本実施形態例の光半導体装置の作用を説明する模式的斜視図である。
本実施形態例の光半導体装置３００は、図１及び図２に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に、面発光半導体レーザ素子３２０と、数ミクロン程度の幅の素子分離領域３２２を介して、面発光半導体レーザ素子３２０の周りに集積して設けられたフォトダイオード３２４とを備えている。
【００１７】
面発光半導体レーザ素子３２０は、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に形成された、ｎ−ＤＢＲミラー３０２、活性領域３０３、及びｐ−ＤＢＲミラー３０４からなるポスト型の円柱状積層構造３０５として形成され、円柱状積層構造の側壁は、ＳｉＯ２ などの絶縁膜３０６で被覆されている。
ｎ−ＤＢＲミラー３０２及びｐ−ＤＢＲミラー３０４は、それぞれ、例えばＡｌ０．１ ＧａＡｓとＡｌ０．９５ＧａＡｓの２層を交互に２０〜３０周期程度積層させた反射膜ミラーとして構成されている。また、活性領域３０３は、ＧａＡｓ層をウエル、及びＡｌ０．３ ＧａＡｓ層をバリアとする多重量子井戸構造として構成されている。
【００１８】
フォトダイオード３２４は、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に形成され、環状の素子分離領域３２２を介して面発光半導体レーザ素子３２０のポスト状積層構造を取り巻くｉ−ＧａＡｓ層３０７及びｐ−ＧａＡｓ層３０８の環状積層構造として構成されている。
フォトダイオード３２４の径は、図２に示すように、光半導体装置３００に光結合される光ファイバのコアの径より小さい。
【００１９】
素子分離領域３２２は、面発光半導体レーザ素子３２０とフォトダイオード３２４との間の環状分離溝をポリイミド樹脂層３１０で埋め込んだ構成になっていて、フォトダイオード３２４の暗電流を低減させると共に、面発光型半導体レーザ素子３２０及びフォトダイオード３２４の双方のクロストークを低減させるために設けてある。
【００２０】
面発光半導体レーザ素子３２０のｐ−ＤＢＲミラー３０４上には面発光半導体レーザ素子３２０の環状のｐ側電極３１２が設けられ、フォトダイオード３２４のｐ−ＧａＡｓ層３０８上にはフォトダイオード３２４のｐ側電極３１４が設けられている。また、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１の裏面には、面発光半導体レーザ素子３２０及びフォトダイオード３２４のｎ側電極として共通電極３１３が設けられている。
更に、素子分離領域３２２上及びフォトダイオード３２４のｐ−ＧａＡｓ層３０８上には、ＳｉＯ２ などの絶縁膜３１１が成膜され、面発光半導体レーザ素子３２０のｐ側電極３１２は、絶縁膜３１１を介してフォトダイオード３２４上に設けられた引出し線３１５により引出し電極３１６（図２参照）に接続されている。
【００２１】
図２を参照して、本実施形態例の光半導体装置３００の作用を説明する。図１は本実施形態例の光半導体装置３００の作用を説明する模式的斜視図である。
光半導体装置３００では、、面発光型半導体レーザ素子３２０から出射されたレーザ光３２６は、光ファイバ３２８のコア３３０に入射して伝播し、相手側に到達する。
一方、相手側から送られて来るレーザ光は、コア３３０の領域に広がりつつ伝播して、広がったレーザ光３３２はフォトダイオード３２４に到達して受光される。図２中、３１７は、フォトダイオード３２４のｐ側電極３１４の引出し電極としてフォトダイオード３２４の外側に設けられた電極である。
【００２２】
このように、本実施形態例の光半導体装置３００では、発光素子である面発光半導体レーザ素子及び受光素子であるフォトダイオードがモノリシックに集積されているので、素子同士の光学アライメントが不要になり、光ファイバとの光結合が容易である。よって、光信号送受信装置の小型化が可能となり、例えば一芯双方向通信が可能な超小型トランシーバーを実現することができる。
【００２３】
次に、図３から図５を参照して、実施形態例１の光半導体装置３００の製造方法を説明する。図３（ａ）から（ｃ）、図４（ｄ）から（ｆ）、及び図５（ｇ）から（ｉ）は、それぞれ、実施形態例１の光半導体装置３００を製造する際の各工程の基板断面図である。
先ず、図３（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１を用意し、図３（ｂ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に、ＭＯＣＶＤ法などの結晶成長方法により所要の化合物半導体層をエピタキシャル成長させ、ｎ−ＤＢＲミラー３０２、活性領域３０３、及びｐ−ＤＢＲミラー３０４からなる面発光半導体レーザ素子を構成する積層構造を形成する。
次に、図３（ｃ）に示すように、ウエットエッチング法又はドライエッチング法によって積層構造をエッチングして、円柱状積層構造３０５を形成する。
【００２４】
次いで、図４（ｄ）に示すように、円柱状積層構造３０５上にＳｉＯ２ などの絶縁膜３０６を成膜して、円柱状積層構造３０５の上面及び側面を被覆する。
次に、円柱状積層構造３０５を形成したｎ−ＧａＡｓ基板３０１を成長装置に導入し、図４（ｅ）に示すように、選択成長法により、円柱状積層構造３０５の周りのｎ−ＧａＡｓ基板３０１上にｉ−ＧａＡｓ層３０７及びｐ−ＧａＡｓ層３０８を選択成長させ、フォトダイオード３２４の積層構造を形成する。
続いて、選択成長させたｉ−ＧａＡｓ層３０７及びｐ−ＧａＡｓ層３０８の積層構造をｎ−ＧａＡｓ基板３０１までエッチングして、図４（ｆ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１を露出させた、幅数ミクロン程度の環状の分離溝３０９を面発光半導体レーザ素子３２０の円柱状積層構造３０５とフォトダイオード３２４の環状積層構造との間に形成する。
【００２５】
次いで、図５（ｇ）に示すように、分離溝３０９をポリイミド樹脂層３１０で埋め込み、素子分離領域３２２を形成する。
次に、図５（ｈ）で示すように、基板全面にＳｉＯ２ などの絶縁膜を成膜し、続いてパターニングして、円柱状積層構造３０５上、素子分離領域３２２上、及びｐ−ＧａＡｓ層３０８上の所要領域に絶縁膜３１１を設ける。
【００２６】
続いて、円柱状積層構造３０５上の絶縁膜３１１及び絶縁膜３０６を除去して、ｐ−ＤＢＲミラー３０４上に面発光半導体レーザ素子３２０のｐ側電極３１２を設け、ｐ−ＧａＡｓ層３０８上の絶縁膜３１１を除去して、フォトダイオード３２４の受光面を設けると共にｐ側電極３１４を設ける。
また、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１の裏面に、面発光半導体レーザ素子３２０及びフォトダイオード３２４のｎ側電極として共通電極３１３を設ける。
更に、素子分離領域３２２上及びフォトダイオード３２４のｐ−ＧａＡｓ層３０８上に絶縁膜３１１を介して面発光半導体レーザ素子３２０のｐ側電極３１２の引出し線３１５を設け、フォトダイオード３２４の外側に引出し線３１５に接続する引出し電極３１６（図２参照）を設ける。また、フォトダイオード３２４の外側にフォトダイオード３２４のｐ側電極３１４の引出し電極３１７（図２参照）を設ける。
【００２７】
実施形態例２
本実施形態例は第２の発明に係る光半導体装置の実施形態の一例であって、図６は本実施形態例の光半導体装置の構成を示す断面図である。
本実施形態例の光半導体装置４００は、図６に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板４０１上に形成されたフォトダイオード４２０と、フォトダイオード４２０上に形成された面発光半導体レーザ素子４２２とを備えている。
【００２８】
フォトダイオード４２０は、ｎ−ＧａＡｓ基板４０１に形成されたｉ−ＧａＡｓ層４０２及びｐ−ＧａＡｓ層４０３の積層構造として構成され、ｐ−ＧａＡｓ層４０３の周辺部にｐ側電極４１１を、ｎ−ＧａＡｓ基板４０１の裏面にｎ側電極４１２を備えている。
フォトダイオード４２０の積層構造の径は、光半導体装置４００に光結合される光ファイバのコアの径より小さい。
【００２９】
面発光半導体レーザ素子４２２は、フォトダイオード４２０のｐ−ＧａＡｓ層４０３上に形成された、ｎ−ＤＢＲミラー４０４、活性領域４０５、及びｐ−ＤＢＲミラー４０６からなるポスト型で、フォトダイオード４０２の積層構造の径より小さい円柱状積層構造４０７として形成されている。
円柱状積層構造４０７は、その半周にわたりポリイミド樹脂層４０８で埋め込まれている。尚、ポリイミド樹脂層４０８で埋め込む代わりに、絶縁膜等で円柱状積層構造４０７の側壁を被覆しても良い。
ｎ−ＤＢＲミラー４０４及びｐ−ＤＢＲミラー４０６は、それぞれ、例えばＡｌ０．１ ＧａＡｓとＡｌ０．９５ＧａＡｓの２層を交互に２０〜３０周期程度積層させた反射膜ミラーとして構成されている。また、活性領域４０５は、ＧａＡｓ層をウエル、及びＡｌ０．３ ＧａＡｓ層をバリアとする多重量子井戸構造として構成されている。
【００３０】
面発光半導体レーザ素子４２２のｐ−ＤＢＲミラー４０６上及びポリイミド樹脂層４０８上には面発光半導体レーザ素子４２２の環状のｐ側電極及び引出し電極４０９が設けられ、フォトダイオード４２０のｐ−ＧａＡｓ層４０３上に延在するｎ−ＤＢＲミラー４０４の下部層４０４ａ上に面発光半導体レーザ素子４２２のｎ側電極４１０が設けられている。
ポリイミド樹脂層４０８を含む面発光半導体レーザ素子４２２の領域を除くフォトダイオード４２０の積層構造上の領域が受光面を構成している。
【００３１】
このように、本実施形態例の光半導体装置４００では、発光素子である面発光半導体レーザ素子及び受光素子であるフォトダイオードがモノリシックに集積されているので、素子同士の光学アライメントが不要になり、光ファイバとの光結合が容易である。よって、光信号送受信装置の小型化が可能となり、例えば一芯双方向通信が可能な超小型トランシーバーを実現することができる。
【００３２】
図７及び図８を参照して、実施形態例２の光半導体装置４００の製造方法を説明する。図７（ａ）と（ｂ）、及び図８（ｃ）と（ｄ）は、それぞれ、実施形態例２の光半導体装置を製造する際の各工程の基板断面図である。
先ず、図７（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板４０１上に、ＭＯＣＶＤ法などの結晶成長方法によりｉ−ＧａＡｓ層４０２及びｐ−ＧａＡｓ層４０３をエピタキシャル成長させ、フォトダイオード４２０の積層構造を形成する。
続いて、図７（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＡｓ層４０３上に、ＭＯＣＶＤ法等により所要の化合物半導体層をエピタキシャル成長させて、ｎ−ＤＢＲミラー４０４、活性領域４０２、及びｐ−ＤＢＲミラー４０６からなる面発光型半導体レーザ素子４２２の積層構造を形成する。
【００３３】
次いで、図８（ｃ）に示すように、ｎ−ＤＢＲミラー４０４の下部層４０４ａを残すようにして、エッチングを行い、面発光半導体レーザ素子４２２を構成する円柱状積層構造４０７を形成する。
次いで、図８（ｄ）に示すように、半周にわたり円柱状積層構造４０７をポリイミド樹脂層４０８で埋め込む。続いて、面発光半導体レーザ素子４２２のｐ−ＤＢＲミラー４０６上及びポリイミド樹脂層４０８上に面発光半導体レーザ素子３２２の環状のｐ側電極及び引出し電極４０９を設け、フォトダイオード４２０のｐ−ＧａＡｓ層４０３上に延在するｎ−ＤＢＲミラー４０４の下部層４０４ａ上に面発光半導体レーザ素子３２２のｎ側電極４１０を設ける。
また、フォトダイオード４２０のｐ側電極４１１及びｎ側電極４１２を、それぞれ、ｐ−ＧａＡｓ層４０３の周辺部及びｎ−ＧａＡｓ基板４０１の裏面に設ける。
【００３４】
実施形態例３
本実施形態例は第３の発明に係る光半導体装置の実施形態の一例であって、図９は本実施形態例の光半導体装置の構成を示す断面図である。
本実施形態例の光半導体装置５００は、図９に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板５０１上に形成された面発光半導体レーザ素子５２０と、面発光半導体レーザ素子５２０上に形成されたフォトダイオード５２２とを備えている。
【００３５】
面発光半導体レーザ素子５２０は、ｎ−ＧａＡｓ基板５０１上に形成された、ｎ−ＤＢＲミラー５０２、活性領域５０３、及びｐ−ＤＢＲミラー５０４からなる積層構造として形成されている。
ｎ−ＤＢＲミラー５０２及びｐ−ＤＢＲミラー５０４は、それぞれ、例えばＡｌ０．１ ＧａＡｓとＡｌ０．９５ＧａＡｓの２層を交互に２０〜３０周期程度積層させた反射膜ミラーとして構成されている。また、活性領域５０３は、ＧａＡｓ層をウエル、及びＡｌ０．３ ＧａＡｓ層をバリアとする多重量子井戸構造として構成されている。
【００３６】
フォトダイオード５２２は、面発光半導体レーザ素子５２０のｐ−ＤＢＲミラー５０４上に順次成長させた、ｎ−ＧａＡｓ層５０５、ｉ−ＧａＡｓ層５０６、及びｐ−ＧａＡｓ層５０７からなる積層構造を備えている。
ｐ−ＧａＡｓ層５０６の周辺部にフォトダイオード５２２のｐ側電極５１１が設けられ、また、ｎ−ＧａＡｓ層５０５の一部を露出させるように、積層構造の側壁部が除去され、露出したｎ−ＧａＡｓ層５０５上にｎ側電極５１２が設けられている。
【００３７】
フォトダイオード５２２の積層構造は、中央部に逆円錐台状の開口５０８を備え、面発光半導体レーザ素子５２０のｐ−ＤＢＲミラー５０４を開口底に露出させている。逆円錐台状の開口５２４の開口壁には、絶縁膜５０９が成膜され、かつ開口底でｐ−ＤＢＲミラー５０４に電気的に接続する金属膜が、面発光半導体レーザ素子５２０のｐ側電極及び引出し電極５１０として絶縁膜５０９を介して開口壁上、次いでｐ−ＧａＡｓ層５０７上に延在している。
また、面発光半導体レーザ素子５２０のｎ側電極５１３は、ｎ−ＧａＡｓ基板５０１の裏面に設けられている。
【００３８】
このように、本実施形態例の光半導体装置５００では、発光素子である面発光半導体レーザ素子及び受光素子であるフォトダイオードがモノリシックに集積されているので、素子同士の光学アライメントが不要になり、光ファイバとの光結合が容易である。よって、光信号送受信装置の小型化が可能となり、例えば一芯双方向通信が可能な超小型トランシーバーを実現することができる。
【００３９】
図１０及び図１１を参照して、実施形態例３の光半導体装置の製造方法を説明する。図１０（ａ）と（ｂ）、及び図１１（ｃ）と（ｄ）は、それぞれ、実施形態例３の光半導体装置を製造する際の各工程の基板断面図である。
先ず、図１０（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板５０１上に、ＭＯＣＶＤ法などの結晶成長方法で、所要の化合物半導体層をエピタキシャル成長させ、ｎ−ＤＢＲミラー５０２、活性領域５０３、及びｐ−ＤＢＲミラー５０４からなる面発光半導体レーザ素子５２０の積層構造を形成する。
続いて、面発光半導体レーザ素子５２０のｐ−ＤＢＲミラー５０４上に、ｎ−ＧａＡｓ５０５、ｉ−ＧａＡｓ５０６、ｐ−ＧａＡｓ５０７をエピタキシャル成長させて、フォトダイオード５２２の積層構造を形成する。
【００４０】
次いで、図１１（ｃ）に示すように、フォトダイオード５２２の積層構造を構成するｐ−ＧａＡｓ５０７、ｉ−ＧａＡｓ５０６、及びｎ−ＧａＡｓ５０５をウエットエッチングして、積層構造の中央部に逆円錐台状の開口５０８を形成し、開口５０８の底に面発光半導体レーザ素子５２０のｐ−ＤＢＲミラー５０４を露出させる。
次に、図１１（ｄ）に示すように、ＳｉＯ２ などの絶縁膜５０９を開口５０８の開口壁上に成膜し、更に、開口５０８の開口底のｐ−ＤＢＲミラー５０４上の絶縁膜５０９を除去して、レーザ光の取り出し窓を開ける。続いて、開口底のｐ−ＤＢＲミラー５０４上に面発光型半導体レーザ素子５２０の環状のｐ側電極５１０を形成し、更に絶縁膜５０９上にｐ側電極５１０の引き出し電極を形成する。
また、フォトダイオード５２２の積層構造の一部側壁を除去して、ｎ−ＧａＡｓ５０５上にフォトダイオード５２２のｎ側電極５１２を形成し、ｎ−ＧａＡｓ基板５０１の裏面に面発光半導体レーザ素子５２０のｎ側電極５１３を形成する。
これにより、実施形態例３の光半導体装置５００を作製することができる。
【００４１】
実施形態例２及び３の光半導体装置４００、５００は、１回のエピタキシャル成長工程で面発光半導体レーザ素子とフォトダイオードの積層構造を形成できるという利点を有する。
実施形態例１から３では、ＧａＡｓの量子井戸構造を活性層とし、発振波長が０． ８５μｍ帯の面発光半導体レーザ素子と、０． ８５μｍ帯のレーザ光を受光できるＧａＡｓのフォトダイオードとを備えている。
また、ＧａＩｎＮＡｓの材料系を用いた１． ３μ帯の面発光半導体レーザ素子と、ＧａＩｎＡｓを用いたフォトダイオードとの組み合わせでも良い。但し、ＧａＩｎＡｓの場合、ＧａＡｓとの格子不整合が数％程度あるため、ＧａＡｓ基板あるいは、面発光型半導体レーザ素子との界面にバッファー層などを導入することが好ましい。
更には、ＩｎＰ基板を用いたＩｎＧａＡｓＰ 系の材料の組み合わせの光半導体装置にも、本発明を適用することができる。
【００４２】
【発明の効果】
第１の発明によれば、ポスト状の積層構造を有する面発光半導体レーザ素子と、面発光半導体レーザ素子を環状に取り巻く積層構造を有するフォトダイオードとが、モノリシック構造で共通基板上に集積されているので、従来のような光学アライメントが不要になり、信頼性が高く、しかも経済的に作製することができる光半導体装置を実現している。
第２の発明によれば、フォトダイオードと、フォトダイオード上に形成されたポスト状の積層構造を有する面発光半導体レーザ素子とが、モノリシック構造で集積されているので、従来のような光学アライメントが不要になり、信頼性が高く、しかも経済的に作製することができる光半導体装置を実現している。
第３の発明によれば、ポスト状の積層構造を有する面発光半導体レーザ素子と、面発光半導体レーザ素子上に形成されたフォトダイオードとが、モノリシック構造で集積されているので、従来のような光学アライメントが不要になり、信頼性が高く、しかも経済的に作製することができる光半導体装置を実現している。
第１から第３の発明に係る光半導体装置を一芯の光ファイバを用いた双方向通信システムの光信号送受信装置に適用することにより、例えば超小型のトランシーバーを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の光半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】実施形態例１の光半導体装置の作用を説明する模式的斜視図である。
【図３】図３（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例１の光半導体装置を製造する際の各工程の基板断面図である。
【図４】図４（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、図３（ｃ）に続いて、実施形態例１の光半導体装置を製造する際の各工程の基板断面図である。
【図５】図５（ｇ）から（ｉ）は、それぞれ、図４（ｆ）に続いて、実施形態例１の光半導体装置を製造する際の各工程の基板断面図である。
【図６】実施形態例２の光半導体装置の構成を示す断面図である。
【図７】図７（ａ）と（ｂ）は、それぞれ、実施形態例２の光半導体装置を製造する際の各工程の基板断面図である。
【図８】図８（ｃ）と（ｄ）は、それぞれ、図７（ｂ）に続いて、実施形態例２の光半導体装置を製造する際の各工程の基板断面図である。
【図９】実施形態例３の光半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１０】図１０（ａ）と（ｂ）は、それぞれ、実施形態例３の光半導体装置を製造する際の各工程の基板断面図である。
【図１１】図１１（ｃ）と（ｄ）は、それぞれ、図１０（ｂ）に続いて、実施形態例３の光半導体装置を製造する際の各工程の基板断面図である。
【図１２】従来の光信号送受信装置の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
３００……実施形態例１の光半導体装置、３０１……ｎ−ＧａＡｓ基板、３０２……ｎ−ＤＢＲミラー、３０３……活性領域、３０４……ｐ−ＤＢＲミラー、３０５……ポスト型の円柱状積層構造、３０６……ＳｉＯ２ などの絶縁膜、３０７……ｉ−ＧａＡｓ層、３０８……ｐ−ＧａＡｓ層、３１０……ポリイミド樹脂層、３１１……絶縁膜、３１２……面発光半導体レーザ素子のｐ側電極、３１３……共通電極、３１４……フォトダイオードのｐ側電極、３１５……引出し線、３１６……引出し電極、３１７……引出し電極、３２０……面発光半導体レーザ素子、３２２……素子分離領域、３２４……フォトダイオード、３２６……レーザ光、３２８……光ファイバ、３３０……コア、３３２……レーザ光、４００……実施形態例２の光半導体装置、４０１……ｎ−ＧａＡｓ基板、４０２……ｉ−ＧａＡｓ層、４０３……ｐ−ＧａＡｓ層、４０４……ｎ−ＤＢＲミラー、４０５……活性領域、４０６……ｐ−ＤＢＲミラー、４０７……円柱状積層構造、４０８……ポリイミド樹脂層、４０９……面発光半導体レーザ素子のｐ側電極及び引出し電極、４１０……面発光半導体レーザ素子のｎ側電極、４１１……フォトダイオードのｐ側電極、４１２……フォトダイオードのｎ側電極、４２０……フォトダイオード、４２２……面発光半導体レーザ素子、５００……実施形態例３の光半導体装置、５０１……ｎ−ＧａＡｓ基板、５０２……ｎ−ＤＢＲミラー、５０３……活性領域、５０４……ｐ−ＤＢＲミラー、５０５……ｎ−ＧａＡｓ層、５０６……ｉ−ＧａＡｓ層、５０７……ｐ−ＧａＡｓ層、５０８……逆円錐台状の開口、５０９……絶縁膜、５１０……面発光半導体レーザ素子のｐ側電極及び引出し電極、５１１……フォトダイオードのｐ側電極、５１２……フォトダイオードのｎ側電極、５１３……面発光半導体レーザ素子のｎ側電極、５２０……面発光半導体レーザ素子、５２２……フォトダイオード。
【発明の属する技術分野】
本発明は、一芯の光ファイバを用いた双方向通信システムの光信号送受信装置を構成する光半導体装置に関し、更に詳細には、光ファイバとの光学アライメントが容易な構成を有するモノリシックに集積された光半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、一芯の光ファイバ等を使って双方向通信を行う一芯双方向通信システムが実用化され、盛んに応用されている。
ここで、図１２を参照して、従来の一芯双方向通信システムの光信号送受信装置の構成を説明する。図１２は、従来の一芯双方向通信システムの光信号送受信装置の構成を示す模式図である。
従来の一芯双方向通信システムの光信号送受信装置は、図１２に示すように、所要の電気配線を備えた基板１０１の上にサブマウント１０２を介してマウントされた半導体レーザ素子１０３と、基板１０１上に直接マウントされたフォトダイオード１０４と、フォトダイオード１０４上に接着剤などで固定されたプリズム１０５とを備えている。
【０００３】
半導体レーザ素子１０３から出射されたレーザ光１０６は、プリズム１０５によって上方に向かって反射し、プリズム１０５上方の図示しない光ファイバ内を伝播して相手側に到達する。
光ファイバから出た相手側からのレーザ光は、その一部１０７がプリズム１０５で反射し、次いでプリズム１０５を透過してフォトダイオード１０４で受光される。
このような一芯双方向通信システムの光半導体装置により、一芯双方通信が可能となる。
【０００４】
また、特開平９−４５９９５号公報は、一芯双方通信の一つの応用例として、面発光半導体レーザ素子と受光素子とを集積した光信号送受信装置を開示し、アライメントが簡単で、バーコードリーダーや光学記録再生装置の光学ピックアップに適用できる光信号送受信装置であるとしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−４５９９５号公報（第３頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の一芯双方向通信システムの光信号送受信装置では、半導体レーザ素子１０３から出射されたレーザ光１０６がプリズム１０５で上方に向かって反射して光ファイバに入射し、相手側に到達するように、かつ、光ファイバから出た相手側からのレーザ光の一部１０７がプリズム１０５を透過してフォトダイオード１０４で到達するように、半導体レーザ素子１０３、プリズム１０５、及びフォトダイオード１０４を基板１０１上に配置することが必要である。
しかし、上述の機能を果たすように、基板１０１上の所定位置に、サブマウント１０２を介して半導体レーザ素子１０３をマウントし、フォトダイオード１０４を直接マウントし、またフォトダイオード１０４を介してプリズム１０５をマウントするという光学アライメントは、実際には極めて難しい。
その結果、高信頼性の光信号送受信装置を低コストで製造することが難しかった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、一芯双方向通信システムに使用する信頼性の高い光信号送受信装置として機能し、しかも経済的に製造できる構成の光半導体装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る光半導体装置（以下、第１の発明と言う）は、一芯の光ファイバを用いた双方向通信システムの光信号送受信装置を構成する光半導体装置であって、
光信号送信素子として設けられ、ポスト状の積層構造を有する面発光半導体レーザ素子と、
光信号受信素子として素子分離領域を介して面発光半導体レーザ素子の周囲に環状の積層構造を有して設けられ、積層構造上の環状の受光面を面発光半導体レーザ素子の積層構造上の出射面と同じ平面に有する受光素子と
を共通の半導体基板上に備え、
受光素子の径が、光半導体装置に光結合される光ファイバのコアの径より小さいことを特徴としている。
【０００９】
素子分離領域は、素子同士を電気的に分離する領域であって、物理的な分離溝でも、また分離溝を誘電体層、例えばポリイミド樹脂層で埋め込んだ分離領域でも良い。
第１の発明の好適な実施態様では、面発光半導体レーザ素子及び受光素子のそれぞれの一方の電極が共通電極として半導体基板の裏面に設けられ、
面発光半導体レーザ素子の他方の電極が面発光半導体レーザ素子の積層構造上に環状に設けられ、絶縁膜を介して受光素子上に延在する引出し電極によって引き出され、
受光素子の他方の電極が受光素子の受光面の周辺部に環状に設けられている。
【００１０】
また、本発明に係る別の光半導体装置（以下、第２の発明と言う）は、一芯の光ファイバを用いた双方向通信システムの光信号送受信装置を構成する光半導体装置であって、
光信号受信素子として半導体基板上に積層構造を有して設けられた受光素子と、
光信号送信素子として受光素子の積層構造上の中央領域に設けられ、受光素子の径より小さい径のポスト状の積層構造を有する面発光半導体レーザ素子と
を備え、
面発光半導体レーザ素子の領域を除く受光素子の積層構造上の領域が受光面を構成し、
受光素子の径が、光半導体装置に光結合される光ファイバのコアの径より小さいことを特徴としている。
【００１１】
第２の発明の好適な実施態様では、受光素子の一方の電極が半導体基板の裏面に、他方の電極が受光素子の積層構造上の受光面の周辺部に設けられ、
面発光半導体レーザ素子の一方の電極が面発光半導体レーザ素子の積層構造上に環状に設けられ、他方の電極が面発光半導体レーザ素子の積層構造から外方に受光素子の積層構造上に延在する面発光半導体レーザ素子の積層構造の下部層上に設けられている。
【００１２】
また、本発明に係る更に別の光半導体装置（以下、第３の発明と言う）は、一芯の光ファイバを用いた双方向通信システムの光信号送受信装置を構成する光半導体装置であって、
光信号送信素子として設けられ、半導体基板上にポスト状の積層構造を有する面発光半導体レーザ素子と、
面発光半導体レーザ素子の積層構造上に設けられ、面発光半導体レーザ素子の積層構造上の出射面を露出させる開口を中央に有する受光素子と
を備え、
受光素子の径が、光半導体装置に光結合される光ファイバのコアの径より小さいことを特徴としている。
【００１３】
第１から第３の発明で、受光素子は、例えばフォトダイオードである。また、フォトダイオードとして面発光半導体レーザ素子の発振波長のレーザ光を受光できるフォトダイオードを設けることもできる。これにより、一芯の光ファイバ等を使って双方向通信を行う一芯双方向通信システムの光信号送受信装置を実現することができる。
【００１４】
第１から第３の発明に係る光半導体装置は、プリズムを必要としないモノリシック構造で集積されているので、従来のような光学的アライメントが不要になり、光ファイバとの光結合が容易で、信頼性が高く、しかも経済的に作製することができる。
これにより、光信号送受信装置の小型化が可能となり、例えば一芯双方向通信が可能な超小型トランシーバーを実現することができる。
【００１５】
第１から第３の発明に係る光半導体装置の積層構造を構成する層構造、半導体基板、化合物半導体の組成等には制約はない。例えば、ＩＩＩ −Ｖ族化合物半導体、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系で形成された光半導体装置、特に面発光半導体レーザ素子がＧａＩｎＮＡｓ系で、フォトダイオードがＧａＩｎＡｓ系で形成された光半導体装置に好適に適用できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照して、実施形態例に基づいて本発明をより詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示した素子の層構造、導電型、膜種、膜厚、成膜方法、その他寸法等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、本発明はこれら例示に限定されるものではない。
実施形態例１
本実施形態例は第１の発明に係る光半導体装置の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の光半導体装置の構成を示す断面図、図２は本実施形態例の光半導体装置の作用を説明する模式的斜視図である。
本実施形態例の光半導体装置３００は、図１及び図２に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に、面発光半導体レーザ素子３２０と、数ミクロン程度の幅の素子分離領域３２２を介して、面発光半導体レーザ素子３２０の周りに集積して設けられたフォトダイオード３２４とを備えている。
【００１７】
面発光半導体レーザ素子３２０は、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に形成された、ｎ−ＤＢＲミラー３０２、活性領域３０３、及びｐ−ＤＢＲミラー３０４からなるポスト型の円柱状積層構造３０５として形成され、円柱状積層構造の側壁は、ＳｉＯ２ などの絶縁膜３０６で被覆されている。
ｎ−ＤＢＲミラー３０２及びｐ−ＤＢＲミラー３０４は、それぞれ、例えばＡｌ０．１ ＧａＡｓとＡｌ０．９５ＧａＡｓの２層を交互に２０〜３０周期程度積層させた反射膜ミラーとして構成されている。また、活性領域３０３は、ＧａＡｓ層をウエル、及びＡｌ０．３ ＧａＡｓ層をバリアとする多重量子井戸構造として構成されている。
【００１８】
フォトダイオード３２４は、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に形成され、環状の素子分離領域３２２を介して面発光半導体レーザ素子３２０のポスト状積層構造を取り巻くｉ−ＧａＡｓ層３０７及びｐ−ＧａＡｓ層３０８の環状積層構造として構成されている。
フォトダイオード３２４の径は、図２に示すように、光半導体装置３００に光結合される光ファイバのコアの径より小さい。
【００１９】
素子分離領域３２２は、面発光半導体レーザ素子３２０とフォトダイオード３２４との間の環状分離溝をポリイミド樹脂層３１０で埋め込んだ構成になっていて、フォトダイオード３２４の暗電流を低減させると共に、面発光型半導体レーザ素子３２０及びフォトダイオード３２４の双方のクロストークを低減させるために設けてある。
【００２０】
面発光半導体レーザ素子３２０のｐ−ＤＢＲミラー３０４上には面発光半導体レーザ素子３２０の環状のｐ側電極３１２が設けられ、フォトダイオード３２４のｐ−ＧａＡｓ層３０８上にはフォトダイオード３２４のｐ側電極３１４が設けられている。また、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１の裏面には、面発光半導体レーザ素子３２０及びフォトダイオード３２４のｎ側電極として共通電極３１３が設けられている。
更に、素子分離領域３２２上及びフォトダイオード３２４のｐ−ＧａＡｓ層３０８上には、ＳｉＯ２ などの絶縁膜３１１が成膜され、面発光半導体レーザ素子３２０のｐ側電極３１２は、絶縁膜３１１を介してフォトダイオード３２４上に設けられた引出し線３１５により引出し電極３１６（図２参照）に接続されている。
【００２１】
図２を参照して、本実施形態例の光半導体装置３００の作用を説明する。図１は本実施形態例の光半導体装置３００の作用を説明する模式的斜視図である。
光半導体装置３００では、、面発光型半導体レーザ素子３２０から出射されたレーザ光３２６は、光ファイバ３２８のコア３３０に入射して伝播し、相手側に到達する。
一方、相手側から送られて来るレーザ光は、コア３３０の領域に広がりつつ伝播して、広がったレーザ光３３２はフォトダイオード３２４に到達して受光される。図２中、３１７は、フォトダイオード３２４のｐ側電極３１４の引出し電極としてフォトダイオード３２４の外側に設けられた電極である。
【００２２】
このように、本実施形態例の光半導体装置３００では、発光素子である面発光半導体レーザ素子及び受光素子であるフォトダイオードがモノリシックに集積されているので、素子同士の光学アライメントが不要になり、光ファイバとの光結合が容易である。よって、光信号送受信装置の小型化が可能となり、例えば一芯双方向通信が可能な超小型トランシーバーを実現することができる。
【００２３】
次に、図３から図５を参照して、実施形態例１の光半導体装置３００の製造方法を説明する。図３（ａ）から（ｃ）、図４（ｄ）から（ｆ）、及び図５（ｇ）から（ｉ）は、それぞれ、実施形態例１の光半導体装置３００を製造する際の各工程の基板断面図である。
先ず、図３（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１を用意し、図３（ｂ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に、ＭＯＣＶＤ法などの結晶成長方法により所要の化合物半導体層をエピタキシャル成長させ、ｎ−ＤＢＲミラー３０２、活性領域３０３、及びｐ−ＤＢＲミラー３０４からなる面発光半導体レーザ素子を構成する積層構造を形成する。
次に、図３（ｃ）に示すように、ウエットエッチング法又はドライエッチング法によって積層構造をエッチングして、円柱状積層構造３０５を形成する。
【００２４】
次いで、図４（ｄ）に示すように、円柱状積層構造３０５上にＳｉＯ２ などの絶縁膜３０６を成膜して、円柱状積層構造３０５の上面及び側面を被覆する。
次に、円柱状積層構造３０５を形成したｎ−ＧａＡｓ基板３０１を成長装置に導入し、図４（ｅ）に示すように、選択成長法により、円柱状積層構造３０５の周りのｎ−ＧａＡｓ基板３０１上にｉ−ＧａＡｓ層３０７及びｐ−ＧａＡｓ層３０８を選択成長させ、フォトダイオード３２４の積層構造を形成する。
続いて、選択成長させたｉ−ＧａＡｓ層３０７及びｐ−ＧａＡｓ層３０８の積層構造をｎ−ＧａＡｓ基板３０１までエッチングして、図４（ｆ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１を露出させた、幅数ミクロン程度の環状の分離溝３０９を面発光半導体レーザ素子３２０の円柱状積層構造３０５とフォトダイオード３２４の環状積層構造との間に形成する。
【００２５】
次いで、図５（ｇ）に示すように、分離溝３０９をポリイミド樹脂層３１０で埋め込み、素子分離領域３２２を形成する。
次に、図５（ｈ）で示すように、基板全面にＳｉＯ２ などの絶縁膜を成膜し、続いてパターニングして、円柱状積層構造３０５上、素子分離領域３２２上、及びｐ−ＧａＡｓ層３０８上の所要領域に絶縁膜３１１を設ける。
【００２６】
続いて、円柱状積層構造３０５上の絶縁膜３１１及び絶縁膜３０６を除去して、ｐ−ＤＢＲミラー３０４上に面発光半導体レーザ素子３２０のｐ側電極３１２を設け、ｐ−ＧａＡｓ層３０８上の絶縁膜３１１を除去して、フォトダイオード３２４の受光面を設けると共にｐ側電極３１４を設ける。
また、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１の裏面に、面発光半導体レーザ素子３２０及びフォトダイオード３２４のｎ側電極として共通電極３１３を設ける。
更に、素子分離領域３２２上及びフォトダイオード３２４のｐ−ＧａＡｓ層３０８上に絶縁膜３１１を介して面発光半導体レーザ素子３２０のｐ側電極３１２の引出し線３１５を設け、フォトダイオード３２４の外側に引出し線３１５に接続する引出し電極３１６（図２参照）を設ける。また、フォトダイオード３２４の外側にフォトダイオード３２４のｐ側電極３１４の引出し電極３１７（図２参照）を設ける。
【００２７】
実施形態例２
本実施形態例は第２の発明に係る光半導体装置の実施形態の一例であって、図６は本実施形態例の光半導体装置の構成を示す断面図である。
本実施形態例の光半導体装置４００は、図６に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板４０１上に形成されたフォトダイオード４２０と、フォトダイオード４２０上に形成された面発光半導体レーザ素子４２２とを備えている。
【００２８】
フォトダイオード４２０は、ｎ−ＧａＡｓ基板４０１に形成されたｉ−ＧａＡｓ層４０２及びｐ−ＧａＡｓ層４０３の積層構造として構成され、ｐ−ＧａＡｓ層４０３の周辺部にｐ側電極４１１を、ｎ−ＧａＡｓ基板４０１の裏面にｎ側電極４１２を備えている。
フォトダイオード４２０の積層構造の径は、光半導体装置４００に光結合される光ファイバのコアの径より小さい。
【００２９】
面発光半導体レーザ素子４２２は、フォトダイオード４２０のｐ−ＧａＡｓ層４０３上に形成された、ｎ−ＤＢＲミラー４０４、活性領域４０５、及びｐ−ＤＢＲミラー４０６からなるポスト型で、フォトダイオード４０２の積層構造の径より小さい円柱状積層構造４０７として形成されている。
円柱状積層構造４０７は、その半周にわたりポリイミド樹脂層４０８で埋め込まれている。尚、ポリイミド樹脂層４０８で埋め込む代わりに、絶縁膜等で円柱状積層構造４０７の側壁を被覆しても良い。
ｎ−ＤＢＲミラー４０４及びｐ−ＤＢＲミラー４０６は、それぞれ、例えばＡｌ０．１ ＧａＡｓとＡｌ０．９５ＧａＡｓの２層を交互に２０〜３０周期程度積層させた反射膜ミラーとして構成されている。また、活性領域４０５は、ＧａＡｓ層をウエル、及びＡｌ０．３ ＧａＡｓ層をバリアとする多重量子井戸構造として構成されている。
【００３０】
面発光半導体レーザ素子４２２のｐ−ＤＢＲミラー４０６上及びポリイミド樹脂層４０８上には面発光半導体レーザ素子４２２の環状のｐ側電極及び引出し電極４０９が設けられ、フォトダイオード４２０のｐ−ＧａＡｓ層４０３上に延在するｎ−ＤＢＲミラー４０４の下部層４０４ａ上に面発光半導体レーザ素子４２２のｎ側電極４１０が設けられている。
ポリイミド樹脂層４０８を含む面発光半導体レーザ素子４２２の領域を除くフォトダイオード４２０の積層構造上の領域が受光面を構成している。
【００３１】
このように、本実施形態例の光半導体装置４００では、発光素子である面発光半導体レーザ素子及び受光素子であるフォトダイオードがモノリシックに集積されているので、素子同士の光学アライメントが不要になり、光ファイバとの光結合が容易である。よって、光信号送受信装置の小型化が可能となり、例えば一芯双方向通信が可能な超小型トランシーバーを実現することができる。
【００３２】
図７及び図８を参照して、実施形態例２の光半導体装置４００の製造方法を説明する。図７（ａ）と（ｂ）、及び図８（ｃ）と（ｄ）は、それぞれ、実施形態例２の光半導体装置を製造する際の各工程の基板断面図である。
先ず、図７（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板４０１上に、ＭＯＣＶＤ法などの結晶成長方法によりｉ−ＧａＡｓ層４０２及びｐ−ＧａＡｓ層４０３をエピタキシャル成長させ、フォトダイオード４２０の積層構造を形成する。
続いて、図７（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＡｓ層４０３上に、ＭＯＣＶＤ法等により所要の化合物半導体層をエピタキシャル成長させて、ｎ−ＤＢＲミラー４０４、活性領域４０２、及びｐ−ＤＢＲミラー４０６からなる面発光型半導体レーザ素子４２２の積層構造を形成する。
【００３３】
次いで、図８（ｃ）に示すように、ｎ−ＤＢＲミラー４０４の下部層４０４ａを残すようにして、エッチングを行い、面発光半導体レーザ素子４２２を構成する円柱状積層構造４０７を形成する。
次いで、図８（ｄ）に示すように、半周にわたり円柱状積層構造４０７をポリイミド樹脂層４０８で埋め込む。続いて、面発光半導体レーザ素子４２２のｐ−ＤＢＲミラー４０６上及びポリイミド樹脂層４０８上に面発光半導体レーザ素子３２２の環状のｐ側電極及び引出し電極４０９を設け、フォトダイオード４２０のｐ−ＧａＡｓ層４０３上に延在するｎ−ＤＢＲミラー４０４の下部層４０４ａ上に面発光半導体レーザ素子３２２のｎ側電極４１０を設ける。
また、フォトダイオード４２０のｐ側電極４１１及びｎ側電極４１２を、それぞれ、ｐ−ＧａＡｓ層４０３の周辺部及びｎ−ＧａＡｓ基板４０１の裏面に設ける。
【００３４】
実施形態例３
本実施形態例は第３の発明に係る光半導体装置の実施形態の一例であって、図９は本実施形態例の光半導体装置の構成を示す断面図である。
本実施形態例の光半導体装置５００は、図９に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板５０１上に形成された面発光半導体レーザ素子５２０と、面発光半導体レーザ素子５２０上に形成されたフォトダイオード５２２とを備えている。
【００３５】
面発光半導体レーザ素子５２０は、ｎ−ＧａＡｓ基板５０１上に形成された、ｎ−ＤＢＲミラー５０２、活性領域５０３、及びｐ−ＤＢＲミラー５０４からなる積層構造として形成されている。
ｎ−ＤＢＲミラー５０２及びｐ−ＤＢＲミラー５０４は、それぞれ、例えばＡｌ０．１ ＧａＡｓとＡｌ０．９５ＧａＡｓの２層を交互に２０〜３０周期程度積層させた反射膜ミラーとして構成されている。また、活性領域５０３は、ＧａＡｓ層をウエル、及びＡｌ０．３ ＧａＡｓ層をバリアとする多重量子井戸構造として構成されている。
【００３６】
フォトダイオード５２２は、面発光半導体レーザ素子５２０のｐ−ＤＢＲミラー５０４上に順次成長させた、ｎ−ＧａＡｓ層５０５、ｉ−ＧａＡｓ層５０６、及びｐ−ＧａＡｓ層５０７からなる積層構造を備えている。
ｐ−ＧａＡｓ層５０６の周辺部にフォトダイオード５２２のｐ側電極５１１が設けられ、また、ｎ−ＧａＡｓ層５０５の一部を露出させるように、積層構造の側壁部が除去され、露出したｎ−ＧａＡｓ層５０５上にｎ側電極５１２が設けられている。
【００３７】
フォトダイオード５２２の積層構造は、中央部に逆円錐台状の開口５０８を備え、面発光半導体レーザ素子５２０のｐ−ＤＢＲミラー５０４を開口底に露出させている。逆円錐台状の開口５２４の開口壁には、絶縁膜５０９が成膜され、かつ開口底でｐ−ＤＢＲミラー５０４に電気的に接続する金属膜が、面発光半導体レーザ素子５２０のｐ側電極及び引出し電極５１０として絶縁膜５０９を介して開口壁上、次いでｐ−ＧａＡｓ層５０７上に延在している。
また、面発光半導体レーザ素子５２０のｎ側電極５１３は、ｎ−ＧａＡｓ基板５０１の裏面に設けられている。
【００３８】
このように、本実施形態例の光半導体装置５００では、発光素子である面発光半導体レーザ素子及び受光素子であるフォトダイオードがモノリシックに集積されているので、素子同士の光学アライメントが不要になり、光ファイバとの光結合が容易である。よって、光信号送受信装置の小型化が可能となり、例えば一芯双方向通信が可能な超小型トランシーバーを実現することができる。
【００３９】
図１０及び図１１を参照して、実施形態例３の光半導体装置の製造方法を説明する。図１０（ａ）と（ｂ）、及び図１１（ｃ）と（ｄ）は、それぞれ、実施形態例３の光半導体装置を製造する際の各工程の基板断面図である。
先ず、図１０（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板５０１上に、ＭＯＣＶＤ法などの結晶成長方法で、所要の化合物半導体層をエピタキシャル成長させ、ｎ−ＤＢＲミラー５０２、活性領域５０３、及びｐ−ＤＢＲミラー５０４からなる面発光半導体レーザ素子５２０の積層構造を形成する。
続いて、面発光半導体レーザ素子５２０のｐ−ＤＢＲミラー５０４上に、ｎ−ＧａＡｓ５０５、ｉ−ＧａＡｓ５０６、ｐ−ＧａＡｓ５０７をエピタキシャル成長させて、フォトダイオード５２２の積層構造を形成する。
【００４０】
次いで、図１１（ｃ）に示すように、フォトダイオード５２２の積層構造を構成するｐ−ＧａＡｓ５０７、ｉ−ＧａＡｓ５０６、及びｎ−ＧａＡｓ５０５をウエットエッチングして、積層構造の中央部に逆円錐台状の開口５０８を形成し、開口５０８の底に面発光半導体レーザ素子５２０のｐ−ＤＢＲミラー５０４を露出させる。
次に、図１１（ｄ）に示すように、ＳｉＯ２ などの絶縁膜５０９を開口５０８の開口壁上に成膜し、更に、開口５０８の開口底のｐ−ＤＢＲミラー５０４上の絶縁膜５０９を除去して、レーザ光の取り出し窓を開ける。続いて、開口底のｐ−ＤＢＲミラー５０４上に面発光型半導体レーザ素子５２０の環状のｐ側電極５１０を形成し、更に絶縁膜５０９上にｐ側電極５１０の引き出し電極を形成する。
また、フォトダイオード５２２の積層構造の一部側壁を除去して、ｎ−ＧａＡｓ５０５上にフォトダイオード５２２のｎ側電極５１２を形成し、ｎ−ＧａＡｓ基板５０１の裏面に面発光半導体レーザ素子５２０のｎ側電極５１３を形成する。
これにより、実施形態例３の光半導体装置５００を作製することができる。
【００４１】
実施形態例２及び３の光半導体装置４００、５００は、１回のエピタキシャル成長工程で面発光半導体レーザ素子とフォトダイオードの積層構造を形成できるという利点を有する。
実施形態例１から３では、ＧａＡｓの量子井戸構造を活性層とし、発振波長が０． ８５μｍ帯の面発光半導体レーザ素子と、０． ８５μｍ帯のレーザ光を受光できるＧａＡｓのフォトダイオードとを備えている。
また、ＧａＩｎＮＡｓの材料系を用いた１． ３μ帯の面発光半導体レーザ素子と、ＧａＩｎＡｓを用いたフォトダイオードとの組み合わせでも良い。但し、ＧａＩｎＡｓの場合、ＧａＡｓとの格子不整合が数％程度あるため、ＧａＡｓ基板あるいは、面発光型半導体レーザ素子との界面にバッファー層などを導入することが好ましい。
更には、ＩｎＰ基板を用いたＩｎＧａＡｓＰ 系の材料の組み合わせの光半導体装置にも、本発明を適用することができる。
【００４２】
【発明の効果】
第１の発明によれば、ポスト状の積層構造を有する面発光半導体レーザ素子と、面発光半導体レーザ素子を環状に取り巻く積層構造を有するフォトダイオードとが、モノリシック構造で共通基板上に集積されているので、従来のような光学アライメントが不要になり、信頼性が高く、しかも経済的に作製することができる光半導体装置を実現している。
第２の発明によれば、フォトダイオードと、フォトダイオード上に形成されたポスト状の積層構造を有する面発光半導体レーザ素子とが、モノリシック構造で集積されているので、従来のような光学アライメントが不要になり、信頼性が高く、しかも経済的に作製することができる光半導体装置を実現している。
第３の発明によれば、ポスト状の積層構造を有する面発光半導体レーザ素子と、面発光半導体レーザ素子上に形成されたフォトダイオードとが、モノリシック構造で集積されているので、従来のような光学アライメントが不要になり、信頼性が高く、しかも経済的に作製することができる光半導体装置を実現している。
第１から第３の発明に係る光半導体装置を一芯の光ファイバを用いた双方向通信システムの光信号送受信装置に適用することにより、例えば超小型のトランシーバーを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の光半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】実施形態例１の光半導体装置の作用を説明する模式的斜視図である。
【図３】図３（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例１の光半導体装置を製造する際の各工程の基板断面図である。
【図４】図４（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、図３（ｃ）に続いて、実施形態例１の光半導体装置を製造する際の各工程の基板断面図である。
【図５】図５（ｇ）から（ｉ）は、それぞれ、図４（ｆ）に続いて、実施形態例１の光半導体装置を製造する際の各工程の基板断面図である。
【図６】実施形態例２の光半導体装置の構成を示す断面図である。
【図７】図７（ａ）と（ｂ）は、それぞれ、実施形態例２の光半導体装置を製造する際の各工程の基板断面図である。
【図８】図８（ｃ）と（ｄ）は、それぞれ、図７（ｂ）に続いて、実施形態例２の光半導体装置を製造する際の各工程の基板断面図である。
【図９】実施形態例３の光半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１０】図１０（ａ）と（ｂ）は、それぞれ、実施形態例３の光半導体装置を製造する際の各工程の基板断面図である。
【図１１】図１１（ｃ）と（ｄ）は、それぞれ、図１０（ｂ）に続いて、実施形態例３の光半導体装置を製造する際の各工程の基板断面図である。
【図１２】従来の光信号送受信装置の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
３００……実施形態例１の光半導体装置、３０１……ｎ−ＧａＡｓ基板、３０２……ｎ−ＤＢＲミラー、３０３……活性領域、３０４……ｐ−ＤＢＲミラー、３０５……ポスト型の円柱状積層構造、３０６……ＳｉＯ２ などの絶縁膜、３０７……ｉ−ＧａＡｓ層、３０８……ｐ−ＧａＡｓ層、３１０……ポリイミド樹脂層、３１１……絶縁膜、３１２……面発光半導体レーザ素子のｐ側電極、３１３……共通電極、３１４……フォトダイオードのｐ側電極、３１５……引出し線、３１６……引出し電極、３１７……引出し電極、３２０……面発光半導体レーザ素子、３２２……素子分離領域、３２４……フォトダイオード、３２６……レーザ光、３２８……光ファイバ、３３０……コア、３３２……レーザ光、４００……実施形態例２の光半導体装置、４０１……ｎ−ＧａＡｓ基板、４０２……ｉ−ＧａＡｓ層、４０３……ｐ−ＧａＡｓ層、４０４……ｎ−ＤＢＲミラー、４０５……活性領域、４０６……ｐ−ＤＢＲミラー、４０７……円柱状積層構造、４０８……ポリイミド樹脂層、４０９……面発光半導体レーザ素子のｐ側電極及び引出し電極、４１０……面発光半導体レーザ素子のｎ側電極、４１１……フォトダイオードのｐ側電極、４１２……フォトダイオードのｎ側電極、４２０……フォトダイオード、４２２……面発光半導体レーザ素子、５００……実施形態例３の光半導体装置、５０１……ｎ−ＧａＡｓ基板、５０２……ｎ−ＤＢＲミラー、５０３……活性領域、５０４……ｐ−ＤＢＲミラー、５０５……ｎ−ＧａＡｓ層、５０６……ｉ−ＧａＡｓ層、５０７……ｐ−ＧａＡｓ層、５０８……逆円錐台状の開口、５０９……絶縁膜、５１０……面発光半導体レーザ素子のｐ側電極及び引出し電極、５１１……フォトダイオードのｐ側電極、５１２……フォトダイオードのｎ側電極、５１３……面発光半導体レーザ素子のｎ側電極、５２０……面発光半導体レーザ素子、５２２……フォトダイオード。
Claims (7)
- 一芯の光ファイバを用いた双方向通信システムの光信号送受信装置を構成する光半導体装置であって、
光信号送信素子として設けられ、ポスト状の積層構造を有する面発光半導体レーザ素子と、
光信号受信素子として素子分離領域を介して面発光半導体レーザ素子の周囲に環状の積層構造を有して設けられ、積層構造上の環状の受光面を面発光半導体レーザ素子の積層構造上の出射面と同じ平面に有する受光素子と
を共通の半導体基板上に備え、
受光素子の径が、光半導体装置に光結合される光ファイバのコアの径より小さいことを特徴とする光半導体装置。 - 面発光半導体レーザ素子及び受光素子のそれぞれの一方の電極が共通電極として半導体基板の裏面に設けられ、
面発光半導体レーザ素子の他方の電極が面発光半導体レーザ素子の積層構造上に環状に設けられ、絶縁膜を介して受光素子上に延在する引出し電極によって引き出され、
受光素子の他方の電極が受光素子の受光面の周辺部に環状に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。 - 一芯の光ファイバを用いた双方向通信システムの光信号送受信装置を構成する光半導体装置であって、
光信号受信素子として半導体基板上に積層構造を有して設けられた受光素子と、
光信号送信素子として受光素子の積層構造上の中央領域に設けられ、受光素子の径より小さい径のポスト状の積層構造を有する面発光半導体レーザ素子と
を備え、
面発光半導体レーザ素子の領域を除く受光素子の積層構造上の領域が受光面を構成し、
受光素子の径が、光半導体装置に光結合される光ファイバのコアの径より小さいことを特徴とする光半導体装置。 - 受光素子の一方の電極が半導体基板の裏面に、他方の電極が受光素子の積層構造上の受光面の周辺部に設けられ、
面発光半導体レーザ素子の一方の電極が面発光半導体レーザ素子の積層構造上に環状に設けられ、他方の電極が面発光半導体レーザ素子の積層構造から外方に受光素子の積層構造上に延在する面発光半導体レーザ素子の積層構造の下部層上に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の光半導体装置。 - 一芯の光ファイバを用いた双方向通信システムの光信号送受信装置を構成する光半導体装置であって、
光信号送信素子として設けられ、半導体基板上にポスト状の積層構造を有する面発光半導体レーザ素子と、
面発光半導体レーザ素子の積層構造上に設けられ、面発光半導体レーザ素子の積層構造上の出射面を露出させる開口を中央に有する受光素子と
を備え、
受光素子の径が、光半導体装置に光結合される光ファイバのコアの径より小さいことを特徴とする光半導体装置。 - 面発光半導体レーザ素子の一方の電極が半導体基板の裏面に設けられ、他方の電極が面発光半導体レーザ素子の露出した積層構造上に環状に設けられ、絶縁膜を介して受光素子の開口壁上に延在する引出し電極で引き出され、
受光素子の一方の電極が受光素子の積層構造から面発光半導体レーザ素子の積層構造上に一部露出させた受光素子の積層構造の下部層上に、他方の電極が受光素子の積層構造上に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の光半導体装置。 - 受光素子が、面発光半導体レーザ素子の発振波長のレーザ光を受光できる受光素子であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光半導体装置。
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