JP6220202B2 - 半導体光素子及び光モジュール - Google Patents

Description

本発明は半導体光素子及び光モジュールに関する。

近年、スマートフォン等の情報端末の普及による情報伝送量の飛躍的な増大が続いており、その通信基盤を支えているのが半導体光素子である。半導体光素子の一つに、半導体レーザー素子があり、ＴＯＳＡ（Transmitter Optical Sub-Assembly）と呼ばれる送信デバイスに搭載される。半導体光素子の一例として特許文献１の直接変調型素子がある。半導体レーザーは通常サブマウントと呼ばれるにセラミック基板に、はんだと呼ばれる金属接合剤（ＡｕＳｎ等）で設置されており、接合強度を高めるため、半導体光素子の接合面全体をサブマウントの電極に接合するのが一般的である。

特開２００３−２５８３７０号公報 特開２００６−１２８２５４号公報 特開２０１２−２５６７１２号公報

半導体光素子をサブマウントに搭載する際に、電極の全面をはんだ付け等により接合すると、金属接合剤（はんだ）が凝固する温度から室温に戻る際、材料の熱膨張係数差により、半導体レーザー素子全体へ大きな応力が掛かることとなる。そのため半導体光素子のサブマウントへの搭載後において、レーザー光を出力する活性層に応力変化が生じ、半導体光素子の変形と、歪による屈折率変化が生じる恐れがある。特にＤＦＢ（Distributed Feed Back）レーザーに於いて回折格子ピッチの変化や、位相変化による特性が変化することがあり、この場合には、特にＳＭＳＲ（Side-Mode Suppression Ratio）歩留に影響を与えることとなる。そのため搭載前にＳＭＳＲの選別を行なってもサブマウント搭載後にＳＭＳＲ変化により不良が発生する恐れがあった。

本発明は、上述の事情を鑑みてしたものであり、サブマウントへの搭載後のＳＭＳＲ歩留が改善された半導体光素子及び光モジュールを提供することを目的とする。

本発明の半導体光素子は、ＩｎＰ基板と、前記ＩｎＰ基板上に一体的に形成され、金属接合剤が拡散しない金属材料からなる第１電極と、前記第１電極上で前記第１電極に接し、光の出射方向に複数並置され、前記金属接合剤が拡散する金属材料からなる第２電極と、を備える半導体光素子である。

また、本発明の半導体光素子において、前記第１電極部の表面に前記第２電極部が形成される面積の合計の割合は５０〜７０％とすることができる。

また、本発明の半導体光素子において、前記第２電極は、前記第１電極の表面において、前記出射方向の中央部分より端に近い部分においてより大きな面積で形成されていてもよい。

また、本発明の半導体光素子において、前記ＩｎＰ基板の前記第１電極が形成されている面と反対の面には、活性層及び回折格子が形成されていてもよい。

また、本発明の半導体光素子において、前記第１電極はＰｔであり、前記第２電極はＡｕであり、前記金属接合剤は、ＡｕＳｎである、とすることができる。

本発明の光モジュールは、上述の半導体光素子のうちのいずれかの半導体光素子と、前記半導体光素子を前記金属接合剤を介して接合するサブマウントと、を備え、前記第２電極は前記金属接合剤と接合し、前記第１電極は前記金属接合剤と接している、ことを特徴とする光モジュールである。

本発明により、サブマウントへの搭載後のＳＭＳＲ歩留が改善された半導体光素子及び光モジュールとなるため、より安価な通信用光デバイスを提供することができる。

本実施形態に係る半導体光素子の全体構成について示す図である。 図１の半導体光素子の上面図である。 図１の半導体光素子の底面図である。 図１の半導体光素子の側面図である。 図１の半導体光素子を搭載した光モジュールであるＴＯＳＡモジュールを概略的に示す図である。 半導体光素子のメサストライプ部に発生する応力シミュレーション結果を示すグラフである。 光の出射方向に複数並置される第２電極の第１変形例について示す図である。 光の出射方向に複数並置される第２電極の第２変形例について示す図である。 本実施形態に係る半導体光素子の製造方法について説明するための図である。 本実施形態に係る半導体光素子の製造方法について説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面において、同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は本実施形態に係る半導体光素子１００の全体構成について示す図である。本実施形態に係る半導体光素子１００は、ＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いた１．５５μｍ帯ＤＦＢレーザー素子とするが、これ以外の材料を用いたレーザー素子、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザー等の集積構造のレーザー素子、ファブリペローレーザー等のＤＦＢレーザー以外の半導体光素子であってもよい。例えばファブリペローレーザでは本願発明の適用により偏光角特性歩留の改善などが期待できる。この図１に示されるように、半導体光素子１００は、ｎ型ＩｎＰ基板１０１と、ｎ型ＩｎＰ基板１０１上に形成されたレーザーを発光する活性層１０２と、単波長の光を出射させるためのλ／４シフト回折格子１０３と、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０４と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０５と、公知のパッシベーション膜の材料からなるパッシベーション膜１０６と、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉの層構成からなるｐ側電極１０７と、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の反対側に形成されたＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの層構成からなるｎ側電極１１０と、から構成されている。

ｐ型ＩｎＰクラッド層１０４及びｐ型ＩｎＧａＰコンタクト層１０５は、エッチングされ、電流路を限定するためのメサストライプ部１３０が形成されている。本実施形態においてはメサストライプ部１３０を形成することとしたがこれ以外の方式により電流路を限定することとしてもよい。半導体光素子１００は、活性層１０２の端面からメサストライプ部１３０が延びる方向にレーザー光Ｌを出射する端面出射型レーザーである。後述するが、ｎ側電極１１０は、いわゆるペレタイズのために外周部の膜が取り除かれ、ｎ側電極１１０は、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ｔｉ層１１１、Ｐｔからなる第１電極１１２、Ａｕからなる第２電極１１３とから構成され、Ａｕからなる第２電極１１３は、Ｐｔからなる第１電極１１２上から一部が除去されることにより、光の出射方向に複数並置された形状となっている。なお、本実施形態においては、ペレタイズのためにｎ側電極１１０の外周部の膜が取り除かれることとしたが、半導体光素子１００の裏面全体にｎ側電極１１０がある構成であってもよい。

半導体光素子１００は、ｎ側電極１１０がサブマウントと呼ばれるセラミック基板にＡｕＳｎを用いてろう付け接合される。ここで、第２電極１１３のＡｕとＡｕＳｎとは、ＡｕＳｎがＡｕに拡散するため一体的に接合されるが、第１電極１１２のＰｔとＡｕＳｎとは、ＡｕＳｎがＰｔに対し拡散しないため、接触しているだけである。これにより、金属接合剤の温度変化において応力が掛かる領域はＡｕである第２電極１１３が形成されている部分のみであるため、全面で接合される場合と比較して、応力が発生する面積を小さくでき、更に応力の係る領域を分散することができる。したがって、サブマウントへの接合後において、接合後に発生する応力に起因する屈折率、回折格子ピッチ及び位相の変化を低減することができる。また、金属接合剤であるＡｕＳｕは接合されている第２電極１１３のＡｕの他、第１電極１１２のＰｔにも接しているため、電気的に導通することにより低抵抗化を図れると共に、放熱することができるため温度上昇を抑えることができる。

図２は、図１の半導体光素子１００の上面図である。この図では、ｐ側電極１０７に接続されたＡｕワイヤが更に示されている。図３は、図１の半導体光素子１００の底面図である。この図に示されるように、ｎ側電極１１０は、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の端部分に掛からないように除去され、さらに第２電極１１３は、第１電極１１２から部分的に除去され、光の出射方向に４カ所に並置された形状となり、第１電極１１２のＰｔが３カ所で露出している。

図４は、図１の半導体光素子１００の側面図である。この図に示されるように、ｎ側電極１１０のＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ｔｉ層１１１上に形成されたＰｔからなる第１電極１１２上には、４領域に分割されたＡｕからなる第２電極１１３が形成され、それぞれ光の出射方向に並置されている。第１電極１１２は、半導体中へのＡｕＳｎ等の金属接合剤の拡散を防止するためのバリアメタルであるため、第２電極１１３を除去したとしても、バリアメタルである第１電極１１２は残した構造としている。このようにすることにより、ｎ側電極１１０の他の層と比較して一番厚く応力の大きいＡｕ層のみを除去し応力の緩和を図ると共に、金属接合剤が半導体結晶内に拡散しないようにすることができる。本実施形態においては、金属接合剤にＡｕＳｎ、接合金属である第２電極１１３にＡｕ、バリアメタルである第１電極１１２にＰｔを使用することとしたが、例えばバリアメタルにＭｏ等、同様に効果が得られるものであれば他の材料を用いることとしてもよい。ここで金属接合剤は、一般に、はんだ材とも呼ばれるが、Ｓｎを含んでいなくてもよいという意味で金属接合剤の語を用いている。

図５は、半導体光素子１００を搭載した光モジュールであるＴＯＳＡモジュール２００を概略的に示す図である。この図に示されるように、ＴＯＳＡモジュール２００は、半導体光素子１００と、半導体光素子１００を金属接合剤であるＡｕＳｎを用いて接合するセラミック基板であるサブマウント２０１と、サブマウント２０１上に半導体光素子１００と共に搭載されるＡＰＣ（Automatic Power Control）制御のためのモニターフォトダイオード２０２と、半導体光素子１００から出射された光を集光させるレンズ２０３と、レンズ２０３により結合された光を内部に導波させる光ファイバー２０４と、を有している。このように半導体光素子１００を用いたＴＯＳＡモジュール２００は、サブマウント２０１への接合後のレーザー光出射においても、接合後に発生する応力に起因する屈折率、回折格子ピッチ及び位相の変化を低減されているため、製造時のＳＭＳＲ歩留を向上させることができる。また、ＡｕＳｎにより接合されている第２電極１１３の他、ＡｕＳｎは、第１電極１１２のＰｔにも接しているため、Ｐｔを介して導通させることができると共に放熱することができる。

図６は、半導体光素子１００のメサストライプ部１３０に発生する応力シミュレーション結果を示すグラフである。グラフは、メサストライプ部１３０のレーザー出射方向の応力分布を示しており、菱型マークはｎ電極１１０の全面が第２電極１１３となっている場合であり（分離なし）、四角マークは図３で示されるように第２電極１１３が存在する領域と存在しない領域が交互になっている状態（分離有り）を示している。このグラフに示されるように、本願発明の構造によりレーザー出射方向の中央部において、応力が約２０ＭＰａから、約１３ＭＰａに低減されていることがわかる。一方、金属接合剤と接合する面積を減少させるため、剪断応力に対する耐性が低下することとなるが、本実施例では金属接合剤ＡｕＳｎと接合するＡｕ電極部が６６％であり、剪断応力の評価を評価した結果、２．３Ｎ以上であり、ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３Ｅの規定を満たしていることを確認した。また、半導体光素子１００のサブマウント搭載後のＳＭＳＲ歩留を評価した結果、分離構造無しの場合と比較して１．１％の歩留向上を確認した。

図７は、光の出射方向に複数並置される第２電極１１３の第１変形例について示す図である。第２電極１１３は６カ所に分割して並置され、第２電極１１３の面積と第１電極１１２の露出部分との面積の割合を１:１としている。試作評価の結果、組立後のＳＭＳＲ歩留が１．８％の改善効果が得られた。この例では金属接合剤との接合部が５０％であるが、剪断応力評価の結果１．９Ｎ以上であり、強度的には十分であることが確認された。この例ではＡｕＳｎと接合する第２電極１１３は、６ヶ所に分割されているが、分割数によらず同様の効果を得ることができる。上述の実施形態と合わせ、第１電極１１２の面積に対する第２電極１１３を形成する面積は、５０％〜７０％の範囲であることが望ましい。５０％より下回る場合は剪断応力に対する耐性が懸念され、７０％を上回る場合はＳＭＳＲ歩留の向上効果が十分ではなくなる。

図８は、光の出射方向に複数並置される第２電極１１３の第２変形例について示す図である。この例では、第２電極１１３は、光の出射方向の中央部分より端に近い部分においてより大きな面積で形成されることとしている。これにより図６に示した応力の分布のグラフにおいて、応力が大きい中央部の応力を効率的に低減することができる。なお、第１電極１１２の面積に対する金属接合剤に接合する第２電極１１３を形成する面積の割合は１:１としている。試作評価の結果、組立後のＳＭＳＲ歩留が２％の改善効果が得られた。

以上のように本願発明の効果が得られるいくつかの実施例を示したが、光軸方向に対して第１電極１１３が分割されて複数形成されていることが、ＳＭＳＲ歩留を向上させるために特に有効であるといえる。

図９及び１０は、半導体光素子１００の製造方法について説明するための図である。半導体光素子１００は、まず、ｎ型ＩｎＰ基板１０１にレーザーを発光する活性層１０２を結晶成長させ（Ｓ１１）、次に、単波長の光を出射させるためのλ／４シフト回折格子１０３を形成する（Ｓ１２）。ここでシフト位置はレーザー前方側から見て７:３の位置としている。引き続き、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０４と、ｐ型ＩｎＧａＰコンタクト層１０５とを続けて結晶成長させ、エッチング処理によりメサストライプ部１３０を形成する（Ｓ１３）。次に、メサストライプ部１３０に重ねて、パッシベーション膜１０６を蒸着により形成後、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕを順に蒸着させ、ｐ側電極１０７を形成する（Ｓ１４）。続いて、ｎ型ＩｎＰ基板１０１を１００μｍ程度まで研磨し、ＡｕＧｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕを順次蒸着することによりｎ側電極１１０を形成し、リフトオフにてペレタイズ部分の電極を除去する。その後、ヨウ素系のＡｕエッチング液にて、Ａｕを部分的に除去することにより、Ａｕからなる第２電極１１３を、Ｐｔからなる第１電極１１２上で光の出射方向に複数並置された形状としている（Ｓ１５）。

以上説明したように、本実施形態の半導体光素子１００及び光モジュールであるＴＯＳＡモジュール２００においては、第２電極１１３が光の出射方向に複数並置されて形成されるため、金属接合剤の温度変化の際に応力が発生する面積を小さくできると共に、応力の係る領域を分散することができる。したがって、サブマウントへの接合後において、接合後に発生する応力に起因する屈折率、回折格子ピッチ及び位相の変化を低減することができ、これによりサブマウントへの搭載後のＳＭＳＲ歩留を改善することができる。また、金属接合剤は、第１電極１１２にも接しているため、電気的に導通させることができ低抵抗化を図ることができると共に、放熱効果により温度上昇を抑えることができる。

１００ 半導体光素子、１０１ ｎ型ＩｎＰ基板、１０２ 活性層、１０３ シフト回折格子、１０４ ｐ型ＩｎＰクラッド層、１０５ ｐ型ＩｎＧａＰコンタクト層、１０６ パッシベーション膜、１０７ ｐ側電極、１１０ ｎ側電極、１１１ ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ｔｉ層、１１２ 第１電極、１１３ 第２電極、１３０ メサストライプ部、２００ ＴＯＳＡモジュール、２０１ サブマウント、２０２ モニターフォトダイオード、２０３ レンズ、２０４ 光ファイバー。

Claims (5)

1. ＩｎＰ基板と、前記ＩｎＰ基板上に一体的に形成され、金属接合剤が拡散しない金属材料からなる第１電極と、前記第１電極上で前記第１電極に接し、光の出射方向に複数並置され、前記金属接合剤が拡散する金属材料からなる第２電極と、を備える半導体光素子と、
   前記半導体光素子を前記金属接合剤を介して接合するサブマウントと、を備え、
   前記ＩｎＰ基板の前記第１電極が形成されている面と反対の面には、活性層及び回折格子が形成されている、ことを特徴とする光モジュール。
2. 請求項１に記載の光モジュールであって、
   前記第１電極部の表面に前記第２電極部が形成される面積の合計の割合は５０〜７０％である、ことを特徴とする光モジュール。
3. 請求項１又は２に記載の光モジュールであって、
   前記第２電極は、前記第１電極の表面において、前記出射方向の中央部分より端に近い部分においてより大きな面積で形成されている、ことを特徴とする光モジュール。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光モジュールであって、
   前記第１電極はＰｔであり、
   前記第２電極はＡｕであり、
   前記金属接合剤は、ＡｕＳｎである、ことを特徴とする光モジュール。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載された光モジュールであって、
   前記第２電極は前記金属接合剤と接合し、
   前記第１電極は前記金属接合剤と接している、ことを特徴とする光モジュール。
   

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