专利名称：光元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种光元件及其制造方法。
背景技术：
面发光型半导体激光器，具有随环境温度的变化而产生光输出变动的特性。因此，在使用面发光型半导体激光器的光模块中，有时具有光检测功能，用于检测面发光型半导体激光器出射的一部分激光而监控光输出值。例如，在面发光型半导体激光器中设置光电二极管等光检测元件，可以在同一元件内监控由面发光型半导体激光器射出的激光的一部分(例如，参照专利文献1特开平10-135568号公报)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光元件及其制造方法，该光元件包括能够高精度加工的面发光型半导体激光器和光检测元件。
根据本发明的光元件，包括面发光型半导体激光器，其包括在衬底的上方从所述衬底侧配置的第一反射器、活性层、以及第二反射器；光检测元件，其包括在所述面发光型半导体激光器的上方从所述面发光型半导体激光器侧配置的第一接触层、光吸收层、以及第二接触层；并且，在所述第二反射器和所述第一接触层之间具有隔离层。
在根据本发明的光元件中，所谓在特定的物质(以下，称为“A”)的上方形成其他特定物质(以下，称为“B”)，包括在A上直接形成B，或通过在A上的其他物质形成B。这在根据本发明的光元件的制造方法中，同样适用。
根据本发明的光元件，其中，所述隔离层、所述第二反射器的最上层、以及所述第一接触层分别由AlGaAs层构成，所述隔离层中的Al成分大于所述第二反射器的最上层中的Al成分，并且大于所述第一接触层中的Al成分。
在根据本发明的光元件及其制造方法中，AlGaAs层的Al成分是对于镓(Ga)的铝(Al)的成分。在根据本发明的光元件及其制造方法中，AlGaAs层的Al成分为0至1。即，AlGaAs层包括GaAs层(Al成分为0)和AlAs层(Al成分为1)。
根据本发明的的光元件，其中，所述隔离层中的Al成分大于等于0.3。
根据本发明的光元件，其中，所述光吸收层和所述第二接触层分别由AlGaAs层构成，所述隔离层中的Al成分大于所述光吸收层中的Al成分，并且大于所述第二接触层中的Al成分。
根据本发明的光元件，其中，所述第二反射器包括将AlGaAs层从侧面氧化而得到的电流狭窄层，所述隔离层中的Al成分小于用于形成所述电流狭窄层的AlGaAs层中的Al成分。
根据本发明的光元件，其中，所述隔离层中的Al成分不足0.95。
根据本发明的光元件，其中，当所述面发光型半导体激光器的设计波长为λ的时候，所述隔离层的光学膜厚为λ/4的奇数倍。
在根据本发明的光元件及其制造方法中，所谓设计波长是指在面发光型半导体激光器中生成的光当中强度最大的光的波长。
另外，在根据本发明的光元件及其制造方法中，所谓光学膜厚度是指在层的实际膜厚度乘以构成该层的物质的折射率而得到的值。
根据本发明的光元件，其中，当所述面发光型半导体激光器的设计波长为λ的时候，整个所述光检测元件的光学膜厚为λ/4的奇数倍。
根据本发明的光元件，其中，所述光元件包括第一电极，其与所述衬底或所述第一反射器电连接；第二电极，其与所述第二反射器电连接；第三电极，其与所述第一接触层电连接；第四电极，其与所述第二接触层电连接；其中，所述第二电极和所述第三电极电连接。
根据本发明的光元件，其中，所述第二反射器由p型半导体层构成，所述第二电极包括铂。
根据本发明的光元件，其中，所述第一接触层由p型半导体层构成，所述第三电极包括铂。
一种光元件的制造方法，所述光元件包括面发光型半导体激光器和光检测元件，其中，所述方法包括如下步骤在所述衬底的上方层叠半导体层的步骤，所述半导体层用于至少形成第一反射器、活性层、第二反射器、隔离层、第一接触层、光吸收层、以及第二接触层；通过蚀刻所述半导体层，形成第二接触层和光吸收层的步骤；通过用第一蚀刻剂蚀刻所述半导体层，形成第一接触层的步骤；通过用第二蚀刻剂蚀刻所述半导体层，形成所述隔离层的步骤；通过蚀刻所述半导体层，形成柱状部的步骤，所述柱状部至少包括所述第二反射器的一部分；其中，所述隔离层使用所述第一蚀刻剂时的蚀刻率，比所述第一接触层使用所述第一蚀刻剂时的蚀刻率小，所述隔离层使用所述第二蚀刻剂时的蚀刻率，比所述第二反射器的最上层使用所述第二蚀刻剂时的蚀刻率大。
根据该光元件的制造方法，在将第一接触层进行蚀刻的步骤中，由于在第一接触层的下面有隔离层，此隔离层具有作为蚀刻阻层的功能，因此，能够对第一接触层进行高精度、正确、简单的蚀刻。
根据该光元件的制造方法，在蚀刻隔离层的步骤中，由于在隔离层的下面存在第二反射器的最上层，此第二反射器的最上层具有作为蚀刻阻层的功能，因此能够高精度、正确、容易的露出第二反射器的最上层的上面。
根据本发明的光元件的制造方法，其中，所述隔离层、所述第二反射器的最上层、以及所述第一接触层分别由AlGaAs层构成，所述隔离层中的Al成分大于所述第二反射器的最上层中的Al成分，并且大于所述第一接触层中的Al成分。
根据本发明的光元件的制造方法，其中，所述隔离层中的Al成分大于等于0.3。
根据本发明的光元件的制造方法，其中，所述光吸收层和所述第二接触层分别由AlGaAs层构成，所述隔离层中的Al成分大于所述光吸收层中的Al成分，并且大于所述第二接触层中的Al成分。
根据本发明的光元件的制造方法，其中，包括从侧面氧化所述第二反射器内的AlGaAs层而形成电流狭窄层的步骤，所述隔离层中的Al成分小于用于形成所述电流狭窄层的AlGaAs层中的Al成分。
根据本发明的光元件的制造方法，其中，所述隔离层中的Al成分不足0.95。
根据本发明的光元件的制造方法，其中，当所述面发光型半导体激光器的设计波长为λ的时候，所述隔离层的光学膜厚为λ/4的奇数倍。
根据本发明的光元件的制造方法，其中，当所述面发光型半导体激光器的设计波长为λ的时候，整个所述光检测元件的光学膜厚为λ/4的奇数倍。
根据本发明的光元件的制造方法，其中，所述方法包括形成第一电极的步骤，所述第一电极与所述衬底或所述第一反射器电连接；形成第二电极的步骤，所述第二电极与所述第二反射器电连接；形成第三电极的步骤，所述第三电极与所述第一接触层电连接；形成第四电极的步骤，所述第四电极与所述第二接触层电连接；并且，所述第二电极和所述第三电极电连接。
根据本发明的光元件的制造方法，其中，用同样的工艺进行形成所述第一电极的步骤和形成所述第三电极的步骤，用同样的工艺进行形成所述第二电极的步骤和形成所述第四电极的步骤。
根据本发明的光元件的制造方法，其中，所述第二反射器由p型半导体层构成，所述第二电极包括铂。
根据本发明的光元件的制造方法，其中，所述第一接触层由p型半导体层构成，所述第三电极包括铂。
图1为表示根据本发明的光元件的剖面示意图。
图2为表示根据本发明的光元件的剖面示意图。
图3为表示根据本发明的光元件的平面示意图。
图4为表示根据本发明的光元件的制造方法的剖面示意图。
图5为表示根据本发明的光元件的制造方法的剖面示意图。
图6为表示根据本发明的光元件的制造方法的剖面示意图。
图7为表示根据本发明的光元件的制造方法的剖面示意图。
图8为表示根据本发明的光元件的制造方法的剖面示意图。
图9为表示根据本发明的光元件的制造方法的剖面示意图。
图10为表示根据本发明的光元件的制造方法的剖面示意图。
图11为表示根据本发明的光元件的制造方法的剖面示意图。
图12为表示根据本发明的光元件的制造方法的剖面示意图。
图13为表示根据本发明的光元件的制造方法的剖面示意图。
图14为表示根据本发明的光元件的剖面示意图。
图15为表示根据本发明的光元件的剖面示意图。
具体实施例方式
以下，参照附图详细说明本发明的优选实施方式。
1.光元件的结构图1和图2为根据本发明的实施方式的光元件100的剖面示意图。另外，图3为表示图1和图2所示的光元件100的平面示意图。并且，图1为沿图3的A-A线的剖面示意图，图2为沿图3的B-B线的剖面示意图。
本实施方式的光元件100，如图1所示，包括面发光型激光器140、隔离层20、以及光检测元件120。
下面，对面发光型激光器140、隔离层20、以及光检测元件120、以及整体结构进行说明。
1-1.面发光型激光器面发光型激光器140，设置在半导体衬底(本实施例中为n型GaAs衬底)101上。该面发光型激光器140，具有垂直谐振器。另外，该面发光型激光器140，可以包括柱状的半导体堆积体(以下称为“柱状部”)130。
面发光型激光器140，例如，由n型Al0.9Ga0.1As层和n型Al0.15Ga0.85As层交互层叠的40对分布反射型多层膜反射器(以下，称为“第一反射器”)102、由GaAs势阱层与Al0.3Ga0.7As势垒层构成，且由包括势阱层是用三层构成的量子势阱结构的活性层103、以及25对分布反射型多层膜反射器(以下，称为“第二反射器”)104依次层压而成。并且，第二反射器104的最上层14，是Al成分小的即p型Al0.15Ga0.85As。构成第一反射器102、活性层103、以及第二反射器104的各层的成分和层数并不限定于此。并且，第二反射器104的最上层14的Al成分，优选为不足0.3。对于其原因，在下面说明。
第二反射器104，例如掺杂进碳(C)而形成p型；第一反射器102，例如掺杂进硅(Si)而形成n型。从而，由p型的第二反射器104、未掺杂杂质的活性层103、以及n型第一反射器102形成pin二极管。
在面发光型激光器140中，在从第二反射器104到第一反射器102的中间部分，从第二反射器104的上表面104a看，刻蚀成圆形形状，形成圆柱部130。在本实施例中，虽然柱状部130的平面形状为圆形，但其形状可以形成任意的形状。
另外，形成主要围住柱状部130的第一绝缘层30。第一绝缘层30，形成于第一反射器102的上方。并且，第一绝缘层30形成于后述的第二电极109的引出部109b和垫部109c的下方。并且，第一绝缘层30形成于后述的第二绝缘层40的下方。
在构成第二反射器104的层中接近于活性层103的区域，形成将AlGaAs层从侧面氧化而得到的电流狭窄层105。该电流狭窄层105形成环状。即，该电流狭窄层105，与如图1和图2所示的半导体衬底101的表面101a平行的面切断时的剖面形状，柱状部130的平面形状的圆形同心的圆的环状。
在面发光型激光器140中设置有第一电极107以及第二电极109。该第一电极107以及第二电极109用于驱动向面发光型激光器140。
具体地，如图1所示，第一电极107设置在第一反射器102的上面102a上。如图3所示，第一电极107具有环状的平面形状。即，第一电极107主要围住柱状部130。也就是说，柱状部130设置在第一电极107的内侧。
第二电极109设置在面发光型激光器140的上面104a上。如图3所示，第二电极109包括具有环状的平面形状的连接部109a、具有直线状的平面形状的引出部109b、具有圆形的平面形状的垫部109c。第二电极109，在连接部109a中与第二反射器104电连接。第二电极109的引出部109b，使连接部109a和垫部109c连接。第二电极109的垫部109c可以用作电极垫。第二电极109的连接部109a主要围住后述的隔离层20。也就是说，隔离层20设置在第二电极109的内侧。
在本实施方式中，仅示出了将第一电极107设置在第一反射器102上的情况，但是，也可以将第一电极107设置在半导体衬底101的里面101b。
第一电极107，由例如金(Au)与锗(Ge)的合金和金(Au)的层压膜构成。另外，第二电极109，例如由铂(Pt)、钛(Ti)以及金(Au)的层压膜构成。通过第一电极107和第二电极109向活性层103注入电流。还有，用于形成第一电极107以及第二电极109的材料也并不限定于前面所述的材料，例如，还可以利用金(Au)与锌(Zn)的合金等。
1-2.隔离层本实施例中的光元件100中，在面发光型激光器140上形成隔离层20。隔离层20设置在面发光型激光器140和后述的光检测元件120之间。具体地，如图1和图2所示，隔离层20设置在第二反射器104上。即，隔离层20设置在第二反射器104和后述的第一接触层111之间。
隔离层20的平面形状为圆形。在图示例中，隔离层20的平面形状与第一接触层111的平面形状相同。隔离层20的平面形状，可以比第一接触层111的平面形状大。对于隔离层20，在后述的光元件的制造方法中详细说明。
1-3.光检测元件光检测元件120设置在隔离层20上。本实施形式中的光元件100，光检测元件120的上面包括激光出射面108。
另外，光检测元件120包括第一接触层111、光吸收层112、第二接触层113。第一接触层111设置在隔离层20上；光吸收层112设置在第一接触层111上；第二接触层113设置在光吸收层112上。第一接触层111的平面形状比光吸收层112以及第二接触层113的平面形状大(参照图1以及图2)。第二接触层113和光吸收层112构成柱状的半导体堆积体。
第一接触层111可以由例如n型GaAs层构成；光吸收层112可以由例如未搀杂杂质的GaAs层构成；第二接触层113可以由例如p型GaAs层构成。具体地，第一接触层111，例如通过掺杂进硅(Si)而形成n型；第二接触层113，例如通过掺杂进碳(C)而形成p型。从而，由p型第二接触层113、未掺杂杂质的光吸收层112、以及n型第一接触层111形成pin二极管。
在光检测部120上，设置有第三电极116以及第四电极110。该第三电极116以及第四电极110用于驱动光检测元件120。具体地，如图1和图2所示，第三电极116覆盖第一接触层111。第三电极116的一部分形成于上述的第二电极109上。即，第三电极116与第二电极109电连接。如图3所示，第三电极116具有环状的平面形状。即，第三电极116主要围住第一接触层111和第二绝缘层40。也就是说，第一接触层111和第二绝缘层40设置在第三电极116的内侧。
如图3所示，第四电极110包括具有环状的平面形状的连接部110a、具有直线状的平面形状的引出部110b、具有圆形的平面形状的垫部110c。第四电极110，在连接部110a中与第二接触层11 3电连接。第四电极110的引出部110b，使连接部110a和垫部110c连接。第四电极110的垫部110c可以用作电极垫(Electrode Pad)。第四电极110设置在光检测元件120的上表面(第二接触层113上)。第四电极110上设置有开口部114，通过该开口部114裸露第二接触层113上面的一部分。该裸露的面为激光出射面108。从而，通过恰当设定开口部114的平面形状及大小，便可以恰当设定出射面108的形状及大小。在本实施方式中，如图3所示，示出的出射面108为圆形。
在本实施方式的光元件100中，第三电极116可以使用与第一电极107相同的材质形成，而第四电极110则可以使用与第二电极109相同的材质形成。
另外，形成主要围住光吸收层112和第二接触层113的第二绝缘层40。如图1至3所示，第二绝缘层40形成于第一接触层111、第二反射器104、以及第一绝缘层30的上方。并且，第二绝缘层40形成于第四电极110的引出部110b和垫部110c的下方。
1-4.整体结构在本实施方式的光元件100中，由面发光型激光器140的n型第一反射器102以及p型第二反射器104、以及光检测元件120的n型第一接触层111以及p型第二接触层113整体构成npnp结构。
光检测元件120，具有监测由面发光型激光器140产生的光输出的功能。具体地，光检测元件120，将由面发光型激光器140产生的光变换为电流。根据该电流值，检测由面发光型激光器140产生的光输出。
更具体地，在光检测元件120中，由面发光型激光器140产生的光的一部分被吸收层112所吸收，而通过该被吸收的光在光吸收层112中生成光激励，并生成电子及空穴。通过从元件外部施加的电场，电子向第三电极116迁移，而空穴则向第四电极110迁移。其结果，在光检测元件120中，沿从第一接触层111到第二接触层113的方向生成电流。
另外，面发光型激光器140的光输出，主要取决于施加在面发光型激光器140上的偏置电压。面发光型激光器140的光输出会因为面发光型激光器140的周围温度及面发光型激光器140的寿命不同而产生大幅度的变化。因此，在面发光型激光器140中需要维持预定的光输出。
在根据本实施形式的光元件100中，通过监测由面发光型激光器140产生的光输出、调整基于光检测元件120产生的电流值施加在面发光型激光器140上的电压，从而调整在面发光型激光器140内流动的电流值。因此，可以在面发光型激光器140中维持预定的光输出。可利用外部电子电路(驱动电路图中未示出)实施反馈控制，该反馈控制是将面发光型激光器140的光输出反馈为施加在面发光型激光器140的电压值。
2.光元件的动作以下示出了本实施方式的光元件100的常规动作。下述的光元件100的驱动方法仅仅是一个例子，在不超出本发明宗旨的前提下可作各种变形。
首先，通过第一电极107和第二电极109向pin二极管施加正方向的电压时，在面发光型激光器140的活性层103中，引起电子和空穴的再结合并因该再结合而发光。此时生成的光在第二反射器104与第一反射器102之间往返时，引起受激发射，从而放大光的强度。当光增益超过光损失时，将发生激光振荡，从第二反射器104的上面104a射出激光，入射到隔离层20。之后，该激光入射到光检测元件120的第一接触层111。
其次，在光检测元件120中，入射到第一接触层111的光，随后入射到光吸收层112。该入射光的一部分在光吸收层112被吸收，结果，在光吸收层112中生成光激励，并生成电子和空穴。另外，通过施加在元件外部的电场，电子向第三电极116移动，而空穴则向第四电极110移动。其结果，在光检测元件120生成从第一接触层111到第二接触层113方向的电流(光电流)。通过检测该电流值，可检检测面发光型激光器140的光输出。
3.光元件的制造方法下面，围绕适用本发明的第一实施方式的光元件100的制造方法的一例，参照图4～图13进行说明。图4～图13为图1至3所示的光元件100的一个制造过程的剖面示意图，各自对应于图1所示的剖面图。
(1)首先，在由n型GaAs构成的半导体衬底101的表面101a上，通过一边调整组成一边进行外延生长的方法，形成如图4所示的半导体多层膜150。其中，半导体多层膜150例如，可由以下部分构成n型Al0.9Ga0.1As层和n型Al0.15Ga0.85As层交替层叠的40对第一反射器102；包括由GaAs势阱层和Al0.3Ga0.7As阻挡层构成的且由3层构成势阱层的多量子阱结构的活性层103；由p型Al0.9Ga0.1As层和p型Al0.15Ga0.85As层交替层叠的5对第一区104a以及20对第二区104b构成的第二反射器104、由n型GaAs构成的第一接触层111、由未掺杂杂质的GaAs构成的光吸收层112、以及由p型GaAs构成的第二接触层113组成。通过将这些层按序层叠在半导体衬底101上，形成了半导体多层膜150。并且，隔离层20也可以由p型或n型AlGaAs层构成。
隔离层20可以是使用后述的第二蚀刻剂时的蚀刻率，比第二反射器104的最上层14使用第二蚀刻剂时的蚀刻率大。具体地，例如隔离层20，可以由具有比第二反射器104的最上层14的Al成分大的Al成分的AlGaAs层构成。也就是说，使第二反射器104生长的时候，第二反射器104的最上层14，由Al成分比隔离层20的Al成分小的AlGaAs层构成。更具体地，优选形成如下所述的第二反射器104的最上层14和隔离层20，例如，第二反射器104的最上层14的Al成分不足0.3，隔离层20的Al成分大于0.3。
隔离层20可以是使用后述的第一蚀刻剂时的蚀刻率，比第一接触层111使用第一蚀刻剂时的蚀刻率小。具体地，例如隔离层20，可以由具有比第一接触层111的Al成分大的Al成分的AlGaAs层构成。也就是说，使第一接触层111生长的时候，第一接触层111，由Al成分比隔离层20的Al成分小的AlGaAs层(包括GaAs)构成。更具体地，优选形成如下所述的第一接触层111和隔离层20，例如，第一接触层111的Al成分不足0.3，隔离层20的Al成分大于0.3。
在使第二反射器104生长时，在活性层103附近形成的至少一层，之后进行氧化，形成要变成电流狭窄层105的层(参照图9)。具体地，成为电流狭窄层105的层，是Al成分比隔离层20的Al成分大的AlGaAs层(包括AlAs)。也就是说，隔离层20可以是Al成分比成为电流狭窄层105的层小的AlGaAs层。因此，在后述的形成电流狭窄层105的氧化步骤中(参照图9)，隔离层20可以不被氧化。具体地，例如，优选使成为电流狭窄层105的层的Al成分大于等于0.95，使隔离层20的Al成分不足0.95。
当面发光型半导体激光器140(参照图1和图2)的设计波长为λ的时候，隔离层20的光学膜厚例如可以为λ/4的奇数倍。
第一接触层111、光吸收层112、以及第二接触层113的光学膜厚度的总和，即，整个光检测元件120(参照图1和图2)的光学膜厚度例如可以为λ/4的奇数倍。其结果，整个光检测元件120可以作为分布反射型反射器起作用。即，在面发光型半导体激光器140的活性层103的上方，整个光检测元件120可以作为分布反射型反射器起作用。因此，不会影响面发光型半导体激光器140的特性，光检测元件120可以作为分布反射型反射器起作用。
优选在后工序形成第二电极109时，要提高第二反射器104的至少与第二电极109连接部分附近的载流子密度，使其容易取得与第二电极109的欧姆性接触。同样，要在第一接触层111中的至少与第三电极116连接部分附近，提高载流子密度，以使容易取得与第三电极116的欧姆性接触。
进行外延生长时的温度，根据生长方法和原料以及半导体衬底101的种类或者形成半导体多层膜150的种类、厚度和载流子密度适当决定，一般优选为450℃至800℃。另外，也和温度一样，适当决定外延生长时的所需时间。外延生长方法可以采用有机金属气相生长法(MOVPEMetal-Organic Vapor Phase Epitaxy)及MBE(分子束外延法Molecular Beam Epitaxy)法或LPE(液相外延法Liquid Phase Epitaxy)法。
(2)然后，将第二接触层113和光吸收层112形成预定形状的图案(参照图5)。
首先，在半导体多层膜150上涂敷抗蚀剂(无图示)之后，采用光刻法在该抗蚀剂层上形成图案，形成预定图案的抗蚀剂层R1。
然后，把抗蚀剂层R1作为掩模，例如，采用干蚀刻法对第二接触层113和光吸收层112进行蚀刻。由此形成第二接触层113和具有第二接触层113相同平面形状的光吸收层112。第二接触层113和光吸收层112构成柱状的半导体堆积体。之后，去掉抗蚀剂层R1。
(3)接着，将第一接触层111形成规定形状的图案(参照图6)。具体来讲，首先在第一接触层111上涂敷抗蚀剂(无图示)，然后采用光刻法使该抗蚀剂层上形成图案，从而形成规定图形的抗蚀剂层R2。
其次，将抗蚀剂层R2作为掩模，用第一蚀刻剂蚀刻第一接触层111。此时，在第一接触层111的下面配置隔离层20，由于隔离层20作为蚀刻阻层起作用，隔离层20露出第一接触层111的蚀刻，因此，精确且容易。在下面，进行具体的说明。
如上所述，隔离层20可以是，用第一蚀刻剂的蚀刻率比用第一蚀刻剂的第一接触层111的蚀刻率小。即，首先，第一接触层111用大的蚀刻率将隔离层20蚀刻直到露出为止。于是，隔离层20露出。
隔离层20的蚀刻率比第一接触层111的蚀刻率小。换句话说，隔离层20比第一接触层111不易被蚀刻。从而，隔离层20露出的时候，由于用第一蚀刻剂的蚀刻不易发生，因此，在此时容易停止蚀刻。即，在露出20的时候，能够准确且容易停止第一接触层111蚀刻。
更具体地，例如，隔离层20可以由Al成分比第一接触层111的Al成分大的AlGaAs层构成。并且，可以选择第一蚀刻剂，其在Al成分大的AlGaAs层中的蚀刻率小，Al成分小的AlGaAs层中的蚀刻率大。即，选择第一蚀刻剂，其可以选择性地蚀刻Al成分小的AlGaAs层。因此，可以使用第一蚀刻剂的隔离层20的蚀刻率小于用第一蚀刻剂的第一接触层111的蚀刻率。
如上所述，隔离层20的Al成分优选为0.3以上，且第一接触层111的Al成分不足0.3。此时，作为第一蚀刻剂可以使用氨和过氧化氢和水的混合溶液。例如，氨和过氧化氢和水的混合比例可以是1∶10∶150，但是，混合比例没有特别限定，可以适当选择。
因此，图6所示，形成光检测元件120。光检测元件120包括第二接触层113、光吸收层112、以及第一接触层111。并且，第一接触层111的平面形状比第二接触层113及光吸收层112的平面形状大。
在上述步骤中，说明了在第二接触层113及光吸收层112形成图案后，在第一接触层111形成图案的情况，但也可以在第一接触层111形成图案后，在第二接触层113及光吸收层112形成图案。
(4)其次，在隔离层20形成预定形状的图案(参照图7)。具体地，将上述抗蚀剂层R2作为掩模，用第二蚀刻剂蚀刻隔离层20。这时，在隔离层20的下面，设置有第二反射器104的最上层14，由于第二反射器104的最上层14作为蚀刻阻层起作用，在第二反射器104的最上层14露出的时候，正确且容易停止蚀刻隔离层20。在下面，进行详细的说明。
如上所述，隔离层20可以是，用第二蚀刻剂的蚀刻率比用第二蚀刻剂的第二反射器104的最上层14的蚀刻率大。即，首先，第二反射器104的最上层14用大的蚀刻率将隔离层20蚀刻直到露出为止。于是，第二反射器104的最上层14露出。
第二反射器104的最上层14的蚀刻率比隔离层20的蚀刻率小。换句话说，第二反射器104的最上层14比隔离层20不易被蚀刻。从而，第二反射器104的最上层14露出的时候，由于用第二蚀刻剂的蚀刻不易发生，因此，在此时容易停止蚀刻。即，在露出第二反射器104的最上层14的时候，能够准确且容易停止隔离层20的蚀刻。
更具体地，例如，隔离层20可以由Al成分比第二反射器104的最上层14的Al成分大的AlGaAs层构成。并且，可以选择第二蚀刻剂，其在Al成分大的AlGaAs层中的蚀刻率大，Al成分小的AlGaAs层中的蚀刻率小。即，选择第二蚀刻剂，其可以选择性地蚀刻Al成分大的AlGaAs层。因此，可以使用第二蚀刻剂的隔离层20的蚀刻率大于用第二蚀刻剂的第二反射器104的最上层14的蚀刻率。
如上所述，隔离层20的Al成分优选为0.3以上，且第二反射器104的最上层14的Al成分不足0.3。此时，作为第二蚀刻剂可以使用氟化酸。此氟化酸浓度例如可以是0.1％，但没有特别限定，可以适当选择。
因此，图7所示，形成被形成图案的隔离层20。其后，抗蚀剂层R2被去除。如图所示，隔离层20的平面形状与第一接触层111的平面形状相同，但隔离层20的平面形状可以比第一接触层111的平面形状大。具体地，采用比抗蚀剂层R2的平面形状大的其他抗蚀剂层，代替上述在隔离层20形成图案时的抗蚀剂层R2，在隔离层20形成图案。
(5)其次，根据形成图案，形成包括柱状部130的面发光型半导体激光器140(参照图8)。具体地，首先，在第二反射器104上涂布抗蚀剂(无图示)后，通过光刻法在该抗蚀剂层形成图案，形成预定图案的抗蚀剂层R3。其次，将抗蚀剂层R3作为掩模，例如，通过干蚀刻法蚀刻第二反射器104、活性层103、以及第一反射器102的一部分。因此，如图8所示，形成柱状部130。
根据以上步骤，在半导体衬底101上，形成包括柱状部130的垂直共振器(面发光型半导体激光器140)。即，形成面发光型半导体激光器140、隔离层20、以及光检测元件120的叠层体。然后，抗蚀剂层R3被除去。
在本实施方式中，如上所述，对首先形成光检测元件120和隔离层20然后形成柱状部分130的情况进行了说明，但是也可以在形成柱状部分130后形成光检测元件120和隔离层20。
(6)接着，例如，将采用上述工艺已经形成柱状部分130的半导体衬底101放到400℃的水蒸气介质气体中，从侧面对第二反射器104中设置的Al成分大的层进行氧化，形成狭窄电流层105(参照图9)。如上所述，在该步骤中，隔离层20可以不被氧化。
氧化率取决于炉温、水蒸气的供给量、应氧化层的Al组成以及膜厚度。在具有因氧化而形成的电流狭窄层的面发光型激光器中，在驱动时，电流只在未形成电流狭窄层的部分(未氧化部分)流动。从而，在通过氧化而形成电流狭窄层的步骤中，通过控制形成电流狭窄层105的范围，可以控制电流密度。
另外，优选调整电流狭窄层105的直径，使从面发光型激光器140发射的大部分光能够入射第一接触层111。
(7)其次，如图10所示，在第一反射器102上，在柱状部130的周围，形成第一绝缘层30。第一绝缘层30可以使用与第二绝缘层40相比易厚膜化的物质。例如，第一绝缘层30可以采用根据热或光等的能量将可硬化的液体材料(例如紫外线硬化型树脂和热硬化型树脂的前体)通过硬化作用得到的物质。作为紫外线硬化型树脂，例如，有紫外线硬化型丙烯系树脂及环氧系树脂。并且，作为热硬化型树脂，有热硬化型聚酰亚胺系树脂。
在此，作为形成第一绝缘层30的材料，采用聚酰亚胺系树脂前体。首先，例如，使用自旋涂布法将前体(聚酰亚胺系树脂前体)涂布在半导体衬底101上，形成前体层。并且，作为前体层的形成方法，除了自旋涂布法，也可以使用浸渍法、喷涂法、喷墨法等公知技术。
接着，将此半导体衬底101，例如使用电炉等加热去除溶媒后，放入350℃左右的炉内，通过将前体层酰亚胺化，形成几乎完全硬化的聚酰亚胺系树脂层。然后，如图10所示，通过采用众所周知的光刻法技术在聚酰亚胺系树脂层形成图案，形成第一绝缘层30。作为形成图案时使用的蚀刻法，可以采用干蚀刻法等。干蚀刻法例如可通过氧或氩等等离子体进行蚀刻。
并且，在上述的第一绝缘层30的形成方法中，硬化聚酰亚胺系树脂的前体层之后，进行图案形成，但是，也可以在硬化聚酰亚胺系树脂的前体层之前，进行图案形成。作为在形成图案时使用的蚀刻方法，可以使用湿蚀刻法。湿蚀刻例如可利用碱溶液或有机溶液等进行。
(8)其次，如图11所示，在第一接触层111上，在光吸收层112及第二接触层113的周围形成第二绝缘层40。第二绝缘层40可以采用比第一绝缘层30更容易进行精细加工的物质。例如，第二绝缘层40可以采用二氧化硅膜和四氮化三硅膜等无机类的电介质膜。下面，具体说明第二绝缘层40的形成方法。
首先，在形成面发光型半导体激光器140及光检测元件120的半导体衬底101上全面形成绝缘层(未图示)。此绝缘层通过等离子体CVD法等形成。另外，将此绝缘层通过采用众所周知的光刻法进行图案形成，形成第二绝缘层40。如上所述，第二绝缘层40的图案形成可以进行比第一绝缘层30更精细的加工。作为形成此图案时使用的蚀刻法，可以使用干蚀刻法或湿蚀刻法等。干蚀刻法是通过含有氟基的等离子体进行。湿蚀刻是通过氟酸进行。
(9)然后，在第二反射器104的上面104a，形成第二电极109；而在光检测元件120的上面(第二接触层113的上面113a)，形成第四电极110(参照图12)。
首先，在形成第二电极109以及第四电极110之前，根据需要，可以利用等离子体处理法将第二反射器104的上面104a以及第二接触层113上表面的113a洗净。从而，形成具有更稳定特性的元件。
其次，通过例如真空蒸镀法，形成例如铂(Pt)、钛(Ti)以及金(Au)的层叠膜(图中未示出)。然后，采用剥离法(lift-off)，将规定位置之外的层叠膜去掉，形成第二电极109和第四电极110。此时，在第二接触层113的上面113a，形成没有被形成所述层叠膜的部分。该部分为开口部分114，通过开口部分114，露出一部分第二接触层113的上面113a。该露出的面为激光的出射面108。
如上所述，第二电极109至少含有铂(Pt)。第二电极109可以使用金(Au)和锌(Zn)的合金，但第二电极109优选含有铂。下面，说明其原因。
根据本实施方式的光元件100，第二电极109与p型第二反射器104接触(参照图1及图2)。如果在第二电极109中含锌(Zn)，由于锌比铂的热扩散量大，在后述退火步骤中，锌扩散至p型第二反射器中，可能到达邻接的n型第一接触层111。在GaAs层构成的第一接触层111上，锌为p型掺杂物，因此，可能造成n型第一接触层111的性质变成p型。其结果是，在光检测元件120中，pin构造可能被破坏。而铂与锌相比，由于热扩散量小，因此，能够防止n型第一接触层111向p型改变。
另外，在上述步骤中，代替剥离法可采用干蚀刻法或湿蚀刻法。另外，在上述步骤中，代替真空蒸镀法可采用喷射法。另外，在上述步骤中，第二电极109及第四电极110同时形成图案，但第二电极109及第四电极110可以各自形成图案。
(10)其次，采用同样的方法，例如，在金(Au)和锗(Ge)的合金和金(Au)的叠层膜上形成图案，在面发光型半导体激光器140的第一反射器102上形成第一电极107，在光检测元件120的第一接触层111上形成第三电极116(参照图13)。第一电极107及第三电极116可同时形成图案，或第一电极107及第三电极116，可各自形成图案。
(11)其次，进行退火。根据电极材料决定退火的温度。对于在本实施方式中采用的电极材料，通常在400℃左右进行。通过以上步骤，形成第一至第四电极107、109、110、116。
根据以上步骤，如图1～图3所示，得到本实施方式的光元件100。
4.作用和效果根据本实施方式的光元件100及其制造方法，具有如下所述的作用和效果。
根据本实施方式的光元件100及其制造方法，在将第一接触层111进行蚀刻的步骤中，由于在第一接触层111的下面有隔离层20，此隔离层20具有作为蚀刻阻层的功能，因此，能够对第一接触层111进行高精度、正确、简单的蚀刻。
根据本实施方式的光元件100，第一接触层111的Al成分比隔离层20的Al成分少。从而，由于可以使第一接触层111的Al成分少，因此容易得到第一接触层111与第三电极116的欧姆性接触。如上所述，第一接触层111的Al成分优选为不足0.3。由于第一接触层111的Al成分不足0.3，得到很好的第一接触层111与第三电极116的欧姆性接触。
根据本实施方式的光元件100及其制造方法，在蚀刻隔离层20的步骤中，由于在隔离层20的下面存在第二反射器104的最上层14，此第二反射器104的最上层14具有作为蚀刻阻层的功能，因此能够高精度、正确、容易的露出第二反射器104的最上层14的上面。
根据本实施方式的光元件100，第二反射器104的最上层14的Al成分比隔离层20的Al成分少。从而，由于可以使第二反射器104的最上层14的Al成分少，因此容易得到第二反射器104的最上层14与第二电极109的欧姆性接触。如上所述，第二反射器104的最上层14的Al成分优选为不足0.3。由于第二反射器104的最上层14的Al成分不足0.3，得到很好的第二反射器104的最上层14与第二电极109的欧姆性接触。
根据本实施方式的光元件100，隔离层20的Al成分比第二反射器104的最上层14的Al成分大，比第一接触层111的Al成分大。换句话说，在第二反射器104的最上层14上，形成具有比第二反射器104的最上层14的Al成分大的隔离层20。并且，在隔离层20上，形成具有Al成分比该隔离层20的Al成分小的第一接触层111。如上所述，通过层叠Al成分不同的层，可以将此叠层膜(第二反射器104的最上层14、隔离层20、及第一接触层111)作为反射器使用。也就是说，在面发光型半导体激光器140的特性不受影响的情况下，采用隔离层20及第一接触层111作为反射器，提高装置的设计自由度。
根据本实施方式的光元件100，通过使隔离层20的光学膜厚成为λ/4的奇数倍，隔离层20具有作为分布反射型反射器的功能。也就是说，在面发光型半导体激光器140中第二反射器104及隔离层20，在活性层103的上方，具有作为分布反射型反射器的功能。从而，不影响面发光型半导体激光器140的特性，隔离层20具有作为分布反射型反射器的功能。
根据本实施方式的光元件100，在柱状部130的周围形成第一绝缘层30。第一绝缘层30与第二绝缘层40相比，容易厚膜化。通过形成厚的第一绝缘层30，可降低面发光型半导体激光器140的寄生电容。其结果为，可以实现面发光型半导体激光器140的高速驱动。
根据本实施方式的光元件100，在光吸收层112及第二接触层113的周围形成第二绝缘层40。第二绝缘层40与第一绝缘层30相比容易进行精细加工。通过对第二绝缘层40进行精细加工，使在光检测元件120中具有精细且复杂构造的电极进行绝缘。
根据本实施方式的光元件100及其制造方法，分别进行形成第一绝缘层30的步骤和形成第二绝缘层40的步骤。因此，可以形成具有取得上述作用及效果的第一绝缘层30与第二绝缘层40的光元件100。
根据本实施方式的光元件100，形成不被氧化的隔离层20。也就是说，在根据本实施方式的光元件100及其制造方法中，在用于形成电流狭窄层105的氧化步骤中，可以使隔离层20不被氧化。由于隔离层20不被氧化，能够防止氧化引起的强度低下。另外，由于隔离层20不被氧化，能够防止氧化引起的折射率低下等。其结果，隔离层20作为反射器起作用时，可以防止对反射率等带来不良影响。
根据本实施方式的光元件100，用光检测元件120监控面发光型半导体激光器140的光输出的一部分，并反馈给驱动电路，补正温度等引起的输出变动，可以得到稳定的光输出。
以上说明的是本发明的优选实施方式，但本发明不限定于此，可以采取各种形态。例如，如图14所示，第二电极109和第三电极116，可以通过连接电极117连接。具体地，连接电极117，连接在第二电极109上面，并且，连接在第三电极116的上面及侧面。作为连接电极117，可以采用金等的物质，但不限定于此，可以采用众所周知的金属、合金、或其叠层膜。并且，图14是表示根据图1的剖面图。
并且，在上述实施方式中，形成第三电极116以覆盖第二电极109上面的一部分，但如图15所示，也可形成第二电极109以覆盖第三电极116的上面的一部分及侧面。并且，图15是表示根据图1的剖面图。
另外，在上述实施方式中，即使互相交换各半导体层的p型n型，也不会脱离本发明的宗旨。在此，面发光型半导体激光器140的p型第一反射器102及n型第二反射器104，以及光检测元件120的p型第一接触层111及n型第二接触层113，构成作为整体的pnpn结构。并且，此时，可以互相交换第二电极109及第三电极116的材料。也就是说，具体地，与n型第二反射器104连接的第二电极109，可以采用金(Au)和锗(Ge)的合金以及金(Au)的叠层膜等，与p型第一接触层111连接的第三电极116，可以采用含铂(Pt)的物质等。
另外，在上述实施方式中，说明了第一绝缘层30与第二绝缘层40是用分别不同的材料形成，但也能用同一材料同时形成。
符号说明14最上层；20隔离层；30第一绝缘层；40第二绝缘层；100光元件；101衬底；102第一反射器；103活性层；104第二反射器；105电流狭窄层；107第一电极；108出射面；109第二电极；110第四电极；111第一接触层；112光吸收层；113第二接触层；114开口部；116第三电极；117连接电极；120光检测元件；130柱状部；140面发光型半导体激光器。
权利要求
1.一种光元件，包括面发光型半导体激光器，其包括在衬底的上方从所述衬底侧配置的第一反射器、活性层、以及第二反射器；光检测元件，其包括在所述面发光型半导体激光器的上方从所述面发光型半导体激光器侧配置的第一接触层、光吸收层、以及第二接触层；并且，在所述第二反射器和所述第一接触层之间具有隔离层。
2.根据权利要求1所述的光元件，其中，所述隔离层、所述第二反射器的最上层、以及所述第一接触层分别由AlGaAs层构成，所述隔离层中的Al成分大于所述第二反射器的最上层中的Al成分，并且大于所述第一接触层中的Al成分。
3.根据权利要求2所述的光元件，其中，所述隔离层中的Al成分大于等于0.3。
4.根据权利要求2或3所述的光元件，其中，所述光吸收层和所述第二接触层分别由AlGaAs层构成，所述隔离层中的Al成分大于所述光吸收层中的Al成分，并且大于所述第二接触层中的Al成分。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的光元件，其中，所述第二反射器包括将AlGaAs层从侧面氧化而得到的电流狭窄层，所述隔离层中的Al成分小于用于形成所述电流狭窄层的AlGaAs层中的Al成分。
6.根据权利要求5所述的光元件，其中，所述隔离层中的Al成分不足0.95。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光元件，其中，当所述面发光型半导体激光器的设计波长为λ的时候，所述隔离层的光学膜厚为λ/4的奇数倍。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光元件，其中，当所述面发光型半导体激光器的设计波长为λ的时候，整个所述光检测元件的光学膜厚为λ/4的奇数倍。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光元件，其中，所述光元件包括第一电极，其与所述衬底或所述第一反射器电连接；第二电极，其与所述第二反射器电连接；第三电极，其与所述第一接触层电连接；第四电极，其与所述第二接触层电连接；其中，所述第二电极和所述第三电极电连接。
10.根据权利要求9所述的光元件，其中，所述第二反射器由p型半导体层构成，所述第二电极包括铂。
11.根据权利要求9所述的光元件，其中，所述第一接触层由p型半导体层构成，所述第三电极包括铂。
12.一种光元件的制造方法，所述光元件包括面发光型半导体激光器和光检测元件，其中，所述方法包括如下步骤在所述衬底的上方层叠半导体层的步骤，所述半导体层用于至少形成第一反射器、活性层、第二反射器、隔离层、第一接触层、光吸收层、以及第二接触层；通过蚀刻所述半导体层，形成第二接触层和光吸收层的步骤；通过用第一蚀刻剂蚀刻所述半导体层，形成第一接触层的步骤；通过用第二蚀刻剂蚀刻所述半导体层，形成所述隔离层的步骤；通过蚀刻所述半导体层，形成柱状部的步骤，所述柱状部至少包括所述第二反射器的一部分；其中，所述隔离层使用所述第一蚀刻剂时的蚀刻率，比所述第一接触层使用所述第一蚀刻剂时的蚀刻率小，所述隔离层使用所述第二蚀刻剂时的蚀刻率，比所述第二反射器的最上层使用所述第二蚀刻剂时的蚀刻率大。
13.根据权利要求12所述的光元件的制造方法，其中，所述隔离层、所述第二反射器的最上层、以及所述第一接触层分别由AlGaAs层构成，所述隔离层中的Al成分大于所述第二反射器的最上层中的Al成分，并且大于所述第一接触层中的Al成分。
14.根据权利要求13所述的光元件的制造方法，其中，所述隔离层中的Al成分大于等于0.3。
15.根据权利要求13或14所述的光元件的制造方法，其中，所述光吸收层和所述第二接触层分别由AlGaAs层构成，所述隔离层中的Al成分大于所述光吸收层中的Al成分，并且大于所述第二接触层中的Al成分。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的光元件的制造方法，其中，包括从侧面氧化所述第二反射器内的AlGaAs层而形成电流狭窄层的步骤，所述隔离层中的Al成分小于用于形成所述电流狭窄层的AlGaAs层中的Al成分。
17.根据权利要求16所述的光元件的制造方法，其中，所述隔离层中的Al成分不足0.95。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的光元件的制造方法，其中，当所述面发光型半导体激光器的设计波长为λ的时候，所述隔离层的光学膜厚为λ/4的奇数倍。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的光元件的制造方法，其中，当所述面发光型半导体激光器的设计波长为λ的时候，整个所述光检测元件的光学膜厚为λ/4的奇数倍。
20.根据权利要求12至19中任一项所述的光元件的制造方法，其中，所述方法包括形成第一电极的步骤，所述第一电极与所述衬底或所述第一反射器电连接；形成第二电极的步骤，所述第二电极与所述第二反射器电连接；形成第三电极的步骤，所述第三电极与所述第一接触层电连接；形成第四电极的步骤，所述第四电极与所述第二接触层电连接；并且，所述第二电极和所述第三电极电连接。
21.根据权利要求20所述的光元件的制造方法，其中，用同样的工艺进行形成所述第一电极的步骤和形成所述第三电极的步骤，用同样的工艺进行形成所述第二电极的步骤和形成所述第四电极的步骤。
22.根据权利要求20或21所述的光元件的制造方法，其中，所述第二反射器由p型半导体层构成，所述第二电极包括铂。
23.根据权利要求20或21所述的光元件的制造方法，其中，所述第一接触层由p型半导体层构成，所述第三电极包括铂。
全文摘要
本发明提供一种光元件及其制造方法，该光元件包括面发光型半导体激光器，能够高精度加工的面发光型半导体激光器。根据本发明的光元件包括面发光型半导体激光器(140)，其包括在衬底(101)的上方从衬底侧配置的第一反射器(102)、活性层(103)、以及第二反射器(104)；光检测元件(120)，其包括在面发光型半导体激光器(140)的上方从面发光型半导体激光器(140)侧配置的第一接触层(111)、光吸收层(112)、以及第二接触层(113)；并且，在第二反射器(104)和第一接触层(111)之间具有隔离层(20)。
文档编号H01S5/026GK1638217SQ20041009879
公开日2005年7月13日 申请日期2004年12月14日 优先权日2004年1月8日
发明者金子刚 申请人:精工爱普生株式会社