JP3889933B2

JP3889933B2 - 半導体発光装置

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光装置に関するものである。本明細書において、「半導体発光装置」とは、半導体レーザチップやＬＥＤチップのような半導体発光素子チップをマウント部材に搭載し、一体化したものをいう。たとえば、半導体レーザチップを搭載したものは「半導体レーザ装置」というものとする。
【０００２】
なお、本明細書において、「マウント部材」とは、半導体発光素子チップを直接搭載するための部品を意味しており、たとえば、半導体発光素子用のサブマウントをいう。また、サブマウントを用いずに、直接、支持基体すなわちステム、フレームまたはパッケージに搭載する場合においては、マウント部材とは、このステム、フレームまたはパッケージを意味する。
【０００３】
【従来の技術】
ＧａＮ系半導体は、紫色ないし緑色領域における半導体発光素子チップを実現する材料として注目されている。中でも、ＧａＮ系半導体を用いて、従来よりも短波長で発振する半導体レーザが望まれている。ＧａＮ系半導体を発光素子チップに用いるには、従来、半導体レーザチップの基板として絶縁体であるサファイアが用いられてきた。しかし、最近では、ＧａＮ系半導体を用いた半導体レーザチップとして、サファイア基板ではなくＧａＮ基板を用いることとして、このＧａＮ基板上にｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層、電極などを順次形成した積層体を有する構造の半導体レーザチップも検討されるようになってきた。
【０００４】
半導体レーザチップと、これを搭載する支持基体とを備えて、レーザを所望の向きに発射できるようにした装置を、半導体レーザ装置というものとする。半導体レーザ装置においては、その動作時に発光部分の温度上昇に伴う特性劣化を抑制するために、効率良く放熱する必要がある。そこで、半導体レーザチップを支持基体に対して熱伝導性良くマウントすることが重要となる。マウントを熱伝導性良く行なうために、支持基体と半導体レーザチップとの間にサブマウントと呼ばれる部材を介在させる方法がある。このサブマウントへの接続に際して、半導体レーザチップのうち基板側でなく積層体側をサブマウントに対向させてダイボンディングを行なうジャンクションダウン方式がとられる場合がある。このサブマウントはさらに支持基体に対してダイボンディングなどで接続される。
【０００５】
特開２０００−５８９６５公報（以下、「文献１」という。）には、ジャンクションダウン方式が採用された半導体レーザ装置、およびジャンクションダウン方式を採用可能な半導体レーザ装置の例が開示されている。
【０００６】
そこで、ジャンクションダウン方式の説明のために、文献１で示された考え方を適用した従来の半導体レーザ装置の例を、図８、図９に示す。なお、図８、図９では、文献１の図の構造のうち今回の説明にとって重要でない構造については簡略化している。
【０００７】
図８に、ジャンクションダウン方式が採られた半導体レーザ装置の例を示す。この例では、基板１０１の主表面に活性層１０６を含む積層体１０２が形成された半導体レーザチップ１３０を、ＳｉＣからなる保持体１４０にマウントしている。マウントするに際しては、積層体１０２の側が保持体１４０に対向するように保持体１４０上に載せ、ハンダ１１２によってｐ型電極１０３、ｎ型電極１０４を保持体１４０の上面に設けられた金属膜１４１，１４２にそれぞれ接続している。保持体にＳｉＣが用いられているのは、文献１の段落００２９にも記載があるが「絶縁体」でありかつ「熱伝導性に優れる」という理由からである。保持体１４０は放熱の役割を果たすものであるから、熱伝導性に優れるという理由で材料が選択されるのは当然である。さらに、保持体１４０の材料としては、文献１の段落００５１に記載があるように、絶縁体でかつ熱伝導性に優れるという条件を満たすことから、ＳｉＣ以外にＢＮ、ＡｌＮ、ダイヤモンドなども用いることができる。
【０００８】
この例では、半導体レーザチップ１３０を保持体１４０に対してマウントしているが、実際には、この保持体１４０を半導体レーザ装置の中でどの部分とみなすかによって、保持体１４０はサブマウントと考えてもよい。そうだとしても、呼び名が変わるだけで、材料の選択などについての考え方は同様である。
【０００９】
図９に示す半導体レーザチップ２３０では、ＧａＮなどからなる導電性の基板２０１の上側に活性層２０６を含む積層体２０２を形成している。積層体２０２の上面にｐ型電極２０３が形成され、基板２０１の下面にｎ型電極２０４が形成されている。この半導体レーザチップ２３０も、ジャンクションダウン方式でダイボンディングを行なうことが可能である。
【００１０】
なお、ダイボンディングとは、以下のような工程によってなされる。サブマウント、保持体などのダイボンディングしたいものの上面に予めハンダを設ける。ハンダを融点以上に加熱し、所定の位置にアライメントした半導体レーザチップを、溶解したハンダに対してコレットで押しつける。その後、ハンダを冷却固化させる。こうすることにより、半導体レーザチップとサブマウントとが熱伝導性良く接続される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の発明者らは、窒化物系化合物半導体基板とその主表面に設けられた窒化物系化合物半導体とを備えた半導体レーザチップの場合、ジャンクションダウン方式でサブマウントなどにマウントすると、半導体発光装置の特性が悪化する場合があることを突き止めた。この場合の特性の悪化とは、レーザ発振の閾値電流Ｉ_thが大きくなることをいう。なお、閾値電流Ｉ_thは小さい方が好ましい。
【００１２】
ジャンクションダウン方式でのマウントにより特性が悪化した例を、図１０に示す。図１０において、（ａ）はマウント前のＩ_thを示し、（ｂ）はマウント後のＩ_thを示す。
【００１３】
そこで、本発明では、ジャンクションダウン方式でマウントを行なっても閾値電流Ｉ_thが大きくならない半導体発光装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に基づく半導体発光装置では、チップ基板と上記チップ基板の表面に窒化物系化合物半導体層を含む半導体層を積層した積層体とを含む半導体発光素子チップと、載置面を有するマウント部材とを備え、上記半導体発光素子チップは、上記マウント部材の上記載置面に対して上記積層体を向けるように接続しており、上記載置面は凸状に湾曲しており、上記半導体発光素子チップは、上記載置面に沿うように湾曲して接続されている。
【００１６】
この構成を採用することにより、半導体発光素子チップをマウント部材に接着するときに、マウント部材の湾曲した載置面に沿うように半導体発光素子チップが曲げられる。その結果、半導体発光素子チップの積層体において圧縮応力が増すこととなり、閾値電流Ｉ_thが減少した半導体発光装置とすることができる。
【００１７】
上記発明において好ましくは、上記チップ基板は、窒化物系化合物半導体からなる。この構成を採用することにより、短波長で発振する半導体レーザ装置とすることができ、従来より小さな閾値電流Ｉ_thでレーザを発振させることができる。
【００１８】
上記発明において好ましくは、上記マウント部材のうち前記半導体発光素子チップが接続される部分が鉄および銅のうち少なくとも一方を含む。この構成を採用することにより、窒化物系化合物半導体を含むチップ基板より、マウント部材の方が熱膨張係数が大きいという構成を容易に実現することができる。また、マウント部材が鉄または銅を含むので、熱伝導性も良くすることができる。
【００１９】
上記発明において好ましくは、上記載置面と上記積層体との間はハンダによって接続されており、上記ハンダは、Ｉｎ、Ｓｎ、ＰｂおよびＡｕからなる群の中から選ばれた少なくとも１つの材料を含む。この構成を採用することにより、ハンダづけの際に温度が上がり、その後冷却されることとなるため、熱膨張係数の差を利用して圧縮応力を増すことができる。特にＡｕ系のハンダであれば、融点が高いので、有利である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
発明者らは、窒化物系化合物半導体発光素子としての半導体レーザチップに注目したとき、半導体レーザチップの積層体に発生する応力および歪みの状態が、閾値電流Ｉ_thの増大に影響しているのではないかと考えた。一般的に、半導体レーザチップの積層体は、本来、圧縮応力を生じ、圧縮歪みを生じた状態にある。これは、基板がＧａＮであってもサファイアであってもいえることである。サファイアからなる基板の場合は、積層体よりサファイアの方が熱膨張係数が大きいことによって、積層体の積層後に常温に冷めた際に、基板の方が積層体より大幅に収縮することによって、積層体は圧縮応力を生じるとともに圧縮歪みを生じた状態となる。ＧａＮからなる基板の場合は、積層体の活性層１０６，２０６を構成するＩｎＧａＮは本来周囲の膜より格子定数が大きいのに無理に格子を周囲の膜に合わせていることによって、積層体は圧縮応力を生じるとともに圧縮歪みを生じた状態となる。
【００２１】
発明者らが、条件の異なる複数のサンプルによって実験し、測定した結果、閾値電流Ｉ_thが増大した例は、いずれも、サブマウント上にマウントしたことによって、この本来積層体が有する圧縮歪みが小さくなっている例であることが推察された。すなわち、積層体がサブマウントに接続され、変形をサブマウントに拘束されることで、積層体に引張力が加わり、積層体に本来生じていた圧縮応力が小さくなるとともに圧縮歪みが小さくなったものである。
【００２２】
そこで、発明者らは、積層体が元々有している圧縮歪みに対して、引張力ではなく、圧縮力を加えたときに、閾値電流Ｉ_thがどう変化するかを検討することとした。発明者らは、この検討には、ＧａＮ基板を備えるＧａＮ系半導体レーザチップを用いた。
【００２３】
発明者らは、半導体レーザチップの積層体に圧縮力を付加する方法として、基板の材質であるＧａＮと、マウント部材との熱膨張係数の差に着目した。ＧａＮよりも熱膨張係数が大きいサブマウントに半導体レーザチップをジャンクションダウン方式でマウントした場合、サブマウントと半導体レーザチップとは、高温で熱膨張した状態で密着させることとなる。これらが、常温まで戻った際には、サブマウントの収縮量の方がＧａＮの収縮量より大きくなる。したがって、半導体レーザチップの積層体にはさらに２次元的な圧縮力がかかり、２次元的な圧縮応力がさらに増すとともに２次元的な圧縮歪みが増大する。
【００２４】
また、発明者らは、半導体レーザチップをサブマウントに接着するための温度、すなわち、ハンダの融点にも着目した。より高い融点を有するハンダを用いた場合の方がより高い温度で接着することとなる。したがって、サブマウントがより大きく膨張した状態で接着することとなる。その場合、常温に戻る際のＧａＮ基板とサブマウントとの収縮量の差がより大きくなり、積層体に付加される圧縮力が大きくなる。
【００２５】
なお、放熱材料として知られている材料のうち、ＧａＮよりも熱膨張係数が大きいものの例としては、Ａｇ、Ｃｕ、ＣｕＷ、ＢｅＯ、Ｆｅ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＧａＡｓなどがある。一方、ＧａＮよりも熱膨張係数が小さいものの例としては、Ｓｉ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ｃＢＮ、ダイヤモンドなどがある。これらのデータは、「半導体レーザ」（培風館、伊藤良一・中村道治共著）のｐ．２３２の図１０．１９で参照することができる。
【００２６】
また、ハンダとして知られている材料のうち、融点の低いものの例としては、Ｉｎ、ＩｎＰｂ、ＩｎＳｎ、ＩｎＡｇ、ＩｎＡｇＰｂなどのＩｎを含む合金、あるいは、Ｓｎ、ＳｎＰｂ、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇ、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇＰｂ、ＳｎＰｂＳｂなどのＳｎを含む合金、あるいは、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕなどの粉末を混入したエポキシ樹脂やポリイミドなどがある。これらの融点は、概ね１００℃〜２３５℃程度である。さらに、融点が高いものの例としては、ＡｕＳｉ、ＡｕＳｎ、ＡｕＧａ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｂ、ＡｕＮｉ、ＡｕＩｎ、ＡｕＡｇＳｎなどのＡｕを含む合金などがある。これらの融点は、概ね２８０℃以上である。
【００２７】
（実施の形態１）
（構成）
図１を参照して、本発明に基づく実施の形態１における半導体レーザ装置について説明する。半導体レーザチップ４３０は、ＧａＮ基板４０１の主表面上に窒化物系半導体の積層体４０２が形成されたものである。積層体４０２の表面には、ｐ型電極４０３が設けられている。ＧａＮ基板４０１の裏面には、ｎ型電極４０４が設けられている。この半導体レーザチップ４３０は、両面電極構造であり、同時に、いわゆるリッジストライプ型構造のものである。
【００２８】
この半導体レーザチップ４３０は、支持基体４２０の上側において、ｐ型電極４０３を下向きにして、サブマウント４１０を介在して搭載されている。半導体レーザチップ４３０とサブマウント４１０との間にはハンダ４１２が介在している。支持基体４２０とサブマウント４１０との間にはハンダ４１３が介在している。
【００２９】
サブマウント４１０の表面および裏面には、メタライズのために金属多層膜からなる表面電極４１５が形成されている。ｐ型電極４０３に接続されたサブマウント４１０表面の表面電極４１５と支持基体４２０との間は、ワイヤ４１４ａで接続されている。ｎ型電極４０４とピン４１１との間は、ワイヤ４１４ｂで接続されている。ここで、ピン４１１は、支持基体４２０の紙面奥側において、支持基体４２０とは別の外部接続端子（図示省略）に電気的に接続されている。こうして、外部接続端子と、支持基体４２０との間に電流を流すことで、半導体レーザチップ４３０に電流が供給される。
【００３０】
図２を参照して、半導体レーザチップ４３０の構造についてさらに詳しく説明する。図２においては、説明の便宜のため、各層の厚みは誇張して表示してある。半導体レーザチップ４３０は、ＧａＮ基板４０１の上に、ＧａＮバッファ層５０２、ｎ−ＧａＮコンタクト層５０３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５０４、ｎ−ＧａＮガイド層５０５、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層５０６、ｐ−ＡｌＧａＮ蒸発防止層５０７、ｐ−ＧａＮガイド層５０８、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５０９およびｐ−ＧａＮコンタクト層５１０がこの順に積層されている。図２にも凸部として示されるように、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５０９およびｐ−ＧａＮコンタクト層５１０には、共振器の共振方向に延びるリッジ部分が設けられている。リッジ部分の上側にはｐ型電極４０３が形成されている。ｐ型電極４０３と、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５０９およびｐ−ＧａＮコンタクト層５１０との間には、リッジ部分を除いて、絶縁膜５１１が設けられている。
【００３１】
ＧａＮ基板４０１の下側には、ｎ型電極４０４が形成されている。
本実施の形態では、上述のような材料の組合せで半導体レーザチップ４３０を作製したが、材料は、上述の例に限るものではなく、窒化物系化合物半導体を用いれば他の材料でもよい。すなわち、たとえば、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５０９をｐ−ＡｌＧａＩｎＮ層にしたり、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層５０６をＧａＩｎＮＡｓ層やＧａＩｎＮＰ層などにしたりしてもよい。また、クラッド層に多重量子井戸を用いてもよい。ｎ−ＧａＮコンタクト層５０３とｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５０４との間にＩｎＧａＮクラック防止層を挿入してもよい。
【００３２】
（製造方法）
本実施の形態における半導体レーザ装置の製造方法を説明する。
【００３３】
まず、半導体素子の製造に一般的に用いられている周知のプロセスを適宜適用して、ＧａＮ基板４０１上に、図２に示したような構造が多数形成された半導体レーザウエハを得る。ｐ型電極４０３の材料は、ｐ−ＧａＮコンタクト層５１０に近い側から順に、Ｐｄ（１０ｎｍ）、Ａｕ（１５０ｎｍ）である。
【００３４】
ＧａＮ基板４０１の厚みは、積層体形成のための結晶成長の際には３５０μｍであるが、ｎ型電極４０４形成前にＧａＮ基板４０１の裏面側から研磨またはエッチングにより、ＧａＮ基板４０１の一部を除去し、ウエハの厚みを、通常４０〜１２０μｍ程度にまで薄くした後、ｎ型電極４０４を、Ｔｉ（３０ｎｍ）、Ａｌ（１５０ｎｍ）という構造で形成する。
【００３５】
その後、劈開により、共振器長を５００μｍとしてレーザ端面を形成する。こうして、半導体レーザチップとなるべき構造が複数連なった幅５００μｍのストリップ状のウエハ断片が得られる。このウエハ断片の両側面、すなわち、劈開によって現れた面がレーザ端面となる。なお、レーザ端面は、エッチングによって形成してもよい。さらに、劈開により個々の半導体レーザチップに分割する。個々の半導体レーザチップへの分割は、ダイシング、レーザアブレーション法などを用いてもよい。
【００３６】
ダイボンディング法により、半導体レーザチップ４３０を支持基体上にマウントする。このマウント工程は、以下のように行なう。
【００３７】
Ｆｅからなるサブマウント４１０の表面に、表面電極４１５として、表面にＡｕ（０．１μｍ）／Ｐｔ（０．１μｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）（「ＡｕオンＰｔオンＴｉ」の意。以下同様。）の電極パターンを形成する。このサブマウント４１０上に、ハンダ４１２としてＩｎハンダを蒸着する。ハンダの盛り上がりによる半導体レーザチップのｐ−ｎ間ショートを防ぐため、ハンダ４１２の厚みは、０．５〜２０μｍの範囲がよく、さらに好ましくは、０．５〜５μｍがよい。
【００３８】
上述の半導体レーザチップ４３０をｐ型電極４０３を下向きにして載せ、サブマウント４１０をハンダ４１２の融点より若干高い２００℃まで加熱し、ハンダが融けたところで、コレット（図示省略）で押えて荷重を適宜加えながら半導体レーザチップ４３０とサブマウント４１０とをハンダ４１２によくなじませる。その後、冷却し、ハンダ４１２を固化させる。
【００３９】
次に、ＣｕまたはＦｅを主体とする金属からなり、表面にＮｉ／Ａｕ膜がメッキ形成された支持基体４２０を用意する。支持基体４２０上にハンダ４１３としてシート状のＰｂＳｎハンダを載せる。上述のサブマウント４１０に半導体レーザチップ４３０を接続したものを、サブマウント４１０が下側になるようにして載せ、支持基体４２０をハンダ４１３の融点より若干高い１８０℃まで加熱する。ハンダ４１３が融けたところで、サブマウント４１０と支持基体４２０とをハンダ４１３によくなじませる。その後、冷却し、ハンダ４１３を固化させることで、マウント工程が完了する。
【００４０】
こうして、図１に示したような半導体レーザ装置が得られる。
（作用・効果）
マウント後の半導体レーザチップ４３０にかかる圧縮力は、マウント前に比べて増加している。その結果、積層体４０２は、マウント前より大きな圧縮歪みを生じている。この結果、レーザ発振の閾値電流Ｉ_thは、マウント前の７０ｍＡから、マウント後は６５ｍＡに減少した。すなわち、半導体レーザ装置としての特性が向上した。
【００４１】
本実施の形態では、サブマウント４１０に導電体を用いているので、サブマウント４１０自体が表面電極４１５を兼ねることも可能である。さらに、サブマウントの半導体レーザチップに面した側からだけではなく、側面や裏面からもステム、パッケージ、外部リードなどへ直接接続が可能となり、放熱効率の改善やシステム全体の簡略化につながる。
【００４２】
本実施の形態では、サブマウント４１０にＦｅを用いたが、サブマウント４１０の材料としては、ＧａＮより熱膨張係数が大きい他の材料、たとえば、Ａｇ、Ｃｕ、ＣｕＷ、ＢｅＯ、Ａｌ₂Ｏ₃またはＧａＡｓなどに置き換えても、同様の効果を得ることができる。さらに、熱伝導率の大きい材料の方が、放熱性に優れるため、好ましい。今までに挙げた材料では、熱伝導率が大きい順に、Ａｇ＞Ｃｕ＞Ａｕ＞ＢｅＯ＞ＣｕＷ＞Ｆｅ＞ＧａＡｓ＞Ａｌ₂Ｏ₃となる。
【００４３】
本実施の形態では、半導体レーザチップ４３０とサブマウント４１０との接着のためのハンダ４１２として、Ｉｎハンダを用いたが、その他の融点の低いハンダ、たとえば、ＩｎＰｂ、ＩｎＳｎ、ＩｎＡｇ、ＩｎＡｇＰｂなどのＩｎ系ハンダ、あるいは、Ｓｎ、ＳｎＰｂ、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇ、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇＰｂ、ＳｎＰｂＳｂなどのＳｎ系ハンダ、あるいは、ＰｂＳｂ、ＰｂＡｇ、ＰｂＺｎなどのＰｂ系ハンダ、あるいは、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕなどの粉末を混入したエポキシ樹脂やポリイミドなどを用いても同様の効果を得ることが可能である。また、本実施の形態では、ハンダ４１２の形成には蒸着法を用いたが、ハンダの形成には、蒸着法以外に塗布法、スパッタ法、印刷法、メッキ法などを用いてもよい。また、Ｉｎ系ハンダのように軟らかいハンダは、マウント前の半導体レーザチップ４３０が多少反り気味の場合でも、マウント後に半導体レーザチップ４３０がとれにくく、半導体レーザ装置の信頼性が高くなる。
【００４４】
本実施の形態では、サブマウント４１０と支持基体４２０との接着のためのハンダ４１３としてＰｂＳｎハンダを用いた。ハンダ４１３の種類は、Ｉｎ系、Ｓｎ系、Ａｕ系、Ｐｂ系などのいずれでもよいが、既に半導体レーザチップ４３０とサブマウント４１０との間に存在するハンダ４１２への悪影響を避けるために、ハンダ４１２より融点が低いものが望ましい。また、ハンダ４１３の形成は、上述のようにシート状のものを用いる以外に、蒸着法、塗布法、スパッタ法、印刷法、メッキ法などを用いてもよい。
【００４５】
本実施の形態では、ｐ型電極４０３として、Ｐｄ／Ａｕを用いた。Ｐｄに代えて、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｗ、Ａｌ、Ｔｌ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、ＰｔおよびＮｉのうちいずれかまたはこれらいずれかの化合物を用いてもよい。Ａｕに代えて、Ｎｉ、Ａｇ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｓｉ、ＧｅおよびＡｌのうちいずれかまたはこれらいずれかの化合物を用いてもよい。膜厚も上述した値に限らない。
【００４６】
本実施の形態では、ｎ型電極４０４として、Ｔｉ／Ａｌを用いた。Ｔｉに代えて、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｗ、Ａｌ、Ｔｌ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｐｔ、ＮｉおよびＰｄのうちいずれかまたはこれらいずれかの化合物を用いてもよい。Ａｌに代えて、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｚｎ、ＳｉおよびＧｅのうちいずれかまたはこれらいずれかの化合物を用いてもよい。膜厚も上述した値に限らない。
【００４７】
本実施の形態では、図２に示したように両面電極構造の半導体レーザチップ４３０を用いたが、たとえば、図５に示す半導体レーザチップ６３０のように片面電極構造の半導体レーザチップであっても、マウント前の状態で積層体に圧縮応力が生じている半導体レーザチップであれば、本発明は適用可能であり、同様の効果が得られる。ただし、片面電極構造の半導体レーザチップの場合は、半導体レーザチップの電極に対向するサブマウントの電極パターンを、正負両電極が短絡しないように配置する必要がある。
【００４８】
（実施の形態２）
本発明に基づく実施の形態２について説明する。本実施の形態では、実施の形態１で説明したような構造において、より好ましい条件を見出すために、ハンダとサブマウントの材料の組合せを変えて、マウント前後の閾値電流Ｉ_thの低減の度合いを比較した。ここでいうハンダは半導体レーザチップとサブマウントとの間を接着するためのハンダである。
【００４９】
図３にその実験結果を示す。サブマウントがＦｅまたはＣｕの場合、閾値電流Ｉ_thはマウント前の７０〜９０％程度にまで低減された。さらに、融点２８０℃のＡｕＳｎハンダと、融点１５７℃のＩｎハンダとを比較した場合、ＡｕＳｎハンダの方が閾値電流Ｉ_thの低減の度合いが大きくなった。一方、サブマウントがＧａＮやＧａＡｓの場合は、閾値電流Ｉ_thの低減は見られなかった。
【００５０】
（実施の形態３）
（構成）
図４を参照して、本発明に基づく実施の形態３における半導体レーザ装置について説明する。本実施の形態では、半導体レーザチップ６３０を用いて、実施の形態１のハンダやサブマウントの材料をより適切なものに代え、実施の形態１よりさらに効果を高めた例を説明する。半導体レーザチップ６３０は、ＧａＮ基板６０１の主表面上に窒化物系半導体の積層体６０２が形成されたものである。積層体６０２の表面には、ｐ型電極６０３およびｎ型電極６０４が設けられている。すなわち、半導体レーザチップ６３０は、片面電極構造のものである。
【００５１】
なお、実施の形態１では両面電極構造であるのに対して、本実施の形態では、片面電極構造であるという違いがあるが、閾値電流Ｉ_thの低減効果の程度に関しては、この構造の違いは特に有意な影響を与えない。
【００５２】
この半導体レーザチップ６３０は、支持基体６２０の上側において、ｐ型電極６０３を下向きにして、サブマウント６１０を介在して搭載されている。半導体レーザチップ６３０とサブマウント６１０との間にはハンダ６１２が介在している。支持基体６２０とサブマウント６１０との間にはハンダ６１３が介在している。
【００５３】
サブマウント６１０の表面および裏面には、メタライズのために金属多層膜からなる表面電極６１５ａ，６１５ｂが形成されている。ｐ型電極６０３に接続されたサブマウント６１０表面の表面電極６１５ａと支持基体６２０との間は、ワイヤ６１４ａで接続されている。ｎ型電極６０４に接続されたサブマウント６１０表面の表面電極６１５ｂとピン６１１との間は、ワイヤ６１４ｂで接続されている。ここで、ピン６１１は、支持基体６２０の紙面奥側において、支持基体６２０とは別の外部接続端子（図示省略）に電気的に接続されている。こうして、外部接続端子と、支持基体６２０との間に電流を流すことで、半導体レーザチップ６３０に電流が供給される。
【００５４】
図５を参照して、半導体レーザチップ６３０の構造についてさらに詳しく説明する。図５においては、説明の便宜のため、各層の厚みは誇張して表示してある。半導体レーザチップ６３０は、ＧａＮ基板６０１の上に、ＧａＮバッファ層７０２、ｎ−ＧａＮコンタクト層７０３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層７０４、ｎ−ＧａＮガイド層７０５、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層７０６、ｐ−ＡｌＧａＮ蒸発防止層７０７、ｐ−ＧａＮガイド層７０８およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層７０９がこの順に積層されている。この積層体の一部に上面から掘り下げるように溝７２０が設けられている。溝７２０は、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層７０９からｎ−ＧａＮコンタクト層７０３に至る深さで、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層７０９の上に形成された絶縁膜７１１およびｎ型電極６０４が溝７２０の内部にも延在し、ｎ型電極６０４がｎ−ＧａＮコンタクト層７０３に接触するように形成されている。絶縁膜７１１は、溝７２０内部でのｎ型電極６０４とｎ−ＧａＮコンタクト層７０３との接触箇所を除いて、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層７０４からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層７０９までの積層体と、ｎ型電極６０４との間を絶縁するように形成されている。溝７２０を挟むｐ−ＡｌＧａＮクラッド層７０９の領域のうち一方には、図５左上部分に凸部として示されるように、共振器の共振方向に延びるリッジ部分が設けられている。リッジ部分の先端には、ｐ−ＧａＮコンタクト層７１０が形成されており、リッジ部分も含めたｐ−ＡｌＧａＮクラッド層７０９およびｐ−ＧａＮコンタクト層７１０の上側にはｐ型電極６０３が形成されている。ｐ型電極６０３と、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層７０９およびｐ−ＧａＮコンタクト層７１０との間には、リッジ部分を除いて、絶縁膜５１１が設けられている。
【００５５】
本実施の形態では、上述のような材料の組合せで半導体レーザチップ６３０を作製したが、材料は、上述の例に限るものではなく、窒化物系化合物半導体を用いれば他の材料でもよい。すなわち、たとえば、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層７０９をｐ−ＡｌＧａＩｎＮ層にしたり、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層７０６をＧａＩｎＮＡｓ層やＧａＩｎＮＰ層などにしたりしてもよい。また、クラッド層に多重量子井戸を用いてもよい。ｎ−ＧａＮコンタクト層７０３とｎ−ＡｌＧａＮクラッド層７０４との間にＩｎＧａＮクラック防止層を挿入してもよい。
【００５６】
（製造方法）
本実施の形態における半導体レーザ装置の製造方法を説明する。
【００５７】
まず、半導体素子の製造に一般的に用いられている周知のプロセスを適宜適用して、ＧａＮ基板６０１上に、図５に示したような構造が多数形成された半導体レーザウエハを得る。ｐ型電極６０３の材料は、ｐ−ＧａＮコンタクト層７１０に近い側から順に、Ｎｉ（１０ｎｍ）、Ａｕ（２００ｎｍ）である。ｎ型電極６０４の材料は、ｎ−ＧａＮコンタクト層７０３に近い側から順に、Ｈｆ（３０ｎｍ）、Ａｌ（１５０ｎｍ）、Ｍｏ（３０ｎｍ）、Ａｕ（１５０ｎｍ）である。
【００５８】
ＧａＮ基板６０１の厚みは、積層体形成のための結晶成長の際には３５０μｍであるが、ＧａＮ基板６０１の裏面側から研磨またはエッチングにより、ＧａＮ基板６０１の一部を除去し、ウエハの厚みを、通常４０〜１２０μｍ程度にまで薄くする。
【００５９】
その後、劈開により、共振器長を５００μｍとしてレーザ端面を形成する。こうして、半導体レーザチップとなるべき構造が複数連なった幅５００μｍのストリップ状のウエハ断片が得られる。このウエハ断片の両側面、すなわち、劈開によって現れた面がレーザ端面となる。なお、レーザ端面は、エッチングによって形成してもよい。さらに、劈開により個々の半導体レーザチップに分割する。個々の半導体レーザチップへの分割は、ダイシング、レーザアブレーション法などを用いてもよい。
【００６０】
ダイボンディング法により、半導体レーザチップ６３０を支持基体上にマウントする。このマウント工程は、以下のように行なう。
【００６１】
Ｃｕからなるサブマウント６１０の表面に、表面電極６１５ａ，６１５ｂとして、表面にＡｕ（０．１μｍ）／Ｐｔ（０．１μｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）の電極パターンを形成する。このサブマウント６１０上に、ハンダ６１２としてＡｕＳｎハンダを蒸着する。ハンダの盛り上がりによる半導体レーザチップのｐ−ｎ間ショートを防ぐため、ハンダ６１２の厚みは、０．５〜２０μｍの範囲がよく、さらに好ましくは、０．５〜５μｍがよい。
【００６２】
サブマウント６１０上に上述の半導体レーザチップ６３０を電極を下向きにして載せ、ハンダ６１２の融点より若干高い３７０℃まで加熱し、ハンダが融けたところで、さらにコレット（図示省略）で押えて荷重を適宜加えながら半導体レーザチップ６３０とサブマウント６１０とをハンダ６１２によくなじませる。その後、冷却し、ハンダ６１２を固化させる。
【００６３】
次に、ＣｕまたはＦｅを主体とする金属からなり、表面にＮｉ／Ａｕ膜がメッキ形成された支持基体６２０を用意する。支持基体６２０上にハンダ６１３としてシート状のＰｂＳｎハンダを載せる。上述のサブマウント６１０に半導体レーザチップ６３０を接続したものを、サブマウント６１０が下側になるようにして載せ、支持基体６２０をハンダ６１３の融点より若干高い１８０℃まで加熱する。ハンダ４１３が融けたところで、サブマウント６１０と支持基体６２０とをハンダ６１３によくなじませる。その後、冷却し、ハンダ６１３を固化させることで、マウント工程が完了する。
【００６４】
こうして、図４に示したような半導体レーザ装置が得られる。
（作用・効果）
マウント後の半導体レーザチップ４３０にかかる圧縮力は、マウント前に比べて増加している。その結果、積層体６０２は、マウント前より大きな圧縮歪みを生じている。さらに、ハンダ６１２として、ＡｕＳｎハンダを用いたが、実施の形態１で用いたＩｎハンダに比べてＡｕＳｎハンダは融点が高いことから、サブマウントへの接着によって積層体に付加される圧縮歪みは実施の形態１の場合よりも大きなものになる。また、サブマウントに実施の形態１で用いたＦｅよりも熱伝導性の良いＣｕを用いたため、放熱をより効率良く行なえることとなった。
【００６５】
この結果、レーザ発振の閾値電流Ｉ_thは、マウント前の７０ｍＡから、マウント後は５０ｍＡに減少した。すなわち、半導体レーザ装置としての特性は、実施の形態１の場合よりさらに向上した。
【００６６】
本実施の形態では、サブマウント６１０にＣｕを用いたが、サブマウント６１０の材料としては、ＧａＮより熱膨張係数が大きい他の材料に置き換えても同様の効果を得ることができる。具体的な材料名は、実施の形態１でサブマウント４１０の材料について説明したものと同じである。
【００６７】
本実施の形態では、半導体レーザチップ６３０とサブマウント６１０との接着のためのハンダ６１２として、ＡｕＳｎハンダを用いたが、その他の融点の高いハンダ、たとえば、ＡｕＳｉ、ＡｕＧａ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｂ、ＡｕＮｉなどのＡｕ系ハンダを用いても同様の効果を得ることが可能である。また、本実施の形態では、ハンダ６１２の形成には蒸着法を用いたが、ハンダの形成には、蒸着法以外に塗布法、スパッタ法、印刷法、メッキ法などを用いてもよい。あるいは、シート状のハンダをサブマウント６１０の上に置くことによってもよい。
【００６８】
本実施の形態では、ハンダ６１３の種類は、Ｉｎ系、Ｓｎ系、Ａｕ系、Ｐｂ系などのいずれでもよいが、既に半導体レーザチップ４３０とサブマウント４１０との間に存在するハンダ６１２への悪影響を避けるために、ハンダ６１２より融点が低いものが望ましい。また、ハンダ６１３の形成は、上述のようにシート状のものを用いる以外に、蒸着法、塗布法、スパッタ法、印刷法、メッキ法などを用いてもよい。
【００６９】
ｐ型電極６０３は、上述した材料、厚さに限るものではなく、実施の形態１に示されている材料、厚さのものを用いてもよい。
【００７０】
本実施の形態では、ｎ型電極６０４として、Ｈｆ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕを用いた。Ｈｆに代えて、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｗ、Ａｌ、Ｔｌ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｐｔ、ＮｉおよびＰｄのうちいずれかまたはこれらいずれかの化合物を用いてもよい。Ａｌに代えて、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｚｎ、ＳｉおよびＧｅのうちいずれかまたはこれらいずれかの化合物を用いてもよい。Ｍｏに代えて、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｗ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｄ、ＰｔおよびＣｕのうちいずれかまたはこれらいずれかの化合物を用いてもよい。Ａｕに代えて、Ｎｉ、Ａｇ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｓｉ、ＧｅおよびＡｌのうちいずれかまたはこれらいずれかの化合物を用いてもよい。膜厚も上述した値に限らない。
【００７１】
本実施の形態では、図５に示したように片面電極構造の半導体レーザチップ６３０を用いたが、たとえば、図２に示す半導体レーザチップ４３０のように両面電極構造の半導体レーザチップであっても、マウント前の状態で積層体に圧縮応力が生じている半導体レーザチップであれば、本発明は適用可能であり、同様の効果が得られる。
【００７２】
（実施の形態４）
発明者らは、半導体レーザチップの積層体に圧縮力を付加する方法として、熱膨張係数の差による方法以外に、半導体レーザチップを湾曲させるという方法を見出した。
【００７３】
（構成）
本発明に基づく実施の形態４では、図６を参照して、半導体レーザチップを湾曲させることによって半導体レーザチップの積層体に圧縮力を付加する例を説明する。
【００７４】
この半導体レーザ装置では、半導体レーザチップ８３０を搭載するサブマウント８１０の載置面が上に凸な蒲鉾型に湾曲している。半導体レーザチップ８３０をサブマウント８１０に押しつけるために、コレット８５０を用いる。コレット８５０は、サブマウント８１０の蒲鉾型の湾曲に対応可能なように、図６に示すように、両端が突出して、中央が凹んだいわゆる下駄形状のものとする。他の部分については、実施の形態１または３と同様である。
【００７５】
図６に示すように、実施の形態３の図５に示した半導体レーザチップ６３０と同様の半導体レーザチップ８３０を、ハンダ８１２としてのＡｕＳｎハンダを介して、サブマウント８１０に、ジャンクションダウン方式で実施の形態３と同様のダイボンディング法によりマウントする。サブマウント８１０は、Ｃｕからなり、表面に電極パターンを有し、上面が上に凸に湾曲している。すなわち蒲鉾状である。ダイボンディング法に関しては、実施の形態３と比較すれば、コレットの形状のみ異なる。
【００７６】
（作用・効果）
マウント後の半導体レーザチップ８３０にかかる圧縮力は、マウント前に比べて増加している。すなわち、マウントすることによって、半導体レーザチップ８３０においては、２次元的な圧縮応力に加え、さらにチップの変形による１次元的な圧縮応力が加わっている。その結果、積層体８０２は、マウント前より大きな２次元的な圧縮歪みおよび１次元的な圧縮歪みを生じている。この結果、レーザ発振の閾値電流Ｉ_thは、マウント前の７０ｍＡから、マウント後は３５ｍＡに減少した。すなわち、半導体レーザ装置としての特性は飛躍的に向上した。
【００７７】
本実施の形態では、サブマウント８１０の湾曲した面の曲率半径により、圧縮歪みの大きさを調節することも可能である。半導体レーザチップ８３０が折れない範囲で、曲率半径が小さい方が圧縮歪みが大きくなり、閾値電流Ｉ_thの低減の割合も大きくなる。
【００７８】
本実施の形態は、上述の例に限らず、実施の形態１〜３に示したすべての場合に適用可能である。すなわち、半導体レーザチップは両面電極構造であっても片面電極構造であってもよい。用いるサブマウントの材料は、実施の形態１、３で示したように、ＧａＮ基板よりも熱膨張係数が大きいものであれば、湾曲による圧縮歪み以外に熱膨張係数の差によっても圧縮歪みが付加されるため、より好ましいが、熱膨張係数がＧａＮ基板以下のものであっても一定の効果は得られる。さらに、熱伝導率の大きい材料の方が、放熱性に優れるため、より好ましいという点は、実施の形態１と同様である。すなわち、実施の形態１で示したようにサブマウントの熱膨張係数がＧａＮより大きいものにすることと、実施の形態３で示したようにハンダの融点を高くすることと、本実施の形態で示したようにサブマウントの上面を湾曲させることとは、組み合わせることができ、組み合わせた場合は、より大きな圧縮歪みを積層体に与えることができ、好ましい。
【００７９】
本実施の形態のように、サブマウントの上面を湾曲させた状態で、ハンダとサブマウントの材料の組合せを変えて、マウント前後の閾値電流Ｉ_thの低減の度合いを比較した結果を図７に示す。ここでいうハンダは半導体レーザチップとサブマウントとの間を接着するためのハンダである。図３と比較してもわかるように、ハンダやサブマウントの材料による閾値電流Ｉ_thの低減効果に加えて、さらに低減できていることがわかる。
【００８０】
以上、いくつかの実施の形態について説明してきたが、本発明の適用範囲は、これに限られるものではなく、各構成要素をそれぞれ用途を同じくする材料に置換しうるし、他の技術を組み合わせて用いることもできる。
【００８１】
上述の半導体レーザチップは、図２、図５に示した特定の例に限られるものではなく、基板として、他の窒化物系化合物半導体材料を用いるなどの変更が可能であり、また、半導体成長層の材料系として、たとえば、ＡｌＧａＩｎＮ系、ＧａＩｎＮＡｓ系、ＧａＩｎＮＰ系、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＡｌＰ系、ＡｌＧａＮ系、ＣｄＺｎＳｅ系などといった他のものを用いることも可能である。また、半導体レーザチップを、ＬＥＤ、スーパールミネッセンスダイオードなどの他の発光素子チップに置換してもよい。いずれの場合も、マウント後の発光素子チップに生じる圧縮歪みまたは圧縮応力の大きさに着目することが重要である。
【００８２】
また、サブマウントの載置面上に、さらに、ワイヤボンディング用のパッド部を設けることや、ダイボンディング時の位置合わせのための印を設けることは、当業者に容易に想到しうる事項である。あるいは、いわゆるマルチビームレーザのように、３以上の電極を有する半導体レーザチップを搭載した半導体レーザ装置にも、本発明を適用することができる。
【００８３】
ハンダの層とサブマウントとの間には、公知のように、種々の膜を介在させることができる。たとえば、サブマウントとハンダとの間の密着性を高めるための膜、サブマウントとハンダとの間の反応を防止するための膜、さらに、これらの目的の膜を適宜積層してもよい。上記実施の形態に示した金属パターンＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉに置換しうるものとして、Ｐｔ／Ｃｒ、Ａｕ／ＭｏＡｕ／Ｐｔ／Ｃｒ、Ａｕ／Ｍｏ／Ｔｉなどを用いることも可能である。ハンダ、ボンディングパッド、サブマウントの相互の間にも、同様の目的で種々の膜を介在させることが考えられる。
【００８４】
上記実施の形態では、マウント部材として、サブマウントを挙げて説明したが、本発明は、発光素子チップのマウント部材全般に適用できる。すなわち、任意の発光素子チップにおいて、発光素子チップとマウント部材との熱膨張係数の関係が、上述の実施の形態と同様の構成であれば、同様の効果を得ることができる。たとえば、発光素子チップを、サブマウントを用いずに、直接ステム、フレームまたはパッケージに搭載する場合には、このステム、フレームまたはパッケージをマウント部材とみなして本発明の構成を適用することができる。
【００８５】
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【００８６】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体発光素子チップをマウント部材に接着するときに、熱膨張係数の差があることによって、常温に戻る際の収縮量に違いが生じる。その結果、半導体発光素子チップの積層体において圧縮応力が増すこととなり、閾値電流Ｉ_thが減少した半導体発光装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく実施の形態１における半導体レーザ装置の断面図である。
【図２】本発明に基づく実施の形態１に用いた半導体レーザチップの断面図である。
【図３】本発明に基づく実施の形態２における実験結果を示すグラフである。
【図４】本発明に基づく実施の形態３における半導体レーザ装置の断面図である。
【図５】本発明に基づく実施の形態３に用いた半導体レーザチップの断面図である。
【図６】本発明に基づく実施の形態４における半導体レーザ装置のマウント工程の説明図である。
【図７】本発明に基づく実施の形態４における実験結果を示すグラフである。
【図８】従来技術に基づく、ジャンクションダウン方式が採られた半導体レーザ装置の断面図である。
【図９】従来技術に基づく半導体レーザチップの断面図である。
【図１０】従来のジャンクションダウン方式でのマウントにより特性が悪化した様子を示すグラフである。
【符号の説明】
１０１，２０１基板、１０２，２０２，４０２，６０２，８０２積層体、１０６，２０６活性層、１０３，２０３，４０３，６０３ｐ型電極、１０４，２０４，４０４，６０４ｎ型電極、１１２，４１２，６１２，８１２ハンダ、１３０，２３０，４３０，６３０，８３０半導体レーザチップ、１４０保持体、１４１，１４２金属膜、４０１，６０１，８０１ＧａＮ基板、４１０，６１０，８１０サブマウント、４１１，６１１ピン、４１３，６１３ハンダ、４１４ａ，４１４ｂ，６１４ａ，６１４ｂワイヤ、４１５，６１５表面電極、４２０，６２０支持基体、５０２，７０２ＧａＮバッファ層、５０３，７０３ｎ−ＧａＮコンタクト層、５０４，７０４ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、５０５，７０５ｎ−ＧａＮガイド層、５０６，７０６ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層、５０７，７０７ｐ−ＡｌＧａＮ蒸発防止層、５０８，７０８ｐ−ＧａＮガイド層、５０９，７０９ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、５１０，７１０ｐ−ＧａＮコンタクト層、５１１，７１１絶縁膜、７２０溝、８５０コレット。

Claims

チップ基板と前記チップ基板の表面に窒化物系化合物半導体層を含む半導体層を積層した積層体とを含む半導体発光素子チップと、
載置面を有するマウント部材とを備え、
前記半導体発光素子チップは、前記マウント部材の前記載置面に対して前記積層体を向けるように接続しており、前記載置面は凸状に湾曲しており、前記半導体発光素子チップは、前記載置面に沿うように湾曲して接続されている、半導体発光装置。
前記チップ基板は、窒化物系化合物半導体からなる、請求項１に記載の半導体発光装置。
前記マウント部材のうち前記半導体発光素子チップが接続される部分が鉄および銅のうち少なくとも一方を含む、請求項２に記載の半導体発光装置。
前記載置面と前記積層体との間はハンダによって接続されており、前記ハンダは、Ｉｎ、Ｓｎ、ＰｂおよびＡｕからなる群の中から選ばれた少なくとも１つの材料を含む、請求項１から３のいずれかに記載の半導体発光装置。