JP5338029B2

JP5338029B2 - 半導体レーザ素子、半導体レーザ装置及びその製造方法

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Publication number: JP5338029B2
Application number: JP2007016878A
Authority: JP
Inventors: 幸宏林; 卓史杉山
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: JP2008186855A

Description

本発明は、半導体レーザ素子、半導体レーザ装置及びその製造方法に関し、より詳細には、長時間にわたって安定に動作させることができる半導体レーザ素子、半導体レーザ装置及びその製造方法に関する。

半導体レーザ装置は、レーザ発振させることで半導体レーザ素子内に熱が発生する。ここで発生する熱は半導体レーザ素子から周辺部材に拡散されるため、半導体レーザ素子のみならず周辺部材の劣化や短絡、切断といった問題が発生する。そこで、この熱を除去するために、様々な半導体レーザ装置が提案されている。
例えば、半導体レーザ素子とヒートシンクとの間の良好な放熱経路を確保するために、半導体レーザ素子の電極面にめっき法を用いて積層構造の金属膜を形成し、この金属膜をヒートシンク上に搭載した半導体レーザ装置が提案されている（特許文献１参照）。

また、半導体装置に接続されるワイヤの短絡を防止するためにワイヤにめっきを行うことで、ワイヤを補強することも提案されている（特許文献２、３参照）。
特開昭５３−１１２０７７号公報特開昭６３−３００５２２号公報特開２００１−３５８１６８号公報

近年、半導体レーザ装置の高出力化、小型化の要求に伴い、より放熱性の高い半導体レーザ装置が求められている。例えば、半導体レーザ素子に具備されているワイヤと周辺部材（リード端子等）との間で効率的に熱抵抗を下げることや、半導体レーザ装置に具備されているサブマウントと呼ばれる放熱部材やワイヤと周辺部材との間で効率的に熱抵抗を下げることが必要とされている。

特許文献１のように、半導体レーザ素子の電極面とヒートシンクの間に放熱経路を設けたものであれば、ヒートシンクのレーザ素子の接触領域及びその直下の領域においては放熱が期待できる。しかしながら、より高出力の半導体レーザ素子においては、さらに放熱性を改善した構造とする必要がある。また放熱膜を積層膜で設けた場合、それぞれ熱膨張係数に違いのある膜が設けられることになるため、各層の界面において浮きや剥がれの問題について考慮する必要がある。
特許文献２のように、ＣｕまたはＡｌよりなる細線の表面にＡｕめっきが施されたものであれば、ボンディング強度の向上が期待できる。しかしながら、このような構成であったとしてもボンディング品質であるワイヤの密着性や放熱性が十分とは言えない。そのため、より密着性や放熱性を向上させた信頼性の高い半導体レーザ素子とする必要がある。
特許文献３のように、半導体装置のボンディングワイヤに補強材料が形成されたものであれば、ワイヤの短絡を防止することが期待できる。しかしながら、この半導体装置は半導体チップ、ワイヤを含む領域が樹脂によりコーティングされている。このような樹脂でコーティングされている構成を半導体レーザ素子に採用することは困難である。そのため、より簡略化した信頼性の高い半導体装置とする必要がある。

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、放熱性、密着性が高く、かつ長寿命を図ることができる半導体レーザ素子、半導体レーザ装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の半導体レーザ素子は、基板と、該基板上に積層され、表面にリッジを有する半導体層と、該半導体層と電気的に接続する電極と、該電極上に形成されたワイヤとを備えた半導体レーザ素子において、リッジの底面領域上に前記ワイヤのボンディング部が形成されており、該ワイヤのボンディング部から電極にわたる外表面に導電性保護膜が被覆されてなることを特徴とする。

前記導電性保護膜は、電極の表面から側面にわたり被覆されてなることが好ましい。前記導電性保護膜は、リッジ上の電極にわたり被覆されてなることが好ましい。

前記導電性保護膜は、第１膜と第２膜とが順に形成されてなる多層膜であることが好ましい。また、前記第１膜と前記電極表面層との線熱膨張係数の差は、前記第２膜と前記電極表面層との線熱膨張係数の差よりも小さいことがより好ましい。前記第２膜は、前記第１膜よりも熱伝導率が高いことが好ましい。前記第２膜の熱伝導率は、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上５００Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましい。

前記導電性保護膜は、電解めっきが可能な導電性を有することが好ましい。

前記導電性保護膜が、Ａｇ，Ａｕ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｚｎ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ及びＣｏからなる群から選択される１種以上の元素を含むことが好ましい。

本発明の半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子を載置する放熱部材と、該放熱部材上に形成されたワイヤとを備えた半導体レーザ装置において、前記放熱部材上に前記ワイヤのボンディング部が形成されており、該ワイヤのボンディング部から放熱部材にわたる外表面に導電性保護膜が被覆されてなることを特徴とする。

前記導電性保護膜は、前記ワイヤのボンディング部から前記放熱部材の表面及び側面にわたる外表面に連続して被覆されてなることが好ましい。前記放熱部材は、外表面の角部において部分的に前記導電性保護膜から露出していることが好ましい。

本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子を載置する放熱部材と、該放熱部材上に形成されたワイヤと、を備えた半導体レーザ装置の製造方法において、めっき法を利用して、前記ワイヤから放熱部材にわたる外表面に導電性保護膜を被覆することが好ましい。

前記めっき法は、前記半導体レーザ装置を負極とした電解めっきであることが好ましい。

本発明の半導体レーザ素子によれば、ワイヤのボンディング部から電極にわたって導電性保護膜を設けることによって、半導体レーザ素子の放熱性を向上させることができる。また、ワイヤと電極との密着性を向上させることができる。
本発明の半導体レーザ装置によれば、ワイヤのボンディング部から放熱部材にわたって導電性保護膜を設けることによって、半導体レーザ装置の放熱性を向上させることができる。また、ワイヤと放熱部材との密着性を向上させることができる。
また、本発明の半導体レーザ装置の製造方法によれば、より簡便な方法によって、放熱性を向上させた半導体レーザ装置を製造することが可能となる。

本発明の一実施形態における半導体レーザ装置について以下に説明する。但し、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
図３に示したように、本発明の実施形態における半導体レーザ装置は、電極が形成された半導体レーザ素子１０、半導体レーザ素子１０を載置する放熱部材１２、またリード端子２３、その他には電極及びリード端子２３と電気的に接続されているワイヤを備えている。この半導体レーザ装置は、ワイヤのボンディング部から電極及びリード端子にわたって導電性保護膜２５が形成されている。また放熱部材１２は、基台１３上に載置されている。前記放熱部材１２上には別のリード端子２３と電気的に接続されているワイヤ１９がボンディングされている。

半導体レーザ素子１０は、図１に示すように基板１０１と、該基板の第１主面１０１ａ上に積層され、表面にリッジを有する半導体層と、該半導体層と電気的に接続する電極１５と、該電極上に形成されたワイヤ１８とを備えた構成をしている。前記ワイヤ１８のボンディング部１８ａから電極１５にわたる表面に導電性保護膜２５が形成されている。これにより、発光した光を吸収することで電極に発生した熱を効果的にワイヤから外部に逃がすことが出来る。また、半導体レーザ装置の連続発振駆動により電極に発生した熱を効果的にワイヤから外部に逃がすことができる。ここで、前記電極１５は、半導体層とのオーミック性を要する部材とワイヤとの接続を目的とする部材が積層されたものが好ましい。尚、本実施形態における前記電極１５は、ｐ側電極である。

また、前記半導体層は、基板１０１の第１主面１０１ａ上にｎ型半導体層１０２、活性層１０３、ｐ型半導体層１０４が順に積層された構造をしている。このｐ型半導体層１０４の表面にはリッジが形成されており、該リッジの両側には第１の絶縁性保護膜１０５が形成されている。前記半導体層の側面には第２の絶縁性保護膜１０６が形成されている。
ここで、前記基板１０１は半導体層の成長面である第１主面１０１ａと、該第１主面とは対向する面であって、ｎ側電極１０７が形成されている第２主面１０１ｂとがある。基板１０１の第２主面１０１ｂ側に放熱部材１２が形成される。

また、前記導電性保護膜２５は、電極１５の表面から側面にわたり被覆されている。このように導電性保護膜が電極の表面のみならず側面にも連続して形成されていることで、ワイヤ１８のボンディング部１８ａと電極１５との密着性を格段に向上させることができる。

更に、前記導電性保護膜２５は、リッジ上の電極にわたり被覆されている。このように導電性保護膜２５がワイヤ１８のボンディング部１８ａからリッジ上の電極１５に連続して形成されていることでワイヤの切断のみならずリッジ上の電極が剥がれることを抑制することができる。

導電性保護膜２５は、ワイヤ、電極、放熱部材等の外表面に形成され、導電性を有するものである。半導体レーザ素子においては、ワイヤのボンディング部から電極にわたる外表面に該導電性保護膜が形成されている。

図３に示す半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子の上部にワイヤがボンディングされており、このワイヤには導電性保護膜が形成されているが、半導体レーザ素子を載置する放熱部材に形成されたワイヤ１９には、導電性保護膜が形成されていない。しかしながら、本実施形態における半導体レーザ装置は、このような構造に限定されるものではなく、図５に示すように、半導体レーザ素子にボンディングされたワイヤには導電性保護膜が形成されており、放熱部材にボンディングされている別のワイヤにも導電性保護膜が形成されている構造であっても良い。これにより、放熱部材１２からの放熱を効果的に行うことができる。更には、ワイヤと放熱部材との密着を良好にすることができる。

また、導電性保護膜２５の形成方法は、特に限定されるものではなく、例えば、電解めっき法や無電解めっき法、スパッタ法、その他には蒸着法等がある。

導電性保護膜２５の形成方法に電解めっき法を採用することで、信頼性や再現性が高いものが実現できる。そのため、導電性保護膜２５は電解めっきが可能な程度の導電性を有する膜であることが好ましい。この導電性保護膜としては、導電性の他に、放熱性膜として用いることを目的とするものである。そのため、熱伝導度が４０Ｗ／ｍ・Ｋ程度以上のもの、好ましくは１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度以上のもの、さらに好ましくは３００Ｗ／ｍ・Ｋ程度以上のものである。また、比抵抗が１．０×１０^−８Ω・ｍ程度以上のものであることが好ましい。

導電性保護膜の材料としては、具体的には、Ａｇ，Ａｕ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｚｎ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｃｏ等の単一膜又は積層構造をした多層膜が挙げられる。なかでも、Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕを少なくとも一部に形成した多層膜が好ましい。

前記導電性保護膜２５が多層膜である場合には、図２に示すように、第１膜２５ａと第２膜２５ｂとが順にワイヤ側から形成されてなる。ここで、第１膜と電極表面層との線熱膨張係数の差が、第２膜と電極表面層との線熱膨張係数の差よりも小さくなるように第１膜２５ａを形成する。これにより半導体レーザ装置の連続駆動時においてもワイヤと導電性保護膜との密着性を良好なものとすることが出来る。具体的には導電性保護膜の第１膜２５ａと電極表面層又はワイヤとの線熱膨張係数差を１×１０^−６〜２０×１０^−６／Ｋとする。

また、導電性保護膜の第１膜２５ａは、ワイヤよりも線熱膨張係数が低いものを用い、第２膜２５ｂには、ワイヤよりも線熱膨張係数が高いものを用いることで導電性保護膜とワイヤとの密着性を良好なものとすることができる。尚、本明細書における線熱膨張係数や熱伝導率は理科年表を参照したものである。

また、前記第２膜２５ｂは、前記第１膜よりも熱伝導率が高い材料からなることが好ましい。ワイヤの外周を被覆する導電性保護膜は、第１膜よりも外周を被覆する第２膜のほうが断面の表面積が大きくなるため、第２膜に熱伝導率が高い材料を採用することで効果的に放熱することができる。第１膜は、ワイヤや電極と導電性保護膜との密着性を向上させる材料を採用し、第２膜は熱伝導率が高い材料を採用することで第１膜と第２膜とが別々の機能を有し、信頼性が高く、より放熱性を向上させた半導体レーザ素子を実現することができる。

導電性保護膜を多層膜とした例を以下に示す。ワイヤ又は電極、放熱部材に接触する側から外側に第１膜／第２膜／第３膜・・・から成る多層膜とする場合に、第１膜は上述した線熱膨張係数の関係を満たすものであればよい。また、第２膜は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕからなる群から選ばれるものが好ましい。

また、本発明における導電性保護膜の具体例としては、第１膜側からＮｉ／Ａｇ、Ｎｉ／Ａｕ／Ａｇ、Ｎｉ／Ａｇ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ／Ａｇ、Ａｇ／Ａｕ、Ａｕ／Ａｇ、Ｃｕ／Ａｇ、Ｃｕ／Ａｕ、Ａｕ／Ａｇ／Ａｕ、Ｃｕ／Ａｇ／Ａｕ、Ｃｕ／Ａｕ／Ａｇ等の順に積層される組み合わせが挙げられる。なお、第１膜は、導電性保護膜を形成する領域全面に形成してもよいし、膜厚によっては、島状など、一部にのみ形成してもよい。

導電性保護膜の膜厚は単一膜で形成した場合と多層膜で形成した場合では総膜厚が異なるものであってもよい。導電性保護膜を単一膜で形成する場合の膜厚は、０．１μｍ〜２０μｍである。導電性保護膜を多層膜で形成する場合の膜厚は、第１膜は０．０５μｍ〜５μｍとする。また、第２膜は０．１μｍ〜２０μｍとする。

本実施形態における半導体レーザ装置の概略側面図を図３に示す。これにキャップが封止された半導体レーザ装置の斜視図を図１１に示す。尚、導電性保護膜が被覆形成されていない状態の半導体レーザ装置を図９や図１０に示す。また、その斜視図を図６ａに示し、その拡大図を図６ｂに示す。
本実施形態における半導体レーザ装置の拡大図を図７に示す。基台１３上に放熱部材１２、半導体レーザ素子１０が順に形成されている。この半導体レーザ素子１０の表面には略矩形状の電極が形成されており、その電極にはワイヤが形成されている。この電極上には導電性保護膜２５１が形成されており、ワイヤ上には導電性保護膜２５２が形成されている。ここでは、図１に示すような基板上に半導体層を積層した半導体レーザ素子の半導体層上にワイヤが形成されており、基板側を放熱部材１２に実装したフェイスアップ構造の半導体レーザ素子を採用しているが、本発明の半導体レーザ素子はこれに限定されるものではなく、フェイスダウン構造やフリップチップ構造であってもよい。また、本発明の半導体レーザ素子はリッジを複数形成したアレイ構造であってもよく、リッジを有さない構造であってもよい。

別の実施形態における半導体レーザ装置としては、基板上に半導体層を積層した半導体レーザ素子の半導体層側を放熱部材１２に実装したフェイスダウン構造がある。図８は半導体レーザ素子１０をフェイスダウン構造とした半導体レーザ装置の拡大図である。このような構造であれば、放熱部材からの熱引きが重要になるため、図８に示すように、放熱部材上には導電性保護膜２５３が形成されている。これにより、放熱部材からの熱引きを効果的に行うことができる。また、放熱部材上にはワイヤが形成されており、このワイヤにも導電性保護膜２５４が形成されているため、放熱効果を向上させることができる。更には、この図８に示すように、放熱部材１２が載置されている基台１３上にも導電性保護膜２５５が形成されていることが好ましい。これにより、放熱効果を向上させることができる。

また、半導体層にワイヤボンディングを行うのであれば、半導体層にワイヤボンディング時の衝撃で半導体層にダメージを与えるおそれがある。しかしながら、放熱部材１２にワイヤボンディングを行うのであれば、半導体層へのダメージを心配することがないため、ワイヤの数量を増加させることは可能である。図８では導電性保護膜が形成されたワイヤを２本に増加させている。このように、導電性保護膜が形成されたワイヤを増加させることで放熱効果を向上させることができる。

基板上に半導体層を積層した半導体レーザ素子１０の半導体層側を放熱部材１２に実装した半導体レーザ装置の概略側面図を図４に示す。この半導体レーザ素子１０は基板側でリード端子２３とワイヤ１８で接続されている。また、半導体レーザ素子１０が載置されている放熱部材１２上にはパターン形成された導電性保護膜２５３が形成されている。前記放熱部材１２は基台１３とワイヤで接続されており、該基台のワイヤとの接続領域には導電性保護膜２５５が形成されており、前記ワイヤにも導電性保護膜２５４が形成されている。導電性保護膜を形成した放熱部材では、半導体レーザ素子の駆動時の発熱を導電性保護膜を通じて基台に放熱することができる。従来、半導体レーザ素子と放熱部材との接触面及びその直下の領域のみが放熱経路となっていたが、このように導電性保護膜を形成することによって、放熱部材や基台全体を放熱経路とし、熱抵抗が低く、放熱性の良好な窒化物半導体レーザ装置とすることができる。

その他の実施形態における半導体レーザ装置としては、フリップチップ構造を採用した構造がある。この構造は、チップを実装する際に、チップ表面と実装基体をアレイ状に並んだ導電性の突起状の端子（バンプ）によって接続する構造である。

半導体レーザ素子１０は、ｐ側電極とｎ側電極との間に電圧が印加されてしきい値以上の電流が流れると、活性層を含む導波路領域でレーザ発振が起こり、レーザ光が生成され、このレーザ光は活性層及びその付近に形成された光導波路を通って外部に放射されるような、公知のもののいずれであってもよい。また、その半導体材料は、III−V族、II−VI族等のいずれの化合物を用いたものでもよく、何れの波長のレーザ光を出射するものであってもよい。特に、窒化物半導体を用いたレーザ素子は、短波長の光を出射するものであり、高出力化に伴う放熱の問題がより重要視されている。一般的な窒化物半導体を用いたレーザ素子では、導電性又は絶縁性の基板上に半導体層構造が形成される。半導体層構造としては、例えば、基板側から順に第１導電型の半導体層、活性層及び第２導電型の半導体層の順に積層される。ここで、第１導電型の半導体層がｎ型半導体層であれば、第２導電型の半導体層はｐ型半導体層になる。第１導電型の半導体層がｐ型半導体層であれば、第２導電型の半導体層はｎ型半導体層になる。

ワイヤは、導電性を有するものである。また、電極や放熱部材にボンディングをすることができ、それらの部材とリード端子との接続が可能な形状変更ができるものである。ワイヤの径は、５μｍ〜８０μｍであればよく、好ましくは１０μｍ〜３０μｍである。また、ワイヤのボンディング部の幅は、５μｍ〜１００μｍであることが好ましい。ワイヤのボンディング部の高さは、５μｍ〜１００μｍであることが好ましい。

ワイヤに用いる材質は、０℃での電気抵抗が１×１０^−７Ω・ｍ以下であるものであれば、特に限定されない。例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ等がある。

また、ワイヤのボンディング方法としては、サーモコンプレッション（熱圧着）方式、サーモソニック（熱圧着超音波併用）方式、ウルトラソニック（超音波圧着）方式等がある。
サーモコンプレッション（熱圧着）方式とは、ワイヤに、そのワイヤ材質の融点以上の温度をかけてワイヤの先端部にボールを形成し、このボールを電極や放熱部材に圧着させることでボンディング部を形成するものである。これは、ワイヤの材質にもよるが、例えば３００℃以上の温度をワイヤに加えるものである。
サーモソニック（熱圧着超音波併用）方式とは、ワイヤに温度をかけてワイヤの先端部にボールを形成し、このボールに熱と併用して超音波を加えることにより、このボールを電極や放熱部材に圧着させることでボンディング部を形成するものである。これは、サーモコンプレッション（熱圧着）方式よりも低温の温度をワイヤに加えて、更には超音波も加えるものである
ウルトラソニック（超音波圧着）方式とは、ワイヤに超音波のみを加えることでワイヤを電極や放熱部材に圧着させるものである。これは、ワイヤの材質にもよるが、５０ＫＨｚ以上の超音波を加えるものである。また、本発明には他に公知となっているワイヤのボンディング方法を用いても良い。

放熱部材は、半導体レーザ素子で発生した熱を逃がす役割を果たすものであり、半導体レーザ素子の基板よりも熱伝導率が高いものであることが好ましい。また、半導体レーザ素子（特に、素子を構成する基板、例えば、ＧａＮ等）と熱膨張係数が近いもの（例えば、±１５×１０^−６／Ｋ程度）、熱応力を緩和させることができるもの、その表面が有機材料で構成されておらず無機材料で構成されているもの、所定の方向に熱を逃がすことができる材料（例えば、ＡｌＮ、ダイヤモンド、Ｃｕ−ダイヤモンド）のいずれか又は全てを備えるものが好ましい。これらの材料は、自己形状保持力を有しているものが容易に組み立てることができるため、好ましい。具体的には、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−ダイヤモンド、ダイヤモンド等が挙げられる。特に、放熱部材は導電性材料で形成されているか、導電性部材で被覆されていることが好ましい。所望の箇所に容易かつ確実に、めっき法を利用して導電性保護膜を形成することができるからである。放熱部材を構成する又は被覆する導電性部材としては、Ｔｉ，Ｐｔ，Ａｕ等の金属からなる単層膜、多層膜、合金等が挙げられる。好ましくは、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕで被覆されているものである。また、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｐｔの積層膜とすることで熱抵抗及び放熱部材と接する半導体レーザ素子、基台との密着性を良好なものとすることができる。

放熱部材の大きさは、載置する半導体レーザ素子よりも大きければ、特に限定されるものではなく、用いる半導体レーザ素子の大きさ、最終的に得ようとする半導体レーザ装置の大きさ、放熱部材の材料等によって適宜調整することができる。例えば、半導体レーザ素子の０．５〜１０倍程度の厚さ、半導体レーザ素子の１．２〜３０倍程度の平面サイズが例示される。また、通常、半導体レーザ素子を放熱部材に熱的に接合した場合に、熱が拡散する範囲は、接合態様及び放熱部材の材料等によって制約されるが、本発明においては、導電性保護膜により、半導体レーザ素子で発生した熱を、放熱部材の広範囲に拡散させ、放熱することが可能であり、よって、より大きな放熱部材において、十分にその機能を発揮させることができる。
放熱部材は、必ずしも直方体や立方体である必要はなく、任意の形に適宜加工して用いることができる。例えば、レーザ素子側の幅を狭く、基台側の幅が広くなるように階段状に段差を設け、段階的に放熱するような形状とすることもできる。また、放熱部材を複数用いることも可能である。この場合、積層方向や水平方向に接合して用いることができる。

放熱部材は、上述したように、半導体レーザ素子の下面と熱的に接合されている。ここで、熱的に接合されているとは、例えば、両者の接触面積が、半導体レーザ素子の平面サイズの７０％程度以上で接続されることであり、これにより実装強度を確保することができる。具体的には、半田材、紫外線硬化樹脂又はフィラー含有樹脂等の接合部材で接着されているものである。接合部材としては、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ等からなる金属の積層膜を用いることもできる。また、これらの材料との密着性を確保するために、放熱部材の外表面の全部又は一部に、金属の単層又は積層膜が形成されていてもよい。また、放熱部材が、導電性材料からなる場合又は導電性部材が形成されている場合は半田材料と兼用することも可能である。

半田材料としては、Sn−Pb系、Sn系、Au系、In系、Bi系、Cd系、Zn系、Sn−Zn系、Cd−Zn系、In−Pb系、Ag系、Cu系、Ni系、Sb系等の単体又は共晶材料等が挙げられる。

また、基台は、通常、ヒートシンク、ステムとも呼ばれるように、半導体レーザ素子で発生する熱を、放熱部材を介して効率的に外部に放出するために効果的に利用されるものである。従って、基台は、通常、熱伝導度が高い材料、例えば、４０Ｗ／ｍ・Ｋ程度以上の材料によって形成されることが好ましい。具体的には、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ等の金属、これら金属の少なくとも一面にＡｕ、Ａｇ、Ａｌ等でめっきが施された材料等が挙げられる。なかでも、表面が金めっきされた銅又は銅合金により形成されているものが好ましい。基台の形状、大きさは特に限定されるものではなく、半導体レーザ装置の最終的に望まれる形状及び大きさ等によって、適宜調整することができる。
特に、基台及び放熱部材の接合材として、２５０℃以上の高融点材料、Ａｕ系低融点半田材（例えばＡｕ／Ｓｎ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ等）、接合樹脂を用いて接合する（ダイボンドする）場合には、基台と放熱部材との間に、硬くてもろい金属間化合物が生成されず、安定した接合を得ることができる。

本発明における半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子が１つのみ配置されていてもよいし、２以上配置されていてもよい。複数の半導体レーザ素子が配置される場合は、それらの波長は、同じ波長帯でもよいし、異なっていても良い。特に、ＲＧＢに対応する半導体レーザ素子が同じ放熱部材上に３つ配置されている場合にも、ワイヤ等に導電性保護膜を形成することで、半導体レーザ装置の放熱を十分に行うことが可能となる。さらに、ＣＤ用光源、ＤＶＤ用光源及び次世代ＤＶＤ用光源の半導体レ−ザ素子を同一の放熱部材上に配置したものでもよい。この場合、放熱部材上に、それぞれが分離した状態で配置されていてもよいし、放熱部材上に配置された一つのレーザ素子の上に２つのレーザ素子が配置されているような形態でもよい。また、放熱部材上に配置された１つのレーザ素子の上に、他の２つのレーザが１つの素子として形成されている２波長集積型のレーザを配置してもよいし、それらの逆でもよい。このような半導体レーザ装置の場合にも効果的に放熱することができる。

上述した半導体レーザ装置は、例えば、めっき法を利用して形成することができる。図１や図２に示すような半導体レーザ素子をフェイスアップ構造とした半導体レーザ装置は、導電性保護膜をワイヤから電極にわたる外表面に被覆して形成する。つまり、ワイヤ、及び/又は電極、及び/又はリード端子と、導電性保護膜の形成材料とを、それぞれ負極と正極に接続し、電解めっきを行うことで、ワイヤから放熱部材にわたる外表面に導電性保護膜を形成する。このとき正極は、必ずしも導電性保護膜材料でなくてもよく、一般的に用いられる電極材料を利用してめっきを行うことも可能である。このようなめっき法は、主に半導体レーザ素子をフェイスアップ構造とし、p側電極を、ワイヤを介しリード端子に接続し、n側電極を、ワイヤと放熱部材を介し、基台に接続する半導体レーザ装置を形成する場合に用いるものである。

また、半導体レーザ素子をフェイスアップ構造として、放熱部材を介して基台に搭載しており、前記放熱部材にワイヤをボンディングしている半導体レーザ装置を準備する。この半導体レーザ装置を、前記ワイヤから放熱部材にわたる外表面の少なくとも一部に導電性保護膜を被覆して形成するものであって、ｎ側電極を、放熱部材とワイヤを介し、基台に接続する場合には、ワイヤ、及び/又は放熱部材、及び/又は基台を負極として電解めっきを行う。

半導体レーザ素子をフェイスアップ構造として、放熱部材を介して基台に搭載しており、前記放熱部材にワイヤをボンディングしている半導体レーザ装置を準備する。この半導体レーザ装置を、前記ワイヤから放熱部材にわたる外表面の少なくとも一部に導電性保護膜を被覆して形成するものであって、p側電極を、ワイヤを介し、リード端子に接続し、n側電極を、放熱部材とワイヤを介し、別のリード端子に接続する場合には、ワイヤ、及び/又は放熱部材、及び/又はリード端子を負極として電解めっきを行う。

その他には、基板上に積層した半導体層上にｐ側電極とｎ側電極の両電極を形成した半導体レーザ素子を準備する。この半導体レーザ素子をフェイスアップ構造として、放熱部材を介して基台に搭載しており、前記両電極にそれぞれワイヤをボンディングしている半導体レーザ装置を準備する。この半導体レーザ装置を、導電性保護膜が前記ワイヤから各電極にわたる外表面に被覆するように形成されるものであって、ｐ側電極とｎ側電極を、ともにワイヤを介し、別々のリード端子に接続する場合には、ワイヤ、及び/又は各電極、及び/又は各リード端子を負極として電解めっきを行う。

また、基板上に積層した半導体層上にｐ側電極とｎ側電極の両電極を形成した半導体レーザ素子を準備する。この半導体レーザ素子をフェイスアップ構造として、放熱部材を介して基台に搭載しており、前記両電極にそれぞれワイヤをボンディングしている半導体レーザ装置を準備する。この半導体レーザ装置を、導電性保護膜が前記ワイヤから電極にわたる外表面に被覆するように形成されるものであって、p側電極を、ワイヤを介し、リード端子に接続し、n側電極を、ワイヤを介し、基台に接続する場合には、ワイヤ、及び/又はｎ側電極、及び/又は基台を負極として電解めっきを行う。

また、別形態の半導体レーザ装置には、半導体レーザ素子をフェイスダウン構造とし、放熱部材を介して基台に搭載したものがある。この半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子の基板側にｎ側電極が形成されており、このｎ側電極にはリード端子と電気的に接続されたワイヤがボンディングされており、また放熱部材にも基台と電気的に接続されたワイヤがボンディングされている。ここで、めっき法を利用して、ワイヤから放熱部材にわたる外表面の少なくとも一部に導電性保護膜を被覆して形成する。ワイヤ、及び/又は放熱部材、及び/又は基台と、導電性保護膜の形成材料とを、それぞれ負極と正極に接続し、電解めっきを行うことで、ワイヤから放熱部材にわたる外表面に導電性保護膜を形成することができる。このとき正極は、必ずしも導電性保護膜材料でなくてもよく、一般的に用いられる電極材料を利用してめっきを行うことも可能である。このようなめっき法は、主に半導体レーザ素子をフェイスダウン構造とし、ｐ側電極を、放熱部材とワイヤを介し、基台に接続し、ｎ側電極を、ワイヤを介し、リード端子に接続する半導体レーザ装置を形成する場合に用いるものである。

また、半導体レーザ素子をフェイスダウン構造とする前記半導体レーザ装置において、基板上のｎ側電極に形成されたワイヤからｎ側電極にわたる外表面に導電性保護膜を形成されるものであって、ｎ側電極を、ワイヤを介し、リード端子に接続する場合には、ワイヤ、及び/又はｎ側電極、及び/又はリード端子を負極として電解めっきを行う。

また、半導体レーザ素子をフェイスダウン構造とする前記半導体レーザ装置において、ワイヤから放熱部材にわたる外表面の少なくとも一部に導電性保護膜が被覆して形成されるものであって、ｐ側電極を、放熱部材とワイヤを介し、リード端子に接続し、ｎ側電極を、ワイヤを介し、別のリード端子に接続する場合には、ワイヤ、及び/又は放熱部材、及び/又はリード端子を負極として電解めっきを行う。

また、半導体レーザ素子をフェイスダウン構造とする前記半導体レーザ装置において、基板上のｎ側電極に形成されたワイヤからｎ側電極にわたる外表面に導電性保護膜が形成されるのもであって、ｐ側電極を、放熱部材とワイヤを介し、リード端子に接続し、ｎ側電極を、ワイヤを介して別のリード端子に接続する場合には、ワイヤ、及び/又はｎ側電極、及び/又はリード端子を負極として電解めっきを行う。

また、めっき法の中でも電解めっきを用いて導電性保護膜を形成することにより、ワイヤ、電極、放熱部材、基台自身の凹凸や、大きさの違うそれらの部材を接合したことによる段差や凹凸、ボンディング部の凹凸があっても、均一な膜厚で導電性保護膜を形成することができる。ワイヤから電極及び/又は放熱部材及び/又は基台及び/又はリード端子にわたる外表面の少なくとも一部に均一な膜厚の導電性保護膜を形成することにより、発生した熱をスムーズに逃がし、効率よく放熱することができる。電解めっきを用いて、導電性保護膜を形成することにより、表面が導電性を有する箇所だけに、つまり、選択的に、導電性保護膜を形成することができるため、所望の位置に確実に導電性保護膜を形成することができ、好ましい。

めっき法の条件、めっき液の組成などは、得ようとする導電性保護膜の材料、形状、厚みなどによって、当該分野で公知のものを適宜組み合わせて実施することができる。

なお、本発明の半導体レーザ装置では、基台には、別途、放熱手段が設けられていてもよい。例えば、半導体レーザ素子を載置する面とは別の面に、ペルチェ素子、空冷又は液冷のための部材等を装備することができる。

また、図１１に示すように、半導体レーザ装置２０は、円筒状のキャップ部材２１が基台１３に接合されることによって封止されている。前記キャップ部材は、基台との接合部分に鍔部が形成されているものが好ましい。このキャップ部材２１は、例えば、円筒状の頂部に開口部を有し、開口部には窓ガラス２２が接合されてなるものであり、窓ガラス２２からレーザ光を取り出すことができる。また、基台１３にはリード端子２３が形成されており、そのリード端子２３を通して通電することができる。

以下に、本発明の半導体レーザ装置及びその製造方法の実施例について説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
実施例１
まず、半導体レーザ素子１０をフェイスアップ構造とし、接合部材を介して放熱部材１２上に載置された半導体レーザ装置２０を準備する。また、前記放熱部材１２は基台１３上に載置されている。この半導体レーザ装置は、p側電極を、ワイヤを介してリード端子に接続し、n側電極を、放熱部材とワイヤとを介して別のリード端子に接続する。

前記半導体レーザ素子１０には、一般式がＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で示される窒化物半導体から成る半導体レーザ素子を用いる。この半導体レーザ素子１０は、図１に示すようにＧａＮ基板１０１の第１主面１０１ａ上にｎ型窒化物半導体層１０２、活性層１０３、ｐ型窒化物半導体層１０４を順に積層しており、該ｐ型窒化物半導体層１０４にはリッジが形成されている。リッジの両側面から底面領域にはＳｉＯ_２又はＺｒＯ_２から成る第１の絶縁性保護膜１０５が形成されており、半導体層の側面にはＳｉＯ_２から成る第２の絶縁性保護膜１０６が形成されている。尚、第２の絶縁性保護膜は省略することができる。リッジの上面部から絶縁性保護膜上にかけてｐ側電極１５が形成されている。また、リッジの底面領域上に形成されているｐ側電極にワイヤ１８がボンディングされており、ボンディング部１８ａはリッジ上面を避けて形成されている。このワイヤ１８はリード端子２３と電気的に接続されている。また、基板１０１の第２主面１０１ｂにはｎ側電極１０７が形成されている。この半導体レーザ素子１０はｎ側電極１０７側が接合部材を介して放熱部材１２上に載置されている。また、基台１３として、銅板の表面が金めっきされたステムを用い、放熱部材１２としてＡｌＮを用いる。接合部材としては、Ａｕ−Ｓｎ半田を用いる。

ここで、ワイヤ１８にはＡｕを用い、ワイヤのボンディング部１８ａからｐ側電極１５にわたる外表面に導電性保護膜２５を形成する。この導電性保護膜２５にはＡｇを用いる。リード端子を保持した状態で電解めっきを行い、ｐ側電極１５及びＡｕからなるワイヤ１８及びリード端子２３上にＡｇからなる導電性保護膜２５を膜厚５μｍで形成する。

めっき法は、半導体レーザ装置のリード端子を通電した状態で保持し、レーザ素子のｐ側電極と、それに接続されたワイヤ、及びリード端子を負極、ステンレス板を正極として、シアン化銀（1.5ｇ／ｌ）、シアン化カリウム（75ｇ／ｌ）及び純水を含むめっき液（常温）中に電流密度３Ａ／ｄｍ^２で通電させ、Ａｇのめっきを行う。その後、リード端子を保持した状態で、半導体レーザ素子を負極、Ａｇ板を正極とし、シアン化銀カリウム（８０ｇ／ｌ）、シアン化カリウム（１００ｇ／ｌ）、炭酸カリウム（１５ｇ／ｌ）、光沢剤（１５ｇ／ｌ）及び純水を含むめっき液（常温）２４中に、電流密度1Ａ／ｄｍ^２で、撹拌しながら１0分間通電させ、再度Ａｇのめっきを行う。

本発明の半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子で発生した熱が、放熱部材によって、スムーズかつ十分に、安定して、放出されているという結果が得られる。

実施例２
基板の第１主面上に積層した半導体層上にｐ側電極を形成し、基板の第２主面にｎ側電極を形成した半導体レーザ素子１０をフェイスダウン構造とし、接合部材を介して放熱部材１２上に載置された半導体レーザ装置２０を準備する。また、前記放熱部材１２は基台１３上に載置されている。この半導体レーザ装置は、ｐ側電極を、放熱部材とワイヤとを介して基台に接続し、ｎ側電極を、ワイヤを介してリード端子に接続する。
前記ｎ側電極にはワイヤがボンディングされており、このワイヤをリード端子と接続する。また、前記放熱部材にもワイヤがボンディングされている。

ここで、ワイヤにはＡｕを用い、ワイヤのボンディング部から放熱部材にわたる外表面に導電性保護膜２５をめっき法により形成する。この導電性保護膜２５は多層膜とし、第１膜にはＮｉ、第２膜にはＡｇを用いる。

めっき法は、基台に載置した半導体レーザ素子を、基台の側面を保持した状態とし、半導体レーザ素子１０を負極、Ｎｉ板を正極とし、塩化ニッケル６水和物（２２０ｇ／ｌ）、塩酸（４８ｇ／ｌ）及び純水を含むめっき液（常温）中に電流密度３Ａ／ｄｍ^２で通電させ、Ｎｉのめっきを行う。これにより、第１膜であるＮｉは膜厚０．５μｍで形成される。

次に、基台１３の側面を保持した状態で、半導体レーザ素子１０を負極、Ａｇ板を正極とし、シアン化銀カリウム（８０ｇ／ｌ）、シアン化カリウム（１００ｇ／ｌ）、炭酸カリウム（１５ｇ／ｌ）、光沢剤（１５ｇ／ｌ）及び純水を含むめっき液（常温）中に、電流密度０．８Ａ／ｄｍ^２で、撹拌しながら通電させ、Ａｇめっきを行う。これにより、第２膜であるＡｇは膜厚５μｍで形成される。

その後、乾燥機を用いて８０℃で乾燥することにより、第１膜がＮｉ、第２膜がＡｇからなる導電性保護膜が形成された半導体レーザ装置が得られる。
この実施例の半導体レーザ装置では、ワイヤから放熱部材にわたる外表面に導電性放熱膜が被覆されているため、放熱性が高く、かつワイヤと放熱部材との密着性が高い半導体レーザ装置が得られる。

実施例３
まず、半導体レーザ素子１０をフェイスアップ構造とし、接合部材を介して放熱部材１２上に載置された半導体レーザ装置２０を準備する。また、前記放熱部材１２は基台１３上に載置されている。この半導体レーザ装置は、p側電極を、ワイヤを介してリード端子に接続し、n側電極を、ワイヤと放熱部材とを介して基台に接続する。
前記半導体レーザ素子１０は基板の第１主面上に半導体層が積層されており、その上にｐ側電極が形成されている。また前記基板の第２主面にはｎ側電極が形成されている。基板の第２主面側は、接続部材を介して放熱部材上に載置されている。前記ｐ側電極にはワイヤがボンディングされており、このワイヤをリード端子と接続する。また、前記放熱部材にもワイヤがボンディングされている。

ここで、ワイヤにはＡｕを用い、ワイヤのボンディング部からｐ側電極にわたる外表面に導電性保護膜２５をめっき法により形成する。この導電性保護膜２５は多層膜とし、第１膜にはＮｉ、第２膜にはＡｇを用いる。

リード端子を保持した状態で電解めっきを行い、ｐ側電極及びワイヤ、リード端子上に第１膜をＮｉ、第２膜をＡｇとして導電性保護膜を形成する。それ以外の条件は実施例２と同じとする。
この実施例の半導体レーザ装置では、ワイヤからｐ側電極にわたる外表面に導電性放熱膜が被覆されているため、放熱性が高く、かつワイヤと放熱部材との密着性が高い半導体レーザ装置が得られる。

実施例４
半導体レーザ素子１０をフェイスアップ構造とし、接合部材を介して放熱部材１２上に載置された半導体レーザ装置２０を準備する。また、前記放熱部材１２は基台１３上に載置されている。この半導体レーザ装置は、p側電極を、ワイヤを介してリード端子に接続し、n側電極を、放熱部材とワイヤとを介して別のリード端子に接続する。
前記半導体レーザ素子１０は基板の第１主面上に半導体層が積層されており、その上にｐ側電極が形成されている。また前記基板の第２主面にはｎ側電極が形成されている。基板の第２主面側は、接続部材を介して放熱部材上に載置されている。前記ｐ側電極にはワイヤがボンディングされており、このワイヤ１８をリード端子と接続する。また、前記放熱部材にもワイヤ１９がボンディングされている。

ここで、ワイヤにはＡｕを用いる。ワイヤ１８のボンディング部からｐ側電極にわたる外表面に導電性保護膜２５をめっき法により形成する。また、ワイヤ１９から放熱部材にわたる外表面にも導電性放熱膜２５が被覆されている。この導電性保護膜２５は多層膜とし、第１膜にはＮｉ、第２膜にはＡｇを用いる。

ｐ側電極と接続するリード端子及び放熱部材と接続するリード端子を保持した状態で電解めっきを行う。その他の条件は実施例２と同じとする。これにより、ワイヤ１８のボンディング部からｐ側電極にわたる外表面と、ワイヤ１９から放熱部材にわたる外表面に導電性放熱膜２５が形成される。
この実施例の半導体レーザ装置では、放熱性が非常に高く、かつワイヤとの密着性が高い半導体レーザ装置が得られる。

本発明の半導体レーザ装置は、光ディスク用光源（光ストレージ）、光通信システム用光源、印刷機用光源、露光用光源、ディスプレイ用光源等に利用することができる。また、本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、太陽電池、光センサー等の発光素子、受光素子、トランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスを用いる半導体装置に利用することもできる。

本発明の半導体レーザ素子の構造を示す概略断面図である。本発明の半導体レーザ素子の別の構造を示す概略断面図である。本発明の半導体レーザ装置の構造を示す概略側面図である。本発明の半導体レーザ装置の別の構造を示す概略側面図である。本発明の半導体レーザ装置の別の構造を示す概略側面図である。本発明の半導体レーザ装置内部を示す斜視図である。本発明の半導体レーザ装置内部を拡大した斜視図である。本発明の半導体レーザ装置の別構造の内部を拡大した斜視図である。従来の半導体レーザ装置の構造を示す概略断面図である。従来の半導体レーザ装置の構造を示す概略断面図である。本発明の半導体レーザ装置の全体を示す斜視図である。

符号の説明

１０半導体レーザ素子
１２放熱部材
１３基台
１５電極
１８、１９ワイヤ
２０半導体レーザ装置
２１キャップ部材
２２窓ガラス
２３リード端子
２５導電性保護膜

Claims

半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子を載置する放熱部材と、該放熱部材上に形成されたＡｕよりなるワイヤとを備えた半導体レーザ装置において、
前記放熱部材上に前記ワイヤのボンディング部が形成されており、
該ワイヤのボンディング部から前記放熱部材にわたる外表面に導電性保護膜が形成されており、
前記導電性保護膜は、前記ボンディング部及び前記放熱部材の側から順に、Ｎｉよりなる第１膜と、Ａｇよりなる第２膜と、を含む多層膜であることを特徴とする半導体レーザ装置。
前記放熱部材上に前記ワイヤのボンディング部が複数形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
前記半導体レーザ素子は、基板と、前記基板上に積層された半導体層と、を有し、
前記放熱部材には、前記半導体レーザ素子の半導体層側が実装されていることを特徴とする１又は２に記載の半導体レーザ装置。