CN112701559A - 半导体发光元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够适当地确保从发射器发出的热的散热经路、改善注入电流‑光输出特性(散热特性)的半导体发光元件。半导体发光元件具备：具有第1面及第2面的半导体基板；形成于半导体基板的第1面上的半导体层；在半导体层内分别沿第1方向分开而配置且分别电连接的多个发光部；形成于半导体层上的第1电极；和形成于半导体基板的第2面上的第2电极。第1电极具有位于比在第1方向上配置于最外侧的发光部的外端部更靠外侧的第1部分和配置于最外侧的发光部的内端部与相邻的发光部的外端部之间的第2部分。在第1方向上，第1部分的宽度具有第2部分的宽度的一半以上的长度。

Description

半导体发光元件

技术领域

本发明涉及具备多个发光部的半导体发光元件。

背景技术

以往，在具备多个发光部(发射器)的半导体芯片中，着眼于发射器间的热串扰(热干扰)，谋求注入电流-光输出特性(I-L特性)的改善或散热改善。例如，在专利文献1、2中公开了通过在多个发射器之间设置散热部来降低相邻的多个活性区域的热干扰的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-179209号公报

专利文献2：日本特开2013-179210号公报

发明内容

发明所要解决的课题

以往，为了改善半导体芯片的I-L特性或改善散热，如上所述一直实施在发射器间设置散热构件或者加大发射器间的距离等对策。

然而，为了改善半导体芯片的I-L特性或改善散热，得到新的见解：发射器的外侧的散热经路是重要的。若从发射器的外侧的散热经路被限制，则存在半导体芯片的散热特性恶化而光输出功率下降的问题。

于是，本发明的课题是提供能够适当地确保从发射器产生的热的散热经路、改善I-L特性(散热特性)的半导体发光元件。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，本发明的半导体发光元件的一方案具备：具有第1面及第2面的半导体基板；形成于上述半导体基板的上述第1面上的半导体层；在上述半导体层内分别沿第1方向分开而配置且分别电连接的多个发光部；形成于上述半导体层上的第1电极；和形成于上述半导体基板的上述第2面上的第2电极，其中，上述第1电极具有比在上述第1方向上配置于最外侧的上述发光部的外端部更靠外侧的第1部分和配置于上述最外侧的上述发光部的内端部与相邻的上述发光部的外端部之间的第2部分，在上述第1方向上，上述第1部分的宽度具有上述第2部分的宽度的一半以上的长度。

像这样，通过将第1电极的第1部分的宽度设定为第2部分的宽度的一半以上的长度，从而在配置于最外侧的发光部(发射器)的外侧，能够确保与符合相邻的发光部(发射器)间的电极宽度的一半的发射器内侧的散热经路同等以上的散热经路。因此，能够使来自发射器的热有效地散热。在多个发射器被电连接且非独立驱动的半导体发光元件中，多个发射器间的热串扰可能成为大的问题。通过设定为上述那样的构成，能够适当地谋求散热改善，改善I-L特性。

另外，在上述的半导体发光元件中，上述多个发光部具有在上述第1方向上配置于最外侧的第1发光部和第2发光部，上述第1部分也可以配置于比上述第1发光部的外端部及上述第2发光部的外端部分别更靠外侧。

像这样，也可以在比配置于半导体层的外周部的最近处的2个发光部(第1发光部、第2发光部)中的各个外端部更靠外侧分别配置具有第2部分的宽度的一半以上的长度的第1部分。在该情况下，由于能够在半导体层的两端分别确保散热经路，所以能够使来自发射器的热有效地散热。

另外，上述的半导体发光元件也可以在上述第1方向上，上述第1部分的宽度具有上述第2部分的宽度以下的长度。

像这样，通过对第1电极的第1部分的宽度设置上限，能够抑制芯片宽度(面积)过于扩展，抑制每1片晶片的芯片的取得数(芯片取得率)的下降。另外，能够抑制施加于芯片的应力变得过大，抑制产生芯片的翘曲或多个发光部的位置偏移。

进而，上述的半导体发光元件也可以在上述第1方向上，上述第2部分的一半的宽度具有上述发光部的宽度以上的长度。

在该情况下，能够在发射器内侧，确保与发射器宽度同等以上的散热经路。由于发射器宽度越宽则变得越高输出功率，来自发射器的发热变得越大，所以如上所述通过与发射器宽度相应地适当确保散热经路，可适当得到I-L特性的改善效果。

另外，上述的半导体发光元件也可以在上述第1方向上，上述多个发光部的宽度的合计具有上述半导体层的上述第1面的宽度的10％以上的长度。

在该情况下，在发射器宽度较宽(宽幅区域的)的多模的半导体发光元件中，能够适当地谋求散热改善，使I-L特性提高。

发明效果

根据本发明的半导体发光元件，通过确保发射器的外侧的电极宽度，能够适当地确保从发射器发出的热的散热经路，改善特性(散热特性)。

附图说明

图1是表示本实施方式中的半导体芯片的构成例(W2＝(W1)/2)的截面图。

图2是表示本实施方式中的半导体芯片的构成例(W2＝W1)的截面图。

图3是说明本实施方式中的半导体发光元件的散热经路的图。

图4是表示以往的半导体芯片的构成例(W2＝(W1)/6)的截面图。

图5是说明以往的半导体发光元件的散热经路的图。

图6是表示I-L特性(注入电流-光输出特性)的图。

图7是表示3发射器的半导体芯片的构成例的截面图。

图8是表示具有脊结构的半导体芯片的构成例的截面图。

符号说明

10 LD芯片、11半导体基板、12半导体层、13 p侧电极(第1电极)、13a第1部分、13b第2部分、14 n侧电极(第2电极)、15a、15b发光部、16绝缘膜、17脊结构、20子装配

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。

(第一实施方式)

图1是表示构成本实施方式中的半导体发光元件的半导体芯片(LD芯片)10的构成例的截面图。

LD芯片10具备具有第1面及第2面的半导体基板11和通过外延生长而形成于半导体基板11的第1面上的多层的半导体层12。在本实施方式中，LD芯片10的第1面为图1中的上表面。另外，LD芯片10的第2面为与第1面相反侧的面、即图1中的下表面。

半导体基板11例如可以设定为GaAs基板。例如，半导体基板11也可以是以从(100)面沿<011>方向以规定的倾斜角度θ(例如10°)倾斜的面作为主表面的n-GaAs倾斜基板。LD芯片10在组装到半导体激光装置中并被供给规定的注入电流的情况下，激发600nm区域(例如红色)的激光。

半导体层12包含未图示的活性层(例如GaInP)。具体而言，半导体层具有在半导体基板11上至少依次层叠有第1导电型半导体层、活性层及第2导电型半导体层的构成。第1导电型半导体层为n型金属包层(例如n-AlGaInP)，第2导电型半导体层为p型金属包层(例如p-AlGaInP)。

另外，LD芯片10具备利用后述的绝缘膜16而形成于半导体层12上的p侧电极(第1电极)13和形成于半导体基板11的第2面上(半导体基板11中的与半导体层12相反侧的面上)的n侧电极(第2电极)14。第1电极13及第2电极14例如通过金(Au)来构成。需要说明的是，第1电极13及第2电极14也可以是多层电极层。例如，第1电极13及第2电极14也可以是由Ti/Pt/Au制成的多层电极层。

进而，LD芯片10在半导体层12内具备分别沿第1方向(图1的左右方向)分开而配置的2个发光部(发射器)15a、15b。这2个发光部15a、15b与活性层的特定区域对应。该特定区域是与绝缘膜16的开口部对应、且电流集中被注入而射出激光的区域。

第1电极13横跨2个发光部15a、15b而连接，发光部15a、15b分别电连接。即，第1电极13在发射器之间没有被截断，多个发射器被非独立地驱动(同一驱动)。

第1电极13具有在第1方向上位于比发光部15a、15b的外端部更靠外侧的第1部分13a和位于相邻的2个发光部15a、15b之间的第2部分13b。并且，在第1方向上，第1部分13a的宽度具有第2部分13b的宽度的一半以上的长度。这里，电极的宽度可以是第1电极13中的与半导体层12相对的一侧(发光部侧)的宽度，也可以是第1电极13中的与半导体层12相反侧(与后述的子装配接合的一侧)的宽度。另外，电极的宽度可以与LD芯片的宽度一致，也可以比LD芯片的宽度更靠内侧。在比LD芯片的宽度更靠内侧的情况下，在将LD芯片与子装配接合时，软钎料等接合材料蔓延到芯片侧面，能够防止电短路的不良情况的发生。

即，在将位于发光部15a、15b之间的第2部分13b的第1方向上的宽度设为W1、将位于发光部15a的外侧的第1部分13a的第1方向上的宽度设为W2、将位于发光部15b的外侧的第1部分13a的第1方向上的宽度设为W2′的情况下，成立以下的关系式。

(W1)/2≤W2，

(W1)/2≤W2′(1)

需要说明的是，图1表示将第1部分13a的宽度W2、W2′设定为下限值即(W1)/2时的LD芯片10。

另外，在第1方向上，第1部分13a的宽度可以设定为第2部分13b的宽度以下的长度。即，成立以下的关系式。

(W1)/2≤W2≤W1，

(W1)/2≤W2′≤W1 (2)

图2是表示将第1部分13a的宽度W2、W2′设定为上限值即W1时的LD芯片10A的截面图。需要说明的是，在图2中，发光部15a、15b的宽度We、We′及第2部分13b的宽度W1与图1中所示的LD芯片10同样。

进而，在第1方向上，第2部分13b的一半的宽度可以设定为发光部15a、15b的宽度以上的长度。即，在将发光部15a、15b的宽度设为We、We′的情况下，成立以下的关系式。

We≤(W1)/2，

We′≤(W1)/2 (3)

另外，在第1方向上，多个发光部15a、15b的宽度的合计可以设定为半导体层12的第1面的宽度的10％以上的长度。即，在将多个发光部15a、15b的宽度的合计(We+We′)设为We-sum、将半导体层12的第1面的宽度设为Wc的情况下，成立以下的关系式。

We-sum≥Wc×0.1 (4)

需要说明的是，在第1方向上，1个发光部的宽度可以设定为5μm以上。

例如，发光部15a、15b的宽度We、We′可以设定为75μm，第2部分13b的宽度W1可以设定为150μm。在该情况下，在图1中，第1部分13a的宽度W2、W2′成为75μm，在图2中，第1部分13a的宽度W2、W2′成为150μm。另外，第1电极13的厚度例如可以设定为3μm。电极的厚度越厚则散热经路越扩展越可得到散热的效果，但有可能电极的应力变大而芯片翘曲。在该情况下，多个发光部没有在第1方向上整列成一列而歪斜，作为制品可能产生不良情况。因此，在确保散热经路的方面，电极的厚度优选尽可能厚，需要0.5μm以上的厚度，但从抑制发光部的不均的观点考虑，电极的厚度优选为10μm以下。

另外，从确保散热经路的观点考虑，多个发光部之间优选通过电极而连接，另外，电极更优选为平坦。在多个发光部通过电极而连接的情况下，成为并联驱动。

如图3中所示的那样，LD芯片10与构成半导体激光装置的子装配20接合。

子装配20的主体部例如可以通过氮化铝(AlN)来构成。需要说明的是，子装配20的主体部可以考虑散热性、绝缘性、与LD芯片10的线膨胀系数差及成本等而适当选择。例如，就散热性良好的绝缘性材料而言，有碳化硅(SiC)、金刚石等，就导电性材料而言，有Cu、CuW、CuMo等，另外就比较廉价的材料而言有Si、氧化铝(Al₂O₃)等。另外，子装配20的主体部例如也可以通过将SiC等绝缘性材料与Cu等导电性材料组合而得到的多层结构来构成。

在子装配20的表面，通过金(Au)而形成有未图示的电极布线，LD芯片10例如利用金锡(AuSn)软钎料并通过结向下方式而接合于该电极布线上。即，LD芯片10的发光部15a、15b侧(半导体层12侧)的表面即第1电极13的表面成为接合面，与子装配20接合。由此，第1电极13与子装配20的电极布线电导通。需要说明的是，子装配20的表面的接合材料除了锡银铜(SnAgCu)、锡银(SnAg)、锡金(SnAu)等软钎料材以外，还可以是铟(In)、银(Ag)膏糊等低熔点金属材料。

若向LD芯片10供给注入电流来驱动LD芯片10，则从发光部15a、15b射出激光。此时，发光部15a、15b发热，产生的热利用第1电极13被传递至子装配20而进行散热。具体而言，来自发光部15a、15b的热如图3的箭头所示的那样，经由第1电极13，沿半导体基板11的第1面的法线方向(图3的A1方向)和朝向芯片内侧的A2方向及朝向芯片外侧的A3方向传播，传递至子装配20。像这样，第1电极13成为散热经路(热传导经路)。

需要说明的是，图3中，对于图1中所示的LD芯片10与子装配20接合的情况进行示出，但对于图2中所示的LD芯片10A与子装配20接合的情况也同样。

以往，考虑多个发射器间的热串扰，进行了加大发射器间的距离的对策。然而，为了提高每1片晶片的芯片的取得数即芯片取得率，发射器的外侧的电极的宽度一般按照尽可能变窄的方式设计。

与此相对，在本实施方式中，通过确保向发射器外侧的散热经路也重要的新颖的见解，制成在LD芯片10、10A中确保了第1电极13的发射器外侧的部分即第1部分13a的电极宽度的构成。详细而言，考虑来自各发射器的热左右均等地散逸，与符合相邻的发射器间的电极宽度的一半的发射器内侧的散热经路同等以上地在发射器外侧也确保散热经路(上述(1)式)。由此，本实施方式的LD芯片10、10A与发射器外侧的散热经路被限制的以往构成的LD芯片相比，能够谋求散热改善和I-L特性的改善。

图4是表示作为比较例的以往的半导体芯片(LD芯片)110的构成例的截面图。

该图4中所示的LD芯片110相对于图1中所示的LD芯片10，具有发射器宽度(We、We′)及发射器间隔(W1)相同、且发射器外侧的电极宽度(W2、W2′)较短的构成。图4示出LD芯片110的第1部分13a的宽度为第2部分13b的宽度的1/6的例子。即，W2、W2′＝(W1)/6。

如图5中所示的那样，在图4中所示的LD芯片110与构成半导体激光装置的子装配20接合而被驱动的情况下，来自发光部15a、15b的热利用第1电极13被传递至子装配20而进行散热。然而，在LD芯片110中，由于发射器外侧的散热经路被限制，所以热向芯片外侧的散逸变得不充分。因此，在LD芯片110中，存在散热特性恶化而光输出功率下降的问题。

图6是表示本实施方式中的LD芯片10、10A和作为比较例的LD芯片110中的表示注入电流与光输出功率的关系的I-L特性(测定温度为45℃)的图。在图6中，横轴为注入电流If，纵轴为光输出功率Po。另外，在图6中，曲线A是图2中所示的LD芯片10A的I-L特性线，曲线B是图1中所示的LD芯片10的I-L特性线，曲线C是图4中所示的LD芯片110的I-L特性线。

如由该图6也表明的那样，LD芯片10、10A与LD芯片110相比，光输出功率的饱和点大幅度地提高。另外，如由LD芯片10与LD芯片10A的比较也表明的那样，获知：发射器外侧的电极宽度(W2、W2′)越宽，则光输出功率的饱和点越大地提高。能够确认到，通过像这样扩展发射器外侧的电极宽度(W2、W2′)、确保发射器外侧的散热经路，可提高、改善LD芯片的散热特性、提高光输出功率。

可是，如上所述，越宽地采取发射器外侧的散热经路(电极宽度)，越能够提高LD芯片的散热特性。然而，存在下述问题：若过于宽地采取发射器外侧的散热经路(电极宽度)，则芯片宽度(面积)变大，能够从1片晶片取得的芯片数(芯片取得率)变少。芯片取得率的下降导致芯片原价的高涨。

另外，若过于宽地采取发射器外侧的电极宽度，则有可能电极的应力变大而芯片发生翘曲。在该情况下，多个发光部没有在第1方向上整列成一列而歪斜，作为制品可能产生不良情况。

因此，在确保散热经路的方面，发射器外侧的电极宽度(W2、W2′)优选尽可能宽，需要最低限发射器间的宽度(W1)的一半、即((W1)/2)以上的长度，但从提高芯片取得率(降低芯片原价)或抑制发光部的不均的观点考虑，发射器外侧的电极宽度优选为发射器间的宽度(W1)以下(上述(2)式)。

如以上说明的那样，本实施方式中的LD芯片10、10A具备：具有第1面及第2面的半导体基板11；形成于半导体基板11的第1面上的半导体层12；在半导体层12内分别沿第1方向分开而配置且分别电连接的多个发光部15a、15b；形成于半导体层12上的第1电极13；和形成于半导体基板11的第2面上的第2电极14。另外，第1电极13具有位于比发光部15a、15b的外端部分别更靠外侧的第1部分13a和位于发光部15a、15b之间的第2部分13b。

并且，在第1方向上，第1部分13a的宽度W2、W2′具有第2部分13b的宽度W1的一半以上的长度。另外，在第1方向上，第1部分13a的宽度W2、W2′可以设定为第2部分13b的宽度W1以下的长度。

像这样，通过确保发光部(发射器)15a、15b的外侧的电极宽度，能够使热从配置于芯片的外周部的区域的电极适当地散逸，能够改善LD芯片的散热特性。其结果是，能够使LD芯片的I-L特性提高。进而，通过对发光部(发射器)15a、15b的外侧的电极宽度设置上限(W1)，能够抑制芯片宽度(面积)变得过大，抑制芯片取得率的下降。另外，还能够抑制施加于芯片的应力，抑制发光部的不均。

另外，在本实施方式中，第1电极13横跨多个发射器而连接，多个发射器非独立地被驱动(同一驱动)。另一方面，在多个发射器被独立驱动的多波束制品中，由于电极被截断，所以在该电极侧(散热经路侧)没有产生热串扰，但在如本实施方式那样多个发射器被同一驱动的制品中，上述的热串扰的抑制、来自发射器的热的散热改善变得重要。作为不要求多个发射器的独立驱动的制品，例如有放映机用途的LD。另一方面，作为以多个发射器的独立驱动作为前提的制品，例如有作为打印机用的光源使用的LD。

本实施方式的LD芯片10、10A由于如上所述具有确保了发射器外侧的散热经路的构成，所以能够将来自发射器的热快速地散热，能够适当地抑制被同一驱动的多个发射器间的热串扰。

进而，在本实施方式中，LD芯片10、10A可以将符合发射器间的电极宽度的一半的发射器内侧的散热经路设定为与发射器宽度同等以上的长度(上述(3)式)。即，发射器间的电极宽度(W1)可以设定为发射器宽度(We、We′)的2倍以上。由此，能够确保发射器间的距离，能够适当地确保发射器内侧的散热经路。因此，能够更适当地抑制被同一驱动的多个发射器间的热串扰，能够改善I-L特性。

另外，在本实施方式中，LD芯片10、10A可以制成发光部15a、15b的宽度的合计具有半导体层12的第1面的宽度的10％以上的长度的发射器宽度较宽(宽幅区域的)的多模的制品(上述(4)式)。

例如就放映机用途的LD而言，不要求多个发射器的独立驱动，要求更高的输出功率。并且，越是高输出功率，则为了降低端面中的光密度而越宽地设定发射器的宽度。另外，由于越是高输出功率则投入电力变得越大，所以来自发射器的发热变得越大。因此，就这样的多模的高输出功率的制品而言，适当地确保散热经路变得重要。

另一方面，例如打印机用的光源等中使用的多波束LD由于为要求小的点径的制品，所以为发射器的宽度窄至几μm的单模的制品。就单模的制品而言，发射器宽度的合计相对于半导体层的宽度最大也不过5％左右。在这样的单模的制品的情况下，由于为低输出功率，所以发热小，电极中的散热经路的大小不会对特性给予大的影响。

在本实施方式中，在发射器宽度较宽(宽幅区域的)的多模的制品中，能够适当地确保散热经路，得到更优选的I-L特性的改善效果。

(变形例)

在上述实施方式中，对LD芯片具备2个发光部的情况进行了说明，但发光部也可以为3个以上。但是，设定为3个以上的发光部分别电连接的构成。

图7是表示3发射器的LD芯片10B的构成例的截面图。

LD芯片10B具备3个发光部15a～15c。在该情况下，比在第1方向上配置于最外侧的发光部15a、15c的外端部更靠外侧的部分分别为上述的第1部分13a。另外，配置于最外侧的发光部15a的内端部与相邻的发光部15b的外端部之间及配置于最外侧的发光部15c的内端部与相邻的发光部15b的外端部之间分别为上述的第2部分13b。在该情况下，也可得到与图1及图2中所示的2发射器的情况同样的效果。

另外，在上述实施方式中，对多个发射器的宽度全部相同的情况进行了说明，但各发射器的宽度也可以不同。即，在图1及图2中，发光部15a的宽度We与发光部15b的宽度We′也可以不同。进而，在图7中，发光部15a的宽度We与发光部15b的宽度We′与发光部15c的宽度We″也可以分别不同。

另外，由于发射器的宽度越宽，则来自发射器的发热变得越大，所以也可以根据发射器的宽度来设定发射器外侧的电极宽度(W2、W2′)。即，也可以发射器的宽度越宽则越宽地设定发射器外侧的电极宽度。

进而，在上述实施方式中，为了向发光部集中注入电流，LD芯片也可以具备在半导体层12中具有脊结构的电流狭窄部。

图8是表示具备具有脊结构的电流狭窄部的LD芯片10C的构成例的截面图。该图8中所示的LD芯片10C除了具备脊结构17这点以外，还具有与图1中所示的LD芯片10同样的构成。在具有脊结构的情况下，也由于电极成为散热经路，所以可得到与图1中所示的不具有脊结构的情况同样的效果。

另外，在上述实施方式中，对将半导体基板11设定为GaAs基板的情况进行了说明，但并不限定于此。例如，半导体基板11可以是InP基板，也可以是GaN基板，还可以是Si基板。半导体基板11的材质可以根据发光波长而适当选择。

另外，在本实施方式中，对LD芯片10的第1面与第2面平行地配置的情况进行了说明，但第1面与第2面也可以不平行地配置。例如，第2面也可以是相对于第1面垂直的面。

Claims (5)

1.一种半导体发光元件，其特征在于，其具备：

具有第1面及第2面的半导体基板；

形成于所述半导体基板的所述第1面上的半导体层；

在所述半导体层内分别沿第1方向分开而配置且分别电连接的多个发光部；

形成于所述半导体层上的第1电极；和

形成于所述半导体基板的所述第2面上的第2电极，

所述第1电极具有：

比在所述第1方向上配置于最外侧的所述发光部的外端部更靠外侧的第1部分；和

配置于所述最外侧的所述发光部的内端部与相邻的所述发光部的外端部之间的第2部分，

在所述第1方向上，所述第1部分的宽度具有所述第2部分的宽度的一半以上的长度。

2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述多个发光部具有在所述第1方向上配置于最外侧的第1发光部和第2发光部，

所述第1部分配置于比所述第1发光部的外端部及所述第2发光部的外端部分别更靠外侧。

3.根据权利要求1或2所述的半导体发光元件，其特征在于，在所述第1方向上，所述第1部分的宽度具有所述第2部分的宽度以下的长度。

4.根据权利要求1或2所述的半导体发光元件，其特征在于，在所述第1方向上，所述第2部分的一半的宽度具有所述发光部的宽度以上的长度。

5.根据权利要求1或2所述的半导体发光元件，其特征在于，在所述第1方向上，所述多个发光部的宽度的合计具有所述半导体层的所述第1面的宽度的10％以上的长度。

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