JP2000261088A - 発光素子 - Google Patents

発光素子

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JP2000261088A JP11058024A JP5802499A JP2000261088A JP 2000261088 A JP2000261088 A JP 2000261088A JP 11058024 A JP11058024 A JP 11058024A JP 5802499 A JP5802499 A JP 5802499A JP 2000261088 A JP2000261088 A JP 2000261088A
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junction
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Junji Shigeta
淳二 重田
Kazunori Shinoda
和典 篠田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】大出力発光素子の放熱特性を改善し、出力特性
を改善する。従来は表面電極は発熱部に近いが、裏面電
極は基板裏面に形成されるため発熱部から遠く、放熱へ
の寄与が少なかった。 【解決手段】半導体基板1にエピタキシャル成長層2〜
7を形成し、その上下に上面電極8及び裏面電極9を設
けた半導体レーザにおいて、少なくとも成長層のの発熱
領域10に対応する部分の裏面電極9を半導体基板1を
通過して成長層2に届く位置に形成する。 【効果】発熱で制限されていた最大光出力を改善出来
る。また実装の容易なジャンクションアップ法でもジャ
ンクションダウン法と同等の放熱が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は発光素子、更に詳し
くいえば、半導体レーザーのように、半導体基板上に結
晶を成長した発光能動層をもつ発光素子の構造、特に、
放熱部の構成に関するもので、信頼性の高いかつ大出力
レーザーに適した電極構造を提供するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体レーザー等の発光素子では、一般
に温度の変化によって出力特性が変動する。そのため、
放熱手段を付加し、温度特性を改善することが行われて
いる。図1は従来の半導体レーザーの断面模式図の一例
である。n型GaAs基板1の上にn−AlGaInP
下部クラッド層(バッファ層を含む)2、量子井戸層
3、p−GaInP層4、p−AlGaInP上部クラ
ッド層5などをエピタキシャル成長した後上部クラッド
層5を所定の形状にエッチングし、周辺及び上部にn−
GaAs層6及びp−GaAs層7を再成長し、表面電
極8を形成する。しかる後、基板1を100μm程度の
厚さまで研磨し、裏面電極9を形成する。このような構
造のレーザーに表面及び裏面電極を通じて通電すると領
域10の部分で発光する。発熱が一番激しい領域は10
(ジャンクション)の部分である。ジャンクションと表
面電極8及び裏面電極9の距離はそれぞれ通常数μm及
び約100μmと大きな差がある。
【0003】上述のような半導体レーザーの放熱を良く
する方法として、例えば、伊藤良一、中村道治編:”半
導体レーザー”培風館(1989年)第231頁に解説
されているように、半導体レーザーをパッケージに実装
する際に、表面電極をヒートシンク材に半田等で接着す
るジャンクションダウン法とジャンクションから遠い裏
面電極をヒートシンク材に接着するジャンクションアッ
プ法が知られている。
【0004】図2は従来のジャンクションダウン実装に
よる半導体レーザーの構造を示す。レーザーチップは表
面電極8をヒートシンクとなるマウント11に半田材1
2によって接着される。裏面電極9はワイヤ13が接続
されマウント11との間で通電される。この構造はジャ
ンクションアップ法に比べ、発熱領域10が半田材12
及びマウント11に近いため(距離は数μm以下)放熱
に有利であり大出力のレーザーに適しているものの、半
田材12が光の射出部(領域10のチップ端部)を汚し
やすいという欠点がある。また基板1が約100μmと
厚いため、裏面電極9及びワイヤ13はあまり放熱に寄
与しないという問題があった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、放熱
特性が更に優れた発光素子を実現することである。すな
わち、ジャンクションダウン法を採用した場合は従来の
ジャンクションダウン法以上の放熱特性が得られ、ジャ
ンクションアップ法を採用した場合も従来のジャンクシ
ョンダウン法と同等の放熱特性が得られる電極構造の発
光素子を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の発光素子は、半導体基板上に成長した結晶
を能動層として用いる発光素子であって、上記発光素子
に給電するための2つの金属電極うち上記成長した結晶
の上記半導体基板側につける裏面電極が上記成長した結
晶の裏面ないしは内部に位置するよう設ける。
【0007】本発明の好ましい実施形態は半導体基板上
にエピタキシャル成長した結晶を能動層とする半導体レ
ーザであるが、半導体レーザに限定されない。また更に
放熱を良くするため、上記2つの金属電極の少なくとも
一方に放熱用金属電極を付加する。
【0008】上記裏面電極は上記半導体基板の上記能動
層の発光部に対応する位置に溝を設けたその溝全面に電
極層を設ける他、上記能動層の全体に平面状に設けても
よい。 本発明によれば、発光素子を構成する表面電極
及び裏面電極の熱抵抗はあまり差がなくなり、裏面電極
をヒートシンクに接着するジャンクションアップ実装し
た場合でも従来のジャンクションダウン実装と同等の放
熱特性が得られる。また裏面及び表面電極双方に放熱効
果が期待できるので、ジャンクションダウン実装した場
合は従来のジャンクションダウン法より良好な放熱特性
が得られる。
【0009】
【発明の実施の形態】<実施形態1>図3は本発明によ
る光発光素子の一実施形態である半導体レーザーの断面
図である。半導体基板1上に順次エピタキシャル成長し
て構成された下部クラッド層2、量子井戸層3、p−G
aInP4、上部クラッド層5、n−GaAs層6、p
−GaAs層7の能動層が構成され、半導体基板1には
裏面電極9が発光領域10に対応する位置に下部クラッ
ド層2に届くように設けられた溝及び半導体基板1の下
側全面に設けられている。さらに放熱を良くするため、
裏面電極9の金属層上に放熱用金属電極14が設けられ
ている。p−GaAs層7の上側(すなわち能動層に対
して裏面電極と反対側)には上面電極8が設けられてい
る。
【0010】図4〜図7は、いずれも図3に示した半導
体レーザのレーザーチップの作成工程を示す図である。
なお、各図では図3と上下を反転し、図3と同一部分に
は同一番号を付している。図4において、基板1の研磨
工程までは従来知られている工程と同じ工程である。1
00μm程度まで研磨された基板1の上にエッチングマ
スクとなるSiO2膜15を被着し、フォトリソ技術に
よって発熱領域10に位置合わせた開口16を設ける。
【0011】次いで図5に示すように、SiCl4ガス
を用いたドライエッチング法でGaAS基板1をエッチ
ングして溝穴17を設ける。このときn−AlGaIn
P下部クラッド層2はエッチングされないためエッチン
グが量子井戸層3に及ぶことはない。
【0012】次ぎに図6に示すように、溝穴17が設け
られた基板1に裏面電極9を形成する。必要に応じて図
7に示すようにAuメッキによる放熱電極14で溝穴を
埋めて完成する。
【0013】<実施形態2>図8は本発明による光発光
素子の他の実施形態である半導体レーザーの断面図であ
る。同図において部分Aは図3の半導体レーザーと同じ
構成である。本実施形態は上面電極8及び放熱用金属電
極14のそれぞれにヒートシンク11及びヒートシンク
11’を半田材12及び12’を介して接着した。ヒー
トシンク11のジャンクションダウンによる放熱に加
え、下部電極9、14にもヒートシンク11’による放
熱を行う。ヒートシンク11’及び11’の大きさ、材
質は実装装置の種類によりことなるが、上面電極、裏面
電極より大きく設定される。
【0014】図9は図8に示した構造の実装例における
半導体レーザーの光出力の改善効果を示す出力特性の実
測図である。図9において、横軸は入力電流(mA)、
縦軸は光出力(mW)で表す。従来のジャンクションダ
ウン実装(図2の例)のものは、は75mW程度で熱の
ために飽和していた最大出力が本実施例(図8)では9
0mWと20%も改善されている。
【0015】<実施形態3>図10は本発明による光発
光素子の更に他の実施形態である半導体レーザーの断面
図である。本実施形態は図3に示したレーザーチップを
従来と同様のジャンクションダウン法で実装した例であ
る。その出力特性は図8に示した半導体レーザーには及
ばないが、放熱用メタル14及びワイヤ13も放熱に寄
与するため、従来のジャンクションダウン実装(図2に
示す)のものよりも良好な放熱効果が得られる。
【0016】<実施形態4>図11は本発明による光発
光素子の第4の実施形態である半導体レーザーの断面図
である。本実施形態は図3に示したレーザーチップを従
来と同様のジャンクションアップ法で実装した例であ
る。本実施形態でも従来のジャンクションダウン法(図
3)と同じ程度の放熱効果が得られ、さらに、半田汚れ
の問題がない。
【0017】<実施形態5>図12は本発明による光発
光素子の第5の実施形態である半導体レーザーの断面図
である。本実施形態は裏面電極8が、結晶の成長層2の
裏面全面に形成されている。他の部分の構成は図3に示
したものと実質的に同様である。この半導体レーザーの
製造は以下の説明の方法によって行われる。
【0018】図13(a)、(b)及び(c)はいずれ
も図12に示す半導体レーザーの製造工程の断面図であ
る。前記実施形態における構成要素と実質的に同じ要素
ついては同じ番号を付して詳細な説明を省く。図13
(a)のように基板1上にAlAsからなる犠牲層18
を成長した後、レーザー構成に必要な各層2〜7を成長
する。表面電極8を形成した後、保持板19を剥離材で
剥離可能な接着材20で接着し、水中に放置し、犠牲層
18を溶解し、図13(b)のように基板1が除去され
エピタキシャル成長による結晶層2が露出した構造を得
る。その後、裏面電極9を層2の表面に形成し、保持板
16とともに加工、組立を行った後ヒートシンク11を
半田材12を用いて接着し、保持板19を剥離すること
により、図13(c)のように極めて薄いレーザーを完
成する。裏面電極9が広い範囲にわたって発熱領域と接
するので図3に示した構造のレーザよりも良好な放熱特
性がえられる。
【0019】以上本発明の実施形態について半導体レー
ザの例について説明したが、本発明は、上記実施形態に
限定されず、上下2電極を半導体部品で構成される発光
能動層の両側に設ける発光素子に適用できる。また上記
実施形態に示した構成各層の材質も他の材質によって構
成できることは明らかである。
【0020】
【発明の効果】本発明によれば半導体レーザー等の半導
体基板側に設ける電極の放熱特性を基板に簡単な工程に
よって、溝を設けるあるいは基板の剥離の工程を付加す
るのみで、向上させることができ、特に大出力の半導体
レーザーの出力向上、信頼性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の半導体レーザーの断面図
【図2】従来の半導体レーザーのジャンクションダウン
実装図
【図3】本発明による半導体レーザーの一実施形態の断
面図
【図4】図3に示した半導体レーザーの製造工程の一工
程を示す断面図
【図5】図3に示した半導体レーザーの製造工程の一工
程を示す断面図
【図6】図3に示した半導体レーザーの製造工程の一工
程を示す断面図
【図7】図3に示した半導体レーザーの製造工程の一工
程を示す断面図
【図8】本発明による半導体レーザーの他の実施形態の
断面図
【図9】図8の半導体レーザーの光出力特性曲線図
【図10】本発明による光発光素子の更に他の実施形態
である半導体レーザーの断面図
【図11】本発明による光発光素子の第4の実施形態で
ある半導体レーザーの断面図
【図12】本発明による光発光素子の第5の実施形態で
ある半導体レーザーの断面図
【図13】第5の実施形態である半導体レーザーの製造
工程を示す断面図
【符号の説明】
1…半導体基板 2…下部クラッド層 3…量子井戸層 4…p−GaInP層 5…上部クラッド層 6…n−GaAs層 7…p−GaAs層 8…表面電極 9…裏面電極 10…発熱領域 11,11’…マウント(ヒートシンク) 12,12’…半田材 13…ワイヤ 14…放熱用メタル 15…S1O2膜 16…開口 17…溝穴 18…犠牲層 19…保持板 20…接着剤

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板上に成長した結晶を能動層とし
    て用いる発光素子であって、上記発光素子に給電するた
    めの表面電極及び裏面電極の2つの金属電極の裏面電極
    の少なくとも一部が上記能動層の発熱領域近傍の結晶の
    裏面ないしは内部に位置するように形成されたことを特
    徴とする発光素子。
  2. 【請求項2】上記成長した結晶の能動層がエピタキシャ
    ル成長層であり、上記裏面電極が半導体基板を貫通し、
    上記エピタキシャル成長層に接していることを特徴とす
    る請求項1の発光素子。
  3. 【請求項3】上記半導体基板が除去され、エピタキシャ
    ル成長による結晶の両面に上記表面電極及び裏面電極が
    形成されたことを特徴とする請求項1又は2記載の発光
    素子。
  4. 【請求項4】上記表面電極及び裏面電極の少なくとも一
    方にヒートシンク板が固着されたことを特徴とする請求
    項1、2又は3記載の発光素子。
  5. 【請求項5】上記発光素子が半導体レーザである請求項
    1ないし4のいずれかに記載された発光素子。
  6. 【請求項6】半導体基板上に犠牲層を形成し、上記犠牲
    層上にレーザ構成に必要なエピタキシャル成長層を積層
    し、上記エピタキシャル成長層上に表面電極を形成し、
    上記表面電極上に接着剤を介して保持版を固着し、上記
    各層を水地中に挿入して、上記半導体基板及び上記犠牲
    層を除去し、上記エピタキシャル成長層の上記犠牲が除
    かれた面に裏面電極を形成し、上記裏面電極上に半田材
    を用いてヒートシンク板を固着する半導体レーザーの製
    造方法。
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