JP2001230498A - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体レーザ - Google Patents

Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体レーザ

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優 伊藤
Mitsuo Wakiguchi
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 正電極の剥離等による発光不均一が生じず、
しきい値電流が安定して低く、長寿命で、かつ、低コス
トの半導体レーザを実現する。 【解決手段】 窒化アルミニウム(AlN) より形成された
サブマウント１０の上面（表側）には、リード電極１
４、１６が、それぞれＡｕ／Ｍｏを真空蒸着することに
より成膜されている。また、サブマウント１０の下面
（裏側）には、ニッケル(Ni)より成る金属層１５が形成
されている。正電極１０６とリード電極１４とを直接接
続するインジウム(In)より成る半田材（第１導電性材
料）１１等によって、半導体レーザ１００はサブマウン
ト１０に直接接着されている。このサブマウント１０の
裏側（金属層１５側）は、銅(Cu)製のヒートシンク１９
の上面と融点温度Ｔ２が約１１７℃のＩｎ／Ｓｎより成
る半田材（第２導電性材料）１２により直接接着されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、基板の上に III族
窒化物系化合物半導体から成る複数の半導体層を積層す
ることにより形成され、接続するサブマウントに対して
ジャンクションダウンでボンディングされるフリップチ
ップ型の半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】ジャンクションダウンでボンディングさ
れるフリップチップ型の半導体レーザとしては、例え
ば、公開特許公報「特開平１０−２００２１３：窒化ガ
リウム系半導体レーザ」（以下、「前例１」と言う。）
や、公開特許公報「特開平１０−２３３５４９：窒化物
半導体レーザ」（以下、「前例２」と言う。）等に記載
されているものが、一般に知られている。
【０００３】これらの公開特許公報では、電極を有する
半導体素子がダイレクトボンディングによりジャンクシ
ョンダウンで直接ヒートシンクに接続された、フリップ
チップ型の半導体レーザが開示されている。
【０００４】上記の前例１においては、上記のダイレク
トボンディングを行うための半田材としてＡｕＳｎが使
用されている。従来より、この様な融点の高い（２００
℃を越える）半田材を使用する理由としては、次の２つ
が有る。
【０００５】（熱伝導率劣化対策）：長時間の駆動（通
電）に伴う、半田の劣化、半田のマイグレーション、又
は、半田の合金化反応等による熱抵抗（熱伝導率の逆
数）の時径的変化、即ち、長時間使用後の半田及びその
周辺の熱抵抗の時径的増大に対する対策として、融点が
高く熱抵抗劣化率の低い材料を選択する。（電気伝導率
劣化対策）：長時間の駆動（通電）に伴う、半田の劣
化、半田のマイグレーション、又は、半田の合金化反応
等によるしきい値電流の時径的変化、即ち、長時間使用
後のしきい値電流の時径的増大に対する対策として、融
点が高くしきい値電流劣化率の低い材料を選択する。
【０００６】また、上記の２件の公開特許公報には殆ど
記載されていないが、フリップチップ型の半導体素子を
製造する場合、素子を正確、安定、かつ、確実に固定す
るために、上記のダイレクトボンディングは実施せず
に、サブマウントを用いることが有る。
【０００７】この様な従来技術では、一般に、正電極と
サブマウント（又はサブマウントの表面上に成膜された
リード電極）とを接着する第１導電性材料の融点温度Ｔ
１は、このサブマウントをその後ヒートシンク又はステ
ム等に接着する第２導電性材料の融点温度Ｔ２よりも高
くなければならない（Ｔ１＞Ｔ２）という制約が有った
ため、この第１導電性材料としては、Ａｕ系、Ｓｎ系、
或いは、ＡｕＳｎ等の様な融点（Ｔ１）の高い半田材が
使用されてきた。
【０００８】この「Ｔ１＞Ｔ２」成る制約の根拠として
は、先に使用される半田材（第１導電性材料）が後の製
造工程（第２導電性材料を用いる工程）で融解してしま
う恐れが無い様にするためである。
【０００９】また、サブマウントはヒートシンク側に熱
を素早く逃がす働きを奏しなければならず、このため、
熱伝導率の高い材料がサブマウントの材料として選択さ
れる。従って、この「Ｔ１＞Ｔ２」成る制約は非常に強
い。即ち、使用されるサブマウントの熱伝導率が高いた
め、第１導電性材料として使用すべき半田等の融点温度
Ｔ１は、その後ヒートシンク又はステム等に接着する際
に用いられる第２導電性材料の融点温度Ｔ２よりも、十
分に高い値でなければならない。
【００１０】これらの理由により、従来技術において、
特に、フリップチップ型の半導体レーザをジャンクショ
ンダウンでサブマウントに直接接続する際には、上記の
ＡｕＳｎ等の様な、熱抵抗やしきい値電流の劣化（上
昇）を招き難く、かつ、融点（Ｔ１）の高い半田材が上
記の第１導電性材料として選択、使用されてきた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電流狭
窄を十分に効率よく発生させるために、特に、共振器或
いは共振器平頂部の正電極のストライプ幅（最小幅）を
例えば１〜５μｍ程度と非常に狭く設計した場合等に
は、Ａｕ系、Ｓｎ系、或いは、ＡｕＳｎなどの融点（Ｔ
１）の高い半田材を上記の第１導電性材料として使用す
ることによって、以下の様な問題（問題点１〜３）が顕
著に表面化することが判ってきた。
【００１２】（問題点１）ＡｕＳｎの様な融点（Ｔ１）
の高い半田材を上記の第１導電性材料として使用した場
合、高温による接着処理時に、半導体レーザの共振器の
平頂部付近の半導体層等が、この高温のため比較的大幅
に熱膨張する。このため、共振器が常温まで降温（熱収
縮）された際に、半導体層（コンタクト層等）と第１導
電性材料の間の熱膨張係数の比較的大きな違いにより、
比較的大きな歪が正電極付近に発生する。
【００１３】（問題点２）ＡｕＳｎ等を上記の第１導電
性材料として使用した場合、更に、これらの金属は常温
では比較的固いため、上記の歪による応力を十分緩和す
ることができず、この応力は最上層の半導体層（コンタ
クト層）と正電極との間の極めて狭い境界面に集中す
る。このため、元来殆ど密着性の無い正電極と半導体層
との間では、部分的、或いは全面的な剥離が発生する。
（問題点３）この剥離により、空間的な電流密度の偏り
が生じ、これに伴って、発光不均一が生じ、しきい値電
流が上昇し、更には、共振器からの発振が停止する。
【００１４】また、上記の剥離現象を抑止又は緩和する
手段としては、例えば、前記の従来技術の前例２に導入
されている様な、幅広で厚手の絶縁膜や正電極パットを
スパッタリングや真空蒸着等により成膜する方法等が考
えられる。この方法は、サブマウントを使用する場合に
もある程度有用と考えられ、上記の剥離現象をある程度
抑止又は緩和できるものと期待できる。
【００１５】即ち、この様な方法によれば、メサ幅（ス
トライプ幅）が非常に狭い共振器等の平頂部に対して、
半田（第１導電性材料）を使用する際に、この介在する
絶縁膜や正電極パットにより半田周辺の熱が広範囲に分
散するので、共振器の平頂部付近（特に正電極と直接接
触する部分）の半導体層の高熱化が緩和でき、よって、
熱膨張（熱収縮）に起因する正電極の剥離現象を抑止／
緩和することができるものと思われる。
【００１６】しかしながら、この様な絶縁膜や正電極パ
ットをスパッタリングや蒸着等により成膜する方法を採
用する場合には、これらのスパッタリングや真空蒸着処
理等の製造工程が必須となり、このため、半導体レーザ
の低コスト化や、生産効率の更なる向上が阻害されると
いう問題が残る（問題点４）。
【００１７】本発明は、上記の課題を解決するために成
されたものであり、その目的は、しきい値電流が安定し
て低く、正電極の剥離等による発光不均一が生じず、長
寿命で、かつ、低コストの半導体レーザを実現すること
である。
【００１８】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めには、以下の手段が有効である。即ち、第１の手段
は、基板の上に III族窒化物系化合物半導体から成る複
数の半導体層を積層することにより形成され、サブマウ
ントに対してジャンクションダウンでボンディングされ
るフリップチップ型の半導体レーザにおいて、メサ形
状、リッジ形状等の平頂な島型の共振器と、この共振器
の平頂部に形成された最小幅又は最小径が１０μｍ未満
の正電極とを設け、サブマウント又はサブマウントの表
面上に成膜されたリード電極と正電極とを、少なくとも
インジウム(In)を含んだ第１導電性材料により互いに直
接接着することである。
【００１９】ただし、上記の正電極は、必ずしも共振器
の平頂部の全面に渡って形成されていなくとも良い。従
って、例えば、共振器自体のメサ幅（最小幅）が１０μ
ｍ以上であっても、上記の第１の手段により、後から詳
述する本発明の作用・効果を得ることができる。
【００２０】また、第２の手段は、上記の第１の手段に
おいて、第１導電性材料の融点温度Ｔ１をサブマウント
をヒートシンク又はステムに接着する第２導電性材料の
融点温度Ｔ２よりも高くすることである。
【００２１】また、第３の手段は、上記の第１又は第２
の手段において、半導体レーザを構成する半導体層をＡ
ｌ1-x-y Ｇａx Ｉｎy Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０
≦ｘ＋ｙ≦１）より形成することである。
【００２２】また、第４の手段は、上記の第１乃至第３
の何れか１つの手段において、共振器をストライプ形状
の平頂部を有するメサ型の端面発光型にすることであ
る。
【００２３】また、第５の手段は、上記の第１乃至第４
の何れか１つの手段において、共振器の平頂部の最小
幅、最小径、又はストライプ幅を５μｍ以下にすること
である。
【００２４】また、第６の手段は、上記の第１乃至第５
の何れか１つの手段において、第１導電性材料に、更
に、スズ(Sn)又は鉛(Pb)を含有させることである。
【００２５】また、第７の手段は、上記の第１乃至第６
の何れか１つの手段において、正電極、負電極、リード
電極、又はサブマウントの内の少なくとも何れか１つを
構成する金属層又は導電体の少なくとも一部分をモリブ
デン(Mo)、又はモリブデン(Mo)を含んだ合金より形成す
ることである。
【００２６】また、第８の手段は、上記の第１乃至第７
の何れか１つの手段において、半導体層に対するエッチ
ング等の対象とされずに残された共振器以外の浸食残骸
部を設け、この浸食残骸部の平頂部を共振器の平頂部と
略同じ高さにすることである。
【００２７】また、第９の手段は、上記の第８の手段に
おいて、浸食残骸部の側壁をエッチング等によりその平
頂部に対して傾斜して露出させ、少なくとも、この浸食
残骸部の側壁から浸食残骸部の平頂部の一部分にまで、
金属層を成膜させることにより、浸食残骸部上に負電極
をテーパ形状に形成することである。
【００２８】また、第１０の手段は、上記の第１乃至第
９の何れか１つの手段において、ヒートシンク、リード
フレーム、ステム、サブマウント等の基材の少なくとも
一部分、又は、正電極付近に配置される絶縁材料の少な
くとも一部分をダイヤモンド、窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、又はシリコン（Ｓｉ）より
形成することである。
【００２９】更に、第１１の手段は、上記の第１乃至第
１０の何れか１つの手段において、正電極をロジウム
（Ｒｈ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテ
ニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、
金（Ａｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、又は、これらの金属
元素の内の少なくとも１種類以上の金属を含んだ合金よ
り形成することである。ただし、この正電極は、多層構
造のものであっても良い。その場合には、多層構造の正
電極の各層の内の、少なくとも１層を上記の金属層より
構成すると良い。以上の手段により、前記の課題を解決
することができる。
【００３０】
【作用及び発明の効果】本発明によれば、まず、前記の
問題点４を解消することができる。即ち、本発明によれ
ば、サブマウント又はサブマウントの表面上に成膜され
たリード電極と正電極とは、少なくともインジウム(In)
を含んだ第１導電性材料により、互いに直接接着され
る。従って、絶縁膜や正電極パット等をサブマウント又
はリード電極と、正電極との間に形成するスパッタリン
グ又は真空蒸着処理等の製造工程が不要となり、このた
め、半導体レーザの低コスト化や、生産効率の向上を図
ることができる。また、これらの形成工程の省略によ
り、サブマウント（又はリード電極）と正電極との間の
熱抵抗は、絶縁膜や正電極パット等が介在しなくなる分
低く抑制され、正電極からの放熱効果が高まる。
【００３１】また、上記の第１導電性材料は、インジウ
ム(In)を含むが、この金属元素は融点が比較的低い（約
１５７℃）。このため、前記の問題点１〜３の原因の一
つであった熱膨張と熱収縮による歪の量が大幅に削減で
き、正電極の剥離現象が抑制される。従って、正電極の
剥離等による発光不均一が生じず、しきい値電流が低い
半導体レーザを実現することができる。
【００３２】また、インジウム(In)は常温でも比較的柔
らかい金属であるため、この柔軟性によっても、上記の
応力緩和効果は、より効果的、かつ、確実に得ることが
できる。尚、この応力緩和効果は、正電極の最小幅（又
は最小径）が１０μｍ未満の場合に、特に有効かつ顕著
となる。これは、正電極と半導体層との間の境界面が狭
い場合程、この境界面に応力が集中し易く、よって、こ
の境界面が狭い場合程、本発明に基づく応力緩和効果が
有効かつ重要となるためである。また、共振器の活性層
付近での電流狭窄を効果的に発生させるためにも、正電
極の最小幅（又は最小径）は１０μｍ未満とすることが
望ましい。
【００３３】また、第２導電性材料としては、熱伝導性
に十分優れ、かつ、上記の第１導電性材料よりも、更に
融点の低いものを選択すれば良い。この様な金属（半田
材）としては、例えば、Ｉｎ／Ｓｎ等が考えられる。こ
れらの手段により、「Ｔ１＞Ｔ２」成る制約を満たすこ
とで、先に使用される半田材（第１導電性材料）が後か
ら実施される製造工程（第２導電性材料を用いる工程）
で融解してしまう恐れが無くなる。
【００３４】また、共振器の平頂部の最小幅、最小径、
又はストライプ幅が、特に５μｍ以下の場合には、本発
明の効果は極めて大きい。これは、正電極と半導体層と
の間の境界面が狭い場合程、この境界面に応力が集中し
易く、よって、この境界面が狭い場合程、本発明に基づ
く応力緩和効果が特に有効かつ重要となるためである。
また、共振器の活性層付近での電流狭窄を極めて効果的
に発生させるためにも、正電極の最小幅（又は最小径）
は５μｍ以下とすることが望ましい。これにより、しき
い値電流が小さく、高出力の半導体レーザを製造でき
る。
【００３５】また、第１導電性材料に、更に、スズ(Sn)
又は鉛(Pb)を適当量含有させることにより、第１導電性
材料の融点、硬度、熱伝導率等を好適、又は最適な値に
調整することが可能となる。これにより、固定される半
導体レーザや使用されるサブマウントの各種の仕様に応
じた好適、又は最適な材料を上記の第１導電性材料とし
て選定することが容易となる。
【００３６】また、正電極、負電極、リード電極、サブ
マウントの内の少なくとも何れか１つの金属層又は導電
体の少なくとも一部分をモリブデン(Mo)、又はモリブデ
ン(Mo)を含んだ合金より形成することにより、上記の第
１導電性材料や電極金属の、マイグレーション等による
時径的劣化を抑制することができる。これは、モリブデ
ン(Mo)が、インジウム(In)を含む半田材（第１導電性材
料等）や、金(Au)等を含み得る各電極のマイグレーショ
ンを防止するストッパ材としての機能を奏するためであ
る。これにより、電極付近における電気伝導率や熱伝導
率等の時径的劣化を防止することができるため、しきい
値電流が低く安定し、長寿命の半導体レーザを製造する
ことが可能となる。
【００３７】また、共振器の平頂部と略同じ高さの上面
を持つ半導体層が部分的にエッチング等の対象とせずに
残すことにより、この上面に負電極又は絶縁膜を形成す
ることができる。このため、半導体発光素子（レーザ）
をサブマウントに接続する際に、負電極又は絶縁膜の高
さと正電極の高さとを容易に略同じにできる。
【００３８】これにより、この接続工程が簡単に実施で
きると共に、半導体発光素子が傾かないため、半導体発
光素子をサブマウントに正確、安定、確実、かつ、容易
に接続することができる。また、使用する半田等の量も
大幅に削減できるため、短絡が発生する恐れも解消さ
れ、更に、半田等の材料費が削減できるという効果も生
れる。
【００３９】また、エッチング等により露出された半導
体層の側壁を斜めに形成することにより、この側壁（テ
ーパ部）に、真空蒸着などの方法で負電極をムラなく一
定の厚さに形成することが容易となり、接続不良や負電
極の高抵抗化等の不具合が発生する恐れが無くなるとい
う効果が得られる。
【００４０】また、上記の上面の面積を広く確保するこ
とにより、電極を予めリード電極（電極接続パターン）
が形成されたサブマウントに接続する際、半導体発光素
子の半田等との接触面積を広く取ることができる。この
構成によっても、半導体発光素子が安定し易く、確実に
サブマウントに接続することが容易となり、放熱効果も
大きくなる。
【００４１】また、上記のサブマウント等の基材等に
は、熱伝導率が十分に高く、かつ、電気伝導率が極めて
低い材料を選択すれば良い。これらの材料としては、例
えば、ダイヤモンド、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、或
いはシリコン（Ｓｉ）等が挙げられる。これらの材料を
選択することにより、電極間の短絡が防止できると同時
に、高い放熱効果を得ることができる。
【００４２】また、正電極をロジウム（Ｒｈ）、ニッケ
ル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、
白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、又は、これらの金
属元素の内の少なくとも１種類以上の金属を含んだ合金
より形成することにより、これらの金属は、半導体層と
の密着性が優れているため、前記の剥離現象が生じ難く
なる。
【００４３】また、正電極を多層構造にする場合、その
内の１層に金（Ａｕ）又は金（Ａｕ）を含んだ合金を用
いれば、金（Ａｕ）は熱伝導性に優れているため高い放
熱効果が得られると同時に、電気伝導性に優れているた
め横方向の電流密度のムラを軽減することができ、よっ
て、高熱化やそれに伴う合金化、或いはしきい値電流の
増大を抑止できる。
【００４４】また、モリブデン（Ｍｏ）はインジウム
（Ｉｎ）や金（Ａｕ）のマイグレーションを防止する機
能を奏するため、特に、正電極の最後に積層される金属
層に有用である。
【００４５】尚、これらの作用・効果は、少なくともＡ
ｌx Ｇａy Ｉｎ1-x-y Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０
≦ｘ＋ｙ≦１）にて表される２元系、３元系、若しくは
４元系の半導体から成る半導体層が積層された III族窒
化物系化合物半導体レーザ一般に対して得ることができ
る。また、更に、 III族元素の一部は、ボロン（Ｂ）、
タリウム（Tl）で置き換えても良く、また、窒素（Ｎ）
の一部をリン（Ｐ）、砒素（As）、アンチモン（Sb）、
ビスマス（Bi）で置き換えても良い。
【００４６】また、半導体結晶の成長基板には、サファ
イア、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、
リン化ガリウム、砒化ガリウム、酸化マグネシウム、酸
化マンガン、酸化ガリウムチチウム（ＬｉＧａＯ2 ）、
硫化モリブデン（ＭｏＳ）等の材料を用いることができ
る。
【００４７】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例
に限定されるものではない。 （第１実施例）図１は、本第１実施例における III族窒
化物系化合物半導体レーザ１００（以下、単に「半導体
レーザ１００」と言う場合が有る。）の接続固定状態を
表す模式的な断面図である。後から図２を用いて詳述す
るが、半導体レーザ１００は、サファイヤ基板１０１、
III族窒化物系化合物半導体より成る半導体層１０２〜
１０５、正電極１０６、及び負電極１０７より構成され
た半導体素子である。
【００４８】窒化アルミニウム(AlN) より形成されたサ
ブマウント１０の上面（表側）には、正電極１０６と接
続されるべきリード電極１４と、負電極１０７と接続さ
れるべきリード電極１６が、それぞれＡｕ／Ｍｏを真空
蒸着することにより成膜されている。また、サブマウン
ト１０の下面（裏側）には、ニッケル(Ni)より成る金属
層１５が形成されている。
【００４９】上記の半導体レーザ１００は、その正電極
１０６とリード電極１４とを直接接続するインジウム(I
n)より成る半田材（第１導電性材料）１１と、負電極１
０７とリード電極１６とを直接接続するその他の導電性
材料（半田材）１３とによって、サブマウント１０の上
面（表側）に直接接着されている。ただし、この半田材
１３は、第１導電性材料１１と同一の半田材であっても
良い。その方が、半田材の材料管理、使用手順管理、及
び接着温度管理等の製造工程管理の面で簡単となり、有
利である。
【００５０】また、半導体レーザ１００が接続固定され
たサブマウント１０の裏側（金属層１５側）は、銅(Cu)
製のヒートシンク１９の上面に、融点温度Ｔ２が約１１
７℃のＩｎ／Ｓｎより成る半田材（第２導電性材料）１
２により直接接着されている。
【００５１】図２は、上記の半導体レーザ１００の模式
的な斜視図である。サファイヤ基板１０１の上には、窒
化アルミニウム（AlＮ）から成るバッファ層１０２が積
層されている。更にその上には、シリコン(Si)ドープの
GaN から成る高キャリア濃度ｎ+ 層、Al0.1 Ga0.9 Ｎか
ら成るｎ型クラッド層の順に積層された、これら計３層
の半導体層より成るｎ型層１０３が形成されている。
【００５２】更にその上には、公知の端面発光型レーザ
に見られる端面発光型の活性層１０４が形成されてい
る。
【００５３】この活性層１０４の上には、マグネシウム
(Mg)ドープのｐ型Al0.12Ga0.88N から成るｐ型クラッド
層、及びＭｇドープのｐ型ＧａＮから成るｐ型コンタク
ト層の順に積層された、これら計３層の半導体層より成
るｐ型層１０５が形成されている。更に、ｎ型層１０３
は、上方（ｐ型層１０５側）からのエッチングによりそ
の一部が露出され、本エッチングにより、平頂な共振器
部分と、浸食残骸部とが形成されている。
【００５４】共振器（メサ部）のストライプ幅Δは、約
２μｍであり、共振器の平頂部Πには、２層構造の正電
極１０６が真空蒸着により成膜されている。この２層構
造の正電極１０６を構成する正電極第１層１０６１は、
膜厚約３０００Åのロジウム(Rh)より成り、正電極第２
層１０６２は、膜厚約３００ÅのＡｕ／Ｍｏより成る。
【００５５】また、浸食残骸部の側壁は、上記のエッチ
ングによりその平頂部Σ（半導体の最上層の上面）に対
して傾斜している。ｎ型層の露出部より、この浸食残骸
部の側壁を経て、浸食残骸部の平頂部Σにまでニッケル
(Ni)を真空蒸着により成膜させることにより、浸食残骸
部上に負電極１０７がテーパ形状に形成されている（テ
ーパ部τ）。このテーパ部の傾斜は、十分になだらかな
ため、このテーパ部にはムラなく十分に膜厚のある負電
極１０７が形成されている。また、正電極１０６と負電
極１０７の両者は、それぞれ各平頂部Π、Σにおいて
は、互いに略同じ膜厚に積層（蒸着）されている。
【００５６】図３は、上記の半導体レーザ１００の正電
極をサブマウント１０に接続する前に、サブマウント１
０に第１導電性材料１１を配置した時の、サブマウント
１０の模式的な断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。
インジウム(In)より成る第１導電性材料１１は、約１〜
３μｍの厚さに、リード電極１４の上に盛られる。
【００５７】図４、図５は、半導体レーザ１００駆動時
のサブマウント１０の裏面（図１、図３の平面α）をＢ
方向から撮影した写真、及び、その模式的な平面図であ
る。ただし、この撮影時点でのサブマウント１０は、半
導体レーザ１００とは接着されているが、ヒートシンク
１９とは接着されていない。
【００５８】本図４、図５に示す様に、共振器の平頂部
Πのストライプ形状に沿って、サブマウント１０が一様
に明るく光っている様子が判る。このようにストライプ
形状が均一に輝いて見えるのは、正電極が共振器の平頂
部Πの半導体層（ｐコンタクト層１０５）にムラなく一
様に接触しており、接触抵抗が低く、かつ、略均一であ
るためである。この時の半導体レーザ１００の発振状況
は極めて良好であり、しきい値電流も長時間安定して低
かった。
【００５９】一方、本第１実施例との比較対象として試
作され、サブマウント１０に接続固定された半導体レー
ザ１００の接続固定状態を表す模式的な断面図を図１２
に示す。この比較対象として試作された半導体レーザ１
００は、上記の第１実施例の半導体レーザ１００と同一
のものであるが、半田２１、２３においては、従来技術
と同様のＡｕ／Ｓｎが使用されている。
【００６０】図１３、図１４は、半導体レーザ１００駆
動時のサブマウント１０の裏面（図１２の平面β）を、
図４、図５と同様に、Ｂ方向から（裏側から）撮影した
写真、及び、その模式的な平面図である。ただし、この
撮影時点でのサブマウント１０は、半導体レーザ１００
とは接着されているが、ヒートシンク１９とは接着され
ていない。
【００６１】本図１３、図１４に示す様に、共振器の端
面付近が斑にぼやけて暗く光っている様子が判る。この
ようにストライプ形状が均一に現れないのは、正電極が
共振器の平頂部Πの半導体層（ｐコンタクト層１０５）
に対して点在して、即ち、斑に接触しているためであ
り、接触抵抗は、共振器の平頂部Πの全面に渡って高
く、かつ、部分的に偏っている。
【００６２】本第１実施例においては、図１〜図５に示
した様に半導体レーザ１００をインジウム(In)より成る
第１導電性材料１１を用いて接続・固定することによ
り、しきい値電流が安定して低く、正電極の剥離等によ
る発光不均一が生じず、長寿命でかつ低コストの半導体
レーザを製造することができた。
【００６３】（第２実施例）図６は、本第２実施例の I
II族窒化物系化合物半導体レーザ２００の接続固定状態
を表す模式的な断面図である。本半導体レーザ２００の
活性層１０４を中心とする半導体の積層構成は、第１実
施例のレーザ１００の半導体積層構成と略同じであり、
特にレーザ１００との大きな差異がない半導体層につい
ては、同一の記号を付している。また、正電極１０６に
ついても同様である。
【００６４】本レーザ２００のｐ型層１０５の上側の略
全面には、正電極１０６と略同じ厚さの絶縁膜２１０が
成膜されている。また、本レーザ２００の結晶成長基板
には、電気伝導性を示すｎ型ドープのシリコン（Si）基
板２０１が用いられている。更に、このシリコン基板２
０１の裏面には、ニッケル(Ni)より成る負電極２０７が
蒸着により、成膜されている。
【００６５】また、本レーザ２００の正電極１０６及び
絶縁膜２１０は、サブマウント１０の表面に形成された
リード電極１４にインジウム(In)より成る第１導電性材
料１１により直接接続されている。また、負電極２０７
には、リード線２０４がワイヤーボンディングにより接
続されている。
【００６６】この様に、 III族窒化物系化合物半導体レ
ーザ２００を構成し、接続することにより、本レーザ２
００は、第１実施例の III族窒化物系化合物半導体レー
ザ１００と略同様の効果を実現している。
【００６７】（第３実施例）図７は、本第３実施例の I
II族窒化物系化合物半導体レーザ３００の模式的な斜視
図である。本レーザ３００は、面発光型の共振器を２つ
備えており、ｎ型層３０３、活性層３０４、ｐ型層３０
５の計３層は、それぞれ公知の面発光型レーザに見られ
る面発光に好適な半導体層が形成されている。
【００６８】本レーザ３００のその他の構成要素には、
特に、前記のレーザ１００、又は２００との大きな差異
がないものについては、各々同一の記号を付している。
ただし、本レーザ３００は、面発光型であるため、図２
のｎ型層１０３、活性層１０４、ｐ型層１０５は、面発
光型のｎ型層３０３、活性層３０４、ｐ型層３０５と読
み替えるものとする。
【００６９】図７から判る様に、本レーザ３００の正電
極１０６と負電極１０７との間には、レーザ１００と同
様に、十分な間隔が確保されており、半田で接続する際
に短絡の恐れが無い。
【００７０】この様に、 III族窒化物系化合物半導体レ
ーザ３００を構成し、接続することにより、本レーザ３
００においても、第１実施例の III族窒化物系化合物半
導体レーザ１００と同様に、本発明の作用・効果を得る
ことができる。
【００７１】（第４実施例）図８は、本第４実施例の I
II族窒化物系化合物半導体レーザ４００の接続固定状態
を表す模式的な断面図である。本レーザ４００の共振器
は、リッジ型に構成されているが、その他の構成につい
ては第１実施例のレーザ１００の半導体積層構成と略同
じであり、特にレーザ１００との大きな差異がない半導
体層については、同一の記号を付している。また、正電
極１０６についても同様である。
【００７２】この様に、 III族窒化物系化合物半導体レ
ーザ４００をリッジ型に構成し、サブマウント１０の表
面に形成されたリード電極１４にインジウム(In)より成
る第１導電性材料１１により直接接続することにより、
本レーザ４００においても、第１実施例の III族窒化物
系化合物半導体レーザ１００と同様に、本発明の作用・
効果を得ることができる。
【００７３】（第５実施例）図９は、本第５実施例の I
II族窒化物系化合物半導体レーザ５００の接続固定状態
を表す模式的な断面図である。１０１はサファイア基
板、１０２はバッファ層、１０３はｎ型窒化ガリウム系
化合物半導体層、１０４は活性層、１０５はｐ型窒化ガ
リウム系化合物半導体層、１０６は正電極、１０７は負
電極である。
【００７４】また、１０は予めリード電極１４，１６が
形成されたサブマウントであり、インジウムより成る第
１導電性材料１１及び半田１３により上記の正電極１０
６および負電極１０７と各々接続固定されている。本図
断面におけ正電極１０６のｐ型窒化ガリウム系化合物半
導体層（ｐ型コンタクト層）１０５との接触部分のスト
ライプ幅Δは、電流狭窄を起こさせるために約１〜３μ
ｍと非常に狭くなっている。
【００７５】そして、この半導体レーザ５００の最も大
きな特徴の一つは、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）より成る絶
縁膜１１０が、共振器全体を覆っており、更に、その絶
縁膜１１０の上に正電極１０６が広範に渡って形成され
ている点にある。
【００７６】本図９からも判るように、この構成によれ
ば、正電極１０６の表面積は従来よりも大幅に広く、ま
た、正電極１０６は共振器を包む構造となっているの
で、前記の実施例１〜４で得られた効果に加え、更に、
電流狭窄による活性層からの発熱を外部に放熱し易いと
いう効果が得られる。
【００７７】（第６実施例）図１０に、本第６実施例に
おける III族窒化物系化合物半導体レーザ１００の接続
固定状態を表す模式的な断面図を示す。本実施例の III
族窒化物系化合物半導体レーザ１００は、図２に記載し
た第１実施例における III族窒化物系化合物半導体レー
ザ１００と同じものである。
【００７８】ただし、サブマウント１０に対する接続固
定状態は、以下の点で異なっている。即ち、サブマウン
ト１０は、金属か、或いは、Ｓｉ等の熱伝導率の比較的
高い導電性材料より形成されており、ダイヤモンドより
形成されている絶縁層（絶縁部材）１０ａを有してい
る。
【００７９】例えば、この様に正電極１０６の近傍に、
ダイヤモンド等の熱伝導率の極めて高い材料を配置する
ことにより、活性層１０４等から発生する熱を効率よく
放熱することができる。特に、本第６実施例の様に絶縁
効果が必要となる絶縁部に部分的に、最小量のダイヤモ
ンドを使用することにより、比較的安い材料コストで最
大限の放熱効果を得ることが可能となる。この効果は、
極力薄い板形状のダイヤモンドを使用することにより実
現でき、より望ましくは、本図１０に図示する様に、水
平にこの薄板状のダイヤモンドで形成された絶縁部材を
配置すべきである。この手段により、特に横方向の熱伝
導効果が顕著に増大するので、装置全体としても十分に
高い放熱効果が比較的低コストで得ることができるよう
になる。
【００８０】また、より高い放熱効果を得るために、材
料費は若干増加するが、図１０の絶縁層１０ａを更に横
方向に延長して、リード電極１６の直下にまで絶縁層１
０ａを配置する構成としても良い。これらの手段によ
り、比較的低コストでサブマウント１０の全体に高い放
熱効果を持たせることが可能となる。
【００８１】また、図１０に示す様な本第６実施例の構
成によれば、サブマウント１０は、金属などの導電性材
料から構成することもできるため、負電極１０７側に通
電させる配線の接続部位はリード電極１６に限らず、サ
ブマウント１０や、ヒートシンク１９等にも直接給電路
を接続することが可能となる。これにより、回路設計時
の負電極１０７側への給電線路の接続部位に関する自由
度が向上する。
【００８２】尚、以上の各実施例では、正電極１０６の
半導体層（コンタクト層）１０５に接する部分（図２で
は、正電極第１層１０６１）は、ロジウム（Ｒｈ）で構
成されていたが、この部分は、ニッケル（Ｎｉ）、コバ
ルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、パ
ラジウム（Ｐｄ）或いはこれらの金属元素を少なくとも
１種類以上含んだ合金より構成してもよい。また、正電
極１０６は、必ずしも多層構造である必要はない。
【００８３】図１１に、半導体レーザの正電極に用いら
れる主な金属元素の特性を纏めた一覧表を示す。これら
の様に、半導体層との密着性の高い金属を正電極１０６
に用いれば、正電極の剥離が発生しにくい半導体レーザ
を製造することができる。
【００８４】また、例えば、図２の正電極第２層１０６
２等の様に、正電極の多層構造の内の１金属層にＡｕ又
はＡｕ／Ｍｏ等の、金を含んだ合金を使用する場合に
は、その金属層と半導体層との間の層には、ロジウム
（Ｒｈ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）或いは
これらの金属元素を少なくとも１種類以上含んだ合金を
用いると、特に良い。これは、図１１にも示す様に、Ａ
ｕのマイグレーション等の時径的特性変化を抑制するた
めである。
【００８５】また、例えば、パラジウム（Ｐｄ）等の、
比較的半導体層との密着性の低い金属を正電極の主要金
属層（比較的厚い金属層）にする場合には、コバルト
（Ｃｏ）等の密着性の高い金属層を半導体層の直ぐ上に
直接薄目に形成する方法が有用である。この場合のコバ
ルト（Ｃｏ）等の薄膜金属層の膜厚は、１０Å程度で良
い。また、この薄膜金属層を成膜後、焼き鈍し（加熱処
理）をする方法も有効である。これにより、密着性が向
上し、接触抵抗が減少する。
【００８６】また、上記の各実施例においては、インジ
ウムより成る第１導電性材料１１を使用したが、第１導
電性材料１１に用いる金属としては、インジウム(In)の
他にインジウムを含んだ合金が有用である。このインジ
ウム(In)を含んだ合金としては、例えば、Ｉｎ／Ｓｎ
や、Ｉｎ／Ｐｂ等が特に良い。これらの混合比は、溶融
温度、熱伝導率、電気伝導率、線膨張係数、硬度等の諸
値より、決定する。
【００８７】例えば、溶融温度（融点温度）について
は、正電極とサブマウント（又はサブマウントの表面上
に成膜されたリード電極）とを接着する第１導電性材料
の融点温度Ｔ１が、このサブマウントをその後ヒートシ
ンク又はステム等に接着する第２導電性材料の融点温度
Ｔ２よりも高いくなる様に（Ｔ１＞Ｔ２）、上記の混合
比を決定すれば良い。また、第１導電性材料の熱伝導
率、電気伝導率は高い程よく、第１導電性材料の線膨張
係数、硬度は小さい程良い。
【００８８】尚、上記の各実施例におけるｎ型層および
ｐ型層は、それぞれ複数の層で構成してもよく、単数の
層構成としても良い。また、活性層、及びその他の層
は、任意の混晶比の４元、３元、２元系のAlxGay In
1-x-y N （０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）
として良い。
【００８９】また、上記の各実施例における III族窒化
物系化合物半導体より成る各半導体層は、４元系のＡｌ
ＧａＩｎＮ、３元系のＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＩ
ｎＮ、２元系のＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、及び、これら
に III族元素をドーピングしたもの（例えば、Ａｌ、Ｇ
ａよりも原子半径の大きいＩｎ等をドーピングしたも
の。ただし、ドーパントは組成比に現われる程は添加し
ない。）、Ｖ族元素をドーピングしたもの（例えば、Ｎ
よりも原子半径の大きい、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等をドープし
たもの。）でも良い。又、ＡｌＧａＩｎＮにおけるＮ
（窒素）の一部を例えば、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等と置換した
ＡｌＧａＩｎＮＰ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎ
ＮＳｂ等でも良い。即ち、一般に、本発明の半導体レー
ザを構成する III族窒化物系化合物半導体より成る各半
導体層は、窒素を含む III族−Ｖ族化合物半導体なら使
用可能である。
【００９０】また、バッファ層には、AlN 、AlGaN 、Ga
N 、InAlGaN 等のIII族窒化物系化合物半導体の他に
も、窒化チタン(TiN) 、窒化ハフニウム(HfN) 等の金属
窒化物や、酸化亜鉛(ZnO) 、酸化マグネシウム(MgO) 、
酸化マンガン(MnO) 等の金属酸化物を用いてもよい。
【００９１】また、ｐ型不純物（アクセプタ不純物元
素）としては、マグネシウム(Mg)の他、ベリリウム(B
e)、亜鉛(Zn)等のII族元素又は、IV族元素を使用でき、
ドナー不純物元素には、シリコンの他、IV族元素、VI族
元素を用いることができる。２族元素を用いることがで
きる。また、これらがドープされたｐ型半導体層をより
低抵抗にするためには、更に、電子線照射やアニーリン
グなどの活性化処理を行っても良い。
【００９２】また、高キャリア濃度ｎ+ 層は、シリコン
(Si)ドープの窒化ガリウム(GaN）より形成しても良い
が、或いは、上記のIII族窒化物系化合物半導体に、シ
リコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)等のIV族元素、又は、VI
族元素をドープすることにより形成しても良い。
【００９３】また、半導体結晶の成長基板には、サファ
イア基板やシリコン(Si)基板の他にも、炭化珪素(Si
C）、GaN 、MgAl2O4 、酸化亜鉛(ZnO) 、酸化マグネシ
ウム(MgO) 、酸化マンガン(MnO) 等を用いることができ
る。
【００９４】尚、本発明の各手段は、前記の第３実施例
でも示した様に、面発光型の半導体レーザに対して適応
した場合にも有効であり、この様な場合においても一般
に、端面発光型の半導体レーザの場合と同様に、本発明
の作用・効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例における III族窒化物系化
合物半導体レーザ１００の接続固定状態を表す模式的な
断面図。
【図２】半導体レーザ１００の模式的な斜視図。
【図３】半導体レーザ１００を接続する第１導電性材料
１１を配置したサブマウント１０の模式的な断面図
（ａ）及び平面図（ｂ）。
【図４】半導体レーザ１００駆動時のサブマウント１０
をＢ方向から撮影した写真。
【図５】半導体レーザ１００駆動時のサブマウント１０
をＢ方向から目視した模式的な平面図。
【図６】本発明の第２実施例における III族窒化物系化
合物半導体レーザ２００の接続固定状態を表す模式的な
断面図。
【図７】本発明の第３実施例における III族窒化物系化
合物半導体レーザ３００の模式的な斜視図。
【図８】本発明の第４実施例における III族窒化物系化
合物半導体レーザ４００の接続固定状態を表す模式的な
断面図。
【図９】本発明の第５実施例における III族窒化物系化
合物半導体レーザ５００の接続固定状態を表す模式的な
断面図。
【図１０】本発明の第６実施例における III族窒化物系
化合物半導体レーザ１００の接続固定状態を表す模式的
な断面図。
【図１１】半導体レーザの正電極に用いられる主な金属
元素の特性を纏めた一覧表。
【図１２】本発明との比較対象として試作され、サブマ
ウント１０に接続固定された半導体レーザ１００の接続
固定状態を表す模式的な断面図。
【図１３】本発明との比較対象として試作され、サブマ
ウント１０に接続固定された半導体レーザ１００の駆動
時のサブマウント１０をＢ方向から撮影した写真。
【図１４】本発明との比較対象として試作され、サブマ
ウント１０に接続固定された半導体レーザ１００の駆動
時のサブマウント１０をＢ方向から目視した模式的な平
面図。
【符号の説明】
１０ … サブマウント １０ａ… 絶縁層（ダイヤモンド） １１ … 第１導電性材料（半田材等） １２ … 第２導電性材料（半田材等） １３ … 導電性材料（半田材等） １４ … リード電極（ｐ側） １５ … 金属層（裏側） １６ … リード電極（ｎ側） １９ … ヒートシンク（又は、ステム） １００，２００，３００，４００，５００ … III族
窒化物系化合物半導体レーザ （電極を有する半導体発光素子） １０１ … 結晶成長基板 １０２ … バッファ層 １０３， ３０３… ｎ型層 １０４， ３０４… 活性層 １０５， ３０５… ｐ型層 １０６ … 正電極 １０７ … 負電極 １１０ … 絶縁膜 ２０１ … 導電性基板 ２０４ … リード線 ２０７ … 金属層 ２１０ … 絶縁膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 湧口 光雄 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１ 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 小池 正好 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１ 番地 豊田合成株式会社内 Ｆターム(参考） 5F041 AA05 CA04 CA12 CA14 CA40 CA82 CB04 CB11 DA03 DA09 5F073 AA02 AA04 AA13 AB17 CA07 CB05 CB22 CB23 EA23 EA29 FA14 FA15 FA22

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板の上に III族窒化物系化合物半導体
    から成る複数の半導体層を積層することにより形成さ
    れ、サブマウントに対してジャンクションダウンでボン
    ディングされるフリップチップ型の半導体レーザにおい
    て、 メサ形状、リッジ形状等の平頂な島型の共振器と、 前記共振器の平頂部に形成された、最小幅又は最小径が
    １０μｍ未満の正電極とを有し、 前記サブマウント又は前記サブマウントの表面上に成膜
    されたリード電極と、前記正電極とは、 少なくともインジウム(In)を含んだ第１導電性材料によ
    り互いに直接接着されていることを特徴とする III族窒
    化物系化合物半導体レーザ。
  2. 【請求項２】 前記第１導電性材料の融点温度Ｔ１は、 前記サブマウントをヒートシンク又はステムに接着する
    第２導電性材料の融点温度Ｔ２よりも高いことを特徴と
    する請求項１に記載の III族窒化物系化合物半導体レー
    ザ。
  3. 【請求項３】 前記半導体層は、 Ａｌ1-x-y Ｇａx Ｉｎy Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，
    ０≦ｘ＋ｙ≦１）より形成されていることを特徴とする
    請求項１又は請求項２に記載の III族窒化物系化合物半
    導体レーザ。
  4. 【請求項４】 前記共振器は、 ストライプ形状の平頂部を有するメサ型の端面発光型で
    あることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１
    項に記載の III族窒化物系化合物半導体レーザ。
  5. 【請求項５】 前記平頂部の最小幅、最小径、又はスト
    ライプ幅は、 ５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項
    ４の何れか１項に記載の III族窒化物系化合物半導体レ
    ーザ。
  6. 【請求項６】 前記第１導電性材料は、更に、スズ(Sn)
    又は鉛(Pb)を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項
    ５の何れか１項に記載の III族窒化物系化合物半導体レ
    ーザ。
  7. 【請求項７】 正電極、負電極、リード電極、又はサブ
    マウントの内の少なくとも何れか１つを構成する金属層
    又は導電体の少なくとも一部分は、モリブデン(Mo)、又
    はモリブデン(Mo)を含んだ合金より形成されていること
    を特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載
    の III族窒化物系化合物半導体レーザ。
  8. 【請求項８】 前記半導体層に対するエッチング等の対
    象とされずに残された前記共振器以外の浸食残骸部を有
    し、前記浸食残骸部の平頂部は、前記共振器の前記平頂
    部と略同じ高さであることを特徴とする請求項１乃至請
    求項７の何れか１項に記載の III族窒化物系化合物半導
    体レーザ。
  9. 【請求項９】 前記浸食残骸部は、前記エッチング等に
    よりその平頂部に対して傾斜して露出された側壁を有
    し、少なくとも、前記浸食残骸部の前記側壁から前記浸
    食残骸部の前記平頂部の一部分にまで、金属層を成膜さ
    せることにより、前記浸食残骸部上に負電極がテーパ形
    状に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の
    III族窒化物系化合物半導体レーザ。
  10. 【請求項１０】 ヒートシンク、リードフレーム、ステ
    ム、前記サブマウント等の基材の少なくとも一部分、又
    は、前記正電極付近に配置される絶縁材料の少なくとも
    一部分は、ダイヤモンド、窒化アルミニウム（Ａｌ
    Ｎ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、又はシリコン（Ｓｉ）より
    形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９
    の何れか１項に記載の III族窒化物系化合物半導体レー
    ザ。
  11. 【請求項１１】 前記正電極は、ロジウム（Ｒｈ）、ニ
    ッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒ
    ｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａ
    ｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、又は、これらの金属元素の
    内の少なくとも１種類以上の金属を含んだ合金より形成
    されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１０の
    何れか１項に記載の III族窒化物系化合物半導体レー
    ザ。
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