JP2004274057A - 半導体レーザーダイオードのサブマウント、その製造方法及びこれを採用した半導体レーザーダイオード組立体 - Google Patents

半導体レーザーダイオードのサブマウント、その製造方法及びこれを採用した半導体レーザーダイオード組立体 Download PDF

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Abstract

【課題】 半導体レーザーダイオードのサブマウント、その製造方法及びこれを採用した半導体レーザーダイオード組立体を提供する。
【解決手段】 互いに段付きになっている第1電極及び第2電極が備えられた半導体レーザーダイオードチップとフリップ・チップ・ボンディングされる半導体レーザーダイオードのサブマウントにおいて、1電極及び第2電極の段差に対応する高低差を有する第1及び第2段差面が備えられた基板と、第1段差面と第2段差面に同じ厚さに各々形成された第1及び第2金属層と、第1金属層及び第2金属層に同じ厚さに各々形成されて第1電極と第2電極とに各々接合される第1及び第2ソルダ層と、を含む半導体レーザーダイオードのサブマウント。
【選択図】 図4

Description

本発明は半導体レーザーダイオードに係り、特に両電極が互いに段付きになって同じ方向に形成された半導体レーザーダイオードチップにフリップ・チップ・ボンディング(flip−chip−bonding)されたサブマウント(sub mount)、その製造方法及びこれを採用した半導体レーザーダイオード組立体に関する。
情報記録の高密度化に対する必要性が増大するにつれ、可視光半導体レーザーダイオードの需要も増大しつつある。これに伴い、可視光レーザー発振ができる多様な形態の化合物半導体レーザーダイオードが登場しており、その中でIII−V族窒化物半導体レーザーダイオードは、遷移方式がレーザー発振確率の高い直接遷移型で青色レーザー発振が可能であるという特性をもっているため特に注目されている。
図1は、従来技術によるn型及びp型電極が同じ方向に形成されたリッジ導波管を具備するGaN系III−V族窒化物半導体レーザーダイオードチップの断面図である。
図1を見れば、従来技術によるGaN系III−V族窒化物半導体レーザーダイオードチップは、n型及びp型電極が同側に設けられてp型電極側にリッジ導波管が備えられた半導体レーザーダイオードチップであることがわかる。
具体的には、サファイア基板10上にn‐GaN層12が形成されており、n‐GaN層12は第1及び第2領域R1、R2に分けられている。n‐GaN層12の第2領域R2上にn型電極14が形成されている。n‐GaN層12の第1領域R1上に屈折率が順次に大きくなるn−AlGaN/GaN層16、n‐GaN層18、及びInGaN層(20、活性層)が形成されている。InGaN層20上にこれより屈折率が順次に小さくなるp−GaN層22、p−AlGaN/GaN層24及びp−GaN層26が形成されている。p−AlGaN/GaN層24の上部の中央部分はリッジ(或いは、リーブ)状に突出されており、突出された部分の上部にp−GaN層26が形成されている。p−AlGaN/GaN層24は、p−GaN層26と連通したチャンネル27が形成された保護膜28で覆われている。保護膜28上にはこのチャンネル27を介してp−GaN層26と接触されたp型電極30が形成されている。このような構成によれば、p型電極30とn型電極14はh1だけ段付きになる。
一般に、半導体レーザーダイオードのレーザー発振のための臨界電流及びレーザーモードの安定性は温度と密接な関係があり、温度が高まるにつれて両者の特性はいずれも低下する。したがって、レーザー発振中に活性層で生じる熱を除去してレーザーダイオードの温度が高まることを防止する必要があるが、前記の従来技術によるGaN系III−V族半導体レーザーダイオードの場合、基板の熱伝導性が極めて低いので(サファイアの場合、0.5W/cmK程度)、大部分の熱はリッジを通じてのみ放出される。しかし、リッジを通した熱放出は制限的で効果的な熱放出が困難であり、したがってレーザーダイオードの温度上昇を防止して素子の特性低下を防止するのには限界がある。
これによって、図1に示した従来技術による半導体レーザーダイオードチップの場合、図2に示すようにフリップ・チップ・ボンディング技術を用いて活性層で発生する熱の放出を促している。
具体的に、図2を参照すれば、参照符号50は、半導体レーザーダイオードチップであって、図1に示した従来技術によるGaN系III−V族半導体レーザーダイオードの逆転した形状を表す。参照番号40はサブマウント(sub mount)、41は基板、42a及び42bは各々第1及び第2金属層、44a及び44bは各々半導体レーザーダイオードチップ50のn型電極14及びp型電極30と溶融接合される第1及び第2ソルダ層である。
このように、半導体レーザーダイオードを別に設けられた熱放出構造体にボンディングさせることによって熱放出効率を増加させることができる。
ところが、図2に示すように、1ソルダ層44aと第2ソルダ層44bは、n型電極14とp型電極30との段差h1を補償するためにその厚さが相異なる。即ち、第1及び第2金属層42a、42bの厚さが互いに同様であれば、第1ソルダ層44aは第2ソルダ層44bよりh1だけ厚い。この場合、第1ソルダ層44aと第2ソルダ層44bが各々両電極14、30と接合される時に不均一に溶けながら各々のボンディング状態が変わるという問題が発生し得る。図3は、図2に示した従来のサブマウントのソルダ層が溶融された状態を示す平面写真である。図3を見れば、第1ソルダ層44aと第2ソルダ層44bが不均一に溶けながら流れたことがわかる。
第1及び第2ソルダ層44a、44bはその化学的構成比が同様であるべきである。第1ソルダ層44aと第2ソルダ層44bの化学的構成比が互いに少しだけ異なっても夫々の溶融温度は非常に大きい差となって現れるので、第1ソルダ層44aと第2ソルダ層44bが各々二電極14、30と接合される場合、同時に溶けず時差をおいて溶けながらそれぞれのボンディング状態が変動するという問題が発生し得る。このような問題点を解決するためには第1及び第2ソルダ層44a、44bを同じ工程で同時に形成する必要がある。
ところが、上述したように第1ソルダ層44a及び第2ソルダ層44bはその厚さが相異なる。したがって、サブマウントの製造工程において第1ソルダ層44aと第2ソルダ層44bとを同時に形成することはできず、何れか一方を先に形成してから、他方を形成せねばならない。したがって、このような工程によれば、第1ソルダ層44aと第2ソルダ層44bとの化学的構成比が異なる可能性が非常に高い。
上述したように、第1及び第2ソルダ層44a、44bと両電極14、30とのボンディング状態が相異なれば、半導体レーザーダイオードチップ50の動作時に生じる熱が効率的にサブマウント40に伝えられなくなって熱放出特性が低下する。これによって、活性層20内部の熱が十分に放出できず半導体レーザーダイオードチップ50の温度が上昇して活性層20のレーザー発光特性が低下する。
本発明は前記問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の目的は、その厚さと化学的構成比とが同一であるソルダ層を有するサブマウント及びその製造方法と、このサブマウントを備えた半導体レーザーダイオード組立体を提供することである。
前記目的を達成するために、本発明の半導体レーザーダイオードのサブマウントは、互いに段付きになっている第1電極及び第2電極が備えられた半導体レーザーダイオードチップとフリップ・チップ・ボンディングされる半導体レーザーダイオードのサブマウントにおいて、前記第1電極と第2電極との段差に対応する高低差を有する第1及び第2段差面が備えられた基板と、前記第1段差面及び第2段差面に同じ厚さに各々形成された第1及び第2金属層と、前記第1金属層及び第2金属層に同じ厚さに各々形成されて前記第1電極と第2電極とに各々接合される第1及び第2ソルダ層と、を含む。
また、本発明による半導体レーザーダイオード組立体は、互いに段付きになっている第1電極及び第2電極が備えられた半導体レーザーダイオードチップと、前記半導体レーザーダイオードチップとフリップ・チップ・ボンディングされるサブマウントとを含む半導体レーザーダイオード組立体において、前記サブマウントは、前記第1電極と第2電極との段差に対応する高低差を有する第1及び第2段差面が備えられた基板と、前記第1段差面及び第2段差面に同じ厚さに各々形成された第1及び第2金属層と、前記第1金属層及び第2金属層に同じ厚さに各々形成されて前記第1電極と第2電極とに各々接合される第1及び第2ソルダ層と、を含む。
前記目的を達成するために、本発明の半導体レーザーダイオードのサブマウント製造方法は、互いに段付きになっている第1電極及び第2電極が備えられた半導体レーザーダイオードチップとフリップ・チップ・ボンディングされる半導体レーザーダイオードのサブマウント製造方法において、(a)基板をエッチングして前記第1電極と第2電極との間の段差に対応する高低差を有する第1及び第2段差面を形成する段階と、(b)前記第1及び第2段差面に各々金属を同じ厚さに蒸着して第1及び第2金属層を形成する段階と、(c)前記第1及び第2金属層にソルダを同じ厚さに蒸着させて前記第1電極と第2電極と各々接合される第1及び第2ソルダ層を形成する段階と、を含む。
前記(a)段階は、乾式エッチングによりなることが好ましい。
前記基板は、AlN、SiC、GaN又はこれに準ずる熱伝逹係数を有する絶縁物質からなることが好ましい。また、前記第1及び第2金属層は、Cr、Ti、Pt、Auのうち、少なくとも2つ以上の合金からなることが好ましい。また、前記第1及び第2ソルダ層は、Cr、Ti、Pt、Au、Mo、Snのうち、少なくとも2つ以上の合金からなることが好ましい。
本発明に係る半導体レーザーダイオード組立体及びその製造方法によれば、次のような効果を得ることができる。
半導体レーザーダイオードチップの段付きになって両電極と溶融接合されるサブマウントの両ソルダ層とが同じ厚さを有し、且つ単一工程により同時に生成されてその化学的構成比もほぼ同一になるので、ほぼ同じ溶融特性を示す。
したがって、半導体レーザーダイオードチップとのフリップ・チップ・ボンディング時、両ソルダ層が両電極と均一に溶融接合されることで半導体レーザーダイオードチップの動作時に発生する熱を効果的に放出することができる。これによって、半導体レーザーダイオードチップの発光効率を向上させ得る。
以下、添付した図面に基づいて本発明の好ましい実施形態を詳しく説明する。
図4は、本発明に係る半導体レーザーダイオード組立体の一例を示した断面図である。図4は本発明に係る半導体レーザーダイオード組立体の特徴を明確に示すために多少誇張して表現したものである。
図4を見れば、半導体レーザーダイオードチップ100とこれにフリップ・チップ・ボンディングされるサブマウント200が示されている。本実施例の半導体レーザーダイオードチップ100は、GaN系列III−V族窒化物半導体レーザーダイオードチップである。
半導体レーザーダイオードチップ100は、基板110上に順次に積層された第1物質層120と活性層130及び第2物質層140を含む。
基板110上には第1化合物半導体層121が設けられる。基板110は、GaN又はSiCなどのIII−V族化合物半導体層基板、又はサファイア基板のような高抵抗性基板であり得る。第1化合物半導体層121は、GaN系列のIII−V族窒化物化合物半導体からなるn型物質層または非ドープ(Undoped)物質層であって、n‐GaN層であることが好ましい。第1化合物半導体層121は、第1及び第2領域R1、R2に分けられている。第2領域R2上に第1電極としてn型電極180が設けられる。
第1化合物半導体層121上には第1クラッド層122及び共振層150が順次に設けられている。第1クラッド層122は、n−AlGaN/GaN層である。共振層150は、第1クラッド層122上に順次に形成された第1導波層(wave guide layer)123、活性層130及び第2導波層141からなっている。第1化合物半導体層121、第1クラッド層122及び第1導波層123は、活性層130にレーザー発振を誘導するレージングのための第1物質層120である。したがって、第1化合物半導体層121は第1物質層120の最下物質層になる。活性層130は電子−正孔などのキャリア再結合によりレージングが起こる物質層であって、多重量子井戸(MQW:Multi Quantum Well)構造を有するGaN系列のIII−V族窒化物化合物半導体層が好ましく、その中でもInxAlyGAl−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、そしてx+y≦1)層であることがさらに好ましい。他に、活性層130は、GaN系列のIII−V族窒化物化合物半導体層にインジウム(In)を所定の割合で含有する物質層、例えば、InGaN層であり得る。第1及び第2導波層123、141はGaN系列のIII−V族窒化物化合物半導体層として各々n‐GaN層及びp−GaN層であることが好ましい。第1及び第2導波層123、141は活性層130に比べて屈折率が低く、第1クラッド層122及び後述する第2クラッド層142よりは屈折率が高い。共振層150上に第2クラッド層142及び第2化合物半導体層143が順次に形成されている。第2導波層141、第2クラッド層142及び第2化合物半導体層143は、活性層130にレーザー発振を誘導するレージングのための第2物質層140である。したがって、第2化合物半導体層143は第2物質層140の最上物質層になる。
第2クラッド層142は、共振層150の中央に対応する部分がリッジ状に突出された突出部144及びこの突出部144に比べて厚さが薄い部分145からなっている。第2化合物半導体層143は、前記第2物質層140の最上物質層として第2クラッド層142の突出部144の上面に設けられている。第2クラッド層142は、ドーピング物質がp型であることを除いては第1クラッド層122と同じ物質層である。第2化合物半導体層143は、GaN系列のIII−V族窒化物化合物半導体層であって、p型導電性不純物がドーピングされた直接遷移型であることが好ましく、その中でもp−GaN層がさらに好ましい。また、第1化合物半導体層121と同様に、GaN層、アルミニウム(Al)やインジウム(In)を所定の割合で含有するAlGaN層またはInGaN層であり得る。第2クラッド層142は、第2化合物半導体層143と連通したチャンネル161が備えられた保護膜160により覆われている。保護膜160上にはチャンネル161を介して第2化合物半導体層143と接触される第2電極としてp型電極170が設けられる。
前記のような半導体レーザーダイオードチップ100においては、p型電極170とn型電極180とが互いに段付きになっている。
サブマウント200は、半導体ダイオードチップ100とフリップ・−チップ・−ボンディングされて半導体ダイオードチップ100の動作時に発生する熱を放出するものであって、基板210と第1、第2金属層221、222、及び第1、第2ソルダ層231、232を含む。
基板210には第1段差面211と第2段差面212とが備えられる。第1及び第2段差面211、212はp型電極170及びn型電極180と各々対面する位置に形成され、両段差面211、212間の高低差(h2)は、p型電極180とn型電極170との高低差と同一にすることが好ましい。基板210は、AlN、SiC、GaNまたはこれに準ずる熱伝逹係数を有する絶縁物質からなることが好ましい。
第1段差面211及び第2段差面212には、各々第1金属層221及び第2金属層222が設けられる。第1及び第2金属層221、222は、Cr、Ti、Pt、Auのうち少なくとも2つ以上の合金、例えば、Cr/Au、Ti/Pt/Au等からなることが好ましい。
第1及び第2金属層221、222上にはp型電極170及びn型電極180と各々接合される第1及び第2ソルダ層231、232が設けられる。第1及び第2ソルダ層231、232は、Cr、Ti、Pt、Au、Mo、Snのうち少なくとも2つ以上の合金、例えば、Au/Sn、Pt/Au/Sn、Cr/Au/Sn等からなることが好ましい。
第1金属層221、第1ソルダ層231は、各々第2金属層222、第2ソルダ層232と互いに分離され、絶縁されることが好ましい。このために第1金属層221と第2金属層222との間に絶縁層240がさらに設けられ得る。絶縁層240は、図4に示すように第1段差面211と第2段差面212の境界面213から第1金属層221まで延びて形成され得る。
第1金属層221と第2金属層222、第1ソルダ層231と第2ソルダ層232は、その厚さが相等しいことが好ましい。このような構成によれば、第1ソルダ層231と第2ソルダ層232間の高低差はp型電極170とn型電極180間の高低差と同一になる。
したがって、半導体レーザーダイオードチップ100にサブマウント200を載せれば、p型電極170と第1ソルダ層231、n型電極180と第2ソルダ層232とが自然に接触される。この状態で熱を加えれば、第1及び第2ソルダ層231、232の厚さが相等しいので、第1及び第2ソルダ層231、232が同じ温度で同時に溶融されながら各々p型電極170、n型電極180と均一に接合される。図5は、本発明に係るサブマウント200の第1及び第2ソルダ層231、232が溶融された状態を撮影した写真である。図5を見れば、図3と比べた時、第1及び第2ソルダ層231、232が均一に溶けたことがわかる。したがって、サブマウント200を通した熱放出効率も向上し、これによって半導体レーザーダイオードチップ100の発光特性も向上する。
以下に、図6A乃至図6Dを参照して本発明に係るサブマウント製造方法の一例を説明する。
まず、図6Aに示すように、AlN、SiC、GaN又はこれに準ずる熱伝逹係数を有する絶縁物質からなる基板210上にエッチングマスクMを形成する。その後、マスキングされない基板210面を所定深さにエッチングし、エッチングマスクMを除去する。前記のようにして、図6Bに示すようにエッチングされない第1段差面211と所定深さにエッチングされた第2段差面212とが形成される。図7は、エッチングされた基板210を撮影した写真である。この時、エッチング深さを調節して第1段差面211と第2段差面212との高低差を前記の半導体レーザーダイオードチップ100のp型電極170とn型電極180との高低差と同一にする。この時、乾式エッチングを使用することが好ましい。
次に、第1及び第2段差面211、212に第1及び第2金属層221、222が形成される部分を定義するマスキングをし、Cr、Ti、Pt、Auのうち少なくとも2つ以上の合金、例えば、Cr/Au、Ti/Pt/Auなどを所定厚さに蒸着させる。その後、マスキングを除去すれば図6Cに示すように第1及び第2段差面211、212に各々第1及び第2金属層221、222が形成される。この時、第1及び第2金属層221、222はその厚さが相等しいことが好ましい。
次に、第1及び第2金属層221、222上に第1及び第2ソルダ層231、232が形成される部分を定義するマスキングをし、Cr、Ti、Pt、Au、Mo、Snのうち少なくとも2つ以上の合金、例えば、Au/Sn、Pt/Au/Sn、Cr/Au/Snなどを所定厚さに蒸着させる。その後、マスキングを除去すれば図6Dに示すように第1及び第2金属層221、222上に各々第1及び第2ソルダ層231、232が形成される。この時、第1及び第2ソルダ層231、232はその厚さが互いに同一に形成されることが好ましい。本工程においては、第1ソルダ層231と第2ソルダ層232とを同時に形成することが好ましい。そうすると、第1ソルダ層231と第2ソルダ層232とをなす金属物質の化学的構成比がほぼ同一になる。
前記の工程を完了すれば、第1ソルダ層231と第2ソルダ層232間の高低差と半導体レーザーダイオードチップ100のp型電極170とn型電極180との高低差とが同一なサブマウント200を得ることができる。
本発明は前記の説明及び図面に示したものに限定されることはなく、請求の範囲内で多様な変形及び変容例が可能であることは言うまでもない。
半導体チップ、特に両電極が互いに段付きになって同じ方向に形成された半導体レーザーダイオードチップとフリップ・チップ・ボンディングされるサブマウントと、その製造方法に適用される。
従来技術によるn型及びp型電極が同じ方向に形成されたリッジ導波管を具備するGaN系III−V族窒化物半導体レーザーダイオードの断面図である。 図1の半導体レーザーダイオードとサブマウントの結合を示す断面図である。 図2に示した従来のサブマウントのソルダ層が溶融された状態を示す写真である。 本発明に係る半導体レーザーダイオード組立体の一例を示す断面図である。 図4に示したサブマウントの第1及び第2ソルダが溶融された状態を撮影した写真である。 本発明に係るサブマウント製造方法の一例による工程を示す断面図である。 本発明に係るサブマウント製造方法の一例による工程を示す断面図である。 本発明に係るサブマウント製造方法の一例による工程を示す断面図である。 本発明に係るサブマウント製造方法の一例による工程を示す断面図である。 図6Aに示した本発明工程を行った後のエッチングされた基板を示す写真である。
符号の説明
200 サブマウント、
110 基板、
120 第1物質層、
130 活性層、
140 第2物質層、
150 共振層、
121 第1化合物半導体層、
122 第1クラッド層、
123 第1導波層、
141 第2導波層、
142 第2クラッド層、
143 第2化合物半導体層、
144 突出部、
160 保護膜、
161 チャンネル、
170 p型電極、
180 n型電極、
210 基板、
211 第1段差面、
212 第2段差面、
221 第1金属層、
222 第2金属層、
231 第1ソルダ層、
232 第2ソルダ層、
240 絶縁層。

Claims (10)

  1. 互いに段付きになっている第1電極及び第2電極が備えられた半導体レーザーダイオードチップとフリップ・チップ・ボンディングされる半導体レーザーダイオードのサブマウントにおいて、
    前記第1電極と第2電極との段差に対応する高低差を有する第1及び第2段差面が備えられた基板と、
    前記第1段差面及び第2段差面に同じ厚さに各々形成された第1及び第2金属層と、
    前記第1金属層及び第2金属層に同じ厚さに各々形成されて前記第1電極と第2電極とに各々接合される第1及び第2ソルダ層と、
    を含む半導体レーザーダイオードのサブマウント。
  2. 前記基板は、AlN、SiC、GaN又はこれに準ずる熱伝逹係数を有する絶縁物質からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザーダイオードのサブマウント。
  3. 前記第1及び第2金属層は、Cr、Ti、Pt、Auのうち、少なくとも2つ以上の合金からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザーダイオードのサブマウント。
  4. 前記第1及び第2ソルダ層は、Cr、Ti、Pt、Au、Mo、Snのうち、少なくとも2つ以上の合金からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザーダイオードのサブマウント。
  5. 互いに段付きになっている第1電極及び第2電極が備えられた半導体レーザーダイオードチップと、前記半導体レーザーダイオードチップとフリップ・チップ・ボンディングされるサブマウントとを含む半導体レーザーダイオード組立体において、
    前記サブマウントは、
    前記第1電極と第2電極との段差に対応する高低差を有する第1及び第2段差面が備えられた基板と、
    前記第1段差面及び第2段差面に同じ厚さに各々形成された第1及び第2金属層と、
    前記第1金属層及び第2金属層に同じ厚さに各々形成されて前記第1電極と第2電極とに各々接合される第1及び第2ソルダ層と、
    を含む半導体レーザーダイオード組立体。
  6. 互いに段付きになっている第1電極及び第2電極が備えられた半導体レーザーダイオードチップとフリップ・チップ・ボンディングされる半導体レーザーダイオードのサブマウント製造方法において、
    (a)基板をエッチングして前記第1電極と第2電極との間の段差に対応する高低差を有する第1及び第2段差面を形成する段階と、
    (b)前記第1及び第2段差面に各々金属を同じ厚さに蒸着して第1及び第2金属層を形成する段階と、
    (c)前記第1及び第2金属層にソルダを同じ厚さに蒸着させて前記第1電極と第2電極と各々接合される第1及び第2ソルダ層を形成する段階と、
    を含む半導体レーザーダイオードのサブマウント製造方法。
  7. 前記(a)段階は、乾式エッチングにより行われることを特徴とする請求項6に記載の半導体レーザーダイオードのサブマウント製造方法。
  8. 前記基板は、AlN、SiC、GaN又はこれに準ずる熱伝逹係数を有する絶縁物質であることを特徴とする請求項6に記載の半導体レーザーダイオードのサブマウント製造方法。
  9. 前記第1及び第2金属層は、Cr、Ti、Pt、Auのうち、少なくとも2つ以上の合金からなることを特徴とする請求項6に記載の半導体レーザーダイオードのサブマウント製造方法。
  10. 前記第1及び第2ソルダ層は、Cr、Ti、Pt、Au、Mo、Snのうち、少なくとも2つ以上の合金からなることを特徴とする請求項6に記載の半導体レーザーダイオードのサブマウント製造方法。
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