JP2005229021A

JP2005229021A - 半導体発光装置及びその製造方法

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Publication number: JP2005229021A
Application number: JP2004037937A
Authority: JP
Inventors: Shinya Ishida; 真也石田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2004-02-16
Publication date: 2005-08-25

Abstract

【課題】本発明は、マウントを実施する際に半導体発光素子に印加される熱量を低減し、半導体発光素子の劣化を抑制し、長寿命の半導体発光装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、基板と当該基板上に複数の窒化物半導体層が積層されてなる窒化物半導体積層部を備えた半導体発光素子と、サブマントと、支持基体を備える半導体発光装置において、半導体発光素子をサブマントに固定する第１ハンダと、サブマントを支持基体に固定する第２ハンダとを備え、第１ハンダの融点の値が、第２ハンダの融点の値より低い、もしくは同じであることをと特徴とする。このことにより、マウントする際に半導体発光素子に印加される熱量を抑えることができる。又、サブマウントに半導体発光素子をマウントする工程と、サブマウントを支持基体にマウントする工程を同時に行うことにすることで、熱履歴回数を減らすことができる。結果、クラックの発生や半導体発光素子の特性劣化を抑制し、長寿命の半導体発光装置を歩留まり良く作製することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光装置及びその製造方法にかかわり、特に、半導体発光素子のマウント方法に関わる。尚、本明細書では、半導体レーザ素子やＬＥＤ素子などの半導体発光素子を搭載したものを半導体発光装置とする。

ＧａＮ，ＩｎＮ，ＡｌＮおよびそれらの混晶半導体に代表される窒化物半導体材料により、紫外領域から可視領域で発振する半導体レーザ素子を備えた半導体レーザ装置の作製、試作が推進されている。この半導体レーザ装置の製造を行う際、半導体レーザ素子とマウント部材（ステム、又はサブマウント）に結合させる実装工程（マウント工程）において、様々な問題が生じている。

上述した問題の一つとして、基板上に形成された半導体層の材質や、ステムと呼ばれる保持体に載置、固定（マウント）する前での電気的特性が近似する半導体レーザ素子を準備した後、これらの半導体レーザ素子をそれぞれサブマウントやステムなどにマウントして半導体レーザ装置を作製すると、半導体レーザ装置の寿命が極めて短いものが多数できてしまうことが挙げられる。この問題に対して、本出願人は、従来技術として、半導体発光素子チップの主表面が曲面を備えるように載置することで信頼性の向上を図った半導体発光装置を提案している（特許文献１参照）。

通常、半導体レーザ素子は、保持体の一部を構成する支持基体に、ハンダなどの固着材料を介してマウントされ、半導体レーザ装置として用いられる。半導体レーザ装置は、その動作時に、半導体レーザ素子で発生する熱を効率良く支持基体に放散させ、発光部の温度上昇にともなう特性劣化を抑制する必要がある。そのためには、半導体レーザ素子が、支持基体に熱伝導性の良好な状態でマウントされる必要がある。このため、半導体レーザ素子と支持基体間にサブマントを挿入し、マウントが実施される。

従来は、先にサブマントに半導体レーザ素子をマウントし、その後、当該サブマントを支持基体にマウントする。作製手順としては、例えば、サブマント上にシート状のＡｕ−３０Ｓｎ（融点２９０℃）ハンダを載せ、次に、サブマントをＡｕ−３０Ｓｎハンダの融点よりも若干高い温度まで加熱し、Ａｕ−３０Ｓｎハンダが溶けたところで、半導体レーザ素子がｎ電極がサブマウントに対向するように載置し、更に、荷重を適宜加えながら半導体レーザ素子とサブマウントとをＡｕ−３０Ｓｎハンダによく馴染ませる。その後、支持基体上にシート状のＳｎＡｇＣｕ（融点２２０℃）ハンダを載せ、支持基体をＳｎＡｇＣｕハンダの融点よりも若干高い温度まで加熱し、ＳｎＡｇＣｕハンダが溶けたところでサブマントを載置し、サブマントと支持基体とをＳｎＡｇＣｕハンダによく馴染ませ、ＳｎＡｇＣｕハンダを固化させる。このような作製方法が、従来の半導体レーザ装置に対して使用されていた。
特開２００３−３１８９５号公報

上述のように、従来技術を用いたマウント方法では、半導体レーザ素子とサブマントの間を介するハンダに、サブマントと支持基体間を介するハンダよりも高融点のものを用いる。このため、サブマウントに半導体レーザ素子をマウントする際、半導体レーザ素子に、より高温の熱が印加される。また、従来技術を用いたマウント方法では、半導体レーザ素子をサブマントにマウントする工程とサブマントをステムにマウントする工程の計２回のマウント工程を経て半導体レーザ装置が作製される。即ち、半導体発光素子が計２回の熱の印加を受けるため、マウントする際に受ける熱履歴によるクラックの発生や、マウント後に閾値などの光学特性が悪化したり、更に、素子がショートするなど、半導体レーザ素子の劣化が顕著で重大な問題となっていた。

このような問題を鑑みて、本発明は、マウントを実施する際に半導体発光素子に印加される熱量を低減し、半導体発光素子の劣化を抑制し、長寿命の半導体発光装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の半導体発光装置は、基板と当該基板上に複数の窒化物半導体層が積層されてなる窒化物半導体積層部を備えた半導体発光素子と、該半導体発光素子が搭載されるサブマントと、該サブマウントが搭載される支持基体とを備える半導体発光装置において、前記半導体発光素子を前記サブマントに固定する第１ハンダと、前記サブマントを前記支持基体に固定する第２ハンダとを備え、前記第１ハンダの融点の値が、前記第２ハンダの融点の値より低い、もしくは同じであることを特徴とする。

このような半導体発光装置では、前記第１ハンダの融点を低くすることができるため、マウント工程の際に前記半導体発光素子に印加される熱量を抑えることができる。

本発明の半導体発光装置は、前記半導体発光素子が形成された前記基板が、窒化物系化合物半導体であることを特徴とする。

また、このような半導体発光装置において、前記第１ハンダの融点の値が、２４０℃以下とすることが好ましい。

また、このような半導体発光装置では、前記第１ハンダに融点２２０℃のＳｎＡｇＣｕハンダを、前記第２ハンダに融点２９０℃のＡｕ−３０Ｓｎハンダを用いても構わない。又、前記第１ハンダに融点１６０℃のＩｎハンダを、前記第２ハンダに融点２９０℃のＡｕ−３０Ｓｎハンダを用いても構わない。又、前記第１ハンダに融点２２０℃のＳｎＡｇＣｕハンダを、前記第２ハンダに融点２２０℃のＳｎＡｇＣｕハンダを用いても構わない。

本発明の半導体発光装置の製造方法は、上述のいずれかに記載の半導体発光装置の製造方法であって、前記サブマントを前記支持基体にマウントした後に、前記サブマントに前記半導体発光素子をマウントすることを特徴とする。

このような半導体発光装置の製造方法では、前記第１ハンダの融点を低くすることができるため、マウント工程の際に前記半導体発光素子に印加される熱量を抑えることができる。

また、本発明の半導体発光装置の製造方法は、上述のいずれかに記載の半導体発光装置の製造方法であって、前記サブマントを前記支持基体にマウントする工程と、前記半導体発光素子を前記サブマントにマウントする工程を、同時に行うことを特徴とする。

このような半導体発光装置の製造方法では、マウント工程の際に、前記サブマウントに前記半導体発光素子をマウントする工程と、前記サブマウントを前記支持基体にマウントする工程を同時に行うことにすることで、前記半導体発光素子に印加される熱履歴回数を減らすことができる。

本発明によると、半導体発光素子とサブマントの間を介するハンダの融点が、サブマントと支持基体間を介するハンダの融点より低い、もしくは同じ値にすることにより、マウントする際に半導体発光素子に印加される熱量を抑えることができる。又、サブマウントに半導体発光素子をマウントする工程と、サブマウントを支持基体にマウントする工程を同時に行うことにすることで、熱履歴回数を減らすことができる。結果、クラックの発生や半導体発光素子の特性劣化を抑制し、長寿命の半導体発光装置を歩留まり良く作製することができる。

＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態を、図面を参照し説明する。図１は本実施形態における半導体レーザ装置の概略断面図であり、図２は本実施形態における半導体レーザ素子の概略断面図である。

図１に示すように、半導体レーザ装置は、ＧａＮ基板１０１と窒化物半導体材料から成る積層体１０２とｐ電極１０３とｎ電極１０４とを備えた半導体レーザ素子１０５と、金属多層膜１１５ａと、金属多層膜１１５ｂと、ＳｉＣサブマント１１０と、ピン１１１と、ピン１１６と、ＳｎＡｇＣｕハンダ１１２（例えばＳｎ―３Ａｇ―０．５Ｃｕハンダ等）と、Ａｕ−３０Ｓｎハンダ１１３と、ワイヤ１１４ａと、ワイヤ１１４ｂと、支持基体１２０と、から構成されている。

半導体レーザ素子１０５は、ｐ電極１０３側を上にして、ＳｉＣサブマント１１０上にＳｎＡｇＣｕハンダ１１２を、支持基体１２０上にＡｕ−３０Ｓｎハンダ１１３を備えることにより、支持基体１２０上に載置、固定されている。サブマント１１０の表面および裏面には、金属多層膜１１５ａと金属多層膜１１５ｂが形成されている。

ｐ電極１０３はワイヤ１１４ａを介してピン１１１と電気的に接続し、ｎ電極１０４はワイヤ１１４ｂ及び金属多層膜１１５ａ及びＳｎＡｇＣｕハンダ１１２を介してピン１１６と電気的に接続されている。また、ピン１１１およびピン１１６は、支持基体１２０と電気的に絶縁された外部接続端子に接続されている。これにより、本実施形態の半導体レーザ装置に外部から電流が供給される。

窒化物半導体材料から成る積層体１０２は、例えば、図２に示すように、ＧａＮ基板１０１の表面に、ｎ型ＧａＮコンタクト層２０２と、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０３と、ｎ型ＧａＮガイド層２０４と、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層２０５と、ｐ型ＡｌＧａＮ蒸発防止層２０６と、ｐ型ＧａＮガイド層２０７と、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０８と、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０９とが、順に積層され構成される。

ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層２０９には、共振器方向に延伸したストライプ状のリッジが設けられている。即ち、図２に示した半導体レーザ素子は、リッジストライプ型構造を備える。更に、ｐ電極１０３とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層２０９との間には、リッジ部分を除いて絶縁膜２１０が設けられている。

尚、積層体１０２に用いられる材料は上述の材料に限定されるものではなく、他の窒化物系化合物半導体、例えば、ｐ型クラッド層にｐ型ＡｌＧａＩｎＮを、多重量子井戸活性層にＧａＩｎＮＡｓもしくはＧａＩｎＮＰ等を用いても構わない。また、クラッド層に多重量子井戸構造を用いても構わない。更に、ｎ型ＧａＮコンタクト層２０２とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０３の間に、ＩｎＧａＮ等をクラック防止層として挿入しても構わない。また、ＧａＮ基板１０１とｎ型ＧａＮコンタクト層２０２との間にバッファ層を挿入しても構わない。

以下に、本実施形態の半導体レーザ装置の製造方法について、図１及び図２を参照して説明する。

まず、半導体レーザ素子の製造に一般的に用いられている周知の技術を適宜適用して、ＧａＮ基板１０１上に、図２で示したような窒化物半導体から成る積層体１０２を形成する。尚、本実施形態のｐ電極１０３の材料は、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０９に近い側からＰｄ（１５ｎｍ）／Ｍｏ（１５ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ）とする。

次に、ｎ型ＧａＮ基板１０１上に積層体１０２の各層を積層する際の当該ｎ型ＧａＮ基板１０１の厚みは３５０μｍであるが、ｎ型電極１０４の形成前に、ＧａＮ基板１０１の裏面側から、研磨もしくはエッチングを行うことにより基板の一部を除去し、ウエーハの厚みを通常４０〜１５０μｍ程度までに薄くする。その後、ｎ電極１０４としてＧａＮ基板１０１に近い側から、Ｔｉ（３０ｎｍ）／Ａｌ（１５０ｎｍ）を形成し、さらに金属層（図示せず）として、Ｍｏ（８ｎｍ）／Ｐｔ（１５ｎｍ）／Ａｕ（２５０ｎｍ）を形成する。

このようにしてｐ電極１０３及びｎ電極１０４が形成され、窒化物半導体から成る積層体１０２の各層が積層されたウエーハをへき開することにより、半導体レーザ素子１０５の共振器端面を形成する。このとき、半導体レーザ素子１０５の共振器長が５００μｍとなるように、ウエーハのへき開が行われる。このようにウエーハのへき開することで得られたバーを更にへき開することにより、レーザチップである半導体レーザ素子１０５に分割する。尚、共振器端面の形成はエッチングによって形成してもよい。また、チップへの分割はダイシング、レーザアブレーション法等を用いても構わない。このようにして得られた半導体レーザ素子１０５をチップの状態でパルス駆動により特性評価を行ったところ、閾値電流値をリッジ部分の面積で割った閾値電流密度の値は３．５ｋＡ／ｃｍ²であった。

このようにして得られた半導体レーザ素子１０５を支持基体１２０上にマウントする。以下に、ダイボンディング法を用いて実施されたマウント工程について説明する。

図１に示されているように、支持基体１２０上にシート状で融点２９０℃のＡｕ−３０Ｓｎハンダ１１３を設ける。次に、支持基体１２０をＡｕ−３０Ｓｎハンダ１１３の融点よりも若干高い温度まで加熱し、Ａｕ−３０Ｓｎハンダ１１３が溶けたところで、金属多層膜１１５ａと金属多層膜１１５ｂが形成されたＳｉＣサブマント１１０を、金属多層膜１１５ｂ側を支持基体１２０側に向けて載置し、ＳｉＣサブマント１１０と支持基体１２０とをＡｕ−３０Ｓｎハンダ１１３によく馴染ませ、Ａｕ−３０Ｓｎハンダ１１３を凝固させ、支持基体１２０上にＳｉＣサブマント１１０を固定する。

次に、ＳｉＣサブマント１１０上に形成された金属多層膜１１５ａの表面にシート状で融点２２０℃のＳｎＡｇＣｕハンダ１１２を設置する。そして、サブマントＳｉＣ１１０をＳｎＡｇＣｕハンダ１１２の融点よりも若干高い温度まで加熱し、ＳｎＡｇＣｕハンダ１１２が溶けたところで、上述の方法で得られた半導体レーザ素子１０５を、ｎ電極１０４側をＳｉＣサブマウント１１０側に対向させて、ＳｉＣサブマント１１０上に載置する。更に、荷重を適宜加えながら半導体レーザ素子１０５とＳｉＣサブマント１１０とをＳｎＡｇＣｕハンダ１１２によく馴染ませる。その後、支持基体１２０を冷却し、ＳｎＡｇＣｕハンダ１１２を凝固させ、図１に示された半導体レーザ装置を得る。

＜背景技術＞において例に挙げた作製手順を用いた従来の半導体レーザ装置と、本実施形態のマウント方法で作製した半導体レーザ装置とを、それぞれ２０個ずつ作製し、作製された半導体レーザ装置をパルス駆動で特性測定を行い、閾値を測定し、マウント歩留りを評価した。この結果は図３のようになる。

尚、本明細書において、マウント歩留りの評価で不良と判断されるものは、チップ状態での閾値から５ｍＡ以上閾値が上昇したもの及びショート素子であり、それ以外は良品とする。又、本実施形態において、マウント歩留まりとは、作製した２０個の半導体レーザ装置の中で良品の占める割合である。本実施形態のマウント方法を用いた場合、マウント歩留りは１００％でショート素子は０個である。従来方法で作製された半導体レーザ装置の歩留りは４５％であり、ショート素子は４個である。本実施形態のマウント方法により、半導体レーザ装置のマウント歩留りが改善されていることが分かる。又、従来の方法でマウントを実施した半導体レーザ装置と本実施形態によるマウント方法で作製された半導体レーザ装置双方において、良品となる半導体レーザ装置は、光出力３０ｍＷ固定、雰囲気温度６０℃、ＤＣ駆動、の条件下で、寿命が１００００時間以上となった。尚、このとき、上述した条件下で、半導体レーザ装置の駆動電流値が初期の駆動電流値の１．５倍となった時点での積算時間を、半導体レーザ装置の寿命とする。

尚、本実施形態ではハンダ材料として、Ａｕ−３０ＳｎとＳｎＡｇＣｕを用いているが、これに限定されるものではなく、半導体レーザ素子１０５とＳｉＣサブマント１１０との間を介するハンダの融点が、ＳｉＣサブマント１１０と支持基体１２０との間を介するハンダの融点と同じ値、もしくは、それより低ければ、ハンダ材料は他のものでも構わない。好ましくは、半導体レーザ素子１０５とＳｉＣサブマント１１０との間を介するハンダの融点が２４０℃以下のハンダを用いるとよい。またハンダ材料は、Ｉｎ系、Ｓｎ系、Ａｕ系、Ｐｂ系、Ｚｎ系等のいずれを用いても構わない。

また、本実施形態ではサブマントの材料としてＳｉＣを用いたが、ＳｉＣ以外にダイヤモンド、Ｓｉ、ＢＮ、Ｗ、Ｍｏ、ＡｌＮ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｕ-Ｗ、ＧａＡｓ等を用いても構わない。

また、本実施形態ではｐ電極１０３を形成するのに、Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕを用いたが、Ｐｄ以外に例えば、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｗ、Ａｌ、Ｔｌ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｎｉとその化合物を用いても構わなく、Ａｕ以外にＮｉ、Ａｇ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｌとその化合物を用いても構わなく、膜厚も上述した厚さに限定されるものではない。

また、本実施形態ではｎ電極１０４を形成するのに、Ｔｉ／Ａｌを用いたが、Ｔｉ以外にＣｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｗ、Ａｌ、Ｔｌ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄとその化合物を用いても構わなく、Ａｌ以外にＡｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｇｅとその化合物を用いても構わなく、膜厚も上述した厚さに限定されるものではない。

また、本実施形態で半導体レーザ素子１０５の作製にＧａＮ基板を用いたが、基板はＧａＮに限定されるものではなく、ＩｎＮ，ＡｌＮおよびＧａＮ、ＩｎＮ，ＡｌＮの混晶半導体でも構わなく、サファイア、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、また窒化物以外のＧａＡｓ、ＧａＰ等のＩＩＩ-Ｖ族化合物でも構わない。

また、ＳｉＣサブマウント１１０に形成される金属多層膜１１５ａ、１１５ｂは、通常、Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕが順に積層された構造をとるが、これに限定されるものではなく、Ｍｏ以外にＴｉ等を用いる構造でも構わない。

尚、支持基体１２０はＣｕもしくはＦｅを主体とする金属からなり、その表面にＮｉ膜／Ａｕ膜もしくはＮｉ膜／Ｃｕ膜／Ａｕ膜が順に形成されているものとする。

＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態を、図面を参照し説明する。図４は本実施形態における半導体レーザ装置の概略断面図であり、図５は本実施形態における半導体レーザ素子の概略断面図である。

図４に示すように、半導体レーザ装置は、サファイア基板３０１と窒化物半導体材料から成る積層体３０２とｐ電極３０３とｎ電極３０４とを備えた半導体レーザ素子３０５と、金属多層膜３１５ａと、金属多層膜３１５ｂと、金属多層膜１１５ｂと、ＡｌＮサブマウント３１０と、ピン１１１と、ピン１１６と、Ｉｎハンダ３１２ａと、Ｉｎハンダ３１２ｂと、Ａｕ−３０Ｓｎハンダ３１３と、ワイヤ３１４ａと、ワイヤ３１４ｂと、支持基体１２０と、から構成されている。

ＡｌＮサブマント３１０の表面に形成された金属多層膜３１５ａと金属多層膜３１５ｂは電気的、物理的に分離されており、それぞれの表面に、Ｉｎハンダ３１２ａとＩｎハンダ３１２ｂが設けられている。このＩｎハンダ３１２ａ及びＩｎハンダ３１２ｂ上に、それぞれ、ｐ電極３０３とｎ電極３０４を対向させて半導体レーザ素子３０５を載置する。ｐ電極３０３とＩｎハンダ３１２ａ、ｎ電極３０４とＩｎハンダ３１２ｂとが固着することで、ＡｌＮサブマント３１０上に半導体レーザ素子３０５が固定される。また、ＡｌＮサブマント３１０の裏面には、金属多層膜１１５ｂが形成されており、該金属多層膜１１５ｂとＡｕ−３０Ｓｎハンダ３１３を介して支持基体１２０にＡｌＮサブマント３１０が固定される。

ｐ電極３０３はＩｎハンダ３１２ａ及び金属多層膜３１５ａ及びワイヤ３１４ａを介してピン１１６と電気的に接続し、ｎ電極３０４はＩｎハンダ３１２ｂ及び金属多層膜３１５ｂ及びワイヤ３１４ｂを介してピン１１１と電気的に接続されている。また、ピン１１１と１１６は、支持基体１２０と電気的に絶縁された外部接続端子に接続されている。これにより、本実施形態の半導体レーザ装置に外部より電流が供給される。

窒化物半導体材料から成る積層体３０２は、例えば、図５に示すように、サファイア基板３０１の表面に、ＧａＮバッファ層４０２と、ｎ型ＧａＮコンタクト層４０３と、ｎ型ＡｌＧａＮ多重量子井戸クラッド層４０４と、ｎ型ＧａＮガイド層４０５と、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層４０６と、ｐ型ＡｌＧａＮ蒸発防止層４０７と、ｐ型ＧａＮガイド層４０８と、ｐ型ＡｌＧａＮ多重量子井戸クラッド層４０９と、ｐ型ＧａＮコンタクト層４１０とが、順に積層され構成される。

ｐ型ＡｌＧａＮ多重量子井戸クラッド層４０９およびｐ型ＧａＮコンタクト層４１０には、共振器方向に延伸したストライプ状のリッジが設けられている。即ち、図５に示した半導体レーザ素子は、リッジストライプ型構造を備える。更に、ｐ電極３０３とｐ型ＡｌＧａＮ多重量子井戸クラッド層４０９およびｐ型ＧａＮコンタクト層４１０との間には、リッジ部分を除いて絶縁膜４１１が設けられている。また、窒化物半導体から成る積層体３０２の一部に、その表面よりｎ型ＧａＮコンタクト層４０３まで到達する溝４１２が形成され、ｎ電極３０４が溝４１２の底部に表れるｎ型ＧａＮコンタクト層４０３に接触している。又、このｎ電極３０４は絶縁膜４１１を介して溝４１２の側面側となる各層４０３〜４０９の側面、及びｐ型ＡｌＧａＮ多重量子井戸クラッド層４０９の表面にも設けられる。

尚、積層体３０２に用いられる材料は上述の材料に限定されるものではなく、他の窒化物系化合物半導体、例えば、ｐ型クラッド層にｐ型ＡｌＧａＩｎＮを、多重量子井戸活性層にＧａＩｎＮＡｓもしくはＧａＩｎＮＰ等を用いても構わない。また、ｎ型ＧａＮコンタクト層４０３とｎ型ＡｌＧａＮ多重量子井戸クラッド層４０４の間に、ＩｎＧａＮ等をクラック防止層として挿入しても構わない。

更に、本実施形態では半導体レーザ素子３０５の作製にはサファイア基板を用いたが、基板はサファイアに限定されるものではなく、ＧａＮ、ＩｎＮ，ＡｌＮおよびＧａＮ、ＩｎＮ，ＡｌＮの混晶半導体でも構わなく、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉまた窒化物以外のＧａＡｓ、ＧａＰ等のＩＩＩ-Ｖ族化合物でも構わない。

以下に、本実施形態の半導体レーザ装置の製造方法について、図４及び図５を参照して説明する。

まず、半導体レーザ素子の製造に一般的に用いられている周知の技術を適宜適用して、サファイア基板３０１上に、図５で示したような窒化物半導体から成る積層体３０２を形成する。尚、本実施形態のｐ電極３０３の材料は、ｐ型ＧａＮコンタクト層４１０に近い側からＮｉ（１０ｎｍ）／Ｍｏ（８ｎｍ）／Ｐｔ（１５ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ）とし、ｎ電極３０４の材料は、ｎ型ＧａＮコンタクト層４０３に近い側から、Ｈｆ（３０ｎｍ）／Ａｌ（１５０ｎｍ）／Ｍｏ（３０ｎｍ）／Ａｕ（１５０ｎｍ）とする。

次に、サファイア基板３０１上に積層体３０２の各層を積層する際の当該サファイア基板３０１の厚みは３５０μｍであるが、サファイア基板３０１の裏面側から、研磨もしくはエッチングを行うことにより基板の一部を除去し、ウエーハの厚みを通常４０〜１５０μｍ程度までに薄くする。

このようにして得られた窒化物半導体から成る積層体３０２の各層が積層されたウエーハをへき開することにより、半導体レーザ素子３０５の共振器端面を形成する。このとき、半導体レーザ素子３０５の共振器長が５００μｍとなるように、ウエーハのへき開が行われる。このようにウエーハのへき開することで得られたバーを更にへき開することにより、レーザチップである半導体レーザ素子３０５に分割する。尚、共振器端面の形成はエッチングによって形成しても構わない。また、チップへの分割はダイシング、レーザアブレーション法等を用いても構わない。

このようにして得られた半導体レーザ素子３０５を支持基体上にマウントする。以下に、ダイボンディング法を用いて実施されたマウント工程について説明する。

まず、支持基体１２０上にシート状で融点２９０℃のＡｕ−３０Ｓｎハンダ３１３を設ける。支持基体１２０をＡｕ−３０Ｓｎハンダ３１３の融点よりも若干高い温度まで加熱し、Ａｕ−３０Ｓｎハンダ３１３が溶けたところで、表面に金属多層膜３１５ａと金属多層膜３１５ｂが、裏面に金属多層膜１１５ｂがそれぞれ形成されたＡｌＮサブマント３１０を、金属多層膜１１５ｂが支持基体１２０に対向するように載置し、ＡｌＮサブマント３１０と支持基体１２０とをハンダ３１３によく馴染ませ、ハンダを凝固させ、ＡｌＮサブマント３１０と支持基体１２０を固定する。ＡｌＮサブマント３１０は半導体レーザ素子３０５を載置する側の金属多層膜がパターンニングされ、金属多層膜３１５ａと金属多層膜３１５ｂが分離しており、ＡｌＮサブマント３１０の表面の左側と右側で絶縁性が保たれている。

次に、パターニングされＡｌＮサブマント３１０上に形成された金属多層膜３１５ａと金属多層膜３１５ｂのそれぞれに、シート状で融点１６０℃のＩｎハンダ３１２ａとＩｎハンダ３１２ｂを設け、引き続き、ＡｌＮサブマント３１０をＩｎハンダ３１２ａ、３１２ｂの融点よりも若干高い温度まで加熱し、ハンダが溶けたところで、上述の方法で得られた半導体レーザ素子３０５を、サファイア基板３０５を上にして電極側がＡｌＮサブマント３１０側に対向するようにして、ＡｌＮサブマウント３１０を載置する。このとき、Ｉｎハンダ３１２ａ側にｐ電極３０３が、Ｉｎハンダ３１２ｂ側にｎ電極３０４が、それぞれ載置される。更に、荷重を適宜加えながら半導体レーザ素子３０５とＡｌＮヒートシンンク３１０とをＩｎハンダ３１２ａ、３１２ｂによく馴染ませる。その後、サブマントＡｌＮ３１０を冷却し、Ｉｎハンダ３１２ａ、３１２ｂを凝固させ、半導体レーザ素子３０５をＡｌＮサブマント３１０に固定する。このような方法で、図４に示された半導体レーザ装置を得る。

＜背景技術＞において例に挙げた作製手順を用いた半導体レーザ装置と同様に、まず、ＡｌＮサブマウント３１０に半導体レーザ素子３０５をマウントし、引き続き、ＡｌＮサブマウント３１０を支持基体１２０にマウントする方法で、従来の半導体レーザ装置を作製した。以下に、作製方法について説明する。

即ち、パターニングされＡｌＮサブマント３１０上に形成された金属多層膜３１５ａと金属多層膜３１５ｂのそれぞれに、シート状で融点２９０℃のＡｕ−３０Ｓｎハンダ１とＡｕ−３０Ｓｎハンダ２（図示せず）を設け、引き続き、ＡｌＮサブマント３１０をＡｕ−３０Ｓｎハンダ１、ハンダ２の融点よりも若干高い温度まで加熱し、ハンダが溶けたところで、上述の方法で得られた半導体レーザ素子３０５を、サファイア基板３０５を上にして電極側がＡｌＮサブマント３１０側に対向するようにし、Ａｕ−３０Ｓｎハンダ１側にｐ電極３０３を、Ａｕ−３０Ｓｎハンダ２側にｎ電極３０４を載置する。更に、荷重を適宜加えながら半導体レーザ素子３０５とＡｌＮサブマウント３１０とをＡｕ−３０Ｓｎハンダ１、ハンダ２によく馴染ませる。その後、ＡｌＮサブマント３１０を冷却し、Ａｕ−３０Ｓｎハンダ１、ハンダ２を凝固させ、半導体レーザ素子３０５をＡｌＮサブマント３１０に固定する。その後、支持基体１２０上にシート状で融点１６０℃のＩｎハンダ３（図示せず）を設け、支持基体１２０をＩｎハンダ３の融点よりも若干高い温度まで加熱し、Ｉｎハンダ３が溶けたところで、裏面に金属多層膜１１５ｂが形成されたＡｌＮサブマウント３１０を金属多層膜１１５ｂ側が支持基体１２０に対向するように載置し、ＡｌＮサブマウント３１０と支持基体１２０とをＩｎハンダ３によく馴染ませ、ハンダを凝固、固定し、図４と同様な構成となる従来の半導体レーザ装置を得る。

このような従来のマウント方法を用いた半導体レーザ装置と本実施形態のマウント方法を用いた半導体レーザ装置とを、それぞれ２０個ずつ作製し、作製された半導体レーザ装置をパルス駆動で特性評価を行い、閾値を測定し、マウント歩留りを評価した。この結果は図６のようになる。

図６の結果によると、本実施形態のマウント方法でのマウント歩留りは９５％でショート素子は０個であった。従来の方法でマウントを実施した半導体レーザ装置の歩留りは１５％であり、ショート素子は１０個であった。本実施形態によりマウント歩留りが改善されていることが分かる。又、従来の方法でマウントを実施した半導体レーザ装置と本実施形態によるマウント方法で作製された半導体レーザ装置双方において、良品となる半導体レーザ装置は、光出力３０ｍＷ固定、雰囲気温度６０℃、ＤＣ駆動、の条件下で、寿命が１００００時間以上となった。

尚、ｐ電極３０３については、上述した電極材料、厚さに限定されるものでは無く、第１の実施形態で示されている電極材料を用いても構わない。同様に、ｎ電極３０４についても、上述した電極材料、厚さに限定されるものでは無く、第１の実施形態で示されている電極材料を用いても構わない。

また、本実施形態ではハンダ材料として、Ａｕ−３０ＳｎとＩｎハンダを用いているが、これに限定されるものではなく、ハンダの種類は、半導体レーザ素子３０５とＡｌＮサブマント３１０との間を介するハンダの融点が、ＡｌＮサブマント３１０と支持基体１２０との間を介するハンダの融点と同じ値、もしくは、それより低ければ、ハンダ材料は他のものでも構わない。好ましくは、半導体レーザ素子３０５とＡｌＮサブマント３１０との間を介するハンダの融点が２４０℃以下のハンダを用いるとよい。またハンダ材料は、Ｉｎ系、Ｓｎ系、Ａｕ系、Ｐｂ系、Ｚｎ系等のいずれを用いても構わない。

また、本実施形態ではサブマントの材料としてＡｌＮを用いたが、ＡｌＮ以外にダイヤモンド、Ｓｉ、ＢＮ、Ｗ、Ｍｏ、ＳｉＣ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｕ-Ｗ、ＧａＡｓ等を用いても構わない。

また、ＡｌＮサブマウント３１０に形成される金属多層膜３１５ａ、３１５ｂ、１１５ｂは、通常、Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕが順に積層された構造をとるが、これに限定されるものではなく、Ｍｏ以外にＴｉ等を用いる構造でも構わない。

＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態を、図面を参照し説明する。図７は本実施形態における半導体レーザ装置の概略断面図である。尚、本実施形態における半導体レーザ素子の構成は、図２のような構成となるので、同一の符号を付し、その詳細な説明は第１の実施形態を参照するものとして、省略する。

以下に、半導体レーザ素子１０５のマウント方法を説明する。支持基体１２０上にシート状で融点２２０℃のＳｎＡｇＣｕハンダ５１３を設け、その上に、表面と裏面それぞれに金属多層膜１１５ａと１１５ｂが形成されるとともに、当該金属多層膜１１５ａの表面に融点２２０℃のＳｎＡｇＣｕハンダ５１２が蒸着されたダイヤモンドサブマント５１０を載せる。次にダイヤモンドサブマント５１０の上に、半導体レーザ素子１０５をｎ電極１０４側がダイヤモンドサブマント５１０に対向するように載置し、荷重を適宜加えながら、支持基体１２０とダイヤモンドサブマント５１０をＳｎＡｇＣｕハンダ５１２、５１３の融点よりも若干高い温度まで加熱する。引き続き、ＳｎＡｇＣｕハンダ５１２、５１３が溶けたところで、半導体レーザ素子１０５とダイヤモンドサブマント５１０とをＳｎＡｇＣｕハンダ５１２に、ダイヤモンドサブマント５１０と支持基体１２０とをＳｎＡｇＣｕハンダ５１３に、それぞれ、よく馴染ませ、ＳｎＡｇＣｕハンダ５１２、５１３が凝固し、半導体レーザ素子１０５と、ダイヤモンドサブマント５１０と、支持基体１２０とが固定され、マウント工程を終える。

半導体レーザ素子１０５はｐ電極１０３側を上にして、ダイヤモンドサブマント５１０上にはＳｎＡｇＣｕハンダ５１２が、支持基体１２０上にはＳｎＡｇＣｕハンダ５１３が介在されることにより、半導体レーザ素子１０５が支持基体１２０上に載置、固定されている。

ｐ電極１０３はワイヤ１１４ａを介してピン１１１と電気的に接続し、ｎ電極１０４はＳｎＡｇＣｕハンダ５１２及び金属多層膜１１５ａ及びワイヤ１１４ｂを介してピン１１６と電気的に接続されている。また、ピン１１１及びピン１１６は、支持基体１２０と電気的に絶縁された外部接続端子に接続されている。これにより、本実施形態の半導体レーザ装置に外部より電流が供給される。

図８に示すのは、本実施形態のマウント方法を用いて作製された２０個の半導体レーザ装置のマウント歩留まり評価結果である。作製された半導体レーザ装置をパルス駆動で特性評価を行い、閾値を測定した。本実施形態のマウント方法を用いた場合、マウント歩留りは９５％で、ショート素子は０個となる。図３の従来の技術による半導体レーザ装置と比べて、マウント歩留まりが改善されていることが分かる。又、本実施形態によるマウント方法で作製された半導体レーザ装置は、光出力３０ｍＷ固定、雰囲気温度６０℃、ＤＣ駆動、の条件下で、寿命が１００００時間以上となった。

尚、ｐ電極１０３については、上述した電極材料、厚さに限定されるものでは無く、第１の実施形態で示されている電極材料を用いても構わない。同様に、ｎ電極１０４についても、上述した電極材料、厚さに限定されるものでは無く、第１の実施形態で示されている電極材料を用いても構わない。

又、本実施形態ではハンダ材料として、ＳｎＡｇＣｕハンダを用いているが、これに限定されるものではなく、ハンダの種類は、半導体レーザ素子１０５とダイヤモンドサブマント５１０との間を介するハンダの融点が、ダイヤモンドサブマント５１０と支持基体１２０との間を介するハンダの融点と同じ値であれば、ハンダ材料は他のものでも構わない。またハンダ材料は、Ｉｎ系、Ｓｎ系、Ａｕ系、Ｐｂ系、Ｚｎ系等のいずれを用いても構わない。

又、本実施形態ではハンダ材料として、第１ハンダに融点２２０℃のＳｎＡｇＣｕハンダ５１２を、第２ハンダに融点２２０℃のＳｎＡｇＣｕハンダ５１３を用いているが、これに限定されるものではなく、このような半導体発光装置では、第１ハンダに融点２９０℃のＡｕ−３０Ｓｎハンダを、第２ハンダに融点２９０℃のＡｕ−３０Ｓｎハンダを用いても構わない。

又、支持基体１２０とダイヤモンドサブマント５１０間のＳｎＡｇＣｕハンダ５１３はシート状に限定されるものではなく、ハンダ箔を支持基体１２０に転写したものを用いても構わないし、ダイヤモンドサブマウント５１０上の金属多層膜１１５a、１１５ｂの両側にＡｎ―３０Ｓｎ、ＳｎＡｇＣｕ等が蒸着されたサブマウントを用いても構わない。

また、本実施形態ではサブマントの材料としてダイヤモンドを用いたが、ダイヤモンド以外にＳｉＣ、Ｓｉ、ＢＮ、Ｗ、Ｍｏ、ＡｌＮ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｕ-Ｗ、ＧａＡｓ等を用いても構わない。

また、ダイヤモンドサブマウント５１０に形成される金属多層膜１１５ａ、１１５ｂは、通常、Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕが順に積層された構造をとるが、これに限定されるものではなく、Ｍｏ以外にＴｉ等を用いる構造でも構わない。

第１の実施形態における半導体レーザ装置の概略断面図である。第１の実施形態における半導体レーザ素子の概略断面図である。第１の実施形態におけるマウント歩留まり評価結果である。第２の実施形態における半導体レーザ装置の概略断面図である。第２の実施形態における半導体レーザ素子の概略断面図である。第２の実施形態におけるマウント歩留まり評価結果である。第３の実施形態における半導体レーザ装置の概略断面図である。第３の実施形態におけるマウント歩留まり評価結果である。

符号の説明

１０１ＧａＮ基板
１０２積層体
１０３ｐ電極
１０４ｎ電極
１０５半導体レーザ素子
１１０ＳｉＣサブマウント
１１１ピン
１１２ＳｎＡｇＣｕハンダ
１１３Ａｕ−３０Ｓｎハンダ
１１４ａワイヤ
１１４ｂワイヤ
１１５ａ金属多層膜
１１５ｂ金属多層膜
１１６ピン
１２０支持基体
２０２ｎ型ＧａＮコンタクト層
２０３ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
２０４ｎ型ＧａＮガイド層
２０５ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層
２０６ｐ型ＡｌＧａＮ蒸発防止層
２０７ｐ型ＧａＮガイド層
２０８ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
２０９ｐ型ＧａＮコンタクト層
２１０絶縁膜
３０１サファイア基板
３０２積層体
３０３ｐ電極
３０４ｎ電極
３０５半導体レーザ素子
３１０ＡｌＮサブマウント
３１２ａＩｎハンダ
３１２ｂＩｎハンダ
３１３Ａｕ−３０Ｓｎハンダ
３１４ａワイヤ
３１４ｂワイヤ
３１５ａ金属多層膜
３１５ｂ金属多層膜
４０２ＧａＮバッファ層
４０３ｎ型ＧａＮコンタクト層
４０４ｎ型ＡｌＧａＮ多重量子井戸クラッド層
４０５ｎ型ＧａＮガイド層
４０６ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層
４０７ｐ型ＡｌＧａＮ蒸発防止層
４０８ｐ型ＧａＮガイド層
４０９ｐ型ＡｌＧａＮ多重量子井戸クラッド層
４１０ｐ型ＧａＮコンタクト層
４１１絶縁膜
４１２溝
５１０ダイヤモンドサブマウント
５１２ＳｎＡｇＣｕハンダ
５１３ＳｎＡｇＣｕハンダ

Claims

基板と当該基板上に複数の窒化物半導体層が積層されてなる窒化物半導体積層部を備えた半導体発光素子と、該半導体発光素子が搭載されるサブマントと、該サブマウントが搭載される支持基体とを備える半導体発光装置において、
前記半導体発光素子を前記サブマントに固定する第１ハンダと、
前記サブマントを前記支持基体に固定する第２ハンダと、を備え
前記第１ハンダの融点の値が、前記第２ハンダの融点の値より低い、もしくは同じであることを特徴とする半導体発光装置。
前記半導体発光素子が形成された前記基板が、窒化物系化合物半導体であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
前記第１ハンダの融点の値が、２４０℃以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光装置。
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の半導体発光装置の製造方法であって、
前記サブマントを前記支持基体にマウントした後に、前記サブマントに前記半導体発光素子をマウントすることを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
請求項１又は請求項２に記載の半導体発光装置の製造方法であって、
前記サブマントを前記支持基体にマウントする工程と、前記半導体発光素子を前記サブマントにマウントする工程を、同時に行うことを特徴とする半導体発光装置の製造方法。