JP2006351847A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 チップ状態の半導体発光素子が、電気絶縁体を介して放熱体に固定されてなる半導体発光装置において、発光点位置の経時的変動や、半導体発光素子の寿命低下の問題を防止する。
【解決手段】 チップ状態の半導体発光素子１が、例えばサブマウントを構成する電気絶縁体２を介して放熱体３上に固定されてなる半導体発光装置において、電気絶縁体の厚さｔを、σ（ｔ）／σ（０）≦２．５×１０^-2となる範囲に設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体発光装置に関し、特に詳細には、チップ状態の半導体発光素子が電気絶縁体を介して放熱体上に固定されてなる半導体発光装置に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、４００ｎｍ近傍の波長のレーザービームを発する窒化物系化合物半導体レーザーが提供されている。

そして、この種の窒化物系化合物半導体レーザー等の半導体発光素子を実装する構造の一つとして、上記特許文献１にも示されているように、チップ状態の半導体発光素子をサブマウントに半田等で接着し、さらにこのサブマウントを放熱ブロック（キャリア、ステム等）に接着する、という構造が知られている。

また上記特許文献１には、チップ状態の半導体発光素子をサブマウントに対して、フェースダウン（ジャンクションダウン）構造で接着することも記載されている。なおこのフェースダウン構造とは、基板側ではなく、素子形成面側（ｐｎ接合側）を熱伝導率が大きい放熱用マウントに固定する構造である。
特開２００４−０９６０６２号公報

ところで、チップ状態の半導体発光素子をサブマウントを介して放熱ブロック上に固定する構造においては、サブマウントと接合されることによって半導体発光素子の発光層に大きな内部応力が発生すると、発光点位置が変動したり、あるいは寿命が短縮するといった問題が生じて、素子の経時信頼性が損なわれる。前述の特許文献１には、このような問題の発生を防止する上では、サブマウントの厚さを２００〜４００μｍの範囲に設定しておくことが望ましいとの記載がある。

しかし本発明者の研究によると、サブマウントの厚さを上記の範囲に設定しても、未だ半導体発光素子の経時信頼性を改善する余地が残っていることが判った。

本発明は上記の事情に鑑みて、発光点位置の経時的変動や、半導体発光素子の寿命低下の問題を十分に防止できる半導体発光装置を提供することを目的とする。

本発明による第１の半導体発光装置は、先に述べたようにチップ状態の半導体発光素子が、例えばサブマウント等を構成する電気絶縁体を介して放熱体上に固定されてなる半導体発光装置において、電気絶縁体の厚さが０．４ｍｍ以上とされていることを特徴とするものである。

また、本発明による第２の半導体発光装置は、同じくチップ状態の半導体発光素子が、電気絶縁体を介して放熱体上に固定されてなる半導体発光装置において、電気絶縁体が無い場合、電気絶縁体の厚さがｔである場合に半導体発光素子の発光層に発生する内部応力をそれぞれσ（０）、σ（ｔ）としたとき、電気絶縁体の厚さｔが、σ（ｔ）／σ（０）≦２．５×１０^-2となる範囲に設定されていることを特徴とするものである。

なお、本発明によるこれらの半導体発光装置においては、半導体発光素子が窒化物系半導体発光素子であり、電気絶縁体がＡｌＮからなるものであり、そして放熱ブロックがＣｕあるいはＣｕ合金からなるものであることが望ましい。

あるいは上記電気絶縁体は、シリコン、多結晶ダイヤモンド、窒化ホウ素、アルミナ、酸化ベリリュウムの何れかよりなるものも好適に用いることができ、その場合も、放熱体としてはＣｕあるいはＣｕ合金からなるものを適用するのが望ましい。

本発明者は、チップ状態の半導体発光素子が、電気絶縁体を介して金属製放熱ブロック上に固定されてなる半導体発光装置において、電気絶縁体の厚さを種々に変えたとき、半導体発光素子の発光層に発生する内部応力がどのように変化するかを、計算機により有限要素法を用いて詳しくシミュレーションした。

このシミュレーションに供した半導体発光装置の概略斜視形状を図１に示し、またその一部の平面形状と拡大斜視形状をそれぞれ図２および図３に示す。図中、１が窒化物系化合物半導体レーザー素子の一つであるＧａＮ系半導体レーザー素子（発振波長：４００〜４１０ｎｍ）、２が電気絶縁体であるＡｌＮからなるサブマウント、３がＣｕからなる放熱ブロックである。ここで図１および図２には、主要部の寸法をｍｍで表示してある。図３に示す通りＧａＮ系半導体レーザー素子１は、その発光部ＳをＡｌＮサブマウント２側に向けた、いわゆるフェースダウン構造で該ＡｌＮサブマウント２に接合した。なお、ＧａＮ系半導体レーザー素子１とＡｌＮサブマウント２は厚さ２μｍのＡｕ80Ｓｎ20半田（融点：２８０℃）により、またＡｌＮサブマウント２とＣｕ放熱ブロック３は厚さ10μｍのＡｕ80Ｓｎ20半田によりそれぞれ接合されている。また、シミュレーションに用いた上記各要素の定数を下の表１に示す。なお、この表１中、「活性層⊥」「活性層‖」はそれぞれ、活性層に直角な方向、活性層に平行な方向、ということを示している。ここで、内部応力σ（０）は、活性層内に発生する内部応力の最大絶対値を示す。またこの内部応力σ（０）は、ＧａＮ系半導体レーザー素子１とＡｌＮサブマウント２との線膨張係数差に相当する内部応力が、それらを接合するロウ材が固化する温度（２８０℃）から室温（２５℃）に戻ったときに発生するとして計算したものである。

以上説明した各要素の寸法および定数を用いて、有限要素法によりＧａＮ系半導体レーザー素子１の発光層全域の熱応力（内部応力）をＡｌＮサブマウント２の厚さｔ毎に求め、各厚さｔにおける最大応力σ（ｔ）を求めた。そして、ｔ＝０のときにＧａＮ系半導体レーザー素子１の発光層に発生する最大内部応力をσ（０）とし、規格化内部応力σ（ｔ）／σ（０）を求めた。このシミュレーション結果を図４に示し、またその一部を拡大したものを図５に示す。

これらの図４および図５から分かるように、ＡｌＮサブマウント２の厚さｔが０．４ｍｍ以上の範囲では、ＧａＮ系半導体レーザー素子１の発光層における内部応力が極めて小さくなる。本発明による第１の半導体発光装置では、この知見に基づいて電気絶縁体の厚さを０．４ｍｍ以上とするものであり、それにより半導体発光素子の発光層における内部応力を極めて小さく抑えて、発光点位置の経時的変動や、半導体発光素子の寿命低下の問題を十分に防止可能となる。

また上述の知見から、本発明による第２の半導体発光装置では、電気絶縁体の厚さｔを、σ（ｔ）／σ（０）≦２．５×１０^-2となる範囲に設定するものであり、そのようにした場合も上記と同様に、半導体発光素子の発光層における内部応力を極めて小さく抑えて、発光点位置の経時的変動や、半導体発光素子の寿命低下の問題を十分に防止可能となる。

一方、図４に「構成１」、「構成２」、「構成３」として示してある半導体発光装置、つまりＡｌＮサブマウント２の厚さｔを各々０．１ｍｍ、０．４ｍｍ、８．２５ｍｍとした半導体発光装置を複数ずつ作製し、それらの経時信頼性を寿命試験によって評価した。この寿命試験に先立ち、室温→２００℃（３０分）→室温の温度サイクル試験を実施して、このときの応力変化による素子疲労を与えた。この寿命試験では、環境温度２５℃において、各半導体発光装置のＧａＮ系半導体レーザー素子１を出力５０ｍＷとするＡＰＣ（Automatic Power Control）をかけて所定時間駆動し、その駆動時間内における単位時間当たりの駆動電流上昇値を求め、その値から、駆動電流が１０％上昇するところの時間を外挿推定して、これを寿命とした。

この寿命試験の結果を図６に示す。なお同図においては、厚さｔを横軸とし、また「構成１」の半導体発光装置の平均寿命を１として、それに対する相対的な素子寿命とその寿命分散を縦軸に示してある。この図６に示される通り、ＡｌＮサブマウント２の厚さｔ＝０．４ｍｍ、８．２５ｍｍである「構成２」「構成３」の半導体発光装置は、ＡｌＮサブマウント２の厚さｔ＝０．１ｍｍである「構成１」の半導体発光装置に比べ、平均寿命が約５倍向上、寿命分散は減少と、熱処理後の素子信頼性が著しく向上した。上記ｔ＝０．４ｍｍ、８．２５ｍｍは、σ（ｔ）／σ（０）≦２．５×１０^-２となる範囲にも含まれるのに対し、ｔ＝０．１ｍｍはσ（ｔ）／σ（０）＝２．５×１０^-１であるので、本発明によりＧａＮ系半導体レーザー素子１の発光層における内部応力が低く抑えられることが裏付けられた。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図７は、本発明の一実施の形態による半導体発光装置１０の正面形状を示すものである。図示されるようにこの半導体発光装置１０は、窒化物系化合物半導体レーザー素子の一つである例えばＧａＮ系半導体レーザー素子１がチップ状態で、電気絶縁体であるＡｌＮサブマウント２を介してＣｕ放熱ブロック３上に実装されてなるものである。

この実装は、詳しくは下記の通りにしてなされる。まず図８に示すように、ＡｌＮサブマウント２の下表面にＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層４が形成され、またその上表面には電極配線機能層としてのＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５および、濡れ改善層および高さ調整層としての段差を有するＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層６が形成される。ここで、本発明でいうところのサブマウントの厚さは、上記各層４〜６は含まない厚さ、つまり図８のｔ寸法である。

上記のように段差を有するＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層６は、例えば一様に厚く該メタライズ層６を形成した後、低くする部分をイオンミリングのようなドライプロセスあるいはエッチャントによるウェットプロセスによって除去する方法や、さらには、低くする方の層の高さ分だけメタライズした後、低くする部分をマスキングした上で再度メタライズする方法等を適用して形成することができる。

次いでＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層６の高い部分と低い部分に、それぞれパッド状のＡｕＳｎ半田（例えばＡｕ80Ｓｎ20半田）７，７を配置する。これらのパッド状ＡｕＳｎ半田７，７は例えば１５０×５００μｍの大きさに形成され、互いに例えば１０μｍの間隔を置いて配置される。そしてこれらのＡｕＳｎ半田７，７の上に、一例として概略４００×６００×１００μｍのサイズで、表面に電極層１ａ、１ｂが形成されているチップ状ＧａＮ系半導体レーザー素子１を配置し、３３０℃に加熱してＡｕＳｎ半田７，７を融解させることにより、該ＧａＮ系半導体レーザー素子１を電極層１ａ、１ｂ側からＡｌＮサブマウント２に接着固定する。

次いで、上表面にＡｕ／Ｎｉメッキ層８および濡れ改善層としてのＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層９が形成されているＣｕ放熱ブロック３の上にＡｕＳｎ半田１１を配置し、その上にＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層４を下にしてＡｌＮサブマウント２を配置し、３１０℃に加熱してＡｕＳｎ半田１１を融解させることにより、ＡｌＮサブマウント２をＣｕ放熱ブロック３に接着固定する。以上により、ＧａＮ系半導体レーザー素子１がＡｌＮサブマウント２を介してＣｕ放熱ブロック３に固定される。

本実施の形態においてＧａＮ系半導体レーザー素子１は、ＧａＮからなる基板側が上に位置する向きに配置され、素子形成面側（ｐｎ接合側）がＣｕ放熱ブロック３に固定されて、いわゆるフェースダウン構造で実装がなされる。

またこの構造において、ＧａＮ系半導体レーザー素子１の発光点は、図７においてＱで示す、ＡｌＮサブマウント２側に突出したリッジ部内にある。そしてＡｕＳｎ半田７、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層６およびＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５には、それらを分割する溝１２が形成され、ＧａＮ系半導体レーザー素子１はその発光部の直下に上記溝１２が位置するように接着される。

なおＧａＮ系半導体レーザー素子１のｎ側電極を、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層６の高い部分に対面する位置に形成するとともに、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層６の高い部分と低い部分とを互いに絶縁された状態に形成して、それらの両部分にそれぞれｎ側電極、ｐ側電極を導通させるようにしてもよい。また、電極配線機能を持たせるＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５以外のメタライズ層４，６および９は、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉに代えてＰｔ／Ｔｉから形成してもよい。

本実施の形態の半導体発光装置１０においてＡｌＮサブマウント２の厚さｔは、前述の０．４ｍｍとされている。それにより、ＧａＮ系半導体レーザー素子１の発光層における内部応力が低く抑えられ、また素子寿命が改善されることは、先に述べた通りである。

また本実施の形態の半導体発光装置１０は、ＡｌＮサブマウント２に対してＧａＮ系半導体レーザー素子１がフェースダウン構造で固定されていることにより、ＧａＮ系半導体レーザー素子１の基板側をＡｌＮサブマウント２に固定する場合と比べて該素子１の発光部がサブマウント２に、ひいては放熱ブロック３に対してより近接して位置するので、良好に放熱がなされるものとなる。

なお、ＧａＮ系半導体レーザー素子１が上述のようにして接着されたＡｌＮサブマウント２を、Ｃｕ放熱ブロック３の上に１列に並べて接着することにより、複数のＧａＮ系半導体レーザー素子１が並設されてなるアレイレーザー装置を形成することもできる。図９には、そのようなアレイレーザー装置の一例として、ＧａＮ系半導体レーザー素子１が７個並設されてなるものを示す。

このようなアレイレーザー装置において各ＧａＮ系半導体レーザー素子１から射出された光ビームを例えば合波用光学系に結合させるような構成においては、発光点位置の経時的変動が有ると、それによって結合効率が低下してしまう。そこで、発光点位置の経時的変動を前述の通りにして抑制できる本発明の構成をこの種のアレイレーザー装置に適用すれば、結合効率が低下することを防止できる。

また本発明は、窒化物系化合物半導体発光素子としてＧａＮ系半導体レーザー素子１等の窒化物系化合物半導体レーザーを用いる場合に限らず、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むその他の窒化物系化合物半導体発光素子を用いる場合にも同様に適用可能である。さらに、銅のみからなる前述の放熱ブロック３に代えて、テルル銅、銅タングステン（ＣｕＷ）からなる放熱ブロック等を採用することもできる。

さらに本発明は、例えば特開２００２−２０２４４２号公報に示されているように、パッケージの中に複数の半導体発光素子および、それらから発せられたレーザービームを１本の光ビームに合波結合する光学要素を収容してなる合波レーザーモジュールにおいて、パッケージの底板あるいはその上に接合されたベース板の上に放熱ブロックを接合し、その放熱ブロック上にチップ状態の半導体発光素子を固定したような構造に対しても適用可能である。すなわち、そのような構造において、上記パッケージの底板あるいはその上に接合されたベース板を上記銅、テルル銅あるいは銅タングステン等の金属から形成して放熱体とし、その上に接合される放熱ブロックおよびサブマウントをＡｌＮ等の電気絶縁体から形成し、その電気絶縁体の厚さｔを０．４ｍｍ以上とすれば、既に述べた通りの本発明による効果を得ることができる。

また、電気絶縁体はＡｌＮに限ることなくシリコン（Ｓｉ）、多結晶ダイヤモンド（Ｃ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化ベリリュウム（ＢｅＯ）を用いてそれらの厚みｔをσ（ｔ）／σ（０）≦２．５×１０^-2の範囲に設定すれば同様な効果を達成できる。

本発明による半導体発光装置の基本的な構造を示す概略斜視図 上記半導体発光装置の一部を示す平面図 上記半導体発光装置の一部を示す拡大斜視図 サブマウントの厚さと、半導体発光素子の発光部に生じる内部応力との関係を示すグラフ 図４のグラフの一部を拡大して示すグラフ 本発明の半導体発光装置と従来の半導体発光装置の素子寿命特性を比較して示すグラフ 本発明の一実施の形態による半導体発光装置を示す正面図 図７の半導体発光装置の一部を示す斜視図 図７の半導体発光装置を用いたアレイレーザー装置の一例を示す正面図

符号の説明

１ ＧａＮ系半導体レーザー素子
２ ＡｌＮサブマウント
３ Ｃｕ放熱ブロック
４、５、６、９ Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層
８ Ａｕ／Ｎｉメッキ層
７、１１ ＡｕＳｎ半田
１０ 半導体発光装置

Claims (5)

1. チップ状態の半導体発光素子が、電気絶縁体を介して放熱体上に固定されてなる半導体発光装置において、
   前記電気絶縁体の厚さが０．４ｍｍ以上とされていることを特徴とする半導体発光装置。
2. チップ状態の半導体発光素子が、電気絶縁体を介して放熱体上に固定されてなる半導体発光装置において、
   前記電気絶縁体が無い場合、前記電気絶縁体の厚さがｔである場合に前記半導体発光素子の発光層に発生する内部応力をそれぞれσ（０）、σ（ｔ）としたとき、
   前記電気絶縁体の厚さｔが、σ（ｔ）／σ（０）≦２．５×１０^-2となる範囲に設定されていることを特徴とする半導体発光装置。
3. 前記半導体発光素子が窒化物系半導体発光素子であり、前記電気絶縁体がＡｌＮからなるものであり、前記放熱体がＣｕあるいはＣｕ合金からなるものであることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光装置。
4. 前記電気絶縁体が、シリコン、多結晶ダイヤモンド、窒化ホウ素、アルミナ、酸化ベリリュウムの何れかよりなることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光装置。
5. 前記放熱体がＣｕあるいはＣｕ合金からなるものであることを特徴とする請求項４記載の半導体発光装置。

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