JP2007035687A - 光半導体装置および光半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートシンク用金属層の金属（Ａｕ）とマウント用金属層の金属（Ｓｎ）との合金層の発生をなくし、信頼性の高い受発光一体型の光半導体装置を提供する。
【解決手段】ヒートシンク用金属層５の表面に生じる凹凸１１の深さよりも、バリアメタル層６の厚さの方が厚く形成されるように層形成条件を設定し、凹凸１１部分においてヒートシンク用金属層５の表面をバリアメタル層６から露出させないようにする。これにより、半導体レーザと受光素子をマウントするために、接着用として用いるマウント用金属層８であるＳｎメッキを熱により溶融し広がった状態でも、ヒートシンク用金属層５のＡｕとマウント用金属層８のＳｎとがバリアメタル層６のＴｉ層により分離され、Ａｕ−Ｓｎ合金層の異常な成長をなくすことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ピックアップに用いる半導体レーザと受光素子を一体にした、いわゆる受発光一体型の光半導体装置、および光半導体装置の製造方法に関するものである。

近年、ＤＶＤなどの光ディスクに用いる光ピックアップ装置は、再生用のものから記録も可能なものへと開発が進み、さらにポータブル化も進んでいる。それに伴い、半導体レーザの高出力化や、光ピックアップ装置の小型化が要求されてきている。

光ピックアップ装置の小型化の方法として、半導体レーザと受光素子を別々に組み立てる方法に対し、半導体レーザを受光素子上に直接マウントする、光学系の簡素化が可能な受発光一体型の光半導体装置を採用することの要望が高まっている。

前記半導体レーザをマウントする材料には、接着強度が高い鉛を含んだ、いわゆる半田メッキが用いられてきているが、環境面においては、鉛フリー化が重要な課題となっており、その対応が望まれる。

また、ＤＶＤなどの光ディスクに高速記録するため、半導体レーザの高出力化が必要であり、高出力に伴う発熱が半導体レーザにおける長寿命化の妨げとなるという問題が発生している。今後、より高速の記録が進むにつれ、さらに高出力のレーザが必要となり、受発光一体型光半導体装置において、放熱性を高めたヒートシンクも必要となっている。

図８は従来の半導体レーザと受光素子を一体型にした光半導体装置の構成を示す断面図である。

図８において、受光素子や処理回路を備えた半導体基板１に、半導体レーザ９と電気的に分離するために絶縁膜２を形成している。また、前記絶縁膜２上にヒートシンクとして用いる熱伝導率の高いヒートシンク用金属層５を電界メッキ法により選択的にメッキを成長させるために、電極板としての金属膜３，４を形成している。

さらに、半導体レーザ９をヒートシンク用金属層５にマウントするため、接着材料としてＳｎを含むマウント用金属層８を電解メッキ法により選択的に形成している。ただし、マウント用金属層８に含まれるＳｎが下部のヒートシンク用金属層５に拡散することを抑制するため、バリアメタル層６を形成し、バリアメタル層６の上に接着用メッキ層８と該バリアメタル層６を接続するために、さらに金属層７を形成している。

この光半導体装置は、半導体レーザ９からの出射光１０を垂直に立ち上げる機能を持ち、このような構成の光半導体装置が現在一般的に使用されている。

しかしながら、前記従来の光半導体装置において、半導体レーザ９をヒートシンク用金属層５に高い融点の材料を用いてマウントすることにより、半導体レーザ９に熱的ストレスが加わることによって生じる歪による特性劣化の課題から、マウント用金属層８としては、極力、低い融点の材料が望ましく、そのためＳｎを含んだ材料のものが採用されることが多い。

一方、ヒートシンク用金属層５の材料には、熱伝導率が高い材料としてＡｕなどの材料が用いられる。これらの材料を用い、半導体レーザ９をマウントする場合に、前記ＳｎのＡｕへの拡散を避けるため、特許文献１〜５などに記載されているバリアメタルなどの技術が用いられている。
特開平４−１９６１２９号公報 特開平６−３２６２１０号公報 特開平８−４５９３９号公報 特開平８−１２４９３０号公報 特開２００３−３１５７６号公報

ところが前記従来の技術では、ヒートシンク用金属層５の表面に生じる凹凸によって、バリアメタル層６のカバレッジが不足し、前記ＳｎとＡｕとが合金層を形成して成長することにより、半導体レーザ９のＰＮ接合まで到達し、これが原因して半導体レーザ９のショートなどの問題を発生させていた。

ただし、一般的に、半田メッキ層であるマウント用金属層８が２〜８μｍ、ヒートシンク用金属層５が５〜３０μｍ、半田メッキ形成時に電極用としているＡｕが６００ｎｍであるため、このＡｕと半田メッキ層では、Ａｕの総量がＳｎに対して少ないため合金層を作るが成長はしない。しかし、ヒートシンク層に用いるＡｕは約２０μｍ程度形成するため、このＡｕと半田メッキ間におけるバリアが重要な課題となる。

図９は図８の従来例における半田メッキ近傍のＡ部拡大断面図であり、ヒートシンク用金属層５としてＡｕをメッキ法を用いて形成しているが、このメッキ過程において、図示したように表面に凹凸１１が発生する。この凹凸１１を含みヒートシンク用金属層５のＡｕとマウント用金属層８のＳｎとが合金層を形成しないようにバリアメタル層６を形成するが、バリアメタル層６となる金属層が、凹凸１１の段差より薄い膜厚で形成されることにより、ヒートシンク用金属層５の表面を完全に被覆することができない部位１２が形成される。

図１０は図８の従来例と同様な構成のものにおいて、半田メッキ層であるマウント用金属層８を熱により溶融させ半導体レーザ９を搭載した状態を示す断面図であり、ヒートシンク用金属層５のＡｕとマウント用金属層８のＳｎとが、バリアメタル層６の被覆が不十分であったことが原因して、合金層１３ａ，１３ｂを形成し、それが成長することにより、半導体レーザ９においてＰＮ接合短絡や光出射の光軸のズレなどの不具合を発生させていた。

本発明は、前記従来の課題に鑑み、ヒートシンク用金属層の金属とマウント用金属層の金属との合金層の発生をなくし、信頼性の高い受発光一体型の光半導体装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の光半導体装置は、ヒートシンク用金属層の表面をバリアメタル層より露出させないように、ヒートシンク用金属層の表面に生じる凹凸の深さよりも、バリアメタル層の厚さを厚く形成したことを特徴とし、この構成によって、ヒートシンク用金属層の表面の前記凹凸をバリアメタル層にて完全に被覆するようにする。

本発明の光半導体装置の製造方法は、ヒートシンク用金属層とＳｎを含む金属層とをメッキ法により形成し、バリアメタル層をスパッタリングにて形成する。また、凹凸を平均化し段差を抑えるために、バリアメタル層を形成する前に、不活性ガスによるスパッタリングを施し、凹凸の凹部が開口方向に向って拡がる形状にしたり、あるいはヒートシンク用金属層におけるメッキ成長後、逆電界を印加する表面処理を施すことを特徴とする。

本発明によれば、半導体レーザと受光素子とを一体化する最も重要な接着部分を安定して形成することができ、しかも、様々な半導体レーザを搭載してもヒートシンク効果により、寿命を延ばすことができるなど、高信頼性で自由度の高い受発光一体型の光半導体装置を提供することができる。その結果、光ピックアップ装置の小型化および高性能化が実現する。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明に係る実施形態を説明するための受発光一体型光半導体装置の要部を示す断面図である。

図１において、受光部や信号回路部などを有する受光素子となる半導体基板１に、受光素子と半導体レーザを電気的に絶縁するための絶縁膜である窒化膜２を形成し、窒化膜２の表面に、電界メッキ法によるメッキ層を形成するための電極用金属層となるＴｉ３を５０ｎｍ〜５００ｎｍ成膜した後、同じく電極用金属層となるＡｕ４を成膜する。

前記電極用金属層となるＡｕ４の上にレジストでマスクをし、選択的に電界メッキにより放熱性の高い金属としてＡｕのヒートシンク用金属層５を１０μｍ形成する。本例では、この過程で発生したヒートシンク用金属層５表面の凹凸による段差が最高で１５０ｎｍ観察されたため、バリアメタル層６であるＴｉ層の膜厚を、マージンまで見込んで２００ｎｍと設定した。

さらに、半導体レーザを受光素子上にマウントするマウント用金属層８であるメッキ層を形成するために、バリアメタル層６上にＡｕの金属層７を６００ｎｍ形成し、この金属層７上に、マウント用金属層８として選択的にＳｎのメッキ層を４μｍ形成した。

図２は本実施形態の光半導体装置における半導体レーザマウント後を示す断面図である。本実施形態は半導体レーザ９からの出射光１０を垂直に立ち上げる機能を持っている。

本実施形態では、ヒートシンク用金属層５の表面に生じる凹凸の深さよりも、バリアメタル層６の厚さが厚く形成されるように層形成条件を設定したことにより、凹凸１１部分においてヒートシンク用金属層５の表面がバリアメタル層６より露出しない。

このため、半導体レーザ９と受光素子をマウントするために、接着用として用いたマウント用金属層８であるＳｎメッキを熱により溶融させ、それが広がった状態でも、Ａｕ層のヒートシンク用金属層５とマウント用金属層８とがバリアメタル層６のＴｉ層により分離され、実測においてもＡｕ−Ｓｎ合金層の異常な成長が全く見られず、半導体レーザのＰＮ短絡や光出射に対しても全く影響がないことが確認できた。

その結果、半導体基板１の受光素子に半導体レーザを搭載することが可能となり、ヒートシンク用金属層８の大きさを変えることにより、様々な放熱効果が得られ、受発光素子一体型の光半導体の受光素子と半導体レーザとの組み合わせの自由度が上がる。また、高信頼性であること、小型化に大きく貢献することはいうまでもない。同時に、ヒートシンク金属層８に適した金属がＡｕであり、Ｓｎを含む半田メッキによるマウントを可能にしたことにより、鉛を使用しない半田メッキの使用を可能にしたことは、環境面においても多大に貢献することができるといえる。

本実施形態において、ヒートシンク用金属層５表面の凹凸１１の形状が、その側壁が順テーパ（凹部の開口方向に向って拡がる）に近い形状であることが望ましいが、若干の逆テーパ（凹部の底面方向に向って拡がる）であっても十分改善される。しかし、非常に確率は低いが、図３に示すように、極度の逆テーパ１４が形成される場合もある。

このようにヒートシンク用金属層５に逆テーパ１４の凹凸１１が形成されると、バリアメタル層６の厚さを凹凸１１の段差と同等以上の厚みに設定しても、ヒートシンク用金属層５の逆テーパ部上端にバリアメタル層６の庇形状が形成されることになるため、この庇部分が、ヒートシンク用金属層５の表面段差部において、凹凸１１部分におけるバリアメタル層６の形成に対して影になるように作用し、バリアメタル層６の成長の妨げになってしまう。

このことは、バリアメタル層６の上部に半田メッキ用の金属膜７が形成されることにより、さらに増長される。結局、この形状ではヒートシンク用金属層５の表面をバリアメタル層６により完全に被覆することができない。このため、ヒートシンク用金属層５のＡｕとマウント用金属層８のＳｎが合金化するという既述した問題が生じることになる。

そこで、本発明に係る光半導体装置の製造方法の実施形態１においては、図４に示すように、ヒートシンク用金属層５の表面の凹凸１１部分に逆テーパ１４が発生した場合、不活性ガスであるＡｒガス１５によりスパッタリングを行うようにした。その結果、図５に示すようにヒートシンク用金属層５の凹凸１６における段差形状に逆テーパがなくなり、図１，図２にて説明したように、ヒートシンク用金属層５がバリアメタル層６で被覆することができた。このことにより、バリアメタル層６の薄膜化も可能となった。

図６，図７は本発明に係る光半導体装置の製造方法の実施形態２の説明図であり、本実施形態においては、メッキ槽１７における電解メッキ処理にてヒートシンク用金属層５を形成する際、半導体基板１，絶縁膜（窒化膜）２，電極用金属層であるＴｉ３，Ａｕ４の積層体を絶縁膜１８にて覆い、これを陰極１９にバイアスする。このとき、成長の均一性を得るために、Ａｕを含むメッキ液２１を介し、対向板を陽極２０に設定する。そして両極１９，２０に電位差を生じさせ、メッキ液２１中にＡｕを受光素子側（半導体基板１側）に成長させる。既述したヒートシンク用金属層５におけるＡｕ表面の凹凸は、この過程で形成される。

実施形態２では、前記凹凸の段差を緩和させる方法として、ヒートシンク用金属層５のＡｕメッキを所定の膜厚まで成長させた後、仕上げとして、図７に示すように、陰極１９／陽極２０を入れ替えるようにする。このことにより、成長したＡｕが、若干、メッキ液２１に溶融し、結果としてヒートシンク用金属層５表面の凹凸を緩和し、平坦化を図ることができる。

本発明は、半半導体レーザと受光素子を一体にした構成の光半導体装置に適用され、特に、その製造過程において、ヒートシンク用金属層上に半導体レーザ接着用メッキとしてのマウント用金属層が溶融して広がる領域における合金層の形成をバリアメタル層により抑制し、Ａｕを用いたヒートシンク用金属層上にＳｎを含むメッキ層のみにした場合でも、前記合金層が形成されない光半導体装置の提供を可能にする技術として有効である。

本発明に係る実施形態を説明するための受発光一体型光半導体装置の要部を示す断面図 本実施形態の光半導体装置における半導体レーザマウント後を示す断面図 凹凸部の逆テーパ形成を説明するための光半導体装置の断面図 本発明に係る光半導体装置の製造方法の実施形態１におけるスパッタリングの説明図 光半導体装置の製造方法の実施形態１における逆テーパ解消状態の断面図 本発明に係る光半導体装置の製造方法の実施形態２におけるメッキ処理の説明図 光半導体装置の製造方法の実施形態２におけるメッキ処理の説明図 従来の半導体レーザと受光素子を一体型にした光半導体装置の構成を示す断面図 図８の従来例における半田メッキ近傍のＡ部拡大断面図 従来例における合金層発生の問題を説明するための光半導体装置の説明図

符号の説明

１ 半導体基板
２ 窒化膜（絶縁膜）
３ 電極用金属層（Ｔｉ）
４ 電極用金属層（Ａｕ）
５ ヒートシンク用金属層（Ａｕ）
６ バリアメタル層（Ｔｉ）
７ 金属層（Ａｕ）
８ マウント用金属層（Ｓｎを含む半田メッキ層）
９ 半導体レーザ
１１，１６ 凹凸
１４ 凹凸部分の逆テーパ
１５ Ａｒガス
１７ メッキ槽
１８ 絶縁膜
１９ 陰極
２０ 陽極
２１ メッキ液

Claims (5)

1. 受光素子部を具備する半導体基板にヒートシンク用金属層を形成し、前記ヒートシンク用金属層上に半導体レーザを搭載するためＳｎを含んだ金属層を形成し、前記ヒートシンク用金属層と前記Ｓｎを含んだ金属層とが接触しないようにＳｎに対するバリアメタル層を形成してなる光半導体装置であって、
   前記ヒートシンク用金属層の表面を前記バリアメタル層より露出させないように、前記ヒートシンク用金属層の表面に生じる凹凸の深さよりも、前記バリアメタル層の厚さを厚く形成したことを特徴とする光半導体装置。
2. 前記ヒートシンク用金属層をＡｕとし、前記バリアメタル層をＴｉとしたことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
3. 請求項１または２記載の光半導体装置を製造する製造方法であって、前記ヒートシンク用金属層と前記Ｓｎを含む金属層とをメッキ法により形成し、前記バリアメタル層をスパッタリングにて形成することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
4. 請求項１または２記載の光半導体装置において、前記ヒートシンク用金属層の表面に生じる凹凸を緩和するための製造方法であって、前記バリアメタル層を形成する前に、不活性ガスによるスパッタリングを施し、前記凹凸の凹部が開口方向に向って拡がる形状にすることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
5. 請求項１または２記載の光半導体装置において、前記ヒートシンク用金属層の表面に生じる凹凸を緩和するための製造方法であって、前記ヒートシンク用金属層の表面を平坦化するために、前記ヒートシンク用金属層におけるメッキ成長後、逆電界を印加する表面処理を施すことを特徴とする光半導体装置の製造方法。

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