JP2008047761A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶融半田の隣接電極への接触を防止した半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】レーザの発光点がアレイ上に配列された半導体レーザ素子の複数の電極面とサブマウントの複数の半田面とが接合する部分において、半導体レーザ素子の共振器の長手方向に少なくとも1つ以上の半田面を有し、アレイ方向には、隣接する半導体レーザ素子の電極に接合する半田面が、隣接しないよう共振器の長手方向にずらして形成されていることを特徴する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザ装置に係り、特に複数のレーザを発光する半導体レーザレイ素子の接合構造に関するものである。

従来、半導体レーザ素子は、例えばＧａＡｓからなる半導体基板の主面に互いに分離領域で電気的に分離された複数の半導体レーザ部がアレイ状に形成され、その半導体基板の主面側を下にしてサブマウントの主面の素子搭載領域上に搭載される。サブマウントの素子搭載領域には、半導体レーザ素子のそれぞれの素子の電極と対向した位置に複数の電極が配置されている。

そして、その複数の電極の夫々の主面上には半田層が形成される。つまり、サブマウントの素子搭載領域上に配置された複数の電極の夫々には、半田層を介在して半導体レーザ素子の複数の電極が、サブマウントに配置された所定の対応する電極上に電気的且つ機械的に接続される。

前記サブマウントの素子搭載領域と異なる他の領域上には、複数のボンディングワイヤ接続のためのボンディングパッドがワイヤ装着時にワイヤがレーザ光を遮断しない位置に形成されている。それらが、ボンディングワイヤの他端側を素子パッケージのフランジを貫通して設けられ、フランジとは電気的に分離された複数のリードの一端側にそれぞれ接続することによりパッケージ外部からの素子への通電を可能にしている。

上述の半導体レーザ素子の組立プロセスにおいて、サブマウントの素子の搭載領域上に配置された複数の電極の夫々に半田層を介在して、半導体レーザ素子の複数の電極の夫々を接続する際には、チップを過熱溶融した半田に一定以上の圧力をもって押し付ける。このため溶融半田層内に圧力が発生する。このような圧力は通常半田パターンの端での溶融半田の表面張力と釣り合っているが、半田パターンの端に基板面の微細な凹凸や半田パターンの凹凸等の撹乱要因があるとその部分の表面張力が弱くなり、溶融半田がはみ出す原因となる。

このようなはみ出した溶融半田が隣接の電極に接触し、隣接する電極間が短絡し、半導体レーザ素子の組立プロセスでの歩留まりが低下するという問題が発生する。そのため特開２００２−３４４０６１公報記載においては、サブマウントの半田層が、前記半導体レーザ素子の光共振器の長手方向の少なくとも一方の端面より当該光共振器の外部に延在した部分を有しており、これによって半導体レーザ素子を押し付けることにより排除された半田を光共振器の長手方向に逃がすことにより、隣接する電極間の短絡を防止する方法が提案されている。

特開２００２−３４４０６１号公報

上述した方法においては、半導体レーザ素子の光共振器の長手方向に、サブマウントの半田層が、半導体レーザ素子の端面より外部に延在しているため、半導体レーザ素子の光共振器の長手方向に対して、ボンディング時の温度分布が均等に発生していれば、半田は容易に長手方向に逃がすことが可能である。

しかし、実際のボンディング時には、半導体レーザ素子の中央部と端部では温度分布が異なり、半田層の長手方向で半田が溶融するタイミングが異なってくる。ここで、半田層の中央近傍が早く溶け出すと、半導体レーザ素子の複数の電極の夫々を接続する際に半田に一定以上の圧力をもって押し付けているため、中央部の溶融半田の逃げ場が無くなり、溶融半田が表面張力に勝てずはみ出す原因となる。

また、他の考える要因として、半田の溶融温度より更に温度を上げた設定でボンディングを実施した場合、半田の熱による膨張力が半田の表面張力を上回り、半田に一定以上の圧力をもって押し付けているため、はみ出す原因となる。このようなはみ出した溶融半田が隣接の電極に接触し、隣接する電極間が短絡して、半導体レーザ素子の組立プロセスでの歩留まりが低下するという問題が発生する。

本発明の目的は、ボンディング時の温度分布のバラツキにより発生した溶融半田の隣接電極への接触を防止した半導体レーザ装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、レーザの発光点がアレイ上に配列された半導体レーザ素子の複数の電極面とサブマウントの複数の半田面とが接合する部分において、前記半導体レーザ素子の共振器の長手方向に少なくとも１つ以上の半田面を有し、アレイ方向には、隣接する前記半導体レーザ素子の電極に接合する半田面が隣接しないよう共振器の長手方向にずらして形成されていることを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、レーザの発光点がアレイ上に配列された半導体レーザ素子の複数の電極面とサブマウントの複数の半田面とが接合する部分において、前記半導体レーザ素子の共振器の長手方向に半田面を有し、アレイ方向には、隣接する半導体レーザ素子の電極に接合する半田面が交互に大きさが異なるように形成されていることを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、前記請求項１または２記載の発明において、前記半導体レーザ素子の電極面の巾が接合するサブマウントの半田面の最大巾より狭いこと特徴とするものである。

本発明によれば、ボンディング時の溶融半田による隣接電極への接触を避け、組立プロセスの歩留まりを向上できる半導体レーザ装置を得ることが可能となる。

以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明する。図１は第１の実施例の半導体レーザ装置の光の進行方向に交差する面での断面図、図２は半導体レーザチップがフェイス・ダウンにて、チップ保持部材に搭載される状態を示している図、図３は本実施例の半導体レーザチップの主要部の平面図、図４は本実施例の半導体レーザチップを搭載する保持部材の平面図である。

本実施例を要約すれば、次のようにいうことができる。即ち本実施例は、半導体基板の主面に分離領域で互いに分離された複数の半導体レーザがアレイ状に配置され、この複数の半導体レーザの夫々の主面上にそれぞれの電極が配置された半導体レーザ素子が、サブマウントの素子塔載領域上に塔載され、前記素子塔載領域上に分離領域で互いに分離されて配置された複数の電極および半田層を介在して前記半導体レーザ素子の複数の電極のそれぞれが対応するサブマウントの電極のみと接続された多素子半導体レーザにおいて、半導体レーザ素子の共振器の長手方向に少なくとも１つ以上の半田面を有し、アレイ方向には、隣接する半導体レーザ素子の電極に接合する半田面が、隣接しないよう共振器の長手方向にずらして形成されていることを１つの特徴としている半導体レーザ装置である。

また、半導体レーザ素子の電極面の巾が、接合するサブマウントの半田面の最大巾より狭いこと特徴としている半導体レーザ装置である。

当該半導体レーザ装置はベース基板及び封止用キャップで形成されるパッケージ内に気密封止される。

図１及び図２を参酌して、第１の実施例に係る半導体レーザ素子の構成を説明する。

図２の（ａ）の部分は、本例の半導体レーザ装置部の断面図である。本例の半導体レーザ装置においては、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層（Ｓeドープ、ｐ＝１ｘ１０１８ｃｍ−３、１．８μｍ）１０２、多重量子井戸活性層１０３、ｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層（Ｚｎドープ、ｐ＝７ｘ１０１７ｃｍ−３、１．６μｍ）１０４、および厚さ約０．２μｍのｐ型ＧａＡｓキャップ層（Ｚｎドープ、ｐ＝１ｘ１０１９ｃｍ−３、０．２μｍ）１０５の各層が、通例の方法によって順次結晶成長される。

多重量子井戸活性層１０３は、３層のＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐウエル層（厚さ７ｎｍ）とこれを挟む４層の（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐバリア層（厚さ４ｎｍ）よりなっている。尚、これら各層の詳細の図示は省略されている。ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０５及びｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１０４は、ＳｉＯ２膜をマスクとして幅４μｍのストライプ状領域１０６をのぞき、ｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１０４を厚さ０．３μｍ程度残して化学的に除去される。前記ストライプ状領域１０６は、図２の紙面に垂直な方向に形成されている。即ち、レーザ光の進行方向に前記ストライプ状領域１０６が形成されている。更に、前記のＳｉＯ２膜をマスクとしてn−ＧａＡｓ１０７を前記ストライプ状領域１０６の両側部に選択成長する。更に、前記ＳｉＯ２膜を除去した後に、ｐ−ＧａＡｓ１０８を再成長することにより、本例のレーザ構造が形成される。

本例では、単一チップ上に８素子のレーザ素子１０〜１７が形成され、それぞれのレーザ素子１０〜１７の間には分離溝１０９が設けられる。この分離溝１０９は、ｐ−ＧａＡｓ層及びｎ−ＧａＡｓ層を化学エッチングにより除去して形成される。分離溝１０９により分離されたｐ−ＧａＡｓ層１０８の上に、それぞれの素子１０〜１７ごとに独立した表面金電極１１０が設けられており、それぞれの素子１０〜１７に独立に電流を供給することができる。表面電極以外の半導体結晶表面は酸化シリコン膜１１１によって覆われており、素子の表面保護及び短絡防止されている。分離溝１０９及び表面金属電極１１０はそれぞれ幅１０μｍ及び２０μｍの帯状のパターンに形成されている。

次に、この半導体ウエハを裏面から機械的研磨および化学エッチングにより厚さ１００μｍまで研削した後、裏面電極１１２を設けた。以上のようにして形成した半導体ウエハを、図３に示すレーザ共振器１１３に直交する方向の幅を６００μｍ、レーザ共振器１１３と同一の方向の長さ３００μｍに分割してレーザチップ１１４を得ることが出来る。

図３は、このレーザチップ１１４の主要部の平面構成を示している。光共振器を構成するストライプ部１１３は８本配置され、このストライプ部１１３に対応した表面金電極１１０が配置されている。

以上のように形成した半導体レーザチップ１１４を、保持部材、即ちサブマウントに主面を下向きに組立てた。図２がこの組立時の状態を示している。図２（ｂ）がその断面図、図４がその平面図である。

サブマウントの主面の例は、図４のような平面構成を有している。板状の窒化アルミニウム１１５に、金を主材料とする厚さ０．３μｍの電極１３１及び金と錫の合金からなる厚さ２μｍ〜３μｍの半田１４０〜１４７が設けられている。前記各電極にはボンディングパッド１２０が設けられている。図４の電極１３１の一部に四角形部分がこのボンデイング領域である。尚、図５および図６においても同様である。こうしたサブマウントに、半導体チップの主面を下向きにして、当該半導体レーザ装置を組立てた。組立ては図２に示すようにサブマウントを摂氏２８０度に加熱して半田１４０〜１４７を溶融させ、半導体レーザチップ１１４の接合面を１グラムの荷重でこれに押し付けることにより行った。

サブマウント上の半田パターンのうち４本のレーザ素子に対応する半田１４０、１４２、１４４、１４６は、アレイ状半導体レーザの共振器１１３の方向と略平行な帯状の形状を有し、中央近傍が両端部より細く（５〜１０μｍ）なっている。共振器方向の長さは、半導体レーザの共振器１１３の長さより４０μｍ以上長く形成されている。レーザチップ１１４の接着の位置合わせ誤差が、約１０μｍあるので、接着時には半田パターンがチップの下から共振器方向に５μｍ〜３５μｍ出るようにチップの融着位置を定めた。

以上に述べた４本の共振器３０、３２、３４、３６（図３参照）以外の共振器３１、３３、３５、３７（図３参照）に関しては、半田１４１、１４３、１４５、１４７が前記した中央近傍の細くなった半田部以外の部分で細く（５〜１０μｍ）、本実施例では、共振器１１３方向の上下が細くなっている。つまり、半田１４０〜１４７は、隣接する半田面が交互に細くなったり太くなったりの千鳥パターンを形成しており、しかも、隣接する細い部分は太い部分より少なくとも共振器方向に対して長く（１０μｍ以上）なっている。図４の半田パターンの効用については後述する。

図５は、本例でのサブマウントの半田パターンと半導体レーザの共振器の関係を示す図である。４つの半導体レーザの共振器２０〜２３が、各半田パターンに対応する。図６は、これに対応したレーザチップの位置関係を示している。図３と図５を参酌すれば、本関係は容易に理解されるであろう。

以上に述べたサブマウントの素子塔載領域と異なる他の領域上には、複数のボンディングワイヤ接続のためのホンディングパッド１２０が、ワイヤ装着時にワイヤがレーザ光を遮蔽しない位置に形成されている。ボンディングワイヤの他端側を素子パッケージのフランジを貫通して設けられ、フランジとは電気的に分離された複数のリードの一端側にそれぞれ接続することにより、パッケージの外部から素子への通電を可能としている。

図７に、図４のサブマウントにレーザチップを接着する際の電極及びチップの位置関係の詳細を示す。図７は図４における半田パターン１４２、１４３に対する位置関係を例示している。各図において、半導体チップの端部を符号１２２、レーザ共振器を１１３として示した。

図７において、チップ融着時にチップの下から押し出される半田の盛り上がりによりレーザ光が遮光されないように、チップの下から出る半田のパターン１５０は、チップ端面１２２では、接着される位置の近傍において、レーザ共振器１１３からずらして形成されている。これによりチップ接着時の溶融半田への加圧によりチップ下から排除された半田は共振器の軸、即ちレーザ光が通過する領域からはずれた位置に排出されることになる。

また、チップと融着する細い半田面１５１は、太い半田面１５２に比べ十分に細く、太い部分と隣接する位置に形成され、細い半田面１５１は、太い半田面１５２より、共振器の長手方向に対し十分長くなっている。これにより隣接の半田面との絶縁距離が十分に確保され、チップ接着時の溶融半田への加圧により太い半田面１５２から排除された半田が、一部は細い半田面１５１に流れた後に横方向へ、一部は太い半田面１５２から横方向に流れて行く。この時、横方向の絶縁距離は十分確保されているので、隣接する電極間の短絡は発生しない。

図７での矢印はこの溶融半田の流れを示している。隣接する電極同士の間でこの様な半田パターンがずれた領域を設ける場合、これに対応して隣接電極の半田パターンがずれた領域と隣接する部分の電極パターンを細くさせることが電極間の間隔を十分に確保するために有効である。

以上に述べたような半田の排出による電極間の短絡防止のためのパターンは半導体レーザチップとの接着領域で、隣接する半田面が交互に細くなったり太くなったりするパターンを設けることがより有効であった。パターンにおける微細化サブマウント面積の節減のため、これらのパターンを当該装置の要求に応じて組み合わせて用いることが有効である。

図８は、中央の盛り上がった構造の例を示す第２の実施例の半導体レーザ装置の断面図である。この構造はｎ型ＧａＡｓ基板１０１上にｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層（Ｓeドープ、ｐ＝１ｘ１０１８ｃｍ−３、１．８μｍ）１０２、多重量子井戸活性層１０３、ｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層（Ｚｎドープ、ｐ＝７ｘ１０１７ｃｍ−３、１．６μｍ）１０４、および厚さ約０．２μｍのｐ型ＧａＡｓキャップ層（Ｚｎドープ、ｐ＝１ｘ１０１９ｃｍ−３、０．２μｍ）１０５が順次結晶成長される。多重量子井戸活性層は３層のＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐウエル層（厚さ７ｎｍ）と、これを挟む４層の（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐバリア層（厚さ４ｎｍ）よりなっている。

こうして形成した半導体積層体より、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０５及びｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１０４は、ＳｉＯ２膜をマスクとして、幅３μｍのストライプ状領域１０６を残して、ｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１０４を厚さ０．３μｍ程度残して化学的に除去してリッジ型構造を作成した。尚、前記ストライプ領域の軸は、前記の例と同様、紙面と交差する方向である。そして、このリッジ構造の上面を除いて、パッシベーション膜の酸化シリコン膜１１１を被着した。単一チップ上に、以上のようなリッジ状のレーザ素子が８素子（２０〜２７）形成され、それぞれのレーザ素子２０〜２７には電気的に相互に分離された金電極１１０が設けられている。

以上のようにして作成した半導体レーザは、機械的研磨および化学エッチングにより基板の裏面から厚さ１００μｍまで研削した後、裏面電極１１２を設け、レーザ共振器１１３に直交する方向の幅を６００μｍ、レーザ共振器１１３と同一の方向の長さ３００μｍに分割してレーザチップ１１４を得た。このレーザチップ１１４の平面構成は図３と同様である。

この素子を接着するサブマウントの電極及び半田パターンは、図４に示した場合と同じなので説明は省略するが、これにより素子組立工程の歩留まりを大幅に向上できた。

次に本願発明を適用可能なアレイ型半導体レーザ素子部の間隔とその時の半導体レーザの電極及び半田パターンの寸法例について説明する。

半導体レーザの帯状の電極及び分離溝の幅をそれぞれａ、ｂとし、サブマウントの半田パターンと分離溝の幅をそれぞれｘ、ｙ、ｚとする。図２に各幅を図示した。これらのａ、ｂ、ｘ、ｙ、ｚの間には以下の関係が必要と考えられる。アレイピッチｄがレーザチップとサブマウントで一致することから、次式を得る。
ａ＋ｂ+ｃ＝（ｘ＋ｙ）／２＋ｚ＝ｄ・・・（式１）
半導体レーザのへき開位置の誤差と組立て時の位置合わせの誤差がそれぞれ±５μｍ程度あるので、合わせ位置が５μｍずれても、電極と半田面が接着できるためには次の式を得る。ここで、ｘ＞ｙの関係がある。
ａ＋５≦ｘ・・・（式２）
ａ≧ｙ＋５・・・（式３）
半田の厚さは均一な接合を得るためには２μｍ以上必要であるが、５μｍ以上になると半田面１５１、１５２から押し出される半田の量が多くなりすぎ、本願発明を用いてもはみ出し半田により隣接の電極間が接触する恐れがあるので、半田厚さの最適範囲は２μｍから５μｍである。この厚さの半田に再現性よくパターンを形成するためには半田のパターンの間隔Ｚは１０μｍ以上必要と考えられる。従って次の関係となる。
ｚ≧１０・・・（式４）
前記式２〜４から本願発明は、アレイ間隔３０μｍまでのアレイ素子に十分適用可能であり、この時の半導体レーザの電極の幅は次の関係を有する。
ａ≦ｄ＋ｚ−３０・・・（式５）
尚、実施例においては、２つの半田パターンを例示したが、本願発明の趣旨にかなう他の諸形態を用いることが出来ることはいうまでもない。

本発明の実施例では細い半田面１５１を用いて説明したが、この細い部分を半田を設けず電極パターンで形成することで、細い部分からの半田のはみ出しが無くなるため、更に短絡の防止を避けることが可能である。

本発明の効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。半導体レーザ素子が組み込まれる半導体レーザ素子において、半田に起因する電極間の短絡を防止し、組立プロセスでの歩留まりを高めることができる。また、電極間の短絡を防止し、前記半導体レーザ素子の組立プロセスでの歩留まりを高める半導体レーザ素子を提供できる。

図９に本発明と比較するため、従来の半田パターン２１７とレーザ共振器の軸２１３の関係を示す。図は２つの共振器についてのみ示している。図において、符号２２２はレーザチップの端面、２２４は偶発的な半田のはみ出し部である。本発明のように半導体レーザ素子の電極あるいは半田層が当該半導体レーザチップより大きい領域をもたない場合、溶融半田の偶発的な半田のはみ出し部２２４によって並置された２つの半田パターン２１７が電気的に接触する不具合が発生する。

本発明の一実施例である半導体レーザ装置の光の進行方向と交差する面での断面図である。 本発明の一実施例である半導体レーザ装置の組立て時を例示する断面図である。 本発明の半導体レーザチップの主要部の平面図である。 本発明の半導体レーザチップを接着するサブマウントの平面図である。 本発明のサブマウントと半導体レーザチップの電極の位置関係を示す図である。 本発明のサブマウントと半導体レーザチップの位置関係を示す図である。 本発明のサブマウントの半田パターンの一例を示す平面図である。 本発明の第２の実施例である半導体レーザ装置の光の進行方向と交差する面での断面図である。 従来の半導体レーザレイ接着用半田パターンの例を示す平面図である。

符号の説明

１０１…ｎ型半導体基板、１０２…ｎ型クラッド層、１０３…多重量子井戸活性層、１０４…ｐ型クラッド層、１０５…ｐ型キャップ層、１０６…ストライプ状領域、１０７…n−ＧａＡｓ、１０８…ｐ−ＧａＡｓ、１０９…分離溝、１１０…表面金電極、１１１…酸化シリコン膜、１１２…裏面電極、１１３…レーザ共振器、１１４…レーザチップ、１１５…窒化アルミニウム、１２０…ボンディングパッド、１２２…チップ端面、１３１…電極、１４０〜１４７…半田、１５０…チップ下から出る半田のパターン、１５１…細い半田パターン、１５２…太い半田パターン。

Claims (3)

1. レーザの発光点がアレイ上に配列された半導体レーザ素子の複数の電極面とサブマウントの複数の半田面とが接合する部分において、前記半導体レーザ素子の共振器の長手方向に少なくとも１つ以上の半田面を有し、アレイ方向には、隣接する前記半導体レーザ素子の電極に接合する半田面が隣接しないよう共振器の長手方向にずらして形成されていることを特徴としている半導体レーザ装置。
2. レーザの発光点がアレイ上に配列された半導体レーザ素子の複数の電極面とサブマウントの複数の半田面とが接合する部分において、前記半導体レーザ素子の共振器の長手方向に半田面を有し、アレイ方向には、隣接する半導体レーザ素子の電極に接合する半田面が交互に大きさが異なるように形成されていることを特徴としている半導体レーザ装置。
3. 請求項１または２記載の半導体レーザ装置において、前記半導体レーザ素子の電極面の巾が接合するサブマウントの半田面の最大巾より狭いこと特徴とする半導体レーザ装置。
   

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