JP2009064961A - 半導体レーザ装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体レーザ装置およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】高品質の半導体レーザ装置および容易かつ高精度に半導体レーザ装置を製造することができる製造方法を提供すること。
【解決手段】互いに平行な表面および裏面を有しかつ可視光透過率６０％以上を有するサブマウント２０Ａと、該サブマウント２０Ａの前記表面に接続電極を介して実装されて前記表面に対して平行方向のレーザ光を出射可能な半導体レーザ素子１Ａとを備えたことを特徴とする半導体レーザ装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ装置およびその製造方法に関し、詳しくは、複写機、レーザビームプリンタなどのＯＡ機器や、光ファイバ通信、光計測システムあるいは光ディスクなどの光情報処理機器に用いられる半導体レーザ装置およびその製造方法に関する。
近年、半導体レーザ装置を備えたＯＡ機器や光情報処理機器は、動作の高速化および情報処理の大容量化が要求されており、そのため複数のレーザ光を照射可能なマルチビーム半導体レーザ素子（以下、マルチレーザまたはレーザチップと称する場合がある）の使用が提案されている（例えば、特許文献１、２および３参照）。
マルチレーザは、半導体基板上にそれぞれ電気的に分離されてストライプ状に形成された複数の発光部を有すると共に、各発光部の表面および発光部とは反対側の基板裏面に形成された第１電極および第２電極を有している。そして、マルチレーザは、各発光部が独立して駆動できるよう、図６〜図１０に示すような電極構造や実装方式によってサブマウント（ヒートシンクとも称する）へ実装されてパッケージに搭載される。
サブマウントは、主にレーザチップから発する熱を吸収して外部に放出する放熱部材として用いられている。また、レーザチップを搭載するパッケージでは、搭載部に数μmオーダーでの凹凸平坦性を求めることが困難であることや、その一部にレーザチップへの熱歪の掛かりにくい部材（レーザチップの材質と同等の熱膨張係数を持った部材）を採用することが難しいため、レーザチップは一般にサブマウントを介してパッケージに搭載される。したがって、サブマウントは、放熱性が優れ、低価格化、レーザチップの材料と近い熱膨張係数であることが一般に求められており、一般的にＳｉ、ＡｌＮ、ＳｉＣといった材料から形成されている。
図６は、いわゆるジャンクションアップ方式でマルチレーザをサブマウントへ実装した状態を示している。この場合、マルチレーザ１１０は、半導体基板１１１上にストライプ状に形成された複数の発光部１１２の表面に第１電極１１３が形成されると共に、半導体基板１１１の裏面全体に第２電極１１４が形成されている。また、サブマウント１１６は、表面（上面）全体に接続電極１１７が形成されている。
ジャンクションアップ方式では、半導体基板１１１側の第２電極１１４をサブマウント１１６上の接続電極１１７とろう材を介して電気的に接続する。また、各第１電極１１３は、図外の外部回路とワイヤ１１８を介してワイヤボンディングにより電気的に接続される。
図７もジャンクションアップ方式でマルチレーザをサブマウントへ実装した状態を示している。この場合、マルチレーザ２１０は、スプライト状の複数の発光部２１２の両側に複数の第１電極２１３に対応する複数のボンディングパッド２１５が形成されると共に、各ボンディングパッド２１５と各第１電極２１３とを接続する接続配線２１５ａが形成されている。これらの接続配線２１５ａのうち、接続すべきでない第１電極２１３と接続電極２１５ａとの間には絶縁膜が設けられている。そして、各ボンディングパッド２１５は、図外の外部回路とワイヤ１１８を介してワイヤボンディングにより電気的に接続される。なお、図７において、符号２１４は第２電極を表し、図６に示した構成要素と同様の構成要素には同一の符号を付している。
図８は、いわゆるジャンクションダウン方式でマルチレーザをサブマウントへ実装した状態を示している。なお、図８において、図６に示した構成要素と同様の構成要素には同一の符号を付している。
この場合、図６で説明したマルチレーザ１１０が用いられる。一方、サブマウント３１６は、その表面の実装領域にマルチレーザ１１０の複数の第１電極１１３が並列している間隔と同じ間隔で複数の接続電極３１７がストライプ状に形成されると共に、実装領域以外の領域に複数のボンディングパッド３１８および各ボンディングパッド３１８と各接続電極３１７とを接続する接続配線３１９が形成されている。
ジャンクションダウン方式では、マルチレーザ１１０の各第１電極１１３を各接続電極３１７とろう材を介して電気的に接続する。また、各ボンディングパッド３１８は、図外の外部回路とワイヤ１１８を介してワイヤボンディングにより電気的に接続される。
特開２００２−３７４０２９号公報 特開２００４−３５６５８６号公報 特開２００５−４５１４６号公報
図６に示したジャンクションアップ方式の場合、複数の第１電極１１３のそれぞれがワイヤボンディングされるため、第１電極１１３の幅は少なくともワイヤボンドボールがはみ出さない寸法分必要である。例えば、ワイヤ１１８の直径が一般的な２５μmとした場合、ワイヤボンドボールのサイズはその３〜４倍の７５μm以上であるため、第１電極１１３の幅は少なくとも７５μｍ必要となる。例えばレーザビームプリンタでは、高速化するために、発光点間隔が狭く、より多くの発光点を持つ半導体レーザ素子が求められているが、上述のように第１電極１１３がワイヤボンドボールのサイズに制約される図６のジャンクションアップ方式は理想的な実装方式とは言えない。
図７に示したジャンクションアップ方式の場合、第１電極２１３に直接ワイヤボンディングをすることがないため、図６の場合よりも発光点間隔を、例えば１４μmと狭くすることができるが、ボンディングパッド２１５を形成する面積を確保する必要があるため、発光に寄与しない面積が増大し、結果としてマルチレーザのチップサイズが拡大する。
また、図６および図７のジャンクションアップ方式は、マルチレーザの発光部から発する熱をサブマウントへ効率よく逃がすのに不利であり、特性の悪化や信頼性の悪化を招きやすく、実装方式としては好ましくない。
図８に示したジャンクションダウン方式の場合、サブマウント３１６に発光部１１２が近接した状態でマルチレーザ１１０が実装されるため、発光部から発する熱をサブマウントへ効率よく逃がすことができる実装方式である。しかしながら、複数の第１電極１１３を複数の接続電極３１７に接続する際に、サブマウント３１６の接続電極３１７およびマルチレーザ１１０の第１電極１１３を直接見ることなく、かつ隣接する接続電極３１７および第１電極１１３との電気的分離を維持したままろう材を溶解させて固定させる必要があるため、高い位置精度が要求される上に実装が困難な方式である。発光点間隔が狭いマルチレーザ（例えば発光点間隔が５０μm以下）を実装する場合は特に実装が困難となる。
第１電極１１３と接続電極３１７との位置精度が悪い状態で相互に接続されると、ろう材の第１電極１１３および接続電極３１７間からの飛び出しや、ダイボンド精度の位置ずれによって電流リークが生じ、マルチレーザ１１０を備えた電子機器の機能低下や誤作動を発生させる。
本発明は、前記課題に鑑みなされたものであり、高品質の半導体レーザ装置および容易かつ高精度に半導体レーザ装置を製造することができる製造方法を提供するものである。
かくして、本発明によれば、互いに平行な表面および裏面を有しかつ可視光透過率６０％以上を有するサブマウントと、該サブマウントの前記表面に接続電極を介して実装されて前記表面に対して平行方向のレーザ光を出射可能な半導体レーザ素子とを備えた半導体レーザ装置が提供される。
本発明は、特に、前記半導体レーザ素子が、半導体基板と、該半導体基板の表面に形成された発光部と、該発光部の表面側に形成された第１電極と、前記半導体基板の裏面に形成された第２電極とを有し、前記第１電極がろう材を介して前記接続電極と電気的に接続された状態でサブマウント上に実装されている半導体レーザ装置に好適である。
また、本発明の別の観点によれば、前記半導体レーザ装置を製造する方法であって、前記サブマウントの接続電極と前記半導体レーザ素子の第１電極とを対向させ、サブマウントにおける接続電極とは反対側の裏面側から前記接続電極の位置と前記第１電極の位置を観測しながらサブマウントと半導体レーザ素子を相対的に移動させて、接続電極の位置と第１電極の位置を一致させる位置調整工程と、サブマウントの接続電極に前記半導体レーザ素子の第1電極をろう材を介して電気的に接続する接続工程とを備えた半導体レーザ装置の製造方法が提供される。
本発明の半導体レーザ装置の製造方法によれば、可視光透過率が６０％以上であるサブマウントの透光性を利用して、サブマウントの裏面側から接続電極の位置と第１電極の位置を観測しながら接続電極の位置と第１電極の位置を容易かつ高精度に一致させることができる。したがって、特に、発光点間隔が５０μｍ以下と狭いマルチレーザをジャンクションダウン方式でサブマウント上に実装する場合でも、第１電極と接続電極の間からのろう材飛び出しおよびダイボンド精度の位置ずれが生じず、電流リークを防止することができる。また、ジャンクションダウン実装方式では半導体レーザ素子から生じる熱を効率よくサブマウントに放熱することができる。
よって、この製造方法によって得られた半導体レーザ装置は、特性および信頼性が向上するため、この半導体レーザ装置を備えたＯＡ機器、通信機器等をより高速化することが可能となる。
本発明の半導体レーザ装置は、互いに平行な表面および裏面を有しかつ可視光透過率６０％以上を有するサブマウントと、該サブマウントの前記表面に接続電極を介して実装されて前記表面に対して平行方向のレーザ光を出射可能な半導体レーザ素子とを備えたことを特徴とする。
つまり、この半導体レーザ装置は、可視光透過率が６０％以上の透光性に優れたサブマウントを有しているため、サブマウントの接続電極とは反対の裏面側から接続電極の位置および半導体素子の位置を観測手段を用いて観測することが可能とされたものである。
この観測は、半導体レーザ素子をサブマウント上に接続電極を介して実装する際に行なわれ、それによって接続電極と半導体レーザ素子の位置精度が向上する。
したがって、本発明の半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子がサブマウント上に高精度に位置調整されて実装されたものである。
なお、サブマウントの可視光透過率が６０％より低いと、サブマウントの裏面側からの接続電極と半導体レーザ素子の位置観測が難しくなる傾向にあるため、接続電極と半導体レーザ素子の位置精度が低下する。
本発明において、「可視光透過率」とは、互いに平行な一面および他面を有し、かつ一面から他面までの厚さが0.01〜2.0ｍｍであるサブマウントの前記一面に垂直方向に入射させた光（波長400〜750ｎｍ）の光度Ioに対するサブマウントの内部を通過して他面から出射した光の光度Itの比It／Ioの百分率を意味する。
本発明の半導体レーザ装置は、上述の構成以外は特に限定されるものではなく、好ましくは、以下の構成が挙げられる。
本発明において、サブマウントは、可視光透過率が６０％以上を有していれば、材料や表面状態は特に限定されるものではないが、前記サブマウントの表面およびその反対面である裏面の表面粗さは、JIS B0106-1994で規定された十点平均粗さＲｚが１μｍ以下であることが、可視光透過率６０％以上のサブマウントを容易に得ることができる上で好ましく、0.2μｍ以下がさらに好ましい。なお、サブマウントの表面およびその反対面である裏面の表面粗さ（十点平均粗さＲｚ）が１μｍを越えると、可視光透過率６０％以上のサブマウントを得るための材料の制限が厳しくなる。
サブマウントの材料としては、可視光透過率が６０％を越えることに加え、放熱性に優れ、低コストであり、半導体レーザ素子と熱膨張係数が近いという観点から、ＧａＮ、サファイアまたはＳｉＯ2が好ましい。ＧａＮ、サファイアおよびＳｉＯ2の可視光透過率はそれぞれ約７０％、約８５％、約９０％である。
また、サブマウントの形状およびサイズは、接合電極が形成される表面と、表面の反対面である裏面とを有し、かつ表面と裏面が平行であれば、特に限定されるものではないが、長辺500〜1500μｍ程度、短辺500〜1000μｍ程度、厚さ200〜400μｍ程度の四角いブロック形状が適当である。
サブマウントは、前記材料からなるウェハ（例えばＧａＮウェハ）の表面および裏面を所定厚さとなるまで鏡面研磨し、研磨後のウェハを所定サイズに分割して作製することができる。サブマウントの表面および裏面は厳密には平滑面ではなく微小な凹凸（表面粗さ）を有しており、この表面粗さであるJIS B0106-1994で規定された十点平均粗さＲｚが１μｍ以下となるようにウェハの表面および裏面を研磨することが好ましい。この場合の研磨方法としては、化学機械研磨等を用いることができる。
本発明において、前記半導体レーザ素子は、半導体基板と、該半導体基板の表面に形成された発光部と、該発光部の表面側に形成された第１電極と、前記半導体基板の裏面に形成された第２電極とを有し、前記第１電極がろう材を介して前記接続電極と電気的に接続された状態でサブマウント上に実装されているように構成してもよい。
このように構成すれば、半導体レーザ素子の発光部から生じる熱を放熱するのに有利なジャンクションダウン方式にて実装された半導体レーザ装置を得ることができ、半導体レーザ素子の発熱による特性および信頼性の低下を抑制することができる。
さらに、本発明は、前記半導体レーザ素子において、前記発光部は前記半導体基板の表面にストライプ状にかつ互いに電気的に分離して複数形成されていると共に、複数の発光部の表面にそれぞれ前記第１電極が形成されており、前記接続電極は、前記サブマウントの表面にストライプ状に複数形成されている半導体レーザ装置、すなわち、マルチレーザがサブマウント上にジャンクションダウン方式で実装された半導体レーザ装置として好適である。
このようにすれば、この半導体レーザ装置を備えたＯＡ機器や光情報処理機器の動作の高速化および情報処理の大容量化を図ることができる。また、サブマウントが上述のように透光性に優れていることから、複数の第１電極を複数の接続電極に位置ずれすることなく高い位置精度で接合することができ、特に発光点間隔が５０μｍ以下と狭い超小型マルチレーザをジャンクションダウン方式により実装した半導体レーザ装置に好適である。さらに、ジャンクションダウン実装方式であるため、マルチレーザの複数の発光部から生じた熱を効率よくサブマウントへ逃がすことができる。
本発明において、マルチレーザは、発振波長が異なるまたは同一の複数のレーザ光を照射可能に構成されたものとすることができる。
発振波長が異なる複数のレーザ光を照射する構成、また、発振波長が同一の複数のレーザ光を照射する構成、いずれにおいても、発光点に応じたサブマウント側の各チャンネル用電極を精度良く位置を合わせることができ、歩留まりおよび放熱特性を安定させかつ向上させることができる。
本発明における半導体レーザ素子は、上述のように半導体基板の表面に発光部が形成され、発光部の表面側に第１電極が形成され、半導体基板の裏面に第２電極が形成されていれば、特定の材料系に限定されるものではなく、例えば、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＩｎＡｓ系、ＧａＩｎＡｓＰ系、ＡｌＧａＩｎＰ系等の半導体レーザ素子に適用可能である。
また、発光部は、レーザ光を出射する発光点を有する活性層を少なくとも備えた構成である以外は特に限定されるものではなく、活性層としては、例えば多重量子井戸構造であってもよい。また、発光部は、リッジ構造を有するものが含まれ、その他にも、半導体基板と活性層の間に第１導電型クラッド層が形成されていてもよく、活性層と第１電極の間に第２導電型クラッド層が形成されていてもよい。さらには、半導体基板と第１導電型クラッド層の間に第１導電型バッファ層が形成されていてもよい。また、第１導電型クラッド層と第２導電型クラッド層の少なくとも一方が複数層からなるもの、第２導電型クラッド層が２層である場合に２層間にエッチングストップ層が形成されているもの、リッジ構造の両側に絶縁性を有する誘電体層が形成されたもの、リッジ構造より上層に絶縁膜や保護膜などが形成されたもの等も本発明における半導体レーザ素子の発光部に含まれる。
本発明の半導体レーザ装置は、可視光透過率６０％以上を有するサブマウントと、該サブマウント上に接続電極を介して実装された半導体レーザ素子とを備えた構成に限定されず、さらに、半導体レーザ素子を実装したサブマウントを導電性ペーストにて固着するためのパッケージを備えてもよい。このパッケージは銅、鉄等の材料から構成することができ、特に、熱伝導性（放熱性）に優れかつ絶縁性を有する材料である銅が好ましい。
また、サブマウントは、表面における実装領域以外の領域に複数のボンディングパッドおよび各ボンディングパッドと各接続電極とを接続する接続配線が形成されていてもよく、前記パッケージは、サブマウント上の複数のボンディングパッドと導電性ワイヤを介して電気的に接続される複数の接続端子を有してもよい。
上述の構成の半導体レーザ装置は、前記サブマウントの接続電極と前記半導体レーザ素子の第１電極とを対向させ、サブマウントにおける接続電極とは反対側の裏面側から前記接続電極の位置と前記第１電極の位置を観測しながらサブマウントと半導体レーザ素子を相対的に移動させて、接続電極の位置と第１電極の位置を一致させる位置調整工程と、サブマウントの接続電極に前記半導体レーザ素子の第1電極をろう材を介して電気的に接続する接続工程とを備えた製造方法によって製造することができる。
この製造方法によれば、可視光透過率が６０％以上であるサブマウントの透光性を利用して、サブマウントの裏面側から接続電極の位置と第１電極の位置を観測しながら接続電極の位置と第１電極の位置を容易かつ高精度に一致させることができる。したがって、特に、発光点間隔が５０μｍ以下と狭いマルチレーザをジャンクションダウン方式でサブマウント上に実装する場合でも、第１電極と接続電極の間からのろう材飛び出しおよびダイボンド精度の位置ずれが生じず、従来ではこれらが原因となっていた電流リークを防止することができる。
前記位置調整工程において、接続電極の位置と第１電極の位置の観察は、特に限定されるものではないが、例えば、ＣＣＤカメラを用いる方法、あるいはサブマウントの裏面にレーザ光を照射し、接続電極および第１電極を反射した前記レーザ光を検知する方法を採用することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態の半導体レーザ装置およびその製造方法について詳しく説明する。
（実施形態１）
図１は本発明の半導体レーザ装置の実施形態１を示す斜視図である。この半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子１Ａと、半導体レーザ素子１Ａが実装されるサブマウント２０Ａと、サブマウント２０Ａが実装されるパッケージ３０とを備える。
図２（ａ）は実施形態１における半導体レーザ素子を示す斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の半導体レーザ素子の一部拡大図である。図３は実施形態１におけるサブマウントを示す斜視図である。
図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、半導体レーザ素子１Ａは、幅200μｍ（Ｘ方向）、長さ300μｍ（Ｙ方向）、厚さ500μｍのN型GaAs基板２を有し、N型GaAs基板２の幅内に発光点間隔10μmで１０本の発光部１Ａａがストライプ状に形成された赤外１０チャンネルレーザチップである。各発光部１Ａａの間には分離溝１Ａｂが形成されている。
発光部１Ａａは、N型GaAs基板２上に順次形成されたN型AlGaAsクラッド層３（膜厚２.２μｍ）と、ノンドープAlGaAs多重量子井戸活性層４（膜厚0.12μｍ）と、Ｐ型AlGaAs第1クラッド層５（膜厚0.17μｍ）と、リッジ部７の下地となるGaAsエピサポート層６（膜厚0.003μm）と、導波路となるリッジ部７を幅2.5μmとしてＰ型AlGaAs第２クラッド層８（膜厚1.2μm）およびＰ型GaAsキャップ層９（膜厚0.8μm）とを有し、リッジ部７の両サイドに電流ブロックおよび活性層４内の光を横方向に閉じ込める屈折率を有するN型AlGaAsブロック層１０（膜厚2.0μm）が形成されてなる。
ノンドープAlGaAs多重量子井戸活性層４は、N型AlGaAsクラッド層３およびＰ型AlGaAs第1クラッド層５に接して形成された一対のノンドープAlGaAsガイド層と、一対のノンドープAlGaAsガイド層の間に交互に形成されたノンドープAlGaAsウェル層（膜厚0.0075μｍ）およびノンドープAlGaAsバリア層（膜厚0.0055μｍ）とからなり、ノンドープAlGaAsウェル層がノンドープAlGaAsガイド層と接するように配置されてなる。
また、発光部１ＡａのＰ型GaAsキャップ層９およびN型AlGaAsブロック層１０の上にはＰ型電極１１およびＡｕメッキ電極１２（前記第１電極）が形成されている。Ｐ型電極１１はリッジ部７側からＴｉ層（膜厚0.05μｍ）、Ｍo層（膜厚0.2μｍ）およびＡｕ層（膜厚0.2μｍ）が積層されてなる。Ａｕメッキ電極１２は幅6μm、膜厚3.0μmである。
一方、N型GaAs基板２の裏面には、基板側からAuGe（膜厚0.15μｍ）、Ni（膜厚0.05μｍ）、Mo（膜厚0.15μｍ）およびAu（膜厚0.2μｍ）が順次積層されてなるＮ型電極１３（前記第２電極）が形成されている。
図３に示すように、サブマウント２０Ａは、幅（Ｘ方向）500μｍ、長さ（Ｙ方向）400μｍおよび厚さ300μｍを有するＧａＮからなる四角ブロック形である。このサブマウント２０Ａは可視光透過率が約６５％である。
このサブマウント２０Ａの表面（一面）には、Ｙ方向に延びる１０本の接続電極２１ＡがＸ方向に並列して形成されている。接続電極２１Ａは幅（Ｘ方向）6μｍ、長さ（Ｙ方向）300μｍであり、サブマウント２０ＡのＸ方向の１辺（前辺）からＹ方向（後方）に延び、かつＸ方向の前記１辺の中間位置付近にピッチ10μｍで配置されている。
さらに、サブマウント２０Ａの表面における非実装領域には、１０個のボンディングパッド２２と、各ボンディングパッド２２と各接続電極２１Ａとを電気的に接続する接続配線２３とが形成されている。ボンディングパッド２２は、サブマウント２０ＡのＹ方向の対向する２辺に沿って５個ずつ配置されている。各接続配線２３は、サブマウント２０Ａの表面中央付近にある各接続電極２１Ａの端部と各ボンディングパッド２２とを、接続電極２１Ａのストライプに接近せずに離れた形で接続している。
図１に示すように、パッケージ３０は、半導体レーザ素子１Ａを実装したサブマウント２０Ａを銀ペーストを介して実装するための四角ブロック形のマウント部３１と、マウント部３１の後端と一体的に連設された垂直方向のプレート状基部３２と、基部３２を貫通して表裏両面に突出する複数の接続端子３３とを備える。
マウント部３１は幅（Ｘ方向）1.4ｍｍ、長さ（Ｙ方向）1.3ｍｍ、厚さ（Ｚ方向）1.1ｍｍであり、基部３２は幅（Ｘ方向）8.2ｍｍ、長さ（Ｙ方向）4.8ｍｍ、厚さ（Ｚ方向）1.2ｍｍであり、これらの材質は銅である。
接続端子３３は、直径0.4μｍの銅線からなり、マウント部３１の周囲に配置されている。これらの接続端子３３のうち、マウント部３１の上方にある接続端子３３はサブマウント２０Ａの実装を妨げない程度に短くされ、その他の接続端子は長くされている。そして、各接続端子３３と各ボンディングパッド２２とが金線３４にてワイヤボンディングされると共に、接続端子３３と半導体レーザ素子１ＡのＮ型電極１３とが金線３４にてワイヤボンディングされている。
このように構成された半導体レーザ装置は、ＯＡ機器（例えば、レーザプリンタ）や光情報処理機器（例えば、光ファイバ通信システム、光計測システム、光ディスク装置）等に組み込まれる。
（実施形態２）
実施形態１では、赤外１０チャンネルレーザチップを備えた半導体レーザ装置を例示したが、発光部の数、発光点間隔等は設計変更自由であり、例えば、図５に示すように、発光点間隔14μｍで４つの発光部１Ａａを有する半導体レーザ素子（４チャンネルレーザチップ）１Ｂを備えた半導体レーザ装置とすることもできる。
（他の実施形態）
半導体レーザ素子を構成する各層の膜厚、材料、発光部の数、発光点間隔等は実施形態１および２に限定されるものではなく、得ようとする半導体レーザ素子の特性に応じて適宜設計変更することができる。
（実施例１）
実施形態１（図１〜図３）で説明した構造および各種寸法の半導体レーザ装置を以下のように作製した。
〔半導体レーザ素子の作製〕
まず、厚さ500μｍのウェハ状のN型GaAs基板２の表面に、MOCVD（有機金属気相成長：Metal Organic Cemical Vapor Deposition）法によりN型AlGaAsクラッド層３、ノンドープAlGaAs多重量子井戸活性層４、Ｐ型AlGaAs第1クラッド層５、リッジ部７の形成の際に必要でありブロック層再成長の際に下地となるGaAsエピサポート層６、Ｐ型AlGaAs第２クラッド層８およびＰ型GaAsキャップ層９を順次成長した。
次に、Ｐ型AlGaAs第２クラッド層８およびＰ型GaAsキャップ層９の所定複数箇所を残してフォトリソグラフィー法およびウエットエッチングにより１０本のリッジ部７を形成した。
続いて、各リッジ部７を覆うようにN型AlGaAsブロック層１０をMOCVD法で形成し、各リッジ部７上のN型AlGaAsブロック層１０をフォトリソグラフィー法およびウエットエッチングにより除去した。これにより、ひとつのチップサイズ幅を200μmとし、その中に導波路となるリッジ部７を10μmピッチで10本設けた積層体を作製した。
次に、積層体のリッジ部７およびN型AlGaAsブロック層１０の上に、Ｐ型電極１１を構成するＴｉ層、Ｐｔ層およびＡｕ層をスパッタ法で蒸着した。
続いて、積層体の表面をＡｕメッキして、Ｐ型電極１１のＡｕ層上にＰ型メッキ電極１２を形成した。
次に、それぞれのリッジ部７に独立的に電流注入できるよう、各リッジ部７の間におけるＰ型メッキ電極１２からN型GaAs基板２の所定深さ（10μｍ程度）まで達する部分をフォトリソグラフィー法およびドライエッチングにより除去して、分離溝１Ａｂを形成した。
その後、N型GaAs基板２の裏面をチップ厚が100μmになるまで化学機械研磨した後、N型GaAs基板２の裏面にＮ型電極１３を構成するAuGe層（膜厚0.15μｍ）、Ni層（膜厚0.05μｍ）、Mo層（膜厚0.15μｍ）およびAu層（膜厚0.2μｍ）をスパッタ法にて蒸着し、積層体をチップ幅200μｍ、共振器長300μmでスクライブ装置を用いてチップ単位に分割して、半導体レーザ素子を作製した。
〔サブマウントおよび接続電極の作製〕
厚さ500μｍのGaNウェハの両面をサブマウント厚さである３００μｍとなるまで化学機械研磨した。研磨後のGaNウェハの表面および裏面の表面粗さである十点平均粗さＲｚをテンコール社製の表面段差計で測定したところＲｚ=0.12μmであった。
その後、GaNウェハの表面に、Ti層（膜厚0.05μｍ）、Ｍo層（膜厚0.2μｍ）、Au層（膜厚0.2μｍ）をこの順にスパッタ蒸着により積層し、これら３層における接続電極、接続配線およびボンディングパッドの各形成領域以外の領域をフォトリソグラフィー法およびドライエッチングにより除去してサブマウント表面を露出させることにより、１０チャンネル用の接続電極２１Ａ、接続配線２３およびボンディングパッド２２を形成した。
次に、各接続電極２１Ａ上にろう材となるP層およびAuSn層を合計厚さ2μmで抵抗加熱による蒸着とフォトリソ工程を利用したリフトオフ作業により形成し、その後、GaNウェハをサブマウントサイズにダイシング装置にて分割して、サブマウント２０Ａを作製した。
〔半導体レーザ素子の実装〕
図４は実施例１の半導体レーザ素子１Ａをサブマウント２０Ａ上に実装する実装工程を説明する図である。
実装工程では、図４に示すように、まず、サブマウント２０Ａの両サイドを一対のヒータブロック４０にて保持すると共に、半導体レーザ素子１ＡのN型GaAs電極１３を吸着移動手段の吸着ヘッド５０にて吸着保持し、サブマウント２０Ａの上方近傍位置に移動させた。
一対のヒータブロック４０は、内部にヒータが内蔵されており、図示しない開閉機構部に開閉可能に取り付けられている。また、各ヒータブロック４０は、それらが対向する位置に、半導体レーザ素子１Ａの下部両サイドを嵌め入れる切欠き凹部を有している。
吸着移動手段５０は、吸着ヘッド５０を前後、左右および上下に移動可能でかつ垂直軸心廻りに回転可能に、図示しない移動機構部に取り付けられている。また、吸着ヘッド５０は、下端に開口部を有しており、この開口部が図示しない真空ポンプと可撓性ホースにて接続されており、真空ポンプにより可撓性ホースを介して吸着ヘッド５０内を負圧にすることにより半導体レーザ素子１Ａを吸着する。
また、一対のヒータブロック４０にて保持されたサブマウント２０Ａの下方にはＣＣＤカメラ６０が設置されており、このＣＣＤカメラ６０は図示しない表示装置と接続されており、ＣＣＤカメラ６０にて取り込んだ画像は表示装置にて表示される。
図４に示すように半導体レーザ素子１Ａおよびサブマウント２０Ａがセットされた後、位置調整工程を行った。この際、ＣＣＤカメラ６０にてサブマウント２０Ａを通して複数の接続電極２１Ａおよび半導体レーザ素子１Ａの複数のＰ型メッキ電極１２の画像を取り込み、この画像を表示装置にて表示した。作業者は、この画像を見て各接続電極２１Ａの位置と各Ｐ型メッキ電極１２の位置を観測し、各接続電極２１Ａの位置と各Ｐ型メッキ電極１２の位置が一致するよう吸着ヘッド５０を移動させて位置調整を行った。
この間、一対のヒータブロック４０を300℃に加熱することによりサブマウント２０Ａし、各接続電極２１Ａ上のろう材を溶解した。
各接続電極２１Ａの位置と各Ｐ型メッキ電極１２の位置が一致したところで、半導体レーザ素子１Ａを垂直降下させて、各接続電極２１Ａ上のろう材上に各Ｐ型メッキ電極１２を押し付け、ろう材とＰ型メッキ電極１２（Auメッキ電極）とを合金化させて急冷固着させた。急冷に際しては、一対のヒータブロック４０の加熱を停止すると共に、図示しないエアー噴出手段により主に接合部分に局所的にエアーを当てて空冷した。
半導体レーザ素子１Ａの実装後、ＣＣＤカメラ６０にて接合部分を観察したところ、ろう材のはみ出しおよびダイボンドの位置ずれが生じていないことが確認できた。
その後、図１に示すように、半導体レーザ素子１Ａが実装されたサブマウント２０Ａを一対のヒータブロック４０から取り出し、図示しない搬送手段を用いてパッケージ３０のマウント部３１上に銀ペーストにて固着した。
そして、サブマウント２０Ａ上の各ボンディングパッド２２（図３参照）と各接続端子３３とを金線３４にてワイヤボンディングすると共に、半導体レーザ素子１ＡのＮ型電極１３と接続端子３３とを金線３４にてワイヤボンディングして、独立駆動の可能な発光点間隔10μmの赤外10チャンネルレーザチップを備えた半導体レーザ装置を製造した。
（実施例２）
実施形態２（図５）で説明した半導体レーザ素子１Ｂを備えた半導体レーザ装置を作製した。実施例２では、半導体レーザ素子１Ｂは発光部１Ａａの数と発光点間隔が実施例１と異なる以外は実施例１と同様に製造した。また、実施例２では、サブマウント２０Ｂは材質が実施例１とは異なる以外は実施例１と同様に製造し、接続電極２１Ｂは数および間隔が実施例１と異なる以外は実施例１と同様に形成した。
実施例２では、半導体レーザ素子１Ｂのサブマウント２０Ｂへの実装時の位置調整工程が以下のように実施例１とは異なる。
〔半導体レーザ素子の実装〕
図５（ａ）〜図５（ｄ）は実施例２の半導体レーザ素子１Ｂをサブマウント２０Ｂ上に実装する実装工程を説明する図である。
実施例２では、サブマウント２０Ｂの裏面にレーザ光を照射し、サブマウント２０Ｂを透過して接続電極および第１電極を反射した前記レーザ光を検知することにより、接続電極の位置および第１電極の位置を観測した。
位置調整工程では、まず、図５（ａ）に示すように、サブマウント２０Ｂの上方に半導体レーザ素子１Ｂを移動させた。なお、実施例１と同様に、サブマウント２０をヒータブロック４０にて保持すると共に、半導体レーザ素子１Ｂを吸着移動手段の吸着ヘッド５０にて移動させた（図４参照）。
次に、サブマウント２０Ｂの下方に設けられた図示しないレーザ光走査手段のレーザ光出射部からサブマウント２０Ｂの裏面にレーザ光を照射し、かつ、複数の接続電極２１Ｂを直角に横切る方向（図５（ｂ）の矢印Ａの方向）にレーザ光出射部を移動させることにより、複数の接続電極２１Ｂの領域を越える範囲にレーザ光を照射して接続電極２１Ｂの位置を走査した。なお、このレーザ光の光源として波長660nmの半導体レーザ光を用い、出力10ｍWでレーザ光を照射した。
図５（ｂ）〜図５（ｄ）では、レーザ走査手段による位置観測の概念を表している。図５（ｂ）に示すように、半導体レーザ素子がサブマウント２０Ｂに近接していない場合、レーザ入射光Ｌ１はサブマウント２０Ｂを透過して一部が接続電極２１Ｂに当たって反射し、レーザ反射光Ｌ２はレーザ光走査手段のレーザ光検知部にて検知され、受光強度の波形として表示部（図示省略）に表示される。
図５（ｃ）に示すように、半導体レーザ素子１Ｂをサブマウント２０Ｂへ近接させた状態でレーザ光により走査すると、半導体レーザ素子１Ｂの各Ｐ型メッキ電極１２Ｂの位置が各接続電極２１Ｂの位置と一致してい場合は、各接続電極２１Ｂの位置で反射したレーザ反射光Ｌ２と各Ｐ型メッキ電極１２Ｂの位置で反射したレーザ反射光Ｌ３が検知される。このとき、サブマウント２０Ｂの裏面側から見て接続電極２１ＢとＰ型メッキ電極１２Ｂとが並んでいること、および、レーザ光検知部から接続電極２１Ｂまでの距離よりも、レーザ光検知部からＰ型メッキ電極１２Ｂまでの距離の方が遠いことにより、レーザ反射光Ｌ２の受光強度の波形の隣にレーザ反射光Ｌ３の少し弱い受光強度の波形が並んで表示される。
このような位置観測の概念に基き、図３（ｄ）に示すように、レーザ反射光Ｌ３による受光強度の波形が無くなるように半導体レーザ素子１Ｂを位置調整して、各Ｐ型メッキ電極１２Ｂの位置を各接続電極２１Ｂの位置と一致させた。
その後、実施例１と同様に、半導体レーザ素子１Ｂを垂直降下させて、各接続電極２１Ｂ上のろう材上に各Ｐ型メッキ電極１２Ｂを押し付け、ろう材とＰ型メッキ電極１２Ｂとを合金化させて急冷固着させた。
そして、実施例１と同様に、半導体レーザ素子１Ｂが実装されたサブマウント２０Ｂをパッケージ３０のマウント部３１上に銀ペーストにて固着し、サブマウント２０Ｂ上の各ボンディングパッド（図３参照）と各接続端子３３とを金線３４にてワイヤボンディングすると共に、半導体レーザ素子１ＢのＮ型電極１３Ｂと接続端子３３とを金線３４にてワイヤボンディングして、独立駆動の可能な発光点間隔14μmの赤外４チャンネルレーザチップを備えた半導体レーザ装置を製造した。
本発明の半導体レーザ装置の実施形態１を示す斜視図である。 図２（ａ）は実施形態１における半導体レーザ素子を示す斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の半導体レーザ素子の一部拡大図である。 実施形態１におけるサブマウントを示す斜視図である。 実施例１の半導体レーザ素子をサブマウント上に実装する実装工程を説明する図である。 図５（ａ）〜図５（ｄ）は実施例２の半導体レーザ素子をサブマウント上に実装する実装工程を説明する図である。 従来のジャンクションアップ方式でマルチレーザをサブマウントへ実装した状態を示す斜視図である。 従来のジャンクションアップ方式で別のマルチレーザをサブマウントへ実装した状態を示す斜視図である。 従来のジャンクションダウン方式でマルチレーザをサブマウントへ実装した状態を示している。
符号の説明
１Ａ、１Ｂ 半導体レーザ素子
１Ａａ、１Ｂａ 発光部
１Ａｂ、１Ｂｂ 分離溝
２ 半導体基板
１２、１２Ｂ Ｐ型メッキ電極（第１電極）
１３、１３Ｂ Ｎ型電極（第２電極）
２０Ａ、２０Ｂ サブマウント
２１Ａ、２１Ｂ 接続電極
２２Ａ ボンディングパッド
２３Ａ 接続配線
３０ パッケージ
３１ マウント部
６０ ＣＣＤカメラ
Ｌ１ レーザ入射光
Ｌ２、Ｌ３ レーザ反射光

Claims (10)

  1. 互いに平行な表面および裏面を有しかつ可視光透過率６０％以上を有するサブマウントと、該サブマウントの前記表面に接続電極を介して実装されて前記表面に対して平行方向のレーザ光を出射可能な半導体レーザ素子とを備えたことを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 前記サブマウントの前記表面およびその反対面である前記裏面の表面粗さは、JIS B0106-1994で規定された十点平均粗さＲｚが１μｍ以下である請求項１に記載の半導体レーザ装置。
  3. 前記半導体レーザ素子は、半導体基板と、該半導体基板の表面に形成された発光部と、該発光部の表面側に形成された第１電極と、前記半導体基板の裏面に形成された第２電極とを有し、前記第１電極がろう材を介して前記接続電極と電気的に接続された状態でサブマウント上に実装されている請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
  4. 前記半導体レーザ素子において、前記発光部は前記半導体基板の表面にストライプ状にかつ互いに電気的に分離して複数形成されていると共に、複数の発光部の表面にそれぞれ前記第１電極が形成されており、
    前記接続電極は、前記サブマウントの表面にストライプ状に複数形成されている請求項３に記載の半導体レーザ装置。
  5. 前記半導体レーザ素子が、発振波長が異なるまたは同一の複数のレーザ光を照射可能に構成された請求項４に記載の半導体レーザ装置。
  6. 前記半導体レーザ素子は、５０μｍ以下の発光点間隔を有する請求項４または５に記載の半導体レーザ装置。
  7. 前記サブマウントが、ＧａＮ、サファイアまたはＳｉＯ2からなる請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
  8. 前記請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置を製造する方法であって、
    前記サブマウントの接続電極と前記半導体レーザ素子の第１電極とを対向させ、サブマウントにおける接続電極とは反対側の裏面側から前記接続電極の位置と前記第１電極の位置を観測しながらサブマウントと半導体レーザ素子を相対的に移動させて、接続電極の位置と第１電極の位置を一致させる位置調整工程と、
    サブマウントの接続電極に前記半導体レーザ素子の第1電極をろう材を介して電気的に接続する接続工程とを備えた半導体レーザ装置の製造方法。
  9. 前記位置調整工程において、接続電極の位置と第１電極の位置の観察が、ＣＣＤカメラを用いて行われる請求項８に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
  10. 前記位置調整工程において、接続電極の位置と第１電極の位置の観察が、サブマウントの裏面にレーザ光を照射し、接続電極および第１電極を反射した前記レーザ光を検知することにより行われる請求項８に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
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