JP2011014624A - 半導体レーザ素子の製造方法および半導体レーザ素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】歩留まりを向上させることが可能な半導体レーザ素子の製造方法を提供する。
【解決手段】この半導体レーザ素子100の製造方法は、表面にp側電極17を有するバー状態の青紫色半導体レーザ素子10とバー状態の2波長半導体レーザ素子70とが接合されたバー状態の半導体レーザ素子100を形成する工程と、青紫色半導体レーザ素子10の側面10aが、2波長半導体レーザ素子70の側面70aが形成される位置からはみ出ると同時に、側面70bが、青紫色半導体レーザ素子10の側面10bが形成される位置からはみ出るとともに、p側電極17が、青紫色半導体レーザ素子10のはみ出し領域5に位置するようにバー状態の半導体レーザ素子100を分割する工程と、この分割工程の後に、p側電極17(ワイヤボンド部17a)の部分に、金属線81をボンディングする工程とを備える。
【選択図】図15
【解決手段】この半導体レーザ素子100の製造方法は、表面にp側電極17を有するバー状態の青紫色半導体レーザ素子10とバー状態の2波長半導体レーザ素子70とが接合されたバー状態の半導体レーザ素子100を形成する工程と、青紫色半導体レーザ素子10の側面10aが、2波長半導体レーザ素子70の側面70aが形成される位置からはみ出ると同時に、側面70bが、青紫色半導体レーザ素子10の側面10bが形成される位置からはみ出るとともに、p側電極17が、青紫色半導体レーザ素子10のはみ出し領域5に位置するようにバー状態の半導体レーザ素子100を分割する工程と、この分割工程の後に、p側電極17(ワイヤボンド部17a)の部分に、金属線81をボンディングする工程とを備える。
【選択図】図15
Description
本発明は、半導体レーザ素子の製造方法および半導体レーザ素子に関し、特に、第1半導体レーザ素子と第2半導体レーザ素子とを接合する工程を備えた半導体レーザ素子の製造方法および半導体レーザ素子に関する。
従来、青紫色半導体レーザ素子に、赤色半導体レーザ素子および赤外半導体レーザ素子を接合した集積型の半導体レーザ装置が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
上記特許文献1には、GaN基板を用いて形成した青紫色半導体レーザ素子に、GaAs基板を用いて形成した赤色半導体レーザ素子および赤外半導体レーザ素子が接合された集積型の半導体レーザ装置が開示されている。この半導体レーザ装置の製造プロセスでは、青紫色半導体レーザ素子ウェハの表面上に接合された赤色・赤外半導体レーザ素子ウェハのうちの不要な部分を除去することにより、互いに分離された状態の赤色および赤外半導体レーザ素子を、青紫色半導体レーザ素子ウェハの表面上の所定の位置に形成している。そして、この状態でウェハをバー状(短冊状)に劈開して各々の半導体レーザ素子に共振器面を形成している。
しかしながら、上記特許文献1に開示された集積型の半導体レーザ装置では、製造プロセスにおいて、ウェハ同志を接合した後に、赤色・赤外半導体レーザ素子ウェハのうちの不要な部分を除去して互いに分離された赤色および赤外半導体レーザ素子を青紫色半導体レーザ素子ウェハ上の所定の位置に形成するため、ウェハから不要な部分を除去する行程が必要なため、歩留まりが低下するという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、歩留まりを向上させることが可能な半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の第1の局面による半導体レーザ素子の製造方法は、表面に電極を有する複数の第1半導体レーザ素子が形成された第1短冊状基板と、複数の第2半導体レーザ素子が形成された第2短冊状基板とが接合された第3短冊状基板を形成する工程と、第1側面および第2側面を有する第1半導体レーザ素子の第1側面が、第3側面および第4側面を有する第2半導体レーザ素子の第1側面と平行な第3側面が形成される位置からはみ出ると同時に、第3側面と反対側の第2半導体レーザ素子の第2側面と平行な第4側面が、第1側面と反対側の第1半導体レーザ素子の第2側面が形成される位置からはみ出るとともに、電極が、第2半導体レーザ素子の第3側面から露出する第1半導体レーザ素子のはみ出し領域に位置するように、第3短冊状基板を分割する工程と、第3短冊状基板を分割する工程の後に、電極の部分に金属線をボンディングする工程とを備える。
この発明の第1の局面による半導体レーザ素子の製造方法では、上記のように、第1側面および第2側面を有する第1半導体レーザ素子の第1側面が、第3側面および第4側面を有する第2半導体レーザ素子の第3側面が形成される位置からはみ出ると同時に、第3側面と反対側の第2半導体レーザ素子の第4側面が、第1側面と反対側の第1半導体レーザ素子の第2側面が形成される位置からはみ出るように、第3短冊状基板を分割することによって、第3短冊状基板の分割と同時に第1半導体レーザ素子と第2半導体レーザ素子とが有する各々の側面が、所定の方向に沿って互いにずれた位置で接合された半導体レーザ素子を形成することができる。これにより、ウェハの不要な部分を除去せずに第3短冊状基板を分割して半導体レーザ素子を形成することができるので、その分、歩留まりを向上させることができる。
また、第1の局面による半導体レーザ素子の製造方法では、第1側面および第2側面を有する第1半導体レーザ素子の第1側面が、第3側面および第4側面を有する第2半導体レーザ素子の第3側面が形成される位置からはみ出るとともに、電極が、第2半導体レーザ素子の第3側面から露出する第1半導体レーザ素子のはみ出し領域に位置するように、第3短冊状基板を分割することによって、第3短冊状基板の分割と同時に、金属線をボンディングするための電極を第1半導体レーザ素子のはみ出し領域の表面に露出させることができる。したがって、半導体レーザ素子の製造プロセスを簡素化させることができる。
また、第1の局面による半導体レーザ素子の製造方法では、複数の第1半導体レーザ素子が形成された第1短冊状基板と、複数の第2半導体レーザ素子が形成された第2短冊状基板とが接合された第3短冊状基板を形成する工程を備えている。すなわち、たとえば、第1半導体レーザ素子からなるウェハの表面上に第2半導体レーザ素子からなるウェハを接合したウェハを劈開して、第1短冊状基板と第2短冊状基板とからなる第3短冊状基板を形成する場合、第1半導体レーザ素子が形成されたウェハを劈開する位置に対応する第2半導体レーザ素子が形成されたウェハの端部にのみ第2半導体レーザ素子用の劈開導入用溝を形成すればよい。これにより、第1半導体レーザ素子側のウェハと第2半導体レーザ素子側のウェハとを共に所望の位置で劈開することができるので、第1半導体レーザ素子の共振器面と第2半導体レーザ素子の共振器面とが同一面上に揃えられた第3短冊状基板を形成することができる。この結果、各々の半導体レーザ素子の共振器面が共振器方向にずれるのを抑制することができる。また、他の方法として、予め形成された所定の方向に延びる第1短冊状基板と第2短冊状基板とを接合して第3短冊状基板を形成する場合であっても、第1短冊状基板の表面上に、予めチップ化された複数の第2半導体レーザ素子を個々に接合する場合などとは異なり、所定の方向に延びる第1短冊状基板に対して、この方向に沿って第2短冊状基板を接合して第3短冊状基板を形成すればよい。このような場合にも、第1半導体レーザ素子の共振器面と第2半導体レーザ素子の共振器面とが同一面上に揃えられた第3短冊状基板が形成可能であるので、各々のレーザ素子に形成される共振器面が互いにずれるのを抑制することができる。
上記第1の局面による半導体レーザ素子の製造方法において、好ましくは、第3短冊状基板を形成する工程は、第1半導体レーザ素子基板と第2半導体レーザ素子基板とを接合する工程と、接合された第1半導体レーザ素子基板および第2半導体レーザ素子基板を同時に分割することにより、第1短冊状基板と第2短冊状基板とが接合された第3短冊状基板を形成する工程とを含む。このように構成すれば、第1半導体レーザ素子基板と第2半導体レーザ素子基板とが接合されたウェハは、第1半導体レーザ素子基板と第2半導体レーザ素子基板とに形成された分割線に沿って分割されるので、第3短冊状基板に形成される分割面を直線状に揃えて形成することができる。これにより、チップ化の前工程において、各々の半導体レーザ素子を構成する共振器面が、共振器方向にずれるのを容易に抑制することができる。また、分割前の第2半導体レーザ素子基板は連続しているので、分割溝を第1半導体レーザ素子基板または第2半導体レーザ素子基板の一方に形成すればよい。これにより、分割溝の形成工程を簡略化することができる。
上記第1の局面による半導体レーザ素子の製造方法において、好ましくは、第1短冊状基板と第2短冊状基板とは、それぞれ、共振器面を有し、第3短冊状基板を分割する工程に先立って、第3短冊状基板の共振器面に保護膜を形成する工程をさらに備える。このように構成すれば、第3短冊状基板となったウェハは、ウェハの厚みが略一様な状態で共振器面(劈開面)に保護膜(絶縁膜)が形成される。これにより、たとえば、保護膜を形成する前に第2短冊状基板の第2半導体レーザ素子間の部分を除去して第1半導体レーザ素子基板側の電極などを露出させた後に保護膜を形成する場合と異なり、保護膜が、露出した電極の表面上にまで回り込んで電極を覆うことにより絶縁する不都合が生じないので、チップ化後に接合される金属線と電極との電気的な接続(ワイヤボンディング)を確実に行うことができる。
上記第1の局面による半導体レーザ素子の製造方法において、好ましくは、第3短冊状基板を劈開して劈開面を形成する工程に先立って、第1短冊状基板に第1側面および第2側面を形成するための第1分割溝を形成する工程と、第1短冊状基板に接合される側とは反対側の第2短冊状基板の表面の第1分割溝と対応する位置からずれた位置に、第3側面および第4側面を形成するための第2分割溝を形成する工程とをさらに備える。このように構成すれば、ウェハを素子分割する際、第1分割溝の部分で第1短冊状基板が分割されるのに合わせて、第2分割溝が形成された位置で第2短冊状基板も分割することができる。これにより、第3短冊状基板のチップの分割と同時に、第2半導体レーザ素子の第3側面および第4側面が、第1半導体レーザ素子の第1側面および第2側面が形成された位置からずれた位置に配置された状態の半導体レーザ素子チップを、容易に形成することができる。
この発明の第2の局面による半導体レーザ素子は、第1電極が第1表面に形成され、第1側面および第1側面と反対側に第2側面を有する第1半導体レーザ素子と、第1表面に接合され、第3側面および第3側面と反対側に第4側面を有する第2半導体レーザ素子とを備え、第1側面と第3側面とが平行になるとともに、第2側面と第4側面とが平行になるように、第1表面と第2半導体レーザ素子の第2表面とが接合され、第1側面と第3側面との間に、第1表面の第1はみ出し領域が第2半導体レーザ素子から露出するとともに、第2側面と第4側面との間に、第2表面の第2はみ出し領域が第1半導体レーザ素子から露出し、第1はみ出し領域に位置する第1電極の部分において、第1電極に金属線がボンディングされている。
この発明の第2の局面による半導体レーザ素子では、上記のように、第1側面と第3側面とが平行になるとともに、第2側面と第4側面とが平行になるように、第1半導体レーザ素子の第1表面と第2半導体レーザ素子の第2表面とが接合され、かつ、第1側面と第3側面との間に、第1表面の第1はみ出し領域が第2半導体レーザ素子から露出するとともに、第2側面と第4側面との間に、第2表面の第2はみ出し領域が第1半導体レーザ素子から露出している。すなわち、第1半導体レーザ素子と第2半導体レーザ素子とが有する各々の側面が、所定の方向に沿って互いにずれた位置で接合された半導体レーザ素子を形成することによって、製造プロセスにおいて、たとえば、複数の第1半導体レーザ素子からなるウェハと複数の第2半導体レーザ素子からなるウェハとが接合された状態から、第2半導体レーザ素子側のウェハのうちの不要な部分を除去して、第1半導体レーザ素子の表面上に第1半導体レーザ素子の第1側面および第2側面よりも素子の内側方向に小さな素子幅を有する第2半導体レーザ素子を形成した後にウェハを分割する場合などと異なり、ウェハの不要な部分を除去することなくウェハを分割して半導体レーザ素子を形成することができる。これにより、半導体レーザ素子の歩留まりを向上させることができる。
また、第2の局面による半導体レーザ素子では、第1側面と第3側面との間に、第1表面の第1はみ出し領域が第2半導体レーザ素子から露出するとともに、第1はみ出し領域に位置する第1電極の部分において、第1電極に金属線がボンディングされている。すなわち、製造プロセス上、ウェハの接合後に、たとえば第2半導体レーザ素子側からエッチングして、金属線をボンディングするための第1電極を第1半導体レーザ素子の表面に露出させる工程などを別途行う必要がないので、このような製造プロセスが不要となる分、半導体レーザ素子の製造プロセスを簡素化させることができる。
上記第2の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、第1表面の第1電極上に絶縁層を挟んで配置されるとともに第2半導体レーザ素子に接続される第2電極をさらに備え、第2電極は、第2半導体レーザ素子と絶縁層との間から、第1はみ出し領域に延びるように形成されている。このように構成すれば、第1電極のみならず第2電極についても、第1半導体レーザ素子の第1はみ出し領域から容易に外部に接続することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1実施形態)
まず、図1〜図6を参照して、第1実施形態による半導体レーザ素子100の構造について説明する。なお、図2は、図1の1000−1000線に沿った断面図であり、図3は、図1の1100−1100線に沿った断面図である。また、図4は、図1の2000−2000線に沿った断面図であり、図5は、図1の3000−3000線に沿った断面図である。また、図6は、図1に示した半導体レーザ素子の平面図である。
まず、図1〜図6を参照して、第1実施形態による半導体レーザ素子100の構造について説明する。なお、図2は、図1の1000−1000線に沿った断面図であり、図3は、図1の1100−1100線に沿った断面図である。また、図4は、図1の2000−2000線に沿った断面図であり、図5は、図1の3000−3000線に沿った断面図である。また、図6は、図1に示した半導体レーザ素子の平面図である。
本発明の第1実施形態による半導体レーザ素子100は、図1〜図5に示すように、約405nmの発振波長を有する青紫色半導体レーザ素子10の表面上に、約650nmの発振波長を有する赤色半導体レーザ素子30と、約780nmの発振波長を有する赤外半導体レーザ素子50とがモノリシックに形成された2波長半導体レーザ素子70が接合されている。なお、青紫色半導体レーザ素子10および2波長半導体レーザ素子70は、それぞれ、本発明の「第1半導体レーザ素子」および「第2半導体レーザ素子」の一例である。
ここで、第1実施形態では、半導体レーザ素子100における青紫色半導体レーザ素子10と2波長半導体レーザ素子70とは、共振器方向(X方向)に延びる素子の側面が互いにY方向にずれた状態で接合されている。すなわち、図2に示すように、青紫色半導体レーザ素子10のY1側の側面10aが、2波長半導体レーザ素子70のY1側の側面70aが形成される位置からY1方向にずれて配置されることにより、青紫色半導体レーザ素子10には2波長半導体レーザ素子70から露出するはみ出し領域5が設けられている。また、同様に、2波長半導体レーザ素子70のY2側の側面70bが、青紫色半導体レーザ素子10のY2側の側面10bが形成される位置からY2方向にずれて配置されることにより、2波長半導体レーザ素子70には青紫色半導体レーザ素子10から露出するはみ出し領域6が設けられている。なお、はみ出し領域5および6は、それぞれ、本発明の「第1はみ出し領域」および「第2はみ出し領域」の一例である。また、側面10aおよび10bは、それぞれ、本発明の「第1側面」および「第2側面」の一例であり、側面70aおよび70bは、それぞれ、本発明の「第3側面」および「第4側面」の一例である。
ここで、青紫色半導体レーザ素子10と2波長半導体レーザ素子70とは、略等しいY方向の幅P(=約200μm)を有するように設計されるとともに、略等しい共振器長L(=約800μm)を有するように設計されている。しかしながら、製造プロセスにおいて、劈開・分割工程の精度による誤差が発生する。したがって、青紫色半導体レーザ素子10および2波長半導体レーザ素子70の幅Pは互いに10μm程度異なっている場合もあり、また、青紫色半導体レーザ素子10および2波長半導体レーザ素子70の共振器長Lは互いに10μm程度異なっている場合もあるが、共振器長Lおよび幅Pに関して略等しいとは、この程度の誤差を有する場合を含む。
また、図2に示すように、青紫色半導体レーザ素子10は、約100μmの厚みを有するn型GaN基板11の表面上に、n型AlGaNからなるn型クラッド層12と、多重量子井戸(MQW)構造を有する活性層13と、p型AlGaNからなるp型クラッド層14とが形成されている。また、図1および図2に示すように、p型クラッド層14は、中央部からY2側に寄せられた位置に形成されるZ1方向に突出する凸部と、凸部の両側に広がる平坦部とを有している。このp型クラッド層14の凸部によって、活性層13の部分に光導波路を構成するためのリッジ15が形成されている。また、リッジ15は、X方向(図1参照)に延びるように形成されている。
ここで、第1実施形態では、図1および図4に示すように、青紫色半導体レーザ素子10には、素子のX方向の両端部におけるリッジ15の両側面(Y方向)に、一対の段差部10cが形成されている。この段差部10cは、後述する製造プロセスにおいて、ウェハ状態の半導体レーザ素子100をY方向に沿ってバー状に分割する際の劈開導入用溝91が、分割後に青紫色半導体レーザ素子10に残された部分である。
また、図1および図2に示すように、p型クラッド層14におけるリッジ15の両側面および平坦部の上面上には、SiO2からなる絶縁層16が形成されている。この絶縁層16は、段差部10cの部分にも積層されている。また、リッジ15の上面に接触するとともにリッジ15の周辺に位置する絶縁層16の上面を覆うように、p側電極17が形成されている。また、p側電極17は、青紫色半導体レーザ素子10の上面上の四方端部近傍を除く絶縁層16の上面を覆うように形成されている。また、p側電極17の上面上と絶縁層16の四方端部の上面上とに、SiO2からなる絶縁層18aが形成されている。また、絶縁層18aは、段差部10cの底面および側面(絶縁層16が積層されている部分)上に形成されている。なお、p側電極17は、本発明の「電極」および「第1電極」の一例である。
また、第1実施形態では、図6に示すように、青紫色半導体レーザ素子10のY1側の上面のうち2波長半導体レーザ素子70のY1側の側面70aが形成された位置からY1側にはみ出したはみ出し領域5に位置する絶縁層18aの部分には、絶縁層18aの一部が除去されることによって、下層のp側電極17の一部が露出する矩形状のワイヤボンド部17aが形成されている。また、図2および図6に示すように、はみ出し領域5における絶縁層18aのX1側かつY1側の領域上には、赤色半導体レーザ素子30が接合される領域からY1側のはみ出し領域5に延びるパッド電極19aが形成されている。また、図3および図6に示すように、絶縁層18aの表面上には、赤外半導体レーザ素子50が接合されるY2側の表面上をX方向に沿って短冊状に覆うとともに、X方向の略中央部からリッジ15の上方を跨いでY1側のはみ出し領域5に延びるパッド電極19bが形成されている。この際、図3および図4に示すように、赤色半導体レーザ素子30が接合される領域には、パッド電極19bと赤色半導体レーザ素子30との間にSiO2からなる絶縁層18bが形成されることにより、パッド電極19bと赤色半導体レーザ素子30との絶縁が図られている。なお、青紫色半導体レーザ素子10の上面は、本発明の「第1表面」の一例であり、パッド電極19aおよび19bは、本発明の「第2電極」の一例である。
また、第1実施形態では、ワイヤボンド部17a、パッド電極19aおよび19bは、青紫色半導体レーザ素子10のはみ出し領域5において互いに接触しない状態で、共振器方向(X方向)に沿って並ぶように形成されている。
また、図1〜図4に示すように、n型GaN基板11の下面上に、段差部10dが形成された領域およびその近傍領域を除いてn側電極20が形成されている。また、青紫色半導体レーザ素子10の下面のY方向の両端部(側面10aおよび10b)に形成された段差部10dは、後述する製造プロセスにおいて、バー状態の半導体レーザ素子100をX方向に沿って素子をチップに分割する際の分割溝73が、チップ化後の青紫色半導体レーザ素子10に残された部分である。なお、バー状態の半導体レーザ素子100は、本発明の「第3短冊状基板」の一例であり、分割溝73は、本発明の「第1分割溝」の一例である。
また、図2に示すように、2波長半導体レーザ素子70を構成する赤色半導体レーザ素子30は、約100μmの厚みを有するn型GaAs基板31の下面上に、n型AlGaInPからなるn型クラッド層32と、MQW構造を有する活性層33と、p型AlGaInPからなるp型クラッド層34とが形成されている。また、赤外半導体レーザ素子50は、n型GaAs基板31の下面上に、n型AlGaAsからなるn型クラッド層52と、MQW構造を有する活性層53と、p型AlGaAsからなるp型クラッド層54とが形成されている。また、図1、図2および図4に示すように、赤色半導体レーザ素子30と赤外半導体レーザ素子50とに挟まれた領域(Y方向の中央部)に、溝部71が形成されている。
また、p型クラッド層34および54は、それぞれ、Y方向の略中央部に形成されるとともにZ2方向に突出する凸部と、凸部の両側に形成されX方向に沿って延びる凹部34aおよび54aと、凹部34aおよび54aの両側に広がる平坦部34bおよび54bとを有している。このp型クラッド層34および54の凸部によって、活性層33および53の部分に光導波路を構成するためのリッジ35および55が形成されている。また、リッジ35および55は、図1および図5に示すように、共にX方向に延びるように形成されている。
また、図1および図2に示すように、リッジ35および55の下面上を除くp型クラッド層34および54の下面上と、赤色半導体レーザ素子30および赤外半導体レーザ素子50の側面と、n型GaAs基板31の溝部71の下面上とには、SiO2からなる絶縁層36が形成されている。また、絶縁層36は、略一様な厚みを有するとともに、p型クラッド層34(54)における凹部34a(54a)の内側面(凹部の底面および側面)上にも形成されている。これにより、絶縁層36は、p型クラッド層34および54の凹凸形状に対応するように、リッジ35および55の両側に形成された凹部と、凹部の両側に広がる平坦部36aとを有している。
また、平坦部36aは、図2に示すように、絶縁層36が形成されていないリッジ35および55の下面(Z2側の表面)よりも下方に位置するように構成されている。これにより、青紫色半導体レーザ素子10に対して2波長半導体レーザ素子70の下面を接合する際に、リッジ35および55に過度な圧力が加えられるのが抑制されるように構成されている。なお、2波長半導体レーザ素子70の下面は、本発明の「第2表面」の一例である。
また、リッジ35の下面に接触するとともにリッジ35の周辺に位置する絶縁層36の下面を覆うように、p側電極37が形成されている。また、リッジ55の下面に接触するとともにリッジ55の周辺に位置する絶縁層36の下面を覆うように、p側電極57が形成されている。このp側電極37および57は、それぞれ、略一様な厚みを有することによって、絶縁層36の凹凸形状に対応した表面に構成されている。
また、n型GaAs基板31の上面(Z1側の表面)上に、後述する段差部70cが形成された領域およびその近傍領域を除いてn側電極40が形成されている。このn側電極40は、赤色半導体レーザ素子30および赤外半導体レーザ素子50に共通に用いられる。また、2波長半導体レーザ素子70のY方向の両端部(側面70aおよび70b)には、X方向に延びる段差部70cおよび70dがそれぞれ形成されている。この段差部70cおよび70dは、後述する製造プロセスにおいて、バー状態の半導体レーザ素子100をX方向に沿って素子をチップに分割する際の分割溝74が、分割後に2波長半導体レーザ素子70にそれぞれ残された部分である。なお、分割溝74は、本発明の「第2分割溝」の一例である。
また、図2および図3に示すように、2波長半導体レーザ素子70のp側電極37および57は、それぞれ、Au−Sn半田からなる融着層1を介して、青紫色半導体レーザ素子10上のパッド電極19aおよび19bに接合されている。また、青紫色半導体レーザ素子10の段差部10cは、赤色半導体レーザ素子30または赤外半導体レーザ素子50が形成されている位置の下方(Z2方向)まで延びるように形成されている。また、2波長半導体レーザ素子70は、溝部71の部分が青紫色半導体レーザ素子10のリッジ15(導波路)の上方を完全に覆うように配置されている。これにより、青紫色半導体レーザ素子10の発光点と、2波長半導体レーザ素子70の発光点とのZ方向の位置を互いに近づけて形成することが可能となる。
また、第1実施形態では、図6に示すように、青紫色半導体レーザ素子10、赤色半導体レーザ素子30および赤外半導体レーザ素子50のX側の両端部には、それぞれ、リッジ15、35および55と垂直な平面(図6におけるY−Z平面に相当する)である一対の共振器面10e、30eおよび50eが形成されている。なお、X1側の各々の共振器面、および、X2側の各々の共振器面は、それぞれの側において互いに同一平面上に揃えられて形成されている。また、共振器面10e、30eおよび50eには、それぞれ、製造プロセスにおける端面コート処理により、AlN膜やAl2O3膜などからなる反射率制御の機能を兼ねる保護膜2aおよび2bが形成されている。
ここで、光出射側の共振器面10e(30e、50e)に形成される保護膜2aは、共振器面10e(30e、50e)から外部に向かって約10nmの厚みを有するAlN膜と、約150nmの厚みを有するAl2O3膜とにより形成される。また、光反射側の共振器面に形成される保護膜2bは、共振器面から外部に向かって、約10nmの厚みを有するAlN膜と、約30nmの厚みを有するAl2O3膜と、約10nmの厚みを有するAlN膜と、約60nmの厚みを有するAl2O3膜と、約140nmの厚みを有するSiO2膜と、低屈折率膜として約68nmの厚みを有するSiO2膜および高屈折率膜として約50nmを有するZrO2膜が交互に6層ずつ積層された合計で約708nmの厚みを有する多層反射膜とによって構成される。
また、図6に示すように、青紫色半導体レーザ素子10は、はみ出し領域5のワイヤボンド部17bにボンディングされた金属線81を介してリード端子に接続されるとともに、n側電極20(図1参照)が融着層を介して基台85に電気的に固定されている。また、赤色半導体レーザ素子30は、はみ出し領域5において露出するパッド電極19aにボンディングされた金属線82を介してリード端子に接続される。また、赤外半導体レーザ素子50は、はみ出し領域5において露出するパッド電極19bにボンディングされた金属線83を介してリード端子に接続される。また、2波長半導体レーザ素子70は、接合面とは反対側の位置のn側電極40の上面にボンディングされた金属線84を介して基台85に電気的に接続される。なお、図6では、2波長半導体レーザ素子70の紙面奥に隠れるパッド電極19aおよび19bなどの形状を示すために、便宜的に手前のn側電極40(実線で示す)にはハッチングを施さずに示した。
次に、図1、図2および図6〜図15を参照して、第1実施形態による半導体レーザ素子100の製造プロセスについて説明する。
まず、図7に示すように、減圧MOCVD法を用いて、ウェハ状態のn型GaAs基板31の上面上の所定の領域に、赤外半導体レーザ素子50となるn型クラッド層52、活性層53およびp型クラッド層54を順次形成する。その後、n型クラッド層52、活性層53およびp型クラッド層54の一部をエッチングしてn型GaAs基板31の一部を露出させるとともに、その露出した部分の一部に、溝部71となる領域を残して、赤色半導体レーザ素子30となるn型クラッド層32、活性層33およびp型クラッド層34を順次形成する。なお、図7では、便宜的に、上記工程にて形成された半導体層を一つの層(ハッチング領域)で示している。
その後、フォトリソグラフィおよびエッチングを用いて、半導体層の表面からZ1方向に約5μmの深さを有するとともにX方向に延びる分割溝72を形成する。この際、分割溝72は、Y方向における間隔が、後のウェハ接合工程における位置合わせ時の温度T1でのピッチP2に等しくなるように形成される。なお、分割溝72は、半導体層下部のn型GaAs基板31まで達するように形成される。また、分割溝72は、溝部71と略同じ深さになるように形成される。
その後、図8に示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングを用いて、p型クラッド層34および54の所定の領域を除去することによって、X方向に沿って延びるリッジ35および55を形成する。この際、リッジ35および55は、それぞれ、Y方向における間隔が、後のウェハ接合工程における位置合わせ時の温度T1でのピッチP2に等しくなるように形成される。また、リッジの形成と同時に、p型クラッド層34および54の所定の領域を除去することによって、リッジ35および55の両側に凹部34aおよび54aと、凹部34aおよび54aの両側に広がる平坦部34bおよび54bとを形成する。
その後、プラズマCVDを用いて、p型クラッド層34および54の上面上に絶縁層36を形成する。この際、n型GaAs基板31が露出する溝部71および分割溝72の内部にも絶縁層36が積層されるとともに、平坦部36aも形成される。その後、フォトリソグラフィおよびエッチングを用いて、リッジ35および55の上面上に形成された絶縁層36を除去する。これにより、平坦部36aは、リッジ35および55の上面よりも上方(Z2側)に位置して形成される。
その後、真空蒸着法およびリフトオフ法を用いて、チップ化後の2波長半導体レーザ素子70の形状に対応するように、リッジ35および55の上面上と絶縁層36の所定の領域の上面上とに金属層37および57を積層する。また、この際、絶縁層36の上面上に、ウェハ接合時の位置合わせのためのアライメントマーク95を形成する。このアライメントマーク95は、X方向およびY方向に、それぞれ、ピッチW2およびピッチB2を有するように設けられる。なお、図8では、波長半導体レーザ素子70のウェハの中心部近傍に形成されるアライメントマーク95について示している。
その後、n型GaAs基板31が約100μmの厚みを有するようにn型GaAs基板31の下面をエッチングした後、真空蒸着法およびフォトリソグラフィを用いて、n型GaAs基板31の下面上の所定の領域に金属層40をパターニングする。この状態で、ウェハに対して約400℃の熱処理を行う。これにより、図8に示すように、リッジ35および55と、金属層37および57とがそれぞれ合金化されるとともに、n型GaAs基板31の下面と金属層40とが合金化されてn側電極40が形成される。これにより、半導体層とp側電極37(57)、および、n型GaAs基板31とn側電極40とがそれぞれオーミック接触した状態となる。このようにして、ウェハ状態の2波長半導体レーザ素子70が作製される。なお、ウェハ状態の2波長半導体レーザ素子70は、本発明の「第2半導体レーザ素子基板」の一例である。
ここで、第1実施形態による製造プロセスでは、図8に示すように、2波長半導体レーザ素子70のウェハにおけるアライメントマーク95は、X方向のピッチW2が共振器長L2と同じ(W2=L2)であるとともに、Y方向のピッチB2が、赤色半導体レーザ素子30および赤外半導体レーザ素子50の各々のリッジ間隔(ピッチP2)と同じ(B2=P2)であるように形成される。また、アライメントマーク95から最寄の劈開面までの距離D3とは、各素子において同じ値となっている。なお、図8に示したピッチW2、共振器長L2、ピッチB2およびピッチP2は、それぞれ、ウェハ接合工程における位置合わせ時の温度T1(たとえば室温(約30℃)付近)での長さを示している。
次に、図9に示すように、減圧MOCVD法を用いて、主表面が(0001)面であるn型GaN基板11の上面上に、n型クラッド層12と活性層13とp型クラッド層14とを順次積層する。
その後、フォトリソグラフィおよびエッチングを用いて、p型クラッド層14側からZ2方向に約5μmの深さを有するとともにY方向に沿って延びる劈開導入用溝91を形成する。この際、劈開導入用溝91は、青紫色半導体レーザ素子10のリッジ15が形成される領域(図10参照)およびその近傍領域を除いて破線状に形成される。また、劈開導入用溝91は、X方向における間隔が、後のウェハ接合工程における位置合わせ時の温度T1での共振器長L1に等しくなるように形成される。また、劈開導入用溝91は、半導体層下部のn型GaN基板11まで達するように形成される。これにより、一般的に劈開が困難な窒化物系半導体であるn型GaN基板11および半導体層を、より確実に劈開することが可能である。
その後、図10に示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングを用いて、p型クラッド層14の所定の領域を除去することによって、X方向に沿って延びるリッジ15を形成する。この際、半導体層にはリッジ15の突出高さよりも劈開導入用溝91の深さ(約5μm)が大きく形成されるので、劈開導入用溝91は、リッジ15形成後も半導体層に残される。また、リッジ15は、Y方向における間隔が、後のウェハ接合工程における位置合わせ時の温度T1でのピッチP1に等しくなるように形成される。
その後、図11に示すように、プラズマCVDを用いて、p型クラッド層14のリッジ15の側面および平坦部の上面上を覆うように絶縁層16を形成する。この際、劈開導入用溝91の内側面にも絶縁層16が積層される。リッジ15の上面上の絶縁層16を除去した後、真空蒸着法を用いて、後述するチップ化後の青紫色半導体レーザ素子10の形状に対応するように、リッジ15の上面上と絶縁層16の上面上とを覆う金属層を積層する。そして、約400℃の熱処理によって金属層が合金化されることによりp側電極17を形成する。
続いて、プラズマCVDを用いて、p側電極17の上面上と絶縁層16の上面上とを覆う絶縁層18aを形成する。この際、劈開導入用溝91の内部の絶縁層16の上面上にも絶縁層18aが積層される。その後、フォトリソグラフィおよびエッチングを用いて、絶縁層18aの所定の領域を除去することにより、p側電極17の一部の領域をZ1方向に露出させてワイヤボンド部17aを形成する。
その後、真空蒸着法およびリフトオフ法を用いて、チップ化後の青紫色半導体レーザ素子10の形状に対応するように、絶縁層18aの所定の領域の上面上にパッド電極19aおよび19bをパターニングする。また、この際、絶縁層18aの上面上に、ウェハ接合時の位置合わせのためのアライメントマーク96を形成する。このアライメントマーク96は、X方向およびY方向に、それぞれ、ピッチW1およびピッチB1を有するように設けられる。また、パッド電極19aおよび19bについても、アライメントマーク96と同じピッチ(ピッチW1およびB1)でパターニングされる。これにより、パッド電極19aおよび19bがアライメントマーク96と同じピッチで同時に形成されるので、アライメントマーク96を形成する工程が簡素化される。また、パッド電極19aおよび19bとアライメントマーク96とを形成するためのマスクパターンが、同じピッチを繰り返して形成される分、マスクの作製が容易になる。なお、図11では、青紫色半導体レーザ素子10のウェハの中心部近傍に形成されるアライメントマーク96について示している。また、温度T1での青紫色半導体レーザ素子10のウェハにおけるアライメントマーク96は、X方向のピッチW1がアライメントマーク95のピッチW2と同じ(W1=W2)に形成されるとともに、Y方向のピッチB1がアライメントマーク95のピッチB2と同じ(B1=B2)であるように形成される。
また、Y1側のパッド電極19bの上面の一部の領域を残して、パッド電極19b上に絶縁層18bを形成する。その後、露出する絶縁層18b、パッド電極19aおよび19b上の2波長半導体レーザ素子70のリッジが接合される位置に、融着層1を形成する。このようにして、n側電極20(図1参照)を除くウェハ状態の青紫色半導体レーザ素子10が作製される。なお、ウェハ状態の青紫色半導体レーザ素子10は、本発明の「第1半導体レーザ素子基板」の一例である。
ここで、GaNの熱膨張係数は、c面基板面内に対して等方的で、a軸方向のGaNの熱膨張係数α1(=5.0×10−6/K)が、GaAsの熱膨張係数α2(=6.03×10−6/K)よりも小さいので、温度T1において、P1=P2およびL1=L2となるように青紫色レーザ素子のウェハの共振器長L1およびリッジ間隔P1を作製すると、ウェハ接合工程における接合時(たとえば約300℃)において、青紫色半導体レーザ素子10のウェハの共振器長およびリッジ間隔が、それぞれ、2波長半導体レーザ素子70のウェハの共振器長およびリッジ間隔と異なってしまう。その結果、分割後の各チップ間で、青紫色半導体レーザ素子の導波路と2波長半導体レーザ素子の導波路との間隔が、一定にならないという不都合が生じる。
この不都合を解決するためには、接合温度T2において、青紫色半導体レーザ素子10のリッジ間隔と2波長半導体レーザ素子70のリッジ間隔とを一致させる必要がある。すなわち、接合温度T2における各々のレーザ素子は、共振器長がL1×(1+α1×ΔT)=L2×(1+α2×ΔT)の関係を満たすとともに、リッジ間隔がP1×(1+α1×ΔT)=P2×(1+α2×ΔT)の関係を満たす必要がある。ここで、ΔT=T2−T1である。
したがって、青紫色半導体レーザ素子10の温度T1における共振器長L1およびリッジ間隔P1は、それぞれ、L1=L2×{(1+α2×ΔT)/(1+α1×ΔT)}>L2、および、P1=P2×{(1+α2×ΔT)/(1+α1×ΔT)}>P2となるように設定される必要がある。すなわち、青紫色半導体レーザ素子10のウェハの共振器長L1およびリッジ間隔P1が、それぞれ、2波長半導体レーザ素子70のウェハの共振器長L2およびリッジ間隔P2よりも大きく設定される必要がある。
また、青紫色半導体レーザ素子10のウェハにおいて、共振器長L1は、図11に示すように、アライメントマーク96のピッチW1よりも大きく(L1>W1)設定されるとともに、リッジ間隔(ピッチP1)は、アライメントマーク96のピッチB1よりも大きく(P1>B1)設定される。
このため、青紫色半導体レーザ素子10のウェハのアライメントマーク96から最寄の劈開面までの距離D1と、アライメントマーク96から最寄のリッジ15までの距離D2とは、各素子において異なる値となっている。ここで、青紫色半導体レーザ素子10のウェハの中心部における距離D1は、図8の距離D3と略一致するように形成される。
その後、図12に示すように、ウェハ状態の青紫色半導体レーザ素子10と、ウェハ状態の2波長半導体レーザ素子70との間で、パッド電極19aとp側電極37とを対向させるとともに、パッド電極19bとp側電極57と対向させながら、アライメントマーク95と96とが重なるように、ウェハ状態の青紫色半導体レーザ素子10とウェハ状態の2波長半導体レーザ素子70との位置合わせを行う。この際、ウェハの略中心部において、青紫色半導体レーザの劈開面となる位置と2波長半導体レーザの劈開面となる位置とを略一致させるとともに、青紫色半導体レーザ素子10の導波路と2波長半導体レーザ素子70の導波路との間隔が設定の値となるようにして位置合わせを行う。
その後、図8および図11に示したウェハの略中心部において、ずれが生じないように昇温し、約200℃以上約350℃以下の接合温度T2で融着層1を用いて接合する。この結果、接合後の図12のウェハにおいて、青紫色半導体レーザ素子10の導波路と、2波長半導体レーザ素子70の導波路との相対的な間隔がウェハ内で一定となるとともに、青紫色半導体レーザ素子10の劈開面となる位置と、2波長半導体レーザ素子70の劈開面となる位置とが略一致する。なお、ここで、リッジ間隔Pおよび共振器長Lは、それぞれ、P1とP2との差異、および、L1とL2との差異を無視して図示している。一方、双方のウェハに形成されたアライメントマーク95および96は、ウェハの中心部でのずれは小さい一方、基板の熱膨張の影響を受けてウェハ中心部から周辺部に離れるのに伴い、アライメントマーク95と96との間のずれが大きくなる。
なお、パッド電極(17、19aおよび19b)は各々の青紫色半導体レーザ素子10において、X方向およびY方向に多少のずれを生じるが、このことは、素子の特性上、特に問題にならない程度の大きさである。
その後、図12に示すように、n型GaN基板11が約100μmの厚みを有するようにn型GaN基板11の下面を研磨した後、真空蒸着法およびフォトリソグラフィを用いて、n型GaN基板11の下面上の所定の領域にn側電極20をパターニングする。なお、n側電極20を形成する際は、熱処理は行われない。
その後、第1実施形態による製造プロセスでは、ダイヤモンドポイントを用いて、n側電極40のY方向の両端部に劈開導入用溝92を形成する。この際、劈開導入用溝92は、青紫色半導体レーザ素子10に形成された劈開導入用溝91に対応するように、Z方向に見て重なるように形成される。なお、劈開導入用溝92は、ウェハ状態のn型GaAs基板31のY方向の端部以外の領域には形成されない。
この状態で、青紫色半導体レーザ素子10の下面側から劈開導入用溝91の延びるY方向に沿って刃状治具75を押し当ててウェハを劈開する。これにより、図13に示すように、バー状態となった半導体レーザ素子100が形成される。この際、バー状態の青紫色半導体レーザ素子10には、一対の共振器面10e(図6参照)が形成される。同様に、バー状態の2波長半導体レーザ素子70には、一対の共振器面30eおよび50e(図6参照)がそれぞれ形成される。また、劈開導入用溝91の一部が残されて段差部10cが形成される。なお、バー状態の青紫色半導体レーザ素子10およびバー状態の2波長半導体レーザ素子70は、それぞれ、本発明の「第1短冊状基板」および「第2短冊状基板」の一例である。
その後、第1実施形態による製造プロセスでは、バー状態の半導体レーザ素子100に対して端面コート処理を行う。これにより、図13に示すように、X1側の共振器面10e、30eおよび50e(光出射側)に保護膜2aが形成されるとともに、X2側の共振器面10e、30eおよび50e(光反射側)に保護膜2bが形成される。
その後、図14に示すように、ダイヤモンドポイントを用いて、n側電極20の間の表面(下面)にX方向に沿って延びる分割溝73(破線で示す)を形成するとともに、分割溝72と対向する位置において、n側電極40の表面にX方向に沿って延びる分割溝74を形成する。この際、分割溝73と分割溝74とは、互いにY方向にずれた位置に形成される。
この状態で、青紫色半導体レーザ素子10の下面側から分割溝73の延びるX方向に沿って刃状治具75を押し当ててウェハの素子分割を行う。この際、バー状態の青紫色半導体レーザ素子10は、分割溝73においてY方向に分離されるとともに、バー状態の2波長半導体レーザ素子70は、分割溝74においてY方向に分離される。これにより、図15に示すように、青紫色半導体レーザ素子10の側面10aが2波長半導体レーザ素子70の側面70aに対してY1方向にずれるとともに、2波長半導体レーザ素子70の側面70bが青紫色半導体レーザ素子10の側面10bに対してY2方向にずれた状態のチップが形成される。
また、この素子分割によって、青紫色半導体レーザ素子10のワイヤボンド部17a(図6参照)が外部に露出する。また、青紫色半導体レーザ素子10のY方向の両端部に、分割溝73の一部が残ることによって、段差部10dが形成されるとともに、2波長半導体レーザ素子70のY方向の両端部に、分割溝74の一部が残ることによって、段差部70cおよび70dがそれぞれ形成される。このようにして、第1実施形態による半導体レーザ素子100のチップが形成される。
第1実施形態では、上記のように、青紫色半導体レーザ素子10の側面10aが、2波長半導体レーザ素子70の側面70aが形成される位置からY1側にはみ出ると同時に、2波長半導体レーザ素子70の側面70bが、青紫色半導体レーザ素子10の側面10bが形成される位置からY2側にはみ出るように青紫色半導体レーザ素子10と2波長半導体レーザ素子70とが接合されている。すなわち、青紫色半導体レーザ素子10と2波長半導体レーザ素子70とが有する各々の側面が、Y方向に沿って互いにずれた位置で接合された半導体レーザ素子100を形成することによって、ウェハ状態の青紫色半導体レーザ素子10とウェハ状態の2波長半導体レーザ素子70とが接合されたウェハから、2波長半導体レーザ素子70側のウェハのうちの不要な部分を予め除去して、青紫色半導体レーザ素子10のウェハの表面上に側面10aおよび10bよりも素子の内側方向に小さな素子幅を有する2波長半導体レーザ素子70を形成し、その後、ウェハをチップ化する製造プロセスなどと異なり、ウェハの不要な部分を除去することなくウェハを分割して半導体レーザ素子100のチップを形成することができる。これにより、半導体レーザ素子100の歩留まりを向上させることができる。
また、第1実施形態では、2波長半導体レーザ素子70からY1側にはみ出る青紫色半導体レーザ素子10のはみ出し領域5の表面に露出するp側電極17の部分において、p側電極17(ワイヤボンド部17a)に金属線81がボンディングされている。すなわち、製造プロセス上、ウェハの接合後に、たとえば2波長半導体レーザ素子70側からエッチングして、金属線81をボンディングするためのp側電極17を青紫色半導体レーザ素子10の表面に露出させる工程などを別途行う必要がないので、このような工程が不要となる分、半導体レーザ素子100の製造プロセスを簡素化させることができる。
また、第1実施形態では、パッド電極19aおよび19bを、2波長半導体レーザ素子70と絶縁層18aとの間から、はみ出し領域5に延びるように形成することによって、p側電極17のみならずパッド電極19aおよび19bについても、青紫色半導体レーザ素子10のはみ出し領域5から容易に外部に接続することができる。
また、第1実施形態では、青紫色半導体レーザ素子10の表面に形成されたp側電極17(ワイヤボンド部17a)、パッド電極19aおよびパッド電極19bが、共振器方向(X方向)に沿って並ぶように形成されることにより、青紫色半導体レーザ素子10のY方向の幅をより小さく形成することができる。
また、第1実施形態では、下部に導波路が形成されていない青紫色半導体レーザ素子10のはみ出し領域5において、金属線81がp側電極17にワイヤボンディングされるとともに、2波長半導体レーザ素子70に接続される金属線82および83が、それぞれ、パッド電極19aおよび19bにワイヤボンディングされている。これにより、外部と接続される複数の金属線を、容易に、レーザ素子側の電極に接続することができる。また、レーザ素子の導波路から離れた位置に金属線をワイヤボンディングすることができるので、ボンディングの際の導波路への衝撃を、低減することができる。
また、第1実施形態による半導体レーザ素子100の製造プロセスでは、接合されたウェハ状態の青紫色半導体レーザ素子10および2波長半導体レーザ素子70を同時に分割することにより、バー状態の半導体レーザ素子100を形成することによって、青紫色半導体レーザ素子10と2波長半導体レーザ素子70とが接合されたウェハが、双方のウェハに形成された分割線(劈開導入用溝91および92)に沿って分割されるので、バー状態における分割面(共振器面)を直線状に揃えて形成することができる。これにより、チップ化の前工程において、各々の半導体レーザ素子を構成する共振器面10e、30eおよび50eが、共振器方向(図3のX方向)にずれるのを容易に抑制することができる。また、分割前のウェハ状態の2波長半導体レーザ素子70は、個々のレーザ素子がY方向に沿って連続的に形成されているので、Y方向に延びる分割溝を少なくとも1箇所(劈開導入用溝91および92の少なくとも一方)だけ形成すればよい。これにより、劈開導入用溝91および92の形成工程を簡略化することができる。
また、第1実施形態による半導体レーザ素子100の製造プロセスでは、チップ化の前に、バー状態のウェハの劈開面(共振器面10e、30eおよび50e)に保護膜2aおよび2bをそれぞれ形成することによって、青紫色半導体レーザ素子10と2波長半導体レーザ素子70とが接合されたウェハは、ウェハの厚みが略一様な状態で共振器面10e、30eおよび50eに保護膜2a(2b)が形成される。これにより、たとえば、保護膜2a(2b)を形成する前に青紫色半導体レーザ素子10のp側電極17(ワイヤボンド部17a)などを外部に露出させ、その後、保護膜2a(2b)を形成する場合と異なり、保護膜2a(2b)が、露出したp側電極17の表面上にまで回り込んでワイヤボンド部17aを覆うことにより絶縁する不都合が生じないので、チップ化後に接合される金属線81とワイヤボンド部17aとの電気的な接続(ワイヤボンディング)を確実に行うことができる。
また、第1実施形態による半導体レーザ素子100の製造プロセスでは、チップ化を行う前に、バー状態の青紫色半導体レーザ素子10に側面10aおよび側面10bを形成するための分割溝73を形成するとともに、青紫色半導体レーザ素子10に接合される側とは反対側(Z1側)の2波長半導体レーザ素子70の表面の分割溝73と対応する位置からずれた位置に、側面70aおよび側面70bが、側面10aおよび側面10bが形成される位置からそれぞれはみ出るように形成するための分割溝74を形成する。これにより、バー状態の半導体レーザ素子100を素子分割する際、分割溝73の部分で青紫色半導体レーザ素子10が分割されるのに合わせて、分割溝74が形成された位置で2波長半導体レーザ素子70も分割することができる。これにより、バー状態の半導体レーザ素子100をチップ化するのと同時に、側面70aおよび側面70bが、側面10aおよび側面10bが形成された位置からずれた位置に配置された状態の半導体レーザ素子100を、容易に形成することができる。
また、第1実施形態による半導体レーザ素子100の製造プロセスでは、バー状態の青紫色半導体レーザ素子10と2波長半導体レーザ素子70とを接合する前に、青紫色半導体レーザ素子10と接合される側の2波長半導体レーザ素子70の表面に、分割溝74の形成予定位置に対向するように分割溝72を形成する。これにより、バー状態の2波長半導体レーザ素子70は、分割溝74のみならず分割溝72によって、より容易にウェハを分割しやすくすることができる。
また、第1実施形態による半導体レーザ素子100の製造プロセスでは、温度T1において、ウェハ状態での青紫色半導体レーザ素子10の共振器長L1の設計値を、GaNよりも熱膨張係数の大きい2波長半導体レーザ素子70の共振器長L2よりも大きく設定している。これにより、接合温度T2において、青紫色半導体レーザ素子10および2波長半導体レーザ素子70の双方の共振器長を互いに略一致させることができるので、双方のレーザ素子の劈開位置が設計の位置からずれることを抑制することができる。
また、第1実施形態による半導体レーザ素子100の製造プロセスでは、温度T1において、ウェハ状態での青紫色半導体レーザ素子10のリッジ間隔P1を、2波長半導体レーザ素子70のリッジ間隔P2よりも大きく設定している。これにより、接合温度T2において、青紫色半導体レーザ素子10および2波長半導体レーザ素子70の双方のリッジ間隔を互いに略一致させることができるので、個々のチップにおける発光点の位置関係が略同じである半導体レーザ素子100を得ることができる。
また、第1実施形態による半導体レーザ素子100の製造プロセスでは、アライメントマーク95および96を、X方向およびY方向の各々の方向に温度T1において同じピッチで形成することによって、ウェハ接合時の位置合わせを容易にかつ正確に行うことができる。
また、第1実施形態による半導体レーザ素子100の製造プロセスでは、青紫色半導体レーザ素子10のパッド電極19aおよび19bのパターニングに合わせてアライメントマーク96のパターニングを行うことによって、電極パターンの形成と同時にアライメントマークを形成することができるので、アライメントマークを形成する工程を簡素化させることができる。
また、第1実施形態による半導体レーザ素子100の製造プロセスでは、パッド電極19aおよび19bをアライメントマーク96と同じピッチ(ピッチW1およびB1)でパターニングすることによって、パッド電極とアライメントマークとを形成するためのマスクパターンが、同じピッチを繰り返して形成される分、マスクの作製を容易に行うことができる。
(第1実施形態の変形例)
図11を参照して、本発明の第1実施形態の変形例による半導体レーザ素子100の製造プロセスでは、上記第1実施形態の製造プロセスと異なり、青紫色半導体レーザ素子10のウェハにおいて、アライメントマーク96を、X方向およびY方向に沿ってn個のレーザ素子毎に形成してもよい。この場合、アライメントマーク96は、X方向に沿ってピッチW1=n×L1×{(1+α1×ΔT)/(1+α2×ΔT)}で形成されるとともに、Y方向に沿ってピッチB1=n×P1×{(1+α1×ΔT)/(1+α2×ΔT)}で形成される。
図11を参照して、本発明の第1実施形態の変形例による半導体レーザ素子100の製造プロセスでは、上記第1実施形態の製造プロセスと異なり、青紫色半導体レーザ素子10のウェハにおいて、アライメントマーク96を、X方向およびY方向に沿ってn個のレーザ素子毎に形成してもよい。この場合、アライメントマーク96は、X方向に沿ってピッチW1=n×L1×{(1+α1×ΔT)/(1+α2×ΔT)}で形成されるとともに、Y方向に沿ってピッチB1=n×P1×{(1+α1×ΔT)/(1+α2×ΔT)}で形成される。
(第2実施形態)
図16〜図18を参照して、第2実施形態について説明する。この第2実施形態による半導体レーザ素子200は、上記第1実施形態と異なり、青紫色半導体レーザ素子210のY2側の表面上に赤色半導体レーザ素子230のみを接合するとともに、青紫色半導体レーザ素子210の導波路を、Y1側の赤色半導体レーザ素子230からはみ出した領域に形成する場合について説明する。なお、青紫色半導体レーザ素子210および赤色半導体レーザ素子230は、それぞれ、本発明の「第1半導体レーザ素子」および「第2半導体レーザ素子」の一例である。なお、図16は、図17の1200−1200線に沿った断面図である。
図16〜図18を参照して、第2実施形態について説明する。この第2実施形態による半導体レーザ素子200は、上記第1実施形態と異なり、青紫色半導体レーザ素子210のY2側の表面上に赤色半導体レーザ素子230のみを接合するとともに、青紫色半導体レーザ素子210の導波路を、Y1側の赤色半導体レーザ素子230からはみ出した領域に形成する場合について説明する。なお、青紫色半導体レーザ素子210および赤色半導体レーザ素子230は、それぞれ、本発明の「第1半導体レーザ素子」および「第2半導体レーザ素子」の一例である。なお、図16は、図17の1200−1200線に沿った断面図である。
この第2実施形態における半導体レーザ素子200は、図16に示すように、青紫色半導体レーザ素子210のY2側の表面上に赤色半導体レーザ素子230が接合されている。
ここで、第2実施形態では、青紫色半導体レーザ素子210のY1側の側面210aが、赤色半導体レーザ素子230のY1側の側面230aが形成される位置からY1方向にずれて配置されているのと同時に、赤色半導体レーザ素子230のY2側の側面230bが、青紫色半導体レーザ素子210のY2側の側面210bが形成される位置からY2方向にずれて配置された状態で接合されている。なお、側面210aおよび210bは、それぞれ、本発明の「第1側面」および「第2側面」の一例であり、側面230aおよび230bは、それぞれ、本発明の「第3側面」および「第4側面」の一例である。
また、第2実施形態では、図17に示すように、はみ出し領域205における絶縁層18aのX1側かつY1側の領域上には、赤色半導体レーザ素子230が接合される領域からY1方向に延びるパッド電極219aが形成されている。また、赤色半導体レーザ素子230は、はみ出し領域205から露出するパッド電極219aにボンディングされた金属線282を介してリード端子(図示せず)に接続されている。なお、はみ出し領域205は、本発明の「第1はみ出し領域」の一例であり、パッド電極219aは、本発明の「第2電極」の一例である。
また、第2実施形態では、主表面が(1−100)面を有するn型GaN基板211の上面上に、上記第1実施形態と同様の半導体素子層を積層して青紫色半導体レーザ素子210が形成されている。また、c軸方向に沿って共振器が延びるように構成されている。この場合、a軸方向およびc軸方向のGaNの熱膨張係数は、それぞれ、約5.0×10−6/Kおよび約4.5×10−6/Kであるので、n型GaN基板211の基板面内の熱膨張係数は非等方的である。したがって、GaAs基板とのa軸方向の熱膨張係数の差は、GaAs基板とのc軸方向の熱膨張係数の差よりも小さい。そこで、図18に示すように、温度T1において、青紫色半導体レーザ素子210のウェハにアライメントマーク296のピッチ(W21およびB21)と赤色半導体レーザ素子230のウェハのアライメントマークのピッチとを一致させ、接合温度T2において、青紫色半導体レーザ素子210のウェハの素子のピッチ(共振器長L21およびリッジのピッチP21)と赤色半導体レーザ素子230のウェハの(X方向の共振器長およびY方向の導波路のピッチ)とを一致させるために、熱膨張係数の差が大きい方向の素子のピッチおよびアライメントマークのピッチの比(L21とW21との比)が、熱膨張係数の差が小さい方向の素子のピッチおよびアライメントマークのピッチの比(P21とB21との比)よりも大きく(L21/W21>P21/B21)なるように設定される。
なお、第2実施形態における半導体レーザ素子200のその他の構成および製造プロセスは、上記第1実施形態と同様である。また、第2実施形態の効果についても、上記第1実施形態と同様である。
(第3実施形態)
図19〜図22を参照して、第3実施形態について説明する。この第3実施形態による半導体レーザ素子300は、上記第1実施形態と異なり、接合される2波長半導体レーザ素子70のうちの赤色半導体レーザ素子30のみが、青紫色半導体レーザ素子310のはみ出し領域305に設けられたパッド電極319aを介してワイヤボンドされるとともに、赤外半導体レーザ素子50のパッド電極が、2波長半導体レーザ素子70のはみ出し領域306に延びるように構成される場合について説明する。なお、はみ出し領域305および306は、それぞれ、本発明の「第1はみ出し領域」および「第2はみ出し領域」の一例である。また、青紫色半導体レーザ素子310およびパッド電極319aは、それぞれ、本発明の「第1半導体レーザ素子」および「第2電極」の一例である。なお、図20は、図19の1500−1500線に沿った断面図であり、図21は、図19の2500−2500線に沿った断面図である。また、図22は、図19の3500−3500線に沿った断面図である。
図19〜図22を参照して、第3実施形態について説明する。この第3実施形態による半導体レーザ素子300は、上記第1実施形態と異なり、接合される2波長半導体レーザ素子70のうちの赤色半導体レーザ素子30のみが、青紫色半導体レーザ素子310のはみ出し領域305に設けられたパッド電極319aを介してワイヤボンドされるとともに、赤外半導体レーザ素子50のパッド電極が、2波長半導体レーザ素子70のはみ出し領域306に延びるように構成される場合について説明する。なお、はみ出し領域305および306は、それぞれ、本発明の「第1はみ出し領域」および「第2はみ出し領域」の一例である。また、青紫色半導体レーザ素子310およびパッド電極319aは、それぞれ、本発明の「第1半導体レーザ素子」および「第2電極」の一例である。なお、図20は、図19の1500−1500線に沿った断面図であり、図21は、図19の2500−2500線に沿った断面図である。また、図22は、図19の3500−3500線に沿った断面図である。
ここで、第3実施形態では、図19に示すように、はみ出し領域305における絶縁層18aのX1側の領域上には、赤色半導体レーザ素子30が接合される領域からY1方向に延びる略L字形状のパッド電極319aが形成されている。また、赤色半導体レーザ素子30は、はみ出し領域305から露出するパッド電極319aにボンディングされた金属線382を介してリード端子に接続されている。なお、パッド電極319aは、本発明の「第2電極」の一例である。また、青紫色半導体レーザ素子310は、n側電極20がパッド電極390を介してサブマウント391に固定されている。
一方、絶縁層18aのY2側の上面上には、矩形状のパッド電極319b(破線で示す)が形成されている。そして、赤外半導体レーザ素子50は、図20に示すように、側面10bのY2側のはみ出し領域306におけるp側電極57の下面に形成されたバンプ383を介してサブマウント391上のパッド電極392に接続されている。なお、図19では、2波長半導体レーザ素子70の紙面奥に隠れるパッド電極319aおよび319bなどの形状を示すために、便宜的に手前のn側電極40(実線で示す)にはハッチングを施さずに示した。
また、図21に示す断面(図20の2500−2500線断面)では、X方向に延びるパッド電極319aが、融着層1を介して赤色半導体レーザ素子30のp側電極37と接合されている。また、図22に示す断面(図20の3500−3500線断面)では、青紫色半導体レーザ素子310のp側電極17が、X方向に沿って絶縁層18aにより完全に覆われた状態で、2波長半導体レーザ素子70の溝部71上に形成された絶縁層36とZ方向に所定の間隔を隔てて対向している。
なお、第3実施形態における半導体レーザ素子300のその他の構成および製造プロセスは、上記第1実施形態と同様である。また、第3実施形態の効果についても、上記第1実施形態と同様である。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記第1〜第3実施形態の製造プロセスでは、アライメントマークをウェハの中心部近傍から周辺部に至るまで、チップ化される個々のレーザ素子に形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、ウェハの周辺部の4隅にのみアライメントマーク(4箇所)を形成して接合するようにしてもよい。
また、上記第1〜第3実施形態では、予めバー状態に形成した第1の半導体レーザ素子基板および第2の半導体レーザ素子基板を互いに接合してバー状態の半導体レーザ素子を形成してもよい。このように構成しても、バー状態の第1の半導体レーザ素子基板の表面上に、予めチップ化された複数の第2の半導体レーザ素子を個々に接合する場合などとは異なり、所定の方向に延びるバー状態の第1の半導体レーザ素子基板に対して、この方向に沿ってバー状態の第2の半導体レーザ素子基板を接合してバー状態の半導体レーザ素子を形成すればよい。これにより、バー状態の半導体レーザ素子は、第1の半導体レーザ素子の共振器面に対して第2の半導体レーザ素子の共振器面が同一面上に揃うので、各々のレーザ素子を構成する共振器面が互いにずれるのを抑制することができる。
また、上記第1〜第3実施形態では、第2の半導体レーザ素子のn型GaAs基板に金属層を形成した後に合金化工程を行った例について示したが、本発明はこれに限らず、n側電極として、合金化工程を行わなくてもオーミック接触が得られる金属を用いてもよい。この場合、n側電極の形成前に、n型GaAs基板をエッチングによって薄膜化(たとえば厚みを約50μmにする)した状態でn側電極を形成するようにしてもよい。
また、上記第1〜第3実施形態では、第1の半導体レーザ素子の発光点と、第2の半導体レーザ素子の発光点とが素子の厚み方向(図1のZ方向)にずれた状態で接合される例について示したが、本発明はこれに限らず、第1の半導体レーザ素子の発光点と第2の半導体レーザ素子の発光点とが横方向(Y方向)に略直線状に揃うように構成してもよい。
また、上記第1〜第3実施形態では、ウェハをバー状に劈開する際の劈開導入用溝91(92)やチップ化の際の分割溝73(74)を、エッチング加工やダイヤモンドポイントを用いて形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、上記の溝をレーザ光照射などによって形成してもよい。
また、上記第1〜第3実施形態では、劈開導入用溝91を形成した後に、絶縁膜やp側電極を形成してウェハ状態の第1の半導体レーザ素子を形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、絶縁膜やp側電極を形成した後に、劈開導入用溝91を形成してもよい。すなわち、劈開導入用溝91は、ウェハ同志を接合する工程の前までに形成されていればよい。
また、上記第1および第3実施形態では、青紫色半導体レーザ素子と赤色・赤外半導体レーザ素子とによって3波長半導体レーザ素子を構成した例について示したが、本発明はこれに限らず、赤色半導体レーザ素子に、青色半導体レーザ素子と緑色半導体レーザ素子とを接合してRGB3波長半導体レーザ素子を構成してもよい。
また、上記第1〜第3実施形態では、融着層1がAu−Sn半田からなる例について示したが、本発明はこれに限らず、融着層は、Au、Sn、In、Pb、Ge、Ag、CuまたはSiなどの半田材料またはその合金材料からなるように構成してもよい。また、半田を用いない他の接合方法を用いてもよい。
また、上記第1〜第3実施形態では、基板としてn型GaN基板およびn型GaAs基板を用いた例について示したが、本発明はこれに限らず、GaP基板およびSi基板などの他の基板を用いてもよい。
また、上記第1〜第3実施形態では、n型GaAs基板31に対する分割溝72と溝部71とを略同じ深さを有するように形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、分割溝と溝部との深さは異なっていてもよい。
また、上記第2実施形態において、青紫色半導体レーザ素子210の共振器を熱膨張係数の大きなa軸方向に延びるように形成してもよく、この場合は、L21/W21<P21/B21となるように設定すればよい。
また、上記第2実施形態において、青紫色半導体レーザ素子210のGaN基板の主表面として、非極性面や、(11−2±2)面や(1−10±1)面などの半極性面を用いてもよい。
2a、2b 保護膜
5、205、305 はみ出し領域(第1はみ出し域)
6、306 はみ出し領域(第2はみ出し域)
10、210、310 青紫色半導体レーザ素子(第1半導体レーザ素子)
10a、210a 側面(第1側面)
10b、210b 側面(第2側面)
17 p側電極(第1電極、電極)
18a 絶縁層
19a、19b、219a、319a パッド電極(第2電極)
70 2波長半導体レーザ素子(第2半導体レーザ素子)
70a、230a 側面(第3側面)
70b、230b 側面(第4側面)
73 分割溝(第1分割溝)
74 分割溝(第2分割溝)
81、82、83、282、382 金属線
230 赤色半導体レーザ素子(第2半導体レーザ素子)
5、205、305 はみ出し領域(第1はみ出し域)
6、306 はみ出し領域(第2はみ出し域)
10、210、310 青紫色半導体レーザ素子(第1半導体レーザ素子)
10a、210a 側面(第1側面)
10b、210b 側面(第2側面)
17 p側電極(第1電極、電極)
18a 絶縁層
19a、19b、219a、319a パッド電極(第2電極)
70 2波長半導体レーザ素子(第2半導体レーザ素子)
70a、230a 側面(第3側面)
70b、230b 側面(第4側面)
73 分割溝(第1分割溝)
74 分割溝(第2分割溝)
81、82、83、282、382 金属線
230 赤色半導体レーザ素子(第2半導体レーザ素子)
Claims (6)
- 表面に電極を有する複数の第1半導体レーザ素子が形成された第1短冊状基板と、複数の第2半導体レーザ素子が形成された第2短冊状基板とが接合された第3短冊状基板を形成する工程と、
第1側面および第2側面を有する前記第1半導体レーザ素子の前記第1側面が、第3側面および第4側面を有する前記第2半導体レーザ素子の前記第1側面と平行な前記第3側面が形成される位置からはみ出ると同時に、前記第3側面と反対側の前記第2半導体レーザ素子の前記第2側面と平行な前記第4側面が、前記第1側面と反対側の前記第1半導体レーザ素子の前記第2側面が形成される位置からはみ出るとともに、前記電極が、前記第2半導体レーザ素子の前記第3側面から露出する前記第1半導体レーザ素子のはみ出し領域に位置するように、前記第3短冊状基板を分割する工程と、
前記第3短冊状基板を分割する工程の後に、前記電極の部分に金属線をボンディングする工程とを備える、半導体レーザ素子の製造方法。 - 前記第3短冊状基板を形成する工程は、第1半導体レーザ素子基板と第2半導体レーザ素子基板とを接合する工程と、接合された前記第1半導体レーザ素子基板および前記第2半導体レーザ素子基板を同時に分割することにより、前記第1短冊状基板と前記第2短冊状基板とが接合された前記第3短冊状基板を形成する工程とを含む、請求項1に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記第1短冊状基板と前記第2短冊状基板とは、それぞれ、共振器面を有し、
前記第3短冊状基板を分割する工程に先立って、前記第3短冊状基板の前記共振器面に保護膜を形成する工程をさらに備える、請求項1または2に記載の半導体レーザ素子の製造方法。 - 前記第3短冊状基板を分割する工程に先立って、
前記第1短冊状基板に前記第1側面および前記第2側面を形成するための第1分割溝を形成する工程と、
前記第1短冊状基板に接合される側とは反対側の前記第2短冊状基板の表面の前記第1分割溝と対応する位置からずれた位置に、前記第3側面および前記第4側面を形成するための第2分割溝を形成する工程とをさらに備える、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子の製造方法。 - 第1電極が第1表面に形成され、第1側面および前記第1側面と反対側に第2側面を有する第1半導体レーザ素子と、
前記第1表面に接合され、第3側面および前記第3側面と反対側に第4側面を有する第2半導体レーザ素子とを備え、
前記第1側面と前記第3側面とが平行になるとともに、前記第2側面と前記第4側面とが平行になるように、前記第1表面と前記第2半導体レーザ素子の第2表面とが接合され、
前記第1側面と前記第3側面との間に、前記第1表面の第1はみ出し領域が前記第2半導体レーザ素子から露出するとともに、前記第2側面と前記第4側面との間に、前記第2表面の第2はみ出し領域が前記第1半導体レーザ素子から露出し、
前記第1はみ出し領域に位置する前記第1電極の部分において、前記第1電極に金属線がボンディングされている、半導体レーザ素子。 - 前記第1表面の前記第1電極上に絶縁層を挟んで配置されるとともに前記第2半導体レーザ素子に接続される第2電極をさらに備え、
前記第2電極は、前記第2半導体レーザ素子と前記絶縁層との間から、前記第1はみ出し領域に延びるように形成されている、請求項5に記載の半導体レーザ素子。
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