JP2013225654A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 半導体レーザチップからの光が他の部材に遮られることによってＦＦＰに悪影響を及ぼすのを抑制することを課題とする。
【解決手段】 半導体レーザ装置１００は、それぞれが出射側端部及び反射側端部を有する、基台１０と、第１導電層２１と、第２導電層２２と、第３導電層２３と、半導体レーザチップ３０と、を順に備える。第１導電層２１は、その出射側端部が基台１０の出側端部と一致し、且つ、外部と電気的に接続するための外部接続領域２１ａを有する。第２導電層２２は、第１導電層の外部接続領域２１ａと異なる領域に第１導電層２１よりも厚く形成され、且つ、その出射側端部が第１導電層２１の出射側端部の内側に位置するように形成されている。第３導電層２３は、その出射側端部が第２導電層２２の出射側端部と一致するように形成されている。さらに、半導体レーザチップ３０は、その出射側端部が第３導電層２３の出射側端部の外側に位置するように形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、基台の上に半導体レーザチップを備える半導体レーザ装置に関する。
従来、「サブマウント基体１」（本発明の基台に相当する。）と、「ＡｕＳｎ層５ｂ」（本発明の第３導電層に相当する。）と、「半導体レーザチップ６」（本発明の半導体レーザチップに相当する。）と、を順に備えた半導体レーザ装置が知られている（特許文献１）。特許文献１では、基台及び第３導電層の端部がそれぞれ一致するように構成されている。
特開平9-172224号公報
しかし、背景技術のように、基台と第３導電層との端部を一致させようとすると、レーザ光のファーフィールドパターン（以下「ＦＦＰ」という。）に悪影響を与える恐れがある。つまり、基台と第３導電層の端部を一致させるには、１枚のウエハから個々の基台に分割する際に基台と第３導電層を一緒に分割すればよいが、この際に第３導電層にバリが生じる。そして、バリの上に半導体レーザチップを載置すると、バリに起因して第３導電層が半導体レーザチップの出射端面まで這い上がり光出射部を塞ぐことによりＦＦＰの形状異常が生じるという問題があった。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、特に、半導体レーザチップからのレーザ光が他の部材に遮られることによってＦＦＰに悪影響を及ぼすのを抑制することを課題とする。
一態様に係る半導体レーザ装置は、それぞれが出射側端部及び反射側端部を有する、基台と、第１導電層と、第２導電層と、第３導電層と、半導体レーザチップと、を順に備える。第１導電層は、その出射側端部が基台の出側端部と一致し、且つ、外部と電気的に接続するための外部接続領域を有する。第２導電層は、第１導電層の外部接続領域と異なる領域に第１導電層よりも厚く形成され、且つ、その出射側端部が第１導電層の出射側端部の内側に位置するように形成されている。第３導電層は、その出射側端部が第２導電層の出射側端部と一致するように形成されている。さらに、半導体レーザチップは、その出射側端部が第３導電層の出射側端部の外側に位置するように形成されている。
一実施形態に係る半導体レーザ装置における基台の出射側端部付近の断面図である。 一実施形態に係る半導体レーザ装置に用いられる基台などを説明するための図である。 一実施形態に係る半導体レーザ装置の全体を説明するための図である。 実施例と比較例のＦＦＰ形状を比較するための図である。 実施例と比較例のＩ−Ｖ特性を比較するための図である。
以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施形態について説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明を以下に限定するものではない。また、各図面に示す部材の位置や大きさ等は、説明を明確にするため誇張していることがある。
本実施形態に係る半導体レーザ装置１００における基台１０の出射側端部付近の断面図を図１に、半導体レーザ装置１００の基台１０等を説明するための図を図２（ａ）〜（ｃ）に、半導体レーザ装置１００の外観図を図３に、それぞれ示す。なお、説明の便宜上、図２（ａ）〜（ｃ）では半導体レーザチップ３０を図示していない。また、図２（ａ）は半導体レーザ装置１００を図１の上方から見た平面図（参考までに半導体レーザチップ３０の配置領域を網掛で示してある。）であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の線分Ｘ−Ｘにおける断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）の線分Ｙ−Ｙにおける断面図である。さらに、図３では導電層２０を省略してある。
各図に示すように、半導体レーザ装置１００は、それぞれが出射側端部及び反射側端部を有する、基台１０と、第１導電層２１と、第２導電層２２と、第３導電層２３と、半導体レーザチップ３０と、を順に備える。第１導電層２１は、その出射側端部が基台１０の出側端部と一致し、且つ、外部と電気的に接続するための外部接続領域２１ａを有する。第２導電層２２は、第１導電層の外部接続領域２１ａと異なる領域に第１導電層２１よりも厚く形成され、且つ、その出射側端部が第１導電層２１の出射側端部の内側に位置するように形成されている。第３導電層２３は、その出射側端部が第２導電層２２の出射側端部と一致するように形成されている。さらに、半導体レーザチップ３０は、その出射側端部が第３導電層２３の出射側端部の外側に位置するように形成されている。
これにより、ＦＦＰ及び放熱性に優れた半導体レーザ装置とすることができる。以下、この点について詳細に説明する。
一般に、半導体レーザチップは、ワイヤと接続される第１導電層と、第１導電層の一部に形成され且つ半導体レーザチップと直接接続される第３導電層（はんだ等のろう材）と、を介して、基台（所謂サブマウント）上に実装される。この際、第３導電層の出射側端部を基台の出射側端部まで設けて、且つ、半導体レーザチップの出射側端部を第３導電層の出射側端部と一致させるかそれよりも突出させる場合がある。半導体レーザチップの直下に配置される第３導電層をできるだけ大きくすることで、放熱性の向上が期待できるからである。また、半導体レーザチップの出射側端部を基台と一致させるかそれよりも突出させることで、レーザ光が基台の表面に当たることによるＦＦＰの形状異常の防止が期待できる。
しかし、基台と第３導電層の出射側端部を一致させるには、第３導電層が形成されたウエハを第３導電層と一緒に分割して個々の基台を得る必要がある。この際、半導体レーザチップを直接接着する第３導電層は比較的厚いため、第３導電層に大きなバリが生じやすい（例えば、図１の縦方向や横方向にバリが生じる。）。第３導電層にバリが生じると、そのバリに起因して第３導電層が半導体レーザチップの出射端面に這い上がり光出射部を塞ぐことにより、ＦＦＰが悪化するという問題があった。さらに、バリに起因して実装精度にばらつきが生じるため、半導体レーザチップの出射側端部と基台の出射側端部の位置関係を正確にコントロールすることは難しい。このため、半導体レーザチップと基台の出射側端部を一致させようとしても、半導体レーザチップの出射側端部が基台の出射側端部よりも内側になってしまい、ＦＦＰが悪化するという問題があった。また、逆に、半導体レーザチップの出射側端部が基台から突出し過ぎる場合もあり、この場合、ＦＦＰに影響はないが、放熱性が低下して寿命特性が悪化したり、端面破壊が生じたりする問題もあった。
そこで、本実施形態では、比較的厚い第３導電層２３の出射側端部を基台１０の出射側端部から離間させている（つまり、第３導電層２３の出射側端部を基台１０の出射側端部よりも内側に配置している。）。これにより、ウエハ分割の際に生じる第３導電層２３のバリに起因してＦＦＰが悪化すること、実装精度がばらつくことがない。また、第１導電層２１上には第３導電層２３が部分的に形成されるので、第１導電層２１と第３導電層２３の出射側端部を完全に一致させることできず、どうしても第１導電層２１が大きくなってしまう（両者は異なる工程で異なるマスクを用いて形成されるので、その端部を完全に一致させることはできない。）。したがって、ＦＦＰを考慮して第３導電層２３の出射側端部にできるだけ近い位置でウエハを分割しようとすれば必然的に第１導電層２１を分割することになる。しかし、本実施形態では、第１導電層２１は比較的薄いので、第１導電層２１のある所でウエハを分割しても大きなバリができることはない。また、第１導電層２１と第３導電層２３との間には、第１導電層２１よりも厚く、第３導電層２３と出射側端部が一致した第２導電層が設けられている。これにより、仮に第１導電層２１にバリが生じたとしても、第２導電層２２よりも上方に第１導電層２１のバリが達する可能性は低い。ここで、第２導電層２２と第３導電層２３の出射側端部は完全に一致しているので、半導体レーザチップ３０が第３導電層２３よりも突出さえしていれば、レーザ光が第２導電層２２で遮られることもない。また、第２導電層２２の存在により、第１導電層２１から半導体レーザチップ３０が離れるため、ＦＦＰへの影響が少なくなる。そうすると、半導体レーザチップ３０の出射側端部を基台１０の出射側端部からより内側に設けることができるので、放熱性を向上させることもでき、また実装精度の余裕度も向上する。したがって、半導体レーザ装置１００では、ＦＦＰを良好なものにしつつ放熱性も向上させることができるのである。
以下、半導体レーザ装置１００における主な構成要素について説明する。
（基台１０）
基台１０は、サブマウントとも称呼される部材であり、半導体レーザチップ３０を載置するためのものである。基台１０には、窒化アルミ、炭化ケイ素、ケイ素、ダイヤモンドなど、放熱性に優れた材料を選択することができる。
図１等では、基台１０に絶縁性の材料を用いている。したがって、基台１０の上に導電層２０を形成して、半導体レーザチップ３０と外部とを通電させている。
（導電層２０）
図１等に示すように、導電層２０は、基台１０側から順に、第１導電層２１、第２導電層２２、及び第３導電層２３を有する。導電層２０は、半導体レーザチップ３０と外部とを電気的に接続するための層であると共に、半導体レーザチップ３０を基台１０上に機械的に固定するためのものである。なお、導電層２０を構成する、第１導電層２１、第２導電層２２、第３導電層２３のそれぞれは、単層に限られず複数の層で構成することもできる。
第１導電層２１は、基台１０に最も近い層であり、本実施形態では図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、基台１０の上面の略全域に形成されている。図２（ａ）に示すように、第１導電層２１は、外部と電気的に接続するための外部接続領域２１ａを有する。また、図３に示すように、外部接続領域２１ａには最終的にワイヤ７２が接続され、ワイヤ７２により半導体レーザチップ３０の一方の電極とリード６２とが電気的に接続される。
第１導電層２１の出射側端部は、基台１０の出射側端部と一致しているため、第１導電層２１にバリが生じる可能性もある。しかし、仮に、第１導電層２１にバリが生じたとしても、第１導電層２１の上にそれより厚い第２導電層２２を設けているので、第１導電層２１のバリがＦＦＰに与える影響は殆どない。
第１導電層２１の膜厚は、好ましくは０．１μｍ以上２．５μｍ以下、より好ましくは０．２μｍ以上２．０μｍ以下、さらに好ましくは０．５μｍ以上１．５μｍ以下とすることができる。膜厚を一定以上にすることによりワイヤ７２を接続するための十分な強度を確保することができる一方、膜厚を一定以下とすることによりバリの発生を抑制できるからである。
図２（ａ）に示すように、第１導電層の外部接続領域２１ａと異なる領域には、第２導電層２２及び第３導電層２３が形成される。第２導電層２２は、第１導電層２１よりも厚くなるように形成されており、その出射側端部は第１導電層２１の出射側端部と離れている（つまり、第１導電層２１の出射側端部よりも内側に設けられている）。
第２導電層２２は、基台１０と半導体レーザチップ３０との距離を大きくするための層なので比較的厚膜に形成される。また、第２導電層２２は少なくとも第１導電層２１よりも厚く形成される。第１導電層２１の出射側端部にバリがあったとしてもＦＦＰに与える影響を軽減できるからである。なお、第２導電層２２を厚くしても、その出射側端部は第１導電層２１の出射側端部から離れている（内側にある）ので、ウエハ分割の際に第２導電層２２にバリが生じることもない。
第２導電層２２は比較的厚いので放熱性に優れた材料で構成することが好ましい。特に、基台１０よりも熱伝導率が高い材料で第２導電層２２を形成することで、半導体レーザチップ３０から基台１０側へのより円滑な放熱が期待できる。特に、図２（ａ）に示すように、平面視において、第２導電層２２の面積を半導体レーザチップ３０の面積よりも大きくすることにより、半導体レーザチップ３０からの熱を平面方向に広げることができるので好ましい。第２導電層２２の材料としては、金、銅、銀の少なくともいずれかを含むものがあげられる。
第１導電層２１の出射側端部から第２導電層２２の出射側端部までの距離は、好ましくは１μｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは１μｍ以上５０μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以上２０μｍ以下とすることができる。距離を一定以上とすることによりウエハ分割の際に精度のばらつきにより分割部が第２導電層２２に達してバリが生じることを抑制できる一方、距離を一定以下とすることによりＦＦＰ及び放熱性を向上させることができるからである。
第２導電層２２の膜厚は、好ましくは２μｍ以上５０μｍ以下、より好ましくは３μｍ以上２５μｍ以下、さらに好ましくは４μｍ以上２０μｍ以下とすることができる。膜厚を一定以上とすることにより半導体レーザチップ３０からの光が基台１０の上面にあたることを抑制できる一方、膜厚を一定以下とすることにより量産性を向上させることができるからである。
第３導電層２３は、半導体レーザチップ３０と直接接触する層であり、ＡｕＳｎはんだ等のろう材から構成される。ここで、第３導電層２３は第２導電層２２よりも薄い（つまり、第２導電層２２は第３導電層２３よりも厚い）ことが好ましい。第３導電層２３は実装時には熱により軟化するので、厚すぎると半導体レーザチップ３０が傾いたり、半導体レーザチップ３０の側面に這い上がって電流リークを生じたり、する場合があるからである。
第３導電層２３の出射側端部を第２導電層２２の出射側端部と一致させるには、例えば、基台１０上に第１導電層２１を形成したあと、所定の形状に開口したマスクを用いてスパッタなどの成膜により第２導電層２２と第３導電層２３とを連続して形成すればよい。共通のマスクを用いるので、第２導電層２２と第３導電層２３の形状を完全に一致させ、両者の側面を面一にすることができる。
第３導電層２３の膜厚は、好ましくは１μｍ以上１０μｍ以下、より好ましくは１．５μｍ以上１０μｍ以下、さらに好ましくは２μｍ以上５μｍ以下とすることができる。膜厚を一定以上とすることにより半導体レーザチップ３０と確実に接続できる一方、膜厚を一定以下とすることにより電流リークの発生等を抑制できるからである。
（半導体レーザチップ３０）
半導体レーザチップ３０には、公知のものを用いることができ、例えば、窒化物半導体からなるものを用いることができる。図１に示すように、ここでは、半導体レーザチップ３０は、基板３１と、半導体構造３２と、を有する。半導体レーザチップ３０が窒化物半導体から構成される場合、基板３１には、ｎ型ＧａＮ基板が用いられることが多い。半導体構造３１には、ｎ型層、活性層、ｐ型層などが含まれる。なお、図１では、半導体レーザチップ３０の上方にｎ電極、下方にｐ電極が実際には存在するが、図示は省略してある。
図１に示すように、半導体レーザチップ３０が基板３１及び半導体構造３２を含む場合、第３導電層２３は半導体レーザチップ３０と半導体構造３２の側で接続される（フェイスダウン実装）ことが好ましい。フェイスダウン実装の場合、主に発熱する半導体構造（正確には半導体構造のうちの光導波路）を基台１０に近づけることができるので、放熱性の点では有利になる。しかし、一方で半導体レーザチップ３０の光出射部が第３導電層２３に近くなるので、基台１０の上面にレーザ光が当たりＦＦＰが悪化しやすい。そこで、ＦＦＰ及び放熱性を悪化させにくい本発明において、半導体レーザチップ３０をフェイスダウン実装すれば、両者の効果をより得やすくなるので好ましい。
（ヒートシンク４０）
ヒートシンク４０は、ステム５０とも称呼されるものであり、基台１０を載置するためのものである。また、半導体レーザチップ３０で生じた熱は、基台１０を介して、ヒートシンク４０に伝わるので、ヒートシンク４０には銅などの放熱性に優れた金属材料が用いられることが多い。図３に示すように、ヒートシンク４０上（図３の紙面手前方向）には、基台１０と、半導体レーザチップ３０と、が順に実装されている。
（ステム５０）
ステム５０は、アイレットとも称呼されるものであり、その上方（図３の上方向）にヒートシンク４０が固定されている。一般に、ステム５０には、ヒートシンク４０よりも放熱性が劣る鉄などの金属材料が用いられる。ステム５０には後に気密封止のためのキャップ（図示せず）を溶接等により接続する必要があり、熱伝導率が高すぎると熱が拡散してしまい溶接できない等の理由による。
（リード端子）
図３に示すように、半導体レーザ装置１００は、半導体レーザチップ３０を通電させるためにリード端子６１、６２を備える。ここでは、リード端子６１、６２は、それぞれがステム５０を上下方向に貫通するように設けられている。各リード端子は、絶縁体を介してステム５０に固定される。リード端子６１は、ワイヤ７１により、半導体レーザチップ３０の上面側と電気的に接続されている。また、リード端子６２は、ワイヤ７２により、半導体レーザチップ３０の下面側と電気的に接続されている。
＜実施例＞
窒化アルミ（多結晶）からなる基台１０と、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ（Ｔｉが基台１０側）からなる第１導電層２１と、Ａｕからなる第２導電層２２と、Ｐｔからなる拡散防止層（図示せず）と、ＡｕＳｎ共晶からなる第３導電層２３と、窒化物半導体からなる発振波長４４５ｎｍの半導体レーザチップ３０と、主成分として銅を含むヒートシンク４０と、主成分として鉄を含むステム５０と、を用いて半導体レーザ装置１００を作製した。
半導体レーザチップ３０は、ＧａＮ基板３１と、複数の窒化物半導体層を含む半導体構造３２と、を有する。ＧａＮ基板３１の下面側（図１の上方）にはｎ電極（図示せず）が形成され、半導体構造３２の上面側（図１の下方）にはｐ電極（図示せず）が形成されている。図３等に示すように、ワイヤ７１により、半導体レーザチップ３０のｎ電極とリード端子６１とを電気的に接続した。また、ワイヤ７２により、半導体レーザチップ３０のｐ電極とリード端子６２とを電気的に接続した。
基体１０は１３００μｍ×８００μｍ（図２でみて横×縦の大きさを示す。以下同様。）、第２導電層２２は１２５０μｍ×３５０μｍ、半導体レーザチップ３０は１２００μｍ×１５０μｍの大きさである。設計上、第１導電層２１の出射側端部と第２導電層２２の出射側端部との距離は１０μｍとし、第１導電層２１の出射側端部とそれよりも内側にある半導体レーザチップ３０の出射側端部との距離は５μｍとした。また、第１導電層２１は厚さ０．８μｍ、第２導電層２２は厚さ５μｍ、第３導電層２３は厚さ３μｍとした。
＜比較例＞
第２導電層２２を形成しない点以外は実施例１と同じようにして、比較例のための半導体レーザ装置を作製した。
＜評価＞
実施例で作製した５０個の半導体レーザ装置のうちの1個と、比較例で作製した５０個の半導体レーザ装置のうちの１個と、のＦＦＰ形状（基台と垂直をなす方向のＦＦＰ形状）をそれぞれ観察した。図４に、実施例と比較例のＦＦＰ形状を比較して示す。比較例ではＦＦＰ形状に異常が見られたが、実施例ではＦＦＰ形状に異常は見られなかった。具体的には、比較例では角度が約７°のところでＦＦＰ形状が歪んでいる。これは、レーザ光が第1導電層２１の表面に当たるためである。さらに、両者のＩ（電流）−Ｖ（電圧）特性を比較したところ、図５に示すとおりとなった。図５から、実施例は比較例よりも一定の電流値に対する電圧値が高いこと、つまり、実施例は比較例よりも放熱性に優れることが確認できた。なお、Ｉ−Ｖ特性については、実施例で得られた他の複数の半導体レーザ装置、比較例で得られた他の複数の半導体レーザ装置でも測定したが、同様の挙動を示した。
１０・・・基台
２０・・・導電層
２１・・・第１導電層
２１ａ・・・外部接続領域
２２・・・第２導電層
２３・・・第３導電層
３０・・・半導体レーザチップ
３１・・・基板
３２・・・半導体構造

Claims (4)

  1. それぞれが出射側端部及び反射側端部を有する、基台と、第１導電層と、第２導電層と、第３導電層と、半導体レーザチップと、を順に備える半導体レーザ装置であって、
    前記第１導電層は、その出射側端部が前記基台の出射側端部と一致し、且つ、外部と電気的に接続するための外部接続領域を有し、
    前記第２導電層は、前記第１導電層の外部接続領域と異なる領域上に前記第１導電層よりも厚く形成され、且つ、その出射側端部が前記第１導電層の出射側端部の内側にあり、
    前記第３導電層は、その出射側端部が前記第２導電層の出射側端部と一致し、
    前記半導体レーザチップは、その出射側端部が前記第３導電層の出射側端部の外側にある、ことを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 前記半導体レーザチップは、基板と、前記基板上に設けられた半導体構造と、を有し、
    前記第３導電層は、前記半導体レーザチップと前記半導体構造の側で接続されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
  3. 前記第２導電層は、前記基台よりも熱伝導率が高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
  4. 前記第２導電層は、前記第３導電層よりも厚いことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ装置。
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