JP2018174292A - 発光装置の製造方法及び発光装置 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、劈開性の向上を目的として、より劈開性の良好な支持基板に半導体層を貼り合わせた後に成長用基板を除去する手法(特許文献1等)、半導体層の厚みの差に起因するクラックの発生を抑制することを目的として、段差が設けられた支持基板に半導体層を貼り合わせた後に成長用基板を除去する手法(特許文献2等)が提案されている。
本発明は、放熱性の向上を図ることができる発光装置の製造方法及び発光装置を提供することを目的とする。
(1)導電性の第1基板の上側に形成されたレーザの素子構造と、前記素子構造の上面に形成された上面電極とを有するウェハを準備し、
前記ウェハの上面電極側を、第2基板に貼り合わせ、
前記第1基板の一部を除去して前記ウェハを薄膜化し、
薄膜化した前記第1基板の下面に下面電極を形成し、
前記ウェハを個片化してレーザ素子を得、
前記下面電極をサブマウント側にして、前記レーザ素子をサブマウントに実装することを含む発光装置の製造方法。
(2)サブマウント及びレーザ素子を備える発光装置であって、
前記レーザ素子は、
導電性の第1基板及び該第1基板の上側に形成されたレーザの素子構造と、
前記第1基板の下面に形成された下面電極と、
前記素子構造の上面に形成された上面電極と、
前記上面電極に接合され、前記第1基板よりも厚膜の導電性の第2基板とを有し、
前記サブマウントは、前記下面電極と対向して接合された発光装置。
一実施形態の発光装置の製造方法は、
導電性の第1基板の上側に形成されたレーザの素子構造と、前記素子構造の上面に形成された上面電極とを有するウェハを準備し、
前記ウェハの上面電極側を、第2基板に貼り合わせ、
前記第1基板の一部を除去して前記ウェハを薄膜化し、
薄膜化した前記第1基板の下面に下面電極を形成し、
前記ウェハを個片化してレーザ素子を得、
前記下面電極をサブマウント側にして、前記レーザ素子をサブマウントに実装することを含む。
また、第1基板の一部を除去してウェハを薄膜化することにより、第1基板を完全除去する場合と比較して発光点をサブマウントから離すことができる。これにより、実装精度の誤差を考慮してレーザ素子の光出射端面をサブマウントから大きく突出させる必要がなくなるため、光出射端面をサブマウントから突出させなくてよいか、もしくは突出量を小さくすることができる。したがって、光出射端面及びその付近の熱をサブマウントに逃がし易くなり、レーザ素子の熱抵抗を低減することができる。
導電性の第1基板の上側に形成されたレーザの素子構造と、前記素子構造の上面に形成された上面電極とを有するウェハを準備する。
まず、図1Aに示すように、導電性の第1基板11上に、任意のレーザの素子構造12を結晶成長させる。
導電性の第1基板11としては、GaN基板やGaAs基板等の化合物半導体基板、シリコン等の元素半導体基板等が挙げられる。それらのうちでも、劈開性を有する結晶性基板であることが好ましい。ここで、劈開性を有するとは、劈開が容易である劈開容易面を有することを指す。例えば、第1基板11がGaN基板の場合は、M面(すなわち(10−10)面)が劈開容易面である。この場合、M面と垂直をなす面であるC面(すなわち(0001)面)を主面として素子構造12を形成することが好ましい。ウェハを準備する工程において、第1基板の厚みは、例えば、50μm〜2mmが挙げられる。第1基板11は、その表面に凹凸を有するもであってもよいし、オフ角を有するものであってもよい。オフ角としては、例えば、1度以内であるものが好ましい。
上面電極は、p側半導体層に電気的に接続されている。上面電極としては、例えば、p側半導体層の上面に接触する第1p電極と、外部接続のために第1p電極上に配置されたパッド電極である第2p電極とを備えるものが挙げられる。第1p電極は、導波路に対応するp側半導体層の上面に形成することが好ましく、リッジの上面のみに形成してもよい。第2p電極は、リッジ上にのみ配置するものでもよいし、リッジ上からp側半導体層の上面にわたって形成してもよい。
例えば、第1p電極の膜厚は、10nm〜1000nm、第2p電極の膜厚は1000nm〜1μmが挙げられる。
また、窒化物半導体を用いたレーザ素子の場合、電極材料や絶縁膜に酸化膜等の熱抵抗が比較的高い材料を使用することがある。この場合、ジャンクションダウン実装では、レーザ素子とサブマウントとの間にこれら熱抵抗の高い材料が配置され、それによって、放熱性が阻害される。そこで、レーザの素子構造が形成されたウェハにおける第1基板の下面電極(n電極)側を、サブマウントに実装することにより、ジャンクションダウン実装した場合よりも、より熱抵抗を低減することができる。さらに、後述するように、第2基板として、第1基板よりも電気抵抗率の低い基板(例えば、ボロンをドープしたSi基板など)を用いる場合には、第2基板の厚膜の第1基板を有するレーザ素子をジャンクションダウン実装する場合と比較して電気抵抗を下げ、レーザ素子の駆動電圧を低減することができる。
したがって、これらの2つの作用、つまり、熱抵抗低減及び電圧低減によって、レーザ素子をさらに高効率化することができる。
レーザの素子構造に貼り合わせる第2基板は、第1基板及び/又はレーザの素子構造と共に劈開させることができるものが好ましく、よって、劈開性を有している材料によって形成されているものが好ましい。つまり、劈開容易面を有する結晶性基板であることが好ましい。また、レーザ素子の実装後に第2基板に通電することを考慮して、導電性を有するものが好ましく、電気抵抗が低いもの、例えば、電気抵抗がGaN基板よりも低いものがより好ましい。第2基板としては、Si基板、GaAs基板などが挙げられる。レーザ素子を安価に製造するという観点から、Si基板が好ましい。
第2基板の厚みは、強度を確保するという観点から、後述するウェハの薄膜化後の第1基板よりも厚膜とする。第2基板の厚みは、第1基板による反りの影響が緩和できる程度に厚いことが好ましく、具体的には、300μm〜500μm程度が好ましい。後述する第1基板薄膜化の後、第2基板も研磨することができる。この研磨後の第2基板の厚みも、薄膜化後の第1基板よりも厚膜であり、100μm〜1000μmが挙げられ、200μm〜700μmが好ましい。
分割する位置に電極などの金属層が存在していると、分割時に金属層が伸びて分割面に付着する虞がある。このため、分割する位置、特に共振器端面形成用に分割する位置には、上面電極と下面電極と導電層のいずれも存在しないことが好ましい。このような位置関係とするためには、上面電極と下面電極と導電層とをそれぞれ分割予定位置を避けて形成することが好ましい。
貼り合わせの方法は、液相拡散接合、固相拡散接合、加熱圧接などを利用することができる。例えば加熱圧接を利用する場合、実質的に電極表面の変形が発生しない。このため、素子構造の上面の上面電極を、例えば、リッジの上面に形成した場合には、上面電極のうちリッジ上の最も凸の頂部分と、第2基板の導電層とが接合されることとなり、それ以外の部分が空隙となることがある。後述のように第2基板を残す場合は、加熱圧接よりも接合力の強い固相拡散接合などの拡散接合を利用することが好ましいと考えられる。
ウェハを薄膜化するために、第1基板の一部を下方から除去する。除去は、研磨及び/又はドライエッチングを利用することが好ましい。研磨を行う場合、ウェハの反りの影響を抑制するために、第2基板よりも厚膜の仮基板に第2基板側をワックス等で仮貼りして、第1基板の一部を除去することが好ましい。仮基板の材料としては、例えばサファイアが挙げられ、その厚みとしては例えば2mm程度が挙げられる。
研磨又はドライエッチング等によって、第1基板を、例えば、0.5μm〜8μmに薄膜化することが好ましい。例えば約3μm程度に薄膜化する。また、薄膜化後の第1基板の下面から活性層(特に井戸層)までの最短距離は、2μm〜9.5μmとすることが好ましい。これにより、出射するレーザ光がサブマウントに当たりにくい。
ウェハの薄膜化を行った面(第1基板のレーザの素子構造とは反対側の面)に、下面電極を形成する。下面電極は、上面電極と同じ材料及び/又は積層構造であってもよいし、異なる材料及び/又は積層構造であってもよい。電極の膜厚は、用いる材料等により適宜設定することができる。下面電極は、例えば、パラジウム、白金、ニッケル、金、チタン、タングステン、銅、銀、亜鉛、スズ、インジウム、クロム、アルミニウム、イリジウム、ロジウム等の金属又は合金の単層膜又は積層膜により形成することができる。下面電極の膜厚は、例えば、100nm〜5μmが挙げられる。
先の工程で仮貼りの基板を設けた場合は、下面電極を形成した後に除去することが好ましい。また、必要に応じて、第2基板を任意の厚みに薄膜化してもよい。この第2基板の薄膜化は、後工程でのウェハの個片化を容易にすることができる。
第1基板の下面に下面電極を形成した後、第1基板及び第2基板を一緒に個片化する。個片化は、通常、共振器端面の形成のための分割と、共振器端面に交差する方向における分割により行われ、いずれの分割を先に行ってもよい。例えば、第1基板及び第2基板の少なくともいずれか一方に、分割用の溝を形成する。第1基板及び第2基板の双方に溝を形成する場合には、平面視で、第1基板の溝と第2基板の溝とが、同じライン上に配置されるように、それぞれ溝を形成することが好ましい。第1基板及び第2基板の少なくともいずれか一方が不透明な材料を含む場合は、それぞれの溝を平面視で同じライン上に配置することが困難である。このため、第2基板のみに溝を形成することがより好ましい。第1基板及びレーザの素子構造が薄膜であることにより、第2基板のみに溝を形成することでウェハを分割することが可能である。ウェハの第2基板を除いた膜厚は第2基板よりも薄膜とする。溝は、例えば、レーザスクライブ装置を利用して形成することができる。溝は、ライン状又は破線状に形成すればよい。第2基板が劈開性を有する場合、溝は劈開容易面に沿った破線状であることが好ましい。ウェハを横断するライン状の溝を形成する場合は、劈開容易面と完全に一致しなければ分割方向が蛇行等しやすいが、破線状であれば完全一致していなくても破線状の溝の間が劈開容易面に沿った方向に劈開されるためである。溝を形成した後、その溝に沿って、第1基板及び第2基板を一緒に劈開する。この劈開は、溝を設けた面と反対側の面にブレード等をあてて行うことができる。
共振器端面に交差する方向とは、共振器端面に対して90±1度程度で交差する方向とすることができる。
このような2方向の分割によって、ウェハがレーザ素子に個片化される。
レーザの素子構造が第2基板に貼り合わせられた状態を保持しながら、レーザ素子の下面電極をサブマウントに対向させて、個片化されたレーザ素子をサブマウントに実装することができる。サブマウントは、放熱性の良好な材料によって形成されていることが好ましく、例えば、SiC、AlN等によって形成されている。
ここでの実装は、例えば、AuSn共晶半田等の導電性の接合材料を用いて行う。
発光装置30は、図1Jに示すように、サブマウント22及びレーザ素子を備えて構成されている。レーザ素子は、導電性の第1基板11a及びこの第1基板11aの上側に形成されたレーザの素子構造である半導体積層体12と、第1基板11aの下面に形成された下面電極であるn電極20と、半導体積層体12の上面に形成された上面電極である第1p電極14及び第2p電極16と、上面電極に接合された第2基板17aとを有する。第1基板11は前記第2基板17aよりも薄く、サブマウント22は、n電極20と対面して、レーザ素子と、例えば、AuSn共晶半田等による接合部材24によって接合されている。
これにより、レーザ素子の発光点をサブマウントに近付けることができるため、サブマウントに熱を逃がし易くなり、レーザ素子の熱抵抗を低減することができる。さらに、レーザ素子の発光点とサブマウントとの間に絶縁膜を設ける必要がないため、レーザ素子の熱抵抗をより低減することができる。
また、第1基板の一部が残っていることにより、第1基板が無い場合と比較して発光点をサブマウントから離すことができる。これにより、光出射端面をサブマウントから突出させなくてよいか、もしくは突出量を小さくすることができる。したがって、レーザ素子の熱抵抗を低減することができる。
なお、発光装置30は、第2p電極16と第2基板17aの素子構造に対面する導電層18との間に空隙19を有する構造とすることができ(図1Jの19、図4の59)、また、空隙を有さない構造とすることができる(図5)。
レーザの素子構造は、ストライプ状のリッジ13を有することができる(図1J)。また、さらに、メサ型のリッジ53を有していてもよい(図4、図5)
さらに、半導体積層体12の上面であって、リッジ13の両側に、絶縁膜15を配置することができる。
なお、発光装置の製造方法において述べた各部材の構造や材料を発光装置30の各部材に採用することができることはいうまでもない。
(ウェハの準備)
まず、図1Aに示すように、第1基板11として、φ50.8mmのGaN基板の+C面上に、n側半導体層、活性層、p側半導体層を順に形成した半導体積層体12を形成した。ここでは、各層として、InxAlyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)を用いた。その後、p側半導体層の上面にストライプ状のリッジ13(幅35μm、深さ270nm)を形成した。
図1Dに示すように、面方位{100}、電気抵抗率0.005Ω・cm以下、厚さ400μmのSi基板を、第2基板17として準備した。なお、面方位{100}とは、主面の面方位が{100}であることを指す。
この第2基板17は、その一面に、スパッタ装置を用いて、Pt/Au(200nm/700nm)が成膜されており、これを導電層18として備える。
また、この貼り合わせの際、第2基板17であるSi基板の{111}面が、ウェハの第1基板11のm面と概ね一致する(平行となる)ようにアライメントした。ただし、第2基板17の{111}面は、基板の主面の{100}面から垂直ではなく傾斜を有しているため、第2基板17の{111}面と第1基板11のm面は厳密には平行ではない。
図1Eに示すように、第1基板11の厚み方向の一部を除去して、ウェハを薄膜化した。
貼り合わせた第2基板17側を、第1基板11の薄膜化の際のウェハの反り抑制のため、厚さ2mmのサファイア基板にワックスで仮貼りし、第1基板11を、厚さ約5μmになるまで研磨した。この際、研磨の最終的な仕上げとして、CMPを用いた。厚みの面内分布は、φ50.8mmの基板内で±1.0μm以内であった。
図1F、1Gに示すように、薄膜化した第1基板11aの研磨した面(n側半導体層側)に、スパッタ装置を用いて、Ti/Pt/Au(6nm/200nm/300nm)を成膜し、下面電極としてn電極20を形成した。
このようにして、実装した際に第2基板17を通して第1基板11に通電するような構造を形成した。
得られた貼り合わせ構造の基板を、第1基板11と第2基板17とのそれぞれに、平面視で同じライン上、例えば、図1Gの点線X上に、レーザスクライブ装置で溝を形成した。溝を形成した後、基板ブレイク装置を用いて溝に沿って両基板を劈開し、レーザ素子の共振器端面を形成した。
その後、共振器端面に誘電体多層膜を形成し、共振器端面で劈開した貼り合わせ構造の基板を、基板ブレイク装置を用いて、共振器端面に垂直方向、例えば、図1Gの点線Y方向にレーザスクライブ装置で溝を形成した後に切断し、図1Iに示すように、チップに個片化し、レーザ素子23を得た。
図1Jに示すように、第2基板17に貼り合わせ、個片化したレーザ素子23を、SiCからなるサブマウント22に、共晶半田からなる接合部材24を介して、レーザ素子23のn電極20側を対向させて実装し、発光装置30を得た。
(熱抵抗低減効果)
上述したように得られた発光装置30と、図2に示す比較例の発光装置40の熱抵抗を、それぞれ測定した。比較例の発光装置40は、貼り合わせ構造を有さず、基板41が第1基板11aよりも厚く、レーザ素子がジャンクションダウン実装されていること以外は実施例1の発光装置30と実質的に同様の構成を有する。
実施例1のレーザ素子23では、第1基板11aの厚さが5μm、第2基板17aの厚さが75μmであるため、比較例のレーザ素子の基板41の厚さを80μmとした。
また、比較例のレーザ素子は、基板41の一方の主面側に、半導体積層体12を有し、実施例1のレーザ素子23と同様にストライプ状のリッジ13を有する。基板41の他方の主面側には、実施例1のレーザ素子23のn電極20と同様の電極が形成されている。半導体積層体12の表面には、第1p電極44(膜厚200nmのITO膜、熱伝導率:8W/(m・K))、実施例1と同様の絶縁膜15及び第2p電極16が形成されており、このレーザ素子が、実施例1と同様のサブマウント22に、AuSn共晶半田からなる接合部材24によって実装されている。
比較例のレーザ素子では、熱源である導波路部分(リッジ部分の活性層付近)とサブマウントとの間に、熱伝導率の低いp電極(膜厚200nmのITO膜、熱伝導率:8W/(m・K))、絶縁膜(膜厚200nmのSiO2膜、熱伝導率:1W/(m・K))が存在しているのに対し、実施例1のレーザ素子では、熱伝導率の高いn電極(Ti/Pt/Au、膜厚:6nm/200nm/300nm、熱伝導率:Ti_17W/(m・K)、Pt_70W/(m・K)、Au_320W/(m・K))が存在しているため、結果として低い熱抵抗値が得られたと説明できる。
上述した実施例1の発光装置30と、図2に示す比較例の発光装置40とを連続発振させて、その電圧低減効果をそれぞれ測定した。
電流−電圧測定結果を図3に示す。
図3によれば、実施例1の発光装置では、比較例のレーザ素子を用いた発光装置の電圧よりも低い電圧が測定された(−0.17V@3.0A)。
この実施例2では、第2基板として、面方位{111}のSi基板を用いた。そして、{111}面と垂直に交差する{110}面を劈開面として利用した。
これにより、第2基板の主面の{111}面に対して実質的に垂直な劈開面を得ることができた。
また、この実施例2では、第2基板の面方位以外は、実質的に実施例1と同様にして発光装置を製造したため、実施例1と同様に、熱抵抗低減効果と電圧低減効果とが期待できる。
この実施例3の発光装置50では、図4に示したように、ウェハの素子構造として、ストライプ状のリッジではなく、リッジ側面を第2半導体層の上面から5μm離間する溝を有するメサ型のリッジ53の構造とした以外は実施例1と同様に作製した。
この素子構造を有するウェハは、実施例1と同様に、第2基板17に貼り合わせを行う場合、両者の接合面積が異なる。つまり、この実施例3では、素子構造となる半導体積層体52が、メサ型のリッジ構造を有するため、リッジ側面から幅5μmの溝以外がリッジと同じ高さであり、第1p電極14(膜厚200nmのITO膜)と絶縁膜15(膜厚200nmのSiO2膜)の膜厚も等しいため、幅5μmの溝以外が第2p電極56(幅120μm)全体の高さが等しくなり、第2p電極56の略全面で、第2基板17の導電層18と加熱圧接によって接合することができる。
その結果、空隙59が、リッジ側面から幅5μmの溝部分のみとなった。これにより、実施例1と比較して、第1基板11と第2基板17との接合強度の向上が期待できる。
この実施例4の発光装置60では、素子構造の上面電極の一つである第2p電極56と、第2基板17a上の導電層18の双方において、最上層のAuの上に、それぞれNi/Sn(500nm/1100nm)をさらに成膜する以外は実施例3と同様に作製した。 これらを対面させて、図5に示すように、実施例1と同様に、熱圧着して、NiSn接合層57を形成し、2つの基板を貼り合わせた。
その結果、実施例3で発生していたリッジ側面から幅5μm部分の空隙を、NiSnによる液相接合により埋めることができる。よって、この発光装置60は、実施例3よりも接合面積を拡大することができる。これにより、接合強度の向上が期待できる。
12、52 :半導体積層体(レーザの素子構造)
13、53 :リッジ
14、44 :第1p電極(上面電極)
15 :絶縁膜
16、56 :第2p電極(上面電極)
17、17a :第2基板
18、21 :導電層
19、59 :空隙
20 :n電極(下面電極)
22 :サブマウント
23 :レーザ素子
24 :接合部材
30、40、50、60 :発光装置
41 :基板
57 :NiSn接合層
Claims (11)
- 導電性の第1基板の上側に形成されたレーザの素子構造と、前記素子構造の上面に形成された上面電極とを有するウェハを準備し、
前記ウェハの上面電極側を、第2基板に貼り合わせ、
前記第1基板の一部を除去して前記ウェハを薄膜化し、
薄膜化した前記第1基板の下面に下面電極を形成し、
前記ウェハを個片化してレーザ素子を得、
前記下面電極をサブマウント側にして、前記レーザ素子をサブマウントに実装することを含む発光装置の製造方法。 - 前記レーザ素子を得る工程において、前記第2基板に分割用の溝を形成して、前記ウェハを個片化する請求項1に記載の発光装置の製造方法。
- 前記レーザ素子を得る工程において、前記分割用の溝を、平面視において破線状に形成する請求項2に記載の発光装置の製造方法。
- 前記ウェハを薄膜化する工程において、前記第1基板の一部を研磨及び/又はドライエッチングにより除去する請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光装置の製造方法。
- 前記第1基板及び第2基板がそれぞれ劈開容易面を有する結晶性基板であり、
前記第2基板に貼り合わせる工程において、前記第1基板の劈開容易面と前記第2基板の劈開容易面とを平行に配置するように、前記ウェハを前記第2基板に貼り合わせる請求項1〜4のいずれか1項に記載の発光装置の製造方法。 - 前記第1基板はGaN基板であり、前記第2基板はSi基板である請求項1〜5のいずれか1項に記載の発光装置の製造方法。
- 前記ウェハを準備する工程において、前記素子構造は上側にストライプ状のリッジを備えており、前記ウェハは前記リッジ両側の前記素子構造の上面に形成された絶縁膜をさらに有する請求項1〜6のいずれか1項に記載の発光装置の製造方法。
- サブマウント及びレーザ素子を備える発光装置であって、
前記レーザ素子は、
導電性の第1基板と、
前記第1基板の上側に形成されたレーザの素子構造と、
前記第1基板の下面に形成された下面電極と、
前記素子構造の上面に形成された上面電極と、
前記上面電極に接合された第2基板とを有し、
前記第1基板は前記第2基板よりも薄く、
前記サブマウントは、前記下面電極と対向して接合されている発光装置。 - 前記第2基板は、電気抵抗率が前記第1基板の電気抵抗率よりも低い請求項8に記載の発光装置。
- 前記第1基板はGaN基板であり、前記第2基板はSi基板である請求項8又は9に記載の発光装置。
- 前記素子構造は、上側にストライプ状のリッジを備え、
前記リッジ両側の前記素子構造の上面に設けられた絶縁膜をさらに有する請求項8〜10のいずれか1項に記載の発光装置。
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