JP2022180674A

JP2022180674A - 光半導体装置

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Publication number: JP2022180674A
Application number: JP2019207967A
Authority: JP
Inventors: 佳昭松田; Yoshiaki Matsuda; 輝明笠井; Teruaki Kasai
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2022-12-07
Also published as: WO2021100485A1

Abstract

【課題】光半導体素子の光出射部に加わる応力の集中が緩和された光半導体装置を提供する。【解決手段】光半導体装置１００は、金属ロウ材５０を介してサブマウント１０に実装された半導体レーザアレイ２０を備えている。半導体レーザアレイの光出射部はサブマウントの側面から外側に突出しており、光出射部の下面からサブマウントの側面にかけて金属ロウ材からなるフィレット５１が形成されている。半導体レーザアレイの表面には、前端面と交差する方向に沿ってそれぞれ延びる複数の凹部４１が前端面と平行な方向に互いに間隔をあけて配列された凹凸部４０が形成されている。半導体レーザアレイの表面に形成された表面電極３８と金属ロウ材とが接合されている。【選択図】図１

Description

本発明は光半導体装置に関し、特に、サブマウントとその上面に金属ロウ材を介して実装された光半導体素子とを少なくとも備えた光半導体装置に関する。

従来、半導体レーザ素子に代表される光半導体素子は、金－スズ系合金（以下、ＡｕＳｎ合金という）等の金属ロウ材を接着材としてサブマウントの上面に接合、実装される。このとき、光半導体素子の光出射部が溶融した金属ロウ材に埋没しないようにするために種々の構造が提案されている。

例えば、特許文献１には、光出射部が設けられた光半導体素子の前端部をサブマウントの側面から外側に突出するように配置する構成が開示されている。また、サブマウントから突き出した光半導体素子の下面からサブマウントの側面にかけて金属ロウ材からなるフィレットを形成し、光半導体素子とサブマウントとの接合を強固にしている。また、フィレットを介して、光出射部から外部に放熱している。

また、特許文献２には、接着層である金属ロウ材の材質を光半導体素子の光出射部とそれ以外の部分とで変更する構成が開示されている。光出射部側に設けられた金属ロウ材の融点をそれ以外の部分よりも高くすることで、光半導体素子とサブマウントとの接合時に、光出射部側で金属ロウ材が濡れ拡がって光出射面を覆うのを防止している。

特開２００３－３１８４７５号公報特開２０１７－１９１８９９号公報

ところで、光半導体素子の動作時には、光出射部での発熱量が最も大きくなる。また、光半導体素子の光出力が大きいと、光出射部での発熱量もそれに応じて大きくなる。

しかし、特許文献２に開示された従来の構成では、光出射部側の接合層が溶融しにくく、光半導体素子とサブマウントとの接合不良あるいは未接合が生じるおそれがあった。このようなことが生じると、光出射部からサブマウントを介して熱が放散されにくくなり、光半導体素子の特性が変化したり、動作寿命が低下したりするおそれがあった。また、特許文献２の実施例に記載されるように、前端部側の接着層であるＡｕＳｎ合金において、Ａｕの組成比がＳｎとの共晶組成比を越える場合、その融点は大幅に高くなる。このため、光半導体素子とサブマウントとの接合温度が高くなる。その結果、光半導体素子に残留する歪が増大し、動作寿命が低下するおそれがあった。

また、特許文献１に開示される従来の構成では、光半導体素子とサブマウントとの接合時に金属ロウ材が冷却、凝固される過程において、フィレットの端部から加わる引っ張り応力が光出射部の一部に集中し、光半導体素子にクラック等を生じさせて破壊に至らしめるおそれがあった。

しかし、特許文献１には、このような応力集中による光半導体素子の破壊やその防止策等について何ら開示されていない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、フィレットから光半導体素子の光出射部に加わる応力の集中が緩和された光半導体装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係る光半導体装置は、サブマウントと前記サブマウントの上面に金属ロウ材を介して実装された光半導体素子とを少なくとも備えた光半導体装置であって、上面視で、前記光半導体素子の光出射部は前記サブマウントの側面から外側に突出して配置され、前記サブマウントの側面から前記光出射部の下面にかけて前記金属ロウ材からなるフィレットが形成されており、前記光半導体素子の表面に、前記光半導体素子の前端面と交差する方向に沿ってそれぞれ延びる複数の凹部が前記前端面と平行な方向に互いに間隔をあけて配列された凹凸部が形成されており、前記光半導体素子の表面に形成された表面電極と前記金属ロウ材とが接合されていることを特徴とする。

この構成によれば、フィレットを介して、光出射部からサブマウントや外部雰囲気に効率良く放熱できる。また、フィレットから加わる引っ張り応力が光出射部の一部に集中して、光半導体素子が破壊されるのを抑制できる。また、光半導体素子の動作寿命が低下するのを抑制できる。

本発明の光半導体装置によれば、光半導体素子の破壊や動作寿命の低下を抑制できる。

本発明の実施形態１に係る光半導体装置を前側から見た模式図である。光半導体装置の光出射部近傍の断面模式図である。半導体光共振器の断面模式図である。凹凸部の平面模式図である。図４ＡのＩＶＢ－ＩＶＢ線での断面模式図である。図４ＡのＩＶＣ－ＩＶＣ線での断面模式図である。光半導体装置の製造方法を説明する断面模式図である。比較のための光半導体装置における応力集中の状態を示した図である。実施形態１に係る光半導体装置における応力集中の状態を示した図である。変形例１に係る半導体光共振器の断面模式図である。変形例１に係る表面電極の形成方法を説明する断面模式図である。変形例２に係る半導体光共振器の断面模式図である。変形例３に係る凹凸部の平面模式図である。実施形態２に係る凹凸部の平面模式図である。図１１ＡのＸＩＢ－ＸＩＢ線での断面模式図である。図１１ＡのＸＩＣ－ＸＩＣ線での断面模式図である。実施形態２に係る凹凸部の断面模式図である。比較のための凹凸部の断面模式図である。比較のための別の凹凸部の断面模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

（実施形態１）
［光半導体装置の構成］
図１は、本実施形態に係る光半導体装置を前側から見た模式図を、図２は、光半導体装置の光出射部近傍の断面模式図を、図３は、半導体光共振器の断面模式図をそれぞれ示す。図４Ａは、凹凸部の平面模式図を、図４Ｂは、図４ＡのＩＶＢ－ＩＶＢ線での断面模式図を、図４Ｃは、図４ＡのＩＶＣ－ＩＶＣ線での断面模式図をそれぞれ示す。

なお、説明の便宜上、図１，２において、半導体レーザアレイ２０の構造を一部省略して図示している。また、なお、以降に示す図面において、光半導体装置１００及び各部の構造は模式図として例示的に示している。従って、各図において、各部の形状、位置、配置関係、寸法は実際の関係とは異なるものである。

また、以降の説明において、半導体光共振器３０の共振器方向を前後方向と、凹部４１または溝部３６ａの配列方向を左右方向と、前後方向及び左右方向とそれぞれ直交する方向を上下方向とそれぞれ呼ぶことがある。また、前後方向において、光出射面が設けられた側を前と、その反対側を後とそれぞれ呼ぶことがある。上下方向において、半導体光共振器３０が設けられた側を上と、サブマウント１０が設けられた側を下とそれぞれ呼ぶことがある。なお、図３では、表面電極３８が設けられた側を上側と、裏面電極３７が設けられた側を下側としている。

図１に示すように、光半導体装置１００は、半導体レーザアレイ２０とサブマウント１０と金属ロウ材５０とを有しており、サブマウント１０の上面に金属ロウ材５０を介して半導体レーザアレイ２０が接合、実装された構造となっている。また、図２に示すように、半導体レーザアレイ２０の前側は、上面視で、サブマウント１０の側面から外側に突出して配置されている。半導体レーザアレイ２０の前端面２１ａは、レーザ光が出射される光出射面であり、サブマウント１０の側面から外側に突出した部分は、半導体レーザアレイ２０の光出射部２１に相当する。サブマウント１０の側面から光出射部２１の下面にかけて金属ロウ材５０からなるフィレット５１が形成されている。

半導体レーザアレイ２０は、図３に示す単位発光部毎の半導体光共振器３０が左右方向に沿って所定の間隔をあけて複数配列された端面放射型の光半導体素子である。なお、本実施形態の半導体レーザアレイ２０は、一つの単位発光部としての半導体光共振器３０が４２個集積された構造となっている所謂レーザダイオードバー（ＬＤバー）である。半導体レーザアレイ２０に含まれる半導体光共振器３０の個数は適宜変更されうる。

図３に示すように、半導体光共振器３０は、基板３１の表面に第１クラッド層３２と活性層３３と第２クラッド層３４と電流狭窄層３５とコンタクト層３６とがこの順で積層された半導体積層体３０Ａが形成されてなる。基板３１及び半導体積層体３０Ａの各層は化合物半導体材料からなる。また、半導体積層体３０Ａの表面であるコンタクト層３６の表面には表面電極３８が形成されており、基板３１の裏面には裏面電極３７が形成されている。コンタクト層３６は表面電極３８と、基板３１の裏面は裏面電極３７とそれぞれオーミック接触している。

表面電極３８と裏面電極３７との間にしきい値以上の電圧が印加されると、コンタクト層３６とこれに接した第２クラッド層３４を介して活性層３３に電流が注入され、注入された電流は電流狭窄層３５によって活性層と平行な方向に閉じ込められる。

注入された電流によって、活性層３３の発光部で活性層３３のエネルギー障壁に応じた波長の光が発生する。発生した光は、第１クラッド層３２及び第２クラッド層３４により活性層３３に光学的に閉じ込められる。また、半導体光共振器３０の前端面２１ａと後端面２２には互いに反射率の異なる誘電体膜が積層された誘電反射層（図示せず）が形成されており、半導体光共振器３０はレーザ光の共振器を構成している。後端面２２側よりも反射率が低い前端面２１ａ側からレーザ光が出射される。

図１及び図４Ａ～４Ｃに示すように、コンタクト層３６には、前端面２１ａから後端面２２まで前後方向にそれぞれ延びる複数の溝部３６ａが左右方向に互いに間隔をあけて複数形成されている。さらに、コンタクト層３６の表面に表面電極３８が形成されて、半導体レーザアレイ２０の表面に溝部３６ａに対応する複数の凹部４１と互いに隣り合う凹部４１に挟まれた複数の凸部４２とを有する凹凸部４０が形成されている。凹凸部４１は、半導体レーザアレイ２０の表面のほぼ全体にわたって形成されている。

なお、本実施形態において、コンタクト層３６の厚さは１μｍで、溝部３６ａの深さは０．５μｍである。また、表面電極３８の厚さは０．５μｍである。

また、半導体レーザアレイ２０の左右方向の幅は１０ｍｍ程度であり、前後方向の長さは４ｍｍ程度である。１つの半導体光共振器３０における左右方向の幅は２２５μｍで、表面電極３８の左右方向の幅は１８５μｍである。溝部３６ａの左右方向の幅は５μｍで、この値は、半導体レーザアレイ２０の前端面２１ａから後端面２２まで一定である。また、互いに隣り合う溝部３６ａの間隔は３μｍであり、前端面２１ａから後端面２２まで一定である。コンタクト層３６の表面に前述の厚さの表面電極３８が形成されることで、凹凸部４０の凹部４１の左右方向の幅Ｗ１は４μｍとなり、凸部４２の左右方向の幅Ｗ３も４μｍとなる。つまり、Ｗ１＝Ｗ３である。１つの半導体光共振器３０あたりで最大２０ペアの凹凸構造を含むことになる。

なお、本願明細書において、「一定」とは、部材の加工公差を含んで一定という意味であり、厳密な意味で一定と言うことを意味するものではない。

図３に示すように、表面電極３８は、密着層３８ａと拡散防止層３８ｂと導電接着層３８ｃとがこの順で積層された３層構造となっている。密着層３８ａはＴｉ（チタン）からなり、コンタクト層３６と表面電極３８との密着性を確保するために設けられる。拡散防止層３８ｂはＰｔ（白金）からなり、導電接着層３８ｃや金属ロウ材５０を構成する金属が半導体光共振器３０の内部に拡散するのを防止するために設けられる。導電接着層３８ｃは、半田接合性に対応した金属層で形成するようにＡｕまたはＡｕＳｎ合金からなり、後で述べるように、サブマウント１０に設けられた金属ロウ材５０との接着層となる。また、密着層３８ａ及び拡散防止層３８ｂはそれぞれ導電金属からなるが、金等と比べて抵抗率が高い。導電接着層３８ｃをＡｕまたはＡｕＳｎ合金とすることで、表面電極３８の電気抵抗を低減することができる。

裏面電極３７は、密着層３７ａと拡散防止層３７ｂと導電層３７ｃとがこの順で積層された３層構造である。密着層３７ａはＴｉ（チタン）からなり、拡散防止層３７ｂはＰｔ（白金）からなり、導電層３７ｃはＡｕワイヤとの接続性に対応した金属層とするようにＡｕからなる。

サブマウント１０は、導電性材料からなる板状の部材であり、その材質は、例えば、銅タングステン合金（ＣｕＷ）である。

金属ロウ材５０は、ＡｕＳｎ合金からなり、所定の形状にパターニングされて、サブマウント１０の上面に設けられている。

［光半導体装置の製造方法］
図５は、光半導体装置の製造方法を説明する断面模式図を示す。なお、説明の便宜上、図５において、光半導体装置１００の製造方法のうちの一部のみを図示している。また、半導体レーザアレイ２０のうち１つの半導体光共振器３０のみを図示し、電流狭窄層３５とコンタクト層３６以外の半導体層及び裏面電極３７の図示を省略する。

まず、コンタクト層３６まで形成された半導体レーザアレイ２０を準備し、図示しないマスクパターンを用いて、コンタクト層３６をその厚さの半分までエッチングする（（ａ）図）。

エッチングによりコンタクト層３６に溝部３６ａを形成する場合、エッチング量のばらつきにより電流狭窄層３５がエッチングされないようにする必要がある。本実施形態では、この加工マージンを考慮して、厚さ１μｍのコンタクト層３６の内部で溝部３６ａが完全に留まるように、溝部３６ａの深さをコンタクト層３６の厚さの半分の０．５μｍとしている。また、この時点で、溝部３６ａの左右方向の幅は、５μｍ、互いに隣り合う溝部３６ａの間隔は３μｍとしている。

溝部３６ａが形成されたコンタクト層３６の表面にチタン、白金、ＡｕＳｎ合金をこの順に成膜し、さらに所要のパターニングを行って表面電極３８を形成する（（ｂ）図）。表面電極３８の厚さが０．５μｍであるため、この時点で、凹部４１の左右方向の幅及び凸部４２の左右方向の幅はともに４μｍとなる。

上面に金属ロウ材５０が設けられたサブマウント１０を準備する。金属ロウ材５０は、予め所定の形状にパターニングされている。

表面電極３８を下にして、半導体レーザアレイ２０を金属ロウ材５０の上に配置する。半導体レーザアレイ２０を金属ロウ材５０に向けて押圧しながらサブマウント１０と半導体レーザアレイ２０とを加熱し、表面電極３８と金属ロウ材５０とを接合する（（ｃ）図）。

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係る光半導体装置１００は、サブマウント１０とサブマウント１０の上面に金属ロウ材５０を介して実装された半導体レーザアレイ２０（光半導体素子）とを少なくとも備えている。

上面視で、半導体レーザアレイ２０の光出射部２１はサブマウント１０の側面から外側に突出して配置されている。サブマウント１０の側面から光出射部２１の下面にかけて金属ロウ材５０からなるフィレット５１が形成されている。

半導体レーザアレイ２０の表面には、光出射面である前端面２１ａと交差する前後方向に沿ってそれぞれ延びる複数の凹部４１が前端面２１ａと平行な左右方向に互いに間隔をあけて配列された凹凸部４０が形成されている。

半導体レーザアレイ２０の表面に形成された表面電極３８と金属ロウ材５０とが接合されている。

本実施形態によれば、半導体レーザアレイ２０の光出射部２１をサブマウント１０の側面から外側に突出させるとともに、光出射部２１の下面にフィレット５１を形成している。このことにより、光出射部２１からサブマウント１０や外部雰囲気に効率良く放熱できる。

また、半導体レーザアレイ２０の表面に凹凸部４０を形成することにより、フィレット５１から加わる引っ張り応力が半導体レーザアレイ２０の光出射部２１の一部に集中するのを抑制することができる。このことについて、図６Ａ，６Ｂを用いてさらに説明する。

図６Ａは、比較のための光半導体装置における応力集中の状態を、図６Ｂは、本実施形態に係る光半導体装置における応力集中の状態をそれぞれ示す。

図６Ａに示す半導体レーザアレイ２０は、コンタクト層３６に溝部３６ａが形成されておらず、結果として凹凸部４０が設けられていない点を除いては、図１～４に示す半導体レーザアレイ２０と同じ構造を有している。

半導体レーザアレイ２０とサブマウント１０とが接合される過程において、金属ロウ材５０は一度、溶融、軟化した後に冷却されて凝固する。この冷却凝固過程で、図６Ａに示すように、半導体レーザアレイ２０の光出射部２１のうち、フィレット５１の端部が位置する部分において、引っ張り応力が集中し、半導体レーザアレイ２０を構成する半導体材料にせん断応力として作用する。このせん断応力が半導体材料の破壊点を超える場合には、半導体レーザアレイ２０の光出射面である前端面２１ａにクラックが生じて、半導体レーザアレイ２０が破壊されるに到る。つまり、半導体レーザアレイ２０の初期不良が増加し、また、動作寿命が低下するおそれがあった。また、せん断応力が前述の破壊点を超えない場合でも、半導体レーザアレイ２０には大きな歪が発生し、例えば、レーザ光の光軸が所定の位置からずれるおそれがあった。

一方、本実施形態の光半導体装置１００によれば、図６Ｂに示すように、各凹部４１の側面近傍に引っ張り応力が集中する。このため、フィレット５１と接する光出射部２１全体で見ると、均等に引っ張り応力が加わることとなる。したがって、図６Ａに示すように、フィレット５１の端部において、半導体レーザアレイ２０に引っ張り応力が集中して加わるのを抑制できる。つまり、半導体レーザアレイ２０に加わるせん断応力が緩和される。このことにより、半導体レーザアレイ２０が破壊されるのを抑制できる。また、半導体レーザアレイ２０に大きな歪が発生するのを抑制し、レーザ光の光軸ずれを抑制できる。

ＡｕＳｎ合金であるフィレット５１の最大凝固収縮率としてＡｕの凝固収縮率５．１％を代用し、半導体レーザアレイ２０の歪変形量に基づいて、フィレット５１が凝固収縮によって有する応力総和量を算出すると、２０３０ＧＰａ程度と想定された。

本実施形態では、半導体光共振器３０のコンタクト層３６のほぼ全面に２０箇所程度の凹部４１を形成しており、各凹部４１の側面は１つの半導体光共振器３０あたりで４０箇所程度設けられる。また、これら側面は左右方向に等間隔で配置される。

各凹部４１の側面での応力集中効果を利用して、フィレット５１に覆われた光出射部２１での応力分布を一つの角部当たりで５０ＧＰａより小さくなるようにする。このようにすることで、フィレット５１の端部に集中する応力を例えば、コンタクト層３６を構成する半導体材料の破壊点となる剛性率７５．５ＧＰａよりも小さく制御することができ、半導体レーザアレイ２０の破壊が抑制される。

また、凹部４１は半導体レーザアレイ２０の前端面２１ａから後端面２２まで延び、凹部４１の左右方向の幅は前端面２１ａから後端面２２まで一定である。

半導体レーザアレイ２０のコンタクト層３６に前端面２１ａと平行な方向である左右方向に所定の間隔をあけて複数の溝部３６ａを形成することで、凹凸部４０が設けられる。

本実施形態によれば、コンタクト層３６に複数の溝部３６ａを設け、その上に厚さが一定となるように表面電極３８を形成している。このため、表面電極３８と金属ロウ材５０との接合面積が増加し、接合部の熱抵抗を低減することができる。本実施形態に示す例では、図６Ａに示す場合に比べて、接合面積は１１３％に増加し、接合部での熱抵抗を１２％程度低減することができる。また、熱抵抗は約２．９×１０^－３℃／Ｗとなった。

表面電極３８と金属ロウ材５０との接合部での熱抵抗が低減されるため、半導体レーザアレイ２０からサブマウント１０への放熱効率を向上することができる。このことにより、フィレット５１から光出射部２１に加わる引っ張り応力をさらに低減できる。

また、放熱効率を向上できるため、サブマウント１０の側面からの半導体レーザアレイ２０の突き出し長さを短くして、光出射部２１の下面に接するフィレット５１の面積を小さくできる。

フィレット５１の面積が縮小されることで、半導体レーザアレイ２０に発生する歪みを小さくでき、例えば、レーザ光の光軸ずれを抑制できる。また、フィレット５１の端部において、半導体レーザアレイ２０が受ける応力も低減され、半導体レーザアレイ２０の動作寿命が低下するのを抑制できる。

＜変形例１＞
図７は、本変形例に係る半導体光共振器の断面模式図を示し、図８は、表面電極の形成方法を説明する断面模式図を示す。なお、図７，８において、実施形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。また、図８において、半導体レーザアレイ２０のうち１つの半導体光共振器３０のみを図示し、電流狭窄層３５とコンタクト層３６以外の半導体層及び裏面電極３７の図示を省略する。また、図７では、表面電極３８が設けられた側を上側と、裏面電極３７が設けられた側を下側としている。

本変形例に示す半導体レーザアレイ２０は、コンタクト層３６の表面に溝部３６ａを設けずに、表面電極３８自体に凹凸部４０を設けている点で実施形態１に示す半導体レーザアレイ２０と異なる。よって、半導体積層体３０Ａの積層構造は、実施形態１に示すのと同様である。

また、表面電極３８に凹凸部４０を設けるにあたって、図８に示すように、コンタクト層３６の表面に密着層３８ａであるチタンと拡散防止層３８ｂである白金とをこの順に形成した後、拡散防止層３８ｂの表面にＡｕからなる複数の電極ストライプ３８ｄを形成する。

この電極ストライプ３８ｄは、半導体レーザアレイ２０の前端面２１ａから後端面２２まで延びており、左右方向の幅が３μｍである。互いに隣り合う電極ストライプ３８ｄの間隔は５μｍであり、電極ストライプ３８ｄの高さは、０．５μｍである。

さらに、複数の電極ストライプ３８ｄの表面を覆うように第２拡散防止層３８ｅである白金と導電接着層３８ｃである金またはＡｕＳｎ合金が形成されて表面電極３８が完成する。第２拡散防止層３８ｅと導電接着層３８ｃとの厚さの和は０．５μｍである。このため、表面電極３８が完成した時点で、凹部４１の左右方向の幅及び凸部４２の左右方向の幅はともに４μｍとなる。

本変形例に示す構成においても、表面電極３８に形成された各凹部４１の側面近傍に応力が集中し、フィレット５１と接する光出射部２１全体で見ると、均等に引っ張り応力が加わることとなり、半導体レーザアレイ２０に加わるせん断応力が緩和され、実施形態１に示す構成が奏するのと同様の効果を奏することができる。

また、本変形例では、電極ストライプ３８ｄの表面がＡｕＳｎ合金よりも融点が高い白金で覆われている。白金の融点は１，７６８℃である。金属ロウ材５０と密着導電層３８ｃとの接合温度は５００℃よりも低いため、接合時に白金は軟化、変形せず、電極ストライプ３８ｄの形状がほとんど変化しない。このため、表面電極３８と金属ロウ材５０との接合面積は、各電極ストライプ３８ｄの両側面の面積の和に相当する分だけ増加する。

つまり、本変形例においても、実施形態１に示すのと同様に、表面電極３８と金属ロウ材５０との接合面積が増加するため、表面電極３８と金属ロウ材５０との接合部での熱抵抗が低減できる。また、半導体レーザアレイ２０からサブマウント１０への放熱効率を向上することができる。このことにより、フィレット５１から光出射部２１に加わる引っ張り応力をさらに低減できる。

＜変形例２＞
図９は、本変形例に係る半導体光共振器の断面模式図を示す。なお、図９において、実施形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。また、図９では、表面電極３８が設けられた側を上側と、裏面電極３７が設けられた側を下側としている。

本変形例の半導体光共振器３０は、コンタクト層３６が断面視で四角形または台形状に加工された、いわゆるリッジ構造である点で、実施形態１に示す半導体光共振器３０と異なる。また、表面電極３８に電気的に接続されたリッジ（以下、実リッジ３６ｂという）以外に表面電極３８と電気的に絶縁された複数のリッジ（以下、ダミーリッジ３６ｃという）を有している。

また、本変形例の半導体光共振器３０は、第２クラッド層３４とコンタクト層３６との間にエッチングストップ層３９を有している。エッチングストップ層３９は、コンタクト層３６をエッチング加工する際に、第２クラッド層３４や活性層３３が加工されないようにするために設けられている。エッチングストップ層３９も化合物半導体材料からなる。本変形例における半導体積層体３０Ａは、第１クラッド層３２と活性層３３と第２クラッド層３４とコンタクト層３６とエッチングストップ層３９とを有している。また、表面電極３８及び裏面電極３７の積層構造は、実施形態１に示すのとそれぞれ同様である。

また、本変形例において、電流狭窄層３５ａは、絶縁膜、例えば、シリコン酸化膜で形成されており、ダミーリッジ３６ｃの表面を覆っている。一方、実リッジ３６ｂでは電流狭窄層３５ａで覆われていない部分が表面電極３８にオーミック接触している。このようにすることで、ダミーリッジ３６ｃと表面電極３８とを確実に絶縁できる。また、半導体光共振器３０毎に、表面電極３８から注入された電流を１つの実リッジ３６ｂに流せるため、発光部を１箇所に限定できる。

実リッジ３６ｂとダミーリッジ３６ｃとは、半導体レーザアレイ２０の前端面２１ａから後端面２２まで延びており、その左右方向の幅は一定である。また、互いに隣り合うダミーリッジ３６ｃの間隔及び隣り合うダミーリッジ３６ｃと実リッジ３６ｂとの間隔も前端面２１ａから後端面２２まで一定である。表面に電流狭窄層３５ａが形成されたダミーリッジ３６ｃと実リッジ３６ｂを覆って、表面電極３８が形成されることで、半導体レーザアレイ２０に凹凸部４０が設けられている。また、凹凸部４０は、凸部４２の左右方向の幅と凹部４１の左右方向の幅とが同じになるように形成されている。

本変形例によれば、実施形態１に示す構成が奏するのと同様の効果を奏する。つまり、フィレット５１から加わる引っ張り応力が半導体レーザアレイ２０の光出射部２１の一部に集中するのを抑制することができる。このことにより、半導体レーザアレイ２０が破壊されるのを抑制できる。また、半導体レーザアレイ２０に大きな歪が発生するのを抑制し、レーザ光の光軸ずれを抑制できる。

また、表面電極３８と金属ロウ材５０との接合面積が増加するため、表面電極３８と金属ロウ材５０との接合部での熱抵抗が低減できる。また、半導体レーザアレイ２０からサブマウント１０への放熱効率を向上することができる。このことにより、フィレット５１から光出射部２１に加わる引っ張り応力をさらに低減できる。

＜変形例３＞
図１０は、本変形例に係る半導体光共振器３０の断面模式図を示す。凹凸部の平面模式図を示す。なお、図１０において、実施形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

本変形例の半導体レーザアレイ２０は、凹凸部４０が前端面２１ａから前後方向に延びて半導体レーザアレイ２０の中間部分まで形成されている点で、実施形態１に示す半導体レーザアレイ２０と異なる。

このように、凹凸部４０を半導体レーザアレイ２０の中間部分まで形成するようにしてもよく、本変形例においても実施形態１に示す構成が奏するのと同様の効果を奏する。つまり、フィレット５１から加わる引っ張り応力が半導体レーザアレイ２０の光出射部２１の一部に集中するのを抑制することができる。このことにより、半導体レーザアレイ２０が破壊されるのを抑制できる。また、半導体レーザアレイ２０に大きな歪が発生するのを抑制し、レーザ光の光軸ずれを抑制できる。

なお、このような効果を奏するためには、凹凸部４０は、前端面２１ａから前後方向に光出射部２１を越えて延びていることが好ましい。このようにすることで、半導体レーザアレイ２０においてフィレット５１に覆われた部分では、確実に応力集中を緩和できる。

なお、凹凸部４０が半導体レーザアレイ２０の表面全体に設けられていないため、実施形態１に示す場合に比べて、表面電極３８と金属ロウ材５０との接合面積が増加する割合は小さくなる。このため、フィレット５１の面積が縮小される割合も実施形態１に示す場合に比べて小さくなる。

（実施形態２）
図１１は、本実施形態に係る凹凸部の平面模式図を、図１１Ｂは、図１１ＡのＸＩＢ－ＸＩＢ線での断面模式図を、図１１Ｃは、図１１ＡのＸＩＣ－ＸＩＣ線での断面模式図をそれぞれ示す。なお、図１１Ａ～１１Ｃにおいて、実施形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施形態の半導体レーザアレイ２０は、以下の点を除けば、図１～４に示す半導体レーザアレイ２０と同様の構造を有している。

本実施形態の半導体レーザアレイ２０は、コンタクト層３６に形成された凹部４１において、互いに隣り合う溝部３６ａの幅が前端面２１ａから後端面２２にかけて連続的に減少している。その結果、凹凸部４０において、凹部４１の左右方向の幅が前端面２１ａから後端面２２にかけて連続的に減少しており、前端面２１ａではＷ１（＝４μｍ）であるのに対し、後端面２２ではＷ２（Ｗ２＜Ｗ１）となっている。Ｗ２は、溝部３６ａの深さである０．５μｍ以上でかつ４μｍ未満である。

本実施形態によれば、実施形態１に示す構成が奏するのと同様の効果を奏することができる。つまり、フィレット５１から加わる引っ張り応力が半導体レーザアレイ２０の光出射部２１の一部に集中するのを抑制することができる。このことにより、半導体レーザアレイ２０が破壊されるのを抑制できる。また、半導体レーザアレイ２０に大きな歪が発生するのを抑制し、レーザ光の光軸ずれを抑制できる。

さらに、サブマウント１０の側面からの半導体レーザアレイ２０の突き出し長さを短くして、光出射部２１の下面に接するフィレット５１の面積を小さくできる。このことについてさらに説明する。

表面電極３８と金属ロウ材５０とを接合する際に、溶融した金属ロウ材５０は、凹部４１の内部に溜まるとともに、半導体レーザアレイ２０を金属ロウ材５０に向けて加圧する力により、凹部４１の両端に向けて押し出される。本実施形態に示すように、凹部４１の左右方向の幅が前端面２１ａから後端面２２にかけて直線的に減少していると、後端部側で凹部４１の中を移動する金属ロウ材５０の速度が高くなる。これにより、各凹部４１の中では前端部側から後端部側に向けて金属ロウ材５０が流れるようになる。

その結果、光出射部２１の下面に回り込む金属ロウ材５０の量が、実施形態１に示す光半導体装置１００に比べて少なくなり、光出射面に金属ロウ材５０が付着する確率が低くなる。このことにより、光半導体装置１００で初期不良が発生するのを抑制でき、光半導体装置１００の製造コストを低減できる。

また、光出射部２１の下面に回り込む金属ロウ材５０の量が少なくなるため、フィレット５１が光出射部２１の下面を覆う面積も縮小される。このことにより、サブマウント１０の側面からの半導体レーザアレイ２０の突き出し長さを短くできる。また、フィレット５１の面積が縮小されることで、半導体レーザアレイ２０に発生する歪みを小さくでき、例えば、レーザ光の光軸ずれを抑制できる。また、フィレット５１の端部において、半導体レーザアレイ２０が受ける応力も低減され、半導体レーザアレイ２０の動作寿命が低下するのを抑制できる。

（実施形態３）
図１２Ａは、本実施形態に係る凹凸部の断面模式図を示す。図１２Ｂは、比較のための凹凸部の断面模式図を、図１２Ｃは、比較のための別の凹凸部の断面模式図をそれぞれ示す。なお、図１２Ｂに示す凹凸部４０は、実施形態１に示すとの同じ構造である。また、図１２Ａ～１２Ｃにおいて、実施形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。また、説明の便宜上、表面電極３８の積層構造は図示を省略する。また、図１２Ａ～１２Ｃにおいて、（ａ）図は、コンタクト層３６に溝部３６ａを形成した後の断面を、（ｂ）図は、凹凸部４０を形成した後の断面をそれぞれ示している。なお、図１２Ａ～図１２Ｃに示す凹凸部４０は、溝部３６ａが形成されたコンタクト層３６の表面に、表面電極３８が形成された構造である。

図１２Ａに示す本実施形態の凹凸部４０は、溝部３６ａの幅ｗ１及び隣り合う溝部３６ａの間隔ｗ３と、凹部４１の幅Ｗ１と凸部４２の幅Ｗ３との関係を除けば、図１，３，４に示す実施形態１の凹凸部４０と同様の構造及び寸法関係を有している。

本実施形態に示す凹凸部４０は、以下の点で実施形態１に示す凹凸部４０と異なる。

図１２Ａに示すように、本実施形態では、コンタクト層３６に深さが０．５μｍの溝部３６ａを形成するにあたって、コンタクト層３６において、溝部３６ａの幅ｗ１と、隣り合う溝部３６ａの間隔ｗ３とを同じ値に設定している。なお、本実施形態では、ｗ１＝ｗ３＝３μｍとしているが、特にこれに限定されない。その結果、複数の溝部３６ａを含むコンタクト層３６に厚さが０．５μｍの表面電極３８を形成した後に、凹凸部４０の凹部４１の幅Ｗ１は凸部４２の幅Ｗ３よりも狭くなる。つまり、Ｗ１＜Ｗ３の関係が成立し、この場合の凹凸部４０における凹部４１のピッチ及び凸部４２のピッチは６μｍとなる。

一方、図１２Ｂに示すように、コンタクト層３６において、隣り合う溝部３６ａの間隔ｗ３（＝３μｍ）よりも溝部３６ａの幅ｗ１（＝５μｍ）を広く取ると、最終的に、凹凸部４０の凹部４１の幅Ｗ１は凸部４２の幅Ｗ３とが同じ値、この場合は４μｍとなる。よって、凹凸部４０における凹部４１のピッチ及び凸部４２のピッチは８μｍとなる。

前述したとおり、コンタクト層３６に溝部３６ａを形成するにあたって、マスクパターン（図示せず）を用いたエッチング処理を行う。このマスクパターンに覆われた部分、つまり、隣り合う溝部３６ａの間の部分（凸部）が、表面電極３８の形成後に凹凸部４０の凸部４２となる。また、凸部４２と隣り合うマスクパターンの間の部分（凹部）が、表面電極３８の形成後に凹凸部４０の凹部４１となる。

一方、加工プロセスの制約により、マスクパターンの幅や隣り合うマスクパターンの間隔は、それぞれ定められた下限値を有し、多くの場合は、これらの下限値はほぼ同じ値である。

よって、図１２Ａに示すように、コンタクト層３６において、隣り合う溝部３６ａの間隔ｗ３と溝部３６ａの幅ｗ１とが同じ値となるように、コンタクト層３６に溝部３６ａを形成することで、図１２Ａと図１２Ｂとで同じ面積の凹凸部４０が形成されるとした場合、図１２Ａでは、同じ面積の凹凸部４０に形成される凹部４１及び凸部４２の密度を、図１２Ｂに示すよりも高められる。本実施形態では、図１２Ｂに示す場合よりも、当該密度を１．３倍に高められる。なお、図１２Ａ～図１２Ｃに示す構造に限らず、光半導体装置１００において、凹凸部４０は、その表面に表面電極３８が形成されている。言い替えると、コンタクト層３６の表面に、表面電極３８が形成された構造である。凹凸部４０における凹部４１の幅Ｗ１が凹凸部４０における凸部４２の幅Ｗ３よりも狭いことが好ましい。これにより、半導体レーザアレイ２０のコンタクト層３６の表面に、表面電極３８が形成された凹凸部４０が金属ロウ材５０を介してサブマウント１０に接続される。具体的には、半導体レーザアレイ２０の光出射部２１の下面に形成された凹凸部４０とサブマウント１０の側面にかけて金属ロウ材５０によるフィレット５１が形成されて接合される。

このことにより、さらに、フィレット５１から加わる引っ張り応力が凹凸部４０の各凹部４１の側面に分散して、半導体レーザアレイ２０の光出射部２１への応力集中を実施形態１に示す構成よりも抑制することができる。

なお、図１２Ｃに示すように、コンタクト層３６において、溝部３６ａの幅ｗ１を図１２Ｂに示すよりも広くして６μｍとすると、凹凸部４０における凹部４１の幅Ｗ１は５μｍとなり、凸部４２の幅Ｗ３は４μｍとなる。この場合、図１２Ｂと図１２Ｃとで同じ面積の凹凸部４０が形成されるとした場合、図１２Ｃでは、同じ面積の凹凸部４０に形成される凹部４１及び凸部４２の密度は、図１２Ｂに示す場合の０．９倍となる。したがって、図１２Ｃでは、半導体レーザアレイ２０の光出射部２１への応力集中を抑制する効果が図１２Ａや図１２Ｂに示す場合よりも弱まることは言うまでもない。

（その他の実施形態）
各実施形態や変形例に示した各構成要素を組み合わせて新たな実施形態とすることもできる。例えば、変形例１に示す電極ストライプ３８ｄの間隔を図１１Ａに示すように変更してもよい。この場合も、実施形態２に示す構成が奏するのと同様の効果を奏することができる。

また、実施形態３に示す凹部４１の幅Ｗ１と凸部４２の幅Ｗ３との大小関係（Ｗ１＜Ｗ３）を変形例１～３に示す構成に適用してもよい。このようにすることで、実施形態３に示すのと同様に、各変形例に示す構成において、半導体レーザアレイ２０の光出射部２１への応力集中をさらに抑制することができる。

また、実施形態１，２において、光半導体素子が半導体レーザアレイ２０である例を示したが、単一の光共振器を有する半導体レーザ素子であってもよい。

サブマウント１０は所定の熱伝導性を有していればよく、導電基板であってもよいし、絶縁基板であってもよい。

また、裏面電極３７の形状は、図３，７，９に示したように、平坦でなくてもよく、例えば、導電層３７ｃがパターニングされていてもよい。また、拡散防止層３７ｂの表面にＡｕバンプを複数形成して導電層３７ｃとしてもよい。

また、半導体レーザアレイ２０に凹凸部４０を設けない状態で光出射部２１にフィレット５１から加わる応力の分布がわかっていれば、その分布に基づいて応力集中を打ち消すように左右方向で凹凸部４０のピッチを変化させるようにしてもよい。応力分布は、実際に光半導体装置１００を形成した後に実験的に確認することができる。

本発明の光半導体装置は、フィレットから光半導体素子の光出射部に加わる応力の集中を緩和でき、加工用途等で使用される高出力レーザ光源に適用する上で有用である。

１０サブマウント
２０半導体レーザアレイ（光半導体素子）
２１光出射部
２１ａ前端面（光出射面）
２２後端面
３０半導体光共振器
３０Ａ半導体積層体
３１基板
３２第１クラッド層
３３活性層
３４第２クラッド層
３５，３５ａ電流狭窄層
３６コンタクト層
３６ａ溝部
３６ｂ実リッジ
３６ｃダミーリッジ
３７裏面電極
３８表面電極
３８ｄ電極ストライプ
４０凹凸部
４１凹部
４２凸部
５０金属ロウ材
５１フィレット
１００光半導体装置

Claims

サブマウントと前記サブマウントの上面に金属ロウ材を介して実装された光半導体素子とを少なくとも備えた光半導体装置であって、
上面視で、前記光半導体素子の光出射部は前記サブマウントの側面から外側に突出して配置され、
前記サブマウントの側面から前記光出射部の下面にかけて前記金属ロウ材からなるフィレットが形成されており、
前記光半導体素子の表面に、前記光半導体素子の前端面と交差する方向に沿ってそれぞれ延びる複数の凹部が前記前端面と平行な方向に互いに間隔をあけて配列された凹凸部が形成されており、
前記光半導体素子の表面に形成された表面電極と前記金属ロウ材とが接合されていることを特徴とする光半導体装置。
請求項１に記載の光半導体装置において、
前記前端面は前記光半導体素子の光出射面であり、
前記凹凸部は前記前端面から前記光出射部を越えて所定の位置まで延びていることを特徴とする光半導体装置。
請求項２に記載の光半導体装置において、
前記凹凸部は前記前端面から前記光半導体素子の後端面まで延びていることを特徴とする光半導体装置。
請求項３に記載の光半導体装置において、
前記凹部の幅は前記前端面から前記後端面まで一定であることを特徴とする光半導体装置。
請求項３に記載の光半導体装置において、
前記凹部の幅は前記前端面から前記後端面にかけて狭くなっていることを特徴とする光半導体装置。
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光半導体装置において、
前記光半導体素子は半導体積層体を有しており、
前記半導体積層体の表面に前記前端面と平行な方向に互いに間隔をあけて前記表面電極の一部をなす複数の電極ストライプを形成することで、前記凹凸部が設けられることを特徴とする光半導体装置。
請求項６に記載の光半導体装置において、
前記電極ストライプの表面には、前記電極ストライプを構成する金属よりも融点が高い金属層が設けられていることを特徴とする光半導体装置。
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光半導体装置において、
前記光半導体素子は半導体積層体を有しており、
前記前端面と平行な方向に互いに間隔をあけて前記半導体積層体の表面に複数の溝部または複数のリッジを形成することで、前記凹凸部が設けられることを特徴とする光半導体装置。
請求項１～４及び６～８のいずれか１項に記載の光半導体装置において、
前記凹凸部は、その表面に前記表面電極が形成されており、
前記凹凸部における前記凹部の幅が前記凹凸部における凸部の幅よりも狭いことを特徴とする光半導体装置。