JP3812356B2 - Semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は光情報処理分野などへの応用が期待されている窒化ガリウム(GaN)系短波長半導体レーザおよびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
V族元素として窒素(N)を有する窒化物半導体は、そのバンドギャップの大きさから、短波長発光素子の材料として有望視されている。中でも、DVD等の光ディスク装置の大容量化を目指して、400nm帯を発振波長とする半導体レーザが熱望されている。特にGaN系窒化物半導体(AlxGayInzN(0≦x,y, z≦1、x+y+z=1))から構成されるレーザは研究が盛んに行われ、現在では実用レベルに達しつつある。
【0003】
図1はGaN系半導体レーザ素子の共振器に直交する断面の構造図である。GaN基板101上に有機金属気相成長法により、n−AlGaNコンタクト層102、n−AlGaNクラッド層103、n−GaN光ガイド層104、Ga1-xInxN/Ga1-yInyN (0<y<x<1)からなる多重量子井戸(MQW)活性層105、p−GaN光ガイド層106、p−AlGaNクラッド層107、p−GaNコンタクト層108が成長される。そしてp−GaNコンタクト層108上に幅約2μmのリッジストライプが形成され、その両側は絶縁膜110によって埋め込まれる。その後リッジストライプおよび絶縁膜110上に、例えばNi/Auからなるp電極109、また一部をn−AlGaNコンタクト層102が露出するまでエッチングした表面に例えばTi/Alからなるn電極111が形成される。
【0004】
n電極111を接地し、p電極109に電圧を印加して電流を注入すると、MQW活性層105内で電子とホールが再結合して発光し、光学利得を生じ、波長400nm付近でレーザ発振を起こす。MQW活性層105を構成するGa1-xInxN/Ga1-yInyN薄膜の組成や膜厚によって発振波長は制御される。
【0005】
例えば「Jpn. J. Appl. Phys.第39巻第L647ページ」には、上記のようなGaN系半導体レーザの推定寿命は、60℃30mW出力CW動作時において15000時間であると開示されている。この例では、レーザ構造の結晶成長に先立ち、GaN基板101上に選択横方向成長を行い、電流が注入されるストライプ状の活性層領域に存在する転位密度を7×105cm-2に低減させることにより、素子の信頼性を向上させている。
【0006】
一般に、半導体レーザ素子のサイズは数百μm角であり、レーザ共振器面は半導体結晶の劈開により作製される。結晶成長工程、素子化工程では基板のハンドリングが容易である等の理由により基板厚さは数百μm程度が選ばれているが、数百μmの共振器長を高い歩留りで劈開するためには、劈開工程に先立って、基板の厚さが50〜150μm程度になるまで基板の裏面側を研磨あるいはエッチングして薄くする必要がある。このようにして得られる面は、通常平坦である。基板裏面側の電極はこの平坦面上に形成される。
【0007】
半導体レーザ素子に通電すると、pn接合部の温度が上昇する。温度上昇は、光出力や発振波長等の発振特性を変化させるだけでなく、素子寿命に多大な影響を及ぼす。したがって、高出力レーザ等の高い動作電流を必要とするレーザ素子をパッケージに実装する際は、放熱特性を向上させるために、素子のpn接合面側をヒートシンクにボンディングする、つまり素子の基板裏面側を露出させる、いわゆるジャンクションダウン配置で実装するのが一般的である。一例を図2に示す。これは、サブマウント113を介してヒートシンク114に実装されている例である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
GaAsやInP等を基板に用いた従来の半導体レーザ素子に比べて、GaN等の窒化物半導体を基板に用いた半導体レーザ素子では、基板の熱伝導率は約1.5W/cmKと約2倍以上高く、良好な放熱特性を有するので、半導体レーザ装置のサーマルマネジメントは比較的容易である。
【0009】
しかしながら、今後は窒化物半導体レーザにおいてもより高温動作かつ高出力動作を求められることが予測される。そこで、本願発明者が検討した結果、上述した従来技術で構成されたGaN系半導体レーザ装置では、例えば60℃30mW出力動作時に比べて80℃60mW出力動作時に素子寿命が極端に短くなることがわかった。高温領域での電流−光出力特性において、発振閾電流値の増加は顕著ではない(つまり、特性温度の低下は顕著ではない)が、50〜100mW程度の高出力時にスロープ効率が低下することが認められたので、熱飽和が生じ始めていると考えられた。この現象は不十分な放熱特性に起因するものと考えられる。
【0010】
本発明は上記の事情を鑑みてなされたものであり、高温高出力動作時においても信頼性の高い窒化物半導体レーザ素子を用いた半導体レーザ装置およびその製造方法を提供するものである。特に光ディスク用レーザ装置への応用において効果的である。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の半導体発光素子は、窒化物半導体からなる基板と、基板上に設けられている半導体積層構造とを有し、半導体積層構造は、窒化物半導体からなるp型半導体層と、窒化物半導体からなるn型半導体層と、p型半導体層及びn型半導体層に挟まれており窒化物半導体からなる活性層とを有し、基板の半導体層構造が形成されている側の面の裏面は、複数の、六角錐状ファセット、六角錐台状ファセット、又は六角形の柱状孔が形成されている凹凸面であり、裏面が凹凸面である基板及び半導体積層構造を劈開することにより作製された半導体発光素子である。
【0012】
また、上記構成において、p型半導体層はリッジを有し、半導体積層構造は、劈開により作製された共振器面を有することが好ましい。また、基板の半導体積層構造が形成されている面は+C極性面であることが好ましい。また、基板の裏面の面方位は−C極性方向であることが好ましい。また、基板の電気的伝導型がn型であることが好ましい。また、基板の裏面に形成されている六角錐状または六角錐台状ファセットは、直径が10μmから数100μmであり、深さが1μmから10μmの六角錐または六角錐台からなることが好ましい。また、基板の裏面に形成されている六角形の柱状孔は、深さが10μmから20μmであることが好ましい。また、基板の裏面には、裏面の凹凸面を覆うように電極が形成されていることが好ましい。また、電極はTiを含むことが好ましい。
【0013】
また、本発明の半導体発光装置は、上記のいずれかの半導体発光素子が実装されている半導体発光装置であって、発光素子は基板の半導体積層構造が形成されている面側がサブマウント又はヒートシンクに固着されている。また、別の本発明の半導体発光装置は、上記のいずれかの半導体発光素子が実装されている半導体発光装置であって、発光素子は基板の裏面側がサブマウント又はヒートシンクに固着されている。
【0014】
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、基板上に、窒化物半導体からなるp型半導体層と、窒化物半導体からなるn型半導体層と、p型半導体層及びn型半導体層に挟まれており窒化物半導体からなる活性層とを有する半導体積層構造を形成する工程と、基板裏面を異方性ウェットエッチングすることにより、複数の、六角錐状ファセット、六角錐台状ファセット、又は六角形の柱状孔が形成されている凹凸面を得る工程と、基板及び半導体積層構造を劈開する工程とを含む。
【0015】
また、本発明半導体発光素子の製造方法は、基板上に、窒化物半導体からなるp型半導体層と、窒化物半導体からなるn型半導体層と、前記p型半導体層及びn型半導体層に挟まれており窒化物半導体からなる活性層とを有する半導体積層構造を形成する工程と、少なくともリン酸を含有する薬液を用いて前記基板裏面を処理することにより、複数の、六角錐状ファセット、六角錐台状ファセット、又は六角形の柱状孔が形成されている凹凸面を得る工程と、前記基板及び前記半導体積層構造を劈開する工程とを含む。また、上記製造方法において、薬液が含有するリン酸は、トリリン酸、メタリン酸、トリメタリン酸、テトラメタリン酸、ピロリン酸、オルトリン酸の内から選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。また、薬液は、オルトリン酸、硝酸および水を含有することが好ましい。また、薬液の温度が100℃以上250℃以下であることが好ましい。
【0016】
また、上記した本発明の半導体発光素子の製造方法において、p型半導体層にリッジを形成する工程と、前記基板及び前記半導体積層構造を劈開することにより半導体積層構造に共振器面を作製する工程とを含むことが好ましい。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【0018】
(実施例1)
図3は本発明の一実施の形態による半導体レーザ装置を模式的に示す図である。GaN系半導体レーザ素子がサブマウント113を介してジャンクションダウン配置でヒートシンク114に実装されている状態を共振器に直交する断面で模式的に示したものである。半導体レーザ素子はn−AlGaN基板115上にn−AlGaNクラッド層103、n−GaN光ガイド層104、GaInN/GaNからなるMQW活性層105、p−GaN光ガイド層106、リッジ状のp−AlGaNクラッド層107およびp−GaNコンタクト層108が順次積層されており、リッジの両側は絶縁膜110によって埋め込まれ、p電極109がp−GaNコンタクト層108上に、n電極111がn−AlGaN基板115裏面(すなわち、活性層が形成されている側の面と異なる面)にそれぞれ形成されてなる。
【0019】
n−AlGaN基板115の裏面が凹凸面であることに本実施例のポイントがある。凹凸面は六角錘状ファセット116、六角錘台状ファセット117あるいは柱状孔118からなる。このレーザ装置の製造工程は順次、結晶成長、ドライエッチング、p電極蒸着、基板裏面研磨、基板裏面処理、n電極蒸着、劈開、端面コーティング、素子分離、実装等の各工程からなるが、本発明のポイントは基板裏面処理工程にある。
【0020】
レーザ素子作製に用いるn−AlGaN基板115は、例えば直径2インチ、厚さ約300μm、Al混晶比3%、キャリア濃度1×1018cm-3(ドーパントはSi)、面方位(0001)である。基板裏面研磨工程まで終了したn−AlGaN基板115の表面側にはレーザ素子構造が形成されており、裏面研磨により基板厚さが約100μmとなっている。基板裏面処理は、例えば160℃のオルトリン酸に2分間浸漬して行う。表面全面を覆っているp電極109およびGaN系半導体の(0001)面は、この条件ではオルトリン酸にほとんど侵されないが、この実施の形態と異なる素子構造を採用する場合やこれよりも過酷な処理条件を採用する場合には、必要に応じて、オルトリン酸に侵されないよう表面全面をSiO2膜等で保護しておくことができる。
【0021】
処理後のn−AlGaN基板115裏面の光学顕微鏡像を図4および図5に示す。図4には、図3で断面を模式的に示した六角錘状ファセット116、六角錘台状ファセット117あるいは柱状孔118が示されている。基板裏面の全面が径約数十〜数百μm程度、深さ約数〜10μm程度の六角錘および六角錘台で覆われていることがわかる。また、図5には柱状孔118が示されている。柱状孔118の形状は直径5μm前後の六角形ないし円形で、深さは約10〜20μm程度である。密度は約2×106cm-2である。密集している部分では独立な柱状孔が重なり合って大きな孔となっている。
【0022】
基板裏面の面方位は(000−1)面、つまり−c極性面である。−c極性面とは、図6に示す六方晶GaN結晶構造において4本のGa−N結合の内3本が下を向いている方の面である。GaN系半導体の表面原子再配列構造は不明であるが、−c極性面が+c極性面よりもオルトリン酸に侵されやすいのは、ダングリングボンドの構成の違いに起因して、−c極性面の方がオルトリン酸と反応しやすく、Ga3PO4等のリン酸ガリウム塩を生成しやすいためである。柱状孔118が形成される理由は不明であるが、その密度を考慮すると、転位が速やかにエッチングされたものと考えることができる。
【0023】
n−AlGaN基板115裏面の表面積を測定したところ、処理前は20.1cm2であったのに対して、処理後は75.6cm2と3倍以上増加していることがわかった。柱状孔118の形成による表面積増加の寄与が大きいものと推察される。
【0024】
基板裏面処理工程の後、n−AlGaN基板115裏面にn電極111を蒸着し、750μm間隔でバー状に劈開を行った。劈開歩留まりには基板裏面が凹凸であることは影響しなかった。さらに後端面の高反射率コーティング、素子分離を行い、サブマウント113を介してヒートシンク114にジャンクションダウン配置で実装した。
【0025】
半導体レーザ装置の放熱特性を評価するために熱抵抗を測定したところ、比較のため基板裏面処理を行わずに作製した半導体レーザ装置では、約25〜35℃/Wであったのに対して、本発明に基づく基板裏面処理を行ったものでは約15〜25℃/Wと向上していた。そのため、例えば100℃CW動作時の電流−光出力特性には改善が見られ、従来の課題であった50〜100mW出力動作時におけるスロープ効率の低下は認められなくなった。さらに、80℃60mW出力動作時の素子寿命は伸張した。
【0026】
以上、本実施例に基づき、基板裏面の表面積を拡大させたことにより放熱特性が改善され、高温高出力動作時の信頼性を向上させることができた。
【0027】
なお、本実施例では、基板としてn−AlGaNを用いた場合について説明したが、GaNやあるいはその他の窒化物半導体、例えばGaInN等を用いても同様の効果を得ることができる。さらには、窒化物半導体以外の基板、例えばSiC、Si、Al2O3等を用いてもよい。この場合、それぞれの基板に凹凸面を形成するための適当な裏面処理方法が用いられる。
【0028】
基板の導電型については、n型だけでなく、p型あるいは半絶縁性であってもよい。また、基板の極性については、窒化物半導体基板の裏面が−c極性面の場合だけでなく、+c極性面の場合であってもよい。ただし、この場合は前述のように、より過酷な裏面処理条件が必要となる。
【0029】
また、本実施例では、基板裏面に電極が形成されている素子について説明したが、図1および図2に示したような基板表面側にp型、n型両電極が形成されている素子の場合でも、同様の効果を得ることができる。
【0030】
本実施例では、窒化物半導体基板の裏面処理にオルトリン酸を用いたが、オルトリン酸(H3PO4)は加熱によって脱水縮合してピロリン酸(H4P2O7)、トリリン酸(H5P3O10)、メタリン酸(HPO3)となり、メタリン酸は多量体化して通常トリメタリン酸(H3P3O9)、テトラメタリン酸(H4P4O12)として存在するので、これらのリン酸類を少なくとも含む薬液を用いた場合でも、同様の効果を得ることができる。窒化物半導体はこれらのリン酸類と反応して、リン酸ガリウムのキレート化合物を生成しやすいためである。
【0031】
なお、オルトリン酸が脱水縮合するのを抑制するためには、これに硝酸および水を加えておくことが好ましい。これにより、窒化物半導体からなる基板裏面を安定かつ再現性よくエッチングして凹凸面を得ることができる。この薬液の温度は100℃未満では反応性に乏しく、250℃を超えると脱水縮合が進むので100℃以上250℃以下で用いるのが好ましい。
【0032】
さらに、基板裏面に凹凸面を設ける方法として、リン酸処理以外に、溶融アルカリ処理等窒化物半導体と反応しやすいウェットエッチングの方法を選ぶことができる。また、異方性エッチングとなるような反応性を有するドライエッチングを用いてもよい。
【0033】
(実施例2)
図7は本発明の他の実施の形態による半導体レーザ装置を模式的に示す図である。GaN系半導体レーザ素子がサブマウント113を介してジャンクションダウン配置でヒートシンク114に実装されている状態を共振器に直交する断面で模式的に示したものである。半導体レーザ素子はGaN基板101上にn−AlGaNコンタクト層102、n−AlGaNクラッド層103、n−GaN光ガイド層104、GaInN/GaNからなるMQW活性層105、p−GaN光ガイド層106、リッジ状のp−AlGaNクラッド層107およびp−GaNコンタクト層108が順次積層されており、リッジの両側は絶縁膜110によって埋め込まれ、p電極109がp−GaNコンタクト層108上に、n電極111がn−AlGaNコンタクト層102までエッチングされた表面上にそれぞれ形成されてなる。
【0034】
本実施例のポイントは、GaN基板101の裏面にもヒートシンク114が設けられている点である。これにより、裏面からの放熱特性が向上する。サブマウント113およびヒートシンク114は、熱伝導率の高い物質群の中から、実装に伴う熱歪み発生を抑えるよう半導体レーザ素子との熱膨張係数差を考慮されて選ばれる。通常サブマウント113にはダイヤモンド、SiC、Si、AlN等が用いられる。ヒートシンク114は、半導体レーザ装置のパッケージ中でポストに相当する部分であるが、Cu、コバール等の金属が用いられる。さらに、基板裏面に設けるヒートシンク114は放射率が高いことが望ましく、通常、金属でよい。
【0035】
基板裏面に設けるヒートシンクの形状は、図7に示したような平板状でもよいが、図8に示すように、ヒートシンクの表面積を増加させるためにくし型状としてもよい。また、図9に示すように、熱伝導性を高めるために基板裏面を覆う金属パッド119を介してポストのヒートシンク114に接続してもよい。
【0036】
半導体レーザ装置の放熱特性を評価するために熱抵抗を測定したところ、比較のため基板裏面にヒートシンクを設けずに作製した半導体レーザ装置では、約25〜35℃/Wであったのに対して、本実施例に基づきヒートシンクを固着させたものでは約15〜25℃/Wと向上していた。そのため、例えば100℃CW動作時の電流−光出力特性には改善が見られ、従来の課題であった50〜100mW出力動作時におけるスロープ効率の低下は認められなくなった。さらに、80℃60mW出力動作時の素子寿命は伸張した。
【0037】
以上、本発明に基づき、基板裏面にヒートシンクを固着させたことにより放熱特性が改善され、高温高出力動作時の信頼性を向上させることができた。
【0038】
なお、本実施例では、基板としてGaNを用いた場合について説明したが、その他の窒化物半導体、例えばAlGaN、GaInN等、あるいは、窒化物半導体以外の基板、例えばSiC、Si、Al2O3等を用いてもよい。
【0039】
また、本実施例では、基板表面側にp型、n型両電極が形成されている素子について説明したが、基板裏面に電極が形成されている素子の場合でも、同様の効果を得ることができる。
【0040】
また、本実施例では、半導体レーザ素子がジャンクションダウン配置で実装されている場合について説明したが、ジャンクションアップ配置で実装されている場合でも、基板表面にヒートシンクを固着させることにより、大きな効果を得ることができる。
【0041】
本発明は、レーザ素子に関するものであるが、高温高出力動作を必要とするような電子素子など他の半導体素子およびその製造方法にも適用でき、高い信頼性を与えるものである。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体レーザ装置およびその製造方法によると、高温高出力動作時にも放熱特性の良好な信頼性の高いGaN系半導体レーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】GaN系半導体レーザ素子の共振器に直交する断面の構造図
【図2】従来のGaN系半導体レーザ素子がサブマウントを介して実装されている状態を示す共振器に直交する断面の模式図
【図3】本発明の一実施の形態によるGaN系半導体レーザ素子がサブマウントを介して実装されている状態を示す共振器に直交する断面の模式図
【図4】本発明の一実施の形態によるGaN系半導体レーザ素子の基板裏面の光学顕微鏡像を示す図
【図5】本発明の一実施の形態によるGaN系半導体レーザ素子の基板裏面の光学顕微鏡像を示す図
【図6】六方晶GaN結晶(0001)面および(000−1)面の極性を示す模式図
【図7】本発明の一実施の形態によるGaN系半導体レーザ素子がサブマウントを介して実装されている状態を示す共振器に直交する断面の模式図
【図8】本発明の一実施の形態によるGaN系半導体レーザ素子がサブマウントを介して実装されている状態を示す共振器に直交する断面の模式図
【図9】本発明の一実施の形態によるGaN系半導体レーザ素子がサブマウントを介して実装されている状態を示す共振器に直交する断面の模式図
【符号の説明】
101 GaN基板
102 n-AlGaNコンタクト層
103 n-AlGaNクラッド層
104 n-GaN光ガイド層
105 活性層
106 p-GaN光ガイド層
107 p-AlGaNクラッド層
108 p-GaNコンタクト層
109 p電極
110 絶縁膜
111 n電極
112 半田
113 サブマウント
114 ヒートシンク
115 n-AlGaN基板
116 六角錘状ファセット
117 六角錘台状ファセット
118 柱状孔
119 金属パッド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gallium nitride (GaN) short wavelength semiconductor laser expected to be applied in the field of optical information processing and the like, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Nitride semiconductors having nitrogen (N) as a group V element are regarded as promising materials for short-wavelength light-emitting devices because of their large band gap. In particular, a semiconductor laser having an oscillation wavelength in the 400 nm band has been eagerly aimed at increasing the capacity of an optical disk device such as a DVD. In particular, a laser composed of a GaN-based nitride semiconductor (Al x Ga y In z N (0 ≦ x, y, z ≦ 1, x + y + z = 1)) has been actively researched and is now reaching a practical level. is there.
[0003]
FIG. 1 is a structural diagram of a cross section orthogonal to a resonator of a GaN-based semiconductor laser device. An n-AlGaN
[0004]
When the n-electrode 111 is grounded and a voltage is applied to the p-
[0005]
For example, “Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 39, page L647” discloses that the estimated lifetime of a GaN-based semiconductor laser as described above is 15000 hours at 60 ° C. and 30 mW output CW operation. . In this example, prior to crystal growth of the laser structure, selective lateral growth is performed on the
[0006]
In general, the size of a semiconductor laser element is several hundred μm square, and the laser resonator surface is produced by cleaving a semiconductor crystal. In the crystal growth process and device fabrication process, the substrate thickness is selected to be about several hundreds of μm for reasons such as easy handling of the substrate, but in order to cleave a resonator length of several hundreds of μm with a high yield. Prior to the cleavage step, it is necessary to polish or etch the back side of the substrate until the thickness of the substrate reaches about 50 to 150 μm. The surface thus obtained is usually flat. The electrode on the back side of the substrate is formed on this flat surface.
[0007]
When the semiconductor laser element is energized, the temperature of the pn junction increases. The temperature rise not only changes the oscillation characteristics such as the light output and the oscillation wavelength, but also has a great influence on the device life. Therefore, when a laser element that requires a high operating current, such as a high-power laser, is mounted on a package, the pn junction surface side of the element is bonded to a heat sink in order to improve heat dissipation characteristics, that is, the back side of the element substrate In general, it is mounted in a so-called junction down arrangement that exposes. An example is shown in FIG. This is an example in which the
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Compared to conventional semiconductor laser elements using GaAs, InP, or the like as the substrate, the semiconductor laser element using a nitride semiconductor such as GaN as the substrate has a thermal conductivity of about 1.5 W / cmK, which is about twice as high. Since it is high and has good heat dissipation characteristics, the thermal management of the semiconductor laser device is relatively easy.
[0009]
However, it is predicted that higher temperature operation and higher output operation will be required for nitride semiconductor lasers in the future. Therefore, as a result of examination by the inventors of the present application, it has been found that, in the GaN-based semiconductor laser device configured by the above-described conventional technology, the device lifetime is extremely shortened when operating at 80 ° C. and 60 mW compared to operating at 60 ° C. and 30 mW, for example. It was. In the current-light output characteristics in the high temperature region, the increase of the oscillation threshold current value is not significant (that is, the characteristic temperature is not significantly decreased), but the slope efficiency may decrease at a high output of about 50 to 100 mW. As a result, it was considered that thermal saturation had begun to occur. This phenomenon is considered to be caused by insufficient heat dissipation characteristics.
[0010]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a semiconductor laser device using a nitride semiconductor laser element having high reliability even during high-temperature and high-power operation and a method for manufacturing the same. This is particularly effective in application to a laser device for optical disks.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
To solve the above problems, a semiconductor light-emitting device of the present invention includes a substrate made of a nitride semiconductor, and a semiconductor multilayer structure provided on the substrate possess, semiconductors stacked structure of a nitride semiconductor p A semiconductor layer structure of a substrate, comprising an n-type semiconductor layer made of a nitride semiconductor, an n-type semiconductor layer made of a nitride semiconductor, and an active layer made of a nitride semiconductor sandwiched between a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer and the back surface of the surface on the side that includes a plurality, six-sided pyramid-shaped facets, truncated hexagonal pyramid shaped facets, or uneven surfaces der the hexagonal columnar hole is formed is, the substrate and the semiconductor multilayer backside is uneven surface It is a semiconductor light emitting device manufactured by cleaving the structure .
[0012]
In the above structure, the p-type semiconductor layer preferably includes a ridge, and the semiconductor stacked structure preferably includes a resonator surface manufactured by cleavage. Moreover, it is preferable that the surface on which the semiconductor laminated structure of the substrate is formed is a + C polarity surface. Moreover, it is preferable that the surface orientation of the back surface of a board | substrate is a -C polarity direction. Moreover, it is preferable that the electrical conductivity type of the substrate is n-type. The hexagonal pyramid or hexagonal frustum facet formed on the back surface of the substrate preferably has a diameter of 10 μm to several hundreds of μm and a depth of 1 μm to 10 μm. The hexagonal columnar hole formed on the back surface of the substrate preferably has a depth of 10 μm to 20 μm. Moreover, it is preferable that the electrode is formed in the back surface of a board | substrate so that the uneven surface of a back surface may be covered. The electrode preferably contains Ti.
[0013]
The semiconductor light-emitting device of the present invention is a semiconductor light-emitting device in which any one of the semiconductor light-emitting elements described above is mounted, and the light-emitting element has a submount or a heat sink on the side of the substrate where the semiconductor multilayer structure is formed. It is fixed. Another semiconductor light-emitting device of the present invention is a semiconductor light-emitting device in which any one of the above semiconductor light-emitting elements is mounted, and the back surface side of the light-emitting element is fixed to a submount or a heat sink.
[0014]
The method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention includes a p-type semiconductor layer made of a nitride semiconductor, an n-type semiconductor layer made of a nitride semiconductor, a p-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer on a substrate. A plurality of hexagonal pyramid facets, hexagonal frustum facets, or six by forming a semiconductor laminated structure having an active layer made of a nitride semiconductor and anisotropic wet etching of the back surface of the substrate. including a step of obtaining an irregular surface to which columnar hole of square are formed, and a step of cleaving the substrate and the semiconductor multilayer structure.
[0015]
The method of manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention includes a p-type semiconductor layer made of a nitride semiconductor, an n-type semiconductor layer made of a nitride semiconductor, and the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer on a substrate. Forming a semiconductor multilayer structure having an active layer made of a nitride semiconductor, and treating the back surface of the substrate with a chemical solution containing at least phosphoric acid, thereby forming a plurality of hexagonal pyramid facets, six Including a step of obtaining an uneven surface in which a truncated pyramid facet or a hexagonal columnar hole is formed, and a step of cleaving the substrate and the semiconductor laminated structure. In the above production method, the phosphoric acid contained in the chemical solution is preferably at least one selected from triphosphoric acid, metaphosphoric acid, trimetaphosphoric acid, tetrametaphosphoric acid, pyrophosphoric acid, and orthophosphoric acid. Moreover, it is preferable that a chemical | medical solution contains orthophosphoric acid, nitric acid, and water. Moreover, it is preferable that the temperature of a chemical | medical solution is 100 degreeC or more and 250 degrees C or less.
[0016]
In the method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention, a step of forming a ridge in a p-type semiconductor layer, and a step of forming a resonator surface in the semiconductor multilayer structure by cleaving the substrate and the semiconductor multilayer structure Are preferably included.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0018]
(Example 1)
FIG. 3 is a diagram schematically showing a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention. A state in which a GaN-based semiconductor laser element is mounted on a
[0019]
The point of this embodiment is that the back surface of the n-AlGaN substrate 115 is an uneven surface. The concavo-convex surface is composed of a hexagonal frustum facet 116, a hexagonal frustum facet 117 or a columnar hole 118. The manufacturing process of this laser device is made up of processes such as crystal growth, dry etching, p-electrode deposition, substrate back surface polishing, substrate back surface processing, n-electrode deposition, cleavage, end surface coating, element separation, and mounting. The point is in the substrate back surface processing step.
[0020]
The n-AlGaN substrate 115 used for manufacturing the laser element has, for example, a diameter of 2 inches, a thickness of about 300 μm, an Al mixed crystal ratio of 3%, a carrier concentration of 1 × 10 18 cm −3 (dopant is Si), and a plane orientation (0001). is there. A laser element structure is formed on the surface side of the n-AlGaN substrate 115 that has been completed up to the substrate back surface polishing step, and the substrate thickness is about 100 μm by the back surface polishing. The substrate back surface treatment is performed, for example, by immersing in orthophosphoric acid at 160 ° C. for 2 minutes. The p-
[0021]
4 and 5 show optical microscope images of the back surface of the n-AlGaN substrate 115 after the treatment. 4 shows a hexagonal frustum facet 116, a hexagonal frustum facet 117, or a columnar hole 118 schematically shown in cross section in FIG. It can be seen that the entire back surface of the substrate is covered with a hexagonal pyramid having a diameter of about several tens to several hundreds μm and a depth of about several to 10 μm. Further, FIG. 5 shows a columnar hole 118. The columnar hole 118 has a hexagonal or circular shape with a diameter of about 5 μm and a depth of about 10 to 20 μm. The density is about 2 × 10 6 cm −2 . In the dense part, independent columnar holes overlap to form a large hole.
[0022]
The plane orientation of the back surface of the substrate is a (000-1) plane, that is, a -c polar plane. The -c polarity plane is the plane in which three of the four Ga-N bonds face downward in the hexagonal GaN crystal structure shown in FIG. Although the surface atomic rearrangement structure of GaN-based semiconductors is unknown, the -c polar plane is more susceptible to orthophosphoric acid than the + c polar plane because of the difference in the configuration of dangling bonds. This is because it is easier to react with orthophosphoric acid, and gallium phosphate salts such as Ga 3 PO 4 are more likely to be produced. The reason why the columnar holes 118 are formed is unknown, but considering the density, it can be considered that dislocations were etched quickly.
[0023]
When the surface area of the back surface of the n-AlGaN substrate 115 was measured, it was found to be 20.1 cm 2 before the treatment, but increased by 7 times or more to 75.6 cm 2 after the treatment. It is assumed that the contribution of the surface area increase due to the formation of the columnar holes 118 is large.
[0024]
After the substrate back surface treatment step, an n electrode 111 was deposited on the back surface of the n-AlGaN substrate 115 and cleaved into bars at intervals of 750 μm. The cleave yield was not affected by the unevenness of the backside of the substrate. Further, high-reflectance coating and element separation were performed on the rear end face, and the substrate was mounted on the
[0025]
When the thermal resistance was measured in order to evaluate the heat dissipation characteristics of the semiconductor laser device, the semiconductor laser device manufactured without performing the substrate back surface processing for comparison had a temperature of about 25 to 35 ° C./W, In the case where the substrate back surface treatment according to the present invention was performed, it was improved to about 15 to 25 ° C./W. For this reason, for example, the current-light output characteristics at the time of 100 ° C. CW operation have been improved, and the reduction in slope efficiency at the time of 50-100 mW output operation, which has been a conventional problem, has not been recognized. Furthermore, the lifetime of the device at 80 ° C. and 60 mW output operation was extended.
[0026]
As described above, based on this example, the heat radiation characteristics were improved by increasing the surface area of the back surface of the substrate, and the reliability during high-temperature and high-output operation could be improved.
[0027]
In this embodiment, the case where n-AlGaN is used as the substrate has been described. However, similar effects can be obtained even when GaN or other nitride semiconductors such as GaInN are used. Furthermore, a substrate other than a nitride semiconductor, for example, SiC, Si, Al 2 O 3 or the like may be used. In this case, an appropriate back surface processing method for forming an uneven surface on each substrate is used.
[0028]
The conductivity type of the substrate may be not only n-type but also p-type or semi-insulating. The polarity of the substrate may be not only when the back surface of the nitride semiconductor substrate is a −c polarity plane but also when it is a + c polarity plane. However, in this case, as described above, more severe back surface processing conditions are required.
[0029]
Further, in this embodiment, the element in which the electrode is formed on the back surface of the substrate has been described, but the element in which both the p-type and n-type electrodes are formed on the substrate surface side as shown in FIGS. Even in the case, the same effect can be obtained.
[0030]
In this example, orthophosphoric acid was used for the rear surface treatment of the nitride semiconductor substrate, but orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ) was dehydrated and condensed by heating to form pyrophosphoric acid (H 4 P 2 O 7 ) and triphosphoric acid (H 5 P 3 O 10 ), metaphosphoric acid (HPO 3 ), and metaphosphoric acid multimerizes and usually exists as trimetaphosphoric acid (H 3 P 3 O 9 ) and tetrametaphosphoric acid (H 4 P 4 O 12 ). Even when a chemical solution containing at least these phosphoric acids is used, the same effect can be obtained. This is because a nitride semiconductor easily reacts with these phosphoric acids to generate a chelate compound of gallium phosphate.
[0031]
In order to suppress dehydration condensation of orthophosphoric acid, it is preferable to add nitric acid and water thereto. Thereby, the back surface of the substrate made of a nitride semiconductor can be etched stably and with good reproducibility to obtain an uneven surface. When the temperature of this chemical solution is less than 100 ° C., the reactivity is poor, and when it exceeds 250 ° C., dehydration condensation proceeds, so that it is preferably used at 100 ° C. or more and 250 ° C. or less.
[0032]
Furthermore, as a method of providing the uneven surface on the back surface of the substrate, a wet etching method that easily reacts with a nitride semiconductor such as a molten alkali treatment can be selected in addition to the phosphoric acid treatment. Moreover, you may use the dry etching which has the reactivity which becomes anisotropic etching.
[0033]
(Example 2)
FIG. 7 is a view schematically showing a semiconductor laser device according to another embodiment of the present invention. A state in which a GaN-based semiconductor laser element is mounted on a
[0034]
The point of this embodiment is that a
[0035]
The shape of the heat sink provided on the back surface of the substrate may be a flat plate shape as shown in FIG. 7, but may be a comb shape to increase the surface area of the heat sink as shown in FIG. In addition, as shown in FIG. 9, in order to increase thermal conductivity, a
[0036]
When thermal resistance was measured to evaluate the heat dissipation characteristics of the semiconductor laser device, it was about 25 to 35 ° C./W in the semiconductor laser device manufactured without providing a heat sink on the back surface of the substrate for comparison. When the heat sink was fixed based on this example, the temperature was improved to about 15 to 25 ° C./W. For this reason, for example, the current-light output characteristics at the time of 100 ° C. CW operation have been improved, and the reduction in slope efficiency at the time of 50-100 mW output operation, which has been a conventional problem, has not been recognized. Furthermore, the lifetime of the device at 80 ° C. and 60 mW output operation was extended.
[0037]
As described above, according to the present invention, the heat radiation characteristic is improved by fixing the heat sink to the back surface of the substrate, and the reliability at the time of high temperature and high output operation can be improved.
[0038]
In this embodiment, the case where GaN is used as the substrate has been described. However, other nitride semiconductors such as AlGaN and GaInN, or substrates other than nitride semiconductors such as SiC, Si, and Al 2 O 3 are used. May be used.
[0039]
Further, in this embodiment, the element in which both the p-type and n-type electrodes are formed on the front surface side of the substrate has been described. it can.
[0040]
In the present embodiment, the case where the semiconductor laser element is mounted in a junction-down arrangement has been described. However, even when the semiconductor laser element is mounted in a junction-up arrangement, a large effect can be obtained by fixing the heat sink to the substrate surface. be able to.
[0041]
The present invention relates to a laser element, but can also be applied to other semiconductor elements such as electronic elements that require high-temperature and high-power operation and a method for manufacturing the same, and provides high reliability.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the semiconductor laser device and the manufacturing method thereof of the present invention, it is possible to provide a highly reliable GaN-based semiconductor laser device with good heat dissipation characteristics even during high-temperature and high-power operation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a structural diagram of a cross section orthogonal to a resonator of a GaN-based semiconductor laser device. FIG. 2 is a cross-sectional view orthogonal to the resonator showing a state in which a conventional GaN-based semiconductor laser device is mounted via a submount. Fig. 3 is a schematic diagram of a cross section perpendicular to a resonator showing a state in which a GaN-based semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention is mounted via a submount. Fig. 4 is an embodiment of the present invention. FIG. 5 is a diagram showing an optical microscope image of the back surface of the GaN-based semiconductor laser device according to the embodiment of the present invention. FIG. 5 is a diagram showing an optical microscope image of the back surface of the GaN-based semiconductor laser device according to the embodiment of the present invention. FIG. 7 is a schematic diagram showing the polarities of the crystal GaN crystal (0001) plane and the (000-1) plane. FIG. 7 shows a state in which a GaN-based semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention is mounted via a submount. FIG. 8 is a schematic diagram of a cross section perpendicular to the resonator showing a state in which the GaN-based semiconductor laser device according to one embodiment of the present invention is mounted via a submount. 9 is a schematic diagram of a cross section orthogonal to a resonator showing a state in which a GaN-based semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention is mounted via a submount.
101 GaN substrate 102 n-AlGaN contact layer 103 n-AlGaN cladding layer 104 n-GaN light guide layer 105 active layer 106 p-GaN light guide layer 107 p-AlGaN cladding layer 108 p-GaN contact layer 109 p electrode 110 insulating film 111 n-
Claims (17)
前記基板上に設けられている半導体積層構造と
を有し、前記半導体積層構造は、窒化物半導体からなるp型半導体層と、窒化物半導体からなるn型半導体層と、前記p型半導体層及びn型半導体層に挟まれており窒化物半導体からなる活性層とを有し、
前記基板の前記半導体層構造が形成されている側の面の裏面は、複数の、六角錐状ファセット、六角錐台状ファセット、又は六角形の柱状孔が形成されている凹凸面であり、
前記裏面が前記凹凸面である前記基板及び前記半導体積層構造を劈開することにより作製された半導体発光素子。A substrate made of a nitride semiconductor;
Have a semiconductor multilayer structure provided on said substrate, before Symbol semiconductor multilayer structure includes a p-type semiconductor layer made of a nitride semiconductor, and the n-type semiconductor layer made of a nitride semiconductor, the p-type semiconductor layer And an active layer made of a nitride semiconductor sandwiched between n-type semiconductor layers,
Rear surface of the surface on which the semiconductor layer structure is formed of the substrate, a plurality, six-sided pyramid-shaped facets, Ri uneven surface der the truncated hexagonal pyramid shaped facets, or hexagonal columnar hole is formed,
A semiconductor light emitting device manufactured by cleaving the substrate and the semiconductor multilayer structure, the back surface of which is the uneven surface .
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