JP4630596B2 - 半導体レーザ装置の製造方法 - Google Patents

Description

窒化物半導体レーザ装置などの半導体レーザ装置及びその製造方法に関するものである。

ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどの窒化物半導体は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体やＡｌＧａＩｎＰ系半導体に比べてバンドギャップＥｇが大きく、かつ直接遷移の半導体材料であるという特徴を有している。このため、これらの窒化物半導体は、紫外線から緑色に当たる短波長の光の発光が可能な半導体レーザや、紫外線から赤色まで広い発光波長範囲をカバーできる発光ダイオードなどの半導体発光素子を構成する材料として注目されており、高密度光ディスクやフルカラーディスプレー、さらには環境・医療分野など、広く応用が考えられている。

又、この窒化物半導体は熱伝導性がＧａＡｓ系半導体などよりも高く、高温・高出力動作の素子の応用に期待されている。さらに、ＡｌＧａＡｓ系半導体における砒素（Ａｓ）、ＺｎＣｄＳＳｅ系半導体におけるカドミウム（Ｃｄ）などに相当する材料及びその原料（アルシン（ＡｓＨ₃））などを使用しないため、環境への負荷が小さい化合物半導体材料として期待されている。

又、従来、半導体レーザ素子を用いた半導体レーザ装置を製造するとき、粘着剤に有機物を含む粘着シートが用いられる。即ち、個々の半導体レーザ素子を得るには、まず、複数の半導体レーザ素子が作製されたウエーハを劈開し、共振器端面を形成してバー形状（以下ＬＤバーとする）にする。そして、この形成したＬＤバーから個々の半導体レーザ素子を分割する分割工程において、ＬＤバーをダイヤモンドペンなどを用いてスクライブラインを形成して劈開する際、分割した半導体レーザ素子が、ばらばらにならないように、スクライブラインを形成する面と反対側の面（即ち、ＬＤバーの上面（表面側）にスクライブラインを形成する場合はＬＤバーの裏面側、又は、ＬＤバーの裏面側にスクライブラインを形成する場合はＬＤバーの上面側）に、粘着シートを貼着する。

このようにして分割された半導体レーザ素子は粘着シートにより、つながった状態であるので、粘着シートを引き伸ばして半導体レーザ素子を分離する。その後、半導体レーザ素子は一つずつピックアップされて、チップテストが実施される。チップテスト終了後、半導体レーザ素子は、再び粘着シートに貼り付けられ、一つずつピックアップされてヒートシンク、ステムなどに搭載され、更に、蓋体が取り付けられ、半導体レーザ装置が製造される。

上述のようにして、粘着剤に有機物が含まれた粘着シートを用いるので、製造された半導体レーザ素子に有機物が粘着してしまう。又、ヒートシンク、ステム及び蓋体などにも、製造工程中に有機物が付着している場合がある。又、個々の分割された半導体レーザ素子をヒートシンク、ステムなどの搭載するダイボンディング工程において、大気中に含まれるシロキサンなどのＳｉ（シリコン）の有機物が、半導体レーザ素子、ヒートシンク、支持体及び蓋体などに付着する。

こうようにして付着した有機物は大気中に揮発し、揮発した有機物は雰囲気を介して半導体レーザ素子から出射しているレーザ光により化学反応を起こす。その結果、光強度の最も強いレーザ出射端面に、光ＣＶＤ（Photo Chemical Vapor Deposition）効果によって、Ｓｉ（シリコン）又はＣ（炭素）などから成る有機物などの物質が成膜される。このような現象は、光子一つ当りのエネルギーが高くて化学反応を促進しやすい発振波長が５５０ｎｍ以下のレーザ、特に、発振波長が４２０ｎｍ以下と紫外域近傍で発振する窒化物半導体レーザ素子を用いた半導体装置において、顕著なものとなる。

このレーザ出射面に有機物などの物質が成膜されると、出力するレーザ強度を低下させるだけではなく、レーザ出射面であるレーザ端面（共振器端面）の反射率にも変化を引き起こし、結果、レーザ駆動時の動作電流が変動し、レーザの寿命特性が大きく悪化する。このような問題に対して、レーザチップを搭載した支持体に、レーザ光又は紫外線などのエネルギービームを照射したり、又は、ＥＣＲ（Electron Cycrotron Resonance）方式によって生成したプラズマに照射して、レーザチップ及び蓋体に付着した粘着物を除去又は変質させる方法が提案されている（特許文献１参照）
特開２００４−４００５１号公報

しかし、上述の特許文献１による技術をもちいて、半導体レーザ素子、支持体、ステムなどに付着した物質を除去すると、紫外線などのエネルギービームを照射した場合は、クリーニングは十分にできず、特にＳｉ（シリコン）を含む有機物が除去できない。又、ＥＣＲ方式によって生成されたプラズマに照射した場合は、半導体レーザ素子に与えるダメージが大きく、処理後、半導体レーザ素子の特性が悪化し、寿命が短くなるという問題があった。

本発明は、このような問題を鑑みて、半導体レーザ素子、ステム及び蓋体などに付着した有機物を除去し、半導体レーザ素子の動作時における光ＣＶＤ効果によるレーザ出射端面への成膜を抑制し、レーザ寿命特性の良好な半導体レーザ装置及び、その製造方法を提案することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、半導体レーザ素子を搭載したステム及び蓋体双方をプラズマに曝してクリーニング処理を行う第１ステップを備えた半導体レーザ装置の製造方法において、当該第１ステップでクリーニング処理に用いるプラズマ装置が、プラズマ処理装置の反応容器内に２枚の平板電極が平行に設置され、２枚の前記平板電極の内の少なくとも片方に高周波電源より高周波電力を印加して高周波電極とすることで２枚の前記平板電極の間の空間にプラズマを生成する平行平板方式のプラズマ処理装置であることを特徴とする。

このような方法によると、比較的プラズマ密度の低い（１０¹⁰ｃｍ^-3程度）プラズマを生成でき、半導体レーザ素子にダメージを与えることなく、前記クリーニング処理を実施できる。又、２枚の前記平板電極のどちらか１つに高周波電力を印加するものとしても構わないし、前記平板電極の２枚双方に高周波電力を印加してプラズマを生成するものとしても構わない。

又、このような半導体レーザ装置の製造方法において、前記第１ステップで、プラズマ生成に用いるガスが不活性ガス又は反応性ガス又はその混合ガスであるとしても構わない。

又、このような半導体レーザ装置の製造方法において、前記第１ステップで用いる前記平行平板方式のプラズマ処理装置で、前記高周波電極以外の電極が電気的に直接接地され、接地電極となっているとしても構わない。

又、このような半導体レーザ装置の製造方法において、前記第１ステップで、前記半導体レーザ素子を搭載した前記ステムと前記蓋体の双方を、同時、又は、別々に、前記プラズマに曝すことで前記クリーニング処理を実施するものとしても構わない。

このような方法によって、前記半導体レーザ装置を構成する前記半導体レーザ素子を搭載した前記ステム及び前記蓋体から、有機物やシリコン化合物などの不純物を除去、又は変質することができる。

又、このような半導体レーザ装置の製造方法において、前記第１ステップで、前記高周波電極上に前記半導体素子を搭載した前記ステム及び前記蓋体を設置し、前記プラズマに曝すことで前記クリーニング処理を実施するものとしても構わない。

又、このような半導体レーザ装置の製造方法において、前記第１ステップで、前記接地電極上に前記半導体素子を搭載した前記ステム及び前記蓋体を設置し、同時、又は、別々に、前記プラズマに曝すことで前記クリーニング処理を実施するものとしても構わない。

又、このような半導体レーザ装置の製造方法において、前記第１ステップと、前記クリーニング処理を行った前記半導体レーザ素子を搭載した前記ステムに前記蓋体を設置する設置室まで前記ステムと前記蓋体とを移動させる第２ステップと、を備えるとともに、当該第２ステップで、前記半導体素子を搭載した前記ステム及び前記蓋体を前記設置室に移動させる際、前記半導体素子を搭載した前記ステム及び前記蓋体が大気雰囲気に曝されないように不活性ガスが封止された気密性の備えた箱に入れて移動するものとしても構わない。

又、このような半導体レーザ装置の製造方法において、前記第１ステップと、前記クリーニング処理を行った前記半導体レーザ素子を搭載した前記ステムに前記蓋体を設置する設置室まで前記ステムと前記蓋体とを移動させる第２ステップと、を備えるとともに、当該第２ステップで、前記半導体素子を搭載した前記ステム及び前記蓋体を前記設置室に移動させる際、前記半導体素子を搭載した前記ステム及び前記蓋体が大気雰囲気に曝されないように不活性ガスが封止された気密性の備えた移動路を通り移動させるものとしても構わない。

又、このような半導体レーザ装置の製造方法において、前記第１ステップと、前記第２ステップと、前記半導体レーザ素子に搭載した前記ステムに前記蓋体を前記設置室内で設置する第３ステップと、を備えるとともに、当該第３ステップで、前記設置室内で前記半導体レーザ素子を搭載した前記ステムを前記蓋体に載置、固定する際、大気雰囲気に曝されないように不活性ガス中で実施するものとしても構わない。

このような方法によって、前記半導体素子を搭載した前記ステム及び前記蓋体に大気中に含まれる有機物やシリコン化合物などの不純物が付着することが防止できる。

又、本発明の半導体レーザ装置は、上述したいずれかに記載の前記半導体レーザ装置の製造方法によって製造されることを特徴とする。

又、本発明の半導体レーザ装置は、前記半導体レーザ素子が窒化物半導体層を備えるものとしても構わない。

又、本発明の半導体レーザ装置は、前記半導体レーザ素子の発振波長が５５０ｎｍ以下であることを特徴とする。

本発明によると、半導体レーザ素子などを搭載したステム及び蓋体の双方を、平行平板方式のプラズマ処理装置を用いて比較的プラズマ密度の低い（１０¹⁰ｃｍ^-3程度）プラズマを生成し、その生成したプラズマに曝すことで、半導体レーザ素子にダメージを与えることなく、半導体レーザ素子、基板、電極などに付着した有機物やシリコン化合物が、除去又は変質させられる。

又、本発明によると、半導体レーザ素子、ヒートシンクなどを搭載したステム、及び、蓋体の双方をプラズマに曝すことでクリーニング処理をおこなっているので、半導体レーザ装置を構成する部品全体から、有機物やシリコン化合物を除去できる。又、半導体レーザ素子などを搭載したステムに蓋体を載置、固定する際も、大気雰囲気に曝さないように不活性ガス中で行うので、大気中に含まれる有機物やシリコン化合物から成る不純物が付着することが防止される。

上述したことにより、本発明は、半導体レーザ装置の動作時に、レーザ光により有機物やシリコン化合物などに化学反応が生じることを防ぎ、光ＣＶＤ効果によるレーザ光出射端面への物質の成膜を抑制することができる。よって、レーザ光出射端面に物質が成膜されることによるレーザ光の吸収率及び反射率の変動が抑えられ、半導体レーザ素子の駆動電流の異常変動が回避され、半導体レーザ装置の寿命特性の向上を実現することができる。

本発明の実施形態を図面を参照し説明する。図３（ａ）は窒化物半導体レーザ素子がヒートシンクを介して搭載されたステムと、当該ステムに載置される蓋体の上面図である。図３（ｂ）は図３（ａ）の側面図である。

半導体レーザ装置３４０は、例えば、半導体レーザ素子３５０を、円盤状のステム３２０と中空円筒状の蓋体３３０とから成る５．６φのキャン型パッケージに搭載したものである。蓋体３３０は、一端部は開放されており、もう一方の端部には半導体レーザ素子３５０から出射されたレーザを半導体レーザ装置３４０の外部に取り出すための取り出し窓３３０Ａが設けられている。又、蓋体３３０は銅又は鉄などの金属を材料として作製されており、取り出し窓３３０Ａは半導体レーザ素子３５０から出射されるレーザが透過することのできるガラス、プラスティックなどの材料から作製されている。そして、ＳｉＣから成るヒートシンク３１０を介して半導体レーザ素子３５０を搭載したステム３２０に覆いかぶせるように蓋体３３０を載置して、半導体レーザ装置３４０が構成される。

又、図３（ａ）に示すように、半導体レーザ素子３５０は、ＧａＮ基板３０１と、当該ＧａＮ基板３０１上に形成された複数の窒化物半導体薄膜などの積層体である窒化物半導体成長層３０２と、ｐ側電極３０３と、ｎ側電極３０４と、金属多層膜３０５Ａと、から構成されている。又、窒化物半導体成長層３０２の表面にｐ側電極３０３が形成されるとともに、ＧａＮ基板３０１の裏面側には、ＧａＮ基板３０１に近い側から順に、ｎ側電極３０４とメタライズのための金属多層膜３０５Ａが、それぞれ、形成されている。

このようにして構成されている半導体レーザ素子３５０は、ＧａＮ基板３０１の裏面側の金属多層膜３０５ＡがＡｕ７０Ｓｎ３０ハンダ３１２を介してヒートシンク３１０の表面側に固定されている。又、半導体レーザ素子３５０が搭載されたヒートシンク３１０は、当該ヒートシンク３１０の裏面側でＳｎＡｇ３Ｃｕ０．５ハンダ３１３を介してステム３２０の一部である支持基体３２１に搭載、固定されている。又、ヒートシンク３１０の表側と裏面側には、それぞれ、メタライズのための金属多層膜３０５Ｂ、３０５Ｃが形成されている。

又、ｐ側電極３０３はワイヤ３１４Ａを介してピン３１６に、ｎ側電極３０４は金属多層膜３０５Ａ、Ａｕ７０Ｓｎ３０ハンダ３１２、金属多層膜３０５Ｂ及びワイヤ３１４Ｂを介してピン３１１に電気的に接続されている。更に、ステム３２０とピン３１１、３１６との間には、絶縁リング３１１Ａ、３１６Ａとが、それぞれ、設けられており、ピン３１１、３１６と、ステム３２０及びその一部である支持基体３２１との間は、絶縁リング３１１Ａ、３１６Ａを用いて電気的に絶縁されている。このピン３１１、３１６は、ステム３２０とは絶縁された外部接続端子３２２Ａ、３２２Ｂに電気的に接続しており、当該外部接続端子３２２Ａ、３２２Ｂより半導体レーザ素子の電流が供給される。又、外部接続端子３２２Ｃはステム３２０と電気的に接続している。

上述したように半導体レーザ素子３５０などから半導体レーザ装置３４０が構成されるが、次に、半導体レーザ素子３５０について説明する。図４に半導体レーザ素子の概略断面図を示す。図４に示すように窒化物半導体成長層３０２は、例えば、ＧａＮ基板３０１の表面に、ｎ型ＧａＮコンタクト層４０２と、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４０３と、ｎ型ＧａＮガイド層４０４と、ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層４０５と、ｐ型ＡｌＧａＮ蒸発防止層４０６と、ｐ型ＧａＮガイド層４０７と、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４０８と、ｐ型ＧａＮコンタクト層４０９とが、順に積層され構成される。

ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４０８及びｐ型ＧａＮコンタクト層４０９には、共振器方向に延在したストライプ状のリッジが設けられている。即ち、図４に示した半導体レーザ素子は、リッジストライプ構造を備える。更に、ｐ側電極３０３とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４０８及びｐ型ＧａＮコンタクト層４０９との間には、リッジ部分を除いて、電流狭窄のための絶縁膜４１０が設けられている。尚、本明細書において、絶縁膜４１０は窒化物半導体成長層３０２に含まれるものとする。

尚、窒化物半導体成長層３０２に用いられる材料は上述の材料に限定されるものではなく、他の窒化物系化合物半導体、例えば、ｐ型クラッド層にｐ型ＡｌＧａＩｎＮを、多重量子井戸活性層にＧａＩｎＮＡｓもしくはＧａＩｎＰなどを用いても構わない。又、クラッド層は多層構造でも多重量子井戸構造を用いても構わない。更に、ｎ型ＧａＮコンタクト層４０２とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４０３の間に、ＩｎＧａＮなどのクラック防止層を挿入しても構わない。又、ＧａＮ基板３０１とｎ型ＧａＮコンタクト層４０２との間にバッファ層を挿入しても構わない。又、共振器方向にストライプ状に延在したリッジは、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４０８及びｐ型ＧａＮコンタクト層４０９のみではなく、ｐ型ＧａＮガイド層４０７、ｐ型ＡｌＧａＮ蒸発防止層４０６及びＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層４０５までの途中いずれかまで掘り込んで形成しても構わない。

更に、本実施形態では半導体レーザ素子３５０の作製にＧａＮ基板３０１を用いたが、基板材料はＧａＮに限定されるものではなく、ＩｎＮ、ＡｌＮあるいはＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮの混晶半導体でも構わなく、サファイア、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、又は、窒化物以外のＧａＡｓ、ＧａＰなどのIII−Ｖ族化合物でも構わない。

以下に、本実施形態の半導体レーザ装置の製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。

まず、半導体レーザ素子の製造に一般的に用いられている周知の技術を適宜適用して、ＧａＮ基板３０１上に、図４で示したような複数の窒化物半導体薄膜などから成る窒化物半導体成長層３０２及びｐ側電極３０３を形成する。尚、本実施形態のｐ電極３０３の材料は、ｐ型ＧａＮコンタクト層４０９に近い側からＰｄ（１５ｎｍ）／Ｍｏ（１５ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ）とする。

次に、ｎ型ＧａＮ基板３０１上に窒化物半導体成長層３０２の各層を積層する際の当該ｎ型ＧａＮ基板３０１の厚みは略３５０μｍであるが、ｎ側電極３０４の形成前に、ＧａＮ基板３０１の裏面側から、研磨もしくはエッチングを行うことにより基板の一部を除去し、ウエーハの厚みを通常４０〜１５０μｍ程度までに薄くする。その後、ｎ側電極３０４としてＧａＮ基板３０１に近い側から、Ｔｉ（３０ｎｍ）／Ａｌ（１５０ｎｍ）を形成し、さらに金属多層膜３０５Ａとして、Ｍｏ（８ｎｍ）／Ｐｔ（１５ｎｍ）／Ａｕ（２５０ｎｍ）を形成する。

このようにしてｐ側電極３０３及びｎ側電極３０４が形成され、窒化物半導体から成る積層体３０２の各層が積層されたウエーハを劈開することにより、半導体レーザ素子３５０の共振器端面を形成する。このとき、半導体レーザ素子３５０の共振器長が５００μｍとなるように、ウエーハの劈開が行われる。このようにウエーハの劈開することで得られたバー（ＬＤバー）を更に劈開することにより、レーザチップである半導体レーザ素子３５０に分割する。上述したように、このＬＤバーから個々の半導体レーザ素子３５０を分割する分割工程において、ＬＤバーをダイヤモンドペンなどを用いてスクライブラインを形成して劈開する際、分割した半導体レーザ素子３５０が、ばらばらにならないように、スクライブラインを形成する面と反対側の面に、粘着シートを貼着する。この粘着シートの粘着剤には有機物などが含まれており、分割した半導体レーザ素子３５０に付着、残留する恐れがある。尚、共振器端面の形成はエッチングによって形成してもよい。又、チップへの分割はダイシング、レーザアブレーション法等を用いても構わない。このようにして得られた半導体レーザ素子３５０をチップの状態でパルス駆動により特性評価を行ったところ、閾値電流値をリッジ部分の面積で割った閾値電流密度の値は３．５ｋＡ／ｃｍ²であった。

このようにして得られた半導体レーザ素子３５０を支持基体３２１上に搭載（マウント）する。以下に、ダイボンディング法を用いて実施されたマウント工程について説明する。

図３（ａ）に示されているように、表面と裏面に金属多層膜３０５Ｂ、３０５Ｃがそれぞれ形成されたヒートシンク３１０の表面に、層厚が略２００μｍで、シート状の融点２９０℃のＡｕ７０Ｓｎ３０ハンダ３１２を設ける。次に、ヒートシンク３１０をＡｕ７０Ｓｎ３０ハンダ３１２の融点よりも若干高い温度まで加熱し、Ａｕ７０Ｓｎ３０ハンダ３１２が溶けたところで、上述の方法で得られた半導体レーザ素子３５０を、ｐ側電極３０３側を上にしてｎ側電極３０４側がヒートシンク３１０の金属多層膜３０５Ｂ側に対向するようにし、ヒートシンク３１０上に載置する。更に、荷重を適宜加えながら、半導体レーザ素子３５０とヒートシンク３１０とをＡｕ７０Ｓｎ３０ハンダ３１２によく馴染ませ、Ａｕ７０Ｓｎ３０ハンダ３１２を凝固させ、ヒートシンク３１０上に半導体レーザ素子３５０を固定する。

次に、支持基体３２１上に融点２２０℃のＳｎＡｇ３Ｃｕ０．５ハンダ３１３を設ける。そして、支持基体３２１をＳｎＡｇ３Ｃｕ０．５ハンダ３１３の融点よりも若干高い温度まで加熱し、ＳｎＡｇ３Ｃｕ０．５ハンダ３１３が溶けたところで、上述の方法で得られた半導体レーザ素子３５０を搭載したヒートシンク３１０を、裏面に形成された金属多層膜３０５Ｃ側を支持基体３２１側に対向させて、支持基体３２１上に載置する。更に、荷重を適宜加えながら半導体レーザ素子３５０を搭載したヒートシンク３１０と支持基体３２１とをＳｎＡｇ３Ｃｕ０．５ハンダ３１３によく馴染ませる。その後、支持基体３２１を冷却し、ＳｎＡｇ３Ｃｕ０．５ハンダ３１３を凝固させ、図３に示されたヒートシンク３１０を介して支持基体３２１に固定された半導体レーザ素子３５０を得る。引き続き、ワイヤボンダを用いて、ｐ側電極をワイヤ３１４Ａを介してピン３１６に、ｎ側電極３０４を金属多層膜３０５Ａ、Ａｕ７０Ｓｎ３０ハンダ３１２、金属多層膜３０５Ｂ及びワイヤ３１４Ｂを介してピン３１１に電気的に接続する。

尚、本実施形態ではｐ側電極３０３の材料として、Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕを用いたが、Ｐｄ以外に、例えば、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｗ、Ａｌ、Ｔｌ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｎｉとその化合物を用いても構わなく、又、Ａｕ以外にＮｉ、Ａｇ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｌとその化合物を用いても構わなく、各層厚についても、上述した値に限定されるものではない。又、本実施形態ではｎ側電極３０４の材料として、Ｔｉ／Ａｌを用いたが、Ｔｉ以外にＨｆを用いても構わなく、各層厚も上述した値に限定されるものではない。

又、本実施形態ではヒートシンク３１０の材料として、ＳｉＣを用いたがＡｌＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ダイヤモンドなどの絶縁性材料であれば、単結晶、多結晶、アモルファスのいずれを用いても構わない。

又、ヒートシンク３１０表面（金属多層膜３０５Ｂ側）上に設けるハンダ材は、Ａｕ７０Ｓｎ３０に限定されるものではなく、ＳｕＡｇＣｕ、Ｉｎ、ＰｂＳｎ、いずれのハンダ材を用いても構わなく、更に、ＡｕＳｎハンダにおいても、ＡｕとＳｎの比率は限定されるものではない。又、ヒートシンク３１０の裏面（金属多層膜３０５Ｃ側）と支持基体３２１との間のハンダ材もＳｕＡｇ３Ｃｕ０．５に限定されるものではなく、ＡｕＳｎ、Ｉｎ、ＰｂＳｎ、導電性ペーストのいずれでも構わない。又、ＳｕＡｇＣｕハンダにおいても、ＳｕとＡｇとＣｕの比率は限定されない。尚、ヒートシンク３１０表面（金属多層膜３０５Ｂ側）上に設けるハンダ材の融点は、ヒートシンク３１０の裏面（金属多層膜３０５Ｃ側）と支持基体３２１との間のハンダ材の融点より高いものとする。

又、支持基体３２１を備えるステム３２０はＣｕもしくはＦｅを主体とする金属から成り、その表面にＮｉ膜／Ａｕ膜もしくはＮｉ膜／Ｃｕ膜／Ａｕ膜が順にメッキ形成されている。

次に、図３に示した半導体レーザ素子３５０を搭載したステム３２０と蓋体３３０をプラズマ処理装置のチャンバー内に導入し、不活性ガス及び反応性ガスを用いて、プラズマ処理を実施する。以下、図１及び図２を参照し、その処理方法を説明する。

図１及び図２に示すように、プラズマ処理に用いる装置は平行平板方式のプラズマ装置である。チャンバー内に２枚の平行な電極３、５が設置され、高周波電源１を用いブロッキングコンデンサ２を介して片方の電極３に高周波電力を印加することで、２枚の電極３、５に挟まれた空間にプラズマ４が生成される。尚、本実施形態では高周波電力を印加する電極３とは別のもう１枚の電極５は電気的に接地（アース）しているものとする。通常、このような平行平板方式のプラズマ装置だと１０¹⁰ｃｍ^-3程度の電子密度（＝イオン密度）のプラズマ４が電極上に均一に生成される。又、上述した方法で作製した半導体レーザ素子３５０を搭載したステム３２０と蓋体３３０とは、分離した状態で、平行平板方式のプラズマ処理装置が備える２枚に電極の内のいずれかの上に載置されてプラズマ処理が実施される。尚、本明細書において、高周波電力が印加されている電極３を「ＲＦ電極」、接地されている電極５を「接地電極」とする。

このような平行平板方式のプラズマ処理装置を用いて、被処理物をプラズマ処理する際、被処理物６を接地電極５上において処理を行うアノードカップリング方式と、ＲＦ電極３上において処理を行うカソードカップッリング方式の２種類の方法がある。図１に示すように、半導体レーザ素子３５０を搭載したステム３２０及び蓋体３３０から成る被処理物６を接地電極５上に配置して処理を行うアノードカップッリング方式では、生成したプラズマのもつ電位（プラズマ電位）とアース（電位＝０）との間に形成される電位差（数Ｖ程度）によって加速されたイオンと、中性種であるラジカルによって、処理が行われる。それに対し、図２に示すように、被処理物６をＲＦ電極上に配置して処理を行うカソードカップリング方式では、プラズマ電位とＲＦ電極に高周波電力を印加することで生じるバイアス電圧（可変）との電位差によって加速されたイオンと、中性種であるラジカルによって、処理が行われる。尚、本実施形態では半導体レーザ素子３５０を搭載したステム３２０と蓋体３３０と、を同時にプラズマ処理するものとしたが、別々に処理するものとしても構わない。

このような２種類の処理方法の内、本実施形態では被処理物６を接地電極５上に載置するアノードカップリング方式で、プラズマを用いたクリーニングを実施した。ＲＦ電極３に印加する高周波電力は３００Ｗとし、プラズマ生成に用いるガスとしてＡｒ（アルゴン）ガスとＯ₂（酸素）ガスの混合ガス（混合比は、５０：５０）を用い、チャンバー内の圧力は８０ｍＴｏｒｒに調節し、プラズマ処理の時間は６０秒間として、クリーニングを実施した。

この混合ガスによるプラズマ処理によって、半導体レーザ素子３５０を構成するＧａＮ基板３０１上や、ｐ側電極３０３及びｎ側電極３０４、又は半導体レーザ素子３５０の端面などに付着した有機物が除去、又は変質させられる。このようにして、半導体レーザ素子３５０をヒートシンク３１０などを介してステム３２０に搭載した後、半導体レーザ素子３５０を搭載したステム３２０全体及び蓋体３３０の双方をプラズマに曝してクリーニングを実施するのは、半導体レーザ素子３５０だけのクリーニングを実施して有機物を除去しても、半導体レーザ素子３５０以外のヒートシンク３１０、ステム３２０、又は蓋体３３０のいずれかに有機物又はシリコン化合物などが残っていると、半導体レーザ装置３４０の動作時にレーザが出射端面から出射されたとき、揮発した有機物などが光ＣＶＤ効果による化学反応をおこし、その結果、レーザ光出射端面に膜が形成されてしまうからである。このようなことを防止するために、半導体レーザ素子３５０を搭載したステム３２０全体及び蓋体３３０の双方をプラズマに曝してクリーニングを実施して、有機物又はシリコン化合物などを除去する。このことにより、半導体レーザ素子３５０の動作時に、光ＣＶＤ効果によるレーザ光出射端面への成膜が抑制され、半導体レーザ素子３５０の寿命特性を向上させることができる。

このようにしてプラズマ処理を行うことでクリーニングが実施された蓋体３３０を、同じくクリーニングが実施された半導体レーザ素子３５０を搭載したステム３２０に、例えば、乾燥窒素雰囲気中で設置することで、半導体レーザ装置３４０を作製する。又、このことにより、蓋体３３０でカバーされて外部雰囲気と遮断された半導体レーザ素子３５０、ヒートシンク３１０、ステム３２０及び蓋体３３０の内部は、再び有機物やシリコン化合物などによって汚染されることが防止される。

尚、蓋体３３０のステム３２０への設置を実施する雰囲気は、上述した窒素に限定されるものではなく、Ｈｅ（ヘリウム）、Ｎｅ（ネオン）、Ａｒ（アルゴン）、Ｘｅ（キセノン）などの希ガス雰囲気でも構わない。又、蓋体３３０のステム３２０への設置は、プラズマ処理によるクリーニングを実施した後、出来る限り速やかに行うのが好ましく、更に好ましくは、クリーニング後、直ちに行うのが好ましい。

又、半導体レーザ素子３５０とヒートシンク３１０などを搭載したステム３２０及び蓋体３３０をプラズマ処理のよるクリーニングを実施した後、ステム３２０への蓋体３３０の設置を行う設置室までステム３２０及び蓋体３３０を移動させる際、ステム３２０及び蓋体３３０を大気雰囲気にさらすことで大気中に含まれる有機物やシリコン化合物などのレーザにより化学反応する物質に汚染されることを防止するために、ステム３２０及び蓋体３３０を、Ｎ₂（窒素）、Ｈｅ（ヘリウム）、Ｎｅ（ネオン）、Ａｒ（アルゴン）、Ｘｅ（キセノン）などの不活性ガスが封止された気密性を備えたボックスなどに入れて移動することが好ましい。又、上述した不活性ガスで封止された気密性を備えた移動路を通り、移動させても構わない。

上述したようにして、図３に示した本実施形態の半導体レーザ装置３４０が作製される。次に、この半導体レーザ装置を３４０を５個作製し、得られた半導体レーザ装置３４０について、エージング試験を行い、エージング特性を求めた。この際、エージング試験は、環境温度６０℃、光出力値３０ｍＷ固定、直流電流（ＤＣ）駆動の条件下で実施された。得られた本実施形態の半導体レーザ装置３４０の試験結果を、図５に示す。

又、本実施形態の半導体レーザ装置３４０に対する比較例１として、半導体レーザ素子３５０とヒートシンク３１０などを搭載したステム３２０及び蓋体３３０の双方を、プラズマ処理によるクリーニングを実施しないで、５個の半導体レーザ装置を作製した。プラズマ処理によるクリーニングを実施しないこと以外は、本実施形態の半導体レーザ装置３４０と同様の条件とするものである。

又、本実施形態の半導体レーザ装置３４０に対する比較例２として、半導体レーザ素子３５０とヒートシンク３１０などを搭載したステム３２０及び蓋体３３０の双方を、プラズマ処理によるクリーニングを実施せず、水銀ランプを用いて酸素雰囲気で波長２５４ｎｍの紫外線を照射することでクリーニングを実施した５個の半導体レーザ装置を作製した。プラズマ処理ではなく紫外線を用いてクリーニングを実施した以外は、本実施形態の半導体レーザ装置３４０と同様の条件とするものである。

又、本実施形態の半導体レーザ装置３４０に対する比較例３として、半導体レーザ素子３５０とヒートシンク３１０などを搭載したステム３２０及び蓋体３３０の双方を、ＥＣＲ方式によりプラズマを生成・維持するＥＣＲプラズマ装置のチャンバー内に導入し、ステム３２０及び蓋体３３０にＥＣＲプラズマに曝すことでクリーニングを実施した５個の半導体レーザ装置を作製した。即ち、本実施形態の半導体レーザ装置が平行平板方式のプラズマ装置によるプラズマに曝すことでクリーニングを実施するのに対して、比較例３の半導体レーザ装置はＥＣＲ方式のプラズマに曝すことでクリーニングを実施している。このこと以外は、本実施形態の半導体レーザ装置３４０と同様の条件とするものである。

このようにして作製された比較例１、２、３、それぞれ５個の半導体レーザ装置についても、本実施形態の半導体レーザ装置３４０と同様に、エージング試験を行い、エージング特性を求めた。この際、エージング試験は、環境温度６０℃、光出力値３０ｍＷ固定、直流電流（ＤＣ）駆動の条件下で実施された。得られた比較例１、２、３の半導体レーザ装置の試験結果を、それぞれ、図６、７、８に示す。

図５は、本実施形態の５個の半導体レーザ装置３４０について、エージング時間と駆動電流との関係を示す。図５に示すように、平行平板方式のプラズマ処理装置を用い、接地電極５上に、半導体レーザ素子３５０とヒートシンク３１０などを搭載したステム３２０及び蓋体３３０から成る被処理物６を載置し、プラズマに曝すことでクリーニングを実施した本実施形態の半導体レーザ装置３４０は、エージング時間を長くしても動作電流は、ほぼ初期値を維持している。又、作製された５個の半導体レーザ装置３４０のエージング特性について、駆動電流のばらつきが１０ｍＡ程度と少なく、エージング特性がそろっている。又、図２に示すように、被処理物６をＲＦ電極３上に置いて処理を行うカソードカップリング方式によって、被処理物６のクリーニングを実施した場合においても、図５に示すような、被処理物６をアノードカップリング方式でプラズマに曝してクリーニングを実施した場合と同様の良好なエージング特性が得ることができた。

図６は、比較例１の５個の半導体レーザ装置について、エージング時間と駆動電流との関係を示す。プラズマ処理を用いたクリーニングを実施していない比較例１の半導体レーザ装置は、エージング時間が長くなると駆動電流の増大が顕著であり、又、作製された５個の半導体レーザ装置の間で、駆動電流のばらつきが大きく、エージング特性が揃っていない。

図７は、比較例２の５個の半導体レーザ装置について、エージング時間と駆動電流との関係を示す。紫外線照射によるクリーニングを実施した比較例２の半導体レーザ装置について、エージング時間の経過に伴う駆動電流の増大は比較例１の半導体レーザ装置よりは小さいものの、駆動電流が増大している。又、比較例１と同様に、作製された５個の半導体レーザ装置の間で、駆動電流のばらつきが大きく、エージング特性が揃っていない。

図８は、比較例３の５個の半導体レーザ装置について、エージング時間と駆動電流との関係を示す。図８に示すように、ＥＣＲ方式のプラズマ処理装置を用い、チャンバー内に、半導体レーザ素子３５０とヒーシンク３１０などを搭載したステム３２０及び蓋体３３０から成る被処理物６を導入し、ＥＣＲ方式によるプラズマに曝すことでクリーニングを実施した本実施形態の半導体レーザ装置は、５個の半導体レーザ装置の内１個は、本実施形態の半導体レーザ装置３４０と同様に、エージング時間を長くしても、駆動電流は初期値を維持している。しかしながら、他の４個の半導体レーザ装置については、エージング時間２０時間以内に駆動電流が急激に増大して、エージング特性が急速に劣化する結果となった。

上述した図５、６、７、８の結果より、本実施形態の半導体レーザ装置３４０は、上述した平行平板方式のプラズマを用いたクリーニングを実施することにより、半導体レーザ装置３４０の動作時に出射されるレーザで光ＣＶＤ効果による化学反応が発生してレーザ出射端面に膜が形成されることが抑制されるとともに、この出射端面に形成される膜によるレーザ光の吸収率及び反射率の変動が防止され、駆動電流の異常変動がなく、比較例１、２、３より優れたエージング特性（寿命特性）を得ることができた。

このような、本実施形態と比較例１、２、３との特性の違いの原因について調べた。比較例１、２、３の半導体レーザ装置について、不活性ガス中、又は、真空中で蓋体３３０を半導体レーザ装置から外し、半導体レーザ素子３５０の表面をオージェ電子分光法により解析を行った。その結果、比較例１及び２の半導体レーザ装置については、有機物の付着を示すＣ（カーボン）や、シリコン化合物の付着を示すＳｉ（シリコン）が多量に検知された。又、本実施形態の半導体レーザ装置３４０と比較例３の半導体レーザ装置については、カーボンやシリコンなどは検出されなかった。この結果より、比較例１及び２の半導体レーザ装置が良好なエージング特性を得られなかったのは、半導体レーザ素子３５０の端面に有機物又はシリコン化合物が付着していたためであると考えられる。

又、オージェ電子分光法による解析でカーボンやシリコンなどが検出されなかった比較例３について、良好なエージング特性が得られなかったのは、半導体レーザ素子３５０自体がダメージを受けたためであると考えられる。比較例３の半導体レーザ装置はＥＣＲ方式によるプラズマを用いてクリーニングを実施しているが、通常、ＥＣＲ方式によってプラズマを生成すると平行平板方式によるプラズマと比較して、より高密度（１０¹¹ｃｍ^-3〜１０¹²ｃｍ^-3程度）のプラズマを得ることができる。このため、プラズマから半導体レーザ素子３５０に入射する単位時間、単位面積当たりのイオンの入射量（フラックス）が、ＥＣＲ方式によるプラズマの方が平行平板方式によるプラズマよりも大きい。このため、入射したイオンによる半導体レーザ素子３５０が受けるダメージが平行平板方式のプラズマを用いた場合と比較して大きくなり、図８に示すように、良好なエージング特性が得られなかったと考えられる。

又、比較例３の半導体レーザ装置のエージング特性が悪い原因として上述したこと以外に考えられるものに、ＥＣＲ方式のプラズマは、平行平板方式のプラズマと比較して、プラズマが生成される圧力領域が数ｍＴｏｒｒ程度と低いことが挙げられる。プラズマを生成する圧力が低いと、プラズマ中の電子の平均自由工程が長くなり、電子が電場により加速される距離が長くなるため、結果、電子のもつ運動エネルギーである電子温度Ｔｅが大きくなる。電子温度Ｔｅの値が高いと、結果的に、プラズマのもつ電位と半導体レーザ素子３５０が置かれた電極における電位との差が大きくなり、プラズマから出射して半導体レーザ素子３５０に入射するイオンが加速されるエネルギーが大きくなる。このため、半導体レーザ素子３５０が入射したイオンによって受けるダメージが大きくなったと考えられる。更に、ＥＣＲ方式によってプラズマを生成する際、磁場が必要である。プラズマ中に磁場が存在すると、プラズマ密度の分布が不均一になりやすく、半導体レーザ素子３５０上に生成されたプラズマについて、その密度分布が不均一であると、半導体レーザ素子３５０に入射するイオンのフラックスなどが、半導体レーザ素子３５０表面の位置よって異なる。その結果、半導体レーザ素子３５０の中で電位差が生じ、その生じた電位差により半導体レーザ素子３５０内で大きなダメージが生じたと考えられる。

尚、本実施形態において、プラズマ４の生成にもちいたガスは、Ａｒ（アルゴン）とＯ₂酸素の混合ガス（混合比は、５０：５０）であるが、これに限定されるものではなく、Ｈｅ（ヘリウム）、Ａｒ（アルゴン）、Ｋｒ（クリプトン）、Ｘｅ（キセノン）及びＮ₂（窒素）などの不活性ガス、Ｏ₂（酸素）、ＣＣｌ₄などの塩素系ガス、ＣＦ₄などのフッ素系ガス、及び、これらの混合ガスを用いても構わない。又、混合ガスの混合比も上述した値に限定されるものではない。ＲＦ電極３に印加する高周波電力も３００Ｗに限定されるものではなく、プラズマ４を生成する際のプラズマ装置のチャンバー内の圧力も８０ｍＴｏｒｒに限定されず、更に、プラズマ４に曝して処理を行う処理時間も６０秒に限定されるものではない。

又、本実施形態では片側の電極３に高周波電力を印加して、残りの電極５を接地する平行平板方式のプラズマ装置を用いるものとしたが、両方の電極双方に高周波電力を印加するの平行平板方式のプラズマ装置を用いるものとしても構わない。

又、上述した実施形態では、ステム３２０と蓋体３３０とから成るキャン形パッケージを用いるものとして説明したが、キャン型パッケージに限定されるものではなく、例えば、キャリア型でも構わない。又、ステム３２０には半導体レーザ素子３５０以外の半導体素子、例えば、受光素子などが搭載されていても構わない。

上述した実施形態では、半導体レーザ装置３４０について説明したが、本発明は、レーザカプラー、光ピックアップ装置など、半導体レーザ素子を用いる他の半導体デバイス装置にも適用可能である。

本発明の実施形態におけるクリーニングを実施するプラズマ処理装置の概略図である。 本発明の実施形態におけるクリーニングを実施するプラズマ処理装置の変形例の概略図である。 本発明の実施形態における半導体レーザ装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施形態における半導体レーザ素子の構成を示す概略断面図である。 本発明の実施形態における半導体レーザ装置のエージング時間と駆動電流の相関図である。 本発明の比較例１における半導体レーザ装置のエージング時間と駆動電流の相関図である。 本発明の比較例２における半導体レーザ装置のエージング時間と駆動電流の相関図である。 本発明の比較例３における半導体レーザ装置のエージング時間と駆動電流の相関図である。

符号の説明

１ 高周波電源
２ ブロッキングコンデンサ
３ ＲＦ電極
４ プラズマ
５ 接地電極
６ 被処理物
３０１ ＧａＮ基板
３０２ 窒化物半導体成長層
３０３ ｐ側電極
３０４ ｎ側電極
３０５Ａ 金属多層膜
３０５Ｂ 金属多層膜
３０５Ｃ 金属多層膜
３１０ ヒートシンク
３１１ ピン
３１１Ａ 絶縁リング
３１２ Ａｕ７０Ｓｎ３０ハンダ
３１３ ＳｎＡｇ３Ｃｕ０．５ハンダ
３１４Ａ ワイヤ
３１４Ｂ ワイヤ
３１６ ピン
３１６Ａ 絶縁リング
３２０ ステム
３２１ 支持基体
３２２Ａ 外部接続端子
３２２Ｂ 外部接続端子
３２２Ｃ 外部接続端子
３３０ 蓋体
３３０Ａ 取り出し窓
３４０ 半導体レーザ装置
３５０ 半導体レーザ素子
４０２ ｎ型ＧａＮコンタクト層
４０３ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
４０４ ｎ型ＧａＮガイド層
４０５ ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層
４０６ ｐ型ＡｌＧａＮ蒸発防止層
４０７ ｐ型ＧａＮガイド層
４０８ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
４０９ ｐ型ＧａＮコンタクト層
４１０ 絶縁膜

Claims (7)

1. 半導体レーザ素子を搭載したステム及び蓋体双方をプラズマに曝してクリーニング処理を行う第１ステップと、
   前記クリーニング処理を行った前記半導体レーザ素子を搭載した前記ステムに前記蓋体を設置する設置室まで前記ステムと前記蓋体とを移動させる第２ステップと、
   を備え、
   当該第２ステップで、前記半導体素子を搭載した前記ステム及び前記蓋体を前記設置室に移動させる際、前記半導体素子を搭載した前記ステム及び前記蓋体が大気雰囲気に曝されないように不活性ガスが封止された気密性の備えた箱に入れて移動し、
   前記第１ステップでクリーニング処理に用いるプラズマ装置が、プラズマ処理装置の反応容器内に２枚の平板電極が平行に設置され、２枚の前記平板電極の内の少なくとも片方に高周波電源より高周波電力を印加して高周波電極とすることで２枚の前記平板電極の間の空間にプラズマを生成する平行平板方式のプラズマ処理装置であることを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
2. 前記第１ステップで、プラズマ生成に用いるガスが不活性ガス又は反応性ガス又はその混合ガスであ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の製造方法。
3. 前記第１ステップで用いる前記平行平板方式のプラズマ処理装置で、前記高周波電極以外の電極が電気的に直接接地され、接地電極となっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
4. 前記第１ステップで、前記半導体レーザ素子を搭載した前記ステムと前記蓋体の双方を、同時、又は、別々に、前記プラズマに曝すことで前記クリーニング処理を実施することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の半導体レーザ装置の製造方法。
5. 前記第１ステップで、前記高周波電極上に前記半導体素子を搭載した前記ステム及び前記蓋体を設置し、前記プラズマに曝すことで前記クリーニング処理を実施することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の半導体レーザ装置の製造方法。
6. 前記第１ステップで、前記接地電極上に前記半導体素子を搭載した前記ステム及び前記蓋体を設置し、同時、又は、別々に、前記プラズマに曝すことで前記クリーニング処理を実施することを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
7. 前記第１ステップと、前記第２ステップと、前記半導体レーザ素子に搭載した前記ステムに前記蓋体を前記設置室内で設置する第３ステップと、を備えるとともに、
   当該第３ステップで、前記設置室内で前記半導体レーザ素子を搭載した前記ステムを前記蓋体に載置、固定する際、大気雰囲気に曝されないように不活性ガス中で実施することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の半導体レーザ装置の製造方法。

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