JP4964512B2 - 窒化物半導体発光装置 - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体発光素子を用いた発光装置に関し、特に発光装置のパッケージに関する。
従来、半導体レーザ装置などの半導体発光装置として、キャンパッケージのものが多く用いられている。キャンパッケージの半導体レーザ装置においては、ステム上に設けられたヒートシンクや半導体レーザ素子などがキャップによって封止されている。例えば、特許文献１で提案されている半導体レーザ装置では、キャップをモールド成形する際に半導体レーザ素子などを高温にさらさないようにするために、キャップとステムで囲まれた空間に不活性ガスを封入している。
特開平１０−３１３１４７号公報（第５頁−第７頁、図３）
キャンパッケージの半導体レーザ装置において、キャップをステムに放電圧着するためなどの理由により、ステムやキャップの内面など、キャップとステムからなるパッケージ部の内側の空間に面する部分にＰｄやＮｉなどの金属を用いる場合があるが、これらの金属は水素原子を吸蔵しうる特性を有している。この場合、特許文献１で提案されている半導体レーザ装置では、長時間駆動すると半導体レーザ素子が発熱して半導体レーザ装置全体が高温になり、これらの金属の吸蔵していた水素原子が封入された不活性ガス雰囲気中に水素分子として放出される可能性がある。
また、アクセプタ性の不純物が添加されたｐ型半導体は、水素雰囲気中で加熱することによってその抵抗率が変化することが知られている。例えば窒化物半導体であるＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）に、アクセプタ性不純物としてＭｇが添加されたｐ型窒化物半導体を用いた膜を水素雰囲気中で熱処理すると高抵抗化する。
つまり、パッケージ部の内側の空間に面する部分に水素を吸蔵しうる材料を用いた半導体レーザ装置において、半導体レーザ素子として窒化物半導体レーザ素子を用いた場合、駆動中に放出された水素分子の影響によってｐ型半導体の抵抗率が上昇して駆動電圧が上昇し、レーザ光の発光特性が不安定となる可能性がある。
以上の問題を鑑みて、本発明は、安定してレーザ光を発光することができる、パッケージ部に水素を吸蔵しうる材料を用いた窒化物半導体発光装置を提供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、ステムと前記ステム上に設けられたキャップとからなるパッケージ部と、前記パッケージ部内部に設けられた窒化物半導体発光素子と、前記パッケージ部内部に封入された封入ガスとを備えた窒化物半導体発光装置において、前記パッケージ部内部に水素を吸蔵しうる材料を有し、前記封入ガスが酸素を含むことを特徴とする。
また本発明は、上記構成の半導体レーザ装置において、前記キャップの内面に前記水素を吸蔵しうる材料が形成されていることを特徴とする。
また本発明は、上記構成の半導体レーザ装置において、前記水素を吸蔵しうる材料が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｐｄのうち少なくとも１種類の金属を含むことを特徴とする。
また本発明は、上記構成の半導体レーザ装置において、前記封入ガスが酸素を１％以上含むことを特徴とする。
また本発明は、上記構成の半導体レーザ装置において、前記封入ガスが酸素および不活性ガスからなることを特徴とする。
また本発明は、上記構成の半導体レーザ装置において、前記不活性ガスが、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトンのうち少なくとも１種類のガスからなることを特徴とする。
また本発明は、上記構成の半導体レーザ装置において、前記封入ガスが乾燥空気であることを特徴とする。
また本発明は、上記構成の半導体レーザ装置において、前記封入ガスの露点が−１０℃以下であることを特徴とする。
本発明によると、駆動して窒化物半導体発光素子が発熱し、窒化物半導体発光装置が高温となり、パッケージ部内部の水素を吸蔵しうる材料から水素が放出されても、封入ガスに含まれる酸素によって、この水素が窒化物半導体発光素子の抵抗率を上昇させるのを妨げるため、安定してレーザ光を発光することができる、パッケージ部に水素を吸蔵しうる材料を用いた窒化物半導体発光装置を提供することが可能となる。
また、本発明によると、封入ガスの露点が−１０℃以下であるため、封入ガス中の水分による窒化物半導体発光素子の汚染を防止することができるため、窒化物半導体発光装置は安定してレーザ光を発光することができる。
本発明の実施形態について、図を用いて説明する。図１は、本発明に係る窒化物半導体発光装置の概略構成図である。
窒化物半導体発光装置１０は、ステム１１の上面にヒートシンク１２と電極ピン１４が設けられており、ステム１１の下面には２本の電極リード線１６が設けられている。ヒートシンク１２には窒化物半導体発光素子として窒化物半導体レーザ素子１３が設けられており、窒化物半導体レーザ素子１３と電極ピン１４とは配線１５によって電気的に接続されている。
また、ステム１１の上面にはキャップ１７が設けられており、ステム１１とキャップ１７とでパッケージ部２０を構成している。キャップ１７には、窒化物半導体レーザ素子１３から出射されたレーザ光を外部に取り出せるように、ガラスからなる窓１８が取り付けられている。パッケージ部２０は、ヒートシンク１２、窒化物半導体レーザ素子１３、電極ピン１４および配線１５を囲むものであり、封入雰囲気１９が封止されている。
窒化物半導体レーザ素子１３は、アクセプタ性不純物が添加されたｐ型窒化物半導体の層、ドナー性不純物が添加されたｎ型窒化物半導体の層および窒化物半導体からなる量子井戸活性層を有する窒化物半導体が形成され、電極形成などの加工が施されたウエハを劈開、分割して得られるチップ状の素子である。ｐ型半導体とｎ型半導体との間に電圧を印加して駆動電流を流すと、これらの接合部であるｐ−ｎ接合層が発光し、劈開面に作製した反射率の異なる二つの平行な鏡面である共振面の間でこの光が共振して増幅され、反射率の低い方の共振面からレーザ光が出射する。半導体レーザ素子１３から発せられたレーザ光は、窓１８を通して、パッケージ外部へ出射される。
本実施形態において、ステム１１はＦｅを基材として表面にメタライズ層としてＣｕ／Ｎｉ／Ａｕからなるメッキ層が形成されたものであり、ヒートシンク１２は、Ｃｕを基材として表面にメタライズ層としてステム１１と同様のＣｕ／Ｎｉ／Ａｕからなるメッキ層が形成されている。ステム１１とヒートシンク１２とはロー付けされており、ヒートシンク１２と窒化物半導体レーザ素子１３とはＡｕＳｎからなるハンダにより接着されている。キャップ１７は、例えば、４５アロイ（Ｆｅ−４５Ｎｉ合金）を基材として、内面、外面とも表面にＮｉおよびＰｄがメッキされており、ステム１１に放電圧着されている。また、窓１８は低融点ガラスによってキャップ１７に接着されている。なお、キャップ表面のＮｉ、Ｐｄの形成は、メッキ法だけではなく、他の手法、例えば、スパッタ法等の手法も用いることができる。
この封入雰囲気１９として、乾燥空気や、酸素および不活性ガスの混合気体、例えば窒素８０％と酸素２０％の混合気体を封入すると、窒化物半導体レーザ装置１０は、長期間に渡って駆動電圧が上昇することなく、安定して動作することができる。封入雰囲気１９の酸素濃度は、１ｐｐｍ以上１００％以下であればよいが、１０００ｐｐｍ以上が好ましく、１％以上がより好ましい。
ここで、封入雰囲気１９としては、水分による窒化物半導体レーザ素子１３の汚染を防ぐため、露点が−１０℃以下、より好ましくは−３０℃以下の気体を用いる。この水分による汚染は、発光素子として半導体レーザ素子のように局所的に光出力が強いものを用いた場合に顕著に起こるものであり、また、特に、発光波長が短い、青から紫外領域の光を発光する発光素子、つまり、窒化物半導体発光素子で顕著である。
次に、本実施形態における窒化物半導体発光装置１０を用いて信頼性試験を実施した結果を示す。
＜信頼性試験＞
上記構成の窒化物半導体発光装置１０に、封入雰囲気１９として（表１）に示す１２種類の気体を封入したものを供試体として、６０℃の雰囲気下で１５０ｍＡの一定電流値で駆動させて、エージング試験を行なう。なお、いずれの気体とも露点は−４０℃であり、１２種類の気体のうち４種類は比較例として上記の酸素濃度条件から外れたものを用いた。駆動を開始してから５０時間以内に駆動電圧が初期値（約５Ｖ）よりも１Ｖ以上上昇した場合にその窒化物半導体レーザ装置を不良品とした。表１にはその結果も併せて記載している。
上記構成の窒化物半導体発光装置１０に、封入雰囲気１９として（表１）に示す１２種類の気体を封入したものを供試体として、６０℃の雰囲気下で１５０ｍＡの一定電流値で駆動させて、エージング試験を行なう。なお、いずれの気体とも露点は−４０℃であり、１２種類の気体のうち４種類は比較例として上記の酸素濃度条件から外れたものを用いた。駆動を開始してから５０時間以内に駆動電圧が初期値（約５Ｖ）よりも１Ｖ以上上昇した場合にその窒化物半導体レーザ装置を不良品とした。表１にはその結果も併せて記載している。
この結果から、次のように考察することができる。窒化物半導体発光装置１０は、駆動することによって温度が上昇し、キャップ１７にメッキされたＮｉおよびＰｄに吸蔵された水素が封入雰囲気１９中に放出される。比較例１〜４は、その水素により窒化物半導体レーザ素子１３が高抵抗化して駆動電圧が上昇し、不良品となったものと思われる。一方実施例１〜８では不良品となっていないものがあり、特に実施例１〜７ではほとんど不良品が発生していないことから、この水素による窒化物半導体レーザ素子１３の高抵抗化が封入雰囲気１９に含まれる一定濃度以上の酸素によって抑制されているものと考えられる。
この考察によると、酸素濃度が本実施形態の窒化物半導体発光装置の不良発生の防止には重要であることがわかる。酸素濃度が１０００ｐｐｍ以下の場合に不良発生率が高くなっており、１００ｐｐｍ以下では完全に不良品であることから、封入雰囲気１９の酸素濃度は１０００ｐｐｍ以上が好ましく、１％以上がより好ましい。また、本実施形態では、５０時間での駆動での評価を行なっているが、より長期での動作信頼性を考慮する場合、より高い酸素濃度、おおよそ、４０％以上であることが好ましいと思われる。
また、窒化物半導体発光装置１０において封入雰囲気１９を、乾燥空気としたものと純Ｎ２ガスとしたものについて、エージング試験前後の窒化物半導体レーザ素子１３の窒化物半導体層中の水素濃度を測定した。エージング試験前は、封入雰囲気１９が乾燥空気であるものと純Ｎ２ガスであるものではいずれも同じ水素濃度であった。一方、エージング試験後の水素濃度は、封入雰囲気１９が乾燥空気であるものはエージング試験前と変化がなく、純Ｎ２ガスであるものはエージング試験前よりも３０〜４０％上昇していた。これが、エージング試験での駆動電圧の上昇を招いたものと考えられる。このことから、封入雰囲気１９を酸素を含むものとすることにより、キャップ内面のＮｉおよびＰｄから封入雰囲気１９中に放出された水素が窒化物半導体層中に取り込まれるのを抑制できていると考えられる。
なお、本実施形態において、キャップ１７にメッキとして水素を吸蔵しうる金属であるＮｉ、Ｐｄが使用されているが、これらの金属の他にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｐｄのうち少なくとも１種類の元素を含む材料を用いた場合であっても同様の効果を得ることができる。また、キャップ１７のメッキに限られず、キャップ１７を含めた封入雰囲気１９に接する部位に用いる部材、例えばステム１１やヒートシンク１２などに、これらの材料を用いている場合でも同様の効果が得られる。さらに、本実施形態では窒化物半導体レーザ素子１３をヒートシンク１２に直接設けたが、サブマウントを介して設けてもよく、その場合はサブマウントにこれらの材料を用いても、同様の効果を得ることができる。
また、封入雰囲気１９としては、上記信頼性試験では不活性ガスである窒素ガスに酸素ガスを添加した場合について効果があることを示したが、不活性ガスとして窒素ガス、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトンのうち、少なくとも１種類のガスからなるものを用いても同様の効果を得ることができる。
本発明の効果は、水素の存在により電気的特性が変化し得る材料を用いる半導体素子について有効である。例えば、ＡｌＧａＡｓ系半導体素子、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体素子、ＡｌＧａＩｎＮ系半導体素子（いわゆる窒化物半導体素子）がそうであるが、特に、窒化物半導体素子は、水素に対して、特性が非常に変化しやすい性質をもっており、本発明の効果をより、顕著に得ることができる。
更に、窒化物半導体発光素子においては、アクセプタ性不純物が添加されたｐ型窒化物半導体を有する場合に本発明の効果を得ることができるが、このｐ型窒化物半導体がＡｌＧａＮからなる場合、ＧａＮ等からなるものと比べてホール濃度を高くすることが難しく、さらに水素による高抵抗化が生じやすいため、本発明の効果をより得ることができる。
また、窒化物半導体発光素子として、本実施形態ではレーザ発振を利用した発光ダイオード、すなわちレーザダイオードである窒化物半導体レーザ素子１３を用いたが、この他に自然発光を主とする発光ダイオードや、自然発光およびレーザ発振を利用する発光ダイオードであるスーパールミネッセントダイオードなどを用いることができる。
１０ 窒化物半導体発光装置
１１ ステム
１２ ヒートシンク
１３ 窒化物半導体レーザ素子
１４ 電極ピン
１５ 配線
１６ 電極リード線１６
１７ キャップ
１８ 窓
１９ 封入雰囲気
２０ パッケージ部２０
１１ ステム
１２ ヒートシンク
１３ 窒化物半導体レーザ素子
１４ 電極ピン
１５ 配線
１６ 電極リード線１６
１７ キャップ
１８ 窓
１９ 封入雰囲気
２０ パッケージ部２０
Claims (8)
- ステムと前記ステム上に設けられたキャップとからなるパッケージ部と、
前記パッケージ部内部に設けられたアクセプタ性不純物が添加されたｐ型窒化物半導体の層を有する窒化物半導体発光素子と、
を備え、
前記キャップの内面及び開口部の縁に水素を吸蔵しうる材料を有し、
前記材料は前記ステムとの間で放電圧着部を形成しており、
前記ｐ型窒化物半導体はＡｌＧａＮからなり、
前記パッケージ部内部に封入された封入ガスが酸素を含む
ことを特徴とする窒化物半導体発光装置。 - 前記キャップの内面に前記水素を吸蔵しうる材料が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光装置。
- 前記水素を吸蔵しうる材料が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｐｄのうち少なくとも１種類の金属を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体発光装置。
- 前記封入ガスが酸素を１％以上含む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発光装置。
- 前記封入ガスが酸素および不活性ガスを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体発光装置。
- 前記不活性ガスが、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトンのうち少なくとも１種類のガスからなることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体発光装置。
- 前記封入ガスが乾燥空気である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発光装置。
- 前記封入ガスの露点が−１０℃以下であることを特徴とする請求項１〜６に記載の窒化物半導体発光装置。
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