JP4966283B2 - 半導体レーザ装置およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、III−V族窒化物半導体からなる窒化物半導体レーザ素子を備えた半導体レーザ装置およびその製造方法に関する。
窒化物半導体レーザ素子は、高密度光記録媒体を対象とした情報の読み出しや書き込みを行うための短波長光源として注目されている。さらに、窒化物半導体レーザ素子は、出射光を可視光領域に波長変換を行なうことが可能なことから、照明やバックライトなどの可視光の光源としても期待されている。そして、窒化物半導体レーザ素子の用途を拡大すべく、動作を安定させたり、高出力化したりする技術の開発が検討されている。窒化物半導体レーザ素子を高出力化した場合、窒化物半導体レーザ素子の発熱を効率的に逃がす放熱対策が重要となる。このため、窒化物半導体レーザ素子の実装として、放熱の面で有利なジャンクションダウン実装が検討されている。
従来、窒化物半導体レーザ素子としては、窒化物半導体が側面から露出したままのものがある(例えば特開2007−180522号公報(特許文献1)参照)。この窒化物半導体レーザ素子では、共振器長方向に沿って延びるストライプ形状のリッジ部が窒化物半導体に形成されている。また、上記窒化物半導体レーザ素子のリッジ部側の表面には、リッジ部を挟むように一対のクラック防止溝が形成されている。このクラック防止溝からは窒化物半導体が露出している。
このような窒化物半導体レーザ素子をサブマウントにジャンクションダウン実装すると、窒化物半導体レーザ素子とサブマウントとの間の半田は、窒化物半導体レーザ素子の側面に這い上がって付着してしまう。この際、上記半田はクラック防止溝内に入り込んでしまう。
その結果、上記窒化物半導体レーザ素子において、p型窒化物半導体とn型窒化物半導体とが半田を介して短絡する不良が生じ、歩留まりが低下するという問題があった。
なお、AlGaAs半導体レーザの側面に比べて、窒化物半導体レーザ素子の側面は、外方に向かって突出するような湾曲面となっているため、半田が這い上がり易くなっている。
特開2007−180522号公報
そこで、本発明の課題は、窒化物半導体レーザ素子をマウント部材に実装する構造での歩留まりが下がる問題を解決できる半導体レーザ装置およびその製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明の半導体レーザ装置は、
マウント部材と、
上記マウント部材の表面に導電性接着剤で実装され一部が基板の表面の凹部内に収容されている窒化物半導体が側面から露出する窒化物半導体レーザ素子と
備え、
上記導電性接着剤は、上記マウント部材と上記窒化物半導体レーザ素子との間に位置し、上記窒化物半導体レーザ素子よりも狭い幅を有し、
上記窒化物半導体レーザ素子は、
リッジ部と、
上記リッジ部の両側に形成され、上記リッジ部と略同じ高さを有するテラス部と、
上記窒化物半導体の上記マウント部材側の表面に形成されて、上記テラス部の上記リッジ部とは反対側に位置し、上記基板の表面の凹部に対応する一対のクラック防止溝
を有し、
上記導電性接着剤は、上記窒化物半導体レーザ素子の上記マウント部材側の表面における上記クラック防止溝以外の領域であって上記クラック防止溝同士間の領域に対向し、
上記導電性接着剤の幅は上記クラック防止溝同士間の距離よりも狭いことを特徴としている。
上記構成の半導体レーザ装置によれば、上記導電性接着剤の幅が窒化物半導体レーザ素子よりも狭くなるように、窒化物半導体レーザ素子の実装を行うことにより、導電性接着剤が窒化物半導体レーザ素子の側面に這い上らないようにすることができる。
したがって、上記窒化物半導体レーザ素子の側面への導電性接着剤の付着による短絡を防ぐことができ、歩留りが下がる問題を解決できる。
また、上記導電性接着剤が窒化物半導体レーザ素子の側面に付着しないようにすることができるので、信頼性を高くすることができる。
また、上記導電性接着剤が例えば半田である場合、半田の熱伝導率は悪いが、その半田とサブマウントとの接触領域は狭いので、サブマウント部材の放熱は半田で阻害されない。
また、上記導電性接着剤が、窒化物半導体レーザ素子のマウント部材側の表面におけるクラック防止溝以外の領域に対向するように、窒化物半導体レーザ素子の実装を行うことにより、導電性接着剤がクラック防止溝内に入り込まないようにすることができる。
したがって、上記クラック防止溝から窒化物半導体が露出していても、クラック防止溝内への導電性接着剤の入り込みによる短絡を防ぐことができる。
また、上記リッジ部の両側には、リッジ部と略同じ高さを有するテラス部を形成しているので、機械的な衝撃からリッジ部をテラス部で保護できる。
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記窒化物半導体レーザ素子の側面の一部が誘電体にて覆われている。
上記実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記誘電体が窒化物半導体レーザ素子の側面の一部を覆うので、窒化物半導体レーザ素子の側面の一部への導電性接着剤の付着を確実に防ぐことができる。
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記クラック防止溝が誘電体で覆われている。
上記実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記クラック防止溝の側面および底面が窒化物半導体からなっていても、誘電体がクラック防止溝を覆うので、クラック防止溝の側面および底面への導電性接着剤の付着を確実に防ぐことができる。
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記誘電体が、ジルコニア、AlN、AlON、ダイヤモンド、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)、SiOのうちの少なくとも1つを含む。
上記実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記誘電体が、ジルコニア、AlN、AlON、ダイヤモンド、DLC、SiOのうちの少なくとも1つを含むので、光学損失を小さくすることができる。
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記窒化物半導体レーザ素子は、光出射端面が上記マウント部材上の領域からはみ出るように上記マウント部材上に配置されている。
上記実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記窒化物半導体レーザ素子の光出射端面がマウント部材上の領域からはみ出るように、窒化物半導体レーザ素子をマウント部材上に配置することにより、光出射端面から出射される出射光の蹴られや、光出射端面への半田這い上がりによる短絡を防止することができる。
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記窒化物半導体レーザ素子の光出射端面を含む面と、上記マウント部材の上記光出射端面側の端面を含む面との間の距離は、100nm以上100μm以下の範囲内である。
上記実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記窒化物半導体レーザ素子の光出射端面を含む面と、上記マウント部材の上記光出射端面側の端面を含む面との間の距離は、100nm以上100μm以下の範囲内であるので、COD(光学損傷)レベルを高くすることができ、その上、歩留まりも高くすることができる。
上記距離が100nm未満になると、歩留まりが急激に下がって、製造効率が良好でなくなる。また、上記距離が100μmを越えると、CODレベルが著しく下がり、信頼性が低くなる。
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記マウント部材は、AlN、ダイヤモンド、SiCまたはCuが主材料であるサブマウントである。
上記実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記マウント部材は、AlN、ダイヤモンド、SiCまたはCuが主材料であるサブマウントであるので、熱伝導率が高く、信頼性および熱飽和レベルを上げることができる。
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記導電性接着剤は、Au−Su半田、Su−Ag−Cu半田またはAg半田である。
上記実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記導電性接着剤がAu−Su半田、Su−Ag−Cu半田またはAg半田であるので、熱伝導率が高く、信頼性および熱飽和レベルを上げることができる。
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記マウント部材はステムである。
上記実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記マウント部材がステムであるので、サブマウントを使用しないので、安価に熱抵抗を下げることができ、導電性接着剤による熱抵抗の増大を下げることができる。
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記窒化物半導体レーザ素子は、上記マウント部材に上記導電性接着剤を介して電気的に接続される電極を有し、
上記電極の厚みは、1.5μm以上1100μm以下の範囲内である。
上記実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記電極の厚みが1.5μm以上1100μm以下の範囲内であるので、順方向電圧を小さく抑えることができる。
上記電極の厚みが1.5μmになると、順方向電圧を小さく抑えることができなくなってしまう。また、上記電極の厚みが1100μmを越えると、電極の剥がれが発生してしまう。
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記電極は、Au、AgおよびCuのうちの少なくとも1つを含む。
上記実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記電極がAu、AgおよびCuのうちの少なくとも1つを含むので、熱伝導率が高く、信頼性および熱飽和レベルを上げることができる。
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記窒化物半導体レーザ素子を複数含む。
上記実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記窒化物半導体レーザ素子を複数含むので、1パッケージでより高光出力な装置を提供することができる。
本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、本発明の半導体レーザ装置を製造する半導体レーザ装置の製造方法であって、
マウント部材の表面に導電性接着剤を形成する形成工程と、
上記導電性接着剤上に上記窒化物半導体レーザ素子を載置し、上記マウント部材の表面に上記窒化物半導体レーザ素子の表面を実装する搭載工程と
を備え、
上記形成工程における上記導電性接着剤の形成幅は、上記搭載工程後の上記導電性接着剤の幅が上記窒化物半導体レーザ素子の幅よりも狭くなるように予め定められた幅であり、かつ、上記搭載工程後の上記導電性接着剤の幅が上記クラック防止溝同士間の距離よりも狭くなるように予め定められた幅であり、
上記搭載工程では、上記導電性接着剤を、上記窒化物半導体レーザ素子の上記マウント部材側の表面における上記クラック防止溝以外の領域であって上記クラック防止溝同士間の領域に対向させることを特徴としている。
上記構成の半導体レーザ装置の製造方法によれば、上記形成工程における導電性接着剤の形成幅は、搭載工程後の導電性接着剤の幅が窒化物半導体レーザ素子の幅よりも狭くなるように予め定められた幅であるので、導電性接着剤上に窒化物半導体レーザ素子を載置しても、導電性接着剤が窒化物半導体レーザ素子の側面に這い上らないようにすることができる。
したがって、上記窒化物半導体レーザ素子の側面への導電性接着剤の付着による短絡を防ぐことができ、歩留まりが下がる問題を解決できる。
また、上記導電性接着剤が窒化物半導体レーザ素子の側面に付着しないようにすることができるので、信頼性を高くすることができる。
また、上記導電性接着剤が例えば半田である場合、半田の熱伝導率は悪いが、その半田とサブマウントとの接触領域は狭いので、サブマウント部材の放熱は半田で阻害されない。
一実施形態の半導体レーザ装置の製造方法は、
上記窒化物半導体レーザ素子は、上記マウント部材に上記導電性接着剤を介して電気的に接続される電極を有し、
上記形成工程における上記導電性接着剤の幅は、上記電極の幅の50%以上であり、少なくとも、上記窒化物半導体レーザ素子の幅よりも上記導電性接着剤の厚み分狭い。
上記実施形態の半導体レーザ装置の製造方法によれば、上記形成工程における導電性接着剤の幅を、電極の幅の50%以上であり、少なくとも、窒化物半導体レーザ素子の幅よりも導電性接着剤の厚み分狭くすることにより、搭載工程後の導電性接着剤の幅を窒化物半導体レーザ素子の幅よりも確実に狭くすることができる。
上記形成工程における導電性接着剤の幅を、電極の幅の50%未満とすると、窒化物半導体レーザ素子をマウント部材に強固に固定できず、窒化物半導体レーザ素子がマウント部材から外れてしまうことがある。
上記形成工程における導電性接着剤の幅を、窒化物半導体レーザ素子の幅よりも導電性接着剤の厚み分狭くしないと、窒化物半導体レーザ素子の側面への導電性接着剤の這い上がりが起こってしまう。
本発明の半導体レーザ装置によれば、導電性接着剤の幅が窒化物半導体レーザ素子よりも狭くなるように、窒化物半導体レーザ素子の実装が行われるので、導電性接着剤が窒化物半導体レーザ素子の側面に這い上らないようにすることができる。
したがって、上記窒化物半導体レーザ素子の側面への導電性接着剤の付着による短絡が起こらないようにして、製造歩留りの低下を防ぐことができる。
また、上記窒化物半導体レーザ素子の側面への導電性接着剤の付着を無くせるので、信頼性を高くすることができる。
本発明の半導体レーザ装置の製造方法によれば、形成工程における導電性接着剤の形成幅を、搭載工程後の導電性接着剤の幅が窒化物半導体レーザ素子の幅よりも狭くなるように予め定めているので、導電性接着剤上に窒化物半導体レーザ素子を載置しても、導電性接着剤が窒化物半導体レーザ素子の側面に這い上らないようにすることができる。
したがって、上記窒化物半導体レーザ素子の側面への導電性接着剤の付着を原因とする短絡が生じないようにして、製造歩留りの低下を防ぐことができる。
また、上記窒化物半導体レーザ素子の側面への導電性接着剤の付着を無くせるので、信頼性を高くすることができる。
以下において、本発明による種々の実施形態を説明するにあたり、以下の説明の用語の意味を予め明らかにしておく。
まず、「クラック防止溝」とは、窒化物半導体レーザ素子が含む基板、または、窒化物半導体レーザ素子が含む窒化物半導体層に形成された溝であって、その窒化物半導体層が受ける応力緩和するためのストライプ状の凹部である。
また、「窒化物半導体レーザ素子」とは、加工基板に窒化物半導体成長層が積層された後に、各種プロセスを行って電極層が形成されると共に、個々のチップに分割されたものとする。
また、「窒化物半導体レーザ装置」とは、窒化物半導体レーザ素子がリッジ部を有する場合、窒化物半導体レーザ素子がステムやサブマウントなどのマウント部材上に、ジャンクションダウン方式でマウントされたものとする。
また、「マウント部材」とは、窒化物半導体レーザ素子をマウントするステム、または、ステム上にマウントされるサブマウントを意味することとする。したがって、例えば「マウント部材上に窒化物半導体レーザ素子をジャンクションダウン方式でマウントする」と記載した場合、その記載は、窒化物半導体レーザ素子をステム上にジャンクションダウン方式で直接マウントすること、または、ステム上にマウントされたサブマウント上に窒化物半導体レーザ素子をジャンクションダウン方式でマウントすることを意味する。
また、「導電性接着剤」とは、半田に代表される電気接続や物理的接続をするために2点以上の金属表面間で金属結合している合金やAgペーストに代表されるような、高温焼成型金属接着剤や、ポリマーと導電性物質を混合した物質からなる金属接着剤を意味する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態の窒化物半導体レーザ素子1の概略断面図である。
上記窒化物半導体レーザ素子1は、n型(以下、n導電型を「n−」と記載し、p導電型を「p−」と記載する。)GaN基板101を備えている。また、上記窒化物半導体レーザ素子は、n−GaN基板101上に順次形成された層厚0.5μmのn−GaN層102、層厚2μmのn−Al0.05Ga0.95N下部クラッド層103、層厚0.1μmのn−GaNガイド層104、層厚20nmのGaN下部隣接層105、活性層106、層厚50nmのGaN上部隣接層107、層厚20nmのp−Al0.2Ga0.8Nキャリアバリア層108、層厚0.6μmのp−Al0.1Ga0.9N上部クラッド層109、層厚0.1μmのp−GaNコンタクト層110を備えている。そして、上記窒化物半導体レーザ素子1の側面からは窒化物半導体が露出している。さらに、上記窒化物半導体レーザ素子1の上面(基板101とは反対側の表面)にはクラック防止溝113A,113Bが形成されている。
上記基板101の表面にはクラック防止溝112A,112Bが形成されている。このクラック防止溝112A,112Bからは窒化物半導体が露出している。また、上記基板101の裏面にはn側電極111が形成されている。このn側電極111の構造は、基板101側からTi/Al/Mo/Pt/Auとなっている。
上記コンタクト層110上にはp側コンタクト電極114が形成されている。さらに、上記p側コンタクト電極114上にはp側電極115が形成されている。このp側電極115は、p側コンタクト電極114側からMo/Au/Auの構造を有している。
また、上記上部クラッド層109およびコンタクト層110には、ストライプ状のリッジ部116が形成されている。このリッジ部116は、光出射方向(<1−100>方向)に延伸して、リッジストライプ型導波路を構成している。また、上記リッジ部116は、下端幅W1が約7μm、上端幅W2が7.2μm、高さHが0.1μmとなっている。
また、上記リッジ部116の両側面は膜厚500nmのSiO誘電体膜117で覆われている。この誘電体膜117は、リッジ部116の上面つまりコンタクト層110の表面を覆っていない。また、上記誘電体膜117においてリッジ部116の両側面を覆う部分は、リッジ部116の両側方から基板101とは反対側に向かって突出している。この構造は、上記リッジ部116の上面および両側面をSiO誘電体膜を形成した後、その誘電体膜においてリッジ部116の上面を覆う部分のみを除去することで形成されている。このため、上記リッジ部116の上面に対する誘電体膜117の突出量は、誘電体膜117の膜厚に等しくなる。このような誘電体膜117により、光閉じ込めおよび電流狭窄の効果を得ると共に、放熱性の向上を実現している。
また、上記上部クラッド層109には、リッジ部116を挟むようにテラス部118A,118Bが形成されている。このテラス部118A,118Bはリッジ部116と略同じ高さを有する。また、上記テラス部118A,118Bの上面および側面は、誘電体膜117でおおわれている。そして、上記テラス部118A,118B上の誘電体膜117の表面はリッジ部116の上面よりも高い位置にある。言い換えれば、上記基板101の表面からテラス部118A,118B上の誘電体膜117の表面までの高さは、基板101の表面からリッジ部116の上面までの高さよりも高くなっている。
上記キャリアバリア層108、上部クラッド層109およびコンタクト層110には、それぞれ、pドープ不純物としてのMg(マグネシウム)が1×1019cm−3〜1×1020cm−3濃度でドープされている。上記上部クラッド層109およびコンタクト層110のドープ濃度の代表例は、4×1019cm−3である。なお、本実施形態において、コンタクト層110を省略して、上部クラッド層109がコンタクト層110を兼ねるようにしてもよい。
上記活性層205は、アンドープのIn0.15Ga0.85N井戸層(厚さ:4nm)とアンドープのGaN障壁層(厚さ:8nm)とが、井戸層、障壁層、井戸層、障壁層、井戸層の順で形成された多重量子井戸構造(井戸数3)である。井戸層および障壁層は、InGa1−xN(0≦x<1)、AlGa1−xN(0≦x<1)、InGaAlN、GaN1−xAs(0<x<1)、GaN1−x(0<x<1)、またはこれらの化合物などの窒化物半導体で形成できるが、障壁層は井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなるような組成とする。また、素子の発振閾値を引き下げる目的から、活性層を井戸数が2〜4の多重量子井戸構造(MQW構造)とすることが好ましいが、SQW(単一量子井戸)構造とすることを排除するものではない。この場合、本明細書でいうところの井戸層に挟まれる障壁層は存在しない。
上記構成の窒化物半導体レーザ素子1の各窒化物半導体層は、公知の窒化物半導体の結晶成長方法、例えばMOCVD(有機金属気相成長)法で積層できる。
また、上記n側電極111はEB(電子ビーム)蒸着法にて形成する。また、上記p側コンタクト電極114はEB蒸着法にて厚さ50nmとなるように形成する。そして、上記p側電極115は、厚さ15nmのMo、厚さ25nmのAuをスパッタリング法にて順次形成した後、厚さ15nmのMo膜、厚さ25nmのAu膜をスパッタリング法にて順次形成した後、無電解メッキ法により、そのAu膜の厚さを最終的に3μmとする。また、上記誘電体膜117はプラズマCVD法により形成している。
上述のようにして得られたレーザウェハを、800μm間隔でスクライブ、劈開することによりバー分割を行い、バーの前面に、AlON/AlからなるAR(Anti-Reflection)コート膜を、バーの後面に、AlONおよび5ペアの(SiO/TiO)からなるHR(High-Reflection)コート膜をECRスパッタ法により形成している。そのARコート膜の反射率は10%、HRコート膜の反射率は95%である。このようなARコート膜およびHRコート膜を形成した後、チップ分割を行うと、窒化物半導体レーザ素子1が得られる。
図2は、上記窒化物半導体レーザ素子1を備えた窒化物半導体レーザ装置の概略前面図である。
上記窒化物半導体レーザ装置は、AlNからなるサブマウント2と、このサブマウント2を介して搭載すると共に、9ΦのCuブロックステムからなるステム3とを備えている。なお、上記サブマウント2はマウント部材の一例である。
上記サブマウント2の表面には、窒化物半導体レーザ素子1がジャンクションダウンで実装されている。この実装にはAu−Sn半田4を使用している。より詳しくは、上記半田4は、窒化物半導体レーザ素子1とサブマウント2との間にあり、窒化物半導体レーザ素子1をサブマウント2に接着している。そして、上記半田4の幅W3は、窒化物半導体レーザ素子1の横幅W4よりも狭くなっている。また、上記半田4は、クラック防止溝113Aとクラック防止溝113Bとの間の領域に対向している。つまり、上記半田4はクラック防止溝113A,113Bに対向していない。言い換えれば、上記クラック防止溝113A,113Bの下方には半田4が存在しない。ここで、上記窒化物半導体レーザ素子1の横幅W4とは、光出射方向に垂直、かつ、基板101の表面に平行な方向の幅である。なお、上記半田4は導電性接着剤の一例である。
図3は、上記窒化物半導体レーザ装置の概略前面図、概略上面図および概略側面図を含む図である。
上記窒化物半導体レーザ素子1の光出射端面5がサブマウント2上の領域からはみ出るように、窒化物半導体レーザ素子1の実装は行われている。上記光出射端面5を含む面と、サブマウント2の光出射端面5側の端面を含む面との間の距離Dは、100nm以上100μm以下の範囲内に設定されている。
上記距離Dが100nm未満だと、半田4が光射出面5に這い上がる確立が高くなり、歩留まりが低下してしまう。
上記距離Dが100μmを越えると、CODレベルが急激下がってしまう。上記距離Dが100μmを越える場合の光出射端面5の温度をサーモグラフィにて測定したところ、その温度は、距離Dが3μmの場合に比べて100℃以上高くなっていた。このことから、上記距離Dが100μmを越えると、光出射端面5の発熱をできなくなってしまうことが判る。
もし、上記光出射端面5がサブマウント2上の領域内に配置させたなら、つまり、光出射端面5がサブマウント2の光出射端面5側の端面から引っ込むように配置されたなら、窒化物半導体レーザ素子1の出射光がサブマウント2にけられてしまうので好ましくない。
図4は、上記光出射端面5のはみ出し量と窒化物半導体レーザ素子1のCODレベルとの関係を示すグラフである。また、図5は、上記光出射端面5のはみ出し量と歩留まりとの関係を示すグラフである。なお、図4,図5のはみ出し量は距離Dに相当する。
図4,5から明らかなように、光出射端面5のはみ出し量が100nm以上100μm以下の範囲内であると、CODレベルを高くすることができ、その上、歩留まりも高くすることができる。
上記サブマウント2に半田4を介して電気的に接続されるp側電極115は、厚みが1.5μm以上1100μm以下の範囲内に設定されている。
図6は、上記窒化物半導体レーザ素子1の順方向電圧とp側電極115の厚みとの関係を示すグラフである。なお、図6では、p側電極115の厚みを「電極厚」と記載している。
図6から判るように、p側電極115の厚みが1.5μm以上1100μm以下の範囲内であると、順方向電圧を小さく抑えることができる。
以下、上記窒化物半導体レーザ装置の実装について述べる。
まず、上記サブマウント2を形成するためのAlN部材の表面上に、導電性接着剤の一例としてのAuSn層をスパッタリング法により形成した後、AuSn層をフォトリグラフィーによりパターニングする。このとき、上記AuSn層の幅を、p側電極115の幅の50%以上とすると共に、少なくとも、窒化物半導体レーザ素子1の横幅W4よりもAuSn層の厚み分狭くする。その後、上記AlN部材をダイシングにより分割し、サブマウント2を作成する。
次に、上記AuSn層上に窒化物半導体レーザ素子1を載置加熱することにより、AuSn層と、Auからなるp側電極115とを合金化させた後、冷却して固化させる。これにより、上記窒化物半導体レーザ素子1がサブマウント2の表面に半田4を介して固定される。このとき、上記半田4の幅W3は、窒化物半導体レーザ素子1の横幅W4よりも狭くなる。
このように、上記AuSn層の幅を、p側電極115の幅の50%以上とすると共に、少なくとも、窒化物半導体レーザ素子1の横幅W4よりもAuSn層の厚み分狭くすることにより、AuSn層上に窒化物半導体レーザ素子1を載置しても、AuSnが窒化物半導体レーザ素子1の側面に這い上らないようにすることができる。
したがって、上記窒化物半導体レーザ素子1の側面へのAuSnの付着による短絡を防ぐことができ、歩留まりが下がる問題を解決できる。
また、上記AuSnが窒化物半導体レーザ素子1の側面に付着しないようにすることができるので、信頼性を高くすることができる。
また、上記AuSn層の幅は、p側電極115の幅の50%以上とすると共に、少なくとも、窒化物半導体レーザ素子1の横幅W4よりもAuSn層の厚み分狭くすれば、固化後の半田4の幅W3がクラック防止溝113Aとクラック防止溝113Bとの間の距離よりも狭くなるので好ましい。
なお、上記窒化物半導体レーザ素子1はHRコートが誘電体であるAlON/(SiO/TiO)により形成されているため、短絡は起こらない。
また、上記窒化物半導体レーザ装置は、室温CW(連続)発振し、閾値100mA,スロープ効率1.8W/Aと特性は良好であった。また、50℃、パルス幅1μsec、Duty50%の駆動条件において、3Wまで熱飽和も起こらなかった。50℃、パルス幅1μsec、Duty50%、初期2.6W相当ACCの駆動条件で信頼性試験を行ったところ、光出力が初期の50%である1.3Wになるのは、2万時間と推定された。
上記窒化物半導体レーザ装置の実装を従来の方法で行うと、図7に示すように、固化後の半田14の幅W5は、窒化物半導体レーザ素子1の横幅W4よりも広くなる。このため、上記窒化物半導体レーザ素子1の側面の下方、および、クラック防止溝113A,113Bの下方に、半田14が存在している。このような従来の方法だと、半田14が、クラック防止溝113A,113B内に這い上がったり、窒化物半導体レーザ素子1の側面に這い上がったりしてしまう。そうすると、上記クラック防止溝113A,113B内または窒化物半導体レーザ素子1の側面でのp−n短絡による不良が発生し、その結果、歩留まりが大きくて低下してしまう。
上記第1実施形態では、AlNからなるサブマウント2を用いていたが、ダイヤモンド、SiCまたはCuが主材料であるサブマウント2を用いてもよい。
上記第1実施形態では、Au−Su半田4を用いていたが、Su−Ag−Cu半田、Ag半田、高温焼成型Agペーストまたは導電性樹脂等を用いてもよい。
上記第1実施形態では、Auを含むp側電極115を用いていたが、Au、AgおよびCuのうちの少なくとも1つを含むp側電極を用いてもよい。
上記第1実施形態では、SiOからなる誘電体膜117を用いていたが、AlN、AlON、ダイヤモンドおよびDLCのうちの少なくとも1つからなる誘電体膜を用いてもよい。
例えば、上記誘電体膜117の代わりに、AlONからなる誘電体膜を用いた以外は、上記第1実施形態と同様に窒化物半導体レーザ装置を作成する。この窒化物半導体レーザ装置は、50℃、パルス幅1usec、Duty50%の駆動条件において、熱飽和レベルは2.8Wであり、上記第1実施形態に比べて遜色無い性能を有する。
また、上記誘電体膜117の代わりに、AlNまたはDLCからなる誘電体膜を用いた以外は、上記第1実施形態と同様に窒化物半導体レーザ装置を作成する。この窒化物半導体レーザ装置も、上記第1実施形態に比べて遜色無い性能を有する。
また、上記誘電体膜117の代わりに、ジルコニアからなる誘電体膜を用いた以外は、上記第1実施形態と同様に窒化物半導体レーザ装置を作成する。この窒化物半導体レーザ装置の熱飽和レベル2.4Wであった。したがって、上記窒化物半導体レーザ装置は、用途を限定すれば使用に耐えうることが解かった。また、上記窒化物半導体レーザ装置の歩留まりおよび信頼性は上記第1実施形態と差は無かった。
これらに対して、上記誘電体膜117の代わりに、ポリイミドからなる誘電体膜を用いた以外は、上記第1実施形態と同様に窒化物半導体レーザ装置を作成する。この窒化物半導体レーザ装置は、熱飽和レベルが0.7Wと低く、信頼性試験でも200h程度で頓死する装置が続出し、使用に耐えないことが判った。
以下、上記第1実施形態の比較例1〜12について記載する。なお、上記比較例1,3,5,8,9,11,12は、上記第1実施形態の変形例つまり本発明の一実施形態でもある。
(I)比較例1
上記窒化物半導体レーザ素子1とサブマウント2とを接着しているAu−Su半田4をSn/Ag/Cu半田に代えた以外は、上記第1実施形態と同様に窒化物半導体レーザ装置を作成した。この窒化物半導体レーザ装置は、室温CW発振し、閾値100mA,スロープ効率1.8W/Aと特性は良好であり、50℃、パルス幅1μsec、Duty50%の駆動条件において、3Wまで熱飽和も起こらず、歩留まり、信頼性にも第1実施形態と差は無かった。
(II)比較例2
上記窒化物半導体レーザ素子1とサブマウント2とを接着しているAu−Su半田4をAgペーストに代えた以外は、上記第1実施形態と同様に窒化物半導体レーザ装置を作成した。この窒化物半導体レーザ装置は、50℃、パルス幅1μsec、Duty50%の駆動条件において、1Wで熱飽和してしまい、実用に耐えなかった。
(III)比較例3
上記サブマウント2を、ダイヤモンドからなるサブマウントに代えた以外は、上記第1実施形態と同様に窒化物半導体レーザ装置を作成した。この窒化物半導体レーザ装置は、50℃、パルス幅1μsec、Duty50%の駆動条件において、4Wで熱飽和した。特性は非常に良いが、コストが高くなってしまう。
また、上記サブマウント2を、SiCあるいはCuからなるサブマウントに代えた以外は、上記第1実施形態と同様に窒化物半導体レーザ装置を作成した。この窒化物半導体レーザ装置の熱飽和レベルはどちらも3Wであった。上記窒化物半導体レーザ装置は、ダイヤモンドからなるサブマウントを用いた場合よりも、熱飽和レベルが低下しているが、AlNからなるサブマウントを用いた場合とほぼ同等の熱飽和レベルであり、十分使用に耐えるレベルである。また、上記窒化物半導体レーザ装置の歩留まり、信頼性も上記第1実施形態と差は無かった。
(IV)比較例4
上記サブマウント2を、Feからなるサブマウントに代えた以外は、上記第1実施形態と同様に窒化物半導体レーザ装置を作成した。この窒化物半導体レーザ装置は、50℃、パルス幅1μsec、Duty50%の駆動条件において、0.7Wで熱飽和してしまい実用に耐えない。
(V)比較例5
上記窒化物半導体レーザ素子1を、サブマウント2を介さずに、Cuブロックステムに直接実装した以外は、上記第1実施形態と同様に窒化物半導体レーザ装置を作成した。この窒化物半導体レーザ装置は、50℃、パルス幅1μsec、Duty50%の駆動条件において、熱飽和レベルは4Wと優れている。また、上記窒化物半導体レーザ装置の歩留まりおよび信頼性は上記第1実施形態と差は無い。ただし、上記Cuブロックステムは窒化物半導体レーザ素子1を直接実装できるように設計しているため、コストが高い。
(VI)比較例6
図8に示す窒化物半導体レーザ素子21は、窒化物半導体レーザ素子1からテラス部118A,118Bを無くした以外は、窒化物半導体レーザ素子1と同様に作成した素子である。この窒化物半導体レーザ素子21を上記実施形態と同様にサブマウント2に実装した場合、p−nが短絡されることは無いが、電圧が高く、実用に耐えない。
(VII)比較例7
上記p側電極115に含まれるAuの厚みを1.0μmとした以外は、上記第1実施形態と同様に窒化物半導体レーザ装置を作成した。この窒化物半導体レーザ装置は、p−nが短絡されることは無いが、電圧が高く、実用に耐えない
(VIII)比較例8
上記p側電極115に含まれるAuの厚みを1.5μmとした以外は、上記第1実施形態と同様に窒化物半導体レーザ装置を作成した。この窒化物半導体レーザ装置の特性は、上記第1実施形態と同じであった。
(IX)比較例9
上記p側電極115に含まれるAuの厚みを1100μmとした以外は、上記第1実施形態と同様に窒化物半導体レーザ装置を作成した。この窒化物半導体レーザ装置では、そのAuが窒化物半導体レーザ素子1から剥がれてしまうトラブルが生じ、実用に耐えない。なお、上記Auの厚みを1000μmまでは、第1実施形態と同じ特性であった。
(X)比較例10
コスト削減を狙い、p側電極115に含まれるAuをAlに代えた以外は、上記第1実施形態と同様に窒化物半導体レーザ装置を作成した。この窒化物半導体レーザ装置は信頼性試験において1000h程度で急速劣化してしまった。
(XI)比較例11
コスト削減を狙い、p側電極115に含まれるAuをCuに代えた以外は、上記第1実施形態と同様に窒化物半導体レーザ装置を作成した。この窒化物半導体レーザ装置は、上記第1実施形態と同様の特性を有するが、マウント歩留まりが悪く、コスト削減にはつながらなかった。
(XII)比較例12
特性改善を狙い、p側電極115に含まれるAuをAgに代えた以外は、上記第1実施形態と同様に窒化物半導体レーザ装置を作成した。この窒化物半導体レーザ装置は、第1実施形態と同様の特性を有するが、信頼性試験での半減時間15000h程度であった。
(第2実施形態)
図9は、本発明の第2実施形態の窒化物半導体レーザ素子31の概略断面図である。
上記窒化物半導体レーザ素子31は誘電体膜317を備え、この誘電体膜317が、窒化物半導体レーザ素子31の側面の一部と、クラック防止溝313A,313Bとを覆っている。なお、上記誘電体膜317は誘電体の一例である。
上記窒化物半導体レーザ素子31の作成は、まず、上記第1実施形態と同様に、n−GaN基板上に、n−GaN層、n−Al0.05Ga0.95N下部クラッド層、n−GaNガイド層、GaN下部隣接層、活性層、GaN上部隣接層、p−Al0.2Ga0.8Nキャリアバリア層、p−Al0.1Ga0.9N上部クラッド層、p−GaNコンタクト層まで順次積層した後、リッジ部およびテラス部を形成する。
次に、図10Aの楕円Eで囲むチップ分割部分に、深さ5μmの溝を形成した後、誘電体膜317の材料層を全面に積層する。
次に、上記誘電体膜317の材料層の一部をエッチングして、リッジ部の上面を露出させた後、リッジ部上にp側電極を形成すると、ウェハ300が得られる。
最後に、図10Bの分割ラインLに沿ってチップ分割を行うと、窒化物半導体レーザ素子31が複数得られる。
このように作成した窒化物半導体レーザ素子31を、上記第1実施形態と同様に、サブマウント2に実装した場合、クラック防止溝313A,313Bの底面および側面の窒化物半導体や、窒化物半導体レーザ素子31の側面の一部の窒化物半導体に半田4が付着するのを確実に防ぐことができる。
また、上記窒化物半導体レーザ素子31の側面への半田4の這い上がり距離が5μm以下であれば、短絡することは無い。
上記誘電体膜317は、ジルコニア、AlN、AlON、ダイヤモンド、DLC、SiOのうちの少なくとも1つ含んでいる。
(第3実施形態)
図11は、本発明の第3実施形態の窒化物半導体レーザ装置の概略前面図である。また、図11において、図2に示した第1実施形態の構成部と同一構成部は、図2における構成部と同一参照番号を付して説明を省略する。
上記窒化物半導体レーザ装置は、サブマウント2の表面に半田44で実装された窒化物半導体レーザ素子41を備えている。なお、上記半田44は、導電性接着剤の一例であり、上記第1実施形態の半田4とは形状のみが異なる。
上記窒化物半導体レーザ素子41は、リッジストライプ型ではなく、内部狭窄構造型の素子である。より詳しくは、上記窒化物半導体レーザ素子41は、n−GaN基板401、電流狭窄層402、活性層403、p−コンタクト電極404、p側電極405およびn側電極406を有している。そして、上記窒化物半導体レーザ素子41では、窒化物半導体が側面から露出している。また、上記窒化物半導体レーザ素子41の上面(サブマウント2側の表面)には、クラック防止溝413A,413Bが形成されている。
上記構成の窒化物半導体レーザ装置によれば、窒化物半導体レーザ素子41の実装は上記第1実施形態と同様に行われ、窒化物半導体レーザ素子41を備えるので、素子抵抗を下げることができ、高出力での安定動作に有利な効果が得られる。
(第4実施形態)
図12は、本発明の第4実施形態の窒化物半導体レーザ装置の概略前面図である。また、図12において、図2に示した第1実施形態の構成部と同一構成部は、図2における構成部と同一参照番号を付して説明を省略する。
上記窒化物半導体レーザ装置は、サブマウント2の表面にAg半田54で実装された窒化物半導体レーザ素子51を備えている。そのAg半田54は、熱伝導率が400W/mKとAuよりも良いため、5μmと半田4の厚み2μmよりも厚く形成されている。これにより、熱抵抗を下げることができる。なお、上記半田54は導電性接着剤の一例である。
上記窒化物半導体レーザ素子51は、クラック防止溝が形成されておらず、上記第2実施形態の窒化物半導体レーザ素子31と同じ構成層を有している。また、上記窒化物半導体レーザ素子51は誘電体膜517を有し、この誘電体膜517が窒化物半導体レーザ素子31の側面の一部を覆っている。なお、上記誘電体膜517は誘電体の一例である。
上記構成の窒化物半導体レーザ装置によれば、クラック防止溝が形成されていない窒化物半導体レーザ素子51を備えているので、順方向電圧を低減することができ、また、クラック防止溝を形成しない分、製造工程数が少なくなるので、コストダウンの効果が得られる。
上記誘電体膜517は、ジルコニア、AlN、AlON、ダイヤモンド、DLC、SiOのうちの少なくとも1つ含んでいる。
上記第4実施形態では、クラック防止溝が形成されていない窒化物半導体レーザ素子51を用いたが、図13に示す窒化物半導体レーザ素子61を用いてもよい。
上記窒化物半導体レーザ素子61は、リッジ部の一方の側方側にのみ、クラック防止溝612,613を有している。このクラック防止溝612は、ジルコニア、AlN、AlON、ダイヤモンド、DLC、SiOのうちの少なくとも1つ含む誘電体膜617で覆われている。なお、上記誘電体膜617は誘電体の一例である。
(第5実施形態)
本発明の第5実施形態の窒化物半導体レーザ装置は、図14に示す発光部700を備えている。この発光部700は、上記第1実施形態の窒化物半導体レーザ素子1を複数含んでいる。
上記複数の窒化物半導体レーザ素子1をアレイ状に配置したことにより、同一の光を出すために一つのリッジストライプから出る光強度を下げることができ、面積あたりの注入電力が下がり、より熱飽和レベルが上がりより高い光出力を出すことができる。
共振器長800μm,2mmの横幅中にリッジ間隔200μmでリッジ幅7μmのリッジを10本形成したところ6Wまで熱飽和しなかった。
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、実施形態において挙げた数値、材料、構造、プロセスなどはあくまで例にすぎず、これに限定されるものではない。
具体的には、上述の実施形態において、AlONをECRスパッタ法を用いて形成しているが、平行平板スパッタ法等を用いてもよい。n電極およびpコンタクト電極をEB蒸着法にて形成しているが、これらは、スパッタ法や抵抗蒸着法により形成してもよく、p電極をスパッタ法により形成しているが、蒸着法で形成してもよく、厚膜Auを無電解メッキ法で形成しているが、電解メッキ法やスパッタ法、蒸着法で形成してもよい。pコンタクト電極材料は、Pdを使用しているがNi等の金属を使用してもよく、p電極もMo/Auを使用しているが、Auのみや、Pt/Ti/Au等の多層構造でもよい。半導体層はMOCVD法にて積層しているが、MBE法を使用してもよい。
本発明では、クラック防止溝は、必ずしも、各素子に複数本形成する必要なく、必要なら、1本だけであってもよい。
上記第1〜第5実施形態を適宜組み合わせたものを本発明の一実施形態としてもよい。また、上記第2〜第5実施形態において、第1実施形態で行ったような変形を行ってもよい。
図1は本発明の第1実施形態の窒化物半導体レーザ素子の概略断面図である。 図2は上記第1実施形態の窒化物半導体レーザ装置の概略前面図である。 図3は上記第1実施形態の窒化物半導体レーザ装置の概略前面図、概略上面図および概略側面図を含む図である。 図4は光出射端面のはみ出し量と窒化物半導体レーザ素子のCODレベルとの関係を示すグラフである。 図5は光出射端面のはみ出し量と歩留まりとの関係を示すグラフである。 図6は上記第1実施形態の窒化物半導体レーザ素子の順方向電圧とp側電極の厚みとの関係を示すグラフである。 図7は従来の実装方法による窒化物半導体レーザ装置の概略前面図である。 図8は本発明の比較例6の窒化物半導体レーザ装置の概略断面図である。 図9は本発明の第2実施形態の窒化物半導体レーザ素子の概略断面図である。 図10Aは上記第2実施形態の窒化物半導体レーザ装置の一製造工程を説明するための概略断面図である。 図10Bは第2実施形態の窒化物半導体レーザ装置の一製造工程を説明するための概略断面図である。 図11は本発明の第3実施形態の窒化物半導体レーザ装置の概略前面図である。 図12は本発明の第4実施形態の窒化物半導体レーザ装置の概略前面図である。 図13は本発明の第4実施形態の窒化物半導体レーザ素子の変形例の概略断面図である。 図14は本発明の第5実施形態の窒化物半導体レーザ装置の要部の概略斜視図である。
1,31,41,51,61…窒化物半導体レーザ素子
2…サブマウント
3…ステム
4,44,54…半田
112A,112B,113A,113B,313A,313B,413A,413B…クラック防止溝
117,317…誘電体膜
700…発光部

Claims (14)

  1. マウント部材と、
    上記マウント部材の表面に導電性接着剤で実装され一部が基板の表面の凹部内に収容されている窒化物半導体が側面から露出する窒化物半導体レーザ素子と
    備え、
    上記導電性接着剤は、上記マウント部材と上記窒化物半導体レーザ素子との間に位置し、上記窒化物半導体レーザ素子よりも狭い幅を有し、
    上記窒化物半導体レーザ素子は、
    リッジ部と、
    上記リッジ部の両側に形成され、上記リッジ部と略同じ高さを有するテラス部と、
    上記窒化物半導体の上記マウント部材側の表面に形成されて、上記テラス部の上記リッジ部とは反対側に位置し、上記基板の表面の凹部に対応する一対のクラック防止溝
    を有し、
    上記導電性接着剤は、上記窒化物半導体レーザ素子の上記マウント部材側の表面における上記クラック防止溝以外の領域であって上記クラック防止溝同士間の領域に対向し、
    上記導電性接着剤の幅は上記クラック防止溝同士間の距離よりも狭いことを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 請求項1に記載の半導体レーザ装置において、
    上記窒化物半導体レーザ素子の側面の一部が誘電体にて覆われていることを特徴とする半導体レーザ装置。
  3. 請求項1または2に記載の半導体レーザ装置において、
    上記クラック防止溝が誘電体で覆われていることを特徴とする半導体レーザ装置。
  4. 請求項2または3に記載の半導体レーザ装置において、
    上記誘電体が、ジルコニア、AlN、AlON、ダイヤモンド、DLC、SiOのうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする半導体レーザ装置。
  5. 請求項1から4までのいずれか一項に記載の半導体レーザ装置において、
    上記窒化物半導体レーザ素子は、光出射端面が上記マウント部材上の領域からはみ出るように上記マウント部材上に配置されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
  6. 請求項5に記載の半導体レーザ装置において、
    上記窒化物半導体レーザ素子の光出射端面を含む面と、上記マウント部材の上記光出射端面側の端面を含む面との間の距離は、100nm以上100μm以下の範囲内であることを特徴とする半導体レーザ装置。
  7. 請求項1から6までのいずれか一項に記載の半導体レーザ装置において、
    上記マウント部材は、AlN、ダイヤモンド、SiCまたはCuが主材料であるサブマウントであることを特徴とする半導体レーザ装置。
  8. 請求項1から7までのいずれか一項に記載の半導体レーザ装置において、
    上記導電性接着剤は、Au−Su半田、Su−Ag−Cu半田またはAg半田であることを特徴とする半導体レーザ装置。
  9. 請求項1から8までのいずれか一項に記載の半導体レーザ装置において、
    上記マウント部材はステムであることを特徴とする半導体レーザ装置。
  10. 請求項1からまでのいずれか一項に記載の半導体レーザ装置において、
    上記窒化物半導体レーザ素子は、上記マウント部材に上記導電性接着剤を介して電気的に接続される電極を有し、
    上記電極の厚みは、1.5μm以上1100μm以下の範囲内であることを特徴とする半導体レーザ装置。
  11. 請求項1に記載の半導体レーザ装置において、
    上記電極は、Au、AgおよびCuのうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする半導体レーザ装置。
  12. 請求項1から1までのいずれか一項に記載の半導体レーザ装置において、
    上記窒化物半導体レーザ素子を複数含むことを特徴とする半導体レーザ装置。
  13. 請求項1から12までのいずれか一項に記載の半導体レーザ装置を製造する半導体レーザ装置の製造方法であって、
    マウント部材の表面に導電性接着剤を形成する形成工程と、
    上記導電性接着剤上に上記窒化物半導体レーザ素子を載置し、上記マウント部材の表面に上記窒化物半導体レーザ素子の表面を実装する搭載工程と
    を備え、
    上記形成工程における上記導電性接着剤の形成幅は、上記搭載工程後の上記導電性接着剤の幅が上記窒化物半導体レーザ素子の幅よりも狭くなるように予め定められた幅であり、かつ、上記搭載工程後の上記導電性接着剤の幅が上記クラック防止溝同士間の距離よりも狭くなるように予め定められた幅であり、
    上記搭載工程では、上記導電性接着剤を、上記窒化物半導体レーザ素子の上記マウント部材側の表面における上記クラック防止溝以外の領域であって上記クラック防止溝同士間の領域に対向させることを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
  14. 請求項1に記載の半導体レーザ装置の製造方法において、
    上記窒化物半導体レーザ素子は、上記マウント部材に上記導電性接着剤を介して電気的に接続される電極を有し、
    上記形成工程における上記導電性接着剤の幅は、上記電極の幅の50%以上であり、少なくとも、上記窒化物半導体レーザ素子の幅よりも上記導電性接着剤の厚み分狭いことを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
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