JP6861900B1 - 光半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
表面に拡散接合層（２３ｂ）が形成されたマウント部材（２２）と、発光部（２１ｂ）が設けられ、裏面に拡散接合層（２３ａ）が形成された光半導体素子（２１）と、拡散接合層（２３ｂ）と拡散接合層（２３ａ）との拡散接合で形成された電極層（２３）と、を備え、光半導体素子（２１）は、発光部（２１ｂ）が光半導体素子（２１）の側面で、マウント部材（２２）寄りに設けられ半田およびＡｇペースト等の使用を不要とし、光半導体素子の発光部において半田による汚染を防ぐだけでなく、発光部をさらにマウント部材側に近づけ、放熱特性の向上を図る。
Description
本願は、光半導体装置の製造方法に関するものである。
光半導体装置では、半導体レーザ素子の高出力化に伴い、放熱性に優れた下面発光型の半導体レーザ素子が用いられるようになってきている。特許文献１に記載されているように、下面発光型の半導体レーザ素子では、レーザ光の発振部（発光部）が半導体レーザ素子の下面側（半田との接合部側）に形成されている。このように、熱を発生する発光部をマウントにより近い位置に配置することにより、放熱特性の優れた半導体装置を得ることができる。
しかしながら、このような下面発光型の半導体レーザ素子において、その端面上に半田がはい上がると、発光部において半田による短絡などの不良が発生する。このため、半導体レーザ素子においてレーザ光の発振ができなくなるといった不良が発生するという問題があった。
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、半導体レーザ素子においてレーザ光の発振を確実に行う、低コストで得られる光半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本願に開示される光半導体装置の製造方法は、発光部が設けられ、裏面に第二の接合材、或いは接合層が形成された光半導体素子を、表面に第一の接合材、或いは接合層が形成されたマウント部材に載置したセットを複数並列に並べて治具で挟持する工程と、前記治具で挟持したマウント部材と光半導体素子の複数のセットを真空中で加熱し、前記第一の接合材、或いは接合層と前記第二の接合材、或いは接合層との拡散接合により前記マウント部材と前記光半導体素子を接合し、前記発光部が設けられた前記光半導体素子の側面の全ての面に、絶縁膜を成膜する工程とを含み、前記光半導体素子は半導体レーザ素子であり、前記半導体レーザ素子の側面に形成された前記絶縁膜は前記半導体レーザ素子の前記発光部の反射率を制御することを特徴とする。
本願によれば、半田およびＡｇペースト等の使用を不要とし、光半導体素子の発光部または受光部において半田による汚染を防ぐだけでなく、発光部または受光部をさらにマウント部材側に近づけることができ、放熱特性の向上を図ることができる。
実施の形態１．
図１は、本願の実施の形態１に係る光半導体装置１０１の構成を示す正面図である。図２は、本願の実施の形態１に係る光半導体装置１０１の構成を示す側面図である。図１および図２に示すように、光半導体装置１０１では、光半導体素子２１がマウント部材２２の表面に搭載されている。
図１は、本願の実施の形態１に係る光半導体装置１０１の構成を示す正面図である。図２は、本願の実施の形態１に係る光半導体装置１０１の構成を示す側面図である。図１および図２に示すように、光半導体装置１０１では、光半導体素子２１がマウント部材２２の表面に搭載されている。
光半導体素子２１は、マウント部材２２の表面に接合されている。光半導体素子２１は、排熱効率を上げるために、光半導体素子２１の中でも温度の高い発光部２１ｂが、光半導体素子２１の厚み方向において、光半導体素子が接合されているマウント部品側に寄せられて設けられている。なお、ここでは、発光部としたが、受光部であってもよい。
マウント部材２２は、表面に光半導体素子２１が接合されており、光半導体素子２１で発生する熱を放熱する。マウント部材２２は、特に、光半導体素子２１の発光部２１ｂから発生する熱を効率よく排熱するために、発光部２１ｂの傍に接合される。マウント部材２２を構成する材料としては、セラミック、半導体、あるいは金属を用いてもよい。
従来、光半導体素子とマウント部材の接合には、半田またはＡｇペースト等が用いられてきたが、マウント部品の端より、光半導体素子を突き出す等、発光部を有する面とマウント部品の端間で距離をとらないと、半田またはＡｇペースト等のはみ出しによって、発光部に付着し特性が劣化する。
また、従来の光半導体装置においては、発光部、或いは受光部に施す膜材は絶縁膜であるため、光半導体素子と光半導体素子をマウントするマウント部品間の熱抵抗値、電気抵抗値を増大させ、熱抵抗値の増大については、光半導体素子の発光、或いは受光時の発熱による光半導体素子自体の温度が高くなり、発光出力、或いは受光出力を低下させる等、特性を劣化させる。特に近年のチップ微小化かつ高出力化の流れにおいては影響が非常に大きくなっている。また、電気抵抗値の増大については消費電力を大きくするため、近年の低消費電力化に貢献できない。さらに熱抵抗値および電気抵抗値がばらつくと、特性もばらつくため品質が悪くなる。
そこで、本願の実施の形態１に係る光半導体装置１０１では、光半導体素子２１の裏面に形成された第一の接合層（或いは接合材）である拡散接合層（或いは拡散接合材）２３ａとマウント部材２２の表面に形成された第二の接合層（或いは接合材）である拡散接合層（或いは拡散接合材）２３ｂとの拡散接合により形成された金属から成る電極層２３を介して、光半導体素子２１とマウント部材２２を接合することを特徴とする。電極層２３の材料としては、例えばＡｕが挙げられる。
本願に開示される構成により、光半導体素子２１とマウント部材２２の接合に、電極層２３からの拡散接合層２３ａ、２３ｂによる拡散接合を用いることで、半田およびＡｇペースト等の使用を不要とし、光半導体素子の発光部において半田による汚染を防ぐだけでなく、発光部をさらにマウント部材側に近づけることができ、放熱特性の向上を図ることができる。
次に、実施の形態１に係る光半導体装置１０１の製造方法について、図３および図４に基づき説明する。図３は、実施の形態１に係る光半導体装置１０１の製造工程を示す図である。図４は、実施の形態１に係る光半導体装置１０１の製造方法の手順を示すフローチャート図である。
まず最初に、図３（ａ）に示すように、スパッタ法または蒸着法等により裏面に拡散接合層２３ａとしてのＡｕ層を形成した光半導体素子２１と、スパッタ法または蒸着法等により表面に拡散接合層２３ｂとしてのＡｕ層を形成したマウント部材２２を用意し、図３（ｂ）に示すように、拡散接合層２３ａであるＡｕ層と拡散接合層２３ｂであるＡｕ層が重なるようにマウント部材２２上に光半導体素子２１を載置する（ステップＳ４０１）。なお、光半導体素子２１の表面には図示し無い表面電極が形成されており、マウント部材２２の裏面には図示し無い裏面電極が形成されている。
続いて、図３（ｃ）に示すように、マウント部材２２上に光半導体素子２１を載置したセットを複数並列に並べ、それぞれのセットの間には光半導体素子２１の表面電極およびマウント部材２２の裏面電極との反応（拡散接合）を防ぐためのダミーバー２４を配置して、全体にＡ方向から圧が加わるように治具２５ａと治具２５ｂで挟持する（ステップＳ４０２）。ダミーバー２４は、例えばＳｉ製のものが用いられる。
次いで、図３（ｄ）に示すように、治具２５ａ、２５ｂで挟持したマウント部材２２上に載置した光半導体素子２１の複数のセットをチャンバー２６の中に設置し、真空中で加熱する（ステップＳ４０３）。加熱温度は、２００℃程度とする。
上記所定の温度まで真空中で加熱すると、拡散接合層２３ａであるＡｕ層と拡散接合層２３ｂであるＡｕ層はＡｕ同士が相互に拡散して接合する（ステップＳ４０４）。この光半導体素子２１とマウント部材２２とを接合する接合工程は、光半導体素子の発光、或いは受光時に発する熱を排する機能を付与し、光と電気の変換効率等の特性、或いは信頼性に大きな影響を与える重要な工程である。
また、所定の温度に達した後、スパッタ法または蒸着法等により、光半導体素子２１の発光部２１ｂが設けられている面側、マウント部材２２を含めて全面に、絶縁膜（図示無し）を成膜する（ステップＳ４０５）。この絶縁膜の成膜工程は、光半導体素子の発光部の光の反射率を制御するためのもので、光半導体素子のしきい値等の特性、或いは信頼性に大きな影響を与える重要な工程である。
以上の工程により、図３（ｅ）に示すように、光半導体素子２１とマウント部材２２が、電極層２３の拡散接合層２３ａと拡散接合層２３ｂで拡散接合された光半導体装置１０１を得ることができる。
従来の製造方法においては、光半導体素子単独で複数並列に並べ、光半導体素子間にダミーバーを配置し治具で挟持して、発光部の面に絶縁膜を成膜製膜するだけで、成膜後に光半導体素子とマウント部材とを半田を用いて接合していた。
本願の製造方法により、接合工程と成膜工程を同時に行うことで、製造工程の簡略化を図ることができ、製造時間およびコストを削減できる。
以上のように、本実施の形態１に係る光半導体装置１０１によれば、表面に拡散接合層２３ｂが形成されたマウント部材２２と、発光部２１ｂが設けられ、裏面に拡散接合層２３ａが形成された光半導体素子２１と、拡散接合層２３ｂと拡散接合層２３ａとの拡散接合で形成された電極層２３と、を備え、光半導体素子２１は、発光部２１ｂが光半導体素子２１の側面で、マウント部材２２寄りに設けられるようにしたので、光半導体素子とマウント部材の接合に、電極層からの拡散接合層による拡散接合を用いることで、半田およびＡｇペースト等の使用を不要とし、光半導体素子の発光部において半田による汚染を防ぐだけでなく、発光部をさらにマウント部材側に近づけることができ、放熱特性の向上を図ることができる。
また、光半導体素子とマウント部材間の熱抵抗値を下げることによって、光半導体素子の発光、或いは受光時の発熱をより多く排熱することで、発光出力、或いは受光出力の低下を抑制し、特性向上ができる。
また、光半導体素子とマウント部材間の電気抵抗値を下げることによって、消費電力を抑制できる。
また、光半導体素子とマウント部材間の熱抵抗値および電気抵抗値のばらつきを小さくすることで、特性ばらつきも小さく品質向上できる。
光半導体素子とマウント部材との接合材に半田およびＡｇペースト等を不要とすることで、部材費、作業費等の原価低減もできる。
また、光半導体素子とマウント部材との接合材に半田およびＡｇペースト等を不要とすることで、接合部からはみ出して発光部、或いは受光部を塞ぐことによる不良を抑制し、歩留り向上できる。
本実施の形態１に係る光半導体装置１０１の製造方法によれば、発光部２１ｂが設けられ、裏面に拡散接合層２３ａが形成された光半導体素子２１を、表面に拡散接合層２３ｂが形成されたマウント部材２２に載置したセットを複数並列に並べて治具２５ａ、２５ｂで挟持する工程と、治具２５ａ、２５ｂで挟持したマウント部材２２と光半導体素子２１の複数のセットを真空中で加熱し、拡散接合層２３ａと拡散接合層２３ｂとの拡散接合によりマウント部材２２と光半導体素子２１を接合し、光半導体素子２１の発光部２１ｂが設けられた面に絶縁膜を成膜する工程とを含むようにしたので、成膜工程と接合工程を同時に行うことで、製造工程の簡略化を図ることができ、製造時間およびコストを削減できる。
また、光半導体装置の製造工程において、ウエハは階層状に製造プロセスの処理をされ、階層によっては矩形等のパターン処理等が行われるため、歪がウエハ階層毎、面内に分布しており薄板化した際には歪みによる反りが発生する。光半導体素子はウエハから切り出されるものであるため、発光部、或いは受光部に成膜する工程では、光半導体素子は構造上、反りが発生しやすく、挟持した光半導体素子とダミーバー間、或いは光半導体素子間には微小な空隙ができてしまう。また、前記空隙を狭くするために、挟持する力を増加させると、光半導体素子は主に脆性材で構成されているため、クラック等の欠陥を発生させてしまう。また、前記空隙を狭くするために、光半導体素子の、後にマウントするマウント部品との接合面の電極を厚くして、電極の柔軟性で隙間を吸収させようとすると、光半導体素子の原価構成上、比較的電極材は高価なため、原価が高くなる。ゆえに、前記空隙に膜材が入り込み、従来の製造方法では、光半導体素子の、後にマウントするマウント部品との接合面に付着する。しかも付着する位置、面積、付着密度は隙間の空間形状によるため、均一でなくばらつきが生じる。
本願は、これらの問題に対しても対応するものであり、半田およびＡｇペースト等を使用せずに、光半導体素子２１とマウント部材２２の接合に、Ａｕの拡散接合を用いることにより、図５（ａ）の示すように、反った状態の光半導体素子２１であっても、治具２５ａ、２５ｂで挟持したマウント部材２２上に載置した光半導体素子２１を真空中で加熱し、接合工程後、続けて成膜工程を行うことができ、図５（ｂ）の示すように、光半導体素子が反った状態のままでも、上記実施の形態１の効果が得られるだけでなく、接合面に膜材が付着することのない、隙間のない光半導体装置を得ることができる。
また、光半導体素子をマウントするマウント部材は、セラミック系が多く使用されているが、母材からマウント部材に加工する際、ダイシング等の切断により切り出している場は、形状の稜線には微細なクラックが入り、光半導体素子を接合した際の衝撃などで微小欠け屑が発生し、光半導体素子の発光部、或いは受光部に付着し、特性が悪くなる。
本願の製造方法によれば、微小欠け屑の発生を防ぎ、付着することによる不良を抑制し、歩留りを向上できる。
実施の形態２．
実施の形態１では、光半導体装置１０１の製造方法において、ダミーバー２４を用いる場合について示したが、実施の形態２では、ダミーバーを用いない場合について説明する。
実施の形態１では、光半導体装置１０１の製造方法において、ダミーバー２４を用いる場合について示したが、実施の形態２では、ダミーバーを用いない場合について説明する。
図６は、実施の形態２に係る光半導体装置１０１の製造方法を説明するための図である。図６に示すように、表面電極を形成していない光半導体素子２１と、裏面電極を形成していないマウント部材２２のセットを直接、複数並列に並べて、治具２５ａ、２５ｂで挟持する。実施の形態２による光半導体装置１０１のその他の製造方法については、実施の形態１の光半導体装置１０１と同様であり、対応する部分には同符号を付してその説明を省略する。
本実施の形態２では、光半導体素子２１の表面電極およびマウント部材２２の裏面電極は、光半導体素子２１とマウント部材２２の接合工程および成膜工程の後に形成する。
従来から複数の前記光半導体素子を、発光部、或いは受光部を揃え、治具で挟持して成膜する場合には、挟持する際、光半導体素子同士が接合しないようにするため、光半導体素子と光半導体素子の間にＳｉ等からなるダミーバーを配置する、或いは光半導体素子の表面に接合防止膜を有しておく。しかし、ダミーバーを使用すると、ダミーバー部材費、ダミーバーを挿間する作業費、ダミダミーバーを取り除く作業費、ダミーバーに成膜される膜材費用等が発生する。また、ダミーバーを使用せず、光半導体素子自体に挟持したときに光半導体素子同士が接合しないような膜を成膜する場合も、膜材費用および工程が増えることになり原価が高くなる。
これに対し、本実施の形態２では、光半導体素子２１の表面とマウント部材２２の裏面は、拡散接合することはないため、実施の形態１で用いた光半導体素子２１の表面電極およびマウント部材２２の裏面電極との反応（拡散接合）を防ぐためのダミーバー２４も、光半導体素子同士が接合しないような膜の成膜も不要となり、製造コストの低減を図ることができる。
以上のように、本実施の形態２に係る光半導体装置１０１の製造方法によれば、光半導体素子２１の表面電極およびマウント部材２２の裏面電極を、光半導体素子２１とマウント部材２２の接合工程および成膜工程の後に、形成するようにしたので、光半導体素子２１の表面とマウント部材２２の裏面は、拡散接合することはなく、実施の形態１で用いた光半導体素子２１の表面電極およびマウント部材２２の裏面電極との反応（拡散接合）を防ぐためのダミーバー２４も、光半導体素子同士が接合しないような膜の成膜も不要となり、製造コストの低減を図ることができ、生産性を高めることができる。
従来の製造方法では、端面（発光／受光部）にコートする工程と、半導体チップをマウントする工程が別工程であるために（１）コート時に接合部に回り込んだ端面部材(絶縁膜)が熱／電気の伝導度を下げ、特性劣化をさせる。また、（２）コート時のバー反りによる隙間を埋めるために半導体チップの接合部材だけで隙間を埋めるべくＡｕを厚くすることは、マウント部材の接合部材のＡｕ厚と合わせて隙間を埋めるより、半導体チップとマウントのセットでみると原価が高くなる。特に、（２）の場合、端面コート時、反りによる隙間を、極力反りを矯正せずに埋めようとするとき、従来方法ではダミーバーは接合させないために挿入するので、ダミーバーには接合部材はなく、よって光半導体チップの接合部材の厚みは、反りによる空隙部を埋める厚みが必要になる。
本願では、光半導体チップの接合部材の厚みとマウント部材の接合部材の厚みの和が、反りによる空隙部を埋める厚みであれば良い。
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
２１ 光半導体素子、２１ｂ 発光部、２２ マウント部材、２３ 電極層、２３ａ 拡散接合層、２３ｂ 拡散接合層、２５ａ、２５ｂ 治具、１０１ 光半導体装置。
Claims (2)
- 発光部が設けられ、裏面に第二の接合材、或いは接合層が形成された光半導体素子を、表面に第一の接合材、或いは接合層が形成されたマウント部材に載置したセットを複数並列に並べて治具で挟持する工程と、
前記治具で挟持したマウント部材と光半導体素子の複数のセットを真空中で加熱し、前記第一の接合材、或いは接合層と前記第二の接合材、或いは接合層との拡散接合により前記マウント部材と前記光半導体素子を接合し、前記発光部が設けられた前記光半導体素子の側面の全ての面に、絶縁膜を成膜する工程とを含み、
前記光半導体素子は半導体レーザ素子であり、
前記半導体レーザ素子の側面に形成された前記絶縁膜は前記半導体レーザ素子の前記発光部の反射率を制御する
ことを特徴とする光半導体装置の製造方法。 - 前記第一の接合材、或いは接合層と前記第二の接合材、或いは接合層は、Ａｕからなることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置の製造方法。
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