JP7232239B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

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Description

本開示は、アレイ型の半導体発光素子を備える半導体発光装置に関する。
なお、本願は、平成28年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発/次々世代加工に向けた新規光源・要素技術開発/高効率加工用GaN系高出力・高ビーム品質半導体レーザーの開発」委託研究、産業技術力強化法第19条の適用を受ける特許出願である。
近年、半導体レーザ素子などの半導体発光素子は、ディスプレイやプロジェクターなどの画像表示装置の光源、車載ヘッドランプの光源、産業用照明や民生用照明の光源、又は、レーザ溶接装置や薄膜アニール装置、レーザ加工装置などの産業機器の光源など、様々な用途の光源として注目されている。また、上記用途の光源として用いられる半導体レーザ素子には、光出力が1ワットを大きく超える高出力化が望まれている。
半導体レーザ素子の高出力化の手法として、幅の広い導波路を複数並列に配列することによってアレイを形成する手法が広く利用されている。このような高出力の半導体レーザ素子では、高出力動作時には多量の熱が発生するため、高出力化のためには、導波路で発生した熱を効率よく放熱させることが肝要となる。一般的には、導波路の近傍に熱伝導率の高い材料を接続することで熱を拡散させ、金属パッケージなどを介して外部に放熱する。
特許文献1に、従来のアレイ型半導体レーザ素子が開示されている。図7は、特許文献1に開示された従来のアレイ型半導体レーザ素子1010の構成を示す模式的な正面図である。
図7に示すように、従来のアレイ型半導体レーザ素子1010は、所定間隔をおいて一列に配列された複数のストライプ1011~1014を有する。複数のストライプ1011~1014は、それぞれ、レーザ光の導波路となる発光部である。アレイ型半導体レーザ素子1010は、各ストライプに対応して分離されて設けられた複数のレーザ電極1008を有する。アレイ型半導体レーザ素子1010の複数のレーザ電極1008は、それぞれ支持体1003上に設けられた複数の金属配線体1007と対向する位置に配置される。複数のレーザ電極1008は、それぞれ複数の金属配線体1007と半田等の導電性接着材1006を介して熱圧着されている。これにより、複数のレーザ電極1008と複数の金属配線体1007とを電気的に導通し、かつ、アレイ型半導体レーザ素子1010を支持体1003に物理的に固定している。さらに、アレイ型半導体レーザ素子1010と支持体1003との間に熱伝導性の良い樹脂1009が充填されている。
特開平1-164084号公報
しかしながら、このような構造の場合、それぞれの導波路で発生した熱が互いに干渉するため、複数の導波路(つまり、発光部)の温度分布が不均一となる。具体的には、複数の導波路のうち、複数の導波路の配列方向における中央側に位置する導波路の温度が、端部側に位置する導波路の温度よりも高くなる。その結果、従来のアレイ型半導体レーザ素子1010では、温度分布の不均一が生じるため、温度分布の不均一に起因して、高温部の導波路の光出力特性の劣化が低温部よりも早く進行し、素子の破損につながるという信頼性悪化の課題がある。
本開示は、発光部間の温度分布の不均一を抑制することで信頼性の悪化を抑えた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、本開示に係る半導体発光装置の一態様は、基板と、前記基板の上面に沿って配列された三つ以上の発光部と、を有する半導体発光素子と、前記基板の下面の下方に配置された第1基台と、前記半導体発光素子を前記第1基台に接着する第1接着層と、を備え、前記基板は、前記第1接着層より熱伝導率が高く、前記第1接着層の厚さは、前記三つ以上の発光部の配列方向の中央側において、両方の端部側より小さい。
このように、基板より熱伝導率が低い第1接着層の配列方向の中央側における厚さを小さくすることで、第1接着層の中央側での放熱性を両方の端部側より高めることができる。これにより、三つ以上の発光部のうち配列方向の中央側の発光部が、隣接する発光部との熱干渉に起因して、両方の端部側の発光部より高温となることを抑制できる。したがって、三つ以上の発光部における温度分布の不均一を抑制できるため、半導体発光装置の信頼性の悪化を抑制できる。
また、本開示に係る半導体発光装置の一態様において、前記基板の厚さは、前記配列方向の中央側において両方の端部側より大きくてもよい。
また、本開示に係る半導体発光装置の一態様において、前記基板の前記下面は、前記配列方向の中央側が凸状になるよう傾斜していてもよい。
また、本開示に係る半導体発光装置の一態様において、前記基板の前記上面は、前記配列方向において、前記第1基台の前記第1接着層との接合面と平行であってもよい。
これにより、半導体発光素子からの出射光の伝播方向と、第1基台の上面と、がほぼ平行になるため、第1基台の上面を光軸のアライメントの基準として利用できる。このため、光軸調整が容易な半導体発光装置を実現できる。
また、本開示に係る半導体発光装置の一態様において、さらに、前記半導体発光素子を挟んで前記第1基台とは反対側に配置された第2基台と、前記半導体発光素子を前記第2基台に接着する第2接着層と、を備えてもよい。
このように、本開示に係る半導体発光装置では、半導体発光素子の両側が基台で挟まれる。したがって、各基台を熱伝導性の高い部材で形成することで、半導体発光素子の放熱性をさらに向上させることができる。
また、本開示に係る半導体発光装置の一態様において、前記第1基台は、前記第1接着層より熱伝導率が高くてもよい。
上記目的を達成するために、本開示に係る半導体発光装置の一態様は、基板と、前記基板の上面に沿って配列された三つ以上の発光部と、を有する半導体発光素子と、前記基板の下面の下方に配置された第1基台と、前記半導体発光素子を前記第1基台に接着する第1接着層と、を備え、前記第1基台は、前記第1接着層より熱伝導率が高く、前記第1接着層の厚さは、前記三つ以上の発光部の配列方向の中央側において、両方の端部側より小さい。
このように、第1基台より熱伝導率が低い第1接着層の配列方向の中央側における厚さを小さくすることで、第1接着層の中央側での放熱性を両方の端部側より高めることができる。これにより、三つ以上の発光部のうち配列方向の中央側の発光部が、隣接する発光部との熱干渉に起因して、両方の端部側の発光部より高温となることを抑制できる。したがって、三つ以上の発光部における温度分布の不均一を抑制できるため、半導体発光装置の信頼性の悪化を抑制できる。
また、本開示に係る半導体発光装置の一態様において、前記第1基台の厚さは、前記配列方向の中央側において両方の端部側より大きくてもよい。
本開示によれば、発光部間の温度分布の不均一を抑制することで信頼性の悪化を抑えることができる。
図1Aは、実施の形態に係る半導体発光素子の構成を示す模式的な上面図である。 図1Bは、実施の形態に係る半導体発光素子の構成を示す模式的な断面図である。 図2Aは、実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法における第1半導体層、発光層及び第2半導体層の各層を形成する工程を示す断面図である。 図2Bは、実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法における第1保護膜を成膜する工程を示す断面図である。 図2Cは、実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法における第1保護膜をパターニングする工程を示す断面図である。 図2Dは、実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法における導波路部及び平坦部を形成する工程を示す断面図である。 図2Eは、実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法における誘電体層を成膜する工程を示す断面図である。 図2Fは、実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法におけるp側電極を形成する工程を示す断面図である。 図2Gは、実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法におけるパッド電極を成膜する工程を示す断面図である。 図2Hは、実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法における基板の下面に凸形状を形成する工程を示す断面図である。 図2Iは、実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法におけるn側電極を形成する工程を示す断面図である。 図3Aは、実施の形態に係る半導体発光装置の構成を示す模式的な断面図である。 図3Bは、実施の形態の変形例に係る半導体発光装置の構成を示す模式的な断面図である。 図4は、実施の形態に係る半導体発光装置の各導波路部の温度の概要を示すグラフである。 図5Aは、変形例1に係る半導体発光装置の構成を示す模式的な断面図である。 図5Bは、変形例2に係る半導体発光装置の構成を示す模式的な断面図である。 図5Cは、変形例3に係る半導体発光装置の構成を示す模式的な断面図である。 図5Dは、変形例4に係る半導体発光装置の構成を示す模式的な断面図である。 図6は、変形例5に係る半導体発光装置の構成を示す模式的な断面図である。 図7は、従来のアレイ型半導体レーザ素子の構成を示す模式的な正面図である。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、ステップ(工程)及びステップの順序などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺などは必ずしも一致していない。各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
また、本明細書及び図面において、X軸、Y軸及びZ軸は、三次元直交座標系の三軸を表している。X軸及びY軸は、互いに直交し、且つ、いずれもZ軸に直交する軸である。
(実施の形態)
実施の形態に係る半導体発光装置について説明する。
[半導体発光素子の構成]
まず、本実施の形態に係る半導体発光装置が備える半導体発光素子の構成について、図1A及び図1Bを用いて説明する。図1A及び図1Bは、それぞれ本実施の形態に係る半導体発光素子1の構成を示す模式的な上面図及び断面図である。図1Bは、図1AのIB-IB線における半導体発光素子1の断面図である。
本実施の形態に係る半導体発光素子1は、基板10と、基板10の上面に沿って配列された三つ以上の発光部と、を有する素子である。図1Bに示すように、本実施の形態では、半導体発光素子1は、基板10の主面に沿って図1BのX軸方向に配列された五つの発光部71~75を有する。五つの発光部71~75の配列方向は、各図に示されるX軸方向と一致する。以下、五つの発光部71~75の配列方向を単に「配列方向」ともいう。本実施の形態では、半導体発光素子1は、窒化物半導体材料を含む半導体レーザ素子であって、図1Bに示すように、基板10と、第1半導体層20と、発光層30と、第2半導体層40と、電極部材50と、誘電体層60と、n側電極80と、を備える。
第2半導体層40は、図1Bに示すように、レーザ共振器長方向(図1BのY軸方向)に延在するストライプ状の凸部からなる導波路部40a1~40a5と、各導波路部の根元から横方向(言い換えると、図1BのX軸方向)に広がる平坦部40bと、を有する。導波路部40a1~40a5の位置は、それぞれ、発光部71~75の位置に対応する。
半導体発光素子1内に設けられる導波路部の個数は、三つ以上であればよく、半導体発光素子1を高い光出力(例えばワットクラス)で動作させるには、5本以上であってもよい。本実施の形態では、半導体発光素子1は、5本の導波路部40a1~40a5を有する。導波路部40a1~40a5は互いに平行に配置される。これにより、各導波路部に対応する各発光部から同じ方向に光が出射される。
各導波路部の幅及び間隔(各導波路部の中心間距離)は、特に限定されるものではない。例えば、各導波路部のX軸方向の幅は1μm以上100μm以下で、隣り合う導波路部の間隔は、50μm以上1000μm以下である。半導体発光素子1を高い光出力(例えばワットクラス)で動作させるには、各導波路部の幅を10μm以上50μm以下とし、隣合う導波路部の間隔を300μm以上500μm以下にしてもよい。本実施の形態では、各導波路部の幅は、30μmであり、間隔は400μmである。また、各導波路部の間隔は、半導体発光素子1内において等間隔である必要はない。半導体発光素子1内の温度分布や応力等の影響を考慮して、各導波路部の間隔を不均一にしてもよい。
各導波路部の高さは、特に限定されることはないが、一例として、100nm以上1μm以下である。半導体発光素子1を高い光出力(例えばワットクラス)で動作させるには、300nm以上800nm以下にしてもよい。本実施の形態では、各導波路部の高さは600nmである。
基板10は、例えば、GaN基板である。本実施の形態では、基板10として、主面が(0001)面であるn型六方晶GaN基板を用いている。
第1半導体層20は、基板10の上方に配置されている。第1半導体層20は、例えば、n型AlGaNからなるn側クラッド層である。
発光層30は、第1半導体層20の上方に配置されている。発光層30は、窒化物半導体によって構成される。発光層30は、例えば、図1Bに示すように、第1半導体層20側から順に、n-GaNからなるn側光ガイド層31と、InGaN量子井戸層からなる活性層32と、p-GaNからなるp側光ガイド層33とが積層された積層構造を有する。発光層30は、発光部71~75を含む。発光部71~75は、導波路部40a1~40a5に対応する位置に配置される部分であり、半導体発光素子1から出射される光の大部分が発生かつ伝播する部分である。本実施の形態では、各発光部は、各導波路部の下方(つまり、図1Bにおける下側)に配置される。各発光部の幅(つまり、図1BのX軸方向の幅)は、各導波路部の幅(つまり、図1BのX軸方向の幅)と同程度である。なお、発光部71~75以外の部分においても、光が発生又は伝播してもよい。
第2半導体層40は、発光層30の上方に配置されている。第2半導体層40は、例えば、図1Bに示すように、発光層30側から順に、AlGaNからなる電子障壁層41と、p型AlGaN層からなるp側クラッド層42と、p型GaNからなるp側コンタクト層43とが積層された積層構造を有する。p側コンタクト層43は、導波路部40a1~40a5の最上層として形成されている。
これらの各層は、成長条件を調整することで、ほぼ均一な膜厚で形成することができる。
図1Bに示すように、p側クラッド層42は、凸部を有している。このp側クラッド層42の凸部とp側コンタクト層43とによってストライプ状の導波路部40a1~40a5が構成されている。また、p側クラッド層42は、各導波路部の両側方に、平坦部40bとして平面部を有している。つまり、平坦部40bの最上面は、p側クラッド層42の表面であり、平坦部40bの最上面にはp側コンタクト層43が形成されていない。
電極部材50は、第2半導体層40の上方に配置されている。電極部材50は、各導波路部よりも幅広である。つまり、電極部材50の幅(X軸方向の幅)は、各導波路部の幅(X軸方向の幅)よりも大きい。電極部材50は、誘電体層60及び各導波路部の上面と接触している。
本実施の形態において、電極部材50は、各発光部への電流供給のためのp側電極51と、p側電極51の上方に配置されたパッド電極52と、を有する。
p側電極51は、各導波路部の上面と接触している。p側電極51は、各導波路部の上方においてp側コンタクト層43とオーミック接触するオーミック電極であり、各導波路部の上面であるp側コンタクト層43の上面と接触している。p側電極51は、例えば、Pd、Pt、Niなどの金属材料を用いて形成される。本実施の形態において、p側電極51は、Pd/Ptの2層構造を有する。
パッド電極52は、各導波路部よりも幅広であって、誘電体層60と接触している。つまり、パッド電極52は、各導波路部及び誘電体層60を覆うように形成されている。パッド電極52は、例えば、Ti、Ni、Pt、Auなどの金属材料を用いて形成される。本実施の形態において、パッド電極52は、Ti/Pt/Auの3層構造を有する。
なお、図1Aに示すように、パッド電極52は、半導体発光素子1を個片化する際の歩留まりを向上させるために、半導体発光素子1の上面視において、誘電体層60の内側(つまり第2半導体層40の内側)に形成されている。すなわち、半導体発光素子1を上面視した場合に、パッド電極52は、半導体発光素子1の端部周縁には形成されていない。これにより、半導体発光素子1は、端部周縁に電流が供給されない非電流注入領域を有する。また、パッド電極52が形成されている領域の各導波路部の長手方向(つまりY軸方向)に垂直な断面形状は、どの部分でも図1Bに示される形状となる。
誘電体層60は、光を閉じ込めるために、各導波路部の側面に配置された絶縁膜である。具体的には、誘電体層60は、各導波路部の側面(つまり、図1BのX軸方向と交差する面)から平坦部40bにわたって連続的に形成されている。本実施の形態において、誘電体層60は、各導波路部の周辺において、p側コンタクト層43の側面とp側クラッド層42の凸部の側面とp側クラッド層42の上面とにわたって連続して形成されている。本実施の形態では、誘電体層60は、SiOで形成される。
誘電体層60の形状は、特に限定されるものではないが、誘電体層60は、各導波路部の側面及び平坦部40bと接していてもよい。これにより、各導波路部の直下で発光した光を安定的に閉じ込めることができる。
また、高い光出力で動作させること(つまり高出力動作)を目的とした半導体発光素子では、光出射端面には誘電体多層膜などの端面コート膜が形成される。この端面コート膜は、端面のみに形成することが難しく、半導体発光素子1の上面にも回りこむ。この場合、半導体発光素子1のレーザ共振器長方向(つまり、図1A及び図1BのY軸方向)の端部では、パッド電極52が形成されていないため、端面コート膜が上面にまで回りこんでしまうと、半導体発光素子1の長手方向の端部で誘電体層60と端面コート膜とが接してしまう場合がある。この際、誘電体層60が形成されていない場合、又は、誘電体層60の膜厚が光閉じ込めに対して薄い場合には、端面コート膜の影響を受けるため、光損失の原因となる。そこで、発光層30で発生した光を十分に閉じ込めるには、誘電体層60の膜厚は、100nm以上にしてもよい。一方、誘電体層60の膜厚が厚すぎると、パッド電極52の形成が困難となるため、誘電体層60の膜厚は、各導波路部の高さ以下にしてもよい。
また、各導波路部の側面及び平坦部40bには、各導波路部を形成する際のエッチング工程でエッチングダメージが残存してリーク電流が発生する場合がある。しかしながら、本実施の形態では、各導波路部及び平坦部40bを誘電体層60で被覆することで、不要なリーク電流の発生を低減できる。
n側電極80は、基板10の下方に配置された電極であり、基板10とオーミック接触するオーミック電極である。n側電極80は、例えば、Ti/Pt/Auからなる積層膜である。n側電極80の構成はこれに限定されない。n側電極80は、Ti及びAuが積層された積層膜であってもよい。
基板10は、図1Bに示すように、導波路部40a1~40a5の配列方向(X軸方向)の位置に応じてその厚さが異なる。本実施例では、各導波路部直下の基板10の厚さを、左端の導波路部の直下から順番にd1、d2、d3、d4及びd5と定義する。言い換えると、発光部71~75の直下の基板10の厚さをそれぞれd1~d5と定義する。なお、各導波路部直下の基板厚さとは、各導波路部(又は各発光部)の幅方向(X軸方向)の中心を通り、基板10と第1半導体層20の境界面に垂直な線上の、基板10と第1半導体層20との境界から、基板10とn側電極80との境界までの距離のことである。本実施の形態では、左端の導波路部40a1と中央の導波路部40a3との間及び右端の導波路部40a5と中央の導波路部40a3との導波路部の間において、基板10の厚さは連続的に変化しており、d3>d1及びd3>d5の関係がある。つまり、基板10の厚さは、配列方向の中央側において両方の端部側より大きい。また、基板10の下面(図1Bの下方の面)は、配列方向の中央側が凸状になるよう傾斜している。以上のような基板10を有する半導体発光素子1が奏する作用及び効果については後述する。
[半導体発光素子の製造方法]
次に、実施の形態に係る半導体発光素子1の製造方法について、図2A~図2Iを用いて説明する。図2A~図2Iは、実施の形態に係る半導体発光素子1の製造方法における各工程を示す断面図である。
まず、図2Aに示すように、主面が(0001)面であるn型六方晶GaN基板である基板10上に、有機金属気層成長法(Metalorganic Chemical Vapor Deposition;MOCVD法)を用いて、第1半導体層20、発光層30及び第2半導体層40を順次成膜する。
具体的には、厚さ400μmの基板10の上に、第1半導体層20としてn型AlGaNからなるn側クラッド層を3μm成長させる。続いて、n-GaNからなるn側光ガイド層31を0.1μm成長させる。続いて、InGaNからなるバリア層とInGaN量子井戸層との3周期からなる活性層32を成長させる。続いて、p-GaNからなるp側光ガイド層33を0.1μm成長させる。続いて、AlGaNからなる電子障壁層41を10nm成長させる。続いて、膜厚1.5nmのp-AlGaN層と膜厚1.5nmのGaN層とを160周期繰り返して形成した厚さ0.48μmの歪超格子からなるp側クラッド層42を成長させる。続いて、p-GaNからなるp側コンタクト層43を0.05μm成長させる。ここで、各層において、Ga、Al及びInを含む有機金属原料には、例えば、それぞれトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアンモニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)を用いる。また、窒素原料には、アンモニア(NH)を用いる。
次に、図2Bに示すように、第2半導体層40上に、第1保護膜91を成膜する。具体的には、p側コンタクト層43の上に、シラン(SiH)を用いたプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって、第1保護膜91として、シリコン酸化膜(SiO)を300nm成膜する。
なお、第1保護膜91の成膜方法は、プラズマCVD法に限るものではなく、例えば、熱CVD法、スパッタ法、真空蒸着法、又は、パルスレーザ成膜法など、公知の成膜方法を用いることができる。また、第1保護膜91の成膜材料は、上記のものに限るものではなく、例えば、誘電体や金属など、後述する第2半導体層40(p側クラッド層42、p側コンタクト層43)のエッチングに対して、選択性のある材料であればよい。
次に、図2Cに示すように、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を用いて、第1保護膜91が帯状に残るように、第1保護膜91を選択的に除去する。エッチング法としては、例えば、CFなどのフッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)によるドライエッチング、又は、1:10程度に希釈した弗化水素酸(HF)などを用いたウェットエッチングを用いることができる。
次に、図2Dに示すように、帯状に形成された第1保護膜91をマスクとして、p側コンタクト層43及びp側クラッド層42をエッチングすることで、第2半導体層40に導波路部40a1~40a5及び平坦部40bを形成する。p側コンタクト層43及びp側クラッド層42のエッチングとしては、Clなどの塩素系ガスを用いたRIE法によるドライエッチングを用いてもよい。
次に、図2Eに示すように、帯状の第1保護膜91を弗化水素酸などを用いたウェットエッチングによって除去した後、p側コンタクト層43及びp側クラッド層42を覆うように、誘電体層60を成膜する。つまり、導波路部40a1~40a5及び平坦部40bの上に誘電体層60を形成する。誘電体層60としては、例えば、シラン(SiH)を用いたプラズマCVD法によって、シリコン酸化膜(SiO)を300nm成膜する。
なお、誘電体層60の成膜方法は、プラズマCVD法に限るものではなく、熱CVD法、スパッタ法、真空蒸着法、又は、パルスレーザ成膜法などの成膜方法を用いてもよい。
次に、図2Fに示すように、フォトリソグラフィー法と弗化水素酸を用いたウェットエッチングとにより、導波路部40a1~40a5上の誘電体層60のみを除去して、p側コンタクト層43の上面を露出させる。その後、真空蒸着法及びリフトオフ法を用いて、導波路部40a1~40a5上のみにPd/Ptからなるp側電極51を形成する。具体的には、誘電体層60から露出させたp側コンタクト層43の上にp側電極51を形成する。
なお、p側電極51の成膜方法は、真空蒸着法に限るものではなく、スパッタ法又はパルスレーザ成膜法などであってもよい。また、p側電極51の電極材料は、Ni/Au系、Pt系など、第2半導体層40(p側コンタクト層43)とオーミック接触する材料であればよい。
次に、図2Gに示すように、p側電極51、誘電体層60を覆うようにパッド電極52を形成する。具体的には、フォトリソグラフィー法などによって、形成したい部分以外にレジストをパターニングし、基板10の上方の全面に真空蒸着法などによってTi/Pt/Auからなるパッド電極52を形成し、リフトオフ法を用いて不要な部分の電極を除去する。これにより、p側電極51、誘電体層60の上に所定形状のパッド電極52を形成できる。以上のように、p側電極51及びパッド電極52からなる電極部材50が形成される。
次に、図2Hに示すように、基板10を薄膜化する。これは、個片化を容易にするため、及び放熱性を向上させるのが目的である。基板10は、砥粒と薬液とを用いた物理的及び化学的研磨により薄膜化できる。本実施の形態では、厚さ400μmの基板10を厚さ約85μmまで薄膜化した。この際に、基板10を研磨面に対して斜めに設置することで、基板の厚さ分布を制御できる。具体的には、基板の中央部が基板の端部よりも約3μm厚くなるように、基板を研磨台に対して約0.1度傾けて研磨した。本実施の形態では、研磨により、図1Bで定義した基板厚さ(d1~d5)を、d1=85μm、d2=87μm、d3=88μm、d4=86μm、d5=84μmとした。このように、基板10の下面に凸形状を形成することができる。
なお、研磨以外の手法でも、例えば、ドライエッチングなどでも基板厚さの分布を調整できる。反応性ガスに高電圧を印加することでプラズマを発生させ、このプラズマ中のイオン又はラジカルがウエハに衝突することでエッチングが進行する。このときに、プラズマの密度又はエネルギーに差があれば、基板10の位置に応じてエッチング量を調整できる。
例えば、供給するガスをウエハの端部から供給し、ウエハの中央部から排気することで、基板10の位置に応じてエッチング量を調整できる。この手法ではガス供給の上流側でプラズマが多く生成され、下流側では少なくなる。この結果、上流側でエッチングが多く進行し、下流側で少なく進行する。
別の手法として、ガス供給を均一にした場合でも、印加する高電圧の分布を変えることで、基板10の位置に応じてエッチング量を調整できる。例えば、ウエハの端部に高電圧を印加し、中央部では、これよりも小さい電圧を印加することで、基板10の位置に応じてエッチング量を変えることができる。
次に、図2Iに示すように、基板10の下面にn側電極80を形成する。具体的には、基板10の裏面に真空蒸着法などによってTi/Pt/Auからなるn側電極80を形成し、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を用いてパターニングすることで、所定形状のn側電極80を形成する。これにより、本実施の形態に係る半導体発光素子1を製造することができる。
[半導体発光装置]
次に、本実施の形態に係る半導体発光素子1が実装された半導体発光装置について、図3Aを用いて説明する。図3Aは、本実施の形態に係る半導体発光装置2の構成を示す模式的な断面図である。図3Aに示すように、半導体発光装置2は、半導体発光素子1と、サブマウント100と、を備える。サブマウント100は、第1基台101と、第1電極102aと、第3電極102bと、第1接着層103aと、第3接着層103bと、を有する。
第1基台は、半導体発光素子1の基板10の下方に配置された基台であり、ヒートシンクとして機能する。第1基台101の材料は、特に限定されるものではないが、アルミナイトライド(AlN)、シリコンカーバイト(SiC)などのセラミック、CVDで成膜されたダイヤモンド(C)、CuやAlなどの金属単体、又は、CuWなどの合金など、半導体発光素子1と比べて熱伝導率が同等かそれ以上の材料で構成されていてもよい。
第1電極102aは、第1基台101の一方の面に配置される。また、第3電極102bは、第1基台101の他方の面に配置される。本実施の形態では、第1電極102aは、第1基台101の半導体発光素子1側の面に配置される。第1電極102a及び第3電極102bは、例えば、膜厚0.1μmのTi、膜厚0.2μmのPt及び膜厚0.2μmのAuの三つの金属膜からなる積層膜である。
第1接着層103aは、半導体発光素子1を第1基台に接着する接着層である。第1接着層103aは、第1電極102aの上方に配置される。第3接着層103bは、第3電極102bの上方に形成される。第1接着層103a及び第3接着層103bは、例えば、Au及びSnがそれぞれ70%及び30%の含有率で含まれる金スズ合金からなる共晶半田である。本実施の形態では、第1接着層103a及び第3接着層103bの最大厚さは、6μm程度である。第1接着層103aは、半導体発光素子1の基板10及び第1基台101より熱伝導率が低い。
半導体発光素子1は、サブマウント100に実装される。本実施の形態では、半導体発光素子1のn側電極80側の面がサブマウント100に接続される実装形態、つまりジャンクションアップ実装であるので、半導体発光素子1のn側電極80がサブマウント100の第1接着層103aに接続される。ここで、半導体発光素子1の基板10の上面は、発光部71~75の配列方向において、第1基台101の第1接着層103aとの接合面と平行である。これにより、半導体発光素子1からの出射光の伝播方向と、第1基台101の上面と、がほぼ平行になるため、第1基台101の上面を光軸のアライメントの基準として利用できる。このため、光軸調整が容易な半導体発光装置2を実現できる。
図1Bで示したように、配列方向中央の導波路部40a3の直下の基板10の厚さd3、右端の導波路部40a5直下の厚さd5、左端の導波路部40a1直下の厚さd1の間には、d3>d1及びd3>d5の関係がある。ここで、図3Aに示すように、5つの導波路部40a1~40a5直下(つまり、発光部71~75直下)の第1接着層103aの厚さを、左から順番に、s1、s2、s3、s4及びs5と定義する。本実施の形態では、s1=4.2μm、s2=2.1μm、s3=1.0μm、s4=2.9μm、s5=4.8μmである。s1、s3、s5の間には、s3<s1及びs3<s5の関係がある。つまり、中央部の第1接着層103aの厚さs3が、端部の第1接着層103aの厚さs1及びs5よりも薄くなっている。また、第1接着層103aの厚さは、基板10の中央部と基板10の端部間の厚さの差よりも厚い。なお、本実施の形態のように、第1接着層103aに金スズ半田を用いて実装する場合、金スズ半田がn側電極80の金及び第1電極102aの金と共晶反応を起こすため、境界を判別するのが困難となることがある。その場合は、ここでの第1接着層103aの厚さは、n側電極80の金スズと共晶反応しない層(例えば、Pt)から、第1電極102aの金スズと共晶反応しない層(例えば、Pt)までの距離と定義する。なお、図示しないが、サブマウント100は、放熱性の向上及び取り扱いの簡便化の目的で、例えば、金属パッケージに実装される。つまり、第3接着層103bによって金属パッケージに接着される。なお、第1基台101自体がパッケージとして機能してもよい。この場合、サブマウント100は、第3接着層103bを備えなくてもよい。
また、図3Aに示した半導体発光装置2では、半導体発光素子1はジャンクションアップ実装されたが、半導体発光素子1の電極部材50側がサブマウント100に接続される実装形態、すなわちジャンクションダウン実装を適用してもよい。以下、このような実装形態について図3Bを用いて説明する。
図3Bは、本実施の形態の変形例に係る半導体発光装置3の構成を示す模式的な断面図である。図3Bに示すように、本変形例に係る半導体発光装置3は、半導体発光素子1と、サブマウント300と、放熱部200と、を備える。サブマウント300は、第2基台301と、第2電極302aと、第4電極302bと、第2接着層303aと、第4接着層303bと、を有する。放熱部200は、第1基台201と、第1接着層203と、を有する。
第1基台201は、半導体発光素子1の基板10の下面(図3Bの上側面)の下方(図3Bの上側)に配置された基台である。第1接着層203は、半導体発光素子1を第1基台201に接着する接着層である。
第2基台301は、半導体発光素子1を挟んで第1基台201とは反対側に配置された基台である。第2接着層303aは、半導体発光素子1を第2基台301に接着する接着層である。第2電極302aは、第2基台301の一方の面に配置される。また、第4電極302bは、第2基台301の他方の面に配置される。本実施の形態では、第2電極302aは、第2基台301の半導体発光素子1側の面に配置される。
本変形例に係る第2基台301及び第1基台201は、半導体発光装置2の第1基台101と同様の構成を有する。また、本変形例に係る第2電極302a及び第4電極302bは、半導体発光装置2の第1電極102a及び第3電極102bと同様の構成を有する。第4接着層303bは、半導体発光装置2の第3接着層103bと同様の構成を有する。
半導体発光装置3では、半導体発光素子1の電極部材50がサブマウント300の第2接着層303aに接続される。このように、半導体発光素子1をジャンクションダウン実装することで、発熱源に近い電極部材50側がサブマウント300に接続されるので、半導体発光素子1の放熱性を向上させることができる。第2接着層303aは、例えば、Au(70%)及びSn(30%)の金スズ合金からなる最大厚さ3μm程度の共晶半田である。さらに、放熱性を向上させるため、n側電極80側にも放熱部200を接続する。放熱部200上の一面には、第1接着層203が形成されており、この第1接着層203がn側電極80と接続されている。このように、半導体発光素子1の両側を熱伝導率が高い材料で挟むことで、半導体発光装置3の放熱性を向上させることができる。
本変形例では、半導体発光素子1のn側電極80が接続される第1接着層203の厚さが、中央部と端部で異なる。図3Bに示すように、第1接着層203の厚さを、w1、w2、w3、w4及びw5と定義する。基板10の厚さ(d1~d5)は、半導体発光装置2と同様である。本変形例では、w1=4.3μm、w2=2.2μm、w3=1.2μm、w4=3.1μm、w5=5.1μmであった。
第1接着層203は、例えば、半導体発光装置2と同様に、膜厚0.1μmのTi、膜厚0.2μmのPt及び膜厚0.2μmのAuの三つの金属膜からなる積層膜上に、Au及びSnがそれぞれ70%及び30%の含有率で含まれる金スズ合金からなる最大厚さ6μm程度の共晶はんだが形成された構造である。この場合、n側電極80と放熱部200とを強固に接続できるため、半導体発光素子1からの熱を効率よく排熱することができる。また、第1接着層203として、例えば、金などの第1基台201及び基板10に対して柔らかい材料を用いることもできる。この場合、第1接着層203とn側電極80は接触しているだけなので半導体発光素子1の固定はできないが、レーザからの熱を排熱することができる。また、この構成では半導体発光素子にかかる不要な応力を減らすことができるため、信頼性が向上する。
また、本実施の形態では、各接着層の材料として金スズ合金を示したが、Sn-Ag系、Sn-Cu系半田など、基板10、第1基台101及び201、並びに、第2基台301より熱伝導率が低い材料であれば、公知の半導体接合に用いられている材料を用いてもよい。
[半導体発光装置の作用効果]
次に、本実施の形態に係る半導体発光装置2の作用効果について、図4を用いて説明する。図4は、実施の形態に係る半導体発光装置2の各導波路部の温度の概要を示すグラフである。図4において、本実施の形態に係る半導体発光装置2における半導体発光素子1の各導波路部の温度が実線で示されており、特許文献1に記載されたような構成を有する比較例の半導体発光装置の各導波路部の温度が破線で示されている。比較例の半導体発光装置では、図4に破線で示すように、中央部の導波路部40a3の温度が、端部の導波路部の温度よりも高い。これは、中央に近い導波路部ほど外側の導波路部で発生した熱の影響を受けるためである。
これに対し、本実施の形態に係る半導体発光装置は、上述したように、半導体発光素子1と、基板10の下面の下方に配置された第1基台101と、半導体発光素子1を第1基台101に接着する第1接着層103aと、を備える。また、基板10は、第1接着層103aより熱伝導率が高く、第1接着層103aの厚さは、三つ以上の発光部の配列方向の中央側において、両方の端部側より小さい。
このように、基板10より熱伝導率が低い第1接着層103aの配列方向の中央側における厚さを小さくすることで、第1接着層103aの中央側での放熱性を両方の端部側より高めることができる。これにより、三つ以上の発光部71~75のうち配列方向の中央側の発光部が、隣接する発光部との熱干渉に起因して、両方の端部側の発光部より高温となることを抑制できる。このため、図4に実線で示すように、配列方向の中央部の導波路部の温度を下げることで、ほぼ均一な温度分布を実現できる。
この効果について、より具体的に説明する。第1接着層103aは、金スズ合金で構成されており、その熱伝導率は57W/m・Kである。また、基板10は、GaNで構成されており、その熱伝導率は200W/m・Kである。このように接合に用いられている第1接着層103aは基板10より熱伝導率が低いため、第1接着層103aが薄くなるにしたがって放熱性は向上する。一方、半導体発光素子1と第1基台101との接合強度を保つためには、第1接着層103aにはある程度の厚さが必要となるため、一様に第1接着層103aを薄くすることはできない。そこで本実施の形態では、第1接着層103aより熱伝導率の高い基板10の中央部を厚くすることで、その直下の第1接着層103aを薄くし、配列方向の中央部のみ放熱性を向上させている。なお、半導体発光素子1の両側を挟み込んだ上記変形例に係る半導体発光装置3においても同様の効果を得られる。半導体発光装置3においては、配列方向の中央部の第1接着層203の厚さを薄くすることで、温度分布を均一化している。
以上のように、本実施の形態に係る半導体発光装置2及び変形例に係る半導体発光装置3では、三つ以上の発光部における温度分布の不均一を抑制できるため、半導体発光装置の信頼性の悪化を抑制できる。
(変形例)
以上、本開示に係る半導体発光装置について、実施の形態及び変形例に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態等に限定されるものではない。
例えば、上記実施の形態等に対して当業者が思い付く各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で実施の形態及び変形例における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
例えば、上記実施の形態に係る半導体発光装置2においては、半導体発光素子1の基板10は、中央の導波路部40a3の直下(つまり、発光部73の直下)における基板10の厚さが最大であったが、基板10の構成はこれに限定されない。以下、各変形例について図5A~5D及び図6を用いて説明する。図5A~図5Dは、それぞれ変形例1~4に係る半導体発光装置2a~2dの構成を示す模式的な断面図である。図6は、変形例5に係る半導体発光装置402の構成を示す模式的な断面図である。図5A~図5Cに示す半導体発光装置2a~2cは、それぞれ半導体発光素子1a~1cの基板10a~10cの形状において、実施の形態に係る半導体発光装置2と相違しその他の点において一致する。また、図5Dに示す半導体発光装置2dは、半導体発光素子1dの導波路部(つまり、発光部)の個数において、実施の形態に係る半導体発光装置2と相違しその他の点において一致する。
図5Aに示す変形例1に係る半導体発光装置2aのように、基板10aの厚さは、中央の導波路部40a3の直下で最大とならなくてもよい。このような構成であっても、導波路部40a1~40a5のそれぞれの直下の基板10aの厚さd1~d5に対して、d1<d2<d3、かつ、d3>d4>d5が成り立ち得る。これに伴い、導波路部40a1~40a5のそれぞれの直下の第1接着層103aの厚さs1~s5に対して、s1>s2>s3、かつ、s3<s4<s5が成り立つ。このため、本変形例に係る半導体発光装置2aにおいても、上記実施の形態に係る半導体発光装置2と同様の効果を得られる。
また、図5Bに示す変形例2に係る半導体発光装置2bのように、基板10bの厚さは、中央の導波路部40a3の直下付近で一様となってもよい。言い換えると、基板10bの下面は、配列方向の中央付近で上面と平行であってもよい。このような構成であっても、導波路部40a1~40a5のそれぞれの直下の第1接着層103aの厚さs1~s5に対して、s1>s2>s3、かつ、s3<s4<s5が成り立ち得る。このため、本変形例に係る半導体発光装置2bにおいても、上記実施の形態に係る半導体発光装置2と同様の効果を得られる。
また、図5Cに示す変形例3に係る半導体発光装置2cのように、基板10cの厚さは、ステップ状に変化してもよい。言い換えると、基板10cの厚さは、離散的に変化してもよい。このような構成であっても、導波路部40a1~40a5のそれぞれの直下の第1接着層103aの厚さs1~s5に対して、s1>s2>s3、かつ、s3<s4<s5が成り立ち得る。このため、本変形例に係る半導体発光装置2cにおいても、上記実施の形態に係る半導体発光装置2と同様の効果を得られる。
また、図5Dに示す変形例4に係る半導体発光装置2dのように、導波路部及び発光部の個数は偶数であってもよい。このような構成であっても、導波路部40a1~40a4のそれぞれの直下の第1接着層103aの厚さs1~s4に対して、s1>s2、かつ、s3<s4が成り立ち得る。つまり、第1接着層103aの厚さは、三つ以上の発光部71~74の配列方向の中央側において、両方の端部側より小さい。このため、本変形例に係る半導体発光装置2dにおいても、上記実施の形態に係る半導体発光装置2と同様の効果を得られる。
また、図6に示す変形例5に係る半導体発光装置402のように、厚さの一様な基板410を有する半導体発光素子401と、サブマウント500と、を備えてもよい。サブマウント500は、第1基台501と、第1電極502aと、第1接着層503aと、第3電極502bと、第3接着層503bと、を有する。本変形例に係る導波路部40a1~40a5のそれぞれ直下における第1基台501の厚さt1~t5は、半導体発光素子401の発光部71~75の配列方向の中央側において大きく、端部側において小さい。これに伴い、第1基台501の半導体発光素子401側の面における配列方向の中央部が突出する。より詳しくは、第1基台501の半導体発光素子401側の面は、配列方向の中央側が凸状になるよう傾斜している。このため、第1接着層503aの厚さは、発光部71~75の配列方向の中央側において、両方の端部側より小さい。また、本変形例においても、上記実施の形態と同様に、第1基台501は、第1接着層503aより熱伝導率が高い。このように、本変形例に係る半導体発光装置402においては、第1基台501より熱伝導率が低い第1接着層503aの配列方向の中央側における厚さを小さくすることで、第1接着層503aの中央側での放熱性を両方の端部側より高めることができる。これにより、三つ以上の発光部71~75のうち配列方向の中央側の発光部が、隣接する発光部との熱干渉に起因して、両方の端部側の発光部より高温となることを抑制できる。
また、上記実施の形態及び各変形例では、三つ以上の発光部の配列方向の中央部において基板及び第1基台の一方だけが凸状に突出する構成を有したが、基板及び第1基台の両方が凸状に突出してもよい。また、三つ以上の発光部の配列方向の中央部において、第2基台が半導体発光素子に向かって凸状に突出してもよい。これにより、第2接着層の厚さを、三つ以上の発光部の配列方向の中央側において、両方の端部側より小さくすることができる。これにより、第2基台側においても、第1基台側と同様に、配列方向の中央側での放熱性を両方の端部側より高めることができる。
また、上記実施の形態及び各変形例に係る各半導体発光素子においては、窒化物半導体が用いられたが、半導体発光素子において用いられる半導体材料は、これに限定されない。例えば、半導体発光素子は、活性層がGaAs及びAlGaAsからなる量子井戸構造を有し、赤色レーザ光を出射してもよいし、活性層がInP及びInGaAsPからなる量子井戸構造を有し、赤外レーザ光を出射してもよい。
また、上記実施の形態及び各変形例では、第1接着層及び第2接着層は、ゼロより大きい厚さを有したが、厚さがゼロの領域を有してもよい。例えば、三つ以上の発光部の配列方向の中央部において第1接着層及び第2接着層の厚さはゼロであってもよい。この場合、半導体発光素子の基板と第1基台及び第2基台とが接してもよい。
また、上記実施の形態及び各変形例では、半導体発光素子の基板として半導体基板を用いたが、半導体発光素子の基板は、半導体でなくてもよい。例えば、基板は、サファイアなどで形成されてもよい。この場合、第1導電側の電極は、基板の上面側に配置されてもよい。
また、上記実施の形態及び各変形例に係る半導体発光素子においては、第2半導体層に形成されたストライプ構造を用いて電流狭窄を実現したが、電流狭窄を実現するための手段は、これに限定されず、電極ストライプ構造、埋め込み型構造などを使用してもよい。
本開示に係る半導体発光装置は、画像表示装置、照明又は産業機器などの光源として利用することができ、特に、比較的に高い光出力を必要とする機器の光源として有用である。
1、1a、1b、1c、1d、401 半導体発光素子
2、2a、2b、2c、2d、3、402 半導体発光装置
10、10a、10b、10c、410 基板
20 第1半導体層
30 発光層
31 n側光ガイド層
32 活性層
33 p側光ガイド層
40 第2半導体層
40a1、40a2、40a3、40a4、40a5 導波路部
40b 平坦部
41 電子障壁層
42 p側クラッド層
43 p側コンタクト層
50 電極部材
51 p側電極
52 パッド電極
60 誘電体層
71、72、73、74、75 発光部
80 n側電極
91 第1保護膜
100、300、500 サブマウント
101、201、501 第1基台
102a、502a 第1電極
102b、502b 第3電極
103a、203、503a 第1接着層
103b、503b 第3接着層
200 放熱部
301 第2基台
302a 第2電極
302b 第4電極
303a 第2接着層
303b 第4接着層
1003 支持体
1006 導電性接着材
1007 金属配線体
1008 レーザ電極
1009 樹脂
1010 アレイ型半導体レーザ素子
1011、1012、1013、1014 ストライプ

Claims (5)

  1. 基板と、前記基板上に成長され、前記基板の上面に沿って配列された三つ以上の発光部と、を有する半導体発光素子と、
    前記基板の下面の下方に配置された第1基台と、
    前記半導体発光素子を前記第1基台に接着する第1接着層と、を備え、
    前記基板は、前記第1接着層より熱伝導率が高く、
    前記第1接着層の厚さは、前記三つ以上の発光部の配列方向の中央側において、両方の端部側より小さく、
    前記第1接着層は、前記基板と前記第1基台との間から、前記基板の前記配列方向における両方の端部の外側にまで延在する
    前記基板の厚さは、前記配列方向の中央側において両方の端部側より大きい
    半導体発光装置。
  2. 前記基板の前記下面は、前記配列方向の中央側が凸状になるよう傾斜している
    請求項記載の半導体発光装置。
  3. 前記基板の前記上面は、前記配列方向において、前記第1基台の前記第1接着層との接合面と平行である
    請求項1又は2記載の半導体発光装置。
  4. さらに、前記半導体発光素子を挟んで前記第1基台とは反対側に配置された第2基台と、
    前記半導体発光素子を前記第2基台に接着する第2接着層と、を備える
    請求項1~の何れか1項に記載の半導体発光装置。
  5. 前記第1基台は、前記第1接着層より熱伝導率が高い
    請求項1~の何れか1項に記載の半導体発光装置。
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