JPS606117B2 - 注入型半導体発光素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、吸熱体に接着された注入型半導体発光素子に
関し、とくに注入蓬半導体レーザ装置に関する。

ダブルヘテロ接合レーザの出現によって閥値電流密度が
下り、発振領域を中狭く限定したいわゆるストライプ構
造の採用によって闇値電流も下って室温連続発振が比較
的容易になった。

室温連続発振を実現するためには上記の特性改善は勿論
の事、レーザ結晶を熱伝導率の高い吸熱体に熱的に良好
な状態で接着する必要がある。

しかし、この接着時にレーザ結晶に歪が入って寿命を短
くする事がよく知られている。これは放熱特性を良くす
る目的で、発振領域である活性層が吸熱体に接着される
側の表面からわずか３〜５山しかもはなれていないため
に、接着によって非常に容易に活性層に歪が導入される
からである。これを解決する方法としては、これ迄、室
温で塑性変形を最も容易に起こす欧金属の一つであるｌ
ｎを用いて接着する方法がよく知られている。しかし、
−ｌｎは余りにも軟らかいために、動作中、機械的振動
や周囲温度の変化による膨張変形等で、レーザ結晶が位
置ずれを起こし、機械的に不安定であると共に、その結
果として、熱抵抗の増大を招いて光出力の低下をきたす
事が、長時間の間にはよく起こる。また悪い接着の他の
例としては、敏金属に属するがｌｎ程軟らかくはないＳ
ｎを用いた場合が知られている。

しかしダイヤモンド（Ｄａ型）吸熱体にＳｎで接着する
と、レーザ結晶に歪が入り寿命を著しく短くする事が報
告されている（例えばアプライド・フィジィックス・レ
ターズ誌いＡｐｐｌ．ＰｈｙＳ‐Ｌｅは‐，″ Ｖ。夕
． ２３，Ｎ。３，ｐｐ．１４７（Ａｕｇ．１９７３
））。

このように実用に耐える、吸熱体へ接着された半導体レ
ーザは、寿命への悪影響の結果、これ迄全く確立されて
いなかったといって過言ではない。

この状況はしーザ動作しない発光ダイオードについても
同様であった。本発明の目的は、吸熱体への接着によっ
て、発光素子結晶に歪を与えて劣化を促す事のないよう
に接着され、機械的振動等の外部じよう乱に対しても、
安定で、かつ、熱抵抗の小さな注入型半導体発光素子を
提供する事にある。

本発明によれば発光素子結晶の活性層に近い側の表面に
設けたオーミック接触金属層上に、上記発光素子結晶よ
りも熱伝導率の高い第１の金属層と、この第１の金属層
上に設けられた一層以上の第２の金属層とを有し、上記
発光素子結晶の熱膨張係数と等しいか「 より４・さな
熱膨張係数を有する吸熱体上に設けた第３の金属層と上
記第２の金属層の少なくとも一層とを合金化した接着合
金層を介して発光素子結晶を上記吸熱体に接着した注入
型半導体発光素子においいて〜上記第１の金属層が上記
接着合金層とは接着温度で化学的に反応しない金属でで
あることを特徴とする注入型半導体発光素子が得られる
。

本発明の原理は「接着合金層から局所的にレーザ結晶に
かかる歪および吸熱体の熱膨張係数が、レーザ結晶のそ
れより大きい場合に、レーザ結晶に一様にかかる歪が半
導体レーザの寿命を著しく短くするという本発明者等の
研究結果に基ずし、ている。

一般に機械的振動等による位置ズレ等を防ぐ目的とも含
めて「吸熱体にレーザ結晶を強固に接着すると著しい劣
化が導入される。

このレーザ結晶は放熱をよくするためも活性層は結晶表
面から数仏の近距離にあり「その表面のオーミック金属
は酸化防止等の目的も含めてＡｕ蒸着層でおおわれてい
る事が多い。最も良く知られている例では「 ｐ型表面
にＣｒ（〜０．１一厚）でオーミック接触がとられ、そ
の上にＣｒの保護と酸化防止の目的でＡｕ（〜１仏厚）
が設けられている。

吸熱体の典型例は、熱伝導率の高いＣｕ又はダイヤモン
ド（Ｕａ型）である。軟金属でなくし 強固に接着する
場合はｔ Ａｕ−Ｓｉ，Ａｕ−Ｇ等の合金がよく知られ
ている。また、軟金属に属するＳｎで接着する場合も〜
し−ザ結晶のオーミック電極はＡｕでおおわれている
ため、実質的にはＡｕ−Ｓｎ合金が出来て硬く接着され
ている。これら合金による接着では、一度とげてから固
まる時〜組成および厚さのむらが局部的に随所に起こる
。特にもオーミック金属がＡｕでおおわれているときは
「このＡｕと反応して「そのむらをさらにひどいものに
する。このむらは、とりもなおさず硬さのむらであり、
これがレーザ結晶に局所的な歪を与えて劣化を促す。た
とえば「ガンダイオードおよびインパツトダイオードで
開発されたＡｕメッキの吸熱体を用いても、Ａｕメッキ
が薄い場合は、このＡｕ−Ｓｎの反応が層全体にわたっ
て起ってしまう。また１００仏以上の厚い時には既に問
題になっているように、Ａｕメッキ層による歪が結晶内
に導入され、レーザ結晶にとっては望ましくない。この
ような事は、オーミック接触の表面層が、Ａｕ‘こ限ら
ず、接着時〜接着合金と反応する金属０であれば「半導
体レーザや発光ダイオードのような大電流密度動作をす
る注入型半導体発光素子では同様の著しい影響が現われ
ることを意味する。

これらの問題点を解決するには、この接着合金層を極力
接着可能な範囲で薄くし〜姿着合金層とタレーザ結晶と
の間に接着時、接着合金層と反応しない金属層を緩衝層
として設ければよく、接着合金層からしーザ結晶に与え
る局所的な歪は、かなり除去され、局所的な歪による劣
化の導入は殆んどなくなる。更に、ストライプ構造の半
導体レー０ザに設けたこの緩衝層の熱伝導率がレーザ結
晶のそれより高ければ〜熱伝導率の低い合金接着層に熱
流が達する迄に熱流が緩衝層で拡がるから、吸熱体の熱
伝導率が余り高くない時には「逆に熱抵抗は小さくなり
、室温連続発振が容易になる。ま夕たち接着層内に局所
的に熱的に不十分な所があっても〜その事による室温連
続発振閥値の上昇の度合は鈍化される。発光ダィオード
音こついても事情は全く同じである。このようにしても
「尚、吸熱体としーザ結晶の熱０膨張係数の違いによっ
て「 レーザ結晶にかかる熱歪が問題になる。

即ちト２００ｑ０以上で接着された後室徳に戻る迄に、
両者の熱膨張係数の違いによってレーザ結晶には歪が入
り「吸熱体の熱膨張係数がレーザ結晶のそれより大きけ
れば室温でレーザ結晶の接着層近傍は縮められ、逆の場
合は拡げられる。連続発振動作中、レーザ結晶の活性層
は通常２０〜３０００接着層近傍の結晶表面より温度が
上っており、その距離を考えると１ぴ〜１ぴ℃ノ肌の温
度勾配が存在しもしーザ結晶ではｔ活性層が拡がり、接
着層近傍の表面が活性層程拡がっていない。即ち「等価
的に接着層近傍の結晶表面が縮められた形の歪がレー材
結晶に導入されている。この歪は、レーザ結晶内に存在
する結晶欠陥「例えば「転位等の成長を保進させるに充
分な大きさで、結果として、値流電流の増大は、この歪
を増して劣化を速めるという作用をする。従って、吸熱
体の熱膨張係数がレーザ結晶のそれより大きい時は、接
着によってこの直流電流を印加した時と同様の歪をレー
ザ結晶に与える事になり、劣化を速めるという悪影響を
もたらす。しかし、逆に吸熱体の熱膨張係数が、レーザ
結晶のそれより小さいときは、接着によって逆方向の歪
が発生し、その歪は直流電流の印加によってレーザ結晶
に入る歪を事前に差し引いている作用をし、通電による
劣化をおさえる働きをする。

熱膨張係数差に基づく上記の効果は発光ダイオードにお
いても同機である。従って吸熱体材料には、発光素子結
晶に比べて熱膨張係数の小さいか等しいものを用いれば
、接着合金層による劣化の導入は防ぐ事が出来る。

Ｇａ船−ＮｘＧａ，Ｔ＄ダブルヘテｏ接合レーザを例に
とると、ＧａＡｓの熱膨張係数（Ｐ）は「 ５．７×１
０‐５／℃であるから、吸熱体はＧａＡｓより熱伝導率
が高い必要があるため、天然のものについては、ダイヤ
モンドロａ（Ｐ＝１．１×１０‐６／℃），Ｓｉ（Ｐ＝
２．５×１０‐６／℃），Ｍｏ（Ｐ＝５．０×１０‐６
／℃）等に限られてくる。このように考えて、接着合金
層を極力薄くし、発光素子結晶表面と接着合金層との間
に接着合金層と接着温度で化学的に反応しない熱伝導率
の高い緩衝層を設け、接着する吸熱体に発光素子結晶よ
り熱膨張係数の小さいか又はほぼ等しい材料を用いるこ
とにより、劣化を導入せずに、機械的に強固に吸熱体に
接着された「注入型半導体発光素子が発明された。

次に、本発明について、図面を参照しながら説明する。

図は「 よく知られたＧａＡｓ−ＡＬ．３Ｇも．７Ａｓ
からなるダブルヘテロ接合レーザ結晶１が、活性層の深
さが３山となっている側のＰ型層表面を下にして「Ｓｉ
吸熱体２に接着されている例で、Ｓｉ２は、更に大きな
銅放熱体兼州電極３に接着されて、熱放散されている。
Ｓｉ吸熱体２は、比抵抗０．０１夕・弧（ｐ型キャリャ
濃度〜１×１び８仇‐３）の単結晶で１肋立方に切断さ
れており、銅放熱体３との接着側にはＣｒ（０．３ム厚
）４、Ａｕ（１仏厚）５が蒸着され、レーザ結晶１との
接着側にはＣｒ（０．３ム厚）６、Ｓｎ（３仏厚）７が
蒸着されており、高キャリア濃度のためＣｒ層４および
６によってＳｉ結晶とは、オーミツク接触が得られてい
る。レーザ結晶】のＳｉ吸熱体２への接着側（ｐ型側）
には、Ｃｒ（０．３仏厚）８、ＡＩ（５ム厚）９、Ｎｉ
（０．３仏厚）１０、Ａｕ（０．３ム厚）１１が蒸着さ
れ、Ｃｒ層８によってｐ型オーミック接触が得られてい
る。

レーザ結晶１のｎ型基板側には、よく知られたＡｕ−戊
‐Ｎｉｌ２によってオーミック接触がとられて、電源の
（一）側にリード線１３で接続されている。レーザ結晶
１は、Ｓｉ吸熱体２へ、Ｓｎの融点近く約２５０℃で融
着されており、その結果Ａｕ層１ １とＳｎ層７とは、
融着後はＡｕ−Ｓｎの合金になって一体となっている。
Ｎｉ層１０は、ＡＩ層９とＡｕ層１１との接着力が弱い
ために、両者を接続する意味で設けられた層である。Ａ
ｕ層１１は０．２仏厚以下にすると、図の組合せでは接
着力が弱いため０．３仏厚が使われた。このようにする
と、レーザ結晶１の下にわずかに出来るＡｕ−Ｓｎの接
着合金層１１および７によって、レーザ結晶１の活性層
近傍にかかる局所的歪も、Ｎの緩衝層９によって十分緩
和される。

勿論、Ｓｉ吸熱体２の熱蝿酸張係数はしーザ結晶１のそ
れより小さいから、劣化を促進する歪は導入されない。
また、図の場合は、ストライプ中１５仏のレーザである
が約１５払中の活性層で発生した熱流は、熱伝導率の高
い山緩衝層９でかなり拡がってから熱伝導率の悪いＡｕ
−Ｓｎ接着合金層１ １及び７を通って熱伝導率のあま
り高くないＳｉ吸熱体１へ入るから、熱抵抗はＡＩ緩衝
層９のない場合より、かなり小さく、室温連続発振をよ
り容易にする。

図のようにして得られた結果の一例をあげると、ストラ
イプ中１５ム、共振器長２００仏の場合パルスの関値電
流８仇公、室温連続発振閥値電流１０仇ｈＡで、２０皿
Ａ直流動作で片側反射面からの光出力２靴Ｗ、１００餌
時間以上の寿命が容易に得られた。Ｓｉ吸熱体２の代り
に、熱蛇諺張係数の最も４・さし、ダイヤモンド（ロａ
型）およびレーザ結晶と殆んど同じ熱膨張係数のＭｏ吸
熱体を使用した場合も、光出力の違いはあるものの、同
様に１００餌時間以上の寿命を容易に達成した。また、
ＡＩ緩衝層９の厚さは２仏でも５仏でも寿命に対しては
充分の効果が得られた。ＡＩ緩衝層９とＡｕ層１１とは
、３００ｑｏ以上になるとＮｉ層１０を介して紫色に反
応するが、２５０つ０の融着では、何ら反応はみられな
かった。Ｓｉ吸熱体２をレーザ結晶より熱膨張係数の大
きなＣｕ吸熱体におきかえた場合、およびＡＩの緩衝層
９をなくしＡｕｌｌを厚くした場合には、殆んど全て２
餌時間以内に発振を停止し、著しいものは数時間以内で
発振を停止した。

この様に、本発明によって得られたレーザは元来のレー
ザ結晶の寿命を損う事な〈吸熱体に接着され、その機械
的接着力も充分なものである。

また、吸熱体の熱伝導率があまり高くない場合には、熱
伝導率の高い緩衝層の存在によって熱抵抗が下り、室温
連続発振を容易にする効果もある。本発明の原理から明
らかなように、接着合金層を含む全ての金属層の組合せ
は上記に限らない事は云うまでもない。

【図面の簡単な説明】

図は、本発明の実施例説明のための半導体レーザ装置断
面図で、１はしーザ結晶、２は吸熱体、３は放熱体、７
および１１は接着層、９は緩衝層、８および１２はオー
ミック接触層である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 発光素子結晶の活性層に近い側の表面に設けたオー
   ミツク接触金属層上に、前記発光素子結晶よりも熱伝導
   率の高い第１の金属層と、この第１の金属層上に設けら
   れた一層以上の第２の金属層とを有し、前記発光素子結
   晶の熱膨張係数と等しいか、より小さな熱膨張係数を有
   する吸熱体上に設けた第３の金属層と前記第２の金属層
   の少なくとも一層とを合金化した接着合金層を介して前
   記発光素子結晶を前記吸熱体に接着した注入型半導体素
   子において、前記第１の金属層が前記接着合金層とは接
   着温度で化学的に反応しない金属であることを特徴とす
   る注入型半導体発光素子。