JPS63222419A - 半導体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は高温の環境でも使用できるように放熱特性を改
善した半導体素子に関する。

【従来技術】

従来、半導体レーザ等の素子は、第４図に示すような構
造に実装され、放熱を良くするように考慮されている。 即ち、１は銅ブロック、１０はＳｉのサブマウント、２
０が半導体レーザ素子である。 第４図のよう１ヒ実装した銅ブロック１を、ここには図
示しないステム等に接合し、更にキャップを被せて、半
導体レーザアッセンブリとしている。 この場合、半導体レーザ素子２０の大きさは、縦３００
μｍ×横３００μｍｘ高さ　１００μｍぐらいであり、
組付に際して取扱いが便利なように、半導体レーザ素子
２０はＳｉサブマウント１０に組付けている。半導体レ
ーザ素子２０と、Ｓｉサブマウント１０、及び銅ブロッ
ク１のそれぞれの間の接合は、Ｉｎなどの金属を用いる
か、Ａｕ−５ｉ、　Ａｕ−５ｎなどの合金接合を用いて
いる。これにより、密着性及び放熱性を良くしている。 何れにせよ半導体レーザ素子２０で発生した熱は、Ｓｉ
サブマウント１０を通り、銅ブロック１の方に逃がされ
ることになる。 半導体レーザ素子２０の構造は、第５図に示す構造とな
−ている・第５図は・最も簡単な半導槽レーザの構造の
一例で、所謂、ＧａＡｓ／雇ＧａＡｓダブルへテロ接合
半導体レーザである。２１はｎ型ＧａＡｓ基板、２２は
ｎ型Ａ＋、＋　Ｇａ＋−ｘ　Ａｓ層、２３はＧａＡｓ層
、２４はＰ型Ａ１、Ｇａ、−ＸＡｓ層、２５はＰ型Ｇａ
Ａｓ層である。２２〜２５のＧａＡｓ層とＡＩＸ　Ｇａ
＋　−１１Ａｓ層は、液相エピタキシャル成長装置（Ｌ
ＰＥ）や、分子線エピタキシャル成長装置（ＭＢＥ）、
或いは、有機金属化学気相成長装置（ＭＯＣＶＤ）等で
成膜したものである。ｎ型ＡＩＸ　Ｇａ＋−ｘ　Ａｓ層
２２と、Ｐ型Ａ’Ｎ　Ｇａ＋−１１Ａｓ層２４はクラッ
ド層と呼ばれ、ＧａＡｓ層２３は活性層と呼ばれ、Ｐ型
ＧａＡｓ層２５はキャップ層と呼ばれる。Ｐ型ＧａＡｓ
層２５の上には絶縁層としてＳｉｎ、層３０がスパッタ
リング法等で成膜されており、その５ｉＯ一層３０には
、通常のフォトリソグラフィ法により、ストライプ溝３
３が開けられている。そして、ストライプ溝３３を通電
路とするＰ型オーミック電極３１が形成されている。一
方、ｎ型ＧａＡｓ基板２１の裏面にはｎ型オーミック電
極３２が形成されている。 次に、レーザとしての動作を説明する。Ｐ型オーミック
電極３１とｎ型オーミック電極３２との間に順方向電圧
が印加されると、正孔がＰ型ＡｌイＧａ、一つＡｓ層２
４のクラッド層から、また、電子がｎ型ＡＩＭ　Ｇａ＋
−ｍ　Ａｓ層２２のクラッド層から活性層であるＧａＡ
ｓ層２３に注入され、その活性層で正孔と電子との再結
合が行われる。この再結合時に、レーザ光が活性層であ
るＧａＡｓ層２３から放射される。

【発明が解決しようとする問題点】

ところで、電流は、絶縁層のＳ＋Ｏｚ層３０層設０られ
たストライプ溝３３を通してのみ電流が流れている。そ
のため、電流は非常に狭い部分を通っていることになり
、光の発生は、第５図の領域Ａで図示した部分で起こっ
ている。電流が非常に狭い部分を通るため、部分的な熱
の発生は非常に大きいものとなるため、この熱を放熱さ
せる必要がある。 通常、半導体レーザ素子２０は、ＧａＡｓ基板２１が下
になるようにＳｉサブマウント１０に接続される。これ
は、ｎ型ＡＩＸ　Ｇａ＋−ｘ　Ａｓ層２２〜Ｐ型ＧａＡ
ｓ層２５とＳｉ０２層３０及びＰ型オーミック電極３１
の各層の厚さが総合計でも数μｍと非常に薄く、Ｉｎ等
の金属でＳｉサブマウント１０に接合させる場合、接合
用金属の膜厚に上記の各層の厚さの総合計と同程度かそ
れ以上の厚さが必要であるため、ＧａＡｓ基板２１側を
上にして接合すると、活性層であるＧａＡｓ層２３力月
ｎ等の金属中に埋もれてしまい、レーザ光が外に取り出
せなくなるからである。それで、ＧａＡｓ基板２１を下
にして接合するが、ＧａＡｓ基板２１の厚さは、取扱い
上ある程度の強度が必要のため、１００μｍ程度は必要
とされる。そのため、熱抵抗としてはＧａＡｓ基板２１
を上側にした場合に比べ数１０倍も大きくなる。これは
、Ｓｉサブマウント１０を更に熱伝導率の高い物質に換
えても、ＧａＡｓ基板２１自身の熱抵抗は変わらないの
で、大きな効果は期待できない。 本発明は、上記の点を改善するために戊されたものであ
り、その目的は、熱伝導率の良いダイヤモンド膜上に、
直接、ＧａＡｓ等のエピタキシャル薄膜を作り込み、Ｇ
ａＡｓ基板の厚い板を通さずに直接、サブマウントに放
熱させることにより、素子の温度上昇を阻止して高温雰
囲気に強い素子を提供することである。

【問題点を解決するための手段】

本発明は上記問題点を鑑みたものであり、放熱板である
サブマウントの表面に設けられるダイヤモンド膜と、こ
のダイヤモンド膜上に再結晶によって形成された単結晶
膜と、この単結晶膜上に成長させた半導体エピタキシャ
ル膜とからなることを特徴とした技術的手段を採用する
。

【作用】

上記技術的手段を採用することによって、半導体素子に
よる発熱は、単結晶膜を介して高熱伝導率のダイヤモン
ド膜に伝達されるため、効率の高い放熱が行われる。

【実施例】

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。第
１図は実施例に係る半導体素子の構成を示した断面図で
ある。１１はＳｉサブマウント、１２は低圧合成法で成
膜されたダイヤモンド薄膜である。１３はダイヤモンド
膜１２の上面１２ａに真空蒸着法等で成膜された後、抵
抗加熱若しくはレーザ照射法により再結晶化されたゲル
マニウム膜である。４１〜４５の各層はＭＢＥ法等で成
膜されたＧａＡｓ層若しくはＡ１１ｌ　Ｇａ＋−Ｘ　Ａ
ｓ層である。即ち、４１はｎ型ＧａＡｓ層、４２はクラ
ッド層のｎ型Ａ１１ｌ　Ｇａ＋−＋＋　Ａｓ層、４３は
活性層のＧａＡｓ層、４４はクラッド層のＰ型ＡＬ　Ｇ
ａ＋　−Ｘ　Ａｓ層、４５はキャップ層のＰ型ＧａＡｓ
Ｊｌである。そして、Ｐ型ＧａＡｓ層４５の上には絶縁
層として５１０２層６０がスパッタリング法等で成膜さ
れており、その５１０２層６０には、通常のフォトリソ
グラフィ法により、ストライプ溝６３が開けられている
。そして、ストライプ溝６３を通電路とするＰ型オーミ
ック電極６１が形成されている。一方、ｎ型ＧａＡｓ層
４１の表面の能動層の形成されていない面上には、ｎ型
オーミック電極６２が形成されている。 次に、第２図を参照して、ダイヤモンド膜１２の気相合
成による形成方法を概説する。第２図の装置はマイクロ
波プラズマＣＶＤ装置と呼ばれるものである。石英反応
管５１内にはホルダ５２が立設されており、該ホルダ５
２上に前記シリコン基板１１が支持されている。反応管
５１内は真空ポンプ（図示せず）により約５０Ｔｏｒｒ
の真空に保たれている。シリコン基板１１付近には、マ
イクロ波電源５６に接続され整合器５４とアイソレータ
５５とを具備した導波管５３により２４５０ＭＨｚのマ
イクロ波が供給されている。 この状態で前記反応管５１内にガス供給管５７を介して
原料ガスを供給する。この原料ガスはメタンと水素との
混合ガスであり、本実施例ではメタンと水素との体積比
率を０．８対１００とした。係る原料ガスはシリコン基
板１１付近でマイクロ波電力を受けてプラズマＢとなり
、このシリコン基板１１上にダイヤモンドが析出する。 発明者等の実験では、マイクロ波電力５００Ｗ、メタン
流量０゜８ｃｍ’／＋ｎｉｎ、水素流量９９．２ｃｍ’
／ｍｉｎの条件でダイヤモンド膜の成長速度は０．６μ
ｍ／ｈであった。上記気相合成法にてシリコン基板１１
上に薄膜１０μｍのダイヤモンド膜１２を形成した。 次に、ダイヤモンド膜１２上にゲルマニウム膜を真空蒸
着法等により成膜した後、その成膜されたゲルマニウム
膜上にキャップ層としてＳｉＯ□膜を真空蒸着法等によ
り被覆する。その後、抵抗加熱法若しくはレーザ照射法
によりゲルマニウムを溶融し冷却させて再結晶させて、
その後５Ｉ０２キャップ層を除去した。こうして、主面
の結晶方位かく１００〉のゲルマニウム膜１３が形成さ
れる。 そして、単結晶膜であるこのゲルマニウム膜１３上にエ
ピタキシャル膜を成長させることによって本発明半導体
素子が完成する。 尚、ダイヤモンド膜１２とゲルマニウム膜１３とは密着
性がさほど良くないので、第３図に示すように、中間に
炭化層を有するＴｉ膜１４を使用すると強力な密着性が
得られる。ダイヤモンド膜１２上に、ダイヤモンドＭ１
２と接する界面が炭化されたＴｉ膜１４を形成し、ゲル
マニウム膜１３を形成するわけである。炭化層を有する
Ｔｉ膜１４の形成法としては、ダイヤモンド膜１２の上
に、Ｔｉ膜１４を真空蒸着法等で成膜し、その後、８０
０℃程度の高温熱処理をすることによりＴｉｌ１ｅ！１
４とダイヤモンド膜１２の界面で反応が起き、ＴｉＣの
非常に薄い層を形成する。或いは、イオンブレーティン
グ法により、Ｔｉ＃１４をｃｌｌ、のガス雰囲気中でプ
ラズマ放電のエネルギーを利用してＴｉＣ膜を形成する
。 以上述べた様に本実施例素子では、Ｓｉサブマウント１
１上に熱伝導率の高いダイヤモンド膜１２を形成し、そ
の上にＴｉ、　Ｇｅの薄膜を介してＧａＡｓ　／へ１Ｇ
ａＡｓ層を成膜し半導体レーザを作成しており、従来の
ように熱伝導の悪い厚いＧａＡｓ基板を介在していない
ので、半導体レーザからの熱をほぼ直接的にダイヤモン
ド膜１２のコーティングされたｓ１サブマウント１１に
効率的に逃がすことができる。 これにより、雰囲気温度が高いような状態での使用、例
えば車載用コンパクトディスクに使用されても放熱上の
問題を解決することができる。 尚、前記Ｓｉサブマウント１１の代わりに、Ｃｕなどの
金属や、ＳｉＣなどのセラミックを用いてもよい。 また、前記実施例ではダイヤモンド膜上にゲルマニウム
の単結晶膜を形成したが、本発明はこれに限定されるも
のではなく、ダイヤモンド膜上に形成するのは、ＧａＡ
ｓの格子定数と近似している原子の単結晶膜であれば良
い。 前記実施例では、ダイヤモンド膜とゲルマニウム膜との
密着性を高めるために炭化層を有するＴｉ膜を設けたが
、本発明はこれに限定されるものではなく、密着性を高
めるには例えばＷＪＩ！ｆ等の他の膜を用いても良い。

【発明の効果】

本発明は放熱板としてのサブマウントの表面にダイヤモ
ンド膜を形成し、該ダイヤモンド膜上に再結晶により単
結晶膜を形成し、該単結晶膜上に直接、半導体エピタキ
シャル族を成長させているので、能動層で発生した熱は
効率良くサブマウントに伝達されることになり、半導体
素子の熱特性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の具体的な一実施例に係る半導体素子の
構成を示した断面図。第２図はその半導体素子に使用さ
れているダイアモンド膜の成膜装置を示した構成図。第
３図は他の実施例の半導体素子の構成を示した断面図。 第４図は半導体素子の取り付は構造を示した斜視図。第
５図は従来の半導体素子の構成を示した断面図である。 １１・・・Ｓｉサブマウント　１２パダイヤモンド膜１
３゛・・ゲルマニウム膜　１４゛・・炭化層を有するＴ
ｉ膜　２１°°ｎ型ＧａＡｓ基板　４１−ｎ型ＧａＡｓ
層２２．４２−ｎ型Ａｔ）Ｉ　Ｇａ１−ｍ　Ａｓ層　２
３．４３ＧａＡｓ層　２４．４４−Ｐ型ＡＩＸ　Ｇａ＋
−ｘ　Ａｓ層　２５．４５−Ｐ型ＧａＡｓ層　３０．６
０−３ｉｎ、層　３１．６１−Ｐ型オーミック電極　３
２．６２−ｎ型オーミック電極　３３．６３°・−スト
ライブ溝　　５１−石英反応管　５２・−ホルダ　５６
−マイクロ波電源　５４・・−整合器　５５・−・アイ
ソレータ　５３−・−・導波管 第１図 第２図 第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）放熱板であるサブマウントの表面に設けられるダ
   イヤモンド膜と、 該ダイヤモンド膜上に再結晶化によって形成された単結
   晶膜と、 該単結晶膜上に成長させた半導体エピタキシャル膜とか
   らなることを特徴とする半導体素子。
2. （２）前記ダイヤモンド膜と前記単結晶膜との間に、前
   記ダイヤモンド膜と接する界面側に炭化層を有するチタ
   ン膜を形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の半導体素子。
3. （３）前記ダイヤモンド膜は、低圧合成法により形成さ
   れたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導
   体素子。