JPWO2008142755A1 - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

本発明に係る光半導体装置は、歪量子井戸構造の活性層を含む半導体層を半導体基板上にエピタキシャル成長した半導体発光素子と、半導体発光素子が搭載されたサブマウントとを備える。半導体発光素子をサブマントに搭載した後に活性層が有する歪量は、エピタキシャル成長時に活性層が有する歪量よりも大きい。エピタキシャル成長時に活性層が有する歪量は、半導体層の表面が鏡面になる値である。半導体発光素子をサブマントに搭載した後に活性層が有する歪量は、エピタキシャル成長時にその歪量を得ようとすると半導体層の表面が鏡面にならない値である。

Description

本発明は、半導体レーザアレイ、半導体レーザ又は半導体発光ダイオードなどの半導体発光素子がサブマウント上に搭載された光半導体装置に関し、特に大きな光出力を得ることができる光半導体装置に関するものである。

半導体レーザアレイ、半導体レーザ又は半導体発光ダイオードなどの半導体発光素子が半田を用いてサブマウント上に実装された光半導体装置が用いられている。従来は、信頼性の観点から半導体発光素子に応力がかからないように、熱膨張係数が半導体発光素子の基板材料にできるだけ近いサブマウントが用いられていた。この場合、半田の融点以上で半導体発光素子とサブマウントを接合した後、室温まで冷却しても半導体発光素子に大きな熱応力はかからなかった。

また、半導体発光素子の活性層に歪を導入してエネルギーバンド構造を変化させることで、低いしきい値電流や大きな光出力といった良好な特性を得ることができることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

日本特開平０７−１１５２４９号公報

従来は、結晶の組成を変化させ、異なる格子定数の結晶を同じ基板上にエピタキシャル成長させることで、活性層に歪を導入していた。しかし、格子定数の差を大きく取り過ぎ、臨界歪を越える歪量を導入した場合、格子緩和により結晶性が悪化するため、低いしきい値電流や大きな光出力といった良好な特性及び良好な信頼性を得ることができなかった。

また、例えばＧａＩｎＰ層とＧａＡｓ基板が室温で格子整合していても、ＧａＡｓとＧａＩｎＰの熱膨張率差により、エピタキシャル成長温度では−０．１％に近いミスフィットに対応した引張歪がＧａＩｎＰ層に印加される。このため、エピタキシャル成長温度では常温に比べて臨界歪が小さくなる。そして、材料の臨界歪量以下であっても、エピタキシャル成長における成長モードの問題により、良好な表面モフォロジーが得られないことがある。このようにエピタキシャル成長の過程において導入できる歪量は制限されるため、低いしきい値電流や大きな光出力といった良好な特性を得ることができないこともあった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、大きな光出力を得ることができる光半導体装置を得るものである。

本発明に係る光半導体装置は、歪量子井戸構造の活性層を含む半導体層を半導体基板上にエピタキシャル成長した半導体発光素子と、半導体発光素子が搭載されたサブマウントとを備える。半導体発光素子をサブマントに搭載した後に活性層が有する歪量は、エピタキシャル成長時に活性層が有する歪量よりも大きい。エピタキシャル成長時に活性層が有する歪量は、半導体層の表面が鏡面になる値である。半導体発光素子をサブマントに搭載した後に活性層が有する歪量は、エピタキシャル成長時にその歪量を得ようとすると半導体層の表面が鏡面にならない値である。

本発明により、大きな光出力を得ることができる光半導体装置を得ることができる。

本発明の実施例１に係る光半導体装置を示す斜視図である。 本発明の実施例１に係る光半導体装置の臨界歪量と臨界膜厚の関係を示す図である。 本発明の実施例１に係る光半導体装置において半導体レーザアレイとサブマウントにかかる応力を示す断面図である。 サブマウントの厚みを変化させたときの半導体レーザ素子の特性を示した図である。 本発明の実施例３に係る光半導体装置において半導体レーザアレイとサブマウントにかかる応力を示す断面図である。 本発明の実施例４に係る光半導体装置を示す斜視図である。 本発明の実施例５に係る光半導体装置を示す斜視図である。

符号の説明

１１ 半導体レーザアレイ（半導体発光素子）
１２ ＧａＡｓ基板（半導体基板）
１３，１５ ＡｌＧａＩｎＰ層（障壁層）
１４ ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸層（活性層）
１７ ＡｕＳｎ共晶半田
１８ サブマウント
２１ 半導体レーザ（半導体発光素子）
２２ 半導体発光ダイオード（半導体発光素子）

図面を参照して本発明の実施例について説明する。図中、同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略することがある。

図１は、本発明の実施例１に係る光半導体装置を示す斜視図である。半導体レーザアレイ１１（半導体発光素子）は、ＧａＡｓ基板１２（半導体基板）上に、クラッド層及びガイド層であるＡｌＧａＩｎＰ層１３（障壁層）と、歪量子井戸構造の活性層であるＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸層１４と、クラッド層及びガイド層（障壁層）であるＡｌＧａＩｎＰ層１５（障壁層）とを順番にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長したものである。ここで、エピタキシャル成長時に活性層が有する歪量は、半導体層の表面が鏡面になる値であり、エピタキシャル成長温度における臨界歪量を超えない値である。また、活性層は多重量子井戸構造であっても構わない。また、ＧａＡｓ基板１２とＡｌＧａＩｎＰ層１３との間、又は、ＡｌＧａＩｎＰ層１５の上に、その他の半導体層を形成してもよい。

また、レーザアレイを構成するために、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸層１４中に、電流狭窄によりストライプ形状の活性領域１６を複数作成している。ストライプ形状の活性領域１６の形成方法として、絶縁膜ストライプ、プロトン打ち込みによる部分的高抵抗化、リッジ構造、埋め込みリッジ構造、埋め込みヘテロ構造などが用いられる。ここでは、絶縁膜ストライプを採用した。

また、活性層は、エピタキシャル成長温度での臨界歪よりも少しだけ小さい引張歪を有する。ここで、臨界膜厚と臨界歪をあらわす関係式としてVan der Merweの式がある（文献R. People and J. C. Bean）。即ち、臨界膜厚をｈｃ［ｎｍ］、臨界歪量の絶対値をｆｃ［％］とすると、ｆｃ＜４のとき、Ａを定数として、ｈｃ＝Ａ／ｆｃで表すことができる。実施例１に係る光半導体装置についてエピタキシャル成長後に表面検査を行ったところ、Ａ＝１２．５となることが分かった。図２は、本発明の実施例１に係る光半導体装置の臨界歪量と臨界膜厚の関係を示す図である。

上記の半導体レーザアレイ１１は、ＡｕＳｎ共晶半田１７を用いてＳｉＣのサブマウント１８に搭載されている。ただし、活性層がある半導体レーザアレイ１１のエピタキシャル成長面（ジャンクションサイド）をサブマウント１８に向けて搭載されている。そして、接合に用いられるＡｕＳｎ共晶半田１７は融点が高く、変形しにくい。これにより、半導体レーザアレイ１１の活性層に熱応力がかかり易い。

ＳｉＣの熱膨張係数は３［１０^−６／Ｋ］程度であり、ＧａＡｓのの熱膨張係数である約６［１０^−６／Ｋ］に比べて小さい。このため、ＡｕＳｎ共晶半田１７の融点以上の温度で両者を接合した後、室温まで温度を降下させると、図３に示すように半導体レーザアレイ１１はサブマウント１８より大きく縮もうとする。しかし、両者はＡｕＳｎ共晶半田１７で接合されているため、半導体レーザアレイ１１のエピタキシャル成長層には引張歪が印加され、エピタキシャル成長時に印加されていたＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸層１４の引張歪が増長される。即ち、半導体レーザアレイ１１をサブマウント１８に搭載した後に活性層が有する歪量は、エピタキシャル成長時に活性層が有する歪量よりも大きい。

この引張歪の増長は５００℃〜８００℃程度のエピタキシャル成長温度よりもはるかに低い３００℃以下の温度でなされるので、臨界歪はエピタキシャル成長温度における臨界歪よりも大きくなり、エピタキシャル成長の過程における歪量調節だけでは達成できない引張歪量も印加することができる。そこで、半導体レーザアレイ１１をサブマウント１８に搭載した後に活性層が有する歪量を、エピタキシャル成長時にその歪量を得ようとすると半導体層の表面が鏡面にならない値とする。この歪量は、常温では臨界歪量を超えないが、エピタキシャル成長温度では臨界歪量を超える。

また、活性層の膜厚をｈ［ｎｍ］、活性層の歪量の絶対値をｆ［％］とすると、エピタキシャル成長時においてｆ＜４、ｈ≦１２．５／ｆを満たし、半導体レーザアレイ１１をサブマウント１８に搭載した後においてｈ＞１２．５／ｆを満たす。

図４は、サブマウントの厚みを変化させたときの半導体レーザ素子の特性を示した図である。サブマウントを厚くする程、サブマウントによる熱応力の影響は大きくなり、それに伴って大きな光出力を得ることができることが分かる。

以上説明したように、エピタキシャル成長の過程における歪の導入に加えて、従来は積極的に利用されなかった半導体レーザアレイとサブマウントとの接合による熱応力歪により、エピタキシャル成長後に機械的に応力を印加することで、活性層の引張歪を増長することができる。これにより、大きな光出力を得ることができる。なお、印加する応力は、結晶の破断に至らない値にとどめておく必要がある。

本発明の実施例２では、ＧａＡｓ基板１２を用い、活性層としてＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸層１４の代わりに引張歪の印加されたＧａＡｓＰを用いる。そして、サブマウント１８としてＡｌＮ（熱膨張係数４〜５［１０^−６／Ｋ］程度）を用いる。その他の構成は実施例１と同様である。

これにより、実施例１と同様に、半導体レーザアレイとサブマウントとの接合による熱応力歪により、エピタキシャル成長後に機械的に応力を印加する。従って、活性層の引張歪を増長することができるため、大きな光出力を得ることができる。

本発明の実施例３では、ＧａＡｓ基板１２を用い、活性層としてＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸層１４の代わりに圧縮歪の印加されたＩｎＧａＡｓＰを用いる。そして、サブマウント１８としてＧａＡｓよりも熱膨張係数の大きいＣｕＷを用いる。その他の構成は実施例１と同様である。

これにより、図５に示すように、サブマウント１８の方が半導体レーザアレイ１１より大きく縮もうとする。従って、活性層の圧縮歪を増長することができるため、大きな光出力を得ることができる。

図６は、本発明の実施例４に係る光半導体装置を示す斜視図である。半導体レーザ２１（半導体発光素子）は、実施の形態１のようなアレイではなく、１つのチップに発光ストライプ部が１つの単体の半導体レーザである。その他の構成は実施の形態１〜３と同様である。このように単体の半導体レーザの場合でも、実施の形態１〜３と同様に、光半導体発光素子とサブマウントとの熱膨張整数のミスマッチによる熱応力を利用して活性層の歪量を増長させ、大きな光出力を得ることができる。

図７は、本発明の実施例５に係る光半導体装置を示す斜視図である。半導体発光ダイオード２２（半導体発光素子）は、歪量子井戸構造の活性層であるＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸層１４を含む半導体層をＧａＡｓ基板１２（半導体基板）上にエピタキシャル成長したものである。このように発光ダイオードの場合でも、実施の形態１〜３と同様に、光半導体発光素子とサブマウントとの熱膨張整数のミスマッチによる熱応力を利用して活性層の歪量を増長させ、大きな光出力を得ることができる。

半導体レーザアレイ、半導体レーザ、又は半導体発光ダイオードなどの半導体発光素子がサブマウント上に搭載された光半導体装置において、光半導体発光素子とサブマウントとの熱膨張整数のミスマッチによる熱応力を利用して活性層の歪量を増長させ、大きな光出力を得ることができる。

Claims (14)

1. 歪量子井戸構造の活性層を含む半導体層を半導体基板上にエピタキシャル成長した半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子が搭載されたサブマウントとを備え、
   前記半導体発光素子を前記サブマントに搭載した後に前記活性層が有する歪量は、エピタキシャル成長時に前記活性層が有する歪量よりも大きく、
   エピタキシャル成長時に前記活性層が有する歪量は、前記半導体層の表面が鏡面になる値であり、
   前記半導体発光素子を前記サブマントに搭載した後に前記活性層が有する歪量は、エピタキシャル成長時にその歪量を得ようとすると前記半導体層の表面が鏡面にならない値であることを特徴とする光半導体装置。
2. 歪量子井戸構造の活性層を含む半導体層を半導体基板上にエピタキシャル成長した半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子が搭載されたサブマウントとを備え、
   前記半導体発光素子を前記サブマントに搭載した後に前記活性層が有する歪量は、エピタキシャル成長時に前記活性層が有する歪量よりも大きく、
   エピタキシャル成長時に前記活性層が有する歪量は、エピタキシャル成長温度における臨界歪量を超えない値であり、
   前記半導体発光素子を前記サブマントに搭載した後に前記活性層が有する歪量は、常温では臨界歪量を超えないが、エピタキシャル成長温度では臨界歪量を超えることを特徴とする光半導体装置。
3. 前記半導体発光素子は、エピタキシャル成長面を前記サブマウントに向けて搭載されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体装置。
4. 前記半導体発光素子は、ＡｕＳｎ共晶半田を用いて前記サブマウントに搭載されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光半導体装置。
5. 前記半導体発光素子は、半導体レーザアレイ、半導体レーザ、又は半導体発光ダイオードであることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光半導体装置。
6. 前記活性層が有する歪は引張歪であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の光半導体装置。
7. 前記サブマウントはＳｉＣ又はＡｌＮからなることを特徴とする請求項６に記載の光半導体装置。
8. 前記半導体基板はＧａＡｓからなり、前記活性層はＧａＩｎＰからなることを特徴とする請求項６又は７に記載の光半導体装置。
9. 前記半導体層は、ＡlＧａＩｎＰからなる障壁層を更に含むことを特徴とする請求項８に記載の光半導体装置。
10. 前記活性層の膜厚をｈ［ｎｍ］、前記活性層の歪量の絶対値をｆ［％］とすると、
    エピタキシャル成長時においてｆ＜４、ｈ≦１２．５／ｆを満たし、
    前記半導体発光素子を前記サブマントに搭載した後においてｈ＞１２．５／ｆを満たすことを特徴とする請求項８又は９に記載の光半導体装置。
11. 前記半導体基板はＧａＡｓからなり、前記活性層はＧａＡｓＰからなることを特徴とする請求項６又は７に記載の光半導体装置。
12. 前記活性層が有する歪は圧縮歪であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の光半導体装置。
13. 前記半導体基板はＧａＡｓからなり、前記活性層はＩｎＧａＡｓＰからなることを特徴とする請求項１２に記載の光半導体装置。
14. 前記サブマウントはＣｕＷからなることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の光半導体装置。

Images