WO2005002012A1 - 窒化物系半導体発光装置およびその製造方法 - Google Patents

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Definitions

  • Nitride-based semiconductor light emitting device and method of manufacturing the same
  • the present invention relates to a nitride-based semiconductor light-emitting device having high reliability and long life even at high output, and a method for manufacturing the same.
  • nitride-based semiconductors as short-wavelength light-emitting element materials for LEDs (light-emitting diodes) and semiconductor lasers used in semiconductor light-emitting devices.
  • the semiconductor light emitting device referred to in this specification refers to a device in which a light emitting element chip such as an LED chip or a semiconductor laser chip is mounted on a mounting member serving as a support base such as a heat sink and integrated, for example, a semiconductor laser chip.
  • the one equipped with is called a semiconductor laser device.
  • Nitride-based semiconductors have already been put into practical use for LED chips.When nitride-based semiconductors are used for semiconductor laser chips, reliability, high-temperature characteristics, high output, etc.
  • the mounting method is a junction-up method in which the substrate side of the chip on which the laminate is formed is placed on a support base, or a junction-down method in which the growth layer side of the chip on which the laminate is formed is placed on the support base.
  • the method can be roughly divided into two types.
  • a junction-down structure the distance between the active layer that generates a large amount of heat and the supporting substrate is short, so that the heat radiation efficiency is excellent, but the yield is reduced because the mounting process is difficult.
  • mounting is performed on the submount and the stem sequentially with the electrode structure side formed on the back surface of the substrate facing the submount, so the mounting process is relatively easy.
  • Suitable materials must be selected for the mounting members such as the system, solder material, etc., and the n-type electrode material.
  • mount members and mount structures that have excellent heat radiation properties and do not adversely affect the characteristics of the light emitting element have not been established yet, and have not yet achieved sufficient reliability and life.
  • a method of improving the electrode characteristics in a semiconductor light emitting device using a conductive substrate for example, there is a method of stacking a support base and a nitride semiconductor mounted on the support base and on a GaN substrate.
  • a surface of the GaN substrate opposite to the surface on which the laminated body is provided is made of a material capable of forming an ohmic junction with the GaN substrate and functions as an N-type electrode.
  • a method has been proposed in which a semiconductor light emitting device having a structure in which solder is provided between a supporting base and the semiconductor light emitting device (Patent Document 1).
  • the electrode can make a good ohmic junction with the GaN substrate, and the electrode characteristics can be improved.
  • the heat radiation is not sufficient and the reliability and the life are not sufficient.
  • a method has also been proposed in which a main surface of a semiconductor light emitting element chip in a semiconductor light emitting device is curved, and in particular, a substrate side is made convex when viewed from a functional layer having a nitride compound semiconductor formed on the substrate.
  • Patent Document 2 This method reduces the reject rate by making the surface of the semiconductor light-emitting element chip a uniform shape. The heat generated by the semiconductor light-emitting element chip when the semiconductor light-emitting device is used at high output is radiated. The service life is not enough and the obtained life is not enough.
  • Patent Document 1 JP 2002-134822 A
  • Patent Document 2 JP 2003-31895 A
  • a nitride-based semiconductor layer and a first electrode are sequentially formed on a surface of a conductive substrate, and a second electrode having a conductivity type different from that of the first electrode is formed on a back surface of the conductive substrate.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device chip is mounted on the submount via the first solder material with the second electrode side facing the submount, and the nitride-based semiconductor light-emitting device chip is mounted.
  • the present invention relates to a nitride-based semiconductor light-emitting device, wherein the submount is mounted on a stem via a second solder material, and a method of manufacturing the same.
  • a semiconductor light emitting device refers to an integrated device in which a light emitting element chip such as an LED chip or a semiconductor laser element chip is mounted on a mounting member serving as a support base such as a heat sink and integrated.
  • a device equipped with an element chip is called a semiconductor laser device.
  • the mounting member means a component for directly mounting the semiconductor light emitting element chip, and indicates a sub-mount, or a stem, a frame, a package, and the like when directly mounted on the supporting base without using the sub-mount.
  • the first electrode and the second electrode have different conductivity types, but the first electrode is p-type, the second electrode is n-type, and the first electrode is n-type and the second electrode is n-type.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device of the present invention has excellent resistance to heat generation from the active layer and its surroundings by mounting the nitride-based semiconductor light-emitting element chip on a submount and further mounting it on the stem. High reliability and long life can be ensured by securing heat dissipation efficiency and high mounting strength.
  • the present invention by adopting a mounting structure having a high adhesion strength between the nitride-based semiconductor light emitting element chip and the mounting member and excellent heat dissipation, excellent reliability can be obtained even when used at high output. This makes it possible to manufacture a nitride-based semiconductor light-emitting device having a long life characteristic.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor laser device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a laser element structure in a semiconductor laser device.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a laser structure in the semiconductor laser device.
  • 101 semiconductor laser element chip 102 first solder material, 103 submount, 104 second solder material, 105 stem, 106 pins, 107 wires, 108 whole stem, 201 conductive substrate, 202 n-type GaN layer, 203 n-type clad layer, 204 n-type light guide layer, 205 active layer, 206 carrier block layer, 207 p-type light guide layer, 208 p-type clad layer, 209 p-type contact layer, 210 SiO film, 211 first electrode, 212 second electrode.
  • a typical configuration of the nitride-based semiconductor light emitting device of the present invention will be described by taking a semiconductor laser device as an example.
  • the semiconductor laser device described below there are some places where the conductivity type of the electrode is limited to p-type or n-type. However, only an embodiment is presented to facilitate understanding of the invention. The invention is not intended to limit the conductivity type in this manner.
  • a nitride-based semiconductor in which a nitride-based semiconductor layer and a first electrode are sequentially formed on the surface of a conductive substrate, and a second electrode is formed on the back surface of the conductive substrate
  • the laser element chip 101 is mounted on the submount 103 via the first solder material 102 with the second electrode 212 facing the submount 103, and the submount supports the submount side. It is mounted on the stem 105 via the second solder material 104 in a state of facing the stem 105 as a base. Further, the pin 106 of the stem and the first electrode 211 are electrically connected by the wire 107, and a semiconductor laser device is configured.
  • a semiconductor laser device which is a typical example of the nitride-based semiconductor light emitting device of the present invention will be described.
  • an n-type GaN layer 202, an n-type cladding layer 203, and an n-type light guide layer 204 are formed on a conductive substrate 201 by a method generally used for manufacturing a semiconductor device such as a MOCVD method.
  • An active layer 205, a carrier block layer 206, a p-type light guide layer 207, a p-type clad layer 208, and a p-type contact layer 209 are sequentially laminated to obtain a laser device structure provided with a nitride-based semiconductor layer. .
  • a conductive substrate is used as the substrate.
  • the conductive substrate By using the conductive substrate, the heat generated in the active layer in the nitride-based semiconductor layer and the periphery thereof is efficiently radiated to the mount member via the substrate.
  • a material having high thermal conductivity is preferred as the conductive substrate used in the present invention.
  • sapphire which is generally used as a substrate on which a nitride-based semiconductor layer is grown, has a low thermal conductivity.
  • the thickness of the nitride-based semiconductor layer grown on the conductive substrate is about several ⁇ m, while the thickness of the conductive substrate is several hundred xm even after grinding and polishing. If the thermal conductivity of the conductive substrate is poor, the efficiency of heat transmission from the nitride-based semiconductor layer to the mounting member via the substrate is poor, and the heat radiation efficiency of the semiconductor laser device is reduced.
  • Examples of the conductive substrate having a high thermal conductivity include GaN (gallium nitride), SiC (silicon carbide), and Zn0 (zinc oxide).
  • a nitride-based semiconductor substrate such as GaN is preferable. Can be used. In this case, heat can be efficiently dissipated.
  • the nitride-based semiconductor substrate has a smaller lattice constant difference from the growth layer than sapphire, for example, so that the crystallinity of the growth layer can be improved, so that the device characteristics and reliability can be improved.
  • the element structure when sapphire is used for the substrate, the element structure must be a horizontal structure in which n-type and p-type electrodes are arranged on the upper surface because sapphire is non-conductive. Since it is possible to impart conductivity by performing driving, the element structure can be made vertical as in the present invention, and the element formation process can be simplified.
  • a method for manufacturing a semiconductor laser device will be described.
  • a first electrode 211 is formed on the nitride-based semiconductor layer, and a second electrode 212 is formed on the back surface of the substrate to produce a laser structure.
  • the p-type contact layer 209 is left in the form of a stripe having a width of, for example, 2 ⁇ m, and the remaining portion is etched to the p-type cladding layer 208 by dry etching or the like to form an optical waveguide.
  • an SiO film 210 is deposited as an insulating film, and
  • the first electrodes 211 which are sequentially stacked are formed.
  • Au, Ni, Ag, Ga, In, Sn , Pb, Sb, Zn, Si, Ge, or Al instead of the Au layer, Au, Ni, Ag, Ga, In, Sn , Pb, Sb, Zn, Si, Ge, or Al.
  • the first electrode may be subsequently alloyed with an electrode alloy. By performing alloying, an electrode having good ohmic characteristics can be formed.
  • the conductive substrate 201 is ground and polished. Grinding is a necessary step to divide the manufactured semiconductor laser device into individual chips, and facilitates the division into chips by grinding and thinning the substrate. Polishing is a process required to remove many scratches generated on the backside of the substrate after grinding and to flatten the backside of the substrate.If electrodes are formed on the backside of the substrate without polishing, polishing The strength is weak, causing electrode peeling.
  • the grinding can be performed by using a grinder to grind the back surface of the conductive substrate to, for example, about 200 ⁇ m.
  • the polishing can be performed by, for example, performing flattening using a diamond slurry or the like, and then finishing with a polishing agent such as alumina and a polishing cloth to mirror-polish the polished surface.
  • a second electrode For the back surface of the conductive substrate after polishing, it is preferable to form a second electrode after removing a damaged layer remaining on the back surface of the conductive substrate by a pretreatment such as dry etching.
  • a pretreatment such as dry etching.
  • an electrode having good ohmic characteristics can be formed.
  • a dry etching condition a method of 0.1 to 3 O / m etching of the conductive substrate surface by RIE or the like using a halogen gas such as chlorine as a reactive gas can be applied.
  • the etching amount is 0.5-3.0 ⁇
  • the damaged layer on the surface can be completely removed, and the substrate surface is not roughened by RIE.
  • a good ohmic contact can be formed between the substrate and the electrode.
  • chlorine gas is used as the reactive gas, it is particularly preferable because it has an effect of modifying the surface of the conductive substrate to improve the conductivity.
  • the second electrode 212 is formed on the back surface of the conductive substrate that has been flattened as described above.
  • the second electrode preferably has an electrode structure formed from a plurality of metal layers.
  • the electrode has excellent ohmic characteristics and is not easily connected to the mount member. It is necessary to have excellent adhesion.
  • a first layer that functions as a barrier, a second layer between the first layer and the third layer that functions as a barrier metal that prevents mixing of metals of both layers, and a third layer that functions as a bonding metal By adopting the laminated structure of (1) and (2), it is possible to obtain an electrode satisfying both the ohmic characteristics and the mounting characteristics.
  • Each of the above layers may be a single layer or a plurality of layers.
  • a layer having another function may be further included in each layer.
  • the first layer is a layer for imparting good ohmic characteristics to the electrode.
  • Hf, Co, Cu, Ag, Ir, Sc, Au, Cr, Mo, La, Ce, Pr, Nd , Sm, Eu, Tb, Zr, Ti, V, Nb, Ta, Pt, or a layer using at least one of them alone or as a compound; Al, Au, Ni, Ag, Ga, In, Sn, Pb, Sb A layered structure including at least one of Zn, Si, and Ge alone or as a compound may be used.
  • HfAl when two or more kinds of metals among Ti, Hf, and A1 are included, excellent ohmic characteristics can be provided, and it is preferable to use HfAl.
  • HfAl can form a good ohmic contact by forming Hf and A1 sequentially and then performing alloying with an electrode.
  • the thickness of Hf is 1 to 30 nm and the thickness of A1 is 30 to 500 nm, the bonding strength at the interface between the substrate and the electrode is high, which is preferable.
  • a method in which a compound of Hf, A1, and GaN, or the like is used in one layer or a structure in which two or more layers are stacked may be used.
  • Electrode alloying can be performed at 450-700 ° C, especially at 500 ° C, in vacuum or in an inert gas such as N.
  • the second layer is a layer functioning as a barrier metal
  • the third layer is a layer for bonding an electrode metal giving good ohmic characteristics to the submount with good adhesion.
  • the effect of the second layer is an effect as a barrier layer for preventing a decrease in the ohmic characteristics due to the alloying of the first layer and the third layer due to contact and alloying. It is preferable to have a laminated structure formed in the order of Pt. Since Mo is a refractory metal, it has the effect of preventing alloying due to contact between A1 of the first layer and Au of the third layer, which are difficult to diffuse. Pt can diffuse slightly into Mo and Au in the third layer, and the first, second, and second layers can be diffused. This has the effect of improving the adhesion strength between the third layer and the third layer.
  • the thickness of Mo is 5 nm to 100 nm because other metals cannot diffuse into the Mo layer.
  • the third layer it is preferable to use Au, which has a strong affinity for a solder material.
  • Au which has a strong affinity for a solder material.
  • the semiconductor laser element can be mounted on the submount with good adhesion, so that electrode peeling can be effectively prevented.
  • the thickness of Au is 50-750 nm, especially 100-500 nm, it functions well as a bonding layer.
  • the electrode having the second conductivity type may be formed by, for example, force sputtering or the like, which can preferably use EB evaporation.
  • the laser end face can be formed by cleaving the formed laser structure, for example, with a cavity length of 300 to 1500 z m.
  • the method of forming the laser end face is not limited to cleavage, and a strip-shaped fragment in which a plurality of semiconductor laser elements are connected is obtained by any known method including etching and the like.
  • the fragments are divided into semiconductor laser element chips by a known method such as a scribe method, a dicing method, or a laser scribe method.
  • a scribe method a scribe line is formed from the back side of the conductive substrate, and the conductive substrate is divided along the scribe line.
  • the semiconductor laser device chip is completed.
  • the mounting is performed in two steps, a submounting step of mounting the semiconductor laser element chip on the submount, and a mounting step of mounting the submount on the stem, thereby manufacturing a semiconductor laser device.
  • the mount structure has a sub-mount structure from the viewpoint of efficiently removing heat generated in the semiconductor laser element and securing reliability.
  • heat generated in the active layer of the semiconductor laser device and its peripheral portion propagates to the conductive substrate. Since the conductive substrate is mounted on a submount made of a material with high thermal conductivity via a solder material, the heat conducted to the conductive substrate is efficiently conducted to the submount via the solder material.
  • A1N can be preferably used from the viewpoint that it is desirable that the submount material has a higher thermal conductivity than the conductive substrate.
  • A1N can be single crystal or polycrystalline if the strength is sufficient. In any state, such as crystalline or amorphous, the thickness may be about 100-750 ⁇ ⁇ .
  • the semiconductor laser element chip and the sub-mount, and the sub-mount and the stem are joined with a solder material.
  • the solder material is a joining alloy or a single metal.
  • the joining method is not limited, but can be performed as follows by so-called die bonding.
  • a solder material is provided on the sub-mount, and after the semiconductor laser element chip is set at a predetermined position on the solder, the sub-mount is heated to melt the solder material. In this state, pressure is applied to the semiconductor laser element chip to join it to the submount, and then the temperature is lowered to solidify the solder material. According to this method, the semiconductor laser element chip and the submount can be joined with good thermal conductivity.
  • bonding can be performed in the same manner as in the sub-mounting step.
  • first solder material 102 is formed at a predetermined position of submount 103, for example, at about 3 / im.
  • the second electrode 212 side of the semiconductor laser element chip 101 is installed in a state where the second electrode 212 side faces the first solder material 102, and the submount 103 is mounted on the first solder material 102.
  • the solder material is melted by heating to a temperature equal to or higher than the melting point, the submount 103 and the semiconductor laser element chip 101 are joined, and the temperature is lowered to solidify the first solder material 102.
  • solder material 104 is formed at a predetermined position on the stem 105.
  • the sub-mount side of the sub-mount 103 on which the semiconductor laser element is formed is placed so as to face the second solder material 104, and the second solder material is mounted.
  • the second solder material 104 is melted by heating to a temperature equal to or higher than the melting point of the material 104, the stem 105 and the submount 103 are joined, and the temperature is lowered to solidify the solder.
  • Ag, SnAgCu, InSn, InAg, In and the like can be used.
  • AuSn the adhesion between the A1N submount and the semiconductor laser chip can be greatly improved.
  • the second solder material can preferably be made of a material capable of firmly adhering the A1N submount and the stem, for example, SnAgCu, AuSn, SnSb, SnAg, and SnAgCu. Those containing at least one of Sb, InSn, InAg, Sn, and In can be preferably used. In particular, SnAgCu and In can be preferably used.
  • the melting point of the second solder material is preferably equal to or lower than the melting point of the first solder material.
  • Different layers may be interposed between the submount and the solder material, and between the stem and the solder material by various known methods.
  • the intervening layer include a layer for improving the adhesion between the submount or the stem and the solder material, and a layer for suppressing the reactivity between the submount or the stem and the solder material. These may be interposed as a single layer or as a laminate of a plurality of layers.
  • the pin 106 and the first electrode 211 of the semiconductor laser element chip are connected by the wire 107, and the semiconductor laser element chip and the stem are electrically connected.
  • the wire 107 is preferably made of a fine Au wire, and is bonded using a wire bonding apparatus.
  • a cap is attached to the stem, preferably in a state in which an inert gas such as nitrogen gas is sealed, in order to prevent deterioration of device characteristics.
  • a GaN substrate was introduced into the MOCVD apparatus as the conductive substrate 201, and N and NH (ammonia) were introduced.
  • n-type GaN layer 202 is grown to a thickness of 4 ⁇ m by introducing SiH4 (silane) at a flow rate of lOnmol / min. After that, the flow rate of TMG was adjusted to 50 ⁇ mol / min, and TMA (trimethyl aluminum) was introduced at a flow rate of 40 zmol / min.
  • SiH4 silane
  • TMA trimethyl aluminum
  • the TMG is adjusted to 100 ⁇ mol / min, and GaN is grown to a thickness of 0.1 ⁇ m as the n-type light guide layer 204.
  • supply of TMG and SiH was stopped and carrier gas was Replace the H power with N again, cool down to 700 ° C, introduce TMI (trimethylindium) as indium raw material at a flow rate of 10 ⁇ mol / min, and introduce TMG at a flow rate of 15 / i mol / min.
  • a N barrier layer is grown to a thickness of 4 nm. Then, the TMI supply was reduced to 50 ⁇ mol
  • an active layer 205 which is an MQW (multiple quantum well) having a structure in which each of the three well layers is sandwiched by a total of four barrier layers, is grown.
  • MQW multiple quantum well
  • p-type doping material Cp Mg biscyclopentagenenyl magnesium
  • AlGaN is grown to a thickness of 20 nm as a p-type carrier block layer 206.
  • the supply of TMA is stopped, the supply amount of TMG is adjusted to 100 ⁇ molZmin, and GaN is grown to a thickness of 0.1 ⁇ m as the p-type optical guide layer 207.
  • the supply amount of TMG was adjusted to 50 ⁇ mol / min, TMA was introduced at a flow rate of 40 / imol / min, and Al GaN was grown to a thickness of 0.4 ⁇ m as the p-type cladding layer 208.
  • the supply of TMG is adjusted to 100 ⁇ mol / min, the supply of TMA is stopped, and GaN is grown to a thickness of 0.1 / im as the p-type contact layer 209.
  • the supply of TMG and Cp Mg is stopped, the temperature is lowered, and the substrate is taken out of the MOCVD equipment at room temperature to complete the laser device structure.
  • a laser structure is manufactured using the laser element structure taken out of the MOCVD apparatus.
  • the p-type contact layer 209 is etched to the p-type cladding layer 208 while leaving the p-type contact layer 209 in a stripe shape having a width of 2 / im by using a dry etching apparatus to form an optical waveguide.
  • a SiO film 210 was deposited as an insulating film, and after removing Si ⁇ on the ridge, Pd was 15 nm, Mo was 15 nm, and Au was 200 nm on the p-type contact layer 209.
  • a p-type electrode is formed as the first electrode 211 by vapor deposition in order of thickness. After the fabrication of the p-type electrode is completed, perform electrode alloying at 500 ° C for 10 minutes in a vacuum.
  • the GaN substrate as the conductive substrate 201 is polished.
  • the back surface of the GaN substrate is ground to a thickness of about 200 zm using a grinder.
  • the backside of the ground GaN substrate was flattened using a diamond slurry, and finally alumina was mixed with an abrasive. Then, the surface is mirror-finished by finishing with a polishing cloth.
  • an RIE process using chlorine plasma is performed on the back surface of the GaN substrate.
  • the RIE process is performed under the conditions of a pressure of 45 mtorr and a chlorine flow rate of 80 ccm, and a dry etching with a depth of about 1 ⁇ m is performed on the polished surface on the back surface of the GaN substrate.
  • an n-type electrode is formed as the second electrode 212 on the back surface of the GaN substrate.
  • An EB vapor deposition device is used to form the electrodes.
  • Hf is deposited to a thickness of 5 nm
  • A1 is deposited to a thickness of 150 nm, and alloyed in a vacuum at 500 ° C for 3 minutes to partially alloy the electrode metal and the GaN substrate. This is the first layer.
  • a barrier metal layer was formed by sequentially laminating Mo with a thickness of 30 nm and Pt with a thickness of 15 nm as a second layer, and a third layer of a bonding metal on which Au was deposited with a thickness of 250 nm as a third layer Form a layer.
  • a laser structure in which a semiconductor laser element is mounted on a GaN substrate is manufactured, and is divided into a plurality of chips by using a scribe method.
  • a scribe line is inserted from the back side of the GaN substrate, and a force is applied to the substrate to divide the semiconductor laser device along the scribe line, thereby forming each semiconductor laser device chip.
  • the semiconductor laser element chip is mounted on the support base.
  • the mounting is performed in two steps: a submounting step of placing the semiconductor laser element chip on the submount, and a mounting step of placing the submount on a stem that is a supporting base.
  • Au Sn solder is formed as a first solder material 102 to a thickness of 3 ⁇ m as a first solder material 102 at a predetermined position on the submount 103 made of A1N using an EB vapor deposition method.
  • the semiconductor laser device chip is aligned and installed.
  • the submount is heated to 300 ° C. to melt the first solder material, and pressure is applied to the semiconductor laser chip to join and fix it. Thereafter, the temperature is lowered to solidify the first solder material, and the submount process is completed.
  • the submount 103 is joined to the stem 105, which is the support base of the semiconductor device.
  • a foil-shaped SnAgCu solder having a thickness of about 10 zm is placed as a second solder material 104 at a predetermined position on the stem. SnAg Cu on solder
  • the submount mounting the semiconductor laser chip is aligned and installed.
  • the temperature is raised to 300 ° C to melt the Sn Ag Cu solder, and the pressure is applied to the submount on which the semiconductor laser chip is mounted, and the submount is joined to the stem.
  • the temperature is lowered to solidify the SnAgCu solder, and the mounting process is completed.
  • the A1N submount and the semiconductor laser element chip can be mounted at predetermined positions on the stem.
  • a p-type electrode wire made of a fine Au wire is used as the wire 107, and the pin 106 of the stem and the first electrode 211 are connected using a wire bonding device. Finally, attach a cap to the stem to keep nitrogen gas sealed.
  • the semiconductor laser device is completed by the above method.
  • the threshold currents before and after mounting were compared for 50 semiconductor laser device chips obtained by dividing the semiconductor laser device mounted on the same wafer by the method of the first embodiment.
  • the threshold current value was calculated as a mean value of each of 50 semiconductor laser element chips before mounting and after mounting.
  • the values after mounting were excluded from the calculation of the average value for two semiconductor laser device chips whose device characteristics were significantly inferior due to initial failure.
  • the element characteristics indicate a threshold current, a drive current at 30 mW, and a drive voltage.
  • the average threshold current value before and after mounting the semiconductor laser element chip was 41 mA before mounting and 37 mA after mounting, and the threshold current slightly decreased after the mounting step. It is considered that the mounting of the semiconductor laser element chip on the supporting base improves the heat radiation of the semiconductor laser element and reduces the threshold current. Except for the two initially defective semiconductor laser device chips, no deterioration of the device characteristics was observed for the 48 chips, and it was possible to mount them on a supporting substrate at high yield and yield. .
  • the manufactured semiconductor laser device was introduced into an aging device, and the ambient temperature was reduced to 60 ° C.
  • a life test was performed in which the time until the drive current became 1.5 times when the output was 30 mW was assumed to be the life.
  • the semiconductor laser devices that were put into the life test, four semiconductor laser devices had defects that were considered to be initial deterioration. Except for the initial degradation, in a life test of 1000 hours, it was confirmed that the semiconductor laser device whose drive current increased to 1.5 times had a life of 1000 hours or more at 60 ° C and 30 mW.
  • SnAgCu is transferred to the stem in advance as the second solder material 104.
  • a submount step of mounting the semiconductor laser element chip on the submount is performed.
  • the submount 103 on which the semiconductor laser element chip is mounted is mounted on the stem 105.
  • SnAgCu is previously transferred to the stem as the second solder material 104.
  • the method of transferring SnAgCu onto the stem is as follows. Prepare a Teflon (registered trademark) tape having a length of 500 nm and a width of about 500 ⁇ m.
  • SnAg Cu of about 8 ⁇ m is deposited on a Teflon (registered trademark) tape.
  • Cu solder can be transferred to the stem 105.
  • the submount 103 is joined to the stem 105.
  • the temperature is raised to 300 ° C to melt the SnAgCu solder, and the pressure is applied to the submount on which the semiconductor laser device chip is mounted, and the submount is joined to the stem.
  • the temperature is lowered to solidify the SnAg Cu solder, and the mounting process is completed.
  • bonding is performed in the same manner as in the first embodiment to complete the semiconductor laser device. Let it.
  • the semiconductor laser device obtained by the above method is similar to that of the first embodiment. Characteristic evaluation was performed.
  • In is used as the second solder material, and In is transferred to the stem.
  • a submounting step of placing semiconductor laser element chip 101 on submount 103 is performed.
  • the submount on which the semiconductor laser element chip is mounted is mounted on the stem 105.
  • In has been transferred to the stem in advance.
  • the method for transferring In onto the stem is as follows.
  • a Teflon (registered trademark) tape having a length of 500 nm and a width of 500 ⁇ m is prepared, and In is deposited to a thickness of about 10 / im on the Teflon (registered trademark) tape. Thereafter, a Teflon (registered trademark) tape with In solder is aligned to the stem 105. After completion is Araimento, Teflon was irradiated with ultrasonic vibration of approximately 80kHz to said solder tape over to transfer the In solder vertical 500 beta m X Side 500 / im X thickness 10 mu m to the stem.
  • the submount 103 is joined to the stem 105.
  • a submount on which the semiconductor laser element chip 101 is mounted is aligned and placed on the transferred In solder with the In solder and the submount facing each other.
  • the temperature is raised to 300 ° C to melt the In solder, and pressure is applied to the submount on which the semiconductor laser chip is mounted to join the submount to the stem.
  • the temperature is lowered to solidify the In solder, and the mounting process is completed.
  • the A1N submount and the semiconductor laser element chip are mounted on the stem at predetermined positions by the above method, bonding is performed in the same manner as in the first embodiment to complete the semiconductor laser device.
  • the characteristics of the semiconductor laser device obtained by the above method were evaluated in the same manner as in the first embodiment.
  • the present invention by adopting a mount structure having a high adhesion strength between the nitride-based semiconductor light emitting element chip and the mount member and excellent heat dissipation, excellent reliability can be obtained even when used at high output. This makes it possible to manufacture a nitride-based semiconductor light-emitting device having a long life characteristic.

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Abstract

　優れた信頼性と長寿命とを有する窒化物系半導体発光装置およびその製造方法を提供する。導電性基板の表面の上に窒化物系半導体層、第１の電極（２１１）を形成し、導電性基板の裏面に第２の電極（２１２）を形成した窒化物系半導体発光素子チップをサブマウント（１０３）上にマウントし、さらに窒化物系半導体発光素子チップがマウントされたサブマウントをステム（１０５）上にマウントさせて窒化物系半導体発光装置を形成させる。

Description

明 細 書
窒化物系半導体発光装置およびその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、高出力時においても、高い信頼性を有し、かつ長寿命である窒化物系 半導体発光装置およびその製造方法に関する。 背景技術
[0002] 近年、半導体発光装置に用いる LED (発光ダイオード)や半導体レーザ等用の短 波長の発光素子材料として窒化物系半導体を用いるための開発が行なわれている。 本明細書にいう半導体発光装置とは、 LEDチップや半導体レーザチップのような発 光素子チップをヒートシンク等の支持基体であるマウント部材に搭載し、一体化したも のを指し、たとえば半導体レーザチップを搭載したものは半導体レーザ装置という。 L EDチップに対しては既に窒化物系半導体が実用化されている力 半導体レーザチ ップに対して窒化物系半導体を用いる場合には、信頼性の向上、高温特性の向上、 高出力化等の課題を解決する必要がある。半導体レーザ装置においては、動作時 の温度上昇による発光部分の劣化を防止するため、高い放熱効率が必要である。し たがって、半導体レーザチップを支持基体に対して熱伝導性良くマウントすることが 重要である。
[0003] マウントの方法は、積層体が形成されたチップの基板側を支持基体に設置するジャ ンクシヨンアップ方式、積層体が形成されたチップの成長層側を支持基体に設置す るジャンクションダウン方式の 2種類に大別できる。ジャンクションダウン構造では、発 熱の大きい活性層と支持基体との距離が近いため放熱効率に優れるが、マウントプ 口セスが困難であるため歩留まりが低下する。一方ジャンクションアップ構造の場合、 基板裏面に形成した電極構造側をサブマウントに対向させた状態でサブマウントお よびステムに順次マウントを行うため、マウントプロセスは比較的容易である力 活性 層と支持基体との距離は大きくなり、放熱効率が低い。そのため、半導体レーザの出 力が増大すると活性層の発熱も著しく増加し、信頼性および寿命に対して悪影響を 与える。放熱性、発光素子の電流-電圧特性を確保するためには、サブマウント、ス テム、ハンダ材等のマウント部材、および n型電極材料には適切な材料を選択しなけ ればならない。しかし、優れた放熱性を有し、かつ発光素子の特性に悪影響を与え ないマウント部材およびマウント構造は未だ確立されておらず、十分な信頼性と寿命 を得るには至っていない。
[0004] 導電性基板を用いた半導体発光装置において電極特性を向上させる方法としては 、たとえば、支持基体と、該支持基体上に積載され、 GaN基板上に窒化物系系半導 体の積層体を設けた半導体発光素子を有する半導体発光装置において、 GaN基板 の該積層体を設けた面と反対側の面に、 GaN基板とォーミック接合を取ることが可能 な材料からなり N型電極として機能する第 1の金属膜と、高融点金属からなりバリア層 として機能する第 2の金属膜と、ハンダと混合し易い材料力 なる第 3の金属層とを備 え、該第 3の金属層と該支持基体との間にハンダを有する構造の半導体発光装置と する方法が提案されている（特許文献 1)。この方法では、電極が GaN基板と良好な ォーミック接合を取ることが可能であり、電極特性を向上させることができる。しかし、 半導体発光装置を高出力で用いた場合に生じる半導体発光素子の発熱に対して、 放熱性は十分でなぐ信頼性、寿命は十分とは言えない。
[0005] 一方、半導体発光装置において半導体発光素子チップの主表面を曲面、特に、基 板上に形成された窒化物系化合物半導体を有する機能層から見て基板側を凸形状 とする方法も提案されている（特許文献 2)。この方法では、半導体発光素子チップの 表面を一定の形状にすることによって不良品率を低下させることができる力 半導体 発光装置を高出力で用いた場合の半導体発光素子チップの発熱に対して、放熱性 は十分でなぐ得られる寿命は十分とは言えない。
特許文献 1 :特開 2002 - 134822号公報
特許文献 2 :特開 2003 - 31895号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] 本発明は、上記の課題を解決し、高出力で用いた場合にも優れた信頼性および長 寿命を有する窒化物系半導体発光装置とその製造方法を提供することを目的とする 課題を解決するための手段
[0007] 本発明は、導電性基板表面に窒化物系半導体層、第 1の電極が順次形成され、導 電性基板裏面に第 1の電極と異なる導電型を有する第 2の電極が形成されてなる窒 化物系半導体発光素子チップを、第 2の電極側をサブマウントに対向させた状態で 第 1のハンダ材を介してサブマウント上にマウントし、窒化物系半導体発光素子チッ プがマウントされたサブマウントを第 2のハンダ材を介してステム上にマウントすること を特徴とする窒化物系半導体発光装置とその製造方法に関する。
[0008] 本発明において、半導体発光装置とは、 LEDチップや半導体レーザ素子チップの ような発光素子チップをヒートシンク等の支持基体であるマウント部材に搭載し、一体 化したものを指し、たとえば半導体レーザ素子チップを搭載したものは半導体レーザ 装置という。また、マウント部材とは半導体発光素子チップを直接搭載するための部 品を意味し、サブマウント、あるいはサブマウントを用いず支持基体に直接搭載する 場合にはステム、フレーム、パッケージ等を指す。なお、第 1の電極と第 2の電極とは 異なる導電型を有するが、第 1の電極が p型、第 2の電極が n型の場合、および第 1の 電極が n型、第 2の電極が p型の場合のいずれも含む。本発明の窒化物系半導体発 光装置は、窒化物系半導体発光素子チップをサブマウント上にマウントし、さらにス テム上にマウントすることにより、活性層およびその周辺からの発熱に対して優れた 放熱効率を有し、かつ高いマウント強度を確保することで、高信頼性、長寿命を確保 できるものである。
発明の効果
[0009] 本発明においては、窒化物系半導体発光素子チップとマウント部材との密着強度 が高ぐかつ放熱性に優れるマウント構造とすることによって、高出力で用いた場合 にも優れた信頼性を有し、かつ長時間の寿命特性を有する窒化物系半導体発光装 置の製造が可能となる。
図面の簡単な説明
[0010] [図 1]本発明の一形態である半導体レーザ装置の断面図である。
[図 2]本発明の一形態である半導体レーザ装置の斜視模式図である。
[図 3]半導体レーザ装置におけるレーザ素子構造を示す断面図である。 [図 4]半導体レーザ装置におけるレーザ構造を示す断面図である。
符号の説明
[0011] 101 半導体レーザ素子チップ、 102 第 1のハンダ材、 103 サブマウント、 104 第 2のノヽンダ材、 105 ステム、 106 ピン、 107 ワイヤ、 108 ステム全体、 201 導 電性基板、 202 n型 GaN層、 203 n型クラッド層、 204 n型光ガイド層、 205 活 十生層、 206 キャリアブロック層、 207 p型光ガイド層、 208 p型クラッド層、 209 p 型コンタクト層、 210 SiO膜、 211 第 1の電極、 212 第 2の電極。
2
発明を実施するための最良の形態
[0012] 本発明の窒化物系半導体発光装置の典型的な構成について、半導体レーザ装置 を例に説明する。なお以下に説明する半導体レーザ装置において、電極の導電型 を p型あるいは n型と限定して述べる箇所があるが、発明を理解し易くするために実施 の一形態を提示するに過ぎず、本発明において導電型をこのように限定する意図で はない。
[0013] 図 1および図 2に示すように、導電性基板表面に窒化物系半導体層、第 1の電極が 順次形成され、導電性基板裏面に第 2の電極が形成された窒化物系半導体レーザ 素子チップ 101が、第 2の電極 212をサブマウント 103に対向させた状態で第 1のハ ンダ材 102を介してサブマウント 103の上にマウントされ、そのサブマウントが、サブ マウント側を支持基体であるステム 105に対向させた状態で第 2のハンダ材 104を介 してステム 105にマウントされている。さらにステムのピン 106と第 1の電極 211がワイ ャ 107で電気的に接続され、半導体レーザ装置が構成されている。以下に本発明の 窒化物系半導体発光装置の典型的な例である半導体レーザ装置における本発明の 実施の形態を説明する。
[0014] <半導体レーザ素子チップの製造 >
図 3において、まず、導電性基板 201の上に、 MOCVD法等の半導体素子の製造 に一般的に用いられる方法によって、たとえば n型 GaN層 202、 n型クラッド層 203、 n型光ガイド層 204、活性層 205、キャリアブロック層 206、 p型光ガイド層 207、 p型ク ラッド層 208、 p型コンタクト層 209を順次積層してなる窒化物系半導体層を設けたレ 一ザ素子構造を得る。 [0015] 本発明には、基板として導電性基板を用いる。導電性基板を用いることによって、 窒化物系半導体層中の活性層およびその周辺で生じる熱が、基板を介してマウント 部材へと効率よく放熱される。本発明に用いる導電性基板としては熱伝導率が高い 材料が好ましぐたとえば窒化物系半導体層を成長させる基板として一般的に用いら れるサファイアは、熱伝導率が低いため好ましくなレ、。導電性基板上に成長される窒 化物系半導体層の厚みは数 μ m程度であるのに対して、導電性基板の厚みは研削 •研磨が行われた後でも数百 x mであるため、導電性基板の熱伝導率が悪いと、窒 化物系半導体層から基板を介してマウント部材へ行なわれる熱の伝播の効率が悪く 、半導体レーザ素子の放熱効率が低下するからである。
[0016] 熱伝導率が高レ、導電性基板としては、 GaN (窒化ガリウム）、 SiC (炭化珪素）、 Zn 0 (酸化亜鉛)等があるが、特に GaN等の窒化物系半導体基板を好ましく用いること ができる。この場合、効率的に放熱を行うことができる。また窒化物系半導体基板は 例えばサファイアと比べて成長層との格子定数差が小さぐ成長層の結晶性の向上 が可能となるため、素子特性、信頼性を向上させることができる。さらに、たとえばサ ファイアを基板に用いた場合、サファイアは不導体であるため、素子構造は上面に n 型、 p型電極を配置した横型構造とならざるを得ないが、窒化物系半導体基板ではド 一ビングを行って導電性を持たせることが可能であるため、本発明のように素子構造 を縦型とすることができ、素子形成プロセスの簡略化が可能である。
[0017] 次に、半導体レーザ装置の作製方法について説明する。図 4において、窒化物系 半導体層の上に第 1の電極 211を形成させ、さらに基板裏面に第 2の電極 212を形 成させてレーザ構造を作製する。 p型コンタクト層 209をたとえば 2 μ m幅のストライプ 状に残し、それ以外の部分について、ドライエッチング等により p型クラッド層 208まで エッチングして光導波路を形成させる。続いて絶縁膜として SiO膜 210を蒸着し、リ
2
ッジ上部の SiOを除去した後、 p型コンタクト層 209部分に、たとえば Pd、 Mo、 Auを
2
順次積層した第 1の電極 211を形成させる。上記で Pd、 Moの積層構造に代えて、 P d、 Co、 Cu、 Ag、 Ir、 Sc、 Au、 Cr、 Mo、 La、 W、 Al、 Tl、 Y、 La, Ce、 Pr、 Nd、 Sm 、 Eu、 Tb、 Ti、 Zr、 Hf、 V、 Nb、 Ta、 Pt、 Niのうちの少なくとも 1つの単体または化合 物力 なる層とすることができる。また、 Auの層に代えて、 Au、 Ni、 Ag、 Ga、 In、 Sn 、 Pb、 Sb、 Zn、 Si、 Ge、 Alのうちの少なくとも 1つの単体または化合物からなる層と すること力 Sできる。
[0018] 第 1の電極にはこの後電極ァロイによる合金化を行ってもよい。合金化を行うことに よって良好なォーミック特性を有する電極を形成させることができる。
[0019] 次に、導電性基板 201に対して研削、研磨を行う。研削は、作製した半導体レーザ 素子を各々のチップに分割するために必要な工程であり、基板を研削して薄くするこ とにより、チップへの分割を容易にする。研磨は、研削後の基板裏面に発生している 多数の傷を除去して基板裏面を平坦ィヒするために必要な工程であり、研磨を行わず に基板裏面に電極を形成した場合、密着強度が弱ぐ電極剥がれ等を引き起こす。
[0020] 研削は、研削機を用い、導電性基板裏面をたとえば 200 μ m程度になるまで削るこ とにより行なうことができる。研磨は、たとえばダイヤモンドスラリー等を用いて平坦ィ匕 を行った後、アルミナ等の研磨剤と研磨布によって仕上げを行って研磨面を鏡面化 することにより行うことができる。
[0021] 研磨後の導電性基板裏面については、ドライエッチング等の前処理によって導電 性基板裏面に残存するダメージ層を除去してから第 2の電極を形成させることが好ま しい。これにより良好なォーミック特性を有する電極を形成することができる。ドライエ ツチングの条件としては、塩素等のハロゲンガスを反応性ガスとして用いる RIE処理 等により導電性基板表面を 0. 1-3. O / mエッチングする方法等を適用できる。特 にエッチング量が 0. 5— 3. 0 μ ΐηの場合には、表面のダメージ層を完全に除去でき 、かつ RIE処理による基板の表面荒れも生じなレ、。ダメージ層が除去されることによつ て、基板と電極間で良好なォーミック接触を形成することが可能となる。ここで、反応 性ガスとして塩素ガスを用いた場合、導電性基板の表面を改質して導電性を向上さ せる効果を有するため特に好ましレ、。
[0022] このようにして平坦ィ匕された導電性基板裏面に、第 2の電極 212を形成させる。第 2 の電極は、複数の金属層から形成される電極構造とすることが好ましい。本発明の窒 化物系半導体発光装置のように素子が縦型構造である場合、導電性基板の裏面に 第 2の電極を形成する際には、電極がォーミック特性に優れ、かつマウント部材との 密着性にも優れることが必要となる。そこで、たとえば、ォーミック特性を与える金属と して機能する第 1の層、第 1の層と第 3の層の間にあって、両層の金属の混合を防止 するバリア金属として機能する第 2の層、ボンディング金属として機能する第 3の層、 の積層構造とすることにより、ォーミック特性とマウント特性の両方を満たす電極を得 ること力 Sできる。上記の層は、各々が単層でも、複数層で構成されていてもよい。また 、各層が上記の機能を有する限り、別の機能を有する層を各層にさらに含ませること あでさる。
[0023] 第 1の層は、電極に良好なォーミック特性を与えるための層であり、たとえば、 Hf、 Co、 Cu、 Ag、 Ir、 Sc、 Au、 Cr、 Mo、 La, Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Tb、 Zr、 Ti、 V、 Nb、 Ta、 Ptのうち少なくとも 1つを単体でまたは化合物で用いる層と、 Al、 Au、 Ni、 Ag、 Ga、 In、 Sn、 Pb、 Sb、 Zn、 Si、 Geのうち少なくとも 1つを単体でまたは化合物で 用いる層とを含む積層構造とすることができる。特に、 Ti、 Hf、 A1のうち 2種類以上の 金属を含む場合に優れたォーミック特性を与えることができ、さらに HfAlを用いること が好ましい。また HfAlは、 Hfと A1を順次形成後、電極ァロイを行って合金化すること で、良好なォーミック接触を形成することができる。この場合、 Hfの厚みが 1一 30nm 、A1の厚みが 30— 500nmであれば基板と電極との界面での接合強度が強いため 好ましレ、。また、 Hfと A1を用いる方法以外に、 Hfと A1と GaNとの化合物等を 1層、ま たは 2層以上積層した構造とする方法を用いてもよい。電極ァロイは、 450— 700°C 、特に 500°Cの温度条件で、真空中、もしくは N等の不活性ガス中で行うことができ
2
る。
[0024] 第 2の層はバリア金属として機能する層であり、第 3の層は、良好なォーミック特性 を与える電極金属を密着性良くサブマウントと接合するための層である。
第 2の層としては、 Mo、 Ptの 2層構造、第 3の層としては、 Auを用いることが好ましい
[0025] 第 2の層の効果は、第 1の層と第 3の層の金属が接して合金化することによるォーミ ック特性の低下を防止するバリア層としての効果であり、特に Mo、 Ptの順で形成され た積層構造であることが好ましい。 Moは高融点金属であるため拡散しにくぐ第 1の 層の A1と第 3の層の Auとが接することによる合金化を防止する効果を有する。また Pt は Moと第 3の層の Auに若干量拡散することが可能であり、第 1の層と第 2の層、第 2 の層と第 3の層との密着強度を向上させる効果を有する。
[0026] Moの厚みが 5nm— lOOnmである場合、 Mo層に他の金属が拡散することができ ないため好ましい。
[0027] 第 3の層としては、ハンダ材との親和性が強い Auを用いることが好ましい。 Auを用 いた場合には、半導体レーザ素子を密着性良くサブマウント上に搭載できるため、電 極剥がれを効果的に防止することができる。 Auの厚みは 50— 750nm、特に 100— 500nmとすれば、ボンディング層として良好に機能する。
[0028] なお第 2の導電型を有する電極の形成には、たとえば EB蒸着法を好ましく用いるこ とができる力 スパッタ等により形成してもよい。
[0029] 形成されたレーザ構造に対し、劈開によってたとえば共振器長を 300— 1500 z m としてレーザ端面を形成することができる。レーザ端面の形成方法は劈開に限定され ず、エッチング等を含めたいずれかの公知の方法によって、半導体レーザ素子が複 数連なったストリップ状の断片を得る。
[0030] 断片は、スクライブ法、ダイジング法、レーザスクライブ法等の公知の方法によって 半導体レーザ素子チップに分割する。たとえばスクライブ法では、導電性基板の裏面 側からスクライブラインを入れ、これに沿って導電性基板を分割する。以上で半導体 レーザ素子チップが完成する。
[0031] くマウント >
マウントは、半導体レーザ素子チップをサブマウント上へマウントするサブマウントェ 程と、サブマウントをさらにステム上にマウントするマウント工程の 2工程にて行い、半 導体レーザ装置を製造する。本発明において、マウント構造は、半導体レーザ素子 で発生する熱を効率的に除去し、信頼性を確保する点から、サブマウントを用レ、た構 造とすることが好ましい。この場合、半導体レーザ素子の活性層およびその周辺部で 発生した熱は導電性基板へと伝播する。導電性基板はハンダ材を介して熱伝導率 が高い材料からなるサブマウント上にマウントされているため、導電性基板に伝導し た熱はハンダ材を介して効率的にサブマウントへと伝導される。
[0032] サブマウント材料は導電性基板よりも高い熱伝導率を有することが望ましぐこの点 から、 A1Nを好ましく用いることができる。 A1Nは、強度が十分であれば、単結晶、多 結晶、アモルファス等のいずれの状態でもよぐ厚みは、 100— 750 μ ΐη程度の厚み があればよい。
[0033] サブマウント工程、マウント工程においては、半導体レーザ素子チップとサブマウン ト、およびサブマウントとステムをハンダ材で接合する。ここでハンダ材とは接合用の 合金または、単体の金属である。接合方法は限定されないが、いわゆるダイボンディ ングによって以下のように行うことができる。たとえばサブマウント工程の場合、サブマ ゥント上にあら力 めハンダ材を設け、半導体レーザ素子チップをハンダ上の所定の 位置に設置した後、サブマウントを加熱してハンダ材を融解させる。この状態で半導 体レーザ素子チップに圧力を加えてサブマウントと接合させた後、降温してハンダ材 を固化させる。この方法によれば、半導体レーザ素子チップとサブマウントを熱伝導 性よく接合することができる。なおマウント工程においてもサブマウント工程と同様の 方法で接合を行うことができる。
[0034] 図 1において、まず、サブマウント 103の所定位置に、第 1のハンダ材 102をたとえ ば 3 /i m程度形成する。第 1のハンダ材 102の上に、半導体レーザ素子チップ 101の 第 2の電極 212側を第 1のハンダ材 102に対向させた状態で設置し、サブマウント 10 3を第 1のハンダ材 102の融点以上に加熱してハンダ材を融解させ、サブマウント 10 3と半導体レーザ素子チップ 101とを接合し、降温して第 1のハンダ材 102を固化さ せる。
[0035] 続いて、ステム 105の所定位置にハンダ材 104を形成させる。
[0036] 第 2のハンダ材 104の上に、上記で半導体レーザ素子が形成されたサブマウント 1 03のサブマウント側を第 2のハンダ材 104に対向させた状態で設置し、第 2のハンダ 材 104の融点以上に加熱して第 2のハンダ材 104を融解させ、ステム 105とサブマウ ント 103とを接合し、降温してハンダ剤を固化させる。
[0037] 第 1のハンダ材には Au Sn を用いることができる力 AuSn以外にも、 SnSb、 Sn
Ag、 SnAgCu、 InSn、 InAg、 In等を用いることが可能である。 AuSnを用いた場合 、A1Nサブマウントと半導体レーザ素子チップとの密着性を大幅に向上できる。
[0038] 第 2のハンダ材には、 A1Nサブマウントとステムとを強固に密着させることが可能で ある材料を好ましく用レヽること力 Sでき、たとえは、 SnAgCu、 AuSn, SnSb、 SnAg、 Sn Sb、 InSn、 InAg、 Sn、もしくは Inのうち少なくとも 1つを含むものを好ましく用いること ができる。特に SnAg Cu 、 Inを好適に用いることができる。
0.03 0.005
[0039] また、マウント強度の観点から、第 2のハンダ材の融点は、第 1のハンダ材の融点と 同程度以下であることが好ましい。
[0040] サブマウントとハンダ材との間、ステムとハンダ材との間には、種々の公知の方法に より別の層を介在させてもよレ、。介在させる層としては、サブマウントまたはステムとハ ンダ材との密着性を向上させるための層、サブマウントまたはステムとハンダ材との反 応性を抑制するための層等が挙げられる。これらは単層でも複数層の積層として介 在させてもよい。
[0041] くボンディング >
次に、ピン 106と半導体レーザ素子チップの第 1の電極 211とをワイヤ 107によって 接続し、半導体レーザ素子チップとステムとの電気的な接続を行う。ワイヤ 107には、 好ましくは Auの細線を用い、ワイヤボンディング装置を使用してボンディングを行う。 最後に、素子特性の劣化を防止するため、好ましくは窒素ガス等の不活性ガスを封 入した状態でステムにキャップを取り付ける。
[0042] 以上の方法によって、本発明の一例としての半導体レーザ装置が完成する。次に、 半導体レーザ装置の製造における本発明の実施の形態について説明する。
[0043] (実施の形態 1)
<半導体レーザ素子チップの製造 >
導電性基板 201として GaN基板を MOCVD装置内に導入し、 Nと NH (アンモニ
2 3 ァ）をそれぞれ流量 5L/minで流しながら 1050°Cまで昇温する。温度が上がった後 、キャリアガスを N力、ら Hに代え、 TMG (トリメチルガリウム）を流量 lOO z mol/min
2 2
、 SiH4 (シラン）を流量 lOnmol/minで導入して、 n型 GaN層 202を 4 μ mの厚みで 成長させる。その後、 TMGの流量を 50 μ mol/minに調整し、 TMA (トリメチルアル ミニゥム）を流量 40 z mol/min導入して、 n型クラッド層 203として Al Ga Nを 0.
0.1 0.9 の厚みで成長させる。 Al Ga Nの成長が終了した後、 TMAの供給を停止し
0.1 0.9
、 TMGを 100 μ mol/minに調整して、 n型光ガイド層 204として GaNを 0. 1 μ mの 厚さになるように成長させる。その後、 TMG、 SiHの供給を停止して、キャリアガスを H力 Nに再び代え、 700°Cまで降温して、インジウム原料である TMI (トリメチルイ ンジゥム）を流量 10 μ mol/min、 TMGを流量 15 /i mol/minで導入し、 In Ga
Nよりなる障壁層を 4nmの厚みで成長させる。その後、 TMIの供給量を 50 μ mol
/minに増加させ、 In Ga Nよりなる井戸層を 2nmの厚みで成長させる。井戸層は
、同様の手法で合計 3層成長させ、 3層の井戸層の各々が計 4層の障壁層で挟まれ た構造の MQW (多重量子井戸）である活性層 205を成長させる。 MQWの成長が終 了した後、 TMIおよび TMGの供給を停止し、再び 1050°Cまで昇温して、キャリアガ スを再び Nから Hに代えて、 TMGを流量 50 μ mol/min, TMAを流量 30 μ mol
/min, p型ドーピング原料である Cp Mg (ビスシクロペンタジェニルマグネシウム）を 流量 10nmol/minで流し、 p型のキャリアブロック層 206として Al Ga Nを 20nm の厚みで成長させる。キャリアブロック層の成長が終了した後、 TMAの供給を停止し 、 TMGの供給量を 100 μ molZminに調整して、 p型光ガイド層 207として GaNを 0 . 1 μ mの厚みで成長させる。その後、 TMGの供給量を 50 μ mol/minに調整し、 TMAを流量 40 /i mol/minで導入し、 p型クラッド層 208として Al Ga Nを 0· 4 μ mの厚みで成長させ、最後に、 TMGの供給を 100 μ mol/minに調整して、 TMA の供給を停止し、 p型コンタクト層 209として GaNを 0. 1 /i mの厚みで成長させる。そ の後、 TMGおよび Cp Mgの供給を停止して降温し、室温で基板を MOCVD装置よ り取り出して、レーザ素子構造が完成する。
[0044] MOCVD装置から取り出したレーザ素子構造を用い、レーザ構造を作製する。ま ず、ドライエッチング装置を用いて、 p型コンタクト層 209を、幅 2 /i mのストライプ状に 残して p型クラッド層 208までエッチングを行い、光導波路を形成する。次に絶縁膜と して SiO膜 210の蒸着を行レ、、その後、リッジ上部の Si〇を除去したのち、 p形コン タクト層 209の部分に Pdを 15nm、 Moを 15nm、 Auを 200nmの厚みで順次蒸着し て、第 1の電極 211として p型電極を形成する。 p型電極の作製が終わった後、真空 中、 500°Cで 10分間の電極ァロイを行う。
[0045] 次に、導電性基板 201である GaN基板に対して研肖 I」、研磨を行う。まず、研削機を 用いて GaN基板裏面を厚さが 200 z m程度になるまで削る。次いで、研削を行った GaN基板裏面をダイヤモンドスラリーを用いて平坦ィ匕し、最後にアルミナを研磨剤と して研磨布による仕上げを行い、表面を鏡面化する。
[0046] さらに、 GaN基板裏面に対して塩素プラズマによる RIE処理を行う。 RIE処理は、 圧力が 45mtorr、塩素流量が 80ccmの条件で行い、 GaN基板裏面の研磨面に対 して深さが約 1 μ mのドライエッチングを行う。
[0047] 次に、 GaN基板裏面に第 2の電極 212として n型電極を形成させる。電極の形成に は EB蒸着装置を用いる。まずォーミック層の形成のために、 Hfを 5nm、次いで A1を 150nmの厚みで蒸着し、真空中 500°Cで 3分間の電極ァロイを行って電極金属と G aN基板とを一部合金化し、第 1の層とする。その上に、第 2の層として Moを 30nm、 Ptを 15nmの厚みで順次積層したバリア金属層を形成し、さらにその上に第 3の層と して 250nmの厚みで Auを蒸着したボンディング金属層を形成する。
[0048] 以上の方法で、 GaN基板に半導体レーザ素子が搭載されたレーザ構造を作製し、 スクライブ法を用いて複数のチップに分割する。 GaN基板の裏面側からスクライブラ インを入れ、基板に力を加えることで、スクライブラインに沿って半導体レーザ素子の 分割を行い、各々の半導体レーザ素子チップとする。
[0049] くマウント >
次に、半導体レーザ素子チップを支持基体上にマウントする。マウントは、半導体レ 一ザ素子チップをサブマウント上に設置するサブマウント工程、該サブマウントを支持 基体であるステムに設置するマウント工程、の 2つの工程によって行う。
[0050] サブマウント工程においては、 A1Nからなるサブマウント 103の上の所定位置に、 E B蒸着法を用いて、第 1のハンダ材 102として Au Sn ハンダを 3 μ mの厚みで形成
0.8 0.2
する。 Au Sn ハンダの上に、 Au Sn ハンダと第 2の電極 212を対向させた状態
0.8 0.2 0.8 0.2
で半導体レーザ素子チップをァライメントして設置する。この状態でサブマウントを 30 0°Cに加熱して第 1のハンダ材を融解させ、半導体レーザ素子チップに圧力を加えて 接合、固定する。その後降温して第 1のハンダ材を固化させ、サブマウント工程が終 了する。
[0051] マウント工程においては、半導体装置の支持基体であるステム 105にサブマウント 1 03を接合する。はじめに、ステム上の所定位置に、第 2のハンダ材 104として厚みが 10 z m程度の箔状の SnAg Cu ハンダを載せる。 SnAg Cu ハンダの上に
0.03 0.005 0.03 0.005 、 SnAg Cu ハンダとサブマウントを対向させた状態で、半導体レーザ素子チッ プを搭載したサブマウントをァライメントして設置する。続レ、て 300°Cまで昇温して Sn Ag Cu ハンダを融解させ、半導体レーザ素子チップを搭載したサブマウントに 圧力をカ卩えてサブマウントをステムに接合する。最後に降温して SnAgCuハンダを固 化させ、マウント工程が終了する。
[0052] 以上の方法で、ステム上に A1Nサブマウントおよび半導体レーザ素子チップを所定 位置にマウントできる。
[0053] <ボンディング >
Auの細線からなる p型電極ワイヤをワイヤ 107として用レ、、ステムのピン 106と第 1 の電極 211とを、ワイヤボンディング装置を用い接続する。最後に、ステムにキャップ を取り付け、窒素ガスが封入された状態とする。以上の方法で半導体レーザ装置が 完成する。
[0054] <特性評価 >
実施の形態 1の方法で、同一ウェハに搭載された半導体レーザ素子を分割して得 られた半導体レーザ素子チップ 50個に対して、マウント前とマウント後の閾値電流を 比較した。閾値電流値は、 50個の半導体レーザ素子チップについてマウント前、マ ゥント後各々の平均値として算出する方法で行った。なおマウント後の値については 、初期不良により素子特性が大きく劣っていた 2個の半導体レーザ素子チップについ ては、平均値の算出から除外した。素子特性とは、閾値電流、 30mWでの駆動電流 、駆動電圧のことを示す。
[0055] 半導体レーザ素子チップのマウント前およびマウント後の平均閾値電流値は、マウ ント前が 41mAであったのに対してマウント後は 37mAであり、マウント工程後に若干 、閾値電流が低減した。半導体レーザ素子チップを支持基体にマウントしたことによ つて半導体レーザ素子の放熱がよくなり、閾値電流の低減が生じたと考えられる。ま た、初期不良の 2個の半導体レーザ素子チップを除き、 48個のチップに関しては素 子特性の劣化は見られず、高レ、歩留りで支持基体へのマウントを行うことが可能であ つた。
[0056] 次に、作製した半導体レーザ装置をエージング装置に導入し、雰囲気温度を 60°C 、出力を 30mWとした場合の駆動電流が 1 · 5倍になる時点までの時間を寿命とする 寿命試験を行った。寿命試験に投入した半導体レーザ装置 48個のうち、初期劣化と 思われる不良が 4つの半導体レーザ装置で発生した。初期劣化したものを除き、 100 0時間の寿命試験において、駆動電流が 1. 5倍まで上昇した半導体レーザ装置は なぐ 60°C、 30mWでの寿命が 1000時間以上であることを確認した。
[0057] (実施の形態 2)
本実施の形態においては、第 2のハンダ材 104として、 SnAg Cu をあらかじめ ステムに転写する。
[0058] まず、実施の形態 1の方法で、半導体レーザ素子チップをサブマウント上に設置す るサブマウント工程を行う。次に、半導体レーザ素子チップを登載したサブマウント 10 3を、ステム 105にマウントする。このとき、ステムにはあらかじめ第 2のハンダ材 104と して SnAgCuが転写されている。ステム上への SnAg Cu の転写方法は以下の 通りである。長さ 500nm、幅 500 μ m程度のテフロン（登録商標）テープを用意する。 次に、テフロン (登録商標）テープに 8 μ m程度の SnAg Cu を蒸着する。その後
、 SnAg Cu ハンダの付いたテフロン（登録商標）テープを、ステム 105にァライメ ントする。ァライメントが終われば、テフロン (登録商標）テープ越しに該ハンダに 80k Hz程度の超音波振動を照射し、縦 500 /i m X横 500 /i m X厚さ 10 μ mの SnAg
Cu ハンダをステム 105に転写することができる。
[0059] 次に、ステム 105にサブマウント 103を接合する。転写した SnAg Cu ハンダの 上に、 SnAg Cu ハンダとサブマウントを対向させた状態で、半導体レーザ素子 チップを搭載したサブマウントをァライメントして設置する。続レ、て 300°Cまで昇温し て SnAg Cu ハンダを融解させ、半導体レーザ素子チップを搭載したサブマウン トに圧力をカ卩えてサブマウントをステムに接合する。最後に降温して SnAg Cu ハンダを固化させ、マウント工程が終了する。
[0060] 以上の方法で、ステム 105の上に A1Nのサブマウント 103および半導体レーザ素 子チップ 101を所定位置にマウントした後、実施の形態 1と同様にボンディングを行 ない、半導体レーザ装置を完成させる。
[0061] 上記の方法によって得られた半導体レーザ装置について、実施の形態 1と同様に 特性評価を行った。
[0062] その結果、 50個の半導体レーザ素子チップのうち、 3個の半導体レーザ素子チッ プに不良が発生した力 残る 47個の半導体レーザ素子チップにおいては、マウント 前の閾値電流は 43mAであったのに対して、マウント後の閾値電流は 40mAであつ た。よってマウント後の特性が良好であることが確認できた。
[0063] また、上記で不良の発生しなかった 47個の半導体レーザ素子チップについての半 導体レーザ装置の寿命試験では、 4個の装置について初期劣化による不良が生じた が、残りの 43個については 1000時間後の駆動電流が、初期駆動電流の 1. 5倍を 越えるものはなぐ 1000時間以上の寿命を有することが確認できた。
[0064] (実施の形態 3)
本実施の形態では、第 2のハンダ材として Inを用レ、、ステムに Inを転写する。
[0065] 実施の形態 1の方法で、半導体レーザ素子チップ 101を、サブマウント 103上に設 置するサブマウント工程を行う。次に、半導体レーザ素子チップを搭載したサブマウ ントをステム 105にマウントする。このとき、ステムにはあらかじめ Inが転写されている 。ステム上への Inの転写方法は以下の通りである。
[0066] 長さ 500nm、幅 500 μ mのテフロン（登録商標）テープを用意し、テフロン（登録商 標）テープに厚み 10 /i m程度の Inを蒸着する。その後、 Inハンダの付いたテフロン（ 登録商標）テープを、ステム 105にァライメントする。ァライメントが終われば、テフロン (登録商標）テープ越しに該ハンダに 80kHz程度の超音波振動を照射し、縦 500 β m X横 500 /i m X厚さ 10 μ mの Inハンダをステムに転写する。
[0067] 次に、ステム 105にサブマウント 103を接合する。転写した Inハンダの上に、 Inハン ダとサブマウントを対向させた状態で、半導体レーザ素子チップ 101を搭載したサブ マウントをァライメントして設置する。続レ、て 300°Cまで昇温して Inハンダを融解させ、 半導体レーザ素子チップを搭載したサブマウントに圧力を加えてサブマウントをステ ムに接合する。最後に降温して Inハンダを固化させ、マウント工程が終了する。
[0068] 以上の方法で、ステム上に A1Nサブマウントおよび半導体レーザ素子チップを所定 位置にマウントした後、実施の形態 1と同様にボンディングを行なレ、、半導体レーザ 装置を完成させる。 [0069] 上記の方法で得られた半導体レーザ装置について、実施の形態 1と同様の方法で 特性評価を行った。
[0070] 50個の半導体レーザ素子チップに対してマウントを行った結果、 3個が初期不良に よる劣化を示した。残る 47個の半導体レーザ素子チップでは、マウント前の閾値が 4 2mAであったのに対して、マウント後の閾ィ直が 39mAであった。
[0071] 上記で不良の発生しなかった 47個の半導体レーザ素子チップについての半導体 レーザ装置の寿命試験では、 4個の装置で初期劣化による不良が生じた。残りの 43 個の装置については、 1000時間後の駆動電流が、初期駆動電流の 1. 5倍を越える ものはなぐ 1000時間以上の寿命を有することが確認できた。
[0072] この発明を詳細に説明してきたが、これは例示のためのみであって、限定ととって はならず、発明の精神と範囲は添付の請求の範囲によってのみ限定されることが明ら 力、に理解されるであろう。
産業上の利用可能性
[0073] 本発明においては、窒化物系半導体発光素子チップとマウント部材との密着強度 が高ぐかつ放熱性に優れるマウント構造とすることによって、高出力で用いた場合 にも優れた信頼性を有し、かつ長時間の寿命特性を有する窒化物系半導体発光装 置の製造が可能となる。

Claims

請求の範囲
[1] 導電性基板上に形成された窒化物系半導体発光素子チップと、窒化物系半導体 発光素子チップを搭載するための支持基体であるマウント部材としてサブマウント（1 03)、ハンダ、およびステム（105)とを備えた窒化物系半導体発光装置であって、導 電性基板表面に窒化物系半導体層、第 1の電極（211)が順次形成され、かつ導電 性基板裏面に第 1の電極と異なる導電型を有する第 2の電極（212)が形成されてな る前記窒化物系半導体発光素子チップを、第 2の電極側をサブマウント（103)に対 向させた状態で第 1のハンダ材（102)を介してサブマウント（103)上にマウントし、さ らに前記窒化物系半導体発光素子チップがマウントされた前記サブマウント（103) のサブマウント側をステム（105)に対向させた状態で、第 2のハンダ材（104)を介し てステム（105)上にマウントされて形成された窒化物系半導体発光装置。
[2] 前記サブマウント（103)が A1Nである請求項 1に記載の窒化物系半導体発光装置
[3] 前記第 1のハンダ材（102)力 AuSnであり、前記第 2のハンダ材（104)力 SnAg Cu、または Inであることを特徴とする、請求項 1に記載の窒化物系半導体発光装置
[4] 前記導電性基板（201)が n型の窒化物系半導体基板である請求項 1に記載の窒 化物系半導体発光装置。
[5] 前記第 2の電極（212)は、第 1の層としてォーミック電極を導電性基板に形成可能 である単層または複数層の金属層もしくは複数の金属層が混合した状態である金属 層、第 2の層としてバリア金属として機能する単層または複数層の金属層、および第 3の層として前記第 1のハンダ材と親和性が高い単層または複数層の金属層、の 3つ の金属層が、導電性基板上にこの順に形成されてなる請求項 1に記載の窒化物系 半導体発光装置。
[6] 前記第 2の電極（212)において、第 1の層が Ti、 Hf、 A1のうち 2種類以上の金属を 含む層、第 2の層が Moと Ptとをこの順に形成した積層構造、第 3の層が Auを用いた 層である請求項 1に記載の窒化物系半導体発光装置。
[7] 前記導電性基板（201)に対し、前記第 2の電極（212)を形成する際に前処理とし てドライエッチングを施して請求項 1に記載の窒化物系半導体発光装置を製造する ことを特徴とする窒化物系半導体発光装置の製造方法。
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