(57)【要約】【課題】サブマウントにフェースダウン実装された量子カスケード半導体レーザを含む半導体発光組立体を提供する。【解決手段】サブマウント１５の搭載面１５ａは、第１の方向（Ｘ軸の方向）に順に配列される第１エリア１５ｂ、第２エリア１５ｃ及び第３エリア１５ｄを含む。第１エリア１５ｂ及び第３エリア１５ｄは、半田材３７を介して量子カスケード半導体レーザ１３の第１部分１３ａ及び第５部分１３ｅを支持する。半田材３７はサブマウント１５の第１エリア１５ｂ〜第３エリア１５ｄにわたって設けられている。量子カスケード半導体レーザ１３及びサブマウント１５は第３の方向（Ｚ軸の方向）に配列されて、量子カスケード半導体レーザ１３はサブマウント１５に搭載される。量子カスケード半導体レーザ１３の第３部分１３ｃはサブマウント１５の第２エリア１５ｃに対して間隔ＧＡＰを置いている。【選択図】図１
2014229744.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光組立体であって、
第１の方向に順に配列された第１部分、第２部分、第３部分、第４部分及び第５部分を含む量子カスケード半導体レーザと、
前記第１の方向に順に配列された第１エリア、第２エリア及び第３エリアを含む搭載面を有しており、前記量子カスケード半導体レーザを搭載するサブマウントと、
を備え、
前記サブマウントの材料は半導体と異なり、
前記サブマウントの前記第１エリア及び前記第３エリアは、前記量子カスケード半導体レーザの前記第１部分及び前記第５部分を支持しており、
前記量子カスケード半導体レーザは、第１導電型半導体からなる主面を有する基板と、前記基板の前記主面上に設けられた半導体積層とを含み、
前記量子カスケード半導体レーザの前記第３部分は、前記第１の方向に交差する第２方向に延在する量子カスケードメサを含み、
前記量子カスケードメサは、前記基板の前記主面上に順に設けられた発光層及び第１導電型半導体層を含み、
前記量子カスケード半導体レーザの前記第２部分及び前記第４部分の各々は、前記第２方向に延在するトレンチ溝を含み、
前記量子カスケード半導体レーザの前記第１部分、前記第２部分、前記第３部分、前記第４部分及び前記第５部分は電極を含み、前記電極は前記量子カスケードメサの上面に接触を成し、
前記量子カスケード半導体レーザの前記第３部分の前記電極の表面は、前記サブマウントの前記第２エリアに対して間隔を置いている、半導体発光組立体。
【請求項２】
前記量子カスケード半導体レーザは、前記半導体積層の表面を覆うと共に前記量子カスケードメサの前記上面の位置に開口を有する絶縁層を含み、
前記量子カスケード半導体レーザにおいて、前記第１部分及び前記第５部分における前記基板の前記主面と前記絶縁層との間隔は前記第３部分における前記基板の前記主面と前記電極との間隔に実質的に等しく、
前記第１部分及び前記第５部分の前記半導体積層は、前記発光層及び前記第１導電型半導体層を含む、請求項１に記載された半導体発光組立体。
【請求項３】
前記量子カスケード半導体レーザの前記第１部分及び前記第５部分における前記電極は、前記量子カスケード半導体レーザの前記第３部分における前記電極より厚い、請求項１又は請求項２に記載された半導体発光組立体。
【請求項４】
前記量子カスケード半導体レーザの前記第３部分における前記電極はメッキ層を含み、前記量子カスケード半導体レーザの前記第３部分における前記メッキ層と前記サブマウントの前記第２エリアとの間には前記間隔が形成され、
前記量子カスケード半導体レーザの前記第１部分及び前記第５部分における前記電極はメッキ層及び追加のメッキ層を含む、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された半導体発光組立体。
【請求項５】
前記サブマウントの前記第２エリアは、前記第１エリア及び前記第３エリアの表面より窪む溝を含み、
前記量子カスケード半導体レーザの前記量子カスケードメサは前記溝に位置合わせされている、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された半導体発光組立体。
【請求項６】
前記サブマウントの前記第１エリア、前記第２エリア及び前記第３エリアにわたって設けられた半田材を更に備え、
前記量子カスケード半導体レーザの前記第１部分及び前記第５部分は、前記半田材を介して前記サブマウントの前記第１エリア及び前記第３エリアに支持されている、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された半導体発光組立体。
【請求項７】
前記量子カスケード半導体レーザの前記第１部分、前記第３部分及び前記第５部分において前記電極は前記第２の方向に延在し、
前記第２の方向に関して、前記量子カスケード半導体レーザの前記第１部分及び前記第５部分における電極の長さは前記量子カスケード半導体レーザの前記第３部分における電極の長さ以上である、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された半導体発光組立体。
【請求項８】
前記量子カスケード半導体レーザの前記第２部分及び前記第４部分において前記電極は前記第２の方向に延在し、
前記第２の方向に関して、前記量子カスケード半導体レーザの前記第２部分及び前記第４部分における電極の長さは前記量子カスケード半導体レーザの前記第３部分における電極の長さ以上であり、
前記基板の表面は第１導電型半導体からなる第１クラッド領域を含み、
前記第１導電型半導体層は第２クラッド領域を含み、
前記第１クラッド領域、前記発光層及び前記第２クラッド領域の側面が前記トレンチ溝の側面に位置しており、
前記量子カスケード半導体レーザは、前記電極と前記半導体積層との間に設けられた絶縁層を含み、
前記電極は、前記トレンチ溝の前記側面上の前記絶縁層上を延在する、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された半導体発光組立体。
【請求項９】
前記トレンチ間隔は１０μｍ以上であり、
前記トレンチ溝は、前記第１クラッド領域に到達し、
前記基板はＩｎＰを備え、
前記サブマウントはＡｌＮを備える、請求項８に記載された半導体発光組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、製造工程及び実装工程において導波路領域の損傷を防止できる構造を有する半導体光装置を提供する。この半導体光装置は、一組のメサ溝に挟まれた導波路領域を含む。このメサ溝の外方に第１マウント領域および第２マウント領域が設けられている。第１マウント領域及び第２マウント領域には、それぞれ、第１スペーサ層及び第２スペーサ層が設けられる。導波路領域の上部クラッド層には第１金属層が電気的に接続され、この第１金属層は導波路領域の上部から第１マウント領域の上部にまで延在する。第２マウント領域の上部には第２金属層が設けられている。半導体基板の裏面から導波路領域の第１金属層の上端までの高さは、半導体基板の裏面から第１マウント領域の第１金属層の上端までの高さ及び半導体基板の裏面から第２マウント領域の第２金属層の上端までの高さより小さい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３３２６７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
量子カスケードレーザは、多層の量子井戸構造を積み重ねた構造の活性層を有するので、その動作電圧は、光通信用レーザダイオードに比べて高く、例えば１０ボルト以上である。この高い動作電圧に加えて、量子カスケードレーザの閾値電流は大きく例えば１アンペア程度になるので、発光層で発生する熱量は、発明者の見積もりによれば、数十ワット程度になる。この発熱は、通信用の半導体レーザ、光記録用の半導体レーザなどと比べて非常に大きい。
【０００５】
また、量子カスケードレーザの発光波長が例えば３〜１０μｍ程度と長いことに対応して、このような長波長の光の増幅、伝搬及び閉じ込めるために、その発光層の体積も大きい。加えて、量子カスケードレーザの発光層の単位長さ当たりの利得が通信用半導体レーザに比べて小さい。このため、量子カスケードレーザは、通信用半導体レーザに比べて長い共振器を必要とする。この長い共振器は、発明者の知見によれば、発光層の体積を増大させる。
【０００６】
大きな発熱故に、量子カスケードレーザのフェースダウン実装形態を用いて量子カスケード半導体レーザの放熱性を高めることを発明者は検討している。しかしながら、発明者の知見によれば、量子カスケード半導体レーザは、上記のような構造上の理由及び発振メカニズムに起因する構造上の理由により、実装時における半導体メサへの応力の影響を受けやすい。
【０００７】
量子カスケード半導体レーザは、例えば光通信用レーザダイオードに比べて、大きな消費電力を示す。また、量子カスケード半導体レーザの活性層の体積が大きい。これらの要因は、大きな発熱と応力への懸念から、実装時及び使用時における応力の影響を低減することが求められる。
【０００８】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、サブマウントにフェースダウン実装された量子カスケード半導体レーザを含む半導体発光組立体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】
【０００９】
本発明に係る半導体発光組立体は、（ａ）第１の方向に順に配列された第１部分、第２部分、第３部分、第４部分及び第５部分を含む量子カスケード半導体レーザと、（ｂ）前記第１の方向に順に配列された第１エリア、第２エリア及び第３エリアを含む搭載面を有しており、前記量子カスケード半導体レーザを搭載するサブマウントとを備え、前記サブマウントの材料は半導体と異なり、前記サブマウントの前記第１エリア及び前記第３エリアは、前記量子カスケード半導体レーザの前記第１部分及び前記第５部分を支持しており、前記量子カスケード半導体レーザは、第１導電型半導体からなる主面を有する基板と、前記基板の前記主面上に設けられた半導体積層とを含み、前記量子カスケード半導体レーザの前記第３部分は、前記第１の方向に交差する第２方向に延在する量子カスケードメサを含み、前記量子カスケードメサは、前記基板の前記主面上に順に設けられた発光層及び第１導電型半導体層を含み、前記量子カスケード半導体レーザの前記第２部分及び前記第４部分の各々は、前記第２方向に延在するトレンチ溝を含み、前記量子カスケード半導体レーザの前記第１部分、前記第２部分、前記第３部分、前記第４部分及び前記第５部分は電極を含み、電極は、前記量子カスケードメサの上面に接触を成し、前記量子カスケード半導体レーザの前記第３部分は、前記サブマウントの前記第２エリアに対して間隔を置いている。
【００１０】
この半導体発光組立体によれば、量子カスケードメサの上面に接触を成す電極が、量子カスケード半導体レーザの第１部分、第２部分、第３部分、第４部分及び第５部分に延在する。量子カスケード半導体レーザの第１部分及び第５部分がサブマウントの第１エリア及び第３エリアによって支持される。一方で、量子カスケード半導体レーザは、その第３部分がサブマウントの第２エリアに対して間隔をおいてサブマウント上に配置されている。これ故に、動作中に量子カスケードメサにおいて発生した熱が、量子カスケード半導体レーザの第１部分、第２部分、第３部分、第４部分及び第５部分に連続的に延在する電極を伝搬すると共に、さらに量子カスケード半導体レーザの第１部分及び第５部分からサブマウントの第１エリア及び第３エリアに放出されることを可能にしながら、サブマウントの材料が半導体と異なるけれども、量子カスケードメサが直接にサブマウントから熱応力を受けることを避けることができる。
【００１１】
本発明に係る半導体発光組立体では、前記量子カスケード半導体レーザは、前記半導体積層の表面を覆うと共に前記量子カスケードメサの前記上面の位置に開口を有する絶縁層を含み、前記量子カスケード半導体レーザの前記第１部分の前記電極の厚さ及び前記量子カスケード半導体レーザの前記第５部分の電極の厚さは、前記量子カスケード半導体レーザの前記第３部分の前記電極の厚さより大きく、前記量子カスケード半導体レーザにおいて、前記第１部分及び前記第５部分における前記基板の前記主面と前記絶縁層との間隔は前記第３部分における前記基板の前記主面と前記電極との間隔に実質的に等しく、前記半導体積層の前記第１部分及び前記第５部分は、前記発光層及び前記第１導電型半導体層を含む。
【００１２】
この半導体発光組立体によれば、量子カスケード半導体レーザにおいて、半導体積層の表面を覆う絶縁層の厚さを除いて、第１部分、第３部分及び第５部分における電極と基板の主面との間隔が相互に実質的に等しくなるように、量子カスケード半導体レーザが設けられる。これ故に、量子カスケード半導体レーザの第３部分とサブマウントの第２エリアとの間に間隔を形成するために、量子カスケード半導体レーザにおける電極の下地となる構造物に関して、第１部分及び第５部分と第３部分との間に構造上の差異を設けることがない。
【００１３】
本発明に係る半導体発光組立体では、前記量子カスケード半導体レーザの前記第１部分及び前記第５部分における前記電極は、前記量子カスケード半導体レーザの前記第３部分における前記電極より厚い。
【００１４】
この半導体発光組立体によれば、量子カスケード半導体レーザの第１部分及び第５部分における電極の厚さを量子カスケード半導体レーザの第３部分における電極の厚さより大きくして、量子カスケード半導体レーザの第３部分とサブマウントの第２エリアとの間に間隔を形成する。
【００１５】
本発明に係る半導体発光組立体では、前記量子カスケード半導体レーザの前記第３部分における前記電極はメッキ層を含み、前記量子カスケード半導体レーザの前記第３部分における前記メッキ層と前記サブマウントの前記第２エリアとの間には前記間隔が形成され、前記量子カスケード半導体レーザの前記第１部分及び前記第５部分における前記電極はメッキ層及び追加のメッキ層を含む。
【００１６】
この半導体発光組立体によれば、量子カスケード半導体レーザの第１部分及び第５部分における電極はメッキ層及び追加のメッキ層を含み第３部分が追加のメッキ層を含まないので、量子カスケード半導体レーザの第１部分及び第５部分における電極の厚さが量子カスケード半導体レーザの第３部分における電極の厚さより大きくできる。これにより、量子カスケード半導体レーザの第３部分とサブマウントの第２エリアとの間に間隔を形成できる。
【００１７】
本発明に係る半導体発光組立体では、前記サブマウントの前記第２エリアは、前記第１エリア及び前記第３エリアの表面より窪む溝を含み、前記量子カスケード半導体レーザの前記量子カスケードメサは前記窪みに位置合わせされている。
【００１８】
この半導体発光組立体によれば、サブマウントの第２エリアが第１エリア及び第３エリアの表面より凹む溝を備えるので、量子カスケード半導体レーザの第３部分とサブマウントの第２エリアとの間に間隔を形成できる。
【００１９】
本発明に係る半導体発光組立体は、前記サブマウントの前記第１エリアから前記第３エリアにわたって設けられた半田材を更に備え、前記量子カスケード半導体レーザの前記第１部分及び前記第５部分は、前記半田材を介して前記サブマウントの前記第１エリア及び前記第３エリアに支持されている。
【００２０】
この半導体発光組立体によれば、量子カスケード半導体レーザの第１部分及び第５部分の電極とサブマウントの第１エリア及び第３エリア上の電極パターンとの間に半田材が設けられるけれども、量子カスケード半導体レーザの第１部分及び第５部分の支持の寄与により、量子カスケード半導体レーザの第３部分とサブマウントの第２エリアとの間に間隔を形成できるので、実装時の半田材の温度変化による応力が量子カスケードメサに加わることを回避できる。
。
【００２１】
本発明に係る半導体発光組立体では、前記量子カスケード半導体レーザの前記第１部分、前記第３部分及び前記第５部分において前記電極は前記第２の方向に延在し、前記第１の方向に関して、前記量子カスケード半導体レーザの前記第１部分及び前記第５部分における電極の長さは前記量子カスケード半導体レーザの前記第３部分における電極の長さ以上である。
【００２２】
この半導体発光組立体によれば、第２の方向に関して、量子カスケード半導体レーザの第１部分及び第５部分における電極の長さが量子カスケード半導体レーザの第３部分における電極の長さに等しい、或いはより大きいので、量子カスケードメサ上の電極の長さ程度或いは第１部分及び第５部分のより長い電極から、量子カスケードメサにおいて発生された熱をサブマウントの第１エリア及び第３エリアに放出される。
【００２３】
本発明に係る半導体発光組立体では、前記量子カスケード半導体レーザの前記第２部分及び前記第４部分において前記電極は前記第２の方向に延在し、前記第２の方向に関して、前記量子カスケード半導体レーザの前記第２部分及び前記第４部分における電極の長さは前記量子カスケード半導体レーザの前記第３部分における電極の長さ以上であり、前記基板は、第１導電型半導体からなる第１クラッド領域を含み、前記第１導電型半導体層は第２クラッド領域を含み、前記第１クラッド領域、前記発光層及び前記第２クラッド領域の側面が前記トレンチ溝の側面に位置しており、前記量子カスケード半導体レーザは、前記電極と前記半導体積層との間に設けられた絶縁層を含み、前記電極は、前記トレンチ溝の前記側面上に前記絶縁層を介して延在する。
【００２４】
この半導体発光組立体によれば、第１クラッド領域、発光層及び第２クラッド領域の側面がトレンチ溝の側面に到達するので、これらの半導体領域からの熱は、絶縁膜を介してトレンチ溝側面上の電極に伝わる。
【００２５】
本発明に係る半導体発光組立体では、前記トレンチ溝の間隔は１０μｍ以上であり、前記トレンチ溝は、前記第１の第１導電型半導体層に到達し、前記基板はＩｎＰを備え、前記サブマウントはＡｌＮを備える。この半導体発光組立体によれば、間隔が上記の値以上であるとき、製造上において無理なく間隔を形成できる。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように、本発明によれば、サブマウントにフェースダウン実装された量子カスケード半導体レーザを含む半導体発光組立体が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、量子カスケード半導体レーザ及びサブマウントを示す平面図である。
【図２】図２は、図１に示された量子カスケード半導体レーザ及びサブマウントを組み立てた半導体発光組立体を示す断面図である。
【図３】図３は、量子カスケード半導体レーザ及びサブマウントを示す平面図である。
【図４】図４は、図３に示された量子カスケード半導体レーザ及びサブマウントを組み立てた半導体発光組立体を示す断面図である。
【図５】図５は、本実施の形態に係る量子カスケード半導体レーザにおける走査型電子顕微鏡像を示す図面である。
【図６】図６は、本実施の形態に係る量子カスケード半導体レーザの一例の熱解析を示す図面である。
【図７】図７は、図６に示された構造に対する解析結果を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体発光組立体に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２９】
図１は、量子カスケード半導体レーザ及びサブマウントを示す平面図である。図２は、図１に示された量子カスケード半導体レーザ及びサブマウントを組み立てた半導体発光組立体を示す断面図であり、図１におけるI−I線に沿った断面を示す。図１の（ａ）部は量子カスケード半導体レーザを示す平面図であり、図１の（ｂ）部はサブマウントを示す平面図である。図１及び図２には、これらの図面における向きを表すために直交座標系Ｓを示す。半導体発光組立体１１は、量子カスケード半導体レーザ１３と、サブマウント１５とを備える。サブマウント１５は、量子カスケード半導体レーザ１３を搭載する搭載面１５ａを有する。サブマウント１５の材料は半導体と異なり、これ故にサブマウント１５の熱膨張係数は量子カスケード半導体レーザ１３の熱膨張係数と異なる。
【００３０】
量子カスケード半導体レーザ１３は、第１部分１３ａ、第２部分１３ｂ、第３部分１３ｃ、第４部分１３ｄ及び第５部分１３ｅを含む。第１部分１３ａ、第２部分１３ｂ、第３部分１３ｃ、第４部分１３ｄ及び第５部分１３ｅは第１の方向（例えばＸ軸の方向）に順に配列される。第１部分１３ａ、第２部分１３ｂ、第３部分１３ｃ、第４部分１３ｄ及び第５部分１３ｅの各々は、第１の方向に交差する第２の方向（例えばＹ軸の方向）に延在する。量子カスケード半導体レーザ１３の第３部分１３ｃは量子カスケードメサ（発光部メサ）１７を含み、量子カスケードメサ１７は第２方向に延在する。量子カスケードメサ１７は、発光層２１ａ及び第１導電型半導体層２１ｂを含む。量子カスケード半導体レーザ１３の第２部分１３ｂ及び第４部分１３ｄの各々はトレンチ溝２５ａ、２５ｂを含み、トレンチ溝２５ａ、２５ｂは第２方向に延在する。量子カスケード半導体レーザ１３の第１部分１３ａ及び第５部分１３ｅは、それぞれ、半導体テラス（側部メサ）２７ａ、２７ｂを含み、半導体テラス２７ａ、２７ｂは第２方向に延在する。
【００３１】
量子カスケード半導体レーザ１３は、基板１９及び半導体積層２３を含む。基板１９は、第１導電型半導体からなる主面１９ａ及び裏面１９ｂを有しており、一例では半導体基板である。基板１９の主面１９ａ上には、半導体積層２３が設けられる。半導体積層２３は、発光層２１ａ及び第１導電型半導体層２１ｂを含み、第１導電型半導体層２１ｂは第１導電型クラッド層及び第１導電型コンタクト層を含むことができる。量子カスケード半導体レーザ１３の第１部分１３ａ、第２部分１３ｂ、第３部分１３ｃ、第４部分１３ｄ及び第５部分１３ｅは電極２９を含み、電極２９は、量子カスケードメサ１７の上面１７ａに接触を成す。量子カスケード半導体レーザ１３の第１部分１３ａ、第３部分１３ｃ及び第５部分１３ｅの各々は、基板１９、半導体積層２３、及び電極２９を含み、量子カスケード半導体レーザ１３の第２部分１３ｂ及び第４部分１３ｄの各々は、基板１９及び電極２９を含み、半導体積層２３の一部を含んでいても良い。
【００３２】
サブマウント１５の搭載面１５ａは、第１エリア１５ｂ、第２エリア１５ｃ及び第３エリア１５ｄを含み、第１エリア１５ｂ、第２エリア１５ｃ及び第３エリア１５ｄは第１の方向（Ｘ軸の方向）に順に配列される。サブマウント１５の第１エリア１５ｂ及び第３エリア１５ｄは、量子カスケード半導体レーザ１３の第１部分１３ａ及び第５部分１３ｅを支持する。本実施例では、この支持は、半田材３７（例えばＡｕＳｎ半田、Ｉｎ半田）を介して行われる。半田材３７はサブマウント１５の第１エリア１５ｂ〜第３エリア１５ｄにわたって設けられているが、半田材３７はサブマウント１５の第１エリア１５ｂ及び第３エリア１５ｄに設けられていてもよい。
【００３３】
量子カスケード半導体レーザ１３及びサブマウント１５は第３の方向（Ｚ軸の方向）に配列されて、量子カスケード半導体レーザ１３はサブマウント１５に搭載される。量子カスケード半導体レーザ１３の第３部分１３ｃはサブマウント１５の第２エリア１５ｃに対して間隔ＧＡＰを置いている。
【００３４】
この半導体発光組立体１１によれば、量子カスケードメサ１７の上面１７ａに接触を成す電極２９（３３）が、量子カスケード半導体レーザ１３の第１部分１３ａ、第２部分１３ｂ、第３部分１３ｃ、第４部分１３ｄ及び第５部分１３ｅにわたって延在する。量子カスケード半導体レーザ１３の第１部分１３ａ及び第５部分１３ｅがサブマウント１５の第１エリア１５ｂ及び第３エリア１５ｄによって支持される。量子カスケード半導体レーザ１３は、その第３部分１３ｃがサブマウント１５の第２エリア１５ｃに対して間隔ＧＡＰをもってサブマウント１６上に配置される。これ故に、熱応力を量子カスケードメサ１７が直接にサブマウント１５から受けることを避けることができる。また、サブマウント１５の材料が半導体と異なるけれども、動作中に量子カスケードメサにおいて発生した熱は、量子カスケード半導体レーザ１３の第１部分１３ａ、第２部分１３ｂ、第３部分１３ｃ、第４部分１３ｄ及び第５部分１３ｅに連続的に延在する電極２９を伝搬すると共に、さらに量子カスケード半導体レーザ１３の第１部分１３ａ及び第５部分１３ｅからサブマウント１５の第１エリア１５ｂ及び第３エリア１５ｄに放出される。
【００３５】
図２に示されるように、半導体発光組立体１１では、量子カスケード半導体レーザ１３において、第１部分１３ａ、第３部分１３ｃ及び第５部分１３ｅにおける半導体積層２３の厚さは、互いに実質的に等しく、量子カスケード半導体レーザ１３の第１部分１３ａ、第３部分１３ｃ及び第５部分１３ｅは、半導体積層２３の発光層２１ａ及び上側の第１導電型半導体層２１ｂを含み、電極２９は金メッキ層を含む。
【００３６】
この半導体発光組立体１１によれば、量子カスケード半導体レーザ１３において、第１部分１３ａ、第３部分１３ｃ及び第５部分１３ｅにおける電極２９と基板１９の主面１９ａとの間隔が相互に実質的に等しくなるように、量子カスケード半導体レーザ１３が設けられる。これ故に、量子カスケード半導体レーザ１３の第３部分１３ｃとサブマウント１５の第２エリア１５ｃとの間に間隔ＧＡＰを形成するために、量子カスケード半導体レーザ１３における電極２９の下地となる構造物に関して、第１部１３ａ分及び第５部分１３ｅと第３部分１３ｃとの間に構造上の差異を設けることがない。
【００３７】
また、量子カスケード半導体レーザ１３は絶縁層３１を含み、絶縁層３１は、半導体積層２３の表面２３ａを覆うと共に量子カスケードメサ１７の上面１７ａの位置に開口３１ａを有する。電極２９はオーミック金属層３５及び金メッキ層３３を含む。第１部分１３ａ、第２部分１３ｂ、第４部分１３ｄ及び第５部分１３ｅにおいては、電極２９は絶縁層３１に接触を成しており、より具体的にはオーミック金属層３５は絶縁層３１に接触を成している。また、第３部分１３ｃにおいては、電極２９のオーミック金属層３５は半導体にオーミック接合を成す。本実施例では、第１部分１３ａ及び第５部分１３ｅの半導体積層２３は、第３部分１３ｃと同じく、発光層２１ａ及び第１導電型半導体層２１ｂを含んでおり、量子カスケード半導体レーザ１３において、第１部分１３ａ及び第５部分１３ｅにおける基板主面１９ａと絶縁層３１との間隔Ｄ１、Ｄ５は第３部分１３ｃにおける基板主面１７ａと電極２９との間隔Ｄ３に実質的に等しい。この半導体発光組立体１１によれば、量子カスケード半導体レーザ１３において、半導体積層２３の表面２３ａを覆う絶縁層３１の厚さを除いて、第１部分１３ａ、第３部分１３ｃ及び第５部分１３ｄにおける電極２９と基板主面１９ａとの間隔が相互に実質的に等しくなるように、量子カスケード半導体レーザ１３が設けられる。これ故に、量子カスケード半導体レーザ１３の第３部分１３ｃとサブマウント１５の第２エリア１５ｃとの間に間隔ＧＡＰを形成するために、量子カスケード半導体レーザ１３における電極２９の下地となる構造物に関して、第１部分１３ａ及び第５部分１３ｅと第３部分１３ｃとの間に構造上の差異を設けることがない。
第１部分１３ａ及び第５部分１３ｅ上の絶縁膜３１の厚さは、成膜時のばらつきを除いて、第２部分１３ｂ及び第４部分１３ｄ上の絶縁膜３１の厚さに実質的に等しい。
【００３８】
電極２９の厚さに関しては、量子カスケード半導体レーザ１３の第１部分１３ａの電極２９の厚さＤＥ１及び第５部分１３ｅの電極２９の厚さＤＥ５は、第３部分１３ｃの電極２９の厚さＤＥ３より大きい。このためには、本実施例では、第１部分１３ａ及び第５部分１３ｅにおける電極２９は第１メッキ層３３ａ及び第２メッキ層３３ｂを含み、第１部分１３ａの電極２９は第１メッキ層３３ａを含み、第１部分１３ａの第１メッキ層３３ａの表面は、外表に現れており、露出している。メッキ層３３ａに加えて追加のメッキ層３３ｂからなる複数のメッキ層の使用により、量子カスケード半導体レーザ１３の第１部分１３ａ及び第５部分１３ｅにおける電極２９を第３部分１３ｃにおける電極より厚くできる。第１部分１３ａ及び第５部分１３ｅにおける電極２９の厚さが第３部分１３ｃにおける電極２９の厚さより大きい量子カスケード半導体レーザ１３をサブマウント１５に搭載するとき、量子カスケード半導体レーザ１３の第３部分１３ｃとサブマウント１５の第２エリア１５ｃとの間に間隔ＧＡＰを形成できる。
【００３９】
この実施の形態に係る半導体発光組立体１１では、量子カスケード半導体レーザ１３をサブマウント１５にフェースダウン実装を行うので、半導体発光組立体１１における熱抵抗を低減でき、かつ、フェースダウン実装の際に量子カスケード半導体レーザ１３に加わる応力による発光層の特性劣化を低減できる。これにより、信頼性劣化を回避する半導体発光組立体１１を提供できる。具体的には、サブマウント１５といったマウント基材上に半田材を介して量子カスケード半導体レーザ１３が実装される。この量子カスケード半導体レーザ１３は、発光部を含む発光部メサ及び側部メサを有しており、これら発光部メサ及び側部メサは半導体基板上に形成される。量子カスケード半導体レーザ１３の側部メサは、半田材を介してサブマウント１５に固定される。量子カスケード半導体レーザ１３の発光部メサの電極とサブマウント１５の間には、空隙ＧＡＰが存在している。
【００４０】
（実施例１）
量子カスケード半導体レーザを作製する。この実施例では、ｎ型ＩｎＰ基板の上に有機金属気相成長法を用いてＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの多重量子井戸構造を成長する。その多重量子井戸構造上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層、ｎ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層を成長して、半導体積層を形成する。この半導体積層の厚さは例えば４μｍ〜６μｍであり、半導体積層の典型的なエピ厚は例えば５μｍである。ｎ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層上にエッチングマスクを形成した後に、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングを用いて半導体積層をエッチングし、ストライプ状の発光部メサ及び側部メサを形成する。発光部メサの幅は例えば５μｍ〜２０μｍであり、発光部メサの典型的な幅は例えば１０μｍである。側部メサと発光部メサの間のトレンチ溝の幅は、例えば１０μｍ〜３０μｍであり、溝幅の典型的な値は２０μｍである。トレンチ溝の底部はｎ型ＩｎＰ基板に達している。トレンチ溝の深さは例えば６μｍ〜１０μｍであり、典型的な深さは６μｍである。トレンチ間隔は１０μｍ以上である。これらのメサの形成した後に、ＳｉＯＮからなる保護膜を形成する。フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングを用いて発光部メサの上面上の保護膜に開口を形成する。配線金属及びオーミック金属として、金属層、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着法で堆積する。この後に、配線金属上に、第１メッキ層（例えば厚さ３μｍ〜５μｍ）を成長し、本実施例では厚さ５μｍの第１Ａｕメッキ層を形成する。その後に、フォトリソグラフィで発光部メサ及びトレンチ溝を部分的に覆うレジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いて第２メッキ層（例えば厚さ３μｍ〜５μｍ）を成長する。放熱性が悪化するためメッキ厚の下限は３μｍである。一方、上限は特に制限はないがメッキ応力が極端に大きくならないように本実施例では５μｍとした。本実施例では厚さ５μｍの第２Ａｕメッキ層を形成する。メッキ層の成長の後に、研磨によりｎ型ＩｎＰ基板を厚み１００μｍまで薄くした後に、ｎ型ＩｎＰ基板の裏面（研磨面）に裏面配線金属を形成する。裏面配線金属は、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを備える。
【００４１】
その後に、劈開により、発光部メサの両端にミラー面を有する量子カスケード半導体レーザチップを形成する。共振器長方向の典型的なチップ長さは２ｍｍであり、チップ幅は０．５ｍｍである。
【００４２】
次に、ＡｌＮからなるサブマウント上に半田材（例えばＡｕＳｎ）を載せる。溶融前の半田材の厚さは例えば１μｍ〜５μｍである。コレットでチップに押圧を加えながら、サブマウント及び半田材を３００度以上４００度以下の温度（例えば３２０度）に熱して、半田材を溶融させた状態で、量子カスケード半導体レーザのチップをフェースダウン形態でサブマウントに実装する。温度を下げるとダイボンドが完了して、サブマウントの半田材は量子カスケード半導体レーザチップの第２Ａｕメッキ層に接続される。一方、量子カスケード半導体レーザチップの発光部メサ上の第１Ａｕメッキ層は、サブマウントの表面、及びサブマウント上の半田材から空隙ＧＡＰの間隔で離れている。半田材の当初厚みは３μｍであるが、第２Ａｕメッキ層が半田の中に沈み込むことにより、周囲の厚みは増加する。一方、発光部メサ上には第２Ａｕメッキ層がないので、発光部メサは、側部メサに対して第２Ａｕメッキ層の厚みに相当する分の空隙を形成でき、発光部メサの電極は、半田材と接触することはない。この実施の後に、裏面電極にワイヤボンディングを行う。サブマウントとワイヤの間に電流を流すことにより、量子カスケード半導体レーザ素子が発光する。この実施例においては、発振波長は８μｍである。駆動電流は１．５アンペアで、その時の電圧は８ボルトである。本実施例は、半導体チップの形成の後半工程であるメッキ工程におけるメッキ厚で、間隔ＧＡＰの実装を可能にしている。また、半導体チップにおいて、量子カスケードメサの両側に間隔をおいて第２メッキ層は配置できるので、２つの固定部からの応力をチップ全体で内包できる。第２メッキ層の間隔は例えば５μｍ〜５０μｍである。
【００４３】
この実施例１は、発光部メサ上の電極が、サブマウントの半田材に接続されていない。発光部メサ上の電極がサブマウントの半田材に接続される実装形態では、実装時にＡｕＳｕが溶融した状態から冷却により固体に変化する際の収縮の応力が発光部メサに作用する。量子カスケード半導体レーザの最も重要な部分である発光層に応力が加わり、この応力により発光層に欠陥が生成される可能性がある。本実施例においては、発光部メサは直接に半田材に接触していないので、半田材の収縮による応力を受けることはない。また、この実施例で用いている量子カスケードレーザは、ｐｎ接合を含む半導体レーザダイオードと比較して大きな消費電力を示し、この大きな消費電力は発光部メサに局所的な体積変化を引き起こす。本実施例においては、発光部メサが半田材及びサブサブマウントと直接に接していないので、発光部メサに直接に応力が加わることがなく、長期通電及び発光消光の繰り返しによる特性劣化を抑制できる。なお、発光部メサで生成された熱は、第１Ａｕメッキ層、第２Ａｕメッキ層、及び半田材を経て、サブマウントに放熱される。これとは別の実装形態として、素子の裏面金属を半田材でサブマウントに実装するフェースアップ実装がある。このフェースアップ実装では、発光部メサからの大きな消費電力に応じた熱を熱抵抗の高いｎ型ＩｎＰ基板を介して放熱するために、放熱性が悪く、半導体レーザ素子の特性、特に、高温、高出力動作を劣化させる可能性がある。しかしながら、本実施例によれば、高い熱伝導率の金属材料によって放熱経路としては短距離で、発光部メサからマウント基材までの放熱経路を提供できる。これ故に、本実施例の半導体発光組立体に、放熱性がよく高温においても良好な特性を提供できる。
【００４４】
（実施例２）
第２Ａｕメッキ層を形成することに替えて、側部メサ上にインジウム（Ｉｎ）層を蒸着法により形成するようにしてもよい。実施例１と同様の工程で量子カスケード半導体レーザのチップを形成する。Ｉｎ蒸着層の厚みは例えば５μｍである。このチップを表面にＡｕを成膜したＡｌＮからなるサブマウントに実装する。この際には、ＡｕＳｕからなる半田材は用いないので、摂氏１６０度〜摂氏２００度内の温度、例えば摂氏１７０度に熱したサブマウント（マウント基材）に直接にＩｎ蒸着層を接触させる。サブマウントの熱によりＩｎが溶融されて、サブマウントに量子カスケード半導体レーザチップが実装される。発光部メサの電極上にはＩｎ蒸着層が形成されていないので、発光部メサの電極とサブマウントの間には空隙ＧＡＰが形成され、る。これにより、実施例１と同様に、劣化が抑制され、良好な高温特性と、信頼性が確保される。また、Ｉｎが常温においてもやわらかい金属であり、量子カスケードレーザなど共振器長が長いデバイスにおいて、温度変化によるマウント基材と半導体レーザとの熱膨張率の差を吸収することができ、信頼性の改善が図れる。
【００４５】
再び、図１及び図２を参照しながら、半導体発光組立体１１を説明する。量子カスケード半導体レーザ１３の第１部分１３ａ、第３部分１３ｃ及び第５部分１３ｅにおいて電極２９は第２の方向（Ｙ軸の方向）に延在する。第１の方向（Ｘ軸の方向）に関して、量子カスケード半導体レーザ１３の第１部分１３ａ及び第５部分１３ｅにおける電極２９の長さは量子カスケード半導体レーザ１３の第３部分１３ｃにおける電極２９の長さと同じであることができ、またより長く設けるようにしてもよい。この半導体発光組立体１１によれば、第２の方向に関して、量子カスケード半導体レーザ１３の第１部分１３ａ及び第５部分１３ｅにおける電極２９の長さが第３部分１３ｃにおける電極２９の長さに等しい、或いはより大きいので、量子カスケードメサ１７上の電極２９の長さ以上、つまり電極２９の長さに等しい程度或いはより長い電極２９を第１部分１３ａ及び第５部分１３ｅ上に設けることができ、これらの電極（第１部分１３ａ及び第５部分１３ｅ上の電極２９）から、量子カスケードメサ１７において発生された熱をサブマウント１５の第１エリア１５ａ及び第３エリア１５ｃに放出できる。
【００４６】
また、半導体発光組立体１１では、量子カスケード半導体レーザ１３の第２部分１３ｂ及び第４部分１３ｄにおいて電極２９は第２の方向（Ｙ軸の方向）に延在する。第２の方向に関して、量子カスケード半導体レーザ１３の第２部分１３ｂ及び第４部分１３ｄにおける電極２９の長さは第３部分１３ｃにおける電極２９の長さ以上、つまり電極２９の長さに等しいか、或いはその長さを超えるようにしてもよい。基板１９は、第１導電型半導体からなる第１クラッド領域を備える。量子カスケードメサ１７の第１導電型半導体層２１ｂは第２クラッド領域を含む。これら第１クラッド領域、発光層及び第２クラッド領域の側面がトレンチ溝２５ａ、２５ｂの側面に位置している。量子カスケード半導体レーザ１３は、電極２９と半導体積層２３との間に設けられた絶縁層３１を保護膜として含む。電極２９はトレンチ溝２５ａ、２５ｂの側面上の絶縁層３１に沿って延在する。絶縁膜３１の厚さは例えば１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることができる。
【００４７】
この半導体発光組立体１１によれば、量子カスケードメサ１７内の第１クラッド領域、発光層及び第２クラッド領域の側面がトレンチ溝２５ａ、２５ｂの側面に到達するので、量子カスケードメサ１７におけるこれらの半導体領域からの熱は、絶縁膜３１を介してトレンチ溝側面上の電極２９に伝わる。トレンチ溝２５ａ、２５ｂ内にも、第２メッキ層２９ｂを設けるようにしてもよく、量子カスケード半導体レーザ１３の放熱性を高めることができる。
【００４８】
半導体発光組立体１１では、間隔ＧＡＰは例えば５μｍ以上であることが好ましい。なぜなら、ＡｕＳｎ半田の厚みが３μｍ程度であり加熱時に若干溶けて流動するためである。トレンチ溝２５ａ、２５ｂは下側の第１導電型半導体層又は第１導電型半導体領域に到達し、基板１９はＩｎＰを備えることが良い。また、サブマウント１５は、ＡｌＮ等を備えることができる。この半導体発光組立体１１によれば、間隔は５μｍ以上であるとき、製造上において無理なく間隔を形成できる。
【００４９】
図３は、量子カスケード半導体レーザ及びサブマウントを示す平面図である。図４は、図３に示された量子カスケード半導体レーザ及びサブマウントを組み立てた半導体発光組立体を示す断面図であり、図３におけるII−II線に沿った断面を示す。図３の（ａ）部は量子カスケード半導体レーザを示す平面図であり、図３の（ｂ）部はサブマウントを示す平面図である。図３及び図４には、これらの図面における向きを表すために直交座標系Ｓを示す。半導体発光組立体１２は、量子カスケード半導体レーザ１４と、サブマウント１６とを備える。サブマウント１６は、量子カスケード半導体レーザ１４を搭載する搭載面１６ａを有する。サブマウント１６の材料は半導体と異なり、これ故にサブマウント１６の熱膨張係数は量子カスケード半導体レーザ１４の熱膨張係数と異なる。
【００５０】
量子カスケード半導体レーザ１４は、第１部分１４ａ、第２部分１４ｂ、第３部分１４ｃ、第４部分１４ｄ及び第５部分１４ｅを含む。量子カスケード半導体レーザ１４では、第１部分１４ａ及び第５部分１４ｅの電極２９が第３部分１３ｃと同様に第１メッキ層２９ａを含むことを除いて、第１部分１４ａ、第２部分１４ｂ、第３部分１４ｃ、第４部分１４ｄ及び第５部分１４ｅは、第１部分１３ａ、第２部分１３ｂ、第３部分１３ｃ、第４部分１３ｄ及び第５部分１３ｅに対応するように設けることができ、しかしながら、本実施例はこれに限定されるものではない。サブマウント１６は搭載面１６ａを有し、搭載面１６は、第１エリア１５ｂ、第２エリア１５ｃ及び第３エリア１５ｄにそれぞれ対応する第１エリア１６ｂ、第２エリア１６ｃ及び第３エリア１６ｄを有する。半導体発光組立体１２では、サブマウント１６の第２エリア１６ｃは溝３９を含み、溝３９は第１エリア１６ｂ及び第３エリア１６ｄの表面より窪む。溝３９は第２の方向（Ｙ軸の方向）に延在し、本実施例では、溝３９は、サブマウント１６の一縁１６ｅから他縁１６ｆまで延在している。他縁１６ｆは一縁１６ｅの反対側にある。また、溝３９の幅は量子カスケードメサ１７の幅より大きく、好ましくは、量子カスケードメサ１７の幅よりも２０μｍ以上大きいことが良い。それは実装時に量子カスケードメサ１７とサブマウント１６の位置合わせズレを吸収するためである。また、溝３９の深さは例えば５μｍ〜１０μｍ程度である。溝３９の幅は例えば２５μｍ〜４０μｍ程度である。量子カスケード半導体レーザ１２の量子カスケードメサ１７は溝（窪み）３９に位置合わせされている。この半導体発光組立体１２によれば、サブマウント１６の第２エリア１６ｂが第１エリア１６ｂ及び第３エリア１６ｄの表面より凹む溝３９を備えるので、量子カスケード半導体レーザ１４の第３部分１４ｃとサブマウント１６の第２エリア１６ｃとの間に間隔ＧＡＰを形成できる。
【００５１】
半導体発光組立体１２では、半田材４１（例えばＡｕＳｎ）が、サブマウント１６の第１エリア１６ｂ及び第３エリア１６ｄにそれぞれ設けられる第１半田部４１ａ及び第２半田部４１ｂを備えることができ、第１半田部４１ａ及び第２半田部４１ｂは溝３９をはさみ、互いに離れている。この半田材は、サブマウント１６の第１エリア１６ｂ〜第３エリア１６ｄにわたって連続的に設けられていてもよい。量子カスケード半導体レーザ１４の第１部分１４ａ及び第５部分１４ｅは、それぞれ、半田材４１ａ、４１ｂを介してサブマウント１６の第１エリア１６ｂ及び第３エリア１６ｄに支持されている。この半導体発光組立体１２によれば、量子カスケード半導体レーザ１４の第１部分１４ａ及び第５部分１４ｅの電極２９とサブマウント１６の第１エリア１６ｂ及び第３エリア１６ｄ上の電極パターンとの間に半田材４１が設けられるけれども、サブマウント１６の溝３９の寄与により、量子カスケード半導体レーザ１４の第３部分１４ｃとサブマウント１６の第２エリア１６ｂとの間に間隔ＧＡＰを形成できる。
【００５２】
なお、サブマウント１６を量子カスケード半導体レーザ１３と組み合わせて使用してもよい。量子カスケード半導体レーザ１３の第１部分１３ａ及び第５部分１３ｅの電極２９の厚さ及びサブマウント１６の溝３９の寄与により、量子カスケード半導体レーザ１３の第３部分１３ｃとサブマウント１４の第２エリア１４ｂとの間に間隔ＧＡＰを形成できる。
【００５３】
（実施例３）
量子カスケード半導体レーザを作製する。この実施例では、実施例１と同様に、ｎ型ＩｎＰ基板の上に有機金属気相成長法を用いてＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの多重量子井戸構造を成長する。引き続き、トレンチ溝、及び量子カスケードメサ等を実施例１と同様に作製する。電極の作製においては、実施例１と同様にオーミック電極を形成した後に、第１メッキ層２９ａを成長して、電極の形成を完了する。
【００５４】
電極を形成した後に、実施例１と同様に量子カスケード半導体レーザチップを形成する。この実施例では、形成された半導体レーザチップは、実施例１の構造から第２Ａｕメッキ層を省いた構造を有する。サブマウントの搭載面は、溝（典型的な幅１５μｍ及び深さ５μｍの溝）を有する。
【００５５】
ＡｌＮからなるサブマウント上に半田材（例えばＡｕＳｎ）を載せる。本実施例では、半田材は側部メサが接続されるエリアに形成されていている。或いは、半田材はサブマウントの搭載面全体に配置されていてもよい。量子カスケード半導体レーザチップを、発光部メサの向き及び位置がサブマウントの溝の向き及び位置に合致するようにアライメントする。コレットでチップに押圧を加えながら、サブマウント及び半田材を３００度以上４００度以下の温度（例えば３２０度）に熱して、半田材を溶融させた状態で、量子カスケード半導体レーザのチップをフェースダウン形態でサブマウントに実装する。温度を下げるとダイボンドが完了して、サブマウントの半田材は量子カスケード半導体レーザチップの単一のＡｕメッキ層に接続される。一方、量子カスケード半導体レーザチップの発光部メサ上のＡｕメッキ層の表面は、サブマウントの表面及びサブマウント上の半田材から離れて、空隙ＧＡＰを形成する。サブマウントと量子カスケード半導体レーザチップは、ＡｕＳｎからなる半田材で接続される。この実施例の量子カスケード半導体レーザに、実施例１，２と同様に、良好な高温特性及び信頼性を提供できる。
【００５６】
再び、図３及び図４を参照しながら、半導体発光組立体１２を説明する。量子カスケード半導体レーザ１４の第１部分１４ａ、第３部分１４ｃ及び第５部分１４ｅにおいて電極２９は第２の方向（Ｙ軸の方向）に延在する。第１の方向（Ｘ軸の方向）に関して、量子カスケード半導体レーザ１４の第１部分１４ａ及び第５部分１４ｅにおける電極２９の長さは量子カスケード半導体レーザ１４の第３部分１４ｃにおける電極２９の長さと同じであることができ、またより長く設けるようにしてもよい。この半導体発光組立体１２によれば、第２の方向に関して、量子カスケード半導体レーザ１４の第１部分１４ａ及び第５部分１４ｅにおける電極２９の長さが第３部分１４ｃにおける電極２９の長さに等しい、或いはより大きいので、量子カスケードメサ１７上の電極２９の長さ程度或いはより長い電極２９を第１部分１４ａ及び第５部分１４ｅ上に設けることができ、これらの電極（第１部分１４ａ及び第５部分１４ｅ上の電極２９）から、量子カスケードメサ１７において発生された熱をサブマウント１６の第１エリア１６ｂ及び第３エリア１６ｄに放出できる。
【００５７】
また、半導体発光組立体１２では、量子カスケード半導体レーザ１４の第２部分１４ｂ及び第４部分１４ｄにおいて電極２９は第２の方向（Ｙ軸の方向）に延在する。第２の方向に関して、量子カスケード半導体レーザ１４の第２部分１４ｂ及び第４部分１４ｄにおける電極２９の長さは第３部分１４ｃにおける電極２９の長さに等しいか、或いはその長さを超えるようにしてもよい。基板１９は、第１導電型半導体からなる第１クラッド領域を備える。量子カスケードメサ１７の第１導電型半導体層２１ｂは第２クラッド領域を含む。これら第１クラッド領域、発光層及び第２クラッド領域の側面がトレンチ溝２５ａ、２５ｂの側面に位置している。量子カスケード半導体レーザ１３は、電極２９と半導体積層２３との間に設けられた絶縁層３１を保護膜として含む。電極２９はトレンチ溝２５ａ、２５ｂの側面上の絶縁層３１に沿って延在する。絶縁膜３１の厚さは例えば１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることができる。
【００５８】
この半導体発光組立体１２によれば、量子カスケードメサ１７内の第１クラッド領域、発光層及び第２クラッド領域の側面がトレンチ溝２５ａ、２５ｂの側面に到達するので、量子カスケードメサ１７におけるこれらの半導体領域からの熱は、絶縁膜３１を介してトレンチ溝側面上の電極２９に伝わる。
【００５９】
半導体発光組立体１２では、間隔ＧＡＰは例えば５μｍ以上であることが好ましく、ＡｕＳｎ半田の厚みが３μｍ程度であり加熱時に若干溶けて流動するためである。トレンチ溝２５ａ、２５ｂは下側の第１導電型半導体層又は第１導電型半導体領域に到達し、基板１９はＩｎＰを備えることが良い。また、サブマウント１５は、ＡｌＮ等を備えることができる。この半導体発光組立体１２によれば、間隔は５μｍ以上であるとき、製造上において無理なく間隔を形成できる。
【００６０】
図５は、本実施の形態に係る量子カスケード半導体レーザにおける走査型電子顕微鏡像を示す図面である。このような量子カスケード半導体レーザの放熱性の程度を見積もるために、量子カスケード半導体レーザのあるモデルの熱解析を行う。図６は、本実施の形態に係る量子カスケード半導体レーザの一例の熱解析を示す図面である。図７は、図６に示された構造に対する熱解析結果を示す図面である。熱解析１〜熱解析４のための構造を図６の個々に部分図を参照しながら説明する。図７においては、量子カスケードメサの中心から左半分の素子幅２５０μｍの素子モデルを用いて熱解析のシミュレーションを行う。図６に示される熱解析１〜熱解析４の各々において、矢印は放熱経路を示す。第１メッキ層の厚さは５μｍであり、第２メッキ層の厚さは５μｍである。保護膜（ＳｉＮ）の厚さは０．３μｍである。また、半導体（ＩｎＰ）の熱電伝導率は、Ｔを温度（ケルビン）として２．３１×１０３×Ｔ−１．４５（Ｗ／Ｋ・ｃｍ）であり、メッキ金属の熱電伝導率は３．３７−６．６×１０−４×Ｔ（Ｗ／Ｋ・ｃｍ）である。保護膜の熱電伝導率は−１．４×１０−４×Ｔ＋０．３（Ｗ／Ｋ・ｃｍ）である。トレンチ溝の深さは６μｍである。
熱解析１。
熱解析１のための構造では、量子カスケードメサの上面の電極は半田材を介してサブマウントに接続される。
熱解析２。
熱解析２のための構造では、量子カスケードメサの上面の電極は半田材を介してサブマウントに接続されることなく、第２メッキ層の縁が量子カスケードメサの半導体側面から５μｍの距離で離れている。また、第２メッキ層のエッジが、量子カスケードメサの側面上の第１メッキ層に接触を成すように形成されている（トレンチ溝がメッキ層で埋め込まれている）。
熱解析３。
熱解析３のための構造では、量子カスケードメサの上面の電極が半田材を介してサブマウントに接続されることなく、第２メッキ層の縁が量子カスケードメサの半導体側面から１０μｍの距離で離れている。この間隔を得るために、トレンチ溝が、熱解析２の構造によりも５μｍだけ幅広である。第２メッキ層のエッジが、量子カスケードメサの側面上の第１メッキ層から５μｍの距離で離れている。
熱解析４。
熱解析４のための構造では、量子カスケードメサの上面の電極は半田材を介してサブマウントに接続されることなく、第２メッキ層の縁が量子カスケードメサの半導体側面から２０μｍの距離で離れている。この間隔を得るために、トレンチ溝が、熱解析２の構造によりも５μｍだけ幅広である。第２メッキ層のエッジが、量子カスケードメサの側面上の第１メッキ層から１５μｍの距離で離れている。
【００６１】
シミュレーションの条件は活性層から５Ｗの発熱があると仮定して計算したものである。
熱解析１のモデルにおけるコア温度：３７７．２Ｋ（絶対温度、ケルビン）。
熱解析２のモデルにおけるコア温度：３７９．７Ｋ。
熱解析３のモデルにおけるコア温度：３８３．８Ｋ。
熱解析４のモデルにおけるコア温度：３８５．７Ｋ。
【００６２】
シミュレーション結果の比較を示す。熱解析１のモデルにおけるコア温度３７７．２Ｋに対する上昇分を差分及び比率で示す。
熱解析２のモデルのコア温度上昇比率（温度差）：＋０．７％（２．５Ｋ）。
熱解析３のモデルのコア温度上昇比率（温度差）：＋１．８％（６．６Ｋ）。
熱解析４のモデルのコア温度上昇比率（温度差）：＋２．３％（８．５Ｋ）。
フェイスアップ形態のコア温度上昇比率（温度差）：＋８％（３０ｋ）。
この比較によれば、熱解析２、熱解析３及び熱解析４のモデルの高い放熱効果が示される。
【００６３】
以上説明したように、フェースダウン実装された量子カスケード半導体レーザ素子において、発光部メサとマウント基材との間に空隙ＧＡＰを設けるので、マウント基材から発光部メサへの応力印加を避けることができる。本実施の形態に係る実装形態は量子カスケード半導体レーザ素子に良好な放熱性を提供できる。
【００６４】
量子カスケード半導体レーザは、通信用や記録用のレーザダイオードに比べて、消費電力が大きく、また、活性層の体積が大きい。これ故に、発明者は、フェースダウン実装による応力の影響を受けやすいと考えている。量子カスケード半導体レーザは、多層の量子井戸構造をスタックした構造を備えるので、１０ボルト程度の高い動作電圧を必要とする。また、その閾値電流も１アンペア程度と大きい。このような動作上の理由から、発光層で発生する熱量は数十ワット程度と見積もられる。この値は、通信用の半導体レーザ、光記録用の半導体レーザなどと比べて非常に大きい。
【００６５】
また、量子カスケード半導体レーザの発振波長が３〜１０μｍ程度と長い。発光層が多層構造であり、発光層の厚さは１〜１．５μｍと厚く、また発光層の幅は１０〜２０μｍ程度であり、さらに発光部のメサ高は５〜７μｍと大きい。これ故に、発光層の体積も大きい。また、通信用の半導体レーザに比べて単位長さ当たりの利得が小さいので利得を得るために、共振器の長さは２〜５ｍｍである。発明者の知見によれば、これらの構造上の特徴は、半田材による量子カスケードメサへ加えられる応力に対する耐性を低下させる。また、既に説明したように、量子カスケード半導体レーザでは、駆動電力が大きく発熱量が大きい。フェースアップ実装による放熱性を超える放熱性を提供できるフェイスダウン実装を量子カスケード半導体レーザに提供でき、且つ熱抵抗を低減できる。実装時において、量子カスケードメサへの直接の応力印加を避けることにより、サブマウントと半導体との膨張係数の違いによる応力が活性層に直接に加わることを回避する。フェイスダウン実装の量子カスケード半導体レーザにおいて、応力印加に起因する特性の劣化及び信頼性の劣化の発生を防ぐことができる。
【００６６】
発熱量が大きいのでフェースダウン実装により放熱性を高めることが望まれるが、発光部に係る上記の構造上の理由から、実装時の半田の体積変化による発光部のメサに対する応力の影響を受けやすい。
【００６７】
本実施の形態によれば、実装時及び動作時において量子カスケードメサに加わる応力を低減でき、また放熱性の低下も低くできる。
【００６８】
本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、サブマウントにフェースダウン実装された量子カスケード半導体レーザを含む半導体発光組立体を提供できる。
【符号の説明】
【００７０】
１１、１２…半導体発光組立体、１３、１４…量子カスケード半導体レーザ、１５、１６…サブマウント、１５ａ、１６ａ…搭載面、１７…量子カスケードメサ、１９…基板、２１ａ…発光層、２１ｂ…第１導電型半導体層、２３…半導体積層、２９…電極、ＧＡＰ…間隔、３１…絶縁層、３３、２９ａ…金メッキ層、３３ａ、３３ｂ…メッキ層、３５…オーミック金属層、３９…溝、４１…半田材、４１ａ…第１半田部、４１ｂ…第２半田部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図５】
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