(57)【要約】半導体発光装置(300)は、表面に極性面又は半極性面を有する窒化物半導体基板(201)上に窒化物半導体多層膜が積層された窒化物半導体発光素子(310)と、当該素子を搭載する搭載部(311)とを有する。窒化物半導体多層膜は電子ブロック層(204)を含む。電子ブロック層は、格子定数が窒化物半導体基板よりも小さい。搭載部は、少なくとも第１の搭載部基材(311a)を有する。第１の搭載部基材は、窒化物半導体発光素子が搭載される側に位置する。第１の搭載部基材は、熱膨張係数が窒化物半導体多層膜よりも小さい。第１の搭載部基材は、熱伝導率が窒化物半導体多層膜よりも大きい。
2013175697.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に極性面又は半極性面を有する窒化物半導体基板上に、窒化物半導体多層膜が積層された構成を有する窒化物半導体発光素子と、前記窒化物半導体発光素子を搭載する搭載部とを有する半導体発光装置において、
前記窒化物半導体多層膜は、電子ブロック層を含み、
前記電子ブロック層の格子定数は、前記窒化物半導体基板の格子定数よりも小さく、
前記搭載部は、少なくとも第１の搭載部基材を有し、
前記第１の搭載部基材は、前記窒化物半導体発光素子が搭載される側に位置しており、
前記第１の搭載部基材の熱膨張係数は、前記窒化物半導体多層膜の熱膨張係数よりも小さく、
前記第１の搭載部基材の熱伝導率は、前記窒化物半導体多層膜の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の搭載部基材の熱膨張係数は、４×１０−６Ｋ−１以下であり、
前記第１の搭載部基材の熱伝導率は、３００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記搭載部は、前記第１の搭載部基材とは異なる材料からなり、且つ、前記第１の搭載部基材と接合される第２の搭載部基材を備え、
前記第１の搭載部基材は、前記第２の搭載部基材よりも前記窒化物半導体発光素子に近い側に位置することを特徴とする半導体発光装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つにおいて、
前記第１の搭載部基材は、高熱伝導ＳｉＣセラミック、ＣＶＤ−ダイヤモンド、又は、ダイヤモンドと銅との複合材の何れかからなることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つにおいて、
前記第１の搭載部基材の熱膨張係数が３×１０−６Ｋ−１以下であることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つにおいて、
前記窒化物半導体発光素子における発熱量が３Ｗ以上であることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つにおいて、
前記窒化物半導体発光素子は、発光ダイオードであることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項８】
請求項３において、
前記第１の搭載部基材の熱膨張係数は、前記第２の搭載部基材の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つにおいて、
前記第１の搭載部基材の体積は、前記窒化物半導体発光素子の体積よりも大きいことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つにおいて、
前記搭載部は、更に他の素子搭載台又は基材に搭載されるサブマウントであることを特徴とする半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、発光装置、特に、プロジェクタ、液晶バックライト等の光源に用いられる光出力の大きな窒化物半導体発光装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、機器の省エネ化に伴い、窒化物半導体を用いた発光ダイオードや半導体レーザ等の窒化物半導体発光素子を実装した窒化物半導体発光装置が注目されている。例えば、窒化物半導体発光装置と蛍光体等を組み合わせた光源は、高光出力の白色光を出射させることができると共に、従来の白熱電球や蛍光灯、高圧水銀ランプに比べて、小型、高効率、長寿命といった特徴を有するので、プロジェクタ、液晶バックライト等のディスプレイ装置用途の光源として、急速に置き換えが進んでいる。【０００３】
一方、窒化物半導体レーザに代表される、導波路を有する窒化物半導体発光素子は、光を放射する方向を示す指向性に優れているという特徴がある。そこで、このような窒化物半導体発光素子を実装した窒化物半導体発光装置の産業用途への応用も進んでいる。例えば、窒化物半導体発光装置を光源としたレーザスクライブ装置やレーザアニール装置については、実用化の検討が進んでいる。これらの装置に用いる光源には、光出力が１ワット以上のワットクラスの高い光出力が必要とされるので、窒化物半導体発光装置にも高出力化が要望されている。【０００４】
窒化物半導体発光素子等の発光素子は、量子井戸等により構成される活性層に、電子と正孔（電子正孔対）を注入し、再結合させることによって光を放射する。このとき、光に変換されなかったエネルギーはジュール熱となり、素子の温度を上昇させる。窒化物半導体発光装置を高出力化するためには、注入する電流（電子、正孔）量を大きくする必要があるが、電流の増加は窒化物半導体発光素子の発熱を増大させる。そして、この発熱によって素子温度が上昇すると、電子又は正孔の一部が活性層に注入されず、あふれ出る現象（キャリアのオーバーフローと呼ばれる現象）が発生する。この場合、電流量を増加させても光出力が増加しなくなり、最終的には光出力が飽和する現象（光飽和）が発生する。従って、高い光出力を得るためには、チップ温度の上昇を抑制する共に、キャリアのオーバーフローを抑制し、効率良く電子正孔対を光に変換させる必要がある。【０００５】
そこで、このようなキャリアのオーバーフローを抑制する方法として、従来技術では、エネルギーバンドギャップの大きな層を活性層近傍に挿入する手法が用いられる。特許文献１には従来の窒化物半導体レーザの構造が示されている。図１７（ａ）はその構造を示す図である。図１７（ｂ）はそのエネルギーバンドギャップの伝導帯側を示している。【０００６】
図１７（ａ）に示したように、従来構造の窒化物半導体レーザでは、ＧａＮ基板１００１及びｎ−ＧａＮ層１００２上に、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１００３、ＩｎＧａＮ活性層１００５、ｐ−ＡｌＧａＮ電子オーバーフロー抑制層１０１０（この層は本明細書中では電子ブロック層と呼ぶ）、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０１１、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０１２を含む積層構造を有している。【０００７】
電子ブロック層１０１０は、ｎ−ＧａＮ層１００２から注入された電子が活性層１００５を通過してｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０１１へあふれて出ていくことを防ぐために設けられた層である。図１７（ｂ）に示したように、電子ブロック層１０１０は周辺の層よりも大きなエネルギーバンドギャップを有している。電子ブロック層１０１０には、エネルギーバンドギャップを大きくするために、Ａｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層が用いられている。【０００８】
一方、窒化物半導体において、格子不整合歪みによってピエゾ電界が発生する場合がある。上述したｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層１０１０の格子定数は、ＧａＮ基板１００１の格子定数よりも小さな値をもつ。この点から、ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層１０１０には引っ張り歪みが発生し、その歪みによってピエゾ電解が発生する。ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層による電子閉じ込め効果は、このピエゾ電界によって低下する。【０００９】
特許文献２には、ピエゾ電界によって電子に対する実効的な障壁高さが減少することが示されている。そこで、特許文献２では、電子を閉じ込めるｐ−ＡｌＧａＮブロック層を厚くする方法を提案している。ＡｌＧａＮ層の厚さが厚くなると、転位やクラックの発生によって、弾性的な格子不整合歪みは緩和される。これにより、格子不整合歪みに起因したピエゾ電界は減少し、結果として伝導帯の電子に対する障壁高さが増大する。【００１０】
しかし、転位やクラック等塑性変形は、素子の特性や信頼性に大きく影響する。特にＧａＮ基板上のＡｌＧａＮ層は引っ張り歪みを有していることからクラックが生じやすい。クラック周辺では、ウェハ表面は平坦でなくなるので、正常な素子を作製すること自体が極めて困難となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第２００５／０３４３０１号
【特許文献２】特開２００５−２１７４２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述のように、窒化物半導体を用いた発光素子において、格子不整合歪みに起因したピエゾ電界の影響によって、キャリアのオーバーフローを抑制する効果が低下する。この現象は、（０００１）面を代表とする極性面を窒化物半導体発光素子構造の主面とした場合に共通して起こる現象である。伝導帯の電子に対する実効的な障壁高さを高くするためには、電子を閉じ込める作用をもつＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を高くする必要がある。しかし、Ａｌ組成を高くすると格子不整合歪が増大し、転位やクラックが発生しやすくなるという特許文献２に示された手法と同じ問題を抱えている。【００１３】
本発明の目的は、塑性変形をともなわずにピエゾ電界の影響を低減し、効果的に窒化物半導体発光素子におけるキャリアのオーバーフローを低減できる窒化物半導体発光装置を提供することにある。すなわち、より高出力での動作が可能な窒化物半導体発光装置の構成を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
そこで、本願発明者らは、窒化物半導体発光素子中の電子ブロック層に形成されるピエゾ電界と、窒化物半導体発光素子を実装した窒化物半導体発光装置の構成との関係に着目した。具体的には、窒化物半導体発光素子を搭載するサブマウントの熱膨張率を制御することによって、素子の温度が上昇した場合においてもキャリアのオーバーフローを効果的に抑制できることを見出した。その結果、光出力を増加させる窒化物半導体発光装置の構成を見出した。【００１５】
具体的に、本開示の窒化物半導体発光装置は、表面に極性面又は半極性面を有する窒化物半導体基板上に、窒化物半導体多層膜が積層された構成を有する窒化物半導体発光素子と、窒化物半導体発光素子を搭載する搭載部とを有する半導体発光装置において、窒化物半導体多層膜は、電子ブロック層を含み、電子ブロック層の格子定数は、窒化物半導体基板の格子定数よりも小さく、搭載部は、少なくとも第１の搭載部基材を有し、第１の搭載部基材は、窒化物半導体発光素子が搭載される側に位置しており、第１の搭載部基材の熱膨張係数は、窒化物半導体多層膜の熱膨張係数よりも小さく、第１の搭載部基材の熱伝導率は、窒化物半導体多層膜の熱伝導率よりも大きい。【００１６】
この構成により、通電により素子の温度が上昇した場合においてもキャリアのオーバーフローを効果的に抑制でき、光出力を増加させることができる窒化物半導体発光装置を、低コストで実現できる。ここで、搭載部は、第1の搭載部基材のみによって構成されていても良い。【００１７】
尚、第１の搭載部基材の熱膨張係数は、４×１０−６Ｋ−１以下であり、第１の搭載部基材の熱伝導率は、３００Ｗ／ｍＫ以上であっても良い。【００１８】
このようにすると、より確実に素子の温度が上昇した場合においてもキャリアのオーバーフローを効果的に抑制でき、光出力を増加させることができる。【００１９】
また、搭載部は、第１の搭載部基材とは異なる材料からなり、且つ、第１の搭載部基材と接合される第２の搭載部基材を備え、第１の搭載部基材は、第２の搭載部基材よりも窒化物半導体発光素子に近い側に位置していても良い。【００２０】
このようにすると、第１の搭載部基材が高コストな材料からなる場合に、その使用量を削減しながら前記の効果を実現することができる。【００２１】
また、第１の搭載部基材は、高熱伝導ＳｉＣセラミック、ＣＶＤ−ダイヤモンド、又は、ダイヤモンドと銅との複合材の何れかからなっていても良い。【００２２】
この構成により、窒化物半導体発光素子からヒートシンクまでの熱抵抗を効果的に低減して、温度上昇にともなう光出力の低下を抑制することができる。【００２３】
また、第１の搭載部基材の熱膨張係数が３×１０−６Ｋ−１以下であっても良い。【００２４】
この構成により、窒化物半導体発光素子に十分な圧縮歪みを生じさせ、効果的に光出力の増大を実現できる。【００２５】
また、窒化物半導体発光素子のジュール熱が３Ｗ以上であってもよい。【００２６】
本開示の窒化物半導体発光装置は、このような光出力が高く発熱量が多い場合において特に効果が大きい。【００２７】
また、窒化物半導体発光素子が半導体レーザ素子であってもよい。【００２８】
半導体レーザ素子では、注入キャリアの活性層への閉じ込めが発光特性に大きく影響する。そのため、この構成により半導体レーザの高出力特性を大きく改善することができる。【００２９】
また、窒化物半導体発光素子が発光ダイオードであってもよい。【００３０】
この構成により温度上昇をともなう大電流駆動時に効果的に高い光出力を得ることができる。【００３１】
また、第１の搭載部基材の熱膨張係数は、第２の搭載部基材の熱膨張係数よりも小さくても良い。【００３２】
この構成により、窒化物半導体発光素子に十分な圧縮歪みを生じさせ、効果的に光出力の増大を実現できる。【００３３】
また、第１の搭載部基材の体積は、前記窒化物半導体発光素子の体積より大きいことが好ましい。【００３４】
この構成により、窒化物半導体発光素子に十分な圧縮歪みを生じさせ、効果的に光出力の増大を実現できる。また、製造コストを大幅に削減することができる。【００３５】
また、搭載部は、更に他の素子搭載台又は基材に搭載されるサブマウントであってもよい。【００３６】
このようにすると、例えば直方体等の形成が容易なサブマウントに窒化物半導体発光素子を搭載し、これを更に他の素子搭載台、基材、ステム等に対して搭載する構成とすることができる。従って、搭載部の材料の加工性が低い場合等にも対応できる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明の構成によれば、通電により素子の温度が上昇した場合においてもキャリアのオ
ーバーフローを効果的に抑制でき、光出力を増加させることができる窒化物半導体発光装置を、低コストで実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、第１の実施形態の窒化物半導体発光装置の構成を説明する断面図である。
【図２】図２は、第１の実施形態の窒化物半導体発光装置の構成を説明する上面図である。である。
【図３】図３は、第１の実施形態の窒化物半導体発光素子およびサブマウントの構成を説明する断面図である。
【図４】図４は、本発明の効果の検証に用いた窒化物半導体発光装置の構成を説明する上面図である。
【図５】図５（ａ）は窒化物半導体発光素子の構成を説明する断面図であり、図５（ｂ）は窒化物半導体発光素子の通電時のバンドラインアップを説明する断面図である。
【図６】図６（ａ）は窒化物半導体発光素子の構成を説明する断面図であり、図６（ｂ）は窒化物半導体発光素子のバンドラインアップを説明する断面図である。
【図７】図７は、窒化物半導体発光装置のサブマウント材料に適用可能な材料の熱膨張係数と熱伝導率の関係を示す図である。
【図８】図８は、窒化物半導体発光装置に用いたサブマウントおよび窒化物半導体発光素子の温度上昇時の熱膨張を説明する図である。
【図９】図９は、窒化物半導体発光装置の電流−光出力特性を示す図である。
【図１０】図１０は、窒化物半導体発光装置の最高光出力の測定値と計算値を比較した図である。
【図１１】図１１は、第２の実施形態の窒化物半導体発光装置の構成を説明する上面図である。
【図１２】図１２は、第２の実施形態の窒化物半導体発光素子の構成を説明する断面図である。
【図１３】図１３は、第３の実施形態の窒化物半導体発光装置の構成を説明する断面図である。
【図１４】図１４は、第３の実施形態の窒化物半導体発光装置の構成を説明する上面図である。
【図１５】図１５は、第４の実施形態の窒化物半導体発光装置の構成を説明する断面図である。
【図１６】図１６は、第４の実施形態の変形例にかかる窒化物半導体発光装置の構成を説明する断面図である。
【図１７】図７（ａ）及び（ｂ）は、従来の窒化物半導体発光装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、図面を参照して本開示の実施の形態について説明する。
【００４０】
（第１の実施形態）
図１及び図２に、本実施形態の例示的窒化物半導体発光装置３００の構成を図示する。図１は窒化物半導体発光装置の断面図、図２は窒化物半導体発光装置の光出射方向（図１における上側）から見た上面図をそれぞれ示している。
【００４１】
本実施形態の窒化物半導体発光装置３００は、例えば主波長が３９０ｎｍから５５０ｎｍのいずれかであるレーザ光を放射する窒化物半導体発光素子３１０、窒化物半導体発光素子３１０を搭載するサブマウント３１１、ステム１２０及びキャップ１３０から構成される。
【００４２】
ステム１２０は、基台１２１及び素子搭載台１２２と、アースリード１２３ａ、リード１２３ｂ及び１２３ｃとからなる。窒化物半導体発光素子３１０及びサブマウント３１１は、素子搭載台１２２に接着される。窒化物半導体発光素子３１０は、ボンディングワイヤ１４０ｂ及び１４０ｃによってリード１２３ｂ及び１２３ｃに電気的に接続される。本実施形態において、正電極は窒化物半導体発光素子３１０の上面のｐ電極からリード１２３ｂにボンディングワイヤ１４０ｂによって接続されている。負電極は、サブマウント３１１の表面に形成された第一の電極からリード１２３ｃにボンディングワイヤ１４０ｃによって接続されている。キャップ１３０は、開口部１３１ａを有するカバー１３１と光取り出し窓１３２とによって構成される。キャップ１３０はステムの基台１２１に溶接される。この構成により、窒化物半導体発光素子３１０は気密封止される。
【００４３】
続いて、図３を用いて窒化物半導体発光装置３００の構成を詳細に説明する。図３は窒化物半導体発光素子３１０およびサブマウント３１１の詳細な積層構造である。以下、まず、窒化物半導体発光素子３１０の代表的な構造と製造方法について説明する。
【００４４】
窒化物半導体発光素子３１０はｎ−ＧａＮ（０００１）基板である窒化物半導体基板２０１上に、有機金属気相成長法（Matalorganic Chemical Vapor Deposition；  ＭＯＣＶＤ）によって形成された窒化物半導体多層膜によって構成される。より具体的には、窒化物半導体基板２０１上に、ｎ−ＡｌＧａＮであるクラッド層２０２、ｎ−ＧａＮからなるガイド層／ＩｎＧａＮ多重量子井戸／ｐ−ＧａＮからなるガイド層の３種類の層を含む活性層２０３、Ａｌ組成比が例えば１５〜３０％と高いＡｌＧａＮ電子ブロック層２０４、ｐ−ＡｌＧａＮからなるクラッド層２０５、及びｐ−ＧａＮからなるコンタクト層２０６が順次積層されている。ここで、窒化物半導体基板２０１の表面の面方位は（０００１）に限られず、極性もしくは半極性面を含んでいれば良い。また、ＡｌＧａＮ電子ブロック層２０４の組成は上述した組成に限られず、窒化物半導体発光素子の基板よりも格子定数が小さければ良い。
【００４５】
この積層構造の表面には、一つ又は複数のリッジ型導波路（図示なし）がドライエッチングプロセスを用いて形成されている。更に、コンタクト層２０６表面には、例えばＰｄ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ−オーミック電極２１０が形成され、窒化物半導体基板２０１の裏面には、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ−オーミック電極２１１が形成されている。尚、リッジ型導波路が例えば長さ８００μｍに劈開されることにより、ファブリーペロー型共振器が形成され、レーザ構造として機能する。
【００４６】
続いて、サブマウント３１１について説明する。サブマウント３１１は、第１のサブマウント基材３１１ａと第２のサブマウント基材３１１ｂとを備える。第２のサブマウント基材３１１ｂには、例えば、比較的低コストにて作製可能なＡｌＮセラミックを使用することができる。そして、第２のサブマウント基材３１１ｂの表面にＣＶＤ法によってダイヤモンドを堆積して第１のサブマウント基材３１１ａを形成し、二層構造のサブマウント３１１を構成することができる。このような複合材をサブマウントに用いることにより、サブマウントの熱伝導率を高め、且つ、熱膨張係数を小さく設定することができる。
【００４７】
サブマウント３１１の表面及び裏面には、例えば、Ｔｉを０．１μｍ、Ｐｔを０．２μｍ、Ａｕを０．２μｍの層として積層した金属積層構造からなる第一の電極３１１ｄ及び第二の電極３１１ｆが形成されている。
【００４８】
更に、第一の電極３１１ｄ上には、例えばＡｕＳｎ共晶はんだである第一の接着部３１１ｅが形成されて、これによりサブマウント３１１と窒化物半導体発光素子３１０との接着が行われている。サブマウント３１１の第二の電極３１１ｆ上には、例えばＡｕＳｎ共晶はんだである第二の接着部３１１ｇが形成されて、これによりサブマウント３１１とステム１２０の素子搭載台１２２との接着が行われている。
【００４９】
上記の構成において、第１のサブマウント基材３１１ａ及び第２のサブマウント基材３１１ｂの厚みが、それぞれ、第一の電極３１１ｄ及び第二の電極３１１ｆの厚みに比べて例えば１０倍以上になるように設定する。これにより、サブマウント３１１の熱膨張係数に関して、二つのサブマウント基材３１１ａ、３１１ｂの熱膨張係数が支配的になるように設定される。  以上が本実施形態の窒化物半導体発光装置の構成である。本実施形態の窒化物半導体発光装置を動作させたところ、通電により素子の温度が上昇した場合においてもキャリアのオーバーフローを効果的に抑制できた。その結果、光出力を増加させることに成功した。
【００５０】
次に、図４〜図１０を用いて、本願発明者らが本実施形態の窒化物半導体発光装置の効果を検証するために行った実験結果を示す。
【００５１】
図４は、本願発明者らが、本実施形態の効果を検証するために作製した窒化物半導体発光装置１００を示す図である。窒化物半導体発光装置１００の形状及び構成部品は、図１及び図２に示した窒化物半導体発光装置３００と同一であり、図４において、キャップ１３０を省略し、光出射方向からみた上面図として示されている。
【００５２】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、窒化物半導体発光装置１００の窒化物半導体発光素子１１０付近の詳細な構造と、そのエネルギーバンドギャップの構成（以下バンドラインアップと呼ぶ）を示す図である。窒化物半導体発光素子１１０の構造は、サブマウント１１１が、単一のサブマウント基材１１１ａだけを有する点を除いて、図３の窒化物半導体発光素子３１０と同一である。
【００５３】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、窒化物半導体発光装置１００ａの機能を説明するための図である。窒化物半導体発光装置１００ａは、サブマウント基材１１１ａの材料以外は、図５（ａ）及び（ｂ）の窒化物半導体発光装置１００と同様である。
【００５４】
表１は、後述するサブマウント材料に適用可能な材料の特性一覧である。
【００５５】
図７は、表１に示した材料の特性を示す図である。
【００５６】
表２は本実施形態で検討したサブマウント材料の特性一覧である。
【００５７】
図８は本実施形態の窒化物半導体発光装置の効果を説明するための計算結果である。
【００５８】
表３は本実施形態の効果を示す計算結果の一覧である。
【００５９】
図９及び図１０は、本実施形態の窒化物半導体発光装置１００の効果を説明するための実験結果を示す図である。
【００６０】
表４は本実施形態の効果を説明する窒化物半導体装置の実験結果の一覧である。
【００６１】
ここで、窒化物半導体発光装置１００に用いられるサブマウント１１１の構造について説明する。サブマウント１１１は、例えばＳｉＣセラミック又はＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）を用いて成膜されたダイヤモンドにより構成されるサブマウント基材１１１ａを用いて形成されている。サブマウント１１１の表面及び裏面には、例えば、Ｔｉが０．１μｍ、Ｐｔが０．２μｍ、Ａｕが０．２μｍの厚さに積層された金属積層構造からなる第一の電極１１１ｄ及び第二の電極１１１ｆが形成されている。
【００６２】
更に、第一の電極１１１ｄ上には、例えばＡｕＳｎ共晶はんだである第一の接着部１１１ｅが形成されて、これによりサブマウント基材１１１ａと窒化物半導体発光素子１１０との接着が行われている。サブマウント１１１の第二の電極１１１ｆ上には、例えばＡｕＳｎ共晶はんだである第二の接着部１１１ｇが形成されて、これによりサブマウント基材１１１ａとステム１２０の素子搭載台１２２との接着が行われている。
【００６３】
上記の構成において、サブマウント基材１１１ａの厚みが、第一の電極１１１ｄ及び第二の電極１１１ｆの厚みよりも例えば２０倍以上になるように設定する。これにより、サブマウント１１１の熱膨張係数に関して、サブマウント基材１１１ａの熱膨張係数が支配的になるように設定される。
【００６４】
続いて、図５（ａ）及び図５（ｂ）と、図６（ａ）及び図６（ｂ）とを用いて、本実施形態の窒化物半導体発光装置の機能を説明する。
【００６５】
図５（ｂ）は、図５（ａ）における窒化物半導体発光素子１１０のバンドラインアップを示す。また、図６（ａ）及び図６（ｂ）は、比較用の窒化物半導体発光装置１００ａの詳細な積層構造とバンドラインアップであり、本実施形態の窒化物半導体発光装置の機能を説明するために用いる。
【００６６】
尚、窒化物半導体発光装置１００ａは、窒化物半導体発光装置１００とはサブマウント基材１１１ａを構成する材料が異なり、サブマウント基材１１１ａと窒化物半導体発光素子１１０の熱膨張係数が同じになるように設定されている。従って、窒化物半導体発光装置１００ａにおける窒化物半導体発光素子１１０に印加される応力は、窒化物半導体発光装置１００における窒化物半導体発光素子１１０に印加される応力とは異なる。
【００６７】
まず、図６（ａ）に示した窒化物半導体発光装置１００ａにおいて、電子ブロック層２０４中に発生する歪２２１ａの方向と大きさを、矢印を用いて図６（ａ）中に定性的に示す。ここで、矢印の方向は歪みの方向を、矢印の長さは歪みの大きさを示している。前述のように、ＡｌＧａＮにより構成された電子ブロック層２０４の格子定数は、ＧａＮにより構成された窒化物半導体基板２０１の格子定数よりも小さい。この結果、電子ブロック層２０４には引っ張り方向の格子不整合歪みが発生する。
【００６８】
続いて図６（ｂ）に、窒化物半導体発光装置１００ａの順バイアス印加時のバンドラインアップを模式的に示す。ここで、２０２〜２０５の数字は、バンドラインナップと窒化物半導体発光素子１１０を構成する層（クラッド層２０２、活性層２０３、電子ブロック層２０４及びクラッド層２０５）との対応を示す。
【００６９】
通電中の素子の内部では、窒化物半導体基板２０１から電子が活性層に向かって注入されると共に、コンタクト層２０６から正孔が活性層に向かって注入される。このとき、窒化物半導体では、伝導帯の状態密度が価電子帯の状態密度にくらべて小さい。これにより、伝導帯を移動する電子は、価電子帯を移動する正孔にくらべて高いエネルギーレベルに存在しやすい。このため、図６（ｂ）中の矢印に示すように、活性層２０３を通過してｐ−オーミック電極２１０側に向かう電子が発生する。これに対応するために、エネルギーバンドギャップの大きなＡｌ組成が高いＡｌＧａＮからなる電子ブロック層２０４を用いて伝導帯にエネルギー障壁を形成し、電子の通過をブロックさせる。
【００７０】
ところが、前述のように、電子ブロック層２０４には引っ張り歪みに起因したピエゾ電界が発生する。これに起因して、電子ブロック層２０４付近のバンドラインアップが変形するので、実効的な障壁高さが実際のバンドギャップ差よりも小さくなってしまう。結果として、電子の通過のブロックが不十分となる。
【００７１】
上記の課題に対して、発明者らは、窒化物半導体発光素子の動作時の発熱と、窒化物半導体発光素子とサブマウントの熱膨張係数差に着目し、上述した本実施形態の構造を見出した。
【００７２】
通電状態の窒化物半導体発光素子１１０は、発光に寄与しなかった無効電力によって自己発熱し、温度が上昇する。この結果、窒化物半導体発光素子１１０は自らの（ＧａＮ基板の）熱膨張係数にしたがって膨張しようとする。一方、窒化物半導体発光素子１１０はサブマウント１１１に接着されており、更にサブマウント１１１の体積は窒化物半導体発光素子１１０の１０倍程度大きい。このことから、温度上昇時の窒化物半導体発光素子１１０の熱膨張は、サブマウント１１１の材料の熱膨張係数に支配される。
【００７３】
従って、サブマウント１１１の熱膨張係数を窒化物半導体発光素子１１０の熱膨張係数よりも小さくすることにより、図５（ａ）に示すように、窒化物半導体発光素子１１０に圧縮歪み２２２を生じさせることができる。この圧縮歪み２２２は、窒化物半導体基板２０１上に形成された各層に同様に発生する。このとき窒化物半導体発光素子１１０中の電子ブロック層２０４に着目すると、基板との格子不整合によって生じた引っ張り歪２２１が、圧縮歪２２２により緩和される。つまり、電子ブロック層２０４内に発生する引っ張り歪２２１を抑制し、実効的な障壁高さの低下を抑制させることができる。
【００７４】
より具体的に、図５（ｂ）に示す窒化物半導体発光装置１００のバンドラインアップを用いて説明する。点線は、窒化物半導体発光装置の温度が上昇しない（従って、温度による各部の体積変化が起こらない）と仮定した場合のバンドラインアップを模式的に示し、実線は昇温によって歪みが緩和されピエゾ電界が低減された場合のバンドラインアップを模式的に示している。本実施形態に示す方法により、電子ブロック層２０４に生じる格子不整合歪み（引っ張り歪み）を緩和することができ、その結果として実効的な障壁高さを高くすることができる。
【００７５】
続いて、窒化物半導体発光装置の構成について、より具体的に好ましい形態を説明する。
【００７６】
まず、サブマウント１１１を構成する材料としては、窒化物半導体発光素子１１０の放熱の観点から、高い熱伝導率を有するものが望ましい。窒化物半導体発光素子１１０にて発生した熱はサブマウント１１１を伝導し、ステムの素子搭載台１２２及び基台１２１を経由して外部のヒートシンクに放出される。従って、サブマウント１１１の熱伝導率が低い場合、窒化物半導体発光素子１１０の温度が上昇し、光出力の熱飽和が容易に発生する。この場合、本実施形態の窒化物半導体発光装置１００の効果が得られない。
【００７７】
表１及び図７に、本実施形態の窒化物半導体発光装置のサブマウント基材として最初に検討した材料の熱伝導率と熱膨張係数を示す。
【００７８】
【表１】
2013175697.tif 000003
【００７９】
窒化物半導体発光素子１１０におけるサブマウント１１１は、サブマウント基材１１１ａを、熱膨張係数の大きい金属からなる第一の電極１１１ｄ及び第二の電極１１１ｆにより挟んだ構成である。従って、最適なサブマウント基材を選択する必要がある。以下、検討した材料について説明する。
【００８０】
窒化物半導体発光素子１１０の基板であるＧａＮの熱伝導率は、１３０Ｗ／ｍＫである。よって、サブマウント材料としては少なくともそれ以上の熱伝導率を有する必要がある。
【００８１】
ここで、ＣＶＤ−ダイヤモンドはChemical Vapor Depositionによって形成した人工ダイヤモンドである。熱伝導率が非常に高く、且つ、熱膨張係数が小さな材料である。また、ＤＣ６０は、ダイヤモンドとＣｕ（銅）との混合焼結体である。この材料も熱伝導率が高いが、熱膨張係数はＧａＮの熱膨張係数よりも大きい。一般的にサブマウント部材として広く用いられるＳｉＣセラミック及びＡｌＮセラミックは、ＧａＮよりも小さな熱膨張係数を有するが、熱伝導率は高くても２００Ｗ／ｍＫ程度である（製法によって異なる）。ただし、ＳｉＣセラミックは製法の工夫によって熱伝導率を高くすることができ、３２０Ｗ／ｍＫの高い熱伝導率を得ることができる。ここではその材料を高放熱ＳｉＣとして区別して扱う。
【００８２】
続いて、上記の比較検討により選択した表２に示すサブマウント基材材料を用いて、窒化物半導体発光装置の特性に与える効果を検証した。
【００８３】
【表２】
2013175697.tif 000004
【００８４】
また、図８及び表３に、上記のサブマウント基材材料を用いて、電子ブロック層２０４に印加される歪の量を計算した結果を示す。
【００８５】
【表３】
2013175697.tif 000005
【００８６】
更に、図９、図１０及び表４に、実際に窒化物半導体発光装置を作製し、特性を比較した結果を示す。
【００８７】
【表４】
2013175697.tif 000006
【００８８】
尚、本計算及び実験において、窒化物半導体発光装置の電子ブロック層２０４は、組成比がＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎであり、厚み１０ｎｍのものを用いた。
【００８９】
まず図８に、表３に示したサブマウント基材材料とＧａＮの線膨張率の温度依存性を示す。線膨張率は、室温（２５℃）を基準とした。
【００９０】
ここで、実験で用いた窒化物半導体発光装置が光出力５Ｗで動作した場合、チップ温度は６４℃になると計算される。この温度における窒化物半導体発光素子１１０の熱膨張がサブマウント１１１の熱膨張係数によって規定されたとすると、窒化物半導体発光素子１１０中のＡｌＧａＮ電子ブロック層２０４には熱歪みが新たに加わる。
【００９１】
表３には、各種サブマウント基材を用いた場合の電子ブロック層に生じる歪み量をまとめている。ＧａＮよりも小さな熱膨張係数を有する高熱伝導ＳｉＣ、ＣＶＤ−ダイヤモンド、ＳｉＣ又はＡｌＮを用いた場合、ＡｌＧａＮ電子ブロック層２０４の格子不整合歪みは、熱歪みによって緩和される。逆に、熱膨張係数の大きなＤＣ６０をサブマウント１１１に用いた場合、ＡｌＧａＮ電子ブロック層２０４の歪みは増大する。この結果から、格子不整合歪みが緩和されている素子については、ＡｌＧａＮ電子ブロック層２０４の実効的な障壁高さが高くなり、キャリアのオーバーフローが抑制され、より高い光出力を得ることができると予測される。
【００９２】
次に、図９は、サブマウント基材１１１ａとしてＣＶＤ−ダイヤモンド、高熱伝導ＳｉＣ、ＤＣ６０、ＳｉＣ、ＡｌＮの５種類を用いて構成した窒化物半導体発光装置１００の電流−光出力特性を比較した結果である。ここで、本実験に用いた窒化物半導体発光装置１００は、前述のようにＡｌＧａＮ電子ブロック層２０４が、組成比がＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎで且つ厚み１０ｎｍのものであり、光導波路が５本の窒化物半導体レーザアレイとなっているものを用いた。
【００９３】
図９の結果から、サブマウントの種類によって最高光出力が異なることがわかる。表４には、サブマウント基材材料ごとのレーザ特性（最高光出力）をまとめた。ここで、熱抵抗は、レーザアレイを構成する５個のエミッタのうち１個のエミッタについて、微小電流印加時の動作電圧の温度依存性を測定することにより求めた。サブマウント１１１の違いによる熱抵抗の差異は、サブマウント１１１の熱伝導率の違いを反映しているものと考えられる。しかし、最高光出力の違いをサブマウント１１１の熱伝導率の違いで説明することはできない。例えば、高熱伝導ＳｉＣとＤＣ６０を比較した場合、ＤＣ６０の方が高い熱伝導率を有するが、高熱伝導ＳｉＣサブマウントを用いた場合の方が最高光出力は高い値が得られている。
【００９４】
図１０は、実験結果である図９に示した最高光出力とサブマウント熱膨張係数の関係を、シミュレーション結果と比較したものである。
【００９５】
図１０中において、黒丸によりプロットした点は実測値であり、白丸によりプロットした点はシミュレーション結果である。計算は、サブマウント基材１１１ａがＡｌＮ（熱伝導率２３０Ｗ／ｍＫ）のときの実測データを基準にした。また、ＡｌＮサブマウント（熱膨張係数４．５×１０−６／Ｋ）を用いて実装した場合と同じ熱歪みが窒化物半導体発光素子に生じていると仮定する。この条件において、サブマウントがＣＶＤ−ダイヤモンド（熱伝導率１５００Ｗ／ｍＫ）、ＤＣ６０（熱伝導率６００Ｗ／ｍＫ）、高熱伝導ＳｉＣ（熱伝導率３２０Ｗ／ｍＫ）及び通常のＳｉＣ（熱伝導率２１０Ｗ／ｍＫ）である場合について、それぞれの素子の温度を計算し、最高光出力を求めた。
【００９６】
図１０に示される通り、ＣＶＤ−ダイヤモンド、高熱伝導ＳｉＣ及び通常のＳｉＣを用いた場合、素子温度から推定される光出力よりも高い光出力が得られている。一方、ＤＣ６０をサブマウントに用いた場合には、逆に、素子温度から推定される光出力よりも低い光出力しか得られない。
【００９７】
従来のＧａＡｓ系の半導体レーザでは、熱歪みを回避するためにサブマウントの熱膨張係数が窒化物半導体発光素子の熱膨張係数と近くなるような材料を選択することが多い。しかし、本実施形態のようにピエゾ電界が発生する窒化物半導体発光素子の場合、熱膨張係数の違いを積極的に利用することができる。つまり、熱膨張係数の小さなＣＶＤ−ダイヤモンド又はＳｉＣを用いた場合には、昇温時に発生する圧縮性の熱歪みによって、ＡｌＧａＮ電子ブロック層２０４の残留歪み（引っ張り歪み）が緩和される。この結果、伝導帯の電子に対する障壁高さが大きくなっている。逆に、ＧａＮ基板よりも熱膨張係数の大きなＤＣ６０をサブマウントに用いた場合には、ＡｌＧａＮ電子ブロック層の引っ張り歪みは増大され、伝導帯の電子に対する障壁高さが低下する。最高光出力は、これら障壁高さの増減によって変化する。
【００９８】
一方、熱膨張係数がほぼ等しい高熱伝導性ＳｉＣサブマウントと通常のＳｉＣサブマウントとを比較した場合には、両者の熱伝導率の違いに起因した最高光出力の差異が見られる。つまり、熱伝導率の大きな高熱伝導ＳｉＣサブマウントを用いた方が、素子温度を低減できるので、高い光出力を得ることができる。
【００９９】
ここで、着目すべきはＤＣ６０と高熱伝導ＳｉＣの比較である。ＤＣ６０は熱伝導率が６００Ｗ／ｍＫと非常に大きいが、高熱伝導ＳｉＣサブマウントの場合よりも低い光出力しか得られなかった。これは、熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫを超えるようなサブマウントを用いる場合には、熱伝導率の大小よりも熱膨張係数の大小の方が光出力には影響が大きいことを示している。
【０１００】
ここまでの実験結果から、熱伝導率３００Ｗ／ｍＫ以上のサブマウントでは、熱膨張係数が４×１０−６／Ｋ以下のものを選択することが望ましいこと示している（図７の網掛け部分に相当）。本実施形態で使用したＣＶＤ−ダイヤモンド以外には、この領域に相当する単一の材料はあまりない。しかし、ＤＣ６０のような異種材料を組み合わせた複合材を使うことにより、この領域に材料を創出できる。例えば、ＤＣ６０はダイヤモンドとＣｕ（銅）複合材であり、両者の構成比率を変えて（例えばダイヤモンドの比率を上げることにより）熱膨張係数を更に小さくすることができる。
【０１０１】
以上に述べた実験結果と考察の結果、次のような結論が得られた。つまり、ピエゾ効果による内部電界を有する材料系においては、活性層へのキャリア閉じ込めに寄与する障壁層（電子ブロック層）の格子不整合歪みを緩和することにより、障壁層の障壁高さを実効的に高くできる。
【０１０２】
本発明では、ＧａＮ基板上に形成された発光素子構造に、ＡｌＧａＮ電子ブロックを導入した。この場合、電子ブロック層には引っ張り方向の格子不整合歪みが生じる。そこで、素子を熱膨張係数の小さな材料に実装することにより、通電時に生じる熱歪みによって格子不整合歪みを緩和できる。結果として電子ブロック層の障壁高さを実効的に高くし、光出力を高くできる。
【０１０３】
この効果を奏するためには、サブマウント材料の熱膨張係数が窒化物半導体発光素子の熱膨張係数よりも小さいことが望ましい。通電時の温度上昇による熱歪みによって電子ブロック層の格子不整合を緩和できるからである。
【０１０４】
ＧａＮ基板上に作製した窒化物半導体発光素子の場合には、サブマウントの熱膨張係数が３×１０−６Ｋ−１以下であると、より明瞭な光出力増大効果が得られる。また、この効果は、通電時の発熱量が大きな発光素子に特に有効である。例えば、発光に寄与しない無効電力、つまり素子の発熱量（ジュール熱）が３Ｗを超える素子の高出力化に特に有効である。
【０１０５】
一方で、上述したＣＶＤ−ダイヤモンド及び高熱伝導性ＳｉＣのように熱伝導率が高く、熱膨張係数が小さな材料は、一般的に製造コストが高い。よって、半導体レーザのように安価で大量に生産することを期待される製品には、これらの材料を用いることが困難である。
【０１０６】
そこで、発明者らは、ＣＶＤ−ダイヤモンド又は高熱伝導性ＳｉＣをサブマウントの一部に限定して使用し、製造コストを抑えながら光出力を増加させることができることを見出した。つまり、図１から図３に示した本実施形態の窒化物半導体発光装置により、製造コストの低減と光出力の増加を高いレベルで両立できることを見出した。
【０１０７】
図１から図３に示した本実施形態の窒化物半導体発光装置においては、サブマウント３１１の窒化物半導体発光素子に近い側の面、すなわち第１のサブマウント基材３１１ａを熱膨張係数が小さな材料にする。これにより、通電昇温時に圧縮性の熱歪みを効果的に窒化物半導体発光素子３１０に与えることができる。
【０１０８】
このとき、効果的に窒化物半導体発光素子３１０に圧縮歪みを与えるためには、第１のサブマウント基材３１１ａの体積が少なくとも窒化物半導体発光素子３１０の体積よりも大きいことが必要である。例えば、本実施形態では、長さ８００μｍ、幅１０００μｍ、厚さ８０μｍの窒化物半導体発光素子３１０を用いた。体積は０．０６４ｍｍ２である。また、サブマウント３１１は長さ１３００μｍ、幅１４００μｍ、厚さ２００μｍである。このサブマウント３１１のうちＣＶＤ−ダイヤモンドで構成される第１のサブマウント基材３１１ａは、５０μｍの厚みをもつ。第２のサブマウント基材３１１ｂ、つまり残りの厚さ１５０μｍは、ＡｌＮにより構成される。第１のサブマウント基材３１１ａの体積は０．０９１ｍｍ２であり、窒化物半導体発光素子３１０の体積よりも十分大きく、通電中の昇温によって窒化物半導体発光素子３１０に効果的に圧縮歪みを与えることができる。この結果、ＣＶＤ−ダイヤモンドにより構成した単一のサブマウントを用いた場合と同等の効果、つまり図９に示したような光出力の向上を実現することができる。
【０１０９】
尚、本実施形態では第１のサブマウント基材３１１ａにＣＶＤ−ダイヤモンドを用いたが、これには限られない。熱膨張係数が４×１０−６Ｋ−１以下であり、熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫ以上の材料であれば使用可能である。第１のサブマウント基材３１１ａには、上述した高熱伝導性ＳｉＣを用いることもでき、また、ＤＣ６０のダイヤモンド比率を上げることにより、熱膨張係数を上記範囲に調節したものを用いることもできる。
【０１１０】
また、本実施形態では第２のサブマウント基材３１１ｂにはＡｌＮを用いたが、これには限られない。熱膨張係数が窒化物半導体発光素子の基板の熱膨張係数よりも小さく、かつ、熱伝導率がある程度高い材料であれば使用可能である。例えば、第２のサブマウント基材３１１ｂには、ＳｉＣも使用できる。このとき、第１のサブマウント基材３１１ａの熱膨張係数が、第２のサブマウント基材３１１ｂの熱膨張係数よりも小さい方が好ましい。第２のサブマウント基材３１１ｂの体積は、第１のサブマウント基材３１１ａの体積よりも大きい方が、製造コストを削減する上でより好ましい。
【０１１１】
（第２の実施形態）
次に、本開示の第２の実施形態について説明する。
【０１１２】
図１１は、第２の実施形態の窒化物半導体発光装置５００を光出射方向から見た上面図である。断面形状及び各構成要素は、図１、図２、図３及び図４にそれぞれ示した第１の実施形態の窒化物半導体発光装置１００及び窒化物半導体発光装置３００と同一である。図１１では、図示の簡略化のために、キャップは示されていない。窒化物半導体発光素子５１０の構造は、第１の実施形態の場合と同一である。
【０１１３】
次に、図１２は、窒化物半導体発光素子５１０周辺の構造を拡大した模式図である。サブマウント５１１の構成も、図１０に示したサブマウント３１１と同一の構成となっている。
【０１１４】
つまり、窒化物半導体発光素子５１０と接続する第１のサブマウント基材５１１ａはＣＶＤ−ダイヤモンドによって構成され、素子搭載台５２２と接続する第２のサブマウント基材５１１ｂは製造コストの安いＡｌＮによって構成されている。サブマウント５１１の表面及び裏面には、例えば、Ｔｉが０．１μｍ、Ｐｔが０．２μｍ、Ａｕが０．２μｍの暑さに積層された金属積層構造からなる第一の電極５１１ｄ及び第二の電極５１１ｆが形成されている。更に、第一の電極５１１ｄ上には、例えばＡｕＳｎ共晶はんだである第一の接着部５１１ｅが形成され、これにより窒化物半導体発光素子５１０とサブマウント５１１とが接着されている。更に、サブマウント５１１の第二の電極５１１ｆ上には、例えばＡｕＳｎ共晶はんだである第二の接着部５１１ｇが形成され、これによりサブマウント５１１と、ステム５２０の素子搭載台５２２とが接着されている。
【０１１５】
上記の構成において、第１のサブマウント基材５１１ａ及び第２のサブマウント基材５１１ｂの厚みが、それぞれ、第一の電極５１１ｄ及び第二の電極５１１ｆの厚みに比べて例えば１０倍以上になるように設定する。これにより、サブマウント５１１の熱膨張係数に関して、二つのサブマウント基材５１１ａ、５１１ｂの熱膨張係数が支配的になるように設定される。
【０１１６】
本実施形態の窒化物半導体発光装置５００において、第１の実施形態の場合との相違点は次の２点である。
【０１１７】
まず、図１２に示されているように、窒化物半導体発光素子５１０は、実施形態１とは異なり、ｐ−ＧａＮクラッド層２０５の側がサブマウント５１１に接着されている。更に、サブマウント５１１はステムの素子搭載台５２２に接着されている。
【０１１８】
このような構成により、窒化物半導体発光素子５１０から発生した熱は、サブマウント５１１及び素子搭載台５２２を通じてヒートシンクに放出される。窒化物半導体発光素子５１０の内部では、ＭＱＷ活性層からｐ−ＧａＮクラッド層までの部分における発熱が大きい。この原因は、この部分の結晶層の電気抵抗が大きく、通電によるオーミック損失が大きくなることである。従って、ｐ−ＧａＮクラッド層２０５側をサブマウント５１１に接着すると、ヒートシンクまでの放熱経路が短縮され、熱抵抗が低減される。
【０１１９】
本実施形態と第１の実施形態との二つ目の相違点は、素子搭載台５２２の形状にある。リード５２３ｂ及びリード５２３ｃが図２の構造に比べて右方向（素子搭載台５２２から離れる方向）に移動しており、且つ、素子搭載台５２２の上面から見た場合の断面積が大きくなっている。これにより、放熱経路の断面積が拡大されて、熱抵抗が小さくなる。
【０１２０】
これら二つの効果によって、通電中の窒化物半導体発光素子５１０の温度上昇は抑制され、高い光出力を得ることができる。このとき、サブマウントの熱膨張係数と、最高光出力との関係は、第１の実施形態のときと同様のものが得られる。つまり、熱膨張係数の小さなサブマウントを用いることにより、最高光出力を増大させることができる。
【０１２１】
（第３の実施形態）
次に、本開示の第３に実施形態について説明する。
【０１２２】
図１３は、第３の実施形態の例示的窒化物半導体発光装置７００の断面図であり、図１４は、その上面図である。本実施形態では、第２のサブマウント７１２が加わっている。
【０１２３】
窒化物半導体発光素子７１０は、サブマウント７１１と共にステム７２０の素子搭載台７２２に実装されている。このとき、窒化物半導体発光素子７１０の正極側がサブマウント７１１に接続されている。サブマウント７１１の表面には金属層が形成されており、この金属層とリード７２３ｂがボンディングワイヤ７４０によって電気的に接続されている。
【０１２４】
一方、窒化物半導体発光素子７１０のサブマウント７１１と対向する側に、第２のサブマウント７１２が接着されている。第２のサブマウント７１２は、窒化物半導体発光素子７１０の負電極側表面とステム７２０の基台７２１とを接続する。第２のサブマウント７１２の表面にも金属層が形成されており、窒化物半導体発光素子７１０の負極とステム７２０の基台７２１とが電気的に接続される。アースリード７２３ａを負極、リード７２３ｂを正極とすることにより、窒化物半導体発光素子７１０に通電することができる。尚、これとは逆に、窒化物半導体発光素子７１０の負極をサブマウント７１１に接続し、正極を第２のサブマウント７１２に接続しても良い。この場合には、アースリード７２３ａを正極、リード７２３ｂを負極とする。
【０１２５】
本実施形態では、第２のサブマウント７１２を窒化物半導体発光素子７１０に接続することにより、窒化物半導体発光素子７１０からの放熱経路を追加することができる。この結果、熱抵抗は大きく低減し、通電中の窒化物半導体発光素子７１０の温度上昇を効果的に抑制することができる。
【０１２６】
また、この構造においても、熱膨張係数の小さなサブマウントを用いることにより、第１の実施形態と同様に、最高光出力を向上させることができる。第２のサブマウント７１２は、サブマウント７１１と同一の材料である必要はないが、熱膨張係数の小さな材料（特に、窒化物半導体発光素子に比べて熱膨張係数の小さな）を選ぶことが望ましい。また、このときサブマウント７１１と第２のサブマウント７１２を単一の材料によって構成する必要はない。つまり、第１の実施形態と同様に、窒化物半導体発光素子７１０と接続する側に熱膨張係数の小さなＣＶＤ−ダイヤモンドや高熱伝導ＳｉＣを用いればよい。
【０１２７】
通電中の窒化物半導体発光素子７１０の熱膨張は、第２のサブマウント７１２の熱膨張係数に大きく支配される。熱膨張係数の小さな材料を選ぶことにより、温度上昇時に電子ブロック層の格子不整合歪みを緩和し、最高光出力を高くすることができる。
【０１２８】
（第４の実施形態）
次に、本開示の第４の実施形態について説明する。
【０１２９】
図１５は、第４の実施形態となる例示的窒化物半導体発光装置８００の断面図である。
【０１３０】
窒化物半導体発光装置８００は、窒化物半導体発光素子８１０と、パッケージ８２０によって構成される。
【０１３１】
窒化物半導体発光素子８１０は、ＧａＮ基板８０１、ｎ−クラッド層８０２、ＭＱＷ活性層８０３、ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層８０４及びｐ−クラッド層８０５を有する。窒化物半導体発光素子８１０において、ドライエッチングによりｎ−クラッド層８０２の一部が露出するように加工されている。
【０１３２】
一方、パッケージ８２０は、絶縁性の基材８２２、窒化物半導体発光素子８１０からの光を上面方向に反射する反射膜８３６、裏面電極８３３ａ及び８３３ｂ、表面電極８３４ａ及び８３４ｂ、裏面電極と表面電極とを接続するビア配線８３２ａ及び８３２ｂから構成される。
【０１３３】
窒化物半導体発光素子８１０は、接着部８３９を介してパッケージ８２０に搭載されている。窒化物半導体発光素子８１０のｐ電極（図示せず）は、ボンディングワイヤ８４０ｂを介して表面電極８３４ｂに電気的に接続される。窒化物半導体発光素子８１０のｎ電極（図示せず）はボンディングワイヤ８４０ａを介して表面電極８３４ａに電気的に接続される。裏面電極８３３ａ及び８３３ｂをそれぞれ負極、正極に接続して通電することにより、窒化物半導体発光素子８１０を発光させることができる。窒化物半導体発光装置８００は、最後に窒化物半導体発光素子８１０を蛍光体含有樹脂８５０によって埋め込むことにより完成する。青色を発光する窒化物半導体発光素子８１０と、黄色の蛍光を発する蛍光体含有樹脂８５０を用いることにより、白色光を発生する窒化物半導体発光装置８００が提供される。
【０１３４】
この構造では、窒化物半導体発光素子８１０において発生した熱はパッケージ基材８２２を介して外部に伝達される。従って、基材８２２には熱伝導率の高い材料を用いることが望ましい。また、通電中の窒化物半導体発光素子８１０に発生する熱歪みは、基材８２２の熱膨張係数によって決定される。そこで、第１の実施形態のサブマウントと同様に、基材８２２の窒化物半導体発光素子８１０と接続する側に、熱膨張係数が小さく且つ熱伝導率が高いＣＶＤ−ダイヤモンドや高熱伝導性ＳｉＣを用いる。これにより、電子ブロック層８０４のキャリアオーバーフロー抑制効果が大きくなる。その結果、高い光出力を得ることができる。
【０１３５】
（第４の実施形態の変形例）
図１６は、第４の実施形態の変形例を示す断面図である。
【０１３６】
本変形例の窒化物半導体発光装置８００ａは、窒化物半導体発光素子８１０、パッケージ８２０及びサブマウント８１１から構成される。
【０１３７】
窒化物半導体発光素子８１０は、図１５のものと同一である。パッケージ８２０は、樹脂基材８２１、樹脂基材８２１によって電気的に分離された金属リード８２３ａ及び８２３ｂによって構成される。窒化物半導体発光素子８１０はサブマウント８１１に接続され、サブマウント８１１共にパッケージ８２０に搭載される。サブマウント８１１の表面には、表面電極８１２ａ及び８１２ｂが形成されている。窒化物半導体発光素子８１０のｐ電極は表面電極８１２ｂに接続され、ｎ電極はバンプ電極８１５を介して表面電極８１２ａに接続される。表面電極８１２ａ及び８１２ｂは、ボンディングワイヤ８４０ａ及び８４０ｂによって金属リード８２３ａ及び８２３ｂにそれぞれ電気的に接続される。金属リード８２３ａ及び８２３ｂをそれぞれ負極及び正極に接続して通電することにより、窒化物半導体発光素子８１０を発光させることができる。窒化物半導体発光装置８００は、窒化物半導体発光素子８１０を蛍光体含有樹脂８５０によって埋め込むことにより完成する。青色を発光する窒化物半導体発光素子８１０と黄色の蛍光を発する蛍光体含有樹脂８５０を用いると、白色光を発生する窒化物半導体発光装置８００が提供される。
【０１３８】
この構造では、窒化物半導体発光素子８１０で発生した熱は、サブマウント８１１及び金属リード８２３ｂを介して外部に伝達される。したがって、サブマウント８１１には熱伝導率の高い材料を用いることが望ましい。また、通電中の窒化物半導体発光素子８１０に発生する熱歪みはサブマウント８１１の熱膨張係数で決定される。そこで、第１の実施形態のサブマウントと同様に、サブマウント８１１における窒化物半導体発光素子８１０と接続する側に、熱膨張係数が小さく且つ熱伝導率が高いＣＶＤ−ダイヤモンドや高熱伝導性ＳｉＣを用いる。これにより、電子ブロック層８０４のキャリアオーバーフロー抑制効果が大きくなる。その結果、高い光出力を得ることができる。
【０１３９】
尚、図１５で示した第４の実施形態ではパッケージ基材８２２の材料としてＣＶＤ−ダイヤモンド又はＳｉＣを用いる。これに対し、本変形例ではサブマウント８１１にそれらの材料を用いることができる。サブマウントは単純な直方体であることから、加工が容易にできる利点がある。
【０１４０】
以上説明したように、引っ張り方向の格子不整合歪みを有する電子ブロック層を用いた窒化物半導体発光素子を小さな熱膨張係数をもつサブマウントに実装することによって光出力を向上できる。サブマウントの形状は単純な直方体でよく、複雑な機械的加工を必要としない。従って、本実施形態で述べた人工ダイヤモンドのような加工性の低い材料を用いることができる。また、従来型のステムやキャップをそのまま使うことができるので、窒化物半導体発光装置を使用した従来型の光源に簡単に搭載することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４１】
本発明の窒化物半導体発光装置は、レーザディスプレイ、プロジェクタ等の画像表示装置、レーザ加工、レーザアニール等の産業用のレーザ機器等の比較的高い光出力が必要な装置に有効である。尚、この窒化物半導体発光装置に用いる窒化物半導体発光素子は、半導体レーザだけでなく発光ダイオードなどの素子にも広く適用可能である。
【符号の説明】
【０１４２】
１００          窒化物半導体発光装置
１００ａ        窒化物半導体発光装置
１１０          窒化物半導体発光素子
１１１          サブマウント
１１１ａ        サブマウント
１１１ｄ        電極
１１１ｅ        接着部
１１１ｆ        電極
１１１ｇ        接着部
１２０          ステム
１２１          基台
１２２          素子搭載台
１２３ａ        アースリード
１２３ｂ        リード
１２３ｃ        リード
１３０          キャップ
１３１          カバー
１３１ａ        開口部
１３２          窓
１４０ｂ        ボンディングワイヤ
１４０ｃ        ボンディングワイヤ
２０１          窒化物半導体基板
２０２          クラッド層
２０３          活性層
２０４          電子ブロック層
２０５          クラッド層
２０６          コンタクト層
２１０          ｐ−オーミック電極
２１１          ｎ−オーミック電極
２２１          歪
２２１ａ        歪
２２２          圧縮歪
３００          窒化物半導体発光装置
３１０          窒化物半導体発光素子
３１１          サブマウント
３１１ａ        第１のサブマウント基材
３１１ｂ        第２のサブマウント基材
３１１ｄ        電極
３１１ｅ        接着部
３１１ｆ        電極
３１１ｇ        接着部
３２０Ｗ        熱伝導率
５００          窒化物半導体発光装置
５１０          窒化物半導体発光素子
５１１          サブマウント
５１１ａ        第１のサブマウント基材
５１１ｂ        第２のサブマウント基材
５１１ｄ        電極
５１１ｅ        接着部
５１１ｆ        電極
５１１ｇ        接着部
５２０          ステム
５２２          素子搭載台
５２３ｂ        リード
５２３ｃ        リード
７１０          窒化物半導体発光素子
７１１          サブマウント
７１２          第２のサブマウント
７２０          ステム
７２１          基台
７２２          素子搭載台
７２３ａ        アースリード
７２３ｂ        リード
７４０          ボンディングワイヤ
８００          窒化物半導体発光装置
８００ａ        窒化物半導体発光装置
８０１          ＧａＮ基板
８０２          ｎ−クラッド層
８０３          ＭＱＷ活性層
８０４          電子ブロック層
８０５          ｐ−クラッド層
８１０          窒化物半導体発光素子
８１１          サブマウント
８１２ａ        表面電極
８１２ｂ        表面電極
８１５          バンプ電極
８２０          パッケージ
８２１          樹脂基材
８２２          パッケージ基材
８２２          基材
８２３ａ        金属リード
８２３ｂ        金属リード
８３２ａ        ビア配線
８３３ａ        裏面電極
８３４ａ        表面電極
８３４ｂ        表面電極
８３６          反射膜
８３９          接着部
８４０ａ        ボンディングワイヤ
８４０ｂ        ボンディングワイヤ
８５０          蛍光体含有樹脂
【図１】
2013175697.tif 000007
【図２】
2013175697.tif 000008
【図３】
2013175697.tif 000009
【図４】
2013175697.tif 000010
【図５】
2013175697.tif 000011
【図６】
2013175697.tif 000012
【図７】
2013175697.tif 000013
【図８】
2013175697.tif 000014
【図９】
2013175697.tif 000015
【図１０】
2013175697.tif 000016
【図１１】
2013175697.tif 000017
【図１２】
2013175697.tif 000018
【図１３】
2013175697.tif 000019
【図１４】
2013175697.tif 000020
【図１５】
2013175697.tif 000021
【図１６】
2013175697.tif 000022
【図１７】
2013175697.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成26年9月1日(2014.9.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に極性面又は半極性面を有する窒化物半導体基板上に、窒化物半導体多層膜が積層された構成を有する窒化物半導体発光素子と、前記窒化物半導体発光素子を搭載する搭載部とを有する半導体発光装置において、
前記窒化物半導体多層膜は、電子ブロック層を含み、
前記電子ブロック層の格子定数は、前記窒化物半導体基板の格子定数よりも小さく、
前記搭載部は、少なくとも第１の搭載部基材を有し、
前記第１の搭載部基材は、前記窒化物半導体発光素子が搭載される側に位置しており、
前記第１の搭載部基材の熱膨張係数は、前記窒化物半導体多層膜の熱膨張係数よりも小さく、
前記第１の搭載部基材の熱伝導率は、前記窒化物半導体多層膜の熱伝導率よりも大きく、かつ
前記第１の搭載部基材の熱膨張係数は、４×１０−６Ｋ−１以下であり、
前記第１の搭載部基材の熱伝導率は、３００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記搭載部は、前記第１の搭載部基材とは異なる材料からなり、且つ、前記第１の搭載部基材と接合される第２の搭載部基材を備え、前記第１の搭載部基材は、前記第２の搭載部基材よりも前記窒化物半導体発光素子に近い側に位置することを特徴とする半導体発光装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記第２の搭載部基材は、ＡｌＮセラミック、又は、ＳｉＣセラミックからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つにおいて、
前記第１の搭載部基材は、ＳｉＣセラミック、又は、ＣＶＤ−ダイヤモンド、又は、ダイヤモンドと銅との複合材の何れかからなることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つにおいて、
前記第１の搭載部基材の熱膨張係数が３×１０−６Ｋ−１以下であることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つにおいて、
前記窒化物半導体発光素子における発熱量が３Ｗ以上であることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つにおいて、
前記窒化物半導体発光素子は、発光ダイオードであることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項８】
請求項２又は３において、
前記第１の搭載部基材の熱膨張係数は、前記第２の搭載部基材の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つにおいて、
前記第１の搭載部基材の体積は、前記窒化物半導体発光素子の体積よりも大きいことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つにおいて、
前記搭載部は、更に他の素子搭載台又は基材に搭載されるサブマウントであることを特徴とする半導体発光装置。
【手続補正書】
【提出日】平成27年2月5日(2015.2.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
一方、窒化物半導体において、格子不整合歪みによってピエゾ電界が発生する場合がある。上述したｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層１０１０の格子定数は、ＧａＮ基板１００１の格子定数よりも小さな値をもつ。この点から、ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層１０１０には引っ張り歪みが発生し、その歪みによってピエゾ電界が発生する。ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層による電子閉じ込め効果は、このピエゾ電界によって低下する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に極性面又は半極性面を有する窒化物半導体基板上に、窒化物半導体多層膜が積層された構成を有する窒化物半導体発光素子と、前記窒化物半導体発光素子を搭載する搭載部とを有する半導体発光装置において、
前記窒化物半導体多層膜は、電子ブロック層を含み、
前記電子ブロック層の格子定数は、前記窒化物半導体基板の格子定数よりも小さく、
前記搭載部は、少なくとも第１の搭載部基材を有し、
前記第１の搭載部基材は、前記窒化物半導体発光素子が搭載される側に位置しており、
前記第１の搭載部基材の熱膨張係数は、前記窒化物半導体多層膜の熱膨張係数よりも小さく、
前記第１の搭載部基材の熱伝導率は、前記窒化物半導体多層膜の熱伝導率よりも大きく、かつ
前記窒化物半導体発光素子における発熱量が３Ｗ以上であり、
前記窒化物半導体発光素子の動作時の発熱によって、前記窒化物半導体発光素子の熱膨張係数と前記第１搭載部基材の熱膨張係数に起因して発生する圧縮歪を前記窒化物半導体多層膜に印加し、前記電子ブロック層の障壁高さを高くしてキャリアのオーバーフローを抑制し、光出力を増加させることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記搭載部は、前記第１の搭載部基材とは異なる材料からなり、且つ、前記第１の搭載部基材と接合される第２の搭載部基材を備え、前記第１の搭載部基材は、前記第２の搭載部基材よりも前記窒化物半導体発光素子に近い側に位置することを特徴とする半導体発光装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記第２の搭載部基材は、ＡｌＮセラミック、又は、ＳｉＣセラミックからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つにおいて、
前記第１の搭載部基材は、ＳｉＣセラミック、又は、ＣＶＤ−ダイヤモンド、又は、ダイヤモンドと銅との複合材の何れかからなることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つにおいて、
前記第１の搭載部基材の熱膨張係数は、４×１０−６Ｋ−１以下であり、
前記第１の搭載部基材の熱伝導率は、３００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つにおいて、
前記第１の搭載部基材の熱膨張係数が３×１０−６Ｋ−１以下であることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つにおいて、
前記窒化物半導体発光素子は、発光ダイオードであることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項８】
請求項２又は３において、
前記第１の搭載部基材の熱膨張係数は、前記第２の搭載部基材の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つにおいて、
前記第１の搭載部基材の体積は、前記窒化物半導体発光素子の体積よりも大きいことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つにおいて、
前記搭載部は、更に他の素子搭載台又は基材に搭載されるサブマウントであることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項１１】
請求項２〜７のいずれか１つにおいて、
前記搭載部の体積は、前記窒化物半導体発光素子の体積よりも１０倍程度大きいことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１つにおいて、
前記搭載部は、前記窒化物半導体発光素子が搭載される面に第一の電極を、それと対向する面に第二の電極をそれぞれ有し、
前記搭載部の厚みは、前記第一の電極および第二の電極の厚みの合計よりも１０倍以上であることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記搭載部の厚みは、前記第一の電極および第二の電極の厚みの合計よりも２０倍以上であることを特徴とする半導体発光装置。
【国際調査報告】
2013175697.tif 000024
2013175697.tif 000025
2013175697.tif 000026
2013175697.tif 000027