(57)【要約】【課題】電極内に弾性体材料を埋め込むことにより、ヒートシンクと半導体レーザとの接合時に発生する熱応力や機械的応力によるレーザの特性劣化を防止し、高信頼性を有する半導体レーザを提供することを目的とする。【解決手段】ｎ型ＧａＡｓ基板１の上に形成された歪み量子井戸活性層を有する半導体レーザ１７のｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０の上面にｐ型電極１２を形成する。ｐ型電極はＣｒ／Ａｕ／Ｐｔ積層膜１３とＴｉ／Ａｕ／Ｐｔ積層膜１４との間にドット状に配列されたゴム系のネガレジストパターン１５が埋め込まれた構造を有している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面ないし下面に電極が設けられた半導体レーザであって、前記電極のうち少なくとも一方は弾性体材料が埋め込まれた構造であることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記弾性体材料は前記電極内でドット状あるいは格子状に間隔をあけて配列されている請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記弾性体材料は前記半導体レーザにおける発光領域の直上には配置されないことを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記弾性体材料は前記半導体レーザとヒートシンクとの接合における加熱に際してなお弾性を失わない材料であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記弾性体材料はゴム系のレジストであることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記弾性体材料が埋め込まれた前記電極は接着剤を介してヒートシンクと接合していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項７】
半導体レーザの上面ないしは下面に第一の金属層を堆積する工程と、
前記第一の金属層上に弾性体材料を被覆する工程と、
前記弾性体材料をパターニングする工程と、
前記弾性体材料および前記第一の金属層の上に第二の金属層を堆積して電極を形成する工程と、
前記半導体レーザをコレットにより保持して移動する工程と、
接着剤を介してヒートシンク上面に前記半導体レーザを前記電極を下にして載置する工程と、
前記コレットにより前記半導体レーザを前記ヒートシンクに押し付けた状態で前記ヒートシンクを前記接着剤が軟化する温度まで加熱する工程と、
前記コレットにより前記半導体レーザを前記ヒートシンクに押し付けた状態で前記ヒートシンクを前記接着剤が硬化する温度まで冷却して前記半導体レーザと前記ヒートシンクとを接合する工程とを備えた半導体レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高信頼性を有する半導体レーザおよびその形成方法に関するものであり、特に組み立て時の熱応力を緩和する電極構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＤやＤＶＤの普及は目覚ましいものがあり、その中でも記録用機器の需要が急激に増大している。この場合、再生専用とは異なって、光源である半導体レーザの高出力化が必要であり、半導体レーザの放熱特性を向上させるために熱伝導性に優れたＳｉやＳｉＣを用いたサブマウント基板をヒートシンクとして半導体レーザをその上に載置し接合する構造が一般に用いられてきている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、放熱特性をさらに向上させるためにサブマウント基板を大型化したり、あるいは半導体レーザとサブマウント基板との接合面積を増大させようとすると、加熱・接合工程において熱膨張率の差による熱応力が発生し、冷却時に半導体レーザに残留応力として加わることが知られている。また、サブマウント基板と半導体レーザとをはんだ等の接着剤を介して加熱・接合する際、位置ずれを防止するため、コレットを半導体レーザに圧接したまま保持するが、この際に加わる機械的応力が接合後の冷却過程でさらに残留応力として加わる（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
そこで、特許文献１にはこれらの工程に起因した残留応力を除去するために加熱・接合後に半導体レーザを保持するコレットを放して再度加熱する方法が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２１７４８０号公報（第４頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記残留応力が加わったまま半導体レーザを動作させると結晶転位が発生し特性が劣化するおそれがあるため、上記の方法は高出力半導体レーザを実現する上で非常に有効な技術である。
【０００７】
しかし、接合工程において、加熱→冷却→加熱→冷却と通常のサイクルを２回実施せねばならず、スループットが低下するという問題も有する。
【０００８】
また、ＤＶＤ用光源として用いられる赤色光を発するＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザにおいては赤外光を発するＡｌＧａＡｓ系半導体レーザよりも結晶欠陥が発生しやすく、応力をなるべく加えないで接合する方が特性面で有利に働く可能性も高いと予想される。
【０００９】
そこで、上記課題を解決するために、本発明は、弾性体材料が埋め込まれた電極を有し、熱応力により加わる歪みを吸収緩和することにより結晶欠陥の発生しにくい高信頼性を有する半導体レーザを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザは、上面ないし下面に電極が設けられた半導体レーザであって、前記電極のうち少なくとも一方は弾性体材料が埋め込まれた構造であることを特徴とする。
【００１１】
前記弾性体材料は前記電極内でドット状あるいは格子状に間隔をあけて配列されていることが望ましい。
【００１２】
また、前記弾性体材料はゴム系のレジストであることが好ましい。
【００１３】
上記の構成を備えることにより、サブマウント基板との加熱・接合時にコレットから加わる機械的応力を緩和し、半導体レーザに加わる残留応力を低減することが可能となる。また、熱応力による接合界面での歪を吸収して、さらに残留応力を低減できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の具体的実施の形態について説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態１における半導体レーザの断面構造を示す。
【００１６】
ｎ型ＧａＡｓ基板１の上にｎ型ＧａＡｓバッファー層２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ歪み量子井戸活性層４、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第一クラッド層５、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング阻止層６が順に積層されており、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第二クラッド層７、ｐ型ＧａＩｎＰキャップ層８をさらに成長させた後、シリコン酸化膜を堆積し、ストライプパターンに加工する。ストライプパターンに加工されたシリコン酸化膜をマスクとしてｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第二クラッド層７、ｐ型ＧａＩｎＰキャップ層８をｐ型ＧａＩｎＰエッチング阻止層６までエッチングしてリッジ状のストライプパターンを形成する。次にｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層９を選択成長させる。シリコン酸化膜を除去した後、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０を全面に成長させ、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面にＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉを堆積してｎ型電極１１とし、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０の上面にｐ型電極１２を形成する。
【００１７】
本実施の形態において従来と異なる点は、ｐ型電極１２の中に弾性体材料であるネガレジストパターン１５が埋め込まれていることである。
【００１８】
図２に従来の技術と本発明の電極形成フローの比較を示す。従来はＣｒ／Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉ／Ａｕ／Ｐｔ薄膜を連続蒸着して電極を形成した後、Ａｕメッキ、はんだメッキを形成する。一方、本発明のフローではＣｒ／Ａｕ／Ｐｔ積層膜１３を蒸着した後、Ｐｔ膜表面にネガレジストを塗布し、マスクアライナーによる露光を行った後、現像工程を経てレジストパターンを形成した。ネガレジストには東京応化製ＯＭＲ−８３  ４０ｃｐを使用し、塗布厚は約１μｍであった。レジストパターンは歪み量子井戸活性層４のストライプ部直上の領域とチップ端部を除いた全領域に、１０μｍφサイズのドットパターンを１０μｍ間隔で均等に配置した。
【００１９】
図３にレジストパターンの平面配置図を示す。発光領域である歪み量子井戸活性層４のストライプ部直上の領域にパターンを形成しないのは活性層に注入される電流通路を確保し素子抵抗を上昇させないためである。このことにより、しきい値や消費電力の増大を防止できる。
【００２０】
パターン形成後、約２００℃の熱処理によりレジストの焼きしめを行い、余分な溶剤を蒸発させ、レジスト中に含まれる不純物による汚染の影響を取り除いた。その後、Ｔｉ／Ａｕ／Ｐｔ積層膜１４を蒸着し、従来フロー同様、Ａｕメッキ、はんだメッキ１６を形成し、さらにヒートシンクと半導体レーザ１７とをはんだメッキ１６を介して接合した。
【００２１】
図４にヒートシンクと半導体レーザとの接合工程説明図を示す。
【００２２】
ｐ型電極１２上にＡｕメッキ、はんだメッキ１６を形成した半導体レーザ１７はｐ型電極１２を下にしてコレット１８で吸着・保持される（図４(ａ)）。コレット１８により保持した状態で半導体レーザ１７をヒートシンクとなるＳｉＣ基板１９の上に移載し、ＳｉＣ基板１９の所定の位置に来るよう位置合わせを行なう（図４（ｂ））。次に、コレット１８を移動させて半導体レーザ１７をはんだメッキ１６を介してＳｉＣ基板１９上に載置する。さらにコレット１８により半導体レーザ１７をＳｉＣ基板１９に押し付けた状態でＳｉＣ基板を加熱する（図４（ｃ））。この加熱工程によりはんだメッキ１６が軟化・溶融し始めてＳｉＣ基板１９との接合が行なわれる。次に、半導体レーザ１７をＳｉＣ基板１９に押し付けた状態を保ったまま加熱を止めてＳｉＣ基板１９および半導体レーザを自然冷却する。同時にはんだが冷却され固化された後、コレット１８を半導体レーザより離し、接合工程が完了する（図４（ｄ））。はんだが固化するまでコレットを押し付けるのは、上述したように設定した半導体レーザの接合位置がはんだの溶融等によってずれないようにするためである。
【００２３】
図５に従来構造と本発明の電極構造を採用した半導体レーザとの加速劣化（ライフ）試験結果の比較を示す。ライフ条件は温度７０℃、Ｐｏ＝６０ｍＷ（パルス）で行い、試験時間に対するレーザの動作電流の変化量（ΔＩop）を評価した。測定チップ数はそれぞれ１００チップずつとした。
【００２４】
図５に示したように、本発明における半導体レーザの方が長時間にわたり特性劣化することなく、安定した結果が得られることがわかった。これは、電極中に埋め込まれたネガレジストが、組立工程でヒートシンクにレーザチップを接着した後に加わる熱応力による過剰な外部歪みを吸収緩和し、活性層に導入されている歪み量子井戸構造に影響を及ぼさない結果、初期特性劣化を抑制することができたものと考えられる。
【００２５】
干渉顕微鏡を用いてレーザチップの歪み量を評価した結果、チップ長手方向に対して、従来構造では０．２〜０．８μｍであったのに対し、本発明の電極構造を採用した半導体レーザでは０．１μｍ以下となっていた。本結果からも、ネガレジストが組立工程でレーザチップへ加わる過剰な歪みを吸収緩和したものと考えられる。
【００２６】
また、ネガレジストパターンの間隔についても検討を行った。検討を行ったレジストパターン間隔は１０μｍ、５μｍ、２μｍであり、レーザライフ試験に用いた測定チップ数はそれぞれ１００チップずつとした。
【００２７】
図６にネガレジストパターン間隔に対するレーザライフ試験結果を示す。間隔が密になりすぎると、特性劣化を示すチップが増加傾向にある。これは、間隔が密になりすぎるとヒートシンクへの半導体レーザの放熱特性が低下するため、その結果、ライフが短くなったものと推測される。
【００２８】
図６の結果から見て、レジストのパターンサイズや間隔には歪み緩和および放熱性の観点からレーザチップサイズに応じて最適値が存在するものと考えられる。
【００２９】
本実施の形態によれば、電極中に弾性体材料を埋め込んで、ヒートシンクにレーザチップを接着した後に加わる熱応力による過剰な歪みを吸収緩和することにより、活性層に導入されている歪み量子井戸構造に過度の歪みを発生させない結果、初期特性劣化を抑制することが可能となり、高信頼性を有する半導体レーザを提供することが可能となる。
【００３０】
また、ヒートシンクと半導体レーザとの接合工程において、加熱→冷却のサイクルは１回で済むので工程のスループットを増加させることもなく、製造工程の短ＴＡＴ化、コスト削減が図れる。
【００３１】
また、弾性体材料としてネガレジストを用いることにより、フォトリソグラフィによるパターン形成を行なうことが可能となり、その配置や大きさ等を再現性良く形成することができる。
【００３２】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で用いたレジストの種類について検討を行った。検討を行ったレジストは、実施の形態１で使用したゴム系ネガレジストの他に、化学増幅型ネガレジスト、ノボラック樹脂ポジレジストを用いて検討を行った。レジストの種類以外は、実施の形態１と同一条件である。測定チップ数はそれぞれ１００チップずつである。
【００３３】
図７に、レジストの種類に対するレーザライフ試験結果を示す。ゴム系ネガレジスト以外は、全て特性劣化する結果となった。これは、ゴム系ネガレジストは熱が加えられても硬化せず、弾性を有するのに対し、それ以外のレジストは熱硬化性を示すレジストであるため、熱応力により加わった過剰な外部歪みを吸収緩和する機能を果たすことができないためであると考えられる。
【００３４】
本実施の形態によれば、弾性体材料としてゴム系のネガレジストを用いることにより、組立工程における加熱時にも弾性を失なわず、熱応力により加わった過剰な外部歪みを吸収緩和でき、レーザ初期特性劣化を抑制することが可能となり、高信頼性を有する半導体レーザを提供することが可能となる。
【００３５】
なお、実施の形態１および２においてｐ型電極中に弾性体材料を埋め込む例を示したがｎ型電極に埋め込んでもよい。
【００３６】
また、弾性体材料は、組立工程における加熱時にも弾性を失なわい材料であればゴム系のネガレジスト以外であってもよい。
【００３７】
レジストパターンの形状はドット以外であってもよく、例えば格子状であってもよい。
【００３８】
また、半導体レーザ、電極、ヒートシンクの種類、構造、材質は実施の形態１および２の例には限定されないものである。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザによれば、ヒートシンクと半導体レーザとの組立工程における熱応力により加わった過剰な外部歪みを電極中に埋め込まれた弾性体材料により吸収緩和し、活性層に導入されている歪み量子井戸構造に影響を及ぼさない結果、初期特性劣化を抑制することが可能となり、高信頼性を有する半導体レーザを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体レーザの断面構造図
【図２】従来の技術と本発明の実施の形態１における電極形成フローの比較を示す図
【図３】本発明の実施の形態１におけるレジストパターンの平面配置図
【図４】本発明の実施の形態１における半導体レーザとヒートシンクの接合工程説明図
【図５】従来の半導体レーザと本発明の実施の形態１における半導体レーザとの加速劣化試験結果の比較を示す図
【図６】本発明の実施の形態１におけるネガレジストパターン間隔に対するレーザライフ試験結果を示す図
【図７】本発明の実施の形態２におけるレジストの種類に対するレーザライフ試験結果を示す図
【符号の説明】
１  ｎ型ＧａＡｓ基板
２  ｎ型ＧａＡｓバッファー層
３  ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
４  ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ歪み量子井戸活性層
５  ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第一クラッド層
６  ｐ型ＧａＩｎＰエッチング阻止層
７  ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第二クラッド層
８  ｐ型ＧａＩｎＰキャップ層
９  ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層
１０  ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１１  ｎ型電極（Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ）
１２  ｐ型電極
１３  Ｃｒ／Ａｕ／Ｐｔ積層膜
１４  Ｔｉ／Ａｕ／Ｐｔ積層膜
１５  ネガレジストパターン
１６  はんだメッキ
１７  半導体レーザ
１８  コレット
１９  ＳｉＣ基板
【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５】
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【図６】
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【図７】
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