(57)【要約】【課題】優れた信頼性と長寿命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。【解決手段】導電性基板表面の上に窒化物系半導体層、第１の電極を形成し、導電性基板裏面に第２の電極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。【選択図】        図１
2005026291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、ハンダ、およびステム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、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のサブマウント側をステムに対向させた状態で、第２のハンダ材を介してステム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。
【請求項２】
前記サブマウントがＡｌＮである請求項１に記載の窒化物系半導体発光装置。
【請求項３】
前記第１のハンダ材が、ＡｕＳｎであり、前記第２のハンダ材が、ＳｎＡｇＣｕ、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。
【請求項４】
前記導電性基板が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。
【請求項５】
前記第２の電極が、第１の層としてオ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。
【請求項６】
前記第２の電極において、第１の層がＴｉ、Ｈｆ、Ａｌ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。
【請求項７】
前記導電性基板に対し、前記第２の電極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１〜６のいずれか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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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。ＬＥＤ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が、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ョンアップ方式、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、マウントプロ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が、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基板とオ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からなる第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基板と良好なオ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、放熱性は十分でなく、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が、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、放熱性は十分でなく、得られる寿命は十分とは言えない。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１３４８２２号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開２００３−３１８９５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
【発明の実施の形態】
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。
【００１２】
図１は本発明の一形態である半導体レーザ装置の断面図であり、図２は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。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がワイヤ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。
【００１３】
＜半導体レーザ素子チップの製造＞
図３は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。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ーザ素子構造を得る。
【００１４】
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く、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い。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μｍ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μｍ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。
【００１５】
熱伝導率が高い導電性基板としては、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＳｉＣ（炭化珪素）、ＺｎＯ（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く、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ーピ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。
【００１６】
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は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。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２μｍ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ＳｉＯ２膜２１０を蒸着し、リッジ上部のＳｉＯ２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、Ｐｄ、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から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ができる。
【００１７】
第１の電極にはこの後電極ア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オーミック特性を有する電極を形成させることができる。
【００１８】
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化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、密着強度が弱く、電極剥がれ等を引き起こす。
【００１９】
研削は、研削機を用い、導電性基板裏面をたとえば２００μｍ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化を行った後、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。
【００２０】
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。これにより良好なオーミック特性を有する電極を形成することができる。ドライエッ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０．１〜３．０μｍ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０．５〜３．０μｍ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い。ダメージ層が除去されることによって、基板と電極間で良好なオ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い。
【００２１】
このようにして平坦化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、電極がオ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、オ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、オ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ができる。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もできる。
【００２２】
第１の層は、電極に良好なオ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、Ａｌのうち２種類以上の金属を含む場合に優れたオ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Ａｌを順次形成後、電極アロイを行って合金化することで、良好なオ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１〜３０ｎｍ、Ａｌ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い。また、ＨｆとＡｌを用いる方法以外に、ＨｆとＡｌ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。電極アロイは、４５０〜７００℃、特に５００℃の温度条件で、真空中、もしくはＮ２等の不活性ガス中で行うことができる。
【００２３】
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、良好なオ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。
【００２４】
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オ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く、第１の層のＡｌ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。
【００２５】
Ｍｏの厚みが５ｎｍ〜１００ｎｍ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。
【００２６】
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。
【００２７】
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が、スパッタ等により形成してもよい。
【００２８】
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３００〜１５００μｍ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。
【００２９】
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。
【００３０】
＜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工程と、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、サブマウントを用い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。
【００３１】
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く、この点から、ＡｌＮを好ましく用いることができる。ＡｌＮ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く、厚みは、１００〜７５０μｍ程度の厚みがあればよい。
【００３２】
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、サブマウント上にあらかじめハンダ材を設け、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。
【００３３】
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３μｍ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１０３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１０３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。
【００３４】
続いて、ステム１０５の所定位置にハンダ材１０４を形成させる。
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１０３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。
【００３５】
第１のハンダ材にはＡｕ０．８Ｓｎ０．２を用いることができるが、ＡｕＳｎ以外にも、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇ、ＳｎＡｇＣｕ、ＩｎＳｎ、ＩｎＡｇ、Ｉｎ等を用いることが可能である。ＡｕＳｎを用いた場合、ＡｌＮ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。
【００３６】
第２のハンダ材には、ＡｌＮ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いることができ、たとえばＳｎＡｇＣｕ、ＡｕＳｎ、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇ、ＳｎＳｂ、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ＳｎＡｇ０．０３Ｃｕ０．００５、Ｉｎを好適に用いることができる。
【００３７】
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。
【００３８】
サブマウントとハンダ材、ステムとハンダ材の間には、種々の公知の方法により別の層を介在させてもよい。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。
【００３９】
＜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。
【００４０】
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。
【００４１】
（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、Ｎ２とＮＨ３（アンモニア）をそれぞれ流量５Ｌ／ｍｉｎで流しながら１０５０℃まで昇温する。温度が上がった後、キャリアガスをＮ２からＨ２に代え、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）を流量１００μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＳｉＨ４（シラン）を流量１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎで導入して、ｎ型ＧａＮ層２０２を４μｍの厚みで成長させる。その後、ＴＭＧの流量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を流量４０μｍｏｌ／ｍｉｎ導入して、ｎ型クラッド層２０３としてＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎを０．５μｍの厚みで成長させる。Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎの成長が終了した後、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧを１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ｎ型光ガイド層２０４としてＧａＮを０．１μｍの厚さになるように成長させる。その後、ＴＭＧ、ＳｉＨ４の供給を停止して、キャリアガスをＨ２からＮ２に再び代え、７００℃まで降温して、インジウム原料であるＴＭＩ（トリメチルインジウム）を流量１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧを流量１５μｍｏｌ／ｍｉｎで導入し、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ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５０μｍｏｌ／ｍｉｎに増加させ、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ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℃まで昇温して、キャリアガスを再びＮ２からＨ２に代えて、ＴＭＧを流量５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを流量３０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ｐ型ドーピング原料であるＣｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を流量１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎで流し、ｐ型のキャリアブロック層２０６としてＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ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１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ｐ型光ガイド層２０７としてＧａＮを０．１μｍの厚みで成長させる。その後、ＴＭＧの供給量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、ＴＭＡを流量４０μｍｏｌ／ｍｉｎで導入し、ｐ型クラッド層２０８としてＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎを０．４μｍの厚みで成長させ、最後に、ＴＭＧの供給を１００μｍｏｌ／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０．１μｍの厚みで成長させる。その後、ＴＭＧおよびＣｐ２Ｍｇ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。
【００４２】
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２μｍ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ＳｉＯ２膜２１０の蒸着を行い、その後、リッジ上部のＳｉＯ２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℃で１０分間の電極アロイを行う。
【００４３】
次に、導電性基板２０１であるＧａＮ基板に対して研削、研磨を行う。まず、研削機を用いてＧａＮ基板裏面を厚さが２００μｍ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化し、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。
【００４４】
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１μｍのドライエッチングを行う。
【００４５】
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。まずオーミック層の形成のために、Ｈｆを５ｎｍ、次いでＡｌを１５０ｎｍの厚みで蒸着し、真空中５００℃で３分間の電極アロイを行って電極金属とＧａＮ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。
【００４６】
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。
【００４７】
＜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、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。
【００４８】
サブマウント工程においては、ＡｌＮからなるサブマウント１０３の上の所定位置に、ＥＢ蒸着法を用いて、第１のハンダ材１０２としてＡｕ０．８Ｓｎ０．２ハンダを３μｍの厚みで形成する。Ａｕ０．８Ｓｎ０．２ハンダの上に、Ａｕ０．８Ｓｎ０．２ハンダと第２の電極２１２を対向させた状態で半導体レーザ素子チップをアライメントして設置する。この状態でサブマウントを３００℃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。
【００４９】
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１０３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１０μｍ程度の箔状のＳｎＡｇ０．０３Ｃｕ０．００５ハンダを載せる。ＳｎＡｇ０．０３Ｃｕ０．００５ハンダの上に、ＳｎＡｇ０．０３Ｃｕ０．００５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アライメントして設置する。続いて３００℃まで昇温してＳｎＡｇ０．０３Ｃｕ０．００５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ＳｎＡｇＣｕハンダを固化させ、マウント工程が終了する。
【００５０】
以上の方法で、ステム上にＡｌＮ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。
【００５１】
＜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として用い、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。
【００５２】
＜特性評価＞
実施の形態１の方法で、同一ウエ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、マウ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。
【００５３】
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っ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、高い歩留りで支持基体へのマウントを行うことが可能であった。
【００５４】
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℃、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、１０００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く、６０℃、３０ｍＷでの寿命が１０００時間以上であることを確認した。
【００５５】
（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、ＳｎＡｇ０．０３Ｃｕ０．００５をあらかじめステムに転写する。
【００５６】
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１０３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ＳｎＡｇ０．０３Ｃｕ０．００５の転写方法は以下の通りである。長さ５００ｎｍ、幅５００μｍ程度のテフロン（Ｒ）テープを用意する。次に、テフロン（Ｒ）テープに８μｍ程度のＳｎＡｇ０．０３Ｃｕ０．００５を蒸着する。その後、ＳｎＡｇ０．０３Ｃｕ０．００５ハンダの付いたテフロン（Ｒ）テープを、ステム１０５にアライメントする。アライメントが終われば、テフロン（Ｒ）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５００μｍ×横５００μｍ×厚さ１０μｍのＳｎＡｇ０．０３Ｃｕ０．００５ハンダをステム１０５に転写することができる。
【００５７】
次に、ステム１０５にサブマウント１０３を接合する。転写したＳｎＡｇ０．０３Ｃｕ０．００５ハンダの上に、ＳｎＡｇ０．０３Ｃｕ０．００５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アライメントして設置する。続いて３００℃まで昇温してＳｎＡｇ０．０３Ｃｕ０．００５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ＳｎＡｇ０．０３Ｃｕ０．００５ハンダを固化させ、マウント工程が終了する。
【００５８】
以上の方法で、ステム１０５の上にＡｌＮ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。
【００５９】
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。
【００６０】
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が、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であった。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。
【００６１】
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く、１０００時間以上の寿命を有することが確認できた。
【００６２】
（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を用い、ステムにＩｎを転写する。
【００６３】
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。
【００６４】
長さ５００ｎｍ、幅５００μｍのテフロン（Ｒ）テープを用意し、テフロン（Ｒ）テープに厚み１０μｍ程度のＩｎを蒸着する。その後、Ｉｎハンダの付いたテフロン（Ｒ）テープを、ステム１０５にアライメントする。アライメントが終われば、テフロン（Ｒ）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５００μｍ×横５００μｍ×厚さ１０μｍのＩｎハンダをステムに転写する。
【００６５】
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アライメントして設置する。続いて３００℃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。
【００６６】
以上の方法で、ステム上にＡｌＮ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い、半導体レーザ装置を完成させる。
【００６７】
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。
【００６８】
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４２ｍＡであったのに対して、マウント後の閾値が３９ｍＡであった。
【００６９】
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く、１０００時間以上の寿命を有することが確認できた。
【００７０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００７１】
【発明の効果】
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く、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】
【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】
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のハンダ材、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  活性層、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  ＳｉＯ２膜、２１１  第１の電極、２１２  第２の電極。
【図１】
2005026291.tif 000003
【図２】
2005026291.tif 000004
【図３】
2005026291.tif 000005
【図４】
2005026291.tif 000006