(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体基板と該窒化物半導体基板の表面上に積層される複数の窒化物半導体層から成る窒化物半導体積層部とを備えた窒化物半導体レーザ素子と、該窒化物半導体レーザ素子を固定する支持基体と、前記支持基体を備えたステムと、を備えた窒化物半導体レーザ装置において、
当該窒化物半導体レーザ素子の前記窒化物半導体基板側が前記支持基体に固定され、
前記窒化物半導体基板がＧａＮから構成され、
前記支持基体が、サブマウントであって、Ｃｕで構成されるとともに、その厚さが前記窒化物半導体基板と前記窒化物半導体積層部とで成る窒化物半導体積層構造部の厚さの２倍以上であり、
前記サブマウントを固定するチップ搭載部が前記ステムに設けられ、
前記窒化物半導体レーザ素子に圧縮性応力がかかっていることを特徴とする窒化物半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記窒化物半導体積層部が、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）から構成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記窒化物半導体積層構造部と前記支持基体との間の金属層の厚さが、前記窒化物半導体積層構造部の厚さの半分以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記窒化物半導体レーザ素子を前記支持基体に固定するためのハンダの材質が、ＡｕＳｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、ＩｎＡｌ、ＡｇＳｎ、ＡｇＣｕＳｎ、ＺｎＳｎ、ＰｂＩｎ、ＰｂＳｎ、ＩｎＳｎ、ＡｕＳｎ若しくはＡｕＧｅ、又はこれらのいずれかを含む化合物であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記サブマウントに前記窒化物半導体レーザ素子を固定するためのハンダの融点が、前記チップ搭載部に前記サブマウントを固定するためのハンダの融点より高いことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記窒化物半導体基板と前記支持基体との間の金属層の厚さが、１μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体レーザ素子が支持基体に備えられた窒化物半導体レーザ装置に関するものである。尚、本明細書において、窒化物半導体とは、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成されるものである。このとき、この窒化物半導体の窒素元素のうち、略１０％以下（但し、六方晶系であること）がＡｓ，Ｐ，Ｓｂのいずれかの元素に置換されていても構わない。又、窒化物半導体中にＳｉ，Ｏ，Ｃｌ，Ｓ，Ｃ，Ｇｅ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｍｇ，Ｂｅがドーピングされているものでも構わない。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子は、単色性が良く強い光が放射されるので、レーザ出射光を集光したときのスポットサイズを小さくすることができ、光ディスクや光磁気ディスクなどの光が照射されて記録及び再生が行われる記録メディアの駆動装置における光ピックアップに設けられる光源などとして、用いられる。特に、波長が短く且つ光出力が得られる窒化物半導体レーザ素子は、ＤＶＤなどの高密度記録メディアの駆動装置用として用いられるよう、赤色半導体レーザ素子に代わる光ピックアップ素子として開発が推進されている。
【０００３】
このような窒化物半導体レーザ素子が、特開平１１−３４０５７１号公報に提示されている。この特開平１１−３４０５７１号公報で示される窒化物半導体レーザ素子の構造を図１１に示す。図１１に示す窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板５００の表面に、ｎ型クラッド層５０１、ｎ型光ガイド層５０２、活性層５０３、ｐ型光ガイド層５０４、ｐ型クラッド層５０５、ｐ型コンタクト層５０６、絶縁膜５０７、及びｐ電極５０８を順に備え、窒化物半導体基板５００の裏面に、ｎ型コンタクト層５０９及びｎ電極５１０を順に備える。
【０００４】
この図１１のように構成される窒化物半導体レーザ素子がステムに設置されることによって、窒化物半導体レーザ装置が形成される。即ち、図３のように、ステム１００に設けられたチップ搭載部１０１上の支持基体１０２上に窒化物半導体レーザ素子１０３が搭載される。この際、支持基体１０２とｎ電極５１０が接触するように設置され、窒化物半導体レーザ素子１０３を支持基体１０２上に固定するために、支持基体１０２の設置面上をＡｕでメタライズして、ｎ電極５１０を熱圧着させる。又、ｐ電極５０８はＡｕ線であるワイヤ１０４を介してピン１０５ｂと電気的に接続される。尚、ピン１０５ａは、チップ搭載部１０１及び支持基体１０２と電気的に接続される。ピン１０５ａ，１０５ｂは、ステム１００と電気的に絶縁されている。
【０００５】
このように窒化物半導体レーザ装置が構成されるとき、ピン１０５ａ，１０５ｂに異なる電位の電圧を印加して、窒化物半導体レーザ素子１０３のｎ電極５１０及びｐ電極５０８に電圧を印加することによって、窒化物半導体レーザ素子１０３がレーザー発振動作を行う。
【０００６】
又、従来より使用されているＧａＡｓ系の半導体レーザ装置の場合、半導体レーザ素子が搭載される支持基体（図３の支持基体１０２に相当する）は、半導体レーザ素子の基板として用いられるＧａＡｓと熱膨張係数が極力近く、熱伝導率が高い材質（例えば、ＳｉＣ）が用いられていた。これは、ＧａＡｓ系の半導体レーザ装置の場合、半導体レーザ素子を構成するＧａＡｓと大きく異なる熱膨張係数の材質が支持基体に用いられると、半導体レーザ素子を支持基体にハンダ付けしたときに、半導体レーザ素子に大きな応力が発生し、半導体レーザー素子に欠陥が生じて、そのレーザ発振寿命が短くなるからである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術で示されるような窒化物半導体レーザ装置においては、レーザ発振寿命は短かった。又、ＧａＡｓ系の半導体レーザ素子と同様にして、図３の支持基体の材料としてＳｉＣを用いた場合も、そのレーザ発振寿命が短くなる。
【０００８】
このような問題を鑑みて、本発明は、レーザ発振寿命の長い窒化物半導体レーザ装置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】
上記目標を達成するために、本発明の窒化物半導体レーザ装置は、窒化物半導体基板と該窒化物半導体基板の表面上に積層される複数の窒化物半導体層から成る窒化物半導体積層部とを備えた窒化物半導体レーザ素子と、該窒化物半導体レーザ素子を固定する支持基体とを備えた窒化物半導体レーザ装置において、前記窒化物半導体基板がＧａＮから構成され、前記支持基体が、熱膨張係数が前記窒化物半導体基板の熱膨張係数よりも大きい材質で構成されるとともに、その厚さが前記窒化物半導体基板と前記窒化物半導体積層部とで成る窒化物半導体積層構造部の厚さの１．２倍以上であることを特徴とする。
【００１０】
また、前記支持基体はＣｕ，ＧａＡｓ，ＣｕＷ１０，Ａｌ２Ｏ３，ＣｕＷ１５，ＢｅＯ，ＣｕＷ２０，Ａｌ−ＳｉＣ，Ｆｅ，Ａｕ，Ａｇ，Ａｌのうちのいずれかから構成してもよく、前記窒化物半導体積層部はＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）から構成してもよい。このとき、前記窒化物半導体積層構造部と前記支持基体との間の金属層の厚さを、前記窒化物半導体積層構造部の厚さの半分以下とすることによって、前記窒化物半導体レーザ素子の熱膨張係数と前記支持基体の熱膨張係数との違いによる前記窒化物半導体レーザ素子への効果を強くすることができる。
【００１１】
又、前記窒化物半導体レーザ素子を前記支持基体に固定するためのハンダの材質に、ＡｕＳｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、ＩｎＡｌ、ＡｇＳｎ、ＡｇＣｕＳｎ、ＺｎＳｎ、ＰｂＩｎ、ＰｂＳｎ、ＩｎＳｎ、ＡｕＳｉ若しくはＡｕＧｅ、又はこれらのいずれかを含む化合物を用いる。このようなハンダにおいて、融点の高い材質のものとしても良い。
【００１２】
又、前記支持基体を備えたステムを有するとともに、前記支持基体がサブマウントであり、前記サブマウントを固定するチップ搭載部が前記ステムに設けられるようにしても構わない。即ち、前記チップ搭載部に、前記窒化物半導体レーザ素子がマウントされた前記支持基体となる前記サブマウントを設置することによって、窒化物半導体レーザ装置を構成する。このとき、前記サブマウントに前記窒化物半導体レーザ素子を固定するためのハンダの融点を、前記チップ搭載部に前記サブマウントを固定するためのハンダの融点より高くすることで、前記窒化物半導体レーザ素子を前記サブマウントに固定した後、該サブマウントを前記チップ搭載部に固定することができる。
【００１３】
又、前記支持基体を備えたステムを有するとともに、前記支持基体が前記ステムに設けられたチップ搭載部とすることで、前記サブマウントを省き、窒化物半導体レーザ装置の製造工程を少なくすることができる。
【００１４】
又、前記窒化物半導体レーザ素子の前記窒化物半導体基板側が前記支持基体に固定されるようにしても構わない。このとき、前記窒化物半導体基板と前記支持基体との間の金属層の厚さが、１μｍ以上５０μｍ以下とする。
【００１５】
又、前記窒化物半導体レーザ素子の前記窒化物半導体積層部側が前記支持基体に固定されるようにしても構わない。このとき、前記窒化物半導体レーザ素子の支持基体に固定される側が平坦に形成されており、前記窒化物半導体積層部と前記支持基体との間の金属層の厚さが、１μｍ以上１０μｍ以下とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の窒化物半導体レーザ装置に設けられる窒化物半導体レーザ素子の構成を示した断面図である。まず、この図１に示す窒化物半導体レーザ素子の構成について、以下に説明する。
【００１７】
図１の窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板１の表面上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮバッファ層２０１、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層２０２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層２０３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮガイド層２０４、ＡｌＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層２０５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮガイド層２０６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層２０７及びｐ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層２０８が順に積層されるとともに、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層２０７の表面上で且つｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層２０７及びｐ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層２０８で構成されるリッジ部分２１０の両側に絶縁膜２０９が設けられる。
【００１８】
又、この窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面側にｎ電極３が設けられるとともに、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層２０８及び絶縁膜２０９の表面上にｐ電極４が設けられる。尚、リッジ部分２１０は、共振器方向に延伸したストライプ状の構成である。よって、図１の窒化物半導体レーザ素子は、リッジストライプ型の構造となる。
【００１９】
この窒化物半導体レーザ素子は、最初にｎ型ＧａＮ基板１を有機洗浄する。そして、ｎ型ＧａＮ基板１をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置内に搬入し、各層毎に、適切な基板温度にて、原料ガス及びキャリアガスを適量導入することによって、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮバッファ層２０１、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層２０２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層２０３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮガイド層２０４、ＡｌＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層２０５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮガイド層２０６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層２０７及びｐ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層２０８が順に積層される。
【００２０】
このとき、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層２０３が、後述するｎ型ＡｌＧａＩｎＮガイド層２０４に比べて、屈折率が小さく且つバンドギャップが大きくなるように形成され、又、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層２０７が、後述するｐ型ＡｌＧａＩｎＮガイド層２０６に比べて、屈折率が小さく且つバンドギャップが大きくなるように形成される。又、ＡｌＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層２０５は、障壁層及び井戸層が交互に複数層を設けられることによって形成される。
【００２１】
そして、共振器方向に沿ってストライプ状にエッチングが行われて、リッジ部分２１０を形成すると、ＳｉＯ2などの絶縁膜２０９を蒸着させて形成した後、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層２０８を露出させる。このようにして各層が形成されるとき、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮバッファ層２０１、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層２０２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層２０３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮガイド層２０４、ＡｌＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層２０５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮガイド層２０６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層２０７、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層２０８及び絶縁膜２０９で構成される部分を、窒化物半導体積層部２とする。
【００２２】
この窒化物半導体積層部２が、ｎ型ＧａＮ基板１の表面上に形成されるとき、ｎ型ＧａＮ基板１の厚さが３５０μｍであり、窒化物半導体積層部２の厚さが１０μｍである。その後、Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕの順で蒸着して積層させて、ｐ電極４を形成する。このとき、ｐ電極４において、Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕの層厚はそれぞれ、１５０Å／１５０Å／２００Åとなる。
【００２３】
次に、研削や研磨等の物理的手法や、ウェットエッチング又はドライエッチング等の化学的手法を用いることで、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面側を削って、ｎ型ＧａＮ基板１と窒化物半導体積層部２とｐ電極４で構成されるウェハの厚さを４０〜２５０μｍに調整する。このようにすることで、ウェハを分割しやすい厚さに調整する。このとき、特に、端面ミラーも分割時に形成する場合には、４０〜２００μｍと薄めに調整することが望ましい。尚、第１の実施形態で使用する場合、研削機を用いてウェハの厚みを１８０μｍに調整した後、研磨機を用いてウェハの厚みを１５０μｍに調整した。
【００２４】
次に、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面側からＴｉ／Ａｌ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕの順序でｎ電極３を、真空蒸着法やイオンプレーティング法やスパッタ法などを用いて形成する。このとき、ｎ電極３において、Ｔｉ／Ａｌ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕの厚さはそれぞれ、３００Å／１５００Å／８０Å／１５０Å／１５００Åとなる。そして、Ｔｉ／Ａｌはｎ型ＧａＮ基板１とのオーミック接触をとるための層であり、ＭｏはＡｕとＡｌとが合金化することを防止するためのブロック層であり、Ｐｔはハンダがｎ電極３のコンタクトをとる部分との反応が進みすぎないようにするための層であり、Ａｕは支持部材上にマウントして設置する際にハンダと混合させて強固に設置するための層である。
【００２５】
このように、ｎ型ＧａＮ基板１に、窒化物半導体積層部２とｎ電極３とｐ電極４とを形成すると、共振器方向と垂直な方向に分割を行う。このとき、裏面側となるｎ電極３を上にして、ｎ型ＧａＮ基板１と窒化物半導体積層部２とｎ電極３とｐ電極４とで構成されるウェハを、ダイヤモンド刃を備え溝を切るための装置であるダイサーなどに固定すると、ダイヤモンド針で罫書きするスクライブが施されることで、スクライブラインが設けられる。
【００２６】
そして、ウェハにブレーキング刃などで力を加えることによって、スクライブラインに沿ってウェハを分割する。その後、同様に、共振器方向と平行な方向にブレーキング刃などで力を加えて更に分割することで、図１のような窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。尚、上述のようにスクライビング法によるチップの分割を行うようにしたが、ワイヤソー又は薄板ブレードを用いて傷入れもしくは切断を行うダイシング法、エキシマレーザなどのレーザ光の照射加熱とその後の急冷により照射部にクラックを生じさせてスクライブラインを生成するレーザスクライビング法、高エネルギー密度のレーザ光を照射して照射部分を蒸発させて溝入れ加工を行うレーザアブレーション法などを用いても構わない。
【００２７】
以下の第１及び第２の実施形態では、このように構成される窒化物半導体レーザ素子を備えた窒化物半導体装置について、図面を参照して説明する。
【００２８】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。図２は、本実施形態の窒化物半導体レーザ装置において、窒化物半導体レーザ素子の設置状態を示す断面図である。このとき、図３のように、窒化物半導体レーザ素子が設けられることによって、窒化物半導体レーザ装置が構成される。尚、支持基体は、本実施形態において、「サブマウント」である。
【００２９】
本実施形態の窒化物半導体レーザ装置は、図２のように、図３のステム１００に突起するように形成されたチップ搭載部１０１の表面上にハンダ１０６で固定されたサブマウント１０２の表面上に、窒化物半導体レーザ素子１０３がハンダ１０７によって固定される。即ち、サブマウント１０２が、図３に示すようにピン１０５ａと電気的に接続されたチップ搭載部１０１と、ハンダ１０６を介して電気的に接続されるとともに、チップ搭載部１０１の表面上に固定される。
【００３０】
まず、サブマウント１０２の表面上に、ダイボンディング法を用いて、窒化物半導体レーザ素子１０３がマウントされる。即ち、サブマウント１０２の表面上にハンダ１０７を塗布して、ハンダ１０７の融点より若干高い温度まで加熱させてハンダ１０７を溶かした後、窒化物半導体レーザ素子１０３をｎ電極３がサブマント１０２側になるように載せる。そして、温度を１分程度保持しながら適当な荷重を加えることによって、ｎ電極３とハンダ１０７とを良くなじませる。これにより、ｎ電極３の最表面のＡｕ層がハンダ１０７中に溶解して、ハンダ材料との合金が形成される。尚、逆に、ハンダ１０７を窒化物半導体レーザ素子１０３に塗布した後に、サブマウント１０２の表面上に設置するようにしても構わない。
【００３１】
引き続き、窒化物半導体レーザ素子１０３が表面上にハンダ１０７によって接着固定されたサブマウント１０２が、チップ搭載部１０１の表面上に、ハンダ１０６を用いて接着固定される。そして、図３のようにピン１０５ｂと接続されたワイヤ１０４が、窒化物半導体レーザ素子１０３のｐ電極４に接続されることによって、ピン１０５ｂと窒化物半導体レーザ素子１０３のｐ電極４とが電気的に接続される。このようにして、窒化物半導体レーザ素子１０３がステム１００に設置されると、窒素ガス封入のため、不図示のキャップがステム１００に施される。
【００３２】
このように窒化物半導体レーザ装置が構成されるとき、本実施形態では、ハンダ１０６の材料としてＡｇＣｕＳｎを用いるとともに、ハンダ１０７の材料としてＡｕＳｎを用いた。又、サブマウント１０２については、その材料を、ｎ型ＧａＮ基板１の熱膨張率の高い材料であるＣｕとするとともに、その表面及び裏面上に、各層厚がそれぞれ０．４μｍ／０．１μｍとなるＮｉ／Ａｕを順にメッキ形成した。又、サブマウント１０２に窒化物半導体レーザ素子１０３を設置する際、ハンダ１０７を融解するための温度を、３５０℃程度とした。
【００３３】
このように窒化物半導体レーザ装置を構成したとき、ハンダ１０７を含むｎ型ＧａＮ基板１とサブマウント１０２との間の金属層の層厚を１０μｍとし、サブマウント１０２の厚さを７０μｍから１ｍｍまで変化させたときのレーザ発振寿命が、図４のようになる。又、このとき、上述したように、窒化物半導体レーザ素子１０３のｎ型ＧａＮ基板１と窒化物半導体積層部２とによる窒化物半導体積層構造の厚さを１５０μｍとする。尚、図４は、横軸が対数軸となっている。又、レーザ発振寿命は、光出力を３０ｍＷとした状態で、ＡＰＣ（Auto Power Controll）駆動させたときの窒化物半導体レーザ素子が駆動可能な連続時間を表す。
【００３４】
図４のグラフより明らかなように、支持基体であるサブマウント１０２の厚さが、窒化物半導体積層構造の厚さの１．２倍となる１８０μｍ以上となれば、レーザ発振寿命が１６００時間以上となり、レーザ発振寿命が長くなることがわかる。更に、サブマウント１０２の厚さが厚くなるほどレーザ発振寿命が長くなり、窒化物半導体積層構造の厚さの２倍となる３００μｍ以上となると、レーザ発振寿命が３０００時間を超えることがわかる。
【００３５】
この結果は、窒化物半導体積層構造の厚さを５０〜３５０μｍの間で変化させて同様の実験を行ったとき、同様の結果が得られた。即ち、サブマウント１０２の厚さを、窒化物半導体積層構造の厚さの１．２倍以上とすることでレーザ発振寿命が長くなり、更に、窒化物半導体積層構造の厚さの２倍以上とすることで更にレーザ発振寿命を長くすることができる。
【００３６】
このように支持基体であるサブマウント１０２の厚さを厚くすることによってレーザ発振寿命が長くなる理由として、サブマウント１０２の材料に、その熱膨張係数が、窒化物半導体積層構造の主要構成要素である窒化物半導体基板（本実施形態においては、ＧａＮ基板１）として用いられるＧａＮの熱膨張係数より大きい材料となるＣｕが用いられていることが挙げられる。即ち、比較例として、ＧａＮの熱膨張係数より小さい材料であるＳｉＣを支持基体として用いた場合において、本実施形態と同様のレーザ寿命の実験を行った場合、図１２に示すようになり、レーザ発振寿命が短くなる。尚、図６に、各材料の熱膨張係数を表示する。図６に示すように、Ｃｕの熱膨張係数は１７×１０-6［１／Ｋ］であり、ＧａＮの熱膨張係数５．６×１０-6［１／Ｋ］に比べて大きい、一方、ＳｉＣの熱膨張係数は３．７×１０-6［１／Ｋ］であり、ＧａＮの熱膨張係数に比べて小さい。
【００３７】
このように、ＧａＮの熱膨張係数より大きい熱膨張係数の材料が用いられたとき、窒化物半導体レーザ素子１０３には、サブマウント１０２にマウントした後、圧縮性の応力がかかっていることとなる。このように窒化物半導体レーザ素子１０３に圧縮性の応力がかかる状態になる場合、マウント前に比べてマウント後の方が、窒化物半導体レーザ素子１０３の発振閾値電流値が低くなるという現象が生じる。これにより、レーザ発振寿命が長くなると考えられる。尚、支持基体であるサブマウント１０２の厚さが１．２倍以下となるときは、窒化物半導体レーザ素子１０３のマウント後、サブマウント１０２が歪むことによって応力が吸収されるため、レーザ発振寿命を長くするという効果が得られない。
【００３８】
尚、本実施形態では、サブマウント１０２の材料としてＣｕを用いたが、その熱膨張係数がＧａＮの熱膨張係数よりも大きい材料、例えば、図６に示すＧａＡｓ、ＣｕＷ１０、Ａｌ2Ｏ3、ＣｕＷ１５、ＢｅＯ、ＣｕＷ２０、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｆｅ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどでも構わない。又、これらの中で、熱伝導率が大きい材質は、放熱特性が良好であり好ましい。更に、このサブマウント１０２は、その表面にＡｕなどの薄膜が形成されていても構わない。尚、用いる材料の電気伝導性が低い場合は、サブマウント１０２の窒化物半導体レーザ素子１０３をマウントしている面とチップ搭載部１０１の間をワイヤーで配線し、電気的接続を取るようにすると良い。
【００３９】
又、このようにサブマウント１０２にＧａＮの熱膨張係数より高いＣｕが材料として用いられたとき、窒化物半導体レーザ素子１０３のｎ型ＧａＮ基板１と窒化物半導体積層部２とによる窒化物半導体積層構造及びサブマウント１０２の厚さをそれぞれ１５０μｍ及び３００μｍとし、ハンダ１０７を含むｎ型ＧａＮ基板１とサブマウント１０２との間の金属層の層厚を０．７μｍから１５０μｍまで変化させたときのレーザ発振寿命が、図５のようになる。
【００４０】
尚、このとき、金属層の層厚が数十μｍ以下の薄い場合には、サブマウント１０２又は窒化物半導体レーザ素子１０３の接着面に、ＡｕＳｎハンダを蒸着又はスパッタにより形成する。又、金属層の層厚が数十μｍ以上と厚い場合は、箔状になっているＡｕＳｎ箔をサブマウント１０２と窒化物半導体レーザ素子１０３との間に設置してマウントを行う。又、図５は、横軸が対数軸となっている。
【００４１】
図５のグラフより明らかなように、ハンダ１０７を含むｎ型ＧａＮ基板１とサブマウント１０２との間の金属層の層厚が１〜５０μｍであれば、レーザ発振寿命が１６００時間以上となり、レーザ発振寿命が長くなることがわかる。特に、金属層の層厚が３〜１０μｍであるとき、レーザ発振寿命が３０００時間を超えることがわかる。尚、サブマント１０２の厚さを、窒化物半導体積層構造の厚さの１．２倍以上としたとき、この結果と同様の結果が得られた。
【００４２】
このような結果が得られるのは、金属層の層厚が５０μｍを超えると、サブマウント１０２上に窒化物半導体レーザー素子１０３をマウントしたときに、窒化物半導体レーザ素子１０３にかかる圧縮性の応力がハンダ１０７によって吸収されてしまうことと、金属層の層厚が１μｍよりも薄いときには、サブマウント１０２と窒化物半導体レーザ素子１０３との密着性が悪く、放熱性が悪くなってしまうこととが原因と考えられる。よって、ハンダ１０７を含むｎ型ＧａＮ基板１とサブマウント１０２との間の金属層の層厚が１μｍより薄いとき、又は、５０μｍを超えるときは、それぞれ、レーザ発振寿命が短くなってしまう。
【００４３】
尚、本実施形態では窒化物半導体レーザ素子１０３をサブマウント１０２に接着するためのハンダ１０７として、ＡｕＳｎを用いたが、例えば、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、ＩｎＡｌ、ＡｇＳｎ、ＡｇＣｕＳｎ、ＺｎＳｎ、ＰｂＩｎ、ＰｂＳｎ、ＩｎＳｎ、ＡｕＳｉ、ＡｕＧｅ等のハンダ、又は、これらの化合物よりなるハンダを用いても構わない。又、融点が高いハンダ材料や接着強度が強いハンダ材料であることが好ましいことから、例えば、ハンダ１０７として、ＡｇＳｎ、ＡｇＣｕＳｎ、ＡｕＳｉ、ＡｕＧｅ、ＰｂＳｎ、ＩｎＳｎなどが挙げられる。
【００４４】
又、本実施形態では、サブマウント１０２の表面にＮｉ／Ａｕが順にそれぞれ層厚が０．４μｍ／０．１μｍでメッキ形成されるようにしているが、ハンダ１０７によるサブマウント１０２と窒化物半導体レーザ素子１０３との接着性に対して必要な特性が保たれるのであれば、サブマウント１０２の表面上において、他の材料及び構造としても構わない。
【００４５】
又、サブマウント１０２をチップ搭載部１０１上に固定するために使用されるハンダ１０６として、ＡｇＣｕＳｎを用いたが、例えば、ＰｂＳｎ、ＡｇＳｎ、ＺｎＳｎ、Ｉｎ、Ｐｂなどの他の材料系のハンダを使用しても構わない。但し、本実施形態では、窒化物半導体レーザ素子１０３をサブマウント１０２にマウントした後に、このサブマウント１０２をチップ搭載部１０１に固定するため、窒化物半導体レーザ素子１０３をサブマウント１０２に固定するために用いるハンダ１０７の融点よりも低い融点の材料をハンダ１０６に用いることが好ましい。
【００４６】
本実施形態では、支持基体としてサブマウントを用いるため、チップ搭載部に比べてサブマウントの表面の加工精度が高いので、窒化物半導体レーザ素子と支持基体とをより強固に確実に密着することができる。よって、特性の良好な窒化物半導体レーザ装置とすることができる。
【００４７】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。図７は、本実施形態の窒化物半導体レーザ装置において、窒化物半導体レーザ素子の設置状態を示す断面図である。このとき、図８のように、窒化物半導体レーザ素子が設けられることによって、窒化物半導体レーザ装置が構成される。尚、支持基体は、本実施形態において、「チップ搭載部」である。又、図７及び図８のそれぞれにおいて、図２及び図３のそれぞれにおける部分と同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４８】
本実施形態の窒化物半導体レーザ装置は、図７及び図８のように、ステム１００に突起するように形成されたチップ搭載部１０１の表面上に、窒化物半導体レーザ素子１０３がハンダ１０６によって固定される。その他の構成については、第１の実施形態と同様となるので、説明を省略する。
【００４９】
このように窒化物半導体レーザ装置を構成したとき、チップ搭載部１０１の厚さを、窒化物半導体レーザ素子１０３のｎ型ＧａＮ基板１と窒化物半導体積層部２とによる窒化物半導体積層構造の厚さの１．２倍以上（特には、２倍以上）とするとともに、チップ搭載部１０１として、その熱膨張係数がＧａＮの熱膨張係数よりも大きい材料を用いる。又、ハンダ１０６を含むｎ型ＧａＮ基板１とチップ搭載部１０１との間の金属層の層厚を、１〜５０μｍとする。このようにすることで、窒化物半導体レーザ素子１０３をチップ搭載部１０１にマウントしたとき、窒化物半導体レーザ素子１０３に圧縮性の応力がかかり、レーザ発振寿命が長くなる。
【００５０】
尚、本実施形態では、窒化物半導体レーザ素子１０３の窒化物半導体積層構造の厚さを２００μｍとし、ハンダ１０６の材料にＡｇＣｕＳｎを用いるとともにハンダ１０６を含むｎ型ＧａＮ基板１とチップ搭載部１０１との間の金属層の層厚を２０μｍとした。又、チップ搭載部１０１については、その材料をＣｕとし、その表面には、蒸着により、Ｍｏ／Ａｕの順に、それぞれの層厚が０．４μｍ／０．０３μｍとなるように形成する。又、チップ搭載部１０１の厚さは１０００μｍとした。更に、このチップ搭載部１０１はステム１００に溶接されることで固定されている。このように構成した窒化物半導体レーザ装置のレーザ発振寿命は３０００時間以上となった。
【００５１】
尚、本実施形態において、窒化物半導体レーザ素子１０３をチップ搭載部１０１に接着するためのハンダ１０６として、ＡｇＣｕＳｎを用いたが、例えば、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、ＩｎＡｌ、ＡｇＳｎ、ＡｕＳｎ、ＺｎＳｎ、ＰｂＩｎ、ＰｂＳｎ、ＩｎＳｎ、ＡｕＳｉ、ＡｕＧｅ等のハンダ、又は、これらの化合物よりなるハンダを用いても構わない。又、融点が高いハンダ材料や接着強度が強いハンダ材料であることが好ましいことから、例えば、ハンダ１０６として、ＡｕＳｎ、ＡｇＳｎ、ＡｕＳｉ、ＡｕＧｅ、ＰｂＳｎ、ＩｎＳｎなどが挙げられる。
【００５２】
又、本実施形態では、チップ搭載部１０１の表面にＭｏ／Ａｕが順にそれぞれ層厚が０．４μｍ／０．０３μｍでメッキ形成されるようにしているが、ハンダ１０６によるチップ搭載部１０１と窒化物半導体レーザ素子１０３との接着性に対して必要な特性が保たれるのであれば、チップ搭載部１０１の表面上において、他の材料及び構造としても構わない。
【００５３】
更に、第１の実施形態と同様、チップ搭載部１０１の材料として、Ｃｕ以外に、熱膨張係数がＧａＮの熱膨張係数よりも大きい材料、例えば、図６に示すＧａＡｓ、ＣｕＷ１０、Ａｌ2Ｏ3、ＣｕＷ１５、ＢｅＯ、ＣｕＷ２０、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｆｅ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどでも構わない。又、これらの中で、熱伝導率が大きい材質は、放熱特性が良好であり好ましい。更に、このチップ搭載部１０１は、その表面にＡｕなどの薄膜が形成されていても構わない。尚、用いる材料の電気伝導性が低い場合は、表面に金属層を形成し、或いは、更に配線を施すことにより電気的接続を取るようにすると良い。
【００５４】
本実施形態では、支持基体としてチップ搭載部を用いるため、サブマウントを用いたときに比べて、窒化物半導体レーザ装置を製造するための工程が少なくなる。
【００５５】
尚、第１及び第２の実施形態において、窒化物半導体レーザ素子１０３のｎ電極３として、それぞれの厚さが３００Å／１５００Å／８０Å／１５０Å／１５００ÅとなるＴｉ／Ａｌ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕを、ｎ型ＧａＮ基板１側から順に積層したが、それぞれに必要な特性さえ保たれていれば、他の材料及び構造としても構わない。例えば、ｎ型ＧａＮ基板１とのオーミック接触をとるための層であるＴｉ／Ａｌの部分を、例えば、Ｈｆ／Ａｕ等の層を用いても構わない。
【００５６】
又、上述の第１及び第２の実施形態では、窒化物半導体レーザ素子を支持基体にマウントする際、ｎ型ＧａＮ基板の裏面に設けられたｎ電極側が支持基体に接するようなジャンクションアップの形でマウントした場合について述べた。以下の第３の実施形態では、窒化物半導体レーザ素子を支持基体にマウントする際、窒化物半導体積層部の表面に設けられたｐ電極側が支持基体に接するようなジャンクションダウンの形でマウントした場合について述べる。
【００５７】
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態について、図面を参照して説明する。図９は、本実施形態の窒化物半導体レーザ装置に備えられる窒化物半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。又、図１０は、本実施形態の窒化物半導体レーザ装置において、窒化物半導体レーザ素子の設置状態を示す断面図である。このとき、第１の実施形態と同様、図３のように、窒化物半導体レーザ素子が設けられることによって、窒化物半導体レーザ装置が構成される。尚、支持基体は、本実施形態において、「サブマウント」である。又、図９及び図１０において、図１及び図２における部分と同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００５８】
図９の窒化物半導体レーザ素子は、図１の窒化物半導体レーザ素子と同様、ｎ型ＧａＮ基板１の表面に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮバッファ層２０１、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層２０２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層２０３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮガイド層２０４、ＡｌＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層２０５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮガイド層２０６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層２０７及びｐ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層２０８が順に積層される。又、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層２０７の表面上で且つｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層２０７及びｐ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層２０８で構成されるリッジ部分２１０の両側に絶縁膜２０９が設けられる。
【００５９】
そして、この窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面側にｎ電極３が設けられるとともに、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層２０８及び絶縁膜２０９の表面上にｐ電極４ａが設けられる。このとき、ｐ電極４ａは、図１のｐ電極４のようにリッジ部分２１０に対応する部分が凸状とされるのではなく、支持基体に接するように全体が平坦となるように形成される。このように構成される窒化物半導体レーザ素子において、窒化物半導体積層部２の厚さを１０μｍとする。
【００６０】
図９のように構成される窒化物半導体レーザ素子１０３ａを、図１０のように、ジャンクションダウンの方式で、第１の実施形態（図２）と同様、ハンダ１０７によって、サブマウント１０２に固定する。よって、本実施形態では、第１の実施形態と異なり、ｐ電極４ａ側がサブマウント１０２にマウントされた面となる。又、図３のようにピン１０５ｂと接続されたワイヤ１０４が、窒化物半導体レーザ素子１０３ａのｎ電極３に接続されることによって、ピン１０５ｂと窒化物半導体レーザ素子１０３ａのｎ電極３とが電気的に接続される。
【００６１】
このように窒化物半導体レーザ装置を構成する際、本実施形態では、窒化物半導体レーザ素子１０３ａのｎ型ＧａＮ基板１と窒化物半導体積層部２とによる窒化物半導体積層構造の厚さを２００μｍとする。このとき、窒化物半導体レーザ素子１０３ａのｐ電極４ａを、Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕ／Ｐｔ／Ａｕの順で蒸着して積層することで構成し、Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕ／Ｐｔ／Ａｕの層厚をそれぞれ、１５０Å／１５０Å／２０００Å／１５０Å／１５００Åとする。
【００６２】
又、サブマウント１０２については、その材料を、ｎ型ＧａＮ基板１の熱膨張率の高い材料であるＣｕとするとともに、その表面及び裏面上に、各層厚がそれぞれ０．４μｍ／０．０３μｍとなるＭｏ／Ａｕを順に蒸着し、サブマウント１０２の厚さを４００μｍとした。又、サブマウント１０２の表面上には、窒化物半導体積層部２とサブマウント１０２との間の金属層が、ＡｕＳｎのハンダ１０７を含を含んで１．５μｍ形成され、このハンダ１０７によって、窒化物半導体レーザ素子１０３ａがサブマウント１０２の表面上に接着される。更に、この窒化物半導体レーザ素子１０３ａがマウントされたサブマウント１０２は、ＺｎＳｎのハンダ１０６によって、チップ搭載部１０１の表面上に固定される。
【００６３】
このように構成した窒化物半導体レーザ装置のレーザ発振寿命は３０００時間以上となった。よって、このことより、ジャンクションアップの状態で窒化物半導体レーザ素子を設置した場合だけでなく、ジャンクションダウンの状態で窒化物半導体レーザ素子を設置した場合においても、レーザ発振寿命を長寿命化することができる。特に、本実施形態のようにジャンクションダウンの状態で設置した場合、ジャンクションアップの状態で設置した場合に比べて、発光する領域により効率よく応力を伝えることができるとともに、発光する領域にて発生する熱を支持基体に効率的に放熱できるので、より長寿命の効果を得ることができる。
【００６４】
尚、本実施形態では、サブマウント１０２を上述のような構成としたが、第１の実施形態と同様、その熱膨張係数が、窒化物半導体積層構造の主要構成要素である窒化物半導体基板（本実施形態においては、ＧａＮ基板１）としてのＧａＮの熱膨張係数より大きく、又、その厚さが窒化物半導体レーザ素子の窒化物半導体積層構造の厚さの１．２倍以上となればよい。又、ハンダ１０６，１０７についても、第１の実施形態と同様の条件を満たすものであれば良く、上述の材料に限定されるものではない。
【００６５】
又、本実施形態では、ジャンクションダウンの形で窒化物半導体レーザ素子１０３ａを支持基体に接着させるため、ハンダ１０７の層厚が厚いと、窒化物半導体レーザ素子１０３ａのｐｎ接合面にハンダ１０７が接触してしまい、半導体装置として動作できなくなることがあるので、第１の実施形態と異なり、ハンダ１０７を含むｎ型ＧａＮ基板１とサブマウント１０２との間の金属層は、ｐｎ接合面にハンダが接触しないように、１〜１０μｍとすることが必要である。
【００６６】
更に、本実施形態では、支持基体としてサブマウントを利用したものとしたが、第２の実施形態と同様、支持基体をチップ搭載部として、直接、窒化物半導体レーザ素子をチップ搭載部にマウントするようにしても構わない。このとき、チップ搭載部及びチップ搭載部に窒化物半導体レーザ素子をマウントさせるためのハンダの条件は、サブマウント及びチップ搭載部に窒化物半導体レーザ素子をマウントさせるためのハンダの条件と同様となる。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によると、支持基体の厚さを窒化物半導体積層構造部の厚さの１．２倍以上とするとするとともに、支持基体の熱膨張係数を窒化物半導体積層構造部の主要構成要素である窒化物半導体基板の熱膨張係数より大きくすることによって、窒化物半導体レーザ素子に圧縮性の応力をかけられると考えられ、窒化物半導体レーザ素子のレーザ発振寿命を長くすることができる。又、支持基体と窒化物半導体積層構造部との間の金属層の厚さを窒化物半導体積層構造部の厚さの半分以下とすることで、窒化物半導体レーザ素子に圧縮性の応力を伝えやすくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】窒化物半導体レーザ素子の構成を示すための断面図。
【図２】第１の実施形態の窒化物半導体レーザ装置の構成を示す断面図。
【図３】窒化物半導体レーザ装置の構成の一例を示す斜視図。
【図４】本発明の窒化物半導体レーザ装置における支持基体の厚さに対するレーザ発振寿命の変化を示すグラフ。
【図５】窒化物半導体レーザ素子と支持基体との間の金属層厚に対するレーザ発振寿命の変化を示すグラフ。
【図６】各材質の熱膨張係数を表す図。
【図７】第２の実施形態の窒化物半導体レーザ装置の構成を示す断面図。
【図８】窒化物半導体レーザ装置の構成の一例を示す斜視図。
【図９】窒化物半導体レーザ素子の構成を示すための断面図。
【図１０】第３の実施形態の窒化物半導体レーザ装置の構成を示す断面図。
【図１１】窒化物半導体レーザ素子の構成を示すための断面図。
【図１２】従来の窒化物半導体レーザ装置における支持基体の厚さに対するレーザ発振寿命の変化を示すグラフ。
【符号の説明】
１    ｎ型ＧａＮ基板
２    窒化物半導体積層部
３    ｎ電極
４，４ａ    ｐ電極
【図１】
0004514376.tif 000002
【図２】
0004514376.tif 000003
【図３】
0004514376.tif 000004
【図４】
0004514376.tif 000005
【図５】
0004514376.tif 000006
【図６】
0004514376.tif 000007
【図７】
0004514376.tif 000008
【図８】
0004514376.tif 000009
【図９】
0004514376.tif 000010
【図１０】
0004514376.tif 000011
【図１１】
0004514376.tif 000012
【図１２】
0004514376.tif 000013