(57)【要約】【課題】  半導体レーザ素子の電極とダイアタッチ間の良好な接着性を実現し、信頼性の高い、動作寿命が長い半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】  半導体レーザ素子１００は、基板１１０上に複数の半導体層１２０を積層し、基板１１０と垂直方向にレーザ光を出射する。基板１１０の裏面電極１３０は、金と、金以外のダイアタッチ材を構成する材料の少なくとも１種からなる金リッチ抑制層１４０を含んでいる。金リッチ抑制層１４０は、好ましくは裏面電極１３０と積層され、金リッチ抑制層１４０を介して金属性半田材料であるダイアタッチ１５０に接合される。裏面電極１３０は、Ａｕ／Ｓｎ／Ａｕの多層電極であり、金リッチ抑制層１４０はＳｎであり、ダイアタッチ１５０は、Ａｕ−Ｓｎ共晶金属である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子の電極をダイアタッチを介して接合する半導体レーザ装置であって、
半導体レーザ素子の電極が、金（Ａｕ）と、金以外のダイアタッチを構成する材料の少なくとも一種とを予め含有している、半導体レーザ装置。
【請求項２】
半導体レーザ素子の電極が、ＡｕおよびＡｇ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｉｎから選ばれる一つまたは複数の材料を予め含有している、請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
半導体レーザ素子の電極が、Ａｕ、ＧｅおよびＡｇ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｉｎから選ばれる一つまたは複数の材料を予め含有している、請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
半導体レーザ素子の電極は、金を含む第１の電極層と、第１の電極層に積層され、ダイアタッチを構成する材料の少なくとも一種を含有する第２の電極層とを有する、請求項１ないし３いずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
第１の電極層は、少なくとも１対のＡｕ電極層と該少なくとも１対のＡｕ電極層により挟まれたＧｅ電極層を有する、請求項４に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
第２の電極層は、Ａｇ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｉｎから選ばれる一つまたは複数の材料を予め含有している、請求項４に記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
第２の電極層は、金リッチ抑制層として機能する、請求項１ないし６いずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
ダイアタッチの材料は、Ａｕ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｉｎ−Ｓｎ、Ｉｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｓｂ、Ｉｎ−Ｐｂ、Ｉｎ、Ａｕ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ｃｕの半田材料のいずれか一つから選択される、請求項１ないし７いずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
ダイアタッチの材料が、少なくとも１００μｍの膜厚を有するＡｕ−Ｓｎ共晶合金である、請求項８に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１０】
ダイアタッチの材料が、少なくとも１００μｍの膜厚を有するＩｎ−Ａｇ共晶合金である、請求項８に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１１】
半導体レーザ素子の電極は、基板裏面に形成されている、請求項１ないし１０いずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
【請求項１２】
半導体レーザ装置はさらに、ケース本体と、ケース本体に取り付けられたマウンタと、複数のリードピンと、複数のリードピンと半導体レーザ素子の電極を接続する接続配線とを含み、半導体レーザ素子がダイアタッチを介してマウンタ上に搭載される、請求項１ないし１１いずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
【請求項１３】
半導体レーザ素子は、基板上に積層された下部反射鏡と、活性領域と、該下部反射鏡と共に共振器を構成する上部反射鏡と、さらに上部反射鏡上に設けられ、活性領域で発生したレーザ光の出射領域を確定する第１の開口部が形成された金属部と、金属部と下部反射鏡との間に設けられ、レーザ光の発光領域を確定する第２の開口部を有する光閉じ込め領域とを備えた面発光レーザ素子である、請求項１ないしは１２いずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
【請求項１４】
面発光レーザ素子は選択酸化型のポスト構造を有する、請求項１３に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１５】
面発光レーザ素子の第２の開口部の径が５μｍ以下である、請求項１３または１４に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１６】
請求項１ないし１５いずれか１つに記載された半導体レーザ装置と、半導体レーザ装置から発せられた光を光媒体により送信する送信手段とを備えた、光送信装置。
【請求項１７】
請求項１ないし１５いずれか１つに記載された半導体レーザ装置と、半導体レーザ装置から発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送装置。
【請求項１８】
請求項１ないし１５いずれか１つに記載された半導体レーザ装置と、半導体レーザ装置から発せられた光を送信する送信手段とを備えた、光送信システム。
【請求項１９】
請求項１ないし１５いずれか１つに記載された半導体レーザ装置と、半導体レーザ装置から発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送システム。
【請求項２０】
半導体レーザ素子の電極をダイアタッチを介して接合する半導体レーザ装置の製造方法であって、
金と金以外のダイアタッチを構成する材料の少なくとも一種とを予め含有している電極を形成するステップと、
一定の温度下において半導体レーザ素子の電極をダイアタッチに接合するステップと、
を有する半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項２１】
電極を形成するステップは、複数の電極層を積層するステップを含む、請求項２０に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項２２】
電極を形成するステップは、ＡｕおよびＡｇ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｉｎから選ばれる一つまたは複数の材料が含有されている電極を形成する、請求項２０または２１に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項２３】
電極を形成するステップは、Ａｕ、ＧｅおよびＡｇ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｉｎから選ばれる一つまたは複数の材料が含有されている電極を形成する、請求項２０または２１に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項２４】
接合するステップは、約３００度以下の温度で行われる、請求項２０に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項２５】
製造方法はさらに、ダイアタッチ上に搭載された半導体レーザ素子の電極を外部接続用のリードピンに電気的に接続するステップを含む、請求項２０に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光型半導体レーザ素子（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode  以下、ＶＣＳＥＬという）を用いた半導体レーザ装置に関し、特に光情報処理や光通信用の光源、または光を使用してなされるデータ記憶装置の光源として用いられる半導体レーザ装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のデータ通信容量の増大に伴い、半導体レーザ素子をアレイ化させ、より高速であり、かつ高い信頼性を有する半導体レーザ装置が望まれている。通常、レーザダイオード素子は、ＴＯキャンなどのパッケージ状態で使用されているが、チップのダイボンディング状態がチップの動作寿命および信頼性などに大きな影響を及ぼすことが知られている。
【０００３】
一般的にＶＣＳＥＬ等のチップをダイボンディングするとき、ダイアタッチを使って接続するが、ダイアタッチ材料の選択には、熱膨張係数が半導体レーザチップのそれに近く、接着力が良好であり、さらには熱伝導性が高いことが重要である。このため放熱性に優れるＡｕ−ＳｎあるいはＳｎ−Ｐｂ半田のような金属合金ベースのダイアタッチ材料による接合方法が用いられている。
【０００４】
例えば特許文献１では、半田接合を強固にする手段として、接合後に形成されるＡｕ−Ｓｎ合金とＳｎ含有半田層との界面に複数の山谷のパターンが形成されたアンカー構造が述べられている。
【０００５】
特許文献２は、２個の部材をＡｕ−Ｓｎ合金で接合する際に、接合後の接合部におけるＡｕ−Ｓｎ合金の組成を、Ｓｕの質量分率が１３質量％以下にすることを特徴としている。
【０００６】
特許文献３は、レーザダイオードがサブマウントに半田接合され、サブマウントがステムに半田接合されたレーザダイオード装置において、レーザダイオードとサブマウントに半田接合以前に予めそれぞれ半田層を形成している。
【０００７】
特許文献４は、半導体レーザ素子をサブマウントに搭載するためのスズ膜を、同じ厚さの金膜で囲んで、半導体レーザ素子のダイボンド時に金スズ系のハンダが半導体レーザの後端面にはみ出さないようにしている。半導体レーザの後端面から出射される光がハンダによって散乱されることがないので、モニタ電流の経時変化を減少させることができる。
【０００８】
特許文献５は、サブマウントと、半導体レーザ素子と、サブマウントおよび半導体レーザ素子の間に配置された合金層を備えた構造を有する。合金層は、半導体レーザ素子の電極の一部と、サブマウント上にあらかじめ設けられた半田層とによって形成され、合金層に含まれるＳｎの含有率を２６重量％以下としている。Ｓｎの含有率を低減することで、動作時にレーザ光出射領域にＳｎが凝集することを抑制することができ、レーザ発振が停止することを防止している。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−２２６０８号
【特許文献２】特開２００３−２００２８９号
【特許文献３】特開２０００−２６１０８５号
【特許文献４】特開平６−３７４０３号
【特許文献５】特開２００４−５５６９２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ＶＣＳＥＬ等のチップを実装したパッケージは、高温環境下で動作することがある。例えば、選択酸化型のＶＣＳＥＬであると、酸化領域を含む電流狭窄層とその近傍の活性領域との熱膨張係数の差により歪みが発生し、光出力等の動作特性に悪影響を及ぼすことがある。従って、できるだけＶＣＳＥＬの発熱を抑制する必要があり、熱放散性の良いＡｕ−Ｓｎ等の金属半田材料をチップのダイアタッチに用いている。しかし、金属半田材料は、銀ペースト等の樹脂性のダイアタッチ材に比較して接合温度が高いため、この温度がＶＣＳＥＬ内部に熱的影響を及ぼしてしまい、結果として、素子の信頼性を低下させるおそれがある。その反面、金属半田材料の接合温度を下げると、金属半田材料との接合強度が低くなり、後のボンディング等の工程においてチップがダイアタッチまたはマウンタから剥離してしまうことがある。
【００１１】
一方、上記特許文献１は、Ｓｎ含有半田層とＡｕ−Ｓｎ合金層とが入り込み、固くてもろいＡｕ−Ｓｎ金属間化合物が形成しにくいと記載されているが、界面での山谷パターンを再現性よく制御することは困難であり、仮に局所的にもろいＡｕ−Ｓｎ金属間化合物が形成されるとその部位が起点となりチップ剥離が生じるという問題を抱えている。
【００１２】
また、特許文献２はレーザチップをヒートシンクに接合する時に前段の接合における半田の再溶融を防ぐ目的として提案されているが、Ｓｎ含有率が低すぎると硬くてもろい金リッチ層が形成されやすく、駆動時にチップがマウントから剥がれる、あるいは動作時に生じる熱応力により、寿命が短くなるという課題を有している。このように、金属性半田材料とチップとの接合強度を保ち、かつ高信頼性の半導体レーザ装置を得るには、いくつかの解決すべき課題が残されている。
【００１３】
従って本発明の目的は、半導体レーザ素子の電極とダイアタッチ間の良好な接着性を実現し、信頼性の高い、動作寿命が長い半導体レーザ装置およびその製造方法を提供することにある。
さらに本発明の目的は、比較的低い温度で半導体レーザ素子の電極をダイアタッチに接合することが可能な半導体レーザ装置の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の半導体レーザ装置あるいはそのパッケージは、金のほか、金以外のダイアタッチ材料の構成材料の少なくとも１種の材料を下部電極の材料として予め含ませることにより上記課題を解決することができる。
【００１５】
本発明に係る、半導体レーザ素子の電極をダイアタッチを介して接合する半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子の電極が、金と金以外のダイアタッチを構成する材料の少なくとも一種とを予め含有している。好ましくは、半導体レーザ素子の電極は、金およびＡｇ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｉｎから選ばれる一つまたは複数の材料を予め含有している。さらに好ましくは、半導体レーザ素子の電極は、金、ＧｅおよびＡｇ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｉｎから選ばれる一つまたは複数の材料を予め含有している。
【００１６】
さらに好ましくは半導体レーザ素子の電極は、金を含む第１の電極層と、第１の電極層に積層され、ダイアタッチを構成する材料の少なくとも一種を含有する第２の電極層とを有する。例えば、第１の電極層は、少なくとも一対のＡｕ電極層と少なくとも一対のＡｕ電極層により挟まれたＧｅ電極層を有し、第２の電極層は、ＳｎまたはＩｎを含む。第２の電極は、接合の際に、金リッチ抑制層として機能し得る。ダイアタッチの材料は、好ましくは、Ａｕ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｉｎ−Ｓｎ、Ｉｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｓｂ、Ｉｎ−Ｐｂ、Ｉｎ、Ａｕ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ｃｕの半田材料のいずれか一つから選択される。より好ましくは、ダイアタッチの材料がＡｕとＳｎ共晶合金であり、膜厚が少なくとも１００μｍである。
【００１７】
半導体レーザ装置はさらに、ケース本体と、ケース本体上に取り付けられたマウンタ（台座）と、複数のリードピンと、複数のリードピンと半導体レーザ素子の電極を接続する接続配線とを含み、半導体レーザ素子がダイアタッチを介してマウンタ上に搭載される。
【００１８】
好ましくは、半導体レーザ素子は、基板上に積層された下部反射鏡と、活性領域と、該下部反射鏡と共に共振器を構成する上部反射鏡と、さらに上部反射鏡上に設けられ、活性領域で発生したレーザ光の出射領域を確定する第１の開口部が形成された金属部と、金属部と下部反射鏡との間に設けられ、レーザ光の発光領域を確定する第２の開口部を有する光閉じ込め領域とを備えた面発光レーザ素子である。面発光レーザ素子は選択酸化型のポスト構造を含み、レーザ素子の第２の開口部の径が５μｍ以下である。
【００１９】
本発明に係る、半導体レーザ素子の電極をダイアタッチを介して接合する半導体レーザ装置の製造方法は、金と金以外のダイアタッチを構成する材料の少なくとも一種とを予め含有している電極を形成するステップと、一定の温度下において半導体レーザ素子の電極をダイアタッチに接合するステップとを有する。電極を形成するステップは、ＡｕおよびＡｇ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｉｎ、または、Ａｕ、ＧｅおよびＡｇ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｉｎから選ばれる一つまたは複数の材料が含有されている電極を形成する。好ましくは、接合するステップは、約３００度の温度で行われる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、半導体レーザ素子の電極に、金と、金以外のダイアタッチの材料を構成する材料の少なくとも１つを含有させることにより、電極とダイアタッチとの間に、金リッチ層が生じにくくし、電極とダイアタッチの接合強度を高めることができる。これにより、半導体レーザ素子の電極の剥離等の発生を抑制し、信頼性の高い半導体レーザ装置を提供することができる。同時に、金属性半田材料をダイアタッチに使用することで、レーザ素子の放熱特性を保ち、特に、ＶＣＳＥＬのような熱的歪みに弱いレーザ素子の高温動作特性の安定化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ装置について説明する。本実施の形態の半導体レーザ装置に実装される半導体レーザ素子は、構造上、ダイアタッチ材に接合する電極材料として、金のほかにダイアタッチ材料の構成材料と同じ材料が予め含有されている。このため、接合時に金リッチ層が形成されず、後工程あるいは動作時にチップ剥離が生じない。またダイアタッチ材料と同じ材料が含有されているため、加熱ボンディング時の濡れ性に優れ、そのため放熱性が良好で信頼性が高くかつ動作寿命が長い半導体レーザパッケージを得ることができる。例えば図１に示すように、半導体レーザ素子１００は、基板１１０上に複数の半導体層１２０を積層し、半導体層１２０は、上下の共振器構造１２２、１２４の間に活性領域１２６等を含み、活性領域１２６で発生したレーザ光が基板１１０と垂直方向に出射される。基板１１０の裏面電極１３０は、金と、金以外のダイアタッチ材を構成する材料の少なくとも１種からなる金リッチ抑制層１４０を含んでいる。金リッチ抑制層１４０は、裏面電極１３０と渾然一体となる層であっても良いが、好ましくは裏面電極１３０と積層される電極層である。裏面電極１３０は、金リッチ抑制層１４０を介して金属性半田材料であるダイアタッチ１５０に接合される。好ましくは、裏面電極１３０は、Ａｕ／Ｓｎ／Ａｕの多層電極層であり、金リッチ抑制層１４０はＳｎであり、ダイアタッチ１５０は、Ａｕ−Ｓｎ共晶金属である。
【００２２】
本実施の形態における裏面電極１３０に含有される金以外のダイアタッチ材料の構成材料としては、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ａｇが挙げられ、特に近年のＰｂフリー化に対する要望に対応する意味では特にＳｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ａｇが好ましいが、用いるダイアタッチ材料中の金以外の組成であれば、この限りではない。特にダイアタッチ材料としてＩｎといったソフトソルダーを適宜あらかじめ裏面電極に含有させることにより、駆動時の応力が解放されて半導体レーザの結晶性を損なうことなく、信頼性が高い半導体レーザパッケージを得ることができる。
【００２３】
裏面電極中の材料としては、金およびダイアタッチ材料中の金以外の組成のほか、Ｇｅが含有されていると特に良好なオーミックコンタクト性を有するので特に望ましい。例えば、裏面電極として、Ａｕ／Ｇｅ／Ａｕ／Ｓｎとすることができる。
【００２４】
本実施の形態における裏面電極用の材料の形成方法としては、真空蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、メッキ法、塗布法、印刷法など公知のいずれの方法を用いることができるが、特に膜厚制御性が良好な真空蒸着法が好ましい。
【００２５】
本実施の形態におけるダイアタッチ材料としては、Ａｕ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｉｎ−Ｓｎ、Ｉｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｓｂ、Ｉｎ−Ｐｂ、Ｉｎ、Ａｕ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ｃｕ等の公知のいずれの半田材料を用いることができる。この中でも良好な放熱性を有するＡｕ−Ｓｎ系のダイアタッチ材料が好ましい。
【００２６】
ダイアタッチ材料の形態としては、リボン、ペレット、ボールなど公知の形態を用いる事ができる。ダイアタッチ材料の厚みとしては、１０ミクロン以上で接着することができるが、１００ミクロン以上であれば、特に接着力が強く好ましい。
【００２７】
本発明における台座としては、ＴＯヘッダー、サブマウント材料、ＱＦＰ型、ＤＩＰ型、ＰＧＡ型などの公知の実装用基板、マウンタ、リードフレーム等を用いることができる。また、本発明における半導体レーザとしては、ＣＤレーザ、ＤＢＲレーザ、ＤＦＢレーザ、歪量子井戸レーザ、多重量子バリア型レーザダイオオード、青色レーザダイオード、面発光型レーザなどの公知のレーザダイオードを用いることができる。中でも一般的には表面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、半導体基板の表面から光が出射されるレーザダイオードであり、端面発光型のレーザダイオードと比べて、（１）駆動電流が低い（２）ウエハレベルでの特性検査が可能（３）アレイ化が容易にできるといった特徴を有しており特に好ましい。
【００２８】
図２は、ＶＣＳＥＬの構成を示す断面図である。ＶＣＳＥＬは、図２に示すようにｎ側の下部電極1が形成されたＧａＡｓ等の基板２上に下部反射鏡３、活性領域４、上部反射鏡６の順で半導体薄膜が堆積されており、上部反射鏡６上にはコンタクト層１０を介して上部電極７が配置されている。上部電極７には、円形状の出射口１１が形成されている。また、活性領域内部において高い利得分布を得るため、活性領域４に近接して電流狭窄構造８が配置されている。活性領域４で発生したレーザ光は、上部電極７の出射口１１から外部へ出射される。必要に応じてＶＣＳＥＬの信頼性を確保するために、基板２上の円筒状のポスト構造Ｐを被覆する層間絶縁膜９を形成することができる。
【００２９】
本実施の形態におけるＶＣＳＥＬの電流狭窄構造８としては、表面から水素イオンを照射することで部分的に電気伝導度を低下させるインプラ型ＶＣＳＥＬ、反射ミラーを外側から酸化して絶縁層を形成する酸化型ＶＣＳＥＬなどの公知の方法から適宜選択することができるが、消費電力が小さく、電流−光出力特性にキンクが現れない、高速応答性に優れた特性を有している酸化された高抵抗化領域を含む電流狭窄部を備えることが好ましい。
【００３０】
電流狭窄構造８として、高抵抗化領域を含める場合には、図２に示すような基板２上に形成された円筒状のポスト構造Ｐの側面からＡｌの相対的な組成が高い半導体層を酸化させ、中央に開口８ａを形成することができる。本発明における開口８ａの径としては、２０μｍ以下が好ましく、より好ましくはシングルモード性が実現でき、かつ高速変調性に特に優れる５μｍ未満である。
【００３１】
特に開口８ａの径が５μｍ未満のＶＣＳＥＬの場合、接合時の熱による応力のため、動作中に故障する可能性は、開口８ａの径が５μｍ以上のＶＣＳＥＬよりも高いが、本発明を用いることにより特に信頼性が高くかつ、動作寿命が長い表面発光型レーザ装置を提供することができる。
【００３２】
以下、本発明の各実施例に係るＶＣＳＥＬの詳細な構成およびその製造方法について説明するが、本発明は以下の実施の形態によって何ら限定されるものではない。
【実施例】
【００３３】
本発明の第１の実施例について説明する。第１の実施例に係るＶＣＳＥＬは図３に示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型のＧａＡｓ基板１４の（１００）面上にｎ型のＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層とｎ型のＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層との複数層積層体よりなる下部多層反射膜１５と、アンドープのＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層よりなるスペーサ層、アンドープのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層よりなる障壁層、及びアンドープのＧａＡｓ層よりなる量子井戸層との積層体よりなる活性領域１６と、ｐ型のＡｌＡｓ層１７と、ｐ型のＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層とｐ型のＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層との複数層積層体よりなる上部多層反射膜１８と、ｐ型のＧａＡｓ層よりなるコンタクト層２２とを順次積層する。
【００３４】
下部多層反射鏡１５は、ｎ型のＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層とｎ型のＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層との複数層積層体よりなるが、各層の厚さはλ／４ｎｒ(但し、λは発振波長、ｎｒは媒質中の光学屈折率)に相当し、混晶比の異なる層を交互に３６．５周期積層してある。ｎ型不純物としてシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は３×１０18ｃｍ-3である。活性領域１６は、アンドープのＧａＡｓ層よりなる厚さ８ｎｍの量子井戸活性層とアンドープのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層よりなる厚さ５ｎｍの障壁層とを交互に積層した（但し、外層は障壁層）積層体が、アンドープのＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層よりなるスペーサ層の中央部に配置され、量子井戸活性層と障壁層とを含むスペーサ層の膜厚がλ／４ｎｒの整数倍となるよう設計されている。このような構成の活性領域１６からは波長８５０ｎｍの放射光が得られる。
【００３５】
上部多層反射鏡１８は、ｐ型のＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層とｐ型のＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層との複数半導体層からなる積層である。各層の厚さは下部多層反射膜１５と同様にλ／４ｎｒであり、混晶比の異なる層を交互に２２周期で積層してある。この周期数は下層に設けたＡｌＡｓ層１７、および上層に設けたコンタクト層２２を加えた数である。ただし、ＡｌＡｓ層１７に関しては膜厚λ／４ｎｒを構成する材料がすべてＡｌＡｓからなる必然性はなく、反対にＡｌＡｓ層１７が必要以上に厚いと光学的散乱損失が増えるといった問題を生じる場合がある。従って、ここではＡｌＡｓ層１７は厚さ３０ｎｍとして、残りの部分はＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓとした。ｐ型不純物として炭素をドーピングした後のキャリア濃度は３×１０18ｃｍ-3である。
【００３６】
半導体基板１４上に下部多層反射膜１５、活性領域１６、ＡｌＡｓ層１７、上部多層反射膜１８、およびコンタクト層２２を積層したレーザ基板を成長室から取り出し、フォトリソグラフィと異方性エッチングにより図４に示すような円柱のポストＰ構造に加工する。この時のエッチングの深さは活性領域１６の一部に到達するまでとしたが、これは後段の酸化工程により、電流狭窄部兼光閉じ込め領域を形成する際、この領域の元の層であるＡｌＡｓ層１７の側面を露出させておく必要があるためである。従って、酸化型のレーザ素子の場合、ポストＰの側面から少なくともＡｌＡｓ層１７が露出していれば良く、エッチングの深さは、活性領域１６を越えて下部多層反射膜１５の一部にまで延びても良い。
【００３７】
このようにして上部多層反射膜１８にポスト（メサ）加工を施した後、図５に示すように窒素を含むキャリアガス（流量：２リットル/分）とする３４０℃の水蒸気雰囲気に半導体基板を４０分間晒し、酸化処理を行う。上部多層反射膜１８の一部を構成するＡｌＡｓ層１７は、同じくその一部を構成するＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層やＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層と比べ著しく酸化速度が速い。このため、ポストＰ内の一部である活性領域１６の直上部分にポスト形状を反映した酸化領域１７ａが形成され、酸化されずに残った非酸化領域１７ｂが電流注入領域あるいは導電領域となる。すなわち酸化領域１７ａは電流狭窄部となるが、同時に周囲の半導体層に比べ光学屈折率が半分程度となることから、光閉じ込め領域としても機能する。本工程で得られた非酸化領域１７ｂの開口部の径を測定したところ、３μｍであった。
【００３８】
その後、露出したポストＰの側面を含む基板上面にシリコン酸化物などからなる絶縁膜を形成した後、ポスト頂部の一部分のみコンタクト層２２を露出させるために絶縁膜をパターニングしてこれを除去し、図６に示すように層間絶縁膜２１を形成する。
【００３９】
続いて、図７に示すようにコンタクト層２２と電気的な接触を得るようポスト頂部にｐ型の上部電極１９を形成し、その頂部には出射口１１が形成される。その後、基板１４の裏面側にＡｕ（金）、Ｇｅ、Ａｕ（金）がそれぞれ１００ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍの膜厚となるように第１の裏面電極１２を電子ビーム蒸着で形成した後に３５０℃でアニールする。最後に第２の裏面電極層１３として、Ｓｎを同じく電子ビーム蒸着にて膜厚２０ｎｍ形成することで本発明の実施の形態に係るＶＣＳＥＬ６０を得る。
【００４０】
このように得られたウエハ上のＶＣＳＥＬを必要に応じてチップ形態にダイシングする。図８は、チップをキャンに実装した半導体レーザ装置のパッケージ構成を示す模式的な断面図である。半導体レーザ装置は、金属製ステム（またはケース本体）３０と、金属ステム３０に取り付けられた金属製のキャップ４０とを備えている。金属ステム３０には、貫通孔３２が形成され、貫通孔３２には絶縁体膜３４がコーティングされ、そこにリードピン３６ａ、３６ｂが挿入される。金属ステム３０の表面には、マウンタ５０を介してＶＣＳＥＬチップ５２が搭載される。リードピン３６ａは、ボンディングワイヤ３８ａによりチップ５２の上部電極１９に電気的に接続され、リードピン３６ｂは、ボンディングワイヤ３８ｂによりＶＣＳＥＬチップ５２の裏面電極１２、１３に電気的に接続される。
【００４１】
キャップ４０の中央には、円形状の出射窓４２が形成されている。キャップ４０の裏面には、透過ガラス４４が取り付けられる。リードピン３６ａ、３６ｂ間に駆動電流が印加されると、ＶＣＳＥＬチップ５２の出射口１１から基板と垂直方向に発せられたレーザ光が出射窓４２を介して外部へ出力される。
【００４２】
ＶＣＳＥＬチップ５２は、マウンタ５０上に載せられた厚さ２００ミクロンのＡｕ−Ｓｎペレットのダイアタッチとともに３００℃で加熱することで、マウンタ５０上に固定される。続いてワイヤボンディング工程によりワイヤボンディング３８ａ、３８ｂの配線が行われ、キャップ４０のシール工程を経て図８に示すレーザパッケージを得る。
【００４３】
本発明で得られた半導体レーザ装置のパッケージについてダイシェアテストおよび温度サイクルテストを行い信頼性評価を実施した。具体的にはダイシェアテスト条件は、日本電子機械工業会規格EIAJ  ED-4703に従い、温度サイクルテストはEIAJ-ED4701に準拠する方法で−４０℃〜８５℃までの温度変化を１０００サイクル繰り返した後の電気光学的特性の変化を試験前のそれと比較することで評価した。図９は、本発明の各実施例と比較例の評価結果を示す表である。
【００４４】
第１の実施例（実施例１に相当）の場合、ダイシェア強度は３５０ｃＮと良好であり、温度サイクルテスト後の光出力変動は３％未満であり、安定した信頼性を有していることが確認された。
【００４５】
次に実施例２を説明する。実施例２は、Ａｕ−Ｓｎペレットとして厚さ１００ミクロンのものを用いたこと以外は、第１の実施例（実施例１）と同様である。実施例２によりパッケージを得たところ、ダイシェア強度は３００ｃＮと良好であり、温度サイクルテスト後の光出力変動は５％未満で安定した信頼性を有していることが確認された。
【００４６】
次に実施例３について説明する。実施例３は、第２の裏面電極層としてＩｎを電子ビーム蒸着によりにて膜厚２０ｎｍ形成し、厚さ１００ミクロンのＩｎ−Ａｇペレットを用いたこと以外は、第１の実施例（実施例１）と同様にある。実施例３によりパッケージを得た結果、ダイシェア強度は３００ｃＮと良好であり、温度サイクルテスト後の光出力変動は７％未満で安定した信頼性を有していることが確認された。
【００４７】
（比較例１）
比較例１は、第２の裏面電極層を形成せず、Ａｕ−Ｓｎペレットとして厚さ１００ミクロンのものを用いた以外は、実施例１と同様である。これを評価したところ、ダイシェア強度２４０ｃＮ、温度サイクルテスト後の光出力変動は２０％の光量低下が観測され、実施例１から３の結果と比較してやや劣る結果となった。
【００４８】
（比較例２）
比較例２は、第２の裏面電極層を形成せず、銀ペーストを用いてチップを台座に接合させた以外は実施例1と同様である。これを評価したところ、ダイシェア強度２８０ｃＮ、温度サイクルテスト後の光出力変動は３５％の光量低下が観測され、実施例１から３の結果と比較して劣る結果となった。
【００４９】
以上説明したように本実施例によれば、金のほか、金以外のダイアタッチ材料の構成材料の少なくとも１種の材料を下部電極の材料として含ませることにより、シングルモード性あるいは高速変調特性に優れ、良好な接着性を有し、動作寿命が長い表面発光型レーザあるいはそのパッケージを提供することができる。
【００５０】
なお、上述した実施例において、量子井戸層を構成する材料としてＧａＡｓを用いたが、本発明はこの材料に限定されるものではなく、例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、あるいはＧａＩｎＮＡｓ等の３―５族化合物半導体材料を用いることも可能である。また本実施例において、基板としてｎ型のＧａＡｓ基板を用いたが、本発明はこの材料に限定されるものではなく、例えば、ｐ型のＧａＡｓ基板などの材料を用いることも可能である。
【００５１】
さらに本発明の実施例において、結晶成長方法としてＭＯＣＶＤ法を用いる場合について述べたが、本発明はこの方法に限定されることなく、他の方法により半導体層の積層を行っても良い。例えば、分子線ビームエピタキシー（MBE）法等を用いることができる。
【００５２】
さらに本実施例は、ビーム数が１つのＶＣＳＥＬチップであるが、複数の出射口をアレイ状に配置したマルチスポットのＶＣＳＥＬチップを用いることも可能である。
【００５３】
上記した実施例は例示的なものであり、これによって本発明の範囲が限定的に解釈されるべきものではなく、本発明の構成要件を満足する範囲内で他の方法によっても実現可能であることは言うまでもない。
【００５４】
図１０は、ＶＣＳＥＬチップが実装された半導体レーザ装置の他のパッケージ例を示す概略断面を示す図である。同図に示すように、パッケージ３００は、ＶＣＳＥＬを含むチップ３１０を、マウンタ３２０上のダイアタッチを介して円盤状の金属ステム３３０上に固定する。導電性のリード３４０、３４２は、ステム３３０の貫通孔（図示省略）内に挿入され、一方のリード３４０は、チップ３１０の裏面に形成された下部電極に電気的に接続され、他方のリード３４２は、チップ３１０の上面に形成された上部電極にボンディングワイヤ等を介して電気的に接続される。
【００５５】
キャップ３５０の出射窓３５２内にボールレンズ３６０が固定されている。ボールレンズ３６０の光軸は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。また、チップ３１０とボールレンズ３６０との距離は、チップ３１０からのレーザ光の放射角度θ内にボールレンズ３６０が含まれるように調整される。リード３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、チップ３１０からレーザ光が出射され、ボールレンズ３６０を介して外部へ出力される。なお、キャップ内に、ＶＣＳＥＬの発光状態をモニターするための受光素子を含ませるようにしてもよい。
【００５６】
図１１は、さらに他のパッケージの構成を示す図であり、好ましくは、後述する空間伝送システムに使用される。同図に示すパッケージ３０２は、ボールレンズ３６０を用いる代わりに、キャップ３５０の中央の出射窓３５２内に平板ガラス３６２を固定している。平板ガラス３６２の中心は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。チップ３１０と平板ガラス３６２との距離は、平板ガラス３６２の開口径がチップ３１０からのレーザ光の放射角度θ以上になるように調整されている。
【００５７】
図１２は、図１０に示すパッケージまたはモジュールを光送信装置に適用したときの構成を示す断面図である。光送信装置４００は、ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０と、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０と、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０と、フェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０とを含んで構成される。
【００５８】
ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸がボールレンズ３６０の光軸に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。
【００５９】
チップ３１０の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ３６０によって集光され、集光された光は、光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ３６０を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。さらに、光送信装置４００は、リード３４０、３４２に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光送信装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。
【００６０】
図１３は、図１１に示すパッケージを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。空間伝送システム５００は、パッケージ３００と、集光レンズ５１０と、拡散板５２０と、反射ミラー５３０とを含んでいる。空間伝送システム５００では、パッケージ３００に用いられたボールレンズ３６０を用いる代わりに、集光レンズ５１０を用いている。集光レンズ５１０によって集光された光は、反射ミラー５３０の開口５３２を介して拡散板５２０で反射され、その反射光が反射ミラー５３０へ向けて反射される。反射ミラー５３０は、その反射光を所定の方向へ向けて反射させ、光伝送を行う。空間伝送の光源の場合には、マルチスポット型のＶＣＳＥＬを用い、高出力を得るようにしてもよい。
【００６１】
図１４は、ＶＣＳＥＬを光源に利用した光伝送システムの一構成例を示す図である。光伝送システム６００は、ＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を含む光源６１０と、光源６１０から放出されたレーザ光の集光などを行う光学系６２０と、光学系６２０から出力されたレーザ光を受光する受光部６３０と、光源６１０の駆動を制御する制御部６４０とを有する。制御部６４０は、ＶＣＳＥＬを駆動するための駆動パルス信号を光源６１０に供給する。光源６１０から放出された光は、光学系６２０を介し、光ファイバや空間伝送用の反射ミラーなどにより受光部６３０へ伝送される。受光部６３０は、受光した光をフォトディテクターなどによって検出する。受光部６３０は、制御信号６５０により制御部６４０の動作（例えば光伝送の開始タイミング）を制御することができる。
【００６２】
次に、光伝送システムに利用される光伝送装置の構成について説明する。図１５は、光伝送装置の外観構成を示す図であり、図１６はその内部構成を模式的に示す図である。光伝送装置７００は、ケース７１０、光信号送信／受信コネクタ接合部７２０、発光／受光素子７３０、電気信号ケーブル接合部７４０、電源入力部７５０、動作中を示すＬＥＤ７６０、異常発生を示すＬＥＤ７７０、ＤＶＩコネクタ７８０、送信回路基板／受信回路基板７９０を有している。
【００６３】
光伝送装置７００を用いた映像伝送システムを図１７および図１８に示す。これらの図において、映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０で発生された映像信号を、液晶ディスプレイなどの画像表示装置８２０に伝送するため、図１２に示す光伝送装置を利用している。すなわち、映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０、画像表示装置８２０、ＤＶＩ用電気ケーブル８３０、送信モジュール８４０、受信モジュール８５０、映像信号伝送光信号用コネクタ８６０、光ファイバ８７０、映像信号伝送用電気ケーブルコネクタ８８０、電源アダプタ８９０、ＤＶＩ用電気ケーブル９００を含んでいる。
【００６４】
上記映像伝送システムでは、映像信号発生装置８１０と送信モジュール８４０、および受信モジュール８５０と画像表示装置８２０の間を電気ケーブル８３０、９００による電気信号の伝送としたが、これらの間の伝送を光信号により行うことも可能である。例えば、電気−光変換回路および光−電気変換回路をコネクタに含む信号送信用ケーブルを電気ケーブル８３０、９００の代わりに用いるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明に係る半導体レーザ装置は、画像記録装置や光通信装置の光源や、プリンタ、複写装置等の画像形成装置の光源等に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明に係る半導体レーザ装置の構成を説明する図である。
【図２】ＶＣＳＥＬの構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造工程を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造工程を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造工程を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造工程を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造工程を模式的に示す断面図である。
【図８】ＶＣＳＥＬチップをキャン実装したときの模式的な構成を示す断面図である。
【図９】本発明の各実施例と比較例の評価結果を示す表である。
【図１０】ＶＣＳＥＬが形成された半導体チップを実装したパッケージの構成を示す概略断面図である。
【図１１】他のパッケージの構成を示す概略断面図である。
【図１２】図１０に示すパッケージを用いた光送信装置の構成を示す断面図である。
【図１３】図１１に示すパッケージを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。
【図１４】光伝送システムの構成を示すブロック図である。
【図１５】光伝送装置の外観構成を示す図である。
【図１６】光伝送装置の内部構成を示し、図１６Ａは上面を切り取ったときの内部構造を示し、図１６Ｂは側面を切り取ったときの内部構造を示している。
【図１７】図１５の光伝送装置を利用した映像伝送システムを示す図である。
【図１８】図１７の映像伝送システムを裏側から示した図である。
【符号の説明】
【００６７】
１：下部電極                          ２、１４：基板
３、１５：下部反射鏡                  ４、１６:活性領域
５、１７:ＡｌＡｓ層                  ６、１８:上部反射鏡
７、１９:上部電極                    ８、２０：酸化領域
９、２１:層間絶縁膜                  １０、２２:コンタクト層
１１：ＶＣＳＥＬ出射口                １２：第１の裏面電極層
１３：第２の裏面電極層                １７ａ：酸化領域
１７ｂ：非酸化領域                    １００：半導体レーザ素子
１１０：基板                          １２０：半導体層
１２２、１２４：上下の共振器          １２６：活性領域
１３０：裏面電極                      １４０：金リッチ抑制層
１５０：ダイアタッチ
【図１】
2007053242.tif 000003
【図２】
2007053242.tif 000004
【図３】
2007053242.tif 000005
【図４】
2007053242.tif 000006
【図５】
2007053242.tif 000007
【図６】
2007053242.tif 000008
【図７】
2007053242.tif 000009
【図８】
2007053242.tif 000010
【図９】
2007053242.tif 000011
【図１０】
2007053242.tif 000012
【図１１】
2007053242.tif 000013
【図１２】
2007053242.tif 000014
【図１３】
2007053242.tif 000015
【図１４】
2007053242.tif 000016
【図１５】
2007053242.tif 000017
【図１６】
2007053242.tif 000018
【図１７】
2007053242.tif 000019
【図１８】
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