(57)【要約】【課題】紫外から青色の波長の光を出射する光半導体素子を含み、発光強度が低下することなく長寿命の半導体装置を得られるようにする。【解決手段】光半導体素子として４５０ｎｍ以下の波長で発光する半導体レーザ素子１１と、該半導体レーザ素子１１が設置された基台１２ａとパッケージ本体１２ｂとからなるパッケージ１２と、パッケージ１２と共に半導体レーザ素子１１を覆い光学部材１３ａ及び金属部材１３ｂからなるキャップ１３とを備え、パッケージ１２とキャップ１３とによって密閉空間１４が形成されている。密閉空間１４に封入される気体は、酸素を１５％以上且つ３０％未満含み、露点が−１５℃以上且つ−５℃以下に管理された構成であることが好ましく、窒素又はアルゴン等の不活性気体を７０％以上含むことが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光半導体素子と、
前記光半導体素子を実装する金属からなる基台を含むパッケージと、
前記パッケージ及び光半導体素子を覆うことにより、前記光半導体素子を気体と共に封入するキャップとを備え、
前記気体は、酸素濃度が１５％以上且つ３０％未満であり、露点が−１５℃以上且つ−５℃以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記光半導体素子は、対向する両端面により光共振器が形成された半導体レーザ素子又は端面発光型発光ダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記光半導体素子は４５０ｎｍ以下の波長で発光することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記光半導体素子は窒化物半導体材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記気体は、不活性気体の濃度が７０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記不活性気体は、窒素及びアルゴンのうち少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記不活性気体は、窒素であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記光半導体素子は、光が出射する端面にジルコニウムを含む材料からなる保護膜を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記光半導体素子と前記基台との間に設けられ、放熱性が高いサブマウントをさらに備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記パッケージにおける前記基台を除く部分は金属からなり、前記キャップは筒状の金属部材と該金属部材に設けられ、前記光半導体素子からの出力光を透過する透明な光学部材とから形成され、前記パッケージと前記金属部材とは、溶接により固着されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記パッケージにおける前記基台を除く部分は樹脂からなり、前記キャップは透明な光学部材により形成され、前記パッケージと前記キャップとは接着剤により固着されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記パッケージにおける前記基台を除く部分はセラミックからなり、前記キャップは透明な光学部材により形成され、前記パッケージと前記キャップとは接着剤により固着されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記光半導体素子と前記基台との間に設けられ、受光素子又は受光素子を含む半導体素子をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記光半導体素子は、前記半導体素子の主面上又は該主面に形成された凹部に実装されていることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、青色から紫外の範囲の波長の光を出射する光半導体素子を有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
大容量の画像情報が携帯電話及びインターネット等で送受信される高度情報化社会において、これらの大容量の情報を記憶するために、より一層の高速且つ大容量の光ディスク技術の開発が要望されている。このような要望に対応して、光ディスク装置の光ピックアップに使用される半導体レーザ素子は、その波長を７８０ｎｍから６５０ｎｍに短波長化して、光ディスクを大容量化してきたが、さらに４００ｎｍ帯の波長にまで短波長化することにより光ディスクの一層の大容量化が進められている。
【０００３】
また、青色、紫色及び紫外の範囲である４００ｎｍ帯及び４００ｎｍ前後の波長の光を出射する半導体レーザ素子等の光半導体素子は、金属からなる基台を含むパッケージに実装され、パッケージと出射光を取り出す光学部材が付いたキャップとに囲まれた内部に気体が封入されて密封された半導体装置として製造されている。
【０００４】
このようにして製造される半導体装置は、その製造の過程において光半導体素子が実装されているパッケージとキャップとにより密封された内側に種々の物質が付着したり、侵入したりすることがある。このように密封された内側に種々の物質が存在する状態で光半導体素子の出射光が光共振器の端面から出射すると、生成物が生じ、光共振器の端面に付着することにより半導体装置の光半導体素子の光学特性及び電気特性が劣化するという問題がある。
【０００５】
このように生成物が汚染物質となり、光半導体素子の出射端面に付着することを防ぐために、光半導体素子が実装される半導体装置が密封された空間の内部に吸着剤を配置する構成が開示されている（例えば、特許文献１を参照。）。この吸着剤は、光半導体素子が密封された空間の内部に浮遊する生成物及び該生成物を形成する材料を予め吸着することにより出射端面に生成物が付着することを防止している。しかしながら、このような構成では光半導体素子の近傍に吸着剤を配置するため、半導体装置が大きくなり、機器の小型化や薄型化の妨げとなる。
【０００６】
そこで、半導体装置を大きくすることなく通常のパッケージ形状のままで上記の問題を解決するために、光半導体素子が密封された内側の雰囲気の露点と酸素濃度とを低い値に抑えることにより、光共振器の端面に生成物が付着することを防止する構成が提案されている。すなわち、経時変化に伴って共振器の端面を黒色化する生成物の形成を防止して、４２０ｎｍ以下の波長で発光する窒化物半導体レーザ素子の寿命を延ばせることが示されている（例えば、特許文献２を参照。）。
【０００７】
さらに、光半導体素子が密封された内側の雰囲気の露点と酸素濃度とを低い値に抑える方法として、半導体レーザ素子、キャップ及びパッケージを予め加熱し清浄化するベーキング工程又はオゾン並びに励起酸素原子をこの半導体レーザ素子等に暴露して清浄化するアッシング工程を付加して製造する方法が示されている（例えば、特許文献３及び４を参照）。これらの工程を付加することにより、窒化物半導体レーザ素子が高温雰囲気下であっても発光強度を低下させずに長期的に発光駆動できる。
【特許文献１】特開２００４−１４８２０号公報
【特許文献２】特開２００６−１３４３６号公報
【特許文献３】特開２００６−１２８６２９号公報
【特許文献４】特開２００６−１４０４４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２から特許文献４に示される構成及び方法では、半導体装置に光半導体素子が実装される密封された空間の雰囲気を、露点が−３０度以下、且つ酸素濃度が１００ｐｐｍ以下の十分に低い値に抑えなければ、光半導体素子の出射端面に生成物が付着することを防止することができない。また、密封された空間の雰囲気において、露点及び酸素濃度を十分に低い値に抑えなければ、光半導体素子が端面から出射する光出力を低下させることなく長寿命で動作させることが難しい。さらに、光半導体素子が密封された空間の雰囲気を露点が−３０℃以下、且つ酸素濃度が１００ｐｐｍ以下となる低い値にするためには、光半導体素子を組み立てる装置自体をグローブボックスの中に設置する等の設備的な工夫をして半導体装置を製造することが必要であり、簡単な設備で安価に製造することができない。
【０００９】
本発明は上記従来の問題に鑑み、気体の酸素濃度及び露点について特別な設備を必要とせず、通常の光半導体素子を組み立てる雰囲気及び設備で組み立てることができ、紫外から青色の波長の光を出射する光半導体素子を含み、発光強度が低下することなく長寿命の半導体装置を得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明は、光半導体素子を基台を含むパッケージとキャップとで覆うことにより、酸素及び水分がそれぞれ所定の範囲で調整された気体と共に封入する構成とする。
【００１１】
具体的に、本発明の半導体装置は、光半導体素子と、光半導体素子を実装する金属からなる基台を含むパッケージと、パッケージ及び光半導体素子を覆うことにより、光半導体素子を気体と共に封入するキャップとを備え、気体は、酸素濃度が１５％以上且つ３０％未満であり、露点が−１５℃以上且つ−５℃以下であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の半導体装置によると、光半導体素子の出力光が出射する端面に生成物が付着することを抑制及び防止することができるため、光半導体素子は強い出力光を安定に且つ長寿命で出射し続けることができる。また、半導体装置に封入する気体の酸素濃度及び露点が通常の大気に近い構成であるため、特別な設備が必要でなく通常の光半導体素子の組立に用いる設備及び環境で組み立てることができる。このため、本発明に係る半導体装置は組立が容易で安価に製造することができる。
【００１３】
本発明の半導体装置において、光半導体素子は、対向する両端面により光共振器が形成された半導体レーザ素子又は端面発光型発光ダイオードであることが好ましい。
【００１４】
本発明の半導体装置において、光半導体素子は４５０ｎｍ以下の波長で発光することが好ましい。
【００１５】
本発明の半導体装置において、光半導体素子は窒化物半導体材料からなることが好ましい。
【００１６】
このような構成とすることにより、光電変換効率が良い、紫外から青色の波長の光を出射することができる光半導体素子を形成することができ、光半導体素子の出力光が出射する端面に生成物が付着することを抑制及び防止することができるため、光半導体素子は強い出力光を安定に且つ長寿命で出射し続けることができる。
【００１７】
本発明の半導体装置において、気体は、不活性気体の濃度が７０％以上であることが好ましい。
【００１８】
本発明の半導体装置において、不活性気体は、窒素及びアルゴンのうち少なくとも一方を含むことが好ましい。
【００１９】
本発明の半導体装置において、不活性気体は、窒素であることが好ましい。
【００２０】
このような構成とすることにより、光半導体素子の出力光が出射する端面に生成物が付着することを抑制及び防止することができるため、光半導体素子は強い出力光を安定に長寿命で出射し続けることができる。
【００２１】
本発明の半導体装置において、光半導体素子は、光が出射する端面にジルコニウムを含む材料からなる保護膜を有することが好ましい。
【００２２】
このような構成とすることにより、水分及び生成物を生成する材料の一部を遮断することができるため、光半導体素子の出力光が出射する端面に生成物が付着することを抑制及び防止することができるので、光半導体素子は強い出力光を安定に且つ長寿命で出射し続けることができる。
【００２３】
本発明の半導体装置において、光半導体素子と前記基台との間に設けられ、放熱が高いサブマウントをさらに備えていることが好ましい。
【００２４】
このような構成とすることにより、光半導体素子は高放熱のサブマウントを介して放熱性良くモジュール基台や回路基板に取り付けることができるため、光半導体素子は強い出力光をさらに安定に且つ長寿命で出射し続けることができる。
【００２５】
本発明の半導体装置において、パッケージにおける基台を除く部分は金属からなり、キャップは円筒型の金属部材と金属部材に設けられ光半導体素子からの出力光を透過する透明な光学部材とから形成され、パッケージと金属部材とは、溶接により固着されていることが好ましい。
【００２６】
本発明の半導体装置において、パッケージにおける基台を除く部分は樹脂からなり、キャップは透明な光学部材により形成され、パッケージとキャップとは接着剤により固着されていることが好ましい。
【００２７】
本発明の半導体装置において、パッケージにおける基台を除く部分はセラミックからなり、キャップは透明な光学部材により形成され、パッケージとキャップとは接着剤により固着されていることが好ましい。
【００２８】
このような構成とすることにより、パッケージの基台を放熱性良くモジュール基台や回路基板に取り付けることができるため、光半導体素子は強い出力光をさらに安定に且つ長寿命で出射し続けることができる。
【００２９】
本発明の半導体装置において、光半導体素子と基台との間に設けられ、受光素子又は受光素子を含む半導体素子をさらに備えていることが好ましい。
【００３０】
本発明の半導体装置において、光半導体素子は、半導体素子の主面上又は該主面に形成された凹部に実装されていることが好ましい。
【００３１】
このような構成とすることにより、基台の上に半導体素子を集積化して、パッケージとキャップとで覆うことができ、光半導体素子は強い出力光を安定に且つ長寿命で出射し続けることができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明に係る半導体装置によると、紫外から青色の波長の光を出射する光半導体素子の出力光が出射する端面に生成物が付着することを防止でき、強い出力光を安定に且つ長寿命で出射し続けることができる。また、特別な設備が必要でなく通常の光半導体素子の組立に用いる設備及び環境で量産性よく製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態の半導体装置の一例を示すものであり、図１（ａ）は第１の実施形態の半導体装置の光半導体素子、パッケージの基台及びキャップの光学部材を含む断面構成を示しており、図１（ｂ）は図１（ａ）のキャップ全体を外して同じ方向から見た側面図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）の矢印Ａの方向から見た平面図を示している。
【００３４】
図１（ａ）に示すように、半導体装置１０は、光半導体素子として４５０ｎｍ以下の波長で発光する半導体レーザ素子１１と、該半導体レーザ素子１１が実装され、金属からなる基台１２ａとパッケージ本体１２ｂとからなるパッケージ１２と、パッケージ１２と共に半導体レーザ素子１１を覆い光学部材１３ａ及び金属部材１３ｂからなるキャップ１３と、パッケージ１２とキャップ１３とによって形成される密閉空間１４とから構成され、密封空間１４には酸素と水分とがそれぞれ所定の範囲で含む気体が封入されている。
【００３５】
ここで密閉空間１４に封入される気体は、酸素を１５％以上且つ３０％未満含み、露点が−１５℃以上且つ−５℃以下に管理された構成であることが好ましく、窒素又はアルゴン等の不活性気体を７０％以上含むことが好ましい。
【００３６】
図１（ａ）に示すように、光半導体素子である半導体レーザ素子１１は、図１（ａ）に示す左右の両端面により光共振器が形成される。半導体レーザ素子１１の右側の端面から出射された出力光１５はキャップ１３を構成する透明な光学部材１３ａを透過して出力される。窒化物半導体材料からなる半導体レーザ素子１１の場合、ｎ型ＧａＮ基板上に多重量子井戸活性層を含むダブルへテロ構造が窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料（窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）、窒化ガリウムインジウム（ＩｎＧａＮ）、ＧａＮ等）を用いて形成され、クラッド層の一部でリッジ型の屈折率導波型の導波構造が共振器を形成する光軸に沿って形成されている。半導体レーザ素子１１の共振器長は６００μｍで４０５ｎｍの波長のレーザ光が出力光１５として出射される。
【００３７】
また、パッケージ１２は基台１２ａ及びパッケージ本体１２ｂ共に金属材料、例えば熱伝導性の良い銅で形成され、キャップ１３は半導体レーザ素子１１からの出力光１５が透過するよう例えば光軸に対して垂直に配置された透明な光学部材１３ａ及び円筒形の金属部材１３ｂから形成されており、パッケージ１２とキャップ１３とはパッケージ本体１２ｂと金属部材１３ｂとが溶接によって固着され、密閉空間１４を形成している。すなわち、図示は省略するが、パッケージ本体１２ｂに対して、キャップ１３の側面部を構成する円筒形の金属部材１３ｂが溶接される。密閉空間１４には、基台１２ａの上に、例えば放熱性が高い材料である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成されたサブマウント１６が形成され、サブマウント１６の上に半導体レーザ素子１１が実装されており、半導体レーザ素子１１が発光する際の発熱が速やかに放熱される。なお、サブマウント１６は、ＡｌＮ材料に代えて、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、ケイ素（Ｓｉ）系の材料等、熱伝導性が高く半導体レーザ素子との熱膨張係数の少ない材質を適宜選択すれば良い。
【００３８】
次に、半導体レーザ素子１１の動作について説明する。
【００３９】
図１（ｂ）及び（ｃ）に示すように、半導体装置１０には、パッケージ１２の基台１２ａに電気的に接続された第１のリード端子１７ａとパッケージ１２とは電気的に絶縁されてパッケージ１２のパッケージ本体１２ｂを貫通する第２のリード端子１７ｂ及び第３のリード端子１７ｃが形成されており、半導体レーザ素子１１と第２のリード端子１７ｂとが第１の導電性ワイヤ１８ａにより電気的に接続されている。また、絶縁体であるサブマウント１６と基台１２ａとが第２の導電性ワイヤ１８ｂにより電気的に接続されている。第１のリード端子１７ａ及び第２のリード端子１７ｂにより半導体レーザ素子１１に電流が注入され、半導体レーザ素子１１が動作する。なお、図示は省略するが、第３のリード端子１７ｃは、半導体レーザ素子１１のパッケージ本体１２ｂ側の端面の後方に光出力モニター用の受光素子が設けられた場合に、第１の導電性ワイヤ１８ａで接続された受光素子を動作させるために使用される。第１のリード端子１７ａ、第２のリード端子１７ｂ及び第３のリード端子１７ｃによりリード端子部１７が形成されている。
【００４０】
次に、このようにして形成された半導体レーザ素子１１を含む半導体装置１０の寿命試験について説明する。
【００４１】
図２は半導体装置１０の密閉空間１４に封入される気体について、この気体に含まれる酸素と気体の露点をパラメータにした寿命試験の結果を示す図である。半導体装置１０の寿命試験は、密閉空間１４に封入される気体の酸素濃度を１０％から５０％の範囲、露点を−３℃から−２０℃の範囲でそれぞれ変化させて作製した半導体装置１０について定光出力（ＣＷ）２０ｍＷ及びケース温度（Ｔｃ）＝７０℃で５００時間の連続試験を実施し、試験開始時及び５００時間終了時に半導体レーザ素子１１の電流に対する光出力の特性、波長及び拡がり角等の測定を行い、良否判定を行っている。なお、Ｔｃは、半導体レーザ素子１１が実装された基台の裏面側のパッケージの温度を表している。
【００４２】
図２に示すように、密閉空間１４に封入される気体の酸素濃度が５０％以上になると半導体レーザ素子１１の中で劣化するものが発生する。ここでいう劣化した半導体レーザ素子１１とは、動作電流値（以下、Ｉｏｐとする）が試験開始時のＩｏｐの２０％を超えて増大し、且つ試験開始時のＩｏｐの１０％を超えたのちに急激にＩｏｐが増大して短時間に出力光１５を出射しなくなるものである。また、露点が−３℃以上になると半導体レーザ素子１１の端面に微細な結露が生じるものが発生する。結露が生じた半導体レーザ素子１１には、寿命試験５００時間終了時の特性検査で拡がり角を示す遠視野像の一部に変形が観察された。さらに、露点が−２０℃以下で酸素濃度が低いと半導体レーザ素子１１の端面に生成物が付着形成されるものが発生する。生成物が付着した半導体レーザ素子１１は、寿命試験５００時間終了時の特性検査で出力光は出射するもののＩｏｐの上昇が見られ、Ｉｏｐ上昇は試験開始時のＩｏｐの２０％を超えて増大していた。
【００４３】
したがって、図２に示すように酸素濃度が１０％よりも高く５０％未満、且つ露点が−２０℃よりも高く−３℃未満の範囲の気体が封入された空間において、特に、酸素濃度が１５％以上３０％未満且つ露点が−１５℃以上−１５℃以下の気体が封入された空間に半導体レーザ素子１１が実装されている半導体装置１０の寿命試験が良好な結果であった。
【００４４】
次に、図３は密閉空間１４に酸素濃度及び露点が所定の値となる気体と共に半導体レーザ素子１１を封入して形成した半導体装置１０について寿命試験を行い、試験時間とＩｏｐとの関係を示したものである。試験の条件は、デューティ３０％のパルス電流で駆動したときのパルス出力６０ｍＷ、Ｔｃ＝６０℃であり、半導体装置１０は、１ロット（ｎ＝５）毎に試験を行っている。密閉空間１４の酸素濃度及び露点については、図３（ａ）が酸素濃度１５％且つ露点−１５℃であり、図３（ｂ）が酸素濃度１８％且つ露点−１０℃であり、図３（ｃ）が酸素濃度３０％且つ露点−１５℃であり、図３（ｄ）が酸素濃度５０％且つ露点−２０℃である。
【００４５】
図３に示すように、（ａ）〜（ｃ）の半導体装置１０は、いずれも図２に示した寿命試験で特に良好とされる酸素濃度が１５％〜３０％の範囲且つ露点が−５０℃又は−１５℃の気体と共に半導体レーザ素子１１が封入された半導体装置１０であり、６００時間を超える試験時間の後においても試験開始時からの変化が少ないＩｏｐである。また、図３（ｄ）は寿命試験で良好とされる範囲ではない気体と共に半導体レーザ素子１１を封入した半導体装置１０であり、試験時間と共に緩やかにＩｏｐが増大して故障にいたるサンプルＤ１及び急激にＩｏｐが増大して短時間で劣化に至ると予測されるサンプルＤ２が含まれている。
【００４６】
次に、半導体レーザ素子１１の端面に微細な結露及び生成物が生じる理由について説明する。
【００４７】
図４は、サブマウント１６及びサブマウント１６の上に実装された半導体レーザ素子１１の断面構成を模式的に示した図である。
【００４８】
図４に示すように、半導体レーザ素子１１は、例えば多重量子井戸構造からなる活性層１９ａと該活性層１９ａを上下で挟むクラッド層１９ｂとからなる光導波路層１９を有している。光導波路層１９が延びる方向の両端が反射面となることにより光共振器が構成されて出力光１５を一方の端面から出射する。また、半導体レーザ素子１１の反射面が形成される両端面に隣接して保護膜２０が形成され、該保護膜２０はジルコニウムを含む材料、例えば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）から構成されている。
【００４９】
このように、ジルコニウムを含む材料からなる保護膜２０は、吸水性を有しているため、気体と接する保護膜２０の一部が気体の水分を吸収し、吸水層２０ａを形成すると考えられる。吸水層２０ａが形成されてもさらに、気体中に含まれる水分は、図示を省略するが、保護膜２０に形成された吸水層２０ａの外側に結露すると考えられる。このようにして、半導体レーザ素子１１の端面に微細な結露が生じ、図２に示す寿命試験のような結果が生じたものと考えられる。
【００５０】
このようにして発生する結露であるが、露点が−２０℃以下の気体である場合、気体と保護膜２０とが接しても吸水層２０ａが形成されず、結露も観察されない。しかしながら、気体中に含まれる生成物及び生成物の材料が端面を含む半導体レーザ素子１１及び保護膜２０に付着する。付着した生成物に、端面から出射される４００ｎｍ帯以下の青色から紫外の範囲の強い出力光１５が照射されると、安定な付着生成物２１が形成されるため、出力光１５が出射される端面及び保護膜２０に固定されることになる。このように、付着生成物２１が付着した端面から出力光１５が吸収又は散乱することになるため、一定の光出力を得るように、半導体レーザ素子１１のＩｏｐが増大し、劣化及び故障が発生すると考えられる。図２に示す寿命試験で、気体の露点が−２０℃以下の低い場合にＩｏｐが増大したことについては、上記のように説明できる。このことは、図３（ｄ）に示すサンプルＤ１においても発生している。
【００５１】
また、気体中に含まれる生成物及び生成物の材料が端面を含む半導体レーザ素子１１及び保護膜２０に付着しても、気体中の酸素濃度が適当な濃度範囲であると、これらの生成物及び生成物の材料を分解又は剥離して付着し続けることを防止することができる。しかしながら、気体中の酸素濃度が５０％以上の高い状態になると、光導波路層１９の中に結晶欠陥又は光吸収体を含む酸化領域２２が形成され、Ｉｏｐが増大する原因となる。このことは、図３（ｄ）に示すサンプルＤ２において発生している。
【００５２】
以上に説明したように、半導体レーザ素子１１が、７０％以上の不活性気体を含み、酸素濃度が１０％〜３０％且つ露点が−１５℃以上−５℃以下の範囲の気体が封入された空間１４の内部に実装される構成とすることにより、半導体レーザ素子１１の両端面に生成物が付着することを抑制及び防止することができる。このため、半導体レーザ素子１１は、強い出力光１５を、安定に且つ長時間に亘って出射し続けることができる。
【００５３】
また、半導体レーザ素子１１と共に空間１４に封入される気体の酸素濃度及び露点は、通常の大気に近い状態で構成されているため、半導体装置１０の製造に用いる設備に特別な環境のための設備を必要としない。このため、強い出力光を、安定に且つ長時間に亘って出射し続けることができる半導体装置１０を、容易に且つ安価に製造することができる。
【００５４】
なお、第１の実施形態では光半導体素子として半導体レーザ素子を使用して説明しているが、半導体レーザ素子に代えて、光半導体素子の前端面及び後端面により光共振器が形成された端面発光型発光ダイオードを使用して半導体装置を構成してもよい。
【００５５】
なお、第１の実施形態では、不活性気体として窒素又はアルゴンを例としたが、窒素及びアルゴン等の混合気体であってもよい。
【００５６】
（第２の実施形態）
図５は本発明の第２の実施形態の半導体装置の一例である半導体装置３０を示し、図５（ａ）は半導体装置３０のキャップを除いた平面図を示しており、図５（ｂ）は図５（ａ）のＶｂ−Ｖｂ線における断面構成を示している。なお、図５（ｂ）では半導体装置３０のキャップは付けられている。
【００５７】
図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように半導体装置３０は、光半導体素子として４５０ｎｍ以下の波長で発光する半導体レーザ素子３１と、半導体レーザ素子３１を実装するための金属からなる基台３２ａ及び樹脂材料であるパッケージ本体３２ｂからなるパッケージ３２と、透明な光学部材からなるキャップ３３を有し、パッケージ３２とキャップ３３とを接着剤３４により固着して形成される密閉空間３５に半導体レーザ素子３１を実装している。密閉空間３５には、不活性気体として窒素を７０％以上、酸素を１５％以上含み、露点が−１５℃以上且つ−５℃以下の構成である気体が封入されている。また、半導体レーザ素子３１は、基台３２ａの上に形成された受光素子３６を含むＳｉ半導体素子３７の主面に形成された凹部に実装されている。また、半導体レーザ素子３１及びＳｉ半導体素子３７はパッケージ３２のリード端子３８により外部回路に接続され電気的に駆動される。半導体レーザ素子３１及びＳｉ半導体素子３７のそれぞれの電極端子（図示せず）は、導電性ワイヤ（図示せず）等で電気的に接続されている。なお、Ｓｉ半導体素子３７の代わりに受光素子３６が形成された半導体チップ（図示せず）を使用してもよい。なお、第２の実施形態においても第１の実施形態と同様に、半導体レーザ素子３１として例えばＧａＮ系材料で形成された半導体レーザ素子３１を使用している。          
【００５８】
また、パッケージ３２の基台３２ａを、放熱性を良くするようにモジュール基台（図示せず）又は回路基板（図示せず）に取り付けることができるため、半導体レーザ素子３１は強い出力光３９をさらに安定に長時間に亘って出射し続けることができる。また、密閉空間３５の内部の基台３２ａの上にＳｉ半導体素子３７と半導体レーザ素子３１とをコンパクトに集積化することができる。このため、例えば光ディスクの光ピックアップに使用するときには、透明な光学部材であるキャップ３３に回折光学素子等（図示せず）を形成して、光ディスク又は光ピックアップの光学系等とＳｉ半導体素子３７及び半導体レーザ素子３１を光学的に結合して動作することができる。
【００５９】
例えば、図５（ｂ）に示すように、半導体レーザ素子３１が実装された部分のＳｉ半導体素子３７は、該Ｓｉ半導体素子３７の上面に形成された凹部に実装されている。また、半導体レーザ素子３１の出力光３９が出射される側の凹部の側面には出力光３９を反射させるための反射ミラー４０が形成されている。このような構成の半導体装置３０の半導体レーザ素子３１を電気的に駆動すると、図５（ｂ）に示すように半導体レーザ素子３１の端面から出力光３９が出射され、Ｓｉ半導体素子３７に形成された反射ミラー４０により反射され、見かけの発光点４１よりキャップ３３の方面である上方に反射されて透明な光学部材であるキャップ３３を透過して出力される。
【００６０】
このようにして製造された半導体装置３０についても第１の実施形態と同様に、密閉空間３５に封入される気体の酸素濃度と露点とをパラメータにして行った寿命試験の結果は、第１の実施形態の結果と同様であった。
【００６１】
このように密閉空間３５に、不活性気体として窒素を７０％以上、酸素を１５％以上、及び露点が−１５℃以上且つ−５℃以下の構成である気体と共に半導体レーザ素子３１を封入してなる半導体装置３０は、半導体レーザ素子３１の出力光３９が出射する端面に生成物が付着することを抑制及び防止することができる。このため、半導体レーザ素子３１は強い出力光３９を安定に且つ長時間に亘って出射し続けることができる。
【００６２】
また、半導体レーザ素子３１と共に密閉空間３５に封入される気体の酸素濃度及び露点は通常の大気に近い状態で構成されているため、半導体装置３０の製造に用いる設備に特別な環境を作るための設備を必要としない。このため、強い出力光３９を安定に且つ長時間に亘って出射し続けることができる半導体装置３０を容易に且つ安価に製造することができる。
【００６３】
（第３の実施形態）
図６は本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の一例である半導体装置５０を示し、図６（ａ）は半導体装置５０のキャップを除いた平面図を示しており、図６（ｂ）は図６（ａ）のVIｂ−VIｂ線における半導体装置５０の断面構成を示している。なお、図６（ｂ）では半導体装置５０のキャップは付けられている。
【００６４】
図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように半導体装置５０は、４５０ｎｍ以下の波長で発光する光半導体素子である半導体レーザ素子５１と、半導体レーザ素子５１を実装するための金属からなる基台５２ａ及びセラミック材料であるパッケージ本体５３ｂからなるパッケージ５２と、透明な光学部材からなるキャップ５３とからなり、パッケージ５２とキャップ５３とを接着剤５４により固着して形成される密閉空間５５に半導体レーザ素子５１が実装されている。密閉空間５５には、不活性気体としての窒素を７０％以上、酸素を１５％以上含み、露点が−１５℃以上且つ−５℃以下の構成である気体が封入されている。気体と共に基台５２ａの上に受光素子５６を含むＳｉ半導体素子５７が形成され、Ｓｉ半導体素子５７の上に例えば放熱性が高い材料であるＡｌＮにより形成されたサブマウント５８が実装され、さらにサブマウント５８の上に半導体レーザ素子５１が実装されている。また、半導体レーザ素子５１及びＳｉ半導体素子５７はパッケージ５２のリード端子（図示せず）により外部回路に接続され電気的に駆動される。また、半導体レーザ素子５１及びＳｉ半導体素子５７のそれぞれの電極端子（図示せず）は導電性ワイヤ（図示せず）等で電気的にリード端子（図示せず）に接続されており、半導体レーザ素子５１又はＳｉ半導体素子５７の電極端子が接続されたリード端子（図示せず）はパッケージ本体５２ｂの中に電極の一部を露出して埋め込まれている。なお、Ｓｉ半導体素子５７の代わりに受光素子５６が形成された半導体チップ（図示せず）を使用してもよい。なお、第３の実施形態においても第１及び第２の実施形態と同様に、光半導体素子として例えばＧａＮ系材料で形成された半導体レーザ素子３２を使用している。 
【００６５】
また、パッケージ５２の基台５２ａは、放熱性を良くするようにモジュール基台（図示せず）又は回路基板（図示せず）に取り付けることができるため、半導体レーザ素子５１は強い出力光５９をさらに安定に長時間に亘って出射し続けることができる。また、密閉空間５５の内部の基台５２ａの上にＳｉ半導体素子５７と半導体レーザ素子５１とをコンパクトに集積化することができる。
【００６６】
例えば、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、Ｓｉ半導体素子５７の上に半導体レーザ素子５１と対向するように半透過ミラー６０を有するプリズム６１を設けると、半導体レーザ素子５１から出射される出力光５９は、半透過ミラー６０により見かけの発光点６２よりキャップ５３が形成された方面である上方に立ち上がる。このように、上方に立ち上がった出力光５９が光ディスク（図示せず）の情報を読み取り、反射して信号光６３となり、半透過ミラー６０によりプリズム６１の中に入射する。プリズム６１内に入射した信号光６３は、プリズム内でプリズムの端面を反射する入射光６４となり、入射光６４の一部がＳｉ半導体素子５７の中の受光素子５６で検出されることにより光ディスクに記録された信号が読み取られることになる。
【００６７】
このようにして製造された半導体装置５０についても第１の実施形態と同様に、密閉空間５５に封入される気体の酸素濃度と露点とをパラメータにして行った寿命試験の結果は、第１の実施形態の結果と同様であった。
【００６８】
このように密閉空間５５に、不活性気体として窒素を７０％以上、酸素を１５％以上含み、露点が−１５℃以上且つ−５℃以下の構成である気体が封入されてなる半導体装置５０は、半導体レーザ素子５１の出力光５９が出射する端面に生成物が付着することを抑制及び防止することができる。このため、半導体レーザ素子５１は強い出力光５９を安定に且つ長時間に亘って出射し続けることができる。
【００６９】
また、半導体レーザ素子５１と共に密閉空間５５に封入される気体の酸素濃度及び露点は通常の大気に近い状態で構成されているため、半導体装置５０の製造に用いる設備に特別な環境を作るための設備を必要としない。このため、強い出力光５９を安定に且つ長時間に亘って出射し続けることができる半導体装置５０を容易に且つ安価に製造することができる。
【００７０】
なお、第３の実施形態においても光半導体素子として半導体レーザ素子を使用して説明しているが、半導体レーザ素子に代えて、光半導体素子の前端面及び後端面により光共振器が形成された端面発光型発光ダイオードを使用して半導体装置を構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明に係る半導体装置は、光半導体素子の出力光が出謝する端面に生成物の付着を防止し、強い出力光を安定に且つ長時間出射し続けることができ、青色から紫外の範囲の波長の光を出射する光半導体素子を有する半導体装置等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示し、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は側面図であり、（ｃ）平面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の寿命試験の結果を示す図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の寿命試験の結果を示す図である。
【図４】本発明に係る半導体素子がサブマウント上に実装された断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＶａ−Ｖａ線における断面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のVIａ−VIａ線における断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０    半導体装置
１１    半導体レーザ素子
１２    パッケージ
１２ａ  基台
１２ｂ  パッケージ本体
１３    キャップ
１３ａ  光学部材
１３ｂ  金属部材
１４    密閉空間
１５    出力光
１６    サブマウント
１７    リード端子部
１７ａ  第１のリード端子
１７ｂ  第２のリード端子
１７ｃ  第３のリード端子
１８ａ  第１の導電性ワイヤ
１８ｂ  第２の導電性ワイヤ
１９    光導波路層
１９ａ  活性層
１９ｂ  クラッド層
２０    保護膜
２０ａ  吸水層
２１    付着生成物
２２    酸化領域
３０    半導体装置
３１    半導体レーザ素子
３２    パッケージ
３２ａ  基台
３２ｂ  パッケージ本体
３３    キャップ
３４    接着剤
３５    密閉空間
３６    受光素子
３７    Ｓｉ半導体素子
３８    リード端子
３９    出力光
４０    反射ミラー
４１    発光点
５０    半導体装置
５１    半導体レーザ素子
５２    パッケージ
５２ａ  基台
５２ｂ  パッケージ本体
５３    キャップ
５４    接着剤
５５    密閉空間
５６    受光素子
５７    Ｓｉ半導体素子
５８    サブマウント
５９    出力光
６０    半透過ミラー
６１    プリズム
６２    発光点
６３    信号光
６４    入射光
【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】
2009088066.tif 000007
【図６】
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