JP2002299769A - 半導体レーザ装置およびその製造方法 - Google Patents
半導体レーザ装置およびその製造方法Info
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Abstract
するGaN系半導体レーザ装置およびその製造方法を提
供する。 【解決手段】 窒化物半導体からなる基板の裏面を異方
性エッチングして凹凸面とし、表面積を約3倍以上に増
加させる。
Description
への応用が期待されている窒化ガリウム(GaN)系短
波長半導体レーザおよびその製造方法に関するものであ
る。
物半導体は、そのバンドギャップの大きさから、短波長
発光素子の材料として有望視されている。中でも、DVD
等の光ディスク装置の大容量化を目指して、400nm
帯を発振波長とする半導体レーザが熱望されている。特
にGaN系窒化物半導体(AlxGayInzN(0≦x,
y, z≦1、x+y+z=1))から構成されるレーザ
は研究が盛んに行われ、現在では実用レベルに達しつつ
ある。
に直交する断面の構造図である。GaN基板101上に
有機金属気相成長法により、n−AlGaNコンタクト
層102、n−AlGaNクラッド層103、n−Ga
N光ガイド層104、Ga1- xInxN/Ga1-yInyN
(0<y<x<1)からなる多重量子井戸(MQW)活
性層105、p−GaN光ガイド層106、p−AlG
aNクラッド層107、p−GaNコンタクト層108
が成長される。そしてp−GaNコンタクト層108上
に幅約2μmのリッジストライプが形成され、その両側
は絶縁膜110によって埋め込まれる。その後リッジス
トライプおよび絶縁膜110上に、例えばNi/Auか
らなるp電極109、また一部をn−AlGaNコンタ
クト層102が露出するまでエッチングした表面に例え
ばTi/Alからなるn電極111が形成される。
圧を印加して電流を注入すると、MQW活性層105内
で電子とホールが再結合して発光し、光学利得を生じ、
波長400nm付近でレーザ発振を起こす。MQW活性
層105を構成するGa1-xInxN/Ga1-yInyN薄
膜の組成や膜厚によって発振波長は制御される。
647ページ」には、上記のようなGaN系半導体レー
ザの推定寿命は、60℃30mW出力CW動作時において
15000時間であると開示されている。この例では、
レーザ構造の結晶成長に先立ち、GaN基板101上に
選択横方向成長を行い、電流が注入されるストライプ状
の活性層領域に存在する転位密度を7×105cm-2に
低減させることにより、素子の信頼性を向上させてい
る。
μm角であり、レーザ共振器面は半導体結晶の劈開によ
り作製される。結晶成長工程、素子化工程では基板のハ
ンドリングが容易である等の理由により基板厚さは数百
μm程度が選ばれているが、数百μmの共振器長を高い
歩留りで劈開するためには、劈開工程に先立って、基板
の厚さが50〜150μm程度になるまで基板の裏面側
を研磨あるいはエッチングして薄くする必要がある。こ
のようにして得られる面は、通常平坦である。基板裏面
側の電極はこの平坦面上に形成される。
部の温度が上昇する。温度上昇は、光出力や発振波長等
の発振特性を変化させるだけでなく、素子寿命に多大な
影響を及ぼす。したがって、高出力レーザ等の高い動作
電流を必要とするレーザ素子をパッケージに実装する際
は、放熱特性を向上させるために、素子のpn接合面側
をヒートシンクにボンディングする、つまり素子の基板
裏面側を露出させる、いわゆるジャンクションダウン配
置で実装するのが一般的である。一例を図2に示す。こ
れは、サブマウント113を介してヒートシンク114
に実装されている例である。
基板に用いた従来の半導体レーザ素子に比べて、GaN
等の窒化物半導体を基板に用いた半導体レーザ素子で
は、基板の熱伝導率は約1.5W/cmKと約2倍以上
高く、良好な放熱特性を有するので、半導体レーザ装置
のサーマルマネジメントは比較的容易である。
においてもより高温動作かつ高出力動作を求められるこ
とが予測される。そこで、本願発明者が検討した結果、
上述した従来技術で構成されたGaN系半導体レーザ装
置では、例えば60℃30mW出力動作時に比べて80
℃60mW出力動作時に素子寿命が極端に短くなること
がわかった。高温領域での電流−光出力特性において、
発振閾電流値の増加は顕著ではない(つまり、特性温度
の低下は顕著ではない)が、50〜100mW程度の高
出力時にスロープ効率が低下することが認められたの
で、熱飽和が生じ始めていると考えられた。この現象は
不十分な放熱特性に起因するものと考えられる。
であり、高温高出力動作時においても信頼性の高い窒化
物半導体レーザ素子を用いた半導体レーザ装置およびそ
の製造方法を提供するものである。特に光ディスク用レ
ーザ装置への応用において効果的である。
め、本発明の半導体レーザ装置は、窒化物半導体レーザ
素子がジャンクションダウン配置で実装された半導体レ
ーザ装置であって、窒化物半導体レーザ素子の基板裏面
が凹凸面である。前記構成においては、凹凸面が六角錘
状ファセット、六角錘台状ファセットあるいは柱状孔か
らなる。
化物半導体からなることが好ましい。前記構成において
は、窒化物半導体からなる基板の裏面にp型あるいはn
型の電極が形成されていることが好ましい。さらに、窒
化物半導体からなる基板の裏面が−c極性面であること
が好ましい。
半導体レーザ素子がジャンクションダウン配置あるいは
ジャンクションアップ配置で実装された半導体レーザ装
置であって、素子の表面、裏面のいずれもがサブマウン
トあるいはヒートシンクに固着されている。
法は、窒化物半導体からなる基板上に半導体レーザ装置
を製造する方法であって、基板裏面を異方性エッチング
することにより凹凸面を得る工程を含む。
用いて基板裏面を処理する工程を含む。前記構成におい
ては、リン酸がトリリン酸、メタリン酸、トリメタリン
酸、テトラメタリン酸、ピロリン酸、オルトリン酸の内
から選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。
する薬液を用いて基板裏面をエッチングすることにより
凹凸面を得る工程を含む。前記構成においては、薬液の
温度が100℃以上250℃以下であることが好まし
い。
て図面を用いて詳細に説明する。
による半導体レーザ装置を模式的に示す図である。Ga
N系半導体レーザ素子がサブマウント113を介してジ
ャンクションダウン配置でヒートシンク114に実装さ
れている状態を共振器に直交する断面で模式的に示した
ものである。半導体レーザ素子はn−AlGaN基板1
15上にn−AlGaNクラッド層103、n−GaN
光ガイド層104、GaInN/GaNからなるMQW
活性層105、p−GaN光ガイド層106、リッジ状
のp−AlGaNクラッド層107およびp−GaNコ
ンタクト層108が順次積層されており、リッジの両側
は絶縁膜110によって埋め込まれ、p電極109がp
−GaNコンタクト層108上に、n電極111がn−
AlGaN基板115裏面(すなわち、活性層が形成さ
れている側の面と異なる面)にそれぞれ形成されてな
る。
であることに本実施例のポイントがある。凹凸面は六角
錘状ファセット116、六角錘台状ファセット117あ
るいは柱状孔118からなる。このレーザ装置の製造工
程は順次、結晶成長、ドライエッチング、p電極蒸着、
基板裏面研磨、基板裏面処理、n電極蒸着、劈開、端面
コーティング、素子分離、実装等の各工程からなるが、
本発明のポイントは基板裏面処理工程にある。
板115は、例えば直径2インチ、厚さ約300μm、
Al混晶比3%、キャリア濃度1×1018cm-3(ドー
パントはSi)、面方位(0001)である。基板裏面
研磨工程まで終了したn−AlGaN基板115の表面
側にはレーザ素子構造が形成されており、裏面研磨によ
り基板厚さが約100μmとなっている。基板裏面処理
は、例えば160℃のオルトリン酸に2分間浸漬して行
う。表面全面を覆っているp電極109およびGaN系
半導体の(0001)面は、この条件ではオルトリン酸
にほとんど侵されないが、この実施の形態と異なる素子
構造を採用する場合やこれよりも過酷な処理条件を採用
する場合には、必要に応じて、オルトリン酸に侵されな
いよう表面全面をSiO2膜等で保護しておくことがで
きる。
光学顕微鏡像を図4および図5に示す。図4には、図3
で断面を模式的に示した六角錘状ファセット116、六
角錘台状ファセット117あるいは柱状孔118が示さ
れている。基板裏面の全面が径約数十〜数百μm程度、
深さ約数〜10μm程度の六角錘および六角錘台で覆わ
れていることがわかる。また、図5には柱状孔118が
示されている。柱状孔118の形状は直径5μm前後の
六角形ないし円形で、深さは約10〜20μm程度であ
る。密度は約2×106cm-2である。密集している部
分では独立な柱状孔が重なり合って大きな孔となってい
る。
まり−c極性面である。−c極性面とは、図6に示す六
方晶GaN結晶構造において4本のGa−N結合の内3
本が下を向いている方の面である。GaN系半導体の表
面原子再配列構造は不明であるが、−c極性面が+c極
性面よりもオルトリン酸に侵されやすいのは、ダングリ
ングボンドの構成の違いに起因して、−c極性面の方が
オルトリン酸と反応しやすく、Ga3PO4等のリン酸ガ
リウム塩を生成しやすいためである。柱状孔118が形
成される理由は不明であるが、その密度を考慮すると、
転位が速やかにエッチングされたものと考えることがで
きる。
測定したところ、処理前は20.1cm2であったのに対
して、処理後は75.6cm2と3倍以上増加している
ことがわかった。柱状孔118の形成による表面積増加
の寄与が大きいものと推察される。
板115裏面にn電極111を蒸着し、750μm間隔
でバー状に劈開を行った。劈開歩留まりには基板裏面が
凹凸であることは影響しなかった。さらに後端面の高反
射率コーティング、素子分離を行い、サブマウント11
3を介してヒートシンク114にジャンクションダウン
配置で実装した。
めに熱抵抗を測定したところ、比較のため基板裏面処理
を行わずに作製した半導体レーザ装置では、約25〜3
5℃/Wであったのに対して、本発明に基づく基板裏面
処理を行ったものでは約15〜25℃/Wと向上してい
た。そのため、例えば100℃CW動作時の電流−光出
力特性には改善が見られ、従来の課題であった50〜1
00mW出力動作時におけるスロープ効率の低下は認め
られなくなった。さらに、80℃60mW出力動作時の
素子寿命は伸張した。
積を拡大させたことにより放熱特性が改善され、高温高
出力動作時の信頼性を向上させることができた。
GaNを用いた場合について説明したが、GaNやある
いはその他の窒化物半導体、例えばGaInN等を用い
ても同様の効果を得ることができる。さらには、窒化物
半導体以外の基板、例えばSiC、Si、Al2O3等を
用いてもよい。この場合、それぞれの基板に凹凸面を形
成するための適当な裏面処理方法が用いられる。
く、p型あるいは半絶縁性であってもよい。また、基板
の極性については、窒化物半導体基板の裏面が−c極性
面の場合だけでなく、+c極性面の場合であってもよ
い。ただし、この場合は前述のように、より過酷な裏面
処理条件が必要となる。
成されている素子について説明したが、図1および図2
に示したような基板表面側にp型、n型両電極が形成さ
れている素子の場合でも、同様の効果を得ることができ
る。
理にオルトリン酸を用いたが、オルトリン酸(H3P
O4)は加熱によって脱水縮合してピロリン酸(H4P2
O7)、トリリン酸(H5P3O10)、メタリン酸(HP
O3)となり、メタリン酸は多量体化して通常トリメタ
リン酸(H3P3O9)、テトラメタリン酸(H4P
4O12)として存在するので、これらのリン酸類を少な
くとも含む薬液を用いた場合でも、同様の効果を得るこ
とができる。窒化物半導体はこれらのリン酸類と反応し
て、リン酸ガリウムのキレート化合物を生成しやすいた
めである。
制するためには、これに硝酸および水を加えておくこと
が好ましい。これにより、窒化物半導体からなる基板裏
面を安定かつ再現性よくエッチングして凹凸面を得るこ
とができる。この薬液の温度は100℃未満では反応性
に乏しく、250℃を超えると脱水縮合が進むので10
0℃以上250℃以下で用いるのが好ましい。
して、リン酸処理以外に、溶融アルカリ処理等窒化物半
導体と反応しやすいウェットエッチングの方法を選ぶこ
とができる。また、異方性エッチングとなるような反応
性を有するドライエッチングを用いてもよい。
態による半導体レーザ装置を模式的に示す図である。G
aN系半導体レーザ素子がサブマウント113を介して
ジャンクションダウン配置でヒートシンク114に実装
されている状態を共振器に直交する断面で模式的に示し
たものである。半導体レーザ素子はGaN基板101上
にn−AlGaNコンタクト層102、n−AlGaN
クラッド層103、n−GaN光ガイド層104、Ga
InN/GaNからなるMQW活性層105、p−Ga
N光ガイド層106、リッジ状のp−AlGaNクラッ
ド層107およびp−GaNコンタクト層108が順次
積層されており、リッジの両側は絶縁膜110によって
埋め込まれ、p電極109がp−GaNコンタクト層1
08上に、n電極111がn−AlGaNコンタクト層
102までエッチングされた表面上にそれぞれ形成され
てなる。
の裏面にもヒートシンク114が設けられている点であ
る。これにより、裏面からの放熱特性が向上する。サブ
マウント113およびヒートシンク114は、熱伝導率
の高い物質群の中から、実装に伴う熱歪み発生を抑える
よう半導体レーザ素子との熱膨張係数差を考慮されて選
ばれる。通常サブマウント113にはダイヤモンド、S
iC、Si、AlN等が用いられる。ヒートシンク11
4は、半導体レーザ装置のパッケージ中でポストに相当
する部分であるが、Cu、コバール等の金属が用いられ
る。さらに、基板裏面に設けるヒートシンク114は放
射率が高いことが望ましく、通常、金属でよい。
図7に示したような平板状でもよいが、図8に示すよう
に、ヒートシンクの表面積を増加させるためにくし型状
としてもよい。また、図9に示すように、熱伝導性を高
めるために基板裏面を覆う金属パッド119を介してポ
ストのヒートシンク114に接続してもよい。
めに熱抵抗を測定したところ、比較のため基板裏面にヒ
ートシンクを設けずに作製した半導体レーザ装置では、
約25〜35℃/Wであったのに対して、本実施例に基
づきヒートシンクを固着させたものでは約15〜25℃
/Wと向上していた。そのため、例えば100℃CW動
作時の電流−光出力特性には改善が見られ、従来の課題
であった50〜100mW出力動作時におけるスロープ
効率の低下は認められなくなった。さらに、80℃60
mW出力動作時の素子寿命は伸張した。
シンクを固着させたことにより放熱特性が改善され、高
温高出力動作時の信頼性を向上させることができた。
用いた場合について説明したが、その他の窒化物半導
体、例えばAlGaN、GaInN等、あるいは、窒化
物半導体以外の基板、例えばSiC、Si、Al2O3等
を用いてもよい。
n型両電極が形成されている素子について説明したが、
基板裏面に電極が形成されている素子の場合でも、同様
の効果を得ることができる。
ジャンクションダウン配置で実装されている場合につい
て説明したが、ジャンクションアップ配置で実装されて
いる場合でも、基板表面にヒートシンクを固着させるこ
とにより、大きな効果を得ることができる。
が、高温高出力動作を必要とするような電子素子など他
の半導体素子およびその製造方法にも適用でき、高い信
頼性を与えるものである。
ーザ装置およびその製造方法によると、高温高出力動作
時にも放熱特性の良好な信頼性の高いGaN系半導体レ
ーザ装置を提供することができる。
断面の構造図
トを介して実装されている状態を示す共振器に直交する
断面の模式図
ーザ素子がサブマウントを介して実装されている状態を
示す共振器に直交する断面の模式図
ーザ素子の基板裏面の光学顕微鏡像を示す図
ーザ素子の基板裏面の光学顕微鏡像を示す図
0−1)面の極性を示す模式図
ーザ素子がサブマウントを介して実装されている状態を
示す共振器に直交する断面の模式図
ーザ素子がサブマウントを介して実装されている状態を
示す共振器に直交する断面の模式図
ーザ素子がサブマウントを介して実装されている状態を
示す共振器に直交する断面の模式図
Claims (11)
- 【請求項1】 窒化物半導体レーザ素子がジャンクショ
ンダウン配置で実装された半導体レーザ装置であって、
窒化物半導体レーザ素子の基板裏面が凹凸面であること
を特徴とする半導体レーザ装置。 - 【請求項2】 窒化物半導体レーザ素子の基板裏面の凹
凸面が六角錘状ファセット、六角錘台状ファセットある
いは柱状孔からなることを特徴とする請求項1に記載の
半導体レーザ装置。 - 【請求項3】 窒化物半導体レーザ素子の基板が窒化物
半導体からなることを特徴とする請求項1に記載の半導
体レーザ装置。 - 【請求項4】 窒化物半導体からなる基板の裏面にp型
あるいはn型の電極が形成されていることを特徴とする
請求項3に記載の半導体レーザ装置。 - 【請求項5】 窒化物半導体からなる基板の裏面が−c
極性面であることを特徴とする請求項3に記載の半導体
レーザ装置。 - 【請求項6】 窒化物半導体レーザ素子がジャンクショ
ンダウン配置あるいはジャンクションアップ配置で実装
された半導体レーザ装置であって、素子の表面、裏面の
いずれもがサブマウントあるいはヒートシンクに固着さ
れていることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 【請求項7】 窒化物半導体からなる基板上に半導体レ
ーザ装置を製造する方法であって、基板裏面を異方性エ
ッチングすることにより凹凸面を得る工程を含むことを
特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。 - 【請求項8】 窒化物半導体からなる基板上に半導体レ
ーザ装置を製造する方法であって、少なくともリン酸を
含有する薬液を用いて基板裏面を処理する工程を含むこ
とを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。 - 【請求項9】 リン酸がトリリン酸、メタリン酸、トリ
メタリン酸、テトラメタリン酸、ピロリン酸、オルトリ
ン酸の内から選ばれる少なくとも一つであることを特徴
とする請求項8に記載の半導体レーザ装置の製造方法。 - 【請求項10】 窒化物半導体からなる基板上に半導体
レーザ装置を製造する方法であって、オルトリン酸、硝
酸および水を含有する薬液を用いて基板裏面をエッチン
グすることにより凹凸面を得る工程を含むことを特徴と
する半導体レーザ装置の製造方法。 - 【請求項11】 薬液の温度が100℃以上250℃以
下であることを特徴とする請求項10に記載の半導体レ
ーザ装置の製造方法。
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