JP2003060276A - 半導体発光装置およびその製造方法 - Google Patents
半導体発光装置およびその製造方法Info
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Abstract
発光装置では、モニター用の半導体レーザチップの光出
力と受光素子のモニター電流がリニアな関係にならない
ため、正確な光出力制御ができない。 【解決手段】 半導体レーザチップの全表面積(A)
と、半導体レーザチップの受光素子と向き合う面のレー
ザ光放射端面面積(B)の比Γとしたとき、Γ(A/
B)≦0.15とする。
Description
用いたレーザチップを有する半導体発光装置にかかわ
る。
体レーザが開発されてきている。このような技術の一例
として、特開平11−340571ではGaN基板を用
いた青紫色半導体レーザ(LD)素子が記載されてい
る。
造や特性に関しては詳細に記述されているが、マウント
方法や、半導体レーザ装置にした時に、半導体レーザチ
ップと共にステムにマウントされるフォトダイオード
(以下、PDと略す)に関する記述はない。
場合、半導体レーザ装置には、レーザチップの光出力を
モニターするためのPDがレーザチップと同じステム上
にマウントされる。
で用いられる半導体発光装置(レーザステム)の概略図
を示した。この半導体発光装置はステム601上にヒー
トシンク602が固着されている。更に、ヒートシンク
上にレーザチップ603がハンダで導電性接着されてい
る。レーザチップ603のヒートシンクと対向した面に
は、図示しないが一方の電極が形成されている。レーザ
チップ上部には図示しないがもう一方の電極が形成さ
れ、これらの電極は外部との導通のため、ワイヤー60
6によりステム本体から絶縁されたピン605もしくは
ステム本体と電気的に接続されている。そして、ステム
のピンに導通することによりレーザを発光させることが
できる。
603の後方に、光出力モニター用フォトダイオード6
04(以下PDと略す)の受光面がレーザチップ端面と
対向するように形成されている。このPDは、レーザ後
方端面より出るレーザ光(誘導放出光)の光出力を電流
値としてモニターするためのものである。このPDも電
極を持ち、これら電極と、ステムと絶縁されたピン、も
しくはステム本体とワイヤーにより適宜電気的に接続さ
れ、PDがレーザチップから出たレーザ光を受光した際
に生じるモニター電流を外部で測定することができる。
試作し、図10に示すようなレーザステムにPDと共に
マウントし半導体レーザを作製した。実際に、動作さ
せ、PDのモニター電流信号を測定しレーザの光出力の
制御を行った。
出射するため、PDはレーザ光のみならず自然放出光も
受光することになる。レーザ素子のレーザ駆動電流とレ
ーザ光+自然放出光の関係を図5に示す。閾値電流値を
越えるとレーザ発振が起こり、レーザチップから放出さ
れるレーザ光の光出力は著しく増大する。図5に示すよ
うに動作するレーザチップの光出力をPDで受光した場
合、PDのモニター電流と駆動するレーザチップが放射
するレーザ光+自然放出光の光出力を図6にプロットし
た。つまり縦軸が駆動するレーザチップから実際に出射
されるレーザ光+自然放出光の光出力であり、横軸がそ
の光出力をモニターするPDのモニター電流である。こ
のレーザチップが実際に出している光出力と、PDのモ
ニター電流がGaAs系半導体レーザのようにリニアな
関係にあれば、光出力の制御が最も容易であり理想的で
ある。しかし、GaN基板を用いたGaN系半導体レー
ザは、図6に示すように直線は2つの傾きを持つことに
なり、レーザチップの光出力(レーザ光+自然放出光)
とPDのモニター電流とが比例しなくなり、正確にレー
ザチップが出すレーザ光の出力をモニターできなくなる
という問題が生じた。図6に示すように、サファイア基
板を用いたGaN系半導体レーザと比較しても、GaN
基板を用いたGaN系半導体レーザでの、実際レーザチ
ップが放出する光出力(レーザ光+自然放出光)とPD
のモニター電流のずれは非常に大きく、レーザの光出力
制御には大きな問題になることがわかった。また、CD
やDVD等のデータ読み出し、書き込みに用いられる、
光ピックアップとして、この半導体レーザ装置を使う場
合、PDを駆動回路の調整や、光学系の調整にのみ用い
て実際のLDの光出力の制御に用いないことがある。こ
の場合、光出力の制御は、半導体レーザ装置の内部に組
み込まれたPDを使用せず、半導体レーザの光出力の制
御を行っている。この様な場合、外部PDはレーザの誘
導放出光を主に受光するのに対して、内部PDはレーザ
の誘導放出光および自然放出光を受光することになる。
このため、内部PDで諸条件を調整しても、外部PDと
の受光量の違いから設定にずれを生じてしまい、正確に
制御できず問題であった。
は、基板上に半導体レーザチップと半導体レーザチップ
からの光出力をモニターする受光素子とを有し、半導体
レーザチップと受光素子とを積載した半導体発光装置に
おいて、半導体レーザチップは、窒化物系半導体基板と
窒化物系半導体の積層体を有し、半導体レーザチップの
全表面積(A)と、半導体レーザチップの受光素子と向
き合う面のレーザ光放射端面面積(B)の比をΓとした
とき、Γ(A/B)≦0.15であることを特徴とす
る。
ーザチップの受光素子と向き合う面と受光素子の受光面
までの距離が500μm以上離れていることを特徴とす
る。
は、半導体レーザチップの受光素子と向き合う端面から
のレーザ光出力の30%を受光できることを特徴とす
る。
実施の形態1の半導体レーザ装置を示すマウント部の拡
大図である。図において、101はn型GaN基板であ
り、その上に窒化物系半導体の積層体102が形成され
ている。本明細書中で記述される半導体チップの端面面
積及び全表面積は、上記n型GaN基板101と窒化物
系半導体の積層体102をあわせた分の面積となる。ま
た、n型GaN基板101の裏面(窒化物半導体の積層
されていない面)にはn電極103が形成されており、
窒化物系半導体の積層体102上には、p電極104が
設けられている。以上が、本実施の形態の半導体レーザ
装置に用いられた半導体レーザチップ10の基本構成で
あり、その詳細については後述する。
上におかれる。本実施例の場合、支持基体はヒートシン
クである。支持基体とレーザチップ裏面に形成されたn
電極103との間にハンダ106が介在することによ
り、半導体レーザチップが支持基体105に積載・固定
されている。図示されないが、ハンダ106中にはn電
極103の金属材料とハンダ材料との合金が一部形成さ
れている。上記、支持基体105も導電性接着剤109
によってステム110に固定されている。この時、n電
極103と支持基体105の間のハンダ106と支持基
体105とステム110との間の導電性接着剤109は
同一材料のハンダを用いても良いし、別の材料であって
も問題はない。p電極104はステムのピン(従来例の
図10の605にあたる)とワイヤ108にて電気的に
接続されている。n電極は導電性接着剤であるハンダ1
06を通して支持基体105と、さらに導電性接着剤1
09を通してステム110に電気的に接触している。こ
こで、ピンは支持基体105とは絶縁された外部接続端
子に電気的に接続されており、これにより、本実施の形
態の半導体レーザ装置における半導体レーザチップ10
に外部より電流が供給される。
チップを端面から見た模式図である。本図はレーザチッ
プを支持基体105にマウントする前の状況を示してい
る。図においてレーザチップは、n型GaN基板101
側から順に、AlGaInNバッファ層201、n−A
lGaInNコンタクト層202、n−AlGaInN
クラッド層203、n−AlGaInNガイド層20
4、AlGaInN多重量子井戸活性層205、p−A
lGaInNガイド層206、p−AlGaInNクラ
ッド層207、p−AlGaInNコンタクト層208
が積層されている。なお、活性層にはAs、P等のV族
原料が0.01〜10%程度含まれていても良い。p−
AlGaInNガイド層206、p−AlGaInNク
ラッド層207及びp−AlGaInNコンタクト層2
08には、共振器方向に延伸したストライプ状のリッジ
211が設けられ、また、p電極104と窒化物半導体
の積層体102の間には、リッジ部分を除いて絶縁膜2
10が設けられている。このように、本実施の形態に用
いた半導体レーザチップは、いわゆるリッジストライプ
構造を有している。さらに、レーザチップの裏面側に
は、n電極103が形成されている。
導体レーザ装置の製造方法を説明する。
るプロセスを適宜使用して、n型GaN基板101上
に、図2に示したようなこの半導体レーザチップの単位
構造が多数形成された半導体レーザウェハを得た。この
ようなウェハを得る工程は周知技術であるので、その詳
細な記載は省略する。本実施の形態において、基板10
1の厚みは350μmであり、窒化物系半導体の積層体
102のトータルの厚みは約10μmであった。
研磨もしくはエッチングにより基板の一部を除去し、ウ
ェハの厚みを通常40〜150μm程度までに薄く調整
する。本実施の形態においては、研削機を用いてウェハ
の厚みを120μmに調整し、その後研磨機を用いて1
00μmまで調整した。(この厚さは、n型GaN基板
101とその上の窒化物系半導体の積層体102をあわ
せた厚さである。)次にウェハ裏面にn電極103を形
成した。ここで、n電極の層構造は、基板側からTi/
Al/Mo/Auの順で各々の厚さは、30/150/
8/150nmとした。Ti/Alの層は、n−GaN
基板とオーミックをとるための層であり、その上のMo
はAuとAlのコンタミネーションを防止するブロック
層、Auはマウントの際に上記ハンダ106と混合し、
強固にレーザチップをマウントするための層である。こ
のような薄い金属膜を膜厚の制御性良く形成するには、
真空蒸着法が適しており、本実施の形態でもこの手法を
用いたが、イオンプレーティング法やスパッタ法等の他
の手法を用いても良いことは言うまでもない。
個々の半導体レーザチップに分割した。この工程は、以
下のように実施した。裏面側を上にしてステージ上に上
記得られたウェハを置き、光学顕微鏡を用いて傷いれ位
置をアライメントし、ウェハ裏面(n型GaN基板)に
ダイヤモンドポイントでスクライブラインを入れた。そ
れから、ウェハに適宜力を加え、スクライブラインに沿
ってウェハを分割することで、図2に示されるような、
個々のレーザチップを作製した。ここでは、スクライビ
ング法によるチップ分割工程について説明したが、基板
裏面側から傷、溝等を入れてチップを分割する方法であ
れば、同様にアライメントが可能であり、このような他
の方法を用いても同じ効果が得られることは言うまでも
ない。他の手法として、ワイヤーソーもしくは薄板ブレ
ードを用いて傷入れもしくは切断を行うダイシング法、
エキシマレーザ等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、これをスクライブ
ラインと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、この部分を溝いれ加工を行うレ
ーザアブレーション法等を用いても同様にチップ分割工
程が可能であった。
μm、共振器長方向と垂直の方向に350μmの大きさ
で分割した。この時、Γは0.067となる。
ップを支持基体上にマウントした。この工程は、以下の
ように実施した。まず、図1に示される支持基体105
にハンダ106を塗布した。ここでは、Cuでできた支
持基体の表面にNi膜/Au膜が順にメッキ形成された
ものを用いた。ハンダ106には、AuSnを用い、そ
の塗布された後の厚みは1〜20μm程度であった。ハ
ンダはこのようにあらかじめ塗布により膜状に形成して
もよいし、他の製膜方法たとえば、蒸着法、スパッタ
法、印刷法、メッキ法等を用いてもよい。ただし、In
もしくはSnを主成分とするハンダの場合のように、室
温においてハンダが特に柔らかい場合には、生産性の極
めて高い塗布法を用いることが好ましかった。また、次
に支持基体105を350℃程度のハンダの融点より若
干高い温度まで加熱し、ハンダが溶けたところで、上記
得られたレーザチップを裏面側を下にして載せ、さら
に、荷重を加えながら、温度を1分程度保持し、n電極
103とハンダ106とを良く馴染ませた。これによ
り、n電極の最表面Au層は、ハンダ中に溶解し、ハン
ダ材料との合金が形成された。その後、支持基体を冷却
し、ハンダが固化したところで本工程を終えた。なお、
ここでは、本工程前にハンダを支持基体側に設けたが、
逆にレーザチップ側に設けるようにしてもよい。
ついて説明する。図3にPDと半導体レーザチップをマ
ウントした様子を示す。301はPD、302は半導体
レーザチップ、303はステム、304は支持基体であ
る。PDは通常レーザの光出力モニター用としてSiの
PDを用いた。ただし、本発明においてPDの材質はS
i以外のものでも全く問題はない。図3に示されるよう
に、PD301をPDの受光面をレーザ素子302の端
面に対向する形で、ハンダを用いてステム上にマウント
した。PDの受光面に一部にp電極を形成し、このp電
極はステムから絶縁されたピンにワイヤで接続される。
PDの受光面とレーザ素子のPD受光面と対向する側の
端面の間の距離は、500μmとした。また、PDの受
光面は700μm角であった。こうして、図10に示し
た従来例と同じマウント形態で半導体レーザ装置を作製
した。
いた窒化物系レーザ素子は、従来からある、GaN系の
レーザ素子、またサファイア基板を用いたGaN系レー
ザ素子に比べてもPDで受光する自然放出光の量が多い
ことがわかった。この原因に関して、研究を重ねた結
果、GaN系基板を用いた窒化物系レーザ素子は、基板
上に製膜された半導体膜とほぼ同じ屈折率であり、基板
であるGaNが発光波長に対して透明であるために、半
導体膜で発光した自然放出光が半導体膜に閉じ込められ
ず、GaN基板側に多量に伝播していることがわかっ
た。この原因に関して図3を用いて詳細に説明する。図
3に示すように、GaN基板側に伝播した自然放出光
は、基板裏面で反射してレーザチップ302上部から外
部に放出されるもの(光路)と基板裏面で反射してレ
ーザチップ302の端面(側面)から外部に放出される
もの(光路)がある。光路で外部に放出される光の
うちPD301と対向するレーザ端面から放出された光
はPDに直接入射して受光されてしまう。この光路に
よる自然放出光がPD301に直接入射してしまうため
に、レーザチップの光出力(レーザ光+自然放出光)と
PDのモニター電流のずれが非常に大きくなってしまう
ことがわかった。
出力を減らすことが重要になる。本実施の形態では、光
路の光出力を低減するために、レーザチップの全表面
積:Aと前記レーザチップの前記受光素子と向き合うレ
ーザ光放射端面面積:Bの比Γ(Γ=A/B)が、0.
15以下とする事で、レーザチップのPD対向端面の面
積を減らし、これまで端面からPDに向け射出されてい
た光(光路)をレーザ素子上部から(光路)取り出
すことが可能であることを見出した。これにより、端面
から出射される光路の光出力を減少させることができ
た。
振直前のレーザ素子端面から出る自然放出光の光出力を
レーザチップの全表面積:Aと、前記レーザチップの前
記受光素子と向きあうレーザ光放射端面面積:7Bの比
Γ(Γ=A/B)を変化させてプロットしたものであ
る。PDの受光面と対向する側の端面間の距離は500
μmの場合である。図4に示すようにレーザ素子端面か
ら出る自然放出光の光出力は≦0.15の時減少し、Γ
>0.15では、自然放出光の光出力は飽和することが
わかった。これは、レーザ素子端面の面積が減少したた
めに、光路で出てきた光が光路に移りレーザ素子上
部から外部に放出されたためである。
ーザ素子では、図8に示すように、レーザチップの光出
力(レーザ光+自然放出光)とPDのモニター電流のず
れは、ほとんど見られなくな良好な比例関係を示した。
これにより、PDのモニター電流を用いることにより、
正確にレーザチップの出力を制御することが可能となっ
た。
子のPD受光面と対向する側の端面間の距離は500μ
mとした。しかし、図9に示すようにPDとLDの距離
の違いにより、PDが受光する自然放出光の量が変化す
る。また、PDの受光面積にも依存して自然放出光の量
が変化するが、通常PDの受光面積は200μmから1
mm角程度であり、この範囲であれば以下のに述べるP
DとLDの距離と自然放出光の量の関係はほぼ変化しな
いことを確認している。PDのチップ形状、受光部の形
状は正方形、もしくは長方形であってもなんら問題はな
い。図9では、レーザチップの基板厚は100μmであ
る。図9からわかるようにPDとLDとの距離が500
μmより近くなるとPDが受光する自然放出光の量が増
大する。このため、PDとLDの距離は500μm以上
離す必要がある、また、図示しなかったが、PDとLD
の距離が2000μmを超えると、レーザチップからで
るレーザ光(誘導放出光)自体が広がってしまい、PD
のSNを下げてしまうため好ましくない。この時、レー
ザチップのPD側の端面から出射されるレーザ光出力の
30%以上が入射されていれば問題ない。通常、レーザ
チップの後方にPDが配置されるが、PDはレーザチッ
プのPD側の端面から出射される誘導放出光と自然放出
光の両方を受光してしまう。このため、PDに入射する
レーザ光出力がPD側のレーザチップ端面から出射され
たレーザ光出力の30%以下になると、指向性の強い誘
導放出光が大幅に減少して、自然放出光の割合が増加し
てしまい、PDがレーザチップから出射される光出力を
正確にモニターできなくなってしまい問題となる。以上
まとめると、PDの受光面とレーザ素子のPD受光面と
対向する側の端面間の距離は500から2000μmの
間であることが好ましい。 (実施の形態2)本実施の形態ではレーザチップを支持
基体にマウントする形状が異なる以外は、実施の形態1
と同様である。本実施の形態1ではレーザチップを裏面
側を下にして載せ、マウントしたが、本実施の形態では
レーザチップをp電極が形成してある表面を下(支持基
体側)にしてマウントする。(ジャンクションダウン)
この様に、支持基体にマウントすることにより、レーザ
チップで駆動字に発生する熱を有効にステムに放出する
ことが可能となりレーザチップの温度上昇を低減するこ
とができる。本実施の形態のようにマウントした場合で
あっても、図4に示す結果と同じ結果をしました。Γ≦
0.15以下にすることにより、レーザチップ端面から
放出される自然放出光の光出力を低減できることがわか
った。
る基体とを備えた、半導体発光装置において、前記レー
ザチップの全表面積:Aと前記レーザチップの前記受光
素子と向き合うレーザ光放射端面面積:Bの比Γ(Γ=
A/B)が0.15以下とする事で、光出力モニター用
のPDに入射される自然放出光を大幅に低減することが
できた。これによって、レーザチップの光出力(レーザ
光+自然放出光)とPDのモニター電流のずれを大幅に
低減でき、レーザ装置の光出力を正確に制御することが
可能となった。
拡大図である。
る。
る。
る。
ある。
る。
ー電流に対するレーザ出力である。
光のグラフである。
Claims (3)
- 【請求項1】 基板上に半導体レーザチップと半導体レ
ーザチップからの光出力をモニターする受光素子とを有
し、半導体レーザチップと受光素子とを積載した半導体
発光装置において、 半導体レーザチップは、窒化物系半導体基板と窒化物系
半導体の積層体を有し、 半導体レーザチップの全表面積(A)と、半導体レーザ
チップの受光素子と向き合う面のレーザ光放射端面面積
(B)の比をΓとしたとき、Γ(A/B)≦0.15で
あることを特徴とする半導体発光装置。 - 【請求項2】 前記半導体レーザチップの受光素子と向
き合う面と受光素子の受光面までの距離が500μm以
上離れていることを特徴とする請求項1に記載の半導体
発光装置。 - 【請求項3】 前記受光素子は、半導体レーザチップの
受光素子と向き合う端面からのレーザ光出力の30%を
受光できることを特徴とする請求項1ないし2に記載の
半導体発光装置。
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---|---|---|---|
JP2001241555A JP2003060276A (ja) | 2001-08-09 | 2001-08-09 | 半導体発光装置およびその製造方法 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009099655A (ja) * | 2007-10-15 | 2009-05-07 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | ワイドギャップ半導体チップの鉛フリー半田付け方法 |
-
2001
- 2001-08-09 JP JP2001241555A patent/JP2003060276A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009099655A (ja) * | 2007-10-15 | 2009-05-07 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | ワイドギャップ半導体チップの鉛フリー半田付け方法 |
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