JP2004235610A - 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 Download PDF

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Abstract

【課題】 高い精度で、且つ確実に半導体レーザ素子が半導体基板に実装されることで、高い位置精度をもってレーザ光の出射ができる青色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】 半導体レーザ素子10は、p型層100上に形成されたSiN膜105との間に、Ti層110a、110bおよびAu層111a、111bに加えてヒートシンク層113およびはんだ層114(例えば、層厚4μm程度)を介して載置されている。
この中で、ヒートシンク層113は、Au層111aとTi層110bとの間に介挿されており、20μm程度の厚みを有する。このようにヒートシンク層113の厚みがAu層111a、111b(膜厚0.4μm)よりも厚いのは、これによって基板厚み方向における半導体レーザ素子10の取り付け位置を確保するためのものである。
また、半導体レーザ光の反射部となるミラー部50にはAl層116と誘電体層117があり、青色光に対して高反射率な特性を示す反射膜構造が形成されている。
【選択図】 図9

Description

本発明は、光ピックアップ装置などに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。
例えば、光ピックアップ装置は、対象とする光ディスクに対しレーザ光を出射するための半導体レーザ素子と、光ディスクで反射されて戻ってきたレーザ光を受光するための受光素子と、受光したレーザ光に基づいて受光素子で生成された電気信号を処理するための信号処理回路などから構成されている。
近年では、装置の小型化、および各光学素子のアライメント調整の簡略化などを図るために、上記半導体レーザ素子、受光素子、信号処理回路が一枚の半導体基板に設けられたものも開発されている(特許文献1)。
このように半導体レーザ素子と受光素子とを同一基板に形成しようとする際には、半導体レーザ素子の形成時に高い位置精度が必要となる。つまり、半導体レーザ素子とレーザ光の照射対象である光ディスクとの相対位置が高い精度で調整されていないと、装置としての機能に問題を生じてしまう。
このような半導体レーザ素子の取り付け精度を確保するために、予め基板に溝を形成しておき、この溝内にレーザ光の出射源としての半導体レーザ素子のバンプ電極をはめ込むという技術も開発されている(特許文献2)。
特開昭64−27288号公報 特開平9−326535号公報
しかしながら、上記特許文献1に開示の技術では、基板に対する半導体レーザ素子の位置精度をある程度確保することができるが、特に基板の厚み方向(溝の深さ方向)に対する精度を十分に確保できない。即ち、半導体基板の表面における半導体レーザ素子を接合しようとする箇所には、半導体レーザ素子との接続のために金(Au)からなる電極が予め形成され、この上にはんだ層を介して半導体レーザ素子が接合されることになるが、この際に、はんだ内のスズ(Sn)と電極内のAuとが化学反応してしまうので、溝底面と半導体レーザ素子との間の間隙が規定の数値からずれてしまう。
光ピックアップ装置では、半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が近傍のミラー部で装置上方(基板厚み方向)に反射され装置外へと出射されるが、半導体レーザ素子の取り付け位置が基板の厚み方向にずれた場合には、ミラー部におけるレーザ光の照射位置がずれてしまう。そして、ミラー部での照射位置がずれると、装置上方に出射されるレーザ光は、装置の面方向にずれることになる。よって、半導体レーザ素子が高さ方向にずれてしまった光ピックアップ装置においては、装置毎に装置と光ディスクとの間に設置される光学機器(例えば、フォログラムなど)の位置調整を行なうことが必要であり、製造プロセス上非常に煩雑なものとなる。
また、光ピックアップ装置では、半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が近傍のミラー部で装置上方(基板厚み方向)に反射され装置外へと出射されるが、上記特許文献1、2に開示の技術において、半導体レーザ光の波長は赤〜赤外光を想定したものとして、レーザ光の反射膜にはAu膜が用いられている。しかし、青色光を出射する半導体レーザを用いた場合、Au膜ではその材料物性から赤・赤外光と比較して反射率が低下し、十分な特性を確保することができない。即ち、Auに代わる青色高反射膜の採用が必要不可欠となる。
一方、従来より青色光の反射膜としてAlが高い反射率を示すことは知られていたが、半導体レーザ装置との融合という観点からは議論されておらず、それを実現するためのプロセスについての提案はなされていない。
従って、本発明は、このような問題を解決しようとなされたものであって、青色半導体レーザ素子が高い精度で、且つ確実に半導体基板に実装されることにより、高い位置精度をもってレーザ光を出射できる半導体レーザ装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、半導体基板に設けられた凹部に半導体レーザ素子が収納され、凹部の側壁には半導体レーザ素子から半導体基板の表面と略平行な方向に出射されたレーザ光を半導体基板の厚み方向に反射する光学反射面が形成され、凹部の底面と半導体レーザ素子との間に、厚み方向における半導体レーザ素子の位置を調整する機能を有し、且つ駆動時の半導体レーザ素子の熱を逃がす機能を有するヒートシンク層と、接合層とが介挿されてなる半導体レーザ装置であって、ヒートシンク層と接合層とは、その間に、導電性を有し、且つヒートシンク層と接合層とが互いに相手方の層に拡散するのを抑制する機能を有する拡散抑制層が介挿された状態で接合されていることを特徴とする。
この半導体レーザ装置では、ヒートシンク層と接合層との間に拡散抑制層が介挿されることで、半導体レーザ素子を接合する際に、ヒートシンク層と接合層との間で、互いに相手方の層への拡散が防止され、これにより接合層および金属電極層の体積変化を抑制することができる。
従って、本発明に係る半導体レーザ装置では、高い精度で、且つ確実に半導体レーザ素子が半導体基板に実装されるので、高い位置精度をもってレーザ光を出射できる。
また、上記半導体レーザ装置においては、拡散抑制層を、ヒートシンク層および接合層と構造的に合金相を形成することなく電気的にオーミック特性を有する組成で形成すれば、電気的にオーミック特性を有するとともに、接合層とヒートシンク層との間における互いの組成の拡散が抑制されるので望ましい。
また、具体的な接合層としては、はんだからなる層があげられ、ヒートシンク層としては、Auからなる層があげられ、また拡散抑制層としては、TiあるいはTiWからなるとともに、ヒートシンク層よりも厚みの薄い層があげられる。このような構成の半導体レーザ装置では、上記効果を得ることができるのとともに、半導体レーザ素子と半導体基板との間における電導性および伝熱性が優れることになる。
また、上記半導体レーザ装置においては、接合層と拡散抑制層との間に、AuまたはPtからなる金属薄膜を介挿させておけば、接合層と拡散抑制層との間の接合性を高めることができるので望ましい。
なお、この場合には、接合時に金属薄膜のAuまたはPtと接合層のSnとが反応を起こすことになるが、金属薄膜の厚みがヒートシンク層よりも薄いので、寸法変動も小さいものとすることができる。
また、接合層と拡散抑制層との間に金属薄膜を介挿させることにより、同じ厚み分を拡散抑制層だけから構成する(1層構造)よりも層表面の凹凸を小さくできるので、高い寸法精度をもって半導体レーザ素子を実装することができ、また、AuまたはPtからなる金属薄膜だけで全体を形成するよりも低コストで形成することができるという優位性が得られる。
上記半導体レーザ装置においては、凹部の底面とヒートシンク層との間にもTiまたはTiWからなる層とAuまたはPtからなる金属薄膜とを介挿しておけば、ヒートシンク層だけで接合時における半導体レーザ素子の位置(高さ方向)を規定する場合よりも高い精度を得ることができるので望ましい。
また、上記半導体レーザ装置において、光学反射面を半導体基板の表面に対して略45°の傾斜角を有するとともに、表面にAuまたはPtからなる金属薄膜の上にAlと誘電体膜の多層膜からなる構造を有するように形成しておけば、青色光に対する光学反射面を形成することができるので装置の製造コストを低減することができる。この場合において、この金属薄膜が接地されていることが望ましい。
上記半導体レーザ装置において、凹部の底面とヒートシンク層との間の金属薄膜、および光学反射面における金属薄膜についてもヒートシンク層よりも薄く形成しておくことが望ましい。
さらに、半導体レーザ装置にあっては、凹部の周辺領域に光ディスクで反射されてきたレーザ光を受光するための受光素子部と、受光素子部で生成された電気信号を処理する信号処理回路部と、装置外との信号の入出力のためのボンディングパッド部とを形成することもあるが、このような半導体レーザ装置においては、信号処理回路部およびボンディングパッド部が形成された領域における最表面もAuまたはPtからなる金属薄膜で覆っておくことが望ましい。これは、信号処理回路部における基板最表面の金属薄膜が遮光機能を果たすことにより、回路の動作を安定化でき、また、ボンディングパッド部における金属薄膜がワイヤボンディング時の良好なオーミック形成に寄与する。また、AuおよびPtは、耐腐食性に優れるので、これで上記部分の最表面を覆っておくと、装置の耐腐食性を向上させるのにも効果的である。
上記半導体レーザ装置においては、信号処理回路部およびボンディングパッド部が形成された領域における最表面の金属薄膜を外部端子と接続しておき、任意の電圧を印加できるようにしておくことが望ましい。
また、本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、半導体基板の一部領域に、異方性エッチング法により側壁に半導体基板の表面に対して略45°の傾斜面を有する凹部を形成するステップと、凹部の底面に、表面から所望の深さまでSiN層をプラズマCVD法を用いて形成するステップと、底面におけるSiN層上に、TiまたはTiWからなる層とAuまたはPtからなる層とをスパッタ法を用いて順に積層するステップと、この積層された層上に、Auからなるヒートシンク層をメッキ法を用いて形成するステップと、ヒートシンク層の表面を、スパッタ法を用いてヒートシンク層よりも薄い厚みでTiまたはTiWからなる層とAuまたはPtからなる層とで順に被覆するステップと、Alからなる層と誘電体からなる層で順に被覆するステップと、誘電体膜とAlからなる層を除去するステップと、このステップでヒートシンク層上に設けられた層の上に、はんだを用いて半導体レーザ素子を接合するステップとを有し、被覆するステップにおいて、TiまたはTiWからなる層とAuまたはPtからなる層との2層を、その総厚みがヒートシンク層よりも薄くなるように形成することを特徴とする。
上記本発明の製造方法では、メッキ法で形成したヒートシンク層(Au)の上に、共にこれより厚みの薄いTiまたはTiWからなる層とAuまたはPtからなる層との2層をもって被覆した後に、はんだにより半導体レーザ素子を接合しているので、半導体レーザ素子を接合する際にはんだ中のSnがヒートシンク層中のAuと反応を生じることがなく、高い寸法精度をもって、且つ確実に半導体レーザ素子を半導体基板に実装することができる。
従って、本発明に係る製造方法では、半導体基板に対して半導体レーザ素子を、高い寸法精度で、且つ、確実に接合することができるので、高い位置精度をもってレーザ光を出射できる半導体レーザ装置を製造することができる。
なお、半導体レーザ素子を接合する際には、はんだとAuまたはPtからなる層との間で各層の組成の拡散が生じるが、このAuまたはPtからなる層はヒートシンク層よりも薄いので、直接ヒートシンク層とはんだ層とを接合させる場合に比べて半導体レーザ素子の寸法精度を高くできる。
上記製造方法においては、積層するステップおよび被覆するステップで傾斜面にもTiまたはTiWからなる層とAuまたはPtからなる層とを順に積層するようにすれば、わざわざ別ステップを設けなくても光学反射面を形成することができるので、製造コストの低減ができる。
また、誘電体膜とAlからなる層を除去するステップにおいて、前記傾斜面にTiまたはPtからなる層とAuまたはPtからなる層を順に積層した後、Alからなる層と誘電体からなる層とを積層し、傾斜面以外の領域を除去することにより、光学反射面のみに青色光の高反射率膜を形成することが可能となり、最小のステップで高品質な青色半導体レーザ装置を作製することができる。
また、上記製造方法においては、凹部の周辺に、光ディスクで反射され戻ってきたレーザ光を受光するための受光素子部と、受光素子部で受光され変換された電気信号を処理する信号処理回路部と、装置外との信号の入出力のためのボンディングパッド部とを形成しておき、積層するステップおよび被覆するステップで、信号処理回路部およびボンディングパッド部が形成された領域における表面にTiまたはTiWからなる層およびAuまたはPtからなる層を積層するようにすれば、信号処理回路における動作の安定化およびボンディングパッド部におけるAuまたはPtからなる層がワイヤボンディング時の良好なオーミック形成に寄与するので望ましい。
以上説明してきたように、本発明に係る半導体レーザ装置は、半導体基板に設けられた凹部に半導体レーザ素子が収納され、凹部の側壁には半導体レーザ素子から半導体基板の表面と略平行な方向に出射されたレーザ光を半導体基板の厚み方向に反射する光学反射面が形成され、凹部の底面と半導体レーザ素子との間に、厚み方向における半導体レーザ素子の位置を調整する機能を有し、且つ駆動時の半導体レーザ素子の熱を逃がす機能を有するヒートシンク層と、接合層とが介挿されてなる半導体レーザ装置であって、ヒートシンク層と接合層とは、その間に、導電性を有し、且つヒートシンク層と接合層とが相手方の層に拡散するのを抑制する機能を有する拡散抑制層が介挿された状態で接合されていることを特徴とする。
この半導体レーザ装置では、ヒートシンク層と接合層との間に拡散抑制層が介挿されることで、半導体レーザ素子を接合する際に、ヒートシンク層と接合層との間で、互いの組成が相手方の層に拡散するのが防止され、これにより接合層およびヒートシンク層の体積変化を抑制することができる。
従って、本発明に係る半導体レーザ装置では、高い精度で、且つ確実に半導体レーザ素子が半導体基板に実装されるので、高い位置精度をもってレーザ光を出射できる。
また、本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、半導体基板の一部領域に、異方性エッチング法により側壁に半導体基板の表面に対して略45°の傾斜面を有する凹部を形成するステップと、凹部の底面に、表面から所望の深さまでSiN層をプラズマCVD法を用いて形成するステップと、底面におけるSiN層上に、TiまたはTiWからなる層とAuまたはPtからなる層とをスパッタ法を用いて順に積層するステップと、この積層された層上に、Auからなるヒートシンク層をメッキ法を用いて形成するステップと、ヒートシンク層の表面を、スパッタ法を用いてヒートシンク層よりも薄い厚みでTiまたはTiWからなる層とAuまたはPtからなる層とで順に被覆するステップと、Alからなる層と誘電体からなる層で順に被覆するステップと、誘電体膜とAlからなる層を除去するステップと、このステップでヒートシンク層上に設けられた層の上に、はんだを用いて半導体レーザ素子を接合するステップとを有し、被覆するステップにおいて、TiまたはTiWからなる層とAuまたはPtからなる層との2層を、その総厚みがヒートシンク層よりも薄くなるように形成することを特徴とする。
この製造方法では、半導体レーザ素子を接合する際にはんだ中のSnがヒートシンク層中のAuと反応を生じることがなく、高い寸法精度を持って半導体レーザ素子を半導体基板に実装することができる。
また、青色光に対する高反射率を示すミラー部の構造が得られることから、高品質な青色半導体レーザ装置を実現することができる。
従って、本発明に係る製造方法は、半導体基板に対して半導体レーザ素子を、高い寸法精度で、且つ、確実に実装することができるので、高い位置精度をもってレーザ光を出射できる半導体レーザ装置を製造することができる。
(実施の形態1)
(全体構成)
本発明の実施の形態1に係る光ピックアップ装置について、図1および図2を用いて説明する。図1、2では、光ピックアップ装置の一部(以下、この部分を「半導体レーザ装置1」という。)を示している。
図1に示すように、本形態に係る光ピックアップ装置における半導体レーザ装置1には、光ディスク(不図示)に対してレーザ光を出射する半導体レーザ素子10とともに、受光素子部20、ボンディングパッド部30、遮光部40、ミラー部50などが形成されている。また、図1には示していないが、装置の内部には、信号処理回路部60も形成されている。
この半導体レーザ装置1は、全体が略直方体状をしており、一方の主表面に、その厚み方向に向け複数の凹部が設けられている。その中で装置中央部分に設けられた最も大きな凹部の内側底面には、半導体レーザ素子10が収納されている。そして、半導体レーザ素子10が収納された凹部は、その深さ方向の下部分における側壁面が装置の表面に対して45°の傾斜角を有するミラー部50となっており、表面がAu層で覆われている。即ち、半導体レーザ素子10からシリコン基板表面と略平行方向に出射されたレーザ光(出射光)は、ミラー部50で反射され、図1における装置上方に向けレーザ光を出射することができる。
また、半導体レーザ素子10が収納された凹部の両側周辺領域には、少し間隙をあけて合計6箇所に受光素子部20が形成されている。図1には、受光素子部20における凹部だけが描かれている。この凹部は、光ディスクで反射されて戻ってきたレーザ光を受光するためのものである。
また、受光素子部20が半導体レーザ素子10を中心に左右両側3箇所ずつ、計6箇所形成されているのは、戻ってきたレーザ光を各々の受光素子部20で受光し、その受光したレーザ光の光量差等から、種々の信号(例えば、フォーカスエラー信号、トラッキングエラー信号など)を信号処理回路部(図1では、不図示。)60に演算させるためである。
半導体レーザ装置1における主表面上における周縁領域には、12個のボンディングパッド部30が形成されている。これらボンディングパッド部30は、半導体レーザ装置1と外部回路とを接続するための端子としての役割を果たすものである。
なお、半導体レーザ装置1における上記の面は、ボンディングパッド部30が形成された領域を除いて、Au層で表面が覆われることによって遮光部40が形成されている。これは、装置の内部にレーザ光の影響が及ばないようにするために設けられているものである。
また、遮光部40は、Au層で表面が覆われているために、腐食から装置を保護するという機能も果たす。
次に、図2を用いて、本実施の形態に係る光ピックアップ装置における半導体レーザ装置1の内部構成について説明する。図2は、図1におけるA−A矢視断面図である。
図2に示すように、半導体レーザ装置1は、p型層100の上に、n型エピタキシャル層101、シリコン熱酸化膜(以下、「SiO2膜」という。)102、SiN膜103、層間絶縁膜としてのボロン・リン添加SiO2(以下、「BPSG」という。)膜104、SiN膜105が順に積層された構成の基板を有している。
また、半導体レーザ装置1における図中右側部分には、半導体レーザ素子10をその底面に半導体レーザ素子10を取り付けるための凹部115が形成されている。この凹部115においては、n型エピタキシャル層101、SiO2膜102、SiN膜103、層間絶縁膜としてのBPSG膜104は形成されておらず、p型層100の上にSiN膜105が積層された構成となっている。
また、図中における中央よりやや左側には、凹部21が形成されており、SiN膜103が露出するようになっている。この部分は、受光素子部20におけるレーザ光を受ける箇所である。
SiN膜105の面上には、一部領域を除いてTi層110a、Au層111a、Ti層110b、Au層111bが順に積層されている。Ti膜110a、110bは、ともに0.2μmの厚みを有しており、Au膜111a、111bは、ともに0.4μmの膜厚を有している。
これらTi層110a、110bおよびAu層111a、111bは、上記凹部21および溝部11、31で形成されていない以外は装置の表面全体を覆うように形成されている。
p型層100とn型エピタキシャル層101との境界部分においては、凹部21と凹部115との間にn型拡散層106が形成されている。n型拡散層106は、p型層100とn型エピタキシャル層101との境界を挟んで両層に渡って形成されている。
n型エピタキシャル層101とSiO2膜102との境界からn型エピタキシャル層101層の内側方向に向けての部分には、2箇所のn型拡散層107と3箇所のp型拡散層108が形成されている。
また、n型エピタキシャル層101とSiO2膜102との境界からn型エピタキシャル層101を貫通してp型層100に至る箇所には、ポリシリコンなどの埋め込みによる素子分離層109が3箇所形成されている。
なお、これらの層の構成などについては、広く知られた技術を用いたものであるので、個々での説明は省略する。
図示はしていないが、BPSG膜104を挟んだ上下には、各々に所望のパターン形成が行なわれたAl配線層が設けられている。この2層のAl配線層間を接続するようにスルーホール112a、112gが設けられている。
また、BPSG膜104の下側に設けられたAl配線層からは、上記n型拡散層107あるいはp型拡散層108に接続のためのスルーホール112b、112c、112d、112e、112fが設けられている。このようなスルーホール112a〜112gは、エッチングにより設けられた孔にWなどの物質が埋め込まれて形成されている。
図2の左部分に示すように、ボンディングパッド部30は、SiN膜105におけるスルーホール112aの上面に当たる部分が開口されており、Ti膜110aとスルーホール112aとが接続されている。これによって、ボンディングパッド部30は、上側のAl配線層における所要の部分との間で、信号あるいは電力の入出力が行なうための外部接続が可能となっている。そして、この部分では、Ti層110a、110bおよびAu層111a、111bがボンディングパッド部30毎に分離されており、各々のボンディングパッド部30どうしの間あるいはボンディングパッド部30と遮光部40とが電気的に分離されている。
受光素子部20は、光ディスクから反射されてきたレーザ光を受光するための凹部21と、これより変換された電気信号を信号処理回路部60へと送るための電極であるスルーホール112b、112cとから構成されている。
また、図中における上記受光素子部20の右隣部分には、2層のAl配線層(不図示)、n型エピタキシャル層101、n型拡散層107、p型拡散層108およびスルーホール112d〜112gによって、信号処理回路部60が形成されている。この信号処理回路部60は、上述のように合計6箇所の受光素子部20によって生成された電気信号を、演算処理によって各種信号(例えば、フォーカスエラー信号、トラッキングエラー信号など)に変換する部分である。
次に、図2の右部分に示すように、凹部115は、基板の厚み方向中程までが垂直の側壁面を有し、中程から内底面にかけての側壁がシリコン基板の表面方向に対して45°の傾斜角を有するように加工されている。そして、凹部115における一方向側の側壁(図では、左側側壁。)には、Ti層110a、110bおよびAu層111a、111bが積層されている。特に、45°の傾斜角を有する側壁面は、最表面に形成されたAu層111bによって半導体レーザ素子10から出射されたレーザ光を装置の上方に反射するためのミラー部50となっている。
半導体レーザ素子10は、p型層100上に形成されたSiN膜105との間に、Ti層110a、110bおよびAu層111a、111bに加えてヒートシンク層113およびはんだ層114(例えば、層厚4μm程度)を介して載置・接合されている。
この中で、ヒートシンク層113は、Au層111aとTi層110bとの間に介挿されており、20μm程度の厚みを有する。このようにヒートシンク層113がAu層111a、111b(膜厚0.4μm)よりも厚いのは、これによって装置の厚み方向における半導体レーザ素子10の取り付け位置を確保するためのものである。つまり、ヒートシンク層113は、駆動時における半導体レーザ素子10の熱を逃がすという機能とともに、半導体レーザ素子10における片側の電極という機能と、取り付け時における装置厚み方向の寸法精度確保のための台座としての機能を有する。
凹部115の内底において、半導体レーザ素子10が形成された領域とミラー部50とは、Ti層110a、110bおよびAu層111a、111bが溝部11によって分離されており、電気的に分離されている。
(半導体レーザ装置1が有する優位性)
上記半導体レーザ装置1では、受光素子部20と半導体レーザ素子10とを同一基板に実装しているので、装置のコンパクト化を図ることができる。これによって、半導体レーザ装置1では、レーザ光の出射部である半導体レーザ素子10と受光素子部20との間の間隙を小さくすることができるので、レーザ光の光路を効率的に設計することができ、半導体レーザ装置1と光ディスクとの間に配する各光学素子のアライメント調整の簡略化が可能となる。
また、ボンディングパッド部30においては、スルーホール112aの上面にTi層110a、110bおよびAu層111a、111bが積層されているので、組み立ての際のワイヤボンディングによる良好なオーミック形成を図ることができる。
また、遮光部40およびミラー部50は、その表面にともにAu層111bが形成されているので、同一プロセスで形成することが可能であり、製造コストの低減を図ることができる。
また、半導体レーザ素子10の実装の形態が本実施の形態における最も特徴的な部分である。以下で、この部分についての優位性について説明する。
一般に、半導体レーザ素子10は、側面からレーザ光が出射されるように実装される。このため、半導体レーザ素子10は、上記図1、2に示すとおり、凹部115を形成した上で、その底面に載置される。
半導体レーザ素子10を載置する際の装置の厚み方向における高さは、装置から出射されるレーザ光の位置を規定する上で最も重要な要因となる。そこで、プロセス上の製造誤差などがこの高さに影響を及ぼさないように、半導体レーザ素子10は、高さ調整機能を併せ持つヒートシンク層113を間に介した状態ではんだ層114をもって接合される。
しかし、ヒートシンク層113の上に直接はんだ層114を接合する場合には、ヒートシンク層113のAu元素とはんだ層114のSn元素とが化学反応を起こし、設計値通りの高さに半導体レーザ素子10を実装できない。
これに対して、本実施の形態に係る半導体レーザ装置1では、半導体レーザ素子10を接合するためのはんだ層114とヒートシンク層113との間に、Ti層110bおよびAu層111bを介挿させているので、Au元素とSn元素との化学反応による高さ変動は極微小なものに抑えられる。即ち、はんだ層114と直に接するAu層111bは、その厚みが0.4μm程度と、ヒートシンク層113の20μmと比べてはるかに薄く、Au層111bのAu元素とSn元素の反応により、半導体レーザ素子10の位置が設計値からずれた場合も、その変動は小さなものとなる。そして、半導体レーザ装置1では、Au層111bとヒートシンク層113との間に介挿されたTi層110bがヒートシンク層113とはんだ層114との間における拡散抑制層として機能することから、半導体レーザ素子10を高い位置精度をもって実装することができ、高い位置精度でレーザ光を出射することができる。
さらに、本実施の形態に係る半導体レーザ装置1では、半導体レーザ素子10を凹部115の内部に収納しているので、駆動時に半導体レーザ素子10から生じる熱が半導体基板の表面を伝達して信号処理回路部60に悪影響を及ぼすというようなことがなく、信号処理回路部60における動作の安定化という点からも優れている。
なお、上記半導体レーザ装置1では、ミラー部50を接地しておけば、レーザ光の照射によるキャリアのチャージアップを防ぐことができ、基板内に形成された信号処理回路部60などの保護を図ることができるので、望ましい。
また、上記半導体レーザ装置1では、遮光部40に任意の電圧を印加できるように外部端子と接続されている構成としておけば、信号処理回路部60での回路動作によって生じる受光部20での暗電流等を抑制することができる。例えば、回路動作により生じた固定電荷に起因した電界の影響を、遮光部40に印加した電圧によりキャンセルすることが可能となる。特に、本実施の形態に示したように、最表面の金属薄膜がAuまたはPtから構成されていれば、腐食や酸化等によるバイアス変動も生じ難くなるため効果がより顕著となる。
(半導体レーザ装置1の製造方法)
次に、上記半導体レーザ装置1の製造方法について、図3〜6を用いて説明する。図3〜図6では、半導体レーザ装置1を製造する上で、主となる半導体レーザ素子10を実装する部分について各工程を図示している。
先ず、図3(a)に示すように、p型層100上に、n型エピタキシャル層101、SiO2膜102、SiN膜103、BPSG膜104が順に積層された構成の基板に対して、KOHエッチングによってSiO2膜102を露出させた後、このSiO2膜102の一部を開口する。そして、SiO2膜102をマスクとして、Si異方性エッチングによって、側壁面の一部に装置表面に対してθ(45°)の傾斜角を有する凹部115を形成する。
なお、p型層100には、9.7°のオフアングルを有する(100)面方位基体を用い、この場合における(111)面が基体表面と45°の傾斜角を有する側壁として加工され、半導体レーザ装置1におけるミラー部50に相当する。
また、Si異方性エッチングには、20wt%KOH水溶液を用い、p型層100に対するエッチング深さを約40μmで規定した。
次に、図3(b)に示すように、凹部115の内壁面を含めた基板の表面全体に、蒸着法によりSiN膜105を形成する。
次に、図4(a)に示すように、SiN膜105の上に、スパッタ法を用いてTi層110a、Au層111aを順に積層する。各層の厚みは、上述のように、Ti層110aが0.2μmであり、Au層111aが0.4μmである。
なお、図示はしていないが、Ti層110aおよびAu層111aを形成するに当たっては、予め受光素子部20における凹部21、およびボンディンパッド部30におけるスルーホール112aの頂部におけるSiN膜105を除去しておく。
図4(b)に示すように、凹部115の底部におけるAu層111aの上に台座としての機能を兼ね備えるヒートシンク層113を、ウェットエッチングによって形成する。ヒートシンク層113の厚みは、上記図4(a)における凹部115の開口上端面から底面におけるAu層111aの表面までの距離を測定し、これより半導体レーザ素子10を所望の高さ位置に実装するために必用な距離に相当するものである。そして、ヒートシンク層113の厚みの中心値は、例えば、20μmである。ただし、この数値については、凹部115の深さの設定、あるいは、半導体装置1から光ディスクまでの光路長の設定などによって各々設定する必要がある。
なお、図4(b)では、ヒートシンク層113は、何処とも接続されていないように図示されているが、所望の配線などにスルーホールなどで接続可能なように、ミラー部50に相当する部分を除く領域を通って凹部115の外部などに続いている。この際、配線用と、台座用との2回に分けてウェットエッチングを行なってヒートシンク層113を形成してもよい。
図5に示すように、凹部115の底面にヒートシンク層113が形成された基板に対して、上記図4(a)と同様に、Ti層110bとAu層111bとを積層する。各層110b、111bについても、上記Ti層110aおよびAu層111aと同様に、各々0.2μm、0、4μmである。
図5(b)に示すように、ヒートシンク層113の上における第2被膜111に対して、メッキによってはんだ層114を形成する。このはんだ層114は、4μmの厚みで形成されている。
その後、図6(a)に示すように、フォトリソ法を用いて、ヒートシンク層113が形成された領域周囲のTi層110a、110bおよびAu層111a、111bを除去し、溝部11を形成する。ただし、このとき、ヒートシンク層113から延びる接続部分(不図示)については、残すようにする。
なお、図示はしていないが、この工程において、上記図2における溝部31、凹部20などについても、溝部11と同様にTi層110a、110bおよびAu層111a、111bの除去を行なうことで形成される。
最後に、図6(b)に示すように、予め作製された半導体レーザ素子10をはんだ層114を介して載置・接合し、半導体レーザ装置1が完成する。
以上のような製造方法では、半導体レーザ素子10を接合する際にも、はんだ層114のSnとヒートシンク層113のAuとが互いの層に対して拡散することが抑制され、反応を生じることがない。よって、半導体レーザ素子10を高い精度で接合することができる。つまり、ヒートシンク層113とはんだ層114との間に介されたTi層110bが拡散抑制層としての役割を果たす。そして、Au層111bとはんだ層114との間には、拡散による反応を生じることになるが、Au層111bの厚みは、0.4μmであり、ヒートシンク層113の厚み20μmよりも格段に薄いので、実質的に寸法精度を高めることができる。
また、上記図3〜6では、半導体レーザ素子10を載置する部分について主に説明したが、Ti層110a、110bおよびAu層111a、111bは、半導体レーザ装置1におけるボンディングパッド部30、遮光部40、ミラー部50に相当する部分に被膜されている。つまり、これらの被膜を同一工程により形成できるので、製造コストの面から優位である。
なお、半導体レーザ装置の製造方法は、ヒートシンク層113とはんだ層114との間に各々の組成であるAuおよびSnの拡散を抑制するための層が介挿できれば、上記図3〜6の工程に限定を受けるものではない。
また、ヒートシンク層113とはんだ層114との間には、Ti層110a、110bおよびAu層111a、111bを介挿させたが、Tiの代わりにTiW、あるいはMoなどを構成要素として用いてもよく、Auの代わりにPtを用いても同様の効果が得られる。
また、各工程において用いる方法についても、上記に限定されるものではない。例えば、Ti層110a、110bおよびAu層111a、111bの形成には、スパッタ法以外の真空蒸着法を用いるなどしてもよい。
(実施の形態2)
実施の形態2に係る光ピックアップ装置における半導体レーザ装置2について、図7および図8を用いて説明する。
本実施の形態に係る半導体レーザ装置2の基本構成は、上記実施の形態1に係る半導体レーザ装置1と同一であり、半導体レーザ素子10の電極の取り出し方法だけが異なっている。このため、上記半導体レーザ装置1と同様の部分については、同一の符号を付し、異なる部分のみを、以下で説明する。
図7に示すように、半導体レーザ素子10には、2つの電極15、16が凹部115の縁部から装置の縁部にかけて形成されている。
図示していないが、電極15、16は、SiN膜105の上に形成された、Ti層110aおよびAu層111a、ヒートシンク層113、Ti層110bおよびAu層111bから構成されている。そして、電極16については、凹部115の縁部において、半導体レーザ素子10が接続された部分のヒートシンク層113などとは電気的な分離が図られている。
電極16は、半導体レーザ素子10の上面側電極とワイヤボンディング17により接続されている。
一方、電極15は、ヒートシンク層113の下部から凹部115の側壁面を伝って形成されている。この構造について、図8を用いて少し詳しく説明する。図8は、図7におけるB−B断面を示す断面図である。
図8に示すように、半導体レーザ装置2においては、第1被膜110とヒートシンク層113との間にAu引出電極116が介挿されている。このAu引出電極116は、ウェットエッチングにより形成されたものであって、凹部115の側壁面を伝って基板の縁部まで延びている。
このように電極15、16が形成された半導体レーザ装置2では、基板の縁部でボンディングして外部回路と接続を図ることができるので、半導体レーザ素子10の部分から直接外部回路にボンディングする場合に比べて、過剰な応力が係るのを抑制することができる。
従って、半導体レーザ装置2では、上記実施の形態1に係る半導体レーザ装置1が有する優位性に加えて、多少の力か装置外からかかった場合にも、半導体レーザ素子10へのワイヤボンディングに配線切れを生じにくい。
(その他の事項)
上記実施の形態1、2では、本発明の特徴、効果について、光ピックアップ装置における半導体レーザ装置を一例に説明したが、本発明は、光ピックアップ装置に用いられる半導体レーザ装置に限定を受けるものではなく、半導体レーザ素子とミラー部との組み合わせを有する、半導体レーザ装置に対して適用することができる。
また、本発明は、上記Ti層110bによってヒートシンク層113とはんだ層114との間におけるAuおよびSnの拡散が抑制されるという部分以外、上記実施の形態1、2に限定を受けるものではない。例えば、上記実施の形態1、2では、拡散抑制層としてTi層110a、110bを形成したが、その組成としては、ヒートシンク層113およびはんだ層114と構造的に合金相を形成することなく電気的にオーミック特性を有する材料であれば用いることができ、Tiに限定されるものではない。例えば、Ti、W、Moからなる材料より選択される少なくとも1種を用いることができる。
また、Au層の代わりとしては、Pt層を用いてもよい。
さらに、上記実施の形態のように2層構造に限定されるものでもない。例えば、3層以上の構造などにしてもよい。
なお、Ti層110bだけをヒートシンク層113とはんだ層114との間に介挿させることも可能ではあるが、この場合、膜厚の関係から表面の凹凸が大きくなり半導体レーザ素子10の寸法精度を確保し難くなる。また、逆にAu層111bだけを介挿させる場合も同様である。よって、ヒートシンク層113とはんだ層114との間には、2層以上を介挿させることが望ましい。
さらに、上記実施の形態1、2では、受光素子部20が合計6箇所形成されているものを例にとったが、受光素子部20の形態などについてもこれに限定を受けるものではない。
(実施の形態3)
実施の形態3に係る光ピックアップ装置における半導体レーザ装置3について、図9および図10を用いて説明する。
本実施の形態に係る半導体レーザ装置3の基本構成は、上記実施の形態1に係る半導体レーザ装置1と同一であり、ミラー部50の構造だけが異なっている。このため、上記半導体レーザ装置1と同様の部分については、同一の符号を付し、異なる部分のみを、以下で説明する。
実施の形態1では、ミラー部の反射膜構造は表面よりAu層111b/Ti層110b/Au層111a/Ti層110aであるのに対し、本実施例では、図9に示すように、Au層111bの表面にAl層116と誘電体層117が形成されている。誘電体層には屈折率n=1.3〜1.5程度の値を有する材料が好ましく、SiOx(x≦2)、もしくはMgF2などが挙げられるが、加工性、安定性の観点からSiOxを用いることが好ましい。
図10(a)、(b)は、図9の構造を実現するための工程を図示している。図5(a)の後、Al層116と誘電体層117とを積層する。その後、フォトリソ法を用いて、ミラー部50の領域のみにAl層と誘電体層を残し、周囲の膜は除去する。ミラー部の形成が完了した後、工程は図5(b)へと進み、以後は同様である。
このようにして形成されたミラー部50において、波長410nmの光における反射率を測定したところ、Au層の28%であったのに対し、本発明のAl層+誘電体層では95%の値を示した。このように、ミラー部にAl層+誘電体層の構造を追加するだけで、青色光に対する高反射率な反射膜構造を得ることができ、高品質な青色半導体レーザ装置を提供することができる。
(その他の事項)
上記実施の形態1〜3では、本発明の特徴、効果について、光ピックアップ装置における半導体レーザ装置を一例に説明したが、本発明は、光ピックアップ装置に用いられる半導体レーザ装置に限定を受けるものではなく、半導体レーザ素子とミラー部との組み合わせを有する、半導体レーザ装置に対して適用することができる。
また、本発明は、上記Ti層110bによってヒートシンク層113とはんだ層114との間におけるAuおよびSnの拡散が抑制されるという部分以外、上記実施の形態1、2に限定を受けるものではない。例えば、上記実施の形態1、2では、拡散抑制層としてTi層110a、110bを形成したが、その組成としては、ヒートシンク層113およびはんだ層114と構造的に合金相を形成することなく電気的にオーミック特性を有する材料であれば用いることができ、Tiに限定されるものではない。例えば、Ti、W、Moからなる材料より選択される少なくとも1種を用いることができる。
また、Au層の代わりとしては、Pt層を用いてもよい。
また、Al層の代わりにAg層を用いることも可能であるが、形成工程上の安定性の観点から、Al層の方が好ましい。
さらに、上記実施の形態のように2層構造に限定されるものでもない。例えば、3層以上の構造などにしてもよい。
なお、Ti層110bだけをヒートシンク層113とはんだ層114との間に介挿させることも可能ではあるが、この場合、膜厚の関係から表面の凹凸が大きくなり半導体レーザ素子10の寸法精度を確保し難くなる。また、逆にAu層111bだけを介挿させる場合も同様である。よって、ヒートシンク層113とはんだ層114との間には、2層以上を介挿させることが望ましい。
さらに、上記実施の形態1、2では、受光素子部20が合計6箇所形成されているものを例にとったが、受光素子部20の形態などについてもこれに限定を受けるものではない。
本発明の半導体レーザ装置およびその製造方法は光ピックアップ装置に用いられる半導体レーザ装置にのみならず、半導体レーザ素子とミラー部との組み合わせを有する、半導体レーザ装置に対して有用である。
本発明の実施の形態1に係る光ピックアップ装置における半導体レーザ装置1を示す斜視図である。 図1におけるA−A断面を示す断面図である。 図1における半導体レーザ装置1のプロセス図である。 図1における半導体レーザ装置1のプロセス図である。 図1における半導体レーザ装置1のプロセス図である。 図1における半導体レーザ装置1のプロセス図である。 本発明の実施の形態2に係る光ピックアップ装置における半導体レーザ装置2の部分斜視図である。 図7における半導体レーザ装置2のB−B断面を示す断面図である。 本発明の実施の形態3に係る光ピックアップ装置における半導体レーザ装置3の部分斜視図である。 図9における半導体レーザ装置3のプロセス図である。
符号の説明
1、2.半導体レーザ装置
10.半導体レーザ素子
20.受光素子部
30.ボンディングパッド部
40.遮光部
50.ミラー部
100.p型層
101.n型エピタキシャル層
102.シリコン熱酸化膜
103、105.SiN膜
104.BPSG膜
106、107.n型拡散層
108.p型拡散層
110a、110b.Ti層
111a、111b.Au層
113.ヒートシンク層
114.はんだ層
115.凹部
116.Al層
117.誘電体層

Claims (14)

  1. 半導体基板に設けられた凹部に半導体レーザ素子が収納され、前記凹部の側壁には前記半導体レーザ素子から半導体基板の表面と略平行な方向に出射されたレーザ光を前記半導体基板の厚み方向に反射する光学反射面が形成され、前記凹部の底面と半導体レーザ素子との間に、前記厚み方向における前記半導体レーザ素子の位置を調整する機能を有し、且つ駆動時の前記半導体レーザ素子の熱を逃がす機能を有するヒートシンク層と、接合層とが介挿されてなる半導体レーザ装置であって、前記ヒートシンク層と接合層とは、その間に、導電性を有し、且つヒートシンク層と接合層とが互いに相手方の層に拡散するのを抑制する機能を有する拡散抑制層が介挿された状態で接合されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 前記拡散抑制層は、前記ヒートシンク層および前記接合層と構造的に合金相を形成することなく電気的にオーミック特性を有する元素からなる ことを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ装置。
  3. 前記接合層は、はんだからなる層であって、前記ヒートシンク層は、Auからなる層であり、前記拡散抑制層は、TiまたはTiWからなるとともに、前記ヒートシンク層よりも薄いことを特徴とする請求項2に記載の半導体レーザ装置。
  4. 前記接合層と拡散抑制層との間には、AuまたはPtからなる金属薄膜が介挿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。
  5. 前記凹部の底面とヒートシンク層との間には、TiまたはTiWからなる層とAuまたはPtからなる金属薄膜とが介挿されていることを特徴とする請求項3または4に記載の半導体レーザ装置。
  6. 前記光学反射面は、前記半導体基板の表面に対して略45°の傾斜角を有するとともに、表面にAuまたはPtからなる金属薄膜の上にAlと誘電体膜の多層膜からなる構造を有することを特徴とする請求項3から5の何れかに記載の半導体レーザ装置。
  7. 前記AuまたはPtからなる金属薄膜は、前記ヒートシンク層よりも薄いことを特徴とする請求項5に記載の半導体レーザ装置。
  8. 前記光学反射面の表面における金属薄膜は、接地されている
    ことを特徴とする請求項6または7に記載の半導体レーザ装置。
  9. 前記半導体基板における凹部の周辺領域には、レーザ光を受光するための受光素子部と、前記受光素子部で生成された電気信号を処理する信号処理回路部と、装置外との信号の入出力のためのボンディングパッド部とが形成されており、信号処理回路部およびボンディングパッド部が形成された領域における最表面は、AuまたはPtからなる金属薄膜で覆われていることを特徴とする請求項3から8の何れかに記載の半導体レーザ装置。
  10. 前記信号処理回路部および前記ボンディングパッド部が形成された領域における最表面の金属薄膜は、任意の電圧を印加できるように外部端子と接続されていることを特徴とする請求項9に記載の半導体レーザ装置。
  11. 請求項1から10の何れかの半導体レーザ装置を備える光ピックアップ装置。
  12. 半導体基板の一部領域に、側壁に半導体基板の表面に対して45°の傾斜面を有する凹部を異方性エッチング法を用いて形成するステップと、前記凹部の底面に、表面から所望の深さまでSiN層をプラズマCVD法を用いて形成するステップと、前記底面におけるSiN層上に、TiまたはTiWからなる層とAuまたはPtからなる層とをスパッタ法を用いて順に積層するステップと、前記AuまたはPtからなる層上に、Auからなるヒートシンク層をメッキ法を用いて形成するステップと、前記ヒートシンク層の表面を、スパッタ法を用いて、前記ヒートシンク層よりも厚みの薄いTiまたはTiWからなる層とAuまたはPtからなる層とAlからなる層と誘電体からなる層で順に被覆するステップと、誘電体膜とAlからなる層を除去するステップと、前記ヒートシンク層を覆うAuまたはPtからなる層の上に、はんだを用いて半導体レーザ素子を接合するステップとを有し、前記被覆するステップにおいて、AuまたはPtからなる層を、前記ヒートシンク層よりもその厚みを薄く形成することを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
  13. 誘電体膜とAlからなる層を除去するステップにおいて、前記傾斜面にTiまたはPtからなる層とAuまたはPtからなる層を順に積層した後、Alからなる層と誘電体からなる層とを積層し、傾斜面以外の領域を除去することを特徴とする請求項12に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
  14. 前記半導体基板における前記凹部の周辺には、レーザ光を受光するための受光素子部と、前記受光素子部で受光され変換された電気信号を処理する信号処理回路部と、装置外との信号の入出力のためのボンディングパッド部とが形成されており、前記積層するステップおよび被覆するステップでは、前記信号処理回路部およびボンディングパッド部が形成された領域における表面に、TiまたはTiWからなる層とAuまたはPtからなる層とを、順に積層することを特徴とする請求項12または13に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
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