JP2004349595A - 窒化物半導体レーザ装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】長寿命な窒化物半導体レーザ装置を提供することである。
【解決手段】窒化物半導体レーザ装置は、窒化物半導体レーザダイオードのチップと、該チップの一方の面に形成されたｐ型電極１０１と、該チップの他方の面に形成されたｎ型電極１２０と、ｐ型電極１０１面に少なくとも金属膜１０２とハンダ１０３を介して接合されたサブマウント１０５とを備え、ｐ型電極１０１及び金属膜１０２からなる金属層は、チップに接する層から順に、少なくとも第１層、第２層、第３層、第４層を有し、ハンダは第５層であり、第１層は、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、及びＩｒのうち少なくとも１種類以上を含み、第２層は、Ｍｏであり、第３層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、及びＩｒのうち少なくとも１種類以上を含み、第４層は、Ａｕであり、第５層は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｉｎ、及びＰｂのうち少なくとも１種類以上を含むものとする。
【選択図】 図１
【解決手段】窒化物半導体レーザ装置は、窒化物半導体レーザダイオードのチップと、該チップの一方の面に形成されたｐ型電極１０１と、該チップの他方の面に形成されたｎ型電極１２０と、ｐ型電極１０１面に少なくとも金属膜１０２とハンダ１０３を介して接合されたサブマウント１０５とを備え、ｐ型電極１０１及び金属膜１０２からなる金属層は、チップに接する層から順に、少なくとも第１層、第２層、第３層、第４層を有し、ハンダは第５層であり、第１層は、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、及びＩｒのうち少なくとも１種類以上を含み、第２層は、Ｍｏであり、第３層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、及びＩｒのうち少なくとも１種類以上を含み、第４層は、Ａｕであり、第５層は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｉｎ、及びＰｂのうち少なくとも１種類以上を含むものとする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体レーザダイオードのチップをマウント部材に搭載した窒化物半導体レーザ装置と、その製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、青色から紫外線領域に及ぶ発光材料として窒化物半導体を用いたレーザ装置が開発、実用化されつつある。しかしながら、該レーザ装置の高温時での寿命、高出力特性は、充分とはいえない状況にある。該窒化物半導体のレーザ装置においては、投入電力を抑えて、発熱量を下げ、高温での寿命、高出力特性を改善する方法として、ｐ型電極の良好な電流−電圧特性を確保することが挙げられる。
【０００３】
例えば、特許文献１においては、ｐ型電極として、（コンタクト層側から）Ｎｉ、Ａｕ層を形成し、次にＯとＣｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、及びＲｈのうちのいずれか１種類以上の金属層を形成し、さらにＰｔ、Ｒｕ、Ｗ、Ｍｏのうちのいずれか１種類以上の金属層を形成し、該層の上にＡｕ層を形成する方法が示されている。また、非特許文献１においては、（コンタクト層側から）Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕを形成する方法が提示されている。
【０００４】
また、半導体レーザ装置においては、放熱性も重要な要素であり、その動作時にレーザダイオード（以下、ＬＤと記す）のチップ（以下、ＬＤチップと記す）で発生する熱を効率良く支持基体に放散させて、発光部の温度上昇にともなう特性劣化を抑制するために、導電性接合剤（ハンダ）を用いて、半導体ＬＤチップをマウント部材にダイボンディング（もしくはマウント）することが行われている。
【０００５】
上記の半導体ＬＤチップのマウント方法の中でも、ジャンクションダウン構造は、発熱が大きい活性層周辺、及びｐ型電極周辺からサブマウントまでの距離が近く、放熱性に優れるため、窒化物半導体レーザ装置の高出力化、長寿命化、高温安定性を実現する構造として、有望であると考えられている。
【０００６】
図１３は、従来のジャンクションダウン構造の半導体レーザ装置の断面模式図である。１０１はｐ型電極、１２０はｎ型電極、１６０１は導電性基板、１６０２は半導体成長層、１６０３は導電性基板１６０１と半導体成長層１６０２からなる窒化物半導体ＬＤチップ、１６０４は金属膜（半導体ＬＤチップ側）、１６０５はハンダ、１６０６は金属膜（サブマウント側）、１６０７は活性層、１６０８はサブマウントである。
【０００７】
ジャンクションダウン構造においては、通常、基板には導電性物質を用い、半導体成長層１６０２側にｐ型電極１０１、導電性基板１６０１側にｎ型電極１２０を形成し、半導体成長層１６０２側がサブマウント１６０８と対向するように、半導体ＬＤチップ１６０３をマウントしている。
【０００８】
半導体ＬＤチップ１６０３をマウント部材へマウントする方法を説明する。該マウント部材（ここではサブマウント１６０８）、及びハンダ１６０５を１００〜４００℃程度に加熱して（このとき、半導体ＬＤチップ１６０３は加熱しても、あるいは加熱しなくともよい）ハンダ１６０５を溶融し、その後、ハンダ１６０５を介して、サブマウント１６０８上にある（あるいはハンダ加熱後にサブマウント１６０８上に移動させた）半導体ＬＤチップ１６０３に圧力をかけて、半導体ＬＤチップ１６０３とサブマウント１６０８を接合させる。
【０００９】
図１３に示すように、ジャンクションダウン構造では、ｐ型電極１０１側の金属層（ｐ型電極１０１、及びｐ型電極下の金属膜１６０４）とハンダ１６０５が接することになる。このとき、ｐ型電極１０１側の金属層の材料の種類、積層方法、種類の組み合わせ、各層厚を適正化していないと、各金属層同士、ないしは金属層とハンダ１６０５の相互拡散が制御されず（相互拡散が望ましい箇所、望ましくない箇所がある）、ｐ型電極１０１側で電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）が劣化したり、半導体ＬＤチップ１６０３とサブマウント１６０８との接合強度が弱くなるといった問題が生じる。
【００１０】
【特許文献１】
特許第３２５５２２４号公報
【非特許文献１】
Ｊａｐａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ
Ｖｏｌ．４０（２００１）ｐｐ．３２０６−３２１０
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来は、窒化物半導体ＬＤチップのジャンクションダウン構造でのダイボンディング時の、ｐ型電極周辺の各金属層同士、ないしは金属層とハンダの相互拡散を充分に考慮していなかった。従って、ダイボンディング時に不要な金属がコンタクト層まで拡散して、ダイボンディング後のＩ−Ｖ特性が劣化したり、各金属層間の反応性により、半導体ＬＤチップとマウント部材との接合強度が弱くなるといった現象が発生する。
【００１２】
Ｉ−Ｖ特性が劣化すると、駆動電圧が上昇し、発熱しやすくなり、寿命の観点からも望ましくない。また、我々の検討によると、接合強度と半導体ＬＤチップからマウント部材への放熱性は密接に関係しており、接合強度が低下すると半導体ＬＤチップからマウント部材への放熱性も低下し、さらには寿命も短くなり好ましくない。
【００１３】
本発明は、上記の問題点に鑑み、長寿命な窒化物半導体レーザ装置、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、窒化物半導体レーザダイオードのチップと、該チップの一方の面に形成されたｐ型電極と、該チップの他方の面に形成されたｎ型電極と、前記ｐ型電極面に少なくとも金属膜とハンダを介して接合されたマウント部材とを備えた窒化物半導体レーザ装置であって、前記ｐ型電極及び前記金属膜からなる金属層は、前記チップに接する層から順に、少なくとも第１層、第２層、第３層、第４層を有し、前記ハンダは第５層であり、第１層は、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、及びＩｒのうち少なくとも１種類以上を含み、第２層は、Ｍｏであり、第３層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、及びＩｒのうち少なくとも１種類以上を含み、第４層は、Ａｕであり、第５層は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｉｎ、及びＰｂのうち少なくとも１種類以上を含むことを特徴とするものである。
【００１５】
この構成によると、Ｉ−Ｖ特性の劣化を防ぐとともに、各金属層間の反応性による半導体ＬＤチップとマウント部材との接合強度の劣化も防ぐことができ、長寿命な窒化物半導体レーザ装置を提供することができる。
【００１６】
なお第１層の層厚は、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。第１層が５ｎｍ未満である場合、ダイボンディング後に第２層が部分的にｐ型コンタクト層と接してしまい、充分なオーミック特性が得られない場合がある。一方、第１層が４００ｎｍより厚い場合、第２層が均一な膜厚で形成されにくくなり、ダイボンディング工程によって電極特性を劣化させる場合がある。
【００１７】
また第２層の層厚は、５ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが好ましい。第２層が５ｎｍ未満である場合、第１層を充分に保護することができず、ダイボンディング工程を経ることで、他層からの原子が、第１層、ｐ型コンタクト層表面へ拡散してしまい、Ｉ−Ｖ特性を悪化させるおそれがある。一方、第２層が４００ｎｍより厚い場合、層中の酸化物等の不純物の絶対量が増え、これらがダイボンディング時の加熱によりＭｏ層と他層との界面に移動、集中し、Ｉ−Ｖ特性を悪化させるおそれがある。このように、Ｉ−Ｖ特性が劣化すると、駆動電圧が上昇し、発熱しやすくなり、寿命も低下すると考えられる。
【００１８】
また第３層の層厚は、５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下であることが好ましい。第３層が５０ｎｍ未満である場合、ダイボンディング後のｐ型電極における接合強度が確保できない場合がある。一方、第３層が不必要に厚い場合（およそ５０００ｎｍを超える場合）、かえって、放熱が悪化するおそれがある。
【００１９】
本発明において、マウント部材とは、半導体ＬＤチップを直接積載するための部品を意味しており、例えば、半導体発光素子チップ用のサブマウントや、サブマウントを用いずに直接、保持体（ステム、フレームもしくはパッケージ）に積載する場合においては、このステムの支持基体、フレームもしくはパッケージ自身を指している。
【００２０】
また本発明において、ダイボンディング（もしくはマウント）とは、半導体ＬＤチップをマウント部材にハンダ等を用いて接合することを指す。また本発明において、ハンダとは、半導体ＬＤチップとマウント部材とを接合させる材料である。また本発明において、マウント面とは、半導体ＬＤチップを保持体へマウントする際、ハンダを挟んで保持体と対向する半導体ＬＤチップの面のことを指す。
【００２１】
また本発明において、ＬＤウェハとは、成長用の基板、及び該基板の上に成長させた半導体層を含むものである。また、半導体ＬＤチップとは、基板と半導体成長層を含めたものを指すが、基板、ないしは半導体成長層に電極や金属多層膜が形成されているときは、電極及び／或いは金属多層膜を含む場合もある。
【００２２】
なお図１３では、ｐ型電極とハンダとの区別をしているが、ｐ型電極とは窒化物半導体のｐ型コンタクト層に接する金属層及び該金属層の外層の一部を指し、ダイボンディング後は、ハンダと反応しているので厳密な区分けはできない。
【００２３】
また本明細書において、ｐ型電極側の金属層とは、ｐ型電極及びｐ型電極下のハンダ（金属膜）の両方を合わせたものを指す。
【００２４】
また、本明細書で説明する窒化物半導体とは、少なくともＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成された半導体を含むものとする。さらに、窒化物半導体は、その構成成分である窒素元素の約２０％以下が、Ａｓ、ＰおよびＳｂの元素群のうち少なくともいずれかの元素で置換されても構わない。また、前記窒化物半導体中にＳｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｂｅなど不純物がドーピングされていても良い。
【００２５】
【発明の実施の形態】
〈実施形態１〉
本実施形態では、ｐ型電極側の金属層がｐ型コンタクト層側からＰｄ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕ／Ａｕ−３０Ｓｎハンダであり、基板としてＧａＮ基板を使用した両面電極ＬＤチップを、ジャンクションダウンの方法で直接ステムへ搭載して製造した窒化物半導体レーザ装置について説明する。
【００２６】
図１は、本実施形態における窒化物半導体レーザ装置のチップ周辺の断面模式図である。本実施形態では、半導体層の成長に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いている。
【００２７】
図１において、１２１はｎ型電極上の金属多層膜、１２０はｎ型電極、１１９はｎ型ＧａＮ基板であり、基板１１９側から順に、厚さが３μｍのｎ型ＧａＮ層１１８、１．０μｍのｎ型クラッド層１１７（ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ）、０．１μｍのｎ型ガイド層１１６（ｎ型ＧａＮ）、活性層１１５（ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造）、０．０３μｍのｐ型蒸発防止層１１４（ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ）、０．１μｍのｐ型ガイド層１１３（ｐ型ＧａＮ）、０．６μｍのｐ型クラッド層１１２（ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ）、０．１μｍのｐ型コンタクト層１１１（ｐ型ＧａＮ）が積層されており、さらにｐ型電極側の金属層（ｐ型電極１０１、及びｐ型電極下の金属膜１０２）が形成されている。
【００２８】
また、１０７はリッジ幅（２．０μｍ）、１０８はリッジ高さ（０．６μｍ）、１０９は埋め込み領域の厚さ（０．６μｍ）である。なお、本実施形態ではリッジ高さ１０８と埋め込み領域の厚さ１０９は同一であるが、同一でなくとも本発明の効果は得られる。１０３はＡｕ−３０Ｓｎハンダ、１０５はＳｉＣサブマウント、１０６はＳｉＣサブマウント１０５の表面、１０４はＳｉＣサブマウント１０５上の金属膜である。
【００２９】
ここで、活性層１１５は、ｎ型ガイド層１１６に接する層から順に、ｎ型ＧａＮガイド層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層の構成である。また、ｐ型クラッド層１１２およびｐ型コンタクト層１１１には、フォトリソグラフィー技術により、共振器方向に延伸した幅２μｍのストライプ状のリッジを設け、ｐ型電極１０１とｐ型クラッド層１１２、ｐ型コンタクト層１１１の間にはリッジ部分を除いて、ＭＯＣＶＤ法により、厚さ０．６μｍの埋め込み領域（アンドープＡｌＮ）１１０を設けている。
【００３０】
ここで、ｐ型電極１０１は、ｐ型コンタクト層１１１に近い側から第１層としてのＰｄ（ダイボンディング前で０．０５μｍ）、第２層としてのＭｏ（ダイボンディング前で０．１５μｍ）である。その下層に、ｐ型電極下の金属膜１０２（ｐ型電極１０１側から第３層としてのＰｔ（ダイボンディング前で０．１０μｍ）、第４層としてのＡｕ（ダイボンディング前で０．１５μｍ））を設けている。更にその下層に第５層としてのＡｕ−３０Ｓｎハンダ（ダイボンディング前で２．０μｍ）が存在する。
【００３１】
図１に示すように、ｐ型電極１０１、ｐ型電極下の金属膜１０２、およびハンダ１０３は、窒化物半導体ＬＤチップとサブマウント１０５に挟まれる状態となる。
【００３２】
第１層のＰｄ層は、ｐ型コンタクト層１１１とオーミックをとるための層であり、第２層のＭｏ層は、相互拡散を抑えるブロック層として働き、第３層のＰｔ層は、Ｍｏ層と第４層のＡｕ層との間に介在してＭｏ層とＡｕ層の接合強度を上げる（ＰｔがＡｕ層及びＭｏ層へある程度相互拡散する）働きをする。
【００３３】
また、ｎ型電極１２０の層構成は、基板１１９側からＨｆ（０．０５μｍ）、Ａｌ（０．１５μｍ）である。ｎ型電極１２０上の金属多層膜１２１は、基板１１９側からＭｏ（０．０１μｍ）、Ｐｔ（０．１０μｍ）、Ａｕ（０．１５μｍ）の順で形成した。Ｈｆ／Ａｌの層は、ｎ型ＧａＮ基板１１９とオーミックをとるための層であり、その上のＭｏ層は相互拡散を抑えるブロック層、Ｐｔ層は、Ｍｏ層とＡｕ層との間に介在してＭｏ層とＡｕ層の接合強度を上げるための層、Ａｕはワイヤを打つための層である。
【００３４】
このような金属の薄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よい。
【００３５】
上記のように、電極及び金属多層膜を形成した後、５×１０−４Ｐａ以下の圧力中、もしくはＮ２、Ａｒ等の不活性ガス、Ｏ２のうち少なくとも１種以上を使用した雰囲気ガス中において、２００℃以上７００℃以下の温度で一定時間加熱処理を施しても良い。
【００３６】
本実施形態では上記に示す材料で半導体ＬＤチップを作製したが、材料は上記材料に限るものではなく、基板１１９には、ＧａＮ以外の他の窒化物半導体材料を使用したり、また、窒化物に限らず、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｒＢ２、ＧａＡｓを用いる等の変更が可能である。
【００３７】
また、成長層には窒化物半導体（例えばｐ型クラッド層１１２をｐ型ＡｌＧａＩｎＮ、活性層１１５をＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＰ等）を用いればよい。また、クラッド層に多重量子井戸を用いても良く、ｎ型ＧａＮ層１１８とｎ型クラッド層１１７の間に、ＩｎＧａＮクラック防止層を挿入してもよい。このように、本実施形態に用いた半導体ＬＤチップは、いわゆるリッジストライプ型構造を有している。
【００３８】
以下に、本実施形態の窒化物半導体レーザ装置の製造方法を説明する。図２は、個々の半導体レーザ構造が多数形成された窒化物半導体ＬＤウェハの模式図である。２０１はレーザ共振器端面、２０２はｐ型電極下の金属膜の表面、２１０はバー状に分割するための分割ライン（Ａ）、２１１はｐ型電極側の金属層（ｐ型電極１０１、及びｐ型電極下の金属膜１０２）、２１２はｎ型電極側の金属層（ｎ型電極１２０、及びｎ型電極上の金属膜１２１）である。
【００３９】
初めに、半導体素子の製造に用いられているプロセスを適宜適用して、半導体ＬＤウェハ上にＬＤ半導体成長層を形成する。上述したように、本実施形態では半導体層の成長にＭＯＣＶＤ法を用いている。
【００４０】
次に、ｎ型ＧａＮ基板の裏面側から、研磨もしくはエッチングにより、ウェハの厚みを、通常４０〜２００μｍ程度までに薄く調整する。これは、後の工程で、ウェハを分割し個々のＬＤチップに分割するのを容易にするための工程である。特に、レーザ共振器端面２０１を分割により形成する場合には、２５〜１５０μｍと、薄めに調整することが望ましい。本実施形態においては、研削機を用いてウェハの厚みを約１５０μｍに調整し、その後、研磨機を用いて約１００μｍまで調整した。ウェハの裏面は研磨機により磨かれているので平坦である。
【００４１】
次に、図２に示すように、この状態のウェハをストライプ方向と垂直な方向に劈開または、エッチングしてバー状にする。図３は、図２の窒化物半導体ＬＤウェハを分割ライン（Ａ）２１０で分割したＬＤバーの模式図である。図３において、３１０はチップに分割するための分割ライン（Ｂ）である。
【００４２】
次いで、図３のＬＤバーの状態において、レーザ共振器端面２０１に、光学薄膜のコーティングを蒸着法により、片方の共振器の端面にＳｉＯ２層及びＴｉＯ２層を被覆して、多層膜を形成する。このときマウント面であるｐ型電極側の金属層２１１にコーティングの誘電体膜がかからないようにする。
【００４３】
その後図３に示すように、分割ライン（Ｂ）３１０で切断することにより、ＬＤバーを個々の半導体ＬＤチップに分割し、後述する図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すような、窒化物半導体ＬＤチップを得る。
【００４４】
この工程は以下のように実施した。ｎ型電極側の金属層２１２側を上にしてステージ上にＬＤバーを置き、光学顕微鏡を用い傷入れ位置をアライメントし、ウェハ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、幅４００μｍ、共振器長６００μｍの窒化物半導体ＬＤチップを作製した。
【００４５】
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、他の手法として、ワイヤ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、この部分を蒸発させて溝入れ加工を行なう、レーザアブレーション法等を用いてもよい。
【００４６】
図４（ａ）は、上記の方法で得られた本実施形態のダイボンディング前の窒化物半導体ＬＤチップの裏面（ＧａＮ基板側）からの模式図であり、図４（ｂ）は、半導体ＬＤチップの表面（成長層側）からの模式図である。図中、４０１はｎ型電極上の金属膜の表面、１１０は埋め込み領域（基本的に絶縁性材料が望ましいが、リッジ部に電流が狭窄されるように、半導体成長層側の絶縁性が確保できれば、一部は伝導性があっても構わない）、４０２はＬＤチップ幅、４０３はＬＤチップ共振器長、４１０は上記全てを含めた半導体ＬＤチップを示す。
【００４７】
ジャンクションダウンの場合、ＬＤチップ４１０のｐ型電極下の金属膜の表面２０２側（成長層側、ｐ型電極側）がマウント面となる。本実施形態では、ＬＤチップ幅４０２は４００μｍ、ＬＤチップ共振器長４０３は６００μｍとしている。
【００４８】
次に、ダイボンディング法により、ＬＤチップ４１０をサブマウント１０５に搭載し、さらにＬＤチップ搭載のサブマウントをステムへ搭載する。
【００４９】
図５は、半導体レーザ装置の断面模式図、図６は、半導体レーザ装置の斜視図である。図５、図６において、５０１はステムの支持基体、５０２はＳｉＣサブマウント１０５とステムの支持基体５０１とを接合させるＰｂＳｎハンダ、５０３はＰｂＳｎハンダ５０２の接合強度を上げるための支持基体５０１側のＳｉＣサブマウント５０５上の金属膜、５０４は窒化物半導体ＬＤチップの半導体成長層、５０５はｐ型電極用のワイヤ、５０６はｎ型電極用のワイヤ、５０７はステムのピン、６０１はステム全体を指す。なお、ｐ型電極用のワイヤ５０５は、本実施形態のように導電性のないＳｉＣサブマウント１０５を使用する場合は必要であるが、Ｃｕサブマウントのように導電性がある場合は特に必要としない。
【００５０】
この工程は、以下のように実施した。上記で得られた半導体ＬＤチップ４１０を用意し、ＳｉＣサブマウント１０５上に、シート状のＡｕ−３０Ｓｎハンダ１０３、半導体ＬＤチップ４１０をｐ型電極１０１側を下にして載せ、３００℃程度まで加熱し、Ａｕ−３０Ｓｎハンダ１０３が溶けたところで半導体ＬＤチップ４１０に圧力をかけて、接合させる。
【００５１】
次にステム６０１の支持基体５０１上にシート状のＰｂＳｎハンダ５０２を載せ、ステム６０１をＰｂＳｎハンダ５０２の融点よりも若干高い１８０℃まで加熱し、ＰｂＳｎハンダ５０２が溶けたところで、前記の半導体ＬＤチップ４１０付きのＳｉＣサブマウント１０５をＰｂＳｎハンダ５０２／支持基体５０１の上へ載せる。ＰｂＳｎハンダ５０２が固化した後、ｎ型電極１２０上の金属膜１２１表面からｎ型電極用ワイヤ５０６をステムのピン５０７へ繋いだ。このようにして、図６に示す窒化物半導体レーザ装置が得られた。なお、支持基体５０１はＣｕを主体とする金属からなり、その表面にＰｄ膜／Ａｕ膜が順にメッキ形成されたものである。
【００５２】
上記の方法で製造した窒化物半導体レーザ装置の素子特性を、以下に説明する。Ｉ−Ｖ特性は、電流を５０ｍＡ流したときの電圧値を指標とし、本実施形態の素子（１０５個平均）では４．８５Ｖであった。
【００５３】
また、接合強度は、チップの側面から水平方向へ力を加え、チップがマウント部材から剥がれたときの値（ａｒｂｉｔ ｕｎｉｔ：以下ａ．ｕ．と記す）を指標とした。本実施形態の素子（３０個平均）では、接合強度は５２．６（ａ．ｕ．）であった。
【００５４】
放熱性は、熱抵抗（℃／Ｗ）を指標とし（電力を１Ｗ投入した場合の温度上昇を示す）、この値が小さい方が放熱性は良好である。本実施形態の素子（３５個平均）では、熱抵抗は９．６℃／Ｗであった。
【００５５】
寿命は、オートパワーコントロール（ＡＰＣ）「光出力＝３０ｍＷ、３０℃、ＤＣ」、初期電流値の１．２倍の電流値となる時間を指標とし、本実施形態の素子（３５個平均）では、寿命（平均故障時間（ＭＴＴＦ：Ｍｅａｎ Ｔｉｍｅ Ｔｏ Ｆａｉｌｕｒｅ））は２１１５時間であった。
【００５６】
以下に比較例を示し、実施形態１の半導体レーザ装置と比較、検討する。比較例１は、ｐ型電極側の金属層がｐ型コンタクト層側からＰｄ（０．０５μｍ）／Ｍｏ（０．１５μｍ）／Ａｕ（０．１５μｍ）／Ａｕ−３０Ｓｎハンダである窒化物半導体レーザ装置である。つまり、実施形態１の装置と比較すると、第３層であるＰｔが省略されている。
【００５７】
図７は、比較例１におけるｐ型電極側の金属層周辺の断面模式図である。７０１はＰｄ層、７０２はＭｏ層、７０３はＡｕ層を指す。ｐ型電極側の金属層形成時以外は実施形態１と同様の方法で作製した。この窒化物半導体レーザ装置の素子特性（平均値）を以下に説明する。
【００５８】
５０ｍＡの電流を流したときの動作電圧は４．９３Ｖ、また、接合強度は８．２（ａ．ｕ．）、熱抵抗は６７．３℃／Ｗ、寿命は４６．３時間（ＭＴＴＦ：光出力＝３０ｍＷ、３０℃、ＤＣ、ＡＰＣ）であった。
【００５９】
このように、比較例１と実施形態１は、Ｉ−Ｖ特性に関しては同等であったが比較例１の接合強度が減少している。比較例１の接合強度が実施形態１よりも低下する原因は、Ａｕ層７０３とＭｏ層７０２とが接しているためと考えられる。Ａｕ層７０３とＭｏ層７０２との界面においては、相互拡散量がかなり少なく、ダイボンディング工程によっても密着しない。逆に、ダイボンディング時の加熱により、Ａｕ層７０３やＭｏ層７０２中の酸化物等の不純物が影響して、Ａｕ層７０３とＭｏ層７０２との界面の接合強度が小さくなっているためであると推測される。
【００６０】
比較例１に対して、図８は、実施形態１におけるｐ型電極側の金属層周辺の断面模式図である。８０１はＰｔ層を示す。逆に実施形態１において接合強度が大きい理由は、Ａｕ層７０３とＭｏ層７０２は接しておらず、Ａｕ層７０３はＰｔ層８０１と接しており、Ａｕ層７０３とＰｔ層８０１の界面ではある程度の相互拡散が発生していることと、またＭｏ層７０２とＰｔ層８０１の間及びＭｏ層７０２とＰｄ層７０１の間でもある程度相互拡散が起こり、全体として、接合強度が確保されていると考えられる。相互拡散が一定以上の場合に接合強度が良好になる理由は明確ではないが、相互拡散が生じにくい場合、つまり、界面に不純物が偏析するような場合は、該偏析部から、各層が剥がれ易くなることが推測できる。
【００６１】
図９は、リッジの直上付近にのみｐ型電極が存在する窒化物半導体ＬＤのｐ型電極側の金属層周辺の断面模式図である。このように、リッジの直上付近にのみｐ型電極（Ｐｄ層７０１／Ｍｏ層７０２）が存在する場合においても、Ａｕ層７０３とＭｏ層７０２の間のＰｔ層８０１の働きにより、同様の良好な効果が得られる。同様に、ｐ型電極のサイズによらず、Ａｕ層７０３とＭｏ層７０２の間のＰｔ層８０１の働きにより、良好な効果が得られることを確認している。
【００６２】
本発明のように、Ａｕ層７０３とＰｔ層８０１、及びＡｕ層７０３とＰｄ層が接する場合ではＩ−Ｖ特性を確保し、さらに接合強度が向上するため、寿命が延びることを確認している。具体的には、（Ｐｄ（０．０５μｍ）／Ｍｏ（０．１５μｍ）／Ｐｄ（０．１０μｍ）／Ａｕ（０．１５μｍ））の場合で、寿命は２５５０時間（ＭＴＴＦ：光出力＝３０ｍＷ、３０℃、ＤＣ、ＡＰＣ）であった。
【００６３】
上記以外の本発明の例として、第１層としての、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、及びＩｒのうち少なくとも１種類以上を含む層と、第２層としてのＭｏ層との関係、また、第２層としてのＭｏ層と、第３層としての、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、及びＩｒのうち少なくとも１種類以上を含む層との関係、また、第４層としてのＡｕ層と、第３層としてのＰｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、及びＩｒのうち少なくとも１種類以上を含む層との関係についても、上記と同様に、適切な拡散が発生し、Ｉ−Ｖ特性を確保し、さらに接合強度が向上するため、寿命が延びると考えられる。
【００６４】
また、Ａｕ層と第３層の間に、ＮｉやＭｏ以外の金属層が挿入された場合、例えば、第３層と組成の異なるＰｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、及びＩｒのうち少なくとも１種類以上を含む層が挿入された場合、またＨｆ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｓｃ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｌａ、Ｗ、Ａｌ、Ｔｌ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａとその化合物を用いた場合においても、本発明と同様の効果が現れると考えられる。
【００６５】
逆に、Ａｕ層７０３とＮｉ層が接する場合、Ａｕ層７０３とＭｏ層７０２が接する場合等のような、Ａｕ層７０３がＰｄ層、ないしはＰｔ層８０１と接しない構造では、拡散量が低下し、接合強度、ひいては寿命が低下するため好ましくない。
【００６６】
比較例２は、ｐ型電極側の金属層がｐ型コンタクト層側からからＰｄ（０．０５μｍ）／Ｎｉ（０．１５μｍ）／Ｐｔ（０．１５μｍ）／Ａｕ（０．１５μｍ））である窒化物半導体レーザ装置である。
【００６７】
図１０は、比較例２におけるｐ型電極側の金属層周辺の断面模式図であり、１００１はＮｉ層を示す。ｐ型電極側の金属層形成時以外は、実施形態１と同様の方法で作製した。この窒化物半導体レーザ装置の素子特性（１２０個の平均値）を以下に説明する。
【００６８】
５０ｍＡの電流を流したときの動作電圧は５．８１Ｖ、また、接合強度は４８．９（ａ．ｕ．）、熱抵抗は２７．６（℃／Ｗ）、寿命は５１．３時間（ＭＴＴＦ：光出力＝３０ｍＷ、３０℃、ＤＣ、ＡＰＣ）であった。
【００６９】
このように、接合強度に関しては比較例２と実施形態１は同程度であったが、Ｉ−Ｖ特性は比較例２の方が低下していた。比較例２においてＩ−Ｖ特性が劣化する原因は、第１層であるＰｄ層にまでＮｉ、金属酸化物等の不純物、及びＰｔ等が比較的多く拡散してしまうことが考えられる。Ｉ−Ｖ特性が悪化することでレーザ発振に要する発熱量が増えて、寿命特性に悪影響を与えていると考えられる。
【００７０】
上記のＩ−Ｖ特性が悪化する傾向は、（ｐ型コンタクト層側から）Ｎｉ／Ａｕ／ＣｕＯ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、γ−ＧａＮ合金／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕのような場合においても同様であり、ｐ型コンタクト層側に接して、オーミック特性が確保できる金属にＭｏが接していない場合に見られる現象である。
【００７１】
逆に、実施形態１においてＩ−Ｖ特性が良好な理由は、ｐ型コンタクト層と接するＰｄ層７０１をＭｏ層７０２が保護し、他層からの拡散を抑制していると考えられる（Ｍｏ自身も比較的拡散が少ない）。
【００７２】
（第２層の適正な層厚）
次に、第２層のＭｏ層７０２の効果が見られる層厚について説明する。実施形態１ではＭｏ層の層厚が５ｎｍ以上４００ｎｍ以下において、（電流５０ｍＡでの）動作電圧が下がり寿命が向上した。またＭｏ層が５ｎｍ未満４００ｎｍより厚い場合、界面の接合強度が下がっていた。
【００７３】
この原因は、以下のように推測できる。第２層のＭｏ層が５ｎｍ未満である場合、第１層のＰｄ層を充分に保護することができず、他層からの原子、不純物等が、第１層のＰｄ層、ｐ型コンタクト層１１１表面へ拡散してしまい、Ｉ−Ｖ特性を悪化させていると考えられる。このとき、接合強度も低下している。
【００７４】
また、第２層のＭｏ層が４００ｎｍより厚い場合、層中の酸化物等の不純物の絶対量が増え、これらがダイボンディング時の加熱によりＭｏ層と他層との界面に移動・集中し、Ｉ−Ｖ特性を悪化させていると考えられる。このように、Ｉ−Ｖ特性が劣化すると駆動電圧が上昇し、発熱しやすくなり寿命も低下すると考えられる。
【００７５】
（第１層の適正な層厚）
次に、第１層の効果が見られる層厚について説明する。実施形態１では第１層の層厚が５ｎｍ以上３００ｎｍ以下において効果が見られた。
【００７６】
第１層のＰｄ層が５ｎｍ未満である場合、ダイボンディング時にＭｏ層が、ｐ型コンタクト層１１１と接してしまい、充分なオーミック特性が得られない場合がある。また、第１層のＰｄ層が３００ｎｍより厚い場合、第３層のＰｔ層中の酸化物等の不純物の絶対量が増え、これらがダイボンディング時の加熱により他層との界面に移動し、界面の接合強度を下げ、装置の特性を低下させていると考えられる。
【００７７】
（第３層の適正な層厚）
次に、第３層の効果が見られる層厚について説明する。実施形態１では第３層の層厚が５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下において効果が見られた。
【００７８】
第３層のＰｔ層が５０ｎｍ未満である場合、ダイボンディング時に第４層のＡｕ層との接合強度が確保できない。また、第３層のＰｔ層が５０００ｎｍより厚い場合、第３層のＰｔ層中の酸化物等の不純物の絶対量が増え、これらがダイボンディング時の加熱により第３層のＰｔ層と他層との界面に移動し、界面の接合強度を下げていると考えられる。
【００７９】
ここで、接合強度、熱抵抗、寿命の関係について説明する。接合強度が弱いということは、金属層界面での熱伝導性を妨げる不純物が偏析している可能性が高く、このため半導体ＬＤチップからの放熱性が劣り、熱抵抗が低下し、さらには窒化物半導体レーザ装置の寿命が低下すると考えられる。
【００８０】
本発明において、窒化物半導体ＬＤチップとマウント部材を接合するハンダは、Ａｕ−３０Ｓｎだけでなく、ＡｕＳｎ（Ａｕ−９０Ｓｎ等）、Ｉｎ、ＩｎＰｂ、ＩｎＳｎ、ＩｎＡｇ、ＩｎＡｇＰｂ、Ｓｎ、ＳｎＰｂ、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇ、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇＰｂ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＰｂＳｂ、ＰｂＳｂ、ＰｂＡｇ、もしくはＰｂＺｎを使用することで、接合強度を確保でき、第１層のＰｄ層へのハンダ等の拡散が抑えられ、窒化物半導体レーザ装置の熱抵抗、寿命が向上することを確認している。
【００８１】
〈実施形態２〉
図１１は、ｐ型電極１０１がマウント全面を覆っていない場合の窒化物半導体ＬＤチップの活性層周辺の断面模式図である。図１１において、１４０１は埋め込み領域１１０下の金属層、１４１０はリッジ直上領域である。他の構成は実施形態１と同様である。
【００８２】
〈実施形態３〉
図１２は、金属層（ｐ型電極１０１、ｐ型電極下の金属層１０２、埋め込み領域下の金属層１４０１）がマウント全面を覆っていない場合の窒化物半導体ＬＤチップの活性層周辺の断面模式図である。他の構成は実施形態１と同様である。
【００８３】
以上、本発明は実施形態１〜３の形態をとることができる。その際、窒化物半導体ＬＤチップと接合するマウント部材の面の金属層構造は、マウント部材側からＭｏ、Ｎｉ、Ａｕ、もしくはＭｏ、Ｐｔ、Ａｕ、もしくはＴｉ、Ａｕ、もしくはＴｉ、Ｐｔ、Ａｕ、もしくはＭｏ、Ｔｉ、Ａｕを使用した場合でも同様の効果が現れる。実施形態１では、誘電体膜としてＴｉＯ２、およびＳｉＯ２を使用したが、他にもＡｌＮ、ＴｉＮ、ＳｉＮ、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯＮ、ＭｇＦ２あるいはその他の酸化物、フッ化物、もしくは窒化物を用いた場合でも同様の効果が現れる。
【００８４】
また、実施形態１では、片面の端面コーティングだけを行なったが、両面の端面コーティングを行なう場合も、本発明を適用することで、熱特性、寿命向上の効果が現れる。実施形態１では、サブマウントにＣｕを用いたが、他のサブマウントでも同様の効果が得られる。窒化物半導体より熱膨張率が大きい他の材料、例えば、Ａｇ、Ｆｅ、ＣｕＷ、ＢｅＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＧａＡｓ等に置き換えると窒化物半導体発光素子チップに圧縮歪を与えることができ、発光装置の特性を向上させることができる。さらに、熱伝導率の大きいものの方が、放熱性に優れるため好ましい。
【００８５】
また、実施形態１では、ＳｉＣサブマウントに半導体ＬＤチップを搭載したが、サブマウントを用いずに、直接ステムの支持基体に該半導体ＬＤチップを搭載してもよい。この場合、マウント部材はステムの支持基体となる。
【００８６】
また、実施形態１では、サブマウントとステムの支持基体の接着のためのハンダにＰｂＳｎハンダを用いたが、その他、融点の低いハンダ、例えば、Ｉｎ系ハンダのＩｎＰｂ、ＩｎＳｎ、ＩｎＡｇ、ＩｎＡｇＰｂ等、あるいは、Ｓｎ、ＳｎＰｂ、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇ、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇＰｂ、ＳｎＰｂＳｂ、ＳｎＡｇＣｕ等のＳｎを含むハンダ、あるいは、ＰｂＳｂ、ＰｂＡｇ、ＰｂＺｎ等のＰｂを含むハンダ、あるいは、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕなどの粉末を混入したエポキシ樹脂やポリイミド等を用いても同様の効果を得ることが可能である。
【００８７】
ハンダの形成は蒸着法以外に塗布法、スパッタ法、印刷法、メッキ法等を用いてもよく、シート状のハンダをステムの支持基体上に置いてもよいが、すでに半導体ＬＤチップとサブマウント間に存在するハンダへの悪影響を避ける意味で、できれば融点がハンダより低いものが望ましい。またハンダの形成は上記以外に蒸着法、塗布法、スパッタ法、印刷法、メッキ法等を用いてもよい。
【００８８】
また、実施形態１でｎ型電極はＨｆ／Ａｌを用いたが、Ｈｆ以外にＴｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｗ、Ａｌ、Ｔｌ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄとその化合物を用いてもよく、Ａｌ以外にＡｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｇｅとその化合物を用いてもよく、膜厚も上記厚さに限るものではない。
【００８９】
また、実施形態１の半導体ＬＤチップは、特定の例に限られるものではなく、基板として、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｒＢ２、ＧａＡｓや他の窒化物半導体材料を用いる等の変更が可能であり、また、半導体成長層の材料系として、例えば、ＧａＮαＸ１−α（０．５１≦α≦１）（ＸはＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ等のうち少なくとも１種類以上を含む元素）、ＢＮβＸ１−β（０．５１≦β≦１）、ＡｌγＮ１−γ（０．５１≦γ≦１）、ＡｌδＧａ１−δＮεＸ１−ε（０＜δ＜１、０．５１≦ε≦１）、ＩｎＮζＸ１−ζ（０．５１≦ζ≦１）、ＩｎηＧａ１−ηＮμＸ１−μ（０＜η＜１、０．５１≦μ≦１）、ＩｎνＧａξＡｌ１−ν−ξＮτＸ１−τ（０＜ν＜１、０＜ξ＜１、０．５１≦τ≦１）を用いてもよい。
【００９０】
また、実施形態１の半導体ＬＤチップのｐ型電極側の埋め込み材料は、ＳｉＯ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＩｎＮ等他の窒化物半導体を用いてもよい。
【００９１】
また、サブマウント積載面上に、さらに、ワイヤボンディング用のパッド部を設けることや、ダイボンディング時の位置合わせのための印を設けることができる。いわゆるマルチビームレーザのように、３以上の電極を有する半導体ＬＤチップを積載した半導体レーザ装置にも、上記原理に基づいて、本発明を応用することもできる。
【００９２】
さらに、ハンダとサブマウントとの間には、公知のごとく、種々の膜を介在させることが可能であり、例えば、サブマウントとハンダ間の密着性を向上させるための膜、サブマウントとハンダ間の反応を防止するための膜、さらには、これらの膜の間の密着性を高めたり、酸化を防止するための膜を適宜積層形成させてもよい。ハンダ、ボンディングパッド、サブマウント相互の間にも、同様の目的で、種々の膜を介在させることが想定される。
【００９３】
【発明の効果】
本発明によると、Ｉ−Ｖ特性の劣化を防ぐとともに、各金属層間の反応性による半導体ＬＤチップとマウント部材との接合強度の劣化も防ぐことができ、長寿命な窒化物半導体レーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１における窒化物半導体レーザ装置のチップ周辺の断面模式図である。
【図２】本発明の個々の半導体レーザ構造が多数形成された窒化物半導体ＬＤウェハの模式図である。
【図３】図２の窒化物半導体ＬＤウェハを分割ライン（Ａ）２１０で分割したＬＤバーの模式図である。
【図４】（ａ）実施形態１のダイボンディング前の窒化物半導体ＬＤチップの裏面（ＧａＮ基板側）からの模式図である。
（ｂ）半導体ＬＤチップの表面（成長層側）からの模式図である。
【図５】本発明の半導体レーザ装置の断面模式図である。
【図６】本発明の半導体レーザ装置の斜視図である。
【図７】比較例１におけるｐ型電極側の金属層周辺の断面模式図である。
【図８】実施形態１におけるｐ型電極側の金属層周辺の断面模式図である。
【図９】本発明のリッジの直上付近にのみｐ型電極が存在する窒化物半導体ＬＤのｐ型電極側の金属層周辺の断面模式図である。
【図１０】比較例２におけるｐ型電極側の金属層周辺の断面模式図である。
【図１１】本発明のｐ型電極がマウント全面を覆っていない場合の窒化物半導体ＬＤチップの活性層周辺の断面模式図である。
【図１２】本発明の金属層がマウント全面を覆っていない場合の窒化物半導体ＬＤチップの活性層周辺の断面模式図である。
【図１３】従来のジャンクションダウン構造の半導体レーザ装置の断面模式図である。
【符号の説明】
１０１ ｐ型電極
１０２ 金属膜
１０３ ハンダ
１０５ サブマウント（マウント部材）
１２０ ｎ型電極
２１１ 金属層
４１０ 窒化物半導体レーザダイオードのチップ
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体レーザダイオードのチップをマウント部材に搭載した窒化物半導体レーザ装置と、その製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、青色から紫外線領域に及ぶ発光材料として窒化物半導体を用いたレーザ装置が開発、実用化されつつある。しかしながら、該レーザ装置の高温時での寿命、高出力特性は、充分とはいえない状況にある。該窒化物半導体のレーザ装置においては、投入電力を抑えて、発熱量を下げ、高温での寿命、高出力特性を改善する方法として、ｐ型電極の良好な電流−電圧特性を確保することが挙げられる。
【０００３】
例えば、特許文献１においては、ｐ型電極として、（コンタクト層側から）Ｎｉ、Ａｕ層を形成し、次にＯとＣｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、及びＲｈのうちのいずれか１種類以上の金属層を形成し、さらにＰｔ、Ｒｕ、Ｗ、Ｍｏのうちのいずれか１種類以上の金属層を形成し、該層の上にＡｕ層を形成する方法が示されている。また、非特許文献１においては、（コンタクト層側から）Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕを形成する方法が提示されている。
【０００４】
また、半導体レーザ装置においては、放熱性も重要な要素であり、その動作時にレーザダイオード（以下、ＬＤと記す）のチップ（以下、ＬＤチップと記す）で発生する熱を効率良く支持基体に放散させて、発光部の温度上昇にともなう特性劣化を抑制するために、導電性接合剤（ハンダ）を用いて、半導体ＬＤチップをマウント部材にダイボンディング（もしくはマウント）することが行われている。
【０００５】
上記の半導体ＬＤチップのマウント方法の中でも、ジャンクションダウン構造は、発熱が大きい活性層周辺、及びｐ型電極周辺からサブマウントまでの距離が近く、放熱性に優れるため、窒化物半導体レーザ装置の高出力化、長寿命化、高温安定性を実現する構造として、有望であると考えられている。
【０００６】
図１３は、従来のジャンクションダウン構造の半導体レーザ装置の断面模式図である。１０１はｐ型電極、１２０はｎ型電極、１６０１は導電性基板、１６０２は半導体成長層、１６０３は導電性基板１６０１と半導体成長層１６０２からなる窒化物半導体ＬＤチップ、１６０４は金属膜（半導体ＬＤチップ側）、１６０５はハンダ、１６０６は金属膜（サブマウント側）、１６０７は活性層、１６０８はサブマウントである。
【０００７】
ジャンクションダウン構造においては、通常、基板には導電性物質を用い、半導体成長層１６０２側にｐ型電極１０１、導電性基板１６０１側にｎ型電極１２０を形成し、半導体成長層１６０２側がサブマウント１６０８と対向するように、半導体ＬＤチップ１６０３をマウントしている。
【０００８】
半導体ＬＤチップ１６０３をマウント部材へマウントする方法を説明する。該マウント部材（ここではサブマウント１６０８）、及びハンダ１６０５を１００〜４００℃程度に加熱して（このとき、半導体ＬＤチップ１６０３は加熱しても、あるいは加熱しなくともよい）ハンダ１６０５を溶融し、その後、ハンダ１６０５を介して、サブマウント１６０８上にある（あるいはハンダ加熱後にサブマウント１６０８上に移動させた）半導体ＬＤチップ１６０３に圧力をかけて、半導体ＬＤチップ１６０３とサブマウント１６０８を接合させる。
【０００９】
図１３に示すように、ジャンクションダウン構造では、ｐ型電極１０１側の金属層（ｐ型電極１０１、及びｐ型電極下の金属膜１６０４）とハンダ１６０５が接することになる。このとき、ｐ型電極１０１側の金属層の材料の種類、積層方法、種類の組み合わせ、各層厚を適正化していないと、各金属層同士、ないしは金属層とハンダ１６０５の相互拡散が制御されず（相互拡散が望ましい箇所、望ましくない箇所がある）、ｐ型電極１０１側で電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）が劣化したり、半導体ＬＤチップ１６０３とサブマウント１６０８との接合強度が弱くなるといった問題が生じる。
【００１０】
【特許文献１】
特許第３２５５２２４号公報
【非特許文献１】
Ｊａｐａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ
Ｖｏｌ．４０（２００１）ｐｐ．３２０６−３２１０
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来は、窒化物半導体ＬＤチップのジャンクションダウン構造でのダイボンディング時の、ｐ型電極周辺の各金属層同士、ないしは金属層とハンダの相互拡散を充分に考慮していなかった。従って、ダイボンディング時に不要な金属がコンタクト層まで拡散して、ダイボンディング後のＩ−Ｖ特性が劣化したり、各金属層間の反応性により、半導体ＬＤチップとマウント部材との接合強度が弱くなるといった現象が発生する。
【００１２】
Ｉ−Ｖ特性が劣化すると、駆動電圧が上昇し、発熱しやすくなり、寿命の観点からも望ましくない。また、我々の検討によると、接合強度と半導体ＬＤチップからマウント部材への放熱性は密接に関係しており、接合強度が低下すると半導体ＬＤチップからマウント部材への放熱性も低下し、さらには寿命も短くなり好ましくない。
【００１３】
本発明は、上記の問題点に鑑み、長寿命な窒化物半導体レーザ装置、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、窒化物半導体レーザダイオードのチップと、該チップの一方の面に形成されたｐ型電極と、該チップの他方の面に形成されたｎ型電極と、前記ｐ型電極面に少なくとも金属膜とハンダを介して接合されたマウント部材とを備えた窒化物半導体レーザ装置であって、前記ｐ型電極及び前記金属膜からなる金属層は、前記チップに接する層から順に、少なくとも第１層、第２層、第３層、第４層を有し、前記ハンダは第５層であり、第１層は、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、及びＩｒのうち少なくとも１種類以上を含み、第２層は、Ｍｏであり、第３層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、及びＩｒのうち少なくとも１種類以上を含み、第４層は、Ａｕであり、第５層は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｉｎ、及びＰｂのうち少なくとも１種類以上を含むことを特徴とするものである。
【００１５】
この構成によると、Ｉ−Ｖ特性の劣化を防ぐとともに、各金属層間の反応性による半導体ＬＤチップとマウント部材との接合強度の劣化も防ぐことができ、長寿命な窒化物半導体レーザ装置を提供することができる。
【００１６】
なお第１層の層厚は、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。第１層が５ｎｍ未満である場合、ダイボンディング後に第２層が部分的にｐ型コンタクト層と接してしまい、充分なオーミック特性が得られない場合がある。一方、第１層が４００ｎｍより厚い場合、第２層が均一な膜厚で形成されにくくなり、ダイボンディング工程によって電極特性を劣化させる場合がある。
【００１７】
また第２層の層厚は、５ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが好ましい。第２層が５ｎｍ未満である場合、第１層を充分に保護することができず、ダイボンディング工程を経ることで、他層からの原子が、第１層、ｐ型コンタクト層表面へ拡散してしまい、Ｉ−Ｖ特性を悪化させるおそれがある。一方、第２層が４００ｎｍより厚い場合、層中の酸化物等の不純物の絶対量が増え、これらがダイボンディング時の加熱によりＭｏ層と他層との界面に移動、集中し、Ｉ−Ｖ特性を悪化させるおそれがある。このように、Ｉ−Ｖ特性が劣化すると、駆動電圧が上昇し、発熱しやすくなり、寿命も低下すると考えられる。
【００１８】
また第３層の層厚は、５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下であることが好ましい。第３層が５０ｎｍ未満である場合、ダイボンディング後のｐ型電極における接合強度が確保できない場合がある。一方、第３層が不必要に厚い場合（およそ５０００ｎｍを超える場合）、かえって、放熱が悪化するおそれがある。
【００１９】
本発明において、マウント部材とは、半導体ＬＤチップを直接積載するための部品を意味しており、例えば、半導体発光素子チップ用のサブマウントや、サブマウントを用いずに直接、保持体（ステム、フレームもしくはパッケージ）に積載する場合においては、このステムの支持基体、フレームもしくはパッケージ自身を指している。
【００２０】
また本発明において、ダイボンディング（もしくはマウント）とは、半導体ＬＤチップをマウント部材にハンダ等を用いて接合することを指す。また本発明において、ハンダとは、半導体ＬＤチップとマウント部材とを接合させる材料である。また本発明において、マウント面とは、半導体ＬＤチップを保持体へマウントする際、ハンダを挟んで保持体と対向する半導体ＬＤチップの面のことを指す。
【００２１】
また本発明において、ＬＤウェハとは、成長用の基板、及び該基板の上に成長させた半導体層を含むものである。また、半導体ＬＤチップとは、基板と半導体成長層を含めたものを指すが、基板、ないしは半導体成長層に電極や金属多層膜が形成されているときは、電極及び／或いは金属多層膜を含む場合もある。
【００２２】
なお図１３では、ｐ型電極とハンダとの区別をしているが、ｐ型電極とは窒化物半導体のｐ型コンタクト層に接する金属層及び該金属層の外層の一部を指し、ダイボンディング後は、ハンダと反応しているので厳密な区分けはできない。
【００２３】
また本明細書において、ｐ型電極側の金属層とは、ｐ型電極及びｐ型電極下のハンダ（金属膜）の両方を合わせたものを指す。
【００２４】
また、本明細書で説明する窒化物半導体とは、少なくともＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成された半導体を含むものとする。さらに、窒化物半導体は、その構成成分である窒素元素の約２０％以下が、Ａｓ、ＰおよびＳｂの元素群のうち少なくともいずれかの元素で置換されても構わない。また、前記窒化物半導体中にＳｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｂｅなど不純物がドーピングされていても良い。
【００２５】
【発明の実施の形態】
〈実施形態１〉
本実施形態では、ｐ型電極側の金属層がｐ型コンタクト層側からＰｄ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕ／Ａｕ−３０Ｓｎハンダであり、基板としてＧａＮ基板を使用した両面電極ＬＤチップを、ジャンクションダウンの方法で直接ステムへ搭載して製造した窒化物半導体レーザ装置について説明する。
【００２６】
図１は、本実施形態における窒化物半導体レーザ装置のチップ周辺の断面模式図である。本実施形態では、半導体層の成長に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いている。
【００２７】
図１において、１２１はｎ型電極上の金属多層膜、１２０はｎ型電極、１１９はｎ型ＧａＮ基板であり、基板１１９側から順に、厚さが３μｍのｎ型ＧａＮ層１１８、１．０μｍのｎ型クラッド層１１７（ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ）、０．１μｍのｎ型ガイド層１１６（ｎ型ＧａＮ）、活性層１１５（ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造）、０．０３μｍのｐ型蒸発防止層１１４（ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ）、０．１μｍのｐ型ガイド層１１３（ｐ型ＧａＮ）、０．６μｍのｐ型クラッド層１１２（ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ）、０．１μｍのｐ型コンタクト層１１１（ｐ型ＧａＮ）が積層されており、さらにｐ型電極側の金属層（ｐ型電極１０１、及びｐ型電極下の金属膜１０２）が形成されている。
【００２８】
また、１０７はリッジ幅（２．０μｍ）、１０８はリッジ高さ（０．６μｍ）、１０９は埋め込み領域の厚さ（０．６μｍ）である。なお、本実施形態ではリッジ高さ１０８と埋め込み領域の厚さ１０９は同一であるが、同一でなくとも本発明の効果は得られる。１０３はＡｕ−３０Ｓｎハンダ、１０５はＳｉＣサブマウント、１０６はＳｉＣサブマウント１０５の表面、１０４はＳｉＣサブマウント１０５上の金属膜である。
【００２９】
ここで、活性層１１５は、ｎ型ガイド層１１６に接する層から順に、ｎ型ＧａＮガイド層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層の構成である。また、ｐ型クラッド層１１２およびｐ型コンタクト層１１１には、フォトリソグラフィー技術により、共振器方向に延伸した幅２μｍのストライプ状のリッジを設け、ｐ型電極１０１とｐ型クラッド層１１２、ｐ型コンタクト層１１１の間にはリッジ部分を除いて、ＭＯＣＶＤ法により、厚さ０．６μｍの埋め込み領域（アンドープＡｌＮ）１１０を設けている。
【００３０】
ここで、ｐ型電極１０１は、ｐ型コンタクト層１１１に近い側から第１層としてのＰｄ（ダイボンディング前で０．０５μｍ）、第２層としてのＭｏ（ダイボンディング前で０．１５μｍ）である。その下層に、ｐ型電極下の金属膜１０２（ｐ型電極１０１側から第３層としてのＰｔ（ダイボンディング前で０．１０μｍ）、第４層としてのＡｕ（ダイボンディング前で０．１５μｍ））を設けている。更にその下層に第５層としてのＡｕ−３０Ｓｎハンダ（ダイボンディング前で２．０μｍ）が存在する。
【００３１】
図１に示すように、ｐ型電極１０１、ｐ型電極下の金属膜１０２、およびハンダ１０３は、窒化物半導体ＬＤチップとサブマウント１０５に挟まれる状態となる。
【００３２】
第１層のＰｄ層は、ｐ型コンタクト層１１１とオーミックをとるための層であり、第２層のＭｏ層は、相互拡散を抑えるブロック層として働き、第３層のＰｔ層は、Ｍｏ層と第４層のＡｕ層との間に介在してＭｏ層とＡｕ層の接合強度を上げる（ＰｔがＡｕ層及びＭｏ層へある程度相互拡散する）働きをする。
【００３３】
また、ｎ型電極１２０の層構成は、基板１１９側からＨｆ（０．０５μｍ）、Ａｌ（０．１５μｍ）である。ｎ型電極１２０上の金属多層膜１２１は、基板１１９側からＭｏ（０．０１μｍ）、Ｐｔ（０．１０μｍ）、Ａｕ（０．１５μｍ）の順で形成した。Ｈｆ／Ａｌの層は、ｎ型ＧａＮ基板１１９とオーミックをとるための層であり、その上のＭｏ層は相互拡散を抑えるブロック層、Ｐｔ層は、Ｍｏ層とＡｕ層との間に介在してＭｏ層とＡｕ層の接合強度を上げるための層、Ａｕはワイヤを打つための層である。
【００３４】
このような金属の薄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よい。
【００３５】
上記のように、電極及び金属多層膜を形成した後、５×１０−４Ｐａ以下の圧力中、もしくはＮ２、Ａｒ等の不活性ガス、Ｏ２のうち少なくとも１種以上を使用した雰囲気ガス中において、２００℃以上７００℃以下の温度で一定時間加熱処理を施しても良い。
【００３６】
本実施形態では上記に示す材料で半導体ＬＤチップを作製したが、材料は上記材料に限るものではなく、基板１１９には、ＧａＮ以外の他の窒化物半導体材料を使用したり、また、窒化物に限らず、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｒＢ２、ＧａＡｓを用いる等の変更が可能である。
【００３７】
また、成長層には窒化物半導体（例えばｐ型クラッド層１１２をｐ型ＡｌＧａＩｎＮ、活性層１１５をＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＰ等）を用いればよい。また、クラッド層に多重量子井戸を用いても良く、ｎ型ＧａＮ層１１８とｎ型クラッド層１１７の間に、ＩｎＧａＮクラック防止層を挿入してもよい。このように、本実施形態に用いた半導体ＬＤチップは、いわゆるリッジストライプ型構造を有している。
【００３８】
以下に、本実施形態の窒化物半導体レーザ装置の製造方法を説明する。図２は、個々の半導体レーザ構造が多数形成された窒化物半導体ＬＤウェハの模式図である。２０１はレーザ共振器端面、２０２はｐ型電極下の金属膜の表面、２１０はバー状に分割するための分割ライン（Ａ）、２１１はｐ型電極側の金属層（ｐ型電極１０１、及びｐ型電極下の金属膜１０２）、２１２はｎ型電極側の金属層（ｎ型電極１２０、及びｎ型電極上の金属膜１２１）である。
【００３９】
初めに、半導体素子の製造に用いられているプロセスを適宜適用して、半導体ＬＤウェハ上にＬＤ半導体成長層を形成する。上述したように、本実施形態では半導体層の成長にＭＯＣＶＤ法を用いている。
【００４０】
次に、ｎ型ＧａＮ基板の裏面側から、研磨もしくはエッチングにより、ウェハの厚みを、通常４０〜２００μｍ程度までに薄く調整する。これは、後の工程で、ウェハを分割し個々のＬＤチップに分割するのを容易にするための工程である。特に、レーザ共振器端面２０１を分割により形成する場合には、２５〜１５０μｍと、薄めに調整することが望ましい。本実施形態においては、研削機を用いてウェハの厚みを約１５０μｍに調整し、その後、研磨機を用いて約１００μｍまで調整した。ウェハの裏面は研磨機により磨かれているので平坦である。
【００４１】
次に、図２に示すように、この状態のウェハをストライプ方向と垂直な方向に劈開または、エッチングしてバー状にする。図３は、図２の窒化物半導体ＬＤウェハを分割ライン（Ａ）２１０で分割したＬＤバーの模式図である。図３において、３１０はチップに分割するための分割ライン（Ｂ）である。
【００４２】
次いで、図３のＬＤバーの状態において、レーザ共振器端面２０１に、光学薄膜のコーティングを蒸着法により、片方の共振器の端面にＳｉＯ２層及びＴｉＯ２層を被覆して、多層膜を形成する。このときマウント面であるｐ型電極側の金属層２１１にコーティングの誘電体膜がかからないようにする。
【００４３】
その後図３に示すように、分割ライン（Ｂ）３１０で切断することにより、ＬＤバーを個々の半導体ＬＤチップに分割し、後述する図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すような、窒化物半導体ＬＤチップを得る。
【００４４】
この工程は以下のように実施した。ｎ型電極側の金属層２１２側を上にしてステージ上にＬＤバーを置き、光学顕微鏡を用い傷入れ位置をアライメントし、ウェハ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、幅４００μｍ、共振器長６００μｍの窒化物半導体ＬＤチップを作製した。
【００４５】
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、他の手法として、ワイヤ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、この部分を蒸発させて溝入れ加工を行なう、レーザアブレーション法等を用いてもよい。
【００４６】
図４（ａ）は、上記の方法で得られた本実施形態のダイボンディング前の窒化物半導体ＬＤチップの裏面（ＧａＮ基板側）からの模式図であり、図４（ｂ）は、半導体ＬＤチップの表面（成長層側）からの模式図である。図中、４０１はｎ型電極上の金属膜の表面、１１０は埋め込み領域（基本的に絶縁性材料が望ましいが、リッジ部に電流が狭窄されるように、半導体成長層側の絶縁性が確保できれば、一部は伝導性があっても構わない）、４０２はＬＤチップ幅、４０３はＬＤチップ共振器長、４１０は上記全てを含めた半導体ＬＤチップを示す。
【００４７】
ジャンクションダウンの場合、ＬＤチップ４１０のｐ型電極下の金属膜の表面２０２側（成長層側、ｐ型電極側）がマウント面となる。本実施形態では、ＬＤチップ幅４０２は４００μｍ、ＬＤチップ共振器長４０３は６００μｍとしている。
【００４８】
次に、ダイボンディング法により、ＬＤチップ４１０をサブマウント１０５に搭載し、さらにＬＤチップ搭載のサブマウントをステムへ搭載する。
【００４９】
図５は、半導体レーザ装置の断面模式図、図６は、半導体レーザ装置の斜視図である。図５、図６において、５０１はステムの支持基体、５０２はＳｉＣサブマウント１０５とステムの支持基体５０１とを接合させるＰｂＳｎハンダ、５０３はＰｂＳｎハンダ５０２の接合強度を上げるための支持基体５０１側のＳｉＣサブマウント５０５上の金属膜、５０４は窒化物半導体ＬＤチップの半導体成長層、５０５はｐ型電極用のワイヤ、５０６はｎ型電極用のワイヤ、５０７はステムのピン、６０１はステム全体を指す。なお、ｐ型電極用のワイヤ５０５は、本実施形態のように導電性のないＳｉＣサブマウント１０５を使用する場合は必要であるが、Ｃｕサブマウントのように導電性がある場合は特に必要としない。
【００５０】
この工程は、以下のように実施した。上記で得られた半導体ＬＤチップ４１０を用意し、ＳｉＣサブマウント１０５上に、シート状のＡｕ−３０Ｓｎハンダ１０３、半導体ＬＤチップ４１０をｐ型電極１０１側を下にして載せ、３００℃程度まで加熱し、Ａｕ−３０Ｓｎハンダ１０３が溶けたところで半導体ＬＤチップ４１０に圧力をかけて、接合させる。
【００５１】
次にステム６０１の支持基体５０１上にシート状のＰｂＳｎハンダ５０２を載せ、ステム６０１をＰｂＳｎハンダ５０２の融点よりも若干高い１８０℃まで加熱し、ＰｂＳｎハンダ５０２が溶けたところで、前記の半導体ＬＤチップ４１０付きのＳｉＣサブマウント１０５をＰｂＳｎハンダ５０２／支持基体５０１の上へ載せる。ＰｂＳｎハンダ５０２が固化した後、ｎ型電極１２０上の金属膜１２１表面からｎ型電極用ワイヤ５０６をステムのピン５０７へ繋いだ。このようにして、図６に示す窒化物半導体レーザ装置が得られた。なお、支持基体５０１はＣｕを主体とする金属からなり、その表面にＰｄ膜／Ａｕ膜が順にメッキ形成されたものである。
【００５２】
上記の方法で製造した窒化物半導体レーザ装置の素子特性を、以下に説明する。Ｉ−Ｖ特性は、電流を５０ｍＡ流したときの電圧値を指標とし、本実施形態の素子（１０５個平均）では４．８５Ｖであった。
【００５３】
また、接合強度は、チップの側面から水平方向へ力を加え、チップがマウント部材から剥がれたときの値（ａｒｂｉｔ ｕｎｉｔ：以下ａ．ｕ．と記す）を指標とした。本実施形態の素子（３０個平均）では、接合強度は５２．６（ａ．ｕ．）であった。
【００５４】
放熱性は、熱抵抗（℃／Ｗ）を指標とし（電力を１Ｗ投入した場合の温度上昇を示す）、この値が小さい方が放熱性は良好である。本実施形態の素子（３５個平均）では、熱抵抗は９．６℃／Ｗであった。
【００５５】
寿命は、オートパワーコントロール（ＡＰＣ）「光出力＝３０ｍＷ、３０℃、ＤＣ」、初期電流値の１．２倍の電流値となる時間を指標とし、本実施形態の素子（３５個平均）では、寿命（平均故障時間（ＭＴＴＦ：Ｍｅａｎ Ｔｉｍｅ Ｔｏ Ｆａｉｌｕｒｅ））は２１１５時間であった。
【００５６】
以下に比較例を示し、実施形態１の半導体レーザ装置と比較、検討する。比較例１は、ｐ型電極側の金属層がｐ型コンタクト層側からＰｄ（０．０５μｍ）／Ｍｏ（０．１５μｍ）／Ａｕ（０．１５μｍ）／Ａｕ−３０Ｓｎハンダである窒化物半導体レーザ装置である。つまり、実施形態１の装置と比較すると、第３層であるＰｔが省略されている。
【００５７】
図７は、比較例１におけるｐ型電極側の金属層周辺の断面模式図である。７０１はＰｄ層、７０２はＭｏ層、７０３はＡｕ層を指す。ｐ型電極側の金属層形成時以外は実施形態１と同様の方法で作製した。この窒化物半導体レーザ装置の素子特性（平均値）を以下に説明する。
【００５８】
５０ｍＡの電流を流したときの動作電圧は４．９３Ｖ、また、接合強度は８．２（ａ．ｕ．）、熱抵抗は６７．３℃／Ｗ、寿命は４６．３時間（ＭＴＴＦ：光出力＝３０ｍＷ、３０℃、ＤＣ、ＡＰＣ）であった。
【００５９】
このように、比較例１と実施形態１は、Ｉ−Ｖ特性に関しては同等であったが比較例１の接合強度が減少している。比較例１の接合強度が実施形態１よりも低下する原因は、Ａｕ層７０３とＭｏ層７０２とが接しているためと考えられる。Ａｕ層７０３とＭｏ層７０２との界面においては、相互拡散量がかなり少なく、ダイボンディング工程によっても密着しない。逆に、ダイボンディング時の加熱により、Ａｕ層７０３やＭｏ層７０２中の酸化物等の不純物が影響して、Ａｕ層７０３とＭｏ層７０２との界面の接合強度が小さくなっているためであると推測される。
【００６０】
比較例１に対して、図８は、実施形態１におけるｐ型電極側の金属層周辺の断面模式図である。８０１はＰｔ層を示す。逆に実施形態１において接合強度が大きい理由は、Ａｕ層７０３とＭｏ層７０２は接しておらず、Ａｕ層７０３はＰｔ層８０１と接しており、Ａｕ層７０３とＰｔ層８０１の界面ではある程度の相互拡散が発生していることと、またＭｏ層７０２とＰｔ層８０１の間及びＭｏ層７０２とＰｄ層７０１の間でもある程度相互拡散が起こり、全体として、接合強度が確保されていると考えられる。相互拡散が一定以上の場合に接合強度が良好になる理由は明確ではないが、相互拡散が生じにくい場合、つまり、界面に不純物が偏析するような場合は、該偏析部から、各層が剥がれ易くなることが推測できる。
【００６１】
図９は、リッジの直上付近にのみｐ型電極が存在する窒化物半導体ＬＤのｐ型電極側の金属層周辺の断面模式図である。このように、リッジの直上付近にのみｐ型電極（Ｐｄ層７０１／Ｍｏ層７０２）が存在する場合においても、Ａｕ層７０３とＭｏ層７０２の間のＰｔ層８０１の働きにより、同様の良好な効果が得られる。同様に、ｐ型電極のサイズによらず、Ａｕ層７０３とＭｏ層７０２の間のＰｔ層８０１の働きにより、良好な効果が得られることを確認している。
【００６２】
本発明のように、Ａｕ層７０３とＰｔ層８０１、及びＡｕ層７０３とＰｄ層が接する場合ではＩ−Ｖ特性を確保し、さらに接合強度が向上するため、寿命が延びることを確認している。具体的には、（Ｐｄ（０．０５μｍ）／Ｍｏ（０．１５μｍ）／Ｐｄ（０．１０μｍ）／Ａｕ（０．１５μｍ））の場合で、寿命は２５５０時間（ＭＴＴＦ：光出力＝３０ｍＷ、３０℃、ＤＣ、ＡＰＣ）であった。
【００６３】
上記以外の本発明の例として、第１層としての、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、及びＩｒのうち少なくとも１種類以上を含む層と、第２層としてのＭｏ層との関係、また、第２層としてのＭｏ層と、第３層としての、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、及びＩｒのうち少なくとも１種類以上を含む層との関係、また、第４層としてのＡｕ層と、第３層としてのＰｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、及びＩｒのうち少なくとも１種類以上を含む層との関係についても、上記と同様に、適切な拡散が発生し、Ｉ−Ｖ特性を確保し、さらに接合強度が向上するため、寿命が延びると考えられる。
【００６４】
また、Ａｕ層と第３層の間に、ＮｉやＭｏ以外の金属層が挿入された場合、例えば、第３層と組成の異なるＰｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、及びＩｒのうち少なくとも１種類以上を含む層が挿入された場合、またＨｆ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｓｃ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｌａ、Ｗ、Ａｌ、Ｔｌ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａとその化合物を用いた場合においても、本発明と同様の効果が現れると考えられる。
【００６５】
逆に、Ａｕ層７０３とＮｉ層が接する場合、Ａｕ層７０３とＭｏ層７０２が接する場合等のような、Ａｕ層７０３がＰｄ層、ないしはＰｔ層８０１と接しない構造では、拡散量が低下し、接合強度、ひいては寿命が低下するため好ましくない。
【００６６】
比較例２は、ｐ型電極側の金属層がｐ型コンタクト層側からからＰｄ（０．０５μｍ）／Ｎｉ（０．１５μｍ）／Ｐｔ（０．１５μｍ）／Ａｕ（０．１５μｍ））である窒化物半導体レーザ装置である。
【００６７】
図１０は、比較例２におけるｐ型電極側の金属層周辺の断面模式図であり、１００１はＮｉ層を示す。ｐ型電極側の金属層形成時以外は、実施形態１と同様の方法で作製した。この窒化物半導体レーザ装置の素子特性（１２０個の平均値）を以下に説明する。
【００６８】
５０ｍＡの電流を流したときの動作電圧は５．８１Ｖ、また、接合強度は４８．９（ａ．ｕ．）、熱抵抗は２７．６（℃／Ｗ）、寿命は５１．３時間（ＭＴＴＦ：光出力＝３０ｍＷ、３０℃、ＤＣ、ＡＰＣ）であった。
【００６９】
このように、接合強度に関しては比較例２と実施形態１は同程度であったが、Ｉ−Ｖ特性は比較例２の方が低下していた。比較例２においてＩ−Ｖ特性が劣化する原因は、第１層であるＰｄ層にまでＮｉ、金属酸化物等の不純物、及びＰｔ等が比較的多く拡散してしまうことが考えられる。Ｉ−Ｖ特性が悪化することでレーザ発振に要する発熱量が増えて、寿命特性に悪影響を与えていると考えられる。
【００７０】
上記のＩ−Ｖ特性が悪化する傾向は、（ｐ型コンタクト層側から）Ｎｉ／Ａｕ／ＣｕＯ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、γ−ＧａＮ合金／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕのような場合においても同様であり、ｐ型コンタクト層側に接して、オーミック特性が確保できる金属にＭｏが接していない場合に見られる現象である。
【００７１】
逆に、実施形態１においてＩ−Ｖ特性が良好な理由は、ｐ型コンタクト層と接するＰｄ層７０１をＭｏ層７０２が保護し、他層からの拡散を抑制していると考えられる（Ｍｏ自身も比較的拡散が少ない）。
【００７２】
（第２層の適正な層厚）
次に、第２層のＭｏ層７０２の効果が見られる層厚について説明する。実施形態１ではＭｏ層の層厚が５ｎｍ以上４００ｎｍ以下において、（電流５０ｍＡでの）動作電圧が下がり寿命が向上した。またＭｏ層が５ｎｍ未満４００ｎｍより厚い場合、界面の接合強度が下がっていた。
【００７３】
この原因は、以下のように推測できる。第２層のＭｏ層が５ｎｍ未満である場合、第１層のＰｄ層を充分に保護することができず、他層からの原子、不純物等が、第１層のＰｄ層、ｐ型コンタクト層１１１表面へ拡散してしまい、Ｉ−Ｖ特性を悪化させていると考えられる。このとき、接合強度も低下している。
【００７４】
また、第２層のＭｏ層が４００ｎｍより厚い場合、層中の酸化物等の不純物の絶対量が増え、これらがダイボンディング時の加熱によりＭｏ層と他層との界面に移動・集中し、Ｉ−Ｖ特性を悪化させていると考えられる。このように、Ｉ−Ｖ特性が劣化すると駆動電圧が上昇し、発熱しやすくなり寿命も低下すると考えられる。
【００７５】
（第１層の適正な層厚）
次に、第１層の効果が見られる層厚について説明する。実施形態１では第１層の層厚が５ｎｍ以上３００ｎｍ以下において効果が見られた。
【００７６】
第１層のＰｄ層が５ｎｍ未満である場合、ダイボンディング時にＭｏ層が、ｐ型コンタクト層１１１と接してしまい、充分なオーミック特性が得られない場合がある。また、第１層のＰｄ層が３００ｎｍより厚い場合、第３層のＰｔ層中の酸化物等の不純物の絶対量が増え、これらがダイボンディング時の加熱により他層との界面に移動し、界面の接合強度を下げ、装置の特性を低下させていると考えられる。
【００７７】
（第３層の適正な層厚）
次に、第３層の効果が見られる層厚について説明する。実施形態１では第３層の層厚が５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下において効果が見られた。
【００７８】
第３層のＰｔ層が５０ｎｍ未満である場合、ダイボンディング時に第４層のＡｕ層との接合強度が確保できない。また、第３層のＰｔ層が５０００ｎｍより厚い場合、第３層のＰｔ層中の酸化物等の不純物の絶対量が増え、これらがダイボンディング時の加熱により第３層のＰｔ層と他層との界面に移動し、界面の接合強度を下げていると考えられる。
【００７９】
ここで、接合強度、熱抵抗、寿命の関係について説明する。接合強度が弱いということは、金属層界面での熱伝導性を妨げる不純物が偏析している可能性が高く、このため半導体ＬＤチップからの放熱性が劣り、熱抵抗が低下し、さらには窒化物半導体レーザ装置の寿命が低下すると考えられる。
【００８０】
本発明において、窒化物半導体ＬＤチップとマウント部材を接合するハンダは、Ａｕ−３０Ｓｎだけでなく、ＡｕＳｎ（Ａｕ−９０Ｓｎ等）、Ｉｎ、ＩｎＰｂ、ＩｎＳｎ、ＩｎＡｇ、ＩｎＡｇＰｂ、Ｓｎ、ＳｎＰｂ、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇ、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇＰｂ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＰｂＳｂ、ＰｂＳｂ、ＰｂＡｇ、もしくはＰｂＺｎを使用することで、接合強度を確保でき、第１層のＰｄ層へのハンダ等の拡散が抑えられ、窒化物半導体レーザ装置の熱抵抗、寿命が向上することを確認している。
【００８１】
〈実施形態２〉
図１１は、ｐ型電極１０１がマウント全面を覆っていない場合の窒化物半導体ＬＤチップの活性層周辺の断面模式図である。図１１において、１４０１は埋め込み領域１１０下の金属層、１４１０はリッジ直上領域である。他の構成は実施形態１と同様である。
【００８２】
〈実施形態３〉
図１２は、金属層（ｐ型電極１０１、ｐ型電極下の金属層１０２、埋め込み領域下の金属層１４０１）がマウント全面を覆っていない場合の窒化物半導体ＬＤチップの活性層周辺の断面模式図である。他の構成は実施形態１と同様である。
【００８３】
以上、本発明は実施形態１〜３の形態をとることができる。その際、窒化物半導体ＬＤチップと接合するマウント部材の面の金属層構造は、マウント部材側からＭｏ、Ｎｉ、Ａｕ、もしくはＭｏ、Ｐｔ、Ａｕ、もしくはＴｉ、Ａｕ、もしくはＴｉ、Ｐｔ、Ａｕ、もしくはＭｏ、Ｔｉ、Ａｕを使用した場合でも同様の効果が現れる。実施形態１では、誘電体膜としてＴｉＯ２、およびＳｉＯ２を使用したが、他にもＡｌＮ、ＴｉＮ、ＳｉＮ、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯＮ、ＭｇＦ２あるいはその他の酸化物、フッ化物、もしくは窒化物を用いた場合でも同様の効果が現れる。
【００８４】
また、実施形態１では、片面の端面コーティングだけを行なったが、両面の端面コーティングを行なう場合も、本発明を適用することで、熱特性、寿命向上の効果が現れる。実施形態１では、サブマウントにＣｕを用いたが、他のサブマウントでも同様の効果が得られる。窒化物半導体より熱膨張率が大きい他の材料、例えば、Ａｇ、Ｆｅ、ＣｕＷ、ＢｅＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＧａＡｓ等に置き換えると窒化物半導体発光素子チップに圧縮歪を与えることができ、発光装置の特性を向上させることができる。さらに、熱伝導率の大きいものの方が、放熱性に優れるため好ましい。
【００８５】
また、実施形態１では、ＳｉＣサブマウントに半導体ＬＤチップを搭載したが、サブマウントを用いずに、直接ステムの支持基体に該半導体ＬＤチップを搭載してもよい。この場合、マウント部材はステムの支持基体となる。
【００８６】
また、実施形態１では、サブマウントとステムの支持基体の接着のためのハンダにＰｂＳｎハンダを用いたが、その他、融点の低いハンダ、例えば、Ｉｎ系ハンダのＩｎＰｂ、ＩｎＳｎ、ＩｎＡｇ、ＩｎＡｇＰｂ等、あるいは、Ｓｎ、ＳｎＰｂ、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇ、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇＰｂ、ＳｎＰｂＳｂ、ＳｎＡｇＣｕ等のＳｎを含むハンダ、あるいは、ＰｂＳｂ、ＰｂＡｇ、ＰｂＺｎ等のＰｂを含むハンダ、あるいは、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕなどの粉末を混入したエポキシ樹脂やポリイミド等を用いても同様の効果を得ることが可能である。
【００８７】
ハンダの形成は蒸着法以外に塗布法、スパッタ法、印刷法、メッキ法等を用いてもよく、シート状のハンダをステムの支持基体上に置いてもよいが、すでに半導体ＬＤチップとサブマウント間に存在するハンダへの悪影響を避ける意味で、できれば融点がハンダより低いものが望ましい。またハンダの形成は上記以外に蒸着法、塗布法、スパッタ法、印刷法、メッキ法等を用いてもよい。
【００８８】
また、実施形態１でｎ型電極はＨｆ／Ａｌを用いたが、Ｈｆ以外にＴｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｗ、Ａｌ、Ｔｌ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄとその化合物を用いてもよく、Ａｌ以外にＡｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｇｅとその化合物を用いてもよく、膜厚も上記厚さに限るものではない。
【００８９】
また、実施形態１の半導体ＬＤチップは、特定の例に限られるものではなく、基板として、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｒＢ２、ＧａＡｓや他の窒化物半導体材料を用いる等の変更が可能であり、また、半導体成長層の材料系として、例えば、ＧａＮαＸ１−α（０．５１≦α≦１）（ＸはＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ等のうち少なくとも１種類以上を含む元素）、ＢＮβＸ１−β（０．５１≦β≦１）、ＡｌγＮ１−γ（０．５１≦γ≦１）、ＡｌδＧａ１−δＮεＸ１−ε（０＜δ＜１、０．５１≦ε≦１）、ＩｎＮζＸ１−ζ（０．５１≦ζ≦１）、ＩｎηＧａ１−ηＮμＸ１−μ（０＜η＜１、０．５１≦μ≦１）、ＩｎνＧａξＡｌ１−ν−ξＮτＸ１−τ（０＜ν＜１、０＜ξ＜１、０．５１≦τ≦１）を用いてもよい。
【００９０】
また、実施形態１の半導体ＬＤチップのｐ型電極側の埋め込み材料は、ＳｉＯ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＩｎＮ等他の窒化物半導体を用いてもよい。
【００９１】
また、サブマウント積載面上に、さらに、ワイヤボンディング用のパッド部を設けることや、ダイボンディング時の位置合わせのための印を設けることができる。いわゆるマルチビームレーザのように、３以上の電極を有する半導体ＬＤチップを積載した半導体レーザ装置にも、上記原理に基づいて、本発明を応用することもできる。
【００９２】
さらに、ハンダとサブマウントとの間には、公知のごとく、種々の膜を介在させることが可能であり、例えば、サブマウントとハンダ間の密着性を向上させるための膜、サブマウントとハンダ間の反応を防止するための膜、さらには、これらの膜の間の密着性を高めたり、酸化を防止するための膜を適宜積層形成させてもよい。ハンダ、ボンディングパッド、サブマウント相互の間にも、同様の目的で、種々の膜を介在させることが想定される。
【００９３】
【発明の効果】
本発明によると、Ｉ−Ｖ特性の劣化を防ぐとともに、各金属層間の反応性による半導体ＬＤチップとマウント部材との接合強度の劣化も防ぐことができ、長寿命な窒化物半導体レーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１における窒化物半導体レーザ装置のチップ周辺の断面模式図である。
【図２】本発明の個々の半導体レーザ構造が多数形成された窒化物半導体ＬＤウェハの模式図である。
【図３】図２の窒化物半導体ＬＤウェハを分割ライン（Ａ）２１０で分割したＬＤバーの模式図である。
【図４】（ａ）実施形態１のダイボンディング前の窒化物半導体ＬＤチップの裏面（ＧａＮ基板側）からの模式図である。
（ｂ）半導体ＬＤチップの表面（成長層側）からの模式図である。
【図５】本発明の半導体レーザ装置の断面模式図である。
【図６】本発明の半導体レーザ装置の斜視図である。
【図７】比較例１におけるｐ型電極側の金属層周辺の断面模式図である。
【図８】実施形態１におけるｐ型電極側の金属層周辺の断面模式図である。
【図９】本発明のリッジの直上付近にのみｐ型電極が存在する窒化物半導体ＬＤのｐ型電極側の金属層周辺の断面模式図である。
【図１０】比較例２におけるｐ型電極側の金属層周辺の断面模式図である。
【図１１】本発明のｐ型電極がマウント全面を覆っていない場合の窒化物半導体ＬＤチップの活性層周辺の断面模式図である。
【図１２】本発明の金属層がマウント全面を覆っていない場合の窒化物半導体ＬＤチップの活性層周辺の断面模式図である。
【図１３】従来のジャンクションダウン構造の半導体レーザ装置の断面模式図である。
【符号の説明】
１０１ ｐ型電極
１０２ 金属膜
１０３ ハンダ
１０５ サブマウント（マウント部材）
１２０ ｎ型電極
２１１ 金属層
４１０ 窒化物半導体レーザダイオードのチップ
Claims (6)
- 窒化物半導体レーザダイオードのチップと、該チップの一方の面に形成されたｐ型電極と、該チップの他方の面に形成されたｎ型電極と、前記ｐ型電極面に少なくとも金属膜とハンダを介して接合されたマウント部材とを備えた窒化物半導体レーザ装置であって、
前記ｐ型電極及び前記金属膜からなる金属層は、前記チップに接する層から順に、少なくとも第１層、第２層、第３層、第４層を有し、前記ハンダは第５層であり、
第１層は、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、及びＩｒのうち少なくとも１種類以上を含み、
第２層は、Ｍｏであり、
第３層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、及びＩｒのうち少なくとも１種類以上を含み、
第４層は、Ａｕであり、
第５層は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｉｎ、及びＰｂのうち少なくとも１種類以上を含むことを特徴とする窒化物半導体レーザ装置。 - 前記ハンダは、ＡｕＳｎ、Ｉｎ、ＩｎＰｂ、ＩｎＳｎ、ＩｎＡｇ、ＩｎＡｇＰｂ、Ｓｎ、ＳｎＰｂ、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇ、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇＰｂ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＰｂＳｂ、ＰｂＳｂ、ＰｂＡｇ、もしくはＰｂＺｎであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ装置。
- 窒化物半導体レーザダイオードのチップを、マウント部材に搭載する工程を備えた窒化物半導体レーザ装置の製造方法であって、
前記チップの一方の面にｐ型電極及び金属膜からなる金属層を、前記チップの他方の面にｎ型電極を形成し、
前記金属層は、前記チップに接する層から順に、少なくとも第１層、第２層、第３層、第４層を有し、
第１層は、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、及びＩｒのうち少なくとも１種類以上を含み、
第２層は、Ｍｏであり、
第３層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、及びＩｒのうち少なくとも１種類以上を含み、
第４層は、Ａｕであって、
前記金属層面にＳｎ、Ａｇ、Ｉｎ、及びＰｂのうち少なくとも１種類以上を含むハンダを介してマウント部材を接合することを特徴とする窒化物半導体レーザ装置の製造方法。 - 前記マウント部材と接合する前状態の前記チップは、前記第１層の層厚が５ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
- 前記マウント部材と接合する前状態の前記チップは、前記第２層の層厚が５ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
- 前記マウント部材と接合する前状態の前記チップは、前記第３層の層厚が５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
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