JP2005328092A - 半導体レーザ装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温高出力動作時においても高い信頼性を有する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。
【選択図】図３

Description

本発明は光情報処理分野など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。

V族元素として窒素（Ｎ）を有する窒化物半導体は、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（Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（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。

図１はＧａＮ系半導体レーザ素子の共振器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−ＧａＮ光ガイド層１０４、Ｇａ_1-xＩｎ_xＮ/Ｇａ_1-yＩｎ_yＮ（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−ＡｌＧａＮ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。

ｎ電極１１１を接地し、ｐ電極１０９に電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Ｇａ_1-xＩｎ_xＮ/Ｇａ_1-yＩｎ_yＮ薄膜の組成や膜厚によって発振波長は制御される。

例えば「Jpn. J. Appl. Phys.第３９巻第L６４７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。

一般に、半導体レーザ素子のサイズは数百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。

半導体レーザ素子に通電すると、ｐｎ接合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。
Jpn. J. Appl. Phys.第３９巻第L６４７ページ

ＧａＡｓやＩｎＰ等を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。

しかしながら、今後は窒化物半導体レーザ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。

本発明は上記の事情を鑑みてなされたものであり、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。

上記課題を解決するため、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。

また、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。

別の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。

また、本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、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。

また、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。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。

また、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。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。

以上説明したように、本発明の半導体レ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。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

（実施例１）
図３は本発明の一実施の形態による半導体レーザ装置を模式的に示す図である。ＧａＮ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１１５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。

ｎ−ＡｌＧａＮ基板１１５の裏面が凹凸面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。

レーザ素子作製に用いるｎ−ＡｌＧａＮ基板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。

処理後のｎ−ＡｌＧａＮ基板１１５裏面の光学顕微鏡像を図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。

基板裏面の面方位は（０００−１）面、つまり−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。

ｎ−ＡｌＧａＮ基板１１５裏面の表面積を測定したところ、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。

基板裏面処理工程の後、ｎ−ＡｌＧａＮ基板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１１３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。

半導体レーザ装置の放熱特性を評価する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２５〜３５℃／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５０〜１００ｍＷ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℃６０ｍＷ出力動作時の素子寿命は伸張した。

以上、本実施例に基づき、基板裏面の表面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。

なお、本実施例では、基板としてｎ−ＡｌＧａＮ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。

基板の導電型については、ｎ型だけでなく、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。

また、本実施例では、基板裏面に電極が形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。

本実施例では、窒化物半導体基板の裏面処理にオルトリン酸を用いたが、オルトリン酸（Ｈ₃ＰＯ₄）は加熱によって脱水縮合してピロリン酸（Ｈ₄Ｐ₂Ｏ₇）、トリリン酸（Ｈ₅Ｐ₃Ｏ₁₀）、メタリン酸（ＨＰＯ₃）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（Ｈ₄Ｐ₄Ｏ₁₂）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。

なお、オルトリン酸が脱水縮合するのを抑制するためには、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１００℃以上２５０℃以下で用いるのが好ましい。

さらに、基板裏面に凹凸面を設ける方法として、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。

（実施例２）
図７は本発明の他の実施の形態による半導体レーザ装置を模式的に示す図である。ＧａＮ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、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。

本実施例のポイントは、ＧａＮ基板１０１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、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＡｌＮ等が用いられる。ヒートシンク１１４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。

基板裏面に設けるヒートシンクの形状は、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。

半導体レーザ装置の放熱特性を評価するた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℃６０ｍＷ出力動作時の素子寿命は伸張した。

以上、本発明に基づき、基板裏面にヒート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。

なお、本実施例では、基板としてＧａＮを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。

また、本実施例では、基板表面側にｐ型、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。

また、本実施例では、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。

本発明は、レーザ素子に関するものであるが、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。

本発明は、高温高出力動作時にも放熱性の良好な信頼性の高い半導体発光素子が得られるので有用である。

ＧａＮ系半導体レーザ素子の共振器に直交する断面の構造図 従来のＧａＮ系半導体レ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 本発明の一実施の形態によるＧａＮ系半導体レ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 本発明の一実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザ素子の基板裏面の光学顕微鏡像を示す図 本発明の一実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザ素子の基板裏面の光学顕微鏡像を示す図 六方晶ＧａＮ結晶（０００１）面および（０００−１）面の極性を示す模式図 本発明の一実施の形態によるＧａＮ系半導体レ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 本発明の一実施の形態によるＧａＮ系半導体レ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 本発明の一実施の形態によるＧａＮ系半導体レ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

符号の説明

１０１ ＧａＮ基板
１０２ ｎ-ＡｌＧａＮコンタクト層
１０３ ｎ-ＡｌＧａＮクラッド層
１０４ ｎ-ＧａＮ光ガイド層
１０５ 活性層
１０６ ｐ-ＧａＮ光ガイド層
１０７ ｐ-ＡｌＧａＮクラッド層
１０８ ｐ-ＧａＮコンタクト層
１０９ ｐ電極
１１０ 絶縁膜
１１１ ｎ電極
１１２ 半田
１１３ サブマウント
１１４ ヒートシンク
１１５ ｎ-ＡｌＧａＮ基板
１１６ 六角錘状ファセット
１１７ 六角錘台状ファセット
１１８ 柱状孔
１１９ 金属パッド

Claims (11)

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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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