JP3617565B2

JP3617565B2 - 窒化物半導体レーザ素子

Info

Publication number: JP3617565B2
Application number: JP02884096A
Authority: JP
Inventors: 孝夫山田; 修二中村
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1996-02-16
Filing date: 1996-02-16
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2016-02-16
Also published as: JPH09223846A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体（Ｉｎ _ＸＡｌ _ＹＧａ _{１−Ｘ−Ｙ} Ｎ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなるレーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外〜青色の領域に発光するレーザ素子の材料として窒化物半導体が知られており、本出願人は、最近この材料を用いてパルス電流において、室温でのレーザ発振を発表した。（例えば、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ３５（１９９６）ｐｐ．Ｌ７４−７６）
【０００３】
窒化物半導体は一般にサファイア、スピネルのような絶縁性基板の上に成長されることが多い。そのためレーザチップの電極は半導体層側から正負一対の電極が取り出されたいわゆるフリップチップ形式とされる。フリップチップ形式のレーザチップはヒートシンク、サブマウント、ステム等の熱伝導率の良い支持体にボンディングされてレーザ素子とされる。ボンディング手法にはチップの電極と支持体とが対向するようにしたフェースダウンボンディングと、チップの基板と支持体とが対向するようにしたフェースアップボンディングとの２種類の手法がある。
【０００４】
前記したように窒化物半導体が成長される基板は、総じて絶縁性のものが多く、また熱伝導率も低いものが多い。熱伝導率の低い基板をフェースアップでボンディングすると、発熱が基板を通じて支持体に十分伝導せず、チップ寿命を著しく短くしてしまう。
【０００５】
一方、電極とフェースダウンでボンディングを行うと、支持体に正電極部と、負電極部とを設ける必要があり、そのために絶縁性の支持体が多く採用される。絶縁性の支持体は、一般に金属よりなる支持体に比較して熱伝導率が悪い。このためチップの放熱が十分に行えずに、素子寿命を低下させてしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
レーザチップはチップの発熱が支持体を介して十分に放熱される必要がある。特に窒化物半導体よりなるレーザチップは紫外、青色等の高エネルギー光を放出するため、赤色、赤外等の半導体レーザに比べて、非常に発熱量が大きい。従来のパルス発振から、連続発振に進歩させるためには、チップの放熱の問題が非常に重要である。従って本発明はこのような事情を鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、窒化物半導体よりなるレーザチップを例えばヒートシンク、サブマウント等にボンディングするにあたり、主として、チップの放熱が十分に行われるレーザ素子の新規な構造を提供して、素子寿命を向上させ、連続発振できるようにすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ素子は、同一面側に正負一対の電極を有するレーザチップが、電極面側を支持体側と対向させるようにフェイスダウンでボンディングされてなるレーザ素子であって、前記支持体が金属からなり、前記支持体の表面には絶縁膜が形成されると共に、その絶縁膜の表面にリード電極が形成されており、前記レーザチップの負電極が前記リード電極にボンディングされていると共に、前記レーザチップの正電極が、前記支持体を外部電極とするように支持体表面に直接ボンディングされ、前記レーザチップの電極間に跨れた支持体の表面には、凹状の溝が形成され、前記絶縁膜が、支持体のボンディング面から溝の内部に連続して形成されていることを特徴とする。
【０００８】
前記レーザチップは、支持体のボンディング面に対して、ほぼ水平になるようにボンディングされていることを特徴とする。水平にボンディングするには、絶縁膜の厚さ、若しくはリード電極の厚さ、または支持体の厚さの内の少なくとも一つが調整されていることが望ましい。
【００１０】
さらにリード電極は、ボンディング面と対向する支持体の表面まで連続して形成されていることを特徴とする。
【００１１】
【作用】
本発明のレーザ素子では、支持体にフェースダウンでボンディングされているため、チップの発熱が熱伝導性の良い電極を通って支持体に伝わるため、放熱効率がよい。さらに支持体表面に形成された絶縁膜は、同一面側に電極が設けられたチップの電極間のショートを防止すると共に、支持体にＡｌ、Ａｕ、Ｃｕ等の導電性材料、およびＳｉ、ＧａＡｓ等の半導体材料の使用が可能となる。このため支持体に熱伝導率の高い材料が使用できるため、チップの放熱が非常に良くなる。また絶縁性の支持体表面がメタライズされたものも使用可能となる。
【００１２】
さらに、レーザチップは支持体のボンディング面に対して、ほぼ水平になるようにボンディングされていることより、レーザ光の出射位置が一定しているため、レーザ光をレンズ等で集光する場合にも、レンズ位置を容易に設定できる。
【００１３】
チップの水平を調整するためには、前記した絶縁膜の厚さ、リード電極の厚さ、または支持体の厚さの内の少なくとも一つを調整することが望ましい。例えば絶縁膜、リード電極、支持体の厚さは一定の膜厚で形成することが容易であり、ダイボンダーの圧力によりその厚さが変化することがない。これらの厚さを変えることにより、チップが安定した位置、角度でボンディングできるため、レーザ素子製造が容易にできるようになり生産性が向上する。
【００１４】
さらに、レーザチップの電極間に跨れた支持体の表面には、凹状の溝が形成されていることにより、電極間のショートを防止することができる。同一面側に正と負の電極が形成されたレーザチップは、通常半田、導電性ペースト等の導電性接着剤でフェースダウンボンディングされる。導電性材料が過熱された状態で、チップをダイボンドすると、過剰の導電性材料があれば、その過剰の導電性材料が片方の電極に接触するとチップ間でショートする恐れがある。しかし、本発明のように両電極が跨る箇所の支持体に凹状の溝を形成すると、過剰の導電性材料が他の電極に接触しにくくなるので、レーザ素子の信頼性が向上する。
【００１５】
また、リード電極は、ボンディング面と対向する支持体の表面まで連続して形成されていると、支持体を他の部材と接続する際に、ワイヤーボンディングせず、直接ダイボンドできるため、さらに放熱の効率が良くなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のレーザ素子の一構造を示す模式的な模式的な断面図であり、１が支持体、２０は絶縁膜（以下、第一の絶縁膜という。）、３０が第一のリード電極（以下、第一のリード電極という。）、チップ側は１０が基板、１１はレーザ発振する窒化物半導体層、１２および１３は同一面側の窒化物半導体層に設けられた互いに極性の異なる電極、詳しく述べると１２はｎ層側の負電極、１３はｐ層側の正電極である。この図に示すようにレーザチップは電極面側が支持体面側と対向するフェースダウンの状態で、半田、銀ペースト等の導電性接着剤４０を介してダイボンドされている。なおこの図では負電極１２側は金線５０によりワイヤーボンディングされている。
【００１７】
レーザチップの基板１０には、サファイア、スピネル等の絶縁性基板の他、ＧａＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ等の導電性基板も使用できるが、一般的にはサファイアが使用されている。窒化物半導体層１１は基本的にｎ型コンタクト層、ｎ型光閉じこめ層、活性層、ｐ型光閉じこめ層、ｐ型コンタクト層が積層されたダブルへテロ構造を有しており、同一面側から電極を取り出すために、ｐ型コンタクト層、ｐ型光閉じこめ層、活性層およびｎ型光閉じこめ層の一部がエッチングにより除去されて、ｎ型コンタクト層が露出されている。正電極１３は最上層のｐ型コンタクト層に設けられ、負電極１２はエッチングにより露出されたｎ型コンタクト層の表面に設けられている。この構造はＬＥＤでも同様である。
【００１８】
支持体１とは、例えばサブマウント、ヒートシンク、ステム等、レーザチップをダイボンドする全ての部材を指し、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ等の熱伝導率の高い金属性材料の他、Ｓｉ、Ｇｅ等の半導体材料を用いることもできる。またこの他、ダイアモンド、ＢＮ、ＡｌＮ等の半絶縁性材料で表面がメタライズされたものも使用することができるが、好ましくは金属材料を用いる。なお、図１の支持体は金属より成っているため、正電極１３に対応する外部電極は、負電極１２のようにワイヤーボンドで取り出す必要はなく、支持体１のどの場所から取り出しても良く、例えば支持体１を直接他の部材にダイボンドすることもできる。
【００１９】
第一の絶縁膜２０は、例えばＳｉＯ _２、Ａｌ _２Ｏ _３等の酸化物、ＳｉＮ X等の窒化物、ＭｇＦ _２等のハロゲン化物等を好ましく形成することができ、これらの絶縁材料をスパッタリング、蒸着等の気相製膜装置を用いて形成することができる。またこの他ポリエチレン、ポリプロピレン等の有機物を形成しても良い。第一の絶縁膜２０の膜厚は特に問うものではないが、この図に示すように窒化物半導体の形状に合わせた膜厚で形成して、チップが支持体に対して水平となるようにすることが望ましく、例えば数百オングストローム〜十数μｍの膜厚で形成することが望ましい。絶縁膜の膜厚は使用する材料の熱伝導率によって適宜変更することができる。さらに、第一の絶縁膜２０は負電極１２に対応する支持体の表面に形成することが好ましい。なぜなら、窒化物半導体はｎ層の抵抗率よりも、ｐ層の抵抗率が高いことが多く、また活性層はｐ層とｎ層との間の狭い領域にある。従って、ｐ層側の発熱量の方がｎ層側より大きい傾向にあるため、ｐ層側に絶縁膜を形成すると、形成しないものに比較して放熱効率は悪くなる傾向にある。
【００２０】
第一の絶縁膜２０の表面に形成されている第一のリード電極３０は、負電極１２と電気的に接続されて、外部から例えばワイヤーボンド、ダイボンド等の電極接続手段を達成するために形成されるものであって、パターンメタライズされた線状の電極はもちろんのこと、第一の絶縁膜２０の表面のほぼ全面に形成された面状の電極でも良い。
【００２１】
さらに、図１のレーザチップは、支持体１の表面に形成された第一の絶縁膜２０と第一のリード電極３０とにより、支持体１のボンディング面とほぼ水平となっている。具体的には、正電極１３に対応する支持体１の表面には第一の絶縁膜２０が形成されず、負電極１２に対応する支持体１の表面に第一の絶縁膜２０が形成されることにより水平が調整されている。
【００２２】
このように、同一面側に電極が形成されたレーザチップの電極を、第一の絶縁膜２０の上に第一のリード電極３０が形成された支持体１とフェースダウンでダイボンドすると、チップの発熱は導電性接着剤４０を介して支持体１に効率よく伝わる。しかも支持体１のボンディング面には第一の絶縁膜２０を介してリード電極３０が形成されているので、支持体１に熱伝導率の高い金属、半導体を使用することができ、放熱効果が高まる。
【００２３】
図２は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、図１と同一符号は同一部材を示している。このレーザ素子が図１のレーザ素子と異なる点は以下の通りである。
【００２４】
まず支持体１のボンディング面には、正電極１３に対応する絶縁膜２１（以下、第二の絶縁膜という。）が形成され、第二の絶縁膜２１の表面にリード電極３１（以下、第二のリード電極という。）が形成されている。しかも第一の絶縁膜２０を第二の絶縁膜２１よりも厚く形成することにより、レーザチップを水平にしている。
【００２５】
次に、第一のリード電極３０を支持体１の裏面、つまりボンディング面と反対側の面まで形成していることにより、裏面まで形成された第一のリード電極３０を他の部材に直接ダイボンドできる。このように、片方の電極をワイヤーボンディングし、もう一方の電極をダイレクトボンディングする構造のレーザ素子は、従来の赤色半導体レーザ、赤外半導体レーザで用いられている製造装置がそのまま使用できるので生産技術上都合がよい。
【００２６】
さらに、レーザチップの負電極１２と正電極１３とが跨った箇所にある支持体１の表面に凹状の溝６０を形成している、この溝６０は過剰の導電性接着剤４０のはみ出しによる電極間のショートを防止している。溝６０は支持体１をウェットエッチング、若しくはドライエッチングすることで形成可能である。また電極間のショートをさらに防止するためには、後に示す図３のように溝６０の内部にまで絶縁膜を形成することが最も好ましい。
【００２７】
図３も本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。この素子が本発明の他のレーザ素子と異なるところは、まずチップを水平にするために、支持体１の厚さが、負電極１２に対応する部位と、正電極１３に対応する部位とで異なるようにしているところである。つまり支持体１の厚さを調整することにより、支持体１に段差を設けてチップを水平にしている。
【００２８】
次に、支持体１の表面に形成された第一の絶縁膜２０、第一のリード電極３０、および第二のリード電極３１を支持体１のボンディング面と反対側の面まで連続して形成している。このようにするとワイヤーボンディングなしに、支持体を他の部材にダイレクトボンディングできるため、素子の放熱性は最も良くなる。しかも、正電極１３側の第二のリード電極３１が支持体１に直接接しているので放熱効果も大きい。また、レーザチップの大きさが数百μｍ角であるのに対し、支持体１の大きさはチップに比べて数倍大きい。従って、チップのみをフェースダウンボンディングするには、非常に細かい作業を必要とするが、支持体をボンディングするにはそのサイズが大きくなっているため、細かい作業を必要とせずにボンディングできるので歩留まりも向上する。
【００２９】
次に、先にも述べたように、負電極１２と正電極１３とが跨った支持体１の表面に形成された溝６０の内部に、第一の絶縁膜２０を形成している。この図では第一の絶縁膜２０を溝の内部に形成しているが、第二の絶縁膜２１でもよいことは云うまでもない。また、第一の絶縁膜２０、第二の絶縁膜２１を一体と成して連続して形成しても良い。このように溝６０の内部まで絶縁膜を形成すると、いずれの導電性材料がはみ出してきてもショートすることがないので、素子の信頼性が向上する。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のレーザ素子は、同一面側に電極が形成されたレーザチップの電極を、支持体とフェースダウンでダイボンドしているので、チップの発熱は支持体に効率よく伝わる。しかも支持体のボンディング面には絶縁膜を介してリード電極が形成されているので、支持体に熱伝導率の高い金属、半導体を使用することができ、放熱効果が高まる。従ってレーザ素子の寿命を長くすることができ、連続発振が可能となる。また本発明の他の要件を備えていることにより、レーザ光の出射位置の安定化をはかることができ、また電極間もショートしにくくなるため素子の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図。
【図２】本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図。
【図３】本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図。
【符号の説明】
１・・・・支持体
１０・・・・基板
１１・・・・窒化物半導体層
１２、１３・・・・電極
２０、２１・・・・絶縁膜
３０、３１・・・・リード電極
４０・・・・導電性接着剤
５０・・・・金線
６０・・・・溝

Claims

同一面側に正負一対の電極を有するレーザチップが、電極面側を支持体側と対向させるようにフェイスダウンでボンディングされてなるレーザ素子であって、
前記支持体が金属からなり、前記支持体の表面には絶縁膜が形成されると共に、その絶縁膜の表面にリード電極が形成されており、前記レーザチップの負電極が前記リード電極にボンディングされていると共に、
前記レーザチップの正電極が、前記支持体を外部電極とするように支持体表面に直接ボンディングされ、
前記レーザチップの電極間に跨れた支持体の表面には、凹状の溝が形成され、前記絶縁膜が、支持体のボンディング面から溝の内部に連続して形成されていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
前記レーザチップは、支持体のボンディング面に対して、ほぼ水平になるようにボンディングされてい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素子。
絶縁膜の厚さ、若しくはリード電極の厚さ、または支持体の厚さの内の少なくとも一つが調整されて、レーザチップが水平にボンディングされていることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
前記リード電極は、ボンディング面と対向する支持体の表面まで連続して形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３の内のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。