JP3803339B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents
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Description
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)。
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を提供することを目的とする。
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、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。
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、上記半導体レーザ装置では、光学反射面における第1の金属薄膜が接地されていることが望ましい。
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、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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
(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。
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。
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。
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。
(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。
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。
(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。
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118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。
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。
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。
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.Au引出電極
117.誘電体層
118.Al層
Claims (9)
- 半導体基板に設けられた凹部に形成された半導体レーザ素子と、
前記凹部の側壁に形成された前記半導体レーザ素子から前記凹部の底面と略平行な方向に出射されたレーザ光を前記凹部の底面と略垂直な方向に反射する光学反射面と、
前記凹部以外の領域に形成されたレーザ光を受光するための受光素子部と、
前記凹部以外の領域に形成された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を有する半導体レーザ装置であって、
前記凹部の底面と前記半導体レーザ素子との間に、前記凹部の底面と略垂直な方向における前記半導体レーザ素子の位置を決め、且つ、駆動時の前記半導体レーザ素子の熱を逃がすヒートシンク層と、
前記半導体レーザ素子と前記ヒートシンク層との間に、前記半導体レーザ素子と前記ヒートシンク層とを接合する接合層とを有し、
前記ヒートシンク層と前記接合層との間には、導電性を有し、且つ、前記ヒートシンク層と前記接合層とが互いに相手方の層に拡散するのを抑制する拡散抑制層が介挿されており、
前記接合層と前記拡散抑制層との間には、Au又はPtからなる第1の金属薄膜が介挿され、
前記光学反射面及び前記信号処理回路部が形成された領域における最表面は、前記第1の金属薄膜で覆われていることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 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。
- 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からなる層であるとともに、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。
- 前記凹部の底面と前記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からなる第2の金属薄膜とが介挿されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つ記載の半導体レーザ装置。
- 前記第1の金属薄膜及び前記第2の金属薄膜は、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4に記載の半導体レーザ装置。
- 前記光学反射面における前記第1の金属薄膜は、接地されてい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。
- 前記凹部以外の領域に形成された他の装置との信号の入出力のためのボンディングパッド部を有し、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は、前記第1の金属薄膜で覆われていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
- 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前記第1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7に記載の半導体レーザ装置。
- 請求項1〜8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。
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