JP4121591B2

JP4121591B2 - 半導体レーザ装置の製造方法

Info

Publication number: JP4121591B2
Application number: JP30548497A
Authority: JP
Inventors: 茂稔伊藤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-11-07
Filing date: 1997-11-07
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2017-11-07
Also published as: JPH11145562A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザチップが、マウント部材に積載されて構成される半導体レーザ装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系半導体は、紫外ないし緑色領域における発光素子を実現する材料として注目されており、中でも、これを用いて、従前よりも短波長で発振する半導体レーザ装置を実用化することが望まれている。ＧａＮ系半導体の特徴として、基板に絶縁体であるサファイアを用いる点が挙げられ、よって、このような半導体を用いた発光素子では、従前と異なり、正負両方の電極が成長層側に形成されるのが常である。そのため、ＧａＮ系半導体レーザ素子において、成長層側を下にした、すなわちジャンクションダウンのダイボンディングを実施するためには、成長層側に一方の電極しか形成されない従前の半導体レーザ素子用とは異なった構成のマウント部材が必要となる。
【０００３】
図８は、特開平７−２３５７２９号公報に開示された、このような技術の一例である。図において、１はサブマウント基体、２はサブマウント積載面に設けられた金属パターン、３はハンダ、４はＧａＮ系半導体レーザチップ本体、５はＧａＮ系半導体レーザチップの半導体成長層側に設けられた、正負各電極である。本例においては、絶縁性のサブマウントを用いており、サブマウント上面に、半導体レーザ正負電極それぞれに対応した金属膜パターンが設けられ、各々、ハンダにより電極に接合されて、ジャンクションダウンのダイボンディングが実現されている。
【０００４】
ここで、ダイボンディングとは、一般的には、次のような工程である。通常、ハンダはあらかじめサブマウント上に設けられている。これを、融点以上に加熱し、所定の位置にアライメントしたレーザチップを、溶解したハンダに押し付け、その後、ハンダを冷却固化させる。これにより、レーザチップとサブマウントとが熱伝導性よく接着される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術に示すような片面に正負電極を有する半導体レーザチップでは、図８に示されたように、正負電極の間に、接合されない部分があり、ブリッジ状にサブマウントと接合することになる。これによって、成長層側に一方の電極しか形成されない従前の半導体レーザチップでは生じ得なかった、以下に示すような問題点が発生する。
【０００６】
ダイボンディング工程において、融解したハンダが冷却される際には、ハンダの固化・合金化が必ずしも各部で均一に進行するものではないために、ハンダ部分の体積変化や表面張力が領域毎に変化し、接着面には複雑な力が加わっている。図８のように、接着面が正負両側に別れている半導体レーザ装置では、このような、接着面毎に加わる力のバランスが崩れることによって、冷却の途中でレーザチップが動き、アライメントずれが発生してしまう。実際に、本発明者の実験的知見によれば、図８に示された半導体レーザ装置でのアライメントずれの発生確率は、成長層側に一方の電極しか形成されない従前の半導体レーザにおけるものと比べて、５倍程度高いものであった。このようなアライメントずれは、半導体レーザ装置の光学的特性の問題、すなわち、レーザ光の出射方向ずれを引き起こすだけでなく、片側に正負電極が形成されているがために、正負間でのショート・リークという問題をも発生させていた。
本発明は、従来の技術における、上述の問題点を解消することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、片面に複数の電極を有する半導体レーザチップが、該各電極に対向する導電膜パターンを積載面上に有したマウント部材に、積載されて構成される半導体レーザ装置の製造方法であって、各電極と、これに対向する導電膜パターンとが、それぞれハンダで接合されるように配される該半導体レーザチップが、該マウント部材上にハンダを介して載置され、かつ該ハンダが溶融している状態から該マウント部材と該半導体レーザチップを冷却して該ハンダを固化する過程では、該半導体レーザチップと該マウント部材とは熱硬化性樹脂を含む絶縁体によりアライメントずれを防止するように固定されることを特徴とする。
【０００９】
好ましくは、前記マウント部材の半導体レーザチップ積載面において、前記樹脂を含む絶縁体に接する部分には、凹部が設けられることを特徴とする。
【００１０】
本明細書において、マウント部材とは、半導体レーザ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、半導体レーザチップ用のサブマウントや、サブマウントを用いず直接ステム、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、フレームもしくはパッケージ自身を指している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
〔実施の形態１〕
図１は、本発明の実施の形態１における半導体レーザ装置を示す断面模式図である。図において、１０は本実施の形態の半導体レーザ装置、１００はサブマウント、１０１は絶縁性サブマウント基体、１０２は正側金属パターン、１０３は負側金属パターン、１０４および１０５はハンダ、１０６は絶縁性の樹脂であり、また、２００はＧａＮ系半導体レーザチップ、２０１はサファイア基板、２０２は半導体成長層、２０３は正電極、２０４は負電極である。図示されるように、サブマウント積載面のハンダおよび金属パターンは、適宜パターン形成されることにより、それぞれが絶縁分離されており、よって、片面に正負電極を有する半導体レーザ素子の積載を可能としている点は、従来の技術と同様である。ただし、各ハンダの間に、樹脂１０６を設けた点が異なる。
【００１２】
図２は、上記ＧａＮ系半導体レーザチップの構成を、より詳しく示した断面図であり、これを参照して、以下にその構成を説明する。
【００１３】
サファイア基板２０１表面に、ＡｌＮもしくはＧａＮからなるバッファ層２１０、ｎ−ＧａＮ層２１１、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２１２、多層のＩｎＧａＮからなる量子井戸活性層２１３、半導体レーザの共振器方向に沿ったリッジストライプ形状のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２１４が順次形成されている。さらに、該ストライプ外部には、さらにｎ−ＡｌＧａＮ電流阻止層２１５が積層され、電流阻止層表面およびリッジストライプ部ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層表面には、ｐ−ＧａＮキャップ層２１６が積層形成されている。バッファ層２１０からキャップ層２１６の各層により、半導体成長層２０２が構成される。半導体成長層２０２の一部には、リッジストライプに平行して、表面からｎ−ＧａＮ層に達する溝が設けられ、各ｐ型の成長層が、二分される。リッジストライプの存在する側のｐ−ＧａＮキャップ層表面には、正電極２０３が設けられ、さらに、溝底部に露出したｎ−ＧａＮ層に接触して、負電極２０４が設けられて、これは反対側のｐ−ＧａＮキャップ層表面にまで、延長される。これにより、半導体レーザチップの成長層側表面に正負電極が露出している。
【００１４】
また、溝内部にはＳｉＯ₂等からなる絶縁体２０５が設けられ、ダイボンディング工程におけるショートを防止する役割を果たしている。上記構成により図２において記号２０６で示すストライプ状部分が半導体レーザの発光部となる。本実施の形態においては、一例として、レーザチップのサイズを、長さ０．５×幅０．６×高さ０．１ｍｍとし、電極間の距離を９０μｍとした。このような半導体レーザチップは、公知技術の組み合わせにより容易に構成できるので、その製造方法の説明は省略する。
【００１５】
次に、本実施の形態の半導体レーザ装置の製造方法について、説明する。
図３は、半導体レーザチップ２００積載前の、サブマウント１００を示す図である。各記号は図１と同一である。本図に示されるように、ダイボンディング工程に先立って、あらかじめ、サブマウント積載面上には、樹脂１０６が塗布され、ハンダ１０４・１０５が形成されている。本実施の形態において、樹脂には、熱硬化性で、硬化温度がハンダの融点付近であるようなエポキシ樹脂を用いた。この時点で、樹脂１０６は未硬化であり、ある程度の流動性をもった様態を示している。ハンダ１０４・１０５には融点が１５６℃であるＩｎを用い、サブマウント基体１０１には、絶縁体であるＡｌＮを用い、金属パターン１０２および１０３には、Ａｕ（０．１μｍ）／Ｐｔ（０．１μｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）（ＡｕオンＰｔオンＴｉ、以下同様）を用いた。一例として、サブマウント基体１０１のサイズを、長さ１．５×幅２．０×高さ０．２ｍｍとし、ハンダ間の距離を１００μｍ、ハンダの厚さを１μｍとした。各金属パターンおよび各ハンダの成膜は、真空蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタ法、メッキ法、熱転写法、印刷法、焼結法等の公知技術を適宜用いて行うことができる。
【００１６】
このようなサブマウントを、ハンダの融点以上に加熱し、ハンダを融解させた。続いて、図２に示した半導体レーザチップを、適切にアライメントし、レーザチップ電極形成面とサブマウント積載面とが突き合わされるように、サブマウント上に積載し、半導体レーザチップに約２０ｇの荷重を加えつつ、約１分間温度を保持した。このとき、樹脂の上端は、半導体レーザチップ表面に接触した。本過程において、樹脂１０６が次第に硬化した。
【００１７】
ここで、アライメントは、次の要領でなされる。正電極と正側金属パターン、負電極と負側金属パターンとが、それぞれ接着されるように、すなわち、図１に示されるように、また、半導体レーザチップのストライプ方向が、サブマウントの端面と垂直の関係になり、光出射面がサブマウントの端面とほぼ一致するように、方向および位置合わせされる。
【００１８】
次に、サブマウントおよび半導体レーザチップ全体を冷却し、ハンダが固化した後、荷重を加えることをやめた。こうして、ダイボンディング工程が終了し、図１に示す半導体レーザ装置が完成した。
【００１９】
チップを積載する過程において、樹脂１０６は硬化しておらず、適度に柔らかいので、上記工程によって、半導体レーザチップに無用の歪みが引き起こされることがなく、よって完成した半導体レーザ装置の特性を悪化させることがない。
【００２０】
また、上記冷却過程において、ハンダが固化する際には、既に、半導体レーザチップが樹脂１０６で適度に固定されているので、ハンダ冷却の途中でレーザチップが動き、アライメントずれが発生してしまう従来の技術の問題が回避された。
【００２１】
比較のために、本実施の形態の半導体レーザ装置における樹脂１０６を省略した、対象半導体レーザ装置を作製した。サブマウントの端面垂直方向から±２°以内にレーザビーム中心がくることをダイボンディング工程のアライメントに関する良品条件と規定したとき、本実施の形態の半導体レーザ装置においては、良品の得られる率が９６％だったのに対し、対象半導体レーザ装置においては、７０％であった。このように、本実施の形態によれば、従来の技術の場合と比較して、半導体レーザ装置の生産性が向上した。
【００２２】
また、本実施の形態の半導体発光装置においては、樹脂１０６を、図３に示されるように、各ハンダの間のスペースのほぼ全体に設けたが、上述のように、ダイボンディング工程時に半導体レーザチップとサブマウントとを固定するための目的では、必ずしもこのようにする必要はなく、その一部にのみ設けても良い。あるいは、樹脂を正負両電極に挟まれるように配置する必要はなく、チップの端の領域に設けても良い。ただし、後者の場合、チップの片側のみに樹脂が配置されるようにすると、チップが傾いて積載されやすくなるので、樹脂量をより厳密に制御するか、もしくは、チップの両側に対称になるように樹脂を配置するなどの工夫が必要となることがある。しかし、本実施の形態の半導体レーザ装置においては、本構成により、ダイボンディング工程中に、加熱されて融解し押し広げられたハンダが、他方のハンダや電極、金属パターンと接触してしまい、ショートが発生することが防止される効果も奏する。
【００２３】
さらに、本実施の形態においては、ハンダ間に絶縁体が存在することにより、半導体レーザ装置への通電時に、ハンダ間での、電界の大きさが、絶縁性樹脂のない場合よりも減少し、さらに、ハンダ間が樹脂で充填されているので、サブマウントに沿ったハンダ層のマイグレーションが生じにくくなり半導体レーザ装置の寿命特性を向上させる効果も奏する。このような効果を生じさせるに当たっては、上述のように、半導体レーザチップに無用の歪み生じさせることが無い。
【００２５】
〔実施の形態２〕
図４は、本発明の実施の形態２の半導体レーザ装置を示す部分断面図であり、図１における各ハンダ間付近の部分を拡大したものに相当する。図において、３０は、実施の形態２の半導体レーザ装置、３００はサブマウント、３０１は溝であり、その他実施の形態１と同一の部分については、同一の符号で記載した。本実施の形態は、実施の形態１の変形例であり、図示されるように、サブマウントの積載面には、ハンダ１０４・１０５の間に溝３０１が形成されている点が異なるほかは、実施の形態１と同様である。本実施の形態において、溝のサイズは、幅３０μｍ・深さ１００μｍとした。このような、溝の形成は、スクライビング、ダイシング、ワイヤーソー加工、放電加工、エッチング、スパッタリング、レーザ加工、ＦＩＢ加工、サンドブラスト加工などの、公知の溝入れ技術を適宜選択して行うことができる。
【００２６】
図５は、本実施の形態の半導体レーザ装置に用いたサブマウントの部分断面図であり、図４に相当する部分の拡大図である。本図に示されるように、サブマウントには上述の場所に溝が設けられており、その上に、絶縁性の樹脂１０６が設けられている。本サブマウントを用い、図２の半導体レーザチップを、実施の形態１と同様のダイボンディング工程にて積載すると、図４の半導体レーザ装置が完成する。
【００２７】
本実施の形態においては、ダイボンディング工程により、樹脂の一部は、サブマウントと半導体レーザ素子の接続のための上下からの押し付けによって、溝３０１の中に入り込んである。このように、樹脂の逃げを設けたので、ダイボンディング工程によって、半導体レーザチップに歪みが導入されることが実施の形態１の場合に比べて、さらに良好に防止され、半導体レーザ装置の高性能化に貢献する。
【００２８】
また、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、ダイボンディング工程におけるアライメントずれ、ショート防止、通電中のハンダのマイグレーション防止が実現された。
【００２９】
なお、本実施の形態において、樹脂の逃げのために設けた溝３０１は、図５に示された如く、あらかじめ樹脂１０６の下方にある必要はなく、若干横に設けられても、樹脂の拡がりにより上記同様の結果となることは明らかである。
【００３０】
また、上記記載の趣旨からして、溝３０１の変わりに、樹脂の逃げとなり得るような任意の形状の凹部としても、溝を設けた場合と同様の効果を奏することも明らかである。
【００３１】
さらに、本実施の形態の半導体発光装置においても、ダイボンディング工程時に半導体レーザチップとサブマウントとを固定する目的に限れば、必ずしも樹脂を、各ハンダの間のスペースに設ける必要はないことは、実施の形態１に記載した通りである。
【００３２】
〔実施の形態３〕
図６は、本発明の実施の形態３の半導体レーザ装置を示す部分断面図であり、図４に相当する部分の拡大図である。図において、４０は、実施の形態３の半導体レーザ装置、４００はサブマウントであり、その他実施の形態１と同一の部分については、同一の符号で記載した。
【００３３】
本実施の形態は、実施の形態１の変形例であり、次に、本実施の形態の半導体レーザ装置の製造方法を説明しつつ、相違点を述べる。
【００３４】
図７は、本発明の実施の形態３に用いられるサブマウントを示す部分断面図である。本図で示されるのは、図６に相当する部分である。図において、４０１は絶縁性樹脂球であり、熱可塑性のノボラック樹脂を用いた。このような、絶縁性樹脂球の設置は、保持液体に球を混合したものを塗布することにより行うことができる。樹脂球のサイズは一例として５μｍとすることができる。このような、サブマウント４００を用いて、実施の形態１と類似のダイボンディング工程により、図２に示す半導体レーザチップを積載して、図６に示す半導体レーザ装置が完成した。本ダイボンディング工程においては、高温過程において、樹脂球が軟化し、さらに、サブマウントと半導体レーザ素子の接続のために上下から押し付けられることにより樹脂球が一体化し、樹脂１０６で、ハンダ間のスペースが充填される。このような工程により、実施の形態１と同様の半導体レーザ装置を製造することができた。
【００３５】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、ダイボンディング工程におけるアライメントずれ、ショート防止、通電中のハンダのマイグレーション防止が実現された。
【００３６】
なお、上記の記載から明らかなように、樹脂球の形状は、必ずしも完全な球体である必要はなく、直方体、柱体、コンペイトウ型など、適宜変更され得るものであり、また、そのサイズにしても、適宜変更され得るものである。さらに、本実施の形態においても、実施の形態２と同様に、樹脂の余分の部分を逃がすための溝もしくは凹部を設けても良いことは、言うまでもない。
【００３７】
なお、本実施の形態の半導体発光装置においても、ダイボンディング工程時に半導体レーザチップとサブマウントとを固定する目的に限れば、必ずしも樹脂を、各ハンダの間のスペースに設ける必要はないことは、実施の形態１に記載した通りである。
【００３８】
以上、本発明の構成を特定の例を挙げて説明したが、本発明の適用範囲はこれに限られるものではなく、当然ながら、各構成要素をそれぞれ用途を同じくする材料に置換し得るし、他の技術を組み合わせて用いることもできる。
【００３９】
上述の樹脂は、エポキシ樹脂、ノボラック樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等を含んで用いても良く、その性質としては、熱硬化性樹脂を用いることができる。また、樹脂中に、フィラー等が混合されていても良い。
【００４０】
上述の絶縁性サブマウント基体は、ダイヤモンド、Ｓｉ、ＳｉＣ、ｃＢＮ、ＢｅＯ、Ａｌ₂Ｏ₃等の他の絶縁材料や、さらには、ダイヤモンド／Ｓｉ、ＳｉＯ₂／Ｓｉに代表されるように、それら各絶縁材料の積層構造からなる、他の絶縁性サブマウント基体に置き換えることができる。また、必ずしもサブマウント基体は絶縁性である必要はなく、正負両金属パターンの間を電気的に絶縁する工夫を行ったうえで、導電性サブマウント基体を用いることができる。導電性サブマウント基体としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ、Ｃｕ、ＣｕＷ、Ｍｏ等の材料や、それら各物質の積層構造を用いることができる。
【００４１】
上述のハンダは、Ｓｎ、Ｐｂ、ＩｎＡｌ、ＳｎＡｇ、ＰｂＩｎ、ＰｂＳｎ、ＡｕＳｎ、ＡｕＳｉ、ＡｕＧｅ等の他の金属性ろう材に置き換えることができる。
【００４２】
上述の半導体レーザチップは、図２に示した特定の例に限られるものではなく、基板としてＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＳｉＯ₂／サファイア等の他の材料を用いることが可能であり、また、半導体成長層の材料系として、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＡｌＰ系、ＡｌＧａＮ系、ＣｄＺｎＳｅ系等の他のもの用いても本発明の本質を逸脱するものではない。あるいは、半導体レーザチップを、高出力ＬＥＤ、スーパールミネッセンスダイオード等の他の発光素子チップにも置換し得る。
【００４３】
また、上記実施の形態のサブマウントにおいて、各ハンダおよび各金属パターンの形状を、図３に特定の例で示したが、本発明はこれに限られるものではなく、適宜変更され得るものである。例えば、必ずしも、金属パターンがサブマウントのほぼ全面を覆うように設けられる必要はない。あるいは、同一半導体チップに複数の発光部をもつ、いわゆるマルチビーム半導体レーザチップを用いる場合のように、金属パターンが３以上に分割されてもよい。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は、当業者には、容易に想定し得る事項である。
【００４４】
さらに、ハンダ層とサブマウント基体との間には、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が適宜積層形成させてもよい。上記実施の形態に示した金属パターンＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉに置換し得るものとして、Ｐｔ／Ｃｒ、Ａｕ／Ｍｏ、Ａｕ／Ｐｔ／Ｃｒ、Ａｕ／Ｍｏ／Ｔｉ等も用いることが可能である。ハンダ、絶縁膜、ボンディングパッド、サブマウント基体相互の間に、同様の目的で種々の膜を介在させることも想定される。
【００４５】
またさらに、上記実施の形態に示した本発明の半導体レーザ装置の製造方法では、樹脂とハンダを、ダイボンディング工程前に、あらかじめサブマウント上に設けたが、これら両方またはいずれか片方を、あらかじめ半導体レーザチップ表面に設けるようにしても、本発明の半導体レーザ装置を製造できることは明らかである。
【００４６】
上述の各実施の形態においては、マウント部材として、サブマウントを用いた場合について説明したが、本発明の適用は、これに限られるものでなく、他のマウント部材を用いても良い。すなわち、任意のマウント部材において、レーザチップのダイボンディングされる部分が、上述の各実施の形態と同様の構成であれば、他のマウント部材においても上述同様の効果を奏することは、明白である。したがって、レーザチップを、サブマウントを用いず直接ステム、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、フレームもしくはパッケージに、上記本発明の構成を適用することができる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、上記構成により、ダイボンディング工程時におけるアライメントずれが防止されて、所定の光学特性を有する半導体レーザ装置の生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の半導体レーザ装置を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１の半導体レーザチップを示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１のサブマウントを示す部分断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２の半導体レーザ装置を示す部分断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２のサブマウントを示す部分断面図である。
【図６】本発明の実施の形態３の半導体レーザ装置を示す部分断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３のサブマウントを示す部分断面図である。
【図８】従来の技術の半導体レーザ装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１０、３０、４０半導体レーザ装置
１００、３００、４００サブマウント
１０１サブマウント基体
１０２正側金属パターン
１０３負側金属パターン
１０４、１０５ハンダ
１０６樹脂
２００半導体レーザチップ
２０１基板
２０２半導体成長層
２０３正電極
２０４負電極
３０１溝
４０１樹脂球

Claims

片面に複数の電極を有する半導体レーザチップが、該各電極に対向する導電膜パターンを積載面上に有したマウント部材に、積載されて構成される半導体レーザ装置の製造方法であって、各電極と、これに対向する導電膜パターンとが、それぞれハンダで接合されるように配される該半導体レーザチップが、該マウント部材上にハンダを介して載置され、かつ該ハンダが溶融している状態から該マウント部材と該半導体レーザチップを冷却して該ハンダを固化する過程では、該半導体レーザチップと該マウント部材とは熱硬化性樹脂を含む絶縁体によりアライメントずれを防止するように固定されることを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
前記マウント部材の半導体レーザチップ積載面において、前記樹脂を含む絶縁体に接する部分には、凹部が設けられ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の製造方法。