JP2728190B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents
半導体レーザ素子Info
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- laser device
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- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ｐ−ｎ接合窒化ガリウ
ム系の化合物半導体層を用いた半導体レーザ素子に係
り、特に、冷却効率を向上させた半導体レーザ素子の改
良に関するものである。
ム系の化合物半導体層を用いた半導体レーザ素子に係
り、特に、冷却効率を向上させた半導体レーザ素子の改
良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半
導体レーザ素子においては、窒化ガリウム層を結晶成長
させる基板として、サフャイヤ基板が多用されている。
このサフャイア基板上に、ｎ形ＧａＮ層、ｎ形ＩｎＧａ
Ｎ層及びｐ形ＧａＮ層を順次積層し、次いで、ｎ形Ｇａ
Ｎ層上及びｐ形ＧａＮ層上に夫々電極を形成して半導体
チップを形成する。その後、半導体チップのサファイヤ
基板をステムの支持基板に固定するとともに、外部の電
源と電気的に接続してステム上に延びた電極端子に電極
をそれぞれ接続する。窓部を有した封止金属部材とステ
ムとで内部に不活性ガスを封入することにより、半導体
レーザ素子が作製される。
導体レーザ素子においては、窒化ガリウム層を結晶成長
させる基板として、サフャイヤ基板が多用されている。
このサフャイア基板上に、ｎ形ＧａＮ層、ｎ形ＩｎＧａ
Ｎ層及びｐ形ＧａＮ層を順次積層し、次いで、ｎ形Ｇａ
Ｎ層上及びｐ形ＧａＮ層上に夫々電極を形成して半導体
チップを形成する。その後、半導体チップのサファイヤ
基板をステムの支持基板に固定するとともに、外部の電
源と電気的に接続してステム上に延びた電極端子に電極
をそれぞれ接続する。窓部を有した封止金属部材とステ
ムとで内部に不活性ガスを封入することにより、半導体
レーザ素子が作製される。
【０００３】しかしながら、このように作製された半導
体レーザ素子では、半導体チップの下にあるサフャイヤ
基板が熱伝導性が悪く、半導体チップで発生したジュー
ル熱がステムの支持基板に伝わらず、ひいては半導体チ
ップ全体の冷却効率が悪く、素子寿命を著しく損なう結
果となっていた。
体レーザ素子では、半導体チップの下にあるサフャイヤ
基板が熱伝導性が悪く、半導体チップで発生したジュー
ル熱がステムの支持基板に伝わらず、ひいては半導体チ
ップ全体の冷却効率が悪く、素子寿命を著しく損なう結
果となっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明はこの
ような事情を鑑みてなされたものであって、その目的と
するところは、ｐ−ｎ接合を有する窒化ガリウム系半導
体チップを用いた半導体レーザ素子において、特に半導
体チップの冷却効率の優れたものを提供することににあ
る。
ような事情を鑑みてなされたものであって、その目的と
するところは、ｐ−ｎ接合を有する窒化ガリウム系半導
体チップを用いた半導体レーザ素子において、特に半導
体チップの冷却効率の優れたものを提供することににあ
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、窒化ガリ
ウム系化合物半導体の発光ダイオード（ＬＥＤ）におい
て、窒化ガリウム半導体層を結晶成長させたサファイヤ
基板側でなく、窒化ガリウム半導体層側をステムに固定
する、即ち、サファイヤ基板を上にすることを提案して
おり（特願平４ー２８９４９５号）、本発明者等は、こ
のことをレーザ素子に適用すべく、鋭意研究の結果、本
発明を完成するに至った。
ウム系化合物半導体の発光ダイオード（ＬＥＤ）におい
て、窒化ガリウム半導体層を結晶成長させたサファイヤ
基板側でなく、窒化ガリウム半導体層側をステムに固定
する、即ち、サファイヤ基板を上にすることを提案して
おり（特願平４ー２８９４９５号）、本発明者等は、こ
のことをレーザ素子に適用すべく、鋭意研究の結果、本
発明を完成するに至った。
【０００６】即ち、上述の目的は、成長基板と、この成
長基板上に順次形成されたｎ形及びｐ形窒化ガリウム層
と、これらｐ形及びｎ形窒化ガリウム層にそれぞれ形成
された一対の電極とを少なくとも有した半導体チップが
支持基板上に設けられる半導体レーザ素子において、半
導体チップは、半導体チップの大きさより大きい熱伝導
性絶縁スペーサを介して支持基板上に固定されており、
半導体チップの一対の電極が、支持基板と対向するｐ形
及びｎ形窒化ガリウム層にそれぞれ形成され、一方、こ
れら電極と対向した熱伝導性絶縁スペーサ上には対向電
極層が形成され、電極と対向電極層とは熱導電性のある
導電性接着剤で固定されていることを特徴とする半導体
レーザ素子により、解決される。
長基板上に順次形成されたｎ形及びｐ形窒化ガリウム層
と、これらｐ形及びｎ形窒化ガリウム層にそれぞれ形成
された一対の電極とを少なくとも有した半導体チップが
支持基板上に設けられる半導体レーザ素子において、半
導体チップは、半導体チップの大きさより大きい熱伝導
性絶縁スペーサを介して支持基板上に固定されており、
半導体チップの一対の電極が、支持基板と対向するｐ形
及びｎ形窒化ガリウム層にそれぞれ形成され、一方、こ
れら電極と対向した熱伝導性絶縁スペーサ上には対向電
極層が形成され、電極と対向電極層とは熱導電性のある
導電性接着剤で固定されていることを特徴とする半導体
レーザ素子により、解決される。
【０００７】好適には、半導体チップの成長基板がサフ
ァイヤ基板からなっており、熱伝導性絶縁スペーサがサ
ファイヤ基板より熱伝導性のよい材質からなっており、
又、ｎ形窒化ガリウム層に形成された電極は、ｐ形窒化
ガリウム層の一部をエッチングすることにより形成され
ている。
ァイヤ基板からなっており、熱伝導性絶縁スペーサがサ
ファイヤ基板より熱伝導性のよい材質からなっており、
又、ｎ形窒化ガリウム層に形成された電極は、ｐ形窒化
ガリウム層の一部をエッチングすることにより形成され
ている。
【０００８】さらに、熱伝導性絶縁スペーサに形成され
た対向電極層が半導体チップとの重合部より外側に延在
していることが好ましい。
た対向電極層が半導体チップとの重合部より外側に延在
していることが好ましい。
【０００９】
【作用】半導体チップのｐ形及びｎ形窒化ガリウム層で
発生したジュール熱の一部は、半導体チップの成長基板
を通じて不活性ガス中に放出されるが、サファイヤ基板
の如く、熱伝導性の悪い成長基板の材質であっても、本
発明では、半導体チップとステムの支持基板との間に導
電性絶縁スペーサが設けられることから、ジュール熱の
大部分は、電極、熱伝導性のある導電性接着剤、対向電
極及び熱伝導性絶縁スペーサを介してステムの支持基板
に伝導されるので、半導体チップの冷却効率が著しく改
善される。
発生したジュール熱の一部は、半導体チップの成長基板
を通じて不活性ガス中に放出されるが、サファイヤ基板
の如く、熱伝導性の悪い成長基板の材質であっても、本
発明では、半導体チップとステムの支持基板との間に導
電性絶縁スペーサが設けられることから、ジュール熱の
大部分は、電極、熱伝導性のある導電性接着剤、対向電
極及び熱伝導性絶縁スペーサを介してステムの支持基板
に伝導されるので、半導体チップの冷却効率が著しく改
善される。
【００１０】半導体チップの成長基板がサファイヤ基板
からなり、且つ熱伝導性絶縁スペーサがサファイヤ基板
より熱伝導性のよい材質からなっていると、熱伝導性の
点から、好ましく、また、ｎ形窒化ガリウム層に形成さ
れた電極がｐ形窒化ガリウム層の一部をエッチングする
ことにより形成されることにより、容易に、電極と熱伝
導性絶縁スペーサ上の対向電極とを熱導電性の良い導電
性接着剤で電気的に接続できると共に、半導体チップを
ステムの支持基板に固定できる。
からなり、且つ熱伝導性絶縁スペーサがサファイヤ基板
より熱伝導性のよい材質からなっていると、熱伝導性の
点から、好ましく、また、ｎ形窒化ガリウム層に形成さ
れた電極がｐ形窒化ガリウム層の一部をエッチングする
ことにより形成されることにより、容易に、電極と熱伝
導性絶縁スペーサ上の対向電極とを熱導電性の良い導電
性接着剤で電気的に接続できると共に、半導体チップを
ステムの支持基板に固定できる。
【００１１】熱伝導性絶縁スペーサに形成された対向電
極層が半導体チップとの重合部より外側に延在している
ことにより、対局電極層は好適なボンディング手段でそ
れぞれステムの電極端子に容易に電気的に接続できる。
極層が半導体チップとの重合部より外側に延在している
ことにより、対局電極層は好適なボンディング手段でそ
れぞれステムの電極端子に容易に電気的に接続できる。
【００１２】
【実施例】以下、図１及び図２を参照しながら、本発明
の一実施例について説明する。
の一実施例について説明する。
【００１３】図１には、本発明の半導体レーザ素子の概
略図が一部を断面にして示されている。この半導体レー
ザ素子はステム２を具備しており、このステム２は、垂
直方向に延びた支持基板４を有している。後で詳述する
ように、支持基板４上には熱伝導性絶縁スペーサ６を介
して半導体チップ８が固定されている。一方、ステム２
の周縁部には、内部に好適な不活性ガスを封止するため
の封止金属部材１０が延びており、半導体チップ８の上
方には、レーザ光を透過するための窓部１２が設けられ
ており、窓部１２と封止金属部材１０とは気密に接合さ
れている。そして、半導体チップ８と離間したステム２
の部位には、少なくとも一方で電気的に絶縁された一対
の電極端子１４がステム２に対し垂直方向に延びてい
る。
略図が一部を断面にして示されている。この半導体レー
ザ素子はステム２を具備しており、このステム２は、垂
直方向に延びた支持基板４を有している。後で詳述する
ように、支持基板４上には熱伝導性絶縁スペーサ６を介
して半導体チップ８が固定されている。一方、ステム２
の周縁部には、内部に好適な不活性ガスを封止するため
の封止金属部材１０が延びており、半導体チップ８の上
方には、レーザ光を透過するための窓部１２が設けられ
ており、窓部１２と封止金属部材１０とは気密に接合さ
れている。そして、半導体チップ８と離間したステム２
の部位には、少なくとも一方で電気的に絶縁された一対
の電極端子１４がステム２に対し垂直方向に延びてい
る。
【００１４】次に、図１中記号Ａでの位置で断面にして
示す図２を参照しながら、半導体チップ８と支持基板４
との構造について説明すると、本発明の半導体チップ８
は、支持基板４に対し遠い側から、成長基板であるサフ
ャイヤ基板８０を有し、このサファイヤ基板８０上に
は、ｎ形窒化ガリウム層（以下、ｎ形ＧａＮ層という）
８２及びｎ形窒化インジウムガリウム層８４（以下、ｎ
形ＩｎＧａＮ層という）、ｐ形窒化ガリウム層８６（以
下、ｐ形ＧａＮ層という）が積層されている。
示す図２を参照しながら、半導体チップ８と支持基板４
との構造について説明すると、本発明の半導体チップ８
は、支持基板４に対し遠い側から、成長基板であるサフ
ャイヤ基板８０を有し、このサファイヤ基板８０上に
は、ｎ形窒化ガリウム層（以下、ｎ形ＧａＮ層という）
８２及びｎ形窒化インジウムガリウム層８４（以下、ｎ
形ＩｎＧａＮ層という）、ｐ形窒化ガリウム層８６（以
下、ｐ形ＧａＮ層という）が積層されている。
【００１５】ｐ形ＧａＮ層８６上の周縁部は、ｎ形Ｉｎ
ＧａＮ層８４及びｎ形ＧａＮ層の一部までにわたって好
適なエッチング手段により切欠かれており、この部位に
Ａｌ電極８８が形成されている。一方、エッチングによ
り切欠けあれたｐ形ＧａＮ層８６上の周縁部には、絶縁
保護膜９０が形成され、ｐ形ＧａＮ層８６上の中心部か
ら絶縁保護膜８８上にわたってＮｉ電極９２が形成され
ている。
ＧａＮ層８４及びｎ形ＧａＮ層の一部までにわたって好
適なエッチング手段により切欠かれており、この部位に
Ａｌ電極８８が形成されている。一方、エッチングによ
り切欠けあれたｐ形ＧａＮ層８６上の周縁部には、絶縁
保護膜９０が形成され、ｐ形ＧａＮ層８６上の中心部か
ら絶縁保護膜８８上にわたってＮｉ電極９２が形成され
ている。
【００１６】半導体チップ８のＡｌ電極８８及びＮｉ電
極９２に対応した熱伝導性絶縁スペーサ６の部位には、
対向電極６０、６２がそれぞれ形成されており、半導体
チップ８のＡｌ電極８８及びＮｉ電極９２と対向電極６
０、６２とは、熱導電性の良い導電性接着剤９４、９６
によりそれぞれ固定されている。導電性接着剤９４、９
６は、半導体チップ８のＡｌ電極８８及びＮｉ電極９２
と対向電極６０、６２とを電気的に接続でき、且つ熱伝
導性のよい材質であればよく、例えば、インジウム、銀
ペースト、半田等からなっている。
極９２に対応した熱伝導性絶縁スペーサ６の部位には、
対向電極６０、６２がそれぞれ形成されており、半導体
チップ８のＡｌ電極８８及びＮｉ電極９２と対向電極６
０、６２とは、熱導電性の良い導電性接着剤９４、９６
によりそれぞれ固定されている。導電性接着剤９４、９
６は、半導体チップ８のＡｌ電極８８及びＮｉ電極９２
と対向電極６０、６２とを電気的に接続でき、且つ熱伝
導性のよい材質であればよく、例えば、インジウム、銀
ペースト、半田等からなっている。
【００１７】熱伝導性絶縁スペーサ６は、絶縁体であっ
て熱伝導性の良いもの、好適には成長基板であるサファ
イヤ基板８０より熱伝導性の良いもの、例えば、ダイヤ
モンド、ケイ素或いはその他のセラミックからなってい
る。この熱伝導性絶縁スペーサ６は、接着剤６４を介し
てステム２の支持基板４に装着されている。接着剤６４
は、熱伝導性の良いものからなっており、例えば、導電
性接着剤９４、９６と同じインジウム、銀ペースト、半
田等からなっている。
て熱伝導性の良いもの、好適には成長基板であるサファ
イヤ基板８０より熱伝導性の良いもの、例えば、ダイヤ
モンド、ケイ素或いはその他のセラミックからなってい
る。この熱伝導性絶縁スペーサ６は、接着剤６４を介し
てステム２の支持基板４に装着されている。接着剤６４
は、熱伝導性の良いものからなっており、例えば、導電
性接着剤９４、９６と同じインジウム、銀ペースト、半
田等からなっている。
【００１８】次に、このように構成された半導体レーザ
素子の具体的製造方法について説明する。まず、ＭＯＣ
ＶＤ装置にてサファイヤ基板８０のＣ面にＧａＮバッフ
ァ層を膜厚２００オングストロームで形成し、その上に
Ｓｉをドープしたｎ形ＧａＮ層８２を膜厚４μｍで形成
し、次いで、その上にＳｉをドープしたｎ形ＩｎＧａＮ
（Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ）層８４を膜厚２００オングスト
ロームで、さらにその上にＭｇをドープしたｐ形ＧａＮ
層８６を０．５μｍで順次成長させる。
素子の具体的製造方法について説明する。まず、ＭＯＣ
ＶＤ装置にてサファイヤ基板８０のＣ面にＧａＮバッフ
ァ層を膜厚２００オングストロームで形成し、その上に
Ｓｉをドープしたｎ形ＧａＮ層８２を膜厚４μｍで形成
し、次いで、その上にＳｉをドープしたｎ形ＩｎＧａＮ
（Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ）層８４を膜厚２００オングスト
ロームで、さらにその上にＭｇをドープしたｐ形ＧａＮ
層８６を０．５μｍで順次成長させる。
【００１９】ｐ形ＧａＮ層８６成長後、ウエハをＭＯＣ
ＶＤ装置から取り外し、新たに電子線照射装置に入れ
て、７００℃で電子線照射を行い、ｐ形ＧａＮ装置をさ
らに低抵抗化する。
ＶＤ装置から取り外し、新たに電子線照射装置に入れ
て、７００℃で電子線照射を行い、ｐ形ＧａＮ装置をさ
らに低抵抗化する。
【００２０】次いで、ｐ形ＧａＮ層８６上にフォトレジ
ストにより所定のパターンを形成し、ｐ形ＧａＮ層の一
部をｎ形ＩｎＧａＮ層８４を貫通してｎ形ＧａＮ層８２
に達するまでエッチングする。
ストにより所定のパターンを形成し、ｐ形ＧａＮ層の一
部をｎ形ＩｎＧａＮ層８４を貫通してｎ形ＧａＮ層８２
に達するまでエッチングする。
【００２１】エッチング終了後、レジストを剥離し、ｐ
形ＧａＮ層８６の所定位置に絶縁保護膜９０を形成し、
次いで、再度フォトレジストにより電極パターンを作成
し、蒸着によりｎ形ＧａＮ層８２にＡｌ電極８８と、ｐ
形ＧａＮ層８６Ｎｉ電極９２を形成する。その後、ウエ
ハをダイシングにより半導体チップ８にカットする。
形ＧａＮ層８６の所定位置に絶縁保護膜９０を形成し、
次いで、再度フォトレジストにより電極パターンを作成
し、蒸着によりｎ形ＧａＮ層８２にＡｌ電極８８と、ｐ
形ＧａＮ層８６Ｎｉ電極９２を形成する。その後、ウエ
ハをダイシングにより半導体チップ８にカットする。
【００２２】一方、熱伝導性絶縁体スペーサ６について
は、例えば、ノンドープのＳｉウエハ基板上にフォトレ
ジストにより電極パターンを形成し、蒸着により対向電
極６０、６２を形成する。その後、ウエハを、半導体チ
ップ８よりも大きい所定のサイズにダイシングによりチ
ップ状にする。そして、対向電極６０、６２と反対側の
熱伝導性絶縁スペーサ６を、例えば、Ａｇペーストでス
テム２の支持基板４に接合し、熱伝導性絶縁スペーサ６
上の対向電極６０、６２と半導体チップ８のＡｌ電極８
８及びＮｉ電極９２と互いに対向させ、電極間を導電性
接着剤（Ａｇペースト）９４、９６で接合して固定す
る。次いで、図１に示されるように、熱伝導性絶縁スペ
ーサ６の対向電極６０、６２と電極端子１４とをそれぞ
れＡｕワイヤで接続し、最後に、内部に不活性ガスを封
入すると共に、ステム２上を、石英等からなる窓部１２
を有した封止金属部材１０で封止し、半導体レーザ素子
とする。
は、例えば、ノンドープのＳｉウエハ基板上にフォトレ
ジストにより電極パターンを形成し、蒸着により対向電
極６０、６２を形成する。その後、ウエハを、半導体チ
ップ８よりも大きい所定のサイズにダイシングによりチ
ップ状にする。そして、対向電極６０、６２と反対側の
熱伝導性絶縁スペーサ６を、例えば、Ａｇペーストでス
テム２の支持基板４に接合し、熱伝導性絶縁スペーサ６
上の対向電極６０、６２と半導体チップ８のＡｌ電極８
８及びＮｉ電極９２と互いに対向させ、電極間を導電性
接着剤（Ａｇペースト）９４、９６で接合して固定す
る。次いで、図１に示されるように、熱伝導性絶縁スペ
ーサ６の対向電極６０、６２と電極端子１４とをそれぞ
れＡｕワイヤで接続し、最後に、内部に不活性ガスを封
入すると共に、ステム２上を、石英等からなる窓部１２
を有した封止金属部材１０で封止し、半導体レーザ素子
とする。
【００２３】上述した熱伝導性絶縁スペーサ６を設ける
ことなく、半導体チップ２のサファイヤ基板８０を直接
ステム２の支持基板４に接合した従来のものが発振しき
い値電流密度３ｋＡ／ｃｍ2 で発振波長４２０ｎｍとす
る素子寿命が約１時間であったのに対し、上述の実施例
で得られた半導体レーザ素子では、発振しきい値電流密
度２ｋＡ／ｃｍ2 で発振波長４２０ｎｍとする素子寿命
が約１００時間と著しく向上した。
ことなく、半導体チップ２のサファイヤ基板８０を直接
ステム２の支持基板４に接合した従来のものが発振しき
い値電流密度３ｋＡ／ｃｍ2 で発振波長４２０ｎｍとす
る素子寿命が約１時間であったのに対し、上述の実施例
で得られた半導体レーザ素子では、発振しきい値電流密
度２ｋＡ／ｃｍ2 で発振波長４２０ｎｍとする素子寿命
が約１００時間と著しく向上した。
【００２４】
【発明の効果】上述したように、本発明によれば、半導
体チップの成長基板から遠い側に電極を設け、この電極
と熱伝導性絶縁スペーサの対向電極とを接合し、半導体
チップを熱伝導性絶縁スペーサを介してステムの支持基
板に固定することにより、半導体チップで発生する熱を
ステムに伝達することができ、著しい冷却効率を改善
し、寿命の長い半導体レーザ素子を提供することができ
た。
体チップの成長基板から遠い側に電極を設け、この電極
と熱伝導性絶縁スペーサの対向電極とを接合し、半導体
チップを熱伝導性絶縁スペーサを介してステムの支持基
板に固定することにより、半導体チップで発生する熱を
ステムに伝達することができ、著しい冷却効率を改善
し、寿命の長い半導体レーザ素子を提供することができ
た。
【図１】本発明の一実施例による半導体レーザ素子を一
部断面にして示す立面図である。
部断面にして示す立面図である。
【図２】図１の符号Ａで断面にして半導体チップを示す
断面図である。
断面図である。
２ ステム ４ 支持基板 ６ 熱伝導性絶縁スペーサ ８ 半導体チップ １０ 封止金属部材 １２ 窓部 ６０、６２ 対向電極 ６４ 接着剤 ８０ 成長基板 ８２ ｎ形ＧａＮ層 ８４ ｎ形ＩｎＧａＮ層 ８６ ｐ形ＧａＮ層 ８８、９２ 電極 ９０ 絶縁保護膜 ９４、９６ 導電性接着剤
Claims (4)
- 【請求項１】 成長基板と、この成長基板上に順次形成
されたｎ形及びｐ形窒化ガリウム層と、これらｐ形及び
ｎ形窒化ガリウム層にそれぞれ形成された一対の電極と
を少なくとも有した半導体チップが支持基板上に設けら
れる半導体レーザ素子において、 前記半導体チップは、半導体チップの大きさより大きい
熱伝導性絶縁スペーサを介して支持基板上に固定されて
おり、前記半導体チップの一対の電極が、支持基板と対
向するｐ形及びｎ形窒化ガリウム層にそれぞれ形成さ
れ、一方、これら電極と対向した前記熱伝導性絶縁スペ
ーサ上には対向電極層が形成され、前記電極と対向電極
層とは熱伝導性のある導電性接着剤で固定されているこ
とを特徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項２】 前記半導体チップの成長基板がサファイ
ヤ基板からなっており、前記熱伝導性絶縁スペーサがサ
ファイヤ基板より熱伝導性のよい材質からなっているこ
とを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項３】 前記ｎ形窒化ガリウム層に形成された電
極は、ｐ形窒化ガリウム層の一部をエッチングすること
により形成されていることを特徴とする請求項１又は２
に記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項４】 前記熱伝導性絶縁スペーサに形成された
対向電極層は、半導体チップとの重合部より外側に延在
していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか
に記載の半導体レーザ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4212693A JP2728190B2 (ja) | 1993-02-05 | 1993-02-05 | 半導体レーザ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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