JP4967875B2 - 半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の半導体レーザ素子を同一基板上に形成し、半田を用いてパッケージに搭載した半導体発光装置及びその製造方法に関し、特にパッケージへの搭載前後で各半導体レーザ素子の偏光が回転するのを防ぐことができる半導体発光装置及びその製造方法に関するものである。

記録時の倍速が上がるにつれて記録型高出力レーザダイオードに要求される光出力が益々増大してきている。また、光出力を効率よく光学系に入れるために安定な光のビーム形状を得ることが重要である。ビーム形状が安定しない場合、光学系への光の注入効率が低下し、より大きな光出力が必要になる。

半導体レーザ素子をパッケージへ搭載するために半田が用いられるため、搭載時の温度を３００℃以上の高温にする必要がある。従って、半導体レーザ素子とパッケージの線膨張係数の違いにより、使用温度の１００℃以下において残留応力が残ってしまう。

図１５は、１つの半導体レーザ素子を基板上に形成した従来の半導体発光装置を示す斜視図である（例えば、特許文献１参照）。１つの半導体レーザ素子１０がＧａＡｓ基板１１上に形成されている。また、半導体レーザ素子１０の主面にＡｕメッキ１６が形成されている。そして、Ａｕメッキ１６上に半田１８を塗布し、この半田１８を用いて複数の半導体レーザ素子１０がサブマウント１９に搭載されている。サブマウント１９は、半田２１を用いてパッケージ２２に搭載されている。

ここで、ＧａＡｓ基板１１の材料であるＧａＡｓの線膨張係数は６（×１０^−６／℃）である。一方、パッケージ２２の材料としてよく用いられるＦｅの線膨張係数は１１である。また、高放熱のパッケージ２２の材料として用いられるＣｕの線膨張係数は１７である。半導体レーザ素子１０をＦｅのパッケージ２２に半田１８を用いて直接に搭載すると、線膨張係数の違いにより生じる残留応力で半導体レーザ素子１０が破壊される場合もある。Ｃｕのパッケージ２２を使用する場合は線膨張係数の差がさらに大きくなり、残留応力もさらに大きくなる。

そこで、この残留応力の影響を低減するために、パッケージ２２と半導体レーザ素子１０の間に、線膨張係数４のＡｌＮ等からなるサブマウント１９を挿入している。サブマウント１９の線膨張係数はＧａＡｓ基板１１に近く、機械強度も大きいために、残留応力を低減できる。ただ、この構造でも残留応力を０にはできない。

ＧａＡｓ基板１１上に形成された半導体レーザ素子１０が１つの場合は、組み立て後の残留応力が半導体レーザ素子１０の発光領域を挟んで左右対称にかかる。従って、組み立て前と比較して偏光の回転は発生しない。

特開２００２−２４６３３３号公報

しかし、図１６に示すように、複数の半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂを同一基板１１上に形成した場合は、各半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂにかかる残留応力が必ずしも左右対称にならない。従って、組み立て前と比較して偏光の回転が発生する。この偏光の回転は半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂの出射パワーが変わるたび、すなわち動作時の素子温度が変わるたびに変わってしまう。このため、光学系に偏光フィルターが使用されている場合、偏光の回転角が変わるたびに光学系への光の注入効率が変わり、ピックアップとして安定な光パワーが得られなくなってしまうという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、パッケージへの搭載前後で各半導体レーザ素子の偏光が回転するのを防ぐことができる半導体発光装置及びその製造方法を得るものである。

本発明に係る半導体発光装置は、同一基板上に形成された第１及び第２の半導体レーザ素子と、第１及び第２の半導体レーザ素子の主面に形成されたＡｕメッキと、Ａｕメッキ上に塗布した半田を用いて第１及び第２の半導体レーザ素子が搭載されたサブマウントとを備え、各半導体レーザ素子の発光領域を挟んで対向する領域をそれぞれ第１領域と第２領域とし、各半導体レーザ素子において、第１領域は基板の外側よりで、第２領域は基板の中心部よりであり、各半導体レーザ素子の第１領域と第２領域でＡｕメッキの厚みの平均値を不均一にする。

本発明に係る半導体発光装置の製造方法は、同一基板上に第１及び第２の半導体レーザ素子を形成する工程と、第１及び第２の半導体レーザ素子の主面にＡｕメッキを形成する工程と、Ａｕメッキ上に半田を塗布し、半田を用いて第１及び第２の半導体レーザ素子をサブマウントに搭載する工程とを備え、各半導体レーザ素子の発光領域を挟んで対向する領域をそれぞれ第１領域と第２領域とし、各半導体レーザ素子において、第１領域は基板の外側よりで、第２領域は基板の中心部よりであり、各半導体レーザ素子の第１領域と第２領域でＡｕメッキの厚みの平均値を不均一にする。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明により、パッケージへの搭載前後で各半導体レーザ素子の偏光が回転するのを防ぐことができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体発光装置を示す斜視図である。また、図２は、本発明の実施の形態１に係る複数の半導体レーザ素子を示す断面図である。

複数の半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂが同一のＧａＡｓ基板１１（基板）上に形成されている。各半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂは、ｎ型のＧａＡｓ基板１１の主面に順番に形成されたｎ型半導体層１２と、活性層１３と、ｐ型半導体層１４とを有する。また、各半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂの主面に、電極パターン１５とＡｕメッキ１６が順番に形成されている。ＧａＡｓ基板１１の裏面には、裏面電極１７が形成されている。Ａｕメッキ１６上に塗布された半田１８を用いて複数の半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂがサブマウント１９に搭載されている。そして、サブマウント１９は、半田２１を用いてパッケージ２２に搭載されている。

各半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂの中央に発光領域が形成されている。そして、各半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂの発光領域を挟んで対向する領域をそれぞれ第１領域と第２領域とする。ここでは、第１領域はＧａＡｓ基板１１の外側よりで、第２領域は中心部よりである。そして、Ａｕメッキ１６の厚みを、第１領域では約２μｍ程度と薄くし、第２領域では約３μｍ程度と厚くする。

ここで、実験として、図３に示すように、１つの半導体レーザ素子１０をＧａＡｓ基板１１上に形成し、Ａｕメッキ１６の厚みを左半分で薄くし、右半分で厚くしたところ、半導体レーザ素子１０の偏光がＡｕメッキ１６の薄い方に回ることが観測された。この特性により、上記のように各半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂにおいてＧａＡｓ基板１１の中心部よりの領域でＡｕメッキ１６を厚くすることで、図１６に示すＡｕメッキ１６の厚みが均一な従来の半導体発光素子において発生していた偏光の回転を防ぐことができる。

次に、本発明の実施の形態１に係る半導体発光装置の製造方法について図面を用いて説明する。ただし、説明を簡略化するために、１つの半導体レーザ素子１０ａについてのみ図示する。

まず、同一のＧａＡｓ基板１１上に複数の半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂを形成する。そして、図４に示すように、各半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂの主面に電極パターン１５を形成する。さらに、電極パターン１５の上にメッキ用マスクパターン２３を形成する。

次に、図５に示すように、電極パターン１５にメッキ用の電流を供給して、各半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂの第１領域及び第２領域に第１Ａｕメッキ１６ａを形成する。その後、メッキ用マスクパターン２３を除去する。

次に、図６に示すように、各半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂの第１領域を覆うようにメッキ用マスクパターン２４を形成する。そして、図７に示すように、電極パターン１５にメッキ用の電流を供給して、第２領域に第２Ａｕメッキ１６ｂを形成する。これにより、半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂの主面に、第１Ａｕメッキ１６ａと第２Ａｕメッキ１６ｂからなるＡｕメッキ１６を形成する。

この方法により、第１領域と第２領域でＡｕメッキ１６の厚みの平均値を不均一にすることができる。また、メッキ用マスクパターンを二回形成しなければならないため手間は増えるが、Ａｕメッキ１６の厚みを正確に制御することができる。

その後、ＧａＡｓ基板１１の裏面に裏面電極１７を形成する。そして、Ａｕメッキ１６上に半田１８を塗布し、この半田１８を用いて複数の半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂをサブマウント１９に搭載する。さらに、半田２１を用いサブマウント１９をパッケージ２２に搭載する。これにより、図１に示すような半導体発光装置が製造される。

以上説明したように、本実施の形態に係る半導体発光装置は、各半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂの第１領域と第２領域でＡｕメッキ１６の厚みの平均値を不均一にすることで、パッケージ２２への搭載前後で各半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂの偏光が回転するのを防ぐことができる。

なお、上記の材料系を使用し、組み立て温度が３５０℃、半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂの長さが１．５ｍｍ以上、幅が２００μｍ程度の場合、活性層１３に対して垂直方向に引っ張り応力が加わる。線膨張係数差で単純に考えると半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂに圧縮応力が加わるように思われるが、半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂの細長い構造及びサブマウント１９の存在により、組み立て後の残留応力は複雑になり、活性層１３と並行な長手方向では圧縮応力が加わるが、垂直方向では引っ張り応力になる。ただし、半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂの形状によって活性層１３と垂直な方向に圧縮応力が加わる場合は、ＧａＡｓ基板１１の中心部よりの領域においてＡｕメッキ１６を薄くしてもよい。また、上記の例では各半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂの両方についてＡｕメッキ１６の厚みを変えているが、残留応力によっては一方の半導体レーザ素子だけについてＡｕメッキ１６の厚みを変えてもよい。

また、ＡＮＳＹＳ等のシミュレーションでは、Ａｕメッキ１６の厚みの僅かな違いによって残留応力が低減できることは確認できない。従って、本発明は、現在のシミュレーション技術では容易に類推できない。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る半導体発光装置の製造方法について図面を用いて説明する。ただし、説明を簡略化するために、１つの半導体レーザ素子１０ａについてのみ図示する。また、メッキ工程以外は実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

まず、図８に示すように、各半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂの主面の第１領域と第２領域にそれぞれ第１電極パターン１５ａと第２電極パターン１５ｂを形成する。ただし、第１電極パターン１５ａと第２電極パターン１５ｂの間に２μｍ程度の間隙を設け、両者を電気的に分離する。さらに、第１，第２電極パターン１５ａ，１５ｂの上にメッキ用マスクパターン２３を形成する。

次に、図９に示すように、第２電極パターン１５ｂにのみメッキ用の電流を供給して、第２領域に第１Ａｕメッキ１６ａを形成する。なお、メッキは横方向にも進むので第１Ａｕメッキ１６ａは間隙を覆う。

次に、図１０に示すように、第１電極パターン１５ａ及び第２電極パターン１５ｂにメッキ用の電流を供給して、第１領域及び第２領域に第２Ａｕメッキ１６ｂを形成する。これにより、半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂの主面に、第１Ａｕメッキ１６ａと第２Ａｕメッキ１６ｂからなるＡｕメッキ１６を形成する。

この方法により、一回のメッキ工程で第１領域と第２領域でＡｕメッキ１６の厚みの平均値を不均一にすることができるため、製造コストを削減することができる。ただし、Ａｕメッキ１６の厚みがバラツキ易いため、Ａｕメッキ１６の厚みのバラツキが偏光の回転にあまり影響しない素子構造に使用する必要がある。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る半導体発光装置の製造方法について図面を用いて説明する。ただし、説明を簡略化するために、１つの半導体レーザ素子１０ａについてのみ図示する。また、メッキ工程以外は実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

まず、図１１の上面図及び図１２の断面図に示すように、各半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂの主面の第１領域と第２領域にそれぞれ第１電極パターン１５ａと第２電極パターン１５ｂを形成する。ただし、第１電極パターン１５ａと第２電極パターン１５ｂの間に３μｍ程度の間隙を設け、両者を電気的に分離する。また、第１，第２電極パターン１５ａ，１５ｂにそれぞれメッキ用電流を供給するための補助電極２５ａ，２５ｂを接続する。そして、第１，第２電極パターン１５ａ，１５ｂの上にメッキ用マスクパターン２３を形成する。ただし、第１電極パターン１５ａと補助電極２５ａを接続するパターンの幅よりも、第２電極パターン１５ｂと補助電極２５ｂを接続するパターンの幅を大きくして、電気抵抗に差をつける。これにより、補助電極２５ａ，２５ｂに同じ大きさの電流を供給しても、第１電極パターン１５ａと第２電極パターン１５ｂにそれぞれ電流値が異なる電流が供給される。

次に、図１３に示すように、補助電極２５ａ，２５ｂを介して第１電極パターン１５ａ及び第２電極パターン１５ｂにメッキ用の電流を供給して、第１領域及び第２領域にＡｕメッキ１６を形成する。この際、第２電極パターン１５ｂと補助電極２５ｂを接続するパターンの電気抵抗の方が低いため、第２電極パターン１５ｂ上でメッキが早く進み、Ａｕメッキ１６は第２領域の方が厚くなる。

この方法により、Ａｕメッキ１６を形成することで、一回のメッキ工程で第１領域と第２領域でＡｕメッキ１６の厚みの平均値を不均一にすることができる。また、Ａｕメッキ１６の厚み差を制御しやすい。ただし、補助電極２５ａ，２５ｂを設けるスペースを確保する必要がある。なお、補助電極２５ａ，２５ｂに供給する電流値を変えることができれば、第１，第２電極パターン１５ａ，１５ｂと補助電極２５ａ，２５ｂをそれぞれ接続するパターンの電気抵抗に差をつけなくてもよい。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４では、図１４に示すように、Ａｕメッキ１６の厚みを各半導体レーザ素子の第１領域と第２領域で同じにし、Ａｕメッキ１６の形成面積を第１領域と第２領域で不均一にする。ここでは、第２領域のほぼ全面にＡｕメッキ１６を形成し、第１領域の約半分の面積にのみＡｕメッキ１６を形成する。そして、半田１８を用いて複数の半導体レーザ素子１０ａ，１０ｂの主面をサブマウント１９に搭載する際に、半田１８とＡｕメッキ１６がうまく混ざり、かつ電極パターン１５上に均一に広がるような条件に設定する。その他の工程は実施の形態１と同様である。これにより、組み立て後の半田１８と合金化したＡｕメッキ１６の厚みを第１領域と第２領域で不均一にすることができるため、実施の形態１と同様の効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る半導体発光装置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る複数の半導体レーザ素子を示す断面図である。 １つの半導体レーザ素子を基板上に形成し、Ａｕメッキの厚みを不均一にした半導体発光装置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体発光装置の製造方法について説明するための断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体発光装置の製造方法について説明するための断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体発光装置の製造方法について説明するための断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体発光装置の製造方法について説明するための断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体発光装置の製造方法について説明するための断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体発光装置の製造方法について説明するための断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体発光装置の製造方法について説明するための断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体発光装置の製造方法について説明するための上面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体発光装置の製造方法について説明するための断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体発光装置の製造方法について説明するための断面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体発光装置の製造方法について説明するための断面図である。 １つの半導体レーザ素子を基板上に形成した従来の半導体発光装置を示す斜視図である。 複数の半導体レーザ素子を基板上に形成した従来の半導体発光装置を示す斜視図である。

符号の説明

１１ ＧａＡｓ基板（基板）
１５ａ 第１電極パターン
１５ｂ 第２電極パターン
１６ Ａｕメッキ
１６ａ 第１Ａｕメッキ
１６ｂ 第２Ａｕメッキ
１８ 半田
１０ａ，１０ｂ 半導体レーザ素子
２２ パッケージ
２４ マスク

Claims (6)

1. 同一基板上に形成された第１及び第２の半導体レーザ素子と、
   前記第１及び第２の半導体レーザ素子の主面に形成されたＡｕメッキと、
   前記Ａｕメッキ上に塗布した半田を用いて前記第１及び第２の半導体レーザ素子が搭載されたサブマウントとを備え、
   各半導体レーザ素子の発光領域を挟んで対向する領域をそれぞれ第１領域と第２領域とし、
   各半導体レーザ素子において、前記第１領域は前記基板の外側よりで、前記第２領域は前記基板の中心部よりであり、
   各半導体レーザ素子の前記第１領域と前記第２領域で前記Ａｕメッキの厚みの平均値を不均一にすることを特徴とする半導体発光装置。
2. 同一基板上に第１及び第２の半導体レーザ素子を形成する工程と、
   前記第１及び第２の半導体レーザ素子の主面にＡｕメッキを形成する工程と、
   前記Ａｕメッキ上に半田を塗布し、前記半田を用いて前記第１及び第２の半導体レーザ素子をサブマウントに搭載する工程とを備え、
   各半導体レーザ素子の発光領域を挟んで対向する領域をそれぞれ第１領域と第２領域とし、
   各半導体レーザ素子において、前記第１領域は前記基板の外側よりで、前記第２領域は前記基板の中心部よりであり、
   各半導体レーザ素子の前記第１領域と前記第２領域で前記Ａｕメッキの厚みの平均値を不均一にすることを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
3. 前記Ａｕメッキを形成する工程は、
   各半導体レーザ素子の前記第１領域及び前記第２領域に第１Ａｕメッキを形成する工程と、
   各半導体レーザ素子の前記第１領域をマスクで覆って、前記第２領域に第２Ａｕメッキを形成する工程とを有することを特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置の製造方法。
4. 各半導体レーザ素子の主面において、前記第１領域と前記第２領域にそれぞれ電気的に分離された第１電極パターンと第２電極パターンを形成する工程を更に備え、
   前記Ａｕメッキを形成する工程は、
   前記第１電極パターンにのみメッキ用の電流を供給して第１Ａｕメッキを形成する工程と、
   前記第１電極パターン及び前記第２電極パターンにメッキ用の電流を供給して第２Ａｕメッキを形成する工程とを有することを特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置の製造方法。
5. 各半導体レーザ素子の主面において、前記第１領域と前記第２領域にそれぞれ電気的に分離された第１電極パターンと第２電極パターンを形成する工程を更に備え、
   前記Ａｕメッキを形成する工程において、前記第１電極パターンと前記第２電極パターンにそれぞれ電流値が異なるメッキ用の電流を供給してＡｕメッキを形成することを特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置の製造方法。
6. 同一基板上に第１及び第２の半導体レーザ素子を形成する工程と、
   前記第１及び第２の半導体レーザ素子の主面にＡｕメッキを形成する工程と、
   前記Ａｕメッキ上に半田を塗布し、前記半田を用いて前記第１及び第２の半導体レーザ素子をサブマウントに搭載する工程とを備え、
   各半導体レーザ素子の発光領域を挟んで対向する領域をそれぞれ第１領域と第２領域とし、
   各半導体レーザ素子において、前記第１領域は前記基板の外側よりで、前記第２領域は前記基板の中心部よりであり、
   前記Ａｕメッキの厚みを各半導体レーザ素子の前記第１領域と前記第２領域で同じにし、前記Ａｕメッキの形成面積を前記第１領域と前記第２領域で不均一にすることを特徴とする半導体発光装置の製造方法。

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