JPH07235729A - 窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子 - Google Patents
窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 サファイアを基板とする窒化ガリウム系化合
物半導体よりなるレーザダイオードチップをレーザ素子
として使用するにあたり、チップの放熱効率を向上さ
せ、常温で連続発振可能なレーザ素子を提供する。 【構成】 サファイア基板1上に積層された窒化ガリウ
ム系化合物半導体層2よりなるレーザダイオードチップ
は、同一面側に正電極4と、負電極3が形成されてお
り、一方絶縁性のヒートシンク20は同一面側に正電極
44と負電極33とがメタライズされており、それらの
電極同士が対向するようにレーザーダイオードチップ1
0がヒートシンク20上に載置されて接続されている。
物半導体よりなるレーザダイオードチップをレーザ素子
として使用するにあたり、チップの放熱効率を向上さ
せ、常温で連続発振可能なレーザ素子を提供する。 【構成】 サファイア基板1上に積層された窒化ガリウ
ム系化合物半導体層2よりなるレーザダイオードチップ
は、同一面側に正電極4と、負電極3が形成されてお
り、一方絶縁性のヒートシンク20は同一面側に正電極
44と負電極33とがメタライズされており、それらの
電極同士が対向するようにレーザーダイオードチップ1
0がヒートシンク20上に載置されて接続されている。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は窒化ガリウム系化合物半
導体(InXAlYGa1-X-YN、0≦X≦1、0≦Y≦
1)を用いたレーザ素子に関する。
導体(InXAlYGa1-X-YN、0≦X≦1、0≦Y≦
1)を用いたレーザ素子に関する。
【0002】
【従来の技術】窒化ガリウム系化合物半導体は短波長レ
ーザの材料として知られており、例えば特開平4−24
2985号公報には、窒化ガリウム系化合物半導体がS
iC、Si、サファイア、GaN等の基板上に積層され
てなるレーザダイオードチップ(以下、レーザチップと
いう。)が開示されている。また特開平4−21387
8号公報には、窒化ガリウム系化合物半導体がZnO基
板上に積層されてなるレーザチップを、ZnO基板とヒ
ートシンク面とを電気的に接続して載置したレーザ素子
が開示されている。このように窒化ガリウム系化合物半
導体は種々の基板上に積層されてレーザチップとされ、
そのレーザチップがヒートシンクに載置されてレーザ素
子とされるが、現在未だ実現されたものはない。
ーザの材料として知られており、例えば特開平4−24
2985号公報には、窒化ガリウム系化合物半導体がS
iC、Si、サファイア、GaN等の基板上に積層され
てなるレーザダイオードチップ(以下、レーザチップと
いう。)が開示されている。また特開平4−21387
8号公報には、窒化ガリウム系化合物半導体がZnO基
板上に積層されてなるレーザチップを、ZnO基板とヒ
ートシンク面とを電気的に接続して載置したレーザ素子
が開示されている。このように窒化ガリウム系化合物半
導体は種々の基板上に積層されてレーザチップとされ、
そのレーザチップがヒートシンクに載置されてレーザ素
子とされるが、現在未だ実現されたものはない。
【0003】ところで、我々は1994年11月末に、
世界で初めて実用レベルに達した光度1000mcdの
青色発光ダイオードを発表した。その青色発光ダイオー
ドはサファイア基板の上に窒化ガリウム系化合物半導体
を積層してなり、さらにp−n接合を有するダブルへテ
ロ構造である。サファイア基板の上に窒化ガリウム系化
合物半導体を積層したダブルへテロ構造で1000mc
dの青色発光ダイオードが実現されれば、この構造でレ
ーザ素子を実現するには現在最も有望であり、そのレー
ザ素子の実現が切望されている。
世界で初めて実用レベルに達した光度1000mcdの
青色発光ダイオードを発表した。その青色発光ダイオー
ドはサファイア基板の上に窒化ガリウム系化合物半導体
を積層してなり、さらにp−n接合を有するダブルへテ
ロ構造である。サファイア基板の上に窒化ガリウム系化
合物半導体を積層したダブルへテロ構造で1000mc
dの青色発光ダイオードが実現されれば、この構造でレ
ーザ素子を実現するには現在最も有望であり、そのレー
ザ素子の実現が切望されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】サファイアを基板とす
るダブルへテロ構造の窒化ガリウム系化合物半導体より
なるレーザチップを用いてレーザ素子を実現する場合、
周知のようにチップの発熱を放熱するために熱伝導性の
良いヒートシンクに載置する必要がある。(ヒートシン
クは狭義でサブマウントと呼ばれることもあるが、本願
ではサブマウントも合わせ、レーザチップが載置され
て、その熱を放熱させる部材をヒートシンクという。)
ヒートシンクに効率よくレーザチップの発熱を放熱でき
れば、レーザ素子の常温発振が可能となり、ひいてはレ
ーザ素子の長寿命化を実現することができる。
るダブルへテロ構造の窒化ガリウム系化合物半導体より
なるレーザチップを用いてレーザ素子を実現する場合、
周知のようにチップの発熱を放熱するために熱伝導性の
良いヒートシンクに載置する必要がある。(ヒートシン
クは狭義でサブマウントと呼ばれることもあるが、本願
ではサブマウントも合わせ、レーザチップが載置され
て、その熱を放熱させる部材をヒートシンクという。)
ヒートシンクに効率よくレーザチップの発熱を放熱でき
れば、レーザ素子の常温発振が可能となり、ひいてはレ
ーザ素子の長寿命化を実現することができる。
【0005】従って本発明はこのような事情を鑑み成さ
れたものであり、その目的とするとことは、サファイア
を基板とする窒化ガリウム系化合物半導体よりなるレー
ザチップをレーザ素子として使用するにあたり、チップ
の放熱効率を向上させ、常温で連続発振可能なレーザ素
子を提供することにある。
れたものであり、その目的とするとことは、サファイア
を基板とする窒化ガリウム系化合物半導体よりなるレー
ザチップをレーザ素子として使用するにあたり、チップ
の放熱効率を向上させ、常温で連続発振可能なレーザ素
子を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】我々は、窒化ガリウム系
化合物半導体よりなるレーザチップをヒートシンクに載
置するにあたり、このヒートシンクに予め正、負両方の
電極をパターン形成し、これらの電極に、レーザチップ
の電極を接続して載置することにより、上記目的が達成
できることを見いだした。即ち本発明の窒化ガリウム系
化合物半導体レーザ素子は、サファイア基板上に窒化ガ
リウム系化合物半導体層が積層され、その窒化ガリウム
系化合物半導体層の同一面側に正、負一対の電極が形成
されてなるレーザチップが、同じく同一面側に正、負一
対の電極パターンがメタライズされた絶縁性のヒートシ
ンクに、互いの電極同士が対向するように載置されてな
ることを特徴とするものである。
化合物半導体よりなるレーザチップをヒートシンクに載
置するにあたり、このヒートシンクに予め正、負両方の
電極をパターン形成し、これらの電極に、レーザチップ
の電極を接続して載置することにより、上記目的が達成
できることを見いだした。即ち本発明の窒化ガリウム系
化合物半導体レーザ素子は、サファイア基板上に窒化ガ
リウム系化合物半導体層が積層され、その窒化ガリウム
系化合物半導体層の同一面側に正、負一対の電極が形成
されてなるレーザチップが、同じく同一面側に正、負一
対の電極パターンがメタライズされた絶縁性のヒートシ
ンクに、互いの電極同士が対向するように載置されてな
ることを特徴とするものである。
【0007】本発明の一レーザ素子の構造を図1に示
す。1はサファイア基板、2は窒化ガリウム系化合物半
導体層、3と4は窒化ガリウム系化合物半導体層2の同
一面側に設けられた負電極と正電極であり、レーザチッ
プ10は基本的に1、2、3、4よりなっている。一
方、レーザチップ10を載置するヒートシンク20は絶
縁性、高熱伝導性の材料よりなり、その表面にはチップ
10の負電極3および正電極4と対応する位置にパター
ンメタライズされたヒートシンク20の負電極33およ
び正電極44が形成されている。そしてレーザチップ1
0の電極と、ヒートシンク20の電極とが対向するよう
に、チップの負電極3とヒートシンク10の負電極3
3、およびチップの正電極4とヒートシンクの正電極4
4とが導電性材料11を介して接続されている。
す。1はサファイア基板、2は窒化ガリウム系化合物半
導体層、3と4は窒化ガリウム系化合物半導体層2の同
一面側に設けられた負電極と正電極であり、レーザチッ
プ10は基本的に1、2、3、4よりなっている。一
方、レーザチップ10を載置するヒートシンク20は絶
縁性、高熱伝導性の材料よりなり、その表面にはチップ
10の負電極3および正電極4と対応する位置にパター
ンメタライズされたヒートシンク20の負電極33およ
び正電極44が形成されている。そしてレーザチップ1
0の電極と、ヒートシンク20の電極とが対向するよう
に、チップの負電極3とヒートシンク10の負電極3
3、およびチップの正電極4とヒートシンクの正電極4
4とが導電性材料11を介して接続されている。
【0008】本発明のレーザ素子を構成するレーザチッ
プ10の窒化ガリウム系化合物半導体層2には、種々の
ダブルへテロ構造が提案されているが、その中でも図4
に示すように、サファイア基板1の表面に、GaN、G
aAlNまたはAlNよりなるバッファ層と、n型Ga
Nよりなるnコンタクト層と、n型GaAlNよりなる
クラッド層と、ノンドープn型InGaNまたはSiド
ープn型InGaNよりなる活性層と、p型GaAlN
よりなるクラッド層と、p型GaNよりなるpコンタク
ト層とが積層されたダブルへテロ構造を用いることが最
も好ましい。この構造の窒化ガリウム系化合物半導体層
が現在常温で優れたレーザ発振を示す。
プ10の窒化ガリウム系化合物半導体層2には、種々の
ダブルへテロ構造が提案されているが、その中でも図4
に示すように、サファイア基板1の表面に、GaN、G
aAlNまたはAlNよりなるバッファ層と、n型Ga
Nよりなるnコンタクト層と、n型GaAlNよりなる
クラッド層と、ノンドープn型InGaNまたはSiド
ープn型InGaNよりなる活性層と、p型GaAlN
よりなるクラッド層と、p型GaNよりなるpコンタク
ト層とが積層されたダブルへテロ構造を用いることが最
も好ましい。この構造の窒化ガリウム系化合物半導体層
が現在常温で優れたレーザ発振を示す。
【0009】一方、ダイオードチップを載置するヒート
シンク20にはダイヤモンド、AlN、cBN、Si
C、Si、BeO等の高熱伝導性を有し、絶縁性の材料
を好ましく用いることができる(但し本明細書におい
て、絶縁性とは半絶縁性のものも含むものとする。)。
これらの材料に蒸着、スパッタ等の薄膜形成技術を用い
て、同一面側に電極パターン44、33をメタライズで
きる。図1はメタライズされた正電極44がヒートシン
ク20の周縁部と連続して、ヒートシンク20の底部に
までパターニングされている。このように、ヒートシン
ク20表面にメタライズする二種類の電極の内のいずれ
か一方をヒートシンクの裏面(レーザチップが載置され
る面と反対面)まで連続形成することにより、金属ステ
ム21と導通が図れるので、レーザチップの熱が電極を
通って直接逃げやすくなる。またワイヤボンディングの
工程を減らすことができる。
シンク20にはダイヤモンド、AlN、cBN、Si
C、Si、BeO等の高熱伝導性を有し、絶縁性の材料
を好ましく用いることができる(但し本明細書におい
て、絶縁性とは半絶縁性のものも含むものとする。)。
これらの材料に蒸着、スパッタ等の薄膜形成技術を用い
て、同一面側に電極パターン44、33をメタライズで
きる。図1はメタライズされた正電極44がヒートシン
ク20の周縁部と連続して、ヒートシンク20の底部に
までパターニングされている。このように、ヒートシン
ク20表面にメタライズする二種類の電極の内のいずれ
か一方をヒートシンクの裏面(レーザチップが載置され
る面と反対面)まで連続形成することにより、金属ステ
ム21と導通が図れるので、レーザチップの熱が電極を
通って直接逃げやすくなる。またワイヤボンディングの
工程を減らすことができる。
【0010】また、レーザチップの電極3、4と、ヒー
トシンクの電極33、44とを直接接続する導電性材料
11には、例えばAuSn、PbSn、In、AuSi
等のはんだ材を用いることができる。
トシンクの電極33、44とを直接接続する導電性材料
11には、例えばAuSn、PbSn、In、AuSi
等のはんだ材を用いることができる。
【0011】図2は、図1に示すレーザ素子を金属ステ
ム21に実装した際の斜視図を示しており、パターンメ
タライズされた正電極44をヒートシンク20の裏面ま
で形成していることにより、金属ステム21と正電極4
4とを直接接続でき、ヒートシンクの放熱効果を高めて
いる。
ム21に実装した際の斜視図を示しており、パターンメ
タライズされた正電極44をヒートシンク20の裏面ま
で形成していることにより、金属ステム21と正電極4
4とを直接接続でき、ヒートシンクの放熱効果を高めて
いる。
【0012】図3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断面図であり、ヒートシンク20の
正電極44をヒートシンク20の裏面まで形成せず、負
電極33と同様に同一平面上に形成して、レーザチップ
10の電極と導電性材料11を介して接続し、メタライ
ズ電極33、44にワイヤーボンディングしている。こ
のように、両方のメタライズ電極33、44をワイヤー
ボンディングして電源と接続することも可能である。
子の構造を示す模式断面図であり、ヒートシンク20の
正電極44をヒートシンク20の裏面まで形成せず、負
電極33と同様に同一平面上に形成して、レーザチップ
10の電極と導電性材料11を介して接続し、メタライ
ズ電極33、44にワイヤーボンディングしている。こ
のように、両方のメタライズ電極33、44をワイヤー
ボンディングして電源と接続することも可能である。
【0013】
【作用】ところで、本願に類似したレーザ素子として、
特開平1−184895号公報に、二種類の電極がメタ
ライズされたヒートシンクの一方の電極上にレーザチッ
プが載置された素子が示されている。この技術はヒート
シンク上に設けられた電極のいずれか一方にレーザチッ
プの底面電極を接続し、もう一方のチップの上面電極
と、ヒートシンクのもう一方の電極とをワイヤーボンデ
ィングすることにより、ボンディング線の長さを短くし
てインダクタンスの低減を図るものである。
特開平1−184895号公報に、二種類の電極がメタ
ライズされたヒートシンクの一方の電極上にレーザチッ
プが載置された素子が示されている。この技術はヒート
シンク上に設けられた電極のいずれか一方にレーザチッ
プの底面電極を接続し、もう一方のチップの上面電極
と、ヒートシンクのもう一方の電極とをワイヤーボンデ
ィングすることにより、ボンディング線の長さを短くし
てインダクタンスの低減を図るものである。
【0014】これに対し本発明のレーザ素子は、前にも
述べたように窒化ガリウム系化合物半導体よりなるレー
ザチップの放熱効果を高め、常温で連続発振を実現する
ことを目的とする。そしてその構成は、レーザチップの
同一面側に設けた電極と、ヒートシンクの同一面側に設
けた電極とを直接接続している。このように同一面側に
設けた電極同士を直接接続しているので、チップの発熱
が正、負両方の電極面から直接ヒートシンクに効率よく
伝わり、放熱効果が格段に向上して常温でのレーザ発振
が可能となる。さらに副次的効果として、前記技術に比
べ、チップとヒートシンクとの接続にはワイヤーボンデ
ィングを必要としないので、実質的にボンディング線の
長さは0となり、さらなるインダクタンスの低減を実現
できることはいうまでもない。
述べたように窒化ガリウム系化合物半導体よりなるレー
ザチップの放熱効果を高め、常温で連続発振を実現する
ことを目的とする。そしてその構成は、レーザチップの
同一面側に設けた電極と、ヒートシンクの同一面側に設
けた電極とを直接接続している。このように同一面側に
設けた電極同士を直接接続しているので、チップの発熱
が正、負両方の電極面から直接ヒートシンクに効率よく
伝わり、放熱効果が格段に向上して常温でのレーザ発振
が可能となる。さらに副次的効果として、前記技術に比
べ、チップとヒートシンクとの接続にはワイヤーボンデ
ィングを必要としないので、実質的にボンディング線の
長さは0となり、さらなるインダクタンスの低減を実現
できることはいうまでもない。
【0015】
【実施例】サファイア基板1の表面に、GaNよりなる
バッファ層と、n型GaNよりなるn−コンタクト層
と、n型GaAlNよりなるn−クラッド層と、ノンド
ープn型InGaNよりなる活性層と、p型GaAlN
よりなるp−クラッド層と、p型GaNよりなるp−コ
ンタクト層とが順に積層されたウェーハを用意する。
バッファ層と、n型GaNよりなるn−コンタクト層
と、n型GaAlNよりなるn−クラッド層と、ノンド
ープn型InGaNよりなる活性層と、p型GaAlN
よりなるp−クラッド層と、p型GaNよりなるp−コ
ンタクト層とが順に積層されたウェーハを用意する。
【0016】次にpコンタクト層の表面に所定の形状の
マスクを形成し、エッチングによりp−コンタクト層、
p−クラッド層、n−活性層、およびnクラッド層の一
部を取り除き、n−コンタクト層を露出させる。
マスクを形成し、エッチングによりp−コンタクト層、
p−クラッド層、n−活性層、およびnクラッド層の一
部を取り除き、n−コンタクト層を露出させる。
【0017】マスクを除去した後、p−コンタクト層の
表面に図4に示すように、SiO2よりなる絶縁膜を所
定の形状で形成し、さらにその絶縁体の上から正電極4
を形成する。また露出したn−コンタクト層の表面にも
負電極3を所定の形状で形成することによりレーザチッ
プ10を得る。なおこれらの電極、絶縁膜は先ほどのマ
スクを形成した技術と同じフォトリソフグラフィー技術
を用いて形成した。
表面に図4に示すように、SiO2よりなる絶縁膜を所
定の形状で形成し、さらにその絶縁体の上から正電極4
を形成する。また露出したn−コンタクト層の表面にも
負電極3を所定の形状で形成することによりレーザチッ
プ10を得る。なおこれらの電極、絶縁膜は先ほどのマ
スクを形成した技術と同じフォトリソフグラフィー技術
を用いて形成した。
【0018】一方、AlNよりなるヒートシンク20を
用意し、このヒートシンク20の表面に同様にしてフォ
トリソグラフィー技術により、図1および図2に示すよ
うな形状で、正電極44、負電極33の電極パターンを
Auで形成する。
用意し、このヒートシンク20の表面に同様にしてフォ
トリソグラフィー技術により、図1および図2に示すよ
うな形状で、正電極44、負電極33の電極パターンを
Auで形成する。
【0019】次に前記レーザチップ10の正電極4、お
よび負電極3と、前記ヒートシンクの正電極44、およ
び負電極33とが互いに対向するように載置し、電極間
をAuSnで接続する。
よび負電極3と、前記ヒートシンクの正電極44、およ
び負電極33とが互いに対向するように載置し、電極間
をAuSnで接続する。
【0020】以上のようにして得た本発明のレーザ素子
をステムに実装して、電極間に通電したところ、室温に
おいて、しきい値電流1kA/cm2で380nmの発光
波長でレーザ発振を確認した。さらに同条件で連続して
発振させたところ24時間もの寿命を示した。また前記
レーザーチップのバッファ層をAlN、およびGaAl
Nとした場合においても同一の結果が得られた。
をステムに実装して、電極間に通電したところ、室温に
おいて、しきい値電流1kA/cm2で380nmの発光
波長でレーザ発振を確認した。さらに同条件で連続して
発振させたところ24時間もの寿命を示した。また前記
レーザーチップのバッファ層をAlN、およびGaAl
Nとした場合においても同一の結果が得られた。
【0021】[比較例]AlN全面にAuがメタライズ
されたヒートシンクを用意し、図5に示すように、この
ヒートシンクに実施例で得られたレーザチップ10をサ
ファイア基板面が接するようにして載置する。さらに、
正電極4とヒートシンクのAuとをワイヤーボンドし、
負電極を他のメタルポストに接続した後、それらの電極
間に通電したところ、同じく、しきい値電流1kA/cm
2で常温発振を示したが、わずか数十秒間で切れてしま
った。
されたヒートシンクを用意し、図5に示すように、この
ヒートシンクに実施例で得られたレーザチップ10をサ
ファイア基板面が接するようにして載置する。さらに、
正電極4とヒートシンクのAuとをワイヤーボンドし、
負電極を他のメタルポストに接続した後、それらの電極
間に通電したところ、同じく、しきい値電流1kA/cm
2で常温発振を示したが、わずか数十秒間で切れてしま
った。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザ素
子は窒化ガリウム系化合物半導体の両電極と、ヒートシ
ンクにメタライズされた電極とを同時に接続しているの
で、レーザチップの放熱が非常によい。これにより常温
で24時間もの連続発振を示した。将来、この連続発振
時間をさらに延長し実用可能域にまで高める上で本発明
のレーザ素子は非常に有用である。
子は窒化ガリウム系化合物半導体の両電極と、ヒートシ
ンクにメタライズされた電極とを同時に接続しているの
で、レーザチップの放熱が非常によい。これにより常温
で24時間もの連続発振を示した。将来、この連続発振
時間をさらに延長し実用可能域にまで高める上で本発明
のレーザ素子は非常に有用である。
【図1】 本発明に係る一レーザ素子の構造を示す模式
断面図。
断面図。
【図2】 図1のレーザ素子を金属ステムに実装した際
の斜視図。
の斜視図。
【図3】 本発明に係る他のレーザ素子の構造を示す模
式断面図。
式断面図。
【図4】 本発明に係るレーザチップの構造を示す拡大
模式断面図。
模式断面図。
【図5】 比較例のレーザ素子の構造を示す模式断面
図。
図。
3・・・・レーザチップの負電極 4・・・・レーザチップの正電極 10・・・・レーザチップ 20・・・・ヒートシンク 33・・・・ヒートシンクの負電極 44・・・・ヒートシンクの正電極
Claims (2)
- 【請求項1】 サファイア基板の表面に窒化ガリウム系
化合物半導体層が積層され、その窒化ガリウム系化合物
半導体層の同一面側に正、負一対の電極が形成されてな
るレーザダイオードチップが、同じく同一面側に正、負
一対の電極パターンがメタライズされた絶縁性のヒート
シンクに、互いの電極同士が対向するように載置されて
なることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レー
ザ素子。 - 【請求項2】 前記窒化ガリウム系化合物半導体層はサ
ファイア基板側から順に、GaN、GaAlNまたはA
lNよりなるバッファ層と、n型GaNよりなるnコン
タクト層と、n型GaAlNよりなるクラッド層と、ノ
ンドープn型InGaNまたはSiドープn型InGa
Nよりなる活性層と、p型GaAlNよりなるクラッド
層と、p型GaNよりなるpコンタクト層とが積層され
てなることを特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム
系化合物半導体レーザ素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2267194A JPH07235729A (ja) | 1994-02-21 | 1994-02-21 | 窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2267194A JPH07235729A (ja) | 1994-02-21 | 1994-02-21 | 窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07235729A true JPH07235729A (ja) | 1995-09-05 |
Family
ID=12089320
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2267194A Pending JPH07235729A (ja) | 1994-02-21 | 1994-02-21 | 窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH07235729A (ja) |
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-
1994
- 1994-02-21 JP JP2267194A patent/JPH07235729A/ja active Pending
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