【０００１】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser device using a pn junction gallium nitride compound semiconductor layer, and more particularly to an improvement in a semiconductor laser device having improved cooling efficiency.
【０００２】[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。2. Description of the Related Art In a semiconductor laser device using a gallium nitride-based compound semiconductor, a sapphire substrate is frequently used as a substrate on which a gallium nitride layer is grown.
An n-type GaN layer and an n-type InGa
An N layer and a p-type GaN layer are sequentially stacked, and then n-type Ga
Electrodes are formed on the N layer and the p-type GaN layer, respectively, to form a semiconductor chip. Thereafter, the sapphire substrate of the semiconductor chip is fixed to the support substrate of the stem, and the electrodes are electrically connected to an external power supply, and the electrodes are connected to the electrode terminals extending on the stem. A semiconductor laser device is manufactured by filling an inert gas inside the sealing metal member having the window and the stem.
【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。However, in the semiconductor laser device manufactured in this manner, the thermal conductivity of the sapphire substrate under the semiconductor chip is poor, and the Joule heat generated in the semiconductor chip is not transmitted to the supporting substrate of the stem. As a result, the cooling efficiency as a whole was poor, and the life of the element was significantly impaired.
【０００４】[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。SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device using a gallium nitride based semiconductor chip having a pn junction. It is an object of the present invention to provide a laser element having excellent cooling efficiency of a semiconductor chip.
【０００５】[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。Means for Solving the Problems In the light emitting diode (LED) of a gallium nitride-based compound semiconductor, the present inventors have proposed that the gallium nitride semiconductor layer side be a stem instead of the sapphire substrate side on which the gallium nitride semiconductor layer is grown. (Japanese Patent Application No. 4-289495), and the present inventors have conducted intensive studies to apply this to a laser device. The invention has been completed.
【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。That is, an object of the present invention is to provide a growth substrate, n-type and p-type gallium nitride layers sequentially formed on the growth substrate, and a pair of electrodes formed on the p-type and n-type gallium nitride layers, respectively. In a semiconductor laser device in which a semiconductor chip having at least a semiconductor chip provided on a support substrate, the semiconductor chip is fixed on the support substrate via a heat conductive insulating spacer larger than the size of the semiconductor chip,
A pair of electrodes of the semiconductor chip are formed on the p-type and n-type gallium nitride layers facing the support substrate, respectively, while a counter electrode layer is formed on the thermally conductive insulating spacer facing these electrodes. The problem is solved by a semiconductor laser device characterized in that the counter electrode layer is fixed with a conductive adhesive having thermal conductivity.
【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。Preferably, the growth substrate of the semiconductor chip is made of a sapphire substrate, and the heat conductive insulating spacer is made of a material having better heat conductivity than the sapphire substrate.
The electrode formed on the n-type gallium nitride layer is formed by etching a part of the p-type gallium nitride layer.
【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。Further, it is preferable that the counter electrode layer formed on the heat conductive insulating spacer extends outside the overlap portion with the semiconductor chip.
【０００９】[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。A part of the Joule heat generated in the p-type and n-type gallium nitride layers of the semiconductor chip is released into the inert gas through the growth substrate of the semiconductor chip, but has poor thermal conductivity like the sapphire substrate. Even in the case of the material of the growth substrate, in the present invention, the conductive insulating spacer is provided between the semiconductor chip and the supporting substrate of the stem. Since the heat is transmitted to the support substrate of the stem via the adhesive, the counter electrode, and the thermally conductive insulating spacer, the cooling efficiency of the semiconductor chip is significantly improved.
【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。It is preferable from the viewpoint of thermal conductivity that the growth substrate of the semiconductor chip is made of a sapphire substrate and the thermally conductive insulating spacer is made of a material having better thermal conductivity than the sapphire substrate. Since the electrode formed on the gallium layer is formed by etching a part of the p-type gallium nitride layer, the electrode and the counter electrode on the heat conductive insulating spacer can be easily connected to each other with good conductivity. The semiconductor chip can be fixed to the supporting substrate of the stem while being electrically connected by an adhesive.
【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。Since the counter electrode layer formed on the heat conductive insulating spacer extends outside the overlapping portion with the semiconductor chip, the counter electrode layer can be easily connected to the electrode terminals of the stem by suitable bonding means. Can be electrically connected.
【００１２】[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。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
【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。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a part of a semiconductor laser device according to the present invention. This semiconductor laser device has a stem 2, which has a support substrate 4 extending in the vertical direction. As will be described later in detail, a semiconductor chip 8 is fixed on the support substrate 4 via a heat conductive insulating spacer 6. On the other hand, stem 2
A sealing metal member 10 for sealing a suitable inert gas therein extends in a peripheral portion of the semiconductor chip 8, and a window 12 for transmitting a laser beam is provided above the semiconductor chip 8. The window 12 and the sealing metal member 10 are hermetically joined. Then, the stem 2 separated from the semiconductor chip 8
A pair of electrode terminals 14 that are electrically insulated at least on one side extend in a direction perpendicular to the stem 2 at the portion.
【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。Next, the semiconductor chip 8 and the support substrate 4 will be described with reference to FIG.
The structure of the semiconductor chip 8 of the present invention will be described.
Has a sapphire substrate 80, which is a growth substrate, from a side far from the support substrate 4, and on this sapphire substrate 80, an n-type gallium nitride layer (hereinafter, referred to as an n-type GaN layer)
82 and an n-type indium gallium nitride layer 84 (hereinafter referred to as n
A p-type gallium nitride layer 86 (hereinafter, referred to as a p-type GaN layer).
【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。The peripheral portion on the p-type GaN layer 86 has an n-type In
The GaN layer 84 and a part of the n-type GaN layer are cut out by a suitable etching means, and an Al electrode 88 is formed at this portion. On the other hand, an insulating protective film 90 is formed on the peripheral portion on the p-type GaN layer 86 that has been cut out by etching, and a Ni electrode 92 is formed from the center on the p-type GaN layer 86 to the insulating protective film 88. ing.
【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。At the portions of the thermally conductive insulating spacer 6 corresponding to the Al electrodes 88 and the Ni electrodes 92 of the semiconductor chip 8,
Counter electrodes 60 and 62 are formed respectively, and the Al electrode 88 and the Ni electrode 92 of the semiconductor chip 8 and the counter electrode 6 are formed.
0 and 62 are conductive adhesives 94 and 96 having good thermal conductivity.
Respectively. Conductive adhesive 94, 9
6 denotes an Al electrode 88 and a Ni electrode 92 of the semiconductor chip 8.
Any material can be used as long as it can electrically connect to the counter electrodes 60 and 62 and has good thermal conductivity, and is made of, for example, indium, silver paste, solder, or the like.
【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。The thermally conductive insulating spacer 6 is an insulator having good thermal conductivity, preferably a material having higher thermal conductivity than the sapphire substrate 80 as a growth substrate, for example, diamond, silicon or other ceramics. Consists of The heat conductive insulating spacer 6 is attached to the support substrate 4 of the stem 2 via an adhesive 64. Adhesive 64
Is made of a material having good heat conductivity, for example, the same as the conductive adhesives 94 and 96, such as indium, silver paste, and solder.
【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。Next, a specific method of manufacturing the semiconductor laser device thus configured will be described. First, MOC
Using a VD apparatus, a GaN buffer layer was formed on the C-plane of the sapphire substrate 80 with a thickness of 200 Å, an n-type GaN layer 82 doped with Si was formed thereon with a thickness of 4 μm, and then a Si Doped n-type InGaN
An (In0.2 Ga0.8 N) layer 84 having a thickness of 200 Å and a Mg-doped p-type GaN
Layer 86 is grown sequentially at 0.5 μm.
【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。After growing the p-type GaN layer 86, the wafer is
The p-type GaN device is further reduced in resistance by removing it from the VD device and putting it in a new electron beam irradiation device and irradiating the electron beam at 700 ° C.
【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。Next, a predetermined pattern is formed by a photoresist on the p-type GaN layer 86, and a part of the p-type GaN layer is penetrated through the n-type InGaN layer 84 to form the n-type GaN layer 82.
Until it reaches.
【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。After completion of the etching, the resist is peeled off and p
Forming an insulating protective film 90 at a predetermined position on the GaN layer 86;
Next, an electrode pattern is formed again by photoresist, and an Al electrode 88 and a p-type electrode are formed on the n-type GaN layer 82 by vapor deposition.
A GaN layer 86Ni electrode 92 is formed. Thereafter, the wafer is cut into semiconductor chips 8 by dicing.
【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。On the other hand, for the heat conductive insulator spacer 6, an electrode pattern is formed on a non-doped Si wafer substrate by a photoresist, for example, and the counter electrodes 60 and 62 are formed by vapor deposition. Thereafter, the wafer is formed into a chip by dicing to a predetermined size larger than the semiconductor chip 8. Then, the heat conductive insulating spacer 6 on the opposite side to the opposing electrodes 60 and 62 is joined to the support substrate 4 of the stem 2 with, for example, Ag paste, and the heat conductive insulating spacer 6
Upper counter electrodes 60 and 62 and Al electrode 8 of semiconductor chip 8
8 and the Ni electrode 92, and the electrodes are joined and fixed with conductive adhesives (Ag paste) 94, 96. Then, as shown in FIG. 1, the opposite electrodes 60 and 62 of the heat conductive insulating spacer 6 are connected to the electrode terminals 14 with Au wires, respectively. Above, a window 12 made of quartz or the like
To form a semiconductor laser device.
【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。The conventional device in which the sapphire substrate 80 of the semiconductor chip 2 is directly joined to the support substrate 4 of the stem 2 without providing the above-described thermally conductive insulating spacer 6 oscillates at an oscillation threshold current density of 3 kA / cm2 . While the device life at a wavelength of 420 nm was about 1 hour, the semiconductor laser device obtained in the above-described embodiment has a device life at an oscillation wavelength of 420 nm at an oscillation threshold current density of2 kA / cm2. It improved remarkably to 100 hours.
【００２４】[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。As described above, according to the present invention, an electrode is provided on a side of a semiconductor chip remote from a growth substrate, and this electrode is joined to a counter electrode of a heat conductive insulating spacer, so that the semiconductor chip is thermally conductive. By fixing the semiconductor chip to the supporting substrate of the stem through the conductive insulating spacer, heat generated in the semiconductor chip can be transferred to the stem, thereby significantly improving cooling efficiency and providing a semiconductor laser element having a long life. Was.
【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。FIG. 1 is an elevational view showing a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention in a partial cross section.
【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。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a semiconductor chip as a cross section indicated by reference numeral A in FIG.
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 2 stem 4 support substrate 6 thermally conductive insulating spacer 8 semiconductor chip 10 sealing metal member 12 window 60, 62 counter electrode 64 adhesive 80 growth substrate 82 n-type GaN layer 84 n-type InGaN layer 86 p-type GaN layer 88, 92 electrode 90 insulating protective film 94, 96 conductive adhesive
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4212693AJP2728190B2 (en) | 1993-02-05 | 1993-02-05 | Semiconductor laser device |
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP4212693AJP2728190B2 (en) | 1993-02-05 | 1993-02-05 | Semiconductor laser device |
| Publication Number | Publication Date |
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| JPH06232510A JPH06232510A (en) | 1994-08-19 |
| JP2728190B2true JP2728190B2 (en) | 1998-03-18 |
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