高出力半導体素子における高放熱構造を実現するウェハ常温接合技術

摘要

近年.小型?高出力半導体レーザや発光ダイオ一ドなどの高出力光源が，レーザディスプレイ（高輝度ディスプレイ，レーザTV，携帯プロジェクタ），照明（レーザーへッドライト）.分析（蛍光分光分析）などの分野で求められ，活発な開発が進められている。例えば，垂直外部共振器面発光レーザ VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser)~(1),2)),光励起半導体レーザ OPSL (Optically Pumped Semiconductor Laser),または半導体デイスクレーザSDL (Semiconductor Disk Laser)と呼ばれる次世代高出力レーザの開発が進められている。図1に典型的なVECSELの構造を示す。半導体ゲイン領域を別の光源で光励起することで光学利得として用い，半導体素子を固体レ一ザ結晶のように用いることで，近紫外から中赤外領域の幅広い範囲の発振波長設計が可能で，ビーム品質を保ったまま高出力化が可能である。半導体レーザの諸特性は，活性層の温度と密接な関係があり，活性層の温度上昇は.最大光出力の低下を招く。また，半導体レーザの劣化速度は，温度上昇により指数関数的に上昇する。例えば，10°Cの温度上昇に対して.アレニウスの式と典型的な活性化エネルギ0.7?0.9 eV から，寿命は1/2?1/3に著しく低下する~(3）)。すなわち，高出力レーザでは，発生した熱をいかに効率よく放熱させ，活性層の温度上昇を抑えるかというサーマルマネージメントが重要となる。従来，ゲイン領域（量子井戸構造）とDBR (Distributed Bragg Reflector)からなる半導体素子とヒートシンク（高熱伝導基板）が近接した高放熱構造光デバイスを実現するためには，格子定数（表1)の違いからへテロエピ夕キシャル成長が困難であるため，はhだを用いた接合~(2),6))やLiquid Capillary bonding~(7）)と呼ばれる親水処理した接合方法が試みられてきた。しかしながら， AgSn (3.5 wt% Ag,融点：221 °C）や AuSn （80 wt% Au，融点：280°C）のようなダイアタッチ用はhだの熱伝導率は銅(Cu)や金(Au)などの金属と比較するとかなり小さく（表1)，はhだなどの接着層での熱障壁が問題となる。また，親水処理を利用した接合は，高い接合強度を求めると高温のアニール処理が必要であり，ボイドの発生や熱膨張係数差に起因する熱応力発生による素子の劣化という課題があった。