JP2002299744A - Semiconductor laser assembly - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザアセ
ンブリに関し、更に詳細には、半導体レーザ素子の素子
寿命が長く、信頼性が高い構成を備えた半導体レーザア
センブリ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 assembly, and more particularly, to a semiconductor laser assembly having a semiconductor laser element having a long life and a high reliability.
【０００２】[0002]
【従来の技術】半導体レーザ素子では、電気的エネルギ
ーが光エネルギーに変換される際にエネルギー損失が生
じて熱エネルギーに転換する。そして、発生した熱エネ
ルギーによって半導体レーザ素子の温度が上昇すると、
レーザ特性に好ましくない影響が生じる。そこで、通
常、半導体レーザ素子内で発生する熱エネルギーを速や
かに放散させ、かつ半導体レーザ素子の機械的強度を補
強するために、半導体レーザ素子の基板側がヒートシン
クに直接又はサブマウントを介して半田層で接合され、
半導体レーザアセンブリとして製品化されている。2. Description of the Related Art In a semiconductor laser device, when electrical energy is converted into light energy, an energy loss occurs and the energy is converted into heat energy. When the temperature of the semiconductor laser device rises due to the generated thermal energy,
This has an undesirable effect on the laser characteristics. Therefore, usually, in order to quickly dissipate the heat energy generated in the semiconductor laser element and to reinforce the mechanical strength of the semiconductor laser element, the substrate side of the semiconductor laser element is connected directly to a heat sink or through a submount. Joined by
It is commercialized as a semiconductor laser assembly.
【０００３】ここで、図８を参照して、従来の半導体レ
ーザアセンブリの構成を説明する。図８は半導体レーザ
アセンブリの構成を示す斜視図である。従来の半導体レ
ーザアセンブリ１０は、図８に示すように、半導体レー
ザ素子１２と、第１の半田層１４を介して半導体レーザ
素子１２の基板側に接合されているサブマウント１６
と、第２の半田層１８を介してサブマウント１６の裏面
側に接合されているヒートシンク２０とを備えている。
なかには、サブマウント１６を省いて、半導体レーザ素
子１２が直接ヒートシンク２０に接合されているものも
ある。また、半導体レーザアセンブリ１０は、絶縁板２
２を介して電極パッド２４をヒートシンク２０上に備え
ている。半導体レーザ素子１２の電極と電極パッド２４
とは、ワイヤ２６によってワイヤボンディングされてい
て、半導体レーザ素子１２は、電極パッド２４を介して
外部の機器に接続するようになっている。Here, a configuration of a conventional semiconductor laser assembly will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a perspective view showing the configuration of the semiconductor laser assembly. As shown in FIG. 8, a conventional semiconductor laser assembly 10 includes a semiconductor laser device 12 and a submount 16 bonded to a substrate side of the semiconductor laser device 12 via a first solder layer 14.
And a heat sink 20 joined to the back surface of the submount 16 via the second solder layer 18.
In some cases, the semiconductor laser element 12 is directly joined to the heat sink 20 without the submount 16. Further, the semiconductor laser assembly 10 includes the insulating plate 2
An electrode pad 24 is provided on the heat sink 20 via the second heat sink 20. Electrode of semiconductor laser element 12 and electrode pad 24
Means that the semiconductor laser element 12 is connected to an external device via the electrode pad 24.
【０００４】半導体レーザ素子１２は、例えばＧａＡｓ
基板上に形成されたＧａＡｓ系の端面出射型半導体レー
ザ素子であって、図８では電極パッド２２とは反対側の
端面が出射端面となっている。尚、図８で、半導体レー
ザ素子１２は、１個の半導体レーザ素子とは限らず、複
数個の半導体レーザ素子がアレー状に配列されている場
合も含む。サブマウント１６は、半導体レーザ素子１２
の機械的強度を補強するために設けられている部品であ
って、通常、銅（Ｃｕ）とタングステン（Ｗ）との合金
からなる金属板である。また、ヒートシンク２０は銅板
で形成されている。半導体レーザ素子１２とサブマウン
ト１６とを接合する第１の半田層１４は金錫（Ａｕ／Ｓ
ｎ）半田層であり、サブマウント１６とヒートシンク２
０とを接合する第２の半田層１８はインジウム（Ｉｎ）
半田層である。The semiconductor laser device 12 is made of, for example, GaAs.
This is a GaAs end face emission type semiconductor laser device formed on a substrate, and the end face opposite to the electrode pad 22 in FIG. 8 is the emission end face. In FIG. 8, the semiconductor laser element 12 is not limited to one semiconductor laser element, but includes a case where a plurality of semiconductor laser elements are arranged in an array. The submount 16 is provided for the semiconductor laser element 12.
Is a metal plate made of an alloy of copper (Cu) and tungsten (W). The heat sink 20 is formed of a copper plate. The first solder layer 14 for joining the semiconductor laser element 12 and the submount 16 is made of gold tin (Au / S
n) The solder layer, the submount 16 and the heat sink 2
0, the second solder layer 18 is indium (In).
It is a solder layer.
【０００５】半導体レーザアセンブリ１０を作製する際
には、先ず、サブマウント１６の接合面上に形成されて
いる金錫半田メッキ層上に半導体レーザ素子１２を載
せ、リフロー炉に送入して金錫半田の溶融温度以上、例
えば３００℃に加熱し、金錫半田メッキ層を溶融させ
る。次いで、半導体レーザ素子１２を載せたままでサブ
マウント１６をリフロー炉より取り出し、放冷すると、
金錫半田メッキ層が固化して第１の半田層１４となり、
サブマウント１６と半導体レーザ素子１２とを接合する
ことができる。続いて、ヒートシンク２０の接合面上に
インジウム金属蒸気を蒸着させて設けたインジウム蒸着
層上に半導体レーザ素子１２を接合したサブマウント１
６を載せ、リフロー炉に送入してインジウム半田の溶融
温度である１５６℃以上の温度、例えば１８０℃に加熱
し、インジウム蒸着層を溶融させる。次いで、サブマウ
ント１６を載せたままでヒートシンク２０をリフロー炉
より取り出し、放冷すると、インジウム蒸着層が固化し
て第２の半田層１８となり、ヒートシンク２０とサブマ
ウント１６とを接合することができる。When the semiconductor laser assembly 10 is manufactured, first, the semiconductor laser element 12 is placed on a gold-tin solder plating layer formed on the bonding surface of the submount 16, and the semiconductor laser element 12 is fed into a reflow furnace, and Heating is performed at a temperature equal to or higher than the melting temperature of the tin solder, for example, 300 ° C. to melt the gold-tin solder plating layer. Next, the submount 16 is taken out of the reflow furnace with the semiconductor laser element 12 mounted thereon, and is left to cool.
The gold-tin solder plating layer solidifies to become the first solder layer 14,
The submount 16 and the semiconductor laser element 12 can be joined. Subsequently, the submount 1 in which the semiconductor laser element 12 is bonded on an indium vapor deposition layer provided by vaporizing indium metal vapor on the bonding surface of the heat sink 20.
6 is put into a reflow furnace and heated to a temperature of 156 ° C. or higher, which is the melting temperature of indium solder, for example, 180 ° C., to melt the indium vapor deposition layer. Next, the heat sink 20 is taken out of the reflow furnace with the submount 16 mounted thereon, and is allowed to cool. Then, the indium deposition layer is solidified to form the second solder layer 18, and the heat sink 20 and the submount 16 can be joined.
【０００６】尚、従来の半導体レーザアセンブリ１０で
は、第２の半田層１８をインジウムに代えて鉛錫半田で
形成したものもあり、また第１の半田層１４を金錫半田
に代えて鉛錫半田で形成したものもある。In the conventional semiconductor laser assembly 10, the second solder layer 18 may be formed of lead-tin solder instead of indium, and the first solder layer 14 may be formed of lead-tin solder instead of gold-tin solder. Some are made of solder.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の半導体
レーザアセンブリの構成では、半導体レーザ素子の素子
寿命が比較的短く、長期信頼性を高めることが難しかっ
た。それは、半導体レーザ素子とサブマウントとの間で
応力が発生し、サブマウントに比べて比較的機械的強度
が低い半導体レーザ素子が損傷することが多かったから
である。これは、サブマウントを省いて半導体レーザ素
子を直接ヒートシンクに接合している半導体レーザアセ
ンブリでも同様であって、半導体レーザ素子とヒートシ
ンクとの間に応力が発生し、半導体レーザ素子が損傷す
ることが多かった。以上の説明では、ＧａＡｓ系端面出
射型半導体レーザ素子を例にしているが、これは半導体
レーザ素子を構成する基板及び化合物半導体の組成、厚
さ等に関係なく、半導体レーザアセンブリ全般に該当す
る問題である。However, in the configuration of the conventional semiconductor laser assembly, the device life of the semiconductor laser device is relatively short, and it has been difficult to enhance long-term reliability. This is because stress is generated between the semiconductor laser device and the submount, and the semiconductor laser device having relatively low mechanical strength as compared with the submount is often damaged. The same is true for a semiconductor laser assembly in which the semiconductor laser element is directly joined to the heat sink without the submount.Stress is generated between the semiconductor laser element and the heat sink, and the semiconductor laser element may be damaged. There were many. In the above description, a GaAs-based edge-emitting type semiconductor laser device is taken as an example. However, this is a problem applicable to the entire semiconductor laser assembly regardless of the composition and thickness of the substrate and the compound semiconductor constituting the semiconductor laser device. It is.
【０００８】そこで、本発明の目的は、従来に比べて、
半導体レーザ素子の素子寿命が長く、長期的動作信頼性
に優れ、全体の機械的強度が高い半導体レーザアセンブ
リを提供することである。Therefore, the object of the present invention is to
An object of the present invention is to provide a semiconductor laser assembly having a long semiconductor laser device life, excellent long-term operation reliability, and high overall mechanical strength.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明者は、半導体レー
ザ素子とサブマウントとの間、又は半導体レーザ素子と
ヒートシンクとの間に発生している応力の発生機構を研
究した。半導体レーザ素子１２とサブマウント１６との
間の金錫半田メッキ層を３００℃で溶融させた後、リフ
ロー炉から取り出して大気温度まで放冷すると、半導体
レーザ素子１２は半導体レーザ素子の熱膨張係数×（３
００℃−大気温度）だけ収縮し、一方、サブマウント１
６はＣｕ・Ｗ合金の熱膨張係数×（３００℃−大気温
度）だけ収縮する。半導体レーザ素子１２の熱膨張係数
とサブマウント１６を構成するＣｕ・Ｗ合金の熱膨張係
数とは相互に異なるので、それぞれの収縮量が異なり、
半導体レーザ素子１２に熱応力が発生する。熱応力によ
って半導体レーザ素子１２内に歪みが生じ、半導体レー
ザ素子１２が損傷する結果、半導体レーザ素子の動作信
頼性が低下する。勿論、サブマウント１６にも半導体レ
ーザ素子１２とは反対の応力が発生するが機械的強度が
高いので、実際的な問題にはならない。ヒートシンク２
０をサブマウント１６の下に設けたときには、ヒートシ
ンク２０とサブマウント１６との間で上述の現象と同じ
現象が生じ、ヒートシンク２０の熱応力とサブマウント
１６の熱応力とを合成した応力が半導体レーザ素子１２
に作用する。Means for Solving the Problems The present inventor has studied the mechanism of generating stress generated between a semiconductor laser device and a submount or between a semiconductor laser device and a heat sink. After the gold-tin solder plating layer between the semiconductor laser element 12 and the submount 16 is melted at 300 ° C., it is taken out of the reflow furnace and allowed to cool to the atmospheric temperature, whereby the semiconductor laser element 12 has a thermal expansion coefficient of the semiconductor laser element. × (3
(00 ° C-atmospheric temperature), while submount 1
No. 6 shrinks by the coefficient of thermal expansion of the Cu.W alloy x (300C-atmospheric temperature). Since the coefficient of thermal expansion of the semiconductor laser element 12 and the coefficient of thermal expansion of the Cu / W alloy constituting the submount 16 are different from each other, the respective contraction amounts are different,
Thermal stress occurs in the semiconductor laser element 12. Strain is generated in the semiconductor laser element 12 due to thermal stress, and the semiconductor laser element 12 is damaged. As a result, the operation reliability of the semiconductor laser element is reduced. Of course, a stress opposite to that of the semiconductor laser element 12 is also generated in the submount 16, but since the mechanical strength is high, this does not cause a practical problem. Heat sink 2
0 is provided below the submount 16, the same phenomenon as described above occurs between the heat sink 20 and the submount 16, and the stress obtained by combining the thermal stress of the heat sink 20 and the thermal stress of the submount 16 is a semiconductor. Laser element 12
Act on.
【００１０】また、硬度が高い半田と硬度の低い半田と
の間では、熱応力の伝わり方に差が生じる。即ち、硬度
の高い半田の場合には、サブマウントと半導体レーザ素
子の収縮量の差に基づく応力にほぼ等しい応力が半導体
レーザ素子とサブマウントとの間で減衰することなく伝
達される。一方、硬度の低い半田の場合には、半田のク
リープによって応力が緩和されるので、それだけ小さい
応力が伝達される。つまり、硬度の低い半田、例えばイ
ンジウム半田を使った方が半導体レーザ素子に生じるス
トレスが緩和されることが判った。[0010] In addition, there is a difference in how thermal stress is transmitted between solder having high hardness and solder having low hardness. That is, in the case of a solder having high hardness, a stress substantially equal to a stress based on a difference in contraction amount between the submount and the semiconductor laser element is transmitted between the semiconductor laser element and the submount without being attenuated. On the other hand, in the case of a solder having a low hardness, the stress is relaxed by creep of the solder, so that a smaller stress is transmitted. That is, it has been found that the use of solder having a low hardness, for example, indium solder reduces the stress generated in the semiconductor laser device.
【００１１】ところで、ヒートシンクの材料としては、
放熱性を高めるために熱伝導率の高い金属が好ましく、
また半導体レーザ素子に与えるストレスを小さくするた
めには、熱膨張係数が半導体レーザ素子の熱膨張係数に
近いものが好ましい。また、サブマウントの材料として
は、ヒートシンクの熱応力を出来るだけ相殺するよう
に、ヒートシンクの熱膨張係数、更には半導体レーザ素
子の熱膨張係数より小さい熱膨張係数の金属で、しかも
熱伝導率が高い金属が好ましい。具体的には、例えば半
導体レーザ素子がＧａＡｓ系半導体レーザ素子の場合に
は、後述の表１からも判るように、ヒートシンクにはＣ
ｕが好ましく、サブマウントにはＳｉＣが好ましい。By the way, as a material of the heat sink,
Metals with high thermal conductivity are preferred to enhance heat dissipation,
In order to reduce the stress applied to the semiconductor laser device, it is preferable that the thermal expansion coefficient is close to that of the semiconductor laser device. In addition, the material of the submount is a metal having a thermal expansion coefficient smaller than that of the heat sink and further a thermal expansion coefficient smaller than that of the semiconductor laser element so that the thermal stress of the heat sink is canceled as much as possible. High metals are preferred. Specifically, for example, when the semiconductor laser device is a GaAs-based semiconductor laser device, the heat sink has a C
u is preferable, and SiC is preferable for the submount.
【００１２】そこで、以上の選定指針に基づいて、本発
明者は、ヒートシンクとサブマウントとの組み合わせと
して、Ｃｕ製ヒートシンクと厚さ０．５ｍｍのＳｉＣ板
製サブマウント、Ｃｕ製ヒートシンクと厚さ０．３５ｍ
ｍのＳｉＣ板製サブマウント、Ｃｕ製ヒートシンクと厚
さ０．２ｍｍのＳｉＣ板製サブマウント、及びＣｕ・Ｗ
合金製ヒートシンクと厚さ０．３５ｍｍのＣｕ・Ｗ合金
板製サブマウントの４通りの組み合わせを選定した。但
し、Ｃｕ・Ｗ合金製ヒートシンクとＣｕ・Ｗ合金製サブ
マウントとの組み合わせは参考例である。そして、上述
の４通りの組み合わせでサブマウント及びヒートシンク
を形成し、かつ、半導体レーザ素子としてＧａＡｓ系半
導体レーザ素子を使い、半導体レーザ素子とサブマウン
トとの間の半田層及びサブマウントとヒートシンクとの
間の半田層の双方にインジウム半田を使って形成した半
導体レーザアセンブリを試料として構成し、各試料半導
体レーザアセンブリを１２０℃から室温に放冷したとき
に、半導体レーザ素子に生じる応力を計算した。計算結
果は、図９に示す通りであった。Based on the above selection guidelines, the present inventor has proposed a combination of a heat sink and a submount, a Cu heat sink and a 0.5 mm thick SiC plate submount, and a Cu heat sink and a thickness of 0 mm. .35m
m SiC plate submount, Cu heat sink and 0.2 mm thick SiC plate submount, Cu · W
Four combinations of an alloy heat sink and a submount made of a 0.35 mm thick Cu / W alloy plate were selected. However, the combination of the Cu / W alloy heat sink and the Cu / W alloy submount is a reference example. Then, a submount and a heat sink are formed by the above four combinations, and a GaAs semiconductor laser element is used as a semiconductor laser element, and a solder layer between the semiconductor laser element and the submount and a submount and a heat sink are formed. A semiconductor laser assembly formed by using indium solder on both of the solder layers between them was configured as a sample, and the stress generated in the semiconductor laser element when each sample semiconductor laser assembly was cooled from 120 ° C. to room temperature was calculated. The calculation results were as shown in FIG.
【００１３】計算に際して、以下の数値を熱膨張係数、
及び熱伝導率とした。 表１ 材料 熱膨張係数（ｄｅｇ-1） 熱伝導率（ｗ／ｍ・ｋ） Ｃｕ １．６８×１０-5 ４１６ ＳｉＣ ３．７０×１０-6 ２７０ Ｃｕ・Ｗ ６．５０×１０-6 １８０ ＧａＡｓ ５．９７×１０-6 ４４In the calculation, the following numerical values are calculated as the coefficient of thermal expansion,
And thermal conductivity. Table 1 Material Thermal Expansion Coefficient (deg -1 ) Thermal Conductivity (w / m · k) Cu 1.68 × 10 -5 416 SiC 3.70 × 10 -6 270 Cu · W 6.50 × 10 -6 180 GaAs 5.97 × 10 −644
【００１４】図９に示すように、応力計算によれば、熱
膨張係数が半導体レーザ素子の熱膨張係数より大きいＣ
ｕ製ヒートシンクと、熱膨張係数が半導体レーザ素子の
熱膨張係数より小さいＳｉＣ製ヒートシンクとを使い、
半田層をインジウム半田で形成することにより、サブマ
ウントの厚さを減少させて行くと、応力は引っ張り応力
から圧縮応力に変化する。本応力計算例では、０．２ｍ
ｍと０．３５ｍｍの間の厚さのＳｉＣ製サブマウントを
使うと、室温時に半導体レーザ素子に生じる応力がほぼ
ゼロ（０）となることが判った。更に、実験して確かめ
たところ、図１０に示すように、厚さ０．３５ｍｍのＳ
ｉＣ製サブマウントとＣｕ製ヒートシンクを使ったとき
の半導体レーザアセンブリの半導体レーザ素子の劣化率
が最も小さかった。この実験では、サブマウント上に
は、３３個の半導体レーザ素子をアレイ状に配列した半
導体レーザアレイをマウントし、動作温度２５℃で、１
０００時間動作させたときの半導体レーザ素子の平均劣
化率を測定した。ここで、平均劣化率とは、（１０００
時間後の光出力）／（イニシャルの光出力）の平均値を
言う。As shown in FIG. 9, according to the stress calculation, the coefficient of thermal expansion is larger than the coefficient of thermal expansion of the semiconductor laser device.
using a heat sink made of u and a heat sink made of SiC whose thermal expansion coefficient is smaller than that of the semiconductor laser element,
As the thickness of the submount is reduced by forming the solder layer with indium solder, the stress changes from a tensile stress to a compressive stress. In this stress calculation example, 0.2 m
It was found that when a SiC submount having a thickness between m and 0.35 mm was used, the stress generated in the semiconductor laser element at room temperature was almost zero (0). Further, as a result of experiments, it was confirmed that, as shown in FIG.
The deterioration rate of the semiconductor laser element of the semiconductor laser assembly when using the iC submount and the Cu heat sink was the smallest. In this experiment, a semiconductor laser array in which 33 semiconductor laser elements were arranged in an array on a submount was mounted.
The average deterioration rate of the semiconductor laser device when operated for 000 hours was measured. Here, the average deterioration rate is (1000
The average value of (light output after time) / (initial light output).
【００１５】以上の応力計算及び実験から、熱膨張係数
が半導体レーザ素子の熱膨張係数より大きい金属でヒー
トシンクを形成し、熱膨張係数が半導体レーザ素子の熱
膨張係数より小さい金属でサブマウントを形成し、サブ
マウントの厚さを調節することにより、半導体レーザア
センブリを半田層の溶融温度から室温に冷却したとき、
半導体レーザ素子に生じる応力を実質的にゼロ（０）に
することができる。因みに、前述の従来の半導体レーザ
アセンブリ１０の場合、銅で形成されたヒートシンクの
熱膨張係数はＧａＡｓ系の半導体レーザ素子の熱膨張係
数より大きく、かつＣｕＷ合金で形成されたサブマウン
トの熱膨張係数が半導体レーザ素子の熱膨張係数より大
きい。その結果、サブマウントの熱応力、或いはストレ
スは、その方向がヒートシンクの熱応力、或いはストレ
スの方向と同じく半導体レーザ素子を圧縮させる方向で
あるために、ヒートシンクの熱応力を相殺するようには
働かず、従って、サブマウントの厚さを調整しても、図
１１に示すように、半導体レーザ素子の熱応力がゼロ
（０）になるようなことがない。From the above stress calculations and experiments, a heat sink is formed from a metal having a coefficient of thermal expansion greater than that of the semiconductor laser device, and a submount is formed from a metal having a coefficient of thermal expansion smaller than that of the semiconductor laser device. Then, by adjusting the thickness of the submount, when the semiconductor laser assembly is cooled from the melting temperature of the solder layer to room temperature,
The stress generated in the semiconductor laser device can be made substantially zero (0). Incidentally, in the case of the above-described conventional semiconductor laser assembly 10, the thermal expansion coefficient of the heat sink made of copper is larger than the thermal expansion coefficient of the GaAs-based semiconductor laser element, and the thermal expansion coefficient of the submount made of the CuW alloy. Is larger than the thermal expansion coefficient of the semiconductor laser device. As a result, the thermal stress or stress of the submount acts to offset the thermal stress of the heat sink because the direction is the thermal stress of the heat sink or the direction in which the semiconductor laser element is compressed in the same direction as the direction of the stress. Therefore, even if the thickness of the submount is adjusted, the thermal stress of the semiconductor laser device does not become zero (0) as shown in FIG.
【００１６】上記目的を達成するために、上述の知見に
基づいて、本発明に係る半導体レーザアセンブリは、半
導体レーザ素子と、第１の半田層を介して半導体レーザ
素子の基板側に接合されているサブマウントと、第２の
半田層を介してサブマウントの裏面側に接合されている
ヒートシンクとを備えた半導体レーザアセンブリにおい
て、ヒートシンクは、熱膨張係数が半導体レーザ素子の
熱膨張係数より大きい金属で形成され、サブマウント
は、熱膨張係数が半導体レーザ素子の熱膨張係数より小
さい金属で形成され、かつ半導体レーザアセンブリを半
田層の溶融温度から室温に冷却したとき、半導体レーザ
素子に生じる応力が実質的にゼロ（０）になる厚さを有
することを特徴としている。To achieve the above object, based on the above findings, a semiconductor laser assembly according to the present invention is joined to a semiconductor laser device via a first solder layer on a substrate side of the semiconductor laser device. And a heat sink joined to the back side of the submount via a second solder layer, wherein the heat sink has a thermal expansion coefficient larger than that of the semiconductor laser element. The submount is formed of a metal whose coefficient of thermal expansion is smaller than the coefficient of thermal expansion of the semiconductor laser element, and when the semiconductor laser assembly is cooled from the melting temperature of the solder layer to room temperature, the stress generated in the semiconductor laser element is reduced. It is characterized by having a thickness of substantially zero (0).
【００１７】前述の応力計算及び実験から判る通り、熱
膨張係数が半導体レーザ素子の熱膨張係数より大きい金
属でヒートシンクを形成し、熱膨張係数が半導体レーザ
素子の熱膨張係数より小さい金属でサブマウントを形成
し、サブマウントの厚さを調節することにより、半導体
レーザアセンブリを半田層の溶融温度から室温に冷却し
たとき、半導体レーザ素子に生じる応力を実質的にゼロ
（０）にすることができる。半導体レーザ素子に生じる
応力を実質的にゼロ（０）にするサブマウントの厚さ
は、サブマウントと半導体レーザ素子との間の熱膨張係
数の差及びサブマウントのヤング率等によって異なるの
で、実験、応力計算等によって、サブマウントの厚さを
決める。As can be seen from the above-described stress calculation and experiments, a heat sink is formed of a metal having a coefficient of thermal expansion larger than that of the semiconductor laser device, and a submount is formed of a metal having a coefficient of thermal expansion smaller than that of the semiconductor laser device. And by adjusting the thickness of the submount, the stress generated in the semiconductor laser element when the semiconductor laser assembly is cooled from the melting temperature of the solder layer to room temperature can be made substantially zero (0). . The thickness of the submount that makes the stress generated in the semiconductor laser element substantially zero (0) depends on the difference in the coefficient of thermal expansion between the submount and the semiconductor laser element, the Young's modulus of the submount, and the like. The thickness of the submount is determined by stress calculation or the like.
【００１８】本発明の好適な実施態様では、ヒートシン
クがＣｕで形成され、サブマウントがＳｉＣ、人工ダイ
ヤモンド、及びＡｌＮ（窒化アルミニウム）のいずれか
で形成され、かつ第１及び第２の半田層がそれぞれイン
ジウム半田層である。本実施態様では、第１及び第２の
半田層が同じインジウムで形成されているので、半田リ
フローを一回の加熱処理で行うことができる。また、別
の好適な実施態様では、第１の半田層が第２の半田層よ
り硬度が高い半田材料で形成されている。例えばヒート
シンクがＣｕで形成され、サブマウントがＳｉＣ、人工
ダイヤモンド、及びＡｌＮのいずれかで形成され、かつ
第１の半田層が金錫半田層であり、第２の半田層がイン
ジウム半田層である。これにより、半導体レーザ素子の
熱応力が実質的にゼロ（０）になるように更に微妙に調
節することができる。In a preferred embodiment of the present invention, the heat sink is formed of Cu, the submount is formed of one of SiC, artificial diamond, and AlN (aluminum nitride), and the first and second solder layers are formed. Each is an indium solder layer. In this embodiment, since the first and second solder layers are formed of the same indium, solder reflow can be performed by one heat treatment. In another preferred embodiment, the first solder layer is formed of a solder material having a higher hardness than the second solder layer. For example, the heat sink is formed of Cu, the submount is formed of any of SiC, artificial diamond, and AlN, the first solder layer is a gold tin solder layer, and the second solder layer is an indium solder layer. . Thereby, it is possible to further finely adjust the thermal stress of the semiconductor laser device so as to be substantially zero (0).
【００１９】本発明は、端面出射型半導体レーザ素子、
面発光型半導体レーザ素子を問わず適用でき、また半導
体レーザ素子を構成する基板、化合物半導体層等の組成
に制約なく適用でき、例えばＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、Ｇ
ａＮ系の半導体レーザ素子に好適に適用できる。更に
は、半導体レーザ素子に限らず、ヒートシンクを必要と
する発熱性の半導体素子のアセンブリとして適用でき
る。The present invention provides an edge-emitting semiconductor laser device,
It can be applied to any surface-emitting type semiconductor laser element, and can be applied to the composition of the substrate, compound semiconductor layer, etc. constituting the semiconductor laser element without limitation. For example, GaAs, InP, G
It can be suitably applied to an aN-based semiconductor laser device. Further, the present invention is not limited to a semiconductor laser element, and can be applied as an assembly of a heat-generating semiconductor element requiring a heat sink.
【００２０】[0020]
【発明の実施の形態】以下に、添付図面を参照し、実施
形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に
説明する。実施形態例１ 本実施形態例は、本発明に係る半導体レーザアセンブリ
の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の半導
体レーザアセンブリの要部の構成を示す斜視図、及び図
２は半導体レーザ素子に生じる熱応力とサブマウントの
厚さとの関係を示すグラフである。図２で、＋側は引っ
張り応力を示し、−側は圧縮応力を示す。本実施形態例
の半導体レーザアセンブリ３０は、図１に示すように、
ＧａＡｓ系又はＧａＮ系半導体レーザ素子３２と、第１
のインジウム半田層３４を介して半導体レーザ素子３２
の基板側に接合されているＳｉＣ製サブマウント３６
と、第２のインジウム半田層３８を介してサブマウント
３６の裏面側に接合されているＣｕ製ヒートシンク４０
とを備えている。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. Embodiment 1 This embodiment is an example of an embodiment of a semiconductor laser assembly according to the present invention. FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a main part of the semiconductor laser assembly of this embodiment, and FIG. Is a graph showing the relationship between the thermal stress generated in the semiconductor laser device and the thickness of the submount. In FIG. 2, the + side indicates a tensile stress, and the − side indicates a compressive stress. As shown in FIG. 1, the semiconductor laser assembly 30 of the present embodiment
A GaAs-based or GaN-based semiconductor laser device 32;
Laser device 32 via an indium solder layer 34 of
Submount 36 bonded to the substrate side of the substrate
And a Cu heat sink 40 joined to the back surface of the submount 36 via the second indium solder layer 38
And
【００２１】本実施形態例の半導体レーザアセンブリ３
０では、サブマウント３６の厚さが厚くなると、図２に
示すように、半導体レーザ素子３２に生じる応力が圧縮
応力から引っ張り応力に変化するので、サブマウント３
６の厚さを適正に設定すことにより、半導体レーザ素子
３２に発生する応力を実質的にゼロ（０）にすることが
できる。よって、発生した応力により歪みが半導体レー
ザ素子３２内に生じ、半導体レーザ素子３２が損傷する
ようなことが生じないので、半導体レーザ素子３２の素
子寿命が長くなり、動作信頼性が向上する。The semiconductor laser assembly 3 according to the present embodiment.
At 0, when the thickness of the submount 36 increases, the stress generated in the semiconductor laser element 32 changes from the compressive stress to the tensile stress as shown in FIG.
By appropriately setting the thickness of 6, the stress generated in the semiconductor laser element 32 can be made substantially zero (0). Therefore, since the generated stress causes no distortion in the semiconductor laser element 32 and does not damage the semiconductor laser element 32, the element life of the semiconductor laser element 32 is prolonged, and the operation reliability is improved.
【００２２】実施例 本実施例は実施形態例１の具体例であって、図３は本実
施例の半導体レーザアセンブリの要部の構成を示す斜視
図である。半導体レーザ素子３２はＧａＮ系半導体レー
ザ素子であって、長さＬL （出射端面）が１０ｍｍ、幅
ＷL が０．７ｍｍから１．４ｍｍの範囲、及び厚さＴL
が０．１ｍｍである。ＳｉＣ製サブマウント３６は、長
さＬS が１２ｍｍ、幅ＷS が２ｍｍ、及び厚さＴS が
０．３５ｍｍである。つまり、図２で、交点Ｉ1 は０．
３５ｍｍの厚さである。Ｃｕ製ヒートシンク４０は、長
さＬH が２５ｍｍ、幅ＷH が１４ｍｍ、及び厚さＴH が
５ｍｍである。第１のインジウム半田層３４及び第２の
インジウム半田層３８は、３μｍ〜６μｍの厚さのイン
ジウム蒸着層で形成されている。 EXAMPLE This example is a specific example of the first embodiment, and FIG. 3 is a perspective view showing a configuration of a main part of the semiconductor laser assembly of this example. The semiconductor laser element 32 is a GaN-based semiconductor laser device, the length L L (exit end face) is 10 mm, the width W L is the range of 0.7mm to 1.4 mm, and the thickness T L
Is 0.1 mm. The SiC submount 36 has a length L S of 12 mm, a width W S of 2 mm, and a thickness T S of 0.35 mm. That is, in FIG. 2, the intersection I 1 0.
It is 35 mm thick. The Cu heat sink 40 has a length L H of 25 mm, a width W H of 14 mm, and a thickness T H of 5 mm. The first indium solder layer 34 and the second indium solder layer 38 are formed of an indium vapor deposition layer having a thickness of 3 μm to 6 μm.
【００２３】実施形態例２ 本実施形態例は、本発明に係る半導体レーザアセンブリ
の実施形態の別の例であって、図４は本実施形態例の半
導体レーザアセンブリの要部の構成を示す斜視図、及び
図５は半導体レーザ素子に生じる熱応力とサブマウント
の厚さとの関係を示すグラフである。図５で、＋側は引
っ張り応力を示し、−側は圧縮応力を示す。本実施形態
例の半導体レーザアセンブリ５０は、図４に示すよう
に、ＧａＡｓ系又はＧａＮ系半導体レーザ素子５２と、
金錫半田層５４を介して半導体レーザ素子５２の基板側
に接合されているＳｉＣ製サブマウント５６と、インジ
ウム半田層５８を介してサブマウント５６の裏面側に接
合されているＣｕ製ヒートシンク６０とを備えている。 Embodiment 2 This embodiment is another example of the embodiment of the semiconductor laser assembly according to the present invention. FIG. 4 is a perspective view showing the configuration of the main part of the semiconductor laser assembly of this embodiment. FIG. 5 and FIG. 5 are graphs showing the relationship between the thermal stress generated in the semiconductor laser device and the thickness of the submount. In FIG. 5, the + side indicates a tensile stress, and the − side indicates a compressive stress. As shown in FIG. 4, the semiconductor laser assembly 50 of the present embodiment includes a GaAs-based or GaN-based semiconductor laser element 52,
A SiC submount 56 joined to the substrate side of the semiconductor laser element 52 via the gold tin solder layer 54, and a Cu heat sink 60 joined to the back surface side of the submount 56 via the indium solder layer 58. It has.
【００２４】本実施形態例の半導体レーザアセンブリ５
０では、サブマウント５６の厚さが厚くなると、図５に
示すように、半導体レーザ素子５２に生じる応力が圧縮
応力から引っ張り応力に変化するので、サブマウント５
６の厚さを適正に設定すことにより、半導体レーザ素子
５２に発生する応力を実質的にゼロ（０）にすることが
できる。よって、発生した応力により歪みが半導体レー
ザ素子５２内に生じ、半導体レーザ素子５２が損傷する
ようなことが生じないので、半導体レーザ素子５２の素
子寿命が長くなり、動作信頼性が向上する。しかも、実
施形態例１のＩ1 に比べて、半導体レーザ素子５２の応
力を実質的にゼロ（０）にするサブマウント５６の厚さ
Ｉ2 が薄くなるので、実施形態例１よりもサブマウント
５６の熱抵抗が低くなり、熱放散性に優れた半導体レー
ザアセンブリを実現できる。The semiconductor laser assembly 5 according to the present embodiment.
At 0, when the thickness of the submount 56 increases, the stress generated in the semiconductor laser element 52 changes from a compressive stress to a tensile stress as shown in FIG.
By appropriately setting the thickness of 6, the stress generated in the semiconductor laser element 52 can be made substantially zero (0). Therefore, distortion does not occur in the semiconductor laser element 52 due to the generated stress, and the semiconductor laser element 52 is not damaged, so that the element life of the semiconductor laser element 52 is prolonged and the operation reliability is improved. Moreover, implementation compared to I 1 of the embodiment 1, the thickness I 2 of the submount 56 to stress substantially zero of the semiconductor laser element 52 (0) is reduced, the submount than Embodiment Example 1 56, the thermal resistance is reduced, and a semiconductor laser assembly excellent in heat dissipation can be realized.
【００２５】実施形態例３ 本実施形態例は、本発明に係る半導体レーザアセンブリ
の実施形態の更に別の例であって、図６は本実施形態例
の半導体レーザアセンブリの要部の構成を示す斜視図、
及び図７は半導体レーザ素子に生じる熱応力とサブマウ
ントの厚さとの関係を示すグラフである。図７で、＋側
は引っ張り応力を示し、−側は圧縮応力を示す。本実施
形態例の半導体レーザアセンブリ７０は、図６に示すよ
うに、ＧａＡｓ系又はＧａＮ系半導体レーザ素子７２
と、第１のインジウム半田層７４を介して半導体レーザ
素子７２の基板側に接合されている人工ダイヤモンド製
サブマウント７６と、第２のインジウム半田層７８を介
してサブマウント７６の裏面側に接合されているＣｕ製
ヒートシンク８０とを備えている。 Embodiment 3 This embodiment is still another example of the embodiment of the semiconductor laser assembly according to the present invention. FIG. 6 shows the configuration of the main part of the semiconductor laser assembly of this embodiment. Perspective view,
7 is a graph showing the relationship between the thermal stress generated in the semiconductor laser device and the thickness of the submount. In FIG. 7, the + side indicates a tensile stress, and the − side indicates a compressive stress. As shown in FIG. 6, the semiconductor laser assembly 70 of the present embodiment has a GaAs or GaN semiconductor laser element 72.
And an artificial diamond submount 76 joined to the substrate side of the semiconductor laser element 72 via a first indium solder layer 74, and joined to a back surface side of the submount 76 via a second indium solder layer 78. And a heat sink 80 made of Cu.
【００２６】本実施形態例の半導体レーザアセンブリ７
０では、サブマウント７６の厚さが厚くなると、図７に
示すように、半導体レーザ素子７２に生じる応力が圧縮
応力から引っ張り応力に変化するので、サブマウント７
６の厚さを適正に設定すことにより、半導体レーザ素子
７２に発生する応力を実質的にゼロ（０）にすることが
できる。よって、発生した応力により歪みが半導体レー
ザ素子７２内に生じ、半導体レーザ素子７２が損傷する
ようなことが生じないので、半導体レーザ素子７２の素
子寿命が長くなり、動作信頼性が向上する。しかも、実
施形態例１のＩ1 に比べて、半導体レーザ素子７２の応
力を実質的にゼロ（０）にするサブマウント７６の厚さ
Ｉ3 が薄くなるので、実施形態例１よりもサブマウント
７６の熱抵抗が低くなり、熱放散性に優れた半導体レー
ザアセンブリを実現できる。The semiconductor laser assembly 7 of the present embodiment.
0, when the thickness of the submount 76 increases, the stress generated in the semiconductor laser element 72 changes from the compressive stress to the tensile stress as shown in FIG.
By appropriately setting the thickness of 6, the stress generated in the semiconductor laser element 72 can be made substantially zero (0). Therefore, since the generated stress does not cause distortion in the semiconductor laser element 72 and damage the semiconductor laser element 72, the element life of the semiconductor laser element 72 is prolonged and operation reliability is improved. Moreover, compared to I 1 of the embodiment 1, the thickness I 3 of the submount 76 to substantially zero stress of the semiconductor laser element 72 (0) is reduced, the submount than Embodiment Example 1 The heat resistance of the semiconductor laser assembly is reduced, and a semiconductor laser assembly having excellent heat dissipation properties can be realized.
【００２７】実施形態例１及び２では、ＳｉＣ製サブマ
ウントを使用しているが、ＳｉＣ製サブマウントに代え
て、ＡｌＮ製サブマウントを使っても、同じ効果を奏す
ることができる。In the first and second embodiments, the submount made of SiC is used. However, the same effect can be obtained by using a submount made of AlN instead of the submount made of SiC.
【００２８】[0028]
【発明の効果】本発明によれば、熱膨張係数が半導体レ
ーザ素子の熱膨張係数より大きい金属で形成されたヒー
トシンクと、熱膨張係数が半導体レーザ素子の熱膨張係
数より小さい金属で形成され、かつ半田層の溶融温度か
ら室温に冷却したとき、半導体レーザ素子に生じる応力
が実質的にゼロ（０）になる厚さのサブマウントとを設
けることにより、半導体レーザ素子の素子寿命が長く信
頼性の高い構成を備えた半導体レーザアセンブリを実現
することができる。According to the present invention, a heat sink formed of a metal having a coefficient of thermal expansion larger than that of a semiconductor laser element, and a metal formed of a metal having a coefficient of thermal expansion smaller than that of a semiconductor laser element, In addition, by providing a submount having a thickness such that the stress generated in the semiconductor laser element when the temperature is cooled from the melting temperature of the solder layer to room temperature is substantially zero (0), the element life of the semiconductor laser element is extended and the reliability is increased. Semiconductor laser assembly having a high configuration can be realized.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図１】実施形態例１及び実施例の半導体レーザアセン
ブリの要部の構成を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view illustrating a configuration of a main part of a semiconductor laser assembly according to a first embodiment and an example.
【図２】実施形態例１の半導体レーザ素子に生じる熱応
力とサブマウントの厚さとの関係を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing a relationship between a thermal stress generated in a semiconductor laser device of a first embodiment and a thickness of a submount.
【図３】実施形態例１の実施例の半導体レーザアセンブ
リの要部の構成を示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view illustrating a configuration of a main part of a semiconductor laser assembly according to an example of the first embodiment;
【図４】実施形態例２の半導体レーザアセンブリの要部
の構成を示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view illustrating a configuration of a main part of a semiconductor laser assembly according to a second embodiment.
【図５】実施形態例２の半導体レーザ素子に生じる熱応
力とサブマウントの厚さとの関係を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing a relationship between a thermal stress generated in a semiconductor laser device of Embodiment 2 and a thickness of a submount.
【図６】実施形態例３の半導体レーザアセンブリの要部
の構成を示す斜視図である。FIG. 6 is a perspective view illustrating a configuration of a main part of a semiconductor laser assembly according to a third embodiment.
【図７】実施形態例３の半導体レーザ素子に生じる熱応
力とサブマウントの厚さとの関係を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing a relationship between a thermal stress generated in a semiconductor laser device of a third embodiment and a thickness of a submount.
【図８】従来の半導体レーザアセンブリの構成を示す斜
視図である。FIG. 8 is a perspective view showing a configuration of a conventional semiconductor laser assembly.
【図９】サブマウント／ヒートシンクの組み合わせに対
する応力の計算値を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing calculated stress values for a submount / heat sink combination.
【図１０】サブマウント／ヒートシンクの組み合わせに
対する半導体レーザ素子の平均劣化率を示すグラフであ
る。FIG. 10 is a graph showing an average deterioration rate of a semiconductor laser device with respect to a combination of a submount / heat sink.
【図１１】従来の半導体レーザアセンブリの半導体レー
ザ素子に生じる熱応力とサブマウントの厚さとの関係を
示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing a relationship between a thermal stress generated in a semiconductor laser element of a conventional semiconductor laser assembly and a thickness of a submount.
１０……従来の半導体レーザアセンブリ、１２……半導
体レーザ素子、１４……第１の半田層、１６……サブマ
ウント、１８……第２の半田層、２０……ヒートシン
ク、２２……絶縁板、２４……電極パッド、３０……実
施形態例１の半導体レーザアセンブリ、３２……半導体
レーザ素子、３４……第１のインジウム半田層、３６…
…ＳｉＣ製サブマウント、３８……第２のインジウム半
田層、４０……Ｃｕ製ヒートシンク、５０……実施形態
例２の半導体レーザアセンブリ、５２……半導体レーザ
素子、５４……金錫半田層、５６……ＳｉＣ製サブマウ
ント、５８……インジウム半田層、６０……Ｃｕ製ヒー
トシンク、７０……実施形態例３の半導体レーザアセン
ブリ、７２……半導体レーザ素子、７４……第１のイン
ジウム半田層、７６……人工ダイヤモンド製サブマウン
ト、７８……インジウム半田層、８０……Ｃｕ製ヒート
シンク。10: Conventional semiconductor laser assembly, 12: Semiconductor laser element, 14: First solder layer, 16: Submount, 18: Second solder layer, 20: Heat sink, 22: Insulating plate , 24... Electrode pads, 30... The semiconductor laser assembly of the first embodiment, 32... A semiconductor laser element, 34... A first indium solder layer, 36.
, A submount made of SiC, 38, a second indium solder layer, 40, a heat sink made of Cu, 50, a semiconductor laser assembly of the second embodiment, 52, a semiconductor laser element, 54, a gold-tin solder layer, 56 ... SiC submount, 58 ... Indium solder layer, 60 ... Cu heat sink, 70 ... Semiconductor laser assembly of Embodiment 3 72 ... Semiconductor laser device, 74 ... First indium solder layer Reference numeral 76 denotes an artificial diamond submount, 78 denotes an indium solder layer, and 80 denotes a Cu heat sink.
Claims (4)
して半導体レーザ素子の基板側に接合されているサブマ
ウントと、第２の半田層を介してサブマウントの裏面側
に接合されているヒートシンクとを備えた半導体レーザ
アセンブリにおいて、 ヒートシンクは、熱膨張係数が半導体レーザ素子の熱膨
張係数より大きい金属で形成され、 サブマウントは、熱膨張係数が半導体レーザ素子の熱膨
張係数より小さい金属で形成され、かつ半導体レーザア
センブリを半田層の溶融温度から室温に冷却したとき、
半導体レーザ素子に生じる応力が実質的にゼロ（０）に
なる厚さを有することを特徴とする半導体レーザアセン
ブリ。A semiconductor laser device, a submount joined to a substrate side of the semiconductor laser device via a first solder layer, and a submount joined to a back surface side of the submount via a second solder layer. Wherein the heat sink is formed of a metal having a coefficient of thermal expansion greater than that of the semiconductor laser element, and the submount is formed of a metal having a coefficient of thermal expansion smaller than that of the semiconductor laser element. And when the semiconductor laser assembly is cooled from the melting temperature of the solder layer to room temperature,
A semiconductor laser assembly having a thickness such that stress generated in the semiconductor laser element becomes substantially zero (0).
ウントがＳｉＣ、人工ダイヤモンド、及びＡｌＮ（窒化
アルミニウム）のいずれかで形成され、かつ第１及び第
２の半田層がそれぞれインジウム半田層であることを特
徴とする請求項１に記載の半導体レーザアセンブリ。2. The heat sink is made of Cu, the submount is made of one of SiC, artificial diamond, and AlN (aluminum nitride), and the first and second solder layers are indium solder layers, respectively. The semiconductor laser assembly according to claim 1, wherein:
高い半田材料で形成され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アセンブリ。3. The semiconductor laser assembly according to claim 1, wherein the first solder layer is formed of a solder material having a higher hardness than the second solder layer.
ウントがＳｉＣ、人工ダイヤモンド、及びＡｌＮのいず
れかで形成され、かつ第１の半田層が金錫半田層であ
り、第２の半田層がインジウム半田層であることを特徴
とする請求項３に記載の半導体レーザアセンブリ。4. A heat sink is formed of Cu, a submount is formed of one of SiC, artificial diamond, and AlN, a first solder layer is a gold tin solder layer, and a second solder layer is indium. The semiconductor laser assembly according to claim 3, wherein the semiconductor laser assembly is a solder layer.
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