JP2004022760A - レーザダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】レーザダイオードチップのサブマウントへの熱伝導を改善し，放熱効果を上げることにより，レーザダイオードの高電流入力時の発熱によるチップの温度上昇を低減し，光出力飽和を防ぎ，光出力を増加させる。
【解決手段】レーザダイオードチップ１１０をサブマウント１２０上に接続する際に，レーザダイオードチップ１１０を，サブマウント１２０上面の中央付近に配置する方法を用いる。この時，レーザダイオードチップ１１０の出力側サブマウント１２０端からの位置を，レーザダイオードチップ活性層１４０のサブマウント１２０表面からの距離１４５を，活性層１４０から発せられるレーザ光の垂直方向広がり角１３５の半分の角度の正接で除した値以内の距離１５０に配置する。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，チップがサブマウントを介して実装されるレーザダイオードについて，そのチップ接続位置，及びサブマウント形状に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザダイオードは出力光をチップの側面から放出する。電子と正孔が再結合する際にエネルギーを放出して光を生成するのであるが，電子と正孔はそれぞれ−と＋の極性を持っており，電流を流すことで，活性層にてちょうど再結合するように設計されている。温度が上がると，電子，正孔それぞれがより高エネルギーになり，活性層にとどまる時間が減少し，その結果光出力は減少してしまう。そのため，レーザダイオードチップの放熱効果を高めることが重要となる。
【０００３】
レーザダイオードチップを接続する方法は，パッケージ本体（ヘッダ）に直接接続するものと，サブマウントを介するものとがある。接続には，インジウム（Ｉｎ），鉛スズ（ＰｂＳｎ），金スズ（ＡｕＳｎ），金シリコン（ＡｕＳｉ）などのはんだ材が用いられている。直接接続は，構造が簡単であるが，チップ取り付け面を高精度に加工する必要があり，またパッケージ材料とチップの熱膨張係数の差による熱応力をさけるため，柔らかいＩｎはんだしか使用できない難点がある。
【０００４】
サブマウントを用いる場合は，レーザダイオードチップをヘッダに搭載する際，レーザダイオードチップとヘッダの熱膨張係数の違いに起因するチップ破損を防ぐ緩衝材として用いられ，材料としては熱伝導がよく，熱膨張係数がチップのものに近く，加工性のよいＳｉ，炭化シリコン（ＳｉＣ）の他，ダイヤモンド，酸化ベリリウム（ＢｅＯ），銅タングステン（ＣｕＷ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化ホウ素（ＣＢＮ）などが使用される。
【０００５】
また，チップの接続には，チップのｐｎ接合側を放熱体に接続するジャンクションダウン法と，ｐｎ接合側を逆に隔てて置くジャンクションアップ法に分けることができる。ジャンクションダウン法は，ｐｎ接合近くにはんだ材が位置するため，組み立て作業が難しいが，放熱性が優れており，高出力レーザなど高い電流で動作する場合に適している。ジャンクションアップ法は，放熱性は劣るが，チップの接続が容易な上，接合部に応力が加わりにくい利点，比較的小電流で動作するレーザに都合がよい。
【０００６】
図８（ａ）は，従来技術によるレーザダイオードチップの実装図であり，レーザダイオードチップ１，サブマウント２，ヘッダ３から成っている。図８（ｂ）ではジャンクションダウン法により実装した場合の，サブマウント２をレーザダイオード発光方向から見た図，図８（ｃ）は，サブマウント２を横方向から見た図であり，発光部からの光の広がり５がわかる。サブマウント２の形状としては，加工性の良さから，直方体の形状が用いられる。
【０００７】
実装手順として，まずサブマウント２にレーザダイオードチップ１をボンディングし，その後サブマウント２をヘッダ３に搭載し，レーザダイオードの他方の電極は，ワイヤボンディングによりパッケージ電極リードに導かれる。ワイヤボンディングは，直径２５μｍのＡｕまたはＡｌ線を使用し，熱圧着法や超音波法により接続する。その後，レーザダイオードチップ１に電流を流すことでレーザダイオードチップ１が発光する。
【０００８】
図８（ａ）のように実装する際，レーザダイオードチップ１の活性層での発熱を効率よく逃がすためには，ジャンクションダウン法が適しており，図８（ｂ）に示すように，活性層４はサブマウント２に近い側に配置される。また，活性層から発生される光は，垂直方向に約±２０度，水平方向に約±５〜１０度の広がりがあり，その広がりのある光をレンズや，ファイバなどにロス無く入射させるため，図８（ｃ）に示すように，レーザダイオードチップ１の前端面とサブマウント２の端面とヘッダ３の端面をほぼ一直線上に配置している。こうして端をそろえる方法は，実装を容易にし，レーザダイオードと対向するレンズとの距離をほぼ一定にすることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが上記のように実装した場合，レーザダイオードチップ１前端面側のサブマウント２端では，放熱領域が小さくなるため，レーザダイオードチップ１前端面側がより高温となる。図９にレーザダイオードチップ１，サブマウント２の熱伝導の模式図を示した。この図からわかるように前端面側が熱伝導が悪く，より高温になるとレーザダイオードチップの放熱がより悪くなり，図１０に示すように，高出力レーザダイオードモジュールにおける高電流入力領域において，チップの発熱の影響による出力光特性の飽和が問題となっていた。
【００１０】
本発明は，従来のレーザダイオードに関する上記問題点に鑑みてなされたものであり，本発明の目的は，レーザダイオードの出力ロスを増加させることなく，チップの放熱を改善することにより，チップの発熱の影響による出力光特性の飽和問題を解決した，新規かつ改良されたレーザダイオードを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため，本発明の第１の観点によれば，チップがサブマウントを介してヘッダに実装されるレーザダイオードにおいて，サブマウント上面の中央付近にレーザダイオードチップが接続されており，そのサブマウントがヘッダ上面に接続されることを特徴とするレーザダイオードが提供される。
【００１２】
例えば，レーザダイオードチップの出力側サブマウント端からの位置を，レーザダイオードチップ活性層のサブマウント表面からの距離を，活性層から発せられるレーザ光の垂直方向広がり角の半分の角度の正接で除した値以内の距離に配置する。こうしてチップのサブマウントへの配置位置を，従来の前端面から，出力光の光の広がりを考慮した配置限界まで後退させることにより，チップ前端面の温度上昇を低減し，サブマウントへの熱伝導が改善され，つまり放熱効果を上げることができるため，レーザダイオードの高電流入力時のチップの発熱による光出力飽和を防ぎ，光出力を増加させることができる。
【００１３】
また，サブマウントのレーザダイオードチップの配置箇所の前方部分を，テーパ状に加工することにより，さらにチップをサブマウントの中央に配置することができて，より大きな放熱効果を得ることができ，チップの発熱による光出力飽和を防ぐことができる。
【００１４】
さらに，サブマウントのレーザダイオードチップの配置箇所の前方部分を，溝加工することにより，チップ前端面近傍のサブマウントの体積が大きくなるので，さらに大きな放熱効果を得ることができ，光出力飽和を防ぐことができる。
【００１５】
またレーザダイオードチップのサブマウント上面への配置を変えるだけでなく，サブマウントをヘッダ上面の中央付近に配置することにより，チップからサブマウントへの熱伝導と同様，サブマウントからヘッダへも効率よく熱伝導ができるので，より放熱効果を高め，光出力飽和を防ぐことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照しながら，本発明にかかるレーザダイオードの好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について，図１に概略図を示す。図１（ａ）に本実施の形態による，チップ１１０を搭載したサブマウント１２０全体の斜視図を，（ｂ）に横方向から見た平面図を示す。また，図２は発光部分を拡大した横方向からの図である。レーザダイオードチップ１１０を，従来の前端面でなく，サブマウント１２０の中央側に配置している。このとき，活性層１４０からの光出力を遮らないようにチップを中央側に移動させることのできる距離ｂ１５０は，活性層高さａ１４５，出力光広がりθ１３５とすると，図２からわかるようにｂ＝ａ／ｔａｎ（θ／２）となる。
【００１８】
こうして，チップを中央側に距離ｂ以内で移動させることにより，図３に示すように，レーザダイオードチップ１１０の前端面側での発熱がＡ部１２５を介して放熱され，従来よりもチップ前端面の温度上昇を低減することができる。その結果，レーザダイオードチップの放熱効果が上がり，高電流入力時でのチップの発熱による光出力飽和を防ぎ，光出力を増加させることが出来る。
【００１９】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態は，レーザダイオードチップをサブマウント中央側に配置したが，第２の実施の形態ではサブマウントのレーザダイオードチップ前端面側にテーパ４３０を設けた。図４（ａ）に本実施の形態による，チップ４１０を搭載したサブマウント４２０全体の斜視図を，（ｂ）に横方向から見た平面図を示す。この際，テーパ４３０の角度はレーザダイオードチップの発光の広がりよりも大きくする。テーパ角と，その大きさは，チップの電流や電圧の条件や，サブマウントの材質により異なるが，放熱効果を高めかつ，出力ロスのない距離であることが好ましい。
【００２０】
第１の実施の形態では，発光の広がりに制限され，レーザダイオードチップを配置できる位置に限界があったが，第２の実施の形態では，サブマウントにテーパーを設けることで，第１の実施の形態よりもサブマウントの中央にレーザダイオードチップを配置でき，より大きな放熱効果が得られる。それにより，より高電流入力時でのチップの発熱による光出力飽和を防ぎ，光出力を増加させることが出来る。
【００２１】
（第３の実施の形態）
第２の実施の形態では，サブマウントのレーザダイオードチップ前端面側にテーパを設けたが，第３の実施の形態では，レーザダイオードチップの前端面近傍に，溝段差を設けてサブマウント表面形状を変更した。図５（ａ）に本実施の形態による，チップ５１０を搭載したサブマウント５２０全体の斜視図を，（ｂ）に横方向から見た平面図を示す。溝５３０の形状や，形成の位置については，やはりチップの電流や電圧の条件や，サブマウントの材質により異なるが，放熱効果を高めかつ，出力ロスを出さない条件により制限される。
【００２２】
このような場合，第２の実施の形態よりもレーザダイオードチップ前端面近傍に存在するサブマウントの体積が大きくなるので第２の実施例よりも大きな放熱効果が得られる。つまり，高電流入力時での熱による光出力飽和を防ぎ，光出力を増加させることができる。加えて，溝のような段差を設けるのは，テーパを作製するよりも簡単に作製できるので，第２の実施の形態の効果に加えて，サブマウントのコストの低減が図れる。
【００２３】
（第４の実施の形態）
次に，第４の実施の形態として，第１から第３の実施の形態に加えて，従来ヘッダの前端面に搭載されていたサブマウントを，ヘッダの中央側へ配置している。図６（ａ）に本実施の形態による，チップ６１０を搭載したサブマウント６２０をヘッダ６３０に配置した全体の斜視図を，（ｂ）にヘッダのＡ−Ａ部断面図を示す。ヘッダの中央側への配置する位置は，使用条件や材質から決まり，レンズや，ファイバなどにロス無く入射させる距離を限界とする。
【００２４】
こうして，レーザダイオードチップからサブマウントへの熱伝導のときと同様の効果で，サブマウントを前端面から中央部へ配置することにより，ヘッダヘも効率よく熱伝導することができる。その結果，第１から第３の実施の形態のみ実施した場合よりも，さらに高電流入力領域でのチップの発熱による光出力飽和を防ぎ，光出力を増加させることが出来る。
【００２５】
図７は，第１〜第３の実施の形態，並びに第３に第４の実施の形態を加えたものについて，従来品と比較して光出力の入力電流依存性を測定したものである。本実施の形態により，光出力飽和特性が実際に改善されていることがわかる。
【００２６】
以上，添付図面を参照しながら本発明にかかるレーザダイオードの好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００２７】
ここで，本実施の形態では，ジャンクションダウン実装の場合を記述したが，ジャンクションアップ実装の場合にも本発明は有効である。また，第２の実施の形態では，サブマウントのテーパは直線としたが，レーザダイオードチップの発光を遮らなければ，曲線形状でもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば，レーザダイオードの従来の実装のようにヘッドやサブマウントの前端面に，レーザダイオードチップ端の発光面を合わせるのではなく，発光の広がりを遮らない距離や方法で中央側に寄せることにより，熱伝導を良くし，放熱効果を高めて，チップの温度上昇を改善できる。その結果，レーザダイオードの出力ロスを増加させることなく，レーザダイオードの高電流入力時のチップの発熱による光出力飽和を防ぎ，光出力を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかるレーザダイオードの概略図であり，（ａ）はサブマウント全体の斜視図，（ｂ）はサブマウントを横方向から見た平面図を示す。
【図２】本発明の第１の実施の形態にかかるレーザダイオードチップを接続するサブマウントを横方向から見た，光出力部を拡大した平面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態にかかるレーザダイオードチップを接続するサブマウントの熱伝導模式図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態にかかるレーザダイオードの概略図であり，（ａ）はサブマウント全体の斜視図，（ｂ）はサブマウントを横方向から見た平面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態にかかるレーザダイオードの概略図であり，（ａ）はサブマウント全体の斜視図，（ｂ）はサブマウントを横方向から見た平面図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態にかかるレーザダイオードの概略図であり，（ａ）はヘッダ全体の斜視図，（ｂ）ヘッダのＡ−Ａ部断面図である。
【図７】本発明の第１〜第３の実施の形態と，第３に第４の実施の形態を加えたものと，従来技術による組み立てのレーザダイオードについて，光出力の入力電流依存性を比較した結果である。
【図８】従来技術によるレーザダイオードの概略図であり，（ａ）はヘッダ全体の斜視図，（ｂ）はサブマウントをレーザダイオード発光方向から見た平面図，（ｃ）はサブマウントを横方向から見た平面図である。
【図９】従来技術によるレーザダイオードチップを接続するサブマウントの熱伝導を表す説明図である。
【図１０】従来技術による組み立てのレーザダイオードについて，光出力の入力電流依存性を表した図である。
【符号の説明】
１１０　　レーザダイオードチップ
１２０　　サブマウント
１３５　　出力光広がりθ
１４０　　活性層
１４５　　活性層高さａ
１５０　　距離ｂ

Claims (5)

1. レーザダイオードにおいて；
   ヘッダと，
   前記ヘッダ上面に接続されるサブマウントと，
   前記サブマウント上面の中央付近に接続されるレーザダイオードチップと，　を含むことを特徴とするレーザダイオード。
2. 前記サブマウントに接続される前記レーザダイオードチップは，出力側前記サブマウント端からの位置が，前記レーザダイオードチップ活性層の前記サブマウント下面からの距離を前記活性層から発せられるレーザ光の垂直方向広がり角の半分の角度の正接で除した値以内の距離となるように配置することを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオード。
3. 前記レーザダイオードチップが接続される前記サブマウントの配置箇所の前方部分を，テーパ状に加工することを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオード。
4. 前記レーザダイオードチップが接続される前記サブマウントの配置箇所の前方部分を，溝加工することを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオード。
5. 前記サブマウントは，前記ヘッダ上面の中央付近に配置されることを特徴とする請求項１，２，３または４のいずれかに記載のレーザダイオード。

Images