JP2005191373A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 サブマウントの熱抵抗を一層低減させ、半導体レーザチップの温度上昇を十分に抑えることの可能な半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】 半導体レーザチップ５とサブマウント１とがハンダ６により接合されて構成される半導体レーザ装置において、前記サブマウント１表面の半導体レーザチップマウント領域には、半導体レーザチップ５の共振器長の方向に、サブマウント１の熱伝導率よりも高い熱伝導率の高熱伝導部材３が埋め込まれた第１の溝２が形成されており、前記サブマウント１表面の高熱伝導部材３が埋め込まれた第１の溝２の幅Ｗは、半導体レーザチップ５の活性層の幅をａとし、半導体レーザチップ表面から活性層までの距離をｄとするとき、Ｗ＞ａ＋２ｄである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関する。

半導体レ−ザ装置では、室温で連続発振するのを長期間継続させ、その超寿命を保持するためには、半導体レ−ザチップの活性層から発生する熱を効率よく放熱して動作温度の上昇を抑える必要がある。半導体レーザチップの活性層温度が上昇すると、閾値電流が増加し、その結果さらに発熱が生じ、活性層温度を上昇させてしまう。

半導体レーザチップからの放熱性を向上させる方法として、特許文献１に示されているサブマウント構造がある。図５は、特許文献１に示されているサブマウント構造を示す図であり、このサブマウント構造は、基板として、半導体レーザチップと熱膨張係数が近く、熱伝導率の高いシリコンが使用され、半導体チップ実装面に対向した面に凹部を形成し、そこにシリコンよりも熱伝導率が高い高熱伝導率物質を充填した構造となっている。

そして、半導体レーザチップは、熱膨張率が半導体レーザチップに近く、熱伝導率の高いサブマウントに活性層に近い面を接合するジャンクションダウン方式でハンダ付けされる。

このようなサブマウント構造とすることで、サブマウントの熱抵抗を下げることができ、半導体レーザチップの発熱を抑えることができる。
特開平９−２６０５３９号公報

しかし、上述したサブマウント構造では、半導体レーザチップの温度上昇を十分に抑えるには限界があった。

本発明は、サブマウントの熱抵抗を一層低減させ、半導体レーザチップの温度上昇を十分に抑えることの可能な半導体レーザ装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、半導体レーザチップとサブマウントとがハンダにより接合されて構成される半導体レーザ装置において、前記サブマウント表面の半導体レーザチップマウント領域には、半導体レーザチップの共振器長の方向に、サブマウントの熱伝導率よりも高い熱伝導率の高熱伝導部材が埋め込まれた第１の溝が形成されており、前記サブマウント表面の高熱伝導部材が埋め込まれた第１の溝の幅Ｗは、半導体レーザチップの活性層の幅をａとし、半導体レーザチップ表面から活性層までの距離をｄとするとき、Ｗ＞ａ＋２ｄであることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体レーザ装置において、前記サブマウントの裏面には、少なくとも１個の高熱伝導部材が埋め込まれた第２の溝が形成されていることを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の半導体レーザ装置において、前記サブマウント表面に形成された第１の溝の深さと前記サブマウントの裏面に形成された第２の溝の深さとの和は、サブマウントの厚さよりも大きいことを特徴としている。

また、請求項４記載の発明は、請求項１記載の半導体レーザ装置において、前記サブマウントの第１の溝に埋め込まれた高熱伝導部材は、金，銀，銅，アルミニウムの少なくとも１つを含んでいることを特徴としている。

請求項１乃至請求項４記載の発明によれば、半導体レーザチップとサブマウントとがハンダにより接合されて構成される半導体レーザ装置において、前記サブマウント表面の半導体レーザチップマウント領域には、半導体レーザチップの共振器長の方向に、サブマウントの熱伝導率よりも高い熱伝導率の高熱伝導部材が埋め込まれた第１の溝が形成されており、前記サブマウント表面の高熱伝導部材が埋め込まれた第１の溝の幅Ｗは、半導体レーザチップの活性層の幅をａとし、半導体レーザチップ表面から活性層までの距離をｄとするとき、Ｗ＞ａ＋２ｄであるので、従来に比べ、サブマウントの熱抵抗をより一層低減することが可能になり、その結果、半導体レーザチップの温度上昇を十分に抑えることができて、信頼性の高い半導体レーザ装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

（第１の形態）
本発明の第１の形態の半導体レーザ装置は、半導体レーザチップとサブマウントとがハンダにより接合されて構成される半導体レーザ装置において、前記サブマウント表面の半導体レーザチップマウント領域には、半導体レーザチップの共振器長の方向に、サブマウントの熱伝導率よりも高い熱伝導率の高熱伝導部材が埋め込まれた第１の溝が形成されており、前記サブマウント表面の高熱伝導部材が埋め込まれた第１の溝の幅Ｗは、半導体レーザチップの活性層の幅をａとし、半導体レーザチップ表面から活性層までの距離をｄとするとき、Ｗ＞ａ＋２ｄであることを特徴としている。

この第１の形態によれば、半導体レーザチップ直下に高熱伝導部材が配置されているので、半導体レーザチップで発生した熱を効率的に放熱することができる。

そして、第１の形態の半導体レーザ装置では、サブマウント表面の高熱伝導部材が埋め込まれた第１の溝の幅Ｗが、半導体レーザチップの活性層の幅をａとし、半導体レーザチップ活性層から溝底部までの距離をｄとするとき、Ｗ＞ａ＋２ｄであるので、半導体レーザチップで発生した熱をより一層効率的に放熱することができる。

（第２の形態）
本発明の第２の形態の半導体レーザ装置は、第１の形態の半導体レーザ装置において、前記サブマウントの裏面には、少なくとも１個の高熱伝導部材が埋め込まれた第２の溝が形成されていることを特徴としている。

この第２の形態によれば、さらに、前記サブマウントの裏面には、少なくとも１個の高熱伝導部材が埋め込まれた第２の溝が形成されているので、サブマウントの実効的な熱抵抗がさらに低下し、より一層、放熱効果の高いサブマウントを提供できる。

（第３の形態）
本発明の第３の形態の半導体レーザ装置は、第２の形態の半導体レーザ装置において、前記サブマウント表面に形成された第１の溝の深さと前記サブマウントの裏面に形成された第２の溝の深さとの和は、サブマウントの厚さよりも大きいことを特徴としている。

ここで、第１の溝と第２の溝とは、平面方向に互いにずれた位置に形成されている。

この第３の形態によれば、サブマウント表面に形成された第１の溝の深さとサブマウントの裏面に形成された第２の溝の深さとの和が、サブマウントの厚さよりも大きいので、より一層の放熱効果を得ることができる。

（第４の形態）
本発明の第４の形態の半導体レーザ装置は、第１の形態の半導体レーザ装置において、前記サブマウントの第１の溝に埋め込まれた高熱伝導部材は、金，銀，銅，アルミニウムの少なくとも１つを含んでいることを特徴としている。

この第４の形態では、サブマウントの第１の溝に埋め込まれた高熱伝導部材は、金，銀，銅，アルミニウムの少なくとも１つを含んでいるので、半導体レーザチップからの放熱効果を高めることができる。

図１（ａ），（ｂ）は本発明の実施例１の半導体レーザ装置を示す図である。ここで、図１（ａ）はサブマウント構造を示す図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のサブマウント構造に半導体レーザチップが実装された状態を示す図である。

先ず、図１（ａ）を参照すると、サブマウント１の材料としては絶縁性ＡｌＮ基板が使用されている。サブマウント１の表面には、溝２が形成されており、溝２には高熱伝導部材３として金が埋め込まれている。すなわち、この溝２に埋め込まれる高熱伝導部材３としては、サブマウント１よりも熱伝導率の高い材料を選択する必要があり、この実施例１では、ＡｌＮ基板の熱伝導率（２００（Ｗ／（ｍ・Ｋ））よりも高い熱伝導率の金（３２０（Ｗ／（ｍ・Ｋ））を選定した。また、サブマウント１の表面には、ワイヤボンディングのための下地金属層４としてＴｉ（０．１ｕｍ）／Ｐｔ（０．２ｕｍ）／Ａｕ（０．５ｕｍ）が積層されて成膜されている。また、半導体レーザチップ５を接合するためのハンダ層６として、Ａｕ−Ｓｎ（２０ｗｔ％）ハンダ層が、３μｍの厚さで下地金属層４上に形成されている。

なお、溝２に埋め込まれる高熱伝導部材３としては、金の他に、銀，銅，アルミニウム等の導電性の部材を用いることもできるし、ＢＮ，ＳｉＣ，Ｃなどの絶縁性部材を用いることもできる。

また、高熱伝導部材３を埋め込むための溝２の形成方法としては、安価な方法として、ダイシング装置を使って形成する方法、サンドブラストでの形成法、化学的なエッチング法などを使用できる。

また、溝２への高熱伝導部材３の埋め込み方法としては、めっき法やスパッタ法あるいは蒸着法などを使用できる。

また、溝２の形状は、以下のようにして設計することができる。すなわち、いま、半導体レーザチップの活性層の幅をａとし、溝２の深さをｄとするとき、発生した熱は良く知られるように４５°の広がり角で放熱すると考えると、溝２の底部の幅ＷがＷ＞ａ＋２ｄの関係を満足すれば、熱を効率よく放散することができる。すなわち、サブマウント表面の高熱伝導部材が埋め込まれた第１の溝の幅Ｗは、半導体レーザチップの活性層の幅をａとし、半導体レーザチップ表面から活性層までの距離をｄとするとき、Ｗ＞ａ＋２ｄであるのが良い。

本発明の実施例１の半導体レーザ装置では、半導体レーザチップ５の直下にサブマウント１よりも熱伝導率の高い高熱伝導部材３を配置することで、半導体レーザチップ５で発生した熱を効率的に放熱することができる。さらに、サブマウント表面の高熱伝導部材が埋め込まれた第１の溝２の幅Ｗが、半導体レーザチップ５の活性層の幅をａとし、半導体レーザチップ活性層から溝２の底部までの距離をｄとするとき、Ｗ＞ａ＋２ｄの場合には、半導体レーザチップ５で発生した熱をより一層効率的に放熱することができる。

図２は実施例２の半導体レーザ装置を示す図である。なお、図２において、図１（ａ），（ｂ）と対応する箇所には同じ符号が付されている。但し、図２では、ハンダ層６が簡単のため図示されていない（省略されている）。

実施例２の半導体レーザ装置は、サブマウント１の表面に対向する裏面にも、溝２が複数個形成され、これらの溝２にも高熱伝導部材３が埋め込まれた構造となっている。

このような構成とすることで、サブマウント１の実効的な熱抵抗をより一層低減でき、半導体レーザチップ５の温度上昇をより一層抑えることができる。

図３は実施例３の半導体レーザ装置を示す図である。なお、図３において、図１（ａ），（ｂ），図２と対応する箇所には同じ符号が付されている。但し、図３では、ハンダ層６が簡単のため図示されていない（省略されている）。

実施例３の半導体レーザ装置も、実施例２と同様に、サブマウント表面および裏面には、溝２が形成され、各溝２には高熱伝導部材３が埋め込まれているが、実施例３では、さらに、表面の溝２の深さと裏面の溝２の深さとの和がサブマウント１の厚さよりも大きくなっている。このように、表面の溝２の深さと裏面の溝２の深さとの和をサブマウント１の厚さよりも大きくすることで、サブマウント１の熱抵抗をより一層低減でき、半導体レーザチップ５の温度上昇をより一層抑えることができる。

図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は実施例４の半導体レーザ装置を示す図である。なお、図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）は側面図、図４（ｃ）は図４（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。但し、図４では、ハンダ層６が簡単のため図示されていない（省略されている）。

図４（ａ），（ｂ），（ｃ）を参照すると、実施例４の半導体レーザ装置では、サブマウント１の表面には、高熱伝導部材３が埋め込まれた溝２が形成され、また、サブマウント１の裏面にも幅の広い溝２が形成され、高熱伝導部材３が埋め込まれている。

このような構成にすることで、サブマウント１の熱抵抗をより一層低減でき、半導体レーザチップ５の温度上昇をより一層抑えることができる。

本発明は、光ディスク用光源などに利用される。

本発明の実施例１の半導体レーザ装置を示す図である。 本発明の実施例２の半導体レーザ装置を示す図である。 本発明の実施例３の半導体レーザ装置を示す図である。 本発明の実施例４の半導体レーザ装置を示す図である。 従来技術を説明するための図である。

符号の説明

１ サブマウント
２ 溝
３ 高熱伝導部材
４ 下地金属層
５ 半導体レーザチップ
６ ハンダ層

Claims (4)

1. 半導体レーザチップとサブマウントとがハンダにより接合されて構成される半導体レーザ装置において、前記サブマウント表面の半導体レーザチップマウント領域には、半導体レーザチップの共振器長の方向に、サブマウントの熱伝導率よりも高い熱伝導率の高熱伝導部材が埋め込まれた第１の溝が形成されており、前記サブマウント表面の高熱伝導部材が埋め込まれた第１の溝の幅Ｗは、半導体レーザチップの活性層の幅をａとし、半導体レーザチップ表面から活性層までの距離をｄとするとき、Ｗ＞ａ＋２ｄであることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 請求項１記載の半導体レーザ装置において、前記サブマウントの裏面には、少なくとも１個の高熱伝導部材が埋め込まれた第２の溝が形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
3. 請求項２記載の半導体レーザ装置において、前記サブマウント表面に形成された第１の溝の深さと前記サブマウントの裏面に形成された第２の溝の深さとの和は、サブマウントの厚さよりも大きいことを特徴とする半導体レーザ装置。
4. 請求項１記載の半導体レーザ装置において、前記サブマウントの第１の溝に埋め込まれた高熱伝導部材は、金，銀，銅，アルミニウムの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする半導体レーザ装置。

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