JP2006032498A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体レーザ、ヒートシンク、サブマウントの各接合部に使用した半田への表面材料の拡散による物理的破壊を防止し、半導体レーザチップの変調動作を安定して行う。
【解決手段】 本発明の半導体レーザ装置は、ＬＤチップ１とヒートシンク３とサブマウント２との接合界面において、ＬＤチップ１の表面金属材料と接合材料、接合材料とヒートシンク３とサブマウント２の表面金属材料とを、ＬＤチップ１の変調動作による発熱時における物理的変異の性質を合わせるように、特定金属表面材料と特定接合材料で構成するものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザチップからレーザ光を照射する半導体レーザ装置に関する。

半導体レーザ素子の電気／光変換効率は、一般的に約５０％であり、出力と同等の熱がレーザ素子より発せられる。

また、半導体レーザに要求される寿命は数万時間とされており、その要求寿命に応える為には、そのレーザにかかる排熱と応力の緩和が重要であるとされている。

このため、排熱効率を高める為には、銅（Ｃｕ）からなるヒートシンクが一般的に使用されるが、半導体レーザの材料と銅（Ｃｕ）の熱膨張係数は大きく異なり、その発熱から生ずる熱膨張差による応力を半導体レーザ素子に与えることになる。その結果、半導体レーザ素子の信頼性は著しく損なわれることになる。その問題の解決に用いられるのが、ソフトソルダである。ソフトソルダとは、一般的に鉛（Ｐｂ）やインジウム・すず（Ｉｎ・Ｓｎ）が用いられるようになった。

ヒートシンク、サブマウント、レーザ素子の接合には応力緩和の観点からソフトソルダが用いられるが、その接合表面には半田の濡れ性と電気伝導度の向上に一般的に金（Ａｕ）メッキが施されていた。

また、ヒートシンク上にバリア層を形成するとともに、低融点半田材料にて半導体レーザ素子をヒートシンクのバリア層に接合する半導体レーザ素子が開示されている（特許文献１）。

また、半導体発光素子の電極の下面にバリア層を設け、その下面に金属膜を設ける半導体発光装置が開示されている（特許文献２）。
特開平7‐263788号公報 特開2002‐134822号公報

例えば、ヒートシンク、サブマウント、レーザ素子の表面素材として金（Ａｕ）、半田材にインジウム（Ｉｎ）を使用した場合、インジウム（Ｉｎ）は拡散が非常に早くまた、拡散係数が金（Ａｕ）と大きく離れている為、組み合わせによって、分子の拡散により空き部分が発生するカーケンダルボイドを起こしやすい。

カーケンダルボイドとは、拡散速度が違う異種金属の急速な拡散により、分子の空き部分を示すボイドが発生するというものである。このカーケンダルボイドにより、レーザ素子とサブマウント、ヒートシンクの接合部は破壊され、物理的な断絶をまねくことになる。

さらに、カーケンダルボイドはレーザ素子からの発熱と変調動作を繰り返す事により加速し、急速に変化を起こし短時間で故障を発生させる。ボイドの発生は、半田の変質によるレーザ素子の破壊だけでなく、物理的破壊が生じる問題も発生させる。

また、特許文献１については、請求項１にヒートシンクの金属が半導体レーザ素子への拡散する事を防止するバリア層がもうけられ、半導体レーザ素子が低融点半田にてバリア層上に接合されると、記載されているように、ヒートシンクの金属のレーザ素子への拡散が問題となっているのに対して、本発明では、各接合部に使用した半田への表面材料の金（Ａｕ）の拡散を問題とする点で異なるものである。

次に、特許文献２については、レーザの電極と冷却体との結合性の向上の為に「電極として機能する第一の金属膜１０を形成し、その下面にはＡｕ、Ｎｉや半田等の拡散による電極のオーミック性悪化を防止するためのバリア層として第２の金属膜１１を積層し、その下面にはＡｕやＮｉ等からなる第３の金属膜１２蒸着することでメタライズする。」と、記載されているように、電極形成によるレーザ特性の向上を目的としているのに対して、本発明では、半導体レーザ特性の向上を目的とする点で、共通するが、各接合部に使用した半田へのＡｕの拡散（半田自体の変質）による不具合をなくす点で異なる。このための対策についても、接合面を特定金属材料のニッケル（Ｎｉ）としてインジウム（Ｉｎ）半田でのインジウム・金（ＩｎＡｕ）の結合をなくすようにしている点で異なる。

そこで、本発明は、半導体レーザ、ヒートシンク、サブマウントの各接合部に使用した半田への表面材料の拡散による物理的破壊を防止し、半導体レーザチップの変調動作を安定して行うことができる半導体レーザ装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の半導体レーザ装置は、半導体レーザチップと支持部材との接合界面において、半導体レーザチップの表面金属材料と接合材料、接合材料と支持部材の表面金属材料とを、半導体レーザチップの変調動作による発熱時における物理的変異の性質を合わせるように、特定金属表面材料と特定接合材料で構成するものである。

これにより、半導体レーザチップと支持部材の接合面で、各表面金属材料と接合材料とが特定金属表面材料と特定接合材料で構成されることにより、半導体レーザチップの変調動作による発熱時における物理的変異の性質が合うため、接合面での拡散が発生しない。従って、物理的破壊が起こらないため、半導体レーザチップの変調動作が安定する。

また、本発明の半導体レーザ装置は、半導体レーザチップと高熱伝達率材料からなるヒートシンクを用い、ヒートシンクの上面もしくは側面に半導体レーザチップとの熱膨張係数を合わせたサブマウントを接合し、サブマウントに上記半導体レーザチップを接合して形成されるものである。

これにより、半導体レーザチップ、サブマウント、ヒートシンクとの接合面で、半導体レーザチップとの熱膨張係数を合わせたサブマウントを接合することにより、半導体レーザチップの変調動作による発熱時における熱膨張の性質が合うため、接合面での拡散が発生しない。従って、物理的破壊が起こらないため、半導体レーザチップの変調動作が安定する。

また、本発明の半導体レーザ装置は、上記半導体レーザチップとの熱膨張係数を合わせた半導体レーザチップと高熱伝達率材料からなるヒートシンクを用い、ヒートシンクの上面もしくはその側面に半導体レーザチップを接合して形成されるものである。

これにより、半導体レーザチップ、ヒートシンクとの接合面で、半導体レーザチップとの熱膨張係数を合わせて接合することにより、半導体レーザチップの変調動作による発熱時における熱膨張の性質が合うため、接合面での拡散が発生しない。従って、物理的破壊が起こらないため、半導体レーザチップの変調動作が安定する。

本発明の半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ、ヒートシンク、サブマウントの各接合部に使用した半田への表面材料の拡散による物理的破壊を防止し、半導体レーザチップの変調動作を安定して行うことができる。

この場合、これら接合面には、インジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダとニッケル（Ｎｉ）しか存在せず、半田接合部にはボイドの発生・促進がない。

また、接合面における金属の組み合わせ時の金属分子の物理的性質を示すメタライズ条件からインジウム（Ｉｎ）と金（Ａｕ）の組み合わせによる分子の拡散が発生しない為、解決すべき異種金属の大きな拡散係数差によるボイドと、その促進による機械的な破壊が発生しない。

このため、変調動作という高負荷において信頼性を確保できる為、連続動作の動作において金（Ａｕ）上にソルダリングする通常のメタライズによる動作よりもさらに高い信頼性を得ることができる。

以下に、本発明の実施の形態について、適宜、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態による半導体レーザ装置の構成を示す図である。
図１は、半導体レーザ装置のＬＤ（laser diode）チップ１、サブマウント２、ヒートシンク３の接合部を拡大した図である。

まず、ヒートシンク３とサブマウント２との接合面の金属材料と接合材料の組み合わせを説明する。
図１において、ニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｄにより表面処理されたヒートシンク３上に、同じくニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｃにより表面処理されたサブマウント２がインジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダ５ｂにより接合されている。

このとき、ヒートシンク３上のニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｄとインジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダ５ｂ、及びサブマウント２上のニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｃとインジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダ５ｂとは、ＬＤチップ１の変調動作による発熱時における物理的変異の性質が合うように構成され、また、ＬＤチップ１との熱膨張係数を合うように構成され、接合界面において、拡散係数差が小さくなるように構成される。

次に、ＬＤチップ１とサブマウント２との接合面の金属材料と接合材料の組み合わせを説明する。
また、ニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｂにより表面処理されたサブマウント２上に接合面をニッケル（Ｎｉ）メッキ４ａにより表面処理されたＬＤチップ１がインジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダ５ａにより接合されている。

このとき、ＬＤチップ１上のニッケル（Ｎｉ）メッキ４ａとインジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダ５ａ、及びサブマウント２上のニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｂとインジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダ５ａとは、ＬＤチップ１の変調動作による発熱時における物理的変異の性質が合うように構成され、また、ＬＤチップ１との熱膨張係数を合うように構成され、接合界面において、拡散係数差が小さくなるように構成される。
この場合、ＬＤチップ１、サブマウント２、ヒートシンク３は、例えば、銅で構成される。

このように、ＬＤチップ１、サブマウント２、ヒートシンク３の各接合面には、インジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダとニッケル（Ｎｉ）しか存在しないため、半田接合部にはボイドの発生・促進がない。このため、本実施の形態の半導体レーザ装置においては、従来のようにインジウム（Ｉｎ）と金（Ａｕ）の組み合わせによる拡散が発生しないため、ボイドが発生しない。

図２は、他の半導体レーザ装置の構成を示す図である。
図２は、ヒートシンク３とサブマウント２との接合面の金属材料と接合材料の組み合わせは、図１と同様であり、ＬＤチップ１とサブマウント２との接合面の金属材料と接合材料の組み合わせのみが異なる。

まず、ＬＤチップ１とサブマウント２との接合面の金属材料と接合材料の組み合わせを説明する。
図２は、サブマウント２上に、金・すず（ＡｕＳｎ）ソルダ６を形成し、サブマウント２上の金・すず（ＡｕＳｎ）ソルダ６とＬＤチップ１を接合している。

このとき、ＬＤチップ１と金・すず（ＡｕＳｎ）ソルダ６、及びサブマウント２と金・すず（ＡｕＳｎ）ソルダ６とは、ＬＤチップ１の変調動作による発熱時における物理的変異の性質が合うように構成され、また、ＬＤチップ１との熱膨張係数を合うように構成され、接合界面において、拡散係数差が小さくなるように構成される。
この場合、ＬＤチップ１、サブマウント２、ヒートシンク３は、例えば、銅で構成される。

次に、ヒートシンク３とサブマウント２との接合面の金属材料と接合材料の組み合わせを説明する。
ニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｄにより表面処理されたヒートシンク３上に、同じくニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｃにより表面処理されたＬＤチップ１の接合されたサブマウント２がインジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダ５ｂにより接合されている。

このとき、ヒートシンク３上のニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｄとインジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダ５ｂ、及びサブマウント２上のニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｃとインジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダ５ｂとは、ＬＤチップ１の変調動作による発熱時における物理的変異の性質が合うように構成され、また、ＬＤチップ１との熱膨張係数を合うように構成され、接合界面において、拡散係数差が小さくなるように構成される。

図３は、他の半導体レーザ装置の構成を示す図である。
図３は、冷却効率を高める為の水路８が形成されたヒートシンク７上に、図２と同様のＬＤチップ１のマウントされたサブマウント２が接合されている。

まず、ＬＤチップ１とサブマウント２との接合面の金属材料と接合材料の組み合わせを説明する。
図３は、サブマウント２上に、金・すず（ＡｕＳｎ）ソルダ６を形成し、サブマウント２上の金・すず（ＡｕＳｎ）ソルダ６とＬＤチップ１を接合している。

このとき、ＬＤチップ１と金・すず（ＡｕＳｎ）ソルダ６、及びサブマウント２と金・すず（ＡｕＳｎ）ソルダ６とは、ＬＤチップ１の変調動作による発熱時における物理的変異の性質が合うように構成され、また、ＬＤチップ１との熱膨張係数を合うように構成され、接合界面において、拡散係数差が小さくなるように構成される。
この場合、ＬＤチップ１、サブマウント２、ヒートシンク３は、例えば、銅で構成される。

次に、ヒートシンク３とサブマウント２との接合面の金属材料と接合材料の組み合わせを説明する。
ニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｄにより表面処理されたヒートシンク３上に、同じくニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｃにより表面処理されたＬＤチップ１の接合されたサブマウント２がインジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダ５ｂにより接合されている。
また、ヒートシンク７上に形成された水路８は、コントローラ９の制御により水流が調節されて、ヒートシンク７全体が冷却される。

このとき、ヒートシンク３上のニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｄとインジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダ５ｂ、及びサブマウント２上のニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｃとインジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダ５ｂとは、ＬＤチップ１の変調動作による発熱時における物理的変異の性質が合うように構成され、また、ＬＤチップ１との熱膨張係数を合うように構成され、接合界面において、拡散係数差が小さくなるように構成される。

図４は、他の半導体レーザ装置の構成を示す図である。
図４は、図１と同様に構成されるＬＤチップ１、サブマウント２、ヒートシンク３と、これに加えてＬＤチップ１上への通電に用いられる電極に板状の電極板１０がＬＤチップ１上に接合されている。

まず、ＬＤチップ１と電極板１０との接合面の金属材料と接合材料の組み合わせを説明する。
ＬＤチップ１上にはニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｅにより表面処理されており、インジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダ５Ｃを用いて、ニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｆにより表面処理さされた電極板６を接合している。
また、ＬＤチップ１上に設けられた電極板１０は、コントローラ９のペルチエ効果に基づく制御により温度が調節されて、電極板１０全体が冷却される。

このとき、ＬＤチップ１上のニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｅとインジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダ５Ｃ、電極板１０上のニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｆとは、ＬＤチップ１の変調動作による発熱時における物理的変異の性質が合うように構成され、また、ＬＤチップ１との熱膨張係数を合うように構成され、接合界面において、拡散係数差が小さくなるように構成される。
この場合、ＬＤチップ１、サブマウント２、ヒートシンク３、電極板１０は、例えば、銅で構成される。

また、ヒートシンク３とサブマウント２との接合面の金属材料と接合材料の組み合わせを説明する。
図４において、ニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｄにより表面処理されたヒートシンク３上に、同じくニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｃにより表面処理されたサブマウント２がインジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダ５ｂにより接合されている。

このとき、ヒートシンク３上のニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｄとインジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダ５ｂ、及びサブマウント２上のニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｃとインジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダ５ｂとは、ＬＤチップ１の変調動作による発熱時における物理的変異の性質が合うように構成され、また、ＬＤチップ１との熱膨張係数を合うように構成され、接合界面において、拡散係数差が小さくなるように構成される。

さらに、ＬＤチップ１とサブマウント２との接合面の金属材料と接合材料の組み合わせを説明する。
また、ニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｂにより表面処理されたサブマウント２上に接合面をニッケル（Ｎｉ）メッキ４ａにより表面処理されたＬＤチップ１がインジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダ５ａにより接合されている。

このとき、ＬＤチップ１上のニッケル（Ｎｉ）メッキ４ａとインジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダ５ａ、及びサブマウント２上のニッケル（Ｎｉ）メッキ４ｂとインジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダ５ａとは、ＬＤチップ１の変調動作による発熱時における物理的変異の性質が合うように構成され、また、ＬＤチップ１との熱膨張係数を合うように構成され、接合界面において、拡散係数差が小さくなるように構成される。

図５は、基本的製造工程を示す図である。
図５において、まず、ＬＤチップ１とサブマウント２とヒートシンク３上にニッケル（Ｎｉ）メッキにより表面処理を施す（ステップＳ１）。次に、ＬＤチップ１とサブマウント２とをインジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダを用いて半田付けする（ステップＳ２）。そして、サブマウント２とヒートシンク３とをインジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダを用いて半田付けする（ステップＳ３）。
なお、図３及び図４に示した電極板６などの接合処理は、上述下処理の後に行うようにする。

なお、上述した本実施の形態においては、ＬＤチップ１、サブマウント２、ヒートシンク３を用いる例を示したが、これに限らず、サブマウント２を用いずに、ＬＤチップ１に直接ヒートシンク３を用いるようにしてもよい。
上述した本実施の形態に限らず、特許請求の範囲を逸脱することなく、他の構成をとりうることはいうまでも無い。

本発明の実施の形態による半導体レーザ装置の構成を示す図である。 他の半導体レーザ装置の構成を示す図である。 他の半導体レーザ装置の構成を示す図である。 他の半導体レーザ装置の構成を示す図である。 基本的製造工程を示す図である。

符号の説明

１…ＬＤチップ、２…サブマウント、３…ヒートシンク、４ａ〜４ｄ…ニッケル（Ｎｉ）メッキ、５ａ〜５ｄ…インジウム（Ｉｎ）系ソフトソルダ、６…金・すず（ＡｕＳｎ）ソルダ、７…ヒートシンク、８…水路、９…コントローラ、１０…電極板

Claims (7)

1. 半導体レーザ装置において、
   上記半導体レーザチップと支持部材との接合界面において、上記半導体レーザチップの表面金属材料と接合材料、上記接合材料と上記支持部材の表面金属材料とを、上記半導体レーザチップの変調動作による発熱時における物理的変異の性質を合わせるように、特定金属表面材料と特定接合材料で構成する
   ことを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 半導体レーザ装置において、
   上記半導体レーザチップと高熱伝達率材料からなるヒートシンクを用い、上記ヒートシンクの上面もしくは側面に上記半導体レーザチップとの熱膨張係数を合わせたサブマウントを接合し、上記サブマウントに上記半導体レーザチップを接合して形成される
   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、
   上記ヒートシンクと上記サブマウント、上記サブマウントと上記半導体レーザチップの接合界面において、拡散係数差が小さくなる様な表面材質と接合材料を用いる
   ことを特徴とする半導体レーザ装置。
4. 請求項２記載の半導体レーザ装置において、
   上記半導体レーザチップを電気的に接合する電極板と上記半導体レーザチップの接合界面において、拡散係数差が小さくなる様な表面材質と接合材料を用いる
   ことを特徴とする半導体レーザ装置。
5. 変調動作を行うことにより発光部の半導体レーザチップからレーザ光を照射する半導体レーザ装置において、
   上記半導体レーザチップとの熱膨張係数を合わせた上記半導体レーザチップと高熱伝達率材料からなるヒートシンクを用い、上記ヒートシンクの上面もしくはその側面に上記半導体レーザチップを接合して形成される
   ことを特徴とする半導体レーザ装置。
6. 請求項５記載の半導体レーザ装置において、
   上記ヒートシンクと上記半導体レーザチップの接合界面において、拡散係数差が小さくなる様な表面材質と接合材料を用いる
   ことを特徴とする半導体レーザ装置。
7. 請求項５記載の半導体レーザ装置において、
   上記半導体レーザチップを電気的に接合する電極板と上記半導体レーザチップの接合界面において、拡散係数差が小さくなる様な表面材質と接合材料を用いる
   ことを特徴とする半導体レーザ装置。

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