JP2007013044A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、半導体発光素子から発生した熱を効率良く支持基板に伝達でき、放熱性を向上させた発光装置を提供することにある。
【解決手段】本実施形態に係る発光装置は、発光端面から光を出射する半導体発光素子１と、半導体発光素子１を搭載する支持基板２と、半導体発光素子１と支持基板２との間に介在し、半導体発光素子１と支持基板２とを接合するはんだ層４と、はんだ層４が形成された領域以外の領域において半導体発光素子１と支持基板２との間に介在し、はんだ層４よりも熱伝導率の高い放熱層５とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光装置に関し、特に、半導体発光素子が支持基板上に搭載された発光装置に関する。

半導体レーザ素子は、現在、光通信、高密度光記録あるいはプリンターなどへ広く応用されている。更なる発展のためには、動作電流の低減化、低ノイズ化、低コスト化、さらに高出力、高速動作、高温動作時の高い信頼性などを実現する必要がある。

半導体レーザ素子の高出力化は市場の要求が大きいが、それに伴う発熱に関連する問題については、半導体レーザ素子の多方面にわたる利用を制限している。半導体レーザ素子では、主に活性層から発熱が起こる。活性層の動作温度が上昇すると、発光出力、発光効率および寿命などが低下し、さらに、半導体レーザから生じる光の波長を長波長化させるという問題がある。

活性層の動作温度の上昇を抑制するため、半導体レーザ素子からの発熱を効率よく逃がす必要がある。このため、半導体レーザ素子は、熱伝導率の高い金属製のヒートシンクに実装される。しかしながら、ヒートシンク上に直接半導体レーザ素子を搭載すると、金属の熱膨張率が半導体レーザ素子よりもかなり大きいことから応力が発生し、極端な場合には応力のために半導体レーザ素子に割れが生じる場合がある。

このため、従来では、半導体レーザ素子の基板の熱膨張率に近いサブマウント（支持部材）上に半導体素子を搭載し、当該半導体素子を搭載したサブマウントをヒートシンクに接合させている（例えば、特許文献１参照）。

上記の支持部材と、半導体レーザ素子とははんだ層により接合される。従来では、半導体レーザ素子１と支持部材の接合面の全面にはんだ層を形成している。半導体レーザ素子は熱に弱いことから、はんだ層としてはＳｎのような低融点の材料が使用される。
特開２００２−３６８０２０号公報

半導体レーザ素子の接合には低融点かつ熱伝導率の高いはんだ材料が理想的であるが、低融点のはんだ材料は、一般に熱伝導率の低いものが多い。このため、半導体レーザ素子から発生した熱が効率良く支持部材およびヒートシンクに伝達されず、はんだ層が半導体レーザ素子の活性層の温度上昇抑制の妨げとなってしまっていた。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体発光素子から発生した熱を効率良く支持基板に伝達でき、放熱性を向上させた発光装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の発光装置は、発光端面から光を出射する半導体発光素子と、前記半導体発光素子を搭載する支持基板と、前記半導体発光素子と前記支持基板との間に介在し、前記半導体発光素子と前記支持基板とを接合するはんだ層と、前記はんだ層が形成された領域以外の領域において前記半導体発光素子と前記支持基板との間に介在し、前記はんだ層よりも熱伝導率の高い放熱層とを有する。

上記の本発明の発光装置では、半導体発光素子と支持基板との間には、はんだ層および放熱層が介在している。半導体発光素子と支持基板との接合力は、はんだ層により維持される。半導体発光素子と支持基板との間には、はんだ層よりも熱伝導率の高い放熱層が介在していることから、半導体発光素子から発生した熱は、放熱層を通じて効率良く支持基板へ伝達される。

本発明によれば、半導体発光素子から発生した熱を効率良く支持基板に伝達でき、放熱性を向上させた発光装置を実現できる。

以下に、本発明の発光装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る発光装置の構成の一例を示す斜視図である。

発光装置は、半導体レーザ素子１と、半導体レーザ素子１を搭載する支持基板（サブマウント）２とを有する。半導体レーザ素子１を搭載した支持基板２は、ヒートシンク６上に搭載されて使用される。

半導体レーザ素子１は、例えば赤色レーザ発光素子や青色半導体レーザ発光素子である。赤色半導体レーザ素子の場合には、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）よりなる基板上に、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体よりなる半導体層を有する。半導体層は、活性層１０を含む。なお、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体とは、３Ｂ族元素のうちアルミニウム（Ａｌ）およびガリウム（Ｇａ）の少なくとも一方と、５Ｂ族元素のうちインジウム（Ｉｎ）およびリン（Ｐ）の少なくとも一方を含む３あるいは４元系半導体のことであり、例えばＡｌＧａＩｎＰ混晶、ＧａＩｎＰ混晶またはＡｌＩｎＰ混晶などが挙げられる。これらは、必要に応じて珪素（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などのｎ型不純物、または、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）または炭素（Ｃ）などのｐ型不純物を含有している。

半導体レーザ素子１は、対向する第１面１ａおよび第２面１ｂを有し、これらの面１ａ，１ｂに直交する面が発光端面１ｃとなる。図示はしないが、第１面１ａ側にはｐ側電極が形成されており、第２面１ｂ側にはｎ側電極が形成されている。本実施形態では、半導体レーザ素子１の活性層１０に近い第１面１ａを支持基板２に向けた状態で、半導体レーザ素子１が支持基板２上に搭載されている。これは、活性層１０により近い第１面１ａを支持基板２に接合させることにより、放熱特性を向上させるためである。ただし、第２面１ｂを支持基板２に接合させてもよい。

支持基板２の材料は、熱伝導率が高く、熱膨張係数が半導体レーザ素子１を構成する材料の熱膨張係数に近似していることが好ましい。支持基板２は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体からなる。ＡｌＮ（熱膨張係数５．７×１０^−６／Ｋ、熱伝導率２００Ｗ／ｍＫ）は、半導体レーザ素子１を構成するＧａＡｓ（熱膨張係数５．７×１０^−６／Ｋ、熱伝導率６Ｗ／ｍＫ）の熱膨張係数に近く、熱伝導率も高いからである。

支持基板２としては、他のセラミックス、半導体、あるいは金属を使用してもよい。セラミックスとしては、例えば上記した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）などを主成分としたものが用いられる。半導体としては、例えばシリコン（Ｓｉ）を主成分としたものが用いられる。金属としては、例えば銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）およびこれらを含む合金が用いられる。

支持基板２にセラミックスを用いた場合には、その上面とそれに対向する下面との間を接続するようなスルーホール、あるいはその内部に導体が充填されたビアホールが形成されていてもよい。ビアホールに充填される導体の主成分としては、望ましくは高融点金属、特にタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）を用いることができる。

支持基板２上には、金属電極層３が形成されている。金属電極層３は、半導体レーザ素子１と支持基板２の接合面と、金線７との接合部に形成されている。なお、支持基板２として金属を用いる場合には、金属電極層３は形成されていなくてもよい。金属電極層３としては、例えば白金が用いられる。

ヒートシンク６は、熱伝導率の高い金属材料により形成される。ヒートシンク６は、例えば銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、これらの金属を含む合金を用いる。なお、はんだ接合を容易にするために、ヒートシンク６の表面には、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、またはこれらの金属を含む膜を形成することが好ましい。

金属電極層３には、金線７の一端がワイヤボンディングされている。半導体レーザ素子１の第２面１ｂには、金線８がワイヤボンディングされている。金線７の他端は、例えばヒートシンク６にワイヤボンディングされる。なお、支持基板２が金属材料からなる場合には、金線７を設けなくてもよい。金線８の他端は、図示しないパッケージの端子に接続される。金線７には正電圧が印加され、金線８には負電圧が印加される。これにより、半導体レーザ素子１のｎ側電極が形成された第２面１ｂに負電圧がかかり、半導体レーザ素子１のｐ側電極が形成された第１面１ａに正電圧がかかるため、半導体レーザ素子１に順方向バイアスが印加されて、半導体レーザ素子１の発光端面１ｃからレーザ光が出射される。

図２（ａ）は本実施形態に係る発光装置の上面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。なお、図２では、金線７，８およびヒートシンク６は省略している。

半導体レーザ素子１の第１面１ａと、支持基板２上の金属電極層３との間には、はんだ層４および放熱層５が介在している。放熱層５は、半導体レーザ素子１と支持基板２との間であって、半導体レーザ素子１からの発熱の大きい領域に配置することが好ましい。半導体レーザ素子１では発光端面１ｃ側の方が発熱量が大きくなるものが多いため、本実施形態では、放熱層５は発光端面１ｃに近い側に設けられている。

はんだ層４は、半導体レーザ素子１と支持基板２上の金属電極層３とを接合するために用いられる。はんだ層４としては、低融点はんだ材料、例えば融点が３００℃以下のはんだ材料が用いられる。例えば、はんだ層４は、銀錫（ＡｇＳｎ）はんだからなる。なお、はんだ層４として、錫（Ｓｎ）はんだ、インジウム（Ｉｎ）はんだ、金錫（ＡｕＳｎ）はんだ等の低融点はんだ材料を用いてもよい。

放熱層５は、はんだ層４よりも熱伝導率の高い材料により形成される。放熱層５は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属材料により形成される。放熱層５の融点ははんだ層４の融点よりも高いことから、はんだ層４の溶融時において放熱層５は溶融しないため、半導体レーザ素子１および支持基板２に対して接触した状態にある。

次に、上記した発光装置の製造方法について説明する。

まず、支持基板２上に、金属電極層３を蒸着法やスパッタリング法により形成し、金属電極層３をパターニングして、半導体レーザ素子１の搭載部および金線７の接続部にのみ金属電極層３を残す。パターニングとしては、レジストマスクを用いたエッチング法、あるいはリフトオフ法が用いられる。

次に、金属電極層３上にはんだ層４を蒸着法やスパッタリング法により形成する。その後、はんだ層４をパターニングして、半導体レーザ素子１の搭載部の一部にのみはんだ層４を残す。続いて、金属電極層３およびはんだ層４上に、蒸着法やスパッタリング法により放熱層５を形成し、放熱層５をパターニングして、半導体レーザ素子１の搭載部であってはんだ層４の形成されていない部位に放熱層５を残す。ここで、はんだ層４と放熱層５の厚さが同じとなるように形成する。はんだ層４および放熱層５の形成順序は上記と逆でもよい。

次に、半導体レーザ素子１の第１面１ａを支持基板２側に向けた状態で、半導体レーザ素子１を支持基板２に圧接する。圧接した状態で加熱処理を行うことにより、半導体レーザ素子１と支持基板２の間に介在するはんだ層４を溶融し、半導体レーザ素子１と支持基板２を接合する。このとき、放熱層５の融点ははんだ層４の融点よりも高いことから、放熱層５は溶融しない。

ヒートシンク６上には、予めはんだ層を形成しておく。このはんだ層は、はんだ層４よりも融点が低いことが好ましい。そして、半導体レーザ素子１を搭載した支持基板２をヒートシンク６上に圧接する。圧接した状態で加熱処理を行うことにより、支持基板２とヒートシンク６の間に介在するはんだ層を溶融し、支持基板２とヒートシンク６とを接合させる。このとき、はんだ層４は溶融しないため、半導体レーザ素子１の位置ずれが発生することもない。

続いて、ワイヤボンディング法により、金属電極層３に金線７の一端を接合し、金線７の他端をヒートシンク６に接合する。また、半導体レーザ素子１の第２面１ｂに金線８の一端を接合し、金線８の他端を図示しない端子に接合する。ワイヤボンディング法では、対象物に金線を押し付けて、熱および超音波振動を与えることにより両者を接合する。

以上により、本実施形態に係る発光装置が製造される。

次に、本実施形態に係る発光装置の効果について説明する。

半導体レーザ素子１に順方向バイアスを印加すると、半導体レーザ素子１の発光端面１ｃから所望の波長のレーザ光が出射される。半導体レーザ素子１の動作において、半導体レーザ素子１から熱が発生する。半導体レーザ素子１では、特に活性層１０から発熱が生じ、発光端面１ｃ側において温度が上昇する傾向がある。

本実施形態では、半導体レーザ素子１と支持基板２の間であって発光端面１ｃ側には、はんだ層４よりも熱伝導率の高い放熱層５を配置していることから、半導体レーザ素子１から発生した熱は、放熱層５により速やかに支持基板２に伝達され、さらにヒートシンク６へと熱が伝達される。半導体レーザ素子１からの熱を効率良く放散できることから、放熱性の高い発光装置を実現することができる。

放熱性を高めることにより、半導体レーザ素子１の活性層１０の温度上昇を抑制できることから、発光出力、発光効率および寿命などの低下を防止することができる。さらに、半導体レーザ素子１の活性層１０の温度上昇に伴うレーザ光の長波長化を抑制できることから、半導体レーザ素子１の出力特性が安定し、信頼性のある発光装置を実現することができる。

半導体レーザ素子１からの発熱が大きい領域にのみ放熱層５を配置し、他の領域にははんだ層４を配置していることから、半導体レーザ素子１と支持基板２との間での接合力を維持しつつ、放熱特性を向上させることができる。

また、例えば半導体レーザ素子１の第１面１ａに形成されるｎ側電極として金を採用し、放熱層５として金を採用することにより、半導体レーザ素子１を支持基板２に圧接するのみで金が接合することから、半導体レーザ素子１と支持基板２との間において良好な接合力を得ることができる。なお、ｎ側電極を複数の層により形成する場合には、最表面に金を配置すればよい。

（第２実施形態）
図３（ａ）は第２実施形態に係る発光装置の上面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。なお、図３では、金線７，８およびヒートシンク６は省略している。

半導体レーザ素子１の第１面１ａと、支持基板２上の金属電極層３との間には、はんだ層４および放熱層５が介在している。本実施形態では、半導体レーザ素子１と支持基板２との間には、活性層１０に沿ったストライプ形状の放熱層５が配置されている。はんだ層４および放熱層５の材料は、第１実施形態と同様である。

次に、上記の第２実施形態に係る発光装置の効果について説明する。

半導体レーザ素子１に順方向バイアスを印加すると、半導体レーザ素子１の発光端面１ｃから所望の波長のレーザ光が出射される。半導体レーザ素子１の動作において、半導体レーザ素子１から熱が発生する。半導体レーザ素子１では、特に活性層１０から発熱が生じるため、第１面１ａにおいて活性層１０に沿った領域が高温になるものが多い。

本実施形態では、半導体レーザ素子１と支持基板２の間であって活性層１０に対応する領域には、はんだ層４よりも熱伝導率の高い放熱層５を配置していることから、半導体レーザ素子１から発生した熱は、放熱層５により速やかに支持基板２に伝達され、さらにヒートシンク６へと熱が伝達される。半導体レーザ素子１からの熱を効率良く放散できることから、放熱性の高い発光装置を実現することができる。

放熱性を高めることにより、半導体レーザ素子１の活性層１０の温度上昇を抑制できることから、発光出力、発光効率および寿命などの低下を防止することができる。さらに、半導体レーザ素子１の活性層１０の温度上昇に伴うレーザ光の長波長化を抑制できることから、半導体レーザ素子１の出力特性が安定し、信頼性のある発光装置を実現することができる。その他、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第３実施形態）
図４（ａ）は第３実施形態に係る発光装置の上面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。なお、図４では、金線７，８およびヒートシンク６は省略している。

本実施形態では、放熱層５が配置される領域における金属電極層３は除去されている。放熱層５は電極としての機能を兼ねる。放熱層５は、例えば半導体レーザ素子１と支持基板２との間であって、発光端面１ｃに近い側に設けられている。なお、第２実施形態と同様に、活性層１０に沿ってストライプ状の放熱層５を配置してもよい。はんだ層４は、金属電極層３上に形成されている。

上記の本実施形態に係る発光装置では、半導体レーザ素子１と支持基板２の間であって、半導体レーザ素子１の発熱が大きい領域に、金属電極層３を介在させずに放熱層５のみを介在させている。このため、金属電極層３の熱伝導率に関係なく、半導体レーザ素子１からの熱を効率良く放熱することができる。本実施形態は、特に金属電極層３よりも放熱層５の熱伝導率が大きい場合に効果的である。

放熱性を高めることにより、半導体レーザ素子１の活性層１０の温度上昇を抑制できることから、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第４実施形態）
図５（ａ）は第５実施形態に係る発光装置の上面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。なお、図５では、金線７，８およびヒートシンク６は省略している。

本実施形態では、放熱層５は、第１〜第３実施形態までの金属電極層３を兼ねる。すなわち、本実施形態では、単独の金属電極層３はない。はんだ層４が形成される部位の放熱層５は除去されている。これにより、支持基板２上に、厚さが略等しいはんだ層４と放熱層５が形成されている。半導体レーザ素子１と支持基板２との間の領域では、放熱層５は活性層１０に沿ってストライプ状に配置されている。

上記の本実施形態に係る発光装置では、支持基板２上には、金属電極層３を設けずに放熱層５のみを設けている。このため、金属電極層３の熱伝導率に関係なく、半導体レーザ素子１からの熱を効率良く放熱することができる。本実施形態は、支持基板２として金属材料を用い、金属電極層を特に設ける必要がない場合に有効である。

放熱性を高めることにより、半導体レーザ素子１の活性層１０の温度上昇を抑制できることから、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。本実施形態では、数値および材料の一例について説明したが、特にこれに限定されるものではない。本発明の半導体発光素子として、半導体レーザ素子１ではなく、発光ダイオードを用いることもできる。半導体レーザ素子１を搭載した支持基板２の使用形態については特に限定はない。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

本実施形態に係る発光装置の構成を示す斜視図である。 （ａ）は第１実施形態に係る発光装置の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。 （ａ）は第２実施形態に係る発光装置の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。 （ａ）は第３実施形態に係る発光装置の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。 （ａ）は第４実施形態に係る発光装置の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。

符号の説明

１…半導体レーザ素子、１ａ…第１面、１ｂ…第２面、１ｃ…発光端面、２…支持基板、３…金属電極層、４…はんだ層、５…放熱層、６…ヒートシンク、７…金線、８…金線、１０…活性層

Claims (8)

1. 発光端面から光を出射する半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子を搭載する支持基板と、
   前記半導体発光素子と前記支持基板との間に介在し、前記半導体発光素子と前記支持基板とを接合するはんだ層と、
   前記はんだ層が形成された領域以外の領域において前記半導体発光素子と前記支持基板との間に介在し、前記はんだ層よりも熱伝導率の高い放熱層と
   を有する発光装置。
2. 前記半導体発光素子は対向する第１面および第２面を有し、前記半導体発光素子の活性層が前記第２面よりも第１面に近い位置に配置されており、
   前記半導体発光素子は第１面側から前記支持基板上に搭載された
   請求項１記載の発光装置。
3. 前記放熱層は、前記半導体発光素子の発熱の大きい領域に配置された
   請求項１記載の発光装置。
4. 前記放熱層は、前記半導体発光素子と前記支持基板との間であって、前記半導体発光素子の発光端面側に配置された
   請求項３記載の発光装置。
5. 前記半導体発光素子は、ストライプ状の活性層を有し、
   前記放熱層は、前記半導体発光素子の活性層に沿って、ストライプ状に配置された
   請求項３記載の発光装置。
6. 前記支持基板の前記半導体発光素子の搭載面上に、金属電極層が形成された
   請求項１記載の発光装置。
7. 前記金属電極層は、前記放熱層の配置領域において除去されており、前記支持基板と前記放熱層とが直接接触した
   請求項６記載の発光装置。
8. 前記金属電極層と前記放熱層が一体的に形成された
   請求項６記載の発光装置。
   

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