JP2007019087A - Semiconductor laser device and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、半導体レーザチップ(以下、「レーザチップ」と呼ぶ。)の歪みを低減させることができる半導体レーザ装置及びその製造方法に関する。この発明は、特に共振器長が長いレーザチップを有する半導体レーザ装置及びその製造方法に好適に適用される。 The present invention relates to a semiconductor laser device capable of reducing distortion of a semiconductor laser chip (hereinafter referred to as “laser chip”) and a method for manufacturing the same. The present invention is particularly suitably applied to a semiconductor laser device having a laser chip with a long resonator length and a method for manufacturing the same.
従来の半導体レーザ装置は、特許文献1に示すように、固定部材と、固定部材に接合されたサブマウントと、サブマウントに接合されたレーザチップとを備える。レーザチップとサブマウントとは、両者の間に設けられた銀材を溶融させて接合される。このとき、レーザチップとサブマウントも加熱されるが、両者の線膨張係数が異なる場合、冷却の際にレーザチップに歪みが生じ、レーザチップの特性が悪化することがある。特許文献1には、レーザチップとサブマウントとの間の線膨張係数の差を小さくするために、サブマウントを線膨張係数が異なる2つの材料を用いて構成する技術が開示されている。
しかし、特許文献1の技術によるサブマウントは、製造するのが難しいので、別の方法でレーザチップの歪みを低減する方法が望まれている。 However, since the submount according to the technique of Patent Document 1 is difficult to manufacture, a method of reducing the distortion of the laser chip by another method is desired.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、レーザチップの歪みを低減させることができる半導体レーザ装置及びその製造方法を提供するものである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a semiconductor laser device capable of reducing distortion of a laser chip and a manufacturing method thereof.
本発明の半導体レーザ装置は、サブマウントと、サブマウントに接合されたレーザチップとを備え、サブマウントは、レーザチップの共振器方向に対して実質的に垂直方向に延び、かつレーザチップとの接合面を分割する溝を備えることを特徴とする。
本発明によれば、サブマウントが上記溝を備え、この溝の幅が変化することによって、レーザチップの歪みが低減される。
The semiconductor laser device of the present invention includes a submount and a laser chip bonded to the submount, and the submount extends in a direction substantially perpendicular to the resonator direction of the laser chip and is connected to the laser chip. A groove for dividing the joining surface is provided.
According to the present invention, the submount includes the groove, and the distortion of the laser chip is reduced by changing the width of the groove.
前記溝は、サブマウントを貫通し、サブマウントを第1及び第2部材に分割することが好ましい。この場合、溝の幅が比較的容易に変化可能だからである。また、第1及び第2部材は、サブマウントよりもヤング率が小さい連結材料で部分的に連結されていることが好ましい。この場合、第1及び第2部材が互いに連結されているので、その取り扱いが容易である。また、第1及び第2部材が比較的柔軟な材料で連結さているので溝幅が変化しやすく、レーザチップの歪み低減の効果が大きい。
前記溝は、サブマウントを非貫通であってもよい。このサブマウントは、第1及び第2部材に分離されていないので取り扱いが容易である。また、このサブマウントは、従来のサブマウントに溝を形成することで製造可能なので、製造が容易である。
サブマウントは、SiCからなることが好ましい。SiCは熱伝導度が比較的大きいので、上記溝の採用により、放熱性が高くレーザチップの歪みが小さい優れた性能の半導体レーザ装置が得られる。
The groove preferably penetrates the submount and divides the submount into first and second members. In this case, the width of the groove can be changed relatively easily. Moreover, it is preferable that the 1st and 2nd member is partially connected with the connection material whose Young's modulus is smaller than a submount. In this case, since the first and second members are connected to each other, handling thereof is easy. Further, since the first and second members are connected by a relatively flexible material, the groove width is easily changed, and the effect of reducing distortion of the laser chip is great.
The groove may be non-penetrating through the submount. Since the submount is not separated into the first and second members, it is easy to handle. In addition, this submount can be manufactured by forming a groove in a conventional submount, so that it is easy to manufacture.
The submount is preferably made of SiC. Since SiC has a relatively high thermal conductivity, the use of the groove makes it possible to obtain a semiconductor laser device having excellent performance with high heat dissipation and low distortion of the laser chip.
本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、サブマウントになる第1及び第2部材を低沸点材料で連結して連結体を形成し、前記低沸点材料の沸点以上の温度下で、共振器方向が前記連結体の連結部に実質的に垂直になり、かつ前記連結部が接合面を分割するようにレーザチップをサブマウントに接合する工程を備える。この方法によれば、低沸点材料の厚さを調節することによって第1及び第2部材間の距離、すなわち第1及び第2部材間に形成される溝の幅を容易に調節することができる。 In the method of manufacturing a semiconductor laser device according to the present invention, the first and second members to be the submount are connected with a low boiling point material to form a connected body, and the resonator direction is at a temperature equal to or higher than the boiling point of the low boiling point material. Includes a step of bonding the laser chip to the submount so that the connection portion is substantially perpendicular to the connection portion of the connection body and the connection portion divides the bonding surface. According to this method, the distance between the first and second members, that is, the width of the groove formed between the first and second members can be easily adjusted by adjusting the thickness of the low boiling point material. .
本発明の別の観点の半導体レーザ装置の製造方法は、溝を有するサブマウントに、共振器方向が前記溝に実質的に垂直になり、かつ前記溝が接合面を分割するようにレーザチップをサブマウントに接合する工程を備える。このレーザチップの歪みが低減された半導体レーザ装置が得られる。
前記溝は、サブマウントになる第1及び第2部材をサブマウントよりもヤング率が小さい連結材料で部分的に連結する工程によって形成されることが好ましい。この場合、第1及び第2部材が互いに連結されているので、その取り扱いが容易である。
前記溝は、ハーフダイスによって形成されることが好ましい。この場合、サブマウントウエハをダイシングによって個々のサブマウントに分離する際に溝を形成することができるので、簡易に溝を形成することができる。
前記溝は、エッチングによって形成されてもよい。この場合も、簡易に溝を形成することができる。
レーザチップは、前記溝近傍領域を除く所定領域に配置されたろう材を介してサブマウントに接合されることが好ましい。この場合、ろう材が溝に流れ込んで溝が埋められることが防止される。
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor laser device, wherein a laser chip is provided on a submount having a groove so that a resonator direction is substantially perpendicular to the groove and the groove divides a bonding surface. A step of joining to the submount. A semiconductor laser device in which the distortion of the laser chip is reduced is obtained.
The groove is preferably formed by a step of partially connecting the first and second members to be the submount with a connecting material having a Young's modulus smaller than that of the submount. In this case, since the first and second members are connected to each other, handling thereof is easy.
The groove is preferably formed by a half die. In this case, since the groove can be formed when the submount wafer is separated into individual submounts by dicing, the groove can be easily formed.
The groove may be formed by etching. Also in this case, the groove can be easily formed.
The laser chip is preferably joined to the submount via a brazing material disposed in a predetermined region excluding the groove vicinity region. In this case, the brazing material is prevented from flowing into the groove and filling the groove.
以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。図面は、説明の便宜のために用いられるものであり、本発明の範囲は、図面に示す実施形態に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings are used for convenience of explanation, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments shown in the drawings.
1.第1実施形態
図1は、本発明の第1実施形態の半導体レーザ装置を示す断面図である。図1に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置は、サブマウント3と、サブマウント3に接合されたレーザチップ5とを備え、サブマウント3は、レーザチップ5との接合面を分割する溝7を備える。溝7は、レーザチップ5の共振器方向(矢印Aで示す。)に対して実質的に垂直方向(紙面に垂直な方向)に延びる。溝7は、レーザチップ5に面しており、サブマウント3を貫通し、サブマウント3を第1及び第2部材3a,3bに分割している。サブマウント3とレーザチップ5と間の接合面は、第1部材3aとレーザチップ5の間の接合面と,第2部材3bとレーザチップ5の間の接合面とに分割されている。
溝7の位置は、好ましくは、接合面の共振器方向の中央近傍である。溝7の幅は、好ましくは1μm以上、さらに好ましくは2μm以上である。
サブマウント3は、第1ろう材9を介してステム11に接合されている。レーザチップ5は、第2ろう材10を介してサブマウント3に接合されている。第1ろう材9、第2ろう材10の材料は特に限定されないが、例えば、第1ろう材9には、銀ペースト、Inなどを用いることができ、第2ろう材10には、AuSnはんだ、SnAgCuなどを用いることができる。レーザチップ5をサブマウント3に接合した後、サブマウント3をステム11に接合する場合、第2ろう材10には、第1ろう材9よりも融点が高いものを用いることが好ましい。なお、レーザチップ5の、サブマウント3に対向する面には、通常、AuZn膜等の金属膜が形成されており、サブマウント3の両主面には、通常、Ti/Au多層膜等の金属膜が形成されている。また、ステム11は、通常、Cu又はFeなどの金属からなる。従って、第1ろう材9及び第2ろう材10によって、通常、金属同士が接合される。
1. First Embodiment FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the semiconductor laser device of the present embodiment includes a
The position of the
The
サブマウント3は、熱導電率が高く、線膨張係数がレーザチップ5のものと近い材料で形成することが好ましく、例えば、AlN,SiC,Si等で形成することが好ましい。これらの材料の線膨張係数及び熱伝導率を表1に示す。
表1によれば、熱伝導率の観点からはSiCが好ましいことが分かる。 According to Table 1, it can be seen that SiC is preferable from the viewpoint of thermal conductivity.
レーザチップ5は、AlGaAsタイプのレーザの場合、通常、GaAs基板上に種々の半導体層を形成して、形成される。GaAsの線膨張係数は、6.8×10-6K-1である。この値と表1の値を比較すると、レーザチップ5がGaAs基板を用いて形成される場合、サブマウント3の材料としてはAlNが好ましいことが分かる。
In the case of an AlGaAs type laser, the
サブマウント3の材料としてAlNを用いた場合でも、レーザチップ5の線膨張係数の方が大きい。従って、レーザチップ5は、第2ろう材10の溶融及びその後の冷却による固化によってサブマウント3に接合されるが、冷却の際にレーザチップ5はサブマウント3よりも大きく縮む。しかし、第2ろう材10が固化された後はレーザチップ5とサブマウント3の位置関係が固定されるので、レーザチップ5は本来の大きさに縮むことができず、レーザチップ5は、サブマウント3に引っ張られた状態になり、レーザチップ5に歪みが発生する。この歪みは、レーザチップ5の共振器長が長くなるほど(例えば1.5mm以上)大きくなり、また、熱伝導率を重視して線膨張係数がAlNより小さいSiCを用いてサブマウント3を形成した場合にも大きくなる。
Even when AlN is used as the material of the
本実施形態の半導体レーザ装置では、サブマウント3は、レーザチップ5との接合面を分割する溝7を備えており、この溝の幅が狭くなることによって、溝近傍部分においてはレーザチップ5が引っ張られた状態が解消される。従って、その分だけ、レーザチップ5の歪みが低減される。従って、本実施形態の半導体レーザ装置では、共振器長1.5mm以上のレーザチップを用い、SiCサブマウントを用いた場合でも、レーザチップの歪みを比較的小さくすることができる。
In the semiconductor laser device of the present embodiment, the
また、本実施形態では、溝7は、サブマウント3を第1及び第2部材3a,3bに分割するように形成されているので、その幅が比較的変化しやすく、レーザチップ5の歪み低減の効果が大きい。
In the present embodiment, the
なお、レーザチップ5は、GaAs基板を用いたもの以外であってもよい。また、レーザチップ5の線膨張係数がサブマウントのものよりも小さい場合、レーザチップ5は、サブマウント3によって圧縮された状態になり、上記の場合と逆になるが、この場合、溝7の幅が広がることによって、上記と同様に、レーザチップ5の歪みが低減される。
The
次に、本実施形態の半導体レーザ装置の製造方法について説明する。
まず、図2(a)に示すように、サブマウント3となる第1及び第2部材3a,3bを低沸点材料13で連結して連結体を形成する。具体的には、例えば、第1部材3aに低沸点材料13を好ましくは1μm以上、さらに好ましくは2μm以上の厚さで塗布し、低沸点材料13を介して第2部材3bを第1部材材3aに連結させる。低沸点材料13には、沸点がレーザチップ5の接合温度よりも低く第1及び第2部材3a,3bを互いに連結可能な材料を用いることができる。
Next, a method for manufacturing the semiconductor laser device of this embodiment will be described.
First, as shown in FIG. 2A, the first and
次に、図2(b)に示すように、前記低沸点材料13の沸点以上の温度下でレーザチップ5を前記連結体に接合する。レーザチップ5は、好ましくは、その共振器方向が前記連結部に実質的に垂直になるように接合される。レーザチップ5は、第2ろう材10を用いて接合される。低沸点材料13の沸点以上の温度でレーザチップ5の接合が行われるので、接合時に低沸点材料13が気化し、溝7を有するサブマウント3が形成される。第2ろう材10は、予め連結体又はレーザチップ5上に、塗布又は蒸着等によって配置しておく。
Next, as shown in FIG. 2B, the
次に、サブマウント3を第1ろう材9でステム11に接合し、図1に示す構造を得て、本実施形態の半導体レーザ装置の製造を完了する。第1ろう材9は、予めサブマウント3又はステム11上に、塗布又は蒸着等によって配置しておく。
Next, the
本実施形態の半導体レーザ装置は、別の方法によっても製造可能である。例えば、上記連結体をステム11に接合した後、レーザチップ5をサブマウント3に接合してもよい。このとき、前記低沸点材料13の沸点以上の温度下でステム11への接合を行うことにより、低沸点材料13を気化させて、溝7を有するサブマウント3を形成してもよい。
The semiconductor laser device of this embodiment can be manufactured by another method. For example, the
また、連結体を形成せずに、第1及び第2部材3a,3bを所定の間隔を空けて、ステム11に接合することによって、溝7を有するサブマウント3を形成した後、レーザチップ5をサブマウント3に接合してもよい。また、第1及び第2部材3a,3bを所定の間隔を空けた状態でレーザチップ5を第1及び第2部材3a,3bに接合することによって溝7を有するサブマウント3を形成した後、サブマウント3をステム11に接合してもよい。各部材の接合に用いるろう材は、上述したもの以外からも適宜選択可能である。特にサブマウント3を先にステム11に接合する場合には、第1ろう材9には、第2ろう材10よりも融点が高いものを用いることが好ましい。
Further, after forming the
2.第2実施形態
図3は、本発明の第2実施形態の半導体レーザ装置を示す断面図である。図3に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置は、サブマウント3となる第1及び第2部材3a,3bがサブマウント3よりもヤング率が小さい連結材料15で部分的に連結されている点において、第1実施形態の半導体レーザ装置と異なっている。連結材料15で連結されていない部分が溝7になる。従って、第1及び第2部材3a,3bは、溝7が形成されるように連結される。溝7の位置は、好ましくは、接合面の共振器方向の中央近傍である。溝7の幅は、好ましくは1μm以上、さらに好ましくは2μm以上である。溝7の深さは、好ましくは、サブマウント3の厚さの1/5〜1/2程度である。
連結材料15としては、第1及び第2部材3a,3bを互いに連結可能で、サブマウント3よりもヤング率が小さい材料を用いることができる。
2. Second Embodiment FIG. 3 is a cross-sectional view showing a semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, in the semiconductor laser device of this embodiment, the first and
As the
本実施形態によれば、第1及び第2部材3a,3bが互いに連結されているので、その取り扱いが容易である。また、第1及び第2部材3a,3bが比較的柔軟な材料で連結されているので、溝7の幅が変化しやすく、レーザチップ5の歪み低減の効果が比較的大きい。
According to this embodiment, since the 1st and
次に、本実施形態の半導体レーザ装置の製造方法について説明する。
まず、図4(a)に示すように、サブマウント3となる第1及び第2部材3a,3bをヤング率が小さい連結材料15で部分的に連結し、溝7を有するサブマウント3を作製する。具体的には、例えば、第1部材3aに連結材料15を好ましくは1μm以上、さらに好ましくは2μm以上の厚さで塗布し、連結材料15を介して第2部材3bを第1部材3aに連結させる。
Next, a method for manufacturing the semiconductor laser device of this embodiment will be described.
First, as shown in FIG. 4A, the first and
次に、図4(b)に示すように、溝7が接合面を分割するようにレーザチップ5をサブマウント3に接合する。レーザチップ5は、その共振器方向が前記溝7に実質的に垂直になるように接合される。レーザチップ5は、第2ろう材10を用いて接合される。第2ろう材10は、予めサブマウント3又はレーザチップ5上に、塗布又は蒸着等によって配置しておく。
Next, as shown in FIG. 4B, the
次に、サブマウント3を第1ろう材9でステム11に接合し、図3に示す構造を得て、本実施形態の半導体レーザ装置の製造を完了する。第1ろう材9は、予めサブマウント3又はステム11上に、塗布又は蒸着等によって配置しておく。
Next, the
本実施形態の半導体レーザ装置は、別の方法によっても製造可能である。例えば、溝7を有するサブマウント3をステム11に接合した後、レーザチップ5をサブマウント3に接合してもよい。
第1実施形態についての説明は、その趣旨に反しない限り、本実施形態についても当てはまる。
The semiconductor laser device of this embodiment can be manufactured by another method. For example, the
The description of the first embodiment also applies to the present embodiment unless it is contrary to the spirit of the first embodiment.
3.第3実施形態
図5は、本発明の第3実施形態の半導体レーザ装置を示す断面図である。図5に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置は、サブマウント3が単一部材からなる点が第2実施形態の半導体レーザ装置と異なっている。溝7の位置は、好ましくは、接合面の共振器方向の中央近傍である。溝7の幅は、好ましくは1μm以上、さらに好ましくは2μm以上である。溝7の深さは、好ましくは、サブマウント3の厚さの1/3〜2/3程度である。
3. Third Embodiment FIG. 5 is a cross-sectional view showing a semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the semiconductor laser device of this embodiment is different from the semiconductor laser device of the second embodiment in that the
本実施形態では、サブマウント3が単一部材からなるので取り扱いが容易であり、また、サブマウント3は、従来のサブマウントに溝を形成することで製造可能なので、製造が容易である。
In the present embodiment, since the
次に、本実施形態の半導体レーザ装置の製造方法について説明する。
まず、図6(a)に示すように、サブマウント3にハーフダイスによって溝7を形成する。「ハーフダイス」とは、ダイシングブレードを用いてサブマウントを第1及び第2部材に分離しないように溝を形成することを意味する。また、ハーフダイスの代わりにエッチングによって溝7を形成してもよい。エッチングは、ドライエッチングでもウエットエッチングでもよい。エッチングは、フォトリソグラフィによってレジストマスクを形成し、このマスクを用いて行うことができる。
Next, a method for manufacturing the semiconductor laser device of this embodiment will be described.
First, as shown in FIG. 6A, the
次に、図6(b)に示すように、溝7が接合面を分割するようにレーザチップ5をサブマウント3に接合する。レーザチップ5は、その共振器方向が前記溝7に実質的に垂直になるように接合される。レーザチップ5は、第2ろう材10を用いて接合される。第2ろう材10は、予めサブマウント3又はレーザチップ5上に、塗布又は蒸着等によって配置しておく。第2ろう材10は、溶融したときに第2ろう材10が溝7に流れ込んで溝7を埋めることを避けるために、図6(b)に示すように、溝7近傍領域を除く所定領域に配置することが好ましい。
Next, as shown in FIG. 6B, the
次に、サブマウント3を第1ろう材9でステム11に接合し、図5に示す構造を得て、本実施形態の半導体レーザ装置の製造を完了する。第1ろう材9は、予めサブマウント3又はステム11上に、塗布又は蒸着等によって配置しておく。
Next, the
本実施形態の半導体レーザ装置は、別の方法によっても製造可能である。例えば、溝7を有するサブマウント3をステム11に接合した後、レーザチップ5をサブマウント3に接合してもよい。
第2実施形態についての説明は、その趣旨に反しない限り、本実施形態についても当てはまる。
The semiconductor laser device of this embodiment can be manufactured by another method. For example, the
The description of the second embodiment applies to this embodiment as long as it does not contradict its purpose.
4.第4実施形態
図7は、本発明の第4実施形態の半導体レーザ装置を示す断面図である。図7に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置は、複数の溝7を備えている点が第3実施形態の半導体レーザ装置と異なっている。溝7の数は、好ましくは、2〜5である。溝7は、好ましくは、共振器方向に均等に配置される。各溝7の幅は、好ましくは1μm以上、さらに好ましくは2μm以上である。各溝7の深さは、好ましくは、サブマウント3の厚さの1/3〜2/3程度である。溝の幅又は深さは、同じであっても、互いに異なっていてもよい。
本実施形態では、サブマウント3に複数の溝7が形成されているので、レーザチップの歪み低減の効果が大きい。
本実施形態の半導体レーザ装置は、複数の溝7を形成する点を除いては、第3実施形態と同様の方法で製造することができる。
第3実施形態についての説明は、その趣旨に反しない限り、本実施形態についても当てはまる。
4). Fourth Embodiment FIG. 7 is a cross-sectional view showing a semiconductor laser device according to a fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, the semiconductor laser device of this embodiment is different from the semiconductor laser device of the third embodiment in that a plurality of
In the present embodiment, since the plurality of
The semiconductor laser device of this embodiment can be manufactured by the same method as that of the third embodiment except that a plurality of
The description of the third embodiment also applies to the present embodiment unless it is contrary to the spirit thereof.
3:サブマウント 3a,3b:サブマウントの第1及び第2部材 5:レーザチップ 7:溝 9:第1ろう材 10:第2ろう材 11:ステム 13:低沸点材料 15:連結材料
3:
Claims (11)
サブマウントは、レーザチップの共振器方向に対して実質的に垂直方向に延び、かつレーザチップとの接合面を分割する溝を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。 A submount and a laser chip bonded to the submount,
The submount includes a groove that extends in a direction substantially perpendicular to the cavity direction of the laser chip and divides a bonding surface with the laser chip.
前記低沸点材料の沸点以上の温度下で、共振器方向が前記連結体の連結部に実質的に垂直になり、かつ前記連結部が接合面を分割するようにレーザチップをサブマウントに接合する工程を備える半導体レーザ装置の製造方法。 The first and second members to be the submount are connected with a low boiling point material to form a connected body,
The laser chip is bonded to the submount so that the resonator direction is substantially perpendicular to the connecting portion of the connecting body and the connecting portion divides the bonding surface at a temperature equal to or higher than the boiling point of the low boiling point material. A method of manufacturing a semiconductor laser device comprising the steps.
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