JP2007073769A - 光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体レーザチップと半田層との未接合部の発生を抑制する
【解決手段】 サブマウント１上にパッド層２及び半田層３を介してレーザダイオードチップ４が搭載されている。半田層３は、レーザダイオードチップ４の光出射方向における両端部に、半田層３の中央部３Ｂの幅Ｗ_３Ｂよりも広い幅Ｗ_３Ａを有する幅広部３Ａを備えている。半田層３端部からの幅広部３Ａの長さＬ_３Ａは、レーザダイオードチップ４の長さＬ_４の１％〜３０％の範囲とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザダイオードのような半導体レーザチップに係り、特に半導体レーザチップとサブマウントの接合に関するものである。

サブマウント上にレーザダイオードチップを実装してなる光半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
チップを実装する際には、先ず、サブマウント上面に半田層を形成する。その後、加熱により半田層を溶融させ、溶融した半田層に対してチップ裏面を圧接する。

実開平１−７８０６３号公報

ところで、溶融した半田層は、凸レンズのように中央が高くなり、周辺が低くなる。このため、チップ裏面を圧接する際には、先ずチップ裏面の中央部が半田層と接触した後、徐々にチップ裏面の端部が半田層と接触する。このとき、チップの端部付近では、半田層が十分に濡れ広がることができない場合がある。この場合、チップ裏面と半田層との未接合部が生じ得る。
また、溶融した半田層が凝固する際に、数％の体積収縮が生じる。この体積収縮が半田層の最後に凝固する部分に集中すると、半田が存在しなくなってしまう、いわゆる、「半田引け」が発生する場合がある。この場合も、上記と同様に、チップ裏面と半田層との未接合部が生じてしまう。

かかる未接合部は、レーザダイオードチップで発生した熱をサブマウントに伝える際の抵抗となる。このため、高温環境下でレーザダイオードチップの出力が低下してしまう事態が生じ得る。さらに、レーザダイオードチップの両端部には反射面が設けられているが、この反射面での光吸収による発熱量が最も大きい。よって、チップ両端部で生じる未接合部は、チップ中央部で生じる未接合部よりも、熱伝導に対する影響が大きい。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、半導体レーザチップと半田層との未接合部の発生を抑制することを目的とする。

本発明に係る光半導体装置は、サブマウントと、
前記サブマウントの上に半田層を介して搭載された半導体レーザチップとを備え、
前記半田層の両端部に、前記半田層の中央部に比べて広い幅の幅広部を有することを特徴とするものである。

本発明に係る光半導体装置は、サブマウントと、
前記サブマウントの上に半田層を介して搭載された半導体レーザチップとを備え、
前記半田層は、前記半導体レーザチップの外側に存在する部分が、前記半導体レーザチップの光出射方向において複数に分割されていることを特徴とするものである。

本発明に係る光半導体装置の製造方法は、サブマウント上に半導体レーザチップを有する光半導体装置の製造方法であって、
サブマウントの上面に、半導体レーザチップの光出射方向の両端部に中央部に比べて広い幅の幅広部を有する半田層を形成する工程と、
前記サブマウントを加熱することで、前記半田層を溶融させる工程と、
溶融した半田層に対して、半導体レーザチップの裏面を圧接する工程とを含むことを特徴とするものである。

本発明に係る光半導体装置の製造方法は、サブマウント上に半導体レーザチップを有する光半導体装置の製造方法であって、
サブマウントの上面に、半導体レーザチップの光出射方向において複数の部分に分割された半田層を形成する工程と、
前記サブマウントを加熱することで、前記半田層の複数の部分を個別に溶融させる工程と、
溶融した前記半田層に対して、半導体レーザチップの裏面を圧接する工程とを含むことを特徴とするものである。

本発明は、以上説明したように、半田層の両端部に幅広部を設けることにより、幅広部における溶融半田の高さを中央部に比べて高くすることができる。よって、溶融半田の濡れ広がりを促進することができるため、半導体レーザチップ裏面と半田層との未接合部の発生を抑制することができる。
また、本発明は、半田層を分割して形成することにより、溶融半田が凝固する際の体積収縮の集中を防ぐことができる。よって、大きな半田引けを抑制することができるため、半導体レーザチップ裏面と半田層との未接合部の発生を抑制することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図中、同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略することがある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による半光導体装置を説明するための図である。具体的には、図１（ａ）は、本実施の形態１による光半導体装置を示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。

図１に示すように、サブマウント１の上面にパッド層２が形成されている。サブマウント１は、熱伝導性に優れた材料、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）により形成されている。サブマウント１のサイズは、例えば、０．６ｍｍ（幅）×１．５ｍｍ（長さＬ１）×０．２５ｍｍ（高さＨ_１）である。パッド層２は、半田の濡れ性が良い金属層、例えば、金メッキ層によって構成されている。さらに、このパッド層２上に半田層３が形成されている。半田層３の材料は、例えば、金（８０％）とスズ（２０％）の合金であって、融点が２８０℃であるものを用いることができる。

サブマウント１の上には、この半田層３を介して、半導体レーザチップ４としてのレーザダイオードチップが搭載されている。すなわち、レーザダイオードチップ４の裏面が半田層３に接着されている。レーザダイオードチップ４のサイズは、例えば、０．２２ｍｍ（幅Ｗ_４）×１．５ｍｍ（長さＬ_４）×０．１２ｍｍ（高さＨ_４）である。図示しないが、レーザダイオードチップ４は、長手方向に延びる導波路を有している。この導波路による光出射方向（すなわち、レーザダイオードチップ４の長手方向）において、半田層３の両端部に、中央部３Ｂの幅Ｗ_３Ｂに比べて広い幅Ｗ_３Ａを有する幅広部３Ａが設けられている。すなわち、半田層３は、長手方向の両端部に位置する幅広部３Ａと、その間に位置する中央部３Ｂとによって構成されている。

この幅広部３Ａの長さＬ_３Ａは、例えば、０．３ｍｍである。ここで、幅広部３Ａの長さＬ_３Ａは、レーザダイオードチップ４の長さＬ_４の１〜３０％の長さが望ましく、１０〜３０％の長さがより望ましい。幅広部３Ａの長さＬ_３Ａをこの範囲に制御することで、半田層３の溶融時に、図２（ｂ）に示すような溶融半田層３のプロファイルを得ることができる。本発明者の検討によれば、幅広部３Ａの長さＬ_３Ａをチップ長Ｌ_４の３０％を超える長さにすると、溶融半田層３の高さが全体的に高くなるだけで、上記のようなプロファイルを得ることができない。このため、後述する未接合部の発生抑制効果を十分に得ることができない。
また、レーザダイオードチップ４の短手方向において、レーザダイオードチップ４よりも外側にも半田層３が存在している。すなわち、レーザダイオードチップ４の幅Ｗ_４よりも、半田層３の幅Ｗ_３Ａ，Ｗ_３Ｂの方が大きい。

次に、上記光半導体装置の製造方法について説明する。
図２は、図１に示す光半導体装置の製造方法を説明するための図である。
先ず、サブマウント１の上面にパッド層２としての金メッキ層を、例えば、０．５μｍの厚さで形成する。次に、図２（ａ）に示すように、パッド層２上に、光出射方向両端部に位置する幅広部３Ａと、その間に位置する中央部３Ｂとによって構成される半田層３を、蒸着により、例えば、５μｍの厚さで形成する。

次に、ホットプレートを用いてサブマウント１を３２０℃に加熱する。これにより、図２（ｂ）に示すように、半田層３が溶融し、凸状になる。ここで、幅広部３Ａにおいて溶融半田の高さが１０μｍとなり、中央部３Ｂにおいて溶融半田の高さが７μｍとなる。すなわち、レーザダイオードチップ４の光出射方向の両端部における溶融半田の高さが、中央部における高さよりも高くなる。

その後、サブマウント１の加熱を中止して、サブマウント１に対してレーザダイオードチップ４の位置決めを行う。そして、図２（ｃ）に示すように、半田層３に対してレーザダイオードチップ４を上方から圧接する。半田層３が冷却され凝固すると、図１に示す光半導体装置が得られる。

以上説明したように、本実施の形態１では、サブマウント１の上面に、中央部３Ｂに比べて幅が広い幅広部３Ａを両端部に有する半田層３を形成する。すなわち、半田層３とチップ４との未接合部が発生しやすい光出射方向（長手方向）の両端部に、幅広部３Ａを形成する。これにより、半田層３の溶融時に、中央部３Ｂに比べて幅広部３Ａの溶融半田高さを高くすることができ、該両端部における半田層３の濡れ広がりを促進することができる。従って、半田層３とレーザダイオードチップ４の未接合部の発生を抑制することができる。よって、レーザダイオードチップ４両端部の反射面での光吸収によって発生した熱を、サブマウント１に伝えることができる。このため、高温環境下においても安定した出力が得られる光半導体装置を提供することができる。

［変形例］
次に、上記実施の形態１の変形例について説明する。
図３は、本実施の形態１の変形例を説明するための平面図である。図４は、本実施の形態１の変形例において、溶融された半田層３の高さプロファイルを示す図である。
本変形例では、図３に示すように、半田層３の幅広部３Ａから中央部３Ｂに徐々に幅を小さくしている。それ以外の構成は、上記実施の形態１と同様である。本変形例によれば、図４に示すように、半田層３の溶融時に、幅広部３Ａから中央部３Ｂにかけての溶融半田層３の高さプロファイルをよりなだらかにすることができる。
図５は、上述した実施の形態１において、溶融された半田層３の高さプロファイルを示す図である。図５において点線で示す部分、すなわち、幅広部３Ａと中央部３Ｂとの境界近傍に、ボイドが発生する可能性がある。これは、幅広部３Ａから中央部３Ｂにかけての溶融半田層３のプロファイル変化が大きいため、図５において矢印で示す方向に溶融半田が流れる際に、空気が閉じこめられることによるものである。
これに対して、上述した本変形例によれば、幅広部３Ａから中央部３Ｂにかけての溶融半田層３の高さプロファイルがなだらかであるため（図４参照）、ボイドの発生を抑制することができる。

また、上記実施の形態１では、サブマウント１全面にパッド層２を形成し、その上に幅広部３Ａと中央部３Ｂを有する半田層３を形成したが、サブマウント１上に上記幅広部３Ａ及び中央部３Ｂと同一形状の幅広部及び中央部を有するパッド層２を形成し、全面に半田層を形成するようにしてもよい（後述する実施の形態２についても同様）。パッド層２を介さずサブマウント１上に形成された半田は濡れ広がることができず、はじかれてしまう。このため、パッド層２と同一の形状の半田層３が形成される。よって、この場合も、上記実施の形態１と同様の半田層３を形成することができる。

［比較例］
次に、上記実施の形態１に対する比較例について説明する。
図１０は、実施の形態１に対する比較例を説明するための図である。
図１０（ａ）に示すように、本比較例では、長方形状に半田層３を形成する。サブマウント１を加熱すると、半田層３が溶融して、図１０（ｂ）に示すように、凸レンズ状になる。その後、図１０（ｃ）に示すように、レーザダイオードチップ４を位置決めし、上方から圧力を加える。そうすると、先ず、チップ４裏面の中央部が半田層３と接触し、徐々にチップ４裏面の端部が接触する。ここで、チップ４の端部付近では、溶融半田の高さが低いため（図１０（ｂ）参照）、チップ４の端部付近では半田層３が十分に濡れ広がることができない。また、チップ４の端部付近の半田層３が最後に凝固するため、その部分に体積収縮が集中してしまう。このため、チップ４の端部付近で、大きな半田引けが発生してしまう。その結果、図１０（ｃ）に示すように、チップ４の端部に、未接合部４０が形成されてしまう。

また、半田層の厚さを全体的に厚くし、溶融半田高さを高くする方法も考えられる。しかし、単純に半田の量を多くしただけでは、チップ４の外側にはみ出した半田が、チップ４の端面を這い上がり、レーザ光の発光点を塞いだり、ショート不良を生じさせたりしてしまう。

また、圧接する時間を長くすることで溶融半田の濡れ広がりを促進する方法や、徐々に冷却することで半田の凝固収縮を分散させる方法が考えられる。しかし、このような方法を採用すると、生産性が低下してしまう。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２による光半導体装置を説明するための図である。具体的には、図６（ａ）は、本実施の形態２による光半導体装置を示す平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。

図６に示すように、ＡｌＮ製のサブマウント１の上面に、パッド層２としての金めっき層が形成されている。さらに、パッド層２上に、金（８０％）−スズ（２０％）からなる半田層３が形成されている。サブマウント１の上には、この半田層３を介してレーザダイオードチップ４が搭載されている。半田層３は、レーザダイオードチップ４の短手方向に延びるスリット５によって、複数の半田層３０に分割されている。図６に示す例では、半田層３が、７本のスリット５によって、レーザダイオードチップ４の長手方向において、８個の半田層３０に分割されている。

スリット５の幅は、レーザダイオードチップ４の内側と外側とで異なっている。具体的には、レーザダイオードチップ４外側に存在するスリット５の幅Ｗ_５Ａの方が、レーザダイオードチップ４内側（つまり、チップ４裏面の下方）に存在するスリット５の幅Ｗ_５Ｂよりも広い。これは、レーザダイオードチップ４を圧接する際に、半田層３０が広がり、チップ裏面の下方に存在するスリット５の幅が狭くなるためである。

次に、上記光半導体装置の製造方法について説明する。
図７は、図６に示す光半導体装置の製造方法を説明するための図である。
先ず、実施の形態１と同様の方法を用いて、サブマウント１の上面にパッド層２を形成する。

次に、図７（ａ）に示すように、スリット５により分割された８個の半田層３０によって構成される半田層３を、蒸着により、例えば、５μｍの厚さで形成する。ここで、スリット５の幅Ｗ_５Ａは、例えば、０．０５ｍｍである。

次に、ホットプレートを用いてサブマウント１を３２０℃に加熱する。これにより、図７（ｂ）に示すように、それぞれの半田層３０が溶融し、凸状になる。

その後、サブマウント１の加熱を中止して、サブマウント１に対してレーザダイオードチップ４の位置決めを行う。そして、図７（ｃ）に示すように、半田層３０に対してレーザダイオードチップ４を上方から圧接する。半田層３０が個別に凝固すると、図６に示す光半導体装置が得られる。レーザダイオードチップ４に圧力が加わるため、該チップ４下方に位置するスリット５の幅Ｗ_５Ｂは、半田層３０形成時の幅Ｗ_５Ａよりも狭くなっている。

以上説明したように、本実施の形態２では、サブマウント１の上面に、スリット５により分割された複数の半田層３０からなる半田層３を形成する。これにより、半田層３０が個別に溶融するため、半田層３０の濡れ広がりに要する時間が短くなる。さらに、半田層３０が個別に凝固するため、体積収縮が一箇所に集中することを防止することができ、大きな半田引けの発生を防止することができる。従って、半田層３とレーザダイオードチップ４の未接合部の発生を抑制することができる。よって、上記実施の形態１と同様に、レーザダイオードチップ４両端部の反射面での光吸収によって発生した熱を、サブマウント１に伝えることができる。このため、高温環境下においても安定した出力が得られる光半導体装置を提供することができる。

［変形例］
次に、上記実施の形態２の変形例について説明する。
図８は、本実施の形態２の第１変形例を説明するための図である。
図８（ａ）に示すように、本第１変形例では、上記実施の形態２よりもスリット５の幅Ｗ_５Ａが狭くなるように、半田層３を形成している。すなわち、複数の半田層３０が、より密な間隔で形成されている。図８（ｂ）に示すように、位置決めされたレーザダイオードチップ４を半田層３に圧接する際、隣接する半田層３０が互いに繋がり、スリット５がなくなる。
本第１変形例によっても、半田層３０が個別に溶融するため、半田層３０の濡れ広がりに要する時間を短くすることができる。従って、チップ端部にまで半田が濡れ広がるため、半田層３とレーザダイオードチップ４の未接合部の発生を抑制することができる。

図９は、本実施の形態２の第２変形例を説明するための図である。
上記実施の形態２では直線状のスリット５であった。本第２変形例では、図９（ａ）に示すように、複数の半田層３１に分割するスリット５Ａは、光出射方向に対して直交する方向において、中央部から端部に向かって徐々に幅が広くなるような形状を有している。このため、スリット５Ａにより分割された半田層３１は、光出射方向に対して直交する方向において、中央部から端部に向かって徐々に幅が狭くなるような形状を有している。
上記実施の形態２と同様の方法により、レーザダイオードチップ４を半田層３に圧接すると、図９（ｂ）に示すように、チップ中央部では、隣接する半田層３１が互いに繋がる。一方、チップ端部ではスリット５Ａの幅が狭くなるものの、スリット５Ａは無くならない。さらに、チップ外側に位置するスリット５Ａも無くならない。

ところで、レーザダイオードチップ４の裏面に、導波路と平行な溝４Ａを有し、この溝４Ａを半田によって完全に埋め込む場合がある。この場合、溝４Ａに対してランダムな方向から溶融半田が流れると、溝４Ａにボイド（空気の閉じ込め）が形成されやすい。
本第２変形例では、上述したように、スリット５Ａは中央部から端部に向かって幅が広くなっている。よって、溶融した半田は、中央部から端部に向かって濡れ広がる。このため、ボイドの形成を抑制することができる。

本発明の実施の形態１による半光導体装置を説明するための図である。 図１に示す光半導体装置の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態１の変形例を説明するための平面図である。 本発明の実施の形態１の変形例において、溶融半田層の高さプロファイルを示す図である。 本発明の実施の形態１において、溶融半田層の高さプロファイルを示す図である。 本発明の実施の形態２による光半導体装置を説明するための図である。 図６に示す光半導体装置の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態２の第１変形例を説明するための図である。 本発明の実施の形態２の第２変形例を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に対する比較例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 パッド層、 ３，３０，３１ 半田層、 ３Ａ 幅広部、 ３Ｂ 中央部、 ４ レーザダイオードチップ、 ５，５Ａ スリット。

Claims (8)

1. サブマウントと、
   前記サブマウントの上に半田層を介して搭載された半導体レーザチップとを備え、
   前記半田層の両端部に、前記半田層の中央部に比べて広い幅の幅広部を有することを特徴とする光半導体装置。
2. 請求項１に記載の光半導体装置において、
   前記幅広部は、前記半導体レーザチップの光出射方向における前記半田層の両端部に設けられたことを特徴とする光半導体装置。
3. 請求項１又は２に記載の光半導体装置において、
   前記半田層の幅広部は、前記半導体レーザチップの全長の１％〜３０％の何れかの長さを有することを特徴とする光半導体装置。
4. 請求項１から３の何れかに記載の光半導体装置において、
   前記半田層は、前記幅広部から前記中央部まで徐々に幅が狭くなっていることを特徴とする光半導体装置。
5. サブマウントと、
   前記サブマウントの上に半田層を介して搭載された半導体レーザチップとを備え、
   前記半田層は、前記半導体レーザチップの外側に存在する部分が、前記半導体レーザチップの光出射方向において複数に分割されていることを特徴とする光半導体装置。
6. サブマウント上に半導体レーザチップを有する光半導体装置の製造方法であって、
   サブマウントの上面に、半導体レーザチップの光出射方向の両端部に中央部に比べて広い幅の幅広部を有する半田層を形成する工程と、
   前記サブマウントを加熱することで、前記半田層を溶融させる工程と、
   溶融した半田層に対して、半導体レーザチップの裏面を圧接する工程とを含むことを特徴とする光半導体装置の製造方法。
7. サブマウント上に半導体レーザチップを有する光半導体装置の製造方法であって、
   サブマウントの上面に、半導体レーザチップの光出射方向において複数の部分に分割された半田層を形成する工程と、
   前記サブマウントを加熱することで、前記半田層の複数の部分を個別に溶融させる工程と、
   溶融した前記半田層に対して、半導体レーザチップの裏面を圧接する工程とを含むことを特徴とする光半導体装置の製造方法。
8. 請求項７に記載の光半導体装置の製造方法において、
   前記半田層はスリットにより前記複数の部分に分割されており、該スリットは半導体レーザチップの光出射方向に対して直交する方向において中央部に比べて両端部の方が幅が広いことを特徴とする光半導体装置の製造方法。

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