JP2007250739A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザチップにかかる残留応力が望ましい方向に一定の範囲内でかかるようにして、半導体レーザの性能・信頼性を向上させ、量産性を高めた光半導体装置を提供する．
【解決手段】半導体レーザチップ２１と、半導体レーザチップ２１の活性層に近い表面と対向して接続する基台２３と、基台２３と半導体レーザチップ２１との間に挟まれたハンダ接続層２４とを具備し、半導体レーザチップ２１は、基台２３と反対方向に凸状の曲率半径ｒで光軸方向に反っている構成からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、書き換え可能な光ディスクや高速大容量の光通信などに用いる高性能な光半導体装置に関する。

高度情報化社会を迎えて、インターネットに代表される通信手段には、高速で大容量の光通信技術が要望され、通信などで得た大容量の情報の記憶手段として、より一層の高速で大容量の書き換え可能な光ディスク技術が要望されている。このような状況の中で、光通信技術や光ディスク技術のキーデバイスとなる半導体レーザなどの光半導体装置は、さらに高性能・高機能・高信頼性を要求される。

この光半導体装置の高性能化を行うための主要な技術として、半導体レーザチップを基台に接続する技術がある。例として図７に従来の光半導体装置の構成例について示す。

図７は光通信の光源として使用される光半導体装置１０の要部を表したものである。光半導体装置１０は、分布帰還型の半導体レーザチップ１の活性層２の存在する側の表面４をＳｉ基板３上に形成されたＳｉＯ₂膜５に向けた形で配置されている。なお、半導体レーザチップ１はＳｉＯ₂膜５の上に形成された電極パタン６の上にＡｕＳｎからなるハンダ層７で固定されている。活性層２の両側は切り欠かれており、メサ部８となっている。ハンダ層７は活性層２を含んだメサ部８の直下の部分を避ける形で充填されている。したがって、両側のハンダ層７の間には空隙部９が存在している。

このように構成された光半導体装置１０は、ハンダ層７が凝固した状態においては、半導体レーザチップ１とＳｉ基板３との間の熱膨張係数の違いによって歪みや残留応力が発生する。しかしながら、活性層２の付近にはハンダ層７が存在しておらず、かつ活性層２の両端にメサ部８が配置されている。したがって、ハンダ層７が直接接触していないので、活性層２の歪みや残留応力による影響を大幅に減少させることができる。この結果、分布帰還型の光半導体装置１０は安定した発振波長の単一モードによる動作が可能となる（例えば、特許文献１参照）。

また、同様に活性層に近い半導体レーザチップ表面の真下にハンダのない空洞の領域を設けて、メサ部のない半導体レーザチップをＳｉ基板などの光実装基板にハンダ接続した例がある（例えば、特許文献２参照）。光半導体素子と実装基板との熱膨張係数の違いにより、ハンダ接続後の光半導体素子の活性層などに内部応力が残留するが、空洞の領域を設けることにより内部応力による活性層に形成された回折格子の特性の不安定性を低減して安定な発振特性が得られている。

さらに残留応力の低減と光半導体素子の高温動作特性の改善を図るために、半導体レーザチップへのハンダ接続領域が複数本平行に作成されている。すなわち、半導体レーザチップはメサ部の直下のサブマウント部分に溝を設けて、メサ部に反ってストライプ上にハンダ接続され、メサ部の両側はハンダの実装がされていない空間として残留応力を低減するのに働く。そのうえ、半導体レーザチップのメサ部から離れた領域は上記の溝と平行に高融点ハンダで接続して、電気的な接続と放熱性とを確保している（例えば、特許文献３参照）。
特開２００２−３１４１８４号公報 特開平１１−８７８４９号公報 特開２００３−２３２００号公報

しかしながら、上記の残留応力対策はいずれも半導体レーザチップの共振器端面に平行な方向に行われており、光半導体装置がより高性能・高信頼性を確保するためには半導体レーザチップの共振器の方向にも残留応力対策を行わなければならないという課題があった。また高出力化のニーズに伴い、半導体レーザチップの長共振器長化が必要なためチップ長さが長くなる。具体的には、この半導体レーザチップの共振器方向の残留応力が望ましい方向にかかるように制御しないと、例えば、光ディスク用高出力半導体レーザの場合では、光ディスク用半導体レーザの主要な特性の一つである偏光比がロット内の個々のデバイスでばらつく、あるいは、バーンイン初期での動作電流値の変化がロット内の個々のデバイスでばらつくなどの課題を有していた。

上記目的を達成するために、本発明の光半導体装置は、半導体レーザチップと、上記半導体レーザチップの活性層に近い表面と対向して接続する基台と、上記基台と上記半導体レーザチップとの間に挟まれたハンダ接続層とを具備し、上記半導体レーザチップは、上記基台と反対方向に凸状の曲率半径で光軸方向に反っている構成からなる。

また、半導体レーザチップの曲率半径が２５０ｍｍ以上２２５００ｍｍ以下である構成としてもよい。

これらの構成により、半導体レーザチップにかかる残留応力が一定の方向に一定の範囲内でかかることになり、半導体レーザのロット内での初期特性の均一性やバーンイン初期での動作電流値の変化の均一性がさらに向上することができる。

また、ハンダ接続層は、少なくともＡｕおよびＳｎで構成されるものとしてもよい。

また、ハンダ接続層は、共振器の方向において、Ａｕに対してＳｎを含有する割合が、中央部が端面部より多く、かつ中央部でＳｎはＡｕよりも多く含有される構成としてもよい。

これらの構成により、ハンダ接続でのハンダ温度を降下させるときに半導体レーザチップの中央部の下にあるハンダの融点が、端面部の下にあるハンダの融点より低くなる。したがって、ハンダ温度が降下するときに融点の高い端面部の下にあるハンダがまず固化して、半導体レーザチップの基台と反対方向に凸状となる形状をさらに確実に決定することができる。

また、基台上の半導体レーザチップと接続する領域の少なくとも中央部にＳｎの多いＳｎリッチ領域を形成した構成としてもよい。

また、Ｓｎリッチ領域は、Ｓｎハンダ層の厚さが厚い領域を形成して構成するものとしてもよい。

また、Ｓｎリッチ領域は、 基台に設けた凹部にＳｎを溜めることにより構成するものとしてもよい。

これらの構成により、Ｓｎリッチ領域が中央部に必然的に形成されて、半導体レーザチップの基台と反対方向に凸状となる形状をさらに確実に決定することができる。

また、基台はＳｉ基板で構成されているものとしてもよい。

また、Ｓｉ基板上に少なくとも受光素子または回路素子が構成されているものとしてもよい。

これらの構成により、半導体レーザチップに受光素子や光学素子および回路素子を高密度に集積した、さらに高性能・高機能の光半導体装置を実現することができる。

また、基台は、高放熱の金属材料または半導体材料からなる構成としてもよい。この構成により、さらに放熱性や温度特性がよく、高信頼性の光半導体装置が実現できる。

本発明の光半導体装置は、半導体レーザチップの共振器の方向がハンダ接続している基台と反対方向に凸状の曲率半径で反っている構成からなり、この構成により、半導体レーザチップにかかる残留応力が望ましい方向に一定の範囲内でかかるようにして、半導体レーザのロット内での初期特性の均一性やバーンイン初期での動作電流値の変化の均一性をさらに向上させることができる。その結果、光通信技術や光ディスク技術のキーデバイスとして、高性能・高機能・高信頼性の光半導体装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態にかかる光半導体装置について、図面を参照しながら説明する。なお、図面で同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合もある。

（第１の実施の形態）
図１から図３は本発明の第１の実施の形態を示す図である。図１に本発明の第１の実施の形態の光半導体装置２０の概略構成図を示す。図１（ａ）は本実施の形態の光半導体装置２０の実装状態を上から見た概略構成図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線の断面から光半導体装置２０の実装状態を見た概略断面図を示す。

図１（ａ）において、半導体レーザチップ２１がレーザ光２２を出射する活性層に近い表面を下にして、対向する導電性の基台（以下、サブマウントという）２３上に予め形成されたハンダ層２４によりサブマウント２３に接続されている。なお、サブマウント２３はパッケージ（図示していない）の一部の金属基台２５にハンダ接続されている。

また、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線の断面から光半導体装置２０の構成を見た概略断面図である。なお、レーザ光２２を出射する方向が半導体レーザチップ２１の共振器の方向となり、レーザ光を伝播する光軸方向となっている。図１（ｂ）において、半導体レーザチップ２１は、光軸方向がサブマウント２３に接続された方向と反対方向に凸状の曲率半径ｒで反っている。すなわち、図１（ｂ）において凸状の曲率半径ｒで反った半導体レーザチップ２１は、サブマウント２３にハンダ層２４により接続されている。ここで半導体レーザチップ２１とサブマウント２３との間の隙間は、半導体レーザチップ２１が凸状に反るために光軸方向で不均一となる。したがって、ハンダ層２４は共振器の中央で厚く共振器の両端で薄くなるように上記の隙間を埋めて、半導体レーザチップ２１とサブマウント２３とがハンダ層２４により接続される。さらに、サブマウント２３は金属基台に対する接着面２６に予め蒸着されたハンダ層（図示していない）によって金属基台２５に接着されている。

このように本実施の形態の光半導体装置２０においては、図１（ｂ）に示すように半導体レーザチップ２１の中央部２７ｂが凸となり、半導体レーザチップ２１の後端面部２７ａと前端面部２７ｃを結んだ線よりも距離Δｂだけ反っている。すなわち、半導体レーザチップ２１は曲率半径ｒ、角度θを見込んだ弧として凸状に反っている。このように凸状に沿った状態にすると、これと逆の凹状に沿った状態と比較して、初期特性の均一性やバーンイン初期での動作電流値の変化の均一性がよくなる。すなわち、ロット内でも初期特性のばらつきが小さくなり、初期特性の平均値も光半導体装置の性能および信頼性の上で好ましいものとなる。

例えば、半導体レーザチップ２１に波長６５０ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いた赤色レーザについて製作し、初期特性と信頼性について確認した。最大パルス光出力が３００ｍＷまで出力可能な半導体レーザチップ２１を用いた。この半導体レーザチップ２１は共振器長１５００μｍ、幅３００μｍ、厚さ１１０μｍの形状を持ち、反り量を表す距離（以下、反り量とする）Δｂは、１ロット（ｎ＝１５）の平均値で０．５μｍ、最大値で１．０μｍであった。このΔｂが最大値の１．０μｍのときの曲率半径ｒは２８１ｍｍであった。また、反り量が平均値で０．３μｍの別のロットは、特に初期特性の平均値が良好で、初期特性のばらつきが少なかった。したがって、曲率半径ｒは０．３μｍの反り量に相当する９００ｍｍ以上にすることが望ましい。

なお、反り量については、レーザ光による光の干渉縞を観測して解析することにより数値を算出している。このときの測定限界は０．０５μｍであるので、共振器長１５００μｍの半導体レーザチップが凸状の反りを持つ曲率半径の上限は６０００ｍｍである。ただし、この曲率半径の上限は半導体レーザチップの共振器長が長くなれば大きくなる。したがって、共振器長３０００μｍの半導体レーザチップが凸状の反りを持つ曲率半径の上限は２２５００ｍｍとなる。ここで従来は共振器長９００μｍであったものが、より高出力化のニーズに伴い、半導体レーザチップの長共振器長化が必要なためチップ長さが長くなり反り課題が顕在化してきている。

また、ハンダ層２４はＡｕとＳｎの材料からできており、共振器の方向で中央部が４．８μｍ、両端部が３．８μｍの厚さとなっていた。このハンダ層２４は半導体レーザチップ２１にメッキしているＡｕメッキとサブマウント２３のレーザ接続面に予めパターニングしているＳｎハンダ層が溶融して形成されたものである。

なお、上記の波長６５０ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いた赤色レーザについて、さらに実験を追加して確認したところ、凹状に反ると初期特性、例えば、偏光比のばらつきが大きくなり過ぎて量産性に影響があることがわかった。また、この凹状に反った半導体レーザチップ２１を組み立てて、バーンインを行った結果、初期の動作電流値の平均値や動作電流値の初期からの変化量が、凸状に反った半導体レーザチップ２１よりも大きくなることがわかった。

さらに、凸状に反っていても曲率半径ｒが２５０ｍｍ以下になると、応力による負荷が大きくなり過ぎ、初期特性で動作電流値の平均値が曲率半径ｒが２５０ｍｍ以上のものに比べて大きくなることが判った。この動作電流値の平均値が大きくなることは、光ピックアップに搭載するときに発熱量が大きくなり、温度上昇が大きくなるなど好ましくない。

以上説明したように、半導体レーザチップ２１にかかる残留応力が一定の方向に一定の範囲内でかかり、その結果、半導体レーザチップ２１は図１（ｂ）で示すように凸状に反ることにより、半導体レーザのロット内での初期特性の均一性やバーンイン初期での動作電流値の変化の均一性をさらに向上することができる。この理由についての詳細は明確でないが、半導体レーザチップ２１の表面のうち、活性層に近い表面が収縮することにより共振器の方向のゲインなどのばらつきが抑制されて均一性が向上するものと推定される。

また、半導体レーザチップ２１が図１（ｂ）に示すように凸状に反るような組立方法を示す。図１（ｂ）の半導体レーザチップ２１をサブマウント２３にハンダ付けするときに、加熱した真空ピンセットで半導体レーザチップ２１を掴んでサブマウント２３に押し付ける。このときにサブマウント２３の下部からも過熱してハンダ層２４を溶かしてハンダ付けを行う。ハンダを一旦溶融したのちに、ハンダを固めるために温度を降下するときにサブマウント２３の下部からの過熱を止めて冷却するが、この冷却の過程で半導体レーザチップ２１のハンダ層２４に接触している表面の方が、反対側の表面よりも早く冷えるために凸状に反ることとなると考えられる。なお、このときにサブマウント材料は半導体レーザチップを構成する材料よりも熱膨張係数が小さい材料が望ましい。サブマウント材料の方が熱膨張係数が大きいと、ハンダ層が融点から冷却していくときにより大きく縮んで、半導体レーザチップが凸状になる効果を少なくするからである。したがって、サブマウント材料は本実施の形態で用いたＳｉ材料以外に、例えば、ＳｉＣやＡｌＮなどの高放熱材料で熱膨張係数が半導体レーザを構成する材料よりも小さい材料を用いることが望ましい。

さらに、本実施の形態においてハンダ層２４は少なくともＡｕおよびＳｎで構成されている。図２は半導体レーザチップ２１の中央部２７ｂが凸となった形状で半導体レーザチップ２１がサブマウント２３にハンダ層２４で接続されている状態を示している。ハンダ層２４を一旦溶融したのちに、冷却してハンダ層２４を固める過程で半導体レーザチップ２１は中央部２７ｂが凸になり、後端面部２７ａと前端面部２７ｃはサブマウント２３に近くなり、ハンダ層２４を中央部のほうに押しやると考えられる。すなわち、ハンダ層２４中の溶融したＳｎを中央部に押しやることとなる。その結果、ハンダ層２４中の中央領域２４ｂにおけるＡｕに対してＳｎを含有する割合が、ハンダ層２４中の後端面領域２４ａおよび前端面領域２４ｃにおけるＡｕに対してＳｎを含有する割合よりも多くなると考えられる。さらに中央領域２４ｂにおいて、ハンダ層２４中のＡｕに対してＳｎを含有する割合が多くなると考えられる。このようなハンダ層２４中のＳｎとＡｕの割合は、図２に示す断面のハンダ層２４について、３素子をＸ線マイクロアナリシス（以下、ＸＭＡとする）で分析したところ上記で説明した傾向が３素子共に見られた。

ところで、ハンダ接続による応力を緩和するためには融点の低いハンダを用いるのがよい。図３にＡｕとＳｎからなるハンダの相図を示す。図３よりＡｕがＳｎより多く含有される、すなわち、Ａｕの含有の割合が５０％を超えると、ＡｕとＳｎからなるハンダは２８０℃のＡｕリッチな共晶ハンダの組成で固体化する。しかしながら、Ｓｎハンダを図３のＳｎの融点である２３２℃まで昇温して冷却してやると、１０％程度の半導体レーザチップ２１にメッキされたＡｕが溶け出すだけで、図３の２１７℃の共晶点で固体化する。このように２１７℃程度の低温でハンダ接続を行うと室温近辺の温度との温度差を小さくすることができるので、ハンダ接続による残留応力を緩和することができる。

なお、これらの構成により、ハンダ接続でのハンダ温度を降下させるときに半導体レーザチップ２１の中央部の下にある中央領域２４ｂのハンダの融点が、後端面領域２４ａおよび前端面領域２４ｃのハンダの融点より低くなる。したがって、ハンダ温度が降下するときに融点の高い後端面領域２４ａおよび前端面領域２４ｃのハンダがまず固体化して、半導体レーザチップ２１のサブマウント２３と反対方向に凸となる形状をさらに確実に決定することができる。

（第２の実施の形態）
図4に本発明の第２の実施の形態の光半導体装置におけるハンダ接続の概略構成図を示す。図４（ａ）は本実施の形態の光半導体装置においてサブマウントのハンダメッキ層に工夫をしてハンダ接続する場合の概略構成図、（ｂ）はサブマウント表面にＳｎ溜りを形成してハンダ接続する場合の概略構成図を示す。

図４（ａ）においてサブマウント３１のハンダ接着面３２にＳｎのハンダ層３３の厚さを変えて形成している。図４（ａ）はハンダ付けをする前の昇温前の状態を示している。

このハンダ層３３の上に半導体レーザチップ３４を配置して、温度を上げてハンダ層３３を溶かしたのち、図２に示すようにハンダ接続層２４を形成する。図４より明らかなように、温度を上げて溶かす前のハンダ層３３は半導体レーザチップ３４の下の中央凸部３５ａとその両隣設凸部３５ｂ，３５ｃを通常より厚く形成している。このようにすることで、ハンダ層３３全体の組成をＳｎリッチのＡｕＳｎハンダにすることに加えて、図２で説明したように、半導体レーザチップ３４の下のハンダ接続部の中央部のＡｕＳｎハンダをさらにＳｎリッチにすることができる。このようにハンダ接続層のＡｕＳｎ組成をＳｎリッチにすることで、図２で説明したハンダ層２４を実現することができる。

また、図４（ｂ）に示すようにサブマウント３８のハンダ接着面３９に凹部を設けてＳｎ溜りを構成することにより、図２で説明したハンダ層２４を実現することができる。図４（ｂ）はハンダ付けをする前の昇温前の状態を示している。すなわち、図４（ｂ）において、半導体レーザチップ３４の下の中央部にＳｎ溜り３７ａを、その両隣にＳｎ溜り３７ｂ，３７ｃをサブマウント３８のハンダ接着面３９に形成して、さらにサブマウント３８のハンダ接着面３９全体にＳｎのハンダ層４０を形成している。

このような構成にしたサブマウント３８上に半導体レーザチップ３４を配置して昇温すると溶融したＳｎのハンダ層４０に半導体レーザチップ３４にメッキされたＡｕ（図示していない）がハンダ層４０に溶け出すが、Ｓｎ溜り３７ａ，３７ｂ，３７ｃがある領域はＳｎが過剰に供給されるためＳｎリッチのハンダ組成となる。このようにして、図４（ａ）に示した例と同様に、図２で説明した半導体レーザチップ３４の共振器方向でＳｎの組成の異なるＳｎリッチのハンダ層２４を実現することができる。

これらの構成により、図２で示すハンダ層２４が実現される結果、半導体レーザチップ２１のサブマウント２３と反対方向に凸状となる形状がさらに確実に実現することができる。このようにすると、半導体レーザチップ２１にかかる残留応力が一定の方向に一定の範囲内でかかることになり、半導体レーザのロット内での初期特性の均一性やバーンイン初期での動作電流値の変化の均一性がさらに向上することができる。

図５に図４（ａ）の構成でサブマウント３１に半導体レーザチップ３４をハンダ付けしたものを金属製パッケージに組み立てた例について示す。図５（ａ）は半導体レーザ４１のキャップ（図示していない）を外した状態で内部構造を示した模式図、（ｂ）は（ａ）の矢印の方向から見た内部構造の模式図を示す。

図５（ａ）で半導体レーザ４１がキャップ（図示していない）を外して、内部の組立構造がわかるように示されている。サブマウント３１と反対の方向に凸状に反った半導体レーザチップ３４がサブマウント３１上に搭載され、このサブマウント３１は、さらに金属ブロック４２上に低温ハンダでハンダ付けされている。金属ブロック４２は金属製パッケージ４３と一体化されている。金属製パッケージ４３には、電極端子４４ａ、４４ｂ、４４ｃが一体化して取り付けてある。電極端子４４ｂと金属製パッケージ４３とは電気的に導通しており、電極端子４４ｂは半導体レーザ４１のグランド端子となっている。また、電極端子４４ａは半導体レーザ４１に電流注入をする端子で、グランド端子に対して正電圧が印加される。なお、この電流注入を行う電極端子４４ａは、導電性ワイヤ４５で半導体レーザチップ３４と接続されている。

図５（ｂ）は図５（ａ）を矢印の方向から見た模式図である。半導体レーザチップ３４はサブマウント３１と反対の方向に凸状に反って組み立てられている。なお、電極端子４４は表示を省略している。

電極端子４４ａ、４４ｂを電源に接続して電流注入を行うと、半導体レーザ４１は、波長６５０ｎｍ帯のパルス光出力２５０ｍＷのレーザ光４６を出力した。半導体レーザチップ３１にかかる残留応力が一定の方向に一定の範囲内でかかるので、半導体レーザのロット内での初期特性の均一性やバーンイン初期での動作電流値の変化の均一性がよい半導体レーザ４１が得られた。

（第３の実施の形態）
図６に本発明の第３の実施の形態の光半導体装置におけるハンダ接続の概略構成図を示す。図６（ａ）は本実施の形態の光半導体装置のパッケージ上部に相当するキャップ（図示していない）を外して、半導体レーザチップが基台にハンダ接続された状態を示す模式図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線の断面から見た半導体レーザチップと基台がハンダ接続された状態の断面図を示す。

図６（ａ）に示す光半導体装置５０は、半導体レーザチップ５１、受光素子５２、受光信号の処理回路（図示していない）、反射ミラー５３や回折格子（図示していない）からなる光集積装置である。すなわち、受光素子５２と信号処理回路（図示していない）をＳｉ基板上に作りつけた受光素子チップ５４上に半導体レーザチップ５１をハンダ接続している。このように半導体レーザチップ５１を取り付けた受光素子チップ５４をパッケージ５５の金属基台５６に導電性ペーストで接着する。

光半導体装置５０はパッケージ５５の電極端子５７により電流注入をすることにより、パッケージ５５および受光素子チップ５４と導電性ワイヤで接続された半導体レーザチップ５１は駆動されて、レーザ光（図示していない）を出射する。このレーザ光は、受光素子チップ５４の表面に平行に出射し、受光素子チップ５４に作りつけられた反射ミラー５３の反射点５８で反射し、垂直上方に出射する。光半導体装置５０から出射したレーザ光は、光ディスク上の信号を読み取ったのちに光半導体装置５０に戻り、パッケージ５５に接着されたパッケージ上部の回折格子（図示していない）で分岐されて受光素子５１で受光される。受光した信号は増幅され、かつ、演算がなされて後段の回路の入力信号として伝達される。

図６（ｂ）に上記の光半導体装置５０のＢ−Ｂ線の方向から見た半導体レーザチップ５１のハンダ接続構造の要部断面図を示す。図６（ｂ）に示すように半導体レーザチップ５１の中央部５９ｂが凸となった形状で、半導体レーザチップ５１は受光素子チップ５４である基台にハンダ層６０で接続されている状態を示している。ハンダ層６０を一旦溶融したのちに、冷却してハンダ層６０を固める過程で半導体レーザチップ５１が中央部５９ｂが凸になり、後端面部５９ａと前端面部５９ｃは受光素子チップ５４に近くなり、ハンダ層６０を中央部のほうに押しやると考えられる。すなわち、ハンダ層６０中の溶融したＳｎを中央部に押しやることとなる。その結果、ハンダ層６０中の中央領域６０ｂにおけるＡｕに対してＳｎを含有する割合が、ハンダ層６０中の後端面領域６０ａおよび前端面領域６０ｃにおけるＡｕに対してＳｎを含有する割合よりも多くなると考えられる。さらに中央領域６０ｂにおいて、ハンダ層６０中のＡｕに対してＳｎを含有する割合が多くなると考えられる。このようなハンダ層６０中のＳｎとＡｕの割合は、図２に示す断面のハンダ層６０について、３素子をＸ線マイクロアナリシス（以下、ＸＭＡとする）で分析したところ上記で説明した傾向が３素子共に見られた。

さらに、電源接続用電極端子５７を電源に接続して電流注入を行うと、光半導体装置５０は、波長６５０ｎｍ帯のパルス光出力３００ｍＷのレーザ光６１を出力した。半導体レーザチップ５１にかかる残留応力が一定の方向に一定の範囲内でかかるので、半導体レーザのロット内での初期特性の均一性やバーンイン初期での動作電流値の変化の均一性がよい光半導体装置５０が得られた。

なお、本実施の形態において、高出力半導体レーザは、波長７８０ｎｍ帯のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザや波長６５０ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザを用いて説明したが、書き換え型光ディスクに用いることができる高出力半導体レーザであれば、青色レーザや紫外光レーザを用いてもよい。また、２波長レーザや３波長レーザ等の多波長レーザを用いてもよく、半導体レーザチップもモノリシックに形成されていても、ハイブリッドに複数のチップが実装されていてもよい。

本発明は、半導体レーザチップにかかる残留応力が望ましい方向に一定の範囲内でかかるようにして、半導体レーザの性能・信頼性を向上させ、量産性を高めた光半導体装置を提供するものであり、光通信および光ディスクの機器やシステム等に有用である。

本発明の第１の実施の形態における光半導体装置を示す概略構成図で、（ａ）は光半導体装置の実装状態を上から見た概略構成図、（ｂ）はＡ−Ａ線の断面から光半導体装置の実装状態を見た概略断面図 本発明の第１の実施の形態における凸状の半導体レーザチップの実装状態を示す模式図 ＡｕとＳｎからなるハンダの相図 本発明の第２の実施の形態における光半導体装置のハンダ接続の概略構成図で、（ａ）はサブマウントのハンダメッキ層に工夫をした場合の概略構成図、（ｂ）はサブマウント表面にＳｎ溜りを形成した場合の概略構成図 本発明の第２の実施の形態において金属製パッケージに組み立てた光半導体装置を示す概略構成図で、（ａ）は内部の主要構造を示した模式図、（ｂ）は（ａ）の矢印の方向から見た内部の主要構造の模式図 本発明の第３の実施の形態における光半導体装置を示す概略構成図で、（ａ）は内部の主要構造を示した模式図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線の断面から見た内部の主要構造の概略断面図 従来の光半導体装置の概略構成図

符号の説明

１，２１，３４，５１ 半導体レーザチップ
２ 活性層
３ Ｓｉ基板
４ 表面
５ ＳｉＯ₂膜
６ 電極パタン
７，２４，３３，４０，６０ ハンダ層
８ メサ部
９ 空隙部
１０，２０，５０ 光半導体装置
２２，４６ レーザ光
２３，３１，３８ サブマウント
２４ａ，６０ａ （ハンダ層中の）後端面領域
２４ｂ，６０ｂ （ハンダ層中の）中央領域
２４ｃ，６０ｃ （ハンダ層中の）前端面領域
２５，５６ 金属基台
２６ 接着面
２７ａ，５９ａ （半導体レーザチップの）後端面部
２７ｂ，５９ｂ （半導体レーザチップの）中央部
２７ｃ，５９ｃ （半導体レーザチップの）前端面部
３２，３９ ハンダ接着面
３５ａ （ハンダ層の）中央凸部
３５ｂ，３５ｃ （ハンダ層の）隣設凸部
３７ａ，３７ｂ，３７ｃ Ｓｎ溜り
４１ 半導体レーザ
４２ 金属ブロック
４３ 金属製パッケージ
４４，４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，５７ 電極端子
４５ 導電性ワイヤ
５２ 受光素子
５３ 反射ミラー
５４ 受光素子チップ
５５ パッケージ
５８ 反射点
ｒ 曲率半径
θ 角度
Δｂ 反り量

Claims (13)

1. 発光素子と、
   前記発光素子が接続する基台と、
   前記基台と前記発光素子との間に挟まれた接続層とを具備し、
   前記発光素子は長方形で、前記基台と反対方向に凸状に反っており、中央は接続層が厚く、端部は接続層が中央より薄くなることを特徴とする光半導体装置。
2. 半導体レーザチップと、
   前記半導体レーザチップが接続する基台と、
   前記基台と前記半導体レーザチップとの間に挟まれたハンダ接続層とを具備し、
   前記半導体レーザチップは、前記基台と反対方向に凸状の曲率半径で光軸方向に反っていることを特徴とする光半導体装置。
3. 前記発光素子である半導体レーザチップと基台との接続構成は、半導体レーザチップの接続面は活性層に近い表面と対向していることを特徴とする請求項１または２に記載の光半導体装置。
4. 前記半導体レーザチップの曲率半径が２５０ｍｍ以上２２５００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から３の何れか１つに記載の光半導体装置。
5. 前記ハンダ接続層は、少なくともＡｕおよびＳｎで構成されることを特徴とする請求項１から３の何れか１つに記載の光半導体装置。
6. 前記ハンダ接続層は、前記共振器の方向において、Ａｕに対してＳｎを含有する割合が、中央部が端面部より多く、かつ中央部でＳｎはＡｕよりも多く含有されることを特徴とする請求項５に記載の光半導体装置。
7. 前記ハンダはＡｕに対してＳｎを含有する割合が、重量比Ａｕ：Ｓｎが１：１以上でＳｎがＡｕよりも多く含有されることを特徴とする請求項６に記載の光半導体装置。
8. 前記基台上の前記半導体レーザチップと接続する領域の少なくとも中央部にＳｎの多いＳｎリッチ領域を形成したことを特徴とする請求項５から７の何れか１つに記載の光半導体装置。
9. 前記Ｓｎリッチ領域は、Ｓｎハンダ層の厚さが厚い領域を形成して構成することを特徴とする請求項５に記載の光半導体装置。
10. 前記Ｓｎリッチ領域は、 基台に設けた凹部にＳｎを溜めることにより構成することを特徴とする請求項５に記載の光半導体装置。
11. 前記基台はＳｉ基板で構成されていることを特徴とする請求項１から５の何れか１つに記載の光半導体装置。
12. 前記Ｓｉ基板上に少なくとも受光素子または回路素子または反射鏡が構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の光半導体装置。
13. 前記基台は、高放熱の金属材料または半導体材料からなることを特徴とする請求項１から５の何れか１つに記載の光半導体装置。

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