JP2007273574A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子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、発光素子の性能・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】発光素子、例えば、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、端面近傍のハンダ接続層２４と対向する面上に一対の突起部２８ａ、２８ｂを有し、基台２３と反対側に凸状の曲率半径Ｒ１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、発光素子である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８に従来の光半導体装置の構成例について示す。

図８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、両側のハンダ接続層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、ハンダ接続層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の付近にはハンダ接続層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、ハンダ接続層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、分布帰還型の半導体レーザチップからなる光半導体装置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た構成例もある。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、メサ部に沿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、すなわち、光軸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。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。さらに、残留応力対策に加えて高放熱性を備えた接続構造を実現しないと、例えば、光ディスク用高出力半導体レーザの場合では、初期特性のばらつきなどが十分抑制できないという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、発光素子が基台に接続されるときに高放熱の接続構造を備え、発光素子の共振器端面に平行な方向だけでなく、これと垂直な光軸方向にも残留応力対策が施された光半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の光半導体装置は、発光素子と、上記発光素子が接続される基台と、上記基台と上記発光素子との間に挟まれた接続層とを具備し、上記発光素子は略直方体形状で長辺方向に沿って共振器を構成し、上記共振器の端面近傍の上記接続層と対向する面上に一対の突起部を有し、上記基台と反対側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、基台は、発光素子の活性層に近い表面と対向して発光素子と接続される構成としてもよい。

また、発光素子の曲率半径が２５０ｍｍ以上である構成としてもよい。

これらの構成により、発光素子の活性層で発生した熱は高放熱で拡散し、かつ、発光素子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ように制御されて、発光素子のロット内での初期特性やバーンイン初期での動作電流値の変化に関して、さらに均一性を向上することができる。

また、接続層はハンダ接続層である構成としてもよい。

また、接続層の厚さは、前記共振器の中央部は厚く、前記共振器の端面近傍は中央部より薄い構成としてもよい。

これらの構成により、発光素子は接続層を通じて活性層で発生した熱をさらに高放熱で基台側に拡散することができる。そのうえ、発光素子は、接続層の厚さが共振器の中央部は厚くなるために、基台と反対側に凸状の曲率半径で光軸方向に反っている形状をさらに再現性よく実現することができる。

また、突起部は、端面に沿って帯状に形成されている構成としてもよい。

また、突起部は、発光素子の基板を加工して形成されている構成としてもよい。

また、突起部は、発光素子を構成する材料と同等以上の高さの熱伝導率を有する材料で構成してもよい。

これらの構成により、発光素子をハンダ接続するときのハンダ融点からの温度降下時に発光素子を掴んだコレットが突起部より発光素子を冷却することにより、発光素子は、さらに再現性よく基台と反対側に凸状の曲率半径で光軸方向に反っている形状を実現することができる。

また、発光素子は、半導体レーザチップまたは端面発光型発光ダイオードチップである構成としてもよい。

この構成により、発光素子の中で活性層に電流と光が集中することにより活性層が残留応力の影響を受けやすい半導体レーザチップや端面発光型発光ダイオードチップは、ロット内での初期特性やバーンイン初期での動作電流値の変化に関して、さらに均一性を向上することができる。

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、回路素子または反射ミラー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回路素子および反射ミラーなどの光学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、発光素子の光軸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、発光素子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、発光素子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4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、発光素子、例えば、半導体レーザチップ２１が、出力光、例えば、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接続層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。半導体レーザチップ２１は、図１（ａ）、（ｂ）に示されるように略直方体形状をしており、よく知られているように長辺方向に沿って共振器を構成し、共振器の両端の一対の端面２９ａ、２９ｂは共振器の反射ミラーとなっている。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の共振器の方向であり、レーザ光を伝播する光軸方向となっている。さらに、半導体レーザチップ２１は、共振器の端面近傍のハンダ接続層２４と対向する面状に一対の突起部２８ａ、２８ｂを備えている。この突起部２８ ａ、２８ｂは端面２９ａ、２９ｂに沿って帯状に形成されている。

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Ｒ１で反っている。すなわち、図１（ｂ）において凸状の曲率半径Ｒ１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ΔＢ１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Ｒ１、角度Θ１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１５００ミクロン、幅３００ミクロン、厚さ１１０ミクロンの形状を持ち、一対の突起部２８ａ、２８ｂはＡｕをメッキして形成されており、その形状は、それぞれ長さ１００ミクロン、幅３００ミクロン、厚さ５ミクロンである。

図２は、半導体レーザチップ２１の反りと信頼性に大きな影響を及ぼ初期の動作電流値の関係を示している。反り量を表す距離（以下、反り量とする）ΔＢ１は、１ロット（ｎ＝１５）の平均値で０．５ミクロン、最大値で１．０ミクロンであり、半導体レーザチップ２１は基台と反対側に凸状の曲率半径で光軸方向に反っていた。このΔＢ１が最大値の１．０ミクロンのときの曲率半径Ｒ１は２８１ｍｍであった。また、反り量が平均値で０．３ミクロンの別のロットは、特に初期特性の平均値が良好な低い値で、かつ、ばらつきが少ないことを示している。したがって、曲率半径Ｒ１は０．３ミクロン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０．０５ミクロンであるので、共振器長１５００ミクロン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３０００ミクロン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。

さらに、反り量については、半導体レーザチップ２１を切断してその断面の形状から測定したところ、０．０２ミクロンの反り量でも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ことが確認できた。したがって、共振器長３０００ミクロン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５６２５０ｍｍとなる。これらの結果より、半導体レーザチップ２１は曲率半径２８０ｍｍ以上５６２５０ｍｍ以下で凸状の弧として反っていることが望ましい。さらに図２においては、反りが凸であっても曲率半径が281ｍｍを下回る状態では初期の動作でんりゅうが増大する。また、反りが凹状になった場合は一気に初期の動作電流が増大して、信頼性への悪影響が懸念される状態になっていることを示している。

また、ハンダ接続層２４は、例えば、ＡｕとＳｎの材料からなるものを使用すると、共振器の方向で中央部が４．８ミクロン、両端部が３．８ミクロンの厚さとなっていた。このハンダ接続層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Ｒ１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は曲率半径Ｒ１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圧縮性の応力を受けることにより、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の一例を以下に示す。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、例えば、平コレット（図示していない）で半導体レーザチップ２１の全体を掴んでサブマウント２３に押し付ける。この場合、半導体レーザチップ２１は一対の突起部２８ａ、２９ｂが平コレットと接触しており、中央部２７ｂは接触していない。したがって、平コレットの熱は突起部２８ａ、２８ｂを介して半導体レーザチップ２１に伝達される。

次に平コレットを加熱し、同時にサブマウント２３の下部からも加熱して半導体レーザチップ２１の全体を加熱し、同時にハンダを溶かしハンダ付けを行う。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、平コレットとサブマウント２３の下部からの加熱を止めて室温近辺まで自然に冷却する。この冷却の過程で半導体レーザチップ２１の熱は、ハンダ接続層２４を介してサブマウント２３に逃げるものと、突起部２８ａ、２８ｂを介して平コレットへ逃げるものと、２つの経路から逃げていく。このときに、半導体レーザチップ２１のハンダ接続層２４と接触した面の前端面部２７ｃと後端面部２７ａとは、片側は空気の領域であるので中央部２７ｂに比べてやや早く冷却される。さらに、この間に、平コレットは突起部２８ａ、２８ｂを介して半導体レーザチップ２１をサブマウント２３に押し付けているので両端面２９ａ、２９ｂの近傍のハンダが固まりやすくなり、この部分から固体化していく。ハンダが固体化すると同時に収縮するので、半導体レーザチップ２１の両端面２９ａ、２９ｂの近傍が固体化および収縮により、サブマウント２３側に引っ張られる。その結果、半導体レーザチップ２１はハンダ接続層２４と反対側に凸状に反ることとなると考えられる。

一方、半導体レーザチップ２１のハンダ接続層２４と対向する面では、平コレットを介して半導体レーザチップ２１の熱が逃げていくので、突起部２８ａ、２８ｂの近辺が先に冷却し、中央部２７ｂは冷却するのが後になり温度がやや高くなる。その結果、突起部２８ａ、２８ｂのある前端面部２７ｃと後端面部２７ａに比べて中央部２７ｂの熱膨張が大きくなり、ハンダ接続層２４と反対側に凸状に反ることとなると考えられる。

このように、ハンダ接続層２４と反対側に凸状に反った状態でハンダ接続層２４の中の溶融したハンダは両端から中へ、すなわち、前端面部２７ｃと後端面部２７ａのハンダから先に固体化し、中央部２７ｂのハンダは最後に固化するものと考えられる。
以上のようにハンダ接続層２４が固体化すると図１（ｂ）に示すようにハンダ接続層２４自体が半導体レーザチップ２４のある方向に凸の形状となり、半導体レーザチップ２１を含めて全体が室温近辺まで冷えた後もハンダ接続層２４の凸の形状は保たれることとなり、半導体レーザチップ２１もハンダ接続層２４と反対側に凸状に反ると考えられる。

このようにハンダ接続層２４のハンダが半導体レーザチップ２１の端面２９ａ、２９ｂの近傍の前端面部２７ｃと後端面部２７ａから中央部２７ｂに固体化していく過程は、ＡｕとＳｎからなるハンダ接続層２４を用いた場合は、特に顕著である。例えば、サブマウント２３の半導体レーザチップ２１側の表面にＳｎのメッキ層を形成し、このＳｎが加熱により溶融し、半導体レーザチップ２１の表面にメッキされたＡｕを溶かして、ＳｎとＡｕからなるハンダ接続層２４を形成する場合で説明する。

図3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にハンダ接続層２４で接続されている状態を示している。上記で説明したように、Ｓｎが主な成分のハンダは溶融したのちに前端面部２７ｃと後端面部２７ａから冷却されて中央部２７ｂに固体化していくので、半導体レーザチップ２１は中央部２７ｂが凸になる。

このことにより、後端面部２７ａと前端面部２７ｃはサブマウント２３に近くなり、ハンダ接続層２４中の液相のハンダ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、中央領域２４ｂにおけるハンダ層２４中の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。このようなハンダ層２４中のＳｎとＡｕの割合は、図3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。このＸＭＡの結果からも、ハンダは溶融したのちに前端面部２７ｃと後端面部２７ａから冷却されて中央部２７ｂに固体化していくことが確認される。

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。ハンダの融点と室温との温度差が少ない方がハンダ接続時に生じる応力を少なくすることができる。図4にＡｕとＳｎからなるハンダの相図を示す。図4で縦軸はハンダ温度、横軸はＳｎの組成を示している。図4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ほとんどのハンダが固体化する。しかしながら、Ｓｎからなるハンダを図4のＳｎの融点である２３２℃まで昇温して冷却してやると、半導体レーザチップ２１にメッキされたＡｕがＳｎからなるハンダ中にＳｎの組成に対して１０％程度溶け出すだけで、図4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する。このときに、半導体レーザチップ２１のハンダ接続層２４と接触した面の前端面部２７ｃと後端面部２７ａとは、片側は空気の領域であるので中央部２７ｂに比べてやや早く冷却される。さらに、この間に、平コレットは突起部２８ａ、２８ｂを介して半導体レーザチップ２１をサブマウント２３に押し付けているので両端面２９ａ、２９ｂの近傍のハンダが固まりやすくなり、この部分から固体化していく。これらの効果により、半導体レーザチップ２１はサブマウント２３と反対側に凸状の曲率半径で光軸方向に反る形状となることをさらに確実に決定することができる。

なお、本実施の形態では突起部２８ａ、２８ｂは金属であるＡｕを用いたが、発光素子を構成する材料と同等以上の高さの熱伝導率を有する材料であれば、他の金属や他の材料を用いてもよい。

また、突起部２８ａ、２８ｂは発光素子を構成する材料である基板を加工して形成してもよい。すなわち、本実施の形態では半導体レーザチップ２１は波長６５０ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いた赤色レーザを用いているので、基板はＧａＡｓ材料でできている。したがって、例えばＧａＡｓ材料からなる基板をエッチングすることにより、ＧａＡｓ材料からなる突起部２８ａ、２８ｂを形成してもよい。

（第２の実施の形態）
図5に本発明の第２の実施の形態を示す図である。図5に本発明の第２の実施の形態の光半導体装置３０の概略構成図を示す。図5（ａ）は本実施の形態の光半導体装置３０の実装状態を上から見た概略構成図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線の断面から光半導体装置３０の実装状態を見た概略断面図を示す。

本実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態とは、半導体レーザチップ３１の突起部３８ａ、３８ｂが図3（ａ）に示すように半導体レーザチップ３１の端面３９ａ、３９ｂおよび側面４０ａ、４０ｂよりも少し内側の領域に形成されているところが異なる。

図5（ａ）において、発光素子、例えば、半導体レーザチップ３１が、出力光、例えば、レーザ光３２を出射する活性層に近い表面を下にして、対向する導電性のサブマウント３３上に予め形成されたハンダ接続層３４によりサブマウント３３に接続されている。なお、サブマウント３３はパッケージ（図示していない）の一部の金属基台３５にハンダ接続されている。

また、図5（ｂ）は図5（ａ）のＢ−Ｂ線の断面から光半導体装置３０の構成を見た概略断面図である。半導体レーザチップ３１は、図１（ａ）、（ｂ）に示されるように略直方体形状をしており、長辺方向に沿って共振器を構成し、共振器の両端の一対の端面３９ａ、３９ｂは共振器の反射ミラーとなっている。なお、レーザ光３２を出射する方向が半導体レーザチップ２１の共振器の方向であり、レーザ光を伝播する光軸方向となっている。さらに、半導体レーザチップ３１は、共振器の端面近傍のハンダ接続層３４と対向する面上に一対の突起部３８ａ、３８ｂを備えている。この突起部３８ ａ、３８ｂは端面３９ａ、３９ｂに沿って帯状に形成されている。ただし、半導体レーザチップ３１が、へき開工程により半導体ウェハから個別のチップに分離しやすいように、突起部３８ ａ、３８ｂは、半導体レーザチップ３１の端面３９ａ、３９ｂおよび側面４０ａ、４０ｂよりも少し内側の領域に形成されている。

図5（ｂ）において、半導体レーザチップ３１は、光軸方向がサブマウント３３に接続された方向と反対方向に凸状の曲率半径Ｒ２で反っている。すなわち、図5（ｂ）において凸状の曲率半径Ｒ２で反った半導体レーザチップ３１は、サブマウント３３にハンダ層３４により接続されている。ここで半導体レーザチップ３１とサブマウント３３との間の隙間は、半導体レーザチップ３１が凸状に反るために第１の実施の形態と同様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３１とサブマウント３３とがハンダ接続層３４により接続される。さらに、サブマウント３３は金属基台に対する接着面３６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３５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３０においては、図5（ｂ）に示すように半導体レーザチップ３１は曲率半径Ｒ２、角度Θ２を見込んだ弧として凸状に反っている。第１の実施の形態で示したように、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３１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、反り量ΔＢ２との関係について確認したところ、第１の実施の形態で得た結果と同様の良好な結果が得られた。

図6に図5（ａ）および（ｂ）の構成でサブマウント３３に半導体レーザチップ３１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6（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6（ａ）で光半導体装置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３３と反対の方向に凸状に反った半導体レーザチップ３１がサブマウント３３上に搭載され、このサブマウント３３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。なお、半導体レーザチップ３１は共振器の端面近傍のハンダ接続層と対向する面上に一対の突起部を備えているが、ここでは図示していない。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は光半導体装置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３１と接続されている。

図6（ｂ）は図6（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３１はサブマウント３３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、光半導体装置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、光半導体装置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。

なお、本実施の形態では突起部３８ａ、３８ｂは金属であるＡｕを用いたが、発光素子を構成する材料と同等以上の高さの熱伝導率を有する材料であれば、他の金属や他の材料を用いてもよい。

また、突起部３８ａ、３８ｂは発光素子を構成する材料である基板を加工して形成してもよい。すなわち、本実施の形態では半導体レーザチップ３１は波長６５０ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いた赤色レーザを用いているので、基板はＧａＡｓ材料でできている。したがって、例えばＧａＡｓ材料からなる基板をエッチングすることにより、ＧａＡｓ材料からなる突起部３８ａ、３８ｂを形成してもよい。

（第３の実施の形態）
図7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7（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Ｃ−Ｃ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7（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。なお、半導体レーザチップ５１は共振器の端面近傍のハンダ接続層と対向する面上に一対の突起部を備えているが、ここでは図示していない。

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7（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7（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の中央部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7（ａ）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、光半導体装置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、第１から第３の実施の形態において、高出力半導体レーザチップは、波長６５０ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザチップ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チップであれば、波長７８０ｎｍ帯のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザチップ、青色レーザチップおよび紫外光レーザチップを用いてもよい。また、２波長レーザチップや３波長レーザチップ等の多波長レーザチップを用いてもよく、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。

なお、本実施の形態において光ディスク機器に使用する高出力半導体レーザチップについて説明したが、光通信システムに用いる高出力半導体レーザチップ、例えばファイバ励起による光増幅用の高出力半導体レーザチップに適用しても有用である。

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、半導体レーザチップの性能・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 凸状の反りによって初期特性（動作電流）が安定になることを示すグラフ 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Ｂ−Ｂ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Ｃ−Ｃ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

１，２１，３１，５１ 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
７，２４，３４，６０ ハンダ接続層
８ メサ部
９ 空隙部
１０，２０，３０，４１，５０ 光半導体装置
２２，３２，４６，６１ レーザ光
２３，３３ 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
２５，３５，５６ 金属基台
２６，３６ 接着面
２７ａ，３７ａ，５９ａ （半導体レーザチップの）後端面部
２７ｂ，３７ｂ，５９ｂ （半導体レーザチップの）中央部
２７ｃ，３７ｃ，５９ｃ （半導体レーザチップの）前端面部
２８ａ，２８ｂ，３８ａ，３８ｂ，６２ａ，６２ｂ 突起部
２９ａ，２９ｂ，３９ａ，３９ｂ 端面
４０ａ，４０ｂ 側面
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
Ｒ１，Ｒ２ 曲率半径
Θ１，Θ２ 角度
ΔＢ１，ΔＢ２ 反り量

Claims (14)

1. 発光素子と、
   前記発光素子が接続される基台と、
   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、
   前記発光素子は略直方体形状で前記接続層と対向する面上に一対の突起部を有し、前記基台と反対側に凸状の曲率半径で反っていることを特徴とする光半導体装置。
2. 前記発光素子は略直方体形状で長辺方向に沿って共振器を構成し、前記基台と反対側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請求項１に記載の光半導体装置。
3. 前記基台は、前記発光素子の活性層に近い表面と対向して前記発光素子と接続されることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
4. 前記発光素子の曲率半径が２５０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光半導体装置。
5. 前記接続層はハンダ接続層であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光半導体装置。
6. 前記接続層の厚さは、前記共振器の中央部は厚く、前記共振器の端面近傍は中央部より薄いことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光半導体装置。
7. 前記突起部は、前記端面に沿って帯状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光半導体装置。
8. 前記突起部は、前記発光素子の基板を加工して形成されていることを特徴とする請求項６に記載の光半導体装置。
9. 前記突起部は、前記発光素子を構成する材料と同等以上の高さの熱伝導率を有する材料で構成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。
10. 前記発光素子は、半導体レーザチップまたは端面発光型発光ダイオードチップであることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項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から請求項９のいずれか１項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、回路素子または反射ミラーが構成されていることを特徴とする請求項１０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から請求項９のいずれか１項に記載の光半導体装置。
14. 前記発光素子は略直方体形状で前記接続層と対向する面上の長辺の両側の稜線の内側に島状一対の突起部を有し、前記基台と反対側に凸状の曲率半径で反っていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光半導体装置。

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