JP2009038195A - 発光装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い放熱効果を得ることができる大型のステムを備えた発光装置、および、簡易で、短時間に行なうことができ、半導体発光素子が高温処理にさらされる時間を低減することができる大型のステムを備えた発光装置の製造方法について提供する。
【解決手段】半導体発光素子とステムとを備え、該ステムは、第１ブロックおよび第１ブロックが嵌入した第２ブロックを含み、該半導体発光素子は、第１ブロック上に接合された発光装置に関する。また、該発光装置の製造方法であって、半導体発光素子を第１ブロック上に接合する接合工程と、第１ブロックを第２ブロックに嵌めこむ嵌入工程とを備える発光装置の製造方法に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高い放熱効果を得ることができるステムを備えた発光装置、およびその簡易な製造方法に関するものである。

現在、各種産業分野において、半導体レーザチップまたは高出力のＬＥＤチップなどの半導体発光素子を備える半導体発光装置が用いられている。

図７は、半導体発光素子を備える従来の半導体発光装置の断面図である。従来の半導体発光装置は、例えば図７に示されるような構造になっている。該半導体発光装置は、金属製のステム５０１と、該ステム５０１上にサブマウント５０２を介してマウントされている半導体発光素子５０３と、該半導体発光素子５０３を保護するために該ステム５０１上に設置されたキャップ５０４とを備える。

そして、適宜ステム５０１には、絶縁ハーメチックシール等によってピン５０６が固定されている。なお、ステム５０１とピン５０６とが、電気的に共通している場合には、ピン５０６は、ステム５０１に直接固定されている。また、ピン５０６と半導体発光素子５０３とは電流導入のため、適宜ワイヤで接続される（ワイヤは図示せず）。

半導体発光素子５０３は、ステム５０１上に設置されたキャップ５０４によって気密封止されている。キャップ５０４には、半導体発光素子５０３からの光を取り出すための光透過窓５０５が設けれ、気密化のために、該光透過窓５０５にガラス５０７が接着されている。キャップ５０４は、電気抵抗溶接などによりステム５０１上に設置される。また、通常ステム５０１の平面形状は円形である。

図７に示したような半導体発光装置は、順次以下のような工程を経て製造される。まず、ハンダなどの低融点金属によって、半導体発光素子５０３をサブマウント５０２に接合する、第１接合工程を行なう。次に、該サブマウント５０２をハンダによってステム５０１に接合する第２接合工程を行なう。次に、ピン５０６と半導体発光素子５０３との間の電気的導通を確保するためにワイヤで双方を接続する。そして、最後にガラス５０７が接着されたキャップ５０４を電気抵抗溶接によってステム５０１に設置して、半導体発光素子５０３を気密封止する。

図７に示すような半導体発光装置は、キャップ５０４によって半導体発光素子を収納され、気密封止されている。キャップ５０４の設置は、半導体発光装置の取り扱いを簡便にし、半導体発光素子５０３を保護し、半導体発光装置の動作時において半導体発光素子５０３から発生する熱を効率よく放散させる役割を有している。

ここで、特に、近年においては、数１００ｍＡ以上の大電流を投入して短波長（青色〜紫外）の光を発する半導体レーザチップまたはＬＥＤチップなどの半導体発光素子５０３を備えた半導体発光装置が検討されている。これは、該半導体発光装置をより出力の大きな照明用途等に用いるためである。したがって、更に高い半導体発光素子５０３の放熱効果を有する半導体発光装置が求められている。

そこで、例えば、特許文献１には、アイレッドと、該アイレッド上に載置されるヒートシンクとを含むステム構造を備える発光装置であって、該ヒートシンクを２つ設けることで放熱性を向上した発光装置が開示されている。

また、高出力で短波長の光を発する半導体発光素子５０３は、外気と接していると、雰囲気中の浮遊物質と化合したり、焼け付けを起こしたりし、特性が劣化してしまう。これは、該半導体発光素子の高エネルギーかつ高出力の光によるものである。そこで、半導体発光装置において半導体発光素子５０３は確実に気密封止することにより、劣化を防止することが重要になる。

図７に示すような半導体発光装置において、更に高い半導体発光素子の放熱効果を得るためには、ステム５０１を大型化することは有効な方法である。また、上述の高出力の大型の半導体発光装置を得るためにも、ステム５０１を大型化することは有効な方法である。現在、半導体発光素子５０３として窒化物半導体レーザを備える半導体発光装置において、標準的に用いられているステム５０１は、φ５．６ｍｍの金属製のものであり、その重量は０．４ｇ以下である。例えば、１Ａ以上の大電流を投入するような大型の高出力の半導体発光装置においては、上述したφ５．６ｍｍの金属製のステム５０１の１０倍以上の容量を有するステム（以下、大型ステムという）を備える必要がある。

ここで、上述の第２接合工程において、ハンダはあらかじめ、ステム５０１あるいはサブマウント５０２に積層されているか、もしくは、箔の状態で半導体発光素子５０３の接合部分に置かれている。そして、ステム５０１が加熱されてハンダが溶解し、ステム５０１上にサブマウント５０２が位置決めされて固定され、該ステム５０１を冷却することにより、ステム５０１上に半導体発光素子５０３が接合される。より具体的には、上述の第２接合工程は、３００℃程度であり、該第２接合工程の後にステム５０１を少なくとも１００℃程度にまで冷却する。

該第２接合工程において、標準的に用いられているφ５．６ｍｍの金属製のステム５０１の場合には１〜２分で冷却可能である。しかし、大型ステムでは、エアーの吹き付けのような通常の冷却方法で、１０〜２０分以上の時間を、第２接合工程における冷却のために必要とすることが見込まれる。つまり、ステムを単純に大型化すると、該冷却のプロセスに時間がかかる。該冷却に時間がかかると、半導体発光装置の生産のリードタイムが悪くなるだけでなく、半導体発光素子５０３が１００℃を超える温度にさらされる時間が長くなることから特性が劣化する怖れがある。

上述した、特許文献１において、放熱性を向上した大型化したステムを含む発光装置および、大型化したステムを含む発光装置の製造工程、例えば接合工程の改良等については、開示されていない。

また、該第２接合工程を、ハンダ以外の銀ペースト等のような有機系の材料を用いて接着剤で固定するように変更すれば、ハンダを用いた場合よりも低い温度で半導体発光素子をステムに接合させることができる。しかし、このような有機系の材料は、蒸散により封止内部の汚染を引き起こすので、高出力で短波長の光を発する半導体発光装置に用いることができない。

以上の理由から、ステムを大型化することは困難であった。
特開２００４−１０３７３５号公報

本発明の目的は、高い放熱効果を得ることができる大型のステムを備えた発光装置、および、簡易で、短時間に行なうことができ、半導体発光素子が高温処理にさらされる時間を低減することができる大型のステムを備えた発光装置の製造方法について提供することである。

本発明は、半導体発光素子とステムとを備え、該ステムは、第１ブロックおよび第１ブロックが嵌入した第２ブロックを含み、該半導体発光素子は、第１ブロック上に接合された発光装置に関する。

また、本発明の発光装置において、第１ブロック上に、または第２ブロック上に、キャップをさらに備えていることが好ましい。

また、本発明の発光装置において、キャップは、半導体発光素子からの発光を外部に取り出す光透過窓を有することが好ましい。

また、本発明の発光装置において、半導体発光素子は、窒化物半導体発光素子であることが好ましい。

また、本発明の発光装置において、半導体発光素子は、青色から紫外領域で発光するものであることが好ましい。

また、本発明の発光装置において、半導体発光素子は、半導体レーザであることが好ましい。

また、本発明は、上述の発光装置の製造方法であって、半導体発光素子を第１ブロック上に接合する接合工程と、第１ブロックを第２ブロックに嵌めこむ嵌入工程とを備える発光装置の製造方法に関する。

また、本発明は、上述の発光装置の製造方法であって、半導体発光素子を第１ブロック上に接合する接合工程と、第１ブロックを第２ブロックに嵌めこむ嵌入工程と、第１ブロック上に、または第２ブロック上に、キャップを設置する設置工程とを備える発光装置の製造方法に関する。

また、本発明の発光装置の製造方法において、接合工程、嵌入工程、設置工程の工程順で行なわれることが好ましい。

また、本発明の発光装置の製造方法において、嵌入工程は、第１ブロックを第２ブロックに圧入して行われることが好ましい。

また、本発明の発光装置の製造方法において、設置工程は、電気抵抗溶接により行われることが好ましい。

また、本発明の発光装置の製造方法において、半導体発光素子は、気密封止されることが好ましい。

本発明において用語は、一般的には以下の意味に使用する。但し、本発明の目的の範囲においてこの意味に限定されるものではない。

「半導体発光素子」とは、半導体材料で構成された発光部を有する発光デバイスであり、例えば、窒化物系半導体レーザ素子、ＬＥＤ素子などの公知のものを適宜用いることが可能である。

「ステム」とは、半導体発光素子を搭載する部分としての平坦部が適宜付設され、（１）外部の電極と電気的に接続するためのピンを接続されるもの、または、（２）該ピンが接続されたもの、（１）、（２）双方を示すものとする。該平坦部には半導体発光素子が搭載され、該ピンと半導体発光素子とが電気的に接続される。ステムには、一般的に、銅または鉄を主体とする金属で構成され、また、表面に金属膜がめっき形成されたものを用いることができる。このめっき形成される金属膜としては、ニッケル（Ｎｉ）膜と金（Ａｕ）膜との積層膜を用いることができる。半導体発光素子を搭載する部分としての平坦部は、光の出射方向を所要の方向に向けるために、適宜ステムの突出部に設けられることもある。

「サブマウント」とは、半導体発光素子を積載するための部品を意味している。サブマウント１０２を構成する材料として、一般的に知られている放熱材料を用いることができる。例えば、サブマウント１０２を構成する材料として、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ＣｕＷ、ＢｅＯ、鉄（Ｆｅ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、シリコン（Ｓｉ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、立方晶窒化硼素（ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ：ｃＢＮ）、ＣｕＭｏ、ダイヤモンドなどを用いることができる。

高い放熱効果を得ることができる大型のステムを備えた発光装置、および、簡易で、短時間に行なうことができ、半導体発光素子の高温処理に有する時間を低減することができ、大型のステムを備えた発光装置の製造方法について提供するができる。本発明の製造方法によると、該高温処理による該半導体発光素子の性能低下を抑制することができ、製造工程を短縮できることから、歩留りが向上する。

以下、本願の図面において、同一の符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。また、図面における長さ、大きさ、幅などの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法を表してはいない。

（第１実施形態）
図１は、本発明の発光装置の第１実施形態を示す断面図である。また、図２は、本発明の発光装置の第１実施形態を示す平面図である。まず、図１および図２に基づいて本発明における発光装置の基本的な構造について説明する。

本実施形態の発光装置は、図１に示すように、第１ブロック１０１および該第１ブロック１０１が嵌入した第２ブロック１１０を含むステムと、該第１ブロック１０１上に接合された半導体発光素子１０３とを備える。また、該発光装置は、第２ブロック１１０上に設置されたキャップ１０４とを備えることが好ましい。半導体発光素子１０３は、サブマウント１０２を介して第１ブロック１０１に接合されている。サブマウント１０２と半導体発光素子１０３とは、ハンダで接合されており、また、該サブマウント１０２と第１ブロック１０１とは、ハンダで接合されている。ステムとしての第１ブロック１０１は、平面方向から見ると円盤状の形態である。そして、第１ブロック１０１は、半導体発光素子１０３を積載し、接合するための突出部を備える。該突出部によって半導体発光素子１０３を第１ブロックの基準面つまり、半導体発光素子１０３の底面に対して垂直方向にレーザを射出するように第１ブロック１０１に接合されている。

本発明において、キャップ１０４の形態は、特に限定されず、例えば全てガラスで形成されたものであっても良い。ただし、本実施形態において、好ましい該キャップ１０４の構造は、強度が確保でき、溶接により容易に接合が可能な材料であるコバールなどで形成され、発光装置における半導体発光素子１０３からの発光を外部に取り出す光透過窓１０５が設けられている構造である。本発明の発光装置が、外部からの衝撃に対して高い強度を有することができるためである。そして、光透過窓１０５が設けられている構造である場合には、半導体発光素子１０３を気密封止するために、該光透過窓１０５にガラス１０７が接着されていることが好ましい。そして、半導体発光素子１０３から放出されたレーザは、光透過窓１０５から発光装置の外部に放出される。

半導体発光素子１０３の正負の電気的接続は、ワイヤやサブマウント１０２を通じて、適宜行われ、通常のステムの場合と同様、最終的にピン１０６のいくつかと半導体発光素子１０３とは電気的に導通している。そして、設置されたキャップ１０４の内部は、外気と遮断され、気密封止となっている。該内部は、半導体発光素子への焼きつきやコンタミネーションを防止するために有機系やシリコン系の不純物が十分に除去され、水分も除去された乾燥空気や、不活性ガスで充填されていることが好ましい。

第２ブロック１１０には、第１ブロック１０１を嵌入するための穴が備えられている。該穴の形状は、第１ブロック１０１の外形が嵌って固定することができ、第１ブロック１０１の外形の形状と略同じである必要がある。例えば、第１ブロック１０１の外形が、正方形である場合には、第２ブロック１１０における該穴は、同様の正方形であることが好ましい。第１ブロック１０１と第２ブロック１１０とが密着固定されない場合には、第１ブロック１０１と第２ブロック１１０との間を低融点ガラスなどの材料で補填することが好ましい。また、第１ブロック１０１が円形である場合には、その直径と第２ブロックにおける該穴の直径は略同じであることが好ましい。第１ブロックと第２ブロック１１０との間が密着していない場合には、熱伝達が滞り、高い放熱性を得ることができない虞があるためである。

また、本実施形態の発光装置において、第１ブロック１０１は、図２に示すように第２ブロック１１０の中央部付近に固定されていることが好ましい。そして、第２ブロック１１０には、ネジなどで他のものに固定する際に用いるための孔１１１が適宜設けられていることが好ましい。

本発明において、第１ブロック１０１の形状は、上面方向から見て、φ１〜２０ｍｍ（主材料が鉄および銅で作製された場合０．０５〜２ｇ）のものが好ましく、φ２〜８ｍｍ（主材料が鉄および銅で作製された場合０．１〜０．５ｇ）のものが特に好ましい。ただし、該形状は特に限定されない。また、第１ブロック１０１を断面方向から見て、突出部を除いた部分の厚みは、０．５〜５ｍｍであることが好ましく、０．８〜３ｍｍであることが特に好ましい。また、該厚みは、一定であることが好ましい。

第１ブロック１０１の該大きさが、上述する範囲であることが好ましい理由は、後述する製造工程において記載するとおり、接合工程において、操作が簡易化、短縮化されるためである。

また、第１ブロック１０１の大きさと、第２ブロック１１０の大きさとの関係において、第２ブロック１１０の体積は、第１ブロック１０１の５〜１０００倍であることが好ましい。第２ブロック１１０の上面方向から見た形状は、図２においては長方形であるが、特に限定はされず、第１ブロック１０１および第２ブロック１１０で構成されるステムの用途に応じて適宜選択することができる。第２ブロック１１０の断面方向から見た厚みは、第１ブロック１０１の厚みと同程度であるか、それより大きいことが好ましく、０．９〜３倍程度であることが好ましい。また、該厚みは、一定であることが好ましい。第１ブロック１０１と第２ブロック１１０との大きさを上述の範囲で選択することで、ステムとしての放熱性を向上することができるためである。また、第２ブロック１１０の大きさを適宜調整することにより、ステム自体を所望の大きさに容易に設計することが可能であり、従来のステムより簡易的に大型化することができる。

ステムを構成する第１ブロック１０１と第２ブロック１１０とは、金属で形成されていることが好ましい。第１ブロック１０１の材料については、鉄、銅、アルミニウムおよび真鍮等を主成分とすることができ、鉄およびアルミニウムであることが特に好ましい。鉄またはアルミニウムを主成分とする金属は、加工が容易でありコストが低いためである。ただし、第１ブロック１０１、特に第１ブロック１０１の突出部における材料を銅とすることによって、該突出部に接合される半導体発光素子１０３からの放熱の面では、上述した鉄およびアルミニウムよりも有利となる。第２ブロック１１０の材料については、アルミニウムなどのやわらかい金属を主成分とする材料であることが好ましい。また、第２ブロック１１０において第１ブロック１０１と接する箇所のみ、第２ブロック１１０の材料と部分的に異なる材料とすることもできる。そして、第１ブロック１０１の材料と第２ブロック１１０の材料とは、同じ材料であっても良いが、第１ブロック１０１と第２ブロック１１０との固定を圧入で行なうことを考慮すると、第１ブロック１０１の材料と第２ブロック１１０の材料とで硬度が異なり、圧入の際に塑性変形が起こることが好ましい。具体的には、ビッカーズ硬度（ＪＩＳＺ２２４４）の測定において、硬度差Ｈｖ１００以上とすることができる。また、本実施形態のステムは、鉄で作製された第１ブロック１０１と、それよりも硬度の小さいアルミニウムで作製された第２ブロック１１０との組合せからなることができる。また、第１ブロック１０１と第２ブロック１１０との材料の組合せは、鉄と銅との組合せ、ステンレスとアルミニウムとの組合せなどを採用することもできる。第１ブロック１０１のサイズが第２ブロック１１０のサイズよりも小さいことを考慮すると、第１ブロック１０１側を硬度の高い側とすることが、第１ブロック１０１の精度維持の点から好ましい。

また、第１ブロック１０１および第２ブロック１１０の一方が他の一方より柔らかい金属であることが好ましいため、たとえば第２ブロックにおいて嵌入部分の材料のみを部分的に第１ブロックより柔らかい材料で構成することがより好ましい。

半導体発光素子１０３は、窒化物半導体レーザ素子であることが好ましい。窒化物半導体レーザ素子は、短波長での発光が可能であり、波長変換により白色光が得られるなど、照明用途に向いており、発光装置を大型化することが必要な発光源としての利用が見込まれるからである。なお、該窒化物半導体レーザ素子は、波長３００〜４８０ｎｍの紫外から青色の短波長領域で発光するものであることが好ましく、波長３８０〜４８０ｎｍで発光することが特に好ましい。なお、波長は、例えばＪＩＳＺ８７２２に準拠して測定することができる。

次に、本実施形態の発光装置の製造方法について図１を参照して説明する。
≪接合工程≫
始めに、半導体発光素子１０３を第１ブロック１０１上に接合する接合工程について説明する。本発明における接合工程では、（１）または（２）のいずれかの工程を行なう。
（１）半導体発光素子１０３を第１ブロック１０１上に直接接合する。
（２）半導体発光素子１０３をサブマウント１０２に接合してから該サブマウント１０２を第１ブロット１０１上に接合する。

そこで、以下、（２）の工程を例に説明する。
該（２）の工程の場合には、半導体発光素子１０３が直接搭載される面を有するサブマウント１０２の加工精度および電極積層の調整、ならびにハンダ接合が容易である。また、サブマウント１０２を絶縁性とすると、ステム（第１ブロック１０１および第２ブロック１１０）と半導体発光素子１０３とを簡易的に絶縁できる。

まず、半導体発光素子１０３をサブマウント１０２の上にハンダ接合する第１接合を行なう。このとき、ハンダを加熱するために、例えばサブマウント１０２を加熱する温度は、２５０〜５００℃とすることが好ましい。ハンダを加熱する温度が、２５０℃未満であるような低融点のハンダを用いる場合には、接合強度が不十分となる虞があり、５００℃を超える場合には、半導体発光素子１０３が劣化する虞があるからである。上述のハンダ接合の後、サブマウント１０２および半導体発光素子１０３を冷却する。冷却には例えば、エアー吹付などを用いることができる。

次に、半導体発光素子１０３が搭載されたサブマウント１０２を第１ブロック１０１にハンダ接合する第２接合を行なう。第１ブロック１０１には、例えば、あらかじめピン１０６が絶縁性のハーメチックシールで固定され、あるいは、直接第１ブロック１０１に固定されている。第１ブロック１０１の平面形状は、円形状である。ハンダ接合は、ダイボンディング方式で行なう。したがって、該ハンダを加熱するために、第１ブロック１０１を加熱する方法の他、レーザ加熱の方法を用いることができる。

ハンダ接合される際の例えば、第１ブロック１０１が加熱される温度は、半導体発光素子１０３とサブマウント１０２とをハンダ接合したときと同様に、２５０〜５００℃とすることが好ましい。該ハンダ接合の後、半導体発光素子１０３と、該半導体発光素子１０３が接合された第１ブロック１０１と、サブマウント１０２とを冷却する。このとき、半導体発光素子１０３の特性に影響を与えない１００℃以下温度にまで冷却する。本実施形態の発光装置によると、第１ブロック１０１は、０．０５〜２ｇであるため、例えば３００℃から１００℃にまで冷却するために要する時間は、２分程度以下で可能である。

ここで、第２接合の場合には、ハンダ接合の際の加熱温度を第１接合の場合と同様に行なうことができるが、該加熱温度よりも低温に設定することも可能である。第２接合の際の加熱温度および加熱時間は、加熱によってサブマウント１０２から半導体発光素子１０３が剥がれない条件を適宜検討し、設定することができる。

≪嵌入工程≫
第１ブロック１０１を第２ブロック１１０に嵌入して、第１ブロック１０１および第２ブロック１１０を固定する。嵌入は、圧入によって行なわれることが好ましい。また、圧入は、例えば、第２ブロック１１０の断面方向から見たときの下面（図１において、ピン１０６設置面）から上面の方向に、押し込むことで行なわれることが好ましい。

第１ブロック１０１の外形は、第２ブロック１１０の穴の形状よりわずかに大きくしておき、第１ブロック１０１を穴に押し込む。第１ブロック１０１および第２ブロック１１０は、金属でできているので、弾性変形して密着し固定される。以下、第１ブロック１０１の上面方向からみた形状が円形であり、第２ブロック１１０の該穴も、第１ブロック１０１の形状に対応した円形である場合について説明する。

第１ブロック１０１と第２ブロック１１０との固定を圧入により行なうと、これらが構成するステムを高温に加熱することなく、かつ、放熱性を保ったまま固定できるので好ましい。さらに、第１ブロック１０１と第２ブロック１１０との境界部分を低融点ガラスなどで覆い、第１ブロック１０１と第２ブロック１１０とをより完全に密着させることも可能である。また、嵌入は、圧入によらず、例えばレーザ溶接などの、局地的な加熱により、第１ブロック１０１に接合された半導体発光素子１０３に高温が及ばないよう固定することも可能である。

該直径の差は、１０〜１００μｍであることが好ましく、１０〜２０μｍであることが特に好ましい。１００μｍより大きい場合には、第１ブロック１０１が、第２ブロック１１０に嵌入しにくい虞があり、１０μｍより小さい場合には、第１ブロック１０１と第２ブロック１１０とが密着することができない虞があるためである。また、本実施の形態においては、単純な側面を有する円形の穴に単純な側面を有する円柱を嵌入することを例に説明したが、接触する側面同士に噛み合い構造を設けて気密をより高めることが特に好ましい。

それから、嵌入工程の後、適宜半導体発光素子１０３について通電のためにワイヤボンディングを行なう。本実施形態においては、半導体発光素子１０３と導電のために接続するピン１０６が第１ブロック１０１に形成されている。

≪設置工程≫
本実施形態においては、設置工程において、半導体発光素子１０３からの発光を外部に取り出すための光透過窓１０５を設けたキャップ１０４を、第２ブロック１１０上に、設置することが好ましい。光透過窓１０５は、ガラス１０７が接着していることが好ましい。該キャップ１０４の設置は、電流抵抗溶接により行なわれることが好ましい。気密を保った状態で接合できる理由からである。

本工程によって、半導体発光素子１０３を、気密封入することができる。気密封入することで、半導体発光素子１０３が、浮遊物質と化合したり、焼け付けを起こしたりすることに由来する、半導体発光素子１０３の劣化を防止することができる。

本実施形態において、接合工程の後に嵌入工程を行なうことが好ましい。第１ブロック１０１は、ステム全体と比較して体積が小さいため、上述の接合工程における加熱および冷却に要する時間を短縮することができるためである。したがって、半導体発光素子１０３が、高温、例えば１００℃を超える温度でさらされる時間を短縮することができる。このため、高温で長時間さらされることによる、半導体発光素子１０３の劣化を抑制することができるため、発光装置の寿命が長くなり、また、発光装置の信頼性が向上する。なお、嵌入工程によって第１ブロックと第２ブロックとを固定した後に、接合工程を行なって半導体発光素子１０３を第１ブロック１０１にハンダ接合した場合には、ステムの冷却に１０分以上要する。その結果、接合工程に要する時間が増加して生産性が非常に悪化したほかに、半導体発光素子１０３の電圧が上昇するなどの特性の劣化が生じる虞がある。

また、本実施形態の嵌入工程において、第１ブロック１０１は、第２ブロック１１０に圧入により固定するので、第１ブロック１０１と第２ブロック１１０との間の熱伝導は良好であり、放熱のための十分なボリュームを持つステムとすることができる。

また、本実施形態において、発光装置の製造は、接合工程、嵌入工程、設置工程の工程順で行なわれることが好ましい。仮に、設置工程の後に、第２ブロック１１０に第１ブロック１０１を圧入する嵌入工程を行なうと、その際キャップ１０４に歪がかかることで、ガラス１０７の割れが発生してしまう虞がある。

（第２実施形態）
図３は、本発明の発光装置の第２実施形態を示す断面図である。以下、図３に基づいて該発光装置の構造について説明する。

本実施形態の発光装置は、第１ブロック２０１および該第１ブロック２０１が嵌入した第２ブロック２１０を含むステムと、該第１ブロック２０１上に接合された半導体発光素子２０３とを備える。そして、該発光装置は、第２ブロック２１０上に設置されたキャップ２０４をさらに備えることが好ましい。半導体発光素子２０３は、サブマウント２０２を介して第１ブロック２０１に接合されている。サブマウント２０２と半導体発光素子２０３とは、ハンダで接合されており、また、該サブマウント２０２と第１ブロック２０１とは、ハンダで接合されている。該キャップ２０４には、発光装置における半導体発光素子２０３からの発光を外部に取り出す光透過窓１０５が設けられている。そして、気密封止のために、該光透過窓２０５にガラス２０７が接着されている。

つまり、本実施形態の発光装置は、ピン２０６を第２ブロック２１０側に設ける以外は、第１実施形態と同様の構造であり、第１実施形態と同様の製造工程によって作製される。

半導体発光素子２０３の正負の電気的接続は、ワイヤやサブマウント２０２を通じて、適宜行われ、通常のステムの場合と同様、最終的にピン２０６のいくつかに導通している。

また、本実施形態において、ステム等の材料は、第１実施形態で記載したものを同様のものを用いることができる。

図３に示す発光装置は、ピン２０６が、第２ブロック２１０に形成されていることで第１ブロックをより小さく形成できる利点を有する。

（第３実施形態）
図４は、本発明の発光装置の第３実施形態を示す断面図である。また、図５は、本発明の発光装置の第３実施形態を示す平面図である。まず、図４および図５に基づいて該発光装置の構造について説明する。

本実施形態の発光装置は、第１ブロック３０１および該第１ブロック３０１が嵌入した第２ブロック３１０を含むステムと、該第１ブロック３０１上に接合された半導体発光素子３０３とを備える。そして、該発光装置は、第２ブロック３１０上に設置されたキャップ３０４をさらに備えることが好ましい。半導体発光素子３０３は、サブマウント３０２を介して第１ブロック３０１に接合されている。サブマウント３０２と半導体発光素子３０３とは、ハンダで接合されており、また、該サブマウント３０２と第１ブロック３０１とは、ハンダで接合されている。該キャップ３０４には、発光装置における半導体発光素子３０３からの発光を外部に取り出す光透過窓３０５が設けられている。そして、気密封止のために、該光透過窓２０５にガラス２０７が接着されている。

つまり、本実施形態の発光装置は、キャップ３０４を第１ブロック３０１側に設ける以外は、第１実施形態と同様の構造であり、第１実施形態と同様の製造工程によって作製される。

半導体発光素子３０３の正負の電気的接続は、ワイヤやサブマウント３０２を通じて、適宜行われ、通常のステムの場合と同様、最終的にピン３０６のいくつかに導通している。

図５に示すように本実施形態の発光装置は、キャップ３０４内の領域が、第１ブロック３０１と第２ブロック３１０との境界を含んでいないので、該境界に生じるリークをより抑制することができる。

（第４実施形態）
図６は、本発明の発光装置の第４実施形態を示す断面図である。以下、図６に基づいて本実施形態の発光装置の構造について説明する。

本実施形態の発光装置は、第１ブロック４０１および該第１ブロック４０１が嵌入した第２ブロック４１０を含むステムと、該第１ブロック４０１上に接合された半導体発光素子４０３とを備える。該発光装置は、第２ブロック４１０上に設置されたキャップ４０４をさらに備えることが好ましい。半導体発光素子４０３は、サブマウント４０２を介して第１ブロック４０１に接合されている。サブマウント４０２と半導体発光素子４０３とは、ハンダで接合されており、また、該サブマウント４０２と第１ブロック４０１とは、ハンダで接合されている。該キャップ４０４には、発光装置における半導体発光素子４０３からの発光を外部に取り出す光透過窓４０５が設けられている。そして、気密封止のために、該光透過窓４０５にガラス４０７が接着されている。

半導体発光素子４０３の正負の電気的接続は、ワイヤやサブマウント４０２を通じて、適宜行われ、通常のステムの場合と同様、最終的にピン４０６のいくつかに導通している。

そして、本実施形態の発光装置は、さらに立上ミラー４０８を備え、かつ第１ブロック４０１に半導体発光素子４０３を接合するための突出部を有しない以外は、第１実施形態と同様の構造であり、第１実施形態と同様の製造工程によって作製される。

本実施形態の発光装置は、半導体発光素子４０３から出射した光が、９０°折り曲げられて、キャップ４０８の光透過窓４０５より出射するように設計されている。そのため、第１ブロック４０１に突出部を設けて半導体発光素子４０３から出射する光をステムの底面に対して垂直とする必要はない。これにより、第１ブロック４０１の平面状に半導体発光素子４０３を接続することができるので、半導体発光素子４０２の放熱が効率よくなされる。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実施例］
（実施例１）
図１および図２を参照して本実施例について説明する。

まず、ステムを構成する第１ブロック１０１と第２ブロック１１０とを準備した。第１ブロック１０１は、鉄で作製された０．３ｇのもの（φ４ｍｍ、突出部を除いた部分（以下「基部」という）の厚さ１．５ｍｍ）を準備した。第２ブロック１１０は、鉄で作製された１０ｇのもの（厚さ２ｍｍ）を準備した。

また、図２に示すように第１ブロック１０１が、第２ブロック１１０の中央部付近に固定されるように、第２ブロック１１０における第１ブロック１０１を嵌入のための穴を設計したものを準備した。ステムを構成する第１ブロック１０１には、あらかじめ、ピン１０６が絶縁性のハーメチックシールされ、一部は直接、第１ブロック１０１に固定されているものを用いた。第１ブロック１０１の平面形状は、円形状とした。

半導体発光素子１０３には、波長４５０ｎｍの光を発する窒化物半導体レーザ素子を用いた。以下、本実施例においては、「接合工程」、「嵌入工程」そして、「設置工程」の順で発光装置を製造した。

≪接合工程≫
まず、半導体発光素子１０３をサブマウント１０２の上にハンダ接合する第１接合を行なった。ハンダ接合の際、ハンダを熱するためにサブマウント１０２を加熱する温度は、３００℃とした。ハンダ接合の後、サブマウント１０２および半導体発光素子１０３をエアー吹付で冷却した。

次に、半導体発光素子１０３が搭載されたサブマウント１０２を第１ブロック１０１にハンダ接合する第２接合を行なった。

ハンダ接合される際の第１ブロック１０１を加熱する温度は、半導体発光素子１０３とサブマウント１０２とをハンダ接合したときと同様に、３００℃とした。該ハンダ接合の後、サブマウント１０２、半導体発光素子１０３および第１ブロック１０１をエアー吹付で冷却した。第１ブロック１０１の温度が１００℃まで冷却するのに、１分程度を要した。

≪嵌入工程≫
第１ブロック１０１を第２ブロック１１０に嵌入し、固定した。このとき、第１ブロック１０１の外形を、第２ブロック１１０の穴の直径より３０μｍ大きくしておき、第１ブロック１０１を穴に圧入することで嵌入した。第１ブロック１０１と第２ブロック１１０とは、金属でできているので、弾性変形して密着した。

それから、嵌入工程の後、半導体発光素子１０３について通電のためにワイヤボンディングを行なった。

≪設置工程≫
本実施形態においては、設置工程において、半導体発光素子１０３からの発光を外部に取り出すための光透過窓１０５を設けたキャップ１０４を、第２ブロック１１０上に、電流抵抗溶接によって設置した。以上より、半導体発光素子１０３は、キャップ１０４によって、気密封入された。

（比較例１）
本比較例においては、ステムとして、鉄で作製された１０ｇのもの（基部厚さ２ｍｍ）を用いて、「接合工程」を行ない、そして「設置工程」の順で発光装置を製造した以外は、実施例１と同様に行なった。

大型のステムは、「接合工程」において、ハンダ接合後の該ステムの冷却に１０分以上を要した。つまり、半導体発光素子が高温にさらされる時間が長くなり、このことに起因して半導体発光素子の電圧が上昇し、特性が劣化した。また、歩留りが低下した。

（実施例２）
以下、図３を参照して、本実施例について説明する。

まず、ステムを構成する第１ブロック２０１と第２ブロック２１０とを準備した。第１ブロック２０１は、鉄で作製された０．２ｇのもの（φ２ｍｍ、基部厚さ１ｍｍ）のものを準備した。第２ブロック２１０は、銅で作製された２０ｇのもの（厚さ１．５ｍｍ）を準備した。

また、図２に示すように第１ブロック２０１は第２ブロック２１０の中央部付近に固定されるよう設計されたものを準備した。ステムを構成する第１ブロック２０１には、あらかじめ、ピン２０６が絶縁性のハーメチックシールされ、一部は直接、第２ブロック２０１に固定されているものを用いた。

ここで、本実施例の発光装置においては、ステムに設置されるピン２０６は第２ブロック２１０側に設けた。第１ブロック２０１の平面形状は、円形状とした。

また、半導体発光素子２０３には、波長４１０ｎｍの光を発する窒化物半導体レーザ素子を用いた。

そして、接合工程、嵌入工程、および設置工程については、実施例１と同様にして行なった。

（実施例３）
以下、図４および図５を参照して説明する。

まず、ステムを構成する第１ブロック３０１と第２ブロック３１０とを準備した。第１ブロック３０１は、鉄で作製された０．３ｇのもの（φ５ｍｍ、基部厚さ１．５ｍｍ）を準備した。第２ブロック３１０は、アルミニウムで作製された３０ｇのもの（厚さ３ｍｍ）を準備した。

また、図４に示すように第１ブロック３０１は第２ブロック３１０の中央部付近に固定されるよう設計されたものを準備した。ステムを構成する第１ブロック３０１には、あらかじめ、ピン３０６が絶縁性のハーメチックシールされ、一部は直接、第１ブロック３０１に固定されているものを用いた。

また、半導体発光素子３０３には、波長４００ｎｍの光を発する窒化物半導体レーザ素子を用いた。

そして、接合工程、嵌入工程、および設置工程については、実施例１と同様にして行なった。

ただし、本実施例において実施例１と異なる点としては、キャップ３０４を、第１ブロック３０１に設置した。

図５に示すように本実施形態の発光装置は、キャップ３０４内の領域が、第１ブロック３０１と第２ブロック３１０との境界を含んでいないので、該境界に生じるリークをより抑制することができた。

（実施例４）
以下、図６を参照して、本実施例について説明する。

まず、ステムを構成する第１ブロック４０１と第２ブロック４１０とを準備した。第１ブロック４０１は、鉄で作製された０．３ｇのもの（φ３ｍｍ、基部厚さ３ｍｍ）を準備した。第２ブロック４１０は、銅で作製された約２０ｇのもの（φ２．５ｍｍ）を準備した。

また、図６に示すように第１ブロック４０１は第２ブロック４１０の中央部付近に固定されるよう設計されたものを準備した。ステムを構成する第１ブロック４０１には、あらかじめ、ピン４０６が絶縁性のハーメチックシールされ、一部は直接、第１ブロック４０１に固定されているものを用いた。

また、半導体発光素子４０３には、波長４８０ｎｍの光を発する窒化物半導体レーザ素子を用いた。

そして、接合工程、嵌入工程、および設置工程については、実施例１と同様にして行なった。

ここで、本実施例においては、第１ブロック４０１上に、さらに、立上ミラー４０８を備えた。そして、半導体発光素子４０３から出射した光は、９０°折り曲げられて、キャップ４０８の光透過窓４０５より出射するように設計したものを用いた。

なお、実施例１〜４は、発光素子に半導体レーザを用いたが、これをＬＥＤチップに変更しても、同様の効果が確認された。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の発光装置は、半導体レーザ装置、例えば、単体の半導体レーザ装置、複数の半導体レーザチップを備えた半導体レーザ装置、駆動もしくは信号検出等の処理のためのＩＣチップと一体化してパッケージされたオプトエレクトロニクスＩＣ装置、導波路あるいは微小光学素子と一体化してパッケージされた複合光学装置などに応用可能である。本発明の発光装置は、ＬＥＤ装置、例えば、単体のＬＥＤ装置、複数のＬＥＤチップを備えたＬＥＤ装置、駆動もしくは信号検出等の処理のためのＩＣチップと一体化してパッケージされたオプトエレクトロニクスＩＣ装置、導波路あるいは微小光学素子と一体化してパッケージされた複合光学装置などに応用可能である。さらには、上述した装置を備えた光記録システム、光ディスクシステムや、紫外から緑色領域の光源システムなどに応用可能である。

本発明の発光装置の第１実施形態を示す断面図である。 本発明の発光装置の第１実施形態を示す平面図である。 本発明の発光装置の第２実施形態を示す断面図である。 本発明の発光装置の第３実施形態を示す断面図である。 本発明の発光装置の第３実施形態を示す平面図である。 本発明の発光装置の第４実施形態を示す断面図である。 半導体発光素子を備える従来の半導体発光装置の断面図である。

符号の説明

１０１，２０１，３０１，４０１ 第１ブロック、１０２，２０２，３０２，４０２，５０２ サブマウント、１０３，２０３，３０３，４０３，５０３ 半導体発光素子、１０４，２０４，３０４，４０４，５０４ キャップ、１０５，２０５，３０５，４０５，５０５ 光透過窓、１０６，２０６，３０６，４０６，５０６ ピン、１０７，２０７，３０７，４０７，５０７ ガラス、１１０，２１０，３１０，４１０ 第２ブロック、１１１ 孔、４０８ 立上ミラー、５０１ ステム。

Claims (12)

1. 半導体発光素子と、ステムとを備え、
   前記ステムは、第１ブロックおよび前記第１ブロックが嵌入した第２ブロックを含み、
   前記半導体発光素子は、前記第１ブロック上に接合された発光装置。
2. 前記第１ブロック上に、または前記第２ブロック上に、キャップをさらに備えた請求項１に記載の発光装置。
3. 前記キャップは、前記半導体発光素子からの発光を外部に取り出す光透過窓を有する請求項２に記載の発光装置。
4. 前記半導体発光素子は、窒化物半導体発光素子である請求項１〜３のいずれかに記載の発光装置。
5. 前記半導体発光素子は、青色から紫外領域で発光する請求項１〜４のいずれかに記載の発光装置。
6. 前記半導体発光素子は、半導体レーザである請求項４または５に記載の発光装置。
7. 請求項１に記載の発光装置の製造方法であって、
   前記半導体発光素子を、前記第１ブロック上に接合する、接合工程と、
   前記第１ブロックを前記第２ブロックに嵌めこむ、嵌入工程と、を備える発光装置の製造方法。
8. 請求項２に記載の発光装置の製造方法であって、
   前記半導体発光素子を、前記第１ブロック上に接合する、接合工程と、
   前記第１ブロックを前記第２ブロックに嵌めこむ、嵌入工程と、
   前記第１ブロック上に、または前記第２ブロック上に、前記キャップを設置する設置工程と、を備える発光装置の製造方法。
9. 前記接合工程、前記嵌入工程、前記設置工程の工程順で行なわれる請求項８に記載の発光装置の製造方法。
10. 前記嵌入工程は、前記第１ブロックを前記第２ブロックに圧入して行われる請求項７〜９のいずれかに記載の発光装置の製造方法。
11. 前記設置工程は、電気抵抗溶接により行われる請求項８〜１０のいずれかに記載の発光装置の製造方法。
12. 前記半導体発光素子は、気密封止される請求項７〜１１のいずれかに記載の発光装置の製造方法。

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