JP2013162054A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体レーザ素子の発熱を高い効率で放熱することができ、しかも、チップに発生する熱歪を抑制することができる半導体装置を提供する。
【解決手段】本発明の半導体装置は、複数の半導体レーザ素子を有するチップがサブマウント構造体に設けられてなる半導体装置であって、前記サブマウント構造体は、基体と、この基体の表面に形成された、当該基体の表面に沿って多数の支持要素に分割されたダイヤモンド層とを有してなり、前記チップが前記ダイヤモンド層上に固定されていることを特徴とする。
【選択図】図1
【解決手段】本発明の半導体装置は、複数の半導体レーザ素子を有するチップがサブマウント構造体に設けられてなる半導体装置であって、前記サブマウント構造体は、基体と、この基体の表面に形成された、当該基体の表面に沿って多数の支持要素に分割されたダイヤモンド層とを有してなり、前記チップが前記ダイヤモンド層上に固定されていることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、複数の半導体レーザ素子を有するチップがサブマウント構造体に設けられてなる半導体装置に関するものである。
半導体装置においては、その使用時に半導体レーザ素子に発熱が生じ、この発熱による温度変化によって、当該半導体レーザ素子の特性が変化する。例えば半導体レーザ素子においては、温度変化によって、発振波長が変化したり発光強度が変化したりする。そして、半導体レーザ装置においては、その使用時に半導体レーザ素子に生じる発熱を高い効率で放熱するために、当該半導体レーザ素子が搭載されるサブマウント構造体を構成する材料として、熱伝導率の高い材料例えばダイヤモンドを用いる技術が知られている。例えば特許文献1には、ダイヤモンドよりなるサブマウント構造体上に、湿潤層、障壁層および適合層を介して、半導体レーザ素子が設けられてなる半導体レーザ装置が開示されており、特許文献2には、互いに隣接して配置された、ダイヤモンドよりなる2つのサブマウント構造体上に、半導体レーザ装置が設けられてなる半導体レーザ装置が開示されている。
しかしながら、ダイヤモンドは、その線熱膨張係数が半導体レーザ素子を構成する材料、例えばGaAs系化合物の線熱膨張係数に対して差が大きいものである。そのため、半導体レーザ装置の製造工程において、例えばAuSnハンダによってチップをサブマウントに接合する際の加熱によって、当該チップには大きな熱歪が発生する。または、半導体レーザ装置を使用した際の半導体レーザ素子の発熱により熱履歴を受け、チップおよびダイヤモンド層の各々の熱膨張量および熱収縮量の差に起因して、当該チップには大きな熱歪が発生する。これらの熱歪により、チップにクラックが生じる、という問題がある。
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、半導体レーザ素子の発熱を高い効率で放熱することができ、しかも、チップに発生する熱歪を抑制することができる半導体装置を提供することにある。
本発明の半導体装置は、複数の半導体レーザ素子を有するチップがサブマウント構造体に設けられてなる半導体装置であって、
前記サブマウント構造体は、基体と、この基体の表面に形成された、当該基体の表面に沿って多数の支持要素に分割されたダイヤモンド層とを有してなり、
前記チップが前記ダイヤモンド層上に固定されていることを特徴とする。
前記サブマウント構造体は、基体と、この基体の表面に形成された、当該基体の表面に沿って多数の支持要素に分割されたダイヤモンド層とを有してなり、
前記チップが前記ダイヤモンド層上に固定されていることを特徴とする。
本発明の半導体装置においては、前記サブマウント構造体における基体は、前記チップを構成する材料の線熱膨張係数と同一または近似する線熱膨張係数を有する材料よりなることが好ましい。
また、前記チップは、複数の半導体レーザ素子が一方向に並ぶよう配置された長尺なものであり、
前記ダイヤモンド層における支持要素の各々は、前記チップの長手方向に沿って並ぶよう形成されていることが好ましい。
また、前記ダイヤモンド層における支持要素の各々は、当該支持要素上に前記チップにおける一つの半導体レーザ素子が位置するよう当該半導体レーザ素子の各々に対応して形成されていることが好ましい。
また、前記チップは、複数の半導体レーザ素子が一方向に並ぶよう配置された長尺なものであり、
前記ダイヤモンド層における支持要素の各々は、前記チップの長手方向に沿って並ぶよう形成されていることが好ましい。
また、前記ダイヤモンド層における支持要素の各々は、当該支持要素上に前記チップにおける一つの半導体レーザ素子が位置するよう当該半導体レーザ素子の各々に対応して形成されていることが好ましい。
本発明の半導体装置によれば、サブマウントに熱伝導率の高いダイヤモンド層が形成されており、当該ダイヤモンド層上にチップが固定されているため、半導体レーザ素子の発熱を高い効率で放熱することができる。しかも、ダイヤモンド層は、基体の表面に沿って多数の支持要素に分割されている。このため、チップをサブマウントに接合する際の加熱によって、チップおよびダイヤモンド層が熱履歴を受けた場合でも、ダイヤモンド層の支持要素の各々における面方向の熱膨張量および熱収縮量が小さくなる。或いは、半導体装置を使用した際の半導体レーザ素子の発熱によって、チップおよびダイヤモンド層が熱履歴を受けた場合でも、ダイヤモンド層の支持要素の各々における面方向の熱膨張量および熱収縮量が小さくなる。従って、チップに発生する熱歪を抑制することができる。
以下、本発明の半導体装置の実施の形態について、半導体レーザ装置として実施した場合を例に挙げて説明する。
図1は、本発明に係る半導体レーザ装置の一例における構成を示す斜視図、図2は、図1に示す半導体レーザ装置の平面図、図3は、図2に示す半導体レーザ装置のA−A断面図、図4は、図3において、破線Bで囲まれた部分を拡大して示す説明用断面図である。 この半導体レーザ装置は、複数の半導体レーザ素子15を有するチップ10がサブマウント構造体20上に配置されて構成されている。
図1は、本発明に係る半導体レーザ装置の一例における構成を示す斜視図、図2は、図1に示す半導体レーザ装置の平面図、図3は、図2に示す半導体レーザ装置のA−A断面図、図4は、図3において、破線Bで囲まれた部分を拡大して示す説明用断面図である。 この半導体レーザ装置は、複数の半導体レーザ素子15を有するチップ10がサブマウント構造体20上に配置されて構成されている。
チップ10は、それぞれGaAs系化合物よりなる活性層16を有する複数の半導体レーザ素子15が一列に並んだ状態で連結されてなる長尺なものである。このチップ10の表面には、半導体レーザ素子15から放射されるレーザ光を外部に取り出すための複数の光取り出し部11が、半導体レーザ素子15の各々に対応して、チップ10の長手方向に沿って一列に並ぶよう形成されている。
サブマウント構造体20は、矩形の板状の基体21を有し、この基体21の表面には、AuGe共晶ハンダよりなる下側接合層22を介して、当該基体21の表面に沿って多数の支持要素26に分割されたダイヤモンド層25が形成されている。図示の例のダイヤモンド層25は、チップ10の長手方向に沿って当該チップ10における半導体レーザ素子15の各々に対応して分割されることにより、チップ10の長手方向と垂直な方向に伸びる複数の支持要素26が、当該チップ10の長手方向に沿って並ぶよう形成されて構成されている。
このダイヤモンド層25における各支持要素26の表面の中央領域および一端側領域には、第1金属層27が形成され、各支持要素26の表面の他端側領域には、第2金属層28が第1金属層27から離間して電気的に絶縁された状態で形成されている。
このダイヤモンド層25における各支持要素26の表面の中央領域および一端側領域には、第1金属層27が形成され、各支持要素26の表面の他端側領域には、第2金属層28が第1金属層27から離間して電気的に絶縁された状態で形成されている。
そして、チップ10は、第1金属層27上に、一つの半導体レーザ素子15が一つの支持要素26上に位置するよう配置され、AuSn共晶ハンダよりなる上側接合層29によって、各半導体レーザ素子15の一方の電極(図示省略)が第1金属層27に電気的に接続された状態で、当該第1金属層27上に接合されており、これにより、チップ10がダイヤモンド層25上に第1金属層27および上側接合層29を介して固定されている。また、チップ10における各半導体レーザ素子15の他方の電極(図示省略)は、例えば金よりなるボンディングワイヤー17を介して第2電極層28に電気的に接続されている。
サブマウント構造体20における基体21を構成する材料としては、銅、タングステンまたはそれらの合金などの金属材料を用いることができる。しかし、チップ10を構成する材料の線熱膨張係数との差が±2×10-6K-1である線熱膨張係数を有する材料を用いることが好ましい。その具体例としては、銅とタングステンとの比率が10:90の銅タングステン合金が挙げられる。
また、基体21の厚みは、例えば0.1〜0.5mmである。
また、基体21の厚みは、例えば0.1〜0.5mmである。
ダイヤモンド層25の厚みは、0.1〜0.5mmであることが好ましく、ダイヤモンド層25における各支持要素26間の離間距離は、0.01〜0.03mmであることが好ましい。
ダイヤモンド層25を形成する方法としては、ダイヤモンドよりなる所要の厚みの板材を下側接合層22によって基体21の表面に接着する方法、化学気相成長(CVD)法によって基体21の表面に直接形成する方法(この場合には、下側接合層22は不要となる。)、などが挙げられる。
第1金属層27および第2金属層28を構成する金属材料としては、金、アルミニウムなどを用いることができる。
また、第1金属層27および第2金属層28の厚みは、それぞれ3〜7μmである。
ダイヤモンド層25を形成する方法としては、ダイヤモンドよりなる所要の厚みの板材を下側接合層22によって基体21の表面に接着する方法、化学気相成長(CVD)法によって基体21の表面に直接形成する方法(この場合には、下側接合層22は不要となる。)、などが挙げられる。
第1金属層27および第2金属層28を構成する金属材料としては、金、アルミニウムなどを用いることができる。
また、第1金属層27および第2金属層28の厚みは、それぞれ3〜7μmである。
ダイヤモンド層25を多数の支持要素26に分割する方法としては、基体21上に分割されていないダイヤモンド層を形成した後、当該ダイヤモンド層を例えばYAGレーザ等によるレーザ加工によって切断して多数の支持要素26に分割する方法が挙げられる。また、ダイヤモンド層25を形成する方法として化学気相成長(CVD)法を利用する場合には、基体21の表面に各支持要素26の間に位置される領域を覆うマスクを配置することにより、多数の支持要素26に分割されたダイヤモンド層25を基体21の表面に直接形成することができる。
また、ダイヤモンド25の各支持要素26上に、第1金属層27、第2金属層28および上側接合層29を形成する方法としては、分割されていないダイヤモンド層上に、第1金属層27、第2金属層28および上側接合層29を形成するための金属層を形成した後、これらの金属層を、レーザ加工によってダイヤモンド層と共に切断することにより、第1金属層27、第2金属層28および上側接合層29を形成する方法が挙げられる。または、基体21の表面に沿って多数の支持要素26に分割されたダイヤモンド層25を形成した後、各支持要素26上に、第1金属層27、第2金属層28および上側接合層29を形成する方法が挙げられる。
また、ダイヤモンド25の各支持要素26上に、第1金属層27、第2金属層28および上側接合層29を形成する方法としては、分割されていないダイヤモンド層上に、第1金属層27、第2金属層28および上側接合層29を形成するための金属層を形成した後、これらの金属層を、レーザ加工によってダイヤモンド層と共に切断することにより、第1金属層27、第2金属層28および上側接合層29を形成する方法が挙げられる。または、基体21の表面に沿って多数の支持要素26に分割されたダイヤモンド層25を形成した後、各支持要素26上に、第1金属層27、第2金属層28および上側接合層29を形成する方法が挙げられる。
上記の半導体レーザ装置においては、サブマウント構造体20における第1金属層27と第2金属層28との間に電圧を印加してチップ10における各半導体レーザ素子15に電流を供給することによって、当該半導体レーザ素子15の活性層16が発光し、光取り出し部11から外部に出射される。
このような半導体レーザ装置によれば、サブマウント20に熱伝導率の高いダイヤモンド層25が形成されている。また、当該ダイヤモンド層25上に第1金属層27および上側接合層29を介して固定されている。このため、半導体サーザ素子15の発熱を高い効率で放熱することができる。しかも、ダイヤモンド層25が基体21の表面に沿って多数の支持要素26に分割されている。このため、チップ10をサブマウント20に接合する際の加熱によって、或いは半導体レーザ装置を使用した際の半導体レーザ素子15の発熱によって、チップ10およびダイヤモンド層25が熱履歴を受けた場合でも、支持要素26の各々における面方向の熱膨張量および熱収縮量が小さくなる。従って、チップ10に発生する熱歪を抑制することができる。
以上、本発明の半導体装置の実施の形態について、半導体レーザ装置として実施した場合を例に挙げて説明したが、本発明は、半導体レーザ装置に限定されず、例えば半導体発光素子としてLEDを備えた半導体装置、パワーMOSFETやIGBTなどのパワー半導体素子を備えた半導体装置に適用することができる。そこで、本発明における半導体レーザ素子とは、レーザ光を放射する半導体から成るレーザ素子、半導体発光素子、パワー半導体素子を含めるものと定義する。
以下、本発明の半導体装置の具体的な実施例について説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
〈実施例1〉
図1〜図4に示す構成に従い、下記の仕様のサブマウント構造体を作製した。
[基体(21)]
材質:銅とタングステンとの比率が10:90の銅タングステン合金(線熱膨張係数:6.4×10-6K-1),寸法:3.5mm×3.28mm×0.3mm
[下側接合層(22)]
材質:金とゲルマニウムとの比率が80:20のAuGe共晶ハンダ
[ダイヤモンド層(25)]
支持要素の数:10
支持要素(26)の寸法:3.5mm×0.308mm×0.4mm
支持要素(26)間の離間距離:0.02mm
[第1電極層(27)]
材質:金,寸法:2.15mm×0.308mm×0.005mm
[第2電極層(28)]
材質:金,寸法:1.12mm×0.308mm×0.005mm
[上側接合層(29)]
材質:金とスズとの比率が80:20のAuSn共晶ハンダ,寸法:1.35mm×0.308mm×0.006mm
図1〜図4に示す構成に従い、下記の仕様のサブマウント構造体を作製した。
[基体(21)]
材質:銅とタングステンとの比率が10:90の銅タングステン合金(線熱膨張係数:6.4×10-6K-1),寸法:3.5mm×3.28mm×0.3mm
[下側接合層(22)]
材質:金とゲルマニウムとの比率が80:20のAuGe共晶ハンダ
[ダイヤモンド層(25)]
支持要素の数:10
支持要素(26)の寸法:3.5mm×0.308mm×0.4mm
支持要素(26)間の離間距離:0.02mm
[第1電極層(27)]
材質:金,寸法:2.15mm×0.308mm×0.005mm
[第2電極層(28)]
材質:金,寸法:1.12mm×0.308mm×0.005mm
[上側接合層(29)]
材質:金とスズとの比率が80:20のAuSn共晶ハンダ,寸法:1.35mm×0.308mm×0.006mm
それぞれGaAs系化合物よりなる活性層を有する複数の半導体レーザ素子が一列に並んだ状態で連結されてなる、寸法が1mm×3.28mm×0.074mmのチップを用意する。このチップを上記のサブマウント複合体における上側接合層上に配置し、320℃に加熱して上側接合層を溶融した後、常温まで冷却して上側接合層を固化する。これにより、チップを上側接合層上に固定すると共に、当該チップにおける各半導体レーザ素子の一方の電極を上側接合層を介して第1電極層に電気的に接続した。次いで、金よりなるボンディングワイヤーによって、チップにおける各半導体レーザ素子の他方の電極を第2電極層に電気的に接続した。このようにして、半導体レーザ装置を作製した。
以上において、半導体レーザ装置における各部材の材質、密度、線熱膨張係数および熱伝導率を、下記表1に示す。
以上において、半導体レーザ装置における各部材の材質、密度、線熱膨張係数および熱伝導率を、下記表1に示す。
〈比較例1〉
ダイヤモンド層を分割しなかったこと以外は実施例1と同様にして、サブマウント構造体を作製し、半導体レーザ装置を作製した。
ダイヤモンド層を分割しなかったこと以外は実施例1と同様にして、サブマウント構造体を作製し、半導体レーザ装置を作製した。
〔評価〕
(1)残留応力
実施例1および比較例1に係る半導体レーザ装置について、280℃においてチップが上側接合層に固定されると共に応力がゼロとなり、その後、温度が−40℃まで均一に冷却されたと仮定し、チップにおける端から数えて5つ目の半導体レーザ素子の中央位置におけるチップの長手方向に垂直な断面、および端から数えて5つ目の半導体レーザ素子と6つ目の半導体レーザ素子との境界位置の断面の各々に発生する残留応力の分布(チップの長手方向と垂直な方向の分布)を有限要素法によって計算した。結果を図5に示す。
(1)残留応力
実施例1および比較例1に係る半導体レーザ装置について、280℃においてチップが上側接合層に固定されると共に応力がゼロとなり、その後、温度が−40℃まで均一に冷却されたと仮定し、チップにおける端から数えて5つ目の半導体レーザ素子の中央位置におけるチップの長手方向に垂直な断面、および端から数えて5つ目の半導体レーザ素子と6つ目の半導体レーザ素子との境界位置の断面の各々に発生する残留応力の分布(チップの長手方向と垂直な方向の分布)を有限要素法によって計算した。結果を図5に示す。
図5において、(a)は、チップの表面に発生する残留応力の半導体レーザ素子の中央位置を通る線に沿った分布を示す曲線図、(b)は、チップの表面に発生する残留応力の半導体レーザ素子間の境界位置を通る線に沿った分布を示す曲線図であり、それぞれ縦軸は最大主応力の値、横軸はチップの長手方向と垂直な方向の位置を示す。また、(a)の破線Cは、半導体レーザ素子における活性層が位置する領域を示す。
図5に示す結果から明らかなように、実施例1に係る半導体レーザ装置によれば、比較例1に係る半導体レーザ装置に比較して、半導体レーザ素子の中央位置および半導体レーザ素子間の境界位置のいずれにおいても残留応力が小さいことが理解される。
図5に示す結果から明らかなように、実施例1に係る半導体レーザ装置によれば、比較例1に係る半導体レーザ装置に比較して、半導体レーザ素子の中央位置および半導体レーザ素子間の境界位置のいずれにおいても残留応力が小さいことが理解される。
(2)発光時の温度分布
実施例1および比較例1に係る半導体レーザ装置について、チップにおける1つの活性層に1Wの発熱があり、基体の下面温度が22℃に保持されているものと仮定し、半導体レーザ素子の発光時における活性層を通過する厚み方向の温度分布および半導体レーザ素子の表面における面方向(チップの長手方向と垂直な方向)の温度分布を有限要素法によって計算した。結果を図6に示す。
実施例1および比較例1に係る半導体レーザ装置について、チップにおける1つの活性層に1Wの発熱があり、基体の下面温度が22℃に保持されているものと仮定し、半導体レーザ素子の発光時における活性層を通過する厚み方向の温度分布および半導体レーザ素子の表面における面方向(チップの長手方向と垂直な方向)の温度分布を有限要素法によって計算した。結果を図6に示す。
図6において、(a)は、半導体レーザ素子の発光時における活性層を通過する厚み方向の温度分布を示す曲線図、(b)は、半導体レーザ素子の表面における面方向の温度分布を示す曲線図であり、それぞれ縦軸は温度の値、(a)の横軸は、半導体レーザ装置の厚み方向の位置を示し、(b)の横軸は、半導体レーザ素子の表面におけるチップの長手方向と垂直な方向の位置を示す。
図6に示す結果から明らかなように、実施例1に係る半導体レーザ装置の温度分布は、比較例1に係る半導体レーザ装置と同等であり、従って、実施例1に係る半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子の発熱が、分割されていないダイヤモンド層を有する半導体レーザ装置と同等の効率で放熱されることが理解される。
図6に示す結果から明らかなように、実施例1に係る半導体レーザ装置の温度分布は、比較例1に係る半導体レーザ装置と同等であり、従って、実施例1に係る半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子の発熱が、分割されていないダイヤモンド層を有する半導体レーザ装置と同等の効率で放熱されることが理解される。
(3)光出力特性
実施例1および比較例1に係る半導体レーザ装置について、電流−光出力特性を測定したところ、両者は同等の特性を示した。このことから、実施例1に係る半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子のジャンクション温度の上昇が抑制され、半導体レーザ素子の発熱が、分割されていないダイヤモンド層を有する半導体レーザ装置と同等の効率で放熱されることが理解される。
実施例1および比較例1に係る半導体レーザ装置について、電流−光出力特性を測定したところ、両者は同等の特性を示した。このことから、実施例1に係る半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子のジャンクション温度の上昇が抑制され、半導体レーザ素子の発熱が、分割されていないダイヤモンド層を有する半導体レーザ装置と同等の効率で放熱されることが理解される。
10 チップ
11 光取り出し部
15 半導体レーザ素子
16 活性層
17 ボンディングワイヤー
20 サブマウント構造体
21 基体
22 下側接合層
25 ダイヤモンド層
26 支持要素
27 第1金属層
28 第2金属層
29 上側接合層
11 光取り出し部
15 半導体レーザ素子
16 活性層
17 ボンディングワイヤー
20 サブマウント構造体
21 基体
22 下側接合層
25 ダイヤモンド層
26 支持要素
27 第1金属層
28 第2金属層
29 上側接合層
Claims (4)
- 複数の半導体レーザ素子を有するチップがサブマウント構造体に設けられてなる半導体装置であって、
前記サブマウント構造体は、基体と、この基体の表面に形成された、当該基体の表面に沿って多数の支持要素に分割されたダイヤモンド層とを有してなり、
前記チップが前記ダイヤモンド層上に固定されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記サブマウント構造体における基体は、前記チップを構成する材料の線熱膨張係数と同一または近似する線熱膨張係数を有する材料よりなることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記チップは、複数の半導体レーザ素子が一方向に並ぶよう配置された長尺なものであり、
前記ダイヤモンド層における支持要素の各々は、前記チップの長手方向に沿って並ぶよう形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。 - 前記ダイヤモンド層における支持要素の各々は、当該支持要素上に前記チップにおける一つの半導体レーザ素子が位置するよう当該半導体レーザ素子の各々に対応して形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の半導体装置。
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