JP2015103658A - 化合物半導体発光デバイスの製造方法及びこの製造方法によって製造された化合物半導体発光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光を出射する出射ガラス窓にクラック、リーク等が生じて内部の気密性が低下するのを極力防止し、高品質の気密性の保持を図ることのできる化合物半導体発光デバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の化合物半導体発光デバイス１の製造方法は、化合物半導体発光素子４が実装されたセラミックパッケージ１Ａとレーザ光を出射する出射ガラス窓１４が取り付けられる開口部１０が形成された金属製リッド７とを溶接により接合する工程を先に実施し、ついで、金属製リッド７の開口部１０に出射ガラス窓１４を融着する工程を実施する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、面発光レーザ（VCSEL）アレイパッケージ等の化合物半導体発光デバイスの製造方法及び化合物半導体発光デバイスに関する。

従来から、面発光レーザ（垂直共振器型面発光レーザ、VCSEL）等の化合物半導体発光デバイスが知られている。この面発光レーザは、パッケージのセラミックベースに対して垂直方向にレーザ光を出射する半導体レーザであり、二次元集積化が容易である。

さらに、この面発光レーザは、消費電力が端面型レーザに比べて一桁程度小さく、より多くの光源を二次元集積するのに有利であるため、近年注目されている。以下、この二次元集積された面発光レーザアレイパッケージをVCSELアレイパッケージという。

このVCSELアレイパッケージには、レーザ光が出射される出射ガラス窓が設けられている。このVCSELアレイパッケージは、単一のレーザデバイスよりも出力されるビームの本数が多い。このため、そのVCSELアレイパッケージの出射ガラス窓の大きさは、単一のレーザデバイスパッケージの出射ガラス窓よりも大きい。

また、VCSELアレイパッケージは、１個のレーザ（VCSEL）チップ内で複数のレーザが同時に発振する。このため、単一のレーザデバイスよりも発熱量が多く、発熱に対する対策が必要となる。この発熱対策として、VCSELチップの層構造中に、熱伝導性の良好なヒ化アルミニウム（AlAs）材料を用いる場合がある。

そのヒ化アルミニウム（AlAs）材料は水分によって腐食されやすい性質がある。従って、ヒ化アルミニウム（AlAs）材料を用いたVCSELアレイパッケージは気密性を有することが望ましい。そのVCSELアレイパッケージの気密性を保つ技術として、樹脂を用いた封止技術があるが、樹脂は水分を通過させるので、耐湿性に関しては限界がある。

そこで、面発光型のレーザチップ（化合物半導体発光デバイス）が実装されたセラミックパッケージと、出射ガラス窓があらかじめ取り付けられた金属製リッドとを直接溶接により接合して、高品質の気密性を確保可能な面発光レーザアレイパッケージ等の化合物半導体発光デバイスの製造方法が提案されている（特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。

ところで、その特許文献１ないし特許文献４に開示の技術では、セラミックパッケージと金属製リッドとの溶接の際に出射ガラス窓に熱的ストレスが加わって、出射ガラス窓にクラック、リーク等が生じ、これにより、化合物半導体発光デバイスの気密性が損なわれることがある。

本発明は、レーザ光を出射する出射ガラス窓にクラック、リーク等が生じて内部の気密性が低下するのを極力防止し、高品質の気密性の保持を図ることのできる化合物半導体発光デバイスの製造方法及びこの製造方法によって製造された化合物半導体発光デバイスを提供することにある。

本発明に係る化合物半導体発光デバイスの製造方法は、化合物半導体発光素子が実装されたセラミックパッケージとレーザ光を出射する出射ガラス窓が取り付けられる開口部が形成された金属製リッドとを溶接により接合する工程を先に実施し、ついで、前記金属製リッドの開口部に前記出射ガラス窓を融着する工程を実施することを特徴とする。

本発明によれば、金属製リッドの開口部に出射ガラス窓を取り付ける前に、金属製リッドとセラミックパッケージとを溶接により接合し、その後に金属製リッドの開口部に出射ガラス窓を融着することにしたので、金属製リッドとセラミックパッケージとの溶接の際に出射ガラス窓に熱的ストレスが加わるのを防止でき、高品質の気密性を保つことのできる化合物半導体発光デバイスを提供できる。

図１は本発明に係る化合物半導体発光デバイスとしての面発光レーザアレイパッケージの製造方法によって製造された面発光レーザアレイパッケージの断面図である。 図２は図１に示すセラミックパッケージと出射ガラス窓融着前の金属製リッドとを示す斜視図であって、（ａ）は出射ガラス窓融着前の金属製リッドの斜視図を示し、（ｂ）はセラミックパッケージの斜視図を示す。 図３は図２に示すセラミックパッケージと出射ガラス窓融着前の金属製リッドとの接合工程を示し、（ａ）は出射ガラス窓融着前の金属製リッドの断面図を示し、（ｂ）はセラミックパッケージを示し、（ｃ）はセラミックパッケージと出射ガラス窓融着前の金属製リッドとが溶接により接合された接合体を示す。 図４は図３に示す接合体と、この接合体と出射ガラス窓との融着に用いる低融点ガラス成型品と、出射ガラス窓との斜視図を示し、（ａ）はその接合体を示し、（ｂ）は出射ガラス窓を示し、（ｃ）は低融点ガラス成型品を示す。 図５は図４（ａ）に示す接合体の金属製リッドに図４（ｂ）に示す出射ガラス窓を融着させる工程の説明図であり、（ａ）は金属製リッドの開口部の凹部に低融点ガラス成型品と出射ガラス窓とをセットする直前の状態を示し、（ｂ）は金属製リッドの開口部の凹部に低融点ガラス成型品と金属製リッドの開口部の凹部に低融点ガラス成型品と出射ガラス窓とをセットした状態を示し、（ｃ）は金属製リッドの開口部に出射ガラス窓を融着させた状態を示す。 図６は従来の化合物半導体発光デバイスとしての面発光レーザアレイパッケージの製造方法によって製造された面発光レーザアレイパッケージを示す断面図である。 図７は図６に示すセラミックパッケージと出射ガラス窓融着後の金属製リッドとを示す断面図であって、（ａ）は出射ガラス窓融着後の金属製リッドの断面図を示し、（ｂ）はセラミックパッケージの断面図を示す。 図８は本発明に係る金属製リッドの変形例を示す拡大断面図である。

（本発明の実施例に係る化合物半導体発光デバイスとしての面発光レーザアレイパッケージの構造）
以下に、本発明の実施例に係る化合物半導体発光デバイスとしての面発光レーザアレイパッケージの構造を、図面を参照しながら説明した後、本発明の実施例に係る面発光レーザアレイパッケージの製造方法を説明する。
図１は本発明の実施例に係る面発光レーザアレイパッケージの断面図を示している。
この図１において、符号１は、面発光レーザアレイパッケージである。

この面発光レーザアレイパッケージ１は、複数個のセラミックが積層されたフラットなセラミックベース（セラミック基盤）２を有する。このセラミックベース２にはキャビティ３が形成されている。

そのキャビティ３の底部には、面発光型のレーザチップ（化合物半導体発光素子）４が実装されている。そのキャビティ３には段差部４’が設けられ、この段差部４’には銀蝋５が設けられている。その段差部４’には銀蝋５を介して金属製シールリング部材６が配設されている。このようにして、図２（ｂ）に斜視図で示す面発光型のレーザチップ４が実装されたセラミックパッケージ１Ａが構成されている。

なお、ここで、面発光型のレーザチップ４が実装されたセラミックパッケージ１Ａとは、ダイボンドやワイヤボンド（図示を略す）の接合により、レーザチップ４に仮に通電したとすれば、レーザチップ４が発光する状態の構造体をいう。この面発光型のレーザチップ４が実装されたセラミックパッケージ１Ａまでの製造工程は、従来技術と同様であるので、その詳細な説明は省略する（必要とあれば、例えば、特許文献１ないし特許文献４参照）。

その金属製シールリング部材６には、図２（ａ）に斜視図で示す金属製リッド７が溶接により接合されている。その金属製リッド７は、金属製シールリング部材６に接合される接合フラット部８と、接合フラット部８から起立する円筒状起立部９と、円筒状起立部９の頂部に形成された開口部１０とを有する。

その開口部１０には、上部に向かって開放された環状の凹部１２が形成されている。その開口部１０はセラミックベース２の面に対して傾斜されている。その理由は後述する。その凹部１２には低融点ガラス材料１３を介してレーザ光を出射する出射ガラス窓１４が融着により固定されている。

（本発明の実施例に係る面発光レーザアレイパッケージ１の製造方法）
次に、図２、図３を参照しつつ本発明の実施例に係る面発光レーザアレイパッケージの製造方法について説明する。

まず、図２（ａ）、図３（ａ）に示すように、出射ガラス窓１４を取り付ける前の金属製リッド７と、図２（ｂ）、図３（ｂ）に示すレーザチップ４が実装されたセラミックパッケージ１Ａとを準備する。

その金属製リッド７の接合フラット部８と金属製シールリング部材６とを接触させ、これらを溶接する。溶接方法には、例えば、ローラー溶接を用いるが、これに限るものではない。、図３（ｃ）及び図４（ａ）は金属製リッド７を面発光型のレーザチップ４が実装されたセラミックパッケージ１Ａに接合後でかつ金属製リッド７の開口部１０に出射ガラス窓１４をセットする前の溶接による接合体１Ｂを示している。

その出射ガラス窓１４のセット前の金属製リッド７とレーザチップ４実装済みのセラミックパッケージ１Ａとの接合体（図４（ａ）参照）１Ｂと、図４（ｃ）に示す低融点ガラス材料１３の粉末をリング状に圧縮成形したリング状の低融点ガラス成型品１３Ａと、図４（ｂ）に示す円盤状の出射ガラス窓１４とを準備する。

その図４（ｂ）に示す出射ガラス窓１４と図４（ｃ）に示す低融点ガラス成型品１３Ａとを重ね合わせて、環状の凹部１２にセットする。その金属製リッド７の開口部１０は斜めになっていて、そのまま、出射ガラス窓１４と低融点ガラス成型品１３Ａとを重ね合わせて開口部１０の凹部１２にセットすると、そのセットの際に、出射ガラス窓１４と低融点ガラス成型品１３Ａとが開口部１０から滑落するおそれがある。

そこで、図５に示す融着工程用セット治具１５を準備する。この融着工程用セット治具１５は、開口部１０を水平状態又は略水平状態に維持するための傾斜面１５ａを有する。
その出射ガラス窓１４のセット前の金属製リッド７が接合されたレーザチップ４実装済みの図４（ａ）に示す接合体１Ｂであってその接合体１Ｂを構成するセラミックパッケージ１Ａのセラミックベース２を、図５（ａ）に示すように、傾斜面１５ａに載置して開口部１０を水平に保つ。

その後、図５（ｂ）に示すように、低融点ガラス成型品１３Ａと出射ガラス窓１４とをこの順に重ね合わせて、凹部１２に載置する。
ついで、この低融点ガラス成型品１３Ａと出射ガラス窓１４とがセットされた図５（ｂ）に示すセラミックパッケージ１Ａを載置した融着工程用セット治具１５を電気炉（図示を略す）に置いて、その電気炉内の内部で、250℃の温度で1時間の熱処理を行う。この熱処理の工程により、圧縮成型された低融点ガラス材料１３が溶融し、図５（ｃ）に示すように金属製リッド７の開口部１０と出射ガラス窓１４とが融着される。これにより、面発光レーザアレイパッケージ１が製作される。

この面発光レーザアレイパッケージ１の製造方法によれば、セラミックパッケージ１Ａと金属製リッド７との溶接を行った後に、金属製リッド７と出射ガラス窓１４との融着を行うので、出射ガラス窓１４に溶接の際の工程における熱ストレスが加わることがない。その結果、この製造方法によって、製作された図１に示す面発光レーザアレイパッケージ１によれば、出射ガラス窓１４にクラックが発生したり、リークが発生したりするトラブルを防止できる。

以下、この理由を従来の化合物半導体発光デバイスとしての面発光レーザアレイパッケージ１’の製造方法と対比して説明する。
図６は、従来の面発光レーザアレイパッケージ１’を示している。この図６において、図１に示す構成要素と同一構成要素については、同一符号を付して説明することとする。

この図６に示す面発光レーザアレイパッケージ１’では、図７（ｂ）に示すレーザチップ４実装後のセラミックパッケージ１Ａ’と、出射ガラス窓１４が融着済みの金属製リッド７とを準備して、セラミックパッケージ１Ａ’と、出射ガラス窓１４が融着済みの金属製リッド７とを溶接により接合する。

この面発光レーザアレイパッケージ１’では、セラミックパッケージ１Ａ’と金属製リッド７との溶接固定後に、図６に示す丸印で囲んだ付近の出射ガラス窓１４にクラックが入ったり、気密性が損なわれて、リークが発生する場合がある。

その理由には、以下のことが考えられる。
（１）VCSELアレイパッケージはアレイ・デバイスであるために、既述したように、端面レーザや、単一チャネルの面発光レーザよりも大きな出射ガラス窓１４を確保しなければならない。
このため、出射ガラス窓１４として端面レーザや、単一チャネルの面発光レーザよりも大きなものを使わざるを得ない。出射ガラス窓１４に用いるガラス材料は脆性材料である。従って、その使用するボリュームが大きくなるに伴って、製造工程中に導入されるストレスに敏感になり、クラックが発生し易くなる。

（２）VCSELアレイパッケージは、図１、図６に示すように、出射ガラス窓１４がセラミックベース（セラミック基盤）２に対して斜めに配置されている。このセラミックベース２に対して出射ガラス窓１４を斜めに配置することにしたのは、出射ガラス窓１４で反射されたレーザ光がレーザチップ４に戻ることを防ぐためである。本発明に係るVCSELアレイパッケージでも同様の構造を採用している。

その出射ガラス窓１４がセラミックベース（セラミック基盤）２に対して斜めに配置されているために、セラミックパッケージ１Ａ’に非対称性が生じている。
セラミックパッケージ１Ａ’と金属製リッド７との溶接中、その溶接箇所は、1000℃以上の高温となり、熱伝導により出射ガラス窓１４に熱的なストレスが与えられる。

このように図６に示す出射ガラス窓１４がセラミックベース２に対して斜めに配置されていると、出射ガラス窓１４に、溶接箇所から近い場所と遠い場所とが生じ、出射ガラス窓１４の不良箇所が、図６に丸印で示すように金属製リッド７の低い側で常に発生するものと考えられる。

（３）従来技術による事情
金属製リッド７と出射ガラス窓１４とを融着する低融点ガラス材料１３の温度特性は低融点とは言っても、この低融点ガラス材料１３は、400〜500℃の温度でないと溶融しない。これに対して、VCSELアレイパッケージの実装工程（ダイボンドやワイヤボンドを接合する工程）では、200〜250℃の熱履歴を前提に考えられている。

このため、出射ガラス窓１４と金属製リッド７とを最初に融着しておいて、その後に、レーザチップ（VCSELチップ）４が実装されているセラミックパッケージ１Ａ’に溶接をするという工程の順番をとらざるを得なかった。

このような事情により、通常、金属製リッド７に出射ガラス窓１４を融着させるまで、金属製リッド７の製造メーカで製造し、デバイス製造メーカでは、出射ガラス窓１４の融着済みの金属製リッド７を購入して、レーザチップ（VCSELチップ）４が実装されているセラミックパッケージ１Ａ’に出射ガラス窓１４の融着済みの金属製リッド７を溶接して、気密性を有する面発光レーザアレイパッケージ（VCSELアレイ・デバイス）を製作していた。
このため、既述したように、面発光型のレーザチップ４を実装済みのセラミックパッケージ１Ａ’と出射ガラス窓１４を融着済みの金属製リッド７との溶接の際に、出射ガラス窓１４が熱的ストレスに晒される。

ところで、出射ガラス窓１４が融着されていない金属製リッド７とセラミックパッケージ１Ａとを先に溶接し、その後に、出射ガラス窓１４を金属製リッド７に融着させることができれば、出射ガラス窓１４には溶接工程中にその溶接の際の熱ストレスに晒されることが防止され、クラック等の発生の問題を解消できる。

上述のように、従来は、VCSELアレイパッケージの実装工程（図示を略すダイボンドやワイヤボンド）の熱履歴（200〜250℃）を考慮して、出射ガラス窓１４を融着済みの金属製リッド７とセラミックパッケージ１Ａ’とを溶接せざるを得なかった。
ところが、近年、低融点ガラス材料の開発の進歩により、250℃程度の温度（例えば、３００°Ｃ以下の温度）で溶融する低融点ガラス材料１３が開発されつつある。

そこで、本発明の実施例に係るVCSELアレイパッケージでは、金属製リッド７と出射ガラス窓１４との融着に250℃程度（例えば、３００°Ｃ以下）の温度で溶融可能な低融点ガラス材料１３を用い、ダイボンドやワイヤボンド（図示を略す）の実装工程の熱履歴の許容温度に起因する制限を解消させることにして、レーザチップ４が実装されたセラミックパッケージ１Ａと、レーザ光を出射する出射ガラス窓１４の取り付け前の開口部１０を有する金属製リッド７とを溶接により接合する工程を先に実施し、その後に、金属製リッド７の開口部１０に出射ガラス窓１４を融着する工程を実施することにしたのである。

その結果、溶接の際に、出射ガラス窓１４にゆがみが生じたり、出射ガラス窓１４に熱的ダメージを与えることが回避され、出射ガラス窓１４にクラックが入ったり、リークが発生することが防止される。

更に、出射ガラス窓１４と低融点ガラス成型品１３Ａとを金属製リッド７の凹部１２に容易に位置決めしてセットでき、位置決め後も出射ガラス窓１４と低融点ガラス成型品１３Ａとが凹部１２に保持されてずれにくいので、出射ガラス窓１４と低融点ガラス成型品１３Ａとを凹部１２に落とし込むという簡便な作業工程を実現できる。

また、この実施例に係る製造方法では、出射ガラス窓１４と金属製リッド７とを融着する低融点ガラス成型品１３Ａに、VCSELアレイパッケージの実装工程における温度である２５０°Ｃ程度（例えば、３００°Ｃ以下）の温度で溶融する低融点ガラス材料を用いているので、より一層出射ガラス窓１４に歪みが生じたり、熱的ダメージを与えることが防止される。

（変形例）
図８は本発明の実施例に係る製造方法に用いる金属製リッド７と出射ガラス窓１４との変形例を説明するための拡大図である。
この変形例では、金属製リッド７の凹部１２の深さｈを出射ガラス窓１４の厚さｔよりも大きく形成したものである。

この変形例によれば、出射ガラス窓１４が金属製リッド７の凹部１２からはみ出ることが防止できる。このため、この面発光レーザアレイ・デバイス（面発光レーザアレイパッケージ１）を実装ボードに組み込む等のデバイス完成後の取り扱いの際の工程において、出射ガラス窓１４の端部に何かが引っ掛かって、出射ガラス窓１４が欠ける等のトラブルの発生を防止できる。

また、この変形例によれば、低融点ガラス成型品１３Ａの溶融の際に、この低融点ガラス成型品１３Ａの材料である低融点ガラス材料１３が何らかの原因で凹部１２からこぼれ落ちることも防止される。
以上、実施例においては、面発光型のレーザチップ４について説明したが、本発明は、これに限らず化合物半導体発光素子を有する化合物半導体発光デバイスに適用できるものである。

１…面発光レーザアレイパッケージ（化合物半導体発光デバイス）
１Ａ…セラミックパッケージ
４…面発光型のレーザチップ（化合物半導体発光素子）
７…金属製リッド
１０…開口部
１４…出射ガラス窓

特開２０１１−２１６８５２号公報 特開２０１１−２１６８５６号公報 特開２０１３−０１６６１７号公報 特開２０１３−０７００２５号公報

Claims (8)

1. 化合物半導体発光素子が実装されたセラミックパッケージとレーザ光を出射する出射ガラス窓が取り付けられる開口部が形成された金属製リッドとを溶接により接合する工程を先に実施し、ついで、前記金属製リッドの開口部に前記出射ガラス窓を融着する工程を実施することを特徴とする化合物半導体発光デバイスの製造方法。
2. 前記金属製リッドの開口部に凹部が形成され、該凹部に前記出射ガラス窓と該出射ガラス窓を融着するガラス材料とをセットして、前記金属製リッドと前記出射ガラス窓とを融着固定することを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体発光デバイスの製造方法。
3. 前記金属製リッドの開口部の凹部を水平になるように、前記化合物半導体発光素子が実装されたセラミックパッケージと前記出射ガラス窓が取り付けられる開口部が形成された金属製リッドとの溶接により接合された接合体をセットして、前記金属製リッドの開口部に前記出射ガラス窓を融着することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の化合物半導体発光デバイスの製造方法。
4. 前記金属製リッドの開口部の凹部の深さが前記出射ガラス窓の厚さよりも大きい金属製リッドを用いて、該金属製リッドと前記出射ガラス窓とを融着により固定することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の化合物半導体発光デバイスの製造方法。
5. 前記出射ガラス窓と前記開口部とを融着するガラス材料が実装工程の熱履歴の温度である３００°Ｃ以下の温度で溶融することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の化合物半導体発光デバイスの製造方法。
6. 前記接合体を水平にセットするセット治具を用いて、前記金属製リッドの開口部の凹部を水平状態に保ち、前記金属製リッドと前記出射ガラス窓とを融着することを特徴とする請求項３に記載の化合物半導体発光デバイスの製造方法。
7. 請求項１ないし請求項６に記載の化合物半導体発光デバイスの製造方法により製造された化合物半導体発光デバイスであって、
   請求項１に記載の金属製リッドの開口部に凹部が形成され、該凹部に前記出射ガラス窓が融着により固定されていることを特徴とする化合物半導体発光デバイス。
8. 前記凹部の深さが前記出射ガラス窓の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の化合物半導体発光デバイス。