JP2018164069A

JP2018164069A - 半導体レーザ装置

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Publication number: JP2018164069A
Application number: JP2017164096A
Authority: JP
Inventors: 将人萩元; Masahito Hagimoto; 浩徳柳澤; Hironori Yanagisawa; 朋信土屋; Tomonobu Tsuchiya
Original assignee: Ushio Opto Semiconductors Inc
Current assignee: Ushio Opto Semiconductors Inc
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-08-29
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2037-08-29
Also published as: JP7035377B2

Abstract

【課題】より良好な放熱性を有するサブマウント基板を用いた半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ装置１００は、第一結晶軸（ｃ軸）を法線方向とする第一結晶面（ｃ面）と、前記第一結晶軸よりも熱伝導率が高い第二結晶軸（ａ軸）を法線方向とする第二結晶面（ａ面）とを含む結晶構造を有する単結晶のサブマウント基板１０と、サブマウント基板１０の第一面１１側に接合された半導体レーザチップ２０と、を備える。第一結晶面はサブマウント基板１０の第一面１１に対して傾斜している。【選択図】図２

Description

本発明は、サブマウント基板を備える半導体レーザ装置に関する。

半導体レーザチップは、動作時にレーザ光を放射するとともに熱を発生させる。一般に、半導体レーザチップは、低温時に出力特性と信頼性とが向上されるため、半導体レーザチップが発する熱を効率良く放熱することが重要である。放熱用のヒートシンクとしては、高放熱金属材料（例えばＣｕなど）により構成された部材が用いられる。しかしながら、高放熱金属材料により構成されたヒートシンクは、半導体レーザチップに比べて線膨張係数が大きいため、直接接合することが困難である。このため、半導体レーザチップは、線膨張係数がヒートシンクと半導体レーザチップとの中間の値若しくは半導体レーザチップに近い値を有する材料で構成されたサブマウントに接合され、そのサブマウントがヒートシンクに接合されることが一般的である。
サブマウント基板は、線膨張係数と熱伝導率とを考慮して適宜の物質が選択され、構成される。代表的にはＡｌＮやＳｉＣなどが用いられる。特許文献１には、半導体レーザ装置のサブマウントとして、熱引きのよい単結晶ＳｉＣを用いる点が開示されている。

特開２０１４−２２５６６０号公報

近年、半導体レーザ装置の高出力化が望まれており、サブマウント基板については更なる放熱性の向上が望まれている。
そこで、本発明は、より良好な放熱性を有するサブマウント基板を用いた半導体レーザ装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様は、第一結晶軸を法線方向とする第一結晶面と、前記第一結晶軸よりも熱伝導率が高い第二結晶軸を法線方向とする第二結晶面とを含む結晶構造を有する単結晶のサブマウント基板と、前記サブマウント基板の第一面側に接合された半導体レーザチップと、を備え、前記第一結晶面が前記サブマウント基板の前記第一面に対して傾斜している。
このように、熱伝導率が異方性を有する物質により構成されたサブマウント基板を用い、半導体レーザチップが接合される側の面である第一面の法線方向に対して第一結晶軸および第二結晶軸を一様に傾斜させる。これにより、例えば第一面の法線方向が第一結晶軸の方向に一致し、且つ第一面の法線方向と第二結晶軸の方向とでなす角が９０°である場合と比較して、半導体チップが発する熱の放熱経路（熱伝導経路）を第一面の法線方向に近い方向に形成することができる。つまり、熱伝導率の高い結晶軸を活用して、サブマウント基板の第一面の法線方向における放熱性をより向上させることができる。したがって、第一面側に接合される半導体レーザチップが発する熱を効率良く放熱することができる。

また、上記の半導体レーザ装置において、前記サブマウント基板は、ＳｉＣ、ＧａＮおよびＡｌＮのいずれかの単結晶により構成されていてもよい。このように、単結晶ＳｉＣ、単結晶ＧａＮ、単結晶ＡｌＮといった、熱伝導率が結晶方位毎に異なる異方性を有する物質を用いることで、サブマウント基板の放熱性を向上させる効果を適切に得ることができる。
さらに、上記の半導体レーザ装置において、前記第一結晶面がｃ面、前記第二結晶面がａ面であってもよい。この場合、半導体レーザチップが接合される側の面である第一面に対してｃ面が傾斜したサブマウント基板とすることができる。

また、上記の半導体レーザ装置において、前記サブマウント基板の前記第一面と前記第一結晶面とでなす角が４°以上２０°以下であってもよい。これにより、サブマウント基板の放熱性を適切に向上させることができる。なお、第二結晶面方向に例えばＳｉＣ単結晶を成長させたサブマウント基板を用いることで放熱性を最大にできるものと考えられるが、かかるサブマウント基板で結晶性の良いものはまだ実現されておらず入手不可能である。従って、第一結晶面方向にＳｉＣ単結晶を成長させたサブマウント基板において、上記のようにサブマウント基板の第一面と第一結晶面とでなす角を上記範囲とすることが現実的である。

さらに、上記の半導体レーザ装置において、前記サブマウント基板は、放熱部が接合される側の面である第二面を有し、前記第一面の法線方向と前記第二面の法線方向とが一致していてもよい。この場合、サブマウント基板の一方の面（第一面側の面）に半導体レーザチップが接合され、サブマウント基板の上記一方の面に対向する他方の面（第二面側の面）にヒートシンク部等の放熱部が接合される場合に、半導体レーザチップからヒートシンク部へ向かう方向における熱伝導性を向上させることができる。その結果、半導体レーザチップが発する熱を、ヒートシンク部等の放熱部を介して効率的に放熱させることができる。

また、上記の半導体レーザ装置において、前記半導体レーザチップの定格出力が１Ｗ以上であってもよい。このように出力が大きい半導体レーザチップにおいては、放熱性の必要性が一層高い。そのため、サブマウントに上記サブマウント基板を用いることによるメリットが大きい。
さらに、上記半導体レーザ装置において、前記サブマウント基板のウェハ単位でのマイクロパイプの数は、３０個／ｃｍ²以下であってもよい。この場合、半導体レーザチップ用に分割された後のサブマウント基板は、マイクロパイプが無い、若しくは殆ど無いものとすることができる。

本発明によれば、より良好な放熱性を有するサブマウント基板を用いた半導体レーザ装置とすることができる。

本実施形態における半導体レーザ装置の構成例を示す図である。サブマウントの構成を示す図である。サブマウント基板の結晶軸の方向を示す図である。比較例のサブマウント基板の結晶軸の方向を示す図である。本実施形態と比較例とにおける熱伝導経路の違いを説明する図である。絶縁膜を設けたサブマウントの構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態における半導体レーザ装置１００の構成例を示す図である。半導体レーザ装置１００は、サブマウント基板１０と、半導体レーザチップ（以下、「ＬＤチップ」という。）２０と、ヒートシンク部（基部）３０と、を備える。
サブマウント基板１０は、ＬＤチップ２０が載置されるサブマウントを構成する。本実施形態では、サブマウント基板１０は、単結晶ＳｉＣからなるＳｉＣ基板である場合について説明する。当該ＳｉＣ基板は、導電性の単結晶ＳｉＣ基板であってもよいし、絶縁性の単結晶ＳｉＣ基板であってもよい。例えば、不純物含有量が１×１０¹⁴／ｃｍ³以上であるＳｉＣ基板を「導電性」のＳｉＣ基板と定義し、不純物含有量が１×１０¹⁴／ｃｍ³未満であるＳｉＣ基板を「絶縁性」のＳｉＣ基板と定義することができる。

ＬＤチップ２０は、特に図示しないが、半導体層を備える。当該半導体層は、基板上に、少なくとも第１導電型半導体層、活性層および第２導電型半導体層が、この順に積層された構成を有することができる。例えば、上記基板は、ＧａＡｓ系材料、ＩｎＰ系材料およびＧａＮ系材料のいずれかにより構成された基板とすることができる。ＬＤチップ２０は、所定の注入電流が供給されて所定の発振波長を有するレーザ光を出射する。ここで、ＬＤチップ２０の定格出力は、１Ｗ以上とすることができる。なお、ＬＤチップ２０が発するレーザ光の発振波長は特に限定されない。

ヒートシンク部３０には、ＬＤチップ２０が載置されたサブマウントが接合される。ヒートシンク部３０は、円盤状のステム４１の円形状の表面の中央部近傍に設けられている。例えば、サブマウントは、ＬＤチップ２０から出射されるレーザ光の出射方向が、ステム４１の円形状の表面に対して垂直な方向に一致するよう、ヒートシンク部３０に接合される。また、このときサブマウントは、ＬＤチップ２０の発光点がステム４１の円形状の表面の中央に位置するよう、ヒートシンク部３０に接合されてもよい。
また、サブマウント基板１０を含んで構成されるサブマウント、ＬＤチップ２０およびヒートシンク部３０は、周辺のリードピンやワイヤと共に円筒状のキャップ４２によって覆われている。このキャップ４２は、ＬＤチップ２０やワイヤ等を保護することを目的として装着される。キャップ４２上面の中央部に形成された開口部には、光取出し窓４３が設けられており、ＬＤチップ２０から出射されたレーザ光は、光取出し窓４３を透過してステム４１の外部に出射される。
ヒートシンク部３０は、高放熱金属材料（例えはＣｕなど）により構成されており、発光時にＬＤチップ２０が発する熱は、サブマウント基板１０を含んで構成されるサブマウントを介してヒートシンク部３０に伝達され、放熱される。

図２は、本実施形態におけるサブマウントの構成を示す図である。この図２では、サブマウント基板１０と、ＬＤチップ２０と、ヒートシンク部３０との接合部分について示している。
サブマウント基板１０は、第一面１１と、当該第一面１１に対向する第二面１２とを有する。第一面１１と第二面１２とは、ＬＤチップ２０からのレーザ光の出射方向に対して垂直な方向において対向配置されている。また、本実施形態では、第一面１１および第二面１２の各法線方向が一致しているものとして説明する。

サブマウント基板１０の第一面１１上には第一導電層１３が設けられ、サブマウント基板１０の第二面１２上には第二導電層１４が設けられている。ここで、第一導電層１３と第二導電層１４とは、それぞれＴｉ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ａｕのうちの何れか一以上の物質から構成することができる。第一導電層１３上には、接合層５１を介してＬＤチップ２０が接合されている。また、第二導電層１４は、接合層５２を介してヒートシンク部３０に接合されている。ここで、接合層５１と接合層５２とは、それぞれＡｕＳｎはんだとすることができる。

本実施形態では、サブマウント基板１０の厚み方向（図２における上下方向）を、サブマウント基板１０の結晶軸に対して一様に傾斜させる。サブマウント基板１０は、第一結晶軸であるｃ軸と、該第一結晶軸よりも熱伝導率が高い第二結晶軸であるａ軸（ａ１軸、ａ２軸、ａ３軸）とを含む結晶構造を有する。ここで、サブマウント基板１０が単結晶ＳｉＣ基板により構成されている場合、ｃ軸の熱伝導率は３９０Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対し、ａ軸の熱伝導率は４９０Ｗ／ｍ・Ｋである。

本実施形態におけるサブマウント基板１０は、図３（ａ）に示すように、サブマウント基板１０の第一面１１に対して第一結晶面（ｃ面）が傾斜した構造を有する。ここで、第一結晶軸（ｃ軸）を法線方向とする面を第一結晶面（ｃ面）、第二結晶軸（ａ軸）を法線方向とする面を第二結晶面（ａ面）という。また、以下の説明では、サブマウント基板１０の第一面１１の法線方向を、「基板法線方向」という。六方晶系の結晶構造を有する単結晶ＳｉＣを用いたサブマウント基板１０の場合、図３（ｂ）に示すように、ｃ軸に垂直に現れるｃ面をサブマウント基板１０の第一面に対して傾斜させる。なお、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるａ軸が、ａ３軸である場合の例である。ここで、第一面１１と第一結晶面（ｃ面）とのなす角は、例えば４°以上２０°以下とすることができる。

このように、特定の物質の単結晶は、結晶方位毎に熱伝導率が異なる（熱伝導率が異方性を有する）。例えば、ＳｉＣ単結晶の場合、上述したようにａ軸の熱伝導率はｃ軸の熱伝導率よりも大きく、ｃ軸方向よりもａ軸方向への放熱性（熱伝導性）に優れる。そのため、サブマウント基板１０のｃ面を第一面１１に対して一様に傾斜させることで、熱伝導率の高いａ軸方向成分を基板法線方向に付与することができる。したがって、サブマウント基板１０のｃ面と第一面１１とが平行な場合（ｃ軸方向と基板法線方向とが一致する場合）に比べ、基板法線方向への放熱性を向上させることができる。

図４（ａ）および図４（ｂ）は、比較例としてのサブマウント基板１０´を示す図である。このサブマウント基板１０´は、サブマウント基板１０´の第一面１１とｃ面とが平行である構造を有する。
このサブマウント基板１０´において、ＬＤチップ２０よって生じた熱のサブマウント基板１０´中における伝導経路は、図５（ａ）の矢印Ａに示すように、ｃ軸方向よりも熱伝導率の高いａ軸方向に近くなる。つまり、基板面方向に近くなる。

これに対して、本実施形態におけるサブマウント基板１０は、第一結晶面（ｃ面）が第一面１１に対して傾斜した構造を有する。このように、サブマウント基板１０のｃ面を第一面１１に対して傾斜させることで、ＬＤチップ２０によって生じた熱のサブマウント基板１０中における伝導経路を、図５（ｂ）の矢印Ｂに示すように、基板法線方向に近づけることができる。

本実施形態の半導体レーザ装置１００においては、ＬＤチップ２０が接合される側の第一面１１の法線方向と、ヒートシンク部３０が接合される側の第二面１２の法線方向とが一致している。つまり、ＬＤチップ２０とヒートシンク部３０とは、基板法線方向において対向配置される。そのため、ＬＤチップ２０からヒートシンク部３０への最短の熱伝導経路は、第一面１１および第二面１２の法線方向、即ち基板法線方向の経路である。したがって、図５（ｂ）に示すようにＬＤチップ２０よって生じた熱の伝導経路を基板法線方向に近づけることで、ヒートシンク部３０を介した放熱性を向上させることができる。

以上のように、本実施形態におけるサブマウント基板１０は、ＬＤチップ２０からの熱のヒートシンク部３０を介した放熱性を向上させるために、ｃ面を基板面である第一面１１に対して敢えて傾斜させた構造を有する。このように、熱伝導率が異方性を有することを活用し、サブマウント基板１０の基板法線方向における放熱性の更なる向上を実現することができる。これにより、ＬＤチップ２０が発光時に発する熱を、ＬＤチップ２０に対して基板法線方向に対向配置されるヒートシンク部３０へ効率的に逃がすことができる。
また、サブマウント基板１０の基板法線方向における放熱性向上の効果を高めるためには、第一面１１と第一結晶面（ｃ面）とのなす角は４°以上であることが好ましい。また、第一面１１と第一結晶面（ｃ面）の方向とのなす角が９０°に近いほど、基板法線方向と第二結晶軸（ａ１軸、ａ２軸、ａ３軸のいずれか）の方向とのなす角が０°に近づくため、基板法線方向における放熱性向上の効果は高くなるが、製造上の制約等により、第一面１１と第一結晶面（ｃ面）の方向とのなす角は２０°以下であってよい。

なお、第二結晶面（ａ面）にＳｉＣ単結晶を成長させたサブマウント基板を用いることで放熱性を最大にできるものと考えられるが、かかるサブマウント基板で結晶性の良いものはまだ実現されておらず、現実には高品質の基板が入手不可能である。従って、第一結晶面（ｃ面）にＳｉＣ単結晶を成長させたサブマウント基板において、上記のようにサブマウント基板１０の第一面１１と第一結晶面（ｃ面）とでなす角を４°以上２０°以下の範囲とすることが現実的である。

また、サブマウント基板の熱伝導率を高めるためには、マイクロパイプと呼ばれる中空パイプ状の欠陥の個数が少ないことが好ましい。本実施形態において、サブマウント基板のウェハ単位でのマイクロパイプの数は、３０個／ｃｍ²以下、１０個／ｃｍ²以下、好ましくは５個／ｃｍ²以下、さらに好ましくは１個／ｃｍ²以下であり、半導体レーザチップ用に分割された後の半導体レーザ素子用サブマウントにおいては、マイクロパイプが実質的にゼロ（零または略零）であることが好ましい。このように、マイクロパイプが実質的にゼロであるサブマウント基板を用いることで、当該サブマウント基板の熱伝導率を効果的に高め、放熱性を向上させることができる。

さらに、サブマウント基板１０を構成する単結晶ＳｉＣ基板が導電性である場合、サブマウント基板１０の絶縁性を確保するために、第一導電層１３と第二導電層１４との間を絶縁する絶縁膜を設けることが好ましい。絶縁膜を設ける位置は、例えばサブマウント基板１０の第一面１１上および第二面１２上の少なくとも一方とすることができる。この絶縁膜は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により構成することができる。なお、絶縁膜の材料や膜厚は適宜設定可能である。例えば絶縁膜の膜厚は、０．２μｍ以上１０μｍ以下とすることができる。

図６は、導電性の単結晶ＳｉＣ基板であるサブマウント基板１０の第一面１１上に絶縁膜１５ａを設けた場合のサブマウントの構成を示す図である。
図６に示すように、サブマウント基板１０（以下、「ＳｉＣ基板１０」という。）の第一面１１上に絶縁膜１５ａを設けることで、ＳｉＣ基板１０の表面（第一面１１側の面）と裏面（第二面１２側の面）とにそれぞれ設けられた第一導電層１３および第二導電層１４の間での短絡を防止することができる。つまり、ＳｉＣ基板１０は導電性の基板であるが、ＳｉＣ基板１０の第一面１１側に接合されるべき導電性部材（第一導電層１３、ＬＤチップ２０）と、ＳｉＣ基板１０の第二面１２側に接合されるべき導電性部材（第二導電層１４、ヒートシンク部３０）とを適切に絶縁することができる。

絶縁性の単結晶ＳｉＣ基板を用いた場合、マイクロパイプが多数存在するため、マイクロパイプ内に半田材料などの導電性部材が入り込みやすく、単結晶ＳｉＣ基板の絶縁性が低下しやすい。そこで、これを抑制するために、マイクロパイプを絶縁材料で塞ぐという工程を行う方法があるが、かかる工程は煩雑である。これに対して、ＳｉＣ基板１０の第一面１１上に絶縁膜１５ａを設けることで絶縁性を確保する構成とすれば、上記のようなマイクロパイプを絶縁材料で塞ぐといった煩雑な工程は不要である。
また、上述のようにＳｉＣ基板１０のマイクロパイプ含有量が極小であるため、マイクロパイプへの電極材料の入り込みが極めて少ないことから、ＳｉＣ基板１０上に形成当初の絶縁膜１５ａの膜厚が４μｍ以下もあれば、十分な絶縁性を確保することができる。この場合、絶縁膜を形成するために要する時間が短縮されるとともに、絶縁膜１５ａを形成することに伴う放熱性の減少を最小限に抑えることができる。したがって、絶縁膜１５ａの厚みは、特に４μｍ以下とすることが好ましい。

また、ＳｉＣ基板１０には、マイクロパイプが無い、若しくは殆ど無いので、絶縁膜１５ａがマイクロパイプに埋め込まれることもない。そのため、絶縁膜１５ａの表面がマイクロパイプによって起伏することもなく、表面を平坦にするための研磨工程も不要である。したがって、サブマウント基板の製造工程を簡略化することができる。
このように、導電性の単結晶ＳｉＣ基板において、放熱性に優れ且つ安価であるという長所を活かしつつ、絶縁性を確保することができる。したがって、良好な放熱性と絶縁性とを確保した単結晶ＳｉＣ基板を活用した半導体レーザ装置１００とすることができる。
また、ＬＤチップ２０の定格出力は、１Ｗ以上とすることができる。このように出力が大きいＬＤチップ２０においては、放熱性の必要性が一層高いため、サブマウントに本実施形態のようなＳｉＣ基板を用いることによるメリットが大きい。

（変形例）
上記実施形態においては、サブマウント基板１０は、ＳｉＣの単結晶により構成する場合について説明したが、熱伝導率が異方性を有する物質であればよく、例えば、ＧａＮやＡｌＮの単結晶を用いることもできる。
また、上記実施形態においては、キャンタイプの半導体レーザ装置１００について説明したが、本発明が適用可能な半導体レーザ装置はキャンタイプに限定されない。

１００…半導体レーザ装置、１０…ＳｉＣ基板、１１…第一面、１２…第二面、１３…第一導電層、１４…第二導電層、２０…半導体レーザチップ（ＬＤチップ）、３０…ヒートシンク部、５１，５２…接合層

Claims

第一結晶軸を法線方向とする第一結晶面と、前記第一結晶軸よりも熱伝導率が高い第二結晶軸を法線方向とする第二結晶面とを含む結晶構造を有する単結晶のサブマウント基板と、
前記サブマウント基板の第一面側に接合された半導体レーザチップと、を備え、
前記第一結晶面が前記サブマウント基板の前記第一面に対して傾斜していることを特徴とする半導体レーザ装置。
前記サブマウント基板は、ＳｉＣ、ＧａＮおよびＡｌＮのいずれかの単結晶により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
前記第一結晶面がｃ面、前記第二結晶面がａ面であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
前記サブマウント基板の前記第一面と前記第一結晶面とでなす角が４°以上２０°以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
前記サブマウント基板は、放熱部が接合される側の面である第二面を有し、
前記第一面の法線方向と前記第二面の法線方向とが一致していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
前記半導体レーザチップの定格出力が１Ｗ以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
前記サブマウント基板のウェハ単位でのマイクロパイプの数が、３０個／ｃｍ²以下であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。