JP2019153762A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】キャンタイプの半導体発光素子を放熱板に取り付けて使用する際に、放熱性をより向上させることのできる半導体発光装置を提供する。【解決手段】半導体発光装置１０は、半導体発光素子１００を放熱板１３０上に搭載してなる。半導体発光素子１００の基台１０１の基台底面１０７の一部の領域と放熱板１３０の上面との間にはギャップ１４０が設けられ、リード１０５はギャップ１４０が設けられた領域にて基台１０１を上下に貫通するように配置される。半導体レーザチップ１２２は、ギャップ１４０が設けられていない領域において、その導波路長手方向が基台１０１の上面に略平行となるように配置される。リード１０５の下端は、ギャップ１４０内に位置して、フレキシブル基板１５０に接続される。【選択図】図３

Description

本発明は、キャンタイプの半導体発光素子を放熱板上に搭載してなる半導体発光装置に関する。

現在、各種産業分野において、半導体レーザチップを搭載した半導体発光装置が利用されている。そのような半導体発光装置としては、例えば特許文献１等に開示されているようなキャンタイプの半導体発光素子を用いたものが、広く使用されている。

図１３に、従来のキャンタイプの半導体発光素子の断面図を示す。この半導体発光素子では、金属製の板状部材である基台９０１上に、金属製のブロック９０２が突出するように設けられており、ブロック９０２の側面に半導体レーザチップ９０４がサブマウント９０３を介して搭載されている。半導体レーザチップ９０４の端面から出射されるレーザ光は、基台９０１に対して垂直方向上方に出射される。

基台９０１には、リード９０７が絶縁および気密を確保するためガラスハーメチックシールにより固定される。但し、ステムと電気的に共通なリードについては、ステムに直接接続されるように固定される。リード９０７と半導体レーザチップ９０４とは、電流導入のために適宜ワイヤで接続される。尚、図１３においては、図示の煩雑さを避けるため、ワイヤの記載を省略している。

キャップ９０５は、半導体レーザチップ９０４を覆って気密封止するために、電気抵抗溶接などにより基台９０１と接着されている。キャップ９０５には、半導体レーザチップ９０４からの出力光を取り出すためにガラスからなる窓部９０６が設けられている。窓部９０６は気密化のためにキャップ９０５に接着されている。基台９０１の平面視形状は、典型的には円形である。

このようなキャンタイプの半導体発光素子は、金属製のパッケージからなるので放熱性が良好であるが、その放熱性をさらに高めるため、一般的に金属からなる部材に取り付けられた半導体発光装置として用いられる。また、キャンタイプの半導体発光素子では、金属同士の溶接等による接合、窓部ガラスの金属製キャップへの低融点ガラス付け、ガラスハーメチックシール等の確立された技術を用いることができる。このため、キャンタイプの半導体発光素子は、部材コストや組み立てコストが安価でありながらも半導体レーザチップの厳密な気密封止が可能であり、半導体発光装置に広く用いられている。

尚、半導体発光素子の他の構成としては、図１３に示されるようなブロック９０２を用いず、基台（金属板）上に横向きにした半導体レーザチップ等を直接積載するパッケージも考えられている（特許文献２、３）。このようなパッケージ構造では、半導体レーザチップからの光の出射方向が基台に対して平行になるので、出射光を上方向に反射するミラーを用いて、結果として基台に対して垂直に光を出射するようにした半導体発光素子が知られている。

このようなタイプの半導体発光素子では、半導体レーザチップが横向きに基台に搭載されているので、基台底面への放熱経路が短くなり、基台から突出したブロックを介して放熱がなされる図１３の半導体発光素子と比較すると、より放熱性の向上が期待できる。また、これらの半導体発光素子についても、使用時には、放熱のための部材に取り付けられた半導体発光装置として用いられる。

特開２００６−１３５２１９号公報 特開平７−１６２０９２号公報 特開平５−１２９７１１号公報

半導体発光素子は、半導体レーザチップからの光出力をワット級以上に高めることにより、３Ｄプリンタ用、その他の造形・加工用の光源や、プロジェクタ用光源、照明用光源等、様々な光源としての展開が期待されている。このような応用分野では、パッケージからの放熱を改善して個々のパッケージからのレーザ出力を高めることが求められている。さらには、複数個のパッケージを集積し、出力光を光学系で集めることによって、更なる大出力の光源として利用することも求められている。

これら用途では、半導体発光素子を高い投入電力で動作させる必要があることから、半導体発光素子からの発熱を効率的に逃がす必要がある。そのため、半導体発光素子は、金属部材である放熱板に取り付けられて用いられる。図１４は、図１３に示す従来のキャンタイプの半導体発光素子を放熱板９１０に取り付けた状態を、放熱板９１０を断面にして模式的に示す図である。

図１４において、半導体発光素子はリード９０７が基台底面から伸びている。このため、放熱板９１０に半導体発光素子を取り付けるには、放熱板９１０に穴９１１を開け、穴９１１にリード９０７を通すことが必要となる。この時、リード９０７には管状の絶縁部材９１２を被せて、リード９０７と放熱板９１０との電気的絶縁を取る。リード９０７は、はんだ付け等の電気接続９１３により取付基板や配線等に電気接続され、これにより半導体発光素子への電流導入経路が形成される。尚、図１４においては、図示の煩雑さを避けるため、リード９０７の接続先の部材（取付基板、被覆線等の配線部材）は記載を省略している。

このような放熱板９１０の構成では、半導体発光素子における半導体レーザチップ９０４の下方近傍の本来最も放熱に寄与すべき領域に、穴９１１や窪み９１４等を設ける必要がある。窪み９１４は、リード９０７のはんだ付け接続のためのスペースである。放熱板９１０に穴９１１や窪み９１４を設けることにより、半導体レーザチップ９０４から直接下方への放熱経路が損なわれることとなり、また、半導体発光素子の底面と放熱板９１０との接触面積を十分に確保することが容易でなくなる。これらは、半導体発光素子の放熱の向上を実現する上で大きな問題となる。

このようなキャンタイプの半導体発光素子を用いる場合において、単純にパッケージ全体のサイズを大きくすれば放熱板９１０との接触面積は増大しうる。しかしながら、半導体発光素子のパッケージサイズを大きくすれば、当然ながら装置の小型化を阻害し、特に、上記の高密度集積の応用上で障害となる。すなわち、複数の半導体発光素子の集積密度が小さくなれば、出力光を光学系で集めることがより難しくなり、大出力のレーザ光を利用する目的と反してしまう。

特許文献２に記載の半導体発光素子は、図１３に示す半導体発光素子と同様、リードが基台底面から伸びている構造である。そのため、この半導体発光素子では、依然として上述の放熱板への取り付けの問題があり、放熱性向上のメリットは十分に得られない。

特許文献３に記載の半導体発光素子は、金属板の周囲に枠体を作り、枠体を通過するようにリードを配置した構造である。この構造では、パッケージの底面には平坦な金属板が露出し、リードがパッケージ下方に突き出すことは無い。よって半導体発光素子の放熱板への取り付けの問題は解消されており、半導体レーザチップの動作時の発熱は、金属板を通じて直接下方に放熱できるため、放熱効果が大きく向上できる。

しかしながら、特許文献３に記載の半導体発光素子は、そもそもキャンタイプのパッケージでは無く、半導体発光素子からのリードの取出しはガラスハーメチックシール技術を用いたものでは無い。特許文献３の半導体発光素子では、樹脂等でリードの封止を行う構成が考えられるが、このような樹脂封止では、ハーメチックシール技術によるリード封止と比較すると外部とのガスのリーク抑制が不十分となる。そのため、例えば窒化物半導体レーザについてこのパッケージ技術を用いた場合には、経年使用によってレーザチップが劣化してしまうといった問題がある。

また、特許文献３の半導体発光素子において、枠体にセラミック等を用いたものでは、気密封止を実現するためのパッケージ自体が非常に高価なものとなり、従来技術のキャンタイプのように生産性に優れる電気抵抗溶接によるキャップの封止取り付けをすることはできない。つまり、特許文献３の半導体発光素子は、放熱が比較的良好で、パッケージコストおよび製造コストも安価でありながらレーザチップの厳密な気密封止が可能というキャンタイプの半導体発光素子におけるメリットを享受できるものではない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、キャンタイプの半導体発光素子を放熱板に取り付けて使用するものであって、放熱性をより向上させることのできる半導体発光装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の半導体発光装置は、半導体発光素子を、金属からなり前記半導体発光素子の基台より面積の大きい放熱板上に搭載してなる半導体発光装置であって、前記半導体発光素子は、板状の金属からなる前記基台と、光透過性部材からなる窓部を備え、前記基台に載置されたキャップと、前記基台の上面に搭載された、導波路を備える半導体発光チップと、前記半導体発光チップの導波路端からの放出光の光路を上方向に変換して前記窓部より出射させる光路折り曲げ部材と、前記半導体発光チップへ電力を供給するためのリードとを有しており、前記リードの上端、前記半導体発光チップおよび前記光路折り曲げ部材が、前記キャップと前記基台とによって囲まれる内部空間に収納されているものであり、前記基台は前記放熱板上に搭載されるとともに、その下面の一部の領域と前記放熱板の上面との間にはギャップが設けられており、前記半導体発光チップは、前記ギャップが設けられた領域以外の領域に、導波路長手方向が前記基台の上面に略平行となるように配置され、前記リードは、前記ギャップが設けられた領域に、前記基台を上下に貫通するように配置されており、前記リードの下端は、前記ギャップ内に位置して、フレキシブル基板に接続されていることを特徴としている。

上記の構成によれば、半導体発光素子の基台の下面から突出するリードは、ギャップ内においてフレキシブル基板に接続されている。これにより、半導体発光素子を放熱板等に取り付けて使用する際に、半導体発光チップが設けられた領域に対応する基台の下面を放熱板の平坦面に密着させることができる。このため、半導体発光チップの下方近傍の最も放熱に寄与すべき領域が放熱板に直接接する構造となり、半導体発光チップから放熱板への放熱が極めて良好となる。さらに、リードをフレキシブル基板に接続することで、ギャップ高さを小さくすることができる。これにより、半導体発光素子の基台から放熱板に伝わる熱が横方向に拡がりやすくなり、放熱性がより向上する。

また、上記半導体発光装置では、前記キャップと前記基台とによって囲まれる内部空間は、気密封止されている構成とすることができる。

また、上記半導体発光装置では、前記ギャップは、前記放熱板の上面の前記基台が搭載される領域に設けられた段差により構成されている、あるいは、前記基台の下面に設けられた切り欠け部により構成されているものとすることができる。

また、上記半導体発光装置では、前記基台の平面視形状が略四辺形であり、前記ギャップは、前記略四辺形の一つの辺に沿って設けられている構成とすることができる。

また、上記半導体発光装置では、前記基台の平面視形状が略四辺形であり、前記半導体発光チップは、その導波路長手方向が前記略四辺形の一方の対角線に沿うように設置されており、前記略四辺形の他方の対角線上の互いに対向する２つの角部付近に前記ギャップが配置される構成とすることができる。

上記の構成によれば、半導体発光チップを基台の対角線に沿って配置しているため、基台に対して相対的に共振器が長い半導体レーザチップを積載することができる。そのため、半導体発光装置におけるレーザ出力をさらに高めることができる。

また、上記半導体発光装置は、前記放熱板上に、複数の前記半導体発光素子を搭載している構成とすることができる。

また、上記半導体発光装置は、前記複数の半導体発光素子は、前記放熱板上に一列またはマトリクス状に配置され、前記一列またはマトリクスの同列に配置された複数の半導体発光素子の各半導体発光チップには、共通の前記フレキシブル基板により電力が供給される構成とすることができる。

上記の構成によれば、複数の半導体発光素子の各半導体発光チップに、共通の前記フレキシブル基板により電力が供給されることにより、放熱板上に複数の半導体発光素子を密に並べて配置することができる。

また、上記半導体発光装置では、前記ギャップの高さは、０．１ｍｍ以上かつ前記基台の厚み以下である構成とすることができる。

また、上記半導体発光装置では、前記ギャップの高さは、０．１ｍｍ以上かつ４ｍｍ以下である構成とすることができる。

また、上記半導体発光装置では、前記半導体発光チップは、窒化物半導体により構成されている構成とすることができる。

本発明の半導体発光装置は、半導体発光素子の基台の下面から突出するリードをギャップ内においてフレキシブル基板に接続することで、半導体発光チップの下方近傍の最も放熱に寄与すべき領域が放熱板に直接接する構造となり、半導体発光チップから放熱板への放熱が極めて良好となるといった効果を奏する。さらに、リードをフレキシブル基板に接続することで、ギャップ高さを小さくすることができ、半導体発光素子の基台から放熱板に伝わる熱が横方向に拡がりやすくなり、放熱性がより向上するといった効果を奏する

実施の形態１に係る半導体発光装置を示す斜視図である。 図１の半導体発光装置に搭載される半導体発光素子のキャップを外してその内部構造を示した斜視図である。 図１において符号Ａで示される方向から観察した半導体発光装置の局所断面図である。 実施の形態２に係る半導体発光装置を示す斜視図である。 図４において符号Ａで示される方向から観察した半導体発光装置の局所断面図である。 （ａ）は実施の形態３に係る半導体発光装置を示す斜視図であり、（ｂ）は半導体発光装置におけるギャップ内の接続構造を示す断面図である。 （ａ）は実施の形態４に係る半導体発光装置を示す斜視図であり、（ｂ）は半導体発光装置におけるギャップ内の接続構造を示す断面図である。 実施の形態５に係る半導体発光装置を示す斜視図である。 図８の半導体発光装置に搭載される半導体発光素子のキャップを外してその内部構造を示した平面図である。 実施の形態６に係る半導体発光装置を示す斜視図である。 実施の形態６に係る半導体発光装置の変形例を用いた集光システムの一例を模式的に示している断面図である。 本発明の実施例となる半導体発光素子の熱抵抗の評価結果を示すグラフである。 従来のキャンタイプの半導体発光素子を示す断面図である。 従来のキャンタイプの半導体発光素子を放熱板に取り付けた状態を模式的に示す図である。

〔実施の形態１〕
＜半導体発光装置の構成＞
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施の形態１に係る半導体発光装置１０を示す斜視図である。半導体発光装置１０は、放熱板１３０上に搭載されたキャンタイプの半導体発光素子１００を具備している。図２は、半導体発光素子１００のキャップ１１０を外してその内部構造を示した斜視図である。図３は、図１において符号Ａで示される方向から観察した半導体発光装置１０の局所断面図である。

半導体発光素子１００では、板状の金属からなる基台１０１の略平坦面である上面（チップ搭載面）に、キャップ１１０が基台１０１の周囲付近に接着（電気抵抗溶接等）されて搭載されている。これにより、半導体発光素子１００は、基台１０１とキャップ１１０とによって形成される内部空間を有し、この内部空間を封止できる構成となっている。本実施の形態１において、基台１０１は平面視で角丸略正方形状である。キャップ１１０の上面には、ガラスからなる窓部１１１が形成されている。また、基台１０１の下面は平面であり、基台底面１０７を構成している。

略正方形である基台１０１には、外周の一辺に沿って複数の貫通穴１０３が設けられている。それぞれの貫通穴１０３には、金属からなるリード１０５が基台１０１の厚み方向の上下に突き出るように挿入されている。貫通穴１０３とリード１０５との間にはガラス１０４が充填されており、リード１０５は、基台１０１との良好な絶縁性を有しつつ基台１０１に固定されている。

ここで、リード１０５は略直線形状であり、その下端は基台底面１０７よりもやや下方に位置する。また、リード１０５の上端は、基台１０１とキャップ１１０とで囲まれた半導体発光素子１００の内部空間内に位置する。基台１０１の上面には、その内部空間内にサブマウント１２１が設置され、サブマウント１２１上に半導体レーザチップ（半導体発光チップ）１２２が積載されている。半導体レーザチップ１２２は基台１０１の上面に平行に設置されており、その光出射面から放出されるレーザ光は、一旦基台１０１の上面と平行に出射される。また、半導体レーザチップ１２２の光出射面に対向してミラー（光路折り曲げ部材）１２３が設置されている。半導体レーザチップ１２２から放出されるレーザ光は、ミラー１２３によって光路が折り曲げられて上方に向かい、キャップ１１０の窓部１１１を通じて外部に放出される。

本実施の形態１において、半導体レーザチップ１２２の導波路長手方向（レーザ内部のレーザ導波方向）は、貫通穴１０３が並ぶ方向と略平行である。また、半導体発光素子１００の内部空間には、必要に応じ光出力レベルをモニタするためのセンサが配置されていてもよい。

尚、煩雑さを避けるために図示を省略しているが、半導体レーザチップ１２２やサブマウント１２１上に設けられた電極パッドとリード１０５との間は、金線、金リボン等の金属ワイヤにより接続されている。このことは、リード１０５の上端、半導体レーザチップ１２２およびサブマウント１２１が、半導体発光素子１００の内部空間に収納されていることにより実現されている。必要に応じて内部空間に配置されるセンサについても同様である。

半導体発光素子１００においては、複数のリード１０５が並ぶ方向と、半導体レーザチップ１２２の導波路長手方向とが略平行である。このため、これらの金属ワイヤが、半導体レーザチップ１２２から放出され、ミラー１２３により折り曲げられて半導体発光素子１００の外部へ出射されるレーザ光の光路に干渉することは無い。

半導体発光装置１０において、半導体発光素子１００と組み合わされる放熱板１３０は、基台１０１が搭載される領域の上面が階段状となっている。すなわち、放熱板１３０の上面は、半導体発光素子１００の基台底面１０７と密着する第１平坦面１３０ａ、第１平坦面１３０ａから下降する段差面１３０ｂ、段差面１３０ｂによって第１平坦面１３０ａよりも下がった位置となる第２平坦面１３０ｃを有している。よって、半導体発光装置１０には、第２平坦面１３０ｃと基台底面１０７との間にギャップ１４０が形成される。ここで、段差面１３０ｂは、複数の貫通穴１０３が沿った基台１０１の一辺に平行であり、ギャップ１４０は、略正方形である基台１０１の一つの辺に沿って設けられることとなる。また、ギャップ１４０内にはリード１０５の下端が納められている。

半導体発光装置１０において重要な点は、基台１０１において半導体レーザチップ１２２が搭載されている領域と、基台底面１０７が放熱板１３０に密着する領域とが対応している点である。つまり、図３に示すように、半導体レーザチップ１２２はギャップ１４０が設けられていない領域に設置される。

ギャップ１４０内において、リード１０５の下端にはフレキシブル基板１５０が接続され、さらにフレキシブル基板１５０はギャップ１４０を通じて外部に引き出されている。すなわち、半導体レーザチップ１２２に対して、フレキシブル基板１５０およびリード１０５を通じて電力を供給できる構成となっている。また、内部空間に収納されたセンサからの電気信号も、同様に適宜に外部に取り出すことが可能となる。フレキシブル基板１５０は、ベースフィルムに配線を設けたものであるから極めて薄く、わずかなギャップ１４０を通じて電力供給端子を外部に引き出すことができる。ギャップ１４０の高さは例えば２ｍｍで有り得るが、その望ましい範囲については後述する。

基台１０１の側面には、光出射位置の基準となるマーカ１０６が適宜設けられる。マーカ１０６は印字された印でも良いが、基台１０１の側面に設けられた窪みや突起とすることもできる。また、マーカ１０６は基台１０１の側面以外の部分に設けても良い。

さらに、半導体発光装置１０においては、放熱板１３０がさらに段差面１３０ｄを有し、半導体レーザチップ１２２に近い側の基台１０１の側面が、放熱板１３０の段差面１３０ｄに直に接するように構成されていてもよい。これにより基台１０１から放熱板１３０への熱伝導をさらに高めることができる。

放熱板１３０の全体形状は、図１においては略四角形の板状に描いているが、半導体発光装置１０自体は、用途に応じて機器の筐体内等に固定設置されるものであり、放熱板１３０の形状は様々であり得ることは言うまでもない。

＜製造方法＞
次に、本実施の形態１に係る半導体発光装置１０の製造方法について説明する。

金属からなる基台１０１の成形には、キャンタイプのパッケージを製造するための周知の手法を用いることができる。基台１０１の材料は、鉄を主成分とするもの、銅を主成分とするものなど、公知のパッケージ材料から選択することができる。鉄を主成分とする材料はキャップ１１０の溶接が容易であるメリットがあり、銅を主成分とする材料は放熱性に優れるメリットがあるため、基台１０１の材料は半導体発光装置１０において必要とされる特性に応じて適宜選択できる。また、基台１０１は、全体均一の材料からなる部材に限らず、いわゆる積層材も用いることもできる。基台１０１の成形にプレス加工を用いれば、量産性に優れ、低コストで基台１０１を製造できる。一方、ろう付け加工や溶接加工を用いれば、基台１０１の各部で適した複数の材料を選定し、複雑な組み合わせの基台１０１が構成できる。基台１０１の表面には、金、ニッケル、パラジウム等のメッキが施される。

金属からなるリード１０５は、ガラスハーメチックの手法により、基台１０１に気密を取りつつ固定される。リード１０５にも金、ニッケル等のメッキを施すことで、金属ワイヤやハンダが良好に接続でき電気伝導を良好なものとすることができる。

半導体レーザチップ１２２は、絶縁性のサブマウント１２１に搭載して、基台１０１上面に積載される。サブマウント１２１は、例えば窒化アルミニウム、炭化ケイ素等を主成分とするセラミックからなる。但し、半導体レーザチップ１２２は、基台１０１上に直接搭載されても良く、この場合には半導体レーザチップ１２２からの放熱が直接基台１０１に対してできるので、放熱性が特に改善される。

半導体レーザチップ１２２の基台１０１もしくはサブマウント１２１上への固定は、はんだ付けや導電性ペーストによる接着など公知の手法を用いることができ、接着の材料には公知のものを用いることができる。また、サブマウント１２１としては、金属等の導電性のものやその他公知の材料を用いることもできる。図２においては、基台１０１の上面は全体が平坦で、サブマウント１２１はその平坦面上に積載されている。但し、放熱板１３０に向けての熱伝導を大きく阻害しない範囲で、基台１０１上面に適宜設けた窪み上や突起上にサブマウント１２１を積載することもできる。

光路折り曲げのためのミラー１２３は、プリズム形状のガラス部材の表面に高反射膜をコーティングしたものを用い得る。このようなガラス部材の基台１０１への固定は、接着剤、はんだ付け等で行うことができる。尚、ミラー１２３の構成は、ガラス部材に限らず、半導体材料、金属材料など、公知のミラーの材料を用いることができる。さらに、引用文献２にも開示されたように、基台１０１に設けた窪みの斜面や、あるいは、基台１０１に設けた突起の斜面として、ミラー１２３を基台１０１と一体的に形成することもできる。また、光路折り曲げのための部材としては、ミラー１２３に変えてプリズムや回折格子を用いることも可能である。

半導体レーザチップ１２２やサブマウント１２１に設けられた電極パッドとリード１０５との間の金属ワイヤによる接続は、キャップ１１０を基台１０１に接着する前に行う。

キャップ１１０は、キャンタイプのパッケージのキャップとして用いられている公知技術のものを用いることができる。このようなキャップは、窓材の気密取り付けも技術的に確立しており、また大量生産がされており安価である。キャップ１１０の基台１０１への取り付けは、周知の電気抵抗溶接を用いて行うと生産性が良く低コストで確実な封止ができ望ましい。キャップ１１０を基台１０１に電気抵抗溶接法で装着する手法の概略は次の通りである。まず、基台１０１を通電可能なステージに固定、キャップ１１０を通電可能な治具にセットし、キャップ底面周囲の鍔部である溶接部を治具とステージとの間に挟み込んで加圧し、ステージと治具との間にパルス状の電流を通電することで、当該溶接部を瞬間的に加熱して溶接を行う。電気抵抗溶接工程が低コストであるのは、溶接が一瞬で完了するのでリードタイムが極めて短く、大量生産に向いているからである。また溶接装置の構成もシーム溶接やレーザ溶接のように精密位置決めが必要な可動部分が少なく、装置のコスト自体も低いからである。但し、キャップ１１０の基台１０１への接着方法はこれに限定されるものではなく、シーム溶接、レーザ溶接、ろう付け、はんだ付け等の他の接着方法も用いることも可能である。

さらに、半導体発光素子１００の基台底面１０７からわずかに突出したリード１０５を、フレキシブル基板１５０に接続する。このような電気的な接続には、公知の技術を利用できる。

その後、上述の所定の位置に合わせて半導体発光素子１００の基台底面１０７を放熱板１３０の表面と密着固定させ、半導体発光装置１０が完成する。このような密着固定には、電気抵抗溶接や他の溶接技術、接着剤による接合、ろう付け、はんだ付け等の公知の接着技術や、ねじやスプリング、クリップによる固定等、公知の手法が適宜用いられる。
＜使用方法＞
本実施の形態１に係る半導体発光装置１０の使用方法について説明する。

ギャップ１４０を通じて外側に引き出されているフレキシブル基板１５０を通じて半導体レーザチップ１２２に電力を供給すると、レーザ発振動作し、レーザ光が半導体発光素子１００の窓部１１１を通じて上方に出射される。

半導体発光装置１０においては、リード１０５が基台底面１０７から大きく突出しておらず、その下端はギャップ１４０内に収められているので、ギャップ１４０の部分を除いて基台底面１０７を放熱板１３０に密着させることが可能となっている。半導体レーザチップ１２２およびサブマウント１２１は、平面視において、基台１０１のギャップ１４０のある領域にかからない位置に設置されている。これにより、半導体発光装置１０では、半導体レーザチップ１２２の下方近傍の本来最も放熱に寄与すべき領域が放熱板１３０に直接接する構造となる。それのみならず、半導体レーザチップ１２２およびサブマウント１２１は、基台１０１の上面に直接に設置されている。このため、半導体レーザチップ１２２から基台１０１への放熱も良好に行われる。さらに、基台１０１と放熱板１３０との間の一部にあるギャップ１４０は、基台底面１０７とは平行な方向である放熱板１３０の横方向に伸びているから、放熱板１３０内において基台１０１から伝導してきた熱が横方向に広がることの妨げにはならない。これらの要因により、半導体発光装置１０における半導体レーザチップ１２２からの放熱板１３０への放熱は、従来の半導体発光装置と比較して極めて良好なものとなる。

基台１０１と放熱板１３０との接触面において、基台１０１から放熱板１３０に伝わった熱を横方向に広げる観点からギャップ１４０の高さは狭い方が望ましく、その値は基台１０１の厚み程度以下であることが必要である。半導体発光装置１０において基台１０１は放熱板１３０に密着しているから、基台１０１の厚み自体を薄くして、放熱板１３０に積極的に熱を逃がす構成とすることが望ましい。しかしながら、強度の観点から基台１０１の厚みは通常０．５ｍｍ以上であり、典型的には１〜４ｍｍ程度である。よって、ギャップ１４０の高さの望ましい範囲は、４ｍｍ以下であることが好ましく、リード１０５との接続部を確保する観点からは０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。すなわち、ギャップ１４０の高さは、０．１ｍｍ以上かつ基台１０１の厚み以下、もしくは、０．１ｍｍ以上かつ４ｍｍ以下とすることが望ましい。

図１２は、本実施の形態１に係る半導体発光装置１０における熱抵抗の評価結果を示すグラフである。ここでは、半導体レーザチップ１２２の発熱部であるＰＮジャンクションから、放熱板１３０までの経路の熱抵抗の値を評価している。窒化物半導体からなる半導体レーザチップ１２２の導波路幅（発熱領域幅）は３０μｍであり、サブマウント１２１には窒化アルミニウムを用い、ジャンクションダウンで基台１０１に搭載した。基台１０１の材料は銅であり、放熱板１３０の材料は鉄である。

以上の条件下で、基台１０１の外形を６ｍｍ角としたときの半導体発光装置１０における熱抵抗の値は６℃／Ｗ弱であり、図１３に示すような標準的な従来技術のキャンタイプのパッケージ（直径５．６ｍｍφ）を用いた場合の１０．５℃／Ｗと比較すると、顕著に熱抵抗が改善されていることが分かる。また、基台１０１のサイズが５ｍｍ角程度以上であれば、それ以上パッケージサイズを大きくしても熱抵抗の減少は緩やかである。５〜６ｍｍ角の基台サイズであれば、従来技術の５．６ｍｍφキャンパッケージの基台と比較すると、外形が同程度にもかかわらず、上述のように大幅な熱抵抗の低減ができていることがわかる。従って、半導体発光装置１０を小型化でき、また、部材コストの低減も可能となる。

本実施の形態に係る半導体発光装置１０は、従来技術のキャンタイプのパッケージを利用した場合と比較して極めて良好に放熱ができるため、半導体レーザチップからの光出力を数倍高めることが可能である。一方、半導体レーザチップの封止に関しては、ハーメチックシール技術、抵抗溶接、金属製キャップを用いることができる点は従来技術のキャンタイプのパッケージと何ら変わることが無く、極めて厳密な外気との遮断が可能となる。そのため、使用に伴う半導体レーザチップの劣化が、従来技術のキャンタイプのパッケージを用いる場合と同様に良好に抑制されている。この劣化抑制効果は、窒化物系半導体からなる半導体レーザチップを用いる場合に顕著に表れる。

〔実施の形態２〕
実施の形態２に係る半導体発光装置について、図４および５を用いて説明する。図４は、本実施の形態２に係る半導体発光装置２０を示す斜視図であり、図５は、図４において符号Ａで示される方向から観察した半導体発光装置２０の局所断面図である。

半導体発光装置２０は、放熱板１３１上にキャンタイプの半導体発光素子２００を搭載してなる構成である。半導体発光素子２００は、実施の形態１で示した半導体発光素子１００と比較して、基台１０１に代えて基台２０１を用いた点が異なっている。すなわち、半導体発光素子２００の内部空間の構成は、基本的に半導体発光素子１００と同じである。また、放熱板１３１は、実施の形態１で示した放熱板１３０とは異なる形状を有している。

基台２０１は、基台１０１とは下面形状が異なっており、基台２０１の下面の一部には、外形の一辺に沿って切り欠け部２０２が設けられている。このため、切り欠け部２０２の設けられた領域において、基台２０１の厚みは他の領域よりも薄くなる。

複数の貫通穴１０３は、切り欠け部２０２の領域に設けられ、切り欠け部２０２の設けられた辺に沿って並んで配置されている。貫通穴１０３に設置されたリード１０５は基台２０１の上下に突き出るが、その下端は切り欠け部２０２内に収まっており、つまり、基台底面２０７より上方に位置している。

放熱板１３１は、基台２０１が搭載される領域の上面が平坦となっている。これにより、基台２０１と放熱板１３０との間では、切り欠け部２０２の領域においてギャップ１４０が形成される。実施の形態１と同様、ギャップ１４０内において、リード１０５の下端にはフレキシブル基板１５０が接続され、フレキシブル基板１５０はギャップ１４０を通じて外側に引き出されている。これにより、半導体レーザチップ１２２に対して、フレキシブル基板１５０およびリード１０５を通じて電力を供給できる。また、半導体発光素子２００の内部空間に適宜収納されたセンサからの電気信号もフレキシブル基板１５０によって外部に取り出すことが可能である。

半導体レーザチップ１２２が搭載されている基台２０１の領域においては、基台底面２０７が放熱板１３１に密着している。つまり、半導体レーザチップ１２２はギャップ１４０が設けられていない領域に設置されていることも実施の形態１と同様である。

これにより、本実施の形態２に係る半導体発光装置２０においても、従来技術のキャンタイプのパッケージを利用した場合と比較して極めて良好に放熱ができるため、半導体レーザチップからの光出力を数倍高めることが可能である。また、半導体レーザチップの封止に関して、ハーメチックシール技術、抵抗溶接、金属製キャップを用いることで極めて厳密な外気との遮断が可能であり、従来技術のキャンタイプパッケージを用いる場合と同様に、半導体レーザチップの劣化が良好に抑制される。

尚、本実施の形態２に係る半導体発光装置２０において、ギャップ１４０の高さの望ましい範囲は、０．１ｍｍ以上かつ４ｍｍ以下である。

〔実施の形態３〕
実施の形態３に係る半導体発光装置について、図６を用いて説明する。図６（ａ）は本実施の形態３に係る半導体発光装置３０を示す斜視図であり、図６（ｂ）は半導体発光装置３０におけるギャップ内の接続構造を示す断面図である。

半導体発光装置３０は、放熱板１３２上にキャンタイプの半導体発光素子１００を搭載してなる構成である。すなわち、半導体発光装置３０は、実施の形態１における放熱板１３０に代えて放熱板１３２を用いた構成である。

放熱板１３２は、基台１０１が搭載される領域の上面の一部に溝部１３２ａを有している。溝部１３２ａは、複数の貫通穴１０３の配置領域に対応して設けられており、溝部１３２ａの一方の端部は基台１０１の外縁よりも外側に延ばされている。半導体発光装置３０では、基台１０１と放熱板１３２との間で、溝部１３２ａによってギャップ１４０が形成される。

実施の形態１に係る半導体発光装置１０では、放熱板１３０に形成された段差によってギャップ１４０が形成されており、平面視において、複数の貫通穴１０３が並べられた基台１０１の一方の側にギャップ１４０が開口していた。これにより、半導体発光装置１０では、フレキシブル基板１５０がリード１０５を基準として半導体レーザチップ１２２から離れる方向に引き出されていた。

これに対し、本実施の形態３に係る半導体発光装置３０では、複数の貫通穴１０３の配列方向の延長先である基台１０１の一方の側にギャップ１４０が開口している。そして、フレキシブル基板１５０は、その開口から、半導体レーザチップ１２２の長手方向に平行な方向に引き出されている。本実施の形態３の構成においても、上記各実施形態と同様の効果が得られる。

尚、図６に示す半導体発光装置３０では、放熱板１３２において溝部１３２ａを形成し、この溝部１３２ａを基台１０１と放熱板１３２との間のギャップ１４０としている。しかしながら、半導体発光装置３０の変形例として、半導体発光素子１００の基台１０１側に溝部を設け、その溝部をギャップ１４０とする構成であってもよい。

〔実施の形態４〕
実施の形態４に係る半導体発光装置について、図７を用いて説明する。図７（ａ）は本実施の形態４に係る半導体発光装置４０を示す斜視図であり、図７（ｂ）は半導体発光装置４０におけるギャップ内の接続構造を示す断面図である。

半導体発光装置４０は、放熱板１３３上にキャンタイプの半導体発光素子１００を搭載してなる構成である。すなわち、半導体発光装置４０は、実施の形態１における放熱板１３０に代えて放熱板１３３を用いた構成である。

放熱板１３３は、基台１０１が搭載される領域の上面の一部に溝部１３３ａを有している。溝部１３３ａは、複数の貫通穴１０３の配置領域に対応して設けられており、溝部１３３ａの両端部は基台１０１の外縁よりも外側に延ばされている。半導体発光装置４０では、基台１０１と放熱板１３３との間で、溝部１３３ａによってギャップ１４０が形成される。

実施の形態３に係る半導体発光装置３０ではギャップ１４０が基台１０１の一方の側面に向かって開口しているのに、半導体発光装置４０では、ギャップ１４０が対向する２つの側面に向かって開口し、それらの開口部からフレキシブル基板１５０が基台１０１に対し２方向に引き出されている。本実施の形態４の構成においても、上記各実施形態と同様の効果が得られる。

尚、図７に示す半導体発光装置４０では、放熱板１３３において溝部１３３ａを形成し、この溝部１３３ａを基台１０１と放熱板１３３との間のギャップ１４０としている。しかしながら、半導体発光装置４０の変形例として、半導体発光素子１００の基台１０１側に溝部を設け、その溝部をギャップ１４０とする構成であってもよい。

〔実施の形態５〕
実施の形態５に係る半導体発光装置について、図８および図９を用いて説明する。図８は、本実施の形態５に係る半導体発光装置５０を示す斜視図である。図９は、半導体発光装置５０に用いられる半導体発光素子３００のキャップ１１０を外してその内部構造を示した斜視図である。

半導体発光装置５０は、放熱板１３４上にキャンタイプの半導体発光素子３００を搭載してなる構成である。そして、半導体発光素子３００では、サブマウント１２１、半導体レーザチップ１２２およびミラー１２３の組が、半導体レーザチップ１２２の導波路長手方向が基台１０１の一方の対角線に沿うように基台１０１の上面に設置されている。さらに、もう一方の対角線上の互いに対向する２つの角部付近にリード１０５が設けられている。

放熱板１３４においては、リード１０５が設けられる位置に対応して段差１３４ａが設けられており、半導体発光装置５０では、基台１０１と放熱板１３４との間で、段差１３４ａによってギャップ１４０が形成される。ギャップ１４０において、それぞれのリード１０５の下端に共通のフレキシブル基板１５０が接続され、半導体レーザチップ１２２に対して外部から電力を供給できる構成となっている。

半導体発光装置５０においても、半導体レーザチップ１２２は基台１０１上のギャップ１４０が設けられていない領域に設置されており、半導体レーザチップ１２２からの放熱が良好に放熱板１３４に伝わる構成となっていることは、上記各実施形態と同様である。すなわち、本実施の形態５の構成においても、上記各実施形態と同様の効果が得られる。

また、半導体発光装置５０においては、半導体レーザチップ１２２を基台１０１の対角線に沿って配置した半導体発光素子３００を用いている。このため、実施の形態１で使用される半導体発光素子１００と比較して、基台１０１に対して相対的に共振器が長い半導体レーザチップ１２２を積載することができる。そのため、外形サイズをより小さくした半導体発光装置５０を実現することが可能となる。

尚、図８および図９に示す半導体発光装置５０では、放熱板１３４において段差１３４ａを形成し、この段差１３４ａを基台１０１と放熱板１３４との間のギャップ１４０としている。しかしながら、半導体発光装置５０の変形例として、半導体発光素子１００の基台１０１側に切り欠け部（段差）を設け、その切り欠け部をギャップ１４０とする構成であってもよい。

〔実施の形態６〕
実施の形態６に係る半導体発光装置について、図１０を用いて説明する。図１０は、本実施の形態６に係る半導体発光装置６０を示す斜視図である。実施の形態６に係る半導体発光装置６０は、実施の形態４に係る半導体発光装置４０を集積した構成を例示するものであり、１枚の放熱板１３３上に複数の半導体発光素子１００を集積して搭載したものである。尚、１枚の放熱板上に複数の半導体発光素子を集積する場合、半導体発光素子は一列状もしくはマトリクス状に配置されることが考えられるが、以下の説明における半導体発光装置６０では、半導体発光素子１００をマトリクス状に配置したものを例示する。

半導体発光装置６０では、放熱板１３３において複数（図１０では５列）の溝部１３３ａが平行に設けられており、各溝部１３３ａはその上に複数（図１０では５個）の半導体発光素子１００を配置できる長さを有している。これにより、半導体発光装置６０では、放熱板１３３上に複数の半導体発光素子１００をマトリクス状（図１０では５×５列）に密に並べられて配置されている。

半導体発光装置６０に搭載される各半導体発光素子１００では、マトリクスの同列に配置された基台１０１の一辺に沿って、放熱板１３３に形成された溝部１３３ａにより構成されたギャップ１４０がそれぞれ設けられる。そして、各ギャップ１４０において各基台１０１に固定されたリード１０５の下端に、フレキシブル基板１５０が接続されて、各半導体発光素子１００内の半導体レーザチップ１２２に電力が供給されるように構成されている。この時、マトリクスの同列に配置された複数の半導体発光素子１００の各半導体レーザチップ１２２には、共通のフレキシブル基板１５０により電力が供給される。このような配置とすることで、各半導体発光素子１００における基台１０１の底面を放熱板１３３に密着させつつ、複数の半導体発光素子１００をマトリクス状に密に並べることができる。また、半導体発光装置６０において、各発光点が同一ピッチとなるようにすることができる。

半導体発光装置６０は、上記各実施形態と同様、各半導体レーザチップ１２２の気密封止が極めて良好であり、封止が不完全なことによる半導体レーザチップ１２２の劣化が無く、信頼性に優れている。

また、各半導体発光素子１００においては、半導体レーザチップ１２２は個々に基台１０１上に積載され、キャップ１１０により封止されているから、その時点で特性評価され選別されたものを用いることができる。このことは、単に複数の半導体レーザチップを同一のキャップ内部空間内に収納する場合と比較すると生産上極めて有利に働く。すなわち、多数の半導体レーザチップをまとめて共通の基台上に設置し、ワイヤボンドを行った後、一括してキャップ封止を行うと、その半導体レーザチップの特性評価は一括封止の後に初めて可能となる。そのため、不良チップの混入や半導体レーザチップの特性のばらつきが、一括封止後に判明しても、その時点ではもはや修正は不可能である。

一方、本実施の形態６に係る半導体発光装置６０においては、各半導体レーザチップ１２２が個別封止された半導体発光素子１００において特性評価され、選別された状態で放熱板１３３上に集積されるため、不良チップの混入を防止することができ、集積パッケージである半導体発光装置６０全体としての不良を防止することができる。そのため、半導体発光装置６０を高い歩留りで製造でき、低コストで信頼性の高い集積パッケージを実現できる。

また、放熱性の点においても、上記各実施形態で説明した通り、半導体発光装置６０は従来のキャンタイプの半導体発光素子を用いたものよりはるかに優れており、また、各半導体レーザチップへの通電を確保しつつ密に集積できることから、集積パッケージ全体としての発光点の拡がりを最小限範囲内にすることができる。

一例として、各半導体発光素子１００における基台１０１の平面サイズを約６ｍｍ角とすると、各素子で５Ｗの青色光の出力が可能であり、それが５×５のマトリクスに並べられて全体として１２５Ｗのレーザ出力が可能となる。このとき、発光点の領域は、わずか２４ｍｍ角に収まるので例えば４０ｍｍφの集光レンズで１点に集めることが可能である。このように、本実施の形態６に係る半導体発光装置６０は、コンパクトでかつ１００Ｗを超えるようなレーザ出力を得ることができ、レーザ加工装置・レーザ溶接・レーザはんだ付け機・３Ｄプリンタ・プロジェクタ等の用途向けの光源として極めて好適である。一方、上述のように熱抵抗の大きく劣る従来型の５．６ｍｍφのキャンタイプパッケージを用いた場合には、各素子半導体レーザチップは２Ｗ程度しか安定して青色光の出力ができず、その差異は明白である。

図１１は、本実施の形態６に係る半導体発光装置の変形例を用いた集光システムの一例を模式的に示している断面図である。本変形例である半導体発光装置７０は、実施の形態２に係る半導体発光装置２０を集積した構成を例示するものであり、１枚の放熱板１３１上に複数の半導体発光素子２００を集積して搭載したものである。

半導体発光装置７０において、各半導体発光素子２００上には、上方に出射されたレーザ光をコリメートするコリメートレンズ７０１を各々配置している。コリメートレンズ７０１を透過した後のコリメート光は、さらに集光レンズ７０２で一点若しくは狭い領域である集光領域に集められ、大出力の光パワーを利用できるようにされている。ここで、光学系をコンパクトにするためには、半導体発光装置７０の発光点の分布する領域の面積を小さくして、集光レンズ７０２の口径を小さくすることが重要であることが理解される。

半導体発光装置７０においても、上記各実施形態における半導体発光装置と同様に、半導体レーザチップから放熱板へ向けての熱伝導が良好で、かつ放熱板内での熱の拡散も良好である。また、フレキシブル基板により各半導体レーザチップに電力を供給しつつ、各半導体レーザチップを密集して配置できるため、コンパクトな大出力レーザ光源を実現できる。

以上、各実施形態において、半導体発光チップとして半導体レーザチップを使用した例について説明したが、本発明の半導体発光装置は端面発光型のスーパールミネッセンスダイオードを用いても同様に構成できる。また、各実施形態においては、ギャップの形成を放熱板の段差や溝部、もしくは、基台下面の切り欠け部により実現した構成を例示したが、放熱板の段差と基台下面の切り欠け部との両方によりギャップが形成されていてもよい。

また、実施の形態６における集積型の半導体発光装置６０，７０は、実施の形態４または実施の形態２の応用として説明したが、他の実施の形態における半導体発光装置をベースとしても集積型の半導体発光装置を構成できることは明白であり、これらも本発明の半導体発光装置の一形態であり得る。

今回開示した実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、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。

１０〜７０ 半導体発光装置
１００〜３００ 半導体発光素子
１０１，２０１ 基台
１０３ 貫通穴
１０５ リード
１０７，２０７ 基台底面
１１０ キャップ
１２１ サブマウント
１２２ 半導体レーザチップ（半導体発光チップ）
１２３ ミラー（光路折り曲げ部材）
１３０〜１３４ 放熱板
１４０ ギャップ
１５０ フレキシブル基板
７０１ コリメートレンズ
７０２ 集光レンズ

Claims (11)

1. 半導体発光素子を、金属からなり前記半導体発光素子の基台より面積の大きい放熱板上に搭載してなる半導体発光装置であって、
   前記半導体発光素子は、
   板状の金属からなる前記基台と、
   光透過性部材からなる窓部を備え、前記基台に載置されたキャップと、
   前記基台の上面に搭載された、導波路を備える半導体発光チップと、
   前記半導体発光チップの導波路端からの放出光の光路を上方向に変換して前記窓部より出射させる光路折り曲げ部材と、
   前記半導体発光チップへ電力を供給するためのリードとを有しており、
   前記リードの上端、前記半導体発光チップおよび前記光路折り曲げ部材が、前記キャップと前記基台とによって囲まれる内部空間に収納されているものであり、
   前記基台は前記放熱板上に搭載されるとともに、その下面の一部の領域と前記放熱板の上面との間にはギャップが設けられており、
   前記半導体発光チップは、前記ギャップが設けられた領域以外の領域に、導波路長手方向が前記基台の上面に略平行となるように配置され、
   前記リードは、前記ギャップが設けられた領域に、前記基台を上下に貫通するように配置されており、
   前記リードの下端は、前記ギャップ内に位置して、フレキシブル基板に接続されていることを特徴とする半導体発光装置。
2. 請求項１に記載の半導体発光装置であって、
   前記キャップと前記基台とによって囲まれる内部空間は、気密封止されていることを特徴とする半導体発光装置。
3. 請求項１または２に記載の半導体発光装置であって、
   前記ギャップは、前記放熱板の上面の前記基台が搭載される領域に設けられた段差により構成されていることを特徴とする半導体発光装置。
4. 請求項１または２に記載の半導体発光装置であって、
   前記ギャップは、前記基台の下面に設けられた切り欠け部により構成されていることを特徴とする半導体発光装置。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載の半導体発光装置であって、
   前記基台の平面視形状が略四辺形であり、
   前記ギャップは、前記略四辺形の一つの辺に沿って設けられていることを特徴とする半導体発光装置。
6. 請求項１から４の何れか１項に記載の半導体発光装置であって、
   前記基台の平面視形状が略四辺形であり、
   前記半導体発光チップは、その導波路長手方向が前記略四辺形の一方の対角線に沿うように設置されており、
   前記略四辺形の他方の対角線上の互いに対向する２つの角部付近に前記ギャップが配置されることを特徴とする半導体発光装置。
7. 請求項１から６の何れか１項に記載の半導体発光装置であって、
   前記放熱板上に、複数の前記半導体発光素子を搭載していることを特徴とする半導体発光装置。
8. 請求項７に記載の半導体発光装置であって、
   前記複数の半導体発光素子は、前記放熱板上に一列またはマトリクス状に配置され、
   前記一列またはマトリクスの同列に配置された複数の半導体発光素子の各半導体発光チップには、共通の前記フレキシブル基板により電力が供給されることを特徴とする半導体発光装置。
9. 請求項１から８の何れか１項に記載の半導体発光装置であって、
   前記ギャップの高さは、０．１ｍｍ以上かつ前記基台の厚み以下であることを特徴とする半導体発光装置。
10. 請求項１から８の何れか１項に記載の半導体発光装置であって、
    前記ギャップの高さは、０．１ｍｍ以上かつ４ｍｍ以下であることを特徴とする半導体発光装置。
11. 請求項１から１０の何れか１項に記載の半導体発光装置であって、
    前記半導体発光チップは、窒化物半導体により構成されていることを特徴とする半導体発光装置。

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