JP2020092128A - 半導体レーザチップ実装サブマウントおよびその製造方法ならびに半導体レーザモジュール - Google Patents

半導体レーザチップ実装サブマウントおよびその製造方法ならびに半導体レーザモジュール Download PDF

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Abstract

【課題】半導体レーザチップが発する熱を、サブマウントへ効果的に放熱することができる半導体レーザチップ実装サブマウントおよびその製造方法ならびに半導体レーザモジュールを提供すること。【解決手段】半導体レーザチップ実装サブマウントは、長手方向において出射端面と後端面とを有し、前記出射端面からレーザ光を出射する半導体レーザチップと、前記半導体レーザチップが実装されるサブマウントと、を備え、前記サブマウントと前記半導体レーザチップの出射端面側との第１距離が、前記サブマウントと前記半導体レーザチップの後端面側との第２距離よりも小さい。【選択図】図４

Description

本発明は、半導体レーザチップ実装サブマウントおよびその製造方法ならびに半導体レーザモジュールに関する。
半導体レーザチップと、半導体レーザチップと光学結合される光ファイバとを備えている半導体レーザモジュールが知られている。このような半導体レーザモジュールを製造する場合、たとえば以下のような手順で組立が行われる。まず、半導体レーザチップをサブマウントに実装する。このとき、半導体レーザチップを、金-スズ（ＡｕＳｎ）合金などの半田によりサブマウントに接合実装する（特許文献１）。なお、半田に換えて導電性接着剤などの他の接合剤を用いてもよい。このように半導体レーザチップを実装したサブマウント（半導体レーザチップ実装サブマウント）は、チップオンサブマウントとも呼ばれる。
つぎに、チップオンサブマウントを、金属製の筐体に、直接的に、または金属製の基台や電子冷却素子等を介して、スズ-ビスマス（ＳｎＢｉ）合金などの半田により接合実装する。さらに、筐体に、レンズなどのその他の光学部品を実装し、半導体レーザチップと光ファイバとの光学結合を行う。
半導体レーザチップとしては、端面発光型の半導体レーザチップが多く実用されている。端面発光型の半導体レーザチップは、その長手方向における両端面の一方が、レーザ発振波長における反射率が高いＨＲ（High Reflection）コーティングが形成された後端面とされている。一方、他の端面は、反射率が低いＡＲ（Anti-Reflection）コーティングが形成された出射端面とされている。後端面と出射端面とはレーザ共振器を構成しており、発振したレーザ光は主に出射端面から出射される。
特許第５０７５１６５号公報
一般的に、半導体レーザチップはダイボンディングによってサブマウントに実装される。ダイボンディングにおいては、コレットで半導体レーザチップを真空チャックし、半田などの接合剤の融点以上の温度に加熱されたサブマウントに半導体レーザチップを実装する。
このとき、通常は、半導体レーザチップが長手方向において均一にサブマウントに実装されるように、コレットで半導体レーザチップの長手方向中央付近をチャックし、サブマウントに押圧することが一般的である。
一方、近年、半導体レーザチップはますます高光出力化が進んでいる。それに伴って、半導体レーザチップが発する熱を、サブマウントへ効果的に放熱することがますます重要になってきている。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、半導体レーザチップが発する熱を、サブマウントへ効果的に放熱することができる半導体レーザチップ実装サブマウントおよびその製造方法ならびに半導体レーザモジュールを提供することにある。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る半導体レーザチップ実装サブマウントは、長手方向において出射端面と後端面とを有する半導体部を備え、前記出射端面からレーザ光を出射する半導体レーザチップと、前記半導体レーザチップが実装されるサブマウントと、を備え、前記サブマウントと前記半導体部の出射端面側との第１距離が、前記サブマウントと前記半導体部の後端面側との第２距離よりも小さいことを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体レーザチップ実装サブマウントは、前記第１距離と前記第２距離との差が１．５μｍ以上であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体レーザチップ実装サブマウントは、前記第１距離が１６μｍ以下であることを特徴とする。さらに好ましくは、１２μｍ以下である。
本発明の一態様に係る半導体レーザチップ実装サブマウントは、前記第１距離と前記第２距離との差が１０μｍ以下であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体レーザチップ実装サブマウントは、前記半導体レーザチップがレーザバーチップであることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体レーザチップ実装サブマウントの製造方法は、前記半導体レーザチップ実装サブマウントの製造方法であって、半導体レーザチップを、保持具にて長手方向における中央よりも前記出射端面側を中心として前記サブマウントに押圧し、該サブマウントに実装する工程を含むことを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体レーザチップ実装サブマウントの製造方法は、前記保持具はコレットであり、該コレットの長手方向において前記半導体レーザチップに当接する両端間の距離であるコレット長さは、前記半導体レーザチップの前記出射端面と前記後端面との距離である共振器長に対する比率が２８．５％以上８１．９％以下であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体レーザチップ実装サブマウントの製造方法は、前記コレット長さは、前記共振器長に対する比率が４４.４％以上７５.０％以下であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体レーザチップ実装サブマウントの製造方法は、前記半導体レーザチップがレーザバーチップであることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体レーザモジュールは、前記半導体レーザチップ実装サブマウントを備えていることを特徴とする。
本発明によれば、半導体レーザチップが発する熱を、サブマウントへ効果的に放熱することができるという効果を奏する。
図１は、実施形態に係るチップオンサブマウントを備えた半導体レーザモジュールの概略構成を示す模式図である。 図２は、図１に示すチップオンサブマウントの模式的な平面図である。 図３は、図２に示すチップオンサブマウントのＡ−Ａ線断面の一部を示す図である。 図４は、半導体レーザチップのチャック状態の説明図である。 図５は、半導体レーザチップの実装の説明図である。 図６は、半導体レーザチップの実装状態の説明図である。 図７は、実施例１と比較例１とにおける半導体レーザチップの実装状態の説明図である。 図８は、チップオンサブマウントの複数のサンプルにおける実装状態の説明図である。 図９は、実施例１と比較例１とにおける半導体レーザチップの相対的光出力の説明図である。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
（半導体レーザモジュールの概略構成）
図１は、実施形態に係るチップオンサブマウントを備えた半導体レーザモジュールの概略構成を示す模式図である。図１（ａ）は半導体レーザモジュールの平面図であり、図１（ｂ）は半導体レーザモジュールの一部切欠側面図である。
半導体レーザモジュール１００は、蓋１ａと底板部１ｂとを有する、金属からなる筐体１を備えている。また、半導体レーザモジュール１００は、底板部１ｂ上に順に実装された、金属からなる階段形状のＬＤ高さ調整板２と、直方体形状を有する６つのサブマウント３と、略直方体形状を有する６つの半導体レーザチップ４とを備えている。なお、図１（ａ）では、説明のために蓋１ａの図示を省略している。
また、半導体レーザモジュール１００は、２つのリードピン５を備えている。２つのリードピン５は、各半導体レーザチップ４に、サブマウント３および不図示のボンディングワイヤを介して電気的に接続され、各半導体レーザチップ４に電力を供給する。さらに、半導体レーザモジュール１００は、６つの第１レンズ６と、６つの第２レンズ７と、６つのミラー８と、第３レンズ９と、光フィルタ１０と、第４レンズ１１とを備えている。各第１レンズ６、各第２レンズ７、各ミラー８、第３レンズ９、光フィルタ１０、および第４レンズ１１は、各半導体レーザチップ４が出射するレーザ光の光路上に、光路に沿って順に配置されている。さらに、半導体レーザモジュール１００は、第４レンズ１１と対向して配置された光ファイバ１２を備えている。光ファイバ１２のレーザ光が入射される側の一端は、筐体１の内部に収容され、支持部材１３により支持されている。
各半導体レーザチップ４は、たとえばヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）またはリン化インジウム（ＩｎＰ）を主材料として構成されており、その材料や組成に応じた波長のレーザ光を出力する。各半導体レーザチップ４の厚さはたとえば０．１ｍｍ程度である。各半導体レーザチップ４は、図１（ｂ）に示すように、各サブマウント３に実装され、かつ各サブマウント３は、ＬＤ高さ調整板２に、互いに高さが異なるように実装されている。さらに、各第１レンズ６、各第２レンズ７、各ミラー８は、それぞれ対応する半導体レーザチップ４に対応する高さに配置されている。ここで、サブマウント３とサブマウント３に実装された半導体レーザチップ４とを備えている構成物を、半導体レーザチップ実装サブマウントとしてのチップオンサブマウント１６と呼ぶこととする。
また、光ファイバ１２の筐体１への挿入部には、ルースチューブ１５が設けられ、ルースチューブ１５の一部と挿入部を覆うように、筐体１の一部にブーツ１４が外嵌されている。
この半導体レーザモジュール１００の動作について説明する。各半導体レーザチップ４は、リードピン５を介して電力を供給され、レーザ光を出力する。各半導体レーザチップ４から出力された各レーザ光は、対応する各第１レンズ６、各第２レンズ７により略コリメート光とされて、対応する各ミラー８により第３レンズ９に向けて反射される。さらに各レーザ光は、第３レンズ９、第４レンズ１１により集光され、光ファイバ１２の端面に入射され、光ファイバ１２中を伝搬する。なお、光フィルタ１０は、外部から光ファイバ１２を介して上記レーザ光の波長とは別の波長の光が半導体レーザモジュール１００に入力された場合、当該光が各半導体レーザチップ４に入力することを防止するためのバンドパスフィルタである。
この半導体レーザモジュール１００の組立は、たとえば以下の手順で行われる。はじめに、サブマウント３を接合温度である約３００℃に加熱し、半導体レーザチップ４を、融点が約２８０℃のＡｕＳｎ半田でサブマウント３に接合実装し、６つのチップオンサブマウント１６を形成する。つぎに、ＬＤ高さ調整板２が実装された筐体１の底板部１ｂを接合温度である約１５０℃に加熱し、各チップオンサブマウント１６を、融点が約１４０℃のＳｎＢｉ半田でＬＤ高さ調整板２に接合実装する。その後、半導体レーザモジュール１００の他の構成部品を筐体１に取り付ける。
（チップオンサブマウントの概略構成）
つぎに、チップオンサブマウント１６について説明する。図２は、チップオンサブマウント１６の模式的な平面図である。上述したように、チップオンサブマウント１６は、半導体レーザチップ４と、半導体レーザチップ４が実装されるサブマウント３とを備えている。
サブマウント３は、基板３ａと、上部被覆層３ｂを備えている。基板３ａは、たとえば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、べリリア（ＢｅＯ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、ダイヤモンド、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、ジルコニア（ＺｒＯ２）の少なくともいずれか一つを含んで構成することができる。
本実施形態では半導体レーザチップ４はシングルエミッタ型であるが、マルチエミッタ型のレーザバーチップでもよい。半導体レーザチップ４が、レーザバーチップとなる場合、基板３ａは、Ｃｕなどの金属としてもよい。本実施形態では、基板３ａはＡｌＮからなるものとする。また、基板３ａの厚さはたとえば０．３〜１．０ｍｍ程度である。
上部被覆層３ｂは、厚さがたとえば１μｍ〜８０μｍの範囲であり、基板３ａの半導体レーザチップ４が実装される側の表面に形成されている。上部被覆層３ｂは金属多層膜からなる。
上部被覆層３ｂは、溝Ｇで２つの部分に分離している。溝Ｇは２つの部分を電気的に絶縁するために設けられている。上部被覆層３ｂの２つの部分の一方は不図示のボンディングワイヤにて半導体レーザチップ４の上面に電気的に接続され、他方は半導体レーザチップ４が実装される。
半導体レーザチップ４は、上部被覆層３ｂを介在させてサブマウント３に接合実装されている。上部被覆層３ｂの表面には、たとえばＡｕＳｎ半田からなるプリコート３ｃが形成されており、これにより半導体レーザチップ４は上部被覆層３ｂに接合実装される。なお、上部被覆層３ｂは、プリコート３ｃと接触する表面に、たとえば白金（Ｐｔ）からなるバリアメタル層が形成されていると好適である。バリアメタル層は、プリコート３ｃのＡｕＳｎ半田と上部被覆層３ｂのバリアメタル層よりも下層の金属材料との化学反応を防止するために形成されている。
半導体レーザチップ４の底面側（上部被覆層３ｂに接合する面側）および上面にはそれぞれ電極が形成されており、半導体レーザチップ４はこれらの電極を介してリードピン５から電力を供給される。なお、半導体レーザチップ４がジャンクションダウンで実装される場合には、一般的には上面側にｎ側電極が形成されている。また、半導体レーザチップ４がジャンクションアップで実装される場合には、一般的には上面側にｐ側電極が形成されている。なお、半導体レーザチップ４がジャンクションダウンで実装された方がサブマウント３への放熱性は高い。
図３は、チップオンサブマウント１６のＡ−Ａ線断面の一部を示す図である。図３に示すように、半導体レーザチップ４は、主に半導体で構成されている半導体部４ａと、主に金属で構成されているメタライズ層４ｂとを備えている。半導体部４ａは、長手方向において出射端面４ａａと後端面４ａｂとを有し、出射端面４ａａからレーザ光を出射する。出射端面４ａａにはレーザ発振波長における反射率がたとえば０．１％〜７％程度のＡＲコーティングが形成されている。後端面４ａｂにはレーザ発振波長における反射率がたとえば９５％程度のＨＲコーティングが形成されている。出射端面４ａａと後端面４ａｂとはレーザ共振器を構成しており、出射端面４ａａと後端面４ａｂとの距離が共振器長である。共振器長はたとえば８００μｍ〜６ｍｍ程度であるが、特には限定されない。また、半導体レーザチップ４の幅はたとえば１００μｍ〜１ｍｍであるが、特には限定されない。
また、半導体部４ａは、たとえばＧａＡｓ基板上に形成されており、シングルモードまたはマルチモードの導波路を構成する。活性層はたとえばレーザ発振波長が９００ｎｍ〜１０８０ｎｍとなるように組成が設定されている。出射端面４ａａから出射されるレーザ光のパワーはたとえば１０ｍＷ〜３０Ｗであるが、特に限定はされない。また、本実施形態では半導体レーザチップ４はシングルエミッタ型であるが、マルチエミッタ型のレーザバーチップでもよい。
メタライズ層４ｂは、たとえば半導体レーザチップ４に電力を供給するための電極や、電極を保護するためのめっき層を含む多層構造となっている。メタライズ層４ｂの厚さはたとえば１μｍ〜１０μｍである。
プリコート３ｃのＡｕＳｎ半田の厚さは、メタライズ層４ｂと上部被覆層３ｂとを十分に接合でき、かつ、後述するサブマウント３と半導体部４ａの所定部分との距離が所望の値を得られる厚さであれば、特に限定されるものではない。
ここで、サブマウント３と半導体部４ａの出射端面４ａａ側との距離（第１距離）をＤ１とし、サブマウント３と半導体部４ａの後端面４ａｂ側との距離（第２距離）をＤ２とする。Ｄ１は、典型的にはサブマウント３と半導体部４ａの出射端面４ａａとの距離である。しかしながら、Ｄ１は、出射端面４ａａから半導体部４ａの長手方向中央に向かって２０μｍ以内の幅の領域と、サブマウント３との距離としてもよい。同様に、Ｄ２は、典型的にはサブマウント３と半導体部４ａの後端面４ａｂとの距離である。しかしながら、Ｄ１は、後端面４ａｂから半導体部４ａの長手方向中央に向かって２０μｍ以内の幅の領域と、サブマウント３との距離としてもよい。
このチップオンサブマウント１６では、Ｄ１はＤ２よりも小さいため、半導体レーザチップ４が発する熱を、サブマウント３へ効果的に放熱することができる。
以下、具体的に説明する。本発明者らが半導体レーザチップの特性について精査したところによれば、半導体レーザチップ４が高光出力化するにつれて、半導体部４ａの出射端面４ａａ側と後端面４ａｂ側とでレーザ光のパワーの差が大きくなる。具体的には出射端面４ａａ側でよりパワーが大きくなる。これに伴い、出射端面４ａａ側で局所的に発生する熱量も大きくなる。
そこで、本発明者らは、Ｄ１をＤ２よりも小さくすることに想到した。これにより、出射端面４ａａ側が後端面４ａｂ側よりもサブマウント３に近くなるので、出射端面４ａａ側で発生する熱が優先的かつ効果的にサブマウント３に放熱される。その結果、半導体レーザチップ４が発する熱を、サブマウント３へ効果的に放熱することができるため、発光効率が向上し、光出力が大きくなる。また、より高温となりやすい出射端面４ａａ側を効果的に降温できるので、半導体レーザチップ４の信頼性が向上し、たとえば故障率を低減することができる。
なお、本発明者らが様々な実験を行ったところ、Ｄ１とＤ２の差を１．５μｍ以上とすることによって、半導体レーザチップ４の故障率が顕著に低減されることを確認した。ただし、Ｄ１とＤ２の差が大きすぎると、後端面４ａｂ側の放熱性が著しく低下したり、後端面４ａｂ側でプリコート３ｃの半田の接合性が低下したりする場合があるので、Ｄ１とＤ２の差は１０μｍ以下程度とするのが好ましい。たとえば、１チップあたり１０〜２０Ａの電流を注入するような高出力な半導体レーザチップで実験すると、Ｄ１とＤ２の差が１０μｍより大きい場合、半導体レーザチップが通電時に溶融するような激しい故障が観察された。また、Ｄ１を１６μｍ以下、さらに好ましくは１２μｍ以下とすると、出射端面４ａａ側がサブマウント３に比較的近いので好ましい。
また、本実施形態では、図３に示すように半導体レーザチップ４はメタライズ層４ｂ側に凸となるようなわずかな反りを有しているが、反っておらずに直線状であっても、サブマウント３へ効果的に放熱することができるという効果が得られることは明らかである。
（チップオンサブマウントの製造方法）
つぎに、チップオンサブマウント１６の製造方法の一例について、従来例と対比させて説明する。
本製造方法は、半導体レーザチップ４の長手方向における中央よりも出射端面４ａａ側を、保持具としてのコレットにてサブマウント３に押圧し、サブマウント３に実装する工程を含むものである。
図４は、半導体レーザチップ４のチャック状態の説明図であり、チャックされた半導体レーザチップ４を側面から見た場合と、そのときの半導体レーザチップ４を上面から見た場合を示している。図４（ａ）は本製造方法を示し、図４（ｂ）は従来例を示している。コレット２１０は、たとえば、金属からなる本体部２１１とポリイミド樹脂からなる先端部２１２とを有しており、先端部２１２が直方体状の形状である平型コレットである。コレット２１０には、先端部２１２の先端面で開口し、真空ポンプに繋がっている吸引孔が形成されている。コレット２１０は、半導体レーザチップ４を吸引孔で吸引して真空チャックすることにより、先端部２１２にて半導体レーザチップ４を保持可能である。
従来例では、半導体レーザチップ４が長手方向において均一にサブマウント３に実装されるように、コレット２１０の先端部２１２を、半導体レーザチップ４の長手方向中央付近に当接させて、チャックしている。なお、領域Ａ２は先端部２１２が半導体レーザチップ４に当接する領域である。
これに対して、本製造方法では、コレット２１０の先端部２１２を、半導体レーザチップ４の長手方向における中央よりも出射端面４ａａ側を中心として当接させて、チャックしている。なお、領域Ａ１は先端部２１２が半導体レーザチップ４に当接する領域である。
図４は出射端面４ａａとコレット２１０の先端部２１２の長手方向の出射端面側の端部とが一致している状態を示しているが、吸着ができれば、コレット２１０の先端部２１２の長手方向の出射端面側の端部が半導体レーザチップ４よりも出射端面４ａａ側に飛び出していても良い。または、出射端面４ａａ側の距離Ｄ１が十分に狭くなればコレット２１０の先端部２１２の長手方向の出射端面４ａａ側の端部が半導体レーザチップ４の長手方向の中心側に引っ込んでいても良い。ただし、コレット２１０の先端部２１２の中心が半導体レーザチップ４の長手方向の中心に近づくほど、距離Ｄ１を狭くする効果が小さくなる。
そして、図５に示すように、載置台２２０に載置されて不図示のヒータでプリコート３ｃが溶融するように加熱されたサブマウント３に、半導体レーザチップ４をコレット２１０にて押圧し、サブマウント３に実装する。これにより、図３に示すような、Ｄ１がＤ２よりも小さいチップオンサブマウント１６を製造できる。
半導体レーザチップ４とサブマウント３とを接合実装する工程中に、コレット２１０を半導体レーザチップ４から一時離す工程を含む場合がある。これは、コレット２１０を経由してヒータからの熱が放散されるのを防ぎ、より効率的に半田を溶かすことを意図している。このような場合でも、コレット２１０が半導体レーザチップ４を押圧しているいずれかの工程で、半導体レーザチップ４の長手方向における中央よりも出射端面４ａａ側を押圧していれば、本発明の効果を有する。
図６は、半導体レーザチップ４の実装状態の説明図である。横軸は半導体レーザチップ４の長手方向を示し、縦軸はサブマウント３と半導体部４ａとの距離を示している。基準位置は、実装状態での半導体部４ａの底面の最低位置を示している。線Ｌ１が本製造方法による半導体レーザチップ４の実装状態を示し、線Ｌ２は従来例による半導体レーザチップ４の実装状態を示している。このように、本製造方法を示す線Ｌ１によれば、サブマウント３と半導体部４ａの出射端面４ａａ側との距離が、従来例を示す線Ｌ２より小さくできるので、効果的な放熱が可能なチップオンサブマウント１６を製造できる。
（実施例１、比較例１）
ＡｌＮからなる基板に、Ｐｔからなるバリアメタル層を含み、Ｃｕを主成分とする金属多層膜からなる上部被覆層と、ＡｕＳｎ半田からなるプリコート３ｃとが形成されたサブマウントを用意した。また、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓを含む活性層が形成され、共振器長が４．５ｍｍであり、厚さが０．１ｍｍ程度の半導体レーザチップを用意した。そして、平型コレットを用いて半導体レーザチップをチャックし、サブマウントに実装し、チップオンサブマウントを作製した。なお、平型コレットのコレット長さは２ｍｍである。ここで、コレット長さとは、半導体レーザチップを保持した状態において、コレットの長手方向において半導体レーザチップに当接する両端間の距離である。したがって、半導体レーザチップに当接する両端間の間に、半導体レーザチップとコレットとが当接しない部分があったとしても、その当接しない部分の存在によってコレット長さが変化するものではない。
実施例１では、図４（ａ）に示すように、コレットの出射端面側の端部を半導体レーザチップの出射端面と略一致させることによって、コレットを、半導体レーザチップの長手方向における中央よりも出射端面側を中心として当接させてチャックした。一方、比較例１では、図４（ｂ）に示すように、コレットを、半導体レーザチップの長手方向中央付近に当接させてチャックした。
実装後、半導体部の長手方向中央の位置、出射端面から半導体部の長手方向中央に向かって２０μｍ以内の幅の領域、および後端面から半導体部の長手方向中央に向かって２０μｍ以内の幅の領域において、半導体部とサブマウントとの距離を測定した。
図７は、実施例１と比較例１とにおける半導体レーザチップの実装状態の説明図であり、中央の位置を基準位置とした、出射端面側および後端面側の距離を示す。図７（ａ）は比較例１であり、図７（ｂ）は実施例１である。比較例１では、出射端面側と後端面側とが略同じ距離となった。これに対して、実施例１では、出射端面側の距離を後端面側の距離よりも４μｍ程度サブマウントに近づけることができた。
つづいて、実施例１、比較例１で用いたものと同様のサブマウントと半導体レーザチップとを４２組用意し、半導体レーザチップをサブマウントに実装し、チップオンサブマウントのサンプルを４２個作製した。サンプル番号１〜１８については、比較例１と同様に半導体レーザチップを長手方向中央付近でチャックし、サンプル番号１９〜４２については、実施例１と同様に、半導体レーザチップを、出射端面側を中心にチャックした。
図８は、チップオンサブマウントの複数のサンプルにおける実装状態の説明図であり、各サンプルにおいて測定したＤ２とＤ１との差（距離Ｄ２−距離Ｄ１）を示している。図８に示すように、サンプル番号１〜１８では（距離Ｄ２−距離Ｄ１）は０μｍ付近の値であった。サンプル番号１〜１８での（距離Ｄ２−距離Ｄ１）の平均値は−０．３μｍ、最大値は０．６μｍ、最小値は−１．９μｍであった。一方、サンプル番号１９〜４２では（距離Ｄ２−距離Ｄ１）は１．５μｍ以上の値であった。サンプル番号１９〜４２での（距離Ｄ２−距離Ｄ１）の平均値は２．８μｍ、最大値は４．５μｍ、最小値は１．５μｍであった。このように、実施例１の方法によれば、（距離Ｄ２−距離Ｄ１）を１．５μｍ以上にできる。
つづいて、実施例１、比較例１で作製したチップオンサブマウントの半導体レーザチップに供給電流の最大規格値を流し、最大光出力を測定した。測定時には、チップオンサブマウントを３０℃に温度調整したステージ上に載せて通電をおこなった。
図９は、実施例１と比較例１とにおける半導体レーザチップの相対的光出力の説明図である。図９では、比較例１における最大光出力を１とした場合の相対的光出力を示している。図９に示すように、実施例１の場合は比較例１の場合よりも３％以上最大光出力が向上することが確認された。
つづいて、実施例２〜６として、平型コレットと、先端部の先端面が略円形状の丸型コレットとを用意し、これらを用いて半導体レーザチップをサブマウントに実装し、チップオンサブマウントを各実施例で１００組以上作製した。ここで、半導体レーザチップとしては、実施１と同様に共振器長が４．５ｍｍのものと、共振器長がより短い４ｍｍのものとを用意した。また、コレットについても、コレット長さが０．５ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍのものを用意した。また、実施例２〜６において、実施例１の場合と同様に、コレットの出射端面側の端部を半導体レーザチップの出射端面と略一致させるように当接させてチャックした。
表１は、実施例２〜６について、共振器長、コレット長さ、比率、濡れ性、故障率、コレットタイプを示す。比率とは、共振器長に対するコレット長さの比率を意味する。なお、丸型コレットの場合は、長手方向は特定できないので、半導体レーザチップの長手方向に沿ってコレット長さを規定した。また、濡れ性とは半導体レーザチップとサブマウント間に半田がまんべんなくいきわたっているかどうかを表しており、目視で評価した。故障率は、チップオンサブマウントの長期通電試験や注入電流を大きくした試験にて評価した。なお、濡れ性や故障率についての記号「〇」は、特性が十分に良好であることを意味し、「△」は、特性が「〇」の場合よりも低いが、場合によっては実用上問題の無い範囲であることを示す。
Figure 2020092128
表１に示す結果から、共振器長に対するコレット長さの比率が２８．５％以上８１．９％以下であることが濡れ性や故障率の点で好ましく、４４.４％以上７５.０％以下がさらに好ましいことが確認された。２８．５％と８１．９％の由来は、それぞれ実施例３と４、実施例５と６の平均値である。実施例３と６の故障率や濡れ性は、使用する光出力や保証する信頼性によっては許容できる場合があるため、平均値を計算する時にそれらの共振器長とコレット長さの比率を用いた。
なお、実施例２、３では、比率が小さいためコレットが半導体レーザチップの後端面側を押さえられないので、（距離Ｄ２−距離Ｄ１）が大きくなり、後端面側の放熱性が低くなったためと考えられる。
実施例２、３で、Ｄ１とＤ２の差が１０μｍより大きい場合には、注入電流を大きくした場合に半導体レーザチップが溶融するような激しい故障が観察された。
実施例２〜６で、距離Ｄ１が１６μｍよりも大きいチップオンサブマウントの集団を抽出すると、距離Ｄ１が１６μｍ以下の集団よりも長期通電試験の故障率が高いことが試験結果の解析の結果分かった。距離Ｄ１が１２μｍ以下では、更に故障率が低いことが分かった。実施例４、５では、９８％以上のチップオンサブマウントの距離Ｄ１が１２μｍ以下になるように、好適に製造できることが分かった。
また、実施例６では、濡れ性がやや低かった。その理由は、比率が大きいためコレットが大型であるので、加熱されたサブマウントからコレットを経由して熱が放散しやすくなり、半田の温度が低下したためであると考えられる。
なお、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各実施形態の構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
１ 筐体
１ａ 蓋
１ｂ 底板部
２ ＬＤ高さ調整板
３ サブマウント
３ａ 基板
３ｂ 上部被覆層
３ｃ プリコート
４ 半導体レーザチップ
４ａ 半導体部
４ａａ 出射端面
４ａｂ 後端面
４ｂ メタライズ層
５ リードピン
６ 第１レンズ
７ 第２レンズ
８ ミラー
９ 第３レンズ
１０ 光フィルタ
１１ 第４レンズ
１２ 光ファイバ
１３ 支持部材
１４ ブーツ
１５ ルースチューブ
１６ チップオンサブマウント
１００ 半導体レーザモジュール
２１０ コレット
２１１ 本体部
２１２ 先端部
２２０ 載置台
Ａ１、Ａ２ 領域
Ｇ 溝

Claims (11)

  1. 長手方向において出射端面と後端面とを有する半導体部を備え、前記出射端面からレーザ光を出射する半導体レーザチップと、
    前記半導体レーザチップが実装されるサブマウントと、
    を備え、前記サブマウントと前記半導体部の出射端面側との第１距離が、前記サブマウントと前記半導体部の後端面側との第２距離よりも小さいことを特徴とする半導体レーザチップ実装サブマウント。
  2. 前記第１距離と前記第２距離との差が１．５μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザチップ実装サブマウント。
  3. 前記第１距離と前記第２距離との差が１０μｍ以下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チップ実装サブマウント。
  4. 前記第１距離が１６μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体レーザチップ実装サブマウント。
  5. 前記第１距離が１２μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体レーザチップ実装サブマウント。
  6. 前記半導体レーザチップがレーザバーチップであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体レーザチップ実装サブマウント。
  7. 請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体レーザチップ実装サブマウントの製造方法であって、
    半導体レーザチップを、保持具にて長手方向における中央よりも前記出射端面側を中心として前記サブマウントに押圧し、該サブマウントに実装する工程を含むことを特徴とする半導体レーザチップ実装サブマウントの製造方法。
  8. 前記保持具はコレットであり、該コレットの長手方向において前記半導体レーザチップに当接する両端間の距離であるコレット長さは、前記半導体レーザチップの前記出射端面と前記後端面との距離である共振器長に対する比率が２８．５％以上８１．９％以下であることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザチップ実装サブマウントの製造方法。
  9. 前記コレット長さは、前記共振器長に対する比率が４４.４％以上７５.０％以下であることを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザチップ実装サブマウントの製造方法。
  10. 前記半導体レーザチップがレーザバーチップであることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一つに記載の半導体レーザチップ実装サブマウントの製造方法。
  11. 請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体レーザチップ実装サブマウントを備えていることを特徴とする半導体レーザモジュール。
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