JP3787705B2 - 半導体レーザダイオード装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明の要旨は、半導体レーザのダイオードレーザ装置、特に、レーザダイオード列よりなる装置である。本発明はかかるレーザ装置の製造方法にも関する。
背景技術
レーザダイオード装置は、例えば米国特許第５、１２８、９５１号により公知となっており、この装置は、熱伝導性に優れた材料でできた互いに平行に間隔を開けた複数の壁部を有し、これら壁部は、少なくとも略同一平面上で長手方向に自由縁部を有し、これら縁部は前記壁部の両面にある前記縁部の各側部に延びた導電性材料のフィルムを支持し、前記装置はレーザダイオードを含む複数の半導体ストリップを有し、各ストリップは輻射面を有してこの輻射面を介して対応するストリップのレーザダイオードが放射され、前記半導体ストリップは前記壁部間の空間に長手方向に収容され、前記各半導体ストリップはそれが収容されている２つの壁部の対向面に締結されて、前記半導体ストリップが前記導電性材料よりなるフィルムにより直列に電気接続され、前記半導体ストリップの輻射面は前記壁部の前記長手方向の自由縁部と略同一平面上に位置し、前記装置は更に前記ダイオードストリップを冷却するための流体循環式冷却手段を有する。
このタイプの公知のレーザ装置は熱伝導性に優れた材料のブロックを有し、このブロックは前記流体循環式冷却手段により支持されている。ブロックには平行な溝が機械的或いは化学的に加工されており、これらの溝は前記ダイオードストリップのためのハウジングを形成すると共に、互いの間にリブを画成する。各リブは前記壁部の１つを形成し、前記ダイオードストリップはこの壁部にはんだ接合される。リブの長手方向自由縁部とは反対側で、ブロックのうち前記溝が切り込まれていない部分に対応する基部によりリブが互いに接合されており、その溝を介して前記ブロックが前記冷却手段に連結される。
この公知のレーザ装置には多くの欠点がある。
先ず、ダイオードにより発生する熱の除去が良くない。これは、ダイオードストリップと冷却流体との間で、熱がストリップとリブとの間のはんだによる接合箇所を通過しリブを高さ方向に通り、基部を通り、最後にその基部を支持する冷却手段の壁を通過するという長い通り道を通らなければならないためである。しかも、ストリップを容易に溝内に収容するのを可能にするためには、間隙を設けてこれははんだを補うことが絶対的に必要である。従って、ダイオードストリップと溝との間のはんだによる接合箇所は、電気的接触を充分に保証できる厚さよりも厚くなり、熱の伝導率はこのはんだによる接合箇所で低下する。溝を切り込む時にリブの側壁の平坦部と粗さが最適化できないため、この熱伝導率の低下は更に大きくなる。従って、この公知のレーザ装置は熱除去が不充分なため高い輻射密度を提供できない。従って、高い輻射密度が必要な場合には、レーザダイオードを過熱しなければならず、早く壊れてしまう。
更に、ダイオードストリップとリブとの間に間隙を設ける必要があることと、はんだ付けを行っている間にストリップとリブとの間に充分な圧力を加えることが不可能であることにより、はんだによる接合箇所の厚さが比較的大きいにもかかわらず、或いは大きいが故に、ダイオードストリップ間の電気接触の連続性が不完全になる。
更に、溝の加工、その中へのストリップの嵌合及びはんだ付けは非常に高い精度を要し、工業生産及び妥当な製造コストとがうまく両立できない。
発明の開示
本発明の目的はこれらの欠点を克服することである。本発明は上述のタイプのレーザ装置に関し、熱除去が改善されて、レーザ装置の一様性と輻射密度が高く、寿命も長くなり、また本発明により改良されたレーザ装置の構造によりダイオードストリップ間の電気的の連続性も良好に保証され、低価格での工業生産も可能になる。
この目的のために、本発明によれば、上述のタイプのレーザダイオード装置はにおいては次の特徴が与えられる。
すなわち、互いに平行に間隔を開けた前記壁部は、間に前記半導体ストリップをスペーサとして挟んで互いに接合された個々のプレートにより形成されていること。
前記半導体ストリップは前記プレート間の空間のうち長手方向の一部しか占有せず、その空間内に前記半導体ストリップ（９）が収容され、前記プレート間の空間のうち前記半導体ストリップに占有されていない長手方向の部分は前記冷却流体のための循環溝として機能すること。
従って、冷却流体はプレートに直接接触しているので、半導体ストリップにより発生する熱が最適に除去される。更に、プレートは個々に作られるため、プレートの平坦度及び粗さ（２０オングストローム未満）を向上させることができ、ストリップとのはんだ接合箇所の厚さを最小にして、はんだ接合箇所の熱伝達性を最大にすることができる。従って、ストリップのダイオードは効果的に冷却され、ストリップを過熱或いは破壊することなく、高い輻射密度を得ることができる。
望ましくは、本発明によるレーザダイオード装置を製造するために、以下の工程が実行される：
互いに同一の方形状の複数の個々のプレートを熱伝導性に優れた材料で作り、各プレートの少なくとも２つの大きな面と長手方向の１つの縁部を研磨し、研磨された長手方向の縁部と前記研磨された大きな面に隣接する横方向の領域とを導電性に優れた材料でできたフィルムで覆い、
同一の複数の半導体ダイオードストリップを作り、該半導体ダイオードストリップの長手方向の一つの縁部は前記ダイオードへの輻射面として機能し、その２つの大きな面を電導接触フィルムにより覆い、
前記ストリップの前記接触フィルムを前記プレートの導電性材料のフィルムの横方向領域に対して適用し、前記プレート間に導電性の締結フィルムを介在させ、
圧力をかけて、前記プレートと前記ストリップとを、前記締結フィルムの作用により互いに締結する。
これらの製造工程によれば、特にダイオードストリップを熱伝導プレートに締結する間に加圧することにより、ダイオード間に優れた電気接触を得ることができる。しかも、この工程により上述の間隙に関する難点を全て克服することができ、比較的低い製造コストで工業生産することができる。
締結フィルムは導電性のある接着剤で作ることができる。しかし、好ましい実施形態では、これらの締結フィルムは導電性のあるはんだよりなる。このはんだフィルムはこの場合、プレートの導電性材料のフィルムの横方向の領域により支持するのが好ましい。
本発明により実行される第１の方法によれば、
各ストリップを２つの前記プレート間に介在させ、
導電性材料のフィルムで覆われた前記プレートの長手方向の縁部を少なくとも略同一平面上に置き、
前記ダイオードストリップの輻射面を前記プレートの前記長手方向の縁部と少なくとも略同一平面上に置き、
ストリップの大きな面の各接触フィルムをプレートの大きな面のはんだフィルムに重なるようにして、
前記全てのプレートと前記全てのストリップの堆積体を生産し、
前記堆積体全体を前記はんだフィルムの融点に対応する温度まで加熱し、同時に前記堆積体に、前記プレート及びストリップに対して横方向の圧力を加え、その後、前記堆積体を冷却させる。
従って、プレート及びストリップよりなる組立体は単一の作業で製造される。しかし、この場合、プレートとストリップを正確に重ねたり、それらを適所に維持するために使用する道具が比較的複雑になる。
そのため、道具を簡素化するために、本発明によれば工程を実施する第２の方法では、以下のように工程が行われる：
前記プレートを作る間、各プレートの導電性材料の前記横方向フィルムの一方を第１の導電性はんだフィルムで覆い、
それぞれプレート及びストリップよりなる複数の副組立体を、プレートのはんだフィルムがストリップの接触フィルムに重なり、前記プレートの長手方向の縁部が前記ストリップの前記輻射面と少なくとも略同一平面上にくるようにプレートとストリップを重ね、これを前記第１のはんだの融点に対応する温度に加熱し、同時に前記副組立体に前記プレート及びストリップに対して横方向の圧力を加える、その後、前記副組立体を冷却してそれぞれプレート及びストリップよりなる複数の副組立体を形成し、各副組立体において、対応するプレートの導電性材料の前記横方向のフィルムの他方を、前記第１のはんだよりも低い融点を有する第２の導電性はんだフィルムで覆い、
一つの副組立体のストリップの他方の接触フィルムが別の副組立体のプレートの前記第２のはんだフィルムに適用され、また全ての前記プレートの長手方向縁部が、互いに、また前記ストランドの輻射面と少なくとも略同一平面になるように、前記副組立体を重ねての堆積体を作り、
前記副組立体の前記堆積体を前記第２はんだの融点に対応する温度まで加熱し、同時に副組立体の前記堆積体に、前記プレート及びストリップに対して横方向の圧力を加え、その後、副組立体の前記堆積体を冷却する。
本発明の工程を実施するこの第２の方法によれば、組立体の前に全ての副組立体を制御することが可能となる。
好ましくは、本発明の半導体レーザダイオード装置は、プレート間の空間にストリップを冷却流体から隔離するシール手段を備えているのが好ましい。
好適な実施形態では、本発明による装置は、個々のプレート及び前記半導体ストリップよりなる１体の組立体のためのハウジングと、前記冷却流体を前記ハウジングに吸入するための手段と、前記流体を前記ハウジングから排出するための手段と、を有するパッケージを備えている。
この実施形態では、前記冷却流体は、前記プレート間の交換のうち前記ストリップにより占有されていない長手方向の部分を通過して流れることにより前記ハウジングを通過する。
好ましくは、プレート間の冷却流体の流れを均一化するために、前記パッケージは冷却流体蓄積リザーバを、一方では前記吸入手段と前記ハウジングとの間に、また他方では、前記ハウジングと前記排出手段との間に有する。
添付図面によれば本発明を如何に現実化されるかが明瞭に理解されよう。図面では、同じ参照符号は同じ部材を示す。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明のレーザダイオード装置の実施例を示す図２のＩ−Ｉ線に沿う水平断面図である。
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う同装置の長手方向断面図である。
図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う同装置の断面図である。
図４は、図１〜３の装置のパッケージの上面図である。
図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿うパッケージの長手方向断面図である。
図６は、図４のＶＩ−ＶＩ線に沿うパッケージの断面図である。
図７は、本発明による個々のプレート及び半導体ストリップよりなる１体の組立体の拡大断面図である。
図８Ａ及び８Ｂは、この１体の組立体を製造するための、半導体ストリップの準備を示す概略図である。
図８Ｃ及び８Ｄは、この１体の組立体を製造するための、個々のプレートの準備を示す概略図である。
図８Ｅは、プレートのストリップへの締結を示す概略図である。
発明を実施するための最良の形態
図１〜３に示される本発明のレーザダイオード装置は、パッケージ１と、熱伝導性に優れた材料でできたプレートと、半導体レーザダイオードストリップよりなる１体の組立体２を有する。
これらの図及び図４乃至６に示される実施形態では、パッケージ１は、例えばアルミニウム或いは銅等の金属でできて互いにシール状態で接合された幾つかの片よりなる。パッケージ１はハウジング３を有し、その中に組立体２が挿入されて、例えば接着剤によりシール状態に固定されている。ハウジング３の各側部には、全幅にわたりハウジング３と連通したリザーバ４及び５が設けられている。流体吸入パイプ６及び流体排出パイプ７がリザーバ４及び５内をそれぞれ通り、両パイプ６及び７はハウジング３に対して互いに対角線を成して配設される。
図７に拡大して示すように、組立体２は複数の平行なプレート８を有し、隣接するプレート８はスペーサとして機能する半導体ストリップ９を間に挟んで互いに接合されている。
個々のプレート８は、ベリリウム酸化物ＢｅＯ、炭化珪素ＳｉＣ、ダイヤモンド等の熱伝導性の高い材料でできている。この材料は金属でも良いが、後述するように冷却流体として水を使用し得るように導電性の材料でない方が都合が良い。１つの図示例では、個々のプレート８は全て同じで、長さ１センチ、幅０．３センチ、厚さ０．０２センチの方形の平行六面体である。図７のＰ−Ｐ線で概略的に示されるように、個々のプレート８の長手方向の自由（上部）縁部１０は同一平面上にある。プレート８の大きな面８Ａ及び８Ｂのうち、少なくとも長手方向の縁部１０に隣接した部分は、厳格な平面となりしわの部分が２０オングストローム未満になるように研磨されている。しかも、図８Ｄに示すように、個々のプレート８は組立体２に組み込まれる前に導電性のある材料でできたフィルム１１でコーティングされている。フィルム１１は、長手方向縁部１０を覆う部分１１Ｃと、上記大きな面８Ａ及び８Ｂの高さ方向に部分的に覆う側面部分１１Ａ及び１１Ｂを有する。この導電性フィルム１１は、例えばモリブデン或いはニッケル、またはこれらの金属の合金でできていても良く、厚さは５０乃至２００ミクロンである。図８Ｄに示すように、フィルム１１の側面部分１１Ａ及び１１Ｂは、導電性のはんだ、例えばモリブデン、ニッケル及びインジウムの合金でできたフィルム２２Ａ及び２２Ｂによりそれぞれ覆われている。このはんだフィルムの厚さは例えば、最大１０ミクロンである。
方形の平行六面体の半導体ストリップ９は、半導体基プレートのウエハーからカッティングすることにより公知の方法で得ても良い。上記レーザダイオードは半導体基プレート上でエピタクシーにより得られる。ストリップ９は例えば長さ１センチ、幅０．１５センチ、厚さ０．０２センチである。
半導体ストリップ９の少なくとも上記大きな面９Ａ及び９Ｂは厳格な平面となり粗さが２０オングストローム未満になるように研磨されている。しかも、図８Ｂに示すように、各半導体ストリップ９は組立体２に組み込まれる前に、例えば金等の導電性接触フィルムでコーティングされている。各半導体ストリップ９は、面９Ａを覆う部分１３Ａと、面９Ｂを覆う部分１３Ｂを有する。
縁部１２を通るレーザ放出を濃縮するために、半導体ストリップの反対側の縁部１４を反射性コーティング１５で被覆しても良い。
組立体２を得るために、レーザダイオードの輻射面を形成する半導体ストリップ９の長手方向縁部１２がプレート８（図７参照）の長手方向縁部１０と同一平面上に位置するようにプレート８とストリップ９とを交互に積重ね、各ストリップ９の接触フィルム１３Ａとプレート８のはんだフィルム２２Ｂとを接触させ、各ストリップ９の接触フィルム１３Ｂで別のプレート８のはんだフィルム２２Ａとを接触させ、次いでこの堆積体に対して横方向に圧力を加えてはんだフィルムと接触フィルムとを互いに押圧させ、同時にこの堆積体全体を、少なくともはんだフィルム融点と等しい温度まで（例えば水素オーブンで）加熱する。冷却後には、プレート８及びストリップ９は、はんだフィルムにより互いに締結し、更に、導電性材料でできたフィルム１１と接触フィルム１３Ａ及び１３Ｂとの間の相互作用により半導体ストリップ９同士が確実に直列に電気接続されている。
別の実施形態としては、はんだフィルム２２Ｂを製造するために、はんだフィルム２２Ａの製造に使用した合金よりも高い融点を有する合金を使用することができる。従って、第１ステップで、ストリップ９と、フィルム２２Ａのないプレート８と、互いに整合されてフィルム２２Ｂにより締結された縁部１０及び１２をそれぞれ有する複数の副組立体１６（図８Ｅ参照）を製造し、次いで第２ステップで、副組立体１６上にはんだフィルム２２Ａを製造した後に、副組立体１６同士を積重ねてそれらをはんだフィルム２２Ａにより互いに締結する。勿論、副組立体１６の製造中と、それらの組立中は、接着フィルムが溶ける間、プレート８とストリップ９には横方向に圧力を加える。
いずれの実施形態においても、組立体２は、連続した各一対のプレート８の間に、対応する半導体ストリップ９により占有されていない長手方向の自由溝１７を有している。
図７に示すように、各長手方向溝１７は、例えばシリコーン或いはエポキシ樹脂を注入して生成されるシール１８により対応する半導体ストリップから隔離されている。オプションとして、当てプレート１９をプレート８の長手方向縁部１０とは反対側の長手方向縁部に固定する。
組立体２を製造した後、これを長手方向溝１７が一側でリザーバ１４に、また他側がリザーバ５に連通するように、パッケージ１のハウジング３内に配置して漏れがないように（例えば接着剤により）固定する。
従って、冷却流体、例えば水を流体吸入パイプ６と排出パイプ７との間に流してパッケージ１を通過させると、流体は長手方向溝１７にそって平行に流れ、半導体ストリップ９のレーザダイオードが発生した熱を効果的に除去する（図１及び２の矢印参照）。
電極２０及び２１は組立体２の端プレートの金属フィルム１１に電気的に接続され、ダイオードストリップが直流或いはパルス電源を供給する端子に直列に電気的に接続できるようにする。本発明による装置の１実施形態においては、１００アンペアの強さで約２００〜４００マイクロ秒の持続時間の電流パルスを使用した。
産業上の利用の可能性
従って、本発明の装置によれば、レーザダイオードストリップ９の組立体がコンパクトなために、高密度で高い一様性のあるレーザ輻射を得られる。また、レーザダイオードの活性領域からの熱を効果的に除去するために、装置の寿命を長くできる。さらに、本発明の装置製造の自動化により製造コストの低減することができる。
本発明のレーザダイオード装置の応用性は広く、例えば、固体レーザのポンピング、光ファイバー系統、材料のレーザ処理、医学等に関連した応用ができる。

Claims (8)

1. 熱伝導性に優れた材料でできた互いに平行に間隔を開けて設けられた複数の壁部（８）と、
   レーザダイオードを含む複数の半導体ストリップ（９）と、
   前記半導体ストリップ（９）を冷却するための流体循環式冷却手段とを備え、
   前記壁部は、少なくとも略同一平面上で長手方向の自由縁部（１０）を有し、前記縁部は前記縁部の各側部で前記壁部の両面（８Ａ、８Ｂ）に延びた導電性材料のフィルム（１１）を支持し、
   前記各半導体ストリップは輻射面（１２）を有してこの輻射面を通して対応するストリップのレーザダイオードが発光し、前記半導体ストリップ（９）は前記壁部（８）間の空間に長手方向に収容され、前記各半導体ストリップ（９）はそれが収容されている２つの壁部の対向面に締結されて、前記半導体ストリップ（９）が前記導電性材料よりなるフィルムにより直列に電気接続され、前記半導体ストリップの前記輻射面（１２）は前記壁部の前記長手方向の前記自由縁部（１０）と少なくとも略同一平面上に位置してなるレーザダイオード装置において、
   互いに平行に間隔を開けた前記壁部は、間にスペーサとして前記半導体ストリップ（９）を挟んで互いに接合された個々のプレート（８）により形成され、
   前記半導体ストリップ（９）は前記プレート（８）間の前記半導体ストリップ（９）が収容される空間のうち長手方向の一部しか占有せず、前記プレート（８）間の空間のうち前記半導体ストリップ（９）に占有されていない長手方向の部分は前記冷却流体のための循環溝（１７）として機能することを特徴とするレーザダイオード装置。
2. 前記半導体ストリップ（９）により占有された部分を占有されていない部分から分離するシール手段（１８）を前記プレート間の空間内に有することを特徴とする請求項１記載のレーザダイオード装置。
3. 前記個々のプレート（８）及び前記半導体ストリップ（９）よりなる１体の組立体のためのハウジング（３）と、
   前記冷却流体を前記ハウジングに吸入するための手段（６）と、
   前記流体を前記ハウジング（３）から排出するための手段（７）とを有するパッケージ（１）を備え、
   前記冷却流体は、前記プレート間の前記ストリップにより占有されていない空間の長手方向の部分（１７）を通過して流れることにより前記ハウジングを通過することを特徴とする請求項１あるいは２記載のレーザダイオード装置。
4. 前記パッケージ（１）は冷却流体蓄積リザーバ（４及び５）を、一方では前記吸入手段（６）と前記ハウジング（３）との間に、また他方では、前記ハウジング（３）と前記排出手段（７）との間に有することを特徴とする請求項３記載のレーザダイオード装置。
5. 請求項１乃至４の何れか１つに記載されたレーザダイオード装置の製造方法であって、
   互いに同一の方形状の熱伝導性に優れた材料の複数の個々のプレート（８）で作り、各プレートの少なくとも２つの大きな面（８Ａ、８Ｂ）と長手方向の１つの縁部（１０）を研磨し、研磨された長手方向の縁部（１０）と前記研磨された大きな面（８Ａ、８Ｂ）に隣接する横方向の領域とを導電性に優れた材料でできたフィルム（１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ）で覆う工程と、
   同一の複数の半導体ダイオードストリップ（９）を作り、該半導体ダイオードストリップ（９）の長手方向縁部（１２）は前記ダイオードへの輻射面として機能するようにし、その２つの大きな面を電導接触フィルム（１３Ａ、１３Ｂ）により覆う工程と、
   前記ストリップの前記接触フィルムを前記プレート（８）の導電性材料のフィルムの横方向領域（１１Ａ、１１Ｂ）に対して適用し、前記フィルム間に導電性の締結フィルム（２２Ａ、２２Ｂ）を介在させる工程と、
   前記プレート（８）と前記ストリップ（９）とを、加圧により前記締結フィルムの作用により互いに締結する工程とを備えることを特徴とするレーザダイオード装置の製造方法。
6. 導電性材料の前記フィルム（１１）の前記横方向領域（１１Ａ、１１Ｂ）は導電性のはんだフィルム（２２Ａ、２２Ｂ）により覆われることを特徴とする請求項５記載のレーザダイオード装置の製造方法。
7. 各ストリップ（９）を２つの前記プレート間に介在させ、
   導電性材料のフィルム（１１Ｃ）で覆われた前記プレートの長手方向の縁部（１０）を少なくとも略同一平面上に置き、
   前記ダイオードストリップ（９）の輻射面（１２）を前記プレートの前記長手方向の縁部（１０）と少なくとも略同一平面上に置き、
   ストリップ（９）の大きな面の各接触フィルム（１３Ａ、１３Ｂ）をプレート（８）の大きな面のはんだフィルム（２２Ｂ、２２Ａ）に重なるようにして、前記全てのプレート（８）と前記全てのストリップ（９）の積重ねを製造し、
   前記堆積体を前記はんだフィルム（２２Ａ、２２Ｂ）の融点に対応する温度まで加熱し、同時に前記堆積体に、前記プレート及びストリップに対して横方向の圧力を加え、その後、前記堆積体を冷却させることを特徴とする請求項６記載のレーザダイオード装置の製造方法。
8. 前記プレート（８）を作る間、各プレート（８）の導電性材料の前記横方向フィルムの一方（１１Ｂ）を第１の導電性はんだのフィルム（２２Ｂ）で覆い、
   それぞれプレート（８）及びストリップ（９）よりなる複数の副組立体（１６）を、プレートのはんだフィルムがストリップの接触フィルムに重なり、前記プレートの長手方向の縁部（１０）が前記ストリップの前記輻射面（１２）と少なくとも略同一平面上にくるようにプレートとストリップを重ねることにより、また次に前記副組立体（１６）を前記第１のはんだの融点に対応する温度に加熱し、同時に前記副組立体（１６）に前記プレート及びストリップに対して横方向の圧力を加えることにより、形成し、その後、前記副組立体を冷却し、
   各副組立体（１６）において、対応するプレート（８）の導電性材料の前記横方向のフィルムの他方（１１Ａ）を、前記第１はんだよりも低い融点を有する第２導電性はんだのフィルム（２２Ａ）で覆い、
   一方の副組立体のストリップの他方の接触フィルム（１３Ｂ）が別の副組立体（１６）のプレートの前記第２はんだのフィルム（２２Ａ）に適用され、また全ての前記プレートの長手方向縁部が、互いに、また前記ストリップの輻射面と少なくとも略同一平面になるように、前記副組立体（１６）を重ねての堆積体を作り、
   前記副組立体（１６）の前記堆積体を前記第２のはんだの融点に対応する温度まで加熱し、同時に副組立体の前記堆積体に、前記プレート及びストリップに対して横方向の圧力を加え、その後、副組立体の前記積重ねを冷却することを特徴とする請求項６記載のレーザダイオード装置の製造方法。

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