JP4995484B2 - 光半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は光半導体装置に係わり、例えば、ステムの上面に固定したヒートシンクの一側面に半導体レーザチップを固定する光半導体装置（半導体レーザ装置）の製造技術に適用して有効な技術に関する。

光半導体素子としての半導体レーザ（ＬＤ）は、光通信システムの光源や情報処理機器の光源として多用されている。ＣＤ，ＤＶＤ機器，レーザプリンタ，ＰＯＳ，バーコードリーダをはじめ、文書ファイルシステムなどの情報処理機器の光源として可視光半導体レーザ（半導体レーザ装置）が使用されている。

半導体レーザ素子（半導体レーザチップ）を組み込んだ半導体レーザ装置、即ち、光半導体装置として、気密性の高いキャン封止型の半導体レーザ装置が知られている。この構造は、ステムの一面に固定したヒートシンクの一側面にサブマウントを介して半導体レーザ素子を固定し、ステムの一面に天井部分にレーザ光を透過する窓を有するキャップを取り付けた構造になっている。また、ステムには２本のリードが取り付けられている。１本のリードはステムを貫通しかつ絶縁体を介してステムに支持され、残りのリードはステムに接続され、ステムと等しい電位となっている。２本のリードは、半導体レーザ素子のそれぞれの電極に電気的に接続されている。この電気的接続において、接続経路の一部に導電性のワイヤが使用されている。このような半導体レーザ装置では、２本のリードに所定の電圧を印加すると、半導体レーザ素子の端面からそれぞれレーザ光を出射する。半導体レーザ素子の一端から出射されたレーザ光は窓からキャップの外に出射される。

近年、信頼性の高い半導体レーザ素子が開発されてきており、必ずしも気密性を確保する必要がなくなってきており、キャップを使用しない構造の半導体レーザ装置も提案されている（例えば、特許文献１、２）。

これらの文献に開示する半導体レーザ装置においては以下の構成が特徴である。板状のベース部の一面に設けるヒートシンク部の一側面に半導体レーザ素子を固定する構造において、半導体レーザ素子に対して左右の少なくとも一方の側に半導体レーザ素子の高さよりも高い側壁を前記ヒートシンク部と一体に形成した構造になっている。そして、具体的な例の一つは、円柱状のヒートシンク部の軸方向にそって溝を形成し、この溝の内壁面に半導体レーザ素子を配置した構造である。この構造では半導体レーザ素子の両側に側壁が位置する。また、他の例では、半導体レーザ素子の一側にのみ側壁を設ける構造である。これらの構造の採用によって、半導体レーザ装置の放熱性改善、パッケージの小型化及び素子の保護を図ることができる旨記載されている。

特開２００４−６６５９号公報 特開２００６−１３５５０号公報

前記文献のように、ヒートシンク部の溝を形成し、この溝の底に素子（半導体レーザ素子）を固定する構造では、ヒートシンク部の重量の低減が妨げられる。また、この構造では、半導体レーザ素子は溝の底側に位置することから、半導体レーザ素子の固定状態をヒートシンク部の側方から目視確認することができない。

また、前記文献のように、半導体レーザ素子の一側にのみ側壁を設ける構造では、半導体レーザ素子の他の一側が開放状態にあることから、素子の保護が不十分になる。また、この構造では、前記他の一側が開放状態にあることから、この側に半導体レーザ素子の電極に接続されるワイヤが位置する場合、ワイヤの保護が不十分になる場合もある。

本発明の目的は、素子及び素子の電極に電気的に接続されるワイヤの保護が充分できる半導体レーザ装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、半導体レーザ素子の固定状態を目視確認できる構造の半導体レーザ装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、半導体レーザ装置の軽量化を図ることにある。
本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。

（１）光半導体装置（半導体レーザ装置）は、
第１の面及びこの反対面となる第２の面を有する板状のベース部と、前記ベース部の一面（第１の面）に突出し一側面が平坦な固定面となるヒートシンク部と、前記ヒートシンク部の前記固定面の両側からそれぞれ所定距離外れた前記一面部分に突出して設けられる一対の保護体部とを有する導電性のステムと、
前記ステムの前記ベース部に絶縁されて支持される第１のリードと、
前記ステムの前記ベース部に支持される前記ステムと等電位になる第２のリードと、
前記ステムの前記ベース部に絶縁されて支持される第３のリードと、
一対の電極を有するとともに一対の端面からレーザ光を出射する構造となり、前記レーザ光を前記ベース部の前記一面に交差する方向に出射するように前記ヒートシンク部の前記固定面にサブマウントを介して接続される半導体レーザ素子と、
一対の電極を有しかつ前記半導体レーザ素子から出射する前記レーザ光を受光するように前記ベース部に固定される受光素子と、
前記半導体レーザ素子の一方の前記電極と前記第１のリードを電気的に接続する接続手段と、
前記半導体レーザ素子の他方の前記電極と前記第２のリードを電気的に接続する接続手段と、
前記受光素子の一方の前記電極と前記第３のリードを電気的に接続する接続手段と、
前記受光素子の他方の前記電極と前記第２のリードを電気的に接続する接続手段とを有し、
前記接続手段は前記接続手段の全体が導電性のワイヤで構成される構造または前記接続手段を構成する経路の一部が導電性のワイヤで構成される構造を含み、
前記一対の保護体部と前記ヒートシンク部で囲まれる空間領域に前記半導体レーザ素子、前記受光素子及び前記ワイヤが位置していることを特徴とする。

また、前記保護体部の突出端は前記半導体レーザ素子及び前記ワイヤよりも高くなっている。また、隣接する前記ヒートシンク部と前記保護体部の隙間は、前記隙間から前記半導体レーザ素子の固定状態が目視できる間隔になっている。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
前記（１）の手段によれば、（ａ）一対の保護体部間の空間領域は、一対の保護体部及びヒートシンク部によって保護される空間領域になる。また、保護体部の突出した先端（突出端）及びヒートシンク部の突出した先端（突出端）は、半導体レーザ素子、受光素子及びワイヤよりも高くなっている。この結果、保護体部及びヒートシンク部によって半導体レーザ素子、受光素子及びワイヤを効果的に保護することができる。

（ｂ）隣接するヒートシンク部と保護体部の隙間は、隙間から半導体レーザ素子の固定状態が目視できる間隔になっていることから、容易かつ確実に半導体レーザ素子の固定状態を目視で確認検査することができる。即ち、半導体レーザ素子の両側及び先端のサブマウントに対する接続部分を目視できる。従って、幅１８０μｍ、長さ１５００μｍとなる細長の半導体レーザ素子の場合では、長い接続部分を目視できる本構成は半導体レーザ素子の実装状態の検査が確実かつ容易になる。これはヒートシンクに連なる側壁を半導体レーザ素子の一側または両側に配置する構造では得られない効果である。また、当然にしてサブマウントの固定状態、受光素子の固定状態及びワイヤの接続部分等の目視検査も同様に行える。

（ｃ）ヒートシンク部と保護体部との間には隙間が設けられていることから、この隙間の分ほど重量を軽くでき、半導体レーザ装置の軽量化を図ることができる。また、保護体部はヒートシンク部と分離される構造であることから、保護体部を薄く形成することによってさらに半導体レーザ装置の軽量化が達成できる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。なお、発明の実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

図１乃至図４は本発明の実施例１である光半導体装置（半導体レーザ装置）に係わる図である。図１は半導体レーザ装置の斜視図、図２は半導体レーザ装置の平面図、図３は半導体レーザ装置において、サブマウント上に位置する半導体レーザチップと接続手段であるワイヤを示す模式図、図４は半導体レーザ装置において、サブマウント上に位置する半導体レーザチップの一部を示す斜視図である。

実施例１では、例えば、ＤＶＤの光源として使用される光半導体装置（半導体レーザ装置）１に本発明を適用した例について説明する。

半導体レーザ装置１は、図１及び図２に示すようにステム２を有している。ステム２は、板状のベース部３と、ベース部３の一面に突出し一側面が平坦な固定面となるヒートシンク部４と、ヒートシンク部４の両側からそれぞれ所定距離外れた前記一面部分に突出して設けられる一対の保護体部５，６とを有する構造になっている。ステム２は導電性の金属、例えば、熱伝導性の良好なＣｕで形成されている。ステム２はプレスまたはインジェクションモールドによって製造される。ステム２は、熱伝導性の良好な金属として、例えば、Ｆｅ／Ｃｕ／Ｆｅのクラッド材をプレスすることによって形成することもできる。

ベース部３は、第１の面及びこの第１の面の反対面となる第２の面を有する数ｍｍの厚さの円板からなっている。ベース部３は、例えば、厚さ１．０ｍｍで直径３．８ｍｍとなっている。また、円周の一部には、Ｖ溝７が設けられている。このＶ溝７は半導体レーザ装置１の製造時、ベース部３の位置決め等に利用されるとともに、方向性を確認するときにも利用される。

ヒートシンク部４は、一側面が平坦な固定面１０となる構造となっている。特に限定はされないが、固定面１０は円柱の円を横切るように切断する面で形成され、ベース部３の第１の面３ａに垂直な面になっている。固定面１０にはサブマウント１１が図示しないＡｕＳｎはんだなどの接合材を介して固定されている。サブマウント１１は、図３及び図４に示すように、細長いシリコンからなる矩形板となっている。サブマウント１１の第１の面１１ａには半導体レーザ素子１２が接合材１３によって固定されている。従って、サブマウント１１の第１の面１１ａの反対面となる第２の面１１ｂがＡｕＳｎはんだなどの接合材を介して固定面１０に接続されることになる。

半導体レーザ素子１２は、例えば、発光波長が０．６μｍ帯の素子であり、幅１８０μｍ、長さ１５００μｍ、厚さ１００μｍの大きさになっている。半導体レーザ素子１２の第１の面１２ａにはカソード電極（n電極）１４が設けられ、第１の面１２ａの反対面となる第２の面にはアノード電極（ｐ電極）１５が設けられている。この一対の電極は表面にＡｕメッキ膜が形成されている。図４で第１の面１２ａに近接して示す小さな四角形部分が、レーザ光を出射する共振器１６の端面部分である。図３には、共振器１６の両端からレーザ光１７が出射される状態を模式的に示してある。半導体レーザ素子１２は、レーザ光１７をベース部３の第１の面３ａ（一面）に交差する方向に出射するようにヒートシンク部４の固定面１０にサブマウント１１を介して固定される。

また、図１及び図２に示すように、ヒートシンク部４の固定面１０の両側からそれぞれ所定距離外れたベース部３の第１の面３ａ部分にそれぞれ保護体部５，６が設けられている。この保護体部５，６は、板状となり、相互に対面している。保護体部５，６の突出高さはヒートシンク部４の突出高さと略同じになっている。

保護体部５，６の間の領域であり、かつヒートシンク部４に固定された半導体レーザ素子１２の下端延長上のベース部３の第１の面３ａには、受光素子２０が図示しない導電性の接着剤を介して固定されている。受光素子２０は、ベース部３の表面に設けられた窪み２１の底に固定され、半導体レーザ素子１２の下端から出射されるレーザ光１７を受光するようになっている。

窪み２１と保護体部５，６との間のベース部３には、いずれも導体からなる第１のリード２２及び第３のリード２３が絶縁体２４を介して貫通状態で支持されている。ベース部３の第１の面の反対面となる第２の面（図１及び図２では下面）には、導体からなる第２のリード２５の上端が導電性の接合体（図示せず）を介して固定されている。従って、この第２のリード２５はステム２に電気的に接続されることになり、ステム２と等電位となる。また、受光素子２０の一対の電極は受光素子２０の表裏面に設けられている。即ち、受光素子２０の上面にはカソード電極（ｎ電極）が設けられ、下面にはアノード電極（ｐ電極）が設けられている。そして、下面のアノード電極が導電性の接着剤を介してベース部３に固定される。従って、受光素子２０のアノード電極（ｐ電極）はステム２と等電位となる。

半導体レーザ素子１２のｎ電極１４、ｐ電極１５及び受光素子２０のアノード電極及びカソード電極は上記いずれかのリードにそれぞれ接続手段を介して電気的に接続されている。接続手段は、接続手段の全体が導電性のワイヤで構成される構造または接続手段を構成する経路の一部が導電性のワイヤで構成される構造、さらにはワイヤを使用しない構造となっている。

図１及び図３に示すように、半導体レーザ素子１２のｎ電極１４とヒートシンク部４の固定面１０は導電性のワイヤ３０で接続されている。これにより、半導体レーザ素子１２のｎ電極１４は、ワイヤ３０、ヒートシンク部４、ベース部３を介して第２のリード２５に電気的に接続されることになる。この接続手段は、ｎ電極１４と第２のリード２５を電気的に接続する接続手段を構成する経路の一部が導電性のワイヤ３０で構成される構造となる。

サブマウント１１の第１の面１１ａと第１のリード２２は導電性のワイヤ３１で電気的に接続されている。サブマウント１１は、図４に示すように、導電性の接合材１３を介してｐ電極１５に電気的に接続される構造となる。従って、半導体レーザ素子１２のｐ電極１５は、接合材１３、サブマウント１１、ワイヤ３１を介して第１のリード２２に電気的に接続されることになる。この接続手段は、ｐ電極１５と第１のリード２２を電気的に接続する接続手段を構成する経路の一部が導電性のワイヤ３１で構成される構造となる。

図１及び図２に示すように、受光素子２０のカソード電極と第３のリード２３は導電性のワイヤ３２で電気的に接続されている。従って、この接続手段は接続手段の全体が導電性のワイヤ３２で構成される構造となる。なお、半導体レーザ素子１２のｎ電極１４の接続手段を、接続手段の全体が導電性のワイヤで構成される構造とする場合は、絶縁体を介してベース部を貫通する第４のリードを設け、この第４のリードとｎ電極１４をワイヤ３０で接続することによって得られる。

受光素子２０の下面の電極であるアノード電極は、前述のように導電性の接着剤、ベース部３を介して第２のリード２５に電気的に接続される。この接続手段では、受光素子２０のアノード電極と第２のリード２５を電気的に接続する接続手段を構成する経路の各部はステム２のベース部３でありワイヤは使用されていない。

一対の保護体部５，６が対面する空間領域は、平面的には四角形となる。そして、この四角形の４辺のうちの３辺には、保護壁となる保護体部５，６とヒートシンク部４が位置することから、保護体部５，６及びヒートシンク部４で囲まれる領域は保護領域となる。そして、この保護領域にサブマウント１１、半導体レーザ素子１２、受光素子２０、第１のリード２２、第３のリード２３及びワイヤ３０，３１，３２が位置する。従って、例えば、棒状のもの、あるいは板状のものが重なる場合、これらのものは保護体部５，６及びヒートシンク部４の突出端に重なるようになる。この結果、前記棒状あるいは板状のものは、サブマウント１１、半導体レーザ素子１２、受光素子２０、第１のリード２２、第３のリード２３及びワイヤ３０，３１，３２に接触しなくなり、保護される。
本実施形態１によれば以下の効果を有する。

（１）一対の保護体部５，６間の空間領域は、一対の保護体部５，６及びヒートシンク部４によって保護される空間領域になる。また、保護体部５，６の突出した先端（突出端）及びヒートシンク部４の突出した先端（突出端）は、サブマウント１１、半導体レーザ素子１２、受光素子２０、第１のリード２２、第３のリード２３及びワイヤ３０，３１，３２よりも高くなっている。この結果、保護体部５，６及びヒートシンク部４によって、サブマウント１１、半導体レーザ素子１２、受光素子２０、第１のリード２２、第３のリード２３及びワイヤ３０，３１，３２を効果的に保護することができる。

（２）隣接するヒートシンク部４と保護体部５，６との間には隙間３４が存在する。そして、これら隙間３４から、図２の矢印３５に示すように、半導体レーザ素子１２の固定状態（サブマウント１１に接合材１３で半導体レーザ素子１２を接続する固定状態）が目視できる間隔になっている。従って、この隙間３４から、容易かつ確実に半導体レーザ素子１２の固定状態を目視で確認検査することができる。実施例では、半導体レーザ素子１２は、幅１８０μｍ、長さ１５００μｍとなる細長の半導体レーザ素子であることから、長い接続部分を確実に隙間３４から目視検査することができる。

これはヒートシンクに連なる側壁を半導体レーザ素子の一側または両側に配置する従来構造では得られない効果である。また、当然にしてサブマウント１１のヒートシンク部４の固定面１０への固定状態、受光素子２０の固定状態及びワイヤ３０，３１，３２の接続部分等の目視検査も同様に行える。

（３）ヒートシンク部４と保護体部５，６との間には隙間３４が設けられていることから、この隙間３４の分ほどステム２の重量を軽くでき、半導体レーザ装置１の軽量化を図ることができる。また、保護体部５，６はヒートシンク部４と分離される構造であることから、保護体部５，６を薄く形成することによってさらに半導体レーザ装置１の軽量化が達成できる。

図５は本発明の実施例２である半導体レーザ装置の斜視図、図６は実施例２の半導体レーザ装置の平面図である。
実施例２は、実施例１の半導体レーザ装置１において、図５に示すように、保護体部５，６の突出端がヒートシンク部４の突出端よりもａほど高くなっている。例えば、ａは０．５ｍｍである。このようにヒートシンク部４よりも保護体部５，６をさらに高くしておくことによって、一対の保護体部５，６により、サブマウント１１、半導体レーザ素子１２、受光素子２０、第１のリード２２、第３のリード２３及びワイヤ３０，３１，３２をさらに効果的に保護することができる。

実施例２の半導体レーザ装置１では、受光素子を配置しない構造である。また、ステム２と等電位となる第２のリード２５の位置は、図５及び図６に示すように、実施例１の半導体レーザ装置１とは異なっている。その他の構成部分は実施例１の半導体レーザ装置１と同様である。
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。即ち、実施例では情報処理装置の光源に使用する半導体レーザ装置に本発明を適用した例について示したが、本発明は他の半導体レーザ装置、例えば、光通信用の長波長半導体レーザ装置にも同様に適用でき、同様の効果を得ることができる。

本発明の実施例１である光半導体装置（半導体レーザ装置）の斜視図である。 実施例１の半導体レーザ装置の平面図である。 半導体レーザ装置において、サブマウント上に位置する半導体レーザチップと接続手段であるワイヤを示す模式図である。 半導体レーザ装置において、サブマウント上に位置する半導体レーザチップの一部を示す斜視図である。 本発明の実施例２である半導体レーザ装置の斜視図である。 実施例２の半導体レーザ装置の平面図である。

符号の説明

１…光半導体装置（半導体レーザ装置）、２…ステム、３…ベース部、４…ヒートシンク部、５，６…保護体部、７…Ｖ溝、１０…固定面、１１…サブマウント、１１ａ…第１の面、１１ｂ…第２の面、１２…半導体レーザ素子、１２ａ…第１の面、１３…接合材、１４…カソード電極（ｎ電極）、１５…アノード電極（ｐ電極）、１６…共振器、１７…レーザ光、２０…受光素子、２１…窪み、２２…第１のリード、２３…第３のリード、２４…絶縁体、２５…第２のリード、３０，３１，３２…ワイヤ、３４…隙間、３５…矢印。

Claims (5)

1. 板状のベース部と、前記ベース部の一面に突出し一側面が平坦な固定面となるヒートシンク部と、前記ヒートシンク部の前記固定面の両側からそれぞれ所定距離外れた前記一面部分に突出して設けられる一対の保護体部とを有する導電性のステムと、
   前記ステムの前記ベース部に絶縁されて支持される第１のリードと、
   前記ステムの前記ベース部に支持される前記ステムと等電位になる第２のリードと、
   一対の電極を有するとともに一対の端面からレーザ光を出射する構造となり、前記レーザ光を前記ベース部の前記一面に交差する方向に出射するように前記ヒートシンク部の前記固定面にサブマウントを介して接続される半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子の一方の前記電極と前記第１のリードまたは前記第２のリードのうちの一方のリードを電気的に接続する第１接続手段と、
   前記半導体レーザ素子の他方の前記電極と前記一方の電極を接続しない残りの前記リードを電気的に接続する第２接続手段とを有し、
   前記第１及び第２接続手段は前記第１及び第２接続手段の全体が導電性のワイヤで構成される構造または前記第１及び第２接続手段を構成する経路の一部が導電性のワイヤで構成される構造を含み、
   前記一対の保護体部と前記ヒートシンク部で囲まれる空間領域に前記半導体レーザ素子及び前記ワイヤが位置していることを特徴とする光半導体装置。
2. 前記保護体部の突出端は前記半導体レーザ素子及び前記ワイヤよりも高くなっていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
3. 前記保護体部の突出端は前記ヒートシンク部の突出端よりも高くなっていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
4. 隣接する前記ヒートシンク部と前記保護体部の隙間は、前記隙間から前記半導体レーザ素子の固定状態が目視できる間隔になっていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
5. 板状のベース部と、前記ベース部の一面に突出し一側面が平坦な固定面となるヒートシンク部と、前記ヒートシンク部の前記固定面の両側からそれぞれ所定距離外れた前記一面部分に突出して設けられる一対の保護体部とを有する導電性のステムと、
   前記ステムの前記ベース部に絶縁されて支持される第１のリードと、
   前記ステムの前記ベース部に支持される前記ステムと等電位になる第２のリードと、
   前記ステムの前記ベース部に絶縁されて支持される第３のリードと、
   一対の電極を有するとともに一対の端面からレーザ光を出射する構造となり、前記レーザ光を前記ベース部の前記一面に交差する方向に出射するように前記ヒートシンク部の前記固定面にサブマウントを介して接続される半導体レーザ素子と、
   一対の電極を有しかつ前記半導体レーザ素子から出射する前記レーザ光を受光するように前記ベース部に固定される受光素子と、
   前記半導体レーザ素子の一方の前記電極と前記第１のリードを電気的に接続する第１接続手段と、
   前記半導体レーザ素子の他方の前記電極と前記第２のリードを電気的に接続する第２接続手段と、
   前記受光素子の一方の前記電極と前記第３のリードを電気的に接続する第３接続手段と、
   前記受光素子の他方の前記電極と前記第２のリードを電気的に接続する第４接続手段とを有し、
   前記第１、第２、第３及び第４接続手段は前記第１、第２、第３及び第４接続手段の全体が導電性のワイヤで構成される構造または前記第１、第２、第３及び第４接続手段を構成する経路の一部が導電性のワイヤで構成される構造を含み、
   前記一対の保護体部と前記ヒートシンク部で囲まれる空間領域に前記半導体レーザ素子及び前記ワイヤが位置していることを特徴とする光半導体装置。

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