JPH0613702A - 光半導体装置 - Google Patents

光半導体装置

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JPH0613702A
JPH0613702A JP16649592A JP16649592A JPH0613702A JP H0613702 A JPH0613702 A JP H0613702A JP 16649592 A JP16649592 A JP 16649592A JP 16649592 A JP16649592 A JP 16649592A JP H0613702 A JPH0613702 A JP H0613702A
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JP
Japan
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submount
layer
thickness
stress
inp
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JP16649592A
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English (en)
Inventor
Motoi Suhara
基 須原
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Publication of JPH0613702A publication Critical patent/JPH0613702A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 金属放熱体に重ねるサブマウントを介してマ
ウントするLD素子において、サブマウント厚さを最適
化して、LD素子に加わるストレスの最大値を限定する
マウント構造を提供する点。 【構成】 サブマウントの厚さと単一縦モード発振歩留
りの関係を調査したところ、サブマウントの厚さがある
値を越えると単一縦モード発振歩留りが臨界的に改善さ
れる事実を見出だし、またこれを基にLD素子に加わる
ストレスの最大値を把握できたことにより本発明を完成
した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、分布帰還型(以下DF
Bと略す)あるいは分布反射型(以下DBRと略す)半
導体レーザのマウント後の単一モード発振確率の改善を
可能にする光半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体レーザダイオード(以下LD素子
と略す)を中心とした光半導体装置は、光情報処理や光
通信の分野で用いられている。その中でも回析格子を内
蔵したInP を基板材料とするDFB型LD素子は、ファ
イバ損失や分散が小さい波長帯での単一縦モード発振が
可能なことから、長距離大容量の光通信システムへの搭
載に不可欠な素子として実用化が急速に進んでいる。更
に、高出力が要求されるアナログ伝送用としては DFB−
LDの片端面に低反射膜(Anti Reflection 以後ARと略
す)、他端面に高反射膜(High Reflection 以後HRと
略す)を形成した構造が一般的である。
【0003】しかしながら、単一縦モード発振歩留り
は、レーザ内部の回析格子の深さや、正規化結合係数、
端面反射率及び回析格子の端面位相、位相シフト部の有
無などのパラメータに対して敏感であり、極めて緻密な
制御が要求される。
【0004】一方、DC駆動におけるLD素子1の発熱
量が無視できないので、図1に示すように、ヒートシン
クとして機能する金属放熱体2を介してマウントする。
更に、金属放熱体2と光半導体材料であるLD素子1と
の熱膨脹係数の差から生じるストレスを緩和する手段と
して、金属放熱体2とLD素子1間にサブマウント3を
挟む構造(図1参照)が通常用いられており、詳細は、
特開平 3-148192 号公報に明らかである。
【0005】即ち、この公報で開示された技術は、光デ
イスク装置や光通信などに利用する半導体レーザ装置を
主とする半導体装置の製造方法に関するものである。そ
の手法は、半導体素子、サブマウント及びヒートシンク
ブロックの夫々の接合面に金層を形成後、サブマウント
の両接合面に金層上に所定形状のSn層を設ける。しか
し、Au層とSu層の厚さの比を3:2としてサブマウ
ント及びヒートシンクブロックを積層して加熱溶融して
接合する。
【0006】このような接合方法は、接合面のAu層に
Sn層を積層して加熱すると、各層が溶融拡散して、A
u層80wt%、Sn層20wt%の共晶合金半田とな
って接合する。即ち、LD素子におけるサブマウントと
の接合面には、厚さ1μmのAu層を、サブマウントに
おけるLDチップとの接合面には、厚さ0.5μmのAu
層を、サブマウントにおけるヒートシンクブロックとの
接合面には、厚さ0.5μmのAu層を、ヒートシンク
ブロックにおけるサブマウントとの接合面には、厚さ1
μmのAu層を形成する。更に、サブマウントに形成し
た厚さ0.5μmのAu層には、LD素子とほぼ同面積
で部分的に厚さ1μmのPb層を、サブマウントのヒー
シンクブロック側のAu層に厚さ1μmのPb層を形成
する。このAuとPbの厚さの比は、約3:2である。
【0007】このようにAu層とPb層を被覆したLD
素子、サブマウント及びヒーシンクブロックをヒートス
テージ上に積層してのせてから、LDチップに適当な荷重
をかけ、280℃以上で加熱する。この結果両層が溶
融、拡散し、次に冷却ガスなどにより冷却すると、Au
層:Pb層=3:2から成り、Au層80wt%、Sn
層20wt%の共晶合金を形成する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】LD素子1をマウント
する際、素子単体でパルス駆動により電流−光出力特性
や発振スペクトルを測定・選別する手法が採られてい
る。しかし、DFB型LD素子1では、マウント後のD
C特性が変わってしまい、電流光出力特性にキンク(あ
るしきい値を越えると電流ー光特性の直線性が失われ
て、折れが発生する現象)が発生したり、スペクトルの
単一縦モード性が失われたりするものがある。これが制
御性と歩留まりに対して一層悪影響を与えている。
【0009】熱伝導率が大きいことから良く用いられる
銅製の金属放熱体2上に、ARーHR構造で、かつIn
Pを主材料とするDFBーLD素子に、InPと比較的
熱膨脹係数が近いシリコンをサブマウント3に利用する
例について述べと、サブマウント3の厚みは、150μ
m〜200μmが一般的である。パルス駆動で選別した
素子だけをマウントした場合でもDC特性での単一縦モ
ード発振歩留まりは、30〜50%と低く、類似構造の
DBR型ーLD素子にもあてはまる。
【0010】このように、マウントによりLD素子の特
性が変化する要因として、前記の残留ストレスもその一
つと考えられる。つまり、LD素子に加わるストレスが
無視できるパルス駆動時と比較して、LD素子活性層や
光導波路層などの内部電界や光強度分布が残留ストレス
により大きく変化し、従って発振モードに直接関係する
等価屈折率に影響を与える。
【0011】本発明は、このような事情により成された
もので、特に、金属放熱体上のサブマウント厚さを最適
化してLD素子に加わるストレスの最大値を限定するこ
とを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】金属放熱体に固着するサ
ブマウントと,このサブマウントを介して取付けるIn
Pを基板材料とする分布帰還型もしくは分布反射型半導
体レーザダイオード素子とを具備し,前記半導体レーザ
ダイオード素子に加わるストレス値が1×109 ダイン
以下になるように前記サブマウントの厚さを選定する点
に本発明に係わる光半導体装置の特徴がある。
【0013】
【作用】このような構造を備えた光半導体装置は、LD
素子導波路内部の電界分布や光強度分布への影響が最小
限に押さえられ、DFB型LD素子のDC特性における
単一縦モード発振歩留まりが飛躍的に向上する。
【0014】
【実施例】本発明に係わる実施例を図面を参照して説明
する。図2は、本発明による光半導体装置の断面図であ
り、図1に明らかにする構造と同じようにLD素子1と
金属放熱体2の中間にサブマウント3を配置する。金属
放熱体2は、銅製で厚さが2mmであり、LD素子1
は、InPを基板とする埋込型DFB−LD素子で厚さ
100μmかつ、端面にAR−HRを設けAR側を前端
面とする。また、LD素子1と金属放熱体2の中間に配
置するサブマウント3は、熱伝導率が高い上にInPと
比較的熱膨脹係数が近いシリコンを用いる。
【0015】LD素子1、金属放熱体2及びサブマウン
ト3は、融点が300℃程度の半田層4により固着する
が、その厚さが2μm〜5μmと薄いので、ストレス発
生因子から除外することができる。LD素子1には、例
えばAuなどの25μmΦの金属細線5をいわゆるボン
ディング法により熱圧着して通電可能とする(図2参
照)。
【0016】次に本発明において最も重要なサブマウン
ト3の厚さについて説明する。この厚さdが、100μ
m、150μm、200μm、250μm、300μ
m、320μm、400μm、500μm、600μm
及び1000μmのサブマウント3を用意して、単一縦
モード発振歩留りを測定した。
【0017】この測定に際しては、AR側の端面反射率
1%以下、回析格子深さ100〜300オングストロー
ム、正規化κL(共振器長さ)結合係数0.6〜0.9
とする。測定結果を示す図3に明らかなように、サブマ
ウント3の厚さが320μm以上の歩留りは、著しく向
上する。
【0018】図3は、縦軸に単一縦モード発振歩留り横
軸にサブマウント厚さ(×10μm)を採っており、サ
ブマウント3の厚さ320μmを臨界点とした結果とな
った。
【0019】この結果に関与する要因としてLD素子に
加わる残留ストレスに注目し、多層シェル型のモデルを
用いて解析した。
【0020】一般的に3層の多層構造において t:全厚さ(t=t1 +t2 +t3 ) t1 :i層目の厚さ(i=1〜3:i=1はCuで2m
m、i=2はシリコンで厚さd、i=3はInPで10
0μm) α1 :i層目の熱膨脹係数(i=1〜3) E1 :i層目のヤング率(i=1〜3) R:曲率半径 ΔT:接着温度と測定温度(通常は25℃)との差 σ1 :i層目に加わる平均ストレス(i=1〜3) とすると、銅、シリコンならびにInPの組合せでは、
α1 >α2 >α3 なることを考慮して曲率半径は、 R=t3 /[6{t1 2 (α1 −α2 )+t2 3 (α2 −α3 )}ΔT] となる。
【0021】更にLD素子1に加わるストレスσ3 は σ3 = E3 [t1 /t[(α1 −α3 )ΔT−{(t1 +2t2 +t3 )/(2R) }] +t3 /(2R)] となり、各数値を本発明にあてはめると以下のようにな
る。
【0022】α1 =1.67×10-5deg-1、α2
7.3×10-6deg-1、α3 =5.5×10-5deg
-1、E3 =6.53×1011dyn/cm2更に、t1
=2×10-1cm、t2 =d×10-4cm、ΔT=27
5℃となる。
【0023】次にdとσ3 の関係を図4に示す。縦軸に
ストレスσ(×109 dyn)、横軸にサブマウント厚
さ(×10μm)を採っており、図3と比べるとσ3
値が、1×109 dyn以下の範囲でDC特性における
単一縦モード発振歩留りが約1.6倍以上に改善する。
従って本発明に係わる光半導体装置では、半導体レーザ
ダイオード素子に加わるストレス値が1×109 ダイン
以下になるように前記サブマウントの厚さを選定する根
拠とする。
【0024】なお、単一縦モード発振歩留りの測定に際
しては、位相シフト部に関しては、有る時と無い時につ
いて夫々行ったことを付記する。
【0025】このように、解析によるストレスの値が前
記の範囲にあれば、金属放熱体2やサブマウント3の材
質は、前記の材質に限定されず、また、DFB型のLD
素子に限らず、類似構造のDBR型のLD素子にも適用
できる。
【0026】
【発明の効果】このように、LD素子1に加わるストレ
スの最大値を、サブマウント3の厚さを最適化すること
により選定して、マウント後のLD素子の特性変化を抑
制し、制御性及びDC特性歩留まりの向上を達成でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の光半導体装置の構造の概略を示す断面図
である。
【図2】本発明に係わる光半導体装置の構造の概略を示
す断面図である。
【図3】本発明によるサブマウント厚とDC特性におけ
る単一縦モード発振歩留りの変化を示す図である。
【図4】本発明におけるサブマウントの厚さとLD素子
に加わるストレスの関係を表す図である。
【符号の説明】
1:LD素子、 2:金属放熱体、 3:サブマウント、 4:半田層、 5:金属細線。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属放熱体に固着するサブマウントと,
    このサブマウントを介して取付けるInPを基板材料と
    する分布帰還型もしくは分布反射型半導体レーザダイオ
    ード素子とを具備し,前記半導体レーザダイオード素子
    に加わるストレス値が1×109 ダイン以下になるよう
    に前記サブマウントの厚さを選定することを特徴とする
    光半導体装置
JP16649592A 1992-06-25 1992-06-25 光半導体装置 Pending JPH0613702A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001168445A (ja) * 1999-09-30 2001-06-22 Denso Corp 半導体レーザ装置
JP2002299744A (ja) * 2001-04-02 2002-10-11 Sony Corp 半導体レーザアセンブリ
CN105244755A (zh) * 2015-10-24 2016-01-13 长沙青波光电科技有限公司 低应力高精度定位半导体激光单管芯片封装方法

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