JPS59193080A - 発光半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は発光半導体装置、特に半導体レーザー装置に関
する。

〔背月技術〕

周知のように、近年半導体レーザー装置がデジタル・オ
ーディオ・ディスクのピックアップ用の光源、あるいは
光方式のビデオ・ディスク・プレーヤおよび光メモリ−
・ディスクの光源として使用さね始めている（１９８１
年９月１４日付日経エレクトロニクス：１３８〜１５２
頁［オーディオ・ディスクの要求に応える半導体レーザ
ー−１）。

しかし、半導体レーザー装置前はこわらの光湧としては
末だ充分な出力が得られているとけいえない。特にプリ
ンタやディスクの＠き込み用は大出力が必要である。こ
のため、半導体レーザー素子の出力限界近傍で使用され
ることが多く、特性の安定化が難しい。

そこで、本出願人け、第１図にその要部を示す構造の半
導体レーザー装置全開発した。すなわち、この装置は８
本のり一ド１を絶縁的に貫通固定したステム２の主面に
レジン材３を介してペルチェ素子から々る熱電冷却装置
４を固定しｆｃ構造となっていて、熱電冷却装置４の発
熱面をステムに固定している。また、熱電冷却装置４の
上面である吸熱面上に中央部に突出部を有するヒートブ
ロック５が同様にレジン材６を介して固定されている。

また、このヒートプロ、２り５の突出部の垂直壁に半導
体レーザー素子７がサブマウン）５ａｉ介して固定され
ている。この半導体レーザー素子７は上下端からレーザ
ー光８を発光し、上方のレーザ−光は書込み用に用いら
ねる。また、下方に向かうレーザー光８けヒートプロ、
り５の傾的面に固定さｈ＊受光素子９で光強度が検出さ
れる。また、ヒートプロ、り５には温度検出素子（サー
ミスタ）１０が挿入五に挿入されて半導体レーザー素子
７の温度？検出するようになっている。また、各素子の
官給と各リード１内端は図示はしないがワイヤ？介して
接続されている。さらに、ステム２の主面側には透明板
１１を取り付けｆｃ透明窓１２を有するキャップ１３が
各素子、リード等金被うように気密的に固定されている
。なお、この装置はヒートシンク１４に取り付けられて
使用される。

このような装置はヒートプロ、ツク５の温度を検出する
ことによって間接的に半導体レーザー素子７の温度を検
出し、熱電冷却装置４による冷却制御１金行ない、半導
体レーザー素子７の高出力化を図っている。

しかし、このような技術は下記のような問題点が新に生
じるということが本発明渚によってあきらかにさね女。

（１）、熱雷冷却装置４ｉｌ−ｉ吸熱面と発熱面間の寸
法精度が粗い。′４＊Ｘ熱箪冷却装置４けレジン材３゜
６を介してステム２とヒートン０ツク５との間に挿嵌さ
ねる。この鈷呆、基壁面となるステム２の主面あるいは
裏面からのレーザー発振部高さが装簡毎に変化してしま
う。まに１熱嘗冷却装置４けＢｉ、Ｔθ、ｓｂのよう力
都金属からなる化合物半導体で杉反されている。このた
め、熱霜玲却１装置４？動作さぜると発熱して伸長ツー
る。こねらの緑味、ディスク面き込み時にディスク面と
レーザー発光部との間隔が変化して、書き込み時のスポ
ットデの径が変化し、￥Ｊき込み精度が但１し７てしま
う。

（２１、キャップ１３けステム２にハーメチックシール
によって固定されるが、この際、ステム剪も加熱さね、
熱電冷却装置４とステム２およびヒートブロック５全接
続するレジン拐３６からガスが発生し、牛嗜体し−ザー
装簡゛の信頼度低下の硬固となる危険性かある。

（３）、半導体レーザー索子７は、Ｊλ」のセラミ、り
板間に複数の化合物半導体素子全配設した熱抵抗の大き
な熱電冷却装置４に直接に接して組み立てらｈる。ゆえ
に組み立て完了後に半導体レーザー素子の寿命試験（裏
温中でレーザー素子全一定の光出力を保つように駆動し
、動作電流の時間変化を調べるもの。以下スクリーニン
グと称″ｊ）を行なおうとしても、熱雷冷却装置の熱抵
抗の影響が大きく、半導体レーザー素子に苅する正確な
評価データーが得られない。そわゆえ素子組み立て後の
特性検査ができないという欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的はステム上の半導体レーザー素子の位置が
動作時、変化し難い発光半導体装置を提供することにあ
る。

また、本発明の他の目的はステム上の半導体レーザー素
子の取り伺位置を高い精度で規定することか可能な発光
半導体装置を提供することにある。

ま女、本発明の他の目的は半導体レーザー素子の特性劣
化が起＠難す信頼度の高い発光半導体装置を提供するこ
とにある。

さらに、本発明の他の目的は素子組立て後であっても、
半導体レーザー素子のスクリーニングが可能力発光半導
体装置を提供することにある。

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。

〔発明の概要〕

本願において開示される発明のうち代表的ガものの概要
を簡単に飲明丁わば、］記のとおりである。

すなわち、本発明はステムのキャップによってパッケー
ジングされる主面側に半導体レーサー素子およびこの半
導体レーザー素子から発光さ冶るレーザー光を受光する
受光素子ならびに半導体レーザー素子の温度を検出する
廿−ミスタを配設し、ステムの主面の裏面側に寸法精度
が粗くかつ創作時伸長する熱電冷却装置をレジン材で固
定した構造とすることによって、半導体レーザー素子の
発光高さを高精度に組み立てるとともに、使用時には熱
電冷却装置の変位によって前記発光部高さが変化しない
ようにし、かつ組立加熱時にけステムのパラゲージング
外にレジン材全介して熱電冷却素子全固定し７であるの
で、レジン材から放出されるガスがパッケージ内にこも
ることはなく、半導体レーザー素子の劣化が防止できる
。さらに、スクリーニング時にけ半４体レーザー素子で
発生しに熱は速かにステムからヒートシンクに伝達する
ため、当今導体レーザー素子の特性の良否検出が行なえ
る。

〔実施例１〕 第２図は本発明の一実施例による発光半導体装置（半導
体レーザー装置）の要部を示す断面図、第３図は同じく
底面図、第４図は半導体レーザー装置の光出力の温度依
存性を示すグラフである。

この半導体レーザー装置は熱伝導性の艮好な金属、たと
えばＣｕからなる円板状のステＡ２に８本のリード１ケ
第３図に示すようにガラスのよう彦絶縁体１５を介して
貫通固定している。ステム２けあらかじめプレスによっ
て中央部が突出するように絞り込まね、ステム２の主面
側に台座部１６全裏面側に窪み１７ケ有している。件か
、ステム２は２本のリード１が取り付けらハる部分も浅
く絞り込まねてワイヤ張り空間１８全ステム裏面に有し
、ている。このワイヤ張り空間１８は前記窪み１７と連
通している。

一方、ステム２の台座部１６上には中央部に突出部金有
するヒートプロ１．り５が調料（たとえばＰｂ−８ｕの
低融点半田’）　］　９　ｉ・介して固定さねて因る。

壕に１このヒートプロ、り５の突出部の垂直壁には半導
体レーザー素子７が上下端からし・−ザー光８を発光す
る姿勢でザブマウント５　ａ　１．（介して固定されて
いる。′！ｌ：女、ヒートプロ２．り５の翰臼面には受
光素子９が固定され、下方に向かうレーザー光８を受光
し、レーザー光強度全検出するようになっている。受光
素子９は傾卵面に取り付けられることから、受光素子面
で反射したレーザー光は後述する透明窓から装色゛外部
に進行しな論ようになっている。この緑味、透明窓から
発光さｈるレーザー光８のファーフィールドパターンは
乱ねなくなる。また、ヒートブロック５には挿入子［が
設けらね、この挿入孔には温度検出素子１０である−＋
１−　　ミスタが挿嵌され、ヒートプロ、ツク５を介し
２て半導体レーザー素子７の温度を検出するようになっ
ている。し女がって、挿入孔はできるだけ半導体レーザ
ー素子７Ｖｃ近接した位置に設けらねることが望しい。

ｉｌｃ、前記半導体レーサー素子７．受光素子９．サー
ミスタ１０の各二電極は特に図示はし、ないがワイヤに
よって前記ワイヤ張り空間１８を通る２本のリードリ外
のＩＪ−ド１の上端に％測的に接続されている。

他方、ステム２の裏面の窪み１７には熱電冷却装置４が
レジン材２０を介して固定されている。

接合利２０はレジンあるいは低融点半田等音用いる。熱
電冷却装置４はその吸熱面がステム２の裏面に勾面し、
発熱面が実装時の基板となるヒートシンク１４に対面（
′！＆触対面対面′ｊる。甘た、熱雷冷却装置４の２市
極から延在するワイヤ２１はワイヤ張り空間１８を延在
して２本のり一ド１にそれぞれ接続さねている。

さらに、ステム２の主面にはガラスのような透明板１１
’（ｉ−取り付けて透明窓Ｉ２’（＋−形Ｈシ１ζキャ
９．ブ１３がリングウェルドによって気密的に固定さね
各素子等全パッケージングしている。

このような半導体レーザー装置は半導体レーザー素子７
からレーザー光８全たとえばメモリディスクの書き込み
用の光源として使用される。この際、レーザー光８は受
光素子９によってモニターされ、光強度が一定となるよ
うに半導体レーザー素子７は制御される。才た、一方で
は、熱電冷却装置４が作動してヒートブロック５の冷却
を図り半導体レーザー素子７の温度の２一定住を一図る
。熱電冷却装置４の制御はサーミスタ１０による温度検
出情報によって成でれる。レーザー光８の光強度（光出
力　Ｐｏ　）は第４図のグラフに示すように、温度が低
い方が光出力が太きい。そこで、熱電冷却装置４によっ
て半導体レーザー素＋７を２５℃に保ち、高出力のレー
ザー光を発光し、メモリディスクの曹き込み全行なう。

〔効果〕

（１）、熱電冷却装置はステムの裏面に固定され、半導
体レーザー素子はステムの主面上に固定したヒートブロ
ックにサブマウント？介した構造となっていて、熱雷冷
却装置のような寸法精度が低いもの全介在させなりこと
から、半導体レーザー素子のステムに附する高さが一定
となる。したがって、ディスタ面でのレーザー光のスポ
ット径が常に一定と々す、書き込み精度が安定する。

（２）、前記（１）で記載し１ｃように、動作時伸長す
る熱雷冷却装置はステムと半導体レーザー素子との間に
は存在し２ない。このため、熱雷冷却装置が動作し、レ
ーザー光の光軸方向に数μｍ変位しても、ステム外にあ
ることと、ステムと熱雷冷却装置との間の接合材がバッ
ファとして作用するため、ステムに対する発光部高さが
変化しない。したがって、前記（１）の効果と相俟って
レーザー光のスポット径が一定となるため、ディスクの
曹き込み精度は安定する。

（３）、キャップのハーメチンクシールの際の熱によっ
て熱電冷却装置固定するレジン材からガスが出ても、パ
ッケージ外であることから、半導体し一ザー素子にこの
ガスが触ねることはない。し女妙Ｓって、半導体レーザ
ー装置の信頼度が向上する。

（４）、この半導体レーザー装置は１附のセラミック板
間に複数の化合物手導体素子？配酸しｆＣ熱抵抗の大き
な熱雷冷却装置を取り付ける前にスクリーニングを行な
うことができる。ｉ＊、２％冷却装置を取り付けた状態
でも伝熱経路はサブフウント。

ヒートブロック、ステムとなり第１図の構造のものと比
較して熱抵抗は小さくなる。この結果、スクリーニング
も可能となる。

（５）、熱雷冷却装置はステムの外にあるため、熱雷冷
却装置が故障した場合には容易に交換できる便利さもあ
る。

〔実施例２〕 第５図は本発明の他の実施例による発光半導体装置（半
導体レーザー装置）奮示す要部断面図である。

この装置はステム２の裏面には最初から熱雷冷却装置を
取り付けておかない半導体レーザー装置であって、ステ
ム２は前記実施例と同様に主面に台座部１６．裏面に窪
み１７を有し、台座部１６上には半導体レーザー素子７
．受光素子９．サイリスタ１０を取り付けたヒートブロ
ック５を固定しである。捷た、ステム１に固定したり一
部１の上端はワイヤ（図示せず）を介して前記各素子７
゜９．１０の電極とＮ急曲に接続されてｂる。ま女、こ
わけ透明窓１２を有するキャップ１３でパッケージ外ね
ている。なお、ステム２の一部は窪み１７に連通ずるワ
イヤ引き出し空間２２が設けられ、窪み１７に配設する
熱雷冷却装置の２本のワイヤの引き出し空間となってき
ている。なお、他の各部は前記実施例と同様であること
から説明全省略する。また、符号１名称はそのまま使用
する。

このような装置は、最初にヒートシンク１４上に熱雷冷
却装置４を発熱面がヒートシンク１４に接触するように
載置または固定する。その後、この上に前記半導体レー
ザー装置を熱電、冷却装置４が窪み１７に入るように重
ねる。この際、熱伝導度の艮好なシリコングリースある
いはレジン材等の接着剤をステム２と熱雷冷却装置４の
間に介在させる。また、熱雷冷却装置４の端子となるワ
イヤ２１はワイヤ引き出し空間２２から外に出し、所定
部に接続する。

〔効果〕

この実施例は前記実施例１と同様な効果金奏する。

〔実施例３〕 第６図はさらに他の実施例による発光半導体装置（光通
信用半導体装＃）全示す要部断面図、第７図は同じく光
通信システムに組み込んだ例を示す模式図である。

光通傷用半導体装部は、第２図に示した実施例１１の構
造にあって、キャップ１３の構造のみが異なる。し女が
って、同一構造と々る他の各部の説明は省略する。

キャップ１３はその中央に上部が大径の段付孔２３を有
していて、その大径部に管状のセラミ、。

ジスリープ２４′！］ｌ−挿嵌している。また、このセ
ラミ”Ｉジスリーブ２４には光ファイバー２５が挿入さ
ね、内端を半導体レーザー素子７０発光部（共振器端）
に互着せている。また、段付孔２３の小径部には鑞材２
６が埋め込まわ、光フアイバー２５ヲ気密的にキャップ
１３に固定している。さらに、光ファイバー２５の外端
はキヤツジ１３から突出するセラミックスリーブ２４の
外端と同一面となっている。

このような光通信用半導体装置２７は第７図に示すよう
に光通信システムに組み込まれる。すなわち、装置２７
は光通信装置２８の基板２９上に配設される。基板２９
には半導体レーザー素子を駆動制御するレーザー駆動回
路３０．熱電冷却装置４全制御して半導体レーザー素子
を常に所望の温度で動作させるベルチェ制御回路３１が
組み込まれている。また、サイリスタによる温度モニタ
情報３２はベルチェ制御回路３１に、光強度モニタ情報
３３はレーザー駆動回路３０にそれぞれ伝達される。

このような光通信装置２８は変調器３４ケ介してアナロ
グ信号３５をデジタル信号３６として受は入れ、光ファ
イバー２５を伝送媒体として受信機３７に光信号を送る
。受信機３７ではシリコンフォトダイオードのような光
重変換機器３８で光信号全電気信号に変換しかつ増幅回
路３９で増幅する。その後、デジタル信号３６を復調器
４０でアナログ信号として通信情報全骨けとる。

〔効果〕

この実施し１）は罰記実施例１と同様方効掬會奏する２
、そシ１．て、光通信システムに適用丁ｔは、光フアイ
バー内端とレーザー発光部との間隔が常に一定となり、
レーザー光発振時にもレーザー発光位置が変化しない。

この女め、レーザー光スボ２トはその口径を変えること
なく光ファイバーに接し、光ファイバーにおける光取り
込み効毘は高くかつ安定する。この結果、安定した光通
信が行なえるようになる。

旬上本発明者によってなさノ１女発明を実施しｌにもと
づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定さ
れるものではなく、その要旨を逸鋭し々い範囲で穏々変
更可能であることはいう甘でもない。

〔利用分封） 以上の説明では主として本発明者によってなされに発明
全その背雰と々っ女利用分野であるビデオディスクおよ
び光通信技術に適用した場合について説明Ｌ７ｋが、そ
わに限定されるものではなく、たとえば、レーザービー
ムプリンター技術、または、少なくとも仲の分野におけ
る発光技術にも適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本出願人の開発による半導体レーザー装置の要
部を示す断面図、 第２図は本発明の一実施例による半導体レーザー装置の
要部會示す断面図、 第３図は同じく底面図、 第４図は半導体レーザー装置の光出力の温度依存性を示
すグラフ、 第５図は本発明の他の実施例による半導体レーザー製筒
の要部断面図、 第６図はさらに他の実施例による半導体レーザー装置の
断面図、 第７図は同じく光通信システムに組み込んだ例を示す模
式図である。 １・・・リード、２・・ステム、３　、レジン利、４・
・・熱電冷却装置、５・−ヒートプロ１．り、５　ａ１
ｒブマウント、６・・・レジン材、７・半導体し−づ一
素子、８・・・レーサー光、９　受光；＋″イ、】０・
・温度検出素子（サーミスタ）、１１・ｒｆｂ　明４ｆ
ｚ、１２・・透明窓、１３・キャップ、１４　こ−トシ
ンク、１５・・・絶縁体、１（ｉ・・台座剖・、１７−
・窪み、１８・・・ワイヤ張り空間、１９　鑵拐、２０
　レジ゛／（４，２１・・ワイヤ、２２・・ワイヤ引き
ｆｉｌ　Ｌ−空ｎＬ　　２３・・・段付孔、２４・セラ
ミ、クヌリーブ、２５　光ファイバー、２６　調料、２
７・光通イ言用米勇イ４に装置、２８・−・光通信装置
、２９・基椋、３０　・レーサー駆動回路、３１・・・
ペルチェ側位１回路、３２・・・温度モニタ情報、３３
　光強度モニタ情報、３４・・変調器、３５・・・アナ
ログ信号、３６・・・デジタル信号、３７　・受傷様、
３Ｂ・−・光宛変換榛器、３９・・増幅回路、４０・・
φ調器。 代理人　弁理士　高　払ｊ　明　夫ｆパ。 第　　１　　図 第　　２　図 第　　３　　図 ２１　　　／７ 第　　４　　図 ン−′菫刀譬−ＩＦ（九４ン 第　　５　　図 第　　６　　図 第　　７　図 Ｓ 市

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　ステムと、とのステムのパ、ソケージング部材で被
   わわる主面側に配役さｆｌ、＊発光半導体素子と、前記
   ステムの裏側に固定され女熱雷冷却装置と、を有する発
   光半導体装置。 ２、前記発光半導体素子は半導体レーザー素子である特
   許請求の範囲第１項記載の発光半導体装置°。