KR100794097B1 - 반도체 레이저 장치 - Google Patents

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칸히로후미
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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

상기 반도체 레이저 장치는 Cr 층(13)과 Au 층(14)이 형성된 반도체 레이저 소자(10)와, Cr 층(22)과 Au 층(23)이 형성되어 실리콘 서브마운트(20)와, 금속 베이스(30)를 구비하고 있다. 반도체 레이저 소자(10)의 Au 층(14)을 형성한 면과 실리콘 서브마운트(20)의 Au 층을 형성한 면(23)은 직접 접합된다.
반도체 레이저 장치, 실리콘 서브마운트, 금속 베이스, Au 층, Cr 층

Description

반도체 레이저 장치{Semiconductor laser device}
본 발명은, 반도체 레이저 장치에 관한 것으로, 특히 활성층으로부터의 발열을 방열하기 위한 반도체 레이저 장치의 구조에 관한 것이다.
도 4는 종래의 반도체 레이저 장치의 종단면도이다. 부호 10은 반도체 레이저 소자, 부호 11은 LD(레이저다이오드), 부호 12는 활성층을 내부에 포함하는 발광부, 부호 13은 Cr층, 부호 14는 Au층, 부호 15는 Au층, 부호 16은 Au-Ge층, 부호 17은 Au층, 부호 30은 금속 베이스, 부호 31은 금속 블록, 부호 40은 도전성 접착제를 나타낸다. 반도체 레이저 소자(10)는 활성층을 내부에 포함하는 발광부(12)에서 발생하는 열을 방열하기 위해서, 금속 베이스(30)에 도전성 접착제(40)로 접착되어 있다. 금속 베이스(30)는 히트 싱크로서 기능한다.
도 5는 다른 반도체 레이저 장치의 종단면도이다. 본 장치는 특개소59-31085호 공보에 개시되어 있다. 상기 장치에 있어서는 도 4에 도시한 발광부(12)에서 발생하는 열을 방열하기 위해서, 반도체 레이저 소자(10)와 금속 베이스(30)사이에, 실리콘 서브마운트(20)를 삽입하여, 각각이 금·실리콘땜납재(50 및 60)로 납땜되는 것에 의해 구성되어 있다. 또한, 실리콘 서브마운트(20)는 반도체 레이저 소자를 구성하는 재료와 열팽창 계수가 근접한 히트 싱크로 이루어진다.
그러나, 도 4에 도시하는 반도체 레이저 장치에서는 도전성 접착제(40)가 활성층을 내부에 포함하는 발광부(12)의 공진기면에 돌아 들어가거나, 접착시에 도전성 접착제(40)가 부착하는 등, 공진기면이 오염되어, 불량품이 발생한다는 문제가 있었다. 또한, 도전성 접착제(40) 내부에서의 보이드의 발생에 의해 충분한 방열 효율을 얻을 수 없다는 문제가 있었다.
또한, 도 5에 도시하는 반도체 레이저 장치에 있어서도, 땜납재(50)가 활성층을 내부에 포함하는 발광부(12)의 공진기면에 돌아서 들어감으로써 공진기면이 오염되어, 불량품이 발생할 가능성이 있다는 문제점이 있었다.
그래서 본 발명은, 반도체 레이저 소자의 공진기면이 오염되는 일이 없고, 활성층에서 발생한 열을 효율이 좋게 방열하는 것이 가능한 반도체 레이저 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 문제를 해결하기 위해서, 본 발명의 반도체 레이저 장치는 활성층을 갖는 반도체 레이저 소자와 금속제의 베이스 부재 사이에 개재하는 히트 싱크를 구비한 반도체 레이저 장치에 있어서, 상기 반도체 레이저 소자의 표면 및 이면 중 상기 활성층에 가까운 쪽의 면에 금속층 및 Au 층을 형성하고, 상기 히트 싱크의 상기 반도체 레이저 소자측의 면에 금속층 및 Au 층을 형성하여, 상기 반도체 레이저 소자에 형성된 상기 Au 층과 상기 히트 싱크에 형성된 상기 Au 층을 접합하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한, 베이스 부재와 상기 히트 싱크는 도전성 접착제로 접착되어 있거나, 상기와 마찬가지로 금속층과 Au 층을 사용하여 접합되어 있 는 것이 바람직하다.
즉, 본 반도체 레이저 장치는 반도체 레이저 소자와, 금속제의 베이스 부재와, 반도체 레이저 소자와 금속제의 베이스 부재 사이에 개재되는 히트 싱크를 구비하고, 반도체 레이저 소자의 표면 및 이면 중 활성층에 가까운 쪽의 면측에, 금과 반도체 레이저 소자와의 밀착성을 높이는 제 1 금속층과 그의 상면에 제 1 Au 층이 형성되어 있고, 히트 싱크에는 금과 히트 싱크와의 밀착성을 높여, 공정(共晶; eutectic)을 방지하는 제 2 금속층과 그의 상면에 제 2 Au 층이 형성되어 있고, 반도체 레이저 소자의 제 1 Au 층을 형성한 면과 히트 싱크의 제 2 Au 층을 형성한 면이 직접 접합되어, 히트 싱크의 반도체 레이저 소자가 직접 접합된 면의 반대측의 면과 금속제의 베이스 부재가 도전성 접착제로 접착됨으로써 구성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 반도체 레이저 소자와 히트 싱크가 직접 접합되기 때문에, 반도체 레이저 소자의 공진기면이 오염되는 일이 없다. 또한, 공진기면이 오염되는 일이 없기 때문에, 반도체 레이저 소자의 표면 및 이면 중 활성층에 가까운 쪽의 면과 히트 싱크를 직접 접합할 수 있으며, 이로써 반도체 레이저 소자와 히트 싱크가 밀착성 양호하게 접합되기 때문에, 활성층에서의 발열이 직접 실리콘서브마운트에 효율이 좋게 방열하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명의 반도체 레이저 장치는 반도체 레이저 소자와, 금속제의 베이스 부재와, 반도체 레이저 소자와 금속제의 베이스 부재 사이에 개재되는 히트 싱크를 구비하고, 반도체 레이저 소자의 표면 및 이면 중 활성층에 가까운 쪽의 면측에, 금과 반도체 레이저 소자와의 밀착성을 높이는 제 1 금속층과 그의 상면에 제 1 Au 층이 형성되어 있고, 히트 싱크에는 금과 히트 싱크와의 밀착성을 높여, 공정을 방지하는 제 2 금속층과 그의 상면에 제 2 Au 층이 형성되어 있고, 금속제의 베이스 부재에는 금과 금속제의 베이스 부재와의 밀착성을 높이는 제 3 금속층과 그의 상면에 제 3 Au 층이 형성되어 있고, 반도체 레이저 소자의 제 1 Au 층이 형성된 면과 히트 싱크의 제 2 Au 층이 형성된 한쪽면과, 히트 싱크의 제 2 Au 층이 형성된 다른 한 면과 금속제의 베이스 부재의 제 3 Au 층이 형성된 면이 각각이 접하여 직접 접합됨으로써 구성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 반도체 레이저 소자와 히트 싱크와 금속 베이스가 직접 접합되기 때문에, 한번에 반도체 레이저 장치를 구성할 수 있어, 작업 효율의 향상을 꾀할 수 있다. 또한, 반도체 레이저 소자와 히트 싱크가 직접 접합되기 때문에, 반도체 레이저 소자의 공진기면이 오염되는 일이 없다. 또한, 공진기면이 오염되는 일이 없기 때문에, 반도체 레이저 소자의 표면 및 이면 중 활성층에 가까운 쪽의 면과 히트 싱크를 직접 접합할 수 있으며, 이로써 반도체 레이저 소자와 히트 싱크가 밀착성 있게 접합되기 때문에, 활성층에서의 발열이 직접 실리콘서브마운트에 효율이 좋게 방열하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명의 반도체 레이저 장치는 히트 싱크가 실리콘으로 이루어지고, 제 2 금속층이 금과 실리콘과의 공정을 방지하는 것을 특징으로 하여도 좋다. 실리콘은 반도체 레이저 소자를 형성하는 GaAs 등의 화합물 반도체와 열팽창 계수가 같은 정도이고, 히트 싱크가 실리콘으로 이루어짐으로써, 활성층에서의 발열을 보다 효율이 좋게 분산시켜, 방열할 수 있다. 또한, 제 2 Au 층과 실리콘으로 이루어지는 히트 싱크 사이에, 금과 실리콘과의 공정을 방지하는 제 2 금속층이 삽입되어 있기 때문에, 제 2 Au 층과 실리콘으로 이루어지는 히트 싱크의 공정에 의한 땜납재화를 방지할 수 있어, 금·실리콘 땜납재에 의한, 활성층을 내부에 포함하는 발광부의 공진기면의 오염을 방지할 수 있다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 반도체 레이저 장치의 단면도.
도 2는 제 2 실시예에 따른 반도체 레이저 장치의 단면도.
도 3은 제 1 실시예에 따른 반도체 레이저 장치와 종래의 반도체 레이저 장치를 동작시킨 경우의 상승 온도를 비교한 그래프.
도 4는 종래의 반도체 레이저 장치의 단면도.
도 5는 종래의 반도체 레이저 장치의 단면도.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예에 관해서 설명한다. 단지, 동일 요소에는 동일 부호를 붙여, 중복하는 설명은 생략한다.
도 1에, 제 1 실시예에 따른 반도체 레이저 장치의 단면도를 도시한다. 제 1 실시예에 따른 반도체 레이저 장치는 반도체 레이저 소자(10)와, 실리콘 서브마운트(20)와, 금속 베이스(30)를 구비하여 구성되어 있다.
반도체 레이저 소자(10)는 GaAs로 이루어지는 활성층을 내부에 포함하는 발광부(12)를 포함하는 레이저다이오드(LD)(11)와, 막두께 10 내지 30nm의 Cr(금속)층(13)과, 막두께 300 내지 1000nm의 Au 층(14)으로 이루어지는 전극과, 막두께 10nm의 Au 층(15)과 막두께 250nm의 Au-Ge 층(16)과, 막두께 750nm의 Au 층(17)으로 이루어지는 전극을 갖고 있다.
실리콘 서브마운트(20)는 히트 싱크가 되는 p형의 실리콘층(21)과, 막두께 10 내지 30nm의 Cr(금속)층(22)과, 막두께 300 내지 1000nm의 Au 층(23)을 갖고 있다. 금속 베이스(30)는 Cu로 이루어지는 금속 블록(31)을 갖고 있다.
반도체 레이저 소자(10)의 Au 층(14)과 실리콘 서브마운트(20)의 Au 층(23)은 직접 접합되어 있고, 실리콘 서브마운트(20)의 Au 층(23)과 금속 베이스(30)의 금속 블록(31)은 주석땜납으로 이루어지는 도전성 접착제(40)로 접착되어 있고, 이로써 제 1 실시예의 반도체 레이저 장치가 구성되어 있다.
도 1에 도시하는 제 1 실시예의 반도체 레이저 장치의 구조에 의하면, 반도체 레이저 소자(10)와 실리콘 서브마운트(20)가 직접 접합되기 때문에, 활성층을 내부에 포함하는 발광부(12)의 공진기면이 오염되는 일이 없고, 불량품이 발생하기 어렵게 되어 제품 비율이 좋다. 또한, 활성층을 내부에 포함하는 발광부(12)는 반도체 레이저 소자(10)의 두께 방향에 직교하는 방향을 공진기 길이 방향으로 하고, 상기 길이 방향의 단면(공진기면)으로부터 레이저광은 출사된다.
본 실시예의 반도체 레이저 장치에 있어서는 활성층을 내부에 포함하는 발광부(12)의 공진기면이 오염되는 일이 없기 때문에, 반도체 레이저 소자(10)의 활성층을 내부에 포함하는 발광부(12)가 형성된 면과 실리콘 서브마운트(20)를 직접 접합할 수 있으며, 이로써 반도체 레이저 소자(10)와 실리콘 서브마운트(20)가 밀착성 있게 접합되어, 활성층을 내부에 포함하는 발광부(12)에서의 발열이 직접 실리콘 서브마운트(20)에 효율이 좋게 방열된다.
더욱이, Au 층(23)과 실리콘(Si)층(21) 사이에, 금과 실리콘과의 공정을 방지하는 Cr 층(22)이 삽입되어 있기 때문에, Au 층(23)과 실리콘층(21)과의 공정에 의한 땜납재화를 방지할 수 있어, 금·실리콘 땜납재에 의한 활성층을 내부에 포함하는 발광부(12)의 공진기면의 오염을 방지할 수 있다. 또한, Cr 층(13)및 Cr 층(22)을 형성함으로써, Au 층(14) 및 Au 층(23)의 박리를 방지할 수 있다. 도 2는 제 2 실시예에 따른 반도체 레이저 장치의 단면도이다.
본 실시예에 따른 반도체 레이저 장치는 반도체 레이저 소자(10)와, 실리콘 서브마운트(20)와, 금속 베이스(30)를 구비하여 구성되어 있다.
반도체 레이저 소자(10)는 활성층을 내부에 포함하는 발광부(12)를 포함하는 GaAs로 이루어지는 LD(11)와, 막두께 10 내지 30nm의 Cr(금속)층(13)과, 막두께 300 내지 100Onm의 Au 층(14)으로 이루어지는 전극과, 막두께 10nm의 Au 층(15)과, 막두께 250nm의 Au-Ge 층(16)과, 막두께 750nm의 Au 층(17)으로 이루어지는 전극을 갖고 있다.
실리콘 서브마운트(20)는 히트 싱크가 되는 p형의 실리콘층(21)과, 막두께 10 내지 30nm의 Cr(금속)층(22)과, 막두께 300 내지 1000nm의 Au 층(23)을 갖고 있다. 금속 베이스(30)는 Cu로 이루어지는 금속블록(31)과, Cr(금속)층(32)과, Au 층(33)을 갖고 있다.
반도체 레이저 소자(10)의 Au 층(14)과, 실리콘 서브마운트(20)의 Au 층(23)과, 반도체 레이저 소자(10)의 Au 층(14)과 대면하고 있는 면과 반대측에 형성된 실리콘 서브마운트(20)의 Au 층(23)과, 금속 베이스(30)의 Au 층(33)은 동시에 직접 접합되고, 이로써 제 2 실시예의 반도체 레이저 장치가 구성되어 있다.
즉, 금속층(13), 금속층(22) 및/또는 금속층(32)의 두께는 10nm 이상이고, 또한, 30nm 이하이다. 금속층(13, 22)의 두께가 상기 하한보다도 작은 경우에는 접착력이 저하하여 상기 상한보다도 큰 경우에는 제조 비용이 증가한다.
또한, Au 층(14), Au 층(23)및 /또는 Au 층(33)의 두께는 300nm 이상이고, 또한, 1000nm 이하이다. Au 층(14, 23, 33)의 두께가 상기 하한보다도 작은 경우에는 접착력이 저하하고 상기 상한보다도 큰 경우에는 제조 비용이 증가한다.
도 2에 도시하는 제 2 실시예의 반도체 레이저 장치의 구조에 의하면, 반도체 레이저 소자(10)와 실리콘 서브마운트(20)와 금속 베이스(30)가 직접 접합되기 때문에, 한번에 반도체 레이저 장치를 구성할 수 있어, 작업 효율의 향상을 꾀할 수 있다. 또한, 반도체 레이저 소자(10)와 실리콘 서브마운트(20)가 직접 접합되기 때문에, 활성층을 내부에 포함하는 발광부(12)의 공진기면이 오염되는 일이 없고, 불량품이 발생하기 어렵기 때문에 제품 비율이 좋다.
또한, 활성층을 내부에 포함하는 발광부(12)의 공진기면이 오염되는 일이 없기 때문에, 반도체 레이저 소자(10)의 표면 및 이면 중 활성층을 내부에 포함하는 발광부(12)의 활성층에 가까운 쪽의 면과 실리콘 서브마운트(20)를 직접 접합할 수 있으며, 이로써 반도체 레이저 소자(10)와 실리콘 서브마운트(20)가 밀착성 있게 접합되기 때문에, 활성층을 내부에 포함하는 발광부(12)에서의 발열을 직접 또한 효율이 좋게 실리콘서브마운트(20)에 방열하는 것이 가능해진다.
더욱이, Au 층(23)과 실리콘층(21) 사이에, 금과 실리콘과의 공정을 방지하는 Cr 층(22)이 삽입되어 있기 때문에, Au 층(23)과 실리콘층(21)과의 공정에 의한 땜납재화를 방지할 수 있어, 금·실리콘 땜납재에 의한 활성층을 내부에 포함하는 발광부(12)의 공진기면의 오염을 방지할 수 있다. 또한, Cr 층(13) 및 Cr 층(22)을 형성함으로써, Au 층(14) 및 Au 층(23)의 박리를 방지할 수 있다.
다음에, 도 1에 도시한 제 1 실시예에 따른 반도체 레이저 장치와, 도 4에 도시한 종래의 반도체 레이저 장치에 있어서, 전류를 10A에서 30A로 증가하여 동작시킨 경우의, 반도체 레이저 소자(10)의 상승 온도의 그래프를 도 3에 도시한다. 여기서, 도 1의 반도체 레이저 장치에 있어서의 실리콘 서브마운트(20)의 면적을 변화시킨 것에 관해서의 상승 온도도 나타내었다.
도 3에서 알 수 있듯이, 실리콘 서브마운트(20)를 형성하지 않은 도 4에 도시한 종래의 반도체 레이저 장치와 비교하여, 실리콘서브마운트(2O)를 형성한 도 1에 도시한 제 1 실시예의 반도체 레이저 장치에서는 반도체 소자(10)의 온도상승이 크게 저감하고 있고, CW-레이저의 경우는 약 60%, Q-CW-레이저의 경우는 약 90% 정도 온도 상승을 저감하는 것이 가능하였다. 또한, 실리콘 서브마운트(20)의 면적을 크게 함으로써, 온도 상승을 보다 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, 제 1 및 제 2 실시예는 이것에 한정되는 것은 아니다. LD(11)의 재료는 GaAs에 한정되지 않고, InGaAs 등 다른 화합물 반도체로도 가능하다. 또한, 히트 싱크로서 실리콘층(21)을 사용하였지만, LD(11)와 열팽창 계수가 같은 정도의 다이아몬드 등을 히트 싱크로서 사용하여도 된다. 또한, 금속 블록(31)의 재료로서 Cu를 들었지만, CuW, 코발트 금속, SiC 등, 열 전도율이 양호한 재료이면 무엇을 사용하여도 된다. 또한, 도전성 접착제(40)로서 주석땜납을 들었지만, 은 페이스트나 납-주석 등, 다른 도전성 접착제를 사용하여도 된다. 더욱이, 금(Au)과 실리콘(Si)의 공정을 방지하고, Au 층과의 밀착성을 높이는 금속으로서 Cr를 들었지만, Cr 이외에, Ti, Pt, Mo 등, 금과 실리콘의 공정을 방지할 수 있고, LD(11), 실리콘층(21), 금속 블록(31) 및 Au 층과의 밀착성이 양호한 재료이면 무엇을 사용하여도 된다. 또한, LD(11), 실리콘층(21), 금속 블록(31)에 형성되는 금속층의 종류는 동일이 아니어도 된다. 또한, 히트 싱크가 실리콘(Si) 이외의 재료인 경우, 금과 히트 싱크의 재료와의 공정을 방지하고, Au 층과의 밀착성을 높이는 금속의 재료의 종류가 변하는 것은 물론이다.
이상, 상세히 설명한 바와 같이, 상기 반도체 레이저 장치는 반도체 레이저 소자와 히트 싱크가 직접 접합되기 때문에, 반도체 레이저 소자의 활성층을 내부에 포함하는 발광부의 공진기면이 오염되는 일이 없고, 불량품이 발생하기 어렵기 때문에 제품 비율이 양호하다. 또한, 활성층을 내부에 포함하는 발광부의 공진기면이 오염되는 일이 없기 때문에, 반도체 레이저 소자의 표면 및 이면 중 활성층에 가까운 쪽의 면과 실리콘 서브마운트를 직접 접합할 수 있으며, 이로써 반도체 레이저 소자와 히트 싱크가 밀착성 양호하게 접합되기 때문에, 활성층에서의 발열을 직접 또한 효율이 양호하게 히트 싱크에 방열하는 것이 가능해진다.
더욱이, Au 층과 히트 싱크와의 사이에, 금과의 히트 싱크의 재료와의 공정을 방지하고, Au 층과의 밀착성을 높이는 금속층이 삽입되어 있기 때문에, Au 층과 히트 싱크 재료와의 공정에 의한 땜납재화를 방지할 수 있고, 금·히트 싱크 재료와의 땜납재에 의한, 활성층을 내부에 포함하는 발광부의 공진기면의 오염을 방지할 수 있다.
이로써, 반도체 레이저 소자의 활성층의 온도 상승을 억제할 수 있어, 반도체 레이저의 특성 열화를 방지할 수 있다. 또한, GaAs 등의 화합물 반도체로 이루 어지는 광 소자와 실리콘과의 직접 접합이 가능하기 때문에, 광·전자 집적 회로(OEIC)를 실현시킬 수 있다.
본 발명은 반도체 레이저 장치에 이용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 활성층을 갖는 반도체 레이저 소자와 금속제의 베이스 부재 사이에 개재하는 히트 싱크를 구비한 반도체 레이저 장치에 있어서,
    상기 반도체 레이저 소자의 표면 및 이면 중 상기 활성층에 가까운 쪽의 면에 금속층 및 Au 층이 형성되고, 상기 히트 싱크의 상기 반도체 레이저 소자측의 면에 금속층 및 Au 층이 형성되어, 상기 반도체 레이저 소자에 형성된 상기 Au 층과 상기 히트 싱크에 형성된 상기 Au 층이 접합되며,
    상기 히트 싱크가 Si로 이루어지고, 상기 금속층 중 어느 하나는 Cr, Ti, Pt 및 Mo로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 부재와 상기 히트 싱크는 도전성 접착제로 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 부재에 금속층 및 Au 층을 형성하고, 상기 히트 싱크에 다른 금속층 및 Au 층을 형성하여, 상기 베이스 부재에 형성된 상기 Au 층과 상기 히트 싱크에 형성된 상기 다른 Au 층을 접합하여 이루어지는 반도체 레이저 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 금속층의 막두께가 10nm 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 금속층의 막두께가 30nm 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 Au 층 중 어느 하나의 막두께는 300nm 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 Au 층 중 어느 하나의 막두께는 1000nm 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
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