TW445689B - Semiconductor laser apparatus - Google Patents

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A7 B7 4 456 8 9 五、發明説明（1 ) 〔發明所屬之技術領域〕 (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) 本發明係關於一種使用於光資訊處理，光計測及光逋 信領域的半導體雷射裝置。 (以往之技術） 依照圖式說明以往之半導體雷射元件》 (第1以往例〕 經濟部中央標準局負工消费合作社印製 第1 3圖係表示作爲第1以往例之半導體雷射裝置的 剖面構成。如第1 3圖所示，使用錫焊焊料等熱壓接 C a、A s等化合物半導體所成之半導體雷射元件1 Π 1， 及設於該半導體雷射元件1 0 1之下面，半導體雷射元件 10 1之定位所需之雷射固定件1 0 2及設於該雷射固定 件1 0 2下面，且將半導雷射元件1 0 1所發出之熱經由 雷射固定件1 0 2予以散熱的散邀座1 0 3並予以互相固 裝》爲了減輕藉由半導體雷射元件101與雷射固定件 1 0 2之熱脹係數相差所產生之雷射固定件1 0 2對於半 導體雷射元件1 0 1的應力，一般，在雷射固定件1 0 2 使用與半導體雷射元件101之熱脹係數之相差較小的® 等。 (第2之以往例） 第1 4圖係表示作爲第2以往例揭示在日本特開平 6 - 2 0 3 4 0 3號公報的在基板上形成有半導體雷射元 私紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4说格（210 X 297公釐） -4 4 45 6 8 9 a7 __B7____ 五、發明説明（2 ) 件與光檢出器及信號處理電路等之電路元件的的半導體雷 射裝置之剖面構成。如第1 4圖所示，使用錫焊焊料等熱 壓接散熱座1 0 3，及設於該散熱座1 0 3上，由矽所構 成，在上部形成有內側壁具有倒梯形狀擴展之斜面狀內側 壁之凹部的半導體基板112之凹部底面上的半導體雷射 元件1 0 1並予以互相固裝。 經濟部中央標準局貝工消費合作社印掣 {請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 在半導體基板112之凹部之其中一方頂部形成有檢 出從外部所入射之光1 0 4的光檢出器1 1 2 a。在半導 體基板1 1 2之凹部的光檢出器1 1 2 a側的斜面狀內側 壁，形成有反射鏡1’1 2 b，該反射鏡爲將半導體雷射元 件1 0 1大約平行於半導體基板1 12之主面出射的雷射 光1 0 5對主面反射向大約垂直之方向，在半導體基板 1 1 2之凹部的光檢出器1 1 2 a與相反側之斜面狀內側 壁*形成有監控半導體雷射元件1 0 7之動作的雷射光檢 出器1 1 2 c，藉設置反射鏡1 1 2b所反射之雷射光 1 0 5的光軸，及從外部所入射之光1 ◦ 4的光軸大致成 爲平行的斜面狀內側壁之傾斜角，能更有效率地結合外部 之光學系裝置與本裝置。又，雖未予圖示，惟在半導體基 板1 1 2分別形成有放大從光檢出器1 1 2 a所輸出之輸 出信號並輸出的放大電路，對於來自該放大電路之輸出信 號實行演算的演算電路及驅動半導體雷射元件101的驅 動電路。 在第2以往例，因半導體雷射元件1 0 1係固裝於與 該半導體雷射元件101之熱脹係數之相差較小之矽所成 本紙乐尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29T公釐） _ 5 - 4456 8 9 經濟部中央標準局貞工消费合作社印製 A7 B7 五、發明説明（3 ) 的半導體基板1 1 2 ’因此，半導體基板1 1 2對於半導 體雷射元件1 〇 1之應力也較小。 (第3之以往例） 第15圖係表示作爲第3以例的半導體雷射裝置之剖 面構成》如第1 5圖所示在半導體雷射元件1 0 1與散熱 座1 0 3之間，設有與半導體雷射裝置之熱脹係數之相差 較小之矽所構成’與半導體雷射元件1 〇_1固裝之上部矽 層1 1 3 a，’及導熱係數比矽大之金剛石所構成，互相地 固裝有與散熱座1 0 3固裝之下部金剛石層1 1 3 b的雷 射固定件。由此，可減輕上部矽層1 1 3 a對於半導體雷 射元件1 0 1之應力，而且下部金剛石1 1 3 b層提高散 熱性。 (第4以往例） 在第1至第3以往例，在與半導體雷射元件接觸之雷 射固定件使用與半導體雷射元件之熱賬係數之相差較小之 矽等的半導體，惟提案一種使用碳化矽S i c、氮化鋁 A 1 N、金剛石c等之與半導體雷射元件之熱脹係數之相 差較小，且比半導體之導熱係數大之材料，能得到減低^ 力與提高^熱性之方日本特開平2 — 1 38785號 一 ·_ _一· 公報）。 然而，表示於第1及第2以往例的半導體雷射裝置， 因係在固裝半導體雷射元件1 0 1之雷射固定件1 1 2使 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意寧項再填寫本頁) 訂 445689 A7 B7_ 五、發明説明（4 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 用導熱係數較小之矽等的半導體，因而’散熱性成爲不充 分而在半導體雷射元件產生因熱所產生之劣化，因此’具 有無法完成半導體雷射元件〇 1之所定壽命的問題。 又，表示於第3以往例的半導體雷射裝置，由於雷射 固定件1 1 3之上部矽層1 1 3 a與下部金剛石層1 1 3 b之熱脹係數不相同。因此，藉由起因於熱脹係數之相差 的應力，上部矽層1 1 3 a與下部金鋼石層1 1 3 b被剝 離，導到半導體雷射元件1 〇 1之散熱不秀分，結果，在 半導體雷射元件10 1具有產生依熱之劣化的問題。又， 因須分別地製造並裝配上部矽層1 1 3 a與下部金鋼石層 1 1 3 b，因此具有零件數增多之缺點，而且因板狀之金 鋼石本體之加工較難，因此需要雷射切斷機等之特殊加工 裝置，也具有增大製造成本之問題。 又，在表示於第4之以往例的半導體雷射裝置，也因 碳化矽，氮化鋁及金剛石等係極硬材料，因此具有加 難^MIL加工及製造成本問題。 經濟部中央橾率局貝工消費合作社印裝 (發明之槪要） 本發明之目的係在於解決上述以往之問題點，可容易 地實現減低起因於對於半導體雷射元件之熱脹係數之相差 的應力及提高散熱性。 爲了達成上述目的，本發明係在固裝半導體雷射元件 之雷射固定怦設置凹部，而在該凹部塡充導熱係數之散熱 體者。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4现格（210X297公袭） A7 B7 4 456 8 9 五、發明説明（5 ) 又，在半導體雷射元件與雷射固定件之間設置導熱係 數大的散熱體層者。 在本發明之第1半導體雷射裝置，其特徵爲：具備雷 射固定件，及固裝於雷射固定件之主面的半導體雷射元件 ;在與雷射固定件之主面相反側之面設有凹部，在凹部， 一體地形成有導熱係數比會射固定件大的散熱體者。 依照第1半導體雷射裝置時，由於在與固裝有雷射固 定件之半導體雷射元件的主面相反側之面設置凹部，而在 該凹部一體形成有導熱係數比雷射固定件大的散熱體，因 此，一體地形成在凹部之散熱體可提髙雷射固定件之散熱 性。此時，藉由將散熱體塡充在凹部，因此可容易一體地 形成雷射固定件。 又，在雷射固定件使用半導體時，與半導體雷射元件 接觸之雷射固定件可減輕對於半導體雷射元件之應力，而 且使用光石印法可容易地形成凹部。 在第1半導體雷射裝置，雷射固定件的凹部之底部厚 度係2 0 以上且1 〇 〇#m以下較理想。構成如此I 可確實地提高雷射固定件之散熱性。 第1半導體雷射裝置中散熱體係由金屬所成者較理想 。構成如此，在雷射固定件使用半導體時，因金屬係比半 導體，導熱係數較大，因此可確實地提高雷射固定件之散 熱性，而且容易施行散熱體之加工。 本發明之第2半導體雷射裝置，其特徵爲：具備基板 ，及固裝於基板之主面上之半導體雷射元件，及設於基板 本紙張尺度適用中囷國家標準（CNS > Α4規格（210X297公釐） -8- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央橾準局貝Μ消費合作杜印装 --1-----!---：------/ 裝-----i 訂— IiIiL.·^------：---Γ--J-- 經濟部中央標準局貝工消費合作社印装 .ϊv 4 45 6 8：· Α7 ____^_Β7____ 五、發明説明（6 ) 上，且檢出從外部所入射之光的光檢出器；在與基板之主 面相反側之面設有凹部，在凹部，一體地形成有導熱係數 比基板大的散熱體者》 依照第2半導體雷射裝置，由於在與固裝有基板的半 導體雷射元件之主面相反側之面設有凹部，而在該凹部， 一體地形成有導熱係數比基板大的散熱體，因此一體地形 成在凹部之散熱體可提高基板之散熱性。此時，由於將散 熱體塡充在凹部》因此，可容易地一體形成基板與散熱體 〇 又，在基’板使用半導髄時，可減輕與半導體雷射元件 接觸之基板對於半導體雷射元件之應力，而且使用光石印 法可容易地形成凹部。 第2半導體雷射裝置係又具備設於上述基板上，且將 半導體雷射元件所出射之雷射光對於上述基板之主面大約 垂直地反射的反射鏡較理想。構成如此，由於在基板上形 成有檢出從外部所入射之光的檢出器，藉將在該反射鏡所 反射之雷射光之光軸，與從外部所入射之光的光軸形成大 致平行。故可與外部之光學系統裝置有效率地相結合》 在第2半導體雷射裝置中，基板之凹部的底部厚度係 2 Ο β m以上且1 0 0 # m以下較理想。構成如此，則可 確實地提高基板之散熱性。 在第2半導體雷射裝置中，散熱體係由金屬所構成較 理想。構成$0此，則在基板使用半導體時，因金屬係導熱 係數比半導體大，因此可確實地提高基板之散熱性，而且 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4^格（210 X 297公釐） _ 9 - --:------,裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 '56 4456 8 9 A7 B7 五、發明説明（7 ) 可容易實行散熱體之加工。 本發明之第3半導體雷射裝置’其特徵爲：具備形成 在雷射固定件上，.且導熱係數比雷射固定件大的散熱體層 ，及固裝於散熱體層上的半導體雷射元件。 依照第3半導體雷射裝置，由於導熱係數比雷射固定 件大之放熱體層，形成在雷射固定件與半導體雷射元件之 間，因此，該散熱體層吸收半導體雷射元件所產生之熱後 ，所吸收之熱傳至散熱體層擴散之方向而廣範圍地擴散至 雷射固定件之內部，因此，可提高雷射固定件之散熱性。 在第3半導體雷射裝置中，散熱體層之厚度係5 0 Am以下較理想》因爲，若散熱體之厚度超過5 0 //in時 ，則依該散熱體層與半導體雷射元件之熱脹係數之相差所 產生之應力會較大，引起半導體雷射元件之劣化，惟散熱 體層之厚度在与0 以下時，則可忽視熱脹係數相差之 影響。 為一^^·:· { 在第3半導體雷射裝置中，散熱體層係由金屬所構成 較理想》構成如此，由於金屬係導熱係數相對地大，因此 ，可確實地提高雷射固定件之散熱性，而且可容易實行散 熱體層之加工。 在第3半導體雷射裝置中，散熱體層係其構成元素爲 碳較理想。構成如此，構成元素使用例如金剛石之碳f， 因該金剛石係導熱係數比金屬大且熱脹係數之相差小，因 此可更提高雷射固定件之散熱性》又，因形成薄膜，故形 成及加工成爲容易。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 -----裝------訂----u L, ^ ---— I------- -10- 445689 A7 B7 五、發明説明（8 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明之第4半導體雷射裝置，其特徵爲：具備形成 於基板之主面上，且導熱係數比基板大之散熱體層，及固 裝於散熱體層上之半導體雷射元件，及設於基板上，且檢 出從外部入射之光的光檢出器。 依照第4半導體雷射裝置，因導熱係數比基板大之散 熱體層，形成在基板與半導體雷射元件之間，因此，該散 熱體層吸收半導體雷射元件所產生之熱後，所吸收之熱傳 至散熱體層所擴展之方向而向基板之內部廣泛地擴散，因 此可提高基板之散熱性》 第4半導體雷射裝置係又具備設於基板上，且將半導 體雷射元件所出射之雷射光對於基板主面大約垂直地反射 的反射鏡較理想。構成如此，因在基板上形成有檢出從外 部入射之光的光檢出器，因此，藉由將在該反射鏡被反射 之雷射光的光軸，及從外部被入射之光的光軸形成大約平 行，可有效率地結合外部之光學系統裝置· 經濟部中央標準局負工消费合作社印製 在第4半導體雷射裝置中，散熱體層之厚度係5 0 /zm以下較理想。因爲，若散熱體之厚度超過5 0 //m時 ，則依該散熱體層與半導體雷射元件之熱脹係數之相差所 產生之應力會較大，引起半導體雷射元件之劣化，惟散熱 體層之厚度在5 0 Aim以下時，則可忽視熱脹係數相差之 影響。 在第4半導髖雷射裝置中，散熱體厝係由金屬所構成 較理想。構成如此，由於金屬係導熱係數相對地大，因此 ，可確實地提高基板之散熱性，而且可容易實行散熱體層 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐） -11 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印装 4456 8 9 A7 B7 五、發明説明（9 ) 之加工。 在第4半導體雷射裝置中，散熱體餍係其構成元素爲 碳較理想。構成如此，構成元素使用例如金剛石之碳時， 因該金剛石係導熱係數比金屬大且熱脹係數之相差小，因 此可更提高基板之散熱性。又，因形成薄膜’故形成及加 工成爲容易。 (發明之詳細說明） 本案發明人等，經各種檢討之結果，得到以下之見識 。亦即，在固裝半導體雷射元件之雷射固定件，或固裝半 導體雷射元件且形成光檢出器等之電路元件而兼具雷射固 定件之半導體基板，搭載半導體雷射元件之一邊的基體與 該半導體雷射元件之熱賬係數的相差在大約4 X 1 0_6 /K以下時，可充分地抑制施加於半導體雷射元件 ，又，搭載半導體雷射元件之基體與該半導雷射元件之熱 脹係數的相差大至大約1 2 X 1 0_β/Κ時，藉由將其基 體厚度成爲5 0 以下*可減低藉由熱脹係數之相差所 產生對於半導體雷射元件之應力的兩點。 (第1實施形態） 依照圖式說明本發明之第1實施形態。 第1圖係表示本發明之第1實施形態的半導體雷射裝 置之剖面構成，如第1圖所示，使用錫焊焊料等熱壓接互 相固裝有：G a A s等化合物半導體所成之半導體雷射元 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝- 訂· 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS) A4規格（2丨0><297公嫠） .12- 445689 經濟部中央標準局肩工消費合作杜印製 A7 ____B7___五、發明説明（10 ) 件1，及設於該半導體雷射元件1之下面，由矽（s i ) 所成，在上面形成有成爲半導體雷射元件1之電極的電極 層2，及實行半導體雷射元件1之定位的雷射固定件3 ’ 及設於雷射固定件3之下面，且將半導體雷射元件1所產 生之熱經由雷射固定件3散熱的散熱座4。 在雷射固定件3之與固裝有半導體雷射元件1之主面 相反側之面設有凹部3a，而在該凹部3 a —體地形成導 熱係數比矽大之銅（Cu)所成的散熱體5，又，形成有 作爲用以將凹部3 a之內側面及底面所有全面電鍍散熱體 5所用之電極的金屬膜6。雷射固定件3之凹部3 a之底 部的厚度七：係已！}#!!!。 以下，一面參照圖式一面說明本實施形態的半導體雷 射裝置之製造方法》 第2 (a)圖至第2 (d)圖係表示本實施形態的半 導體雷射裝置之製造方法之過程順序的剖面構成。首先如 第2 ( a )圖所示，使用光石印刷，在與矽所成的半導體 基板3A之主面相反側之面形成具有開口部的光阻圖型， 以該光阻圖型作爲掩蔽而對於半導體基板3 A實行蝕刻俾 形成凹部3 a。 然後，如第2 (b)圖所示，例如使用真空蒸著法， 在與半導體基板3 A之主面相反側之面及凹部3 a之內面 所有全面形成金屬膜6 A之後，將該金屬膜6 A作爲電鍍 用之電極實行銅之電鍍，形成由銅所成的金屬層5 A。 然後，如第2 ( c )圖所示，對於半導體基板3A之 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) '裝· -訂. α 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -13 - 4 45 6 8 S) A7 B7 五、發明説明（11 ) 主面相反側之面實行硏磨直到與該主面相反側之面曝露爲 止，而在半導體基板3 A之凹部3 A經由金屬膜6 —體地 形成由銅所成之散熱體5。然後，使用真空蒸著法，在半 導體基板3 A之主面所有全面形成金屬所成之電極形成層 2A，如此，藉由事先硏磨除去由延伸性大之銅所成的金 屬層5A，而在後續過程中，防止從半導體基板3A切削 雷射固定件3將產生毛邊。 然後，如第2(d)圖所示，從半導體基板3A所定 大小地切出雷射固定件3，由其上面之電極形成層.2 A彤 成電極層2之後，使用錫焊焊料等，將半導體雷射元件1 熱壓接並互相地固裝雷射固定件3的電極層2上面之所定 位置，而且將雷射固定件3熱壓接並互相固裝於散熱座4 〇 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 {請先鬩讀背面之注意事項再填寫本頁) 如上所述，依照本實施形態之半導體雷射裝置，因在 雷射固定件3之凹部3 a具備由一體形成之銅所成之散熱 體5，因此由銅所成之散熱體5之導熱係數比由矽所成之 雷射固定件3大，故可提高雷射固定件3本體之散熱性》 又，由於由G a A s等化合物半導體所成之半導體雷 射元件1與由矽所成之雷射固定件3，係各該熱脹係數較 小，因此，雷射固定件3對於半導體雷射元件1之應力十 分小。 第3圖係表示調查在半導體雷射元件1使用 G a A 1 A s係半導體的半導體雷射裝置之雷射固定件3 之凹部3 a之底部的厚度t i及在導熱係數成反比例之熱 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -14 - 4 45 6 8 9 A7 B7 五、發明説明（12 ) 電阻R t h之關係的第1實驗結果。由第3圖可明確知道 雷射固定件3之凹部3 a之底部的厚度t ^愈小’半導體 雷射裝置之熱電阻愈小。此乃爲散熱體5之導熱係數比雷 射固定件3之導熱係數大所致。尤其是，雷射囱定件3之 凹部3 a之底部的厚度t :爲1 Ο Ο μιη以下時，半導體 雷射裝置之熱電阻急激地變小，作爲第1以往例而表示於 第1 3圖的半導體雷射裝置之熱電阻大約8 0°C/N ’而 在本實施形態之半導體雷射裝置，係熱電阻在7 0°C/W 以下，可知道提高雷射固定件3之散熱性。 一方面，在雷射固定件3之凹部3 a之底部的厚度 t i未滿2 0 # m時，藉由雷射固定件3與散熱體5之熱 脹係數之相差所產之應力，而在雷射固定件會產生翹曲或 裂痕。因此，凹部3 a之底部的厚度t ^係從2 0 /zm至 lOOem爲止之範圍。 經濟部中央樣準局貝工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 第4圖係表示測定以動作溫度7 01，輸出電力爲 80 mW來動作本實施形態的半導體雷射裝置與第1以往 例的半導體雷射裝置時的動作電流之變化的第2實驗結果 。在第4圖，表示於曲線5 2之第1以往例.之半導體雷射 裝置，係動作時間超過1 5 0 0小時，認爲動作電流激地 增加而確定半導體雷射元件1 0 1之劣化，一方面，表示 於曲線5 1的本實施形態之半導體雷射裝置，係實現· 2 0 0 0小時以上之連續光速動作，由於雷射固定件3之 內部設置散熱體5與雷射固定件3相接觸之面以外之所有 面覆蓋於雷射固定件3，因此，即使剝下雷射固定件3與 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） -15- ^456 ^3 A7 B7 _ 五、發明説明（13 ) 散熱體5之一部分，可防止雷射固定件3與散熱體5被剝 離。 又，作爲第3以往例，因相當於表示於第1 5圖之半 導體雷射裝置之下部金剛石層1 1 3 b的散熱體5 ’係與 雷射固定件3 —體地形成，因此不會增加裝配零件數’又 ，因使用容易加工之金屬，因此，可減低零件費用與裝配

vtta tXJ 費用β (第2實施形態） 以下，依照圖式說明本發明之第2實施形態。 第5圖係表示本發明之第2實施形態的半導體雷射裝 置之剖面構成。如第5圖所示，使用錫焊焊料等分別熱壓 接並固裝有散熱座4，及設於該散熱座4上，由矽所成， 而在上部形成具有內側壁向倒梯形狀擴開之斜面狀內側壁 之第1凹部的半導體基板7，及設於該半導體基板7之第 1凹部底面上的半導體雷射元件1。 在半導體基板7之第1凹部之其中一方的頂部形成有 檢出從外部被入射之光8的光檢出器7 a。在半導體基板 7之第1凹部的光檢出器7 a側之斜面狀內側壁，形成有 將半導體雷射元件1大約平行於半導體基板7之主面所出 射的雷射光9對於主面向大約垂直方向反射的反射鏡7 b ，在與半導體基板7之第1‘凹部的光檢'出器7 a相反側之 斜面狀之內側壁，形成有監察半導體雷射元件1‘之動作的 本紙張尺度速用中國國家揉準（CNS)A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 J. 經濟部十央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 445689 五、發明説明（14 ) 雷射光檢出器7 c。藉由設置斜面狀內側壁之傾斜角使在 反射鏡7 b被反射之雷射光9的光軸與從外部被入射之光 8的光軸成爲大約平行，可容易地且有效率地結合外部之 光學系統裝置（未予以圖示）。又，雖未予圖示，惟在半 導體基板7，分別形成有放大並輸出從光檢出器7 a所輸 出之輸出信號的放大電路，對於從該放大電路所輸出之輸 出信號實行演算的演算電路及驅動半導體雷射元件1的驅 動電路。 作爲本實施形態之特徵，在雷射固定件用及電路元件 形成用的半導體基板7之與固裝有半導體雷射元件的主面 相反側之面。設有底部厚度爲80# m的第2凹部7 d， 而在該第2凹部7 d，一體形成有導熱係數比矽大之銅（ C u )所成的散熱體5。由此，可減輕與半導體雷射元件 1接觸之半導體基板7對於半導體雷射元件1之應力，而 且固裝一體形成於第2凹部7 d之散熱體5能提高半導體 基板7之散熱性，因此可延長半導體雷射元件1之壽命。 又，因第2凹部7 d之開口側係與散熱座7被固裝並 被封閉，因此，散熱體5不會被剝離》 又，在兼具雷射固定件之半導體基板7，因形成光檢 出器7 a等之電路元件而成爲積體化，可形成半導體雷射 裝置之小型化，結果，可得到使用半導體雷射裝置之光拾 取器等機器之小型化》 (第3實施形態） 本紙張尺度逍用中國國家揉準（CNS ) Α4規格（210 X 297公釐） . --^-------、裝-- {請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經 濟 部 中 央 標 準 局 員 工 消 费 合 作 社 印 裝 ^ 45 6 Q g 經濟部中央標準局员工消費合作社印製 A7 ____B7______五、發明説明（15 ) 以下，參照圖式說明本發明之第3實施形態》 第6圖係表示本發明之第3實施形態的半導體雷射裝 置之剖面構成•如第6圖所示，具備由G a A s等化合物 半導體所成的半導體雷射元件1，及設於該半導體雷射元 件1之下面，由銅（C u )所構成，在上面形成有成爲半 導體雷射元件1之電極的電極層2之厚度爲5 0 的散 熱體層1 0，及由矽（S i )所構成，在上面形成有金屬 膜1 1，實行半導體雷射元件1之定位的雷射固定件3， 及設於該雷射固定件3下面，將半導體雷射元件1所產生 之熱經由散熱體層10及雷射固定件3實行散熱的散熱座 4。半導體雷射元件1與電極層2 *或雷射固定件3與散 熱座4係分別使用錫焊焊料等經熱壓接互相地固裝。 如此，因由銅所構成，在導熱係數比矽大之散熱體層 1 0爲發熱源的半導體雷射元件1，經由電極層2相接觸 ，因此，與第1以往例之半導體雷射裝置相比較，可提高 雷射固定件3之散熱性9此乃如表示於第6圖在下方具有 箭號的表示複數之假想的曲線，在半導體雷射元件1所產 生之熱被吸收在散熱體層1 0之後，向散熱體層1 0擴開 方向廣泛地擴散，結果，在雷射固定件3之內部，在更廣 範圍全面施行散熱所致。 又，由於在散熱體層1 0使用加工容易之金屬的銅， 而使用電鍍法可將散熱體層10形成在雷射固定件3上， 因而雷射固定件本體之加工係容易，因此，以低成本可得 到提高耐久性之高性能的半導體雷射裝置》 先張尺度適用中國國家標準（CNS > A4规格（210><297公羹) 1^8- ' {請先閲請背面之注意事項再填寫本頁) 裝_ 訂 -0 445β 8 9 Α7 Β7___ 五、發明説明（16 ) 然而，因由銅所成之散熱體層1 0與G a A S所成之 半導體雷射元件1的熱脹係數之相差，係比由S i所成之 雷射固定件3與半導體雷射元件1之熱脹係數之相差大， 可能施加於半導體雷射元件1之應力係比第1以往例之構 成稍大，惟因散熱體層10之厚度t 2薄至5 0 而極 小0 以下，一面參照圖式一面說明本實施形態的半導體雷 射裝置之製造方法。 第7 ( a )圖至第7 ( c )圖係表示本實施形態的半 導體雷射裝置之製造方法之過程順序的剖面構成。首先如 第7 ( a )圖所示，例如使用真空蒸著法，在由矽所成的 半導體基板3 A上全面地形成金屬膜1 1 A，而在該金屬 膜1 1 A上全面地施以電鏟俾形成由銅所成的散熱體形成 層 1 0 A。 然後，如第7 (I) )·圖所示，使用真空蒸著法，在半 導體基板3 A上之散熱體形成層1 〇 A上全面地形成電極 形成層2 A之後，從半導體基板3 A切出雷射固定件3之 前，蝕刻除去電極形成層2A及散熱體形成層10A的切 除部1 0 a。藉由事先形成延伸性大之銅所成的散熱體層 1 0，而在半導體基板3A切出雷射固定件之過程中，可 防止產生毛邊。實際上，本案發明人確認若事先除去切除 部1 0 a時，比未除去切除部1 〇 a時相比較，可提高雷 射固定件3之加工良品率大約3 0%。然·後，如第7 ( c )圖示，在從半導體基板3 Α切出所定大小的雷射固定件 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0><297公| ) --------·:〆! (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) i 經濟部中央樣準局貝工消費合作社印製 -19 - 445 ϋ Α7 Β7 五、發明説明（17 ) 3上散熱體層1 0的所定位置，使用錫焊焊料等而固裝半 導體雷射元件1 ，同時在散熱座4之所定位置固裝雷射固 定件3。 第8圓係表示調査在本實施形態之半導體雷射元件1 使用G a A s系半導體的半導體雷射裝置之雷射固定件3 上之散熱體層1 0之厚度t 2與熱電阻R t h之關係的第 3實驗結果。由第8圖可明確知道雷射固定件3上之散熱 體層1 0之厚度t 2愈厚，則半導體雷射裝置之熱電阻 R t h會愈小。又，如上所述，由於表示第1 3圖之第1 以往例的半導體雷射裝置之熱電阻爲8 Ot/W，即使在 本實施形態的半導體雷射裝置之散熱體層1 0之厚度t 2 極小時。半導體雷射裝置之熱電阻變小*可知提高散熱性 0 經濟部中央標準局貝工消费合作杜印裝 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第9圖係表示測定以動作溫度7 0 °C，輸出電力8 0 mW動作本實施形態之半導體雷射裝置與第1以往之半導 · 體雷射裝置時的動作電流的第4實驗結果，曲線5 3係表 示本實施形態的半導體雷射裝置之散熱體層10之厚度 t 2作爲5 0 之情形，曲線5 4係表示將本實施形態 的半導體雷射裝置之散熱體層1 0之厚度t 2作爲8 0 Mm之情形，而曲線5 5係表示第1以往例之半導體雷射 裝置。 如第9圖之曲線5 5所示，第1以往例之半導體雷射 裝置係認定動作時間超過1 5 0 0小時時則急激地增加動 作電流，有半導體雷射元件1 0 1之劣化，一方面，表示 本紙張尺度適用中國固家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐} -20- ____B7___' 五、發明説明（18 ) 於曲線5 3之本實施形態的半導體雷射裝置，係實現 2 0 0 0小時以上之連續安定動作。又，表示於曲線5 4 的散熱體層1 0之厚度t 2爲8 0 時，雖安定地動作 ，惟動作電流之增加率較大。此乃當散熱體層10之厚度 超過5 0 //m時，在該散熱體層1 0與半導體雷射元件1 之間起因於熱脹係數之相差之應力變大，而而劣化半導體 雷射元件1所致。 又，在散熱體層1 0與電極層2之間形成障層（未予 以圖示）時，爲了提高半導體雷射元件1與雷射固定件3 之固裝強度，可減輕固裝介面之接觸熱電阻。 又，如第1 0·圖所示，形成在雷射固定件3下部具備 第1實施形態之散熱體5，及在半導體雷射元件1與雷射 固定件3之間一起具備本實施形態之散熱體層10的半導 體雷射裝置時，當然可更提高半導體雷射裝置之散熱性。 在第1 0圖中，與表示於第1圖及第6圖之構件相同之構 件附與相同之記號而省略說明》 經濟部中央榡準局貞工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) (第4實施形態） 以下，依照圖式說明本發明之第4實施形態。 第11圖係表示本發明之第4實施形態的半導體雷射 裝置之剖面構成。在第11圖中，與表示於第5圖之構件 相同之構件附與相同之記號而省略說明。 作爲本實施形態之特徵，代替一體形成於兼具第2實 施形態之雷射固定件的半導體基板7之散熱體5 ’在半導 本紙張尺度適用中固國家樣準（CNS ) A4规格（H0X297公釐） -21 - 經濟部中央標準局貝工消費合作杜印装 ___B7___ 五、發明説明k ) 體雷射元件1舆半導體基板7之間，形成有由銅所成，厚 度爲50#m之散熱體層10。由此，在半導體雷射元件 1所產生之熱被吸收在散熱體層.1 0之後，因廣泛擴散至 半導體基板7，因此在半導體基板7之內部，在更廣泛之 範圍實行散熱，因此可提高散熱特性，結果，可延長本裝 置之壽命。 又，雖未予圖示，惟在半導體基板7，因分別彤成有 放大並輸出從光檢出器7. a所輸出之輸出信號的放大電路 ，對於來自該放大電路之輸出信號而實行演算之演算電路 及驅動半導體雷射元件1之驅動電路，因此可形成半導體 雷射裝置之小型化，可得到使用該半導體雷射裝置的光拾 取器等之機器的小型化 藉由設置斜面狀內側壁之傾斜角成爲使在反射鏡7b 所反射之雷射光9的光軸與從外部所入射之光8的光軸大 約平行，可容易地且有效率地結合外部之光學系裝置與本 裝置。 又，如第1 2圖所示，在半導體基板7之下部具備2 實施形態之散熱體5 *及在半導體雷射元件1與半導體基 板7之間具備本實施形態之散熱體層10的半導體雷射裝 置時。當然該半導體雷射裝置之散熱性可更提高。在第 1 2圖中，與表示於第5圖與第1 1圖之構件相同之構件 附與相同之記號而省略說明》 又，在各實施形態中，散熱座4之封裝的形狀，考量 有罐型或引線框型等之形狀。又，構成封裝之材料係並不 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) Α4规格（210Χ297公釐） {請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ，衣. 訂 -22 · 經濟部中央橾準局員工消費合作社印装 ^45689 A7 _______B7______ 五、發明説明（20 ) 特別加以限定，又，形成半導體雷射元件1之材料係不限 定於GaAs系或GaAlAs系，例如有InGaA1 系、InF 系、InGa'AsP 系、ZnSe 系、 ZnCdSe 系、ZnMgSSe 系、GaN 系、 InGaN系、或AlGaN系等》 又，在一體形成於第1實施形態之雷射固定件3的凹 部3 a及第2實施形態之半導體基板7之第2凹部7 d的 散熱體5之材料使用銅，惟藉由選擇性地成長將金剛石等 之碳C作爲構成元素之材料來形成放熱體5也可以。構成 如此，因可形成導熱係數極大之散熱體5，因此*可大幅 提高半導體雷射裝置之散熱性。又，也可以使用金（Au )或銀（Ag )等之材料，也可以使用包括這些之複數材 料。此時，由於與銅同樣地使用金、銀等之富於加工性的_ 金屬材料，而使用電鍍處理，熔射或真空蒸著等方法可容 易塡充凹部3 a或第2凹部7 d，因此，可減低雷射固定 件3或半導體基板7所需之加工成本。 又，在第3實施形態及第4實施形態中，在散熱體層 1 0使用銅，惟選擇性成長金剛石等之碳作爲構成元素之 材料來形成散熱體層1 0也可以。構成如此，由於可形成 導熱係數極大之散熱體層1 0，因此可大幅提高半導體雷 射裝置之散熱性〇 X，在散熱體層1 0，也可使用金或銀 等之材料*也可使用含有屬於金剛石、銅、金或銀等之複 數材料。使用金或銀等之屬於加工性之金屬材料時，由於 與銅同樣地使用電鍍處理，熔射或真空蒸著等方法，而在 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公羞） -23 - {#先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) '装. -打 經 中 央 標 準· 局 Ά X 消 费 合 作 杜 印 裝 ^45 6 8 ,· ·, Of A7 B7 五、發明説明h ) 雷射固定件3或半導體基板7上可容易地形成散熱體層 1 0，因此，可減低雷射固定件3或半導體基板7所需之 加工成本。 又，在第1實施形態及第3贲施形態，在雷射固定件 3使用矽（Si)，惟藉由使用碳化矽（Si C)或氮化 鋁CAIN)，可提高半導體雷射裝置之散熱性 在第1實施形態及第3實施形態中，作爲半導體雷射 元件1，雷射固定件3及散熱座4等所成之構造，惟除了 這些之外，將形成檢出從半導體雷射元件1之輸出端或該 輸出端之相反側的端部所出射之雷射光的雷射光檢出器， 檢出從外部入射之光的光檢出器，放大來自該光檢出器之 信號並輸出的放大電路，對於來自該放大電路之輸出信號 實行演算並輸出的演算電路，或半導體雷射之驅動電路等 的半導體裝置，混載於成爲散熱座之封裝的構成也可以。 又，在第2實施形態及第4實施形態中，在半導體基 板7使用矽，惟使用碳化矽等之材料時，可提高半導體雷 射裝置之散熱性》 〔圖式之簡單說明〕 第1圖係表示本發明之第1實施形態之半導體雷射裝 置的構成剖面圖》 第2 (a)圖至第2 (d)圖係表示本發明的半導體 雷射裝置之製造方法的過程順序剖面圖。 第3圖係表示本發明之第1實施形態的半導體雷射裝 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) '裝. 訂_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐） -24- 經濟部中央搮準局負工消费合作社印裝 44^6 8 9_b77 __ 五、發明説明h ) 置之雷射固定件之凹部的底部厚度與熱電阻之關係的圖表 0 第4圖係表示本發明之第1實施形態之半導體雷射裝 置與第1以往例之半導體雷射裝置之動作電流及動作時間 之關係的圖表。 第5圖係表示本發明之第2實施形態之半導體雷射裝 置的構成剖面圖》 第6圖係表示本發明之第3實施形態之半導體雷射裝 置的構成剖面圖。 第7 (a)圖至7 (c)圖係表示本發明之第3實施 形態的半導體雷射裝置之製造方法的過程順序剖面圖。 第8圖係表示本發明之第3實施形態的半導體雷射裝 置之散熱體層之厚度舆熱電阻之關係的圖式。 第9圖係表示本發明之第3實施形態之半導體雷射裝 置與第1以往例之半導體雷射裝置之動作電流及動作時間 之關係的圖表。 第1 0圖係表示本發明之第3實施形態之一變形例之 半導體雷射裝置的構造剖面圖》 第1 1圖係表示本發明之第4實施形態之半導體雷射 裝置的構造剖面圖。 第12圖係表示本發明之第4實施形態之一變形例之 半導體雷射裝置的構造剖面圖。 » · 第13圖係表示作爲第1以往例之半導體雷射裝置的 構成剖面圖。 {諳先聞讀背面之註意事項再填寫本頁j y裝· -訂· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇X：297公釐） -25- 4 456 8 3 A7 _^_ B7 __ . 五、發明説明（23 ) 第1 4圖係表示作爲第2以往例之半導體雷射裝置的 構成剖面圖。 第1 5圖係表示作爲第3以往例之半導體雷射裝置的構 成剖面圖.。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局負工消费合作社印裝 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（2丨0X297公釐） -26-

Claims (1)

1. 4456 8 9 AS B8 C8 D8 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 六、申請專利範圍 1. 一種半導體雷射裝置，其特徵爲：具備 雷射固定件，及 固裝於上述雷射固定件之主面的半導體雷射元件； 在與上述雷射固定件之主面相反側之面設有凹部， 在上述凹部，一體地形成有導熱係數比上述雷射固定 件大的散熱體者。 2. 如申請專利範圔第1項所述之半導體雷射裝置， 其中，上述雷射固定件的凹部之底部厚度係2 0 以上 且100//m以下者β 3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體雷射裝置， 其中，上述散熱體金屬所成者。 4 . 一琿半導體雷射裝置，其特徵爲：具備 基板，及 固裝於上述基板之主面上之半導體雷射元件，及 設於上述基板上，且檢出從外部所入射之光的光檢出 器； 在與上述基板之主面相反側之面設有凹部， 在與上述凹部，一體地形成有導熱係數比上述基板大 的散熱體者。 5. 如申請專利範圍第4項所述之半導體雷射裝置， 其中，又具備設於上述基板上，且將上述半導體雷射元件 所出射之會射光對於上述基板之主面大約垂直地反射的反 射鏡者^ 6. 如申請專利範圍第4項所述之半導體雷射裝置， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X29?公釐） (请先Μ讀背面之注意事項再填窝本頁) 訂 -27- 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 ^4568q H ° C8 _ D8 六、申請專利範園 其中，從上述基板之上述主面至上述凹部之底面爲止之距 離係20#m以上且100#m以下者。 7.如申請專利範圍第4項所述之半導體雷射裝置， 其中，上述散熱體係金屬所成者。 8 種半導體雷射裝置，其特徵爲：具備 形成於雷射固定件上，且導熱係數比上述雷射固.定件 大的散熱體層，及 固裝於上述散熱體層上的半導體雷射元件》 9 .如申請專利範圍第8項所述之半導體雷射裝置， 其中，上述散熱體層之厚度係5 0 /im以下者》 1 0 .如申請專利範圍第8項所述之半導體雷射裝置 ，其中，上述散熱體層係金屬所成者。 1 1 .如申請專利範圔第8項所述之半導體雷射裝置 ，其中，上述散熱體層係金屬所成且該散熱體層之厚度係 5 0 # m以下者。 1 2 .如申請專利範圍第8項所述之半導體雷射裝置 ，其中，上述散熱體層係其構成元素爲碳者》 13 . —種半導體雷射裝置，其特徵爲備 形成於基板之主面上，且導熱係數比上述基板大之散 熱體層，及 固裝於上述散熱體層上之半導體雷射元件，及 設於上述基板上，且檢出從外部入射之光的光檢出器 〇 1 4 ·如申請專利範圍第1 3項所述之半導體雷射裝 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（.210X297公釐） <請先閲請背面之注意事項再填寫本頁) il -28- ；v 4456 8 9 as ^ B8 C8 ___D8 _______ 六、申請專利範圍 置，其中，上述散熱體層之厚度係5 0 以下者。 15. 如申請專利範圍第13項所述之半導體雷射裝 置，其中，上述散熱體層係金屬所成者。 16. 如申請專利範圍第13項所述之半導體雷射裝 置，其中，上述散熱體層係金屬所成且該散熱體層之厚度 係5 0私m以下者。 1 7 .如申請專利範圍第1 3項所述之半導體雷射裝 置，其中，上述散熱體層係其構成元素爲碳者。 18. 如申請專利範圍第13項所述之半導體雷射裝 置，其中，又具備設於上述基板上，且將上述半導體雷射 元件所出射之雷射光對於上述基板之主面大約垂直地反射 鏡者。 19. 如申請專利範圍第18項所述之半導體雷射裝 置，其中，上述散熱體層係金屬所成且該散熱體層之厚度 係50#m以下者。 2 0 .如申請專利範圍第1 8項所述之半導體雷射裝 置，其中*上述散熱體層係其構成元素爲碳者》 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 經濟部中央橾準局負工消费合作社印製 本紙張尺度適用中國國家樣準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -29-