WO1980001222A1 - Method of manufacturing semiconductor laser devices - Google Patents

Description

明 細 書 . .

発明の名称

半導体レ -ザ. -装置の製造方法

技術分野

本発明は半導体レ -ザ -装置の 造方法に関し、 特に半導体レ ーザ -素子を放熱体上に固着する方法 . に関する,

背景技術 '

ガ リ ウ ム 砒素 （GaAs) 系-， ガ リ ウ ム · ア ル ミ ニ ク ム ' 砒素 （ GaA As )系 ， あるいはィ ン ジ ゥ ム · ガ リ ゥ ム . 砒素 . 燐 （InGaAsP) 系化合物半導体材料等 を用 て構成される半導体 'レ -ザ -は、 光通信用装 置等への実用化につ.き 研究 ， 開発がなされて る。

該半導体レ -ザ -素子の例えば光通信用装置への 適用にあたっては該半導体レ -ザー素子に高出力化， 長寿命化更に高信頼化が要求される。 こ のた め には、 該半導体レ -ザ -素子の電気的特性を改善する と と も に、 大電流密度で駆動される該半導体レ -ザ -素 子の活性層から発生する ジ ュ -ル熱を効率良 く 放散 させなければな らな 。

かかる熱の放散性を改善する一つの手段と して、 放熱体材料と して従来使用されて き て る と こ ろ の m (Ou ) ， 銀 （Ag) 等の金属体に代えて、 室温で銅 の約 5 倍とい う.高い熱伝導率を有するダイ ヤモ ン ド ( タ イ プ I a ダ イ ヤモ ン ド ） を用 る こ とが提案さ れて る。 ，

こ のダ イ .ャ モ ン ド； ^らな る放熱体に半導体レ一ザ -素子を塔載固着する際には、 該半導体 レーザー素 子に構造上の欠陥を与える こ とな ぐ且つ熱的 ， 電気 的な結合を良好な も の と して、 該塔载固着を行な う . こ とが要求される.。

すなわち該ダ イ ヤ モ ン からな る放熱体は、 その 表面に形成される金属化層 （ メ タ ラ イ ズ層 ） をも つ て、 半導体レ一ザ一素子を固着支持する と と-も に、 該半導体レ - ザー素子の一方の電極の導出を行な う こ の よ う な表面に金属化層が形成されたダイ ャモ ン ドからな 放熱体に、 半導体レー ザー素子を塔载 固着してな る構成ある は塔載固着する手段と して 従来次の よ う な技術が提案されて る。

すなわち一つには、 該ダ イ ヤモ ン ドからな る放熱 体の表面に金属化層 と し て金- ( Au ) 層を形成し 、 該 金層へ半導体- ―ザ一素子をイ ン ジ ウ ム （ I n ) 半田 に-よ って固着する こ とが提案されて る。 （1)

こ の よ う な手段は、 該半導体レーザ -素子の放熱 体への固着時の機械的歪が、 該半導体レ -ザ -素子 の寿命に与える影響が大き く 、 ィ ン ジ ゥ ム半田に よ る固着はかかる機械的歪の発生がほとんどないと し て提案された も のである 。

ま た他の一つには、 該ダイ ャ モ -ン ドからなる放熱 体の表面に金属化層 と して錫 ( S n ) 層を形成し、 一 •

方半導体レ -ザ -素子の被 着面 金層を形成し、

両者の錫層 と金層 と 接触させて加熱し、

系共晶合金を生成せしめて、 半導体レーザ -素子を

放熱体に固着す.る こ とが提案されて る。 (2)

さちに他の一つには：、 ダイ ャ モ ン ドからなる放熱

体の表面に金属化層 と して、 金 .—— ァンチモ ン （Sb ) 錫あるいはイ ン ジ ゥ ム の 'う ちの一つ 金からなる

層、 あ る はアンチ モ ン ， 錫ある はィ ン ジ ク ム の

う ちの一つ 金からな る層を形成し、 一方半導体

レ ー ザーペ レ ツ 卜 の被固着面に ク ロ ム （C r ) ―金

層を形成し、 両者の金属化層を加圧接触させて加熱

し、 金—— ア ン チ モ ン系共晶合金 ， 金一一錫系共晶

合金ある は金 ィ ン ジ ゥ ム共晶合金を生成せし

めて、 _ 半導体レ ーザー素子を放熱体に固着する こ と

が提案されて る。 （3) .

こ の よ う な （2) , ( の手段は金系共晶合金によ る固

着における熱抵抗 ， 電気抵抗ある は機械的性質の

解析に使用された例が掲げられている。

し 力 しながら、 前記（1 ) に示したイ ン ジ ウ ム半田を

用いての固着構造並びに固着手段にお ては、 固着

状態の経時変化、 特に熱抵抗の増加が大き く 、 同一

レ - ザ -光出力を得るためにはその駆動電流を大幅

に増大させなければな らな 。 こ のため当該レーザ

一素子の寿命が著し 短かい も の とな って た。

ま た前記（2)に示した、 半導体レー ザ -素子の被固

O PI

ん IPO _A 、 ^ » τ， 着面に.金層を、 一方放熱体の表面には鍚餍を形成し、 両者の.金層 と錫層を接触させて加熱する手段にお ては、 該 ¾触— , 加熱.処理前に錫層表面が酸化され易 く 、 接触 ， 加熱処理 行な って も半導体レ.一ザ一素 子と放熱体との間に充分に良好な熱的'， 機械的結合 が得られな とい う 問題が,存在した。 .

このため、 前記（3 に示した：^法にあ っては、 放熱 体表面に形球され.る金属化層を、 例えば金——錫

- ~金ある は錫——金等 ， 錫 （ ある はア ン チ モ ン ， ィ ン ジ ゥ ム ） が表出されず金層に よ って覆われ た多層構造とする こ と に'よ り 、 半導体レーザー素子 を接触させ加熱する以前にお て. 'も錫 （ ある はァ -ン チ モ ン ， ィ ン ジ ゥ ム ） が酸化されず、 '前記（2) に示 した方法に存在した問題点を解決し得る手段が提供. されて る 。 しかしながら、 この よ う な方法に よれ ぱ、 少な く と も錫 （ ある はアン チ モ ン ， イ ン ジ ゥ ム ） を.覆っ て金層を形成する工程が必要とされ製造 工程の増加はま ぬがれな 。 従って、— この よ う な方 法は大量生産には適さず、 よ り安価な製品を求める 上では実用性の少ない も のである。

発明の開示

本発明の 自的は、 半導体 _レ -ザ -素子を低い熱抵 抗を も ち且つ強固な機械的結合を も つて放熱体上に 固着する こ と のでき る半導体-レーザ -装置の製造方 法を提供する こ とにあ る。 IPO 本発明の他の 目 的は、 よ り 簡単な手段に よ り 半導

体 レ ーザ ー素子を放熱体上に固着する こ と の でき る 半導体 レ ー ザ. - 装置の製造方法を提供する こ と に あ

本発明の更に他の 目 的は、 半導体 レ - ザ -素子の

¾ 出力化並びに長寿命化を図 る .こ と の でき る 当該半

導体レ ーザ -素子の放熱体上への固着方法を含む半

導体 レ ー ザ ー装置の製造方法を提供する こ と にあ る 本発明に よれば、 表面に金合金層が形.成され且つ 該金合金層の共晶点温度以下の温度に予備加熱され

た放熱体上に 、 被固着面に金属層が形成さ れた半導

体 レ ー ザ ー 素子を載置し 、 これ ら を前記金合金層の 共晶点温度以上に加熱し て前記金'合金層 を溶融し、

しかる後冷却して前記半導体 レ - ザ - 素子を前記放

熱体上に 固着する半導体 レ - ザ - 装置の製造方法が

提供される 。

図面の簡単な説明 - 第 1 図は、 一般的な半導体 レ ー ザ — 素子の一例を

示す斜視図 、

第 2 図は、 前記半導体レ - ザ - 素子が収容された

半導体レ - ザ -装置の一例を示す断面図 ， 第— 3 図乃至第 5 図は、 本発明 にかかる半導体レ - ザ -素子の放熱体への固着工程を示す外観斜視図 ，

第 ό 図乃至第 8 図は、 本発明に よ-る 製造方法に よ つ て製造された半導体レ -ザ -装置と 、 従来の製造

ΟΜΡΙ

WIPO ^ 方法に よ つて製造された半導体レーザ -装置の熱抵 抗'の分布を示す図であ る。 .

第 9 図.は、 '本発明に よ る製造方法に よ つて製造さ れた半導体レ -ザ -装置と、 従来の製造方法に よ つ て製造された半導体レ - ザ -装置と における熱抵抗 の絰時変化 ¾：示す図である o

第 1 0 図は、 本 ¾明に よ る製造方法に よ っ て製造 された.半導体レ ーザー装置と、 従来の製造方法に よ つて製造された半導体レ -ザ -装置.の駆動電流の絰 時変化 示す図である。

発明を実施するための最良の形態

本発明に よれば、 半導体レ - ザ -素子 放熱体上 に固着する手段と して、 該放'熱体表面に予め形成さ れる半導体レ -ザ—素子固着用金属化層.を金合金層 から構成し、 該金合金層に半導体—レ -ザ -素子の被 固着面に形成されて る金属層を加圧接触しつつ加 熱処理して該放熱体上に半導体レ -ザ -素子を固着 する方法力；と られる。.

従 って、 ' ·放熱体表面に予め形成される金属.化層は 酸化され難く 、 ま た単層で構成され得るので、 半導 体レ -ザ -素子を'該放熱体上に固着する際には、 酸 化物の存在に よ る熱的 ， 機械的結合の不足ある は 工程の増加等を招来しな 。 しかも 固着後の熱抵抗 の経時変化が極めて少な く 、 寿命特性の改善等多大 の効果が発揮される。

OMP WIP .

こ こで、 '本.発明に お て述べる 金合金 と は、 金 . —錫系 ， 金—— アンチ モ ン系 ， 金 "^- ゲル マニ ウ ム 系あ る いは金 シ リ コ ン系か ら選択さ れる も の であ る 。

. 第 1 図に 、 本発明が適用される 半導体 レ - ザ -素 子の一例を示す。 . .' · 同図 において 、 1 1 は N型の ガ リ ウ ム · 砒素 （ Ga As )基板 ， 1 2 は厚さ ·1 〔 m〕 の N犁ガ リ.ゥ ム ' ァ ル ミ ニ ゥ ム ' 砒素 （ Ga ·ι -X A -xAs ) からな る ク ラ ッ ド層 ， 1 3 -は厚さ 0.1 C^m] の ； P型ガ リ ゥ ム · アル ミ ニ ゥ ム * 砒素 （Gai-yAAyAs ) か らな る活性層 ， 4 は厚さ 1 〔 zm〕 の P型ガ リ ゥ ム · アル ミ ニ ゥ ム • 砒素 （Gai -xA As ) 力 ら な る ク ラ ッ ド層 ， 1 5 は厚さ 1 〔 m〕 の ： P型ガ リ ゥ ム · 砒素'（GaAs ) から な る抵抗接触 （ ォ ー ミ ッ ク コ ン タ ク 卜 ） 層であ る 。 これら の半導体層の形成は、 前記 N型ガリ ゥム ·砒素 11 を基板 とする 周知の液相ェ ビ タ キ シ ャ ル成長法を適 用する こ とができ る。

そして、 前記 N型ガ リ ゥ ム · 砒素基板 1 1 の衷面 には、 厚さ -5000 〔Α〕 の金 （Au ) · ゲルマ、 - ゥ ム (Ge ) ' ニ ッ ケソレ （N i ) 合金層 1 ό 力；、 更に これを 覆 っ て厚さ Ί 〔 !!!〕 の金層 1 · 7 が形成される 。 ま た Ρ型ガ リ ウ ム . 砒素層 1 5 の表面 には、 厚さ ' 7 0 0 〔 〕の チ タ ン -（0 1 ) 層 1 8 ， 厚さ 0 0 0 〔Α〕 の 白金 (Pt) 層 1 9 ， 更に これを覆 って厚さ Ί 〔 an〕 の 金 層 2 D が形成される。 これらの金属層は周知の蒸着 法.あ る はメ. ツ キ法に よ り 形成される。

こ の よ う な構造.を有する半導体レ ーザー素子は、 例えば長さ 3 ' 0 0 〔 m〕 ， 幅 3 0 0 〔^m〕 ， 厚さ ' 1 ' 0 0 〔 m〕 程とされ、 電極 1 7及び' 2 0 間に順方 向電流を加える こ と に よ り 、 劈.開面に露出した活性 . 層 1 3 ·よ-り. レーザー光が出力される。

なお、 かかる活性層 1 3—における発光幅を画定す るために、.例えば P型抵抗接-触層を N型抵抗接触層 に変更して、 表面から P型ク ラ ッ ド層 1 4 内に至る 深さ に亜鉛 （Z n ) を選択的に.拡散導入し、 該亜鉛の 拡散さ-れた領域に对向する活性層を発光領域とする こ も でき る。

こ の よ う な構造を有する半導体—レーザー素子は、 例えば第 2 図に示される容器に収容され、 半導体レ -ザ一装置とされる。

同図にお て、— 2 1 は銅 （Gu ) から構成され、 下 ― 面に外部取 り 付け用螺旋' 2 2 が設けちれた放熱ス タ ッ ド ， 2 5—は該放熱ス タ ツ ド 2 1 の突起 2 1 ' の頂 面に固着されたダイ ャモ ン ·ドからな る放熱体 ， 2 4 は該放熱体 2 3 ·上に固着された半導体レ -ザ -素子 である。 ま た 2 5 ·は、 放熱スタ ツ ド 2 1 にセ ラ ミ ッ ク 体 2 ό ·を介して固着された例えばコバ ー ルか らな る フ ラ ン ジ , 2 7は該フ ラ ン ジ 2 5 の切起し部であ つて、 前記半導体レーザー素子 2 4 の一方の電極力； , リ ー ド線 2 8 に よ り 接続される。 更に 2 ? は前記フ ラ ン ジ 2 5 に抵抗溶接され、 半導体レ ー ザ—素子 24 を気密封止する封止用蓋であ り 、 その外周側面に.半' 導体レ ー ザ -素子 2 4.から発せられたレ ーザ -光を 取 り 出す窓 3 ' 0 が設けられ、 サフ ア イ ァ ·3 ' 1 に よ り 封止されて る。

本発明は、 前述の如き 放熱ス タ ツ ド ' 2 1 の上に固 着された放熱体 ·2 3 ·上に、 半導体レ -ザ -素子 2 4 ' を @着する方法に一つ-の改善'された方法を提供する

も のである。

第 3—図乃至第 5 図は、 本発明に よ る半導体レーザ 装置の製造方法の一実施例を示す。 第 3 図乃至第 ' 5 図にお て、 前記第 2 図 と同一部位には同一符号

を付して る 。

実施例 1

本実施例にあ っては.、 半導体レ -ザ—素子 2 4 を 放熱体 2 3 上に固着する固着材料 と しての金台金と して、 金 （Au) —— 錫 （Sn) 合金を適用する。

まず、 第 3 図に示される よ う に、 ダ イ ヤ モ ン ドか らな り 、 例えば縦 0.7 ·〔 露 〕 ， 横 0.7 ·〔 鵬 〕 ， 高さ •0.4 〔 籠 〕 程の大き さを有して、 表面に ク α ム （Gr) 層お よ び白金 （P t ) 層が形成された放熱体 2 3 _が、 放熱ス タ ッ ド ·2 1 の頂面に金—— シ リ コ ン ·（ S i ) 力 らな る固着材料 5-5 に よ り 固着さ-れる。 そして、 該 放熱体 ' 2 3 の表面に金一" -錫合金層 5—0 を厚さ —2

OMPI ^m ] に蒸着形成する。 こ の時、 -放熱ス タ ド -2 1.

の表面に も放熱体 2 3 の表面に連続して形成され ¾。

なお、 金——錫合金の蒸着材料は、 市販の金 ~ ~~ 錫蒸着用合金材料 （ 錫が 2 0 〔重量％〕 ) を使用した。

一方半導体レ -ザ一'素子 2. 4 の被固着面には、 前 記第 Ί 図に示される よ う に予め金層 3 （ 第 1 図に' あっては 2 0 ) ¾所望の厚さ例えば 1 βτη ^ に、 蒸 . 着法ある は蒸着法と メ ツ キ法の組合せに よ り被着 形成する。 . - 次 で前記放熱ス タ ツ ド ·2 ίを、 加熱装置.（ 図示' せず ） の加熱台に真空吸引に'よ って固定し、 該加熱 台中に配設された抵抗体に通電して、 放熱ス タ ッ ド

1 及び該放熱ス タ ツ ド ·2 1 上に固着されて る放 熱体 2 3 ·を 2 0 0 〔 1C 〕 に予備加熱する。

かかる状態において、 第 4 図に示される如 く 真空 コ レ ツ 卜 4 1 ·に吸引保持された半導体レ -ザ -素子 2 4 を、 放熱体 2 3 ·表面の金——錫合金層 3 ό ·上に 載置し、 該真空コ レ ツ ト 4 1 に よ っ て押しつける。

この状態 維持しながら、 前記加熱台温度を約 1 2 C TC Z秒 〕 の温度上昇率を も って上昇させ、 放熱ス タ ッ ド -2 1 ， 放熱体' 2 3—及び半導体レーザ—素子 24 等を金——錫合金層の共晶点温度 ·2 8 0 〔. iC 〕 以上、 本実施例にあっては ·4 0 0 〔 〕 まで加熱する。

共晶点温度を越える と金一一錫合金は溶融する。

本実施例にあ っては、 前記加熱状態において、' 加

O P

/._r WIP 熱温度が金 錫合金層の共晶点温度付近に至った な らば、 寫空コ レ ツ 卜 4 1 に超音 振動を与えて、 金一錫の溶融 ， 合金化を促進し、 共晶点温度から ' . 最高温度 4 0 0 〔 〕 に加熱する時間を 8 秒間と し 5 た。 .かかる超音波振動の印加は製造ェ.程の短縮化を 図る う えで極めて有効である。 加熱温度が 4 0 0〔 〕 に達したな らば、 数秒間これを維持した後、 加熱を ' 停止し室温ま で冷却した。

- こ の結果、 第 5 図に示される よ う に 、 半導体レ - Ί 0 ザ—素子 2 4 は放熱体- 2 3 _hに固着される 。 . - しかる後、 真空コ レ ツ ト 4 1 を除去し、 一体化さ れた放熱ス タ ツ ド ·2 1 ， 放熱体 ·2 5 及び半導体レ - ザ一素子 2 4 を加熱装置から取り 出した。

そして、 通常の方法によ って該半導体レー ザ -素 • 5 子 2 4 の他方の電極 （ 前記第 1 図における金層 1 7 ) と 、 放熱ス タ ッ ド—2 1 にセ ラ ミ ッ ク 等に よ っ て絶緣 支持されて植立された外部導出端子 （ 第 2 図におけ る切起し部 2 7 ) とを、 金線等の リ ー ド線 （ 第 2 図 における リ 一 ド線 2 8 ) に よ って接続した。

20 次 で、 金属蓋 （ 第 2 図における封止用蓋 2 9 ) を準備し、 該金属盞を前記半導体レ -ザ -素子を覆 つ て放熱ス タ ッ ド上に配置し、 窒素雰囲気中で該金 属キ ヤ ッ プ と フ ラ ン ジ （ 第 2 図における フ ラ ン ジ 2 5 ) とを溶接し一体化して半導体レー ザ—素子を

25 気密封止した。 実施例 2 .

実施例 1 にお てと られた半導体 ^レ ー ザー装置の 製造方法にお て、 第 4 図に示される段階における 加熱処理を、 金——錫合金の共晶点温度以上とする 段階において-も超音波振動を印加す ¾ こ とな.'く 、 該 金 " ~錫合金の共晶点温度から.加熱を停止し冷却を 開始する時間を 0 0 秒間 と して'当該加熱処理を行つ た。

かかる加.熱処理であって—も、 - 前記実施例と同.様の 固着状態を得る こ と ^できた。

実施'例 3

本実施例にあ っては、 半導体レーザ -素子 2 4 を 放熱—体 2 3 上に固着する固着材料としての金合金と し て 、 金 （Au ) —— ゲ ル マ - ゥ ム （Ge 合金を適用 する 。 '

まず、 第 31 に示される よ う に 、 ダ イ ヤ モ ン -ドか らな り 、 例えば縦 0.7 〔 籠 〕 ， 横 0.7 〔 爾 〕 ， 高さ .4 〔 露 〕 程の大き さを有して、 表面に ク ロ ム (Or) 層及び白金 （P t ) 層が形成された放熱体 ·2 3 が、 放 熱 ス タ ツ ド ·2 1 の頂面に金—— シ リ コ ン ·（ S i ) から な る固着材料 5·5·に よ り 固着される。 そして、 該放 熱体 ·2 5 -の表面に金—— ゲ ル マ -二 ゥ ム合金層 3 0 を 厚さ ·2 〔 "m〕 に蒸着形成する。 こ の時、 放熱ス タ ツ ド -2 1 の表面に も放熱体 2 3 の表面に連続して形成 される 。 なお、 金—— ゲ ル マ ニ ウ ム合金の蒸着材料は、 市 販の金 一 ゲルマ ニ ウ ム蒸着用.合金材料 （ ゲ ルマ二 ゥ ム が 1 ' 2 〔 重量 〕 ) を使用した。

——方半導 _k体レ ーザー素子 2 4 の被固着面には、 前

'記第 1 図に.示される よ う に予め金層 3 '7 ' ( 第 1 図に あつては 2 0 ：) を所望の厚さ例えば 1 .〔 m〕 'に、 蒸 着法あ .る は蒸着法と メ ッ キ法の組合せに よ り.被着 形成する 。

次 で前記放熱ス タ ッ ド ·2 1 を、 加熱^置 （：.図示 せず ） の加熱台 .に真空吸引に よ っ て画定し 、 該加熱 台中に配設された抵抗体に通電して、 放熱ス タ ツ ド

"2 1 及び該放熱ス タ ツ ド ·2 1 上 固着されて る放 熱体 2 3 を 2 0 0 〔 Ό 〕 に加熱する。

かかる 態にお て、' 第 4 図に示される如 く 真空

コ レ ツ ト 4 Ί.に吸引保持された半導体レ ーザー素子

2 4 を、 放熱体 2 3 表面の金 ゲ ルマ-二 ゥ ム合金 層 3—0 上に载置し、 該真空コ レ ツ 卜 4 1 に よ っ て押 しっける。 こ の状態を維持しながら、 前記加熱台温 度を約 1 2 〔 TC Z秒 〕 の温度上昇率を も って—上昇さ せ、 放熱ス タ ツ ド—2 1 ， 放熱体 2 3 ·及び半導体レ ー ザ -素子 2 4 等を金—— ゲ ルマニ ウ ム合金層の共晶 点温度' 3 '5 0 C °C 〕 以上、 本実施例にあ っては 420

Ό 〕 ま で加熱する。 共晶点温度を越える と金——

ゲ ル マ -二 ゥ ム合金は溶融する。

本実施例にあ っては、 前記加熱状態にお て、 加

O PI 熱温度が金 ゲル - ゥ ム合金層の共晶点温度付 近に至ったな らば、 真空コ レ ツ 卜 4 1 1^超音波振動 を与えて、 金—— ゲルマ. ゥ ム の溶融 ， 金化を促 . 進.し、 共晶点温度から 4 2 0 〔 Ό 〕 に加熱する時間 を 1 0 秒『曰 と した。 かかる超音波振動の印.加は製造 工程の短縮化を図る う えで、 極めて有 .である。

加熱温度が 4 ' 2 0 〔 TC 〕 に達したな らば.、 数秒間 こ れを維持した後、 加熱を停止し室温ま で冷却.した。. -この結果、 第 5 図に示される よ う に半導体レ ーザ —素子 2 4 は放熱体 ·2 3 ·上に固着.される。

しかる後、 前記実施例 1 と同様に、 当該半導体-レ -ザ一素子を容器内に気密封入した。

以上の本発明に よ る半導体レ - ザー装置の製造方 法にお て、 加熱台に固定される放熱ス タ ッ ド ·2 1 及び該放熱ス タ ッ ド—2 1 に固着されて る放熱体は、 半導体レー ザー素子の固着に先行して ·50〜250 〔 〕 , 好ま し く は ·1 00〜250 〔 X： 〕 に力!]熱される。 か力 る 放熱ス タ ツ ド及び放熱体の予備加熱は、 半導体レ ザ -素子の固着に至るま での時間を短縮でき 、 製造 工程上有利である 。 ―

ま た、 かかる予熱状態から前記放熱体上に半導体 レ -ザ -素子を押し付けて金合金層の共晶点温度以 上に加熱昇温する際の温度上昇率は.、 0.2 〜·1 0 0 〔 でゾ秒 〕 ， 好ま し く は "！ 〜 5 0 〔 C Ζ秒 〕 とされ る。 かかる温度上昇率が 0.2 〔 1Cノ秒 〕 未満である .

, 長時間の加熱,が必要とな る。 こ のた め、 半導体 レーザー素子の劈開面が汚染ある .は酸化されて レ 一ザ -光出力の低下の一因とな った り 、 金合金層：の 表面が汚染ある は酸化されて十分な密着性を得る こ と できず.熱抵抗の増加を招 て しま う 。 ま た温 度上昇率が 1 0 0 〔 1Cゾ.秒 〕 を越え 'る と、 半導体レ

-ザ -素子を構成して る化合物半導体と電極金属 との熱膨張係数の差違から生じる熱衝撃 X り.当該

- 半導体レ ー ザー素子の劣化を招 て—しま う 。

また、 金合金層の溶融から冷却を開 するま でに 到達される最高加熱温度は、 · 5 0 0〜4 5 0 〔 Χ:〕 ， 好ま し く は 3— 5' 0〜·4' 3— 0〔 Ό〕とされる。 かかる最高加熱温 度が 3— 0 0 〔 Ό 〕 未満である と 、 金合金層が半導体 レ -ザー素子側の電極金属 と十分に親和せず、 いわ ゆるぬれが悪 状態 となって、 熱抵抗の増加を招 てしま う 。 また最高加熱温度が 4 . 5 0 C 〕 を越え る と、 半導体レ ー ザー素子の電極金属の劣化を生じ、 ま た劈開面の汚染ある は酸化を招 て当該半導体 レ ーザ -素子の劣化を招 て " Lま う 。 一 更に、 前記金合金層が溶融して後冷却を開始する ま での時間は、 5 秒間〜 5 分間 ， 好ま し く は 5 秒間 〜 3 分間 とされる。 放熱体と半導体レーザ—素子と の密着性を十分得るためには放熱体表面の金合金,層 と半導体レ -ザ -素子側の金属層'とが十分に親和す る必要があ るが、 前記実施例 1 の如 く 超音波振動を 1 ό

加えれば、 かかる時間は 5 〜 1 5 秒間でよ 。 ま た, 前記最高加熱温.度が 3 0 0 C Ό 〕程である時には、 かかる.金合金層が^融'して後.、 冷却を開始するま で の時間は 5分間程とするのが好ま しい。

この よ う な本発明に よ る手段に よ っ て、 製作され た半.導体レ ー ザ ー装置と 、 従来の'如ズ イ ン ジ ゥ 半 田を使用して製作された半導体レ -ザー装置との熱 '抵抗並びに寿命特性 （駆動.電流の経時変化 ） を比較 した と ころ次の よ う な結果が得られた。

まず、 金——錫合金を用 て前記本発明の前記実 施例 1 の方法に よ って、 それぞれダイ ヤモ ン ドから な る放熱体上に固着された半導体レーザ - .素子 1 0 0 個における該金——錫合金層における熱抵抗 ， 金— —— ゲ ルマニウ ム合金を用いて本発明の前記実施例 3 の方法に よ って、 それぞれダイ ヤ モ ン ドカ らな る 放熱体上に固着された半導体レ ーザー素子 1 0 0 個 における該金 ゲ ルマ二 ゥ ム合金層における熱抵 抗 ， 及びィ ン ジ ゥ ム半田を用いてそれぞれダイ ャ モ ン ドからなる放熱体上に固着された半導体レーザー 素子 1 0 0 個における該ィ ン ジ ゥ ム半田層における 熱抵抗の分布を求めたと ころ第 ό 図乃至第 8 図に示 す如 く にな った。

. 第 ό 図は前記本発明にかかる金——錫合金を適用 した場合 ， 第 7 図は同 じ く 本発明^かかる金—— ゲ ルマ ニ ウ ム合金を適用した場合 ， 第 8 図は従来の方

Ο WI 、 法に従ってィ ン ジ ゥ ム半田を適用した場合である。

なおイ ン ジ ウ ム半田は、 放熱体上に被着された段 [f

で .、 3 〔 im〕 の厚さ と した。

この結果よ り 明らかな如 く 、 本発明の製造方法に かかる金合金層を適用 した場-合には、 従来の如 く ィ ン ジ ゥ ム半田を適用した場合に比較して、 熱抵抗が' 低 く しかも .その値が よ り 低 値に分布して得られる

なお、 こ こで熱抵抗は、 半導体レーザ -素子に対 するパ ル ス入力に る 自然発光時の光強度の ピ ー ク 値と、 前記パ ル ス入力 と同一電流値の直流電正を印 加した時の光強度の ビー ク 値と の間の波長のずれ

{ Δ を、 予め半導体材料から求められて る発光 波長の温度係数及び前記直流入力電力で除算した値 で定義する。

また前述の如き方法に よ っ て形成された半導体レ

一ザ—装置に対し周囲温度 7 0 〔 *C 〕 で、-半導体レ

一ザ一素子の片端面当 り 5 〔mW〕 の定出方動作を行 なわせて、 前記固着材料の熱抵抗の経時変化並びに 当該半導体レ -ザー装置の駆動電流の経時'変化をみ た と ころ、 第 9 図並びに第 1 0 図に示す如 く にな つ

7 o

第 9 図は熱抵抗の経時変化特性 （ 初期値 Rt Wに対 する所定時間後の熱抵抗値 Rt (t)の比 ； Rt (t) ZRt (o) )を 示す。 また第 1 0 図は駆動電流の経時変化を示す。

そして両図において、 曲線 I は金一錫合金を適用

O PI WIPO して固着した場合 ， 曲線 ]! は金 ゲ ル マ ニ ウ ム合 金を適用して固着した場合 ， 曲線 ] S はィ ン ジ ゥ ム'半 田を適用して固着した場合を示す。 '

この結果よ り 明らかな如 く 、 本発明の製造方法に かかる金合金層を適用した場合には、 熱抵抗 o .値は

1 0 0 0 時間経過後であ って もほとんど变化'がみられ ず、 駆動電流の値は 1 0 0 0 0 時間経過後にあ って も 5 〔 ％ 〕 以下の変ィヒに と どま っている。 これに ¾し、 ィ ン ジ ゥ ム半田を適用した場合には'、 熱抵抗 ， 駆動 電流と も微かな時間後に初期値の 2 倍以上の著しい . 変化を生じてしま って る。 ま た前述の如き 方法に よ って、 半導体レーザ—素子が金一一錫合金あるい はイ ン ジ ウ ム半田に よ って、 ダ イ ヤ モ ン ド力 らな る 放熱体上に固着された半導体レ -ザ -装置それぞれ 2 0 個に対し、 前述の如き周囲温度 7 0 〔 〕 で半 導体レ ーザー素子の片端面当 り 5 〔mW〕 の定出力動 作を 2 0 0 0時間行った後の、 良品素子数を調査した。

この結果、 本発明にかかる金——錫合金層を適用 したも のは残存した良品素子の数が 1 9 個であ った の に対し、 イ ン ジ ウ ム半田を適用した も のは残存し た良品素子の数が 8 個に と どま つていた。

以上の結果よ り 明らかな如 く 、 本発明に よ る製造 方法に よ っ て形成された半導体レ -ザ—装置は、 半 導体レ --ザ -素子を放熱体へ固着する固着材料の熱 抵抗が低 く 且つその経時変化も な ため、 駆動電流 ,

の経時変化も微量であ って、 その寿命特性が大幅に 改,善される 。

そし て従来適用されて き たィ ン ジ ヴ ム半田を用

ての固着方法に比較して もその効果の差は極めて.明 らかである。 しかも 、' 前記第 9〜1 0図に示された結果か ら して も 、 本発明に よ.る製^方.法に よれば固着材料 が半導体レ -ザ -素子に機械的歪等を与えてその長 寿命化を阻害して な こ とは明らかである。

更に従来提案された、 例えば半導体レ -ザ -素子 被固着面に金層 ， 放熱体表面に錫層を設けての固着 方法ある は、 放熱体表面に多層金属化層を設けて の固着方法に比輮しても 、 その製造工程の短縮化が なされて且つ固着材料 Ο熱抵抗が低 く その経時変化 も ないこ と に よ り 半導体レ ー ザ—装置の寿命特性が 改善される点において多大の効果を有する も のであ なお以上の本発明の実施例にお ては放熱体 と し てダイ ャ モ ン ドを掲げたが、 経済性等の面から該放 熱体を銅 ， 銀等から構成する場合に も本発明を適用 する こ とができ る。 ——

OMPI

/., WIPO

Claims

請 求 の 範 囲 ，

1. . 半導体レ ーザ -素子を放.熱体上に固着する工程

を； する半導体レーザ -装置の製造方法にお て、 表面に金合金層が形成され且つ該金合金層の共晶 点温.度以下の温度に予備加熱された放熱体上に、

固着面に金属層が形成された半.導体レ -ザ -素 子を載置し、 これらを前記金合金層の共晶点温度 以上に.加熱して前記金合金層を溶融し、 しかる後 冷却して前記半導体レ -ザ -素子を前記放熱体上 に 着する.工程を有する こ とを特徵とする半導体 レーザ一装置の製造方法。

2. 金合金層は、 金——錫合金 ， 金——ゲ ル マ ニ ウ ム合金 ， 金 —— ア ン チ モ ン合金 ， ある は金—— .

シ リ コ ン合金から選択された一つの合金である SB 求の範囲第 ΐ 項記載の半導体レ -ザ -装置の製造方 法

3. 放熱体の予備加熱温度は、 3 0 乃至 250 〔 〕

とされる請求の範囲第 1 項記載の半導体レ -ザ一 装置の製造方法。

4. 金合金層の共晶点温度以上への温度上昇率は、

0.2 乃至 1 0 0 〔 1C Z秒 〕 とされる請求の範囲第 1 項記載の半導体レ -ザ -装置の製造方法。

5. 最高加熱温度は 3 0 0 乃至 4 5 0 〔 〕 と され

る請求の範囲第 1 項記載の半導体レ -ザ -装置の 製造方法。

Ο Ρ ό·. 金合金層の溶融から冷却を開始する ま での時間 .は、 5 間方至 5 分間 とされる請求の範囲第 1 項 記 «の半導体.レ - ザ -装置の製造方法。

7. 金合金層の共晶点温度以上への加熱の際、 半導 体レ -ザー素子へ超音波振動を加える請求の範囲 1 項記 «の半導体レ -ザ -装置の製^方法。