JP2008172141A - Laser diode element - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、レーザダイオード素子に関するもの、より詳しくはレーザダイオード素子とヒートシンクの間に設けられるレーザダイオード素子のサブマウントに関するものである。 The present invention relates to a laser diode element, and more particularly to a submount of a laser diode element provided between a laser diode element and a heat sink.
従来のレーザダイオード（以下では、略してＬＤと呼ぶ）素子では、ＬＤチップとヒートシンクの間に配置されるサブマウントの機能として、寿命の長いＬＤを提供するために、ＬＤチップに機械的損傷を与えず、応力がかからないことを目的としていた。そのため、例えばＬＤバーがＧａＡｓの場合、サブマウントとしてＣｕＷを使用するなど、サブマウントの材料として熱膨張率がＬＤチップに極めて近いものが使用されていた（特許文献１参照）。 In a conventional laser diode (hereinafter abbreviated as LD) element, the LD chip is mechanically damaged in order to provide a long-life LD as a function of a submount disposed between the LD chip and the heat sink. The purpose was not to give any stress. For this reason, when the LD bar is GaAs, for example, CuW is used as the submount, and a material having a thermal expansion coefficient very close to that of the LD chip is used (see Patent Document 1).
また、２層以上の材料で構成する場合、ＬＤ製造時のＬＤバーの反りを抑えるため、高膨張率材と低膨張率材を交互に組み合わせたものや、高膨張材を低膨張材で対称に挟み込み、熱膨張を抑える構造としたものなど、いずれもＬＤチップの機械的変形や応力を低減することを目的としたものであった（特許文献２参照）。 Also, when it is composed of two or more layers, in order to suppress the warpage of the LD bar during LD manufacturing, the combination of high expansion material and low expansion material alternately, or high expansion material symmetrical with low expansion material All of them were intended to reduce mechanical deformation and stress of the LD chip (see Patent Document 2).
上記のような半導体素子にあっては、ヒートシンクとサブマウントの間の熱膨張の差を緩和することができず、ヒートシンク材とサブマウント材、およびその間を接合する半田にかかる応力を低減することができなかった。 In the semiconductor element as described above, the difference in thermal expansion between the heat sink and the submount cannot be reduced, and the stress applied to the heat sink material, the submount material, and the solder joining between them can be reduced. I could not.
そのため、ＬＤの寿命、特にＬＤを点灯と消灯を繰り返す使用方法、いわゆるＯＮ／ＯＦＦ運転を代表とする、ＬＤに繰り返し応力が印加される使用方法がとられる場合に、金属疲労が半田およびＬＤを構成する部材にかかる負担を大きくする場合があった。 For this reason, when fatigue is applied to the LD, especially when the LD is turned on and off repeatedly, such as the so-called ON / OFF operation, where the stress is repeatedly applied to the LD, the metal fatigue causes the solder and the LD In some cases, the burden on the constituent members is increased.
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、ＬＤの寿命、特にＯＮ／ＯＦＦ運転時の寿命を長くすることを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and has an object of extending the life of the LD, particularly, the life during ON / OFF operation.
この発明に係るＬＤ素子は、ＬＤチップ、ヒートシンク、ＬＤチップとヒートシンクの間に配置された複数のサブマウントからなるものにおいて、当該複数のサブマウントの熱膨張率を互いに異なる組み合わせにするとともに、当該複数のサブマウントのうちＬＤチップに近い側に配置し接合したサブマウント（以下サブマウントＡと呼ぶ）の熱膨張率を、ＬＤチップから遠い側に配置し接合したサブマウント（以下サブマウントＢと呼ぶ）の熱膨張率に比較して、ＬＤチップの熱膨張率に近い値にしたものである。 The LD element according to the present invention includes an LD chip, a heat sink, and a plurality of submounts disposed between the LD chip and the heat sink. Among the plurality of submounts, the submount (hereinafter referred to as submount A) arranged and joined on the side close to the LD chip has the coefficient of thermal expansion, and the submount (hereinafter referred to as submount B and below) arranged on the side far from the LD chip and joined. The coefficient of thermal expansion of the LD chip is close to that of the LD chip.
さらに具体的には、レーザダイオードチップの熱膨張率をｓ、サブマウントＡの熱膨張率をｔ、サブマウントＢの熱膨張率をｕ、ヒートシンクの熱膨張率をｖとすると、これらが、ｓ≦ｔ＜ｕ＜ｖもしくはｓ≧ｔ＞ｕ＞ｖの関係にあるように設定したものである。 More specifically, when the thermal expansion coefficient of the laser diode chip is s, the thermal expansion coefficient of the submount A is t, the thermal expansion coefficient of the submount B is u, and the thermal expansion coefficient of the heat sink is v, these are s ≦ t <u <v or s ≧ t> u> v is set.
この発明によれば、熱膨張率がＬＤチップに近い値を持つ材料を用いたサブマウントＡと、熱膨張率がヒートシンクの材料に近い材料を用いたサブマウントＢを少なくとも２種類以上組み合わせ、サブマウントＡをレーザダイオードチップ側に、サブマウントＢをヒートシンク側に配置し接合したことにより、温度サイクルもしくは熱応力サイクルが印加された場合のレーザダイオード素子の寿命を長くすることができる。 According to the present invention, at least two types of submount A using a material having a coefficient of thermal expansion close to that of an LD chip and submount B using a material having a coefficient of thermal expansion close to that of the heat sink are combined. Since the mount A is disposed on the laser diode chip side and the submount B is disposed on the heat sink side and bonded, the lifetime of the laser diode element when a temperature cycle or a thermal stress cycle is applied can be extended.
以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるＬＤを示す概略図である。また、図２は、図１を矢印Ａ方向から見たＡ矢視図である。これらの図において、絶縁部２は、上電極１（（−）電極、すなわちマイナス電極となっている）とヒートシンク６の間に配置され、前記上電極と前記ヒートシンクを電気的に絶縁している。ＬＤチップ３は、ＧａＡｓなどを主材料とし、発光部がＧａＡｓＩｎＰ、ＧａＡｌＡｓなどで構成されている。前記ＬＤチップは、その長さが約１ｃｍで出力が数十ワット（ｗａｔｔ。以下同じ）であり、エミッタ（発光部）を複数持つ、いわゆるバー型のＬＤである。当該ＬＤの下層には、熱膨張率が上記ＬＤチップに近いサブマウントＡ（符号４と示されている）、及び熱膨張率が上記ヒートシンクに近いサブマウントＢ（符号５と示されている）が配置されている。図示しないプラス電極（（＋）電極）は、上記ヒートシンクに直接、もしくは電気的に接触して設けられる。また、上記ヒートシンクの内部には、冷却水が流れる流路が構成されており、マイクロチャネルなど、冷却効率を向上する仕組みが施されている。また、上記上電極１と上記ＬＤチップ３にワイヤ７をボンディングすることにより電気的に接合されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a schematic diagram showing an LD according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a view taken in the direction of arrow A when FIG. 1 is viewed from the direction of arrow A. In these drawings, the insulating portion 2 is disposed between the upper electrode 1 (a (−) electrode, ie, a negative electrode) and the
以上のように構成されているＬＤの動作について、次に説明する。上述のプラス電極から、上記サブマウントＢ、Ａを通過し、上記ＬＤチップで電気から光に５０％前後の効率で変換され、図２中の矢印の方向へ数十ワットのＬＤ光が発生する。電気エネルギーのうち、光に変換されなかった残りは熱となり、その殆どはサブマウントＡ、Ｂを通過し、ヒートシンクへ伝播する。ヒートシンクはその中を流れる冷却水によって冷却される。 Next, the operation of the LD configured as described above will be described. The plus electrode passes through the submounts B and A and is converted from electricity to light by the LD chip with an efficiency of around 50%, and LD light of several tens of watts is generated in the direction of the arrow in FIG. . The remainder of the electrical energy that has not been converted to light becomes heat, most of which passes through the submounts A and B and propagates to the heat sink. The heat sink is cooled by cooling water flowing through it.
１個のＬＤチップの長さが０．１ｍｍ〜数ｃｍで、出力が１ワット以上のＬＤは、特にＯＮ／ＯＦＦを数十ｍｓから数十秒の間の周期のＯＮ／ＯＦＦ動作において、連続動作に較べて短い動作時間で素子の劣化が発生するという問題があった。 An LD with a length of 0.1 mm to several centimeters and an output of 1 watt or more is continuous in an ON / OFF operation with a period of several tens of ms to several tens of seconds. There has been a problem that the element is deteriorated in a shorter operation time than the operation.
これは、繰り返し温度サイクルと繰り返し応力サイクルによる疲労劣化が半導体素子に発生することが原因であると考えられており、その悪影響の低減のための１つの方法として、繰返し応力の振幅を小さくすることが有効である。 This is considered to be caused by fatigue deterioration in the semiconductor element due to repeated temperature cycles and repeated stress cycles. As one method for reducing the adverse effects, the amplitude of repeated stress is reduced. Is effective.
本発明の実施の形態についてより詳しく説明するために、図１をＬＤ光側（前方）から見た断面図(断面Ｂ−Ｂ)を図３に示す。図３において、サブマウントＡは、熱膨張率がサブマウントＢよりＬＤチップに近い材質、例えば、ＣｕＷ（銅−タングステン）でできており（その組成比がＣｕ１５−Ｗ８５の場合には、熱膨張率は７．２×１０−6／Ｋであり、その組成比がＣｕ１１−Ｗ８９の場合には熱膨張率６．５×１０−6／Ｋ）、一方、ＬＤチップはＧａＡｓ（熱膨張率６．５×１０−6／Ｋ）できている。また、サブマウントＢは，サブマウントＡよりヒートシンクに近い熱膨張率の材質、例えば、ＣｕＷ（銅−タングステン（組成比Ｃｕ２０−Ｗ８０）、熱膨張率８．３×１０−6／Ｋ）でできており、一方、ヒートシンクは銅（熱膨張率１７×１０−6／Ｋ）でできている。すなわち、ＬＤチップの熱膨張率ｓ、ＬＤチップ側のサブマウントＡの熱膨張率ｔ、ヒートシンク側のサブマウントＢの熱膨張率ｕ、ヒートシンクの熱膨張率ｖについてｓ≦ｔ＜ｕ＜ｖの関係にあるように設定し、膨張率の違いを緩和する効果を実現している。このように構成されたレーザダイオードにおいては、１種類の材料でサブマウントを構成した場合に比べ、はんだ材への応力を小さくすることができる。 In order to describe the embodiment of the present invention in more detail, FIG. 3 shows a cross-sectional view (cross-section BB) of FIG. 1 viewed from the LD light side (front). In FIG. 3, the submount A is made of a material whose thermal expansion coefficient is closer to that of the LD chip than the submount B, for example, CuW (copper-tungsten) (when the composition ratio is Cu15-W85, the thermal expansion is performed. The coefficient is 7.2 × 10 −6 / K, and when the composition ratio is Cu11-W89, the coefficient of thermal expansion is 6.5 × 10 −6 / K. On the other hand, the LD chip has GaAs (thermal expansion coefficient of 6 .5 × 10 −6 / K). The submount B can be made of a material having a thermal expansion coefficient closer to that of the heat sink than the submount A, for example, CuW (copper-tungsten (composition ratio Cu20-W80), thermal expansion coefficient 8.3 × 10 −6 / K). On the other hand, the heat sink is made of copper (thermal expansion coefficient: 17 × 10 −6 / K). That is, regarding the thermal expansion coefficient s of the LD chip, the thermal expansion coefficient t of the submount A on the LD chip side, the thermal expansion coefficient u of the submount B on the heat sink side, and the thermal expansion coefficient v of the heat sink, s ≦ t <u <v It is set to be in a relationship, and the effect of reducing the difference in expansion rate is realized. In the laser diode configured as described above, the stress on the solder material can be reduced as compared with the case where the submount is formed of one kind of material.
具体的に応力計算を実施すると、熱膨張率が大きく異なる２つの部材が接合されている部分、具体的にはサブマウントＢとヒートシンクの間のはんだ材とサブマウント材Ｂに応力が集中する。さらに、主応力（単純化した表現を用いると、面に垂直にかかる最も大きな垂直応力のこと、法線応力ともいう）を低減する効果より、せん断応力（単純化した表現を用いると、面を側方にずらす力）を低減する効果が大きい。金属などの延性材料の破壊にはせん断応力が主要な役割を果たすため、本発明の効果は破壊を防止するために発揮される。表１に本実施の形態の具体的な計算例であるはんだにかかる応力の計算結果を示す。 When the stress calculation is performed specifically, the stress concentrates on the portion where two members having greatly different thermal expansion coefficients are joined, specifically, the solder material between the submount B and the heat sink and the submount material B. Furthermore, due to the effect of reducing the principal stress (the simplest expression is the largest normal stress that is perpendicular to the surface, also called normal stress), the shear stress (using the simplified expression, The effect of reducing the lateral displacement force is great. Since shear stress plays a major role in the destruction of ductile materials such as metals, the effects of the present invention are exerted to prevent the destruction. Table 1 shows the calculation results of the stress applied to the solder, which is a specific calculation example of the present embodiment.
計算例は、典型的な数値として、幅１ｃｍのガリウム砒素ＬＤチップに対し、ＣｕＷ製サブマウントを使用、本発明の計算例として従来例の半分の厚さのサブマウントＡ（ＣｕＷ（銅−タングステン、組成比Ｃｕ１１−Ｗ８９）、熱膨張率６．５×１０−6／Ｋ）、サブマウントＢ（ＣｕＷ（組成比Ｃｕ２０−Ｗ８０）、熱膨張率８．３×１０−6／Ｋ）を配置した場合の計算を行い、従来例（上記の２倍の厚さのサブマウントＡのみ）との比較を行った。なお、ヒートシンク材は銅を仮定した。 As a typical numerical value, a CuW submount is used for a gallium arsenide LD chip having a width of 1 cm as a typical numerical value. As a calculation example of the present invention, a submount A (CuW (copper-tungsten) having a thickness half that of the conventional example is used. , Composition ratio Cu11-W89), thermal expansion coefficient 6.5 × 10 −6 / K), submount B (CuW (composition ratio Cu20-W80), thermal expansion coefficient 8.3 × 10 −6 / K) The comparison was made with the conventional example (only the submount A having the double thickness as described above). The heat sink material was assumed to be copper.
ＬＤチップからの発熱が４０ワットである場合の、ヒートシンクとサブマウント間のはんだ材の応力について計算したところ、応力が高いのは外端のはんだ部であり、主応力について約２％、せん断応力について７３％の応力低減効果が見られた。 When calculating the stress of the solder material between the heat sink and the submount when the heat generated from the LD chip is 40 watts, the stress is high in the solder part at the outer end, about 2% of the main stress, shear stress About 73% of the stress was reduced.
以上から、本発明は特にせん断応力低減に効果があることがわかる。せん断応力は金属材料の結晶面にすべりなどの塑性変形（応力を除いても元に戻らない変形）を引き起こすことが知られており、小さな塑性変形の積み重ねがＬＤの劣化を引き起こすと考えると本発明は長寿命化に効果がある。 From the above, it can be seen that the present invention is particularly effective in reducing shear stress. It is known that shear stress causes plastic deformation such as slip (deformation that does not return to the original even when stress is removed) on the crystal plane of a metal material, and it is considered that the accumulation of small plastic deformation causes degradation of LD. The invention is effective in extending the life.
本発明の効果は、サブマウント材とヒートシンク材の間の熱膨張率の違いが引き起こす疲労故障を効果的に解消する。また、金属疲労による材料破壊までの応力負荷繰り返し数Ｎは一定以上の応力振幅σを印加した場合、σがＮの対数に比例することが一般に知られており、応力低減による寿命の延長効果は極めて大きいと考えられる。 The effect of the present invention effectively eliminates the fatigue failure caused by the difference in coefficient of thermal expansion between the submount material and the heat sink material. In addition, it is generally known that the stress load repetition number N until material failure due to metal fatigue is proportional to the logarithm of N when a stress amplitude σ of a certain level or more is applied. It is considered extremely large.
また、上記の例とは逆に、ガリウム砒素などのＬＤチップの対し、炭化珪素（ＳｉＣ）やダイアモンド（Ｃ）など、熱膨張率が小さい材料をヒートシンクに使用した場合には、ヒートシンクとＬＤチップの間に、銅−タングステンと、チッ化アルミ（ＡｌＮ）やモリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などをサブマウントとして配置することにより、レーザダイオードチップの熱膨張率ｓ、レーザダイオードチップ側のサブマウントＡの熱膨張率ｔ、ヒートシンク側のサブマウントＢの熱膨張率ｕ、ヒートシンクの熱膨張率ｖについてｓ≧ｔ＞ｕ＞ｖの関係にあるように設定し、膨張率の違いを緩和する効果を実現しても良い。 Contrary to the above example, when a material having a low coefficient of thermal expansion such as silicon carbide (SiC) or diamond (C) is used for the heat sink as opposed to the LD chip such as gallium arsenide, the heat sink and the LD chip. By placing copper-tungsten, aluminum nitride (AlN), molybdenum (Mo), tungsten (W), etc. as submounts between the laser diode chip, the thermal expansion coefficient s of the laser diode chip, The thermal expansion coefficient t of the mount A, the thermal expansion coefficient u of the submount B on the heat sink side, and the thermal expansion coefficient v of the heat sink are set so as to have a relationship of s ≧ t> u> v, and the difference in expansion coefficient is alleviated. An effect may be realized.
具体例を挙げると、ＬＤチップの材料はガリウム砒素（熱膨張率６．５×１０−6／Ｋ）、サブマウントＡは銅−タングステン（ＣｕＷ、組成比Ｃｕ１１−Ｗ８９、熱膨張率６．５×１０−6／Ｋ）、サブマウントＢはチッ化アルミ（ＡｌＮ、熱膨張率４．５×１０−6／Ｋ）、ヒートシンクはダイヤモンド（Ｃ、熱膨張率２．３×１０−6／Ｋ）などの構成がその一例として考えられる。 Specifically, the material of the LD chip is gallium arsenide (thermal expansion coefficient 6.5 × 10 −6 / K), and the submount A is copper-tungsten (CuW, composition ratio Cu11-W89, thermal expansion coefficient 6.5). × 10 −6 / K), submount B is aluminum nitride (AlN, thermal expansion coefficient 4.5 × 10 −6 / K), heat sink is diamond (C, thermal expansion coefficient 2.3 × 10 −6 / K) ) Etc. can be considered as an example.
本実施の形態においては、サブマウントＡとサブマウントＢをはんだで接合した場合について示したが、サブマウントＡとＢをそのほかの手段、例えば、焼成による接合などにより一体としてもよい。また、サブマウントＡとＢの間に別のサブマウントがさらに構成されているものでもよい。 In the present embodiment, the case where the submount A and the submount B are joined by soldering is shown, but the submount A and B may be integrated by other means, for example, joining by firing. Further, another submount may be further configured between the submounts A and B.
また、ＯＦＦ時の駆動電流値がＬＤの電流値がＬＤ発振しきい値以下であった場合シャッター等を設けることなく、ＯＮ／ＯＦＦ動作させることができるため、レーザ装置を使用できるため、低コストで単純なレーザ装置を提供することができる。また、固体レーザやファイバレーザなど、他のレーザ活性媒質の励起にＬＤを使用した場合には、ＯＦＦ時のＬＤ駆動電流値を他レーザ活性媒質の発振しきい値以下に設定しておけば、シャッター等を設けることなく、ＯＮ／ＯＦＦ動作が可能であるため、低コストで単純なレーザ装置を提供することができる。 Further, when the drive current value at the OFF time is less than the LD oscillation threshold value, the laser device can be used without providing a shutter or the like, so that the laser device can be used, so that the cost is low. Thus, a simple laser device can be provided. In addition, when an LD is used for excitation of other laser active media such as a solid-state laser and a fiber laser, if the LD drive current value at OFF is set below the oscillation threshold of the other laser active media, Since an ON / OFF operation is possible without providing a shutter or the like, a simple laser device can be provided at low cost.
１ 上電極、２ 絶縁部、３ ＬＤチップ、４ サブマウントＡ、５ サブマウントＢ、６ ヒートシンク、７ ワイヤ。 1 Upper electrode, 2 Insulating part, 3 LD chip, 4 Submount A, 5 Submount B, 6 Heat sink, 7 Wire.
Claims (6)
前記複数のサブマウントの熱膨張率を互いに異なる組み合わせにするとともに、当該複数のサブマウントのうち、前記レーザダイオードチップに近い側に配置し接合した一のサブマウントＡの熱膨張率を、前記レーザダイオードチップから遠い側に配置し接合した別のサブマウントＢの熱膨張率に比較して、前記レーザダイオードチップの熱膨張率に近い値にしたことを特徴とするレーザダイオード素子。 In a laser diode chip comprising a laser diode chip, a heat sink, and a plurality of submounts disposed between the laser diode chip and the heat sink,
The thermal expansion coefficients of the plurality of submounts are different from each other, and the thermal expansion coefficient of one of the plurality of submounts, the submount A disposed and bonded to the side close to the laser diode chip, is used as the laser. A laser diode element characterized in that it has a value close to the thermal expansion coefficient of the laser diode chip as compared with the thermal expansion coefficient of another submount B disposed and bonded on the side far from the diode chip.
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