JP2008288256A - Method of manufacturing semiconductor laser element and semiconductor laser device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ヒートシンクなどの放熱部材上に半導体レーザ素子を接合するための製造方法およびこれにより作製された半導体レーザ装置に関する。 The present invention relates to a manufacturing method for bonding a semiconductor laser element on a heat radiating member such as a heat sink and a semiconductor laser device manufactured thereby.
従来、半導体レーザが使用されている応用機器では、半導体レーザにおいて発生する熱を排出させるために半導体レーザをヒートシンクなどの放熱部材に実装する手法が用いられている。ところが、一般に半導体レーザとヒートシンクとでは、線膨張係数の差が大きいため、温度変化によってヒートシンクから半導体レーザに対して大きな熱応力(圧縮応力)がかかる。このため、特に高温動作時には、発光効率や寿命などの特性が悪化したり、レーザ自体が発振しなくなるということがあった。 2. Description of the Related Art Conventionally, in application equipment in which a semiconductor laser is used, a technique of mounting the semiconductor laser on a heat radiating member such as a heat sink is used to discharge heat generated in the semiconductor laser. However, since the difference in coefficient of linear expansion is generally large between a semiconductor laser and a heat sink, a large thermal stress (compressive stress) is applied from the heat sink to the semiconductor laser due to a temperature change. For this reason, characteristics such as light emission efficiency and lifetime are deteriorated particularly during high temperature operation, and the laser itself may not oscillate.
そこで、半導体レーザとヒートシンクとの間に、ヒートシンクから半導体レーザへの熱応力を緩和するための部材(サブマウント等)を介在させる技術(例えば、特許文献1〜3)や、半導体レーザを撓ませてヒートシンクとの接合面に予め引っ張り応力を付加しておくことにより、実装時や高温動作時におけるヒートシンクからの圧縮応力を相殺させるようにした技術(例えば、特許文献4)などが提案されている。
しかしながら、上記のような応力緩和のために設けられるサブマウントは、一般にヒートシンクよりも熱伝導性が低い材料で構成されるため、半導体レーザからヒートシンクへの排熱効率が低下してしまうという問題があった。従って、半導体レーザの排熱効率を低下させることなく、ヒートシンクからの熱応力を緩和させることのできる半導体レーザの実現が望まれていた。 However, since the submount provided for stress relaxation as described above is generally made of a material having lower thermal conductivity than the heat sink, there is a problem in that the efficiency of exhaust heat from the semiconductor laser to the heat sink decreases. It was. Therefore, it has been desired to realize a semiconductor laser that can alleviate the thermal stress from the heat sink without reducing the exhaust heat efficiency of the semiconductor laser.
また一方で、発光効率などのレーザ特性を向上させるために、半導体レーザの製造過程において、基板上に半導体層を基板に対して格子不整合となるように結晶成長させることにより、半導体層内に所定の歪み(格子歪み)を加える手法が用いられている。 On the other hand, in order to improve the laser characteristics such as the light emission efficiency, the semiconductor layer is grown on the substrate so as to be lattice-mismatched with the substrate in the manufacturing process of the semiconductor laser. A technique for applying a predetermined strain (lattice strain) is used.
ところが、上記のように、歪みを半導体層の結晶成長段階で付加する場合、所望の歪み量に応じて、例えば半導体層の材料比や成膜時間などを調整しながら成膜する必要があり、工程が複雑化するという問題があった。 However, as described above, when strain is applied at the crystal growth stage of the semiconductor layer, it is necessary to form a film while adjusting the material ratio of the semiconductor layer, the film formation time, etc., depending on the desired amount of strain, There was a problem that the process was complicated.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な工程で歪みを付加することができると共に、排熱効率を低下させることなく熱応力を緩和することが可能な半導体レーザ装置の製造方法および半導体レーザ装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a semiconductor laser capable of adding distortion by a simple process and relaxing thermal stress without reducing exhaust heat efficiency. An object of the present invention is to provide a device manufacturing method and a semiconductor laser device.
本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、対向する一対の面を有する半導体レーザ素子の一の面に、半導体レーザ素子とは線膨張係数の異なる歪み付加部材を、第1の接合層を介して接合する工程と、半導体レーザ素子の他の面に、第1の接合層よりも硬度の低い材料により構成された第2の接合層を介して放熱部材を接合する工程とを含むものである。 According to a method of manufacturing a semiconductor laser device of the present invention, a strain-adding member having a linear expansion coefficient different from that of a semiconductor laser element is formed on one surface of a semiconductor laser element having a pair of opposed surfaces via a first bonding layer. A step of bonding, and a step of bonding the heat radiating member to the other surface of the semiconductor laser element via a second bonding layer made of a material having a hardness lower than that of the first bonding layer.
本発明の半導体レーザ装置の製造方法では、半導体レーザ素子の一の面に、半導体レーザ素子とは線膨張係数の異なる歪み付加部材を第1の接合層を介して接合することにより、歪み付加部材から半導体レーザ素子に対して、線膨張係数差に起因して圧縮あるいは引っ張りの応力がかかる。このとき、第1の接合層の硬度が比較的高いことにより、歪み付加部材から半導体レーザ素子に対して応力が伝わり易くなる。一方、半導体レーザ素子の他の面に、放熱部材を第2の接合層を介して接合することにより、半導体レーザ内で発生した熱は歪み付加部材を介さずに放熱部材に到達する。このとき、第2の接合層の硬度が比較的低いことにより、放熱部材から半導体レーザ素子に対して熱応力が伝わりにくくなる。 In the method of manufacturing a semiconductor laser device of the present invention, a strain applying member having a linear expansion coefficient different from that of the semiconductor laser element is bonded to one surface of the semiconductor laser element through the first bonding layer. Therefore, a compressive or tensile stress is applied to the semiconductor laser element due to a difference in linear expansion coefficient. At this time, since the hardness of the first bonding layer is relatively high, stress is easily transmitted from the strain applying member to the semiconductor laser element. On the other hand, by joining the heat radiating member to the other surface of the semiconductor laser element via the second bonding layer, the heat generated in the semiconductor laser reaches the heat radiating member without going through the strain applying member. At this time, since the hardness of the second bonding layer is relatively low, thermal stress is hardly transmitted from the heat dissipation member to the semiconductor laser element.
本発明の半導体レーザ装置は、対向する一対の面を有する半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子の一の面に第1の接合層を介して接合されていると共に、半導体レーザ素子とは線膨張係数の異なる歪み付加部材と、半導体レーザ素子の他の面に第1の接合層よりも硬度の低い材料により構成された第2の接合層を介して接合されている放熱部材とを備えたものである。 The semiconductor laser device of the present invention is bonded to one surface of a semiconductor laser element having a pair of opposing surfaces via a first bonding layer, and has a linear expansion coefficient. And a heat-dissipating member bonded to the other surface of the semiconductor laser element via a second bonding layer made of a material having a hardness lower than that of the first bonding layer. is there.
本発明の半導体レーザ装置の製造方法によれば、対向する一対の面を有する半導体レーザ素子の一の面に、半導体レーザ素子とは線膨張係数の異なる歪み付加部材を第1の接合層を介して接合し、半導体レーザ素子の他の面に、第1の接合層よりも硬度の低い材料により構成された第2の接合層を介して放熱部材を接合するようにしたので、半導体レーザ素子に対して歪み付加部材の側から応力が伝わり、これにより歪みが付加される。一方、半導体レーザ内で発生した熱は歪み付加部材を介さずに放熱部材に到達するが、第2の接合層の硬度が比較的低いことにより、放熱部材からの熱応力は伝わりにくくなる。よって、半導体レーザ素子に対して簡易な工程で歪みを付加することができると共に、排熱効率を低下させることなく熱応力を緩和することが可能となる。これにより、高温動作時においても良好なレーザ特性を発現する半導体レーザ装置を実現できる。 According to the method for manufacturing a semiconductor laser device of the present invention, a strain applying member having a linear expansion coefficient different from that of the semiconductor laser element is provided on one surface of the semiconductor laser element having a pair of opposed surfaces via the first bonding layer. And the heat radiation member is bonded to the other surface of the semiconductor laser element via the second bonding layer made of a material having a lower hardness than the first bonding layer. On the other hand, stress is transmitted from the side of the strain applying member, and strain is thereby added. On the other hand, the heat generated in the semiconductor laser reaches the heat radiating member without passing through the strain applying member. However, since the hardness of the second bonding layer is relatively low, the thermal stress from the heat radiating member is hardly transmitted. Therefore, distortion can be applied to the semiconductor laser element with a simple process, and thermal stress can be relaxed without reducing the exhaust heat efficiency. As a result, a semiconductor laser device that exhibits good laser characteristics even during high-temperature operation can be realized.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ装置1の概略構成を表す断面図である。半導体レーザ装置1は、半導体レーザバー10の上下に、歪み付加部材11とヒートシンク12とを備えている。半導体レーザバー10と歪み付加部材11との間には接合層10a(第1の接合層)、半導体レーザバー10とヒートシンク12との間には接合層10b(第2の接合層)がそれぞれ設けられている。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a
半導体レーザバー10は、複数の発光領域がアレイ状に配列してなる半導体レーザ素子であり、その長軸方向の幅が例えば10mm、共振器長が例えば200μm〜1.5mm、厚みが例えば100μmとなっている。この半導体レーザバー10は、例えば基板側がp−n接合のn側となっており、このn側に歪み付加部材11、p側にヒートシンク12が接合されている。
The
この半導体レーザバー10は、例えば、ガリウム砒素(GaAs)よりなる基板上に、活性層(発光領域)を含む半導体層が形成されたものである。半導体層は、例えば下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、電流注入層(いずれも図示せず)などが積層したものであり、例えばAlGaInP系化合物半導体より構成されている。なお、ここでいうAlGaInP系化合物半導体とは、アルミニウム(Al)およびガリウム(Ga)の少なくとも一方とインジウム(In)およびリン(P)の少なくとも一方とを含む四元系半導体のことであり、例えばAlGaInP混晶,GaInP混晶またはAlInP混晶などが挙げられる。これらは、必要に応じてケイ素(Si)またはセレン(Se)などのn型不純物、または、マグネシウム(Mg),亜鉛(Zn)または炭素(C)などのp型不純物を含有している。このような構成により、例えば630μm〜690μmに発振波長を有する赤色光を発光する。また、基板の裏面には、n型の電極が形成され、表面側の半導体層上には、例えばp型の電極が形成されている(いずれも図示せず)。
The
歪み付加部材11は、半導体レーザバー10とは線膨張係数が異なる材料により構成されている。具体的には、半導体レーザバー10が上記のようなGaAs系の材料により構成されている場合、このGaAsの線膨張係数(5.9×10-6/℃)よりも小さい線膨張係数の材料、例えば、炭化ケイ素(線膨張係数:3.5×10-6/℃)、窒化アルミニウム(線膨張係数:4.5×10-6/℃)、あるいはダイヤモンドを含む材料(線膨張係数:1.0〜3.0×10-6/℃、例えばCVDダイヤモンド:2.0×10-6/℃)などのセラミック系材料が用いられる。このような材料を選択することにより、実装時において半導体レーザバー10に対して、延伸応力をかけることができ、これにより−(マイナス)の歪みを付加することができる。
The
また、歪み付加部材11の厚みは、半導体レーザバー10の厚みや共振器長との関係で決定されることが好ましい。具体的には、半導体レーザバー10の厚みが100μm程度である場合には、歪み付加部材11の厚みは10μm以上2mm以下であることが好ましい。これにより、半導体レーザ10との接合時に生じる反りによって、半導体レーザ10あるいは歪み付加部材11が破損しにくくなる。
The thickness of the
ヒートシンク12は、半導体レーザバー10の排熱効果を高めるものであり、熱伝導性を有する材料、例えば銅(Cu)、アルミニウム(Al)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)などの単体材料やこれらの合金などの複合材料、例えば、銅タングステン合金(Cu−W)、銅モリブデン合金(Cu−Mo)、窒化アルミニウム(AlN)、炭化ケイ素(SiC)などにより構成されている。但し、熱伝導性の高い銅単体および銅を含む合金によって構成されていることが好ましい。このヒートシンク12の厚みは、例えば1mm〜20mmとなっている。なお、ヒートシンク12の表面(半導体レーザバー10が設けられる面)は、半導体レーザバー10に対する電気伝導性を高めるために、例えば金(Au)などから構成される薄膜(図示せず)によって被覆されている。
The
接合層10aは、例えば、はんだ等の接合用金属により構成され、後述の接合層10bよりも固い(硬度が高い)材料によって構成されている。また、後述の接合層10bよりも融点が高い材料、例えば融点が185℃〜300℃の材料で構成されていることが好ましい。具体的には、スズを含む合金、例えばAu−Sn、Sn−Ag、Sn−Zn、Sn−Pbなどの共晶はんだにより構成されていることが好ましい。
The
接合層10bは、例えば、はんだ等の接合用金属により構成され、前述の接合層10aよりも柔らかい(硬度が低い)材料によって構成されている。また、前述の接合層10aよりも融点が低い材料、例えば融点が115℃〜160℃の材料で構成されていることが好ましい。具体的には、インジウムを含む合金により構成されていることが好ましく、その含有率が50%以上であることがより好ましい。あるいは、3種以上の金属を含む材料、すなわち3元系、4元系以上の金属材料によって構成されていてもよい。
The joining
上記のような構成を有する半導体レーザ装置1は、例えば次のようにして作製することができる。なお、図2(A)〜(C)は、半導体レーザバー10の実装方法を工程順に説明するものであり、本発明の半導体レーザ素子の実装方法に対応している。
The
まず、半導体レーザバー10を形成する。例えばGaAsにより構成された基板上に、化合物半導体層を、例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition ;有機金属化学気相成長)法やMBE(Molecular Beam Epitaxy;電子ビーム蒸着)法により形成する。この際、上記のようなAlGaInP系化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMIn)、フォスフィン(PH3 )を用い、ドナー不純物の原料としては、例えば、セレン化水素(H2 Se)を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えば、ジメチルジンク(DMZ)を用いる。続いて、形成した化合物半導体層の表面と、GaAs基板の裏面とに、蒸着法、スパッタ法などによりそれぞれ電極を形成する。こののち、軸方向の一対の端面に反射鏡膜(図示せず)を設けることにより、半導体レーザバー10を形成する。
First, the
次いで、図2(A)に示したように、上述した材料よりなる歪み付加部材11を用意し、この歪み付加部材11上に、例えば真空蒸着法やめっき法により、上述した材料よりなる接合層10aを形成する。こののち、接合層10a上に半導体レーザバー10を載置し、加熱、冷却処理(熱処理)を施すことにより半導体レーザバー10を歪み付加部材11上に対して接合させる。
Next, as shown in FIG. 2A, a
一方、図2(B)に示したように、上述した材料よりなるヒートシンク12を用意し、このヒートシンク12上に、例えば真空蒸着法やめっき法により、上述した材料よりなる接合層10bを形成する。
On the other hand, as shown in FIG. 2B, the
続いて、図2(C)に示したように、歪み付加部材11に接合された半導体レーザバー10と、ヒートシンク12上に形成された接合層10bとが対向するようにして、歪み付加部材11とヒートシンク12とを重ね合わせ、加熱、冷却処理を施すことにより、接合層10bを溶融、凝固させて、これらを接合させる。これにより、図1に示した半導体レーザ装置1を完成する。
Subsequently, as shown in FIG. 2C, the
あるいは、図2(A)〜(C)の接合方法の他にも、例えば図3(A)〜(C)に示したような方法を用いることも可能である。まず、図3(A)に示したように、歪み付加部材11上に、例えば真空蒸着法やめっき法により接合層10aを形成する一方、図3(B)に示したように、ヒートシンク12上に、例えば真空蒸着法やめっき法により接合層10bを形成する。こののち、図3(C)に示したように、ヒートシンク12と歪み付加部材11とを重ね合わせて、加熱、冷却処理を施すことにより、これらを接合させる。このとき、接合層10aを構成する材料の融点が比較的高く、接合層10bを構成する材料の融点が比較的低い場合には、まず接合層10aが先に固まり、のちに接合層10bが固まることとなる。すなわち、半導体レーザ10に対して歪み付加部材11が先に接合され、こののちにヒートシンク12が接合される。
Alternatively, in addition to the joining method of FIGS. 2A to 2C, for example, a method as shown in FIGS. 3A to 3C can be used. First, as shown in FIG. 3A, the
次に、本実施の形態の半導体レーザバー10の実装方法および半導体レーザ装置1の作用および効果について説明する。
Next, the mounting method of the
半導体レーザバー10の実装方法では、半導体レーザバー10の上面(n側)に接合層10aを介して半導体レーザバー10とは線膨張係数の異なる歪み付加部材11を接合することにより、歪み付加部材11から半導体レーザバー10に対して、線膨張係数差に起因する熱応力がかかる。このとき、歪み付加部材11が半導体レーザバー10よりも線膨張係数の小さい材料で構成されていることにより、接合時における加熱後の冷却によって歪み付加部材11の側から半導体レーザバー10に対して延伸応力がかかる。特に、接合層10aとして硬度が比較的高い(固い)材料を用いることにより、歪み付加部材11から半導体レーザバー10に対する応力が伝わり易くなる。
In the mounting method of the
一方、半導体レーザバー10の下面(p側)に接合層10bを介してヒートシンク12を接合することにより、歪み付加部材11によって半導体レーザバー10からヒートシンク12への熱伝導が妨げられることがなくなる。また、接合層10bとして硬度が比較的低い(柔らかい)材料を用いることにより、ヒートシンク12から半導体レーザバー10に対して、これらの線膨張係数差に起因する熱応力(圧縮応力)が伝わりにくくなる。
On the other hand, by joining the
例えば、図4(A)に示したように、半導体レーザバー10に対して、歪み付加部材11の線膨張係数が小さく、ヒートシンク12の線膨張係数が大きい場合には、加熱後の冷却によって、半導体レーザバー10には、歪み付加部材11の側から延伸応力P1がかかり、ヒートシンク12の側から圧縮応力P2がかかることとなる。このとき、接合層10aの硬度が比較的高いことにより、歪み付加部材11からの延伸応力P1は半導体レーザバー10に十分に伝達される一方、接合層10bの硬度が比較的低いことにより、ヒートシンク12からの圧縮応力P2は接合層10bによって吸収され、半導体レーザバー10に対して伝わりにくくなる。
For example, as shown in FIG. 4A, when the linear expansion coefficient of the
また、半導体レーザバー10のn側に歪み付加部材11を接合することにより、歪み付加部材11からの応力によって、発光点となるp側に直接的に負荷がかかることがなくなる。よって、発光効率の低下や発振阻害などを引き起こすことなく、半導体レーザバー10に所望の歪みが付加される。
Further, by joining the
さらに、図4(B)に示したように、半導体レーザバー10の上下に歪み付加部材11およびヒートシンク12がそれぞれ設けられていることにより、半導体レーザバー10から発生する熱Tは、ヒートシンク12の側からだけでなく、歪み付加部材11の側からも排熱させることができる。すなわち、p側からだけでなくn側からも排熱効果を得ることができる。
Further, as shown in FIG. 4B, the
また、接合層10aとして、スズを含む共晶のはんだ材料を用い、接合層10bとして、インジウムを含む材料を用いることで、歪み付加部材11から半導体レーザバー10への応力がより伝わり易くなり、ヒートシンク12から半導体レーザバー10への応力はより伝わりにくくなる。
In addition, by using a eutectic solder material containing tin as the
さらに、半導体レーザバー10のn側に歪み付加部材11を接合することにより、ワイヤボンディングを個々のレーザごとに打つ必要がないため、歪み付加部材11に対してまとめて打つことができる。このため、ワイヤとの密着性を向上させるために、例えば重さや打ち時間などの荷重条件を強くすることができる。さらに、ワイヤの代わりに薄板などを用いることも可能なため、加工処理がし易くなる。
Further, by bonding the
また、半導体レーザバー10のn側に歪み付加部材11を接合することにより、従来のように半導体レーザバーとヒートシンクとの間にサブマウントが設けられる場合に比べて、実装時の位置精度が要求されない。よって、実装工程が簡易化すると共にコストの削減にも有利となる。
Further, by joining the
以上説明したように、半導体レーザバー10のn側に接合層10aを介して半導体レーザバー10とは線膨張係数の小さい歪み付加部材11を接合することにより、歪み付加部材11から半導体レーザバー10に対して延伸応力がかかり、結晶成長条件を変えることなく−(マイナス)歪みを付加することができる。一方、半導体レーザバー10のp側に接合層10bを介してヒートシンク12を接合することにより、歪み付加部材11によってヒートシンク12への熱伝導が妨げられることがなくなる。特に、接合層10aの硬度が比較的高いことにより、歪み付加部材11から半導体レーザバー10には応力が伝わり易くなり、接合層10bの硬度が比較的低いことにより、ヒートシンク12から半導体レーザバー10には熱応力が伝わりにくくなる。従って、半導体レーザバーに対して簡易な工程で歪みを付加することができると共に、排熱効率を低下させることなく熱応力を緩和させることができる。これにより、高温動作時においても良好なレーザ特性を発現する半導体レーザ装置1を実現できる。
As described above, the
次に、具体的な実施例について説明する。 Next, specific examples will be described.
(実施例1A,1B)
実施例1Aとして、歪み付加部材11に対して半導体レーザバー10のn側(基板側)を接合した場合における半導体レーザバー10の長軸方向の幅を測定した。また、実施例1Bとして、ヒートシンク12上に接合層10bを介して半導体レーザバー10のp側を接合させた場合における半導体レーザバー10の長軸方向の幅を測定した。この際、半導体レーザバー10のn側、発光領域、p側の3つの箇所において長軸方向の幅を測定した。また、半導体レーザバー10としては、上述のGaAs系の材料を用い、接合前の長軸方向の幅を10mm、共振器長を700μm、厚みを100μmとした。歪み付加部材11としては厚み200μmの炭化ケイ素、接合層10aとしては厚み5μmのSn−Agはんだを用いた。ヒートシンク12としては厚み4.5mmの銅、接合層10bとしては厚み10μmのインジウムはんだを用いた。測定結果を、図5(A)に示す。
(Examples 1A and 1B)
As Example 1A, the width in the major axis direction of the
(実施例1C)
実施例1Cとして、上記実施例1A,1Bと同様の条件で作製した半導体レーザ装置1において、半導体レーザバー10の動作時における環境温度(25℃)に対する温度上昇(Δt℃)について測定した。その結果を図5(B)に示す。
(Example 1C)
As Example 1C, in the
(比較例1)
また、上記実施例1A,1Bの比較例1として、図7に示したように、半導体レーザバー100を、サブマウント101を介してヒートシンク102に接合した半導体レーザ装置20における半導体レーザバー100の長軸方向の幅を測定した。このとき、半導体レーザバー100はサブマウント101に対しpサイドダウンで接合層100aを介して接合し、サブマウント101はヒートシンク102に対し接合層101aを介して接合した。このとき、接合層100aとしては厚み5μmのSn−Agはんだ、接合層101bとしては厚み10μmのインジウムはんだを用いた。また、半導体レーザバー100、サブマウント101およびヒートシンク102としては、上記実施例1A,1Bと同様のものを用いた。この比較例1の結果を、実施例1A,1Bの結果と共に図5(A)に示す。
(Comparative Example 1)
Further, as Comparative Example 1 of Examples 1A and 1B, as shown in FIG. 7, the long axis direction of the
(比較例2)
また、上記実施例1Cの比較例2として、図8に示したように、半導体レーザバー110をヒートシンク112上に接合層110aを介して接合した半導体レーザ装置30における半導体レーザバー110の動作時における環境温度(25℃)に対する温度上昇(Δt℃)について測定した。その結果を、実施例1Cの結果と共に図5(B)に示す。また、図5(B)には、図7に示した比較例1に係る半導体レーザ装置20における半導体レーザバー100の温度上昇(Δt℃)についても示す。
(Comparative Example 2)
Further, as Comparative Example 2 of Example 1C, as shown in FIG. 8, the environmental temperature during operation of the semiconductor laser bar 110 in the
図5(A)に示したように、半導体レーザバー10のn側にSn−Agはんだを介して歪み付加部材11を接合した実施例1Aでは、半導体レーザバー10において十分な延伸効果が得られている。よって、歪み付加部材11からの延伸応力が半導体レーザバー10に対して十分に伝わることが示され、これにより歪みが確実に付加されることがわかる。また、この実施例1Aでは、n側、発光領域およびp側の3つの領域において、半導体レーザバー100のp側にサブマウント101を接合した比較例1とほぼ同様の延伸効果を示している。すなわち、上記のような条件下では、p側とn側のいずれの側から延伸応力をかけた場合であっても、半導体レーザバーの上記3つの領域のいずれにおいても、同一の挙動(延伸)を示し、その度合いもほぼ同等となることがわかる。
As shown in FIG. 5A, in Example 1A in which the
また、半導体レーザバー10とヒートシンク12とをインジウムはんだを介して接合した実施例1Bでは、長軸方向にほとんど縮みが生じていない。よって、インジウムはんだによってヒートシンク12から半導体レーザバー10に対する応力が緩和されることがわかる。
In Example 1B in which the
図5(B)に示したように、半導体レーザバー100とヒートシンク102との間にサブマウント101を設けた比較例1の構成では、温度上昇が最も大きくなった。これに対し、ヒートシンク12に対して半導体レーザバー10を歪み付加部材11を介さずに接合した実施例1Cでは、ヒートシンク112に半導体レーザバー110を接合した比較例1とほぼ同程度の温度上昇となり、サブマウント101を介して接合する比較例1に比べて約10℃低くなった。よって、実施例1Cでは、半導体レーザバー10からヒートシンクへの排熱効率が低下しないことがわかる。
As shown in FIG. 5B, in the configuration of the comparative example 1 in which the submount 101 is provided between the
以上の結果より、半導体レーザバー10のn側に歪み付加部材11を例えばSn−Agはんだを用いて接合する一方で、半導体レーザバー10のp側にヒートシンク12を例えばインジウムはんだを用いて接合することにより、半導体レーザバー10に対してn側からは応力がかかり歪みが付加される一方で、p側では排熱効率を低下させることなく応力が緩和されることがわかる。
From the above results, the
また、図6には、接合層10bとして用いるインジウムはんだにおけるインジウム含有率(%)に対する発振波長(nm)について示す。このように、例えば波長804nmとなるように構成された半導体レーザ装置の接合層10bにおけるインジウムの含有率が低くなるに従って、短波長側へシフトする。これは、接合層10bのインジウム含有率が低くなるにつれて硬度が高くなり、ヒートシンク12からの応力を受け易くなるためである。このため、接合層10bはインジウム含有率が50%程度以上であることが好ましく、これによりヒートシンク12からの応力が十分に緩和され、良好な発光効率や寿命特性を実現できる。
FIG. 6 shows the oscillation wavelength (nm) with respect to the indium content (%) in the indium solder used as the
なお、比較例1のような構成では、半導体レーザバー100に対して所望の歪みを付加するために、例えば、サブマウント101との線膨張係数差によりp側から一定の応力がかかることを想定した上で結晶成長段階で付加する歪みを設定することにより、全体として所望の歪みが得られるような設計手法が用いられることがある。例えば、発光効率が良好となる所望の歪みが−(マイナス)歪み0.7%である場合、サブマウント101との接合によって−歪み0.1%が付加されることを予め想定して、活性層の結晶成長段階で付加する歪みを−歪み0.6%となるように設計する。このような場合、半導体レーザバー100とヒートシンク102との間に設けられるサブマウント101が、ヒートシンク102から半導体レーザバー100への応力緩和材として機能するだけでなく、半導体レーザバー100に対して歪みを付加する補助手段としても用いられていることとなる。
In the configuration as in Comparative Example 1, in order to add a desired strain to the
このようにサブマウントから受ける応力による歪みを想定した上で、予め結晶成長条件が設定されている半導体レーザバーに対しても、本発明の実装方法は有効に用いることが可能である。これは、上述したように、半導体レーザバー10のp側とn側とでは、応力に対する挙動および度合いがほぼ等しいため、半導体レーザバー10の結晶成長条件を変更することなく、排熱効率を考慮してサブマウントをn側に接合したとしても、p側に接合した場合と同等の量の歪みを付加することができるためである。
In this way, the mounting method of the present invention can be effectively used for a semiconductor laser bar in which crystal growth conditions are set in advance, assuming a strain due to stress received from the submount. As described above, the p-side and n-side of the
以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形可能である。 Although the present invention has been described with reference to the embodiment and the modification, the present invention is not limited to the above-described embodiment and the like, and various modifications can be made.
例えば、上記実施の形態等では、歪み付加部材11と半導体レーザバー10との間の線膨張係数差によってのみ歪みを付加する構成となっているが、これに限定されず、例えば活性層の結晶成長段階において補助的に歪みを付加し、この補助的な歪み量と、歪み付加部材11からの応力によって付加される歪み量とのトータルが所望の歪み量となるように構成してもよい。
For example, in the above embodiment and the like, the strain is applied only by the difference in linear expansion coefficient between the
また、上記実施の形態等では、ヒートシンク12上に半導体レーザバー10を接合する例について説明したが、これに限定されず、他の放熱部材や冷却素子、例えば放熱ファンやペルチェ素子などを備えていてもよい。
In the above-described embodiment, the example in which the
また、上記実施の形態等では、半導体レーザバー10の基板側がp−n接合のn側となっている例について説明したが、これに限定されず、p側とn側が逆になっている構成であってもよい。また、半導体レーザバー10をヒートシンク12に対してpサイドダウンで接合する例を挙げて説明したが、これに限定されず、n側をヒートシンク12に対して接合するようにしてもよい。
Moreover, in the said embodiment etc., although the board | substrate side of the
また、上記実施の形態等では、歪み付加部材11として、半導体レーザバー10よりも線膨張係数が小さい材料を用いて延伸応力をかけ、−(マイナス)歪みを付加する場合について説明したが、これに限定される訳ではない。例えば、半導体レーザバー10を構成する半導体層の材料や膜厚、発振波長などによっては、+(プラス)の歪みを付加するようにしてもよい。この場合、歪み付加部材11として、半導体レーザバー10よりも線膨張係数が大きい材料を用いることで、半導体レーザバー10に対して圧縮応力をかけるようにする。
Further, in the above-described embodiment and the like, a case has been described in which stretching stress is applied using a material having a linear expansion coefficient smaller than that of the
また、上記実施の形態等では、半導体レーザバー10がGaAs系の基板によって構成されている例について説明したが、これに限定されず、他の基板、例えばInP系やSi系を用いるようにしてもよい。また、基板上にAlGaInP系の化合物半導体を形成する例について説明したが、これに限定されず、他の化合物半導体、例えばAlInP系、GaInAsP系、GaInN系、AlGaInN系、AlGaAs系、InGaAs系、InP系、GaInAsNP系などにも適用可能である。
In the above-described embodiment and the like, an example in which the
また、上記実施の形態等では、本発明の半導体レーザ素子として、複数の発光領域をアレイ状に有する半導体レーザバー10と例に挙げて説明したが、これに限定されず、単一の発光領域を有する半導体レーザについても適用可能である。
In the above-described embodiment and the like, the semiconductor laser element of the present invention has been described by taking as an example the
1…半導体レーザ装置、10…半導体レーザバー、11…サブマウント、12…ヒートシンク、10a,10b…接合層。
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記半導体レーザ素子の他の面に、前記第1の接合層よりも硬度の低い材料により構成された第2の接合層を介して放熱部材を接合する工程と
を含むことを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。 Bonding a strain applying member having a linear expansion coefficient different from that of the semiconductor laser element to one surface of the semiconductor laser element having a pair of opposed surfaces via a first bonding layer;
Bonding a heat radiating member to the other surface of the semiconductor laser element through a second bonding layer made of a material having a hardness lower than that of the first bonding layer. Device manufacturing method.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor laser device according to claim 1, wherein the strain applying member is made of a material having a smaller linear expansion coefficient than the semiconductor laser element.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor laser device according to claim 1, wherein the first bonding layer is made of a material containing tin (Sn).
ことを特徴とする請求項3記載の半導体レーザ装置の製造方法。 The first bonding layer is made of a material further including at least one of gold (Au), silver (Ag), zinc (Zn), lead (Pb), and copper (Cu). A method of manufacturing a semiconductor laser device according to claim 3.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor laser device according to claim 1, wherein the first bonding layer is made of eutectic solder.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor laser device according to claim 1, wherein the second bonding layer is made of a material having a melting point lower than that of the first bonding layer.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor laser device according to claim 1, wherein the second bonding layer is made of a material containing indium (In).
ことを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor laser device according to claim 1, wherein the second bonding layer is made of a material containing at least three kinds of metals.
前記基板の側に前記歪み付加部材を前記第1の接合層を介して接合し、前記半導体層の側に前記放熱部材を前記第2の接合層を介して接合する
ことを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ装置の製造方法。 The semiconductor laser element has a semiconductor layer including the light emitting region on a substrate,
The strain applying member is bonded to the substrate side via the first bonding layer, and the heat dissipation member is bonded to the semiconductor layer side via the second bonding layer. 2. A method of manufacturing a semiconductor laser device according to 1.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor laser device according to claim 1, wherein the semiconductor laser element is made of a material containing gallium arsenide (GaAs).
ことを特徴とする請求項9記載の半導体レーザ装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor laser device according to claim 9, wherein the strain applying member is made of a material containing silicon carbide (SiC), aluminum nitride (AlN), or diamond (C).
ことを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor laser device according to claim 1, wherein the heat radiating member is made of a material containing copper (Cu).
前記半導体レーザ素子の一の面に第1の接合層を介して設けられていると共に、前記半導体レーザ素子とは線膨張係数の異なる歪み付加部材と、
前記半導体レーザ素子の他の面に前記第1の接合層よりも硬度の低い材料により構成された第2の接合層を介して接合されている放熱部材と
を備えたことを特徴とする半導体レーザ装置。 A semiconductor laser element having a pair of opposing surfaces;
A strain applying member provided on one surface of the semiconductor laser element via a first bonding layer, and having a linear expansion coefficient different from that of the semiconductor laser element;
A semiconductor laser comprising: a heat radiating member joined to the other surface of the semiconductor laser element via a second joining layer made of a material having a hardness lower than that of the first joining layer. apparatus.
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JP2012069760A (en) * | 2010-09-24 | 2012-04-05 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor device |
JP2017092403A (en) * | 2015-11-17 | 2017-05-25 | 株式会社ソディック | Light-emitting device |
CN112331572A (en) * | 2021-01-04 | 2021-02-05 | 度亘激光技术(苏州)有限公司 | Packaging method of semiconductor device |
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- 2007-05-15 JP JP2007129238A patent/JP2008288256A/en active Pending
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