JP2012134346A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性を向上させた半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】レーザチップ１１の基板１の裏面に溝１０を設け、基板１の裏面に形成される裏面電極１２の一部を溝１０の内部に配置することにより、裏面電極１２と発光部７との距離が短くなると共に、裏面電極１２の表面積が大きくなる。これにより、発光部７から発生した熱の一部を裏面電極１２を通じて外部に逃がすことができるので、レーザチップ１１の放熱性が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に、半導体レーザ装置の放熱構造に適用して有効な技術に関するものである。

半導体レーザ装置は、ＧａＡｓなどからなる半導体基板（以下、単に基板という）上に複数の半導体層を積層し、その一部に発光部を設けた半導体チップ（以下、レーザチップという）を備えている。

上記レーザチップは、サブマウントと呼ばれる熱伝導性の良好な材料（例えばＡｌＮ、ＳｉＣ、ＣｕＷなど）からなる支持基板に半田で固定されて使用される。このサブマウントにレーザチップを固定する際には、レーザチップの発光部から発生する熱を効率よくサブマウントに伝えるため、レーザチップの発光部に近い面（通常はＰ電極側）をサブマウントに対向させて両者を接合する、いわゆるジャンクションダウン実装方式が採用されている（例えば特許文献１）。

特開２００４−２４４４４０号公報

近年、半導体レーザ装置の高出力化・高輝度化に伴い、レーザチップの発光部から発生する熱量も増加の一途を辿っている。

そのため、前述したジャンクションダウン実装方式を採用した場合でも、レーザチップの発光部から発生する熱を充分にサブマウントに伝達することが困難となり、レーザチップの過度な温度上昇に起因する素子特性のばらつきや寿命の低下が深刻な問題となっている。

本発明の目的は、放熱性を向上させた半導体レーザ装置を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本願発明の好ましい一態様である半導体レーザ装置は、第１の面および前記第１の面と反対側の第２の面を有する基板と、前記基板の前記第１の面上に形成され、かつ、その内部にレーザビームを発振する発光部を含む半導体層と、前記半導体層上に形成された第１電極と、前記半導体基板の前記第２の面に形成された第２電極とを有するレーザチップを備え、
前記第１電極が接合材を介して支持基板の一面に接合されることによって、前記レーザチップが前記支持基板に実装された半導体レーザ装置であって、
前記基板の前記第２の面に溝が形成され、前記溝の内部に前記第２電極の一部が形成されているものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

基板の第２の面に溝を形成し、この溝の内部に第２電極の一部を形成することにより、第２電極と発光部との距離が短くなり、かつ第２電極の表面積が大きくなる。これにより、発光部から発生した熱の一部を第２電極を通じて外部に逃がすことができるので、レーザチップの放熱性が向上する。

これにより、レーザチップの素子特性および寿命の改善が期待できるので、半導体レーザ装置の高出力化・高輝度化を促進させることができる。

本発明の実施の形態である半導体レーザ装置の主要部の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態である半導体レーザ装置の主要部の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態である半導体レーザ装置の全体構成を示す要部破断斜視図である。 本発明の半導体レーザ装置の別例を示す断面図である。 本発明の半導体レーザ装置の別例を示す断面図である。 本発明の半導体レーザ装置の別例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

本実施の形態は、凸状のリッジ部を有する１ビーム半導体レーザ装置に適用したものであり、図１は、この半導体レーザ装置の主要部の構成を示す断面図、図２は、この半導体レーザ装置の主要部の構成を示す斜視図である。

図１および図２に示すように、半導体レーザ装置の主要部は、サブマウント（支持基板）２０と、このサブマウント２０の一面に実装されたレーザチップ１１とで構成されている。サブマウント２０は、熱伝導性が良好で、かつレーザチップ１１に近い熱膨張係数を有する材料、例えばＳｉＣ（線膨張係数＝４．０×１０^−６／Ｋ）や、ＡｌＮ（線膨張係数＝４．８×１０^−６／Ｋ）などからなる。また、レーザチップ１１は、ｎ型のＧａＡｓ（線膨張係数＝６．４×１０^−６／Ｋ）からなる基板１と、この基板１のデバイス面側（図では基板１の下部）に積層された複数層の半導体層とで構成されている。

レーザチップ１１の基板１の一面に積層された複数層の半導体層は、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって堆積されたｎ型クラッド層２、活性層３、ｐ型第１クラッド層４、ｐ型第２クラッド層５およびｐ型コンタクト層６からなる。これらの半導体層のうち、ｎ型クラッド層２は、厚さ２．０μｍのＡｌＧａＩｎＰ層で構成されている。活性層３は、例えば厚さ５ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ層からなる障壁層と厚さ６ｎｍのＧａＩｎＰ層からなる井戸層とを交互に積層した多重量子井戸(Multi Quantum Well：ＭＱＷ)構造で構成されている。ｐ型第１クラッド層４は厚さ０．３μｍのＡｌＧａＩｎＰ層で構成されており、ｐ型第２クラッド層５は、厚さ２．０μｍのＡｌＧａＩｎＰ層で構成されている。ｐ型コンタクト層６は、厚さ０．４μｍのＧａＡｓで構成されている。そして、これらの半導体層と基板１とを合わせた合計の厚さは、例えば５０〜１００μｍである。

ｐ型第２クラッド層５には、凸形の断面形状を有し、図１の紙面に垂直な方向に沿って延在するリッジ部５Ａが形成されている。また、ｐ型クラッド層（ｐ型第１クラッド層４、ｐ型第２クラッド層５）とｐ型コンタクト層６との間には、酸化シリコンなどからなるパッシベーション膜８が形成されている。さらに、ｐ型コンタクト層６の下部には、表面電極（Ｐ電極）９が形成されている。表面電極９は、例えばＴｉ層と、このＴｉ層の上にＰｔ層およびＡｕ層を順次積層した金属膜で構成されている。

上記基板１の裏面（図１および図２では上面）には、ｐ型第２クラッド層５に形成されたリッジ部５Ａと平行に延在する溝１０が設けられている。この溝１０は、ウエハ工程（前工程）において、基板１の裏面をドライエッチングまたはウェットエッチングすることによって形成される。

上記溝１０は、その底部が発光部７の近傍、好ましくは発光部７の真上に位置するように形成する。また、溝１０の深さは、深いほど溝１０の底部に形成された裏面電極１２と発光部７との距離が短くなるので好ましい。ただし、ウエハを劈開してレーザチップ１１を形成する際などに基板１が割れるのを防ぐため、溝１０の底部における基板１の厚さ、すなわち溝１０の底部からｎ型クラッド層２までの距離を少なくとも１０μｍ以上確保することが好ましい。

上記レーザチップ１１は、表面電極９が形成された面をサブマウント２０の一面に対向させ、表面電極９とサブマウント電極２１との間に半田層１３を形成することによってサブマウント２０に実装されている。すなわち、レーザチップ１１は、ジャンクションダウン実装方式によってサブマウント２０の一面に実装されている。レーザチップ１１の裏面電極１２には、レーザチップ１１がサブマウント２０に実装された後、Ａｕワイヤ１４の一端がボンディングされる。

また、上記レーザチップ１１は、表面電極９と裏面電極１２とに所定の電圧を印加したとき、リッジ部５Ａの近傍の発光部７において、例えば６６０ｎｍの発振波長を有する赤色レーザビームを発振する。この赤色レーザビームは、リッジ部５Ａの延在方向に直交するレーザチップ１１の両端面から外部に出射される。

発光部７からレーザビームが発振すると、発光部７から熱が発生する。この熱の一部は、表面電極９および半田層１３を通じてサブマウント２０に伝達される。また、熱の他の一部は、発光部７に近接して形成された裏面電極１２を通じて大気中やＡｕワイヤ１４に伝達される。

図３は、本実施の形態の１ビーム半導体レーザ装置の全体構成を示す要部破断斜視図である。

図１および図２に示したレーザチップ１１およびサブマウント２０は、例えば直径が９．０ｍｍ程度、厚さが１．２ｍｍ程度のＦｅ合金からなる円盤状のステム３０と、このステム３０の上面を覆うキャップ３１とを備えたパッケージ（封止容器）に封止される。

キャップ３１の底部の外周部は、ステム３０の上面に固定されている。また、キャップ３１の上面の中央部分には、レーザチップ１１から発振されたレーザビームを透過するためのガラス板３３が接合された丸穴３４が設けられている。

キャップ３１で覆われたステム３０の上面の中央部近傍には、例えばＣｕのような熱伝導性が良好な金属からなるヒートシンク３５が搭載されている。このヒートシンク３５は、ロウ材（図示せず）を介してステム３０の上面に接合されており、その一面には、半田（図示せず）を介してサブマウント２０が固定されている。

前述したように、サブマウント２０の一面には、レーザチップ１１がジャンクションダウン方式によって実装されている。サブマウント２０は、レーザビームの発振時に発生する熱をレーザチップ１１の外部に放散するための放熱板と、レーザチップ１１を支持するための支持基板とを兼ねている。

レーザチップ１１が実装されたサブマウント２０の一面には、Ａｕワイヤ１５の一端がボンディングされている。また、ヒートシンク３５には、このＡｕワイヤ１５の他端がボンディングされている。図１および図２に示したように、レーザチップ１１が実装されたサブマウント２０の一面には、半田層１３を介してレーザチップ１１の表面電極９に電気的に接続されたサブマウント電極２１が形成されているので、Ａｕワイヤ１５の一端は、サブマウント電極２１および半田層１３を介してレーザチップ１１の表面電極９に電気的に接続されている。

サブマウント２０に実装されたレーザチップ１１は、その両端面（図３の上端面および下端面）からレーザビームを出射する。そのため、レーザチップ１１を支持するサブマウント２０は、その一面（チップ実装面）がステム３０の上面に対して垂直な方向を向くようにヒートシンク３５に固定されている。レーザチップ１１の上端面から出射されたレーザビーム（前方光）は、キャップ３１の丸穴３４を通じて外部に出射される。他方、レーザチップ１１の下端面から出射されたレーザビーム（後方光）は、ステム３０の上面の中央部近傍に実装されたフォトダイオードチップ４０によって受光され、電流に変換される。

ステム３０の下面には３本のリード３７、３８、３９が取り付けられている。このうち、リード３７は、ステム３０、ヒートシンク３５およびＡｕワイヤ１５を介してサブマウント２０のサブマウント電極２１に電気的に接続されている。また、リード３８は、Ａｕワイヤ１４を介してレーザチップ１１の裏面電極１２に電気的に接続されている。さらに、リード３９は、Ａｕワイヤ１６を介してフォトダイオードチップ３６に電気的に接続されている。

このように、本実施の形態の半導体レーザ装置は、サブマウント２０の一面に実装されたレーザチップ１１の基板１に裏面側から溝１０を形成し、この溝１０の内部を含む基板１の裏面に裏面電極１２を形成している。このため、基板１の裏面に溝１０を設けない場合に比べて、レーザチップ１１内部の発光部７から裏面電極１２までの距離が短くなるだけでなく、裏面電極１２の表面積も大きくなる。

これにより、レーザチップ１１の発光部７から発生した熱は、表面電極９および半田層１３を通じてサブマウント２０に伝達されるだけでなく、発光部７に近接して形成された裏面電極１２からも外部（大気中およびＡｕワイヤ１４）に伝達される。

すなわち、本実施の形態の半導体レーザ装置によれば、レーザチップ１１の発光部７から発生した熱をレーザチップ１１の両面から外部に伝達することができるので、レーザチップの放熱性が向上し、素子特性および寿命の改善が期待できる。従って、半導体レーザ装置の高出力化・高輝度化を促進させることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

レーザチップ１１の基板１に形成する溝１０の形状、大きさ、個数などは、図１および図２に示した例に限定されるものではない。

例えば図４に示すように、裏面電極１２を厚く形成し、溝１０の内部全体に裏面電極１２を埋め込んでもよい。また、図５に示すように、溝１０の側壁にテーパを設けた場合には、裏面電極１２の表面積をより大きくすることができる。さらに、図６に示すように、基板１に溝１０を形成したことによるレーザチップ１１の曲げ強度の低下を補償する目的で、裏面電極１２が形成された溝１０の隙間に絶縁膜１７などを埋め込んでもよい。

前記実施の形態では、１ビーム半導体レーザ装置について説明したが、本発明は１個のレーザチップ内に複数の発光部を設けたマルチビーム半導体レーザ装置に適用することもできる。

本発明は、半導体レーザ装置の放熱構造に適用することができる。

１ 基板（半導体基板）
２ ｎ型クラッド層
３ 活性層
４ ｐ型第１クラッド層
５ ｐ型第２クラッド層
５Ａ リッジ部
６ ｐ型コンタクト層
７ 発光部
８ パッシベーション膜
９ 表面電極（Ｐ電極）
１０ 溝
１１ レーザチップ（半導体チップ）
１２ 裏面電極（Ｎ電極）
１３ 半田層
１４、１５、１６ Ａｕワイヤ
１７ 絶縁膜
２０ サブマウント（支持基板）
２１ サブマウント電極
３０ ステム
３１ キャップ
３３ ガラス板
３４ 丸穴
３５ ヒートシンク
３６ フォトダイオードチップ
３７、３８、３９ リード

Claims (4)

1. 第１の面および前記第１の面と反対側の第２の面を有する半導体基板と、
   前記半導体基板の前記第１の面上に形成され、かつ、その内部にレーザビームを発振する発光部を含む半導体層と、
   前記半導体層上に形成された第１電極と、
   前記半導体基板の前記第２の面に形成された第２電極と、
   を有する半導体チップを備え、
   前記第１電極が接合材を介して支持基板の一面に接合されることによって、前記半導体チップが前記支持基板に実装された半導体レーザ装置であって、
   前記半導体基板の前記第２の面に溝が形成され、
   前記溝の内部に前記第２電極の一部が形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記溝は、その底部が前記発光部に近接するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
3. 前記溝の内部に絶縁膜が埋め込まれていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
4. 前記半導体基板はＧａＡｓからなり、前記発光部は、ＡｌＧａＩｎＰ層からなる障壁層とＧａＩｎＰ層からなる井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造で構成された活性層の内部に形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。

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