(57)【要約】【課題】  高い熱伝導率を確保し、線熱膨張率の調整が可能なダイヤモンドサブマウントにより、排熱性を向上した半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】本発明の半導体装置は、半導体素子を搭載するサブマウント部を備えた半導体レーザ装置のサブマウント部が、半導体素子より線熱膨張率が小さい第一のサブマウント部と、第一のサブマウント部の表面及び裏面に形成された第二のサブマウント部とから成り、第二のサブマウント部は、線熱膨張率が半導体素子、及び、第一のサブマウント部よりも大きい母材と、母材中に分散された母材より熱伝導率が高い分散体とにより、サブマウント部の線熱膨張率が半導体素子の線熱膨張率に等しくなるように、第一のサブマウント部の厚みと第二のサブマウント部の厚みが調整された。【選択図】  図１
2014072277.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、当該半導体素子を搭載するサブマウント部と、を備えた半導体レーザ装置において、
前記サブマウント部は、
前記半導体素子より線熱膨張率が小さい第一のサブマウント部と、
当該第一のサブマウント部の表面及び裏面に形成された第二のサブマウント部と
から成り、
当該第二のサブマウント部は、
線熱膨張率が前記半導体素子より大きく、かつ、前記第一のサブマウント部よりも大きい母材と、当該母材より熱伝導率が高く、かつ、高剛性の分散体が、当該母材中に分散化された複合部材から構成され、
前記サブマウント部の線熱膨張率が当該半導体素子の線熱膨張率に等しくなるように、前記第一のサブマウント部の厚みと当該第二のサブマウント部の厚みの割合が調整されており、
前記半導体素子と前記第一のサブマウント部は、当該第一のサブマウント部表面に形成された第二のサブマウント部上に配置した接合材を介して前記半導体素子と接合されている
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記半導体素子は、ガリウム砒素（GaAs）から成り、前記第一のサブマウント部は、ダイヤモンドから成り、前記第二のサブマウント部は、母材が銅から成り、前記分散体は、ダイヤモンドナノ粒子、カーボンナノチューブ、立方晶ボロンナイトライド（ＢＮ）ナノ粒子、又は、立方晶ボロンナイトライド（ＢＮ）ナノチューブから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記分散体を分散させた前記第二のサブマウント部は、複合めっき、又は、分散めっきにより第一のサブマウント部の表面上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に、半導体素子を搭載するサブマウント部を備えた半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子よりも線熱膨張率が小さい材料Ａの表面及び裏面に、半導体素子よりも線熱膨張率が大きい材料Ｂを接合し、各材料の厚さを調整することにより、搭載する半導体素子の線熱膨張率に等しくなるようなサブマウント構造が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、従来例として図３に示すような半導体装置６が提案されている。この図３によれば、サブマウント部３１は、搭載する半導体素子２と線熱膨張率の異なるサブマウント基板７と、サブマウント基板７の表面及び裏面に、前記サブマウント部３１の線熱膨張率が前記半導体素子２の線熱膨張率に略等しくなるような厚さで被覆された第１の被覆層８、及び、第２の被覆９を設けている。このような構成にすることにより、製造時における半導体素子２とサブマウント部３１の接合前後の昇降温時及び半導体素子２動作中に発生する熱応力の残留応力を低減できる、とされている。
また、これらに使用される代表的な物質としては、サブマウント基板７に電気絶縁機能のあるダイヤモンド、窒化アルミニウムがあり、サブマウント基板７の表面及び裏面に被覆される第１の被覆層８と第２の被覆層９には、銅や金が使用されている。また、半導体素子２の表面には金（Ａｕ）メッキ２ｂが設けられ、半導体素子２とサブマウント部３１とは金（Ａｕ）−スズ（Ｓｎ）半田から成る接合材２ｃによって固着されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２７８３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述した従来例（図３）のサブマウント部構造においては、半導体素子からの熱負荷が非常に大きい場合、サブマウント基板７の第１の被覆層、及び、第２の被覆層に熱伝導率の大きい材料が選択される。具体例としては、例えば、サブマウント基板７にダイヤモンド、第１と第２の被覆層に銅が使用される。ここで、ダイヤモンドは、低線熱膨張率かつ高剛性の物質である。一方、第１、及び第２の被服層に用いる銅は、ダイヤモンドに対して高線熱膨張率かつ低剛性の物質である。しかし、これらを組み合わせて、線熱膨張率をＧａＡｓ系半導体素子に合わせるためには、銅製の第１被覆層、及び、第２被覆層の厚みを厚くする必要があり、半導体素子から受けた熱をヒートシンクへ排熱する能力が小さくなるという問題がある。このため、被膜層の厚みを厚くした構成においては、熱伝導率の高いダイヤモンドをサブマウントに使用したにもかかわらず、半導体素子からの排熱性を高かめることができない、という問題が生じる。
【０００６】
本発明は、以上のような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、高い熱伝導率を確保すると共に、線熱膨張率の調整が可能なダイヤモンドサブマウント構造を提供することにより、排熱性を向上した半導体レーザ装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る半導体レーザ装置の構成は、半導体素子と当該半導体素子を搭載するサブマウント部を備えた半導体レーザ装置において、前記サブマウント部は、前記半導体素子より線熱膨張率が小さい第一のサブマウント部と、当該第一のサブマウント部の表面及び裏面に形成された第二のサブマウント部とから成り、当該第二のサブマウント部は線熱膨張率が前記半導体素子より大きく、かつ、前記第一のサブマウント部よりも大きい母材と、当該母材より熱伝導率が高く、かつ、高剛性の分散体が当該母材中に分散化された複合部材から構成され、当該サブマウント部の線熱膨張率が当該半導体素子の線熱膨張率に等しくなるように、当該第一のサブマウント部の厚みと当該第二のサブマウント部の厚みの割合が調整されており、前記半導体素子と前記第一のサブマウント部は、当該第一のサブマウント部表面に形成された第二のサブマウント部上に配置した金（Ａｕ）−スズ（Ｓｎ）等の半田から成る接合材を介して前記半導体素子と接合されていることを特徴とする。
【０００８】
前記半導体素子は、ガリウム砒素（GaAs）から成り、前記第一のサブマウント部は、ダイヤモンドから成り、前記第二のサブマウント部は、母材が銅から成り、前記分散体は、ダイヤモンドナノ粒子、カーボンナノチューブ、立方晶ボロンナイトライド（ＢＮ）ナノ粒子、又は、立方晶ボロンナイトライド（ＢＮ）ナノチューブから構成することができる。
【０００９】
前記分散体を分散させた前記第二のサブマウント部は、複合めっき、あるいは、分散めっきで形成されていても良い。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体レーザ装置によれば、レーザダイオードなどの半導体素子を配置するサブマウント部が当該半導体素子と等価的に同じ線熱膨張率を持ち、レーザダイオードなどの半導体素子とダイヤモンドから成る第一のサブマウント部との間の第二のサブマウント部である金属被覆層が単体金属の場合に比べて、高熱伝導率かつ高剛性の性質をもつ分散体を分散化した複合部材から成る金属被覆層となるので、第二のサブマウント部の厚みを薄くしても半導体素子から受けた発熱量をヒートシンクへ排熱する能力が小さくなることが無く、熱伝導率の高いサブマウント構造を実現できる、といった利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１、及び第２の実施形態に係わる半導体レーザ装置示す説明用概略図である。
【図２】本発明の第３の実施形態に係わる半導体レーザ装置示す説明用概略図である。
【図３】従来の半導体レーザ装置の一例を示す説明用概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の半導体レーザ装置について、以下に具体的な実施例を示す。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の半導体レーザ装置の概略を示す説明用概略図である。図１において、本発明の半導体レーザ装置１は、半導体素子２と当該半導体素子２を搭載するサブマウント部３を備えている。当該サブマウント部３は、前記半導体素子２と線熱膨張率の異なる第一のサブマウント部４と当該第一のサブマウント部４の表面及び裏面に形成された第二のサブマウント部５から成っている。当該第二のサブマウント部５は、前記半導体素子２、及び、前記第一のサブマウント部４よりも線熱膨張率が大きくなるように調整している。当該第二のサブマウント部５の構成材料は、例えば、母材５１、５２として銅を用い、銅にダイヤモンドナノ粒子等の分散体１０１、１０２が分散された複合材から構成されている。尚、図１では便宜上、分散体１０１、１０２を一列に整列して記載しているが、実際は母材５１、５２の中に微小な分散体がランダムに混ざり合った状態である。
また、前記半導体素子２の表面には、金（Ａｕ）メッキ２ｂが設けられ、当該半導体素子２と前記サブマウント部３は、当該第一のサブマウント部４の表面に形成された前記第二のサブマウント部５と、金（Ａｕ）−スズ（Ｓｎ）等の半田から成る接合材２ｃを介して接合される構造となっている。
【００１４】
ここで、第１の実施例として図１に示す第二のサブマウント部５は、以下のような混合比で形成される。例えば、物性値が混合率に比例するので、直径５ｎｍのダイヤモンドナノ粒子を第二のサブマウント部５へ混合率１３％で分散化する。この時、外形寸法として、縦２ｍｍ×横４ｍｍ×厚さ０．１ｍｍ（線熱膨張率６ｐｐｍ／Ｋ(３００Ｋの時)）のガリウム砒素（ＧａＡｓ）系半導体素子２に対して、外形寸法縦３ｍｍ×横６ｍｍのサブマウント部３の各厚さは、厚さ０．１ｍｍのダイヤモンド製の第一のサブマウント部４と、  厚さ０．０６９ｍｍの銅を母材５１、５２とした複合材から成る第二のサブマウント部５を表面と裏面の各面に形成した構成となる。また、第二のサブマウント部５における温度上昇は、ダイヤモンドナノ粒子（分散体１０１、１０２）を分散化させる前に比べて、約０．４倍（＝厚さ比約０．６３倍×熱伝導率比約０．６６倍）と小さくなる。（なお、ダイヤモンドナノ粒子を含まない従来の場合では、銅製の第二のサブマウント部に相等する部分（第１の被膜層）の厚さは０．１１ｍｍとなる。）このサブマウント部３は、銅めっき浴中にダイヤモンドナノ粒子を懸濁させながら成膜を行うことによって、ダイヤモンドナノ粒子を金属薄膜（銅めっき膜）の中に取り込んで複合化（共析）し、金属−ダイヤモンドナノ粒子複合材料（複合材）を作製することができる複合めっき、あるいは、分散めっきと呼ばれる方法で作製することができる。
【００１５】
また、金属-ダイヤモンドナノ粒子複合材料は、まず始めに銅膜を成膜（めっき又は蒸着等）した表面に、ダイヤモンドナノ粒子を吹き付け（ショット）によって、銅膜内にダイヤモンドナノ粒子を埋め込んだ上面に、再度、銅膜を成膜（めっき又は蒸着等）による方法で作製しても良い。
さらには、銅薄膜の表面にダイヤモンドナノ粒子を塗布する第１ステップと、前記銅薄膜の上に他の銅薄膜を重ねて前記ダイヤモンドナノ粒子を挟み込む第２のステップと、前記２枚の薄膜を圧延する第３のステップを含む方法で作製しても良い。
【実施例２】
【００１６】
第二の実施例として、図１に示す半導体レーザ装置と同様の構成において、半導体素子２に窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体を用いた場合を示す。
本実施例における第２のサブマウント部５は、第１の実施例の場合と同様に、直径５ｎｍのダイヤモンドナノ粒子を分散対１０１、１０２として第二のサブマウント部５へ混合率１３％で分散化する。この時、外形寸法も実施例１の場合と同じ縦２ｍｍ×横４ｍｍ×厚さ０．１ｍｍ（ｃ軸方向線熱膨張率３．１７ｐｐｍ/Ｋ(３００Ｋ)）のＧａＮ系半導体素子２に対して、外形寸法縦３ｍｍ×横６ｍｍのサブマウント部３の各厚さは、厚さ０．１ｍｍのダイヤモンド製の第一のサブマウント部４と、  厚さ０．０２８ｍｍの銅を母材５１、５２とした複合材から成る第二のサブマウント部５を表面と裏面の各面に形成した構成となる。また、第二のサブマウント部５における温度上昇は、ダイヤモンドナノ粒子を分散体１０１、１０２として分散化させる前に比べて、約０．４倍（＝厚さ比約０．６倍×熱伝導率比約０．６６倍）と小さくなる。（なお、ダイヤモンドナノ粒子を含まない従来の場合では、銅製の第二のサブマウント部に相等する部分（第１の被膜層）の厚さは０．０４６ｍｍとなる。）このサブマウント部３は、銅めっき浴中にダイヤモンドナノ粒子を懸濁させながら成膜を行うことによって、ダイヤモンドナノ粒子を金属薄膜（銅めっき膜）の中に取り込んで複合化（共析）し、金属−ダイヤモンドナノ粒子複合材料を作製することができる複合めっきあるいは分散めっきと呼ばれる方法で作製してもよい。
【実施例３】
【００１７】
図２は、本発明の第３の実施例としての半導体レーザ装置の概略を示す説明用概略図である。図２は、上述の実施例１に比べて第二のサブマウント部５を構成する母材５１、５２として金を用い、金にダイヤモンドナノ粒子等の分散体１０１、１０２を分散させた点が異なっている。また、第二のサブマウント部を介して半導体素子と第１のサブマウント部とを接合する部分にサブミクロン金（Ａｕ）粒子等の低温接合材２ｄを介して接合した構造と成っている。その他の点は、図１に示した実施例１と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００１８】
ここで、第３の実施例としては、具体的には以下のような形態となる。例えば、直径５ｎｍのダイヤモンドナノ粒子を分散体１０１、１０２として第二のサブマウント材５へ混合率１３％で分散化する。この時、外形寸法として、縦２ｍｍ×横４ｍｍ×厚さ０．１ｍｍ（線熱膨張率６ｐｐｍ/Ｋ(３００Ｋの時)）のガリウム砒素（ＧａＡｓ）系半導体素子２に対して、外形寸法縦３ｍｍ×横６ｍｍのサブマウント部３の各厚さは、厚さ０．０４ｍｍのダイヤモンド製の第一のサブマウント部４と、厚さ０．０３８ｍｍの金を母材５１、５２とし、ダイヤモンドナノ粒子を分散体１０１、１０２として分散化させた複合材から成る第二のサブマウント部５を表面と裏面の各面に形成した構成となる。また、第二のサブマウント部５における温度上昇は、ダイヤモンドナノ粒子である分散体１０１、１０２を分散化させる前に比べて、約０．４倍（＝厚さ比約０．５５倍×熱伝導率比約０．７９倍）と小さくなる。（なお、ダイヤモンドナノ粒子を含まない従来の場合、金製の第二のサブマウント部（第１の被膜層）の厚さは０．０６９ｍｍとなる。）
【００１９】
このサブマウント部３は、金めっき浴中にダイヤモンドナノ粒子を懸濁させながら成膜を行うことによって、ダイヤモンドナノ粒子を金属薄膜（金めっき膜）の中に取り込んで複合化（共析）し、金属−ダイヤモンドナノ粒子複合材料を作製することができる複合めっきあるいは分散めっきと呼ばれる方法で作製することができる。
また、サブマウント部３をサブミクロン金（Ａｕ）粒子等の低温接合材２ｄと兼用し、低温接合材塗布時にダイヤモンドナノ粒子を混合させても良い。
【符号の説明】
【００２０】
１    半導体レーザ装置
２    半導体素子
２ｂ  金（Ａｕ）メッキ
２ｃ  接合材
２ｄ  低温接合材
３    サブマウント部
４    第一のサブマウント部
５    第二のサブマウント部
６    半導体装置  
７    サブマウント基板
８    第１の被覆層
９    第２の被覆層  
３１  サブマウント部
５１、５２  母材
１０１、１０２  分散体
【図１】
2014072277.tif 000003
【図２】
2014072277.tif 000004
【図３】
2014072277.tif 000005