(57)【要約】【課題】  温度、応力サイクルに強いレーザダイオード素子を提供する。【解決手段】  ＬＤ（レーザダイオード）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レーザダイオード素子において、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、ＬＤチップに近い側に配置し接合したサブマウントの熱膨張率を、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。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザダイオードチップ、ヒートシンク、前記レーザダイオードチップと前記ヒートシンクとの間に配置された複数のサブマウントからなるレーザダイオード素子において、
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。
【請求項２】
前記レーザダイオードチップの熱膨張率をｓ、前記サブマウントＡの熱膨張率をｔ、前記サブマウントＢの熱膨張率をｕ、前記ヒートシンクの熱膨張率をｖとすると、これらの熱膨張率が、ｓ≦ｔ＜ｕ＜ｖの関係、またはｓ≧ｔ＞ｕ＞ｖの関係にあるように設定したことを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオード素子。
【請求項３】
前記レーザダイオードチップと前記サブマウントＡ、当該サブマウントＡと前記サブマウントＢ、及び当該サブマウントＢと前記ヒートシンクを各々はんだ材で接合したことを特徴とする請求項１あるいは２に記載のレーザダイオード素子。
【請求項４】
前記サブマウントＡがＣｕとＷの化合物よりなる請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザダイオード素子。
【請求項５】
前記レーザダイオードチップの発振しきい値以下まで駆動電流を下げて繰り返し動作させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザダイオード素子。
【請求項６】
前記レーザダイオードチップをレーザ装置の励起に使用し、該レーザ装置のレーザ活性媒質の発振しきい値以下まで駆動電流を下げて繰り返し動作させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザダイオード素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１６３４６７号公報（３頁〜７頁、図１）
【特許文献２】特開２００１−２９１９２５号公報（５頁〜６頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【発明の効果】
【００１０】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１によるレーザダイオード素子を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態１によるレーザダイオード素子のＡ矢視図である。
【図３】本発明の実施の形態１によるレーザダイオード素子のＢＢ断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１によるレーザダイオード素子のＢＢ断面詳細図である。
【符号の説明】
【００２６】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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