(57)【要約】【課題】本発明は受光領域の形状を改善したサブマウント一体型フォトダイオードパッケージ及びこれを用いたレーザーダイオードパッケージに関するもので、より詳しくは、半導体基板上部に形成される受光領域をレーザーダイオードからの出射光の放射面積に一致するよう形成して従来よりチップ寸法を縮減させ、同じモニタリング電流値を保つようにさせ、放熱特性を向上させた一体型レーザーダイオードに関するものである。【解決手段】本発明は、受光領域１２が半導体基板１３上面に付着され、前記レーザーダイオード１の出射光の放射面と同じ形状に前記受光領域１２が形成され、それに隣接するよう形成される金属層１１を含む一体型レーザーダイオードパッケージを提供する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーダイオードを実装するサブマウント一体型フォトダイオードにおいて、
下部面に下部電極が形成される半導体基板と、
前記半導体基板の上部面に形成され、前記レーザーダイオードの出射光が前記半導体基板の上部面に形成される断面と同じ形状に形成されて前記レーザーダイオードの出射光を受光する受光領域と、
前記受光領域に隣接し、前記受光領域を除く残りの上部面を覆うよう形成される金属層と、
前記半導体基板上に位置し、前記金属層の上部に形成されて前記レーザーダイオードを実装させる接合層と、
を備えたことを特徴とするサブマウント一体型フォトダイオード。
【請求項２】
前記受光領域は、前記レーザーダイオードの付着位置に近接した位置から前記半導体基板の終端部の方向に行くほど広がる三角形状を成すことを特徴とする請求項１に記載のサブマウント一体型フォトダイオード。
【請求項３】
前記受光領域は、前記三角形状の終端部が前記半導体基板の稜線に沿って水平に形成されるようにし、前記レーザーダイオードからの出射光が到達しない領域にワイヤ接合を形成することを特徴とする請求項２に記載のサブマウント一体型フォトダイオード。
【請求項４】
前記受光領域は、前記三角形状の一側辺に前記半導体基板の側面に向って突出するように形成され、該部位にワイヤ接合を形成することを特徴とする請求項２に記載のサブマウント一体型フォトダイオード。
【請求項５】
前記受光領域の三角形状部分は、前記レーザーダイオード付着位置に近接した位置から前記半導体基板の中央部まで形成され、前記中央部から終端部までは半導体基板の終端面を一辺とする方形状に形成されることを特徴とする請求項２に記載のサブマウント一体型フォトダイオード。
【請求項６】
サブマウント一体型フォトダイオードを用いたレーザーダイオードパッケージにおいて、
下部面に下部電極が形成される半導体基板と、
前記半導体基板の上部面に形成され、前記レーザーダイオードの出射光を受光する受光領域と、
前記受光領域に隣接し、前記受光領域を除く残りの上部面を覆うよう形成される金属層と、
前記半導体基板上に位置し、前記金属層の上部に形成されて前記レーザーダイオードを実装する接合層と、
前記接合層の上部面に実装されるレーザーダイオードとを含み、
前記受光領域は前記レーザーダイオードの出射光が前記半導体基板の上部面に形成される断面と同じ形状に形成されることを特徴とするサブマウント一体型フォトダイオードを用いたレーザーダイオードパッケージ。
【請求項７】
前記受光領域は、前記レーザーダイオードの付着位置に近接した位置から前記半導体基板の終端部の方向に行くほど広くなる三角形状を成すことを特徴とする請求項６に記載のサブマウント一体型フォトダイオードを用いたレーザーダイオードパッケージ。
【請求項８】
前記受光領域は、前記三角形状の終端部が前記半導体基板の隅面に沿って水平に形成されるようにし、前記レーザーダイオードからの出射光が到達しない領域にワイヤ接合を形成することを特徴とする請求項７に記載のサブマウント一体型フォトダイオードを用いたレーザーダイオードパッケージ。
【請求項９】
前記受光領域は、前記三角形状の一側辺に前記半導体基板の側面に向って突出するように形成され、該部位にワイヤ接合を形成することを特徴とする請求項７に記載のサブマウント一体型フォトダイオードを用いたレーザーダイオードパッケージ。
【請求項１０】
前記受光領域の三角形状部分は、前記レーザーダイオードの付着位置に近接した位置から前記半導体基板の中央部まで形成され、前記中央部から終端部までは前記半導体基板の終端面を一辺とする方形状に形成されることを特徴とする請求項７に記載のサブマウント一体型フォトダイオードを用いたレーザーダイオードパッケージ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属層の形状を改善した一体型レーザーダイオードに関するもので、より詳しくは、半導体基板の上部にレーザーダイオードからの出射光の放射面積に一致するよう受光領域を形成し、前記受光領域に隣接するよう電極を形成し、また放熱機能を働く金属層を形成して、従来よりチップの寸法を縮減させ、同じモニタリング電流値を保たせ、放熱特性を向上させたサブマウント一体型フォトダイオード及びそれを用いたレーザーダイオードパッケージに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、レーザーダイオードパッケージはレーザーダイオードからの出射光を利用して光ピックアップシステムを構成するもので、前記レーザーダイオードパッケージに組み込まれるフォトダイオードは該出射光の反射量を検出してレーザーダイオードの出力を調節するものである。即ち、レーザーダイオード（Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ）はレーザーの出光時に発生する総出光量のうち約１０〜３０％を後方に放射し、該放射される光信号をフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ　Ｄｉｏｄｅ）で感知して電気的信号（Ｉｍ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｃｕｒｒｅｎｔ）に変換させるのである。この際、レーザーダイオードはフォトダイオードから出た電気的信号を通して同じ定格パワーが出力され続けるようセンシング（ＳＥＮＳＩＮＧ）され得るのである。
【０００３】
前記レーザーダイオードは光を出射する際に熱を発生させるが、発生温度が高いほどレーザーダイオードの出力は低くなる特性を示す。したがって、高温によりレーザーダイオードの出力が低下すると、同一出力を保つようレーザーダイオードには漸次高い入力パワーが与えられることになるが、これは再度より高熱の発生に繋がりレーザーダイオードの信頼性や不良の主な原因にもなる。したがって放熱を考慮したレーザーダイオードの設計が重要になってくる。
【０００４】
通常、レーザーダイオードに用いられるフォトダイオードには、図８（Ａ）に示すように単品型フォトダイオード（ｓｅｐａｒａｔｅ　ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）１１０と、図８（Ｂ）に示すような一体型フォトダイオード（ｕｎｉｔａｒｙ　ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）１２０とがある。単品型フォトダイオードはレーザーダイオードが装着されるサブマウント（ＳＵＢＭＯＵＮＴ）とフォトダイオードとが別途分離されるもので、これはサブマウントに一体にフォトダイオードが装着されて該上部にレーザーダイオードが装着される一体型と区分される。一体型フォトダイオードを用いると単品型フォトダイオードより材料費がかからず組立工程数を省ける利点があるが、放熱特性が悪くなりレーザーダイオードの温度が高くなってしまう欠点がある。しかし、こうした一体型フォトダイオードにおいては、原価低減と小型化の利点を有するため漸次適用が拡大されることが見込まれ、最適化した放熱設計の必要性もまた高まってきている。
【０００５】
上述したような一体型フォトダイオードの従来の放熱設計は図９に示すとおりである。前記図９によると、レーザーダイオード２１０の下端にＡｌ層２３０（または金属層）が形成され、前記Ａｌ層２３０に隣接するよう受光領域２２０が形成される。前記受光領域はレーザーダイオードの放射特性を考慮せずに単なる方形に設計されている。しかし、該放熱設計は前記電気的信号（Ｉｍ）に影響を与えない不要な受光領域に対する考慮を排した設計である。
【０００６】
したがって、本発明は前記レーザーダイオードの放射特性を考慮して受光領域を形成し、またそれに応じて金属層を設計することにより最適放熱性能を発揮できるレーザーダイオードパッケージを提供する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、フォトダイオードの上部面に形成される受光領域と金属層の形状をレーザーの放射面積を考慮の上で最適に設計してレーザーダイオードパッケージの寸法を縮減させながら従来と同様なモニタリング電流値を確保するようにし、従来より向上された放熱特性を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を成し遂げるための構成手段として、本発明はレーザーダイオードを実装するサブマウント一体型フォトダイオードにおいて、下部面に下部電極が形成される半導体基板；前記半導体基板の上部面に形成され、前記レーザーダイオードの出射光が前記半導体基板の上部面に形成される断面と同形状に形成され前記レーザーダイオードの出射光を受光する受光領域；前記受光領域に隣接し、前記受光領域を除く残りの上部面を覆うよう形成される金属層；及び前記半導体基板上に位置し、前記金属層上部に形成され前記レーザーダイオードを実装させる接合層を含むことを特徴とするサブマウント一体型フォトダイオード及びこれを用いたレーザーダイオードパッケージを提供する。さらに、本発明のサブマウント一体型フォトダイオード及びこれを用いたレーザーダイオードパッケージにおいて、前記受光領域は前記レーザーダイオードの付着位置に近接する位置から前記半導体基板の終端部に向って広がる三角形状であることを特徴とする。前記受光領域は、前記三角形状の終端部が前記半導体基板の稜線に沿って水平に形成されるようにし、前記レーザーダイオードからの出射光が到達しない領域にワイヤ接合を形成することを特徴とする。前記受光領域は、前記三角形状の一側辺に前記半導体基板の側面に向って突出するよう形成され、該部位にワイヤ接合を形成することを特徴とする。前記受光領域の三角形状部分は、前記レーザーダイオード付着位置に近接した位置から前記半導体基板の中央部まで形成され、前記中央部から終端部までは半導体基板の終端面を一辺とする方形状に形成されることを特徴とする。
【０００９】
また、前記目的を成し遂げるための構成手段として、本発明は、サブマウント一体型フォトダイオードを用いたレーザーダイオードパッケージにおいて、下部面に下部電極が形成される半導体基板と、前記半導体基板の上部面に形成され、前記レーザーダイオードの出射光を受光する受光領域と、前記受光領域に隣接し、前記受光領域を除く残りの上部面を覆うよう形成される金属層と、前記半導体基板上に位置し、前記金属層の上部に形成されて前記レーザーダイオードを実装する接合層と、前記接合層の上部面に実装されるレーザーダイオードとを含み、前記受光領域は前記レーザーダイオードの出射光が前記半導体基板の上部面に形成される断面と同じ形状に形成されることを特徴とするレーザーダイオードパッケージを提供する。前記受光領域は、前記レーザーダイオードの付着位置に近接した位置から前記半導体基板の終端部に向くほど広くなる三角形状を成すことを特徴とする。前記受光領域は、前記三角形状の終端部が前記半導体基板の隅面に沿って水平に形成されるようにし、前記レーザーダイオードからの出射光が到達しない領域にワイヤ接合を形成することを特徴とする。前記受光領域は、前記三角形状の一側辺に前記半導体基板の側面に向って突出するよう形成され、該部位にワイヤ接合を形成することを特徴とする。前記受光領域の三角形状部分は、前記レーザーダイオードの付着位置に近接した位置から前記半導体基板の中央部まで形成され、前記中央部から終端部までは前記半導体基板の終端面を一辺とする方形状に形成されることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について添付の図面に基づき詳しく説明する。図１は本発明によるサブマウント一体型フォトダイオードを含んだレーザーダイオードパッケージとリードフレームとが結合した状態を示す斜視図である。図１によると、本発明による形状の受光領域と金属層１１とが一体型フォトダイオード２上に形成され、フォトダイオード２の上面一側にはレーザーダイオード１が装着される。該レーザーダイオードパッケージ１０はリードフレーム３０が形成されたケーシング２０に図示のように装着される。好ましくは前記受光領域の上面に前記レーザーダイオードの出射光の反射を防止する反射防止膜（図示せず）を蒸着することができる。
【００１１】
図２はレーザーダイオード１の出射光がフォトダイオード２の受光領域１２に投光されるのを示す斜視図である。レーザーダイオード１の出力を一定に保つべくフォトダイオード２方向に出射される光１７の放射形態が図２に示してある。該出射光１７は垂直方向（Ｖ）と水平方向（Ｈ）に図５（Ａ）及び図５（Ｂ）のグラフのような放射角を表わす。
【００１２】
図５（Ａ）及び５（Ｂ）はレーザーダイオードの出射光の各方向別放射角を測定したグラフとして、図５（Ａ）は水平方向、図５（Ｂ）は垂直方向における数値である。図５（Ａ）及び５（Ｂ）において、放射角は各方向ファーフィールドパターン（ＦＡＲ　ＦＩＥＬＤ　ＰＡＴＴＥＲＮ）（ＦＦＨ、ＦＦＶ）値が１／ｅ２（０．１３５）である場合の角度として定義される。したがって、前記図５（Ａ）及び５（Ｂ）のグラフのように縦軸数値が０．１３５であれば角度の変位は水平約１８度、垂直約７３．３度の数値を示すようになる。
【００１３】
こうした測定値を基に、図２には出射光１７がフォトダイオード２の受光領域１２に投影される面積を示すが、該投影面積がレーザーダイオード１の出力を調整するセンサー部の役割を果たすようになる。
【００１４】
図３は本発明の放熱設計によるフォトダイオードを示す平面図である。したがって、本発明においては、前記図２のような投影面積と一致すべく受光領域１２を形成し、該周辺部には金属層１１を形成して前記レーザーダイオード１から発生する熱を効果的に放出できるようにした。前記金属層１１はアルミニウム（Ａｌ）から成るのが好ましい。
【００１５】
図３によると、本発明による金属層１１はＮ−タイプ半導体基板１３の上部に形成される受光領域１２に隣接するよう形成される。受光領域１２はレーザーダイオード１に近い部位から半導体基板１３の終端部に向かうほど幅広な三角形状に形成される。したがって、前記金属層１１は前記受光領域１２を除いた半導体基板１３の残り上部面を覆うようになり、該金属層１１を通してレーザーダイオード１から発生する熱が放出されるのである。
【００１６】
図４（Ａ）ないし４（Ｃ）は本発明によるレーザーダイオードの金属層及び受光領域における諸変形の実施例（例えば、実施例１〜３）を示す。図４（Ａ）によると（例えば、実施例１）、本発明による受光領域１２はフォトダイオード１を構成する半導体基板１３の上部に形成され、レーザーダイオード１から出射される光の放射面積と一致するよう形成される。したがって金属層１１はレーザーダイオード１に隣接する部位から下端部に行くほど広がる三角形状の受光領域１２に隣接するよう形成される。本実施例において、前記受光領域１２と電気的連結を成すワイヤを前記受光領域１２の下端部に接続させるよう下端部、即ち下部隅部分は金属層１１で覆われずｐ＋層に形成された受光領域１２となるよう構成される。したがって、レーザーダイオード１からの出射光と交わらない部分１４にワイヤ接合を形成することになる。
【００１７】
図４（Ｂ）には本発明によるレーザーダイオードパッケージの他の実施例（例えば、実施例２）を示す。本実施例においては、前記図４（Ａ）における受光領域６２の下端部に水平に露出された部分が拡張されて略直方形状となるよう受光領域６２を形成し、前記金属層６１は前記受光領域６２に隣接するよう半導体基板の上部面に形成する。こうして金属層６１は受光領域のＰ＋領域６２が前記のような形態に形成されるようレーザーダイオード１から一定位置までのみ覆われることになる。かかる構成は、前記図４（Ａ）においてワイヤ接合を形成した位置１４が受光領域の中央部位側面６４に変更されるようにし、全体的なレーザーダイオードパッケージの小型化に伴いワイヤ接合を形成する空間を確保し難い場合を考慮した設計である。したがって、かかる実施例によりなおも小型化されたレーザーダイオードパッケージに本発明の放熱設計を適用できるようになるのである。
【００１８】
図４（Ｃ）は本発明によるレーザーダイオードパッケージのさらに異なる実施例（例えば、実施例３）である。図４（Ｃ）によると、前記図４（Ｂ）の金属層６１の形状をより最適化させ、三角形状の受光領域７２と前記受光領域７２の上部側面に突出形成されるワイヤ接合領域７４とを結合して図示のような受光領域７２を形成させた。図４（Ｃ）によると該金属層７１と受光領域７２により小型のレーザーダイオードパッケージに適用可能で最も好ましく放熱が行える構造を得ることができる。
【００１９】
図６は本発明によるレーザーダイオードパッケージの放熱量を測定するための温度測定位置を示し、図７（Ａ）、（Ｂ）は本発明によるレーザーダイオードパッケージの実験値とシミュレーション値との一致度を示すグラフであり、図７（Ａ）はヒートシンク（ＨＥＡＴ　ＳＩＮＫ）の無い場合、図７（Ｂ）はヒートシンクのある場合を示す。
【００２０】
本発明による金属層を用いたレーザーダイオードパッケージの温度を測定すべくシミュレーションによる温度測定方法を利用した。一般に、温度測定方法は大きく分けて熱電対（Ｔｈｅｒｍｏ　Ｃｏｕｐｌｅ）を用いた接触式と赤外線や熱画像カメラを用いた非接触式などがよく利用されるが、レーザーダイオードの場合、レーザーダイオードチップの寸法が通常３００×２５０μｍとかなり小さくレーザー光を出射する際にチップの温度を直接測定することは大変困難である。したがって、レーザーダイオードの放熱設計は、実験でなくシミュレーション（ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）を利用して温度上昇を予測することにより行われる。該シミュレーションにより予測された温度が低いほど優れた放熱設計となるのである。
【００２１】
かかるシミュレーションによる温度測定における仮定及び境界条件は次のとおりである。
・レーザーダイオードチップとフォトダイオードとの間及びフォトダイオードとサブマウントのリードフレームとの間の接触熱抵抗は無い。
・レージング時の出力電力を除いた全ての電力は熱として発生する。
・基板と接触するリードフレームの終端部の温度は雰囲気温度と同じである。　・サブマウントの外部は自然対流を形成する。
かかる仮定及び境界条件によるシミュレーション結果がどれほど正確性を有するのか検証すべく図６の温度測定位置から熱電対（Ｔｈｅｒｍｏ　Ｃｏｕｐｌｅ）を利用して温度を測定した。チップの温度を直接測定できないので最大限チップの位置に近い位置を選択して測定を行い、２５、３０、４０、５０℃の４種の雰囲気温度に対して測定、比較した。
【００２２】
図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は実際の実験値と比較したシミュレーション検証結果を示すグラフである。この際の誤差範囲は１．４〜４．７％でシミュレーション結果と実際の実験結果とがよく一致することがわかる。したがって、レーザーダイオードパッケージの温度を予測する該シミュレーション方法及び仮定がすべて妥当であることが確認される。
【００２３】
前記シミュレーションによる温度測定により本発明のレーザーダイオードパッケージは、従来の放熱設計構造を採用したレーザーダイオードパッケージに比して優れた温度特性と熱抵抗特性を呈するようになる。これは下記表１のとおりである。
【００２４】
【表１】
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前記表１から、本発明による改善された金属層を用いるレーザーダイオードパッケージは、従来の設計に比べてチップ寸法を縮減させ、チップ温度を下げ、熱抵抗値も下げられることがわかる。前記のような実施例の場合、従来より面積基準で約２２％以上の小型化を図ることができ、熱抵抗基準で約２．１％以上性能が優れるようになる。また、従来と同じモニタリング電流値（Ｉｍ）を確保できるようになり優秀である。
【００２５】
本発明は特定な実施例に係り図示・説明したが、前述の特許請求の範囲により具備される本発明の精神や分野を外れない範囲内において本発明が多様に改造及び変化され得ることは、当業界において通常の知識を有する者にとっては容易に想到できることを明かしておく。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように本発明によると、金属層の形状をレーザーの放射面積を考慮して放射面積と同一にＰ＋領域が露出するよう設計し、レーザーダイオードパッケージの寸法を縮減しながら従来と同様のモニタリング電流値を確保できるようにし、従来より向上された放熱特性を提供できる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるフォトダイオードを含んだレーザーダイオードパッケージを示す斜視図である。
【図２】レーザーダイオードの出射光がフォトダイオードの受光領域に投光されるのを示す斜視図である。
【図３】本発明の放熱設計によるレーザーダイオードパッケージを示す平面図である。
【図４】（Ａ）ないし（Ｃ）は本発明によるレーザーダイオードパッケージの金属層における諸変形実施例である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）はレーザーダイオードの出射光の各方向別放射角を測定したグラフとして、（Ａ）は水平方向、（Ｂ）は垂直方向の数値である。
【図６】本発明によるレーザーダイオードパッケージの放熱量を測定するための温度測定位置を示すものである。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）は本発明によるレーザーダイオードパッケージの実験値とシミュレーション値との一致度を示すためのグラフとして、（Ａ）はヒートシンク（ＨＥＡＴ　ＳＩＮＫ）が無い場合、（Ｂ）はヒートシンクの有る場合を示す。
【図８】（Ａ）は従来の単品型フォトダイオードを用いたレーザーダイオードパッケージを示す断面図であり、（Ｂ）は従来の一体型フォトダイオードを用いたレーザーダイオードパッケージを示す断面図である。
【図９】従来の一体型フォトダイオードの受光領域を示す平面図である。
【符号の説明】
１　レーザーダイオード
２　フォトダイオード
１０　レーザーダイオードパッケージ
１１、６１、７１、２３０　金属層
１２、６２、７２、２２０　Ｐ＋（受光）領域
１３　半導体基板
１７　出射光
２０　ケーシング
３０　リードフレーム
１４、６４、７４　ワイヤ接合
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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