(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの発光半導体デバイスを搭載するための搭載層であって、前記搭載層は、材料のシートを有し、前記搭載層はさらに、前記搭載層を冷却構造に位置合わせするための角部突起及び端部突起を有し、前記搭載層はさらに、前記発光半導体デバイスを搭載するための搭載領域を定める位置合わせ穴を有し、前記材料は、前記冷却構造に直接的に接合又は溶接されるように構成される、
搭載層。
【請求項２】
前記搭載層の前記材料又は前記搭載層の上部のコーティングは、前記発光半導体デバイスのはんだ接合に適する、
請求項１に記載の搭載層。
【請求項３】
前記搭載層の前記材料は、１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より高い熱伝導率によって特徴付けられる、
請求項１又は２に記載の搭載層。
【請求項４】
前記搭載層は、５０μｍから６００μｍの間の厚さを有する、
請求項１又は２に記載の搭載層。
【請求項５】
前記搭載層は、隣接する前記搭載領域の間の過剰なはんだの流出が減らされる方法で配置されているバリアはんだリザーバをさらに有する、
請求項２に記載の搭載層。
【請求項６】
前記搭載層は、前記搭載領域の領域に配置されるはんだリザーバをさらに有する、
請求項２に記載の搭載層。
【請求項７】
請求項１又は２に記載の搭載層に接合される冷却体を有する冷却構造。
【請求項８】
前記冷却構造が、マイクロチャンネルクーラである、
請求項７に記載の冷却構造。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の冷却構造及び少なくとも２つの発光半導体デバイスを有する、
発光構造。
【請求項１０】
前記発光半導体デバイスは半導体レーザである、
請求項９に記載の発光構造。
【請求項１１】
発光半導体デバイスを搭載するための搭載層を製造する方法であって、
−  材料のシートを提供するステップであって、前記材料は、冷却構造に直接的に接合又は溶接されるように構成される、ステップ、
−  前記搭載層を前記冷却構造の冷却体に位置合わせするために前記材料のシートに角部突起及び端部突起を設けるステップ、及び
−  前記発光半導体デバイスを搭載するために前記材料のシートに搭載領域を定める位置合わせ穴を設けるステップ、を含む、
方法。
【請求項１２】
隣接する前記搭載領域の間の過剰なはんだの流出が減らされる方法で配置されるバリアはんだリザーバを前記材料のシートに設けるステップ、をさらに含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記搭載領域の領域に配置されるはんだリザーバを設けるステップをさらに含む、
請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１４】
冷却構造を製造する方法であって、
−  冷却体を提供するステップ、及び
−  請求項１又は２に記載の搭載層を前記冷却体に接合するステップ、を含む、
方法。
【請求項１５】
発光構造を製造する方法であって、
−  請求項７又は８に記載の冷却構造を提供するステップ、及び
−  搭載領域に少なくとも２つの発光半導体デバイスを取り付けるステップ、を含む、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光半導体デバイスを搭載するための搭載層、搭載層を有する冷却構造並びに冷却構造及び少なくとも２つの発光半導体デバイスを有する発光構造に関する。本発明はさらに、搭載層、冷却構造及び発光構造を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的な高出力垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）アレイアセンブリでは、例えば、幾つかのＶＣＳＥＬアレイチップを有するサブマウント（ｓｕｂｍｏｕｎｔｓ）のような、幾つかの発光半導体デバイスが、例えば、マイクロチャンネルクーラ（μ‐ｃｈａｎｎｅｌ  ｃｏｏｌｅｒ）のような、同じ冷却構造の搭載領域に一緒に搭載される。アセンブリ又は搭載工程の準備として、トレンチが、図４に示されるように搭載領域の（典型的な長方形）構造を作るために、これらのマイクロチャンネルクーラの上面に切り込まれる。これは通常、マイクロチャンネルクーラの製造後、別個のレーザ構造形成ステップで行われる。上面の構造は主に、はんだ停止部として働き、このように、冷却面のサブマウントの定められた位置決めが達成される。これは次に、サブマウントの間の電気的接触及び短絡を避けるのに役立ち、クーラからのレーザ放射発光（ｌａｓｅｒ−ｒａｄｉａｔｉｏｎ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ）のより良い精細度を可能にする。冷却面のトレンチの他の目的は、サブマウントのはんだ付けの間の過剰なはんだのためのリザーバを提供することである。
【０００３】
搭載領域及びその結果として冷却構造を製造する記載された方法は、時間がかかり、費用がかかり、位置決めの精密な制御を必要とする用途に許容されないかもしれないサブマウントの位置決めに関する追加の公差を導入し得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明の目的は、製造が容易な、高位置決め精度で少なくとも２つの発光半導体デバイスを搭載するために搭載層、対応する冷却構造及び発光構造を提供することである。さらなる目的は、このような搭載層、冷却構造及び発光構造を製造する対応する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の態様によれば、少なくとも２つの発光半導体デバイスを搭載するための搭載層が提供される。搭載層は、冷却構造に直接的に接合又は溶接されるように構成された材料のシートを有する。搭載層はさらに、搭載層を冷却構造に位置合わせするための角部突起及び端部突起を有し、搭載層はさらに、発光半導体デバイスを搭載するための搭載領域を定める位置合わせ穴を有する。搭載領域の数は、搭載領域の２、３、４又は多数が位置合わせ穴により定められ得るように、用途に応じて適合され得る。搭載層は、冷却構造への直接接合に適した材料から成り得、冷却構造は、搭載層が接合構造のアセンブリにも使用される直接接合技法によって冷却体に取り付けられることができるという利点を有し得る。直接接合は、この点で、追加的な又は中間の層が、層を接合するために必要とされないことを意味する。角部及び端部突起は、搭載層を冷却体に位置合わせするために、このような直接接合工程で使用され得る。位置合わせ穴は、発光半導体デバイスと搭載層との間の接触領域を定めることによって発光半導体デバイスの良好な位置決めを可能にし得る。発光半導体デバイスを搭載領域に貼り付けるために使用される接着剤又ははんだのような材料は、発光半導体デバイスが位置合わせ穴によって定められた搭載領域にほぼ完全に位置合わせされるように、発光半導体デバイスに力を加え得る。公差は、単に、冷却体の層を構造形成するためにも使用され得る搭載層の構造形成工程の製造公差により決定され得る。したがって、追加のレーザ構造形成が、ＶＣＳＥＬアレイ又はＬＥＤのようなレーザデバイスの搭載領域を設けるために、必要とされなくてよい。後者は、冷却体の表面を構造形成するために使用される異なる技法によって加えられる追加的な公差が無いという追加の利点を有し得る。
【０００６】
搭載層の材料は、はんだ接合に適し得る及び／又は、例えば、発光半導体デバイスのはんだ接合を可能にするＡｕコーティングのようなコーティングを有する。特に、はんだは、接合工程の間、発光半導体デバイスを位置合わせするのによく適し得る。
【０００７】
搭載層の材料は有利には、１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より高い高熱伝導率を有し得る。高熱伝導率は、熱が発光半導体デバイスから冷却構造により速く伝達され得るという利点を有する。特に、銅が、材料の純度に応じて、２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）より高いの熱伝導率に適し得る。例えば、軟質銅は、直接接合に非常によく適し得るとともに、直接接合により組立てられるマイクロチャンネルクーラのような冷却体にも現在使用されている。いずれにせよ、材料の熱伝導性は、ステンレス鋼又はシリコンのような材料が使用され得る薄い搭載層の場合には、それほど重要でないかもしれない。搭載層の厚さは、５０μｍから６００μｍの間で変化し得るが、６０μｍから３００μｍの範囲、又は７０μｍから２００μｍの範囲若しくはさらに９０μｍから１２５μｍの間の厚さがさらに一層有利であり得る。
【０００８】
搭載層はさらに、隣接する搭載層の間の過剰なはんだの流出が減らされる方法で配置されているバリアはんだリザーバを有し得る。過剰なはんだは、位置決め工程（発光半導体デバイスのフローティング（ｆｌｏａｔｉｎｇ））の精度に影響を及ぼし得るので、過剰なはんだは、１つの搭載領域から隣接する搭載領域に流れるべきでない。バリアはんだリザーバは、搭載層を冷却体に接合した後に凹所を提供する搭載層の穴である。少なくとも１つの隣接搭載領域と接している搭載領域の端部及び／又は角部に配置されたバリアはんだリザーバはしたがって、過剰なはんだを吸収し得る。同じ効果が、液体接着剤が発光半導体デバイスを搭載領域に貼り付けるために使用される場合に、使用され得る。搭載層の穴によって提供されるこのような凹所はまた、搭載領域の領域内の１又は複数のはんだリザーバを提供するために使用され得る。過剰なはんだ（又は接着剤）は、例えば、搭載領域の中心に配置され得る、はんだリザーバにより吸収されることができる。例えば、長方形搭載領域の角に４つのはんだリザーバを設けることも可能であり得る。搭載層の構造的な健全性が危うくされないように、位置合わせ穴、バリアはんだリザーバ及びはんだリザーバのサイズを適合させることは重要であり得る。
【０００９】
さらなる態様によれば、マイクロチャンネルクーラのような冷却体を有する冷却構造が提供され、この冷却構造は搭載層に接合される。搭載層は、冷却体に直接接合又は溶接され得る。
【００１０】
さらに、発光構造が提供され得る。発光構造は、搭載層を持つ冷却構造及び少なくとも２つの発光半導体デバイスを有する。発光半導体デバイスは、搭載領域にはんだ付けされたＶＣＳＥＬ又はＶＣＳＥＬアレイ又はＬＥＤのような半導体レーザであり得る。搭載層を持つ冷却構造は、半導体レーザとして良好な冷却及び優れた位置合わせを必要とする半導体に使用される場合、特に有用であり得る。
【００１１】
さらなる態様によれば、発光半導体デバイスを搭載するための搭載層を製造する方法が提供される。方法は、
−  材料のシートを提供するステップであって、材料は、冷却構造に直接的に接合又は溶接されるように構成される、ステップ、
−  搭載層を冷却構造に位置合わせするために材料のシートに角部突起及び端部突起を設けるステップ、及び
−  発光半導体デバイスを搭載するために材料のシートに搭載領域を定める位置合わせ穴を設けるステップ、を含む。
【００１２】
搭載層のために使用される材料は、好ましくは、直接接合工程に適する。加えて、バリアはんだリザーバが材料のシートに設けられ得る。バリアはんだリザーバは、隣接する搭載領域の間の過剰なはんだの流出が減らされる方法で配置される。代替的に又は加えて、はんだリザーバが、搭載領域の領域に配置され得る。角部突起、端部突起、位置合わせ穴、バリアはんだリザーバおよびはんだリザーバが、レーザ加工又はエッチングにより設けられ得る。
【００１３】
さらなる態様によれば、冷却構造を製造する方法が提供される。方法は、
−  冷却体を提供するステップ、及び
−  上述のような搭載層を冷却体に接合するステップ、を含む。
【００１４】
冷却体は、別個の製造工程で製造される別個の構造であり得る。例は、ドリル加工等によって加工された冷却チャンネルを持つ銅のブロックであり得る。代替的には、銅の２つのブロックが、提供され得るとともに、冷却チャンネルは、各ブロックの１つの表面のレーザ加工又はエッチング及び加工された表面を互いに接合することにより、提供され得る。搭載層は、例えば、冷却体に溶接され得る。代替のアプローチでは、冷却体を作る銅層のような直接接合に適した幾つかの層が、互いに積み重ねられ得る。同じ銅材料から成る搭載層が、発光構造が配置されるべき冷却体の側部の角部及び端部突起を用いて積み重ねに位置合わせされ得る。最終的に、冷却体及び搭載層の全ての層が、１つの工程ステップにおいて直接接合により互いに接合され得る。このような直接接合工程の例は、層を加熱することによる熱接合であり、この熱接合は、溶融及び／又は拡散工程により隣接する層を直接接合する。Ｃｕ層は、例えば、層スタックを焼鈍することにより真空状態下で直接接合され得る。焼鈍又は接合温度は、例えば、４０−１００ｅＶの低エネルギＡｒイオンビームを用いて又は酸化を通して行われることができるＣｕ層の表面活性化に依存し得る。室温接合でさえ、イオンビームにより層の表面を準備することによって可能であり得る。
【００１５】
さらなる態様によれば、発光構造を製造する方法が提供される。方法は、
−  上述のような冷却構造を提供するステップ、及び
−  搭載領域に少なくとも２つの発光半導体デバイスを取り付けるステップ、を含む。
【００１６】
少なくとも２つの発光半導体デバイスは、搭載層の搭載領域にはんだ付け又は接着され得る。方法は、ＬＥＤ又は特にＶＣＳＥＬのような半導体レーザのような発光構造が、簡単な方法で精密に配置され得るという利点を有し得る。多数のレーザを有するレーザシステムの整合はしたがって、単純化され得るとともに、例えば、ＶＣＳＥＬアレイを有するレーザチップの位置合わせが改善され得る。
【００１７】
請求項１の搭載層及び請求項１１の方法は、特に、従属請求項に定められるように、同様の及び／又は同一の実施形態を有することが理解されるべきである。
【００１８】
本発明の好適な実施形態はまた、従属請求項のそれぞれの独立請求項との任意の組み合わせであり得ることが理解されるべきである。
【００１９】
さらなる有利な実施形態が以下に明示される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本発明のこれらの及び他の態様は、以下に記載される実施形態から明らかになるであろうとともに以下に記載される実施形態を参照して説明される。
【００２１】
本発明は次に、例として、添付の図面を参照して、実施形態に基づいて説明される。
【図１】マイクロチャンネルクーラの層構造を示す。
【図２】マイクロチャンネルクーラの傾斜上面視を示す。
【図３】マイクロチャンネルクーラの傾斜底面視を示す。
【図４】構造形成した後のマイクロチャンネルクーラの表面の上面図を示す。
【図５】本発明による搭載層の第１の実施形態を示す。
【図６】本発明による搭載層の第２の実施形態を示す。
【図７】本発明による搭載層の第３の実施形態を示す。
【図８】搭載層を製造する方法の主要な略図を示す。
【図９】マイクロチャンネルクーラのような冷却構造を製造する方法の主要な略図を示す。
【図１０】発光構造を製造する方法の主要な略図を示す。  図面において、同様の数字は、全体に渡って同様の物体を示す。図面における物体は、必ずしも正確な縮尺率ではない。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の様々な実施形態が次に図面を用いて記載される。
【００２３】
図１は、マイクロチャンネルクーラの層構造を示す。マイクロチャンネルクーラは、その間に幾つかの薄い銅シート（典型的には厚さ５０μｍから６００μｍ）が高温で一緒に直接接合される工程によって作られる。これらの銅シートのそれぞれは、例えば、熱伝達のためにマイクロチャンネルを作るために又は水供給若しくはクーラの固定のためにより大きい穴を作るために、別々に構造形成されることができる。層構造は、この場合、最上層１０５、第１の冷却層１１０、第２の冷却層１１５、第１の分離層１２０、マニホールド層１２５、第２の分離層１３０、第１のボルト層１３５、ナット層１４０、第２のボルト層１４５及び最下層１５０を有する。層は、真空チャンバでの直接接合の後、マイクロチャンネルクーラの冷却体を形成する。マイクロチャンネルクーラの冷却体の傾斜上面視が図２に示され、最上層１０５及び側壁１６０が積み重ねられ且つ接合された銅層によって作られる。図３では、マイクロチャンネルクーラの冷却体の傾斜底面視が示される。冷却剤供給穴１５５が冷却体の最下層１５０に設けられる。
【００２４】
図４は、最上層１０５を構造形成した後のマイクロチャンネルクーラの上面の上面図を示す。クーラは、（約１００μｍ幅の）小さいトレンチによって隔てられた、それぞれ７つのサブマウントの２列を担持するものとする。現在の工程では、暗い領域が、レーザ構造形成により（約１００μｍの深さに至るまで）除去され、サブマウントが配置される明るい「島（ｉｓｌａｎｄｓ）」の搭載領域１７０を残す。マイクロチャンネルクーラ自体の冷却体の組立後のクーラ表面の追加のレーザ構造形成ステップは、幾つかの欠点を有する。第１に、もちろん、それはより費用がかかり且つ時間がかかる。さらに、サブマウント位置決めの精密な制御が必要である用途に関して、構造形成ステップが追加の公差を導入し得る。典型的には、マイクロチャンネルクーラは、正確な位置決めを可能にする幾つかの手段を提供する（例えば、底部の位置合わせピン）。レーザ構造形成ステップは、サブマウントのための必要な位置決め構造を作るためにこれらの位置合わせ手段の上に築かれなければならない一方、同時に、それ自身の公差を全体の公差のチェーンに加える。
【００２５】
図５は、本発明による搭載層２００の第１の実施形態を示す。トレンチの現在の深さとほぼ同じ程度にある銅シートが、マイクロチャンネルクーラの冷却体の内部の熱伝達層のマイクロチャンネルを作るためにも用いられる標準的なエッチング技術を使用することによって、作られる。この技術は、必要な範囲の構造サイズを可能にする。この技術では、幾つかのマイクロチャンネルクーラが、同時に（Ａ５サイズの）いわゆるマスタカード（ｍａｓｔｅｒｃａｒｄ）の上に製造されるので、構造形成されたシートのレイアウトは、周囲のキャリアへの如何なる接続もない孤立した銅領域が生じないことに、気を付けなければならない。図５は、このような構造の例を示し、この構造は基本的に、図４に示されるのと同じサイズの搭載領域２７０を作る。端部に沿った小さい銅突起、所謂端部突起２１０が、隣接するシートへの接続部又は（マスタカードの上の）キャリング構造（ｃａｒｒｙｉｎｇ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を提供する。搭載領域２７０を分離するとともに画定する位置合わせ穴２１５の長さ及び幅は、用途の要件（例えば、サブマウントのサイズ）に合わせられることができる。破線は、マイクロチャンネルクーラの外側の境界を示す。（直接接合工程の前に）銅シートのスタックが配置されるとき、搭載層２００は、端部突起２１０及び角部突起２０５を使用することによって、最上層１０５の上部で他のシート１０５−１５０（及び潜在的な位置合わせ手段）に正確に位置合わせされることができる。マイクロチャンネルクーラは、一つの直接接合工程で直接接合層１０５−１５０及び搭載層２００によって再び形成される。
【００２６】
図６は、本発明による搭載層の第２の実施形態を示す。中央接続部による他の島への過剰なはんだの流出が回避されなければならない場合、バリアはんだリザーバ２２０が役立ち得る。追加の穴、バリアはんだリザーバ２２０を、これらの中心領域の中にエッチングすることによって（ここでは：正方形）、一方では、接続リンクがより小さい。さらに、バリアはんだリザーバ２２０は、ある量の過剰なはんだを吸収することができるリザーバとして働き得る。
【００２７】
図７は、本発明による搭載層の第３の実施形態を示す。はんだリザーバ２２５がまた、搭載領域２７０自体の中に含まれることができる。エッチング技術を使用する構造サイズ及び構造形状の良好なコントロールのために、広範囲の可能なはんだリザーバの種類が考えられる。これらのはんだリザーバ２２５は、同時にそれらが、搭載層２００及び時に搭載領域２７０の良好なサブマウント位置決め能力に干渉しないような方法で設計されなければならない。
【００２８】
図８は、搭載層を製造する方法の主要な略図を示す。ステップ３００では、ＬＥＤ又はＶＣＳＥＬのような半導体レーザ又はＶＣＳＥＬアレイを持つチップのような発光半導体デバイスを搭載するのに適している、材料のシートが提供される。ステップ３１０では、搭載層２００を冷却構造１００に位置合わせするための角部突起２０５及び端部突起２１０が、エッチング又はレーザ加工により材料のシートに設けられる。ステップ３２０では、発光半導体デバイスを搭載するための搭載領域２７０を定める位置合わせ穴２１５が、エッチング又はレーザ加工により材料のシートに設けられる。材料のシートは、高熱伝導率及び５０μｍから３００μｍの間の厚さを持つ銅シートであり得る。その後の、並行した又は前の加工工程において、バリアはんだリザーバ２２０は、エッチング又はレーザ加工により材料のシートに設けられ得る。バリアはんだリザーバ２２０は、隣接する搭載領域２７０の間の過剰なはんだの流出が減らされる方法で配置される。最終的に、はんだリザーバ２２５が、エッチング又はレーザ加工により、搭載領域２７０の領域に設けられ得る。工程ステップの記載された順序は、必須ではなく、生産又は製造工程の必要性に適合され得る。
【００２９】
図９は、マイクロチャンネルクーラのような冷却構造を製造する方法の主要な略図を示す。ステップ４００では、冷却体が提供され得る。冷却体、例えば、銅のブロックは、ドリル加工によって提供され得る。代替的には、銅シート又は層が、直接接合を用いて真空チャンバ内で互いに接合され得る。ステップ４１０では、少なくとも角部突起２０５、端部突起２１０及び位置合わせ穴２１５を有する搭載層が、冷却体に接合される。接合ステップは、冷却体を組み立てた後に発生し得る。代替的には、冷却体を形成する、例えば銅の、シート及び搭載層２００が、真空チャンバ内において１つの直接接合工程で互いに接合される。直接接合工程は、搭載領域を含む冷却構造が高精度の簡単な方法で製造され得るという利点を有し得る。
【００３０】
図１０は、発光構造を製造する方法の主要な略図を示す。ステップ５００では、冷却体及び搭載層２００を有する冷却構造１００が提供される。ステップ５１０では、ＬＥＤ又はＶＣＳＥＬのような少なくとも２つの発光半導体デバイスが、搭載層２００の搭載領域２７０に取り付けられる。発光半導体デバイスは、接着又ははんだ付けにより取り付けられ得る。接着剤又ははんだの表面張力は、発光半導体デバイスを搭載層２００の搭載領域２７０に位置合わせし得るので、高精度の発光構造を可能にする。
【００３１】
本発明が図面及び前述の記載において詳細に図示及び説明されているが、このような図示及び説明は説明的又は例示的であって限定するものではないと見なされるべきである。
【００３２】
本開示を読むことから、他の変更が当業者には明らかとなろう。そのような変更は、技術分野に既に知られており且つ本明細書に既に記載された特徴に代えて又は加えて使用され得る、他の特徴を含んでいてもよい。
【００３３】
開示された実施形態に対する他のバリエーションは、当業者により、図面、開示内容及び添付の請求項の精査から理解され、達成され得る。請求項において「有する(ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ)」の語は、他の構成要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞“ａ”又は“ａｎ”は、複数を排除するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に引用されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせを有利に使用することができないということを示すものではない。
【００３４】
請求項における任意の参照符号は、請求項の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【符号の説明】
【００３５】
１００  マイクロチャンネルクーラ
１０５  最上層
１１０  第１の冷却層
１１５  第２の冷却層
１２０  第１の分離層
１２５  マニホールド層
１３０  第２の分離層
１３５  第１のボルト層
１４０  ナット層
１４５  第２のボルト層
１５０  最下層
１５５  冷却剤供給穴
１６０  側壁
１７０、２７０  搭載領域
２００  搭載層
２０５  角部突起
２１０  端部突起
２１５  位置合わせ穴
２２０  バリアはんだリザーバ
２２５  はんだリザーバ
３００  材料のシートを提供するステップ
３１０  角部突起及び端部突起を設けるステップ
３２０  位置合わせ穴を設けるステップ
４００  冷却体を提供するステップ
４１０  搭載層を提供するステップ
５００  冷却構造を提供するステップ
５１０  発光半導体デバイスを取り付けるステップ
【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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【図１０】
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