(57)【要約】【課題】  半導体レーザの表面からの熱放射率を向上させることにより、プラスティック製のホルダーや光ピックアップに搭載されても、その温度上昇を抑制することができる半導体レーザおよびそれを用いた半導体レーザユニットを提供する。【解決手段】  レーザチップ２が、ステム１に設けられるヒートシンク１２もしくはリードに接続されるダイパッドにマウントされ、そのレーザチップ２の各電極と接続される少なくとも一対のリード１３、１４およびレーザチップ２を包囲するキャップ５もしくはレーザチップ２の周囲に設けられると共にリードを固定する樹脂部とが設けられ、ステム１、ヒートシンク１２、ダイパッド、リード１１〜１３、キャップ５の金属からなる部分の少なくとも一部の露出面に、その金属の放射率より放射率の高い放射被膜９が設けられている。【選択図】        図１
2005229004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一対の電極を有するレーザチップと、該レーザチップの一対の電極と電気的に接続される複数のリードと、前記レーザチップおよび複数のリードを一定の関係に保持すると共に前記レーザチップを保護するパッケージとを有し、前記リードおよびパッケージの金属部分の少なくとも一部に該金属部分の放射率より大きい放射率を有する放射被膜が設けられてなる半導体レーザ。
【請求項２】
前記パッケージが、前記複数のリードを固定するステムと、該ステムと一体にまたは該ステムに固定して設けられ、前記レーザチップを固定するヒートシンクと、該レーザチップを包囲し、前記ステムに固定されるキャップとを有するキャンパッケージからなり、前記放射被膜が設けられる金属部分が前記リード、ステム、ヒートシンクおよびキャップの少なくとも１種の少なくとも一部である請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記パッケージが、前記複数のリードの１本に連続して形成され、前記レーザチップを固定するダイパッドと、該レーザチップを包囲し、前記複数のリードを一体的に保持する樹脂部とを有する樹脂パッケージからなり、前記放射被膜が設けられる金属部分が前記複数のリード、前記ダイパッドおよび該ダイパッドもしくは前記複数のリードと連続して形成される金属片の少なくとも１種の少なくとも一部である請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記放射被膜が、粒子または粉末体の集合体として形成され、その表面に凹凸を有する薄膜である請求項１ないし３項のいずれか１項記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記放射被膜が、カーボン、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、チタン酸塩、マンガン酸塩、クロム酸塩、酸化銅、クロム酸亜鉛および酸化鉄よりなる群れから選ばれる少なくとも１種を含む材料からなる請求項１ないし４項のいずれか１項記載の半導体レーザ。
【請求項６】
半導体レーザがプラスティック製ホルダーまたはプラスティック製ピックアップに取り付けられる半導体レーザユニットであって、該ユニットに半導体レーザが取り付られた状態で露出する前記半導体レーザの金属部分の少なくとも一部に該金属部分の放射率より大きい放射率を有する放射被膜が設けられてなる半導体レーザユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信用、ＤＶＤ、ＣＤ、ＣＤ−Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ−Ｒ／ＲＡＭ／ＲＷなどの記録、読取りなどに用いられる光ピックアップ用、レーザビームプリンタ（ＬＢＰ）用などの半導体レーザに関する。さらに詳しくは、小形で高出力化し、セットがプラスティック化しても、熱放散を向上させ、電気的特性を低下させることのない半導体レーザおよび半導体レーザユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザチップは、ＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓ系半導体で構成される素子の当時から、他の半導体素子に比べて、特性の温度依存性の大きい素子であり、しかも自己発熱も大きいという問題を有している。赤外の通信に用いられるＩｎＧａＡｓＰ系やＤＶＤ用光源などに用いられる赤色発光素子のＩｎＧａＡｌＰ系などの４成分系の半導体レーザチップでは、この傾向が一層顕著になっている。また、ＣＤ−Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ−Ｒ／ＲＡＭ／ＲＷなどの記録型用途には、数百ｍＡの駆動電流で、数百ｍＷの高出力を出す半導体レーザチップが用いられるようになっており、発熱が大きくなっている。
【０００３】
一方、半導体レーザのパッケージは、従来はステムと一体またはステムに固着されたヒートシンクにレーザチップがボンディングされ、その周囲がレーザビームの出射側を除いて金属性のキャップにより囲繞されるキャンパッケージ（たとえば特許文献１参照）が主流であったが、近年では、コストダウンおよび小形化の観点から、樹脂によりリードフレームの各リードを固定すると共にレーザチップの周囲を包囲する樹脂パッケージ（たとえば特許文献２参照）が増え始めている。
【特許文献１】特開２００１−１１１１５２号公報（図１）
【特許文献２】特開２００１−３３２７９９号公報（図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のキャンパッケージで、しかも半導体レーザを搭載するホルダーやピックアップなどがメタルダイキャストで形成されていれば、金属の熱伝導を利用して半導体レーザが搭載されるピックアップなどのセット側に伝導して、半導体レーザで発生した熱を放熱することができる。しかし、近年では、ピックアップなど半導体レーザを搭載するセット側もコストダウンの観点からプラスティック化してきており、発生する熱を熱伝導によりセット側に伝達して放熱することが充分に行われなくなってきている。この傾向は、半導体レーザが樹脂パッケージの場合は、樹脂自身の熱伝導率は低く、リード部分のみしか熱伝導の良好部分がないため、より一層放熱が不充分であるという問題がある。
【０００５】
そのため、熱伝導ではなく熱放射による放熱が重要になってきている。従来、熱放射による放熱性を上げる手段としては、リードなどに施されるＮｉ-Ａｕメッキの下に銅メッキを施したり、表面の凹凸の大きな銀メッキを施したものが用いられている。この凹凸を施す理由は、つぎのように考えられている。すなわち、一般に金属は表面の反射率が高く、内部の熱が赤外線として外に出ようとすると、反射して内部へ戻ってしまうため、金属の放射率は低い。しかし、表面に波長オーダのランダムな凹凸がつけられると、反射率が下がり、放射率が上がると考えられているからである。しかし、このような凹凸が施されても、金属の反射率が高いため、放射率は０.１から０.２程度までの向上しか得られていない。また、下地に銅メッキを施すことによっても、その上のＮｉ-Ａｕメッキの表面粗さが増大し、放射率が上がるが、この方法によっても放射率は高々０.２５が限界である。すなわち、反射率の高い金属表面に凹凸を形成しても、放射率を格段に向上させることはできない。
【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、小形で放熱用の部品を追加したり、放熱に適した材料と自由に置き換えたりすることができない半導体レーザにおいて、半導体レーザの表面からの熱放射率を向上させることにより、プラスティック製のホルダーやピックアップに搭載されても、その温度上昇を抑制することができる半導体レーザを提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の他の目的は、放射率を向上させるのにとくに適した放射被膜の材料および／またはその表面状態を有する半導体レーザおよび半導体レーザユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、光ピックアップなどのプラスティック化に伴い、半導体レーザの温度が上昇して電気的特性が低下するという問題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、熱伝導による放熱のみならず、輻射による熱放散を大きくする必要があることを見出した。そして、従来の金属表面を凸凹にするだけでは充分に熱放散をすることができず、放射率の大きい被膜を金属表面に設けることにより、大幅に熱放散を増やすことができることを見出した。熱放射率の大きい被膜としては、たとえば反射率の低い非金属などの非導電性材料よりなる被膜、さらには表面が１〜５μｍ程度の凸凹になるように粒子または粉体の集合体により形成された被膜、また、被膜が余り厚くなると被膜が設けられた金属部分からの熱伝導が悪くなるため、できるだけ薄く１〜１０μｍ程度の厚さであること、などの条件を満たすことにより、非常に放射率を高くすることができ、熱放射を効率よくできることを見出した。
【０００９】
本発明による半導体レーザは、少なくとも一対の電極を有するレーザチップと、該レーザチップの一対の電極と電気的に接続される複数のリードと、前記レーザチップおよび複数のリードを一定の関係に保持すると共に前記レーザチップを保護するパッケージとを有し、前記リードおよびパッケージの金属部分の少なくとも一部に該金属部分の放射率より大きい放射率を有する放射被膜が設けられている。
【００１０】
たとえば、前記パッケージが、前記複数のリードを固定するステムと、該ステムと一体にまたは該ステムに固定して設けられ、前記レーザチップを固定するヒートシンクと、該レーザチップを包囲し、前記ステムに固定されるキャップとを有するキャンパッケージからなり、前記放射被膜が設けられる金属部分が前記リード、ステム、ヒートシンクおよびキャップの少なくとも１種の少なくとも一部であるように形成される。
【００１１】
ここにヒートシンクとは、熱容量の大きい金属ブロックのみならず、容量がそれほど大きくない板状の台座なども含み、レーザチップをマウントする金属部材を意味する。また、レーザチップをマウントする場合は、通常サブマウントを介してマウントされ、直接レーザチップがヒートシンクにマウントされるとは限らない。
【００１２】
また、前記パッケージが、前記複数のリードの１本に連続して形成され、前記レーザチップを固定するダイパッドと、該レーザチップを包囲し、前記複数のリードを一体的に保持する樹脂部とを有する樹脂パッケージからなり、前記放射被膜が設けられる金属部分が前記複数のリード、前記ダイパッドおよび該ダイパッドもしくは前記複数のリードと連続して形成される金属片の少なくとも１種の少なくとも一部であるように形成される。
【００１３】
さらに、前記放射被膜は、粒子または粉末体の集合体として形成され、その表面に凹凸を有する薄膜に形成されることにより、表面の凸凹により表面での反射率が低下し、また、金属に伝わってきた熱を即座に放射被膜の表面に伝達して輻射することができるため、放射率を向上させることができる。とくに、前記放射被膜が非導電性材料からなれば、表面での反射率が低くなるため、表面で反射して内部に戻る割合が小さく、放射率の向上に大きく寄与する。
【００１４】
また、前記放射被膜は、カーボン、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、チタン酸塩、マンガン酸塩、クロム酸塩、酸化銅、クロム酸亜鉛および酸化鉄よりなる群れから選ばれる少なくとも１種を含む材料から選ばれることにより、シリコーン樹脂などと共にペースト状にして放射被膜を形成しやすく、しかも表面を凸凹にし、かつ、所望の着色をしやすいため、放射率を高くすることができる。
【００１５】
本発明による半導体レーザユニットは、半導体レーザがプラスティック製ホルダーまたはプラスティック製ピックアップに取り付けられる半導体レーザユニットであって、該ユニットに半導体レーザが取り付られた状態で露出する前記半導体レーザの金属部分の少なくとも一部に該金属部分の放射率より大きい放射率を有する放射被膜が設けられている。すなわち、通信用光源ユニットや光ピックアップなどに半導体レーザが組み込まれた状態で、前述の放射被膜が設けられることにより、光ピックアップなどのプラスティックなどにより覆われて輻射することができない部分には放射被膜が設けられず、無駄なく放射被膜が形成されると共に、放射被膜の影響による寸法精度の低下を招くこともなく、熱放散を充分に行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、レーザチップからの熱を伝導しやすく、温度の上昇しやすい金属表面に、放射率の高い放射被膜が設けられているため、レーザチップから伝導してきた熱を輻射により効率的に放熱することができる。その結果、半導体レーザの金属部分が、さらに光ピックアップなどのセット側に金属などの熱伝導部材を介して接続されていなくても、熱放射により放熱をすることができる。このことは、熱を発生しやすく、また、温度上昇により特性に影響を受けやすいＩｎＧａＡｓＰ系やＩｎＧａＡｌＰ系などの４成分系化合物半導体を用いた半導体レーザや、半導体レーザを保持するホルダーやピックアップがプラスティック製で熱を伝達し難いところに設けられる半導体レーザや、高出力化に伴い特に発熱の大きい半導体レーザなどにおいても、半導体レーザの出力が低下したり、特性が劣化するという問題を生じなくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
つぎに、本発明の半導体レーザおよび半導体レーザユニットについて、図１を参照しながら説明をする。本発明の半導体レーザは、少なくとも一対の電極を有するレーザチップ２と、そのレーザチップ２の一対の電極と電気的に接続される複数のリード１３〜１５（受光素子４の電極に接続されたリード１５を含む）と、レーザチップ２および複数のリード１３〜１５を一定の関係に保持すると共にレーザチップ２を保護するパッケージ（ステム１およびキャップ５）とを有している。そして、リード１３〜１５およびパッケージの金属部分の少なくとも一部にその金属部分の放射率より大きい放射率を有する放射被膜９（図では点々で示されている）が設けられていることに特徴がある。
【００１８】
パッケージは、図１に示される例では、複数のリード１３〜１５を固定するステム１と、そのステムと一体にまたはステム１に固定して設けられ、レーザチップ２を固定するヒートシンク１２と、レーザチップ２を包囲し、ステム１に固定されるキャップ５とを有するキャンパッケージになっている。また、後述する図２に示される例では、パッケージが、複数のリード２３〜２４の１本に連続してレーザチップ２を固定するダイパッド２４ａが形成されており、そのレーザチップ２を包囲し、複数のリード２３〜２５を一体的に保持する樹脂部２６とを有する樹脂パッケージになっている。
【００１９】
ステム１は、ベース１１、ヒートシンク１２およびベース１１に設けられた貫通孔に軟質ガラス１６などにより封着されたリード１３、１５と、ベース１１に直接溶接などにより設けられたコモンリード１４とからなっている。このステム１に設けられるヒートシンク１２に、たとえばシリコンまたはＡｌＮなどからなるサブマウント３を介してレーザチップ２がボンディングされ、レーザチップ２の各電極は、金線などのワイヤ８を介してリード１３、１４と電気的に接続されている。なお、レーザチップ２の図における紙面の表面側の電極は、サブマウント３上にワイヤボンディングされ、さらにサブマウント３に設けられた導電性部分を経てサブマウント３の裏面側でヒートシンク１２と電気的に接続され、ヒートシンク１２からさらにベース１１を介してリード１４と接続されている。レーザチップ２の図で紙面裏側の電極はサブマウント３上に形成された導体膜からなる接続部３ａを介してワイヤボンディングによりリード１３と接続されている。ヒートシンク１２は、レーザチップ２からの熱を放散させるためのもので、たとえば銅ブロックや鉄ブロックなどが用いられるが、銅板などの台座で形成されてもよい。
【００２０】
レーザチップ２は、用途により種々の材料の半導体が用いられ、たとえば光ディスクのピックアップ用には、赤色光を発光するＩｎＧａＡｌＰ系化合物が、また、赤外光用にはＡｌＧａＡｓ系の化合物が、さらに通信用の赤外光用にはＩｎＧａＡｓＰ系化合物が、それぞれ用いられる。また、光ピックアップ用でも、チップの大きさは、ＣＤ用では２５０μｍ×２５０μｍ程度であるが、ＤＶＤ用では２５０μｍ×５００μｍ程度、さらにＣＤ−Ｒ／ＲＷ用では、２５０μｍ×８００μｍと出力が大きいほどチップ自体も大きくなり、発熱量も非常に大きくなる。なお、図１で、４はレーザチップの出力の一部をモニターして出力を一定に制御するための受光素子であり、その両電極がリード１４、１５とワイヤ８などを介して接続されている。
【００２１】
レーザチップ２の周囲には、キャップ５がステム１に溶接されることにより設けられている。キャップ５は、銅などの熱伝導のよい材料からなっているのが好ましいが、鉄やコバール（登録商標）などの溶接性の良好な金属でもよい。キャップ５の頂部の中心部には、レーザ光が通過する窓部（貫通孔）５ａが設けられている。その窓部５ａには、必要に応じてガラスなどの透明板６が低融点ガラスなどの接着剤７により貼着されている。
【００２２】
このキャップ５の露出面、ベース１１の露出面、リード１３〜１５のハンダ付けに影響しない部分、ヒートシンク１２などの金属部分の露出部に放射被膜９が設けられている。窓部５ａおよびリード１３〜１５のハンダ付部に付着しないようにすれば、金属以外の所、たとえば軟質ガラス１６などに放射被膜９が設けられても構わない。しかし、軟質ガラス１６など非金属材料は熱伝導も劣るため、放射被膜９を設ける効果も劣り、金属部分に設けることが好ましい。
【００２３】
また、図１に示される構造のように、ベース１１の上面露出面が、光ピックアップなどに組み込まれる際の基準面になる場合には、設けない方が好ましい。基準面にされる部分は、光ピックアップなどに組み込まれた後も表面には露出しないことになると共に、基準面が放射被膜９の厚さによりばらつくと好ましくないからである。セットに組み込まれた後に表面に露出しない部分は熱放射の効果が小さいが、セットに組み込まれた後も露出する金属表面にはできるだけ広い範囲に設けることが好ましい。図１にはできるだけ可能な位置に放射被膜９を設けた例が示されているが、とくに温度が伝わりやすく、表面に露出する部分（図１の例ではベース１１の裏面）に設けられれば、一部に設けられるだけで、大きな放熱効果を発揮する。
【００２４】
前述のように、本発明者は、半導体レーザで発生する熱を、熱伝導主体だけで放熱することに限界があり、また、従来の金属表面を凸凹にして熱輻射による放熱では、放射率が非常に低いため、充分に熱放散をすることができないことに鑑み、放射率を高くしてレーザチップで発生する熱を放散させるため、鋭意検討を重ねた。その結果、従来の金属表面を金属のままで凸凹にしても、金属は反射率が大きいため、金属の表面で熱が反射して金属内部に戻り、外部に放散され難く、十分な放熱効果を得ることができず、とくに非金属で反射率の低い材料を用いて、表面に凸凹が形成されるように、粒子もしくは微粉末体の集合体が金属部分の露出面に被膜形成されることにより、飛躍的に放射率を向上させることができ、半導体レーザのような非常に小形で発熱しやすく、プラスティック製のホルダーや光ピックアップなどに搭載されて熱伝導が悪い場合でも、十分な放熱により安定した電気特性を維持することができることを見出した。
【００２５】
本発明者は、前述の放熱被膜の材料、表面状態、および放熱被膜の厚さなどによる放熱特性の影響を調べた。この放熱特性の評価については、放射率と熱抵抗の２つの方法で確認をした。
【００２６】
放射率は、物体の表面から放射される熱を黒体の熱放射に対する比として表したもので、たとえば図３に示されるように、パッケージングされた半導体レーザなどのサンプル５０を、精密に温度制御がなされ、その温度を温度計５２により表示し得るヒートブロック５１上に載置して、サンプル５０をヒートブロック５１の温度と同じ温度になるように暖める。この場合、サンプルが図１に示されるような円筒状とか凸凹のある場合には、その形状に合せた形状のヒートブロック５１を形成して、密着させることにより同じ温度にする。サンプル５０の表面の一点から出た一定の立体角内の赤外線をサーモパイル５３上に集光して、その電位差を求め、換算部５４を経て温度を表示する温度表示計５５からなる放射温度計により温度表示がなされる。そして、サーモパイル５３による温度表示計５５と熱電対による温度計５２との値が一致するように、換算部５４でサーモパイル５３の出力に掛けられる換算係数の中の放射率が調整される。
【００２７】
このときの放射率により、そのサンプルの熱放射の特性を知ることができる。一般的に、全ての物体はその温度に応じた熱振動をしており、原子の熱振動は室温で赤外線、高温で可視光線を出している。これが熱放射で、黒体の熱放射量を１として、実際の物体の放射量と黒体の熱放射量の比を放射率と定義し、放射率εはε＝１−Ｒの関係がある。ここにＲは反射率で、金属のような導体中に電磁波は入らないという性質から赤外線の反射率が高く、したがって金属の放射率εは低い。換言すると、放射率が１であれば、サンプルの温度に対応した赤外線が放射されていることになり、放射率が小さいということは、サンプルの温度が高いにも拘わらず、その温度に対応した赤外線が放射されていないことを示しており、熱放射の程度の目安になる。
【００２８】
このようにして求められる放射率は、ＡｌＧａＡｓ系を活性層にした７８０ｎｍ用のキャンタイプの半導体レーザ（図１に示されるベース１１の裏面）で、放射被膜が設けられない状態では０.０９であったものが、たとえばカーボン粒子からなる黒色顔料をシリコーン樹脂と混練し、有機溶媒に溶かした黒色塗料を、図１に示される構造の半導体レーザのステム１１の裏側に塗布して乾燥させることにより、放射被膜９を３μｍの厚さ形成した（以下、黒色塗料により放射被膜を形成することを単に黒色処理ともいう）ときには、０.８７と向上した。
【００２９】
また、前述の半導体レーザのステム裏面側（ベース１１の裏面）に、Ａｌ2Ｏ3の微粉末をシリコーン樹脂と混練し、有機溶媒に溶かした白色塗料を同様に３μｍ程度の厚さに塗り（以下、白色塗料により放射被膜を形成することを単に白色処理ともいう）、乾燥後放射率を測定したら０.３７となり、白色でも被膜を設けない場合より放射率は４倍程度と大幅に向上した。この放射被膜９の形成を、たとえば図１に示されるように、キャップ５の側壁など、できるだけ多くの面積に設けることにより、レーザチップで発生する熱を放散させやすく、このような白色処理でも、ＣＤ用、ＤＶＤ用などの半導体レーザを、熱伝導させない状態で１００時間連続動作させても、出力の低下や特性の劣化は１００個行って一切生じなかった。
【００３０】
つぎに、熱抵抗の測定の検討結果について述べる。熱抵抗の測定は、パルスΔＶ法を用いた。パルスΔＶ法で測定するには、つぎのように行う。たとえば図４に示されるように、ＩFが３０ｍＡ、パルス幅がｔｗの負荷パルスの前後にパルス幅１μｓｅｃ、ＩFが１ｍＡの微小パルスを用い、負荷パルスを印加する前後の微小パルスによる電圧を測定する。温度の変化がなければ、微小パルスを印加する前後の電圧は一定であるが、負荷パルスにより熱が発生して温度が高くなると電圧が下がり、電圧降下ΔＶFが発生する。この電圧変化の温度係数（∂Ｖ／∂Ｔ）は、半導体材料により既知であり、たとえばＩｎＧａＡｌＰ系の温度係数は−１.６３ｍＶ／℃（低下）であるため、電圧降下ΔＶF、そのときの電圧ＶFを測定すれば、定電流であるパルス電流ＩFを用いて、式（１）により熱抵抗Ｒthが得られる。したがって、レーザチップの動作により温度が上昇しても、その熱が直ちに放散されれば、負荷パルスの印加によるレーザチップの温度が余り上昇しないことになり電圧降下ΔＶFは小さくなる。しかし、温度の放散が充分ではない場合には、負荷パルスの印加による温度上昇がそのまま反映して電圧降下ΔＶFが大きくなる。
【００３１】
【数１】
2005229004.tif 000003
【００３２】
今、波長が６５０ｎｍで赤色発光用のＩｎＧａＡｌＰ系化合物を用いてレーザチップを製造し、パッケージは図１に示される構造の半導体レーザを作り、前述のように、ステム裏面（ベース１１の裏面）に何も処理を施さない場合と、ステムの裏面に前述と同様の黒色処理を行った場合とで、パルスΔＶ法により電圧降下ΔＶFの違いを調べた。負荷パルスのパルス幅ｔwを１００μｓ（マイクロ秒）、１ｍｓ（ミリ秒）、１０ｍｓ、１００ｍｓ、１ｓ（秒）、１０ｓの場合で、それぞれの熱抵抗Ｒthを調べた。なお、半導体レーザは熱伝導による熱放散の影響をできるだけ避けるため、レーザビームの出射方向には構わず、プラスティックソケットにリードの途中まで差し込み半導体レーザが空中で浮いた状態で測定をした。さらに、熱抵抗はパルス印加による過渡的変化の測定であるため、多少測定系に起因する値のバラツキが生じることを考慮して、同一条件で１０回測定した。その結果を、図５（ａ）に黒色処理を施した場合、図５（ｂ）に何の処理も施さない場合とで対比して示した。なお、ラインは１０回の平均値を示し、それぞれの測定値の標準偏差が幅で示されている。
【００３３】
図５から、負荷パルスのパルス幅ｔwが小さい場合は、黒色処理の有無に関係なく熱抵抗は殆ど同じであるが、パルス幅が大きくなると熱抵抗に差が出てくる。これは、負荷パルスの印加によりレーザチップが動作し、レーザチップのｐｎ接合で発生した熱パルスは、パルス幅が小さい場合は半導体レーザのチップのみを暖めるだけの熱量になるが、パルス幅が大きくなると共に、サブマウント、ヒートシンク、ステムのベース面と、熱パルスによる熱が広がり、０.１秒のパルスでステムの裏面に熱が到達し始め、パルス幅が１０秒では５.６φのステムの裏面全体に熱パルスの熱が到達することが、熱解析シミュレーションで求められ、その結果とほぼ符合している。すなわち、ステムのベース裏面に熱が伝わる状態でなければ、ベース裏面に施した黒色処理の影響は現れないからである。
【００３４】
熱解析シミュレーションは、図７（ａ）に縦断斜視図が示されるように、ＳＰＣＣ（冷間圧延鋼板）からなり、１.２ｍｍ厚で、外径が５.６ｍｍφのベース１１と一体に形成されたヒートシンク１２に、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｌＰ系半導体層で形成されたレーザチップ２をＡｌＮからなるサブマウント３を介してマウントしたモデルを用いて、２.３Ｖ、３５ｍＡの入力でパルス幅を変えたときのステム全体の温度変化をシミュレーションした。なお、リード１３、１４はコバールからなり、リード１３はガラス１６を介してベース１１に固定され、リード１４は溶接により直接ベース１１に固定されている。このモデルで、パルス幅が約１ｍｓでは、レーザチップ２が３６℃程度になるだけで、ヒートシンク１２およびベース１１には殆ど温度変化はなく、約１００ｍｓでは、図７（ｂ）で、レーザチップ２が４０℃程度で、Ｂ部分が２９℃程度になるだけで他は殆ど温度が変らず、約１ｓのパルス幅にすると、図７（ｃ）に示されるレーザチップ２が４２℃程度で、領域Ｃ１が３０℃程度、領域Ｃ２が２８℃程度、領域Ｃ３が２７℃程度、パルス幅を約１０ｓにすると、図７（ｄ）に示されるレーザチップ２が５８℃程度、領域Ｄ１が４５℃程度、領域Ｄ２が４２℃程度となり、ベース１１の全体およびリード１３、１４の根元部（領域Ｄ３）が充分に温度が上昇することを示している。すなわち、この熱解析によるシミュレーションと、前述の熱抵抗の測定とが傾向としてほぼ符合する。
【００３５】
図５の（ａ）と（ｂ）とを比較すると、１００μｓおよび１ｍｓでは両方の測定値は一致するが、１０ｍｓパルスでやや黒色処理が施された（ａ）の熱抵抗が小さくなっている。１０ｍｓ以上のパルス幅のときにおける熱抵抗の差を表１にまとめる。
【００３６】
【表１】
2005229004.tif 000004
【００３７】
表１より、シミュレーションの計算の場合には１００ｍｓではベースの温度変化が殆ど現れないのに対して、１０ｍｓおよび１００ｍｓでも熱抵抗の差が現れ、やや短いパルスから効果が現れ始めているが、パルス幅が１０秒のパルスで熱抵抗の低下が非常に顕著に現れ、黒色処理の効果が非常に大きいことが分る。
【００３８】
つぎに、レーザチップの活性層にＡｌＧａＡｓ系化合物を用いた７８０ｎｍのレーザチップを搭載した図１に示される構造の半導体レーザのステム（ベース１１）裏面に、Ａｌ2Ｏ3の微粉末をシリコーン樹脂と混練し、有機溶媒に溶かした白色塗料を塗布して乾燥した前述のサンプルで、パルス幅が１０秒の負荷パルスを印加したときの熱抵抗を、白色処理を行わない半導体レーザの同じ条件での熱抵抗と対比して図６に示した。前述のように、熱抵抗の測定には、測定系に起因するバラツキがあるため、１０回の測定を行い、その平均値と共に標準偏差の幅が示されている。図６から明らかなように、処理をしない従来構造のままでは、熱抵抗Ｒthが９２.５（℃／Ｗ）程度であったのが、白色処理を行ったものでは、８９（℃／Ｗ）程度になり、約４％の低下が見られた。半導体の材料系は異なるが、前述の黒色処理に比べて熱抵抗の低下の割合は小さいものの、確実に熱抵抗の低下が見られ、この例では、表面処理の条件が比較的単純で簡単な方法であるにも拘わらず、確実に熱放散の効果を得ることができる。
【００３９】
以上のように、本発明者が鋭意検討を重ねた結果、熱放射の優れた放射被膜９を半導体レーザの表面、とくに露出する金属表面に設けることにより熱伝導に頼らなくても非常に熱放散をすることができ、半導体レーザがプラスティック製のホルダーや光ピックアップ内に組み込まれて熱伝導による放熱を期待し難く、しかも高出力化になっても、半導体レーザの出力の低下や特性劣化を防止することを見出した。そして、本発明者はさらに種々の材料、放射被膜を設ける場所、さらには放射被膜の厚さや表面状態などを種々変えて検討した結果、つぎの結論を得た。
【００４０】
まず、放射被膜の材料としては、前述のように、黒色のものを用いることが放射率を最も高くすることができるため好ましい。黒色の放射被膜を形成するには、前述のようにカーボン粒子をシリコーン樹脂に混ぜてペースト状にするのが、塗布により簡単に被膜形成することができて好ましい。しかし、カーボン粒子の他、チタン酸塩、クロム酸塩、マンガン酸塩、酸化銅などの黒色顔料を１種または数種類混ぜてシリコーン樹脂に混ぜてペースト状にしても同程度の効果が得られた。また、シリコーン樹脂の他にも、エポキシ樹脂などに混ぜてペースト状にすることもできる。
【００４１】
また、前述の白色処理でも効果があり、白色にする場合、前述のＡｌ2Ｏ3微粉末の他に、ＳｉＯ2などの微粉末をシリコーン樹脂と混練し、有機溶媒に溶かしてペースト状にして塗布することにより形成されてもよい。このような白色にすると、前述のように、熱放射の効果は黒色処理に比べてやや低下するが、従来の処理を行わないものに比べると、放射率が４倍以上に向上し、しかも見栄えがきれいであるため、外観が問題にされる場合にはとくに効果がある。
【００４２】
このように、放射被膜は黒色であることがとくに放射率が高くなり優れているが、白色でも赤外領域での反射率は低いので、放射率を上げられることができる。なお、茶色や灰色にしても同様に金属表面に比べて放射率を向上させることができ、セットに合せて所望の色で形成しながら、熱放射を改良することができる。このような茶色や灰色にするには、たとえばクロム酸亜鉛、酸化鉄などの顔料を同様にシリコーン樹脂などによりペースト状にして塗布することにより得られる。
【００４３】
また、放射被膜９を設ける場所に関しては、前述のように、ステム１のベース１１裏面に設けるのが最も効果的である。これは、ベース１１は、半導体レーザチップがマウントされる部分と金属で接続されて外部に露出する最も近い部分であるため、熱源に一番近いからである。しかし、金属部分であれば熱伝導がよく、金属に伝わった熱は熱源から離れても比較的早く移動するため、金属の表面であればどこでもよい。金属の表面でないと、放射被膜を設けてもその放射被膜までの熱伝導が充分に行われないため、熱放射に寄与し難いためである。図１に示されるように、金属部分で可能な場所にできるだけ多く設けることが好ましく、キャップ５の外表面、リード１３〜１５の外表面、ベースの外表面、ヒートシンクの露出面などに設けることができる。
【００４４】
この場合、図１に示される例では、キャップ５の頂部、ベース１１のキャップ５側表面、リード１３〜１５の先端部には塗布されていないが、これはつぎの理由による。キャップ５の頂部は、レーザビームを出射させる窓部５ａがあり、その窓部５ａに被膜が付着するとレーザ特性が低下するためで、窓部５ａに付着させない限り、できるだけ表面に放射被膜９を設けることができる。また、ベース１１のキャップ側表面に設けられていない理由は、一般的にベースの表面がホルダーや光ピックアップなどに搭載される際に、基準面としてホルダーなどに密着される場合が多いためで、ホルダーなどに取付られた後に、プラスティックなどで被覆されないで外部に露出する面でなければその効果が大きく低下すると共に、基準面としての精度も低下するからである。しかし、基準面として用いられなければ、ベースの露出面全面に設けることができる。さらに、リード１３〜１５の先端に設けられていないのは、リードの先端は一般的にハンダ付けされるため、非導電性が多い放射被膜を設けるのは好ましくないからである。
【００４５】
前述の基準面など、ホルダーや光ピックアップなどセット側と接触する部分に放射被膜を設けても効果がないという観点からは、ホルダーや光ピックアップなどに半導体レーザを搭載した半導体レーザユニットの状態で、半導体レーザの露出している金属面に放射被膜を設けることが好ましい。前述のように、黒色顔料などをシリコーン樹脂などによりペースト状にして塗布し乾燥すればよいため、半導体レーザユニットを形成した後でも、簡単に放射被膜を設けることができる。
【００４６】
また、図１に示される例では、ヒートシンク３にも放射被膜９が設けられ得ることが示されているが、ヒートシンク３は一番温度が早く上昇しやすい場所であり、金属部を介してステムに伝導しやすいものの、その一部を熱放射によりキャップ５に直接吸収させ、キャップ５の外表面から熱放散をさせることができるため、キャップ５内であっても熱放散の効果はある。
【００４７】
さらに、前述の例のように、微粉末や粒子をペースト状にして被膜を形成することにより、表面の凹凸が１〜５μｍ程度の凹凸に形成され、表面での反射率が低下し、放射率を向上させることができた。すなわち、金属板のように表面が平坦面であると、非常に反射率が高くなるが、凸凹になっていることにより反射率が低下して、放射率を高くすることができる。凹凸をこれ以上大きくすると、凹凸の効果が減ると共に、被膜が厚くなり過ぎて、却って放射率を低下させる。また、凹凸を１μｍより小さくすると、反射率をそれほど低下させることができない。放射被膜の厚さは、１〜１０μｍ程度が良好であった。１μｍより薄いと塗布して形成するのが困難であると共に、透けて金属表面が露出しているのと余り変らず、また、放射被膜を厚くすると、金属材料から放射被膜表面への熱伝導が低下するため、１０μｍより厚くすると熱放散の効果が低下する（放射率ではベースの温度より表面温度が低下するため放射率が下がり、熱抵抗でも熱放散が充分でないため余り熱抵抗が下がらない）。
【００４８】
前述の図１に示される例は、キャンパッケージの半導体レーザの例であったが、リードフレームを用いて樹脂により各リードを固定する樹脂パッケージの半導体レーザにも同様に適用することができる。その例が図２に示されている。
【００４９】
図２において、一端部にダイパッド２４ａが形成された板状のリード２４と他の板状のリード２３、２５が樹脂部２６により固定された後に、各リード２３〜２５が図示しない板材からなるリードフレームから分離されている。このダイパッド２４ａ上に前述の図１に示される例と同様のサブマウント３を介してレーザチップ２がマウントされており、図示しないワイヤによりリード２３と一方の電極が接続され、他方の電極はダイパッド２４ａを介してリード２４と接続されている。また、前述の例と同様に、サブマウント３にはモニター用の受光素子４が設けられ、図示されていないが、リード２４と２５との間に両電極が接続されている。すなわち、図１のヒートシンクに代えてダイパッド２４ａが、キャップに代えて樹脂部２６が設けられている点で異なるが、レーザチップ２および受光素子４の部分は図１に示される例と同じで、前述と同様に用途に応じて種々のレーザチップが用いられる。この例では、ダイパッド２４ａと連続して樹脂部２６の外部に放熱フィン２４ｂ（ダイパッドもしくはリードと接続して設けられる金属片）が設けられているが、このような放熱フィンは設けられなくてもよい。また、前述の例も含めて、受光素子４が設けられない場合もある。
【００５０】
この例では、金属部分はリードフレームから形成されたダイパッド２４ａ、放熱フィン２４ｂおよびリード２３〜２５しかないため、これらの露出部に放射被膜９（図では点々で示されている）が設けられることになる。この場合もリード２３〜２５の先端部のハンダ付け部や、樹脂部２６内のリード端部もしくはダイパッド２４ａにおける、ワイヤボンディング部やダイボンディング部には、放射被膜９を設けることは適当ではないが、その他の露出部には熱放射膜９を設けることができる。樹脂部２６の表面にも設けても構わないが、前述のように、樹脂部２６にはレーザチップ２で発生した熱が伝達し難いため、効果は下がる。
【００５１】
本発明によれば、半導体レーザのパッケージが直接金属などの熱伝導性の優れた材料と接触していなくても、熱放射により放熱をすることができるため、レーザチップで発生した熱を効率的に放熱することができる。とくに、最近の半導体レーザを使用するセットの光源としての位置決め精度は高いものが要求され、高精度の成型プラスティックを用いた光学ユニットが量産されており、半導体レーザの前面当て付け面や側面嵌合面の伝熱性が悪い場合でも、効率的に放熱をすることができる。その結果、高出力化されてレーザチップの発熱量が大きくなっても、半導体レーザの出力が低下したり、特性が劣化するという問題を生じなくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明による半導体レーザの一実施形態を示す説明図である。
【図２】本発明による半導体レーザの他の実施形態を示す説明図である。
【図３】本発明の効果を確認する熱放射率の測定回路のブロック図である。
【図４】本発明の効果を確認する熱抵抗の測定概念を示す図である。
【図５】本発明の半導体レーザの熱抵抗と、従来の構造の熱抵抗を示す図である。
【図６】本発明による半導体レーザの他の構成による熱抵抗と、従来の構造の熱抵抗を示す図である。
【図７】ステムにレーザチップをマウントして、パルス入力を印加した場合のパルス時間による熱伝導の様子をシミュレーションしたときの説明図である。
【符号の説明】
【００５３】
１    ステム
２    レーザチップ
３    サブマウント
５    キャップ
９    放射被膜
１１    ベース
１２    ヒートシンク
１３〜１５    リード
２３〜２５    リード
２４ａ    ダイパッド
２４ｂ    放熱フィン
【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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