(57)【要約】【課題】半導体レーザ素子と金属製ヒートシンクに接合する半導体レーザ素子用サブマウントについて、接合コストが低く、高い接合強度を有し、フラックスレス接合が可能な半導体レーザ用サブマウントを提供する。【解決手段】基板の表面に密着層、バリア層、電極層としてのＡｕ層がこの順番に積層されており、さらに上記電極層の表面にＧｅ層、Ｓｎを主成分とするＡ層、Ａｕ層、がこの順番に積層され、またはＳｎを主成分とするＡ層、Ｇｅ層、Ａｕ層がこの順番に積層されており、上記Ａ層は、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕから選択される少なくとも１種の元素を０．１質量％〜１５質量％含有し、残部がＳｎから成る合金で構成されたことを特徴とする半導体レーザ素子用サブマウント。【選択図】  図１
2005101102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に密着層、バリア層、電極層としてのＡｕ層がこの順番に積層されており、さらに上記電極層の表面にＧｅ層、Ｓｎを主成分とするＡ層、Ａｕ層、がこの順番に積層され、またはＳｎを主成分とするＡ層、Ｇｅ層、Ａｕ層がこの順番に積層されており、上記Ａ層は、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕから選択される少なくとも１種の元素を０．１質量％〜１５質量％含有し、残部がＳｎから成る合金で構成されたことを特徴とする半導体レーザ素子用サブマウント。
【請求項２】
基板の表面に密着層、バリア層、電極層としてのＡｕ層がこの順番に積層されており、さらに上記電極層の表面にＧｅ層、Ｓｎを主成分とするＡ層、Ｇｅ層、Ａｕ層がこの順番に積層されており、上記Ａ層は、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕから選択される少なくとも１種の元素を０．１質量％〜１５質量％含有し、残部がＳｎから成る合金で構成されたことを特徴とする半導体レーザ素子用サブマウント。
【請求項３】
前記Ｇｅ層の厚さが１×１０−３μｍ以上０.１μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子用サブマウント。
【請求項４】
前記基板が窒化アルミニウムを主成分とすることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子用サブマウント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子用サブマウントに係り、特に半導体レーザ素子の歩留り向上および製造コストの削減を可能にする半導体レーザ素子用サブマウントに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に半導体レーザ素子は、連続発振による発熱を放散するために熱放散材としてのヒートシンクに接合される。通常金属製であるヒートシンクと半導体レーザ素子とは熱膨張率に差が有り、この熱膨張率の不整合を解消するため、上記ヒートシンクおよび半導体レーザ素子と熱膨張率が近似した窒化アルミニウム（以下ＡｌＮと称する）等の物質を用いたサブマウントを介在させて熱応力を緩衝させる構造が採用されている。
【０００３】
このサブマウントとは、半導体レーザ素子とヒートシンクとの間に接合される基板であり、半導体レーザ素子における発熱を熱伝導によりヒートシンクに伝熱させる機能を有する部材である。
【０００４】
基板と回路部品等との接合には、フラックスを用いて接合面の酸化皮膜を除去しつつ接合することが一般的である。しかしながら、半導体レーザ素子の接合の場合、接合時の熱により蒸発したフラックスが半導体レーザ素子の発光面に付着し、発光不良の原因となることがある。そのため、この半導体レーザ素子とサブマウントと金属製ヒートシンクとは、フラックスを使用せずに不活性または還元性雰囲気で接合すること（フラックスレス接合）が一般的である。
【０００５】
従来、半導体レーザ素子とサブマウントと金属製ヒートシンクとを接合する際に使用する接合層としては、ＡｕにＳｎを２０質量％添加した合金（以下Ａｕ−２０Ｓｎ）や、ＳｎにＰｂを３７質量％添加した合金（以下Ｓｎ−３７Ｐｂ）等が使用されてきた。しかしながら、近年の鉛規制の影響により鉛を含まないＡｕ−２０Ｓｎが接合材料の主流となっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来から使用されているＡｕ−２０Ｓｎ接合層は、高コストであるという問題があった。またＡｕ−２０Ｓｎは、凝固収縮応力が大きく、接合後の残留応力により半導体レーザ素子の活性層にダメージを与えることもあり、こうした要因のため半導体レーザ素子の製造歩留りを低下させることもあった。
【０００７】
一方、Ａｕ−２０Ｓｎに替わる低コストで凝固収縮応力が低い鉛フリーの接合層としてＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｕ系等から成る接合層があるが、これらの材料はＳｎの含有量が多いため酸化しやすく、フラックスレス接合に適用するには技術的困難が多い。
【０００８】
さらに、半導体レーザ素子の最表面はＡｕ層であり、また金属性ヒートシンクの表面もＡｕめっきされていることが多く、接合層は上下面ともＡｕ層との接合となるが、この場合、Ｓｎベースの接合層を用いると、接合時に接合層とＡｕ層とが過剰に反応することにより、ＡｕＳｎ４等の脆弱な金属化合物を接合界面に形成しやすく、接合強度が低下するという問題もあった。
【０００９】
一般に、Ｓｎの酸化を抑制することによりフラックスレス接合が容易になることが知られている。Ｓｎの酸化を抑制する技術も従来実施されている。例えばＳｎの酸化を抑制するためにＧｅを添加する技術もある（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
上記文献の他に、従来、Ｓｎの酸化を抑制するために半田にＰを共存させる等の技術もあるが、こうした接合材は、温度条件が３００℃以上の高温で、反応時間が数秒である半導体レーザ素子の接合においてはＰが蒸発して半導体レーザ素子の発光面に付着することがあるため、半導体レーザ素子の接合に適した材料であるとはいえなかった。
【００１１】
また、上述した特許文献のようにＳｎの酸化抑制剤としてＧｅを添加した接合層もあるが、従来の接合技術においてＳｎの酸化抑制効果については述べられているものの、最表面がＡｕ層であるサブマウントや金属製ヒートシンクとのフラックスレス接合についての適合性に言及しているものはなかった。
【００１２】
従って、最表面がＡｕ層であるようなサブマウントや金属製ヒートシンクとの接合において十分な接合強度を有するＳｎベース接合層の開発が重要課題として認識されていた。
【００１３】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、半導体レーザ素子と金属製ヒートシンクに接合する半導体レーザ素子用サブマウントについて、接合コストが低く、高い接合強度を有し、フラックスレス接合に適した半導体レーザ用サブマウントを提供することを目的とする。
【特許文献１】特開２０００−３４３２７３号公報
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、上述した課題を解決するために、鋭意研究した結果、フラックスレス接合に適し、接合後の凝固収縮応力が小さく、高接合強度であり、さらに製造コストが低コストである半導体レーザ素子用サブマウントを完成した。
【００１５】
すなわち、本発明の半導体レーザ素子用サブマウントは、基材の表面に密着層，バリア層，電極層としてのＡｕ層がこの順番に形成され、さらに表面の一部または全部にＧｅ層を設け、このＧｅ層表面にＳｎを主成分とするＡ層を設け、さらにまたＧｅ層を一体に接合した後にＡｕ層を設けたものである。
【００１６】
すなわち、本発明の半導体レーザ素子用サブマウントは、Ｓｎを主成分とする合金からなるＡ層とＡｕとの接合界面にＧｅ層を設け、半導体レーザ素子用サブマウントの接合強度を向上したものである。
【００１７】
Ｇｅ層の表面にさらにＡｕ層を設ける構成としたのは、Ｇｅ層が直接空気に触れることにより酸化抑制効果が減少するため、Ａｕ層を配設することによりＧｅ層を保護するためである。このＡｕ層の厚さとしては、１μｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは、０．５μｍ以下である。
【００１８】
半導体レーザ素子用サブマウントの基材としては、ＡｌＮ，ＳｉＣ，ＤＬＣ（ダイヤモンド状カーボン），Ｓｉ，ＢｅＯ等の材料が使用可能であるが、熱膨張率、熱伝導率、材料コストおよび毒性等を考慮すると、ＡｌＮが最も好ましい。ＡｌＮの熱伝導率は１５０Ｗ／ｍ・ｋ以上であることが好ましく、また、熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・ｋ以上のＡｌＮであることがより好ましい。
【００１９】
Ａ層の組成については、主成分であるＳｎと、Ａｕ，ＡｇおよびＣｕから選択される少なくとも１種の元素とから構成され、Ａｕ，ＡｇおよびＣｕから選択される少なくとも１種の元素の組成が０．１質量％〜１５質量％であり、残部がＳｎである。すなわち、安価なＳｎを主成分とすることにより材料コストが低減される。
【００２０】
すなわちこのＡ層は、一般式Ｓｎ１００−ａ−Ｘａで表され、このＸはＡｕ，Ａｇ，Ｃｕから選択される少なくとも１種の元素で構成され、ａは質量％で０．１≦ａ≦１５を満たすものである。
【００２１】
また、Ｓｎに添加する元素をＡｕ，Ａｇ，Ｃｕに限定したのは、これらの材料とＳｎとの共晶点が１５質量％以下であり、また、ＢｉやＺｎ等と比較して酸化しにくい特性を有するためである。Ａｕ，ＡｇおよびＣｕから選択される少なくとも１種の元素のより好ましい組成の範囲は、０．１質量％〜１１質量％であり、この範囲内の組成とした場合、材料コストが安価であり、十分な酸化抑制効果が得られる。
【００２２】
本発明の半導体レーザ素子用サブマウントにおいて、Ｇｅ層の厚さは１×１０−３μｍ〜０．１μｍの範囲が好ましい。Ｇｅ層の厚さが１×１０−３μｍより薄いと、Ｇｅ層の均一な施工が困難であり、一方、Ｇｅ層の厚さが０．１μｍを超えると酸化層が厚くなりすぎるため接合が困難となるためである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の半導体レーザ素子用サブマウントによれば、接合コストが低く、高い接合強度を有し、フラックスレス接合が可能な半導体レーザ用サブマウントを提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明に係る半導体レーザ装置用サブマウントの実施形態について添付図面を参照して以下に説明する。
【００２５】
図１に本発明に係る半導体レーザ装置用サブマウントの一実施形態の断面模式図を示す。図１に示すように、この半導体レーザ装置用サブマウント１０は、基材１の表裏両面に密着層２、バリア層３、Ａｕ層４をこの順番に積層した後、さらにＧｅ層５を一体に接合してこのＧｅ層５の表面にＡ層６を設け、さらにＧｅ層７を設けた後にＡｕ層８を配設したものである。
【００２６】
なおこの図１に示した半導体レーザ素子用サブマウント１０において、Ｇｅ層５，Ａ層６，Ｇｅ層７，Ａｕ層８は、Ａｕ層４表面の部分的に設ける構成としたが、Ａｕ層４全面に設ける構成としても良い。
【００２７】
このＡ層６は、Ｓｎを主成分とする合金で構成され、Ｇｅ層により表面が保護されることにより、Ｓｎに優先してＧｅ層５およびＧｅ層７が酸化するので、接合時において重要な役割を有するＡ層６の酸化が効果的に抑制される。そのため、Ａｕ層４およびＡｕ層８とＳｎを主成分とするＡ層６との過剰な反応によるＡｕＳｎ４等の金属間化合物の生成が効果的に防止され、フラックスレス接合における歩留りが向上する。
【００２８】
なお半導体レーザ素子の生産時において、サブマウントと金属製ヒートシンクとを接合する際の操作条件は、温度が３００℃程度であり、接合時間が数秒程度であるため、Ｇｅ層５およびＧｅ層７を配設することによりＡｕ層４およびＡｕ層８とＡ層６とが過剰反応する前に接合が完了する。従って、半導体レーザ素子と金属製ヒートシンクとの接合面にサブマウントを介在させてフラックスレス接合により接合することが容易であり、また接合後の接合層の凝固収縮応力が小さく、高い接合強度を有する半導体レーザ素子とすることが可能である。
【実施例１】
【００２９】
図２に示すように、基材１１として熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・ｋ，厚さ０．５ｍｍの２インチＡｌＮ基板を用い、この基材１１に密着層１２としてＴｉ層を、バリア層１３としてＰｔ層を、さらにＡｕ層１４を蒸着によりそれぞれの層の厚さが０．１μｍ，０．２μｍ，０．５μｍとなるように一体に形成した。
【００３０】
さらに、一方のＡｕ層１４の表面に、Ｇｅ層１５，Ａ層１６，Ｇｅ層１７，Ａｕ層１８をこの順番に、それぞれの厚さが３×１０−２μｍ，３μｍ，３×１０−２μｍ，０．１μｍとなるように蒸着形成した。このＧｅ層１５，Ａ層１６，Ｇｅ層１７，Ａｕ層１８は、下記ダミーチップの接合面に合わせて５ｍｍ角の正方形となるようにパターニングして積層した。
【００３１】
このＡ層１６には、３．５質量％Ａｇと残部Ｓｎとからなる合金材料（Ｓｎ−３．５Ａｇ）を用いた。
【００３２】
このようにして作製した積層体をダイサーにより１ｍｍの角正方形に切断し、半導体レーザ素子用サブマウント２０を作製した。
【００３３】
次に、厚さ０．５ｍｍの２インチＡｌＮ基板製の基材２１の片面に密着層２２（Ｔｉ層），バリア層２３（Ｐｔ層），Ａｕ層２５をこの順番に、それぞれの層の厚さが０．１μｍ，０．２μｍ，０．５μｍとなるように蒸着し、この積層体をダイサーを用いて０．５ｍｍ角正方形に切断して半導体レーザ素子のダミーチップ３０を作製した。なお、ダミーチップ３０のＡｕ層２５を接合面とする。
【００３４】
上記により作製した半導体レーザ素子用サブマウント２０とダミーチップ３０とをマニュアルマウンタを用いて窒素雰囲気で温度条件５００℃，反応時間１秒で接合して、図２に示すような半導体レーザ素子用サブマウント２０とダミーチップ３０とが一体的に接合されたサンプルを得た。なお、マニュアルマウンタでの接合条件は以下の条件とした。
【００３５】
接合時の荷重：なし
接合時のスクラブ：なし（スクラブ：チップを動かしながらの接合方法）
接合時の雰囲気：窒素フロー
昇温パターン：室温から５０℃／１ｓｅｃの割合で昇温し、５００℃まで昇温したのち１ｓｅｃ保持し、５０℃／１ｓｅｃの割合で室温まで降温
このサンプルをダイシェアテスターにより試験し、ダミーチップが剥離した強度を測定し、さらにダミーチップの剥離箇所を目視し、半導体レーザ素子用サブマウントとダミーチップとの接合層の濡れ広がりを評価した。なおダイシェアテスターの試験は、ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３方法２０１９．４ダイせん断強度に規定される試験方法に適合した試験機器により実施した。
【実施例２】
【００３６】
Ａ層として６質量％Ａｇと残部Ｓｎとからなる合金材料（Ｓｎ−６Ａｇ）を用いた点以外は、実施例１と同様の製造方法により半導体レーザ素子用サブマウントとダミーチップとを作製し、実施例１と同様の試験方法により評価した。
【実施例３】
【００３７】
Ａ層として０．７質量％Ｃｕと残部Ｓｎとからなる合金材料（Ｓｎ−０．７Ｃｕ）を用いた点以外は、実施例１と同様の製造方法により半導体レーザ素子用サブマウントとダミーチップとを作製し、実施例１と同様の試験方法により評価した。
【実施例４】
【００３８】
Ａ層として１．２質量％Ｃｕと残部Ｓｎとからなる合金材料（Ｓｎ−１．２Ｃｕ）を用いた点以外は、実施例１と同様の製造方法により半導体レーザ素子用サブマウントとダミーチップとを作製し、実施例１と同様の試験方法により評価した。
【実施例５】
【００３９】
Ａ層として１０質量％Ａｕと残部Ｓｎとからなる合金材料（Ｓｎ−１０Ａｕ）を用いた点以外は、実施例１と同様の製造方法により半導体レーザ素子用サブマウントとダミーチップとを作製し、実施例１と同様の試験方法により評価した。
【実施例６】
【００４０】
Ａ層として１２質量％Ａｕと残部Ｓｎとからなる合金材料（Ｓｎ−１２Ａｕ）を用いた点以外は、実施例１と同様の製造方法により半導体レーザ素子用サブマウントとダミーチップとを作製し、実施例１と同様の試験方法により評価した。
【比較例１】
【００４１】
図３に示すように、基材１１として熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・ｋ，厚さ０．５ｍｍの２インチＡｌＮ基板を用い、この基材１１に密着層１２としてＴｉ層を、バリア層１３としてＰｔ層を、さらにＡｕ層１４を蒸着によりそれぞれの層の厚さが０．１μｍ，０．２μｍ，０．５μｍとなるように一体に形成した。
【００４２】
さらに、Ａｕ層１４の表面にＡ層１６を厚さ３μｍとなるように蒸着形成した。このＡ層１６は、３．５質量％Ａｇと残部Ｓｎとからなる合金材料を用いた。このＡｕ層１６は、下記ダミーチップの接合面に合わせて５ｍｍ角の正方形となるようにパターニングして積層した。
【００４３】
このようにして作製した積層体をダイサーにより１ｍｍ角の正方形に切断し、半導体レーザ素子用サブマウント４０を作製した。
【００４４】
次に、厚さ０．５ｍｍの２インチＡｌＮ基板製の基材２１の片面に密着層２２（Ｔｉ層），バリア層２３（Ｐｔ層），Ａｕ層２５をこの順番に、それぞれの層の厚さが０．１μｍ，０．２μｍ，０．５μｍとなるように蒸着し、この積層体をダイサーを用いて０．５ｍｍ角の正方形に切断して半導体レーザ素子のダミーチップ３０を作製した。なお、ダミーチップ３０のＡｕ層２５を接合面とする。
【００４５】
上記製法により作製した半導体レーザ素子用サブマウント４０とダミーチップ３０とをマニュアルマウンタを用いて窒素雰囲気で温度条件５００℃，反応時間１秒で接合した。このようにして得られたサンプルをダイシェアテスターにより試験し、ダミーチップが剥離した箇所を目視し、半導体レーザ素子用サブマウントとダミーチップとの接合層の濡れ広がりを評価した。
【００４６】
マニュアルマウンタの運転条件およびダイシェアテスターによる試験方法については、実施例１と同様に実施した。
【比較例２】
【００４７】
Ａ層として６質量％Ａｇと残部Ｓｎとからなる合金材料（Ｓｎ−６Ａｇ）を用いた点以外は、比較例１と同様の製造方法により半導体レーザ素子用サブマウントとダミーチップとを作製し、実施例１と同様の試験方法により評価した。
【比較例３】
【００４８】
Ａ層として０．７質量％Ｃｕと残部Ｓｎとからなる合金材料（Ｓｎ−０．７Ｃｕ）を用いた点以外は、比較例１と同様の製造方法により半導体レーザ素子用サブマウントとダミーチップとを作製し、実施例１と同様の試験方法により評価した。
【比較例４】
【００４９】
Ａ層として１．２質量％Ｃｕと残部Ｓｎとからなる合金材料（Ｓｎ−１．２Ｃｕ）を用いた点以外は、比較例１と同様の製造方法により半導体レーザ素子用サブマウントとダミーチップとを作製し、実施例１と同様の試験方法により評価した。
【比較例５】
【００５０】
Ａ層として１０質量％Ａｕと残部Ｓｎとからなる合金材料（Ｓｎ−１０Ａｕ）を用いた点以外は、比較例１と同様の製造方法により半導体レーザ素子用サブマウントとダミーチップとを作製し、実施例１と同様の試験方法により評価した。
【比較例６】
【００５１】
Ａ層として１２質量％Ａｕと残部Ｓｎとからなる合金材料（Ｓｎ−１２Ａｕ）を用いた点以外は、比較例１と同様の製造方法により半導体レーザ素子用サブマウントとダミーチップとを作製し、実施例１と同様の試験方法により評価した。
【００５２】
上記実施例１〜実施例６および比較例１〜比較例６の半導体レーザ素子用サブマウントとダミーチップとの接合強度および半導体レーザ素子用サブマウントの濡れ広がりについての評価結果について表１にまとめて示す。
【００５３】
なお、接合強度とは、ダイシェアテスターによりダミーチップに付与した荷重により半導体レーザ素子用サブマウントとダミーチップとが分離した荷重をもって接合強度とした。また、半導体レーザ素子用サブマウントとダミーチップとの分離面において接合層の濡れ広がりがダミーチップの接合面の全面である場合を○とし、ダミーチップ接合面に対して部分的である場合を×とした。
【表１】
2005101102.tif 000003
【００５４】
表１に示す評価結果に明らかなように、実施例１〜実施例６の半導体レーザ素子用サブマウントは、比較例１〜比較例６の半導体レーザ素子用サブマウントに比較して濡れ広がりが良好であり、実施例の半導体レーザ素子用サブマウント接合強度は、同等の組成のＡ層を有する比較例の半導体レーザ素子用サブマウントに対して３〜１０倍の強度を有することが判明した。また、実施例１の半導体レーザ素子用サブマウントは、特に接合強度に優れており、同等の組成を有する比較例１の半導体レーザ素子用サブマウントと比較して３倍以上の接合強度を備えている。
【００５５】
すなわち、上記した評価結果により、本発明に係る半導体レーザ素子用サブマウントの優位性が明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の半導体レーザ素子用サブマウントの断面模式図。
【図２】実施例の半導体レーザ素子用サブマウントとダミーチップとを接合した状態を示す断面模式図。
【図３】比較例の半導体レーザ素子用サブマウントとダミーチップとを接合した状態を示す断面模式図。
【符号の説明】
【００５７】
１  基材
２  密着層
３  バリア層
４  Ａｕ層
５  Ｇｅ層
６  Ａ層
７  Ｇｅ層
８  Ａｕ層
１０  半導体レーザ素子用サブマウント
１１  基材
１２  密着層
１３  バリア層
１４  Ａｕ層
１５  Ｇｅ層
１６  Ａ層
１７  Ｇｅ層
１８  Ａｕ層
２０  半導体レーザ素子用サブマウント
２１  基材
２２  密着層
２３  バリア層
２５  Ａｕ層
３０  ダミーチップ
４０  半導体レーザ素子用サブマウント
【図１】
2005101102.tif 000004
【図２】
2005101102.tif 000005
【図３】
2005101102.tif 000006