(57)【要約】【課題】  半導体装置の特性向上を図ることができ、高い熱伝導率を確保すると共に、線熱膨張率を調整したダイヤモンドサブマウント構造を提供する。【解決手段】半導体レーザ装置は、半導体素子と、該半導体素子を搭載するサブマウント部とを有し、該サブマウント部は、第１のサブマウント材と第２のサブマウント材が交互に配置され、該第１のサブマウント材の線熱膨張率は半導体素子より小さく、該第２のサブマウント材の線熱膨張率は、該半導体素子、及び、該第１のサブマウント材より大きく、室温でも、接合材との接合温度でも、第１のサブマウント材の全長と第２のサブマウント材の全長の和が半導体素子の全長と等しい関係にある。【選択図】  図１
2013211303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
該半導体素子を搭載するサブマウント部と、
を備えた半導体レーザ装置において、
前記サブマウント部は、前記半導体素子と線熱膨張率の異なる１個以上の第１のサブマウント材と、該半導体素子、及び、該第１のサブマウント材より線熱膨張率が大きい１個以上の第２のサブマウント材とから成り、
該半導体素子と該第１のサブマウント材とは接合材を介して接合され、
該第１のサブマウント材、及び、該第２のサブマウント材は、該半導体素子の長手方向に交互に配置されており、
該半導体素子の長さと線熱膨張率をそれぞれＬ（ｍｍ）、λ、該第１のサブマウント材の全長と線熱膨張率をそれぞれＬ１（ｍｍ）、λ１、該第２のサブマウント材の全長と線熱膨張率をそれぞれＬ２（ｍｍ）、λ１とすると、
Ｌ（ｍｍ）=Ｌ１（ｍｍ）＋Ｌ２（ｍｍ）                       （１）
Ｌ（ｍｍ）×λ＝Ｌ１（ｍｍ）×λ１＋Ｌ２（ｍｍ）×λ２      （２）
の２式を同時に満たすことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記半導体素子は、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）から成り、該半導体素子と接合されるサブマウントは、ダイヤモンドから成る第１のサブマウント材と銅から成る第2のサブマウント材とから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記サブマウント部は、複数の該第１のサブマウント材と、該第１のザブマウント材の間に配置された前記第２のサブマウント材と、から成り、該第１のサブマウント材は、前記半導体素子に形成された複数の発光部の近傍で接合材を介して支持するように配置され、該第２のザブマウント材は該半導体素子とは離間して配置されており、
該発光点の数をＮ、該発光点近傍を支持する該第１のサブマウント材の個々の幅をＤ１（ｍｍ）、該第２のサブマウント材の個々の幅をＤ２（ｍｍ）とするとき
Ｌ１（ｍｍ）＝Ｎ×Ｄ１（ｍｍ）              （３）
Ｌ２（ｍｍ）＝（Ｎ−１）×Ｄ２（ｍｍ）      （４）
成る式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に、半導体素子を搭載するサブマウント部を備えた半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子よりも線熱膨張率が小さい材料Ａの表裏面に、半導体素子よりも線熱膨張率が大きい材料Ｂを接合し、各材料の厚さを調整することにより、搭載する半導体素子の線熱膨張率に等しくなるようなサブマウント構造が提案されている。
【０００３】
例えば、図４に従来例として示した技術が特許文献１に記載されている。この図４によれば、サブマウント部３は、搭載する半導体素子２と線熱膨張率の異なるサブマウント基板７と、該サブマウント基板７の表面及び裏面に、前記サブマウント部３の線熱膨張率が前記半導体素子２の線熱膨張率に略等しくなるような厚さで被覆された第１の被覆層８、及び、第２の被覆層９を設けることにより、製造時における半導体素子２とサブマウント部３の接合前後の昇降温時及び半導体素子２動作中に発生する熱応力の残留応力を低減できる、とされている。
また、これらに使用される代表的な物質としては、サブマウント基板７に電気絶縁機能を有するダイヤモンド、窒化アルミがあり、サブマウント基板７の表裏面に被覆される第１の被覆層８と第２の被覆層９には、銅や金が使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２７８３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、図４に示したサブマウント部の構造において、半導体素子からの熱負荷が非常に大きい場合には、サブマウント基板７に、第１の被覆層に加えて第２の被覆層にも熱伝導率が大きい材料が選択される。具体的には、サブマウント基板７にダイヤモンド、第１と第２の被覆層には共に銅が使用される。ダイヤモンドは、線熱膨張率が低く、かつ、高剛性物質であるが、銅はダイヤモンドに対して線熱膨張率が高く、かつ、低剛性物質である。このため、線熱膨張率をＧａＡｓ系の半導体素子に合わせるには、銅製の第１の被覆層、並びに、同じく銅製の第２の被覆層の厚みを厚くする必要がある。ところが、係る構成によれば、半導体素子から受けた発熱量をヒートシンクへ排熱する能力が小さくなる。このため、熱伝導率の高いダイヤモンドをサブマウントに使用する利点が低下する、という問題がある。
【０００６】
本発明は、以上のような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、半導体レーザ装置の特性向上を図ることができ、高い熱伝導率を確保すると共に、線熱膨張率を調整したダイヤモンドサブマウント構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の半導体レーザ装置は、  半導体素子と、該半導体素子を搭載するサブマウント部と、を備えた半導体レーザ装置において、前記サブマウント部は、前記半導体素子と線熱膨張率の異なる１個以上の第１のサブマウント材と、該半導体素子、及び、該第１のサブマウント材より線熱膨張率が大きい１個以上の第２のサブマウント材とから成り、該半導体素子と該第１のサブマウント材とは接合材を介して接合され、該第１のサブマウント材、及び、該第２のサブマウント材は、該半導体素子の長手方向に交互に配置されており、該半導体素子の長さと線熱膨張率をそれぞれＬ、λ、該第１のサブマウント材の全長と線熱膨張率をそれぞれＬ１、λ１、該第２のサブマウント材の全長と線熱膨張率をそれぞれＬ２、λ１とすると、
Ｌ=Ｌ１＋Ｌ２                       （１）
Ｌ×λ＝Ｌ１×λ１＋Ｌ２×λ２      （２）
の２式を同時に満たすことを特徴とする半導体レーザ装置。
【０００８】
また、前記半導体素子は、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）から成り、該半導体素子と接合されるサブマウントは、ダイヤモンドから成る第１のサブマウント材と銅から成る第２のサブマウント材とから構成されていることを特徴とする。
【０００９】
更には、前記サブマウント部は、複数の該第１のサブマウント材と、該第１のザブマウント材の間に配置された前記第２のサブマウント材と、から成り、該第１のサブマウント材は、前記半導体素子に形成された複数の発光部の近傍で接合材を介して支持するように配置され、該第２のサブマウント材は該半導体素子とは離間して配置されており、
該発光点の数をＮ、該発光点近傍を支持する該第１のサブマウント材の個々の幅をＤ１（ｍｍ）、該第２のサブマウント材の個々の幅をＤ２（ｍｍ）とするとき
Ｌ１（ｍｍ）＝Ｎ×Ｄ１（ｍｍ）              （３）
Ｌ２（ｍｍ）＝（Ｎ−１）×Ｄ２（ｍｍ）      （４）
成る式を満たすことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体レーザ装置によれば、レーザダイオードなどの半導体素子の線熱膨張率とサブマウント部の線熱膨張率とを等価的に等しくできるので、レーザダイオードなどの半導体素子とダイヤモンドから成るサブマウント部との間に線熱膨張率の違いを緩和する金属被覆層が不要となり、効率良く半導体素子からの熱を排熱できる、といった効果がある。また、ダイヤモンドなど熱伝導率の高い物質からなるサブマウント部の排熱能力を最大限に発揮することが可能となり、半導体素子を効率良く冷却することで、高効率の半導体レーザ装置を提供できる、といった利点もある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施例に係わる半導体レーザ装置を示す説明用概略図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係わる半導体レーザ装置を示す説明用概略図である。
【図３】本発明の第３の実施例に係わる半導体レーザ装置を示す説明用概略図である。
【図４】従来の半導体レーザ装置におけるサブマウント構造の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の半導体レーザ装置は、例えば、ダイヤモンドから成る第１のサブマウント材と、銅から成る第２のサブマウント材とを複数個、交互に半導体素子の長手方向に並べ、線熱膨張率を調整したサブマウント部を有するものである。以下に具体的な実施例を示す。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施例であって半導体レーザ装置の概略を示す説明図である。図１において、本発明の半導体レーザ装置１は、半導体素子２と、該半導体素子２を搭載するサブマウント部３を備えている。該サブマウント部３は、該半導体素子２と線熱膨張率の異なる１個以上の第１のサブマウント材４（４１〜４５）と、該半導体素子２、及び、該第１のサブマウント材４より線熱膨張率が大きい１個以上の第２のサブマウント材５（５１〜５４）から成っている。また、前記半導体素子２と前記第１のサブマウント材４は、接合材１１を介して該半導体素子２と接合されている。更に、該第１のサブマウント材４と該第２のサブマウント材５は、隣接する該第１のサブマウント材４と該第２のサブマウント材５と、が接合された構造となっている。
【００１４】
ここにおいて、該半導体素子２と該第１のサブマウント材４とを接合材１１で接合する時、接合材１１が溶融する程度の温度まで加熱される。この接合時の温度をＴ１とすれば、半導体素子２やサブマウント部３を構成している材料の線熱膨張率をＴ１に乗じた値だけ材料が伸びることになる。仮に、ダイヤモンドと半導体のように線熱膨張率が異なる材料で接合時に各材料の長さが合致するように設計すれば、接合後に室温Ｔ０に戻る時点で各材料の線熱膨張率の差から長さ方向に大きな応力が発生することになる。そこで、本実施例では、室温Ｔ０でも、接合時の温度Ｔ１でも、該第１のサブマウント材４の全長と該第２のサブマウント材２の全長の和が該半導体素子２の全長に等しくなるように調整している。具体的には、該半導体素子２の線熱膨張率よりもが小さな線熱膨張率の該第１のサブマウント材４と、該半導体素子２の線熱膨張率よりも大きな線熱膨張率の該第２のサブマウント材２との長さを調整し、全長としては、熱膨張率差が相殺されて、該半導体素子２の線熱膨張率と等しくなるようにしている。言い換えれば、該半導体素子２の長さ、及び、線熱膨張率をそれぞれＬ（ｍｍ）、λ、とし、該第１のサブマウント材の全長、及び、線熱膨張率をそれぞれＬ１（ｍｍ）、λ１、該第２のサブマウント材の全長、及び、線熱膨張率をそれぞれＬ２（ｍｍ）、λ１とすると、
Ｌ（ｍｍ）=Ｌ１（ｍｍ）+Ｌ２（ｍｍ）                      （１）
Ｌ（ｍｍ）×λ=Ｌ１（ｍｍ）×λ１+Ｌ２（ｍｍ）×λ２      （２）
の２式を同時に満たす関係となるように長さと材料を設定している。
【００１５】
具体例として、ＧａＡｓ系半導体素子２（外形寸法  厚さ０．３ｍｍ×奥行０．３ｍｍ×全長３．６ｍｍ、発光点数５個、エッジエミッタタイプ）に対しては、以下のような寸法のものとなる。該サブマウント部３は、ダイヤモンド製の第１のサブマウント材１（外形寸法  幅０．５４３ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ×奥行０．３ｍｍ、５個）、  銅製の第２のサブマウント材２（外形寸法  幅０．２２２ｍｍ×厚さ０．２ｍｍ×奥行０．３ｍｍ、４個）から構成されている。また、該第１のサブマウント材が一端に配置され、次に該第２のサブマウント材を隣接させ、更に再度第１のサブマウント材を配置する。このように、交互に配置してサブマウント部３を構成する。言い換えると、銅製の第２のサブマウントが、ダイヤモンド製の第１のサブマウントで挟持され、該サブマウント部３を形成している。このとき、ＧａＡｓ系半導体素子２とダイヤモンド製の第１のサブマウント材１は、接合材を介して接合されるが、銅製の第２のサブマウント材は、該半導体素子２とは接合しておらず離間して配置されている。また、このサブマウント部３を形成する第１のサブマウント部は、全長３．６ｍｍのダイヤモンド板から外形寸法  幅０．５４３ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ×奥行０．３ｍｍの材料を切り出して５個に分断された材料とすることもできる。
【００１６】
図２は、本発明の第２の実施例であって半導体レーザ装置の概略を示す説明図である。図２において、本発明の半導体レーザ装置１は、半導体素子２と、該半導体素子２を搭載するサブマウント部３を備えている。該サブマウント部３は、該半導体素子２と線熱膨張率の異なる１個の第１のサブマウント材４と、該半導体素子２、及び、該第１のサブマウント材４より線熱膨張率が大きい１個以上の第２のサブマウント材５（５１〜５４）から構成されている。また、該半導体素子２と該第１のサブマウント材４は、接合材１１を介して該半導体素子２と接合されている。更に、該第１のサブマウント材４と該第２のサブマウント材５は、１個のダイヤモンド板材に形成されたスリット部に該第２のサブマウント材５が埋め込まれた構造となっている。
【００１７】
ここにおいて、図１の場合と同様に、前述の式（１）、（２）に従う。但し、該第１のサブマウント材１においては、半導体素子２と接合している部分（スリットの長さを除いた部分）を全長として採用する。すなわち、該半導体素子２の長さ、及び、線熱膨張率をそれぞれＬ（ｍｍ）、λ、とし、該第１のサブマウント材の全長（スリットの長さを除く）、及び、線熱膨張率をそれぞれＬ１（ｍｍ）、λ１、該第２のサブマウント材の全長、及び、線熱膨張率をそれぞれＬ２（ｍｍ）、λ１とすると、
Ｌ（ｍｍ）=Ｌ１（ｍｍ）+Ｌ２（ｍｍ）                      （１）
Ｌ（ｍｍ）×λ=Ｌ１（ｍｍ）×λ１+Ｌ２（ｍｍ）×λ２      （２）
の２式を同時に満たす関係となるように長さと材料を設定している。
【００１８】
具体例として、ＧａＡｓ系半導体素子２（外形寸法  厚さ０．３ｍｍ×奥行０．３ｍｍ×全長３．６ｍｍ、発光点数５個、エッジエミッタタイプ）に対しては、以下のような寸法のものとなる。該サブマウント部３は、ダイヤモンド製の第１のサブマウント材４として、外形寸法  厚さ０．３ｍｍ×奥行０．３ｍｍ×全長３．６ｍｍ、の１個の板状材料に、幅０．２２２ｍｍ×深さ０．２５ｍｍのスリットを４個設けた部材と、該第１のサブマウント材のスリットに銅製の第２のサブマウント材２（外形寸法  幅０．２２２ｍｍ×厚さ０．２ｍｍ×奥行０．３ｍｍ）を埋め込んだ形状である。このとき、ＧａＡｓ系半導体素子２とダイヤモンド製の第１のサブマウント材１は、接合材を介して接合されているが、銅製の第２のサブマウント材は、該半導体素子２とは接合しておらず離間して配置されている。また、このサブマウント構造３では、外形寸法  が厚さ０．３ｍｍ×奥行０．３ｍｍ×全長３．６ｍｍの第１のサブマウント材に形成されたスリットに対して、銅製の第２のサブマウント材２を埋め込むのでは無く、銅を蒸着又は銅メッキすることにより作製してもよい。
【００１９】
図３は、本発明の第３の実施例であって半導体レーザ装置の概略を示す説明図である。図３において、半導体レーザ装置１は、半導体素子２と該半導体素子２を搭載するサブマウント部３を備えている。本実施例では、該半導体素子２が複数の発光点（エミッター）２ａを持っているアレイ型素子であって、５個の発光点２ａを備えた場合を示している。また、第１のサブマウント材４は、該半導体素子２に形成された複数の発光点２ａの近傍で接合材１１を介して支持するように配置されている。すなわち、各発光点２ａから最短の位置を支持するために、該発光点２ａに対応するように（図中では該発光点２ａの直下）に該半導体素子２との間に接合材１１を介して複数の該第１のサブマウント材が配置されている。
【００２０】
これら複数の該第１のサブマウント材４の間に該第２のサブマウント材５を配置した構造において、該半導体素子２の発光点の数をＮ、発光点近傍を支持する該第１のサブマウント材４の各幅をＤ１（ｍｍ）、該第２のサブマウント材５の各幅をＤ２（ｍｍ）とすると、前記式（１）、（２）に加えて、Ｌ１（ｍｍ）とＬ２（ｍｍ）が以下に示す式の関係にある。
Ｌ１（ｍｍ）＝Ｎ×Ｄ１（ｍｍ）              （３）
Ｌ２（ｍｍ）＝（Ｎ−１）×Ｄ２（ｍｍ）      （４）
【００２１】
その他の構成については図１に示した第１の実施例の場合と同様に、該サブマウント部３は、該半導体素子２と線熱膨張率の異なる１個以上の第１のサブマウント材４（４１〜４５）と、該半導体素子２、及び、該第１のサブマウント材４より線熱膨張率が大きい１個以上の第２のサブマウント材５（５１〜５４）から構成されている。また、前記半導体素子２と前記第１のサブマウント材４は、接合材１１を介して該半導体素子２と接合されている。更に、該第１のサブマウント材４と該第２のサブマウント材５は、隣接する該第１のサブマウント材４と該第２のサブマウント材５と、が接合された構造となっている。更には、該半導体素子２の線熱膨張率よりもが小さな線熱膨張率の該第１のサブマウント材４と、該半導体素子２の線熱膨張率よりも大きな線熱膨張率の該第２のサブマウント材２との長さを調整し、全長としては、熱膨張率差が相殺されて、該半導体素子２の線熱膨張率と等しくなるようにしている。
【００２２】
このように、複数の発光点２ａを持つアレイ型の半導体素子であっても、上述の関係式（１）〜（４）までを満たすことによって、サブマウント部３にダイヤモンドを利用しても、半導体素子２との線熱膨張率差が無いサブマウント部３を提供できるので、該半導体素子２からの排熱を効率よく行うことができる、といった効果がある。また、ダイヤモンドなど熱伝導率の高い物質からなるサブマウント部３の排熱能力を最大限に発揮することが可能となり、半導体素子２を効率良く冷却することで、高効率の半導体レーザ装置１を提供できる、といった利点もある。
【符号の説明】
【００２３】
１    半導体レーザ装置
２    半導体素子
２ａ  発光点
２ｂ  金メッキ
２ｃ  金−スズ半田
３    サブマウント部
４    第１のサブマウント材
４１〜４５  第１のサブマウント材
５    第２のサブマウント材
５１〜５４  第２のサブマウント材
６    半導体装置  
７    サブマウント基板
８    第１の被覆層
９    第２の被覆層  
１１  接合材
【図１】
2013211303.tif 000003
【図２】
2013211303.tif 000004
【図３】
2013211303.tif 000005
【図４】
2013211303.tif 000006