(57)【要約】【課題】半導体レーザ素子の発熱を高い効率で放熱することができ、しかも、チップに発生する熱歪を抑制することができる半導体装置を提供する。【解決手段】本発明の半導体装置は、複数の半導体レーザ素子を有するチップがサブマウント構造体に設けられてなる半導体装置であって、前記サブマウント構造体は、基体と、この基体の表面に形成された、当該基体の表面に沿って多数の支持要素に分割されたダイヤモンド層とを有してなり、前記チップが前記ダイヤモンド層上に固定されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体レーザ素子を有するチップがサブマウント構造体に設けられてなる半導体装置であって、
前記サブマウント構造体は、基体と、この基体の表面に形成された、当該基体の表面に沿って多数の支持要素に分割されたダイヤモンド層とを有してなり、
前記チップが前記ダイヤモンド層上に固定されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記サブマウント構造体における基体は、前記チップを構成する材料の線熱膨張係数と同一または近似する線熱膨張係数を有する材料よりなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記チップは、複数の半導体レーザ素子が一方向に並ぶよう配置された長尺なものであり、
前記ダイヤモンド層における支持要素の各々は、前記チップの長手方向に沿って並ぶよう形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ダイヤモンド層における支持要素の各々は、当該支持要素上に前記チップにおける一つの半導体レーザ素子が位置するよう当該半導体レーザ素子の各々に対応して形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の半導体レーザ素子を有するチップがサブマウント構造体に設けられてなる半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置においては、その使用時に半導体レーザ素子に発熱が生じ、この発熱による温度変化によって、当該半導体レーザ素子の特性が変化する。例えば半導体レーザ素子においては、温度変化によって、発振波長が変化したり発光強度が変化したりする。そして、半導体レーザ装置においては、その使用時に半導体レーザ素子に生じる発熱を高い効率で放熱するために、当該半導体レーザ素子が搭載されるサブマウント構造体を構成する材料として、熱伝導率の高い材料例えばダイヤモンドを用いる技術が知られている。例えば特許文献１には、ダイヤモンドよりなるサブマウント構造体上に、湿潤層、障壁層および適合層を介して、半導体レーザ素子が設けられてなる半導体レーザ装置が開示されており、特許文献２には、互いに隣接して配置された、ダイヤモンドよりなる２つのサブマウント構造体上に、半導体レーザ装置が設けられてなる半導体レーザ装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２１３７１３号公報
【特許文献２】特開２００３−８６８７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ダイヤモンドは、その線熱膨張係数が半導体レーザ素子を構成する材料、例えばＧａＡｓ系化合物の線熱膨張係数に対して差が大きいものである。そのため、半導体レーザ装置の製造工程において、例えばＡｕＳｎハンダによってチップをサブマウントに接合する際の加熱によって、当該チップには大きな熱歪が発生する。または、半導体レーザ装置を使用した際の半導体レーザ素子の発熱により熱履歴を受け、チップおよびダイヤモンド層の各々の熱膨張量および熱収縮量の差に起因して、当該チップには大きな熱歪が発生する。これらの熱歪により、チップにクラックが生じる、という問題がある。
【０００５】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、半導体レーザ素子の発熱を高い効率で放熱することができ、しかも、チップに発生する熱歪を抑制することができる半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の半導体装置は、複数の半導体レーザ素子を有するチップがサブマウント構造体に設けられてなる半導体装置であって、
前記サブマウント構造体は、基体と、この基体の表面に形成された、当該基体の表面に沿って多数の支持要素に分割されたダイヤモンド層とを有してなり、
前記チップが前記ダイヤモンド層上に固定されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明の半導体装置においては、前記サブマウント構造体における基体は、前記チップを構成する材料の線熱膨張係数と同一または近似する線熱膨張係数を有する材料よりなることが好ましい。
また、前記チップは、複数の半導体レーザ素子が一方向に並ぶよう配置された長尺なものであり、
前記ダイヤモンド層における支持要素の各々は、前記チップの長手方向に沿って並ぶよう形成されていることが好ましい。
また、前記ダイヤモンド層における支持要素の各々は、当該支持要素上に前記チップにおける一つの半導体レーザ素子が位置するよう当該半導体レーザ素子の各々に対応して形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の半導体装置によれば、サブマウントに熱伝導率の高いダイヤモンド層が形成されており、当該ダイヤモンド層上にチップが固定されているため、半導体レーザ素子の発熱を高い効率で放熱することができる。しかも、ダイヤモンド層は、基体の表面に沿って多数の支持要素に分割されている。このため、チップをサブマウントに接合する際の加熱によって、チップおよびダイヤモンド層が熱履歴を受けた場合でも、ダイヤモンド層の支持要素の各々における面方向の熱膨張量および熱収縮量が小さくなる。或いは、半導体装置を使用した際の半導体レーザ素子の発熱によって、チップおよびダイヤモンド層が熱履歴を受けた場合でも、ダイヤモンド層の支持要素の各々における面方向の熱膨張量および熱収縮量が小さくなる。従って、チップに発生する熱歪を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る半導体レーザ装置の一例における構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す半導体レーザ装置の平面図である。
【図３】図２に示す半導体レーザ装置のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図３において、破線Ｂで囲まれた部分を拡大して示す説明用断面図である。
【図５】（ａ）は、実施例において、チップの表面に発生する残留応力の半導体レーザ素子の中央位置を通る線に沿った分布を示す曲線図、（ｂ）は、実施例において、チップの表面に発生する残留応力の半導体レーザ素子間の境界位置を通る線に沿った分布を示す曲線図である。
【図６】（ａ）は、半導体レーザ素子の発光時における活性層を通過する厚み方向の温度分布を示す曲線図、（ｂ）は、半導体レーザ素子の表面における面方向の温度分布を示す曲線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の半導体装置の実施の形態について、半導体レーザ装置として実施した場合を例に挙げて説明する。
図１は、本発明に係る半導体レーザ装置の一例における構成を示す斜視図、図２は、図１に示す半導体レーザ装置の平面図、図３は、図２に示す半導体レーザ装置のＡ−Ａ断面図、図４は、図３において、破線Ｂで囲まれた部分を拡大して示す説明用断面図である。  この半導体レーザ装置は、複数の半導体レーザ素子１５を有するチップ１０がサブマウント構造体２０上に配置されて構成されている。
【００１１】
チップ１０は、それぞれＧａＡｓ系化合物よりなる活性層１６を有する複数の半導体レーザ素子１５が一列に並んだ状態で連結されてなる長尺なものである。このチップ１０の表面には、半導体レーザ素子１５から放射されるレーザ光を外部に取り出すための複数の光取り出し部１１が、半導体レーザ素子１５の各々に対応して、チップ１０の長手方向に沿って一列に並ぶよう形成されている。
【００１２】
サブマウント構造体２０は、矩形の板状の基体２１を有し、この基体２１の表面には、ＡｕＧｅ共晶ハンダよりなる下側接合層２２を介して、当該基体２１の表面に沿って多数の支持要素２６に分割されたダイヤモンド層２５が形成されている。図示の例のダイヤモンド層２５は、チップ１０の長手方向に沿って当該チップ１０における半導体レーザ素子１５の各々に対応して分割されることにより、チップ１０の長手方向と垂直な方向に伸びる複数の支持要素２６が、当該チップ１０の長手方向に沿って並ぶよう形成されて構成されている。
このダイヤモンド層２５における各支持要素２６の表面の中央領域および一端側領域には、第１金属層２７が形成され、各支持要素２６の表面の他端側領域には、第２金属層２８が第１金属層２７から離間して電気的に絶縁された状態で形成されている。
【００１３】
そして、チップ１０は、第１金属層２７上に、一つの半導体レーザ素子１５が一つの支持要素２６上に位置するよう配置され、ＡｕＳｎ共晶ハンダよりなる上側接合層２９によって、各半導体レーザ素子１５の一方の電極（図示省略）が第１金属層２７に電気的に接続された状態で、当該第１金属層２７上に接合されており、これにより、チップ１０がダイヤモンド層２５上に第１金属層２７および上側接合層２９を介して固定されている。また、チップ１０における各半導体レーザ素子１５の他方の電極（図示省略）は、例えば金よりなるボンディングワイヤー１７を介して第２電極層２８に電気的に接続されている。
【００１４】
サブマウント構造体２０における基体２１を構成する材料としては、銅、タングステンまたはそれらの合金などの金属材料を用いることができる。しかし、チップ１０を構成する材料の線熱膨張係数との差が±２×１０-6Ｋ-1である線熱膨張係数を有する材料を用いることが好ましい。その具体例としては、銅とタングステンとの比率が１０：９０の銅タングステン合金が挙げられる。
また、基体２１の厚みは、例えば０．１〜０．５ｍｍである。
【００１５】
ダイヤモンド層２５の厚みは、０．１〜０．５ｍｍであることが好ましく、ダイヤモンド層２５における各支持要素２６間の離間距離は、０．０１〜０．０３ｍｍであることが好ましい。
ダイヤモンド層２５を形成する方法としては、ダイヤモンドよりなる所要の厚みの板材を下側接合層２２によって基体２１の表面に接着する方法、化学気相成長（ＣＶＤ）法によって基体２１の表面に直接形成する方法（この場合には、下側接合層２２は不要となる。）、などが挙げられる。
第１金属層２７および第２金属層２８を構成する金属材料としては、金、アルミニウムなどを用いることができる。
また、第１金属層２７および第２金属層２８の厚みは、それぞれ３〜７μｍである。
【００１６】
ダイヤモンド層２５を多数の支持要素２６に分割する方法としては、基体２１上に分割されていないダイヤモンド層を形成した後、当該ダイヤモンド層を例えばＹＡＧレーザ等によるレーザ加工によって切断して多数の支持要素２６に分割する方法が挙げられる。また、ダイヤモンド層２５を形成する方法として化学気相成長（ＣＶＤ）法を利用する場合には、基体２１の表面に各支持要素２６の間に位置される領域を覆うマスクを配置することにより、多数の支持要素２６に分割されたダイヤモンド層２５を基体２１の表面に直接形成することができる。
また、ダイヤモンド２５の各支持要素２６上に、第１金属層２７、第２金属層２８および上側接合層２９を形成する方法としては、分割されていないダイヤモンド層上に、第１金属層２７、第２金属層２８および上側接合層２９を形成するための金属層を形成した後、これらの金属層を、レーザ加工によってダイヤモンド層と共に切断することにより、第１金属層２７、第２金属層２８および上側接合層２９を形成する方法が挙げられる。または、基体２１の表面に沿って多数の支持要素２６に分割されたダイヤモンド層２５を形成した後、各支持要素２６上に、第１金属層２７、第２金属層２８および上側接合層２９を形成する方法が挙げられる。
【００１７】
上記の半導体レーザ装置においては、サブマウント構造体２０における第１金属層２７と第２金属層２８との間に電圧を印加してチップ１０における各半導体レーザ素子１５に電流を供給することによって、当該半導体レーザ素子１５の活性層１６が発光し、光取り出し部１１から外部に出射される。
【００１８】
このような半導体レーザ装置によれば、サブマウント２０に熱伝導率の高いダイヤモンド層２５が形成されている。また、当該ダイヤモンド層２５上に第１金属層２７および上側接合層２９を介して固定されている。このため、半導体サーザ素子１５の発熱を高い効率で放熱することができる。しかも、ダイヤモンド層２５が基体２１の表面に沿って多数の支持要素２６に分割されている。このため、チップ１０をサブマウント２０に接合する際の加熱によって、或いは半導体レーザ装置を使用した際の半導体レーザ素子１５の発熱によって、チップ１０およびダイヤモンド層２５が熱履歴を受けた場合でも、支持要素２６の各々における面方向の熱膨張量および熱収縮量が小さくなる。従って、チップ１０に発生する熱歪を抑制することができる。
【００１９】
以上、本発明の半導体装置の実施の形態について、半導体レーザ装置として実施した場合を例に挙げて説明したが、本発明は、半導体レーザ装置に限定されず、例えば半導体発光素子としてＬＥＤを備えた半導体装置、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワー半導体素子を備えた半導体装置に適用することができる。そこで、本発明における半導体レーザ素子とは、レーザ光を放射する半導体から成るレーザ素子、半導体発光素子、パワー半導体素子を含めるものと定義する。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明の半導体装置の具体的な実施例について説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【００２１】
〈実施例１〉
図１〜図４に示す構成に従い、下記の仕様のサブマウント構造体を作製した。
［基体（２１）］
材質：銅とタングステンとの比率が１０：９０の銅タングステン合金（線熱膨張係数：６．４×１０-6Ｋ-1），寸法：３．５ｍｍ×３．２８ｍｍ×０．３ｍｍ
［下側接合層（２２）］
材質：金とゲルマニウムとの比率が８０：２０のＡｕＧｅ共晶ハンダ
［ダイヤモンド層（２５）］
支持要素の数：１０
支持要素（２６）の寸法：３．５ｍｍ×０．３０８ｍｍ×０．４ｍｍ
支持要素（２６）間の離間距離：０．０２ｍｍ
［第１電極層（２７）］
材質：金，寸法：２．１５ｍｍ×０．３０８ｍｍ×０．００５ｍｍ
［第２電極層（２８）］
材質：金，寸法：１．１２ｍｍ×０．３０８ｍｍ×０．００５ｍｍ
［上側接合層（２９）］
材質：金とスズとの比率が８０：２０のＡｕＳｎ共晶ハンダ，寸法：１．３５ｍｍ×０．３０８ｍｍ×０．００６ｍｍ
【００２２】
それぞれＧａＡｓ系化合物よりなる活性層を有する複数の半導体レーザ素子が一列に並んだ状態で連結されてなる、寸法が１ｍｍ×３．２８ｍｍ×０．０７４ｍｍのチップを用意する。このチップを上記のサブマウント複合体における上側接合層上に配置し、３２０℃に加熱して上側接合層を溶融した後、常温まで冷却して上側接合層を固化する。これにより、チップを上側接合層上に固定すると共に、当該チップにおける各半導体レーザ素子の一方の電極を上側接合層を介して第１電極層に電気的に接続した。次いで、金よりなるボンディングワイヤーによって、チップにおける各半導体レーザ素子の他方の電極を第２電極層に電気的に接続した。このようにして、半導体レーザ装置を作製した。
以上において、半導体レーザ装置における各部材の材質、密度、線熱膨張係数および熱伝導率を、下記表１に示す。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
〈比較例１〉
ダイヤモンド層を分割しなかったこと以外は実施例１と同様にして、サブマウント構造体を作製し、半導体レーザ装置を作製した。
【００２５】
〔評価〕
（１）残留応力
実施例１および比較例１に係る半導体レーザ装置について、２８０℃においてチップが上側接合層に固定されると共に応力がゼロとなり、その後、温度が−４０℃まで均一に冷却されたと仮定し、チップにおける端から数えて５つ目の半導体レーザ素子の中央位置におけるチップの長手方向に垂直な断面、および端から数えて５つ目の半導体レーザ素子と６つ目の半導体レーザ素子との境界位置の断面の各々に発生する残留応力の分布（チップの長手方向と垂直な方向の分布）を有限要素法によって計算した。結果を図５に示す。
【００２６】
図５において、（ａ）は、チップの表面に発生する残留応力の半導体レーザ素子の中央位置を通る線に沿った分布を示す曲線図、（ｂ）は、チップの表面に発生する残留応力の半導体レーザ素子間の境界位置を通る線に沿った分布を示す曲線図であり、それぞれ縦軸は最大主応力の値、横軸はチップの長手方向と垂直な方向の位置を示す。また、（ａ）の破線Ｃは、半導体レーザ素子における活性層が位置する領域を示す。
図５に示す結果から明らかなように、実施例１に係る半導体レーザ装置によれば、比較例１に係る半導体レーザ装置に比較して、半導体レーザ素子の中央位置および半導体レーザ素子間の境界位置のいずれにおいても残留応力が小さいことが理解される。
【００２７】
（２）発光時の温度分布
実施例１および比較例１に係る半導体レーザ装置について、チップにおける１つの活性層に１Ｗの発熱があり、基体の下面温度が２２℃に保持されているものと仮定し、半導体レーザ素子の発光時における活性層を通過する厚み方向の温度分布および半導体レーザ素子の表面における面方向（チップの長手方向と垂直な方向）の温度分布を有限要素法によって計算した。結果を図６に示す。
【００２８】
図６において、（ａ）は、半導体レーザ素子の発光時における活性層を通過する厚み方向の温度分布を示す曲線図、（ｂ）は、半導体レーザ素子の表面における面方向の温度分布を示す曲線図であり、それぞれ縦軸は温度の値、（ａ）の横軸は、半導体レーザ装置の厚み方向の位置を示し、（ｂ）の横軸は、半導体レーザ素子の表面におけるチップの長手方向と垂直な方向の位置を示す。
図６に示す結果から明らかなように、実施例１に係る半導体レーザ装置の温度分布は、比較例１に係る半導体レーザ装置と同等であり、従って、実施例１に係る半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子の発熱が、分割されていないダイヤモンド層を有する半導体レーザ装置と同等の効率で放熱されることが理解される。
【００２９】
（３）光出力特性
実施例１および比較例１に係る半導体レーザ装置について、電流−光出力特性を測定したところ、両者は同等の特性を示した。このことから、実施例１に係る半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子のジャンクション温度の上昇が抑制され、半導体レーザ素子の発熱が、分割されていないダイヤモンド層を有する半導体レーザ装置と同等の効率で放熱されることが理解される。
【符号の説明】
【００３０】
１０  チップ
１１  光取り出し部
１５  半導体レーザ素子
１６  活性層
１７  ボンディングワイヤー
２０  サブマウント構造体
２１  基体
２２  下側接合層
２５  ダイヤモンド層
２６  支持要素
２７  第１金属層
２８  第２金属層
２９  上側接合層
【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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