(57)【要約】  半導体レーザにおけるチップ破損の確率を低めるための金属膜パターンが提供される。明細書に開示される一実施形態にしたがえば、金属膜パターンのパッド辺がレーザ基板の複数の結晶面にかけて延びる。このようにすれば、いずれの与えられた応力集中点から始まるクラックも有意な大きさに達するには基板の多くの結晶面にわたって伝搬することが必要であろう。開示される別の実施形態は隣り合うコンタクトパッドの対のそれぞれの幾何学的形状及び方位に関する。さらに別の実施形態が開示され、特許請求される。
2012524421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリア基板にマウントされたレーザチップを含む半導体レーザにおいて、
前記レーザチップが、１つ以上の機能結晶領域及び、前記レーザチップの前記機能結晶領域を通る長さ方向伝搬光軸に沿って延びる、導波路を有し、
前記レーザチップがさらに、前記レーザチップの前記機能結晶領域に重ねて形成され、前記レーザチップの前記長さ方向光軸に実質的に平行に延びる金属膜パターンを含む金属膜被着面を有し、
前記レーザチップの前記機能結晶領域の特徴が、前記レーザチップの前記金属膜被着面と交差する複数の格子面を含む格子構造であり、
前記金属膜パターンが、長さ方向に隣り合うコンタクトパッドの対を形成する複数の長さ方向に隣り合うコンタクトパッドを含み、
前記長さ方向に隣り合うコンタクトパッドの対の対向する辺が、前記レーザチップの前記金属膜被着面と交差する複数の前記格子面にかけて延びるように、方位が定められる、
ことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記金属膜パターンの前記コンタクトパッドが前記金属膜パターンの大半を占めることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記金属膜パターンがさらに、前記レーザチップの前記金属膜被着面と交差する前記格子面に実質的に平行に方位が定められた複数の導電性トレースを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記長さ方向に隣り合うコンタクトパッドの対の他の辺が、前記レーザチップの前記金属膜被着面と交差する前記格子面に実質的に平行に、方位が定められ、
前記格子面にかけて延びる前記対向する辺が、前記金属膜パターンにおいて前記格子面に実質的に平行に方位が定められた前記他の辺より卓越する、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記金属膜パターンの前記コンタクトパッドにおいて、９０°より実質的に大きいかまたは実質的に小さいコーナー角度を定めるパッドコーナーが卓越することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記レーザチップの前記機能結晶領域が、利得領域、位相制御領域、波長選択領域、またはこれらの組合せを含み、前記隣り合うコンタクトパッドの対が前記レーザチップの前記波長選択領域にあることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記レーザチップの前記機能結晶領域が、利得領域、位相制御領域、波長選択領域、またはこれらの組合せを含み、前記隣り合うコンタクトパッドの対が、前記レーザチップの前記機能結晶領域の内の１つに、または前記レーザチップの隣り合う機能結晶領域の境界に、あるいはいずれにも、あることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項８】
前記レーザチップの前記格子構造が前記伝搬光軸に対して直交する方位に整合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。
【請求項９】
前記レーザチップの前記格子構造が前記伝搬光軸に対して角度が整合されていないことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項１０】
キャリア基板にマウントされたレーザチップを含む半導体レーザにおいて、
前記レーザチップが、１つ以上の機能結晶領域及び、前記レーザチップの前記機能結晶領域を通る長さ方向伝搬光軸に沿って延びる、導波路を有し、
前記レーザチップがさらに、前記レーザチップの前記機能結晶領域に重ねて形成され、前記レーザチップの前記長さ方向光軸に実質的に平行に延びる金属膜パターンを含む金属膜被着面を有し、
前記レーザチップの前記機能結晶領域の特徴が、前記レーザチップの前記金属膜被着面と交差する複数の格子面を含む格子構造であり、
前記レーザチップの前記金属膜被着面上の前記金属膜パターンが複数のコンタクトパッドを含み、
前記コンタクトパッドが前記金属膜パターンの大半を占め、隣り合うコンタクトパッド間の介在間隙が前記レーザチップの前記金属膜被着面と交差する複数の前記格子面にかけて延びる、
ことを特徴とする半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は２００９年４月２０日に出願された米国特許出願第１２/４２６５６３号の優先権の恩典を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、赤外光または近赤外光の、分布帰還型(ＤＦＢ)レーザ、分布ブラッグ反射型(ＤＢＲ)レーザ、ファブリ-ペロレーザ、等を含むがこれらには限定されない、半導体レーザに関する。本開示はそのようなレーザを組み込んでいる周波数変換型レーザ源にも関する。さらに詳しくは、本開示は半導体レーザ用耐破損金属膜パターンに関する。
【背景技術】
【０００３】
本開示の様々なコンセプトは光スペクトルのいずれか特定の領域で動作するレーザに限定されないが、本明細書においては、図６にその略図が示される周波数２逓倍緑色レーザが頻繁に参照される。図６において、周波数変換型レーザ源１００は、レーザダイオード１１０，波長変換素子１２０，結合光学系１３０，コリメーション光学系１４０，及び出力カラーフィルタ１５０を備える。図示される実施形態において、ＩＲ(赤外)光とすることができるレーザダイオード１１０の出力は、２つの非球面レンズを含めることができる結合光学系１３０を用いて、周期分極反転ＭｇＯドープニオブ酸リチウムＳＨＧ結晶またはなにか別のタイプの二次または高次高調波変換素子とすることができる波長変換素子１２０に結合される。ＳＨＧ結晶で発生された緑色光及び残留ＩＲポンプ光はコリメーション光学系１４０によりコリメートされ、残留ＩＲ光はカラーフィルタ１５０によって除去される。
【０００４】
本発明にしたがうレーザにはレーザダイオードの適切な制御を容易にするための金属膜パターンが設けられる。例えば、周波数変換型レーザ源１００の文脈において、レーザダイオード１１０の発光波長を動作中に波長変換素子１２０の変換帯域幅内にとどまるように調整することができる手段を提供するために、特定の金属膜パターンが設けられる。金属膜パターンは、レーザダイオード１１０の強度または変調レートを制御するために設けることもできる。別々の金属膜パターン領域をレーザダイオードの別々の領域の制御に専従させることができる。本開示はいかなる特定のタイプの制御機構にも限定されないが、従来のレーザ設計では、電流注入または温度制御に、あるいはいずれにも、コンタクトパッドが用いられる。本開示は、半導体レーザにおける金属膜パターンに対してこれから開発される用法への適用可能性も考慮する。
【０００５】
半導体レーザチップの作成は複雑であり、通常、材料成長、エッチング、金属被着及び研磨を含む、多くのプロセス工程が関わる。レーザチップ作成後、通常はＧａＡＳ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＧａＮ，ＧａＳｂ，ＩｎＡｓ，ＩｎＮ，ＩｎＳｂまたはＡｌＮに基づく半導体材料形のような、脆性材料でつくられる、チップはキャリアにマウントされる。ＡｌＮまたはその他いずれかの適するキャリア材料で作成することができるキャリアは、必要な機能、すなわち、電気接続、熱放散のための機構、機械的支持、等を提供する。しばしばチップオンハイブリッド(ＣＯＨ)デバイスと称される、このタイプのパッケージは、緑色波長変換レーザのような、波長変換レーザ源の重要なコンポーネントであることが多い。ＣＯＨデバイスの特徴はかなり高いチップ破損率であることが多く、チップ破損のほとんどは、−４０℃〜８０℃の比較的低温の温度サイクルあるいは鑞接作業中に遭遇するような比較的高い温度変動であり得る、温度変動にＣＯＨデバイスがさらされた後におこることが多い。鑞接作業中の温度の変動は３００℃から室温までになり得るであろう。
【０００６】
発明者等は、チップ破損のほとんどは、普通、半導体レーザチップの上表面に形成された金属膜パッドの境界近くでおこることに気付いた。さらに厳密な検査により、これらの破損は普通金属膜パッド近くのチップ表面で始まり、半導体レーザチップの断面を通って伝搬することが明らかになった。有限要素シミュレーションは、半導体チップがキャリアにマウントされた後、引張り応力が半導体チップに沿って発生することを示す。チップ内の応力の大きさ及び(引張りまたは圧縮の)性質は、レーザダイオードチップが取り付けられるキャリアの材料特性及び(加熱または冷却の)温度負荷方向に依存することに注意しなければならない。応力の性質を決定する根幹の材料特性はレーザダイオードチップ及びキャリアの熱膨張係数であり、両者の材料の弾性率が応力の大きさを決定する。さらに、応力の性質は全体構造が加熱されているかまたは冷却されているかに依存して変化する。例えば、レーザ動作中に全体構造は加熱され、鑞接作業時に全体構造は冷却されるであろう。これらの応力の集中線がレーザチップの結晶面に概ね平行に通れば、温度サイクル中に応力レベルが高まるにつれて、チップ破損はレーザチップの断面を通って容易に伝搬することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、温度変動によるレーザチップの破損を抑制するための手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の実施形態にしたがえば、半導体レーザにおけるチップ破損の確率を低めるような金属膜パターンが提供される。本明細書に開示される一実施形態にしたがえば、金属膜パターンのパッド辺がレーザ基板の複数の結晶面にわたって延びる。このようにすれば、与えられたいずれの応力集中点において始まるクラックも、有意な大きさに達するには、基板の多くの結晶面にかけて伝搬する必要があろう。
【０００９】
本開示の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、添付図面とともに読まれた場合に、最善に理解され得る。図面では同様の構造が同様の参照数字で示される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１はＤＢＲレーザダイオード用の耐破損金属膜パターンの簡略な平面図である。
【図２】図２はレーザチップの格子面に対して金属膜パターンの方位を定めることができる態様の略図である。
【図３】図３は、本開示にしたがって考えられる、隣り合うコンタクトの形状の１つを示す。
【図４】図４は、本開示にしたがって考えられる、隣り合うコンタクトの形状の別の１つを示す。
【図５】図５は、本開示にしたがって考えられる、隣り合うコンタクトの形状のまた別の１つを示す。
【図６】図６は、ＤＢＲレーザダイオードを組み込んでいる、周波数変換型レーザ源の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
初めに図１及び２を参照すれば、キャリア基板３０にマウントされたレーザチップ２０を有する半導体レーザ１０が示されている。図１はレーザチップ２０の金属膜被着面の平面図を示し、図２は、金属膜被着面２２の一部分、金属膜被着面２２の下のレーザチップ２０の結晶構造の一部分及びキャリア基板３０の一部分の略図である。図２において、結晶格子のスケールは説明目的のため誇張されている。
【００１２】
レーザチップ２０は、例えば、利得区画１２，位相制御区画１４及び波長選択区画１６を有する、分布ブラッグ反射型(ＤＢＲ)レーザのような従来の半導体レーザ、またはこれから開発されるいずれかの半導体レーザとすることができる。いずれの場合にも、レーザチップ２０は、これらのタイプの機能結晶領域の内の１つ以上、及び機能結晶領域１２，１４，１６を通り、レーザチップ２０の長さ方向伝搬光軸に沿って延びる、導波路２５を有するであろう。
【００１３】
図１及び２に示されるように、金属領域及び非金属領域を含む、レーザチップ２０の金属膜被着面２２は、レーザチップ２０の機能結晶領域１２，１４，１６に重ねて形成された金属膜パターン２４を有する。金属膜パターン２４は、導波路２５で定められるような、レーザチップ２０の長さ方向光軸に実質的に平行に延びる。レーザ用途に適する従来のまたはこれから開発される半導体のいずれかで作成することができる、機能結晶領域１２，１４，１６の特徴は、レーザチップ２０の金属膜被着面２２と交差する複数の格子面，Ｌ１,Ｌ２,…,Ｌｉ,Ｌｊ,…を含む格子構造である。
【００１４】
一般的なレーザダイオードの金属膜パターンは、ボンディングワイア、電気接続、等のための領域を提供する、複数のコンタクトパッドを含むであろう。一般的なレーザチップは多くの様々なタイプの電気接続を必要とし、この結果多くの個別金属膜パッドがつくられるであろう。これらの金属膜パッドは、例えば、ＳｉＮ層上面上の５μｍ厚金膜で形成することができる。２つの隣り合うコンタクトパッド間の境界はレーザチップの基本格子面の１つ、例えば＜０１１＞結晶方位に平行に通ることが多い。発明者等は、これらのタイプのレーザチップにおいては、一般に、レーザチップがキャリアにマウントされ、次いで低温処理または高温処理を受けた後の、チップ破損率が比較的大きいことに気付いた。
【００１５】
チップ破損はレーザダイオードの特性を激烈に劣化させ得る。さらに詳しくは、発明者等は、レーザの光スペクトルが多モードに一層なり易く、１つの波長から別の波長にランダムにジャンプし易くなり得ることに気付いた。さらに、破損レーザチップではレーザ出力パワーがさらに急速に減少し得る。発明者等は、レーザチップをキャリアにマウントし、引き続いてチップオンハイブリッド(ＣＯＨ)パッケージに極端な温度をかけることにより誘起される応力がチップ破損を生じさせ得ることに気付いた。１０６０ｎｍレーザチップパッケージの有限要素モデリング及び解析を行い、様々なパッケージコンポーネントのそれぞれの熱膨張係数の不整合によりレーザチップの表面にかかる熱−機械的応力が生じることが明らかになった。ＧａＡｓベース半導体のような、代表的なレーザチップは比較的脆く、レーザチップの様々な機能領域間の間隙エッチング領域においてチップクラックが発生する確率が高い。
【００１６】
本開示は上述したチップ破損問題を低減または排除するための新規な金属膜パターンを導入する。全般的に、新規パターンの特徴には、傾けられたワイアボンディングパッド、９０°のパッドコーナーの代わりの４５°及び１３５°のパッドコーナー及び、強度を高めるためにレーザチップの利得区画及び位相制御区画の実質的に全面にかけて拡がる、バー、ストリップまたはその他の形状の連続金属膜領域２８の形成があるが、これらには限定されない。
【００１７】
図示される実施形態において、レーザチップ２０は、長さ方向に隣り合うコンタクトパッド対、すなわち(Ｐ１,Ｐ２)，(Ｐ２,Ｐ３)，(Ｐ３,Ｐ４)及び(Ｐ４,Ｐ５)を形成する、長さ方向に隣り合うコンタクトパッドＰ１〜Ｐ５を有する。このタイプの金属膜パターンの耐破損強度を高めるため、コンタクトパッドＰ１〜Ｐ５の長さ方向に隣り合う対の対向する辺は、レーザチップ２０の金属膜被着面２２と交差する複数の格子面,Ｌ１,Ｌ２,…,Ｌｉ,Ｌｊ,…にわたって延びる方向に整合される。このようにすれば、パッド辺はいかなる特定の格子面にも整合されていないから、クラックがレーザチップの厚さにわたって伝搬するにはさらに多くのエネルギーが必要になるであろう。さらに、金属膜パターンの大部分を占めるように、及びレーザチップの金属膜被着面と交差する複数の格子面にかけて延びる介在間隙σを形成するように、コンタクトパッドを構成することができると考えられる。
【００１８】
改めて図１及び２を参照すれば、代表的な金属膜パターンは格子面,Ｌ１,Ｌ２,…,Ｌｉ,Ｌｊ,…に実質的に平行に方位を定めることができる複数の導電性トレース２６をさらに含むであろうことに注意されたい。いくつかの場合、これらの金属膜パターンの導電性トレース及びその他のタイプの導電性領域は、最も問題になるクラック線はチップの短辺から遠い側で短辺に平行であることが多いから、デバイスの特定の結晶面に沿って延びることができる。同様に、チップ端に近い側でチップの長さ方向に沿うパッド辺も、大きなクラック発生リスク無しに、結晶面に沿って延びることができる。それにもかかわらず、導電性トレースが金属膜パターンの表面積を優占しないことを保証することでこれらの導電性トレースのレーザチップの耐破損強度への影響を軽減することができる。同様に、コンタクトパッドＰ１〜Ｐ５の長さ方向に隣り合う対の他の辺は格子面,Ｌ１,Ｌ２,…,Ｌｉ,Ｌｊ,…に実質的に平行に方位を定めることができる。レーザチップの耐破損強度へのそのような他の辺の影響を軽減するため、金属膜パターンにおいて、格子面,Ｌ１,Ｌ２,…,Ｌｉ,Ｌｊ,…にかけて延びる、対向辺が他の辺に卓越することを保証するように金属膜パターンを構成することができる。一般に、レーザチップの格子構造は伝搬の光軸に対して直交方向に整合されているであろうが、本発明のコンセプトは伝搬の光軸に対して角度が整合されていない格子構造にも適用できると考えられる。
【００１９】
上述したように、レーザチップの機能結晶領域は、利得領域１２，位相制御領域１４，波長選択領域１６，またはこれらの組合せを含む。特定の実施形態において、コンタクトパッドの隣り合う対はレーザチップの波長選択領域１６に配されるであろうが、コンタクトパッドの隣り合う対は、レーザチップの機能結晶領域の内の１つまたはレーザチップの隣り合う機能結晶領域の境界に、あるいはいずれにも、配することもできると考えられる。
【００２０】
特定の特性を具現化するために、または特定の態様で機能させるために、特定の仕方で「構成されている」本開示のコンポーネントの本明細書における叙述は、目的用途の叙述に対するものとしての、構造の叙述であることに注意されたい。さらに詳しくは、コンポーネントが「構成されている」態様への本明細書における言及はコンポーネントの既存の物理的状態を表し、したがって、コンポーネントの構造的特徴の限定的叙述としてとられるべきである。
【００２１】
本発明を説明し、定める目的のため、語句「実質的に」は、いずれかの定量的比較、値、測定値またはその他の表現に帰因させ得る不確定性の固有の大きさを表すために本明細書で用いられることに注意されたい。語句「実質的に」は、論じられている主題の基本機能に変化を生じさせずに、定量的表現が言明された基準から変わり得る度合いを表すためにも本明細書で用いられる。
【００２２】
「好ましくは」、「普通に」及び「一般に」のような語句は、本明細書に用いられる場合、特許請求される本発明の範囲を限定するため、あるいは特許請求される本発明の構造または機能にある特徴が必須であるか、肝要であるかまたは重要であることさえも意味するためには用いられていないことに注意されたい。むしろ、これらの語句は、本開示の一実施形態の特定の態様を識別するため、あるいは本開示の特定の実施形態に用いられても用いられなくとも差し支えない代わりのまたは追加の特徴を強調するために、用いられているに過ぎない。
【００２３】
本発明を説明し、定める目的のため、語句「ほぼ」は、本明細書において、いずれかの量的比較、値、測定値またはその他の表現に帰因され得る固有の不確定性の大きさを表すために用いられることに注意されたい。語句「ほぼ」は、本明細書において、論じられている主題の基本機能に変化を生じさせずに言明された基準から量的表現が変化し得る大きさを表すためにも用いられる。
【００２４】
本開示の主題を詳細に、またその特定の実施形態を参照することで、説明したが、添付される特許請求の範囲に定められる本発明の範囲を逸脱することなく改変及び変形が可能であることは明らかであろう。さらに詳しくは、本開示のいくつかの態様は本明細書において好ましいかまたは特に有利であるとして識別されるが、本開示がそのような態様に限定される必要はないと考えられる。
【００２５】
添付される特許請求項の１つ以上が移行語として「〜であることを特徴とする(wherein)」を用いていることに注意されたい。本発明を定める目的のため、この語句は、一連の構造特性の叙述を組み入れるために用いられる無制約移行語として特許請求項に導入され、より普通に用いられる無制約前値語「〜を含む(comprising)」と同様の態様で解されるべきであることに注意されたい。
【符号の説明】
【００２６】
１０    半導体レーザ
１２    利得区画
１４    位相制御区画
１６    波長選択区画
２０    レーザチップ
２２    金属膜被着面
２４    金属膜パターン
２５    導波路
２６    導電性トレース
２８    連続金属膜領域
３０    キャリア基板
【図１】
2012524421.tif 000003
【図２】
2012524421.tif 000004
【図３】
2012524421.tif 000005
【図４】
2012524421.tif 000006
【図５】
2012524421.tif 000007
【図６】
2012524421.tif 000008
【国際調査報告】
2012524421.tif 000009