JP2008004896A - 半導体レーザ装置およびパッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体レーザ素子と受光素子との十分な光学的結合を有する半導体レーザ装置およびパッケージを提供する。
【解決手段】 リードフレーム１１上にサブマウント１２を介して載置された半導体レーザ素子１４と、リードフレーム１１上に半導体レーザ素子１４と離間して載置され、半導体レーザ素子１４の一端面から放射されるモニタ光２１を受光する受光素子１５と、半導体レーザ素子１４と受光素子１５とを覆い、リードフレーム１１と反対側に凸状の湾曲面１６ａ、１６ｂおよびリードフレーム１１側に凸状の湾曲面１６ｃ、１６ｄを有する透明樹脂１６とを具備する。
湾曲面１６ｃ、１６ｄで反射したモニタ光２１を多重反射させて、受光素子１５に入射させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光出力をモニタするための受光素子を内蔵した半導体レーザ装置およびパッケージに関する。

半導体レーザ装置はＤＶＤ（Digital Versatile Disk）やＣＤ（Compact Disk）の記録・再生装置の光ピックアップヘッドの光源として用いられている。半導体レーザ装置では、光出力の安定化を図るために、受光素子により光出力をモニタし、光出力が一定になるように半導体レーザ素子の駆動電流にフィードバックしている。

そのため、光出力をモニタする受光素子を内蔵した半導体レーザ装置においては、半導体レーザ素子と受光素子との光学的結合を確実に行う必要がある（例えば特許文献１参照。）。

特許文献１に開示された半導体レーザ装置は、段差を有するシリコン基板と、段差の上面に載置された半導体レーザ素子と、段差の下面に載置されたモニタ用受光素子と、シリコン基板上に受光素子と半導体レーザ素子を覆うように設けられた透明樹脂と、樹脂の表面に密着する反射層とを具備している。

透明樹脂と空気との界面において半導体レーザ素子の後方出力光を反射させ、モニタ用受光素子に入射させている。

更に、半導体レーザ素子とモニタ用受光素子との実装位置に段差を設け、樹脂と空気との界面における反射率を高めることにより後方出力光の利用効率を高めている。

然しながら、特許文献１に開示された半導体レーザ装置は、透明樹脂で反射された光は全てモニタ用受光素子に入射するわけではなく、モニタ用受光素子に入射しなかった反射光はシリコン基板により散乱あるいは吸収されて消散してしまうという問題がある。その結果、半導体レーザ素子と受光素子との光学的結合が不足する恐れがある。

従って、できるだけ多くの反射光をモニタ用受光素子に入射させるためには、モニタ用受光素子のサイズが大きくなるという問題がある。
特開２０００−２６９５８４号公報

本発明は、半導体レーザ素子と受光素子との十分な光学的結合を有する半導体レーザ装置およびパッケージを提供する。

本発明の一態様の半導体レーザ装置は、支持基台上に台座を介して載置された半導体レーザ素子と、前記支持基台上に前記半導体レーザ素子と離間して載置され、前記半導体レーザ素子の一端面から放射されるレーザ光を受光する受光素子と、前記半導体レーザ素子と前記受光素子とを覆い、前記支持基台側および前記支持基台と反対側にそれぞれ凸状の湾曲面を有する透明樹脂とを具備することを特徴としている。

また、本発明の一態様のパッケージは、台座を介して半導体レーザ素が載置され、前記半導体レーザ素と離間して前記半導体レーザ素子の一端面から放射されるレーザ光を受光する受光素子が載置されるリードフレームと、前記リードフレームの下面を露出して前記リードフレームをモールドするとともに、前記リードフレームのマウントベッド側が開口され、前記リードフレームのリードピン側に第１反射板を有する筐体と、前記筐体に冠着されるとともに、前記リードフレームのマウントベッド側が開口され、前記リードフレームのリードピン側に第２反射板を有する蓋体とを具備することを特徴としている。

本発明によれば、半導体レーザ素子と受光素子との十分な光学的結合を有する半導体レーザ装置およびパッケージを提供することができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置について、図１乃至図３を用いて説明する。図１は半導体レーザ装置を示す断面図、図２は半導体レーザ装置の一部が切り欠きされた斜視図、図３は半導体レーザ装置の効果を比較例と対比して示す図で、図３（ａ）が本実施例を示す図、図３（ｂ）が比較例を示す図である。

図１および図２に示すように、本実施例の半導体レーザ装置１０は、リードフレーム（支持基台）１１と、リードフレーム１１の一側のマウントベッド１２上に絶縁性のサブマウント（台座）１３を介してフェースダウンで載置された半導体レーザ素子１４と、半導体レーザ素子１４と離間してマウントベッド１２上に載置された受光素子１５と、半導体レーザ素子１４の後部と受光素子１５の上部を覆うドーム状の透明樹脂１６とを具備している。

更に、リードフレーム１１の下面を露出させて、リードフレーム１１をモールドするとともに、半導体レーザ素子１４側にレーザビーム１７を外部に放射するための開口を有する筐体１８と、筐体１８に冠着されるとともに、半導体レーザ素子１４側に開口を有する蓋体１９とを具備している。

リードフレーム１１の他側のリードピン２０は、筐体１８の内部で屈曲して側面から外部に延伸し、半導体レーザ素子１４および受光素子１５を外部に電気的に接続している。

リードフレーム１１は、例えばニッケル（Ｎｉ）メッキされた銅（Ｃｕ）である。絶縁性サブマウント１３は、熱伝導率の高い絶縁部材、例えばＡｌＮ、ＳｉＣなどのセラミックスにより形成され、半導体レーザ素子１４において発生した熱を放散するヒートシンクの役割を有している。

半導体レーザ素子１４は、端面放射型の半導体レーザ素子、例えばＩｎＧａＡｌＰ系の赤色半導体レーザ素子である。受光素子１５は、表面入射型の受光素子、例えばシリコンフォトダイオードである。

ドーム状の透明樹脂１６は、例えば屈折率が１．５程度のシリコーン樹脂であり、蓋体１９側に凸状の湾曲面１６ａおよび湾曲面１６ｂと、リードフレーム１１側に凸状の湾曲面１６ｃおよび湾曲面１６ｄとを有している。
更に、ドーム状の透明樹脂１６の頂部は蓋体１９の内面に当接し、透明樹脂１６の底部はリードフレーム１１と離間している。

半導体レーザ素子１４から放射されるレーザビームの断面形状は、例えば縦方向の広がり角度が４０〜５０°程度、横方向の広がり角度が２０〜３０°程度で、素子の厚さ方向を長軸とする楕円状である。

半導体レーザ素子１４の後端面からモニタ光２１がドーム状の透明樹脂１６内へ放射されると、モニタ光２１は透明樹脂１６の内面に入射する角度θが全反射角（〜４２°）より大きい場合に樹脂と空気の界面で全反射され、小さい場合に一部は反射され、多くは透過して外部に消散する。

樹脂と空気の界面で反射されたモニタ光２１は、直接あるいは多重反射されてリードフレーム１１側に向かい、多くは受光素子１５に入射するが（実線）、一部は受光素子１５を外れる。

受光素子１５を外れたモニタ光２１（破線）は、リードフレーム１１側に凸状の湾曲面１６ｃ、１６ｄで反射され、多くは蓋体１９側の中央部付近に向かう。

蓋体１９側の中央部付近に向かった反射光は、蓋体１９側に凸状の湾曲面１６ａ、１６ｂによりリードフレーム１１側に反射されて受光素子１５に向かう確率が高くなる。

その結果、透明樹脂１６の凸状の湾曲面１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄにより、受光素子１５に入射するモニタ光２１を増加させることが可能である。

即ち、図３（ａ）に示すように、本実施例では、湾曲面１６ａでリードフレーム１１側に反射され、受光素子１５を外れたモニタ光２１ａは、湾曲面１６ｄで蓋体１９側に反射される多重反射を経て、受光素子１５に入射する。
同様に、湾曲面１６ｂでリードフレーム１１側に反射され、受光素子１５を外れたモニタ光２１ｂは、湾曲面１６ｃで蓋体１９側に反射される多重反射を経て、受光素子１５に入射する。

一方、図３（ｂ）に示すように、従来例では、受光素子１５を外れたモニタ光２１ａ、２１ｂは、蓋体１９側に反射されないので、リードフレーム１１で散乱されて受光素子１５に入射することなく消失してしまう。

次に、半導体レーザ装置１０の製造方法について説明する。図４乃至図７は半導体レーザ装置１０の製造工程を順に示す断面図である。

始に、図４に示すように、リードフレーム１１の下面を露出させて樹脂モールドされた筐体１８を形成する。

次に、図５に示すように、リードフレーム１１のマウントベッド１２上に、例えばハンダ層（図示せず）を介して絶縁性のサブマウント１３を接合する。
サブマウント１３上に、例えば金錫共晶のはんだ層（図示せず）を介して半導体レーザ１４をフェースダウンで接合する。本明細書では、半導体レーザ素子の発光領域がサブマウント側になるように載置する場合をフェースダウンと言う。
半導体レーザ１４と離間して、マウントベッド１２上に、例えばハンダ層（図示せず）を介して受光素子１５を接合する。

次に、半導体レーザ素子１４および受光素子１５を、例えば金ワイヤ（図示せず）によりワイヤボンディングして、リードフレーム１１のリードピン２０にそれぞれ電気的に接続する。

次に、図６に示すように、リードフレーム１１および筐体１８の向きを上下反転した状態で、ディスペンサ４０によりシリコン樹脂４１を半導体レーザ素子１４の後部と受光素子１５の上部を覆うように注入する。

ディスペンサ４０のノズル４２は、ピストン４３の押し下げ方向に対して斜めに傾いている。
ノズル４２をリードフレーム１１の横方向から半導体レーザ素子１４と受光素子１５の間辺りに挿入し、ピストン４３を押し下げてシリコン樹脂４１を注入する。

注入されたシリコン樹脂４１は、ゲル状で粘度が高いので、垂れ落ちることなく半導体レーザ素子１４の後部と受光素子１５の上部を覆うように広がる。
このとき、シリコン樹脂４１は自重で徐々に垂れ下がりながら、表面張力で全体的に丸みを帯びたドーム状になる。

次に、注入したシリコン樹脂４１をキュアすることにより、下側に凸状の湾曲面１６ａ、１６ｂを有し、リードフレーム１１側に凸状の湾曲面１６ｃ、１６ｄを有するドーム状の透明樹脂１６が形成される。

次に、図７に示すように、リードフレーム１１および筐体１８の向きを元に戻して、筐体１８に蓋体１９を冠着することにより、図１に示すような半導体レーザ装置１０が完成する。

以上説明したように、本実施例の半導体レーザ装置１０は、半導体レーザ素子１４の後部と受光素子１５の上部を覆い、蓋体１９側に凸状の湾曲面１６ａ、１６ｂおよびリードフレーム１１側に凸状の湾曲面１６ｃ、１６ｄを有するドーム状の透明樹脂１６を具備している。

その結果、ドーム状の透明樹脂１６内部での多重反射を経て、より多くのモニタ光２１を受光素子１５に取り込むことができる。
従って、半導体レーザ素子１４と受光素子１５との十分な光学的結合を有する半導体レーザ装置１０を提供することができる。

また、目的の光学的結合が得られる範囲内であれば、受光素子１５のサイズを小さくすることもできる。これにより、半導体レーザ装置１０を小型化することができる利点がある。

図８は、本発明の実施例２に係る半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。

本実施例が実施例１と異なる点は、筐体および蓋体に反射板を形成したことにある。

即ち、図８に示すように、本実施例の半導体レーザ装置５０は、内側に凹状の反射板５１（第１反射板）が形成された筐体５２と、内側に凹状の反射板５３（第２反射板）が形成された蓋体５４と有するパッケージに、半導体レーザ素子１４および受光粗１５を収納している。

反射板５１はドーム状の透明樹脂１６の湾曲面１６ｃに密着し、反射板５３はドーム状の透明樹脂１６の湾曲面１６ｂに密着している。

これにより、ドーム状の透明樹脂１６の湾曲面１６ｃ、１６ｂに入射し、入射角度が全反射角度より小さいモニタ光２１に対して樹脂と空気の界面の反射率が高くなるので、更に多くのモニタ光２１を受光素子１５に取り込むことが可能である。

次に、半導体レーザ装置５０の製造方法について説明する。始に凹状の反射板５１を有し、リードフレーム１１の下面を露出させて樹脂モールドされた筐体５２を形成する。

次に、リードフレーム１１のマウントベッド１２上にサブマウント１３、半導体レーザ素子１４、受光素子１５を載置した後、ワイヤボンディングを行う。

次に、リードフレーム１１および筐体５２の向きを上下反転した状態で、ディスペンサ４０によりシリコン樹脂４１を半導体レーザ素子１４の後部、受光素子１５の上部、および反射板５１を覆うように注入する。

次に、この状態で、反射板５３を有する蓋体５４を下から筐体５２に重ね合わせ、シリコン樹脂４１を反射板５１と反射板５３で挟み込むことにより、シリコン樹脂４１と反射板５１とを密着させ、シリコン樹脂４１と反射板５３とを密着させる。

次に、注入したシリコン樹脂４１をキュアすることにより、下側に凸状の湾曲面１６ａ、と反射板５３に密着した湾曲面１６ｂと、リードフレーム１１側に凸状の湾曲面１６ｄと、反射板５１に密着した湾曲面１６ｃとを有するドーム状の透明樹脂１６が形成される。

次に、リードフレーム１１および筐体５２の向きを元に戻して、筐体５２に蓋体５４を冠着することにより、半導体レーザ装置５０が完成する。

以上説明したように、本実施例の半導体レーザ装置５０は、ドーム状の透明樹脂１６の湾曲面１６ｃに密着した反射板５１と、湾曲面１６ｂに密着した反射板５３とを具備している。

その結果、ドーム状の透明樹脂１６の湾曲面１６ｃ、１６ｂに入射したモニタ光２１の樹脂と空気の界面での反射率が向上し、更に多くのモニタ光２１を受光素子１５に取り込むことができる利点がある。

反射板５２、５４の形状は、半導体レーザ素子１４と受光素子１５との最適な光学的結合が得られるように、予め光線追跡法等により定めておくことができる。
従って、湾曲面１６ｂ、１６ｃが常に一定の形状となるので、光学的結合が安定する利点がある。

反射板５１、５３の反射率は高いほど光学的結合が向上するので、筐体５２および蓋体５４を白色系の樹脂で形成することが望ましい。

また、反射板５１、５３の凹面に、反射率の高い金属膜、例えばアルミニウム膜や金膜を真空蒸着法あるいはスパッタ法などによりを形成しておくことが更に望ましい。

図９は本発明の実施例３に係る半導体レーザ装置を示す図で、図９（ａ）は半導体レーザ装置の一部が切り欠きされた斜視図、図９（ｂ）は半導体レーザ装置の要部を示す断面図である。

本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。
本実施例が実施例１と異なる点は、半導体レーザ素子と受光素子を直角に配置したことにある。

即ち、図９（ａ）に示すように、本実施例の半導体レーザ装置６０は、リ−ドピン６１が電気的に絶縁されて植設された金属製のステム６２に半導体レーザ素子１４およびモニタ用受光素子１５が固定されている。

半導体レーザ素子１４はマウントベース６４にマウントされ、ステム６２の対向側にレーザビーム１７を取り出すようにステム６２と垂直に固定されている。
また、受光素子１５は、半導体レーザ素子１４の下方においてステム６２に固定され、半導体レーザ素子１４と直角に配置されている。

これら半導体レーザ素子１４および受光素子１５は、ワイヤ等によりリードピン６１と電気的に接続されている。
また、金属製のキャップ６５が半導体レーザ素子１４、受光素子１５を内包してステム６２に封着されている。

キャップ６５の頂部には、レーザビームを取り出すためのウィンドウガラス６６が設けられ、半導体レーザ素子１４からのレーザビーム１７は、半導体レーザ素子１４の一方の端面からウィンドウガラス６６を通して外部に向けて放射され、他方の端面からのモニタ光２１は、光出力を制御するための受光素子１５に入射する。

図９（ｂ）に示すように、半導体レーザ装置６０は、半導体レーザ素子１４と受光素子１５の間に、半導体レーザ素子１４の後部と受光素子１５の表面を覆うドーム状の透明樹脂６７を具備している。

ドーム状の透明樹脂６７は、上側に凸状の湾曲面６７ａおよび下側に凸状の湾曲面６７ｂを有し、上面および下面がともにステム６２と離間している。

半導体レーザ素子１４の後端面からモニタ光２１がドーム状の透明樹脂６７内へ放射されると、半導体レーザ素子１４の後端面と受光素子１５の表面は対向しているので、多くのモニタ光２１は直接受光素子１５に入射するが（実線）、一部は受光素子１５を外れる（破線）。

受光素子１５を外れたモニタ光２１は、凸状の湾曲面６７ａ、６７ｂで反射され、受光素子１５側に向かうので、受光素子１５に入射するモニタ光２１を増加させることが可能である。

以上説明したように、本実施例の半導体レーザ装置６０は、半導体レーザ素子１４の後端面と受光素子１５の表面が対向するように配置され、半導体レーザ素子１４の後部と受光素子１５の表面との間に、上側および下側の両方に凸状の湾曲面６７ａ、６７ｂ有するドーム状の透明樹脂６７を具備している。

その結果、ドーム状の透明樹脂６７内部での反射により、より多くのモニタ光２１を受光素子１５に取り込むことができる利点がある。

ここでは、透明樹脂６７の形状がドーム状である場合ついて説明したが、楕円体状とすることもできる。図１０は楕円体状の透明樹脂を有する半導体レーザ装置の要部を示す断面図である。

図１０に示すように、半導体レーザ装置７０は、半導体レーザ素子１４と、受光素子１５を覆う楕円体状の透明樹脂７１を有し、半導体レーザ素子１４のモニタ光２１の出射面が楕円体状の透明樹脂７１の第１焦点７２に配置され、受光素子１５の受光面が楕円体状の透明樹脂７１の第２焦点７３に配置されている。

第１焦点７２を出発し、楕円体状の透明樹脂７１の湾曲面７１ａ、７１ｂで反射した光は全て第２焦点７３に集光するので、更に多くのモニタ光２１を受光素子１５に入射させることができる。

その結果、十分な光学的結合が得られるとともに、受光素子のサイズを小さくすることができる利点がある。

本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置を示す断面図。 本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置の外囲器の一部が切り欠きされた斜視図。 本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置の効果を、比較例と対比して示す図で、図３（ａ）が本実施例を示す図、図３（ｂ）が比較例を示す図。 本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置の製造工程を順に示す断面図。 本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置の製造工程を順に示す断面図。 本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置の製造工程を順に示す断面図。 本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置の製造工程を順に示す断面図。 本発明の実施例２に係る半導体レーザ装置を示す断面図。 本発明の実施例３に係る半導体レーザ装置を示す図で、図９（ａ）は半導体レーザ装置の一部が切り欠きされた斜視図、図９（ｂ）は半導体レーザ装置の要部を示す断面図。 本発明の実施例３に係る他の半導体レーザ装置の要部を示す断面図。

符号の説明

１０、５０、６０、７０ 半導体レーザ装置
１１ リードフレーム（支持基台）
１２ マウントベッド
１３ サブマウント（台座）
１４ 半導体レーザ
１５ 受光素子
１６、６７、７１ 透明樹脂
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、６７ａ、６７ｂ、７１ａ、７１ｂ 湾曲面
１７ レーザビーム
１８、５２ 筐体
１９、５４ 蓋体
２０、６１ リードピン
２１ モニタ光
４０ ディスペンサ
４１ シリコーン樹脂
４２ ノズル
４３ ピストン
５１、５３ 反射板
６２ ステム
６４ マウントベース
６５ キャップ
６６ ウィンドウガラス
７２、７３ 焦点

Claims (5)

1. 支持基台上に台座を介して載置された半導体レーザ素子と、
   前記支持基台上に前記半導体レーザ素子と離間して載置され、前記半導体レーザ素子の一端面から放射されるレーザ光を受光する受光素子と、
   前記半導体レーザ素子と前記受光素子とを覆い、前記支持基台側および前記支持基台と反対側にそれぞれ凸状の湾曲面を有する透明樹脂と、
   を具備することを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記透明樹脂が前記支持基台と離間し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。
3. 前記透明樹脂の形状がドーム状、または楕円体状であ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。
4. 前記支持基台側に前記透明樹脂の凸状の湾曲面に密着する第１反射板と、前記支持基台と反対側に前記透明樹脂の凸状の湾曲面に密着する第２反射板を具備す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。
5. 台座を介して半導体レーザ素が載置され、前記半導体レーザ素と離間して前記半導体レーザ素子の一端面から放射されるレーザ光を受光する受光素子が載置されるリードフレームと、
   前記リードフレームの下面を露出して前記リードフレームをモールドするとともに、前記リードフレームのマウントベッド側が開口され、前記リードフレームのリードピン側に第１反射板を有する筐体と、
   前記筐体に冠着されるとともに、前記リードフレームのマウントベッド側が開口され、前記リードフレームのリードピン側に第２反射板を有する蓋体と、
   を具備することを特徴とするパッケージ。

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