JP2013211303A - Semiconductor laser device - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a semiconductor laser device, and more particularly, to a semiconductor laser device including a submount portion on which a semiconductor element is mounted.
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。 Conventionally, a semiconductor element to be mounted by bonding a material B having a higher linear thermal expansion coefficient than that of the semiconductor element to the front and back surfaces of the material A having a lower linear thermal expansion coefficient than that of the semiconductor element, and adjusting the thickness of each material. A submount structure has been proposed that is equal to the linear thermal expansion coefficient.
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。
For example,
Typical materials used for these include diamond and aluminum nitride having an electrical insulating function in the submount substrate 7. The
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。 However, in the structure of the submount portion shown in FIG. 4, if the thermal load from the semiconductor element is very large, the submount substrate 7 is heated not only on the first cover layer but also on the second cover layer. A material with high conductivity is selected. Specifically, diamond is used for the submount substrate 7 and copper is used for the first and second coating layers. Diamond has a low coefficient of linear thermal expansion and is a highly rigid material, but copper has a higher coefficient of linear thermal expansion than diamond and is a low rigidity material. For this reason, in order to match the linear thermal expansion coefficient to the GaAs-based semiconductor element, it is necessary to increase the thickness of the first coating layer made of copper and the second coating layer made of copper. However, according to such a configuration, the ability to exhaust heat generated from the semiconductor element to the heat sink is reduced. For this reason, there exists a problem that the advantage of using a diamond with high heat conductivity for a submount falls.
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。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to improve the characteristics of the semiconductor laser device, ensure high thermal conductivity, and increase the linear thermal expansion coefficient. An object of the present invention is to provide a diamond submount structure in which the above is adjusted.
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。
According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor laser device comprising: a semiconductor element; and a submount portion on which the semiconductor element is mounted. The submount portion includes one or more different linear thermal expansion coefficients from the semiconductor element. The first submount material, the semiconductor element, and one or more second submount materials having a linear thermal expansion coefficient larger than that of the first submount material, the semiconductor element and the first submount material The first submount material and the second submount material are alternately arranged in the longitudinal direction of the semiconductor element, and the semiconductor element L and λ respectively represent the length and the linear thermal expansion coefficient of the first submount material, and L1 and λ1 represent the total length and the linear thermal expansion coefficient of the first submount material, and L2 represents the total length and the linear thermal expansion coefficient of the second submount material, respectively. , Λ1,
L = L1 + L2 (1)
L × λ = L1 × λ1 + L2 × λ2 (2)
A semiconductor laser device characterized by satisfying the two equations simultaneously.
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。 The semiconductor element is made of gallium arsenide (GaAs), and the submount joined to the semiconductor element is composed of a first submount material made of diamond and a second submount material made of copper. It is characterized by being.
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。
Furthermore, the submount portion includes a plurality of the first submount materials and the second submount material disposed between the first submount materials, and the first submount is provided. The material is arranged so as to be supported via a bonding material in the vicinity of the plurality of light emitting portions formed in the semiconductor element, and the second submount material is arranged apart from the semiconductor element,
The number of the light emitting points is N, the individual width of the first submount material supporting the vicinity of the light emitting point is D1 (mm), and the individual width of the second submount material is D2 (mm). When L1 (mm) = N x D1 (mm) (3)
L2 (mm) = (N−1) × D2 (mm) (4)
It is characterized by satisfying the following formula.
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。 According to the semiconductor laser device of the present invention, the linear thermal expansion coefficient of a semiconductor element such as a laser diode and the linear thermal expansion coefficient of a submount can be made equal to each other. There is no need for a metal coating layer that relaxes the difference in the coefficient of linear thermal expansion between the mounting portion and the heat from the semiconductor element can be efficiently exhausted. In addition, it is possible to maximize the heat removal capability of the submount made of a material having high thermal conductivity such as diamond, and by efficiently cooling the semiconductor element, a highly efficient semiconductor laser device can be provided. There are also advantages.
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。 In the semiconductor laser device of the present invention, for example, a plurality of first submount materials made of diamond and second submount materials made of copper are alternately arranged in the longitudinal direction of the semiconductor element, and the linear thermal expansion coefficient is increased. It has an adjusted submount. Specific examples are shown below.
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。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a
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。
Here, when the
L (mm) = L1 (mm) + L2 (mm) (1)
L (mm) × λ = L1 (mm) × λ1 + L2 (mm) × λ2 (2)
The length and material are set so as to satisfy the relationship satisfying the two equations.
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。
As a specific example, for a GaAs-based semiconductor element 2 (outer dimensions: thickness 0.3 mm × depth 0.3 mm × total length 3.6 mm, 5 light emitting points, edge emitter type) Become. The
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。
FIG. 2 is an explanatory view showing the outline of the semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 2, the
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。
Here, as in the case of FIG. 1, the above-described equations (1) and (2) are followed. However, in the
L (mm) = L1 (mm) + L2 (mm) (1)
L (mm) × λ = L1 (mm) × λ1 + L2 (mm) × λ2 (2)
The length and material are set so as to satisfy the relationship satisfying the two equations.
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。
As a specific example, for a GaAs-based semiconductor element 2 (outer dimensions: thickness 0.3 mm × depth 0.3 mm × total length 3.6 mm, 5 light emitting points, edge emitter type) Become. The
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。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an outline of a semiconductor laser device according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 3, the
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)
In the structure in which the second submount material 5 is disposed between the plurality of first submount materials 4, the number of the light emitting points of the
L1 (mm) = N × D1 (mm) (3)
L2 (mm) = (N−1) × D2 (mm) (4)
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。
Other configurations are the same as in the case of the first embodiment shown in FIG. 1, the
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。
Thus, even if it is an array type semiconductor device having a plurality of light emitting
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
DESCRIPTION OF
7
11 Bonding material
Claims (3)
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。
A semiconductor element;
A submount for mounting the semiconductor element;
In a semiconductor laser device comprising:
The submount portion includes one or more first submount materials having a linear thermal expansion coefficient different from that of the semiconductor element, and one semiconductor element and a single linear thermal expansion coefficient larger than that of the first submount material. It consists of the above second submount material,
The semiconductor element and the first submount material are bonded via a bonding material,
The first submount material and the second submount material are alternately arranged in the longitudinal direction of the semiconductor element,
The length and linear thermal expansion coefficient of the semiconductor element are L (mm) and λ, respectively, and the total length and linear thermal expansion coefficient of the first submount material are L1 (mm) and λ1, respectively. When the total length and the linear thermal expansion coefficient are L2 (mm) and λ1, respectively,
L (mm) = L1 (mm) + L2 (mm) (1)
L (mm) × λ = L1 (mm) × λ1 + L2 (mm) × λ2 (2)
A semiconductor laser device characterized by satisfying the two equations simultaneously.
The semiconductor element is made of gallium arsenide (GaAs), and the submount bonded to the semiconductor element is composed of a first submount material made of diamond and a second submount material made of copper. The semiconductor laser device according to claim 1.
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。 The submount portion includes a plurality of the first submount materials and the second submount material disposed between the first submount materials, and the first submount material includes: The second submount material is disposed apart from the semiconductor element, and is disposed so as to be supported through a bonding material in the vicinity of the plurality of light emitting portions formed in the semiconductor element.
The number of the light emitting points is N, the individual width of the first submount material supporting the vicinity of the light emitting point is D1 (mm), and the individual width of the second submount material is D2 (mm). When L1 (mm) = N x D1 (mm) (3)
L2 (mm) = (N−1) × D2 (mm) (4)
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the following equation is satisfied.
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