JPH02181488A - 半導体レーザ素子用ヒートシンク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体レーザ素子に接続されるヒートシンクに
関する。

〔従来の技術〕

ＧａＡａ　−Ａｊ　ＧａＡｓ系埋め込み型半導体レーザ
素子は第３図に示す構造を有し、従来のダブルへテロ接
合型半導体レーザ素子では得られないすぐれた特性をも
っている。第３図は素子正面からみた模式断面図であり
、基板ｌの上に第１クラッド層２゜活性層３．第２クラ
ッド層４．コンタクト層５がこの順に形成されているが
、第２クラッド層４に形成されたストライプ状メサ部の
レーザ光進行方向と平行な両側面を電流挟窄層６で埋め
込んである。すなわち、活性層３が二つのクラッド層２
．４にはさまれ、さらに電流挟窄層６によって活性層３
の一部にしか電流が流れない構造になっており、電流挟
窄層６の材料を選択することにより電流挟窄層６が光吸
収層となるので、この半導体レーザ素子は高出力が得ら
れる。このように埋め込み型半導体レーザ素子は高出力
で安定な光源となるため、光情報伝送および光情報処理
用の光源として使用するのが有望とみられている。なお
７．８はそれぞれ上下の電極を表わす。

この半導体レーザ素子は次のようにして製造される。第
４図（ａｌ〜＋ｄ＋はその主な工程順を示したものであ
り、第３図と共通部分は同一符号を用いである。まず厚
さ１００μｍキャリア濃度３　ＸＩＱ”／ａＪのｎ−Ｇ
ａＡｓ基板１上にＭＯＣＶＤ法を用いて厚さ１．５．Ｈ
，キャリア濃度５Ｘ１０”／ｃｄのｎ−ＭＩｌＧａｔ−
ｘ＾３第１クラッドｒｆｉ２、厚さ０．１−、キャリア
濃度３Ｘ１０Ｉ？／−のｐ　−Ａｊ、　Ｇａ、−２Ａｓ
活性層３゜厚さ１．５−＋　キャリア濃度５　Ｘ　１０
Ｉ？／　ｃｄのｐ−ｋｌ、　Ｇａ、−、Ａｓ第２クラッ
ド層４．厚さ０，５Ｉｒｍ、キャリア濃度ｌＸｌ０”／
−のｐ−Ｇａ＾３コンタクト層５ａを順次成長させる〔
第４図（５）〕０次にこの積層体の上面全面にＳｉＪ膜
を付着させフォトレジストを塗布してパターニングし、
ｓｔｏｗ膜９をストライブ状に形成してレジストを除去
した後、５ｌｏｔ膜９をマスクとしてコンタクト層５ａ
、第２クラッド層４のエツチングを行ない、第２クラッ
ド層４の途中まで除去してストライプ状にメサ部を形成
し、さらに再度ＭＯＣＶＤ法を用いて厚さ１．７ｎ＋　
キャリア濃度３ＸＩＱ”／ａＪのｎ−ＧａＡｓ電流挟窄
層６をメサ部の両側面に選択成長させるが、その際電流
挟窄層６の上面はコンタクト層５ａの表面と一致させる
ことなく、コンタクト層５ａの厚さの中間に位置するよ
うに成長させる（第４図１ｅｔ）、引き続き５ｌｏｔ膜
９を残したまま電流挟窄層６上に３ｐｍの厚さのコンタ
クト層５ｂを成長させる。このコンタクト層５ｂは、先
に形成されているコンタクト層５ａとメサ部側面で接続
し一体となってコンタクト層５となる〔第４図１ｅｔ）
、結晶成長の終了後、素子を反応槽から取り出し、５Ｌ
（ｈ膜９を除去することにより第４図（ｄ）の構造をも
つ埋め込み型半導体レーザ素子が得られる。最後にコン
タクト層５側にＡｕ−Ｚｎ合金電極７基板ｌ側にＡｕ　
−Ｇｅ合金電極８を／ いずれもスパッタ形成することにより第３図のように構
成される。

しかし、高出力の半導体レーザ素子を動作させるとき、
レーザ発振に伴って素子が発熱するため、素子の光出力
特性が劣化し寿命も短くなる。そこで素子の放熱効果を
高めるために、通常素子の活性層に近い方すなわちコン
タクト層側電極をＩｎはんだなどを用いてヒートシンク
　（放熱体）に接合する。第５図は第３図に示した半導
体レーザ素子をヒートシンクに接合した状態を示した模
式断面図である。第５図のＣｕなどのヒートシンク１０
に形成したＩｎはんだ層１１の上に素子の電極７の方を
載せて所定温度に加熱し冷却することによりはんだ付け
が行なわれる。ここでこの半導体レーザ素子の構成を示
す第３図およびその製造工程を示す第４図かられかるよ
うに、素子のｐ−ＧａＡｓコンタクト層５の正面からみ
た両側がやや突出しており、すなわちこのコンタクトＩ
Ｗ５に凹部が形成されるように成長しであるのは、素子
とヒートシンクの接合に際してＩｎはんだ１１が素子の
側面に廻り込んで活性層３にまで達し、発光を妨げるこ
とのないよう両側を厚く成長させるのである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記のようにして半導体レーザ素子をヒ
ートシンクｌＯに接続するとき、次のような問題が生ず
る。それは素子の発光領域である活性ＦＩ３とヒートシ
ンクｌＯとの距離が５〜６ｎ離れており、コンタクト層
５に形成される凹部による空間が介在するため、放熱効
果が十分でないことである。放熱効果を大きくするには
コンタクト層５の厚さを薄くすればよいが、前に述べた
ようにはんだの廻り込みがあるため、３−より薄くする
ことができず、放熱効果とはんだの廻り込みを防ぐこと
とは相反関係になる。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、その目
的はコンタクト層に凹部を有する半導体レーザ素子の放
熱効果をあげるとともに、はんだの廻り込みのないヒー
トシンクを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、底面の輻ａ、高さｂｌの凹
部を有する埋め込み型半導体レーザ素子にはんだ付けす
るヒートシンクに凸部を設け、この凸部の暢ａと高さｂ
をａ　＜　ａ、、ｂ　＞　ｂｔに電極の厚さを加えた高
さ（ｂｔ）、　　ｂ　＜　ｂ、にはんだの厚さを加えた
〔作用〕 上記の凸部をもつ本発明のヒートシンクはその凸部先端
が半導体レーザ素子の凹部に接するようにしてはんだ付
けを行なうのではんだが素子の側面に廻り込むことに対
しては素子の活性層がはんだ層から従来と同様５〜６−
の距離を保っており、さらにヒートシンクと素子活性層
の発光領域との距離も２−程度とすることができるので
放熱効果が良好となる。

〔実施例〕

以下本発明を実施例に基づき説明する。

第１図は本発明のヒートシンクの形状を示した模式的斜
視図である。このヒートシンク１０ａは第１図のように
凸部を有し、その輻ａを５−９高さｂを４．５　ｎに形
成してあり、第１図には凸部先端面と凸部の両側に設け
たＩｎはんだ層１１．１１ａも図示しであるが、凸部先
端のはんだ層１１ａは、その長手方向の全長に設けるの
ではなく、正面と後面の端面に近い一部をマスクして１
５０　ｎの長さに凸部先端の全幅ａに蒸着する。それは
凸部の端面近傍まではんだ層が存在すると、そのはんだ
が半導体レーザ素子との接合のとき活性層３まで廻り込
んでくるおそれがあるからである。

第２図はこのヒートシンクに半導体レーザＳ子を接合し
た状態を示した模式断面図であり、これまで説明した図
と共通部分を同一符号で表わしである。ここで第２図の
ようにするために、第１図のヒートシンク１０ａの凸部
の幅ａと高さｂは半導体レーザ素子のコンタクトＮ５に
形成される凹部の底面の幅ａ、高さｂｔに対して定める
必要がある。

それはヒートシンク１０ａの凸部の幅ａは素子凹部底面
の輻す、より狭く、凸部の高さｂは素子凹部の高さにコ
ンタクト層側電極７の厚さを加えたもの（ｂよ）より高
（、またこれにはんだ層１１の厚さを加えたもの（ｂ、
）より薄（すること、すなわちａ〈ａｌ＋　　ｂ　＞ｂ
ｇ、　　ｂ　＜ｂｓの条件を滴定することである。

そこで例えばヒートシンク１０ａの凸部の幅ａを５μ、
高さを４．５μ、はんだＪｔ２１１１の厚さを３−とじ
、ヒートシンク１０ａの凸部に蒸着するはんだＪｉｌｌ
ａの厚さによって、ヒートシンク１０ａの凸部の加工精
度による寸法の誤差を吸収することができる。

ヒートシンク１０ａの凸部を加工するとき、高さｂが設
定値より大きいと半導体レーザ素子と接合する際に、コ
ンタクト層側電極７とヒートシンク１０ａとの接合が十
分にできず、また高さｂが設定値より低いとヒートシン
ク１０ａの凸部の先端で素子凹部との接触が良好になら
ないなどの不都合をはんだ層１１ａの厚さで補償してい
るのである。そしてヒートシンク１０ａの凸部先端のは
んだ層１１ａは半導体レーザ素子の凹部との隙間を埋め
て両者の接触を密にし、素子からの発熱をヒートシンク
１０ａの方へ逃がすのに役立つ９以上のごとく本発明に
よるヒートシンクを用いた第２図が第５図と異なる所は
、半導体レーザ素子とはんだ付けしたとき、素子の凹部
が単に空間として残ることなく、そこにヒートシンク１
０Ｍに形成された凸部が入り込んで素子凹部とＩｎはん
だによって密着し、素子活性層３からの放熱効果を大き
くしていることである。

半導体レーザ素子をヒートシンク１０ａにマウントする
方法は、基本的に従来と同じであって、本発明のヒート
シンク１０ａを用いるときは、その凸部先端に蒸着した
Ｉｎはんだ層１１ａの上に素子の凹部を合わせるように
すればよいだけである。

次に以上のようにして本発明のヒートシンク１０ａにマ
ウントした半導体レーザ素子１００個を同一製造ロフト
のものについて熱抵抗を測定し、従来のヒートシンク１
０を用いたもの１００個との比較を行なった。その結果
従来のものでは熱抵抗の平均値が５８℃／Ｗ、分散が２
３℃／Ｗであったのに対して、本発明のものでは、熱抵
抗の平均値３４℃／Ｗ、分散１６℃／Ｗであり、熱抵抗
は約４０％減少している。

このことは本発明の方が前に述べたように素子の発光領
域とヒートシンクとの間の空間に代わるヒートシンク凸
部が位置して発光領域とヒートシンク間の距離を短か＜
シ、このヒートシンク凸部による放熱効果が向上したか
らである。

また本発明のヒートシンクを用いて組み立てた半導体レ
ーザ素子と従来のヒートシンクを用いたものそれぞれ１
００個について、出力３０＋ｉＷ、　１０００時間のエ
ージング試験を行なった。その結果本発明のヒートシン
クを用いたものは１０００時間のエージングに対して特
性の劣化した素子は６個であったのに対して、従来のも
のは素子の劣化は２１個に達した。これは本発明のヒー
トシンクによる放熱効果の向上が素子の寿命に対して著
しく影響を与えるものであり、その有効性を確認するこ
とができた。その他はんだの素子活性層への廻り込みな
どは全く見られない。

〔発明の効果〕

半導体レーザ素子から生ずる熱を逃がすため、素子をヒ
ートシンクにはんだ付けするとき、はんだが素子の活性
領域まで廻り込んで発光を妨げることがないよう、素子
のコンタクト層の両側を厚（して表面に凹部を設けるこ
とは活性領域とヒートシンク上のはんだ層との距離が遠
くなるという点で有効であるが、その反面素子とヒート
シンクの間に隙間ができるので放熱効果に対してはなお
十分でない、これに対して本発明では実施例で述べたご
とく、ヒートシンクに凸部を設け、この凸部の先端に形
成した一部のはんだ層を素子凹部に合わせ、ヒートシン
ク凸部と素子凹部は密着し、かつヒートシンクと素子コ
ンタクト層側電極の全面とがはんだ接合するように、ヒ
ートシンク凸部の幅と高さの寸法を適切に定めたために
、素子活性領域とヒートシンクの距離は十分像たれて、
はんだの廻り込みが生じないことに加えて、とくに素子
活性領域から発生する熱をヒートシンク凸部から逃がす
ことができ、その結果本発明のヒートシンクを用いては
んだ付けした半導体レーザ素子は従来に比べて熱抵抗が
大幅に低下し、その放熱効果による長寿命を確保するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のヒートシンクの形状を示す模式斜視図
、第２図は本発明のヒートシンクに半導体レーザ素子を
はんだ付けした状態を示す模式断面図、第３図はコンタ
クト層に凹部を有する半導体レーザ素子の模式断面図、
第４図（ａｌ〜［ｄｌは第３図の半導体レーザ素子の主
な製造工程図、第５図は従来のヒートシンクに半導体レ
ーザ素子をはんだ付けした状態を示す模式断面図である
。 １：基板、２：第１クラッド層、３：活性層、４：第２
クラッド層、５．５ａ、５ｂ　　：コンタクト層、６：
電流挟窄層、７，８：電極、９　：　ｓｔｏ＊ｌＩｌ、
１０．１０ａ：ヒートシンク、１１．Ｉｌａ　：はんだ
層。 １１ａ　ｌコにＩ′！１ 第１図 第２図 ′＄３図 第５図 ′＄４！！１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）半導体基板上に積層形成された第１クラッド層、活
   性層、ストライプ状のメサ部を有する第２クラッド層、
   上面に凹部を有するコンタクト層、メサ部両側面に埋め
   込んだ電流挟窄層および上下両電極を備えた埋め込み型
   半導体レーザ素子のコンタクト層側にはんだ付けする半
   導体レーザ素子用ヒートシンクであって、半導体レーザ
   素子との接合面に形成した凸部の幅（ａ）と高さ（ｂ）
   がコンタクト層凹部の底面の幅（ａ＿１）、高さ（ｂ＿
   １）、ｂ＿１に電極の厚さを加えた高さ（ｂ＿２）、ｂ
   ＿２にはんだ層の厚さを加えた高さ（ｂ＿３）に対して
   、ａ＜ａ＿１、ｂ＞ｂ＿２、ｂ＜ｂ＿３なる関係を有す
   ることを特徴とする半導体レーザ素子用ヒートシンク。