JPH0964470A - 半導体レーザユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱抵抗の低い半導体レーザユニットを提供す
る。 【構成】 シリコン基板１０１と半導体レーザチップ１
０２の間のメッキ層１０８の膜厚を10μm以上にする。
さらにメッキ層１０８の面積をレーザチップ１０２のボ
ンディング面積よりも大きくする。これにより、レーザ
チップ１０２からの発熱を効率よくシリコン基板１０１
に伝えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は受光素子を有するＳｉ基
板と半導体レーザを一体化した半導体レーザユニットに
関し、特に半導体レーザチップの放熱特性を向上させた
半導体レーザユニットに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、受光素子を有するＳｉ基板に波長
が780nm以上の赤外半導体レーザチップとレーザ光を垂
直方向に反射させるミラーとを備えたレーザユニットは
提案され、実用化されている（特願昭62-309056号）。
例えば、受光素子の形成されたＳｉ基板上の一部に凹部
をエッチングによって形成し、凹部の底面部に半導体レ
ーザチップをマウントする。また平坦性のよい（111）
面のエッチング側面をミラーとして利用する構成であ
る。凹部の傾斜面は金属で覆われており、ミラー面の反
射効率を高くしている。レーザチップはハンダ材料を介
して底面部にボンディングされている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術では、Ｓｉ基板の熱伝導率が低いため、レーザチ
ップからの発熱に対して放熱特性が悪いという課題があ
る。この放熱特性はレーザチップの消費電力に対するレ
ーザ活性層の温度上昇すなわち熱抵抗（単位℃/Ｗ）に
よって表される。

【０００４】ＡｌＧａＩｎＰ系の材料で構成される波長
が630nmから690nmの赤色半導体レーザでは、レーザチッ
プからの発熱が波長が780nm付近の赤外の半導体レーザ
に比べて倍程度大きく、この発熱によりレーザのしきい
値電流や動作電流が上昇するため、上記のようなレーザ
ユニットを構成することが困難であった。

【０００５】本発明は、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レー
ザにおいても、レーザユニット化が可能な熱抵抗の低い
半導体レーザユニットを提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、Ｓｉ基
板と半導体レーザチップの間のメタル層の膜厚を10μm
以上にするとともに、その面積をレーザチップのボンデ
ィング面積よりも大きくすることにより、レーザチップ
からの発熱を効率よくＳｉ基板に伝える。

【０００７】また、Ｓｉ基板の厚みを部分的に薄くして
コムに接着させることによりパッケージ外部への放熱特
性も向上させる。

【０００８】

【作用】レーザチップからの発生した熱は半田材料、メ
タル層を介してＳｉ基板側に伝わる。従来技術では、メ
タル層の膜厚が0.5μmから1.5μm程度であるのでメタル
層を横方向（面内方向）に伝導する熱量はメタル層下部
のＳｉ基板側に伝導する熱量に比べ無視できるほど小さ
い。一般にメタル層はハンダ材料との密着が良いことか
ら熱伝導に優れたＡｕ（熱伝導率：318Ｗ/℃・m）が使
われるが、Ｓｉ基板など下地材料との密着性を良くする
ためＣｒ（熱伝導率：87Ｗ/℃・m）Ｔｉ（熱伝導率：22
Ｗ/℃・m）、Ｐｔ（熱伝導率：73Ｗ/℃・m）などの金属
を挟む場合もあるので、メタル層の熱伝導率は100Ｗ/℃
・m程度でありＳｉ基板の熱伝導率145Ｗ/℃・mよりも悪
い。

【０００９】一方、本発明の請求項１に記載のごとく、
熱伝導率のよいメタル層の厚みを10μm以上にし、特に
熱伝導性に優れたＡｕをメタル材料に用いれば、メタル
層全体の熱伝導率を良くするという効果が得られる。

【００１０】しかも請求項２記載のごとく、メタル層の
面積がレーザチップの接着断面積より大きくなるように
形成するので、レーザチップから発生した熱は横方向に
すばやく伝導してからメタル層下部のＳｉ基板側に伝導
するので、放熱特性に優れる、すなわちレーザチップと
Ｓｉ基板との熱抵抗が大きく低減できるという効果が得
られる。

【００１１】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明の第１の実施例を図面を参照
して説明する。

【００１２】図１は本発明の第１の実施例を示す半導体
レーザユニットの構成図である。図１（ａ）は平面図、
図１（ｂ）はａ−ａ'の断面図を示している。受光素子1
03はＳｉ基板101に集積化されている。Ｓｉ基板の厚み
は500μmである。この基板上にレーザチップ2およびレ
ーザチップからの出射光を反射して垂直方向に向けるた
めのミラー105をボンディングする。レーザチップ102と
ミラー105をボンディングする部分にはＴｉ0.1μｍおよ
びＡｕ0.5μmが蒸着されている。

【００１３】ミラー105はＳｉでできており反射ミラー
面は機械的研磨によって形成された傾斜角45度の面を利
用している。ミラー面および底面部はＴｉ0.1μｍおよ
びＡｕ0.5μmの蒸着膜でメタライズされており、底面部
にはさらにボンディングのために、Ｓｎを30％含むＰｂ
のハンダ106が2μm蒸着されている。

【００１４】Ｓｉ基板上のレーザチップをボンディング
する部分は、Ｔｉ0.1μｍおよびＡｕ0.5μmの蒸着膜109
でメタライズされ、さらにＡｕメッキ層108が12μm形成
されている。Ｔｉ0.1μｍおよびＡｕ0.5μmの蒸着膜109
およびＡｕメッキ層108はレーザチップをボンディング
する領域を中心に1.6mm×1.6mmとした。但しミラー105
をボンディングする領域にはメッキをしていない。レー
ザチップの面積は幅が３００ｎｍで共振器長が７００ｎ
ｍであり、メッキ層の面積の約１／１２である。

【００１５】Ａｕメッキ層108のメッキ工程は、受光素
子の配線パターン、ワイヤボンディングのための電極パ
ッド104の形成後に、メッキする部分以外をレジストマ
スクで覆ってから行う。

【００１６】次にレーザチップをボンディングする領域
にはＩｎハンダ107をパターンニングした。以上のフォ
トリソグラフィー、蒸着、メッキなどの工程はウエハプ
ロセスであって、これらの工程終了後にダイシング工程
によってＳｉ基板101ができている。ミラー3のボンディ
ング工程に続いて、レーザチップ102を発熱量の大きい
活性層側を下側にしてボンディングする。ここで、レー
ザチップ102は発振波長が650nmのＡｌＧａＩｎＰ系材料
を用いた赤色半導体レーザである。レーザの定格光出力
は35mWである。

【００１７】最後にレーザチップ102および受光素子103
の電極パッド104と図示されていないパッケージ側のリ
ードとのワイヤボンドを行う。このレーザユニットの熱
抵抗を測定したところ40℃/Ｗであった。このとき、し
きい値の温度依存性から求めた特性温度Ｔ0は110Ｋで、
この値は従来のφ9.0mmの丸形メタルパッケージに実装
したときの特性温度115Ｋと比べても遜色のない値であ
る。ここで特性温度とは、縦軸にしきい値電流密度（ロ
グスケール）、横軸に温度をとったときのグラフの傾き
を表したものであり、傾きが小さいほどしきい値電流密
度の温度依存性が少なくレーザの特性がよい。このとき
特性温度が大きくなる。つまり特性温度が大きいほどこ
のグラフの傾きが小さく、レーザの特性がよいのであ
る。

【００１８】このようにＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いた
赤色半導体レーザは発熱が大きいので、長時間にわたり
信頼性を保つためには、熱抵抗を４５℃／Ｗ以下にする
必要がある。本実施例はレーザチップを４５℃／Ｗ以下
に実装するのに効果がある。

【００１９】現状の赤色レーザは、メタルベースを用い
たキャン実装タイプであり、この実装ではサブマウント
に、熱伝導率の高いＳｉＣを用い、ポストにも熱伝導率
の高いＣｕを用いて熱抵抗が４５℃／Ｗ以下になるよう
実装されている。この実装により６０℃までの信頼性を
確保している。

【００２０】本実施例では現状のキャン実装タイプでな
はく、シリコン基板上にレーザチップを実装する実装方
法により、熱抵抗を４５℃以下にまで下げることができ
るのである。

【００２１】図３は従来のレーザユニットである。受光
素子103がＳｉ基板101上に集積化されている。Ｓｉ基板
101の厚みは500μmである。レーザチップ１０２の下に
はＡｕメッキ層がない構成となっており、比較のために
同じ赤色半導体レーザチップ102をボンディングして熱
抵抗を測定したところ75℃/Ｗとなり、レーザしきい値
の温度依存性がおおきく、40℃以上になるとレーザ発振
はするものの、熱飽和によって10mW以上の光出力が得ら
れなかった。このときのDC駆動での特性温度Ｔ0は80Ｋ
と小さな値しか得られなかった。同じ特性のレーザチッ
プを従来のφ9.0mmの丸形メタルパッケージに実装して
特性温度を測定すると115Ｋという値が得られている。

【００２２】図５はレーザユニットの熱抵抗とメッキ厚
みの関係を調べた結果である。このときのメッキ層の面
積はチップの接着面積の5倍である。この結果からわか
るように、メッキ厚みが5μm以上になると熱抵抗が減少
することがわかった。

【００２３】図６はメッキ層が12μmのときの、メッキ
面積と熱抵抗の関係を調べた結果である。この結果か
ら、メッキ面積がレーザチップの接着面積と同じ場合
は、熱抵抗低減の効果がないが２倍以上にすると効果が
得られることがわかった。

【００２４】なお本実施例ではレーザチップとして発熱
量の大きいＡｌＧａＩｎＰ系の赤色レーザを用いて説明
したが、ＧａＡｓ系の赤外のレーザを高出力で使用する
場合に効果があることは明らかである。

【００２５】（実施例２）本発明の第２の実施例を図２
を用いて説明する。実施例１と比較して実施例２は、レ
ーザチップからの出射光を反射して垂直方向に向けるた
めのミラー105としてＳｉ基板１０１をエッチングする
ことによって形成した（111）面を利用した構成になっ
ている。Ｓｉ基板101の厚みは500μmである。エッチン
グ深さはレーザチップの高さと同程度になるように100
μmとした。ミラー面として結晶面を用いるので平坦性
が向上できる。レーザチップ102はエッチングされた凹
部の底面にボンディングする。

【００２６】Ｓｉ基板上のレーザチップをボンディング
する部分は、Ｔｉ0.1μｍおよびＡｕ0.5μmの蒸着膜109
でメタライズされ、さらにＡｕメッキ層108が12μm形成
されている。Ｔｉ0.1μｍおよびＡｕ0.5μmの蒸着膜109
およびＡｕメッキ層108はレーザチップをボンディング
する領域を中心に1.6mm×1.6mmとした。Ａｕメッキ層10
8のメッキ工程は、受光素子の配線パターン、ワイヤボ
ンディングのための電極パッド104の形成後に、メッキ
する部分以外をレジストマスクで覆ってから行う。

【００２７】次にレーザチップをボンディングする領域
にはＩｎハンダ107をパターンニングした。以上のフォ
トリソグラフィー、蒸着、メッキなどの工程はウエハプ
ロセスであって、これらの工程終了後にダイシング工程
によってＳｉ基板101ができている。レーザチップ102は
発熱量の大きい活性層側を下側にしてボンディングす
る。ここで、レーザチップ102は発振波長が650nmのＡｌ
ＧａＩｎＰ系材料を用いた赤色半導体レーザである。レ
ーザの定格光出力は35mWである。

【００２８】最後にレーザチップ102および受光素子103
の電極パッド104と図示されていないパッケージ側のリ
ードとのワイヤボンドを行う。この様な構成においても
熱抵抗が40℃/Ｗとなり実施例１と同様の効果が得られ
ることがわかった。

【００２９】（実施例３）本発明の第３の実施例を図４
を用いて説明する。図４においては、レーザチップをボ
ンディングしようとする部分の反対側すなわち裏面側か
らＳｉ基板１０１をエッチングして厚みを薄くして凹部
を形成している。Ｓｉ基板の厚みは500μmである。

【００３０】実施例２と同様、レーザチップからの出射
光を反射して垂直方向に向けるためのミラー105として
エッチングによって形成した（111）面を利用した構成
になっている。Ｓｉ基板101の厚みは500μmである。エ
ッチング深さはレーザチップの高さと同程度になるよう
に100μmとした。ミラー面として結晶面を用いるので平
坦性が向上できる。レーザチップ102はエッチングされ
た凹部の底面にボンディングする。

【００３１】Ｓｉ基板上のレーザチップをボンディング
する部分は、Ｔｉ0.1μｍおよびＡｕ0.5μmの蒸着膜109
でメタライズされ、さらにＡｕメッキ層108が12μm形成
されている。Ｔｉ0.1μｍおよびＡｕ0.5μmの蒸着膜109
およびＡｕメッキ層108はレーザチップをボンディング
する領域を中心に1.6mm×1.6mmとした。Ａｕメッキ層10
8のメッキ工程は、受光素子の配線パターン、ワイヤボ
ンディングのための電極パッド104の形成後に、メッキ
する部分以外をレジストマスクで覆ってから行う。

【００３２】次にレーザチップをボンディングする領域
にはＩｎハンダ107をパターンニングした。上面のエッ
チング工程、メタライズ工程、金メッキ工程、Ｉｎハン
ダのパターンニング工程の後、上面全体をフォトレジス
トでマスクをしてＳｉ基板の裏面側のエッチング工程に
入る。裏面側からのエッチング深さは300μmとした。Ｓ
ｉ基板の表側のエッチング深さは100μmとした。

【００３３】これらの工程終了後にダイシング工程によ
ってＳｉ基板101ができている。レーザチップ102は発熱
量の大きい活性層側を下側にしてボンディングする。こ
こで、レーザチップ102は発振波長が650nmのＡｌＧａＩ
ｎＰ系材料を用いた赤色半導体レーザである。レーザの
定格光出力は35mWである。Ｓｉ基板101は放熱用の銅製
のコム110上にボンディングしてからコムの周囲にリー
ド線を配置して樹脂でパッケージングする。Ｓｉ基板凹
部に対応するように中央部の厚みを厚くしてある。

【００３４】最後にレーザチップ102および受光素子103
の電極パッド104と図示されていないパッケージ側のリ
ードとのワイヤボンドを行う。Ｓｉ基板上部は樹脂で覆
わずに反射防止膜コートを施した透明窓で封止をする。

【００３５】本実施例では熱伝導の悪いＳｉ基板の厚み
を薄くし、放熱用のコムと発熱源であるレーザチップと
の距離を短くすることでレーザチップの熱抵抗を低減す
る効果が得られる。本実施例の結果では、実施例１また
は２で詳述したメッキ層との組合わせによってさらに熱
抵抗を平均35℃/Ｗにまで低減できることがわかった。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば以
下のような効果が得られる。 （１）充分な厚さのメッキ層を形成することおよびメッ
キ層の面積をレーザチップの接着面積よりも充分大きく
することにより、メタル層全体の熱伝導率を良くすると
いう効果と、発生した熱は横方向にすばやく伝導してか
らメタル層下部のＳｉ基板側に伝導する効果によって、
レーザチップの放熱特性を著しく改善できる。 （２）放熱コムとレーザチップとの距離を短くすること
により、レーザチップからの発熱を効率よくパッケージ
の外部に放熱させることができる。したがって、発熱量
の大きなＡｌＧａＩｎＰ系の材料で構成される波長が63
0nmから690nmの赤色半導体レーザを実装しても従来のメ
タルパッケージに実装したときと同様、40℃/Ｗ以下の
低い熱抵抗特性が得られるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の第１の実施例における半導体レ
ーザユニットの平面図 （ｂ）同半導体レーザユニットのａ−ａ’の断面図

【図２】（ａ）本発明の第２の実施例における半導体レ
ーザユニットの平面図 （ｂ）同半導体レーザユニットのａ−ａ’の断面図

【図３】（ａ）従来の実施例における半導体レーザユニ
ットの平面図 （ｂ）同半導体レーザユニットのａ−ａ’の断面図

【図４】（ａ）本発明の第３の実施例における半導体レ
ーザユニットの平面図 （ｂ）同半導体レーザユニットのａ−ａ’の断面図

【図５】レーザユニットの熱抵抗とメッキ厚みとの関係
を示す特性図

【図６】レーザユニットの熱抵抗とメッキ面積との関係
を示す特性図

【符号の説明】

１０１ Ｓｉ基板 １０２ レーザチップ １０３ 受光素子 １０４ 電極パッド １０５ ミラー １０６ Ｐｂ/Ｓｎハンダ １０７ Ｉｎハンダ １０８ Ａｕメッキ膜 １０９ Ｔｉ/Ａｕメタライズ膜 １１０ コム

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】受光素子を有するシリコン基板と、前記シ
   リコン基板上にメタル層を介して配置された半導体レー
   ザチップと、前記導体レーザから出射するレーザ光を反
   射するミラーとを備え、 前記レーザチップは実装後の熱抵抗が45℃/Ｗ以下を必
   要とするものであり、前記メタル層の熱伝導率はシリコ
   ンよりも大きく、その厚みは10μｍ以上であることを特
   徴とする半導体レーザユニット。
2. 【請求項２】前記メタル層の面積が、前記レーザチップ
   の接着面積の少なくとも２倍以上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ユニット。
3. 【請求項３】前記メタル層は、メッキによって形成され
   た金層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体
   レーザユニット。
4. 【請求項４】前記シリコン基板上の、前記レーザチップ
   が実装された部分の底面部が、周囲よりも厚みが薄いこ
   とを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザユニッ
   ト。
5. 【請求項５】前記シリコン基板がパッケージのコムに接
   着されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体
   レーザユニット。