JPH1126887A - ダイヤモンド放熱部品を備えた半導体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 放熱性に優れ半導体レーザチップに熱応力を
生じないダイヤモンド製のヒートシンクを備えた高出力
で安定して発振する半導体レーザを与えること。 【構成】 板状の基体の上に膜厚３μｍ〜９μｍの気相
合成ダイヤモンド層を形成し表面をメタライズ層で覆
い、その上に２μｍ〜８μｍの厚みのロウ材によって半
導体レーザチップを固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はダイヤモンド放熱部
品を備えた半導体レーザに関する。とくに、半導体レー
ザとダイヤモンド放熱部品の間に発生する熱応力を緩和
することによりその性能を高めた半導体レーザの構造に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の、情報通信社会の発展に伴い、Ｃ
ＡＴＶ等の多チャンネル送信や海底ケーブルを使った長
距離幹線系送信・受信等の大容量情報伝達技術の開発が
盛んに行われている。高出力の半導体レーザは、これら
の大容量情報伝達に欠かせないものであり、その需要は
年々高まって来ている。これらの高出力半導体レーザの
安定した発振を維持するためには高性能の放熱部品が必
要である。放熱部品はヒートシンクとも呼ばれる。

【０００３】放熱部品には熱伝導率が高い材料が適する
のは勿論である。金属材料がヒートシンクに用いられて
いる。例えばＣｕＷなど（特開平１−１８７９９１号、
特開平２−２５７６８９号）熱伝導率のよい金属材料が
用いられる。しかし金属の熱伝導率は余り高くないので
強く発熱する半導体レーザを冷却するには不十分である
ことがある。

【０００４】物質中最高の熱伝導率を有する材料はダイ
ヤモンドである。ダイヤモンドは高価であるが熱伝導率
が優れているので半導体レーザの放熱部品として僅かに
使われ始めている。

【０００５】 特開平５−１３８４３号「放熱部品お
よび該放熱部品を備えた半導体レーザ」はステムの上に
だけダイヤモンドを形成しその上に半導体レーザを鑞づ
けした半導体レーザを提案している。ダイヤモンド膜の
厚みは１０μｍ〜５００μｍとしている。ダイヤモンド
の厚みが放熱性能に影響するので、ダイヤモンド膜が１
０μｍ以上はなければならないとしている。しかしロウ
材の厚みについては述べていない。半導体レーザとダイ
ヤモンド放熱板の熱膨張率に差に起因する問題には気づ
いていない。

【０００６】 特開平８−１９５３６７号「ウエハー
及びその製造方法」は、Ｓｉ等の基板の上にダイヤモン
ド膜を形成したダイヤモンド付きの大口径ウエハを提案
している。これは凸そりのあるウエハである。半導体レ
ーザの放熱板と言うわけではない。半導体レーザとウエ
ハの熱膨張率の差についての言及もない。

【０００７】特開昭４８−７９３３８号「放熱電極と
その製造方法」はダイヤモンド自体をヒートシンクとす
るものであり、クロム、白金、金を天然のダイヤモンド
に被覆し電気伝導性を与えている。冷却の対象はインパ
ットダイオード、ガンダイオードであり半導体レーザで
はない。

【０００８】特開昭４９−９９４８２号「超小型半導
体電子装置の組立方法」は殆ど球形であって上部に僅か
な平坦面を持つ天然産のダイヤモンド球をメタライズ
し、ガンダイオードを搭載するものである。球形のダイ
ヤモンドであるから直方体のものよりも冷却能力が優れ
ている、という。しかしこれは半導体レーザの冷却機構
ではない。

【０００９】特開昭５０−６７５８２号「半導体素子
の製造方法」はＣｕのブロックに穴を掘り天然のダイヤ
モンドブロックを埋め込んでその上にインパットダイオ
ードなど発熱著しい半導体素子を固定するものである。
気相合成した薄いダイヤモンド膜を使うものではない。
ダイヤモンドと素子の熱膨張率の差による割れひびなど
は問題にしていない。

【００１０】実開昭５３−１１８４７０号「半導体装
置」はＣｕ基板の上にダイヤモンド上炭素膜を形成し金
メッキしてその上に発光ダイオードを固定している。こ
うすると炭素膜によってチップが絶縁されるとしてい
る。金層にダイオードを接着しているのであってダイヤ
モンド膜にダイオードをロウ付けするのではない。

【００１１】特開昭６３−４１０５５号「半導体装置
の放熱構造」はＳｉ基板の上に１０μｍ厚みのダイヤモ
ンド膜を形成し、さらに金膜を形成し金を半田として利
用してチップを接着している。

【００１２】特開平２−２６０５７号「放熱板」はＣ
ｕ合金又はＣｕの中に金属酸化物（Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＴｉＯ
₂ 、ＳｉＯ₂ ）を分散した基板に５０μｍ厚みのダイヤ
モンド膜を形成した放熱板を提案している。ＩＣパッケ
ージ、ハイブリッドＩＣなどの放熱板である。放熱板に
これらを接着する構造については述べるところがない。

【００１３】実開平３−６８６２号「放熱基板」は放
熱基板の表面にパターニング合成によってダイヤモンド
膜を形成した基板を提案している。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ダイヤモンド放熱板を
持つ半導体レーザにおいて、半導体レーザ素子とダイヤ
モンドはろう材により接合される。その際ロウ材が融け
る温度になるまで、ダイヤモンドと半導体レーザの温度
を上げてロウ付けしその後室温まで温度を下げるという
作業が必要になる。この温度の昇降に伴って熱応力の問
題が発生する。

【００１５】代表的な半導体レーザ素子の材質であるＩ
ｎＰやＧａＡｓの熱膨張係数は、ダイヤモンドの熱膨張
係数の２〜３倍である。このように熱膨張係数が著しく
異なるので、ロウ付け温度から室温まで低下する際に半
導体レーザ素子に大きな熱応力が発生する。この熱応力
が大きいと、半導体レーザ素子に割れが生じる。割れな
くても、レーザ発振強度が低下したり、レーザ寿命が短
くなるといった、種々の問題が起こる。従来の半導体レ
ーザ用の放熱部品に使用されているダイヤモンドの厚み
は通常２００μｍ以上である。このような厚いダイヤモ
ンドを放熱部品に使用した場合には、半導体レーザとダ
イヤモンドの間に大きい熱応力が発生し、熱応力により
上記のような種々の問題が起こる。

【００１６】また、放熱部品などの半導体基板の価格に
対する要求は厳しいものになって来ている。熱伝導率の
高いダイヤモンドは放熱性には優れているが、極めて高
価である。高価な材料を使いコストを削減するために
は、ダイヤモンドの厚みを必要最小限の厚さにする必要
がある。ダイヤモンド膜は基板の上に気相合成法によっ
て合成し、基板を除去することによって自立膜として得
るようになっている。ダイヤモンド層が余りに薄いと、
基板を除去する際ダイヤモンドに罅が入る。甚だしいと
きはダイヤモンドが割れるなどの問題が起こる。

【００１７】自立膜にする際に罅がはいったりしないた
めに、ダイヤモンド膜はどうしても２００μｍ以上の厚
みが必要であった。つまり基板の上に２００μｍ以上の
厚みのダイヤモンドを合成する必要があったのである。
このようにダイヤモンド自立膜を用いた放熱部品の価格
を低減することは容易でない。

【００１８】本発明は、上記のような問題を解決するた
めになされたものであり、基板上に合成された必要最小
限の厚みの気相合成ダイヤモンドを基板付きのまま放熱
部品として使用し、かつ半導体レーザ素子と放熱部品の
間のロウ材の厚みを最適化することにより、ダイヤモン
ド放熱部品の製造コストを低減し、熱応力に起因する性
能の劣化が生じないようにした半導体レーザを提供する
ことを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明のかかる半導体レ
ーザは、板状の基板状に形成された膜厚３μｍ〜９μｍ
の気相合成ダイヤモンドの放熱部品と、半導体レーザ素
子がロウ材により接合されており、そのロウ材の厚みが
２μｍ〜８μｍであることを特徴とする。

【００２０】

【発明の実施の形態】半導体レーザ素子と、板状の基体
上に形成された膜厚３μｍ〜９μｍの気相合成ダイヤモ
ンドが、厚み２μｍ〜８μｍのロウ材で接合されている
ことにより、半導体レーザ素子に発生する熱応力を緩和
することが可能になる。従来のダイヤモンドヒートシン
クは２００μｍ以上の厚みがないと不適当だと考えられ
ていたが本発明はそのような厚みは不要であり、極薄い
もので良いということを主張する。

【００２１】最大厚みが９μｍであるから従来の２００
μｍ以上のダイヤモンドよりも格段にコストを低減でき
る。単にコストを下げるというのでなく、ダイヤモンド
膜を薄くして熱応力によって半導体レーザチップが劣化
するのを防ぐのである。先述の従来技術はダイヤモン
ド厚みが１０μｍ〜５００μｍというヒートシンクを提
案しているが、それは厚すぎてチップにひびや割れを生
じさせレーザ発振を妨げ特性を劣化させるのである。

【００２２】本発明において使用するダイヤモンド層
は、基体上に気相合成法により製造される。燃焼炎法、
熱フィラメントＣＶＤ法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法
等、公知の気相合成ダイヤ製造方法を利用することがで
きる。気相合成法により基体上に合成されるダイヤモン
ドは、表面がダイヤモンド特有の自形を呈し、面粗さが
非常に粗くそのままでは半導体素子の実装には適さない
ことが多い。表面が粗いと半導体素子のロウ付けが適切
に行われず、熱抵抗の増大を招く。表面の面粗さは、Ｒ
_max が５０ｎｍ以下、Ｒａが２０ｎｍ以下であることが
好ましい。これは表面をダイヤモンド砥石などにより研
磨することによって達成することが可能である。この面
粗さはダイヤモンドの合成膜厚が大きくなればなるほど
大きくなる傾向がある。しかしながら、本願発明のダイ
ヤモンド膜厚３〜９μｍという薄膜おいては、合成後特
に処理をしなくとも上記の面粗さを達成することも可能
であり、その場合は研磨を省略することも可能である。
通常、後に記載するＳｉなどの基体上に気相合成したダ
イヤモンドは、多結晶体となる。これに対して、基体
（単結晶）上にヘテロエピタキシャル成長したダイヤモ
ンドは、単結晶であるから非常に高品質であり熱伝導率
も高くなるため、本発明に用いるダイヤモンド層として
より好ましいものになる。本発明において使用する基体
の厚みは、厚すぎると基体の熱抵抗が大きくなり過ぎ、
好ましくない。しかし、薄過ぎても機械的強度の点から
割れなどの不良が発生し易くなるため好ましくない。１
００μｍ以上１ｍｍ以下の厚みの基体を使用することが
好ましい。基体の材質としては、ダイヤモンドを気相合
成する条件下で安定であり、ダイヤモンドを合成するこ
とが可能なものであること、熱伝導率が低すぎない事、
また熱膨張率が搭載する半導体素子に近いか、より大き
いことが条件として挙げられる。具体的には、Ｓｉ，Ｓ
ｉＣ，ＡｌＮ，Ｃｕ，Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ｃｕ−Ｗ合金，
Ｃｕ−Ｍｏ−Ｗ合金などが好ましい。ダイヤモンド表面
と半導体素子を接合するロウ材は、Ａｕ，Ａｇ，Ｇｅ，
Ｉｎ，Ｐｂ，Ｓｉ，Ｓｎのうちから選ばれた少なくとも
一つの材料からなることが好ましい。また、ダイヤモン
ド表面のメタライズ層は、Ａｕ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐ
ｔ，Ｔｉのうちから少なくとも１種以上を含むことが好
ましい。

【００２３】

【実施例】

［実施例１（熱フィラメントＣＶＤ法）］熱フィラメン
トＣＶＤ法により加熱した３インチＳｉ基板の上に水素
ガス、メタンガスを吹き込んで３μｍ厚と９μｍ厚のダ
イヤモンド膜を合成した。条件は以下のようである。 基板： Ｓｉウェファ ７６φ×０．５ｍｍ フィラメント温度： ２１００ ℃ 基板温度 ： ８５０ ℃ 水素流量： ４００ ｓｃｃｍ メタン流量： ５ ｓｃｃｍ ガス圧力： ８０ Ｔｏｒｒ 合成時間と膜厚： ３ 時間 ３μｍ（研磨後） ８ 時間 ９μｍ（研磨後）

【００２４】このダイヤモンド膜の熱伝導率は１０００
Ｗ／ｍ・Ｋ、研磨後の表面粗さは、Ｒ_max ４０ｎｍ、Ｒ
_a １０ｎｍであった。Ｓｉ基板からダイヤモンド膜を分
離せず、基板に付いたままのダイヤモンドを次のように
加工した。ダイヤモンド被覆Ｓｉ基板をＹＡＧレーザに
よって０．７５ｍｍ×０．７５ｍｍの正方形状に切断し
た。その周囲全面（表面、裏面、側面）をＴｉ、Ｐｔ、
Ａｕによってメタライズした。これはロウ付けを可能に
するためである。メタライズしたダイヤモンド被覆板
に、ＡｕＳｎ合金ロウ材を用いて、０．３ｍｍ×０．３
ｍｍ×０．１ｍｍのＩｎＧａＡｓＰからなる半導体レー
ザチップを、温度２９０℃でロウ付けした。最適の条件
を探る為にロウ材の厚みを様々に変えた。

【００２５】こうして放熱板付きの半導体レーザが作製
された。問題は二つある。一つは放熱性能である。もう
一つは素子と放熱板の間に発生する熱応力である。放熱
が不十分であるとレーザ発振が不安定になる。また熱応
力が大きいと半導体レーザに歪みが入り素子を破壊する
こともある。熱応力が小さく放熱性が十分でなければな
らない。

【００２６】そこで、様々なロウ材厚みによって、３μ
ｍ厚のダイヤモンド膜を有する放熱板に取り付けたレー
ザ素子と、９μｍ厚のダイヤモンド膜を有する放熱板に
取り付けたレーザについて、１５０ｍＷの出力パワーで
連続発振させて半導体レーザの温度変動と熱応力を測定
した。出力が同一であるから発生する熱量は同一であ
る。熱は輻射の他にチップ・ロウ材・放熱板を通じて熱
伝導によって排除される。表１はダイヤモンド膜厚が３
μｍの放熱板（ダイヤモンド／Ｓｉ基板）の場合の測定
結果を示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】試料１はロウ材が最も薄い（１μｍ）ので
あるが、熱応力は９５ＭＰａもありもっとも大きい。ロ
ウ材が薄いとチップと放熱板の間の熱伝導が良いのでチ
ップの放熱性がよく温度上昇を効果的に抑えることがで
きる。温度が低いのでレーザ発振が安定している。試料
２はロウ材が３μｍでより厚い。ロウ材は応力緩和作用
があるのでチップの熱応力が減少する。しかし反面熱伝
導が減るので素子の温度が上がる。

【００２９】試料３、４、５というようにロウ材厚みが
増える。それとともにチップに掛かる応力が減少する。
熱伝導が次第に悪くなるのでレーザ温度は少しずつ上が
る。試料４ではロウ材厚みは７μｍである。熱応力は２
０ＭＰａに減る。試料１〜試料４のいずれも発振は安定
している。

【００３０】試料５ではロウ材が９ミリあるので熱応力
は１０ＭＰａと小さくなる。良いようであるがそうでは
ない。そのかわりレーザ温度は５８℃に上がる。レーザ
温度が高いので発振強度が低下する。強度一定になるよ
うに駆動電流を増やすとさらに温度が上がるので、レー
ザ発振は不安定になった。これはロウ材が厚すぎるため
熱伝導が悪く放熱が不完全であるからである。表２はダ
イヤモンド膜厚が９μｍの放熱板（ダイヤモンド／Ｓｉ
基板）の場合の測定結果を示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】試料６はロウ材が最も薄い（１μｍ）。ダ
イヤモンド膜が９μｍであって厚すぎて１μｍのロウ材
では熱応力を緩和できない。強い熱応力のためにロウ付
け温度から室温に下がる過程においてチップが破損して
しまった。であるから通電試験できなかった。試料７は
厚いダイヤモンド膜（９μｍ）が生ずる熱応力をロウ材
によって緩和し熱応力を７０ＭＰａに減らしている。ダ
イヤモンド膜が先例（３μｍ）の３倍もあるから熱伝導
にすぐれる。温度を低く抑えることができ安定に発振す
る。

【００３３】試料７〜１０までロウ材が厚くなるに従っ
て熱応力は減少する。ヤング率の小さいロウ材によって
相反する応力が打ち消しあうのである。そのかわりロウ
材により熱伝導が低下するからレーザ温度は上昇する。
試料１０では熱応力が２０ＭＰａになる。それでも発振
は安定する。

【００３４】［比較例１］本発明において、ダイヤモン
ド膜の膜厚は重要な因子である。比較のため膜厚を１０
０μｍにして同様の実験を行った。熱フィラメントＣＶ
Ｄ法により加熱した２インチＳｉ基板の上に水素ガス、
メタンガスを吹き込んで１００μｍ厚の厚いダイヤモン
ド膜を合成した。条件は以下のようである。 基板： Ｓｉウェファ ５０φ×０．５ｍｍ フィラメント温度： ２１００ ℃ 基板温度 ： ８５０ ℃ 水素流量： ４００ ｓｃｃｍ メタン流量： １０ ｓｃｃｍ ガス圧力： ８０ Ｔｏｒｒ ダイヤモンド膜厚： １００ μｍ 合成時間： ５０ 時間

【００３５】以上の条件はメタン流量が少し違い、合成
時間が長いというほかは、従来例とほぼ同様である。Ｓ
ｉ基板からダイヤモンド膜を分離せず、ダイヤモンド被
覆Ｓｉ基板をＹＡＧレーザによって０．７５ｍｍ×０．
７５ｍｍの正方形状に切断した。その周囲全面（表面、
裏面、側面）をＴｉ、Ｐｔ、Ａｕによってメタライズし
た。メタライズしたダイヤモンド被覆板に、ＡｕＳｎ合
金ロウ材を用いて、０．３ｍｍ×０．３ｍｍ×０．１ｍ
ｍのＩｎＧａＡｓＰからなる半導体レーザチップを、温
度２９０℃でロウ付けした。実施例１と比較するため
に、ロウ材の厚みを１μｍ〜９μｍの間で様々に変え
た。

【００３６】ロウ材厚みを１μｍ〜９μｍにして、１０
０μｍ厚のダイヤモンド膜を有する放熱板に取り付けた
レーザ素子を、１５０ｍＷの出力パワーで連続発振させ
て半導体レーザの温度変動と熱応力を測定した。その測
定結果を表３に示す。

【００３７】

【表３】

【００３８】ダイヤモンド膜が厚いので、ロウ材厚みが
１μｍ〜９μｍの範囲では、いずれもロウ付け温度（２
９０℃）から室温にまで温度を下げる間に素子にクラッ
クが入り破損した。通電試験は実施できなかった。

【００３９】［実施例２（マイクロ波プラズマＣＶＤ
法）］マイクロ波プラズマＣＶＤ法により加熱した２０
ミリ角のＳｉＣ基板の上に水素ガス、メタンガス、酸素
ガスを吹き込んで３μｍ厚と６μｍ厚のダイヤモンド膜
を合成した。条件は以下のようである。 基板： ＳｉＣ板 ２０ｍｍ×２０ｍｍ×０．３ｍｍ マイクロ波パワー： ３ ｋＷ 基板温度 ： ８００ ℃ 水素流量： ５００ ｓｃｃｍ メタン流量： １５ ｓｃｃｍ 酸素流量： ２ ｓｃｃｍ ガス圧力： ９０ Ｔｏｒｒ 合成時間と膜厚： ３ 時間 ３μｍ ６ 時間 ６μｍ

【００４０】このダイヤモンド膜の熱伝導率は１６００
Ｗ／ｍ・Ｋであった。先ほどの熱フィラメント法による
ダイヤモンド膜（１０００Ｗ／ｍ・Ｋ）よりもさらに優
れた熱伝導性をもっている。ＳｉＣ基板からダイヤモン
ド膜を分離せず放熱板として利用する。ダイヤモンド被
覆ＳｉＣ基板をＹＡＧレーザによって０．７５ｍｍ×
０．７５ｍｍの正方形状に切断した。その周囲全面（表
面、裏面、側面）をＴｉ、Ｐｔ、Ａｕによってメタライ
ズした。メタライズしたダイヤモンド被覆板に、ＡｕＳ
ｎ合金ロウ材を用いて、０．３ｍｍ×０．４５ｍｍ×
０．１ｍｍのＩｎＧａＡｓＰからなる半導体レーザチッ
プを、温度２９０℃でロウ付けした。このような点は先
ほどの熱フィラメント法によるＳｉ基板ダイヤモンドの
場合を同じである。前例と同じように、最適の条件を探
る為にロウ材の厚みを様々に変えた。

【００４１】先例と同じように放熱板つきの半導体レー
ザが作製された。これらについて、一定光パワーでのレ
ーザチップの熱応力と素子温度を測定した。この実施例
では放熱性がよいので半導体レーザパワーを前回（１５
０ｍＷ）の２倍の３００ｍＷにした。表４はダイヤモン
ド膜厚が３μｍの放熱板（ダイヤモンド／ＳｉＣ基板）
の場合の測定結果を示す。

【００４２】

【表４】

【００４３】試料１６はロウ材が最も薄い（１μｍ）の
で応力を緩和できず熱応力は９５ＭＰａもありもっとも
大きい。ロウ材が薄いとチップと放熱板の間の熱伝導が
良いのでチップの放熱性がよく温度上昇を効果的に抑え
ることができる。温度が低いのでレーザ発振が安定して
いる。

【００４４】試料１７〜試料２０までロウ材の厚みが増
える。ロウ材は応力緩和作用があるので厚みが増すとチ
ップの熱応力が減少する。反面ロウ材が熱伝導を妨げる
ので素子の温度が上がる。試料２０ではロウ材厚みは８
μｍである。熱応力は１５ＭＰａに減り、素子温度は上
がる。試料１６〜試料２０のいずれも発振は安定してい
る。表５はダイヤモンド膜厚が６μｍの放熱板（ダイヤ
モンド／ＳｉＣ基板）の場合の熱応力測定結果を示す。

【００４５】

【表５】

【００４６】試料２１はロウ材が最も薄い（１μｍ）。
ダイヤモンド膜が６μｍもあって厚すぎて１μｍのロウ
材では熱応力を緩和できない。強い熱応力のためにロウ
付け温度から室温に下がる過程においてチップにひび
（クラック）が入った。であるから通電試験できなかっ
た。試料２２は厚いダイヤモンド膜（６μｍ）が生ずる
熱応力をロウ材によって緩和し熱応力を６５ＭＰａに減
らしている。ダイヤモンド膜が先例（３μｍ）の２倍も
あるから熱伝導にすぐれる。温度を低く抑えることがで
き安定に発振する。

【００４７】試料２２〜２５までロウ材が厚くなるに従
って熱応力は減少する。ロウ材により熱伝導が低下する
からレーザ温度は上昇する。しかし試料２５では熱応力
が１５ＭＰａになる。試料２２〜２５で発振は安定であ
る。表５において熱応力はより大きくなっている。ダイ
ヤモンドがより厚いのでダイヤモンドと素子の間に発生
する応力が大きくなる。

【００４８】［実施例３（熱フィラメントＣＶＤ法＋プ
ラズマジェットＣＶＤ法）］次に熱フィラメントＣＶＤ
法で単結晶Ｓｉ基板上にダイヤモンド核発生させ、プラ
ズマジェット法によってダイヤモンド膜を被覆したダイ
ヤモンド／Ｓｉ放熱板を作製し、これに半導体レーザチ
ップを付けて同様な試験をした。（第１ステップ：核発
生）熱フィラメントＣＶＤ法により加熱した２インチ
（１００）単結晶Ｓｉ基板の上に水素ガス、メタンガス
を吹き込んで核発生処理を行った。条件は以下のようで
ある。 基板： （１００）単結晶Ｓｉ ５０φ×１ｍｍ フィラメント温度： ２０００ ℃ 基板温度 ： ７００ ℃ 水素流量： ４００ ｓｃｃｍ メタン流量： １０ ｓｃｃｍ ガス圧力： ３０ Ｔｏｒｒ 基板バイアス： −２００ Ｖ 核発生処理時間： １０ 分

【００４９】（第２ステップ：ダイヤモンド膜被覆）核
発生した（１００）単結晶Ｓｉ基板上にプラズマジェッ
トＣＶＤにより膜厚８μｍのダイヤモンド膜を被覆し
た。 基板： 核発生した（１００）単結晶Ｓｉ ５０φ×１ｍｍ 基板温度： ８５０ ℃ 水素流量： ２ ｓｌｍ（＝２０００ｓｃｃｍ） メタン流量： ４５ ｓｃｃｍ アルゴン流量： ５ ｓｌｍ（＝５０００ｓｃｃｍ） ガス圧力： ５ Ｔｏｒｒ ダイヤモンド膜合成時間： ４ 時間 ダイヤモンド膜厚： ８ μｍ

【００５０】このダイヤモンド膜の熱伝導率は２０００
Ｗ／ｍ・Ｋであった。極めて高い熱伝導率である。Ｓｉ
基板からダイヤモンド膜を分離せず、基板に付いたまま
のダイヤモンドを次のように加工した。ダイヤモンド被
覆Ｓｉ基板をＹＡＧレーザによって０．７５ｍｍ×１．
５ｍｍの長方形状に切断した。その周囲全面（表面、裏
面、側面）をＴｉ、Ｐｔ、Ａｕによってメタライズし
た。メタライズしたダイヤモンド被覆板に、ＡｕＳｎ合
金ロウ材を用いて、０．３ｍｍ×０．６ｍｍ×０．１ｍ
ｍのＩｎＧａＡｓＰからなる半導体レーザチップを、温
度２９０℃でロウ付けした。最適の条件を探るためにロ
ウ材の厚みを様々に変えた。この例では半導体レーザの
寸法が大きいので放熱板も少し大きくしてある。

【００５１】こうして放熱板（Ｓｉ単結晶＋８μｍダイ
ヤモンド膜）付きの半導体レーザが作製された。放熱性
がよいので今度は半導体レーザの出力を５００ｍＷとし
た。その条件でレーザ発振させ、熱応力を測定した。そ
の結果を表６に示す。

【００５２】

【表６】

【００５３】試料２６はロウ材が最も薄く、ロウ付け温
度から室温にまで降温する間に半導体レーザチップにク
ラックが発生した。ロウ材厚みが３μｍ〜８μｍの試料
２７〜３０ではレーザ発振は安定であった。ダイヤモン
ド厚みは８μｍであって放熱性はこれまでの実施例のど
れよりも優れている。最も好ましい実施例である。

【００５４】

【発明の効果】本発明による半導体レーザは、板状の基
体上に合成された膜厚３μｍ〜９μｍの気相合成ダイヤ
モンドの放熱部品を使用し、この放熱部品と半導体レー
ザチップ２μｍ〜８μｍの厚みのロウ材層によって接合
されているので、半導体レーザ素子が熱応力により破損
することがない。高出力で安定したレーザ発振を可能に
する。長距離幹線系送信のための高出力半導体レーザと
して最適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体レーザの構造を示す断面図。

【符号の説明】

１ 半導体レーザチップ ２ ロウ材層 ３ メタライズ層 ４ 気相合成ダイヤモンド層 ５ 基板

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】板状の基体と、基体の表面に形成された膜
   厚が３μｍ〜９μｍの気相合成ダイヤモンド層と、少な
   くともダイヤモンド層の表面の一部を覆うように設けら
   れるメタライズ層と、ダイヤモンド層、メタライズ層の
   上に厚み２μｍ〜８μｍのロウ材によって固定された半
   導体レーザチップとよりなることを特徴とするダイヤモ
   ンド放熱部品を備えた半導体レーザ。
2. 【請求項２】前記気相合成ダイヤモンドの室温から４０
   ０℃までの熱伝導率が５００Ｗ／ｍ・Ｋ〜２０００Ｗ／
   ｍ・Ｋである請求項１に記載のダイヤモンド放熱部品を
   備えた半導体レーザ。
3. 【請求項３】前記気相合成ダイヤモンドが基体に対して
   ヘテロエピタキシャル成長したダイヤモンドである事を
   特徴とする請求項１又は請求項２に記載のダイヤモンド
   放熱部品を備えた半導体レーザ。
4. 【請求項４】前記気相合成ダイヤモンドの面粗度を研磨
   によりＲｍａｘ５０ｎｍ、Ｒａ２０ｎｍ以下にした請求
   項１〜請求項３の何れかに記載のダイヤモンド放熱部品
   を備えた半導体レーザ。
5. 【請求項５】前記基体の厚みが１００μｍ〜１０００μ
   ｍである、請求項１〜請求項４の何れかに記載のダイヤ
   モンド放熱部品を備えた半導体レーザ。
6. 【請求項６】前記基体がＳｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｃｕ、
   Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｗ合金の
   うちから選ばれた一つの材料からなる請求項１〜請求項
   ５のいずれかに記載のダイヤモンド放熱部品を備えた半
   導体レーザ。
7. 【請求項７】前記ロウ材がＡｕ、Ａｇ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｐ
   ｂ、Ｓｉ、Ｓｎのうちから選ばれた少なくとも一つの材
   料からなる請求項１〜請求項６に記載のダイヤモンド放
   熱部品を備えた半導体レーザ。
8. 【請求項８】前記メタライズ層がＡｕ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐ
   ｄ、Ｐｔ，Ｔｉのうちから選ばれた少なくとも一つの材
   料からなる請求項１〜請求項７に記載のダイヤモンド放
   熱部品を備えた半導体レーザ。