JPS6317585A

JPS6317585A - 半導体レーザー装置

Info

Publication number: JPS6317585A
Application number: JP61161613A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Kuwae; 桑江　良昇; Masato Kamata; 眞人鎌田; Masaru Ishizuka; 勝石塚; Yukio Chinen; 幸勇知念; Sakae Kimura; 木村　栄
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-07-09
Filing date: 1986-07-09
Publication date: 1988-01-25

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】［発明の目的１（産業上の利用分野）本発明は半導体レーザ等の半導体発光装置の改良に関す
る。

（従来の技術）半導体発光Ｂ置の代表例として半導体レーザについて説
明する。半導体レーザは、レーザダイオード（以下、Ｌ
Ｄと記す）とも呼ばれ、発光ダイオード（ＬＥＤ）と比
べて光のスペクトル幅が非常に狭く、またその光を波と
してみた場合時間的にもきれいに揃っている。このため
、適当なレンズで波長程度の大きさに集光できる特長が
ある。

この集光性は例えばコンパクトディスクや光学式ビデオ
ディスクプレーヤで利用されている。すなわち、コンパ
クトディスク等では半導体レーザの光をディスクに照射
し、ディスク上の微細な凹ビットパターンから反射して
くる光を読取って電気信号に変換している。半導体レー
ザは、このような読取りや、ディスクへの書込み等の記
録のほかに、光に信号をのせて伝送する光通信にとって
も重要になっている。

従来のＬＤは第１０１ｇに示すような構造を有している
。第１０図において、ステム１上にはヒートシンク２が
接合され、更にステム２上には半導体発光素子３が接合
されている。前記ヒートシンク２には熱伝導性とともに
電気絶縁性が要求され、通常、ダイヤモンドが用いられ
ている。このダイヤモンドとしては、天然ダイヤモンド
又は高温・高圧下で製造されたいわゆる高圧ダイヤモン
ドが用いられてきた。

しかし、こうしたダイヤモンドをヒートシンクに適した
形状に加工することは、ダイヤモンドが橿めて硬いこと
から非常に困難であり、このため生産性が悪く価格も高
かった。また、天然ダイヤモンドや高圧ダイヤモンドは
比較的小さいため、これらから得られるヒートシンクの
大きざにも限度があり、ダイヤモンドの有する優れた熱
伝導性を十分活用しているとはいえず、半導体発光装置
の放熱特性に問題があった。

なお、例えば実開昭６１−１２２６１号公報には、良熱
伝導性媒体からなるヒートシンクの主面に絶縁膜として
ダイヤモンド状薄膜を形成し、このダイヤモンド状ＮＥ
Ｗ上に電極層を形成し、半導体レーザ素子を接着固定し
た半導体レーザ装置が記載されている。この半導体レー
ザ装置では、ヒートシンクに熱伝導性と絶縁性を与える
ことができ、しかもその製造コストは比較的安価である
。

しかし、この公報に記載された半導体レーザ装置は、単
にパッケージ筐体が半導体発光素子の極性にかかわらず
使用できるようにすることを目的とするものであり、ヒ
ートシンクの放熱特性については詳細に考慮しておらず
、必ずしも半導体レーザ装置の光出力−電流特性等の特
性が良好であるとはいえない。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は上記問題点を解決するためになされたものであ
り、放熱特性が優れ、しかも安価な半導体発光装置を提
供することを目的とする。

［発明の構成１（問題点を解決するための手段）本発明の半導体発光装置は、ステムにヒートシンクを接
合し、該ヒートシンクに半導体発光素子を接合した半導
体発光装置において、前記ヒートシンクを、ヒートシン
ク基体の半導体発光素子又はステムの少なくともいずれ
か一方との接合面側に熱伝導性膜を形成した構造とし、
かつヒートシンクと半導体発光素子の互いの接合面にお
ける面積比を８：１以上としたことを特徴とするもので
ある。

本発明において、ヒートシンク基体の材料としては、各
種の無機物質及び有機物質が用いられるが、熱伝導性の
良好な材料が望ましい。具体的には、ＡＱ％ＡＱ、Ａｕ
％Ｂｅ、Ｃｕ、ＦｅｌＭｏ。

１’ｌ　ｂ　ＳＮ　＋　−Ｐ　ｄ　、Ｐ　ｔ　１Ｒｅ　
１Ｒｈ　ＳＳ　Ｉ　Ｎ５ｎ１Ｔａ、ＷＳＺｎ等の金属を
挙げることができる。

また、本発明において、ヒートシンク基体の半導体発光
素子又はステムの少なくともいずれが一方との接合面側
に形成される熱伝導性膜としては、熱伝導性が良好であ
ることのほかに、ヒートシンクが全体として絶縁性であ
ることが要求されるので、電気絶縁性の材料を用いる必
要がある。具体的には、ダイヤモンド、Ｓ＋　Ｑ、８ｅ
Ｏ，ＢＮ、ＡｎＮ又はＡり２０３が挙げられる。

本発明において用いられるヒートシンクの製造方法は、
特に限定されない。例えばヒー［・シンク基体にダイヤ
モンドからなる熱伝導性膜を形成するには以下のような
気相成長法が用いられる。

第１は、加熱したヒートシンク基体の表面にメタン、エ
チレン、アセチレン、アセトンのような有線化合物と水
素との混合ガスを導入し、ヒートシンク基体に近接して
設けられた熱フィラメントの熱エネルギーで混合ガスを
熱分解して活性種を生成させ、ヒートシンク基体表面に
ダイヤモンドを成長させるものである（特公昭５９−２
７７５３、第３３回応用物理学関係連合講演会予稿集。

１ｐ−ＺＤ−６，１９８６年）。

第２は、第１の方法を改良したものであり、上記第１の
方法に加えて、ヒートシンク基体と熱フィラメントとの
間に、ヒートシンク基体が正電位、熱フィラメントが負
電位となるように電圧を印加して熱フィラメントから熱
電子を放出させてヒートシンク基体に照射しながら、ヒ
ートシンク基体上にダイヤモンドを成長させるものであ
る（特開昭６Ｏ−２２）３９５）。

第３はプラズマ中で原料の有灘化合物ガスを分解して活
性種を生成させ、ヒートシンク基体上にダイヤモンドを
成長させるものである（特開昭５８−１３５１１７、特
開昭５９−３０９８等〉。

これらの方法はいずれも低温・低圧下で行なわれるため
、比較的小さな装置で実現でき、広面積にダイヤモンド
膜を気相成長させることができ、しかも低コストである
等工業的には有利である。

また、例えばヒートシンク基体の表面に５ｉＣ１ＢｅＯ
１ＢＮ、ＡｆｌＮ又はＡ／２２Ｃｈからなる熱伝導性膜
を形成するには、以下のような方法が用いられる。

第１は、塗布法、溶射法、化学気相成長法、めっき法、
真空蒸着法、スパッタ法、イオンブレーティング法等の
公知の成膜技術によりヒートシンク基体表面に上記のよ
うな各種の熱伝導性膜を形成するものである。

第２は、ヒートシンク基体に酸化、窒化、炭化等の処理
を施してその表面に酸化物、窒化物、炭化物等の熱伝導
性膜を形成するものである。

（作用）上記のような半導体発光装置によれば、ヒートシンク基
体は高圧ダイヤモンドより、も安価な材料を用い、熱伝
導性が良好であることのみを考慮して面積の大きいもの
を用いることができる。また、その表面の熱伝導性膜も
安価に形成することができる。そして、半導体発光素子
で発生した熱を面積の広いヒートシンクを介して迅速に
除去することができ、放熱特性を大幅に向上することが
できる。

本発明において、ヒートシンクと半導体発光素子の互い
の接合面における面積比を８：１以上としたのは、上記
面積比が８＝１未満では半導体発光素子で発生した熱を
迅速に除去することができないためである。

なお、本発明において、ヒートシンク基体の厚さ及びそ
の表面に形成される熱伝導性膜の厚さは、ヒートシンク
全体の熱伝導性及び電気絶縁性等を考慮して決定される
。例、えば、ヒートシンク基体としてＳｌ、熱伝導性膜
としてダイヤモンドを用いる場合、３ｉの厚さは１１Ｗ
１１以下、ダイヤモンド膜の厚さは０．００１〜０．３
履であることが望ましい。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

実施例１〜４及び比較例１まず、熱解析を行なうために、第１図に示すような半導
体発光素子（実施例１〜４）を製造した。

第１図において、寸法（幅×奥行き×厚さ、以下の表示
も同様）が６＃Ｉ×６履Ｘ６４のＣｕ製のステム１１上
には２脳Ｘ２＋１１１１Ｘ０，１５−のＭＯ製のヒート
シンク基体１３の上面に２ｍＸ２ｍＸｔｓｘのダイヤモ
ンドからなる熱伝導性膜１４を形成したヒートシンク１
２が接合されており、更にヒートシンク１２表面の熱伝
導性膜（ダイヤモンド）１４上には０．４Ｂ　Ｘ　Ｏ，
３ｔｒｙ　Ｘ　Ｏ，０９ｓ＋のＩｎＧａＡｓＰ半導体発
光素子１５が、接合されている。この半導体発光装置で
は、ヒートシンク１２と半導体発光素子１５の互いの接
合面における面積比は３３．３：１である。なお、第１
図では、導線は図示していない。また、前記ヒートシン
ク１２は、反応容器内にヒートシンク基体１３を設置し
てメタンと水素との混合ガスを供給し、熱フィラメント
の共存下で７５０℃に保持することにより、その表面に
ダイヤモンドを形成したものである。このダイヤモンド
膜の厚さｔｍは下記第１表に示すように４種類とした。

これと比較するために、ヒートシンクとして従来量も一
般的に用いられている０、７　ｍ　Ｘ　Ｏ，７ｔｒｍ　
Ｘｏ、４ｍの高圧ダイヤモンドを使用し、それ以外のス
テム、半導体発光素子は上記と同一寸法の材質を用いて
第１図と同様な構造の半導体発光装置（比較例１）を製
造した。

これらの半導体発光装置を２０℃の空気中で、半導体発
光素子１５からの発熱量が定常的に０．１Ｗとなるよう
な条件で使用した。このときの半導体　　゛発□光素子
１５の温度を第１表に示す。

第１表から明らかなように、半導体発光素子の温度は、
実施例１〜４の半導体発光装置の方が比較例１のものよ
りも２℃以上も低いことがわかる。

したがって、本発明の半導体発光装置では、しきい値電
流を下げることができ、高温での発振や高光出力化も可
能になり、長時間使用しても半導体発光素子の劣化を抑
制することができる。

実施例５〜８及び比較例１ヒートシンク１２表面の熱伝導性膜１４としてダイヤモ
ンドの代わりに酸化ベリリウムを用いた以外は、上記と
同一寸法の材質を用いて製造された第１図の半導体発光
装置〈実施例５〜８）について、上記と同様な熱解析を
行なった結果を下記第２表に示す。

第２表から明らかなように、熱伝導性膜として酸化ベリ
リウムを用いた場合も第１表の場合と同様な結果が得ら
れることがわかる。

第　　１　　表第　　２　　表実施例９及び比較例２次に、更に詳細な解析を行なった場合について説明する
。この場合、第２図＜ａ＞〜（Ｃ）に示すような方法に
より半導体発光装置を製造した。

まず、厚さ０．２０ｍのＳ１ウエハ（ヒートシンク基体
）２２表面に、気相成長法により厚さ０．０１＃ｌ１１
１のダイヤモンドからなる熱伝導性１１２３を形成した
。

次に、メタライズ処理を行ない、熱伝導性膜２３上に電
極層となる厚さ約１０００人のＴｉ２４、厚さ約１５０
０人のｐｔ２５及び厚さ約２０００人のＡ　ｕ　２６を
順次コーティングした。その後、これを２．０　ｓ　Ｘ
　２．Ｏｍの寸法に切断して、３ｉからなるヒートシン
ク基体２２表面に熱伝導性ｍ２３が形成されたヒートシ
ンク２）上に電極層を形成した状態としたく第２図（ａ
）図示）。

一方、Ｃｕ製のステム本体２８表面にＮｉ２９をメッキ
したステム２７表面にＡｕ３０を形成した（第２図（ｂ
）図示）。

つづいて、ステム２７表面に形成されたＡＬＩ３０上に
、ヒートシンク基体２２が接するようにヒートシンク２
）を載せ、約３８０℃で熱処理を行ない３ｉとＡｕとの
接合層を形成して両者を接合した。次いで、ヒートシン
ク２）上に形成された電極層のＡｕ２６上にＡｕ−８ｎ
３１を形成した後、０．４ｓＸＯ，３ｍ　Ｘ　Ｏ，Ｏｈ
＋ｓ＋のＩ　ｎＧａＡＳＰ半導体発光素子３２を載せ、
約３５０℃で熱処理を行ない、両者を接合して半導体発
光装Ｍ（実施例９）を製造したく第２図（Ｃ）図示）。

なお、第２図（Ｃ）でも導線は図示していない。

比較のため、ヒートシンクとして０．７ｍＸ０，７ｇＸ
Ｏ０４ｇの高圧ダイヤモンドを用いた以外は、上記と同
一寸法の材質を用い、第２図（Ｃ）図示とほぼ同様な構
造の従来の半導体発光装置（比較例２）を製造した。

これらの半導体発光装置について、先出カー電流特性（
いわゆるＬ−１特性）を２５．５０及び７０℃で調べた
結果を第３図に示す。

第３図から明らかなように、実施例９の半導体発光装置
の方が比較例２の半導体発光￥！Ｒ置よりもしきい値電
流が低く、微分効率も優れていることがわかる。

実施例１０及び比較例３上記と同様な解析を行なうために、第４図図示の半導体
発光装置（実施例１０）を製造した。第４図において、
寸法が６ｍ＋＋Ｘ６ｍＸ６ｓのＣｕ製のステム４１上に
は２　ｍ　Ｘ　２　ｍｔｎ　Ｘ　Ｏ０１５ａｍのＴａ製
のヒートシンク基体４３の上面に２　ａ！　Ｘ　２　ｍ
ｌ　Ｘ　Ｏ，１５ｍのＳｉＣからなる熱伝導性膜４４を
形成したヒートシンク４２が接合されており、更にヒー
トシンク４２の熱伝導性膜４４上には０，４　ｍ　Ｘ　
Ｏ９３ｒａｔｓ　Ｘ　Ｏ，０９１１１１のＩ　ｎＧａＡ
ＳＰ半導体発光素子４５が接合されている。なお、第４
図でも導線は図示していない。また、前記ヒートシンク
４２は、ヒートシンク基体４３を四塩化ケイ素とプロパ
ンガスとの混合ガス雰囲気中、１１００℃で保持するこ
とによりその表面にＳ　ｉ　Ｃ１！ｌを形成したもので
ある。

これと比較するために、ヒートシンクとして０．７　ｔ
ｔｘｘ　Ｘ　Ｏ，７ｔｍ　Ｘ　Ｏ，４厘の高圧ダイヤモ
ンドを使用し、それ以外のステム、半導体発光素子は上
記と同一寸法の材質を用いて第４図と同様な構造の半導
体発光装置（比較例３）を製造した。

これらの半導体発光装置について、光出力−電流特性を
調べたところ第３図と同様な結果が得られ、実施例１０
の半導体発光装置の方が比較例３の半導体発光装置より
もしきい開電流が低く、微分効率も優れていることがわ
かった。

なお、本発明に係る半導体発光ｉ置の構造は上記の各実
施例で示したものに限らず、種々の変形が考えられる。

これらの変形例におけるヒートシンクの構造を第５図〜
第９図に示す。第５図〜第９図では、いずれも５１がヒ
ートシンク、５２がヒートシンク基体、５３が熱伝導性
膜を示す。このうち、第６図図示のと一トシンクでは、
ステムとの接合面側に熱伝導性膜が形成されている。ま
た、第７図図示のヒートシンクでは、ステム及び半導体
発光素子とのいずれの接合面側にも熱伝導性膜が形成さ
れている。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、放熱特性に優れ、
光出力−電流特性が良好で、しかも安価な半導体発光装
置を提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１〜８の半導体発光装置の断面
図、第２図（ａ）〜（Ｃ）は本発明の実施例９の半導体
発光装置の製造方法を示す断面図、第３図は本発明の実
施例９及び比較例２の半導体発光装置の光出力−電流特
性を示す特性因、第４図は本発明の実施例１０の半導体
発光装置の断面図、第５図〜第９図は本発明の変形例に
おける半導体発光装置のピー１−シンクの断面図、第１
０図は従来の半導体発光装置の斜視図である。１１・・・ステム、１２・・・ヒートシンク、１３・・
・ヒートシンク基体、１４・・・熱伝導性膜、２）・・
・ヒートシンク、２２・・・ヒートシンク基体、２３・
・・熱伝導性膜、２４・・・Ｔ　ｉ　、２５−Ｐ　ｔ　
、　２６−Ａ　ｕ　、　２７−・・ステム、２８−・・
ステム本体、２９−Ｎ　ｉ　、　３Ｏ−Ａｕ１３１・Ａ
ｕ−８ｎ１３２・・・半導体発光素子、４１・・・ステ
ム、４２・・・ヒートシンク、４３・・・ヒートシンク
基体、４４・・・熱伝導性膜、４５・・・半導体発光素
子、５１・・・ヒートシンク、５２・・・ヒートシンク
基体、５３・・・熱伝導性膜。第１図（ａ）　　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）（Ｃ）第２図雪見（ｍＡ）＠３図第　４１

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ステムにヒートシンクを接合し、該ヒートシンク
に半導体発光素子を接合した半導体発光装置において、
前記ヒートシンクを、ヒートシンク基体の半導体発光素
子又はステムの少なくともいずれか一方との接合面側に
熱伝導性膜を形成した構造とし、かつヒートシンクと半
導体発光素子の互いの接合面における面積比を８：１以
上としたことを特徴とする半導体発光装置。
（２）ヒートシンク基体と半導体発光素子との間に熱伝
導性膜を形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の半導体発光装置。
（３）熱伝導性膜がダイヤモンド、ＳｉＣ、ＢｅＯ、Ｂ
Ｎ、ＡｌＮ又はＡｌ＿２Ｏ＿３であることを特徴とする
特許請求の範囲第１項又は第２項記載の半導体発光装置
。