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WO2020116172A1 - 半導体レーザチップ実装サブマウントおよびその製造方法ならびに半導体レーザモジュール - Google Patents

半導体レーザチップ実装サブマウントおよびその製造方法ならびに半導体レーザモジュール Download PDF

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WO2020116172A1
WO2020116172A1 PCT/JP2019/045513 JP2019045513W WO2020116172A1 WO 2020116172 A1 WO2020116172 A1 WO 2020116172A1 JP 2019045513 W JP2019045513 W JP 2019045513W WO 2020116172 A1 WO2020116172 A1 WO 2020116172A1
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WO
WIPO (PCT)
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semiconductor laser
laser chip
submount
chip
distance
Prior art date
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PCT/JP2019/045513
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English (en)
French (fr)
Inventor
栄作 鍛治
大木　泰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Priority to CN201980078728.7A priority patent/CN113169514B/zh
Publication of WO2020116172A1 publication Critical patent/WO2020116172A1/ja
Priority to US17/329,666 priority patent/US12374856B2/en
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    • H01S5/4031—Edge-emitting structures

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser chip mounting submount, a manufacturing method thereof, and a semiconductor laser module.
  • a semiconductor laser module including a semiconductor laser chip and an optical fiber optically coupled to the semiconductor laser chip is known.
  • assembly is performed in the following procedure.
  • the semiconductor laser chip is mounted on the submount.
  • the semiconductor laser chip is joined and mounted on the submount by soldering gold-tin (AuSn) alloy or the like (Patent Document 1).
  • AuSn gold-tin
  • Patent Document 1 soldering gold-tin (AuSn) alloy or the like
  • AuSn gold-tin
  • another bonding agent such as a conductive adhesive may be used.
  • the submount on which the semiconductor laser chip is mounted is also called a chip-on submount.
  • the chip-on submount is mounted on a metal housing directly or through a metal base or thermoelectric cooler by soldering tin-bismuth (SnBi) alloy. Further, other optical components such as a lens are mounted on the housing to optically couple the semiconductor laser chip and the optical fiber.
  • Edge-emitting semiconductor laser chips are widely used as semiconductor laser chips.
  • one of both end faces in the longitudinal direction is a rear end face on which an HR (High Reflection) coating having a high reflectance at the laser oscillation wavelength is formed.
  • the other end surface is an emission end surface on which an AR (Anti-Reflection) coating having a low reflectance is formed.
  • the rear end face and the emission end face form a laser resonator, and the oscillated laser light is mainly emitted from the emission end face.
  • the semiconductor laser chip is mounted on the submount by die bonding.
  • die bonding a semiconductor laser chip is vacuum-chucked with a collet, and the semiconductor laser chip is mounted on a submount heated to a temperature equal to or higher than the melting point of a bonding agent such as solder.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is a semiconductor laser chip mounting submount capable of effectively radiating heat generated by a semiconductor laser chip to a submount, a manufacturing method thereof, and a semiconductor. It is to provide a laser module.
  • a semiconductor laser chip mounting submount includes a semiconductor portion having an emission end face and a rear end face in the longitudinal direction, and a laser is emitted from the emission end face.
  • a semiconductor laser chip that emits light and a submount on which the semiconductor laser chip is mounted are provided, and a first distance between the submount and the emission end face side of the semiconductor portion is equal to the submount and the semiconductor portion. It is characterized in that it is smaller than the second distance from the rear end face side.
  • the semiconductor laser chip mounting submount according to an aspect of the present invention is characterized in that a difference between the first distance and the second distance is 1.5 ⁇ m or more.
  • the semiconductor laser chip mounting submount according to an aspect of the present invention is characterized in that the first distance is 16 ⁇ m or less. More preferably, it is 12 ⁇ m or less.
  • the semiconductor laser chip mounting submount according to an aspect of the present invention is characterized in that the difference between the first distance and the second distance is 10 ⁇ m or less.
  • the semiconductor laser chip mounting submount according to an aspect of the present invention is characterized in that the semiconductor laser chip is a laser bar chip.
  • a method for manufacturing a semiconductor laser chip mounting submount is the method for manufacturing a semiconductor laser chip mounting submount, wherein the semiconductor laser chip is held by a holder at the emitting end surface rather than in the center in the longitudinal direction.
  • the method is characterized by including a step of pressing the submount around the side and mounting the submount.
  • the holder is a collet, and a collet length that is a distance between both ends in contact with the semiconductor laser chip in the longitudinal direction of the collet is:
  • the ratio of the distance between the emission end face and the rear end face of the semiconductor laser chip to the cavity length is 28.5% or more and 81.9% or less.
  • the method for manufacturing a semiconductor laser chip mounted submount according to an aspect of the present invention is characterized in that the ratio of the collet length to the resonator length is 44.4% or more and 75.0% or less.
  • a method for manufacturing a semiconductor laser chip mounted submount according to an aspect of the present invention is characterized in that the semiconductor laser chip is a laser bar chip.
  • a semiconductor laser module according to one aspect of the present invention is characterized by including the semiconductor laser chip mounting submount.
  • the heat generated by the semiconductor laser chip can be effectively radiated to the submount.
  • FIG. 1A is a plan view showing a schematic configuration of a semiconductor laser module including a chip-on submount according to an embodiment.
  • FIG. 1B is a partially cutaway side view showing a schematic configuration of a semiconductor laser module including the chip-on submount according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the chip-on submount shown in FIGS. 1A and 1B.
  • FIG. 3 is a diagram showing a part of a cross section taken along the line AA of the chip-on submount shown in FIG.
  • FIG. 4A is an explanatory diagram of a chucking state of the semiconductor laser chip in the manufacturing method of the embodiment.
  • FIG. 4B is an explanatory diagram of a chucking state of the semiconductor laser chip in the manufacturing method of the reference example.
  • FIG. 1A is a plan view showing a schematic configuration of a semiconductor laser module including a chip-on submount according to an embodiment.
  • FIG. 1B is a partially cutaway side view showing a schematic configuration of
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of the mounting of the semiconductor laser chip.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of a mounted state of the semiconductor laser chip.
  • FIG. 7A is an explanatory diagram of a mounted state of the semiconductor laser chip in Comparative Example 1.
  • FIG. 7B is an explanatory diagram of a mounted state of the semiconductor laser chip according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of a mounted state of a plurality of chip-on submount samples.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram of the relative optical output of the semiconductor laser chip in Example 1 and Comparative Example 1.
  • FIGS. 1A and 1B are schematic diagrams showing a schematic configuration of a semiconductor laser module including a chip-on submount according to an embodiment.
  • 1A is a plan view of the semiconductor laser module
  • FIG. 1B is a partially cutaway side view of the semiconductor laser module.
  • the semiconductor laser module 100 includes a metal casing 1 having a lid 1a and a bottom plate portion 1b. Further, the semiconductor laser module 100 includes a stepwise LD height adjusting plate 2 made of metal, which is sequentially mounted on the bottom plate portion 1b, six submounts 3 having a rectangular parallelepiped shape, and six submounts 3 having a substantially rectangular parallelepiped shape.
  • the semiconductor laser chip 4 is provided. Note that, in FIG. 1A, the illustration of the lid 1a is omitted for the sake of explanation.
  • the semiconductor laser module 100 also has two lead pins 5.
  • the two lead pins 5 are electrically connected to each semiconductor laser chip 4 via the submount 3 and a bonding wire (not shown), and supply power to each semiconductor laser chip 4.
  • the semiconductor laser module 100 includes six first lenses 6, six second lenses 7, six mirrors 8, a third lens 9, an optical filter 10, and a fourth lens 11. ..
  • Each of the first lens 6, each of the second lens 7, each of the mirror 8, the third lens 9, the optical filter 10, and the fourth lens 11 are on the optical path of the laser light emitted from each semiconductor laser chip 4 and along the optical path. Are arranged in order.
  • the semiconductor laser module 100 includes an optical fiber 12 arranged to face the fourth lens 11. One end of the optical fiber 12 on the side where the laser light is incident is housed inside the housing 1 and supported by the support member 13.
  • Each semiconductor laser chip 4 is composed of, for example, gallium arsenide (GaAs) or indium phosphide (InP) as a main material, and outputs a laser beam having a wavelength corresponding to the material and composition.
  • the thickness of each semiconductor laser chip 4 is, for example, about 0.1 mm.
  • each semiconductor laser chip 4 is mounted on each submount 3, and each submount 3 is mounted on the LD height adjusting plate 2 so that the heights thereof are different from each other.
  • each first lens 6, each second lens 7, and each mirror 8 are arranged at a height corresponding to the corresponding semiconductor laser chip 4.
  • a component provided with the submount 3 and the semiconductor laser chip 4 mounted on the submount 3 will be referred to as a chip-on submount 16 as a semiconductor laser chip mounting submount.
  • a loose tube 15 is provided at an insertion portion of the optical fiber 12 into the housing 1, and a boot 14 is externally fitted to a portion of the housing 1 so as to cover a part of the loose tube 15 and the insertion portion. ing.
  • Each semiconductor laser chip 4 is supplied with power via the lead pin 5 and outputs laser light.
  • Each laser beam output from each semiconductor laser chip 4 is made into substantially collimated light by the corresponding first lens 6 and each corresponding second lens 7, and is reflected by the corresponding mirror 8 toward the third lens 9. It Further, each laser beam is condensed by the third lens 9 and the fourth lens 11, is incident on the end face of the optical fiber 12, and propagates in the optical fiber 12.
  • the optical filter 10 when light having a wavelength different from the wavelength of the laser light is externally input to the semiconductor laser module 100 via the optical fiber 12, the light is input to each semiconductor laser chip 4. It is a bandpass filter for preventing.
  • Assembly of this semiconductor laser module 100 is performed, for example, in the following procedure.
  • the submount 3 is heated to a bonding temperature of about 300° C.
  • the semiconductor laser chip 4 is bonded and mounted on the submount 3 with AuSn solder having a melting point of about 280° C. to form six chip-on submounts 16. ..
  • the bottom plate portion 1b of the housing 1 on which the LD height adjusting plate 2 is mounted is heated to a bonding temperature of about 150° C., and each chip-on submount 16 is LDed with SnBi solder having a melting point of about 140° C.
  • the height adjustment plate 2 is joined and mounted.
  • other components of the semiconductor laser module 100 are attached to the housing 1.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the chip-on submount 16.
  • the chip-on submount 16 includes the semiconductor laser chip 4 and the submount 3 on which the semiconductor laser chip 4 is mounted.
  • the submount 3 includes a substrate 3a and an upper coating layer 3b.
  • the substrate 3a is made of, for example, aluminum nitride (AlN), alumina (Al 2 O 3 ), beryllia (BeO), boron nitride (BN), diamond, silicon carbide (SiC), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon dioxide. (SiO 2 ) and zirconia (ZrO 2 ) may be included.
  • the semiconductor laser chip 4 is a single-emitter type laser bar chip, but may be a multi-emitter type laser bar chip.
  • the substrate 3a may be a metal such as Cu.
  • the substrate 3a is made of AlN.
  • the thickness of the substrate 3a is, for example, about 0.3 to 1.0 mm.
  • the upper coating layer 3b has a thickness in the range of 1 ⁇ m to 80 ⁇ m, for example, and is formed on the surface of the substrate 3a on which the semiconductor laser chip 4 is mounted.
  • the upper coating layer 3b is made of a metal multilayer film.
  • the upper cover layer 3b is divided into two parts by the groove G.
  • the groove G is provided to electrically insulate the two parts.
  • One of the two portions of the upper cover layer 3b is electrically connected to the upper surface of the semiconductor laser chip 4 by a bonding wire (not shown), and the other is mounted with the semiconductor laser chip 4.
  • the semiconductor laser chip 4 is bonded and mounted on the submount 3 with the upper coating layer 3b interposed.
  • a precoat 3c made of, for example, AuSn solder is formed on the surface of the upper cover layer 3b, whereby the semiconductor laser chip 4 is bonded and mounted on the upper cover layer 3b.
  • the upper coating layer 3b preferably has a barrier metal layer made of, for example, platinum (Pt) formed on the surface in contact with the precoat 3c.
  • the barrier metal layer is formed in order to prevent a chemical reaction between the AuSn solder of the precoat 3c and the metal material of the lower layer than the barrier metal layer of the upper coating layer 3b.
  • Electrodes are formed on the bottom surface side (the surface side to be joined to the upper coating layer 3b) and the top surface of the semiconductor laser chip 4, respectively, and the semiconductor laser chip 4 is supplied with power from the lead pin 5 via these electrodes.
  • an n-side electrode is generally formed on the upper surface side.
  • a p-side electrode is generally formed on the upper surface side. The heat dissipation to the submount 3 is higher when the semiconductor laser chip 4 is mounted with the junction down.
  • FIG. 3 is a view showing a part of a cross section of the chip-on submount 16 taken along the line AA.
  • the semiconductor laser chip 4 includes a semiconductor portion 4a mainly made of a semiconductor and a metallized layer 4b mainly made of a metal.
  • the semiconductor portion 4a has an emission end face 4aa and a rear end face 4ab in the longitudinal direction, and emits laser light from the emission end face 4aa.
  • An AR coating having a reflectance of about 0.1% to 7% at the laser oscillation wavelength is formed on the emitting end face 4aa.
  • An HR coating having a reflectance of about 95% at the laser oscillation wavelength is formed on the rear end face 4ab.
  • the emitting end face 4aa and the rear end face 4ab form a laser resonator, and the distance between the emitting end face 4aa and the rear end face 4ab is the resonator length.
  • the resonator length is, for example, about 800 ⁇ m to 6 mm, but is not particularly limited.
  • the width of the semiconductor laser chip 4 is, for example, 100 ⁇ m to 1 mm, but is not particularly limited.
  • the semiconductor section 4a is formed on, for example, a GaAs substrate and constitutes a single mode or multimode waveguide.
  • the composition of the active layer is set so that the laser oscillation wavelength is 900 nm to 1080 nm, for example.
  • the power of the laser light emitted from the emission end face 4aa is, for example, 10 mW to 30 W, but is not particularly limited.
  • the semiconductor laser chip 4 is a single-emitter type in this embodiment, it may be a multi-emitter type laser bar chip.
  • the metallized layer 4b has a multi-layer structure including, for example, an electrode for supplying electric power to the semiconductor laser chip 4 and a plating layer for protecting the electrode.
  • the metallized layer 4b has a thickness of, for example, 1 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the thickness of the AuSn solder of the precoat 3c is a thickness with which the metallization layer 4b and the upper coating layer 3b can be sufficiently bonded and the distance between the submount 3 described later and a predetermined portion of the semiconductor portion 4a can obtain a desired value. If so, it is not particularly limited.
  • D1 is typically the distance between the submount 3 and the emitting end surface 4aa of the semiconductor portion 4a.
  • D1 may be the distance between the submount 3 and a region having a width of 20 ⁇ m or less from the emitting end face 4aa toward the center of the semiconductor portion 4a in the longitudinal direction.
  • D2 is typically the distance between the submount 3 and the rear end surface 4ab of the semiconductor portion 4a.
  • D1 may be the distance between the submount 3 and a region having a width of 20 ⁇ m or less from the rear end face 4ab toward the center of the semiconductor portion 4a in the longitudinal direction.
  • the semiconductor laser chip 4 has a higher optical output
  • the difference in the power of the laser light between the emission end face 4aa side and the rear end face 4ab side of the semiconductor portion 4a Will grow. Specifically, the power becomes larger on the side of the emitting end face 4aa. Along with this, the amount of heat locally generated on the emission end face 4aa side also increases.
  • the present inventors have conceived to make D1 smaller than D2.
  • the emission end face 4aa side is closer to the submount 3 than the rear end face 4ab side, so that the heat generated on the emission end face 4aa side is preferentially and effectively radiated to the submount 3.
  • the heat generated by the semiconductor laser chip 4 can be effectively radiated to the submount 3, so that the luminous efficiency is improved and the light output is increased.
  • the temperature of the emitting end face 4aa which is likely to reach a higher temperature, can be effectively lowered, the reliability of the semiconductor laser chip 4 is improved and, for example, the failure rate can be reduced.
  • the present inventors conducted various experiments and confirmed that the failure rate of the semiconductor laser chip 4 was remarkably reduced by setting the difference between D1 and D2 to be 1.5 ⁇ m or more. However, if the difference between D1 and D2 is too large, the heat dissipation on the rear end face 4ab side may be remarkably reduced, or the solderability of the precoat 3c on the rear end face 4ab side may be deteriorated. It is preferable that the difference is about 10 ⁇ m or less.
  • D1 is 16 ⁇ m or less, and more preferably 12 ⁇ m or less, because the emission end face 4aa side is relatively close to the submount 3.
  • the semiconductor laser chip 4 has a slight warp such that it is convex toward the metallization layer 4b, but even if it is not warped and is linear, It is obvious that the effect that heat can be effectively radiated to the submount 3 is obtained.
  • Chip-on submount manufacturing method Next, an example of a method for manufacturing the chip-on submount 16 will be described in comparison with a reference example.
  • This manufacturing method includes a step of pressing the semiconductor laser chip 4 closer to the emission end face 4aa than the center in the longitudinal direction to the submount 3 with a collet as a holder to mount the semiconductor laser chip 4 on the submount 3.
  • FIG. 4A is an explanatory diagram of the chucking state of the semiconductor laser chip 4 in the manufacturing method of the present embodiment
  • FIG. 4B is an explanatory diagram of the chucking state of the semiconductor laser chip 4 in the manufacturing method of the reference example.
  • 4A and 4B show the chucked semiconductor laser chip 4 as viewed from the side surface and the semiconductor laser chip 4 at that time as viewed from the top surface.
  • the collet 210 is, for example, a flat collet having a main body 211 made of metal and a tip 212 made of a polyimide resin, and the tip 212 having a rectangular parallelepiped shape.
  • the collet 210 is formed with a suction hole which is opened at the tip surface of the tip portion 212 and is connected to the vacuum pump.
  • the collet 210 can hold the semiconductor laser chip 4 at its tip portion 212 by sucking the semiconductor laser chip 4 through a suction hole and vacuum chucking.
  • the tip 212 of the collet 210 is brought into contact with the vicinity of the center of the semiconductor laser chip 4 in the longitudinal direction and chucked so that the semiconductor laser chip 4 is uniformly mounted on the submount 3 in the longitudinal direction.
  • the region A2 is a region where the tip portion 212 contacts the semiconductor laser chip 4.
  • the tip portion 212 of the collet 210 is brought into contact with the semiconductor laser chip 4 on the side of the emitting end face 4aa rather than the center in the longitudinal direction for chucking.
  • the region A1 is a region where the tip portion 212 contacts the semiconductor laser chip 4.
  • FIGS. 4A and 4B show a state in which the emission end face 4aa and the end of the collet 210 on the emission end face side in the longitudinal direction of the tip end 212 of the collet 210 are aligned with each other.
  • the end portion on the emission end face side in the longitudinal direction may protrude to the emission end face 4aa side with respect to the semiconductor laser chip 4.
  • the end of the tip end 212 of the collet 210 on the emission end face 4aa side in the longitudinal direction may be retracted toward the center side in the longitudinal direction of the semiconductor laser chip 4.
  • the effect of narrowing the distance D1 becomes smaller.
  • the semiconductor laser chip 4 is pressed by the collet 210 onto the submount 3 which is placed on the mounting table 220 and heated by a heater (not shown) so that the precoat 3c is melted.
  • Mount on mount 3. This makes it possible to manufacture the chip-on submount 16 in which D1 is smaller than D2 as shown in FIG.
  • a step of temporarily separating the collet 210 from the semiconductor laser chip 4 is included in the step of joining and mounting the semiconductor laser chip 4 and the submount 3. This is intended to prevent the heat from the heater from being dissipated via the collet 210 and to melt the solder more efficiently. Even in such a case, the effect of the present invention is obtained as long as the collet 210 presses the semiconductor laser chip 4 in the step of pressing the semiconductor laser chip 4 closer to the emission end face 4aa than the center in the longitudinal direction. Have.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of the mounting state of the semiconductor laser chip 4.
  • the horizontal axis represents the longitudinal direction of the semiconductor laser chip 4, and the vertical axis represents the distance between the submount 3 and the semiconductor portion 4a.
  • the reference position indicates the lowest position of the bottom surface of the semiconductor portion 4a in the mounted state.
  • a line L1 shows the mounting state of the semiconductor laser chip 4 according to the present manufacturing method
  • a line L2 shows the mounting state of the semiconductor laser chip 4 according to the reference example.
  • the distance between the submount 3 and the emission end face 4aa side of the semiconductor portion 4a can be made smaller than the line L2 indicating the reference example, so that effective heat dissipation is possible.
  • the chip-on submount 16 can be manufactured.
  • Example 1 Comparative Example 1
  • a submount was prepared in which a substrate made of AlN was provided with a barrier metal layer made of Pt and an upper coating layer made of a metal multilayer film containing Cu as a main component, and a precoat 3c made of AuSn solder.
  • the flat collet has a collet length of 2 mm.
  • the collet length refers to a distance between both ends of the collet in the longitudinal direction of the collet, which contacts the semiconductor laser chip in a state where the semiconductor laser chip is held. Therefore, even if there is a portion where the semiconductor laser chip and the collet do not come into contact with each other between both ends that come into contact with the semiconductor laser chip, the collet length does not change due to the presence of the portion that does not come into contact.
  • the end of the collet on the emitting end face side is made to substantially coincide with the emitting end face of the semiconductor laser chip, so that the collet is placed on the emitting end face side rather than the center in the longitudinal direction of the semiconductor laser chip. It was made to contact centering on and chucked.
  • Comparative Example 1 as shown in FIG. 4B, the collet was brought into contact with and chucked in the vicinity of the center of the semiconductor laser chip in the longitudinal direction.
  • FIG. 7A is an explanatory diagram of a mounted state of the semiconductor laser chip in Comparative Example 1
  • FIG. 7B is an explanatory diagram of a mounted state of the semiconductor laser chip in Example 1.
  • 7A and 7B show the distances on the emission end face side and the rear end face side with the central position as the reference position.
  • the emission end face side and the rear end face side have substantially the same distance.
  • the distance on the emission end face side could be made closer to the submount by about 4 ⁇ m than the distance on the rear end face side.
  • Example 1 and Comparative Example 1 42 sets of submounts and semiconductor laser chips similar to those used in Example 1 and Comparative Example 1 were prepared, the semiconductor laser chips were mounted on the submounts, and 42 chip-on-submount samples were prepared. did.
  • sample numbers 1 to 18 the semiconductor laser chip was chucked in the vicinity of the center in the longitudinal direction in the same manner as in Comparative Example 1, and in sample numbers 19 to 42, the semiconductor laser chip was placed on the emitting end face side in the same manner as in Example 1. I chucked in the center.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of a mounting state of a plurality of chip-on-submount samples, and shows a difference (distance D2-distance D1) between D2 and D1 measured in each sample.
  • (distance D2 ⁇ distance D1) was a value near 0 ⁇ m.
  • the average value of (distance D2 ⁇ distance D1) in sample numbers 1 to 18 was ⁇ 0.3 ⁇ m, the maximum value was 0.6 ⁇ m, and the minimum value was ⁇ 1.9 ⁇ m.
  • (distance D2 ⁇ distance D1) was a value of 1.5 ⁇ m or more.
  • (distance D2 ⁇ distance D1) was 2.8 ⁇ m, the maximum value was 4.5 ⁇ m, and the minimum value was 1.5 ⁇ m.
  • (distance D2 ⁇ distance D1) can be set to 1.5 ⁇ m or more.
  • the maximum standard value of the supply current was passed through the semiconductor laser chip of the chip-on-submount manufactured in Example 1 and Comparative Example 1, and the maximum optical output was measured.
  • the chip-on submount was placed on a stage whose temperature was adjusted to 30° C. to energize.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram of the relative optical output of the semiconductor laser chip in Example 1 and Comparative Example 1.
  • FIG. 9 shows the relative light output when the maximum light output in Comparative Example 1 is 1. As shown in FIG. 9, it was confirmed that in Example 1, the maximum optical output was improved by 3% or more as compared with Comparative Example 1.
  • Examples 2 to 6 a flat collet and a round collet having a substantially circular tip end surface were prepared, and using these, a semiconductor laser chip was mounted on a submount, and a chip-on-sub More than 100 sets of mounts were produced in each example.
  • the semiconductor laser chips one having a cavity length of 4.5 mm and one having a shorter cavity length of 4 mm were prepared as in the first embodiment.
  • collets having a collet length of 0.5 mm, 2 mm, 3 mm, and 4 mm were prepared. Further, in Examples 2 to 6, as in Example 1, the end of the collet on the emitting end face side was brought into contact with and chucked so as to be substantially aligned with the emitting end face of the semiconductor laser chip.
  • Table 1 shows the resonator length, collet length, ratio, wettability, failure rate, and collet type for Examples 2 to 6.
  • the ratio means the ratio of the collet length to the resonator length.
  • the longitudinal direction cannot be specified, so the collet length was defined along the longitudinal direction of the semiconductor laser chip.
  • the wettability indicates whether or not the solder is evenly spread between the semiconductor laser chip and the submount, and evaluated visually.
  • the failure rate was evaluated by a long-term current-carrying test of the chip-on submount and a test in which the injection current was increased.
  • the symbol " ⁇ " for wettability and failure rate means that the characteristics are sufficiently good, and " ⁇ " is lower than the case where the characteristics are " ⁇ ", but in some cases it is a practical problem. Indicates that there is no range.
  • the ratio of the collet length to the resonator length is 28.5% or more and 81.9% or less from the viewpoint of wettability and failure rate, and 44.4% or more and 75.0% or more. The following was confirmed to be more preferable.
  • the origins of 28.5% and 81.9% are the average values of Examples 3 and 4, and Examples 5 and 6, respectively. Since the failure rate and wettability of Examples 3 and 6 may be allowable depending on the optical output used and the guaranteed reliability, the ratio of the cavity length to the collet length is used when calculating the average value. I was there.
  • Examples 2 and 3 since the collet cannot hold down the rear end face side of the semiconductor laser chip due to the small ratio, (distance D2-distance D1) becomes large, and the heat dissipation on the rear end face side becomes low. Conceivable. In Examples 2 and 3, when the difference between D1 and D2 was larger than 10 ⁇ m, a severe failure such as melting of the semiconductor laser chip was observed when the injection current was increased. In Examples 2 to 6, when a group of chip-on-submounts having a distance D1 larger than 16 ⁇ m was extracted, it was found from the analysis of test results that the failure rate of the long-term current test was higher than that of the group having a distance D1 of 16 ⁇ m or less.
  • Example 6 the wettability was slightly low. It is considered that the reason is that since the ratio is large and the collet is large, heat is likely to be dissipated from the heated submount via the collet, and the solder temperature is lowered.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the present invention also includes those configured by appropriately combining the constituent elements of the respective embodiments described above. Further, further effects and modified examples can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, the broader aspects of the present invention are not limited to the above embodiments, and various modifications can be made.
  • the present invention can be applied to a semiconductor laser chip mounting submount, a manufacturing method thereof, and a semiconductor laser module.

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Abstract

半導体レーザチップ実装サブマウントは、長手方向において出射端面と後端面とを有し、前記出射端面からレーザ光を出射する半導体レーザチップと、前記半導体レーザチップが実装されるサブマウントと、を備え、前記サブマウントと前記半導体レーザチップの出射端面側との第１距離が、前記サブマウントと前記半導体レーザチップの後端面側との第２距離よりも小さい。

Description

半導体レーザチップ実装サブマウントおよびその製造方法ならびに半導体レーザモジュール
　本発明は、半導体レーザチップ実装サブマウントおよびその製造方法ならびに半導体レーザモジュールに関する。
　半導体レーザチップと、半導体レーザチップと光学結合される光ファイバとを備えている半導体レーザモジュールが知られている。このような半導体レーザモジュールを製造する場合、たとえば以下のような手順で組立が行われる。まず、半導体レーザチップをサブマウントに実装する。このとき、半導体レーザチップを、金-スズ（ＡｕＳｎ）合金などの半田によりサブマウントに接合実装する（特許文献１）。なお、半田に換えて導電性接着剤などの他の接合剤を用いてもよい。このように半導体レーザチップを実装したサブマウント（半導体レーザチップ実装サブマウント）は、チップオンサブマウントとも呼ばれる。
　つぎに、チップオンサブマウントを、金属製の筐体に、直接的に、または金属製の基台や電子冷却素子等を介して、スズ-ビスマス（ＳｎＢｉ）合金などの半田により接合実装する。さらに、筐体に、レンズなどのその他の光学部品を実装し、半導体レーザチップと光ファイバとの光学結合を行う。
　半導体レーザチップとしては、端面発光型の半導体レーザチップが多く実用されている。端面発光型の半導体レーザチップは、その長手方向における両端面の一方が、レーザ発振波長における反射率が高いＨＲ（High　Reflection）コーティングが形成された後端面とされている。一方、他の端面は、反射率が低いＡＲ（Anti-Reflection）コーティングが形成された出射端面とされている。後端面と出射端面とはレーザ共振器を構成しており、発振したレーザ光は主に出射端面から出射される。
特許第５０７５１６５号公報
　一般的に、半導体レーザチップはダイボンディングによってサブマウントに実装される。ダイボンディングにおいては、コレットで半導体レーザチップを真空チャックし、半田などの接合剤の融点以上の温度に加熱されたサブマウントに半導体レーザチップを実装する。
　このとき、通常は、半導体レーザチップが長手方向において均一にサブマウントに実装されるように、コレットで半導体レーザチップの長手方向中央付近をチャックし、サブマウントに押圧することが一般的である。
　一方、近年、半導体レーザチップはますます高光出力化が進んでいる。それに伴って、半導体レーザチップが発する熱を、サブマウントへ効果的に放熱することがますます重要になってきている。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、半導体レーザチップが発する熱を、サブマウントへ効果的に放熱することができる半導体レーザチップ実装サブマウントおよびその製造方法ならびに半導体レーザモジュールを提供することにある。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る半導体レーザチップ実装サブマウントは、長手方向において出射端面と後端面とを有する半導体部を備え、前記出射端面からレーザ光を出射する半導体レーザチップと、前記半導体レーザチップが実装されるサブマウントと、を備え、前記サブマウントと前記半導体部の出射端面側との第１距離が、前記サブマウントと前記半導体部の後端面側との第２距離よりも小さいことを特徴とする。
　本発明の一態様に係る半導体レーザチップ実装サブマウントは、前記第１距離と前記第２距離との差が１．５μｍ以上であることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る半導体レーザチップ実装サブマウントは、前記第１距離が１６μｍ以下であることを特徴とする。さらに好ましくは、１２μｍ以下である。
　本発明の一態様に係る半導体レーザチップ実装サブマウントは、前記第１距離と前記第２距離との差が１０μｍ以下であることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る半導体レーザチップ実装サブマウントは、前記半導体レーザチップがレーザバーチップであることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る半導体レーザチップ実装サブマウントの製造方法は、前記半導体レーザチップ実装サブマウントの製造方法であって、半導体レーザチップを、保持具にて長手方向における中央よりも前記出射端面側を中心として前記サブマウントに押圧し、該サブマウントに実装する工程を含むことを特徴とする。
　本発明の一態様に係る半導体レーザチップ実装サブマウントの製造方法は、前記保持具はコレットであり、該コレットの長手方向において前記半導体レーザチップに当接する両端間の距離であるコレット長さは、前記半導体レーザチップの前記出射端面と前記後端面との距離である共振器長に対する比率が２８．５％以上８１．９％以下であることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る半導体レーザチップ実装サブマウントの製造方法は、前記コレット長さは、前記共振器長に対する比率が４４.４％以上７５.０％以下であることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る半導体レーザチップ実装サブマウントの製造方法は、前記半導体レーザチップがレーザバーチップであることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る半導体レーザモジュールは、前記半導体レーザチップ実装サブマウントを備えていることを特徴とする。
　本発明によれば、半導体レーザチップが発する熱を、サブマウントへ効果的に放熱することができるという効果を奏する。
図１Ａは、実施形態に係るチップオンサブマウントを備えた半導体レーザモジュールの概略構成を示す平面図である。 図１Ｂは、実施形態に係るチップオンサブマウントを備えた半導体レーザモジュールの概略構成を示す一部切欠側面図である。 図２は、図１Ａおよび図１Ｂに示すチップオンサブマウントの模式的な平面図である。 図３は、図２に示すチップオンサブマウントのＡ－Ａ線断面の一部を示す図である。 図４Ａは、実施形態の製造方法における半導体レーザチップのチャック状態の説明図である。 図４Ｂは、参考例の製造方法における半導体レーザチップのチャック状態の説明図である。 図５は、半導体レーザチップの実装の説明図である。 図６は、半導体レーザチップの実装状態の説明図である。 図７Ａは、比較例１における半導体レーザチップの実装状態の説明図である。 図７Ｂは、実施例１における半導体レーザチップの実装状態の説明図である。 図８は、チップオンサブマウントの複数のサンプルにおける実装状態の説明図である。 図９は、実施例１と比較例１とにおける半導体レーザチップの相対的光出力の説明図である。
　以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
（半導体レーザモジュールの概略構成）
　図１Ａおよび図１Ｂは、実施形態に係るチップオンサブマウントを備えた半導体レーザモジュールの概略構成を示す模式図である。図１Ａは半導体レーザモジュールの平面図であり、図１Ｂは半導体レーザモジュールの一部切欠側面図である。
　半導体レーザモジュール１００は、蓋１ａと底板部１ｂとを有する、金属からなる筐体１を備えている。また、半導体レーザモジュール１００は、底板部１ｂ上に順に実装された、金属からなる階段形状のＬＤ高さ調整板２と、直方体形状を有する６つのサブマウント３と、略直方体形状を有する６つの半導体レーザチップ４とを備えている。なお、図１Ａでは、説明のために蓋１ａの図示を省略している。
　また、半導体レーザモジュール１００は、２つのリードピン５を備えている。２つのリードピン５は、各半導体レーザチップ４に、サブマウント３および不図示のボンディングワイヤを介して電気的に接続され、各半導体レーザチップ４に電力を供給する。さらに、半導体レーザモジュール１００は、６つの第１レンズ６と、６つの第２レンズ７と、６つのミラー８と、第３レンズ９と、光フィルタ１０と、第４レンズ１１とを備えている。各第１レンズ６、各第２レンズ７、各ミラー８、第３レンズ９、光フィルタ１０、および第４レンズ１１は、各半導体レーザチップ４が出射するレーザ光の光路上に、光路に沿って順に配置されている。さらに、半導体レーザモジュール１００は、第４レンズ１１と対向して配置された光ファイバ１２を備えている。光ファイバ１２のレーザ光が入射される側の一端は、筐体１の内部に収容され、支持部材１３により支持されている。
　各半導体レーザチップ４は、たとえばヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）またはリン化インジウム（ＩｎＰ）を主材料として構成されており、その材料や組成に応じた波長のレーザ光を出力する。各半導体レーザチップ４の厚さはたとえば０．１ｍｍ程度である。各半導体レーザチップ４は、図１Ｂに示すように、各サブマウント３に実装され、かつ各サブマウント３は、ＬＤ高さ調整板２に、互いに高さが異なるように実装されている。さらに、各第１レンズ６、各第２レンズ７、各ミラー８は、それぞれ対応する半導体レーザチップ４に対応する高さに配置されている。ここで、サブマウント３とサブマウント３に実装された半導体レーザチップ４とを備えている構成物を、半導体レーザチップ実装サブマウントとしてのチップオンサブマウント１６と呼ぶこととする。
　また、光ファイバ１２の筐体１への挿入部には、ルースチューブ１５が設けられ、ルースチューブ１５の一部と挿入部を覆うように、筐体１の一部にブーツ１４が外嵌されている。
　この半導体レーザモジュール１００の動作について説明する。各半導体レーザチップ４は、リードピン５を介して電力を供給され、レーザ光を出力する。各半導体レーザチップ４から出力された各レーザ光は、対応する各第１レンズ６、各第２レンズ７により略コリメート光とされて、対応する各ミラー８により第３レンズ９に向けて反射される。さらに各レーザ光は、第３レンズ９、第４レンズ１１により集光され、光ファイバ１２の端面に入射され、光ファイバ１２中を伝搬する。なお、光フィルタ１０は、外部から光ファイバ１２を介して上記レーザ光の波長とは別の波長の光が半導体レーザモジュール１００に入力された場合、当該光が各半導体レーザチップ４に入力することを防止するためのバンドパスフィルタである。
　この半導体レーザモジュール１００の組立は、たとえば以下の手順で行われる。はじめに、サブマウント３を接合温度である約３００℃に加熱し、半導体レーザチップ４を、融点が約２８０℃のＡｕＳｎ半田でサブマウント３に接合実装し、６つのチップオンサブマウント１６を形成する。つぎに、ＬＤ高さ調整板２が実装された筐体１の底板部１ｂを接合温度である約１５０℃に加熱し、各チップオンサブマウント１６を、融点が約１４０℃のＳｎＢｉ半田でＬＤ高さ調整板２に接合実装する。その後、半導体レーザモジュール１００の他の構成部品を筐体１に取り付ける。
（チップオンサブマウントの概略構成）
　つぎに、チップオンサブマウント１６について説明する。図２は、チップオンサブマウント１６の模式的な平面図である。上述したように、チップオンサブマウント１６は、半導体レーザチップ４と、半導体レーザチップ４が実装されるサブマウント３とを備えている。
　サブマウント３は、基板３ａと、上部被覆層３ｂを備えている。基板３ａは、たとえば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、べリリア（ＢｅＯ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、ダイヤモンド、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、ジルコニア（ＺｒＯ２）の少なくともいずれか一つを含んで構成することができる。本実施形態では半導体レーザチップ４はシングルエミッタ型であるが、マルチエミッタ型のレーザバーチップでもよい。半導体レーザチップ４が、レーザバーチップとなる場合、基板３ａは、Ｃｕなどの金属としてもよい。本実施形態では、基板３ａはＡｌＮからなるものとする。また、基板３ａの厚さはたとえば０．３～１．０ｍｍ程度である。
　上部被覆層３ｂは、厚さがたとえば１μｍ～８０μｍの範囲であり、基板３ａの半導体レーザチップ４が実装される側の表面に形成されている。上部被覆層３ｂは金属多層膜からなる。
　上部被覆層３ｂは、溝Ｇで２つの部分に分離している。溝Ｇは２つの部分を電気的に絶縁するために設けられている。上部被覆層３ｂの２つの部分の一方は不図示のボンディングワイヤにて半導体レーザチップ４の上面に電気的に接続され、他方は半導体レーザチップ４が実装される。
　半導体レーザチップ４は、上部被覆層３ｂを介在させてサブマウント３に接合実装されている。上部被覆層３ｂの表面には、たとえばＡｕＳｎ半田からなるプリコート３ｃが形成されており、これにより半導体レーザチップ４は上部被覆層３ｂに接合実装される。なお、上部被覆層３ｂは、プリコート３ｃと接触する表面に、たとえば白金（Ｐｔ）からなるバリアメタル層が形成されていると好適である。バリアメタル層は、プリコート３ｃのＡｕＳｎ半田と上部被覆層３ｂのバリアメタル層よりも下層の金属材料との化学反応を防止するために形成されている。
　半導体レーザチップ４の底面側（上部被覆層３ｂに接合する面側）および上面にはそれぞれ電極が形成されており、半導体レーザチップ４はこれらの電極を介してリードピン５から電力を供給される。なお、半導体レーザチップ４がジャンクションダウンで実装される場合には、一般的には上面側にｎ側電極が形成されている。また、半導体レーザチップ４がジャンクションアップで実装される場合には、一般的には上面側にｐ側電極が形成されている。なお、半導体レーザチップ４がジャンクションダウンで実装された方がサブマウント３への放熱性は高い。
　図３は、チップオンサブマウント１６のＡ－Ａ線断面の一部を示す図である。図３に示すように、半導体レーザチップ４は、主に半導体で構成されている半導体部４ａと、主に金属で構成されているメタライズ層４ｂとを備えている。半導体部４ａは、長手方向において出射端面４ａａと後端面４ａｂとを有し、出射端面４ａａからレーザ光を出射する。出射端面４ａａにはレーザ発振波長における反射率がたとえば０．１％～７％程度のＡＲコーティングが形成されている。後端面４ａｂにはレーザ発振波長における反射率がたとえば９５％程度のＨＲコーティングが形成されている。出射端面４ａａと後端面４ａｂとはレーザ共振器を構成しており、出射端面４ａａと後端面４ａｂとの距離が共振器長である。共振器長はたとえば８００μｍ～６ｍｍ程度であるが、特には限定されない。また、半導体レーザチップ４の幅はたとえば１００μｍ～１ｍｍであるが、特には限定されない。
　また、半導体部４ａは、たとえばＧａＡｓ基板上に形成されており、シングルモードまたはマルチモードの導波路を構成する。活性層はたとえばレーザ発振波長が９００ｎｍ～１０８０ｎｍとなるように組成が設定されている。出射端面４ａａから出射されるレーザ光のパワーはたとえば１０ｍＷ～３０Ｗであるが、特に限定はされない。また、本実施形態では半導体レーザチップ４はシングルエミッタ型であるが、マルチエミッタ型のレーザバーチップでもよい。
　メタライズ層４ｂは、たとえば半導体レーザチップ４に電力を供給するための電極や、電極を保護するためのめっき層を含む多層構造となっている。メタライズ層４ｂの厚さはたとえば１μｍ～１０μｍである。
　プリコート３ｃのＡｕＳｎ半田の厚さは、メタライズ層４ｂと上部被覆層３ｂとを十分に接合でき、かつ、後述するサブマウント３と半導体部４ａの所定部分との距離が所望の値を得られる厚さであれば、特に限定されるものではない。
　ここで、サブマウント３と半導体部４ａの出射端面４ａａ側との距離（第１距離）をＤ１とし、サブマウント３と半導体部４ａの後端面４ａｂ側との距離（第２距離）をＤ２とする。Ｄ１は、典型的にはサブマウント３と半導体部４ａの出射端面４ａａとの距離である。しかしながら、Ｄ１は、出射端面４ａａから半導体部４ａの長手方向中央に向かって２０μｍ以内の幅の領域と、サブマウント３との距離としてもよい。同様に、Ｄ２は、典型的にはサブマウント３と半導体部４ａの後端面４ａｂとの距離である。しかしながら、Ｄ１は、後端面４ａｂから半導体部４ａの長手方向中央に向かって２０μｍ以内の幅の領域と、サブマウント３との距離としてもよい。
　このチップオンサブマウント１６では、Ｄ１はＤ２よりも小さいため、半導体レーザチップ４が発する熱を、サブマウント３へ効果的に放熱することができる。
　以下、具体的に説明する。本発明者らが半導体レーザチップの特性について精査したところによれば、半導体レーザチップ４が高光出力化するにつれて、半導体部４ａの出射端面４ａａ側と後端面４ａｂ側とでレーザ光のパワーの差が大きくなる。具体的には出射端面４ａａ側でよりパワーが大きくなる。これに伴い、出射端面４ａａ側で局所的に発生する熱量も大きくなる。
　そこで、本発明者らは、Ｄ１をＤ２よりも小さくすることに想到した。これにより、出射端面４ａａ側が後端面４ａｂ側よりもサブマウント３に近くなるので、出射端面４ａａ側で発生する熱が優先的かつ効果的にサブマウント３に放熱される。その結果、半導体レーザチップ４が発する熱を、サブマウント３へ効果的に放熱することができるため、発光効率が向上し、光出力が大きくなる。また、より高温となりやすい出射端面４ａａ側を効果的に降温できるので、半導体レーザチップ４の信頼性が向上し、たとえば故障率を低減することができる。
　なお、本発明者らが様々な実験を行ったところ、Ｄ１とＤ２の差を１．５μｍ以上とすることによって、半導体レーザチップ４の故障率が顕著に低減されることを確認した。ただし、Ｄ１とＤ２の差が大きすぎると、後端面４ａｂ側の放熱性が著しく低下したり、後端面４ａｂ側でプリコート３ｃの半田の接合性が低下したりする場合があるので、Ｄ１とＤ２の差は１０μｍ以下程度とするのが好ましい。たとえば、１チップあたり１０～２０Ａの電流を注入するような高出力な半導体レーザチップで実験すると、Ｄ１とＤ２の差が１０μｍより大きい場合、半導体レーザチップが通電時に溶融するような激しい故障が観察された。また、Ｄ１を１６μｍ以下、さらに好ましくは１２μｍ以下とすると、出射端面４ａａ側がサブマウント３に比較的近いので好ましい。
　また、本実施形態では、図３に示すように半導体レーザチップ４はメタライズ層４ｂ側に凸となるようなわずかな反りを有しているが、反っておらずに直線状であっても、サブマウント３へ効果的に放熱することができるという効果が得られることは明らかである。
（チップオンサブマウントの製造方法）
　つぎに、チップオンサブマウント１６の製造方法の一例について、参考例と対比させて説明する。
　本製造方法は、半導体レーザチップ４の長手方向における中央よりも出射端面４ａａ側を、保持具としてのコレットにてサブマウント３に押圧し、サブマウント３に実装する工程を含むものである。
　図４Ａは、本実施形態の製造方法における半導体レーザチップ４のチャック状態の説明図であり、図４Ｂは、参考例の製造方法における半導体レーザチップ４のチャック状態の説明図である。図４Ａおよび図４Ｂには、チャックされた半導体レーザチップ４を側面から見た場合と、そのときの半導体レーザチップ４を上面から見た場合が示されている。コレット２１０は、たとえば、金属からなる本体部２１１とポリイミド樹脂からなる先端部２１２とを有しており、先端部２１２が直方体状の形状である平型コレットである。コレット２１０には、先端部２１２の先端面で開口し、真空ポンプに繋がっている吸引孔が形成されている。コレット２１０は、半導体レーザチップ４を吸引孔で吸引して真空チャックすることにより、先端部２１２にて半導体レーザチップ４を保持可能である。
　参考例では、半導体レーザチップ４が長手方向において均一にサブマウント３に実装されるように、コレット２１０の先端部２１２を、半導体レーザチップ４の長手方向中央付近に当接させて、チャックしている。なお、領域Ａ２は先端部２１２が半導体レーザチップ４に当接する領域である。
　これに対して、本製造方法では、コレット２１０の先端部２１２を、半導体レーザチップ４の長手方向における中央よりも出射端面４ａａ側を中心として当接させて、チャックしている。なお、領域Ａ１は先端部２１２が半導体レーザチップ４に当接する領域である。
　図４Ａおよび図４Ｂは出射端面４ａａとコレット２１０の先端部２１２の長手方向の出射端面側の端部とが一致している状態を示しているが、吸着ができれば、コレット２１０の先端部２１２の長手方向の出射端面側の端部が半導体レーザチップ４よりも出射端面４ａａ側に飛び出していても良い。または、出射端面４ａａ側の距離Ｄ１が十分に狭くなればコレット２１０の先端部２１２の長手方向の出射端面４ａａ側の端部が半導体レーザチップ４の長手方向の中心側に引っ込んでいても良い。ただし、コレット２１０の先端部２１２の中心が半導体レーザチップ４の長手方向の中心に近づくほど、距離Ｄ１を狭くする効果が小さくなる。
　そして、図５に示すように、載置台２２０に載置されて不図示のヒータでプリコート３ｃが溶融するように加熱されたサブマウント３に、半導体レーザチップ４をコレット２１０にて押圧し、サブマウント３に実装する。これにより、図３に示すような、Ｄ１がＤ２よりも小さいチップオンサブマウント１６を製造できる。
　半導体レーザチップ４とサブマウント３とを接合実装する工程中に、コレット２１０を半導体レーザチップ４から一時離す工程を含む場合がある。これは、コレット２１０を経由してヒータからの熱が放散されるのを防ぎ、より効率的に半田を溶かすことを意図している。このような場合でも、コレット２１０が半導体レーザチップ４を押圧しているいずれかの工程で、半導体レーザチップ４の長手方向における中央よりも出射端面４ａａ側を押圧していれば、本発明の効果を有する。
　図６は、半導体レーザチップ４の実装状態の説明図である。横軸は半導体レーザチップ４の長手方向を示し、縦軸はサブマウント３と半導体部４ａとの距離を示している。基準位置は、実装状態での半導体部４ａの底面の最低位置を示している。線Ｌ１が本製造方法による半導体レーザチップ４の実装状態を示し、線Ｌ２は参考例による半導体レーザチップ４の実装状態を示している。このように、本製造方法を示す線Ｌ１によれば、サブマウント３と半導体部４ａの出射端面４ａａ側との距離が、参考例を示す線Ｌ２より小さくできるので、効果的な放熱が可能なチップオンサブマウント１６を製造できる。
（実施例１、比較例１）
　ＡｌＮからなる基板に、Ｐｔからなるバリアメタル層を含み、Ｃｕを主成分とする金属多層膜からなる上部被覆層と、ＡｕＳｎ半田からなるプリコート３ｃとが形成されたサブマウントを用意した。また、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓを含む活性層が形成され、共振器長が４．５ｍｍであり、厚さが０．１ｍｍ程度の半導体レーザチップを用意した。そして、平型コレットを用いて半導体レーザチップをチャックし、サブマウントに実装し、チップオンサブマウントを作製した。なお、平型コレットのコレット長さは２ｍｍである。ここで、コレット長さとは、半導体レーザチップを保持した状態において、コレットの長手方向において半導体レーザチップに当接する両端間の距離である。したがって、半導体レーザチップに当接する両端間の間に、半導体レーザチップとコレットとが当接しない部分があったとしても、その当接しない部分の存在によってコレット長さが変化するものではない。
　実施例１では、図４Ａに示すように、コレットの出射端面側の端部を半導体レーザチップの出射端面と略一致させることによって、コレットを、半導体レーザチップの長手方向における中央よりも出射端面側を中心として当接させてチャックした。一方、比較例１では、図４Ｂに示すように、コレットを、半導体レーザチップの長手方向中央付近に当接させてチャックした。
　実装後、半導体部の長手方向中央の位置、出射端面から半導体部の長手方向中央に向かって２０μｍ以内の幅の領域、および後端面から半導体部の長手方向中央に向かって２０μｍ以内の幅の領域において、半導体部とサブマウントとの距離を測定した。
　図７Ａは、比較例１における半導体レーザチップの実装状態の説明図であり、図７Ｂは、実施例１における半導体レーザチップの実装状態の説明図である。図７Ａおよび図７Ｂには、中央の位置を基準位置とした、出射端面側および後端面側の距離を示している。比較例１では、出射端面側と後端面側とが略同じ距離となった。これに対して、実施例１では、出射端面側の距離を後端面側の距離よりも４μｍ程度サブマウントに近づけることができた。
　つづいて、実施例１、比較例１で用いたものと同様のサブマウントと半導体レーザチップとを４２組用意し、半導体レーザチップをサブマウントに実装し、チップオンサブマウントのサンプルを４２個作製した。サンプル番号１～１８については、比較例１と同様に半導体レーザチップを長手方向中央付近でチャックし、サンプル番号１９～４２については、実施例１と同様に、半導体レーザチップを、出射端面側を中心にチャックした。
　図８は、チップオンサブマウントの複数のサンプルにおける実装状態の説明図であり、各サンプルにおいて測定したＤ２とＤ１との差（距離Ｄ２－距離Ｄ１）を示している。図８に示すように、サンプル番号１～１８では（距離Ｄ２－距離Ｄ１）は０μｍ付近の値であった。サンプル番号１～１８での（距離Ｄ２－距離Ｄ１）の平均値は－０．３μｍ、最大値は０．６μｍ、最小値は－１．９μｍであった。一方、サンプル番号１９～４２では（距離Ｄ２－距離Ｄ１）は１．５μｍ以上の値であった。サンプル番号１９～４２での（距離Ｄ２－距離Ｄ１）の平均値は２．８μｍ、最大値は４．５μｍ、最小値は１．５μｍであった。このように、実施例１の方法によれば、（距離Ｄ２－距離Ｄ１）を１．５μｍ以上にできる。
　つづいて、実施例１、比較例１で作製したチップオンサブマウントの半導体レーザチップに供給電流の最大規格値を流し、最大光出力を測定した。測定時には、チップオンサブマウントを３０℃に温度調整したステージ上に載せて通電をおこなった。
　図９は、実施例１と比較例１とにおける半導体レーザチップの相対的光出力の説明図である。図９では、比較例１における最大光出力を１とした場合の相対的光出力を示している。図９に示すように、実施例１の場合は比較例１の場合よりも３％以上最大光出力が向上することが確認された。
　つづいて、実施例２～６として、平型コレットと、先端部の先端面が略円形状の丸型コレットとを用意し、これらを用いて半導体レーザチップをサブマウントに実装し、チップオンサブマウントを各実施例で１００組以上作製した。ここで、半導体レーザチップとしては、実施１と同様に共振器長が４．５ｍｍのものと、共振器長がより短い４ｍｍのものとを用意した。また、コレットについても、コレット長さが０．５ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍのものを用意した。また、実施例２～６において、実施例１の場合と同様に、コレットの出射端面側の端部を半導体レーザチップの出射端面と略一致させるように当接させてチャックした。
　表１は、実施例２～６について、共振器長、コレット長さ、比率、濡れ性、故障率、コレットタイプを示す。比率とは、共振器長に対するコレット長さの比率を意味する。なお、丸型コレットの場合は、長手方向は特定できないので、半導体レーザチップの長手方向に沿ってコレット長さを規定した。また、濡れ性とは半導体レーザチップとサブマウント間に半田がまんべんなくいきわたっているかどうかを表しており、目視で評価した。故障率は、チップオンサブマウントの長期通電試験や注入電流を大きくした試験にて評価した。なお、濡れ性や故障率についての記号「〇」は、特性が十分に良好であることを意味し、「△」は、特性が「〇」の場合よりも低いが、場合によっては実用上問題の無い範囲であることを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示す結果から、共振器長に対するコレット長さの比率が２８．５％以上８１．９％以下であることが濡れ性や故障率の点で好ましく、４４.４％以上７５.０％以下がさらに好ましいことが確認された。２８．５％と８１．９％の由来は、それぞれ実施例３と４、実施例５と６の平均値である。実施例３と６の故障率や濡れ性は、使用する光出力や保証する信頼性によっては許容できる場合があるため、平均値を計算する時にそれらの共振器長とコレット長さの比率を用いた。
　なお、実施例２、３では、比率が小さいためコレットが半導体レーザチップの後端面側を押さえられないので、（距離Ｄ２－距離Ｄ１）が大きくなり、後端面側の放熱性が低くなったためと考えられる。実施例２、３で、Ｄ１とＤ２の差が１０μｍより大きい場合には、注入電流を大きくした場合に半導体レーザチップが溶融するような激しい故障が観察された。実施例２～６で、距離Ｄ１が１６μｍよりも大きいチップオンサブマウントの集団を抽出すると、距離Ｄ１が１６μｍ以下の集団よりも長期通電試験の故障率が高いことが試験結果の解析の結果分かった。距離Ｄ１が１２μｍ以下では、更に故障率が低いことが分かった。実施例４、５では、９８％以上のチップオンサブマウントの距離Ｄ１が１２μｍ以下になるように、好適に製造できることが分かった。また、実施例６では、濡れ性がやや低かった。その理由は、比率が大きいためコレットが大型であるので、加熱されたサブマウントからコレットを経由して熱が放散しやすくなり、半田の温度が低下したためであると考えられる。
　なお、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各実施形態の構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
　本発明は、半導体レーザチップ実装サブマウントおよびその製造方法ならびに半導体レーザモジュールに、利用することができる。
１　筐体
１ａ　蓋
１ｂ　底板部
２　ＬＤ高さ調整板
３　サブマウント
３ａ　基板
３ｂ　上部被覆層
３ｃ　プリコート
４　半導体レーザチップ
４ａ　半導体部
４ａａ　出射端面
４ａｂ　後端面
４ｂ　メタライズ層
５　リードピン
６　第１レンズ
７　第２レンズ
８　ミラー
９　第３レンズ
１０　光フィルタ
１１　第４レンズ
１２　光ファイバ
１３　支持部材
１４　ブーツ
１５　ルースチューブ
１６　チップオンサブマウント
１００　半導体レーザモジュール
２１０　コレット
２１１　本体部
２１２　先端部
２２０　載置台
Ａ１、Ａ２　領域
Ｇ　溝

Claims (11)

  1. 　長手方向において出射端面と後端面とを有する半導体部を備え、前記出射端面からレーザ光を出射する半導体レーザチップと、
    　前記半導体レーザチップが実装されるサブマウントと、
    　を備え、前記サブマウントと前記半導体部の出射端面側との第１距離が、前記サブマウントと前記半導体部の後端面側との第２距離よりも小さいことを特徴とする半導体レーザチップ実装サブマウント。
  2. 　前記第１距離と前記第２距離との差が１．５μｍ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チップ実装サブマウント。
  3. 　前記第１距離と前記第２距離との差が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザチップ実装サブマウント。
  4. 　前記第１距離が１６μｍ以下であることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の半導体レーザチップ実装サブマウント。
  5. 　前記第１距離が１２μｍ以下であることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の半導体レーザチップ実装サブマウント。
  6. 　前記半導体レーザチップがレーザバーチップであることを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載の半導体レーザチップ実装サブマウント。
  7. 　請求項１～６のいずれか一つに記載の半導体レーザチップ実装サブマウントの製造方法であって、
    　半導体レーザチップを、保持具にて長手方向における中央よりも前記出射端面側を中心として前記サブマウントに押圧し、該サブマウントに実装する工程を含むことを特徴とする半導体レーザチップ実装サブマウントの製造方法。
  8. 　前記保持具はコレットであり、該コレットの長手方向において前記半導体レーザチップに当接する両端間の距離であるコレット長さは、前記半導体レーザチップの前記出射端面と前記後端面との距離である共振器長に対する比率が２８．５％以上８１．９％以下であることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザチップ実装サブマウントの製造方法。
  9. 　前記コレット長さは、前記共振器長に対する比率が４４.４％以上７５.０％以下であることを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザチップ実装サブマウントの製造方法。
  10. 　前記半導体レーザチップがレーザバーチップであることを特徴とする請求項７～９のいずれか一つに記載の半導体レーザチップ実装サブマウントの製造方法。
  11. 　請求項１～６のいずれか一つに記載の半導体レーザチップ実装サブマウントを備えていることを特徴とする半導体レーザモジュール。
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