JP2019075460A - 半導体発光素子および半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】キャンタイプの半導体発光素子を放熱板に取り付けて使用する際に、放熱性をより向上させることのできる半導体発光素子および半導体発光装置を提供する。【解決手段】半導体発光素子１００は、金属からなる基台１０１と、基台１０１に載置されたキャップ１１０と、基台１０１の上面に搭載された半導体レーザチップ１２２と、半導体レーザチップ１２２へ電力を供給するリード１０４とを有する。基台１０１の底面の一部の領域には切り欠け部１０２が設けられる。リード１０４は、切り欠け部１０２が設けられた領域に、基台１０１を上下に貫通するように配置される。半導体レーザチップ１２２は、基台１０１の切り欠け部１０２が設けられていない領域上に搭載される。リード１０４の上端および半導体レーザチップ１２２は、キャップ１１０と基台１０１とによって囲まれる内部空間に収納される。【選択図】図２

Description

本発明は、キャンタイプの半導体発光素子およびそれを用いた半導体発光装置に関する。

現在、各種産業分野において、半導体レーザチップや、高出力のＬＥＤチップを搭載した半導体発光素子が用いられている。そのような半導体発光素子は、例えば特許文献１等に開示されているような、キャンタイプのものが広く用いられている。

図１０に、従来のキャンタイプの半導体発光素子５００を示す。半導体発光素子５００では、金属製の板状部材である基台５０１上に、金属製のブロック５０２が突出するように設けられており、ブロック５０２の側面に半導体レーザチップ５０４がサブマウント５０３を介して搭載されている。半導体レーザチップ５０４の端面から出射されるレーザ光は、基台５０１に対して垂直方向上方に向いている。

基台５０１には、リード５０７が絶縁及び気密を確保するためガラスハーメチックシールにより固定される。但し、ステムと電気的に共通なリード（図示せず）については、ステムに直接接続されるように固定される。リード５０７と半導体レーザチップ５０４とは、電流導入のために適宜ワイヤで接続される。尚、図１０においては、図示の煩雑さを避けるため、ワイヤの記載を省略している。

キャップ５０５は、半導体レーザチップ５０４を覆って気密封止するために、電気抵抗溶接などにより基台５０１と接着されている。キャップ５０５には、半導体レーザチップ５０４からの出力光を取り出すためにガラスからなる窓部５０６が設けられている。窓部５０６は気密化のためにキャップ５０５に接着されている。基台５０１の平面形状は、典型的には円形である。

このようなキャンタイプの半導体発光素子は、金属製のパッケージからなるので放熱性が良好である。又、キャンタイプの半導体発光素子では、金属同士の溶接等による接合、窓部ガラスの金属製キャップへの低融点ガラス付け、ガラスハーメチックシール等の確立された技術を用いることができる。このため、パッケージコストが比較的安価でありながらレーザチップの厳密な気密封止が可能であり、広く用いられている。

尚、半導体発光素子の他の構成としては、図１０に示されるようなブロック５０２を用いず、基台（金属板）上に横向きにした半導体レーザチップ等を直接積載するパッケージも考えられている（特許文献２、３）。このようなパッケージ構造では、半導体レーザチップからの光の出射方向が基台に対して平行になるので、出射光を上方向に反射するミラーを用いて、結果として基台に対して垂直に光を出射するようにした半導体発光素子が知られている。

このようなタイプの半導体発光素子では、半導体レーザチップが横向きに基台に搭載されているので、基台底面への放熱経路が短くなり、基台から突出したブロックを介して放熱がなされる図１０の半導体発光素子と比較すると、より放熱性の向上が期待できる。

特開２００６−１３５２１９号公報 特開平７−１６２０９２号公報 特開平５−１２９７１１号公報

半導体発光素子は、半導体レーザチップからの光出力をワット級以上に高めることにより、３Ｄプリンタ用、その他の造形・加工用の光源や、プロジェクタ用光源、照明用光源等、様々な光源としての展開が期待されている。このような応用分野では、パッケージからの放熱を改善して個々のパッケージからのレーザ出力を高めることが求められている。さらには、複数個のパッケージを集積し、出力光を光学系で集めることによって、更なる大出力の光源として利用することも求められている。

これら用途では、半導体発光素子を高い投入電力で動作させる必要があることから、半導体発光素子からの発熱を効率的に逃がす必要がある。そのため、半導体発光素子は、必然的に放熱板に取り付けられて用いられる。

図１１は、図１０に示す従来のキャンタイプの半導体発光素子５００を放熱板６０１に取り付けた状態を、放熱板６０１を断面にして模式的に示す図である。

半導体発光素子５００は、リード５０７が基台底面から伸びている。このため、放熱板６０１に半導体発光素子５００を取り付けるには、放熱板６０１に穴６０２を開け、穴６０２にリード５０７を通すことが必要となる。この時、リード５０７には管状の絶縁部材６０３を被せて、リード５０７と放熱板６０１との電気的絶縁を取る。リード５０７は、はんだ６０４等により取付基板や配線等に電気接続され、これにより半導体発光素子５００への電流導入経路が形成される。尚、図１１においては、図示の煩雑さを避けるため、リード５０７の接続先の部材（取付基板、被覆線等の配線部材）は記載を省略している。

このような放熱板６０１の構成では、半導体発光素子５００における半導体レーザチップ５０４の下方近傍の本来最も放熱に寄与すべき領域に、穴６０２や窪み６０５等を設ける必要がある。窪み６０５は、リード５０７のはんだ付け接続のためのスペースである。放熱板６０１に穴６０２や窪み６０５を設けることにより、半導体レーザチップ５０４から直接下方への放熱経路が損なわれることとなり、また、半導体発光素子５００の底面と放熱板６０１との接触面積を十分に確保することが容易でなくなる。これらは、半導体発光素子５００の放熱の向上を実現する上で大きな問題となる。

さらに、放熱板６０１が複雑な形状となることで、放熱板６０１の製造・組立ても煩雑なものとなる。半導体発光素子５００において、単純にパッケージ全体のサイズを大きくすれば放熱板６０１との接触面積は増大しうる。しかしながら、半導体発光素子５００のパッケージサイズを大きくすれば、当然ながら装置の小型化を阻害し、特に、上記の高密度集積の応用上で障害となる。すなわち、複数の半導体発光素子の集積密度が小さくなれば、出力光を光学系で集めることがより難しくなり、大出力のレーザ光を利用する目的と反してしまう。

特許文献２に記載の半導体発光素子は、図１０に示す半導体発光素子５００と同様、リードが基台底面から伸びている構造である。そのため、この半導体発光素子では、依然として上述の放熱板への取り付けの問題があり、放熱向上のメリットは十分に得られない。

特許文献３に記載の半導体発光素子は、金属板の周囲に枠体を作り、枠体を通過するようにリードを配置した構造である。この構造では、パッケージの底面には平坦な金属板が露出し、リードがパッケージ下方に突き出すことは無い。よって半導体発光素子の放熱板への取り付けの問題は解消されており、半導体レーザチップの動作時の発熱は、金属板を通じて直接下方に放熱できるため、放熱効果が大きく向上できる。

しかしながら、特許文献３に記載の半導体発光素子は、そもそもキャンタイプのパッケージでは無く、半導体発光素子からのリードの取出しはガラスハーメチックシール技術を用いたものでは無い。特許文献３の半導体発光素子では、樹脂等でリードの封止を行う構成が考えられるが、このような樹脂封止では、ハーメチックシール技術によるリード封止と比較すると外部とのガスのリーク抑制が不十分となる。そのため、例えば青色レーザについてこのパッケージ技術を用いた場合には、経年使用によってレーザチップが劣化してしまうといった問題がある。

また、特許文献３の半導体発光素子において、枠体にセラミック等を用いたものでは、気密封止を実現するためのパッケージ自体が非常に高価なものとなり、従来技術のキャンタイプのように生産性に優れる電気抵抗溶接によるキャップの封止取り付けをすることはできない。つまり、特許文献３の半導体発光素子は、放熱が比較的良好で、パッケージコスト及び製造コストも安価でありながらレーザチップの厳密な気密封止が可能というキャンタイプの半導体発光素子におけるメリットを享受できるものではない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、キャンタイプの半導体発光素子を放熱板に取り付けて使用する際に、放熱性をより向上させることのできる半導体発光素子および半導体発光装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の半導体発光素子は、板状の金属からなる基台と、光透過性部材からなる窓部を有し、前記基台に載置されたキャップと、前記基台の上面に搭載された半導体レーザチップと、前記半導体レーザチップへ電力を供給するためのリードとを有しており、前記基台の底面の一部の領域に、切り欠け部が設けられており、前記リードは、前記基台における前記切り欠け部が設けられた領域に、前記基台を上下に貫通するように配置されており、前記半導体レーザチップは、前記基台における前記切り欠け部が設けられていない領域上に搭載されており、前記リードの下端は、前記基台の底面よりも上方に位置し、前記リードの上端および前記半導体レーザチップは、前記キャップと前記基台とによって囲まれる内部空間に収納されていることを特徴としている。

上記の構成によれば、リードは、基台における切り欠け部が設けられた領域に配置されており、かつ、リードの下端は基台の底面よりも上方に位置する。これにより、半導体発光素子を放熱板等に取り付けて使用する際に、半導体発光素子の基台の底面略全面を放熱板の平坦面に密着させることができる。さらに、半導体レーザチップは、基台における切り欠け部が設けられていない領域上に搭載されるため、半導体レーザチップの下方近傍の最も放熱に寄与すべき領域が放熱板に直接接する構造となる。この構造により、半導体レーザチップから放熱板への放熱が極めて良好となる。

さらに、半導体レーザチップの封止に関しては、ハーメチックシール技術、抵抗溶接、金属製キャップを用いることができる点で通常のキャンタイプパッケージと何ら変わることが無い。このため、上記構成の半導体発光素子は、製造コストが安価でありながら極めて厳密な外気との遮断が可能となる。

また、上記半導体発光素子では、前記半導体レーザチップは、その導波路長手方向が前記基台の上面に略平行となるように配置され、さらに、前記基台の上面には、前記半導体レーザチップから出力されたレーザ光を上方向に反射して前記窓部よりレーザ光を出射させるミラーを有している構成とすることができる。

上記の構成によれば、半導体レーザチップを基台の上面に略平行となるように配置することで、半導体レーザチップから基台への放熱が良好となる。

また、上記半導体発光素子では、前記リードの下端は、平面視において、前記基台の外縁よりも内側にある構成とすることができる。

上記の構成によれば、放熱板等の上に複数の半導体発光素子を並べて設置する時に、半導体発光素子を密に並べて配置することができる。

また、上記半導体発光素子では、前記切り欠け部は、前記基台の一つの側面に沿って設けられており、前記リードは、前記側面に対応する辺に沿って複数配置されている構成とすることができる。

また、上記半導体発光素子では、前記基台は平面視において略四辺形であり、前記半導体レーザチップは、その導波路長手方向が前記基台の一方の対角線に沿うように設置されており、前記基台の他方の対角線上の互いに対向する２つの角部付近に前記リードが設けられており、前記切り欠け部は、前記リードの設けられた両方の角部付近に設けられている構成とすることができる。

上記の構成によれば、半導体レーザチップを基台の対角線に沿って配置しているため、基台に対して相対的に共振器が長い半導体レーザチップを積載することができる。そのため、半導体発光素子においてレーザ出力をさらに高めることができる。

本発明の半導体発光装置は、放熱板と、該放熱板上に積載された半導体発光素子とを備えた半導体発光装置であって、前記半導体発光素子は上記記載の半導体発光素子であることを特徴としている。

上記の構成によれば、半導体発光素子の半導体レーザチップから放熱板への放熱が極めて良好となる。

また、上記半導体発光装置では、前記放熱板は段差を有しており、前記半導体装置は、前記基台における前記切り欠け部が設けられていない側面が前記段差の側面に接するように積載されている構成とすることができる。

上記の構成によれば、半導体発光素子と放熱板との接触面積が増加することにより、半導体レーザチップからの放熱性をさらに高めることができる。

また、上記半導体発光装置は、前記半導体発光素子を複数備え、当該複数の半導体発光素子は前記放熱板上に一列またはマトリクス状に配置され、前記一列またはマトリクスの同列に配置された半導体発光素子は、前記切り欠け部が一直線状になるように配置され、一直線状に並んだ前記切り欠け部の空間に、当該列の半導体発光素子に電力を供給するための配線部材が収納される構成とすることができる。

上記の構成によれば、切り欠け部の空間に配線部材が収納されることにより、放熱板上に複数の半導体発光素子を密に並べて配置することができる。

本発明の半導体発光素子および半導体発光装置は、製造コストが安価でありながら厳密な外気との遮断が可能となるといったキャンタイプの半導体発光素子のメリットを享受しながら、これに加えて、半導体レーザチップから放熱板への放熱性が向上するといった効果を奏する。

実施の形態１に係るキャンタイプの半導体発光素子を示す斜視図である。 図１の半導体発光素子のキャップを外してその内部構造を示した斜視図である。 図１の半導体発光素子の内部構造を示す図であり、図１のＡ−Ａ断面図である。 実施の形態１の一例である半導体発光装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施例となる半導体発光素子の熱抵抗の評価結果を示すグラフである。 実施の形態１の他の例である半導体発光装置の概略構成を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体発光装置の概略構成を示す斜視図である。 実施の形態２の半導体発光装置を用いた集光系の一例を模式的に示す図である。 実施の形態３に係る半導体発光素子を示す図であり、（ａ）は半導体発光素子のキャップを外した状態での上面図であり、（ｂ）は半導体発光素子の下面図である。 従来のキャンタイプの半導体発光素子を示す断面図である。 従来のキャンタイプの半導体発光素子を放熱板に取り付けた状態を模式的に示す図である。

〔実施の形態１〕
＜半導体発光素子の構造＞
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施の形態１に係るキャンタイプの半導体発光素子１００を示す斜視図であり、図２は、半導体発光素子１００のキャップ１１０を外してその内部構造を示した斜視図である。また、図３は、図１のＡ−Ａ断面図である。

半導体発光素子１００では、板状の金属からなる基台１０１の略平坦面である上面（チップ搭載面）に、キャップ１１０が基台１０１の周囲付近に接着されて搭載されている。これにより、半導体発光素子１００は、基台１０１とキャップ１１０とによって形成される内部空間を有する。本実施の形態１において、基台１０１は平面視で角丸略正方形状である。キャップ１１０の上面には、ガラスからなる窓部１１１が形成されている。

基台１０１の底面側には一側面に沿って、切り欠け部１０２が設けられている。このため、切り欠け部１０２の設けられた領域において、基台１０１の厚みは他の領域よりも薄くなる。一方、基台１０１の上面側は、キャップ１１０が接着されている部分が平面となっており、キャップ１１０が電気抵抗溶接等により接着されて半導体発光素子１００内部空間を封止できる構成となっている。

基台１０１において、切り欠け部１０２には複数の貫通穴１０３が設けられている。それぞれの貫通穴１０３には、金属からなるリード１０４が基台１０１の厚み方向の上下に突き出るように挿入されている。貫通穴１０３は、略正方形である基台１０１の一辺、より具体的には、切り欠け部１０２の設けられた側面に対応する辺に沿って並んで配置されている。貫通穴１０３とリード１０４との間にはガラス１０５が充填されており、リード１０４は、基台１０１との良好な絶縁性を有しつつ基台１０１に固定されている。

リード１０４は、略直線形状であり、その下端は基台１０１の底面よりも上方に位置する。半導体発光素子１００を放熱板等の平面上に設置した場合、基台１０１の厚い領域の底面のみがその平面に接し、切り欠け部１０２ではその平面と基台１０１との間に空間が生じることとなる。この時、リード１０４の下端が基台１０１の底面よりも上方に位置するため、リード１０４の下端はその空間中に位置し、半導体発光素子１００を放熱板等の平面上に設置することを阻害しない。また、半導体発光素子１００の平面視においても、リード１０４は基台１０１の外縁からはみ出ることなく、その内側に収まっている。

リード１０４の上端は、基台１０１とキャップ１１０とで囲まれた内部空間内に位置する。半導体発光素子１００の内部空間内では、基台１０１の上面にサブマウント１２１が設置され、サブマウント１２１の上に半導体レーザチップ１２２が積載されている。半導体レーザチップ１２２は、平面視において、基台１０１の厚みが厚い領域（切り欠け部１０２を避けた領域）に配置されている。また、半導体レーザチップ１２２の導波路長手方向は、基台１０１の上面と略平行とされており、かつ、貫通穴１０３が並ぶ方向と略平行とされている。

さらに、基台１０１の上面には、半導体レーザチップ１２２の光出射面に対向してミラー１２３が設置されている。これにより、半導体レーザチップ１２２の光出射面からのレーザ出射光は、ミラー１２３によって上方向に反射されてキャップ１１０の窓部１１１を通じて外部に放出される。

半導体レーザチップ１２２やサブマウント１２１に設けられた電極パッドとリード１０４との間は、金線や金リボン等の金属ワイヤにより接続されており、半導体レーザチップ１２２にリード１０４を通じて電力を供給できる構成となっている。上記構成は、リード１０４の上端部分が、基台１０１の上面より上に位置し、半導体発光素子１００の内部空間に存在することにより実現される。また、本実施の形態１の半導体発光素子１００においては、複数のリード１０４が並ぶ方向と、半導体レーザチップ１２２の導波路長手方向（レーザ内部のレーザ導波方向）とが略平行であるので、電極パッドとリード１０４とを接続する金属ワイヤが、半導体レーザチップ１２２から出射されるレーザ光の光路に干渉することを回避できる。尚、図２，３においては、図示の煩雑さを避けるため、これらの金属ワイヤは記載を省略している。

基台１０１の側面には、半導体発光素子１００からの光出射位置の基準となるマーカ１０６が設けられていてもよい。このマーカ１０６により、半導体発光素子１００の利用者は、光出射位置（見かけの発光点の位置）を容易に認識することができる。マーカ１０６は基台１０１に印字されたものでも良いが、基台１０１の側面に設けられた窪みや突起とすることもできる。

＜製造方法＞
次に、本実施の形態１に係る半導体発光素子１００の製造方法について説明する。

金属からなる基台１０１の成形は、キャンパッケージの基台を製造するための周知の手法を用いることができる。基台１０１の材料は、鉄を主成分とするもの、銅を主成分とするものなど、公知のキャンパッケージ材料から選択するものを適宜使用できる。基台１０１の材料として、鉄を主成分とする材料はキャップ１１０の溶接が容易であるといったメリットがあり、銅を主成分とする材料は放熱性に優れるといったメリットがある。

また、基台１０１は、その全体が均一の材料からなるものに限らず、いわゆる積層材も用いることができる。基台１０１の成形にプレス加工を用いれば、量産性に優れ、低コストで基台１０１を製造できる。一方、基台１０１の成形にろう付け加工や溶接加工を用いれば、基台１０１の各部分で適した複数の材料を選定し、複雑な組み合わせの基台１０１が構成できる。通常、基台１０１の表面には、金、ニッケル、パラジウム等のメッキが施される。

金属からなるリード１０４は、ガラスハーメチックの手法により、基台１０１に対して気密を取りつつ固定される。リード１０４にも、金やニッケル等のメッキを施すことで、金属ワイヤやハンダが良好に接続でき電気伝導を良好なものとすることができる。

半導体レーザチップ１２２は、サブマウント１２１に搭載され、サブマウント１２１を介して基台１０１上面に積載される。サブマウント１２１は、例えば窒化アルミニウム、炭化ケイ素等を主成分とするセラミックとすることができ、あるいは銅やＣｕＷ等の金属を用いることや、その他公知の材料を用いることも可能である。但し、本発明は上記構成に限定されるものではなく、半導体レーザチップ１２２は基台１０１上に直接搭載されても良い。この場合には、半導体レーザチップ１２２から発生する熱を基台１０１に直接逃がすことができるので、放熱性がさらに改善される。尚、サブマウント１２１を金属のような導電性材料としたり、半導体レーザチップ１２２を基台１０１上に直接搭載する場合には、半導体レーザチップ１２２における電極パッドの一方が基台１０１と電気的に接続されることとなり、この場合、基台１０１に直接接続されたリード１０４を素子外部との接続端子として用いることができる。

基台１０１若しくはサブマウント１２１に対する半導体レーザチップ１２２の固定には、はんだ付けや導電性ペーストによる接着など公知の手法を用いることができる。その際、接着の材料には公知のものを用いることができる。図２においては、基台１０１の上面が全体的に平坦であり、サブマウント１２１はその平坦面上に積載されている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、基台１０１底面への放熱を大きく阻害しない範囲で、基台１０１表面に窪みや突起を適宜設け、これらの窪み上や突起上にサブマウント１２１（または半導体レーザチップ１２２）を積載することもできる。

ミラー１２３は、例えば、プリズム形状のガラス部材の表面に高反射膜をコーティングしたものが使用できる。このようなミラー１２３の基台１０１への固定は、接着剤、はんだ付け等で行うことができる。なお、ミラー１２３の構成は、上述のガラス部材に限らず、半導体材料や金属材料など、公知のミラーの材料を用いることができる。さらに、ミラー１２３は、基台１０１に形成した窪みや突起の斜面として、基台１０１と一体的に形成することもできる。

半導体レーザチップ１２２やサブマウント１２１に設けられた電極パッドとリード１０４との間の金属ワイヤによる接続は、キャップ１１０を基台１０１に接着する前に行う。

キャップ１１０は、キャンタイプのパッケージのキャップとして用いられている公知技術のものを用いることができる。このようなキャップ１１０は、窓部１１１となるガラス部材の気密取り付けも技術的に確立しており、また大量生産がされており安価である。キャップ１１０の基台１０１への取り付けは、周知の電気抵抗溶接を用いて行うと生産性が良く低コストで確実な封止ができるため望ましい。キャップ１１０を基台１０１に電気抵抗溶接法で装着する手法の概略は次の通りである。基台１０１を通電可能なステージに固定し、キャップ１１０を通電可能な治具にセットし、キャップ１１０の底面周囲の鍔部である溶接部を治具とステージとの間に挟み込んで加圧し、パルス状の電流を通電する。これにより、当該溶接部を加熱して溶接を行う。

電気抵抗溶接法が低コストであるのは、溶接が一瞬で完了し、リードタイムが極めて短くなるためである。また溶接装置の構成としても、シーム溶接やレーザ溶接のように精密位置決めが必要な可動部分が少なく、溶接装置のコストも低くすることができる。但し、本発明におけるキャップ１１０の基台１０１への取り付け方法は、電気抵抗溶接法に限定されるものではなく、シーム溶接や、レーザ溶接、はんだ付け等の他の接着方法も用いることも可能である。

＜半導体発光装置の構造＞
次に、本発明の半導体発光装置について説明する。ここでの半導体発光装置とは、半導体発光素子を放熱板に設置し一体として使用される装置である。図４は、本実施の形態１の一例である半導体発光装置２００の概略構成を示す断面図である。

半導体発光装置２００は、上述した半導体発光素子１００を放熱板２０１上に設置した構造を有している。半導体発光素子１００では、リード１０４は、その下端が基台１０１の底面から突出しないように（リード１０４の下端が基台１０１の底面よりも上方に位置するように）配置されている。このため、半導体発光素子１００は、切り欠け部１０２を除く基台１０１の底面略全面を放熱板２０１に接触させることが可能である。

リード１０４の下端が基台１０１の底面よりも上方に位置することで、切り欠け部１０２によって形成される空間内では、リード１０４を外部の配線部材２０２に電気接続することができる。ここで、配線部材２０２は、接続基板や被覆電線などの適宜の部材とすることができる。リード１０４と配線部材２０２との電気接続には、はんだ付けやソケット接続等公知の手法を適宜用いることが可能である。図４では、配線部材２０２が放熱板２０１から浮いた状態で記載されているが、これは、配線部材２０２と放熱板２０１との短絡が生じない構成であることを意味している。すなわち、放熱板２０１は、放熱性の高い金属材料により形成されるものであるため、配線部材２０２と放熱板２０１との間での絶縁を確保する必要がある。上記絶縁は、配線部材２０２と放熱板２０１との間に絶縁性部材を配置することで確保されるものであってもよい。

半導体発光装置２００では、半導体発光素子１００の基台１０１の底面略全面を、放熱板２０１の平坦面に密着させて半導体発光素子１００を動作させることができる。尚、放熱板２０１の外形は、本発明において特に限定されるものではなく、半導体発光装置２００が使用される状況により適宜選択することができる。

半導体発光素子１００では、半導体レーザチップ１２２及びサブマウント１２１は、基台１０１の上面に対して平行に設置されている。このため、半導体レーザチップ１２２から基台１０１への放熱が良好に行われる。それのみならず、半導体発光素子１００の平面視において、半導体レーザチップ１２２及びサブマウント１２１は基台１０１の切り欠け部１０２にかからない位置に設置されている。これにより、半導体発光装置２００では、半導体レーザチップ１２２の下方近傍の本来最も放熱に寄与すべき領域が放熱板２０１に直接接する構造となる。また、半導体レーザチップ１２２の下方の領域には、半導体発光素子１００への電力供給のため貫通穴も形成されていない。この構造により、半導体レーザチップ１２２から放熱板２０１への放熱が極めて良好となる。

図５は、本発明の実施例となる半導体発光素子の熱抵抗の評価結果を示すグラフである。実施例である半導体発光素子の構造は、上述した半導体発光素子１００と同様の構造とした。また、半導体レーザチップ１２２は、窒化物半導体からなる半導体レーザチップとし、導波路幅が３０μｍのものとした。サブマウント１２１には窒化アルミニウムを用い、半導体レーザチップ１２２はサブマウント１２１に対してジャンクションダウンで設置した。基台１０１の材料は銅とした。また、図５には、従来例として、図１０に示す従来のパッケージを用いた半導体発光素子の熱抵抗の評価結果も示している。以上の条件下で、実施例である半導体発光素子は、基台１０１の外形を４〜８および１０ｍｍ角のものを示した。また、従来例である半導体発光素子は、標準的なパッケージである直径５．６ｍｍφのものを示した。

外形を６ｍｍ角とした実施例の熱抵抗の値は６℃／Ｗ弱であり、従来例の熱抵抗の値１０．５℃／Ｗと比較すると、顕著に熱抵抗が改善されていることが明らかである。また、基台１０１のサイズが５ｍｍ角程度以上であれば、それ以上パッケージサイズを大きくしても熱抵抗の減少は緩やかである。

本実施の形態１の半導体発光素子１００は、従来のキャンタイプの半導体発光素子と比較して極めて良好な放熱性が得られる。このため、使用する半導体レーザチップ１２２の光出力を従来よりも数倍高めることが可能である。さらには、半導体レーザチップ１２２の封止に関しては、ハーメチックシール技術、抵抗溶接、金属製キャップを用いることができる点で通常のキャンタイプパッケージと何ら変わることが無い。このため、製造コストが安価でありながら極めて厳密な外気との遮断が可能であり、半導体レーザチップ１２２の劣化を生じさせることが無いといったキャンタイプの半導体発光素子におけるメリットを享受できる。

図６は、本実施の形態１の他の例である半導体発光装置２５０の概略構成を示す断面図である。

図６に示す半導体発光装置２５０においては、図４に示す放熱板２０１に代えて、放熱板２０３が用いられている。放熱板２０３は、その上面が平坦ではなく段差を有している。半導体発光装置２５０では、半導体発光素子１００は、基台１０１の底面のみならず側面の一部も放熱板２０３に接触するように設置されている。半導体発光装置２５０の構造では、放熱板２０３の形状は図４に示す放熱板２０１に比べて複雑化するものの、半導体発光素子１００と放熱板２０３との接触面積が増加することにより、さらに放熱性を高めることができる。

〔実施の形態２〕
本実施の形態２では、実施の形態１で説明した半導体発光素子１００を複数集積した半導体発光装置３００に関し、図７の斜視図を用いて説明する。

半導体発光装置３００は、放熱板３０１上に複数の半導体発光素子１００を２次元のマトリクス状に並べて設置した構造である。但し、本発明はこれに限定されるものではなく、半導体発光装置３００は、複数の半導体発光素子１００が一列に並べて設置された構造であってもよい。ここで、半導体発光素子１００は平面視略正方形状であり、かつ、半導体発光素子１００のリード１０４は基台１０１の外縁からはみ出ることなく収まっているので、半導体発光素子１００を密に並べて配置することができる。マトリクスの同列に配置された半導体発光素子１００は、全て同じ向きに、すなわち上述した切り欠け部１０２が一直線状になるように配置される。そして、一直線状に並んだ切り欠け部１０２の空間に配線部材３０２が収められ、この配線部材３０２に半導体発光素子１００が接続される。これにより、各半導体発光素子１００に配線部材３０２を通じて電力が供給される。

上記構造の半導体発光装置３００では、各半導体発光素子１００の基台１０１の底面に放熱板３０１を密着させつつ、半導体発光素子１００を密に並べることができる。また、半導体発光素子１００の発光点が同一ピッチとなるように配置できる。この場合、配線部材３０２としては被覆電線等も用いることができるが、半導体発光素子１００への接続のことを考慮すると、配線部材３０２は所要の配線パターンが形成された配線基板であることが望ましい。

本実施の形態２に係る半導体発光装置３００においては、実施の形態１で説明した半導体発光素子１００を用いているので、半導体レーザチップの気密封止が極めて良好になされている。これにより、半導体発光素子１００の封止が不完全なことによる半導体レーザチップの劣化が無く、半導体発光装置３００における信頼性も優れたものとなる。また、各半導体発光素子１００は、パッケージ後に特性評価され選別されたものを用いることができる。これにより、半導体発光装置３００に複数の半導体発光素子１００を集積しても不良品の混入を防止することができる。このように、集積パッケージである半導体発光装置３００全体としての不良を防止することができ、半導体発光装置３００は生産性に優れたものとすることできる。よって、半導体発光装置３００は、高歩留りで製造でき、低コストで信頼性の高い集積パッケージを実現できる。

また、放熱性の点では、実施の形態１で説明した通り、半導体発光素子１００は従来のキャンタイプの半導体発光素子よりもはるかに優れている。このため、半導体発光装置３００では、従来のキャンタイプの半導体発光素子を集積した装置に比べ、半導体レーザチップへの通電を確保しつつ半導体発光素子１００を密に集積できる。これにより、半導体発光装置３００は、集積パッケージ全体としての発光点の拡がりを最小限範囲内にすることができる。

一例として、半導体発光装置３００において半導体発光素子１００のサイズを約６ｍｍ角とすると、各半導体発光素子１００から５Ｗの青色光の出力が可能であり、それが５×５のマトリクス配置とされれば全体として１２５Ｗのレーザ出力が可能となる。このとき、発光点の領域は、わずか２４ｍｍ角に収まり、例えば４０ｍｍφの集光レンズで１点に集めることが可能であり、コンパクトでかつ１００Ｗを超えるようなレーザ出力を得ることができる。このようにコンパクトで高出力な半導体発光装置３００は、レーザ加工装置、レーザ溶接機、レーザはんだ付け機、３Ｄプリンタ、プロジェクタ等の用途向けの光源として好適である。一方、熱抵抗の大きく劣る従来型の５．６ｍｍφの半導体発光素子を用いた場合には、各半導体発光素子から２Ｗ程度しか安定して青色光の出力ができず、その差異は明白である。

図８は、本実施の形態２の半導体発光装置３００を用いた集光系の一例を模式的に示す図である。半導体発光装置３００の各半導体発光素子１００には、半導体発光素子１００から出射されたレーザ光を平行光Ｌ１とするコリメートレンズ４０１がそれぞれ対応して配置されている。コリメートレンズ４０１のレーザ出射側には集光レンズ４０２が配置されている。コリメートレンズ４０１から出射する複数の平行光Ｌ１は集光レンズ４０２によって一点若しくは狭い領域である集光領域Ｒ１に集められる。

ここで、上記集光系をコンパクトにするためには、半導体発光装置３００の発光点の分布する領域の面積を小さくして、集光レンズ４０２の口径を小さくすることが重要である。

本実施の形態２の半導体発光装置３００では、上述したように各半導体発光素子１００から放熱板３０１へ向けての放熱が良好であり、半導体発光素子１００へ電力供給する配線のためのスペースを確保しつつも半導体発光素子１００を密集して配置できる。このため、半導体発光装置３００は、コンパクトな大出力レーザ光源を実現できる。

〔実施の形態３〕
本実施の形態３では、実施の形態１で説明した半導体発光素子１００とは異なる構造の半導体発光素子１５０について図９を用いて説明する。図９（ａ）は半導体発光素子１５０のキャップを外した状態での上面図であり、図９（ｂ）は半導体発光素子１５０の下面図である。半導体発光素子１５０は、基台１０１の上面にキャップが取り付けられるが、半導体発光素子１５０におけるキャップの取り付け状態は、半導体発光素子１００と同様であるので説明は省略する。

半導体発光素子１５０が、実施の形態１で説明した半導体発光素子１００と相違している点として、以下の点が挙げられる。半導体発光素子１５０におけるその他の構成については、半導体発光素子１００と同様である。
(1) 基台１０１の上面では、サブマウント１２１、半導体レーザチップ１２２、ミラー１２３の組が、半導体レーザチップ１２２における導波路長手方向が基台１０１の一方の対角線に沿うように設置されている。
(2) 基台１０１の他方の対角線上の互いに対向する２つの角部付近にリード１０４が設けられている。
(3) 基台１０１の下面では、リード１０４の設けられた両方の角部付近に切り欠け部１０２が設けられている。

本実施の形態３に係る半導体発光素子１５０では、半導体レーザチップ１２２を基台１０１の対角線に沿って配置しているため、半導体発光素子１００と比較して、基台１０１に対して相対的に共振器が長い半導体レーザチップ１２２を積載することができる。そのため、同一外形サイズの半導体発光素子においてレーザ出力をさらに高めることが可能となる。

また、実施の形態１で説明した半導体発光装置２００や半導体発光装置２５０において、半導体発光素子１００を実施の形態３に係る半導体発光素子１５０に置き換え可能であることは言うまでもない。このような半導体発光装置も本発明の一実施形態として含まれる。同様に、実施の形態２で説明した半導体発光装置３００においても、半導体発光素子１００を実施の形態３に係る半導体発光素子１５０に置き換え可能であり、このような半導体発光装置も本発明の一実施形態として含まれる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１００，１５０ 半導体発光素子
１０１ 基台
１０２ 切り欠け部
１０３ 貫通穴
１０４ リード
１１０ キャップ
１２１ サブマウント
１２２ 半導体レーザチップ
１２３ ミラー
２００，２５０，３００ 半導体発光装置
２０１，２０３，３０１ 放熱板
２０２，３０２ 配線部材
４０１ コリメートレンズ
４０２ 集光レンズ

Claims (8)

1. 板状の金属からなる基台と、
   光透過性部材からなる窓部を有し、前記基台に載置されたキャップと、
   前記基台の上面に搭載された半導体レーザチップと、
   前記半導体レーザチップへ電力を供給するためのリードとを有しており、
   前記基台の底面の一部の領域に、切り欠け部が設けられており、
   前記リードは、前記基台における前記切り欠け部が設けられた領域に、前記基台を上下に貫通するように配置されており、
   前記半導体レーザチップは、前記基台における前記切り欠け部が設けられていない領域上に搭載されており、
   前記リードの下端は、前記基台の底面よりも上方に位置し、
   前記リードの上端および前記半導体レーザチップは、前記キャップと前記基台とによって囲まれる内部空間に収納されていることを特徴とする半導体発光素子。
2. 請求項１に記載の半導体発光素子であって、
   前記半導体レーザチップは、その導波路長手方向が前記基台の上面に略平行となるように配置され、
   さらに、前記基台の上面には、前記半導体レーザチップから出力されたレーザ光を上方向に反射して前記窓部よりレーザ光を出射させるミラーを有していることを特徴とする半導体発光素子。
3. 請求項１または２に記載の半導体発光素子であって、
   前記リードの下端は、平面視において、前記基台の外縁よりも内側にあることを特徴とする半導体発光素子。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載の半導体発光素子であって、
   前記切り欠け部は、前記基台の一つの側面に沿って設けられており、
   前記リードは、前記側面に対応する辺に沿って複数配置されていることを特徴とする半導体発光素子。
5. 請求項１から３の何れか１項に記載の半導体発光素子であって、
   前記基台は平面視において略四辺形であり、
   前記半導体レーザチップは、その導波路長手方向が前記基台の一方の対角線に沿うように設置されており、
   前記基台の他方の対角線上の互いに対向する２つの角部付近に前記リードが設けられており、
   前記切り欠け部は、前記リードの設けられた両方の角部付近に設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
6. 放熱板と、該放熱板上に積載された半導体発光素子とを備えた半導体発光装置であって、
   前記半導体発光素子は、請求項１から５の何れか１項に記載の半導体発光素子であることを特徴とする半導体発光装置。
7. 請求項６に記載の半導体発光装置であって、
   前記放熱板は段差を有しており、
   前記半導体装置は、前記基台における前記切り欠け部が設けられていない側面が前記段差の側面に接するように積載されていることを特徴とする半導体発光装置。
8. 請求項６または７に記載の半導体発光装置であって、
   前記半導体発光素子を複数備え、当該複数の半導体発光素子は前記放熱板上に一列またはマトリクス状に配置され、
   前記一列またはマトリクスの同列に配置された半導体発光素子は、前記切り欠け部が一直線状になるように配置され、一直線状に並んだ前記切り欠け部の空間に、当該列の半導体発光素子に電力を供給するための配線部材が収納されることを特徴とする半導体発光装置。

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