专利名称：发光设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有将发光元件收纳于封装内的配置的发光设备。
背景技术：
近年来，CD(致密盘)、DVD(数字多用光盘)、MD(小型盘)等的光盘已广泛普及。为了对这些光盘进行信息的记录/再生的光盘系统装有所谓拾取头。
拾取头可分类成分立型拾取头和混和型拾取头。分立型拾取头装备了物镜、光束分裂器、校准透镜、圆柱面透镜、半导体激光器和PD(光检测器)。混和型拾取头装备了物镜和将物镜以外的其他要素一体化的集成光学器件。
在分立型拾取头中，半导体激光器安装于称作CAN封装地封装，而在混和型拾取头中，集成光学器件安装于称作平板封装的封装。以下，安装了半导体激光器的CAN封装称作CAN封装发光设备，而安装了集成光学器件的平板封装称作平板封装发光设备。
图17示出CAN封装发光设备的配置。如图17所示，CAN封装102内收纳了接合至底架106的半导体激光器101以及监视器PD(未图示)。对于接合半导体激光器101和底架106，使用了锡、锡铅、银锡、铟等的焊料。这里将半导体激光器101接合至底架106上的结构称作LOS。为了接合底架106到热槽105，使用了银膏。而为了接合监视器PD到封装102，使用了银膏。此银膏可视作含有银粉的有机物黏着剂。
图18示出了平板封装发光设备的配置。如图18所示，平板封装112内收纳了其上接合了半导体激光器111的底架115、反射棱镜116和PDIC(光检测器集成电路)117。为了接合半导体激光器111到底架115，使用了锡、锡铅、银锡、铟等的焊料。这里所示的平板封装发光设备具有使半导体激光器111和底架115接合在一起的LOS结构。
为了接合底架115到收纳壳113，使用了银膏。为了接合PDIC117到收纳壳113，使用了银膏。如上所述，此银膏可视作含有银粉的有机物黏着剂。为了接合反射棱镜116到收纳壳113，使用了紫外线固化、热固化或紫外线和热并用的环氧系有机物黏着剂。而为了将密封玻璃114连接至收纳壳113，一般地使用了环氧系等的有机物黏着剂。
如上所述，在CAN封装发光设备和平板封装发光设备中，将有机物黏着剂用于封装和部件的接合。有机物黏着剂按基本高分子可分类为变质丙烯酸胶、环氧胶和硅胶等。按固化反应形态，可分类成由照射紫外线而开始固化反应的紫外线固化型、由加热而开始固化反应的热固化型、和由与氧反应而开始固化反应的类型等。为了确定固化反应形态，将所谓固化剂添加至有机物黏着剂。
如上述，黏着剂按基本高分子和固化反应形态而大体分类，但即使在同一分类中，黏着剂的物理性质和化学性质一般也不同。为了控制这些性质，以化合物的形式而添加各种物质。
例如，添加所谓触媒以辅助反应。进而，往黏着剂中添加用于控制诸如固化前的黏度、固化后的硬度、交界面处的化学结合状态等各种性质的其他物质。
而且，为了控制热传导性和电气传导性而往某些黏着剂中加入银、金、铜等的金属微粒。它们作为银膏、金膏和铜膏而广为人知。即使在这种情形中，为了控制黏度、硬度、介电常数等的物理性质也要添加各种物质。
黏着剂根据欲接合部件的性质、它们组合后的目的特性、和由部件集合构成的全体器件的使用环境，用于专用而结合。黏着剂的结合是黏着剂制造商和开发商的秘方，一般场合下，黏着剂的成分不向用户公开。
以下，说明由黏着剂造成的半导体激光器的特性劣化。传统，作为由黏着剂造成的半导体激光器的特性劣化，已知(1)由热扩散导致的特性劣化、和(2)由气体挥发导致的特性劣化。
(1)由热扩散导致的特性劣化
在含有金属的黏着剂和半导体激光器接触的情形中，已知由于黏着剂中所含有的金属扩散至半导体中而致使半导体激光器的特性劣化。
例如，在由含有钠的黏着剂接合封装和半导体激光器的情形中，已知以下的特性劣化过程。首先，钠接受热能并扩散至半导体激光器内。随着扩散推进，钠到达激光器的活性层近傍、以致降低发光效率(因为其作用是吸收体)。或者，钠破坏了p/n接合界面，并导致波长的变化和发光效率的降低。
而且，已知当黏着剂中所含有的金属是锌或铂时也引起半导体激光器受到特性劣化。例如，由含有锌的黏着料产生的特性劣化在由磷化镓铟化合物半导体构成的650纳米波带半导体激光器中是熟知的现象，它由于自然超晶格的破坏而造成移至更长波长(有时也被积极地利用)或是发光效率的降低，最终导致驱动电流的上升。
由于这些问题，已提议通过在黏着剂和半导体激光器之间形成扩散防止层、而将焊料用作黏着剂。在黏着剂不和半导体直接接触的结构中，多使用银膏。在此情形中，不会发生不希望的向半导体内部的扩散现象。作为焊接材料，使用诸如锡、锡铅、铟、银、银锡或金锡等金属。这些用作焊接材料的金属具有高纯度。特别地，当半导体激光器不存在缺陷(特别是贯通错位)时，使用扩散常数较小的材料。进而，作为半导体接合面，多使用抑制焊料扩散的材料。例如，为此而常用铂(例如，作为780纳米波带p侧电极或650纳米波带p侧电极)。通过使用这种结构，可防止由金属元素向半导体内部扩散造成的半导体激光器的工作特性的劣化。
图19示出具有扩散防止层的半导体激光器。如图19所示，在底架121上顺次层积了焊料的接合层122、引起与焊料的相互扩散的金层123、防止焊料扩散的扩散防止层124、接合半导体激光器126和金属的钛层125。在钛层125上接合了半导体激光器126。
(2)由气体挥发导致的特性劣化
如上述，有机物黏着剂由混和许多化合物而构成，并在该成分中含有挥发性物质。有时由于固化条件，也可引起基本高分子自身的挥发。尽管封装的气密性不同，但它们定义了本质上的密闭空间，因此，挥发物质的气体到达并附着在封装的外壁、或其他装载于封装内的部件、以及盖子，而导致特性的劣化。特别地，在如图18所示的平板封装发光设备中，广泛使用了造成特性劣化的有机物黏着剂。
例如，在图18所示的平板封装发光设备中，密封玻璃114具有透过光的功能。若挥发成分附着并固化于密封玻璃114的光透过部分而严重地降低了透光率，则导致光路和发光强度分布的劣化。
例如，在装载于光盘系统的平板封装发光设备的情形中，波前像差会极大地增大，而妨害从光盘的信号再生和将信号写入光盘。
为此，作为黏着剂，一般地选用挥发气体量较小的黏着剂。为了避免特性劣化，例如，使用比丙烯酸黏着剂挥发量少的环氧黏着剂被认为更好。在同一基本高分子种类中，认为使用紫外线固化型高分子比使用热固化型高分子更好。
来自黏着剂的挥发一般是由热而引起的。挥发量n可用封装内的容积V、温度T、以及挥发成分固有的饱和蒸气压来表达。
即，挥发量n可表达为
n＝PV/RT(1)
对于在其他部件上的附着物，可以认为由于热的反应、即因为部件的温度比挥发气体的温度低，所以挥发气体可在这些部件上固化。
不论热固化或热可塑性、还是与加工方法无关的定形为希望的形状的有机物树脂被广泛地用于为了收纳集成光学元件的铅框架封装。这些封装由定形加工的有机物树脂和金属部分构成。传统认为用于那些封装的有机树脂不产生与上述由黏着剂产生的同样的劣化。
近年来，对于半导体激光器，要求更短的波长和更高的光输出。例如，根据下一代的高密度光盘(蓝光盘)格式，用于记录/再生的激光的波长是405纳米。作为发射这一波长的发光源，III族氮化物化合物半导体激光器的使用正受到检验。
然而，本发明人制备了收纳405纳米波带半导体激光器的封装发光设备，并使用此发光设备重复了各种实验，结果本发明人发现发光设备受驱动电流的波动、光输出的波动、光束分布的变化和光轴偏离的影响。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种发光设备，其具有发射光的发光元件和至少收纳发光元件的封装，并可防止驱动电流的波动、光输出的波动、光束分布的变化和光轴的偏离。
为了达成上述目的，本发明提供了一种发光设备，其具有发射光的发光元件和至少收纳发光元件的封装，其特征在于封装内的硅有机化合物气体的蒸气压限在5.4×102N/m2或以下。
根据以上概括的本发明，由于封装内的硅有机化合物气体的蒸气压限在5.4×102N/m2或以下，故可防止像导致特性劣化那样厚的沉积物累积于发光元件的发光部分。
图1是示出利用于测试例的CAN封装发光设备的配置的示意图2A和2B是示出CAN封装发光设备的驱动电流波动测试的结果的图表；
图3A和3B是表示由微分干涉显微镜观察半导体激光器的结果的示意图4是半导体激光器的端面的TEM图像；
图5是示出利用EDX功能的成分分析结果的图表；
图6A和6B是示出半导体激光器的远场图案的图表；
图7是示出仿真结果的图表，该仿真表示电流值的波动；
图8是示出由电场放射型奥格电子分光法的测定结果的分光图9A和9B是半导体激光器的SEM图像；
图10是为了说明多光子反应模型的示意图11是示出光强度分布和沉积厚度分布的相关关系的图表；
图12是示出光强度分布和沉积厚度分布的关系的图表；
图13是示出根据本发明的一个实施例的CAN封装发光设备的配置的示意图14A和14B是示出根据本发明的一个实施例的CAN封装发光设备的制造方法的示意图15A和15B是示出根据本发明的一个实施例的CAN封装发光设备的制造方法的示意图16是示出根据本发明的一个实施例的CAN封装发光设备的制造方法的示意图17是示出传统的CAN封装发光设备的配置的示意图18是示出传统的平板封装发光设备的配置的示意图；而
图19是示出半导体激光器的配置的示意图。
具体实施例方式
为了容易理解本发明的主题内容，首先，说明由本发明人为要克服现有技术所具有的上述问题而进行的检验内容。
发明人首先制备了在CAN封装内含有有机物黏着料的样品1和在CAN封装内没有有机物黏着料的样品2。图1示出样品1的配置。如图1所示，此样品1由接合至底架106的半导体激光器101、和为了收纳接合至底架106的半导体激光器101的CAN封装102构成。半导体激光器101是405纳米波带氮化镓化合物半导体激光器。
发明人如以下所述来制备样品1。首先，发明人以锡焊料来接合半导体激光器101和底架106。发明人其次以锡焊料来接合底架106和从固定体103伸出的热槽105。然后，发明人为了取出电极而连接金导线108。
其次，如图1所示，发明人在不与氮化镓半导体激光器直接接触且激光不直接照射的位置处涂覆并固化了有机物黏着剂(紫外线固化环氧黏着剂)121。其次，发明人在乾燥空气中由电焊来接合帽子104和固定体103。由金属构成的帽子104和密封玻璃110是预先由低融点玻璃来接合的。
通过这种方式，发明人不使用接合各部件的有机物接合料来制备样品1。即，样品1具有这样的配置除了有机物黏着剂121以外，在CAN封装2内没有任何有机物黏着剂。
发明人除了省略了涂覆有机物黏着剂的工序以外，与上述样品2同样地制备样品2。即，样品2具有这样的配置在CAN封装2内没有任何有机物黏着剂。
使用如上述制备的样品1和样品2，发明人在固定温度60℃、固定光输出30毫瓦的条件下进行检验驱动电流变动的试验(APC老化)。
图2A示出样品1的驱动电流波动测试的结果。图2B示出样品2的驱动电流波动测试的结果。在图2A和2B中，横轴和纵轴分别表示驱动时间和驱动电流。
从图2A和2B可见，样品2随时间经过而驱动电流不变动，而样品1随时间经过而驱动电流有变动。因而，此驱动电流的周期性的波动是由于与涂覆于封装内的紫外线固化环氧黏着剂有关联而造成的现象。这种驱动电流的波动在例如光盘系统那样为了驱动半导体激光器发射希望的光输出所需的系统中，是个重大问题。
对于驱动电流测试终止后的样品1和样品2，发明人通过微分干涉显微镜观察半导体激光器的端面。
图3A示出由微分干涉显微镜观察样品1中半导体激光器的结果。图3B示出通过微分干涉显微镜观察样品2中半导体激光器的结果。从图3A和3B可见，在驱动电流恒定的样品2的半导体激光器的端面没有形成沉积物，而在驱动电流呈周期性变动的样品1的半导体激光器的端面则形成了沉积物。由于沉积物仅形成于发光部分，因此沉积物的形成是由于与激光有关联而造成的现象。
另外，发明人还制备了与样品1具有同样的配置的另一样品。对此样品、不给该半导体激光器供给电力、在保存于60℃的环境后，发明人由微分干涉显微镜观察半导体激光器的端面。在该观察中，未能观察到如上述的沉积物。这也证实了这一假定即沉积物的形成是由于与激光有关联而造成的现象。
其后，对于驱动电流试验终止后的样品1，发明人通过透过型电子显微镜(TEM)观察半导体激光器的端面。
图4示出样品1中半导体激光器的端面的TEM图像。从图4可见，沉积物不是一致地形成于半导体激光器的端面，而是服从近场图案(NFP)即光发射端面近傍的光强度分布。
其后，发明人由EDX(能量分散X射线分光法)进行成分分析。
图5示出EDX的成分分析结果。从成分分析结果可见，形成于半导体激光器的端面的沉积物是由硅和氧构成的。
其次，发明人测定样品1和样品2中的远场图案(FFP)。
图6A示出样品1中半导体激光器的远场图案。图6B示出样品2中半导体激光器的远场图案。注意图6A和6B所示的远场图案是基于峰值而正规化的。从图6A和6B可见，样品2的远场图案是单峰的，而样品1的远场图案不是单峰的。在此情形中，例如光盘这样对激光进行聚光直到屈光界限为止的系统变得不能对激光进行聚光了，而产生重大的问题。
通过上述概括研究，发明人得知即使当黏着剂在不与405纳米波带氮化镓半导体激光器直接接触的位置时，一旦在固定温度60℃、固定光输出30毫瓦的条件下驱动半导体激光器时，在100小时左右，沉积物也会形成于激光器端面。
其次，发明人进行关于半导体激光器的驱动电流的仿真。在此仿真中，发明人当屈光率不是1且吸收性物质沉积于半导体激光器端面时，在光输出30毫瓦的条件下驱动半导体激光器。而且，屈光率是复数屈光率，并将吸光系数作为参数。
图7示出关于驱动电流值的仿真结果。当图7与图2A比较时，由实验造成的驱动电流的变化与由仿真造成的驱动电流的变化近乎一致。因而，注意当具有屈光率(不是1)和吸收性的任何物质附着于半导体激光器的端面时，取决于沉积物的膜的厚度、驱动电流值周期性地波动。即，可以认定在驱动半导体激光器时，含硅和氧的物质逐渐沉积于端面。
其次，发明人由电场放射型奥格电子分光法(FE-AES)来分析半导体激光器的端面的沉积物的构成元素。
图8示出由电场放射型奥格电子分光法的测定结果。图9示出扫描型电子显微镜(SEM)所成的像、其表示光谱的测量位置。发明人再通过比较沉积物的位置和没有沉积物的位置处的光谱来进行鉴定。有沉积物的位置是对应于激光条位置的活性层，即发光部分。在此位置处，检测到硅和氧。没有检测到基部的铝。从这些事实可知硅和氧皆是形成于基部的物质，即它们是沉积物。另一方面，在除发光部分外沉积物不存在的位置处，检测到成为基部的氧化铝的构成元素铝和氧，并也检测到硅。然而，来自有沉积的硅的光谱和无沉积的硅的光谱是不同的。来自有沉积的硅的光谱较宽阔，而峰位置和形状被抵消。这是反映所谓化学迁移、其证明硅是化合物的光谱分布。在无沉积的部分，可知光谱较狭窄、而峰位置处是金属。即认为分解后的硅扩散了。由于电场放射型奥格电子分光法的检测敏感度是数个原子层(～3纳米)，故由SEM或TEM观察不到该图像并不奇怪。
进而，发明人还制备了包括除上述紫外线固化环氧黏着剂以外的有机化合物、涂覆于CAN封装内的多个样品。对这些样品进行驱动电流波动测试和沉积物的构成元素分析。表1示出涂覆于CAN封装内的有机化合物的基本高分子的种类和固化形态、驱动电流波动测试的结果和成分分析的结果。在表1中，将驱动电流呈周期性变动的样品标示成「●」。
表1
从表1可见，全部样品皆呈示因沉积物而引起的周期性bodong。还可知硅和氧是沉积物的主成分。
其次，本发明人由气体色谱质量分析法(GC-MS)和飞行时间型2次离子质量分析法(TOF-SIMS)对从有机物黏着剂挥发的气体进行成分分析。通过这一分析，发明人得知挥发气体含硅氧烷、硅烷等硅有机化合物。
用于上述那些样品的有机物黏着剂被用于传统的载有780纳米波带和650纳米波带半导体激光器的CAN封装发光设备。然而，在传统的半导体激光器中，因上述沉积物的形成而引起的劣化并未被注意到(Remarked)。
通过以上的检验，当将405纳米波带氮化镓半导体激光器收纳于CAN封装内并驱动该半导体激光器时，发明人得知下列事项
(1)可以观察到因形成于发光部分的沉积物而引起的劣化现象，
(2)反应物质是硅有机化合物气体，
(3)反应能源是光，
(4)沉积物含硅和氧作为主成分。
该光感反应是在传统的790纳米波带砷化铝镓化合物半导体激光器和650纳米波带磷化铝镓铟化合物半导体激光器等中看不到的现象。
其次，发明人制备这样的样品将处于类似位置早已成形的树脂替换黏着剂，并进行类似的试验和测定等。结果，发明人断定沉积物形成于半导体激光器的端面并呈示出类似的劣化。尽管有机物黏着剂和早已被成形加工的树脂从其用途和形态的观点看来是不同的，但从材料的观点看来却是同样的，两者皆由同种的有机物的高分子构成。从它们材料的观点看来，有理由认为因有机物黏着剂而引起的劣化和因早已被成形加工的树脂而引起的劣化是因同样的机制而引起的。
为了引起光感反应的发生，硅有机化合物的分子有必要伴随光的吸收而分解。然而，具有波长405纳米的光子的能量约是3.0电子伏特，而这一能量值不足以分解硅有机化合物气体的分子。
考虑到这一点，本发明人假想了多光子反应模型。通过比较从该模型导出的沉积厚度和实际从TEM图像而得的沉积厚度，本发明人检验了此假想模型的适当性。以下说明多光子反应模型。
图10是说明多光子反应模型的图。在图10中，为了简便起见，表示出了由2个光子吸收而成的反应。若硅有机化合物气体的分子吸收了多个波长λ的光子，则分子中电子系统的能量从能级E1激励至能级E2。
若考虑光感反应和硅感化合物气体的反应，则单位时间的沉积元素数可表达为
沉积元素数＝A×(光子数)n×(气体分子数)(2)
其中A是系数而n是常数。这里n表示有多少个光子参与该反应。
为了在半导体激光器的端面处形成沉积物，硅有机化合物气体的分子的结合必须切断，但从结合能量的角度考虑，由波长405纳米的1个光子来切断硅有机化合物气体的分子的结合是很困难的。尽管概率不是零，但却极难以发生。反之，当假想多光子反应时，该光子能量乘以n倍，故而切断该结合变容易了。
若该多光子反应在半导体激光器的端面处的微小面积dS发生，则沉积元素数、光子数和气体分子数由下式表示
沉积元素数＝(沉积厚度×dS)×密度(3)
光子数＝光子密度×光速×dS (4)
气体分子数＝norg×vorg×dS (5)
其中norg是硅有机化合物气体密度，而vorg是硅有机化合物气体平均速度。
当将这些式(3)～(5)代入式(2)，则单位时间的沉积厚度由
沉积厚度/时间＝A′×[光子密度×光速×dS]n×(norg×vorg) (6)
给出。
光子密度可表达为
光子密度＝P0/(c·S)/(h·c/λ)(7)
其中P0是半导体激光器的输出，c是光速，S是发光面积，h是孔普顿常数(compton)，而λ是波长。
因而，式(6)成为
沉积厚度/时间＝A′×[(P0·λ)/(h·c)·(dS/S)]n×(norg×vorg)(8)
这里A′被认为是将取决于光的波长λ的有效沉积概率(组合了分解、附着和脱离的概率)除以沉积物SiOx的有效密度的结果。
若将硅有机化合物气体近似地当作理想气体，则下式成立
Porg×V＝NorgκBT(9)
进而，从弹性碰撞模型可得下式成立
Porg＝Norg×(m×vorg2)/(3V)(10)
其中V是体积，Norg是气体分子数且norg＝Norg/V，而κB是玻兹曼常数。
因而，式(8)可表达为
沉积厚度/时间＝
A′×[(P0·λ)/(h·c)·(dS/S)]n×(Porg)·(3/mκBT)0.5(11)
其中m是气体分子质量而Porg是气体压力。
其次，从形成于由本试验观察到的半导体激光器的端面的沉积物厚度和上面示出的理论式导出n的值。沉积物的厚度和激光器输出P0随位置而变化。因而以下用变量y来表示沉积物的厚度和激光器输出P0。这里，将半导体激光器的层积物的沉积方向即横向模式的垂直方向当作y方向。此处，y方向的原点置于量子阱活性层的中点。这一原点位置的设定不影响迄今的检验和以后的检验。
当如上述设定坐标时，可得以下关系式
沉积厚度→沉积厚度(y)(12)
P0→P0(y)(13)
进而，P0(y)可由半导体激光器的峰强度和Pmax规格化，如下
P0(y)＝Pmax·Prenorm(y) (14)
因而式(11)被改写为
沉积厚度(y)/时间＝
A′×[(Pmax·Prenorm(y)·λ)/(h·c)·(dS/S)]n×(Porg)·(3/mκBT)0.5(15)
Prenorm(y)的导出需由使用等价屈光率法的LD空腔(cavity)仿真求得LD空腔端面位置处的光场、再引入不存在波导结构的端面覆层内的反射效果。假定弗雷奈尔反射作为反射。若由弗朗霍华反射来变换LD波导仿真的结果，则可计算作为激光的1个特性的远场。由计算而得的半最大值全幅是20.6°，但实测值是20.1°。这样一来，可确认波导内的光强度分布的正确率。
其次，为了明确光的强度和形成于半导体激光器的端面的沉积物的相关性，发明人测量了形成于半导体激光器的端面的沉积物的厚度，并检验该沉积物的厚度和光强度(规格化光强度)的关系。图11示出相对于位置的光强度和沉积物的厚度的关系。图12表示光强度和沉积物的厚度的关系。
如图12所示，光强度和沉积厚度的关系可由直线y＝1.8277x+1.7484来表示，这里y＝log(沉积厚度)而x＝log(光强度)。该直线y的斜度值是1.8277。由该值可知沉积物的生成是约有2个光子参与的现象。
从图12，可获得下列值作为n和A′的值
n＝1.8277 (16)
A′＝7.91×10-60(17)
表2和表3示出各参数的值和图12所示的直线的截距(segment)等。注意气体压力Porg是由TOF-SIMS和GC-MS而得的值。
表2
表3
由这些结果，可确认反应为多光子反应过程、此处是2光子反应过程。不言而喻，n理论上是整数值，但由于测定精度及其他成分反应的结果，实际可观察的量值一般不是整数。
由以上检验的结果可明确以下事项
(1)在405纳米波带半导体激光器的驱动中发生沉积物生成于端面。
(2)反应发生于硅有机化合物气体存在时。
(3)这是在其他材料的激光器、换言之其他波长的半导体激光器中未知的劣化机理。
(3)劣化是由405纳米波带的光感应的、并伴有硅有机化合物的分解的反应。
(4)在光反应中2光子吸收过程是支配性的，所产生的能量造成硅有机化合物的分解。
如上述，发明人可阐明半导体激光器的劣化现象的机理。因上述阐明的多光子反应引起的特性劣化在传统实用化的半导体激光器中未被注意到。这或许因为反应概率A′较小。然而近年来，半导体激光器的高功率化正在进步，而这些半导体激光器中存在由上述多光子反应造成的劣化现象。因而，不言而喻，本发明也可适用于发射具有405纳米以外波长的激光的半导体。
为了减轻上述劣化，有必要将封装内的硅感化合物气体的量限制在预定值或以下。在式(15)中，若时间是正常工作的保证时间、可容许的沉积部分的厚度是λ的1/4、半导体激光器的输出是端面处的平均光输出、而反应面积dS是发光面积，则式(15)可表示为
λ/(4×屈光率)/(工作保证时间)>
A′×[(光输出·λ)/(h·c)]n×(硅有机化合物气体压力)·(3/mκBT)0.5(18)
本发明基于式(18)可限制硅有机化合物气体的蒸气压并因而抑制因沉积物的形成而引起的半导体激光器的特性劣化。
于是，本发明是基于以上研讨和检验而做出的。以下，参照附图来说明本发明的实施例。图12表示根据本发明一实施例的CAN封装发光设备的范例配置。
如图13所示，根据本实施例的CAN封装发光设备包括接合至底架6的半导体激光器1、和用于收纳接合至底架6的半导体激光器1的CAN封装2。该CAN封装2由为了将半导体激光器1固定于预定位置的固定体3和覆盖被固定体3固定的半导体激光器1的罩4构成。
固定体3具有圆盘状的形状，并由例如铁或铜等的金属构成。在该固定体3的一主表面上设有热槽5。该热槽5由例如铁或铜等的具有导电性的材料构成，而其表面涂敷了例如金覆层。底架6接合在热槽5上。该底架6由例如硅或氮化铝构成。半导体激光器1接合至底架6。半导体激光器1是III族氮化物半导体激光器、例如氮化镓/氮化镓铟半导体激光器，并被构成为可发射例如波长395纳米～415纳米的激光，或具体地说是例如波长405纳米的激光。
固定体3设有贯通该固定体3的3根引线管脚7a、7b和7c。引线管脚7a与热槽5电气地连接。引线管脚7b由导线8与底架6连接。这里导线8由例如金等的导电性材料构成。在引线管脚7b和7c与固定体3之间设有低融点玻璃的垫片，由此将引线管脚7b和7c与固定体3绝缘、并防止空气进入CAN封装2内。这些引线管脚7a、7b以及7c由例如铁或铜等的具有导电性的材料构成。
罩4具有一端开口被塞住的圆筒形状，它由例如铁等的金属构成而其表面涂敷了例如铬。罩4的开口端接合至固定体3，而罩4的相对的另一端设有为了提取从半导体激光器1发射的激光的光提取部分9。该光提取部分9具有圆形状，并被覆盖了含以透过率高的熔融石英作为母材的玻璃所成的密封玻璃10。该密封玻璃10最好是涂敷无反射覆层。
CAN封装2内的硅有机化合物气体的蒸气压基于式(18)而限制在预定值或以下，例如5.4×102N/m2或以下。考虑到遵循下一代的高密度光盘(蓝光盘)格式的标准速记录时的激光输出30毫瓦、以及正常工作保证时间1000小时，蒸气压最好限制在8.02×10-1N/m2或以下。而考虑到倍速记录时的激光输出300毫瓦、以及正常工作保证时间100小时，蒸气压最好限制在1.2×10-2N/m2或以下。
以下表示使用式(18)计算的硅有机化合物气体的蒸气压的上限值。表4示出在激光的波长是395纳米而激光的输出是3毫瓦的情形中蒸气压的上限值和用于该计算的参数。表5示出在激光的波长是405纳米而激光的输出是3毫瓦的情形中蒸气压的上限值和用于该计算的参数。表6示出在激光的波长是415纳米而激光的输出是3毫瓦的情形中蒸气压的上限值和用于该计算的参数。
表4
表5
表6
从表4、5和6可知，当激光的波长为395纳米以上415纳米以下的范围而激光的输出等于3毫瓦或以下时，通过使封装内的硅有机化合物气体的蒸气压限制在5.18×102N/m2或以下，按实用性的观点可在最少100小时的工作保证时间内防止CAN封装发光设备的特性劣化。
表7示出在激光的波长是395纳米而激光的输出是30毫瓦的情形中蒸气压的上限值和用于该计算的参数。表8示出在激光的波长是405纳米而激光的输出是30毫瓦的情形中蒸气压的上限值和用于该计算的参数。表9示出在激光的波长是415纳米而激光的输出是30毫瓦的情形中蒸气压的上限值和用于该计算的参数。
表7
表8
表9
从表7、8和9可知，当激光的波长为从395纳米到415纳米的范围而激光的输出等于30毫瓦或以下时，通过使封装内的硅有机化合物气体的蒸气压限制在7.70N/m2或以下，按实用性的观点可在最少100小时的工作保证时间内防止CAN封装发光设备的特性劣化。
表10示出在激光的波长是395纳米而激光的输出是300毫瓦的情形中蒸气压的上限值和用于该计算的参数。表11示出在激光的波长是405纳米而激光的输出是300毫瓦的情形中蒸气压的上限值和用于该计算的参数。表12示出在激光的波长是415纳米而激光的输出是300毫瓦的情形中蒸气压的上限值和用于该计算的参数。
表10
表11
表12
从表10、11和12可知，当激光的波长为从395纳米到415纳米的范围而激光的输出等于300毫瓦或以下时，通过使封装内的硅有机化合物气体的蒸气压限制在1.14×10-1N/m2或以下，按实用性的观点可在最少100小时的工作保证时间内防止CAN封装发光设备的特性劣化。
表13示出在激光的波长是395纳米而激光的输出是3毫瓦的情形中蒸气压的上限值和用于该计算的参数。表14示出在激光的波长是405纳米而激光的输出是3毫瓦的情形中蒸气压的上限值和用于该计算的参数。表15示出在激光的波长是415纳米而激光的输出是3毫瓦的情形中蒸气压的上限值和用于该计算的参数。
表13
表14
表15
从表13、14和15可知，当激光的波长为从395纳米到415纳米的范围而激光的输出等于3毫瓦或以下时，通过使封装内的硅有机化合物气体的蒸气压限制在5.18×10N/m2或以下，按实用性的观点可在最好必要的1000小时的工作保证时间内防止CAN封装发光设备的特性劣化。
表16示出在激光的波长是395纳米而激光的输出是30毫瓦的情形中蒸气压的上限值和用于该计算的参数。表17示出在激光的波长是405纳米而激光的输出是30毫瓦的情形中蒸气压的上限值和用于该计算的参数。表18表示在激光的波长是415纳米而激光的输出是30毫瓦的情形中蒸气压的上限值和用于该计算的参数。
表16
表17
表18
从表16、17和18可知，当激光的波长为从395纳米到415纳米的范围而激光的输出等于30毫瓦或以下时，通过使封装内的硅有机化合物气体的蒸气压限制在7.70×10-1N/m2或以下，按实用性的观点可在最好必要的1000小时的工作保证时间内防止CAN封装发光设备的特性劣化。
表19示出在激光的波长是395纳米而激光的输出是300毫瓦的情形中蒸气压的上限值和用于该计算的参数。表20示出在激光的波长是405纳米而激光的输出是300毫瓦的情形中蒸气压的上限值和用于该计算的参数。表21示出在激光的波长是415纳米而激光的输出是300毫瓦的情形中蒸气压的上限值和用于该计算的参数。
表19
表20
表21
从表19、20和21可知，当激光的波长为从395纳米到415纳米的范围而激光的输出等于300毫瓦或以下时，通过使封装内的硅有机化合物气体的蒸气压限制在1.14×10-2N/m2或以下，按实用性的观点可在最好必要的1000小时的工作保证时间内防止CAN封装发光设备的特性劣化。
在上述的各表中，tcr表示工作保证时间。100小时的工作保证时间是从实用性的观点看来最少的必要值。1000小时的工作保证时间是从实用性的观点看来最好的必要值。记号dcr表示容许沉积厚度(波长/(4×屈光率))。温度333开尔文(K)是基于作为激光器的保证温度而一般地要求的温度的。
其次，说明根据本发明的实施例的一种CAN封装发光设备的制造方法。这一制造方法的特性在于通过限制黏着剂中所含的硅有机化合物的量而将密封后的CAN封装2内的硅有机化合物气体的压力限制在预定值或以下。
首先说明有机物黏着剂中所含的硅有机化合物的上限量的计算方法。若V表示CAN封装2的体积、P表示CAN封装2内的硅有机化合物气压的上限值而T表示CAN封装2内的温度，则封装内的硅有机化合物气体的分子数Norg可表示为
Norg＝PV/κBT (19)
使用TOF-SIMS的分析结果表明CAN封装2内的硅有机化合物气体是以分子量147的C5H15OSi2+作为主成分的。因而，CAN封装2内的硅有机化合物气体的总质量M为
M＝147/(6.02×1023)×Norg＝147/(6.02×1023)×PV/κBT (20)
通过将由上述式(18)计算的蒸气压的上限值P、CAN封装2的体积V和半导体激光器的正常工作保证温度T代入式(20)，可计算存在于CAN封装内的硅感化合物气体的质量。该质量被确定为有机物黏着剂中所含的硅有机化合物的上限量。
下面示出使用具体的数值表示有机物黏着剂中所含的硅有机化合物的上限量的一种计算方法。例如，当5.4×102N/m2作为蒸气压的上限值P、当27×10-9m3作为CAN封装2的体积V而当333开尔文(K)作为半导体激光器的工作保证温度T代入式(20)时，可得质量M如下
质量M＝147/(6.02×1023)×3.2×1015＝7.75×10-7[g]
因而，通过将黏着剂中所含的硅有机化合物的量降至7.75×10-7克或以下，可使CAN封装内的硅有机化合物的蒸气压降至5.4×102N/m2或以下。
例如，在用于CAN封装内的黏着剂的量为0.1毫克的情形中，通过将质量比限制在7.8×10-3或以下，可使CAN封装内的硅有机化合物的蒸气压降至5.4×102N/m2或以下。
实际上，由于有机物黏着剂中所含的硅有机化合物不是100％气化的，因此上述的硅有机化合物的含有量足可保证以3毫瓦的激光输出而使用100小时。
为了保证以30毫瓦的输出功率而使用1000小时，有必要使用将0.80N/m2代入式(20)而计算的值、作为硅有机化合物气体的上限值。
以下参照图14、15和16说明根据本发明一实施例的CAN封装发光设备的制造方法。这里假定设备仅含接合至热槽5和底架6的有机物黏着剂。
<芯片安装工序>
首先，参照图14A所示，半导体激光器1由锡焊料接合至底架6上的预定位置。
<模片接合工序>
其次，如图14B所示，将底架6模片接合(die bonding)至从固定体3伸出的热槽5的预定位置。此时，将有机物黏着剂、例如银膏(含有银粉的有机物黏着剂)用作接合料11。
这里根据等式(20)限制银膏所含有的硅有机化合物的量。例如，若蒸气压的上限值是5.4×102N/m2、CAN封装2的体积V是27×10-9m3而半导体激光器的工作保证温度是333开尔文(K)，则硅有机化合物的含量被限制在7.75×10-7克或以下。
<膏固化工序>
其次，如图15A所示，使黏着剂固化。
<导线接合工序>
其次，如图15B所示，以金导线8来连接底架6和引线管脚7b。
<密封工序>
其次，如图16所示，在去除了水分(H2O)的氧氛围中罩4由电焊而固定至固定体3。这样一来，就完成了封入乾燥的氧的CAN封装发光设备。在该密封工序中，作为封入CAN封装发光设备内的气体(置换气体)，除了乾燥的氧以外、还可以使用例如N2(氮)气、Ar(氩)气、He(氦)气、或氮气和氧气的混和气体等其他种气体。
其次，说明根据本发明一实施例的CAN封装发光设备内的硅有机气体的气体蒸气压的测量方法。
首先清洁覆层玻璃。接着在该覆层玻璃上涂敷与用于接合装载于CAN封装2内的部件的有机物黏着料同样的有机物黏着料。此时，考虑到后述的气体色谱质量分析的测量敏感度，最好是涂敷1克或1克以上的黏着剂。
其后，涂敷于覆层玻璃的有机物黏着剂固化后，再插入玻璃瓶，随后密封该玻璃瓶。其后，在即将开始气体色谱质量分析之前，使用例如针管从玻璃瓶内采集一定量的气体。此时，应测定该采集气体的体积V1。
其后，由气体色谱质量分析(参见河东田隆著《半导体评价技术》，产业图书)计算采集气体成分的分子量M1和检测到的分子数N1。从这一分析结果可知在体积V1中存在N1个具有分子量M1的分子。
使用体积V1、分子量M1和分子个数N1由下式可计算采集气体的换算蒸气压P。
P＝N1/V1×κBT (21)
采集气体的换算质量可由下式计算。
采集气体的换算质量＝N1×M1/(阿伏迦得罗常数) (22)
“换算质量/m1”是大致估计的黏着剂中所含分子量M1分子的质量浓度比。为了更高的精度，在制备欲使用的黏着剂时最好是以添加的硅有机化合来指定重量比R1。其后，按上述程序来进行GC-MS分析。这样一来，在黏着剂质量m1中分子量M1的分子的质量是
R1×m1
由于检测到的分子为N1个，可获得检测比RGM。该检测比表示已采集的气体分子数中有多少比率是被检测到的。若指明了该检测比，则正确确定了采集气体分子数是正确的，也可正确确定由此导出的换算蒸气压和换算重量比。
另一方面，蒸气压在刚密封后较低，但渐渐地增加直到在某值饱和。即到达了饱和蒸气压即热平衡状态。饱和蒸气压仅随温度而变，而不依存于蒸气所存在的容器的体积。
因而，像这样由GC-MS而定的饱和蒸气压相当于实际的设备中的气体浓度。
另一方面，对实际的设备来说，密封后经过充分时间后，密封部件解体了，其多个块被投入样品瓶，并迅速密封该瓶。在此处理中，最好将相当于1克的黏着材料投入数台设备。其后，通过与上述同样地进行GC-MS而同样地确定蒸气压。
根据本发明的实施例，可获得以下的效果。
由于CAN封装内的硅有机化合物气体的蒸气压被限制在5.4×102N/m2或以下，故在发射输出功率3毫瓦、波长395纳米左右的激光的CAN封装发光设备中，在保证时间100小时以内可防止任何像导致CAN封装发光设备的特性劣化那样厚的沉积物形成于发光元件的发光部分。因而，CAN封装发光设备在保证时间100小时以内可防止驱动电流的波动、光输出的波动、光束分布的变化和光轴的偏离。
而且，由于CAN封装内的硅有机化合物气体的蒸气压被限制在8.02×10-1N/m2或以下，故在发射输出功率30毫瓦、波长395纳米左右的激光的CAN封装发光设备中，在保证时间1000小时以内可防止任何像导致CAN封装发光设备的特性劣化那样厚的沉积物形成于发光元件的发光部分。因而，CAN封装发光设备在保证时间1000小时以内可防止驱动电流的波动、光输出的波动、光束分布的变化和光轴的偏离。
又由于CAN封装内的硅有机化合物气体的蒸气压被限制在1.2×10-2N/m2或以下，故在发射输出功率300毫瓦、波长395纳米左右的激光的CAN封装发光设备中，在保证时间1000小时以内可防止任何像导致CAN封装发光设备的特性劣化那样厚的沉积物形成于发光元件的发光部分。因而，CAN封装发光设备在保证时间1000小时以内可防止驱动电流的波动、光输出的波动、光束分布的变化和光轴的偏离。
而且，可实现CAN封装发光设备的稳定工作。另外，当将例如405纳米等的短波长的半导体激光收纳于CAN封装内时，可防止任何像导致CAN封装发光设备的特性劣化那样厚的沉积物形成于发光元件的发光部分、即防止了CAN封装发光设备的特性劣化，因而这可达成光盘密度的更大改进。而且，即使当将输出功率30毫瓦或300毫瓦的半导体激光收纳于CAN封装内时，也可防止CAN封装发光设备的特性劣化，因而这可达成光盘密度的更大改进。
而且，还可防止从有机物黏着剂或有机物树脂发生的硅有机化合物气体附着于形成光路的部件、而导致透光率降低(由于在恒定电流下光功率降低，故可当作是一种透光率降低)、远场图形的劣化、光轴的偏离等。
以上具体地说明了本发明的一实施例，但本发明不限于上述的具体实施例，而是基于该发明的技术思想可以进行各种改变和修改。
例如，在上述的实施例中所举的数值不过是示例，必要时也可使用其他不同的数值。
而且，在上述的实施例中说明的是本发明应用于仅将半导体激光器收纳于封装内的封装发光设备的情况，但不言而喻，本发明也可应用于将集成光学元件收纳于封装内的封装发光设备。
而且，尽管在上述的实施例中说明了将本发明应用于CAN封装发光设备的情况，但不言而喻，本发明也可应用于使用塑料模具封装的光学设备或使用黏着剂的光学设备。
上述的实施例也可改为使用含有硅烷或硅氧烷的黏着剂和塑料模具等。
如上所述，根据本发明，可防止任何像导致特性劣化那样厚的沉积物形成于发光元件的发光部分，而由此，可防止驱动电流的周期性变化和光束形状的劣化。
权利要求
1.一种发光设备，其设有发射光的发光元件和至少收纳所述发光元件的封装，其特征在于封装内的硅有机化合物气体的蒸气压为5.4×102N/m2或以下。
2.根据权利要求1所述的发光设备，其特征在于封装内的硅有机化合物气体的蒸气压为8.02×10-1N/m2或以下。
3.根据权利要求2所述的发光设备，其特征在于封装内的硅有机化合物气体的蒸气压为1.2×10-2N/m2或以下。
4.根据权利要求1所述的发光设备，其特征在于所述发光元件发射具有波长从395纳米到415纳米范围内的光。
5.根据权利要求4所述的发光设备，其特征在于所述发光元件是III族氮化物半导体。
全文摘要
本发明的CAN封装发光设备包括接合至底架(6)的半导体激光器(1)、和用于收纳接合至底架(6)的半导体激光器(1)的CAN封装(2)构成。该CAN封装(2)由为了将半导体激光器(1)固定于预定位置的固定体(3)和覆盖固定在固定体(3)上的半导体激光器(1)的帽子(4)构成。为了能够在保证时间内防止像导致特性劣化那样厚的沉积物形成于半导体激光器(1)的发光部分，可将CAN封装(2)内的硅有机化合物气体的蒸气压限制在5.4×102N/m2或以下。
文档编号H01S5/0683GK1698243SQ20048000026
公开日2005年11月16日 申请日期2004年3月16日 优先权日2003年3月24日
发明者吉田浩, 谷口正, 水野崇 申请人:索尼株式会社