JP2004247442A

JP2004247442A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP2004247442A
Application number: JP2003034490A
Authority: JP
Inventors: Kiyomi Kojima; 清美小島; Hideo Miura; 英生三浦
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】複数の部材が積層された上にレーザ素子が搭載されたレーザ装置の発光部に加わる応力を低減し、レーザ光軸のズレを効果的に抑制できる，信頼性の高い半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】窒化物半導体レーザ素子をシリコンサブマウントを介して銅系基材に搭載した半導体レーザ装置において，銅系基材の先端位置が，窒化物半導体レーザ素子の前端面位置と同じであるか突出しており，また，窒化物半導体レーザ素子の厚さとシリコンサブマウントの厚さがほぼ同じ，具体的には，サブマウント厚は窒化物半導体レーザ素子厚の０．８倍から１．８倍，または，４．７倍以上になるように形成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ装置は異種材料が積層された構造で構成されている。
【０００３】
例えば，特開２００１−１６８４４５号公報では，車間距離の測定等に用いる大出力用半導体レーザ駆動時のキンク発生を抑制するために，発光部に生じる応力が許容応力値以下となる半導体レーザ素子の幅と厚さの比を規定する方法が開示されている。
【０００４】
また，特開平７−１７６８２０号公報では，端面破壊による光吸収，いわゆるＣＯＤ（ＣａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃＯｐｔｉｃａｌＤａｍａｇｅ）を防止しするために，半導体レーザ素子の端面近傍が中央部よりも低ひずみ状態となるように，サブマウント，あるいは，基材を，線膨張係数の大きい材料と小さい材料を積層して構成する方法が開示されている。
【０００５】
また、特開平５−２２６７０４号公報では、半導体ペレットの下に設置したヒートシンクの幅が厚さの６倍という大面積のヒートシンクを用いることが開示されている。
【特許文献１】
特開２００１−１６８４４５号公報
【特許文献２】
特開平７−１７６８２０号公報
【特許文献３】
特開平５−２２６７０４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記いずれの従来技術においても、複数の異種部材を積層して形成したレーザ装置のレーザの光軸ズレ等の対策について十分ではない。
【０００７】
本発明は，上記課題を解決するためになされたものであり、複数の部材が積層された上にレーザ素子が搭載されたレーザ装置の発光部に加わる応力を低減し、レーザ光軸のズレを効果的に抑制できる，信頼性の高い半導体レーザ装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子が搭載されるサブマウントと、前記サブマウントが搭載される基材と、前記基材が搭載され、外部に支持される外部端子が連絡されるステムとを備えたに搭載した半導体レーザ装置において，前記サブマウントは前記レーザ素子及び前記基材より線膨張係数が小さく形成され、前記半導体レーザ素子は前記サブマウントの厚さの１．８倍以下の厚さを有することを特徴とする半導体レーザ装置を構成する。
【０００９】
或いは、窒化物を含む半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子が搭載されるシリコンを含むサブマウントと、前記サブマウントが搭載される金属製の基材と、前記基材が搭載され、外部に支持される外部端子が連絡されるステムとを備え、
レーザ発振方向における前記半導体レーザ素子端部は前記サブマウント端部より内側に位置し、前記半導体レーザ素子端部或いは前記サブマウント端部位置と前記基材端部位置との差より、前記半導体レーザ素子端部位置と前記サブマウント端部位置との差が小さくなるように配置されたことを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００１０】
これにより、従来の課題を解決でき、複数の部材が積層された上にレーザ素子が搭載されたレーザ装置の発光部に加わる応力を低減し、レーザ光軸のズレを効果的に抑制できる，信頼性の高い半導体レーザ装置を提供できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の各実施例の半導体レーザ装置を図を用いて説明する。
【００１２】
本発明の第１実施例の半導体レーザ装置全体の概要を図９を参照しながら説明する。
【００１３】
図９において，円板上のステム１５の一表面には３本のリード１６，１７，１８が設けられており，リード１６は支持部材であるステム１５に電気的に接続するよう直接固定されており，リード１７及びリード１８は絶縁体により固定されている。ステム１５の他の表面には銅系の基材５が接着剤１４で固定されており，銅系の基材５には，例えば銀ペースト等の接着剤４を介し，シリコンのサブマウント３が搭載されている。サブマウント３の表面には電極８が形成されており，例えばＡｕ−Ｓｎ共晶はんだ等のはんだ２を介し，窒化物半導体レーザ素子１がＪｕｎｃｔｉｏｎ−ｄｏｗｎ方式で発光部６がサブマウント３側になるよう搭載され，窒化物半導体レーザ素子の電極７と接続している。サブマウント３の近傍には窒化物半導体レーザ素子１に外部からの電流を供給するためのリード１７が配置されており，リード１７とサブマウントの電極８はワイヤ１１と電気的に接続されている。また，他方のサブマウントの電極８はヒートシンク５とワイヤ１２により電気的に接続されている。なお，窒化物半導体レーザ素子１等は，窒化物半導体レーザ素子１から発振するレーザ光を取出すためのガラスを備えたキャップ（図示せず）に収納されている。
【００１４】
また、レーザの発振先には記録媒体が配置されている。前記レーザ装置と前記レーザ装置からのレーザが照射される記録媒体と、前記記録媒体からの反射光を受講する受光部を備え、受光した光に基くデータを読取る制御装置を備えた情報装置を構成することが好ましい。
【００１５】
本発明の第１実施例の半導体レーザ装置の具体構造を図１から図４を参照しながら説明する。図１は本発明の第１実施例の半導体レーザ装置を示す斜視図，図２は図１のＡ−Ａ‘断面図，図３及び図４は図１のＢ−Ｂ‘断面図である。
【００１６】
一例としてＧａＮを有する窒化物半導体レーザ素子１は，例えばＡｕ−Ｓｎ共晶はんだ等のはんだ２を介し，シリコンを含むサブマウント３にマウントされている。さらに，サブマウント３は，例えば銀ペースト等の接着剤４を介し，銅系の基材５にマウントされている。なお、基材５とレーザ素子１より線膨張係数の小さいサブマウント３が両者の間に配置されている。
【００１７】
なお，窒化物半導体レーザ素子１は，発光部６及び電極７がサブマウント３側になるようにマウントされ，サブマウント３上部には電極８が形成されている。ここで，銅系基材の先端位置Ｐｋは，窒化物半導体レーザ素子の前端面位置Ｐｃと同じ（図３）であるか突出（図４）している。このようにレーザ素子１端部或いはサブマウント３端部と基材５端部との差よりも、レーザ素子１端部とサブマウント３端部との差が小さくなるよう配置されている。レーザ素子１端部とサブマウント３端部とはほぼ同程度の位置に配置されることが好ましい。
【００１８】
また、窒化物半導体レーザ素子１の厚さＨｃとサブマウント３の厚さＨｓはほぼ同じ厚さに形成されている。具体的には，ＨｓはＨｃの１．８倍以下の範囲になるように形成されている。あるいは，ＨｓはＨｃの４．７倍以上になるように形成されている。
【００１９】
例えば、本半導体レーザ装置は、特に高速大容量などの光ディスク用光源の半導体レーザ装置に好適でである。光ディスク用光源等に好適な半導体レーザの発光部のストライプ幅は１０μｍ以下（一例としては２μｍ以下、下限は特に規定しないが、例えば１μｍ以上程度）と狭い。本実施例の形態は、狭ストライプ幅の半導体レーザ装置においての好適な形態を備えている。車間を検知するために用いられるようなストライプ幅が１００μｍ以上と広い半導体レーザにおける形態と機構が異なるため、この狭ストライプ幅の半導体レーザに好適である。
【００２０】
なお、半導体レーザ素子は，発光部が上方になるようにマウントした，いわゆるＪｕｎｃｔｉｏｎ−ｕｐ構造と本実施例のようなＪｕｎｃｔｉｏｎ−ｄｏｗｎ構造では，サブマウント上面から発光部までの距離は半導体レーザ素子の厚さ程度（百数十μｍ）異なるため，サブマウント及び基材が発光部に与える応力は大きく異なる。Ｊｕｎｃｔｉｏｎ−ｕｐ構造で最適な半導体レーザ素子の幅と厚さの比等の関係が，Ｊｕｎｃｔｉｏｎ−ｄｏｗｎ構造では最適にはならない場合がある。光ディスク用等の情報の記録或いは読取の光源に用いる場合，Ｊｕｎｃｔｉｏｎ−ｄｏｗｎ構造にして、前述のように半導体素子とサブマウントとの厚さ関係を満足する、好ましくは或いは更に他の関係を満足することにより、高放熱のレーザにおいても発光点の位置ずれが少ない形態を提供することができる。
【００２１】
次に，本発明の効果を有限要素法により検証した結果について図５から図８を用いて説明する。
本発明の第１実施例の半導体レーザ装置における主な構成部材の材質及び線膨張係数は以下の通りである。窒化物半導体レーザ素子の材質：ＧａＮ，線膨張係数：５．９×１０^−６／℃，サブマウントの材質：シリコン，線膨張係数：３×１０^−６／℃，基材の材質：銅，線膨張係数：１７×１０^−６／℃である。なお、サブマウントなどが複数の層で形成されている場合は、全体としての膨張に基いて求めることができる。もとめ難い場合は最も多い組成等の観点等で求める。この半導体レーザ装置に冷却の温度変化を与えると，線膨張係数の大きい基材は大きく熱収縮する。基材と接続しているサブマウントは線膨張係数が小さいため，基材との界面において大きな圧縮応力が発生する。また，サブマウントと半導体レーザ素子界面においても線膨張係数の違いにより，サブマウント側では引張応力，発光部がある半導体レーザ素子界面には圧縮応力が発生する。なお、前記のように、サブマウントをレーザ素子や基材より線膨張係数を小さくすることにより、金属基材（特にＣｕ或いはそれ以上の線膨張係数大のもので顕著）の伸びの影響を、最も線膨張係数の小さいサブマウントで効果的に吸収してレーザ素子にひずみが加わらないようにすることができる。
【００２２】
なお，半導体レーザ素子前端面が基材先端よりも突出している構造により突出領域の半導体レーザ素子とサブマウントにはバイメタルな変形が発生し，光軸の傾きが大きくなることを抑制するために、レーザ素子端面よりも基材端面の方が外側に配置することが好ましい。
【００２３】
なお、本実施例の形態は、半導体レーザ装置組立時の構成部材の接着工程で負荷される温度変化，使用時の半導体レーザ素子の自己発熱による温度変化が与えられた場合に，構成部材間の線膨張係数差に起因して，半導体レーザ素子に応力が加わり素子特性が劣化したり，各構成部材の界面で剥離が発生し熱抵抗が増加する等，信頼性上の問題が発生することにおいても効果的に抑制することができる。
【００２４】
図５は本発明の第１実施例の半導体レーザ装置において，ＨｓがＨｃの１．３倍のモデルで，サブマウント３を基材５に接着剤４を介して接着する際の温度１２０℃から室温２５℃に冷却した場合の素子前端面−基材先端間距離（Ｐｃ−Ｐｋ）と半導体レーザ光軸の傾きの関係を示した図である。ここで，横軸Ｐｃ−Ｐｋの値が−０．３とは図４においてＰｃとＰｋ間距離が０．３ｍｍであることを示し，Ｐｃ−Ｐｋの値が０とは図３のようにＰｃとＰｋが一致している状態，Ｐｃ−Ｐｋの値が０．３及び０．６とはＰｃがＰｋよりも突出しておりその距離が０．３及び０．６である状態を示す。Ｐｃ−Ｐｋの値が大きくなると光軸の傾きは大きくなり，特に，０から０．３の間，すなわち，素子前端面と基材先端が一致している状態から素子前端面が突出する状態に変わる時に，光軸傾きの割合が大きくなる。これは，突出領域の半導体レーザ素子とサブマウントにバイメタルな変形が生じるためである。
【００２５】
光軸傾きを低減することは，信頼性の高い半導体レーザ装置を実現するために重要である。光軸が傾いていると，例えば，半導体レーザ装置を光ディスク光源に適用した場合，光ディスク情報の読み書きをするためのピット位置の正確な認識ができなくなり，また，光通信に適用した場合は光ファイバとの正確な接合ができなくなる等，製品として最重要な機能を実現することが不可能となる。
【００２６】
半導体レーザ装置の製造上のばらつき等を考慮すると，光軸傾きは０．１度以下であることが重要である。したがって，基材先端位置Ｐｋは半導体レーザ素子前端面位置Ｐｃと同じ（図３）であるか突出（図４）していることが，信頼性上必須である。
【００２７】
図６には，光軸傾きが許容値以下となる，半導体レーザ素子前端面と基材先端が一致するモデル（Ｐｃ−Ｐｋ＝０）の半導体レーザ光軸内の応力分布を示す。図６に示すように，端面と平行方向，光軸方向，光軸と垂直方向のいずれの方向に発生する応力も，光軸中央部では小さく前端面と後端面で大きくなる傾向があり，両端面の応力値はほぼ一致している。本出願人らは，経験的に，発光部に発生する応力が３０ＭＰａ以下であれば信頼性上の問題がないことを確認している，また，本出願人らは，先に，窒化物半導体レーザ素子におけるＣＯＤレベルが低下するメカニズムを解明し，ＣＯＤレベルを向上するためには，特に端面近傍の引張ひずみを防止することが効果的であることも明らかにしている。したがって，光軸内に発生する応力を３０ＭＰａ以下にすること，及び，特に両端面近傍の応力を低減することが半導体レーザ素子の信頼性上必須である。
【００２８】
図７には，半導体レーザ素子前端面と基材先端が一致するモデル（Ｐｃ−Ｐｋ＝０）においてＨｓがＨｃの０．７倍から４．７倍の範囲で，図５と同様の温度変化を与えた時の半導体レーザ素子厚に対するサブマウント厚の比（Ｈｓ／Ｈｃ）と半導体レーザ素子の前端面及び後端面に発生する光軸と垂直方向の応力との関係を示す。サブマウント厚比を変えた時の素子の応力変動傾向は，前端面と後端面で異なる。サブマウント厚が半導体レーザ素子厚の１．８倍以下にする。または，４．７倍以上にする。そうすると許容応力３０ＭＰａ以下となり，信頼性の高い半導体レーザ装置を実現することができる。更に、信頼性を高めるためには後端面の応力を考慮して０．８倍上の厚さを有することが好ましい。より低応力の形態を形成するためには、例えば、前記サブマウントの厚さを十分なマージンをとすべく前記の１／３程度の応力以下の形態にするためには、前記厚さは１．２倍以下にすることが好ましいことになる。
【００２９】
また，半導体レーザ素子の使用時の温度と寿命には密接な関係があり，温度が高くなると劣化速度は指数関数的に上昇し，一般に，室温付近で１０℃上昇すると寿命は１／２に程度に低下するため，半導体レーザ装置の信頼性向上においては，高放熱であることも重要である。
【００３０】
図８は，第１実施例の半導体レーザ装置において，基材に無限大の放熱板をつけ，周囲温度６０℃の環境下でレーザ発振させた時の熱抵抗とサブマウント厚比の関係を示した図である。
【００３１】
図８に示すように，サブマウント厚比と熱抵抗は比例関係にあり，サブマウントが薄くなると熱抵抗は低減する。ただし，サブマウント厚比が熱抵抗に及ぼす影響は小さく，熱抵抗が最も大きくなるサブマウント厚比４．７の場合でも許容熱抵抗以下となり，放熱性上の問題は少ない。
【００３２】
これは，サブマウントの熱伝導率が高く，半導体レーザ素子の発光部で発生した熱がサブマウント面内方向に効率良く拡散し放熱されるためである。
【００３３】
光軸傾きが許容値以下で，かつ，半導体レーザ素子の応力低減効果の高い，サブマウント厚が半導体レーザ素子厚の１．８倍以下の範囲においては十分な放熱性を有する。また，４．７倍でも許容熱抵抗以下となるがマージンが小さく，４．７倍以上になると許容熱抵抗を上回る。したがって，サブマウント厚は半導体レーザ素子厚の１．８倍以下の範囲であることがより好ましい。
【００３４】
これらより、光軸傾きが許容値以下で半導体レーザ素子の応力低減効果が高くなるサブマウント厚は，半導体レーザ素子厚の１．８倍以下，または，４．７倍である。好ましくは０．８倍以上である。更に、この範囲において放熱性を考慮すると，サブマウント厚が半導体レーザ素子厚の１．８倍以下の範囲側のほうが好ましい。また，前記観点以外からは、放熱性上の許容マージンは小さくなるが許容熱抵抗以下となる，サブマウント厚が半導体レーザ素子厚の４．７倍以上の範囲であってもよい。ただし，サブマウント厚が半導体レーザ素子厚の５．３倍以上になると許容熱抵抗を上回り，かつ，半導体レーザ装置が大型化することから，それ以下であることが好ましい。実効的にはサブマウント厚が半導体レーザ素子厚の５．０倍以下程度にしておくことがより好ましい。
【００３５】
本発明において，接着剤４に銀を含む材料を用いた場合，さらに放熱性を向上するための方法を説明する。有限要素法により検証した結果，銀ペースト厚を半導体レーザ素子厚から十分小さくすると熱抵抗を低減することができる。たとえば、ペースト厚を半導体レーザ素子厚の約０．１７倍に半減させると，熱抵抗は０．３５倍程度に比べて約４０％低減できる。このように十分小さくするとは例えば０．２倍以下、或いは０．１７倍以下或いは効果的には０．１倍以下にすることが好ましい。なお、銀ペースト厚の下限は製造上の限界程度で規定される，例えば，１μｍ程度以上であることができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明により、複数の部材が積層された上にレーザ素子が搭載されたレーザ装置の発光部に加わる応力を低減し、レーザ光軸のズレを効果的に抑制できる，信頼性の高い半導体レーザ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の半導体レーザ装置を示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ‘断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ‘断面図である。
【図４】図１のＢ−Ｂ‘断面図である。
【図５】本発明の効果を説明するための解析結果を示すグラフである。
【図６】本発明の効果を説明するための解析結果を示すグラフである。
【図７】本発明の効果を説明するための解析結果を示すグラフである。
【図８】本発明の効果を説明するための解析結果を示すグラフである。
【図９】本発明の第１実施例の半導体レーザ装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…窒化物半導体レーザ素子，２…はんだ，３…シリコンサブマウント，４…接着剤，５…銅系基材，６…発光部，７…窒化物半導体レーザ素子の電極，８…シリコンサブマウントの電極，９…窒化物半導体レーザ素子前端面位置，１０…銅系基材先端位置、１１…ワイヤ，１２…ワイヤ，１４…接着剤，１５…ステム，１６…リード，１７…リード，１８…リード

Claims

半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子が搭載されるサブマウントと、前記サブマウントが搭載される基材と、前記基材が搭載され、外部に支持される外部端子が連絡される支持部材とを備えたに搭載した半導体レーザ装置において，
前記サブマウントは前記レーザ素子及び前記基材より線膨張係数が小さく、
前記半導体レーザ素子は前記サブマウントの厚さの１．８倍以下の厚さを有することを特徴とする半導体レーザ装置。
請求項１において、前記レーザ素子は前記基材より線膨張係数が小さいことを特徴とする半導体レーザ装置。
請求項１において、前記レーザ素子の中心より前記サブマウント側にレーザ発振部を有することを特徴とする半導体レーザ装置。
窒化物を含む半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子が搭載されるシリコンを含むサブマウントと、前記サブマウントが搭載される金属製の基材と、前記基材が搭載され、外部に支持される外部端子が連絡されるステムとを備え、
レーザ発振方向における前記半導体レーザ素子端部は前記サブマウント端部より内側に位置し、前記半導体レーザ素子端部或いは前記サブマウント端部位置と前記基材端部位置との差より、前記半導体レーザ素子端部位置と前記サブマウント端部位置との差が小さくなるように配置されたことを特徴とする半導体レーザ装置。
請求項４において、前記前記半導体レーザ素子は前記サブマウントの厚さの１．８倍以下の厚さを有することを特徴とする半導体レーザ装置。