JP2004289010A - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】駆動電流の変動、光出力の変動、ビームプロファイルの変化、および光軸のずれを防止できるようにする。
【解決手段】ＣＡＮパッケージ発光装置は、サブマウント６上に接着された半導体レーザ１と、サブマウント６上に接着された半導体レーザ１を収納するためのＣＡＮパッケージ２とからなる。ＣＡＮパッケージ２は、半導体レーザ１を所定位置に固定するための固定体３と、固定体３に固定された半導体レーザ１を覆うキャップ４とからなる。特性劣化を招くような厚さの堆積物が保証時間内に半導体レーザ１の発光部に形成されることを防止できるように、ＣＡＮパッケージ２内におけるＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧が、５．４×１０２Ｎ／ｍ２以下に制限されている。
【選択図】 図１３
【解決手段】ＣＡＮパッケージ発光装置は、サブマウント６上に接着された半導体レーザ１と、サブマウント６上に接着された半導体レーザ１を収納するためのＣＡＮパッケージ２とからなる。ＣＡＮパッケージ２は、半導体レーザ１を所定位置に固定するための固定体３と、固定体３に固定された半導体レーザ１を覆うキャップ４とからなる。特性劣化を招くような厚さの堆積物が保証時間内に半導体レーザ１の発光部に形成されることを防止できるように、ＣＡＮパッケージ２内におけるＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧が、５．４×１０２Ｎ／ｍ２以下に制限されている。
【選択図】 図１３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、発光素子をパッケージ内に収納した構成を有する発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）、ＭＤ（Ｍｉｎｉ Ｄｉｓｃ）などの光ディスクは広く普及している。これらの光ディスクに情報を記録／再生するための光ディスクシステムには、いわゆる光学ピックアップが搭載されている。
【０００３】
光学ピックアップは、ディスクリートタイプと、ハイブリッドタイプとに分類することができる。ディスクリートタイプでは、対物レンズ、ビームスプリッタ、コリメータレンズ、シリンドリカルレンズ、半導体レーザおよびＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）が備えられている。これに対して、ハイブリッドタイプでは、対物レンズ、および対物レンズ以外の要素を一体化した集積光学素子が備えられている。
【０００４】
また、ディスクリートタイプでは、半導体レーザが、ＣＡＮパッケージと称するパッケージに実装されているのに対して、ハイブリッドタイプでは、集積光学素子が、フラットパッケージと称するパッケージに実装されている。なお、以下では、半導体レーザを実装したＣＡＮパッケージを、ＣＡＮパッケージ発光装置と称し、集積光学素子を実装したフラットパッケージを、フラットパッケージ発光装置と称する。
【０００５】
図１７に、ＣＡＮパッケージ発光装置の構成を示す。図１７に示すように、ＣＡＮパッケージ１０２内には、サブマウント１０６上に接着された半導体レーザ１０１、およびモニタＰＤ（図示省略）が収納されている。半導体レーザ１０１とサブマウント１０６との接着には、Ｓｎ、ＳｎＰｂ、ＡｕＳｎ、Ｉｎ等の半田が用いられる。ここでは、サブマウント１０６上に半導体レーザ１０１が接着された構造をＬＯＳと称する。サブマウント１０６とヒートシンク１０５との接着には、Ａｇペーストが用いられる。また、モニタＰＤとパッケージ１０２との接着には、Ａｇペーストが用いられる。なお、このＡｇペーストは、Ａｇ紛を含有した有機物接着剤と捕らえることができる。
【０００６】
図１８に、フラットパッケージ発光装置の構成を示す。図１８に示すように、フラットパッケージ１１２内には、半導体レーザ１１１が接着されたサブマウント１１５、ミラープリズム１１６およびＰＤＩＣ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）１１７が収納されている。半導体レーザ１１１とサブマウント１１５との接着には、一般にはＳｎ、ＳｎＰｂ、ＡｕＳｎ、Ｉｎ等の半田が用いられる。ここでは、半導体レーザ１１１とサブマウント１１５とが接着されたＬＯＳ構造を有している。
【０００７】
サブマウント１１５と収納部１１３との接着には、Ａｇペーストが用いられる。ＰＤＩＣ１１７と収納部１１３との接着には、Ａｇペーストが用いられる。上述したように、ＡｇペーストはＡｇ紛を含有した有機物接着剤として捕らえることができる。また、ミラープリズム１１６と収納部１１３との接着には、紫外線硬化（ＵＶ硬化）、熱硬化あるいは紫外線と熱の併用をする、エポキシ系などの有機物接着剤が用いられる。また、収納部１１３に対して封止ガラス１１４を接着するための接着剤としては、一般的には、エポキシ系などの有機物接着剤が用いられている。
【０００８】
上述したように、ＣＡＮパッケージ発光装置およびフラットパッケージ発光装置においては、パッケージと部品の接着には、有機物接着剤が用いられる。この有機系接着剤は、ベースポリマーによって、変成アクリレート系、エポキシ系およびシリコーン系などに分類することができる。また、硬化反応形態によって、紫外線（ＵＶ）を照射することで硬化反応が開始する紫外線硬化タイプ、熱を加えることで硬化反応が開始する熱硬化タイプ、および酸素と反応することで硬化反応が開始するタイプなどに分類することができる。このような硬化反応を決めるために、有機物接着剤には、いわゆる硬化剤が添加されている。
【０００９】
上述したように、接着剤は、ベースポリマーおよび硬化反応形態により大分類されるが、同一分類においても、物理的性質、化学的性質が異なることが一般的であり、このような性質をコントロールするために様々な物質が化合物として添加されている。
【００１０】
例えば、反応を補助する、いわゆる触媒が添加されている。さらに、硬化前の粘度、硬化後の硬度、界面での化学結合状態等、さまざまな性質をコントロールするための物質が接着剤には添加されている。
【００１１】
また、熱伝導性、電気伝導性の観点からＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ等の金属微粒子が加えられているものもある。これらは、Ａｇペースト、Ａｕペースト、Ｃｕペーストとして広く知られている。この場合にも、その粘度、硬度、誘電率等の物性をコントロールするためにさまざまな物質が添加されている。
【００１２】
接着剤は、接合部品（非着体）個々の性質、及び、その組み合わせ後の目的特性、その集合からなる素子全体の仕様環境などに応じて、専用に合わせこみされている。この合わせこみ方法自体が接着剤製造メーカおよび開発メーカのノウハウとされており、一般的に、ユーザにはすべての含有成分が公開されてはいない。
【００１３】
以下、接着剤がもたらす半導体レーザの特性劣化について説明する。従来、接着剤がもたらす半導体レーザの特性劣化としては、（１）熱拡散による特性劣化、（２）揮発ガスによる特性劣化、が知られている。
【００１４】
（１）熱拡散による特性劣化
金属を含有した接着剤と半導体レーザとが接触する構成にある場合には、接着剤に含有された金属が半導体中に拡散することにより、半導体レーザの特性が劣化することが知られている。
【００１５】
例えば、パッケージと半導体レーザとを、Ｎａが含有された接着剤により、接着した場合には、以下のようにして特性が劣化することが知られている。まず、Ｎａが熱エネルギーを受け、半導体レーザ内に拡散する。そして、この拡散が進行すると、いわゆるレーザの活性層近傍に達し、発光効率の低下（吸収体として作用する）をもたらす。あるいは、ｐ／ｎ接合界面を破壊し、波長の変化、発光効率の低下をもたらす。
【００１６】
また、接着剤に含有される金属がＺｎであっても、Ｐｄであっても半導体レーザの特性劣化は起こり得ることが知られている。例えば、Ｚｎが含有された接着材により生じる特性劣化は、ＧａＩｎＰ系材料からなる６５０ｎｍ帯半導体レーザでは良く知られた現象であって、自然超格子の破壊による長波長化（積極的に利用する場合もある）、あるいは発光効率の低下、最終的には駆動電流の上昇といった特性劣化が生じる。
【００１７】
このため、接着剤として半田材を用い、さらに接着剤と半導体レーザとの間に拡散防止材層とを設けることが提案されている。なお、半導体と直接接しない場合には、Ａｇペーストを用いることが多く、この場合には、半導体内部への拡散現象が起こることはない。半田材料としては、Ｓｎ、ＳｎＰｂ、Ｉｎ、ＡｇＳｎあるいはＡｕＳｎといった金属が用いられる。これら半田材料としては純度が高い材料が用いられ、特に、半導体レーザに欠陥（特に、貫通転位）が存在しない場合には、拡散定数の小さい材料が用いられる。さらには、半導体接合面には、半田の拡散を抑制する材料が用いられることが多く、例えばＰｔがよく用いられている（例えば、７８０ｎｍ帯ｐ側電極、６５０ｎｍ帯ｐ側電極）。このような構造にすることにより、金属元素が、半導体内部へ拡散し、半導体レーザの動作特性が劣化することを防止することができる。
【００１８】
図１９に、拡散防止層を備えた半導体レーザを示す。図１９に示すように、サブマウント１２１上に、半田からなる接着層１２２、半田との相互拡散を起こすＡｕ層１２３、半田の拡散を防止する拡散防止層１２４、半導体レーザ１２６と金属との接着をするＴｉ層１２５を順次積層し、Ｔｉ層１２５上に半導体レーザ１２６を接着した構造を有する。
【００１９】
（２）揮発ガスによる特性劣化
有機物接着剤は、上述したように、多くの化合物を混合して構成されており、その成分中には揮発性が高いものが混合されていることもある。また、硬化条件次第では、ベースポリマー自体の揮発も起こり得る。パッケージの種類によって気密性能の違いはあるものの、一種の密閉空間となっているため、揮発ガスが、パッケージの外壁、あるいは、パッケージ内に搭載した他材料、および、リッドなどに到達し、付着し、特性の劣化をもたらす。特に、図１８に示したフラットパッケージ発光装置においては、特性劣化の原因となる有機物接着剤が広く用いられている。
【００２０】
例えば、図１８に示したフラットパッケージ発光装置では、封止ガラス１１４は光を透過させる機能を有しており、この光透過部にその揮発成分が付着、固化することで透過率の低下、程度がひどくなると、光路、及び、発光強度分布の劣化をもたらす。
【００２１】
例えば、光ディスクシステムに搭載するフラットパッケージ発光装置の場合、波面収差が極めて大きくなり、ディスクの信号再生、及び、ディスクへの信号書き込みが阻害される。
【００２２】
このため、接着剤としては、揮発ガス量の小さい接着剤を用いることが一般的になっている。特性劣化を回避するためには、例えば、アクリル系に比べ揮発量が少ないエポキシ系の接着剤を用いることが好ましく、さらに、同一ベースポリマー種においても、熱硬化タイプに比べ紫外線硬化タイプを用いることが好ましいとされている。
【００２３】
なお、接着剤からの揮発は熱的に起こるのが一般であり、揮発量ｎは、パッケージ内の容積Ｖ、温度Ｔおよび揮発成分固有の飽和蒸気圧Ｐを用いて表すことができる。
すなわち、揮発量ｎは、
ｎ＝ＰＶ／ＲＴ （１）
と表すことができる。他部材への付着については、熱的反応、すなわち、揮発ガスの温度に比べ、被付着材となる部材の温度が低いために揮発ガスが固化すると考えることができる。
【００２４】
また、熱硬化、熱可塑性をとわず、また加工方法によらず、所望の形に成形された有機物樹脂は、集積光学素子を収納するためのリードフレームパッケージに広く用いられている。このパッケージは、成形加工された有機物樹脂と金属部とからなるが、この有機樹脂により、上述の接着剤におけると同様な劣化は、従来、生じないと考えられている。
【００２５】
ところで、近年では、半導体レーザにおいて、さらなる短波長化および高光出力化が要望されている。例えば、次世代の高密度光ディスク（Ｂｌｕ−Ｒａｙディスク）のフォーマットでは、記録／再生に用いられるレーザ光の波長は４０５ｎｍとされている。このような波長のレーザ光を出射する発光源としては、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体レーザを用いることが検討されている。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、本発明者が、４０５ｎｍ帯半導体レーザを収納したパッケージ発光装置を作製し、この発光装置を用いて種々の実験を重ねたところ、駆動電流の変動、光出力の変動、ビームプロファイルの変化、および光軸のずれが生じてしまう、という問題を知見するに至った。
【００２７】
したがって、この発明の目的は、光を出射する発光素子と、少なくとも発光素子を収納するパッケージとを備えた発光装置において、駆動電流の変動、光出力の変動、ビームプロファイルの変化、および光軸のずれを防止することができる発光装置を提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明は、光を出射する発光素子と、少なくとも発光素子を収納するパッケージとを備えた発光装置において、
パッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧が、５．４×１０２Ｎ／ｍ２以下であることを特徴とする発光装置である。
【００２９】
この発明によれば、パッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧が、５．４×１０２Ｎ／ｍ２以下であるため、特性劣化を招くような厚さの堆積物が発光素子の発光部に形成されることを防止することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の内容の理解を容易とするために、従来技術が有する上述の課題を解決すべく、本発明者が行った検討内容について説明する。
【００３１】
まず、ＣＡＮパッケージ内に有機物接着材を有するサンプル１と、ＣＡＮパッケージ内に有機物接着材を有していないサンプル２とを作製した。図１に、サンプル１の構成を示す。このサンプル１は、図１に示すように、サブマウント１０６に接着された半導体レーザ１０１と、サブマウント１０６に接着された半導体レーザ１０１を収納するためのＣＡＮパッケージ１０２とからなる。ここで、半導体レーザ１０１は、４０５ｎｍ帯ＧａＮ系半導体レーザである。
【００３２】
このサンプル１は、以下のようにして製造されたものである。まず、半導体レーザ１０１とサブマウント１０６とをＳｎ半田により接着した。次に、サブマウント１０６と、固定体１０３に備えられたヒートシンク１０５とをＳｎ半田により接着した。そして、Ａｕワイヤ１０８を電極取り出しのために接続した。
【００３３】
次に、図１に示すように、ＧａＮ半導体レーザと直接には接しない位置で、且つ、レーザ光が直接照射されない位置に、有機物接着剤（紫外線硬化エポキシ系接着剤）１２１を塗布し、硬化させた。次に、ドライエア中において、キャップ１０４と固定体１０３とを電気溶接により接着した。なお、金属からなるキャップ１０４と封止ガラス１１０とを予め低融点ガラスにより接着した。
【００３４】
上述のようにして、各部の接着には有機物接着材を用いることなく、サンプル１を製造した。すなわち、サンプル１は、有機物接着材１２１以外には、有機物接着剤がＣＡＮパッケージ２内に存在しない構成とした。
【００３５】
また、サンプル２は、有機物系接着剤を塗布する工程を省略した以外、上述のサンプル２と同様にして、作製したものである。すなわち、サンプル２は、有機物接着剤がＣＡＮパッケージ２内に存在しない構成とした。
【００３６】
次に、上述のようにして作製されたサンプル１および２を用いて、一定温度６０℃、一定光出力３０ｍＷの条件で駆動電流変動試験（ＡＰＣエージング）を行った。
【００３７】
図２Ａに、サンプル１の駆動電流変動試験の結果を示す。図２Ｂに、サンプル２の駆動電流変動試験の結果を示す。図２Ａおよび２Ｂにおいて、横軸、縦軸は、それぞれ、駆動時間、駆動電流を示す。
【００３８】
図２Ａおよび２Ｂから、サンプル２では、時間経過に伴って駆動電流が変動せず、一定であるのに対して、サンプル１では、時間経過に伴って、駆動電流が周期的に変動することが分かる。したがって、この駆動電流の周期的変動は、パッケージ内に塗布された紫外線硬化エポキシ系接着剤が関与する現象であることが分かる。なお、このような駆動電流の変動は、例えば光ディスクシステムのように所望の光出力となるように半導体レーザを駆動させるシステムにおいては、重大な問題となる。
【００３９】
次に、駆動電流試験が終了したサンプル１および２のそれぞれについて、半導体レーザの端面を微分干渉顕微鏡により観察した。
【００４０】
図３Ａに、サンプル１に備えられた半導体レーザを微分干渉顕微鏡により観測した結果を示す。図３Ｂに、サンプル２に備えられた半導体レーザを微分干渉顕微鏡により観測した結果を示す。図３Ａおよび図３Ｂから、駆動電流が一定であったサンプル２の半導体レーザの端面には、堆積物が形成されていないのに対して、駆動電流が周期的に変動したサンプル１の半導体レーザの端面には、堆積物が形成されていることが分かる。また、堆積物が発光部にのみ形成されていることから、堆積物の形成はレーザ光が関与した現象であることが分かる。
【００４１】
また、サンプル１と同様の構成を有するサンプルを作製し、半導体レーザに電力供給を行わず、６０℃の環境に保存した後に、半導体レーザの端面を微分干渉顕微鏡により観察した。この観察では、上述のような付着物は観察できなかった。このことからも、堆積物の形成は、レーザ光が関与した現象であることが分かる。
【００４２】
次に、駆動電流試験が終了したサンプル１について、半導体レーザの端面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により観察した。
【００４３】
図４に、サンプル１に備えられた半導体レーザの端面のＴＥＭ像を示す。図４より、堆積物は半導体レーザの端面に一様に形成されているわけではなく、ニアフィールドパターン（ＮＦＰ：Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ）、すなわち、光出射端面近傍での光強度分布に応じて形成されていることが分かる。
【００４４】
次に、エネルギー分散Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−Ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により、成分分析を行った。
【００４５】
図５に、エネルギー分散Ｘ線分光法による成分分析結果を示す。この成分分析結果より、半導体レーザの端面に形成された堆積物は、ＳｉおよびＯからなることが分かる。
【００４６】
次に、サンプル１およびサンプル２におけるファーフィールドパターン（ＦＦＰ：Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ）を測定した。
【００４７】
図６Ａは、サンプル１に備えられた半導体レーザのファーフィールドパターンを示す。図６Ｂは、サンプル２に備えられた半導体レーザのファーフィールドパターンを示す。なお、図６Ａおよび６Ｂに示したファーフィールドパターンは、ピーク値に基づき正規化されている。図６Ａおよび６Ｂから、サンプル２では、ファーフィールドパターンは単峰であるのに対し、サンプル１では、ファーフィールドパターンは単峰でないことが分かる。この場合、例えば光ディスクのようにレーザ光を回折限界まで集光させるシステムでは、レーザ光を集光できなくなり、重大な不具合が生じる。
【００４８】
上述の検討により、接着剤が４０５ｎｍ帯ＧａＮ系半導体レーザと直接接触しない位置にある場合でも、一定温度６０℃、一定光出力３０ｍＷの条件において半導体レーザを駆動すると、１００時間程度までに、レーザ端面に堆積物が形成されることが分かった。
【００４９】
次に、半導体レーザの駆動電流に関するシミュレーションを行った。なお、このシミュレーションは、屈折率が１ではなく、且つ、吸収を有する物質が半導体レーザ端面に堆積されている状態において、光出力３０ｍＷの条件にて半導体レーザを駆動した場合のものである。また、屈折率を、複素屈折率とし、吸光係数をパラメータとした。
【００５０】
図７に、駆動電流値に関するシミュレーション結果を示す。図７と図２Ａとを比較すると、実験による駆動電流の変化と、シミュレーションによる駆動電流の変化とがほぼ一致する。したがって、半導体レーザの端面に屈折率（１ではない）と吸収をもった物質が付着すると、その膜厚に応じて周期的に駆動電流値が変動することがわかる。すなわち、半導体レーザを駆動中、端面にＳｉとＯを含む物質が逐次堆積していると考えることができる。
【００５１】
次に、電界放射型オージェ電子分光法（ＦＥ−ＡＥＳ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ−Ａｕｇｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により、半導体レーザの端面の堆積物の構成元素を調べた。
【００５２】
図８に、電界放射型オージェ電子分光法による測定結果を示す。図９に、スペクトルの測定位置を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）の像を示す。堆積物と堆積物のない位置でのスペクトルを比べることで同定を行なった。堆積物がある位置は、レーザストライプ位置にあたる活性層部、すなわち発光部であり、この位置において、ＳｉとＯとが検出された。また、下地となっている部分のＡｌが検出されていないことから、Ｓｉ、Ｏとも下地の上に形成されたもの、すなわち、堆積物で有ることが分かった。一方、発光部から離れた堆積物が存在しない位置では、下地であるアルミナの構成元素、ＡｌとＯが検出された。また、Ｓｉも検出された。ところが、堆積部と非堆積部でのシリコンからのスペクトルが異なっていた。堆積部では、ブロードであり、ピーク位置、形状がずれていた。これは、シリコンが化合物であることを証明する、いわゆるケミカルシフトを反映したスペクトルである。非堆積部では、ナローであること、ピーク位置から、金属的であることが分かった。すなわち、分解後、拡散したＳｉと考えられる。電界放射型オージェ電子分光法の検出感度は数原子層である（〜３ｎｍ）ことから、ＳＥＭ、更にはＴＥＭであっても、その像が観察できないことは不思議ではない。
【００５３】
さらに、上述した紫外線硬化エポキシ系接着剤以外の有機化合物を、ＣＡＮパッケージ内に塗布した複数のサンプルを作製した。そして、これらのサンプルに対して、駆動電流変動試験および堆積物の構成元素分析を行った。表１に、ＣＡＮパッケージ内に塗布された有機化合物のベースポリマーの種類および硬化形態と、駆動電流変動試験の結果と、成分分析の結果とを示す。なお、表１において、駆動電流が周期的変動を示したサンプルを「●」により示した。
【００５４】
【表１】
【００５５】
表１より、すべてのサンプルが、堆積物に起因する周期的変動を示すことが分かる。また、ＳｉとＯとを堆積物の主成分としていることが分かる。
【００５６】
次に、本発明者は、有機物接着剤からの揮発ガス成分分析を、ガスクロマトグラフィ質量分析法（ＧＣ−ＭＳ：Ｇａｓｓ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ−Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）と、飛行時間型２次イオン質量分析法（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ：Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ−Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）とにより行った。この分析により、揮発ガスには、シロキサン、シラン等のＳｉ有機化合物が含まれていることが分かった。
【００５７】
上述のサンプルに用いた有機物接着剤は、いずれも従来の７８０帯および６５０帯半導体レーザを搭載したＣＡＮパッケージ発光装置などに用いられているものである。しかしながら、従来の半導体レーザでは、上述した堆積物の形成に起因する劣化は問題とされていない。
【００５８】
以上の検討により、ＣＡＮパッケージ内に４０５ｎｍ帯ＧａＮ半導体レーザを収納し、この半導体レーザを駆動すると、
（１）発光部に形成された堆積物に起因する劣化現象が見られること、
（２）反応物質は、Ｓｉ有機化合物ガスであること、
（３）反応エネルギー源は光で有ること、
（４）堆積物はＳｉとＯを主成分とすること、
が分かった。このような光誘起反応は、従来の７９０ｎｍ帯ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザおよび６５０ｎｍ帯ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザなどには見られない現象である。
【００５９】
次に、接着剤に換えて、成形済み樹脂を同様の位置に配置して、同様の試験および測定などを行った。その結果、半導体レーザの端面に堆積物が形成され、同様の劣化を示すことが分かった。有機物接着剤と成形加工済み樹脂とは、その用途および形態の観点からすると異なるものであるが、材料の観点からすると同様のものであり、いずれも同種の有機物の高分子から構成されている。このような材料の観点からすると、有機物接着剤に起因する劣化も、成形加工済み樹脂に起因する劣化も同様のメカニズムに起因するものであると考えることができる。
【００６０】
ところで、この光誘起反応が起こるためには、Ｓｉ有機化合物ガスの分子が、光の吸収を伴って分解することが必要となる。ところが、波長４０５ｎｍの光子が有するエネルギーは約３．０ｅＶであり、このエネルギー値は、Ｓｉ有機化合物ガスの分子を分解するエネルギーとしては不十分である。
【００６１】
そこで、本発明者は、多光子反応モデルを仮定した。このモデルから導出される堆積厚と、実際にＴＥＭ像から得られる堆積厚との比較から、この仮定モデルの妥当性を検証する。以下、多光子反応モデルについて説明する。
【００６２】
図１０は、多光子反応モデルを説明するための図である。なお、図１０では、便宜上、２つの光子吸収による反応が示されている。Ｓｉ有機化合物ガスの分子が、波長λの光子を複数吸収すると、例えば、分子中の電子系のエネルギーがエネルギーＥ１からエネルギーＥ２の準位に励起する。
【００６３】
光誘起反応およびＳｉ誘起化合物ガスの反応を考慮すると、単位時間あたり堆積元素数は
堆積元素数＝Ａ×（光子数）ｎ×（気体分子数） （２）
Ａ：係数
ｎ：定数
で表すことができる。ここで、定数ｎは、この反応にいくつの光子が関与しているかを示すものである。
【００６４】
半導体レーザの端面における堆積物形成には、Ｓｉ有機化合物ガスの分子の結合を断ち切る必要があるが、結合エネルギーの観点からすると、波長４０５ｎｍを有する、１つの光子によって、Ｓｉ有機化合物ガスの分子の結合を断ち切ることは困難である。このようなことが起こる確率は零ではないが、極めて起こり難いと考えられる。それに対し、多光子反応を仮定すると、その光子エネルギーはｎ倍されるため、結合を絶つことは困難ではない。
【００６５】
この多光子反応が、半導体レーザの端面における微小面積素ｄＳで起きているとすると、堆積元素数、光子数および気体分子数は、以下の式により示される。
堆積元素数＝（堆積厚×ｄＳ）×密度 （３）
光子数＝光子密度×光速×ｄＳ （４）
気体分子数＝ｎｏｒｇ×ｖｏｒｇ×ｄＳ （５）
ｎｏｒｇ；Ｓｉ有機化合物ガス密度
ｖｏｒｇ；Ｓｉ有機物化合物ガス平均速度
これらの式（３）〜（５）を、式（２）へ代入すると、単位時間の堆積厚は、
堆積厚／時間＝Ａ′×［光子密度×光速×ｄＳ］ｎ×（ｎｏｒｇ×ｖｏｒｇ） （６）
で与えられる。
【００６６】
また、光子密度は、
光子密度＝Ｐｏ／（ｃ・Ｓ）／（ｈ・ｃ／λ） （７）
Ｐｏ；半導体レーザ出力
ｃ；光速
Ｓ；発光面積
ｈ；コンプトン定数
λ；波長
と表せる。
【００６７】
したがって、式（６）は、
となる。ここで、Ａ′は、光の波長λに依存する実効的な堆積確率（分解、付着および脱離をあわせた確率）を堆積物ＳｉＯｘの実効的な密度で割ったものと考えられる。
【００６８】
また、Ｓｉ有機化合物ガスを近似的に理想気体とみなすと、
Ｐｏｒｇ×Ｖ＝Ｎｏｒｇ ｋＢＴ （９）
と書ける。
【００６９】
さらに、弾性衝突モデルから
Ｐｏｒｇ＝Ｎｏｒｇ×（ｍ×ｖｏｒｇ２）／（３Ｖ） （１０）
Ｖ；体積
Ｎｏｒｇ；気体分子数
ｎｏｒｇ＝Ｎｏｒｇ／Ｖ
ｋＢ；ボルツマン定数
と書ける。
【００７０】
よって、式（８）は、
ｍ；気体分子質量
Ｐｏｒｇ；気体圧力
と表せる。
【００７１】
次に、本試験で観察した半導体レーザの端面に形成された堆積物の厚さと、上記理論式とからｎの値を導く。堆積物の厚さ、およびレーザ出力Ｐｏは、位置により変化する。したがって、以下では、堆積物の厚さ、およびレーザ出力Ｐ０を、変数ｙを用いて表す。ここで、半導体レーザの積層物の堆積方向、所謂、横モードの垂直方向をｙ方向とする。ここでは、ｙ方向の原点は、量子井戸活性層の中点とする。なお、この原点の位置の設定は、これまでの検討、および、以後の検討に影響を与えるものではない。
【００７２】
上述のように座標を設定すると、
堆積厚→堆積厚（ｙ） （１２）
Ｐｏ→Ｐｏ（ｙ） （１３）
と書ける。
【００７３】
さらに、Ｐｏ（ｙ）を半導体レーザのピーク強度、Ｐｍａｘで規格化すると、
Ｐｏ（ｙ）＝Ｐｍａｘ・Ｐｒｅｎｏｒｍ（ｙ） （１４）
と書ける。
【００７４】
したがって、式（１１）は、
となる。
【００７５】
Ｐｒｅｎｏｒｍ（ｙ）の導出は、等価屈折率法を用いたＬＤ導波路シミュレータにより、ＬＤ導波路端面位置での光場を求め、さらに導波構造が存在しない端面コート内での回折効果を取り入れることにより行った。なお、回折としてはフレネル回折を仮定した。また、このＬＤ導波路シミュレーションの結果をフラウンフォーファー回折で変換すると、レーザ特性の一つであるファーフィールドパターンを計算することができる。計算で得られた半値全幅は２０．６°であったのに対して、実測値は２０．１°であった。これにより、導波路内の光強度分布の正確度を確認することができる。
【００７６】
次に、光の強度と、半導体レーザの端面に形成される堆積物との相関性を明らかにすべく、半導体レーザの端面に形成された堆積物の厚さを測定し、この堆積物の厚さと、光強度（規格化光強度）との関係を調べた。図１１に、位置に対する光強度と堆積物の厚さとの関係を示す。図１２に、光強度と堆積物の厚さとの関係を示す。
【００７７】
図１２に示すように、光強度と堆積厚との関係は、直線ｙ＝１．８２７７ｘ＋１．７４８４により表すことができる。ここで、ｙ＝ｌｏｇ（堆積厚）、ｘ＝ｌｏｇ（光強度）である。この直線ｙの傾きの値は、１．８２７７であり、この値より、堆積物の生成は、ほぼ２個のフォトンが関与している現象であることが分かる。
【００７８】
図１２から、ｎおよびＡ′の値として、
ｎ＝１．８２７７ （１６）
Ａ′＝７．９１××１０−６０ （１７）
を得ることができる。
【００７９】
表２および３に、各パラメータの値および図１２示した直線の切片などを示す。なお、気体圧力Ｐｏｒｇは、ＴＯＦ−ＳＩＭＳ、ＧＣ−ＭＳから得られた値である。
【表２】
【表３】
【００８０】
この結果より、多光子反応過程、ここでは、２光子反応過程であることを確かめることができる。なお、ｎは、理論的に整数値であるが、測定精度、及び、他成分反応の結果から、実際に観測できる量としては整数にならないのが一般であることは言うまでもない。
【００８１】
以上の検討より以下のことが明らかになった。
（１）４０５ｎｍ帯半導体レーザの駆動中に端面に堆積物生成がおこる。
（２）反応は、Ｓｉ有機化合物ガスが存在した場合におこる。
（３）他材料系レーザ、言い換えると、他の波長の半導体レーザでは知られていない劣化機構である。
（３）劣化は、４０５ｎｍ帯の光に誘起される、Ｓｉ有機化合物の分解を伴う反応である。
（４）光反応は２光子吸収過程が支配的で、このエネルギーでＳｉ有機化合物の分解が生ずる。
【００８２】
上述のように、半導体レーザの劣化現象のメカニズムを解明することができた。上述のように解明された多光子反応に起因する特性劣化は、従来実用化されている半導体レーザでは問題とされなかった。これは、反応確率Ａ′が小さいためと考えられる。しかしながら、近年では、半導体レーザのハイパワー化が進められており、このような半導体レーザでは、上述の多光子反応による劣化現象が問題となる。したがって、この発明は、４０５ｎｍの以外の波長を有するレーザ光を出射する半導体にも適用可能であることは言うまでもない。
【００８３】
上述した劣化を抑制するためには、パッケージ内におけるＳｉ誘起化合物ガスの量を所定値以下に制限することが必要となる。式（１５）において、時間を動作保証時間とし、許容される堆積部の厚さを波長の１／４とし、半導体レーザの出力を端面での平均光出力とし、反応面積ｄＳを発光面積とすると、式（１５）は、
λ／（４ｘ屈折率）／（動作保証時間）＞
Ａ′ｘ［（光出力・λ）／（ｈｃ）］ｎｘ（Ｓｉ有機化合物ガス圧力）・（３／ｍｋＢＴ）０．５ （１８）と表すことができる。本発明は、この式（１８）に基づき、Ｓｉ有機化合物ガスの蒸気圧を制限し、堆積物の形成に起因する半導体レーザの特性劣化を抑制するものである。
【００８４】
この発明は以上の検討に基づいて案出されたものである。以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１２に、この発明の一実施形態によるＣＡＮパッケージ発光装置の構成の一例について示す。
【００８５】
図１３に示すように、この一実施形態によるＣＡＮパッケージ発光装置は、サブマウント６上に接着された半導体レーザ１と、サブマウント６上に接着された半導体レーザ１を収納するためのＣＡＮパッケージ２とからなる。このＣＡＮパッケージ２は、半導体レーザ１を所定位置に固定するための固定体３と、固定体３に固定された半導体レーザ１を覆うキャップ４とからなる。
【００８６】
固定体３は、円盤状の形状を有し、例えばＦｅまたはＣｕなどの金属からなる。この固定体３の一主面には、ヒートシンク５が備えられている。このヒートシンク５は、例えばＦｅまたはＣｕなどの導電性を有する材料からなり、表面には、例えばＡｕコートが施されている。そして、ヒートシンク５上には、サブマウント６が接着されている。このサブマウント６は、例えばＳｉまたはＡｌＮからなる。さらに、サブマウント６上に、半導体レーザ１が接着されている。半導体レーザ１は、ＩＩＩ族窒化物半導体レーザ、例えばＧａＮ／ＧａＩｎＮ系半導体レーザであり、例えば波長３９５ｎｍ〜４１５ｎｍ、具体的には例えば４０５ｎｍのレーザ光を出射可能に構成されている。
【００８７】
また、この固定体３には、この固定体３を貫通するように３本のリードピン７ａ、７ｂおよび７ｃが備えられている。リードピン７ａは、ヒートシンク５と電気的に接続されている。リードピン７ｂは、ワイヤ８によりサブマウント６と接続される。ここで、ワイヤ８は、例えばＡｕなどの導電性材料からなる。また、リードピン７ｂおよび７ｃと固定体３との間には、低融点ガラスからなるスペーサが設けられている。これにより、リードピント７ｂおよび７ｃと固定体３とが絶縁されるとともに、ＣＡＮパッケージ２内に大気が入り込むことを防止することができる。これらのリードピン７ａ、７ｂおよび７ｃは、例えばＦｅあるいはＣｕなどの導電性を有する材料からなる。
【００８８】
キャップ４は、一方の開口が塞がれた円筒形状を有し、例えばＦｅなどの金属からなり、表面には、例えばＣｒメッキが施されている。開口側には、上述の固定体３が貼り合わされ、それとは反対側には、半導体レーザ１から出射されたレーザ光を取り出すための光取り出し部９が設けられている。この光取り出し部９は、円形状の形状を有し、透過率の高い溶融石英を母材としたガラスからなる封止ガラス１０により覆われている。なお、この封止ガラス１０には、無反射コートを施すことが好ましい。
【００８９】
ＣＡＮパッケージ２内におけるＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧は、式（１８）に基づき、所定値以下、例えば５．４×１０２Ｎ／ｍ２以下に制限されている。また、次世代の高密度光ディスク（Ｂｌｕ−Ｒａｙディスク）のフォーマットに準拠した標準速記録時のレーザ光出力３０ｍＷ、および動作保証時間１０００時間を考慮した場合には、８．０２×１０−１Ｎ／ｍ２以下に制限することが好ましい。さらに、倍速記録時のレーザ光出力３００ｍＷ、および動作保証時間１０００時間を考慮した場合には、１．２×１０−２Ｎ／ｍ２以下に制限することが好ましい。
【００９０】
以下に、式（１８）を用いて算出されたＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧の上限値を示す。表４に、レーザ光の波長が３９５ｎｍであり、レーザ光の出力が３ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータを示す。表５に、レーザ光の波長が４０５ｎｍ、レーザ光の出力が３ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。表６に、レーザ光の波長が４１５ｎｍであり、レーザ光の出力が３ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。
【００９１】
【表４】
【表５】
【表６】
【００９２】
表４、５および６から、レーザ光の波長が３９５ｎｍ以上４１５ｎｍ以下であり、レーザ光の出力が３ｍＷ以下である場合には、パッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧を５．１８×１０２Ｎ／ｍ２以下にすることにより、実用性の観点から少なくとも必要とされる１００時間の動作保証時間内にＣＡＮパッケージ発光装置の特性が劣化することを防止できることが分かる。
【００９３】
表８に、レーザ光の波長が３９５ｎｍであり、レーザ光の出力が３０ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。表８に、レーザ光の波長４０５ｎｍであり、レーザ光の出力が３０ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。表９に、レーザ光の波長が４１５ｎｍであり、レーザ光の出力が３０ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。
【００９４】
【表７】
【表８】
【表９】
【００９５】
表７、８および９から、レーザ光の波長が３９５ｎｍ以上４１５ｎｍ以下であり、レーザ光の出力が３０ｍＷ以下である場合には、パッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧を７．７０Ｎ／ｍ２以下にすることにより、実用性の観点から少なくとも必要とされる１００時間の動作保証時間内にＣＡＮパッケージ発光装置の特性が劣化することを防止できることが分かる。
【００９６】
表１０に、レーザ光の波長が３９５ｎｍであり、レーザ光の出力が３００ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に算出に用いたパラメータを示す。表１１に、レーザ光の波長が４０５ｎｍであり、レーザ光の出力３００ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。表１２に、レーザ光の波長が４１５ｎｍであり、レーザの出力が３００ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。
【００９７】
【表１０】
【表１１】
【表１２】
【００９８】
表１０、１１および１２から、レーザ光の波長が３９５ｎｍ以上４１５ｎｍ以下であり、レーザ光の出力が３００ｍＷ以下である場合には、パッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧を１．１４×１０−１Ｎ／ｍ２以下にすることにより、実用性の観点から少なくとも必要とされる１００時間の動作保証時間内にＣＡＮパッケージ発光装置の特性が劣化することを防止できることが分かる。
【００９９】
表１３に、レーザ光の波長が３９５ｎｍであり、レーザ光の出力が３ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。表１４に、レーザ光の波長が４０５ｎｍであり、レーザの出力が３ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。表１５に、レーザの波長が４１５ｎｍであり、レーザ光の出力が３ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。
【０１００】
【表１３】
【表１４】
【表１５】
【０１０１】
表１３、１４および１５から、レーザ光の波長が３９５ｎｍ以上４１５ｎｍ以下であり、レーザ光の出力が３ｍＷ以下である場合には、パッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧を５．１８×１０Ｎ／ｍ２以下にすることにより、実用性の観点から好ましくは必要とされる１０００時間の動作保証時間内にＣＡＮパッケージ発光装置の特性が劣化することを防止できることが分かる。
【０１０２】
表１６に、レーザ光の波長が３９５ｎｍであり、レーザ光の出力が３０ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。表１７に、レーザ光の波長が４０５ｎｍであり、レーザ光の出力３０ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。表１８に、レーザ光の波長が４１５ｎｍであり、レーザ光の出力が３０ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。
【０１０３】
【表１６】
【表１７】
【表１８】
【０１０４】
表１６、１７および１８から、レーザ光の波長が３９５ｎｍ以上４１５ｎｍ以下であり、レーザ光の出力が３０ｍＷ以下である場合には、パッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧の蒸気圧を７．７０×１０−１Ｎ／ｍ２以下にすることにより、実用性の観点から好ましくは必要とされる１０００時間の動作保証時間内にＣＡＮパッケージ発光装置の特性が劣化することを防止できることが分かる。
【０１０５】
表１９に、レーザ光の波長が３９５ｎｍであり、レーザ光の出力が３００ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。表２０に、レーザ光の波長が４０５ｎｍであり、レーザ光の出力が３００ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。表２１に、レーザ光の波長が４１５ｎｍであり、レーザ光の出力が３００ｍＷにおける蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラータとを示す。
【０１０６】
【表１９】
【表２０】
【表２１】
【０１０７】
表１９、２０および２１から、レーザ光の波長が３９５ｎｍ以上４１５ｎｍ以下であり、レーザ光の出力が３００ｍＷ以下である場合には、パッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧の蒸気圧を１．１４×１０−２Ｎ／ｍ２以下にすることにより、実用性の観点から好ましくは必要とされる１０００時間の動作保証時間内にＣＡＮパッケージ発光装置の特性が劣化することを防止できることが分かる。
【０１０８】
なお、上述の各表において、ｔｃｒは、動作保証時間を示す。１００時間の動作保証時間は、実用性の観点から少なくとも必要とされる値であり、１０００時間の動作時間は、実用性の観点から好ましくは必要とされる値である。また、ｄｃｒは、許容堆積厚（波長／（４×屈折率））を示す。また、温度３３３Ｋは、レーザの保証温度として、一般的に要求される温度に基づくものである。
【０１０９】
次に、この発明の一実施形態によるＣＡＮパッケージ発光装置の製造方法の一例について説明する。この製造方法は、接着剤に含有されるＳｉ有機化合物の量を制限することにより、封止後のＣＡＮパッケージ２内におけるＳｉ有機化合物ガスの圧力を所定値以下に制限することを特徴とするものである。
【０１１０】
まず、有機物接着剤に含有されるＳｉ有機化合物の上限量の算出方法について説明する。ＣＡＮパッケージ２の体積をＶ、ＣＡＮパッケージ２内のＳｉ有機化合物ガス圧の上限値をＰ、ＣＡＮパッケージ２内の温度をＴとすると、パッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの分子数Ｎｏｒｇは、
Ｎｏｒｇ＝ＰＶ／（ｋＢＴ） （１９）
と表される。
【０１１１】
また、ＴＯＦ−ＳＩＭＳを用いた分析結果によると、ＣＡＮパッケージ２内におけるＳｉ有機化合物ガスは、分子量１４７のＣ５Ｈ１５ＯＳｉ２ ＋を主成分としている。したがって、ＣＡＮパッケージ２内のＳｉ有機化合物ガスの全質量Ｍは、
となる。
【０１１２】
この式（２０）に、上述した式（１８）により算出された蒸気圧の上限値Ｐと、ＣＡＮパッケージ２の体積Ｖと、半導体レーザの動作保証温度Ｔとを代入すると、ＣＡＮパッケージ内に存在するＳｉ誘起化合物ガスの質量が算出される。この質量を、有機物接着剤に含有されるＳｉ有機化合物の上限量とする。
【０１１３】
ここで、具体的な数値を用いて、有機物接着剤に含有されるＳｉ有機化合物の上限量の算出方法の一例を示す。例えば、蒸気圧の上限値Ｐとして５．４×１０２Ｎ／ｍ２、ＣＡＮパッケージ２の体積Ｖとして２７×１０−９ｍ３、半導体レーザの動作保証温度Ｔとして３３３Ｋを、式（２０）に代入すると、
となる。
【０１１４】
したがって、接着剤に含有されるＳｉ有機化合物の量を７．７５×１０−７ｇ以下にすることにより、ＣＡＮパッケージ内におけるＳｉ有機化合物の蒸気圧を５．４×１０２Ｎ／ｍ２以下にすることができる。
【０１１５】
例えば、ＣＡＮパッケージ内に使用される接着剤の量を０．１ｍｇとした場合には、質量比７．８×１０−３以下にすることにより、ＣＡＮパッケージ内におけるＳｉ有機化合物の蒸気圧を５．４×１０２Ｎ／ｍ２以下にすることができる。
【０１１６】
実際には、有機物接着剤に含有されているＳｉ有機化合物は、１００パーセント気化することはないため、上述のＳｉ有機化合物の含有量により、レーザ光出力３ｍＷで、１００時間の使用を保証することができる。
【０１１７】
なお、３０ｍＷ駆動で、１０００時間の使用を保証するためには、Ｓｉ有機化合物ガスの上限値として、０．８０Ｎ／ｍ２を、式（２０）に代入して算出された値を用いることが必要となる。
【０１１８】
以下、図１４、１５および１６を参照しながら、この発明の一実施形態によるＣＡＮパッケージ発光装置の製造方法を説明する。ここでは、一例として、有機物接着剤を、ヒートシンク５とサブマウント６との接着にのみ用いる場合を説明する。
＜チップマウント工程＞
まず、図１４Ａに示すように、サブマウント６上の所定位置に、Ｓｎ半田により、半導体レーザ１を接着する。
【０１１９】
＜ダイボンド工程＞
次に、図１４Ｂに示すように、固定体３に備えられたヒートシンク５の所定位置に、サブマウント６をダイボンドする。この際、接着材１１として、有機物接着剤、例えばＡｇペースト（Ａｇ粉を含有した有機物接着剤）を用いる。
【０１２０】
ここで、Ａｇペーストは、式（２０）により、含有されるＳｉ有機化合物の量が制限されたものである。例えば、蒸気圧の上限値Ｐを５．４×１０２Ｎ／ｍ２、ＣＡＮパッケージ２の体積Ｖを２７×１０−９ｍ３、半導体レーザの動作保証温度を３３３Ｋとした場合には、７．７５×１０−７ｇ以下にＳｉ有機化合物の含有量が制限される。
【０１２１】
＜ペースト硬化工程＞
次に、図１５Ａに示すように、接着剤１１を硬化させる。
＜ワイヤボンド工程＞
次に、図１５Ｂに示すように、Ａｕワイヤ８により、サブマウント６とリードピン７ｂとを接続する。
【０１２２】
＜封止工程＞
次に、図１６に示すように、水分（Ｈ２Ｏ）を除いた酸素（ドライ酸素）雰囲気中において、固定体３に対してキャップ４を電気溶接する。これにより、ドライ酸素が封入されたＣＡＮパッケージ発光装置が完成する。なお、この封止工程において、ＣＡＮパッケージ発光装置内に封入される気体（置換ガス）として、ドライ酸素以外のガス、例えば、Ｎ２（窒素）ガス、Ａｒ（アルゴン）ガス、Ｈｅ（ヘリウム）ガス、Ｎ２およびＯ２からなる混合ガスを用いるようにしてもよい。
【０１２３】
次に、この一実施形態によるＣＡＮパッケージ発光装置内におけるＳｉ有機気体のガス蒸気圧の測定方法について説明する。
【０１２４】
まず、カバーグラスを洗浄し、このカバーグラスに、ＣＡＮパッケージ２内に搭載する部品の接着に用いるものと同様の有機物接着材を塗布する。この際、後述するガスクロマトグラフィー質量分析の測定感度を考慮すると、１ｇ以上の接着剤を塗布することが好ましい。
【０１２５】
次に、カバーガラスに塗布された有機物接着剤を硬化させた後、ガラス瓶に入れ、このガラス瓶を封止する。その後、ガスクロマトグラフィー質量分析直前に、例えばニードルを用いて、ガラス瓶内のガスを採取する。この際、この採取ガスの体積Ｖ１を測定する。
【０１２６】
次に、ガスクロマトグラフィー質量分析（河東田 隆著“半導体評価技術”産業図書 参照）により、採取ガス成分の分子量Ｍ１および検出分子数Ｎ１を算出する。この分析結果から、体積Ｖ１中には、分子量Ｍ１を有する分子が、Ｎ１個存在することが分かる。
【０１２７】
次に、体積Ｖ１、分子量Ｍ１、分子個数Ｎ１を用いて、以下の式より、採取ガスの換算蒸気圧Ｐを算出する。
Ｐ＝Ｎ１／Ｖ１×ＫＢＴ （２１）
【０１２８】
一方、採取ガスの換算質量は、
採取ガスの換算質量＝Ｎ１×Ｍ１／（アボガドロ数） （２２）
により算出することができる。
【０１２９】
換算質量／ｍ１がおよそ見積もられる接着剤に含まれる分子量Ｍ１分子の質量濃度比である。さらに精度を上げるためには、使用する接着剤を作製する段階で、添加Ｓｉ有機化合物の点から重量比Ｒ１を明らかにしておくとよい。その後、上述と同じ手準でＧＣ−ＭＳ分析を行なう。これにより、接着剤質量ｍ１において、分子量Ｍ１の分子は質量は
Ｒ１×ｍ１
となる。
【０１３０】
検出した分子がＮ１個であることから検出比ＲＧＭが得られる。この検出比では、採取した気体分子数のうちどれだけの比率が検出されるかというものである。この検出比がわかれば、採取気体分子数が正確となり、そこから導かれる換算蒸気圧および換算重量比も正確になる。
【０１３１】
一方、蒸気圧は、封止直後は低いが、徐々に増えていきある値で飽和する。すなわち熱平衡状態である飽和蒸気圧に達する。飽和蒸気圧は温度によってのみかわるものであり、蒸気が存在する容器の体積に依存するものではない。
【０１３２】
したがって、この様にしてＧＣ−ＭＳから得られた飽和蒸気圧が、実際のデバイス中でのガス濃度に相当する。
【０１３３】
一方、実際のデバイスでは、封止後、十分時間が経過した後、封止部品を解体し、試料ビンに複数個投入し、速やかにビンを封止する。このとき、接着材料として１ｇ以上に相当するデバイス数を投入することが好ましい。その後、上述と同様にＧＣ−ＭＳを行なうことで同様に蒸気圧を得ることができる。
【０１３４】
この発明の一実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
ＣＡＮパッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧を５．４×１０２Ｎ／ｍ２以下に制限するため、出力３ｍＷ、波長３９５ｎｍ程度のレーザ光を出射するＣＡＮパッケージ発光装置において、保証時間１００時間以内において、ＣＡＮパッケージ発光装置の特性劣化を招くような厚さの堆積物が発光素子の発光部に形成されることを防止することができる。したがって、保証時間１００時間以内において、駆動電流の変動、光出力の変動、ビームプロファイルの変化、および光軸のずれを防止することができる。
【０１３５】
また、ＣＡＮパッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧を８．０２×１０−１Ｎ／ｍ２以下に制限するため、出力３０ｍＷ、波長３９５ｎｍ程度のレーザ光を出射するＣＡＮパッケージ発光装置において、保証時間１０００時間以内において、ＣＡＮパッケージ発光装置の特性劣化を招くような厚さの堆積物が発光素子の発光部に形成されることを防止することができる。したがって、保証時間１０００時間以内において、駆動電流の変動、光出力の変動、ビームプロファイルの変化、および光軸のずれを防止することができる。
【０１３６】
また、ＣＡＮパッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧を１．２×１０−２Ｎ／ｍ２以下に規定するため、出力３００ｍＷ以下、波長３９５ｎｍ程度のレーザ光を出射するＣＡＮパッケージ発光装置において、ＣＡＮパッケージ発光装置の特性劣化を招くような厚さの堆積物が発光素子の発光部に形成されることを防止することができる。したがって、保証時間１０００時間以内において、駆動電流の変動、光出力の変動、ビームプロファイルの変化、および光軸のずれを防止することができる。
【０１３７】
また、ＣＡＮパッケージ発光装置の安定した動作を実現することができる。また、例えば４０５ｎｍなどの短波長の半導体レーザをＣＡＮパッケージ内に収納した場合にも、ＣＡＮパッケージ発光装置の特性劣化を防止することができるため、光ディスクの高密度化を達成することができる。また、例えば３０ｍＷまたは３００ｍＷなどの半導体レーザをＣＡＮパッケージ内に収納した場合にも、ＣＡＮパッケージ発光装置の特性劣化を防止することができるため、光ディスクの高密度化を達成することができる。
【０１３８】
また、有機物接着剤または有機物樹脂から発生したＳｉ有機化合物ガスが光路となっている部材に付着し、透過率の低下（一定電流では光強度が低下することになるため、一種の透過率低下として捕らえることができる）、ファーフィールドパターンの劣化、光軸のズレなどを防止することができる。
【０１３９】
以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【０１４０】
例えば、上述の一実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。
【０１４１】
また、上述した一実施形態では、半導体レーザのみがパッケージに収納されたパッケージ発光装置に、この発明を適用した例について説明したが、この発明は、集積光学素子がパッケージに収納されたパッケージ発光装置にも適用可能であることが言うまでもない。
【０１４２】
また、上述した一実施形態では、ＣＡＮパッケージ発光装置に対して、この発明を適用する例について示したが、プラスチックモールドパッケージを使用した光学装置に対して、あるいは、接着剤を使用する光学装置に対して、この発明を適用可能であることは言うまでもない。
【０１４３】
上述した一実施形態において、シランまたはシロキサンが含有された接着剤およびプラスチックモールドなどを用いるようにしてもよい。
【０１４４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、特性劣化を招くような厚さの堆積物が発光素子の発光部に形成されることを防止することができ、これにより、駆動電流の周期的変化およびビーム形状の劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】試験例によるＣＡＮパッケージ発光装置の構成を示す略線図である。
【図２】ＣＡＮパッケージ発光装置の駆動電流変動試験の結果を示すグラフである。
【図３】半導体レーザを微分干渉顕微鏡により観測した結果を示す略線図である。
【図４】半導体レーザの端面のＴＥＭ像である。
【図５】ＥＤＸ機能を利用した成分分析結果を示すグラフである。
【図６】半導体レーザのファーフィールドパターンを示すグラフである。
【図７】電流値の変動を示すシミュレーション結果を示すグラフである。
【図８】電界放射型オージェ電子分光法による測定結果を示すスペクトルである。
【図９】半導体レーザのＳＥＭ像である。
【図１０】多光子反応モデルを説明するための略線図である。
【図１１】光強度分布と堆積厚分布との相関関係を示すグラフである。
【図１２】光強度分布と堆積厚分布との関係を示すグラフである。
【図１３】この発明の一実施形態によるＣＡＮパッケージ発光装置の構成の一例を示す略線図である。
【図１４】この発明の一実施形態によるＣＡＮパッケージ発光装置の製造方法の一例を示す略線図である。
【図１５】この発明の一実施形態によるＣＡＮパッケージ発光装置の製造方法の一例を示す略線図である。
【図１６】この発明の一実施形態によるＣＡＮパッケージ発光装置の製造方法の一例を示す略線図である。
【図１７】従来のＣＡＮパッケージ発光装置の構成を示す略線図である。
【図１８】従来のフラットパッケージ発光装置の構成を示す略線図である。
【図１９】半導体レーザの構成を示す略線図である。
【符号の説明】
１・・・半導体レーザ、２・・・ＣＡＮパッケージ、３・・・固定体、４・・・キャップ、５・・・ヒートシンク、６・・・サブマウント、７ａ，７ｂ，７ｃ・・・リードピン、８・・・ワイヤ、９・・・光取り出し部、１０・・・封止ガラス、１１・・・接着剤
【発明の属する技術分野】
この発明は、発光素子をパッケージ内に収納した構成を有する発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）、ＭＤ（Ｍｉｎｉ Ｄｉｓｃ）などの光ディスクは広く普及している。これらの光ディスクに情報を記録／再生するための光ディスクシステムには、いわゆる光学ピックアップが搭載されている。
【０００３】
光学ピックアップは、ディスクリートタイプと、ハイブリッドタイプとに分類することができる。ディスクリートタイプでは、対物レンズ、ビームスプリッタ、コリメータレンズ、シリンドリカルレンズ、半導体レーザおよびＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）が備えられている。これに対して、ハイブリッドタイプでは、対物レンズ、および対物レンズ以外の要素を一体化した集積光学素子が備えられている。
【０００４】
また、ディスクリートタイプでは、半導体レーザが、ＣＡＮパッケージと称するパッケージに実装されているのに対して、ハイブリッドタイプでは、集積光学素子が、フラットパッケージと称するパッケージに実装されている。なお、以下では、半導体レーザを実装したＣＡＮパッケージを、ＣＡＮパッケージ発光装置と称し、集積光学素子を実装したフラットパッケージを、フラットパッケージ発光装置と称する。
【０００５】
図１７に、ＣＡＮパッケージ発光装置の構成を示す。図１７に示すように、ＣＡＮパッケージ１０２内には、サブマウント１０６上に接着された半導体レーザ１０１、およびモニタＰＤ（図示省略）が収納されている。半導体レーザ１０１とサブマウント１０６との接着には、Ｓｎ、ＳｎＰｂ、ＡｕＳｎ、Ｉｎ等の半田が用いられる。ここでは、サブマウント１０６上に半導体レーザ１０１が接着された構造をＬＯＳと称する。サブマウント１０６とヒートシンク１０５との接着には、Ａｇペーストが用いられる。また、モニタＰＤとパッケージ１０２との接着には、Ａｇペーストが用いられる。なお、このＡｇペーストは、Ａｇ紛を含有した有機物接着剤と捕らえることができる。
【０００６】
図１８に、フラットパッケージ発光装置の構成を示す。図１８に示すように、フラットパッケージ１１２内には、半導体レーザ１１１が接着されたサブマウント１１５、ミラープリズム１１６およびＰＤＩＣ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）１１７が収納されている。半導体レーザ１１１とサブマウント１１５との接着には、一般にはＳｎ、ＳｎＰｂ、ＡｕＳｎ、Ｉｎ等の半田が用いられる。ここでは、半導体レーザ１１１とサブマウント１１５とが接着されたＬＯＳ構造を有している。
【０００７】
サブマウント１１５と収納部１１３との接着には、Ａｇペーストが用いられる。ＰＤＩＣ１１７と収納部１１３との接着には、Ａｇペーストが用いられる。上述したように、ＡｇペーストはＡｇ紛を含有した有機物接着剤として捕らえることができる。また、ミラープリズム１１６と収納部１１３との接着には、紫外線硬化（ＵＶ硬化）、熱硬化あるいは紫外線と熱の併用をする、エポキシ系などの有機物接着剤が用いられる。また、収納部１１３に対して封止ガラス１１４を接着するための接着剤としては、一般的には、エポキシ系などの有機物接着剤が用いられている。
【０００８】
上述したように、ＣＡＮパッケージ発光装置およびフラットパッケージ発光装置においては、パッケージと部品の接着には、有機物接着剤が用いられる。この有機系接着剤は、ベースポリマーによって、変成アクリレート系、エポキシ系およびシリコーン系などに分類することができる。また、硬化反応形態によって、紫外線（ＵＶ）を照射することで硬化反応が開始する紫外線硬化タイプ、熱を加えることで硬化反応が開始する熱硬化タイプ、および酸素と反応することで硬化反応が開始するタイプなどに分類することができる。このような硬化反応を決めるために、有機物接着剤には、いわゆる硬化剤が添加されている。
【０００９】
上述したように、接着剤は、ベースポリマーおよび硬化反応形態により大分類されるが、同一分類においても、物理的性質、化学的性質が異なることが一般的であり、このような性質をコントロールするために様々な物質が化合物として添加されている。
【００１０】
例えば、反応を補助する、いわゆる触媒が添加されている。さらに、硬化前の粘度、硬化後の硬度、界面での化学結合状態等、さまざまな性質をコントロールするための物質が接着剤には添加されている。
【００１１】
また、熱伝導性、電気伝導性の観点からＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ等の金属微粒子が加えられているものもある。これらは、Ａｇペースト、Ａｕペースト、Ｃｕペーストとして広く知られている。この場合にも、その粘度、硬度、誘電率等の物性をコントロールするためにさまざまな物質が添加されている。
【００１２】
接着剤は、接合部品（非着体）個々の性質、及び、その組み合わせ後の目的特性、その集合からなる素子全体の仕様環境などに応じて、専用に合わせこみされている。この合わせこみ方法自体が接着剤製造メーカおよび開発メーカのノウハウとされており、一般的に、ユーザにはすべての含有成分が公開されてはいない。
【００１３】
以下、接着剤がもたらす半導体レーザの特性劣化について説明する。従来、接着剤がもたらす半導体レーザの特性劣化としては、（１）熱拡散による特性劣化、（２）揮発ガスによる特性劣化、が知られている。
【００１４】
（１）熱拡散による特性劣化
金属を含有した接着剤と半導体レーザとが接触する構成にある場合には、接着剤に含有された金属が半導体中に拡散することにより、半導体レーザの特性が劣化することが知られている。
【００１５】
例えば、パッケージと半導体レーザとを、Ｎａが含有された接着剤により、接着した場合には、以下のようにして特性が劣化することが知られている。まず、Ｎａが熱エネルギーを受け、半導体レーザ内に拡散する。そして、この拡散が進行すると、いわゆるレーザの活性層近傍に達し、発光効率の低下（吸収体として作用する）をもたらす。あるいは、ｐ／ｎ接合界面を破壊し、波長の変化、発光効率の低下をもたらす。
【００１６】
また、接着剤に含有される金属がＺｎであっても、Ｐｄであっても半導体レーザの特性劣化は起こり得ることが知られている。例えば、Ｚｎが含有された接着材により生じる特性劣化は、ＧａＩｎＰ系材料からなる６５０ｎｍ帯半導体レーザでは良く知られた現象であって、自然超格子の破壊による長波長化（積極的に利用する場合もある）、あるいは発光効率の低下、最終的には駆動電流の上昇といった特性劣化が生じる。
【００１７】
このため、接着剤として半田材を用い、さらに接着剤と半導体レーザとの間に拡散防止材層とを設けることが提案されている。なお、半導体と直接接しない場合には、Ａｇペーストを用いることが多く、この場合には、半導体内部への拡散現象が起こることはない。半田材料としては、Ｓｎ、ＳｎＰｂ、Ｉｎ、ＡｇＳｎあるいはＡｕＳｎといった金属が用いられる。これら半田材料としては純度が高い材料が用いられ、特に、半導体レーザに欠陥（特に、貫通転位）が存在しない場合には、拡散定数の小さい材料が用いられる。さらには、半導体接合面には、半田の拡散を抑制する材料が用いられることが多く、例えばＰｔがよく用いられている（例えば、７８０ｎｍ帯ｐ側電極、６５０ｎｍ帯ｐ側電極）。このような構造にすることにより、金属元素が、半導体内部へ拡散し、半導体レーザの動作特性が劣化することを防止することができる。
【００１８】
図１９に、拡散防止層を備えた半導体レーザを示す。図１９に示すように、サブマウント１２１上に、半田からなる接着層１２２、半田との相互拡散を起こすＡｕ層１２３、半田の拡散を防止する拡散防止層１２４、半導体レーザ１２６と金属との接着をするＴｉ層１２５を順次積層し、Ｔｉ層１２５上に半導体レーザ１２６を接着した構造を有する。
【００１９】
（２）揮発ガスによる特性劣化
有機物接着剤は、上述したように、多くの化合物を混合して構成されており、その成分中には揮発性が高いものが混合されていることもある。また、硬化条件次第では、ベースポリマー自体の揮発も起こり得る。パッケージの種類によって気密性能の違いはあるものの、一種の密閉空間となっているため、揮発ガスが、パッケージの外壁、あるいは、パッケージ内に搭載した他材料、および、リッドなどに到達し、付着し、特性の劣化をもたらす。特に、図１８に示したフラットパッケージ発光装置においては、特性劣化の原因となる有機物接着剤が広く用いられている。
【００２０】
例えば、図１８に示したフラットパッケージ発光装置では、封止ガラス１１４は光を透過させる機能を有しており、この光透過部にその揮発成分が付着、固化することで透過率の低下、程度がひどくなると、光路、及び、発光強度分布の劣化をもたらす。
【００２１】
例えば、光ディスクシステムに搭載するフラットパッケージ発光装置の場合、波面収差が極めて大きくなり、ディスクの信号再生、及び、ディスクへの信号書き込みが阻害される。
【００２２】
このため、接着剤としては、揮発ガス量の小さい接着剤を用いることが一般的になっている。特性劣化を回避するためには、例えば、アクリル系に比べ揮発量が少ないエポキシ系の接着剤を用いることが好ましく、さらに、同一ベースポリマー種においても、熱硬化タイプに比べ紫外線硬化タイプを用いることが好ましいとされている。
【００２３】
なお、接着剤からの揮発は熱的に起こるのが一般であり、揮発量ｎは、パッケージ内の容積Ｖ、温度Ｔおよび揮発成分固有の飽和蒸気圧Ｐを用いて表すことができる。
すなわち、揮発量ｎは、
ｎ＝ＰＶ／ＲＴ （１）
と表すことができる。他部材への付着については、熱的反応、すなわち、揮発ガスの温度に比べ、被付着材となる部材の温度が低いために揮発ガスが固化すると考えることができる。
【００２４】
また、熱硬化、熱可塑性をとわず、また加工方法によらず、所望の形に成形された有機物樹脂は、集積光学素子を収納するためのリードフレームパッケージに広く用いられている。このパッケージは、成形加工された有機物樹脂と金属部とからなるが、この有機樹脂により、上述の接着剤におけると同様な劣化は、従来、生じないと考えられている。
【００２５】
ところで、近年では、半導体レーザにおいて、さらなる短波長化および高光出力化が要望されている。例えば、次世代の高密度光ディスク（Ｂｌｕ−Ｒａｙディスク）のフォーマットでは、記録／再生に用いられるレーザ光の波長は４０５ｎｍとされている。このような波長のレーザ光を出射する発光源としては、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体レーザを用いることが検討されている。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、本発明者が、４０５ｎｍ帯半導体レーザを収納したパッケージ発光装置を作製し、この発光装置を用いて種々の実験を重ねたところ、駆動電流の変動、光出力の変動、ビームプロファイルの変化、および光軸のずれが生じてしまう、という問題を知見するに至った。
【００２７】
したがって、この発明の目的は、光を出射する発光素子と、少なくとも発光素子を収納するパッケージとを備えた発光装置において、駆動電流の変動、光出力の変動、ビームプロファイルの変化、および光軸のずれを防止することができる発光装置を提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明は、光を出射する発光素子と、少なくとも発光素子を収納するパッケージとを備えた発光装置において、
パッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧が、５．４×１０２Ｎ／ｍ２以下であることを特徴とする発光装置である。
【００２９】
この発明によれば、パッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧が、５．４×１０２Ｎ／ｍ２以下であるため、特性劣化を招くような厚さの堆積物が発光素子の発光部に形成されることを防止することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の内容の理解を容易とするために、従来技術が有する上述の課題を解決すべく、本発明者が行った検討内容について説明する。
【００３１】
まず、ＣＡＮパッケージ内に有機物接着材を有するサンプル１と、ＣＡＮパッケージ内に有機物接着材を有していないサンプル２とを作製した。図１に、サンプル１の構成を示す。このサンプル１は、図１に示すように、サブマウント１０６に接着された半導体レーザ１０１と、サブマウント１０６に接着された半導体レーザ１０１を収納するためのＣＡＮパッケージ１０２とからなる。ここで、半導体レーザ１０１は、４０５ｎｍ帯ＧａＮ系半導体レーザである。
【００３２】
このサンプル１は、以下のようにして製造されたものである。まず、半導体レーザ１０１とサブマウント１０６とをＳｎ半田により接着した。次に、サブマウント１０６と、固定体１０３に備えられたヒートシンク１０５とをＳｎ半田により接着した。そして、Ａｕワイヤ１０８を電極取り出しのために接続した。
【００３３】
次に、図１に示すように、ＧａＮ半導体レーザと直接には接しない位置で、且つ、レーザ光が直接照射されない位置に、有機物接着剤（紫外線硬化エポキシ系接着剤）１２１を塗布し、硬化させた。次に、ドライエア中において、キャップ１０４と固定体１０３とを電気溶接により接着した。なお、金属からなるキャップ１０４と封止ガラス１１０とを予め低融点ガラスにより接着した。
【００３４】
上述のようにして、各部の接着には有機物接着材を用いることなく、サンプル１を製造した。すなわち、サンプル１は、有機物接着材１２１以外には、有機物接着剤がＣＡＮパッケージ２内に存在しない構成とした。
【００３５】
また、サンプル２は、有機物系接着剤を塗布する工程を省略した以外、上述のサンプル２と同様にして、作製したものである。すなわち、サンプル２は、有機物接着剤がＣＡＮパッケージ２内に存在しない構成とした。
【００３６】
次に、上述のようにして作製されたサンプル１および２を用いて、一定温度６０℃、一定光出力３０ｍＷの条件で駆動電流変動試験（ＡＰＣエージング）を行った。
【００３７】
図２Ａに、サンプル１の駆動電流変動試験の結果を示す。図２Ｂに、サンプル２の駆動電流変動試験の結果を示す。図２Ａおよび２Ｂにおいて、横軸、縦軸は、それぞれ、駆動時間、駆動電流を示す。
【００３８】
図２Ａおよび２Ｂから、サンプル２では、時間経過に伴って駆動電流が変動せず、一定であるのに対して、サンプル１では、時間経過に伴って、駆動電流が周期的に変動することが分かる。したがって、この駆動電流の周期的変動は、パッケージ内に塗布された紫外線硬化エポキシ系接着剤が関与する現象であることが分かる。なお、このような駆動電流の変動は、例えば光ディスクシステムのように所望の光出力となるように半導体レーザを駆動させるシステムにおいては、重大な問題となる。
【００３９】
次に、駆動電流試験が終了したサンプル１および２のそれぞれについて、半導体レーザの端面を微分干渉顕微鏡により観察した。
【００４０】
図３Ａに、サンプル１に備えられた半導体レーザを微分干渉顕微鏡により観測した結果を示す。図３Ｂに、サンプル２に備えられた半導体レーザを微分干渉顕微鏡により観測した結果を示す。図３Ａおよび図３Ｂから、駆動電流が一定であったサンプル２の半導体レーザの端面には、堆積物が形成されていないのに対して、駆動電流が周期的に変動したサンプル１の半導体レーザの端面には、堆積物が形成されていることが分かる。また、堆積物が発光部にのみ形成されていることから、堆積物の形成はレーザ光が関与した現象であることが分かる。
【００４１】
また、サンプル１と同様の構成を有するサンプルを作製し、半導体レーザに電力供給を行わず、６０℃の環境に保存した後に、半導体レーザの端面を微分干渉顕微鏡により観察した。この観察では、上述のような付着物は観察できなかった。このことからも、堆積物の形成は、レーザ光が関与した現象であることが分かる。
【００４２】
次に、駆動電流試験が終了したサンプル１について、半導体レーザの端面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により観察した。
【００４３】
図４に、サンプル１に備えられた半導体レーザの端面のＴＥＭ像を示す。図４より、堆積物は半導体レーザの端面に一様に形成されているわけではなく、ニアフィールドパターン（ＮＦＰ：Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ）、すなわち、光出射端面近傍での光強度分布に応じて形成されていることが分かる。
【００４４】
次に、エネルギー分散Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−Ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により、成分分析を行った。
【００４５】
図５に、エネルギー分散Ｘ線分光法による成分分析結果を示す。この成分分析結果より、半導体レーザの端面に形成された堆積物は、ＳｉおよびＯからなることが分かる。
【００４６】
次に、サンプル１およびサンプル２におけるファーフィールドパターン（ＦＦＰ：Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ）を測定した。
【００４７】
図６Ａは、サンプル１に備えられた半導体レーザのファーフィールドパターンを示す。図６Ｂは、サンプル２に備えられた半導体レーザのファーフィールドパターンを示す。なお、図６Ａおよび６Ｂに示したファーフィールドパターンは、ピーク値に基づき正規化されている。図６Ａおよび６Ｂから、サンプル２では、ファーフィールドパターンは単峰であるのに対し、サンプル１では、ファーフィールドパターンは単峰でないことが分かる。この場合、例えば光ディスクのようにレーザ光を回折限界まで集光させるシステムでは、レーザ光を集光できなくなり、重大な不具合が生じる。
【００４８】
上述の検討により、接着剤が４０５ｎｍ帯ＧａＮ系半導体レーザと直接接触しない位置にある場合でも、一定温度６０℃、一定光出力３０ｍＷの条件において半導体レーザを駆動すると、１００時間程度までに、レーザ端面に堆積物が形成されることが分かった。
【００４９】
次に、半導体レーザの駆動電流に関するシミュレーションを行った。なお、このシミュレーションは、屈折率が１ではなく、且つ、吸収を有する物質が半導体レーザ端面に堆積されている状態において、光出力３０ｍＷの条件にて半導体レーザを駆動した場合のものである。また、屈折率を、複素屈折率とし、吸光係数をパラメータとした。
【００５０】
図７に、駆動電流値に関するシミュレーション結果を示す。図７と図２Ａとを比較すると、実験による駆動電流の変化と、シミュレーションによる駆動電流の変化とがほぼ一致する。したがって、半導体レーザの端面に屈折率（１ではない）と吸収をもった物質が付着すると、その膜厚に応じて周期的に駆動電流値が変動することがわかる。すなわち、半導体レーザを駆動中、端面にＳｉとＯを含む物質が逐次堆積していると考えることができる。
【００５１】
次に、電界放射型オージェ電子分光法（ＦＥ−ＡＥＳ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ−Ａｕｇｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により、半導体レーザの端面の堆積物の構成元素を調べた。
【００５２】
図８に、電界放射型オージェ電子分光法による測定結果を示す。図９に、スペクトルの測定位置を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）の像を示す。堆積物と堆積物のない位置でのスペクトルを比べることで同定を行なった。堆積物がある位置は、レーザストライプ位置にあたる活性層部、すなわち発光部であり、この位置において、ＳｉとＯとが検出された。また、下地となっている部分のＡｌが検出されていないことから、Ｓｉ、Ｏとも下地の上に形成されたもの、すなわち、堆積物で有ることが分かった。一方、発光部から離れた堆積物が存在しない位置では、下地であるアルミナの構成元素、ＡｌとＯが検出された。また、Ｓｉも検出された。ところが、堆積部と非堆積部でのシリコンからのスペクトルが異なっていた。堆積部では、ブロードであり、ピーク位置、形状がずれていた。これは、シリコンが化合物であることを証明する、いわゆるケミカルシフトを反映したスペクトルである。非堆積部では、ナローであること、ピーク位置から、金属的であることが分かった。すなわち、分解後、拡散したＳｉと考えられる。電界放射型オージェ電子分光法の検出感度は数原子層である（〜３ｎｍ）ことから、ＳＥＭ、更にはＴＥＭであっても、その像が観察できないことは不思議ではない。
【００５３】
さらに、上述した紫外線硬化エポキシ系接着剤以外の有機化合物を、ＣＡＮパッケージ内に塗布した複数のサンプルを作製した。そして、これらのサンプルに対して、駆動電流変動試験および堆積物の構成元素分析を行った。表１に、ＣＡＮパッケージ内に塗布された有機化合物のベースポリマーの種類および硬化形態と、駆動電流変動試験の結果と、成分分析の結果とを示す。なお、表１において、駆動電流が周期的変動を示したサンプルを「●」により示した。
【００５４】
【表１】
表１より、すべてのサンプルが、堆積物に起因する周期的変動を示すことが分かる。また、ＳｉとＯとを堆積物の主成分としていることが分かる。
【００５６】
次に、本発明者は、有機物接着剤からの揮発ガス成分分析を、ガスクロマトグラフィ質量分析法（ＧＣ−ＭＳ：Ｇａｓｓ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ−Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）と、飛行時間型２次イオン質量分析法（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ：Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ−Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）とにより行った。この分析により、揮発ガスには、シロキサン、シラン等のＳｉ有機化合物が含まれていることが分かった。
【００５７】
上述のサンプルに用いた有機物接着剤は、いずれも従来の７８０帯および６５０帯半導体レーザを搭載したＣＡＮパッケージ発光装置などに用いられているものである。しかしながら、従来の半導体レーザでは、上述した堆積物の形成に起因する劣化は問題とされていない。
【００５８】
以上の検討により、ＣＡＮパッケージ内に４０５ｎｍ帯ＧａＮ半導体レーザを収納し、この半導体レーザを駆動すると、
（１）発光部に形成された堆積物に起因する劣化現象が見られること、
（２）反応物質は、Ｓｉ有機化合物ガスであること、
（３）反応エネルギー源は光で有ること、
（４）堆積物はＳｉとＯを主成分とすること、
が分かった。このような光誘起反応は、従来の７９０ｎｍ帯ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザおよび６５０ｎｍ帯ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザなどには見られない現象である。
【００５９】
次に、接着剤に換えて、成形済み樹脂を同様の位置に配置して、同様の試験および測定などを行った。その結果、半導体レーザの端面に堆積物が形成され、同様の劣化を示すことが分かった。有機物接着剤と成形加工済み樹脂とは、その用途および形態の観点からすると異なるものであるが、材料の観点からすると同様のものであり、いずれも同種の有機物の高分子から構成されている。このような材料の観点からすると、有機物接着剤に起因する劣化も、成形加工済み樹脂に起因する劣化も同様のメカニズムに起因するものであると考えることができる。
【００６０】
ところで、この光誘起反応が起こるためには、Ｓｉ有機化合物ガスの分子が、光の吸収を伴って分解することが必要となる。ところが、波長４０５ｎｍの光子が有するエネルギーは約３．０ｅＶであり、このエネルギー値は、Ｓｉ有機化合物ガスの分子を分解するエネルギーとしては不十分である。
【００６１】
そこで、本発明者は、多光子反応モデルを仮定した。このモデルから導出される堆積厚と、実際にＴＥＭ像から得られる堆積厚との比較から、この仮定モデルの妥当性を検証する。以下、多光子反応モデルについて説明する。
【００６２】
図１０は、多光子反応モデルを説明するための図である。なお、図１０では、便宜上、２つの光子吸収による反応が示されている。Ｓｉ有機化合物ガスの分子が、波長λの光子を複数吸収すると、例えば、分子中の電子系のエネルギーがエネルギーＥ１からエネルギーＥ２の準位に励起する。
【００６３】
光誘起反応およびＳｉ誘起化合物ガスの反応を考慮すると、単位時間あたり堆積元素数は
堆積元素数＝Ａ×（光子数）ｎ×（気体分子数） （２）
Ａ：係数
ｎ：定数
で表すことができる。ここで、定数ｎは、この反応にいくつの光子が関与しているかを示すものである。
【００６４】
半導体レーザの端面における堆積物形成には、Ｓｉ有機化合物ガスの分子の結合を断ち切る必要があるが、結合エネルギーの観点からすると、波長４０５ｎｍを有する、１つの光子によって、Ｓｉ有機化合物ガスの分子の結合を断ち切ることは困難である。このようなことが起こる確率は零ではないが、極めて起こり難いと考えられる。それに対し、多光子反応を仮定すると、その光子エネルギーはｎ倍されるため、結合を絶つことは困難ではない。
【００６５】
この多光子反応が、半導体レーザの端面における微小面積素ｄＳで起きているとすると、堆積元素数、光子数および気体分子数は、以下の式により示される。
堆積元素数＝（堆積厚×ｄＳ）×密度 （３）
光子数＝光子密度×光速×ｄＳ （４）
気体分子数＝ｎｏｒｇ×ｖｏｒｇ×ｄＳ （５）
ｎｏｒｇ；Ｓｉ有機化合物ガス密度
ｖｏｒｇ；Ｓｉ有機物化合物ガス平均速度
これらの式（３）〜（５）を、式（２）へ代入すると、単位時間の堆積厚は、
堆積厚／時間＝Ａ′×［光子密度×光速×ｄＳ］ｎ×（ｎｏｒｇ×ｖｏｒｇ） （６）
で与えられる。
【００６６】
また、光子密度は、
光子密度＝Ｐｏ／（ｃ・Ｓ）／（ｈ・ｃ／λ） （７）
Ｐｏ；半導体レーザ出力
ｃ；光速
Ｓ；発光面積
ｈ；コンプトン定数
λ；波長
と表せる。
【００６７】
したがって、式（６）は、
【００６８】
また、Ｓｉ有機化合物ガスを近似的に理想気体とみなすと、
Ｐｏｒｇ×Ｖ＝Ｎｏｒｇ ｋＢＴ （９）
と書ける。
【００６９】
さらに、弾性衝突モデルから
Ｐｏｒｇ＝Ｎｏｒｇ×（ｍ×ｖｏｒｇ２）／（３Ｖ） （１０）
Ｖ；体積
Ｎｏｒｇ；気体分子数
ｎｏｒｇ＝Ｎｏｒｇ／Ｖ
ｋＢ；ボルツマン定数
と書ける。
【００７０】
よって、式（８）は、
Ｐｏｒｇ；気体圧力
と表せる。
【００７１】
次に、本試験で観察した半導体レーザの端面に形成された堆積物の厚さと、上記理論式とからｎの値を導く。堆積物の厚さ、およびレーザ出力Ｐｏは、位置により変化する。したがって、以下では、堆積物の厚さ、およびレーザ出力Ｐ０を、変数ｙを用いて表す。ここで、半導体レーザの積層物の堆積方向、所謂、横モードの垂直方向をｙ方向とする。ここでは、ｙ方向の原点は、量子井戸活性層の中点とする。なお、この原点の位置の設定は、これまでの検討、および、以後の検討に影響を与えるものではない。
【００７２】
上述のように座標を設定すると、
堆積厚→堆積厚（ｙ） （１２）
Ｐｏ→Ｐｏ（ｙ） （１３）
と書ける。
【００７３】
さらに、Ｐｏ（ｙ）を半導体レーザのピーク強度、Ｐｍａｘで規格化すると、
Ｐｏ（ｙ）＝Ｐｍａｘ・Ｐｒｅｎｏｒｍ（ｙ） （１４）
と書ける。
【００７４】
したがって、式（１１）は、
【００７５】
Ｐｒｅｎｏｒｍ（ｙ）の導出は、等価屈折率法を用いたＬＤ導波路シミュレータにより、ＬＤ導波路端面位置での光場を求め、さらに導波構造が存在しない端面コート内での回折効果を取り入れることにより行った。なお、回折としてはフレネル回折を仮定した。また、このＬＤ導波路シミュレーションの結果をフラウンフォーファー回折で変換すると、レーザ特性の一つであるファーフィールドパターンを計算することができる。計算で得られた半値全幅は２０．６°であったのに対して、実測値は２０．１°であった。これにより、導波路内の光強度分布の正確度を確認することができる。
【００７６】
次に、光の強度と、半導体レーザの端面に形成される堆積物との相関性を明らかにすべく、半導体レーザの端面に形成された堆積物の厚さを測定し、この堆積物の厚さと、光強度（規格化光強度）との関係を調べた。図１１に、位置に対する光強度と堆積物の厚さとの関係を示す。図１２に、光強度と堆積物の厚さとの関係を示す。
【００７７】
図１２に示すように、光強度と堆積厚との関係は、直線ｙ＝１．８２７７ｘ＋１．７４８４により表すことができる。ここで、ｙ＝ｌｏｇ（堆積厚）、ｘ＝ｌｏｇ（光強度）である。この直線ｙの傾きの値は、１．８２７７であり、この値より、堆積物の生成は、ほぼ２個のフォトンが関与している現象であることが分かる。
【００７８】
図１２から、ｎおよびＡ′の値として、
ｎ＝１．８２７７ （１６）
Ａ′＝７．９１××１０−６０ （１７）
を得ることができる。
【００７９】
表２および３に、各パラメータの値および図１２示した直線の切片などを示す。なお、気体圧力Ｐｏｒｇは、ＴＯＦ−ＳＩＭＳ、ＧＣ−ＭＳから得られた値である。
【表２】
この結果より、多光子反応過程、ここでは、２光子反応過程であることを確かめることができる。なお、ｎは、理論的に整数値であるが、測定精度、及び、他成分反応の結果から、実際に観測できる量としては整数にならないのが一般であることは言うまでもない。
【００８１】
以上の検討より以下のことが明らかになった。
（１）４０５ｎｍ帯半導体レーザの駆動中に端面に堆積物生成がおこる。
（２）反応は、Ｓｉ有機化合物ガスが存在した場合におこる。
（３）他材料系レーザ、言い換えると、他の波長の半導体レーザでは知られていない劣化機構である。
（３）劣化は、４０５ｎｍ帯の光に誘起される、Ｓｉ有機化合物の分解を伴う反応である。
（４）光反応は２光子吸収過程が支配的で、このエネルギーでＳｉ有機化合物の分解が生ずる。
【００８２】
上述のように、半導体レーザの劣化現象のメカニズムを解明することができた。上述のように解明された多光子反応に起因する特性劣化は、従来実用化されている半導体レーザでは問題とされなかった。これは、反応確率Ａ′が小さいためと考えられる。しかしながら、近年では、半導体レーザのハイパワー化が進められており、このような半導体レーザでは、上述の多光子反応による劣化現象が問題となる。したがって、この発明は、４０５ｎｍの以外の波長を有するレーザ光を出射する半導体にも適用可能であることは言うまでもない。
【００８３】
上述した劣化を抑制するためには、パッケージ内におけるＳｉ誘起化合物ガスの量を所定値以下に制限することが必要となる。式（１５）において、時間を動作保証時間とし、許容される堆積部の厚さを波長の１／４とし、半導体レーザの出力を端面での平均光出力とし、反応面積ｄＳを発光面積とすると、式（１５）は、
λ／（４ｘ屈折率）／（動作保証時間）＞
Ａ′ｘ［（光出力・λ）／（ｈｃ）］ｎｘ（Ｓｉ有機化合物ガス圧力）・（３／ｍｋＢＴ）０．５ （１８）と表すことができる。本発明は、この式（１８）に基づき、Ｓｉ有機化合物ガスの蒸気圧を制限し、堆積物の形成に起因する半導体レーザの特性劣化を抑制するものである。
【００８４】
この発明は以上の検討に基づいて案出されたものである。以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１２に、この発明の一実施形態によるＣＡＮパッケージ発光装置の構成の一例について示す。
【００８５】
図１３に示すように、この一実施形態によるＣＡＮパッケージ発光装置は、サブマウント６上に接着された半導体レーザ１と、サブマウント６上に接着された半導体レーザ１を収納するためのＣＡＮパッケージ２とからなる。このＣＡＮパッケージ２は、半導体レーザ１を所定位置に固定するための固定体３と、固定体３に固定された半導体レーザ１を覆うキャップ４とからなる。
【００８６】
固定体３は、円盤状の形状を有し、例えばＦｅまたはＣｕなどの金属からなる。この固定体３の一主面には、ヒートシンク５が備えられている。このヒートシンク５は、例えばＦｅまたはＣｕなどの導電性を有する材料からなり、表面には、例えばＡｕコートが施されている。そして、ヒートシンク５上には、サブマウント６が接着されている。このサブマウント６は、例えばＳｉまたはＡｌＮからなる。さらに、サブマウント６上に、半導体レーザ１が接着されている。半導体レーザ１は、ＩＩＩ族窒化物半導体レーザ、例えばＧａＮ／ＧａＩｎＮ系半導体レーザであり、例えば波長３９５ｎｍ〜４１５ｎｍ、具体的には例えば４０５ｎｍのレーザ光を出射可能に構成されている。
【００８７】
また、この固定体３には、この固定体３を貫通するように３本のリードピン７ａ、７ｂおよび７ｃが備えられている。リードピン７ａは、ヒートシンク５と電気的に接続されている。リードピン７ｂは、ワイヤ８によりサブマウント６と接続される。ここで、ワイヤ８は、例えばＡｕなどの導電性材料からなる。また、リードピン７ｂおよび７ｃと固定体３との間には、低融点ガラスからなるスペーサが設けられている。これにより、リードピント７ｂおよび７ｃと固定体３とが絶縁されるとともに、ＣＡＮパッケージ２内に大気が入り込むことを防止することができる。これらのリードピン７ａ、７ｂおよび７ｃは、例えばＦｅあるいはＣｕなどの導電性を有する材料からなる。
【００８８】
キャップ４は、一方の開口が塞がれた円筒形状を有し、例えばＦｅなどの金属からなり、表面には、例えばＣｒメッキが施されている。開口側には、上述の固定体３が貼り合わされ、それとは反対側には、半導体レーザ１から出射されたレーザ光を取り出すための光取り出し部９が設けられている。この光取り出し部９は、円形状の形状を有し、透過率の高い溶融石英を母材としたガラスからなる封止ガラス１０により覆われている。なお、この封止ガラス１０には、無反射コートを施すことが好ましい。
【００８９】
ＣＡＮパッケージ２内におけるＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧は、式（１８）に基づき、所定値以下、例えば５．４×１０２Ｎ／ｍ２以下に制限されている。また、次世代の高密度光ディスク（Ｂｌｕ−Ｒａｙディスク）のフォーマットに準拠した標準速記録時のレーザ光出力３０ｍＷ、および動作保証時間１０００時間を考慮した場合には、８．０２×１０−１Ｎ／ｍ２以下に制限することが好ましい。さらに、倍速記録時のレーザ光出力３００ｍＷ、および動作保証時間１０００時間を考慮した場合には、１．２×１０−２Ｎ／ｍ２以下に制限することが好ましい。
【００９０】
以下に、式（１８）を用いて算出されたＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧の上限値を示す。表４に、レーザ光の波長が３９５ｎｍであり、レーザ光の出力が３ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータを示す。表５に、レーザ光の波長が４０５ｎｍ、レーザ光の出力が３ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。表６に、レーザ光の波長が４１５ｎｍであり、レーザ光の出力が３ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。
【００９１】
【表４】
表４、５および６から、レーザ光の波長が３９５ｎｍ以上４１５ｎｍ以下であり、レーザ光の出力が３ｍＷ以下である場合には、パッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧を５．１８×１０２Ｎ／ｍ２以下にすることにより、実用性の観点から少なくとも必要とされる１００時間の動作保証時間内にＣＡＮパッケージ発光装置の特性が劣化することを防止できることが分かる。
【００９３】
表８に、レーザ光の波長が３９５ｎｍであり、レーザ光の出力が３０ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。表８に、レーザ光の波長４０５ｎｍであり、レーザ光の出力が３０ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。表９に、レーザ光の波長が４１５ｎｍであり、レーザ光の出力が３０ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。
【００９４】
【表７】
表７、８および９から、レーザ光の波長が３９５ｎｍ以上４１５ｎｍ以下であり、レーザ光の出力が３０ｍＷ以下である場合には、パッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧を７．７０Ｎ／ｍ２以下にすることにより、実用性の観点から少なくとも必要とされる１００時間の動作保証時間内にＣＡＮパッケージ発光装置の特性が劣化することを防止できることが分かる。
【００９６】
表１０に、レーザ光の波長が３９５ｎｍであり、レーザ光の出力が３００ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に算出に用いたパラメータを示す。表１１に、レーザ光の波長が４０５ｎｍであり、レーザ光の出力３００ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。表１２に、レーザ光の波長が４１５ｎｍであり、レーザの出力が３００ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。
【００９７】
【表１０】
表１０、１１および１２から、レーザ光の波長が３９５ｎｍ以上４１５ｎｍ以下であり、レーザ光の出力が３００ｍＷ以下である場合には、パッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧を１．１４×１０−１Ｎ／ｍ２以下にすることにより、実用性の観点から少なくとも必要とされる１００時間の動作保証時間内にＣＡＮパッケージ発光装置の特性が劣化することを防止できることが分かる。
【００９９】
表１３に、レーザ光の波長が３９５ｎｍであり、レーザ光の出力が３ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。表１４に、レーザ光の波長が４０５ｎｍであり、レーザの出力が３ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。表１５に、レーザの波長が４１５ｎｍであり、レーザ光の出力が３ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。
【０１００】
【表１３】
表１３、１４および１５から、レーザ光の波長が３９５ｎｍ以上４１５ｎｍ以下であり、レーザ光の出力が３ｍＷ以下である場合には、パッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧を５．１８×１０Ｎ／ｍ２以下にすることにより、実用性の観点から好ましくは必要とされる１０００時間の動作保証時間内にＣＡＮパッケージ発光装置の特性が劣化することを防止できることが分かる。
【０１０２】
表１６に、レーザ光の波長が３９５ｎｍであり、レーザ光の出力が３０ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。表１７に、レーザ光の波長が４０５ｎｍであり、レーザ光の出力３０ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。表１８に、レーザ光の波長が４１５ｎｍであり、レーザ光の出力が３０ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。
【０１０３】
【表１６】
表１６、１７および１８から、レーザ光の波長が３９５ｎｍ以上４１５ｎｍ以下であり、レーザ光の出力が３０ｍＷ以下である場合には、パッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧の蒸気圧を７．７０×１０−１Ｎ／ｍ２以下にすることにより、実用性の観点から好ましくは必要とされる１０００時間の動作保証時間内にＣＡＮパッケージ発光装置の特性が劣化することを防止できることが分かる。
【０１０５】
表１９に、レーザ光の波長が３９５ｎｍであり、レーザ光の出力が３００ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。表２０に、レーザ光の波長が４０５ｎｍであり、レーザ光の出力が３００ｍＷである場合における蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラメータとを示す。表２１に、レーザ光の波長が４１５ｎｍであり、レーザ光の出力が３００ｍＷにおける蒸気圧の上限値と、この算出に用いたパラータとを示す。
【０１０６】
【表１９】
表１９、２０および２１から、レーザ光の波長が３９５ｎｍ以上４１５ｎｍ以下であり、レーザ光の出力が３００ｍＷ以下である場合には、パッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧の蒸気圧を１．１４×１０−２Ｎ／ｍ２以下にすることにより、実用性の観点から好ましくは必要とされる１０００時間の動作保証時間内にＣＡＮパッケージ発光装置の特性が劣化することを防止できることが分かる。
【０１０８】
なお、上述の各表において、ｔｃｒは、動作保証時間を示す。１００時間の動作保証時間は、実用性の観点から少なくとも必要とされる値であり、１０００時間の動作時間は、実用性の観点から好ましくは必要とされる値である。また、ｄｃｒは、許容堆積厚（波長／（４×屈折率））を示す。また、温度３３３Ｋは、レーザの保証温度として、一般的に要求される温度に基づくものである。
【０１０９】
次に、この発明の一実施形態によるＣＡＮパッケージ発光装置の製造方法の一例について説明する。この製造方法は、接着剤に含有されるＳｉ有機化合物の量を制限することにより、封止後のＣＡＮパッケージ２内におけるＳｉ有機化合物ガスの圧力を所定値以下に制限することを特徴とするものである。
【０１１０】
まず、有機物接着剤に含有されるＳｉ有機化合物の上限量の算出方法について説明する。ＣＡＮパッケージ２の体積をＶ、ＣＡＮパッケージ２内のＳｉ有機化合物ガス圧の上限値をＰ、ＣＡＮパッケージ２内の温度をＴとすると、パッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの分子数Ｎｏｒｇは、
Ｎｏｒｇ＝ＰＶ／（ｋＢＴ） （１９）
と表される。
【０１１１】
また、ＴＯＦ−ＳＩＭＳを用いた分析結果によると、ＣＡＮパッケージ２内におけるＳｉ有機化合物ガスは、分子量１４７のＣ５Ｈ１５ＯＳｉ２ ＋を主成分としている。したがって、ＣＡＮパッケージ２内のＳｉ有機化合物ガスの全質量Ｍは、
【０１１２】
この式（２０）に、上述した式（１８）により算出された蒸気圧の上限値Ｐと、ＣＡＮパッケージ２の体積Ｖと、半導体レーザの動作保証温度Ｔとを代入すると、ＣＡＮパッケージ内に存在するＳｉ誘起化合物ガスの質量が算出される。この質量を、有機物接着剤に含有されるＳｉ有機化合物の上限量とする。
【０１１３】
ここで、具体的な数値を用いて、有機物接着剤に含有されるＳｉ有機化合物の上限量の算出方法の一例を示す。例えば、蒸気圧の上限値Ｐとして５．４×１０２Ｎ／ｍ２、ＣＡＮパッケージ２の体積Ｖとして２７×１０−９ｍ３、半導体レーザの動作保証温度Ｔとして３３３Ｋを、式（２０）に代入すると、
【０１１４】
したがって、接着剤に含有されるＳｉ有機化合物の量を７．７５×１０−７ｇ以下にすることにより、ＣＡＮパッケージ内におけるＳｉ有機化合物の蒸気圧を５．４×１０２Ｎ／ｍ２以下にすることができる。
【０１１５】
例えば、ＣＡＮパッケージ内に使用される接着剤の量を０．１ｍｇとした場合には、質量比７．８×１０−３以下にすることにより、ＣＡＮパッケージ内におけるＳｉ有機化合物の蒸気圧を５．４×１０２Ｎ／ｍ２以下にすることができる。
【０１１６】
実際には、有機物接着剤に含有されているＳｉ有機化合物は、１００パーセント気化することはないため、上述のＳｉ有機化合物の含有量により、レーザ光出力３ｍＷで、１００時間の使用を保証することができる。
【０１１７】
なお、３０ｍＷ駆動で、１０００時間の使用を保証するためには、Ｓｉ有機化合物ガスの上限値として、０．８０Ｎ／ｍ２を、式（２０）に代入して算出された値を用いることが必要となる。
【０１１８】
以下、図１４、１５および１６を参照しながら、この発明の一実施形態によるＣＡＮパッケージ発光装置の製造方法を説明する。ここでは、一例として、有機物接着剤を、ヒートシンク５とサブマウント６との接着にのみ用いる場合を説明する。
＜チップマウント工程＞
まず、図１４Ａに示すように、サブマウント６上の所定位置に、Ｓｎ半田により、半導体レーザ１を接着する。
【０１１９】
＜ダイボンド工程＞
次に、図１４Ｂに示すように、固定体３に備えられたヒートシンク５の所定位置に、サブマウント６をダイボンドする。この際、接着材１１として、有機物接着剤、例えばＡｇペースト（Ａｇ粉を含有した有機物接着剤）を用いる。
【０１２０】
ここで、Ａｇペーストは、式（２０）により、含有されるＳｉ有機化合物の量が制限されたものである。例えば、蒸気圧の上限値Ｐを５．４×１０２Ｎ／ｍ２、ＣＡＮパッケージ２の体積Ｖを２７×１０−９ｍ３、半導体レーザの動作保証温度を３３３Ｋとした場合には、７．７５×１０−７ｇ以下にＳｉ有機化合物の含有量が制限される。
【０１２１】
＜ペースト硬化工程＞
次に、図１５Ａに示すように、接着剤１１を硬化させる。
＜ワイヤボンド工程＞
次に、図１５Ｂに示すように、Ａｕワイヤ８により、サブマウント６とリードピン７ｂとを接続する。
【０１２２】
＜封止工程＞
次に、図１６に示すように、水分（Ｈ２Ｏ）を除いた酸素（ドライ酸素）雰囲気中において、固定体３に対してキャップ４を電気溶接する。これにより、ドライ酸素が封入されたＣＡＮパッケージ発光装置が完成する。なお、この封止工程において、ＣＡＮパッケージ発光装置内に封入される気体（置換ガス）として、ドライ酸素以外のガス、例えば、Ｎ２（窒素）ガス、Ａｒ（アルゴン）ガス、Ｈｅ（ヘリウム）ガス、Ｎ２およびＯ２からなる混合ガスを用いるようにしてもよい。
【０１２３】
次に、この一実施形態によるＣＡＮパッケージ発光装置内におけるＳｉ有機気体のガス蒸気圧の測定方法について説明する。
【０１２４】
まず、カバーグラスを洗浄し、このカバーグラスに、ＣＡＮパッケージ２内に搭載する部品の接着に用いるものと同様の有機物接着材を塗布する。この際、後述するガスクロマトグラフィー質量分析の測定感度を考慮すると、１ｇ以上の接着剤を塗布することが好ましい。
【０１２５】
次に、カバーガラスに塗布された有機物接着剤を硬化させた後、ガラス瓶に入れ、このガラス瓶を封止する。その後、ガスクロマトグラフィー質量分析直前に、例えばニードルを用いて、ガラス瓶内のガスを採取する。この際、この採取ガスの体積Ｖ１を測定する。
【０１２６】
次に、ガスクロマトグラフィー質量分析（河東田 隆著“半導体評価技術”産業図書 参照）により、採取ガス成分の分子量Ｍ１および検出分子数Ｎ１を算出する。この分析結果から、体積Ｖ１中には、分子量Ｍ１を有する分子が、Ｎ１個存在することが分かる。
【０１２７】
次に、体積Ｖ１、分子量Ｍ１、分子個数Ｎ１を用いて、以下の式より、採取ガスの換算蒸気圧Ｐを算出する。
Ｐ＝Ｎ１／Ｖ１×ＫＢＴ （２１）
【０１２８】
一方、採取ガスの換算質量は、
採取ガスの換算質量＝Ｎ１×Ｍ１／（アボガドロ数） （２２）
により算出することができる。
【０１２９】
換算質量／ｍ１がおよそ見積もられる接着剤に含まれる分子量Ｍ１分子の質量濃度比である。さらに精度を上げるためには、使用する接着剤を作製する段階で、添加Ｓｉ有機化合物の点から重量比Ｒ１を明らかにしておくとよい。その後、上述と同じ手準でＧＣ−ＭＳ分析を行なう。これにより、接着剤質量ｍ１において、分子量Ｍ１の分子は質量は
Ｒ１×ｍ１
となる。
【０１３０】
検出した分子がＮ１個であることから検出比ＲＧＭが得られる。この検出比では、採取した気体分子数のうちどれだけの比率が検出されるかというものである。この検出比がわかれば、採取気体分子数が正確となり、そこから導かれる換算蒸気圧および換算重量比も正確になる。
【０１３１】
一方、蒸気圧は、封止直後は低いが、徐々に増えていきある値で飽和する。すなわち熱平衡状態である飽和蒸気圧に達する。飽和蒸気圧は温度によってのみかわるものであり、蒸気が存在する容器の体積に依存するものではない。
【０１３２】
したがって、この様にしてＧＣ−ＭＳから得られた飽和蒸気圧が、実際のデバイス中でのガス濃度に相当する。
【０１３３】
一方、実際のデバイスでは、封止後、十分時間が経過した後、封止部品を解体し、試料ビンに複数個投入し、速やかにビンを封止する。このとき、接着材料として１ｇ以上に相当するデバイス数を投入することが好ましい。その後、上述と同様にＧＣ−ＭＳを行なうことで同様に蒸気圧を得ることができる。
【０１３４】
この発明の一実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
ＣＡＮパッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧を５．４×１０２Ｎ／ｍ２以下に制限するため、出力３ｍＷ、波長３９５ｎｍ程度のレーザ光を出射するＣＡＮパッケージ発光装置において、保証時間１００時間以内において、ＣＡＮパッケージ発光装置の特性劣化を招くような厚さの堆積物が発光素子の発光部に形成されることを防止することができる。したがって、保証時間１００時間以内において、駆動電流の変動、光出力の変動、ビームプロファイルの変化、および光軸のずれを防止することができる。
【０１３５】
また、ＣＡＮパッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧を８．０２×１０−１Ｎ／ｍ２以下に制限するため、出力３０ｍＷ、波長３９５ｎｍ程度のレーザ光を出射するＣＡＮパッケージ発光装置において、保証時間１０００時間以内において、ＣＡＮパッケージ発光装置の特性劣化を招くような厚さの堆積物が発光素子の発光部に形成されることを防止することができる。したがって、保証時間１０００時間以内において、駆動電流の変動、光出力の変動、ビームプロファイルの変化、および光軸のずれを防止することができる。
【０１３６】
また、ＣＡＮパッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧を１．２×１０−２Ｎ／ｍ２以下に規定するため、出力３００ｍＷ以下、波長３９５ｎｍ程度のレーザ光を出射するＣＡＮパッケージ発光装置において、ＣＡＮパッケージ発光装置の特性劣化を招くような厚さの堆積物が発光素子の発光部に形成されることを防止することができる。したがって、保証時間１０００時間以内において、駆動電流の変動、光出力の変動、ビームプロファイルの変化、および光軸のずれを防止することができる。
【０１３７】
また、ＣＡＮパッケージ発光装置の安定した動作を実現することができる。また、例えば４０５ｎｍなどの短波長の半導体レーザをＣＡＮパッケージ内に収納した場合にも、ＣＡＮパッケージ発光装置の特性劣化を防止することができるため、光ディスクの高密度化を達成することができる。また、例えば３０ｍＷまたは３００ｍＷなどの半導体レーザをＣＡＮパッケージ内に収納した場合にも、ＣＡＮパッケージ発光装置の特性劣化を防止することができるため、光ディスクの高密度化を達成することができる。
【０１３８】
また、有機物接着剤または有機物樹脂から発生したＳｉ有機化合物ガスが光路となっている部材に付着し、透過率の低下（一定電流では光強度が低下することになるため、一種の透過率低下として捕らえることができる）、ファーフィールドパターンの劣化、光軸のズレなどを防止することができる。
【０１３９】
以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【０１４０】
例えば、上述の一実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。
【０１４１】
また、上述した一実施形態では、半導体レーザのみがパッケージに収納されたパッケージ発光装置に、この発明を適用した例について説明したが、この発明は、集積光学素子がパッケージに収納されたパッケージ発光装置にも適用可能であることが言うまでもない。
【０１４２】
また、上述した一実施形態では、ＣＡＮパッケージ発光装置に対して、この発明を適用する例について示したが、プラスチックモールドパッケージを使用した光学装置に対して、あるいは、接着剤を使用する光学装置に対して、この発明を適用可能であることは言うまでもない。
【０１４３】
上述した一実施形態において、シランまたはシロキサンが含有された接着剤およびプラスチックモールドなどを用いるようにしてもよい。
【０１４４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、特性劣化を招くような厚さの堆積物が発光素子の発光部に形成されることを防止することができ、これにより、駆動電流の周期的変化およびビーム形状の劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】試験例によるＣＡＮパッケージ発光装置の構成を示す略線図である。
【図２】ＣＡＮパッケージ発光装置の駆動電流変動試験の結果を示すグラフである。
【図３】半導体レーザを微分干渉顕微鏡により観測した結果を示す略線図である。
【図４】半導体レーザの端面のＴＥＭ像である。
【図５】ＥＤＸ機能を利用した成分分析結果を示すグラフである。
【図６】半導体レーザのファーフィールドパターンを示すグラフである。
【図７】電流値の変動を示すシミュレーション結果を示すグラフである。
【図８】電界放射型オージェ電子分光法による測定結果を示すスペクトルである。
【図９】半導体レーザのＳＥＭ像である。
【図１０】多光子反応モデルを説明するための略線図である。
【図１１】光強度分布と堆積厚分布との相関関係を示すグラフである。
【図１２】光強度分布と堆積厚分布との関係を示すグラフである。
【図１３】この発明の一実施形態によるＣＡＮパッケージ発光装置の構成の一例を示す略線図である。
【図１４】この発明の一実施形態によるＣＡＮパッケージ発光装置の製造方法の一例を示す略線図である。
【図１５】この発明の一実施形態によるＣＡＮパッケージ発光装置の製造方法の一例を示す略線図である。
【図１６】この発明の一実施形態によるＣＡＮパッケージ発光装置の製造方法の一例を示す略線図である。
【図１７】従来のＣＡＮパッケージ発光装置の構成を示す略線図である。
【図１８】従来のフラットパッケージ発光装置の構成を示す略線図である。
【図１９】半導体レーザの構成を示す略線図である。
【符号の説明】
１・・・半導体レーザ、２・・・ＣＡＮパッケージ、３・・・固定体、４・・・キャップ、５・・・ヒートシンク、６・・・サブマウント、７ａ，７ｂ，７ｃ・・・リードピン、８・・・ワイヤ、９・・・光取り出し部、１０・・・封止ガラス、１１・・・接着剤
Claims (5)
- 光を出射する発光素子と、少なくとも上記発光素子を収納するパッケージとを備えた発光装置において、
パッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧が、５．４×１０２Ｎ／ｍ２以下であることを特徴とする発光装置。 - パッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧が、８．０２×１０−１Ｎ／ｍ２以下であることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
- パッケージ内のＳｉ有機化合物ガスの蒸気圧が、１．２×１０−２Ｎ／ｍ２以下であることを特徴とする請求項２記載の発光装置。
- 上記発光素子が、３９５ｎｍ以上４１５ｎｍ以下の波長を有する光りを出射することを特徴とする請求項１記載の発光装置。
- 上記発光素子が、ＩＩＩ族窒化物半導体であることを特徴とする請求項４記載の発光装置。
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