JP2010166019A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザ素子の長共振器化に伴う構造要因の応力の発生を、当該半導体レーザ素子の面積拡大や放熱性の阻害を伴うことなく抑制して、当該半導体レーザ素子のクラックや割れを抑制できる半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】表面に電極11が形成された半導体レーザ素子1と、前記半導体レーザ素子1がサブマウント材2を介して接着されたヒートシンク3とを備え、前記半導体レーザ素子1は、共振器方向の長さが、共振器方向と直交する方向の長さよりも大きく、電極11の一部を除去して形成される凹状のマーク13は、共振器方向の前後の端部から所定の距離内に配置された半導体レーザ装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ディスクに対する情報の書き込み、消去、および読み取りに使用する半導体レーザ装置に関する。

近年、光ディスクに対する情報の書き込み、消去、および読み取りのために光ディスク装置に光源として用いられる半導体レーザ装置には、レーザ光の更なる高出力化が求められている。高出力レーザ光を用いることで光ディスクへの書き込み速度を向上できるからである。そのために、半導体レーザ素子において、光出射方向の長さ(共振器長)を長くすることで光利得領域を長くとり、さらに放熱面積も広くとることによって、高い光出力を安定に得ることを実現してきた。しかし半導体レーザ素子の共振器長が長くなると、組立要因や構造要因の応力が働いて、半導体レーザ素子を引っ張る方向に作用する。

図１１は従来の半導体レーザ装置を示す。半導体レーザ素子（半導体レーザチップ）１は、サブマウント２を介してヒートシンク３に接合されている。ヒートシンク３は、レーザ動作時に半導体レーザ素子１の温度が上昇することによる発光効率の低下、および半導体レーザ素子１の破損等を防止するために使用される。図中の１１、１２および１２ａはそれぞれ半導体レーザ素子１の表面の電極、端面、発光領域を示す。

かかる半導体レーザ装置は、接合の際の高温に曝された後に常温に冷却された状態では、サブマウント２とヒートシンク３との間の熱膨張率差による応力が発生し、半導体レーザ素子１の表面側では引っ張り応力が発生する。半導体レーザ素子１の表面にマーク１３などの凹部がある場合は、凹部の段差部分に応力集中が起こり、その応力集中箇所が起点となって半導体レーザ素子１が割れることがある。この傾向は、長共振器化に伴って、細くて長い半導体レーザ素子１が使用され始めている現状で著しい。

半導体レーザ素子に掛かる応力を緩和する方策としては、たとえば特許文献１に、半導体レーザ素子の共振器方向の長さを素子幅方向の長さと同等にして略正方形のダイボンド面を形成することが開示されている。また特許文献２に、接合領域を限定することが開示されている。

特開２００６−１０８２６２公報 特開２００８−９１７６８公報

しかし特許文献１の方法では、半導体レーザ素子の面積が拡大し、製造コストも増大するという問題がある。また特許文献２の方法では、高出力の半導体レーザ素子で特に、放熱性が阻害され、熱的信頼性が低下するという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑み、半導体レーザ素子の長共振器化に伴う構造要因の応力の発生を、当該半導体レーザ素子の面積拡大や放熱性の阻害を伴うことなく抑制して、当該半導体レーザ素子のクラックや割れを抑制できる半導体レーザ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、本発明の半導体レーザ装置は、表面に電極が形成された半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子がサブマウント材を介して接着されたヒートシンクとを備え、前記半導体レーザ素子は、共振器方向の長さが、共振器方向と直交する方向の長さよりも大きく、前記半導体レーザ素子の表面の電極の一部を除去して形成される凹状のマークは、共振器方向の前後の端部から所定の距離内に配置されていることを特徴とする。このように細長い半導体レーザ素子に設ける凹状のマークを、共振器方向の前後の端部から所定の距離内にある電極の表面のみに限定したことにより、応力の集中する共振器方向の中央部分へのさらなる応力集中を避けることが可能となる。

前記半導体レーザ素子の厚みをａ、前記サブマウント材の厚みをｂで表すとき、前記凹状のマークは、前記半導体レーザ素子における共振器方向の前後の端部から距離（ａ＋ｂ）×２以下の領域に形成されていることを特徴とする。応力集中の要因となる凹部を、共振器方向の前後の端部に近い領域に限ったものである。

前記凹状のマークは、前記半導体レーザ素子における共振器方向と直交する方向の長さの１／４以下のサイズ、および、曲線で構成される形状を有していることを特徴とする。応力集中の要因となる凹部を、サイズが小さく、かつ曲線で構成される形状に限ったものである。

前記半導体レーザ素子の共振器方向の長さが１．３ｍｍ以上であるときに特に好ましい構造である。前記サブマウント材は、前記半導体レーザ素子と同等の熱膨張係数を有することが望ましい。前記半導体レーザ素子はガリウム砒素を材料とする半導体基板から構成され、前記サブマウント材は窒化アルミウムから構成され、前記ヒートシンクは銅から構成されていてよい。

本発明によれば、半導体レーザ素子において応力の集中する共振器方向の中央部分に凹状のマークによる更なる応力集中が起こることを回避できるので、温度変化や機械的応力に起因する半導体レーザ素子のクラックや割れを抑制できる。

よって、該半導体レーザ素子によって長い共振器長を有して高出力に対応できる半導体レーザ装置を実現することができる。この際、半導体レーザ素子の幅は狭くてよいので面積の拡大を来たさず、半導体レーザ素子の製造に掛かるコストを低く抑えることもできる。半導体レーザ素子の放熱性を阻害することもない。

本発明の一実施形態の半導体レーザ装置の概略構成を示す斜視図 図１の半導体レーザ装置を構成する半導体レーザ素子の平面図 図２の半導体レーザ素子の一部拡大図 図１の半導体レーザ装置を概念的に示した図 半導体レーザ装置を構成する従来タイプの半導体レーザ素子の表面近傍の発生応力のシミュレーション結果を示す図 図５の半導体レーザ素子における割れの発生の位置を示す斜視図 本発明および従来の半導体レーザ素子の共振器長と最大応力との関係を示す図 図４の半導体レーザ装置の半導体レーザ素子の表面近傍の発生応力のシミュレーション結果を示した図 図２の半導体レーザ素子の中央部の凹状マークの応力集中領域を示す図 図２の半導体レーザ素子の中央部の凹状マークの大きさと割れ発生率との関係を示す図 従来の半導体レーザ装置の概略構成を示す斜視図

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１から図３に示すように、本発明の一実施形態の半導体レーザ装置は、厚み方向に電流を流す半導体レーザ素子１と、この半導体レーザ素子１がサブマウント材２を介して接着されたヒートシンク３とを備えている。半導体レーザ素子１は、表裏面に電極１１が形成され（裏面の電極は図示せず）、一方の端面１２に発光領域１２ａを有しており、共振器方向の長さＬが、共振器方向と直交する方向の長さＷよりも大きい。半導体レーザ素子１の表面に認識や位置決めのために設ける凹状のマーク１３は、共振器方向の前後の端部から所定の距離内に配置されている。

半導体レーザ素子１は、半導体基板、主にガリウム砒素により構成されている。サブマウント材２は、半導体レーザ素子１と同等の熱膨張係数（率）を有し且つ熱伝導性の良好な材料、主に窒化アルミウムにより、板状に構成されている。サブマウント材２は、半導体レーザ素子１と同等の長さで、より幅広い。ヒートシンク３は熱伝導性の良好な材料、主に銅などの金属により構成されている。

半導体レーザ装置を製造する際には、半導体レーザ素子１をサブマウント２の片面にＡｕＳｎ半田などの半田を用いて熱をかけて接合したうえで、サブマウント２を、ヒートシンク３となるリードフレームなどのパッケージ部材に銀ペーストなどの熱硬化型の接着材を用いて熱をかけて接合し、金線などでワイヤーボンド（図示せず）を行う。

ここで、半導体レーザ素子１は、既述したように共振器長が大きくなる方向に推移してきていることから、図示したように非常に細くて長いものが使用されている。半導体レーザ素子１とサブマウント２とには、上述のように熱膨張率の差が少ない材料の組み合わせを採用しているため、熱をかける接合工程においても熱膨張率差による応力はあまり発生しない。一方、ヒートシンク３とサブマウント２とは熱膨張率の差が大きいため、両者を接合する接着材の硬化工程（銀ペーストの硬化温度は１５０℃程度）の終了後に常温域に戻ると、熱膨張率差による応力が発生する。半導体レーザ素子１の表面側では引っ張り応力が発生し、細くて長い半導体レーザ素子１で特に、クラックや割れの原因ともなる。このことについて以下に説明する。

図４に示すように、ヒートシンク３とその上に接合されたサブマウント２とで、常温域に戻る際に、熱膨張率差により、ヒートシンク３が大きく収縮し、サブマウント２の収縮が小さいことから、応力が発生し、サブマウント側に凸になるように反りが発生する。サブマウント２が接合された領域よりも外側の領域のヒートシンク３には応力は発生しない。ヒートシンク３上にサブマウント２を介して接続されている半導体レーザ素子１の表面側には、引っ張る方向の応力が残留することとなる。

たとえば、ヒートシンク３として利用するリードフレームは通常、放熱効果を高くする目的で、４００μｍ前後というように、サブマウント２や半導体レーザ素子１よりも厚みを大きくしており、面積も大きいため、常温域に戻る際に収縮の応力を発生し、その上にサブマウント２を介して搭載された半導体レーザ素子１に対しては引っ張る（引き伸ばす）方向の応力が発生する。

この応力は、半導体レーザ素子１の共振器長が長くなるに伴って増大する傾向にある。またこの応力は、半導体レーザ素子１の表面側で引っ張り応力となって強く働くこととなるが、共振器方向の中央寄りほど応力が大きい傾向にあり、端面はフリーな状態であるため応力は発生せず、端面付近で弱い。両端部分はさらに外側からの引っ張り応力を受けないためである。

図示したように表面に凹部などが存在すると、応力がさらに集中する。一般に、半導体レーザ素子１の表面（上面）には、組立上もしくは工程管理上で必要となる上述のマーク１３が記されており、そのマーク１３が凹状であることから、応力がより集中する構造を与え、最悪の場合はその部位からクラックが発生する。

以上のことは、構造シミュレーションによって確認されている。たとえば、半導体レーザ素子１で応力の面内分布をシミュレーションしたところ、図５に示すＡ〜Ｈの段差部にその周辺よりも大きな応力が発生し、特に中央付近ほど応力が大きい結果となった。実際の割れが発生する領域も中央部分のマークの段差部Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆに沿うもの、たとえば図６に示すものとなり、他の段差部では割れは生じなかった。このときのシミュレーション条件は、レーザの共振器長２０００μｍ、チップ幅２５０μｍ、チップ厚み１００μｍ、サブマウント厚み２５０μｍ、ヒートシンク厚み４００μｍである。凹部にかかる応力は周辺の平坦部にかかる応力に比べて１５ＭＰａ程度の増加がみられ、十分に割れの基点として作用することも確認された。凹部がわずかに０．２μｍ程度の深さであっても、その段差近傍に応力が集中する。

応力の原因となる反りは、上述のように、構造的に大きなヒートシンク３とサブマウント２との接合によって生じ、サブマウント２はその接合界面においてヒートシンク３から収縮の応力を受けていると考えられ、その結果サブマウントの表面側が突出するようにそることで、同様に凸状にそり、引っ張りの方向の応力を受ける。この引っ張り方向の応力は構造の左右の引き合いからもたらされ、より左側に構造物が無い左の端面近傍、同様により右側に構造物が無い右端面近傍は必然的に応力が小さくなるが、端面からの距離が離れるほど応力が強くなり、半導体レーザ素子１の中央付近では応力が最大となって、中央付近割れなどのリスクが高まると考えられる。

本発明者らがさらに検討した結果、ＧａＡｓからなる半導体レーザ素子１であって、共
振器長が１３００μｍ未満のものには割れは発生しない。図７に示すように、共振器長が長くなるほど中央付近の応力が高くなるが、共振器長が１３００μｍ未満であれば、表面のパターンによる応力の増分（細線で示す）があった場合も、半導体レーザ素子に発生する応力は、割れなどのリスクが高まるレベルに達しない。

共振器長が１３００μｍ以上のものについては、半導体レーザ素子１の厚みをａとし、サブマウントの厚みをｂとしたとき、端面からおよそ（ａ＋ｂ）×２の距離で表される範囲内においては、凹部の段差による応力のピーク値を、半導体レーザ素子１の破断応力以下に抑制できる。なお凹部の深さ依存性やヒートシンク３の厚さｃの影響はほとんどないことはシミュレーションにより判明している。凹部の位置を上記範囲内とすることが設計の目安となる。

図８はシミュレーション結果を示す。半導体レーザ素子１の表面に発生する応力を共振器方向に沿ってプロットしたもので、共振器長の中央付近に存在する凹部Ａ１と、端面から距離（ａ＋ｂ）×２の範囲内に存在する凹部Ａ２とで、段差近傍の応力を比較している。これによると、（ａ＋ｂ）×２の範囲内に存在する凹部Ａ２による応力は、そのピーク値でも、共振器長の中央付近の平坦部分の応力を下回っている。

このことは、凹状のマークを設ける場合には、応力の集中する共振器方向の中央部分を避けて、素子端面から（ａ＋ｂ）×２の範囲内に配置することによって、素子のクラックや割れといった損傷の発生を抑制できることを意味する。

しかし装置組立上の位置認識などに用いるために凹状のマークを半導体レーザ素子１の中央付近に設けざるをえないことがある。そのような場合には、マークは、サイズを小さくし、かつ、共振器方向と垂直な方向またはほぼ垂直な方向、つまり割れが発生しやすい方向、に沿う直線部を有する形状を避けることで、素子のクラックや割れなどの損傷を回避可能となる。

たとえば、共振器長が１３００μｍ以上の半導体レーザ素子１の表面で、端面から６００μｍを超えて内側の領域に凹状のマークを配置する場合であっても、そのマークが、半導体レーザ素子１の幅方向の長さＷの１／４以下のサイズであり、かつ、出射光軸と垂直な方向の直線成分をもたない、円形などの曲線から構成される形状であれば、素子のクラックや割れなどの損傷を回避できる。

図９は試験結果を示す。半導体レーザ素子１の中央部のマーク１３ａであっても、（ｂ）にも示す円形などの形状で且つＷ/4以下のサイズであれば、その部分での応力の集中がみられたとしても幅全体にわたる割れの原因にはなりにくく、図１０に示すように割れ発生率はゼロあるいはそれに近い。共振器長２ｍｍ、温度サイクル−６０〜１５０℃の条件下である。

以上説明したように、半導体レーザ素子に設ける凹状のマークを所定の領域、形状、サイズにすることで、応力の集中する共振器方向の中央部分へのさらなる応力集中を避けることが可能になり、応力に対する耐性、当該素子の割れなどに対する耐性を向上させることができる。

よって、半導体レーザ素子により長い共振器長を有して高出力に対応できる半導体レーザ装置を実現することができる。半導体レーザ素子の幅は狭くてよいので面積の拡大を来たさず、半導体レーザ素子の製造に掛かるコストを低く抑えることもできる。半導体レーザ素子の放熱を阻害することもない。

本発明の半導体レーザ装置は、高出力レーザ光を発する光源として光ディスク装置に用いるのに有用である。

１：半導体レーザ素子
２：サブマウント材
３：ヒートシンク
11：電極
12：端面
13：マーク
Ａ：凹部

Claims (6)

1. 表面に電極が形成された半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子がサブマウント材を介して接着されたヒートシンクとを備え、前記半導体レーザ素子は、共振器方向の長さが、共振器方向と直交する方向の長さよりも大きく、前記半導体レーザ素子の表面の電極の一部を除去して形成される凹状のマークは、共振器方向の前後の端部から所定の距離内に配置されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記半導体レーザ素子の厚みをａ、前記サブマウント材の厚みをｂで表すとき、前記凹状のマークは、前記半導体レーザ素子における共振器方向の前後の端部から距離（ａ＋ｂ）×２以下の領域に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記凹状のマークは、前記半導体レーザ素子における共振器方向と直交する方向の長さの１／４以下のサイズ、および、曲線で構成される形状を有していることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
4. 前記半導体レーザ素子の共振器方向の長さが１．３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
5. 前記サブマウント材は、前記半導体レーザ素子と同等の熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
6. 前記半導体レーザ素子はガリウム砒素を材料とする半導体基板から構成され、前記サブマウント材は窒化アルミウムから構成され、前記ヒートシンクは銅から構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体レーザ装置。

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