JPWO2013150715A1 - 半導体レーザ装置およびその製造方法 - Google Patents

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拓磨 本藤
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Abstract

本発明の半導体レーザ装置は、導電性の放熱部材と、導電性の第１の接着剤と、半導体レーザ素子とを有する。第１の接着剤は放熱部材の上に設けられ、半導体レーザ素子は第１の接着剤の上に設けられている。第１の接着剤は、半導体レーザ素子のレーザ光を射出するエミッタ端面部の下では、放熱部材の側面の上に達している。これにより、半導体レーザ素子の放熱性をさらに向上させ、かつ、半導体レーザ素子からのレーザ光を効率よく取り出すことができる。

Description

本発明は、産業用途の分野で溶接、接合および切断などに光源として用いる高出力の半導体レーザ装置およびその製造方法に関する。
近年、半導体レーザ装置の高出力化の進展は著しく、半導体レーザ装置は、産業用途の分野で溶接、接合および切断などの加工に用いる機器の光源として期待されている。
半導体レーザ装置は、小型かつ高効率で半導体ウェハにより多数の素子を同時に生産できるので、数十Ｗ級の小型光源に適している。このような数十Ｗ級の高出力レーザの光源としては、アレイ型半導体レーザ装置や複数の単体型半導体レーザ装置を組み合わせたものが用いられる。アレイ型半導体レーザ装置は、１つのチップ内に隣接した複数の活性領域を有し、チップの端面に隣接したエミッタと呼ばれる複数の発光点を有する。単体型半導体レーザ装置は、エミッタを一つ持つものである。
さらに、半導体レーザ装置から射出されるレーザ光は、数ミクロン程度に集光できるので集光性がよい。そのため、極めて微小な領域に光エネルギーを集中でき、局所的な加工に最適である。
しかしながら、これらの半導体レーザ装置は、１０Ｗ程度から数十Ｗ級の光出力で動作するため、光ディスク等に用いられる数百ｍＷ級出力のレーザに比べて、動作電流が非常に大きく、活性領域での発熱量も非常に大きい。したがって、これらの半導体レーザ装置が高出力を保ち、かつ、長寿命で動作させるための高い信頼性を確保するには、活性領域で発生した熱を速やかに外部に逃がし、活性領域の動作温度の上昇を抑えることが重要となる。
そこで、特許文献１〜３のように、チップの放熱を促進するような構造の半導体レーザ装置が提案されている。図１５を用いて、特許文献３に記載された従来の半導体レーザ装置について説明する。
図１５は、従来の半導体レーザ装置１００の斜視図である。
図１５に示すように、従来の半導体レーザ装置１００は、半導体レーザ素子１０１を、半田層１０２を介して、ヒートシンク１０３に実装して、形成されている。従来の半導体レーザ装置１００は、図１５における手前の面に対応する、半導体レーザ素子１０１のレーザ射出面からレーザ光１０４が射出される。従来の半導体レーザ装置１００は、半導体レーザ素子１０１のレーザ射出面が、ヒートシンク１０３の側面と同一面上に位置するように、半田層１０２で接合されている。
このように構成することで、射出されたレーザ光１０４はヒートシンク１０３に遮られることなく、かつ、半導体レーザ素子１０１の熱はヒートシンク１０３によって十分に放熱される。
特開平１−２８１７８６号公報 特開２００８−３１１４９１号公報 特開２０１０−４０９３３号公報
しかしながら、従来の半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子１０１とヒートシンク１０３とを接続するときに、半田層１０２が半導体レーザ素子１０１のレーザ射出面からレーザ光１０４の射出方向に向かって突出する場合がある。このような半田層１０２の突出は、レーザ光１０４の進行を妨げる。これにより、レーザ光１０４を十分に取り出すことができなくなる。
また、半田層１０２の突出を防ぐために、半田層１０２の端を半導体レーザ素子１０１のレーザ射出面よりも後退させて設けると、最も高温となるレーザ射出面の熱を十分にヒートシンク１０３に放熱することができない。
また、半導体レーザ素子１０１のレーザ射出面は、ＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ）と呼ばれる光学的破壊損傷によって、破損しやすい。ＣＯＤとは、半導体レーザ素子１０１自身が出射するレーザ光により半導体レーザ素子１０１のレーザ光出射面自体を破壊してしまうことを言う。特に、半導体レーザ素子１０１のレーザ射出面に対向して設けられた光学部材（図示せず）からの戻り光によって、一般にフィラメンテーション効果と呼ばれる現象によりレーザ光密度が突然高くなる。この状態では、十分な放熱がなされていない場合、半導体レーザ素子１０１が壊れてしまうことがある。
本発明は、この課題を解決するものであり、特性の安定性や均一性および高い信頼性が確保できる高出力の半導体レーザ装置およびその製造方法を提供する。
本発明の半導体レーザ装置は、導電性の放熱部材と、導電性の第１の接着剤と、半導体レーザ素子とを有する。第１の接着剤は放熱部材の上に設けられ、半導体レーザ素子は第１の接着剤の上に設けられている。第１の接着剤は、半導体レーザ素子のレーザ光を射出するエミッタ端面部の下では、放熱部材の側面の上に達している。
本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、導電性の放熱部材に、導電性の第１の接着剤を介して半導体レーザ素子を搭載する工程を有する。第１の接着剤は、半導体レーザ素子のレーザ光を射出するエミッタ端面部の下では、放熱部材の側面の上に達している。
これにより、半導体レーザ素子の放熱性をさらに向上させ、かつ、半導体レーザ素子からのレーザ光を効率よく取り出すことができる。
本発明によれば、特性の安定性や均一性および高い信頼性が確保できる高出力の半導体レーザ装置およびその製造方法を実現できる。
図１は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の平面図である。 図２は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置であって、図１の２−２線による断面図である。 図３は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置であって、図１の３−３線による断面図である。 図４は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の断面図であって、図２の点線部分の拡大図である。 図５は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の断面図であって、図３の点線部分の拡大図である。 図６は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置のレーザ射出面を説明する断面図である。 図７は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置のレーザ射出面の変形例１を説明する断面図である。 図８は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置のレーザ射出面の変形例２を説明する断面図である。 図９は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置のレーザ射出面の変形例３を説明する断面図である。 図１０は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置のレーザ射出面の変形例４を説明する断面図である。 図１１は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明する断面図である。 図１２は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明する断面図である。 図１３は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明する断面図である。 図１４は、実施の形態２に係る半導体レーザ装置の断面図である。 図１５は、従来の半導体レーザ装置の斜視図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同じ構成要素には同じ符号を付しており、説明を省略する場合もある。また、図面は、理解しやすくするためにそれぞれの構成要素を主体に模式的に示している。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０の平面図である。図２は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０であって、図１の２−２線による断面図である。図３は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０であって、図１の３−３線による断面図である。図４は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０の断面図であって、図２の点線部分の拡大図である。図５は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０の断面図であって、図３の点線部分の拡大図である。
図１〜３に示すように、本実施の形態の半導体レーザ装置１０は、半導体レーザ素子１１と、導電性の第１の接着剤である半田層１２と、導電性の第１の放熱部材であるサブマウント１３を有する。さらに、本実施の形態の半導体レーザ装置１０は、導電性の第２の接着剤である半田層１４と、導電性の第２の放熱部材であるヒートシンク１５と、導電性のボンド板１６と、絶縁性の接着テープ１７とを有する。半導体レーザ素子１１は、図１，２における右側側面がレーザ射出面であり、レーザ射出面から右側にレーザ光を射出する。
半田層１２の材料は金スズ（ＡｕＳｎ）を主成分とする半田であり、半田層１２の厚さは２〜５μｍである。半導体レーザ素子１１は半田層１２によって、サブマウント１３に接着されている。半田層１２は、蒸着またはめっきによって、サブマウント１３上に形成し、半導体レーザ素子１１はサブマウント１３上に形成された半田層１２に接着される。
半田層１２は、半導体レーザ素子１１の底面全てに接するように形成されていればよい。図１〜３に示すように、半田層１２が、半導体レーザ素子１１のレーザ射出面以外の側面からはみ出していることが好ましい。これにより、半導体レーザ素子１１の底面全てに半田層１２を形成させることができる。また、半田層１２はサブマウント１３の上面の全てに形成されていても構わない。
サブマウント１３の材料は、主に銅タングステン（ＣｕＷ）であり、サブマウント１３の厚さは約３００μｍである。サブマウント１３の材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などを用いても良い。
半田層１４の材料はスズ銀（ＳｎＡｇ）を主成分とする半田であり、半田層１４の厚さは約２０μｍである。サブマウント１３は半田層１４によって、ヒートシンク１５に接着されている。半田層１４は箔状のものをヒートシンク１５上に形成し、サブマウント１３はヒートシンク１５上に形成された半田層１４に接着される。この半田層１４の厚みによって、ヒートシンク１５の表面の凹凸を緩和させた状態で、サブマウント１３をヒートシンク１５に搭載できる。これにより、サブマウント１３からヒートシンク１５への放熱がさらに向上できる。
本実施の形態では、レーザ光が射出される側において、サブマウント１３の側面と、ヒートシンク１５の側面とは、ほぼ同一平面に位置している。しかし、半導体レーザ素子１１からのレーザ光を妨げない状態であれば、サブマウント１３の側面がヒートシンク１５の側面よりも内側に位置しても良い（図示せず）。また、ヒートシンク１５への放熱を確保した状態であれば、サブマウント１３の側面がヒートシンク１５の側面よりも突出していても良い（図示せず）。
半田層１４は、サブマウント１３とヒートシンク１５の重なり合う領域全てに形成されていればよい。半導体レーザ素子１１からサブマウント１３への放熱による半導体レーザ素子１１への影響よりも、サブマウント１３からヒートシンク１５への放熱による半導体レーザ素子１１への影響の方が小さいからである。図１〜３に示すように、半田層１４が、半導体レーザ素子１１のレーザ射出面以外の側面からはみ出していることが好ましい。これにより、サブマウント１３からヒートシンク１５への放熱を確実にできる。
接着テープ１７の材料はポリイミドである。ボンド板１６は、接着テープ１７によってヒートシンク１５に接着されている。接着テープ１７は絶縁性の材料であれば良く、テープ状態には限らず、材料もポリイミドには限らない。また、接着テープ１７は、ボンド板１６とヒートシンク１５とを接着していれば良く、ボンド板１６の底面全てに形成されていなくても構わない。
ボンド板１６の材料は銅である。ボンド板１６は、半導体レーザ素子１１の上面と金ワイヤにより接続される（図示せず）。ボンド板１６の平面形状は、図１に示すように、コの字形状であり、半導体レーザ素子１１を囲むように配置される。これにより、半導体レーザ素子１１とボンド板１６とを接続する金ワイヤを多くすることができる。しかし、ボンド板１６の平面形状はコの字形状に限られるものではなく、また、ボンド板１６の材料は導電性の材料であれば銅に限られるものではない。
また、ボンド板１６とヒートシンク１５とは接着テープにより絶縁されている。ボンド板１６を経由して半導体レーザ素子１１の上面に第１の電圧をかけることができる。それとともに、ヒートシンク１５およびサブマウント１３を経由して半導体レーザ素子１１の下面に第１の電圧とは異なる第２の電圧をかけることができる。これにより、半導体レーザ素子１１を発光させることができる。
次に、半導体レーザ素子１１の構造について、図４および図５を用いて説明する。図４は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０の断面図であって、図２の点線部分の拡大図である。図５は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０の断面図であって、図３の点線部分の拡大図である。
図４，５に示すように、本実施の形態の半導体レーザ素子１１は、ｎ型の半導体基板２１、電流狭窄層２２、電流伝送窓層２３、レーザ射出エミッタ２４、活性層２５、ｐ型の半導体層２６、ｐ電極２７、ｎ電極２８、反射防止膜２９を有している。ｐ電極２７はｐ型の半導体層２６上に形成され、ｎ電極２８はｎ型の半導体基板２１上に形成されている。反射防止膜２９は、半導体レーザ素子１１のレーザ光が射出される側の側面に形成されている。
反射防止膜２９の材料としては、酸化アルミニウム（ＡｌＯ）、シリコン酸化物（ＳｉＯ）、シリコン窒化物（ＳｉＮ）などを用いる。また、反射防止膜２９は、半田層１２の密着性を阻害するため、ｐ電極２７に回り込まないように形成することが好ましい。
レーザ光は図４の右側に示す矢印方向に射出される。また、電流は、図５に示す矢印の方向に流れる。
図６は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０のレーザ光が射出される側面を説明する断面図である。
図６に示すように、半導体レーザ素子１１のレーザ光を射出する側面と、サブマウント１３の側面はほぼ同一平面に位置している。さらに、半田層１２は、レーザ光を射出する側面では、半導体レーザ素子１１とサブマウント１３との間を満たし、さらに、サブマウント１３の側面に達している。
半導体レーザ素子１１のレーザ射出面は、レーザ光を射出しているときに高温になり、半導体レーザ素子１１を破損しやすい。しかし、本実施の形態の構造にすることで、半田層１２が半導体レーザ素子１１の底面のレーザ光射出側の端まで満たされていることで、十分な放熱性を確保することができる。さらに、半田層１２がサブマウント１３の側面に達することで、さらにサブマウント１３との接触面積が増えて、放熱性を高めることができる。また、サブマウント１３の側面に半田層１２が誘導されることで、半導体レーザ素子１１から射出されるレーザ光を妨げることがない。
（変形例１）
図７は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０のレーザ光が射出される側面の変形例１を説明する断面図である。
図７に示すように、半導体レーザ素子１１のレーザ光を射出する側面は、サブマウント１３の側面よりも内側に位置している。すなわち、半導体レーザ素子１１のレーザ光を射出する側面は、サブマウント１３の側面よりもサブマウント１３の中心寄りに位置している。これにより、レーザ光を射出する側面では、半導体レーザ素子１１とサブマウント１３との間をより確実に満たすように半田層１２を形成することができ、放熱性を向上させることができる。
半導体レーザ素子１１のレーザ光を射出する側面と、サブマウント１３の側面との平面視での距離は、５μｍ以下が好ましい。これにより、半導体レーザ素子１１から射出されたレーザ光が、半田層１２に妨げられることを防止できる。
（変形例２）
図８は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０のレーザ光が射出される側面の変形例２を説明する断面図である。
図８に示すように、半導体レーザ素子１１のレーザ光を射出する側面は、サブマウント１３の側面よりも外側に位置している。すなわち、半導体レーザ素子１１のレーザ光を射出する側面は、サブマウント１３の側面よりもサブマウント１３の中心とは反対側寄りに位置している。これにより、半導体レーザ素子１１から射出されたレーザ光が、半田層１２に妨げられることをより確実に防止できる。
半導体レーザ素子１１のレーザ光を射出する側面と、サブマウント１３の側面との平面視での距離は、１０μｍ以下が好ましく、さらには５μｍ以下がより好ましい。これにより、半導体レーザ素子１１からサブマウント１３への放熱も十分に確保できる。
（変形例３）
図９は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０のレーザ光が射出される側面の変形例３を説明する断面図である。
図９に示すように、半田層１２は、サブマウント１３の側面全体に形成されている。これにより、半田層１２を確実にサブマウント１３に達するように形成でき、半導体レーザ素子１１とサブマウント１３との間をより確実に満たすことができる。
（変形例４）
図１０は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０のレーザ光が射出される側面の変形例４を説明する断面図である。
図１０に示すように、サブマウント１３の上面は、半導体レーザ素子１１のレーザ光が射出される面側の端部が傾斜している。これにより、半導体レーザ素子１１から射出されたレーザ光が、半田層１２に妨げられることをより確実に防止できる。さらに、レーザ光を射出する側面では、半導体レーザ素子１１とサブマウント１３との間をより確実に満たすように半田層１２を形成することができ、放熱性を向上させることができる。
なお、本変形例では、サブマウント１３の端の断面形状は円弧を描くように傾斜させているが、斜め方向の直線であっても構わない。
図６〜１０に示すように、半田層１２をサブマウント１３の側面に達するように形成するために、サブマウント１３の側面に、半田層１２の濡れ性（親和性）が高い半田層誘導膜をコーティングしておくことがより好ましい（図示せず）。これにより、半田層１２は、サブマウント１３に誘導されることになり、半田層１２による半導体レーザ素子１１からのレーザ光の妨げをより確実に防止することができる。
また、図６〜１０に示すように、半導体レーザ素子１１のレーザ光が射出される面に形成された反射防止膜２９は、半田層１２に対して、親和性が低い材料であることが好ましい。これにより、半田層１２が、半導体レーザ素子１１のレーザ光が射出される面に回りこむことを防止でき、半田層１２による半導体レーザ素子１１からのレーザ光の妨げをより確実に防止することができる。
また、図６〜８においては、半田層１２がサブマウント１３の側面の上部にのみ形成されているが、半田層１２がサブマウント１３の側面全体に形成されていても構わない。このとき、サブマウント１３の側面の上部に半田層１２の厚みは、サブマウント１３の側面の上部以外の半田層１２の厚みよりも大きくなっている。
また、図９や図１０において、半導体レーザ素子１１のレーザ射出面を、図７や図８のように、サブマウント１３のレーザ光射出側の側面とずらした関係にしても構わない。
次に、本実施の形態の半導体レーザ装置の製造方法を図１１〜１３を用いて説明する。
（製造方法）
図１１〜１３は、本実施の形態の半導体レーザ装置の製造方法を示す断面図である。
図１１に示すように、サブマウント１３上に半田層１２を形成する。このとき、サブマウント１３の上面および側面に、半田層１２を蒸着またはめっきで形成する。サブマウント１３の側面においては、必ずしも全面に形成される必要はなく、少なくとも上部に形成されていれば良い。また、サブマウント１３の上面における半田層１２の厚みは約２μｍであり、サブマウント１３の側面における半田層１２の厚みは、それより小さくなっている。また、半田層１２は、半導体レーザ素子１１を搭載したあとに、半導体レーザ素子１１とサブマウント１３との間を全て満たすような量で形成する。
次に、図１２に示すように、半導体レーザ素子１１のレーザ光を射出する側面と、サブマウント１３の側面はほぼ同一平面に位置するように、半導体レーザ素子１１をサブマウント１３に搭載する。このとき、半田層１２は、半導体レーザ素子１１のレーザ光を射出する側面において、サブマウント１３の側面に達する。これは、サブマウント１３の側面の少なくとも上部に形成された半田層１２に誘導されるためである。また、半田層１２は、半導体レーザ素子１１のレーザ光を射出する側面以外の側面においては、半導体レーザ素子１１からはみ出している。
これにより、半導体レーザ素子１１からサブマウント１３への放熱性を高めることができ、半導体レーザ素子１１からのレーザ光を半田層１２が妨げることも防止できる。
なお、半導体レーザ素子１１をサブマウント１３に搭載する位置としては、図７や図８に示すように搭載しても構わない。それぞれの搭載位置によって、図７、図８において説明した効果をそれぞれ達成できる。
また、サブマウント１３に半田層１２を形成する工程においては、サブマウントの側面全面にも半田層１２を形成し、図９に示すような構造としても構わない。これにより、図９において説明した効果を達成できる。
また、サブマウント１３の上面は、半導体レーザ素子１１のレーザ光が射出される面側の端部が傾斜しているようにし、図１０に示すような構造としても構わない。これにより、図１０において説明した効果を達成できる。
次に、図１３に示すように、サブマウント１３を、半田層１４を介して、ヒートシンク１５に搭載する。さらに、ボンド板１６を、接着テープ１７を介して、ヒートシンク１５に搭載する。これにより、図１〜３に示すような半導体レーザ装置を形成する。
（実施の形態２）
次に、図１４は本実施の形態に係る半導体レーザ装置のうちの半導体レーザ素子の断面図である。実施の形態１と共通する点については、説明を省略する。
図１４に示すように、本実施の形態の半導体レーザ素子は、４つの電流伝送窓層２３と４つのレーザ射出エミッタ２４とを有する。すなわち、本実施の形態の半導体レーザ素子は、４つのレーザ光を射出することができる。
これにより、１つの半導体レーザ装置で複数のレーザ光を取り出すことが可能になり、小型化、および、低コスト化が可能となる。また、複数の半導体レーザ装置から複数のレーザ光を取り出すよりも、大幅に製造工程を削減することが可能である。
本発明によれば、特性の安定性や均一性および高い信頼性が確保できる高出力の半導体レーザ装置およびその製造方法を実現できる。これにより、産業用途の分野で溶接、接合および切断などの加工に用いる機器の光源として、また、通信用、その他民生機器の半導体レーザの光源として有用である。
１０，１００ 半導体レーザ装置
１１ 半導体レーザ素子
１２ 半田層
１３ サブマウント
１４ 半田層
１５ ヒートシンク
１６ ボンド板
１７ 接着テープ
２１ ｎ型の半導体基板
２２ 電流狭窄層
２３ 電流伝送窓層
２４ レーザ射出エミッタ
２５ 活性層
２６ ｐ型の半導体層
２７ ｐ電極
２８ ｎ電極
２９ 反射防止膜
１０１ 半導体レーザ素子
１０２ 半田層
１０３ ヒートシンク
１０４ レーザ光
本発明は、産業用途の分野で溶接、接合および切断などに光源として用いる高出力の半導体レーザ装置およびその製造方法に関する。
近年、半導体レーザ装置の高出力化の進展は著しく、半導体レーザ装置は、産業用途の分野で溶接、接合および切断などの加工に用いる機器の光源として期待されている。
半導体レーザ装置は、小型かつ高効率で半導体ウェハにより多数の素子を同時に生産できるので、数十Ｗ級の小型光源に適している。このような数十Ｗ級の高出力レーザの光源としては、アレイ型半導体レーザ装置や複数の単体型半導体レーザ装置を組み合わせたものが用いられる。アレイ型半導体レーザ装置は、１つのチップ内に隣接した複数の活性領域を有し、チップの端面に隣接したエミッタと呼ばれる複数の発光点を有する。単体型半導体レーザ装置は、エミッタを一つ持つものである。
さらに、半導体レーザ装置から射出されるレーザ光は、数ミクロン程度に集光できるので集光性がよい。そのため、極めて微小な領域に光エネルギーを集中でき、局所的な加工に最適である。
しかしながら、これらの半導体レーザ装置は、１０Ｗ程度から数十Ｗ級の光出力で動作するため、光ディスク等に用いられる数百ｍＷ級出力のレーザに比べて、動作電流が非常に大きく、活性領域での発熱量も非常に大きい。したがって、これらの半導体レーザ装置が高出力を保ち、かつ、長寿命で動作させるための高い信頼性を確保するには、活性領域で発生した熱を速やかに外部に逃がし、活性領域の動作温度の上昇を抑えることが重要となる。
そこで、特許文献１〜３のように、チップの放熱を促進するような構造の半導体レーザ装置が提案されている。図１５を用いて、特許文献３に記載された従来の半導体レーザ装置について説明する。
図１５は、従来の半導体レーザ装置１００の斜視図である。
図１５に示すように、従来の半導体レーザ装置１００は、半導体レーザ素子１０１を、半田層１０２を介して、ヒートシンク１０３に実装して、形成されている。従来の半導体レーザ装置１００は、図１５における手前の面に対応する、半導体レーザ素子１０１のレーザ射出面からレーザ光１０４が射出される。従来の半導体レーザ装置１００は、半導体レーザ素子１０１のレーザ射出面が、ヒートシンク１０３の側面と同一面上に位置するように、半田層１０２で接合されている。
このように構成することで、射出されたレーザ光１０４はヒートシンク１０３に遮られることなく、かつ、半導体レーザ素子１０１の熱はヒートシンク１０３によって十分に放熱される。
特開平１−２８１７８６号公報 特開２００８−３１１４９１号公報 特開２０１０−４０９３３号公報
しかしながら、従来の半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子１０１とヒートシンク１０３とを接続するときに、半田層１０２が半導体レーザ素子１０１のレーザ射出面からレーザ光１０４の射出方向に向かって突出する場合がある。このような半田層１０２の突出は、レーザ光１０４の進行を妨げる。これにより、レーザ光１０４を十分に取り出すことができなくなる。
また、半田層１０２の突出を防ぐために、半田層１０２の端を半導体レーザ素子１０１のレーザ射出面よりも後退させて設けると、最も高温となるレーザ射出面の熱を十分にヒートシンク１０３に放熱することができない。
また、半導体レーザ素子１０１のレーザ射出面は、ＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ）と呼ばれる光学的破壊損傷によって、破損しやすい。ＣＯＤとは、半導体レーザ素子１０１自身が出射するレーザ光により半導体レーザ素子１０１のレーザ光出射面自体を破壊してしまうことを言う。特に、半導体レーザ素子１０１のレーザ射出面に対向して設けられた光学部材（図示せず）からの戻り光によって、一般にフィラメンテーション効果と呼ばれる現象によりレーザ光密度が突然高くなる。この状態では、十分な放熱がなされていない場合、半導体レーザ素子１０１が壊れてしまうことがある。
本発明は、この課題を解決するものであり、特性の安定性や均一性および高い信頼性が確保できる高出力の半導体レーザ装置およびその製造方法を提供する。
本発明の半導体レーザ装置は、導電性の第１の放熱部材と、導電性の第１の接着剤と、半導体レーザ素子と、反射防止膜とを有する。第１の接着剤は第１の放熱部材の上に設けられ、半導体レーザ素子は第１の接着剤の上に設けられている。反射防止膜は、半導体レーザ素子のレーザ射出面に形成されている。第１の接着剤は、半導体レーザ素子のレーザ光を射出するエミッタ端面部の下では、第１の放熱部材の側面の上に達している。第１の接着剤と反射防止膜との親和性は、第１の接着剤と第１の放熱部材との親和性よりも低い。
本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、半導体レーザ素子のレーザ射出面に反射防止膜を形成する工程と、導電性の第１の放熱部材に、導電性の第１の接着剤を介して半導体レーザ素子を搭載する工程を有する。第１の接着剤は、半導体レーザ素子のレーザ光を射出するエミッタ端面部の下では、第１の放熱部材の側面の上に達している。第１の接着剤と反射防止膜との親和性は、第１の接着剤と第１の放熱部材との親和性よりも低い。
これにより、半導体レーザ素子の放熱性をさらに向上させ、かつ、半導体レーザ素子からのレーザ光を効率よく取り出すことができる。
本発明によれば、特性の安定性や均一性および高い信頼性が確保できる高出力の半導体レーザ装置およびその製造方法を実現できる。
図１は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の平面図である。 図２は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置であって、図１の２−２線による断面図である。 図３は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置であって、図１の３−３線による断面図である。 図４は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の断面図であって、図２の点線部分の拡大図である。 図５は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の断面図であって、図３の点線部分の拡大図である。 図６は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置のレーザ射出面を説明する断面図である。 図７は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置のレーザ射出面の変形例１を説明する断面図である。 図８は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置のレーザ射出面の変形例２を説明する断面図である。 図９は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置のレーザ射出面の変形例３を説明する断面図である。 図１０は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置のレーザ射出面の変形例４を説明する断面図である。 図１１は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明する断面図である。 図１２は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明する断面図である。 図１３は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明する断面図である。 図１４は、実施の形態２に係る半導体レーザ装置の断面図である。 図１５は、従来の半導体レーザ装置の斜視図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同じ構成要素には同じ符号を付しており、説明を省略する場合もある。また、図面は、理解しやすくするためにそれぞれの構成要素を主体に模式的に示している。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０の平面図である。図２は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０であって、図１の２−２線による断面図である。図３は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０であって、図１の３−３線による断面図である。図４は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０の断面図であって、図２の点線部分の拡大図である。図５は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０の断面図であって、図３の点線部分の拡大図である。
図１〜３に示すように、本実施の形態の半導体レーザ装置１０は、半導体レーザ素子１１と、導電性の第１の接着剤である半田層１２と、導電性の第１の放熱部材であるサブマウント１３を有する。さらに、本実施の形態の半導体レーザ装置１０は、導電性の第２の接着剤である半田層１４と、導電性の第２の放熱部材であるヒートシンク１５と、導電性のボンド板１６と、絶縁性の接着テープ１７とを有する。半導体レーザ素子１１は、図１，２における右側側面がレーザ射出面であり、レーザ射出面から右側にレーザ光を射出する。
半田層１２の材料は金スズ（ＡｕＳｎ）を主成分とする半田であり、半田層１２の厚さは２〜５μｍである。半導体レーザ素子１１は半田層１２によって、サブマウント１３に接着されている。半田層１２は、蒸着またはめっきによって、サブマウント１３上に形成し、半導体レーザ素子１１はサブマウント１３上に形成された半田層１２に接着される。
半田層１２は、半導体レーザ素子１１の底面全てに接するように形成されていればよい。図１〜３に示すように、半田層１２が、半導体レーザ素子１１のレーザ射出面以外の側面からはみ出していることが好ましい。これにより、半導体レーザ素子１１の底面全てに半田層１２を形成させることができる。また、半田層１２はサブマウント１３の上面の全てに形成されていても構わない。
サブマウント１３の材料は、主に銅タングステン（ＣｕＷ）であり、サブマウント１３の厚さは約３００μｍである。サブマウント１３の材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などを用いても良い。
半田層１４の材料はスズ銀（ＳｎＡｇ）を主成分とする半田であり、半田層１４の厚さは約２０μｍである。サブマウント１３は半田層１４によって、ヒートシンク１５に接着されている。半田層１４は箔状のものをヒートシンク１５上に形成し、サブマウント１３はヒートシンク１５上に形成された半田層１４に接着される。この半田層１４の厚みによって、ヒートシンク１５の表面の凹凸を緩和させた状態で、サブマウント１３をヒートシンク１５に搭載できる。これにより、サブマウント１３からヒートシンク１５への放熱がさらに向上できる。
本実施の形態では、レーザ光が射出される側において、サブマウント１３の側面と、ヒートシンク１５の側面とは、ほぼ同一平面に位置している。しかし、半導体レーザ素子１１からのレーザ光を妨げない状態であれば、サブマウント１３の側面がヒートシンク１５の側面よりも内側に位置しても良い（図示せず）。また、ヒートシンク１５への放熱を確保した状態であれば、サブマウント１３の側面がヒートシンク１５の側面よりも突出していても良い（図示せず）。
半田層１４は、サブマウント１３とヒートシンク１５の重なり合う領域全てに形成されていればよい。半導体レーザ素子１１からサブマウント１３への放熱による半導体レーザ素子１１への影響よりも、サブマウント１３からヒートシンク１５への放熱による半導体レーザ素子１１への影響の方が小さいからである。図１〜３に示すように、半田層１４が、半導体レーザ素子１１のレーザ射出面以外の側面からはみ出していることが好ましい。これにより、サブマウント１３からヒートシンク１５への放熱を確実にできる。
接着テープ１７の材料はポリイミドである。ボンド板１６は、接着テープ１７によってヒートシンク１５に接着されている。接着テープ１７は絶縁性の材料であれば良く、テープ状態には限らず、材料もポリイミドには限らない。また、接着テープ１７は、ボンド板１６とヒートシンク１５とを接着していれば良く、ボンド板１６の底面全てに形成されていなくても構わない。
ボンド板１６の材料は銅である。ボンド板１６は、半導体レーザ素子１１の上面と金ワイヤにより接続される（図示せず）。ボンド板１６の平面形状は、図１に示すように、コの字形状であり、半導体レーザ素子１１を囲むように配置される。これにより、半導体レーザ素子１１とボンド板１６とを接続する金ワイヤを多くすることができる。しかし、ボンド板１６の平面形状はコの字形状に限られるものではなく、また、ボンド板１６の材料は導電性の材料であれば銅に限られるものではない。
また、ボンド板１６とヒートシンク１５とは接着テープにより絶縁されている。ボンド板１６を経由して半導体レーザ素子１１の上面に第１の電圧をかけることができる。それとともに、ヒートシンク１５およびサブマウント１３を経由して半導体レーザ素子１１の下面に第１の電圧とは異なる第２の電圧をかけることができる。これにより、半導体レーザ素子１１を発光させることができる。
次に、半導体レーザ素子１１の構造について、図４および図５を用いて説明する。図４は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０の断面図であって、図２の点線部分の拡大図である。図５は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０の断面図であって、図３の点線部分の拡大図である。
図４，５に示すように、本実施の形態の半導体レーザ素子１１は、ｎ型の半導体基板２１、電流狭窄層２２、電流伝送窓層２３、レーザ射出エミッタ２４、活性層２５、ｐ型の半導体層２６、ｐ電極２７、ｎ電極２８、反射防止膜２９を有している。ｐ電極２７はｐ型の半導体層２６上に形成され、ｎ電極２８はｎ型の半導体基板２１上に形成されている。反射防止膜２９は、半導体レーザ素子１１のレーザ光が射出される側の側面に形成されている。
反射防止膜２９の材料としては、酸化アルミニウム（ＡｌＯ）、シリコン酸化物（ＳｉＯ）、シリコン窒化物（ＳｉＮ）などを用いる。また、反射防止膜２９は、半田層１２の密着性を阻害するため、ｐ電極２７に回り込まないように形成することが好ましい。
レーザ光は図４の右側に示す矢印方向に射出される。また、電流は、図５に示す矢印の方向に流れる。
図６は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０のレーザ光が射出される側面を説明する断面図である。
図６に示すように、半導体レーザ素子１１のレーザ光を射出する側面と、サブマウント１３の側面はほぼ同一平面に位置している。さらに、半田層１２は、レーザ光を射出する側面では、半導体レーザ素子１１とサブマウント１３との間を満たし、さらに、サブマウント１３の側面に達している。
半導体レーザ素子１１のレーザ射出面は、レーザ光を射出しているときに高温になり、半導体レーザ素子１１を破損しやすい。しかし、本実施の形態の構造にすることで、半田層１２が半導体レーザ素子１１の底面のレーザ光射出側の端まで満たされていることで、十分な放熱性を確保することができる。さらに、半田層１２がサブマウント１３の側面に達することで、さらにサブマウント１３との接触面積が増えて、放熱性を高めることができる。また、サブマウント１３の側面に半田層１２が誘導されることで、半導体レーザ素子１１から射出されるレーザ光を妨げることがない。
（変形例１）
図７は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０のレーザ光が射出される側面の変形例１を説明する断面図である。
図７に示すように、半導体レーザ素子１１のレーザ光を射出する側面は、サブマウント１３の側面よりも内側に位置している。すなわち、半導体レーザ素子１１のレーザ光を射出する側面は、サブマウント１３の側面よりもサブマウント１３の中心寄りに位置している。これにより、レーザ光を射出する側面では、半導体レーザ素子１１とサブマウント１３との間をより確実に満たすように半田層１２を形成することができ、放熱性を向上させることができる。
半導体レーザ素子１１のレーザ光を射出する側面と、サブマウント１３の側面との平面視での距離は、５μｍ以下が好ましい。これにより、半導体レーザ素子１１から射出されたレーザ光が、半田層１２に妨げられることを防止できる。
（変形例２）
図８は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０のレーザ光が射出される側面の変形例２を説明する断面図である。
図８に示すように、半導体レーザ素子１１のレーザ光を射出する側面は、サブマウント１３の側面よりも外側に位置している。すなわち、半導体レーザ素子１１のレーザ光を射出する側面は、サブマウント１３の側面よりもサブマウント１３の中心とは反対側寄りに位置している。これにより、半導体レーザ素子１１から射出されたレーザ光が、半田層１２に妨げられることをより確実に防止できる。
半導体レーザ素子１１のレーザ光を射出する側面と、サブマウント１３の側面との平面視での距離は、１０μｍ以下が好ましく、さらには５μｍ以下がより好ましい。これにより、半導体レーザ素子１１からサブマウント１３への放熱も十分に確保できる。
（変形例３）
図９は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０のレーザ光が射出される側面の変形例３を説明する断面図である。
図９に示すように、半田層１２は、サブマウント１３の側面全体に形成されている。これにより、半田層１２を確実にサブマウント１３に達するように形成でき、半導体レーザ素子１１とサブマウント１３との間をより確実に満たすことができる。
（変形例４）
図１０は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０のレーザ光が射出される側面の変形例４を説明する断面図である。
図１０に示すように、サブマウント１３の上面は、半導体レーザ素子１１のレーザ光が射出される面側の端部が傾斜している。これにより、半導体レーザ素子１１から射出されたレーザ光が、半田層１２に妨げられることをより確実に防止できる。さらに、レーザ光を射出する側面では、半導体レーザ素子１１とサブマウント１３との間をより確実に満たすように半田層１２を形成することができ、放熱性を向上させることができる。
なお、本変形例では、サブマウント１３の端の断面形状は円弧を描くように傾斜させているが、斜め方向の直線であっても構わない。
図６〜１０に示すように、半田層１２をサブマウント１３の側面に達するように形成するために、サブマウント１３の側面に、半田層１２の濡れ性（親和性）が高い半田層誘導膜をコーティングしておくことがより好ましい（図示せず）。これにより、半田層１２は、サブマウント１３に誘導されることになり、半田層１２による半導体レーザ素子１１からのレーザ光の妨げをより確実に防止することができる。
また、図６〜１０に示すように、半導体レーザ素子１１のレーザ光が射出される面に形成された反射防止膜２９は、半田層１２に対して、親和性が低い材料であることが好ましい。これにより、半田層１２が、半導体レーザ素子１１のレーザ光が射出される面に回りこむことを防止でき、半田層１２による半導体レーザ素子１１からのレーザ光の妨げをより確実に防止することができる。
また、図６〜８においては、半田層１２がサブマウント１３の側面の上部にのみ形成されているが、半田層１２がサブマウント１３の側面全体に形成されていても構わない。このとき、サブマウント１３の側面の上部に半田層１２の厚みは、サブマウント１３の側面の上部以外の半田層１２の厚みよりも大きくなっている。
また、図９や図１０において、半導体レーザ素子１１のレーザ射出面を、図７や図８のように、サブマウント１３のレーザ光射出側の側面とずらした関係にしても構わない。
次に、本実施の形態の半導体レーザ装置の製造方法を図１１〜１３を用いて説明する。
（製造方法）
図１１〜１３は、本実施の形態の半導体レーザ装置の製造方法を示す断面図である。
図１１に示すように、サブマウント１３上に半田層１２を形成する。このとき、サブマウント１３の上面および側面に、半田層１２を蒸着またはめっきで形成する。サブマウント１３の側面においては、必ずしも全面に形成される必要はなく、少なくとも上部に形成されていれば良い。また、サブマウント１３の上面における半田層１２の厚みは約２μｍであり、サブマウント１３の側面における半田層１２の厚みは、それより小さくなっている。また、半田層１２は、半導体レーザ素子１１を搭載したあとに、半導体レーザ素子１１とサブマウント１３との間を全て満たすような量で形成する。
次に、図１２に示すように、半導体レーザ素子１１のレーザ光を射出する側面と、サブマウント１３の側面はほぼ同一平面に位置するように、半導体レーザ素子１１をサブマウント１３に搭載する。このとき、半田層１２は、半導体レーザ素子１１のレーザ光を射出する側面において、サブマウント１３の側面に達する。これは、サブマウント１３の側面の少なくとも上部に形成された半田層１２に誘導されるためである。また、半田層１２は、半導体レーザ素子１１のレーザ光を射出する側面以外の側面においては、半導体レーザ素子１１からはみ出している。
これにより、半導体レーザ素子１１からサブマウント１３への放熱性を高めることができ、半導体レーザ素子１１からのレーザ光を半田層１２が妨げることも防止できる。
なお、半導体レーザ素子１１をサブマウント１３に搭載する位置としては、図７や図８に示すように搭載しても構わない。それぞれの搭載位置によって、図７、図８において説明した効果をそれぞれ達成できる。
また、サブマウント１３に半田層１２を形成する工程においては、サブマウントの側面全面にも半田層１２を形成し、図９に示すような構造としても構わない。これにより、図９において説明した効果を達成できる。
また、サブマウント１３の上面は、半導体レーザ素子１１のレーザ光が射出される面側の端部が傾斜しているようにし、図１０に示すような構造としても構わない。これにより、図１０において説明した効果を達成できる。
次に、図１３に示すように、サブマウント１３を、半田層１４を介して、ヒートシンク１５に搭載する。さらに、ボンド板１６を、接着テープ１７を介して、ヒートシンク１５に搭載する。これにより、図１〜３に示すような半導体レーザ装置を形成する。
（実施の形態２）
次に、図１４は本実施の形態に係る半導体レーザ装置のうちの半導体レーザ素子の断面図である。実施の形態１と共通する点については、説明を省略する。
図１４に示すように、本実施の形態の半導体レーザ素子は、４つの電流伝送窓層２３と４つのレーザ射出エミッタ２４とを有する。すなわち、本実施の形態の半導体レーザ素子は、４つのレーザ光を射出することができる。
これにより、１つの半導体レーザ装置で複数のレーザ光を取り出すことが可能になり、小型化、および、低コスト化が可能となる。また、複数の半導体レーザ装置から複数のレーザ光を取り出すよりも、大幅に製造工程を削減することが可能である。
本発明によれば、特性の安定性や均一性および高い信頼性が確保できる高出力の半導体レーザ装置およびその製造方法を実現できる。これにより、産業用途の分野で溶接、接合および切断などの加工に用いる機器の光源として、また、通信用、その他民生機器の半導体レーザの光源として有用である。
１０，１００ 半導体レーザ装置
１１ 半導体レーザ素子
１２ 半田層
１３ サブマウント
１４ 半田層
１５ ヒートシンク
１６ ボンド板
１７ 接着テープ
２１ ｎ型の半導体基板
２２ 電流狭窄層
２３ 電流伝送窓層
２４ レーザ射出エミッタ
２５ 活性層
２６ ｐ型の半導体層
２７ ｐ電極
２８ ｎ電極
２９ 反射防止膜
１０１ 半導体レーザ素子
１０２ 半田層
１０３ ヒートシンク
１０４ レーザ光

Claims (13)

  1. 導電性の第１の放熱部材と、
    前記第１の放熱部材の上に設けられた導電性の第１の接着剤と、
    前記第１の接着剤の上に設けられた半導体レーザ素子とを備え、
    前記第１の接着剤は、前記半導体レーザ素子のレーザ射出面の下では、前記第１の放熱部材の側面に達している半導体レーザ装置。
  2. 前記半導体レーザ素子の前記レーザ射出面と前記第１の放熱部材のレーザ射出側の側面とは、同一平面上である請求項１に記載の半導体レーザ装置。
  3. 前記半導体レーザ素子の前記レーザ射出面は、前記第１の放熱部材のレーザ射出側の側面よりも、前記放熱部材の中心寄りに位置する請求項１に記載の半導体レーザ装置。
  4. 前記半導体レーザ素子の前記レーザ射出面と、前記第１の放熱部材の前記レーザ射出側の側面との平面視における距離は、５μｍ以下である請求項３に記載の半導体レーザ装置。
  5. 前記半導体レーザ素子の前記レーザ射出面は、前記第１の放熱部材のレーザ射出側の側面よりも、前記放熱部材の中心とは反対寄りに位置する請求項１に記載の半導体レーザ装置。
  6. 前記半導体レーザ素子の前記レーザ射出面と、前記第１の放熱部材の前記レーザ射出側の側面との平面視における距離は、５μｍ以下である請求項５に記載の半導体レーザ装置。
  7. 前記第１の接着剤は、前記第１の放熱部材のレーザ射出側の側面全面に設けられている請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
  8. 前記第１の放熱部材の前記レーザ射出側の側面の上部における前記第１の接着剤の厚みは、前記第１の放熱部材の前記レーザ射出側の側面の上部以外における前記第１の接着剤の厚みよりも大きい請求項７に記載の半導体レーザ装置。
  9. 導電性の第２の放熱部材と、前記第２の放熱部材の上に設けられた導電性の第２の接着剤と、前記第２の放熱部材の上に設けられた絶縁性の接着テープと、前記絶縁性の接着テープの上に設けられた導電性のボンド板とをさらに備え、
    前記第１の放熱部材は、前記第２の接着剤の上に設けられ、
    前記ボンド板の平面形状は、前記半導体レーザ素子を囲むようなコの字上である請求項１〜８のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
  10. 導電性の第１の放熱部材に、導電性の第１の接着剤を介して半導体レーザ素子を搭載する工程を備え、
    前記第１の接着剤は、前記半導体レーザ素子のレーザ射出面の下では、第1の放熱部材の側面の上に達している半導体レーザ装置の製造方法。
  11. 前記半導体レーザ素子を搭載する工程よりも前に、
    前記第１の放熱部材の上面およびレーザ射出側の側面に前記第１の接着剤を形成する工程をさらに備える請求項１０に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
  12. 前記第１の接着剤を形成する工程は、前記第１の接着剤を蒸着またはめっきにより形成する請求項１１に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
  13. 前記半導体レーザ素子を搭載する工程は、前記第１の放熱部材のレーザ射出側の側面の上部における前記第１の接着剤の厚みが、前記第１の放熱部材の前記レーザ射出側の側面の上部以外における前記第１の接着剤の厚みよりも大きくなるように前記半導体レーザ素子を搭載する請求項１１または１２に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
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