JP2001291924A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザ素子とヒートシンクとを備えて
なる半導体レーザ装置において、半導体レーザ素子の放
熱特性を改善して、高出力発振下においても高い信頼性
を得る。 【解決手段】 半導体レーザ素子25と、この半導体レー
ザ素子25と接する状態に配されたヒートシンク19との間
に、それらの各々の少なくとも一部を通路壁とする基板
溝１ａ等からなる冷却媒質通路を形成し、この冷却媒質
通路を通して冷却媒質28を流通させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体レーザ装置に
関し、さらに詳しくは、半導体レーザ素子の放熱特性を
改善した半導体レーザ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近時、半導体レーザの用途は著しく拡大
しており、それらの用途の多くにおいて、半導体レーザ
のさらなる高出力化が求められている。そこで、半導体
レーザの高出力化を実現するために、半導体レーザ素子
そのものの構造を改良する提案が既に種々なされてい
る。例えば文献1)：J.K. Wade et al.“6.1 W continuo
uswave front-facet power from Al-free active-regio
n (λ=805 ｎｍ) diodelasers”Applied Physics Lette
rs, Vol. 72, No. 1（1998）pp.4-6 には、Alを含まな
いInGaAsPから活性層を形成し、InGaPを光導波層とし、
クラッド層をInAlGaPとした構造を有し805ｎｍ帯で発振
する半導体レーザが報告されている。

【０００３】この文献1)では、高出力特性を改善するた
めに、活性層の光密度を低減する構造として、光導波層
の厚みを広くしたLOC（Large Optical Cavity）構造が
提案され、それによる最高光出力の増大が報告されてい
る。

【０００４】しかしこの構造においては、素子端面での
光吸収に起因して流れる電流により端面が温度上昇し、
さらに端面でのバンドギャップが小さくなって光吸収が
より多くなるという循環により、端面が破壊されるCOMD
（Catastrophic optical mirror damage）という現象が
認められる。そのため最高光出力は、このCOMDに達しな
い範囲に抑えられることになる。このCOMDに達する光出
力は経時により変化するので、半導体レーザが突然の駆
動停止に至ることもある。このような事情があるため、
上記文献1)で提案されている半導体レーザは、高出力駆
動時には高信頼性を得ることが難しくなっている。

【０００５】他方、半導体レーザ素子の放熱効果を高め
るために、素子を水等の冷却媒質によって強制冷却する
構造も、既に種々提案されている。例えば、文献2)：Ra
y Beach et al.“ Modular Microchannel Cooled Heats
inks for Hight Average Power Laser Diode”IEEE JO
URNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, Vol.28,No.4,APRIL199
2 には、半導体レーザ素子をマイクロチャンネルを用い
て水冷却する構造が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記文献2)に
記載されている構造では、単一素子を冷却する場合でも
大掛かりな冷却機構が必要となって場所をとってしまう
という問題や、モジュールに接合された片面から間接的
に冷却を行なうようにしているため、最近の高出力レー
ザ素子に求められる十分な冷却効果を得るのは困難であ
るという問題が認められる。

【０００７】本発明は上記の事情に鑑みて、半導体レー
ザ素子の放熱特性を改善することにより、高出力発振下
においても信頼性の高い半導体レーザ装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体レー
ザ装置は、半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子
と接する状態に配されたヒートシンクと、このヒートシ
ンクと前記半導体レーザ素子との間において、それらの
各々の少なくとも一部を通路壁として形成された冷却媒
質通路と、この冷却媒質通路を通して冷却媒質を流通さ
せる手段とからなることを特徴とするものである。

【０００９】なお、上述のように「ヒートシンクと半導
体レーザ素子との間において冷却媒質通路が形成され
る」とは、必ずしも冷却媒質通路がヒートシンクと別体
になっていることを指すものではなく、ヒートシンクの
一部分を使って冷却媒質通路が形成されて、この冷却媒
質通路がヒートシンクの他の部分と半導体レーザー素子
との間に介在している状態も含むものとする。

【００１０】上記の構成においては、ヒートシンクとし
て、半導体レーザ素子の基板に接する状態に配された第
１のヒートシンク、および、該半導体レーザ素子の基板
と反対側の面に接する状態に配された第２のヒートシン
クが設けられ、そしてこれら第１および第２のヒートシ
ンクと半導体レーザ素子との間にそれぞれ、第１および
第２の冷却媒質通路が形成されることが望ましい。

【００１１】また上記冷却媒質通路の少なくとも一部
は、半導体レーザ素子の基板に形成された溝から構成さ
れるのが好ましい。そして、そのように基板に形成され
る溝は、逆メサ形状とされるのが好ましい。また、上記
冷却媒質通路の少なくとも一部は、半導体レーザ素子の
基板と反対側の面に形成されたリッジ溝から構成されて
もよい。

【００１２】そして、上述のように半導体レーザ素子に
形成された溝の溝壁部分は、例えばSiO_２膜、SiN膜、Al
_２O_３膜等の誘電体によって覆われていることが望まし
い。

【００１３】他方、上記ヒートシンクには、前記冷却媒
質通路に連通して該通路に冷却媒質を供給する供給通路
および／または該通路から冷却媒質を排出させる排出通
路が形成されるのが望ましい。

【００１４】また上記ヒートシンクと半導体レーザ素子
とは、冷却媒質に対して耐性を有するロウ材を用いて接
合されるのが望ましい。

【００１５】さらに本発明の半導体レーザ装置において
は、半導体レーザ素子が複数設けられて半導体レーザア
レイを構成する一方、冷却媒質通路が、上記複数の半導
体レーザ素子とヒートシンクとの間に介在する状態に形
成されるのが望ましい。

【００１６】また本発明の半導体レーザ装置を構成する
半導体レーザ素子は、固体レーザの励起用光源として用
いられるのが望ましい。

【００１７】

【発明の効果】本発明の半導体レーザ装置においては、
ヒートシンクと半導体レーザ素子との間において、それ
らの各々の少なくとも一部を通路壁として冷却媒質通路
が形成され、そしてこの冷却媒質通路を通して冷却媒質
が流通するように構成されているので、冷却媒質が半導
体レーザ素子およびヒートシンクに直接接して流れるよ
うになる。そこで、半導体レーザ素子からヒートシンク
への放熱がこの冷却媒質を介して十分良好になされるよ
うになり、半導体レーザ素子の（より具体的には活性層
近傍の）放熱特性が改善されて、高出力発振下において
も高い信頼性が確保される。

【００１８】また、本発明の半導体レーザ装置のうち特
に、前述した第１および第２のヒートシンクが設けら
れ、そしてこれら第１および第２のヒートシンクと半導
体レーザ素子との間にそれぞれ、第１および第２の冷却
媒質通路が形成されたものにおいては、放熱特性がより
顕著に改善されて、高出力発振下における信頼性がより
一層高いものとなる。

【００１９】また、本発明の半導体レーザ装置のうち特
に、冷却媒質通路の少なくとも一部が、半導体レーザ素
子の基板に形成された溝や、あるいは半導体レーザ素子
の基板と反対側の面に形成されたリッジ溝から構成され
たものにおいては、冷却媒質通路を簡単な構成でかつ小
型に形成可能となるので、装置の簡素化および小型化が
達成される。

【００２０】また、上述のように半導体レーザ素子に形
成された溝の溝壁部分が誘電体によって覆われていれ
ば、半導体レーザ素子の電流が流れる部分に冷却媒質が
直接接触して短絡等の不具合を招くことを防止できる。

【００２１】また、本発明の半導体レーザ装置のうち特
に、ヒートシンクに、冷却媒質通路に連通して該通路に
冷却媒質を供給する供給通路および／または該通路から
冷却媒質を排出させる排出通路が形成されたものにおい
ては、冷却媒質の供給通路や排出通路の構造を簡素化で
きるので、装置のさらなる簡素化および小型化が達成さ
れる。

【００２２】またヒートシンクと半導体レーザ素子と
が、冷却媒質に対して耐性を有するロウ材を用いて接合
されていれば、冷却媒質のためにロウ材が劣化して、ヒ
ートシンクと半導体レーザ素子との接合が不完全になる
不具合を防止できる。

【００２３】また、本発明の半導体レーザ装置のうち特
に、半導体レーザ素子が複数設けられて半導体レーザア
レイを構成する一方、冷却媒質通路が、上記複数の半導
体レーザ素子とヒートシンクとの間に介在する状態に形
成されたものにおいては、複数の半導体レーザ素子を効
率良く冷却可能となり、半導体レーザアレイの高出力発
振下における信頼性を高めることができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実
施形態による半導体レーザ装置の断面形状を示すもので
ある。また図２は、この半導体レーザ装置を構成する半
導体レーザ素子25の発光側端面つまり共振器面となる端
面の形状を示し、図３は図２のＡ−Ａ線に沿った断面の
形状（作製途中の状態）を示すものである。

【００２５】まず図２および３を参照して、半導体レー
ザ素子25の構成をその作製方法とともに説明する。有機
金属気相成長法により(１００)ｎ−GaAs基板１上に、ｎ
−GaAsバッファ層２、ｎ−In_０．４９Ga_０．５１Pエッ
チング阻止層３、ｎ−GaAsコンタクト層４、ｎ−Ga
_１−ｚ１Al_ｚ１As下部クラッド層５（0.55≦z1≦0.
8）、ｎあるいはｉ−In_０．４９Ga_０．５１P下部光導波
層６、In_ｘ３Ga_１−ｘ３As_{１ −ｙ３}Ｐ_ｙ３量子井戸活性
層７（0≦x3≦0.3, 0≦y３≦0.6）、ｐあるいはｉ−In
_０．４９Ga_０．５１P上部光導波層８、ｐ−Ga_１−ｚ１A
l_ｚ１As上部クラッド層９、ｐ−GaAsコンタクト層10を
順次成長させる。

【００２６】その上に絶縁膜11を形成し、ストライプ方
向が基板オリフラ方向と平行になるようにして、通常の
リソグラフィーにより幅200μｍ程度のストライプ状に
絶縁膜11を除去し、その上にｐ側電極12を形成する。

【００２７】次にｎ−GaAs基板１を研磨加工して薄膜化
し、その裏面に図示外の絶縁膜を形成する。次にこの絶
縁膜をマスクとして、溝の長手方向が(１００)面と平行
になるようにして、リソグラフィーによりストライプ状
の開口を有するSiO_２パターン（図示せず）を形成す
る。このSiO_２パターンをマスクとし、硫酸系またはア
ンモニア系のエッチャントを用いて基板１をエッチング
し、逆メサ状の溝１ａを形成する。このとき、自動的に
ｎ−In_０．４９Ga_０．５１Pエッチング阻止層３でエッ
チングが停止し、このエッチング阻止層３までGaAsがエ
ッチングされる。

【００２８】次に塩酸系エッチング液により、ｎ−In
_０．４９Ga_０．５１Pエッチング阻止層３を除去する。
また上記絶縁膜を除去した後、ｎ側電極14を形成する。
その後、試料を両端面設定位置で劈開して形成した共振
器面に高反射率コート15、低反射率コート16を形成し、
チップ化すると、図１に示す半導体レーザ素子25が完成
する。この半導体レーザ素子25は、上記低反射率コート
16が施された側の端面からレーザ光Ｌを発する。なお活
性層は、圧縮歪、格子整合、引っ張り歪量子井戸のいず
れのタイプでもよい。

【００２９】図１に示すように半導体レーザ素子25は、
ｎ−GaAs基板１、ｎ−GaAsバッファ層２、ｎ−In
_０．４９Ga_０．５１Pエッチング阻止層３、ｎ−GaAsコ
ンタクト層４、ｎ−Ga_１−ｚ１Al_ｚ１As下部クラッド層
５（0.55≦z1≦0.8）、ｎあるいはｉ−In_０．４９Ga
_０．５１P下部光導波層６、In_ｘ３Ga_１−ｘ３As
_１−ｙ３Ｐ_{ｙ ３}量子井戸活性層７（0≦x3≦0.3, 0≦y
３≦0.6）、ｐあるいはｉ−In_０．４９Ga_０．５１P上部
光導波層８、ｐ−Ga_１−ｚ１Al_ｚ１As上部クラッド層
９、ｐ−GaAsコンタクト層10、絶縁膜11、ｐ側電極12、
ｎ側電極14、高反射率コート15および低反射率コート16
から構成されている。

【００３０】そして同図に示すように本実施形態の半導
体レーザ装置は、上記半導体レーザ素子25と、この半導
体レーザ素子25のｐ側にInロウ材18で接合された銅製の
ヒートシンク17と、ｎ側に（つまり基板１に）AuSnロウ
材20で接合された銅製のヒートシンク19と、このヒート
シンク19を貫通する冷媒供給通路19ａおよび冷媒排出通
路19ｂにそれぞれ接続された絶縁チューブ26ａおよび26
ｂと、これらの絶縁チューブ26ａおよび26ｂに接続され
たサーキュレーター27とから構成されている。

【００３１】この半導体レーザ装置においては、基板１
に形成された逆メサ状の溝１ａがヒートシンク19によっ
て閉じられて、この溝１ａが基板１およびヒートシンク
19を通路壁とする冷却媒質通路を構成している。この冷
却媒質通路には、上記サーキュレーター27によって循環
される冷却媒質28が流通し、この冷却媒質28によって半
導体レーザ素子25が冷却される。図１中の矢印Ｒは、冷
却媒質28の大まかな流れの向きを示している。なお冷却
媒体28としては、例えば水、もしくはそれに準じるもの
が好適に利用可能である。

【００３２】この構造においては、冷却媒質28が半導体
レーザ素子25およびヒートシンク19に直接接して流れ
る。そこで、半導体レーザ素子25からヒートシンク19へ
の放熱がこの冷却媒質28を介して十分良好になされるよ
うになり、半導体レーザ素子25の（より具体的には量子
井戸活性層７近傍の）温度上昇が抑制されて、高出力発
振下においても高い信頼性が確保される。

【００３３】図４には、本実施形態の半導体レーザ装置
の電流−光出力特性を、従来装置のそれと比較して示
す。なおこの従来装置は、本実施形態における半導体レ
ーザ素子25と同等の層構成を有し、前述した逆メサ状の
溝１ａは備えない半導体レーザ素子を用い、この素子の
ｐ側をInロウ材で銅製のヒートシンクに接合してなるも
のである。またこの場合、双方の半導体レーザ装置と
も、ｐ側に接合したヒートシンクを電子冷却素子に接合
して、そのヒートシンクの温度を25℃に設定した。

【００３４】この図４に示される通り、本発明による半
導体レーザ装置は従来装置と比較して、高駆動電流側
（つまり高光出力側）でスロープ効率が改善され、最大
光出力も３Ｗ程度向上している。

【００３５】なお上記の実施形態は、絶縁膜ストライプ
を形成した利得導波ストライプレーザに本発明を適用し
たものであるが、本発明はそれに限らず、屈折率導波機
構付き半導体レーザや、回折格子付きの半導体レーザ
や、半導体レーザ素子を有する光集積回路に対しても同
様に適用可能である。

【００３６】またクラッド層は、GaAs基板１に格子整合
するInGaAlPまたはInGaAlAsP系のものであってもよい。
また上記実施形態では、GaAs基板１としてｎ型の導電性
のものを用いているが、ｐ型の導電性基板を用いてもよ
く、この場合すべての導電性を上記と反対にすればよ
い。

【００３７】さらに、本実施形態で基板１に形成された
溝１ａは、側壁の斜め形状を無視すれば概略直方体状に
形成されているが、同様の効果が得られるものであれば
他の溝形状を採用してもよい。また、硫酸系エッチング
液でエッチングして形成された溝１ａは素子端面から見
た状態では逆メサ形状を成して、エッチングマスクより
も発光端面側に広がりを有することから、発光端面を冷
却する上でより効果的である。

【００３８】また本実施形態では、上記溝１ａが形成さ
れた基板１とヒートシンク19とをボンディングするロウ
材として、水による劣化が懸念されることの無いAuSnロ
ウ材20を使用しているが、冷却媒質に耐性を有するもの
であれば、その他のロウ材を使用しても構わない。なお
Inロウ材は、水による劣化が懸念される。

【００３９】また、ヒートシンク19に形成する、冷却媒
質を導入する方の冷媒供給通路19ａは、半導体レーザ素
子25の発光端面の発熱によるCODを抑制する上で、発光
端面に近いほどより効果的である。

【００４０】次に、本発明の第２の実施形態について説
明する。図５は、本発明の第２の実施形態による半導体
レーザ装置の分解斜視形状を示すものである。また図６
はこの半導体レーザ装置を構成する半導体レーザアレイ
30の斜視形状を示すものである。なおこの図５以降にお
いて、図１〜４中の要素と同等の要素には同番号を付し
てあり、それらについては必要の無い限り説明を省略す
る。

【００４１】まず上記半導体レーザアレイ30について、
図７および８を参照して、その構成を作製方法とともに
説明する。図７はこの半導体レーザアレイ30の１つの発
光部の発光側端面（共振器面となる端面）の形状を示
し、図８は図７のＢ−Ｂ線に沿った断面の形状を示して
いる。

【００４２】有機金属気相成長法により(１００)ｎ−Ga
As基板１上に、ｎ−GaAsバッファ層２、ｎ−In_０．４９
Ga_０．５１Pエッチング阻止層３、ｎ−GaAsコンタクト
層４、ｎ−In_０．５(Ga_１−ｚ２Al_ｚ２)_０．５P下部ク
ラッド層（0.2≦z2≦1）42、ｎあるいはｉ−In_０．４９
Ga_０．５１P下部光導波層43、In_ｘ３Ga_１−ｘ３As_{１
−ｙ３}Ｐ_ｙ３量子井戸活性層44（0≦x3≦0.3, 0≦y３
≦0.6）、ｐあるいはｉ−In_０．４９Ga_０．５１P上部光
導波層45、p−In_０．５(Ga_１−ｚ２Al_ｚ２)_０．５P上部
クラッド層46、ｐ−In_ｘ４Ga_１−ｘ４As_１−ｙ４P_ｙ４
エッチング阻止層（0≦x4≦0.3, 0≦y4≦0.6）47、ｎ
−In_０．５(Ga_１−ｚ３Al_ｚ３)_０．５P電流狭窄層（0.1
≦z3＜z2）48、それに図示外のｎ−GaAsキャップ層を順
次成長させる。

【００４３】この後、上記ｎ−GaAsキャップ層の上にレ
ジスト（図示せず）を塗布した後、通常のリソグラフィ
ーにより基板オリフラに平行にして、レーザのへき開面
に垂直方向に幅３μｍ程度のストライプ状のレジスト領
域を除去する。こうしてストライプ状の開口が形成され
たレジストをマスクとして、酒石酸エッチャントで上記
GaAsキャップ層をストライプ状に除去する。

【００４４】次いでレジストを剥離した後、GaAsキャッ
プ層をマスクとして、塩酸系のエッチャントによりｎ−
In_０．５(Ga_１−ｚ３Al_ｚ３)_０．５P電流狭窄層48をエ
ッチングし、さらに硫酸系のエッチャントによりｐ−In
_ｘ４Ga_１−ｘ４As_１−ｙ４P _ｙ４エッチング阻止層47お
よび上記ｎ−GaAsキャップ層を除去する。

【００４５】そしてその上に、p−In_０．５(Ga_１−ｚ１
Al_ｚ１)_０．５P上部クラッド層53、ｐ−GaAsコンタクト
層54を成長させる。上部クラッド層53の厚みは、共振器
の中央部の溝中の導波路において、単一基本モードによ
る屈折率導波が高出力下まで達成できるような厚みとす
る。次いでｐ側電極55を形成し、その後基板１を研磨し
て、この基板側に複数のストライプ状開口を有する絶縁
膜（図示せず）を形成する。そしてこの絶縁膜をマスク
として、Cl_２ガスを用いたECRドライエッチングによりG
aAs基板1をストライプ状にエッチングして、複数の溝１
ａを形成する。このとき、自動的にｎ−In_０．４９Ga
_０．５１Pエッチング阻止層３でエッチングが停止す
る。

【００４６】次に塩酸系エッチング液により、ｎ−In
_０．４９Ga_０．５１Pエッチング阻止層３を除去する。
上記絶縁膜を除去した後、その上にｎ側電極14を形成す
る。その後、試料を両端面設定位置で劈開して形成した
レーザアレイバーの共振器面に高反射率コート57、低反
射率コート58を形成すると、半導体レーザアレイ30が完
成する。

【００４７】この半導体レーザアレイ30は図８に完成形
状を示すように、ｎ−GaAs基板１、ｎ−GaAsバッファ層
２、ｎ−In_０．４９Ga_０．５１Pエッチング阻止層３、
ｎ−GaAsコンタクト層４、ｎ−In_０．５(Ga_１−ｚ２Al
_ｚ２)_０．５P下部クラッド層（0.2≦z2≦1）42、ｎある
いはｉ−In_０．４９Ga_０．５１P下部光導波層43、In_ｘ
３Ga_１−ｘ３As_１−ｙ３Ｐ_ｙ３量子井戸活性層44（0≦x
3≦0.3, 0≦y３≦0.6）、ｐあるいはｉ−In_０．４９Ga
_０．５１P上部光導波層45、p−In_０．５(Ga_{１− ｚ２}Al
_ｚ２)_０．５P上部クラッド層46、ｐ−In_ｘ４Ga_１−ｘ４
As_１−ｙ４P_ｙ４エッチング阻止層（0≦x4≦0.3, 0≦y
4≦0.6）47、ｎ−In_０．５(Ga_１−ｚ３Al _ｚ３)_０．５P
電流狭窄層（0.1≦z3＜z2）48、p−In_０．５(Ga
_１−ｚ１Al_ｚ１)_{０ ．５}P上部クラッド層53、ｐ−GaAsコ
ンタクト層54、ｐ側電極55、ｎ側電極14、高反射率コー
ト57および低反射率コート58から構成されている。この
半導体レーザアレイ30は、図６に示すように、アレイ長
手方向に互いに所定間隔を置いて配された複数の発光部
を有し、各発光部からレーザ光Ｌを発する。

【００４８】本実施形態の半導体レーザ装置は図５に示
す通り、上記半導体レーザアレイ30のｐ側に（ｐ側電極
55側に）Inロウ材18により銅製ヒートシンク59を接合
し、またｎ側に（基板１側に）AuSnロウ材20により銅製
ヒートシンク60を接合して構成される。

【００４９】ヒートシンク59は半導体レーザアレイ30に
対応したサイズに形成され、その内部には冷却媒質通路
61が形成されている。この冷却媒質通路61は、ヒートシ
ンク59内をほぼ全面的に通過するように蛇行した形状と
され、その一端、他端はそれぞれヒートシンク59の長手
方向の一端部、他端部において開口している。そしてこ
れらの各開口には、絶縁チューブ62、63が接続されてい
る。

【００５０】また、他方のヒートシンク60も半導体レー
ザアレイ30に対応したサイズに形成され、その内部に
は、ヒートシンク長手方向に延びる２本の冷却媒質通路
64、65が形成されている。冷却媒質通路64には、半導体
レーザアレイ30の基板１に形成された複数の溝１ａに対
応する位置において、ヒートシンク60の半導体レーザア
レイ取付側の表面まで延びる複数の小孔64ａが連通して
いる。また別の冷却媒質通路65にも、同様の複数の小孔
65ａが連通している。そして冷却媒質通路64、65はそれ
ぞれ、ヒートシンク60の長手方向中央部分において、絶
縁チューブ66、67に接続されている。

【００５１】一方、上記ヒートシンク60と半導体レーザ
アレイ30とを接合するAuSnロウ材20は、上述した複数の
小孔64ａおよび65ａに対応する部分において開口20ａを
有し、後述のようにして供給される冷却媒質が冷却媒質
通路64、65から小孔64ａ、65ａを通って上記複数の溝１
ａ内に流通可能としている。

【００５２】ヒートシンク59に接続された絶縁チューブ
62、63は、例えば図１に示したものと同様のサーキュレ
ーターに接続され、そのサーキュレーターによって供給
される冷却媒質が、ヒートシンク59内の冷却媒質通路61
を流通する。そこでこの冷却媒質により半導体レーザア
レイ30のｐ側が良好に冷却され、ヒートシンク59による
放熱効果が高められる。

【００５３】またヒートシンク60に接続された絶縁チュ
ーブ66、67も、例えば図１に示したものと同様のサーキ
ュレーターに接続され、そのサーキュレーターによって
供給される冷却媒質が、ヒートシンク60内の冷却媒質通
路64、65を流通する。なお冷却媒質は、絶縁チューブ66
から冷却媒質通路64、小孔64ａ、溝１ａ内、小孔65ａ、
冷却媒質通路65、絶縁チューブ67の経路で流通する。

【００５４】そこでこの冷却媒質により半導体レーザア
レイ30のｎ側が良好に冷却され、ヒートシンク60による
放熱効果が高められる。このとき冷却媒質は、溝１ａの
部分において半導体レーザアレイ30の基板１に直接接し
て流れる。そこで、半導体レーザアレイ30からヒートシ
ンク60への放熱がこの冷却媒質を介して十分良好になさ
れるようになる。この場合も、冷却媒体としては例えば
水、もしくはそれに準じるものが好適に利用可能であ
る。

【００５５】以上のようにして本実施形態では、半導体
レーザアレイ30がｐ，ｎ両側から冷却媒質を介して十分
良好に冷却されるので、半導体レーザアレイ30の（より
具体的には量子井戸活性層44近傍の）温度上昇が抑制さ
れて、単一横モードを保ったまま、高出力発振下におい
ても高い信頼性が確保される。

【００５６】なお上述の実施形態は、基本横モード発振
する半導体レーザに本発明を適用したものであるが、3
μｍ以上の幅広ストライプ半導体レーザに対して本発明
を適用することも可能である。またGaAs基板１はｎ型の
ものであるが、ｐ型の導電性の基板を用いてもよく、そ
の場合は、前述したすべての導電性を反対にすればよ
い。また、発振する波長帯は、In_ｘGa_１−ｘAs_１−ｙＰ
_ｙ量子井戸活性層の組成により、700ｎｍ〜1200ｎｍの
範囲で制御可能である。そして、InGaAlＰ系クラッド層
と、バンドギャップがクラッド層より小さいInGaAlＰ系
光導波層とを用いることにより、600ｎｍ〜700ｎｍでの
発振も可能となる。

【００５７】さらに、結晶成長法は、固体あるいはガス
を原料とする分子線エピタキシャル成長法であってもよ
い。

【００５８】また、ヒートシンク59内に形成される冷却
媒質通路61の冷却媒質導入側の開口（絶縁チューブ62へ
の接続口）および、ヒートシンク60に形成される冷却媒
質通路64は、半導体レーザ素子の発光端面の発熱による
CODを抑制する上で、発光端面に近いほどより効果的で
ある。

【００５９】また本実施形態では、溝１ａが形成された
基板１とヒートシンク60とをボンディングするロウ材と
して、水による劣化が懸念されることの無いAuSnロウ材
20を使用しているが、冷却媒質に耐性を有するものであ
れば、その他のロウ材を使用しても構わない。

【００６０】さらに図９に示すように、ｎ側電極14が形
成された溝１ａの溝壁部分に、溝周辺部分には形成され
ないようにして、SiO２もしくはSiN等からなる誘電体膜
61を選択的に形成するのが望ましい。そのように誘電体
膜61を選択的に形成するには、ｎ側電極14を形成した後
にSiO２もしくはSiNをP-CVD法で引き続き積層し、その
後フォトリソグラフィにより溝周辺のSiO２膜もしくはS
iN膜のみBHFで除去すればよい。このような誘電体膜61
を形成しておけば、半導体レーザアレイ30の電流が流れ
る部分に冷却媒質が直接接触して、短絡等の不具合を招
くことを防止できる。

【００６１】また、半導体レーザアレイに形成される溝
の形状も、本実施形態における長方形、くし状、に限定
されることはなく、同様の効果が得られるものであれば
他の形状を採用してもよい。

【００６２】またリッジタイプの半導体レーザ素子を用
いる場合には、そのリッジ溝を、これまで述べてきた基
板側の溝と同様に冷却冷媒通路として活用することがで
きる。そうする場合は、半導体レーザ素子のｐ，ｎ両面
を効果的に冷却可能となる。以下、そのようにした本発
明の第３の実施形態について説明する。

【００６３】図１０は、本発明の第３の実施形態による
半導体レーザ装置の断面形状を示すものである。また図
１１は、この半導体レーザ装置を構成する半導体レーザ
素子70の発光側端面つまり共振器面となる端面の形状を
示し、図１２は図１１のＣ−Ｃ線に沿った断面の形状
（作製途中の状態）を示すものである。

【００６４】まず図１１および１２を参照して、半導体
レーザ素子70の構成をその作製方法とともに説明する。
有機金属気相成長法により(１００)ｎ−GaAs基板１上
に、ｎ−GaAsバッファ層２、ｎ−In_０．４９Ga_０．５１
Pエッチング阻止層３、ｎ−GaAsコンタクト層４、ｎ−G
a_１−ｚ１Al_ｚ１As下部クラッド層５（0.55≦z1≦0.
8）、ｎあるいはｉ−In_０．４９Ga_０．５１P下部光導波
層６、In_ｘ３Ga_１−ｘ３As _１−ｙ３Ｐ_ｙ３量子井戸活性
層７（0≦x3≦0.3, 0≦y３≦0.6）、ｐあるいはｉ−In
_０．４９Ga_０．５１P上部光導波層８、ｐ−Ga_１−ｚ１A
l_ｚ１As上部クラッド層９、ｐ−GaAsコンタクト層10を
順次成長させる。

【００６５】その後、フォトリソグラフィにより、ｐ−
GaAsコンタクト層10および上部クラッド層９に、共振器
長手方向に延びる２本のリッジ溝21を形成する。これら
のリッジ溝21は基板オリフラに平行で、例えば幅50μ
ｍ、互いの間隔が200μｍとされたものである。またこ
れらのリッジ溝21は、発光側端面から30μｍまでの部分
には延びないように形成される。

【００６６】その上に絶縁膜11を形成し、通常のリソグ
ラフィーにより幅200μｍ程度のストライプ状に絶縁膜1
1を除去し、その上にｐ側電極12を形成する。次にｎ−G
aAs基板１を研磨加工して薄膜化し、その裏面に図示外
の絶縁膜を形成する。次にリソグラフィーにより、溝の
長手方向が上記オリフラと平行になるようにして、両端
面設定位置より内側の領域の上記絶縁膜を除去する。次
にこの絶縁膜をマスクとしてストライプ状の開口を有す
るSiO_２パターン（図示せず）を形成する。このSiO_２パ
ターンをマスクとし、硫酸系またはアンモニア系のエッ
チャントを用いて基板１をエッチングし、逆メサ状の溝
１ａを形成する。このとき、自動的にｎ−In_０．４９Ga
_０．５１Pエッチング阻止層３でエッチングが停止し、
このエッチング阻止層３までGaAsがエッチングされる。

【００６７】次に塩酸系エッチング液により、ｎ−In
_０．４９Ga_０．５１Pエッチング阻止層３を除去する。
また上記絶縁膜を除去した後、ｎ側電極14を形成する。
その後、試料を両端面設定位置で劈開して形成した共振
器面に高反射率コート15、低反射率コート16を形成し、
チップ化すると、図１０に示す半導体レーザ素子70が完
成する。

【００６８】この半導体レーザ素子70は、ｎ−GaAs基板
１、ｎ−GaAsバッファ層２、ｎ−In _０．４９Ga_０．５１
Pエッチング阻止層３、ｎ−GaAsコンタクト層４、ｎ−G
a_{１ −ｚ１}Al_ｚ１As下部クラッド層５（0.55≦z1≦0.
8）、ｎあるいはｉ−In_{０．４ ９}Ga_０．５１P下部光導波
層６、In_ｘ３Ga_１−ｘ３As_１−ｙ３Ｐ_ｙ３量子井戸活性
層７（0≦x3≦0.3, 0≦y３≦0.6）、ｐあるいはｉ−In
_０．４９Ga_０．５１P上部光導波層８、ｐ−Ga_１−ｚ１A
l_ｚ１As上部クラッド層９、ｐ−GaAsコンタクト層10、
絶縁膜11、ｐ側電極12、ｎ側電極14、高反射率コート15
および低反射率コート16から構成されている。

【００６９】この半導体レーザ素子70は、上記低反射率
コート16が施された側の端面からレーザ光Ｌを発する。
なお活性層は、圧縮歪、格子整合、引っ張り歪量子井戸
のいずれのタイプでもよい。

【００７０】図１０に示すように本実施形態の半導体レ
ーザ装置は、上記半導体レーザ素子70と、この半導体レ
ーザ素子70のｐ側にAuSnロウ材20で接合された銅製のヒ
ートシンク22と、このヒートシンク22を貫通する冷媒供
給通路22ａおよび冷媒排出通路22ｂにそれぞれ接続され
た絶縁チューブ23ａおよび23ｂと、これらの絶縁チュー
ブ23ａおよび23ｂに接続されたサーキュレーター24と、
半導体レーザ素子70のｎ側に（つまり基板１に）AuSnロ
ウ材20で接合された銅製のヒートシンク19と、このヒー
トシンク19を貫通する冷媒供給通路19ａおよび冷媒排出
通路19ｂにそれぞれ接続された絶縁チューブ26ａおよび
26ｂと、これらの絶縁チューブ26ａおよび26ｂに接続さ
れたサーキュレーター27とから構成されている。

【００７１】この半導体レーザ装置においては、基板１
に形成された逆メサ状の溝１ａがヒートシンク19によっ
て閉じられて、この溝１ａが基板１およびヒートシンク
19を通路壁とする冷却媒質通路を構成している。この冷
却媒質通路には、上記サーキュレーター27によって循環
される冷却媒質28が流通し、この冷却媒質28によって半
導体レーザ素子70が冷却される。

【００７２】またこの半導体レーザ装置においては、２
つのリッジ溝21がヒートシンク22によって閉じられて、
これらのリッジ溝21が半導体レーザ素子70およびヒート
シンク22を通路壁とする冷却媒質通路を構成している。
この冷却媒質通路には、上記サーキュレーター24によっ
て循環される冷却媒質28が流通し、この冷却媒質28によ
って半導体レーザ素子70が冷却される。図１０中の矢印
ＲおよびＱは、冷却媒質28の大まかな流れの向きを示し
ている。

【００７３】この実施形態においては、図１に示した第
１の実施形態におけるのと同様の効果が得られる上に、
半導体レーザ素子70のｐ側でも、リッジ溝21に入り込む
冷却媒質28によって放熱効果が高められるので、高出力
発振下における信頼性がより向上する。

【００７４】なおこの場合も、逆メサ状の溝１ａおよび
リッジ溝21の溝壁部分に、図９に示した誘電体膜61と同
様の誘電体膜を形成するのが望ましい。そのようにすれ
ば、半導体レーザ素子70の電流が流れる部分に冷却媒質
28が直接接触して、短絡等の不具合を招くことを防止で
きる。

【００７５】次に図１３を参照して、本発明の半導体レ
ーザ装置の応用例について説明する。ここで用いられて
いる本発明による半導体レーザ装置71は、例えば図１０
に示した第３実施形態のものであり、第２高調波を発生
する固体レーザ装置の励起光源として使用されている。

【００７６】すなわちこの固体レーザ装置は、半導体レ
ーザ装置71と、この半導体レーザ装置から出射された励
起光としてのレーザ光80を集光する集光レンズ72と、集
光されたレーザ光80によって励起される固体レーザ結晶
73と、この固体レーザ結晶73と共に固体レーザ共振器を
構成する凹面鏡からなる出力ミラー74と、固体レーザ結
晶73および出力ミラー74の間に配された非線形光学結晶
75とから構成されている。

【００７７】なお固体レーザ結晶73としては、例えばN
d:YVO_４、Nd:YAG、Nd:YLF等が用いられ、一方非線形光
学結晶75としては、例えばKNbO_３結晶、KTP結晶、周期
ドメイン反転構造を有するLiNbO_３ 結晶等が用いられ
る。

【００７８】また半導体レーザ装置71、固体レーザ結晶
73および非線形光学結晶75は、図示しないペルチェ素子
および温度調節回路を用いて、所定の温度に温度調節さ
れている。

【００７９】上記固体レーザ結晶73の励起光入射側の端
面73ａには、レーザ光80を良好に透過させ、後述する固
体レーザ光81および第２高調波82は良好に反射させるコ
ート膜76が形成されている。一方出力ミラー74のミラー
面74ａには、上記レーザ光80および固体レーザ光81を良
好に反射させ、第２高調波82は一部透過させるコート膜
79が形成されている。

【００８０】上記の構成において、固体レーザ結晶73は
レーザ光80により励起されて光を発し、この光は上記コ
ート膜76が形成された固体レーザ結晶端面73ａと、コー
ト膜79が形成されたミラー面74ａとの間で共振し、固体
レーザ光81が発振する。この固体レーザ光81は非線形光
学結晶75に入射して波長が１／２の第２高調波82に変換
される。

【００８１】出力ミラー74からはほぼ第２高調波82のみ
が出射し、この第２高調波82のうちビームスプリッタ77
を透過したものが所定の用途に用いられる。またビーム
スプリッタ77で反射した一部の第２高調波82は受光素子
78に入射する。この受光素子78が出力する光強度検出信
号は図示外のAPC(automatic power control)回路に入力
され、このAPC回路により、受光素子78の検出光強度が
一定となるように半導体レーザ素子70の駆動電流が制御
される。その結果、ビームスプリッタ77を透過して所定
の用途に用いられる第２高調波82の光出力が一定化され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による半導体レーザ装
置の断面図

【図２】図１の半導体レーザ装置を構成する半導体レー
ザ素子の発光側端面を示す図

【図３】図２の半導体レーザ素子の断面図

【図４】図１の半導体レーザ装置の駆動電流対光出力特
性を従来装置の特性と比較して示すグラフ

【図５】本発明の第２の実施形態による半導体レーザ装
置の分解斜視図

【図６】図５の半導体レーザ装置を構成する半導体レー
ザアレイを示す斜視図

【図７】図６の半導体レーザアレイの発光側端面を示す
図

【図８】図６の半導体レーザアレイの断面図

【図９】図８の半導体レーザアレイの変形例を示す断面
図

【図１０】本発明の第３の実施形態による半導体レーザ
装置の断面図

【図１１】図１０の半導体レーザ装置を構成する半導体
レーザ素子の発光側端面を示す図

【図１２】図１１の半導体レーザ素子の断面図

【図１３】本発明の半導体レーザ装置を用いた固体レー
ザ装置の概略側面図

【符号の説明】

１ ｎ−GaAs基板 １ａ 基板の溝 ２ ｎ−GaAsバッファ層 ３ ｎ−In_０．４９Ga_０．５１Pエッチング阻止層 ４ ｎ−GaAsコンタクト層 ５ ｎ−Ga_１−ｚ１Al_ｚ１As下部クラッド層 ６ ｎあるいはｉ−In_０．４９Ga_０．５１P下部光導
波層 ７ In_ｘ３Ga_１−ｘ３As_１−ｙ３Ｐ_ｙ３量子井戸活性
層 ８ ｐあるいはｉ−In_０．４９Ga_０．５１P上部光導
波層 ９ ｐ−Ga_１−ｚ１Al_ｚ１As上部クラッド層 10 ｐ−GaAsコンタクト層 11 絶縁膜 12 ｐ側電極 14 ｎ側電極 15 高反射率コート 16 低反射率コート 17、19 ヒートシンク 18 Inロウ材 19ａ 冷媒供給通路 19ｂ 冷媒排出通路 20 AuSnロウ材 21 リッジ溝 22 ヒートシンク 22ａ 冷媒供給通路 22ｂ 冷媒排出通路 23ａ、23ｂ、26ａ、26ｂ 絶縁チューブ 24、27 サーキュレーター 25 半導体レーザ素子 28 冷却媒質 30 半導体レーザアレイ 42 ｎ−In_０．５(Ga_１−ｚ２Al_ｚ２)_０．５P下部ク
ラッド層 43 ｎあるいはｉ−In_０．４９Ga_０．５１P下部光導
波層 44 In_ｘ３Ga_１−ｘ３As_１−ｙ３Ｐ_ｙ３量子井戸活性
層 45 ｐあるいはｉ−In_０．４９Ga_０．５１P上部光導
波層 46 p−In_０．５(Ga_１−ｚ２Al_ｚ２)_０．５P上部クラ
ッド層 47 ｐ−In_ｘ４Ga_１−ｘ４As_１−ｙ４P_ｙ４エッチン
グ阻止層 48 ｎ−In_０．５(Ga_１−ｚ３Al_ｚ３)_０．５P電流狭
窄層 53 p−In_０．５(Ga_１−ｚ１Al_ｚ１)_０．５P上部クラ
ッド層 54 ｐ−GaAsコンタクト層 55 ｐ側電極 57 高反射率コート 58 低反射率コート 59、60 ヒートシンク 61 冷却媒質通路 62、63、66、67 絶縁チューブ 64、65 冷却媒質通路 70 半導体レーザ素子 71 半導体レーザ装置 72 集光レンズ 73 固体レーザ結晶 74 出力ミラー 75 非線形光学結晶 80 レーザ光 81 固体レーザ光 82 第２高調波 Ｌ レーザ光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福永 敏明 神奈川県足柄上郡開成町宮台798番地 富 士写真フイルム株式会社内 Ｆターム(参考） 2K002 AB12 AB27 BA01 CA02 CA03 DA01 EA30 HA20 5F072 AB02 JJ04 JJ09 KK11 KK15 KK18 PP07 QQ02 TT01 TT12 TT22 TT29 5F073 AA53 AA55 AA74 AB02 AB23 CA13 CB02 DA05 DA22 EA24 FA14 FA22 FA25 FA26 GA02

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザ素子と、 この半導体レーザ素子と接する状態に配されたヒートシ
   ンクと、 このヒートシンクと前記半導体レーザ素子との間におい
   て、それらの各々の少なくとも一部を通路壁として形成
   された冷却媒質通路と、 この冷却媒質通路を通して冷却媒質を流通させる手段と
   からなる半導体レーザ装置。
2. 【請求項２】 前記ヒートシンクとして、前記半導体レ
   ーザ素子の基板に接する状態に配された第１のヒートシ
   ンク、および、該半導体レーザ素子の基板と反対側の面
   に接する状態に配された第２のヒートシンクが設けら
   れ、 これら第１および第２のヒートシンクと前記半導体レー
   ザ素子との間にそれぞれ、第１および第２の冷却媒質通
   路が形成されていることを特徴とする請求項１記載の半
   導体レーザ装置。
3. 【請求項３】 前記冷却媒質通路の少なくとも一部が、
   前記半導体レーザ素子の基板に形成された溝から構成さ
   れていることを特徴とする請求項１または２記載の半導
   体レーザ装置。
4. 【請求項４】 前記基板に形成された溝が逆メサ形状の
   ものであることを特徴とする請求項３記載の半導体レー
   ザ装置。
5. 【請求項５】 前記冷却媒質通路の少なくとも一部が、
   前記半導体レーザ素子の基板と反対側の面に形成された
   リッジ溝から構成されていることを特徴とする請求項１
   から４いずれか１項記載の半導体レーザ装置。
6. 【請求項６】 前記半導体レーザ素子に形成された溝の
   溝壁部分が誘電体によって覆われていることを特徴とす
   る請求項３から５いずれか１項記載の半導体レーザ装
   置。
7. 【請求項７】 前記ヒートシンクに、前記冷却媒質通路
   に連通して該通路に前記冷却媒質を供給する供給通路お
   よび／または該通路から前記冷却媒質を排出させる排出
   通路が形成されていることを特徴とする請求項１から６
   いずれか１項記載の半導体レーザ装置。
8. 【請求項８】 前記ヒートシンクと前記半導体レーザ素
   子とが、前記冷却媒質に対して耐性を有するロウ材を用
   いて接合されていることを特徴とする請求項１から７い
   ずれか１項記載の半導体レーザ装置。
9. 【請求項９】 前記半導体レーザ素子が複数設けられて
   半導体レーザアレイを構成しており、 前記冷却媒質通路が、前記複数の半導体レーザ素子と前
   記ヒートシンクとの間に介在する状態に形成されている
   ことを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載の半
   導体レーザ装置。
10. 【請求項１０】 前記半導体レーザ素子が固体レーザの
    励起用光源として用いられていることを特徴とする請求
    項１から９いずれか１項記載の半導体レーザ装置。