JP2005026333A

JP2005026333A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP2005026333A
Application number: JP2003187924A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Iwamura; 康弘岩村; Masaharu Honda; 正治本多; Shoji Watanabe; 将司渡邉; Tetsuo Inoue; 哲郎井上; Hajime Shimizu; 源清水
Original assignee: Tokyo Sanyo Electric Co Ltd; Tottori Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Tokyo Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】特に放熱性が良好であり、熱抵抗が小さく、半導体レーザ素子を冷却するための電子冷却素子を必要としない構造の半導体レーザ装置を提供すること。
【解決手段】半導体レーザ素子２２と一方のリード１１ｂを結ぶボンディングワイヤ２６及び半導体レーザ素子２２のサブマウント２３とヘッダー１４を結ぶボンディングワイヤ２７を各々複数本設ける。
このような構成となすと、ボンディングワイヤ一本あたりの電流値が少なくなり、熱抵抗が低下し、さらに放熱性がよくなるので、半導体レーザ素子２２の温度上昇が抑えられ、半導体レーザ素子２２の長寿命化が達成でき、受光素子１７の温度もあまり上がらないですむので、その受光特性（モニタ電流値）が安定するため、正確な出力制御ができるようになる。加えて、マルチモード化のための高周波重畳がかかりやすくなる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザ装置に関し、特に放熱性が良好であり、熱抵抗が小さく、半導体レーザ素子を冷却するための電子冷却素子を必要としない構造の半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体レーザ装置は、ＣＤ、ＤＶＤ等の読み取り及び書き込み、レーザビームプリンタ、レベルメータ、計測機器等やバーコードスキャナ、レーザポインタなどに使用され、その用途を拡大しつつある。
【０００３】
従来の半導体レーザ装置４０としては、例えば図３の一部切欠斜視図に示す如く、ステム４１上にヒートシンク４２と、光出力モニタ用の受光素子４３と、半導体レーザ素子４５とを載置したものが知られており、前記半導体レーザ素子からの光の一部は光ガイド（図示せず）を介して受光素子４３に入射され、該受光素子４３の出力に応じて該半導体レーザ素子の光出力制御を行うようになされている。この半導体レーザ素子４５は、ヒートシンク４２に直接あるいはサブマウント４４を介してヒートシンク４２に結合されている。なお、この半導体レーザ素子４５は、モノリシックな基体に発光部４６を有し、図面上、上方に光ビームを放出するようになされている。
【０００４】
半導体レーザ装置４０は、リード４７、４８、４９を有し、そのうちの２本のリード４７及び４８はベース５０に絶縁ガラス５１、５２により絶縁された状態で貫通されており、残りの１本のリード４９はベース５０下面に垂直に形成されている。
【０００５】
半導体レーザ素子４５及び受光素子４３は、リード４７、４８とそれぞれボンディングワイヤ５３及び５４によって接続されている。金属製のキャップ５６は、上部中央に光の通過孔５５が設けられており、下端面がステム４１の周縁に固着されている。また、この金属製のキャップの透過孔５５には図示しないガラス等の透光部材がはめ込まれている。このような従来の半導体レーザ装置においては、リードと半導体レーザ素子、受光素子の電極等、或いは、半導体レーザ素子が取り付けられているサブマウント等との電気的接続は１本のボンディングワイヤにより行われているのが普通であった。（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
ところで、半導体レーザ素子は、幅が数μｍから１０μｍ程度の狭いストライプ状の領域に大きな電流密度で順方向の注入電流が集中するような構造となっており、この領域において電子と正孔が再結合して光となり、この光は半導体レーザ素子の鏡面状になった端面の間を往復し、励振増幅されて半導体レーザ素子の外部に放射される。しかしながら、その光への変換効率は低く、電気エネルギーの大半が熱となり、しかも温度変化によって発振波長が変化する発振波長の温度シフト性のため、放熱が重要な問題となっていた。
【０００７】
このため従来は、熱抵抗を低減するために半導体レーザ装置にアルミニウム等の放熱板をつけて使用したり、あるいは半導体レーザ装置の光出力の増大及び発振波長の安定化、及び長寿命化を図るために、半導体レーザ素子を冷却するペルチェ素子のような電子冷却素子を附設して定温制御を行っているものが知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００８】
この下記特許文献２に開示されている半導体レーザ装置６０を図４を用いて説明すると、半導体レーザ素子６１は、レンズ６２によって光ファイバ６３に光学的に結合された状態で光学系固定基板６４に固定されている。また、この光学系固定基板６４上には、半導体レーザ素子６１の温度をモニタするためサーミスタ６５が装着されている。この光学系固定基板６４は、ペルチェ素子６６の低温面に装着され、ペルチェ素子６６の高温面はパッケージ６７に載置されている。このパッケージ６７は、断熱材６８によってペルチェ素子６６の高温面と接するパッケージ領域とペルチェ素子６６の低温面と熱的につながっているパッケージ領域とを熱的に遮断している構造となっている。
【０００９】
このような構造の半導体レーザ装置６０においては、半導体レーザ素子６１の温度変動はサーミスタ６５によりモニタされ、サーミスタ６５の抵抗値が一定となるように光学系固定基板６４をペルチェ素子６６により冷却することにより、半導体レーザ素子６１の温度を一定に保っている。この時ペルチェ素子６６により吸収された熱は、ペルチェ素子６６の高温面と接するパッケージ６７を通じて半導体レーザ装置６０の外に排除されるようになっている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平２−１２５６８８号公報（特許請求の範囲、２頁、図５、図６）
【特許文献２】
特開平７−１４７４６２号公報（特許請求の範囲、図１）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このような上述の半導体レーザ装置は、ペルチェ素子のような電子冷却用の素子を備えているため、半導体レーザ素子を有効に冷却して定温制御することができるので、光出力及び発信周波数が長期間に亘って安定するという優れた効果を奏するものである。しかしながら、ペルチェ素子のような電子冷却用の素子を新たに設けることが必要であり、しかも、ペルチェ素子の制御手段を設けることが必要となるため、半導体レーザ装置の大型化及び大幅なコストの上昇が避けられないという問題点が存在している。そのため電子冷却素子を必要としない、より安価な構造の半導体レーザ装置の提供が望まれていた。
【００１２】
本願の発明者は、前記の問題点を解消すべく種々検討を行った結果、半導体レーザ素子とリードあるいは半導体レーザ素子が取り付けられているサブマウントとの電気的接続を行うボンディングワイヤを、単一のものとせずに、複数本となすことにより構造的に熱抵抗を下げられることに着目し、放熱性が良好であり熱抵抗が小さい半導体レーザ装置を提供することができることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
【００１３】
すなわち、本発明は、前記の問題点を解決することを課題とし、半導体レーザ装置において、特に放熱性が良好であり熱抵抗が小さく、半導体レーザ素子を冷却するための電子冷却素子を必要としない構造の半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【００１４】
また、本発明は、半導体レーザ素子を冷却するための特別な電子冷却素子を必要とせずに、長寿命で、安価な半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、以下の構成により達成することができる。すなわち本発明の第１の態様においては、少なくとも半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子が取り付けられたサブマウントと、該サブマウントが取り付けられたヘッダーとを有する半導体レーザ装置において、前記半導体レーザ素子とリードを結ぶボンディングワイヤ、及び前記半導体レーザ素子が取り付けられたサブマウントとヘッダーを結ぶボンディングワイヤのそれぞれを複数本ずつ設けた半導体レーザ装置が提供される。かかる構成によれば、半導体レーザ素子で発生した熱が複数本のボンディングワイヤの熱伝導によって取り除かれるので、放熱効果がよくなり、熱抵抗を下げることができるようになる。
【００１６】
また、係る態様の半導体レーザ装置は、ステム型半導体レーザ装置やフレーム型半導体レーザ装置にも等しく適用可能である。
【００１７】
さらに、本発明の第２の態様においては、少なくとも半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子が取り付けられたサブマウントと、該サブマウントが取り付けられたヘッダーとを有する半導体レーザ装置において、前記半導体レーザ素子とヘッダーを結ぶボンディングワイヤ、及び前記半導体レーザ素子が取り付けられているサブマウントとリードを結ぶボンディングワイヤのそれぞれを複数本ずつ設けた半導体レーザ装置が提供される。係る態様は、前記第１の実施態様の場合とは半導体レーザ素子の極性が逆の場合に適用されるものであって、係る場合にも、前記第１の実施態様と同様に、半導体レーザ素子で発生した熱が複数本のボンディングワイヤの熱伝導によって取り除かれるので、放熱効果がよくなり、熱抵抗を下げることができるようになる。
【００１８】
又、係る態様の半導体レーザ装置も、ステム型半導体レーザ装置やフレーム型半導体レーザ装置にも等しく適用可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の半導体レーザ装置の実施例を詳細に説明する。ただし、以下に示す実施例は本発明の技術思想を具体化するための半導体レーザ装置の構造を例示するものであって、本発明をこの半導体レーザ装置に特定することを意図するものではなく、同種の課題を有する半導体レーザ装置にも等しく適用し得るものである。
【００２０】
【実施例】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１にかかるステム型半導体レーザ装置１０の要部分解斜視図である。このステム型半導体レーザ装置は、リード１１ａ〜１１ｃは直径が約０．４５ｍｍの銅等の金属材料からなり、ステム１２に嵌合された金属ベース１３に固設され、そのうちの一本１１ａはヒートシンクとして使用されるヘッダー１４に接続されている。
【００２１】
他のリード１１ｂ、１１ｃは、ガラス等の絶縁部材により絶縁された状態で金属ベース１３を貫通しており、内端面１５又は１６に金属細線による接続のための平面部が形成されている。リード１１としては金又はアルミニウム等の電気伝導性及び熱伝導性が良好な金属材料を用いてもよい。
【００２２】
受光素子１７は、例えばＰ−Ｉ−Ｎ構造をなすシリコン系結晶に表面電極１８と裏面電極２０が設けられたものであり、表面電極１８はＰ型拡散領域とオーミック接触して形成されている。この受光素子１７の裏面電極２０側は銀ペースト等の導電性接着剤によって金属ベース１３の表面に固着されている。
【００２３】
半導体レーザ素子２２は、例えばストライプ状の活性層とその活性層を挟むクラッド層からなるＩｎＧａＡｌＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等の発光層から形成されている。半導体レーザ素子２２の両端は劈開されその上に反射膜が形成されている。この半導体レーザ素子２２はヘッダー１４にサブマウント２３を介して、その光放射面２４がヘッダーの端面の近くに位置するように、銀ペースト又ははんだで固着されている。ヘッダー１４に固着された半導体レーザ素子２２は、受光素子１７の表面電極１８の上方に位置している。
【００２４】
サブマウント２３は、例えばシリコン等からなり、表面電極と裏面電極を設けたものであり、導電性接着剤によってヘッダー１４の表面上に固着されている。また、半導体レーザ素子２２は、サブマウント２３の表面電極と合金化することにより固定されている。
【００２５】
そして、受光素子１７の表面電極１８とリード１１ｃとの間には１本のコネクトワイヤ２５が、半導体レーザ素子２２の表面と他のリード１１ｂとの間には複数本のコネクトワイヤ２６が、また、サブマウント２３とヘッダー１４との間には複数本のボンディングワイヤ２７が、それぞれ配線されている。
【００２６】
なお、半導体レーザ素子２２の後端近くから受光素子１７のＰ型拡散領域一体を覆うように、例えばエポキシ樹脂からなる透光性樹脂による光導路を形成する場合もある。また、図１には図示を省略したが、ステム１２には、上面に光の通過孔が設けられ、その通過孔がガラス等で閉がれている金属製キャップの下端面が、ステムの周縁に固着されている。
【００２７】
本実施例の半導体レーザ装置１０によれば、半導体レーザ素子２２の表面とリード１１ｂの内端平面部１５との間、及び、サブマウント２３とヘッダー１４との間は、それぞれ複数本のボンディングワイヤ２６、２７によりそれらの間を結ぶように配線されているので、ボンディングワイヤ２６、２７はボンディングワイヤ一本あたりの電流値が少なくなり、熱抵抗が低下し、さらに放熱性がよくなるので、半導体レーザ素子２２の温度上昇が抑えられ、半導体レーザ素子２２の長寿命化が達成できる。また、半導体レーザ素子２２の温度上昇が抑えられることにより、受光素子１７の温度もあまり上がらないですみ、その受光特性（モニタ電流値）が安定するので正確な出力制御ができるようになる。加えて、例えば複数のボンディングワイヤ２６、２７のうちの一本が断線しても給電性が損なわれることがないので、半導体レーザ装置１０の信頼性を高めることができるようになる。
【００２８】
なお、ボンディングワイヤ２５の本数は２本以上１０本位までが好ましく、本数が増えれば放熱効果はよくなるが、接続部分の面積が増えるため半導体レーザ装置が大型化することになるので好ましくない。
（実施例２）
図２は、本発明にかかる他の実施例の半導体レーザ装置３０の要部透視斜視図であり、フレーム型半導体レーザ装置に適用したものである。図１のステム型半導体レーザ装置１０と共通の部分には同じ符号を付与して説明する。
【００２９】
このフレーム型半導体レーザ装置３０においては、リード１１ａ〜１１ｃは厚み０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの銅等の金属材料からなる。リード１１ａには、切り欠き３２が形成され、また、ヘッダー３３、端子部３４、放熱フィン３５が形成されている。リードとしては鉄に金メッキをしたもの又はアルミニウム等の電気伝導性及び熱伝導性の良好な材料を用いてもよい。他のリード１１ｂ、１１ｃは望ましくは、端面３６又は端面３７に配線接続用の凹部又は凸部が形成されている。
【００３０】
受光素子１７は例えばＰ−Ｉ−Ｎ構造をなすシリコン系結晶に表面電極１８と裏面電極が設けられたものである。表面電極１８はＰ型拡散領域とオーミック接触して形成されている。受光素子１７は銀ペースト等の導電性接着剤を介してリード１１ａのヘッダー３３表面に固着されている。
【００３１】
この半導体レーザ素子２２は、例えばストライプ状の活性層とその活性層を挟むクラッド層からなるＩｎＧａＡｌＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等の発光層から形成されている。半導体レーザ素子２２の両端は劈開されその上に反射膜が形成されている。半導体レーザ素子２２はその放射面２４がヘッダー３３の端面の近くに位置するように、且つ受光素子１７の表面電極の上部位置にサブマウント２３を介して銀ペースト又ははんだで固着されている。
【００３２】
受光素子１７の表面電極１８とリード１１ｃとの間にはボンディングワイヤ２５が、半導体レーザ素子２２の表面と他のリード１１ｂとの間にはボンディングワイヤ２６が、また、サブマウント２３とヘッダー３３のとこにはボンディングワイヤ２７が、それぞれ配線されている。
【００３３】
絶縁枠３８は、ポリカーボネ−ト樹脂又はエポキシ樹脂等からなり、半導体レーザ素子２２の放射面を露出するように、且つ複数のリード１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各表面と裏面を挟むように、平面略コ字状の枠体としてトランスファモールドで成型されている。絶縁枠３０はアルミナセラミック又は絶縁処理した金属材料で構成してもよい。
【００３４】
サブマウント２３は例えばシリコン等からなり表面電極と裏面電極を設けられたものであり、導電性接着剤によってヘッダー３３の表面上に固着されている。半導体レーザ素子２２は、サブマウント２３の表面電極と合金化することにより固定されている。
【００３５】
絶縁枠３８の空所を満たす透光性樹脂（図示せず）は、例えばエポキシ樹脂からなり、半導体レーザ素子受光素子を一体に覆うように形成されている。
【００３６】
ボンディングワイヤ２６及び２７は、それぞれ半導体レーザ素子２２とリード１１ｂとの間は複数のボンディングワイヤ２６により、また、半導体レーザ素子２２のサブマウント２３表面とヘッダー３３との間においては複数のボンディングワイヤ２７により、それぞれ配線接続されている。
【００３７】
上述のように、ボンディングワイヤ２６及び２７がそれぞれの間を複数の線で結線しているので熱抵抗が低下し、また、放熱性がよくなるので半導体レーザ素子２２の温度上昇が少なくなるばかりか、受光素子１７の温度もあまり上昇しなくなる。従って、受光素子１７の受光特性（モニタ電流値）が安定するので正確な出力制御ができるようになる。加えて、ボンディングワイヤ２６及び２７のうちの一本が断線しても給電性を損なうことがないので装置の信頼性を高めることができる。
【００３８】
なお、本発明の半導体レーザ装置１０ないしは３０は、上記実施例１及び実施例２とは、極性が逆になるように半導体レーザ素子を組み込んだ場合も、同様の効果が得られる。すなわち、この場合においては、半導体レーザ素子２２とヘッダー１４を結ぶボンディングワイヤを複数本とし、また、半導体レーザ素子が取り付けられているサブマウントと一方のリードを結ぶボンディングワイヤを複数本となるようにしてもよい。さらに、本発明は、半導体レーザ素子を複数個搭載した多ビーム放出型半導体レーザ装置などにも等しく適用できることは言うまでもない。
【００３９】
さらに、半導体レーザ装置は通常シングルモードであるため、光ディスクドライバに用いる場合、ディスクからの戻り光対策として再生時にはマルチモード化する必要があるため、一般に高周波重畳によりマルチモード化が行われが、このとき半導体レーザ素子と高周波重畳とのマッチングを取る必要がある。この場合には、本発明のようにボンディングワイヤを複数本設けると、ワイヤ一本あたりの電流値が低くなり、それに伴い半導体レーザ素子のインダクタンスも低減するため、高周波重畳がかかりやすくなるという利点がある。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の半導体レーザ装置によれば、特に冷却手段を設けなくても、放熱性がより良好になり、熱抵抗の低減が図られ、しかも、高周波重畳がかかりやすく、安価で長寿命の半導体レーザ素子が得られるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係るステム型半導体レーザ装置の要部分解斜視図である。
【図２】本発明の実施例２に係るフレーム型半導体レーザ装置の透視斜視図図である
【図３】従来のステム型半導体レーザ装置の一部切欠斜視図である。
【図４】従来例の冷却手段を有する半導体レーザ装置の構成を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１０，３０半導体レーザ装置
１１ａ〜１１ｃリード
１２ステム
１３金属ベース
１４、３３ヘッダー
１５、１６、３６、３７リードの内端面
１７受光素子
１８受光素子の表面電極
２２半導体レーザ素子
２３サブマウント
２４レーザ素子の光放射面
２５〜２７ボンディングワイヤ
３８絶縁枠

Claims

少なくとも半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子が取り付けられたサブマウントと、該サブマウントが取り付けられたヘッダーとを有する半導体レーザ装置において、前記半導体レーザ素子とリードを結ぶボンディングワイヤ、及び前記半導体レーザ素子が取り付けられたサブマウントとヘッダーを結ぶボンディングワイヤのそれぞれを複数本ずつ設けたことを特徴とする半導体レーザ装置。
少なくとも半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子が取り付けられたサブマウントと、該サブマウントが取り付けられたヘッダーとを有するステム型あるいはフレーム型構造の半導体レーザ装置において、前記半導体レーザ素子とリードを結ぶボンディングワイヤ、及び前記半導体レーザ素子が取り付けられたサブマウントとヘッダーを結ぶボンディングワイヤのそれぞれを複数本ずつ設けたことを特徴とする半導体レーザ装置。
少なくとも半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子が取り付けられたサブマウントと、該サブマウントが取り付けられたヘッダーとを有する半導体レーザ装置において、前記半導体レーザ素子とヘッダーを結ぶボンディングワイヤ、及び前記半導体レーザ素子が取り付けられているサブマウントとリードを結ぶボンディングワイヤのそれぞれを複数本ずつ設けたことを特徴とする半導体レーザ装置。
前記半導体レーザ装置がステム型半導体レーザ装置であることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ装置。
前記半導体レーザ装置がフレーム型半導体レーザ装置であることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ装置。