JP2005039105A - 2波長半導体レーザ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 半導体レーザ素子をヒートシンクに半田付けにより実装する際に半田流れ等による端子間の短絡が防止され、実装効率が向上された2波長半導体レーザ装置を提供すること。
【解決手段】 2波長半導体レーザ装置10の半導体レーザチップLDCは、発光部となる接合層14、18をヒートシンク23に近づけて固着したジャンクションダウン構造を有し、
前記異なる波長を出射する2つの半導体レーザ素子のうち、
前記短波長側の半導体レーザ素子LD1の下部のヒートシンク固着面には、前記短波長側の半導体レーザ素子の一方の電極21の全面に接するように半田層26を介して第1の電極24を設け、
前記長波長側の半導体レーザ素子LD2の下部のヒートシンク固着面には、前記長波長側の半導体レーザ素子の一方の電極22の発光部19となる導波路の下部30を除いた部分に部分的に接触するように半田層を介して第2の電極を設ける。
【選択図】 図1

Description

本発明は、2波長半導体レーザ装置に関し、特に、半導体レーザ素子をヒートシンクに半田付けにより実装する際に半田流れ等による端子間の短絡が防止され、実装効率が向上された2波長半導体レーザ装置に関する。
現在、光記録媒体として、コンパクトディスク(CD)、レコーダブルコンパクトディスク(CD−R)、ミニディスク(MD)や、更に高密度なデジタルビデオディスク(DVD)等が知られており、これらの記録媒体ピックアップにおいて少なくともDVDおよびCD/CD−Rを再生するためには、光源にDVD用の発振波長650nmレーザと、CD用の780nmレーザが必要となる。さらに、光ピックアップの簡素化、小型化等を実現するためには、1つのパッケージから650nmおよび780nm両方の波長を出すことのできる2波長レーザ装置が有効である。
2波長半導体レーザ装置は、既にいくつかの形式のものが開発されているが、ここで、本発明の理解のために、その一具体例を図5を参照して説明する。なお、図5(a)は従来例の2波長半導体レーザ装置の正面図であり、図5(b)は斜視図である。
この2波長半導体レーザ装置50は、例えば同一のn型GaAs基板11上に、発光波長が650nmのAlGaInP系第1半導体レーザ素子LD1と発光波長が780nmのAlGaAs系第2半導体レーザ素子LD2とが互いに分離した状態で集積化されているレーザチップLDCを備えている。
これらAlGaInP系第1半導体レーザ素子LD1及びAlGaAs系第2半導体レーザ素子LD2の具体的な微細構造はともに本願出願前に周知(下記特許文献1及び2参照)であるので、以下では簡略化して本発明の理解のために必要な部分のみを説明することとする。
すなわち、レーザチップLDCのAlGaInP系第1半導体レーザ素子LD1においては、n型GaAs基板11上に、n型AlGaInP半導体層12及びp型AlGaInP半導体層13の間に単一量子井戸(SQW)構造ないしは多重量子井戸(MQW)構造を含む第1接合層14が形成され、この第1接合層の一部に第1発光部15が形成されている。同様に、AlGaAs系第2半導体レーザ素子LD2においては、n型GaAs基板11上にn型AlGaAs半導体層16及びp型AlGaAs半導体層17の間に前記第1接合層14と同様の構成の第2接合層18が形成され、この第2接合層18の一部に第2発光部19が形成されている。
そして、このレーザチップLDCのn型GaAs基板11の裏面にはn側共通電極20が、第1半導体レーザ素子LD1の上面には第1p側電極21が、また、第2半導体レーザ素子LD2の上面には第2p側電極22がそれぞれ設けられている。
このような構成の2波長半導体レーザ装置50においては、第1p側電極21とn側共通電極20との間に電流を流すことによりAlGaInP系第1半導体レーザ素子LD1を、また、第2p側電極22とn側共通電極20との間に電流を流すことによりAlGaAs系第2半導体レーザ素子LD2を、それぞれ独立して駆動することができ、第1半導体レーザ素子LD1を駆動することにより波長650nmのレーザ光を、第2半導体レーザ素子LD2を駆動することにより波長780nmのレーザ光を、それぞれ取り出すことができる。
一方、半導体レーザ素子は発光波長の安定化及び高出力化のためにヒートシンクないしは冷却手段が必要とされるが、上述のレーザチップLDCにおいては、それぞれの第1半導体レーザ素子LD1及び第2半導体レーザ素子LD2の放熱性を良好にするために、ヒートシンク23に第1接合層14及び第2接合層18を近づけて固着するいわゆるジャンクションダウン構造がとられており、これらの2つの半導体レーザ素子LD1及びLD2を独立して駆動するために、ヒートシンク23のレーザチップLDC固着面には電流通路となるパターンニングされた第1電極24及び第2電極25が形成されている。
そして、一般的にレーザチップLDCの固着に際しては、レーザチップLDCの接合側の第1p側電極21及び第2p側電極22とヒートシンク23の第1電極24及び第2電極25を合わせるようにして組立が行なわれる。なお、その際、レーザチップLDCの発光部15、19となる導波路の下部の第1p側電極21及び第2p側電極22の表面には、熱伝導率を上げるために、両者とも全面にわたって第1半田層26ないしは第2半田層27が接触するようにボンディングが行われている。
特開平11−186651号公報(特許請求の範囲、段落[0017]〜[0023]、図1) 特開2002−329934号公報(特許請求の範囲、図1、図4)
ところで、2波長半導体レーザ装置は、レンズ等の光学部材を共用するために、それぞれのレーザ素子が近接されていることが望ましく、その素子(発光部)間の距離は、一般的に100〜120μmとされることが多い。そのため、上述の従来の構造の2波長半導体レーザ装置50では、ヒートシンク23のパターンニングされた第1電極24及び第2電極25の間隔は、前記発光部15、19間の距離より狭くなるので、数十μmとなってしまう。その結果、半導体レーザ装置50をヒートシンク23へボンディングする際には、位置ずれを起こすと直ちに短絡を起こしてしまうために、非常に高いチップボンド精度が要求されると共に、図6に示すように、場合によっては第1半田層26及び第2半田層27が溶融して短絡部28を形成してしまうという問題点が存在しており、組立歩留りを上げることが困難であった。
そこで本発明は、上述の従来の2波長半導体レーザ装置の有する問題点を解決して、組立歩留りが向上した2波長半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
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、本願の請求項1に係る発明は、
一つの半導体レーザチップに独立して駆動可能でそれぞれ異なる波長のレーザ光を出射し得る二つの半導体レーザ素子が形成され、前記半導体レーザチップがヒートシンクに搭載されている2波長半導体レーザ装置において、
前記半導体レーザチップは、発光部となる接合層をヒートシンクに近づけて固着したジャンクションダウン構造を有し、
前記異なる波長を出射する2つの半導体レーザ素子のうち、
前記短波長側の半導体レーザ素子の下部のヒートシンク固着面には、前記短波長側の半導体レーザ素子の一方の電極の全面に接するように半田層を介して第1の電極が設けられ、
前記長波長側の半導体レーザ素子の下部のヒートシンク固着面には、前記長波長側の半導体レーザ素子の一方の電極の発光部となる導波路の下部を除いた部分に部分的に接触するように半田層を介して第2の電極が設けられていることを特徴とする。
また、本願の請求項2に係る発明は、前記2波長半導体レーザ装置において、前記短波長側の半導体レーザ素子のヒートシンク上に占める面積は、長波長側の半導体レーザ素子の占める面積よりも広くなっていることを特徴とする。
また、本願の請求項3に係る発明は、前記2波長半導体レーザ装置において、前記ヒートシンク上に更に光検出素子が形成されていること特徴とする。
本発明は、上述の構成を備えることにより以下のような優れた効果を奏する。すなわち、本願の請求項1に係る2波長半導体レーザ装置によれば、長波長側の半導体レーザ素子の下部のヒートシンク固着面には、前記長波長側の半導体レーザ素子の一方の電極の発光部となる導波路の下部を除いた部分に部分的に接触するように半田層を介して第2の電極が設けられているので、短波長側の半導体レーザ素子の下部のヒートシンク固着面に設けられている第1の電極及び半田層との距離を長くすることができるようになるため、半導体レーザ素子をヒートシンクへボンディングする際の位置ずれの許容度が大きくなり、また、前記第1半田層及び第2半田層が互いに溶融して短絡部を形成する機会を大きく減らすことができ、2波長半導体レーザ装置の組立歩留りを従来例のものに比して大幅に向上させることができるようになる。
また、本願の請求項2に係る2波長半導体レーザ装置によれば、短波長側の半導体レーザ素子は、長波長側の半導体レーザ素子よりも発光効率が低いために発熱量が多いにもかかわらず、放熱効率が向上するので、レーザ光の周波数安定度が向上する。
更に、本願の請求項3に係る2波長半導体レーザ装置によれば、別個にモニタ用のフォトダイオード等の光検出器を設ける必要がなくなるので、小型化された2波長半導体レーザ装置を得ることができる。
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明するが、図5及び図6に示した従来例と同一構成の部分には同一の符号を付与することとし、その詳細な説明は省略する。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2波長半導体レーザ装置を例示するものであって、本発明をこの実施例の2波長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、特許請求範囲に記載された技術的範囲に含まれるものに等しく適用し得るものである。
図1は、実施例1に係る波長650nmおよび780nmの2波長半導体レーザ装置を示す図であり、図1(a)は正面図、図1(b)は斜視図である。
この2波長半導体レーザ装置10は、半導体レーザチップLDCとして発光部となる接合部をヒートシンク23に近づけて固着したジャンクションダウン構造を有しており、ここでは図1の正面から見て左側の半導体レーザ素子がDVD用の650nmの波長のレーザ光を出射する第1半導体レーザ素子LD1であり、右側の半導体レーザ素子がCD/CD−R用の780nmの波長の光を出射する第2半導体レーザ素子LD2となっており、分離溝は両半導体レーザ素子間の中間に設けられている。ここで、両半導体レーザ素子の発光部15及び19の間隔は約110μmである。
また、ヒートシンク23の表面には、パターンニングされたTi−Pt−Auからなる第1電極24及び第2電極25が形成されている。この実施例1においては、第1半導体レーザ素子LD1の発光部(導波路)15の直下部の第1p側電極21の表面には、上記従来例のものと同様に、第1半田層(例えば、Au−Sn)26が全面にわたって接触しており、第1半導体レーザ素子LD1で発生した熱は、第1p側電極21、第1半田層26及び第1電極24を経て効率良くヒートシンク23に伝熱され、放熱されるようになっている。
一方、780nmのレーザ光を出射する第2半導体レーザ素子LD2の発光部19の直下部30には、半田層及び電極が設けられておらず、発光部19から離れた部分のみに第2半田層(例えば、Au−Sn)27及び第2電極25が設けられている。そうすると、第2半導体レーザ素子LD2は、その出射レーザ光の波長が長いために、650nmのレーザ光を出射する第1半導体レーザ素子LD1に比べて発光効率及び温度特性が非常に優れているので、第2発光部の直下部30に半田層及び電極がなくてもほとんど影響はない。
この実施例1の半導体レーザ装置10において、第1及び第2半田層26、27が溶融して流れた場合の状態を図2に示す。この図2及び従来例の半田が流れた状態を示す図6の記載を対比すると明確に理解できるように、実施例1の2波長半導体レーザ装置10においては従来例の2波長半導体レーザ装置50と比するとそれぞれの半田層26及び27の間隔が長くなっているために、従来例のような半田流れに起因する短絡が起こる可能性は極めて小さくなり、また、第1及び第2半田層26及び27の間隔のみならず、第1電極24及び第2電極25の間の間隔も従来例のものと比すると長くなっているので、レーザチップLDCをヒートシンク23の表面にボンディングする際の位置ずれに対する許容度が大きくなるために、組立歩留りが向上する。
実施例2としては、図3に示したように、ヒートシンク材料にSiを用い、ヒートシンク23の表面にレーザ出力のモニタ用としてフォトダイオード31を形成した以外は実施例1と同様に形成して、2波長半導体レーザ装置10'を得た。
このような構成となすと、フォトダイオード31が形成されている部分においては第1電極24及び第2電極25の各パターンは細くなるが、レーザチップLDCをヒートシンク上へボンディングする際の従来例の有する問題点は実施例1の場合と同様に有効に解決することができた。
実施例3としては、図4に示したように、正面から見て左側の650nmの波長のレーザ光を出射する第1半導体レーザ素子LD1の幅、すなわち第1半導体レーザ素子LD1の占める面積を、右側の780nmの波長の光を出射する第2半導体レーザ素子LD2の占める面積よりも大きくし、分離溝を両半導体レーザ素子間の中間よりも第2半導体レーザ素子LD2側に設け、それ以外の構成は実施例1のものと同様にして、2波長半導体レーザ装置10"を作成した。
このような構成となすことにより、第1半導体レーザ素子LD1の第1p側電極21の表面に形成されている第1半田層26とヒートシンク23の表面に設けられている第1電極24との間の接触面積を大きくすることができたので、実施例1に係る2波長半導体レーザ装置10よりも第1半導体レーザ素子LD1側の放熱効果が向上し、レーザ光の周波数安定度が向上した。
一方、第2半導体レーザ素子LD2の第2p側電極22とその一部表面に形成されている第2半田層27との間の接触面積、及び、第2半田層27と第2電極25との間の接触面積は減少したため、放熱効率は低下すると予測されたが、第2半導体レーザ素子LD2の波長安定度にほとんど変化は見られなかった。このことは、第2半導体レーザ素子LD2が出射するレーザ光の波長が長いので、第2半導体レーザ素子LD2は、第1半導体レーザ素子LD1よりも発光効率が良好であるため、発熱の影響が小さいためと予測される。
この実施例3においても、レーザチップLDCをヒートシンク上へボンディングする際の従来例の有する問題点は実施例1の場合と同様に有効に解決することができた。
なお、本発明においては、ヒートシンクとしてAlN、SiN、Si、ダイヤモンド等熱伝導に優れ、絶縁性の材料を使用することができる。また、導電性材料を使用する場合でも、その表面に絶縁性膜を形成し、その上に電極をパターンニングして使用することができる。
また、2波長半導体レーザ装置のパッケージについては具体的に例示しなかったが、周知の金属製のキャンパッケージ、樹脂製のフレームパッケージ等様々なものを使用することができる。
本発明の実施例1による2波長半導体レーザ装置の構造を示す図であり、図1(a)は正面図、図1(b)は斜視図である。 本発明の実施例1による半田が流れた場合の状態を示す図である。 本発明の実施例2の2波長半導体レーザ装置を示す図である。 本発明の実施例3の2波長半導体レーザ装置を示す図である。 従来例による2波長半導体レーザ装置を示す図であり、図5(a)は正面図、図5(b)は斜視図である。 従来例による半田が流れた場合の状態を示す図である
符号の説明
LD1 第1半導体レーザ素子
LD2 第2半導体レーザ素子
LDC レーザチップ
10、10'、10" 2波長半導体レーザ装置
11 n型GaAs基板
12 n型AlGaInP半導体層
13 p型AlGaInP半導体層
14 第1接合層
15 第1発光部
16 n型AlGaAs半導体層
17 p型AlGaAs半導体層
18 第2接合層
19 第2発光部
20 n側共通電極
21 第1p側電極
22 第2p側電極
23 ヒートシンク
24 第1電極
25 第2電極
26 第1半田層
27 第2半田層
50 従来例の2波長半導体レーザ装置

Claims (3)

  1. 一つの半導体レーザチップに独立して駆動可能でそれぞれ異なる波長のレーザ光を出射し得る二つの半導体レーザ素子が形成され、前記半導体レーザチップがヒートシンクに搭載されている2波長半導体レーザ装置において、
    前記半導体レーザチップは、発光部となる接合層をヒートシンクに近づけて固着したジャンクションダウン構造を有し、
    前記異なる波長を出射する2つの半導体レーザ素子のうち、
    前記短波長側の半導体レーザ素子の下部のヒートシンク固着面には、前記短波長側の半導体レーザ素子の一方の電極の全面に接するように半田層を介して第1の電極が設けられ、
    前記長波長側の半導体レーザ素子の下部のヒートシンク固着面には、前記長波長側の半導体レーザ素子の一方の電極の発光部となる導波路の下部を除いた部分に部分的に接触するように半田層を介して第2の電極が設けられていることを特徴とする2波長半導体レーザ装置。
  2. 一つの半導体レーザチップに独立して駆動可能でそれぞれ異なる波長のレーザ光を出射し得る二つの半導体レーザ素子が形成され、前記半導体レーザチップがヒートシンクに搭載されている2波長半導体レーザ装置において、
    前記半導体レーザチップは、発光部となる接合層をヒートシンクに近づけて固着したジャンクションダウン構造を有し、
    前記異なる波長を出射する2つの半導体レーザ素子のうち、
    前記短波長側の半導体レーザ素子の下部のヒートシンク固着面には、前記短波長側の半導体レーザ素子の一方の電極の全面に接するように半田層を介して第1の電極が設けられ、
    前記長波長側の半導体レーザ素子の下部のヒートシンク固着面には、前記長波長側の半導体レーザ素子の一方の電極の発光部となる導波路の下部を除いた部分に部分的に接触するように半田層を介して第2の電極が設けられ、
    前記短波長側の半導体レーザ素子のヒートシンク上に占める面積は、前記長波長側の半導体レーザ素子の占める面積よりも広くなっていることを特徴とする2波長半導体レーザ装置。
  3. 一つの半導体レーザチップに独立して駆動可能でそれぞれ異なる波長のレーザ光を出射し得る二つの半導体レーザ素子が形成され、前記半導体レーザチップがヒートシンクに搭載されている2波長半導体レーザ装置において、
    前記半導体レーザチップは、発光部となる接合層をヒートシンクに近づけて固着したジャンクションダウン構造を有し、
    前記異なる波長を出射する2つの半導体レーザ素子のうち、
    前記短波長側の半導体レーザ素子の下部のヒートシンク固着面には、前記短波長側の半導体レーザ素子の一方の電極の全面に接するように半田層を介して第1の電極が設けられ、
    前記長波長側の半導体レーザ素子の下部のヒートシンク固着面には、前記長波長側の半導体レーザ素子の一方の電極の発光部となる導波路の下部を除いた部分に部分的に接触するように半田層を介して第2の電極が設けられ、
    前記ヒートシンク上に更に光検出素子が形成されていることを特徴とする2波長半導体レーザ装置。

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