JP2006179826A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体レーザと実装基体とが剥離しない程度にハンダの接合強度を得る。
【解決手段】 実装基体（６）と、ハンダ（５）により実装基体の実装面（６ａ）に接合される半導体レーザ（１）と、実装基体の実装面に接合される半導体レーザの接合面（１ａ）に設けられていて、該接合面に形成された素子分離溝（２）により互いに分離されるエミッタ（３）および非活性メサ領域部（４）と、を具備し、半導体レーザの接合面における非活性メサ領域部には、該非活性メサ領域部を分離する少なくとも一つのメサ分離溝（７）が形成されている半導体レーザ装置（１０）が提供される。半導体レーザの接合面と実装基体の実装面との間のハンダは、素子分離溝およびメサ分離溝の内壁に配置されるフィレット部（９ａ、９ｂ）を含むようになる。フィルファクタは５０％以上であるのが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体レーザ装置に関し、特に、半導体レーザの構造に改良を加え、半導体レーザと実装基体との間のハンダ接合強度を高めるようにした半導体レーザ装置に関する。

半導体レーザ、特に多数のレーザダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ、ＬＤ）素子の各々の発光領域が直線状に整列するように構成された一次元ＬＤアレイを発光源に用いた半導体レーザ装置が、ＹＡＧレーザ（ｙｔｔｒｉｕｍ−ａｌｕｍｉｎｕｍ−ｇａｒｎｅｔ ｌａｓｅｒ）のような固体レーザの励起源として頻繁に用いられるようになっている。例えば非特許文献１に開示されるような半導体レーザ装置を固体レーザの励起源として用いる場合には、従来のキセノンランプ等の放電ランプを励起源として用いた場合よりも、励起効率が高くて、寿命が長いという利点が得られる。

一次元ＬＤアレイを形成する方法の一つとして、半導体レーザを素子分離溝によりエミッタ（光出射部）と非活性メサ領域部に分離する方法が挙げられる。非特許文献２に開示されるように、通常、エミッタのピッチは１００〜５００μｍ程度であることが多い。また、非活性メサ領域部の幅は５０〜３５０μｍ程度である。

ところで、半導体レーザ駆動時には光出力と同程度の熱が発生する。このような熱によって半導体レーザの光出射部の温度が高くなると、半導体レーザの温度分布が不均一になり光出射部つまりエミッタが劣化するようになり、半導体レーザ装置の信頼性が低下する場合がある。

図３（ａ）は、従来技術において実装基体上に半導体レーザを実装した半導体レーザ装置の断面図である。図３（ａ）に示されるように、半導体レーザ装置２０は半導体レーザ２１と実装基体２６とから構成されている。半導体レーザ２１と実装基体２６とを電気的に連結するために、半導体レーザ２１の接合面２１ａはハンダ２５によって実装基体２６の実装面２６ａに接合されている。なお、実装基体は、半導体レーザ２１を直接的に実装する実装基板、および／または半導体レーザ２１の熱を低減するのに用いられる冷却器でありうる。

また、図示されるように半導体レーザ２１の接合面２１ａには複数の素子分離溝２２が形成されている。半導体レーザ２１は、これら素子分離溝２２によってエミッタ２３と非活性メサ領域部２４とが互い違いに分離された一次元ＬＤアレイの構造をなしている。一次元ＬＤアレイ内でエミッタからの発熱分布が偏らず且つ一次元ＬＤアレイ内の温度分布をほぼ均一に保つために、図３（ａ）に示されるように同じ幅のエミッタ２３を同じピッチで形成して、エミッタ間の非活性メサ領域部２４をほぼ同じ幅にすることが望ましい。

図３（ｂ）は、非特許文献３に開示されるような従来技術の半導体レーザ装置の図３（ａ）と同様の図である。図３（ｂ）における実装基体２６には、複数の溝３０が形成されている。そして、半導体レーザ２１の非活性メサ領域部２４がこれら溝３０の上方に位置決めされている。このような構成であるために非特許文献３においては、半導体レーザ２１に生ずる残留応力を或る程度緩和させることが可能となっている。
Ｗ．Ｋｏｅｃｈｎｅｒ"Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ"（Ｓｐｒｉｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ，４ｔｈ Ｅｄ．，１９９６） 菅ら：レーザー研究 ２３（１９９５）５４１． Ｈ．Ｐ．Ｇｏｄｆｒｉｅｄ ｅｔ．ａｌ．"Ｕｓｅ ｏｆ ＣＶＤ ｄｉａｍｏｎｄ ｉｎ ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ ＣＯ２ ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ ａｒｒａｙｓ"（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．３８８９ ｐｐ．５５３−５６３）

しかしながら、これら非特許文献１から非特許文献３に開示されるような半導体レーザ装置２０においては、半導体レーザ２１の熱膨張係数と実装基体２６の熱膨張係数との間の差が比較的大きいので、ハンダ２５による接合部に残留応力が発生する場合がある。そして、半導体レーザ２１の駆動および停止を繰り返すことによって温度サイクルが発生し、残留応力の影響でハンダ２５の接合部が部分的に剥離し、その結果、半導体レーザ装置２０の製品寿命および信頼性が低減することがある。

また、半導体レーザ２１と実装基体２６との間の接合部が不均一である場合には実装基体２６による冷却性能も低下し、このことも、半導体レーザ装置２０の信頼性を低下させる原因になる。

さらに、非特許文献３に開示されるように、複数の溝３０が実装基体２６に形成されている場合には、半導体レーザ２１の非活性メサ領域部２４のそれぞれをこれら複数の溝３０の上方に配置するために位置決め作業が行われている。ところが、位置決めミスによりエミッタ２３が溝３０の上方に配置される場合には半導体レーザ２１の冷却効率が低下して半導体レーザ装置２０の信頼性も低下するので、このような位置決め作業は高精度で行う必要がある。しかしながら、このような高精度の位置決め作業は煩雑であると共に位置決め作業自体によって半導体レーザ装置の製造時間が延びる原因にもなる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、残留応力が発生した場合であっても半導体レーザと実装基体とが剥離しない程度にハンダの接合強度を得ることのできる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、実装基体と、ハンダにより前記実装基体の実装面に接合される半導体レーザと、前記実装基体の前記実装面に接合される前記半導体レーザの接合面に設けられていて、該接合面に形成された素子分離溝により互いに分離されるエミッタおよび非活性メサ領域部と、を具備し、前記半導体レーザの前記接合面における前記非活性メサ領域部には、該非活性メサ領域部を分離する少なくとも一つのメサ分離溝が形成されている半導体レーザ装置が提供される。

２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記半導体レーザの前記接合面と前記実装基体の前記実装面との間のハンダは、前記素子分離溝および前記メサ分離溝の内壁に配置されるフィレット部を含む。
すなわち１番目および２番目の発明においては、少なくとも一つのメサ分離溝によって複数の非活性メサ領域部が形成される。半導体レーザの接合面と実装基体の実装面との間のハンダは、接合面の素子分離溝およびメサ分離溝の両方に部分的に流入して、これら分離溝の内壁両側にフィレット部を形成する。従って、素子分離溝においてのみフィレット部が形成されうる従来技術の場合と比較して、ハンダの接合強度を大きくすることができ、それにより、残留応力が発生した場合であっても半導体レーザと実装基体とが剥離するのを防止できる。また、半導体レーザの接合面全体にわたってメサ分離溝を均等に形成する場合にはハメサ分離溝のフィレット部も半導体レーザの接合面全体にわたって均等に形成される、従って、半導体レーザと実装基体との間の堅固な接合が接合面全体にわたって確保され、接合面全体にわたって実装基体の冷却性能の確保も図ることができる。

３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記半導体レーザが一次元ＬＤアレイであり、該一次元ＬＤアレイの幅に対する前記エミッタの幅の合計の割合が５０％以上であるようにした。
すなわち３番目の発明においては、一次元ＬＤアレイの幅に対するエミッタの幅の合計の割合、つまりフィルファクタをこのように設定することにより、接合強度は変わらないものの十分に高い出力を得ることができる。

４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明において、前記半導体レーザの端部が配置される前記実装基体の前記実装面の少なくとも一部には凹部が形成されており、前記ハンダは前記凹部の内壁に配置されるフィレット部をさらに含む。
すなわち４番目の発明においては、実装基体の凹部に形成されたフィレット部により、半導体レーザと実装基体との間の接合強度をより高めることができる。

各発明によれば、残留応力が発生した場合であっても、メサ分離溝にフィレット部を形成することにより、半導体レーザと実装基体とが剥離しない程度にハンダの接合強度を得ることができるという共通の効果を奏しうる。
さらに、３番目の発明によれば、接合強度は変わらないものの十分に高い出力を得ることができるという効果を奏しうる。
さらに、４番目の発明によれば、実装基体の凹部に形成されたフィレット部により、半導体レーザと実装基体との間の接合強度をより高めることができるという効果を奏しうる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同一の部材には同一の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１（ａ）は、本発明の第一の実施形態に基づく半導体レーザ装置の断面図である。図１（ａ）に示されるように半導体レーザ装置１０は半導体レーザ１と実装基体６とを含んでいる。実装基体６に接合する半導体レーザ１の接合面１ａには複数のエミッタ３が設けられている。これらエミッタ３のそれぞれは、接合面１ａに形成された複数の素子分離溝２によって接合面１ａに在る複数の非活性メサ領域部４から分離されている。図１（ａ）においては、半導体レーザ１は、素子分離溝２を介して互いに分離されたほぼ同一幅のエミッタ３と非活性メサ領域部４とが一方向に隣接して互い違いに複数並置されるマルチストライプ構造をなした一次元ＬＤアレイである。図１（ａ）においては一つのエミッタ３が、隣接する非活性メサ領域部４の間に素子分離溝２を介して配置されているが、半導体レーザ１の特性に影響を及ぼさない限りにおいては、隣接する非活性メサ領域部４の間に複数の同寸のエミッタ３が配置されていてもよい。

半導体レーザ装置１０の駆動時には多量の熱が発生するので、半導体レーザ１は、このような熱を抑制するためにハンダによって冷却器に接合されている。一般的に使用される冷却器は、冷媒を流動させる流路が内部に形成された冷却器である。ただし、冷却器はそのような流路を有さないヒートシンクであってもよい。

また、半導体レーザ１の熱膨張係数に比較的近い熱膨張係数を有する実装基板を半導体レーザ１と冷却器との間に配置してもよい。一般に半導体レーザ１の熱膨張係数と冷却器の熱膨張係数との間の差は比較的大きいので、ハンダ５の接合部に残留応力が生じる場合があるものの、実装基板を緩衝材として使用することにより残留応力を或る程度緩和することができる。この場合には、半導体レーザ１と実装基板との間の接合箇所、および実装基板と冷却器との間の接合箇所の両方にハンダが使用される。

このように、本発明においては半導体レーザ１は実装基板または冷却器に直接的に連結されるか、もしくは実装基板を介して冷却器に連結されている。以下、本願明細書においては、半導体レーザ１に連結される実装基板、冷却器または実装基板と冷却器との両方をまとまて「実装基体」と呼ぶものとする。図１（ａ）においては、このような実装基体６の実装面６ａに半導体レーザ１がハンダ５により接合されている。

実装基体６は、通常は銅、銅の化合物または銅と酸化銅からなる複合材から形成され、それにより、半導体レーザ装置１０全体の価格を下げるようにしている。一方、ハンダ５の材料として、比較的安価なＳｎおよびＳｎと共晶を形成する材料を含む２元以上の合金、例えばＳｎＰｂ共晶ハンダを採用することができる。

なお、実装基体６が銅から形成されると共にハンダ５がＳｎを含む材料である場合には、ハンダ５の接合後に金属間化合物の形成が進行し、半導体レーザ１と実装基体６との間の接合強度が時間経過と共に低下する場合がある。このことを防止するために、実装基体６が銅から形成されると共にハンダ５がＳｎを含む材料である場合には、金属、例えばＮｉ、Ｔｉ、ＰｔまたはＣｒ等の皮膜を実装基体６の実装面６ａに蒸着などにより予め形成するのが有利である。

このような構成の半導体レーザ装置１０は、固体レーザ、例えばＹＡＧレーザの励起源として使用される。周知であるように、半導体レーザ１に接続された電極（図示しない）によって電圧が印加されると、半導体レーザ１のエミッタ３から紙面を貫通する方向にレーザが出力される。

図１（ａ）に示されるように本発明の半導体レーザ装置１０においては、複数のメサ分離溝７のそれぞれが半導体レーザ１の接合面１ａにおける非活性メサ領域部４に形成されている。図１（ａ）においては、一つのメサ分離溝７が対応する一つの非活性メサ領域部４に形成されているが、非活性メサ領域部４の幅がさらに大きい場合には複数のメサ分離溝７を一つの非活性メサ領域部４に形成するようにしてもよい。

図１（ｂ）は図１（ａ）に示される半導体レーザ装置の部分拡大図である。図１（ｂ）に示されるように、ハンダ５によって半導体レーザ１の接合面１ａを実装基体６の実装面６ａに接合すると、ハンダ５は素子分離溝２の内壁に沿って部分的に流入する。これにより、ハンダ５のフィレット９ａが素子分離溝２の内壁両側に部分的に形成される。さらに、本発明においては非活性メサ領域部４にメサ分離溝７が形成されているので、ハンダ５はメサ分離溝７の内壁に沿って同様に部分的に流入し、それにより、ハンダ５のフィレット９ｂがメサ分離溝７の内壁両側に同様に形成される。

このように、本発明においては素子分離溝２におけるフィレット９ａとメサ分離溝７におけるフィレット９ｂとの両方が形成される。一方、従来技術においてはメサ分離溝７は形成されていないので、ハンダを用いた場合であっても素子分離溝２のフィレット９ａのみしか形成されない。従って、本発明においては、従来技術の場合よりもメサ分離溝７のフィレット９ｂの分だけハンダ５の接合強度を高めることができる。つまり、本発明においては半導体レーザ装置１０の駆動時に残留応力が発生したとしても、残留応力を形成するのに十分に大きい接合強度がフィレット９ａ、９ｂによって得られる。従って、本発明においては半導体レーザ１が実装基体６から剥離するのが防止される。

また、通常はエミッタ３は半導体レーザ１の接合面１ａ全体にわたって均等に設けられているので、非活性メサ領域部４を分離するメサ分離溝７も接合面１ａ全体にわたって均等に形成することができる。このような場合にはハンダによるフィレット９ｂも均等に形成されるので、半導体レーザ１と実装基体６との間の堅固な接合が接合面１ａ全体にわたって確保される。前述したように実装基体６が冷却器としての役目を果たす場合には、半導体レーザ１が接合面１ａ全体にわたって均等に接合されるので、実装基体６の冷却性能を接合面１ａ全体にわたって確保することも可能となる。

なお、図３（ｂ）を参照して説明した従来技術においては残留応力を緩和するために溝３０が実装基体２６に形成されているが、本発明においてはフィレット９ａ、９ｂを形成したために、残留応力を吸収するのに十分なハンダ接合強度が確保されているので、従来技術のように実装基体に溝３０を形成する必要はない。その結果、本発明においては、従来技術において必要とされていた高精度での位置合わせ作業を行う必要性も排除され、その分だけ迅速に接合作用を行うことができ、半導体レーザ装置１０の製造時間の短縮を図ることも可能となる。

また、半導体レーザ１の幅に対するエミッタ３の幅の合計の割合、つまりフィルファクタが５０％以上になるように、メサ分離溝７を半導体レーザ１の接合面１ａに形成するのが好ましい。フィルファクタをこのように設定することにより、接合強度は変わらないものの十分に高い出力を得ることができる。

さらに、前述したように非活性メサ領域部４の幅がさらに大きい場合には複数のメサ分離溝７を一つの非活性メサ領域部４に形成するようにしてもよい。この場合には、メサ分離溝７のフィレット９ｂの数が増えるので、半導体レーザ１と実装基体６との間の接合強度をさらに高めることができる。なお、図示される実施形態においては、素子分離溝２の寸法とメサ分離溝７の寸法とがほぼ等しいが、メサ分離溝７の寸法を素子分離溝２の寸法とは異なるようにしてもよい。メサ分離溝７の寸法を素子分離溝２の寸法よりも小さくした場合には、非活性メサ領域部４の寸法を大きくすることなしに、一つの非活性メサ領域部４に多数のメサ分離溝７を形成し、それにより、さらに多数のフィレット９ｂを形成することが可能となる。

前述したように半導体レーザ１の熱膨張係数と、冷却器、つまり実装基体６の熱膨張係数との間の差が比較的大きいので、ハンダ５の接合部には残留応力が生じる場合がある。そして、半導体レーザ装置１０の駆動および停止を繰り返すことにより温度サイクルが生じてハンダ５の接合部が残留応力の影響で剥離する場合がある。

このような残留応力を低減するために、半導体レーザ１の熱膨張係数に等しいかまたはこれに近い熱膨張係数を有する材料から実装基体６を形成するのが好ましい。このような実装基体６の材料は、例えばシリコン、炭化シリコン、窒化アルミニウムまたはアルミナである。なお、このように実装基体６の材料が絶縁物である場合には、実装基体６の実装面６ａに金属被膜を形成するなどの導電処理を行うのが好ましい。金属被膜は、例えばＮｉ、Ｔｉ、ＰｔまたはＣｒから選択した単層もしくは複数の層を使用することができる。同様に残留応力の影響を低減するために、低融点ハンダ、例えばＩｎまたはＩｎを含む２元以上の合金をハンダ５の材料として使用するのが好ましい。このような構成である場合には残留応力が低減されるので、フィレット９ａ、９ｂによる接合強度が結果的にさらに高まることになる。

ところで、ハンダ５による接合時には、ハンダ５の表面の酸化膜を除去して濡れ性を向上させるために、フラックスがしばしば半導体レーザ１の接合面１ａおよび／または実装基体６の実装面６ａに塗布される。ただし、半導体レーザ装置１０においては、半導体レーザ１のエミッタ３、つまりレーザ光出射部分がハンダ５に極めて近い（〜１０μｍ）位置にあるので、フラックスの残渣がレーザ光出射部分に付着し、出射光が遮られるためにレーザ出力が低下する場合がある。また、フラックスはエミッタ３のレーザ光出射面を腐食しうるので、半導体レーザ装置１０の信頼性低下の原因ともなりうる。このため、ハンダ５による接合時には低残渣タイプのフラックスを使用するのが好ましく、それにより、フラックスの残渣の影響を少なくすることができる。

また、他の実施形態においては、ハンダ５による接合時に水素ガスを使用してもよい。この場合には、水素の還元作用によりハンダ５の表面の酸化膜が除去されて濡れ性が向上するので、ハンダ５の接合強度が向上することになる。また、水素ガスを使用していてフラックスを使用ない場合には、フラックスの残渣に基づく半導体レーザ装置１０の信頼性低下を避けられる。

このようなフラックスおよび／または水素ガスの使用と、本発明に基づくメサ分離溝７の形成とを組み合わせる場合には、フィレット９ｂが形成されることに加えて、フラックスおよび／または水素ガスによりハンダの接合強度が高まり、従って、半導体レーザ１と実装基体６とが剥離する危険性を一層防止することが可能となる。

図２は、本発明の第二の実施形態に基づく半導体レーザ装置の断面図である。図２においては、実装基体６の実装面６ａに凹部８が形成されている。図示されるように、これら凹部８は、半導体レーザ１の両縁部１ｂに対応した位置に形成されている。つまり、半導体レーザ１の両縁部１ｂが凹部８の上方に部分的に張り出した状態になっている。このため、半導体レーザ１と実装基体６とをハンダ５によって接合するときに、凹部８の内壁に沿って部分的に流入したハンダ５が、半導体レーザ１の両縁部１ｂに位置する電極（図示しない）に濡れる。そして、実装基体６の中心に近い凹部８の内壁にフィレット９ｃが部分的に形成される。

凹部８に形成されたフィレット９ｃは半導体レーザ１と実装基体６との間の接合強度を高める役目を果たすので、半導体レーザ装置１０の駆動時に半導体レーザ１が剥離する危険性がさらに低減される。

さらに、半導体レーザ１に形成される素子分離溝２およびメサ分離溝７ならびに実装基体６に形成される凹部８は、ハンダ溶融時にハンダ５の逃げ場、つまり流入場所としての役目を果たす。従って、ハンダ５の流動性は素子分離溝２およびメサ分離溝７ならびに凹部８が多いほど向上し、ハンダ５の酸化膜が破れやすくなる。その結果、ハンダ５の濡れ性も向上し、ハンダ５の接合強度も向上する。

また、図２においては凹部８は半導体レーザ１の両縁部に対応する位置に形成されているが、半導体レーザ装置１０の信頼性を低下させることが無くて且つフィレット９ｃを形成することができる限りにおいては、凹部８を実装基体６の他の位置に形成してもよく、または凹部８の数および寸法を変更するようにしてもよい。

なお、図示される実施形態においては半導体レーザ装置１０は一次元ＬＤアレイを含んでいるが、半導体レーザ１の上面に同様な構成の他の半導体レーザ１を重ねることにより形成される所謂二次元ＬＤアレイを含む場合にも本発明の範囲に含まれるものとする。また、前述した実施形態および態様のいくつかを適宜組み合わせることも、本発明の範囲に含まれる。

（ａ）本発明の第一の実施形態に基づく半導体レーザ装置の断面図である。（ｂ）図１（ａ）に示される半導体レーザ装置の部分拡大図である。 本発明の第二の実施形態に基づく半導体レーザ装置の断面図である。 （ａ）従来技術において実装基体上に半導体レーザを実装した半導体レーザ装置の断面図である。 （ｂ）従来技術において実装基体上に半導体レーザを実装した他の半導体レーザ装置の断面図である。

符号の説明

１ 半導体レーザ
１ａ 接合面
１ｂ 両縁部
２ 素子分離溝
３ エミッタ
４ 非活性メサ領域部
５ ハンダ
６ 実装基体
６ａ 実装面
７ メサ分離溝
８ 凹部
９ａ、９ｂ、９ｃ フィレット
１０ 半導体レーザ装置

Claims (4)

1. 実装基体と、
   ハンダにより前記実装基体の実装面に接合される半導体レーザと、
   前記実装基体の前記実装面に接合される前記半導体レーザの接合面に設けられていて、該接合面に形成された素子分離溝により互いに分離されるエミッタおよび非活性メサ領域部と、を具備し、
   前記半導体レーザの前記接合面における前記非活性メサ領域部には、該非活性メサ領域部を分離する少なくとも一つのメサ分離溝が形成されている半導体レーザ装置。
2. 前記半導体レーザの前記接合面と前記実装基体の前記実装面との間のハンダは、前記素子分離溝および前記メサ分離溝の内壁に配置されるフィレット部を含む請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記半導体レーザが一次元ＬＤアレイであり、該一次元ＬＤアレイの幅に対する前記エミッタの幅の合計の割合が５０％以上であるようにした請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記半導体レーザの端部が配置される前記実装基体の前記実装面の少なくとも一部には凹部が形成されており、前記ハンダは前記凹部の内壁に配置されるフィレット部をさらに含む請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。

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