JP2006294805A

JP2006294805A - 半導体レーザ装置

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Publication number: JP2006294805A
Application number: JP2005112311A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Miyazaki; 滋樹宮崎
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2006-10-26

Abstract

【課題】半導体レーザ素子の残留応力を小さくし、かつ放熱性を向上させることで、安定した特性を長期間得ることができる半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】半導体レーザ装置は、対向する第１面１０ａおよび第２面１０ｂを有し、第１面１０ａおよび第２面１０ｂの対向方向に直交する方向に光を出射する半導体レーザ素子１０と、半導体レーザ素子１０の第１面１０ａに第１溶着層４１を介して配置された第１支持部材３１と、半導体レーザ素子１０の第２面１０ｂに第２溶着層４２を介して配置され、第１支持部材３１とは異なる材料の第２支持部材３２とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体レーザ素子を支持部材に実装した半導体レーザ装置に関する。

半導体レーザは、現在、光通信、高密度光記録あるいはプリンターなどへ広く応用されている。更なる発展のためには、動作電流の低減化、低ノイズ化、低コスト化、さらに高出力、高速動作、高温動作時の高い信頼性などを実現する必要がある。

特に高出力化は市場の要求が大きいが、それに伴う発熱に関連する問題については、半導体レーザの多方面にわたる利用を制限している。この熱に関する問題は、半導体レーザの単位面積あたりの発熱量に関連しており、活性層の温度上昇および応力の発生などが引き起こされる。

活性層の動作温度が上昇すると、発光出力、発光効率および寿命などが低下し、さらに、半導体レーザから生じる光の波長を長波長化させるという問題がある。また、応力の発生は半導体レーザの特性を悪化させて寿命を短くする原因となる。応力は実装プロセスにおいても発生することがあり、極端な場合は残留応力がクラックを発生させる原因となる。このように熱と応力は非常に重要な要因であるが、通常それらを同時に改善するには困難を伴う。

半導体レーザの発熱を制御する方法として、例えば、半導体レーザ素子をサブマウント（支持部材）上に配置し、更にサブマウントの下面をヒートシンク（放熱部材）に接合する方法が用いられている（例えば、特許文献１および２参照）。
特開平１−１８１４９０号公報特開平８−２２８０４４号公報

上記のサブマウントとして、熱伝導性の良い金属材料を用いると、金属の熱膨張率が半導体レーザ素子よりもかなり大きいことから応力が発生し、サブマウントが大きく反りかえってしまい、ヒートシンクへの実装精度が低下してしまうという問題があった。極端な場合には応力のために半導体レーザ素子に割れが生じる恐れがあった。

応力を小さくして反りやゆがみを少なくするためには、サブマウントの熱膨張率が半導体レーザ素子に近いものが望ましい。しかし、ＧａＡｓ基板を用いた半導体レーザ素子、特に赤色の波長域に発振波長を有する素子の場合には、熱膨張率の近いサブマウント材料は一般的に熱伝導性が低く、そのために放熱性が低下して光出力や効率などの特性が悪化してしまう。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体レーザ素子の残留応力を小さくし、かつ放熱性を向上させることで、安定した特性を長期間得ることができる半導体レーザ装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の半導体レーザ装置は、対向する第１面および第２面を有し、前記第１面および前記第２面の対向方向に直交する方向に光を出射する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子の前記第１面に第１溶着層を介して配置された第１支持部材と、前記半導体レーザ素子の前記第２面に第２溶着層を介して配置され、前記第１支持部材とは異なる材料の第２支持部材とを有する。

上記の本発明の半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子の第１面に第１溶着層を介して第１支持部材を接合するだけでなく、半導体レーザ素子の第２面に第２溶着層を介して、第１支持部材と異なる材料の第２支持部材を接合している。本発明では、半導体レーザ素子の残留応力を小さくするために、半導体レーザ素子の両面に異なる材料の支持部材を配置している。また、第１支持部材および第２支持部材は、第１溶着層および第２溶着層を介して半導体レーザ素子に接合されているため、半導体レーザ素子で発生した熱は、第１支持部材および第２支持部材を介して効率良く放熱される。

本発明の半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子の残留応力を小さくし、かつ放熱性を向上させることで、安定した特性を長期間得ることができる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る半導体レーザ装置に構成要素として含まれる半導体レーザ素子１０の概略構成を示す斜視図である。

半導体レーザ素子１０は、例えば６３０ｎｍ以上６９０ｎｍ以下の波長域に発振波長を有する赤色レーザ発光素子である。半導体レーザ素子１０は、例えば、複数のレーザダイオード（ＬＤ）チップ１１が例えば３０個程度並んだレーザダイオードバーである。半導体レーザ素子１０の寸法は、長さ約１０ｍｍ、奥行き約７００μｍ、厚み約１００μｍである。

ここで、厚みとは、半導体レーザ素子１０の第１面１０ａおよび第２面１０ｂの対向方向（ｚ方向）における寸法である。奥行きは、半導体レーザ素子１０からの光ＬＢの出射方向（ｙ方向）すなわち共振器方向における寸法である。長さは、第１面１０ａおよび第２面１０ｂの対向方向と共振器方向との両方に直交する方向（ｘ方向）である。半導体レーザ素子１０の寸法と同様に、本願明細書では、他の部材のｘ方向の寸法を長さとし、ｙ方向の寸法を奥行きとし、ｚ方向の寸法を厚さとする。

各レーザダイオードチップ１１は、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）よりなる基板１２上に、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体よりなる、活性層を含む半導体層１３を有する。なお、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体とは、３Ｂ族元素のうちアルミニウム（Ａｌ）およびガリウム（Ｇａ）の少なくとも一方と、５Ｂ族元素のうちインジウム（Ｉｎ）およびリン（Ｐ）の少なくとも一方を含む４元系半導体のことであり、例えばＡｌＧａＩｎＰ混晶、ＧａＩｎＰ混晶またはＡｌＩｎＰ混晶などが挙げられる。これらは、必要に応じて珪素（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などのｎ型不純物、または、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）または炭素（Ｃ）などのｐ型不純物を含有している。

半導体層１３の上には、例えば、各レーザダイオードチップ１１に対応して、ｐ側電極１４が形成されている。ｐ側電極１４は、例えば、チタン（Ｔｉ）層、白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層が半導体層１３の側から順に積層されて形成されている。また、基板１２の裏面には、例えば、各レーザダイオードチップ１１に対応してｎ側電極１５が設けられている。ｎ側電極１５は、例えば、金（Ａｕ）層、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金層および金（Ａｕ）層が基板１２の側から順に積層されて形成されている。

図２は、半導体レーザ素子１０を備えた半導体レーザ装置の全体構成を示す斜視図である。

半導体レーザ素子１０を備えた半導体レーザ装置は、例えば、第１放熱部材（ヒートシンク）２１上に、第１支持部材（サブマウント）３１、半導体レーザ素子１０および第２支持部材（サブマウント）３２が、各々の端面を第１放熱部材２１の一端面に揃えるようにして順に積層されて構成されている。

また、半導体レーザ素子１０は、第１面１０ａが第１支持部材３１に、第２面１０ｂが第２支持部材３２にそれぞれ対向するように配置されている。半導体レーザ素子１０からの光ＬＢは、第１支持部材３１および第２支持部材３２の積層方向に直交する方向に出射される。

第１放熱部材２１は、例えば銅（Ｃｕ）などの電気的および熱的な伝導性を有する材料により形成されており、例えば表面には金（Ａｕ）などの薄膜が被着されている。熱伝導性は、半導体レーザ素子１０から発生する大量の熱を放出させ、半導体レーザ素子１０を適当な温度に維持するための特性である。電気伝導性は、電流を半導体レーザ素子１０に効率よく伝導させるために必要な特性である。

第１放熱部材２１上には、例えば第１放熱部材２１と同一材料よりなる電極部材２３が、例えばネジ２６により固定されている。第１放熱部材２１と電極部材２３との間には、例えばガラスエポキシ材よりなる絶縁板２４が設けられており、第１放熱部材２１と電極部材２３とは電気的に絶縁されている。

電極部材２３には、半導体レーザ素子１０側に段部２３ａが設けられており、この段部２３ａには、例えば金（Ａｕ）よりなるワイヤ２７の一端が接合されている。ワイヤ２７の他端は第２支持部材３２に接合され、第２支持部材３２を介して電極部材２３と半導体レーザ素子１０とが電気的に接続されている。なお、電極部材２３の段部２３ａには、ワイヤ２７および半導体レーザ素子１０等を保護するため、第１放熱部材２１と同一材料よりなる保護部材２５がネジ２６により固定される。

図３は、図２に示す半導体レーザ装置のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。

第１支持部材３１と半導体レーザ素子１０の第１面１０ａは、第１溶着層４１により接合されている。また、第２支持部材３２と半導体レーザ素子１０の第２面１０ｂは、第２溶着層４２により接合されている。第１溶着層４１および第２溶着層４２は、例えば、ＡｕＳｎはんだである。

第１支持部材３１と第１放熱部材２１は、第１接着層５１により接合されている。第１接着層５１は、例えばＩｎＡｇはんだである。

本実施形態では、第１支持部材３１および第２支持部材３２は、互いに異なる材料により形成されている。従来では、半導体レーザ素子１０の上下に支持部材を配置する場合には、２つの支持部材として同一の材料を用いている。しかし、本実施形態では、後述するように、半導体レーザ素子１０の上下の支持部材３１、３２として異なる材料を用いて、物性値のバランスをくずすことにより、上下片方だけの支持部材の場合や、上下対称な支持部材の場合よりも好ましいという知見が得られた。

好ましくは、第１支持部材３１と第２支持部材３２として、少なくとも熱膨張率（熱膨張係数）、ヤング率、熱伝導率、または寸法のいずれかにおいて２０％以上の差異がある材料を選定することが好ましい。これらの物性値を２０％以上異ならせることにより、半導体レーザ素子１０中の残留応力が低減することが確認されたからである。寸法の差異とは、長さ、奥行き、厚さのいずれかの差異である。上記の物性値のうち、特に熱膨張率を変えることが最も有効である。この場合には、第１支持部材３１と第２支持部材３２の熱膨張率が、半導体レーザ素子１０の基板１２の熱膨張率と５０％以内の範囲内にあることが好ましい。

第１支持部材３１と第２支持部材３２の構成材料としては、例えば、ＳｉＣを主成分とする第１材料、ダイヤモンド（人口ダイヤ）を主成分とする第２材料、ダイヤモンドと金属（例えば銅）を主成分とする第３材料（ダイヤメタルコンポジット）、ＣｕＷを主成分とする第４材料、ＡｌＮを主成分とする第５材料のいずれかを組み合わせて用いることが好ましい。図４は、これらの材料の熱膨張率、熱伝導率およびヤング率の一例を示したものである。

第１支持部材３１と第２支持部材３２に用いる材料として、熱膨張率が２０％以上異なる組み合わせを図４から選択すると、第１材料と第２材料を用いる場合と、第２材料と第３材料を用いる場合と、第３材料と第４材料を用いる場合と、第４材料と第５材料を用いる場合と、第１材料と第４材料を用いる場合との５つがある。

上記のいずれの組み合わせも、熱膨張係数が２０％以上異なり、半導体レーザ素子１０の残留応力を低減させることができる。これに加えて、各組み合わせでは以下の利点がある。熱伝導率の高い第２材料を用いる組み合わせ（第１材料と第２材料、あるいは第２材料と第３材料）は、主として放熱性を向上させることができる。第３材料と第４材料、あるいは第４材料と第５材料を用いる組み合わせは、半導体レーザ素子１０の基板１２として用いられるＧａＡｓ（熱膨張率５．７３×１０^−６［１／Ｋ］）との熱膨張率の均衡を図ることができる。

なお、良好な通電性を確保するため、ＳｉＣを主成分とする第１材料のように導電性の低い材料を用いる場合には、支持部材の表面に導電性の金属被覆層を設けても良い。あるは、支持部材を貫通する導電層を設けても良い。

次に、上記の半導体レーザ装置の製造方法について、図５を参照して説明する。

まず、例えば上記した材料の基板１２の表側に、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属化学気相成長）またはＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy:電子ビーム蒸着）法により、上述した材料からなる半導体層１３を形成する。続いて、ｐ側電極１４およびｎ側電極１５を形成し、基板１２を所定の大きさに整える。これにより、図１に示したバー状の半導体レーザ素子１０が形成される。

続いて、上記した寸法および材料よりなる第１支持部材３１を用意し、この第１支持部材３１の半導体レーザ素子１０が設けられる面に、例えば真空蒸着法またはめっきにより、金（Ａｕ）層およびスズ（Ｓｎ）層を順に積層することにより、第１溶着層４１を形成する。

第１支持部材３１に第１溶着層４１を形成した後、半導体レーザ素子１０の第１面１０ａと第１支持部材３１上の第１溶着層４１とを対向させて位置合わせを行った後、第１支持部材３１上に半導体レーザ素子１０を載せる。続いて、この第１支持部材３１に対して加熱処理（約２８０℃）を施すことにより、図５（ａ）に示すように、半導体レーザ素子１０を第１支持部材３１に溶着させる。

また、上記した寸法および材料よりなる第２支持部材３２を用意し、この第２支持部材３２の半導体レーザ素子１０が設けられる面に、例えば真空蒸着法またはめっきにより、金（Ａｕ）層およびスズ（Ｓｎ）層を順に積層することにより、第２溶着層４２を形成する。

第２支持部材３２に第２溶着層４２を形成した後、半導体レーザ素子１０の第２面１０ｂと第２支持部材３２の第２溶着層４２とを対向させて位置合わせを行った後、第２支持部材３２を半導体レーザ素子１０の上に載せる。続いて、この第２支持部材３２に対して加熱処理（約２８０℃）を施すことにより、図５（ｂ）に示すように、半導体レーザ素子１０を第２支持部材３２に溶着させる。なお、このように第１溶着層４１と第２溶着層４２とを両方とも、ＡｕＳｎはんだ（融点２８０℃）により構成した場合でも、第１溶着層４１は合金化により融点が上昇しているので、第２溶着層４２を加熱する際には第１溶着層４１は溶融しない。

半導体レーザ素子１０を第２支持部材３２に溶着させた後、第１支持部材３１を、例えばＩｎＡｇよりなる第１接着層５１（融点約１４０℃）を介して第１放熱部材２１に載せ、加熱処理（約１４０℃）を施す。これにより、図３に示すように、第１支持部材３１、半導体レーザ素子１０および第２支持部材３２を順に積層したものを、第１放熱部材２１上に第１接着層５１を介して接着させる。

第１支持部材３１と第１放熱部材２１とを接着させた後、第１放熱部材２１上に絶縁板２４を介して電極部材２３を固定し、ワイヤ２７の一端を電極部材２３の段部２３ａに接合し、ワイヤ２７の他端を第２支持部材３２に接合する。その後、電極部材２３の段部２３ａに保護部材２５を固定する。以上により、図２に示した半導体レーザ装置が完成する。

上記の本実施形態に係る半導体レーザ装置の効果について説明する。

半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子１０中の残留応力が、半導体レーザ素子１０のクラックや寿命を支配する大きな要因である。これまでに、半導体レーザ素子１０の上下に支持部材を配置する構造（ダブルサブマウント構造）は、クラックの発生しやすい両端部の応力を緩和して、クラックを少なくするメリットのあることがシミュレーションと実験から既に確認されている。

しかしながらダブルサブマウント構造だけでは、クラックには効果があるが寿命に問題が残る。寿命を延ばすためには全体の残留応力をさらに低減する必要がある。残留応力を支配しているのは主に個々の材料の熱膨張率の調和であることがシミュレーションにより明らかになった。

シミュレーションに用いた各々の材料の物性値を図６に示す。本例では、第１支持部材３１としてダイヤモンド（人口ダイヤ）を主成分とする第２材料を用い、第２支持部材３２としてＳｉＣを主成分とする第１材料を用いた。

図７に、図６に示す物性値を用いて有限要素法により求めたミーゼス応力の計算結果を示す。（１）は２つの支持部材３１，３２の双方にダイヤモンドを主成分とする第２材料を用いた場合、（２）は２つの支持部材３１，３２の双方にＳｉＣを主成分とする第１材料を用いた場合、（３）は支持部材３１，３２に第１材料と第２材料を用いた場合である。図７では、レーザ素子両端とは半導体レーザ素子１０の長さ方向の左右端部を意味し、レーザ素子中心部とは長さ方向の真中付近を意味する。

従来、２つの支持部材３１，３２としてＧａＡｓ基板と熱膨張率が近いＳｉＣを用いた方が応力は小さくなると考えられていた。しかし、有限要素法を用いてミーゼス応力を計算すると、上下ともＳｉＣを使う場合（２）よりも、あるいは上下ともダイヤモンドを使う場合（１）よりも、熱膨張係数の異なる２つの材料を組み合わせた場合（３）の方が応力が小さくなった。本例では約１５％の応力低減効果がある。

加えて、第１放熱部材２１側の第１支持部材３１に熱伝導率の高いダイヤモンドを主成分とする第２材料を用いることによって、放熱特性も同時に良くなる。ちなみに第２材料（ダイヤモンドが主成分）と第１材料（ＳｉＣが主成分）の熱伝導率はそれぞれ６００Ｗ／ｍＫと２５０Ｗ／ｍＫであるから、第１材料のみを用いる場合に比べて２倍以上の放熱特性が得られる。

第１材料と第２材料の組み合わせの応力計算結果のみを示したが、他の材料の組み合わせでも、第１支持部材３１と第２支持部材３２とで２０％以上の熱膨張率の差異を設けることによって同様の結果が得られる。熱膨張率の差異を設けることが最も応力低減効果があるが、他の物性値を２０％以上異ならせることでも応力低減効果あるいは放熱性向上効果を得ることができる。

他の物性値としては、ヤング率、熱伝導率、または寸法のいずれかである。具体的には、２つの支持部材３１，３２の熱膨張率とヤング率（硬さ）および寸法（特に厚さ）をパラメータとしてシミュレーションにより応力を最適化し、最終的には試作を行ってクラックと寿命を確認する。

以上のように、半導体レーザ素子１０の上下に異なる材料の支持部材３１，３２を配置して、上下の支持部材３１，３２の物性値を異ならせることにより、半導体レーザ素子１０の上下片方だけに支持部材を配置する場合や、半導体レーザ素子１０の上下に同一材料からなる支持部材を配置する場合よりも好ましい結果が得られる。

また熱伝導性についても、適切な第２支持部材３２を配置して応力を減少させれば、熱膨張率が多少異なっても熱伝導率の高い材料を第１支持部材３１に使用することが可能になる。これにより、第１支持部材３１および第１放熱部材２１を介して、半導体レーザ素子１０からの熱を効率良く放熱させることができる。

さらに、第１支持部材３１のみの構造（シングルサブマウント）と比較すると、半導体レーザ素子１０の上側の第２支持部材３２もある程度放熱に寄与するために、シングルマウント構造に比べて放熱特性を向上させることができる。

本実施形態に係る半導体レーザ装置によれば、応力分布と熱伝導性を両方同時に総合的に改善することが可能である。その結果として、半導体レーザ素子１０にクラックが発生せず、長寿命で信頼性が高く、特性の安定した半導体レーザ装置が実現できる。

本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、図８に示すように、第２支持部材３２上に、第２接着層５２を介して第２放熱部材（ヒートシンク）２２が配置されていてもよい。第２放熱部材２２の構成材料としては、銅の表面に金よりなる薄膜を形成したものが挙げられる。また、第２接着層５２は、例えば、第１接着層５１と同様の材料により形成される。

本実施形態では、半導体レーザ装置がバー状の半導体レーザ素子１０を備えた例について説明したが、半導体レーザ素子１０はレーザダイオードチップでもよい。また、本実施形態では、半導体レーザ素子１０が、第１面１０ａを第１支持部材３１に、第２面１０ｂを第２支持部材３２にそれぞれ対向させるように配置する例について説明したが、第１面１０ａを第２支持部材３２に、第２面１０ｂを第１支持部材３１にそれぞれ対向させるように配置してもよい。

さらに、上記実施形態において説明した各層の材料および厚み、または成膜方法および成膜条件などは限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ＧａＡｓよりなる基板１２上にＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体よりなる半導体層１３を有する赤色半導体レーザを例に説明したが、本発明は、例えば、ＧａＡｓ系（赤外：７８０ｎｍ〜８５０ｎｍ）あるいはＧａＮ系（発振波長４００ｎｍ〜５００ｎｍ）などの他の材料系にも適用可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

半導体レーザ素子の一部を拡大して示す斜視図である。本実施形態に係る半導体レーザ装置の全体構成を示す分解斜視図である。図２に示す半導体レーザ装置のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。支持部材に用いる材料の特性を示す図である。本実施形態に係る半導体レーザ装置の製造における工程断面図である。材料の物性値を示す図である。応力計算結果を示す図である。半導体レーザ装置の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１０…半導体レーザ素子、１０ａ…第１面、１０ｂ…第２面、１１…レーザダイオードチップ、１２…基板、１３…半導体層、１４…ｐ側電極、１５…ｎ側電極、２１…第１放熱部材、２２…第２放熱部材、２３…電極部材、２３ａ…段部２３ａ、２４…絶縁板、２５…保護部材、２６…ネジ、２７…ワイヤ、３１…第１支持部材、３２…第２支持部材、４１…第１溶着層、４２…第２溶着層、５１…第１接着層、５２…第２接着層

Claims

対向する第１面および第２面を有し、前記第１面および前記第２面の対向方向に直交する方向に光を出射する半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子の前記第１面に第１溶着層を介して配置された第１支持部材と、
前記半導体レーザ素子の前記第２面に第２溶着層を介して配置され、前記第１支持部材とは異なる材料の第２支持部材と
を有する半導体レーザ装置。
前記第１支持部材と前記第２支持部材は、少なくとも熱膨張率、ヤング率、熱伝導率、または寸法のいずれかにおいて２０％以上の差異がある
請求項１記載の半導体レーザ装置。
前記第１支持部材と前記第２支持部材は、ＳｉＣを主成分とする第１材料、ダイヤモンドを主成分とする第２材料、ダイヤモンドと金属を主成分とする第３材料、ＣｕＷを主成分とする第４材料、ＡｌＮを主成分とする第５材料のうちからそれぞれ選択された
請求項１記載の半導体レーザ装置。
前記第１支持部材は、第１放熱部材の上に配置されている
請求項１記載の半導体レーザ装置。
前記第２支持部材の上に配置された第２放熱部材をさらに有する
請求項１記載の半導体レーザ装置。