JP2007073549A - 半導体レーザモジュール、半導体レーザスタック及び半導体レーザモジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザ素子がサブマウントに確実に接合されると共に、半導体レーザ素子の湾曲形状が精度よく矯正された半導体レーザモジュールと、この半導体レーザ素子が複数積層された半導体レーザスタックとを提供すること。
【解決手段】サブマウント９と、サブマウント９上に設けられた半導体レーザ素子５と、半導体レーザ素子５上に設けられたサブマウント３とを備え、半導体レーザ素子５は、サブマウント９に面している表層に設けられた活性層１１ａを有し、サブマウント９の方がサブマウント３よりも熱膨張係数が大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を出射する半導体レーザモジュールと、この半導体レーザモジュールを備えた半導体レーザスタックと、この半導体レーザモジュールの製造方法とに関する。

従来、半導体レーザアレイは、二枚のサブマウントの間に半導体レーザ素子を挟んだ複数の半導体レーザモジュールが、ヒートシンクを挟んでスタックされた構成を有する。この半導体レーザ素子は平板状を成し、側面にはレーザ光を出射する複数のスポット状の光出射部（レーザ光の出射点）が形成されている。この半導体レーザ素子は製造過程で反りが生じるため、製造後の形状は湾曲している。

特許文献１に記載されている技術には、半導体レーザ素子を、二枚のサブマウントの間に挟んで加熱及び加重することにより反った湾曲形状から平板形状に矯正しつつサブマウントに接合する技術が提案されている。
特開平１１−１６３４６７号公報

このサブマウントは二層構造を有しており、各層は互いに異なる熱膨張係数を有する。このような層構造を有するサブマウントは、加熱されると半導体レーザ素子と同様に湾曲するため、高温で行われる接合処理中には、互いに貼り合わされる半導体レーザ素子の表面とサブマウントの表面とが略同じ曲率となり、半導体レーザ素子とサブマウントとは略面一で接触することとなる。

しかし、高温で行う接合処理中に、半導体レーザ素子と同様に湾曲するサブマウントを構成するのは困難である。すなわち、サブマウントが有する各層の熱膨張係数及び厚み等を、半導体レーザ素子と同様に湾曲するように特定するのは容易ではない。故に、湾曲形状の半導体レーザ素子をサブマウントに確実に接合するのは困難であり、半導体レーザ素子の湾曲形状を平板形状に精度よく矯正することも困難である。

本発明の目的は、半導体レーザ素子がサブマウントに確実に接合されると共に、半導体レーザ素子の湾曲形状が精度よく矯正された半導体レーザモジュールと、この半導体レーザモジュールを用いた半導体レーザスタックと、半導体レーザモジュールの製造方法とを提供することである。

本発明の半導体レーザモジュールは、１）レーザ光を出射する半導体レーザ素子と、２）上記半導体レーザ素子に接合されている部材であり、上記半導体レーザ素子が有する二つの表面のうち接合前に反って張り出している第１の表面上に設けられた第１のサブマウントと、３）上記半導体レーザ素子の二つの表面のうち上記第１の表面とは異なる第２の表面上に接合された第２のサブマウントとを備え、上記第１のサブマウントの方が上記第２のサブマウントよりも熱膨張係数が大きい。

本発明の半導体レーザモジュールによれば、半導体レーザ素子を挟む第１及び第２のサブマウントの熱膨張係数が異なる。半導体レーザモジュールの製造工程において、第１及び第２のサブマウントに接合される前の半導体レーザ素子は、反った湾曲形状を有している。半導体レーザ素子の反った湾曲形状に応じて熱膨張するように第１及び第２のサブマウントの熱膨張係数を選択すれば、半導体レーザ素子を、反った湾曲形状から平板形状に精度よく矯正できるため、第１及び第２のサブマウントに確実に接合可能となる。

また、本発明の半導体レーザモジュールでは、上記第２のサブマウントが可撓性を有している、ことが好ましい。これにより、上記半導体レーザ素子の反った湾曲形状を、より精度よく矯正することができる。

また、本発明の半導体レーザモジュールでは、上記半導体レーザ素子は、上記第１の表面側又は上記第２の表面側に設けられた活性層を有しており、上記第１の表面又は上記第２の表面のうち上記活性層が設けられている側の表面上に設けられた上記第１のサブマウント又は上記第２のサブマウント上には、上記半導体レーザ素子を冷却するためのヒートシンクが設けられる、ことが好ましい。発光中の半導体レーザ素子では、主に活性層から熱が発生する。このため、この熱は、活性層が設けられている側の表面上に設けられた第１のサブマウント又は第２のサブマウントに伝導する。そして、この熱は、このサブマウント上にヒートシンクが設けられている場合には、更にヒートシンクに伝導する。このように、活性層から発生した熱は、サブマウント、更にはヒートシンクを介して効率良く除去される。

また、本発明の半導体レーザモジュールでは、上記半導体レーザ素子は、側面に複数の光出射部が配列された半導体レーザアレイであるのが好ましい。光出射部は半導体レーザ素子の共振器構造に係る活性層の端部（活性層と光学的に連絡可能な部位）であり、このような端部（光出射部）を一定の間隔で増加させれば、半導体レーザ素子の側面の幅は広くなる。そして、半導体レーザ素子はより大きく湾曲することになる。このため、本発明はより大きな効果を奏することとなる。

また、本発明の半導体レーザスタックは、上記した複数の半導体レーザモジュールと、発熱体を冷却する複数のヒートシンクとを備え、上記半導体レーザモジュールと上記ヒートシンクとは交互に積層されている、ことを特徴とする。従って、半導体レーザモジュールから発生した熱がヒートシンクを介して効率良く除去可能な半導体レーザスタックが実現できる。

また、本発明の半導体レーザモジュールの製造方法は、レーザ光を出射する半導体レーザ素子と、上記半導体レーザ素子に接合されている部材であり、上記半導体レーザ素子が有する二つの表面のうち接合前に反って張り出している第１の表面上に設けられた第１のサブマウントと、上記半導体レーザ素子の二つの表面のうち上記第１の表面とは異なる第２の表面上に接合された第２のサブマウントとを備えた半導体レーザモジュールの製造方法であって、上記半導体レーザ素子の上記第１の表面と、上記第１のサブマウントの一の表面とを対向させて、上記半導体レーザ素子及び上記第１のサブマウントのうち何れか一方を他方に載置するステップと、上記第１のサブマウントよりも熱膨張係数の小さな上記第２のサブマウントを用意し、上記半導体レーザ素子の上記第２の表面と、上記第２のサブマウントの一の表面とを対向させて、上記半導体レーザ素子及び上記第２のサブマウントのうち何れか一方を他方に載置するステップと、を含む載置ステップと、前記載置ステップの後、前記半導体レーザ素子が前記第１のサブマウントと前記第２のサブマウントとにより挟まれた状態で前記半導体レーザ素子、前記第１のサブマウント及び前記第２のサブマウントを加熱して、前記半導体レーザ素子を前記第１のサブマウントと前記第２のサブマウントとに接合する加熱ステップと、を含む。

本発明によれば、第２のサブマウントよりも熱膨張係数が大きい第１のサブマウントの一の表面と、半導体レーザ素子の二つの表面のうち第１及び第２のサブマウントへの接合前に反って張り出している第１の表面とを対向させて、第１のサブマウントと半導体レーザ素子のうち何れか一方が他方に載置された状態で、半導体レーザ素子、第１のサブマウント及び第２のサブマウントが加熱される。この加熱処理によって半導体レーザ素子は第１及び第２のサブマウントに接合される。そして、この加熱処理後の降温過程では、第１のサブマウントの方が第２のサブマウントよりも大きく収縮することになる。よって、第１のサブマウントに接合された半導体レーザ素子の第１の表面も、第１のサブマウントの収縮に伴って第２の表面よりも大きく収縮する。このため、反った半導体レーザ素子が精度良く平板形状に矯正される。更に、第１及び第２のサブマウントの熱膨張係数を好適に選択することにより、反った半導体レーザ素子が平板形状に更に精度良く矯正できる。

また、本発明の半導体レーザモジュールの製造方法では、上記載置ステップの後、上記加熱ステップに加えて、上記半導体レーザ素子が載置されていない第１のサブマウント又は上記第２のサブマウントの表面から、上記半導体レーザ素子の反りを矯正するように上記第１のサブマウント、上記半導体レーザ素子及び上記第２のサブマウントに圧力を加えて、上記半導体レーザ素子を上記第１のサブマウントと上記第２のサブマウントとに接合する加圧ステップを更に含むのが好ましい。この加圧ステップは、加熱ステップと並行して行われるか、或いは加熱ステップの後に行われる。加熱ステップに加え、この加圧ステップが行われることにより、反った半導体レーザ素子が平板形状に容易に矯正できる。

本発明によれば、半導体レーザ素子がサブマウントに確実に接合されると共に、半導体レーザ素子の湾曲形状が平板形状に精度よく矯正される。

図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。まず、図１を参照して、実施形態に係る半導体レーザモジュール１の概略構成を説明する。

半導体レーザモジュール１は、サブマウント３（第１又は第２のサブマウント）、半導体レーザ素子５、絶縁部材７及びサブマウント９（第１又は第２のサブマウント）を有する。サブマウント３は、ｙ軸方向に長尺であり、ｚ軸方向に所定の厚みを有する板形状を有する。そして、サブマウント３は、表面Ｍ１及び表面Ｍ２を有する。表面Ｍ１及び表面Ｍ２は、互いに平行な略平面形状を成している。サブマウント９は、ｙ軸方向に長尺であり、ｚ軸方向に所定の厚みを有する板形状を有する。そして、サブマウント９は、表面Ｍ３及び表面Ｍ４を有する。表面Ｍ３及び表面Ｍ４は、互いに平行な略平面形状を成している。表面Ｍ２及び表面Ｍ３上には半導体レーザ素子５及び絶縁部材７がｘ軸方向に互いに離隔して設けられている。

また、サブマウント３及びサブマウント９の各々は、実質的に均一な熱膨張係数を有する導電性及び熱伝導性に優れた素材によって成るのが好ましい。例えば、サブマウント３及びサブマウント９は、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｍｏ合金、ＳｉＣ或いはＡｌＮ等の素材によって成る。Ｃｕ−Ｗ合金は、Ｃｕが１０重量パーセントでありＷが９０重量パーセントである合金（以下、Ｃｕ−Ｗ１０合金という）や、Ｃｕが１５重量パーセントでありＷが８５重量パーセントである合金（以下、Ｃｕ−Ｗ１５合金という）や、Ｃｕが２０重量パーセントでありＷが８０重量パーセントである合金（以下、Ｃｕ−Ｗ２０合金という）等が利用できる。Ｃｕ−Ｍｏ合金は、Ｃｕが１５重量パーセントでありＭｏが８５重量パーセントである合金（以下、Ｃｕ−Ｍｏ１５合金という）等が利用できる。なお、サブマウント３及びサブマウント９は、表面がめっき処理されたセラミックにより構成されたものであってもよいが、好ましくは、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｍｏ合金等の金属を素材として構成されたものがよい。

Ｃｕの熱膨張係数は１７．０×１０^−６／Ｋ程度である。Ｃｕ−Ｗ２０合金の熱膨張係数は８．３×１０^−６／Ｋ程度である。Ｃｕ−Ｗ１５合金の熱膨張係数は７．２×１０^−６／Ｋ程度である。Ｃｕ−Ｍｏ１５合金の熱膨張係数は７．０×１０^−６／Ｋ程度である。Ｃｕ−Ｗ１０合金の熱膨張係数は６．５×１０^−６／Ｋ程度である。Ｍｏの熱膨張係数は５．１×１０^−６／Ｋ程度である。Ｗの熱膨張係数は４．５×１０^−６／Ｋ程度である。従って、例えば、サブマウント９の熱膨張係数が、サブマウント３の熱膨張係数よりも大き場合、サブマウント５１にＣｕ−Ｗ１０合金を用いる場合には、サブマウント５２にＭｏやＷを用いることができる。また、サブマウント５１にＣｕ−Ｗ２０を用いる場合には、サブマウント５２にＭｏ等を用いることができる。

半導体レーザ素子５と絶縁部材７とは、共にｙ軸方向に長尺な板形状を成していると共に同程度の厚みを有する。半導体レーザ素子５の長尺な二つの側面のうち絶縁部材７に対向する側面Ｓ１の反対側の側面Ｓ２には、複数の光出射部１１が設けられており、半導体レーザ素子５は半導体レーザアレイを構成する。

半導体レーザ素子５及び絶縁部材７は、サブマウント３の表面Ｍ２上に設けられていると共に、サブマウント９の表面Ｍ３上に設けられている。すなわち、半導体レーザ素子５及び絶縁部材７は、サブマウント３とサブマウント９との間に挟まれている。ここで、半導体レーザ素子５は、ジャンクションダウン方式に基づいてサブマウント３及びサブマウント９との間に設けられている。このジャンクションダウン方式により、活性層１１ａから発生する熱が、活性層１１ａにより近いサブマウント９に伝導することになり、半導体レーザ素子５から発生する熱の除去が効率良く行える。

次に、図２を参照して、半導体レーザモジュール１の構成について更に説明する。図２（ａ）は、図１に示すＩ−Ｉ線に沿ってとられた半導体レーザモジュールの断面図であり、（ｂ）は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿ってとられた半導体レーザモジュールの断面図である。

サブマウント９の表面Ｍ３は、面領域Ｅ１及び面領域Ｅ２を含む。サブマウント３の表面Ｍ２は、面領域Ｅ３及び面領域Ｅ４を含む。半導体レーザ素子５は、サブマウント９の面領域Ｅ１上に設けられていると共に、サブマウント３の面領域Ｅ３上に設けられている。すなわち、半導体レーザ素子５は、サブマウント３とサブマウント９との間に挟まれている。半導体レーザ素子５と面領域Ｅ１との間には半田部Ｈ１が介在し、半導体レーザ素子５と面領域Ｅ３との間には半田部Ｈ２が介在している。半導体レーザ素子５は、半田部Ｈ１を介してサブマウント９に固着され、半田部Ｈ２を介してサブマウント３に固着されている。半導体レーザ素子５は、側面Ｓ１と側面Ｓ２との間にわたって形成された活性層１１ａを複数有する。また、半導体レーザ素子５の側面Ｓ２に設けられた光出射部１１は、活性層１１ａの一端に相当しており、活性層１１ａと光学的に連絡可能になっている。

絶縁部材７は、サブマウント９の面領域Ｅ２上に設けられていると共に、サブマウント３の面領域Ｅ４上に設けられている。すなわち、絶縁部材７は、サブマウント３とサブマウント９との間に挟まれている。絶縁部材７と面領域Ｅ２との間には半田部Ｈ３が介在し、絶縁部材７と面領域Ｅ４との間には半田部Ｈ４が介在している。絶縁部材７は、半田部Ｈ３を介してサブマウント９に固着され、半田部Ｈ４を介してサブマウント３に固着されている。なお、半田部Ｈ１〜半田部Ｈ４は、ＩｎやＡｕＳｎ等を含む。

サブマウント３の厚みＴ１は、５０〜２００μｍ程度である。半導体レーザ素子５及び絶縁部材７の厚みＴ２は、１００〜１５０μｍ程度であり、サブマウント９の厚みＴ３は、５０〜２００μｍ程度であり、好ましくは１５０ｍｍ程度である。サブマウント３及びサブマウント９の縦幅Ｄ１（縦幅とは、ｘ軸方向の長さであり、以下同様）は、１〜５ｍｍ程度であり、好ましくは３ｍｍ程度である。半導体レーザ素子５の縦幅Ｄ２は、１〜１．５ｍｍ程度である。半導体レーザ素子５の横幅Ｗ１（横幅とは、ｙ軸方向の長さであり、以下同様）は、５〜１０ｍｍ程度であり、サブマウント３及びサブマウント９の横幅Ｗ２は、５〜１５ｍｍ程度であり、好ましくは１０ｍｍ程度である。

次に、図３を参照して、半導体レーザ素子５の構成について説明する。図３は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿ってとられた半導体レーザ素子の断面図である。半導体レーザ素子５は、基板５ａ及び積層部５ｂを有しており、基板５ａ上に積層部５ｂが形成されている。積層部５ｂは、リッジ形状を含む半導体層を有し、この半導体層は、活性層１１ａ、クラッド１３及びクラッド１５と、キャップ層１６及びオーミック電極１７とを有する。すなわち、半導体レーザ素子５はリッジ導波型の半導体レーザ素子である。この半導体層が有するリッジ形状の高さＤ３は、２〜３μｍ程度である。クラッド１３は、基板５ａ上に形成されており、クラッド１３上には、活性層１１ａが形成されている。活性層１１ａ上には、クラッド１５が形成され、クラッド１５上にはキャップ層１６及びオーミック電極１７が順次形成されている。

基板５ａは、ｎ型のＧａＡｓ基板であり、クラッド１３は、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰ層である。活性層１１ａは、ＩｎＧａＡｓＰ層であり、クラッド１５は、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰ層である。キャップ層１６は、ＧａＡｓ層であり、オーミック電極１７は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層である。また、積層部５ｂの表面は、絶縁膜１８によって覆われている。絶縁膜１８は、例えば酸化シリコン等の素材によって成る。

なお、半導体レーザ素子５はリッジ導波型の半導体レーザであるが、本発明は、これに限らない。例えば、ＢＨ（Buried Hetero）型やＢＣ（BuriedCrescent）型等、他の構造の半導体レーザ素子であってもよい。また、実施形態に係る半導体レーザ素子が有する基板５ａ及び積層部５ｂの各層の構成素材は、上記したものに限らない。また、半導体層の構造は、上記したものに限らない。例えば、リッジ形状の高さＤ３が上記の値より小さくてもよい。例えば、活性層１１ａにまでリッジ形状を規定する溝が達していなくてもよい。この場合には、溝の深さを調整することで、活性層１１ａの実効屈折率を調整し、リッジ形状に応じた導波路構造を実現することになる。

次に、図４を参照して、実施形態に係る半導体レーザスタック１００の構成を説明する。半導体レーザスタック１００は、複数の半導体レーザモジュール１と、複数のヒートシンク２１と、複数の絶縁部材２３とを有しており、半導体レーザモジュール１及び絶縁部材２３が、ヒートシンク２１と交互に積層されて成る。すなわち、隣接する二つのヒートシンク２１の間には、半導体レーザモジュール１と絶縁部材２３とが設けられている。

ヒートシンク２１は表面Ｍ５及び表面Ｍ６を有している。ヒートシンク２１の縦幅Ｗ３は、３０ｍｍ程度であり、厚みは、１．１ｍｍ程度である。表面Ｍ５は、面領域Ｅ６及び面領域Ｅ７を含み、表面Ｍ６は、面領域Ｅ８及び面領域Ｅ９を含む。絶縁部材２３は、表面Ｍ７及び表面Ｍ８を有する。

半導体レーザモジュール１の表面Ｍ４とヒートシンク２１の面領域Ｅ６との間には半田部Ｈ５が介在し、半導体レーザモジュール１の表面Ｍ１と、ヒートシンク２１の面領域Ｅ８との間には半田部Ｈ６が介在している。すなわち、半導体レーザモジュール１は、隣接する二つのヒートシンク２１の各々に、半田部Ｈ５及び半田部Ｈ６を介して固着されている。なお、半田部Ｈ５及び半田部Ｈ６は、ＩｎやＡｕＳｎ等を含む。

絶縁部材２３の表面Ｍ７とヒートシンク２１の面領域Ｅ７との間、及び、絶縁部材２３の表面Ｍ８とヒートシンク２１の面領域Ｅ９との間には、それぞれ接着剤が介在している。すなわち、絶縁部材２３は、隣接する二つのヒートシンク２１の間に接着剤を介して固着されている。

ヒートシンク２１及び絶縁部材２３の内部には、冷却用に用いる流体を流すための流路Ｒ１、流路Ｒ２及び流路Ｒ３が設けられている。流路Ｒ１、流路Ｒ２及び流路Ｒ３内には、図中符号Ａ１に示す向きに流体が流れる。流路Ｒ１は、図示しない流入口に接続されており、流路Ｒ１には、この流入口から流入する流体が流れる。流路Ｒ１を流れる流体は、各ヒートシンク２１の流路Ｒ２に分流する。流路Ｒ２は、ヒートシンク２１の面領域Ｅ６及び面領域Ｅ８上に設けられている。このため、流路Ｒ２を流れる流体は、発熱する半導体レーザモジュール１の表面Ｍ１（面領域Ｅ１ｂ）及び表面Ｍ４上を流れる。流路Ｒ２を流れた流体は、流路Ｒ３に流入する。流路Ｒ３は図示しない流出口に接続されており、流路Ｒ３を流れる流体は流出口に向かって流れる。このように、ヒートシンク２１及び絶縁部材２３の内部を流体が流れることにより、半導体レーザモジュール１の冷却が可能となる。

次に、図５を参照して、半導体レーザモジュール１の製造方法を説明する。図５は、サブマウント３及びサブマウント９の間に半導体レーザ素子５を設ける工程を説明するための図である。なお、図５に示す半導体レーザ素子５の側面Ｓ３は、半導体レーザ素子５の何れかの側面を表している。

サブマウント５１（第１のサブマウント）及びサブマウント５２（第２のサブマウント）は、サブマウント３及びサブマウント９を表している。半田部Ｈ１１及び半田部Ｈ１２は、半田部Ｈ１及び半田部Ｈ２を表している。表面Ｍ１３及び表面Ｍ１２は、表面Ｍ２及び表面Ｍ３を表している。面領域Ｅ１１及び面領域Ｅ１３は、面領域Ｅ１及び面領域Ｅ３を表している。サブマウント５１がサブマウント３の場合には、サブマウント５２はサブマウント９であり、半田部Ｈ１１は半田部Ｈ２であり、半田部Ｈ１２は半田部Ｈ１である。更にこの場合、表面Ｍ１３は表面Ｍ２であり、面領域Ｅ１１は面領域Ｅ３であり、表面Ｍ１２は表面Ｍ３であり、面領域Ｅ１３は面領域Ｅ１である。また、サブマウント５１がサブマウント９の場合には、サブマウント５２はサブマウント３であり、半田部Ｈ１１は、半田部Ｈ１であり、半田部Ｈ１２は、半田部Ｈ２である。更にこの場合、表面Ｍ１３は表面Ｍ３であり、面領域Ｅ１１は面領域Ｅ１であり、表面Ｍ１２は表面Ｍ２であり、面領域Ｅ１３は面領域Ｅ３である。

まず、図５（ａ）に示す工程について説明する。図５（ａ）は、半導体レーザ素子５と、サブマウント５１及びサブマウント５２とが半田部Ｈ１１及び半田部Ｈ１２を介して接合される前の状態を模式的に示している。図５（ａ）に示すように、サブマウント５１、半導体レーザ素子５及びサブマウント５２を用意する。

ここで、サブマウント５１及びサブマウント５２の各々は、実質的に均一な熱膨張係数を有する金属材料を素材とする。また、サブマウント５１及びサブマウント５２は、非常に薄い（図２に示す厚みＴ１及びＴ３）ために共に可撓性を有し、曲げ撓みが可能である。サブマウント５１の熱膨張係数は、サブマウント５２の熱膨張係数よりも大きい。また、半導体レーザ素子５は、サブマウント５１及びサブマウント５２との接合前には、中央から端部に向かって反った湾曲形状を有しており、半導体レーザ素子５の表面Ｋ１及び表面Ｋ２のうち、表面Ｋ１の方が張り出している。具体的には、半導体レーザ素子５の表面Ｋ１の端部は中央部からＴ５（μｍ）だけ表面Ｋ１から表面Ｋ２に向かう方向に反っている。すなわち、半導体レーザ素子５を水平な平面に載置した場合に、この平面と半導体レーザ素子５の表面Ｋ１の端部との距離が、概ねＴ５（μｍ）となっている。ここで、Ｔ５は、３〜１０μｍ程度の距離を示している。なお、表面Ｋ１及び表面Ｋ２のうち何れが張り出しているかは、半導体レーザ素子５を構成する半導体材料の種類や内部構造によって異なる。

そこで、定盤４１上にサブマウント５１を載置する。サブマウント５１が載置される定盤４１の表面は略水平な平面形状を成している。次いで、サブマウント５１上に半導体レーザ素子５を載置する。この際、半導体レーザ素子５の表面は、サブマウント５１の表面Ｍ１３（面領域Ｅ１１）に重ねられる。次いで、半導体レーザ素子５上にサブマウント５２を載置する。この際、半導体レーザ素子５の表面は、サブマウント５２の表面Ｍ１２（面領域Ｅ１３）に重ねられる。張り出している表面Ｋ１に対向して載置されているサブマウント５１の熱膨張係数の値は、サブマウント５２の熱膨張係数の値よりも大きい。なお、ここでは、サブマウント５１、半導体レーザ素子５、サブマウント５２の順に載置するとしたが、この順番は任意である。例えば、サブマウント５２、半導体レーザ素子５、サブマウント５１の順に載置してもよい。

更に、サブマウント５１及びサブマウント５２は、ともに可撓性を有している。このため、半導体レーザ素子５をサブマウント５１及びサブマウント５２上に載置すると（半導体レーザ素子５をサブマウント５１とサブマウント５２との間に挟むと）、半導体レーザ素子５の表面Ｋ１及び表面Ｋ２の湾曲形状に応じて、サブマウント５１及びサブマウント５２も多少湾曲する。

半導体レーザ素子５は、上述した図６（ａ）に示す工程によって、サブマウント５１とサブマウント５２との間に挟まれた状態となっている。すなわち、半導体レーザ素子５の第１の表面とサブマウント５１の一面とを対向させて半導体レーザ素子５をサブマウント５１に載置するステップと、半導体レーザ素子５の第２の表面とサブマウント５２の一面とを対向させてサブマウント５２を半導体レーザ素子５に載置するステップとによって、半導体レーザ素子５は、サブマウント５１とサブマウント５２との間に挟まれた状態となる。

次に、図５（ｂ）に示す工程を説明する。図５（ｂ）は、半導体レーザ素子５と、サブマウント５１及びサブマウント５２とを、半田部Ｈ１１及び半田部Ｈ１２を介して接合する工程を模式的に示している。図５（ｂ）に示すように、サブマウント５１、半導体レーザ素子５及びサブマウント５２に対し、定盤４１を介して熱量Ａ３を供給する（加熱ステップ）。この熱量Ａ３は、定盤４１を、例えば摂氏１００度〜３５０度に設定して所定時間だけ加熱した際の熱量である。そして、熱Ａ３を供給した後に、半導体レーザ素子５の反りを矯正する向きに（換言すれば、サブマウント５１、半導体レーザ素子５及びサブマウント５２を定盤４１に押し付ける向きに）圧力Ａ２を加え、サブマウント５１、半導体レーザ素子５及びサブマウント５２を平坦化する（加圧ステップ）。圧力Ａ２は、例えば、１０〜５００ｇｆ／ｃｍ^２である。ここで、図５（ｂ）に示す処理は、例えばＮ_２又はＨ_２等の不活性雰囲気中又は空気中において行われる。なお、加熱する方法及び加圧する方法としては、他に様々な方法が考えられる。必ずしも定盤４１を介して加熱する必要はなく、雰囲気を介して加熱しても良い。また、上述した方向（半導体レーザ素子５及びサブマウント５２を定盤４１に押し付ける向き）とは逆の方向（サブマウント５１を上面として、定盤４１に押し付ける向き）に加圧することで半導体レーザ素子５の反りを矯正しても良い。また、上述の加熱ステップと加圧ステップとを同時に行うようにしても良い。

図５（ｂ）に示す処理の後には、図５（ｃ）に示すように、半導体レーザ素子５の反りが矯正されて平坦化されている。なお、図５（ｃ）は、上述の加熱ステップ及び加圧ステップの後に、室温程度にまで温度を下降させた状態の半導体レーザモジュール１を示している。以下、図６（ｂ）に示す状態から図６（ｃ）に示す状態に移る過程を「降温ステップ」と呼ぶ。本発明者らは、この降温ステップにおいて、温度下降に伴って生じるサブマウント５１及びサブマウント５２の収縮の程度の差（収縮力の差）によっても、上記の加圧ステップにおける加圧作用と共に半導体レーザ素子５の反りが矯正されると考えている。具体的に説明すると、サブマウント５１はサブマウント５２よりも大きな熱膨張係数を有しているため、降温ステップでは、逆に、サブマウント５１の方がサブマウント５２よりも大きく収縮する（収縮力が強い）ことになる。このサブマウント５１は、半導体レーザ素子５の張り出している方の表面Ｋ１に接合されているため、半導体レーザ素子５の反りが矯正され平坦化されることになる。

すなわち、半導体レーザ素子５が有する湾曲形状に応じて、熱膨張係数の異なるサブマウント５１及びサブマウント５２を選択することによって、半導体レーザ素子５を、反った湾曲形状から平板形状に矯正しつつサブマウント５１及びサブマウント５２に接合することが容易且つ確実に行える。また、サブマウント５２が可撓性を有していることによって、より好適にこの効果を得ることができる。従って、平板形状に矯正された半導体レーザ素子５は、反りが矯正されて平坦化されるため、サブマウント５１及びサブマウント５２から剥がれにくくなる。更に、半導体レーザ素子５に設けられた複数の光出射部１１の位置は均一化されるため、発光特性（レーザ光の指向性等）が向上する。また、これに付随して、半導体レーザ素子５の光出射部１１の前方に、集光光学系等のレンズ系を精度よく配置することもできる。また、半導体レーザモジュール１の駆動中（発光中）にサブマウント５１又はサブマウント５２が熱膨張することで半導体レーザ素子５に作用する圧力は、半導体レーザ素子５の表面に対して均一に作用する。さらに、個々の半導体レーザモジュール１の平坦性が保てるので、半導体レーザスタック１００から出力されるレーザ光の直進性が向上する。更に、半導体レーザモジュール１及びこれを用いた半導体レーザスタック１００の歩留まりの向上も図られる。

＜変形例＞
なお、本発明は、上記のように説明した実施形態に係る半導体レーザモジュール１に限らない。例えば、本発明には、図６に示す半導体レーザモジュール１ａであっても適用可能である。半導体レーザモジュール１ａには、半導体レーザモジュール１が有するサブマウント３に替えてサブマウント３１が設けられている。この点を除けば、半導体レーザモジュール１ａの構成は、半導体レーザモジュール１の構成と同様である。

サブマウント３１は、互いに厚みの異なるｙ軸方向に長尺な板形状の第１部分３ａ及び第２部分３ｂを有し、第２部分３ｂの厚みの方が第１部分３ａの厚みよりも大きい。サブマウント３１の二つの表面のうち一方の表面Ｍ１ａには、面領域Ｅ１ａ及び面領域Ｅ１ｂが含まれており、面領域Ｅ１ａと面領域Ｅ１ｂとの間には段差Ｓ１ａが設けられている。サブマウント３１の他の表面Ｍ２ａは、略平面形状を成しており、表面Ｍ２ａ上には半導体レーザ素子５及びサブマウント９がｘ軸方向に互いに離隔して設けられている。特に、半導体レーザ素子５は、第１部分３ａ上に設けられ、サブマウント９は、第２部分３ｂ上に設けられている。なお、本変形例に係る半導体レーザモジュール１ａの製造方法も、上気した実施形態に係る半導体レーザモジュール１の製造方法と同様である。

次に、図７を参照して、上述の半導体レーザモジュール１ａを設けた半導体レーザスタック１００ａの構成について説明する。図７に示す半導体レーザスタック１００ａには、上記した半導体レーザスタック１００のうち半導体レーザモジュール１に替えて半導体レーザモジュール１ａが設けられている。この点を除けば、半導体レーザスタック１００ａの構成は、半導体レーザスタック１００の構成と同様である。

半導体レーザモジュール１ａの表面Ｍ４とヒートシンク２１の面領域Ｅ６との間には半田部Ｈ５が介在し、半導体レーザモジュール１ａの面領域Ｅ１ｂと、ヒートシンク２１の面領域Ｅ８ａとの間には半田部Ｈ６ａが介在している。すなわち、半導体レーザモジュール１ａは、隣接する二つのヒートシンク２１の間に、半田部Ｈ５及び半田部Ｈ６ａを介して固着されている。なお、半田部Ｈ６ａは、ＩｎやＡｕＳｎ等を含む。

なお、半導体レーザスタック１００では、半導体レーザ素子５は、サブマウント９に対してジャンクションダウン方式に基づいて実装されている。この実装方式により、活性層１１ａから発生する熱が、半導体レーザ素子５の二つの表面のうち、活性層１１ａにより近い表面に設けられたサブマウント９に主に伝導することになる。このサブマウント９はヒートシンク２１と面一に接続されているため、サブマウント９に伝導した熱は、更にヒートシンク２１に伝導する。従って、半導体レーザ素子５からの熱の除去がサブマウント９及びヒートシンク２１を介して効率良く行える。その一方で、半導体レーザ素子５が、サブマウント９に対してジャンクションダウン方式に基づいて実装されていない半導体レーザスタック１００について考察する。この場合、サブマウント３１の第１部分３ａが半導体レーザ素子５の二つの表面のうち活性層１１ａにより近い表面上に設けられる。このため、活性層１１ａから発生した熱は、主に第１部分３ａに伝導することになる。しかし、第１部分３ａは、サブマウント９に比べて厚みが小さく、ヒートシンク２１には接触していない。このため、第１部分３ａに伝導した熱は、ヒートシンク２１に接触している第２部分３ｂに伝導し、第２部分３ｂからヒートシンク２１に伝導することになる。従って、この場合、半導体レーザ素子５に生じた熱は、第１部分３ａ、第２部分３ｂ及びヒートシンク２１を介して半導体レーザ素子５から除去されることになる。このような活性層１１ａからヒートシンク２１への熱接続では、半導体レーザ素子５が上記ジャンクションダウン方式に基づいて実装されている場合に比較して、熱除去の効率が低下する、と考えられる。このような理由から、半導体レーザ素子５は、サブマウント９に対してジャンクションダウン方式に基づいて実装されている。

次に、図８を参照して、半導体レーザモジュール１ａの作用効果について説明する。半導体レーザモジュール１ａでは、半導体レーザ素子５により加熱された第１部分３ａは、図中符号Ｃ２に示す向きに熱膨張する。半導体レーザ素子５により加熱された第２部分３ｂは、図中符号Ｃ３に示す向きに熱膨張する。また、第１部分３ａに対応する領域にあるサブマウント９の第１部分９ａは、図中符号Ｃ４に示す向きに熱膨張する。第２部分３ｂに対応する領域にあるサブマウント９の第２部分９ｂは、図中符号Ｃ５に示す向きに熱膨張する。

第２部分３ｂは、面領域Ｅ１ｂの全体にわたり半田部Ｈ６ａを介してヒートシンク２１に接合されている。よって、第２部分３ｂが熱膨張することにより第２部分３ｂから絶縁部材７には圧力Ａ４ａが作用する。第２部分９ｂは、半田材Ｈ５を介してヒートシンク２１に接合されている。このため、第２部分９ｂが熱膨張することにより絶縁材７に圧力Ａ４ｂが作用する。

また、第１部分３ａが熱膨張することにより第１部分３ａから半導体レーザ素子５に圧力Ａ５ａが作用する。この圧力Ａ５ａは、第１部分３ａがヒートシンク２１に接合されていないため、圧力Ａ４ａに比較して小さい。一方、第１部分９ａは、半田材Ｈ５を介してヒートシンク２１に面一に接合されている。このため、第１部分９ａが熱膨張することにより半導体レーザ素子５に対し圧力Ａ５ｂが作用する。圧力Ａ５ｂは、第１部分３ａがヒートシンク２１に接合されていないため、圧力Ａ４ｂに比較して小さい。

従って、第１部分３ａがヒートシンク２１に接合されていないため、第１部分３ａ及び第１部分９ａが熱膨張することによって半導体レーザ素子５に作用する圧力Ａ５ａ及び圧力Ａ５ｂの低減化が可能となる。このため、サブマウント３又はサブマウント９の熱膨張によって半導体レーザ素子５の側面Ｓ３に半田材が押し出され、光出射部１１が、この押し出された半田材によって覆われる可能性は、実施形態に係る半導体レーザモジュール１の場合に比較して低減される。

実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成を示す斜視図である。 実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成を示す断面図である。 実施形態に係る半導体レーザ素子の断面図である。 実施形態に係る半導体レーザスタックの構成を示す断面図である。 実施形態に係る半導体レーザモジュールの製造方法を説明するための図である。 実施形態に係る半導体レーザモジュールの他の構成を示す斜視図である。 実施形態に係る半導体レーザスタックの他の構成を示す斜視図である。 実施形態の半導体レーザモジュールの作用効果を説明するための図である。

符号の説明

１，１ａ…半導体レーザモジュール、７，２３…絶縁部材、３，９…サブマウント、３ａ…第１部分、３ｂ…第２部分、５…半導体レーザ素子、５ａ…基板、５ｂ…積層部、１１…光出射部、１１ａ…活性層、１３，１５…クラッド、１６…キャップ層、１７…オーミック電極、２１…ヒートシンク、３１…サブマウント、４１…定盤、１００，１００ａ…半導体レーザスタック、Ｅ１ａ，Ｅ１ｂ，Ｅ１〜Ｅ４，Ｅ６〜Ｅ８，Ｅ８ａ，Ｅ９…面領域、Ｈ１〜Ｈ６，Ｈ６ａ…半田部、Ｋ１，Ｋ２…表面、Ｍ１，Ｍ１ａ，Ｍ２，Ｍ２ａ，Ｍ３〜Ｍ８…表面、Ｒ１〜Ｒ３…流路、Ｓ１，Ｓ１ａ，Ｓ２，Ｓ３…側面。

Claims (7)

1. レーザ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に接合されている部材であり、前記半導体レーザ素子が有する二つの表面のうち接合前に反って張り出している第１の表面上に設けられた第１のサブマウントと、
   前記半導体レーザ素子の二つの表面のうち前記第１の表面とは異なる第２の表面上に接合された第２のサブマウントと
   を備え、
   前記第１のサブマウントの方が前記第２のサブマウントよりも熱膨張係数が大きい半導体レーザモジュール。
2. 前記第２のサブマウントは可撓性を有している、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
3. 前記半導体レーザ素子は、前記第１の表面側又は前記第２の表面側に設けられた活性層を有しており、前記第１の表面又は前記第２の表面のうち前記活性層が設けられている側の表面上に設けられた前記第１のサブマウント又は前記第２のサブマウント上には、前記半導体レーザ素子を冷却するためのヒートシンクが設けられる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザモジュール。
4. 前記半導体レーザ素子は、側面に複数の光出射部が配列された半導体レーザアレイである、ことを特徴とする請求項１〜３のうち何れか一項に記載の半導体レーザモジュール。
5. 請求項１〜４のうち何れか一項に記載の複数の半導体レーザモジュールと、
   発熱体を冷却する複数のヒートシンクと
   を備え、
   前記半導体レーザモジュールと前記ヒートシンクとは交互に積層されている、ことを特徴とする半導体レーザスタック。
6. レーザ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に接合されている部材であり、前記半導体レーザ素子が有する二つの表面のうち接合前に反って張り出している第１の表面上に設けられた第１のサブマウントと、前記半導体レーザ素子の二つの表面のうち前記第１の表面とは異なる第２の表面上に接合された第２のサブマウントとを備えた半導体レーザモジュールの製造方法であって、
   前記半導体レーザ素子の前記第１の表面と、前記第１のサブマウントの一の表面とを対向させて、前記半導体レーザ素子及び前記第１のサブマウントのうち何れか一方を他方に載置するステップと、
   前記第１のサブマウントよりも熱膨張係数の小さな前記第２のサブマウントを用意し、前記半導体レーザ素子の前記第２の表面と、前記第２のサブマウントの一の表面とを対向させて、前記半導体レーザ素子及び前記第２のサブマウントのうち何れか一方を他方に載置するステップと、
   を含む載置ステップと、
   前記載置ステップの後、前記半導体レーザ素子が前記第１のサブマウントと前記第２のサブマウントとにより挟まれた状態で前記半導体レーザ素子、前記第１のサブマウント及び前記第２のサブマウントを加熱して、前記半導体レーザ素子を前記第１のサブマウントと前記第２のサブマウントとに接合する加熱ステップと、
   を含む半導体レーザモジュールの製造方法。
7. 前記載置ステップの後、前記加熱ステップに加えて、前記半導体レーザ素子が載置されていない第１のサブマウント又は前記第２のサブマウントの表面から、前記半導体レーザ素子の反りを矯正するように前記第１のサブマウント、前記半導体レーザ素子及び前記第２のサブマウントに圧力を加えて、前記半導体レーザ素子を前記第１のサブマウントと前記第２のサブマウントとに接合する加圧ステップを更に含む、ことを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザモジュールの製造方法。
   
   
   
   
   

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