JP2007073550A - 半導体レーザモジュール及び半導体レーザスタック - Google Patents

Abstract

【課題】熱膨張したサブマウントから半導体レーザ素子が受ける圧力を低減可能な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】表面Ｍ１と表面Ｍ１の反対側に設けられた表面Ｍ２とを有しており、表面Ｍ１に段差Ｓ１が設けられたサブマウント３と、表面Ｍ２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９とを備え、半導体レーザ素子５は、表面Ｍ１のうち段差Ｓ１における底部の一部または全部に対応する面領域Ｅ１ａ上に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザモジュール及び半導体レーザスタックに関する。

従来、複数の半導体レーザ素子がスタックされた半導体レーザスタックが種々開発されている。例えば、特許文献１に記載の半導体レーザスタックでは、二枚のサブマウント（ヒートスプレッタ）の間に半導体レーザ素子を挟んで成る構成の半導体レーザモジュール（積層体）が、ヒートシンクを挟んでスタックされている。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。
特開２００４−１４６７２０号公報

特許文献１に記載の半導体レーザスタックでは、半導体レーザ素子が発光する際に生じる熱は半導体レーザ素子を挟む二枚のサブマウントに伝導する。各サブマウントは半導体レーザ素子から伝導した熱により熱膨張する。その一方で、サブマウントと半導体レーザ素子との間の半田材が熱により溶融する。この際、熱膨張したサブマウントから半導体レーザ素子に圧力が作用するので、溶融した半田材の一部が半導体レーザ素子側面にはみ出す可能性がある。この半田材のはみ出しが繰り返されると、半田材が光出射部を覆い、レーザ光の出射を妨げるおそれが生じる。

本発明は、熱膨張したサブマウントから半導体レーザ素子に作用する圧力を低減可能な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を目的とする。

本発明の半導体レーザモジュールは、１）第１の面とこの第１の面の反対側に設けられた第２の面とを有しており、上記第１の面に段差が設けられた第１のサブマウントと、２）上記第２の面上に設けられた半導体レーザ素子と、３）上記半導体レーザ素子上に設けられた第２のサブマウントとを備え、上記半導体レーザ素子は、上記第１の面のうち上記段差における底部の一部または全部に対応する面領域上に設けられている。

この半導体レーザモジュールがヒートシンクに挟まれてスタックされた場合、すなわち、一方のヒートシンクが第１のサブマウントの第１の面に接合され、もう一方のヒートシンクが第２のサブマウントに接合された場合には、第１の面のうちヒートシンクに接合された面領域は、底部を除いた面領域のみとなる。従って、第１のサブマウントのうち底部に対応する部分には、ヒートシンクには接合されず半導体レーザ素子のみが接合されることとなる。このため、半導体レーザ素子が発光により発熱し、この発熱によりサブマウントが熱膨張した場合、この熱膨張によってサブマウントから半導体レーザ素子に作用する圧力は、第１のサブマウントに段差が設けられていない半導体レーザモジュールに比較して低減される。

更に、本発明の半導体レーザモジュールでは、上記第１のサブマウントと上記第２のサブマウントとは互いに異なる熱膨張係数を有するのが好ましい。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、半導体レーザ素子の反った湾曲形状を平板形状に精度よく矯正することができる。従って、第１のサブマウント又は第２のサブマウントが熱膨張する際に半導体レーザ素子に作用する局所的な圧力を低減できる。

更に、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と良い。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であり、このような端部（光出射部）を一定の間隔で増やせば、半導体レーザ素子の側面の幅は広くなり、半導体レーザ素子はより大きく湾曲することになる。また、アレイ化に伴い、半導体レーザ素子が動作中（発振中）に生じる単位時間あたりの発熱量も増加する。それとともに、半導体レーザ素子から第１のサブマウント又は第２のサブマウントに与える単位時間あたりの熱量も増加する。従って、半導体レーザ素子が半導体レーザアレイに用いられる場合に、本発明は、より大きな効果を奏することになる。

更に、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光出射部をと光学的に連絡可能な活性層を有しており、上記半導体レーザ素子の二つの表面のうち上記活性層により近い側の表面上に前記第２のサブマウントが設けられているのが好ましい。このように、半導体レーザ素子は、前記第２のサブマウント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。すなわち、半導体レーザ素子のうち主に活性層から熱が生じるが、この熱がヒートシンクに接合された第２のサブマウントに伝導することになる。このため、半導体レーザ素子から効率良く熱の除去が可能となる。

また、本発明の半導体レーザスタックは、上記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、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おり、前記第１のサブマウントに対しては、上記第１の面のうち上記段差底部を除く面領域に上記ヒートシンクが接合されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、熱膨張したサブマウントから半導体レーザ素子に作用する圧力を低減できる。

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２のサブマウント）を有する。

サブマウント３は、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（ｚ軸方向の長さ。以下同様）の方が第１部分３ａの厚みよりも大きい。サブマウント３の表面Ｍ１（第１の面）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Ｓ１が設けられている。サブマウント３の表面Ｍ２（第２の面）は、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。特に、半導体レーザ素子５は、第１部分３ａ上に設けられ、絶縁部材７は、第２部分３ｂ上に設けられている。

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い場合、サブマウント９にＣｕ−Ｗ１０合金を用いる場合には、サブマウント３にＭｏやＷを用いることができる。また、サブマウント９にＣｕ−Ｗ２０を用いる場合には、サブマウント３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Ｓ２の反対側の側面Ｓ３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と絶縁部材７とは、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、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、図２（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３の表面Ｍ２は、面領域Ｅ４及び面領域Ｅ５を含む。面領域Ｅ４は、表面Ｍ２のうち、第１部分３ａに対応する面領域の全部または一部に相当し、面領域Ｅ５は、表面Ｍ２のうち、第２部分３ｂに対応する面領域の全部または一部に相当する。サブマウント９の表面Ｍ３は、面領域Ｅ２及び面領域Ｅ３を含む。

半導体レーザ素子５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、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Ｅ２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Ｅ４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の第１部分３ａに固着されている。半導体レーザ素子５は、側面Ｓ２と側面Ｓ３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Ｓ３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Ｅ３上に設けられていると共に、サブマウント３の面領域Ｅ５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Ｅ３との間には半田部Ｈ３が介在し、絶縁部材７と面領域Ｅ５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の第２部分３ｂ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。

第１部分３ａの厚みＴ１ａは、５０〜２００μｍ程度であり、第２部分３ｂの厚みＴ１ｂは、２０〜１２０μｍ程度である。なお、厚みＴ１ｂは厚みＴ１ａよりも大きい（Ｔ１ａ＜Ｔ１ｂ）。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の実効屈性率を調整し、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は、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を有しており、ヒートシンク２１の縦幅Ｗ３は、３０ｍｍ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の面領域Ｅ１ｂ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（ａ）〜図５（ｃ）及び図６を参照して、実施形態に係る半導体レーザモジュール１の製造方法を説明する。次いで、図５（ｄ）〜図５（ｆ）を参照して、半導体レーザスタック１００の製造方法を説明する。図５（ａ）〜図５（ｃ）及び図６は、半導体レーザモジュール１の製造工程を示す図である。図５（ｄ）〜図５（ｆ）は、半導体レーザスタック１００の製造工程を示す図である。

＜半導体レーザモジュール１の製造方法＞
まず図５（ａ）に示す工程を説明する。サブマウント９を用意する。このサブマウント９の表面Ｍ３のうち、面領域Ｅ２上に半田部Ｈ１を設け、面領域Ｅ３上に半田部Ｈ３を設ける。次に、図５（ｂ）に示す工程を説明する。図５（ａ）に示す工程の後に半導体レーザ素子５及び絶縁部材７を用意し、半導体レーザ素子５をジャンクションダウン方式に基づいてサブマウント９の表面Ｍ３（面領域Ｅ２）上に載置する。すなわち、半導体レーザ素子５の表面（活性層１１ａに近い側の表面）を半田部Ｈ１を挟んでサブマウント９の面領域Ｅ２に重ねる。そして、絶縁部材７の表面を半田部Ｈ３を挟んで面領域Ｅ３に重ねる。

次に、図５（ｃ）に示す工程を説明する。図５（ｂ）に示す工程の後にサブマウント３を用意する。このサブマウント３の表面Ｍ２のうち、面領域Ｅ４上に半田部Ｈ２を設け、面領域Ｅ５上に半田部Ｈ４を設ける。そして、サブマウント３の面領域Ｅ４を半導体レーザ素子５の表面に半田部Ｈ２を挟んで重ね、面領域Ｅ５を絶縁部材７の表面に半田部Ｈ４を挟んで重ね、サブマウント３を、半導体レーザ素子５及び絶縁部材７に載置する。

ここで図６を参照し、半導体レーザモジュール１の製造方法をより詳細に説明する。図６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６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及びサブマウント５２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Ｍ１２及び表面Ｍ１３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Ｅ２及び面領域Ｅ４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Ｅ４であり、表面Ｍ１２は表面Ｍ３であり、面領域Ｅ１３は面領域Ｅ２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Ｅ２であり、表面Ｍ１２は表面Ｍ２であり、面領域Ｅ１３は面領域Ｅ４である。

まず、図６（ａ）に示す工程について説明する。図６（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６（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Ｔ１ａ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６（ｂ）に示す工程を説明する。図６（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６（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Ｆ１を供給する（加熱ステップ）。この熱量Ｆ１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、熱量Ｆ１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Ｆ２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Ｆ２は、例えば、１０〜５００ｇｆ／ｃｍ^２である。ここで、図６（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６（ｂ）に示す処理の後には、図６（ｃ）に示すように、半導体レーザ素子５の反りは矯正されて平坦化されている。なお、図６（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の反った湾曲形状に応じて、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。

＜半導体レーザスタック１００の製造方法＞
図５に戻って半導体レーザスタック１００の製造方法について説明する。まず図５（ｄ）に示す工程を説明する。半導体レーザモジュール１及びヒートシンク２１を用意する。ヒートシンク２１の表面Ｍ５のうち面領域Ｅ６上に半田部Ｈ５を設ける。そして、半導体レーザモジュール１の表面Ｍ４をヒートシンク２１の面領域Ｅ６に半田部Ｈ５を挟んで重ね、この半導体レーザモジュール１をヒートシンク２１に接合する。

次に、図５（ｅ）に示す工程を説明する。上述の図５（ｄ）に示す工程の後に絶縁部材２３を用意する。ヒートシンク２１の表面Ｍ５のうち面領域Ｅ７上に接着剤を塗布する。そして、絶縁部材２３の表面Ｍ７をヒートシンク２１の面領域Ｅ７に接着剤を介して重ねて、この絶縁部材２３をヒートシンク２１に接合する。

次に、図５（ｆ）に示す工程を説明する。上述の図５（ｅ）に示す工程の後に新たなヒートシンク２１を用意する。ヒートシンク２１の表面Ｍ６のうち面領域Ｅ８に半田部Ｈ６を設け、面領域Ｅ９に接着剤を塗布する。そして、この新たに用意したヒートシンク２１の面領域Ｅ８に半導体レーザモジュール１のサブマウント３の面領域Ｅ１ｂを半田部Ｈ６を介して重ね、更に、面領域Ｅ９に絶縁部材２３の表面Ｍ８を接着剤を介して重ね、このヒートシンク２１を半導体レーザモジュール１及び絶縁部材２３に接合する。上記の工程図５（ｄ）〜図５（ｆ）を繰り返すことにより、複数の半導体レーザモジュール１がスタックされた半導体レーザスタック１００が製造される。このようにして製造された半導体レーザスタック１００では、個々の半導体レーザモジュール１の平坦性が保てるため、複数の半導体レーザモジュール１が多段に積まれた半導体レーザスタック１００全体から出力されるレーザ光の直進性が向上される。そして、半導体レーザモジュール及びこれを用いた半導体レーザスタックの歩留まりの向上も図られる。

次に、図７を参照して、半導体レーザモジュール１の作用効果について説明する。図７（ａ）は、従来型の半導体レーザモジュールの構成を示す断面図であり、図７（ｂ）は、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。

図７（ａ）に示す従来型の半導体レーザモジュール１０は、実施形態に係る半導体レーザモジュール１のサブマウント３に替えて表面に段差を有さないサブマウント３１が設けられたものである。半導体レーザモジュール１０のその他の構成については、半導体レーザモジュール１と同様である。

半導体レーザモジュール１０では、駆動中（発光中）の半導体レーザ素子５から生じる熱量Ｂ１がサブマウント９及びサブマウント３１に伝導する。この熱量Ｂ１の熱伝導によって過熱されたサブマウント９及びサブマウント３１は、それぞれ図中符号Ｃ１ａ及びＣ１ｂに示す向きに熱膨張する。ヒートシンク２１がサブマウント３１上に半田部Ｈ１６を介して面一に設けられているため、サブマウント３１の熱膨張により生じた応力は半導体レーザ素子５に対しても作用することになる。また、ヒートシンク２１がサブマウント９上に半田部Ｈ５を介して面一に設けられているため、サブマウント９の熱膨張により生じた応力は半導体レーザ素子５に対しても作用することになる。従って、サブマウント３１が熱膨張することによりサブマウント３１から半導体レーザ素子５と絶縁部材７とに圧力Ａ２ａと圧力Ａ３ａとが作用する。サブマウント３１は熱伝導性に優れる材料から成るため、サブマウント３１から半導体レーザ素子５に作用する圧力Ａ２ａは、サブマウント３１から絶縁部材７に作用する圧力Ａ３ａと同程度となる。また、サブマウント９が熱膨張することによりサブマウント９から半導体レーザ素子５と絶縁部材７とに圧力Ａ２ｂと圧力Ａ３ｂとが作用する。サブマウント９は熱伝導性に優れる材料から成るため、サブマウント９から半導体レーザ素子５に作用する圧力Ａ２ｂは、サブマウント９から絶縁部材７に作用する圧力Ａ３ｂと同程度となる。

これに対し、実施形態に係る半導体レーザモジュール１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Ｈ６を介してヒートシンク２１に接合されているため、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に作用する圧力Ａ４ａは、上述した従来型の半導体レーザモジュール１０において生じる圧力Ａ３ａ（或いはＡ２ａ）と同程度となる。第２部分９ｂ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２部分９ｂが熱膨張することにより絶縁材７に作用する圧力Ａ４ｂは、上述した従来型の半導体レーザモジュール１０において生じる圧力Ａ３ｂ（或いはＡ２ｂ）と同程度となる。

また、第１部分３ａがヒートシンク２１に接合されていないため、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に作用する圧力Ａ５ａは、圧力Ａ４ａに比較して小さい。一方、第２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。第２部分９ａが熱膨張することにより半導体レーザ素子５に作用する圧力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、上述した従来型の半導体レーザモジュール１０において生じる圧力Ａ２ｂ（或いはＡ３ｂ）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、従来型の半導体レーザモジュール１０の場合に比較して低減される。

次に、ジャンクションダウン方式に基づいて半導体レーザ素子５がサブマウント９に実装されている半導体レーザスタック１００について考察する。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から発生する熱の除去がサブマウント９及びヒートシンク２３を介して効率良く行える。

次に、ジャンクションダウン方式に基づいて半導体レーザ素子５がサブマウント９に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３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。このため、実施形態においては、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及び半導体レーザスタック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製造方法を説明するための図である。 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

１，１０…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、３１…サブマウント、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、１００…半導体レーザスタック、Ｅ１ａ，Ｅ１ｂ，Ｅ２〜Ｅ９…面領域、Ｈ１〜Ｈ６…半田部、Ｍ１〜Ｍ８…表面、Ｒ１〜Ｒ３…流路、Ｓ１…段差、Ｓ２，Ｓ３…側面。

Claims (5)

1. 第１の面と該第１の面の反対側に設けられた第２の面とを有しており、前記第１の面に段差が設けられた第１のサブマウントと、
   前記第２の面上に設けられた半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子上に設けられた第２のサブマウントと
   を備え、
   前記半導体レーザ素子は、前記第２の面のうち、前記段差における底部の一部または全部に対応する面領域上に設けられている半導体レーザモジュール。
2. 前記第１のサブマウントと前記第２のサブマウントとは互いに異なる熱膨張係数を有する、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、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または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前記光出射部と光学的に連絡可能な活性層を有しており、前記半導体レーザ素子の二つの表面のうち前記活性層により近い側の表面上に前記第２のサブマウントが設けられている、ことを特徴とする請求項３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おり、前記第１のサブマウントに対しては、前記第１の面のうち前記段差底部を除く面領域に前記ヒートシンクが接合されている、ことを特徴とする半導体レーザスタック。
   
   
   
   

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