JP2010034137A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、低コスト化および温度制御に有利な構造の半導体レーザ装置を提供すること。
【解決手段】パッケージ９０のヒートシンク部９２上に設置されたペルチェモジュールＭ１と、ペルチェモジュールＭ１上に設置された半導体レーザ素子Ｌ１とを備え、ペルチェモジュールＭ１が、絶縁性の吸熱板１１と、絶縁性の放熱板１２と、吸熱板１１と放熱板１２との間に配置されかつ吸熱板１１と放熱板１２に接合されたＮ型熱電素子１３およびＰ型熱電素子１４とを有してなり、ペルチェモジュールＭ１の吸熱板１１上に半導体レーザ素子Ｌ１が接合され、かつヒートシンク部９２上にペルチェモジュールＭ１の放熱板１２が接合されたことを特徴とする半導体レーザ装置。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体レーザ装置に関し、詳しくは、ペルチェモジュールを用いて半導体レーザ素子を冷却可能な半導体レーザ装置に関する。

近年、半導体レーザ装置は、光ディスク用途以外に、レーザディスプレイおよびプロジェクターへの用途が拡大しつつある。
半導体レーザ装置において、３原色光源のうち、青色と赤色の半導体レーザ素子については、求められる波長や信頼性の観点から、温度制御する必要がある。

プロジェクター用途の半導体レーザ装置の場合、図８に示すように、半導体レーザ素子を収容するパッケージ２０１を放熱板２０２を介してペルチェモジュール２０３に接触させることにより、パッケージ２０１内部の半導体レーザ素子の温度制御を行っている。これにより、温度変動による半導体レーザ素子の発振波長変動が、人間の視感度の影響で色バランスが悪くなるという問題を防止している。また、発振波長が赤色635nm帯を有する半導体レーザ素子でも、高温側の温度特性が悪く、50℃を越えると実使用が難しいことから、ペルチェモジュールにより温度制御を行っている。

一方、光出力としてＷクラスを求められる加工機器の光源として利用される半導体レーザ装置では、大きな発熱による信頼性低下を防止するために、図９に示すように、放熱板３０１上にペルチェモジュール３０２を介してベース３０３が設置され、そのベース３０３上にサブマウント３０４を介して半導体レーザ素子３０５が設置されている（例えば、特許文献１参照）。この半導体レーザ装置は、温度調整回路３０６によってベース３０３の温度を検出してペルチェモジュール３０２の動作を制御することにより、半導体レーザ素子３０５の動作温度を所定範囲に維持するよう構成されている。

また、半導体レーザの発振波長の変動幅を極めて小さく制御することが必要とされる通信用半導体レーザ装置では、図１０に示すように、パッケージ４０１内の支持板４０２上にペルチェモジュール４０３を介して主キャリア４０４が設置され、主キャリア４０４にレーザダイオードキャリア４０５を介して半導体レーザ素子４０６が接合されている。さらに、主キャリア４０４上にサーミスタキャリア４０７を介してサーミスタ４０８が設置されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−３１９０１１号公報 特開２００６−３２４５２４号公報

このように従来の半導体レーザ装置は、半導体レーザパッケージあるいはサブマウント等を介して半導体レーザ素子をペルチェモジュールに接触させる構造であり、大型化し易いため、より小型の半導体レーザ装置が要望されている。また、従来の半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子が発する熱は、サブマウントやサーミスタキャリア等の構造部材を介してサーミスタに伝えられるため、半導体レーザ素子の動作温度を高精度に制御するのには不利な構造であった。

本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、小型化、低コスト化および温度制御に有利な構造の半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

かくして、本発明によれば、パッケージのヒートシンク部上に設置されたペルチェモジュールと、該ペルチェモジュール上に設置された半導体レーザ素子とを備え、前記ペルチェモジュールが、絶縁性の吸熱板と、絶縁性の放熱板と、前記吸熱板と放熱板との間に配置されかつ吸熱板と放熱板に接合されたＮ型熱電素子およびＰ型熱電素子とを有してなり、ペルチェモジュールの吸熱板上に前記半導体レーザ素子が接合され、かつヒートシンク部上にペルチェモジュールの放熱板が接合された半導体レーザ装置が提供される。

本発明の半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子がペルチェモジュール上に直接搭載されているため、小型化および部品点数の低減による低コスト化が実現できる。さらに、半導体レーザ素子がペルチェモジュール上に直接搭載されているため、半導体レーザ素子が発する熱を効率よくパッケージのヒートシンク部へ伝えることができ、半導体レーザ素子の動作温度を高精度に制御するための構造として有利である。この結果、半導体レーザ素子に要求される厳しい発振波長制御が可能となり、信頼性を高めることができる。

本発明の半導体レーザ装置は、パッケージのヒートシンク部上に設置されたペルチェモジュールと、該ペルチェモジュール上に設置された半導体レーザ素子とを備え、前記ペルチェモジュールが、絶縁性の吸熱板と、絶縁性の放熱板と、前記吸熱板と放熱板との間に配置されかつ吸熱板と放熱板に接合されたＮ型熱電素子およびＰ型熱電素子とを有してなり、ペルチェモジュールの吸熱板上に前記半導体レーザ素子が接合され、かつヒートシンク部上にペルチェモジュールの放熱板が接合されたことを特徴とする。

つまり、本発明の半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子の熱を放熱するために、ペルチェモジュールの吸熱板上に発熱源である半導体レーザ素子を接合し、ペルチェモジュールの放熱板を放熱機能を有するパッケージのヒートシンク部上に接合した構造であり。この構造により、ペルチェモジュールの小型化および放熱効率の向上を図ることができる。

本発明において、Ｎ型熱電素子およびＰ型熱電素子の吸熱板および放熱板への接合（第１の接合）、吸熱板への半導体レーザ素子の接合（第２の接合）、およびペルチェモジュールの放熱板のヒートシンク部への接合（第３の接合）は、半導体レーザ素子の熱がペルチェモジュールを介してヒートシンク部へ停滞することなく伝わるのであれば、特に限定されないが、ろう付けが簡易な方法である。

上述の第１〜第３の接合をろう付けにて行う場合、一旦ろう付けした箇所が、後で行うろう付けの熱で再溶解すると、ペルチェモジュールとして機能しなくなるおそれがあるため、ろう付けの順番と使用するろう材の融点を考慮する必要がある。
本発明では、この点を考慮して、第１〜第３の接合に用いるろう材は融点が異なるものを使用する。
以下、第１〜第３の接合に用いるろう材を含めた本発明の半導体レーザ装置の構成について説明する。

本発明において、ペルチェモジュール上に搭載される半導体レーザ素子としては特に限定されないが、温度制御を特に必要とする青色半導体レーザ素子（発振波長440〜470ｎｍ程度）や赤色半導体レーザ素子（発振波長620〜650ｎｍ程度）が好適である。

パッケージのヒートシンク部は、半導体レーザ素子をパッケージ内に固定する機能と、半導体レーザ素子からの熱をペルチェモジュールを介して外部に放熱する機能を有し、パッケージと同じ金属材料にて一体的に形成されている。
従来、半導体レーザのパッケージには、FeにCuまたはAuをメッキしたもの、ヒートシンク部のみにCuがろう付けされたものにAuをメッキしたもの、あるいは、放熱性を重視するために全体をCuで構成してAuメッキしたものが主であり、本発明におけるパッケージとしては従来品を用いることができる。

ペルチェモジュールを構成するＮ型熱電素子およびＰ型熱電素子は、それらの接合部に一定方向の直流電流を流すことにより、一方の素子から他方の素子へ熱が移動するというペルチェ効果を利用した半導体素子（ペルチェ素子）である。
本発明において、ペルチェモジュールに使用するペルチェ素子としては特に限定されないが、一般的なビスマス・テルル系材料からなるペルチェ素子が入手容易であるため好ましい。

ペルチェモジュールを構成する吸熱板および放熱板は、熱伝導率が高い絶縁材料から形成されていることが好ましい。さらに、ヒートシンク部はパッケージと一体化した金属材料で形成されているため、半導体レーザ素子との間の熱歪を緩和することが大切であり、そのため吸熱板および放熱板は半導体レーザ素子の熱膨張係数により近い材料である方が好ましい。
このような吸熱板および放熱板に適した材料としては、例えば、熱伝導率が約１５０〜２５０Ｗ／ｍ・ＫのＡｌＮ、ＳｉＣ、等の絶縁材料が挙げられる。

本発明で使用するペルチェモジュールにおいて、吸熱板が放熱板と対向する内面に第１電極を有すると共に、放熱板は吸熱板と対向する内面に第２電極を有し、Ｎ型熱電素子およびＰ型熱電素子は、吸熱板の第１電極と放熱板の第２電極に第１のろう材を介して電気的に直列接続される。このようにＮ型・Ｐ型熱電素子および第１・第２電極が配置されたペルチェモジュールにおいて、Ｎ型熱電素子には第２電極から第１電極へ向かう方向に直流電流が流され、かつＰ型熱電素子には第１電極から第２電極へ向かう方向に直流電流が流されることにより、第１電極側で吸熱（冷却）作用が発生し、第２電極側で放熱（発熱）作用が発生する。

Ｎ型熱電素子およびＰ型熱電素子のサイズ、数、配置等は、半導体レーザ素子のサイズ、発熱量、制御温度等に応じて適宜調整することができ、半導体レーザ素子の熱を効率よくヒートシンク部へ熱伝導することが好ましい。さらに、吸熱板側の第１電極と接合するＮ型・Ｐ型熱電素子の接合面積および放熱板側の第２電極と接合するＮ型・Ｐ型熱電素子の接合面積は、広い程半導体レーザ素子の熱を効率よくヒートシンク部へ熱伝導することができる。したがって、接合面積が大きいＮ型・Ｐ型熱電素子を用いるか、あるいはＮ型・Ｐ型熱電素子の数を増やして合計接合面積を大きくすることが考えられる。パッケージ内に収める小型のペルチェモジュールとしては、より小さい熱電素子を用い、後者のようになるべく多くの熱電素子を用いる方が吸熱側表面の均熱性という理由で好ましい。

よって、本発明におけるペルチェモジュールでは、複数かつ同数のＮ型熱電素子とＰ型熱電素子が吸熱板と放熱板の間に配置される。また、第１電極と第２電極は、複数個のＮ型・Ｐ型熱電素子を電気的に交互に直列接続できるレイアウトで複数ずつ吸熱板と放熱板に設けられる。なお、複数の第１および第２電極のうちの直列接続方向の両端は、外部回路と配線により電気的に接続されるための端子としても機能する。
第１電極と第２電極の材料としては、ろう付けの熱で溶融しない融点350℃程度以上の導電性材料が好ましく、例えばAuSn等を用いることができる。
第１電極および第２電極の吸熱板および放熱板への形成方法は、特に限定されず、例えば、スパッタ蒸着法を用いてTi/Pt/Au等が挙げられる。

このように吸熱板と放熱板との間にＮ型熱電素子とＰ型熱電素子が交互に配置されているが、それらの間は空洞状態であり、ペルチェモジュール駆動時の吸熱板および放熱板の表面温度は、それらの材質によって分布が発生する。従来のペルチェモジュールの吸熱板および放熱板はアルミナセラミック基板が用いられており、熱伝導率は約20W/m・Kである。本発明では、熱伝導率が約150〜250W/m・K のSiCまたはALNからなる吸熱板および放熱板を用いることでそれらの表面温度の面内分布のばらつきを小さくし、かつ効率よく熱を伝達することができる。

本発明の半導体レーザ装置を組み立てる際、先ず、第１のろう材を用いて複数個のＮ型・Ｐ型熱電素子を吸熱板側の第１電極および放熱板側の第２電極に接合（第１の接合）してペルチェモジュールを作製し、第２のろう材を用いてペルチェモジュールの吸熱板上に半導体レーザ素子を接合（第２の接合）し、第３のろう材を用いて半導体レーザ素子を搭載したペルチェモジュールをヒートシンク部上に接合する（第３の接合）組立順が最も容易かつ能率的である。つまり、第１の接合、第２の接合、第３の接合がこの順で行われることが好ましい。
したがって、この順で第１〜第３の接合を行う場合、第１のろう材は第２・第３の接合時にも加熱されるためこれらの接合時に溶融しない必要があり、第２のろう材は第３の接合時にも加熱されるためこの接合時に溶融しない必要がある。つまり、第１〜第３のろう材は、第１のろう材が最も高い融点を有し、第２のろう材が次に高い融点を有し、第３のろう材が最も低い融点を有することが好ましい。

第１のろう材としては、例えば、ＡｕＳｎ（Ａｕ80重量％、Ｓｎ20重量％）等の融点３００℃程度以上の導電性材料を用いることができる。ただし、第１のろう材の融点は、Ｎ型・Ｐ型熱電素子および第１・第２電極を構成する材料の融点よりも低い必要があり、吸熱板の外面に半導体レーザ素子と電気的に接合する電極を設けた場合はこの電極材料の融点よりも低い必要もある。
第２のろう材としては、例えば、ＡｕＳｎ（Ａｕ70重量％、Ｓｎ30重量％）、等の融点250〜300℃未満程度の導電性材料を用いることができる。
第３のろう材としては、例えば、銀ペースト、PbSn、In、Ｓn、ＳｎＡｇＣｕ（Ｓｎ95.5重量％、Ａｇ3.0重量％、Ｃｕ1.5重量％）、ＳｎＳｂ（Ｓｎ91.5重量％、Ｓｂ8.5重量％）、ＡｕＳｎ（Ａｕ10重量％、Ｓｎ90重量％）等の融点200〜250℃程度の導電性材料を用いることができる。

本発明において、ペルチェモジュールの吸熱板上に第２のろう材を介して温度検出器（例えば、サーミスタ）を接合してもよい。このように構成すれば、温度検出器を外部の制御回路と接続することにより、半導体レーザ素子の動作温度を監視し、半導体レーザ素子の動作温度が設定範囲内に収まるようにペルチェモジュールのＯＮ・ＯＦＦ制御を行うことができる。また、１つのペルチェモジュール上に半導体レーザ素子と温度検出器とが搭載されるので、半導体レーザ素子の動作温度を高精度に制御することができる。
さらに詳しく説明すると、半導体レーザ素子の動作温度が変動して発振波長が変動すると、人間の視感度による色バランスに悪影響が及ぶ場合があるため、その場合には温度検出器にて半導体レーザ素子の動作温度を制御することによりレーザ光の発振波長を制御する必要がある。しかしながら、従来では、発熱源である半導体レーザ素子と温度検出器の位置が異なるため、高い温度制御には不利な構造であった。一方、本発明では、半導体レーザ素子と同じようにペルチェモジュール上に温度検出器を設置するため、半導体レーザ素子の温度制御性を高めることができる。

本発明の半導体レーザ装置において、半導体レーザ素子は発振波長が異なる複数種類が備えられ、複数種類の半導体レーザ素子は相互に近接した状態で同一のペルチェモジュールの吸熱板上に第２のろう材を介して接合されていてもよく、さらに、同一のペルチェモジュール上に温度検出器も第２のろう材を介して接合されていることが好ましい。この場合、発振波長が異なる複数種類の半導体レーザ素子としては、青色半導体レーザ素子と赤色半導体レーザ素子を用いることができる。
このように構成すれば、複数種類の半導体レーザ素子をそれぞれ独立に駆動制御することができると共に、複数種類の半導体レーザ素子の動作温度をほぼ同じ温度範囲に一括制御することができる。例えば、青色半導体レーザ素子の動作温度の上限は約70℃であり、赤色半導体レーザ素子の動作温度の上限は約50℃であるため、これらのうちの低い方の温度以下の0〜50℃程度に動作温度を制御することができる。

また、上述のように同一のペルチェモジュール上に発振波長が異なる複数種類の半導体レーザ素子を搭載するのではなく、半導体レーザ素子を１種類ずつ個別のペルチェモジュール上に搭載してもよい。つまり、本発明において、半導体レーザ素子は発振波長が異なる複数種類が備えられ、かつペルチェモジュールが複数個備えられ、かつ各ペルチェモジュールの吸熱板上に第２のろう材を介して接合される温度検出器が複数個備えられており、各ペルチェモジュールの吸熱板上に第２のろう材を介して半導体レーザ素子が１種類ずつ接合されると共に、各ペルチェモジュールは各半導体レーザ素子が相互に近接した状態でヒートシンク部上に第３のろう材を介して接合されているようにしてもよい。

このように構成すれば、複数種類の半導体レーザ素子をそれぞれ独立に駆動制御することができると共に、複数種類の半導体レーザ素子の動作温度をそれぞれ独立に制御することができる。例えば、青色半導体レーザ素子の動作温度を25〜60℃程度に制御することができ、かつ赤色半導体レーザ素子の動作温度を25〜40℃程度に制御することができる。このように、複数種類の半導体レーザ素子の動作温度をそれぞれ独立に制御することができるため、半導体レーザ素子の種類に応じてより最適な動作温度に維持することができる。

半導体レーザ装置が青色半導体レーザ素子と赤色半導体レーザ素子を備える場合、青色半導体レーザ素子の発光点と赤色半導体レーザ素子の発光点の間隔は２００μｍ以下に設定され、具体的には110μｍ以下の範囲内が好ましい。各半導体レーザ素子の発光点の間隔が２００μｍを越えると、レンズなど同一の光学系を使う上で、光軸ずれや、集光フォーカスずれの発生の点から好ましくない。
以下、本発明の半導体レーザ装置の実施形態を図面を参照しながら詳説する。なお、本発明は図示した実施形態に限定されるものではない。

（実施形態１）
図１は本発明の半導体レーザ装置の実施形態１を示す斜視図であり、図２は実施形態１におけるペルチェモジュールを示す斜視図であり、図３は図２のペルチェモジュールの分解図である。また、図４は図２のペルチェモジュールにおける第１電極と第２電極のパターン形状を示す平面図であって、（ａ）は複数の第１電極とＮ型熱電素子とＰ型熱電素子との位置関係を表し、図４（ｂ）は第２電極とＮ型熱電素子とＰ型熱電素子との位置関係を表している。

図１に示すように、この半導体レーザ装置は、パッケージ９０のヒートシンク部９２上に設置されたペルチェモジュールＭ１と、ペルチェモジュールＭ１上に設置された半導体レーザ素子Ｌ１および温度検出器Ｄとを備える。
図１〜図４に示すように、ペルチェモジュールＭ１は絶縁性吸熱板１１および絶縁性放熱板１２と、吸熱板１１と放熱板１２との間に交互に配置された複数のＮ型熱電素子１３およびＰ型熱電素子１４とを有する。実施形態１では、Ｎ型熱電素子１３およびＰ型熱電素子１４がそれぞれ３個ずつ備えられた場合を例示している。
また、吸熱板１１は放熱板１２と対向する内面に複数の第１電極１５を有すると共に、放熱板１２は吸熱板１１と対向する内面に複数の第２電極１６を有している。
なお、図４（ａ）および（ｂ）では、Ｎ型およびＰ型熱電素子の位置がわかり易いように、Ｎ型熱電素子をＮ₁〜Ｎ₃、Ｐ型熱電素子をＰ₁〜Ｐ₃で印し、かつ電流が流れる方向を矢印で印している。
以下、各構成要素について具体的に説明する。

＜ペルチェモジュール＞
ペルチェモジュールＭ１において、吸熱板１１および放熱板１２は、厚さ0.1ｍｍのＡｌＮ焼結板からなる。吸熱板１１のサイズは縦寸法Ａ１が1.2ｍｍ、横寸法Ｂ１が0.8ｍｍであり、放熱板１２のサイズは縦寸法Ａ２が1.2ｍｍ、横寸法Ｂ２が1.1ｍｍであり、放熱板１２の方が吸熱板１１よりも横方向の寸法が長い。

吸熱板１１は内面に長方形（長辺0.75ｍｍ、短辺0.35ｍｍ）のTi/Pt/Auからなる第１電極１５を３つ有しており、それらのうちの１つの第１電極部１５ｃはその一長辺が吸熱板１１の一短辺に沿って配置され、残りの２つの第１電極１５ａ、１５ｃはその一長辺が吸熱板１１の各長辺に沿ってそれぞれ配置されている。さらに、第１電極１５ａ〜１５ｃの表面にはAuSn（Au：80重量％、Sn：20重量％、融点：約400℃）からなる第１のろう材が積層されている。
なお、吸熱板１１において、第１電極１５、第１のろう材１７の成膜は、例えば、メタルマスク等を用いて蒸着スパッタ法、抵抗加熱蒸着等により行われる。

放熱板１２は内面に長方形（長辺0.75ｍｍ、短辺0.35ｍｍ）のTi/Pt/Auからなる第２電極１６を４つ有しており、それらのうちの１つの第２電極１６ａはその一端が第１電極１５ａと重なる位置に配置され、別の１つの第２電極１６ｂはその両端が第１電極１５ａ、１５ｂと重なる位置に配置され、別の１つの第２電極１６ｃはその両端が第１電極１５ｂ、１５ｃと重なる位置に配置され、残り１つの第２電極１６ｄはその一端が第１電極１５ｃと重なる位置に配置されている。さらに、第２電極１６ａ〜１６ｄの表面にも前記第１のろう材１７が積層されている。但し、第２電極１６ａ、１６ｄにおける第１電極１５ａ、１５ｃと重ならない部分には、第１のろう材１７が積層されておらず、これらの部分は、外部電源からペルチェモジュールＰ１に電力を供給するための配線５３と電気的に接続されるためのＮ型給電部１６ａｆおよびＰ型給電部１６ｄｆとされている。
なお、放熱板１２において、第２電極１６、第１のろう材５２の成膜は、例えば、メタルマスク等を用いて蒸着スパッタ法、抵抗加熱蒸着等により行われる。

Ｎ型熱電素子１３は、それぞれ一辺の長さが0.25ｍｍの立方体形に形成されている。
３つのＮ型熱電素子１３のうち、１つのＮ型熱電素子Ｎ₁はその両端が第２電極１６ａと第１電極１５ａに第１のろう材１７を介して接合され、別の１つのＮ型熱電素子Ｎ₂はその両端が第２電極１６ｂと第１電極１５ｂに第１のろう材１７を介して接合され、残り１つのＮ型熱電素子Ｎ₃はその両端が第２電極１６ｃと第１電極１５ｃに第１のろう材１７を介して接合されている。
３つのＰ型熱電素子１４のうち、１つのＰ型熱電素子Ｐ₁はその両端が第１電極１５ａと第２電極１６ｂに第１のろう材１７を介して接合され、別の１つのＰ型熱電素子Ｐ₂はその両端が第１電極１５ｂと第２電極１６ｃに第１のろう材１７を介して接合され、残り１つのＰ型熱電素子Ｐ₃はその両端が第１電極１５ｃと第２電極１６ｄに第１のろう材１７を介して接合されている。

このように、３つのＮ型熱電素子１３と３つのＰ型熱電素子１４は３つの第１電極１５と４つの第２電極１４を介して交互に直列接続されており、外部電源の正極をＮ型給電部１６ａｆに接続し、かつ負極をＰ型給電部１６ｄｆに接続して所定の電圧（例えば1.8Ｖ）を印加することにより、直流電流は、外部電源からＮ型給電部１６ａｆに入り、複数のＮ型熱電素子１３とＰ型熱電素子１４を交互（Ｎ₁、Ｐ₁、Ｎ₂、Ｐ₂、Ｎ₃、Ｐ₃の順番で）に矢印方向に流れ、Ｐ型給電部１６ｄｆから外部電源へ向かって流れる。このとき、Ｎ型熱電素子１３には第２電極１６から第１電極１５に向かう方向に電流が流れ、Ｐ型熱電素子１４には第１電極１５から第２電極１６に向かう方向に電流が流れ、第１電極１５側のＮ型熱電素子１３とＰ型熱電素子１４の間で吸熱（冷却）作用が生じ、第２電極１６側のＰ型熱電素子１４とＮ型熱電素子１３の間で放熱（発熱）作用が生じる。
したがって、このペルチェモジュールＭ１では、複数のＮ型およびＰ型熱電素子１３、１４を介して吸熱板１１側から放熱板１２側へ熱が移動する。

このペルチェモジュールＭ１を作製するに際しては、図４（ａ）および（ｂ）で示した配置で、放熱板１２の第１ろう材１７が積層された各第２電極１６ａ〜１６ｄ上に各Ｎ型熱電素子Ｎ₁〜Ｎ₃および各Ｐ型熱電素子Ｐ₁〜Ｐ₃を載置し、その上に第１のろう材が積層された第１電極を有する吸熱板１１を重ね合わせ、それをヒーター上で例えば350℃、10秒間加熱する。これにより、第１のろう材１７が溶融し冷却固化して、各Ｎ型熱電素子Ｎ₁〜Ｎ₃および各Ｐ型熱電素子Ｐ₁〜Ｐ₃が第１および第２電極１５、１６と物理的および電気的に接合する。

＜半導体レーザ素子＞
本実施形態１で用いられる半導体レーザ素子Ｌ１として、図５に示す構造の赤色半導体レーザ素子（発振波長：635ｎｍ）が挙げられる。この赤色半導体レーザ素子は、例えば、以下のように作製することができる。

まず、ウエハ状のｎ型GaAs基板７０の上に、例えばＭＯＣＶＤ成長法を用いて、厚さ0.2μｍのｎ型GaAsバッファ層７１、厚さ0.25μｍのｎ型GaInP中間層７２、厚さ2.0μｍのｎ型AlGaInPクラッド層７３、厚さ0.04μｍのノンドープAlGaInPガイド層７４、厚さ0.004μｍのノンドープGaInPウェル層と厚さ0.006μｍのノンドープAlGaInPバリア層とを厚さ0.056μｍまで交互に積層した多重量子井戸構造の活性層７５、厚さ0.04μｍのノンドープAlGaInPガイド層７６、厚さ0.17μｍのｐ型AlGaInP第１クラッド層７７、厚さ0.01μｍのｐ型GaInPエッチングストップ層７８、厚さ2.0μｍのｐ型AlGaInP第２クラッド層７９、厚さ0.05μｍのｐ型GaInP中間層８０、厚さ0.5μｍのｐ型GaAsキャップ層８１を堆積する。

次に、導波路となるリッジ部を、リッジ部以外のｐ型GaAsキャップ層８１、ｐ型GaInP中間層８０、ｐ型AlGaInP第２クラッド層７９をエッチングすることで形成する。この際、リッジ部の幅を2μｍに設定する。次に、電流ブロック機能および横方向の光閉じ込め機能をリッジ部に持たすために、リッジ部を覆うようにSiO₂誘電体膜８２を厚さ0.2μｍで成膜する。次に、リッジ部上のSiO₂誘電体膜８２を除去し、露出したｐ型GaAsキャップ層８１上に厚さ0.05μｍのｐ型AuZnオーミック電極８３を蒸着により形成し、得られた積層体の全面にTiとAuの積層膜からなるｐ型メッキ下地電極８４をスパッタ蒸着により形成する。さらに、実装時の歪を考慮して、ｐ型メッキ下地電極８４の上層のAu膜上にｐ型メッキ電極８５を厚さ2μｍで形成する。その後、ｎ型GaAs基板７０の裏面を研磨やエッチングによって厚さ約100μｍまで薄くした後、ｎ型電極８５を形成し、ウエハをチップサイズ（チップ幅150μｍ、共振器長1.2ｍｍ）に切断して、赤色半導体レーザ素子が得られる。

また、本実施形態１で用いられる半導体レーザ素子Ｌ１として、図６に示す青色半導体レーザ素子（発振波長：445ｎｍ）が挙げられる。この青色半導体レーザ素子は、例えば、以下のように作製することができる。
まず、ウエハ状のｎ型ＧａＮ基板１０１上に、例えばＭＯＣＶＤ成長法を用いて、厚さ2.0μｍのｎ型ＧａＮ下部コンタクト層１０２、厚さ3.0μｍのｎ型AlGaN下部クラッド層１０３、厚さ0.2μｍのｎ型GaN光ガイド層１０４、厚さ0.002μｍのInGaN量子井戸層と厚さ0.016μｍのInGaN障壁層を厚さ0.052μｍまで交互に積層した多重量子井戸層構造の活性層１０５、厚さ0.04μmのノンドープGaN中間層１０６、厚さ0.02μｍのｐ型AlGaN蒸発防止層１０７、厚さ0.55μｍのｐ型AlGaN上部クラッド層１０８および厚さ0.1μｍのｐ型GaN上部コンタクト層１０９を順に積層する。

続いて、厚さ0.05μｍのｐ型Pd電極１１２ａを形成した後、製造上必要なトレンチ１１５ａを２箇所形成し、このトレンチ１１５ａが形成されたウェハに対して、さらにエッチングを施すことで、トレンチ１１５ａ間におけるリッジ形成領域のｐ型GaN上部コンタクト層１０９およびｐ型AlGaN上部クラッド層１０８を残し、その他の領域はｐ型AlGaN上部クラッド層１０８が膜厚0.08μｍとなるまで除去して、幅1.5μｍのリッジストライプ１１０を形成する。次に、得られた積層体の全面に厚さ0.2μｍのSiO₂埋込層１１１を形成し、Mo膜およびAu膜からなるパターニングされた厚さ0.2μｍのｐ型パッド電極１１２ｂを形成し、ｎ型GaN基板１０１の裏面を研磨やエッチングによって厚さ約120μｍまで薄くした後、ｎ型電極１１３を形成し、ウエハをチップサイズ（チップ幅150μｍ、共振器長0.6ｍｍ）に切断して、青色半導体レーザ素子が得られる。

＜ヒートシンク部＞
実施形態１において、ヒートシンク部９２は正面視Ｌ字形であり、パッケージ９０の一部として構成されている。パッケージ９０は、平板部９１と、平板部９１の一面に一体突出状に設けられた前記ヒートシンク部９２と、平板部９１に形成された複数の孔部に絶縁部９４を介して挿通された導電性の突出ピン部９３とを備え、複数の突出ピン９３はヒートシンク部９２の周囲に配置されている。
複数の突出ピン９３は、ヒートシンク部９２の平面上に搭載されたペルチェモジュールＭ１、半導体レーザ素子Ｌ１および温度検出器Ｄを外部電源回路や制御回路等と配線５３を介して電気的に接続するための接続端子である。また、平板部９１およびヒートシンク部９２は、導電性および熱伝導性が良好なＣuから形成され、突出ピン93はコバールから形成され、絶縁部９４はガラスから形成されている。

＜半導体レーザ装置の組み立て＞
実施形態１の半導体レーザ装置の組み立てに際しては、半導体レーザ素子Ｌ１が赤色半導体レーザ素子の場合はジャンクションダウン方式で、青色半導体レーザ素子の場合はジャンクションアップ方式で、ペルチェモジュールＭ１の接続電極５１上に第２のろう材５２を介して載置すると共に、その第２のろう材５２に隣接する第２のろう材５２上に温度検出器Ｄを載置し、それをヒータ上で２８０℃で８秒間加熱する。この加熱温度は、第１のろう材１７の融点よりも低く、第２のろう材５２の融点以上の温度である。
また、この第２のろう材は箔状で供給してを用いても良いし、各々のレーザチップの接合を行う面の電極上に抵抗加熱を用いて蒸着しても良い。
これにより、第２のろう材５２が溶融し冷却固化して、半導体レーザ素子Ｌ１が吸熱板１１上の接続電極５１と物理的および電気的に接合すると共に、温度検出器Ｄが吸熱板１１上に物理的に接合する。この加熱処理では、第１のろう材１７は溶融しないため、ペルチェモジュールＭ１におけるＮ型およびＰ型熱電素子１３、１４の第１および第２電極１５、１６に対する所定位置での接合が維持される。
この場合、温度検出器は、ペルチェモジュール上に電気的な接合を必要としない場合は、樹脂系接着剤などを用いて固定しても良い。

続いて、半導体レーザ素子Ｌ１および温度検出器Ｄを搭載したペルチェモジュールＭ１を、パッケージ９０のヒートシンク部９２上に、第３のろう材としての銀ペーストを介して設置し、それをオーブン内で150℃、2時間加熱することにより、ペルチェモジュールＭ１の放熱板１２をヒートシンク部９２に物理的に接合する。この加熱温度は、第１および第２のろう材１７、５２の融点よりも低いため、この加熱処理によってペルチェモジュールＭ１、半導体レーザ素子Ｌ１および温度検出器Ｄの各接合部への影響はない。
その後、ペルチェモジュールＭ１のＮ型給電部１６ａｆおよびＰ型給電部１６ｄｆを２本の突出ピン９３にワイヤボンディングし、かつ半導体レーザ素子Ｌ１のｎ型電極を接続電極５１を介して突出ピン９３にｐ型電極をヒートシンク部９２にワイヤボンディングし、かつ温度検出器Ｄの正負の電極を２本の突出ピン９３にワイヤボンディングすることにより、図１に示した半導体レーザ装置が完成する。

このように構成された実施形態１の半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子Ｌ１の駆動時において、半導体レーザ素子Ｌ１から発せられる熱が吸熱板１１を介して温度検出器Ｄへ伝わり、その温度が検出される。検出された温度信号は、図外の制御部へ送信され、その温度が所定温度を超えると制御部によってペルチェモジュールＭ１が給電される。
給電されたペルチェモジュールＭ１は、上述のように吸熱および放熱の作用を発現するため、半導体レーザ素子Ｌ１の熱は吸熱板１１から各Ｎ型熱電素子１３および各Ｐ型熱電素子１４を介して放熱板１２へ伝達され、さらにヒートシンク部９２および平板部９１へ伝達されることにより放熱される。

したがって、動作中の半導体レーザ素子Ｌ１は、動作温度の上限を超えない温度に維持される。しかも、熱源である半導体レーザ素子Ｌ１がペルチェモジュールＭ１上に、他の熱伝導性構造材を介することなく直接搭載されているため、半導体レーザ素子Ｌ１の熱を効率よくヒートシンク部９２へ伝えることができ、かつペルチェモジュールＭ１上に半導体レーザ素子Ｌ１と隣接して温度検出器を直接搭載することができるため、半導体レーザ素子Ｌ１の動作温度を高精度に制御することができる。

具体的には、ペルチェモジュールＭ１と温度検出器Ｄの温度制御によって、発振波長635ｎｍの赤色半導体レーザ素子の動作温度を25〜40℃程度に設定することが可能である。従来では、この赤色半導体レーザの動作温度の上限が約50℃であり、自己発熱と周囲温度の関係によって動作温度が50℃を超えた場合、必要とされるＣＷ60ｍＷに達しなくなることが発生したが、本発明ではそれを回避することができる。
また、良好な色バランスを保つために、半導体レーザ素子Ｌ１の発振波長を、例えば±1.0ｎｍにする必要がある場合、発振波長と動作温度の関係を導き出し、必要な光出力での動作温度に対して±何度の範囲で温度制御するかを設定し、ペルチェモジュールＭ１と温度検出器Ｄによって半導体レーザ素子Ｌ１の動作温度をその温度範囲に制御すれば、所望の発振波長を維持することが可能となる。
そして、この半導体レーザ装置は、従来規模のパッケージ９０内に収まるため、装置全体を大型化することなく信頼性を高めることができる。

（実施形態２）
図７は本発明の半導体レーザ装置の実施形態２を示す斜視図である。この実施形態２の半導体レーザ装置が実施形態１と異なる点は、半導体レーザ素子および温度検出器を搭載したペルチェモジュールが２組備えられた点と、パッケージの形状が異なる点である。なお、図２中で示される構成要素において、図１中で示された構成要素と同一のものには同一の符号を付している。
以下、実施形態２の実施形態１と異なる点を主として説明する。

実施形態２の半導体レーザ装置は、上述した赤色半導体レーザ素子Ｌ１と青色半導体レーザ素子Ｌ２が備えられ、かつ２つのペルチェモジュールＭ１、Ｍ２と２つの温度検出器Ｄが備えられており、各ペルチェモジュールＭ１、Ｍ２の吸熱板１１上に、第２のろう材を介して半導体レーザ素子と温度検出器が１つずつ接合されている。そして、各ペルチェモジュールＭ１、Ｍ２は、赤色と青色の半導体レーザ素子Ｌ１、Ｌ２が相互に近接した状態でパッケージ１９０のヒートシンク部１９２上に第３のろう材を介して接合されている。なお、２つのペルチェモジュールＭ１、Ｍ２の構成は同一である。

パッケージ１９０は、平板部１９１と、平板部１９１の一面に一体突出状に設けられた平板形のヒートシンク部１９２と、平板部１９１に形成された複数の孔部に絶縁部１９４を介して挿通された導電性の突出ピン部１９３とを備え、複数の突出ピン１９３はヒートシンク部９２の周囲に配置されており、その数は実施形態１の場合よりも多い。なお、パッケージ１９０を構成する材料は実施形態１と同様である。

このように構成されたパッケージ１９０のヒートシンク部１９２上に、赤色半導体レーザＬ１および温度検出器Ｄが搭載されたペルチェモジュールＭ１と、青色半導体レーザＬ２および温度検出器Ｄが搭載されたペルチェモジュールＭ２とが近接して接合されている。
この場合、赤色半導体レーザＬ１の発光点と青色半導体レーザＬ２の発光点との間隔は150μｍである。また、実施形態２では、各ペルチェモジュールＭ１、Ｍ２のヒートシンク部１９２上への接合は、第３のろう材としてSnAgCu（Sn：95.5重量％、Ag：3.0重量％、Cu：1.5重量％、融点：約220℃）を用い、270℃、10秒間加熱することにより行われている。

このように構成された実施形態２の半導体レーザ装置も、実施形態１と同様に、第３のろう材を用いたろう付けの際の熱によって、ペルチェモジュールにおける各接合部およびペルチェモジュールに対する半導体レーザ素子および温度検出器の接合部が溶融する影響がない。
また、この半導体レーザ装置によれば、１つのパッケージ１９０内に赤色と青色の半導体レーザ素子Ｌ１、Ｌ２を実装することができ、かつ各半導体レーザ素子Ｌ１、Ｌ２の動作温度を個別に制御することができるため、半導体レーザ素子に応じたより適切な動作温度および期待する発振波長に維持することができ、高い信頼性も得られる。

（実施形態３）
実施形態２では、２つのペルチェモジュール上に個別に赤色と青色の半導体レーザ素子を搭載した場合を例示したが、各半導体レーザ素子を相互に近接した状態で同一のペルチェモジュールの吸熱板上に第２のろう材を介して接合してもよい（実施形態３）。この場合、例えば、図７で示した２つのペルチェモジュールＭ１、Ｍ２の吸熱板１１同士を繋げかつ放熱板１２同士を繋げて、２つのペルチェモジュールを一体化すればよい。
２波長レーザの場合、２つのレーザチップから放射されるレーザ光軸の精度は重要な点とて求められる。レーザチップ各々をそれぞれのペルチェモジュールに接合し、それぞれのペルチェモジュールをヒートシンクに接合する場合と、一体化したペルチェモジュールへ２つのレーザチップを接合し、一つのペルチェモジュールをヒートシンクに接合する場合では、２つの光軸精度についてどちらが優れているか一概には言えないが、少なくとも接合精度を求める工程が前者は４つあり、後者は３つあり、後者の方が作業性が良いといえる。

（他の実施形態）
１．上述の実施形態において、ペルチェモジュールの吸熱板１１および放熱板１２の内面側に設けられる第１のろう材１７および吸熱板１１の外面側に設けられる第２のろう材５２は、蒸着スパッタ法のように成膜装置を用いて成膜する方法以外に、これらのろう材の組成を有する金属箔を貼り付けることによっても行うことができる。
２．上述の実施形態で用いたペルチェモジュールにおいて、Ｎ型熱電素子１３およびＰ型熱電素子１４の配置は、図４（ａ）および（ｂ）に示すものに限定されない。例えば、図４（ａ）および（ｂ）におけるＮ型熱電素子１３とＰ型熱電素子１４の位置を逆にしてもよい。この場合、図４（ａ）および（ｂ）中の矢印と逆向きに電流を流すことにより、各Ｎ型熱電素子１３には実施形態１と同様に第２電極１６側から第１電極１５側へ向かって電流が流れ、各Ｐ型熱電素子１４には実施形態１と同様に第１電極１５側から第２電極１６側へ向かって電流が流れるため、吸熱板１１が吸熱し放熱板１２が放熱することは変わらない。また、Ｎ型熱電素子１３およびＰ型熱電素子１４の数およびサイズは、使用する半導体レーザ素子を適切な動作温度に制御できるよう適宜変更してもよい。

半導体レーザ素子を用いたディスプレイは、液晶またはプラズマディスプレイに比べて消費電力が低く、今後の情勢から必要な技術であり、プロジェクター、携帯電話、小型ディスプレイ等への用途も今後飛躍的に拡がる可能性は高い。本発明の半導体レーザ装置は、これらの商品に搭載することができ、小型化、低コスト化に寄与できるものである。

本発明の半導体レーザ装置の実施形態１を示す斜視図である。 実施形態１におけるペルチェモジュールを示す斜視図である。 図２のペルチェモジュールの分解図である。 図２のペルチェモジュールにおける第１電極と第２電極のパターン形状を示す平面図であって、（ａ）は複数の第１電極とＮ型熱電素子とＰ型熱電素子との位置関係を表し、図４（ｂ）は第２電極とＮ型熱電素子とＰ型熱電素子との位置関係を表している。 本発明で用いられる半導体レーザ素子（赤色）の一例を示す概略断面図である。 本発明で用いられる半導体レーザ素子（青色）の他の例を示す概略断面図である。 本発明の半導体レーザ装置の実施形態２を示す斜視図である。 従来の半導体レーザ装置を示す概略構成図である。 従来の別の半導体レーザ装置を示す概略構成図である。 従来のさらに別の半導体レーザ装置を示す概略断面図である。

符号の説明

１１ 吸熱板
１２ 放熱板
１３（Ｎ₁、Ｎ₂、Ｎ₃） Ｎ型熱電素子
１４（Ｐ₁、Ｐ₂、Ｐ₃） Ｐ型熱電素子
１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ） 第１電極
１６（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ） 第２電極
１６ａｆ Ｎ型給電部
１６ｄｆ Ｐ型給電部
１７ 第１のろう材
５１ 接続電極
５２ 第２のろう材
９０、１９０ パッケージ
９１、１９１ 平板部
９２、１９２ ヒートシンク部
９３、１９３ 突出ピン部
９４、１９４ 絶縁部
Ｄ 温度検出器（サーミスタ）
Ｌ１ 半導体レーザ素子（赤色）
Ｌ２ 半導体レーザ素子（青色）
Ｍ１、Ｍ２ ペルチェモジュール

Claims (11)

1. パッケージのヒートシンク部上に設置されたペルチェモジュールと、該ペルチェモジュール上に設置された半導体レーザ素子とを備え、
   前記ペルチェモジュールが、絶縁性の吸熱板と、絶縁性の放熱板と、前記吸熱板と放熱板との間に配置されかつ吸熱板と放熱板に接合されたＮ型熱電素子およびＰ型熱電素子とを有してなり、
   ペルチェモジュールの吸熱板上に前記半導体レーザ素子が接合され、かつヒートシンク部上にペルチェモジュールの放熱板が接合されたことを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記吸熱板が前記放熱板と対向する内面に第１電極を有すると共に、放熱板は吸熱板と対向する内面に第２電極を有し、
   前記Ｎ型熱電素子およびＰ型熱電素子は、吸熱板の前記第１電極と放熱板の前記第２電極に第１のろう材を介して電気的に直列接続され、
   前記半導体レーザ素子は、前記第１のろう材の融点よりも低い融点を有する第２のろう材を介して吸熱板上に接合され、
   ペルチェモジュールは、その放熱板が第１のろう材の融点よりも低い融点を有する第３のろう材を介して放熱板上に接合された請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記第３のろう材の融点が、前記第２のろう材の融点よりも低い請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記吸熱板上に前記第２のろう材を介して温度検出器を接合した請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
5. 前記半導体レーザ素子は発振波長が異なる複数種類が備えられ、複数種類の半導体レーザ素子は相互に近接した状態で同一のペルチェモジュールの吸熱板上に第２のろう材を介して接合されている請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
6. 前記半導体レーザ素子は発振波長が異なる複数種類が備えられ、かつ前記ペルチェモジュールが複数個備えられ、かつ各ペルチェモジュールの吸熱板上に第２のろう材を介して接合される前記温度検出器が複数個備えられており、各ペルチェモジュールの吸熱板上に第２のろう材を介して半導体レーザ素子が１種類ずつ接合されると共に、各ペルチェモジュールは各半導体レーザ素子が相互に近接した状態でヒートシンク部上に第３のろう材を介して接合されている請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
7. 複数種類の半導体レーザ素子が、青色半導体レーザ素子と赤色半導体レーザ素子である請求項５または６に記載の半導体レーザ装置。
8. 前記青色半導体レーザ素子の発光点と赤色半導体レーザ素子の発光点の間隔が２００μｍ以下である請求項７に記載の半導体レーザ装置。
9. 前記第１のろう材の融点が３００℃以上である請求項２〜８のいずれか１に記載の半導体レーザ装置。
10. 前記ペルチェモジュールの吸熱板と放熱板のうちの少なくとも一方が、ＡｌＮまたはＳｉＣからなる請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
11. 前記Ｎ型熱電素子およびＰ型熱電素子は複数個ずつ備えられ、かつ第1電極および第２電極は複数ずつ備えられ、複数個のＮ型熱電素子およびＰ型熱電素子は第1電極および第２電極を介して電気的に交互に直列接続されている請求項２〜１０のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。

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