JP2013004571A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気−光変換効率を十分に高めることができる半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る半導体レーザ装置１は、ヒートシンク２の一方面２ｃ側にサブマウント４を介してレーザダイオード３を接合してなる半導体レーザ装置であって、ヒートシンク２の一方面２ｃとサブマウント４の他方面４ｄとは、ヒートシンク２とサブマウント４との間に位置するハンダ接合部９によって互いに接合され、ハンダ接合部９の端部には、ハンダ接合部９よりも隆起し、ヒートシンク２の一方面２ｃとサブマウント４の側面４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈとを接合するハンダ接合部１０が設けられている。このハンダ接合部１０により、ヒートシンク２とサブマウント４との間の接合面積が大きくなるため、ヒートシンク２とサブマウント４との間の電気抵抗が低減され、電気−光変換効率を十分に高めることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ヒートシンクを備えた半導体レーザ装置に関する。

従来、このような半導体レーザ装置として、ヒートシンクの一方面側にサブマウントを介して半導体レーザ（レーザダイオード）を接合してなる半導体レーザ装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−３５０２０２号公報

上記半導体レーザ装置では、ヒートシンク及びサブマウントを介してレーザダイオードに電流を発生させ、レーザ光を出射させることができる。しかしながら、ヒートシンクとサブマウントとの接合部の電気抵抗により、大きな電力が消費され、電気−光変換効率を十分に高めることができない場合がある。

そこで、本発明は、電気−光変換効率を十分に高めることができる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

上記課題解決のため、本発明に係る半導体レーザ装置は、ヒートシンクの一方面側にサブマウントを介してレーザダイオードを接合してなる半導体レーザ装置であって、ヒートシンクの一方面とサブマウントの他方面とは、ヒートシンクとサブマウントとの間に位置する第１のハンダ接合部によって互いに接合され、第１のハンダ接合部の端部には、第１のハンダ接合部よりも隆起し、ヒートシンクの一方面とサブマウントの側面とを接合する第２のハンダ接合部が設けられていることを特徴とする。

この半導体レーザ装置では、ヒートシンクの一方面とサブマウントの他方面とを互いに接合する第１のハンダ接合部の端部に、ヒートシンクの一方面とサブマウントの側面とを接合する第２のハンダ接合部が設けられている。これにより、ヒートシンクとサブマウントとの間の接合面積が大きくなるため、ヒートシンクとサブマウントとの間の電気抵抗が低減され、ヒートシンク及びサブマウントを介してレーザダイオードに電流を発生させる際の消費電力が抑制される。従って、電気−光変換効率を十分に高めることができる。

ここで、サブマウントの側面には、ハンダ接合部を構成するハンダに対して濡れ性を有する金属被膜が形成されていることが好ましい。この場合、ハンダに対して濡れ性を有する金属被膜によって、サブマウントの側面のハンダに対する濡れ性を確保し、第２のハンダ接合部を確実に設けることができる。また、金属被膜により、サブマウントが保護され、サブマウントの腐食に伴う電気抵抗の増大が抑制される。従って、電気−光変換効率を更に高めることができる。

また、第２のハンダ接合部は、サブマウントの全ての側面とヒートシンクの一方面とを接合していることが好ましい。この場合、ヒートシンクとサブマウントとの間の接合面積が更に大きくなるため、ヒートシンクとサブマウントとの間の電気抵抗が更に低減される。従って、電気−光変換効率を更に高めることができる。

また、サブマウントの側面には、レーザダイオードの光出射面と略同一方向を向く一側面が含まれており、第２のハンダ接合部は、サブマウントの側面のうち、一側面を除く側面とヒートシンクの一方面とを接合していることが好ましい。この場合、サブマウントの側面のうち、一側面を除く側面とヒートシンクの一方面とを第２のハンダ接合部によって接合しつつ、サブマウントの一側面側（レーザダイオードの光出射面側）におけるハンダ接合部の隆起を抑制することができる。従って、レーザ光がハンダ接合部に遮られることを確実に防止しつつ、電気−光変換効率を十分に高めることができる。

また、ヒートシンクの側面には、サブマウントの一側面と略面一な一側面が含まれており、第１のハンダ接合部の端部のうち、レーザダイオードの光出射面側の一端部には、ヒートシンクの一側面に張り出した第３のハンダ接合部が設けられていることが好ましい。この場合、第３のハンダ接合部が、レーザダイオードから遠ざかる方向に向かって張り出すため、サブマウントの一側面側におけるハンダ接合部のレーザダイオード側への隆起を抑制することができる。従って、レーザ光がハンダ接合部に遮られることをより確実に防止しつつ、電気−光変換効率を十分に高めることができる。

また、レーザダイオードの光出射面は、サブマウントの側面よりも突出していることが好ましい。この場合、レーザダイオードの光出射面がサブマウントの側面よりも突出しているため、レーザダイオードの光出射面側において、ハンダ接合部がレーザダイオードとサブマウントとの境界を越えて隆起することが防止される。従って、レーザ光がハンダ接合部に遮られることをより確実に防止しつつ、電気−光変換効率を十分に高めることができる。

本発明にかかる半導体レーザ装置によれば、電気−光変換効率を十分に高めることができる。

本発明に係る半導体レーザ装置の一実施形態を示す分解斜視図である。 レーザダイオードの斜視図である。 図１の半導体レーザ装置の平面図である。 図３中のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 半導体レーザ装置の変形例を示す平面図である。 図５中のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。 半導体レーザ装置の別の変形例を示す断面図である。 半導体レーザ装置の更に別の変形例を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体レーザ装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る半導体レーザ装置の一実施形態を示す分解斜視図である。図１に示されるように、半導体レーザ装置１は、ヒートシンク２と、レーザダイオード３とを備えている。

ヒートシンク２は、主に銅からなり、長方形の平面形状をなす板状体である。ヒートシンク２の長さは、例えば１０〜３０ｍｍ、幅は、例えば１０〜１２ｍｍ、厚さは、例えば１〜３ｍｍである。ヒートシンク２には、水の導入口２ａ及び排出口２ｂが形成されており、ヒートシンク２の内部には、導入口２ａから入った水が排出口２ｂに向かって流れる流路（不図示）が形成されている。この流路に水を流すことで、ヒートシンク２を水冷することができる。

レーザダイオード３は、長方形の平面形状をなす板状体である。レーザダイオード３の長さは、例えば１０〜１２ｍｍ、幅は、例えば１〜５ｍｍ、厚さは、例えば０．１〜０．１５ｍｍである。

図２に示されるように、レーザダイオード３の長手方向に沿う側面３ｂには、長手方向に沿って複数の発光領域３ｃが形成されており、レーザダイオード３の一方面３ａと他方面３ｄとの間に電流を発生させると、各発光領域３ｃからレーザ光が出射されるようになっている。すなわち、側面３ｂは光出射面Ｍとなっている。

図１に示されるように、レーザダイオード３は、第１のサブマウント４を介してヒートシンク２の一方面２ｃ側に接合されており、レーザダイオード３の一方面３ａ側には、第２のサブマウント５が接合されている。このため、レーザダイオード３の一方面３ａと他方面３ｄとの間には、ヒートシンク２及びサブマウント４，５を介して電流を発生させることができる。

各サブマウント４，５は、レーザダイオード３の材料と線膨張係数が近い材料からなる板状体である。各サブマウント４，５の主材料は、例えば銅タングステンである。各サブマウント４，５によって、発熱に伴うレーザダイオード３の変形が抑制される。各サブマウント４，５の平面形状は、レーザダイオード３の平面形状と等しく、各サブマウント４，５の側面４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈ及び５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈは、それぞれレーザダイオード３の側面３ｂ，３ｐ，３ｒ，３ｓと面一になっている。各サブマウント４，５の厚さは、例えば０．１〜０．３ｍｍである。

レーザダイオード３及びサブマウント４，５は、ヒートシンク２の長手方向での一端側に配置されており、レーザダイオード３の上記側面３ｂは、ヒートシンク２の一端側の側面２ｄと同一方向を向いている。

ヒートシンク２の他方面２ｅ側には、主にモリブデンからなる板状の補強体６が接合されている。補強体６によって、発熱に伴うヒートシンク２の変形が抑制され、ヒートシンク２の変形に伴うレーザダイオード３の変形が抑制される。レーザダイオード３の一方面３ａと他方面３ｄとの間には、ヒートシンク２、サブマウント４，５、及び補強体６を介して電流を発生させることができる。

補強体６の平面形状は、レーザダイオード３の平面形状と等しく、補強体６の側面６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈは、それぞれレーザダイオード３の側面３ｂ，３ｐ，３ｒ，３ｓと面一になっている。

平面視において、レーザダイオード３、サブマウント４，５、及び補強体６の長辺は、ヒートシンク２の短辺よりも短く、レーザダイオード３、サブマウント４，５、及び補強体６の各短辺は、ヒートシンク２の各長辺よりも内側に位置している。また、レーザダイオード３、サブマウント４，５、及び補強体６の各長辺は、ヒートシンク２の各短辺よりも内側に位置している（図３参照）。即ち、レーザダイオード３の側面３ｂ，３ｐ，３ｒ，３ｓ、サブマウント４，５の側面４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈ，５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈ、及び補強体６の側面６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈは、ヒートシンク２の側面２ｄ，２ｈ，２ｊ，２ｋよりも内側に位置している。

図４は、図３中のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。図４に示されるように、ヒートシンク２、サブマウント４，５、補強体６のそれぞれの外表面全域には、例えば、厚さ１〜５μｍのニッケルの被膜２ｆ，４ａ，５ａ，６ａがそれぞれ形成され、その外側に厚さ０．１〜２μｍの金の被膜２ｇ，４ｂ，５ｂ，６ｂがそれぞれ形成されている。これらの被膜２ｆ，２ｇ，４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂは、例えばめっきにより形成されている。このように、ヒートシンク２、サブマウント４，５、及び補強体６のそれぞれの外表面全域に、後述のハンダ接合部を構成するハンダに対して濡れ性を有する被膜２ｇ，４ｂ，５ｂ，６ｂが形成されている。特に、本実施携帯における被膜２ｇ，４ｂ，５ｂ，６ｂの材料は、ヒートシンク２、サブマウント４，５、及び補強体６の主材料と比べ、後述のハンダに対して濡れ性が高く、且つ耐食性に優れている。

レーザダイオード３の一方面３ａ側には、例えば、厚さ５０〜２００Åの金の被膜３ｅが形成され、その外側に厚さ１０００〜２０００Åの金ゲルマニウムの被膜３ｆが形成され、更にその外側に厚さ１０００〜５０００Åの金の被膜３ｇが形成されている。また、レーザダイオード３の他方面３ｄ側には、例えば、厚さ１００〜１０００Åのチタンの被膜３ｈが形成され、その外側に厚さ１００〜２０００Åの白金の被膜３ｊが形成され、更にその外側に厚さ１０００〜３０００Åの金の被膜３ｋが形成されている。これらの被膜３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈ，３ｊ，３ｋは、例えばメタライズ処理により形成されている。

レーザダイオード３の一方面３ａと、第２のサブマウント５の他方面５ｃとは、レーザダイオード３と第２のサブマウント５との間に位置するハンダ接合部７によって互いに接合されている。レーザダイオード３の他方面３ｄと、第１のサブマウント４の一方面４ｃとは、レーザダイオード３と第１のサブマウント４との間に位置するハンダ接合部８によって互いに接合されている。ハンダ接合部７，８の材料は、例えば金錫であり、ハンダ接合部７，８の厚さは、例えば２〜１０μｍである。

ヒートシンク２の一方面２ｃと、第１のサブマウント４の他方面４ｄとは、ヒートシンク２と第１のサブマウント４との間に位置するハンダ接合部９（第１のハンダ接合部）によって互いに接合されている。ハンダ接合部９の材料は、例えば金錫であり、ハンダ接合部９の厚さは、例えば２〜１０μｍである。

ハンダ接合部９の端部には、ハンダ接合部９よりも隆起し、ヒートシンク２の一方面２ｃと、第１のサブマウント４の全側面４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈとを接合するハンダ接合部１０（第２のハンダ接合部）が設けられている。ハンダ接合部１０の材料は、ハンダ接合部９の材料と等しく、ハンダ接合部１０の隆起高さは、例えば５〜５０μｍである。

ハンダ接合部９は、例えば、金錫ハンダシートをヒートシンク２と第１のサブマウント４との間に挟み、不活性雰囲気中で金錫シートが融点以上の温度となるように加熱し、ヒートシンク２と第１のサブマウント４とで金錫ハンダシートを圧縮するように加圧することで形成される。この際に、ヒートシンク２と第１のサブマウント４との間からはみ出した金錫ハンダによって、フィレット状のハンダ接合部１０が形成される。

ヒートシンク２の他方面２ｅと、補強体６の一方面６ｃとは、ヒートシンク２と補強体６との間に位置するハンダ接合部１１によって互いに接合されている。ハンダ接合部１１の材料は、例えば金錫であり、ハンダ接合部１１の厚さは、例えば２〜１０μｍである。

ハンダ接合部１１の各端部には、ハンダ接合部１１よりも隆起し、ヒートシンク２の他方面２ｅと、補強体６の全側面６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈとを接合するハンダ接合部１２が設けられている。ハンダ接合部１２の材料は、ハンダ接合部１１の材料と等しく、ハンダ接合部１２の隆起高さは、例えば５〜５０μｍである。

ハンダ接合部１１，１２は、例えば、金錫ハンダシートをヒートシンク２と補強体６との間に挟み、不活性雰囲気中で金錫シートが融点以上の温度となるように加熱し、ヒートシンク２と補強体６とで金錫ハンダシートを圧縮するように加圧することで形成される。この際に、ヒートシンク２と補強体６との間からはみ出した金錫ハンダによって、フィレット状のハンダ接合部１２が形成される。

以上説明したように、本実施形態に係る半導体レーザ装置１では、ヒートシンク２の一方面２ｃと第１のサブマウント４の他方面４ｄとを互いに接合するハンダ接合部９の端部に、ヒートシンク２の一方面２ｃと第１のサブマウント４の側面４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈとを接合するハンダ接合部１０が設けられている。このため、ヒートシンク２の一方面２ｃに対向する第１のサブマウント４の他方面４ｄに加え、第１のサブマウント４の側面４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈが、ヒートシンク２の一方面２ｃへの接合面となる。このように、ヒートシンク２と第１のサブマウント４との間の接合面積が大きくなるため、ヒートシンク２と第１のサブマウント４との間の電気抵抗が低減され、ヒートシンク２及び第１のサブマウント４を介してレーザダイオード３に電流を発生させる際の消費電力が抑制される。従って、電気−光変換効率を十分に高めることができる。

第１のサブマウント４の側面４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈには、ハンダ接合部９，１０を構成するハンダに対して濡れ性を有する被膜４ｂが形成されている。このため、ハンダに対して濡れ性を有する被膜４ｂによって、第１のサブマウント４の側面４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈのハンダに対する濡れ性を確保し、ハンダ接合部１０を確実に設けることができる。また、側面４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈに形成された被膜４ｂにより、第１のサブマウント４が保護され、第１のサブマウント４の腐食に伴う電気抵抗の増大が抑制される。従って、電気−光変換効率を更に高めることができる。

また、側面４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈに形成された被膜４ｂは、第１のサブマウント４の主材料に比べ、ハンダに対する濡れ性が高い。このため、被膜４ａ，４ｂを形成しない場合と比べて側面４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈにハンダが広がり易くなっており、被膜４ａ，４ｂを形成しない場合と比べてヒートシンク２と第１のサブマウント４との間の接合面積を大きくすることができる。

また、側面４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈに形成された被膜４ｂは、第１のサブマウント４の主材料に比べ耐食性に優れているため、第１のサブマウント４がより確実に保護され、第１のサブマウント４の腐食に伴う電気抵抗の増大が更に抑制される。更に、被膜４ｂは、側面４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈを含む第１のサブマウント４の外表面の全域に形成されているため、第１のサブマウント４がより確実に保護され、第１のサブマウント４の腐食に伴う電気抵抗の増大が更に抑制される。

また、ハンダ接合部１０は、第１のサブマウント４の全ての側面４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈとヒートシンク２の一方面２ｃとを接合している。これにより、ヒートシンク２と第１のサブマウント４との間の接合面積が更に大きくなるため、ヒートシンク２と第１のサブマウント４との間の電気抵抗が更に低減される。従って、電気−光変換効率を更に高めることができる。

また、ヒートシンク２の他方面２ｅと補強体６の一方面６ｃとを互いに接合するハンダ接合部１１の端部には、ヒートシンク２の他方面２ｅと補強体６の側面６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈとを接合するハンダ接合部１２が設けられている。これにより、ヒートシンク２と補強体６との間の接合面積が大きくなるため、ヒートシンク２と補強体６との間の電気抵抗が低減され、ヒートシンク２、第１のサブマウント４、及び補強体６を介してレーザダイオード３に電流を発生させる際の消費電力が更に抑制される。従って、電気−光変換効率を更に高めることができる。

本実施形態の一実施例として、以下の条件で半導体レーザ装置１を制作し、出力２００Ｗで連続的にレーザ光を出射させたときの電気−光変換効率を測定した。
ヒートシンク２：長さ３０ｍｍ×幅１２ｍｍ×厚さ１．１ｍｍ
レーザダイオード３：長さ１０ｍｍ×幅３ｍｍ×厚さ１４０μｍ
サブマウント４，５：長さ１０ｍｍ×幅３ｍｍ×厚さ１５０μｍ
補強体６：長さ１０ｍｍ×幅３ｍｍ×厚さ１５０μｍ
ハンダ接合部７，８，９，１１：金８０ｗｔ％、錫２０ｗｔ％、厚さ５μｍ
ハンダ接合部１０，１２：金８０ｗｔ％、錫２０ｗｔ％、隆起高さ２０μｍ
その結果、ハンダ接合部１０を設けない場合と比べ、電気−光変換効率が３％高まっていることが確認された。

以上、本発明に係る半導体レーザ装置の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、その要旨を変更しない範囲で様々な変形が可能である。

例えば、図５及び図６に示されるように、ハンダ接合部１０は、第１のサブマウント４の側面４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈのうち、レーザダイオード３の光出射面Ｍと同一方向を向く側面４ｅを除く側面４ｆ，４ｇ，４ｈと、ヒートシンク２の一方面２ｃとを接合していてもよい。この場合、側面４ｆ，４ｇ，４ｈとヒートシンク２の一方面２ｃとをハンダ接合部１０によって接合しつつ、側面４ｅ側（レーザダイオード３の光出射面Ｍ側）におけるハンダ接合部の隆起を抑制することができる。従って、レーザ光がハンダ接合部に遮られることを確実に防止しつつ、電気−光変換効率を十分に高めることができる。なお、ヒートシンク２の側面２ｄと第１のサブマウント４の側面４ｅとが面一であると、側面４ｅ側では、ハンダ接合部がヒートシンク２の一方面２ｃに支持されない。このため、側面４ｅ側ではハンダ接合部が隆起しにくくなり、側面４ｅを除く側面４ｆ，４ｇ，４ｈがハンダ接合部１０によって接合されたものを容易に製造することができる。

また、図７に示されるように、ヒートシンク２の側面２ｄと第１のサブマウント４の側面４ｅとが面一であり、ハンダ接合部９の端部のうちレーザダイオード３の光出射面Ｍ側の一端部に、ヒートシンク２の側面２ｄに張り出したハンダ接合部１３（第３のハンダ接合部）が設けられていてもよい。このようなハンダ接合部１３は、例えば、上述のように金錫ハンダシートに加熱・加圧してハンダ接合部９を形成する際に、ヒートシンク２と第１のサブマウント４との間からはみ出した金錫ハンダが、ヒートシンク２の側面２ｄに沿って広がることで形成される。

この場合、ハンダ接合部１３が、ヒートシンク２の側面２ｄに沿ってレーザダイオード３から遠ざかる方向に向かって張り出すため、第１のサブマウント４の側面４ｅ側におけるハンダ接合部のレーザダイオード３側への隆起を抑制することができる。従って、レーザ光がハンダ接合部に遮られることをより確実に防止しつつ、電気−光変換効率を十分に高めることができる。

また、図８に示されるように、レーザダイオード３の光出射面Ｍは、第１のサブマウント４の側面４ｅよりも突出していることが好ましい。この場合、光出射面Ｍが側面４ｅよりも突出しているため、光出射面Ｍ側において、ハンダ接合部がレーザダイオード３と第１のサブマウント４との境界を越えて隆起することが防止される。従って、レーザ光がハンダ接合部に遮られることをより確実に防止しつつ、電気−光変換効率を十分に高めることができる。更に、レーザダイオード３の光出射面Ｍ以外の側面３ｐ，３ｒ，３ｓが、第１のサブマウント４の側面４ｆ，４ｇ，４ｈよりも突出していてもよい。この場合、ハンダ接合部が、レーザダイオード３と第１のサブマウント４との境界を越えて隆起することがより確実に防止される。

１…半導体レーザ装置、２…ヒートシンク、２ｃ…一方面、２ｄ…側面、４ａ，４ｂ…被膜、３…レーザダイオード、４…サブマウント、４ｄ…他方面、４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈ…側面、９…第１のハンダ接合部、１０…第２のハンダ接合部、１３…第３のハンダ接合部、Ｍ…光出射面。

Claims (6)

1. ヒートシンクの一方面側にサブマウントを介してレーザダイオードを接合してなる半導体レーザ装置であって、
   前記ヒートシンクの一方面と前記サブマウントの他方面とは、前記ヒートシンクと前記サブマウントとの間に位置する第１のハンダ接合部によって互いに接合され、
   前記第１のハンダ接合部の端部には、前記第１のハンダ接合部よりも隆起し、前記ヒートシンクの一方面と前記サブマウントの側面とを接合する第２のハンダ接合部が設けられていることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記サブマウントの側面には、前記ハンダ接合部を構成するハンダに対して濡れ性を有する金属被膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
3. 前記第２のハンダ接合部は、前記サブマウントの全ての側面と前記ヒートシンクの一方面とを接合していることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザ装置。
4. 前記サブマウントの側面には、前記レーザダイオードの光出射面と略同一方向を向く一側面が含まれており、
   前記第２のハンダ接合部は、前記サブマウントの側面のうち、前記一側面を除く側面と前記ヒートシンクの一方面とを接合していることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザ装置。
5. 前記ヒートシンクの側面には、前記サブマウントの一側面と略面一な一側面が含まれており、
   前記第１のハンダ接合部の端部のうち、前記レーザダイオードの光出射面側の一端部には、前記ヒートシンクの一側面に張り出した第３のハンダ接合部が設けられていることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ装置。
6. 前記レーザダイオードの光出射面は、前記サブマウントの側面よりも突出していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。

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