JP2015173218A - 半導体レーザ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】部材ばらつきまたは接合条件ばらつきが生じた場合にも、出力特性および信頼性を向上させることが可能な半導体レーザ光源を提供することを目的とする。【解決手段】半導体レーザ光源は、半導体レーザ１とサブマウント２とを備えている。サブマウント２は、サブマウント基板２０と、サブマウント基板２０の上側に配置されるＡｕ層２２と、Ａｕ層２２上に配置されかつ外周部において少なくとも半導体レーザ１の出力端１ａ側に対応する部分を除く部分にバリア部２３ｂを有するバリア層２３と、バリア層２３上においてバリア部２３ｂで囲まれる領域に配置されるはんだ層２５とを備え、半導体レーザ１は、バリア部２３ｂの内面に対して予め定められた間隔をあけるとともに、半導体レーザ１の出力端１ａ側に対応するはんだ層２５の端から出力端１ａがレーザ光の出力方向に突出した状態ではんだ層２５によりサブマウント２に接合されている。【選択図】図１

Description

本発明は、高出力半導体レーザをサブマウントに接合した高出力半導体レーザ光源に関し、特に半導体レーザで発生する熱を、サブマウントを介して効率よく排熱することで半導体レーザ光源の出力特性と信頼性を向上させることが可能な構造に関するものである。

半導体レーザは、動作時にレーザ光を出力するとともに熱を発生させる。一般に半導体レーザは、低温時に出力特性と信頼性が向上するため排熱が重要である。排熱用のヒートシンクとして、高放熱金属材料（例えばＣｕなど）で構成された部材が用いられる。しかし、Ｃｕなどで構成されたヒートシンクは、半導体レーザに比べて線膨張係数が大きいため直接接合することが困難である。このため、半導体レーザは、線膨張係数がヒートシンクと半導体レーザの中間の値を持つ材料で構成されたサブマウントに接合され、さらに、サブマウントはヒートシンクに接合されることが一般的である。

ここで、半導体レーザとサブマウントの接合では、半導体レーザの接合面にＡｕ層、サブマウント上にＡｕ／Ｐｔ／ＡｕＳｎはんだ層をそれぞれ配置して接合する構造がある。

例えば特許文献１には、サブマウント基板上にＴｉ層、Ｐｔ層およびＡｕ層を配置し、その上面に半導体レーザと同じ長さのＰｔ層およびＡｕＳｎはんだ層を配置したサブマウントと、半導体レーザとを接合する構造が開示されている。

例えば特許文献２には、サブマウント基板上にＴｉ／Ｐｔ層およびＡｕ層を配置し、その上面に半導体レーザよりも短い長さのバリア層、およびバリア層を覆うように形成されたはんだ層を配置したサブマウントと、半導体レーザとを接合する構造が開示されている。

特開平５−１９０９７３号公報 特開２００２−３５９４２５号公報

特許文献１に記載の構造では、サブマウント基板に、半導体レーザと同じ長さのＰｔ層およびＡｕＳｎはんだ層が配置されているため、接合時にＡｕＳｎはんだが、サブマウント基板上の全面に配置されたＡｕ層に濡れ広がる。ここで、サブマウント基板の表面粗さ、ＡｕＳｎはんだ層の厚さおよび成分比などの部材のばらつきが生じたり、接合時の温度および荷重などの接合条件のばらつきが生じたりする場合がある。

部材のばらつきまたは接合条件のばらつきが生じた場合は半導体レーザの下面のはんだ量が安定しないため、半導体レーザの下面に空隙が生じ、半導体レーザ光源の出力特性および信頼性を低下させるなどの問題があった。

また、特許文献２に記載の構造では、サブマウント基板に、半導体レーザよりも短い長さのバリア層（例えばＰｔ層）を覆うように形成されたはんだ層が配置されているため、接合時にＡｕＳｎはんだがサブマウント基板上の全面に配置されたＡｕ層に濡れ広がる。このため、特許文献１の場合と同様の問題があった。

そこで、本発明は、部材のばらつきまたは接合条件のばらつきが生じた場合にも、出力特性および信頼性を向上させることが可能な半導体レーザ光源を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体レーザ光源は、レーザ光を出力する出力端を有する半導体レーザと、前記半導体レーザを接合するサブマウントとを備え、前記サブマウントは、サブマウント基板と、前記サブマウント基板の上側に配置されるＡｕ層と、前記Ａｕ層上に配置されかつ外周部において少なくとも前記半導体レーザの前記出力端側に対応する部分を除く部分に壁部を有するバリア層と、前記バリア層上において前記壁部で囲まれる領域に配置されるはんだ層とを備え、前記半導体レーザは、前記壁部の内面に対して予め定められた間隔をあけるとともに、前記半導体レーザの前記出力端側に対応する前記はんだ層の端から前記出力端が前記レーザ光の出力方向に突出した状態で前記はんだ層により前記サブマウントに接合されるものである。

本発明によれば、サブマウントは、Ａｕ層上に配置されかつ外周部において少なくとも半導体レーザの出力端側に対応する部分を除く部分に壁部を有するバリア層と、バリア層上において壁部で囲まれる領域に配置されるはんだ層とを備え、半導体レーザは、壁部の内面に対して予め定められた間隔をあけるとともに、半導体レーザの出力端側に対応するはんだ層の端から出力端がレーザ光の出力方向に突出した状態ではんだ層によりサブマウントに接合される。

したがって、半導体レーザとサブマウントの接合時に、はんだ層の余剰のはんだの一部は、半導体レーザの外周部とバリア層の壁部との間に集まり、余剰のはんだの残部は、レーザ光の出力方向に突出する半導体レーザの出力端の下側に向かって濡れ拡がる。はんだ層の余剰のはんだは半導体レーザの出力端以外の側面に濡れ広がらないため、部材のばらつきまたは接合条件のばらつきが生じた場合にも半導体レーザの下面のはんだ量が安定する。これにより、半導体レーザ全体から効率よく排熱することが可能となり、半導体レーザ光源の出力特性および信頼性が向上する。

実施の形態１に係る半導体レーザ光源において半導体レーザをサブマウントに接合する前の状態を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ光源の平面図である。 図２のA-A線断面図である。 図２のB-B線断面図である。 実施の形態１の変形例の図３相当図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ光源において半導体レーザをサブマウントに接合する前の状態を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ光源の断面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ光源において半導体レーザをサブマウントに接合する前の状態を示す断面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ光源の平面図である。 図９のC-C線断面図である。

＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体レーザ光源において半導体レーザ１をサブマウント２に接合する前の状態を示す断面図であり、図２は、実施の形態１に係る半導体レーザ光源の平面図であり、図３は、図２のA-A線断面図であり、図４は、図２のB-B線断面図である。

図１に示すように、半導体レーザ光源は、半導体レーザ１と、サブマウント２とを備えている。半導体レーザ１は、例えば複数の発光点を持つマルチエミッタ構造を有する。半導体レーザ１は、半導体レーザ基板１１と、活性層１０と、Ａｕ層１２とを備えている。

活性層１０は、半導体レーザ基板１１の図１における下面に配置されている。活性層１０を低温に維持することで半導体レーザ光源の出力特性および信頼性の向上を図ることができるため、半導体レーザ１の活性層１０側はサブマウント２に接合されることが望ましい。半導体レーザ１の活性層１０の下面に、はんだ接合のためのＡｕ層１２が配置されている。

サブマウント２は、サブマウント基板２０と、中間層２１と、Ａｕ層２２と、バリア層２３と、はんだ層２５とを備えている。サブマウント基板２０は、半導体レーザ１とヒートシンク（図示省略）の中間の線膨張係数を持つ材料で構成されることが望ましい。ここで、ヒートシンクは、高放熱金属材料（例えばＣｕなど）で構成されている。このため、サブマウント基板２０は、半導体レーザ１とヒートシンクの中間の線膨張係数を持つ材料であるＡｌＮまたはＳｉＣで構成されている。

中間層２１は、Ｔｉ層／Ｐｔ層で構成されてもよいし、線膨張の際に半導体レーザ１にかかる応力のさらなる低減を目的として複数の層構造で構成されてもよい。例えば、サブマウント基板２０をＳｉＣで構成し、中間層２１をサブマウント基板２０側からＴｉ層／Ｃｕ層／Ｎｉ層で構成する。これにより、中間層２１においてそれぞれの層厚を調整することで、接合後の半導体レーザ１にかかる応力を低減させることが可能である。

Ａｕ層２２は、中間層２１の上面に配置されている。バリア層２３は、Ａｕ層２２の上面において外周部を除く領域に配置されている。バリア層２３は、水平部２３ａと、バリア部２３ｂ（壁部）とを備えている。

水平部２３ａは、平面視にて矩形状に形成され、Ａｕ層２２の上面において外周部を除く領域に配置されている。バリア部２３ｂは、水平部２３ａの外周部において、少なくとも半導体レーザ１の出力端１ａ側に対応する部分を除く部分に設けられている。ここで、出力端１ａとは、半導体レーザ１においてレーザ光を出力する部分である。

より具体的には、バリア部２３ｂは、矩形状の水平部２３ａにおいて半導体レーザ１の出力端１ａ側に対応する辺を除く３辺に対応する水平部２３ａの外周部から上方に突出する壁状に形成されている。ここで、バリア層２３（すなわち、水平部２３ａおよびバリア部２３ｂ）はＰｔで構成されてもよい。また、バリア部２３ｂは、水平部２３ａの外周部に作成したマスク内にＰｔを蒸着し、その後マスクをレジストすることで製作されてもよい。はんだ層２５は、バリア層２３においてバリア部２３ｂで囲まれる領域に配置されている。はんだ層２５は、ＡｕＳｎで構成されている。

図２と図３に示すように、半導体レーザ１は、バリア部２３ｂの内面に対して予め定められた間隔をあけるとともに、半導体レーザ１の出力端１ａ側に対応するはんだ層２５の端から出力端１ａがレーザ光の出力方向（図３の矢印の方向）に突出した状態ではんだ層２５によりサブマウント２に接合されている。

半導体レーザ１、バリア層２３およびはんだ層２５の幅と長さについて説明する。図２に示すように、半導体レーザ１の幅Ｗ１、はんだ層２５の幅Ｗ２、バリア部２３ｂの両端の幅Ｗ３は次の関係を有している。

Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３
また、半導体レーザ１において出力端１ａ側のバリア部２３ｂの端から半導体レーザ１の後端面までの長さＬ１、バリア層２３を含むバリア部までの長さＬ２、接合前のはんだ層２５の長さＬ３は次の関係を有している。

Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３
半導体レーザ１とサブマウント２との接合は、はんだ層２５が溶融する温度以上にサブマウント２の温度を上げて、さらに、半導体レーザ１に荷重をかけて行われる。このため、図３と図４に示すように、接合後のはんだ層２５は接合前のはんだ層２５よりも厚みが薄くなり、半導体レーザ１の外周部とバリア層２３のバリア部２３ｂとの間に、はんだ層２５の余剰のはんだのうち一部のはんだ２５ａが集まる。ここで、バリア部２３ｂによって、余剰のはんだ２５ａはバリア部２３ｂの外側に流れ出ない。

例えば、接合時の温度が高い場合、はんだは濡れ広がりやすいが、バリア部２３ｂによって半導体レーザ１の下面のはんだの量が一定に保たれる。また、サブマウント基板２０および中間層２１の表面粗さが粗い場合、接合前のはんだの体積が狙いと異なる場合があったり、サブマウント基板２０および中間層２１の表面の凹凸を埋めるために必要なはんだの量が変わったりすることがある。このような場合でも余剰のはんだ２５ａの増減によって半導体レーザ１の下面のはんだの量は一定に保たれる。

また、上記に説明したように、レーザ光を出力する半導体レーザ１の出力端１ａは、出力端１ａ側に対応するはんだ層２５の端からレーザ光の出力方向に突出した状態ではんだ層２５によりサブマウント２に接合されている。このような位置で接合されることで、活性層１０ははんだ層２５に遮られない。半導体レーザ１の出力端１ａのはんだ層２５の端からの突出長さの一例として、突出長さは２０ｕｍ前後であってもよい。半導体レーザ１の出力端１ａ側にはバリア部２３ｂが存在しないことから、接合によって半導体レーザ１の出力端１ａの下側に向かって、余剰のはんだの残部であるはんだ２５ｂが濡れ広がる。これにより、半導体レーザ１の下面のほぼ全面がはんだで接合されるため、さらに半導体レーザ光源の出力特性および信頼性の向上を図ることができる。

以上のように、実施の形態１に係る半導体レーザ光源では、サブマウント２は、Ａｕ層２２上に配置されかつ外周部において少なくとも半導体レーザ１の出力端１ａ側に対応する部分を除く部分にバリア部２３ｂを有するバリア層２３と、バリア層２３上においてバリア部２３ｂで囲まれる領域に配置されるはんだ層２５とを備え、半導体レーザ１は、バリア部２３ｂの内面に対して予め定められた間隔をあけるとともに、半導体レーザ１の出力端１ａ側に対応するはんだ層２５の端から出力端１ａがレーザ光の出力方向に突出した状態ではんだ層２５によりサブマウント２に接合される。

したがって、半導体レーザ１とサブマウント２の接合時に、はんだ層２５の余剰のはんだの一部であるはんだ２５ａは、半導体レーザ１の外周部とバリア層２３のバリア部２３ｂとの間に集まる。余剰のはんだの残部であるはんだ２５ｂは、レーザ光の出力方向に突出する半導体レーザ１の出力端１ａの下側に向かって濡れ拡がる。はんだ層２５の余剰のはんだは半導体レーザ１の出力端１ａ以外の側面に濡れ広がらないため、部材のばらつきまたは接合条件のばらつきが生じた場合にも半導体レーザ１の下面のはんだ量が安定する。これにより、半導体レーザ１全体から効率よく排熱することが可能となり、半導体レーザ光源の出力特性および信頼性が向上する。

半導体レーザ光源の出力特性が向上することで、半導体レーザ光源のエネルギー消費量の削減を図ることが可能となる。また、半導体レーザ光源の信頼性が向上することで、半導体レーザ光源の長期使用が可能となる。さらに、半導体レーザ１の下面のはんだ量が安定することで、半導体レーザ光源の歩留りが向上する。

また、上記に説明したように、サブマウント基板２０はＳｉＣで構成され、サブマウント基板２０とＡｕ層２２との間に配置されかつＴｉ層／Ｃｕ層／Ｎｉ層で構成される中間層２１を備える場合は、半導体レーザ１とサブマウント基板２０の線膨張差による接合時の応力歪みを低減する。したがって、接合後の半導体レーザ１にかかる応力を低減できるため、信頼性の高い半導体レーザ光源を実現できる。

次に、実施の形態１の変形例について説明する。図５に示すように、中間層２１はさらに、サブマウント基板２０の下面にも配置されてもよい。図５は、実施の形態１の変形例の図３相当図である。このように、中間層２１はさらに、サブマウント基板２０の下面にも配置、すなわち、サブマウント基板２０を挟んで上下に中間層２１が配置されることで、バイメタル効果による線膨張率の微調整が可能となり、接合後の半導体レーザ１にかかる応力をさらに低減させることができる。半導体レーザ１にかかる応力を低減させることで、半導体レーザ光源の信頼性を向上させることができる。

＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る半導体レーザ光源について説明する。図６は、実施の形態２に係る半導体レーザ光源において半導体レーザ１をサブマウント３２に接合する前の状態を示す断面図であり、図７は、実施の形態２に係る半導体レーザ光源の断面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

図６と図７に示すように、実施の形態２では、サブマウント３２において、半導体レーザ１の出力端１ａ側に対応する側面にＡｕ膜３１が配置されている。なお、サブマウント３２のその他の構造は、サブマウント２の構造と同様である。

以上のように、実施の形態２に係る半導体レーザ光源では、サブマウント３２において、半導体レーザ１の出力端１ａ側に対応する側面にＡｕ膜３１が配置されるため、接合後の余剰はんだ２５ｃがサブマウント３２の側面のＡｕ膜３１に沿って濡れ広がる。はんだ層２５のはんだの量が過剰である場合でも、半導体レーザ１の出力端１ａ側に対応する活性層１０が塞がれてしまうことを防止できる。このため、半導体レーザ光源の不良の発生率が低下し、歩留りが向上する。

＜実施の形態３＞
次に、実施の形態３に係る半導体レーザ光源について説明する。図８は、実施の形態３に係る半導体レーザ光源において半導体レーザ１をサブマウント４２に接合する前の状態を示す断面図であり、図９は、実施の形態３に係る半導体レーザ光源の平面図であり、図１０は、図９のC-C線断面図である。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

図８から図１０に示すように、実施の形態３では、サブマウント４２のバリア層２３の構造が実施の形態１，２の場合と異なっている。バリア層２３のバリア部２３ｂは、水平部２３ａの外周部の全周に渡って形成されている。すなわち、バリア部２３ｂは、矩形状の水平部２３ａの４辺に対応する外周部に渡って形成されている。なお、サブマウント４２のその他の構造は、サブマウント２の構造と同様である。

半導体レーザ１の出力端１ａは、出力端１ａ側に対応するバリア部２３ｂの端からレーザ光の出力方向に突出した状態でサブマウント２に接合されている。半導体レーザ１とサブマウント４２との接合は、はんだ層２５が溶融する温度以上にサブマウント４２の温度を上げて、さらに、半導体レーザ１に荷重をかけて行われる。このため、バリア部２３ｂにおいて、半導体レーザ１の出力端１ａに対応する部分の接合後の高さは、それ以外の部分よりも低くなっている。

以上のように、実施の形態３に係る半導体レーザ光源では、バリア部２３ｂは、バリア層２３の外周部の全周に渡って形成されるため、半導体レーザ１とサブマウント４２の接合時に、はんだ層２５の余剰のはんだ２５ａは、半導体レーザ１の外周部とバリア層２３のバリア部２３ｂとの間に集まる。余剰のはんだ２５ａが半導体レーザ１の出力端１ａ側に濡れ広がることを防止でき、余剰のはんだ２５ａによる不良を一層低減できる。

このため、半導体レーザ１の出力端１ａ側の突出量を小さくしても余剰のはんだ２５ａによる不良の発生を防止できる。半導体レーザ１の下面のほぼ全面がはんだ層２５を介してサブマウント４２に接合されるため、半導体レーザ光源の出力特性および信頼性の向上を一層図ることが可能となる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 半導体レーザ、１ａ 出力端、２ サブマウント、２０ サブマウント基板、２１ 中間層、２２ Ａｕ層、２３ バリア層、２３ｂ バリア部、２５ はんだ層、３１ Ａｕ膜、３２ サブマウント、４２ サブマウント。

Claims (5)

1. レーザ光を出力する出力端を有する半導体レーザと、
   前記半導体レーザを接合するサブマウントと、
   を備え、
   前記サブマウントは、サブマウント基板と、前記サブマウント基板の上側に配置されるＡｕ層と、前記Ａｕ層上に配置されかつ外周部において少なくとも前記半導体レーザの前記出力端側に対応する部分を除く部分に壁部を有するバリア層と、前記バリア層上において前記壁部で囲まれる領域に配置されるはんだ層とを備え、
   前記半導体レーザは、前記壁部の内面に対して予め定められた間隔をあけるとともに、前記半導体レーザの前記出力端側に対応する前記はんだ層の端から前記出力端が前記レーザ光の出力方向に突出した状態で前記はんだ層により前記サブマウントに接合される、半導体レーザ光源。
2. 前記サブマウントにおいて、前記半導体レーザの前記出力端側に対応する側面にＡｕ膜が配置される、請求項１記載の半導体レーザ光源。
3. 前記壁部は、前記バリア層の外周部の全周に渡って形成される、請求項１記載の半導体レーザ光源。
4. 前記サブマウント基板はＳｉＣで構成され、
   前記サブマウント基板と前記Ａｕ層との間に配置され、かつ、Ｔｉ層／Ｃｕ層／Ｎｉ層で構成される中間層をさらに備え、
   前記半導体レーザと前記サブマウント基板の線膨張差による接合時の応力歪みを低減する、請求項１記載の半導体レーザ光源。
5. 前記中間層はさらに、前記サブマウント基板の下面にも配置される、請求項４記載の半導体レーザ光源。

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