JP2017032625A - 光学部材の製造方法、半導体レーザ装置の製造方法及び半導体レーザ装置 - Google Patents
光学部材の製造方法、半導体レーザ装置の製造方法及び半導体レーザ装置 Download PDFInfo
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Abstract
Description
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、平滑度の高い斜面を備えた光学部材を高精度で、簡便な方法にて製造する方法及びそのような高精度な光学部材を備えた半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
(1){110}面からなる第1主面を有するシリコン基板を準備し、
前記第1主面上に、<100>方向に伸びる開口を有するマスクパターンを形成し、
前記シリコン基板を、前記マスクパターンをマスクとして用いて前記第1主面側からウェットエッチングして、{100}面を有する傾斜面を形成することを含む光学部材の製造方法。
(2)上記光学部材と、半導体レーザ素子とを、前記半導体レーザ素子から出射するレーザ光が前記光学部材の前記反射膜に照射されるように、実装基板に固定することを含む半導体レーザ装置の製造方法。
(3)実装基板と、
前記実装基板上に設けられた半導体レーザ素子と、
{110}面及び{100}面を有するSiからなり、前記{110}面及び{100}面の一方が前記実装基板上に固定され、他方が反射膜で被覆され、前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を反射する光学部材と、を備える半導体レーザ装置。
各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。
この実施形態の光学部材の製造方法は、
(a){110}面からなる第1主面を有するシリコン基板を準備し、
(b)前記第1主面上に、<100>方向に伸びる開口を有するマスクパターンを形成し、
(c)前記シリコン基板を、前記マスクパターンをマスクとして用いて前記第1主面側からウェットエッチングして、{100}面を有する傾斜面を形成することを含む。
{110}面からなる第1主面を有するシリコン基板を準備する。ここで、{110}面とは、シリコンの常温及び常圧で安定な結晶構造であるダイヤモンド構造における結晶格子面のうちのひとつ(110)面とその等価結晶面との全ての面を指す。等価結晶面とは、ミラー指数によって定義される等価結晶面又はファセットのファミリを意味する。シリコン基板の第1主面は、{110}面に対して±2度程度のオフ角は許容される。オフ角は、好ましくは±1度、より好ましくは±0.2度である。
シリコン基板の厚みは、均一であることが好ましいが、部分的に異なる部分が存在してもよい。シリコン基板の第1主面と反対側の第2主面も、{110}面からなる面であるシリコン基板が好ましい。つまり、シリコン基板は、第1主面に平行な第2主面を有することが好ましい。シリコン基板の厚みは、例えば、100〜数千μmとすることができ、例えば、500〜2000μmとすることができる。
シリコン基板の第1主面にマスクパターンを形成する。このマスクパターンは、例えば、図1に示すように、<100>方向に伸びる開口を有する。<100>方向に伸びる開口は、第1主面に平行な方向に伸びる開口とすることができる。
ここで、<100>方向とは、シリコンの常温及び常圧で安定な結晶構造であるダイヤモンド構造における結晶格子面のうちのひとつである(100)面に対する垂直方向と、その等価結晶面に対する垂直方向の全ての方向とを指す。
<100>方向に伸びる開口の長さは、用いるシリコン基板の大きさに従って適宜設定することができる。<100>方向に伸びる開口の幅は、後の工程において得ようとする傾斜面の高さ等によって適宜設定することができる。例えば、200〜1000μm程度が挙げられる。<100>方向以外に伸びる開口を有する場合、その幅は、<100>方向に伸びる開口の幅と同等でもよいし、異なっていてもよい。<100>方向以外に伸びる開口により形成される傾斜面は光学部材としての機能に関係しない。よって、<100>方向以外に伸びる開口の幅は<100>方向に伸びる開口の幅よりも小さいことが好ましい。これにより、シリコン基板の面積を有効に使用することができる。また、分割用の溝として使用する場合には開口の幅はある程度大きいことが好ましく、例えば、50〜500μm程度とすることができる。
開口の深さは、マスクパターンの厚みに相当し、例えば、0.1〜1μm程度が挙げられる。
シリコン基板を、マスクパターンをマスクとして用いて第1主面側からウェットエッチングして、{100}面を有する傾斜面を形成する。傾斜面は、<100>方向に伸び、シリコン基板の第2主面(つまり、{110}面)に対して45度の傾斜角度を有する面とすることが好ましい。言い換えると、傾斜面は、シリコン基板の第1主面と成す角度が135度であることが好ましい。ただし、ここでいう{100}面は、{100}面に対して±2度程度のオフ角は許容され、よって、第2主面に対して45±2度程度の傾斜角度を有する面であってもよい。オフ角は、好ましくは±1度、より好ましくは±0.2度である。
なお、ここでのエッチングは、ウェットエッチングを行うことが好ましいが、異方性エッチングを行うことができるエッチング方法であればよい。
エッチング条件としては、例えばエッチャントがTMAHである場合は、エッチャントの温度を摂氏80〜110度に設定し、2〜10時間程度の浸漬を行うことが挙げられる。浸漬時間は所望のエッチング量が得られる程度に調整すればよい。
シリコン基板の一表面に反射膜を形成する。ここでの一表面とは、得られたシリコン基板の使用形態によって、適宜選択することができる。例えば、得られた傾斜面及び第2主面の一方に反射膜を形成することが好ましい。得られた傾斜面に反射膜を形成する場合には、傾斜した角度で成膜することになるため、膜厚の制御が困難になり、膜質が低下する懸念があるため、なかでも、第2主面に形成することが好ましい。
シリコン基板は、任意に分割してもよい。分割は、上述した反射膜を形成する前後のいずれでもよい。
シリコン基板の分割は、例えば、45度傾斜面に沿った方向、つまり、<100>方向に行うことが好ましい。上述したように、シリコン基板に傾斜面を形成した場合、2つの傾斜面を含んで又は1つの傾斜面によって、断面形状が台形状又はV字状の溝が形成されるため、台形又はV字状の溝内において、この溝に沿って分割することが好ましい。これによって、マスクパターンにおける開口が複数存在する場合には、1つの光学部材の両側に2つの傾斜面を有するものを形成することができる。
分割後のシリコン基板の大きさは、任意に設定することができる。例えば、<110>方向の辺が2.0mm、<100>方向の辺が1.0mmとすることができる。
この実施形態の半導レーザ装置は、例えば、図4A及び図4Bに示すように、
実装基板1と、
実装基板1上に設けられた半導体レーザ素子4と、
{110}面及び{100}面を有するSiからなり、{110}面及び{100}面の一方が前記実装基板上に固定され、他方が反射膜で被覆され、半導体レーザ素子4から出射されたレーザ光を反射する光学部材5とを備える。
光学部材5は、半導体レーザ素子4から出射されたレーザ光を、意図する方向に反射させる部材である。光学部材5は、Si(シリコン)からなるものが好ましい。Siは、従来の石英からなる光学部材、いわゆるプリズムよりも熱伝導率が高いため、例えば、半導体レーザ素子の出力が1W以上の高出力レーザに対して特に有利である。
光学部材5は、反射面となる{110}面又は{100}面が、上述したように、反射膜で被覆されているものが通常使用される。
実装基板1は、半導体レーザ装置を構成する半導体レーザ素子4及び光学部材5等を載置するためのものである。実装基板1は、半導体レーザ素子4で発生する熱を効率的に外部に放出するためにも利用される。実装基板1は、典型的には絶縁性のセラミックからなる。絶縁性のセラミックとしては、AlN、SiC、アルミナ等が挙げられる。絶縁性のセラミックの下面には、放熱性を考慮して、さらに金属部材(Cu、Al等)、異種材料の絶縁性セラミック等が配置されていてもよい。
実装基板1の形状、大きさは特に限定されるものではなく、意図する半導体レーザ装置の形状及び大きさ等によって適宜調整することができる。平面形状としては、矩形等の多角形、円形、楕円形又はこれらに近似する形状が挙げられる。実装基板1は、その表面に凹凸等を有するものであってもよいが、表面が平坦な平板状のものが好ましい。例えば、実装基板1として、一辺が2〜30mm程度の平板状の矩形形状の実装基板1が挙げられる。
実装基板1上にサブマウント3が設けられていてもよい。このとき、半導体レーザ素子4は、サブマウント3上に設けられる。サブマウント3は、半導体レーザ素子4の放熱のために熱伝導性の高い材料によって形成されており、シリコンよりも熱伝導性が高い材料によって形成されているものが好ましい。具体的には、AlN、CuW、ダイヤモンド、SiC、セラミックス等が挙げられる。なかでも、サブマウントは、単結晶のAlN又はSiCからなるものが好ましい。
サブマウント3の厚みは、特に限定されないが、例えば、100〜500μm程度が挙げられ、120〜400μm程度が好ましく、150〜300μm程度がより好ましい。サブマウント3を一定以上の厚みとすることにより、半導体レーザ素子からの光を効率的に反射部材で反射させて取り出すことができる。サブマウント3の厚みは、例えば、半導体レーザ素子の発光点が反射膜の下端よりも上に位置する程度の厚みとする。半導体レーザ素子の高さは、半導体レーザ素子から放射される光のうち所望の部分(反射したい光強度の部分)が反射膜に収まるように配置することが好ましい。
半導体レーザ素子4は、電圧が印加され、しきい値以上の電流が流れると、活性層及びその付近でレーザ発振が起こり、生成されたレーザ光が導波路領域を通って外部に放射される機能を有する。このような半導体レーザ素子4としては、半導体が複数層積層されて構成される公知のレーザ素子のいずれをも使用することができる。例えば、導電性の基板の上にn型半導体層、活性層及びp型半導体層が順に積層され、半導体層の表面に絶縁膜及び電極等が形成された構造の素子が挙げられる。半導体層の材料は、III−V族の化合物が挙げられ、なかでも窒化物半導体が好ましい。
半導体レーザ装置10は、さらに、半導体レーザ素子4及び光学部材5を被覆するようにキャップ8が実装基板1に取り付けられて、封止されていることが好ましく、気密封止されていることがより好ましい。特に、発振波長が300〜600nm程度の半導体材料(例えば、窒化物半導体)を用いた半導体レーザ素子4を用いる場合には、有機物及び水分等を集塵しやすいため、キャップ8を設けることによって、レーザ装置内の気密性を高め、防水性、防塵性を高めることができる。また、この場合は、キャップ8により気密封止された内部に配置する部材は、樹脂等の有機物を含まない部材であることが好ましい。
レンズは、レーザ光を平行光、集光又は拡散させるなどの役割を果たす。レンズは、光学部材ミラーによって反射されたレーザ光の出射方向に配置されていてもよいし、半導体レーザ素子と光学部材との間であって、半導体レーザ素子からのレーザ光が照射される位置に配置されていてもよい。
この実施形態の半導体レーザ装置の製造方法は、上述した光学部材と、半導体レーザ素子とを、半導体レーザ素子から出射するレーザ光が光学部材の反射膜に照射されるように、実装基板に固定することを含む。
実装基板に、まず半導体レーザ素子を固定し、次いで半導体レーザ素子から出射するレーザ光が光学部材の反射膜に当たるように光学部材を固定してもよいし、まず光学部材を固定し、光学部材の反射膜にレーザ光が当たるように、半導体レーザ素子を固定してもよいし、同時でもよい。
このように、半導体レーザ素子と光学部材とを固定することにより、半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を出射方向と異なる方向に反射させることができる。
以下に、本発明の光学部材の製造方法、半導体レーザ装置の製造方法及び半導体レーザ装置の実施例を、図面を用いて具体的に説明する。
(a:シリコン基板の準備)
まず、図1A及び図1Bに示すように、シリコン基板11を準備する。このシリコン基板11は、第1主面11a及び第2主面11cにおいて{110}面を有している。シリコン基板11の厚みは、例えば、500μmである。
シリコン基板11の第1主面11aのほぼ全面に、CVD装置によりSiO2膜を成膜する。そして、フォトリソグラフィにより、<100>方向と<110>方向にそれぞれ沿った開口を有するマスク形成用のパターンを形成し、バッファードフッ酸によってSiO2膜をウェットエッチングする。これによって、<100>方向と<110>方向にそれぞれ沿った開口12a、12bを有するマスクパターン12を形成した。つまり、マスクパターン12はSiO2からなる。マスクパターン12においては、開口12aの幅Qを600μmとし、開口12bの幅Zを300μmとした。また、マスクパターンの<100>方向の辺長Xを500μm、<110>方向の辺長Yを700μmとした。
次に、図2Aに示すように、マスクパターン12をマスクとして、シリコン基板11の第1主面11aである{110}面を摂氏約90度のTMAHで240分間ウェットエッチングした。これによって、<100>方向に沿って、第1主面11aから深さ約400μmの45度の傾斜面を露出させた。ここでの45度の傾斜面に対向する面も45度の傾斜面であり、断面形状を略V字状の溝とした。ここでの45度の傾斜面11bは{100}面となる。
また、同時に、<110>方向に沿って、第1主面11aから深さ約300μmの35度の傾斜面を露出させた。ここでの35度の傾斜面に対向する面も35度の傾斜面であり、断面形状を略V字状の溝とした。
その後、図2Bに示すように、マスクパターン12をバッファードフッ酸によって除去した。
図2Cに示すように、得られたシリコン基板11の傾斜面11bである{100}面に、スパッタ装置を用いてAl膜を200nmで成膜し、反射膜13を形成した。この反射膜13の反射率は約92%である。
ここでは、被成膜面が45度で傾斜しているために、膜厚の制御が困難であることから、傾斜面にも良好な膜厚制御で成膜することができる金属膜を反射膜として形成した。
次に、図2Dに示すように、シリコン基板11を、シリコン基板11の<100>方向及び<110>方向のエッチングされたV字状溝の中央(V字頂点部分)から分割した。
これによって、平面形状が略矩形のシリコン基板11による光学部材を形成することができる。この光学部材は、図8A〜8Cに示すように、45度の2つの傾斜面、つまり11b{100}面と、35度の2つの傾斜面、つまり11dとの2種類の傾斜面を備えることができ、45度の2つの傾斜面を反射面とすることができる。なお、11b{100}面と、35度の傾斜面11dとは、例えば、徐々に傾斜角度が変化した複数の面方位の面によって連結されている。丸みを帯びた曲面によって連結されていてもよい。
実施例1と同様に、シリコン基板11に、断面形状が略V字状の45度の傾斜面(図8A〜8C中、11b)及び35度の傾斜面(図8A〜8C中、11d)を形成する。
図3Aに示すように、得られたシリコン基板11の第2主面11cである{110}面に、ECR装置を用いてSiO2膜/ZrO2膜(75nm/50nm)を7ペアーの積層構造(合計膜厚875nm)で成膜して反射膜23を形成する。この反射膜23の反射率は約99%である。
この実施例の半導体レーザ装置10は、図4A及び4Bに示すように、主として、実装基板1と、実装基板1上に設けられたサブマウント3と、サブマウント3上に設けられた半導体レーザ素子4と、光学部材5Aとを備える。また、半導体レーザ素子4及び光学部材5Aは、キャップ8によって気密封止されている。
実装基板1の上面には、金属層2A、2Bが、半導体レーザ素子4及び光学部材5Aが載置される部位にそれぞれ互いに離間して配置されている。
金属層2Aは、実装基板1側からTi(0.06μm)/Pt(0.2μm)が積層されており、さらに、その上にAu−Sn系共晶半田(3μm)が配置されている。金属層2Bは、実装基板1側からTi(0.06μm)/Pt(0.2μm)/Au(1μm)/Pd(0.3μm)が積層されており、さらに、その上にAu−Sn系共晶半田(3μm)が配置されている。
サブマウント3の実装基板1上への実装時には、実装基板1側からTi(0.06μm)/Pt(0.2μm)と、Au−Sn系共晶半田(3μm)と、Pt(0.2μm)/Ti(0.06μm)がこの順に積層され、加熱によって実装される。
半導体レーザ素子4の光学部材5A側の端面は、サブマウント3の光学部材5A側の端面よりも、光学部材5A側に配置されている。その端面間の距離は、例えば、15μmである。
半導体レーザ素子4の光出射面は、光学部材5Aの反射面と対面しており、100μm程度離間して配置されている。
また、半導体レーザ素子4の大部分をサブマウント3上に配置させることができるために、サブマウント3による放熱性を確保することができる。さらに、半導体レーザ素子4と光学部材5Aとを近接させることができるため、レーザ光のビーム径を小さく維持することができ、高輝度の光を得ることができる。
この実施例の半導体レーザ装置20は、図5に示すように、実装基板1上に、光学部材5と、この光学部材5を挟んで2つの半導体レーザ素子4とを備える以外、実質的に半導体レーザ装置10と同様の構成を有する。キャップ28は、金属部材の開口部8aに透光性部材27が設けられており、透光性部材27からレーザ光を取り出すことができる。
ここでの光学部材5としては、上述した光学部材の製造において、図2Dに示す光学部材を利用することができる。光学部材5は、直方体上に四角形錐台が載置された形状であり、互いに異なる大きさの略四角形状の上面及び底面を有し、上面及び底面の間に、上面に隣接し、上面に対して45度傾斜した傾斜面11b及び底面に隣接する非傾斜面を2つ有する。光学部材5の上面から底面までの高さは500μmである。また、傾斜面11bの高さは、200μmである。
半導体レーザ素子4は、光学部材5の2つの反射面に対向して2つ配置されている。
この実施例の半導体レーザ装置30は、図6に示すように、実装基板1上に配置された光学部材15の向きが異なる以外、実質的に半導体レーザ装置10と同様の構成を有する。キャップ38は、金属部材の開口部に透光性部材37が設けられており、透光性部材37からレーザ光を取り出すことができる。
ここでの光学部材15としては、上述した光学部材の製造において、図3Bに示す光学部材を利用することができる。光学部材15の反射面は、シリコン基板の第2主面11cである{110}面であり、この反射面に、SiO2膜/ZrO2膜(75nm/50nm)の積層膜からなる反射膜23を有している。この反射面が、実装基板1表面に対して45度となるように、光学部材15の傾斜面11bである{100}面が、実装基板1に対面して、金属層2Bを介して固定されている。
光学部材15の最下端から最上端までの高さは1000μmである。
この実施例の半導体レーザ装置10Bは、図7に示すように、光学部材5Aと半導体レーザ素子4との間にレンズ6が配置されている以外、実質的に半導体レーザ装置10と同様の構成を有する。
レンズ6は、半導体レーザ素子4から出射された光をコヒーレント光にするためのコリメートレンズ機能を有する。
1a セラミック板
1b 金属部材
2A、2B 金属層
3 サブマウント
4 半導体レーザ素子
5、5A、15 光学部材
6 レンズ
7、27、37 透光性部材
8、28、38 キャップ
8a 開口部
10、20、30、10B 半導体レーザ装置
11 シリコン基板
11a 第1主面{110}
11b 傾斜面{100}
11c 第2主面{110}
11d 傾斜面
12 マスクパターン
12a、12b 開口
13、23 反射膜
14 補助溝
Claims (17)
- (a){110}面からなる第1主面を有するシリコン基板を準備し、
(b)前記第1主面上に、<100>方向に伸びる開口を有するマスクパターンを形成し、
(c)前記シリコン基板を、前記マスクパターンをマスクとして用いて前記第1主面側からウェットエッチングして、{100}面を有する傾斜面を形成することを含む光学部材の製造方法。 - さらに、前記工程(c)の後に、(d)得られた前記傾斜面に反射膜を形成することを含む請求項1に記載の光学部材の製造方法。
- 前記工程(a)において、前記シリコン基板は前記第1主面に平行な第2主面を有し、
さらに、前記工程(c)の後に、(d’)前記第2主面に反射膜を形成することを含む請求項1に記載の光学部材の製造方法。 - さらに、前記工程(c)の後に、(e)得られた前記シリコン基板を、前記傾斜面の下端から、前記<100>方向に分割することを含む請求項1から3のいずれか1つに記載の光学部材の製造方法。
- 前記工程(e)において、前記シリコン基板を<110>方向に分割する請求項4に記載の光学部材の製造方法。
- 前記工程(b)において、前記マスクパターンに、さらに<110>方向に伸びる開口を形成する請求項5に記載の光学部材の製造方法。
- 請求項2〜6のいずれか1つで得られた前記光学部材と、半導体レーザ素子とを、前記半導体レーザ素子から出射するレーザ光が前記光学部材の前記反射膜に照射されるように、実装基板に固定することを含む半導体レーザ装置の製造方法。
- 前記反射膜が形成された面と前記実装基板との成す角が45度となるように、前記光学部材を前記実装基板に固定する請求項7に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
- 前記半導体レーザ素子を、サブマウントを介して前記実装基板に固定する請求項7又は8に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
- 前記半導体レーザ素子を、その一部が、前記サブマウントの端部よりも前記光学部材側に配置する請求項9に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
- さらに、前記実装基板上に、前記半導体レーザ素子及び前記光学部材を気密封止するキャップを設ける請求項7から10のいずれか1つに記載の半導体レーザ装置の製造方法。
- 前記半導体レーザ素子を、前記サブマウントにジャンクションダウン実装する請求項9から11のいずれか1つに記載の半導体レーザ装置の製造方法。
- 実装基板と、
前記実装基板上に設けられた半導体レーザ素子と、
{110}面及び{100}面を有するSiからなり、前記{110}面及び前記{100}面の一方が前記実装基板上に固定され、他方が反射膜で被覆され、前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を反射する光学部材と、を備える半導体レーザ装置。 - 前記実装基板上に設けられたサブマウントを備え、
前記半導体レーザ素子は、前記サブマウント上に設けられた請求項13に記載の半導体レーザ装置。 - 前記サブマウントは、Siよりも熱伝導率が高い材料からなる請求項14に記載の半導体レーザ装置。
- 前記サブマウントは、単結晶のAlN又はSiCである請求項14又は15に記載の半導体レーザ装置。
- 前記反射膜は、誘電体多層膜である請求項13から16のいずれか1つに記載の半導体レーザ装置。
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