JP2017069241A - 半導体レーザ素子用パッケージおよび半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】搭載される半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の光路のずれが抑制される半導体レーザ素子用パッケージおよび半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ素子用パッケージは、上面側に開口した凹部５と、凹部５の底面に設けられた段差部５ａと、段差部５ａの上側に設けられた、半導体レーザ素子１０を搭載する搭載部２ａと、段差部５ａの下側に設けられた、搭載部２ａに搭載される半導体レーザ素子１０から出射されるレーザ光を反射してレーザ光の光軸の向きを変える反射ミラー部３と段差部５ａと反射ミラー部３との間の部分に段差部５ａに沿って設けられた、幅方向に平行な断面における断面形状が曲線状であるか、または直線状部分が曲線状部分で接続された形状である溝部４とを備える基板２を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、例えば光通信分野、プロジェクタまたはヘッドアップディスプレイ等の各種の画像表示分野、およびヘッドライト等の各種の照明分野で用いられる、各種の半導体レーザ素子を搭載する半導体レーザ素子用パッケージおよび半導体レーザ装置に関するものである。

近年、半導体レーザ素子としてレーザダイオード等を搭載した電子装置が、光通信分野に加えて、各種の画像表示分野および照明分野等で展開されようとしている。

このような電子装置用の光素子搭載用パッケージとして、例えば発光素子から出射される光を反射して光路を９０°屈折させるマイクロミラーを有し、このマイクロミラーと発光素子を搭載する搭載部との間に溝部を有する構成のマイクロミラー装置がある。

特開２００１−１１６９１３号公報

上述のマイクロミラー装置の溝部は、底面と内側面との交差部分が角部となっており、発光素子動作時の発熱または外部環境の温度上昇などによって光素子搭載用パッケージが加熱されたり、外力が加えられたりしたときに、応力が角部に集中してクラックが生じ易い。この角部にクラックが生じると、反射ミラー部の反射面が変位して反射光の光路がずれてしまう可能性があった。

本発明の１つの態様に係る半導体レーザ素子用パッケージは、上面側に開口した凹部と、前記凹部の底面に設けられた段差部と、前記凹部の底面のうち前記段差部の上側に設けられた、半導体レーザ素子を搭載する搭載部と、前記凹部の底面のうち前記段差部の下側に設けられた、前記搭載部に搭載される前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を反射して前記レーザ光の光軸の向きを変える反射ミラー部と、前記凹部の底面のうち前記段差部と前記反射ミラー部との間の部分に前記段差部に沿って設けられた、幅方向に平行な断面における断面形状が曲線状であるか、または直線状部分が曲線状部分で接続された形状である溝部とを備える基板を有することを特徴とする。

本発明の１つの態様に係る半導体レーザ装置は、上記の半導体レーザ素子用パッケージと、前記搭載部に搭載された半導体レーザ素子と、前記基板の上面に前記凹部を塞いで接合された、前記反射ミラー部で反射されたレーザ光が透過する光学レンズを備える蓋体とを有することを特徴とする。

本発明の１つの態様に係る半導体レーザ素子用パッケージによれば、溝部の断面形状が曲線状であるか、または直線状部分が曲線状部分で接続された形状であることから、溝部が角部を有しないので、溝部への応力の集中を緩和して溝部にクラックが生じることを抑制することができ、反射ミラー部の変位による反射光の光路ずれを抑制することができる。

本発明の１つの態様に係る半導体レーザ装置によれば、上記の半導体レーザ素子用パッケージを用いることにより、光学特性に優れた半導体レーザ装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子用パッケージ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素子用パッケージの構成を示す図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す切断面線Ａ−Ａで切断した断面図である。 本発明の実施形態に係る半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る半導体レーザ素子用パッケージの構成を示す図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す切断面線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る半導体レーザ素子用パッケージの構成を示す図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す切断面線Ｃ−Ｃで切断した断面図である。

本発明の例示的な実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子用パッケージの構成を示す斜視図である。図２は、実施形態に係る半導体レーザ素子用パッケージの構成を示す図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す切断面線Ａ−Ａで切断した断面図である。図３は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。

本実施形態の半導体レーザ素子用パッケージ１は、図１および図２に示すように、上面側に開口するとともに底面に段差部５ａが設けられた凹部５を備え、凹部５の底面のうち段差部５ａの上側に半導体レーザ素子を搭載する搭載部２ａが設けられた基板２を有する。この基板２の凹部５は、凹部５の底面のうち段差部５ａの下側に設けられた、搭載部２ａに搭載される半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を反射してレーザ光の光軸の向きを変える反射ミラー部３と、凹部５の底面のうち段差部５ａと反射ミラー部３との間の部分に段差部５ａに沿って設けられた、幅方向に平行な断面における断面形状が曲線状である溝部４とを有する。

本実施形態の半導体レーザ装置１００は、図３に示すように、半導体レーザ素子用パッケージ１と、半導体レーザ素子用パッケージ１の搭載部２ａに搭載された半導体レーザ素子１０と、基板２の上面に凹部５を塞いで接合された、反射ミラー部３で反射されたレーザ光が透過する光学レンズ１２を備える蓋体１１とを有する。半導体レーザ装置１００は、例えば光通信分野、プロジェクタまたはヘッドアップディスプレイ等の各種の画像表示分野、およびヘッドライト等の各種の照明分野で用いられる。

基板２は、例えば矩形状の板状の部材であり、段差部５ａの上側の面に、平坦面である搭載部２ａを有している。半導体レーザ素子１０は、基板２の搭載部２ａに、はんだまたはろう材などの接合部材１３によって接合されて搭載される。

基板２には、例えば酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス），窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体またはガラスセラミック焼結体等のセラミックスを用いることができる。基板２は、このようなセラミックスからなる複数の絶縁層が積層されて形成されていてもよいし、所定の形状に成形できるような金型を用いて、セラミックグリーンシートを加圧成形することによって形成されていてもよい。

また、基板２が樹脂材料を用いて作製される場合は、例えばエポキシ樹脂，ポリイミド樹脂，アクリル樹脂，フェノール樹脂，ポリエステル樹脂，または四フッ化エチレン樹脂を始めとするフッ素系樹脂等を用いることができる。

基板２が例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る複数の絶縁層が積層されて形成されている場合であれば、まず、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダーおよび溶剤等を添加混合して泥漿状とする。次に、これをドクターブレード法やカレンダーロール法等によってシート状に成形してセラミックグリーンシートを得る。その後、セラミックグリーンシートに適当な打抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層する。そして、これを高温（約1600℃）で焼成することによって製作される。また、所定の形状に成形できるような金型を用いて、セラミックグリーンシートを加圧することによって所定の形状に成形し、これを同様に高温で焼成することによって製作してもよい。

半導体レーザ素子１０は、レーザダイオードなどの発光素子であり、端面出射型の発光素子である。搭載部２ａに搭載された半導体レーザ素子１０が出射するレーザ光は、その光軸が、搭載部２ａの平坦面に平行となっている。このようなレーザ光を半導体レーザ装置１００の外部に取り出すために、凹部５の底面のうち段差部５ａの下側に反射ミラー部３が設けられる。

反射ミラー部３は、半導体レーザ素子１０から出射されるレーザ光の光路上に配置されており、反射ミラー部３の表面である反射面３ａによってレーザ光を反射して、レーザ光の光軸の向きを変えている。すなわち、反射ミラー部３は半導体レーザ素子１０から出射されるレーザ光に対する光路変換部材である。本実施形態の反射ミラー部３の反射面３ａは、基板２の材質が表面に露出した状態である。ただし、反射ミラー部３の反射面３ａは、基板２の材質が表面に露出した状態に限定されず、その表面に蒸着法やスパッタリング法を用いて誘電体多層膜や蒸着膜が形成されたものであってもよい。また、反射ミラー部３は、ガラスに反射板を形成された反射ミラーを貼付けたものであってもよい。

本実施形態においては、反射ミラー部３は、反射面３ａが搭載部２ａの平坦面に対して、すなわちレーザ光の光軸に対して４５°の角度になるように設けられる。これによって、半導体レーザ素子１０から出射されたレーザ光の光軸を９０°変換させて上方に向けて反射して、半導体レーザ装置１００の外部にレーザ光を取り出すことができる。

溝部４は、基板２の凹部５の底面のうち段差部５ａと反射ミラー部３との間の部分に段差部５ａに沿って設けられており、幅方向に平行な断面における断面形状が、曲線状であるか、または直線状部分が曲線状部分で接続された形状である。この断面形状は、溝部４の長さ方向の全体にわたって一様である。すなわち、本実施形態において、基板２に設けられた溝部４の内面は角部を有していない。

溝部４の断面形状が曲線状である場合は、曲線状が円形状の一部、楕円形状の一部、二次曲線の一部などであってもよく、これらを組み合わせた形状であってもよい。

本実施形態においては、溝部４の幅方向に平行な断面における断面形状が、直線状部分が曲線状部分で接続された形状である。さらに本実施形態は、溝部４の断面形状が、溝部４の深さが深くなるにしたがって幅が狭くなる形状である。

具体的には、溝部４は、搭載部２ａの端面（段差部５ａの側面）が下方に延出した第１面４ａと、反射ミラー部３の反射面３ａが下方に延出した第２面４ｂと、これらを繋ぐ所
定の曲率半径Ｒを有する曲面４ｃとを含んで構成されている。

本実施形態では、溝部４が角部を有していないので、溝部４への応力の集中を緩和して溝部４にクラックが生じることを抑制することができ、クラックが生じることによって引き起こされる反射面３ａの変位による反射光の光路ずれを抑制することができる。

溝部４の幅方向に平行な断面において、本実施形態では、曲面４ｃの曲率半径Ｒは、例えば０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍとすることができ、好ましくは０．０２ｍｍ〜０．０８５ｍｍである。Ｒが０．０２ｍｍよりも小さいと溝部４にクラックが生じることを抑制する効果が小さくなり、Ｒが０．０９ｍｍよりも大きいと溝部４が浅くなってしまう。これらの場合には、半導体レーザー素子１０を搭載する際の位置合わせのばらつきが大きくなるという不具合が、また、溝部４を更に大きくすると半導体レーザー素子１０と反射ミラー部３との距離が長くなって最適な光学設計ができなくなるという不具合が発生する。

凹部５は、基板２の上面に上面側に開口するように設けられ、その底面に搭載部２ａ、反射ミラー部３および溝部４を備えている。本実施形態では、凹部５を備えた基板２は、各部の間に明確な境界はなく、同一材料からなり、一体化されている。

半導体レーザ素子用パッケージ１は、半導体レーザ素子１０と外部回路とを電気的に接続するための外部接続端子８ａ、信号配線（貫通導体）８ｂおよび素子接続端子８ｃを含む導電性部材８を備えている。半導体レーザ素子１０と素子接続端子８ｃとは、例えばボンディングワイヤ９によって電気的に接続されている。

導電性部材８を構成する材料としては、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ），銀（Ａｇ）または銅（Ｃｕ）等の金属材料を用いることができる。

蓋体１１は、セラミック材料または金属材料からなる板状部材であり、その一部に光学レンズ１２が備えられる。蓋体１１は、半導体レーザ素子１０が搭載された状態の半導体レーザ素子用パッケージ１の内部空間の気密性を確保するために、凹部５の周囲の基板２の上面に接合される。

蓋体１１と半導体レーザ素子用パッケージ１との接合、詳細には蓋体１１と凹部５の周囲の基板２の上面との接合には、例えばろう材等からなる封止材を用いる。また、シールリングを介して溶接によって蓋体１１を接合するようにしてもよい。光学レンズ１２は、蓋体１１に設けられた貫通孔に嵌め込まれて固定されており、蓋体１１を凹部５の周囲の基板２の上面に接合したときに反射ミラー部３の上方に位置するように設けられる。

半導体レーザ素子１０から出射されたレーザ光は、反射ミラー部３の反射面３ａで光軸の向きが９０°変えられて、搭載部２ａの平坦面に直交する方向であって、基板２から離なれる方向に進行する。光軸の向きが変えられたレーザ光は、反射ミラー部３の上方に位置する光学レンズ１２を透過して半導体レーザ装置１００の外部に取り出される。

光学レンズ１２は、半導体レーザ装置１００の使用目的に合わせて、集光レンズ，拡散レンズまたはコリメータレンズ（平行光レンズ）等の光学特性がそれぞれ異なるレンズから適宜選択すればよい。

上記の半導体レーザ素子用パッケージ１を用いることにより、光学特性に優れた半導体レーザ装置１００を提供することができる。

ここで、基板２の各部位が同一材料からなり、一体化されている半導体レーザ素子用パ
ッケージ１の製造方法について説明する。本実施形態の製造方法は、熱可塑性シートを用いたモールド工法を利用するものである。この熱可塑性シートは、加熱することで軟化して流動性を発現するセラミックシートである。なお、この熱可塑性シートとしては、例えばアルミナ，窒化アルミニウムまたはガラスセラミックスを主成分にし、バインダーおよび可塑剤などの有機成分を添加して、６０〜８０℃における弾性率を低く調整したテープを用いる。

また、製造しようとする半導体レーザ素子用パッケージ１の形状に対応する鋳型を作製する。

半導体レーザ素子用パッケージ１の製造方法では、まず、熱可塑性シートに厚み方向に貫通する貫通孔を形成し、この貫通孔に貫通導体用の導電性ペーストを充填するとともに、各接続端子用の導電性ペーストを従来公知のスクリーン印刷法によって熱可塑性シート表面に印刷する。

次に、導電性ペーストが充填および印刷された熱可塑性シートに、流動性が発現する温度条件の加熱下で鋳型を押し付けて、この熱可塑性シートを所望の形状に変形させる。このとき、反射ミラー部３および搭載部２ａが鋳型に合って盛り上がるように形成され、溝部４が鋳型に合って窪むように形成される。そして、変形後の熱可塑性シートを焼成することによって、半導体レーザ素子用パッケージ１を製造することができる。

このようなモールド工法を利用した製造方法では、１枚の熱可塑性シートを鋳型によって変形させて焼成するので、半導体レーザ素子用パッケージ１は、全体が熱可塑性シートに用いた材料で同一材料となり、各部の間に境界が存在しない一体化されたものとして得られる。

モールド工法は、鋳型を用いて型押しで半導体レーザ素子用パッケージ１を製造するので、微小な凹凸形状に対応することが可能であり、角部を有していない溝部４を形成することが容易である。また、グリーンシートを複数枚積層した積層体を焼成する方法等に比べて、容易かつ短時間で半導体レーザ素子用パッケージ１を製造することができる。

次に、図４は、本発明の他の実施形態に係る半導体レーザ素子用パッケージの構成を示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す切断面線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。

本実施形態は、図４（ｂ）の断面図に示すように、溝部６の断面形状が上記実施形態の溝部４の断面形状と異なっている点以外は同じであるので、同じ部位については同じ参照符号を付して説明は省略する。搭載部２ａの端面（段差部５ａの側面）が下方に延出した第１面６ａと、反射ミラー部３の反射面３ａが下方に延出した第２面６ｂと、平坦状の底面である第３面６ｃと、第１面６ａと第３面６ｃとを繋ぐ所定の曲率半径Ｒ１を有する第１曲面６ｄと、第２面６ｂと第３面６ｃとを繋ぐ所定の曲率半径Ｒ２を有する第２曲面６ｅとを含んで構成されている。この例においても、溝部６が角部を有していないので、溝部６への応力の集中を緩和して溝部６にクラックが生じることを抑制することができ、クラックが生じることによって引き起こされる反射面３ａの変位による反射光の光路ずれを抑制することができる。

本実施形態において、第１曲面６ｄの曲率半径Ｒ１は、例えば０．０１ｍｍ〜０．２ｍｍとすることができ、好ましくは０．０５ｍｍ〜０．１７５ｍｍである。Ｒ１が０．０１ｍｍよりも小さいとクラックが生じることを抑制する効果が小さくなり、Ｒ１が０．２ｍｍよりも大きいと溝部６が浅くなってしまう。また、第２曲面６ｅの曲率半径Ｒ２は、例
えば０．００５ｍｍ〜０．３ｍｍとすることができ、好ましくは０．１ｍｍ〜０．２５ｍｍである。Ｒ２が０．００５ｍｍよりも小さいとクラックが生じることを抑制する効果が小さくなり、Ｒ２が０．３ｍｍよりも大きいと溝部６が浅くなってしまう。

図５は、本発明のさらに他の実施形態に係る半導体レーザ素子用パッケージ１Ｂの構成を示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す切断面線Ｃ−Ｃで切断した断面図である。

本実施形態は、溝部７が、上記の実施形態と同様に、幅方向に平行な断面における断面形状が直線状部分が曲線状部分で接続された形状であることに加えて、幅方向に垂直な断面における断面形状も直線状部分が曲線状部分で接続された形状である。すなわち、凹部５の内壁面５ｂと溝部７の底面との接続部分が曲線状である。

これにより、凹部５の内壁面５ｂと溝部７の底面との接続部分が角部ではないので、その接続部分への応力の集中を緩和して溝部７の端部にクラックが生じることを抑制することができ、クラックが生じることによって引き起こされる反射面３ａの変位による反射光の光路ずれを抑制することができる。

１，１Ａ，１Ｂ 半導体レーザ素子用パッケージ
２ 基板
２ａ 搭載部
３ 反射ミラー部
３ａ 反射面
４，６，７ 溝部
５ 凹部
５ａ 段差部
５ｂ 内壁面
８ 導電性部材
８ａ 外部接続端子
８ｂ 信号配線
８ｃ 素子接続端子
９ ボンディングワイヤ
１０ 半導体レーザ素子
１１ 蓋体
１２ 光学レンズ
１３ 接合部材
１００ 半導体レーザ装置

Claims (5)

1. 上面側に開口した凹部と、
   前記凹部の底面に設けられた段差部と、
   前記凹部の底面のうち前記段差部の上側に設けられた、半導体レーザ素子を搭載する搭載部と、
   前記凹部の底面のうち前記段差部の下側に設けられた、前記搭載部に搭載される前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を反射して前記レーザ光の光軸の向きを変える反射ミラー部と、
   前記凹部の底面のうち前記段差部と前記反射ミラー部との間の部分に前記段差部に沿って設けられた、幅方向に平行な断面における断面形状が曲線状であるか、または直線状部分が曲線状部分で接続された形状である溝部と
   を備える基板を有することを特徴とする半導体レーザ素子用パッケージ。
2. 前記溝部の断面形状は、溝部の深さが深くなるにしたがって幅が狭くなる形状であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子用パッケージ。
3. 前記反射ミラー部と前記基板とは、同一材料からなり一体化されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ素子用パッケージ。
4. 前記反射ミラー部と前記基板とは、セラミック材料からなることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ素子用パッケージ。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子用パッケージと、
   前記搭載部に搭載された半導体レーザ素子と、
   前記基板の上面に前記凹部を塞いで接合された、前記反射ミラー部で反射されたレーザ光が透過する光学レンズを備える蓋体と
   を有することを特徴とする半導体レーザ装置。

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