JP2022163245A - レーザ発光素子およびレーザ発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ発光素子の反りの矯正を容易に行う。【解決手段】レーザ発光素子１０は、第１の主面Ｓ１側に設けられた第１電極１１と、第１の主面の裏面である第２の主面Ｓ２側に設けられた第２電極１２と、第１の主面Ｓ１と第２の主面Ｓ２とを連結する端面Ｓ３に設けられた出射面１４と、第１の主面Ｓ１から突出する一又は複数の突起部１６と、第１の主面Ｓ１と前記第２の主面Ｓ２とを連結する端面Ｓ３に設けられた出射面１４から、出射面１４と交わる第１方向にレーザ光を出射するエミッタと、を備える。突起部１６は、第１の主面の法線方向において、エミッタと対向している。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ発光素子およびレーザ発光装置に関する。

半導体レーザ装置の製造において、レーザダイオード（ＬＤ）チップは、チップの一方の面に治具を接触させ、治具を介して一方の面から加熱したはんだ層にチップを押さえつけることで、ヒートシンクにはんだ付けされ、固定され得る（例えば、特許文献１参照）。

製造後のＬＤチップには、内部応力による反りが生じている場合がある。しかしながら、上記工程を経ることで、ＬＤチップの治具を介した押圧により、反りはある程度矯正され、平坦面を有するＬＤチップがヒートシンクに固定され得る。

特開２００４－２３５５３４号公報

治具のＬＤチップを押さえつける面は、通常平坦であり、チップの一方の面と面接触する。治具とチップとの接触が面接触であると、反りの位置に応じてチップとの真の接触部位がばらつき、反りの矯正を十分に行うことが難しい。結果、ＬＤチップの発光点の位置および発光方向がばらつくなど、特性が安定しない。

特に、チップ端面に複数のエミッタおよび複数の発光点を有するＬＤチップでは、チップの反りにより発光点の位置が上下方向にばらつくことがある。結果、複数の発光点が一直線に整列せず、発光点の一部がチップ端面に沿った直線からずれて整列し得る。しかしながら、上記のチップ装着方法を用いては、発光点の上下方向のばらつきを矯正することが困難である。

上記に鑑み、本発明の一側面は、第１の主面およびその裏面である第２の主面を有するレーザ発光素子であって、前記第１の主面側に設けられた第１電極と、前記第２の主面側に設けられた第２電極と、前記第１の主面から突出する一または複数の突起部と、前記第１の主面と前記第２の主面とを連結する端面に設けられた出射面から、前記出射面と交わる第１方向にレーザ光を出射するエミッタと、を備え、前記突起部は、前記第１の主面の法線方向において前記エミッタと対向している、レーザ発光素子に関する。

本発明の他の側面は、上記レーザ発光素子と、レーザ発光素子が配置されるサブマウントと、前記第２の主面と前記サブマウントとの間の接着層と、を備える、レーザ発光装置に関する。

本発明によれば、レーザ発光素子の反りの矯正を容易に行うことができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ発光素子およびレーザ発光装置の概略構成を示す斜視模式図である。 レーザ発光素子の上面における突起部のレイアウトを示す図である。 レーザ発光素子の上面における突起部の別のレイアウトを示す図である。

本実施形態に係るレーザ発光素子は、第１の主面およびその裏面である第２の主面を有するレーザ発光素子であって、第１の主面側に設けられた第１電極と、第２の主面側に設けられた第２電極と、第１の主面から突出する一または複数の突起部と、第１の主面と第２の主面とを連結する端面に設けられた出射面から、出射面と交わる第１方向にレーザ光を出射するエミッタと、を備える。レーザ発光素子は、例えば、チップ形状のレーザダイオード（以下、ＬＤチップと称する）であり、チップの端面からレーザ光を出射する端面発光型のＬＤチップが好ましく用いられ得る。

上記構成のレーザ発光素子によれば、第１の主面の側から治具を介してレーザ発光素子を押圧することで、レーザ発光素子を取り付けることができる。このとき、治具は、突起部を介してレーザ発光素子と接触し、接触部の面積が低減されている。これにより、突起部に安定した圧力が加わるため、チップの反りの矯正が容易となる。

レーザ発光素子は、通常、上記第１方向にレーザ光を出射するためのエミッタを有している。エミッタは、レーザ発光素子内において光共振器が構成される領域を含み、端面の出射面から光が出射される。突起部は、エミッタと対向するように設けられ、少なくとも一部が端面に設けられた出射面に近接して設けられる。これにより、エミッタの反りの矯正を効率的に行うことができる。なお、突起部がエミッタと対向するとは、突起部およびエミッタ形成領域を第１の主面上に投影したとき、突起部の少なくとも一部がエミッタ形成領域と重なることを意味する。突起部は、第１電極と一体であってもよく、別体であってもよい。

好ましくは、突起部の少なくとも一つにおいて、突起部との離間距離が最短となる出射面の第１位置から、第１位置までの距離が最短となる突起部の第２位置に向かう方向は、第２の主面から第１の主面に向かう方向を向いている。第１位置は、出射面上において、突起部との離間距離が最短となる位置を意味する。第２位置は、突起部の表面（外表面および内表面）にあって、出射面との距離が最短となる位置を意味する。突起部の少なくとも一つは、第１の主面上を第１方向に向かって端面（出射面）の側へ延在し得る。

第２の主面から第１の主面に向かう方向とは、ＬＤチップの厚み方向に略平行な方向を意味する。ただし、第２の主面から第１の主面に向かう方向は、チップの厚み方向に平行であってもよく、厚み方向に対して若干傾いた方向を向いていてもよい。よって、第１位値から第２位置に向かう方向が第２の主面から第１の主面に向かう方向を向くとは、突起部の少なくとも一部が、第１の主面上において、厚み方向において出射面の直上の位置（すなわち、出射面を第１の主面に投影したときの投影像に含まれる位置）を含むように、あるいは当該直上の位置の近傍の領域を含むように設けられていることを意味する。

この場合、突起部は出射面の近傍の位置に設けられているため、発光点の上下方向（チップの厚み方向）における位置ずれを効率的に矯正することができる。

なお、突起部を介して、治具とレーザ発光素子との接触面積が低減される場合であっても、アモントンの法則により、治具とレーザ発光素子との間の摩擦力は制御可能である。

レーザ発光素子は、出射面を複数有していてもよい。エミッタを複数有する場合、出射面は、複数のエミッタのそれぞれと対応するように複数設けられる。また、この場合、複数の出射面のそれぞれと対応するように、複数の突起部が離間して設けられ得る。これにより、それぞれの発光点の上下方向における位置ずれが矯正されるように、複数の出射面（の中心）を端面上の共通の直線に沿って配列させることができる。複数の突起部は、例えば、対応する出射面におけるレーザ光の出射方向（第１方向）に平行に第１の主面上に延在するともに、互いに離間するように配置され得る。

なお、複数の出射面の中心が端面上の共通の直線に沿って配列しているとは、複数の出射面の中心が厳密に共通の直線上に存在する場合に限られるものではなく、複数の出射面のそれぞれの中心から共通の直線までの距離が１０μｍ以下である場合を含む。

以下、本実施形態に係るレーザ発光素子の具体的態様について、図面を参照しながら、より詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ発光素子１０、および、レーザ発光素子１０を備えるレーザ発光装置１００の概略を模式的に示す斜視図である。図２は、レーザ発光素子１０を第１の主面Ｓ１側から見た上面図であり、突起部１６のレイアウトを示している。

レーザ発光素子１０は、第１の主面Ｓ１と、第１の主面Ｓ１の裏面である第２の主面Ｓ２と、第１の主面Ｓ１と第２の主面Ｓ２とを連結する端面Ｓ３と、を有する。レーザ発光素子１０は、第１の主面Ｓ１側に設けられた第１電極１１と、第２の主面Ｓ２側に設けられた第２電極１２と、端面Ｓ３に設けられた出射面１４と、第１の主面Ｓ１から突出する突起部１６と、を備えてなる。なお、以下において、第１の主面Ｓ１および第２の主面Ｓ２に垂直な方向であって、第１の主面Ｓ１から第２の主面Ｓ２に向かう方向を下方向と称し、第２の主面Ｓ２から第１の主面Ｓ１に向かう方向を上方向と称する場合がある。

レーザ発光素子１０は、例えば、端面発光型（ＥＥＬ：Edge Emitting Laser）のレーザダイオード（ＬＤ）であり、チップ形状をしたＬＤチップである。チップの上面（第１の主面Ｓ１）側および下面（第２の主面Ｓ２）側には、第１電極１１および第２電極１２が、それぞれ設けられている。図示例の場合、第１の主面Ｓ１および第２の主面Ｓ２は、それぞれ、第１電極１１および第２電極１２の表面である。両電極を介してレーザダイオードに電流を供給することで、端面Ｓ３に設けられた出射面１４からレーザ光が、端面Ｓ３と交わる方向に出射される。

第１電極１１と第２電極１２との間に、半導体層１３が挟持されている。半導体層１３は、図示しないが、例えば、ｐｎ接合が形成された発光層と、発光層を挟持するＰ型クラッド層およびＮ型クラッド層との積層体を含む。発光層で生成された光がクラッド層との境界で反射するように、クラッド層は発光層よりも低屈折率に形成されている。これにより、発光層で生成された光は発光層内に閉じ込められ、増幅される。クラッド層に挟まれた積層体内の領域は、光共振器を形成する。

レーザ発光素子１０は、例えば、第１の主面Ｓ１に平行に形成された長尺のバー形状の光共振器（不図示）を備える。光共振器の長手方向の一方の端面（端面Ｓ３と反対側の端面に相当）は光が殆ど反射するように高反射率の膜で覆われている。一方、光共振器の長手方向の他方の端面（端面Ｓ３に相当）にも高反射率の膜で覆われているが、反射率は一方の端面に設けられた反射膜よりも小さい。よって、両端面からの反射により増幅され位相の揃ったレーザ光が、他方の端面Ｓ３の出射面１４から出射される。

光共振器の形成方法としては、クラッド層に凹凸を形成し、凸部のリッジ部分に光共振器を形成するリッジ方法と、クラッド層内に電流狭窄層を設け、電流が供給される発光層の領域を制限する電流狭窄方法とが挙げられる。
具体的には、例えば、第１電極１１と第２電極１２との何れか一方と半導体層１３のＰ型クラッド層との間には、Ｐ型のコンタクト層が介在し、第１電極１１と第２電極１２との何れか他方と半導体層１３のＮ型クラッド層との間には、Ｎ型のコンタクト層（基板層であってもよい）が介在している。電流狭窄方法を用いる場合、例えば、Ｐ型のコンタクト層内の一部領域にキャリアブロック層（不図示）が設けられ、半導体層１３へのキャリアの供給が制限される。これにより、キャリアブロック層の上方または下方に位置する半導体層１３の発光層にはキャリアが供給され難く、発光が誘起され難い。キャリアブロック層は、例えば、絶縁性の材料であってもよく、Ｐ型のコンタクト層内に設ける場合には、Ｎ型の半導体層であってもよい。キャリアブロック層は、例えば、レーザ光の出射方向（第１方向）に平行なストライプ形状に形成され得る。このとき、レーザ発光素子１０を上下方向から見たとき、隣接するキャリアブロック層に挟まれた領域に存在する発光層の一部が、光共振器（エミッタ）を構成し得る。リッジ方法を用いる場合、クラッド層のリッジ部分の上方または下方に位置する発光層の一部が、光共振器（エミッタ）を構成する。

レーザ発光素子１０内に光共振器が複数設けられる場合、レーザ光は、それぞれの光共振器に対応する複数の出射面１４から出射され得る。複数の出射面１４は、端面Ｓ３上を一次元的に整列し得る。ただし、製造時に生じるチップの反り等の影響により、複数の出射面１４の上下方向の位置がばらつき、複数の出射面１４の中心が略同一の直線上にあるとは言い切れない場合がある。しかしながら、本実施形態のレーザ発光素子１０では、突起部１６を介した押圧によってチップの反りを矯正し、複数の出射面１４を共通の直線に沿って配列させることが容易に可能である。
なお、図１では、レーザ発光素子１０内に３つの出射面１４が示されているが、本発明はエミッタの数に限定されるものではない。

以下において、出射面１４から出射されるレーザ光の出射方向（第１方向）と反平行な方向（すなわち、バー形状の光共振器の長手方向）をＸ方向とする。第１の主面Ｓ１からみて端面Ｓ３が延びる方向をＹ方向とする。Ｘ方向およびＹ方向は、図２に示されている。

第１電極１１の一部を覆うように、第１の主面Ｓ１から突出する突起部１６が形成されている。突起部１６は、第１の主面Ｓ１上を第１方向に向かって端面Ｓ３の側へ延在し、端面Ｓ３における出射面１４の直上に相当する第１の主面Ｓ１上の位置Ｑ（すなわち、出射面１４との距離が最短となる突起部１６の位置）まで、第１方向に延在している。出射面１４上において突起部１６との離間距離が最短となる位置Ｐから、突起部１６において位置Ｐまでの距離が最短となる位置Ｑに向かう方向は、第２の主面Ｓ２から第１の主面Ｓ１に向かっており、ＬＤチップの厚み方向に平行である。突起部１６は、バー形状に形成された光共振器の上を、光共振器の長手方向に沿って第１の主面Ｓ１上に延在し得る。すなわち、突起部１６は、エミッタの上方に形成され得る。

図１および図２に示す例では、突起部１６は、第１の主面Ｓ１と端面Ｓ３とを連結する辺のうち出射面１４の直上の位置Ｑから、第１方向と反平行な方向（Ｘ方向）に延在している。しかしながら、突起部１６は、端面Ｓ３から離間した第１の主面Ｓ１内の位置Ｒ（図示せず）を起点として第１方向と反平行な方向に延在していてもよい。その場合、出射面１４上の位置Ｐにおいて突起部１６との離間距離が最短となることは変わらず、位置Ｒにおいて、位置Ｐまでの距離が最短となる。位置Ｐから位置Ｒに向かう方向は、ＬＤチップの厚み方向から傾斜した方向を向く。
突起部１６と端面Ｓ３との離間距離（位置Ｒの端面Ｓ３までの距離）は、５０μｍ以下であってもよい。突起部１６と端面Ｓ３との離間距離が５０μｍ以下の場合、位置Ｐから位置Ｒに向かう方向は、ＬＤチップの厚み方向から若干傾いた方向を向くものの、第２の主面Ｓ２から第１の主面Ｓ１に向かう方向であるといえる。この場合には、突起部１６は、第１の主面Ｓ１上において、出射面１４の直上の位置の近傍に設けられているとみなせる。

突起部１６のＹ方向における幅Ｌ１は、例えば、２０μｍ～１００μｍであればよい。突起部１６のＸ方向における延在長さＬ２は、例えば、２０μｍ以上もしくは１ｍｍ以上であってもよい。チップのＸ方向の長さ（共振器長）が１ｍｍ以上の高出力のレーザ発光素子において、チップの反りの問題が顕著である。しかしながら、レーザ発光素子１０は、延在長さＬ２が１ｍｍ以上の場合においても、突起部１６によりチップの反りの矯正が容易に可能である。

図２の例では、突起部１６のＹ方向における幅Ｌ１は、出射面１４のＹ方向における幅Ｌ３よりも長い。しかしながら、治具との接触面積を低減する観点から、幅Ｌ１は、幅Ｌ３と同じ長さか、幅Ｌ３よりも短くてもよい。端面Ｓ３側（第１方向：Ｘ方向に反平行な方向）から突起部１６を見たとき、突起部１６の少なくとも一部が、出射面１４の少なくとも一部とＹ方向において重なりを有していればよい。突起部１６のＹ方向における幅Ｌ１は、出射面１４のＹ方向における幅Ｌ３の１／４倍～２倍であってもよい。出射面１４のＹ方向における幅Ｌ３は、例えば、１０μｍ～２００μｍもしくは８０μｍ～１５０μｍであってもよい。

レーザ発光素子が出射面１４を複数有する場合、突起部１６は、複数の出射面１４のそれぞれと対応するように複数設けてもよい。この場合、図２に示すように、複数の突起部１６のそれぞれは、第１の主面Ｓ１上をＸ方向に延在しているともに、互いに離間して形成されていてもよい。

突起部１６の第１の主面Ｓ１からの突出高さは、例えば、１μｍ～２μｍであってもよい。

突起部１６は、第１電極１１上に形成され得る。突起部１６は、Ｘ方向において第１電極１１と重なるように形成され得る。突起部１６の材質については、限定されるものではないが、導電性を有する材料が好ましい。導電性を有する材料として、突起部１６は、金属材料を含んでいてもよい。金属材料は、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、錫（Ｓｎ）、パラジウム（Ｐｄ）などが挙げられる。突起部１６は、例えば、メタルマスクを用いた蒸着法により第１の主面Ｓ１上に形成することができる。

レーザ発光素子１０は、例えば、第２の主面Ｓ２とサブマウント３０との間に介在する接着層２０によって、サブマウント３０に固定され、レーザ発光装置１００が構成され得る。サブマウントは、例えば、チタン－タングステン合金（ＴｉＷ）、銅－タングステン合金（ＣｕＷ）あるいは銅－モリブデン合金（ＣｕＭｏ）であり、例えば銅板の上に配置され得る。接着層２０は、例えば、はんだ層であり、より具体的には、例えば金（Ａｕ）と錫（Ｓｎ）を含むはんだ層であり得る。

レーザ発光素子１０のサブマウント３０への固定は、例えば、接着層２０を介してサブマウント３０の上に配置したレーザ発光素子１０を、突起部１６を介して押圧することにより行われ得る。この場合、突起部１６を設けない従来の場合と比べて治具との接触面積が低減されるため、突起部に安定した圧力が加わり、チップの反りの矯正が容易となる。また、突起部が出射面１４の近傍の位置に設けられていることで、反りに伴う発光点の上下方向（チップの厚み方向）における位置ずれを効率的に矯正することができる。

図３は、レーザ発光素子における突起部１６のレイアウトの別の例を示す図である。図３では、図２の例と異なり、突起部１６は、第１の主面Ｓ１上内の第１領域Ａ１と、出射面１４から出射されるレーザ光の出射方向（第１方向：Ｘ方向に反平行な方向）において第１領域Ａ１と対向する第１の主面Ｓ１内の第２領域Ａ２と、に離間して形成されている。これらのうち、第１領域Ａ１に形成された突起部１６が、端面Ｓ３の出射面１４が設けられた位置の直上に相当する第１の主面Ｓ１上の位置（すなわち、出射面１４との離間距離が最短となる位置）に向かって、第１方向に延在している。

レーザ発光素子の他の構成については、上述したレーザ発光素子１０と同様である。
図３において、第１領域Ａ１のみに突起部１６を設けてもよい。これは、図２のレイアウトにおいて、突起部１６のＸ方向における延在長さＬ２を、Ｙ方向における幅Ｌ１と同程度にまで短くした場合に相当する。

この場合、治具と突起部１６との接触面積を図２よりも小さくしながら、突起部を介して安定にレーザ発光素子１０を押圧でき、チップの反りの矯正が一層容易となる。

一方、第１の主面Ｓ１上において、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２を除く領域には、第１電極１１が露出している。よって、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２を除く領域を介して、外部電源との電気的接続を行ってもよい。

レーザ発光素子１０の外部電源との電気的接続は、通常、突起部１６および／または第１電極１１上にバンプ電極を配し、バンプ電極を金属板（例えば銅板）と接続することで行われ得る。第１の主面Ｓ１を占める突起部１６の面積が小さく、第１電極１１上のバンプ電極のみで十分な電気的接続を確保できる場合には、突起部１６上にバンプ電極を配さなくてもよい。この場合、突起部１６は、絶縁膜であっても構わない。

上述した実施形態は本発明の一例に過ぎず、各部の具体的な構成は上述した具体例に限定されるものではなく、本発明の作用効果が奏される範囲で適宜変更設計可能であることはいうまでもない。

本発明のレーザ発光素子は、複数エミッタからのレーザ光を一本のビームに集光することで高出力が容易に得られることから、レーザ加工に用いることができる。

１０：レーザ発光素子
１１：第１電極
１２：第２電極
１３：半導体層
１４：出射面
１６：突起部
２０：接着層
３０：サブマウント
１００：レーザ発光装置
Ｓ１：第１の主面
Ｓ２：第２の主面
Ｓ３：端面

Claims (8)

1. 第１の主面およびその裏面である第２の主面を有するレーザ発光素子であって、
   前記第１の主面側に設けられた第１電極と、
   前記第２の主面側に設けられた第２電極と、
   前記第１の主面から突出する一または複数の突起部と、
   前記第１の主面と前記第２の主面とを連結する端面に設けられた出射面から、前記出射面と交わる第１方向にレーザ光を出射するエミッタと、を備え、
   前記突起部は、前記第１の主面の法線方向において前記エミッタと対向している、レーザ発光素子。
2. 前記突起部の少なくとも一つにおいて、前記突起部との離間距離が最短となる前記出射面の第１位置から、前記第１位置までの距離が最短となる前記突起部の第２位置に向かう方向は、前記第２の主面から前記第１の主面に向かう方向を向いている、請求項１に記載のレーザ発光素子。
3. 前記突起部の少なくとも一つは、前記第１の主面上を前記第１方向に向かって前記端面の側へ延在している、請求項１または２に記載のレーザ発光素子。
4. 前記出射面を複数有し、
   複数の前記出射面の中心が、前記端面上の共通の直線に沿って配列している、請求項１～３のいずれか１項に記載のレーザ発光素子。
5. 前記突起部を、前記複数の出射面のそれぞれと対応するように複数有し、
   複数の前記突起部は、対応する前記出射面から出射するレーザ光の前記第１方向に平行に前記第１の主面上に延在しているともに、互いに離間している、請求項４に記載のレーザ発光素子。
6. 前記突起部は、前記第１の主面内の第１領域と、前記第１方向において前記第１領域と対向する前記第１の主面内の第２領域と、に離間して形成されている、請求項１～５のいずれか１項に記載のレーザ発光素子。
7. 前記突起部は導電性を有し、前記第１方向において前記第１電極と重なるように形成されている、請求項１～６のいずれか１項に記載のレーザ発光素子。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載のレーザ発光素子と、
   前記レーザ発光素子が配置されるサブマウントと、
   前記第２の主面と前記サブマウントとの間の接着層と、を備える、レーザ発光装置。

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