JP2023000813A - Semiconductor laser array, method for manufacturing semiconductor laser array, laser module, semiconductor laser processing apparatus, and single crystal substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、モノリシック型の半導体レーザーアレイ、半導体レーザーアレイの製造方法、レーザーモジュール、半導体レーザー加工装置及び単結晶基板に関する。 The present disclosure relates to a monolithic semiconductor laser array, a semiconductor laser array manufacturing method, a laser module, a semiconductor laser processing apparatus, and a single crystal substrate.
近年、銅、金、樹脂などの種々の材料に対するレーザー加工に期待が寄せられている。例えば、自動車産業では、電動化、小型化、高剛性化、デザイン自由度向上、及び生産性向上などが求められており、レーザー加工への期待が高い。 In recent years, expectations are high for laser processing of various materials such as copper, gold, and resin. For example, in the automobile industry, electrification, miniaturization, high rigidity, improvement in design flexibility, improvement in productivity, etc. are required, and expectations for laser processing are high.
特に、電気自動車用のモーターやバッテリーの製造において、レーザー光を用いて銅などの金属加工を行う場合、光吸収効率が高い青紫色~青色(波長350nm以上450nm以下)のレーザー光を出力することができるレーザー光源を使用する必要がある。また、生産性の高いレーザー加工を実現するためには、高出力かつ集光性の高いビーム品質を備えたレーザー光源が必要となる。 In particular, when laser light is used to process metals such as copper in the manufacture of motors and batteries for electric vehicles, it is necessary to output laser light with a high light absorption efficiency of bluish violet to blue (wavelength 350 nm to 450 nm). It is necessary to use a laser light source capable of In addition, in order to realize laser processing with high productivity, a laser light source with high output and high beam quality with high convergence is required.
このため、複数のレーザー光を集光することで、高出力、かつ、高いビーム品質のレーザー光を出力するレーザー加工装置の開発が求められている。例えば、特許文献1には、一次元的に並ぶ複数のビームエミッターから出力されるレーザー光を集光する波長ビーム結合(WBC:Wavelength Beam Combining)システムが開示されている。WBC方式のレーザー加工装置には、一次元にビームエミッターを精度良く配置できるモノリシック型の半導体レーザーアレイが用いられている。
Therefore, there is a demand for the development of a laser processing apparatus that outputs laser light with high output and high beam quality by condensing a plurality of laser lights. For example,
WBC方式のレーザー加工装置において、金属加工が可能なレーザー光を得るためには、半導体レーザーアレイに高い電流を流す必要がある。このため、容量の大きい電源装置が必要である。 In order to obtain laser light capable of metal processing in a WBC laser processing apparatus, it is necessary to apply a high current to the semiconductor laser array. Therefore, a power supply device with a large capacity is required.
本開示は、レーザー光の発振に必要な電流を低減できるモノリシック型の半導体レーザーアレイ、半導体レーザーアレイの製造方法、レーザーモジュール、半導体レーザー加工装置及び単結晶基板を提供することを目的としている。 An object of the present disclosure is to provide a monolithic semiconductor laser array, a semiconductor laser array manufacturing method, a laser module, a semiconductor laser processing apparatus, and a single crystal substrate that can reduce the current required for laser light oscillation.
本開示の半導体レーザーアレイは、
絶縁性単結晶部と、前記絶縁性単結晶部によって互いに隔てられている第1の導電性単結晶部及び第2の導電性単結晶部と、を有する単結晶基板と、
端面からレーザー光を出射するエミッター部を有しており、前記第1の導電性単結晶部の表面及び前記第2の導電性単結晶部の表面にそれぞれ配置される第1の積層構造体及び第2の積層構造体と、
前記第1の積層構造体及び前記第2の積層構造体にそれぞれ配置される第1のp側電極及び第2のp側電極と、
前記第1の導電性単結晶部の裏面及び前記第2の導電性単結晶部の裏面にそれぞれ配置される第1のn側電極及び第2のn側電極と、
を備える。
The semiconductor laser array of the present disclosure comprises:
a single crystal substrate having an insulating single crystal portion and a first conductive single crystal portion and a second conductive single crystal portion separated from each other by the insulating single crystal portion;
a first laminated structure having an emitter portion for emitting a laser beam from an end face, and arranged on the surface of the first conductive single crystal portion and the surface of the second conductive single crystal portion; a second laminated structure;
a first p-side electrode and a second p-side electrode arranged on the first laminated structure and the second laminated structure, respectively;
a first n-side electrode and a second n-side electrode respectively arranged on the rear surface of the first conductive single crystal portion and the rear surface of the second conductive single crystal portion;
Prepare.
本開示の半導体レーザーアレイの製造方法は、
絶縁性単結晶を形成する工程と、
前記絶縁性単結晶の表面に突出部を形成する工程と、
前記絶縁性単結晶の表面の前記突出部を含む領域に、導電性単結晶を形成する工程と、
前記導電性単結晶の表面を加工して、前記導電性単結晶及び前記絶縁性単結晶を露出させるとともに、前記絶縁性単結晶の裏面を加工することで、前記絶縁性単結晶からなる絶縁性単結晶部と、前記導電性単結晶からなり、かつ、前記絶縁性単結晶部によって互いに隔てられた第1の導電性単結晶部及び第2の導電性単結晶部を形成する工程と、
端面からレーザー光を出射するエミッター部を有する第1の積層構造体及び第2の積層構造体を、前記第1の導電性単結晶部の表面及び前記第2の導電性単結晶部の表面に形成する工程と、
前記第1の積層構造体及び前記第2の積層構造体のそれぞれの表面に第1のp側電極及び第2のp側電極を形成する工程と、
前記第1の導電性単結晶部の裏面及び前記第2の導電性単結晶部の裏面に第1のn側電極及び第2のn側電極を形成する工程と、
を備える。
The method for manufacturing a semiconductor laser array of the present disclosure includes:
forming an insulating single crystal;
forming a protrusion on the surface of the insulating single crystal;
forming a conductive single crystal in a region including the protrusion on the surface of the insulating single crystal;
The surface of the conductive single crystal is processed to expose the conductive single crystal and the insulating single crystal, and the back surface of the insulating single crystal is processed to obtain an insulating layer made of the insulating single crystal. forming a single crystal portion and a first conductive single crystal portion and a second conductive single crystal portion made of the conductive single crystal and separated from each other by the insulating single crystal portion;
A first laminated structure and a second laminated structure having an emitter for emitting a laser beam from an end face are provided on the surface of the first conductive single crystal portion and the surface of the second conductive single crystal portion. forming;
forming a first p-side electrode and a second p-side electrode on respective surfaces of the first laminated structure and the second laminated structure;
forming a first n-side electrode and a second n-side electrode on the back surface of the first conductive single crystal portion and the back surface of the second conductive single crystal portion;
Prepare.
本開示のレーザーモジュールは、
上述の半導体レーザーアレイと、
前記第2のp側電極に接続されるp側電極ブロックと、
前記第1のn側電極に接続されるn側電極ブロックと、
前記p側電極ブロックと前記n側電極ブロックとを電気的に接続する接続体と、
前記第1の積層構造体及び前記第2の積層構造体の前記エミッター部の前記端面側に配置されるビームツイスターユニットと、
を備える。
The laser module of the present disclosure includes
a semiconductor laser array as described above;
a p-side electrode block connected to the second p-side electrode;
an n-side electrode block connected to the first n-side electrode;
a connector that electrically connects the p-side electrode block and the n-side electrode block;
a beam twister unit arranged on the end face side of the emitter section of the first laminated structure and the second laminated structure;
Prepare.
本開示の半導体レーザー加工装置は、上述のレーザーモジュールを備えている。 A semiconductor laser processing apparatus of the present disclosure includes the laser module described above.
本開示の単結晶基板は、
半導体レーザーアレイの製造に用いられる化合物半導体の単結晶基板であって、
絶縁性単結晶部と、
前記絶縁性単結晶部によって互いに隔てられている第1の導電性単結晶部及び第2の導電性単結晶部と、
を備え、
前記単結晶基板の一つの主面に、前記絶縁性単結晶部、前記第1の導電性単結晶部及び第2の導電性単結晶部が露出している。
The single crystal substrate of the present disclosure is
A compound semiconductor single crystal substrate used for manufacturing a semiconductor laser array,
an insulating single crystal portion;
a first conductive single crystal portion and a second conductive single crystal portion separated from each other by the insulating single crystal portion;
with
The insulating single-crystal portion, the first conductive single-crystal portion, and the second conductive single-crystal portion are exposed on one main surface of the single-crystal substrate.
本開示によれば、レーザー光の発振に必要な電流を低減できる半導体レーザーアレイ、半導体レーザーアレイの製造方法、レーザーモジュール、及び、半導体レーザー加工装置及び単結晶基板を提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a semiconductor laser array, a semiconductor laser array manufacturing method, a laser module, a semiconductor laser processing apparatus, and a single crystal substrate that can reduce the current required for laser light oscillation.
まず、本開示が、モノリシック型の半導体レーザーアレイ、半導体レーザーアレイの製造方法、レーザーモジュール、半導体レーザー加工装置及び単結晶基板に至った経緯を説明する。 First, a description will be given of how the present disclosure led to a monolithic semiconductor laser array, a method for manufacturing a semiconductor laser array, a laser module, a semiconductor laser processing apparatus, and a single crystal substrate.
図1は、WBC方式の半導体レーザー加工装置(以下、「加工装置」と称することもある。)800の概念図である。図2は、従来のモノリシック型の半導体レーザーアレイ10を示す斜視図である。
FIG. 1 is a conceptual diagram of a WBC semiconductor laser processing apparatus (hereinafter also referred to as "processing apparatus") 800. As shown in FIG. FIG. 2 is a perspective view showing a conventional monolithic
WBC方式の加工装置800は、半導体レーザーアレイ10、ビームツイスターユニット325、回折格子326、及び、外部共振ミラー328を備えている。
A
従来の半導体レーザーアレイ10は、導電性単結晶基板12、積層構造体14、p側電極18、n側電極19を備えている。積層構造体14は、半導体層16、17及び発光層15が積層された動作層であり、レーザー光1を出射する複数のエミッター部3が作り込まれている。
A conventional
また、半導体レーザーアレイ10は、リッジストライプ構造を有し、複数のエミッター部3がストライプ状に形成されている。積層構造体14において、エミッター部3の一方の端面からレーザー光1が出射される。以下、半導体レーザーアレイ10のレーザー光1が出射される端面を「出射端面」と称し、出射端面とは反対側に位置し、レーザー光1が出射されない端面を非出射端面と称する。
Moreover, the
なお、複数のエミッター部3が並ぶ方向におけるエミッター部3の幅はエミッター幅と呼ばれる。また、エミッター部3の長手方向の寸法、すなわち、出射端面から非出射端面までの寸法は共振器長と呼ばれる。
The width of the
p側電極18は、各エミッター部3の表面(凸部31の上面)に配置されているエミッター電極部83、及び、複数のエミッター電極部83に跨がって配置されたパッド電極部84を備えている。また、n側電極19は、導電性単結晶基板12の裏面に配置されている。
The p-
半導体レーザーアレイ10の出射端面には反射膜21が設けられており、非出射端面には、反射膜22が設けられている。
A reflecting
ビームツイスターユニット325は、それぞれの半導体レーザーアレイ10に設けられている。ビームツイスターユニット325は、複数の半導体レーザーアレイ10から出射された複数のレーザー光1をそれぞれ90°回転させる。これにより、互いに近い波長を有する複数のレーザー光1が相互に干渉することを防いでいる。
A
回折格子326は、透過型又は反射型の回折格子である。図1には、回折格子326が透過型の回折格子であることが示されている。このように、回折格子326が透過型の回折格子である場合、回折格子326は、入射したレーザー光1を、レーザー光1の波長に応じて出射角(回折角)βで回折し、レーザー光327として出射する。
外部共振ミラー328は、部分透過型ミラーである。
The external
回折格子326から出射されたレーザー光327は、外部共振ミラー328に入射し、外部共振ミラー328によって一部のレーザー光330が回折格子326に向けて垂直反射される。これにより、所定のロック波長を有するレーザー光が、非出射端面の反射膜22と外部共振ミラー28との間で外部共振を起こし、外部共振ミラー28からレーザー光329が出力される。ここで、ロック波長は、半導体レーザーアレイ10が有する個々のエミッター部3と回折格子326と外部共振ミラー328との位置関係で一意に決定される。
A
例えば、以下の条件(1)~(3)を満たす単一のエミッター部3を有する半導体レーザー素子から、2Wのレーザー光の出力を得るためには、半導体レーザー素子に約2Aの電流を流す必要がある。
(1)エミッター幅が15μm
(2)共振器長が2000μm
(3)主材料が窒化ガリウム(以降、GaNという)
なお、GaNを主とする窒化物半導体は、紫外域から赤外域までの波長帯の発光が可能な物質であり、波長380nm程度から540nm程度の発光を有する半導体レーザーの報告がある。
For example, in order to obtain a laser light output of 2 W from a semiconductor laser device having a
(1) Emitter width is 15 μm
(2) The resonator length is 2000 μm
(3) The main material is gallium nitride (hereinafter referred to as GaN)
Nitride semiconductors mainly composed of GaN are substances capable of emitting light in the wavelength range from the ultraviolet region to the infrared region, and there are reports of semiconductor lasers emitting light in the wavelength range of about 380 nm to about 540 nm.
図2の半導体レーザーアレイ10は、複数のエミッター部3が並列動作する。このため、エミッター部3の数が増えるほど、レーザー光329が発振するために必要な電流値が増加する。
In the
例えば、上述の条件(1)~(3)を有するエミッター部3を40個有する半導体レーザーアレイ10から80Wのレーザー光329の出力を得るためには、2A×40(40は、エミッター部3の個数)、すなわち、約80Aの電流を流すことができる電源装置が必要である。
For example, in order to obtain an output of
本発明者は、半導体レーザーアレイが有する複数のエミッター部の全てを並列動作させるのではなく、一部のグループを他のグループに対して直列動作させることで、レーザー光の発振に必要な電流を低減させることができることを見出した。 The inventor of the present invention operates some groups in series with other groups instead of operating all of the plurality of emitter sections of the semiconductor laser array in parallel, thereby reducing the current required for laser light oscillation. We have found that it can be reduced.
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は、数値、形状、材料、構成要素、及び、構成要素の配置位置や、接続形態、並びに、工程(ステップ)および工程の順序などは、一例であって、本開示を限定する主旨はない。よって、以下の実施形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. In the embodiments described below, numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions of components, connection forms, processes (steps), order of processes, etc. are only examples. There is no gist to limit the disclosure. Therefore, among constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in independent claims representing the highest concept of the present disclosure will be described as optional constituent elements.
また、各図は、模式図であり、厳密に図示されたものではない。したがって、各図における縮尺などは、必ずしも一致しているとはかぎらない。各図において、実質的に同一の構成に対して、同一の符号を付しており、重複する説明は省略、または簡略化する。 Each figure is a schematic diagram and is not strictly illustrated. Therefore, the scales and the like in each drawing are not necessarily the same. In each figure, substantially the same configurations are given the same reference numerals, and duplicate descriptions are omitted or simplified.
[実施形態]
(半導体レーザーアレイ)
図3は、本実施形態に係る半導体レーザーアレイ100の斜視図である。なお、図3では、図示を簡潔にしているため、凸部131を計6個のみ示している。本実施形態に係る半導体レーザーアレイ100は、405nm以上450nm以下の波長帯のレーザー光1を出射するGaN系半導体レーザーアレイであるとして説明する。
[Embodiment]
(semiconductor laser array)
FIG. 3 is a perspective view of the
半導体レーザーアレイ100は、単結晶基板110、第1の積層構造体141、第2の積層構造体142、第1のp側電極181、第2のp側電極182、第1のn側電極191、第2のn側電極192、反射膜211及び反射膜212を備えている。半導体レーザーアレイ100は、リッジストライプ構造を有し、複数のエミッター部130がストライプ状に形成されている。すなわち、半導体レーザーアレイ100は、単一の単結晶基板110に、複数のエミッター部130が形成されたモノリシック型の半導体レーザーアレイである。
The
単結晶基板110は、GaN系化合物半導体の単結晶基板であり、絶縁性単結晶部111、第1の導電性単結晶部121及び第2の導電性単結晶部122を備えている。
The single-
絶縁性単結晶部111は、例えば、アンドープGaN単結晶からなる。第1の導電性単結晶部121及び第2の導電性単結晶部122は、絶縁性単結晶部11によって互いに隔てられている。第1の導電性単結晶部121及び第2の導電性単結晶部122は、例えば、GaNにSiをドープすることで形成された導電性のSiドープGaN単結晶からなる。以下、第1の導電性単結晶部121及び第2の導電性単結晶部122を区別しない場合、「導電性単結晶部120」と称する。
The insulating
第1の積層構造体141及び第2の積層構造体142は、それぞれ、単結晶基板110の第1の導電性単結晶部121及び第2の導電性単結晶部122上に互いに離間して設けられている。そして、第1の積層構造体141及び第2の積層構造体142に、それぞれ第1のp側電極181及び第2のp側電極182が設けられている。また、単結晶基板110の第1の導電性単結晶部121及び第2の導電性単結晶部122の裏面に、互いに離間して第1のn側電極191及び第2のn側電極192が設けられている。以下、第1のp側電極181及び第2のp側電極182を区別しない場合、「p側電極180」と称し、第1のn側電極191及び第2のn側電極192を区別しない場合、「n側電極190」と称する。
The first
第1の積層構造体141及び第2の積層構造体142は、動作層として機能する。第1の積層構造体141及び第2の積層構造体142は、それぞれ、第1の半導体層160、発光層150、及び、第2の半導体層170を備えている。
The first
第1の半導体層160は、例えば、AlGaN等のn型半導体で形成されている。
The
発光層150は、多重量子井戸層をガイド層で挟んだ構造を有する。多重量子井戸層は、例えば、アンドープInGaNで形成されている。ガイド層は、例えば、アンドープGaNで形成されている。
The
発光層150の組成比率は、利得波長に応じて調整される。半導体レーザーアレイ100を有するWBC方式の加工装置801(図10参照)の(半導体レーザーアレイ100の中央部分における)ロック波長は、例えば、435.9nm以上450.0nm以下の幅を有している。半導体レーザーアレイ100を加工装置801に搭載する際、半導体レーザーアレイ100の利得波長をロック波長に合わせる必要がある。
The composition ratio of the
利得波長は、発光層150の組成比率を調整することで調整できる。具体的には、発光層150におけるInGaNからなる多重量子井戸層のIn組成比率を調整することによって、利得波長を調整することができる。例えば、In組成比率を17%に設定すると、半導体レーザーアレイ100の利得波長は平均450nmとなる。なお、発光層150を形成するときの温度分布を調整して、エミッター部130毎にIn組成を調整し、異なる利得波長を有する半導体レーザーアレイを形成してもよい。
The gain wavelength can be adjusted by adjusting the composition ratio of the
第2の半導体層170は、発光層150側から順に、電子オーバーフロー抑制層、クラッド層、及び、コンタクト層が積層されて構成されている。電子オーバーフロー抑制層及びクラッド層は、例えば、AlGaN等のp型半導体で形成され、コンタクト層は、例えば、GaN等のp型半導体で形成されている。コンタクト層に、p側電極180が配置される。
The
次に、エミッター部130について説明する。
第2の半導体層170には、凸部131がストライプ状に複数形成されている。凸部131の下に、発光層150と第1の半導体層160の屈折率差、及び、発光層150と第2の半導体層170の屈折率差により、光を閉じ込める光導波路部が形成されている。第1の積層構造体141及び第2の積層構造体142において、凸部131の直下の部分が、個々のエミッター部130を形成する。エミッター部130の一方の端面からは、レーザー光1が出射する。
Next, the
A plurality of
WBC方式の加工装置801(図10参照)に用いられる半導体レーザーアレイ100のエミッター幅(つまり、凸部131の幅)は、10μm以上40μm以下となるように設定されていることが一般的である。本実施形態は、例えば、エミッター部130の幅は15μmである。凸部131が並ぶ方向における半導体レーザーアレイ100の幅(以下、「アレイ幅」と称す。)は、エミッター部130の数、エミッター部130同士の間隔、及び、絶縁性単結晶部111の幅に基づいて決定される。
The emitter width (that is, the width of the convex portion 131) of the
本実施形態では、例えば、共振器長が2000μm、アレイ幅が11000μm、第1の積層構造体141及び第2の積層構造体142のそれぞれにおけるエミッター部130の数が20個(合計40個)、及び、絶縁性単結晶部11の幅が1000μmである。また、第1の積層構造体141及び第2の積層構造体142のそれぞれにおいて、エミッター部130は250μm間隔で、つまり、エミッター部130の幅方向の一端と、隣接するエミッター部130の幅方向の一端との間の寸法が250μmとなるように、形成されている。
In this embodiment, for example, the resonator length is 2000 μm, the array width is 11000 μm, the number of
以下、第1の半導体層160、発光層150、及び、第2の半導体層170を有する層の総称として、「積層構造体140」を用いることがある。
Hereinafter, the layers including the
第1のp側電極181及び第2のp側電極182は、複数のエミッター電極部183、及び、パッド電極部184を備える。エミッター電極部183は、それぞれのエミッター部130の上面、より詳しくは、コンタクト層の上面に形成されており、コンタクト層を介して光導波路部の上面と接続している。エミッター電極部183は、各光導波路部の上方において、コンタクト層とオーミック接触する電極である。
The first p-
エミッター電極部183は、例えば、Pd、Pt、Ni等の金属材料で形成される。本実施形態では、エミッター電極部183は、Pd及びPtからなる2層構造を有する。
The
エミッター電極部183、及び、絶縁性単結晶部111の上面を除く第1の積層構造体141及び第2の積層構造体142の表面(上面)は、絶縁膜で被覆されている。具体的には、絶縁膜は、クラッド層とコンタクト層の上面のうちのエミッター電極部183が形成されていない領域を覆っている。絶縁膜は、例えば、SiO2を材料とする。
The surfaces (upper surfaces) of the first
パッド電極部184は、複数のエミッター電極部183に接するように配置されている。これにより、第1の積層構造体141の複数のエミッター部130は、第1のp側電極181のパッド電極部184に並列に接続され、第2の積層構造体142の複数のエミッター部130は、第2のp側電極182のパッド電極部184に並列に接続される。
The
第1のn側電極191及び第2のn側電極192は、第1の導電性単結晶部121の裏面及び第2の導電性単結晶部122の裏面に形成されている。
A first n-
半導体レーザーアレイ100のレーザー光1が出射される端面(出射端面)には、反射膜211が形成されている。反射膜211は、二酸化ケイ素(SiO2)層、及び、酸化アルミニウム(Al2O3)層の組み合わせにより形成された誘電体の多層膜である。各層の厚さ、及び、各層の屈折率を調整することで、反射膜211の反射率を変更できる。例えば、半導体レーザーアレイ10の利得波長λgが450nmであるとき、反射膜211の反射率は0.01%に設定される。
A
半導体レーザーアレイ100の出射端面とは反対側の端面(非出射端面)には、反射膜212が形成されている。反射膜212は、SiO2層、及び、酸窒化アルミニウム(AlON)層の組み合わせにより形成された誘電体の多層膜である。反射膜211と同様、各層の厚さ、及び、各層の屈折率を調整することで、反射膜212の反射率を変更できる。例えば、半導体レーザーアレイ10の利得波長λgが450nmであるとき、反射膜212の反射率は98.7%に設定される。
A
(単結晶基板の製造方法)
次に、実施形態に係る単結晶基板110の製造方法について説明する。図4は、実施形態に係る単結晶基板110(以下、「アイソレーションGaN基板」と称することもある。)の製造工程を示す図である。
(Manufacturing method of single crystal substrate)
Next, a method for manufacturing the
<工程S1 母材準備>
まず、母材510を準備する。母材510の材料は、例えば、サファイア、ScAlMgO4、及び、GaN等のいずれかである。母材510の材質及び形状は、特に限定されない。例えば、母材510の主面の形状は、六角形や円形であってもよい。
<Step S1 Base material preparation>
First, the
<工程S2 絶縁性単結晶成長>
次に、ハイドライド気相エピタキシー(HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy)法にて、母材510上に絶縁性のGaN単結晶を結晶成長させて、例えば、1mmの厚みを有する絶縁性単結晶520を形成する。
<Step S2 Insulating Single Crystal Growth>
Next, an insulating GaN single crystal is grown on the
工程S2において、900℃以上950℃以下の成長温度で結晶成長させることで、絶縁性単結晶520の結晶性を低下させておくことが望ましい。これにより、単結晶基板110の反りを緩和させることができる。よって、以降の工程で、単結晶基板110の反りに起因した不良の発生を低減できる。この不良には、例えば、クラックや半導体レーザーアレイ100を構成したときの発光位置のばらつきが含まれる。さらに、工程S2において、絶縁性単結晶520の結晶性をさほど高くしなくてよいため、成長速度を高めることができる。よって、単結晶基板110を安価かつ短時間で製造することができる。
In step S2, it is desirable to reduce the crystallinity of the insulating
なお、工程S2における結晶成長においては、SiやMgの添加によって得られるn型半導体やp型半導体ではなく、高い抵抗率を有する絶縁性半導体の結晶が得られれば、どのような結晶成長方法が採用されてもよい。例えば、Naフラックス法で知られる液相法、又は、アモノサーマル法が採用されてもよい。 In the crystal growth in step S2, what kind of crystal growth method can be used if a crystal of an insulating semiconductor having a high resistivity is obtained instead of an n-type semiconductor or a p-type semiconductor obtained by adding Si or Mg? may be adopted. For example, a liquid phase method known as a Na flux method or an ammonothermal method may be employed.
<工程S3 絶縁性単結晶加工>
まず、母材510を研磨及び/又は研削することによって絶縁性単結晶520から母材510を剥離する。これにより、絶縁性単結晶520と母材510の格子定数の不一致に起因する絶縁性単結晶520の反りを回避することができる。
<Step S3 Insulating Single Crystal Processing>
First, the
次に、絶縁性単結晶520の表面を0.1mm程度研削することで、絶縁性単結晶520の表面層を除去する。次いで、絶縁性単結晶520の表面を、化学的機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polish)で研磨して、鏡面仕上げを行う。
Next, the surface layer of the insulating
次に、通常のフォトリソグラフィーにより、絶縁性単結晶520の表面に1mmの幅でエッチングマスクを形成する。そして、絶縁性単結晶520に対して、塩素系ガスを用いてドライエッチングを実行し、絶縁性単結晶520の表面に、例えば1mmの幅(より詳しくは、最下部における幅)で、0.2mmの高さを有する突出部530を形成する。なお、突出部530の断面形状は、三角形、四角形、及び、台形のいずれでもよい。図4には、突出部の断面形状が三角形であることが示されている。絶縁性単結晶520の表面において、突出部530は、絶縁性単結晶520の一端から他端にかけて延在する。
Next, an etching mask with a width of 1 mm is formed on the surface of the insulating
その後、RCA洗浄等の洗浄処理を行い、絶縁性単結晶部11の表面の微量金属等の付着物質を除去しておく。
Thereafter, cleaning treatment such as RCA cleaning is performed to remove adhering substances such as trace metals on the surface of the insulating
<工程S4 導電性単結晶成長>
表面が清浄な絶縁性単結晶520の表面の突出部530を含む領域に、HVPE法にて、導電性GaN結晶を結晶成長させ、例えば、0.2mmの厚みを有する導電性単結晶540を形成する。ここで、原子密度が1×1018cm-3程度のSiを不純物としてGaNにドーピングすることで、n型の導電性を有するSiドープGaN結晶である導電性単結晶540を得ることができる。
<Step S4 Conductive Single Crystal Growth>
A conductive GaN crystal is crystal-grown by HVPE in a region including the protruding
<工程S5 ウェハ加工>
次に、導電性単結晶540の表面を加工して、表面に導電性単結晶540及び絶縁性単結晶520を露出させるとともに、絶縁性単結晶520の裏面を加工して、絶縁性単結晶520を薄くする。これにより、絶縁性単結晶520からなる絶縁性単結晶部111と、導電性単結晶540からなり、かつ、絶縁性単結晶部111によって互いに隔てられた第1の導電性単結晶部121及び第2の導電性単結晶部122とが形成される。以下、工程S5を詳細に説明する。
<Step S5 Wafer processing>
Next, the surface of the conductive
まず、絶縁性単結晶520の裏面を0.3mm程度、研削及び/又は研磨することで、裏面層を除去する。
First, the back surface layer of the insulating
また、突出部530の高さが0.1mmとなるまで、導電性単結晶540の表面及び突出部530を研削して、導電性単結晶540及び突出部530の表面層を除去する。これにより、導電性単結晶540及び絶縁性単結晶520が表面に露出する。この露出表面において、導電性単結晶540の表面領域は、絶縁性単結晶520の表面領域によって、複数の領域に隔てられている。
Further, the surface of the conductive
以上、工程S1~S5により、一つの主面に、絶縁性単結晶部111、第1の導電性単結晶部121及び第2の導電性単結晶部122が露出している単結晶基板110が形成される。
Through steps S1 to S5, the
実際には、工程S5において、単結晶基板110は、モノリシック型の半導体レーザーアレイの製造に適した形状を有するウェハとなるように加工される。例えば、単結晶基板110は、直径50mmの円形形状となるように加工される。また、単結晶基板110に、結晶方位を示すオリエンテーションフラットが形成され、さらに、単結晶基板110の円形形状の外周にベベル加工が実施されてもよい。これにより、半導体レーザーアレイ100の製造工程において使用される各装置に対して、単結晶基板110を適切に設置して、成膜、及び、加工ができるようになる。
Actually, in step S5, the
また、絶縁性単結晶部111、第1の導電性単結晶部121及び第2の導電性単結晶部122が露出している単結晶基板110の表面をCMPで研磨して、鏡面仕上げを行う。その後、RCA洗浄等の洗浄処理を行い、単結晶基板110の表面の微量金属等の付着物質を除去する。
Further, the surface of the single-
また、図4には、突出部530が1つのみ形成されていることが示されているが、突出部530は、いくつ形成されていてもよい。突出部530がn(1以上の整数)個形成されるとき、単結晶基板110は、互いに隔てられたn+1個の導電性単結晶部120を有する。
Also, although FIG. 4 shows that only one
(半導体レーザーアレイの製造方法)
次に、図5から図8を参照しつつ、実施形態に係る半導体レーザーアレイ100の製造方法を説明する。図5は、実施形態に係る単結晶基板110及び半導体レーザーアレイ10の側面を示す図である。図6は、実施形態に係る半導体レーザーアレイ100の製造方法により製造される半導体レーザーアレイ100を、各部位の寸法とともに示す図である。図7は、実施形態に係る半導体レーザーアレイ100の製造工程を示す図である。図8は、実施形態に係る半導体レーザーアレイ100の製造工程における中間生成物の表面に対するパターン形成を説明する図である。
(Manufacturing method of semiconductor laser array)
Next, a method for manufacturing the
図5に示されているように、単結晶基板110に対して、以下の工程S11~S15を実行することで、単結晶基板110、第1の積層構造体141、第2の積層構造体142、第1のp側電極181、第2のp側電極182、第1のn側電極191、第2のn側電極192、反射膜211及び反射膜212を備える半導体レーザーアレイ100が製造される。以下、工程S11~S15について詳細に説明する。
As shown in FIG. 5, by performing the following steps S11 to S15 on the
<工程S11 単結晶基板準備>
まず、単結晶基板110(アイソレーションGaN基板)を製造する。製造方法は上述した通りである。なお、図7では、単結晶基板110の表面のうちの導電性単結晶部120の表面がハッチング表示されている。
<Step S11 Single Crystal Substrate Preparation>
First, a single crystal substrate 110 (isolation GaN substrate) is manufactured. The manufacturing method is as described above. In FIG. 7, the surface of the conductive
<工程S12 積層構造体形成>
次に、複数の導電性単結晶部120の表面に積層構造体140を形成する。工程S12は、工程S121、及び、工程S122を含む。
<Step S12 Laminated Structure Formation>
Next, a
<<工程S121 多重層形成>>
有機金属気相成長(MOCVD:Metalorganic Chemical Vapor Deposition)法を用いて結晶成長させ、厚さ500μmの単結晶基板110の表面上に多重層560を形成する。具体的には、厚さ500μmの単結晶基板110上に第1の半導体層160、発光層150、及び第2の半導体層170を形成する。ここで、多重層560を、導電性単結晶部120の表面に形成する。詳細に説明すると、絶縁性単結晶部111の表面を、例えば、SiO2膜であらかじめ被覆する。これにより、絶縁性単結晶部111上には、多重層560は形成されず、導電性単結晶部120の表面にのみ、多重層560が形成される。多重層560の形成後、絶縁性単結晶部111上のSiO2膜をエッチングにて除去する。
<<Step S121 Multilayer Formation>>
Crystal growth is performed using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method to form a
なお、発光層150をInGaNで形成する場合、工程S121において、In組成を10%以上17%以下程度とすることで、400nm以上450nm以下の範囲において、エミッター部130ごとに異なる利得波長を有する半導体レーザーアレイ100を得ることができる。
When the light-emitting
<<工程S122 多重層加工>>
次に、通常のフォトリソグラフィーを用いて、直径50mmの単結晶基板110上に形成された多重層560の表面に、以下の条件を満たす半導体レーザーアレイ100を製造するためのパターン形成を行う(図6参照)。
(A)共振器長が2000μm
(B)アレイ幅が11000μm
(C)エミッター部130の数が合計40個(20個×2群)
(D)積層構造体の幅が5000μm
<<Step S122 Multi-layer processing>>
Next, using ordinary photolithography, the surface of the
(A) The resonator length is 2000 μm
(B) Array width is 11000 μm
(C) A total of 40 emitter units 130 (20×2 groups)
(D) The width of the laminated structure is 5000 μm
なお、パターン形成において、半導体レーザーアレイ100の外形に対応するパターン領域内に、凸部131に対応するパターン領域が40個形成されるが、一端から20個目のパターン領域と、当該一端から21個目のパターン領域とが1000μm離間するようにパターン形成される。すなわち、半導体レーザーアレイ100に対応するパターン領域の中心部分、つまり、一端から20個目のパターン領域と、当該一端から21個目のパターン領域との間に、絶縁性単結晶部111の突出部530に対応する部分が位置するようにパターン形成される。図8には、パターン形成された後の単結晶基板110及び多重層560からなる中間生成物の平面図が示されている。
In the pattern formation, 40 pattern regions corresponding to the
次に、多重層560の表面に15μmの幅を有するエッチングマスクをストライプ状に形成する。そして、多重層560のうちの第2の半導体層170に対して、塩素系ガスを用いたドライエッチングを行う。このエッチングにおいて、エッチング対象は、コンタクト層(第2の半導体層170の最上部層)、及び、クラッド層(コンタクト層の直下の層)であり、エッチングの深さは、コンタクト層の最上面からコンタクト層の最下面にわたる層厚さに相当するこれにより、多重層560に多数の凸部131が形成される。
Next, an etching mask having a width of 15 μm is formed in stripes on the surface of the
よって、各導電性単結晶部120の表面に積層構造体140が形成される。この積層構造体140は、エミッター幅が15μm、共振器長が2000μmであるエミッター部130を20個有する。
Accordingly, a
<工程S13 電極形成>
積層構造体140の表面の凸部131を含む領域、及び、単結晶基板110の表面に、CVD法などを用いて、絶縁膜を形成する。この絶縁膜は、二酸化ケイ素(SiO2)層である。次いで、通常のフォトリソグラフィーを複数回行い、凸部131の所定領域、及び、絶縁性単結晶部111上の絶縁膜を除去する。
<Step S13 Electrode Formation>
An insulating film is formed on the surface of the single-
次いで、凸部131の絶縁膜が除去された領域に、Pd又はPtを材料として用いてエミッター電極部183を形成する。そして、1つの積層構造体140に対して1つのパッド電極部184を、複数のエミッター電極部183に接するように形成する。これにより、p側電極180には、エミッター部130が並列に接続される。
Next, an
次に、厚さが80μm程度となるように、絶縁性単結晶部111の裏面を研磨又はエッチングする。これにより、図5に示すように、単結晶基板110の裏面側においても、絶縁性単結晶部111と、導電性単結晶部120が露出する。
Next, the back surface of the insulating single-
単結晶基板110が薄くなったことで、劈開が可能になる。さらに、単結晶基板110が薄くなったことで、最終的に完成する半導体レーザーアレイ100の放熱性を向上させることができる。
Thinning of the
次に、各導電性単結晶部120の裏面に、チタン及び金を蒸着し、アロイ処理を行うことにより、n側電極190を形成する。なお、パッド電極部184及びn側電極190のいずれも、絶縁性単結晶部111の表面及び裏面には形成されない。
Next, an n-side electrode 190 is formed by vapor-depositing titanium and gold on the back surface of each conductive
<工程S14 切り出し>
次に、単結晶基板110のm面の劈開性を利用して、単結晶基板110を劈開し、単結晶基板110、2つの積層構造体140、2つのp側電極180、及び、2つのn側電極190からなるアレイ本体部99を切り出す。本実施形態では、60個数のアレイ本体部99が切り出される(図7及び図8参照)。
<Step S14 Cut out>
Next, the
<工程S15 反射膜形成>
次いで、アレイ本体部99の出射端面に反射膜211を形成するとともに、アレイ本体部99の非出射端面に反射膜212を形成する。なお、目的の製造物である半導体レーザーアレイ100は、WBC方式の加工装置801に搭載されたときに、光が反射膜211を透過することが望ましい。そのため、半導体レーザーアレイ100が有する利得波長の値、例えば、405nmにおいて、反射膜211の反射率が0.5%以下になるように、反射膜211が形成される。
<Step S15 Reflective Film Formation>
Next, a
また、WBC方式の加工装置801では、非出射端面の反射膜212を光が透過しないことが望ましい。このため、半導体レーザーアレイ100が有する利得波長の値、例えば、405nmにおいて、反射膜212の反射率が90%以上になるように反射膜212が形成される。
In addition, in the
以上、工程S11~S15により、上述の(A)~(D)を満たす半導体レーザーアレイ100が形成される。
As described above, through steps S11 to S15, the
この半導体レーザーアレイ100に、簡易的な電極ブロックを介して30Aのパルス電流を注入すると、40個のエミッター部130から、合計で70W以上88W以下の光出力を有するレーザー光1を得ることができる。すなわち、1つのエミッター部130に、1.5Aの電流を注入すると、最大で2.2Wという比較的高い光出力のレーザー光1が得られる。
When a pulse current of 30 A is injected into this
(レーザーモジュールの構成)
以下、図9を参照しつつ、本実施形態に係る半導体レーザーアレイ100が実装されたレーザーモジュール700について説明する。図9は、本実施形態に係るレーザーモジュール700を説明する図である。図9の左側には、レーザーモジュール700の斜視図が示されており、図9の右側には、上側金属ブロック771(後述)を取り外した状態にあるレーザーモジュール700を示す拡大平面図が示されている。
(Configuration of laser module)
A
レーザーモジュール700は、半導体レーザーアレイ100、第1のp側電極ブロック761、第1のn側電極ブロック762、第2のp側電極ブロック763、第2のn側電極ブロック764、接続体765及びビームツイスターユニット325を備える。
The
第1のp側電極ブロック761は、半導体レーザーアレイ100の第1のp側電極181に接続されている。第1のn側電極ブロック762は、半導体レーザーアレイ100の第1のn側電極191に接続されている。
The first p-
第2のp側電極ブロック763は、半導体レーザーアレイ100の第2のp側電極182に接続されている。第2のn側電極ブロック764は、半導体レーザーアレイ100の第2のn側電極192に接続されている。
The second p-
接続体765は、第1のn側電極ブロック762と第2のp側電極ブロック763とを電気的に接続する。これにより、第1の積層構造体141に形成されたエミッター部130と、第2の積層構造体142に形成されたエミッター部130とは、直列に接続される。なお、接続体765は、ボンディングワイヤーで構成されてもよいし、金属ブロックで構成されていてもよい。
A
第1のp側電極ブロック761は、後述する上側金属ブロック771を介して電源装置830(図10参照)の正電極に接続され、第2のn側電極ブロック764は、後述する下側金属ブロック772を介して電源装置830(図10参照)の負電極に接続される。
The first p-
なお、半導体レーザーアレイ100のn側電極190側には、2つのサブマウント(不図示)がそれぞれ第1のn側電極191及び第2のn側電極192に対応するように配置される。半導体レーザーアレイ100は、エミッター部130を複数有しているので、レーザー発振するために必要な電力が数十W以上になることもある。よって、サブマウントを導電性の材料で形成して、当該サブマウントを電流経路として機能させてもよい。
Two submounts (not shown) are arranged on the n-side electrode 190 side of the
サブマウントは、絶縁性の材料で形成されていてもよい。この場合、半導体レーザーアレイ100と接続するサブマウントの表面に金メッキ及び銅メッキなど、金属メッキを施し、導電性を確保してもよい。
The submount may be made of an insulating material. In this case, the surface of the submount connected to the
ビームツイスターユニット725は、半導体レーザーアレイ100の出射端面側に配置されている。ビームツイスターユニット725は、半導体レーザーアレイ100から出射された複数のレーザー光1をそれぞれ90°回転させ、近い波長を有する個々のレーザー光1の相互干渉を防いでいる。
The beam twister unit 725 is arranged on the emission end face side of the
レーザーモジュール700は、WBC方式の加工装置801に搭載されるモジュールである。
A
本実施形態では、半導体レーザーアレイ100は、さらに、上側金属ブロック771、下側金属ブロック772、及び、水冷架台773を備え、水冷による冷却を行う高放熱方式のモジュールとして構成されている。
In this embodiment, the
上側金属ブロック771、及び、下側金属ブロック772は、放熱性が高い金属ブロックであり、例えば、銅で形成されている。上側金属ブロック771、及び、下側金属ブロック772は、それぞれ、半導体レーザーアレイ100上側及び下側に配置されている。
The
よって、レーザーモジュール700は、水冷架台773から絶縁性の熱伝導シート(不図示)、及び、下側金属ブロック772を介して、半導体レーザーアレイ100が冷却可能な構造となっている。
Therefore, the
本実施形態に係るレーザーモジュール700に、30Aのパルス電流を注入すると、60W以上80W以下のレーザー光1を得ることができる。すなわち、20個のエミッター部130に対して30Aの電流が注入されていることになり、1つのエミッター部130に1.5Aの電流が注入されていることになる。その結果、1つのエミッター部130から、最大で2.0W(80W÷40個(エミッター部130の数))の光出力を得られる。
When a pulse current of 30 A is injected into the
なお、レーザーモジュール700に搭載される前の半導体レーザーアレイ100に電流を注入した場合、1つのエミッター部130から最大で2.2Wの光出力が得られている。つまり、レーザーモジュール700に搭載されることで、1つのエミッター部130から得られる光出力の最大値は、レーザーモジュール700に搭載される前よりも小さくなる。その原因は、レーザーモジュール700への実装により生じたエミッター部130の歪、及び、損傷が考えられる。また、一部のエミッター部130の冷却が不十分であったことも考えられる。
When current is injected into the
(波長ビーム結合方式の加工装置)
次に本実施形態に係るWBC方式の加工装置801の構成について、図10を参照しつつ説明する。図10は、本実施形態に係る加工装置801の概略図である。冷却水の経路については、図10から省略している。
(Wavelength beam coupling type processing equipment)
Next, the configuration of the WBC-
加工装置801は、複数のレーザーモジュール700を備えている。本実施形態では、加工装置801は、アレイ幅11000μm、共振器長が2000μm、40個(20個×2群)のエミッター部130を有する半導体レーザーアレイ100が搭載されたレーザーモジュール700を5つ備えているとして説明する。以下、この5つのレーザーモジュール700を、「レーザーモジュール701」、「レーザーモジュール702」、「レーザーモジュール703」、「レーザーモジュール704」、及び、「レーザーモジュール705」と称する。
The
加工装置801は、さらに、筐体810、複数のミラー820、回折格子326、外部共振ミラー328、及び電源装置830を備えている。
The
筐体810は、例えば、ステンレス製であり、筐体810の内部には、レーザーモジュール701~705が扇状に配置されている。図10には、レーザーモジュール701、レーザーモジュール702、レーザーモジュール703、レーザーモジュール704及びレーザーモジュール705の順に並んでいることが示されている。レーザーモジュール701~705は、電源装置830から直列に電流が注入され、レーザー光1を出射する。
The
筐体810の内部には、レーザーモジュール701~705、複数のミラー820、回折格子326、及び、外部共振ミラー328が配置されている。
Inside the
レーザーモジュール701~705から出射されたレーザー光1は、複数のミラー820によって、回折格子326に集光される。本実施形態では、回折格子326は、透過型の回折格子であり、半導体レーザーアレイ100の出射端面から回折格子326までの距離が2.6mとなるように配置されている。
回折格子326に対するレーザー光1の入射角αは、レーザー光1の出射元のレーザーモジュールの位置によって異なる。レーザーモジュール701、702、703、704、705からのレーザー光1の入射角αは、それぞれ21.6°、22.4°、23.2°、24.0°、24.8°であり、0.8°刻みで変化している。回折格子326から出射されるレーザー光327の出射角βは70°である。
The incident angle α of the
なお、レーザーモジュール701~705が有する半導体レーザーアレイ100のロック波長は、半導体レーザーアレイ100、回折格子326、及び、外部共振ミラー328の位置関係によって一意に決定される。なお、ロック波長は、半導体レーザーアレイ100の中央部と端部とによって若干異なる値を示す。
The lock wavelengths of the
本実施形態に係る加工装置801における半導体レーザーアレイ100のロック波長については、以下の表1に示されている。
The lock wavelengths of the
加工装置801は、外部共振ミラー328と半導体レーザーアレイ10の非出射端面との間で共振を起こし、一部をレーザー光329として出射させる。なお、外部共振ミラー328の反射率は、15%に設定されている。
The
(加工装置の製造方法)
まず、複数のレーザーモジュール701~705、回折格子326、複数のミラー820、及び、外部共振ミラー328を収容することができ、かつ、それらの配置位置を微調整することができる程度の容量を有する筐体810を準備する。
(Manufacturing method of processing equipment)
First, it has a capacity that can accommodate a plurality of
次に、複数のミラー820、複数のミラー320、回折格子326、及び、外部共振ミラー328を配置し、外部共振時に光軸ずれが発生しないようにするために光軸調整を行う。光軸調整は、レーザーモジュール701~705の配置位置に所定の半導体レーザー素子を配置し、当該半導体レーザー素子からレーザー光を出射させることで行う。なお、所定の半導体レーザー素子は、例えば、可視光のレーザー光を出射する半導体素子である。
Next, a plurality of
次いで、複数のレーザーモジュール700を準備する。そして、準備したレーザーモジュール700の半導体レーザーアレイ100の出射端面と非出射端面とで内部共振を発生させて、レーザー発振させる。このとき、加工装置801で使用する電流値における、半導体レーザーアレイ100の右端部(一端部)と、左端部(他端部)、及び、中央部の各利得波長を測定しておくことが望ましい。電流が流れることで、エミッター部130が発熱し、半導体レーザーアレイ100の発光層150のバンドギャップ、つまり、利得波長が変化し、その結果、半導体レーザーアレイ100の位置によって利得波長がばらつくためである。
Next, a plurality of
また、半導体レーザーアレイ100の出来栄えによって、出力値や半導体特性が変化するため、一定電流値での光出力や、レーザー発振に必要な閾値電流、閾値電圧、すなわち、投入電力を測定しておくことが望ましい。
In addition, since the output value and semiconductor characteristics change depending on the performance of the
測定した半導体レーザーアレイ100の利得波長の値から、加工装置801のロック波長と合致する半導体レーザーアレイ100を有するレーザーモジュール700を選別する。このとき、内部共振で、光出力が効率的に得られる半導体レーザーアレイ100を有するレーザーモジュール700を選ぶことが望ましい。選別の結果、レーザーモジュール701~705が選ばれたとする。
Based on the measured gain wavelength of the
次いで、筐体810内部の適切な位置にレーザーモジュール701~705を配置する。その後、散乱光が筐体810の外部に漏れないように、筐体810の蓋(不図示)を閉じる。
The laser modules 701 - 705 are then placed at appropriate locations inside the
以上により、WBC方式の加工装置801が完成する。その後、加工装置801の冷却機構を機能させた後、電源装置830の電源を投入し、外部共振ミラー328から出射されるレーザー光329の出力値や品質を測定することで、加工装置801の出来栄えを評価する。
As described above, the WBC-
以上、説明した通り、本実施形態に係る半導体レーザーアレイ100は、絶縁性単結晶部111と、絶縁性単結晶部111によって互いに隔てられている第1の導電性単結晶部121及び第2の導電性単結晶部122とを有する単結晶基板110と、端面からレーザー光1を出射するエミッター部130を有しており、第1の導電性単結晶部121の表面及び第2の導電性単結晶部122の表面にそれぞれ配置される第1の積層構造体141及び第2の積層構造体142と、第1の積層構造体141及び第2の積層構造体142にそれぞれ配置される第1のp側電極181及び第2のp側電極182と、第1の導電性単結晶部121の裏面及び第2の導電性単結晶部122の裏面にそれぞれ配置される第1のn側電極191及び第2のn側電極192と、を備える。
As described above, the
これにより、半導体レーザーアレイ100が有する複数のエミッター部130が複数のグループに分けられ、少なくとも1つのグループに属するエミッター部130は、別の1つのグループに属するエミッター部130に対して直列に動作する。よって、レーザー光1の発振に必要な電流を低減できる。ひいては、半導体レーザーアレイ100を有する加工装置801に電流を供給する電源装置830の容量を小さくすることができるので、電源装置830及び加工装置801の小型化を実現することができる。
Thereby, the plurality of
また、本実施形態において、第1の積層構造体141及び第2の積層構造体142はそれぞれ、複数のエミッター部130を有しており、第1の積層構造体141の複数のエミッター部130は、第1のp側電極181に対して並列に接続され、第2の積層構造体142の複数のエミッター部130は、第2のp側電極に182に対して並列に接続されている。
In addition, in the present embodiment, each of the first
また、本実施形態に係る半導体レーザーアレイ100の製造方法は、絶縁性単結晶520を形成する工程と、絶縁性単結晶520の表面に突出部530を形成する工程と、絶縁性単結晶520の表面の突出部530を含む領域に、導電性単結晶540を形成する工程と、導電性単結晶540の表面を加工して、導電性単結晶540及び絶縁性単結晶520を露出させるとともに、絶縁性単結晶520の裏面を加工することで、絶縁性単結晶520からなる絶縁性単結晶部111と、導電性単結晶540からなり、かつ、絶縁性単結晶部111によって互いに隔てられた第1の導電性単結晶部121及び第2の導電性単結晶部122を形成する工程と、レーザー光1を出射するエミッター部130を有する第1の積層構造体141及び第2の積層構造体142を、第1の導電性単結晶部121の表面及び第2の導電性単結晶部122の表面に形成する工程と、第1の積層構造体141及び第2の積層構造体142のそれぞれの表面に第1のp側電極181及び第2のp側電極182を形成する工程と、第1の導電性単結晶部121の裏面及び第2の導電性単結晶部122の裏面に第1のn側電極191及び第2のn側電極192を形成する工程と、を備える。
Further, the method of manufacturing the
これにより、上述した半導体レーザーアレイ100を製造することができる。
Thereby, the
本実施形態に係るレーザーモジュール700は、上述の半導体レーザーアレイ100と、第2のp側電極182に接続される第2のp側電極ブロック763と、第1のn側電極191に接続される第1のn側電極ブロック762と、第2のp側電極ブロック763と第1のn側電極ブロック762とを電気的に接続する接続体765と、第1の積層構造体141及び第2の積層構造体142のエミッター部130の端面(出射端面)側に配置されるビームツイスターユニット725とを備える。
The
本実施形態に係る半導体レーザー加工装置801は、上述のレーザーモジュール700を備えている。
A semiconductor
本実施形態に係る単結晶基板110は、半導体レーザーアレイ100の製造に用いられる化合物半導体の単結晶基板であって、絶縁性単結晶部111と、絶縁性単結晶部111によって互いに隔てられている第1の導電性単結晶部121及び第2の導電性単結晶部122と、を備える。その単結晶基板110の一つの主面に、絶縁性単結晶部111、第1の導電性単結晶部121及び第2の導電性単結晶部122が露出している。
The
この単結晶基板110を使用することで、上述した半導体レーザーアレイ100を製造することができる。
By using this
[変形例]
なお、本実施形態に係る半導体レーザーアレイ100は、GaN系化合物が材料として使用され、405nm以上450nm以下の波長帯のレーザー光1を出射するGaN系半導体レーザーアレイであるとして説明したが、材料や波長帯はこれに限られない。
[Modification]
The
半導体レーザーアレイ100がGaN系半導体レーザーアレイを採用する場合であっても、例えば、350nm以上405nm以下(青紫色から紫外)の波長帯のレーザー光1を出射する半導体レーザーアレイであってもよい。また、GaAs又はInP等の他のIII-V族半導体材料を材料とする半導体レーザーアレイであってもよい。
Even when the
また、本実施形態では、複数のエミッター部130を2つのグループに分け、それぞれのグループのエミッター部130を互いに隔てられた2つの積層構造体140に配置されている。しかしながら、複数のエミッター部130が、m(3以上の整数)のグループに分けられ、互いに隔てられたm個の積層構造体140それぞれに配置されていてもよく、この場合にも上述の実施形態と同様の効果が得られる。その場合、単結晶基板110は、m-1個の絶縁性単結晶部111と、m-1個の絶縁性単結晶部111によって互いに隔てられたm個の導電性単結晶部120とを有する。
In addition, in this embodiment, the plurality of
さらに、半導体レーザーアレイ100の製造方法において、絶縁性単結晶は、結晶成長でなく、H2のイオン注入等により、導電性単結晶540のキャリアを不活性化することで形成してもよい。
Furthermore, in the manufacturing method of the
[実施例]
以下、実施例について説明する。本実施例では、上述の実施形態に沿って、半導体レーザーアレイ100をレーザーモジュール700に実装し、そのレーザーモジュール700を複数搭載した加工装置801を製造した。
[Example]
Examples are described below. In this example, the
まず、表1のロック波長に合致しそうな半導体レーザーアレイ100を10個準備した。そして、1つのレーザーモジュール700に対して1つの半導体レーザーアレイ100を実装し、10個のレーザーモジュール700を準備した。そして、各半導体レーザーアレイ100を内部共振によりレーザー発振させた。さらに、10個のレーザーモジュールの中から、ロック波長と利得波長が整合する半導体レーザーアレイ100を有するレーザーモジュール700を5個選別した。
First, ten
そして、選別された5個のレーザーモジュール700を、筐体810の所定の位置に配置した。その後、レーザーモジュール700の光軸調整を行った。また、冷却機構を機能させて、容量50Aの小型の電源装置830から40Aの電流を半導体レーザーアレイ100に注入し、外部共振ミラー328から出射される光出力を測定した。その結果、各半導体レーザーアレイ100において、約330Wの光出力を得ることができた。このことから、第1の導電性単結晶部121及び第1の積層構造体141と、第2の導電性単結晶部122及び第1の積層構造体141との絶縁性が保持され、第1の積層構造体141のエミッター部130のグループと、第2の積層構造体142のエミッター部130のグループとが直列に動作していることが分かった。
Then, the selected five
また、絶縁性単結晶部111の結晶性が低くなるように製造していたため、半導体レーザーアレイ100の反りが小さく、エミッター部130の発光位置は、ほぼ一次元的に並んでいた。具体的には、積層構造体140を構成する各層の積層方向における、各エミッター部130の発光位置の誤差が±3μm以内であった。
In addition, since the
このように、反りが小さくなり、エミッター部130の発光位置は、ほぼ一次元的に並ぶことで、半導体レーザーアレイ100から出射された複数のレーザー光1が不必要に広がらずに済む。よって、加工装置801内でレーザー光の集光性が高くなり、ひいては加工装置801から出射するレーザー光329の品質が向上する。
In this way, the warpage is reduced and the light emitting positions of the
[比較例]
以下、比較例について説明する。本比較例では、従来の半導体レーザーアレイ10をレーザーモジュールに実装し、そのレーザーモジュールを複数搭載した加工装置800を製造した。
[Comparative example]
A comparative example will be described below. In this comparative example, a conventional
まず、表1のロック波長に合致しそうな半導体レーザーアレイ10であり、実施例で準備した半導体レーザーアレイ100と同程度の光出力特性を有する従来の半導体レーザーアレイ10を10個準備した。そして、準備した10個の半導体レーザーアレイ10を1つずつレーザーモジュールに実装した。そして、内部共振によりレーザー発振させた。さらに、10個のレーザーモジュールの中から、ロック波長と利得波長が整合するレーザーモジュールを5個選別した。
First, 10 conventional
そして、選別された5個のレーザーモジュールを、加工装置800の筐体内の所定の位置に配置した。その後、レーザーモジュールの光軸調整を行った。また、冷却機構を機能させて、容量80Aの大型の直流電源から40Aの電流を半導体レーザーアレイ10に注入し、外部共振ミラー328から出射される光出力を測定した。その結果、各半導体レーザーアレイ10において、約150Wの光出力を得ることができた。一方、80Aの電流を直流電源から半導体レーザーアレイ10に注入し、外部共振ミラー328から出射される光出力を測定したところ、約330Wの光出力を得ることができた。このことから、半導体レーザーアレイ10の全てのエミッター部3が並列動作していることが分かった。
Then, the selected five laser modules were arranged at predetermined positions within the housing of the
また、半導体レーザーアレイ10の反りが比較的大きく、エミッター部3はU字に並んでいた。具体的には、積層構造体140を構成する各層の積層方向における、各エミッター部3の発光位置の誤差が数15μm程度であった。
Also, the
[その他、実施例と比較例との比較]
本実施例は、比較例に対して小型の電源装置830を用いている。小型の電源装置830は、電圧の立ち上がり性能がよいため、本実施例の加工装置801は、比較例の加工装置800よりも、高い出力のレーザー光を急峻に発振させることができる。
[Others, Comparison between Examples and Comparative Examples]
This embodiment uses a smaller
従って、本実施例は、加工対象物を加工する際に、レーザー光の出力不安定に起因する加工表面のバリやデブリの発生を防止することができ、レーザー加工に適したレーザー光を得ることができる。 Therefore, this embodiment can prevent the occurrence of burrs and debris on the processing surface due to unstable output of laser light when processing an object to be processed, and can obtain laser light suitable for laser processing. can be done.
本開示の半導体レーザーアレイ、半導体レーザーアレイの製造方法、レーザーモジュール、半導体レーザー加工装置及び単結晶基板は、波長ビーム結合方式の半導体レーザー加工装置に好適である。 The semiconductor laser array, the method for manufacturing a semiconductor laser array, the laser module, the semiconductor laser processing apparatus, and the single crystal substrate of the present disclosure are suitable for a wavelength beam combining type semiconductor laser processing apparatus.
1 レーザー光
3 エミッター部
10 半導体レーザーアレイ
12 導電性単結晶基板
14 積層構造体
15 発光層
18 p側電極
19 n側電極
21 反射膜
22 反射膜
28 外部共振ミラー
31 凸部
83 エミッター電極部
84 パッド電極部
99 アレイ本体部
100 半導体レーザーアレイ
110 単結晶基板
111 絶縁性単結晶部
120 導電性単結晶部
121 第1の導電性単結晶部
122 第2の導電性単結晶部
130 エミッター部
131 凸部
140 積層構造体
141 第1の積層構造体
142 第2の積層構造体
150 発光層
160 第1の半導体層
170 第2の半導体層
180 p側電極
181 第1のp側電極
182 第2のp側電極
183 エミッター電極部
184 パッド電極部
190 n側電極
191 第1のn側電極
192 第2のn側電極
211 反射膜
212 反射膜
320 ミラー
325 ビームツイスターユニット
326 回折格子
327 レーザー光
328 外部共振ミラー
329 レーザー光
510 母材
520 絶縁性単結晶
530 突出部
540 導電性単結晶
560 多重層
700~705 レーザーモジュール
725 ビームツイスターユニット
761 第1のp側電極ブロック
762 第1のn側電極ブロック
763 第2のp側電極ブロック
764 第2のn側電極ブロック
765 接続体
771 上側金属ブロック
772 下側金属ブロック
773 水冷架台
800 半導体レーザー加工装置
801 半導体レーザー加工装置
810 筐体
820 ミラー
830 電源装置
REFERENCE SIGNS LIST 1 laser beam 3 emitter section 10 semiconductor laser array 12 conductive single crystal substrate 14 laminated structure 15 light emitting layer 18 p-side electrode 19 n-side electrode 21 reflective film 22 reflective film 28 external resonant mirror 31 convex portion 83 emitter electrode portion 84 pad Electrode portion 99 Array body portion 100 Semiconductor laser array 110 Single crystal substrate 111 Insulating single crystal portion 120 Conductive single crystal portion 121 First conductive single crystal portion 122 Second conductive single crystal portion 130 Emitter portion 131 Projection 140 laminated structure 141 first laminated structure 142 second laminated structure 150 light emitting layer 160 first semiconductor layer 170 second semiconductor layer 180 p-side electrode 181 first p-side electrode 182 second p-side Electrode 183 Emitter electrode portion 184 Pad electrode portion 190 n-side electrode 191 first n-side electrode 192 second n-side electrode 211 reflective film 212 reflective film 320 mirror 325 beam twister unit 326 diffraction grating 327 laser light 328 external resonance mirror 329 Laser light 510 Base material 520 Insulating single crystal 530 Projection 540 Conductive single crystal 560 Multilayers 700-705 Laser module 725 Beam twister unit 761 First p-side electrode block 762 First n-side electrode block 763 Second p-side electrode block 764 second n-side electrode block 765 connector 771 upper metal block 772 lower metal block 773 water cooling mount 800 semiconductor laser processing device 801 semiconductor laser processing device 810 housing 820 mirror 830 power supply
Claims (6)
端面からレーザー光を出射するエミッター部を有しており、前記第1の導電性単結晶部の表面及び前記第2の導電性単結晶部の表面にそれぞれ配置される第1の積層構造体及び第2の積層構造体と、
前記第1の積層構造体及び前記第2の積層構造体にそれぞれ配置される第1のp側電極及び第2のp側電極と、
前記第1の導電性単結晶部の裏面及び前記第2の導電性単結晶部の裏面にそれぞれ配置される第1のn側電極及び第2のn側電極と、
を備える、半導体レーザーアレイ。 a single crystal substrate having an insulating single crystal portion and a first conductive single crystal portion and a second conductive single crystal portion separated from each other by the insulating single crystal portion;
a first laminated structure having an emitter portion for emitting a laser beam from an end face, and arranged on the surface of the first conductive single crystal portion and the surface of the second conductive single crystal portion; a second laminated structure;
a first p-side electrode and a second p-side electrode arranged on the first laminated structure and the second laminated structure, respectively;
a first n-side electrode and a second n-side electrode respectively arranged on the rear surface of the first conductive single crystal portion and the rear surface of the second conductive single crystal portion;
A semiconductor laser array.
前記第1の積層構造体の前記複数のエミッター部は、前記第1のp側電極に対して並列に接続され、
前記第2の積層構造体の前記複数のエミッター部は、前記第2のp側電極に対して並列に接続されている、
請求項1に記載の半導体レーザーアレイ。 each of the first laminated structure and the second laminated structure has a plurality of the emitter sections,
the plurality of emitter portions of the first stacked structure are connected in parallel to the first p-side electrode;
The plurality of emitter portions of the second stacked structure are connected in parallel to the second p-side electrode,
A semiconductor laser array according to claim 1 .
前記絶縁性単結晶の表面に突出部を形成する工程と、
前記絶縁性単結晶の表面の前記突出部を含む領域に、導電性単結晶を形成する工程と、
前記導電性単結晶の表面を加工して、前記導電性単結晶及び前記絶縁性単結晶を露出させるとともに、前記絶縁性単結晶の裏面を加工することで、前記絶縁性単結晶からなる絶縁性単結晶部と、前記導電性単結晶からなり、かつ、前記絶縁性単結晶部によって互いに隔てられた第1の導電性単結晶部及び第2の導電性単結晶部を形成する工程と、
端面からレーザー光を出射するエミッター部を有する第1の積層構造体及び第2の積層構造体を、前記第1の導電性単結晶部の表面及び前記第2の導電性単結晶部の表面に形成する工程と、
前記第1の積層構造体及び前記第2の積層構造体のそれぞれの表面に第1のp側電極及び第2のp側電極を形成する工程と、
前記第1の導電性単結晶部の裏面及び前記第2の導電性単結晶部の裏面に第1のn側電極及び第2のn側電極を形成する工程と、
を備える、
半導体レーザーアレイの製造方法。 forming an insulating single crystal;
forming a protrusion on the surface of the insulating single crystal;
forming a conductive single crystal in a region including the protrusion on the surface of the insulating single crystal;
The surface of the conductive single crystal is processed to expose the conductive single crystal and the insulating single crystal, and the back surface of the insulating single crystal is processed to obtain an insulating layer made of the insulating single crystal. forming a single crystal portion and a first conductive single crystal portion and a second conductive single crystal portion made of the conductive single crystal and separated from each other by the insulating single crystal portion;
A first laminated structure and a second laminated structure having an emitter for emitting a laser beam from an end face are provided on the surface of the first conductive single crystal portion and the surface of the second conductive single crystal portion. forming;
forming a first p-side electrode and a second p-side electrode on respective surfaces of the first laminated structure and the second laminated structure;
forming a first n-side electrode and a second n-side electrode on the back surface of the first conductive single crystal portion and the back surface of the second conductive single crystal portion;
comprising
A method for manufacturing a semiconductor laser array.
前記第2のp側電極に接続されるp側電極ブロックと、
前記第1のn側電極に接続されるn側電極ブロックと、
前記p側電極ブロックと前記n側電極ブロックとを電気的に接続する接続体と、
前記第1の積層構造体及び前記第2の積層構造体の前記エミッター部の前記端面側に配置されるビームツイスターユニットと、
を備えるレーザーモジュール。 A semiconductor laser array according to claim 1 or 2;
a p-side electrode block connected to the second p-side electrode;
an n-side electrode block connected to the first n-side electrode;
a connector that electrically connects the p-side electrode block and the n-side electrode block;
a beam twister unit arranged on the end face side of the emitter section of the first laminated structure and the second laminated structure;
laser module with
絶縁性単結晶部と、
前記絶縁性単結晶部によって互いに隔てられている第1の導電性単結晶部及び第2の導電性単結晶部と、
を備え、
前記単結晶基板の一つの主面に、前記絶縁性単結晶部、前記第1の導電性単結晶部及び第2の導電性単結晶部が露出している、
単結晶基板。 A compound semiconductor single crystal substrate used for manufacturing a semiconductor laser array,
an insulating single crystal portion;
a first conductive single crystal portion and a second conductive single crystal portion separated from each other by the insulating single crystal portion;
with
The insulating single crystal portion, the first conductive single crystal portion, and the second conductive single crystal portion are exposed on one main surface of the single crystal substrate,
Single crystal substrate.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2021101843A JP2023000813A (en) | 2021-06-18 | 2021-06-18 | Semiconductor laser array, method for manufacturing semiconductor laser array, laser module, semiconductor laser processing apparatus, and single crystal substrate |
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2021
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