JP4536429B2 - 半導体レーザ装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体レーザの励起や微細加工処理等の光源として利用される半導体レーザ装置及びその製造方法に関するものである。

従来、半導体レーザ素子は光照射時に熱を発するため、熱伝導性に優れた材料によって形成されたサブマウント上に半導体レーザ素子を固定させて半導体レーザ装置を形成することで、外部に放熱しやすい仕組みが構築されている（例えば、特許文献１，２参照。）。

半導体レーザ素子をサブマウントに固定する方法としては、通常、あらかじめサブマウント上に半田材を蒸着させておき、かかる半田材上に、両面に電極が形成された半導体レーザ素子を実装し、この状態で半田材を溶融させて、半田付けを行うリフロー方式が用いられる。

この固定方法では更に、放熱性を向上させる観点から、半導体レーザ素子の実装において、活性層を有するｐｎ接合部（ジャンクション）に近い側の電極面を、サブマウント側に配置するジャンクションダウン方式が採用される。しかしながら、この場合、半導体レーザ素子の光出射領域もサブマウントの近傍に位置するため、半田材が半導体レーザ素子の劈開面にはみ出すと、光出射領域を塞いでしまう不具合が生じやすくなる。
特開２００１−２２３４２５号公報 特許３２１０５１９号公報

本発明者らは、半導体レーザ素子として、長手方向の劈開面に複数の光出射領域が所定間隔で並ぶようにした長尺の半導体レーザアレイを用いた場合について詳細に検討を行ったところ、かかる場合では、半導体レーザ素子として、この半導体レーザアレイを光出射領域ごとに切断して得られる従来の半導体レーザチップを用いた場合に比して、溶融した半田材が劈開面にはみ出しやすくなり、上記不具合が特に生じやすいことを見出した。

そこで本発明は上記事情をかんがみてなされたものであり、半田材が半導体レーザアレイの光出射領域を塞ぐこと防止するような構成を備えた半導体レーザ装置、及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の半導体レーザ装置は、複数の光共振器構造が活性層中に並ぶように作り込まれた半導体ウエハを、光共振器構造の並び方向に劈開させることにより、長手方向の劈開面に複数の光出射領域が所定間隔で並ぶようにした長尺の半導体レーザアレイと、半導体レーザアレイが搭載される搭載面と、搭載された半導体レーザアレイの光出射領域側が位置する光出力側端面とを有する長尺のサブマウントと、サブマウントの搭載面と、半導体レーザアレイの下面電極との間に介在される半田材と、を備え、半導体レーザアレイは、下面電極に近い側に活性層を有しており、サブマウントは、搭載面と光出力側端面との角部に面取り部分を有しており、半田材は、下面電極と面取り部分との間に介在されており、面取り部分と下面電極の下面との間の隙間には、半田材が光出射領域側の端部に至るまで形成されており、光出射領域側の下面電極の下面は露出部分を有することなく、全て半田材で覆われており、サブマウントの表面のうち搭載面のみがメッキで覆われており、半田材はＡｕ原子及びＳｎ原子を含み、メッキはＮｉ原子及びＡｕ原子を含み、サブマウントはＣｕ原子及びＷ原子を含むことを特徴とする。

本発明の半導体レーザ装置では、サブマウントの角部に面取り部分を有しているので、この面取り部分と半導体レーザアレイの下面電極との間に隙間が形成され、ここに半田材が蓄積される。このため、半導体レーザアレイの光出射領域側の劈開面に半田材がはみ出して、半導体レーザアレイの活性層の端面である光出射領域を半田材が塞いでしまうことがなくなる。また、下面電極と面取り部分との間に半田材が介在されるので、半導体レーザアレイは光出射領域側の端部に至るまで半田材を介してサブマウントに伝熱（放熱）可能にされることとなり、半導体レーザアレイの活性層やその光出射端面で生じた熱を効率よくサブマウントに伝えることができる。

本発明の半導体レーザ装置においては、面取り部分は、搭載面と光出力側端面との角部に形成された傾斜面、またはＲ面で構成されていることが好ましく、光出射領域側の劈開面と光出力側端面とが位置合わせされて、半導体レーザアレイがサブマウントの搭載面に固定されていることも好ましい。

本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、サブマウントの搭載面上および面取り部分上に、半田材を積層して半田層を形成する半田層形成工程と、光出射領域側の劈開面と光出力側端面とを基準として、治具を用いて半導体レーザアレイをサブマウントの半田層上に位置合わせする位置合わせ工程と、サブマウントを加熱することにより半田層の半田材を溶融させ、次いで冷却することにより半導体レーザアレイをサブマウント上に固定する固定工程とを備えることを特徴とする。

本発明の半導体レーザ装置の製造方法によれば、半田層はサブマウントの搭載面上だけでなく面取り部分上にも積層することとし、半導体レーザアレイを半田層上に位置合わせしてサブマウントを加熱して半田層を溶融させるので、搭載面上に積層された半田層のうちの余分な半田材と、面取り部分上に積層された半田層とが、表面張力で一緒になって面取り部分と下面電極との隙間に蓄積される。このとき、治具を用いて半導体レーザアレイをサブマウントの半田層上に位置合わせしているので、半田層の溶融から冷却・固定のプロセスで位置ずれを起こすことがない。

本発明の半導体レーザ装置は、半田材が半導体レーザアレイの光出射領域を塞ぐことを防止するような構成を備えており、また、半導体レーザアレイからサブマウントへの伝熱（放熱）特性に優れている。

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。

図１（ａ）は、本実施形態にかかる半導体レーザ装置の斜視図であり、図１（ｂ）は、そのＩＩ−ＩＩ矢印方向の断面を拡大して描いた斜視図である。

図１（ａ）に示すように、半導体レーザ装置１００は、ヒートシンクとして機能するサブマウント２０上に、発光素子として機能する半導体レーザアレイ１０を搭載して構成される。サブマウント２０は、熱伝導性の良好な金属等の材料で成形され、例えば長さ１０〜１２ｍｍ、幅１〜５ｍｍ、厚さ０．１〜０．３ｍｍの長尺で矩形の平板状をなしている。半導体レーザアレイ１０は、窒化物半導体等の材料を用いて作製されており、例えば長さ１０ｍｍ、幅０．５〜３ｍｍ、厚さ０．１〜０．２ｍｍの長尺で矩形の平板状をなしている。

半導体レーザアレイ１０の長尺方向に沿う両側端面は、半導体ウエハ（図示せず。）を劈開して形成された劈開面であり、一方の劈開面１０ａはレーザ光が出射される光出射端面である。この半導体レーザアレイ１０の光出射端面は、サブマウント２０の光出力側端面２０ａと同一平面内に揃えられており、長尺方向の両端面も互いに同一平面内に揃えられている。半導体レーザアレイ１０とサブマウント２０の一般的なサイズを対比すれば、図１（ａ）に示す如く、両者は長さが概ね同一であって、幅は半導体レーザアレイ１０の方が狭め、厚さは半導体レーザアレイ１０の方が多少薄めになっている。

図１（ｂ）に示すように、半導体レーザアレイ１０の内部には活性層１２が作り込まれており、一方の劈開面１０ａでは活性層１２が露出してスポット状の光出射領域１４を構成している。他方の劈開面には反射膜（図示せず。）がコーティングされ、この両方の劈開面の間でファブリペロー共振器タイプの活性層１２が形成されている。この活性層１２中には、複数の光共振器構造が一定の間隔で平行に並ぶように作り込まれており、したがってスポット状の光出射領域１４は一定の間隔で劈開面１０ａにて点在することになる。

半導体レーザアレイ１０は、半田材の層３０を介してサブマウント２０上に固定されており、その半田層３０は例えば１〜１０μｍの厚さである。また、半導体レーザアレイ１０には、下面１０ｂ側と上面１０ｃ側にそれぞれ電極が設けられており、両電極間に電流を供給することで活性層１２がレーザ発振し、劈開面１０ａの光出射領域１４からレーザ出射される。このレーザ発振およびレーザ出射に伴う熱は大半が活性層１２で発生されるところから、この熱を効率よくサブマウント２０に伝えるために、活性層１２は下面１０ｂ側に近くなるようにジャンクションダウン方式で配置されている。具体的には、活性層１２は、例えば下面１０ｂ側から２〜３μｍの位置に形成されている。

搭載面２０ｂと出力側端面２０ａとの角部には、例えば傾斜面またはＲ面のような面取り部分２２が形成されている。面取り部分２２がＲ面の場合、搭載面２０ｂ及び出力側端面２０ａと垂直をなす平面上での曲率半径は０．１〜１００μｍが好ましく、より好ましくは１〜５０μｍである。

上記のように、サブマウント２０の出力側端面２０ａ側の角部には面取り部分２２が形成されているので、半導体レーザ装置１００を組み立てるべく半導体レーザアレイ１０を搭載すると、面取り部分２２と下面１０ｂとの間に隙間が生まれる。このため、半田層３０の溶融プロセスで、この隙間が半田材の溜り部として作用し、余分な半田材を蓄積する。このため、半導体レーザアレイ１０の光出射領域１４側の劈開面１０ａに半田材がはみ出して、半導体レーザアレイ１０の活性層１２の端面を半田材が塞いでしまうことがなくなる。

また、図１（ｂ）に示すように、面取り部分２２と下面１０ｂとの間の隙間には、半田層３０が光出射領域１４側の端部に至るまで形成されており、光出射領域１４側の下面１０ｂは露出部分を有することなく、全て半田材で覆われている。このため、レーザ発振およびレーザ出射に伴う熱を半導体レーザアレイ１０から半田層３０を介してサブマウント２０へ十分に伝達することができる。その結果、半導体レーザアレイ１０に熱が残留し難くなるため、長期にわたって良好なレーザ発振を行うことが可能である。

次に、上述の半導体レーザ装置１００を製造する手順の一例について、図２〜図４を参照して説明する。

まず、サブマウント２０を用意する。サブマウント２０の構成材料としては、一般に半導体レーザ装置に使用されるものであれば特に限定されないが、例えば、Ｃｕ原子及びＷ原子の混合材料（例えば、Ｃｕ／Ｗ（１／９）の混合材料）を本体とし、この本体の全面がＮｉ原子及びＡｕ原子によるメッキ２４（例えば、Nｉ：１μｍ以上、Ａｕ：０．３μｍ以下のメッキ）で覆われているものが挙げられる。また、上記本体の少なくとも搭載面２０ｂを形成する側に、Ｎｉ原子及びＡｕ原子による蒸着や、Ｔｉ原子、Ｐｔ原子及びＡｕ原子による蒸着を施したものであってもよい。なお、面取り部分２２は、例えば、上記本体に切削加工、研磨加工等を施すことにより、あらかじめ形成しておく。

続いて、サブマウント２０の搭載面２０ｂ及び面取り部２２上に半田材を蒸着して、半田層３０を形成する（半田層形成工程）。かかる半田材としては、一般に半導体レーザ装置に使用されるものであれば特に限定されないが、例えば、Ｉｎ原子等を含む低融点半田材や、Ａｕ原子及びＳｎ原子を含む高融点半田材を挙げることができる。特に、Ａｕ原子及びＳｎ原子を含む高融点半田材（例えば、Ａｕ／Ｓｎ（８／２）である融点２８０℃の半田材）を用いると、半田層３０の熱伝導特性が向上するため好ましい。

次に、半導体レーザアレイ１０を用意する。半導体レーザアレイ１０の構成材料としては、一般に半導体レーザ装置に使用されるものであれば特に限定されないが、例えば、Ｇａ原子及びＡｓ原子を主成分とする半導体の両面に、Ｔｉ原子、Ｐｔ原子及びＡｕ原子の混合材料による下面電極１６及び上面電極１８がそれぞれ形成されたものを挙げることができる。例えば、下面電極１６は、Ｔｉ原子：１０〜１００ｎｍ／Ｐｔ原子：５０〜３００ｎｍ／Ａｕ原子：５０〜２００ｎｍで構成される。また、半導体レーザアレイ１０の構成材料と、サブマウント２０の構成材料とが、互いに近い熱膨張率を有すると、得られる半導体レーザ装置１００において、半導体レーザアレイ１０で発生する熱による歪みが半田層３０に残存しないため好ましい。

また、半導体レーザアレイ１０の活性層１２中には、複数の光共振器構造が一定の間隔で平行に並ぶように作り込まれている。このように機能する半導体レーザアレイ１０の構造としては、図３に示すように、下面１０ｂを直線状に横断する溝部４０が劈開面１０ａの長手方向に一定間隔で平行に設けられている構造が挙げられる。溝部４０では、活性層１２に達しない程度の溝４２が設けられており、その溝４２にＳｉＮ等の絶縁層４４、更には下面電極１６が積層されている。溝４２としては、例えば深さ１μｍの一段目の溝を形成した後、更に活性層１２に近づく二段目の溝を形成して、全体で深さ２〜３μｍとなるような二段構造を有するものが好ましいが、活性層１２に達しない程度の溝であるならば、溝４２の段数は特に制限されず、一段構造であっても多段構造であってもよい。また、溝部４０の幅は例えば２０〜５００μｍ、溝部４０同士の間隔は例えば５０〜３００μｍである。

更に、図４に示すように、平坦な面２００ａを有する治具２００を用意し、劈開面１０ａと出力側端面２０ａとを治具２００の平坦面２００ａで揃えながら、半導体レーザアレイ１０をサブマウント２０の半田層３０上に位置合わせする（位置合わせ工程）。ここで、面２００ａは凹部２０２を有しており、治具２００は位置合わせ工程時に半導体レーザアレイ１０の光出射領域１４と接しないように構成されている。このため、光出射領域１４に損傷を与えないように位置合わせを行うことができる。

また、半導体レーザアレイ１０は、下面１０ｂを半田層３０側にして、ジャンクションダウン方式で実装される。このとき、半導体レーザアレイ１０の上面電極１８側から、ばね等を利用して、例えば５〜１００ｇ程度の圧力をかけることが好ましい。これにより、半導体レーザアレイ１０及びサブマウント２０の有する反りを矯正することができる。半導体レーザアレイ１０及びサブマウント２０は単体では反りを有しており、特に半導体レーザアレイ１０はサブマウント２０よりも薄く、たわみやすい。具体的に、長さ１０ｍｍ、幅０．５〜３ｍｍ、厚さ０．１〜０．２ｍｍの半導体レーザアレイで１〜１０μｍの反り量を有している。また、長さ１０〜１２ｍｍ、幅１〜５ｍｍ、厚さ０．１〜０．３ｍｍのサブマウントで１０μｍ以下の反り量を有している。

続いて、不活性雰囲気中でサブマウント２０を加熱して半田層３０の半田材を溶融させ、次いで冷却して硬化させることにより、半導体レーザアレイ１０がサブマウント２０上に固定される（固定工程）。このようにして、半導体レーザ装置１００を作製することができる。

次に、半導体レーザ装置１００の製造方法の作用について説明する。

固定工程において、治具２００によって劈開面１０ａと出力側端面２０ａを位置合わせして半田層３０を溶融させるので、サブマウント２０の搭載面２０ｂ上の余分な半田材と、面取り部分２２上に積層された半田層３０とが、互いに表面張力で合わさり、面取り部分２２と下面１０ｂとの間の隙間に蓄積される。これにより、かかる半田材が半導体レーザアレイ１０の光出射領域１４を塞ぐのを防止することができる。

同時に、治具２００を用いて位置合わせしていることにより、半田層３０上での半導体レーザアレイ１０の位置ずれを防止することができる。これにより、半田材が硬化するまでに劈開面１０ａと出力側端面２０ａとの位置関係がずれて、上記特性が途中で得られなくなることや、半田層３０が下面１０ｂの光出射領域１４側の端部まで形成されなくなることを阻止することができる。

（ａ）は半導体レーザアレイとサブマウントとの組み付け状態を示す斜視図であり、（ｂ）はＩＩ−ＩＩ矢印方向の断面を拡大して描いた斜視図である。 半田層形成工程後の、劈開面と光出力側端面とが位置合わせされた半導体レーザアレイ及びサブマウントの光共振方向の断面図である。 半田層形成工程後の、劈開面と光出力側端面とが位置合わせされた半導体レーザアレイ及びサブマウントの光共振器構造の並び方向の断面図である。 位置合わせ工程及び固定工程を説明するための図である。

符号の説明

１０…半導体レーザアレイ、１０ａ…劈開面、１０ｂ…下面、１０ｃ…上面、１２…活性層、１４…光出射領域、１６…下面電極、１８…上面電極、２０…サブマウント、２０ａ…光出力側端面、２０ｂ…搭載面、２２…面取り部分、２４…メッキ、３０…半田層、４０…溝部、４２…溝、４４…絶縁層、２００…治具、２００ａ…平坦面、２０２…凹部、１００…半導体レーザ装置。

Claims (4)

1. 複数の光共振器構造が活性層中に並ぶように作り込まれた半導体ウエハを、前記光共振器構造の並び方向に劈開させることにより、長手方向の劈開面に複数の光出射領域が所定間隔で並ぶようにした長尺の半導体レーザアレイと、
   前記半導体レーザアレイが搭載される搭載面と、搭載された前記半導体レーザアレイの前記光出射領域側が位置する光出力側端面とを有する長尺のサブマウントと、
   前記サブマウントの前記搭載面と、前記半導体レーザアレイの下面電極との間に介在される半田材と、
   を備え、
   前記半導体レーザアレイは、前記下面電極に近い側に前記活性層を有しており、
   前記サブマウントは、前記搭載面と前記光出力側端面との角部に面取り部分を有しており、
   前記半田材は、前記下面電極と前記面取り部分との間に介在されており、
   前記面取り部分と前記下面電極の下面との間の隙間には、前記半田材が前記光出射領域側の端部に至るまで形成されており、前記光出射領域側の前記下面電極の前記下面は露出部分を有することなく、全て前記半田材で覆われており、
   前記サブマウントの表面のうち前記搭載面のみがメッキで覆われており、
   前記半田材はＡｕ原子及びＳｎ原子を含み、
   前記メッキはＮｉ原子及びＡｕ原子を含み、
   前記サブマウントはＣｕ原子及びＷ原子を含む、
   ことを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記面取り部分は、前記搭載面と前記光出力側端面との角部に形成された傾斜面、またはＲ面で構成されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
3. 前記光出射領域側の劈開面と前記光出力側端面とが位置合わせされて、前記半導体レーザアレイが前記サブマウントの前記搭載面に固定されている、
   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装置。
4. 前記サブマウントの前記搭載面上および前記面取り部分上に、前記半田材を積層して半田層を形成する半田層形成工程と、
   前記光出射領域側の劈開面と前記光出力側端面とを基準として、治具を用いて前記半導体レーザアレイを前記サブマウントの前記半田層上に位置合わせする位置合わせ工程と、
   前記サブマウントを加熱することにより前記半田層の半田材を溶融させ、次いで冷却することにより前記半導体レーザアレイを前記サブマウント上に固定する固定工程と、
   を備えることを特徴とする請求項１，２または３記載の半導体レーザ装置の製造方法。

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