JP4855179B2 - アレイ型半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アレイ型半導体レーザ装置に関し、特に、信頼性を向上させるための技術に関する。

従来のアレイ型半導体レーザ装置では、最も外側のレーザ素子近傍の温度を低減し信頼性を高めるために、最も外側のレーザ素子の発光領域よりも外側に、隣接する発光領域の間隔（一般に２００μｍ以上）よりも広い半導体領域を設けることによりアレイ方向の放熱能力を高め、温度上昇を抑制している（例えば特許文献１）。

特開平２−１０３９８７号公報

このようなアレイ型半導体レーザ装置にあっては、最も外側のレーザ素子の発光領域よりも外側に設けた半導体領域がある値より広くなると、アレイ中央部の発光領域における応力が高まるので、劣化に繋がり信頼性の低下を招く。応力の影響を避け劣化を防ぐためには、アレイ型半導体レーザ装置からの出力を低下させることが考えられるが、その場合、所望の動作を行うことができなくなるという問題点がある。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、出力を低下させることなく信頼性を高めることが可能なアレイ型半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

本発明に係るアレイ型半導体レーザ装置は、化合物半導体基板に多層成長させて形成された発光領域を有し第１方向に延在するレーザ素子を前記第１の方向に垂直且つ、前記化合物半導体基板に平行な第２方向に沿ってアレイ状に複数個並べてなるバー状半導体基板と、前記バー状半導体基板において生じる熱を放つためのヒートシンク材と、を含むアレイ型半導体レーザ装置であって、前記第２方向においては、前記レーザ素子の発光領域の幅を、前記バー状半導体基板の端部に対して近くに位置する４つ以上の前記レーザ素子について段階的に狭くする。

本発明に係るアレイ型半導体レーザ装置は、化合物半導体基板に多層成長させて形成された発光領域を有し第１方向に延在するレーザ素子を前記第１の方向に垂直且つ、前記化合物半導体基板に平行な第２方向に沿ってアレイ状に複数個並べてなるバー状半導体基板と、前記バー状半導体基板において生じる熱を放つためのヒートシンク材と、を含むアレイ型半導体レーザ装置であって、前記第２方向においては、前記レーザ素子の発光領域の幅を、前記バー状半導体基板の端部に対して近くに位置する４つ以上の前記レーザ素子について段階的に狭くする。従って、バー状半導体基板において生じる熱をヒートシンク材で十分に放ち温度上昇を防ぐとともに、発光領域に加えられる応力を低減し劣化を防ぐことが可能となる。よって、出力を低下させることなく信頼性を高めることができるという効果を奏する。

本発明に係るアレイ型半導体レーザ装置は、活性層を内包するバー状の半導体基板であるバー状半導体基板において生じる熱を放つためのヒートシンク材を、バー状半導体基板よりも長くすることにより温度上昇を防ぐとともに、バー状半導体基板における応力が最も外側の発光領域とバー状半導体基板の端部との距離に依ることに着目し、応力を低減できるようにこの距離を定めることを特徴とする。以下では、アレイ型半導体レーザ装置からの出力を一定に保った場合において、各実施の形態について説明する（なお、１個のアレイ型半導体レーザ装置からの出力は多様であり、産業用途の固体レーザ励起用を例に挙げると、２０〜６０Ｗレベルのものが最もよく使用されている。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るアレイ型半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。図１において、バー状半導体基板１は、紙面奥行き方向（第１方向）に延在するレーザ素子２を、紙面左右方向（第２方向）に沿ってアレイ状に複数個並べて構成される。各レーザ素子２は、１個の発光領域３を含んでいる。

バー状半導体基板１は、一般に、ＧａＡｓやＩｎＰ等の化合物半導体基板を材料として多層成長させ、複数個のレーザ素子２として形成させたものである。バー状半導体基板１の上面および下面には、それぞれ、電極４ａ、４ｂが形成されている。電極４ａの上面および電極４ｂの下面には、それぞれ、金属蒸着が施されている。

電極４ｂの下面には、バー状半導体基板１と同等の線膨張係数を持つ応力緩和材５が接合されている。例えば、バー状半導体基板１がＧａＡｓの場合には、線膨張係数は約６×１０^−６／Ｋであるので、応力緩和材５としては、これと同等の線膨張係数を持つＣｕＷ等が適用される。また、応力緩和材５は、バー状半導体基板１において生じる熱を放つためのヒートシンク材としての金属等からなるベース材６と接合される。

図１に示されるアレイ型半導体レーザ装置では、第２方向において、応力緩和材５およびベース材６はバー状半導体基板１より長い。このように構成することにより、図２に示されるように、最も外側のレーザ素子２近傍における温度上昇を防ぐことが可能となる。すなわち、図２においては、バー状半導体基板１の（第２方向における）端部からの距離が小さい領域ほど温度が低くなっている。図１において、レーザ素子２において生じた熱は、放射角度θで応力緩和材５内を拡がっていき、この放射角度θは概ね４５°であることが分かっている。すなわち、応力緩和材５およびベース材６の両端部を、バー状半導体基板１の両端部に比べて、応力緩和材５の厚み以上の長さ分第２方向に突出させることにより、放射角度θを４５°以下としレーザ素子２近傍における温度上昇を防ぐことができる。

図３は、図１におけるバー状半導体基板１の端部の構造を示す拡大断面図である。レーザ素子２に含まれる発光領域３は、一般的に、第２方向において、５０〜１５０μｍ程度の幅を持っている。一般的に、バー状半導体基板１としては、厚みが８０〜１５０μｍで第２方向の長さが約１０ｍｍ（＝１００００μｍ）のものが多く使用されている。

図３においては、最も外側のレーザ素子２ａに含まれる発光領域３ａとバー状半導体基板１の端部との距離（言い換えると、発光領域３ａとバー状半導体基板１の端部との間に介在する（発光領域を含まない）半導体領域の長さ）が１００μｍ以上である場合が示されている。すなわち、バー状半導体基板１の端部と発光領域３ａの中心との距離Ｌおよび発光領域３ａの（第２方向における）長さＤは、Ｌ−Ｄ／２≧１００μｍを満たしている。なお、図４には、比較用に、Ｌ−Ｄ／２＜５０μｍである場合が示されている。図４においては、発光領域３ａが、バー状半導体基板１の端部のすぐ近傍に配置されている。

図５は、図３に示されるような構造（Ｌ−Ｄ／２≧１００μｍ）におけるバー状半導体基板１の応力分布を示すグラフである。図５においては、図３に示されるバー状半導体基板１の端部からの距離に基づく応力解析により算出された応力値が実線で示されている。また、バー状半導体基板１の中央部における応力値（すなわち、端部からの距離が５０００μｍであるとして算出された応力値）が点線で示されている。また、各発光領域３の位置（端部からの距離）が、点線からなる楕円で示されている。図５においては、発光領域３が配置される領域を領域ａとして示している。

図５に示されるように、端部からの距離が１００μｍ未満である領域（領域ｂ）においては、実線で示される応力値は点線で示される中央部における応力値を上回っており、端部からの距離が１００μｍ以上である領域においては、実線で示される応力値は点線で示される中央部における応力値を下回っている。すなわち、Ｌ−Ｄ／２≧１００μｍとなるように最も外側の発光領域３ａを配置することにより、全ての発光領域３に加えられる応力を、中央部における応力値より小さくすることが可能となる。

従来から、アレイ型半導体レーザ装置においては、バー状半導体基板１に加わる応力により、信頼性が低下することが知られている。これを防ぐために、応力緩和材５を用いたりあるいはＩｎはんだ等の柔らかい接合材料を適用したりしている。しかし、これまで、バー状半導体基板１の応力を完全に抑制することは困難であり、特に第２方向における端部に集中する応力が劣化を引き起こすと考えられてきた。すなわち、端部付近に位置する発光領域３に高い応力が加えられた場合には、微小な欠陥から転位が進展し、劣化が加速される可能性がある。図６は、図４に示される比較用のバー状半導体基板１を用いた場合の応力分布を示すグラフである。図６においては、最も外側の発光領域３ａに加えられる応力値が点線で示される中央部における応力値を上回っている。従って、発光領域３ａにおいて劣化が引き起こされる可能性が高くなる。

一方、図５に示されるグラフでは、全ての発光領域３に加えられる応力値が中央部における応力値を下回っており、応力解析によれば、発光領域３に加えられる応力の平均値は図６に比べて１０％以上低減している。

このように、本実施の形態に係るアレイ型半導体レーザ装置では、第２方向において、ヒートシンク材としてのベース材６をバー状半導体基板１より長くし、且つバー状半導体基板１の端部と発光領域３ａとの距離を１００μｍ以上としている。従って、バー状半導体基板１において生じる熱をベース材６で十分に放ち温度上昇を防ぐとともに、発光領域３に加えられる応力を低減し劣化を防ぐことが可能となる。よって、出力を低下させることなく信頼性を高めることができるという効果を奏する。

実施の形態２．
実施の形態１においては、バー状半導体基板１の端部と発光領域３ａとの距離を１００μｍ以上とする（Ｌ−Ｄ／２≧１００μｍ）ことにより、発光領域３ａに加えられる応力値が中央部における応力値を下回るように（すなわち全ての発光領域３に加えられる応力値が中央部における応力値を下回るように）している。しかし、バー状半導体基板１の端部に加えられる応力値自体は低減されていないので、バー状半導体基板１の端部近傍において（発光領域３が配置されていなくても）劣化が生じる場合があり得る。

図７は、実施の形態２に係るバー状半導体基板１の端部の構造を示す拡大断面図である。図７は、図３において、バー状半導体基板１の端部と発光領域３ａとの距離を３５０μｍ以上（Ｌ−Ｄ／２≧３５０μｍ）とさらに大きくしたものである。

図８は、図７に示されるような構造（Ｌ−Ｄ／２≧３５０μｍ）におけるバー状半導体基板１の応力分布を示すグラフである。図８においては、図７に示されるバー状半導体基板１の端部からの距離に基づく応力解析により算出された応力値が実線で示されている。また、バー状半導体基板１の中央部における応力値（すなわち、端部からの距離が５０００μｍであるとして算出された応力値）が点線で示されている。

図８においては、図５〜６に比べて全ての発光領域３に加えられる応力値が低くなっており、図５〜６とは異なりバー状半導体基板１の端部（すなわち、距離＝０μｍ）における応力値がバー状半導体基板１の中央部における応力値（点線）より低くなっている。すなわち、Ｌ−Ｄ／２≧３５０μｍとなるように発光領域３ａを配置することにより、バー状半導体基板１の端部に加えられる応力をさらに低減することが可能となる。

このように、本実施の形態に係るアレイ型半導体レーザ装置では、第２方向においてバー状半導体基板１の端部と発光領域３ａとの距離を３５０μｍ以上としている（Ｌ−Ｄ／２≧３５０μｍ）。従って、バー状半導体基板１の端部に加えられる応力を、中央部における応力値より低くなるように、さらに低減できる。よって、実施の形態１の効果に加えて、さらに劣化を防ぐことができるという効果を奏する。

実施の形態３．
実施の形態２においては、バー状半導体基板１の端部と発光領域３ａとの距離を３５０μｍ以上とする（Ｌ−Ｄ／２≧３５０μｍ）ことにより、バー状半導体基板１の端部に加えられる応力をさらに低減している。しかし、アレイ型半導体レーザ装置からの出力を一定に保った状態で、バー状半導体基板１の端部付近において発光領域３が配置されない半導体領域を拡げると、バー状半導体基板１の中央部の応力は上昇する。従って、バー状半導体基板１の端部と発光領域３ａとの距離は、バー状半導体基板１の中央部の応力が大きくなり過ぎない範囲内に留める必要がある。

図９は、実施の形態３に係るバー状半導体基板１の端部の構造を示す拡大断面図である。図９は、図７において、バー状半導体基板１の端部と発光領域３との距離を３５０μｍ以上且つ５００μｍ未満（５００μｍ＞Ｌ−Ｄ／２≧３５０μｍ）としたものである。

図１０は、図９に示されるような構造（５００μｍ＞Ｌ−Ｄ／２≧３５０μｍ）におけるバー状半導体基板１の応力分布を示すグラフである。図１０においては、図９に示されるバー状半導体基板１の端部からの距離に基づく応力解析により算出された応力値が実線で示されている。また、図５における比較用の応力値（図４の構造における応力値）が点線で示されている。さらに、点線で示される比較用の応力値の最大値（すなわち距離＝０μｍにおける応力値）が一点鎖線で示されている。なお、図１０は、図５、６、８に比べて、横軸方向に縮小されプロットされている。

図１０において実線で示される応力値は、距離＝０μｍから単調に減少していき、距離＝３５０μｍ付近で最小値をとった後に、中央部すなわち距離＝５０００μｍまで単調に増加する。応力解析の結果、Ｌ−Ｄ／２≧５００μｍとした場合には、距離＝５０００μｍにおける応力値（中央部の応力値）が一点鎖線で示される比較用の応力値の最大値を上回ってしまうことが分かっている。図９においては、バー状半導体基板１の端部と発光領域３との距離を５００μｍ未満とすることにより、バー状半導体基板１の中央部の応力値の上昇を抑え比較用の応力値の最大値を上回ることを防いでいる。

このように、本実施の形態に係るアレイ型半導体レーザ装置では、第２方向においてバー状半導体基板１の端部と発光領域３ａとの距離を５００μｍ未満としている（５００μｍ＞Ｌ−Ｄ／２）。従って、バー状半導体基板１の中央部に加えられる応力の上昇を抑えることができる。よって、実施の形態２の効果に加えて、さらに劣化を防ぐことができるという効果を奏する。

実施の形態４．
図１１は、本発明の実施の形態４に係るバー状半導体基板１の第２方向の端部の構成を示す拡大断面図である。図１２は、バー状半導体基板１の第２方向に並んだレーザ素子２の発光領域３の幅を示すグラフである。図１２においてレーザ素子２に付けられた番号はバー状半導体基板１の第２方向の最も外側に位置するレーザ素子２を１として並んだ順に付けられた連番である。
本実施の形態４においては、バー状半導体基板１の第２方向に並んだ各レーザ素子２は、発光領域３を備えており、その発光領域３の幅は、図１２に示すように、バー状半導体基板１の第２方向の外側に位置するレーザ素子２の発光領域３ほど、幅が狭くなっている。図１１において、レーザ素子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄのそれぞれの発光領域３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの第２方向の幅Ｄ_ａ、Ｄ_ｂ、Ｄ_ｃ、Ｄ_ｄは、幅Ｄ_ａが最も小さく、Ｄ_ｂ、Ｄ_ｃ、Ｄ_ｄの順に大きくなる。そして、発光領域３の幅と発光領域３でのレーザ出力および発生発熱量はほぼ比例の関係にあるので、第２方向の外側に位置するレーザ素子２ほど発光領域３の幅を狭くすることにより、バー状半導体基板１の端部での発熱量を抑えられる。
図１３は、第２方向の外側に位置するレーザ素子２ほど発光領域３の幅が狭くなっているバー状半導体基板１の応力分布を示すグラフである。図１１に示すようにバー状半導体基板１の端部での発熱量を抑えられると、図１３に示すようにバー状半導体基板１の端部に加わる応力を低減することができる。
また、実施の形態１乃至３のように、発熱量が端部に位置する発光領域３で急峻に０とせず、段階的に発熱量を低減しているために、端部付近での応力の変化量を低減することで、バー状半導体基板１全域における応力変化による信頼性の低下を抑制することが可能である。

この構成により、アレイ型半導体レーザ装置からの出力一定にも係わらず、バー状半導体基板１の端部における発熱密度を低減することができるので、第２方向の最も外側に位置するレーザ素子２ａの発光領域３ａに加わる応力も、バー状半導体基板１の第２方向の中央部の応力と同等以下にまで低減できる。
また、最も外側に位置する発光領域３ａに加わる応力を従来のバー状半導体基板１に加わる応力の最大値の１０％以上低減できる。これにより、第２方向の最も外側に位置する発光領域３ａに局所的な大きな応力が加わらないので、応力が加わることによる信頼性の劣化を抑制することが可能となる。

実施の形態１に係るアレイ型半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。 実施の形態１に係るアレイ型半導体レーザ装置における温度特性を示すグラフである。 実施の形態１に係るバー状半導体基板の端部の構造を示す拡大断面図である。 比較用のバー状半導体基板の端部の構造を示す拡大断面図である。 実施の形態１に係るアレイ型半導体レーザ装置における応力特性を示すグラフである。 比較用のアレイ型半導体レーザ装置における応力特性を示すグラフである。 実施の形態２に係るバー状半導体基板の端部の構造を示す拡大断面図である。 実施の形態２に係るアレイ型半導体レーザ装置における応力特性を示すグラフである。 実施の形態３に係るバー状半導体基板の端部の構造を示す拡大断面図である。 実施の形態３に係るアレイ型半導体レーザ装置における応力特性を示すグラフである。 実施の形態４に係るバー状半導体基板の端部の構造を示す拡大断面図である。 実施の形態４に係るレーザ素子の発光領域幅を示すグラフである。 実施の形態４に係るアレイ型半導体レーザ装置における応力特性を示すグラフである。

符号の説明

１ バー状半導体基板、２ レーザ素子、３ 発光領域、４ａ、４ｂ 電極、５ 応力緩和材、６ ベース材、θ 放射角度。

Claims (2)

1. 化合物半導体基板に多層成長させて形成された発光領域を有し第１方向に延在するレーザ素子を前記第１の方向に垂直且つ、前記化合物半導体基板に平行な第２方向に沿ってアレイ状に複数個並べてなるバー状半導体基板と、
   前記バー状半導体基板において生じる熱を放つためのヒートシンク材と、
   を含むアレイ型半導体レーザ装置であって、
   前記第２方向においては、
   前記レーザ素子の発光領域の幅を、前記バー状半導体基板の端部に対して近くに位置する４つ以上の前記レーザ素子について段階的に狭くするアレイ型半導体レーザ装置。
2. 請求項１に記載のアレイ型半導体レーザ装置であって、
   前記バー状半導体基板と前記ヒートシンク材間に応力緩和材が配置されたことを特徴とするアレイ型半導体レーザ装置。

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