JP5266017B2

JP5266017B2 - 半導体レーザ装置

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Publication number: JP5266017B2
Application number: JP2008285738A
Authority: JP
Inventors: 進日向; 浩次山崎; 秀則深堀
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-11-06
Filing date: 2008-11-06
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2028-11-06
Also published as: JP2010114269A

Description

本発明は、レーザ光を出射する半導体レーザ装置に関するものである。

ＬＤ（レーザダイオード）バーやＬＤチップを備えて構成される半導体レーザ装置は、高出力化、高輝度化、サイズの縮小化などに関する研究が進められている。半導体レーザ装置に用いられるＬＤバーは、例えばＧａＡｓ系やＩｎＰ系等の化合物半導体で構成されるとともに、その内部にレーザ光を出射する活性層を有している。そして、ＬＤバーを備えた半導体レーザ装置は、ＬＤバーのｐ側電極およびｎ側電極、ＬＤバーのｐ側電極に接合されるサブマウント、ＬＤバーを支えるとともに動作中にＬＤバーで発生した熱を逃がすヒートシンク、ＬＤバーに電流を流すための給電板などを有しており、ヒートシンク内には冷却水が流される。

このような半導体レーザ装置では、ｐ側電極、ヒートシンク、サブマウント、給電板、ｎ側電極を介して、ＬＤバーに順方向に電流を流すと、活性層にキャリアが注入される。活性層を挟む上下の層は、バンドギャップが大きくかつ屈折率が低い層で構成されているので、活性層に注入されたキャリアは、活性層と上下の層とのバンドギャップ差によるエネルギー障壁によって活性層に閉じ込められ、再結合を起こしやすくなり発光する。そして、発光した光は、活性層と上下の層との間に屈折率差があるので、活性層に閉じ込められる。このようにして、活性層（活性領域）内にキャリアおよび光が閉じ込められるので、注入電流が閾値を越えるとレーザ発振するようになる。このとき、活性領域内で発生した熱は、活性領域とサブマウントとの間の距離が２〜４μｍ程度しか離れていないように組立てられているので、たやすくヒートシンクへ放散できる。そして、ヒートシンクにたまった熱は、ヒートシンク内を流れる冷却水に伝達し外部に放出される。これにより、半導体レーザ装置では、活性層内に閉じ込められているキャリアが熱エネルギーを得て障壁を飛び越す等の特性悪化を抑えている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−３４４７４３号公報

しかしながら、上記従来の技術では、ＬＤバーが、異種材料のサブマウントと半田接合されているので、ＬＤバーとサブマウントとの熱膨張率の差によって組立後に残留応力が発生していた。そして、この残留応力がＬＤバーを構成する化合物半導体結晶に欠陥を生じさせ、その結果、ＬＤバーの寿命低下をもたらすという問題があった。

また、ＬＤバーは、強度を保ち、取扱いを容易にするため厚さが１３０μｍ程度あるが、実際にＬＤ光の発振に寄与するのは活性層周辺の数μｍである。このため、活性層周辺以外の残りの１００μｍ以上の層は、直接ＬＤ光の発振に寄与せず、抵抗成分があるためジュール熱を生じＬＤの特性劣化をもたらすという問題があった。また、ＬＤバーは１３０μｍ程度の厚さが必要なので、高集積化が困難であり、高輝度な発光を行うことができないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、大きな強度を保ちつつ高集積化されて高輝度な発光を行う半導体レーザ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第１のレーザダイオードと第２のレーザダイオードとを前記第１のレーザダイオードを形成する各層の積層方向の最上面と前記第２のレーザダイオードを形成する各層の積層方向の最下面との間に配置された導電性のスペーサで接合して、前記第１のレーザダイオードと前記第２のレーザダイオードとを積層させた積層レーザダイオード群を有し、前記第１のレーザダイオードと前記第２のレーザダイオードとは、前記第１のレーザダイオードの最上面に配置された前記第１のレーザダイオード側のスペーサと前記第２のレーザダイオードの最下面に配置された前記第２のレーザダイオード側のスペーサとを接合することによって積層され、前記第１のレーザダイオード側のスペーサと前記第２のレーザダイオード側のスペーサとは、互いに異なるパターン形状を有し、かつスペーサ同士の接合位置が前記第１のレーザダイオードの第１の発光領域および前記第２のレーザダイオードの第２の発光領域と異なる位置になるよう配置されていることを特徴とする。

この発明によれば、第１のレーザダイオードと第２のレーザダイオードとを導電性のスペーサで接合して積層するので、大きな強度を保ちつつ高集積化することができ高輝度な発光を行うことが可能になるという効果を奏する。

以下に、本発明に係る半導体レーザ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１および図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置内のＬＤバーの構成を示す図である。図１は、ＬＤバー１の斜視図であり、図２は、ＬＤバー１の断面図である。

ＬＤバー１は、レーザ光を出射する活性層５を有しており、この活性層５が複数の層によって挟まれている。ＬＤバー１は、下層側から下部電極１４Ｕ、基板１６、バッファ層１５、下層側のクラッド層１２、下層側の光ガイド層１１、活性層５、上層側の光ガイド層１１、上層側のクラッド層１２、コンタクト層１３、上部電極１４Ｔの順番で積層された構造を有している。

下部電極１４Ｕは、ｐ側の電極であり、例えば上層側からオーミックメタル（ＡｕＺｎなど）、バリアメタル（Ｐｔなど）、最表面メタル（Ａｕなど）の順番で積層された構造を有している。上部電極１４Ｔは、ｎ側の電極であり、例えば下層側からオーミックメタル（ＡｕＧｅなど）、バリアメタル（Ｐｔなど）、最表面メタル（Ａｕなど）の順番で積層された構造を有している。

基板１６は、例えばＧａＡｓ系やＩｎＰ系等の化合物半導体であり、バッファ層１５は、基板１６上に下層側のクラッド層１２を積層しやすくするための層である。クラッド層１２および光ガイド層１１は、活性層５に注入されたキャリアを活性層５内に閉じ込めるための層である。クラッド層１２および光ガイド層１１は、活性層５よりも小さな屈折率を有するとともに、大きなバンドギャップを有している。コンタクト層１３は、上部電極１４Ｔと上層側のクラッド層１２とを電気的に接続するための層（ＧａＡｓなど）である。

ＬＤバー１は、長手方向に延びる側面からレーザ光を出射する。ＬＤバー１の主面は、例えば長手方向の寸法が約１０ｍｍであり、短手方向の寸法が約１ｍｍである。また、本実施の形態のＬＤバー１は、基板１６を薄く形成することによって、約１０〜２０μｍ程度の厚さで構成されている。

なお、図２に示したＬＤバー１は、一例であり、ＬＤバー１は他の構成であってもよい。また、半導体レーザ装置は、ＬＤバー１の代わりにＬＤチップを有する構成であってもよい。

図３〜図５は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。図３は、半導体レーザ装置の斜視図であり、図４は、半導体レーザ装置の正面図（背面図）であり、図５は半導体レーザ装置の側面図である。

半導体レーザ装置１０は、複数枚（複数本）のＬＤバー１を有しており、各ＬＤバー１の主面が平行になるよう積み重ねられている。各ＬＤバー１には、それぞれ上面側および下面側に熱圧着用の１〜複数のＡｕメタル（導電性のスペーサである接合メタル８）が配設されており、上側のＬＤバー１に配設されている接合メタル８と、下側のＬＤバー１に配設されている接合メタル８と、が熱圧着によって接合されている。半導体レーザ装置１０内では、各ＬＤバー１が接合メタル８を介して接合されることにより、複数枚のＬＤバー１からなるＬＤバー群（積層レーザダイオード群）２を構成している。

ＬＤバー群２の上部側および下部側には、導電性のサブマウント３が配置されており、ＬＤバー群２がサブマウント３によって挟持されている。サブマウント３は、ＣｕＷ、Ｓｉ、ＡｌＮ等の材料で構成されており、Ａｕの熱圧着等でＬＤバー群２に接合されている。

ＬＤバー群２を挟持したサブマウント３は、パッケージ（筐体）２１内に格納されている。パッケージ２１は、サブマウント３を介してＬＤバー群２を固定するとともに、ＬＤバー群２を保護する。パッケージ２１には、リード端子２４ａ，２４ｂと、ＬＤバー群２を冷却するための不活性ガスを導入、導出させる出入り口（出入筒２２ａ，２２ｂ）が取り付けられている。出入筒２２ａは、パッケージ２１の底面側の壁面を貫通するようパッケージ２１に取り付けられ、出入筒２２ｂは、パッケージ２１の上面側の壁面を貫通するようパッケージ２１に取り付けられている。また、リード端子２４ａは、パッケージ２１の側面側の壁面を貫通するようパッケージ２１に取り付けられており、リード端子２４ｂは、パッケージ２１に突き刺さるようパッケージ２１に取り付けられている。

出入筒２２ａには、ＬＤバー群２を冷却するための冷却用不活性ガス（Ｎ２やＣＯ２など）が入れられ、パッケージ２１内が冷却用不活性ガスによって充填させられる。また、出入筒２２ｂは、パッケージ２１内の冷却用不活性ガスを送出する。

リード端子２４ａは、パッケージ２１内でＡｕワイヤ（給電用ワイヤ）２５に接続されており、Ａｕワイヤ２５が上側のサブマウント３に接続されている。パッケージ２１は、内壁面と外壁面との間に隙間が設けられた２重構造の壁面を有しており、この２重構造の壁面によってＬＤバー群２などを包囲している。リード端子２４ｂは、パッケージ２１の内壁面と外壁面との間に設けられた隙間を通る配線（図示せず）によって、下側のサブマウント３に接続されている。リード端子２４ａ，２４ｂは、パッケージ２１の外部で電源（図示せず）に接続されており、電源からリード端子２４ａ，２４ｂに電流が流される。また、パッケージ２１の１つの側面には透明窓ガラス２３が設けられており、この透明窓ガラス２３からレーザ光（ＬＤ光）Ｌが出射される。

本実施の形態では、ＬＤバー１とＬＤバー１とを固定（接合）する際に、ＬＤバー１の最表面メタルと同じ材料（Ａｕ）の接合メタル８を用いる。また、ＬＤバー１とサブマウント３とを固定する際に、ＬＤバー１とサブマウント３との接合面（サブマウント３の最表面）と同じ材料の接合メタル８を用いる。また、ＬＤバー１の発光に寄与しない基板１６を研磨やエッチングなどによって除去し、ＬＤバー１の薄膜化を行なっている。さらに、ＬＤバー１の強度確保のため、接合メタル８のパターンを表裏（上面側と下面側）で異なるようにしてＬＤバー１同士をスタックにしている。接合メタル８のパターンは、島状のパターンであってもよいし、線状のパターンであってもよい。なお、接合メタル８は、Ａｕに限らずＡｌでもよい。

つぎに、半導体レーザ装置１０の製造方法の一例について説明する。まず、基板１６（ウエハ）の上層側にバッファ層１５、下層側のクラッド層１２、下層側の光ガイド層１１、活性層５、上層側の光ガイド層１１、上層側のクラッド層１２、コンタクト層１３の順番で各層を積層していく。この後、ウエハ（基板１６）の底面を研磨やエッチングによって１０〜２０μｍ程度になるまで薄くする。そして、薄くなったウエハの上面側に上部電極１４Ｔおよび接合メタル８を形成し補強する。このとき、接合メタル８（Ａｕメタルなど）は、蒸着やメッキによって数μｍ厚となるようにしておく。さらに、薄くなったウエハの下面側に下部電極１４Ｕ等を形成する。この後、ウエハを切り出してＬＤバー１にする。次に、複数のＬＤバー１を重ね合わせるとともに、２枚のサブマウント３によってＬＤバー群２を挟み込む。このサブマウント３の上面側と下面側から、荷重および熱を加えることによって、ＬＤバー１やサブマウント３表面のＡｕメタル同士を熱圧着させる。複数本のＬＤバー１およびサブマウント３をスタックしたものをＡｕＳｎハンダ等によってパッケージ２１内に固定する。さらに、給電用のＡｕワイヤ２５をサブマウント３およびリード端子２４ａ，２４ｂに熱圧着で接合する。最後に、出入筒２２ａ，２２ｂの部分を除いてパッケージ２１をシームレス溶接で密閉する。

つぎに、半導体レーザ装置１０の動作について説明する。パッケージ２１内には、液体窒素などの冷却用不活性ガスを入れ、パッケージ２１内を冷却用不活性ガスで満たすことによってＬＤバー１が冷却用不活性ガスに浸るようにしておく。これにより、ＬＤバー群２のＬＤバー１とＬＤバー１との間に冷却用不活性ガスが送り込まれる。

ＬＤバー１は直列に接合されているので、リード端子２４ａ，２４ｂの順方向に電流を流すと、個々のＬＤバー１が発光し、レーザ光Ｌの発振を行う。発振したレーザ光Ｌは、透明窓ガラス２３を通して外部に出される。個々のＬＤバー１で発生した熱は、直接液体窒素などの冷却用不活性ガスに吸収されてパッケージ２１外に送り出される。このように、ＬＤバー１がスタックされることによって半導体レーザ装置１０の動作時の発熱量が大きくなった場合であっても、ＬＤバー１は十分に冷却されるので、ＬＤの特性を劣化させることなく動作を継続できる。

なお、本実施の形態では、冷却用不活性ガスとして液体窒素を用いたが、不活性なガスであればヘリウムなどでもよく、また、ガスに限らず液体であってもよい。また、冷却用不活性ガスの温度や流量は、ＬＤバー１の発熱量に合わせて調節すればよい。

また、本実施の形態では、接合メタル８を介してＬＤバー１同士を接合する場合について説明したが、下側のＬＤバー１の上部電極１４Ｔと上側のＬＤバー１の下部電極１４Ｕとを直接接合してもよい。この場合、上部電極１４Ｔや下部電極１４Ｕを本実施の形態の接合メタル８と同程度の厚さにしておく。上部電極１４Ｔや下部電極１４Ｕは、平面状の上部電極１４Ｔや下部電極１４Ｕに接合メタル８の形状をパターニングして構成してもよいし、平面状の上部電極１４Ｔや下部電極１４Ｕのみによって構成してもよい。

このように実施の形態１によれば、ＬＤバー１が異種材料と接合することがないのでＬＤバー１に残留応力が無く、結晶欠陥が発生しにくい。また、ＬＤバー１の活性領域以外の発光に寄与しない層（従来、強度補強などに用いていた層）を除去することによってＬＤバー１を薄膜化しているので、ジュール熱の発生を抑えることができる。したがって、信頼度の高い半導体レーザ装置１０を得ることが可能となる。

また、ＬＤバー１の厚さを従来の１／１０以下に縮小できるのでＬＤバー群２を高集積にスタックでき、出射ビームの高輝度化が可能となる。また、冷却水を使用する必要が無いので、ヒートシンクが不要となる。したがって、ヒートシンクの腐食が原因でＬＤパッケージの信頼性が低下することはない。また、ヒートシンクが不要となるので、半導体レーザ装置１０の構成が小さくなる。

実施の形態２．
つぎに、図６〜図８を用いてこの発明の実施の形態２について説明する。図６は、実施の形態２に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。図６では、半導体レーザ装置１０の側面図を示している。図６の各構成要素のうち図５に示す実施の形態１の半導体レーザ装置１０と同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。

本実施の形態では、接合メタル８の厚さをレーザ光Ｌの出射側で厚くし、その反対側で薄くしておく。換言すると、ＬＤバー１をスタックする際に、接合メタル８の厚みをレーザ光出射端面側（先端面）で後端面（背面）側より厚くしておく。例えば、ＬＤバー１とＬＤバー１とを、ＬＤバー１の一方の端部（出射側）と他方の端部（奥側）との２箇所で接合メタル８を介して接合する場合、出射側（透明窓ガラス２３側）の端部に配置する接合メタル８を、奥側の端部に配置する接合メタル８よりも厚くしておく。この場合、例えば、奥側の端部に配置する接合メタル８を４μｍの厚さにし、出射側の端部に配置する接合メタル８を６μｍの厚さにしておく。また、サブマウント３は、出射側を薄くし、奥側で厚くしている。これにより、レーザ光Ｌは、ＬＤバー１の積層方向に向かって広がるよう透明窓ガラス２３から出射する。換言すると、レーザ光Ｌは、ＬＤバー１のスタック接合面と垂直な方向（スタック方向）に拡散させられ、レーザ光Ｌが所定の角度で広がっていく。

なお、図６ではレーザ光ＬをＬＤバー１の積層方向に拡散させる場合について説明したが、レーザ光ＬをＬＤバー１の積層方向に垂直な平面内（ＬＤバー１のスタック接合面と平行な面内）で拡散させてもよい。図７は、レーザ光をＬＤバーのスタック接合面内で拡散させる場合の半導体レーザ装置の構成を示す図である。図７では、スタックされたＬＤバーを上面から見た図を示している。

図７に示すＬＤバー群２は、ＬＤバー１の各主面が平行となるよう積層されるとともに、各ＬＤバー１は、水平方向（ＬＤバー１の主面と平行な面内）で順次角度がつけられて接合されている。換言すると、各ＬＤバー１の長手方向を、各ＬＤバー１の主面と平行な面内で、上側のＬＤバー１から下側のＬＤバー１に向かって所定の角度ずつずらしてＬＤバー１を積層していく。このとき、各ＬＤバー１の中心部が１つの軸上（ＬＤバー１の主面と垂直な方向）に並ぶように各ＬＤバー１を積層し、ＬＤバー１の端部を少しずつずらしておく。例えば、上側のＬＤバー１の端部と、下側のＬＤバー１の端部と、を０．５ｍｍずつずらしておく。これにより、最上層（第１層目）のＬＤバー１の端部と、最下層（第Ｎ層目）（Ｎは自然数）のＬＤバー１の端部と、が０．５×Ｎｍｍだけずれることとなり、ＬＤバー群２の形状は２つの扇型を要の部分で接合させた構造となる。

このように、各ＬＤバー１の主面と平行な面内で、各ＬＤバー１の長手方向を少しずつずらしているので、レーザ光Ｌをスタック接合面と水平な面内で拡散させることが可能となる。図６や図７に示す半導体レーザ装置１０は、例えば熱アニールなど広範囲にレーザ光Ｌを照射する場合に用いられる。

また、図６および図７では、レーザ光Ｌを拡散させる場合のＬＤバー群２の構成について説明したが、レーザ光Ｌが収束するようＬＤバー群２を構成してもよい。図８は、レーザ光をＬＤバーの積層方向で収束させる場合の半導体レーザ装置の構成を示す図である。図８では、半導体レーザ装置１０の側面図を示している。図８の各構成要素のうち図６に示す半導体レーザ装置１０と同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。

図８に示す半導体レーザ装置１０は、図６に示した半導体レーザ装置１０とは反対に、接合メタル８の厚さをレーザ光Ｌの出射側で薄くし、その反対側で厚くしている。換言すると、ＬＤバー１をスタックする際に、接合メタル８の厚みをレーザ光出射端面側で後端面側より厚くしておく。例えば、ＬＤバー１とＬＤバー１とを、ＬＤバー１の一方の端部と他方の端部との２箇所で接合メタル８を介して接合する場合、出射側の端部に配置する接合メタル８を、奥側の端部に配置する接合メタル８よりも厚くしておく。この場合、例えば、奥側の端部に配置する接合メタル８を６μｍの厚さにし、出射側の端部に配置する接合メタル８を４μｍの厚さにしておく。また、サブマウント３は、出射側を厚くし、奥側で薄くしている。これにより、各レーザ光Ｌは、ＬＤバー群２の中心部に配置されたＬＤバー１からのレーザ光Ｌ（ＬＤバー群２の中心部に配置されたＬＤバー１の主面と平行な面）にぶつかる方向に出射させられる。換言すると、レーザ光Ｌは、ＬＤバー１のスタック接合面と垂直な方向（スタック方向）に収束させられ、出射後の所定の位置まではレーザ光Ｌが所定の角度で狭まっていく。図８に示す半導体レーザ装置１０は、例えば光ファイバの光結合、核融合など、狭い範囲にレーザ光Ｌを集める場合に用いられる。

また、図６に示した半導体レーザ装置１０の構成と図７に示した半導体レーザ装置１０の構成とを組み合わせてもよい。具体的には、接合メタル８の厚さをレーザ光Ｌの出射側で厚くするとともに、その反対側で薄くし、かつ各ＬＤバー１の主面と平行な面内で各ＬＤバー１の長手方向を少しずつずらしておく。これにより、レーザ光ＬをＬＤバー１の積層方向およびスタック接合面と水平な方向の両方向に拡散させることが可能となる。

さらに、図８に示した半導体レーザ装置１０の構成と図７に示した半導体レーザ装置１０の構成とを組み合わせてもよい。具体的には、接合メタル８の厚さをレーザ光Ｌの出射側で薄くするとともに、その反対側で厚くし、かつ各ＬＤバー１の主面と平行な面内で各ＬＤバー１の長手方向を少しずつずらしておく。これにより、レーザ光Ｌを、ＬＤバー１の積層方向に収束させつつ、レーザ光Ｌをスタック接合面と水平な方向に拡散させることが可能となる。

このように実施の形態２によれば、ＬＤバー１の主面同士を所定の角度をつけて接合しているので、ＬＤバー群２から出射するレーザ光Ｌを拡散または収束させることが可能となる。

実施の形態３．
つぎに、図９〜図１３を用いてこの発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３では、接合メタル８のパターンを上面側と下面側で異なるように配置するとともに、上面側の接合メタル８と下面側の接合メタル８との接合箇所がストライプ（発光領域）上にならないよう各接合メタル８を配置する。

図９は実施の形態３に係るＬＤバーの積層構成を説明するための図である。図９では、上側のＬＤバー１と下側のＬＤバー１とを接合した場合のＬＤバー１の上面図を示している。また、図１０は上側のＬＤバーと下側のＬＤバーとを接合した場合のＬＤバーの断面構成を模式的に示している。なお、図９では、下側のＬＤバー１をＬＤバー１Ｂで示し、上側のＬＤバー１をＬＤバー１Ａで示している。また、上側のＬＤバー１Ａと下側のＬＤバー１Ｂとを接合した場合のＬＤバー１をＬＤバー１Ｃで示している。

上側のＬＤバー１Ａの下面側にはＮ側の金メタルである接合メタル８ａが配置され、下側のＬＤバー１Ｂの上面側にはＰ側の金メタルである接合メタル８ｂが配置される。なお、図９では接合メタル８ａの下側にストライプ２０を図示しているが、実際には接合メタル８ａの上側にストライプ２０が形成されている。また、図９ではＬＤバー１Ａが接合メタル８ａを有し、ＬＤバー１Ｂが接合メタル８ｂを有する場合について図示しているが、ＬＤバー１Ａ，１Ｂは上面側の接合メタル８ｂと下面側の接合メタル８ａの両方向を有している。ＬＤバー１Ａの接合メタル８ａとＬＤバー１Ｂの接合メタル８ｂとを接合することによって、ＬＤバー１Ｃが形成される。図９では、ＬＤバー１Ｃの上面図として、ＬＤバー１Ｃの接合メタル８ａ，８ｂ、ストライプ２０を透視した図を示している。

本実施の形態では、接合メタル８ａ，８ｂを、それぞれＬＤバー１の長手方向に延びる波型の複数本の線で構成しておく。換言すると、接合メタル８ａ，８ｂは、その主面がＬＤバー１の主面と平行な板状をなしており、この板状の接合メタル８ａ，８ｂを上面から見た場合に、波の振幅方向がＬＤバー１の短手方向となる波状をなしている。さらに、接合メタル８ａの波型の谷の頂点と接合メタル８ｂの波型の山の頂点とが重なるよう、接合メタル８ａ，８ｂを配置しておく。換言すると、接合メタル８ａの波型の波長と接合メタル８ｂの波型の波長とが半波長だけずらすとともに、接合メタル８ａの波型から１振幅分だけ接合メタル８ｂの波型をずらしておく。

このように、本実施の形態では、接合メタル８ａと接合メタル８ｂを波状にし、接合メタル８ａと接合メタル８ｂの配置位置を少しだけずらしているので、ＬＤバー１の長手方向またはＬＤ共振器長方向（短手方向）等の何れの方向にＬＤバー１への応力が加わった場合であっても接合メタル８ａ，８ｂで補強されるようになっている。

また、ＬＤバー１のスタック接合時に、上側のＬＤバー１Ａと下側のＬＤバー１Ｂとが接する箇所（接合メタル８ａ，８ｂの接合位置）がストライプ（発光領域）２０上にならないようにしている。これにより、接合メタル８ａ，８ｂの熱圧着時にＬＤバー１に荷重が加わっても、活性領域となるストライプ２０に応力が加わらない。

さらに、接合メタル８ａと接合メタル８ｂの配置位置を少しだけずらしているので、下側のＬＤバー１Ｂの上面、接合メタル８，８ｂ、上側のＬＤバー１Ａの下面によって構成される空間に閉空間が形成されることはない。このため、ＬＤバー群２に冷却用不活性ガスを流した場合、ＬＤバー１とＬＤバー１との間で、冷却用不活性ガスは滞ることなく一方向（ＬＤバー１の長手方向）に流れ易くなる。また、接合メタル８ａ，８ｂがそれぞれ線状のパターンであるので（環状のパターンでないので）、ＬＤバー１の主面のうち接合メタル８ａ，８ｂが接合する箇所以外の全ての箇所に冷却用不活性ガスが流れる。

なお、接合メタル８ａ，８ｂを図９で説明した以外の構成にしてもよい。図１１および図１２は実施の形態３に係るＬＤバーの他の積層構成例を説明するための図である。図１１に示すように、接合メタル８ａ，８ｂを複数本の斜め方向の線（ＬＤバー１の短手方向および長手方向に平行でない直線）で構成してもよい。この場合、接合メタル８ａの延びる方向と、接合メタル８ｂの延びる方向とを異なる方向としておく。具体的には、接合メタル８ａと接合メタル８ｂとを重ね合わせた場合に、接合メタル８ａ，８ｂによって菱形が形成されるよう接合メタル８ａ，８ｂを配置する。このときも、ＬＤバー１のスタック接合時に、上側のＬＤバー１Ａと下側のＬＤバー１Ｂとが接する箇所がストライプ２０上とならないようにしておく。

また、図１２に示すように、接合メタル８ａをＬＤバー１の長手方向に延びる複数本の直線で構成し、接合メタル８ｂをＬＤバー１の短手方向に延びる複数本の直線で構成してもよい。換言すると、接合メタル８ａと接合メタル８ｂとを重ね合わせた場合に、接合メタル８ａ，８ｂによって矩形が形成されるよう接合メタル８ａ，８ｂを配置する。このときも、ＬＤバー１のスタック接合時に、上側のＬＤバー１Ａと下側のＬＤバー１Ｂとが接する箇所がストライプ２０上とならないようにしておく。図１３は、図１２に示したＬＤバーの断面図である。図１３では、上側のＬＤバー１と下側のＬＤバー１とを接合した場合のＬＤバーの断面構成を示している。また、図９、図１１、図１２に示した上側のＬＤバー１Ａと、図９、図１１、図１２に示した下側のＬＤバー１Ｂとを組み合わせてＬＤバー１同士を接合してもよい。

このように実施の形態３によれば、上側のＬＤバー１Ａと下側のＬＤバー１Ｂとを接合した場合に、接合メタル８ａ，８ｂの接合位置がストライプ２０上とならないようにしているので、接合メタル８ａ，８ｂの熱圧着時にＬＤバー１に荷重が加わっても、活性領域となるストライプ２０に応力が加わらない。したがって、ＬＤバー１の性能低下を抑止することが可能となる。また、接合メタル８ａ，８ｂを、それぞれＬＤバー１の長手方向に延びる波型の複数本の線で構成しているので、接合メタル８ａ，８ｂによってＬＤバー１を強く補強することが可能となる。また、上側のＬＤバー１Ａと下側のＬＤバー１Ｂとを接合した場合に、接合メタル８ａの一部と接合メタル８ｂの一部とが重なるよう、接合メタル８ａ，８ｂを配置しているので、ＬＤバー群２内を冷却用不活性ガスが流れ易くなる。

実施の形態４．
つぎに、図１４〜図１６を用いてこの発明の実施の形態４について説明する。実施の形態４では、ストライプ２０上の下部電極１４Ｕや上部電極１４Ｔなどを除去しておき、ストライプ２０上のクラッド層１２を剥き出しにする。

図１４は実施の形態４に係るＬＤバーの構成を示す断面図であり、図１５は実施の形態４に係るＬＤバーの構成を示す上面図である。本実施の形態のＬＤバー１は、ストライプ２０上の、下部電極１４Ｕ、上部電極１４Ｔ、コンタクト層１３、バッファ層１５、基板１６などが除去され、ストライプ２０上のクラッド層１２が剥き出しになった構成を有している。このとき、ストライプ２０のうち、光強度の強い中心部（開口部６１）が開口していればよく、ストライプ２０の全てを開ける必要はない。この状態でＬＤバー１同士をスタック接合すると、ストライプ２０から漏れ出るレーザ光Ｌが、上層や下層で隣り合うＬＤバー１との間で光結合を引き起こし、一つの光モードを形成する。これにより、上層や下層で接合するＬＤバー１との間でレーザ光の発振波長が同じになる。

なお、ストライプ２０上の接合メタル８は、除去してもよいし、除去しなくてもよい。例えば、ストライプ２０上のうち、上下のＬＤバー１でレーザ光Ｌが光結合を行なう箇所のみ接合メタル８を除去し、ストライプ２０の外周部（光結合しない領域）の接合メタル８は除去することなく残しておく。

ところで、ＬＤバー１は、ウエハ上で活性層５、光ガイド層１１、クラッド層１２などが積層されるとともに、ウエハからＬＤバー１が切り出されて作製される。ウエハ内には活性層５などの組成の面内分布があるので、各ストライプ２０から出る光の波長は、ウエハの中心部から周辺部にかけて少しずつ長波長または短波長側へシフトしている。この波長のシフトを補正するために、本実施の形態では、図１６に示すように、ウエハ７１の中心側にあるストライプ２０がウエハ７１の周辺側にあるストライプ２０と光結合するようにＬＤバー１をスタック接合させる。

換言すると、上下のＬＤバー１からレーザ光Ｌが光結合することによって、上側のＬＤバー１の各レーザ光出射位置でのレーザ光出射特性と、下側のＬＤバー１の各レーザ光出射位置でのレーザ光出射特性と、が平均化されるよう、上下のＬＤバー１の向きが揃えられて上下のＬＤバー１が積層される。

具体的には、まずウエハ７１から２枚のＬＤバー１を切り出す。切り出したＬＤバー１のストライプ２０は、ウエハ７１の中心部から近い順番でＬＤバー１上に並んでいる。例えば、ＬＤバー１に１０個のストライプ２０が並ぶ場合、ウエハ７１の中心部に１番近いストライプ２０がＬＤバー１の一方の端部となり、ウエハ７１の中心部に１番遠いストライプ２０がＬＤバー１の他方の端部となる。ＬＤバー１同士を接合する際には、上側に配置するＬＤバー１のウエハ７１の中心部に１番近いストライプ２０と、下側に配置するＬＤバー１のウエハ７１の中心部に１番遠いストライプ２０と、で光結合するよう接合する。このように光結合をさせることによって、ストライプ２０の平均的な組成に相当する波長で発振させることが可能となる。これにより、ＬＤバー群２の全体で平均的な波長で発振することが可能となり、波長が揃うことによって発振ビームの品質が向上する。

このように、実施の形態４によれば、ストライプ２０の下部電極１４Ｕや上部電極１４Ｔなどを除去し、クラッド層１２の結晶を剥き出しにしてＬＤバー１同士をスタック接合しているので、上層のＬＤバー１と下層のＬＤバー１との間で光結合が起きる。したがって、各ＬＤバー１から出射されるレーザ光Ｌの発振波長が揃い、ビーム品質が向上する。

以上のように、本発明に係る半導体レーザ装置は、高輝度なレーザ発光に適している。

実施の形態１に係る半導体レーザ装置内のＬＤバーの構成を示す斜視図である。実施の形態１に係る半導体レーザ装置内のＬＤバーの構成を示す断面図である。実施の形態１に係る半導体レーザ装置の構成を示す斜視図である。実施の形態１に係る半導体レーザ装置の構成を示す正面図である。実施の形態１に係る半導体レーザ装置の構成を示す側面図である。実施の形態２に係る半導体レーザ装置の構成を示す側面図である。レーザ光をＬＤバーのスタック接合面内で拡散させる場合のＬＤバーを上面から見た図である。レーザ光をＬＤバーの積層方向で収束させる場合の半導体レーザ装置の構成を示す側面図である。実施の形態３に係るＬＤバーの積層構成を説明するための図である。実施の形態３に係るＬＤバーの積層構成を示す図である。実施の形態３に係るＬＤバーの他の積層構成例を説明するための図（１）である。実施の形態３に係るＬＤバーの他の積層構成例を説明するための図（２）である。図１２に示したＬＤバーの積層構成を示す図である。実施の形態４に係るＬＤバーの構成を示す断面図である。実施の形態４に係るＬＤバーの構成を示す上面図である。ＬＤバーのウエハ面内での特性ばらつきと、ＬＤバーを積層する際のＬＤバーの向きを説明するための図である。

符号の説明

１，１Ａ〜１ＣＬＤバー
２ＬＤバー群
３サブマウント
５活性層
８，８ａ，８ｂ接合メタル
１０半導体レーザ装置
１１光ガイド層
１２クラッド層
１３コンタクト層
１４Ｔ上部電極
１４Ｕ下部電極
１５バッファ層
１６基板
２０ストライプ
２１パッケージ
２２ａ，２２ｂ出入筒
２３透明窓ガラス
２４ａ，２４ｂリード端子
２５Ａｕワイヤ
７１ウエハ
Ｌレーザ光

Claims

第１のレーザダイオードと第２のレーザダイオードとを前記第１のレーザダイオードを形成する各層の積層方向の最上面と前記第２のレーザダイオードを形成する各層の積層方向の最下面との間に配置された導電性の第１のスペーサで接合して、前記第１のレーザダイオードと前記第２のレーザダイオードとを積層させた積層レーザダイオード群を有し、
前記第１のレーザダイオードと前記第２のレーザダイオードとは、前記第１のレーザダイオードの最上面に配置された前記第１のレーザダイオード側の第１のスペーサと前記第２のレーザダイオードの最下面に配置された前記第２のレーザダイオード側の第１のスペーサとを接合することによって積層され、
前記第１のレーザダイオード側の第１のスペーサと前記第２のレーザダイオード側の第１のスペーサとは、互いに異なるパターン形状を有し、かつ第１のスペーサ同士の接合位置が前記第１のレーザダイオードの第１の発光領域および前記第２のレーザダイオードの第２の発光領域と異なる位置になるよう配置されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
前記第１のレーザダイオードは、第１の上部電極および第１の下部電極に挟まれた第１の活性層を備え、
前記第２のレーザダイオードは、第２の上部電極および第２の下部電極に挟まれた第２の活性層を備え、
前記第１および前記第２のレーザダイオードは、前記第１のレーザダイオードの第１の発光領域および前記第２のレーザダイオードの第２の発光領域が重なるよう積層されるとともに、
前記第１のレーザダイオードのうちの前記第１の発光領域よりも上層側の層および前記第２のレーザダイオードのうちの前記第２の発光領域よりも下層側の層は、前記第１および前記第２の発光領域からレーザ光が漏れ出して光結合するよう開口させられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
第３の上部電極および第３の下部電極に挟まれた第３の活性層を備えた第３のレーザダイオードと、前記第２のレーザダイオードと、を前記第２のレーザダイオードを形成する各層の積層方向の最上面と前記第３のレーザダイオードを形成する各層の積層方向の最下面との間に配置された導電性の第２のスペーサで接合して、前記第２のレーザダイオード上に前記第３のレーザダイオードをさらに積層させ、
前記第２および前記第３のレーザダイオードは、前記第２のレーザダイオードの第２の発光領域および前記第３のレーザダイオードの第３の発光領域が重なるよう積層されるとともに、
前記第２のレーザダイオードのうちの前記第２の発光領域よりも上層側の層および前記第３のレーザダイオードのうちの前記第３の発光領域よりも下層側の層は、前記第２および前記第３の発光領域からレーザ光が漏れ出して光結合するよう開口させられていることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。
前記第１および前記第２のレーザダイオードは、ウエハから切り出された第１のＬＤバーおよび第２のＬＤバーであり、
前記第１および前記第２のＬＤバーから前記レーザ光が漏れ出して光結合することによって、前記第１のＬＤバーの各レーザ光出射位置でのレーザ光出射特性と、前記第２のＬＤバーの各レーザ光出射位置でのレーザ光出射特性と、が平均化されるよう、前記第１および前記第２のレーザダイオードが前記ウエハから切り出された位置に基づいて、前記第１のＬＤバーおよび前記第２のＬＤバーの向きが揃えられて前記第１のＬＤバーおよび前記第２のＬＤバーが積層されることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。