JP5633123B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関するものであり、詳細には装置内に受光素子を有する半導体レーザ装置に関するものである。

レーザの駆動方法の１つとして、ＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）駆動がある。ＡＰＣ駆動は、レーザの出力を一定にして用いる場合の駆動方法であり、この場合、レーザの出力をモニタリングする必要があるため、レーザ装置内に受光素子（フォトダイオード、ＰＤ）が内蔵されていることがある。受光素子が光を受けて流れる電流値（以下、Ｉｍ値と示す）を基準としながら、レーザに注入する電流値にフィードバックさせることで一定の出力を保つことができる。
従来、レーザ素子と、レーザ素子がリア側に出力するレーザ光をモニタする受光素子が内在する半導体レーザ装置が利用されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。また、電極に開口部を設けて漏れ光をモニタリングする方法がある（例えば、特許文献３）。

特開２００３−２２９６３０号公報（段落００２１−００２５、図１） 特開２００３−６０２７６号公報（段落０００８、００２１、００２３、図３） 特開平６−２０４６０３号公報（段落００１３−００１４、図２）

特許文献１及び２では、半導体レーザ素子の反射面の後方に受光素子を配置し、半導体レーザ素子の反射面から出力されたレーザ光を受光する。このような構造の場合、受光素子の実装位置や実装角度によっては、半導体レーザ装置内でレーザ光が受光素子やステムに反射し、拡散したレーザ光を受光してしまうことがある。このようなことが起こると、高精度で光量を測定することができないため、ＡＰＣ駆動する際に受光素子から得られたＩｍ値をレーザ素子に注入する電流値に反映させることが難しい。特許文献３では、このような問題を解消することができるが、導波路の直上に漏光用の穴を設けているため、導波路直上における放熱性が悪化する。それによって、素子温度が上昇し、装置内の温度も高くなるため、受光した光量で流れるはずの電流値とのずれ（Ｉｍ値の変化量）が大きくなりやすく、正確なＩｍ値をレーザ素子に注入する電流値にフィードバックさせることができない。また、導波路の直上に漏光用の穴を設けることで、導波路への電流注入に不均一が生じ、レーザ素子の特性に悪影響を及ぼすという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、Ｉｍ値の変化量が少なく、レーザ光の出力を精度よく調整することができる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体レーザ装置は、基板の裏面に設けられた第１電極と、基板の表面に設けられた半導体層と、半導体層の表面に設けられた第２電極とを有する半導体レーザ素子と、
該半導体レーザ素子から出力される光を受光する受光素子とを有する半導体レーザ装置において、前記第１電極は、前記基板の裏面に部分的に露出領域を備えるように設けられ、前記受光素子は、受光面が該露出領域と対向するように配置され、前記露出領域は、導波路直下以外の領域に形成される。
本発明の別の半導体レーザ装置は、基板の裏面に設けられた第１電極と、基板の表面に設けられた半導体層と、半導体層の表面に設けられた第２電極とを有する半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子から出力される光を受光する受光素子とを有する半導体レーザ装置において、前記第２電極は、前記半導体層の表面に部分的に露出領域を備えるように設けられ、前記受光素子は、受光面が該露出領域と対向するように配置され、前記露出領域は、導波路直下以外の領域に形成される。
また、露出領域は、前記電極に設けられた切り欠き部によって規定されることが好ましい。
また、前記露出領域は、共振器方向における中央領域に形成されることが好ましい。
また、前記半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子が載置される支持部材を有し、前記レーザ素子は、前記受光素子及び支持部材に跨って配置されることが好ましい。
また、前記受光素子と支持部材の間には、空隙を有することが好ましい。
また、前記半導体レーザ素子の出射面側に支持部材が配置され、反射面側に受光素子が配置されることが好ましい。
また、前記半導体レーザ素子はジャンクションダウン実装されていることが好ましい。
また、前記露出領域は、前記半導体層の表面に設けられた透光性の絶縁膜を介して受光面と対向することが好ましい。

本発明の半導体レーザ装置によれば、導波路直下以外の領域に露出領域を備えるように電極が設けられ、露出領域と受光素子の受光面が対向するように受光素子が配置されるために、Ｉｍ値の変化量が少なく、レーザ光の出力を精度よく調整することができる。

本発明の半導体レーザ装置の平面図である。 本発明の半導体レーザ装置の要部の拡大図である。 本発明の半導体レーザ装置の断面図である。 本発明の半導体レーザ装置の要部の拡大図である。 本発明の半導体レーザ装置の断面図である。 本発明の半導体レーザ装置の斜視図である。 本発明の別の半導体レーザ装置の平面図である。 本発明の別の半導体レーザ装置の平面図である。 本発明の別の半導体レーザ装置の平面図、断面図及び拡大図である。

以下に、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は一例であって、本発明を以下に限定するものではなく、記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等についても本発明を限定するものではない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。また、説明を簡略化するために、同一の構成要件には同一の符号を付し、その説明を一部省略する。

＜第１の実施形態＞
図１乃至４に、本発明の半導体レーザ装置の一例を示す。図１は、本発明の半導体レーザ装置を上から見た平面図、図２は、図１中の丸囲み部分の拡大図である。図３（ａ）は、図１のＩ−Ｉ´の断面図、図３（ｂ）は、図１のＩＩ−ＩＩ´の断面図、図３（ｃ）は、ＩＩＩ−ＩＩＩ´の断面図であり、図４は、図３（ｂ）中の丸囲み部分の拡大図である。
本発明の半導体レーザ装置１００は、例えば、図１に示すように、受光素子２０及び支持部材３０の上に一対の共振器面１３ａ及び１３ｂを有する半導体レーザ素子１０が載置されている。また、半導体レーザ素子は、図３に示すように、基板１０ｂ上に半導体層１０ｃが形成され、基板１０ｂの裏面には、第１電極１１ａが設けられ、第１電極１１ａは、切り欠き部１６によって規定された露出領域１０ａを基板１０ｂの裏面に部分的に備えるように設けられている。また、図３（ｂ）に示すように、露出領域１０ａと受光素子２０の受光面２１が対向するように受光素子２０が配置され、露出領域は、導波路直下以外の領域に設けられている。

本発明の各構成について説明する。
（半導体レーザ素子）
半導体レーザ素子１０は、基板１０ｂの裏面に設けられた第１電極１１ａと、基板の表面に設けられた半導体層１０ｃと、半導体層の表面に設けられた第２電極１１ｂとを有する。
半導体レーザ素子は、電圧が印加されてしきい値以上の電流が流れると、活性層及びその付近でレーザ発振が起こり、生成されたレーザ光が導波路領域１４を通って外部に放射されるような公知のもののいずれであってもよい。また、その半導体材料は、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族等のいずれの化合物を用いたものでもよく、いずれの波長のレーザ光を出射するものであってもよい。特に、短波長の半導体材料（窒化物半導体）では、周囲の温度変化による波長・効率の変動が起こりやすいため、受光素子のモニタリング精度を高くし、温度依存性を小さくする必要がある。そのため、窒化物半導体を用いたレーザ素子、３２５〜５５０ｎｍ程度の波長のレーザ光を出射するものに本発明を適用すると効果的である。

基板は、その裏面に電極を形成することのできる導電性基板であることが好ましい。具体的には、窒化物半導体基板（ＧａＮ、ＡｌＮ等）が挙げられる。基板は、その表面に０°〜１０°程度のオフ角を有していてもよい。膜厚は、５０μｍ〜１０ｍｍ程度であることが好ましい。また、半導体層を成長させる前に、任意に下地層等を形成してもよい。

半導体層としては、例えば、基板側から順にｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層の順に積層されるものが挙げられる。半導体層は、例えば、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で示されるものが好ましい。
半導体層の膜厚は特に限定されないが、ｎ型半導体層は、０．２〜１２μｍ程度、活性層は、１５〜３００ｎｍ程度、ｐ型半導体層は、６０〜１２０ｎｍ程度が挙げられる。
半導体層の成長方法は、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）など窒化物半導体の成長方法として知られている方法を用いることができる。

導波路領域１４は、リッジ構造、半導体層表面に形成された電流狭窄層、ストライプ状の電極等、公知のいずれの方法で設けられてもよい。本明細書では、説明の便宜上、リッジ導波型の半導体レーザ素子の導波路領域の幅は、リッジの幅に対応するものとして説明する。また、電流狭窄層により導波路領域が規定される半導体レーザ素子の導波路領域の幅は、電流狭窄層の開口部の幅に対応し、ストライプ状の電極により導波路領域が規定される半導体レーザ素子の導波路領域の幅は、電極の幅と対応するものとする。

また、半導体レーザ素子の導波路領域の位置は、素子内において限定されない。図１及び図３に示すように、導波路領域を素子の幅方向中心からずらして配置することにより、電極に所望の大きさの切り欠き部を設けることができるため受光素子に光を入射させることが容易になる。また、リッジ導波型の半導体レーザ素子の場合、レーザ素子の表面にワイヤボンディングを行う領域を確保するという観点からも導波路領域を素子の幅方向中心からずらして配置することが有効である。つまり、リッジ１２によって導波路領域１４が規定される場合に、リッジは必ずしも中心に配置される必要はなく、どちらか一方の側面に近づいて配置されてもよい。

また、レーザ素子の実装方法は、特に限定されず、ジャンクションアップ実装又はジャンクションダウン実装を用いることができる。レーザ素子の表面には絶縁膜や電極等の部材が形成されていることが一般的であるので、露出領域を形成しやすいという観点からは、ジャンクションアップ実装されていることが好ましい。

また、半導体レーザ装置内には単数又は複数の半導体レーザ素子を有していてもよい。複数のレーザ素子を有する装置の場合は、同じ波長帯の半導体レーザ素子を用いてもよいし、異なる波長帯の半導体レーザ素子を用いてもよい。同じ波長帯のものを用いることで高出力のレーザ装置を得ることができる。また、赤、青、緑のレーザ素子を用いることにより、様々な色の光を得たり、混色させて白色光を得ることもできる。また、７８０ｎｍ、６５０ｎｍ、４０５ｎｍの波長帯のレーザ素子を用いることで、ＣＤ、ＤＶＤ、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃの再生及び／又は書き込みの可能な半導体レーザ装置を得ることができる。また、用いる受光素子及び／又は支持部材も単数でも複数でもよい。複数の受光素子を用いる場合には、全ての受光素子が露出領域から放出される光を受光するように配置されている必要はなく、少なくとも１つが本発明のように配置されていればよい。また、複数の半導体レーザ素子を用いる場合には、同一の受光素子及び／又は支持部材上に配置してもよいし、別の支持部材に配置してもよい。また、支持部材上に、それぞれが分離した状態で配置されていてもよいし、また、支持部材上に配置された１つのレーザ素子の上に、他の２つのレーザ素子が１つの素子として形成されている集積型のレーザ素子を配置してもよいし、それらの逆でもよい。

（電極）
電極は、半導体レーザ素子の基板の裏面に形成されている第１電極１１ａと、半導体層の表面に形成される第２電極１１ｂとを有する。本明細書において、特に言及しない場合は、第１電極及び第２電極を包括する表現として、「電極」として記載する。電極の材料としては、公知の材料を適宜用いることができ、例えば、バナジウム、パラジウム、白金、ニッケル、金、チタン、タングステン、銅、銀、亜鉛、錫、インジウム、アルミニウム、イリジウム、ロジウム、ＩＴＯ等の金属又は合金の単層膜又は積層膜により形成することができる。具体的には、Ｖ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ等の積層構造の電極を用いることができる。電極の膜厚は、用いる材料等により適宜調整することができ、例えば、５００〜５０００Å程度が適当である。さらにこの電極の上又は下に単数又は複数の導電層を形成してもよい。

また、本発明における第１電極は、レーザ素子の基板の裏面を部分的に露出するように設けられる。この露出領域から出力された光を、露出領域と対向するように配置された受光素子で受光する。本実施形態における半導体レーザ素子は、レーザ素子の裏面に設けられた第１電極によって外部と電気的に接続している。金属材料で形成されることが多い電極は、レーザ素子から出力される光を反射するため、素子外部へ出力することはできないが、図４、９等に示すように、基板又は半導体層を部分的に露出させて、露出領域から光を取り出すことで受光素子に受光させることができる。

例えば、図２に示すように、電極１１に共振器方向の長さＨ、幅Ｗで設けられた露出領域１０ａに受光面が対向するように受光素子が配置される。このとき、露出領域は、受光素子がレーザ素子からの光をモニタできる程度の大きさに設けられていればよい。例えば、図２中で示すように、露出領域の共振器方向の長さのＨは、５〜１５００μｍ程度、幅方向の長さＷは、１０〜１０００μｍ程度、面積としては５０μｍ^２〜１.５ｍｍ^２程度設けられていればよい。別の観点からは、基板の裏面又は半導体層の表面の５〜５０％程度が露出されていればよい。

また、露出領域は、導波路直下以外の領域に設けられる。好ましくは、露出領域は、導波路直下から５μｍ以上離間するものであるが、本発明の作用効果を損なわない範囲で導波路下が露出していてもよい。「直下」とは、半導体レーザ素子の実装状態がジャンクションアップ実装、ジャンクションダウン実装のいずれであるかに関わらず、導波路領域に対して受光素子がある方向を「直下」とする。半導体レーザ装置は、周囲の温度の変化によってＩｍ値が変動すると、レーザ素子に注入する電流値に正確なフィードバックをすることが困難になり、レーザの出力を一定に保つことができなくなる。受光素子を用いて半導体レーザ装置をＡＰＣ駆動させた場合、高温になるほどＩｍ値の変化量が大きくなりやすい。また、レーザ素子で発生した熱は、電極を介して受光素子又は支持部材さらにはステムから装置外へと放熱される。レーザ素子では、導波路領域に電流及び光が集中するため、導波路領域の光密度は膨大であり、導波路領域及びその直下では発熱も著しい。そのため、導波路直下の領域に露出領域を設けると、導波路領域で発生した熱の放熱経路を遮断することになり、放熱されずにさらに素子温度の上昇を招き、装置内の温度も高くなる。そこで、露出領域を導波路直下から離間して設けることによって、導波路領域で発生した熱を好適に素子外へと放出することができ、素子温度の上昇を抑制することができるので、Ｉｍ値の変動を小さくすることができ、露出領域と対向するように受光素子を配置することで、Ｉｍ値の変化量が少なく、レーザ光の出力を精度よく調整することができる半導体レーザ装置を得ることが可能になる。また、導波路領域上に露出領域を設けると、電流注入の不均一性、共振器方向の光閉じ込めの不安定性等の要因により、しきい値やビーム形状等のレーザ特性に影響を及ぼすことが考えられるがこれらを抑制することができる。

また、露出領域からは自然放出光が出力されるように露出領域を配置することが好ましい。レーザ光（誘導放出光）は、光密度が大きいため、レーザ光を受光するように露出領域を配置する場合、出力された光に僅かな変動が生じた場合にもＩｍ値が大きく変化してしまうが、自然放出光を受光することでＩｍ値の変動を防ぐことができる。導波路直下にはレーザ光が導波しているので、この観点からも導波路直下以外の領域に露出領域を設けることが有効である。

また、露出領域は例えば、半導体レーザ素子の反射面（図１中１３ｂ）側に設けることができる。これにより、露出領域から放出される光の量を確保すると共に、発熱の大きい出射面側では電極を介して放熱させることができる。つまり、露出領域は出射面（図１中１３ａ）側近傍以外の領域に設けられることが好ましく、特に、共振器方向における中央領域に形成されることが好ましい。なお、「共振器方向における中央領域」は、共振器面近傍以外の領域を指し、共振器面から１０μｍ以上離間していることが好ましい。これによって、光密度の大きい領域を避けて露出領域を設けることができるので、Ｉｍ値の変動を抑制することができる。

また、露出領域は、図１に示すように、電極に設けられた切り欠き部によって規定されることが好ましい。電流注入と受光面に効率よく受光させるという両方の機能を効果的に果たすことができる。また、図７のように、基板裏面の大きさよりも電極の大きさを小さくすることによって設けてもよいし、半導体レーザ素子の外周を露出するように設けられていてもよいし、図１のように切り欠き部と組み合わせてもよい。素子の外周を露出させることによって、素子に分割する際の目印とすることができる。また、素子分割時の分割不良を抑制することができる。

電極の形成方法としては、特に限定されないが、スパッタリング、蒸着などが好適に用いられる。また、露出領域や切り欠き部を設けるための電極のパターニング法としては、リフトオフ方法、フォトリソグラフィを用いたエッチング（ドライエッチング、ウェットエッチング）など公知の方法を用いて形成することができる。

（受光素子）
受光素子２０は、半導体レーザ素子１０から出力される光を受光するものであり、例えば、シリコンを用いたＰＩＮフォトダイオードやＰＮフォトダイオードなどから構成される。また、受光素子はＰ型半導体、Ｎ型半導体のどちらかから構成されるものでも良い。
本発明では、受光素子２０は、レーザ素子から出る光を受光するように、基板に設けられた露出領域と対向するように受光素子２０の受光面２１を調整して受光素子２０を設置する。
受光素子の大きさは特に限定されず、０.０４〜３ｍｍ^２程度の大きさのものを用いることができる。また受光面の大きさは、０.０１〜２.９ｍｍ^２程度の大きさのものを用いることができる。受光素子の厚みは、後述する支持基板と同程度、もしくは支持基板よりも薄いものを用いることが好ましい。受光素子の大きさとしては、組み立ての容易性の観点から、レーザ素子の幅よりも大きいものが好ましい。特に、図８に示すように、共振器方向及び幅が共に半導体レーザ素子よりも大きい受光素子を用いると、他に部材を用いることなく半導体レーザ装置を組み立てることが可能になり、簡便な構成の半導体レーザ装置を得ることができる。また、受光面はレーザ素子に設けられた露出領域よりも大きいものが好ましい。また、電気配線を容易にするために、受光素子の上面や受光面上に、電極や酸化膜や窒化膜からなる絶縁層を形成してもよい。

また、半導体レーザ素子と受光素子は、図４に示すように、接着層１５を用いて接着されることが好ましい。ここで、接着されているとは、例えば、両者の接触面積が、電極の面積の２０％程度以上の面積で接着されることであり、これにより実装強度を確保することができる。半田材等の接着層で接着されているものが好ましいが、上述した電極で兼用することもできる。また、接着方法は、接合面を合わせた後、所定の温度及び圧力下で保持することによって接着する方法など、当該分野で通常使用される方法等を利用することができる。具体的には、熱圧着法、ダイレクトボンディング法等が挙げられる。
半導体レーザ素子と、受光素子の接着面は、受光面上に設けられてもよいし、その他の領域に設けられていてもよい。放熱性の観点からは、図８に示すように、受光素子の表面であって、露出領域と対向しない領域には受光面を有しないような受光素子を用いて、受光面以外の領域に接着領域を確保することが好ましい。あるいは、後述する支持部材を設けて支持部材と接着させることが好ましい。

接着層として用いる半田材料としては、Ａｕ−Ｓｎ系、Ｓｎ−Ｐｂ系、Ｓｎ系、Ａｕ系、Ｉｎ系、Ｂｉ系、Ｃｄ系、Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｃｄ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ｐｂ系、Ａｇ系、Ｃｕ系、Ｎｉ系、Ｓｂ系等の単体又は共晶材料等が挙げられる。

＜第２の実施形態＞
図９に、本発明の別の半導体レーザ装置の一例を示す。図９（ａ）は、本発明の半導体レーザ装置を上から見た平面図、図９（ｂ）は、図１のＩ−Ｉ´の断面図、図９（ｃ）は、図９（ｂ）中の丸囲み部分の拡大図である。
本実施形態の半導体レーザ装置１００は、例えば、図９に示すように、受光素子２０及び支持部材３０の上に半導体レーザ素子１０が載置されている。また、半導体層１０ｃの表面には、第２電極１１ｂが設けられ、第２電極１１ｂは、切り欠き部１６によって規定された露出領域１０ａを半導体層１０ｃの表面に部分的に備えるように設けられている。図３（ｂ）に示すように、露出領域１０ａと受光素子２０の受光面２１が対向するように受光素子が配置され、露出領域は、導波路直下以外の領域に設けられている。つまり、本実施形態の半導体レーザ装置は、ジャンクションダウン実装されており、これにより、半導体レーザ素子の放熱性を向上させることができる。

第２電極１１ｂは、半導体層の表面に設けられ、半導体層の表面を部分的に露出するように設けられる。この露出領域から出力された光を、露出領域と対向するように配置された受光素子で受光する。本実施形態における半導体レーザ素子は、第２電極によって外部と電気的に接続している。その機能、材料、膜厚、形成方法等については、上述したように第１電極と同様である。

また、半導体層の表面には絶縁膜１７が形成されていることが好ましい。また、図９（ｃ）に示すように、半導体層表面に露出領域が設けられる場合には、透光性の絶縁膜を介して受光面と半導体層が対向することが好ましい。半導体層表面を保護し、電流のリークが起こるのを防ぐためである。
絶縁膜の具体的な材料としては例えば、ＳｉＯ_２、Ｇａ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２等の酸化物、ＳｉＮ、ＡｌＮ及びＡｌＧａＮ等の窒化物等が例示される。その膜厚としては、０．０１〜５μｍ程度、好ましくは、０．０２〜１μｍ程度が例示される。
絶縁膜は、当該分野で公知の方法によって形成することができる。例えば、蒸着法、スパッタ法、反応性スパッタ法、ＥＣＲプラズマスパッタ法、マグネトロンスパッタ法等が挙げられる。
露出領域の形成方法としては、公知の方法を用いて形成することが可能であるが、リフトオフ方法、フォトリソグラフィを用いたエッチング（ドライエッチング、ウェットエッチング）などの方法でパターニングし、露出領域を設けることが好ましい。

以下、その他の構成について説明する。
図５及び図６は、本発明の半導体レーザ装置の一例を示すものであり、図５は、共振器方向の断面図であり、図６は、レーザ装置全体の斜視図である。
図５は、図１の半導体レーザ装置をステム４０に実装したものであり、図６は、図５の半導体レーザ装置をキャップ４２を用いて封止したものである。図６に示す半導体レーザ装置１００は、リード４１を備えたステム４０に円筒状のキャップ４２が接着されており、キャップの頂部に開口部を有し、開口部にはキャップガラス４３が接合されてなるものを用いることができ、キャップガラスからレーザ光を取り出すことができる。キャップの内部は、図５に示すように、ステム４０上に受光素子２０及び支持部材３０を介して半導体レーザ素子１０が載置されている。ステムを貫通するようにリード４１が設けられ、リードを通して通電するようにワイヤボンディング（図示せず）がされている。

（支持部材）
本発明における支持部材３０は、サブマウントとも称されるものであり、半導体レーザ素子と、支持部材及びステムの互いの密着性や放熱性を維持し、発生した熱を逃がす役割を果たことができるものが好ましい。また、支持部材は、ステムと半導体レーザ素子との熱膨張係数差等から生じるひずみによる破損を緩和する機能も有することが好ましい。
支持部材の半導体レーザ素子が載置される面を上面、ステムと接着される面を下面と記載することがある。
支持部材は、上述したような機能を果たすものであれば特に形状は限定されず、任意の形に適宜加工して用いることができる。具体的には、直方体、立方体等の形状、又はこれらに近似する形状で形成されることが半導体レーザ装置の組み立ての容易性の点で好ましい。
支持部材の材料としては、半導体レーザ素子（特に、素子を構成する基板、例えば、ＧａＮ等）と熱膨張係数が近いもの（例えば、±１５／Ｋ程度）、熱応力を緩和させることができるもの等であることが好ましい。具体的には、シリコン、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、Ｃｕ、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ、等が挙げられる。好ましくは、ＡｌＮからなるものである。

また、本発明においては、用いる半導体レーザ素子と受光素子の大きさでは、半導体レーザ装置の組み立て上不安定である場合に、支持部材がそれを補完する役割を果たすことができる。つまり、半導体レーザ素子は、受光素子及び支持部材に跨って配置されることが好ましい。例えば、図１に示すように、受光素子の大きさが、半導体レーザ素子の共振器長よりも短い場合、受光素子上に半導体レーザ素子を実装したのみでは、装置自体の強度を保つことが難しく、半導体レーザ素子の放熱の観点からも好ましくない。このような場合に、支持部材を用いることで、半導体レーザ装置の強度及び放熱性を向上させることができ好ましい。また、受光素子よりも熱伝導率の高い材料を用いることで、その放熱性を向上させることができる。
その場合のレーザ素子と支持部材の接触面積は、共振器方向の長さは、１００〜１５００μｍ程度、幅方向の長さは、４０〜１０００μｍ程度、面積としては０．０４〜１．５ｍｍ^２程度で接触していれば、両者の接合の強度を維持することができ好ましい。

このような場合の支持部材の大きさとしては、特に限定されるものではないが、載置する半導体レーザ素子よりも大きな幅を有することが好ましい。また、受光素子と支持部材の平面サイズの面積の合計が半導体レーザ素子の平面サイズよりも大きくなるような支持部材を用いることが好ましい。支持部材の大きさは、用いる半導体レーザ素子の大きさ、搭載されるステムの大きさ、最終的に得ようとする半導体レーザ装置の大きさ、支持部材の材料等によって適宜調整することができる。例えば、半導体レーザ素子の１〜５倍程度の厚さ、半導体レーザ素子の１〜３０倍程度の平面サイズが例示される。具体的には、半導体レーザ素子の共振器方向には１００〜２０００μｍ程度、幅方向には５０〜１０００μｍ程度、厚み方向には５０〜５００μｍ程度、であることが好ましい。

また、支持部材を用いる場合は、図１に示すように、半導体レーザ素子の出射面１３ａ側に支持部材を配置し、反射面１３ｂ側に受光素子を配置することが好ましい。反射面側に受光素子を配置することで露出領域から放出される光の量を確保しつつ、発熱の大きい出射面側では支持部材を介して好適に放熱させることができるためである。また、特に、ジャンクションダウン実装では半導体レーザ装置をレーザ素子の上面側から見た場合に、支持部材の側面が出射面から突出しないように配置することが好ましい。これは、レーザ光が支持部材の上面に当たってビーム形状を乱すことを防止するためである。

また、支持部材と受光素子を並べて配置する場合、図５に示すように、支持部材と受光素子の間に空隙３２ができるように配置することが好ましい。支持部材と受光素子を実装する場合には、２つの部材を実装するのでその実装条件によっては段差や位置ずれが生じやすいという問題があり、極めて高い実装精度が求められる。また、一方の部材を実装後、受光素子を実装する際に支持部材に接触してずれが生じることもある。空隙ができるように配置することで、段差や位置ずれが起こるのを防ぎ、所望の方向にレーザ光を取り出すことができる。

また、支持部材の上面及び／又は下面には、レーザ素子及びステムと通電させ、また放熱性を高めるために、導電性部材が形成されていることが好ましい。導電性部材としては、Ｔｉ，Ｐｔ，Ａｕ等の金属からなる単層膜、多層膜、合金等が挙げられる。好ましくは、Ｔｉ／Ａｕ／Ｐｔ／ＡｕもしくはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層膜とすることで熱抵抗及び支持部材と接する半導体レーザ素子、ステムとの密着性を良好なものとすることができる。また、導電性部材は、レーザ載置面及びステムとの接着面の略全面に形成されることが好ましい。
また、半導体レーザ素子と支持部材の接着方法は、上述した半導体レーザ素子と受光素子の接着方法と同様の方法を用いて接着することができる。

（ステム）
また、本発明の半導体レーザ装置では、受光素子及び支持部材は、ステム上に載置されていることが好ましい。ステム４０は、ヒートシンクとも呼ばれるように、半導体レーザ素子で発生する熱を、支持部材を介して効率的に外部に放出するために効果的に利用されるものである。ステムは、熱伝導度が高い材料、例えば、４０Ｗ／ｍＫ程度以上の材料によって形成されることが好ましい。具体的には、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏ、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ等の金属、これら金属の少なくとも一面にＡｕ、Ａｇ、Ａｌ等でめっきが施された材料等が挙げられる。なかでも、表面が金めっきされた銅又は銅合金により形成されているものが好ましい。ステムの形状、大きさは特に限定されるものではなく、半導体レーザ装置の最終的に望まれる形状及び大きさ等によって、適宜調整することができる。

特に、ステムと受光素子及び／又は支持部材の接合材として、２５０℃以上の高融点材料、Ａｕ系低融点半田材（例えばＡｕ／Ｓｎ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ等）、接合樹脂を用いて接合する（ダイボンドする）ことで、安定した接合を得ることができる。
また、ステムと受光素子及び／又は支持部材は、両者の接触面積がそれぞれ、受光素子及び／又は支持部材の平面サイズの７０％程度以上の面積で接着されていることが好ましい。その接着方法としては、上述した半導体レーザ素子と受光素子の接着と同様の方法を用いて行うことができる。また、他の公知のいずれの方法を用いてもよい。

また、本発明の半導体レーザ装置の組み立て方法としては、特に限定されないが、例えば、ステム上に受光素子及び支持部材を載置して接着し、その後、受光素子及び支持部材上に半導体レーザ素子を接着する方法が挙げられる。この方法で組み立てると、実装が容易に、かつ安定して組み立てることができ、好ましい。あるいは、受光素子及び支持部材上に半導体レーザ素子を接着したものを作成し、それをステム上に載置して接着する方法を用いてもよい。

（キャップ）
また、半導体レーザ素子は、キャップ４２により気密封止されており、通常、半導体レーザ素子を被覆するとともに、ステムに、抵抗溶接及び半田付け等で接着されている。キャップは、例えば、熱伝導率が高い材料で形成されていることが好ましく、例えば、Ｎｉ−Ｆｅ合金、コバール、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、真鍮等種々の材料を用いることができる。
キャップの形状は、例えば、有底の筒型（円柱又は多角形柱等）又は錐台型（円錐台又は多角形錐台等）、ドーム型及びこれらの変形形状等、種々の形状が挙げられる。なかでも、円筒であることが好ましい。
キャップは、発光素子のステムへの搭載形態に応じて、発光素子の光出射部位に対向する部分に、発光素子からの光を通過させる貫通孔を有している。従って、貫通孔は、キャップの上面又は側面等のいずれの部位に形成されていてもよい。貫通孔には、透光部材が支持されている。

透光部材は、発光素子からの光を通過させる部材であり、これによって、レーザ光を取り出すことができる。透光部材は、半導体レーザ素子から出射された光の吸収率が低いこと、言い換えると、発光素子から出射された光の６０％以上、８５％以上、さらに９９％以上を透過させることができるものが好ましい。例えば、ホウケイ酸ガラス、ガラス、石英ガラス、サファイア、セラミック(ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＧａＮ等)、樹脂(シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等)等又はこれらの組み合わせにより形成することができる。また、その表面に、レーザ光を好適に透過させることができるように光透過膜が設けられていてもよい。また、透光部材は、波長変換部材、光拡散材等を含有していてもよい。波長変換部材及び光拡散材は、当該分野で用いられているもののいずれを用いてもよい。

また、キャップにより半導体レーザ素子を封止する際の雰囲気については、特に限定されないが、半導体レーザ装置内の雰囲気を清浄に保つため、乾燥した大気中や窒素雰囲気中で封止することが好ましい。また、半導体レーザ素子をキャップで封止する際の温度については、露点−１０℃以下であることが好ましく、さらに好ましくは露点−４０℃以下で封止するものである。また、各部材をアッシング若しくは熱処理等の方法を用いて前処理し、各部材に付着した水分や有機物の除去を行ってもよい。

また、支持部材とステムの間、もしくは受光素子とステムの間には、任意に保持部材等を配置してもよい。

また、本発明における半導体レーザ装置は、金属製のステムに実装されているものには限定されず、種々のパッケージに実装することができる。例えば、セラミック、セラミックと金属を用いた複合パッケージ等に実装するものが挙げられる。具体的には、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２、ＧａＮなどの材料を用い、必要に応じてＣｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏ、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ等の金属を用いることができる。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
（実施例１）
本実施例の半導体レーザ装置１００は、図６に示すように、リード４１を備えたステム４０に円筒状のキャップ４２が接着され気密封止されている。また、キャップ４２は、円筒状の頂部に開口部を有し、開口部にはキャップガラス４３が接合されており、キャップガラスからレーザ光が取り出される。また、その内部には、図５に示すように、ステム４０上に受光素子２０及び支持部材３０を介して半導体レーザ素子１０が載置されている。半導体レーザ素子１０は、図３に示すように、窒化物半導体からなる基板１０ｂ上に窒化物半導体層１０ｃが設けられ、基板の裏面に第１電極１１ａが、窒化物半導体層の表面には、Ｎｉ／Ａｕ／Ｐｔ（０．０１μｍ／０．１μｍ／０．１μｍ）からなる第２電極１１ｂが設けられている。また、図１に示すように、第１電極１１ａは、基板の裏面が部分的に露出されるように設けられている。
半導体レーザ素子１０のサイズは、共振器方向の長さ８００μｍ×幅２００μｍ×厚さ８０μｍであるものとする。受光素子２０のサイズは、本体が縦５００μｍ×横５００μｍ×厚さ２００μｍ、受光面２１が縦３５０μｍ×横３５０μｍであるものとする。なお、支持部材３０のサイズは共振器方向の長さ４００μｍ×幅５００μｍ×厚さ２００μｍであるものとする。
また、基板の裏面に設けられた第１電極は、共振器方向の長さ８００μｍ×幅２００μｍの半導体レーザ素子の裏面に対して、外周を６０μｍ露出させ、反射面側の端面から５０μｍの位置から２５０μｍの長さで、幅５０μｍで切り欠き部を設け、露出領域を形成する。
レーザ素子の出射面側に支持部材、５０μｍの空隙を介して受光素子が配置されている。

このような半導体レーザ装置の製造方法としては、まず、半導体レーザ素子の基板の裏面に第１電極を形成する。Ｖ／Ｐｔ／Ａｕ（１００Å／２０００Å／３０００Å）で電極を設け、フォトリソグラフィ及びエッチングでパターニングし、上記したような形状の電極及び露出領域を形成する。
次に、ステムを準備し、ステム上に、ＡｌＮからなる支持部材と、Ｓｉからなる受光素子とをＡｕＳｎ半田を用いて実装する。その後、支持部材及び受光素子上に、半導体レーザ素子をＡｕＳｎ半田を用いて実装する。
続いて、半導体レーザ素子を実装し、レーザ素子とステムをワイヤボンディングにより配線する。その後、キャップをステムに接合して気密封止することで、半導体レーザ装置を得ることができる。

このようにして得られた半導体レーザ装置は、基板の裏面の導波路直下以外の領域に露出領域を備えるように電極が設けられ、露出領域と受光素子の受光面が対向するように受光素子が配置されるために、Ｉｍ値の変化量が少なく、レーザ光の出力を精度よく調整することができる。

（実施例２）
本実施例では、図９に示すような半導体レーザ装置について、実施例１と同様にステム４０に接着したものを作製する。
実施例１と異なる点は、半導体レーザ素子の半導体層の表面に設けられた第２電極に露出領域が設けられており、第２電極の露出領域と受光素子の受光面が対向するように配置されている点である。具体的には、第２電極に、外周を５μｍ露出させ、反射面側の端面から５０μｍの位置から２００μｍの長さで、幅５０μｍで切り欠き部を設け、露出領域を形成し、半導体レーザ素子をジャンクションダウン実装することにより作製する。また、第１電極は切り欠き部を設けずに形成する。それ以外は、実施例１と同様にして作製する。
本実施例の半導体レーザ装置は、実施例１の半導体レーザ装置と比較して、レーザ素子の放熱性を向上させることができる。

（実施例３）
本実施例では、図７に示すような半導体レーザ装置について、実施例１と同様にステム４０に接着したものを作製する。
実施例１と異なる点は、半導体レーザ素子の裏面の露出領域の大きさであり、共振器方向の長さ８００μｍ×幅２００μｍの半導体レーザ素子の裏面に対して、外周を６０μｍ露出させ、半導体レーザ素子の導波路に遠い側の側面からは７５μｍ離間するように露出領域を形成する。それ以外は、実施例１と実質的に同様である。
本実施例の半導体レーザ装置では、実施例１と同様の効果を得ることができる。

（実施例４）
本実施例では、図８に示すような半導体レーザ装置について、実施例１と同様にステム４０に接着したものを作製する。
実施例１と異なる点は、受光素子上に半導体レーザ素子が載置されている点である。具体的には、受光素子２０のサイズは、本体が縦９００μｍ×横６００μｍ×厚さ２００μｍ、受光面２１が縦４００μｍ×横４００μｍであるものを用い、ステム上に受光素子を実装した後、受光素子上に半導体レーザ素子を実装して作製する。それ以外は、実施例１と実質的に同様にして作製する。
本実施例の半導体レーザ装置では、実施例１と比較して、支持部材が無い分、部材の実装の回数を減らすことができ、実装時のずれを軽減することができる。その結果、半導体レーザ装置ごとのＩｍ値のばらつきを少なくすることができる。

本発明の半導体レーザ装置は、光ディスク用途（光ストレージ）、光通信システム、印刷機、露光用途、測定等に利用することができる。また、物質の有無または位置を検出するなどのバイオ関連の励起用光源等に利用することもできる。

１００ 半導体レーザ装置
１０ 半導体レーザ素子
１０ａ 露出領域
１０ｂ 基板
１０ｃ 半導体層
１１ 電極
１１ａ 第１電極
１１ｂ 第２電極
１２ リッジ
１３ａ 出射面
１３ｂ 反射面
１４ 導波路領域
１５ 接着層
１６ 切り欠き部
１７ 絶縁膜
２０ 受光素子
２１ 受光面
３０ 支持部材
３２ 空隙
４０ ステム
４１ リード
４２ キャップ
４３ キャップガラス

Claims (9)

1. 基板の裏面に設けられた第１電極と、基板の表面に設けられた半導体層と、半導体層の表面に設けられた第２電極とを有し、光を出射する出射面と、光を反射する反射面とを備える半導体レーザ素子と、
   該半導体レーザ素子から出力される光を受光する受光素子とを有する半導体レーザ装置において、
   前記第２電極は、前記半導体層の表面に前記第２電極に設けられた切り欠き部によって規定された露出領域を備えるように設けられ、前記受光素子は、受光面が該露出領域と対向するように配置され、
   前記露出領域は、導波路直下以外の領域に形成され、且つ、
   前記露出領域は、前記半導体レーザ素子の反射面側に形成される半導体レーザ装置。
2. 前記半導体レーザ素子はジャンクションダウン実装されている請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記露出領域は、前記半導体層の表面に設けられた透光性の絶縁膜を介して受光面と対向する請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
4. 基板の裏面に設けられた第１電極と、基板の表面に設けられた半導体層と、半導体層の表面に設けられた第２電極とを有し、光を出射する出射面と、光を反射する反射面とを備える半導体レーザ素子と、
   該半導体レーザ素子から出力される光を受光する受光素子とを有する半導体レーザ装置において、
   前記第１電極は、前記基板の裏面に前記第１電極に設けられた切り欠き部によって規定された露出領域を備えるように設けられ、前記受光素子は、受光面が該露出領域と対向するように配置され、
   前記露出領域は、導波路直下以外の領域に形成され、且つ、
   前記露出領域は、前記半導体レーザ素子の反射面側に形成される半導体レーザ装置。
5. 前記露出領域は、共振器方向における中央領域に形成される請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
6. 前記半導体レーザ装置は、前記半導体レーザ素子が載置される支持部材を有し、前記レーザ素子は、前記受光素子及び前記支持部材に跨って配置される請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
7. 前記受光素子と前記支持部材の間には、空隙を有する請求項６に記載の半導体レーザ装置。
8. 前記半導体レーザ素子の出射面側に前記支持部材が配置され、反射面側に前記受光素子が配置される請求項６又は７に記載の半導体レーザ装置。
9. 前記支持部材の大きさは、前記半導体レーザ素子よりも大きな幅を有する請求項６乃至８に記載の半導体レーザ装置。

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