JP5668528B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、電流が半導体レーザ素子の電極に供給される際の電流ムラを顕著に改善することができる半導体レーザ素子に関する。

現在、半導体レーザ素子は、高出力で且つ長寿命の特性が要求されている。高出力の特性を得るためには、半導体レーザ素子の電極に大量の電流を供給する必要がある。半導体レーザ素子の電極に接続するワイヤが１つの場合、電極に供給できる電流量が制限され、大量の電流を供給することができない。そこで、電極の長手方向に沿って複数のワイヤを接続させることで、電極全域に電流を供給することが提案されている。（例えば、特許文献１参照）
一方、半導体レーザ素子は、その反射端面がアイレットと対向するように実装される所謂ＣＡＮタイプとして利用されることが多い。この場合、半導体レーザ素子の電極は、アイレットを貫通したアウターリードとワイヤにて接続されることになる。また、パッケージの小型化が求められる現在においては、半導体レーザ素子とアイレットとの距離は近ければ近いほど望ましい。

特開１９９９−１８６６６２号公報

しかしながら、半導体レーザ素子とアイレットとの距離が近い状態でワイヤボンディングをしようとしても、ワイヤボンディングの際にアイレットが障害となるため、半導体レーザ素子の反射端面からある程度離れた位置にワイヤを接続する必要があった。そして、ワイヤの接続箇所が反射端面近傍から離れてしまうと、電流は半導体レーザ素子の反射端面近傍に供給され難くなり、結果として電流ムラが生じてしまっていた。ワイヤを介して供給された電流は電極の面内方向を流れるよりも半導体レーザ素子の厚さ方向に流れやすいためである。したがって、高出力で長寿命の半導体レーザ素子とすることができないという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、反射端面側の電極端部に電流を供給することができる半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

一実施形態に係る半導体レーザ素子は、出射端面及び反射端面を有する半導体部と、半導体部上に設けられた電極と、を有する半導体レーザ素子であって、平面視において、電極は、出射端面と反射端面との間に設けられた第１領域と、第１領域から半導体部の側面側に延伸する第２領域と、第２領域よりも反射端面側に設けられ第１領域から半導体部の側面側に延伸する第３領域と、を有し、第２領域及び第３領域のそれぞれは、第１領域に連結する連結部及びワイヤを接続するためのワイヤ接続部を有し、第３領域の連結部は、第３領域のワイヤ接続部より反射端面側に設けられている。

本発明によれば、反射端面側の電極端部に電流を供給することができ、電極の電流ムラを改善できる半導体レーザ素子を提供することができる。

図１は本実施形態における半導体レーザ素子の平面図である。 図２は半導体レーザ装置を模式的に示す斜視図である。

以下、図面を参照して本発明に係る半導体レーザ素子の一実施形態について説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を以下のものに特定しない。特に、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。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。

図１は、本実施形態に係る半導体レーザ素子１００の平面図である。図１に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ素子1００は、出射端面１０a及び反射端面１０ｂを有する半導体部１０と、半導体部１０上に設けられた電極２０と、を有し、電極２０は、出射端面１０aと反射端面１０ｂとの間に設けられた第１領域２１と、第１領域２１から半導体部の側面側に延伸する第２領域２２と、第２領域２２よりも反射端面１０ｂ側に設けられ第１領域２１から半導体部の側面側に延伸する第３領域２３と、を有し、第２領域２２及び第３領域２３のそれぞれは、第１領域２１に連結する連結部（３２、３３）及びワイヤを接続するためのワイヤ接続部（４２、４３）を有し、第３領域の連結部３３は、第３領域のワイヤ接続部４３より反射端面側に設けられている。

これにより、反射端面１０ｂから離れた第３領域のワイヤ接続部４３においてワイヤボンディングが可能となるととともに、反射端面１０ｂ近傍において第３領域の連結部３３から電流を注入することができる。つまり、ワイヤボンディングが容易に行え且つ反射端面１０ｂ近傍まで電流を供給可能な半導体レーザ素子とすることができる。

また、平面視において光導波路領域に重複して設けられた第１領域２１にワイヤボンディングしなくて良いため、ワイヤボンディング時に半導体部１０の光導波路領域に加わる衝撃を低減できる。これより、レーザ特性が低下するのを抑制することができる。

また、ワイヤ接続部（４２、４３）同士の間隔を狭くすることができるため、ワイヤボンディング工程の所要時間を短縮することができる。

ここで、本明細書において、「第３領域の連結部３３は、第３領域のワイヤ接続部４３より反射端面側に設けられている」とは、連結部３３の出射端面側端部がワイヤ接続部４３の反射端面側端部よりも反射面側に配置されていることを言う。

本実施形態に係る半導体レーザ素子１００において、図１に示すように、電極２０は、第２領域２２と第３領域２３との間で第１領域２１から延伸する第４領域２４を有しても良い。第４領域２４は、第１領域２１に連結する連結部３４及びワイヤを接続するためのワイヤ接続部４４を備えている。

これより、ワイヤから電極のワイヤ接続部に供給される電流は、第２〜４領域を利用することで第１領域の両端面側及び中央に振り分けられるため、第１領域全体に電流を供給することができ、第１領域における電流ムラをより改善することができる。

参考までに、図２に、半導体レーザ素子１００をパッケージに搭載したときの概略図を示す。ここでは、半導体レーザ素子１００は、サブマウント８０を介してヒートシンク５０上に載置されている。サブマント８０は、その主面がアイレット６０の主面と直交するようして、アイレット６０に載置されている。さらに、アイレット６０にはアウターリード７０が貫通しており、ワイヤ（図示せず）にて半導体レーザ素子１００のワイヤ接続部（図示せず）とアウターリード７０とが電気的に接続される。図２から、反射端面１０ｂとアイレット６０は近接していることに起因して、従来であれば第３領域のワイヤ接続部（図示せず）にワイヤボンディングすることは困難であったが、半導体レーザ素子１００であればワイヤボンディングの作業容易性を確保しつつ、反射端面近傍まで電流を供給し得ることが理解できる。

以下、各構成を説明する。
（半導体部１０）
半導体部１０は、出射端面１０ａ及び反射端面１０ｂの一対の端面を有しており、半導体部で生じる光が出射端面１０ａ及び反射端面１０ｂとの間で往来し共振する領域、つまり、光導波路領域を有している。例えば、出射端面１０ａ及び反射端面１０ｂに所定の反射率のミラーを形成し、反射端面１０ｂ側のミラーの反射率を出射端面１０ａ側のミラーよりも高くすることにより、出射端面１０ａ側からレーザ発振が可能なように構成されている。

半導体部１０は限定されず、公知のものを用いることができる。具体的には、ＧａＮやＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ等の化合物半導体を用いて、多重量子井戸構造や単一量子井戸構造とすることができる。
（電極２０）
本実施形態の電極２０は、図１に示すように、第１領域２１、第２領域２２、第３領域２３及び第４領域２４から構成されている。

平面視において、第１領域２１は、出射端面１０a端部（又はその近傍）から反射端面１０ｂ端部（又はその近傍）にわたって形成されており、光導波路領域と重複するように配置される。第１領域２１の出射端面１０a側から反射端面１０ｂ側までは同一幅であるのが好ましい。これにより、光導波路領域全体に電流をムラなく供給することができる。

第２〜４領域（２２、２３、２４）は、平面視において第１領域２１から半導体部１０の側面方向に延伸する部位である。本実施形態では、第２〜４領域（２２、２３、２４）は、図１に示すように第１領域２１からｘ軸方向の半導体部の側面側に延伸する形状であるが、ｘ軸方向とは反対方向の半導体部の側面側（すなわち、−ｘ軸方向側）に延伸させる形状でも良いし、それぞれ異なる方向に延伸しても良い。ここで、「半導体部の側面」とは、平面視における半導体部の４つの側面のうち出射端面１０a及び反射端面１０ｂとを除く面、すなわち、出射端面１０aと反射端面１０ｂとを結ぶ方向に平行に位置する面を指している。

第２〜４領域（２２、２３、２４）は、ワイヤ接続部（４２、４３、４４）を有する。ワイヤ接続部（４２、４３、４４）は、図１では半導体レーザ素子出射端面側と反射端面側とを結ぶ方向と平行に設けられるのが、これに限定されない。

第２〜４領域（２２、２３、２４）は、第１領域２１との連結部（３２、３３、３４）を有する。その位置は、出射端面１０ａ側から順に、第２領域の連結部３２、第４領域の連結部３４、第３領域の連結部３３である。連結部間の間隔は特に限定されないが、第２領域の連結部３２と第４領域の連結部３４との間隔と、第４領域の連結部３４と第３領域の連結部３３との間隔と、が一定（又は略一定）であり、その間隔よりも電極２０の出射端面側端部から第２領域２２までの間隔と、電極２０の反射端面側端部から第３領域２３までの間隔と、が小さいことが好ましい。これにより、第１領域２１の電流ムラをより抑制することができる。

図１では、第３領域２３の平面視における形状を、第１領域２１から半導体部の側面に対して垂直方向（ｘ軸方向）に延伸する領域と、その先端部が出射端面方向（ｙ軸方向）に延伸する領域と、から構成している。ただ他の形状であってもよく、例えば、第３領域の連結部３３から第３領域のワイヤ接続部４３に向かって直線となるように、半導体部１０の側面に対して斜め方向に延伸しても良い。また、第３領域２３は、半導体部の側面に対して垂直方向（ｘ軸方向）に向かって延伸する領域と、半導体部の側面に対して斜め方向に延伸する領域と、出射端面方向（ｙ軸方向）に延伸する領域とを組み合わせて構成しても良い。なお、第３領域内で延伸方向の異なる領域が接合する地点は角部となっても良いし、曲線となっても良い。

第３の領域２３の幅は、ワイヤ接続部３３から連結部４３まで同一幅であることに限定されず、ワイヤ接続部３３から連結部４３に向けて段階的にあるいは徐々に広がる形状としても良いし、段階的にあるいは徐々に狭くなる形状でも良い。なお、ワイヤ接続部４３の幅は、ワイヤボンディング後に形成される結合部の直径より大きいことは言うまでもない。

図１では、第２領域２２及び第４領域２４は、第１領域２１から半導体部の側面に対して垂直方向（ｘ軸方向）に延伸する形状であるが、これに限定されない。

第１領域から延伸する領域は、図１のように第２〜４領域（２２、２３、２４）の３つに限定されることなく、半導体レーザ素子やワイヤの寸法、その他の種々のパラメータを考慮して、第４領域２４を設けないでも良いし、あるいは３つ以上の領域にしても良い。

なお、本実施形態では、半導体部１０を挟んで電極２０と対向する側にもう一方の電極が設けられるが、これに限定されない。
（その他）
ヒートシンク５０は、アイレット６０の上に設けられる部材である。ヒートシンク５０の半導体レーザ素子マウント面５０ａには、半導体レーザ素子１００をマウントするためのサブマウント８０が設けられ、そのサブマウント８０上に半導体レーザ素子１００が設けられている。ヒートシンク５０は、例えば、Ｃｕ、Ｆｅ、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ、ＡｌＮ、ＡｌＮにＡｕメッキを施したもの等から構成されている。また、ヒートシンク５０は、窒素ガス雰囲気中で図示を省略しているキャップにより封止され、このキャップは半導体レーザ素子１００からのレーザ光が出射する領域がガラス等の透明な部材で構成されている。

アイレット６０は、半導体レーザ素子１００の外部配線であるアウターリード７０を貫通する孔を複数備えた円板であり、例えばＦｅ等の金属から構成されている。

アウターリード７０は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｃｒ等の金属や合金等からなる一般的な電極用金属材料から構成されている。

サブマウント８０は、例えば、基板上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ等の薄膜を積層した薄膜から構成されている。なお、サブマウントの基板は、例えば、セラミックスや、放熱のために熱伝導性の高い部材（ＡｌＮ、ＣｕＷ、ダイヤモンド、ＳｉＣ)を用いることができる。ここで本明細書において「／」とは、左側の材料及び右側の材料を順に積層することを意味する。

本発明に係る半導体レーザ素子は、特に高出力が要求されるプロジェクタ、レーザテレビ等に利用することができる。

１００・・・半導体レーザ素子
１０・・・・半導体部
１０ａ・・・出射端面
１０ｂ・・・反射端面
２０・・・・電極
２１・・・・第１領域
２２・・・・第２領域
２３・・・・第３領域
２４・・・・第４領域
３０・・・・連結部
３２・・・・第２領域の連結部
３３・・・・第３領域の連結部
３４・・・・第４領域の連結部
４０・・・・ワイヤ接続部
４２・・・・第２領域のワイヤ接続部
４３・・・・第３領域のワイヤ接続部
４４・・・・第４領域のワイヤ接続部

２００・・・半導体レーザ装置
５０・・・・ヒートシンク
５０ａ・・・半導体レーザ素子マウント面
６０・・・・アイレット
７０・・・・アウターリード
８０・・・・サブマウント

Claims (5)

1. 出射端面及び反射端面を有する半導体部と、前記半導体部上に設けられた電極と、を有する半導体レーザ素子であって、
   前記電極は、出射端面と反射端面との間に設けられた第１領域と、前記第１領域から前記半導体部の側面側に延伸する第２領域と、前記第２領域よりも反射端面側に設けられ前記第１領域から前記半導体部の側面側に延伸する第３領域と、を有し、
   前記第２領域は、前記第１領域に連結する連結部及びワイヤを接続するためのワイヤ接続部を有し、
   前記第３領域は、前記第２領域とは異なる位置に、前記第１領域に連結する連結部及びワイヤを接続するためのワイヤ接続部を有し、
   前記第３領域の連結部は、前記第３領域のワイヤ接続部より反射端面側に設けられていることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記電極は、前記第２領域と前記第３領域との間に第１領域から延伸する第４領域を有し、
   前記第４領域は、前記第１領域に連結する連結部及びワイヤを接続するためのワイヤ接続部を有することを特徴とする請求項１に記載された半導体レーザ素子。
3. 前記電極の出射端面側端部から前記第２領域の連結部までの間隔が、前記第２領域の連結部と前記第４領域の連結部との間隔より小さく、
   前記電極の反射端面側端部から前記第３領域の連結部までの間隔が、前記第３領域の連結部と前記第４領域の連結部との間隔より小さいことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体レーザ素子を有する半導体レーザ装置であって、
   前記ワイヤ接続部のそれぞれに、ワイヤが接続されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
5. 請求項４に記載の半導体レーザ装置は、さらに、アイレット及びサブマウントを備え、
   前記サブマウントは、前記アイレット上に配置され、
   前記半導体レーザ素子は、前記サブマウントの主面に、反射端面が前記アイレットと対向するように設けられることを特徴とする半導体レーザ装置。

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