JP6056146B2 - 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。

従来技術として、「半導体レーザ素子」が載置された「ヒートシンク」（本明細書の「載置体」に相当する。）を、「ステム」（本明細書の「基体」に相当する。）に形成された貫通部に嵌めこんだ半導体レーザ装置が知られている（例えば特許文献１）。引用文献１には、「ステム」の裏側に「ヒートシンク」が露出することにより、「ヒートシンク」が「外部のヒートシンク」に直接接続できるため、放熱性が向上する旨が記載されている（引用文献１の段落１０を参照。）。

特開平6-302912号公報

しかし、載置体の最下面を基体の最下面と一致するように両者を接続することは実際には困難である。載置体と基体とはろう材等を用いて加熱することにより接続されるが、両者の熱膨張係数の差により、載置体の最下面と基体の最下面とがずれやすいからである。このため、載置体の最下面を基体の最下面と一致させることができれば優れた放熱性が得られるものの、両者の最下面がずれると放熱性が極端に悪くなり、安定した放熱性が得られないという問題があった。

一側面に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子が載置された載置体と、載置体と接続された基体と、を備える。基体は、載置体と嵌合する凹部と、凹部の底部の一部を貫通する貫通部と、を有する。ここで、凹部の底部のうち貫通部を除いた残部の厚さは、基体の最大厚さの半分以下である。載置体の最下面は、残部を介することにより、基体の最下面から離間されている。

一実施形態に係る半導体レーザ装置の断面図である。 一実施形態に係る半導体レーザ装置に用いられる基体の断面図である。 一実施形態に係る半導体レーザ装置の平面図である。 一実施形態に係る半導体レーザ装置の側面図である。 他の実施形態に係る半導体レーザ装置の平面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施形態について説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明を以下に限定するものではない。また、各図面に示す部材の位置や大きさ等は、説明を明確にするため誇張していることがある。

本実施形態に係る半導体レーザ装置１００の上下方向における断面図を図１に、半導体レーザ装置１００を上方から見た平面図を図３に、半導体レーザ装置１００を図１及び図３の右側から見た側面図を図４に、それぞれ示す。なお、図１は、図３の線分Ｘ−Ｘにおける断面図である。また、図２は、半導体レーザ装置１００に用いられる基体４０の断面図である。

各図に示すように、半導体レーザ装置１００は、半導体レーザ素子１０と、半導体レーザ素子１０が載置された載置体３０と、載置体３０と接続された基体４０と、を備える。基体４０は、載置体３０と嵌合する凹部４０ａと、凹部４０ａの底部の一部を貫通する貫通部４０ｂと、を有する。ここで、凹部４０ａの底部のうち貫通部４０ｂを除いた残部４１の厚さは、基体４０の最大厚さの半分以下である。載置体３０の最下面は、残部４１を介することにより、基体４０の最下面から離間されている。

これにより、安定且つ十分に優れた放熱性を有する半導体レーザ装置とすることができる。以下、詳細に説明する。

一般に、載置体を構成する材料としては半導体レーザ素子からの熱を逃がし易い熱伝導率の高い金属材料が用いられるが、基体を構成する材料としては後に気密封止のためのキャップを溶接等できるように熱伝導率が高すぎない金属材料が選択される。そのため、基体の熱伝導率は載置体のそれよりも劣ることが多い。そこで、基体と載置体とを組み上げたときに載置体と外部放熱部とが直接接触できるように、基体の最下面と載置体の最下面を一致させることが好ましいとされている。半導体レーザ素子で生じた熱を、載置体及び基体の双方から外部放熱部に逃がすことができるからである。しかし、実際は、基体と載置体の熱膨張差や寸法ばらつきに起因して両者の最下面を一致させることは難しく、安定した放熱性を得るのは困難である。

そこで、半導体レーザ装置１００では、残部４１上に載置体３０の最下面を配置させることで、基体４０の最下面から載置体３０の最下面を敢えて離間させている。これにより、常に載置体３０の最下面が基体４０の最下面よりも上方に位置するので、装置間における放熱性のばらつきを抑制することができる。また、原則として、載置体３０の最下面のうち貫通部４０ｂに相当する領域は外部放熱部に接触しないので、放熱性が損なわれるようにも思われる。しかし、載置体３０直下に位置する残部４１を比較的薄くしているので、放熱性が大きく損なわれることはない。さらに、貫通部４０ｂにおいて、載置体３０の最下面の一部を基体４０から露出させているので、仮に載置体３０と基体４０とを接続するための接続部材（ろう材等）にボイド（気孔）が生じたとしても、露出部分となる貫通部４０ｂからボイドを逃がすことができる。これにより、接続部材中にボイドが残存することにより生じる放熱性の悪化を抑制できるので、より安定した放熱性が期待できる。

以下、半導体レーザ装置１００における主な構成要素について説明する。

（半導体レーザ素子１０）
半導体レーザ素子１０には、公知のものを用いることができ、例えば、窒化物半導体からなるものを用いることができる。半導体レーザ素子１０は、ｐ電極（図示せず）及びｎ電極（図示せず）を備える。ここでは、半導体レーザ素子１０の一方の側にｐ電極が形成され、他の側にｎ電極が形成されている。

半導体レーザ装置１００には、マルチモード（横モードマルチ）の半導体レーザ素子１０を用いることができる。マルチモードの半導体レーザ素子は比較的高出力なので、装置の放熱性にばらつきがあると、放熱性に劣るものは熱により優先的に劣化してしまう。半導体レーザ素子が熱により劣化すると、出力が低下するだけでなく、最悪の場合は不灯となる。したがって、放熱性の安定した本実施形態の半導体レーザ装置にマルチモードの半導体レーザ素子１０を用いる場合、その効果を顕著に得ることができる。

なお、半導体レーザ装置の寿命は半導体レーザ素子の温度により決定される。本発明者らが検討したところ、半導体レーザ装置が実際に駆動されている状態においては、半導体レーザ素子の温度が１０℃上昇すれば、その寿命が半減することがわかっている。つまり、半導体レーザ素子の上昇温度を数℃抑えることができれば、その寿命は大きく向上するのである。特に、光出力が数W以上の高出力の半導体レーザ素子では、その発熱量も必然的に大きくなるため、装置間で個体差があまりなく且つ優れた放熱性が期待できる本発明は非常に有望である。

（載置体３０）
載置体３０は、ヒートシンクとも呼ばれるものであり、半導体レーザ素子１０を載置するためのものである。また、半導体レーザ素子１０で生じた熱は、先ずは載置体３０に放散されるので、載置体３０には銅などの放熱性に優れた金属材料が用いられることが多い。図１に示すように、載置体３０の一部は基体４０から上方に突出しており、その突出した部分の所定の領域に半導体レーザ素子１０が固定される。図１等に示すように、半導体レーザ装置１００では、載置体３０の側面に半導体レーザ素子１０が載置されている。また、載置体３０の他の一部は基体４０に形成された凹部４０ａに嵌め込まれることにより、両者が接続されている。

半導体レーザ装置１００では、半導体レーザ素子１０と載置体３０との間に、介在体２０（所謂サブマウント）を介在させている。例えば、介在体２０の熱伝導率を載置体３０のそれよりも高くすることで、半導体レーザ素子１０で生じた熱を効率的に載置体３０に逃がすことができる。また、介在体２０を構成する材料に窒化アルミ、炭化ケイ素、ケイ素、ダイヤモンドなどの絶縁体を用いれば、半導体レーザ素子１０と載置体３０とを絶縁させることができる。ここでは、介在体２０として絶縁体のものを用い、半導体レーザ素子１０と載置体０とを絶縁している。また、介在体２０の上面には導電層（図示せず）を形成しており、導電層を介することで、半導体レーザ素子と外部とを通電させている。

（基体４０）
基体４０は、ステム又はアイレットとも呼ばれるものであり、載置体３０を接続するためのものである。一般に、基体４０には、載置体３０よりも放熱性が劣る鉄などの金属材料が用いられる。基体４０には後に気密封止のためのキャップ（図示せず）を溶接等により接続する必要があり、熱伝導率が高すぎると熱が拡散してしまい溶接できない等の理由による。

図２は、半導体レーザ装置１００に用いられる基体４０の断面図である。図２に基づいて基体４０の詳細を説明する。基体４０には、その上方に凹部４０ａが形成され、凹部４０ａの下方に位置する底部の一部には上下方向に貫通する貫通部４０ｂが形成されている。ここで、凹部４０ａにおける底部のうち貫通部４０ｂを除いた部分となる残部４１の厚さは、基体４０の最大厚さの半分以下になるように構成される（ここでいう「厚さ」とは、図２の上下方向における厚さを指す。）。図２では、基体４０のうち残部４１以外の領域を本部４２として示している。本部４２は残部４１に比べて厚く、残部４１は本部４２に比べて薄くなっている。また、本部４２と残部４１の最下面は一致している。つまり、基体４０には、本部４２から残部４１が延在することにより、凹部４１ａ及び貫通部４０ｂが形成されている。

基体４０に凹部４０ａ及び貫通部４０ｂを形成するには、例えばプレス加工を用いることができる。以下、プレス加工の手順の一例について説明する。先ず、原材料に貫通孔を形成する。次に、凸形状を有する金型を用いて、平面視において貫通孔が形成された領域を含み且つ貫通孔が形成された領域よりも大きい領域を凹ます。このとき、最終的に貫通孔が完全に閉じないように、原材料をプレスする。これにより、凹部４０ａ及び貫通部４０ｂを有する基体４０を形成することができる。つまり、金型の凸部に対応する部分が凹部４０ａとなり、貫通孔が閉じ切ることなく残った部分が貫通部４０ｂとなる。最終的に貫通孔が閉じないようにプレスすることにより、原材料の延性を利用して、残部４１をより薄く且つ安定して形成することができる。なお、貫通部４０ｂの大きさを均一にするために、プレスした後に残存した貫通孔よりも一回り大きな領域をパンチ等で除去して貫通部４０ｂとしてもよい。

半導体レーザ装置１００では貫通部４０ｂの形状を円形としたが（図３）、貫通部４０ｂの形状は円形に限らないことは言うまでもない。例えば、他の実施形態である図５に示す半導体レーザ装置２００のように貫通部４０ｂの形状を凹部４０ａの底部の周縁に実質的に沿った形状とすることもできる。これにより、接続部材で生じたボイドをより均一に逃がすことができる。

図３等に示すように、上方から見て、貫通部４０ｂはその外縁が凹部４０ａの底部の周縁から離れるように形成することができる。換言すると、凹部４０ａの底部の全周囲から残部４１を延在させることができる。これにより、より均一な放熱が期待できる。

残部４１の厚さは、基体４０の最大厚さの５％以上３０％以下、好ましくは５％以上２５％以下、より好ましくは１０％以上２０％以下とすることができる。残部４１が薄すぎると、基体４０を構成する材料の熱膨張係数と載置体３０を構成する材料のそれとの差により、残部４１が上方又は下方に折れ曲がる恐れがあるので、放熱性の観点で好ましくない。残部４１が上方又は下方に折れ曲がると、基体と外部放熱部との接触面積が減るからである。逆に、残部４１が厚すぎても、放熱性に優れた載置体３０が基体４０の最下面から離れることになるので、全体として放熱性が損なわれやすい。

上方から見て、貫通部４０ｂの面積は、凹部４０ａの底部の面積の５％以上５０％以下、好ましくは１０％以上４０％以下、より好ましくは１０％以上３０％以下とすることができる。底部に対して貫通部４０ｂが占める割合を一定以上とすることで、接続部材に生じ得るボイドを効果的に逃がすことができるので、より安定した放熱性が得られる。また、底部に対して貫通部４０ｂが占める割合を一定以下とすることで、外部放熱部への主な放熱経路となる残部４１をある程度残すことができるので、放熱性を向上させることができる。

（リード端子）
図４等に示すように、半導体レーザ装置１００は、半導体レーザ素子１０を通電させるために第１リード端子５０−１及び第２リード端子５０−２を備える。ここでは、基体４０の凹部４０ａと異なる領域に上下方向に延伸する第１リード端子５０−１及び第２リード端子５０−２が設けられている。各リード端子は、絶縁体を介して基体４０に固定されている。第１リード端子５０−１は、第１ワイヤ６０−１により、半導体レーザ素子１０の上面側と電気的に接続されている。また、第２リード端子５０−２は、第２ワイヤ６０−２により、半導体レーザ素子１０の下面側と電気的に接続されている。

＜実施例＞
窒化物半導体からなる発振波長４４５ｎｍの半導体レーザ素子１０と、窒化アルミからなる介在体２０と、主成分として銅を含む載置体３０と、主成分として鉄を含む基体４０と、を用いて半導体レーザ装置を作製した。載置体３０は銀ろう（接続部材）により基体４０に接続した。

半導体レーザ素子１０は、下面側（介在体２０に近い側）にｐ電極を有し、上面側（介在体２０から遠い側）にｎ電極を有する。図４等に示すように、第１ワイヤ６０−１を介することで、半導体レーザ素子１０のｎ電極と第１リード端子５０−１とを電気的に接続した。また、介在体２０の表面に形成した導電層（図示せず）及び第２ワイヤ６０−２を介することで、半導体レーザ素子１０のｐ電極と第２リード端子５０−２とを電気的に接続した。

基体４０には、プレス加工により凹部４０ａと貫通部４０ｂを形成した。図３等に示すように、平面視における凹部４０ａの底部の形状を半円形とし、貫通部４０ｂの形状を円形とした。基体４０の最大厚さ（本実施例では本部４２の厚さ）は約１．５ｍｍであり、残部４１の厚さは約０．３ｍｍであった。また、凹部４０ａの底部の面積（載置体３０の最下面の面積に相当）は約１３ｍｍ^２であり、そのうち貫通部４０ｂの面積は約２．５ｍｍ^２であった。

以上のように作製した半導体レーザ装置の条件に基づき、発熱量を１０Wとして、半導体レーザ素子の上昇温度をシミュレートしたところ６２．２５℃となった。また、実際の使用では、貫通部４０ｂにグリスを充填して放熱性の向上を図る場合があるので、この場合を想定して半導体レーザ素子の上昇温度をシミュレートしたところ６２．０７℃となった。つまり、本実施例の構成を有する半導体レーザ装置では、比較例と比べて安定した放熱性を有しており、比較例のうち最良のものと比較しても遜色ない使用上十分な放熱性が得られるものと考えられる。

＜比較例＞
載置体３０の最下面と基体４０の最下面とが一致した点以外は実施例と実質的に同じ構成の半導体レーザ装置を想定して、半導体レーザ素子の上昇温度をシミュレートしたところ６０．４９℃となった。しかし、基体４０の最下面から載置体３０の最下面が３０μｍだけ浮いた場合では、半導体レーザ素子の上昇温度は７１．２℃となった。さらに、実使用を考慮して、貫通部４０ｂにグリスを充填させた場合でも、半導体レーザ素子の上昇温度は６７．７℃に止まった。

１００、２００・・・半導体レーザ装置
１０・・・半導体レーザ素子
２０・・・介在体
３０・・・載置体
４０・・・基体
４０ａ・・・凹部
４０ｂ・・・貫通部
５０−１・・・第１リード端子
５０−２・・・第２リード端子
６０−１・・・第１ワイヤ
６０−２・・・第２ワイヤ

Claims (7)

1. 半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子が載置された載置体と、前記載置体と接続された基体と、を備える半導体レーザ装置であって、
   前記基体は、前記載置体と嵌合する凹部と、前記凹部の底部の一部を貫通する貫通部と、を有し、
   前記底部のうち前記貫通部を除いた残部の厚さは、前記基体の最大厚さの半分以下であり、
   前記載置体の最下面は、前記残部上に配置され、前記残部を介することにより、前記基体の最下面から離間されており、
   前記載置体は、単一の部材からなる、
   ことを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記半導体レーザ素子は、マルチモードの半導体レーザ素子であ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。
3. 上方から見て、前記貫通部は、前記底部の周縁から離れて形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記残部の厚さは、前記基体の最大厚さの５％以上３０％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
5. 上方から見て、前記貫通部の面積は、前記底部の面積の５％以上５０％以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
6. 前記基体は、鉄を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
7. 前記載置体は、銅を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ装置。

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