JP6334772B2 - マルチビーム半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、マルチビーム半導体レーザ装置に関し、特に、複数のレーザダイオードが形成された半導体チップをジャンクションダウンで支持基板に実装する半導体レーザ装置に関するものである。

光通信システムの光源や情報処理機器の光源として使用されるレーザダイオード(Laser Diode;ＬＤ)は、半導体チップ内にストライプ状の活性層を設けたものであり、この活性層を挟む上下の半導体層の一方を第一導電型(ｎ型)の半導体層とし、他方を第二導電型(ｐ型)の半導体層とすることでｐｎ接合を形成している。また、レーザ発振させるための共振器(光導波路)を形成するために、リッジ構造を採用する等、種々の構造が採用されている。

上記のようなレーザダイオードが形成された半導体チップは、パッケージ内に配置されたサブマウントと呼ばれる熱伝導性の良好な材料（例えばＡｌＮ、ＳｉＣ、ＣｕＷ等）からなる支持基板に半田材およびＡｕメッキ層を介して接続される。また、レーザダイオードの発光時に発生する熱を効率的に外部に放散するために、熱発生源となるｐｎ接合をサブマウントに近接させた状態で固定するジャンクションダウン方式を採用することが多い（例えば特許文献１）。

特開２０１１−１０８９３２号公報

ジャンクションダウン方式を採用する半導体レーザ装置は、発光部の上部に位置するリッジ部上に形成されたＡｕメッキ層と、サブマウントの電極上に形成された導電性のある半田材とを溶融接合させることで、放熱および通電を行っている。

マルチビーム半導体レーザ装置の場合は、半導体チップ内に複数の発光部が設けられており、各々のリッジ部は、各々が電気的にアイソレーションされている電極が形成されている。そして、サブマウント側には、この複数の電極に対応した短冊状の平面パターンを有する複数の半田材が形成されており、サブマウントに接合する方式が一般的である。

しかし、上記の方式を採用した場合は、ビーム間が狭ピッチ（例えば３０μｍ〜５０μｍ）であることと、半導体チップ側の電極の一部であるＡｕメッキ層の幅がサブマウント側の半田材パターンの幅よりも広いことにより、溶融接合時に半田が局部的に集中し、半田玉が発生する。これにより、半導体チップの複数の電極間で半田材同士のショートが発生することがあるために、ビーム単独での駆動ができなくなり、組み立て歩留りの低下を引き起こす恐れがある。

また、マルチビーム半導体レーザ装置には、ビーム間での特性差が小さいことが要求される。しかしながら、マルチビーム半導体レーザ装置は、半導体チップとサブマウントとの組み立て時に、半導体チップ側のＡｕ電極材および半導体材料と、サブマウント側の半田材およびサブマウント材との熱膨張係数の違いによって起こる反応で生じる応力がリッジ部に及ぶことにより、偏光角特性不良が発生するという問題がある。

偏光角特性は、発光部から照射される光の偏波の角度の特性を言い、この偏波は、半導体チップの主面に沿う面内において振動していることが好ましい。偏波面が半導体チップの主面に対して斜めに回転した光が照射されることは偏光角特性の悪化となる。そして、偏光角特性の悪化した半導体チップを使用した場合には、レンズ等の光学部品を透過する際に光量が落ちるという問題が発生する。マルチビーム半導体レーザ装置の場合は、ビーム間で偏光角が異なるとビーム間差となり、特に問題となる。

本発明の目的は、マルチビーム半導体レーザ装置のビーム間における半田材同士のショート不良を抑制することにある。

本発明の他の目的は、マルチビーム半導体レーザ装置のビーム間における偏光角回転や偏光角のビーム間相対差を小さくすることにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

４本以上の偶数本のビームを備えた半導体チップと、
前記半導体チップが実装される支持基板と、
を備えたマルチビーム半導体レーザ装置であって、
前記半導体チップは、
半導体基板の主面上に形成された第１導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層の上部に形成された活性層と、
前記活性層の上部に形成された第２導電型クラッド層と、
前記第２導電型クラッド層とその上部に形成された第２導電型のコンタクト層とをそれぞれ含み、前記ビーム間が３０μｍ〜５０μｍとなるように配列された、凸形の断面形状を有する４個以上の偶数個のリッジ部と、
前記リッジ部のそれぞれと電気的に接続され、前記リッジ部のそれぞれの上部を覆うように形成された表面電極と、
前記表面電極の上部に形成された第１導電層と、
前記第１導電層の上部であって前記リッジ部の上部を除く領域に形成され、前記第１導電層よりも面積の小さい第２導電層と、
前記半導体基板の裏面に形成された裏面電極と、を有し、
前記表面電極と前記第１導電層と前記第２導電層は、それぞれ前記リッジ部の数と同数形成され、
前記支持基板のチップ実装面には、前記リッジ部の数と同数の第１電極が形成され、
前記第１電極のそれぞれの表面には、半田材が形成されており、
前記半導体基板は、前記第２導電層と前記半田材とを溶融接合することによって、前記支持基板の前記チップ実装面に実装されており、
前記第２導電層は、前記リッジ部の両側の一方の上部において前記半田材と接触しており、
前記第２導電層と前記半田材との前記リッジ部の数と同数の接合部は、偶数本の前記ビームの中心に対して外側に配置され、
前記リッジ部の配列方向に沿った前記第２導電層の幅は、前記半田材の幅よりも狭いものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。

マルチビーム半導体レーザ装置のビーム間における半田材同士のショート不良を抑制することができる。

マルチビーム半導体レーザ装置のビーム間における偏光角回転や偏光角のビーム間相対差を小さくすることができる。

本発明の実施の形態であるマルチビーム半導体レーザ装置の全体構成を示す要部破断斜視図である。 本発明の実施の形態であるマルチビーム半導体レーザ装置の要部断面図である。 （ａ）は、レーザチップの主面を示す平面図、（ｂ）は、レーザチップの裏面を示す平面図である。 本発明のマルチビーム半導体レーザ装置の別例を示す要部断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。さらに、実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、平面図であってもハッチングを付す場合や、断面図であってもハッチングを省略する場合がある。

（実施の形態）
本実施の形態は、凸状のリッジ部を有する４ビーム半導体レーザ装置に適用したものであり、図１は、この４ビーム半導体レーザ装置の全体構成を示す要部破断斜視図である。

本実施の形態の４ビーム半導体レーザ装置は、例えば直径が５．６ｍｍ程度、厚さが１．０ｍｍ程度のＦｅ合金からなる円盤状のステム３０と、このステム３０の上面を覆うキャップ３１とを備えたＣＡＮパッケージ（封止容器）構造を有している。

上記キャップ３１の底部の外周に設けられたフランジ部３２は、ステム３０の上面に固定されている。また、キャップ３１の上面の中央部分には、レーザビームを透過するガラス板３３が接合された丸穴３４が設けられている。

キャップ３１で覆われたステム３０の上面の中央部近傍には、例えばＣｕのような熱伝導性が良好な金属からなるヒートシンク３５が搭載されている。このヒートシンク３５は、ロウ材（図示せず）を介してステム３０の上面に接合されており、その一面には、サブマウント（支持基板）１０が半田（図示せず）を介して固定されている。

サブマウント１０は、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＣｕＷ等のセラミックで構成されており、その一面には、４個のレーザダイオードが形成されたレーザチップ（半導体チップ）１１がジャンクションダウン方式によって実装されている。サブマウント１０は、レーザダイオードの発光時に発生する熱をレーザチップ１１の外部に放散するための放熱板と、レーザチップ１１を支持するための基板とを兼ねている。レーザチップ１１の後述する裏面電極１３は、Ａｕワイヤ３７を介してヒートシンク３５に電気的に接続されている。

サブマウント１０に実装されたレーザチップ１１は、その両端面（図１では上端面および下端面）からレーザビームを出射する。そのため、レーザチップ１１を支持するサブマウント１０は、そのチップ実装面がステム３０の上面に対して垂直な方向を向くようにヒートシンク３５に固定されている。レーザチップ１１の上端面から出射されたレーザビーム（前方光）は、キャップ３１の丸穴３４を通じて外部に出射される。また、レーザチップ１１の下端面から出射されたレーザビーム（後方光）は、ステム３０の上面の中央部近傍に実装されたフォトダイオードチップ４０によって受光され、電流に変換される。

上記ステム３０の下面には６本のリード３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、３９ｄ、３９ｅ、３９ｆが取り付けられている。これら６本のリード３９ａ〜３９ｆうち、４本のリード３９ａ、３９ｂ、３９ｅ、３９ｆは、それぞれＡｕワイヤ３６を介してサブマウント１０のサブマウント電極２７（後述）に電気的に接続されている。また、残り２本のリード３９ｃ、３９ｄのうち、リード３９ｃは、ステム３０の下面に固定されており、ステム３０と電気的に等電位状態になっている。また、リード３９ｄは、Ａｕワイヤ３８を介してフォトダイオードチップ４０に電気的に接続されている。

図２は、本実施の形態の４ビーム半導体レーザ装置の要部断面図、図３（ａ）は、レーザチップ１１の主面を示す平面図、図３（ｂ）は、レーザチップ１１の裏面を示す平面図である。

図２に示すように、ＧａＡｓ基板１２の主面上には複数の半導体層が積層されている。半導体層は、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって堆積されたｎ型クラッド層２２、活性層２３、ｐ型第１クラッド層２４、ｐ型第２クラッド層２５およびｐ型コンタクト層２６からなる。これらの半導体層のうち、ｎ型クラッド層２２は、ＡｌＧａＩｎＰで構成されている。活性層２３は、ＡｌＧａＩｎＰからなる障壁層とＧａＩｎＰ層からなる井戸層とを交互に積層した多重量子井戸（Multi Quantum Well：ＭＱＷ）構造で構成されている。ｐ型第１クラッド層２４およびｐ型第２クラッド層２５は、それぞれＡｌＧａＩｎＰで構成され、ｐ型コンタクト層２６は、ＧａＡｓで構成されている。

上記ｐ型第２クラッド層２５には、凸形の断面形状を有し、互いに平行に延在する４本のリッジ部（メサストライプ）２０が形成されている。この４本のリッジ部２０は、各々が一つのレーザダイオードに対応している。なお、図２には、４本のリッジ部２０のうち、２本のリッジ部２０が示されている。

また、上記リッジ部２０を構成するｐ型第２クラッド層２５のそれぞれの上部には、ｐ型コンタクト層２６が形成されている。すなわち、リッジ部２０は、ｐ型第２クラッド層２５とｐ型コンタクト層２６との２層構造になっている。

上記４本のリッジ部２０のそれぞれの両側のｐ型第２クラッド層２５は、凹溝２１となっており、凹溝２１の両側部および底部には、酸化シリコンからなるパッシベーション膜１４が形成されている。

上記ｐ型コンタクト層２６の上面およびパッシベーション膜１４の上面には、ｐ型コンタクト層２６にオーミック接続されたｐ型の表面電極１５が形成されている。また、表面電極１５の上面には、放熱用の第１Ａｕメッキ層（第１導電層）１６が形成されており、第１Ａｕメッキ層１６の上面の一部には、第１Ａｕメッキ層１６よりも面積の小さい第２Ａｕメッキ層（第２導電層）１７が形成されている。一方、ＧａＡｓ基板１２の裏面には、ｎ型の裏面電極１３が形成されている。表面電極１５および裏面電極１３のそれぞれは、例えばＴｉ膜の上にＰｔ膜およびＡｕ膜を順次積層した多層金属膜で構成されている。

上記のように構成されたレーザチップ１１は、表面電極１５と裏面電極１３とに所定の電流を注入したときに、４個のリッジ部２０のそれぞれの下部の活性層２３（発光部）において、例えば６５０ｎｍの発振波長を有する赤色レーザビームが発振する。これらの赤色レーザビームは、リッジ部２０の延在方向に直交するレーザチップ１１の両端面から出射され、前方光が前記図１に示したキャップ３１の丸穴３４を通じてＣＡＮパッケージの外部に出射される。

一方、サブマウント１０のチップ実装面には、例えばＴｉ膜の上にＰｔ膜およびＡｕ膜を順次積層した多層金属膜からなる４個のサブマウント電極（第１電極）２７が形成されている。これらのサブマウント電極２７は、レーザチップ１１をサブマウント１０に実装した時にレーザチップ１１のリッジ部２０と対向するように配置されている。

また、４個のサブマウント電極２７のそれぞれの表面には、例えばＡｕ−Ｓｎ合金からなる半田材１８が形成されている。また、これらのサブマウント電極２７とサブマウント１０との間には、サブマウント電極２７同士の短絡を防ぐために、酸化シリコン等からなる絶縁層２８が形成されている。

上記のように構成された本実施の形態の４ビーム半導体レーザ装置の場合、レーザチップ１１の表面電極１５とサブマウント１０のサブマウント電極２７は、半田材１８と第２Ａｕメッキ層１７とを溶融接合することによって電気的に接続される。なお、レーザチップ１１をジャンクションダウン方式でサブマウント１０に実装する際は、図３（ｂ）に示したレーザチップ１１の裏面の認識マーク２９と、図示はしていないが、レーザチップ１１の表面に設けた同様の認識マークとを利用して両者の位置合わせを行う。

従来の一般的なマルチビーム半導体レーザ装置では、表面電極１５の上面に形成されるＡｕメッキ層の幅が、サブマウント電極２７の表面に形成される半田材の幅よりも広い構造となっている。そのため、半田材とＡｕメッキ層との溶融接合時に半田材が局部的に集中して半田玉が発生するために、レーザダイオード間で半田ショートが発生することがあった。

これに対し、本実施の形態の４ビーム半導体レーザ装置においては、図２に示すように、表面電極１５の上面に形成された第２Ａｕメッキ層１７の幅が、サブマウント電極２７の表面に形成された半田材１８の幅よりも狭い構造となっている。

これにより、溶融接合時に発生する余分な半田は、レーザチップ１１の外側に押し出されるが、半田材１８の幅が広いことにより全体的に吸収されるので、半田玉が発生し難い。従って、レーザダイオード間での半田ショートを有効に抑制することができる。なお、レーザダイオード間での半田ショートを確実に抑制するためには、半田材１８の幅に対する第２Ａｕメッキ層１７の幅の比（第２Ａｕメッキ層１７の幅／半田材１８の幅）を０．７以下とすることが好ましい。

また、半田材１８の幅に対する第２Ａｕメッキ層１７の幅の比が小さくなりすぎる場合、すなわち第２Ａｕメッキ層１７の幅の比が小さくなりすぎた場合には、レーザチップ１１とサブマウント１０間の接続強度（せん断強度）の低下や、放熱性の低下を招く恐れがある。そのため、半田材１８の幅に対する第２Ａｕメッキ層１７の幅の比は、０．５以上とすることが好ましい。

また、本実施の形態の４ビーム半導体レーザ装置は、図２に示すように、表面電極１５の上面に形成された第２Ａｕメッキ層１７が、リッジ部２０の両側のｐ型第２クラッド層２５に形成された一対の凹溝２１の一方の上部で半田材１８と接触している。言い換えると、リッジ部２０と半田材１８とは、平面的に重なり合っておらず、リッジ部２０とサブマウント１０との間に隙間がある構造となっている。

これにより、レーザチップ１１とサブマウント１０との組み立て時に生じる応力がリッジ部２０に及び難くなるので、従来問題となっていた組立時の応力による偏光角回転や偏光角のビーム間相対差を小さくすることが可能となる。

なお、本実施の形態の４ビーム半導体レーザ装置のように、レーザチップ１１に形成されるレーザダイオードの数が偶数個である場合には、第２Ａｕメッキ層１７と半田材１８との接合位置を、複数個のレーザダイオードの中心に対して線対称となるように配置することで、偏光角回転や偏光角のビーム間相対差をより小さくすることが可能となる。すなわち、本実施の形態の４ビーム半導体レーザ装置の場合は、４個のレーザダイオードの中心の右側では、例えば図２に示すように、各リッジ部２０の右側に位置する凹溝２１の上部で第２Ａｕメッキ層１７と半田材１８とを接触させ、４個のレーザダイオードの中心の左側では、例えば図４に示すように、各リッジ部２０の左側に位置する凹溝２１の上部で第２Ａｕメッキ層１７と半田材１８とを接触させる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

また、前記実施の形態では、４ビーム半導体レーザ装置に適用したが、２ビーム半導体レーザ装置や８ビーム半導体レーザ装置等のマルチビーム半導体レーザ装置に適用できることは勿論である。

本発明は、ジャンクションダウン方式を採用するマルチビーム半導体レーザ装置に利用することができる。

１０ サブマウント（支持基板）
１１ レーザチップ（半導体チップ）
１２ ＧａＡｓ基板
１３ 裏面電極
１４ パッシベーション膜
１５ 表面電極
１６ 第１Ａｕメッキ層（第１導電層）
１７ 第２Ａｕメッキ層（第２導電層）
１８ 半田材
２０ リッジ部（メサストライプ）
２１ 凹溝
２２ ｎ型クラッド層
２３ 活性層
２４ ｐ型第１クラッド層
２５ ｐ型第２クラッド層
２６ ｐ型コンタクト層
２７ サブマウント電極（第１電極）
２８ 絶縁層
２９ 認識マーク
３０ ステム
３１ キャップ
３２ フランジ部
３３ ガラス板
３４ 丸穴
３５ ヒートシンク
３６、３７、３８ Ａｕワイヤ
３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、３９ｄ、３９ｅ、３９ｆ リード
４０ フォトダイオードチップ

Claims (3)

1. ４本以上の偶数本のビームを備えた半導体チップと、
   前記半導体チップが実装される支持基板と、
   を備えたマルチビーム半導体レーザ装置であって、
   前記半導体チップは、
   半導体基板の主面上に形成された第１導電型クラッド層と、
   前記第１導電型クラッド層の上部に形成された活性層と、
   前記活性層の上部に形成された第２導電型クラッド層と、
   前記第２導電型クラッド層とその上部に形成された第２導電型のコンタクト層とをそれぞれ含み、前記ビーム間が３０μｍ〜５０μｍとなるように配列された、凸形の断面形状を有する４個以上の偶数個のリッジ部と、
   前記リッジ部のそれぞれと電気的に接続され、前記リッジ部のそれぞれの上部を覆うように形成された表面電極と、
   前記表面電極の上部に形成された第１導電層と、
   前記第１導電層の上部であって前記リッジ部の上部を除く領域に形成され、前記第１導電層よりも面積の小さい第２導電層と、
   前記半導体基板の裏面に形成された裏面電極と、を有し、
   前記表面電極と前記第１導電層と前記第２導電層は、それぞれ前記リッジ部の数と同数形成され、
   前記支持基板のチップ実装面には、前記リッジ部の数と同数の第１電極が形成され、
   前記第１電極のそれぞれの表面には、半田材が形成されており、
   前記半導体基板は、前記第２導電層と前記半田材とを溶融接合することによって、前記支持基板の前記チップ実装面に実装されており、
   前記第２導電層は、前記リッジ部の両側の一方の上部において前記半田材と接触しており、
   前記第２導電層と前記半田材との前記リッジ部の数と同数の接合部のうち、偶数本のビームの中心に対して一方側に配置された前記各接合部は、対応する前記リッジ部に対して該一方側に配置され、他方側に配置された前記各接合部は、対応する前記リッジ部に対して該他方側に配置され、
   前記リッジ部の配列方向に沿った前記第２導電層の幅は、前記半田材の幅よりも狭いことを特徴とするマルチビーム半導体レーザ装置。
2. 前記半田材の幅に対する前記第２導電層の幅の比は、０．７以下であることを特徴とする請求項１に記載のマルチビーム半導体レーザ装置。
3. 前記半田材の幅に対する前記第２導電層の幅の比は、０．５以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のマルチビーム半導体レーザ装置。

Images