JP6652856B2 - 半導体レーザモジュール及びその製造方法 - Google Patents

半導体レーザモジュール及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体レーザモジュール及びその製造方法に係り、特にサブマウントを有する半導体レーザモジュール及びその製造方法に関するものである。
近年、半導体レーザを励起光源とし、希土類添加ファイバを増幅媒質として用いるファイバレーザの研究開発が進んでいる。このようなファイバレーザの励起光源としては、例えばガリウムヒ素（ＧａＡｓ）系の材料からなる高出力の半導体レーザダイオード（ＬＤ）が用いられる。近年では、ファイバレーザの高出力化が進んでおり、これに伴ってレーザダイオードの高出力化も強く求められている。例えば、１つのレーザダイオードチップに対して１０Ｗを超える出力が要求されたり、場合によっては２０Ｗ近い出力が要求されたりしている。
このようなレーザダイオードの高出力化に伴って、レーザダイオードからの発熱量も大きくなっており、レーザダイオード自身の発熱でレーザダイオードの特性が悪化してしまうことが問題となっている。例えば、１５Ｗで出力しているときのレーザダイオードの電気−光変換効率が６０％であると仮定すると、レーザダイオードから１０Ｗもの熱量が発生することとなる。
一般的に、レーザダイオードはサブマウントと呼ばれる板材の上に実装され、サブマウントと一体となったモジュールの形態で使用される。したがって、上述したレーザダイオードの高出力化に伴う発熱によってレーザダイオードの特性が悪化することを避けるためには、熱伝導率が高く放熱性の高いサブマウントが必要とされる。
また、レーザダイオードの熱膨張係数とサブマウントの熱膨張係数との差が大きいと、レーザダイオードをサブマウントに実装する際の熱履歴によって応力が生じてレーザダイオードの特性が悪化するおそれがある。したがって、レーザダイオードの熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料でサブマウントを構成することも求められている。
一般的に、レーザダイオードの底面にはサブマウントに接続される電極が形成されており、レーザダイオードへの通電はサブマウントを介して行われる。したがって、より効率よく高い出力を得るためには、サブマウントの放熱性を高めるだけではなく、サブマウントの電気抵抗値を低くする必要もある。
このように、レーザダイオードの高出力化に伴い、レーザダイオードが実装されるサブマウントには、（１）高い放熱性と、（２）レーザダイオードに近い熱膨張係数と、（３）電気抵抗の低減とが求められている。
しかしながら、上述した３つの要求を同時に満たすことのできる材料を見つけ出すことは難しい。例えば、一般的に放熱性の高い材料であるセラミックスなどをサブマウントの材料として用いれば、高い放熱性を実現することができるが、セラミックスは絶縁体であり、電気抵抗が非常に高くなってしまう。
また、特許文献１には、サブマウントの材料としてシリコンを用いることが開示されている（例えば、段落［００２４］参照）。このようにシリコンを用いることでサブマウントの電気抵抗を低くすることができるが、シリコンの熱伝導率は１５０Ｗ／ｍＫとあまり高くないため、高い放熱性を実現することができない。
さらに、特許文献２には、レーザチップの直下に配置するサブマウントの材料としてＣｕＷを用いる実施形態が開示されている（段落［００２８］、［００２９］、図７参照）。ＣｕＷは、電気抵抗率が１０-8Ωｍと低く、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫとシリコンよりも高いうえに、熱膨張係数も約６．５ｐｐｍ／Ｋと半導体レーザダイオードの材料としても用いられるガリウムヒ素の熱膨張係数（約５．９ｐｐｍ／Ｋ）に近いため、高出力半導体レーザ用のサブマウントの材料として広く用いられている。しかしながら、２０Ｗを超える出力となると、ＣｕＷよりも高い放熱性を有する材料が求められる。
この特許文献２には、サブマウントの放熱性を向上させるために、ダイヤモンドサブマウントや炭化シリコン（ＳｉＣ）サブマウントなどを積層する実施形態が開示されている。しかしながら、これらのサブマウントは、電気抵抗率が高く（例えば１０-4Ωｍ）、これらのサブマウントを介してレーザダイオードに通電すると、レーザモジュール全体の電気抵抗値が高くなり、効率の良い光出力を得ることができない。
また、特許文献３には、サブマウントとして気相成長ダイヤモンドやｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）を用いる実施形態が開示されている（段落［００５５］〜［００５７］、図７参照）。しかしながら、気相成長ダイヤモンドとｃＢＮのいずれも電気抵抗率が高く、これらの材料からなるサブマウントでは、特許文献２のサブマウントと同様にレーザモジュール全体の電気抵抗値が高くなり、効率の良い光出力を得ることができない。
特開２００５−０２６３３３号公報 特開平１１−３０７８７５号公報 特開平７−１７６８２０号公報
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、効率の良い出力特性を維持することができる半導体レーザモジュールを提供することを第１の目的とする。
また、本発明は、効率の良い出力特性を維持することができる半導体レーザモジュールを簡単な工程で製造することができる半導体レーザモジュールの製造方法を提供することを第２の目的とする。
本発明の第１の態様によれば、電気抵抗値の低減と放熱性の向上とを両立することにより良好な出力特性を維持することができる半導体レーザモジュールが提供される。この半導体レーザモジュールは、導電性を有するヒートシンクと、上記ヒートシンクの上方に配置されるサブマウントと、上記サブマウントの上方に配置される半導体レーザ素子と、上記半導体レーザ素子と上記ヒートシンクとに電気的に接続される導電部とを備えている。この導電部は、上記サブマウントの表面に沿って上記ヒートシンクまで延び、上記サブマウントの電気抵抗値よりも低い電気抵抗率を有している。上記導電部は、上記半導体レーザ素子と電気的に接続され、上記サブマウントに直接接触する上側はんだ層と、上記サブマウントと上記ヒートシンクとの間に形成された下側はんだ層と、上記サブマウントの側面にのみ形成され、上記上側はんだ層と上記下側はんだ層とを電気的に接続するめっき層とを含む。
このように、導電部の電気抵抗率がサブマウントの電気抵抗率よりも低いので、半導体レーザ素子に供給される電流は、ヒートシンクから導電部を通って半導体レーザ素子に流れる。したがって、サブマウントの電気抵抗率を低くする必要がなく、電気抵抗率の低い材料を使用しなくてもよい。このため、高い放熱性に着目してサブマウントの材料を選択することができる。このように放熱性の高い材料をサブマウントに選択することにより、半導体レーザ素子で発生した熱は、サブマウントを介してヒートシンクに伝達され、ヒートシンクにより放熱される。本発明によれば、半導体レーザ素子とヒートシンクとの間の電流の経路と熱の経路とを別々にすることができるので、半導体レーザモジュール全体としての電気抵抗値を低減することが可能となり、効率の良い出力特性を維持することができる。
また、半導体レーザ素子の放熱性を向上し、出力特性の悪化を防止するためには、上記サブマウントの熱伝導率が上記導電部の熱伝導率よりも高いことが好ましい。
上記半導体レーザ素子から上記サブマウントの表面に沿って上記ヒートシンクまで延びる上側はんだ層により上記導電部を形成してもよい。この場合において、上記サブマウントの上面の縁部の少なくとも一部を丸めてもよく、あるいは面取りしてもよい。
あるいは、上記導電部は、上記半導体レーザ素子と電気的に接続される上側はんだ層と、上記上側はんだ層と上記ヒートシンクとを電気的に接続する補助導電層とを含んでいてもよい。この場合において、上記補助導電層の融点は上記上側はんだ層の融点よりも低いことが好ましい。
本発明の第２の態様によれば、効率の良い出力特性を維持することができる半導体レーザモジュールを簡単な工程で製造することができる半導体レーザモジュールの製造方法が提供される。この方法は、導電性を有するヒートシンクと、上記ヒートシンクの上方に配置されるサブマウントと、上記サブマウントの上方に配置される半導体レーザ素子とを有する半導体レーザモジュールを製造するために用いられる。この方法では、上記サブマウントの電気抵抗率よりも低い電気抵抗率を有する導電部を、上記半導体レーザ素子から上記サブマウントの表面に沿って上記ヒートシンクまで延びるように形成して上記半導体レーザ素子と上記ヒートシンクとを電気的に接続する。上記導電部の形成は、上記ヒートシンクと上記サブマウントとの間に下側はんだ層を形成し、上記サブマウントの側面にのみめっき層を形成し、上記めっき層が上記下側はんだ層に電気的に接続されるように上記サブマウントを上記下側はんだ層上に配置し、上記めっき層と上記半導体レーザ素子とに電気的に接続される上側はんだ層を上記サブマウントに直接接触するように形成することにより行う。
このように、サブマウントの電気抵抗率よりも低い電気抵抗を有する導電部を、半導体レーザ素子からサブマウントの表面に沿ってヒートシンクまで延びるように形成するため、半導体レーザ素子に供給される電流は、ヒートシンクから導電部を通って半導体レーザ素子に流れることとなる。したがって、サブマウントの電気抵抗率を低くする必要がなく、電気抵抗率の低い材料を使用しなくてもよい。このため、高い放熱性に着目してサブマウントの材料を選択することができる。このように放熱性の高い材料をサブマウントに選択することにより、半導体レーザ素子で発生した熱は、サブマウントを介してヒートシンクに伝達され、ヒートシンクにより放熱される。本発明により製造された半導体レーザモジュールでは、半導体レーザ素子とヒートシンクとの間の電流の経路と熱の経路とを別々にすることができるので、半導体レーザモジュール全体としての電気抵抗値を低減することが可能となる。したがって、効率の良い出力特性を維持することができる半導体レーザモジュールを簡単な工程で製造することができる。
上記導電部の形成は、上記半導体レーザ素子に接続される上側はんだ層を上記サブマウント上に形成し、上記上側はんだ層を加熱しつつ上記半導体レーザ素子を上記サブマウントに対して押圧して、加熱により溶融した上記上側はんだ層を上記サブマウントの下端まで流すことにより行ってもよい。この場合において、上記上側はんだ層の加熱は、上記ヒートシンクを加熱することにより行ってもよい。また、上側はんだ層をサブマウントの下端まで流れ落ちやすくするためには、上記サブマウントの上面の縁部の少なくとも一部を丸める又は面取りすることが好ましい。
あるいは、上記導電部の形成は、上記ヒートシンクと上記サブマウントとの間に下側はんだ層を形成し、上記半導体レーザ素子と電気的に接続される上側はんだ層を上記サブマウント上に形成し、上記上側はんだ層と上記ヒートシンクとを電気的に接続する補助導電層を形成することにより行ってもよい。この場合において、上記補助導電層の融点が上記上側はんだ層の融点よりも低いことが好ましい。
本発明によれば、導電部の電気抵抗率がサブマウントの電気抵抗率よりも低いので、半導体レーザ素子に供給される電流は、ヒートシンクから導電部を通って半導体レーザ素子に流れる。したがって、サブマウントの電気抵抗率を低くする必要がなく、電気抵抗率の低い材料を使用しなくてもよい。このため、高い放熱性に着目してサブマウントの材料を選択することができる。このように放熱性の高い材料をサブマウントに選択することにより、半導体レーザ素子で発生した熱は、サブマウントを介してヒートシンクに伝達され、ヒートシンクにより放熱される。本発明によれば、半導体レーザ素子とヒートシンクとの間の電流の経路と熱の経路とを別々にすることができるので、半導体レーザモジュール全体としての電気抵抗値を低減することが可能となり、効率の良い出力特性を維持することができる。
本発明の第１の実施形態における半導体レーザモジュールを模式的に示す斜視図である。 図１の半導体レーザモジュールの断面図である。 図２の半導体レーザモジュールにおける電流と熱の経路を示す模式図である。 図１の半導体レーザモジュールの製造工程を示す断面図である。 図１の半導体レーザモジュールの製造工程を示す断面図である。 図１の半導体レーザモジュールの製造工程を示す断面図である。 図１の半導体レーザモジュールの製造工程を示す断面図である。 図１の半導体レーザモジュールの製造工程を示す断面図である。 図１の半導体レーザモジュールの製造工程を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態における半導体レーザモジュールを模式的に示す断面図である。 本発明の第３の実施形態における半導体レーザモジュールを模式的に示す断面図である。 図６の半導体レーザモジュールの製造工程を示す断面図である。 図６の半導体レーザモジュールの製造工程を示す断面図である。 図６の半導体レーザモジュールの製造工程を示す断面図である。 図６の半導体レーザモジュールの製造工程を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態における半導体レーザモジュールを模式的に示す断面図である。 図８の半導体レーザモジュールの製造工程を示す断面図である。 図８の半導体レーザモジュールの製造工程を示す断面図である。 図８の半導体レーザモジュールの製造工程を示す断面図である。 図８の半導体レーザモジュールの製造工程を示す断面図である。 本発明の他の実施形態における半導体レーザモジュールを模式的に示す斜視図である。 比較例１及び比較例２に係る半導体レーザモジュールを模式的に示す断面図である。 実施例１と比較例１に係る半導体レーザモジュールに流れる電流とその光出力との関係を示すグラフである。 実施例１と比較例１に係る半導体レーザモジュールに流れる電流と動作電圧との関係を示すグラフである。 実施例１と比較例２に係る半導体レーザモジュールに流れる電流とその光出力との関係を示すグラフである。 実施例１と比較例２に係る半導体レーザモジュールに流れる電流と動作電圧との関係を示すグラフである。
以下、本発明に係る半導体レーザモジュールの実施形態について図１から図１５を参照して詳細に説明する。なお、図１から図１５において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図１から図１５においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。
図１は、本発明の第１の実施形態における半導体レーザモジュール１を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態における半導体レーザモジュール１は、例えば銅などの熱伝導率が高く導電性を有する材料からなるヒートシンク１０と、ヒートシンク１０上に配置されるサブマウント２０と、サブマウント２０上に実装される半導体レーザ素子（レーザダイオード）３０と、半導体レーザ素子３０とリード（図示せず）とを接続し、半導体レーザ素子３０からの電流が流れるボンディングワイヤ４０とを有している。半導体レーザ素子３０は、例えばガリウムヒ素（ＧａＡｓ）からなる高出力の半導体レーザダイオードにより構成される。サブマウント２０は、例えば銅−ダイヤモンド複合材料（ＣｕＣ）により構成される。この銅−ダイヤモンド複合材料は、Ｃｕの中にダイヤモンド塊が分散したものであり、その熱膨張係数は約６．０ｐｐｍ／Ｋである。なお、本実施形態では、ヒートシンク１０は接地されている。
図２は、図１の半導体レーザモジュール１の断面図である。図２に示すように、サブマウント２０とヒートシンク１０との間には、例えばＡｕ−Ｓｎはんだからなる下側はんだ層５０が形成されている。また、半導体レーザ素子３０とサブマウント２０との間には、例えばＡｕ−Ｓｎはんだからなる上側はんだ層６０が形成されている。この上側はんだ層６０は、半導体レーザ素子３０とサブマウント２０との間からサブマウント２０の表面に沿ってヒートシンク１０の上面１１まで延びている。換言すれば、上側はんだ層６０は、サブマウント２０の上面２１と側面２２を覆うように形成されている。半導体レーザ素子３０の底面には電極（図示せず）が形成されており、上側はんだ層６０によって半導体レーザ素子３０の電極とヒートシンク１０とが互いに電気的に接続される。このように、本実施形態における上側はんだ層６０は、半導体レーザ素子３０からサブマウント２０の表面（上面２１及び側面２２）に沿ってヒートシンク１０まで延びる導電部を構成している。なお、この導電部は、半導体レーザ素子３０の電極と電気的に接続されていれば、半導体レーザ素子３０とサブマウント２０との間に存在していなくてもよい。
ここで、サブマウント２０及び上側はんだ層６０の材料は、サブマウント２０の熱伝導率が上側はんだ層６０の熱伝導率よりも高く、上側はんだ層６０の電気抵抗率がサブマウント２０の電気抵抗率よりも低くなるように選択される。本実施形態では、上述したように、サブマウント２０の材料として銅−ダイヤモンド複合材料を用い、上側はんだ層６０の材料としてＡｕ−Ｓｎはんだを用いる。
このように、上側はんだ層６０の電気抵抗率がサブマウント２０の電気抵抗率よりも低いので、図３に示すように、半導体レーザ素子３０に供給される電流は、ヒートシンク１０から上側はんだ層６０を通って半導体レーザ素子３０に流れる。このため、上述したように、サブマウント２０として熱伝導率の高い材料を用いることができ、電気抵抗率の低い材料を選択する必要がない。例えば、熱伝導率が高ければ電気的絶縁体であってもサブマウント２０として用いることができる。
このように、サブマウント２０の熱伝導率を上側はんだ層６０の熱伝導率よりも高くすることができるので、半導体レーザ素子３０で発生した熱は、サブマウント２０を介してヒートシンク１０に伝達され、ヒートシンク１０により放熱される。このため、半導体レーザ素子３０とヒートシンク１０との間の電流の経路と熱の経路とを別々にすることができ、半導体レーザモジュール１全体としての電気抵抗値を低減しつつ、放熱性を向上することが可能となる。したがって、半導体レーザ素子３０の出力特性の悪化を防止することができ、効率の良い出力特性を維持することができる。
次に、このような半導体レーザモジュール１の製造方法について図４Ａから図４Ｆを参照して説明する。まず、図４Ａに示すように、ヒートシンク１０の上面１１の所定のサブマウント領域に例えばＡｕ−Ｓｎはんだからなる下側はんだ層５０を蒸着する。そして、図４Ｂに示すように、ヒートシンク１０上の下側はんだ層５０の上にサブマウント２０を配置する。
次に、図４Ｃに示すように、サブマウント２０の上面２１の所定の素子領域に例えばＡｕ−Ｓｎはんだからなる上側はんだ層６０を蒸着する。このときの上側はんだ層６０の厚さは、図２に示す完成時の厚さよりも厚くなっている。そして、図４Ｄに示すように、この上側はんだ層６０上に半導体レーザ素子３０を配置する。このとき半導体レーザ素子３０の底面の電極（図示せず）が上側はんだ層６０に接触するように半導体レーザ素子３０を配置する。
次に、図４Ｅに示すように、ヒートシンク１０を加熱することによって下側はんだ層５０を加熱するとともに、サブマウント２０を介して上側はんだ層６０を加熱する。この加熱により下側はんだ層５０及び上側はんだ層６０を溶融させる。このとき、半導体レーザ素子３０をサブマウント２０に対して押圧して、下側はんだ層５０によってサブマウント２０をヒートシンク１０に固定し、上側はんだ層６０によって半導体レーザ素子３０をサブマウント２０に固定する。
ここで、半導体レーザ素子３０をサブマウント２０に対して押圧すると、図４Ｆに示すように、溶融した上側はんだ層６０が周囲に広がり、サブマウント２０の表面（上面２１及び側面２２）を伝って流れ落ちる。最終的に、溶融した上側はんだ層６０は、サブマウント２０の下端、すなわちヒートシンク１０の上面１１まで流れ落ちる。この流れ落ちた上側はんだ層６０によって、半導体レーザ素子３０からサブマウント２０の表面（上面２１及び側面２２）に沿ってヒートシンク１０まで延びる導電部が形成されることとなる。これにより、図１に示すような半導体レーザモジュール１が完成する。
図４Ａから図４Ｆに示す例では、下側はんだ層５０と上側はんだ層６０とを同時に加熱することにより、サブマウント２０に対する半導体レーザ素子３０の固定と、ヒートシンク１０に対するサブマウント２０の固定とを同時に行っているが、サブマウント２０をヒートシンク１０に固定した後に、半導体レーザ素子３０をサブマウント２０に固定してもよい。
あるいは、半導体レーザ素子３０をサブマウント２０に固定した後に、これらをヒートシンク１０に固定してもよい。この場合には、まず、サブマウント２０上に蒸着した上側はんだ層６０上に半導体レーザ素子３０を配置し、上側はんだ層６０を加熱して溶融する。半導体レーザ素子３０をサブマウント２０に対して押圧して、溶融した上側はんだ層６０をサブマウント２０の表面（上面２１及び側面２２）に沿ってサブマウント２０の下端まで流し、この状態で半導体レーザ素子３０とサブマウント２０とを固定する。その後、ヒートシンク１０上に蒸着した下側はんだ層５０上にサブマウント２０及び半導体レーザ素子３０を配置し、下側はんだ層５０を加熱することでヒートシンク１０とサブマウント２０とを固定する。この場合には、下側はんだ層５０の融点は上側はんだ層６０の融点よりも低いことが好ましい。
図５は、本発明の第２の実施形態における半導体レーザモジュール１０１を模式的に示す断面図である。本実施形態では、サブマウント２０の上面２１の縁部２３が丸められている。このように、サブマウント２０の上面２１の縁部２３を丸めることにより、サブマウント２０上で溶融したはんだ層が上面２１から側面２２に流れ落ちやすくなるので、上側はんだ層６０により導電部を形成することがより容易になる。なお、図５では、サブマウント２０の上面２１の縁部２３の全体が丸められているように示されているが、サブマウント２０の上面２１の縁部２３の少なくとも一部を丸めることとしてもよい。また、サブマウント２０の上面２１の縁部２３の少なくとも一部を面取りしても同様の効果が得られる。
図６は、本発明の第３の実施形態における半導体レーザモジュール２０１を模式的に示す断面図である。図６に示すように、本実施形態における半導体レーザモジュール２０１は、例えば銅−ダイヤモンド複合材料により構成されるサブマウント２２０を有している。このサブマウント２２０の上面及び側面には例えばＮｉ／Ａｕめっきが施され、めっき層２２１が形成されている。
半導体レーザ素子３０とサブマウント２２０との間には、例えばＡｕ−Ｓｎはんだからなる上側はんだ層２６０が形成されている。第１の実施形態の上側はんだ層６０とは異なり、この上側はんだ層２６０は、サブマウント２２０の上面にのみ形成されており、ヒートシンク１０の上面１１まで延びていない。
上側はんだ層２６０はサブマウント２２０のめっき層２２１と電気的に接続されており、サブマウント２２０のめっき層２２１はヒートシンク１０上に形成された下側はんだ層５０と電気的に接続される。したがって、本実施形態における上側はんだ層２６０、サブマウント２２０のめっき層２２１、及び下側はんだ層５０は、半導体レーザ素子３０からサブマウント２２０の表面に沿ってヒートシンク１０まで延びる導電部を構成している。サブマウント２２０の材料及び導電部を構成する材料は、サブマウント２２０の熱伝導率が導電部の熱伝導率よりも高く、導電部の電気抵抗率がサブマウント２２０の電気抵抗率よりも低くなるように選択される。
このような構成により、半導体レーザ素子３０に供給される電流は、ヒートシンク１０から下側はんだ層５０、めっき層２２１、及び上側はんだ層２６０を通って半導体レーザ素子３０に流れ、半導体レーザ素子３０で発生した熱は、サブマウント２２０を介してヒートシンク１０に伝達され、ヒートシンク１０により放熱される。このように、半導体レーザ素子３０とヒートシンク１０との間の電流の経路と熱の経路とを別々にすることができるので、半導体レーザモジュール２０１全体としての電気抵抗値を低減しつつ、放熱性を向上することが可能となる。したがって、半導体レーザ素子３０の出力特性の悪化を防止することができ、良好な出力特性を維持することができる。なお、めっき層２２１の厚さが５μｍ程度あれば十分な効果が期待できるが、めっき層２２１の厚さは５μｍ以下であってもよい。
上述した実施形態では、サブマウント２２０の上面と側面にめっき層２２１を形成した例を説明したが、サブマウント２２０の底面にも同様のめっきを施してもよい。また、めっき層２２１が上側はんだ層２６０及び下側はんだ層５０にそれぞれ電気的に接続されているのであれば、サブマウント２２０の側面にのみめっき層２２１を形成してもよい。
このような半導体レーザモジュール２０１を製造する際には、まず、図７Ａに示すように、ヒートシンク１０の上面１１の所定のサブマウント領域に例えばＡｕ−Ｓｎはんだからなる下側はんだ層５０を蒸着する。そして、図７Ｂに示すように、上面及び側面にめっき層２２１が形成されたサブマウント２２０をヒートシンク１０のサブマウント領域上の下側はんだ層５０の上に配置する。このとき、めっき層２２１が下側はんだ層５０に電気的に接続されるようにサブマウント２２０を下側はんだ層５０上に配置する。
次に、図７Ｃに示すように、サブマウント２２０の上面の所定の素子領域に例えばＡｕ−Ｓｎはんだからなる上側はんだ層２６０を蒸着する。このとき、上側はんだ層２６０がめっき層２２１及び半導体レーザ素子３０に電気的に接続されるように上側はんだ層２６０を形成する。その後、図７Ｄに示すように、上側はんだ層２６０上に半導体レーザ素子３０を配置する。このとき半導体レーザ素子３０の底面の電極（図示せず）が上側はんだ層２６０に接触するように半導体レーザ素子３０を配置する。
そして、ヒートシンク１０を加熱することによって下側はんだ層５０を加熱するとともに、サブマウント２２０を介して上側はんだ層２６０を加熱する。これにより、下側はんだ層５０によってサブマウント２２０をヒートシンク１０に固定し、上側はんだ層２６０によって半導体レーザ素子３０をサブマウント２０に固定する。このようにして、図６に示すような半導体レーザモジュール２０１が完成する。
図８は、本発明の第４の実施形態における半導体レーザモジュール３０１を模式的に示す断面図である。図８に示すように、本実施形態における半導体レーザモジュール３０１は、例えば銅などの熱伝導率が高く導電性を有する材料からなるヒートシンク１０と、ヒートシンク１０上に配置されるサブマウント３２０と、サブマウント３２０上に実装される半導体レーザ素子３０とを有している。サブマウント３２０は、例えば銅−ダイヤモンド複合材料により構成される。
サブマウント３２０とヒートシンク１０との間には、例えばＡｕ−Ｓｎはんだからなる下側はんだ層５０が形成されている。また、半導体レーザ素子３０とサブマウント３２０との間には、例えばＡｕ−Ｓｎはんだからなる上側はんだ層３６０が形成されている。この上側はんだ層３６０は、サブマウント３２０の上面にのみ形成されており、ヒートシンク１０の上面１１まで延びていない。
また、サブマウント３２０の側面３２２を覆うように、補助導電層３７０が形成されている。例えば、この補助導電層３７０は、下側はんだ層５０や上側はんだ層３６０よりも融点の低いはんだ、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだにより構成することができる。なお、この補助導電層３７０を形成する方法は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだに限られるものではなく、銀ペーストの塗布やＩｎ系のはんだにより補助導電層３７０を形成してもよい。
補助導電層３７０は、上側はんだ層３６０及びヒートシンク１０と電気的に接続される。したがって、本実施形態における上側はんだ層３６０及び補助導電層３７０は、半導体レーザ素子３０からサブマウント３２０の表面に沿ってヒートシンク１０まで延びる導電部を構成している。サブマウント３２０及び導電部を構成する材料は、サブマウント３２０の熱伝導率が導電部の熱伝導率よりも高く、導電部の電気抵抗率がサブマウント３２０の電気抵抗率よりも低くなるように選択される。
このような構成により、半導体レーザ素子３０に供給される電流は、ヒートシンク１０から補助導電層３７０及び上側はんだ層３６０を通って半導体レーザ素子３０に流れ、半導体レーザ素子３０で発生した熱は、サブマウント３２０を介してヒートシンク１０に伝達され、ヒートシンク１０により放熱される。このように、半導体レーザ素子３０とヒートシンク１０との間の電流の経路と熱の経路とを別々にすることができるので、半導体レーザモジュール３０１全体としての電気抵抗値を低減しつつ、放熱性を向上することが可能となる。したがって、半導体レーザ素子３０の出力特性の悪化を防止することができ、効率の良い出力特性を維持することができる。
このような半導体レーザモジュール３０１を製造する際には、まず、図９Ａに示すように、ヒートシンク１０の上面１１の所定のサブマウント領域に例えばＡｕ−Ｓｎはんだからなる下側はんだ層５０を蒸着する。そして、図９Ｂに示すように、サブマウント３２０をヒートシンク１０のサブマウント領域上の下側はんだ層５０の上に配置する。
次に、図９Ｃに示すように、サブマウント３２０の上面の所定の素子領域に例えばＡｕ−Ｓｎはんだからなる上側はんだ層３６０を蒸着した後、図９Ｄに示すように、この上側はんだ層３６０上に半導体レーザ素子３０を配置する。このとき半導体レーザ素子３０の底面の電極（図示せず）が上側はんだ層３６０に接触するように半導体レーザ素子３０を配置する。
そして、ヒートシンク１０を加熱することによって下側はんだ層５０を加熱するとともに、サブマウント３２０を介して上側はんだ層３６０を加熱する。これにより、下側はんだ層５０によってサブマウント３２０をヒートシンク１０に固定し、上側はんだ層３６０によって半導体レーザ素子３０をサブマウント２０に固定する。
その後、上側はんだ層３６０とヒートシンク１０とを電気的に接続するようにサブマウント３２０の側面３２２に補助導電層３７０を形成する。この補助導電層３７０は、例えば下側はんだ層５０や上側はんだ層３６０よりも融点の低いはんだ、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだにより形成する。このように、下側はんだ層５０や上側はんだ層３６０よりも融点の低いはんだを用いるのは、下側はんだ層５０や上側はんだ層３６０が再度溶融することを避けるためである。このようにして、図８に示すような半導体レーザモジュール３０１が完成する。
上述した実施形態においては、ヒートシンク１０から半導体レーザ素子３０に電流が流れるものとして説明したが、電流が流れる方向が逆であってもよい。すなわち、ボンディングワイヤ４０（図１参照）から半導体レーザ素子３０に電流を供給し、半導体レーザ素子３０から導電部を通ってヒートシンク１０に電流が流れるように構成することもできる。
上述した実施形態における半導体レーザモジュールは単一の半導体レーザ素子３０を含むものであるが、本発明は、複数の半導体レーザ素子を含む半導体レーザモジュールにも適用できるものである。例えば、図１０は、複数の半導体レーザ素子４３０を含む半導体レーザモジュール４０１を模式的に示す斜視図であり、本発明は図１０に示すような半導体レーザモジュール４０１にも適用できるものである。図１０に示す半導体レーザモジュール４０１においては、サブマウント２０の上方にレーザダイオードバー４３２が配置されている。このレーザダイオードバー４３２は、水平方向に沿って一定間隔で配置された複数の半導体レーザ素子４３０を含んでいる。このような半導体レーザモジュール４０１は、複数の半導体レーザ素子４３０を含んでいるため、上述した第１〜第４の実施形態における半導体レーザモジュールよりも高い出力を実現することができる。
このようなレーザダイオードバー４３２を備えた半導体レーザモジュール４０１は高出力であるために、その発熱量も非常に大きい。サブマウント２０が十分な放熱性を有していないとすると、サブマウント２０の熱膨張係数とレーザダイオードバー４３２の熱膨張係数の差によって使用時にレーザダイオードバー４３２が撓み、複数の半導体レーザ素子４３０からの出射点の高さが変化してしまうこととなる。半導体レーザモジュール４０１をレーザ加工装置などに応用する場合には、半導体レーザ素子４３０から出射された光をレンズなどの光学部品で集光して使用することとなるが、出射点の高さが変化すると、集光のための光学系の調整が非常に困難になってしまう。図１０に示す構成によれば、導電部（上側はんだ層６０）によって半導体レーザモジュール４０１全体の電気抵抗を低減することができるとともに、半導体レーザ素子４３０を構成するガリウムヒ素（ＧａＡｓ）と熱膨張係数の差がほとんどない銅−ダイヤモンド複合材料によってサブマウント２０を構成することができるので、熱膨張による変形を小さくすることができ、複数の半導体レーザ素子４３０からの出射点の位置のずれを最小限にすることができる。
実施例１として、図２に示す構造の半導体レーザモジュールを用意した。ヒートシンク１０として銅からなるヒートシンクを用い、サブマウント２０として銅−ダイヤモンド複合材料からなるサブマウントを用いた。半導体レーザ素子３０としては、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）からなる半導体レーザダイオードを用いた。下側はんだ層５０及び上側はんだ層６０としてはＡｕ−Ｓｎはんだを用いた。
比較例１及び比較例２として、図１１に示す構造の半導体レーザモジュールを用意した。いずれの比較例も、実施例１と同様に、ヒートシンク５１０として銅からなるヒートシンクを用い、半導体レーザ素子５３０としてガリウムヒ素（ＧａＡｓ）からなる半導体レーザダイオードを用いた。また、サブマウント５２０をヒートシンク５１０に固定するはんだ層５５０及び半導体レーザ素子５３０をサブマウント５２０に固定するはんだ層５６０としてはＡｕ−Ｓｎはんだを用いた。比較例１ではサブマウント５２０としてＣｕＷからなるサブマウントを用い、比較例２では実施例１と同様に銅−ダイヤモンド複合材料からなるサブマウントを用いた。比較例１及び比較例２では、図２に示すようにヒートシンク１０に延びる上側はんだ層６０は設けられておらず、半導体レーザ素子５３０に供給される電流は、ヒートシンク５１０からサブマウント５２０を通って半導体レーザ素子５３０に供給される。
実施例１、比較例１、及び比較例２の半導体レーザモジュールを作動させて、半導体レーザ素子に流れる電流とその光出力及び動作電圧を測定した。図１２は、実施例１と比較例１に係る半導体レーザ素子に流れる電流とその光出力との関係を示すグラフであり、図１３は、実施例１と比較例１に係る半導体レーザ素子に流れる電流と動作電圧との関係を示すグラフである。図１４は、実施例１と比較例２に係る半導体レーザ素子に流れる電流とその光出力との関係を示すグラフであり、図１５は、実施例１と比較例２に係る半導体レーザ素子に流れる電流と動作電圧との関係を示すグラフである。
図１２に示すように、半導体レーザ素子に流れる電流が１５Ａを超える領域では、同一の電流を流した場合において、比較例１に係る半導体レーザモジュールの光出力が実施例１に係る半導体レーザモジュールの光出力よりも低下している。これは、比較例１においては、実施例１における上側はんだ層６０よりも電気抵抗率の高いＣｕＷからなるサブマウント５２０を電流が流れることで、サブマウント５２０が発熱し、その結果、半導体レーザ素子の温度が上昇したためと考えられる。実施例１に係る半導体レーザモジュールでは電流が１５Ａを超えても光出力が低下しておらず、これは、実施例１に係る半導体レーザモジュールの放熱性が比較例１に係る半導体レーザモジュールに比べて向上していることを示している。
実施例１に係る半導体レーザモジュールのサブマウントとして用いられている銅−ダイヤモンド複合材料の電気抵抗率は１０-4Ωｍであり、比較例１に係る半導体レーザモジュールのサブマウントとして用いられているＣｕＷの電気抵抗率よりも高いにもかかわらず、図１３に示すように、実施例１に係る半導体レーザモジュール動作電圧は、比較例１に係る半導体レーザモジュールの動作電圧とほぼ同一となっている。すなわち、実施例１に係る半導体レーザモジュールは、サブマウントとして銅−ダイヤモンド複合材料を用いているにもかかわらず、モジュール全体としての電気抵抗値を比較例１のものと同等に維持できていると言える。これは、上側はんだ層６０による導電部を介して半導体レーザ素子３０への通電が効率よくできていることを示すものである。
また、比較例２では、サブマウントとして実施例１と同じ銅−ダイヤモンド複合材料を用いているが、図１４に示すように、同一の電流を流した場合においては、比較例２に係る半導体レーザモジュールの光出力が実施例１に係る半導体レーザモジュールの光出力よりも低下している。これは、比較例２においては、実施例１における上側はんだ層６０よりも電気抵抗率の高い銅−ダイヤモンド複合材料からなるサブマウント５２０を電流が流れることで、サブマウント５２０が発熱し、その結果、半導体レーザ素子の温度が上昇したためと考えられる。また、図１５に示すように、実施例１に係る半導体レーザモジュールの動作電圧は、比較例２に係る半導体レーザモジュールの光出力よりも低くなっており、モジュール全体としての電気抵抗値を低減できていると言える。これは、上側はんだ層６０を含む導電部を介して半導体レーザ素子３０への通電が効率良くできていることを示すものである。
以上で述べたように、実施例１に係る半導体レーザモジュールでは、電気抵抗値の低減と放熱性の向上とを両立することができ、これにより効率の良い出力特性を維持できていることがわかる。
これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
１ 半導体レーザモジュール
１０ ヒートシンク
２０ サブマウント
２３ 縁部
３０ 半導体レーザ素子
４０ ボンディングワイヤ
５０ 下側はんだ層
６０ 上側はんだ層
１０１ 半導体レーザモジュール
２０１ 半導体レーザモジュール
２２０ サブマウント
２２１ めっき層
２６０ 上側はんだ層
３０１ 半導体レーザモジュール
３２０ サブマウント
３６０ 上側はんだ層
３７０ 補助導電層
４０１ 半導体レーザモジュール
４３０ 半導体レーザ素子
４３２ レーザダイオードバー

Claims (4)

  1. 導電性を有するヒートシンクと、
    前記ヒートシンクの上方に配置されるサブマウントと、
    前記サブマウントの上方に配置される半導体レーザ素子と、
    前記半導体レーザ素子と前記ヒートシンクとに電気的に接続される導電部であって、前記サブマウントの表面に沿って前記ヒートシンクまで延び、前記サブマウントの電気抵抗率よりも低い電気抵抗率を有する導電部と、
    を備え、
    前記導電部は、
    前記半導体レーザ素子と電気的に接続され、前記サブマウントに直接接触する上側はんだ層と、
    前記サブマウントと前記ヒートシンクとの間に形成された下側はんだ層と、
    前記サブマウントの側面にのみ形成され、前記上側はんだ層と前記下側はんだ層とを電気的に接続するめっき層と、
    を含むことを特徴とする半導体レーザモジュール。
  2. 前記サブマウントの熱伝導率は、前記導電部の熱伝導率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
  3. 導電性を有するヒートシンクと、前記ヒートシンクの上方に配置されるサブマウントと、前記サブマウントの上方に配置される半導体レーザ素子とを有する半導体レーザモジュールを製造する方法であって、
    前記サブマウントの電気抵抗率よりも低い電気抵抗率を有する導電部を、前記半導体レーザ素子から前記サブマウントの表面に沿って前記ヒートシンクまで延びるように形成して前記半導体レーザ素子と前記ヒートシンクとを電気的に接続し、
    前記導電部の形成は、
    前記ヒートシンクと前記サブマウントとの間に下側はんだ層を形成し、
    前記サブマウントの側面にのみめっき層を形成し、
    前記めっき層が前記下側はんだ層に電気的に接続されるように前記サブマウントを前記下側はんだ層上に配置し、
    前記めっき層と前記半導体レーザ素子とに電気的に接続される上側はんだ層を前記サブマウントに直接接触するように形成することにより行うことを特徴とする半導体レーザモジュールの製造方法。
  4. 前記サブマウントの熱伝導率は、前記導電部の熱伝導率よりも高いことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザモジュールの製造方法。
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