JP6678427B2

JP6678427B2 - レーザ光源装置

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Publication number: JP6678427B2
Application number: JP2015207297A
Authority: JP
Inventors: 充輝二見; 一貴池田; 山本　修平; 修平山本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-10-21
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2020-04-08
Anticipated expiration: 2035-10-21
Also published as: JP2017079285A

Description

本発明は、半導体レーザアレイを備えるレーザ光源装置に関するものである。

固体光源は、高効率および長寿命といった利点を生かし、現在までに多岐にわたる用途展開がなされている。特に、照明装置または表示装置においては、既存のランプにとって代わる光源として定着しつつある。なかでも、半導体レーザは発光効率が高くプロジェクタとの親和性が高い次世代光源としての期待が大きいが、展開の加速に向けてはさらに安定的な高出力動作が求められる。半導体レーザ１つ当たりの出力の向上によって、所望の明るさをさらに少ない部品数で構成可能となり、設計面、製造面およびコスト面で有利になる為である。この半導体レーザの高出力動作を実現するうえで、レーザで発生する熱を効率良く排熱するヒートシンクは必須の構成部品である。

ヒートシンクを実装するに際し、半導体レーザとヒートシンクの熱膨張係数差に起因する熱応力が問題となる。半導体レーザとヒートシンクの接合は、半導体レーザ給電用のＡｕ電極との親和性の高さおよび信頼性の観点からＡｕＳｎはんだによる高温下での接合が一般的である。ここで、赤色半導体レーザの初期成長基板であるＧａＡｓと、高熱伝導率のヒートシンクの材料として一般的なＣｕの熱膨張係数は、それぞれ６．６×１０^−６／℃および１６．７×１０^−６／℃（いずれも室温下での値）と、大きくかけ離れているため、はんだ接合後の冷却に伴い半導体レーザに対し圧縮方向に熱応力が生じる。

過大な応力負荷は、半導体レーザの結晶内部の格子欠陥を増長からダークライン劣化を生じ、寿命の低下を招く。また、負荷される応力は面内分布を持つため、複数エミッタを有する半導体レーザアレイのように共振器と垂直な方向に長尺な構造を有するものでは、エミッタ毎の特性差異を招く。

上記の問題に対し、例えば特許文献１では、半導体レーザアレイとヒートシンクの間に線膨張係数の小さいＳｉＣまたはＡｌＮからなるサブマウント基板を挿入することで、半導体レーザアレイに加わる応力を緩和している。なお、ＳｉＣおよびＡｌＮの熱膨張係数は、それぞれ３．７×１０^−６／℃および４．８×１０^−６／℃（いずれも室温下での値）である。

国際公開第２０１１／７４２６２号

しかし、特許文献１に記載の技術では、半導体レーザアレイがサブマウントに対し非対称な位置に接合されることに起因して局所的な引張応力が発生する。これにより、半導体レーザの基板割れが発生するリスクが高まるという問題があった。

そこで、本発明は、半導体レーザアレイをヒートシンクに実装することで発生する半導体レーザアレイの局所的な引張応力を緩和して、半導体レーザアレイの基板割れを抑制可能な技術を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ光源装置は、ヒートシンクと、前記ヒートシンク上に、自身の下面に形成された接合層とＡｕＳｎはんだで接合されたサブマウント基板と、前記サブマウント基板の上面に形成された第１給電層および第２給電層のうち、前記第１給電層上にＡｕＳｎはんだで接合され、かつ、複数のエミッタを有する半導体レーザアレイとを備え、前記半導体レーザアレイは、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることで形成され、前記接合層、前記第１給電層、および前記第２給電層の材料はＣｕであり、前記サブマウント基板の材料はＳｉＣまたはＡＩＮであり、前記ヒートシンクの材料はＣｕであり、前記半導体レーザアレイは、複数の前記エミッタを有する前側端面が、前記サブマウント基板の前側端面と等しい位置になるように配置され、前記サブマウント基板は、夫々同じ厚みに形成された、上面側の前記第１給電層および前記第２給電層と、下面側の前記接合層とで挟まれ、前記第１給電層の厚さをｔ１、前記サブマウント基板の厚さをｔ２としたときに、１／３≦ｔ１／ｔ２≦１を満たすものである。

本発明によれば、レーザ光源装置は、ヒートシンクと、ヒートシンク上に配置されるサブマウント基板と、サブマウント基板上に直に配置される給電層と、給電層上に直に配置され、かつ、複数のエミッタを有する半導体レーザアレイとを備え、給電層の厚さをｔ１、サブマウント基板の厚さをｔ２としたときに、１／５≦ｔ１／ｔ２≦１を満たす。

したがって、サブマウント基板と給電層の厚さを示す数値がともに同じ桁数となるため、サブマウント基板の影響が小さくなり、その代わりに給電層の影響が大きくなる。その結果、半導体レーザアレイの配置がサブマウント基板に対して非対称になることの影響が小さくなり、半導体レーザアレイをヒートシンクに実装することで発生する半導体レーザアレイの局所的な引張応力を緩和して、半導体レーザアレイの割れを抑制することが可能である。

実施の形態に係るレーザ光源装置の斜視図である。レーザ光源装置の構成ユニットの斜視図である。構成ユニットにおいて、熱膨張係数の小さい材料で構成されたサブマウントＡＳＳＹによってヒートシンクの熱収縮の影響が緩和される状態を示す図である。半導体レーザアレイにおいて局所的な引張応力が発生する領域を示す図である。構成ユニットの側面図である。構成ユニットの平面図である。構成ユニットの半導体レーザアレイおよびサブマウントＡＳＳＹの正面図である。サブマウント基板の厚さと給電層の厚さによって変化する、半導体レーザアレイの上面に生じる引張応力を示すグラフである。サブマウント基板に対して給電層の厚さが薄い場合のレーザ光源装置の構成ユニットの側面図である。サブマウント基板に対して給電層の厚さが厚い場合のレーザ光源装置の構成ユニットの側面図である。

＜実施の形態＞
本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態に係るレーザ光源装置１の斜視図であり、図２は、レーザ光源装置１の構成ユニット２の斜視図である。

図１に示すように、レーザ光源装置１は、構成ユニット２、リードピン２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ、およびステム２３を備えている。構成ユニット２とリードピン２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、Ａｕからなる給電用リボン２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄにより電気的に接続されている。また、構成ユニット２とリードピン２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、ＳｎＡｇＣｕリボンはんだ等により良好な熱伝導を保ちながらステム２３に固定されている。リードピン２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄとステム２３はガラス封止により固定されている。

ステム２３は、電源ユニットおよび冷却ユニットを備えたベースに固定するための固定用ホール２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄと、ベースに固定する際の位置を決めるための切欠き２５とを備えている。ステム２３は、表面にＮｉめっきとＡｕめっきが施されたＦｅ-Ｃｕ-Ｆｅのクラッド材からなる。熱伝導性に優れたＣｕの上下をＦｅ層で挟んだサンドイッチ構造にすることで、図１では省略しているが、構成ユニット２の全体を覆うキャップを用いた気密封止を可能にする。すなわち、ステム２３の表面に熱伝導性の比較的低いＦｅ層を介して、キャップを抵抗溶接してステム２３に接合することが可能となり、またリードピン２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄとステム２３の間のガラス封止が可能となる。

図２に示すように、レーザ光源装置１の構成ユニット２は、半導体レーザアレイ１１、サブマウント基板１２、給電層１３ａ，１３ｂ，１３ｃ、ヒートシンク１４、および給電用ワイヤ１５を備えている。サブマウント基板１２は、ヒートシンク１４上に給電層１３ｃを介して配置されている。給電層１３ａ，１３ｂは、サブマウント基板１２上に直に配置されている。半導体レーザアレイ１１は、給電層１３ａ上に直に配置されている。

半導体レーザアレイ１１は、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることで形成されている。より具体的には、半導体レーザアレイ１１は、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長された発振波長６３０〜６７０ｎｍの可視光高出力ブロードエリアレーザからなり、サブマウント基板１２との接合に際してはエピタキシャル成長層を下側にしたジャンクションダウン構造を採用することで、低熱抵抗化を実現している。サブマウント基板１２は、熱伝導性に優れたＳｉＣまたはＡｌＮ等のセラミックスからなり、Ｃｕを主材料とする給電層１３ａ，１３ｂ，１３ｃが上下（給電層１３ａ，１３ｂが上側、給電層１３ｃが下側）に配置されたバイメタル構造を有するサブマウントＡＳＳＹ３として実装されている。

給電層１３ａは、給電用リボン２１ａおよび給電用リボン２１ｃから半導体レーザアレイ１１のＰ側電極への給電を担い、給電層１３ｂは、半導体レーザアレイ１１のＮ側電極から給電用ワイヤ１５、給電用リボン２１ｂ、給電用リボン２１ｄへの電流パスを形成している。給電層１３ａおよび給電層１３ｃの表面にはＡｕＳｎはんだが蒸着されており、加熱と加圧により半導体レーザアレイ１１およびヒートシンク１４との接合を可能にする。ヒートシンク１４は熱伝導性に優れたＣｕからなる。

半導体レーザアレイ１１、サブマウントＡＳＳＹ３、およびヒートシンク１４の接合はＡｕＳｎはんだ（融点：約２９０℃）で、ヒートシンク１４とステム２３の接合はＳｎＡｇＣｕはんだ（融点：約２２０℃）で行うことにより、先にボンディングによりレーザ光源装置１の構成ユニット２を作製した後に、構成ユニット２をステム２３とボンディングすることが可能となる。すなわち、レーザ光源装置１の構成ユニット２とステム２３の接合時は、接合温度を２２０℃〜２９０℃の間で制御することで、構成ユニット２の構成部品どうしの接合は維持したままＳｎＡｇＣｕはんだを溶融させてレーザ光源装置１の構成ユニット２とステム２３を固定することが可能となる。

次に、本実施の形態に係るレーザ光源装置１の特徴を、前提となる技術での問題点に触れながら述べる。前提技術では、レーザ光源装置は、半導体レーザアレイ（材料：ＧａＡｓ、線膨張係数：６．６×１０^−６／℃）およびヒートシンク（材料：Ｃｕ、線膨張係数：１６．７×１０^−６／℃）を備えている。互いに大きくかけ離れた線膨張係数を有する２つの部品の接合に際し、線膨張係数が半導体レーザアレイに近いサブマウント（基板材料：ＳｉＣ、線膨張係数：３．７×１０^−６／℃）を介することで、半導体レーザアレイの接合面を起点として発生する圧縮応力の緩和を、一層安価な方法で実現している。

図３は、構成ユニット２の側面図であり、熱膨張係数の小さい材料で構成されたサブマウントＡＳＳＹ３によってヒートシンク１４の熱収縮の影響が緩和される状態を示す図である。なお、図中の矢印は熱応力の方向と大きさを示している。図３に示すように、ヒートシンク１４は大きな線膨張係数を有するため、高温加熱を伴うはんだ接合後の冷却に際し、圧縮方向に大きな熱応力が発生する。この圧縮応力の影響を、実施の形態に係るレーザ光源装置１では、ヒートシンク１４の直上に接合されたサブマウントＡＳＳＹ３により緩和することで、半導体レーザアレイ１１への応力負荷が小さくすることが可能となる。

一方、半導体レーザアレイとサブマウントを介したヒートシンクの接合においては、半導体レーザアレイとサブマウントの接合面を起点として発生する圧縮応力の他に、半導体レーザアレイの前端面側に発生する局所的な引張応力が存在する。図４は、上記の引張応力が発生する領域を示すために、半導体レーザアレイ１１とサブマウントＡＳＳＹ３を抜粋した図であり、半導体レーザアレイ１１において局所的な引張応力が発生する領域を示す図である。図４では、半導体レーザアレイ１１の出射方向１０１が手前側に向くように配置されている。図４において斜線領域で示した領域１０２、すなわち半導体レーザアレイ１１の出射面である前側端面の基板上面に引張応力が発生する。

上記の局所的な引張応力は、半導体レーザアレイ１１が、その直下のサブマウントＡＳＳＹ３に対し、非対称な位置に接合されることに起因すると考えられる。半導体レーザアレイ１１は、その前側端面が、サブマウントＡＳＳＹ３の前側端面とおおよそ等しい位置になるように前方に配置される。

図５は、構成ユニット２の側面図であり、レーザ光源装置１において、半導体レーザアレイ１１が、サブマウントＡＳＳＹ３の前方に配置されることの必要性を示す図である。図６は、構成ユニット２の平面図であり、半導体レーザアレイ１１がその直下のサブマウントＡＳＳＹ３に対し非対称な位置に接合された状態を示す図である。

なお、図５に示すように、半導体レーザアレイ１１からの出射光１０３は、一般的に端面出射型の半導体レーザでは垂直方向（エピタキシャル成長における積層方向）に全角で約６０°と大きなビーム拡がり角を有する。したがって、半導体レーザアレイ１１の直下の給電層１３ａにおける光の吸収と反射を防ぎ、出射光を効率良く後段の光学部品に入射するためにも、半導体レーザアレイ１１は、半導体レーザアレイ１１の前側端面がサブマウントＡＳＳＹ３の前方から突き出すように配置されることが望ましい。

一方、排熱の観点からは、発熱体である半導体レーザアレイ１１とその直下の給電層１３ａの接合面積は、極力広くすることが望まれる。したがって、図５と図６に示すように半導体レーザアレイ１１の前側端面がサブマウントＡＳＳＹ３の前側端面とおおよそ等しい位置になるような配置となる。

上記の局所的な引張応力は、半導体レーザアレイ１１の材料であるＧａＡｓ基板の割れの発生要因となる。ＧａＡｓ基板の割れは、レーザ共振器が崩壊するために発振動作が不可能となりレーザ光源装置の動作停止につながる。仮に劈開面に沿うように前側端面と平行に割れることでレーザ共振器を維持できたとしても、後側端面反射率および共振器長の変化により、期待していた性能が全く得られなくなる。引張応力に起因するＧａＡｓ基板の割れが発生するタイミングは、応力の大きさの程度またはＧａＡｓ基板の状態等によって異なる。十分大きな引張応力が生じている場合は、各部品をはんだ接合する際、降温時に加えられる熱応力によって割れが発生する。

半導体レーザアレイ１１、サブマウントＡＳＳＹ３、およびヒートシンク１４の接合に際してＡｕＳｎを用いる本実施の形態では、降温中のＡｕＳｎはんだの融点（約２９０℃）以下の温度領域では互いの部品が拘束されているため、線膨張係数とΔＴに応じた熱応力が加えられる。一方、極端に大きくない引張応力では、部品実装時でのＧａＡｓ基板の割れは発生しなかったとしても、レーザ光源装置としての実動作時に発生するヒートサイクル負荷によって割れが生じうる。ここで、ヒートサイクル負荷を発生する実動作とは、レーザ光源装置のパルス駆動または、繰り返しのＯＮ／ＯＦＦ制御等である。

前提技術における上記の問題点を鑑み、本実施の形態では、サブマウントＡＳＳＹ３の給電層１３ａを厚くすることで、半導体レーザアレイ１１の上面に発生する局所的な引張応力を緩和することを特徴としている。

図７は、実施の形態に係るレーザ光源装置１の特徴を説明するため、レーザ光源装置１から半導体レーザアレイ１１およびサブマウントＡＳＳＹ３を抜粋した図であり、構成ユニット２の半導体レーザアレイ１１およびサブマウントＡＳＳＹ３の正面図である。なお、給電層１３ａの厚さをｔ１、サブマウント基板１２の厚さをｔ２、および半導体レーザアレイ１１の横幅をＷとする。

また、図８は、サブマウント基板１２の厚さと給電層１３ａの厚さによって変化する、半導体レーザアレイ１１の上面に生じる引張応力を示すグラフである。図８では、給電層１３ａの厚さｔ１とサブマウント基板１２の厚さｔ２をパラメータとしたときの、半導体レーザアレイ１１の上面に発生する局所的な引張応力の計算値が示されている。図８において丸印、三角印および四角印は、サブマウント基板１２の厚さｔ２がそれぞれ０．１ｍｍ、０．３ｍｍおよび０．５ｍｍのときの結果を示す。グラフの横軸は、それぞれのサブマウント基板１２の厚さに対する給電層１３ａの厚さの比率（ｔ１／ｔ２）によって、給電層１３ａの厚さを示している。グラフの縦軸は、半導体レーザアレイ１１の上面に生じる局所的な引張応力の最大値を、基準値で規格化した値である。

ここで、基準値とは給電層１３ａの厚さｔ１およびサブマウント基板１２の厚さｔ２が、それぞれ０．０２ｍｍおよび０．３ｍｍの構造において、半導体レーザアレイ１１の上面に発生する局所応力の最大値である。また、給電層１３ａの厚さｔ１およびサブマウント基板１２の厚さｔ２以外の寸法は、いずれの場合も同一であり、代表的な寸法は半導体レーザアレイ１１の横幅Ｗが４ｍｍ、ヒートシンク１４の厚さが６ｍｍである。

図８に示すように、給電層１３ａが厚くなるにつれて局所応力の値が低下することがわかる。また、給電層１３ａの厚さがサブマウント基板１２の厚さに対して０．５以下となる範囲（ｔ１／ｔ２≦０．５）では、局所応力はおおよそ線形に低下する。なお、給電層１３ａの厚さをさらに厚くしても局所応力の改善効果は小さい。

図９と図１０は、サブマウント基板１２の厚さｔ２に対し、給電層１３ａの厚さｔ１を厚くすることで局所応力の緩和が可能となることを説明するための図である。より具体的には、図９は、サブマウント基板１２に対して給電層１３ａの厚さが薄い場合のレーザ光源装置１の構成ユニット２の側面図であり、例えば、サブマウント基板１２の厚さｔ２が０．３ｍｍ、給電層１３ａの厚さｔ１が０．０２ｍｍであるような構造である。図１０は、サブマウント基板１２に対して給電層１３ａの厚さが厚い場合のレーザ光源装置１の構成ユニット２の側面図であり、例えば、サブマウント基板１２の厚さｔ２が０．３ｍｍ、給電層１３ａの厚さｔ１が０．１ｍｍ以上であるような構造である。

図９の構造では、サブマウント基板１２に対して給電層１３ａの厚さが非常に薄く、半導体レーザアレイ１１との接合においてサブマウント基板１２の影響が支配的となる。一方で、図１０の構造では、サブマウント基板１２と給電層１３ａの厚さを示す数値がともに同じ桁数となるため、サブマウント基板１２の影響が小さくなり、その代わりに半導体レーザアレイ１１と同等の奥行を有する給電層１３ａの影響が大きくなる。

したがって、前者の構造では半導体レーザアレイ１１の配置がサブマウントＡＳＳＹ３に対して非対称になることの影響を強く受ける一方で、後者の構造では非対称になることの影響が小さくなり、半導体レーザアレイ１１の上面に加えられる局所的な引張応力が緩和されると考えられる。

以上のように、実施の形態に係るレーザ光源装置１は、ヒートシンク１４と、ヒートシンク１４上に配置されるサブマウント基板１２と、サブマウント基板１２上に直に配置される給電層１３ａと、給電層１３ａ上に直に配置され、かつ、複数のエミッタを有する半導体レーザアレイ１１とを備え、給電層１３ａの厚さをｔ１、サブマウント基板１２の厚さをｔ２としたときに、１／５≦ｔ１／ｔ２≦１を満たす。

したがって、サブマウント基板１２と給電層１３ａの厚さを示す数値がともに同じ桁数となるため、サブマウント基板１２の影響が小さくなり、その代わりに給電層１３ａの影響が大きくなる。その結果、半導体レーザアレイ１１の配置がサブマウント基板１２に対して非対称になることの影響が小さくなり、半導体レーザアレイ１１をヒートシンク１４に実装することで発生する半導体レーザアレイ１１の局所的な引張応力を緩和して、半導体レーザアレイ１１の割れを抑制することが可能である。

以上より、レーザ光源装置１の歩留り向上を図ることが可能となり、材料費および加工費等のコスト低減が可能である。また、製造後の半導体レーザアレイ１１の割れのリスクが低下することで、長期使用可能な信頼性の高いレーザ光源装置１を実現することが可能である。

追加の部品または微細加工を伴わずに半導体レーザアレイ１１の割れを抑制することが可能であるため、部品点数の増加または加工費の増加による製品の製造コストの上昇を抑制することが可能である。

給電層１３ａに適当な厚みを与えて低電気抵抗化を図ることで、半導体レーザアレイ１１の各エミッタに流入する電流の分布を低減し、エミッタ毎の特性ばらつきの低減が可能である。したがって、さらに均一に近い特性を有するレーザ光源装置１を実現することができることから、製品品質の向上を図ることが可能である。

半導体レーザアレイ１１は、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることで形成され、給電層１３ａの材料はＣｕであり、サブマウント基板１２の材料はＳｉＣまたはＡｌＮであり、ヒートシンク１４の材料はＣｕである。したがって、上記において説明した効果を最も発揮することができる。

また、ＳｉＣまたはＡｌＮからなるサブマウント基板１２に対しＣｕからなる給電層１３ａに適当な厚みを与えることで、半導体レーザアレイ１１で発生した熱が給電層１３ａ内で拡がり、熱伝導率の相対的に低いサブマウント基板１２での熱流密度が低下する。したがって、レーザ光源装置１の熱抵抗低減による動作性能改善が可能である。

半導体レーザアレイ１１の横幅方向の長さである横幅Ｗは、当該半導体レーザアレイ１１の共振器長の３倍以上であってもよい。この場合、高出力化が可能な長尺の半導体レーザアレイ１１において、局所的な引張応力の緩和が可能である。ここで、長尺の半導体レーザアレイ１１とは、半導体レーザアレイ１１の横幅Ｗが例えば代表的な寸法である４ｍｍよりも長いものをいう。例えば、半導体レーザアレイ１１の横幅Ｗが８ｍｍ以上の構造でも、代表的な寸法を有する構造とほぼ同等の引張応力が生じるため、図８に示したサブマウント基板１２と給電層１３ａの厚さの組合せを採用することが可能である。さらに、給電層１３ａに適当な厚みを与えることによる低熱抵抗化、およびエミッタ毎の特性ばらつきの低減効果も大いに有効である。

なお、最適な給電層１３ａの厚さｔ１とサブマウント基板１２の厚さｔ２の組合せは、局所応力の大きさだけではなく、レーザ光源装置１の熱抵抗、および半導体レーザアレイ１１の接合面付近に生じる圧縮応力も考慮して決定する必要がある。すなわち、ＳｉＣまたはＡｌＮからなるサブマウント基板１２は、Ｃｕからなる給電層１３ａおよびヒートシンク１４よりも熱伝導率が低いため、サブマウント基板１２の厚さの相対的な増加はレーザ光源装置１の熱抵抗増加につながる。

一方、サブマウント基板１２が相対的に薄くなると、ヒートシンク１４との接合により半導体レーザアレイ１１に生じる圧縮応力を緩和する、というサブマウント基板１２の本来の目的が薄れる。また、サブマウント基板１２が薄くなると剛性が低下し、脆く割れやすい部品となってしまう。

したがって、サブマウント基板１２の厚さｔ２は０．１ｍｍ≦ｔ２≦０．５ｍｍの範囲内にあることが望ましい。好ましくはサブマウント基板１２の厚さｔ２が０．２ｍｍ≦ｔ２≦０．４ｍｍに対して、給電層１３ａの厚さｔ１を約０．１ｍｍにすることで、半導体レーザアレイ１１に加えられる局所応力を低減しつつ、低熱抵抗化と、半導体レーザアレイ１１の接合面付近に生じる圧縮応力の緩和を図ることが可能である。

また、ヒートシンク１４との接合で半導体レーザアレイ１１に生じる圧縮応力は、ヒートシンク１４の厚さまたは材質により制御することが可能である。すなわち、ヒートシンク１４の厚さを小さくすると、半導体レーザアレイ１１の給電層１３ａとの接合面近傍で発生する圧縮応力を低減することが可能である。

したがって、サブマウント基板１２の厚さｔ２が０．１ｍｍ、給電層１３ａの厚さｔ１が０．１ｍｍの場合のように、サブマウント基板１２の厚さが相対的に薄い構造に対しても、例えばヒートシンク１４の厚さを２ｍｍ以下にすることで、半導体レーザアレイ１１への局所的な引張応力だけでなく給電層１３ａとの接合面近傍に生じる圧縮応力も緩和することが可能である。また、上記のような例では、サブマウント基板１２の厚さに対して熱伝導率の高い給電層１３ａの厚さを十分厚くできるため、熱抵抗の大幅な低減が可能である。

なお、給電層１３ｂおよび給電層１３ｃにおいては、給電層１３ａのように、厚肉化することによる半導体レーザアレイ１１への局所応力改善の効果は得られない。なぜならば、給電層１３ｂおよび給電層１３ｃは半導体レーザアレイ１１との接合に直接的には関与していないためである。一方、給電層１３ｂは厚肉化することで、半導体レーザアレイ１１の各エミッタに流入する電流の分布を低減し、エミッタ毎の特性ばらつきの低減が可能である。

また、給電層１３ｃは、給電層１３ａと給電層１３ｂに応じて厚肉化することで、サブマウント基板１２の上下面を、同等の厚みと総面積を有する給電層１３ａ，１３ｂ，１３ｃで挟むことができる。したがって、サブマウント基板１２と給電層１３ａ，１３ｂ，１３ｃの線膨張係数のミスマッチによるサブマウント基板１２の反りを抑制することが可能である。これにより、給電層１３ｂおよび給電層１３ｃは、給電層１３ａの厚さｔ１に応じて等しく変化させることが望ましい。

給電層１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、めっき、真空蒸着、または拡散接合等でサブマウント基板１２の上下面に形成することができる。形成方法としては、所望の給電層１３ａ，１３ｂ，１３ｃの厚さに応じて適切に選択することが望ましい。例えば、厚さが７０μｍ以下のような比較的薄い領域ではめっきまたは真空蒸着により、面粗さの小さい給電層１３ａ，１３ｂ，１３ｃが得られる。一方、上記の方法では厚さが７０μｍを超えるような厚膜の形成に際し、面粗さの増大による半導体レーザアレイ１１との接触部での局所応力が懸念される。したがって、給電層１３ａ，１３ｂ，１３ｃの厚さが７０μｍを超える領域では、拡散接合等の異種材料接合法を用いることが望ましい。

なお、例えば給電層１３ａ，１３ｂ，１３ｃおよびヒートシンク１４の材料であるＣｕと、サブマウント基板１２の材料であるＳｉＣまたはＡｌＮが、交互に積層されたような構造においても、半導体レーザアレイ１１の直下の給電層１３ａの厚さを厚くすることで局所的な引張応力の低減が可能である。上記の構造の例としては、多層配線基板等に半導体レーザアレイを実装したモジュール等がある。

また、本実施の形態においては、ＧａＡｓを初期成長基板とする半導体レーザアレイに限定されない。ＩｎＰ、ＧａＮ、またはサファイア等を初期成長基板とした半導体レーザアレイを採用してもよく、この場合も上記において説明した効果と同等の効果を得ることが可能である。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１レーザ光源装置、１１半導体レーザアレイ、１２サブマウント基板、１３ａ給電層、１４ヒートシンク。

Claims

ヒートシンクと、
前記ヒートシンク上に、自身の下面に形成された接合層とＡｕＳｎはんだで接合されたサブマウント基板と、
前記サブマウント基板の上面に形成された第１給電層および第２給電層のうち、前記第１給電層上にＡｕＳｎはんだで接合され、かつ、複数のエミッタを有する半導体レーザアレイと、
を備え、
前記半導体レーザアレイは、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることで形成され、
前記接合層、前記第１給電層、および前記第２給電層の材料はＣｕであり、
前記サブマウント基板の材料はＳｉＣまたはＡＩＮであり、
前記ヒートシンクの材料はＣｕであり、
前記半導体レーザアレイは、複数の前記エミッタを有する前側端面が、前記サブマウント基板の前側端面と等しい位置になるように配置され、
前記サブマウント基板は、夫々同じ厚みに形成された、上面側の前記第１給電層および前記第２給電層と、下面側の前記接合層とで挟まれ、
前記第１給電層の厚さをｔ１、前記サブマウント基板の厚さをｔ２としたときに、
１／３≦ｔ１／ｔ２≦１を満たす、レーザ光源装置。
前記サブマウント基板の厚さは０．１ｍｍ以上かつ０．５ｍｍ以下である、請求項１に記載のレーザ光源装置。
前記半導体レーザアレイの横幅方向の長さは、当該半導体レーザアレイの共振器長の３倍以上である、請求項１または請求項２に記載のレーザ光源装置。