JP6865358B2 - 半導体レーザ装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本開示は、半導体レーザ装置及びその製造方法に関し、特に、ヒートシンクの上に設けられた高出力の半導体レーザ素子を備えた半導体レーザ装置及びその製造方法に関する。
近年、レーザ光を用いた金属加工の需要が高まっており、半導体レーザ装置の高出力化が要求されている。
図１５は、従来のレーザダイオード素子９００の概略構成図である。図１５に示すように、従来のレーザダイオード素子９００は、上電極９０１と、絶縁部９０２と、ＬＤチップ９０３と、サブマウント９０４と、サブマウント９０５と、ヒートシンク９０６と、ワイヤ９０７とを有する。上電極９０１および絶縁部９０２の積層体と、ＬＤチップ９０３、サブマウント９０４、およびサブマウント９０５の積層体とが、ヒートシンク９０６に搭載されている。
ＬＤチップ９０３の上面は、ワイヤ９０７を介して上電極９０１（マイナス電極）に接続されている。そして、ＬＤチップ９０３の下面は、サブマウント９０４およびサブマウント９０５を介してプラス電極（図示せず）に接続されている。また、ヒートシンク９０６は、内部に冷却水が流れる流路を有しており、冷却効率を向上する構造である（例えば特許文献１参照）。
しかし、従来のレーザダイオード素子９００において、マイナス電極側の電流経路はワイヤ９０７などであり、プラス電極側の電流経路については明確に記載されていない。このように、レーザダイオード素子９００の電流経路の電気抵抗が高いと、ＬＤチップ９０３に流す電流量が制限される。そのため、レーザ光の高出力化を実現することが困難である。
本開示は、半導体レーザ素子に大電流を流すことができるように電流経路の電気抵抗を大幅に低下させ、高出力のレーザ光を出力できる半導体レーザ装置及びその製造方法を提供する。
上記課題を解決するために、本開示の半導体レーザ装置は、ヒートシンクと、サブマウントと、第１の電極と、絶縁層と、半導体レーザ素子と、接続部と、第２の電極とを有する。ヒートシンクは、内部に冷却媒体が通過する流路を有し、絶縁性である。サブマウントは、ヒートシンクの上面の第１の領域の上に設けられ、導電性である。第１の電極は、ヒートシンクの上面であって、第１の領域とは異なる第２の領域の上に設けられ、導電性である。絶縁層は、第１の電極の上に設けられ、絶縁性である。半導体レーザ素子は、サブマウントの上面の第３の領域の上に設けられ、レーザ光を出力する。接続部は、半導体レーザ素子の上に設けられ、導電性である。第２の電極は、絶縁層および接続部の上に設けられ、導電性である。そして、第１の電極は、少なくともサブマウントの側面の一部、または、サブマウントの上面であって、第３の領域とは異なる第４の領域と電気的に接続されている。
また、本開示の半導体レーザ装置の製造方法は、第１の工程〜第６の工程を有する。第１の工程では、内部に冷却媒体が通過する流路を有し、絶縁性であるヒートシンクの上面の第１の領域の上に、導電性であるサブマウントを設ける。第２の工程では、ヒートシンクの上面であって、第１の領域とは異なる第２の領域の上に、導電性である第１の電極を設ける。第３の工程では、第１の電極の上に、絶縁性である絶縁層を設ける。第４の工程では、サブマウントの上面の第３の領域の上に、レーザ光を出力する半導体レーザ素子を設ける。第５の工程では、半導体レーザ素子の上に、導電性である接続部を設ける。第６の工程では、絶縁層および接続部の上に、導電性である第２の電極を設ける。さらに、第２の工程では、第１の電極を、少なくともサブマウントの側面の一部、または、サブマウントの上面であって、第３の領域とは異なる第４の領域と電気的に接続するように設ける。
本開示の半導体レーザ装置及び半導体レーザ装置の製造方法によれば、半導体レーザ素子に大電流を流すことができるように電流経路の電気抵抗を大幅に低下させ、高出力のレーザ光を出力できる。
（実施の形態）
本実施の形態について、図１〜図４を用いて説明する。図１は、本実施の形態の半導体レーザ装置１の概略構成を示す断面図である。図２は、本実施の形態の半導体レーザ装置２の概略構成を示す断面図である。図３は、本実施の形態の半導体レーザ装置３の概略構成を示す断面図である。図４は、本実施の形態の半導体レーザ装置４の概略構成を示す断面図である。
本実施の形態について、図１〜図４を用いて説明する。図１は、本実施の形態の半導体レーザ装置１の概略構成を示す断面図である。図２は、本実施の形態の半導体レーザ装置２の概略構成を示す断面図である。図３は、本実施の形態の半導体レーザ装置３の概略構成を示す断面図である。図４は、本実施の形態の半導体レーザ装置４の概略構成を示す断面図である。
図１に示すように、半導体レーザ装置１は、ヒートシンク２０と、サブマウント３０と、第１の電極６０と、絶縁層７０と、半導体レーザ素子４０と、接続部５０と、第２の電極６１とを有する。ヒートシンク２０は、内部に冷却媒体が通過する流路２４を有し、絶縁性である。サブマウント３０は、ヒートシンク２０の上面の第１の領域Ｒ１の上に設けられ、導電性である。第１の電極６０は、ヒートシンク２０の上面であって、第１の領域Ｒ１とは異なる第２の領域Ｒ２の上に設けられ、導電性である。絶縁層７０は、第１の電極６０の上に設けられ、絶縁性である。半導体レーザ素子４０は、サブマウント３０の上面の第３の領域Ｒ３の上に設けられ、レーザ光を出力する。接続部５０は、半導体レーザ素子４０の上に設けられ、導電性である。第２の電極６１は、絶縁層７０および接続部５０の上に設けられ、導電性である。そして、第１の電極６０は、少なくともサブマウント３０の側面の一部、または、サブマウント３０の上面であって、第３の領域Ｒ３とは異なる第４の領域Ｒ４と電気的に接続されている。
次に、各構成について、具体的に説明する。以下、特に断りがない限り、ヒートシンク２０に対して、サブマウント３０および第１の電極６０側を上方向として説明する。また、第１の電極６０に対して、サブマウント３０側を右方向として説明する。さらに、上方向および右方向と直交する方向を前後方向として説明する。ただし、これらの方向は、説明のために用いられるのであって、各半導体レーザ装置の使用方向を規定するものではない。
ヒートシンク２０は、内部に冷却媒体が通過する流路２４が形成されるように、絶縁板２１と絶縁板２２と絶縁板２３とを重ね合わせて形成されている。絶縁板２１〜２３の材料は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である。窒化アルミニウムは高い熱伝導率を有するため、ヒートシンク２０は半導体レーザ素子４０の発する熱を効率よく放熱できる。さらに、ヒートシンク２０の材料を窒化アルミニウムとすることにより、ヒートシンク２０は、半導体レーザ素子４０と近い熱膨張係数を有しており、かつ、耐腐食性にも優れている。また、ヒートシンク２０の下面に銅（Ｃｕ）層１０が形成されており、ヒートシンク２０の上面に銅（Ｃｕ）層１１（第１の導電層）が形成されている。銅層１１は、第１の電極６０およびサブマウント３０をヒートシンク２０に接合させている。すなわち、第１の電極６０およびサブマウント３０は、銅層１１に直接接している。なお、ヒートシンク２０の材料は窒化アルミニウムに限らない。ヒートシンク２０の材料は、絶縁性であって熱伝導率が高く、半導体レーザ素子４０と熱膨張係数が近く、耐腐食性の高いものであればよい。また、銅層１０および銅層１１は必ずしも必要ではない。銅層１１の代わりに熱伝導率の高い別の材料を用いても構わない。また、銅層１１を設けずに、第１の電極６０およびサブマウント３０を直接、ヒートシンク２０に接合しても構わない。
サブマウント３０は、ヒートシンク２０の第１の領域Ｒ１の上に、銅層１１を介して接合されている。サブマウント３０の材料は、例えば銅タングステン（ＣｕＷ）である。また、サブマウント３０の上面には、半導体レーザ素子４０を設ける第３の領域Ｒ３より広い領域に金スズ（ＡｕＳｎ）層３１（第２の導電層）が蒸着によって形成されている。金スズ層３１は、半導体レーザ素子４０をサブマウント３０に接合させている。すなわち、半導体レーザ素子４０は、金スズ層３１に直接接している。なお、サブマウント３０の材料は銅タングステンに限らない。サブマウント３０の材料は、導電性であって、熱伝導率が高く、接合後に半導体レーザ素子４０への歪が小さくなるように熱膨張係数が調整されたものであればよい。また、金スズ層３１は、必ずしも必要ではなく、金スズ層３１の代わりに導電性であって、熱伝導率の高い材料を用いても構わない。また、金スズ層３１を設けずに、半導体レーザ素子４０を直接、サブマウント３０に接合しても構わない。
半導体レーザ素子４０は、サブマウント３０の第３の領域Ｒ３の上に、金スズ層３１を介して接合されている。本実施の形態では、半導体レーザ素子４０は、下面が正極（＋）であり上面が負極（−）であるが、これらの極性は反対であっても構わない。半導体レーザ素子４０は、電流を流すことによって、レーザ光を出力する。半導体レーザ素子４０は、図１においては、半導体レーザ素子４０の右端から、右向きにレーザ光を出力する。半導体レーザ素子４０によるレーザ光の出力は、半導体レーザ素子４０を流れる電流量が大きいほど高くなるが、それに伴って、半導体レーザ素子４０による発熱も大きくなる。半導体レーザ素子４０は、高温になるとレーザ光の出力の低下や半導体レーザ装置１そのものの破損を引き起こす。そのため、ヒートシンク２０などによって半導体レーザ素子４０を冷却する必要がある。また、半導体レーザ素子４０は、１つのみの発光領域を有しているものであっても構わないし、前後方向に並んだ複数の発光領域を有しているレーザバーであっても構わない。
接続部５０は、半導体レーザ素子４０の上に形成されており、半導体レーザ素子４０の上面の負極に接続されている。接続部５０は、例えば金（Ａｕ）を材料とするワイヤを溶融させて形成した金バンプである。金は他の金属に比べて柔らかいため、半導体レーザ素子４０と第２の電極６１とを接続する際に接続部５０が変形する。そのため、半導体レーザ素子４０と第２の電極６１との間で良好な電気的接続が得られる。なお、接続部５０の材料は金に限らない。接続部５０の材料は、導電性であって、半導体レーザ素子４０の上面と第２の電極６１との電気的接続を確保できるものであればよい。また、図１に示すように、接続部５０と第２の電極６１との間に金箔５１（第３の導電層）を設けてもよい。すなわち、接続部５０および第２の電極６１は、金箔５１と直接接している。これにより、接続部５０と第２の電極６１との間の電気的な接続がより向上する。金箔５１の代わりに、金以外の導電性の材料を用いても構わない。また、接続部５０と第２の電極６１との間に、２枚以上の金箔５１を設けてもよいし、金箔５１を設けなくてもよい。
第１の電極６０の少なくとも一部は、ヒートシンク２０の第２の領域Ｒ２の上に、銅層１１を介して接合されている。第１の電極６０の材料は、例えば銅（Ｃｕ）である。また、第１の電極６０の上面には、絶縁層７０が設けられる。絶縁層７０は、第１の電極６０と第２の電極６１との間の絶縁性を確保している。なお、第１の電極６０の材料は銅に限らず、導電性の材料であればよい。
さらに、図１に示すように、第１の電極６０は、サブマウント３０の側面の一部、および、サブマウント３０の上面であって、第３の領域Ｒ３とは異なる第４の領域Ｒ４とも直接接している。これにより、第１の電極６０と半導体レーザ素子４０の正極との電気的な接続抵抗を大幅に低下することができる。そのため、大きな電流を半導体レーザ素子４０に流すことが可能となる。また、第１の電極６０とサブマウント３０との間の接続でいう「直接接している」状態とは、図１に示すように、直接接している状態と、間に薄い導電層や薄い導電膜（図示せず）を介して接している状態の両方を含むものである。以上のような構成により、第１の電極６０は、半導体レーザ素子４０の下面である正極と電気的に接続されている。
第２の電極６１は、接続部５０および絶縁層７０の上に設けられ、接続部５０と電気的に接続されている。本実施の形態では、第２の電極６１は、金箔５１を介して接続部５０と接しているが、金箔５１を介さずに接続部５０と接していても構わない。以上のような構成により、第２の電極６１は、半導体レーザ素子４０の上面である負極と電気的に接続されている。
そして、図１に示すように、第１の電極６０および第２の電極６１には、配線を各電極に固定するためのボルト８０およびボルト８１を取り付けることができる。
なお、図２に示すように、半導体レーザ装置２において、第１の電極６０は、サブマウント３０の側面の一部と直接接しており、第４の領域とは直接接していない。
さらに、図３に示すように、半導体レーザ装置３において、第１の電極６０は、サブマウント３０の上面の第４の領域Ｒ４と直接接しており、サブマウント３０の側面とは直接接していない。
さらに、図４に示すように、半導体レーザ装置４において、第１の電極６０は、サブマウントの上面の第４の領域Ｒ４と配線部材５２を介して電気的に接続されている。配線部材５２は、例えば、銅を材料とした板バネである。
半導体レーザ装置１が、最も高い接続抵抗低下の効果を有する。また、半導体レーザ装置２、半導体レーザ装置３、または半導体レーザ装置４であっても、接続抵抗低下の効果を有する。なお、半導体レーザ装置２、３、４について、半導体レーザ装置１と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態において、「直接接している」状態とは、薄い導電層や薄い導電膜を介して接している状態を含む。「直接接していない」状態とは、導電層や導電膜以外の絶縁性の部材を介して接している状態を含む。
以上のように、本実施の形態の半導体レーザ装置１において、第１の電極６０がサブマウント３０の側面の一部、および、第４の領域Ｒ４の一方または両方と電気的に接続されている。そのため、半導体レーザ装置１は、電流経路の電気抵抗を大幅に低下させ、高出力のレーザ光を出力できる。
次に、本実施の形態の半導体レーザ装置１〜４の製造方法について、図５〜図１４を用いて説明する。ただし、以下の説明における工程の順序は、一例であり、各半導体レーザ装置の製造方法を限定するものではない。
図５〜図１４は、本実施の形態の半導体レーザ装置の製造方法を示す断面図である。なお、図１と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省略する。
図５に示すように、絶縁板２１〜２３を積層し、内部に冷却媒体が通過する流路２４を有するヒートシンク２０を形成する。ヒートシンク２０の上面に銅層１１を形成し、ヒートシンク２０の下面に銅層１０を形成する。銅層１０および銅層１１の形成方法は、例えば、銅フィルムの貼り付けである。なお、銅層１０および銅層１１は必ずしも形成しなくても良い。
次に、図６に示すように、ヒートシンク２０の上面の第１の領域Ｒ１の上に、導電性であるサブマウント３０を設ける（第１の工程）。このとき、銅層１１が形成されていれば、銅層１１を介して、ヒートシンク２０とサブマウント３０とが接合される。
次に、図７に示すように、ヒートシンク２０の上面であって、第１の領域Ｒ１とは異なる第２の領域Ｒ２の上に、導電性である第１の電極６０を設ける（第２の工程）。このとき、銅層１１が形成されていれば、銅層１１を介して、ヒートシンク２０と第１の電極６０とが接合される。このとき、第１の電極６０を、サブマウント３０の側面の一部、および、サブマウント３０の上面である第４の領域Ｒ４と電気的に接続するように設ける。すなわち、第１の電極６０を、サブマウント３０の側面の一部、および、サブマウント３０の上面である第４の領域Ｒ４と直接接するように設ける。
なお、このとき、図８に示すように、第１の電極６０を、サブマウント３０の側面の一部とだけ直接接するように設けると、最終的には、図２の半導体レーザ装置２が製造される。
また、このとき、図９に示すように、第１の電極６０を、サブマウント３０の上面である第４の領域Ｒ４とだけ直接接するように設けると、最終的には、図３の半導体レーザ装置３が製造される。
また、このとき、図１０に示すように、第１の電極６０を、サブマウント３０の上面である第４の領域Ｒ４と、配線部材５２を介して電気的に接続するように設けると、最終的には、図４の半導体レーザ装置４が製造される。
以降は、半導体レーザ装置１を例として説明する。
次に、図１１に示すように、第１の電極６０の上に、絶縁性である絶縁層７０を設ける（第３の工程）。例えば、熱伝導率の高い絶縁シートを第１の電極６０の上に貼り付けることによって、絶縁層７０を設けることができる。
次に、図１２に示すように、サブマウント３０の上面の第３の領域Ｒ３の上に、レーザ光を出力する半導体レーザ素子４０を設ける（第４の工程）。なお半導体レーザ素子４０を設ける前に、第３の領域Ｒ３よりも広い領域に金スズ層３１をあらかじめ蒸着しておいても構わない。
次に、図１３に示すように、半導体レーザ素子４０の上に、導電性である接続部５０を設ける（第５の工程）。例えば、金ワイヤを溶融させることによって、接続部５０を設けることができる。接続部５０の数は、接続部５０の大きさや半導体レーザ素子４０の大きさによって任意に決めることが可能である。
次に、図１４に示すように、絶縁層７０および接続部５０の上に、導電性である第２の電極６１を設ける（第６の工程）。なお、第２の電極６１を設ける前に、金箔５１を接続部５０と第２の電極６１との間に挿入しても構わない。
そして、第１の電極６０および第２の電極６１に、配線を固定するためのボルト８０およびボルト８１を取り付けることにより、図１の半導体レーザ装置１が製造される。
以上のように、本実施の形態の半導体レーザ装置の製造方法によると、第１の電極６０がサブマウント３０の側面の一部、および、第４の領域Ｒ４の一方または両方と電気的に接続されている。そのため、電流経路の電気抵抗を大幅に低下させ、高出力のレーザ光を出力できる半導体レーザ装置１を製造できる。
なお、本実施の形態において、第１の電極６０とサブマウント３０の側面との接続については、サブマウント３０の側面の一部との接続に限らず、サブマウント３０の側面全面との接続であっても構わない。
また、本実施の形態において、各導電部材を互いに接続する際には、薄い導電性の金属層や薄い導電性の金属膜を接着剤として介して各導電部材を接続しても構わない。薄い導電性の金属層や薄い導電性の金属膜を介して接続していれば、接続状態については、「直接接している」という表現を用いる。
本開示の半導体レーザ装置及び半導体レーザ装置の製造方法によれば、半導体レーザ素子に大電流を流すことができるように電流経路の電気抵抗を大幅に低下させ、高出力のレーザ光を出力できる。そのため、本開示の半導体レーザ装置及び半導体レーザ装置の製造方法は産業上有用である。
１，２，３，４ 半導体レーザ装置
１０ 銅層
１１ 銅層（第１の導電層）
２０ ヒートシンク
２１〜２３ 絶縁板
２４ 流路
３０ サブマウント
３１ 金スズ層（第２の導電層）
４０ 半導体レーザ素子
５０ 接続部
５１ 金箔（第３の導電層）
５２ 配線部材
６０ 第１の電極
６１ 第２の電極
７０ 絶縁層
８０，８１ ボルト
９００ レーザダイオード素子
９０１ 上電極
９０２ 絶縁部
９０３ ＬＤチップ
９０４，９０５ サブマウント
９０６ ヒートシンク
９０７ ワイヤ
Ｒ１ 第１の領域
Ｒ２ 第２の領域
Ｒ３ 第３の領域
Ｒ４ 第４の領域
１０ 銅層
１１ 銅層（第１の導電層）
２０ ヒートシンク
２１〜２３ 絶縁板
２４ 流路
３０ サブマウント
３１ 金スズ層（第２の導電層）
４０ 半導体レーザ素子
５０ 接続部
５１ 金箔（第３の導電層）
５２ 配線部材
６０ 第１の電極
６１ 第２の電極
７０ 絶縁層
８０，８１ ボルト
９００ レーザダイオード素子
９０１ 上電極
９０２ 絶縁部
９０３ ＬＤチップ
９０４，９０５ サブマウント
９０６ ヒートシンク
９０７ ワイヤ
Ｒ１ 第１の領域
Ｒ２ 第２の領域
Ｒ３ 第３の領域
Ｒ４ 第４の領域
Claims (9)
- 内部に冷却媒体が通過する流路を有し、絶縁性であるヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上面の第１の領域の上に設けられ、導電性であるサブマウントと、
前記サブマウントが設けられた同一面内であって、少なくとも第２の領域の一部を含む領域に設けられ、導電性である第１の電極と、
前記第１の電極の上に設けられ、絶縁性である絶縁層と、
前記サブマウントの上面の第３の領域の上に設けられ、レーザ光を出力する半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子の上に設けられ、導電性である接続部と、
前記絶縁層および前記接続部の上に設けられ、導電性である第２の電極と、を備え、
前記第１の電極は、少なくとも前記サブマウントの側面の一部、または、前記サブマウントの上面であって、前記第３の領域とは異なる第４の領域と電気的に接続されている半導体レーザ装置。 - 前記ヒートシンクの上面に形成された第１の導電層をさらに備え、
前記第１の電極および前記サブマウントは、前記第１の導電層に直接接している請求項１に記載の半導体レーザ装置。 - 前記サブマウントの上面の前記第３の領域に形成された第２の導電層をさらに備え、
前記半導体レーザ素子は、前記第２の導電層に直接接している請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。 - 前記接続部と前記第２の電極との間に設けられた第３の導電層をさらに備え、
前記接続部および前記第２の電極は、前記第３の導電層と直接接している請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。 - 前記第１の電極は、前記サブマウントの側面の一部、および、前記第４の領域と直接接していることにより、前記サブマウントと電気的に接続されている請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
- 前記第１の電極は、前記サブマウントの側面の一部と直接接していることにより、前記サブマウントと電気的に接続されており、前記第４の領域とは直接接していない請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
- 前記第１の電極は、前記第４の領域と直接接していることにより、前記サブマウントと電気的に接続されており、前記サブマウントの側面とは直接接していない請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
- 前記第１の電極は、前記第４の領域と配線材料を介して電気的に接続されている請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
- 内部に冷却媒体が通過する流路を有し、絶縁性であるヒートシンクの上面の第１の領域の上に、導電性であるサブマウントを設ける第１の工程と、
前記サブマウントが設けられた同一面内であって、少なくとも第２の領域の一部を含む領域に設けられ、導電性である第１の電極を設ける第２の工程と、
前記第１の電極の上に、絶縁性である絶縁層を設ける第３の工程と、
前記サブマウントの上面の第３の領域の上に、レーザ光を出力する半導体レーザ素子を設ける第４の工程と、
前記半導体レーザ素子の上に、導電性である接続部を設ける第５の工程と、
前記絶縁層および前記接続部の上に、導電性である第２の電極を設ける第６の工程と、を備え、
前記第２の工程では、前記第１の電極を、少なくとも前記サブマウントの側面の一部、または、前記サブマウントの上面であって、前記第３の領域とは異なる第４の領域と電気的に接続するように設ける半導体レーザ装置の製造方法。
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