JP7071617B2

JP7071617B2 - 半導体レーザ装置の製造方法

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Publication number: JP7071617B2
Application number: JP2017203393A
Authority: JP
Inventors: 勇人大木; 孝寛大湯
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2017-10-20
Filing date: 2017-10-20
Publication date: 2022-05-19
Anticipated expiration: 2037-10-20
Also published as: JP2019079848A

Description

本発明は、半導体レーザ装置の製造方法に関する。

本技術分野の背景技術として、特開昭５５－３８０６４号公報（特許文献１）がある。この公報には、「絶縁基板上のヒートシンクに半導体レーザを固着し、該半導体レーザの端面からの距離を一定にすると共に、該端面と平行になるように、前記ヒートシンクに対してスペーサを介して透明窓を配置し、該透明窓とキャップとにより前記半導体レーザを封止し、前記透明窓に透明接着剤によりレンズを固着したことを特徴とする半導体発光装置」が記載されている。

特開昭５５－３８０６４号公報

前記特許文献１が開示した半導体発光装置においては、レンズが透明接着剤によって透明窓に固着される。そのような半導体発光装置では、接着剤の厚さのばらつきにより、固着されたレンズの光軸が傾いてしまうことがある。なお、接着剤の界面反射による光のロスが発生する。

本発明は、レンズ用接着剤の影響を受けない半導体レーザ装置の製造方法を提供することを目的とする。

前記した課題を解決するために、本発明の一実施形態にかかる半導体レーザ装置の製造方法は、半導体レーザ素子の前方に対応する位置に開口部を有するキャップ、及び前記開口部に設けられ前記半導体レーザ素子のレーザビームを透過させる無機材料の透光性板、を用いて、前記半導体レーザ素子を気密封止する封止ステップと、前記半導体レーザ素子のレーザビームの光軸に合わせて、超短パルスレーザによって前記透光性板を加工してレンズを形成するレンズ形成ステップと、をこの順に含む。

本発明によれば、レンズ用接着剤の影響を受けない半導体レーザ装置の製造方法を提供することができる。

また、上述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。

本発明の一実施形態にかかる半導体レーザ装置の製造方法におけるステップを示す模式図である。図１に示した製造方法によって製造した半導体レーザ装置の一例の模式図である。本発明の他の実施形態にかかる半導体レーザ装置の製造方法におけるステップを示す模式図である。本発明の他の実施形態にかかる半導体レーザ装置の製造方法におけるステップを示す模式図である。本発明において用いる半導体レーザ素子の一例を示す模式図である。本発明において用いる半導体レーザ素子の他の例を示す模式図である。変形したレーザダイオードバーを光軸方向から見た場合の模式図である。本発明の他の実施形態において用いるキャップ及び透光性板を示す模式図である。

以下、図面に基づき発明の実施形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態にかかる半導体レーザ装置の製造方法におけるステップを示す模式図である。図１は三つの図面を含み、矢印で示したように製造プロセスが上の図面から下の図面へ進むものとする。本実施形態の製造方法は、半導体レーザ素子を気密封止する封止ステップと、レンズを形成するレンズ形成ステップと、を含む。

封止ステップにおいて、キャップ１１０及び透光性板１１２を用いて半導体レーザ素子１０６を気密封止する。気密封止の一例を具体的に説明すると、図１の上方の図面に示したように、封止ステップの前に、基板１０２上に配置されたサブマウント１０４に半導体レーザ素子１０６を接合する。透光性板１１２は、無機材料によって形成されたものが好ましい。例えばガラス、石英、サファイア、フッ化カルシウム等を用いることができる。

半導体レーザ素子１０６としては、レーザ光を発振することができるものであれば、特に制限なく使用することができる。例えば、３００ｎｍ～５００ｎｍ、好ましくは４００ｎｍ～４７０ｎｍ、より好ましくは４２０ｎｍ～４７０ｎｍに発光ピーク波長を有するものを用いることができる。典型的には、端面発光型の半導体レーザ素子を使用することができる。

サブマウント１０４は、半導体レーザ素子１０６の放熱のために熱伝導性の高い材料によって形成されていることが好ましい。具体的には、ＡｌＮ、ＣｕＷ、ダイヤモンド、ＳｉＣ、セラミックス等が挙げられる。なかでも、サブマウント１０４は、単結晶のＡｌＮ又はＳｉＣからなるものが好ましい。一方、半導体レーザ素子１０６の前方に対応する位置に開口部１１０ａを有するキャップ１１０を用意して、嵌め込み又は接合などの方法によって開口部１１０ａに透光性板１１２を固着させる。その後、図１の中央の図面に示したように、一体となったキャップ１１０及び透光性板１１２を用いて半導体レーザ素子１０６を気密封止する。

ここで、「半導体レーザ素子の前方に対応する位置に開口部を有する」とは、気密封止した後、キャップ１１０の開口部１１０ａがちょうど半導体レーザ素子１０６の前方に位置するように、キャップ１１０に開口部１１０ａが設けられることをいう。透光性板１１２は半導体レーザ素子１０６のレーザビームを透過させることができる。

レンズ形成ステップにおいて、図１の下方の図面に示したように、半導体レーザ素子１０６の光軸に合わせて、加工用レーザ１２０によって透光性板１１２を加工してレンズを形成する。このレンズ形成ステップは封止ステップの後に行う。「半導体レーザ素子の光軸に合わせて」とは、形成するレンズの光軸が半導体レーザ素子（例えば、レーザダイオード）の光出射部から出射するレーザビームの光軸に合うように、加工用レーザによって透光性板１１２を加工してレンズを形成することをいう。本明細書において、レーザダイオードを「ＬＤ」ともいう。なお、半導体レーザ素子の光軸を「ＬＤの光軸」又は「光出射部の光軸」ともいう。

光軸合わせの方法としては、例えば、レーザプロファイラを用いて、半導体レーザ素子１０６が出射するレーザビームの強度プロファイルをとり、その強度プロファイルの中心位置から半導体レーザ素子１０６の光出射部の位置を特定して光軸を合わせることができる。なお、ＣＣＤカメラを用いて、透光性板１１２越しに半導体レーザ素子１０６の光出射部の位置を特定して、光軸を合わせることもできる。

加工用レーザ１２０として、超短パルスレーザ、具体的には、パルスの幅（時間幅）が数ピコ秒以下のレーザを利用する。例えば、波長が１０６４ｎｍ、パルス幅が５００フェムト秒、パルスエネルギーが５μＪのレーザを利用して、アブレーション加工によって、透光性板１１２を加工してレンズを形成する。また、他の例として、波長が５３２ｎｍ、パルス幅が５００フェムト秒、パルスエネルギーが５０μＪのレーザを利用して、フィラメンテーション加工によって、透光性板１１２を加工してレンズを形成する。

図２は図１に示した製造方法によって製造された半導体レーザ装置の一例の模式図である。すなわち、図１に示した製造方法によって、半導体レーザ装置１００が得られる。レンズ形成ステップにおいて、透光性板１１２を加工して形成したレンズ２１２は、例えば、球面レンズであってもよく、フレネルレンズであってもよい。

本実施形態の製造方法において、半導体レーザ素子１０６の前方にレンズ２１２を設けるために接着剤を使用する必要がないので、接着剤の厚さのばらつきによるレンズ光軸の傾きが発生しない。また、接着剤の界面反射による光のロスが発生しない。接着剤による屈折がないので、半導体レーザ装置の光学系が設計しやすい。更に、接着剤がレーザ（特に短波長レーザ）のエネルギーを吸収して劣化、変形乃至脱落することは発生しない。

なお、本実施形態の製造方法において、半導体レーザ素子１０６の光軸に合わせて、加工用レーザ１２０によって透光性板１１２を加工してレンズ２１２を形成するので、精度よく半導体レーザ素子１０６の光軸とレンズ２１２の光軸を合わせることができる。これにより、半導体レーザ素子１０６から出射したレーザビームが、レンズ２１２を通過したとき、レンズ２１２の光軸からずれて、傾斜して伝播することはない。

加工用レーザ１２０の加工位置を調整することによって、半導体レーザ素子１０６の光軸方向におけるレンズ２１２の位置を調整することもできるので、レンズ２１２の焦点の位置を調整することができる。よって、封止ステップで設定した透光性板１１２の位置が予定の位置からずれた場合、レンズ形成ステップにおいて、形成するレンズ２１２の位置を調整することによって補正することができる。

図３及び図４は、本発明の他の実施形態にかかる半導体レーザ装置の製造方法におけるステップを示す模式図である。図３及び図４に示した実施形態は、図１に示した実施形態の変形であり、図１に示した実施形態に比べて、封止ステップにおける詳細なプロセスが若干異なる。したがって、図３及び図４の実施形態において、図１の実施形態と同じ機能を有する部材、部分、要素については、図１と同じ符号を付しており、且つその説明を省略する。

図３に示した実施形態では、上方の図面に示したように、まず半導体レーザ素子１０６の前方に対応する位置に開口部１１０ａを有するキャップ１１０を基板１０２に接合する。その後、中央の図面に示したように、透光性板１１２をキャップ１１０の開口部１１０ａに接合して、キャップ１１０及び透光性板１１２を用いて半導体レーザ素子１０６を気密封止する。更に、下方の図面に示したように、半導体レーザ素子１０６の光軸に合わせて、加工用レーザ１２０によって透光性板１１２を加工してレンズを形成する。

図４に示した実施形態では、上方の図面に示したように、まず透光性板１１２を半導体レーザ素子１０６の前方に立てて、接着剤などによってそれを基板１０２に接合する。その後、中央の図面に示したように、透光性板１１２に対応する位置に開口部１１０ａを有するキャップ１１０を基板１０２及び透光性板１１２に接合することによって、キャップ１１０及び透光性板１１２を用いて半導体レーザ素子１０６を気密封止する。更に、下方の図面に示したように、半導体レーザ素子１０６の光軸に合わせて、加工用レーザ１２０によって透光性板１１２を加工してレンズを形成する。図３及び図４に示した実施形態は、図１に示した実施形態と同様の効果を有する。

図５は本発明において用いる半導体レーザ素子の一例を示す模式図である。図５に示したように、半導体レーザ素子１０６は、単一のＬＤであってよい。この場合、半導体レーザ素子１０６の一方の端面に一つの光出射部５０２があり、そこから二点鎖線で示したようにレーザビーム５０６を出射することができる。本明細書において、レーザビームを出射する方向を半導体レーザ素子の前方とする。半導体レーザ素子１０６はサブマウント１０４上に配置されていることが好ましい。

図６は本発明において用いる半導体レーザ素子の他の例を示す模式図である。図６に示したように、半導体レーザ素子１０６は、複数のレーザダイオードが横一列に配列されたレーザダイオードバー（以下、「ＬＤバー」ともいう）であってもよい。この場合、半導体レーザ素子１０６の一方の端面に、レーザダイオードの数に対応する複数の光出射部５０２があり、それぞれの光出射部５０２から二点鎖線で示したようにレーザビーム５０６を出射することができる。半導体レーザ素子１０６がＬＤバーである場合、本発明の半導体レーザ装置の製造方法のレンズ形成ステップにおいて、当該ＬＤバーにおける各レーザダイオードの光軸に合わせて、超短パルスレーザによって透光性板１１２を加工して、それぞれのレーザダイオードに対応するレンズを形成する。ＬＤバーはサブマウント１０４上に配置されていることが好ましい。

図７は変形したＬＤバーを光軸方向から見た場合の模式図である。半導体レーザ素子１０６は、ヒートシンクを兼ねたサブマウント１０４の上に半田等の接合材７０２を使用して接合される。半導体レーザ素子１０６がＬＤバーであるとき、そのＬＤバーの各光出射部５０２の高さは、一定になるのが理想であるが、実際には接合の均一性、加熱・冷却に伴う熱変形等の影響によって、各光出射部５０２の高さに数ミクロンレベルのばらつきが発生することがある。図７に示したように、ＬＤバーの中央部の光出射部５０２の高さが最も高く、両端部の光出射部５０２の高さが最も低い「スマイル」と呼ばれる変形が代表的な例である。

このようなスマイル変形を有するＬＤバーに対して、もしそのＬＤバーの中の一つの光出射部５０２の光軸の高さに合わせて、各レーザダイオードに対応する各レンズを全て同じ高さに設けると、光軸の高さが合うレンズを除き、殆どのレンズが対応する光出射部５０２の光軸からずれてしまう。そのようなレンズを通過したレーザビームは、レンズの光軸からずれて、傾斜して伝播することになる。

本発明の製造方法は、当該ＬＤバーにおける各レーザダイオードの光軸に合わせて、超短パルスレーザによって透光性板１１２を加工して、それぞれのレーザダイオードに対応するレンズを形成するので、光軸ずれによるレーザビームの傾斜を防ぐことができる。

図８は本発明の他の実施形態において用いるキャップ及び透光性板を示す模式図である。この実施形態は、図１に示した実施形態の変形である。したがって、図１の実施形態と同じ機能を有する部材、部分、要素については、図１と同じ符号を付しており、且つその説明を省略する。なお、各ステップにおける図１の実施形態と同じ特徴については、図１を参照し、その説明を省略する。

この実施形態のレンズ形成ステップにおいて、使用する加工用レーザ１２０（超短パルスレーザ）の波長が半導体レーザ素子１０６のレーザビーム５０６の波長と異なる。なお、封止ステップにおいて用いる透光性板１１２は、裏面、すなわち加工用レーザ１２０が入射する面とは反対側の面に加工用レーザ１２０と同じ波長の光を反射する反射膜８１２がコーティングされている。

例えば、半導体レーザ素子１０６が３８０～８００ｎｍ範囲内の波長のレーザビームを出射するＬＤである場合、加工用レーザ１２０として、波長が１０６４ｎｍである超短パルスレーザを使用する。この場合、１０６４ｎｍの波長の光を反射する反射膜８１２が裏面にコーティングされた透光性板１１２及びキャップ１１０を用いて、半導体レーザ素子１０６を気密封止する。

なお、半導体レーザ素子１０６が８００ｎｍより長い波長のレーザビームを出射するＬＤである場合、加工用レーザ１２０として、波長が５３２ｎｍである超短パルスレーザを使用する。この場合、５３２ｎｍの波長の光を反射する反射膜８１２が裏面にコーティングされた透光性板１１２及びキャップ１１０を用いて、半導体レーザ素子１０６を気密封止する。反射膜８１２として、例えば、スパッタ、蒸着などの方法によって、透光性板１１２の裏面に誘電体多層膜をコーティングして形成することができる。

反射膜８１２が加工用レーザ１２０を反射することができるので、加工用レーザ１２０によって透光性板１１２を加工してレンズを形成する過程において、加工用レーザ１２０が半導体レーザ素子１０６に照射して、半導体レーザ素子１０６に損傷を与えることを防ぐことができる。一方、反射膜８１２は、半導体レーザ素子１０６から出射するレーザビーム５０６を反射しないので、半導体レーザ装置１００の使用の支障にはならない。

なお、図８の実施形態の変形として、反射膜８１２の代わりに、透光性板の裏面にバンドパスフィルタを設けてもよい。具体的にいうと、レンズ形成ステップにおいて、使用する加工用レーザ１２０（超短パルスレーザ）の波長が半導体レーザ素子１０６のレーザビーム５０６の波長と異なる。なお、封止ステップにおいて用いる透光性板１１２は、裏面に半導体レーザ素子１０６のレーザビーム５０６を透過させ加工用レーザ１２０のビームを遮断するバンドパスフィルタが設けられている。バンドパスフィルタとして、例えば、スパッタ、蒸着などの方法によって、透光性板１１２の裏面に誘電体多層膜をコーティングして形成することができる。

バンドパスフィルタが加工用レーザ１２０を遮断することができるので、加工用レーザ１２０によって透光性板１１２を加工してレンズを形成する過程において、加工用レーザ１２０が半導体レーザ素子１０６に照射して、半導体レーザ素子１０６に損傷を与えることを防ぐことができる。一方、バンドパスフィルタは、半導体レーザ素子１０６から出射するレーザビーム５０６を透過させるので、半導体レーザ装置１００の使用の支障にはならない。

言うまでもなく、上述した反射膜又はバンドパスフィルタは、図３及び図４に示した実施形態における透光性板１１２の裏面に設けることもできる。なお、上述した実施形態の図面に示した透光性板１１２は、厚さ方向に段差のある透光性板を例として挙げたが、厚さが均等である平板状の透光性板であってもよい。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・置換をすることも可能である。

１００半導体レーザ装置
１０２基板
１０４サブマウント
１０６半導体レーザ素子
１１０キャップ
１１０ａ開口部
１１２透光性板
１２０加工用レーザ
２１２レンズ
５０２光出射部
５０６レーザビーム
７０２接合材
８１２反射膜

Claims

半導体レーザ装置の製造方法であって、
半導体レーザ素子の前方に対応する位置に開口部を有するキャップ、及び前記開口部に設けられ前記半導体レーザ素子のレーザビームを透過させる無機材料の透光性板、を用いて、前記半導体レーザ素子を気密封止する封止ステップと、
前記半導体レーザ素子の光軸に合わせて、超短パルスレーザによって前記透光性板を加工してレンズを形成するレンズ形成ステップと、
をこの順に含み、
前記レンズ形成ステップにおいて、使用する前記超短パルスレーザの波長が前記半導体レーザ素子のレーザビームの波長と異なり、
前記封止ステップにおいて用いる前記透光性板は、裏面に前記超短パルスレーザと同じ波長の光を反射する反射膜がコーティングされた透光性板である
ことを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
半導体レーザ装置の製造方法であって、
半導体レーザ素子の前方に対応する位置に開口部を有するキャップ、及び前記開口部に設けられ前記半導体レーザ素子のレーザビームを透過させる無機材料の透光性板、を用いて、前記半導体レーザ素子を気密封止する封止ステップと、
前記半導体レーザ素子の光軸に合わせて、超短パルスレーザによって前記透光性板を加工してレンズを形成するレンズ形成ステップと、
をこの順に含み、
前記レンズ形成ステップにおいて、使用する前記超短パルスレーザの波長が前記半導体レーザ素子のレーザビームの波長と異なり、
前記封止ステップにおいて用いる前記透光性板は、前記半導体レーザ素子のレーザビームを透過させ前記超短パルスレーザのビームを遮断するバンドパスフィルタが裏面に設けられた透光性板である
ことを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置の製造方法において、
前記半導体レーザ素子は、レーザダイオードバーであり、
前記レンズ形成ステップにおいて、前記レーザダイオードバーにおける各レーザダイオードの光軸に合わせて、前記透光性板を加工して、それぞれの前記レーザダイオードに対応する前記レンズを形成する
ことを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
請求項１から３の何れか一項に記載の半導体レーザ装置の製造方法において、
前記レンズ形成ステップにおいて、前記透光性板を加工して形成する前記レンズはフレネルレンズである
ことを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
請求項１から４の何れか一項に記載の半導体レーザ装置の製造方法において、
前記レンズ形成ステップは、レーザプロファイラを用いて前記半導体レーザ素子が射出
するレーザビームの強度プロファイルをとり、前記強度プロファイルの中心位置から前記
半導体レーザ素子の光出射部の位置を特定する
ことを含む半導体レーザ装置の製造方法。