JPH07263788A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体レーザ素子内の内部応力が少ない、長
寿命高信頼性を有する高出力半導体レーザ装置を提供す
る。 【構成】 ヒートシンク上にバリア層を形成するととと
もに、低融点ハンダ材にて半導体レーザ素子をヒートシ
ンクのバリア層上に接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザ装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】光通信、光計測、光情報処理システム等
において用いられる半導体レーザ装置では高出力のレー
ザ発振できるものが要求される。また、波長変換、溶接
加工などの分野ではさらに超高出力のレーザ発振できる
ものが要求される。

【０００３】このような分野で用いられる半導体レーザ
装置用の半導体レーザ素子としては、ＧａＡｓなどの化
合物半導体をベースにしたものが一般的に用いられてい
るが、レーザ出力を増すために半導体レーザ素子に電流
を多く流す必要がある。ところが素子に流す電流を増加
すると発生する熱により素子の温度が上昇してしまう。
発熱により素子の温度が変動すると、出力波長の変動な
どの不都合が生じることから従来より素子をヒートシン
クにマウントすることがなされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】半導体レーザ素子をヒ
ートシンク上にマウントする場合に注意を要する。すな
わち、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｉなどのハンダ材を用いて
レーザ素子を直接ヒートシンク上にマウントしようとす
ると、素子内部には１０8 〜１０9 dyn/cm2 程度の応力
が発生してしまうことになる。

【０００５】この応力は、ＧａＡｓなどのレーザ素子材
料の熱膨張係数が一般の金属に比して小さい為、高温下
でのマウント後の冷却時に応力が発生するものと考えら
れる。この程度の応力がレーザ素子の結晶内に存在する
と、高速度の非発光再結合が発生する領域である、いわ
ゆるダークラインディフェクト（ＤＬＤ）が通電過程に
おいて発生するようになる。

【０００６】ＤＬＤは、結晶欠陥等を核として成長する
転位網であり、ＤＬＤが半導体レーザ素子の活性層にま
で成長すると光吸収体となる。そして活性層にまで達し
たＤＬＤはレーザ発振しきい値の増加を招き、ついには
発振停止に至る。つまり、ＤＬＤが存在するとレーザ素
子として短寿命、低信頼性という不具合が生じてしま
う。

【０００７】このようなことから、レーザ素子内部に発
生する応力を低減するために、ヒートシンクとレーザ素
子との間において、熱膨張係数ができるだけレーザ素子
に近い値を有する金属（合金）サブマウントを介在させ
る方法が用いられている。このサブマウントを用いた方
式で従来からなされている半導体レーザ装置を図２に示
す。

【０００８】図において１１はＧａＡｓなどからなる半
導体レーザ素子、１２は半導体レーザ素子に近い熱膨張
係数を有する材料からなるサブマウント、１３は銅など
の一般金属からなるヒートシンクである。サブマウント
１２に用いる材料は、レーザ素子の熱膨張係数に応じて
選択するのであるが、一般的にはｃ−ＢＮ、ダイヤモン
ド、Ｓｉ材などが用いられる。

【０００９】サブマウント１２の表面にはＡｕ等の金属
が電気伝導性を確保する為に蒸着あるいはメッキされて
いる。そして、蒸着等が施されたサブマウント１２の一
方の面が半導体レーザ素子１１にハンダ付けされ、他方
の面がヒートシンク１３にロウ材などで接合される。

【００１０】このようなサブマウントを用いて形成され
た半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子をヒートシ
ンクに接合する際に加熱したとしても膨張係数が同程度
であることから歪が生じず、その結果半導体レーザ素子
内に発生する応力を小さくできるという利点を有するの
であるが、その一方、サブマウントを用いて半導体レー
ザをヒートシンクに接続することから、その製造プロセ
ス工程が増加することなり、製作に手間がかかるととも
に、工数増加またはサブマウント（たとえばダイヤモン
ドなどを使用するので）の原価が加算されることによる
高価格化が問題となる。

【００１１】さらに、サブマウント層を設けることによ
り、半導体レーザ素子とヒートシンクとは直接には接触
しなくなることから冷却効率は直接接触するものに比べ
て劣り、高出力レーザではこの冷却効率の劣化による温
度上昇が問題となるおそれがある。

【００１２】本願発明はこのような問題を解決するため
になされたものであり、簡単な製作工程で製作でき、し
かも製作時にレーザ内に発生する内部応力が少ないこと
から長寿命で高信頼性を有し、さらには冷却効率が優れ
た半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
になされた本発明の半導体レーザ装置は、ヒートシンク
上に半導体レーザ素子を接触させた半導体レーザ装置で
あって、ヒートシンクと半導体レーザ素子との間にはヒ
ートシンクの金属が半導体レーザ素子へ拡散するのを防
止するバリア層が設けられ、半導体レーザ素子が低融点
ハンダにてバリア層上に接合されたことを特徴とする。

【００１４】以下、本発明の半導体レーザ装置がどのよ
うに作用するかを説明する。

【００１５】

【作用】本発明の半導体レーザ装置では、蒸着などの簡
単な方法で拡散バリア層が表面に形成されたヒートシン
クを用い、これに低融点ハンダ材にて半導体レーザ素子
を直接接合する。低融点ハンダは融点が低いとともに剛
性が低い性質を有するので、半導体レーザ素子をヒート
シンクに接合する際、低い温度で接合できることから熱
膨張係数が異なるヒートシンク金属と半導体レーザ素子
とを接合しても歪量が小さく内部応力の発生が抑えら
れ、しかも発生する歪は剛性の小さい低融点ハンダ層が
吸収するのでさらに応力が発生しなくなる。

【００１６】一方、サブマウントを用いたときには問題
とならなかったヒートシンクを構成する金属原子の半導
体レーザ素子への拡散現象が、本発明のように半導体レ
ーザ素子を直接ヒートシンクに接合するものでは新たな
問題となる。

【００１７】これに対し、バリア層をヒートシンク表面
に形成するようにしたのでヒートシンク金属の半導体レ
ーザ素子への拡散を有効に防止できる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を用いて説明す
る。図１は本発明による一実施例を示した半導体レーザ
装置を示す図である。

【００１９】図において、１は半導体レーザ素子、２は
ｎ側電極、３はｐ側電極、４は低融点ハンダ層、５はバ
リア層、６はヒートシンクである。

【００２０】半導体レーザ素子１としては、よく知られ
ているＧａＡｓ基板にＡｌＧａＡｓ層やＧａＡｓ層を積
層して製造したものが用いられる。

【００２１】ｎ側電極２にはＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ電
極が、ｐ側電極３にはＴｉ／ＰｔあるいはＴｉ／Ｐｔ／
Ａｕ電極が用いられる。Ｔｉ／Ｐｔはノンアロイコンタ
クト電極であり、後述する接合時の温度（２００℃程
度）ではほぼそのままの構造を保ち、ＩｎやＳｎの拡散
が起こりにくい特性を有する。また、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ
電極ではＡｕにより抵抗率の低減が図られるとともにＡ
ｕの拡散についてはＰｔにより防止される。

【００２２】ヒートシンク６にはＣｕあるいはＣｕ／Ｗ
材が用いられる。ヒートシンク６の半導体レーザ素子１
が接合される側の面には、バリア層５としてＮｉ層が蒸
着されている。このバリア層５はヒートシンク６のＣｕ
原子などが半導体レーザ素子１内に拡散するのを防止す
るために設けてある。すなわち、半導体レーザ素子１を
ヒートシンク６にハンダ付けする際に加熱されるが、こ
のときＣｕ原子が熱拡散して半導体レーザ素子１内に侵
入すると不純物準位を形成することとなって、レーザ出
力の劣化を招いてしまう。また、半導体レーザ素子を駆
動させるために電流を流した際にもＣｕの拡散が発生す
る。このようなＣｕ原子の拡散を防ぐために拡散防止効
果を有するバリア層を設けてある。バリア層６として
は、ヒートシンク６のＣｕと直接反応しない金属を用
い、たとえばＮｉ層を設けることでＣｕの拡散を有効に
防止できる。また、Ｎｉ以外にＷ、Ｍｏなどがバリア層
６の材料として有効である。

【００２３】半導体レーザ素子１をヒートシンク６に接
合する際の低融点ハンダ層４としてはＩｎまたはＳｎま
たはこれらの合金が用いられる。これらの材料を蒸着ま
たはめっき等の方法によりヒートシンク６表面のバリア
層５上に形成し、ヒートシンク６を２００℃程度に加熱
することで低融点ハンダ層５を融解させた後、半導体レ
ーザ素子１をヒートシンク６に押しつけてそのまま冷却
する。そして低融点ハンダ層５の融点以下まで冷却する
と、半導体レーザ素子１はヒートシンク６に接合され
る。このようにすることで、２００℃程度の低温で半導
体レーザ素子１がヒートシンク６に接合されるので、加
熱によって生じる膨張量が大きくなく、また、低融点ハ
ンダ層５の剛性が小さいことからヒートシンク６と半導
体レーザ素子１との膨張係数の差によってたとえ歪が生
じようとしてもこの低融点ハンダ層５が発生した歪に対
する緩衝層として働くことから、歪の発生が防止され、
半導体レーザ素子１内の内部応力は小さくなる。

【００２４】本実施例の構成を有する半導体レーザ装置
で実際に高出力でレーザ発振したときのヒートシンクに
よる冷却効率を測定した。このときの半導体レーザ装置
の半導体レーザ素子として、活性層に単一量子井戸分離
閉込型光ガイド層を持つものを使った。この結果、１０
０ｍＷ程度の高出力動作では、半導体レーザ素子を直接
ヒートシンクに接合することにより半導体レーザ素子温
度はほとんど温度上昇しなかった。また、１０００ｍＷ
程度の超高出力動作を行ったときの温度上昇は数度程度
に抑えることができ、実用上何等の問題もない程度の温
度上昇しか生じないことがわかった。

【００２５】

【発明の効果】以上、説明したように本発明の半導体レ
ーザ装置では、半導体レーザ素子内に大きな内部応力を
生じることなく半導体レーザ素子をヒートシンクに接合
できるので、高出力レーザの長寿命化、高信頼性を図る
ことができる。

【００２６】また、半導体レーザ層を直接ヒートシンク
に接触することができるので放熱性がよくなり、高出力
状態での温度上昇を確実に抑えることができる。

【００２７】さらに、半導体レーザ素子をＣｕヒートシ
ンクに直接接合することによって半導体レーザ素子とヒ
ートシンクとの界面での電流密度が低下し、Ｉｎ、Ｓｎ
のウィスカ（ヒゲ状に成長した金属）の発生が抑制され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である半導体レーザ装置を示
す図。

【図２】従来の半導体レーザ装置を示す図。

【符号の説明】

１：半導体レーザ素子 ２：ｎ側電極 ３：ｐ側電極 ４：低融点ハンダ層 ５：バリア層 ６：ヒートシンク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 裕 京都府京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会社島津製作所三条工場内 (72)発明者 樫原 稔 京都府京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会社島津製作所三条工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ヒートシンク上に半導体レーザ素子を接触
   させた半導体レーザ装置であって、ヒートシンクと半導
   体レーザ素子との間にはヒートシンクの金属が半導体レ
   ーザ素子へ拡散するのを防止するバリア層が設けられ、
   半導体レーザ素子が低融点ハンダにてバリア層上に接合
   されたことを特徴とする半導体レーザ装置。