WO2016158068A1 - 半導体レーザ装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

　半導体レーザ素子及びサブマウントに生じる反りを従来よりもさらに抑制した半導体レーザ装置を実現することを目的とする。　半導体レーザ装置は、サブマウントと、サブマウントの対向する二面上にそれぞれ形成された材料層と、一方の材料層の上層に形成されたハンダ層と、ハンダ層の上層に形成された半導体レーザ素子とを備える。サブマウントと半導体レーザ素子とが対向する対向領域は、サブマウントの面に直交する第一方向に関して、材料層及びハンダ層の双方を含む第一領域と、材料層又はハンダ層の一方を含むか、又は双方を含まない第二領域とを有する。

Description

半導体レーザ装置及びその製造方法

　本発明は半導体レーザ装置及びその製造方法に関する。

　半導体レーザ素子を備える半導体レーザ装置においては、駆動時に大きな熱が発生する。この発熱による温度変化によって、半導体レーザ素子の発振波長や発光強度が変化する。そのため、半導体レーザ素子の駆動時に生じる熱をいかに効率的に排出するかが重要である。

　このような観点から、従来、半導体レーザ素子で発生する熱を効率的に排出するために熱伝導性の高い材料を用いてサブマウントを形成し、サブマウント上に半導体レーザ素子を形成することで発生した熱を排出する技術が提案されている。本技術では、サブマウントと半導体レーザ素子との間にハンダ層を形成し、ハンダ層を加熱して溶融後、冷却して固化させることでサブマウントと半導体レーザ素子とを接合する。

　サブマウントとして利用される熱伝導性の高い材料としては、Ｃｕ、Ｃｕ－Ｗ合金があり、これらはいずれも熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋを超える値を示す。しかし、これらの材料の線膨張係数は、半導体レーザ素子の構成材料の線膨張係数と整合しないという問題点がある。例えば、半導体レーザ素子として一般的に用いられるＧａＡｓ基板の線膨張係数は、６．６×１０^－６／Ｋである。これに対し、サブマウントの材料として前述したＣｕ、Ｃｕ－Ｗ合金（Ｃｕ２０％）の線膨張係数は、それぞれ１８×１０^－６／Ｋ、８．３×１０^－６／Ｋであり、いずれもＧａＡｓの線膨張係数と比べてその値は大きい。

　サブマウント上に、このサブマウントと線膨張係数の値が大きく異なる材料で構成された半導体レーザ素子を接合すると、加熱／冷却過程を経て半導体レーザ素子に対して応力が生じてしまい、半導体レーザ素子に反りが生じて半導体レーザ素子の特性を損なうおそれがある。より具体的には、半導体レーザ素子に生じる反りに起因して共振に寄与されない光が出現することとなり、共振効率が悪化してしまう。その結果、レーザ光の出力強度が低下するという問題がある。なお、Ｃｕ－Ｗ合金は、Ｃｕに比べると線膨張係数がＧａＡｓに近い値を示し、例えばＣｕ１０％のＣｕ－Ｗ合金は線膨張係数が６．４×１０^－６／Ｋである。しかし、Ｃｕ－Ｗ合金は比較的高価であるため、この材料でサブマウントを構成すると、半導体レーザ装置の製造コストが極めて高騰してしまう。

　かかる課題を受け、特許文献１には、サブマウントの材料としてＣｕ－Ｗ合金を用いずに、それよりも安価なＡｌＮを用いながら、接合後における半導体レーザ素子の反りを抑制する技術が開示されている。より具体的には、サブマウントをＡｌＮで構成し、そのサブマウントの主面及び裏面にＣｕメッキからなる被覆層を所定の厚さで形成している。これにより、サブマウント全体の線膨張係数を半導体レーザ素子の線膨張係数とほぼ等しくすることができるため、サブマウントと接合後における半導体レーザ素子の反りを低減できるとしている。なお特許文献１の技術では、サブマウントの主面に形成された被覆層の上面にＡｕ－Ｓｎハンダから成るハンダ層を形成し、半導体レーザ素子と被覆層が形成されたサブマウントとを接合している。

特許第５０７５１６５号公報

　しかしながら、本発明者の鋭意研究によれば、特許文献１に開示された方法でサブマウントを構成しても、半導体レーザ素子の反りを十分に抑制することはできず、依然として反りが生じること分かった。さらには、半導体レーザ素子だけでなく、サブマウントまでも半導体レーザ素子と一体に反ってしまうことが分かった。

　本発明は、半導体レーザ素子及びサブマウントに生じる反りを従来よりもさらに抑制した半導体レーザ装置を実現することを目的とする。

　かかる考察の下、本発明の半導体レーザ装置は、
　サブマウントと、
　前記サブマウントの対向する二面上にそれぞれ形成された材料層と、
　一方の前記材料層の上層に形成されたハンダ層と、
　前記ハンダ層の上層に形成された半導体レーザ素子とを備え、
　前記サブマウントと前記半導体レーザ素子とが対向する対向領域は、前記サブマウントの面に直交する第一方向に関して、前記材料層及び前記ハンダ層の双方を含む第一領域と、前記材料層又は前記ハンダ層の一方を含むか、又は双方を含まない第二領域とを有することを特徴とする。

　上記構成によれば、半導体レーザ素子及びサブマウントに生じる反りを抑制することができる。

　また、上記構成において、
　前記半導体レーザ素子は、前記第一方向に関して、前記第一方向に直交する第二方向の長さが、前記第一方向及び前記第二方向に直交する第三方向の長さよりも長い形状であり、
　前記第二領域は、前記第一方向に関して、前記第三方向の長さが、前記第二方向の長さより長い形状であるものとしても構わない。

　この半導体素子は、言い換えれば、第二方向を長手方向とし、第三方向を短手方向とする形状を示し、例えばレーザ光を射出するエミッタが長手方向（第二方向）に複数配置されて構成されるような、いわゆるアレイ型の半導体素子に対応する。この場合において、上記の構成によれば、対向領域に含まれる第二領域は、第一方向、すなわちサブマウントの面に直交する方向に関して、短手方向が長手方向よりも長い形状を示す。上記構成によれば、アレイ型の半導体レーザ素子において、半導体レーザ素子及びサブマウントに生じる反りを抑制することができる。

　また、上記構成において、
　前記第一方向に関して、前記第二領域は、前記第一領域に比べて、前記第三方向の長さが短いものとしても構わない。

　また、上記構成において、
　前記材料層は、
　　前記半導体レーザ素子が前記サブマウントよりも線膨張係数の大きい材料で構成されている場合には、前記サブマウントよりも線膨張係数の大きい材料で構成され、
　　前記半導体レーザ素子が前記サブマウントよりも線膨張係数の小さい材料で構成されている場合には、前記サブマウントよりも線膨張係数の小さい材料で構成されているものとしても構わない。

　上記構成により、半導体レーザ素子がサブマウントよりも線膨張係数の大きい材料で構成されている場合には、材料層を形成することによってサブマウント全体の線膨張係数を形成前に比べて大きくすることができる。また、半導体レーザ素子がサブマウントよりも線膨張係数の小さい材料で構成されている場合には、材料層を形成することによってサブマウント全体の線膨張係数を形成前に比べて小さくすることができる。これにより、サブマウント全体の線膨張係数を半導体レーザ素子の線膨張係数に近づけることができる。

　また、本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、
　サブマウントを準備する工程（ａ）と、
　前記サブマウントの対向する二面上のそれぞれに材料層を形成する工程（ｂ）と、
　一方の前記材料層の上層にハンダ層を形成する工程（ｃ）と、
　前記ハンダ層を加熱して溶融後、冷却して固化させることで、前記ハンダ層の上層に半導体レーザ素子を形成する工程（ｄ）とを備え、
　前記工程（ｂ）及び（ｃ）は、前記サブマウントの面に直交する第一方向に関して、前記材料層及び前記ハンダ層の双方を含む第一領域と、前記材料層又は前記ハンダ層の一方を含むか、又は双方を含まない第二領域とを有するように前記材料層及び前記ハンダ層を形成する工程であり、
　前記工程（ｄ）は、前記第一領域及び前記第二領域の双方にまたがるように前記半導体レーザ素子を形成する工程を含むことを特徴とする。

　上記方法によれば、半導体レーザ素子及びサブマウントに生じる反りを抑制することができる半導体レーザ装置を提供できる。

　また、上記方法において、
　前記工程（ｂ）は、前記サブマウントの二面のうちの一方の面上に対しては、離散的に又は空隙を有した状態で前記材料層を形成する工程であり、
　前記工程（ｃ）は、前記一方の面上に形成された前記材料層の上面にハンダ層を形成するものとしても構わない。

　上記構成によれば、材料層及びハンダ層の双方を含む第一領域と、少なくとも材料層を含まない第二領域とを有するように材料層及びハンダ層を形成できる。より具体的には、材料層及びハンダ層の双方を含む第一領域と、ハンダ層を含み材料層を含まない第二領域、又は、ハンダ層及び材料層の双方を含まない第二領域と、を有するように材料層及びハンダ層を形成できる。

　本発明の半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子及びサブマウントに生じる反りを従来よりもさらに抑制することができる。

第一実施形態における半導体レーザ装置の模式的な斜視図である。 第一実施形態における半導体レーザ装置の模式的な正面図である。 第一実施形態における半導体レーザ装置の模式的な平面図から半導体レーザ素子の図示を省略した図である。 実施例１～３及び比較例における半導体レーザ素子及びサブマウントの反りを説明するための図である。 線膨張係数ＳｕとＳｌを説明するための模式的な図である。 比較例の半導体レーザ装置に生じる反りを説明するための模式的な図である。 第一実施形態における半導体レーザ装置により半導体レーザ素子及びサブマウントの反りを抑制できる理由を説明するための模式的な図である。 第一実施形態における半導体レーザ装置により半導体レーザ素子及びサブマウントの反りを抑制できる理由を説明するための模式的な図である。 第二実施形態における半導体レーザ装置の模式的な平面図から半導体レーザ素子の図示を省略した図である。 実施例４～５及び比較例における半導体レーザ素子及びサブマウントの反りを説明するための図である。

　（第一実施形態）
　以下、第一実施形態について説明する。

　［構造］
　図１に本実施形態における半導体レーザ装置１の斜視図を模式的に示す。半導体レーザ装置１は、半導体レーザ素子２と第一ハンダ層３と第一材料層４とサブマウント５と第二材料層６とを備える。

　半導体レーザ素子２は、レーザ光を射出するエミッタ２１が半導体レーザ素子２の端面に配置される端面発光型の半導体レーザ素子である。第一ハンダ層３は、半導体レーザ素子２と、第一材料層４及び第二材料層６が対向する二面に形成されたサブマウント５とを接合するための層である。第一ハンダ層３は、例えばＡｕ－Ｓｎハンダで構成される。第一材料層４、サブマウント５及び第二材料層６については後述する。

　第二ハンダ層７は、第一材料層４及び第二材料層６が対向する二面に形成されたサブマウント５とヒートシンク８とを接合するための層である。第二ハンダ層７は、例えばＳｎ－Ａｇ－Ｃｕハンダで構成される。ヒートシンク８は例えばＣｕのような熱伝導率の高い材料で形成される。

　図２を参照して、本実施形態における半導体レーザ装置１の構造について詳細に説明する。図２は第二ハンダ層７を介してヒートシンク８に接合された半導体レーザ装置１を、エミッタ２１を正面にして見た模式的な図である。

　図２に示すように、ヒートシンク８の主面上に第二ハンダ層７が形成される。サブマウント５の主面及び裏面には、それぞれ第一材料層４及び第二材料層６が形成される。第一材料層４及び第二材料層６を形成されたサブマウント５は、第二ハンダ層７の上層に形成される。第一材料層４の上面には第一ハンダ層３が形成される。第一ハンダ層３の上面には半導体レーザ素子２が形成される。

　半導体レーザ素子２は、光を共振させてレーザ光を発振する半導体素子である。半導体レーザ素子２は、エミッタ２１が長手方向に複数配置されるアレイ型の半導体レーザ素子である。図２に示すように、半導体レーザ素子２の長手方向をＸ方向、短手方向をＹ方向、厚み方向をＺ方向と定義する。Ｚ方向が「第一方向」に、Ｘ方向が「第二方向」に、Ｙ方向が「第三方向」にそれぞれ対応する。本実施形態における半導体レーザ素子２では、エミッタ２１がＸ方向に４０個配置される。図１、２では一部のエミッタ２１の図示を省略している。本実施形態では、半導体レーザ素子２はＧａＡｓで構成されているものとして説明する。

　なお、主面とはＺ方向に関して半導体レーザ素子２側の面であり、裏面とは主面と反対側の面を指す。

　第一ハンダ層３及び第一材料層４には、空隙１０が形成される。図２に示すように、空隙１０の深さ、即ちＺ方向の長さは、第一ハンダ層３及び第一材料層４の厚みと等しい。即ち、空隙１０は、第一ハンダ層３及び第一材料層４を貫いている。空隙１０は、第一ハンダ層３の構成材料であるＡｕ－Ｓｎハンダ及び第一材料層４の構成材料であるＣｕが存在しない空間である。

　サブマウント５は熱伝導率の高い材料で構成される。本実施形態では、一例としてサブマウント５をＡｌＮで構成している。ここで、ＡｌＮの線膨張係数は４．６×１０^－６／Ｋであり、半導体レーザ素子２の構成材料であるＧａＡｓの線膨張係数６．６×１０^－６／Ｋより小さい。このため、ＡｌＮで構成されたサブマウント５の上面にそのまま半導体レーザ素子２を第一ハンダ層３を介して接合すると、サブマウント５と半導体レーザ素子２の線膨張係数の差に起因して半導体レーザ素子２に反りが生じるおそれがある。このため、本実施形態では、ＡｌＮよりも線膨張係数の大きい材料からなる第一材料層４及び第二材料層６がサブマウント５の主面及び裏面にそれぞれ形成されている。第一材料層４及び第二材料層６は、例えばＣｕで構成することができる。Ｃｕの線膨張係数は１８×１０^－６／Ｋであり、ＡｌＮの線膨張係数及びＧａＡｓの線膨張係数に比べて大きい。これにより、第一材料層４及び第二材料層６が二面に形成されたサブマウント５全体での線膨張係数を、半導体レーザ素子２の線膨張係数に近づけることができる。

　半導体レーザ素子２とサブマウント５とが対向する対向領域９は、Ｚ方向に関して、第一ハンダ層３及び第一材料層４の双方を含む第一領域１２と、双方を含まない第二領域１３とを有する。第二領域１３は、空隙１０から構成される。本実施形態では、空隙１０をエミッタ２１が配置される間隔と等間隔で設けた場合を例に説明を続ける。

　図３に本実施形態における半導体レーザ装置１を半導体レーザ素子２からサブマウント５に向かう方向に見たときの平面図を模式的に示す。図３では説明の都合上、半導体レーザ素子２の図示を省略している。

　上述のように、空隙１０は、第一ハンダ層３及び第一材料層４を貫く。そのため、図３に示すように、半導体レーザ装置１を半導体レーザ素子２からサブマウント５に向かう方向に見ると、空隙１０を介してサブマウント５の主面が現れる。説明の都合上、空隙１０を介して現れるサブマウント５の主面を露出面１４と呼ぶ。

　露出面１４は矩形状の面である。露出面１４におけるＹ方向の長さは、Ｘ方向の長さに比べて長い。さらに、露出面１４におけるＹ方向の長さは、第一ハンダ層３及び第一材料層４におけるＹ方向の長さに比べて短い。即ち、第一ハンダ層３及び第一材料層４は、短手方向の一部に切り欠きされた状態と表現することができる。なお、本実施形態では、露出面１４におけるＹ方向の長さは、第一ハンダ層３におけるＹ方向の長さの半分の長さである。

　なお、本実施形態における半導体レーザ装置１を、エミッタ２１を正面にして見ると、第一ハンダ層３及び第一材料層４の切り欠きにより形成される面が空隙１０を介して現れるが、図２では説明の都合上、この面の図示を省略している。

　また、本実施形態では、空隙１０は、エミッタ２１が配置される端面側に形成される。これにより、第一ハンダ層３により、半導体レーザ素子２と、サブマウント５を接合した際に、このハンダ材がボール形状となっても、このボール形状のハンダを、この空壁１０内に閉じ込めることができる。これにより、エミッタ２１から出射されるレーザ光を遮らないようにすることができ、且つ、数十ミクロン程度の焦点距離の非常に短いレンズを取り付ける際に、このボール形状のハンダがレンズ組み付けを阻害することを防止できる。

　［製造方法］
　以下、半導体レーザ装置１の製造方法を説明する。なお、以下で記載される寸法や膜厚などは一例であって、これらの数値に限定されるものではない。

　まず、サブマウント５を準備する。具体的には厚みが２５０μｍのＡｌＮ基板を準備する。この工程が工程（ａ）に対応する。

　続いて、サブマウント５の主面及び裏面をＣｕメッキして第一材料層４及び第二材料層６を形成する。ここで、サブマウント５の主面については、第一材料層４に形成すべき空隙１０の範囲をレジストでマスキングしてＣｕメッキする。サブマウント５の裏面については、裏面全体をＣｕメッキする。なお、第一材料層４と第二材料層６の厚みは７５μｍである。この工程が工程（ｂ）に対応する。

　続いて、工程（ｂ）で形成された第一材料層４の上面に第一ハンダ層３を形成する。この工程が工程（ｃ）に対応する。工程（ｂ）及び工程（ｃ）により、第一ハンダ層３及び第一材料層４に空隙１０を形成することができる。即ち、Ｚ方向に関して、第一ハンダ層３及び第一材料層４の双方を含む第一領域１２と、第一ハンダ層３及び第一材料層４の双方を含まない第二領域１３とを有するように、第一ハンダ層３及び第一材料層４を形成することができる。

　続いて、半導体レーザ素子２を第一ハンダ層３の上面に載置する。そして、第一ハンダ層３を加熱して溶融後、室温程度まで冷却して固化させることで、半導体レーザ素子２と、第一材料層４及び第二材料層６が対向する二面に形成されたサブマウント５とを接合する。この工程が工程（ｄ）に対応する。なお、半導体レーザ素子２を第一ハンダ層３の上層に載置後、加熱工程を開始する形態に限らない。即ち、半導体レーザ素子２を第一ハンダ層３の上層に載置する前に加熱工程を開始していてもよい。

　［検証］
　以下、本実施形態の半導体レーザ装置１によって半導体レーザ素子２及びサブマウント５の反りが抑制される点につき、実施例および比較例を参照して説明する。

　実施例１～３は、それぞれ本実施形態に係る半導体レーザ装置１の一例である。より具体的には、実施例３は、各エミッタ２１がＸ方向に配置される間隔で、第一ハンダ層３及び第一材料層４に空隙１０が設けられた半導体レーザ装置である。つまり、実施例３において、Ｘ方向に関して、エミッタ２１の間隔と空隙１０の間隔とが等しい。

　実施例１は、実施例３の４倍の間隔で第一ハンダ層３及び第一材料層４に空隙１０を設けた半導体レーザ装置である。実施例２は、実施例３の２倍の間隔で第一ハンダ層３及び第一材料層４に空隙１０を設けた半導体レーザ装置である。一方比較例は、第一ハンダ層３及び第一材料層４に空隙１０を全く設けない半導体レーザ装置である。以上をまとめると、空隙１０の個数は、実施例３＞実施例２＞実施例１＞比較例となる。

　実施例１～３および比較例のそれぞれは、［製造方法］で説明した工程（ｂ）が相違し、工程（ａ）、（ｃ）、（ｄ）は共通する。より具体的には、工程（ｂ）のＣｕメッキにおけるマスキング箇所の数が異なり、その個数は、実施例３＞実施例２＞実施例１＞比較例である。即ち、マスキング箇所が多いほど空隙１０の数も増加する。なお比較例では、マスキングすることなくＣｕメッキしており、空隙１０の個数は０である。即ち、サブマウント５の主面全体にＣｕが形成されている。

　図４を参照して、実施例１～３及び比較例における半導体レーザ素子２及びサブマウント５の反りを説明する。図４は、半導体レーザ素子２のＸ、Ｙ、Ｚ方向における中心を原点としたときに、Ｙ＝０を満たすＸ座標に対応するＺ座標を示したグラフである。半導体レーザ素子２は、Ｚ軸に対して線対称に反る。そのため、図４ではＸ＜０の場合におけるＺ座標のみ図示した。

　図４に示すように、半導体レーザ素子２とサブマウント５とを接合すると、半導体レーザ素子２の中央のＺ座標は、０から負の値にシフトする。そしてＸ座標が中心から離れるにつれて、Ｚ座標が大きくなることが分かる。

　比較例では、半導体レーザ素子２の中心のＺ座標は－１．４μｍである。また、Ｘ座標が－４ｍｍであるときＺ座標は２．８μｍであり、中心のＺ座標との差は４．２μｍとなり、半導体レーザ素子２及びサブマウント５に大きな反りが生じていることが分かる。

　これに対し、実施例１では、半導体レーザ素子２の中心のＺ座標は－１．４μｍである。また、Ｘ座標が－４ｍｍであるときＺ座標は２．３μｍであり、中心のＺ座標との差は３．７μｍである。実施例１は比較例に比べ、反りを抑えられていることが分かる。

　実施例２では、半導体レーザ素子２の中心のＺ座標は－１．４μｍである。また、Ｘ座標が－４ｍｍであるときＺ座標は１．３μｍであり、中心のＺ座標との差は２．７μｍである。実施例２は実施例１に比べ、さらに反りを抑えられていることが分かる。

　実施例３では、半導体レーザ素子２の中心のＺ座標は－１．２μｍである。また、Ｘ座標が－４ｍｍであるときＺ座標は－０．４μｍであり、中心のＺ座標との差は０．８μｍである。実施例３は実施例２に比べ、さらに反りを抑えられていることが分かる。

　以上より、実施例１～３は、比較例に比べ半導体レーザ素子２及びサブマウント５に生じる反りを抑制できている。また、実施例１に比べて実施例２がさらに反りを抑制でき、実施例２に比べて実施例３がさらに反りを抑制できている。即ち、第一ハンダ層３及び第一材料層４に形成される空隙１０の個数が多くなる程、半導体レーザ素子２及びサブマウント５の反りを抑制できる。

　［考察］
　以下、本実施形態により半導体レーザ素子２及びサブマウント５に生じる反りを抑制できる理由を説明する。そのためにまず、半導体レーザ素子２及びサブマウント５に反りが生じる原因について考察する。

　半導体レーザ素子２及びサブマウント５は、Ｙ方向に見ると、半導体レーザ素子からサブマウント５に向かう方向に突き出すように反る。この反りについて考察するために、サブマウント５の中央をＺ方向に二分したときの半導体レーザ素子２側の線膨張係数をＳｕ、サブマウント５側の線膨張係数をＳｌと定義する。以下ではサブマウント５の中央をＺ方向に二分したときの半導体レーザ素子２側を上側、サブマウント５側を下側と呼ぶ。

　図５にＳｕとＳｌを説明するための図を模式的に示す。図５は、比較例における半導体レーザ装置１５である。図５では、説明の都合上、半導体レーザ素子２及びサブマウント５に反りが生じない状態を示しているが、実際には半導体レーザ素子２及びサブマウント５は下側に突き出すように反っている。図６に比較例の半導体レーザ装置１５に反りが生じている状態を模式的に示す。

　半導体レーザ装置１５は、半導体レーザ素子２と第一ハンダ層１６と第一材料層１７とサブマウント５と第二材料層６とを含む。比較例の半導体レーザ装置１５は、第一ハンダ層１６及び第一材料層１７に空隙１０が形成されない点で本実施形態の半導体レーザ装置１と相違するが、他の構成は同様である。

　図５に示すように、Ｓｕは、半導体レーザ素子２と、第一ハンダ層１６と、第一材料層１７と、サブマウント５の上側に位置する一部分の一体の線膨張係数である。また、Ｓｌは、サブマウント５の下側に位置する一部分と、第二材料層６の一体の線膨張係数である。

　第一材料層１７及び第二材料層６は、サブマウント５の二面上にＣｕメッキによって形成されているため、本来、物性値通りに収縮することができない。そのため、第一材料層１７の上面に形成される第一ハンダ層１６も、第一材料層１７の影響を受け、物性値通りに収縮することができない。

　ここで、第一材料層１７及び第二材料層６をサブマウント５の主面及び裏面上に形成して、サブマウント５全体の線膨張係数を半導体レーザ素子２の線膨張係数に近付けると、第一材料層１７及び第二材料層６の厚みが比較的厚くなる。第一材料層１７及び第二材料層６は、厚みが厚くなるほど自由に収縮できるようになる。これは、第一材料層１７及び第二材料層６のうちサブマウント５から比較的遠い部分はサブマウント５からの影響を受けにくくなるためである。これに伴い、第一材料層１７の上面に形成される第一ハンダ層１６も自由に収縮できるようになり、第一ハンダ層１６の収縮量が増加する。その結果、ＳｕはＳｌに比べて大きな値となり、上側の収縮量が下側の収縮量に比べて大きくなる。そのため、図６に示すように、上側の曲率半径ｒ１が下側の曲率半径ｒ２より小さくなり、半導体レーザ素子２及びサブマウント５は、下側に突き出すように、即ち下側に凸となるように反る。

　続いて、本実施形態により半導体レーザ素子２及びサブマウント５の反りを抑制できる理由について図７Ａ及び図７Ｂを用いて説明する。図７Ａは、比較例における半導体レーザ装置１５をエミッタ２１を正面にして見た模式的な図である。図７Ｂは、本実施形態における半導体レーザ装置１をエミッタ２１を正面にして見た模式的な図である。

　本実施形態における半導体レーザ装置１は、第一ハンダ層３及び第一材料層４に二つの空隙１０が形成されている場合を例に説明する。また、本実施形態における半導体レーザ装置１をエミッタ２１を正面にして見ると、第一ハンダ層３及び第一材料層４の切り欠きにより形成される面が空隙１０を介して現れるが、図７Ｂでは説明の都合上、この面の図示を省略している。また、図７Ａ及び図７Ｂでは、説明の都合上、半導体レーザ素子２及びサブマウント５に反りが生じない状態を示している。

　図７ＡにおけるＰ１は、第一ハンダ層１６のＸ、Ｙ、Ｚ方向における中心である。第一ハンダ層１６は、Ｐ１を中心に収縮する。より具体的には、図７Ａに示すように、第一ハンダ層１６を便宜的にＸ方向に二分して第一ハンダ層１６ａ及び１６ｂに分けて考えれば、第一ハンダ層１６ａ及び１６ｂは、Ｐ１に向かうように収縮する。

　本実施形態における半導体レーザ装置１における第一ハンダ層３は、空隙１０により、Ｙ方向における半分の長さが切り欠きされている。第一ハンダ層３をＹ方向に二分して、空隙を有する部分と空隙を有さない部分とに分けて考えれば、空隙を有する部分の収縮は、第一ハンダ層３ａ、３ｂ及び３ｃそれぞれの収縮と考えることができる。第一ハンダ層３ａ、３ｂ及び３ｃは、それぞれのＸ、Ｙ、Ｚ方向における中心Ｐ２を中心に収縮する。

　ここで、長手方向における収縮量は、長手方向における長さに比例して増大する。図７Ａに示すように、第一ハンダ層１６の長手方向（即ちＸ方向）における長さをｄ１とする。また、図７Ｂに示すように、第一ハンダ層３ａ、３ｂ及び３ｃそれぞれの長手方向における長さをｄ２、ｄ３及びｄ４とする。ｄ２、ｄ３及びｄ４は、それぞれｄ１より短い。そのため、第一ハンダ層３ａ、３ｂ及び３ｃそれぞれの収縮量は、空隙を有さない部分の収縮量に比べて小さくなる。その結果、本実施形態における第一ハンダ層３の収縮量は、比較例における第一ハンダ層１６の収縮量に比べて小さくなる。このように、本実施形態と比較例とにおいて、第一ハンダ層の長手方向における長さの差分が収縮量に影響する。

　上記のように、本実施形態によれば、第一ハンダ層３の収縮量を比較例に比べて小さくすることができるため、Ｓｕの値も比較例に比べて小さくすることができる。これにより、本実施形態によれば、比較例に比べてＳｕとＳｌとの差を小さくすることができる。その結果、上側と下側の収縮量の差が縮まり、反りを抑制することができる。

　なお、上記の反りは、本実施形態のようなアレイ型の半導体レーザ素子に特に顕著に現れる。アレイ型の半導体レーザ素子の場合、第一ハンダ層の長手方向における長さが比較的長い。そのため、第一ハンダ層の収縮量が比較的大きくなり、Ｓｕが増大し、ＳｕとＳｌの差が比較的大きくなるためと考えられる。

　（第二実施形態）
　以下、第二実施形態について説明する。なお、第二実施形態については、第一実施形態と相違する点について重点的に説明する。

　［構造］
　図８に本実施形態における半導体レーザ装置１を半導体レーザ素子２からサブマウント５に向かう方向に見たときの平面図を模式的に示す。図８では説明の都合上、半導体レーザ素子２の図示を省略している。

　本実施形態においても、第一実施形態と同様に、空隙１０は、第一ハンダ層３及び第一材料層４を貫く。そのため、図８に示すように、空隙１０を介してサブマウント５の主面、即ち露出面１４が現れる。本実施形態では、露出面１４におけるＹ方向の長さは、第一ハンダ層３におけるＹ方向の長さと等しい。即ち、本実施形態では、複数個の第一ハンダ層３及び第一材料層４が空隙１０によって形成されている。

　［製造方法］
　第二実施形態における半導体レーザ装置１は、第一実施形態における半導体レーザ装置１の製造方法と工程（ｂ）のみ相違する。より具体的には、第二実施形態では、サブマウント５の主面をレジストでマスキングしてＣｕメッキする際、短手方向（Ｙ方向）全体に渡ってマスキングする。これにより、複数個の第一材料層４が形成される。そして、各第一材料層４の上層に同数の第一ハンダ層３が形成される。第二実施形態においては、複数個の第一ハンダ層３及び第一材料層４が離散的に形成されていると表現できる。

　［検証］
　以下、本実施形態の半導体レーザ装置１によって半導体レーザ素子２及びサブマウント５の反りが抑制される点につき、実施例および比較例を参照して説明する。

　実施例４及び５は、それぞれ本実施形態に係る半導体レーザ装置１の一例である。より具体的には、実施例４は、各エミッタ２１がＸ方向に配置される間隔の４倍の間隔で、第一ハンダ層３及び第一材料層４に空隙１０が設けられた半導体レーザ装置である。実施例５は、各エミッタ２１がＸ方向に配置される間隔の２倍の間隔で、第一ハンダ層３及び第一材料層４に空隙１０が設けられた半導体レーザ装置である。一方比較例は、第一ハンダ層３及び第一材料層４に空隙１０を全く設けない半導体レーザ装置である。以上をまとめると、空隙１０の個数は、実施例５＞実施例４＞比較例となる。

　実施例４、５及び比較例のそれぞれは、［製造方法］で説明した工程（ｂ）のＣｕメッキにおけるマスキング箇所の数が異なり、その個数は、実施例５＞実施例４＞比較例である。

　図９を参照して、実施例４、５及び比較例における半導体レーザ素子２及びサブマウント５の反りを説明する。図９は、半導体レーザ素子２のＸ、Ｙ、Ｚ方向における中心を原点としたときに、Ｙ＝０を満たすＸ座標に対応するＺ座標を示したグラフである。図９においても、図４と同様に、Ｘ＜０の場合におけるＺ座標のみ図示した。

　図９に示すように、比較例、実施例４、５の順に半導体レーザ素子２及びサブマウント５の下側に突き出す反りが抑制されている。即ち、実施例４及び５は、比較例に比べ半導体レーザ素子２及びサブマウント５の反りを抑制できている。また、実施例４に比べて実施例５がさらに反りを抑制できている。即ち、第一ハンダ層３及び第一材料層４に形成される空隙１０の個数が多くなる程、半導体レーザ素子２及びサブマウント５の反りを抑制できる。

　また、図４及び図９を比較すると、第二実施形態が第一実施形態に比べて反りを抑制できることが分かる。具体的には、第一実施形態における実施例１と第二実施形態における実施例４は、空隙１０の数が等しいが、第二実施形態における実施例４の方が反りを抑制できている。また、第一実施形態における実施例２と第二実施形態における実施例５も、空隙１０の数が等しいが、第二実施形態における実施例５の方が反りを抑制できている。これは、第二実施形態は第一実施形態に比べ空隙１０におけるＹ方向の長さが長いため、一つの空隙により収縮量を大きく減少させることができるためである。
　［別実施形態］
　以下、別実施形態につき説明する。

　〈１〉露出面１４におけるＹ方向の長さは、第一実施形態では、第一ハンダ層３におけるＹ方向の長さの半分の長さであり、第二実施形態では、第一ハンダ層３におけるＹ方向の長さと等しいが、これに限らない。例えば、第一ハンダ層３のＹ方向の長さの半分の長さより長くてもよいし短くてもよい。より一般的には、露出面１４におけるＹ方向の長さは、第一ハンダ層３のＹ方向における長さの３０％～１００％の長さであればよい。

　〈２〉第一実施形態では、空隙１０は、エミッタ２１が配置される端面側に形成されるがこれに限らない。例えば、空隙１０を、エミッタ２１が配置される端面と対向する端面側に形成してもよいし、第一ハンダ層３及び第一材料層４の中央に設けてもよい。より一般的には、第一ハンダ層３及び第一材料層４は空隙１０を有すればよい。

　〈３〉第一実施形態及び第二実施形態では、露出面１４は、半導体レーザ素子２からサブマウント５に向かう方向に見ると矩形状の面であったがこれに限らない。例えば、露出面１４は、平行四辺形状であってもよいし、曲線から成る面であってもよい。より一般的には、Ｙ方向の長さがＸ方向の長さより長い形状であればよい。

　〈４〉第一実施形態及び第二実施形態では、第一ハンダ層３及び第一材料層４に空隙１０が形成されるが、これに限らない。例えば、第一ハンダ層３に空隙１０が形成されるが、第一材料層４には空隙１０が形成されなくてもよい。より一般的には、少なくとも第一ハンダ層３に空隙１０が形成されるとよい。少なくとも第一ハンダ層３に空隙１０が形成されることで、第一ハンダ層３の収縮量を小さくすることができ、半導体レーザ素子２及びサブマウント５に生じる反りを抑制することができるためである。

　上記〈４〉に記載の実施形態における半導体レーザ装置１の製造方法は、第一実施形態及び第二実施形態における製造方法と工程（ｂ）において異なる。即ち、サブマウント５の主面をマスキングせずにＣｕメッキして第一ハンダ層３を形成し、レーザ光を照射して、第一ハンダ層３に空隙１０を形成する。この場合、サブマウント５と半導体レーザ素子２とが対向する対向領域９は、Ｚ方向に関して、第一材料層４及び第一ハンダ層３の双方を含む第一領域と、第一材料層４を含み第一ハンダ層３を含まない第二領域とを有する。

　〈５〉第一実施形態及び第二実施形態では、第二領域１３は第一ハンダ層３及び第一材料層４の双方が存在しない領域であるが、第一ハンダ層３が存在し、第一材料層４が存在しなくてもよい。即ち、第一ハンダ層３の一部が、空隙１０に侵入し、サブマウント５の主面上に形成されていてもよい。この場合においても、第一ハンダ層３に空隙１０が形成されている以上、半導体レーザ素子２及びサブマウント５に生じる反りを解消できる。

　〈６〉第一実施形態及び第二実施形態では、半導体レーザ素子２の線膨張係数がサブマウント５の線膨張係数より大きい場合について説明したがこれに限らない。即ち、半導体レーザ素子２の線膨張係数がサブマウント５の線膨張係数より小さくてもよい。この場合、第一材料層４及び第二材料層６は、少なくともサブマウント５の線膨張係数より小さい材料で構成するとよい。これにより、サブマウント全体の線膨張係数を小さくすることができる。

　〈７〉第一実施形態及び第二実施形態では、半導体レーザ素子２は、エミッタ２１が端面に配置される端面発光型の半導体レーザ素子であったが、これに限らない。即ち、面発光型の半導体レーザ素子（Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｃａｖｉｔｙ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｌａｓｅｒ）でもよい。

　　　　１　　　：　　半導体レーザ装置
　　　　２　　　：　　半導体レーザ素子
　　　　３　　　：　　第一ハンダ層
　　　　４　　　：　　第一材料層
　　　　５　　　：　　サブマウント
　　　　６　　　：　　第二材料層
　　　　７　　　：　　第二ハンダ層
　　　　８　　　：　　ヒートシンク
　　　　９　　　：　　対向領域
　　　１０　　　：　　空隙
　　　１２　　　：　　第一領域
　　　１３　　　：　　第二領域
　　　１４　　　：　　露出面
　　　１５　　　：　　比較例の半導体レーザ装置
　　　１６　　　：　　比較例の第一ハンダ層
　　　１７　　　：　　比較例の第一材料層
　　　２１　　　：　　エミッタ
 

Claims (6)

1. 　サブマウントと、
   　前記サブマウントの対向する二面上にそれぞれ形成された材料層と、
   　一方の前記材料層の上層に形成されたハンダ層と、
   　前記ハンダ層の上層に形成された半導体レーザ素子とを備え、
   　前記サブマウントと前記半導体レーザ素子とが対向する対向領域は、前記サブマウントの面に直交する第一方向に関して、前記材料層及び前記ハンダ層の双方を含む第一領域と、前記材料層又は前記ハンダ層の一方を含むか、又は双方を含まない第二領域とを有することを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 　前記半導体レーザ素子は、前記第一方向に関して、前記第一方向に直交する第二方向の長さが、前記第一方向及び前記第二方向に直交する第三方向の長さよりも長い形状であり、
   　前記第二領域は、前記第一方向に関して、前記第三方向の長さが、前記第二方向の長さより長い形状であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 　前記第一方向に関して、前記第二領域は、前記第一領域に比べて、前記第三方向の長さが短いことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。
4. 　前記材料層は、
   　　前記半導体レーザ素子が前記サブマウントよりも線膨張係数の大きい材料で構成されている場合には、前記サブマウントよりも線膨張係数の大きい材料で構成され、
   　　前記半導体レーザ素子が前記サブマウントよりも線膨張係数の小さい材料で構成されている場合には、前記サブマウントよりも線膨張係数の小さい材料で構成されていることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
5. 　サブマウントを準備する工程（ａ）と、
   　前記サブマウントの対向する二面上のそれぞれに材料層を形成する工程（ｂ）と、
   　一方の前記材料層の上層にハンダ層を形成する工程（ｃ）と、
   　前記ハンダ層を加熱して溶融後、冷却して固化させることで、前記ハンダ層の上層に半導体レーザ素子を形成する工程（ｄ）とを備え、
   　前記工程（ｂ）及び（ｃ）は、前記サブマウントの面に直交する第一方向に関して、前記材料層及び前記ハンダ層の双方を含む第一領域と、前記材料層又は前記ハンダ層の一方を含むか、又は双方を含まない第二領域とを有するように前記材料層及び前記ハンダ層を形成する工程であり、
   　前記工程（ｄ）は、前記第一領域及び前記第二領域の双方にまたがるように前記半導体レーザ素子を形成する工程を含むことを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
6. 　前記工程（ｂ）は、前記サブマウントの二面のうちの一方の面上に対しては、離散的に又は空隙を有した状態で前記材料層を形成する工程であり、
   　前記工程（ｃ）は、前記一方の面上に形成された前記材料層の上面にハンダ層を形成することを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ装置の製造方法。

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