JP2006344743A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体レーザ素子と支持部材との間、または支持部材と放熱部材との間の接着層にかかる応力を低減し、信頼性を高めることができる半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】 ＬＤバー１０とヒートシンク２０との間にサブマウント３０を配設し、例えばロウまたは金（Ａｕ）−スズ（Ｓｎ）はんだよりなる第１接着層４０および第２接着層５０によりそれぞれを接合する。サブマウント３０の第１層３１は、銅タングステン（ＣｕＷ）など、ＬＤバー１０に略等しい熱膨張係数とし、第２層３２は、銅（Ｃｕ）など、ヒートシンク２０に略等しい熱膨張係数とする。第１接着層４０および第２接着層５０にかかる応力を低減し、信頼性を向上させる。第１層３１および第２層３２は、ロウ付けまたは拡散接合により互いに接合して一体構造とし、強固な接合界面で、熱膨張係数差による応力を確実に吸収させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子と放熱部材との間に支持部材を配設し、それぞれを接着層により接合した半導体レーザ装置に係り、特にＧａＡｓ基板を用いた赤外レーザなどに好適な半導体レーザ装置に関する。

数Ｗ〜数十Ｗクラスの高出力半導体レーザでは、高出力化および信頼性向上のため、二次元的に発光点を並べたレーザダイオードバー（ＬＤバー）と称される半導体レーザ素子が多用される。ＬＤバーからは大きな熱が発生し、その発熱量は出力に比例して大きくなるので、ＬＤバーが配設されるヒートシンク（放熱部材）の構成材料としては、主として熱伝導率が高く加工が容易な銅（Ｃｕ）が用いられる。

銅（Ｃｕ）の熱膨張係数は１７×１０^-6［１／Ｋ］程度であるのに対して、高出力半導体レーザで一般的に用いられているＧａＡｓ基板の熱膨張係数は５．９×１０^-6［１／Ｋ］と大きな差がある。そのため、例えばＧａＡｓ基板に形成したＬＤバーを銅（Ｃｕ）よりなるヒートシンクにはんだ付けして常温に冷却すると、ＬＤバーに応力を生じる。ＬＤバーに応力が生じた状態で通電すると、結晶欠陥の増殖を促進し、レーザの信頼性に悪影響を及ぼすことが知られている。

従来では、この問題を回避するため、例えば、ＬＤバーの構成材料と比較的熱膨張係数が近い材料として銅タングステン（ＣｕＷ）などを用いたサブマウント（支持部材）をＬＤバーとヒートシンクとの間に配設するようにしていた。

更に、ＬＤバーとヒートシンクとの間に複数のサブマウントを配設することも提案されていた。例えば特許文献１では、ヒートシンク上にＳｉＣサブマウントおよびダイアモンドサブマウントを順に積層し、その上にレーザチップを配設している。また、例えば特許文献２では、サブマウントを上層、中間層および下層の３層構造とし、上層および下層をダイアモンド、中間層を銅によりそれぞれ構成している。
特開平１１−３０７８７５号公報 特開２００１−２９１９２５号公報

しかしながら、従来では、ＬＤバーとサブマウントとの間、およびサブマウントとヒートシンクとの間に、インジウム（Ｉｎ）はんだ等の軟らかいはんだよりなる接着層を設け、この接着層により、接合時に生じる応力を吸収・緩和させるようにしていた。そのため、接着層を構成するはんだに応力がかかってストレスマイグレーションが生じたり、連続した出力オン／オフによりはんだにかかる応力が変動し、はんだが塑性変形して変質してしまうという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、半導体レーザ素子と支持部材との間、または支持部材と放熱部材との間の接着層にかかる応力を低減し、信頼性を高めることができる半導体レーザ装置を提供することにある。

本発明による半導体レーザ装置は、以下の（Ａ）〜（Ｅ）の要件を備えることにより信頼性を高めたものである。
（Ａ）半導体レーザ素子
（Ｂ）半導体レーザ素子よりも熱膨張係数の大きな放熱部材
（Ｃ）半導体レーザ素子に略等しい熱膨張係数を有すると共に半導体レーザ素子側の表面に配置された第１層、および放熱部材に略等しい熱膨張係数を有すると共に放熱部材側の裏面に配置された第２層を含む複数の層の積層構造を有し、かつ、前記複数の層がロウ付けまたは拡散接合により互いに接合されて一体構造をなしている支持部材
（Ｄ）半導体レーザ素子と支持部材とを接合する第１接着層
（Ｅ）放熱部材と支持部材とを接合する第２接着層

ここで第１層が「半導体レーザ素子に略等しい熱膨張係数を有する」とは、第１層と半導体レーザ素子との熱膨張係数が等しいか、または第１層と半導体レーザ素子との熱膨張係数差が第１層と放熱部材との熱膨張係数差よりも小さいことをいう。同様に、第２層が「放熱部材に略等しい熱膨張係数を有する」とは、第２層と放熱部材との熱膨張係数が等しいか、または第２層と放熱部材との熱膨張係数差が第２層と半導体レーザ素子との熱膨張係数差よりも小さいことをいう。第１層と半導体レーザ素子との熱膨張係数差、または第２層と放熱部材との熱膨張係数差は、４×１０^-6［１／Ｋ］以下であることが好ましく、１〜２×１０^-6［１／Ｋ］以下であればより好ましく、０．５×１０^-6［１／Ｋ］以下であれば更に好ましい。

この半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子と支持部材の第１層との熱膨張係数が略等しい一方、放熱部材と支持部材の第２層との熱膨張係数が略等しくなっているので、第１接着層および第２接着層にかかる応力が低減される。これにより、第１接着層および第２接着層を構成するはんだ等が、ストレスマイグレーションや変質により破断してしまうことが抑制される。半導体レーザ素子と放熱部材との熱膨張係数差は、支持部材の複数の層の接合界面での応力となって吸収されるが、その接合界面ははんだ付けよりも一般に信頼性の高いロウ付けまたは拡散接合により強固に接合されているので、支持部材の複数の層が応力により剥離される事象は抑制される。

本発明の半導体レーザ装置によれば、支持部材の第１層の熱膨張係数を半導体レーザ素子と略等しくする一方、第２層の熱膨張係数を放熱部材と略等しくしたので、第１接着層および第２接着層にかかる応力を低減し、信頼性を向上させることができる。また、複数の層をロウ付けまたは拡散接合により互いに接合して一体構造とするようにしたので、半導体レーザ素子と放熱部材との熱膨張係数差を、複数の層の接合界面での応力として確実に吸収することができ、更に信頼性を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ装置の構成を表したものである。この半導体レーザ装置は、例えば、ＹＡＧ励起光源などとして用いられるものであり、ＬＤバー１０とヒートシンク２０との間にサブマウント３０を配設した構成を有している。ＬＤバー１０は、例えばロウまたは金（Ａｕ）−スズ（Ｓｎ）はんだよりなる第１接着層４０によりサブマウント３０に接合され、ヒートシンク２０は、例えばロウまたは金（Ａｕ）−スズ（Ｓｎ）はんだよりなる第２接着層５０によりサブマウント３０に接合されている。

図２は、図１に示したＬＤバー１０の一部を拡大して表したものである。このＬＤバー１０は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）よりなる基板１１に形成された赤外レーザである。ＬＤバー１０は、複数のレーザダイオード（ＬＤ）チップ１２が並設されたものであり、その寸法は、例えば、幅約１０ｍｍ、共振器長２００μｍないし１．５ｍｍ、具体的には約７００μｍ程度、厚さ約１００μｍである。なお、ここで、幅とは、レーザダイオードチップ１２の配列方向における寸法であり、共振器長は、ＬＤバー１０からの光ＬＢの出射方向すなわち共振器方向における寸法であり、厚さは、レーザダイオードチップ１２の配列方向と共振器方向との両方に直交する方向における寸法である。

ＬＤバー１０は、基板１１上に、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体よりなる、活性層を含む半導体層１３を有している。なお、ここでいうＡｌＧａＡｓ系化合物半導体とは、短周期型周期表における３Ｂ族元素のうちアルミニウム（Ａｌ）およびガリウム（Ｇａ）の少なくとも一方と５Ｂ族元素のうちヒ素（Ａｓ）とを含む三元系半導体のことである。これらは、必要に応じてケイ素（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などのｎ型不純物、または、マグネシウム（Ｍｇ），亜鉛（Ｚｎ）または炭素（Ｃ）などのｐ型不純物を含有している。

半導体層１３の上には、例えば、各レーザダイオードチップ１２に対応して、ｐ側電極１４が形成されている。ｐ側電極１４は、例えば、チタン（Ｔｉ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層を半導体層１３の側から順に積層した構成を有している。また、基板１１の裏面には、例えば、各レーザダイオードチップ１２に対応して、ｎ側電極１５が設けられている。ｎ側電極１５は、例えば、金（Ａｕ）層，金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金層および金（Ａｕ）層を基板１１の側から順に積層した構成を有している。なお、このようなＬＤバー１０は、通常、ｐ側電極１４がサブマウント３０に対向するように接合されているが、ｎ側電極１５がサブマウント３０に対向するように接合されていてもよい。

図１に示したヒートシンク２０は、ＬＤバー１０から発生する大量の強熱を放出させ、ＬＤバー１０を適当な温度に維持する放熱部材としての機能を有するものである。ヒートシンク２０は、例えば熱伝導性の高い銅（Ｃｕ）により構成されており、ＬＤバー１０よりも熱膨張係数が大きくなっている。なお、ヒートシンク２０は、電源（図示せず）からの電流をＬＤバー１０に伝導させる電極部材としての機能も有している。

図１に示したサブマウント３０は、ＬＤバー１０側の表面に配置された第１層３１と、ヒートシンク２０側の裏面に配置された第２層３２との積層構造を有しており、図３に示したように、第１層３１はＬＤバー１０に略等しい熱膨張係数を有し、第２層３２はヒートシンク２０に略等しい熱膨張係数を有している。これにより、この半導体レーザ装置では、第１接着層４０および第２接着層５０にかかる応力を低減し、信頼性を向上させることができるようになっている。

これら第１層３１および第２層３２は、ロウ付けまたは拡散接合により互いに接合されて一体構造をなしている。これらの接合方法ははんだ付けよりも一般に信頼性が高く、強固な接合界面が得られる。よって、この半導体レーザ装置では、第１層３１と第２層３２との接合界面で、熱膨張係数差による応力を確実に吸収させることができ、更に信頼性を高めることができるようになっている。

第１層３１は、例えば、金属を含む材料、ダイヤモンドを含む材料、またはセラミックにより構成されている。中でも、ダイヤモンドを含む材料は熱伝導率が高く、縦方向（第１層３１と第２層３２との積層方向）だけでなく横方向（第１層３１の面内方向）にも熱拡散を促進し、より広範囲に熱を広げ排熱効率を上げることができ、好ましい。

金属を含む材料としては、例えば、鉄（Ｆｅ），ニッケル（Ｎｉ）およびコバルト（Ｃｏ）を含む合金（コバール）（熱膨張係数５．３×１０^-6［１／Ｋ］）、または銅タングステン（ＣｕＷ）（熱膨張係数６．５×１０^-6［１／Ｋ］）が挙げられる。

ダイヤモンドを含む材料としては、ダイヤモンド（熱膨張係数２．３×１０^-6［１／Ｋ］）、または銅（Ｃｕ）などの金属とダイヤモンドとの複合材料（コンポジットダイヤ）（熱膨張係数（例）４〜６×１０^-6［１／Ｋ］）が挙げられる。なお、金属とダイヤモンドとの複合材料の熱膨張係数は材料・組成などにより異なる。金属とダイヤモンドとの複合材料は、端面角部のシャープエッジを形成しにくい場合があるが、第２層３２との積層構造をとることによりシャープエッジを形成しやすくすることができると共に排熱効率も高めることができる。

セラミックとしては、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）（熱膨張係数４．５×１０^-6［１／Ｋ］）またはシリコンカーバイト（ＳｉＣ）（熱膨張係数３．８×１０^-6［１／Ｋ］）が挙げられる。なお、第１層３１をセラミックにより構成した場合、第１層３１の表面に金（Ａｕ）めっき等よりなる金属被覆層（図示せず）を形成し、ＬＤバー１０との電気的接続をとれるようにすることが望ましい。

第２層３２は、例えばヒートシンク２０と同様に、銅（Ｃｕ）（熱膨張係数１７×１０^-6［１／Ｋ］）により構成されている。これにより、第２接着層５０がロウまたは金（Ａｕ）−スズ（Ｓｎ）はんだ等の硬いはんだにより構成されていても、第２接着層５０にかかる応力を低減させることができる。なお、第２層３２の構成材料は、銅（Ｃｕ）に近い熱膨張係数を有する他の金属、例えばステンレス鋼（熱膨張係数（例）１７〜１８×１０^-6［１／Ｋ］）でもよい。

第１層３１および第２層３２の合計厚みは、例えば０．１５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下とすることが好ましい。なお、第１層３１および第２層３２の各々の厚みは、各々の熱膨張係数や剛性を考慮し、第１層３１と第２層３２との接合後の反りが小さくなるように適切に定めることが望ましい。

この半導体レーザ装置は、例えば、次のようにして製造することができる。

まず、例えば、上述した材料よりなる基板１１の表側に、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法またはＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；分子線エピタキシ）法により、上述した材料よりなる半導体層１３を形成する。次いで、ｐ側電極１４およびｎ側電極１５を形成し、基板１１を所定の大きさに整える。これにより、図２に示したＬＤバー１０が形成される。

次いで、上述した厚みおよび材料よりなる第１層３１および第２層３２を用意し、これらをロウ付けまたは拡散接合により互いに接合して一体構造とすることにより、サブマウント３０を形成する。サブマウント３０のＬＤバー１０側の表面には、例えば上述した材料よりなる第１接着層４０を設ける。

続いて、ＬＤバー１０とサブマウント３０とを同時に加熱し圧着することにより、第１接着層４０を間にして互いに接合させる。接合温度は、第１接着層４０がロウ付けの場合は例えば３００℃以上、金（Ａｕ）−スズ（Ｓｎ）合金の場合は例えば２８０℃〜３５０℃程度とする。

そののち、上述した材料よりなるヒートシンク２０を用意し、このヒートシンク２０のサブマウント３０が配設される領域に、上述した材料よりなる第２接着層５０を設ける。続いて、ヒートシンク２０に設けられた第２接着層５０と、サブマウント３０の裏面とを対向させ、位置合わせを精度よく行い、ヒートシンク２０の上にサブマウント３０を載せる。そののち、加熱および加圧により、サブマウント３０の裏面を第２接着層５０を間にしてヒートシンク２０に接合させる。接合温度は第１接着層４０の場合と同様である。以上により、図１に示した半導体レーザ装置が完成する。

この半導体レーザ装置では、各レーザダイオードチップ１２のｎ側電極１５とｐ側電極１４との間に所定の電圧が印加されると、半導体層１３の活性層に電流が注入され、電子−正孔再結合により発光が起こる。ここでは、ＬＤバー１０と第１層３１との熱膨張係数が略等しい一方、ヒートシンク２０と第２層３２との熱膨張係数が略等しくなっているので、第１接着層４０および第２接着層５０にかかる応力が低減される。これにより、第１接着層４０および第２接着層５０を構成するはんだ等が、ストレスマイグレーションや変質により破断してしまうことが抑制される。

また、ＬＤバー１０とヒートシンク２０との熱膨張係数差は、第１層３１と第２層３２との接合界面での応力となって吸収される。その接合界面ははんだ付けよりも一般に信頼性の高いロウ付けまたは拡散接合により強固に接合されているので、第１層３１と第２層３２とが応力により剥離される事象は抑制される。

このように本実施の形態の半導体レーザ装置では、サブマウント３０の第１層３１をＬＤバー１０に略等しい熱膨張係数とする一方、第２層３２をヒートシンク２０に略等しい熱膨張係数とするようにしたので、第１接着層４０および第２接着層５０にかかる応力を低減し、信頼性を向上させることができる。また、ＬＤバー１０への応力も緩和することができ、より信頼性の優れた半導体レーザ装置を実現することができる。

更に、第１層３１および第２層３２を、ロウ付けまたは拡散接合により互いに接合して一体構造とするようにしたので、第１層３１と第２層３２との接合界面を強固にして、熱膨張係数差による応力を確実に吸収させることができる。よって、更に信頼性を高めることができる。

〔第２の実施の形態〕
図４は本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ装置の構成を表すものである。この半導体レーザ装置は、サブマウント３０の第１層３１と第２層３２との間に第３層３３が設けられていることを除いては、第１の実施の形態と同一の構成を有している。よって、同一の構成要素には同一の符号を付して説明する。

第１層３１，第３層３３および第２層３２の熱膨張係数は、図５に示したように、この順に大きくなっており、ＬＤバー１０から順にヒートシンク２０との熱膨張係数を合わせてようになっている。すなわち、第３層３３は、熱膨張係数が第１層３１よりも大きく第２層３２よりも小さい。これにより、この半導体レーザ装置では、熱膨張係数差による応力を緩和し、第１接着層４０および第２接着層５０にかかる応力を低減して、信頼性を向上させることができるようになっている。

これら第１層３１ないし第３層３３は、第１の実施の形態と同様に、ロウ付けまたは拡散接合により互いに接合されて一体構造をなしており、これらの強固な接合界面で熱膨張係数差による応力を確実に吸収することができることができるようになっている。

このような第１層３１ないし第３層３３の構成材料としては、例えば、以下のような組み合わせが挙げられる。
第１層３１：銅タングステン（ＣｕＷ）（熱膨張係数６．５×１０^-6［１／Ｋ］）
第３層３３：酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）（熱膨張係数６．７×１０^-6［１／Ｋ］）、アルミニウム／シリコンカーバイト（Ａｌ／ＳｉＣ）（熱膨張係数８．０×１０^-6［１／Ｋ］）、銅モリブデン（ＣｕＭｏ）（熱膨張係数７．０×１０^-6［１／Ｋ］）、チタン（Ｔｉ）（熱膨張係数８．９×１０^-6［１／Ｋ］）、ベリリウム（Ｂｅ）（熱膨張係数１１．６×１０^-6［１／Ｋ］）、ロジウム（Ｒｈ）（熱膨張係数８．２×１０^-6［１／Ｋ］）、鉄（Ｆｅ）（熱膨張係数１１．７×１０^-6［１／Ｋ］）、パラジウム（Ｐｄ）（熱膨張係数１１．８×１０^-6［１／Ｋ］）、ルテニウム（Ｒｕ）（熱膨張係数９．１×１０^-6［１／Ｋ］）またはニッケル（Ｎｉ）（熱膨張係数１４．５×１０^-6［１／Ｋ］）
第２層３２：銅（Ｃｕ）（熱膨張係数１７×１０^-6［１／Ｋ］）

なお、上記の組み合わせにおいて、第１層３１は銅タングステン（ＣｕＷ）に代えてイリジウム（Ｉｒ）（熱膨張係数６．４×１０^-6［１／Ｋ］）により構成してもよい。また、第３層３３は他の特殊機能合金により構成することも可能である。

第１層３１ないし第３層３３の合計厚みは、例えば０．１５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下とすることが好ましい。なお、第１層３１ないし第３層３３の各々の厚みは、各々の熱膨張係数や剛性を考慮し、第１層３１ないし第３層３３の接合後の反りが小さくなるように適切に定めることが望ましい。

この半導体レーザ装置は、第１の実施の形態と同様にして製造することができる。

この半導体レーザ装置では、各レーザダイオードチップ１２のｎ側電極１５とｐ側電極１４との間に所定の電圧が印加されると、第１の実施の形態と同様にして発光が起こる。ここでは、第１層３１，第３層３３および第２層３２の熱膨張係数がこの順に大きくなっているので、熱膨張係数差による応力が緩和され、第１接着層４０および第２接着層５０にかかる応力が低減される。これにより、第１接着層４０および第２接着層５０を構成するはんだ等が、ストレスマイグレーションや変質により破断してしまうことが抑制される。

このように本実施の形態の半導体レーザ装置では、第１層３１，第３層３３および第２層３２の熱膨張係数をこの順に大きくなるようにしたので、熱膨張係数差による応力を緩和し、第１接着層４０および第２接着層５０にかかる応力を低減して、信頼性を向上させることができる。また、ＬＤバー１０への応力も緩和することができ、より信頼性の優れた半導体レーザ装置を実現することができる。

なお、本実施の形態では、サブマウント３０が第１層３１，第３層３３および第２層３２の３層構造である場合について説明したが、サブマウント３０の複数の層の熱膨張係数が第１層３１から第３層３２に向かって順に大きくなっていれば、第１層３１と第２層３２の間に２以上の層を含む４層以上の積層構造としてもよい。

〔第３の実施の形態〕
本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザ装置は、図６に示したように、第３層３３の熱膨張係数が第１層３１よりも低くされていることを除いては、第２の実施の形態と同一の構成を有している。よって、同一の構成要素には同一の符号を付して説明する。

本実施の形態では、サブマウント３０内で第３層３３の熱膨張係数が最も小さく、この第３層３３と第２層３２との間で、強制的に熱膨張係数差による応力を吸収させるようになっている。

また、これら第１層３１ないし第３層３３は、第２の実施の形態と同様に、ロウ付けまたは拡散接合により互いに接合されて一体構造をなしている。

このような第１層３１ないし第３層３３の構成材料としては、例えば、以下のような組み合わせが挙げられる。
第１層３１：銅タングステン（ＣｕＷ）（熱膨張係数６．５×１０^-6［１／Ｋ］）
第３層３３：鉄（Ｆｅ），ニッケル（Ｎｉ）およびコバルト（Ｃｏ）を含む合金（コバール）（熱膨張係数５．３×１０^-6［１／Ｋ］）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）（熱膨張係数４．５×１０^-6［１／Ｋ］）、ＳｉＳｉＣ（熱膨張係数３×１０^-6［１／Ｋ］）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）（熱膨張係数３．８×１０^-6［１／Ｋ］）、タングステン（Ｗ）（熱膨張係数４．５×１０^-6［１／Ｋ］）、モリブデン（Ｍｏ）（熱膨張係数５．１×１０^-6［１／Ｋ］）、ダイヤモンド（熱膨張係数２．３×１０^-6［１／Ｋ］）または金属とダイヤモンドとの複合材料（コンポジットダイヤ）（熱膨張係数（例）４〜６×１０^-6［１／Ｋ］）
第２層３２：銅（Ｃｕ）（熱膨張係数１７×１０^-6［１／Ｋ］）

また、以下のような組み合わせも可能である。
第１層３１：シリコンカーバイト（ＳｉＣ）（熱膨張係数３．８×１０^-6［１／Ｋ］）
第３層３３：金属とダイヤモンドとの複合材料（コンポジットダイヤ）（熱膨張係数（例）２．３×１０^-6［１／Ｋ］）
第２層３２：銅（Ｃｕ）（熱膨張係数１７×１０^-6［１／Ｋ］）

特に、第３層３３はダイヤモンドを含む材料により構成されていることが好ましい。ダイヤモンドを含む材料は熱伝導率が高く、縦方向（第１層３１ないし第２層３２の積層方向）だけでなく横方向（第３層３３の面内方向）にも熱拡散を促進し、より広範囲に熱を広げ排熱効率を上げることができるからである。

第１層３１ないし第３層３３の合計厚みは、第２の実施の形態と同様に、例えば０．１５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下とすることが好ましい。なお、第１層３１ないし第３層３３の各々の厚みは、各々の熱膨張係数や剛性を考慮し、第１層３１ないし第３層３３の接合後の反りが小さくなるように適切に定めることが望ましい。

この半導体レーザ装置は、第１の実施の形態と同様にして製造することができる。

この半導体レーザ装置では、各レーザダイオードチップ１２のｎ側電極１５とｐ側電極１４との間に所定の電圧が印加されると、第１の実施の形態と同様にして発光が起こる。ここでは、第３層３３の熱膨張係数が第１層３１よりも低く、サブマウント３０内で最小となっており、この第３層３３と第２層３２との間で、強制的に熱膨張係数差による応力が吸収される。よって、第１接着層４０および第２接着層５０にかかる応力が低減され、第１接着層４０および第２接着層５０を構成するはんだ等が、ストレスマイグレーションや変質により破断してしまうことが抑制される。

このように本実施の形態の半導体レーザ装置では、第３層３３の熱膨張係数を第１層３１よりも低くし、サブマウント３０内で熱膨張係数の最も小さい第３層３３と第２層３２との間で、強制的に熱膨張係数差による応力を吸収させることができる。よって、第１接着層４０および第２接着層５０にかかる応力を低減して、信頼性を向上させることができる。また、ＬＤバー１０への応力も緩和することができ、より信頼性の優れた半導体レーザ装置を実現することができる。

なお、本実施の形態では、サブマウント３０が第１層３１，第３層３３および第２層３２の３層構造である場合について説明したが、本実施の形態は、サブマウント３０が第１層３１と第２層３２の間に２以上の層を含む４層以上の積層構造の場合にも適用可能である。例えば、図７に示したように、サブマウント３０が第１層３１，第３層３３，第４層３４および第２層３２の４層構造の場合、第１層３１と第３層３３との熱膨張係数を略等しくすると共に、第４層３４の熱膨張係数を最小とし、第４層３４と第２層３２との間で、強制的に熱膨張係数差による応力を吸収させるようにしてもよい。

また、例えば、図８に示したように、サブマウント３０が第１層３１，第３層３３，第４層３４および第２層３２の４層構造の場合、第３層３３の熱膨張係数を最小とすると共に、第４層３４と第２層３２との熱膨張係数を略等しくし、第３層３３と第４層３４との間で、強制的に熱膨張係数差による応力を吸収させるようにしてもよい。

〔第４の実施の形態〕
図９は本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザ装置の構成を表すものである。この半導体レーザ装置は、ヒートシンク２０のＬＤバー１０に対応する領域に水冷機構２１が設けられた水冷型のものであり、サブマウント３０の第１層３１と第２層３２との間に絶縁材料よりなる第３層３３が設けられていることを除いては、第２または第３の実施の形態と同一の構成を有している。よって、同一の構成要素には同一の符号を付して説明する。

水冷機構２１は、ＬＤバー１０直下の領域にフィンを設けた水路（図示せず）を有するマイクロチャネル型のものであり、その部分に水を流すことにより高い排熱効率を実現するようになっている。

第３層３３は、セラミックなどの絶縁材料により構成されている。これにより、この半導体レーザ装置では、ＬＤバー１０とヒートシンク２０とを電気的に分断し、水冷機構２１のフィン近傍での金属材料の腐食（潰食）による漏水などを抑制することができるようになっている。また、第３層３３を構成する絶縁材料の熱膨張係数により、第２または第３の実施の形態と同様の効果も得られる。

なお、ＬＤバー１０のサブマウント３０側の面への電気的接続は、第１層３１またはその表面に設けられた金属被覆層（図示せず）でとることが可能である。そのため、サブマウント３０を大きめに作製しておくことが望ましい。

この半導体レーザ装置は、第１の実施の形態と同様にして製造することができる。

この半導体レーザ装置では、各レーザダイオードチップ１２のｎ側電極１５とｐ側電極１４との間に所定の電圧が印加されると、第１の実施の形態と同様にして発光が起こる。ここでは、ヒートシンク２０のＬＤバー１０に対応する領域に水冷機構２１が設けられており、この水冷機構２１によりＬＤバー１０が冷却される。また、サブマウント３０の第１層３１と第２層３２との間に絶縁材料よりなる第３層３３が設けられているので、ＬＤバー１０とヒートシンク２０とが電気的に分断され、水冷機構２１のフィン近傍での金属材料の腐食などが抑制される。

更に、この半導体レーザ装置を複数個２次元的に積層したスタック型の場合には、隣接または上下の二つのヒートシンク２０間の電位差が解消され、電気的腐食が抑制される。よって、水路の近接する部位で減肉が生じて漏水に至るおそれがなくなる。加えて、電気的腐食を防止するため冷却水の純度を高め、導電率を下げるなどの従来の対応策も不要となり、煩雑な管理を行わなくて済むようになる。

このように本実施の形態の半導体レーザ装置では、ヒートシンク２０のＬＤバー１０に対応する領域に水冷機構２１を設けると共に、サブマウント３０の第１層３１と第２層３２との間に絶縁材料よりなる第３層３３を設けるようにしたので、第２または第３の実施の形態の効果に加えて、排熱効率を更に高め、ヒートシンク２０の腐食による漏水などを抑制することができる。特にスタック型の場合に好適であり、高出力化を更に推し進めることができる。

なお、本実施の形態では、サブマウント３０が第１層３１，第３層３３および第２層３２の３層構造である場合について説明したが、サブマウント３０は、第１層３１と第２層３２の間に２以上の層を含む４層以上の積層構造としてもよい。その場合も、第１層３１でＬＤバー１０との電気的接続をとり、第１層３１以外の少なくとも１層が絶縁材料により構成されていればよい。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態において説明した各層の材料および厚み、または成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の成膜方法および成膜条件としてもよい。例えば、上記実施の形態では、ＧａＡｓよりなる基板１１上にＡｌＧａＡｓ系化合物半導体よりなる半導体層１３を有する赤外レーザを例として説明したが、本発明は、例えばＡｌＧａＩｎＰ系あるいはＧａＮ系などの他の材料系にも適用可能である。

また、例えば、上記実施の形態において、第１接着層４０および第２接着層５０は、ロウまたは金（Ａｕ）−スズ（Ｓｎ）はんだに限らず、他のはんだ材料により構成されていてもよい。例えば、主成分としてスズ（Ｓｎ）を含むもの、インジウム（Ｉｎ）を含むもの、あるいは金（Ａｕ）を含むもの等の鉛を含まないはんだ（鉛フリーはんだ）が好ましいが、鉛系はんだでもよい。

更に、本発明は、ＬＤバー１０とサブマウント３０との間に意図的に熱膨張係数差を持たせてレーザ特性の向上を図る場合にも適用することができる。その場合、サブマウント３０の各層の構成材料を、特定の熱膨張係数差を確保できるように組み合わせればよい。

加えて、上記実施の形態では、半導体レーザを例として説明したが、本発明は半導体レーザ以外にも、スーパールミネッセントダイオードなどの他の半導体発光素子にも適用可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ装置の構成を表す分解斜視図である。 図１に示したＬＤバーの一部を拡大して表した斜視図である。 図１に示した半導体レーザ装置の熱的構成を表す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ装置の構成を表す分解斜視図である。 図４に示した半導体レーザ装置の熱的構成を表す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザ装置の熱的構成を表す図である。 第３の実施の形態の変形例に係る半導体レーザ装置の熱的構成を表す図である。 他の変形例に係る半導体レーザ装置の熱的構成を表す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザ装置の構成を表す分解斜視図である。

符号の説明

１０…ＬＤバー、１１…基板、１２…レーザダイオードチップ、１３…半導体層、１４…ｐ側電極、１５…ｎ側電極、２０…ヒートシンク、２１…水冷機構、３０…サブマウント、３１…第１層、３２…第２層、３３…第３層、４０…第１接着層、５０…第２接着層

Claims (10)

1. 半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子よりも熱膨張係数の大きな放熱部材と、
   前記半導体レーザ素子に略等しい熱膨張係数を有すると共に前記半導体レーザ素子側の表面に配置された第１層、および前記放熱部材に略等しい熱膨張係数を有すると共に前記放熱部材側の裏面に配置された第２層を含む複数の層の積層構造を有し、かつ、前記複数の層がロウ付けまたは拡散接合により互いに接合されて一体構造をなしている支持部材と、
   前記半導体レーザ素子と前記支持部材とを接合する第１接着層と、
   前記放熱部材と前記支持部材とを接合する第２接着層と
   を備えたことを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記支持部材は、前記複数の層の熱膨張係数が前記第１層から前記第２層に向かって順に大きくなる
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
3. 前記支持部材は、前記第１層と前記第２層との間に、熱膨張係数が前記第１層よりも大きく前記第２層よりも小さい第３層を有する
   ことを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ装置。
4. 前記支持部材は、前記複数の層のうち熱膨張係数が最も小さい層と、前記層の前記放熱部材側に積層された層との間で強制的に熱膨張係数差による応力を吸収させている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
5. 前記支持部材は、前記第１層と前記第２層との間に、熱膨張係数が前記第１層よりも小さい第３層を有する
   ことを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ装置。
6. 前記複数の層のうち少なくとも１層は、ダイヤモンドを含む材料により構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
7. 前記放熱部材は、前記半導体レーザ素子に対応する領域に水冷機構を備えており、
   前記複数の層のうち前記第１層以外の少なくとも１層は、絶縁材料により構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
8. 前記半導体レーザ素子はＧａＡｓよりなる基板に形成されたものであり、前記第１層は銅タングステン（ＣｕＷ），イリジウム（Ｉｒ）およびシリコンカーバイト（ＳｉＣ）のうち少なくとも１種により構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
9. 前記放熱部材および前記第２層は、銅（Ｃｕ）により構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
10. 前記第１接着層および前記第２接着層は、ロウまたは金（Ａｕ）−スズ（Ｓｎ）はんだにより構成されている
    ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
    

Images