JP2008283064A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】歩留りを向上させると共に良好なレーザ特性を維持することが可能な半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】半導体レーザ装置１は、ヒートシンク１０上に、半導体レーザアレイ１１と、補剛部１２と、絶縁層１３と、電極部材１４とを備える。補剛部１２は、ヒートシンク１０上の半導体レーザアレイ１１とは異なる領域に設けられ、ヒートシンク１０よりも線膨張係数の小さい材料で構成されている。半導体レーザアレイ１１のヒートシンク１０への接合時や高温動作時において、半導体レーザアレイ１１からヒートシンク１０への熱伝導を妨げられることなく、ヒートシンク１０から半導体レーザアレイ１１へかかる熱応力が軽減される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートシンクなどの放熱部材上に実装された半導体レーザ素子からなる半導体レーザ装置に関する。

従来、半導体レーザが使用されている応用機器において、発熱に関する問題が深刻となっており半導体レーザの多方面にわたる利用を制限している。この問題は、半導体レーザの単位面積あたりの大きな発生熱と関連しており、熱循環によって、半導体レーザ内部の温度が上昇することで、発光出力、発光効率および寿命の低下、さらには発振波長の長波長化を招く要因となる。

このため、半導体レーザの排熱効率を大きくするために、半導体レーザを熱伝導率の高いヒートシンクに接合する手法が用いられている。ところが、ヒートシンクと半導体レーザとは、その線膨張係数の差が大きいため、実装時や高温動作時に大きな熱応力が発生する。特に、脆弱なＧａＡｓ基板上に形成される半導体レーザアレイなどは、この熱応力に耐えることができずに破壊されてしまうことがある。
特開平０１−１３５０８８号公報 特開昭６３−１４１３８６号公報 特開２００６−６８７６５号公報

そこで、半導体レーザとヒートシンクとの間に応力を緩和させるためのサブマウントを介在させる技術が提案されている（例えば、特許文献１，２）。また、特許文献３には、ヒートシンクと半導体レーザとを、金属粒子を複数混入させたはんだを用いて接合することにより、応力を吸収させる技術が提案されている。

しかしながら、上記特許文献の構成では、ヒートシンクに直接半導体レーザを接合した場合に比べて熱伝導性が悪くなる。このため、特にアレイレーザのように大きな熱が発生する場合には排熱が不十分となり、熱応力によってレーザ特性が悪化し、またレーザ自体が破壊されることにより歩留りが低下する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あり、その目的は、歩留りを向上させると共に良好なレーザ特性を維持することが可能な半導体レーザ装置を提供することにある。

本発明の半導体レーザ装置は、放熱部材と、放熱部材の一の領域に設けられた半導体レーザ素子と、放熱部材の他の領域の少なくとも一部に設けられ、放熱部材よりも線膨張係数の小さな材料から構成されている補剛部とを備えたものである。

本発明の半導体レーザ装置では、放熱部材の半導体レーザ素子と対向しない領域に、放熱部材よりも線膨張係数の小さな補剛部が設けられていることにより、温度変化に起因して生じる放熱部材の膨張や収縮が緩和される。よって、放熱部材から半導体レーザ素子へかかる熱応力が軽減される。また、放熱部材上に半導体レーザ素子が補剛部を介在させることなく設けられていることにより、補剛部によって半導体レーザ素子から放熱部材への熱伝導が妨げられることはない。

本発明の半導体レーザ装置によれば、放熱部材と、放熱部材の一の領域に設けられた半導体レーザ素子と、放熱部材の他の領域の少なくとも一部に設けられると共に、放熱部材よりも線膨張係数の小さな材料から構成されている補剛部とを備えるようにしたので、半導体レーザ素子から放熱部材への熱伝導を妨げることなく、放熱部材から半導体レーザ素子へかかる熱応力が軽減される。よって、歩留りを向上させると共に良好なレーザ特性を維持することが可能となる。

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。

図１は、本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ装置１の概略構成を表す斜視図である。半導体レーザ装置１は、ヒートシンク１０上に、半導体レーザアレイ１１と、補剛部１２と、絶縁層１３と、電極部材１４とを備えている。ヒートシンク１０上において、半導体レーザアレイ１１と補剛部１２とは、互いに異なる領域に設けられている。

ヒートシンク１０は、半導体レーザアレイ１０の排熱効果を高めるものであり、熱伝導性を有する材料、例えば銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）などの単体材料やこれらの合金などの複合材料、例えば、銅タングステン合金（Ｃｕ−Ｗ）、銅モリブデン合金（Ｃｕ−Ｍｏ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などにより構成されている。但し、熱伝導性の観点から銅単体および銅を含む合金によって構成されていることが好ましい。また、ヒートシンク１０の厚みは、例えば３．０ｍｍ〜１０．０ｍｍとなっている。なお、ヒートシンク１０の表面（半導体レーザアレイ１０が設けられる面）は、半導体レーザアレイ１１に対する電気伝導性を高めるために、例えば金（Ａｕ）などから構成される薄膜（図示せず）によって被覆されている。

半導体レーザアレイ１１は、ヒートシンク１０上に、第１接合層１０Ａを介して設けられている。半導体レーザアレイ１１は、複数の発光領域がアレイ状に配列してなる半導体レーザ素子であり、電極部材１４と電気的に接続されて構成されている。半導体レーザアレイ１１は、その長軸方向の幅が例えば１０ｍｍ、共振器長が例えば２００μｍ〜１．５ｍｍ、厚みが例えば１００μｍとなっている。以下では、半導体レーザアレイ１１の長軸方向を単に長軸方向として説明する。

この半導体レーザアレイ１１は、例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）よりなる基板上に、活性層を含む半導体層が形成されたものである。半導体層は、例えば下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、電流注入層などが積層したものであり、例えばＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体より構成されている。なお、ここでいうＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体とは、アルミニウム（Ａｌ）およびガリウム（Ｇａ）の少なくとも一方とインジウム（Ｉｎ）およびリン（Ｐ）の少なくとも一方とを含む四元系半導体のことであり、例えばＡｌＧａＩｎＰ混晶，ＧａＩｎＰ混晶またはＡｌＩｎＰ混晶などが挙げられる。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。このような構成により、例えば６３０μｍ〜６９０μｍに発振波長を有する赤色光を発光する。なお、半導体レーザアレイ１１の一対の端面に垂直な面のうち一の面が発光面となっている。また、この半導体レーザアレイ１１の表裏にはｐ側電極あるいはｎ側電極が形成されている。

補剛部１２は、ヒートシンク１０上に、第２接合層１２Ａを介して設けられている。この補剛部１２は、ヒートシンク１０よりも線膨張係数の小さい材料により構成され、好ましくは、ヒートシンク１０および半導体レーザアレイ１１のＧａＡｓ基板よりも線膨張係数の小さい材料により構成されている。ここで、表１に、ヒートシンク１０、補剛部１２の材料として想定できる材料の線膨張係数を示す。補剛部１２を構成する材料は、ヒートシンク１０の構成材料によって決定されるものであるが、例えば、ヒートシンク１０として銅を用いる場合には、ダイヤモンド（Ｃ）、タングステン、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、クロム、白金、酸化マグネシウム、アンチモン、鉄、コバルト、ニッケル、ビスマスなどを用いることができる。

また、補剛部１２は、長軸方向の幅が半導体レーザアレイ１１の長軸方向の幅よりも大きな幅で設けられることが好ましい。より好ましくは、ヒートシンク１０の長軸方向の幅と等しくなるように設けられる。例えば、半導体レーザアレイ１１が形成された領域を囲むように形成され、半導体レーザアレイ１１の発光面を除く３側面に平行な側面を有しており、例えばコの字型となっている。この補剛部１２の厚み（体積）は、後述の系全体の線膨張係数α０によって最適化される。

第１接合層１１Ａおよび第２接合層１２Ａは、例えば、はんだ等の接合用金属により構成されている。また、第１接合層１１Ａの融点が第２接合層の融点よりも低くなっていることが好ましい。例えば、第１接合層１１Ａが銀およびスズを含む合金、第２接合層１２Ａが金およびスズを含む合金から構成されている。

絶縁層１３は、例えば補剛部１２と後述の電極部材１４との間に設けられ補剛部１２と電極部材１４との電気的な絶縁を確保するためのものである。絶縁層１３は、例えばガラスエポキシ樹脂などの絶縁材料によって構成され、厚みは、例えば０．５ｍｍ〜１．０ｍｍである。

電極部材１４は、例えば、金などが被膜された銅により構成されており、厚みは例えば１．０ｍｍ〜３．０ｍｍである。この電極部材１４は、その一端がワイヤボンディング１４０を介して半導体レーザアレイ１１と電気的に接続されていると共に、他端が図示しない単一電源に接続されている。

このような構成において、ヒートシンク１０を構成する材料の線膨張係数をα１（×１０^-6／℃）、補剛部１２を構成する材料の線膨張係数をα２（×１０^-6／℃）、ヒートシンク１０の体積をＶ１、補剛部１２の体積をＶ２とし、ヒートシンク１０と半導体レーザアレイ１１と補剛部１２とからなる結合体（以下、単に系という。）の線膨張係数をα０（×１０^-6／℃）としたとき、線膨張係数α０は以下の式（１）によって求めることができる。
α０＝（Ｖ１・α１＋Ｖ２・α２）／（Ｖ１＋Ｖ２） ……（１）

また、上記のようにして求められる線膨張係数α０が以下の式（２）を満足することが好ましい。
α０≦９．４ ……（２）

上記のような構成を有する半導体レーザ装置１は、例えば次のようにして製造することができる。

まず、半導体レーザアレイ１１を形成する。例えばＧａＡｓにより構成された基板上に、化合物半導体層を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；有機金属化学気相成長）法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；電子ビーム蒸着）法により形成する。この際、上記のようなＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、フォスフィン（ＰＨ₃ ）を用い、ドナー不純物の原料としては、例えば、セレン化水素（Ｈ₂ Ｓｅ）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えば、ジメチルジンク（ＤＭＺ）を用いる。続いて、形成した化合物半導体層の表面と、ＧａＡｓ基板の裏面とに、蒸着法、スパッタ法などによりそれぞれ電極を形成する。こののち、軸方向の一対の端面に反射鏡膜（図示せず）を設けることにより、半導体レーザアレイ１１を形成する。

次いで、図３（Ａ）に示したように、上述した材料よりなるヒートシンク１０を用意し、このヒートシンク１０の半導体レーザアレイ１１の設置予定領域に、例えば真空蒸着法やめっき法により、例えばスズおよび銀を順に積層することにより、第１接合層１１Ａを形成する。このとき、第１接合層１１Ａを形成する領域以外の領域には、これらの層が堆積されないようマスクをしておく。

一方、図３（Ｂ）に示したように、上述した材料などよりなる補剛部１２を用意し、この補剛部１２の全面に対して、例えば真空蒸着法やめっき法により、例えば金およびスズを順に積層することにより第２接合層１２Ａを形成する。

続いて、ヒートシンク１０上に形成した第１接合層１１Ａに半導体レーザアレイ１１を位置合わせすると共に、補剛部１２を第２接合層１２Ａの形成されている側がヒートシンク１２Ａに対向するように位置合わせすることにより、ヒートシンク１０上にそれぞれ載置する。

続いて、図４に示したように、半導体レーザアレイ１１と補剛部１２とを載置したヒートシンク１０に対して加熱処理を施し、第１接合層１１Ａおよび第２接合層１２Ａを溶融させる。こののち、これらを再び冷却して、第１接合層１１Ａおよび第２接合層１２Ａを凝固させることにより、半導体レーザアレイ１１と補剛部１２とをヒートシンク１０に接合させる。最後に、補剛部１２上に絶縁層１３および電極部材１４を順に形成することにより、図１に示した半導体レーザ装置１を完成する。

なお、ここでは、補剛部１２と半導体レーザアレイ１１を一度の加熱処理により接合する例について説明したが、ヒートシンク１０上に第２接合層１２Ａを介して補剛部１２のみを位置合わせして加熱処理を施した後、半導体レーザアレイ１１をヒートシンク１０上に位置合わせして再び加熱処理を施すことにより接合してもよい。また、ヒートシンク１０上に第１接合層１１Ａを形成し、補剛部１２上に第２接合層１２Ａを形成する場合について説明したが、ヒートシンク１０上の半導体レーザアレイ１１の設置予定領域に第１接合層１１Ａ、補剛部１２の設置予定領域に第２接合層１２Ａを、それぞれ形成しておき、これらの上から半導体レーザアレイ１１と補剛部１２とを載置するようにしてもよい。

次に、本実施の形態の半導体レーザ装置１の作用および効果について説明する。

半導体レーザ装置１では、ヒートシンク１０の半導体レーザアレイ１１が設けられている領域とは異なる領域に、ヒートシンク１０よりも線膨張係数の小さい補剛部１２が設けられていることにより、温度変化に起因して生じるヒートシンク１０の膨張や収縮が緩和される。よって、半導体レーザアレイ１１の接合時や高温動作時において、ヒートシンク１０から半導体レーザアレイ１１へかかる熱応力が軽減される。また、ヒートシンク１０に対して半導体レーザアレイ１１が補剛部１２を介在させることなく設けられていることにより、補剛部１２が設けられることにより半導体レーザアレイ１１からヒートシンク１０への熱伝導が妨げられることはない。また、ヒートシンク１０上の同一面内に半導体レーザアレイ１１と補剛部１２とが設けられていることにより、ヒートシンク１０から半導体レーザアレイ１１へかかる熱応力が効果的に軽減される。

また、ヒートシンク１０と半導体レーザアレイ１１と補剛部１２とからなる系において、それぞれを接合した後の線膨張係数、すなわち系全体の線膨張係数α０は、接合前のそれぞれ材料の線膨張係数と体積の比によって換算することができる。但し、一般に半導体レーザアレイ１１の体積は、ヒートシンク１０に対して１／１００以下程度であることから、半導体レーザアレイ１１については、線膨張係数α０の算出に際して系から除外して考えることができる。よって、ヒートシンク１０の線膨張係数α１（×１０^-6／℃）、補剛部１２の線膨張係数をα２（×１０^-6／℃）、ヒートシンク１０の体積をＶ１、補剛部１２の体積をＶ２としたとき、系全体の線膨張係数をα０（×１０^-6／℃）は以下の式（１）によって求めることができる。
α０＝（Ｖ１・α１＋Ｖ２・α２）／（Ｖ１＋Ｖ２） ……（１）

ここで、図５に示したように、補剛部１２を設けずに、ヒートシンク１０上に半導体レーザアレイ１１を接合させる場合（従来と同様の接合）について、シミュレーションを行った。このとき、ヒートシンク１０としては銅を用い、その長軸方向の幅を２０ｍｍ、奥行き方向の幅を１５ｍｍ、厚みを５ｍｍとした。また、半導体レーザアレイ１１については、長軸方向の幅を１０ｍｍ、奥行き方向の幅を１ｍｍ、厚みを０．５ｍｍとした。第１接合層としては、金およびスズを含むはんだを用いた。なお、銅の線膨張係数は１６．８×１０^-6／℃とし、半導体レーザアレイ１１の線膨張係数としては、ＧａＡｓの線膨張係数である５．９×１０^-6／℃を用いた。

まず、第１接合層１１Ａのはんだを溶融させるために２５℃から２８０℃まで加熱する。このとき、ヒートシンク１０の銅の膨張率は、１６．８×(２８０-２５)＝４２８４×１０^-6ｍとなる。つまり、レーザが設けられる領域の長軸方向の幅１０ｍｍの部分は、膨張により１０．０４２８４ｍｍとなる。同様にして、半導体レーザアレイ１１が膨張する幅を求めると、５．９×（２８０-２５）＝１５０４．５×１０^-6ｍとなる。つまり、１０．０１５０５ｍｍとなる。

こののち、第１接合層１１Ａのはんだを固めるために２８０℃から降温するとヒートシンク１０と半導体レーザアレイ１１は、第１接合層１１Ａによって接合される。２５℃になったとき、ヒートシンク１０と半導体レーザアレイ１１の結合体が縮む長さは１０．０４２８４−１０．０１５０５＝０．０２７７９ｍｍと予想される。すなわち、接合後の半導体レーザアレイ１１の長さはおよそ１０．０００−０．０２７７９＝９．９７２２１ｍｍとなる。実測値としては、９．９６３２ｍｍ（０．０３６８ｍｍの縮み）、９．９６８８ｍｍ（０．０３１２ｍｍの縮み）、９．９６７４ｍｍ（０．０３２６ｍｍの縮み）となった。

このように、補剛部１２を設けることなく、ヒートシンク１０上に半導体レーザアレイ１１を接合した場合、ヒートシンク１０と半導体レーザアレイ１１との線膨張係数の差により、半導体レーザアレイ１１に対して応力（特に、加熱後の冷却する際の圧縮応力）がかかり、これによって半導体レーザアレイ１１が収縮し、発振波長が短くなるという現象が生じる。この短波長化は、図６に示したように、半導体レーザアレイ１１の長軸方向の幅の変化率（収縮率）と密接に関連している。例えば、補剛部を設けていない従来の構成では、半導体レーザアレイ１１の長軸幅の変化率が約０．２８％であり、このとき６．７ｎｍ程度の短波長化が生じることがわかる。なお、図中の波長変化として−（マイナス）の記号を付しているのは、波長が短くなっていることを示している。

そして、上記のような短波長化が生じると、発光効率などのレーザ特性が悪化する虞がある。このため、半導体レーザアレイ１１の長軸幅変化率は、例えば短波長化６ｎｍ以下となる０．２４％以下であることが好ましい。

よって、接合時の温度環境、例えば２８０℃から２５℃まで降温した場合、変化率が０．２４％となるような線膨張係数を求めると、約９．４×１０^-6／℃となる。従って、系全体の線膨張係数α０は、以下の式（２）を満足することが好ましい。
α０≦９．４ ……（２）

また、式（１）より、系全体の線膨張係数α０は、ヒートシンク１０と補剛部１２の材料や体積（例えば、厚み）などを調整することによって、所望の値に設定することができる。言い換えると、図７に示したように、線膨張係数α０は、ヒートシンク１０の線膨張係数α１と補剛部１２の線膨張係数α２との差と、それぞれの体積Ｖ１，Ｖ２の比とで決定される。

例えば、補剛部１２として窒化アルミニウム（線膨張係数：４．５×１０^-6／℃）を用いて、ヒートシンク１０の体積Ｖ１を７５０ｍｍ³（長軸方向の幅：１０ｍｍ、奥行き：１５ｍｍ、厚み：５ｍｍ）とし、所望の線膨張係数α０を例えば９．０×１０^-6／℃とすると、補剛部１２の体積Ｖ２は、式（１）より、約１３００ｍｍ³と求まる。また、このときの補剛部１２の長軸方向の幅をヒートシンク１０と等しい１０ｍｍとし、奥行きを１３ｍｍとする場合、厚みは約１０ｍｍに設定すればよいことがわかる。

同様に、線膨張係数α０を半導体レーザアレイ１１の線膨張係数、例えばＧａＡｓの線膨張係数に合わせることを考えると、式（１）より、補剛部１２の体積Ｖ２は、式（１）より、約５８３９．３ｍｍ³と求まる。従って、この場合には、厚みを４４．９ｍｍに設定すればよいことがわかる。このように、線膨張係数α０が、半導体レーザアレイ１１の線膨張係数に等しいか、あるいはその差が小さくなるようにした場合、半導体レーザアレイ１１にかかる熱応力がより軽減される。

また、補剛部１２が、半導体レーザアレイ１１、例えばＧａＡｓよりも小さい線膨張係数を有する材料によって構成されている場合には、ヒートシンク１０に線膨張係数の比較的大きな材料、例えば銅などを用いた場合であっても、式（１）によって補剛部１２の体積を調整することにより、線膨張係数α０を半導体レーザアレイ１１の線膨張係数に近づけることができる。よって、半導体レーザアレイ１１と系全体との間の線膨張係数の差をより小さくすることができ、半導体レーザアレイ１１にかかる熱応力がより効果的に軽減される。

さらに、第１接合層１１Ａの融点が第２接合層の融点よりも低くなっていることにより、ヒートシンク１０上に半導体レーザアレイ１１および補剛部１２を載置して熱処理により接合する場合において、加熱後の降温によって、まず第２接合層１２Ａによりヒートシンク１０と補剛部１２とが先に接合され、この後に第１接合層１１Ａによりヒートシンク１０と半導体レーザアレイ１１とが接合される。通常、降温時にヒートシンクでは熱収縮が生じ、これにより半導体レーザに対して多大な熱応力がかかる。本実施の形態では、半導体レーザアレイ１１がヒートシンク１０に接合されるよりも前に、ヒートシンク１０が補剛部１２と接合することで、ヒートシンク１０の熱収縮が阻害される。よって、半導体レーザアレイ１１にかかる熱応力がより効果的に軽減される。

また、長手方向において、補剛部１２の幅が、半導体レーザアレイ１１の幅と等しいか、またはそれ以上、好ましくはヒートシンク１０の幅と等しくなっていることにより、半導体レーザアレイ１１の長手方向の全面において、半導体レーザアレイ１１の接合時あるいは動作時に生じるヒートシンク１０の熱収縮あるいは膨張の影響を受けにくくなる。よって、半導体レーザアレイ１１にかかる熱応力がより効果的に軽減される。

以上説明したように、ヒートシンク１０上の半導体レーザアレイ１１が設けられた領域とは異なる領域に、ヒートシンク１０よりも線膨張係数の小さい補剛部１２が設けられているので、半導体レーザアレイ１１のヒートシンク１０への接合時や高温動作時において、ヒートシンク１０から半導体レーザアレイ１１へかかる熱応力が軽減される。また、ヒートシンク１０に対して半導体レーザアレイ１１が補剛部１２を介在させることなく設けられているので、補剛部１２が設けられることによって半導体レーザアレイ１１からヒートシンク１０への熱伝導が妨げられることはない。従って、歩留りを向上させると共に良好なレーザ特性を維持することが可能となる。

次に、本実施の形態の半導体レーザ装置１の変形例について説明する。

（変形例１）
図８は、変形例１に係る半導体レーザ装置２の概略構成を表す斜視図である。半導体レーザ装置２は、補剛部２２以外の構成は上記半導体レーザ装置１と同様の構成を有している。従って、半導体レーザ装置１と同様の構成については同一の符号を付し適宜説明を省略する。

半導体レーザ装置２では、ヒートシンク１０上の半導体レーザアレイ１１が設けられている領域とは異なる領域に、補剛部２２が、第２接合層１２Ａを介して設けられている。この補剛部２２は、ヒートシンク１０よりも線膨張係数の小さい絶縁材料によって構成されている。補剛部２２を構成する材料としては、例えば、ケイ素（Ｓｉ）、ホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）および窒素（Ｎ）のうち少なくとも１種を含むものを用いることができる。

このように、補剛部１２が絶縁材料によって構成されていることにより、ヒートシンク１０と電極部材１４との間に、電気的な絶縁を確保するための絶縁層を新たに設ける必要がなくなる。一方、半導体レーザアレイ１１は、ヒートシンク１０上に、この補剛部２２を介在させることなく設けられているので、補剛部２２によって半導体レーザアレイ１０とヒートシンク１１とが熱伝導および電気伝導が妨げられることはない。よって、簡易な構成で、歩留りを向上させると共に良好なレーザ特性を維持することが可能となる。

（変形例２）
図９は、変形例２に係る半導体レーザ装置３の概略構成を表す斜視図である。図１０は、半導体レーザ装置３の補剛部３２の平面図である。半導体レーザ装置３は、補剛部３２および第２接合層３２Ａ以外の構成は上記半導体レーザ装置１と同様の構成を有している。従って、半導体レーザ装置１と同様の構成については同一の符号を付し適宜説明を省略する。

半導体レーザ装置３は、ヒートシンク１０上の半導体レーザアレイ１１が設けられている領域とは異なる領域に、補剛部３２が、第２接合層３２Ａを介して設けられている。補剛部３２は、半導体レーザアレイ１１を囲うように設けられており、半導体レーザアレイ１１の発光面を除く３側面にそれぞれ対向する３側面の２つの角部は、それぞれ弯曲部３２０を有している。また、第２接合層３２Ａは、この補剛部３２の底面の形状に沿って形成されている。

ここで、図１０に示したように、補剛部３２において、半導体レーザアレイ１１の短軸方向に対向しない第１領域３２−１と、半導体レーザアレイ１１短軸方向に対向する第２領域３２−２とでは、長軸方向の幅３２−１ａ，３２−２ａ同士の差が大きいため、ヒートシンク１０から受ける応力に大きな差が生じる。従って、補剛部３２の半導体レーザアレイ１１に対向する３側面の２つの角部が弯曲部３２０を有していることにより、第１領域３２−１と第２領域３２−２との境界付近において、ヒートシンク１０から受ける応力が分散され、クラックの発生を抑制することができる。

（変形例３）
図１１は、変形例３に係る半導体レーザ装置４の概略構成を表す斜視図である。半導体レーザ装置４は、さらに他の補剛部４２が設けられていること以外は上記半導体レーザ装置１と同様の構成を有している。従って、半導体レーザ装置１と同様の構成については同一の符号を付し適宜説明を省略する。

半導体レーザ装置４では、ヒートシンク１０の側面に補剛部４２が設けられている。この補剛部４２は、ヒートシンク１０よりも線膨張係数が大きい材料、例えば黄銅（銅と亜鉛の合金）などの銅合金、アルミニウム単体、シリコン単体などの材料によって構成されている。

このように、ヒートシンク１０の側面側に、ヒートシンク１０よりも線膨張係数の大きい材料で構成された補剛部４２が設けられていることにより、温度変化に伴う補剛部４２の膨張あるい収縮によって、ヒートシンク１０の厚み方向における膨張、収縮が促進される。よって、ヒートシンク１０の面内方向における膨張、収縮が抑制される。従って、ヒートシンク１０から半導体レーザアレイ１１へかかる熱応力がより効果的に軽減される。

以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態等では、ヒートシンク１０上に設ける補剛部の形状として矩形状あるいはアーチ状のものを例に挙げて説明したが、半導体レーザアレイ１１が設けられている領域以外の領域の少なくとも一部に補剛部が形成されていればよく、その形状は特に限定されない。

また、上記実施の形態等では、ヒートシンク１０上の同一面内に半導体レーザアレイ１１と補剛部１２とが設けられている構成について説明したが、これに限定されず、例えば、ヒートシンク１０の下面（半導体レーザアレイ１１が形成されている側と反対側の面）に補剛部が設けられている構成であってもよい。

また、上記実施の形態等では、ＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体レーザを例にして本発明を説明したが、他の化合物半導体レーザ、例えばＡｌＩｎＰ系、ＧａＩｎＡｓＰ系などの赤色半導体レーザ、ＧａＩｎＮ系およびＡｌＧａＩｎＮ系などの窒化ガリウム系の半導体レーザ、ＺｎＣｄＭｇＳＳｅＴｅなどのＩＩ−ＶＩ族の半導体レーザにも適用可能である。また、ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、ＧａＩｎＡｓＮＰ系などの、発振波長が可視域とは限らないような半導体レーザにも適用可能である。

本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ装置の概略構成を表す断面図である。 図１に示した半導体レーザ装置の概略構成を表す正面図および平面図である。 図１に示した半導体レーザ装置の製造方法を工程順に表す図である。 図３に示した工程に続く工程を表す図である。 系全体の線膨張係数を算出するシミュレーションで用いた半導体レーザ装置の斜視図である。 半導体レーザアレイの変化率に対する発振波長を表す特性図である。 ヒートシンクおよび補剛部の線膨張係数、体積の関係を表す図である。 変形例１に係る半導体レーザ装置の概略構成を表す斜視図である。 変形例２に係る半導体レーザ装置の概略構成を表す斜視図である。 図９に示した半導体レーザ装置の概略構成を表す平面図である。 変形例３に係る半導体レーザ装置の概略構成を表す斜視図である。

符号の説明

１，２，３，４…半導体レーザ装置、１０…ヒートシンク、１１…半導体レーザアレイ、１２，２２，３２，４２…補剛部、１１Ａ…第１接合層、１２Ａ第２接合層、１３…絶縁層、１４…電極部材。

Claims (16)

1. 放熱部材と、
   前記放熱部材の一の領域に設けられた半導体レーザ素子と、
   前記放熱部材の他の領域の少なくとも一部に設けられ、前記放熱部材よりも線膨張係数の小さな材料から構成されている補剛部とを備えた
   ことを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記補剛部は、前記半導体レーザ素子よりも線膨張係数の小さな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。
3. 前記放熱部材と前記補剛部と前記半導体レーザ素子とからなる結合体の線膨張係数をα０（×１０^-6／℃）、前記放熱部材を構成する材料の線膨張係数をα１（×１０^-6／℃）、前記補剛部を構成する材料の線膨張係数をα２（×１０^-6／℃）、前記放熱部材の体積をＶ１、前記補剛部の体積をＶ２としたとき、
   前記線膨張係数α０は以下の式（１）を満足する
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
   α０＝（Ｖ１・α１＋Ｖ２・α２）／（Ｖ１＋Ｖ２） ……（１）
4. 前記線膨張係数α０が以下の式（２）を満足する
   ことを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ装置。
   α０≦９．４ ……（２）
5. 前記放熱部材と前記半導体レーザ素子との間に第１の接合層、前記放熱部材と前記補剛部との間に第２の接合層とを備え、
   前記第１の接合層を構成する材料の融点が前記第２の接合層を構成する材料の融点よりも低くなっている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
6. 前記第１の接合層が、金（Ａｕ）およびスズ（Ｓｎ）を含む材料により構成され、前記第２の接合層がスズと銀（Ａｇ）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５記載の半導体レーザ装置。
7. 前記半導体レーザ素子が複数の発光領域を並列に配置してなる半導体レーザアレイである
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
8. 前記補剛部は、前記半導体レーザアレイの長手方向において、前記半導体レーザアレイの幅と等しい、もしくは前記半導体レーザアレイの幅よりも大きな幅を有する
   ことを特徴とする請求項７記載の半導体レーザ装置。
9. 前記補剛部は、前記半導体レーザアレイの長手方向において、前記放熱部材と等しい幅を有する
   ことを特徴とする請求項７記載の半導体レーザ装置。
10. 前記半導体レーザ素子と前記補剛部とは、前記放熱部材の同一面内に設けられている
    ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
11. 前記補剛部は、前記半導体レーザアレイが形成されている領域を囲むように設けられている
    ことを特徴とする請求項１０記載の半導体レーザ装置。
12. 前記半導体レーザアレイは矩形状であり、
    前記補剛部は、前記半導体レーザアレイの発光面を除く３つの側面のそれぞれに平行な３つの側面を有する
    ことを特徴とする請求項１１記載の半導体レーザ装置。
13. 前記補剛部は、前記３つの側面の角部に弯曲部を有する
    ことを特徴とする請求項１２記載の半導体レーザ装置。
14. 前記放熱部材よりも線膨張係数の大きい材料で構成されている他の補剛部を備え、
    前記他の補剛部は、前記放熱部材の前記半導体レーザ素子の設けられた面に垂直な面に隣接して設けられている
    ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
15. 前記補剛部は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）およびビスマス（Ｂｉ）のうち少なくとも１種を含んで構成されている
    ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
16. 前記補剛部は、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、ダイヤモンド（Ｃ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）あるいは酸化マグネシウム（ＭｇＯ）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。

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