(57)【要約】【課題】  機械的強度を確保し製造工程中や使用中の破損を防止しつつ、発光効率の向上や発熱量の抑制を図ることのできる半導体レーザを得る。【解決手段】  本発明は、半導体レーザバーを切り出すウエハ基板をガラス板に貼付けて強度を保ちながら薄膜化し、薄膜化したウエハ基板を積層し、ウエハ基板をガラス板から剥がす工程を複数回繰り返すことにより、半導体レーザの層構造を複数枚積層したウエハ基板を作成し、このウエハ基板から薄膜化した半導体レーザバーを複数枚積層した積層半導体レーザバーを切り出す。【選択図】    図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザの層構造を有したウエハを作成する工程と、
ガラス板にこのウエハを貼付けて研磨し薄膜化する工程と
薄膜化したウエハをガラス板に貼付けた状態で他の薄膜化したウエハに積層する工程と、
積層したウエハからガラス板を取り外す工程と、
ガラス板を取り外した積層したウエハを分割して積層された半導体レーザを得る工程と、
を備えた半導体レーザの製造方法。
【請求項２】
前記ウエハにガラス板を貼付ける際に、
このガラス板を透過する光で融解するワックスを用いて貼付ける
請求項１に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項３】
積層したウエハからガラス板を取り外す際に、
前記光をガラス板の外側からワックスに照射しワックスを融解しガラス板を取り外す
請求項２に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の製造方法により作成された半導体レーザと、
前記半導体レーザを収納する筐体と、
前記半導体レーザを前記筐体に固定するサブマウントと、
前記筐体に設けられ前記半導体レーザから発生するレーザ光を透過する出射窓と、
を備えたことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項５】
１つの半導体レーザと他の半導体レーザとを、前記１つの半導体レーザを形成する各層の積層方向の最上面と前記他の半導体レーザを形成する各層の積層方向の最下面とで接合することにより、複数の半導体レーザを積層させた構造を有する半導体レーザ。
【請求項６】
前記１つの半導体レーザの最上面および前記他の半導体レーザの最下面は電極である
請求項５に記載の半導体レーザ。
【請求項７】
請求項５または６いずれかに記載の半導体レーザと、
前記半導体レーザを収納する筐体と、
前記半導体レーザを前記筐体に固定するサブマウントと、
前記筐体に設けられ前記半導体レーザから発生するレーザ光を透過する出射窓と、
を備えたことを特徴とする半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を出射する半導体レーザ、その半導体レーザの製造方法、およびその半導体レーザを用いた半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ（ＬＤ）は、活性層、光ガイド層およびクラッド層が積層された発光半導体層が、支持基板によって支持される構造を有している。この支持基板は、実際の発光に寄与していないにもかかわらず電流が流れるため、ジュール熱により発熱し半導体レーザの特性を低下させるという問題があった。
【０００３】
この問題を解消すべく、従来の半導体レーザ装置においては、支持基板を薄くして約１０〜２０μｍ程度の厚さで構成されたＬＤバーを、導電性のスペーサでＬＤの積層方向に複数接合することで高集積化し、発光に寄与しない支持基板での電力ロスを低減し、高輝度な発光を行うことができるように構成していた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１１４２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の半導体レーザ装置のように、ＬＤバーを約１０〜２０μｍ程度の厚さまで薄膜化すると、十分な機械的強度が得られず、製造プロセス中または使用中に破損するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、機械的強度を確保しつつ、発光効率の向上や発熱量の抑制を図ることのできる半導体レーザを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ＬＤバーを切り出すウエハ基板をガラス板に貼付けて強度を保ちながら薄膜化し、薄膜化したウエハ基板をガラス板に貼付けたまま積層し、ウエハ基板をガラス板から剥がす工程を複数回繰り返すことにより、ＬＤバーの層構造を複数枚積層したウエハ基板を作成し、このウエハ基板から薄膜化したＬＤバーを複数枚積層した積層ＬＤバーを得ることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ガラス板に貼付けて薄膜化し積層したウエハ基板から、ＬＤバーを複数枚積層した積層ＬＤバーを得たので、機械的強度が得られ、製造プロセス中や使用中での破損の頻度を低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係る半導体レーザ装置内のＬＤバーの構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態１に係る半導体レーザ装置内のＬＤバーの基本構造を説明するための図である。
【図３】実施の形態１に係る半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。
【図４】実施の形態１に係る半導体レーザ装置内のＬＤバーを製造する工程（特に１層目の積層工程）を説明する図である。
【図５】実施の形態１に係る半導体レーザ装置内のＬＤバーを製造する工程（特に追加積層用のウエハの作成工程）を説明する図である。
【図６】実施の形態１に係る半導体レーザ装置内のＬＤバーを製造する工程（特に２層目の積層工程）を説明する図である。
【図７】実施の形態１に係る半導体レーザ装置内のＬＤバーを製造する工程（特に３層目の積層工程）を説明する図である。
【図８】実施の形態１に係る半導体レーザ装置内のＬＤバーを製造する工程（特に最終層の積層工程）を説明する図である。
【図９】実施の形態１に係る半導体レーザ装置内のＬＤバーを製造する工程（特にウエハからＬＤバーを取り出す工程）を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置内のＬＤバーの構成を示す図である。図２は、発光するための最小構成となるＬＤバー１（以下、基本ＬＤバーと呼ぶ）の断面図であり、図１は、図２で示した基本ＬＤバー１ａ〜１ｄを４層積層した後のＬＤバー１００（以下、積層ＬＤバーと呼ぶ）の断面図となる。
【００１２】
まず、図２により基本ＬＤバー１の構成を説明する。基本ＬＤバー１は、レーザ光を出射する活性層５を有しており、この活性層５が複数の層によって挟まれている。基本ＬＤバー１は、下層側から下部電極１４Ｕ、下部コンタクト層１３Ｕ、下部クラッド層１２Ｕ、活性層５、上部クラッド層１２Ｔ、上部コンタクト層１３Ｔ、上部電極１４Ｔの順番で積層された構造を有している。
【００１３】
下部電極１４Ｕは、ｎ側の電極であり、例えば上層側からオーミックメタル（ＡｕＧｅなど）、バリアメタル（Ｐｔなど）、最表面メタル（Ａｕなど）の順番で積層された構造を有している。上部電極１４Ｔは、ｐ側の電極であり、例えば下層側からオーミックメタル（ＡｕＺｎなど）、バリアメタル（Ｐｔなど）、最表面メタル（Ａｕなど）の順番で積層された構造を有している。
【００１４】
クラッド層１２は、活性層５に注入されたキャリアを活性層５内に閉じ込めるための層である。クラッド層１２は、活性層５よりも小さな屈折率を有するとともに、大きなバンドギャップを有している。コンタクト層１３は、電極１４とクラッド層１２とを電気的に接続するための層（ＧａＡｓなど）である。
【００１５】
基本ＬＤバー１は、長手方向に延びる側面からレーザ光を出射する。ＬＤバー１の主面は、例えば長手方向の寸法が約１０ｍｍであり、短手方向の寸法が約１ｍｍである。また、本実施の形態の基本ＬＤバー１は、支持基板を薄く形成し下部コンタクト層１３Ｕとすることによって、約１０〜２０μｍ程度の厚さで構成されている。
【００１６】
次に、図１により積層ＬＤバー１００の構成を説明する。積層ＬＤバー１００は、基本ＬＤバー１を、基本ＬＤバー１内のコンタクト層１３等の積層方向と同じ方向に、複数枚積層したものである。すなわち、一つの基本ＬＤバー１ａの下部電極１４Ｕと、他の基本ＬＤバー１ｂの上部電極１４Ｔを直接接合し、これを繰り返すことで複数の基本ＬＤバー１を積層している。図１は、例えば、図２に示した同じ構造を備えた４つの基本ＬＤバー１ａ〜１ｄを４層積層した積層ＬＤバー１００を示したものである。
【００１７】
積層ＬＤバー１００は、積層した各基本ＬＤバー１から発光が行われるので、積層した層数に応じ、基本ＬＤバー１の数倍から十数倍の発光点数が得られるので高出力化が実現できる。また、基本ＬＤバー１の厚みは約１０〜２０μｍ程度と薄いが、積層することにより機械強度が増し、使用中のＬＤバーの破損を防止することができる。
【００１８】
なお、図２に示した基本ＬＤバー１は、一例であり、基本ＬＤバー１は他の構成であってもよい。また、図１に示した積層ＬＤバー１００は、基本ＬＤバー１を４層積層した一例であるが、積層数は適宜必要な層だけ積層すればよい。また、基本ＬＤバー１を積層した構成にて説明したが、ＬＤチップを積層した構成であっても良い。
【００１９】
次に、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置の構成を説明する。図３は、図１に示す積層ＬＤバー１００を備える半導体レーザ装置の概略構成を示す断面図である。なお、図３においては、基本ＬＤバー１を１０層積層した積層ＬＤバー１００にて図示している。
【００２０】
半導体レーザ装置１０は、積層ＬＤバー１００を備えており、積層ＬＤバー１００の上部側および下部側には、導電性のサブマウント３が配置されており、積層ＬＤバー１００がサブマウント３によって挟持されている。サブマウント３は、ＣｕＷ、Ｓｉ、ＡｌＮ等の材料で構成されており、Ａｕの熱圧着等で積層ＬＤバー１００に接合されている。
【００２１】
積層ＬＤバー１００を挟持したサブマウント３は、パッケージ（筐体）２１内に格納されている。パッケージ２１は、サブマウント３を介して積層ＬＤバー１００を固定するとともに、積層ＬＤバー１００を保護する。パッケージ２１には、リード端子２４ａ，２４ｂと、積層ＬＤバー１００を冷却するための不活性ガスを導入、導出させる出入り口（出入筒２２ａ，２２ｂ）が取り付けられている。出入筒２２ａは、パッケージ２１の底面側の壁面を貫通するようパッケージ２１に取り付けられ、出入筒２２ｂは、パッケージ２１の上面側の壁面を貫通するようパッケージ２１に取り付けられている。また、リード端子２４ａは、パッケージ２１の側面側の壁面を貫通するよう、パッケージ２１と絶縁された状態でパッケージ２１に取り付けられており、リード端子２４ｂは、パッケージ２１に突き刺さるよう、パッケージ２１と導通された状態でパッケージ２１に取り付けられている。
【００２２】
出入筒２２ａには、積層ＬＤバー１００を冷却するための冷却用不活性ガス（Ｎ２やＣＯ２など）が入れられ、パッケージ２１内が冷却用不活性ガスによって充填させられる。また、出入筒２２ｂは、パッケージ２１内の冷却用不活性ガスを送出する。
【００２３】
リード端子２４ａは、パッケージ２１内でＡｕワイヤ（給電用ワイヤ）２５に接続されており、Ａｕワイヤ２５が上側のサブマウント３に接続されている。パッケージ２１は、銅などの導電性材質で形成され、下側のサブマウント３と導通しており、リード端子２４ｂは、下側のサブマウント３と導通している。リード端子２４ａ，２４ｂは、パッケージ２１の外部で電源（図示せず）に接続されており、電源からリード端子２４ａ，２４ｂに電流が流され、サブマウント３を介して積層ＬＤバー１００に電流が供給される。また、パッケージ２１の１つの側面にはレーザ光を透過する出射窓２３が設けられており、この出射窓２３から、積層ＬＤバー１００からのレーザ光（ＬＤ光）Ｌが出射される。
【００２４】
つぎに、積層ＬＤバー１００の製造方法について、図４から図９を用いて説明する。なお、ここでは、図１に示した、基本ＬＤバー１を４層積層した積層ＬＤバー１００を例にして説明する。また、図４〜図８は、積層方向に平行な平面でのウエハ基板の断面図である。また、図においては積層ＬＤバー１００を１つのみ作成しているように図示しているが、実際にはウエハ基板上全体に積層しており、最終工程にてウエハを分割して個々の積層ＬＤバー１００を切り出すことになる。
【００２５】
［１層目の製造工程］
まず、１層目の製造工程を説明する。図４（ａ）に示したとおり、ＧａＡｓ等のｎ型ウエハ基板１６の上側に、下部クラッド層１２Ｕ、活性層５、上部クラッド層１２Ｔ、上部コンタクト層１３Ｔの順番で、各層を結晶成長にて積層していく。
この後、図４（ｂ）に示したとおり、ウエハ基板１６の上面側、すなわち上部コンタクト層１３Ｔの上部にｐ側電極となる上部電極１４Ｔを形成する。
次に、図４（ｃ）に示したとおり、上部電極１４Ｔに補強として厚さ数ｍｍ程度の上部ガラス板１７をワックスで貼付ける。
次に、図４（ｄ）に示したとおり、ウエハ基板１６を研磨し２０μｍ程度までにする。ここで、補強で上部ガラス板１７を貼付けているので、２０μｍ程度の薄膜まで研磨しても機械強度は保たれ、製造工程でのウエハ基板の破損を防止することができる。なお、ウエハ基板１６の研磨においては、ウエハ基板１６を完全に除去することなく数μｍ残しておく。これは、残しておいたウエハ基板１６が、下部コンタクト層１３Ｕの働きをするためである。すなわち、本工程は下部コンタクト層１３Ｕを形成する工程と言い換えることもできる。
次に、図４（ｅ）に示したとおり、下部コンタクト層１３Ｕ側にｎ側電極となる下部電極１４Ｕを形成する。これにより、上部ガラス板１７の下側に基本ＬＤバー１と同様の層構造が完成したことになる。この基本ＬＤバー１と同様の層構造を有したものを、ＬＤウエハ基板１０１ａと呼ぶこととする。
なお、ここでは、ｎ型ウエハ基板１６上に結晶成長を行った例を示したが、ｐ型ウエハ基板上に結晶成長を行っても良い。
【００２６】
［追加積層用ＬＤウエハ基板製造工程］
ここで、ＬＤウエハ基板を、図４（ｅ）に示したＬＤウエハ基板１０１ａにさらに追加するための、追加積層用のＬＤウエハ基板製造工程を説明する。
まず、図５（ａ）に示したとおり、上記［１層目の製造工程］にて作成した図４（ｅ）に示したＬＤウエハ基板１０１ａを用い、このＬＤウエハ基板１０１ａの下部電極１４Ｕに厚さ数ｍｍ程度の下部ガラス板１８をワックスで貼り付ける。
次に、図５（ｂ）に示したとおり、上部ガラス板１７の外側からワックス融解用の光１９を照射する。このとき、光１９は上部ガラス板１７を透過するようにしておくことで、上部ガラス板１７と上部電極１４Ｔを貼付けているワックスを加熱することができ、ワックスを融解することができる。ワックスの融解後、図５（ｃ）に示したように上部ガラス板１７を取り外す。このように、ガラス板をワックスで貼付けると共に、ガラス板を透過する光でワックスを融解することで、強度の弱い薄膜化したウエハを容易に損傷を与えることなく、ガラス板から外すことができる。
これにより、下部ガラス板１８に貼り付いた追加積層用ＬＤウエハ基板１０１ｂが得られる。
【００２７】
［２層目の製造工程］
次に、２層目の製造工程を説明する。図６（ａ）に示したとおり、［１層目の製造工程］にて作成した図４（ｅ）に示したＬＤウエハ基板１０１ａの下部電極１４Ｕと、［追加積層用ＬＤウエハ基板製造工程］にて作成した図５（ｃ）に示した追加積層用ＬＤウエハ基板１０１ｂの上部電極１４Ｔを熱圧着により接合する。
次に、図５（ｂ）に示したとおり、下部ガラス板１８の外側からワックス融解用の光１９を照射する。このとき、上部ガラス板１７と同様に下部ガラス板１８も光１９を透過するようにしておき、光１９によりワックスを加熱して融解する。そして、図６（ｃ）に示したように下部ガラス板１８を取り外す。これにより、ＬＤウエハ基板が２層積層された層構造となる。
【００２８】
［３層目の製造工程］
次に、３層目の製造工程を説明する。図７（ａ）に示したとおり、［２層目の製造工程］にて作成した図６（ｃ）に示した２層のＬＤウエハ基板の下部電極１４Ｕと、［追加積層用ＬＤウエハ基板製造工程］にて作成した図５（ｃ）に示した追加積層用ＬＤウエハ基板１０１ｂの上部電極１４Ｔを熱圧着により接合する。
次に、図７（ｂ）に示したとおり、下部ガラス板１８の外側からワックス融解用の光１９を照射し、ワックスを加熱して融解する。そして、図７（ｃ）に示したように下部ガラス板１８を取り外す。これにより、ＬＤウエハ基板が３層積層された層構造となる。
【００２９】
［最終層の製造工程］
次に、最終層である４層目の製造工程を説明する。［３層目の製造工程］と同様に、［３層目の製造工程］にて作成した図７（ｃ）に示した３層のＬＤウエハ基板の下部電極１４Ｕと、［追加積層用ＬＤウエハ基板製造工程］にて作成した図５（ｃ）に示した追加積層用ＬＤウエハ基板１０１ｂの上部電極１４Ｔを熱圧着により接合する。そして、下部ガラス板１８の外側からワックス融解用の光１９を照射し、ワックスを加熱してワックスを融解し、下部ガラス板１８を取り外す。これにより、図８（ａ）に示したようにＬＤウエハ基板が４層積層された層構造となる。
ここで、積層数が所望の４層に達したので、図８（ａ）に示したように、上部ガラス板１７の外側からワックス融解用の光１９を照射し、ワックスを加熱してワックスを融解する。そして、図８（ｂ）に示したように、上部ガラス板１７を取り外す。これにより、ＬＤウエハ基板を４層積層した多層ＬＤウエハ基板１０２の完成となる。
【００３０】
［ウエハ基板からのＬＤバーの切り出し工程］
次に、積層ＬＤバーの製造工程を説明する。図９は、［最終層の製造工程］にて得られた図８（ｂ）にて示した多層ＬＤウエハ基板１０２の上面図（積層方向から見た図）である。［最終層の製造工程］にて得られた図８（ｂ）にて示した多層ＬＤウエハ基板１０２を、図９に示したとおり、所望の積層ＬＤバー１００の大きさへ、ヘキ開、チップ分離を行う。これにより、基本ＬＤバー１を４層積層した積層ＬＤバー１００を得ることができる。
【００３１】
なお、上記積層ＬＤバー１００の製造方法の説明においては、図１（ｂ）に示した基本ＬＤバー１を４層積層したものを例に説明したが、更に積層数を増やしたい場合には、上記［３層目の製造工程］を必要な回数繰り返せばよい。すなわち下部ガラス板１８を取り外した後、露出した下部電極１４Ｕに、［追加積層用ＬＤウエハ基板製造工程］にて作成した図５（ｃ）に示した追加積層用ＬＤウエハ基板１０１ｂの上部電極１４Ｔを熱圧着により接合する工程を繰り返せばよい。
【００３２】
次に、半導体レーザ装置１０の製造方法の一例について説明する。
まず、２枚のサブマウント３によって積層ＬＤバー１００を挟み込む。このサブマウント３の上面側と下面側から、荷重および熱を加えることによって、ＬＤバー１やサブマウント３表面のＡｕメタル同士を熱圧着させる。積層ＬＤバー１００とサブマウント３をスタックしたものをＡｕＳｎハンダ等によってパッケージ２１内に固定する。さらに、給電用のＡｕワイヤ２５をサブマウント３およびリード端子２４ａに熱圧着で接合する。最後に、出入筒２２ａ，２２ｂの部分を除いてパッケージ２１をシームレス溶接で密閉する。
【００３３】
つぎに、半導体レーザ装置１０の動作について説明する。パッケージ２１内には、液体窒素などの冷却用不活性ガスを入れ、パッケージ２１内を冷却用不活性ガスで満たすことによって積層ＬＤバー１００が冷却用不活性ガスに浸るようにしておく。
【００３４】
積層ＬＤバー１００における基本ＬＤバー１は直列に接合されているので、リード端子２４ａ，２４ｂの順方向に電流を流すと、個々の基本ＬＤバー１が発光し、レーザ光Ｌの発振を行う。発振したレーザ光Ｌは、透明窓ガラス２３を通して外部に出される。積層ＬＤバー１００で発生した熱は、直接液体窒素などの冷却用不活性ガスに吸収されてパッケージ２１外に送り出される。
【００３５】
なお、本実施の形態では、冷却用不活性ガスとして液体窒素を用いたが、不活性なガスであればヘリウムなどでもよく、また、ガスに限らず液体であってもよい。また、冷却用不活性ガスの温度や流量は、積層ＬＤバー１００の発熱量に合わせて調節すればよい。
【００３６】
このように実施の形態１によれば、基本ＬＤバー１の厚みは約２０μｍ程度と薄いが、積層した積層ＬＤバー１００とすることにより機械強度が増し、使用中のＬＤバーの破損を防止することができる。また、積層することにより出射ビームの高輝度化が可能となる。また、積層ＬＤバー１００の製造工程にて、補強でガラス板１７、１８を貼付けているので、約２０μｍ程度の薄膜までウエハ基板を研磨しても機械強度は保たれ、製造工程でのウエハ基板の破損を防止することができる。更に、このガラス板１７，１８をワックスで貼付けると共に、ガラス板１７，１８を透過する光でワックスを融解することで、ウエハ基板に損傷を与えることなく容易に、ガラス板１７，１８から取り外すことができる。したがって、容易に信頼度の高い高輝度の半導体レーザ装置１０を得ることが可能となる。
【符号の説明】
【００３７】
１，１ａ〜１ｄ  基本ＬＤバー
１００  積層ＬＤバー
５  活性層
１０  半導体レーザ装置
１２Ｔ  上部クラッド層
１２Ｕ  下部クラッド層
１３Ｔ  上部コンタクト層
１３Ｕ  下部コンタクト層
１４Ｔ  上部電極
１４Ｕ  下部電極
１６  基板
１７  上部ガラス板
１８  下部ガラス板
１９  ワックス融解用光
１０１ａ，ｂ  ＬＤウエハ基板
１０２  多層ＬＤウエハ基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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