(57)【要約】【課題】コストの低減化を図ることができ、しかも、レーザチップの発熱を高い効率で除熱することができる半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】光を出射する複数の光エミッタが直線状に並ぶよう配置されてなるレーザチップと、レーザチップが搭載されたサブマウントとを備え、サブマウントは、複数のシート状グラファイトが積層されてなり、シート状グラファイトは、積層面がサブマウントの厚み方向に伸びる方向に配置され、シート状グラファイトの各々の積層面の法線方向と光エミッタが並ぶ方向とのなす角度をθ（°）、光エミッタの配置ピッチをｐ（μｍ）、個々の光エミッタを積層面の法線方向に伸びる直線上に射影した場合における当該積層面の法線方向の長さをｗ（μｍ）としたとき、下記式（１）を満足することを特徴とする。  式（１）：  ｐ×ｃｏｓθ≧ｗ【選択図】図１
2014146727.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する複数の光エミッタが直線状に並ぶよう配置されてなるレーザチップと、このレーザチップが搭載されたサブマウントとを備えてなる半導体レーザ装置であって、
前記サブマウントは、複数のシート状グラファイトが積層されてなり、当該シート状グラファイトの各々は、それぞれの積層面が当該サブマウントの厚み方向に伸びる方向に配置されており、
前記シート状グラファイトの各々の積層面の法線方向と光エミッタが並ぶ方向とのなす角度をθ（°）、前記光エミッタの配置ピッチをｐ（μｍ）、個々の光エミッタを前記積層面の法線方向に伸びる直線上に射影した場合における当該積層面の法線方向の長さをｗ（μｍ）としたとき、下記式（１）を満足することを特徴とする半導体レーザ装置。
式（１）：  ｐ×ｃｏｓθ≧ｗ
【請求項２】
前記サブマウントにおける前記シート状グラファイトの各々は、その積層面の法線方向が光エミッタが並ぶ方向に対して傾斜した状態で配置されてい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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の光エミッタが直線状に並ぶよう配置されてなるレーザチップと、このレーザチップが搭載されたサブマウントとを備えてなる半導体レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ装置においては、その使用時にレーザチップにおける光エミッタに発熱が生じ、この発熱による温度変化によって、当該光エミッタの特性が変化する。例えばレーザチップにおいては、温度変化によって、発振波長が変化したり発光強度が変化したりする。
そして、半導体レーザ装置においては、その使用時にレーザチップに生じる発熱を高い効率で除熱するために、当該レーザチップが搭載されるサブマウントを構成する材料として、熱伝導率の高い材料を用いる技術が知られている。例えば特許文献１には、ダイヤモンドよりなるサブマウントを有する半導体レーザ装置が開示されている。また、特許文献２には、複数のシート状グラファイトがレーザチップとの接触面と交差する面に沿って積層されてなるサブマウントを有する半導体レーザ装置が開示されている。
【０００３】
然るに、サブマウントを構成する材料としてダイヤモンドを用いる場合には、当該ダイヤモンドが極めて高価なものであるため、得られる半導体レーザ装置のコストが高くなる、という問題がある。
これに対して、サブマウントを構成する材料としてシート状グラファイトの積層体を用いる場合には、当該シート状グラファイトが比較的安価なものであるため、コストの低減化を図ることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１２７３７５号公報
【特許文献２】特開２０１１−２３６７０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、サブマウントを構成する材料としてシート状グラファイトを用いる場合には、以下のような問題があることが判明した。
シート状グラファイトは、厚み方向の熱伝導率と面方向の熱伝導率とが大きく異なる。すなわち、サブマウントにおけるレーザチップが配置される表面において、シート状グラファイトの積層方向における熱伝導率が、当該積層方向に垂直な方向における熱伝導率より相当に低い。そのため、レーザチップにおける熱源である光エミッタの配置状態によっては、当該光エミッタに生ずる熱を高い効率で除熱することが困難である。
【０００６】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、コストの低減化を図ることができ、しかも、レーザチップの発熱を高い効率で除熱す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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の半導体レーザ装置は、光を出射する複数の光エミッタが直線状に並ぶよう配置されてなるレーザチップと、このレーザチップが搭載されたサブマウントとを備えてなる半導体レーザ装置であって、
前記サブマウントは、複数のシート状グラファイトが積層されてなり、当該シート状グラファイトの各々は、それぞれの積層面が当該サブマウントの厚み方向に伸びる方向に配置されており、
前記シート状グラファイトの各々の積層面の法線方向と光エミッタが並ぶ方向とのなす角度をθ（°）、前記光エミッタの配置ピッチをｐ（μｍ）、個々の光エミッタを前記積層面の法線方向に伸びる直線上に射影した場合における当該積層面の法線方向の長さをｗ（μｍ）としたとき、下記式（１）を満足することを特徴とする。
式（１）：  ｐ×ｃｏｓθ≧ｗ
【０００８】
本発明の半導体レーザ装置においては、前記サブマウントにおける前記シート状グラファイトの各々は、その積層面の法線方向が光エミッタが並ぶ方向に対して傾斜した状態で配置されていることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の半導体レーザ装置によれば、サブマウントは、比較的安価なシート状グラファイトが積層されてなるものであるため、コストの低減化を図ることができる。
また、シート状グラファイトの各々の積層面の法線方向と光エミッタが並ぶ方向とのなす角度が、上記式（１）を満足するため、レーザチップの発熱を高い効率で除熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る半導体レーザ装置の一例における構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す半導体レーザ装置の平面図である。
【図３】図２に示す半導体レーザ装置のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図１に示す半導体レーザ装置において、シート状グラファイトの積層面の法線方向と光エミッタが並ぶ方向との関係を示す説明図である。
【図５】図１に示す半導体レーザ装置のサブマウントにおける光エミッタに生ずる熱の熱伝導路を形成する領域を示す説明図である。
【図６】シート状グラファイトの積層面の法線方向と光エミッタが並ぶ方向とのなす角度が過大である場合のサブマウントにおける光エミッタに生ずる熱の熱伝導路を形成する領域を示す説明図である。
【図７】シート状グラファイトの積層面の法線方向と光エミッタが並ぶ方向とのなす角度が０°である場合のサブマウントにおける光エミッタに生ずる熱の熱伝導路を形成する領域を示す説明図である。
【図８】変形例に係る半導体レーザ装置において、シート状グラファイトの積層面の法線方向と光エミッタが並ぶ方向との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の半導体レーザ装置の実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係る半導体レーザ装置の一例における構成を示す斜視図、図２は、図１に示す半導体レーザ装置の平面図、図３は、図２に示す半導体レーザ装置のＡ−Ａ断面図である。
この半導体レーザ装置は、矩形の板状のレーザチップ１０を有する。このレーザチップ１０は、矩形の板状のサブマウント２０の表面上に、例えばＡｕＳｎ共晶ハンダよりなる第１の接合層２５を介して接合されることによって搭載されている。サブマウント２０の裏面上には、例えば銅よりなるヒートシンク３０が、例えばＳｎＡｇＣｕ共晶ハンダよりなる第２の接合層２６を介して接合されている。
【００１２】
レーザチップ１０においては、矩形の板状のパッケージ１１の内部に、それぞれ光を出射する複数の平面円形の光エミッタ１５が、当該レーザチップ１０の長手方向に沿って一列に直線状に並ぶよう配置されている。このレーザチップ１０におけるパーケージ１１の表面には、光エミッタ１５から出射される光を外部に取り出すための複数の光取り出し部１２が形成されている。これらの光取り出し部１２は、光エミッタ１５の各々に対応して、パッケージ１１の長手方向に沿って一列に直線状に並ぶよう配置されている。
【００１３】
このように、光エミッタ１５を直線状に並ぶよう配置することにより、全ての光エミッタ１５の各々について、隣接する光エミッタ１５によって取り囲まれることが回避される。そのため、サブマウント２０において、全ての光エミッタ１５について当該光エミッタ１５に生ずる熱の熱伝導路が確保される。従って、個々の光エミッタ１５に生ずる熱を高い効率で除熱することが可能となるため、各光エミッタ１５の温度差が小さくなる。その結果、光エミッタ１５から出射する光の特性にバラツキが生じることを防止または抑制することができる。
これに対して、光エミッタ１５を格子状に配置した場合には、隣接する光エミッタ１５によって取り囲まれた光エミッタ１５が存在するため、当該光エミッタ１５に生ずる熱の熱伝導路を確保することが困難となる。従って、光エミッタ１５の配置領域において、中央位置に配置された光エミッタ１５と周辺位置に配置された光エミッタ１５との温度差が大きくなる。その結果、光エミッタ１５から出射する光の特性にバラツキが生じやすくなる。
【００１４】
レーザチップ１０における光エミッタ１５の配置ピッチは、光エミッタ１５の径の１．２〜２倍であることが好ましい。光エミッタ１５の配置ピッチが過小である場合には、当該光エミッタ１５に生ずる熱を十分に除熱することが困難となることがある。一方、光エミッタ１５の配置ピッチが過大である場合には、レーザチップ１０の高集積化を図ることが困難となることがある。
【００１５】
サブマウント２０は、複数のシート状グラファイト２１が積層されることによって構成されている。このように、サブマウント２０を構成する材料としてシート状グラファイト２１を用いることにより、当該シート状グラファイト２１は例えばダイヤモンドに比較して比較的安価なものであるため、半導体レーザ装置のコストの低減化を図ることができる。
シート状グラファイト２１の各々は、それぞれの積層面（隣接するシート状グラファイト２１の間の界面）が当該サブマウント２０の厚み方向に伸びる方向に配置されて積層されている。図示の例では、シート状グラファイト２１の各々は、積層面の法線方向が光エミッタ１５が並ぶ方向に対して傾斜した状態で配置されている。
【００１６】
サブマウント２０の厚みは、０．５〜１．２ｍｍであることが好ましい。
サブマウント２０におけるシート状グラファイト２１の面方向の熱伝導率は、１５００Ｗ／ｍ℃以上であることが好ましい。この熱伝導率が過小である場合には、レーザチップ１０の発熱を高い効率で除熱することが困難となることがある。
サブマウント２０におけるシート状グラファイト２１の厚み方向の熱伝導率は、例えば５〜９Ｗ／ｍ℃である。
【００１７】
そして、本発明の半導体レーザ装置においては、図４に示すように、シート状グラファイト（図示省略）の各々の積層面の法線方向（以下、「積層方向」ともいう。）Ｓと光エミッタ１５が並ぶ方向（以下、「整列方向」ともいう。）Ｘとのなす角度をθ（°）、光エミッタ１５の配置ピッチをｐ（μｍ）、個々の光エミッタ１５を積層方向Ｓに伸びる直線上に射影した場合における当該積層方向Ｓの長さをｗ（μｍ）としたとき、下記式（１）を満足する。
式（１）：ｐ×ｃｏｓθ≧ｗ
【００１８】
図示の例では、光エミッタ１５の平面形状が円形であるため、上記ｗの値は光エミッタ１５の直径ｄ（μｍ）の値と同一である。
そして、積層方向Ｓと整列方向Ｘとのなす角度θが上記式（１）を満足することにより、レーザチップ１０の発熱を高い効率で除熱することができる。これは、以下の理由によるものである。
シート状グラファイト２１は、その面方向の熱伝導率が、その厚み方向すなわち積層方向Ｓの熱伝導率よりも相当に大きい。従って、サブマウント２０における光エミッタ１５に生ずる熱の熱伝導路は実質的にシート状グラファイト２１の面方向に沿って形成される。そして、上記式（１）を満足する場合には、図５に示すように、サブマウント２０において、一の光エミッタ１５に生ずる熱の熱伝導路を形成する領域（以下、「熱伝導路形成領域」という。）Ｒ１が、隣接する光エミッタ１５に係る熱伝導路形成領域Ｒ１と重なり合うことがない。このため、光エミッタ１５の各々の除熱を互いに独立した熱伝導路形成領域Ｒ１を介して行うことができ、その結果、光エミッタ１５の各々を高い効率で除熱することができる。
【００１９】
これに対して、積層方向Ｓと整列方向Ｘとのなす角度θが過大である場合、具体的には、ｗの値がｐ×ｃｏｓθの値より大きい場合には、以下のような問題が生じる。すなわち、図６に示すように、一の光エミッタ１５に係る熱伝導路形成領域Ｒ１が、隣接する光エミッタ１５に係る熱伝導路形成領域Ｒ１と重なり合うことにより、重複領域Ｒ３が形成される。そして、重複領域Ｒ３においては、隣接する２つの光エミッタ１５の各々に生ずる熱が伝導されるため、当該重複領域Ｒ３を伝導する熱量が過剰となる結果、光エミッタ１５の各々を高い効率で除熱することが困難となる。
【００２０】
また、シート状グラファイト２１の積層方向Ｓが光エミッタの整列方向Ｘに対して傾斜した状態とされているが、具体的には、積層方向Ｓと整列方向Ｘとのなす角度θが１０°以上、特に２０°以上であることが好ましい。このような条件を満足することにより、サブマンウト２０におけるレーザチップ１０が搭載された表面近傍において、光エミッタ１５の整列方向Ｘの温度分布について高い均一性が得られる。その結果、信頼性の高い半導体レーザ装置が得られる。これは、以下の理由によるものである。
上記式（１）において、ｐ×ｃｏｓθ＞ｗである場合には、隣接する光エミッタ１５に係る熱伝導路形成領域Ｒ１の間には中間領域Ｒ２が形成されるため、熱伝導路形成領域Ｒ１の間における熱伝導は、中間領域Ｒ２を介して行われる。そして、積層方向Ｓと整列方向Ｘとのなす角度θが大きくなるに従って、中間領域Ｒ２の厚みが小さくなるため、熱伝導路形成領域Ｒ１の間における熱伝導性が実質的に高くなる。その結果、サブマンウト２０における整列方向Ｘの熱拡散が大きくなることにより、サブマンウト２０におけるレーザチップ１０が搭載された表面近傍において、光エミッタ１５の整列方向Ｘの温度分布について高い均一性が得られる。
【００２１】
これに対して、積層方向Ｓと整列方向Ｘとのなす角度θが過小である場合、例えばθの値が０°である場合には、以下のような問題が生じることがある。すなわち、図７に示すように、θの値が０°であると、中間領域Ｒ２の厚みが相当に大きくなるため、熱伝導路形成領域Ｒ１の間における熱伝導性が低くなる。その結果、サブマンウト２０における整列方向Ｘの熱拡散が小さくなることにより、サブマンウト２０におけるレーザチップ１０が搭載された表面近傍において、光エミッタ１５の整列方向Ｘの温度分布について均一性が低くなる。そして、半導体レーザ装置の動作中に、サブマンウト２０の表面近傍、具体的には第１の接合層２５の温度分布が不均一である場合には、それによって応力が発生し、半導体レーザ装置の信頼性が低下する。
【００２２】
このようなサブマウント２０は、例えば以下のようにして製造することができる。
先ず、多数のシート状グラファイトが積層されてなる直方体状の積層体材料を作製する。次いで、この積層体材料における積層面に垂直な一側面を表面として、形成すべきサブマウント２０における積層方向Ｓと長手方向とが所要の角度、すなわち積層方向Ｓと整列方向Ｘとのなす角度θとなるよう、当該積層体材料を矩形の板状に切断する。その後、切断された積層体材料を研磨することにより、目的とするサブマウント２０が得られる。
以上において、目的とするサブマウント２０における積層方向Ｓと整列方向Ｘとのなす角度θが０°である場合には、積層体材料をその積層面に沿って切断することとなるため、得られるサブマウント２０における切断面付近において、割れや欠けが発生しやすくなる。これに対して、目的とするサブマウント２０における積層方向Ｓと整列方向Ｘとのなす角度θが例えば１０°以上であれば、得られるサブマウント２０における切断面付近において割れや欠けが発生することを防止または抑制することができる。
【００２３】
以上のように、上記の半導体レーザ装置によれば、サブマウント２０は、比較的安価なシート状グラファイト２１が積層されてなるものであるため、コストの低減化を図ることができる。
また、シート状グラファイト２１の積層方向Ｓと光エミッタ１５の整列方向とのなす角度θが、上記式（１）を満足するため、レーザチップ１０の発熱を高い効率で除熱することができる。
また、シート状グラファイト２１の積層方向Ｓが光エミッタ１５の整列方向Ｘに対して傾斜した状態、具体的には、積層方向Ｓと整列方向Ｘとのなす角度θが１０°以上であることにより、サブマンウト２０における表面近傍において、光エミッタ１５の整列方向Ｘの温度分布について高い均一性が得られる。その結果、信頼性の高い半導体レーザ装置が得られる。
【００２４】
以上、本発明の半導体レーザ装置の実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されず、種々の変更を加えることが可能である。例えば光エミッタ１５は、平面円形のものに限られず、図８に示すように、平面矩形のものであってもよい。このような光エミッタ１５を用いる場合には、上記式（１）において、ｗの値は、当該光エミッタ１５における整列方向Ｘの幅ｄ１と一致するとは限らず、また、積層方向Ｓと整列方向Ｘとのなす角度θの値によって変化する。                                      
【実施例】
【００２５】
以下、本発明の半導体レーザ装置の具体的な実施例について説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【００２６】
図１〜図３に示す構成に従い、下記の仕様の半導体レーザ装置（以下、この半導体レーザ装置を「装置（Ａ）」とする。）を作製した。
【００２７】
［レーザチップ（１０）］
パッケージ（１１）の材質：ＧａＡｓおよび金など
パッケージ（１１）の寸法：８ｍｍ×１ｍｍ×０．０６ｍｍ
光エミッタ（１５）の主材料：ＧａＡｓ系化合物
光エミッタ（１５）の直径：２５０μｍ
光エミッタ（１５）の配置ピッチｐ：３３０μｍ
光エミッタ（１５）の数：２４個
［サブマウント（２０）］
寸法：１２ｍｍ×３．５ｍｍ×０．８ｍｍ
熱伝導率：シート状グラファイト（２１）の面方向＝１７００Ｗ／ｍ℃，シート状グラファイト（２１）の厚み方向＝７Ｗ／ｍ℃
積層方向Ｓと整列方向Ｘとのなす角度θ：０°（ｗ＝２５０μｍ、ｐ×ｃｏｓθ＝３３０μｍ）
［第１の接合層（２５）］
材質：金とスズとの質量比が８０：２０のＡｕＳｎ共晶ハンダ
寸法：８．３ｍｍ×１．３ｍｍ×５μｍ
［第２の接合層（２６）］
材質：スズと銀と銅との質量比が９６．５：３：０．５のＳｎＡｇＣｕ共晶ハンダ
寸法：１２ｍｍ×４．５ｍｍ×２５μｍ
［ヒートシンク（３０）］
材質：銅
外形の寸法：３４ｍｍ×１８ｍｍ×５．８ｍｍ
【００２８】
また、積層方向と整列方向とのなす角度θを表１に従って変更したこと以外は、装置（Ａ）と同様の仕様の半導体レーザ装置（以下、これらの半導体レーザ装置を「装置（Ｂ）」〜「装置（Ｊ）」とする。）を作製した。
【００２９】
［評価］
（１）光エミッタの温度
上記の半導体レーザ装置（装置（Ａ）〜装置（Ｊ））について、光エミッタに２Ｗの発熱があり、ヒートシンクの下面温度が２２℃に保持されているものと仮定し、光エミッタの温度を有限要素法による熱伝導解析によって求めた。結果を表１に示す。
（２）温度ムラ
上記の半導体レーザ装置（装置（Ａ）〜装置（Ｊ））について、光エミッタに２Ｗの発熱があり、ヒートシンクの下面温度が２２℃に保持されているものと仮定し、第１の接合部の中央部において、長手方向（エミッタの整列方向）の約１ｍｍに亘る範囲における温度の最大値と最小値の差を、有限要素法による熱伝導解析によって求めた。結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
2014146727.tif 000003
【００３１】
表１の結果から明らかなように、ｗの値がｐ×ｃｏｓθの値以下である装置（Ａ）〜装置（Ｅ）によれば、光エミッタの温度が低く、従って、光エミッタに生じた熱が高い効率で除熱されていることが理解される。
また、θの値が大きくなるに従って、第１の接合層における温度ムラが小さくなり、光エミッタの整列方向の温度分布について高い均一性が得られることが理解される。
これに対して、ｗの値がｐ×ｃｏｓθの値を超える装置（Ｆ）〜装置（Ｊ）については、θの値が大きくなるに従って光エミッタの温度が高くなり、従って、光エミッタに生じた熱を高い効率で除熱することが困難となることが理解される。
【符号の説明】
【００３２】
１０  レーザチップ
１１  パッケージ
１２  光取り出し部
１５  光エミッタ
２０  サブマウント
２１  シート状グラファイト
２５  第１の接合層
２６  第２の接合層
３０  ヒートシンク
Ｒ１  熱伝導路形成領域
Ｒ２  中間領域
Ｒ３  重複領域
【図１】
2014146727.tif 000004
【図２】
2014146727.tif 000005
【図３】
2014146727.tif 000006
【図４】
2014146727.tif 000007
【図５】
2014146727.tif 000008
【図６】
2014146727.tif 000009
【図７】
2014146727.tif 000010
【図８】
2014146727.tif 000011