(57)【要約】      （修正有）【課題】レーザチップの主平面とサブマウントの主平面の平行度に優れ、出射されるレーザ光の光軸方向と半導体レーザ装置の基準方向のズレの小さい半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】平面形状が矩形の板状のレーザチップ１０が、サブマウント２０の表面上に、ハンダによる接合層２５によって接合されて搭載された構成のものにおいて、サブマウントの表面とレーザチップの裏面との間に、接合層用空間を形成するスペーサ３０が介在された構成とする。【選択図】図１−Ａ
2014183156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面形状が矩形の板状のレーザチップが、サブマウントの表面上に、ハンダによる接合層によって接合されて搭載された半導体レーザ装置において、
前記サブマウントの表面と前記レーザチップの裏面との間には、接合層用空間を形成するスペーサが介在されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記接合層用空間の厚みが均一な大きさ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。
【請求項３】
前記スペーサは、前記レーザチップの一側縁およびこれと対向する他側縁に沿って延びるスペーサ部分により形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記接合層用空間は、前記レーザチップの光エミッタ形成領域に相当する部分のみに形成されており、前記接合層との被接合領域以外の領域では、前記サブマウントと前記レーザチップが非接合状態とされていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記スペーサは、前記レーザチップの側面に当接する部分を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記接合層用空間の厚みは、当該半導体レーザ装置の製造工程において前記サブマウントの表面上に設けられる前記接合層形成用のハンダ材料層の厚みより小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか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】
本発明は半導体レーザ装置に関する。更に詳しくは、レーザチップ（半導体素子）が精度良くサブマウント上に接合されて搭載された半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ装置は、例えば、光通信、映像ディスプレイ、照明などの分野に広く用いられている。半導体レーザ装置の構造としては、図６−Ａおよび図６−Ｂに示すように、例えば平面形状が矩形の板状のレーザチップ５０がハンダによる接合層６５を介してサブマウント６０の表面に接合されたものが知られている。例えば、特許文献１には、窒化アルミニウムからなる基体の表面に銅からなる被覆層が設けられてなるサブマウントの表面に、ＧａＡｓ系化合物半導体からなるレーザチップが金スズハンダによって接合された構造の半導体装置が示されている。
【０００３】
而して、図６−Ａおよび図６−Ｂに示す半導体レーザ装置においては、レーザチップ５０の表面および裏面の各々に設けられた電極５２ａ，５２ｂ間に電圧を印加して基体５１の内部に設けられた光エミッタ５５に電流を流すことにより光を発生させ、当該光を光取り出し部５３より出射する。然るに、レーザチップ５０に投入した電力の一部は熱となり、レーザチップ５０が発熱する。半導体レーザ装置の使用時にレーザチップ５０に生じる発熱は、主として、基体６１の表面に被覆層６２が設けられてなるサブマウント６０を介して、サブマウント６０の裏面側に接合されたヒートシンク（図示せず）へと排熱されて除熱される。
【０００４】
このように、半導体レーザ装置においては、動作時にレーザチップ５０に発熱が生じるため、使用にともなって半導体レーザ装置には温度と熱応力の負荷がかかる。従って、レーザチップ５０とサブマウント６０とを接合するためのハンダ材料には、このような熱的ストレスに対しても、レーザチップ５０とサブマウント６０との接合部の信頼性が確保できるものであることが望まれる。このようなハンダ材料としては、例えばスズの重量比率が約２０％の金スズハンダが好適に用いられる。
【０００５】
上記構成の半導体レーザ装置の製造工程において、レーザチップ５０をサブマウント６０の表面６０ａに実装するに際しては、例えば図７に示すように、サブマウント６０の表面６０ａに設けられたハンダ材料層６５ａを加熱することによりハンダ材料を溶融させ、レーザチップ５０をサブマウント６０の主平面である表面６０ａを基準面Ｂｓとして、溶融したハンダ材料層６５ａ上に載置する。その後、冷却することによりハンダ材料を固化させて、これによりレーザチップ５０を接合層６５を介してサブマウント６０の表面に接合する。ここに、加熱温度は、ハンダ材料として金スズハンダを用いる場合は、例えば３００℃程度である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５０７５１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ハンダ材料が溶融している状態においてハンダ材料自体や接合部位に温度分布が生ずると、それにともなってハンダ材料の流動性や表面張力が空間的に不均一となる。そのため、図８に示すように、形成される接合層６５の厚みが不均一となり、レーザチップ５０の主平面である裏面５０ｂとサブマウント６０の主平面である表面６０ａの平行度が失われやすい。図８は、レーザチップ５０が同図のＹ軸周りに回転してしまう場合を示しているが、同図のＸ軸周りに回転してしまう場合もある。
【０００８】
レーザチップがＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）である場合には、出射されるレーザ光の光軸はレーザチップの主平面に垂直であり、端面発光型（共振器がレーザチップの主平面と平行に作り込まれている）である場合には、レーザ光の光軸はレーザチップの主平面と平行である。いずれのものにおいても、レーザ光の光軸はレーザチップの主平面の方向に関連して決まる。一方、半導体レーザ装置としての基準方向は、サブマウント６０の主平面によって決められる場合が多い。
従って、レーザチップ５０の主平面とサブマウント６０の主平面との平行度が失われると、出射光の光軸方向Ｌｃと半導体レーザ装置の基準方向Ｌｓとにズレが生じてしまう。このズレの大きさｄが微少であれば、機器への半導体レーザ装置の取り付け姿勢を調整するなどの方法で補正が可能であるが、ズレの大きさｄが大きくなると調整が不可能となる。また、ズレの大きさや方向が個々の半導体レーザ装置でばらついていると、半導体レーザ装置の個体差を調整するための手間とコストがかかってしまうという問題がある。
【０００９】
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、レーザチップの主平面とサブマウントの主平面の平行度に優れ、出射されるレーザ光の光軸方向と半導体レーザ装置の基準方向のズレが小さい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】
【００１０】
本発明の半導体レーザ装置は、平面形状が矩形の板状のレーザチップが、サブマウントの表面上に、ハンダによる接合層によって接合されて搭載された半導体レーザ装置において、
前記サブマウントの表面と前記レーザチップの裏面との間には、接合層用空間を形成するスペーサが介在されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の半導体レーザ装置においては、前記接合層用空間の厚みが均一な大きさであることが好ましい。
【００１２】
また、本発明の半導体レーザ装置においては、前記スペーサは、前記レーザチップの一側縁およびこれと対向する他側縁に沿って延びるスペーサ部分により形成された構成とすることができる。
【００１３】
さらにまた、本発明の半導体レーザ装置においては、前記接合層用空間は、前記レーザチップの光エミッタ形成領域に相当する部分のみに形成されており、前記接合層との被接合領域以外の領域では、前記サブマウントと前記レーザチップが非接合状態とされた構成とされていることが好ましい。
【００１４】
さらにまた、本発明の半導体レーザ装置においては、前記スペーサは、前記レーザチップの側面に当接する部分を有する構成とされていることが好ましい。
【００１５】
さらにまた、本発明の半導体レーザ装置においては、前記接合層用空間の厚みは、当該半導体レーザ装置の製造工程において前記サブマウントの表面上に設けられる前記接合層形成用のハンダ材料層の厚みより小さい構成とされていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の半導体レーザ装置によれば、レーザチップの主平面の位置がスペーサの表面に当接されることによって位置決めされるので、接合層を形成するハンダ材料の溶融加熱時における当該ハンダ材料の溶融状態に拘らず、レーザチップの主平面とサブマウントの主平面との間に高い平行度が得られる。従って、半導体レーザ装置を、出射されるレーザ光の光軸方向と当該半導体レーザ装置の基準方向のズレが小さいものとして構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１−Ａ】本発明の半導体レーザ装置の一例における構成を概略的に示す斜視図である。
【図１−Ｂ】図１−Ａに示す半導体レーザ装置の平面図である。
【図１−Ｃ】図１−ＢにおけるＡ−Ａ線断面図である。
【図１−Ｄ】図１−ＢにおけるＢ−Ｂ線切断面の一部を拡大して示す説明用断面図である。
【図２】図１−Ａに示す半導体レーザ装置の製造工程における、レーザチップのサブマウントへの接合工程を示す説明用断面図である。
【図３−Ａ】本発明の半導体レーザ装置の他の例における構成を概略的に示す平面図である。
【図３−Ｂ】図３−ＡにおけるＡ−Ａ線断面図である。
【図４】本発明の半導体レーザ装置のさらに他の例におけるレーザチップ支持構造を概略的に示す断面図である。
【図５】本発明の半導体レーザ装置のさらに他の例におけるレーザチップ支持構造を概略的に示す断面図である。
【図６−Ａ】従来の半導体レーザ装置の一例における構成を概略的に示す平面図である。
【図６−Ｂ】図６−ＡにおけるＡ−Ａ線断面図である。
【図７】図６−Ａに示す半導体レーザ装置の製造工程における、レーザチップのサブマウントへの接合工程を示す説明用断面図である。
【図８】レーザチップの主平面とサブマウントの主平面との平行度が失われた状態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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−Ａは、本発明の半導体レーザ装置の一例における構成を概略的に示す斜視図である。図１−Ｂは、図１−Ａに示す半導体レーザ装置の平面図である。図１−Ｃは、図１−ＢにおけるＡ−Ａ線断面図である。図１−Ｄは、図１−ＢにおけるＢ−Ｂ線切断面の一部を拡大して示す説明用断面図である。
この半導体レーザ装置は、平面形状が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、例えば金スズ共晶ハンダよりなる接合層２５を介して接合されることによって搭載されている。
【００１９】
レーザチップ１０においては、平面形状が矩形の板状の基体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における基体１１の表面には、第１の電極１２ａが設けられている。この第１の電極１２ａ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１３が形成されている。これらの光取り出し部１３は、光エミッタ１５の各々に対応して、基体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。また、基体１１の裏面には、第２の電極１２ｂが第１の電極１２ａと対向して設けられている。
基体１１を構成する材料としては、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ
）、シリコン（Ｓｉ）などの半導体材料を用いることができる。
【００２０】
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。
【００２１】
このレーザチップ１０においては、第１の電極１２ａおよび第２の電極１２ｂの両電極間に電圧が印加されて光エミッタ１５に電流が流れることにより光が発生され、当該光が基体１１の内部に形成された光共振器によって共振増幅されて光取り出し部１３から出射される。
【００２２】
サブマウント２０は、例えば窒化アルミニウムからなるサブマウント基体２１の表面に、例えば銅からなる金属層２２が設けられて構成されている。
サブマウント基体２１としては、例えば、複数のシート状グラファイトがレーザチップ１０の厚み方向に略直交する方向に沿って積層されてなるものが用いられてもよい。
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。
【００２３】
而して、この半導体レーザ装置においては、サブマウント２０の表面２０ａとレーザチップ１０の裏面１０ｂとの間に、接合層用空間を形成するスペーサが介在されている。
【００２４】
この例におけるスペーサは、レーザチップ１０の長手方向に沿って延びる一対の帯状体よりなるスペーサ部分３０によって構成されている。このスペーサ部分３０は、サブマウント２０の表面２０ａに、レーザチップ１０の一側縁およびこれと対向する他側縁に沿って延びるよう設けられている。
【００２５】
スペーサ部分３０の各々は、長手方向において均一な厚みを有しており、その表面３０ａによってレーザチップ１０の裏面１０ｂの一側縁部分およびこれに対向する他側縁部分を下方から支持する。従って、これらのスペーサ部分３０の表面（レーザチップ支持面）３０ａが位置される平面上に、レーザチップ１０の裏面１０ｂが位置されており、均一な厚みを有する接合層用空間を形成している。
この例における接合層用空間は、レーザチップ１０の長手方向に沿って延びる光エミッタ形成領域Ｅａに相当する部分を含む、レーザチップ１０の裏面１０ｂのほぼ全域に相当する部分に形成されている。また、図１−Ｃに示すように、接合層２５の側面とスペーサ部分３０の内側面との間に空隙が形成されており、接合層２５との被接合領域以外の領域においては、サブマウント２０とレーザチップ１０は互いに非接合状態とされている。
【００２６】
スペーサ部分３０を構成する材料としては、例えば銅、金、アルミニウムなどの金属材料を用いることができる。
また、スペーサ部分３０の厚みは、例えば２．５〜３．５μｍである。
【００２７】
このような半導体レーザ装置は、例えば以下のようにして製造することができる。
サブマウント２０の表面２０ａ上に、図２（ａ）に示すように、所定の厚みを有するスペーサ部分３０を形成する。スペーサ部分３０は、例えばメッキ法などによって、サブマウント２０の表面２０ａの全域にわたって面方向において均一な厚みを有する金属層を形成した後、例えばフォトリソグラフィなどのパターン形成技術によって不要な部分を除去することによって作製することができる。
次いで、サブマウント２０の表面２０ａにおける一対のスぺーサ部分３０の間の領域に、スペーサ部分３０の厚みより大きい厚みを有する例えばＡｕＳｎ共晶ハンダ材料層２５ａを設け、当該ＡｕＳｎ共晶ハンダ材料層２５ａを介して、レーザチップ１０をサブマウント２０の表面２０ａ上に配置する。
ＡｕＳｎ共晶ハンダ材料層２５ａは、例えば蒸着法によって、あるいは、所定の厚みのプリフォーム材を載置することによって、形成することができる。
【００２８】
そして、ＡｕＳｎ共晶ハンダ材料を、その融点以上の温度に加熱して溶融する。例えば、スズの重量濃度が約２０％であるＡｕＳｎ共晶ハンダ材料の融点は２７８℃であるので、ＡｕＳｎ共晶ハンダ材料を少なくとも３００℃程度まで加熱すればよい。
ＡｕＳｎ共晶ハンダ材料層２５ａの厚みは、スペーサ部分３０の厚みより大きいので、ＡｕＳｎ共晶ハンダ材料の溶融加熱時においては、レーザチップ１０の裏面１０ｂにおける被接合面領域とＡｕＳｎ共晶ハンダ材料層２５ａの表面とが常に接触した状態が維持されている。従って、レーザチップ１０の自重により、あるいは、必要に応じてレーザチップ１０を下方に押圧することにより、ＡｕＳｎ共晶ハンダ材料が流動してレーザチップ１０がサブマウント２０側に移動（変位）する。そして、図２（ｂ）に示すように、レーザチップ１０の裏面１０ｂがスペーサ部分３０の表面３０ａに当接されることにより、スペーサ部分３０の表面３０ａを基準面Ｂｓとして、レーザチップ１０の裏面１０ｂの厚み方向の位置がサブマウント２０の表面２０ａに対して位置決めされる。
その後、ＡｕＳｎ共晶ハンダ材料を冷却して固化することにより、サブマウント２０の表面２０ａ上に接合層２５を介してレーザチップ１０を接合し、以て、図１−Ａに示す半導体レーザ装置が製造される。
【００２９】
以上において、サブマウント２０に対するレーザチップ１０の接合は、リフローあるい
はダイボンディングなどの公知の方法によって行うことができる。
【００３０】
そして、レーザチップ１０の接合においては、レーザチップ１０の主平面を構成する裏面１０ａの位置がスペーサ部分３０の表面３０ａに当接されることによって位置決めされるので、上記構成の半導体レーザ装置によれば、ＡｕＳｎ共晶ハンダ材料の溶融加熱時における当該ＡｕＳｎ共晶ハンダ材料の溶融状態に拘らず、レーザチップ１０の主平面とサブマウント２０の主平面を構成する表面２０ａとの間に高い平行度が得られる。従って、半導体レーザ装置を、出射されるレーザ光の光軸方向と当該半導体レーザ装置の基準方向のズレのない、または当該ズレが小さいものとして構成することができる。
【００３１】
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、接合層用空間は、図３−Ａおよび図３−Ｂに示すように、レーザチップ１０の長手方向に沿って延びる光エミッタ形成領域Ｅａに相当する部分のみに形成され、レーザチップ１０の裏面１０ａおよびサブマウント２０の表面２０ａにおける当該光エミッタ形成領域Ｅａに相当する面領域が接合層２５との被接合領域とされた構成とされていてもよい。
この例においては、レーザチップ１０の一側縁に沿って延びる一方のスペーサ部分３０１は、レーザチップ１０の他側縁に沿って延びる他方のスペーサ部分３０２より幅方向の寸法（Ｘ方向の寸法）が小さいものとされている。
このように、ハンダによる接合層２５との被接合領域がレーザチップ１０の光エミッタ形成領域Ｅａに相当する部分に限定された構成とされることにより、レーザチップ１０とサブマウント２０との線膨張差に起因して発生する熱的応力が低減されるという効果が得られる。
【００３２】
また、スペーサを構成するスペーサ部分は、帯状体である必要はない。例えば図４に示すように、スペーサ部分３５は、帯状部３６の表面における外側縁部において上方に突出する凸部３７を有する構成とされていてもよい。このスペーサ部分３５においては、帯状部３６の表面３６ａがレーザチップ支持面とされており、当該表面３６ａを基準面Ｂｓとして、レーザチップ１０の主平面（裏面１０ｂ）がサブマウント２０の主平面（表面２０ａ）に対して位置決めされる。また、凸部３７の内側面は、レーザチップ１０の側面に当接されている。このような構成とされることにより、レーザチップ１０の接合に際して、ハンダ材料の流動に伴ってレーザチップ１０が下方に変位されるときに、面方向の移動が当該凸部３７によって規制されるので、サブマウント２０に対する当該レーザチップ１０の面方向の位置精度を向上させることができる。
【００３３】
また、スペーサ部分の、レーザチップ１０の裏面１０ｂと当接される表面は、平坦面である必要はなく、例えば図５に示すように、曲面状とされていてもよい。この場合には、各々のスペーサ部分４０における頂部の、サブマウント２０の表面２０ａからの高さｈが互いに同一とされていればよい。そして、この例においては、各スペーサ部分４０の頂部が位置される平面を基準面Ｂｓとして、レーザチップ１０の主平面（裏面１０ｂ）がサブマウント２０の主平面（表面２０ａ）に対して位置決めされる。
【００３４】
さらにまた、スペーサ部分がサブマウントの表面に設けられた構成に限定されず、スペーサ部分がレーザチップ側に設けられた構成とされていてもよい。また、サブマウントおよびレーザチップとは別体のスペーサ部材が用いられた構成とされていてもよい。
【００３５】
さらにまた、スペーサ部分がレーザチップに対して当接する箇所は、第２の電極である必要はない。
【符号の説明】
【００３６】
１０  レーザチップ
１０ｂ  裏面（主平面）
１１  基体
１２ａ  第１の電極
１２ｂ  第２の電極
１３  光取り出し部
１５  光エミッタ
２０  サブマウント
２０ａ  表面（主平面）
２１  サブマウント基体
２２  金属層
２５  接合層
２５ａ  ＡｕＳｎ共晶ハンダ材料層
３０，３０１，３０２  スペーサ部分
３０ａ  表面
３５  スペーサ部分
３６  帯状部
３６ａ  表面
３７  凸部
４０  スペーサ部分
Ｅａ  光エミッタ形成領域
Ｂｓ  基準面
５０  レーザチップ
５０ｂ  裏面（主平面）
５１  基体
５２ａ，５２ｂ  電極
５３  光取り出し部
５５  光エミッタ
６０  サブマウント
６０ａ  表面（主平面）
６１  基体
６２  被覆層
６５  接合層
６５ａ  ハンダ材料層
Ｌｃ  出射光の光軸方向
Ｌｓ  半導体レーザ装置の基準方向
ｄ  ズレの大きさ
【図１−Ａ】
2014183156.tif 000003
【図１−Ｂ】
2014183156.tif 000004
【図１−Ｃ】
2014183156.tif 000005
【図１−Ｄ】
2014183156.tif 000006
【図２】
2014183156.tif 000007
【図３−Ａ】
2014183156.tif 000008
【図３−Ｂ】
2014183156.tif 000009
【図４】
2014183156.tif 000010
【図５】
2014183156.tif 000011
【図６−Ａ】
2014183156.tif 000012
【図６−Ｂ】
2014183156.tif 000013
【図７】
2014183156.tif 000014
【図８】
2014183156.tif 000015