(57)【要約】  【課題】  半導体レーザー素子をヒートシンクに接合してなる半導体レーザー装置において、上記接合の強度を十分に確保し、はみ出した半田によるショートを防止する。  【解決手段】  Ｎ型基板１ｓと反対側の表面にＰ電極１ｄおよびＮ電極１ｂが、前者が後者より突出するように形成されてなる半導体レーザー素子１と、この半導体レーザー素子１が電極側から半田７、17で接合されたヒートシンク２とを備えてなる半導体レーザー装置において、Ｎ電極１ｂをヒートシンク２に接合する半田17を、Ｎ電極１ｂよりも大面積で、このＮ電極１ｂからＰ電極側１ｄにははみ出さないでＰ電極１ｄと反対側にはみ出したパターンとし、Ｐ電極１ｄをヒートシンク２に接合する半田７を、Ｐ電極１ｄよりも小面積で、Ｐ、Ｎ電極の並び方向と略直交する方向に互いに間隔を置いて連なる複数のドット状部分からなるパターンとする。【選択図】          図１
2006332521.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ型基板上に複数の半導体層が形成されるとともに、該層の基板と反対側の表面にＰ電極およびＮ電極が、前者が後者と比べて基板からより遠い状態に段差を付けて形成されてなる半導体レーザー素子と、
この半導体レーザー素子が、前記電極が形成された表面側から半田で接合されたヒートシンクとを備えてなる半導体レーザー装置において、
Ｎ電極をヒートシンク側に接合する半田が、このＮ電極よりも大面積で、このＮ電極からＰ電極側にははみ出さないでＰ電極と反対側にはみ出したパターンとされ、
Ｐ電極をヒートシンク側に接合する半田が、このＰ電極よりも小面積で、Ｐ電極およびＮ電極の並び方向と略直交する方向に互いに間隔を置いて連なる複数のドット状部分からなるパターンとされていることを特徴とする半導体レーザー装置。
【請求項２】
Ｎ型基板上に複数の半導体層が形成されるとともに、該層の基板と反対側の表面にＰ電極およびＮ電極が、前者が後者と比べて基板からより遠い状態に段差を付けて形成されてなる半導体レーザー素子と、
この半導体レーザー素子が、前記電極が形成された表面側から半田で接合されたヒートシンクとを備えてなる半導体レーザー装置において、
Ｎ電極をヒートシンク側に接合する半田が、このＮ電極よりも大面積で、このＮ電極からＰ電極側にははみ出さないでＰ電極と反対側にはみ出したパターンとされ、
Ｐ電極をヒートシンク側に接合する半田が、このＰ電極よりも小面積で、Ｐ電極およびＮ電極の並び方向と略直交する方向に互いに間隔を置いて連なる複数のドット状部分と、該部分を連絡するそれらよりも細幅の部分とからなるパターンとされていることを特徴とする半導体レーザー装置。
【請求項３】
前記ドット状部分の形状が、融解前の状態で略円形または略多角形であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザー装置。
【請求項４】
Ｎ電極を接合する半田の、Ｎ電極に接合している部分の面積に対する、Ｎ電極に接合していない部分の面積の比が０．５以上であることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の半導体レーザー装置。
【請求項５】
前記ヒートシンクのＰ電極およびＮ電極を各々半田で接合する部分が、半導体レーザー素子のＰ電極およびＮ電極の段差を吸収する段部を有する形状とされていることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の半導体レーザー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザー装置、特に詳細には、基板に対してＰ電極およびＮ電極が同じ側に形成されてなる半導体レーザー素子と、それをジャンクションダウン構造で固定したヒートシンクとからなる半導体レーザー装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に記載されているように、ＧａＮ系半導体レーザー素子等において、基板に対してＰ電極およびＮ電極を同じ側に形成する構造が採用されている。この種の半導体レーザー素子を実装するに当たっては、素子からの放熱性を高めるために、Ｐ電極およびＮ電極が形成された側の素子表面をヒートシンクに接合する、いわゆるジャンクションダウンと言われる構造が採用されることが多い。なお上記ヒートシンクは、大きな放熱ブロックに半導体レーザーを実装する上で、それら両者の間に介設されるサブマウントの形態を取ることも多い。
【０００３】
ＧａＮ系半導体レーザー素子等において、基板に対して同じ側に形成されるＰ電極およびＮ電極は、通常、前者が後者と比べて基板からより遠い状態に段差を付けて形成されるので、上記のジャンクションダウン構造を採用する場合は、その段差に対応した素子固定構造を適用する必要がある。
【０００４】
上記特許文献１には、そのような素子固定構造の一つが開示されている。この素子固定構造は、平らなヒートシンクの表面に、半導体レーザー素子のＰ電極、Ｎ電極に各々接続するための１対の電極が形成され、その一方の電極とＰ電極は比較的薄い半田を介して接続され、他方の電極とＮ電極は比較的厚い半田を介して接続されたものである。この構造においては、Ｐ電極接合用半田とＮ電極接合用半田の厚さの違いにより、半導体レーザー素子のＰ電極とＮ電極との間の段差が吸収される。
【０００５】
また特許文献２には、Ｐ電極接合用半田とＮ電極接合用半田の厚さの関係が特許文献１におけるものと同じにされた上で、Ｐ電極接合用半田は長方形状パターンとされ、Ｎ電極接合用半田は複数のドット状部分が並んだパターンとされた素子固定構造が記載されている。この構造においても、Ｐ電極接合用半田とＮ電極接合用半田の厚さの違いにより、半導体レーザー素子のＰ電極とＮ電極との間の段差が吸収される。
【０００６】
さらに特許文献３には、平らなヒートシンクの表面に比較的薄いメタライズ層と比較的厚いメタライズ層とが形成され、前者のメタライズ層と半導体レーザー素子のＰ電極が、また後者のメタライズ層と半導体レーザー素子のＮ電極が各々半田によって接合された素子固定構造が記載されている。この構造においては、Ｐ電極用メタライズ層とＮ電極用メタライズ層の厚さの違いにより、半導体レーザー素子のＰ電極とＮ電極との間の段差が吸収される。
【特許文献１】特開平７−２３５７２９号公報
【特許文献２】特開２００３−２２９６２７号公報
【特許文献３】特開２００４−９６０６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上述べたように、半導体レーザー素子のＰ電極およびＮ電極を、それらとヒートシンクとの間に配した半田によって該ヒートシンクに接合させる構造においては、各電極とヒートシンクとの間の所定位置に固体状態の半田を配した後、それを融解、固化させて接合がなされるので、融解したときに半導体レーザー素子に加わる荷重の方向次第で、半導体レーザー素子が傾くことがある。つまり、本来半導体レーザー素子は、その基板表面がヒートシンクの表面と平行になる状態に固定されるべきところ、それら両表面が角度をなす状態に傾いて固定されることがある。特に、半導体レーザー素子のＮ電極とヒートシンクとの間に比較的厚い半田を介在させるようにした特許文献１、２に記載の素子固定構造においては、該Ｎ電極とヒートシンクとが大きく離間しており、よって上述のような傾きが発生しやすくなっている。
【０００８】
半田が融解状態にあるときに、このように半導体レーザー素子が傾いた状態でヒートシンクに押し付けられると、融解状態の半田が流れて電極パターンの外まではみ出すこともある。このように電極パターンの外まではみ出した半田は、半導体レーザー素子をショートさせる原因となる。また、半導体レーザー素子が傾いた状態のままヒートシンクに接合されると、半導体レーザー素子の実装位置精度が損なわれる。
【０００９】
他方、比較的薄いＰ電極用メタライズ層と比較的厚いＮ電極用メタライズ層とによってヒートシンクの表面に段部が形成された引用文献３の素子固定構造においては、引用文献１および２に記載された構造と比べると、Ｎ電極の表面とヒートシンクとの間の距離が小さくなるので、上述のような半導体レーザー素子の傾きは、発生したとしても比較的小さく抑えられる。しかしそれでも、電極パターンの外まではみ出した半田によるショートの問題を完全に防止するのは難しくなっている。半田のはみ出しを防止する上では、その厚さを小さくすることが効果的であるが、そのようにすると、今度は半導体レーザー素子とヒートシンクとの接合強度が不十分になることがある。
【００１０】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、半導体レーザー素子とヒートシンクとの接合強度が十分に確保された上で、電極パターンの外まではみ出した半田によるショートを防止できる半導体レーザー装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による一つの半導体レーザー装置は、
前述したように、Ｎ型基板上に複数の半導体層が形成されるとともに、該層の基板と反対側の表面にＰ電極およびＮ電極が、前者が後者と比べて基板からより遠い状態に段差を付けて形成されてなる半導体レーザー素子と、
この半導体レーザー素子が、前記電極が形成された表面側から半田で接合されたヒートシンクとを備えてなる半導体レーザー装置において、
Ｎ電極をヒートシンク側に接合する半田が、このＮ電極よりも大面積で、このＮ電極からＰ電極側にははみ出さないでＰ電極と反対側にはみ出したパターンとされ、
Ｐ電極をヒートシンク側に接合する半田が、このＰ電極よりも小面積で、Ｐ電極およびＮ電極の並び方向と略直交する方向に互いに間隔を置いて連なる複数のドット状部分からなるパターンとされていることを特徴とするものである。
【００１２】
また本発明による別の半導体レーザー装置は、上記複数のドット状部分からなるパターンの代わりに、このような複数のドット状部分と該部分を連絡するそれらよりも細幅の部分とからなるパターンが採用されたものである。
【００１３】
なお上記ドット状部分の形状は、融解前の状態で略円形または略多角形であることが望ましい。
【００１４】
また上記の構成においては、Ｎ電極を接合する半田の、Ｎ電極に接合している部分の面積に対する、Ｎ電極に接合していない部分の面積の比が０．５以上であることが好しい。
【００１５】
また、上記ヒートシンクのＰ電極およびＮ電極を各々半田で接合する部分は、半導体レーザー素子のＰ電極およびＮ電極の段差を吸収する段部を有する形状とされていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明者の研究によると、電極パターンの外まではみ出した半田による半導体レーザー素子のショートは、大別して次の２つの状態から発生することが分かった。一つは、Ｐ電極とＮ電極の一方を接合するための半田が融解したとき他方の電極側に流れ出して、その他方の電極まで到達することによるショートである。二つ目は、特にＰ電極接合用半田が融解したときＰ電極パターンの外まではみ出して半導体層の側面まで回り込み、それが半導体層中のＮ型半導体層まで到達することによるショートである。
【００１７】
以上の知見に鑑みて、本発明による半導体レーザー装置においては、半導体レーザー素子とヒートシンクとの接合強度は主にＮ電極の方の半田によって確保し、Ｐ電極の方では電気的導通を果たすことを主眼として、はみ出しの事態を極力回避できる半田パターンを採用したものである。
【００１８】
すなわちＮ電極接合用の半田は、Ｎ電極よりも大面積で、かつＰ電極と反対側にはみ出したパターンとされたことにより、該Ｎ電極とヒートシンクとを（つまり半導体レーザー素子とヒートシンクとを）十分な強度で接合可能となる。その一方、このＮ電極接合用の半田は、Ｎ電極からＰ電極側にははみ出さないでＰ電極と反対側にはみ出したパターンとされているので、融解したときにＰ電極まで達してショートを招くことも確実に防止される。またこのＮ電極接合用の半田が、融解したときに上述のようにＰ電極と反対側にはみ出して半導体層の側面に回り込んだとしても、Ｎ電極から基板までの間にＰ型半導体層は存在しないから、この回り込んだ半田によってショートの事態を招くことはない。
【００１９】
またＰ電極接合用の半田は、Ｐ電極よりも小面積で、Ｐ電極およびＮ電極の並び方向と略直交する方向に互いに間隔を置いて連なる複数のドット状部分からなるパターン、あるいは該複数のドット状部分と該部分を連絡するそれらよりも細幅の部分とからなるパターンとされているので、特に大きな接合強度は得られないものの、融解したときのＮ電極側へのはみ出しも、また半導体層の側面まで回り込むようなはみ出しも抑えられ、それにより、半導体レーザー素子のショートが確実に防止される。
【００２０】
なお、ヒートシンクのＰ電極およびＮ電極を各々半田で接合する部分が、半導体レーザー素子のＰ電極およびＮ電極の段差を吸収する段部を有する形状とされている場合は、半田が融解しているときに半導体レーザー素子が大きく傾くことが回避されるので、融解状態の半田が流れ難くなり、ショート防止の効果がより一層高いものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態による半導体レーザー装置10の概略正面形状を示すものである。図示の通りこの半導体レーザー装置10は、一例としてＧａＮ系半導体レーザー素子であるチップ状態の半導体レーザー素子１が、ヒートシンクであるＡｌＮ（窒化アルミニウム）サブマウント２を介してＡｌＮ放熱ブロック３上に実装されてなるものである。なお本実施形態では図２に示すように、ＡｌＮ放熱ブロック３の上に複数（例えば７個）の半導体レーザー素子１が並べて取り付けられ、それらにより、複数のレーザービームを発するレーザー光源装置が構成されている。
【００２３】
またＡｌＮ放熱ブロック３の上面には、複数の半導体レーザー素子１に対して共通となる１つのＮ極用電気配線層18と、各半導体レーザー素子１に対して個別に形成されたＰ電極用電気配線層19と、半導体レーザー素子１を位置決めするためのアライメントマーク20とが形成されている。
【００２４】
半導体レーザー素子１は、サファイア基板１ｓの上に（図１中では下側になる）図示外のＧａＮ層、およびＮ型半導体からなるコンタクト層１ａ等が順次形成され、該コンタクト層１ａの一部領域の上にＮ電極１ｂが形成されるとともに、コンタクト層１ａのそれ以外の領域上に、Ｎ型半導体からなる下部クラッド層並びに下部光ガイド層、活性層、Ｐ型半導体からなる上部光ガイド層並びにクラッド層、およびコンタクト層等が順次積層されてなる半導体層１ｃが形成され、この半導体層１ｃの上に（直接的にはＰ型半導体からなるコンタクト層の上に）Ｐ電極１ｄが形成されてなるものである。
【００２５】
この半導体レーザー素子１の実装は、下記の通りにしてなされる。本実施形態では、後述のように切断されてＡｌＮサブマウント２を構成するＡｌＮ基板２ｓの表面が、研磨加工により、例えば厚さが０．２５±０．０２ｍｍ、表面粗さ：Ｒａが０．０５μｍ以下、ＡｌＮ基板面内の厚さばらつきが±０．０２μｍ以下となるように仕上げられる。そしてこのＡｌＮ基板２ｓの下表面には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕメタライズ層４が形成される。なおＡｌＮ基板２ｓとしては、通常熱伝導率が１４０Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは１７０Ｗ／ｍＫ以上、さらに好ましくは２００Ｗ／ｍＫ以上のものが用いられ、それにより良好な放熱性が確保される。
【００２６】
またＡｌＮ基板２ｓの上表面には、電極配線機能層としての１対のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕメタライズ層５、15が形成される。これらのメタライズ層５、15は、例えばＡｌＮ基板２ｓの上表面全域にスパッタ成膜によりＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜を形成し、その上に所定形状のレジストをパターニングし、イオンミリングによりレジストの無い部分のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜を除去する等によって形成される。
【００２７】
次に、メタライズ層５、15の上にそれぞれ濡れ改善層並びに高さ調整層として機能する、互いに厚さの異なるＡｕ厚膜からなるメタライズ層６、16が形成される。これらのＡｕメタライズ層６、16の厚さの差は、例えば０．３±０．０５μｍとされる。そのように互いに厚さの異なるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕメタライズ層６、16は、例えば一様な厚さでメタライズ層を形成した後、低くする部分をイオンミリングのようなドライプロセスあるいはエッチャントによるウェットプロセスによって除去する方法や、さらには、低くする方の層の高さ分だけメタライズした後、低くする部分をマスキングした上で再度メタライズする方法等を適用して形成することができる。
【００２８】
次に、これらのメタライズ層６、16上の半田が成膜される領域に、濡れ改善層としてのＰｔ膜26、36がそれぞれ形成される。それらのＰｔ膜26、36は、例えばリフトオフ法を用いて、スパッタによりパターニング成膜される。
【００２９】
次いで上記Ｐｔ膜26、36の上に、それぞれＡｕＳｎ半田（以下、単に半田という）７、17が成膜される。Ｐ電極１ｄを接合する方の半田７は、例えば直径３０±５μｍ、厚さ１．７５±０．２５μｍの円形ドットが４個、半導体レーザー素子１の共振器軸方向（Ｐ電極１ｄおよびＮ電極１ｂの並び方向と直交する方向）に９０μｍピッチで並設されてなるパターンとされている。一方、Ｎ電極１ｂを接合する方の半田17は、一例として半導体レーザー素子１の共振器軸方向の長さが７００μｍ、それと直角な方向の幅が３５０μｍである長方形のパターンとされて、Ｐｔ膜36の表面全領域を覆うように形成される。なお半田７、17は、例えばＡｕとＳｎの二元蒸着法により、目的の組成比（例えばＡｕ組成が７３±１０ｗｔ％）となるように成膜される。
【００３０】
その後ＡｌＮ基板２ｓが切断されて、ＡｌＮサブマウント２が複数形成される。本実施形態においてＡｌＮサブマウント２は基本的に、ＡｌＮ基板２ｓ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕメタライズ層４、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕメタライズ層５、15、Ａｕメタライズ層６、16およびＰｔ膜26、36から構成されている。
【００３１】
次に、上述のようにして１個ずつに切断されたＡｌＮサブマウント２の上に、外形が概略３５０×７００×１００μｍのサイズに形成されているチップ状半導体レーザー素子１が、そのＰ電極１ｄが半田７の上に位置し、Ｎ電極１ｂが半田17の上に位置する状態に位置決め配置される。そして所定の荷重を加えることにより、半導体レーザー素子１がＡｌＮサブマウント２に圧接され、この状態のままそれら全体が３１０℃に加熱される。それにより半田７、17が融解し、半導体レーザー素子１がＰ電極１ｄおよびＮ電極１ｂ側からＡｌＮサブマウント２に接合される。なお上記Ｐ電極１ｄおよびＮ電極１ｂは同一面に形成され、サイズは前者が１５０×６００μｍ、後者が１００×６００μｍとされている。
【００３２】
上記半導体レーザー素子１の位置決め配置に際しては、図１中にＱで示す発光点およびそこから紙面に直角な方向に延びる導波路領域が、メタライズ層５および６と、メタライズ層15および16との間に構成されている溝状部分内に位置し、かつ、導波路領域からドット状半田７の中心までの距離が、Ｐ電極の幅つまり図１の左右方向寸法の約半分となる状態に、該素子１がＰ電極幅方向（導波路長さ方向と直角な方向）に位置決めされる。また該半導体レーザー素子１は、導波路長さ方向に関しては、その光出射端面がＡｌＮサブマウント２の端面から１００±３０μｍ突き出す状態に（図２参照）位置決めされる。
【００３３】
またＡｌＮサブマウント２には、互いに厚さが異なるＡｕメタライズ層６、16によって段部が形成されているので、半導体レーザー素子１のＰ電極１ｄとＮ電極１ｂとの段差は、この段部によって吸収される。
【００３４】
次いで、図１に示すように上表面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕメタライズ層８および濡れ改善層としてのＰｔ層９が形成されているＡｌＮ放熱ブロック３を１５０℃に加熱し、その上に半田11を配置し、その上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕメタライズ層４を下にしてＡｌＮサブマウント２を配置し、両者を２００〜５００ｇｆ（≒１．９６〜４．９Ｎ）の力で圧接させながら３００℃に加熱して半田11を融解させることにより、ＡｌＮサブマウント２がＡｌＮ放熱ブロック３に接合される。その後、Ｐ電極１ｄと電気的に導通可能となったメタライズ層５が前記Ｐ電極用電気配線層19に、またＮ電極１ｂと電気的に導通可能となったメタライズ層15が前記Ｎ極用電気配線層18に、それぞれワイヤーボンドによって接続される。
【００３５】
以上により、半導体レーザー素子１がＡｌＮサブマウント２を介してＡｌＮ放熱ブロック３に実装される。これまでの説明から明らかな通り、本実施形態において半導体レーザー素子１は、サファイア基板１ｓ側が上に位置する向きに配置され、素子形成面側（ＰＮ接合側）がＡｌＮ放熱ブロック３側に固定されて、いわゆるジャンクションダウン構造で実装がなされる。
【００３６】
なお、上記のようにＡｌＮサブマウント２をＡｌＮ放熱ブロック３に接合させる際には、ＡｌＮ放熱ブロック３に対してＡｌＮサブマウント２を高い位置決め精度の下に所定位置に配することが必要であり、その際に前述のアライメントマーク20が位置決め基準として利用される。この位置決めは、例えば画像認識機能を備えた実装機にＡｌＮ放熱ブロック３をセットした後、ＡｌＮサブマウント２の半導体レーザー素子１が固定されていない部分をコレットにより吸着保持して、該ＡｌＮサブマウント２を実装機に供給し、その画像認識機能を利用して行うことができる。この画像認識機能はより詳しくは、ワークの表面画像を撮像するとともに、撮像されたワークの表面画像から、予め記憶手段に登録されたマーク画像の特徴と一致するマークをサーチ検出し、その検出されたマークについて、指定された特定位置からの位置を求める機能である。
【００３７】
次に、ＡｌＮ放熱ブロック３の形成について詳しく説明する。まず、後述のように切断されてＡｌＮ放熱ブロック３を構成するＡｌＮ基板の表面が、研磨加工により、例えば厚さが８ｍｍ、表面粗さ：Ｒａが０．０５μｍ以下となるように仕上げられる。そしてこのＡｌＮ基板の上表面に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層がスパッタにより形成される。なおＡｌＮ基板の熱伝導率は１４０Ｗ／ｍＫであり、良好な放熱性が確保される。
【００３８】
次に上記Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層の上に所定のレジストパターンが形成され、イオンミリングによりレジストの無い部分のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜を除去することにより、図１に示したＴｉ／Ｐｔ／Ａｕメタライズ層８および、図２に示した電気配線層18、19並びにアライメントマーク20が形成される。そしてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕメタライズ層８の上に、リフトオフによってＰｔ層９が形成される。さらにその上に前述の半田11が、例えばＡｕとＳｎの二元蒸着法により、目的の組成比（例えばＡｕ組成が７３±１０ｗｔ％）となるように成膜される。その後ＡｌＮ基板が切断されて、ＡｌＮ放熱ブロック３が複数形成される。
【００３９】
なお本実施形態においては、図２に示す通りＡｌＮ放熱ブロック３の前面３ａに、ガラス製のレンズホルダ25が接着固定される。このレンズホルダ25はその上面に、複数の半導体レーザー素子１から射出されたレーザービームを各々平行光化するコリメートレンズが複数並設されてなるコリメートレンズアレイを接着固定するためのものである。ＡｌＮ基板は、まず上記前面３ａとなる部分で切断され、この切断面が表面粗さ：Ｒａ＝０．１〜０．２μｍとなるように研磨された後、さらにこの切断面と直交する複数の面で切断されて、複数のＡｌＮ放熱ブロック３が形成される。
【００４０】
以上説明した通り本実施形態においては、Ｎ電極接合用の半田17が、Ｎ電極１ｂよりも大面積で、かつＰ電極１ｄと反対側にはみ出したパターンとされたことにより、該Ｎ電極１ｂとＡｌＮサブマウント２とを（つまり半導体レーザー素子１とＡｌＮサブマウント２とを）十分な強度で接合可能となる。その一方、このＮ電極接合用の半田17は、融解前の状態で、Ｎ電極１ｂからＰ電極１ｄ側にははみ出さないでＰ電極１ｄと反対側にはみ出したパターンとされているので、融解したときにＰ電極１ｄまで達してショートを招くことも確実に防止される。またこのＮ電極接合用の半田17が、融解したときに上述のようにＰ電極１ｂと反対側にはみ出して半導体層の側面に回り込んだとしても、Ｎ電極１ｂから基板１ｓまでの間にＰ型半導体層は存在しないから、この回り込んだ半田によってショートの事態を招くことはない。
【００４１】
またＰ電極接合用の半田７は、Ｐ電極１ｄよりも小面積で、Ｐ電極１ｄおよびＮ電極１ｂの並び方向と直交する方向に互いに間隔を置いて連なる複数のドット状部分からなるパターンとされているので、特に大きな接合強度は得られないものの、Ｎ電極１ｂ側へのはみ出しも、またＮ型半導体層を含む半導体層１ｃの側面まで回り込むようなはみ出しも抑えられ、それにより、半導体レーザー素子１のショートが確実に防止される。
【００４２】
次に、半田７、17のより好ましいパターンについて、それらとＰ電極１ｄおよびＮ電極１ｂとの相対位置関係を概略的に示す図４を参照して説明する。まずＰ電極接合用の半田７について説明する。ここで考える半田７は、融解前は同図に実線で示すように円形のドット状パターンのものであるとするが、融解してＰ電極１ｄとＡｕメタライズ層６とを接合した際には、同図にハッチングを入れて示すように広がった状態となる。この広がりによって半田７がＰ電極１ｄの端部まで到達し、半導体層側面に回り込んでショートを招くことを防止する上では、その融解前のドット状パターンとＰ電極端までの距離ｄが大きいほど、また半田７が薄いほど好ましい。そこで、半田７の厚さ毎に、この距離ｄが実際どの程度確保されていれば実装後の半導体レーザー素子１の静特性が良好に保たれるかを調べた。ここでは、半導体レーザー素子１の静特性が良好に保たれる歩留まりを測定したが、その結果は下の表１に示す通りとなった。
【表１】
2006332521.tif 000003
【００４３】
また、歩留まり９０％を許容限界として、それが得られる半田厚と距離ｄとの関係を図示すると図５の通りとなる。つまり、同図の直線から上側の範囲に半田厚と距離ｄとを設定すれば、概ね歩留まり９０％が達成されると考えられる。
【００４４】
なお、半田厚を余りに薄くすると、今度はそれによる接合強度が不足するという問題を招くことになる。図６には、半田厚と接合強度との関係を調べた結果を示す。ここに示される通り、半田厚が１．５μｍを下回ると急激に接合強度が低下するので、半田厚は１．５μｍ以上とすることが望ましい。
【００４５】
また半田７は、Ｐ電極１ｄおよびＮ電極１ｂの並び方向だけでなく、それに直角な方向、つまり半導体レーザー素子１の共振器軸方向にも延びるものである。そこで融解前のドット状パターンの半田７どうしの間隔Ｌについて検討したが、この間隔Ｌが上記距離ｄの２倍以上確保されていないと、隣接する半田７の流れが合流して、Ｐ電極端から外にはみ出してしまう。つまり、円形のドット状パターンとされた半田７は、各々が径が拡大するように融解し、そのときのＮ電極１ｂ側への径の拡大は各半田７の単体で考えれば、上述した通り、半導体層側面への回り込みを防ぐ上ではｄまで許容されるが、ある半田７の単体の径の拡大が基本的にｄ未満でも、そのとき隣接する半田７の流れが合流してしまうと、Ｎ電極１ｂ側への流れ出し距離がｄを超えてしまうことも起こり得る。このような事態の発生を防止する上では、各半田７が融解によりＮ電極１ｂ側（図４中の横方向）へも、また隣接する半田７側（図４中の縦方向）へも同じように拡径することを前提とすると、上記間隔Ｌが距離ｄの２倍以上確保されていれば、各半田７が融解してＮ電極１ｂ側にｄよりも大きく拡径していないのに、相隣接する半田７どうしが合流してしまうことがなくなる。以上の理由により、上記間隔Ｌは２ｄ以上の値としておくことが好ましい。
【００４６】
一方、Ｎ電極接合用の半田17は、融解時にＰ電極１ｄ側に流れずに、それと反対方向に流れるようにする。そのように該半田17を広げるためには、融解前の該半田17が、Ｎ電極１ｂの外側方（Ｐ電極１ｄと反対側）に大きくはみ出していることが好ましい。つまり半田17がそのような形状となっていれば、半導体レーザー素子１の実装に際して、半田17が加熱された上で半導体レーザー素子１がＡｌＮサブマウント２側に押圧されたとき、融解した半田17は図１に２点鎖線で示すように、はみ出している領域において自身の表面張力の作用で膨らむことができるので、Ｐ電極１ｄ側に流れ出ることを回避できる。
【００４７】
そこで、該半田17の、Ｎ電極１ｂに接合していない部分の面積と接合している部分の面積との比が、実装後に半導体レーザー素子１の静特性が良好に保たれる歩留まりにどのように影響するかを調べた。その結果を図７に示す。ここでは横軸に、半田17のＮ電極１ｂに接合している部分に対する接合していない部分の面積の比を示し、縦軸に上記歩留まりを示している。図示の通り、上記面積比が０．５を下回ると歩留まりが１００％から落ち始めるので、この面積比は０．５以上とすることが望ましい。
【００４８】
なお本実施形態では、ＡｌＮサブマウント２において、互いに厚さが異なるＡｕメタライズ層６、16によって段部が形成され、半導体レーザー素子１のＰ電極１ｄとＮ電極１ｂとの段差がこの段部によって吸収されるようになっているので、半田７、17が融解しているときに半導体レーザー素子１が大きく傾くことが回避される。そこで、融解状態の半田７、17が流れ難くなり、ショート防止の効果がより一層高いものとなる。
【００４９】
以下、この点について、図８を参照してさらに詳しく説明する。同図（１）に概略を示すように、半導体レーザー素子１のＰ電極とＮ電極との間の段差をΔＡ、ＡｌＮサブマウント２の半田７、17を形成する部分の段差をΔＢとする。同図（３）に示すようにΔＢ＝ΔＡの場合、図中ハッチングで示す半田は平坦に潰されて比較的均一に伸びる。
【００５０】
それに対して、同図（２）、（４）に各々示すようにΔＢ＜ΔＡ、ΔＢ＞ΔＡの場合は、半導体レーザー素子１とＡｌＮサブマウント２とを押圧する荷重がどの位置に掛かるかによって半田の広がる様子が異なる。つまり、段差による隙間が大きい方の電極側（ΔＢ＜ΔＡの場合はＮ電極側、ΔＢ＞ΔＡの場合はＰ電極側）に荷重が掛けられると、半導体レーザー素子１が傾斜して半田が潰されるので、Ｐ電極用半田は比較的一定方向に広がる。その半面、この場合は隙間ができるため十分にＰ電極用半田が潰されず、広がり面積は相対的に小さくなり、その最大広がり距離はΔＢ＝ΔＡの場合と比べて極端に大きくはならない。
【００５１】
他方、ΔＢ＜ΔＡの場合にＰ電極側に荷重を掛けると、Ｐ電極用半田の広がりはΔＢ＝ΔＡの場合と同等となる。またΔＢ＞ΔＡの場合にＮ電極側に荷重を掛けると、段差のギャップ（ΔＢ−ΔＡ）分だけＰ電極用半田の潰れが少なく抑えられるので、半田広がりを抑制することができる。
【００５２】
次に、前述した距離ｄの好ましい値について検討した結果を説明する。まず、Ｐ電極接合用半田が、前記半田７のように円形のドット状パターンである場合を考える。半田の体積は接合前後で変化しないものとし、その体積をＶとする。また接合後の半田の最小厚さをｈ、最大広がり面積をＳとすると、
ｈ＝Ｖ／Ｓ
の関係が成り立つ。具体的に、融解前の直径が３５μｍであるドット状パターン半田を用い、接合部分のサイズが３００×７００μｍであるチップ状半導体レーザー素子を、３０ｇｆ（≒０．２９４Ｎ）の力で半田に圧接させながら該半田を融解させ、そのときの最小厚さｈを測定したところ０．３μｍであった。したがって、ドット状パターン半田の融解前の厚さをｔ、半田の広がり距離（ドットの半径の増大分）をｋとすると、上記式より、
０．３＝（π×１７．５2×ｔ）／｛π×（１７．５＋ｋ）2｝
となる。
【００５３】
この式から、例えばｔ＝１．６μｍ、３．０μｍとしてｋの値を求めると、それぞれ２３μｍ、３７μｍとなる。半田厚と距離ｄについては前述の図５に示した好ましい関係があるが、上記ｔおよびｋの値の組み合わせ２通りはいずれも、この図５に示した破線の上側に存在する。
【００５４】
この結果から、半田のドット状パターンが円形、多角形状のように周囲に略均等に広がる形状である場合は、上記ｈ＝Ｖ／Ｓで示す関係が成り立つと考えられる。よって、半田のドット状パターンがそのようなものである場合は、ドット状パターンの差し渡し長さ（円形の場合は半径、正多角形の場合は外接円の半径）をｒとして、一般的に、
０．３＝（π×ｒ2×ｔ）／｛π×（ｒ＋ｋ）2｝
の関係が成り立つと考えられる。
【００５５】
この式よりｋ＝ｒ｛（ｔ／０．３）１／２−１｝であり、このｋが距離ｄを上回ると半田がＰ電極端から外にはみ出してしまうから、その事態を防止するために距離ｄは、
ｄ≧ｋ＝ｒ｛（ｔ／０．３）１／２−１｝
としておくことが必要となる。
【００５６】
なおＰ電極用の半田は、以上説明した複数のドット状のパターンからなるものに限らず、図９に示す別の実施形態におけるように、複数の略円形のドット状部分と、該部分を連絡するそれらよりも細幅の部分とからなるパターンの半田７′を採用することもできる。なおこの図９において、図１〜３中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての重複した説明は省略する（以下、同様）。このように、部分的にくびれが入った半田パターンとした場合も、半田が融解したときに余剰半田が部分的に集中せずに、分散して広がるようになって、Ｐ電極からのはみ出しが防止される。
【００５７】
また、図１０に示すさらに別の実施形態におけるように、多角形状（この場合は四角形状）の複数のドット状部分と、該部分を連絡するそれらよりも細幅の部分とからなるパターンの半田７″を採用することもできる。さらには、四角形等の多角形状の複数のドット状部分が互いに離して配置されたパターンの半田を採用することも可能である。
【００５８】
次に、本発明の効果を確認した実験について説明する。半導体レーザー素子１の実装を正常に行い得るかどうかを決定する要因として、半田形状と半田厚が考えられる。そこで、Ｐ電極用半田の形状をＰ電極形状と比べて、
（Ａ）縦幅および横幅が５０μｍ小さいもの、
（Ｂ）横幅がＰ電極横幅の１／３で、縦幅が１００μｍ小さいもの、
（Ｃ）横幅がＰ電極横幅の１／ ３で、縦方向には半田幅の２倍の間隔を空けて離散的にパターン化したもの、
の３つのＰ電極用半田パターンを試作してそれにより実装を行い、各場合の実装歩留りを評価した。
【００５９】
ここで、上記（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）のパターンを持つＰ電極用半田をそれぞれ７Ａ、７Ｂおよび７Ｃとして、図１１、１２および１３に示す。この場合、Ｎ電極用半田17Ａは、各場合とも上記Ｐ電極用半田７Ａと同じ形状とした。なお図１１〜１３内に示す破線部は、融解後の半田の広がり形状を概略的に示している。また、上記（Ａ）〜（Ｃ）の半田パターンにおいて、半田厚をそれぞれ１μｍ、１．５μｍ、２μｍ、２．５μｍおよび３μｍと変えて、半田厚についても検討した。
【００６０】
この場合、実装後の半導体レーザー素子１の静特性は、下の表２に示す通りの歩留りとなった。
【表２】
2006332521.tif 000004
【００６１】
まず半田厚に関して説明すると、半田厚１μｍでは接着不良に伴って電流が流れないオープン不良が発生し、半田厚１．５μｍ以上ではショート不良が見られた。実装後の接合面を見たところ、（Ａ）では半田の広がり方に頃向は見られないが、（Ｂ）では均一に半田が広がっているものでは不良は発生せず、余剰半田が部分的に集中して半田がはみ出しているものに不良がみられた。
【００６２】
また、半導体レーザー素子１をＡｌＮサブマウント２に押圧する荷重の方向を垂直方向（ＡｌＮサブマウント２の表面に対して直角な方向）から傾けると、半田が融解した時に傾斜方向に半田が流れ、半田の偏りが発生するため、その方向に部分的に半田がはみ出す。これは、正負電極の段差(±１０％)のばらつきによる傾斜を考慮すると、部分的に半田がはみ出さないようにするには、半田幅をさらに小さくするか、半田厚を薄くする必要がある。半田厚を薄くすると、十分な接着強度が得られなくなる。
【００６３】
また半田幅は、２０μｍ程度の線幅までしか細くできない。これは、半田パターンを加工する方法として、ドライエッチング法、ウエットエッチング法および、リフトオフ法があるが、このうち比較的加工性が良いドライエッチング法およびウエットエッチング法では、半田を構成する元素のエッチング率が異なるため、半田の組成ずれが生じ、濡れ性が悪くなるからである。このためリフトオフ法での加工を選択しなければならない。リフトオフ法においては、少なくとも１．５μｍ以上の半田厚が必要となるため、厚膜レジストを適用しなければならない。そのため、加工制御性が悪い２０μｍ以下の線幅まで細くすると、半田を所定の形状に加工できなくなる。そこで、製造適性のある部材の半田厚(±１０％)および正負電極の段差(±１０％)のばらつきを考慮すると、（Ｂ）のパターンでは、半田の幅を２０μｍ以下の線幅まで細くする必要が生じ、上記理由より、（Ａ）、（Ｂ）パターンでは良好な実装品質を得ることが困難になる。
【００６４】
それに対して（Ｃ）のパターンでは、半田が一定方向にはみ出しても、半田が離散的にパターニングされているために、隣接する半田と融合してはみ出すことがなく、ＰＮ接合部およびＰ層のエピ部まではみ出し付着することがない。こうして、本発明におけるように（Ｃ）のパターンを採用すれば、良好な実装品貰を得ることが可能となる。
【００６５】
なお本発明は、半導体レーザー素子としてＧａＮ系半導体レーザー素子を用いる場合に限らず、その他の半導体レーザー素子を用いる場合にも同様に適用可能であり、その場合にも上述の実施形態におけるのと同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態による半導体レーザー装置を示す概略正面図
【図２】上記半導体レーザー装置を示す斜視図
【図３】上記半導体レーザー装置の一部を示す斜視図
【図４】上記半導体レーザー装置の電極接合部を示す概略平面図
【図５】電極接合部の半田厚と、半田のＰ電極端までの距離と、半導体レーザー素子の実装歩留まりとの関係を示すグラフ
【図６】電極接合部の半田厚と接合強度との関係を示すグラフ
【図７】Ｎ電極用半田の電極接合部と非接合部との面積比と、半導体レーザー素子の実装歩留まりとの関係を示すグラフ
【図８】半導体レーザー素子のＰ電極およびＮ電極の段差とヒートシンク側の段差との関係に応じた、半田による電極接合状態の違いを説明する図
【図９】本発明の別の実施形態による半導体レーザー装置の一部を示す概略斜視図
【図１０】本発明のさらに別の実施形態による半導体レーザー装置の一部を示す概略斜視図
【図１１】本発明の効果を確認するための半導体レーザー装置の一部を示す斜視図
【図１２】本発明の効果を確認するための別の半導体レーザー装置の一部を示す斜視図
【図１３】本発明の効果を確認するためのさらに別の半導体レーザー装置の一部を示す斜視図
【符号の説明】
【００６７】
１    半導体レーザー素子
１ｂ    Ｎ電極
１ｄ    Ｐ電極
２    ＡｌＮサブマウント
３    ＡｌＮ放熱ブロック
７、７′、７″、７Ａ、７Ｂ、７Ｃ    Ｐ電極用半田
17    Ｎ電極用半田
【図１】
2006332521.tif 000005
【図２】
2006332521.tif 000006
【図３】
2006332521.tif 000007
【図４】
2006332521.tif 000008
【図５】
2006332521.tif 000009
【図６】
2006332521.tif 000010
【図７】
2006332521.tif 000011
【図８】
2006332521.tif 000012
【図９】
2006332521.tif 000013
【図１０】
2006332521.tif 000014
【図１１】
2006332521.tif 000015
【図１２】
2006332521.tif 000016
【図１３】
2006332521.tif 000017