(57)【要約】【課題】半導体レーザ装置の高信頼度化を図る。【解決手段】本発明の半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を加熱する発熱素子とを有する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を加熱する発熱素子とを有することを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
第１の台座及び前記第１の台座に固定された第２の台座を更に有し、
前記半導体レーザ素子は前記第２の台座に固定されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体レーザ装置において、
前記第２の台座の熱膨張係数は、前記半導体レーザ素子及び前記第１の台座の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項４】
請求項２に記載の半導体レーザ装置において、
前記半導体レーザ素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられたクラッド層と、前記クラッド層上に設けられたキャップ層とを有し、
前記半導体基板及びキャップ層の熱膨張係数は、前記活性層の熱膨張係数よりも大きく、
前記活性層の熱膨張係数は、前記クラッド層よりも大きいことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項５】
台座に、前記台座よりも熱膨張係数が小さい半導体レーザ素子を固定する（ａ）工程と、
前記（ａ）工程の後、前記台座及び前記半導体レーザ素子を封止体で封止する（ｂ）工程と、
前記（ｂ）工程の後、２５℃よりも低い温度でスクリーニングを行う（ｃ）工程とを含むことを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ装置及びその製造技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ装置は、光通信用光源や情報機器用光源として多用されている。半導体レーザ装置においては、用途に応じて様々なパッケージ構造のものが製品化されているが、その中の一つに例えばキャンパッケージ型（以下、単にＣＰ（Ｃａｎ　Ｐａｃｋａｇｅ）型と呼ぶ）と呼ばれる半導体レーザ装置が知られている。このＣＰ型半導体レーザ装置は、ステム及びキャップで形成されるキャビティの中に、半導体レーザ素子（半導体レーザチップ）を搭載した構造になっている。半導体レーザ素子はサブマウントにろう材を介在して接着固定され、サブマウントはヒートブロックにろう材を介在して接着固定されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、８００ｎｍ帯（ＧａＡｓ系材料）の半導体レーザ素子を組み込む半導体レーザ装置の高出力化について検討した結果、以下の問題点を見出した。
【０００４】
半導体レーザ装置の高出力化、即ち半導体レーザ素子の高出力化を図るためには、半導体レーザ素子の発光部の幅を大きくする必要がある。発光部の幅を大きくするためには、半導体レーザ素子のチップサイズ、特に発光部の幅方向に沿う寸法を大きくする必要がある。
【０００５】
そこで、本発明者は、チップサイズが大きい高出力（１Ｗクラス）の８００ｎｍ帯半導体レーザ素子を作製し、この半導体レーザ素子をＣＰ型半導体レーザ装置に組み込んで、２０℃の低温動作による寿命試験を実施したところ、半導体レーザ素子の発光部に、内在欠陥を起点としてダークラインが発生し、図８（寿命試験前（初期）の光出力と寿命試験後（動作後）の光出力とを示す図）に示すように、発光部内での延び光量が低下する不具合が発生した。
【０００６】
本発明者の検討によれば、半導体レーザ素子の大型化を図ったことにより、半導体レーザ素子の内部応力と、半導体レーザ素子、サブマウント及びヒートブロックの熱膨張係数の差による組立応力との合成応力が低温側で大きくなり、この合成応力によって前述の不具合が発生したものと考える。
【０００７】
半導体レーザ素子においては、一般的に高温になるほど通電により劣化が促進されるが、今回のチップサイズが大きい高出力（１Ｗクラス）の８００ｎｍ帯半導体レーザ素子においては、「高温になるほど通電により劣化が促進される」という現象が成り立たず、低温側で応力により劣化が促進される。そこで、本発明者は、低温側で劣化が加速される現象に着眼し、本発明を成した。
【０００８】
本発明の目的は、半導体レーザ装置の高信頼度化を図ることが可能な技術を提供することにある。
【０００９】
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろう。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【００１１】
手段（１）：本発明の半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を加熱する発熱素子とを有する。
【００１２】
手段（２）：本発明の半導体レーザ装置の製造は、台座に、前記台座よりも熱膨張係数が小さい半導体レーザ素子を固定する（ａ）工程と、
前記（ａ）工程の後、前記台座及び前記半導体レーザ素子を封止体で封止する（ｂ）工程と、
前記（ｂ）工程の後、室温（２５℃）よりも低い温度でスクリーニング試験を行う（ｃ）工程とを含む。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、発明の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００１４】
本実施形態では、ＣＰ（Ｃａｎ　Ｐａｃｋａｇｅ）型の半導体レーザ装置について説明する。
【００１５】
図１は、本実施形態の半導体レーザ装置の一部を切り欠いた斜視図であり、
図２は、本実施形態の半導体レーザ装置の等価回路図であり、
図３は、本実施形態の半導体レーザ装置における半導体レーザ素子の実装状態を示す模式図であり、
図４は、本実施形態の半導体レーザ装置に組み込まれる半導体レーザ素子の概略構成を示す図（（ａ）は斜視図，（ｂ）は断面図）であり、
図５は、本実施形態の半導体レーザ素子の内部応力を示す模式図である。
【００１６】
図１に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置１は、主にベース部材（ステム）３及び蓋体（キャップ）４からなる封止体２を有し、ベース部材３及び蓋体４で形成されるキャビティの中に半導体レーザ素子８を搭載した構造（半導体レーザ素子８を封止体２で封止した構造）になっている。
【００１７】
図１及び図３に示すように、ベース部材３は、数ｍｍの厚さの円形の金属板からなり、その主面の中央から外れた部分には例えば銅製の第１の台座６がろう材等で固定されている。第１の台座６には、例えばシリコンカーバイト（ＳｉＣ）からなる第２の台座（サブマウント）７が半田材１２を介在して接着固定され、第２の台座７には半導体レーザ素子８が半田材１１を介在して接着固定されている。半田材１１及び１２としては、例えばＡｕＳｎ（８／２）組成の半田材を用いている。
【００１８】
第１の台座６には、第１の台座６、第２の台座７及び半導体レーザ素子８を加熱するための発熱素子（例えば抵抗体）９が半田材を介在して接着固定されている。これらの第１の台座６、第２の台座７、半導体レーザ素子８及び発熱素子９等は、ベース部材３及び蓋体４で形成されるキャビティの中に配置されている。
【００１９】
ベース部材３には例えば４本のリード（外部電極端子）１３が固定されている。３本のリード１３は、絶縁体を介してベース部材３に貫通状態で固定されている。残りの１本のリード１３は、ベース部材３の主面と反対側の裏面に突き合わせた状態で固定されている。
【００２０】
半導体レーザ素子８は互いに反対側に位置する主面及び裏面に夫々電極を有する構成になっている。主面の電極（アノード電極）は、図１及び図２に示すように、ボンディングワイヤ１０を介してリード１３ａと電気的に接続され、裏面の電極（カソード電極）は、第１及び第２の台座（６，７）等を介してリード１３ｂと電気的に接続されている。
【００２１】
発熱素子９は２つの電極を有する構成になっており、一方の電極は、図１及び図２に示すように、ボンディングワイヤ１０を介してリード１３ｃと電気的に接続され、他方の電極は、ボンディングワイヤ１０を介してリード１３ｄと電気的に接続されている。
【００２２】
蓋体４は、図１に示すように、キャップ構造からなり、第１及び第２の台座（６，７）、半導体レーザ素子８、発熱素子９、４本のリードの一端側、並びにボンディングワイヤ１０等を覆うようにしてベース部材３に接着固定されている。蓋体４は、その中央に半導体レーザ素子８から出力されたレーザ光（レーザビーム）を透過させる光透過窓を有しており、この光透過窓は、蓋体４に設けられた穴の部分に透明ガラス板５を重ねて固定することによって形成される。
【００２３】
本実施形態において、半導体レーザ素子８は、ＧａＡｓ系材料の８００ｎｍ帯半導体レーザ素子であり、光出力は０．９Ｗである。半導体レーザ素子８は、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、化合物半導体、例えばＧａＡｓからなる半導体基板２０の主面上に、ＡｌＧａＡｓからなるｎ型クラッド層２１、ＡｌＧａＡｓからなる活性層２２、ＡｌＧａＡｓからなるｐ型クラッド層２３、ＧａＡｓからなるキャップ層２４を順次積層した構造になっている。活性層２２は、アンドープの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）である。
【００２４】
キャップ層２４上にはＰＳＧ膜及び酸化シリコン膜を積み重ねた２層構造の保護膜２５が設けられている。キャップ層２４及びｐ型クラッド層２３には、これらの層に跨って不純物拡散領域からなるコンタクト層２６が設けられている。コンタクト層２６はストライプ状に形成され、このコンタクト層２６には保護膜２５に形成された開口を通してアノード電極２７が電気的に接続されている。半導体基板２０の主面と反対側の裏面にはカソード電極２８が設けられている。
【００２５】
半導体レーザ素子８の発光部は、コンタクト層２６下の活性層２２の部分に構成されている。アノード電極２７及びカソード電極２８に所定の電圧を印加すると、ほとんどの電流はコンタクト層２６下の発光部を流れる。この電流による電気的にエネルギーは、発光部で光に変換され、対面する劈開面８ａ、８ｂで共振される。そして、発光部の端からレーザ光として出力される。
【００２６】
半導体レーザ素子８は、高出力化を図るため発光部の幅（光軸に対して直交する方向の幅）を大きくしている。このため、半導体レーザ素子８のチップサイズも大きくなっている。本実施形態において、半導体レーザ素子（光出力０．９Ｗ）８のチップサイズは、６００（光軸に対して直交する方向の幅：横幅）×６００（光軸に沿う方向の幅：縦幅）×１００（厚さ）であり、半導体レーザ素子８の発光部の幅は２５０μｍ程度である。なお、光出力４０ｍＷの半導体レーザ素子の場合、チップサイズは、３００（横幅）×６００（縦幅）×１００（厚さ）であり、発光部の幅は５μｍ程度である。
【００２７】
活性層２２は、クラッド層（２１，２３）よりもＡｌの含有量が少ないＡｌＧａＡｓで形成され、基板２０及びキャップ層２４は、Ａｌを基本的に含まないＧａＡｓで形成されている。
【００２８】
この場合の熱膨張係数は、
「基板２０，キャップ層２４＞活性層２２＞クラッド層（２１，２２）」となり、
図５に示すように、成長温度（７００℃）から室温（２５℃）に戻した時に各層に発生する応力は、
「クラッド層（２１，２３）：圧縮大＜活性層２２：圧縮小＜０＜基板２０，キャップ層２４：引っ張り」となる。従って、半導体レーザ素子８は、室温において内部応力が発生している。
【００２９】
次に、半導体レーザ装置１の製造について、図１及び図３を用いて説明する。
【００３０】
まず、第１の台座６及び４本のリード１３が固定されたベース部材３を準備し、その後、第２の台座７と半導体レーザ素子８との間に半田材１１を介在した状態で半田材１１を溶融して、第２の台座７に半導体チップ８を接着固定する。
【００３１】
次に、第１の台座６と第２の台座７との間に半田材１２を介在した状態で半田材１２を溶融して、第１の台座６に第２の台座７を接着固定する。
【００３２】
次に、熱伝導性が良好な接着材を用いて、第１の台座６に発熱素子９を接着固定する。この発熱素子９の固定は、第１の台座６に第２の台座７を固定する前に実施してもよい。
【００３３】
次に、半導体レーザ素子８の電極及び発熱素子９の電極とリード１３とをボンディングワイヤ１０で夫々電気的に接続する。
【００３４】
次に、第１及び第２の台座（６，７）、半導体レーザ素子８、発熱素子９、ボンディングワイヤ１０、並びにリード１３の一端側を覆うようにして、蓋体４をベース部材３に接着固定する。この工程において、第１及び第２の台座（６，７）、半導体レーザ素子８、発熱素子９、ボンディングワイヤ１０、並びにリード１３の一端側は、ベース部材３及び蓋体４からなる封止体２で封止され、ベース部材３及び蓋体４で形成されるキャビティの中に配置される。また、この工程において、封止体２の中に半導体レーザ素子８及び発熱素子９を内蔵したＣＰ型半導体レーザ装置１がほぼ完成する。
【００３５】
この後、半導体レーザ装置１は、スクリーニング試験が施され、選別された後、製品として出荷される。スクリーニング試験は、製品の品質及び信頼性レベルを得るために、故障メカニズムに則した試験によって潜在欠陥の製品を排除する目的で実施される。
【００３６】
半導体レーザ装置１は、図３に示すように、第１の台座６に第２の台座７が半田材１２で接着固定され、第２の台座７に半導体レーザ素子８が半田材１１で接着固定された組立構造になっている。
【００３７】
この組立構造における熱膨張係数は、
第１の台座６（１７×１０−６／℃）＞第２の台座７（３．７×１０−６／℃）＜半導体レーザ素子８（６．５×１０−６／℃）となるため、
半田材の溶融に必要な組立温度（２８０℃）から室温（２５℃）に戻した時、これらの膨張係数の違いから半導体レーザ素子８には組立応力として引っ張り応力が発生する。即ち、常温において半導体レーザ素子８には、その内部応力と組立応力との合成応力が加わり、しかも、この合成応力は半導体レーザ素子８のチップサイズの大型化に伴って大きくなる。本実施形態の半導体レーザ素子８はレーザ光をパルスで出力するため、比較的低い温度（例えば２０〜２５℃程度）で動作する。従って、スクリーニング試験においては、低温動作で実施することが好ましく、更に常温（２０℃）よりも低い温度で実施することが望ましい。また、半導体レーザ装置１においては、第１及び第２の台座（６，７）、並びに半導体レーザ素子８を発熱素子９で加熱した状態で動作させることが好ましく、更に常温よりも高い温度で動作させることが望ましい。
【００３８】
図６は、本実施形態の半導体レーザ装置１において、低温動作スクリーニング試験を実施した場合と、低温動作スクリーニング試験を実施しなかった場合の温度加速性を示す図であり、
図７は、本実施形態の半導体レーザ装置１において、低温動作スクリーニング試験を実施した製品での寿命試験結果、及び低温動作スクリーニング試験を実施しなかった製品での寿命試験結果を示す図である。
【００３９】
図６に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置１は、低温で劣化が加速される。また、図７に示すように、低温動作スクリーニング試験を実施した製品では、低温動作スクリーニングを実施しなかった製品よりも不良率の発生が少ない。
【００４０】
このように、半導体レーザ装置１において、第１及び第２の台座（６，７）、並びに半導体レーザ素子８を加熱する（暖める）ための発熱素子９を設けることにより、第１及び第２の台座（６，７）、並びに半導体レーザ素子８を高温に保ちながら動作させることで、半導体レーザ素子８の内部応力と、組立応力との合成応力に起因する劣化を抑制することができる。これにより、半導体レーザ装置１の高信頼度化を図ることが可能となる。
【００４１】
また、半導体レーザ素子８を封止体２で封止した後に、低温動作でスクリーニング試験を実施することにより、ダークラインに変わるポテンシャルのある欠陥を予め成長させることで不良ポテンシャルのある製品を排除できるため、半導体レーザ装置１の高信頼度化を図ることが可能となる。
【００４２】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００４３】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【００４４】
本発明によれば、半導体レーザ装置の高信頼度化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の半導体レーザ装置の一部を切り欠いた斜視図である。
【図２】本実施形態の半導体レーザ装置の等価回路図である。
【図３】本実施形態の半導体レーザ装置における半導体レーザ素子の実装状態を示す模式図である。
【図４】本実施形態の半導体レーザ装置に組み込まれる半導体レーザ素子の概略構成を示す図（（ａ）は斜視図，（ｂ）は断面図）である。
【図５】本実施形態の半導体レーザ素子の内部応力を示す模式図である。
【図６】本実施形態の半導体レーザ装置１において、低温動作スクリーニング試験を実施した場合と、低温動作スクリーニング試験を実施しなかった場合の温度加速性を示す図である。
【図７】本実施形態の半導体レーザ装置１において、低温動作スクリーニング試験を実施した製品での寿命試験結果、及び低温動作スクリーニング試験を実施しなかった製品での寿命試験結果を示す図である。
【図８】寿命試験前（初期）の光出力と寿命試験後（動作後）の光出力とを示す図である。
【符号の説明】
１…半導体レーザ装置、２…封止体、３…ベース部材、４…蓋体、５…透明ガラス板、６…第１の台座、７…第２の台座、８…半導体レーザ素子、９…発熱素子、１０…ボンディングワイヤ、１１，１２…半田材、１３…リード。
【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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