(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、
前記ベースの第１面から突き出したブロックと、
前記ブロックの、前記第１面から立ち上がった側面に、直接あるいは間接に接合され、
発光時の熱を該ブロックに逃がすレーザチップと、
前記ブロックを覆って前記ベースの第１面上に固定されたキャップと、
前記キャップに設けられ、前記レーザチップが発した光を通す窓と、
前記ベースを貫通して前記キャップ内に一端が突き出し、前記レーザチップを挟んで前
記ブロックとは逆側にいずれも位置する１本以上のリードピンと、
前記ベースにおける、前記ブロックの裏側に相当する範囲に広がった、前記リードピン
を含めてピンがない無ピン領域と、
を備え、
前記ブロックは、前記レーザチップの前方の発光点の高さでの断面積よりも、前記ベースと接触する断面積の方が大きいものであることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記ブロックは、前記ベースと接触する接触箇所の全周のうち、前記レーザチップが接合された面と前記第１面とが繋がる箇所で、該第１面に沿う方向に突き出し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。
【請求項３】
前記ベースは、前記第１面の一部に傾斜面が形成されたものであり、
前記ブロックは、前記全周のうち前記繋がる箇所で、前記傾斜面側へと突き出していることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記ベースは、前記無ピン領域が平面であることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記ブロックが、前記第１面のうち前記キャップの内面で囲われた領域の３５％以上を占めていることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記ブロックは、前記第１面に沿った方向の最大幅が、該第１面から前記レーザチップの前方の発光点までの距離よりも大きいものであることを特徴とする請求項１から５のうちいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記レーザチップが、前記リードピンのうち少なくとも１本から複数本のワイヤで給電されるものであることを特徴とする請求項１から６のうちいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記リードピンは、前記窓から視認される箇所にワイヤが接続されたものであることを特徴とする請求項１から７のうちいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記ブロックは、前記側面に前記レーザチップが接合されたチップ接合部と、該チップ接合部の該側面よりも前記リードピン側に突き出した突出部とを有するものであることを特徴とする請求項１から８のうちいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１０】
前記ブロックが、ワイヤが接合されるワイヤ接合面を前記突出部に有し、該ワイヤ接合面の向きは、前記レーザチップが接合された前記側面の向きと揃っていることを特徴とする請求項９記載の半導体レーザ装置。
【請求項１１】
前記ブロックに接合された、前記レーザチップを保護する保護素子を備えたことを特徴とする請求項１から１０のうちいずれか１項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。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ装置（レーザダイオード；ＬＤ）では、ユーザが光軸を合わせやすくする為に、半導体チップを、ステムと称されるキャンパッケージの中心に発光点がくるように配置している。また、半導体レーザ装置の高出力化が求められており、端面発光型の半導体レーザ装置では、対応策として半導体チップのキャビティ長（共振器長）を長くすることが行われていた。（特許文献１）
一方、半導体レーザ装置の高出力化に伴って、駆動時の半導体チップからの発熱が高くなり、キャンパッケージ（ステム）の排熱性を改善する必要が出て来た。このために、半導体チップを配置する放熱ブロック部の形状を種々工夫することが成されている。（特許文献２、特許文献３）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−０４１０８５号公報
【特許文献２】特開２００７−２２０８４３号公報
【特許文献３】特開２００４−３４９３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、高出力化が更に進んだ半導体レーザ装置では、半導体チップからの発熱が更に大きくなり、放熱ブロック部の形状を工夫しても熱をステムから充分に放出できない、といった問題が生じた。そのため、半導体チップ自身が高温になり、放射するレーザ光の品質や、半導体レーザ装置自身の寿命に影響を与える事例も発生した。また、放熱ブロックを単純に大きくしても、キャップを被せる場合、キャップ内での放熱ブロックの大きさに限りがあり、給電用のピンと放熱ブロックとで配置が干渉してしまうといった問題が発生した。
そこで、本発明は、放熱性が高い半導体レーザ装置を提供することを課題する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様は、ベースと、前記ベースの第１面から突き出したブロックと、前記ブロックの、前記第１面から立ち上がった側面に、直接あるいは間接に接合され、発光時の熱を該ブロックに逃がすレーザチップと、前記ブロックを覆って前記ベースの第１面上に固定されたキャップと、前記キャップに設けられ、前記レーザチップが発した光を通す窓と、前記ベースを貫通して前記キャップ内に一端が突き出し、前記レーザチップを挟んで前記ブロックとは逆側にいずれも位置する１本以上のリードピンと、前記ベースにおける、前記ブロックの裏側に相当する範囲に広がった、前記リードピンを含めてピンがない無ピン領域と、を備える。
このような半導体レーザ装置によれば、大きなブロックをキャップ内にリードピンと配置を干渉させずに配置することが出来るとともに、そのブロックを介して前記無ピン領域から熱を放出することが出来るので放熱性が高い。
【０００６】
また、前記半導体レーザ装置において、前記ベースは、前記無ピン領域が平面であることが好ましい。平面の無ピン領域であると、放熱部材などを接触配置させて容易に放熱性を高めることが出来る。
また、前記半導体レーザ装置において、前記リードピンとして、前記レーザチップに対する給電用のリードピンを２本備え、それら給電用のリードピンは、該レーザチップを頂点として６０度以上１２０度以下に開いた位置に設けられたものであることが好ましく、該レーザチップを頂点として９０度以上１１０度以下に開いた位置に設けられたものであることが更に好ましい。
リードピンがレーザチップを頂点として１２０度以下に開き、好ましくは１１０度以下に開くことで、大きなブロックとの配置の干渉を避けることが出来る。また、リードピンがレーザチップを頂点として６０度以上に開き、好ましくは９０度以上に開くことで、リードピン同士の短絡を防ぎながらブロックに充分に近づいて省スペースを実現することが出来る。
【０００７】
また、前記半導体レーザ装置において、前記ブロックが、前記第１面のうち前記キャップの内面で囲われた領域の３５％以上を占めていることが好ましく、前記第１面に沿った方向の最大幅が、該第１面から前記レーザチップの前方の発光点までの距離よりも大きいものであることも好ましい。
このような大きなブロックを有することでレーザチップの排熱が速やかにブロックに伝達されて半導体レーザ装置から放熱されることとなる。
前記半導体レーザ装置は、前記レーザチップが、前記リードピンのうち少なくとも１本から複数本のワイヤで給電されるものであってもよい。給電に複数本のワイヤが用いられる高出力のレーザチップであっても、排熱が速やかに放熱されるのでレーザ光の品質が高く寿命も長い。
【０００８】
また、前記半導体レーザ装置において、前記リードピンは、前記窓から視認される箇所にワイヤが接続されたものであってもよい。前記窓から視認されることでワイヤ接続の不良確認などが容易である。
前記半導体レーザ装置において、前記ブロックは、前記側面に前記レーザチップが接合されたチップ接合部と、該チップ接合部の該側面よりも前記リードピン側に突き出した突出部とを有するものであることが好ましい。突出部の存在によりブロックの熱容量が増えて放熱性が向上する。
【０００９】
また、前記半導体レーザ装置において、前記ブロックは、ワイヤが接合されるワイヤ接合面を前記突出部に有し、該ワイヤ接合面の向きは、前記レーザチップが接合された前記側面の向きと揃っているものであってもよい。前記突出部をリードピン代わりに用いることでキャップ内に一端が突き出したリードピンのうち１本をフォトダイオードへの給電用のピンとして使用することができる。
また、前記半導体レーザ装置において、前記ブロックに接合された、前記レーザチップを保護する保護素子を備えてもよい。保護素子として、例えば、前記レーザチップと並列に接続されてレーザチップへの過大な逆電流を防止するツェナーダイオードなどを備えることでレーザチップの安全が保たれる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体レーザ装置によれば、放熱性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】半導体レーザ装置の第１実施形態を示す、上面図、正面図、断面図である。
【図２】半導体レーザ装置の第１実施形態を示す斜視図である。
【図３】ステムブロックの占有率と放熱性との関係を説明するグラフである。
【図４】半導体レーザ装置の第１実施形態にヒートシンクを取り付けた状態を示す図である。
【図５】半導体レーザ装置の第２実施形態を示す図である。
【図６】半導体レーザ装置の第３実施形態を示す図である。
【図７】半導体レーザ装置の第４実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、半導体レーザ装置の第１実施形態を示す図であり、図１には、上面図（Ａ）と、正面図（Ｂ）と、断面図（Ｃ）が示されている。また、図２は、半導体レーザ装置の第１実施形態を示す斜視図である。
図１には、キャンパッケージの内部が透視された状態で図示されており、図２には、ステムキャップが取り除かれた状態が図示されている。
第１実施形態の半導体レーザ装置１００は、ステムベース１０１と、ステムブロック１０２と、レーザチップ１０３と、ステムキャップ１０４と、給電用リードピン１０５と、ワイヤ１０６を備えている。
ステムブロック１０２はステムベース１０１の上面１０１ａから突き出し、ステムキャップ１０４はステムベース１０１の上面１０１ａに固定されてステムブロック１０２を覆っている。ステムベース１０１とステムブロック１０２とステムキャップ１０４はいずれも金属製で、これらによってキャンパッケージが形成されている。ステムベース１０１は本発明にいうベースの一例に相当し、ステムブロック１０２は、本発明にいうブロックの一例に相当し、ステムキャップ１０４は、本発明にいうキャップの一例に相当する。
【００１３】
ステムブロック１０２は、ステムベース１０１の上面１０１ａから立ち上がった側面の一部にチップ搭載面１０２ａを有している。このチップ搭載面１０２ａは本発明にいうチップ接合部の一例に相当し、レーザチップ１０３が、例えばサブマウント１０３ａを介して間接的に接合されている。なお、レーザチップ１０３はチップ搭載面１０２ａに直接接合されてもよいが、本実施形態ではサブマウント１０３ａが用いられるものとして説明する。レーザチップ１０３の発光点は、円形の外縁形状を有するステムベース１０１の中央に位置し、発光時にレーザチップ１０３が発する熱はステムブロック１０２に伝達される。円形のステムベースの直径は、本実施形態ではφ９ｍｍであるものとして説明するが、φ１６ｍｍ、φ５.６ｍｍ、φ３．８ｍｍなどでもよく、φ９ｍｍに限るものではない。また、ステムブロックとステムベースは同一材料で構成される必要はなく、各々別々の材料で構成されていてもよいし、ステムベースの一部がステムブロックの材料で構成されていてもよいし、その逆でもよいし、特に限定するものではない。なお、レーザチップ１０３は、複数スポットのレーザビームを発するマルチエミッタ型のものであってもよいが、本実施形態では単スポットのレーザビームを発するシングルエミッタ型であるものとして説明する。
【００１４】
円筒状のステムキャップ１０４には円形の窓１０４ａが設けられ、その窓１０４ａにはガラス１０４ｂが取り付けられている。レーザチップ１０３から発せられたレーザ光は、ステムキャップ１０４の窓１０４ａを通ってステム外に出る。なお、窓１０４ａはガラスのない単なる開口のみであってもよいが、本実施形態ではガラス１０４ｂを有するものとする。また、ガラスは平面ガラスに限らず球面や非球面のレンズであってもよい。この窓１０４ａは本発明にいう窓の一例に相当する。ステムキャップを被せることにより、レーザチップを外部からの接触による破損や塵埃等の異物付着から保護することができ、また、気密封止することで、大気中の水分や有機物の付着によるレーザ素子の劣化を防止することができるため、信頼性の高い半導体レーザ装置を実現することができる。
ステムベース１０１の上面１０１ａの一部には傾斜面１０１ｄが形成されており、レーザチップ１０３の後方から出力される不要な光が傾斜面１０１ｄに反射されることで前方へ出力する光との干渉を防止する。
【００１５】
給電用リードピン１０５は、ステムベース１０１を貫通して一端がステムキャップ１０４で覆われた内側に突き出しており、その一端からレーザチップ１０３にワイヤ１０６が接続されている。本実施形態のレーザチップ１０３は、例えば光出力が1Ｗ以上の高出力のレーザチップであり、１つの給電用リードピン１０５から複数のワイヤ１０６を介して、例えば1Ａ以上の電流と２Ｖ以上の電圧で２Ｗ以上の電力が供給される。ワイヤは直径がφ２０μｍのとき、１本につき1Ａ程度の耐性があるが、Ｗ級の高出力レーザの場合、通常1Ａ以上の大電流が必要となるため、複数本のワイヤが必要となる。これらのワイヤ１０６は、ステムキャップ１０４の窓１０４ａ越しに視認可能な位置で給電用リードピン１０５に接合されており、接続不良などが生じた場合であっても確認が容易である。なお、１本ワイヤの場合は、断線が生じた場合、特性検査で検出が可能であるが、複数本のワイヤの場合、そのうち１本が断線しても特性検査で検出できず、放熱性の低下により寿命に影響するが、窓越しに外観検査をすることにより良好な寿命を確保できる。本実施形態では給電用リードピン１０５として極性が異なる２本が備えられ、２本のうち１本はレーザチップ１０３の一方の面にワイヤ１０６で接続され、もう１本はサブマウント１０３ａとワイヤ１０６を介してレーザチップ１０３のもう一方の面に接続されている。
【００１６】
２本の給電用リードピン１０５は、いずれも、レーザチップ１０３を間に挟んでステムブロック１０２とは逆側に位置している。レーザチップ１０３を頂点として２本の給電用リードピン１０５が開いた角度は、給電用リードピン１０５の中心で測ると例えば１０１度となっている。給電用リードピン１０５が開いた角度が大きすぎると給電用リードピン１０５の配置とステムブロック１０２の配置に干渉を生じ、狭すぎるとレーザチップのチップ搭載面１０２ａへの接合の障害となることや給電用リードピン１０５同士が短絡を生じるので、レーザチップ１０３を頂点として２本の給電用リードピン１０５が開いた角度は、望ましくは６０度以上かつ１２０度以下であり、更に望ましくは、９０度以上かつ１１０度以下である。
円柱の一部を切り欠いた形状のステムブロック１０２は、ステムキャップ１０４の内壁１０４ｃから若干の隙間を空けた状態でステムキャップ１０４に覆われている。第１実施形態では、ステムベース１０１の上面１０１ａのうち、ステムキャップ１０４で覆われたφ６．２５ｍｍの範囲の例えば５０％をステムブロック１０２が占めているが、ステムブロック１０２は、占有率が３５％以上であることが放熱性の向上のために望ましい。ここで、ステムブロックの占有率と放熱性について考察する。
【００１７】
図３は、ステムブロックの占有率と放熱性との関係を説明するグラフである。
図３には、占有率５０％のステムブロックを有する第１実施形態の半導体レーザ装置と、占有率２５％のステムブロックを有する比較例の半導体レーザ装置とについて、波長６３８ｎｍで発振するレーザチップを搭載して連続発振した場合の光出力-電流特性の測定結果が示されている。
図３(Ａ)には、第１実施形態の半導体レーザ装置を２５℃の動作温度で動作させた場合のグラフＬ１と、３０℃の動作温度で動作させた場合のグラフＬ２が示されている。また、図３（Ｂ）には、比較例の半導体レーザ装置を２５℃の動作温度で動作させた場合のグラフＬ３と、３０℃の動作温度で動作させた場合のグラフＬ４が示されている。
【００１８】
これらのグラフを比較すると、比較例で動作温度が２５℃の場合（グラフＬ３）と、第１実施形態で動作温度が３０℃の場合（グラフＬ２）で、光出力-電流特性がほぼ同等であることが確認できる。即ち、占有率が２５％から５０％となることで、動作温度で５℃相当の放熱性が向上し連続動作の特性改善を実現することを確認した。また、温度５℃の違いは、半導体レーザ装置の寿命に換算すると、寿命で１．５倍の差に相当する（アレニウスの式で一般的な活性化エネルギー値０．７ｅＶのとき）。つまり占有率＋５％につき、動作温度−１℃、寿命＋１０％の改善を図ることができるため、比較例の占有率２５％に対し、占有率３５％以上あれば、寿命で＋２０％以上の効果を発揮することができるため、明確な改善効果が得られるといえる。本改善効果はステムの放熱性向上の効果を示すものであり、レーザチップの波長帯や材料系が異なる場合にも同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００１９】
図１，図２に戻って第１実施形態の説明を続ける。
第１実施形態のステムブロック１０２は、レーザチップ１０３を挟んだ両側に、チップ搭載面１０２ａよりも給電用リードピン１０５側に突出した突出部１０２ｂを有していることで望ましい占有率を実現しており、突出部１０２ｂの存在はステムブロック１０２の熱容量向上および断面積向上による良好な排熱性にも寄与している。この突出部１０２ｂが、本発明にいう突出部の一例に相当する。断面積向上の上限は、キャップにより制限されるが、突出部を設けることで、占有率を向上させることができる。また、ステムブロックの断面積は、レーザチップの前方の発光点の高さでの断面積よりも、ステムベース１０１と接触する断面積の方が大きくなっているほうが排熱性の点でより好ましい。
【００２０】
また、本実施形態では、ステムブロック１０２の外径（最大幅：２．９ｍｍ）は、レーザチップの前方の発光点からステムベースまでの距離２．１ｍｍよりも大きくなっていて、ステムブロック１０２の熱容量向上と放熱性向上に寄与している。
ステムベース１０１の下面１０１ｂのうち、ステムブロック１０２の裏側に位置するブロック裏領域１０１ｃには、給電用リードピン１０５も含めてリードピンが設けられておらず、更にブロック裏領域１０１ｃは平面状となっている。このブロック裏領域１０１ｃは本発明にいう無ピン領域の一例に相当する。このようなブロック裏領域１０１ｃを有することで、本実施形態の半導体レーザ装置１００は、例えば放熱ブロックなどにブロック裏領域１０１ｃを接触させると、もっとも排熱経路が短いため高い放熱性を実現することが出来る。
【００２１】
図４は、半導体レーザ装置の第１実施形態にヒートシンクを取り付けた状態を示す図である。
ヒートシンク１０７は、下部ヒートシンク１０７ａと上部ヒートシンク１０７ｂを有し、これら下部ヒートシンク１０７ａと上部ヒートシンク１０７ｂで半導体レーザ装置１００のステムベース１０１を挟み込んで固定する。
ヒートシンク１０７の下部ヒートシンク１０７ａはステムベース１０１の下面１０１ｂに、特に図１に示したブロック裏領域１０１ｃで密着しており、レーザチップ１０３の発した熱は、ステムブロック１０２およびステムベース１０１を介してヒートシンク１０７へと速やかに伝達され、ヒートシンク１０７によって放熱される。この結果、レーザ光の品質が安定しているとともに、熱による半導体チップの短寿命化が抑制されている。
【００２２】
次に、半導体レーザ装置の第２実施形態について説明する。
第２実施形態の説明では、第１実施形態と同様の構造部分については重複説明を省略し、第１実施形態とは異なる部分について説明する。
図５は、半導体レーザ装置の第２実施形態を示す図である。この図５にも、上面図（Ａ）と正面図（Ｂ）と断面図（Ｃ）が示されている。
第２実施形態の半導体レーザ装置２００には、傾斜面１０１ｄに出力モニタ用のフォトダイオード（ＰＤ）２０１が設けられている。このフォトダイオード２０１は、レーザチップ１０３の後方から出る光を受光することで、レーザチップ１０３の出力をモニタするものである。
【００２３】
フォトダイオード２０１への給電のため第２実施形態の半導体レーザ装置２００では、ＰＤ用リードピン２０２と、コモンピン２０３が設けられ、ピンは合計で４本設けられている。ＰＤ用リードピン２０２の背（上面１０１ａから突き出した長さ）は、給電用リードピン１０５の背よりも低い。ＰＤ用リードピン２０２はワイヤ２０４でフォトダイオード２０１に接続され、コモンピン２０３はステムを介してフォトダイオード２０１に接続されている。ＰＤ用リードピン２０２とコモンピン２０３との間に逆電圧が印加された状態でフォトダイオード２０１がレーザチップ後方からの光を受光して電流が流れることで出力をモニタすることになる。
【００２４】
次に、半導体レーザ装置の第３実施形態について説明する。
第３実施形態の説明では、第２実施形態と同様の構造部分については重複説明を省略し、第２実施形態とは異なる部分について説明する。
図６は、半導体レーザ装置の第３実施形態を示す図である。
第３実施形態の半導体レーザ装置３００では、ステムブロック３０１の突出部３０３に、チップ搭載面３０２と向きが揃ったワイヤ接続面３０３ａが形成されている。このワイヤ接続面３０３ａには、レーザチップ１０３から延びた給電用のワイヤ３０４が接続されている。このワイヤ接続面３０３ａが、本発明にいうワイヤ接合面の一例に相当する。ここで『向きが揃った』とは、向きが互いに略同一であることを意味し、数学的に厳密な同一性は不要であることを意味している。このようにワイヤ接続面３０３ａがチップ搭載面３０２と向きが揃っているので、ワイヤ３０４を、ワイヤ接続面を回転させたり角度を変えたりする特殊なワイヤボンディング装置ではない通常のワイヤボンディング装置によって接続することが出来る。
【００２５】
ワイヤ接続面３０３ａに給電用のワイヤ３０４が接続されていることで、ステムブロック３０１が給電用リードピン３０５の１本に替わる役割を果たしている。このため第３実施形態の半導体レーザ装置３００では、レーザチップ１０３へ給電するための給電用リードピン３０５は１本となっており、ピンは、給電用リードピン３０５と、ＰＤ用リードピン３０６と、コモンピン３０７とで合計３本となっている。
【００２６】
最後に、半導体レーザ装置の第４実施形態について説明する。
第４実施形態の説明では、第３実施形態と同様の構造部分については重複説明を省略し、第３実施形態とは異なる部分について説明する。
図７は、半導体レーザ装置の第４実施形態を示す図である。
第４実施形態の半導体レーザ装置４００では、ワイヤ接続面３０３ａが設けられた突出部３０３とは逆側の突出部３０３に、ツェナーダイオード４０１の搭載面３０３ｂが設けられ、ツェナーダイオード４０１がレーザチップ１０３と並列に接続されてその搭載面３０３ｂに接合されている。ツェナーダイオード４０１が設けられていることにより、給電用リードピン３０５とコモンピン３０７との間に過大な逆電流が流れた場合であっても、ツェナーダイオード４０１に流れてレーザチップ１０３が保護されることとなる。
【符号の説明】
【００２７】
１００，２００，３００，４００…半導体レーザ装置、１０１…ステムベース、１０１ｃ…ブロック裏領域、１０２，３０１…ステムブロック、１０２ａ，３０２…チップ搭載面、１０２ｂ，３０３…突出部、１０４…ステムキャップ、１０４ａ…窓、１０３…レーザチップ、１０３ａ…サブマウント、１０５，３０５…給電用リードピン、４０１…ツェナーダイオード、３０３ａ…ワイヤ接続面、３０７…コモンピン
【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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