(57)【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が接合されたサブマウントとを備えた半導体レーザ装置であって、
前記サブマウントは当該半導体レーザ装置のステムの主面に設けられ、
前記サブマウントは、銅の金属体と前記金属体に含有されるダイヤモンドを含む複数の粒状体とを有し、
前記粒状体は、ダイヤモンド粒子と前記ダイヤモンド粒子の表面を覆う反応層とを含み、
前記反応層は、４ａ族元素の炭化物、５ａ族元素の炭化物および６ａ族元素の炭化物の少なくとも一の炭化物を含み、
前記複数の粒状体は、前記金属体に分散しており、
前記複数の粒状体におけるダイヤモンド粒子の平均粒径は、６０μｍ未満であり、
前記半導体レーザ素子は、前記サブマウントの主面に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなり、半極性主面を有する支持基体と前記支持基体の上に設けられ活性層を含むエピタキシャル層とを有し、
前記半導体レーザ素子の前記サブマウントとの接合面の横方向の熱膨張係数と縦方向の熱膨張係数とによって規定される熱膨張係数の範囲に、前記サブマウントの熱膨張係数が重なり、
前記半導体レーザ素子の発振波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲にある、半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記半導体レーザ素子と前記サブマウントとは、導電性の接着剤によって接合され、
前記接着剤は、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＡｇ、ＢｉＳｎおよびＩｎＳｎの何れかの合金である、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】
前記エピタキシャル層の上に設けられたｐ側の電極が前記接着剤を介して前記サブマウントの主面に接合されている、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】
前記半導体レーザ素子の発振波長は、４８０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記半導体レーザ素子の発振波長は、５１０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記エピタキシャル層は光ガイド層を有し、
前記光ガイド層は前記活性層と接触をなしており、
前記活性層と前記光ガイド層との界面は、前記窒化ガリウム系半導体のｃ軸と前記窒化ガリウム系半導体のｍ軸とによって規定されるｃ−ｍ面に直交しており、前記ｃ−ｍ面おいて、前記ｃ軸の方向を示すｃ軸ベクトルから前記ｍ軸の方向を示すｍ軸ベクトルに向かう方向に、前記ｃ軸に直交するｃ面から角度ＡＬＰＨＡの傾斜を成す、ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記角度ＡＬＰＨＡは、６３度以上８０度未満の範囲にある、ことを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
半導体レーザ装置の作製方法であって、
六方晶系の窒化ガリウム系半導体からなる半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を搭載するためのサブマウントとを用意するステップと、
前記半導体レーザ素子を、導電性の接着剤を介して前記サブマウントの主面に押し当て、前記接着剤を前記接着剤の融点に達するまで加熱するステップと、
前記融点に達した後、前記接着剤を前記半導体レーザ素子と前記サブマウントと共に室温に至るまで冷却するステップと、
を備え、
前記サブマウントは当該半導体レーザ装置のステムの主面に設けられ、
前記サブマウントは、銅の金属体と前記金属体に含有されるダイヤモンドを含む複数の粒状体とを有し、
前記粒状体は、ダイヤモンド粒子と前記ダイヤモンド粒子の表面を覆う反応層とを含み、
前記反応層は、４ａ族元素の炭化物、５ａ族元素の炭化物および６ａ族元素の炭化物の少なくとも一の炭化物を含み、
前記複数の粒状体は、前記金属体に分散しており、
前記複数の粒状体におけるダイヤモンド粒子の平均粒径は、６０μｍ未満であり、
前記半導体レーザ素子は、前記サブマウントの主面に設けられ、半極性主面を有する支持基体と、前記支持基体の上に設けられ活性層を含むエピタキシャル層とを有し、
前記半導体レーザ素子の前記サブマウントとの接合面の横方向の熱膨張係数と縦方向の熱膨張係数とによって規定される熱膨張係数の範囲に、前記サブマウントの熱膨張係数が重なり、
前記半導体レーザ素子の発振波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲にある、半導体レーザ装置の作製方法。
【請求項９】
前記半導体レーザ素子と前記サブマウントとは、導電性の接着剤によって接合され、
前記接着剤は、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＡｇ、ＢｉＳｎおよびＩｎＳｎの何れかの合金である、ことを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザ装置の作製方法。
【請求項１０】
前記エピタキシャル層の上に設けられたｐ側の電極が前記接着剤を介して前記サブマウントの主面に接合されている、ことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の半導体レーザ装置の作製方法。
【請求項１１】
前記半導体レーザ素子の発振波長は、４８０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項８〜１０の何れか一項に記載の半導体レーザ装置の作製方法。
【請求項１２】
前記半導体レーザ素子の発振波長は、５１０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザ装置の作製方法。
【請求項１３】
前記エピタキシャル層は光ガイド層を有し、
前記光ガイド層は前記活性層と接触をなしており、
前記活性層と前記光ガイド層との界面は、前記窒化ガリウム系半導体のｃ軸と前記窒化ガリウム系半導体のｍ軸とによって規定されるｃ−ｍ面に直交しており、前記ｃ−ｍ面おいて、前記ｃ軸の方向を示すｃ軸ベクトルから前記ｍ軸の方向を示すｍ軸ベクトルに向かう方向に、前記ｃ軸に直交するｃ面から角度ＡＬＰＨＡの傾斜を成す、ことを特徴とする請求項８〜１２の何れか一項に記載の半導体レーザ装置の作製方法。
【請求項１４】
前記角度ＡＬＰＨＡは、６３度以上８０度未満の範囲にある、ことを特徴とする請求項１３に記載の半導体レーザ装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ装置と、半導体レーザ装置の作製方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体レーザ装置が記載されている。特許文献１に記載されている半導体レーザ装置は、放熱性が比較的に高く、ＬＤチップ（ＬＤ：レーザダイオード）に加わる応力が低減され且つ安定したＬＤチップの接合ができることを目的としており、ＬＤチップとサブマウントとステムとを備えている。ステムは、比較的に高い熱伝導度を有する。ＬＤチップは、サブマウントに接合され、このサブマウントを介してステムに搭載される。ＬＤチップは、Ａｕ系に比較して低温度の融点の半田材（例えばＩｎＰｂなど）により、サブマウントのＬＤチップ側表面に接合されている。ステムは、接合樹脂により、サブマウントのステム側表面に接合されている。この半導体レーザ装置の製造においては、ＬＤチップを低融点半田材によりサブマウントに接合するプロセスと、ステムを接合樹脂によりサブマウントに接合するプロセスとが同時に行われる。
【０００３】
特許文献２には、半導体装置等に有用な比較的に高い熱伝導率のダイヤモンド−金属複合材料と、このダイヤモンド−金属複合材料の製造方法とが記載されている。特許文献２に記載のダイヤモンド−金属複合材料は、ダイヤモンド粒子を金属マトリックス中に分散させた構造を有する。ダイヤモンド粒子は、反応層を含む。反応層は、ダイヤモンド粒子の表面に形成されている。反応層の主成分は、炭化物である。反応層は、４ａ族元素、５ａ族元素および６ａ族元素より選ばれた一種以上の元素からなる金属の炭化物を主成分とする。この金属マトリックスはＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ及びＺｎより選ばれた一種以上の金属からなる。このような構造によって金属とダイヤモンドとが強固に接合されるので、ダイヤモンド−金属複合材料は、３５０Ｗ／ｍＫ〜６００Ｗ／ｍＫの熱伝導を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２１４４４１号公報
【特許文献２】特開２００４−１９７１５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のサブマウントは、ＬＤチップとステムとの熱膨張係数の差に起因する熱応力を緩和することを目的として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）との何れか一方の材料を有する。しかし、ＳｉＣとＡｌＮとの熱伝導率は、約２００Ｗ／ｍＫであり、例えば銅とダイヤモンドとに比較して低い。従って、赤色レーザ光を出力するＬＤと青色レーザ光を出力するＬＤとに比較して出力が大きく発熱量も多い緑色レーザ光を出力するＬＤを搭載するサブマウントとして、ＳｉＣとＡｌＮとの何れか一方の材料を用いることは、ＬＤチップに対する冷却効率という点において好ましくない。一方、銅とダイヤモンドとは、ＳｉＣとＡｌＮとに比較して高い熱伝導率を有する。銅の熱伝導率は、約４００Ｗ／ｍＫであり、ダイヤモンドの熱伝導率は、約１０００Ｗ／ｍＫである。従って、発熱量が比較的に多い緑色レーザ光を出力するＬＤを搭載するサブマウントとして、銅とダイヤモンドとの何れか一方の材料を用いることは、ＬＤチップに対する冷却効率という点においては好ましいが、ＬＤチップの材料の窒化ガリウム（ＧａＮ）との熱膨張係数の差がＡｌＮとＳｉＣとの場合に比較して大きいので、熱応力の緩和という点においては、好ましくない。そこで、本発明の目的は、上記の事項を鑑みてなされたものであり、熱応力の緩和と冷却効率とが向上された半導体レーザ装置と、半導体レーザ装置の作製方法とを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子が接合されたサブマウントとを備えた半導体レーザ装置であって、前記サブマウントは当該半導体レーザ装置のステムの主面に設けられ、前記サブマウントは、銅の金属体と前記金属体に含有されるダイヤモンドを含む複数の粒状体とを有し、前記粒状体は、ダイヤモンド粒子と前記ダイヤモンド粒子の表面を覆う反応層とを含み、前記反応層は、４ａ族元素の炭化物、５ａ族元素の炭化物および６ａ族元素の炭化物の少なくとも一の炭化物を含み、前記複数の粒状体は、前記金属体に分散しており、前記複数の粒状体におけるダイヤモンド粒子の平均粒径は、１０μｍ以上６０μｍ未満であり、前記半導体レーザ素子は、前記サブマウントの主面に設けられ、六方晶系の窒化ガリウム系半導体からなり、半極性主面を有する支持基体と前記支持基体の上に設けられ活性層を含むエピタキシャル層とを有し、前記半導体レーザ素子の前記サブマウントとの接合面の横方向の熱膨張係数と縦方向の熱膨張係数とによって規定される熱膨張係数の範囲に、前記サブマウントの熱膨張係数が重なり、前記半導体レーザ素子の発振波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲にある。
【０００７】
本発明に係るサブマウントの熱伝導率は、室温において、５５０Ｗ／ｍＫ以上６００Ｗ／ｍＫ以下の範囲にあるので、例えば、ＡｌＮなどの材料のサブマウントに比較して、十分に高い熱伝導率が実現できる。よって、本発明に係るサブマウントは、赤色レーザ光を出力するレーザ素子と青色レーザ光を出力するレーザ素子とに比較して発熱量の多い緑色レーザを出力する本発明に係る半導体レーザ素子を搭載する場合に適している。また、例えば{２０−２１}面などの半極性面の窒化ガリウム系半導体は、ｃ面の窒化ガリウム系半導体とは異なり、異方性の熱膨張係数を有する。半導体レーザ素子と半導体レーザ素子を搭載するサブマウントとの熱膨張係数に比較的に大きな差がある場合、熱膨張係数の差に起因する熱応力によって、半導体レーザ素子の寿命が低減する。本発明に係る半導体レーザ素子は、半極性主面の窒化ガリウム系半導体からなり異方性の熱膨張係数を有するので、半導体レーザ素子の接合面（サブマウントとの接合面）の横方向の熱膨張係数と縦方向の熱膨張係数とによって規定される熱膨張係数の範囲に、サブマウントの熱膨張係数が重なる必要がある。
【０００８】
本発明では、前記半導体レーザ素子と前記サブマウントとは、導電性の接着剤によって接合され、前記接着剤は、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＡｇ、ＢｉＳｎおよびＩｎＳｎの何れかの合金である、ことを特徴とする。従って、例えば、ＡｕＳｎなどに比較して、低融点の接着剤が用いられているので、半導体レーザ素子とサブマウントとの接合は、ＡｕＳｎなどを用いた場合に比較して低温でなされたものとなり、よって、半導体レーザ素子とサブマウントとの熱膨張係数の差に起因する熱応力の影響が低減されている。
【０００９】
本発明では、前記エピタキシャル層の上に設けられたｐ側の電極が前記接着剤を介して前記サブマウントの主面に接合されている、ことを特徴とする。半導体レーザの発熱はほとんどｐ側で生じ、ｐ側をサブマウントに接合することで基板を介さず直接サブマウントに放熱できる。よって、半導体レーザ素子の発する熱をサブマウント側に効果的に開放できる。
【００１０】
本発明では、前記半導体レーザ素子の発振波長は、４８０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲でも良く、さらに、５１０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲でも良い。緑色領域の発光では青色と比較して外部量子効率が低く、所望の発光強度を得るために比較的大きな投入電力を必要とする。よって、本発明に係る放熱性の高いことを特徴とする半導体レーザ装置は、緑色レーザ光を出力するレーザ素子に適している。
【００１１】
本発明では、前記エピタキシャル層は光ガイド層を有し、前記光ガイド層は前記活性層と接触をなしており、前記活性層と前記光ガイド層との界面は、前記窒化ガリウム系半導体のｃ軸と前記窒化ガリウム系半導体のｍ軸とによって規定されるｃ−ｍ面に直交しており、前記ｃ−ｍ面おいて、前記ｃ軸の方向を示すｃ軸ベクトルから前記ｍ軸の方向を示すｍ軸ベクトルに向かう方向に、前記ｃ軸に直交するｃ面から角度ＡＬＰＨＡの傾斜を成す、ことを特徴とする。よって、本発明に係る半導体レーザ素子は、緑色レーザの出力に適した半極性面が利用されている。
【００１２】
本発明では、前記角度ＡＬＰＨＡは、６３度以上８０度未満の範囲にある、ことを特徴とする。よって、本発明に係る半導体レーザ素子は、緑色レーザの出力に適したオフ角の半極性面が利用されている。
【００１３】
本発明は、半導体レーザ装置の作製方法であって、六方晶系の窒化ガリウム系半導体からなる半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を搭載するためのサブマウントとを用意するステップと、前記半導体レーザ素子を、導電性の接着剤を介して前記サブマウントの主面に押し当て、前記接着剤を前記接着剤の融点に達するまで加熱するステップと、前記融点に達した後、前記接着剤を前記半導体レーザ素子と前記サブマウントと共に室温に至るまで冷却するステップと、を備え、前記サブマウントは当該半導体レーザ装置のステムの主面に設けられ、前記サブマウントは、銅の金属体と前記金属体に含有されるダイヤモンドを含む複数の粒状体とを有し、前記粒状体は、ダイヤモンド粒子と前記ダイヤモンド粒子の表面を覆う反応層とを含み、前記反応層は、４ａ族元素の炭化物、５ａ族元素の炭化物および６ａ族元素の炭化物の少なくとも一の炭化物を含み、前記複数の粒状体は、前記金属体に分散しており、前記複数の粒状体におけるダイヤモンド粒子の平均粒径は、１０μｍ以上６０μｍ未満であり、前記半導体レーザ素子は、前記サブマウントの主面に設けられ、半極性主面を有する支持基体と、前記支持基体の上に設けられ活性層を含むエピタキシャル層とを有し、前記半導体レーザ素子の前記サブマウントとの接合面の横方向の熱膨張係数と縦方向の熱膨張係数とによって規定される熱膨張係数の範囲に、前記サブマウントの熱膨張係数が重なり、前記半導体レーザ素子の発振波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲にある。
【００１４】
本発明に係るサブマウントの熱伝導率は、室温において、５５０Ｗ／ｍＫ以上６００Ｗ／ｍＫ以下の範囲にあるので、例えば、ＡｌＮなどの材料のサブマウントに比較して、十分に高い熱伝導率が実現できる。よって、本発明に係るサブマウントは、赤色レーザ光を出力するレーザ素子と青色レーザ光を出力するレーザ素子とに比較して発熱量の多い緑色レーザを出力する本発明に係る半導体レーザ素子を搭載する場合に適している。また、例えば{２０−２１}面などの半極性面の窒化ガリウム系半導体は、ｃ面の窒化ガリウム系半導体とは異なり、異方性の熱膨張係数を有する。半導体レーザ素子と半導体レーザ素子を搭載するサブマウントとの熱膨張係数に比較的に大きな差がある場合、熱膨張係数の差に起因する熱応力によって、半導体レーザ素子の寿命が低減する。本発明に係る半導体レーザ素子は、半極性主面の窒化ガリウム系半導体からなり異方性の熱膨張係数を有するので、半導体レーザ素子の接合面（サブマウントとの接合面）の横方向の熱膨張係数と縦方向の熱膨張係数とによって規定される熱膨張係数の範囲に、サブマウントの熱膨張係数が重なる必要がある。
【００１５】
本発明では、前記半導体レーザ素子と前記サブマウントとは、導電性の接着剤によって接合され、前記接着剤は、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＡｇ、ＢｉＳｎおよびＩｎＳｎの何れかの合金である、ことを特徴とする。従って、例えば、ＡｕＳｎなどに比較して、低融点の接着剤が用いられているので、半導体レーザ素子とサブマウントとの接合は、ＡｕＳｎなどを用いた場合に比較して低温でなされたものとなり、よって、半導体レーザ素子とサブマウントとの熱膨張係数の差に起因する熱応力の影響が低減されている。
【００１６】
本発明では、前記エピタキシャル層の上に設けられたｐ側の電極が前記接着剤を介して前記サブマウントの主面に接合されている、ことを特徴とする。半導体レーザの発熱はほとんどｐ側で生じ、ｐ側をサブマウントに接合することで基板を介さず直接サブマウントに放熱できる。よって、半導体レーザ素子の発する熱をサブマウント側に効果的に開放できる。
【００１７】
本発明では、前記半導体レーザ素子の発振波長は、４８０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲でも良く、さらに、５１０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲でも良い。緑色領域の発光では青色と比較して外部量子効率が低く、所望の発光強度を得るために比較的大きな投入電力を必要とする。よって、本発明に係る放熱性の高いことを特徴とする半導体レーザ装置は、緑色レーザ光を出力するレーザ素子に適している。
【００１８】
本発明では、前記エピタキシャル層は光ガイド層を有し、前記光ガイド層は前記活性層と接触をなしており、前記活性層と前記光ガイド層との界面は、前記窒化ガリウム系半導体のｃ軸と前記窒化ガリウム系半導体のｍ軸とによって規定されるｃ−ｍ面に直交しており、前記ｃ−ｍ面おいて、前記ｃ軸の方向を示すｃ軸ベクトルから前記ｍ軸の方向を示すｍ軸ベクトルに向かう方向に、前記ｃ軸に直交するｃ面から角度ＡＬＰＨＡの傾斜を成す、ことを特徴とする。よって、本発明に係る半導体レーザ素子は、緑色レーザの出力に適した半極性面が利用されている。
【００１９】
本発明では、前記角度ＡＬＰＨＡは、６３度以上８０度未満の範囲にある、ことを特徴とする。よって、本発明に係る半導体レーザ素子は、緑色レーザの出力に適したオフ角の半極性面が利用されている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、熱応力の緩和と冷却効率とが向上された半導体レーザ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、実施形態に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。
【図２】図２は、実施形態に係るサブマウントの構成を説明するための図である。
【図３】図３は、実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を示す図である。
【図４】図４は、実施形態に係る半導体レーザ装置の作製方法を説明するための図である。
【図５】図５は、実施形態に係る半導体レーザ装置の効果を説明するための図であり、熱膨張係数の差とＭＴＴＦとの相関を示している。
【図６】図６は、実施形態に係る半導体レーザ装置の効果を説明するための図であり、熱膨張係数と熱伝導率との相関を示している。
【図７】図７は、実施形態に係る半導体レーザ装置の効果を説明するための図であり、サブマウントの熱伝導率と、熱抵抗との相関を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１は、実施形態に係る半導体レーザ装置１を示す図である。半導体レーザ装置１は、ステム３、リード端子４ａ、リード端子４ｂ、リード端子４ｃ、ヒートシンク５、サブマウント７および半導体レーザ素子９を備える。リード端子４ａ、リード端子４ｂおよびリード端子４ｃは、ステム３に設けられている。ヒートシンク５、サブマウント７及び半導体レーザ素子９は、ステム３の主面３ａの上に設けられている。リード端子４ａ、リード端子４ｂおよびリード端子４ｃは、ステム３の主面３ａから、ステム３の裏面に貫通している。
【００２３】
リード端子４ａの端部４ａ１は、主面３ａの上に露出している。端部４ａ１は、ワイヤＷａの一端に接続されており、ワイヤＷａの他端は、半導体レーザ素子９のｎ側の電極４１（図３を参照）に接続されている。リード端子４ａは、端部４ａ１とワイヤＷａとを介して半導体レーザ素子９のｎ側の電極４１と電気的に接続されている。リード端子４ｂの端部４ｂ１は、主面３ａの上に露出している。端部４ｂ１は、ワイヤＷｂの一端に接続されており、ワイヤＷｂの他端は、サブマウント７に接続されている。リード端子４ａとリード端子４ｂとは、ステム３と電気的に絶縁されている。リード端子４ｃは、ヒートシンク５と電気的に接続されている。ヒートシンク５は、主面３ａに設けられており、主面３ａを介してステム３に固定されている。
【００２４】
サブマウント７は、表面５ａに固定されている。サブマウント７は、表面５ａと電気的に接続されており、表面５ａを介してリード端子４ｃと電気的に接続されている。
【００２５】
半導体レーザ素子９は、六方晶系の窒化ガリウム系半導体からなる。半導体レーザ素子９は、半極性主面１７ａを有する支持基体１７と支持基体１７の上に設けられ活性層２５を含むエピタキシャル層１９とを有する（図３を参照）。半導体レーザ素子９は、サブマウント７に固定されている。半導体レーザ素子９は、サブマウント７の主面７ａに設けられている。
【００２６】
半導体レーザ素子９のｐ側の電極１５（図３を参照）は、導電性接着剤を介してサブマウント７に接合しており、サブマウント７と電気的に接続している。導電性接着剤を図中符号Ｓｄに示す。エピタキシャル層１９の上に設けられたｐ側の電極１５が導電性接着剤を介してサブマウント７の主面７ａに接合されている半導体レーザ素子９のｐ側の電極１５は、サブマウント７とワイヤＷｂとを介して、リード端子４ｂと電気的に接続している。半導体レーザ素子９のｐ側の電極１５は、半導体レーザ素子９のエピタキシャル層１９に設けられている。導電性接着剤は、例えば摂氏３４０度程度のＡｕＳｎと比較して低融点の合金である。導電性接着剤は、例えば、摂氏２３０度以下の融点を有するＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＡｇ、ＢｉＳｎおよびＩｎＳｎの何れかである。
【００２７】
図２は、サブマウント７の構成を説明するための図である。サブマウント７は、銅の金属体７１と、金属体７１に含有されダイヤモンドを含む複数の粒状体７２とを有する。粒状体７２は、ダイヤモンド粒子７２ａとダイヤモンド粒子７２ａの表面を覆う反応層７２ｂとを含む。反応層７２ｂは、４ａ族元素の炭化物、５ａ族元素の炭化物および６ａ族元素の炭化物の少なくとも一の炭化物を含む。複数の粒状体７２は、金属体７１に分散している。複数の粒状体７２におけるダイヤモンド粒子７２ａの平均粒径は、１０μｍ以上６０μｍ未満である。サブマウント７の熱伝導率は、室温において、５５０Ｗ／ｍＫ以上６００Ｗ／ｍＫ以下の範囲にある。
【００２８】
図３に、半導体レーザ素子９の構成の一例を示す。半導体レーザ素子９は、六方晶系の窒化ガリウム系半導体からなる。半導体レーザ素子９は、利得ガイド型の構造を有するが、利得ガイド型の構造に限定されるものではない。
【００２９】
半導体レーザ素子９は、ｐ側の電極１５、支持基体１７、エピタキシャル層１９、絶縁膜３１およびｐ側の電極１５を備える。支持基体１７は、六方晶系の窒化ガリウム系半導体からなる。支持基体１７は、半極性主面１７ａと裏面１７ｂとを有する。裏面１７ｂは、半極性主面１７ａの反対側にある。支持基体１７は、例えば、５０μｍ以上１００μｍ以下の厚さを有する。支持基体１７の材料は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮおよびＩｎＡｌＧａＮの何れかを含む。半極性主面１７ａは、支持基体１７の窒化ガリウム系半導体のｃ軸と支持基体１７の窒化ガリウム系半導体のｍ軸とによって規定されるｃ−ｍ面において、ｃ軸の方向を示すｃ軸ベクトルＶＣからｍ軸の方向を示すｍ軸ベクトルＶＭに向かう方向に、ｃ軸に直交するｃ面から角度ＡＬＰＨＡの傾斜を成す。角度ＡＬＰＨＡは、６３度以上８０度未満の範囲内にある。半極性主面１７ａは、例えば、｛２０−２１｝面でも良い。
【００３０】
半導体レーザ素子９のレーザ共振器の二つの端面は、ｃ−ｍ面に交差し、共振器ミラーを構成する。このレーザ共振器の二つの端面は、ｃ面、ｍ面又はａ面といった、これまでのへき開面とは異なる。このレーザ共振器の共振器長は、例えば、５００μｍ程度である。
【００３１】
半導体レーザ素子９によれば、レーザ共振器を構成する二つの端面がｃ−ｍ面に交差する。よって、ｃ−ｍ面と半極性主面１７ａとの交差線の方向に延在するレーザ導波路を設けることができる。従って、半導体レーザ素子９は、低しきい値電流を可能にするレーザ共振器を有することになる。
【００３２】
エピタキシャル層１９は、六方晶系の窒化ガリウム系半導体からなる。エピタキシャル層１９は、支持基体１７の半極性主面１７ａの上に設けられている。エピタキシャル層１９は、エピタキシャル成長によって半極性主面１７ａに形成された半導体層である。エピタキシャル層１９は、支持基体１７（半極性主面１７ａ）に格子整合している。エピタキシャル層１９は、半導体層２０、ｎ側クラッド層２１、ｎ側光ガイド層３５、活性層２５、ｐ側光ガイド層３７、電子ブロック層３９、ｐ側光ガイド層３８、ｐ側クラッド層２３およびコンタクト層３３を含む。半導体層２０、ｎ側クラッド層２１、ｎ側光ガイド層３５、活性層２５、ｐ側光ガイド層３７、電子ブロック層３９、ｐ側光ガイド層３８、ｐ側クラッド層２３およびコンタクト層３３は、半極性主面１７ａの上に順に設けられている。
【００３３】
半導体層２０は、半極性主面１７ａに接している。半導体層２０は、ｎ型の窒化ガリウム系半導体からなる。半導体層２０の材料は、例えばｎ型のＧａＮなどである。
【００３４】
ｎ側クラッド層２１は、半導体層２０に接している。ｎ側クラッド層２１は、ｎ型の窒化ガリウム系半導体からなる。ｎ側クラッド層２１の材料は、例えばｎ型のＡｌＧａＮおよびｎ型のＩｎＡｌＧａＮなどである。
【００３５】
ｎ側光ガイド層３５は、ｎ側クラッド層２１に接している。ｎ側光ガイド層３５は、例えば、ｎ型のＧａＮなどの材料を有する層と、アンドープのＩｎＧａＮなどの材料を有する層とを含むことができる。
【００３６】
活性層２５は、ｎ側光ガイド層３５とｐ側光ガイド層３７との間に設けられている。活性層２５は、ｎ側光ガイド層３５とｐ側光ガイド層３７とに接している。界面２５ａは、活性層２５とｎ側光ガイド層３５とが接している部分であり、界面２５ｂは、活性層２５とｐ側光ガイド層３７とが接している部分である。
【００３７】
界面２５ａと界面２５ｂとは、ｃ−ｍ面に直交している。界面２５ａは、ｃ−ｍ面において、ｃ軸ベクトルＶＣからｍ軸ベクトルＶＭに向かう方向に、ｃ面から角度ＡＬＰＨＡの傾斜を成す。界面２５ｂは、ｃ−ｍ面において、ｃ軸ベクトルＶＣからｍ軸ベクトルＶＭに向かう方向に、ｃ面から角度ＡＬＰＨＡの傾斜を成す。角度ＡＬＰＨＡは、６３度以上８０度未満の範囲内にある。
【００３８】
活性層２５は窒化ガリウム系半導体層を含み、この窒化ガリウム系半導体層は例えば井戸層である。活性層２５は、窒化ガリウム系半導体からなる障壁層を含む。井戸層および障壁層は、交互に配列されている。井戸層の材料は、例えば、ＩｎＧａＮなどである。障壁層の材料は、例えば、ＧａＮおよびＩｎＧａＮなどである。活性層２５は、量子井戸構造を有する。活性層２５の量子井戸構造は、波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲の光を発生する構造でも良い。活性層２５の量子井戸構造は、さらに、波長４８０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲の光を発生する構造でも良い。活性層２５の量子井戸構造は、さらに、波長５１０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲の光を発生する構造でも良い。活性層２５は、半極性面の利用により、波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光の発生に好適である。
【００３９】
ｐ側光ガイド層３７は、活性層２５に接している。ｐ側光ガイド層３７は、アンドープの窒化ガリウム系半導体からなる。ｐ側光ガイド層３７の材料は、例えば、ＧａＮおよびＩｎＧａＮなどである。
【００４０】
電子ブロック層３９は、ｐ側光ガイド層３７に接している。電子ブロック層３９は、ｐ型の窒化ガリウム系半導体からなる。電子ブロック層３９の材料は、例えば、ｐ型のＡｌＧａＮなどである。
【００４１】
ｐ側光ガイド層３８は、電子ブロック層３９に接している。ｐ側光ガイド層３８は、ｐ型の窒化ガリウム系半導体からなる。ｐ側光ガイド層３８の材料は、例えば、ｐ型のＧａＮおよびｐ型のＩｎＧａＮなどである。
【００４２】
ｐ側クラッド層２３は、ｐ側光ガイド層３８に接している。ｐ側クラッド層２３は、ｐ型の窒化ガリウム系半導体からなる。ｐ側クラッド層２３の材料は、例えば、ｐ型のＡｌＧａＮおよびｐ型のＩｎＡｌＧａＮなどである。
【００４３】
コンタクト層３３は、ｐ側クラッド層２３に接している。コンタクト層３３は、ｐ型の窒化ガリウム半導体からなる。コンタクト層３３の材料は、例えば、ｐ型のＧａＮなどである。
【００４４】
半導体層２０、ｎ側クラッド層２１、ｎ側光ガイド層３５、活性層２５、ｐ側光ガイド層３７、電子ブロック層３９、ｐ側光ガイド層３８、ｐ側クラッド層２３およびコンタクト層３３は、半極性主面１７ａの法線ベクトルＮＶに沿って順に配列されている。
【００４５】
絶縁膜３１とｐ側の電極１５とは、エピタキシャル層１９のｐ側の表面１９ａ（コンタクト層３３の表面）に設けられている。絶縁膜３１とｐ側の電極１５とは、コンタクト層３３に接している。絶縁膜３１は、エピタキシャル層１９のｐ側の表面１９ａを覆っており、エピタキシャル層１９は絶縁膜３１と支持基体１７との間に位置する。絶縁膜３１は開口３１ａを有し、開口３１ａはエピタキシャル層１９のｐ側の表面１９ａとｃ−ｍ面との交差線の方向に延在し、例えばストライプ形状を成す。ｐ側の電極１５は、開口３１ａを介してエピタキシャル層１９のｐ側の表面１９ａに接触を成しており（コンタクト層３３に接している）、エピタキシャル層１９のｐ側の表面１９ａとｃ−ｍ面との交差線の方向に延在する。ｎ側の電極４１は、支持基体１７の裏面１７ｂに設けられており、裏面１７ｂを覆っている。
【００４６】
絶縁膜３１の材料は、例えば、ＳｉＯ２などである。ｐ側の電極１５の材料は、例えば、Ｎｉ／Ａｕである。ｎ側の電極４１の材料は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕである。半導体レーザ素子９は、パッド電極を有する。このパッド電極は、ｐ側の電極１５に接続されている。このパッド電極の材料は、例えば、Ｔｉ／Ａｌである。
【００４７】
図４を参照して、実施形態に係る半導体レーザ装置１の作製方法を説明する。（ステップＳｐ１）図１に示すステム３、リード端子４ａ、リード端子４ｂ、リード端子４ｃおよびヒートシンク５と、半導体レーザ素子９を搭載するためのサブマウント７と、半導体レーザ素子９とを用意する。リード端子４ａ、リード端子４ｂ、リード端子４ｃ、ヒートシンク５およびサブマウント７はステム３に固定されている。ヒートシンク５は、主面３ａに固定され、サブマウント７は、ヒートシンク５の表面５ａを介してヒートシンク５に固定されている。サブマウント７の表面のうち、半導体レーザ素子９と接合される主面７ａには、予め、導電性接着剤が設けられている。なお、導電性接着剤は、半導体レーザ素子９のｐ側の表面に、ｐ側の電極１５を覆うように、予め設けられていてもよい。導電性接着剤は、例えば摂氏３４０度程度のＡｕＳｎと比較して低融点の合金である。導電性接着剤は、例えば、摂氏２３０度以下の融点を有するＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＡｇ、ＢｉＳｎおよびＩｎＳｎの何れかである。
【００４８】
（ステップＳｐ２）半導体レーザ素子９のｐ側の電極１５を、導電性接着剤が設けられたサブマウント７の主面７ａに押し当て、導電性接着剤の融点に達するまで、導電性接着剤を加熱する。
【００４９】
（ステップＳｐ３）導電性接着剤が溶融した後（導電性接着剤の融点に到達した後）に、導電性接着剤を、半導体レーザ素子９とサブマウント７と共に室温に至るまで冷却し、導電性接着剤を固化し、半導体レーザ素子９をサブマウント７に接合する。
【００５０】
以上説明した半導体レーザ装置１は、半導体レーザ素子９と、半導体レーザ素子９が搭載されるサブマウント７とを備える。半導体レーザ素子９は、六方晶系の窒化ガリウム系半導体からなり、半極性面が利用されている。半導体レーザ素子９の発振波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲でも良く、さらに、４８０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲でも良く、さらに、５１０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲でも良い。サブマウント７は、ダイヤモンドと銅との複合材料である。サブマウント７の熱伝導率は、室温において、５５０Ｗ／ｍＫ以上６００Ｗ／ｍＫ以下の範囲にある。
【００５１】
半導体レーザ素子９のように、発振波長が４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲にある緑色レーザを出力するレーザ素子は、例えば、赤色レーザ光を出力するレーザ素子および青色レーザ光を出力するレーザ素子に比較して、動作電圧が高く外部量子効率も低いので動作時の発熱量が多い。具体的には、小型プロジェクターに使用する１００ｍＷ出力の場合、青色レーザ光を出力するレーザ素子は、約１２０ｍＡの電流と約５Ｖの電圧とが必要であり、緑色レーザ光を出力するレーザ素子は、約３００ｍＡの電流と約８Ｖの電圧とが必要であり、よって、投入電力に約４倍の差がある。このような発熱量の比較的に多い半導体レーザ素子９のサブマウントとしては、熱伝導率の比較的に高い（例えば、ＡｌＮに比較して高い）銅やダイヤモンドの材料のサブマウントを用いることが好ましい。しかし、銅の単体を材料に有するサブマウント、および、ダイヤモンドの単体を材料に有するサブマウントは、何れも、これらのサブマウントの線形膨張率と、半極性主面の窒化ガリウム系半導体の半導体レーザ素子９の線形膨張率との差は銅-ダイヤ複合材料と比較して大きい。熱膨張率の差が小さいほど寿命が長くなるため、このような問題から、半導体レーザ素子９のサブマウントとして用いるには銅-ダイヤ複合材料の方が望ましい。
【００５２】
これに対し、サブマウント７は、銅とダイヤモンドとの複合材料を有するので、銅およびダイヤモンドそれぞれの熱伝導率に近い熱伝導率を有する。具体的には、サブマウント７の熱伝導率は、室温において、５５０Ｗ／ｍＫ以上６００Ｗ／ｍＫ以下の範囲にある。このように、サブマウント７の熱伝導率は、室温において、５５０Ｗ／ｍＫ以上６００Ｗ／ｍＫ以下の範囲にあるので、例えば、ＡｌＮなどの材料のサブマウントに比較して、熱抵抗を十分に低くすることができる。よって、サブマウント７は、赤色レーザ光を出力するレーザ素子と青色レーザ光を出力するレーザ素子とに比較して発熱量の多い半導体レーザ素子９を搭載する場合に適している。
【００５３】
また、例えば{２０−２１}面などの半極性面の窒化ガリウム系半導体は、ｃ面の窒化ガリウム系半導体とは異なり、異方性の熱膨張係数を有する。半導体レーザ素子と半導体レーザ素子を搭載するサブマウントとの熱膨張係数に比較的に大きな差がある場合、熱膨張係数の差に起因する熱応力によって、半導体レーザ素子の寿命が低減する。図５に、半導体レーザ素子とサブマウントとの熱膨張係数の差と、サブマウントに搭載される半導体レーザ素子についてのＭＴＴＦ（mean  time  to  failure）との相関を示す。図５に示すように、熱膨張係数の差が大きいほど、半導体レーザ素子の寿命は短い。これ故に、半導体レーザ素子９を搭載するサブマウントの熱膨張係数の範囲に制限が生じる。半極性主面の窒化ガリウム系半導体の半導体レーザ素子９は、異方性の熱膨張係数を有するので、半導体レーザ素子９の接合面（サブマウント７との接合面）の横方向の熱膨張係数と縦方向の熱膨張係数とによって規定される熱膨張係数の範囲に、サブマウントの熱膨張係数が重なる必要がある。図６に示すように、銅とダイヤモンドとの複合材料は、５５０Ｗ／ｍＫ以上６００Ｗ／ｍＫの範囲の熱伝導率を有する場合に、半極性主面の窒化ガリウム系半導体の縦方向および横方向（特に、ＧａＮのオフ方向とａ軸方向）によって規定される熱膨張係数の範囲に重なる。従って、サブマウント７に用いる銅とダイヤモンドとの複合材料は、５５０Ｗ／ｍＫ以上６００Ｗ／ｍＫの範囲の熱伝導率を有する材料が適している。これ故に、半導体レーザ素子９とサブマウント７との熱膨張係数の差が低減される。なお、図６には、ＧａＮの熱膨張係数が示されているが、ＧａＮに限らず、他の窒化ガリウム系半導体も同様の熱膨張係数を有する。図６に示す図中符号Ｇ１は、銅とダイヤモンドとの複合材料の熱膨張係数と、銅とダイヤモンドとの複合材料の熱伝導率との相関を示す図である。
【００５４】
また、図７に示すように、半導体レーザ素子９は、ＡｌＮの材料のサブマウントと比較して、熱抵抗（投入電力に対するジャンクション温度の上昇幅を示す値）を、半導体レーザ素子のｎ側をサブマウントに接合させる実装の場合に摂氏３度／Ｗ低下でき、半導体レーザ素子のｐ側をサブマウントに接合させる実装の場合に摂氏５度／Ｗ低下させることができる。熱抵抗は、投入電力に対するジャンクション温度上昇幅を示す値である。ジャンクション温度とは、導波路のＰＮ接合の温度である。摂氏３０度／Ｗの場合、１Ｗあたり摂氏３０度上昇します。図７に示すグラフの熱抵抗は、共振器長６００μｍ、幅４００μｍ、厚み８０μｍのＬＤ（レーザダイオード）を、厚み１００μｍまたは３００μｍ、幅８００μｍ、長さ１０００μｍのサブマウントに実装し、５．６ｍｍφのＬＤキャンに実装した場合、サブマウントの熱伝導率と厚みを変えると熱抵抗がどう変化するかを示したものである。サブマウントの熱伝導率がヒートシンク(無酸素銅 ３９８Ｗ／ｍＫ)より低い場合、サブマウントが薄いほど熱抵抗は低くなる。
【００５５】
また、半導体レーザ素子９とサブマウント７とは、導電性接着剤によって接合されている。導電性接着剤は、例えば摂氏３４０度程度のＡｕＳｎと比較して低融点の合金である。導電性接着剤は、例えば、摂氏２３０度以下の融点を有するＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＡｇ、ＢｉＳｎおよびＩｎＳｎの何れかである。導電性接着剤を用いて半導体レーザ素子をサブマウントに接着する場合、導電性接着剤が溶ける導電性接着剤の融点に至るまで導電性接着剤を加熱し、接着後に冷却するので、半導体レーザ素子とサブマウントとの熱膨張係数の差に起因する応力が、冷却後に、温度変化に伴って半導体レーザ素子とサブマウントとの間に生じる。この応力が半導体レーザ素子の寿命の低下を招く一因である。導電性接着剤の融点が高いほど、すなわち、接着時の温度が高いほど、熱膨張率の差が大きくなる。これに対し、半導体レーザ装置１に用いられる導電性接着剤は、一般的に使用される摂氏３４０度の程度の融点のＡｕＳｎではなく、この融点よりも十分に低い２３０度以下の融点のＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＡｇ、ＢｉＳｎおよびＩｎＳｎの何れかが用いられる。このように、例えば、ＡｕＳｎなどに比較して、低融点の接着剤が用いられているので、半導体レーザ素子９とサブマウント７との接合は、ＡｕＳｎなどを用いた場合に比較して低温でなされたものとなり、よって、半導体レーザ素子９とサブマウント７との熱膨張係数の差に起因する熱応力の影響が低減されている。
【００５６】
また、エピタキシャル層１９の上に設けられたｐ側の電極１５が導電性接着剤を介してサブマウント７の主面７ａに接合される。半導体レーザ素子９の発熱はほとんどｐ側で生じ、ｐ側をサブマウント７に接合することで支持基体１７を介さず直接にサブマウント７に放熱できる。よって、半導体レーザ素子９の発する熱をサブマウント７側に効果的に開放できる。
【００５７】
また、半導体レーザ素子９の発振波長は、４８０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲でも良く、さらに、５１０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲でも良い。緑色領域の発光では青色と比較して外部量子効率が低く、所望の発光強度を得るために比較的大きな投入電力を必要とする。よって、本実施形態に係る放熱性の高いことを特徴とする半導体レーザ装置１は、緑色レーザ光を出力する半導体レーザ素子９に適している。
【００５８】
また、エピタキシャル層１９はｎ側光ガイド層３５とｐ側光ガイド層３７とを有し、ｎ側光ガイド層３５とｐ側光ガイド層３７とは、何れも、活性層２５と接触をなしており、活性層２５とｎ側光ガイド層３５との界面、および、活性層２５とｐ側光ガイド層３７との界面は、何れも、ｃ−ｍ面に直交しており、ｃ−ｍ面おいて、ｃ軸ベクトルＶＣからｍ軸ベクトルＶＭに向かう方向に、ｃ面から角度ＡＬＰＨＡの傾斜を成す。角度ＡＬＰＨＡは、６３度以上８０度未満の範囲にある。よって、半導体レーザ素子９は、緑色レーザの出力に適した半極性面が利用されており、特に、角度ＡＬＰＨＡは、６３度以上８０度未満の範囲にあるので、半導体レーザ素子９は、緑色レーザの出力に適したオフ角の半極性面が利用されている。
【００５９】
以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【符号の説明】
【００６０】
１…半導体レーザ装置、１５…ｐ側の電極、１７…支持基体、１７ａ…半極性主面、１７ｂ…裏面、１９…エピタキシャル層、１９ａ…ｐ側の表面、２０…半導体層、２１…ｎ側クラッド層、２３…ｐ側クラッド層、２５…活性層、２５ａ，２５ｂ…界面、３…ステム、３１…絶縁膜、３１ａ…開口、３３…コンタクト層、３５…ｎ側光ガイド層、３７，３８…ｐ側光ガイド層、３９…電子ブロック層、３ａ，７ａ…主面、４１…ｎ側の電極、４ａ，４ｂ，４ｃ…リード端子、４ａ１，４ｂ１…端部、５…ヒートシンク、５ａ…表面、７…サブマウント、７１…金属体、７２…粒状体、７２ａ…ダイヤモンド粒子、７２ｂ…反応層、９…半導体レーザ素子、ＮＶ…法線ベクトル、ＶＣ…ｃ軸ベクトル、ＶＭ…ｍ軸ベクトル、Ｗａ，Ｗｂ…ワイヤ。
【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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