(57)【要約】【課題】  半導体レーザの通電寿命を短命化することなく半導体レーザの発熱を効率的に放熱することができる実装構造のレーザモジュールを得る。【解決手段】  ステム１上に配設された第１の放熱ブロック４上に半導体レーザ素子６が一方の電極層68面を該放熱ブロック４に接触するように実装されてなるレーザモジュールにおいて、ステム１上に、該ステム１と電気的に絶縁した第２の放熱ブロック８を配設し、半導体レーザ素子６の他方の電極層69面と第２の放熱ブロック８とを熱的に接続する、可撓性の熱伝導部材20を備える。【選択図】          図１
2007027375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステム上に配設された第１の放熱ブロック上に半導体レーザ素子が一方の電極層面を該放熱ブロックに接触するように実装されてなるレーザモジュールにおいて、
前記ステム上に、該ステムと電気的に絶縁した第２の放熱ブロックを配設し、
前記半導体レーザ素子の他方の電極層面と、前記第２の放熱ブロックとを熱的に接続する、可撓性の熱伝導部材を備えたことを特徴とするレーザモジュール。
【請求項２】
前記熱伝導部材がシートもしくはフィルム状であることを特徴とする請求項１記載のレーザモジュール。
【請求項３】
前記熱伝導部材が、前記他方の電極層面の全面と接触していることを特徴とする請求項１または２記載のレーザモジュール。
【請求項４】
前記熱伝導部材が導線として利用可能な導電性を有するものであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載のレーザモジュール。
【請求項５】
前記熱伝導部材がグラファイトの薄膜からなることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載のレーザモジュール。
【請求項６】
前記熱伝導部材が前記半導体レーザ素子への駆動電流注入端子を兼ねるものであることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載のレーザモジュール。
【請求項７】
前記半導体レーザ素子がＧａＮ系半導体レーザであることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載のレーザモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステム上の放熱ブロック上に半導体レーザ素子が実装されてなるレーザモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ステム上に配置された放熱ブロックに半導体レーザ素子を実装し、キャップを被せ気密封止してなるキャン型封止レーザモジュールが実用化されている。キャン型レーザモジュールに代表される、半導体レーザ素子が実装されてなるレーザモジュールにおいては、一般的に、半導体レーザ素子の一方の電極面が放熱ブロックに半田で固定され、半導体レーザの駆動時に生じる発熱を一方の電極面から放熱する実装構造が採用されている。
【０００３】
近年、次第に出力の大きな半導体レーザ素子が提供されるようになってきており、中には非常に発熱量の大きいものも開発されてきている。半導体レーザの発熱量が大きくなってくると、半導体レーザ駆動時に発熱を十分に放熱させることができない場合、発熱により半導体レーザの劣化が促進されてしまい、レーザモジュールとして長期信頼性が得られなくなる。半導体レーザ素子の一方の電極面からのみ放熱する放熱構造では十分な放熱が得られない虞があり放熱構造の改善が求められている。
【０００４】
その放熱を改善する方法としては、たとえば、非特許文献１に開示されているようにヒートシンクに溝を設け、その溝に半導体レーザを挿入し、半導体レーザの両面と溝との間を半田で埋め込むことにより、半導体レーザの両面から放熱させる構成が考えられている。
【非特許文献１】レーザーフィジックス、1998年発行、第８巻、第３号、p.737-740（Laser physics,Vol.8,No3,1998,pp.737-740）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１の装置は、溝が形成されるヒートシンクと該溝に装填される半導体レーザが共に剛体であり、かつ熱膨張係数に差があるために温度上昇に伴うヒートシンクおよび半導体レーザの膨張等の影響により半導体レーザに熱歪が入り、活性層に応力がかかることにより半導体レーザの通電寿命が著しく短くなる虞がある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑み、半導体レーザの通電寿命を短命化することなく半導体レーザの発熱を効率的に放熱することができるレーザモジュールを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のレーザモジュールは、ステム上に配設された第１の放熱ブロック上に半導体レーザ素子が一方の電極層面を該放熱ブロックに接触するように実装されてなるレーザモジュールにおいて、
前記ステム上に、該ステムと電気的に絶縁した第２の放熱ブロックを配設し、
前記半導体レーザ素子の他方の電極層面と、前記第２の放熱ブロックとを熱的に接続する、可撓性の熱伝導部材を備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
前記熱伝導部材は、シートもしくはフィルム状であることが望ましい。ここで、シート、もしくはフィルム状とは、均一な薄さの部材のみならず、ワイヤー状の熱伝導部材を網目状に編んでシート状にしたものなどであってもよい。
【０００９】
前記熱伝導部材は、前記他方の電極層面となるべく広い範囲で接触していることが望ましく、たとえば、前記他方の電極層面の半分以上、特には全面と接触していることが望ましい。熱伝導部材は、可撓性を有し、半導体レーザの基板の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有する、半導体レーザからの発熱を第２の放熱ブロックへ伝導できるものであればいかなる素材から構成されるものであってもよい。
【００１０】
また、熱伝導部材が導線として利用可能な導電性を有するものであることが望ましい。熱伝導部材としては、たとえば、グラファイトの薄膜を用いることができる。また、熱伝導部材を半導体レーザ素子への駆動電流注入端子を兼ねるものとすることが望ましい。
【００１１】
前記半導体レーザ素子としては、たとえば、ＧａＮ系半導体レーザを用いることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のレーザモジュールによれば、半導体レーザ素子の一方の電極層面は第1の放熱ブロックに接触固定され、他方の電極層と第２の放熱ブロックとを熱的に接続する可撓性の熱伝導部材を備えており、半導体レーザ素子の両電極層から放熱できる構成であるため、一方の電極層が放熱ブロックに半田付けされてその一方の電極層のみから放熱していた従来の場合と比較して、放熱効率を向上させることができる。また、半導体レーザ素子の一方の電極層は剛体である放熱ブロックに接触固定されているが、他方の電極層は可撓性の部材と接触しているため、温度上昇に伴い放熱ブロックや半導体レーザ素子が熱膨張した場合にも半導体レーザ素子は応力（熱歪）を受けないので、半導体レーザ素子としての寿命を短命化する虞がない。すなわち本発明のレーザモジュールによれば、半導体レーザ素子を熱歪による劣化を生じさせることなく、放熱効率を向上させることができる。
【００１３】
熱伝導部材が、シートもしくはフィルム状であれば、半導体レーザ素子の電極層との接触面積を十分に大きくすることができ、放熱を効果的に行うことができる。
【００１４】
さらに、熱伝導部材が、半導体レーザ素子の他方の電極層面の全面と接触していれば放熱がより効率的になされる。
【００１５】
熱伝導部材が導線として利用可能な導電性を有するものであれば、半導体レーザ素子への駆動電流注入端子としても用いることができ、ワイヤボンディングが不要となり簡易な構成とすることができる。
【００１６】
熱伝導部材が、グラファイトの薄膜であれば、熱伝導率も高く、かつ電気伝導率も高いため、放熱効率を向上させると共に、駆動電流注入端子としても用いることができる。
【００１７】
半導体レーザ素子がＧａＮ系半導体レーザであるとき、特に発熱量が大きいために本発明を適用した場合の効果が大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、発明の第１の実施形態によるキャン型封止レーザモジュールの概略構成図を示すものであり、図２は図１に示すレーザモジュールの半導体レーザ素子実装部の上面図である。
【００１９】
図１および図２に示すようにこのレーザモジュールは、３本の配線ピン11、12および13が下部に突出するステム１上に、ヒートシンク４ａおよびサブマウント４ｂからなる第１の放熱ブロック４と、ステム１に対して電気的に絶縁し配線ピン11と電気的に接続された第２の放熱ブロック８とが固設され、サブマウント４ｂ上に半導体レーザ素子６がその一方の電極層68の面がサブマウント４ｂと接触するように実装されており、さらに半導体レーザ素子６の他方の電極層69と第２の放熱ブロック８とを熱的に接続する可撓性の熱伝導部材20を備えている。また、ステム１上には半導体レーザ素子６の出力をモニタするモニタ用フォトダイオード10が配置されており、ステム１上に配置された各要素は、無反射コーティングが施されたガラス窓３を備えたキャップ２により覆われ気密封止されている。このキャップ２は内部の脱気処理がなされ、不活性ガスが充填された状態でステム１に抵抗溶接などにより固定されている。なお、図１においては、キャップ２内の各要素の構成を解りやすくするため、円筒形のキャップ２の手前半分については記載していない。
【００２０】
配線ピン12はステム1と電気的に接続されており、ヒートシンク４ａおよびサブマウント４ｂを経て半導体レーザ素子６の一方の電極層68に電気的に接続されている。配線ピン13はステム1と電気的に絶縁した状態でステム１上面に突出しており、ワイヤ17によりフォトダイオード10と接続されている。配線ピン11は、ステム１と電気的に絶縁した状態でステム１上の第２の放熱ブロック８に接続されている。第２の放熱ブロック８の下部が配線ピン状に加工されて放熱ブロック８と配線ピン11とが一体的に１つの部材で構成されていてもよい。配線ピン11および13とステム１との絶縁はステム１に設けられた貫通穴と配線ピン11および13との間を低融点ガラスなどの絶縁材料14、15で埋め込む方法により達成することができる。
【００２１】
半導体レーザ素子６は、図２に示すように、ｎ型GaN基板61上に順次エピタキシャル成長されたｎ型AlGaNクラッド層62、多重量子井戸層（ＭＱＷ層）63、ｐ型AlGaNクラッド層64およびｐ型GaNキャップ層66を備え、ｐ型GaNキャップ層66およびｐ型AlGaNクラッド層64の一部にリッジ部が設けられたリッジ型半導体レーザである。リッジ部の両脇にはSiO2からなる絶縁部65が形成されており、絶縁部65およびリッジ部を覆うようにｐ側電極層69が形成され、基板61の裏面にはｎ側電極層68が形成されている。この半導体レーザ素子６はｎ側電極層68が第１の放熱ブロック４の一部であるサブマウント４ｂに接触するようにロウ材31により半田付けされており、ｐ側電極層69の上面には熱伝導部材20がｐ側電極層69の全面に亘って接触するように配置されてロウ材32により半田付けされている。
【００２２】
熱伝導部材20としては、グラファイトからなるシート状の部材が用いられ、シート状の熱伝導部材20の一端は、半導体レーザ素子６の電極層69の全面に半田付けされており、他端が第２の放熱ブロック８にロウ材33により半田付けされている。グラファイトの熱伝導率は、600−800Ｗ／ｍ・Ｋであり、放熱ブロックとして用いられることが多いＣｕ（銅）の熱伝導率の約４倍である。なお、グラファイトからなるシート状の熱伝導部材（以下、グラファイトシートという）20を電極層69および第２のヒートシンクに半田付けするために、グラファイトシート20の表面にはＡｕ（金）、Ａｕ／Ｃｒ（クロム）あるいはＡｕ／Ｔｉ（チタン）がスパッタ蒸着されている。また、グラファイトは導線として利用可能な導電性を有するものであるため、この熱伝導部材20は半導体レーザ素子６への給電のための端子（駆動電流注入用端子）を兼ねている。一般には、半導体レーザ素子６の電極層69への給電のためには配線ピンと電極層とをＡｕ等のワイヤで接続するが、ここではグラファイトシート20を給電のための端子として用いることができるためワイヤボンディングが不要である。
【００２３】
本実施形態のレーザモジュールにおいては、半導体レーザ素子６の一方の電極層68が第１の放熱ブロック４に接触固定され、他方の電極層69には第２の放熱ブロック８に接続された可撓性の熱伝導部材20が固定されており、両電極層68および69から放熱できる構成であるため効率的に放熱を行うことができる。特に、ここで実装されているＧａＮ系半導体レーザのように発熱量の大きい半導体レーザの場合、効率的な放熱ができることによる半導体レーザ素子の短命化を抑制する効果が大きい。また、半導体レーザ素子６の一方の電極層68は剛体である放熱ブロック４に接合されているが、他方の電極層69は可撓性の部材20に接合されているため、発熱時においても熱歪などの応力を受けず、半導体レーザ素子の寿命を短命化する虞がない。
【００２４】
なお、ステム１をＦｅ（鉄）系素材で構成し、第１の放熱ブロック４および第２の放熱ブロック８をＣｕ（銅）から構成することによりレーザモジュールを安価に構成することができる。
【００２５】
本実施の形態によるレーザモジュールは、半導体レーザ素子６の前方出射光であるレーザ光７が無反射コーティングされた窓ガラス３から出射するものであり、半導体レーザ素子６の後方出射光がモニタフォトダイオード10によって発光量が感知されて、レーザ光７の出力が一定となるように電流が自動的に制御される。
【００２６】
可撓性の熱伝導部材20は上述のグラファイトシートに限るものではなく、半導体レーザ素子６の電極層69と第２の放熱ブロック８とを熱的に接続し、半導体レーザ素子６の熱を第２の放熱ブロック８に伝導して放熱させることができるものであればよく、具体的には半導体レーザ素子６の基板61（上記実施形態ではＧａＮ）と比較して熱伝導率が高いものであればよい。また、上記実施形態では熱伝導部材20が半導体レーザの電極層の全面と接触しているが、熱伝導部材は必ずしも電極層の全面と接触している必要はなく、電極層の面積の半分程度以上であれば十分に放熱効果を得ることができる。
【００２７】
図３は本発明の第２の実施形態のレーザモジュールの概略構成を示す図である。以下においては、第１の実施形態のレーザモジュールと同一の要素には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。
【００２８】
本レーザモジュールは、熱伝導部材21が導線として使用可能な程度の導電性を有していない材料からなる点で第１の実施形態のレーザモジュールと異なる。熱伝導率が高く導電性が低い材料としては例えばダイアモンドが挙げられ、熱伝導部材21としてはダイアモンドシート、または気相合成したダイアモンド薄膜、可撓性の支持シート状にダイアモンドを蒸着させたもの等を用いることができる。この場合、熱伝導部材21が十分な導電性を有していないため、これを駆動電流注入用端子として用いることができない。そこで、半導体レーザ素子６の電極層69と第２の放熱ブロック８とを接続するＡｕワイヤ16を備え、半導体レーザ素子６の電極層69への駆動電流注入はＡｕワイヤ16により行う構成をとっている。半導体レーザ素子６の電極層69の一部にはワイヤボンディングのスペースを要し、それ以外の領域に熱伝導部材21が半田付けされている。
【００２９】
図４は本発明の第３の実施形態のレーザモジュールの概略構成を示す図である。
【００３０】
本レーザモジュールは、第２の放熱ブロック18が配線ピン11’と接続せずステム１に配線ピン11’とは独立して配置されている点で第１の実施形態と異なる。第２の放熱ブロック18は、ステム１上に絶縁シート19を介して固設されている。
【００３１】
ここで用いられる熱伝導部材22は、半導体レーザ６の電極層69と第２の放熱ブロック18とを熱的に接続し、半導体レーザ素子の発熱を放熱できるものであればよく、導電性の有無は問わない。本実施形態の熱伝導部材22は放熱にのみ利用されるものであり、熱伝導部材22を駆動電流注入用の端子としては利用しない。そのため、半導体レーザ素子６への給電のために、配線ピン11’と電極層69とを接続するワイヤ16を備えている。なお、配線ピン11’は低融点ガラスなどの絶縁材14によりステム１と電気的に絶縁された状態でステム１を貫通してステム１上に突出されており、その突出部にワイヤ16が接続されている。
【００３２】
このように第２もしくは第３の実施形態のレーザモジュールにおいても、半導体レーザ素子６の一方の電極層68が第1の放熱ブロック４に、他方の電極層69が可撓性の熱伝導部材21もしくは22に接続され、両電極層68および69から放熱される構成であるため、効率的に放熱を行うことができると共に、一方の電極層68は剛体である放熱ブロック４に接合されているが、他方の電極層69は可撓性の部材21もしくは22に接合されているため、発熱時においても半導体レーザ素子６に熱歪などの応力がかからず、半導体レーザ素子の寿命を短命化する虞がない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】第１の実施形態のレーザモジュールの概略構成を示す図
【図２】図１に示すレーザモジュールの半導体レーザ素子実装部の上面図
【図３】第２の実施形態のレーザモジュールの概略構成を示す図
【図４】第３の実施形態のレーザモジュールの概略構成を示す図
【符号の説明】
【００３４】
１    ステム
２    キャップ
３    窓ガラス
４    第１の放熱ブロック
４ａ    ヒートシンク
４ｂ    サブマウント
６    半導体レーザ素子
７    レーザ光
８    第２の放熱ブロック
10    モニタ用フォトダイオード
11、12、13    配線ピン
20、21、22    熱伝導部材
31、32    半田材
68    ｎ側電極層（一方の電極層）
69    ｐ側電極層（他方の電極層）
【図１】
2007027375.tif 000003
【図２】
2007027375.tif 000004
【図３】
2007027375.tif 000005
【図４】
2007027375.tif 000006