(57)【要約】【課題】良好な放熱性を提供可能な構造の半導体レーザモジュールを提供する。【解決手段】III族窒化物半導体レーザ１１はサブマウント７とヒートシンク９との間に設けられる。III族窒化物半導体レーザ１１はｐアップ形態でサブマウント７上に搭載されるので、レーザ導波路からの熱は、レーザ構造体１３を介してサブマウント７に伝わる。レーザ導波路からの熱は、高い温度のレーザ導波路からオーミック電極１５及びパッド電極４５を介して低い温度のヒートシンク９に伝わり、この熱は、オーミック電極１５から離れたヒートシンク端に向けてヒートシンク内を伝搬していき、ヒートシンク９の温度分布はレーザ導波路上の中央部からヒートシンク端に向けて低くなる。III族窒化物半導体レーザ１１の両端の近傍では、III族窒化物半導体レーザ１１の温度はヒートシンク９の温度より低いので、ヒートシンク９の熱はIII族窒化物半導体レーザ１１に伝搬する。【選択図】図２
2013089733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザモジュールであって、
レーザ構造体、オーミック電極、裏面電極及びパッド電極を含むIII族窒化物半導体レーザと、
前記III族窒化物半導体レーザを搭載する搭載面を有するサブマウントと、
前記サブマウントを搭載する台座を含むステムと、
前記III族窒化物半導体レーザの上に搭載されたヒートシンクと、
を備え、
前記III族窒化物半導体レーザは、前記III族窒化物半導体レーザの前記裏面電極を前記サブマウントの前記搭載面に向けた形態で実装されており、
前記III族窒化物半導体レーザは前記サブマウントと前記ヒートシンクとの間に設けられ、
前記レーザ構造体は、導電性の基板と、該基板の主面の上に設けられたエピタキシャル半導体領域とを含み、
前記オーミック電極は、前記エピタキシャル半導体領域に接合を成し、
前記裏面電極は、前記基板の裏面に接合を成し、
前記パッド電極は前記オーミック電極に接続され、
前記III族窒化物半導体レーザは、第１端面及び第２端面と、前記第１端面から前記第２端面への第１方向に延在するレーザ導波路とを含み、
前記サブマウント、前記III族窒化物半導体レーザ及び前記ヒートシンクは、前記第１方向に直交する第２方向に沿って順に配列されており、
前記ヒートシンクは前記III族窒化物半導体レーザの前記パッド電極に電気的に接続されており、
前記サブマウントは、前記第１方向及び前記第２方向の両方に直交する第３方向に規定される幅を有し、
前記オーミック電極は前記第３方向に規定される幅を有し、
前記ヒートシンクは前記第３方向に規定される幅を有し、
前記パッド電極は前記第３方向に規定される幅を有し、
前記ヒートシンクの前記幅は前記オーミック電極の前記幅より大きく、
前記パッド電極の前記幅は前記オーミック電極の前記幅より大きく、
前記サブマウントの前記幅は前記ヒートシンクの前記幅より大きい、半導体レーザモジュール。
【請求項２】
前記III族窒化物半導体レーザの前記基板の前記主面はIII族窒化物からなり、
前記基板の前記主面は該III族窒化物のｃ軸の方向に延在する軸に直交する平面に対して１０度以上８０度以下の範囲の角度で傾斜し、
前記III族窒化物のｃ軸は＜０００１＞軸又は＜０００−１＞軸である、請求項１に記載された半導体レーザモジュール。
【請求項３】
前記III族窒化物半導体レーザの発振波長は４８０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下である、請求項１又は請求項２に記載された半導体レーザモジュール。
【請求項４】
前記III族窒化物半導体レーザの前記基板の前記主面はIII族窒化物からなり、
前記エピタキシャル半導体領域は、第１導電型III族窒化物半導体層、活性層、及び第２導電型III族窒化物半導体層を含み、
前記エピタキシャル半導体領域は前記活性層と前記第１導電型III族窒化物半導体層との間に設けられた光ガイド層を更に含み、
前記光ガイド層と前記活性層との界面は、前記III族窒化物のｃ軸に沿って延びる基準軸に直交する面からｍ軸方向に傾斜している、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された半導体レーザモジュール。
【請求項５】
前記光ガイド層と活性層との界面は、前記基準軸に直交する面からｍ軸方向に６３度以上８０度未満の角度で傾斜している、請求項４に記載された半導体レーザモジュール。
【請求項６】
前記III族窒化物半導体レーザの発振波長が５１０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下である、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された半導体レーザモジュール。
【請求項７】
前記エピタキシャル半導体領域は、第１導電型III族窒化物半導体層、活性層、及び第２導電型III族窒化物半導体層を含み、
前記第１導電型III族窒化物半導体層、前記活性層及び前記第２導電型III族窒化物半導体層は、前記基板の主面の法線軸の方向に沿って配列されており、
前記III族窒化物半導体レーザの厚さは１００μｍ以下である、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された半導体レーザモジュール。
【請求項８】
前記III族窒化物半導体レーザは前記第３方向に規定される幅を有し、
前記パッド電極の前記幅は前記III族窒化物半導体レーザの前記幅の半分以上である、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された半導体レーザモジュール。
【請求項９】
前記III族窒化物半導体レーザは前記第３方向に規定される幅を有し、
前記ヒートシンクの前記幅は前記III族窒化物半導体レーザの前記幅以上である、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された半導体レーザモジュール。
【請求項１０】
前記ヒートシンクの厚さは前記サブマウントの厚さより小さい、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された半導体レーザモジュール。
【請求項１１】
前記ヒートシンクは、ＡｌＮ、ＳｉＣ、銅、及び銅ダイヤモンド複合体の少なくともいずれかからなる支持体を含む、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載された半導体レーザモジュール。
【請求項１２】
前記ヒートシンクは、ＡｌＮ、ＳｉＣ、及び銅ダイヤモンド複合体の少なくともいずれかからなる支持体を含み、
前記ヒートシンクの前記支持体は第１面と該第１面の反対側の第２面と有し、
前記ヒートシンクは前記支持体の前記第１面から前記第２面まで前記支持体の表面を延在する導電層を含む、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載された半導体レーザモジュール。
【請求項１３】
前記ヒートシンクを前記III族窒化物半導体レーザに固定する導電性接着剤を更に備える、請求項１２に記載された半導体レーザモジュール。
【請求項１４】
前記ヒートシンクは、銅を含む金属支持体を含む、請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載された半導体レーザモジュール。
【請求項１５】
前記ヒートシンクは、前記III族窒化物半導体レーザの前記パッド電極に接触を成し、
当該半導体レーザモジュールは、前記ヒートシンクと前記前記III族窒化物半導体レーザとの接触を維持する固定具を更に備える、請求項１〜請求項１４のいずれか一項に記載された半導体レーザモジュール。
【請求項１６】
前記固定具は、前記ヒートシンクと前記III族窒化物半導体レーザとの接触を維持するための弾性力を提供する、請求項１５に記載された半導体レーザモジュール。
【請求項１７】
前記固定具は、前記台座と前記ヒートシンクとに接触を成す閉じた形状のベルトを含む、請求項１５又は請求項１６に記載された半導体レーザモジュール。
【請求項１８】
前記ステムに支持された第１端子と前記ヒートシンクを接続するボンディングワイヤを更に備える、請求項１〜請求項１７のいずれか一項に記載された半導体レーザモジュール。
【請求項１９】
前記ステムに支持された第２端子と前記サブマウントを接続するボンディングワイヤを更に備える、請求項１〜請求項１８のいずれか一項に記載された半導体レーザモジュール。
【請求項２０】
半導体レーザ装置であって、
レーザ構造体、オーミック電極、裏面電極及びパッド電極を含むIII族窒化物半導体レーザと、
前記III族窒化物半導体レーザを搭載する搭載面を有するサブマウントと、
前記III族窒化物半導体レーザの上に搭載されたヒートシンクと、
を備え、
前記III族窒化物半導体レーザは、前記III族窒化物半導体レーザの前記裏面電極を前記サブマウントの前記搭載面に向けた形態で実装され、
前記III族窒化物半導体レーザは前記サブマウントと前記ヒートシンクとの間に設けられ、
前記パッド電極は前記オーミック電極に接続され、
前記レーザ構造体は、基板と、該基板の主面の上に設けられたエピタキシャル半導体領域とを含み、
前記オーミック電極は、前記エピタキシャル半導体領域に接合を成し、
前記裏面電極は、前記基板の裏面に接合を成し、
前記III族窒化物半導体レーザは、第１端面及び第２端面と、前記第１端面から前記第２端面への第１方向に延在するレーザ導波路とを含み、
前記サブマウント、前記III族窒化物半導体レーザ及び前記ヒートシンクは、前記第１方向に直交する第２方向に沿って配列されており、
前記ヒートシンクは前記基板の前記パッド電極に電気的に接続されており、
前記サブマウントは、前記第１方向及び前記第２方向の両方に直交する第３方向に規定される幅を有し、
前記オーミック電極は前記第３方向に規定される幅を有し、
前記パッド電極は前記第３方向に規定される幅を有し、
前記サブマウントの前記幅は前記オーミック電極の前記幅より大きく、
前記パッド電極の前記幅は前記オーミック電極の前記幅より大きい、半導体レーザ装置。
【請求項２１】
前記ヒートシンクは、前記第３方向に規定される幅を有し、
前記ヒートシンクの前記幅は前記サブマウントの前記幅より大きい、請求項２０に記載された半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザモジュール、半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１では、半導体レーザ装置が記載されている。半導体レーザ装置では、ステムが、サブマウント上に設けられたレーザダイオードを搭載しています。特許文献２には、サブマウントやヒートシンクに適用可能な銅ダイヤモンド複合体が記載されています。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２１４４４１号公報
【特許文献２】特開平０９−３１２３６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の技術では、ステムにサブマウントを介してレーザダイオードチップを実装する。この実装形態を特許文献１における光モジュールよりも高出力のレーザダイオードに適用するとき、レーザダイオードのジャンクション温度が高くなる。上記の実装形態によって提供可能な冷却能力を超える冷却が必要となる可能性がある。これ故に、放熱性を良くする特別な工夫が必要である。
【０００５】
ステムにサブマウントを介してレーザダイオードチップを実装する実装形態では、レーザダイオードの導波路で発生した熱は、半導体領域内の導波路からチップの表面に伝わり、この熱はチップ表面からサブマウントを介してステムに放熱される。サブマウントの材料としては例えばＡｌＮが使用される。発明者の検討によれば、サブマウントの厚みを薄くすると、サブマウントの放熱性が改善される。しかしながら、サブマウントの薄化のための加工には限界があり、発明者らの知見によれば、１５０μｍ程度が薄化の限界である。
【０００６】
発明者はステムについても検討しており、ステムのヒートシンクには銅材を使用すると共にヒートシンクのサイズを大きくすると、ヒートシンクの放熱性が改善される。ところが、ヒートシンクの寸法は、ステムの寸法、例えばステム径（具体的には３．８ｍｍφ）により制約される。これ故に、ヒートシンクの寸法にも制限される。ステムでは、ヒートシンクを搭載するベースには、比較的熱伝導率の低い鉄が使用され、キャップのシールを溶接により行うためには、ステムのベースが鉄材からなることが良い。
【０００７】
窒化物半導体発光素子の発熱は、他の半導体材料からなる半導体発光素子に比べて大きい。上記の実装形態を窒化物半導体発光素子に適用するとき、更なる放熱性の向上が求められている。また、上記の実装形態に限定されない場合でも、窒化物半導体発光素子の放熱性を改善することは、窒化物半導体発光素子の実装形態に多様性を与える。この実装形態において放熱性の向上を検討するに際して、放熱性を高めるには熱が伝わる別の経路を作る必要がある。
【０００８】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、良好な放熱性を提供可能な構造を有する半導体レーザモジュールを提供することを目的とし、またこの半導体レーザモジュールのための半導体レーザ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】
【０００９】
本発明に係る半導体レーザモジュールは、（ａ）レーザ構造体、オーミック電極、裏面電極及びパッド電極を含むIII族窒化物半導体レーザと、（ｂ）前記III族窒化物半導体レーザを搭載する搭載面を有するサブマウントと、（ｃ）前記サブマウントを搭載する台座を含むステムと、（ｄ）前記III族窒化物半導体レーザの上に搭載されたヒートシンクとを備える。前記III族窒化物半導体レーザは、前記III族窒化物半導体レーザの前記裏面電極を前記サブマウントの前記搭載面に向けた形態で実装されており、前記III族窒化物半導体レーザは前記サブマウントと前記ヒートシンクとの間に設けられ、前記レーザ構造体は、導電性の基板と、該基板の主面上に設けられたエピタキシャル半導体領域とを含み、前記オーミック電極は、前記エピタキシャル半導体領域に接合を成し、前記裏面電極は、前記基板の裏面に接合を成し、前記パッド電極は前記オーミック電極に接続され、前記III族窒化物半導体レーザは、第１端面及び第２端面と、前記第１端面から前記第２端面への第１方向に延在するレーザ導波路とを含み、前記サブマウント、前記III族窒化物半導体レーザ及び前記ヒートシンクは、前記第１方向に直交する第２方向に沿って順に配列されており、前記ヒートシンクは前記III族窒化物半導体レーザの前記パッド電極に電気的に接続されており、前記サブマウントは、前記第１方向及び前記第２方向の両方に直交する第３方向に規定される幅を有し、前記オーミック電極は前記第３方向に規定される幅を有し、前記ヒートシンクは前記第３方向に規定される幅を有し、前記パッド電極は前記第３方向に規定される幅を有し、前記ヒートシンクの前記幅は前記オーミック電極の前記幅より大きく、前記パッド電極の前記幅は前記オーミック電極の前記幅より大きく、前記サブマウントの前記幅は前記ヒートシンクの前記幅より大きい。
【００１０】
本発明に係る半導体レーザ装置は、（ａ）レーザ構造体、オーミック電極、裏面電極及びパッド電極を含むIII族窒化物半導体レーザと、（ｂ）前記III族窒化物半導体レーザの前記裏面電極を前記サブマウントの前記搭載面に向けた形態で前記III族窒化物半導体レーザを搭載する搭載面を有するサブマウントと、（ｃ）前記III族窒化物半導体レーザの上に搭載されたヒートシンクとを備える。前記III族窒化物半導体レーザは前記サブマウントと前記ヒートシンクとの間に設けられ、前記パッド電極は前記オーミック電極に接続され、前記レーザ構造体は、基板と、該基板の主面の上に設けられたエピタキシャル半導体領域とを含み、前記オーミック電極は、前記エピタキシャル半導体領域に接合を成し、前記裏面電極は、前記基板の裏面に接合を成し、前記III族窒化物半導体レーザは、第１端面及び第２端面と、前記第１端面から前記第２端面への第１方向に延在するレーザ導波路とを含み、前記サブマウント、前記III族窒化物半導体レーザ及び前記ヒートシンクは、前記第１方向に直交する第２方向に沿って配列されており、前記ヒートシンクは前記基板の前記パッド電極に電気的に接続されており、前記サブマウントは、前記第１方向及び前記第２方向の両方に直交する第３方向に規定される幅を有し、前記オーミック電極は前記第３方向に規定される幅を有し、前記パッド電極は前記第３方向に規定される幅を有し、前記サブマウントの前記幅は前記オーミック電極の前記幅より大きく、前記パッド電極の前記幅は前記オーミック電極の前記幅より大きい。
【００１１】
この半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置によれば、III族窒化物半導体レーザは、第１端面から第２端面への第１方向に延在するレーザ導波路を含む。III族窒化物半導体レーザでは、エピタキシャル半導体領域にはオーミック電極が接合を成し、このオーミック電極にはパッド電極が接続されている。サブマウント、III族窒化物半導体レーザ及びヒートシンクが第２方向に沿って順に配列されているので、III族窒化物半導体レーザはサブマウントとヒートシンクとの間に設けられる。III族窒化物半導体レーザは、III族窒化物半導体レーザの裏面電極をサブマウントの前記搭載面に向けた形態（以下、当該明細書において「エピアップ形態」と呼ぶ）でサブマウント上に搭載され、またヒートシンクがIII族窒化物半導体レーザ上に搭載されるので、レーザ導波路からの熱は、基板及びエピタキシャル半導体領域を含むレーザ構造体を介してサブマウントに伝わる。また、レーザ導波路からの熱は、高い温度のレーザ導波路から、オーミック電極及びパッド電極を介して低い温度のヒートシンクにも伝わる。ヒートシンクに伝わった熱は、ヒートシンクの幅がオーミック電極の幅より大きいので、オーミック電極から離れたヒートシンク端に向けてヒートシンク内を伝搬していき、ヒートシンクの温度はヒートシンク端に向けて低くなる。また、III族窒化物半導体レーザの温度はレーザ導波路から離れるにつれて低くなる。III族窒化物半導体レーザの熱電伝導率はヒートシンクの熱電伝導率より小さいので、III族窒化物半導体レーザの両脇の近傍では、III族窒化物半導体レーザの温度はヒートシンクの温度より低くなる。ヒートシンクの熱はIII族窒化物半導体レーザに伝搬するので、レーザ導波路の両側にあり該レーザ導波路から離れた半導体領域はヒートシンクからの熱をサブマウントに伝えるために役立つ。
【００１２】
上記の形態でサブマウント上に搭載されたIII族窒化物半導体レーザ上にヒートシンクを設けるとき、III族窒化物半導体レーザのより多くの領域を放熱のために利用することを可能にする。
【００１３】
本発明に係る半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置では、前記III族窒化物半導体レーザの前記基板の前記主面はIII族窒化物からなり、前記基板の前記主面は該III族窒化物のｃ軸の方向に延在する軸に直交する平面に対して１０度以上８０度以下の範囲の角度で傾斜し、前記III族窒化物のｃ軸は＜０００１＞軸又は＜０００−１＞軸であることができる。
【００１４】
この半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置によれば、上記の角度範囲の主面上の発光素子における発熱が大きい。
【００１５】
本発明に係る半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置では、前記III族窒化物半導体レーザの発振波長は４８０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下であることができる。この半導体レーザモジュールによれば、上記の発振波長の範囲の発光ではレーザ導波路のおける発熱が大きい。
【００１６】
本発明に係る半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置では、前記III族窒化物半導体レーザの前記基板の前記主面はIII族窒化物からなり、前記エピタキシャル半導体領域は、第１導電型III族窒化物半導体層、活性層、及び第２導電型III族窒化物半導体層を含み、前記エピタキシャル半導体領域は前記活性層と前記第１導電型III族窒化物半導体層との間に設けられた光ガイド層を更に含み、前記光ガイド層と前記活性層との界面は、前記III族窒化物のｃ軸に沿って延びる基準軸に直交する面からｍ軸方向に傾斜していることが好ましい。この半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置によれば、上記の傾斜方向に傾斜した主面上の発光素子における発熱が大きい。
【００１７】
本発明に係る半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置では、前記光ガイド層と活性層との界面は、前記基準軸に直交する面からｍ軸方向に６３度以上８０度未満の角度で傾斜していることができる。この半導体レーザモジュールによれば、上記の角度範囲の主面上の発光素子における発熱が大きい。
【００１８】
本発明に係る半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置では、前記III族窒化物半導体レーザの発振波長が、５１０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下であることが好ましい。この半導体レーザモジュールによれば、上記の発振波長の範囲の発光では発行素子における発熱が大きい。
【００１９】
本発明に係る半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置では、前記エピタキシャル半導体領域は、第１導電型III族窒化物半導体層、活性層、及び第２導電型III族窒化物半導体層を含み、前記第１導電型III族窒化物半導体層、前記活性層及び前記第２導電型III族窒化物半導体層は、前記基板の主面の法線軸の方向に沿って配列されており、前記III族窒化物半導体レーザの厚さは１００μｍ以下であることが好ましい。
【００２０】
この半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置によれば、III族窒化物半導体レーザの厚さが上記の範囲であるので、比較的低い熱伝導性の材料からなるIII族窒化物半導体レーザの厚さが薄い。
【００２１】
本発明に係る半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置では、前記III族窒化物半導体レーザは前記第３方向に規定される幅を有し、前記パッド電極の前記幅は前記III族窒化物半導体レーザ及び半導体レーザ装置の前記幅の半分以上であることができる。
【００２２】
この半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置によれば、パッド電極の幅がIII族窒化物半導体レーザの幅の半分以上であるとき、III族窒化物半導体レーザのより多くの半導体領域を放熱のために利用できる。
【００２３】
本発明に係る半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置では、前記III族窒化物半導体レーザは前記第３方向に規定される幅を有し、前記ヒートシンクの前記幅は前記III族窒化物半導体レーザの前記幅以上であることができる。或いは、前記ヒートシンクの前記幅は前記パッド電極の前記幅以上であることができる。
【００２４】
この半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置によれば、ヒートシンクの幅がIII族窒化物半導体レーザの幅以上であるので、ヒートシンクは、III族窒化物半導体レーザの光導波路からの熱を、III族窒化物半導体レーザのレーザ導波路から離れた領域に伝える熱伝導路を提供する。
【００２５】
本発明に係る半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置では、前記ヒートシンクの厚さは前記サブマウントの厚さより小さいことが好ましい。
【００２６】
この半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置によれば、ヒートシンクの厚さがサブマウントの厚さより小さいので、ヒートシンクは、上記の実装形態でサブマウント上に実装されたIII族窒化物半導体レーザ上において、III族窒化物半導体レーザの光導波路からの熱を、III族窒化物半導体レーザのレーザ導波路から離れた領域に伝える。
【００２７】
本発明に係る半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置では、前記ヒートシンクは、ＡｌＮ、ＳｉＣ、銅、及び銅ダイヤモンド複合体の少なくともいずれかからなる支持体を含むことができる。この半導体レーザモジュールによれば、ヒートシンクに上記の材料を適用できる。
【００２８】
本発明に係る半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置では、前記ヒートシンクは、ＡｌＮ、ＳｉＣ、及び銅ダイヤモンド複合体の少なくともいずれかからなる支持体を含み、前記ヒートシンクの前記支持体は第１面と該第１面の反対側の第２面と有し、前記ヒートシンクは前記支持体の前記第１面から前記第２面まで前記支持体の表面を延在する導電層を含むことができる。
【００２９】
この半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置によれば、III族窒化物半導体レーザのレーザ構造体上のパッド電極は、ヒートシンクの支持体表面の導電層を接続される。
【００３０】
本発明に係る半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置は、前記ヒートシンクを前記III族窒化物半導体レーザに固定する導電性接着剤を更に備えることができる。
【００３１】
この半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置によれば、ヒートシンクの熱膨張係数がIII族窒化物半導体レーザの熱膨張係数に比較的近いとき、導電性接着剤を用いてヒートシンクをIII族窒化物半導体レーザにしっかりと固定することができる。
【００３２】
本発明に係る半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置では、前記ヒートシンクは、銅を含む金属支持体を有することができる。この半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置によれば、金属は窒化物半導体の熱伝導性より良好な熱伝導性を提供できる。
【００３３】
本発明に係る半導体レーザモジュール及び半導体レーザ装置では、前記ヒートシンクは、前記III族窒化物半導体レーザの前記パッド電極に接触を成し、当該半導体レーザモジュールは、前記ヒートシンクと前記前記III族窒化物半導体レーザとの接触を維持する固定具を更に備えることができる。
【００３４】
この半導体レーザモジュールによれば、ヒートシンクの熱膨張係数がIII族窒化物半導体レーザの熱膨張係数にそれほど近くないとき、固定具を用いてヒートシンクをIII族窒化物半導体レーザとの接触を維持することができる。
【００３５】
本発明に係る半導体レーザモジュールでは、前記固定具は、前記ヒートシンクと前記III族窒化物半導体レーザとの接触を維持するための弾性力を提供することが好ましい。この半導体レーザモジュールによれば、固定具からの弾性力は、接着剤を用いたじっかりとした固定でなく、上記の接触を維持することを可能にする。
【００３６】
本発明に係る半導体レーザモジュールでは、前記固定具は、前記台座と前記ヒートシンクとに接触を成す閉じた形状のベルトを含むことが好ましい。この半導体レーザモジュールによれば、閉じた形状のベルトにより弾性力を提供して、接着剤を用いたじっかりとした固定でなく、上記の接触を維持することができる。
【００３７】
本発明に係る半導体レーザモジュールは、前記ステムに支持された第１端子と前記ヒートシンクを接続する第１ボンディングワイヤを更に備えることができる。この半導体レーザモジュールによれば、III族窒化物半導体レーザのパッド電極はヒートシンクを介して第１ボンディングワイヤに接続される。
【００３８】
本発明に係る半導体レーザモジュールは、前記ステムに支持された第２端子と前記サブマウントを接続する第２ボンディングワイヤを更に備えることができる。この半導体レーザモジュールによれば、III族窒化物半導体レーザの裏面電極はサブマウントを介して第２ボンディングワイヤに接続される。
【発明の効果】
【００３９】
以上説明したように、本発明によれば、良好な放熱性を提供可能な構造を有する半導体レーザモジュールを提供できる。また、本発明によれば、この半導体レーザモジュールのための半導体レーザ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、本実施の形態に係る半導体レーザモジュールの構造を概略的に示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態に係る半導体レーザモジュールの一断面における構造を模式的に示す図面である。
【図３】図３は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置における電流の流れとレーザ導波路からの熱の流れを示す図面である。
【図４】図４は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザの上面を示す図面である。
【図５】図５は、本実施の形態に係るモデルにおける半導体レーザの放熱性及び半導体レーザ装置の放熱性のシミュレーション結果を示す図面である。
【図６】図６は、本実施の形態に係る半導体レーザモジュールの一形態を示す図面である。
【図７】図７は、本実施の形態に係る半導体レーザモジュールの一形態を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
引き続いて、添付図面を参照しながら、半導体レーザモジュール、半導体レーザ装置及びIII族窒化物半導体レーザ素子の本発明に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。図面に示された構成物の寸法比は実物の寸法比と異なることがある。
【００４２】
図１は、本実施の形態に係る半導体レーザモジュールの構造を概略的に示す図面である。図２は、本実施の形態に係る半導体レーザモジュールの一断面における構造をI−I線に沿ってとられた断面を模式的に示す図面である。半導体レーザモジュール１は、半導体レーザ装置３及びパッケージ（例えば図２におけるステム５ａ及びキャップ５ｂ）５を含む。半導体レーザ装置３は、サブマウント７、ヒートシンク９及びIII族窒化物半導体レーザ素子１１を含む。本実施形態では、III族窒化物半導体レーザ素子１１は、利得導波路型の構造を有するけれども、本実施の形態に係る半導体レーザモジュール１は、利得導波路型のIII族窒化物半導体レーザ素子に限定されることなく、リッジ構造といった他の構造のIII族窒化物半導体レーザ素子に適用される。
【００４３】
半導体レーザモジュール１では、サブマウント７は搭載面７ａ及び固定面７ｂを含み、固定面７ｂは搭載面７ａと反対側に位置する。III族窒化物半導体レーザ１１は搭載面７ａ上に搭載される。サブマウント７はパッケージ５上に搭載され、例えばステムの台座上に搭載される。ヒートシンク９はIII族窒化物半導体レーザ１１上に搭載される。III族窒化物半導体レーザ１１は、レーザ構造体１３、オーミック電極１５、裏面電極４１及びパッド電極４５を含む。レーザ構造体１３は、導電性の基板１７と、該基板１７の主面１７ａ上に設けられたエピタキシャル半導体領域１９とを含む。オーミック電極１５は、エピタキシャル半導体領域１９に接合を成す。裏面電極４１は、基板１７の裏面１７ｂに接合を成す。パッド電極４５はオーミック電極１５に接触を成す。III族窒化物半導体レーザ１１は、第１端面２７及び第２端面２９と、第１端面２７から第２端面２９への第１方向（座標系ＳのＸ軸方向）に延在するレーザ導波路とを含む。本実施例では、レーザダイオードのレーザ導波路はオーミック電極１５に沿って延在する。
【００４４】
サブマウント７、III族窒化物半導体レーザ１１及びヒートシンク９は、第１方向に直交する第２方向（座標系ＳのＺ軸方向）に沿って順に配列されている。III族窒化物半導体レーザ１１はサブマウント７とヒートシンク９との間に設けられている。III族窒化物半導体レーザ１１は、III族窒化物半導体レーザ１１の裏面電極４１をサブマウント７の搭載面７ａに向けた形態（以下、当該明細書において「エピアップ形態」と呼ぶ）で実装されている。
【００４５】
図２を参照すると、ヒートシンク９はIII族窒化物半導体レーザ１１のパッド電極４５に電気的に接続されている。サブマウント７は、第１方向（レーザ導波路方向）及び第２方向（基板法線方向）の両方に直交する第３方向に規定される幅Ｗ７を有する。オーミック電極１５は第３方向に規定される幅Ｗ１５を有する。パッド電極４５は第３方向に規定される幅Ｗ４５を有する。ヒートシンク９は第３方向に規定される幅Ｗ９を有する。ヒートシンク９の幅Ｗ９はオーミック電極１５の幅Ｗ１５より大きく、パッド電極４５の幅Ｗ４５はオーミック電極１５の幅Ｗ１５より大きく、サブマウント７の幅Ｗ７はヒートシンク９の幅Ｗ９より大きい。
【００４６】
この半導体レーザモジュール１１によれば、III族窒化物半導体レーザ１１は、第１端面２７から第２端面２９への方向に延在するレーザ導波路を含む。III族窒化物半導体レーザでは、エピタキシャル半導体領域１９にはオーミック電極１５が接合を成し、このオーミック電極１５にはパッド電極４５が接続される。サブマウント７、III族窒化物半導体レーザ１１及びヒートシンク９が第２方向に沿って順に配列されているので、III族窒化物半導体レーザ１１はサブマウント７とヒートシンク９との間に設けられる。III族窒化物半導体レーザ１１は、III族窒化物半導体レーザ１１の裏面電極４１をサブマウント７の搭載面７ａに向けた形態でサブマウント７上に搭載されるので、レーザ導波路からの熱は、基板１７及びエピタキシャル半導体領域１９を含むレーザ構造体１３を介してサブマウント７に伝わる。また、ヒートシンク９がIII族窒化物半導体レーザ１１上に搭載されるので、レーザ導波路からの熱は、高い温度のレーザ導波路から、オーミック電極１５及びパッド電極４５を介して低い温度のヒートシンク９にも伝わる。ヒートシンク９に伝わった熱は、ヒートシンク９の幅Ｗ９がオーミック電極１５の幅Ｗ１５より大きいので、オーミック電極１５から離れたヒートシンク端に向けてヒートシンク内を伝搬していき、ヒートシンク９の温度分布はレーザ導波路上の中央部からヒートシンク端に向けて低くなる。また、III族窒化物半導体レーザ１１の温度分布はレーザ導波路から離れるにつれて低くなる。III族窒化物半導体レーザ１１の熱電伝導率はヒートシンク９の熱電伝導率より小さいので、III族窒化物半導体レーザ１１の両端の近傍では、III族窒化物半導体レーザ１１の温度はヒートシンク９の温度より低くなるので、ヒートシンク９の熱はIII族窒化物半導体レーザ１１に伝搬する。これ故に、III族窒化物半導体レーザ１１では、レーザ導波路から離れた半導体領域はヒートシンク９からの熱をサブマウント７に伝えるために役立つ。
【００４７】
上記の実装形態でサブマウント７上に搭載されたIII族窒化物半導体レーザ１１上にヒートシンク９を設けるとき、III族窒化物半導体レーザ１１のより多くの領域を放熱のために利用することを可能にする。
【００４８】
再び図１を参照すると、III族窒化物半導体レーザ素子１１は、レーザ構造体１３及びオーミック電極１５を備える。レーザ構造体１３は、基板１７、半導体領域１９、及び絶縁層３１を含む。基板１７は、六方晶系のIII族窒化物半導体からなり、また半極性主面１７ａ及び裏面１７ｂを有する。基板１７の半極性主面１７ａは基準面に沿って延在し、この基準面は基板１１のIII族窒化物半導体の＜０００１＞軸及び＜０００−１＞軸のいずれかの方向に延びる基準軸に直交する面に対して、ゼロより大きな傾斜角を成す。半導体領域１９は、基板１７の半極性主面１７ａ上に設けられている。オーミック電極１５は、レーザ構造体１３の半導体領域１９上に設けられる。半導体領域１９は、第１のクラッド層２１と、第２のクラッド層２３と、活性層２５とを含む。第１のクラッド層２１は、第１導電型III族窒化物半導体層を含み、例えばｎ型ＡｌＧａＮ、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。第２のクラッド層２３は、第２導電型III族窒化物半導体層を含み、例えばｐ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。活性層２５は、第１のクラッド層２１と第２のクラッド層２３との間に設けられる。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２５ａ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２５ｂを含み、井戸層２５ａ及び障壁層２５ｂは交互に配列されている。井戸層２５ａは、例えばＩｎＧａＮ等からなり、障壁層２５ｂは例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。活性層２５は、４８０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の波長の範囲内の光を発生するように設けられた量子井戸構造を含むことができる。この発振波長の領域の光を生成する発光素子は、高放熱特性を必要とする。また、半極性面の利用により、波長５１０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の光の発生に好適である。この波長領域（緑色）の光を生成する発光素子は、高放熱特性を必要とする。第１のクラッド層２１、第２のクラッド層２３及び活性層２５は、半極性主面１７ａの法線軸ＮＸに沿って配列されている。III族窒化物半導体レーザ素子１１では、レーザ構造体１３は、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるｍ−ｎ面に交差する第１端面２７及び第２端面２９を含む。
【００４９】
図１を参照すると、直交座標系Ｓ及び結晶座標系ＣＲが描かれている。法線軸ＮＸは、直交座標系ＳのＺ軸の方向に向く。半極性主面１７ａは、直交座標系ＳのＸ軸及びＹ軸により規定される所定の平面に平行に延在する。図１には、代表的なｃ面Ｓｃが描かれている。六方晶系のIII族窒化物半導体のｃ軸を示す基準軸Ｃｘは、法線軸ＮＸに対してゼロより大きな角度ＡＬＰＨＡで傾斜している。基準軸Ｃｘは、＜０００１＞軸及び＜０００−１＞軸のいずれかの方向を向いている。この角度ＡＬＰＨＡ１０度以上８０度以下の範囲であることができる。また、基板１７の半極性主面１７ａは、ある基準面に沿って延在しており、この基準面は、III族窒化物半導体のｃ軸の方向に延びる基準軸Ｃｘに直交する面（例えばＳｃ）に対して角度ＡＬＰＨＡで傾斜する。また、半極性主面１７ａは、直交座標系ＳのＸ軸及びＹ軸により規定される所定の平面に平行に延在する。図１には、代表的なｃ面Ｓｃが描かれている。六方晶系のIII族窒化物半導体のｃ軸を示す基準軸Ｃｘは、III族窒化物半導体のｃ軸からｍ軸へ向かう方向に法線軸ＮＸに対してゼロより大きな角度ＡＬＰＨＡで傾斜していることができる。この角度は、例えば６３度以上８０度未満の範囲にあることができる。
【００５０】
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、絶縁層３１はレーザ構造体１３の半導体領域１９の表面１９ａを覆っており、半導体領域１９は絶縁層３１と基板１７との間に位置する。絶縁層３１は開口３１ａを有し、開口３１ａは半導体領域１９の表面１９ａと上記のｍ−ｎ面との交差線ＬＩＮの方向に延在し、例えばストライプ形状を成す。このストライプ窓は利得型のレーザ導波路を規定する。オーミック電極１５は、開口３１ａを介して半導体領域１９の、例えばｐ型コンタクト層３３の表面に接触を成しており、上記の交差線ＬＩＮの方向に延在する。III族窒化物半導体レーザ素子１１では、レーザ導波路は、第１のクラッド層２１、第２のクラッド層２３及び活性層２５を含み、また上記の交差線ＬＩＮの方向に延在する。
【００５１】
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、第１端面２７及び第２端面２９は、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸及び法線軸ＮＸ（又はｃ軸）によって規定されるｍ−ｎ面（又はｍ−ｃ面）に交差する。III族窒化物半導体レーザ素子１１のレーザ共振器は第１及び第２端面２７、２９を含み、第１端面２７及び第２端面２９の一方から他方に、上記のレーザ導波路が延在している。レーザ構造体１３は第１の面１３ａ及び第２の面１３ｂを含み、第１の面１３ａは第２の面１３ｂの反対側の面である。第１の端面２７は、第１の面１３ａのエッジ１３ｃから第２の面１３ｂのエッジ１３ｄまで延在し、第２の端面２９も同様に上縁から下渕まで延在する。本実施例では、第１及び第２の端面２７、２９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とができる。
【００５２】
このIII族窒化物半導体レーザ素子１１によれば、レーザ共振器を構成する第１及び第２端面２７、２９がｍ−ｎ面に交差する。これ故に、ｍ−ｎ面と半極性面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。これ故に、III族窒化物半導体レーザ素子１１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。
【００５３】
III族窒化物半導体レーザ素子１１は、ｎ側光ガイド層３５及びｐ側光ガイド層３７を含む。ｎ側光ガイド層３５は、第１の部分３５ａ及び第２の部分３５ｂを含み、ｎ側光ガイド層３５は例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。ｐ側光ガイド層３７は、第１の部分３７ａ及び第２の部分３７ｂを含み、ｐ側光ガイド層３７は例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。電子ブロック層３９は、例えば第１の部分３７ａと第２の部分３７ｂとの間に設けられる。基板１７の裏面１７ｂには裏面電極４１が設けられ、裏面電極４１は例えば基板１７の裏面１７ｂを覆っている。III族窒化物半導体レーザ１１では、ｎ側光ガイド層３５が、第１導電型III族窒化物半導体層を含むクラッド層２１と基板１７との間に設けられ、この光ガイド層３５と活性層との界面はIII族窒化物のｃ軸に沿って延びる基準軸に直交する面からｍ軸方向に傾斜していることが好ましく、他の半導体界面も同様に傾斜している。この結晶面を使用することで、緑色領域の発光に適した活性層の作製が可能になる。光ガイド層３５と活性層との界面は基準軸に直交する面からｍ軸方向に６３度以上８０度未満の角度で傾斜していることができる。ｍ軸方向に上記の角度範囲の角度で傾斜した主面上の発光素子における発熱が大きい。
【００５４】
第１及び第２の端面２７、２９の少なくとも一方、又はそれぞれに設けられた誘電体多層膜４３を更に備えることができる。端面２７、２９にも端面コートを適用できる。端面コートにより反射率を調整できる。
【００５５】
半導体レーザモジュール１において、ヒートシンク９の幅Ｗ９はオーミック電極１５の幅Ｗ１５より大きく、パッド電極４５の幅Ｗ４５はオーミック電極１５の幅Ｗ１５より大きく、サブマウント７の幅Ｗ７はヒートシンク９の幅Ｗ９より大きい。ヒートシンク９の幅Ｗ９は例えば２００μｍ〜４００μｍ程度であり、サブマウント７の幅Ｗ７は例えば５００μｍ〜１０００μｍ程度である。III族窒化物半導体レーザ１１の厚さは例えば１００μｍ以下であることができ、また５０μｍ以上あることができる。
【００５６】
パッド電極４５の幅Ｗ４５はIII族窒化物半導体レーザ１１の横幅Ｗ１１の半分以上であることが好ましく、これはヒートシンク９とパッド電極４５との接着を良好にし、放熱性を高めることができる。また、パッド電極４５の幅Ｗ４５がIII族窒化物半導体レーザ１１の幅Ｗ１１の半分以上であるとき、III族窒化物半導体レーザ１１においてより多くの半導体領域を放熱のために利用できる。また、III族窒化物半導体レーザ１１がトレンチ構造といった構造を有するとき、レーザチップ上面が、ヒートシンク９との接触を可能にする構造を有することができる。
【００５７】
ヒートシンク９の幅Ｗ７はIII族窒化物半導体レーザ１１の幅Ｗ１１以上であることができる。この半導体レーザモジュールによれば、サブマウント９の幅Ｗ９がIII族窒化物半導体レーザ１１の幅Ｗ１１以上であるので、ヒートシンク９は、III族窒化物半導体レーザ１１のレーザ導波路からの熱を、III族窒化物半導体レーザ１１のレーザ導波路から離れた領域に伝える熱伝導路を提供する。また、ヒートシンク９の幅Ｗ７はIII族窒化物半導体レーザ１１上のパッド電極４５の幅Ｗ４５以上であることができる。
【００５８】
ヒートシンク９の厚さはサブマウント７の厚さより小さいことが好ましい。この半導体レーザモジュール１によれば、ヒートシンク９の熱伝導性がIII族窒化物半導体レーザ１１に比べて良いので、III族窒化物半導体レーザ１１を支持するための機械的強度を必要とするサブマウント７に比べて薄くできる。
【００５９】
オーミック電極１５上においてパッド電極４５の厚さは０．３μｍ以上２．０μｍ以下であり、オーミック電極１５は端面２７の上縁１３ｃから端面２９の上縁１３ｅまで延在する。また、パッド電極４５は、レーザ導波路上において、端面２７の上縁１３ｃから端面２９の上縁１３ｅまで延在することができ、或いは、必要な場合には端面２７の上縁１３ｃから離れた位置から端面２９の上縁１３ｅから離れた位置まで延在することができる。また、パッド電極４５は、III族窒化物半導体レーザ素子１１の側面２０ａ、２０ｂから離れていることができる。半導体チップへの分離の際にレーザー等で表面に切れ目を入れるが、パッド電極４５が側面２０a、２０ｂから離れていなければパッド電極４５の上から切れ目を入れることになり、パッド電極４５とｎ型半導体とが接触してリークが生じてしまう。パッド電極４５と側面２０a、２０ｂが離れていることで、チップへの分離時にリークすることを防ぐことができる。このIII族窒化物半導体レーザ１１によれば、オーミック電極１５が端面２７の上縁１３ｃから端面２９の上縁１３ｅまで延在するので、レーザストライプ全体にわたって電流を供給できると共に、レーザ導波路からの熱はオーミック電極１５を介してパッド電極４５に伝わる。
【００６０】
また、パッド電極４５が端面２７の上縁１３ｃ及び端面２９の上縁１３ｅの両方から離れている形態では、III族窒化物半導体レーザ１１の作製におけるレーザバー作成の際に、厚膜のパッド電極４５による影響を受けず、またパッド電極４５の剥がれが生じない。
【００６１】
オーミック電極１５は、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｐｔ、及びＡｕの少なくともいずれかの金属から成ることが好ましい。これらの金属は、半極性面に対して良好な電気接触を提供できる。また、パッド電極４５は、Ｔｉ、Ｐｔ、及びＡｕの少なくともいずれかの金属から成ることが好ましい。これらの金属は、オーミック電極に対して良好な密着性を提供できる。
【００６２】
図２を参照すると、半導体レーザモジュール１は、ステム３ｂに支持された第１端子とヒートシンク９を接続するボンディングワイヤ５ｃを更に備えることができ、III族窒化物半導体レーザ１１のパッド電極４５はヒートシンク９を介してボンディングワイヤ５ｃに接続される。また、半導体レーザモジュール１は、ステム３ｂに支持された第２端子とサブマウント７を接続するボンディングワイヤ５ｄを更に備えることができ、III族窒化物半導体レーザ１１の裏面電極４１はサブマウント７を介してボンディングワイヤ５ｄに接続される。
【００６３】
図３は、半導体レーザ装置における電流の流れとレーザ導波路からの熱の流れを示す図面である。図３を参照すると、活性層２５へ供給される電流Ｉは、絶縁膜３１の開口３１ａ（或いは、リッジ構造では半導体リッジによる狭窄幅）からやや拡がって活性層２５に到達する。活性層２５は狭窄された電流により発光し、この光はレーザ導波路を伝搬する。また、活性層２５の発光領域は発熱する。この熱の一部ＴＥ１は、上側半導体領域（例えばｐ型半導体領域）を介してオーミック電極１５へ伝わり、この熱の別の一部ＴＥ２は、活性層２５の発光領域から半導体領域１９及び基板１７を介して基板裏面１７ｂに伝わる。
【００６４】
パッド電極４５がオーミック電極１５に接触を成すので、オーミック電極１５を介して活性層２５からの熱ＴＥ３がパッド電極４５に伝わる。オーミック電極１５からの熱ＴＥ３は、オーミック電極１５の幅より大きい幅のパッド電極４５及びヒートシンク９を伝搬して、オーミック電極１５やレーザ導波路から離れたヒートシンク９の端部に伝わる。パッド電極４５の幅はオーミック電極１５の幅より広いので、オーミック電極１５からの熱の一部ＴＥ４は、パッド電極４５をパッド電極４５の端部に向けて伝搬した後に、ヒートシンク９に伝わる。ヒートシンク９の端部はパッド電極４５にも熱的に接触を成すので、オーミック電極１５からの熱の一部ＴＥ５、ＴＥ６はヒートシンク９からレーザ構造体１３に伝わり、この熱ＴＥ７はレーザ構造体１３を伝搬して基板裏面１７ｂに向けて伝搬する。
【００６５】
ヒートシンク９は、III族窒化物半導体レーザ素子１１のレーザ導波路で生成された熱を受け取る。この熱は、レーザ導波路の上部に位置するヒートシンク９（ヒートシンクの中央部）にオーミック電極１５及びパッド電極４５を介して伝わる。ヒートシンクの中央部の熱は、ヒートシンク９の熱伝導性がパッド電極４５の熱伝導性より良好であるので、ヒートシンク９内を伝搬して、ヒートシンクの中央部からヒートシンク９の両ウイング部を通してヒートシンク９の端部に向けて伝わる。一方、III族窒化物半導体レーザ素子１１の熱伝導性に起因して、III族窒化物半導体レーザ素子１１の側部の温度は、III族窒化物半導体レーザ素子１１のレーザ導波路の温度に比べて低い。これ故に、ヒートシンク９の両端部に伝わった熱は、パッド電極４５を介してレーザ構造体１３に戻り、この熱はIII族窒化物半導体レーザ素子１１の側部を伝搬して基板裏面１７ｂの電極４１からサブマウント７に伝わる。
【００６６】
ヒートシンク９は、ＡｌＮ、ＳｉＣ、金属、及び銅ダイヤモンド複合体の少なくともいずれかからなる支持体を含むことができる。この半導体レーザモジュール１によれば、ヒートシンク９に上記の材料を適用できる。また、金属としては例えば銅を用いることができる。ヒートシンク９がＣｕ（熱伝導係数：３９８Ｗ／ｍ・Ｋ）からなることができる。比較的大きな熱伝導係数を有するヒートシンク９をIII族窒化物半導体レーザ素子１１に適用できる。銅ダイヤモンド複合体は、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未満である。
【００６７】
ヒートシンク９の材料がＡｌＮ、ＳｉＣ及び銅ダイヤモンド複合体等の少なくともいずれかからなるとき、これらの材料の熱膨張係数と窒化ガリウム系半導体の熱膨張係数との差が比較的小さい。この形態では、ヒートシンク９をIII族窒化物半導体レーザ素子１１に、はんだといった導電性接着剤を用いて融着することができる。はんだ材料としては、例えばＡｕＳｎ、ＳｎＡｇ、ＳｎＡｇＣｕなどを適用できる。ヒートシンク９の熱膨張係数がIII族窒化物半導体レーザ１１の熱膨張係数に比較的近いとき、導電性接着剤（図２における参照符号１０）を用いてヒートシンクをIII族窒化物半導体レーザにしっかりと固定することができる。
【００６８】
ヒートシンク９がＡｌＮ（熱膨張率：４．５×１０−６／Ｋ）からなることができる。窒化ガリウム系半導体の熱膨張率に近い材料からなるヒートシンク９をIII族窒化物半導体レーザ素子１１に適用できる。
【００６９】
ヒートシンク９が銅ダイヤモンド複合体（熱膨張率：４．０〜６．０×１０−６／Ｋ）からなることができる。窒化ガリウム系半導体の熱膨張率に近い材料からなるヒートシンク９をIII族窒化物半導体レーザ素子１１に適用できる。
【００７０】
ヒートシンク９がＳｉＣ（熱膨張率：４．１×１０−６／Ｋ）からなることができる。熱伝導率が比較的高い（２００Ｗ／ｍＫ）ため放熱性が良く、ヒートシンクに適用できる。
【００７１】
ヒートシンク９が絶縁性を示す材料からなる支持体を含むとき、例えばＡｌＮ及び銅ダイヤモンド複合体の少なくともいずれかからなる支持体を含むとき、図２に示されるように、支持体９ｃは第１面９ａと該第１面９ａの反対側の第２面９ｂと有する。ヒートシンク９は支持体９ｃの第１面９ａから第２面９ｂまで支持体表面を延在する導電層９ｄを含むことが好ましい。この半導体レーザモジュール１によれば、III族窒化物半導体レーザ１１のレーザ構造体１３上のパッド電極４５は、ヒートシンク９の支持体表面の導電層９ｄを接続される。
【００７２】
ヒートシンク９は、銅を含む金属支持体を含むことができる。この半導体レーザモジュール１によれば、金属支持体は窒化物半導体の熱伝導性より良好な熱伝導性を提供できる。
【００７３】
図４は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザの上面を示す図面である。図４に示されるように、パッド電極４５は、オーミック電極１５に接触を成すと共にオーミック電極１５を保護するセンタ部４５ａと、オーミック電極１５に接触することなく絶縁層３１に接触する第１及び第２ウイング部４５ｂ、４５ｃとを含む。パッド電極４５においてセンタ部４５ａは第１ウイング部４５ｂと第２ウイング部４５ｃとの間にある。パッド電極４５は、オーミック電極１５に接触を成すセンタ部４５ａに隣接してその両側に第１及び第２ウイング部４５ｂ、４５ｃを有するので、レーザ導波路からの熱をセンタ部４５ａに受けて、この熱をセンタ部４５ａから受け取るための第１及び第２ウイング部４５ｂ、４５ｃを介して、センタ部４５ａから半導体領域１９に熱が伝搬する。センタ部４５ａはオーミック電極１５を覆っており、また端面２７、２９の各々に到達していることができる。パッド電極４５は幅Ｗ４５を有する。センタ部４５ａの幅Ｗ４５ａはオーミック電極１５の幅Ｗ１５より大きく、オーミック電極１５の幅Ｗ１５は絶縁膜３１の開口３１ａの幅Ｗ３１以上である。
【００７４】
オーミック電極１５は半導体領域１９に接触を成す。III族窒化物半導体レーザがリッジ構造を含むときは、オーミック電極１５はリッジの上面に接触を成し、半導体リッジの側面は、ある角度で半導体リッジの上面に対して傾斜しており、その角度は９０度より小さい或いは９０度以下であることができる。絶縁層３１は、図１及び図２に示されるようにオーミック電極１５のための開口を規定するように設けられる。レーザ導波路からの熱は、半導体リッジを介してオーミック電極１５に伝わり、さらにパッド電極に４５に伝わる。
【００７５】
III族窒化物半導体レーザ１１では、レーザ構造体１３は、第１部分１２ａ、第２部分１２ｂ、第３部分１２ｃ、第４部分１２ｄ及び第５部分１２ｅを備えることができる。第１部分１２ａ、第２部分１２ｂ、第３部分１２ｃ、第４部分１２ｄ及び第５部分１２ｅは第３方向（座標系ＳのＹ軸の方向）に順に配列されており、第１部分１２ａ、第２部分１２ｂ、第３部分１２ｃ、第４部分１２ｄ及び第５部分１２ｅの各々は第１方向（座標系ＳのＸ軸の方向）に延在する。第３部分１２ｃは、ストライプ開口３１ａに位置合わせされている。パッド電極４５は、第１部分１２ａ及び第５部分１２ｅ上に設けられることなく、また第２部分１２ｂ、第３部分１２ｃ及び第４部分１２ｄ上に設けられる。パッド電極４５は第１部分１２ａ、第２部分１２ｂ、第３部分１２ｃ、第４部分１２ｄ及び第５部分１２ｅ上に設けられることができる。
【００７６】
また、III族窒化物半導体レーザ１１では、レーザ構造体１３は、第６部分１２ｆ及び第７部分１２ｇを更に備えることができる。第６部分１２ｆ及び第７部分１２ｇは、それぞれ、当該III族窒化物半導体レーザ１１の側面５１ｄ、５１ｅを含む。第１部分１２ａ〜第５部分１２ｅは第６部分１２ｆと第７部分１２ｇとの間に設けられる。パッド電極４５は第６部分１２ｆ及び第７部分１２ｇ上に設けられていない。これ故に、パッド電極４５の側縁４５ｄ、４５ｅは、第１方向に延在するIII族窒化物半導体レーザ側面２０ａ、２０ｂから離れるように設けられる。III族窒化物半導体レーザを作製する際に、厚膜のパッド電極４５の剥がれを避けることができる。パッド電極４５の縁と素子側面２０ａ、２０ｂの上縁との距離ＤＥ２は例えば２０μｍ以上であることができる。パッド電極４５のウイング部の縁４５ｆ、４５ｇと端面２７、２９の上縁との距離ＤＥ１は例えば１０μｍ以上であることができる。
【００７７】
ディスプレイ用の半導体レーザとして、赤色半導体レーザ、緑色半導体レーザ、及び青色半導体レーザを用いることができる。モバイルプロジェクター用途の半導体レーザでは、光学ディスク用半導体レーザや通信用半導体レーザとは異なり十分な冷却機構を備えることができず、動作中の半導体レーザの素子温度が高い。また、ディスプレイ用の半導体レーザの発熱が大きい。特に、緑色半導体レーザの動作電圧は、赤色半導体レーザ及び青色半導体レーザに比べて高く、その外部量子効率も低い。これ故に、緑色半導体レーザの発熱量がより大きい。そこで、緑色半導体レーザにも適用可能な高い放熱性を有する素子構造が求められている。
【００７８】
発明者の実験によれば、ヒートシンクを研磨により薄くすると、その厚さは１００μｍ厚程度の厚みまで薄くできる。これ故に、熱抵抗のシュミュレーションでは、レーザダイオードチップと同じ横幅（横幅４００μｍ）であり１００μｍ厚の上部ヒートシンクを窒化ガリウム系半導体レーザダイオード上に接触させるモデルを用いる。このモデルでは、窒化ガリウム系半導体レーザダイオードのチップ厚みは８０μｍであり、下部サブマウントは３００μｍ厚み及び８００μｍの横幅を有する。シュミュレーションでは、１．０ワットの電力を窒化ガリウム系半導体レーザダイオードに投入すると共に、ステム温度を摂氏２５．０度の固定値に設定する。
【００７９】
図５は、半導体レーザの放熱性、及び半導体レーザ装置の放熱性に係るシミュレーション結果を示す図面である。図５の（ａ）部は、本実施の形態に係る上部ヒートシンク（銅製）を有しｐアップ実装された半導体レーザ、上記ヒートシンク及びサブマウントの温度分布を示す。図５の（ｂ）部は、本実施の形態に係る上部ヒートシンク（ＡｌＮ製）を有しｐアップ実装された半導体レーザ、上記ヒートシンク及びサブマウントの温度分布を示す。図５の（ｃ）部は、上部ヒートシンクを用いないｐアップ実装された半導体レーザ及びサブマウントの温度分布を示す。
【００８０】
このとき、図５の（ａ）部は、上部ヒートシンクに銅製を適用する半導体レーザモジュールの温度分布を示す。銅の熱伝導係数としては３９８Ｗ／ｍ・Ｋを用いる。レーザダイオードの温度は摂氏４０．６６度であり、熱抵抗は１５．５６℃／Ｗと見積もられる。図５の（ｂ）部は、上部ヒートシンクにＡｌＮを適用する半導体レーザモジュールの温度分布を示す。ＡｌＮの熱伝導係数としては２３０Ｗ／ｍ・Ｋを用いる。レーザダイオードの温度は摂氏４２．３９度であり、熱抵抗は１７．３９℃／Ｗと見積もられる。図５の（ｃ）部は、上部ヒートシンクを用いない半導体レーザモジュールの温度分布を示す。ＡｌＮの熱伝導係数としては２３０Ｗ／ｍ・Ｋを用いる。レーザダイオードの温度は、摂氏５４．０６度であり、熱抵抗は２９．０６℃／Ｗと見積もられる。これらの結果から、上部ヒートシンクの使用は、レーザ導波路の温度を下げる効果を有する。
【００８１】
これらの図面では、シミュレーションにより得られた温度分布を破線Ｔ２５〜Ｔ４６で示しており、文字“Ｔ”に続く複数桁の数字は温度の違いを表しており、大きい数値は高い温度を意味する。図５の（ａ）部における温度分布（Ｔ２５〜Ｔ３５）と図５の（ｃ）部における温度分布（Ｔ２５〜Ｔ４６）とを比較すると、大幅な温度分布の改善が示される。また、図５の（ｂ）部における温度分布（Ｔ２５〜Ｔ３８．５）と図５の（ｃ）部における温度分布（Ｔ２５〜Ｔ４６）とを比較すると、大幅な温度分布の改善が示される。図５の（ａ）部における温度分布（Ｔ２５〜Ｔ３５）と図５の（ｂ）部における温度分布（Ｔ２５〜Ｔ３８．５）との比較によれば、上部ヒートシンクは良好な熱伝導係数の材料からなることが好適であることを示す。半導体レーザのｐアップ形態における放熱特性が、上部ヒートシンクの適用により改善できることが示される。
【００８２】
図６を参照すると、半導体レーザモジュール７１ａが示される。半導体レーザ装置６１ａは、ステム７３ａ上の台座（ヒートシンク）７５上に搭載される。III族窒化物半導体レーザ１１はサブマウント７に導電性接着剤１０ｂを介してしっかりと固定される。ステム７３ａ上にレンズキャップ７３ｂが設けられ、ステム７３ａ及びレンズキャップ７３ｂはパッケージ７３を構成する。ステム７３ａは例えば鉄製であり、レンズキャップ７３ｂの金属部分も鉄製である。台座（ヒートシンク）７５は熱伝導性に優れた例えば銅製である。ステム７３ａはリード端子７７ａ、７７ｂ、７７ｃを支持している。リード端子７７ａは、ボンディングワイヤ７９ａを介してヒートシンク９に接続され、ヒートシンク９の電極層を介してIII族窒化物半導体レーザ１１のアノード電極に接続される。リード端子７７ｂは、サブマウント７の搭載面７ａ上の電極層７ｃにボンディングワイヤ７９ｂを介して接続される。リード端子７７ｃは、金属製のステム７３に接続される。ヒートシンク９はIII族窒化物半導体レーザ１１のアノード電極と導電性接着剤１０ａを介してしっかりと接着される。
【００８３】
図７を参照すると、半導体レーザモジュール７１ｂが示される。半導体レーザ装置６１ｂは、ステム７３ａの台座（ヒートシンク）７５上に搭載される。III族窒化物半導体レーザ１１はサブマウント７に導電性接着剤１０ｂを介してしっかりと固定される。必要な場合には、ヒートシンク９とIII族窒化物半導体レーザ１１との間にグリス１０ｃを設けることができ、グリス１０ｃとしては、例えば非シリコーン系の導電性グリス、さらには例えばパーフロロポリエーテルを導電性添加剤でグリース化したもの等である。
【００８４】
半導体レーザモジュール７１ｂは、ヒートシンク９とIII族窒化物半導体レーザ１１との接触を維持する固定具８１を更に備えることができる。固定具８１は、ヒートシンク９が接着剤を介すること無くIII族窒化物半導体レーザ１１のパッド電極（例えばアノード電極）に接触を成すことを可能する。ヒートシンク９の熱膨張係数がIII族窒化物半導体レーザ１１の熱膨張係数にそれほど近くないとき、固定具８１を用いてヒートシンク９とIII族窒化物半導体レーザ１１との接触を維持することが好ましい。固定具８１は、ヒートシンク９とIII族窒化物半導体レーザ１１との接触を維持するための弾性力を提供できるものであることが好ましい。固定具８１からの弾性力は、接着剤を用いたじっかりとした固定でなく、上記の接触を維持することができる。このような弾性力は、例えばゴムやばね等によって提供される。
【００８５】
本実施例では、ヒートシンク９、III族窒化物半導体レーザ１１、サブマウント７及び台座（ヒートシンク）７５の配置は、固定具８１の一例であるベルトによって提供される。ベルトは、ヒートシンク９とIII族窒化物半導体レーザ１１との接触を維持できる。このベルトは、台座７５の背面に沿って延在して台座７５に接触を成す共にヒートシンク９の上面に接触を成す閉じた形状を有する。閉じた形状のベルトにより弾性力を提供して、接着剤を用いたじっかりとした固定でなく、上記の配列を維持することができる。ヒートシンク９はIII族窒化物半導体レーザ１１のアノード電極と導電性接着剤１０ａを介することなく、電気的及び熱的に結合される。この実施例においては、ヒートシンク９は例えば銅からなることができ、固定具８１はゴムや金属からなることができ、ヒートシンク９とIII族窒化物半導体レーザ１１との間には、必要に応じて、グリスを充填することが好ましい。銅等の金属の熱膨張係数は、III族窒化物半導体レーザ１１の熱膨張係数にあまり近くない。
【００８６】
図６及び図７に示される半導体レーザモジュール７１ａ、７１ｂ及び半導体レーザ装置６１ａ、６１ｂにおけるIII族窒化物半導体レーザ１１の放熱性に関しては、ｐダウン形態における放熱特性とｐアップ形態における放熱特性との差を低減されている。
【００８７】
図７では、固定具８１が、ヒートシンク９、III族窒化物半導体レーザ１１、サブマウント７及び台座（ヒートシンク）７５の配置を固定するために使用されているけれども、本実施の形態では、固定具８１がヒートシンク９、III族窒化物半導体レーザ１１及びサブマウント７の配置を固定していることができる。
【００８８】
本実施形態に係るIII族窒化物半導体レーザ１１を作製する方法の一例を簡単に説明する。｛２０−２１｝面ＧａＮ基板上に、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層（Ｉｎ組成：０．０３、Ａｌ組成０．１４）、ｎ型ＧａＮ光ガイド層、ｎ型ＩｎＧａＮ光ガイド層（Ｉｎ組成０．０３）、アンドープＩｎＧａＮ光ガイド層（Ｉｎ組成０．０３）、ＩｎＧａＮ活性層（Ｉｎ組成０．３０）、アンドープＩｎＧａＮ光ガイド層（Ｉｎ組成０．０３）、ｐ型ＧａＮ光ガイド層、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層（Ｉｎ組成：０．０３、Ａｌ組成０．１４）、ｐ型ＧａＮコンタクト層を成長してエピタキシャル基板を作製する。次いで、この準備されたエピタキシャル基板上に、ストライプ開口を有するＳｉＯ２膜を形成した後に、オーミック電極のためのＰｄ膜を成長する。オーミック電極のためのマスクを形成した後にＰｄ膜のドライエッチングを行い、Ｐｄ電極を形成する。この上に、Ａｕからなるパッド電極をリフトオフ法で形成する。次いで、基板研磨の後に、Ｔｉ／Ａｕからなる裏面電極を形成する。これらの工程により基板生産物が作製される。この基板生産物にスクライブ及び押厚を行って、レーザバーを作製する。レーザ端面に端面コートを形成する。端面コートとしては、例えばＳｉＯ２／ＴｉＯ２多層膜、やＳｉＯ２／ＺｒＯ２多層膜を用いることができる。多層膜の繰り返し数は例えば２〜５層である。この後に、レーザバーの分離により、個々の半導体レーザを作製する。この半導体レーザをｐアップ形態でサブマウントに搭載して、半導体レーザ装置を作製する。この半導体レーザ装置をキャンケースに実装して、光モジュールを作製する。
【００８９】
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。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、良好な放熱性を提供可能な構造を有する半導体レーザモジュールを提供できる。また、本実施の形態によれば、この半導体レーザモジュールのための半導体レーザ装置を提供できる。
【符号の説明】
【００９１】
１…半導体レーザモジュール、３…パッケージ、７…サブマウント、９…ヒートシンク、１０ａ、１０ｂ…導電性接着剤、１１…III族窒化物半導体レーザ素子、１３…レーザ構造体、１５…オーミック電極、１７…基板、１７ａ…基板の半極性主面、１７ｂ…基板裏面、１９…半導体領域、２１…第１のクラッド層、２３…第２のクラッド層、２５…活性層、２５ａ…井戸層、２５ｂ…障壁層、２７、２９…割断面、３１…絶縁層、ＡＬＰＨＡ…角度、３３…ｐ型コンタクト層、ＬＩＸ…交差線、３５…ｎ側光ガイド層、３７…ｐ側光ガイド層、３９…電子ブロック層、４１…裏面電極、４３…誘電体多層膜、４５…パッド電極、６１ａ、６１ｂ…半導体レーザ装置、７１ａ、７１ｂ…半導体レーザモジュール、７３ａ…ステム、７３ｂ…レンズキャップ、７５…ヒートシンク、７７ａ〜７７ｃ…リード端子、７９ａ、７９ｂ…ボンディングワイヤ。
【図１】
2013089733.tif 000003
【図２】
2013089733.tif 000004
【図３】
2013089733.tif 000005
【図４】
2013089733.tif 000006
【図５】
2013089733.tif 000007
【図６】
2013089733.tif 000008
【図７】
2013089733.tif 000009