(57)【要約】【課題】強度を確保しつつ、発光効率の向上、発熱量の抑制および装置の小型化を図ることのできるレーザダイオードを得ること。【解決手段】レーザダイオード１は、絶縁基板１６と、絶縁基板１６上に形成された第１コンタクト層１２と、第１コンタクト層１２上に形成された発光半導体層１９と、発光半導体層１９上に形成された第２コンタクト層１３と、第１コンタクト層１２を介して発光半導体層１９に電流を流すために設けられる第１導通部１８と、第２コンタクト層１３を介して発光半導体層１９に電流を流すために第２コンタクト層１３上に設けられた第２導通部１５と、を備える。【選択図】図１
2013120905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、
前記絶縁基板上に形成された第１コンタクト層と、
前記第１コンタクト層上に形成された発光半導体層と、
前記発光半導体層上に形成された第２コンタクト層と、
前記第１コンタクト層を介して前記発光半導体層に電流を流すために設けられる第１導通部と、
前記第２コンタクト層を介して前記発光半導体層に電流を流すために前記第２コンタクト層上に設けられた第２導通部と、を備えることを特徴とするレーザダイオード。
【請求項２】
前記第１導通部は、前記絶縁基板に形成されたスルーホール内に充填された導電性部材であり、
前記スルーホールは、前記発光半導体層を挟んで前記第２導通部と対向する位置に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオード。
【請求項３】
前記第１導通部と前記第２導通部は複数設けられ、
第１導通部は、前記絶縁基板に形成されたスルーホール内に充填された導電性部材であり、
前記スルーホールは、前記スルーホール同士の位置関係が、平面視において前記第２導通部同士の位置関係と略等しい位置関係となるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオード。
【請求項４】
前記絶縁基板がサファイア基板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザダイオード。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載された複数のレーザダイオードを、前記第２導通部が他の前記レーザダイオードの前記第１導通部に接触するように積層させた積層レーザダイオード群と、
前記積層レーザダイオード群を内部に収容する筐体と、を備え、
前記筐体には、前記積層レーザダイオード群を冷却する冷媒を前記筐体内に導入させる導入口と、前記冷媒を前記筐体内から導出させる導出口とが設けられていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を出射する半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＤ（レーザダイオード）は、高出力化、高輝度化、サイズの縮小化などに関する研究が進められている。半導体レーザ装置に用いられるＬＤバーは、例えばＧａＡｓ系やＩｎＰ系等の化合物半導体で構成されるとともに、その内部にレーザ光を出射する活性層を有している。
【０００３】
レーザダイオードは、光ガイド層とクラッド層で活性層を挟み込むように積層された構成となっている。レーザダイオードに電流を流すと、活性層にキャリアが注入される。活性層を挟む上下の層は、バンドギャップが大きくかつ屈折率が低い層で構成されているので、活性層に注入されたキャリアは、活性層と上下の層とのバンドギャップ差によるエネルギー障壁によって活性層に閉じ込められ、再結合を起こしやすくなり発光する。そして、発光した光は、活性層と上下の層との間に屈折率差があるので、活性層に閉じ込められる。このようにして、活性層（活性領域）内にキャリアおよび光が閉じ込められるので、注入電流が閾値を越えるとレーザ発振するようになる。
【０００４】
レーザダイオードは、活性層、光ガイド層およびクラッド層が積層された発光半導体層が、支持基板によって支持されることで、その強度が確保される（例えば、特許文献１を参照）。支持基板は、化合物半導体で構成されており、支持基板を通して活性層に電流を流すことができるようになっている。また、支持基板と発光半導体層の間には、導通を確保するためのコンタクト層も設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１１４２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の技術では、実際の発光にほとんど寄与していない支持基板にまで電流が流れるため、支持基板で電流のロスが生じてしまい、投入した電流に対する十分な発光効率を得ることが難しいという問題があった。また、レーザダイオードの機械的強度を確保するために、コンタクト層にも一定の厚さが必要とされるため、コンタクト層でも電流のロスが生じてしまい、投入した電流に対する十分な発光効率を得ることが難しいという問題があった。
【０００７】
また、電流が流れることで支持基板やコンタクト層からも熱が発生するため、レーザダイオードとしての発熱量が増大しやすいという問題があった。また、レーザダイオードの小型化や発熱量の抑制を図るべく基板を薄くすると、十分な強度を得られない場合があるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、強度を確保しつつ、発光効率の向上、発熱量の抑制および装置の小型化を図ることのできるレーザダイオードを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、絶縁基板と、絶縁基板上に形成された第１コンタクト層と、第１コンタクト層上に形成された発光半導体層と、発光半導体層上に形成された第２コンタクト層と、第１コンタクト層を介して発光半導体層に電流を流すために設けられる第１導通部と、第２コンタクト層を介して発光半導体層に電流を流すために第２コンタクト層上に設けられた第２導通部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、支持基板に絶縁基板を用いているので、支持基板を薄型化しても十分な強度を得やすくなる。また、基板に形成された第２導通部を介して発光半導体層に電流を流すことができるので、発光に寄与しない部分に流れる電流を減らして、発光効率の向上および発熱量の抑制を図ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１にかかるレーザダイオードの概略断面構成を示す図である。
【図２】図２は、図１に示すレーザダイオードを備える半導体レーザ装置の概略断面構成を示す図である。
【図３】図３は、図２に示す半導体レーザ装置の概略構成を示す斜視図である。
【図４】図４は、実施の形態１の変形例にかかるレーザダイオードを積み重ねた状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザダイオードおよび半導体レーザ装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかるレーザダイオードの概略断面構成を示す図である。レーザダイオード１は、レーザ光を出射する活性層５を有しており、この活性層５が複数の層によって挟まれている。レーザダイオード１は、下層側から絶縁基板（支持基板）１６、下層側のコンタクト層となる第１コンタクト層１２、発光半導体層１９、上層側のコンタクト層となる第２コンタクト層１３、上部電極１４の順番で積層された構造を有している。また、上部電極１４上には、圧着用メタル（第２導通部）１５が設けられる。
【００１４】
絶縁基板１６は、例えば絶縁性の材料、例えばサファイアや鉄をドーピングしたＧａＡｓ系の材料で構成されている。また、絶縁基板１６に用いられる材料は、絶縁基板１６上に、第１コンタクト層１２等の半導体の結晶構造を成長させることができる材料である必要がある。絶縁基板１６には、下面１６ｂから上面１６ａに至る複数のスルーホール１７が形成されている。
【００１５】
複数のスルーホール１７は、平面視において発光半導体層１９を挟んで圧着用メタル１５と対向する位置に形成されている。スルーホール１７内には、導電性部材、例えばＡｕが充填される。スルーホール１７内に充填された導電性部材は、第１コンタクト層１２を介して発光半導体層１９に電流を流すための導通用メタル（第１導通部）１８となる。
【００１６】
第１コンタクト層１２は、導通用メタル１８と上層に設けられた発光半導体層１９とを電気的に接続するための層であり、例えばＧａＡｓなどで構成される。第２コンタクト層１３も第１コンタクト層１２と同様に、上部電極１４とその下層に設けられた発光半導体層１９とを電気的に接続するための層であり、例えばＧａＡｓなどで構成される。
【００１７】
発光半導体層１９は、活性層５、光ガイド層３１、クラッド層３２を有して構成される。クラッド層３２および光ガイド層３１は、活性層５に注入されたキャリアを活性層５内に閉じ込めるための層である。クラッド層３２および光ガイド層３１は、活性層５よりも小さな屈折率を有するとともに、大きなバンドギャップを有している。
【００１８】
上部電極１４は、レーザダイオード１の最表面となる層に形成された電極であり、例えばＡｕで構成される。圧着用メタル１５は、上部電極１４上に設けられる電極であり、導電性の材料、例えばＡｕで構成される。圧着用メタル１５は、上部電極１４と第２コンタクト層１３とを介して発光半導体層１９に電流を流すためのものである。圧着用メタル１５は、複数のレーザダイオード１を積層する場合に、レーザダイオード１同士の間隔を保持するスペーサとしても機能する。なお、上部電極１４と圧着用メタル１５とが一体に形成されていてもよい。
【００１９】
レーザダイオード１は、長手方向に延びる側面からレーザ光を出射する。レーザダイオード１の主面は、例えば長手方向の寸法が約１０ｍｍであり、短手方向の寸法が約１ｍｍである。
【００２０】
図２は、図１に示すレーザダイオード１を備える半導体レーザ装置１０の概略断面構成を示す図である。図３は、図２に示す半導体レーザ装置１０の概略構成を示す斜視図である。半導体レーザ装置１０は、複数枚（複数本）のレーザダイオード１を有しており、各レーザダイオード１は主面同士が平行になるよう積み重ねられている。
【００２１】
各レーザダイオード１は、下側のレーザダイオード１の上面側に設けられた圧着用メタル１５と、上側のレーザダイオード１の下面側に設けられた導通用メタル１８とが熱圧着によって接合されて、積み重ねられている。
【００２２】
半導体レーザ装置１０内では、各レーザダイオード１が圧着用メタル１５を介して接合されることにより、複数枚のレーザダイオード１からなる積層レーザダイオード群２が構成される。
【００２３】
積層レーザダイオード群２の上部側および下部側には、導電性のサブマウント３が配置されており、積層レーザダイオード群２がサブマウント３によって挟持されている。サブマウント３は、ＣｕＷ、Ｓｉ、ＡｌＮ等の材料で構成されており、Ａｕの熱圧着等で積層レーザダイオード群２に接合されている。
【００２４】
積層レーザダイオード群２を挟持したサブマウント３は、パッケージ（筐体）２１内に格納されている。パッケージ２１は、サブマウント３を介して積層レーザダイオード群２を内部に収容して固定するとともに、積層レーザダイオード群２を保護する。パッケージ２１には、リード端子２４ａ，２４ｂが設けられている。
【００２５】
リード端子２４ａは、パッケージ２１の側面側の壁面を貫通するようパッケージ２１に取り付けられており、リード端子２４ｂは、パッケージ２１に突き刺さるようパッケージ２１に取り付けられている。
【００２６】
また、パッケージ２１には、積層レーザダイオード群２を冷却するための冷媒、例えば不活性ガスをパッケージ２１内に導入させる導入口２２ａと、冷媒を導出させる導出口２２ｂが設けられている。導入口２２ａは、パッケージ２１の底面側の壁面を貫通するようパッケージ２１に取り付けられ、導出口２２ｂは、パッケージ２１の上面側の壁面を貫通するようパッケージ２１に取り付けられている。
【００２７】
導入口２２ａからは、積層レーザダイオード群２を冷却するための冷却用不活性ガス（Ｎ２やＣＯ２など）が入れられ、パッケージ２１内が冷却用不活性ガスによって充填させられる。また、導出口２２ｂからは、パッケージ２１内の冷却用不活性ガスが導出される。これにより、パッケージ２１内を冷媒としての冷却用不活性ガスが循環することになる。
【００２８】
リード端子２４ａは、パッケージ２１内でＡｕワイヤ（給電用ワイヤ）２５に接続されており、Ａｕワイヤ２５が上側のサブマウント３に接続されている。パッケージ２１は、内壁面と外壁面との間に隙間が設けられた２重構造の壁面を有しており、この２重構造の壁面によって積層レーザダイオード群２などを包囲している。
【００２９】
リード端子２４ｂは、パッケージ２１の内壁面と外壁面との間に設けられた隙間を通る配線（図示せず）によって、下側のサブマウント３に接続されている。リード端子２４ａ，２４ｂは、パッケージ２１の外部で電源（図示せず）に接続されており、電源からリード端子２４ａ，２４ｂに電流が流される。また、パッケージ２１の１つの側面には透明窓ガラス２３が設けられており、この透明窓ガラス２３からレーザ光（ＬＤ光）Ｌが出射される。
【００３０】
つぎに、半導体レーザ装置１０の動作について説明する。パッケージ２１内には、液体窒素などの冷却用不活性ガスを入れ、パッケージ２１内を冷却用不活性ガスで満たすことによってレーザダイオード１が冷却用不活性ガスに浸るようにしておく。これにより、積層レーザダイオード群２のレーザダイオード１とレーザダイオード１との間に冷却用不活性ガスが送り込まれる。
【００３１】
レーザダイオード１は直列に接合されているので、リード端子２４ａ，２４ｂの順方向に電流を流すと、個々のレーザダイオード１が発光し、レーザ光Ｌの発振を行う。発振したレーザ光Ｌは、透明窓ガラス２３を通して外部に出される。個々のレーザダイオード１で発生した熱は、直接液体窒素などの冷却用不活性ガスに吸収されてパッケージ２１外に送り出される。このように、レーザダイオード１がスタックされることによって半導体レーザ装置１０の動作時の発熱量が大きくなった場合であっても、レーザダイオード１は十分に冷却されるので、レーザダイオード１の特性の劣化を抑えつつ動作を継続させることができる。
【００３２】
なお、本実施の形態では、冷却用不活性ガスとして液体窒素を用いたが、不活性なガスであればヘリウムなどでもよく、また、ガスに限らず液体であってもよい。また、冷却用不活性ガスの温度や流量は、レーザダイオード１の発熱量に合わせて調節すればよい。
【００３３】
以上説明したように、本実施の形態１にかかるレーザダイオード１および半導体レーザ装置１０によれば、発光半導体層１９および各コンタクト層１２，１３をサファイア基板等の絶縁基板１６で支持しているので、絶縁基板１６によって強度を確保することで、発光半導体層１９および各コンタクト層１２，１３の薄膜化を図りやすくなる。
【００３４】
例えば、実際の発光に寄与する発光半導体層１９以外の半導体層、すなわち各コンタクト層１２，１３を１μｍ以下の厚さに抑えることが可能となる。これにより、実際の発光に寄与する発光半導体層１９以外の半導体層へ流れる電流を減らすことができる。すなわち、実際の発光に寄与する発光半導体層１９以外の半導体層での電流のロスを抑えて、発光効率の向上を図ることができる。また、実際の発光に寄与する発光半導体層１９以外の半導体層へ流れる電流が減ることで、レーザダイオード１からの発熱量の抑制を図ることができる。
【００３５】
また、絶縁性の基板（絶縁基板１６）には、ほとんど電流が流れないため、支持基板での電流のロスを抑えることができる。これにより、レーザダイオード１の発光効率の向上を図るとともに、発熱量の抑制も図ることができる。
【００３６】
また、サファイア基板等の絶縁基板１６は、化合物半導体で構成された支持基板に比べて高い強度を得やすいため、薄膜化を図ることで発光半導体層１９および各コンタクト層１２，１３の強度が低下した場合であっても、レーザダイオード１全体としての強度を確保しやすくなる。また、絶縁基板１６自体の薄型化も図りやすくなることで、レーザダイオード１の薄型化および半導体レーザ装置１０の小型化を図ることができる。例えば、絶縁基板１６の厚さを、５０μｍとすることができる。
【００３７】
また、絶縁基板１６にスルーホール１７が形成されるとともにそのスルーホール１７内に導通用メタル１８が充填されているので、第１コンタクト層１２の下面側が絶縁性の基板（絶縁基板１６）によって覆われていても、導通用メタル１８を介して第１コンタクト層１２への導通が確保される。
【００３８】
また、スルーホール１７が、発光半導体層１９を挟んで圧着用メタル１５と対向する位置に形成されているので、レーザダイオード１同士を直接積み重ねれば、圧着用メタル１５と導通用メタル１８とを確実に接触させることができ、レーザダイオード１同士の導通を確保することができる。
【００３９】
なお、レーザダイオード１を積み重ねて用いない場合には、導通用メタル１８は、スルーホール１７に充填されている必要はなく、絶縁基板１６と第１コンタクト層１２との間に形成したメタル層であってもよい。
【００４０】
図４は、実施の形態１の変形例にかかるレーザダイオード１を積み重ねた状態を示す図である。本変形例では、スルーホール１７が、圧着用メタル１５と対向する位置からずれた位置に形成されている。
【００４１】
しかしながら、スルーホール１７は、スルーホール１７同士の位置関係が、平面視において圧着用メタル１５同士の位置関係と略等しい位置関係となるように形成されている。具体的には、本変形例では、圧着用メタル１５同士の距離Ｘとスルーホール１７同士の距離Ｙとが略等しくなっている。
【００４２】
スルーホール１７同士の位置関係と圧着用メタル１５同士の位置関係とが上述したように構成されていれば、レーザダイオード１を平面的にずらして積み重ねる必要があるものの、導通用メタル１８と圧着用メタル１５とを接触させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上のように、本発明にかかるレーザダイオードは、発光半導体層から光を射出するレーザダイオードに有用であり、特に積み重ねて用いられるレーザダイオードに適している。
【符号の説明】
【００４４】
１  レーザダイオード
２  積層レーザダイオード群
３  サブマウント
５  活性層
１０  半導体レーザ装置
１２  第１コンタクト層
１３  第２コンタクト層
１４  上部電極
１５  圧着用メタル（第２導通部）
１６  絶縁基板（支持基板）
１６ａ  上面
１６ｂ  下面
１７  スルーホール
１８  導通用メタル（第１導通部）
１９  発光半導体層
２１  パッケージ
２２ａ  導入口
２２ｂ  導出口
２３  透明窓ガラス
２４ａ，２４ｂ  リード端子
２５  Ａｕワイヤ（給電用ワイヤ）
３１  光ガイド層
３２  クラッド層
Ｌ  レーザ光
Ｘ，Ｙ  距離
【図１】
2013120905.tif 000003
【図２】
2013120905.tif 000004
【図３】
2013120905.tif 000005
【図４】
2013120905.tif 000006