(57)【要約】【課題】光出力制御が容易な窒化物半導体レーザ装置、窒化物半導体レーザ素子、およびそのような半導体レーザ素子の製造が容易な製造方法を提供する。【解決手段】窒化物半導体レーザ素子は、前端から光を出射し後端から前端より弱い光を出射する光導波構造と、前記光導波構造の後端側に取り付けられ、該後端から出射された光を波長の異なる光に変換する波長変換部材と、を備える。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
前端から光を出射し後端から前端より弱い光を出射する光導波構造を有する窒化物半導体レーザ素子と、
前記光導波構造の後端から出射された光が到達する箇所に配置され、該光を受光して光量を示す受光信号を出力する受光素子と、
前記光導波構造の後端から前記受光素子に至る光の経路上に配置され、該後端から出射された光を波長の異なる光に変換する波長変換部材と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記波長変換部材が、前記光導波構造の後端側に取り付けられたものであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記窒化物半導体レーザ素子は、波長が４５０ｎｍ以下のレーザ光を出射する素子であり、
前記波長変換部材は、前記レーザ光を当該レーザ光よりも長波長の光に変換する蛍光材料の部材であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項４】
前端から光を出射し後端から前端より弱い光を出射する光導波構造と、
前記光導波構造の後端側に取り付けられ、該後端から出射された光を波長の異なる光に変換する波長変換部材と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前端と後端から光を出射する複数の光導波構造が形成された基板を準備する工程と、
前記基板を切断して、前記光導波構造が複数並列に並んでいるバーに分割する工程と、
前記光導波構造の、前端側より弱い光を出射する後端側に位置する前記バーの側面に、該後端から出射された光を波長の異なる光に変換する波長変換部材を設ける工程と、
前記波長変換部材が設けられたバーを切断して、各々が前記光導波構造を有する複数の半導体レーザ素子に分割する工程と、
を有することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体レーザ装置、窒化物半導体レーザ素子、および半導体レーザ素子の製造方法に関し、特に、紫外領域から青色領域に至る波長帯で動作する窒化物半導体レーザ装置、窒化物半導体レーザ素子、およびそのような半導体レーザ素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ装置はレーザダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）とも称されるものであり、近年では、紫外〜緑領域にかけての発光素子用材料として、窒化ガリウムに代表される窒化物半導体が用いられるようになっている（例えば特許文献１参照）。窒化物半導体を用いた発光素子では、一般に多重量子井戸構造からなる発光層（一般には活性層と言われる）の他、発光層の上下層に、電流注入のためのｐ型及びｎ型窒化物半導体層が設けられている。
また、従来のＬＤとして、パッケージ内部にＳｉフォトダイオード（Ｓｉ−ＰＤ）などの受光素子を内蔵したものが知られている（例えば特許文献２参照）。Ｓｉ−ＰＤ等の受光素子は、前方にあるＬＤチップ（半導体レーザ素子）の後方から出射するレーザ光をモニタしており、光出力制御に用いられている。
【０００３】
しかしながらＳｉ−ＰＤは、受光波長に応じて感度が異なり、例えば赤色光（６３０ｎｍ）の感度に対して紫色光（４００ｎｍ）の感度は１０分の１以下しかない。そのため、紫外領域〜青色領域の短波長領域で動作する従来のＬＤでは、Ｓｉ−ＰＤの受光感度の低い領域を使用しており、光出力制御をしにくいという問題がある。
この問題に対し、例えば特許文献３には、同文献の図５に示すように、３６０ｎｍ〜４８０ｎｍに発光ピークを有する半導体レーザ素子２０からの出射光を吸収して、４７５ｎｍ〜７５０ｎｍに発光ピークを有する光を放出する蛍光体粒子５１を波長変換材料として用いる例が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５０８５３６９号公報
【特許文献２】特開２００６−３０３３２５号公報
【特許文献３】特開２００９−２８９９７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献３に記載の構造は、半導体レーザ素子から出射するレーザ光の光路上に素子を配置する光軸アライメントの工程を実施せざるを得ず製造工程が煩雑化する、という問題がある。
そこで、本発明は、光出力制御が容易な窒化物半導体レーザ装置、窒化物半導体レーザ素子、およびそのような半導体レーザ素子の製造が容易な製造方法を提供することを課題する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る窒化物半導体レーザ装置の一態様は、前端から光を出射し後端から前端より弱い光を出射する光導波構造を有する窒化物半導体レーザ素子と、前記光導波構造の後端から出射された光が到達する箇所に配置され、該光を受光して光量を示す受光信号を出力する受光素子と、前記光導波構造の後端から前記受光素子に至る光の経路上に配置され、該後端から出射された光を波長の異なる光に変換する波長変換部材と、を備える。
【０００７】
本発明に係る窒化物半導体レーザ装置の上記態様では、窒化物半導体レーザ素子から出射される例えば紫外領域〜青色領域の光を例えば可視領域の光（特に、Ｓｉ−ＰＤの受光感度が高い赤色光）に変換する波長変換部材が設けられている。そして、窒化物半導体レーザ素子から出射された例えば紫外領域〜青色領域の短い波長のレーザ光が、波長変換部材によって、Ｓｉ−ＰＤの受光感度の高い赤色光に変換されるため、Ｓｉ−ＰＤの出力信号による光出力制御が容易である。
【０００８】
また、前記光導波構造の前端から出射される光の光路から外れた箇所に波長変換部材を設けることが出来るので、上記特許文献３に記載の構成で必要となる光軸アライメントが不要となり製造が容易である。
前記窒化物半導体レーザ装置において、前記波長変換部材は、前記光導波構造の後端側に取り付けられたものであることが好ましい。ここで、「後端側に取り付けられた」とは、後端に直接あるいは間接に取り付けられていることを意味し、例えば後端と波長変換部材との間に反射膜が挟まっているような構造を含むが、波長変換部材が光導波構造から切り離された構造は含まない。
【０００９】
例えば上記特許文献３に記載の構成では、半導体レーザ素子２０とは別に蛍光体粒子５１を設置するための器具等が必要になるのに対し、前記波長変換部材が前記光導波構造の後端側に取り付けられた上記の好ましい構成を有する窒化物半導体レーザ装置によれば、波長変換部材が半導体レーザ素子と一体で設置されるので別の器具などが不要であり、製造などが容易である。
また、前記窒化物半導体レーザ装置においては、前記窒化物半導体レーザ素子は、波長が４５０ｎｍ以下のレーザ光を出射する素子であってもよく、前記波長変換部材は、前記レーザ光を当該レーザ光よりも長波長の光に変換する蛍光材料の部材であってもよい。このようなレーザ波長と蛍光材料との組み合わせの場合、受光素子における受光感度が１０倍以上となり、波長変換部材を備えたことによる効果が高い。
【００１０】
また、本発明に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様は、前端から光を出射し後端から前端より弱い光を出射する光導波構造と、前記光導波構造の後端側に取り付けられ、該後端から出射された光を波長の異なる光に変換する波長変換部材と、を備える。
このような窒化物半導体レーザ素子によれば、前記光導波構造の後端から出射される光が波長変換部材により波長変換されるので、受光素子による出力モニタおよび光出力制御が容易である。また、波長変換部材が前記光導波構造の後端側に取り付けられているので、波長変換部材を半導体レーザ素子とは別に設置するための器具などが不要であるし、光軸アライメントも不要となる。その結果、窒化物半導体レーザ素子を組み込んだ窒化物半導体レーザ装置の製造工程が簡略されるので、製造が容易であるとともに製造コストも低減される。
【００１１】
また、本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法の一態様は、前端と後端から光を出射する複数の光導波構造が形成された基板を準備する工程と、前記基板を切断して、前記光導波構造が複数並列に並んでいるバーに分割する工程と、前記光導波構造の、前端側より弱い光を出射する後端側に位置する前記バーの側面に、該後端から出射された光を波長の異なる光に変換する波長変換部材を設ける工程と、前記波長変換部材が設けられたバーを切断して、各々が前記光導波構造を有する複数の半導体レーザ素子に分割する工程と、を有する。
このような製造方法によれば、製造工程の中に波長変換部材の設置工程が包含されており、波長変換部材を備えた半導体レーザ素子を容易に製造することが出来る。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の窒化物半導体レーザ装置および窒化物半導体レーザ素子によれば光出力制御を容易に行うことができる。また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法によれば、そのような窒化物半導体レーザ素子を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の窒化物半導体レーザ装置の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の窒化物半導体レーザ装置の一実施形態を示す側方断面図である。
【図３】本発明の窒化物半導体レーザ装置の一実施形態を示す正面断面図である
【図４】Ｓｉ−ＰＤの受光感度を示したグラフである。
【図５】レーザチップの構造を示す図である。
【図６】蛍光体の波長変換特性を表すグラフである。
【図７】レーザチップの製造プロセスのウェハ完成工程を示す図である。
【図８】レーザチップの製造プロセスの劈開工程を示す図である。
【図９】レーザチップの製造プロセスの端面コート工程を示す図である。
【図１０】レーザチップの製造プロセスの蛍光材塗布工程を示す図である。
【図１１】レーザチップの製造プロセスのチップ化工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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〜図３は、本発明の窒化物半導体レーザ装置の一実施形態を示す図である。図１には斜視図が示され、図２には側方断面図が示され、図３には正面断面図が示されている。
本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、キャップ１０４を備えている。レーザチップ１０３は、本発明の窒化物半導体レーザ素子の一実施形態に相当する。
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、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。なお、半導体レーザ装置１００はキャップ１０４を有さないものであってもよいが、本実施形態ではキャップ１０４を有するものとして説明する。キャップを有することにより、レーザチップ１０３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チップ１０３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。
【００１５】
ステムブロック１０２の側面には、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はステムブロック１０２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。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。
【００１６】
円筒状のキャップ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、キャップ１０４の窓１０４ａを通ってキャンパッケージの外部に出る。
ステムベース１０１の上面１０１ａの一部には傾斜面１０１ｂが設けられており、この傾斜面１０１ｂに出力モニタ用のシリコンフォトダイオード（Ｓｉ−ＰＤ）１０５が設置されている。このＳｉ−ＰＤ１０５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。このＳｉ−ＰＤ１０５が本発明にいう受光素子の一例に相当する。なお、本発明にいう受光素子は、シリコンフォトダイオード以外のタイプの受光素子であってもよいが、本実施形態ではシリコンフォトダイオードが用いられているものとして説明する。
【００１７】
本実施形態の半導体レーザ装置１００には、レーザチップ１０３とＳｉ−ＰＤ１０５への給電のため、ステムベース１０１を貫通しステムベース１０１と絶縁されたリードピン１０６，１０７と、ステムベース１０１に接続されたコモンピン１０８が設けられている。リードピンのうち背（上面１０１から突き出した長さ）の高いリードピン１０６はワイヤ１０９ａでレーザチップ１０３の表面に接続され、レーザチップ１０３の裏面はサブマウント１０３ａとワイヤ１０９ｂとステムブロック１０２とステムベース１０１を介してコモンピン１０８に接続されている。また、リードピンのうち背の低いリードピン１０７は、ワイヤ１０９ｃでＳｉ−ＰＤ１０５の表面に接続され、Ｓｉ−ＰＤ１０５の裏面はステムベース１０１を介してコモンピン１０８に接続されている。
【００１８】
背の高いリードピン１０６とコモンピン１０８との間に電圧が印加されて電流が流されることでレーザチップ１０３に電力が供給される。また、背の低いリードピン１０７とコモンピン１０８との間に逆電圧が印加されることでＳｉ−ＰＤ１０５の受光時に電流が流れて受光信号が出力される。
Ｓｉ−ＰＤ１０５から出力される受光信号の強度を、レーザチップ１０３に対する供給電力にフィードバックすることにより、レーザチップ１０３の出射光量が制御されて安定出力が保たれる。
本実施形態では、レーザチップ１０３として、紫外領域から青色領域に至る波長帯域内にピーク波長を有するレーザチップが用いられており、より詳細には、例えば波長４５０ｎｍ以下のレーザ光を出射するレーザチップが用いられている。
【００１９】
一方、Ｓｉ−ＰＤ１０５は、レーザチップ１０３の出力光の波長では受光感度が低い。
図４は、Ｓｉ−ＰＤの受光感度を示したグラフである。
図４の横軸は受光する光の波長を表しており、縦軸は、８５０ｎｍの光に対する受光感度を基準とした受光感度比率を表している。
Ｓｉ−ＰＤの受光感度は、光の波長が短くなるにつれて次第に低くなり、波長４００ｎｍ付近では受光感度が極めて低くなることが分かる。このため、例えば波長４５０ｎｍ以下の光に対する受光感度は、例えば波長６００ｎｍの光に対する受光感度の約５分の１以下となっている。
このような受光感度特性を有するＳｉ−ＰＤで、レーザチップ１０３が出射する波長４５０ｎｍ以下のレーザ光を仮に直接受光してモニタすると、受光感度が低い領域で使用することとなり、モニタの精度が低い。
特に紫外領域の帯域を有するレーザチップ１０３や半導体レーザ装置１００の場合、露光装置の光源としての用途が想定されており、精度の高い出力制御で安定した出力を得ることが強く求められている。
【００２０】
そこで、本実施形態では、Ｓｉ−ＰＤの受光感度が高い波長領域を利用してレーザチップ１０３の出力を高精度にモニタするための工夫が施されている。
図５は、レーザチップの構造を示す図である。
レーザチップ１０３は、発光部２０１と、前端側反射膜２０２と、後端側反射膜２０３と、蛍光体２０４とを備えている。
発光部２０１は電力の供給を受けて光を発するものであり、図の上下方向に延びた光路内に光を閉じ込める光導波路となっている。光路内に光が閉じ込められることによって光導波路の前端と後端から光が出射されることになる。この発光部２０１が、本発明にいう光導波構造の一例に相当する。
【００２１】
前端側反射膜２０２と後端側反射膜２０３は、それぞれ、発光部２０１の前端と後端に位置し、発光部２０１から発せられた光を反射して発光部２０１へと戻すことによって光を増幅させるものである。このような光の増幅によってレーザ光が発生する。
後端側反射膜２０３の反射率の方が、前端側反射膜２０２の反射率よりも高いので、レーザ光は主に前端側から出射される。また、後端側反射膜２０３も反射率１００％では作成できないため、レーザ光は後端側からも一部漏れ出る(出射される)こととなる。例えば、前端側の光出力が４００ｍＷである場合に後端側から出射されるレーザ光の光出力は、前端側の例えば１／３６５の１．１ｍＷであり、前端側の光出力が１５０ｍＷである場合に後端側から出射されるレーザ光の光出力は、前端側の例えば１／２３の６．５ｍＷである。このように後端側から漏れ出るレーザ光は、前端側から出射されるレーザ光よりも遙かに弱い。
【００２２】
蛍光体２０４は後端側反射膜２０３に重ねて設けられており、後端側から出射されるレーザ光を波長が異なる光に変換するものである。本実施形態では蛍光体２０４として、例えばＥｕ添加ＣａＡｌＳｉＮ３が採用されている。この蛍光体２０４が、本発明にいう波長変換部材の一例に相当する。なお、蛍光体２０４としては、Ｅｕ添加ＣａＡｌＳｉＮ３の他に、Ｓｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚ(緑色に変換する蛍光体の例）なども採用され得るが、本実施形態ではＥｕ添加ＣａＡｌＳｉＮ３が採用されているものとして説明する。また、本発明にいう波長変換部材の設置箇所としては、レーザチップ１０３の後端からＳｉ−ＰＤ１０５に至る光路上のどこでもよいが、図４に示すようにレーザチップ１０３の後端側に取り付けられる場合には、レーザチップ１０３と別に蛍光体を設置する工程が不要となって半導体レーザ装置１００の製造工程が簡略化される製造コストも低減されるので、設置箇所として好ましい。また、蛍光体２０４がレーザチップ１０３の後端側に取り付けられる場合には、後述するように、レーザチップ１０３の製造工程中に蛍光体２０４の設置工程を包含させることが可能となり、この点でも好ましいと言える。
【００２３】
このような蛍光体２０４による波長変換の効果について以下説明する。
図６は、蛍光体の波長変換特性を表すグラフである。
図６の横軸は光の波長を表し、縦軸は発光強度を表している。また、図６には、図５に示す蛍光体２０４が光を吸収するときの吸収スペクトルを表すグラフＬ１と、蛍光体２０４が蛍光を発するときの発光スペクトルを表すグラフＬ２が示されている。
蛍光体２０４は、図５に示すレーザチップ１０３の出力光である波長４５０ｎｍ以下の光については、吸収スペクトルのグラフＬ１が示すように効率よく吸収する。そして、発光スペクトルのグラフＬ２が示すように、波長６７０ｎｍ〜６８０ｎｍ付近に大きな発光強度を有する赤色領域の蛍光を発する。すなわち、蛍光体２０４によって波長４５０ｎｍ以下の光が赤色領域の光に変換される事となる。このような波長変換を図４に示す受光感度のグラフに当てはめると、波長４５０ｎｍでは約０．１６、波長４００ｎｍでは約０．０４であった受光感度が波長６７０ｎｍ〜６８０ｎｍでは約０．８となっており、蛍光体２０４による波長変換でＳｉ−ＰＤ１０５における受光感度が１０〜２０倍程度に向上することが確認された。このような大幅な感度向上が図られるため、Ｓｉ−ＰＤ１０５の受光信号(モニタ信号)も２〜１０倍程度に向上し、レーザチップ１０３の出力制御における精度も大幅に向上することが期待される。
【００２４】
次に、図５に示すような構造のレーザチップ１０３の製造プロセスについて説明する。
図７〜図１１は、レーザチップの製造プロセスを示す図である。この製造プロセスは、本発明の半導体レーザ装置の製造方法の一実施形態に相当する。
図７に示すウェハ完成工程では、上述した発光部２０１がウェハ２０５上に２次元的に多数配列されて形成されウェハ２０５が完成される。このウェハ完成工程が、本発明にいう「基板を準備する工程」の一例に相当する。なお、「基板を準備する工程」としては、既に完成されたウェハ２０５を持ってくる工程であってもよいが、本実施形態では「基板を準備する工程」でウェハ２０５を完成するものとする。
図８に示す劈開工程では、完成されたウェハ２０５を劈開し、発光部２０１が並行に複数並んだバー２０６を形成する。この劈開工程が、本発明にいう「バーに分割する工程」の一例に相当する。なお、「バーに分割する工程」としては、劈開以外の例えばダイシングソーによるカットなども採用され得るが、劈開による分割は、劈開面によって発光部２０１の端面が理想的な平面となるため好ましく、本実施形態では劈開による分割を採用するものとする。
【００２５】
図９に示す端面コート工程では、バー２０６の側面２０７，２０８に反射膜２０９をコートすることによって発光部２０１の前端と後端それぞれに反射膜を形成する。図９の手前側が発光部２０１の前端側であり、この前端側の側面２０７にコートされる反射膜２０９は、後端側の側面２０８にコートされる反射膜２０９よりも反射率が低く、この結果、レーザ光は前端側から主に出射され、後端側からも一部漏れ出ることとなる。
図１０に示す蛍光材塗布工程では、バー２０６の後端側の側面２０８に蛍光材２１０を塗布する。具体的には、Ｅｕ添加ＣａＡｌＳｉＮ３の粉末を媒体に溶かした液を塗布する。このように塗布された蛍光材２１０の液が乾くことによって図５に示す蛍光体２０４が形成される。この蛍光材塗布工程が、本発明にいう「波長変換部材を設ける工程」の一例に相当する。このようにバー２０６の側面２０８に蛍光材２１０を塗布することで、一度に複数の発光部２０１に対して波長変換部材を設けることができ、効率のよい設置が実現する。また、液の塗布という簡易な手法を採用することで波長変換部材を低コストで設けることができる。
【００２６】
図１１に示すチップ化工程では、バー２０６が分割されて、個々に発光部２０１を有したレーザチップ１０３が形成される。このチップ化工程が、本発明にいう「半導体レーザ素子に分割する工程」の一例に相当する。
図７〜図１１で説明した製造方法によって、図５に示す構造を有したレーザチップ１０３が効率よく製造される。特に、蛍光体２０４が設置済みであるため、このように製造されたレーザチップ１０３を用いることにより、図１〜図３に示す半導体レーザ装置１００を容易に製造することが出来る。
【符号の説明】
【００２７】
１００…半導体レーザ装置、１０３…レーザチップ、１０５…シリコンフォトダイオード（Ｓｉ−ＰＤ）、２０１…発光部、２０２…前端側反射膜、２０３…後端側反射膜、
２０４…蛍光体
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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