(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子と、
金属製のベース部材と、
シリコンからなり、前記半導体レーザ素子と前記金属製のベース部材との間に介在されるヒートシンクと
を備え、
前記半導体レーザ素子には、活性層の形成された面側に、金と前記半導体レーザ素子との密着性を高める第１金属層とその上面に第１金層とが設けられており、
前記ヒートシンクには、金と前記ヒートシンクとの密着性を高め、金とシリコンとの共晶を防ぐ第２金属層とその上面に第２金層とが設けられており、
前記第２金属層が、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｔ及びＭｏからなる群から選択される少なくとも一つの材料を含み、
前記半導体レーザ素子の前記第１金層が設けられた面と前記ヒートシンクの前記第２金層が設けられた面とが直接接合され、前記ヒートシンクの前記半導体レーザ素子が直接接合された面の反対側の面と前記金属製のベース部材とが導電性接着剤で接着されることにより構成されることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
半導体レーザ素子と、
金属製のベース部材と、
シリコンからなり、前記半導体レーザ素子と前記金属製のベース部材との間に介在されるヒートシンクと
を備え、
前記半導体レーザ素子には、活性層の形成された面側に、金と前記半導体レーザ素子との密着性を高める第１金属層とその上面に第１金層とが設けられており、
前記ヒートシンクには、金と前記ヒートシンクとの密着性を高め、金とシリコンとの共晶を防ぐ第２金属層とその上面に第２金層とを設けられており、
前記第２金属層が、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｔ及びＭｏからなる群から選択される少なくとも一つの材料を含み、
前記金属製のベース部材には、金と前記金属製のベース部材との密着性を高める第３金属層とその上面に第３金層とが設けられており、
前記半導体レーザ素子の前記第１金層が設けられた面と前記ヒートシンクの前記第２金層が設けられた一の片面と、前記ヒートシンクの前記第２金層が設けられた他の片面と前記金属製のベース部材の前記第３金層が設けられた面と、がそれぞれが接して直接接合されることにより構成されることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第１および第２金属層の膜厚が１０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記第１および第２金属層の膜厚が３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記第１および第２金層の膜厚が３００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記第１および第２金層の膜厚が１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に活性層からの発熱を放熱するための半導体レーザ装置の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４に示すように、従来の半導体レーザ素子１０は、活性層１２で発生する熱を放熱するために、ヒートシンクとしての熱伝導率のよい金属ベース３０に導電性接着剤４０で接着されていた。また、同様に、図５に示す特公平１−４０５１４号公報に開示されている半導体レーザ装置は、発光部１２で発生する熱を放熱するために、半導体レーザ素子１０と金属ベース３０との間に、半導体レーザ素子を構成する材料と熱膨張係数の近いヒートシンクとなるシリコンサブマウント２０を挿入し、それぞれが金・シリコンろう材５０および６０でろう付けされることにより構成されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図５に示す半導体レーザ装置では、導電性接着剤４０が活性層１２の共振器面に回り込んだり、接着の際に導電性接着剤４０が付着するなどして、共振器面が汚染され、不良品が発生するという問題があった。また、導電性接着剤４０内部でのボイドの発生により充分な放熱効率が得られないという問題があった。
【０００４】
また、図６に示す半導体レーザ装置においても、ろう材５０が活性層１２の共振器面に回り込むことにより共振器面が汚染され、不良品が発生する可能性があるといった問題点があった。
【０００５】
そこで本発明は、半導体レーザ素子の共振器面が汚染されることがなく、活性層で発生した熱を効率よく放熱することが可能な半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明の半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子と、金属製のベース部材と、シリコンからなり、半導体レーザ素子と金属製のベース部材との間に介在されるヒートシンクとを備え、半導体レーザ素子には、活性層の形成された面側に、金と半導体レーザ素子との密着性を高める第１金属層とその上面に第１金層とが設けられており、ヒートシンクには、金とヒートシンクとの密着性を高め、金とシリコンとの共晶を防ぐ第２金属層とその上面に第２金層とが設けられており、第２金属層が、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｔ及びＭｏからなる群から選択される少なくとも一つの材料を含み、半導体レーザ素子の第１金層を設けた面とヒートシンクの第２金層を設けた面とが直接接合され、ヒートシンクの半導体レーザ素子が直接接合された面の反対側の面と金属製のベース部材とが導電性接着剤で接着されることにより構成されることを特徴とする。
【０００７】
このように、半導体レーザ素子とヒートシンクが直接接合されるため、半導体レーザ素子の共振器面が汚染されることがない。また、共振器面が汚染されることがないため、半導体レーザ素子の活性層が形成された面とヒートシンクとを直接接合することができ、これより半導体レーザ素子とヒートシンクとが密着性よく接合されるため、活性層での発熱が直接シリコンサブマントに効率よく放熱することが可能となる。
【０００８】
また、本発明の半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子と、金属製のベース部材と、シリコンからなり、半導体レーザ素子と金属製のベース部材との間に介在されるヒートシンクとを備え、半導体レーザ素子には、活性層の形成された面側に、金と半導体レーザ素子との密着性を高める第１金属層とその上面に第１金層とが設けられており、ヒートシンクには、金とヒートシンクとの密着性を高め、金とシリコンとの共晶を防ぐ第２金属層とその上面に第２金層とが設けられており、第２金属層が、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｔ及びＭｏからなる群から選択される少なくとも一つの材料を含み、金属製のベース部材には、金と金属製のベース部材との密着性を高める第３金属層とその上面に第３金層とが設けられており、半導体レーザ素子の第１金層が設けられた面とヒートシンクの第２金層が設けられた一の片面と、ヒートシンクの第２金層が設けられた他の片面と金属製のベース部材の第３金層が設けられた面と、がそれぞれが接して直接接合されることにより構成されることを特徴とする。
【０００９】
このように、半導体レーザ素子とヒートシンクと金属ベースとが直接接合されるため、一度に半導体レーザ装置を構成することができ、作業効率の向上を図ることができる。また、半導体レーザ素子とヒートシンクが直接接合されるため、半導体レーザ素子の共振器面が汚染されることがない。また、共振器面が汚染されることがないため、半導体レーザ素子の活性層が形成された面とヒートシンクとを直接接合することができ、これより半導体レーザ素子とヒートシンクとが密着性よく接合されるため、活性層での発熱が直接シリコンサブマントに効率よく放熱することが可能となる。
【００１０】
また、本発明の半導体レーザ装置は、ヒートシンクがシリコンからなり、第２金属層が金とシリコンとの共晶を防ぐことを特徴としてもよい。シリコンは、半導体レーザ素子を形成するＧａＡｓ等の化合物半導体と熱膨張係数が同程度であり、ヒートシンクがシリコンからなることにより、活性層での発熱をより効率よく分散させ、放熱することができる。また、第２金層とシリコンからなるヒートシンクとの間に、金とのシリコンとの共晶を防ぐ第２金属層が挿入されているため、第２金層とシリコンからなるヒートシンクとの共晶によるろう材化を防ぐことができ、金・シリコンろう材による活性層の共振器面の汚染を防ぐことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明にかかる実施形態について説明する。ただし、同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
図１に、第１実施形態に係る半導体レーザ装置の断面図を示す。第１実施形態に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子１０と、シリコンサブマウント２０と、金属ベース３０とを備えて構成されている。
【００１３】
半導体レーザ素子１０は、ＧａＡｓからなる活性層１２を含むレーザダイオード（ＬＤ）１１と、膜厚１０〜３０ｎｍのＣｒ層１３と膜厚３００〜１０００ｎｍのＡｕ層１４からなる電極と、膜厚１０ｎｍの金層１５と膜厚２５０ｎｍのＡｕ−Ｇｅ層１６と膜厚７５０ｎｍのＡｕ層１７からなる電極とを有している。シリコンサブマウント２０は、ヒートシンクとなるｐ型のシリコン層２１と、膜厚１０〜３０ｎｍのＣｒ層２２と、膜厚３００から１０００ｎｍのＡｕ層２３とを有している。金属ベース３０は、Ｃｕからなる金属ブロック３１を有している。
【００１４】
半導体レーザ素子１０のＡｕ層１４とシリコンサブマウント２０のＡｕ層２３とは直接接合されており、シリコンサブマウント２０のＡｕ層２３と金属ベース３０の金属ブロック３１とは錫ハンダからなる導電性接着剤４０で接着されており、これにより第１実施形態の半導体レーザ装置が構成されている。
【００１５】
図１に示す第１実施形態の半導体レーザ装置の構造によれば、半導体レーザ素子１０とシリコンサブマウント２０が直接接合されるため、活性層１２の共振器面が汚染されることがなく、不良品が発生しにくいため歩留まりがよい。また、活性層１２の共振器面が汚染されることがないため、半導体レーザ素子１０の活性層１２が形成された面とシリコンサブマウント２０とを直接接合することができ、これより半導体レーザ素子１０とシリコンサブマウント２０とが密着性よく接合されるため、活性層１２での発熱が直接シリコンサブマント２０に効率よく放熱することが可能となる。
【００１６】
更に、Ａｕ層２３とシリコン層２１との間に、金とのシリコンとの共晶を防ぐＣｒ層２２が挿入されているため、Ａｕ層２３とシリコン層２１との共晶によるろう材化を防ぐことができ、金・シリコンろう材による活性層１２の共振器面の汚染を防ぐことができる。また、Ｃｒ層１３およびＣｒ層２２を設けることにより、Ａｕ層１４およびＡｕ層２３の剥離を防ぐことができる。
【００１７】
次に、図２に、第２実施形態に係る半導体レーザ装置の断面図を示す。第２実施形態に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子１０と、シリコンサブマウント２０と、金属ベース３０とを備えて構成されている。
【００１８】
半導体レーザ素子１０は、活性層１２を含むＧａＡｓからなるＬＤ１１と、膜厚１０〜３０ｎｍのＣｒ層１３と膜厚３００〜１０００ｎｍの金層１４からなる電極と、膜厚１０ｎｍの金層１５と膜厚２５０ｎｍのＡｕ−Ｇｅ層１６と膜厚７５０ｎｍのＡｕ層１７からなる電極とを有している。シリコンサブマウント２０は、ヒートシンクとなるｐ型のシリコン層２１と、膜厚１０〜３０ｎｍのＣｒ層２２と、膜厚３００から１０００ｎｍのＡｕ層２３とを有している。金属ベース３０は、Ｃｕからなる金属ブロック３１と、Ｃｒ層３２と、Ａｕ層３２とを有している。
【００１９】
半導体レーザ素子１０のＡｕ層１４とシリコンサブマウント２０のＡｕ層２３と、半導体レーザ素子１０のＡｕ層１４と対面している面と反対側に設けられたシリコンサブマウント２０のＡｕ層２３と金属ベース３０のＡｕ層３３とは同時に直接接合され、これにより第２実施形態の半導体レーザ装置が構成されている。
【００２０】
図２に示す第２実施形態の半導体レーザ装置の構造によれば、半導体レーザ素子１０とシリコンサブマウント２０と金属ベース３０とが直接接合されるため、一度に半導体レーザ装置を構成することができ、作業効率の向上を図ることができる。また、半導体レーザ素子１０とシリコンサブマウント２０が直接接合されるため、活性層１２の共振器面が汚染されることがないく、不良品が発生しにくいため歩留まりがよい。また、活性層１２の共振器面が汚染されることがないため、半導体レーザ素子１０の活性層１２が形成された面とシリコンサブマウント２０とを直接接合することができ、これより半導体レーザ素子１０とシリコンサブマウント２０とが密着性よく接合されるため、活性層１２での発熱を直接且つ効率よくシリコンサブマント２０に放熱することが可能となる。
【００２１】
更に、Ａｕ層２３とシリコン層２１との間に、金とのシリコンとの共晶を防ぐＣｒ層２２が挿入されているため、Ａｕ層２３とシリコン層２１との共晶によるろう材化を防ぐことができ、金・シリコンろう材による活性層１２の共振器面の汚染を防ぐことができる。また、Ｃｒ層１３およびＣｒ層２２を設けることにより、Ａｕ層１４およびＡｕ層２３の剥離を防ぐことができる。
【００２２】
次に、図１に示した第１実施形態に係る半導体レーザ装置と、図４に示した従来の半導体レーザ装置において、電流を１０Ａから３０Ａに増加して動作させた場合の、半導体レーザ素子１０の上昇温度のグラフを図３に示す。ここで、図１の半導体レーザ装置におけるシリコンサブマウント２０の面積を変化させたものについての上昇温度も示した。
【００２３】
図３から分かるように、シリコンサブマウント２０を設けていない図４に示した従来の半導体レーザ装置と比較して、シリコンサブマウント２０を設けた図１に示した第１実施形態の半導体レーザ装置では、半導体素子１０の温度上昇が大きく低減しており、ＣＷ−レーザの場合は約６０％、Ｑ−ＣＷ−レーザの場合は約９０％程度温度上昇を低減することが可能であった。また、シリコンサブマウント２０の面積を大きくすることにより、温度上昇をより低減させることができることが分かる。
【００２４】
なお、第１および第２実施形態はこれに限られるものではない。ＬＤ１１の材料はＧａＡｓに限られず、ＩｎＧａＡｓなど他の化合物半導体でもよい。また、ヒートシンクとしてシリコン層２１を用いたが、ＬＤ１１と熱膨張係数が同程度のダイヤモンド等をヒートシンクとして使用してもよい。また、金属ブロック３１の材料としてＣｕを挙げたが、ＣｕＷ，コバール金属、ＳｉＣなど、熱伝導率のよい材料であれば何を使用してもよい。また、導電性接着剤４０として錫ハンダを挙げたが、銀ペーストや鉛−錫など、他の導電性接着剤を使用してもよい。
【００２５】
更に、金とシリコンの共晶を防ぎ、金層との密着性を高める金属としてＣｒを挙げたが、Ｃｒの他、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｍｏなど、金とシリコンの共晶を防ぐことができ、ＬＤ１１、シリコン層２１、金属ブロック３１、および金層との密着性がよい材料であれば何を使用してもよい。また、ＬＤ１１、シリコン層２１、金属ブロック３１に設けられる金属層の種類は同一でなくてもよい。なお、ヒートシンクがシリコン以外の材料の場合、金とヒートシンクの材料との共晶を防ぎ、金層との密着性を高める金属の材料の種類が変わることはもちろんである。
【００２６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子とヒートシンクが直接接合されるため、半導体レーザ素子の活性層の共振器面が汚染されることがなく、不良品が発生しにくいため歩留まりがよい。また、活性層の共振器面が汚染されることがないため、半導体レーザ素子の活性層が形成された面とシリコンサブマウントとを直接接合することができ、これより半導体レーザ素子とヒートシンクとが密着性よく接合されるため、活性層での発熱を直接且つ効率よくヒートシンクに放熱することが可能となる。
【００２７】
更に、金層とヒートシンクとの間に、金とのヒートシンクの材料との共晶を防ぎ、金層との密着性を高める金属層が挿入されているため、金層とヒートシンク材料との共晶によるろう材化を防ぐことができ、金・ヒートシンク材料とのろう材による活性層の共振器面の汚染を防ぐことができる。
【００２８】
これにより、半導体レーザ素子の活性層の温度上昇を抑制することができ、半導体レーザの特性劣化を防ぐことができる。また、ＧａＡｓ等の化合物半導体からなる光素子とシリコンとの直接接合が可能であることから、光・電子集積回路（ＯＥＩＣ）を実現させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る半導体レーザ装置の断面図である。
【図２】第２実施形態に係る半導体レーザ装置の断面図である。
【図３】第１実施形態に係る半導体レーザ装置と従来の半導体レーザ装置を動作させた場合の上昇温度を比較したグラフである。
【図４】従来の半導体レーザ装置の断面図である。
【図５】従来の半導体レーザ装置の断面図である。
【符号の説明】
１０…半導体レーザ素子、１１…ＬＤ、１２…活性層、１３…Ｃｒ層、１４…Ａｕ層、２０…シリコンサブマウント、２１…シリコン層、２２…Ｃｒ層、２３…Ａｕ層、３０…金属ベース、３１…金属ブロック、３２…Ｃｒ層、３３…Ａｕ層、４０…導電性接着剤。
【図１】
0005031136.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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