(57)【要約】【課題】従来の窒化物半導体レーザ装置の放熱経路に加えて新しい放熱経路を付加することにより、さらなる窒化物半導体レーザ装置の放熱の向上を提供する。【解決手段】第１導電型の導電性基板の第１主面上に、第１の電極を少なくとも有し、導電性基板の第２主面上に、第１導電型の窒化物半導体層と、活性層と、第２導電型の窒化物半導体層と、第２の電極とを少なくとも有し、さらに第１主面に平行なストライプ状導波路構造を有する窒化物半導体レーザ素子が、窒化部物半導体レーザ装置において、第１主面に平行方向かつストライプ状導波路構造から発する光出射方向に垂直な方向に２個以上配置され、第１のサブマウントと窒化物半導体レーザ素子の第１の電極とが電気的に、かつ、熱伝導するように、接続され、第２のサブマウントと窒化物半導体レーザ素子の第２の電極とが電気的に、かつ、熱伝導するように、接続された構造を備える窒化物半導体レーザ装置に関する。【選択図】図１
2009076730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体レーザ素子と、サブマウントとを備える窒化物半導体レーザ装置であって、
前記サブマウントは、第１のサブマウントと第２のサブマウントとを含み、
前記窒化物半導体レーザ素子は、第１導電型の導電性基板の第１主面上に、第１の電極を少なくとも有し、前記導電性基板の第２主面上に、第１導電型の窒化物半導体層と、活性層と、第２導電型の窒化物半導体層と、第２の電極とを少なくとも有し、さらに前記第１主面に平行なストライプ状導波路構造を有し、
さらに、第１主面に平行方向かつ前記ストライプ状導波路構造から発する光出射方向に垂直な方向に２個以上配置され、
前記第１のサブマウントと前記窒化物半導体レーザ素子の第１の電極とが電気的に、かつ、熱伝導するように、接続され、
前記第２のサブマウントと前記窒化物半導体レーザ素子の第２の電極とが電気的に、かつ、熱伝導するように、接続された構造を備える窒化物半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記第１のサブマウントおよび前記第２のサブマウントの少なくとも１つが１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する材料で構成されてなる請求項１に記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第１のサブマウントおよび前記第２のサブマウントは、ＳｉＣ、Ｃｕ、ＣｕＷ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、ＣｕＭｏおよびＡｇから選ばれるいずれかの材料で構成されてなる、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】
前記窒化物半導体レーザ素子は１個の前記ストライプ状導波路構造を有する請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項５】
複数の前記窒化物半導体レーザ素子は、互いに分割されない状態である、請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記第１のサブマウントおよび前記第２のサブマウントにおける前記光出射方向の寸法は、前記窒化物半導体レーザ素子の前記光出射方向の寸法より長い、請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記第１のサブマウントおよび前記第２のサブマウントにおける前記窒化物半導体レーザ素子の厚み方向の寸法は、０．２ｍｍ以上１０ｍｍ以下である、請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記第１のサブマウントおよび前記第２のサブマウントにおける
第１主面に平行な面の面積が小さい側の、前記面の重心位置からみて、
前記窒化物半導体レーザ素子と対向する位置に、前記窒化物半導体レーザ素子との厚さの差が０〜２０μｍの相違を有する厚さを有する絶縁体からなるスペーサが、
前記第１のサブマウントおよび前記第２のサブマウントの間に挟まれている、請求項１〜７のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記第１のサブマウントおよび前記第２のサブマウントと、前記窒化物半導体レーザ素子とは、導電性接着材料を介して接続されている、請求項１〜８のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項１０】
前記導電性接着材料は、共晶材料である、請求項９に記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項１１】
前記共晶材料は、第１のサブマウント側と第２のサブマウント側とで共晶温度が同一である請求項１０に記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項１２】
前記第１のサブマウントおよび前記第２のサブマウントは、それぞれ外部端子を支持するステムに電気的に、かつ、熱伝導するように、接続されている請求項１〜１１のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項１３】
前記第１のサブマウントまたは前記第２のサブマウントのいずれか一方が、前記ステムに電気的に、かつ熱伝導するように、接続されており、
他方が、前記ステムに電気的に接続されており、かつ放熱構造を有する、請求項１〜１１のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項１４】
前記放熱構造は、前記第１のサブマウントまたは前記第２のサブマウントのいずれかと、放射率０．７以上を有する熱放射材とが接触した構造である請求項１３に記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項１５】
前記熱放射材は、アルミナ、レンガ、コンクリート、ラッカおよび塗料から選ばれるいずれかで構成されてなる、請求項１４に記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項１６】
前記放熱構造は、フィン構造である、請求項１３に記載の窒化物半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体レーザ装置に関するものであり、さらに、高出力を有する窒化物半導体レーザ素子を備える窒化物半導体レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高出力の半導体レーザ素子は、ワット級の光出力を得ることができる。このような半導体レーザ素子は、レーザ光を用いた加工分野や医療分野などで用いられている。
【０００３】
また、近年、光ディスクのピックアップ用の青紫色レーザ光を出射する窒化物半導体レーザ素子の開発が進められており、実用化段階になりつつある。しかし、現在、半導体レーザ素子の中でも、窒化物半導体レーザ素子は、ワット級の光出力を得るものが、未だ実用化段階にいたっていない。該窒化物半導体レーザ素子における青紫色レーザ光の波長は、４００ｎｍ程度と短い。したがって、高い光出力を有する窒化物半導体レーザ素子の開発は、レーザ光を用いた加工分野や医療分野の応用範囲を広げるとの観点から望まれている。
【０００４】
また、近年、白熱電球や蛍光灯といった従来からの照明装置に代わり、半導体発光素子と蛍光体とを組合せて用いた照明装置が開発され、一部は、実用化されている。該半導体発光素子の一例として、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を発光層とした発光ダイオードを挙げることができる。該発光ダイオードは、赤色光および青色光、さらには白色光のような様々な色の光を発することができる。
【０００５】
該発光ダイオードを用いた照明装置は、白熱電球や蛍光灯などの従来からの照明装置と比較して、小型であり、安価であり、消費電力が少なく、寿命が長いといった利点を有する。しかし、該発光ダイオードを用いた照明装置は、従来からの照明装置ほどの大きな出力が得られない。そこで、現在のところ、該発光ダイオードを用いた照明装置は、主としてディスプレイのバックライトやイルミネーションやインジケータとして利用されるに留まっている。
【０００６】
ここで、上述したワット級の光出力を有する窒化物半導体レーザ素子を照明装置の光源に用いた場合は、発光ダイオードを照明装置の光源に用いた場合と比較して、光源としての電気−光変換効率が極めて高く、また大幅な高出力化が可能となることが期待されている。
【０００７】
窒化物半導体レーザ素子を光源として用いる場合に、該光源から得られる光出力は、０．３〜１Ｗ程度（たとえば０．５Ｗ）である。そして、窒化物半導体レーザ素子の光出力は１Ｗ以上に安定動作させるためには、２個以上の窒化物半導体レーザ素子を１つのサブマウントに複数電気的に接続することが必要である。
【０００８】
また、上述のように窒化物半導体レーザ素子の光出力を１Ｗ以上で安定させて、該窒化物半導体レーザ素子を動作させるためには、窒化物半導体レーザ１個当たり０．５Ａ程度の電流を印加させる必要がある。
【０００９】
そして、窒化物半導体レーザ素子を動作させるために必要な電圧は、３．５Ｖ〜６Ｖである。一方、窒化物半導体レーザ素子以外の一般的な半導体レーザ素子を動作させるために必要な電圧は、１．８Ｖ〜２．５Ｖである。したがって、窒化物半導体レーザ素子の動作に必要な電圧は、一般的な半導体レーザ素子の動作に必要な電圧と比べて高く、窒化物半導体レーザ素子の動作に必要な電力は、０．５Ａ×５Ｖ以上となる。
【００１０】
このとき、窒化物半導体レーザ素子に投入される電力の中でも、光出力に変換されなかった電力の大部分は、熱に変換される。該熱は、窒化物半導体レーザ素子の温度を上昇させ、光出力や発信波長等の発信特性を変化させるだけでなく、窒化物半導体レーザ素子の寿命に多大な影響を及ぼす。したがって、窒化物半導体レーザ素子をパッケージ等に実装する際には、窒化物半導体レーザ素子の放熱特性を向上させることを考慮される。たとえば、窒化物半導体レーザ素子のｐｎ接合面側をサブマウントにボンディングする、つまり窒化物半導体レーザ素子における基板裏面側を露出させるいわゆるジャンクションダウン配置を採用することができる。また、ヒートシンクを複数用いた半導体レーザ装置の構造についても開発されている（たとえば特許文献１（特開２００５−３２９３７号公報））。
【００１１】
また、高い光出力を得るために複数の窒化物半導体レーザ素子が実装された、窒化物半導体レーザ装置については、たとえば非特許文献１（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，２００５，４１，（２１），ｐｐ．１１７２−１１７３）において検討されている。非特許文献１では、複数の窒化物半導体レーザ素子が、個々の素子に分割されない状態で、サブマウント上に設置されている。
【００１２】
図１３は、従来の検討されている窒化物半導体レーザ装置の構成を示す模式図である。図１３に示す窒化物半導体レーザ装置は、窒化物半導体レーザ素子１０００１が、ｐｎ接合面側をサブマウント１０００２にボンドされた、いわゆるジャンクションダウン配置で実装されている。そして、サブマウント１０００２は、ステム１０００４に溶接されたヒートシンク１０００３にボンドされている。
【００１３】
図１４は、図１３に示した窒化物半導体レーザ装置における、熱抵抗回路網を示したものである。図１３に示した窒化物半導体レーザ装置において、窒化物半導体レーザ素子の発光領域における発熱３０００１は、窒化物半導体レーザ素子の発光領域からサブマウント上側表面までの熱抵抗３０００２を経る。そして、該発熱３０００１は、サブマウント上側表面までの熱抵抗３０００２からヒートシンク上側表面までの熱抵抗３０００３を経る。最後に、該発熱３０００１は、ヒートシンク上側表面までの熱抵抗３０００３から窒化物半導体レーザ装置が収納される筐体までの熱抵抗３０００４を経て、放熱されている。
【００１４】
なお、図１４において示した熱抵抗以外に、窒化物半導体レーザ素子、サブマウントおよびヒートシンクの表面から、自然冷却により放熱される経路に相当する熱抵抗、ならびに、複数の窒化物半導体レーザ素子間の熱経路に相当する熱抵抗も存在する。しかし、通常は図１４に示さない熱抵抗は、図１４に示す熱抵抗に比べて無視できるほど小さいため、省略した。
【００１５】
図１５は、図１３に示す窒化物半導体レーザ装置における電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性を示している。横軸が、該窒化物半導体レーザ装置に印加する電流（Ｉ）を示し、縦軸が該窒化物半導体レーザ装置の光出力（Ｌ）を示す。以下、該電流と該光出力との関係をＩ−Ｌ特性と表記する。
【００１６】
図１５において、該窒化物半導体レーザ装置は、点２０００１より低い電流値では、直線的なＩ−Ｌ特性を示す。しかし、点２０００１から点２０００２の範囲では、直線的なＩ−Ｌ特性の延長から外れる。そして、点２０００１までのＩ−Ｌ特性に比べて、点２０００１から点２０００２までのＩ−Ｌ特性は、印加する電流に対する光出力の増加の割合が小さくなることが示されている。
【００１７】
図１５に示す現象は、該窒化物半導体レーザ素子からの発熱により該窒化物半導体レーザ装置の温度が上昇することによって、光出力の低下を招いたことに由来する。さらに点２０００２より高い電流値では、窒化物半導体レーザ素子からの発熱に由来する窒化物半導体レーザ装置の劣化が生じ、該窒化物半導体レーザ装置の光出力の増加は飽和を示す。そして、点２０００２よりも電流を印加しても、窒化物半導体レーザ素子からの発熱が増加することに由来する窒化物半導体レーザ装置の劣化によって、該窒化物半導体レーザ装置の光出力は、減少傾向を示す。
【特許文献１】特開２００５−３２９３７号公報
【非特許文献１】Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，２００５，４１，（２１），ｐｐ．１１７２−１１７３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上述のように、高い光出力を有する窒化物半導体レーザ素子を備えた窒化物半導体レーザ装置の開発において、該窒化物半導体レーザ装置において生じる熱を、効率よく外部に放熱することを検討することは不可欠である。
【００１９】
これまで、窒化物半導体レーザ装置の放熱をさらに良くするために、窒化物半導体レーザの構造や、サブマウントの材料や形状について、検討されてきたが、特に有効な放熱の効率化は図れていない。
【００２０】
本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、従来の窒化物半導体レーザ装置の放熱経路に加えて新しい放熱経路を付加することにより、さらなる窒化物半導体レーザ装置の放熱の向上を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、窒化物半導体レーザ素子と、サブマウントとを備える窒化物半導体レーザ装置であって、サブマウントは、第１のサブマウントと第２のサブマウントとを含み、窒化物半導体レーザ素子は、第１導電型の導電性基板の第１主面上に、第１の電極を少なくとも有し、導電性基板の第２主面上に、第１導電型の窒化物半導体層と、活性層と、第２導電型の窒化物半導体層と、第２の電極とを少なくとも有し、さらに第１主面に平行なストライプ状導波路構造を有し、さらに、第１主面に平行方向かつストライプ状導波路構造から発する光出射方向に垂直な方向に２個以上配置され、第１のサブマウントと窒化物半導体レーザ素子の第１の電極とが電気的に、かつ、熱伝導するように、接続され、第２のサブマウントと窒化物半導体レーザ素子の第２の電極とが電気的に、かつ、熱伝導するように、接続された構造を備える窒化物半導体レーザ装置に関する。
【００２２】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、第１のサブマウントおよび第２のサブマウントの少なくとも１つが１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する材料で構成されてなることが好ましい。
【００２３】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、第１のサブマウントおよび第２のサブマウントは、ＳｉＣ、Ｃｕ、ＣｕＷ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、ＣｕＭｏおよびＡｇから選ばれるいずれかの材料で構成されてなることが好ましい。
【００２４】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、窒化物半導体レーザ素子は１個のストライプ状導波路構造を有することが好ましい。
【００２５】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、複数の窒化物半導体レーザ素子は、互いに分割されない状態であることが好ましい。
【００２６】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、第１のサブマウントおよび第２のサブマウントにおける光出射方向の寸法は、窒化物半導体レーザ素子の光出射方向の寸法より長いことが好ましい。
【００２７】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、第１のサブマウントおよび第２のサブマウントにおける窒化物半導体レーザ素子の厚み方向の寸法は、０．２ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２８】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、第１のサブマウントおよび第２のサブマウントにおける第１主面に平行な面の面積が小さい側の、面の重心位置からみて、窒化物半導体レーザ素子と対向する位置に、窒化物半導体レーザ素子との厚さの差が０〜２０μｍの相違を有する厚さを有する絶縁体からなるスペーサが、第１のサブマウントおよび第２のサブマウントの間に挟まれていることが好ましい。
【００２９】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、第１のサブマウントおよび第２のサブマウントと、窒化物半導体レーザ素子とは、導電性接着材料を介して接続されていることが好ましい。
【００３０】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、導電性接着材料は、共晶材料であることが好ましい。
【００３１】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、共晶材料は、第１のサブマウント側と第２のサブマウント側とで共晶温度が同一であることが好ましい。
【００３２】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、第１のサブマウントおよび第２のサブマウントは、それぞれ外部端子を支持するステムに電気的に、かつ、熱伝導するように、接続されていることが好ましい。
【００３３】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、第１のサブマウントまたは第２のサブマウントのいずれか一方が、ステムに電気的に、かつ熱伝導するように、接続されており、他方が、ステムに電気的に接続されており、かつ放熱構造を有することが好ましい。
【００３４】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、放熱構造は、第１のサブマウントまたは第２のサブマウントのいずれかと、放射率０．７以上を有する熱放射材とが接触した構造であることが好ましい。
【００３５】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、熱放射材は、アルミナ、レンガ、コンクリート、ラッカおよび塗料から選ばれるいずれかで構成されてなることが好ましい。
【００３６】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、放熱構造は、フィン構造であることが好ましい。
【００３７】
本発明において、窒化物半導体レーザ装置とは、窒化物半導体レーザ素子をサブマウント、ステム等のマウント部材に搭載し、一体化したものをいう。
【発明の効果】
【００３８】
窒化物半導体レーザ装置に新しい放熱経路を付加することにより、さらなる窒化物半導体レーザ装置の放熱を向上させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。また、図面における長さ、大きさ、幅などの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法を表してはいない。
【００４０】
＜実施の形態１＞
≪構造≫
図１は、本発明の実施の形態１における窒化物半導体レーザ装置の模式的な斜視図である。以下、図１に基づいて説明する。
【００４１】
本発明の窒化物半導体レーザ装置１００は、窒化物半導体レーザ素子１０１と、第１のサブマウント１０２と第２のサブマウント１０４とを含むサブマウントを備える。窒化物半導体レーザ素子１０１は、第１導電型の導電性基板の第１主面上に、第１の電極を少なくとも有し、導電性基板の第２主面上に、第１導電型の窒化物半導体層と、活性層と、第２導電型の窒化物半導体層と、第２の電極とを有し、さらに該第１主面に対して平行なストライプ状導波路構造を有する。
【００４２】
そして、本実施の形態の窒化物半導体レーザ装置１００において、窒化物半導体レーザ素子１０１は、第１主面に平行方向かつストライプ状導波路構造から発する光出射方向に垂直な方向に２個以上配置される。そして、窒化物半導体レーザ装置における窒化物半導体レーザ素子の配置は、第１のサブマウント１０２と窒化物半導体レーザ素子１０１の第１の電極とが電気的に、かつ、熱伝導するように、接続され、第２のサブマウント１０４と窒化物半導体レーザ素子１０１の第２の電極とが電気的に、かつ、熱伝導するように、接続された構造によって固定されている。第１のサブマウント１０２と窒化物半導体レーザ素子１０１とは、ハンダ材１０３で接続されている。また、第２のサブマウント１０４と窒化物半導体レーザ素子１０１とは、ハンダ材１０５で接続されている。なお、第１のサブマウント１０２および第２のサブマウント１０４は、ステム１０６に、ハンダ材（図示せず）で接続されている。本実施の形態においては、第１のサブマウント１０２および第２のサブマウント１０４は、それぞれ外部端子を支持するステム１０６に電気的に、かつ、熱伝導するように、接続されている。
【００４３】
ここで、本発明において、該導電性基板の第１主面と第２主面との関係は、該導電性基板の第１主面の反対面が第２主面であるという関係である。また、第１導電型はｐ型およびｎ型のいずれであってもよく、第２導電型は第１導電型とは逆の導電型である。
【００４４】
本発明においては、複数の窒化物半導体レーザ素子１０１を第１のサブマウント１０２と第２のサブマウント１０４とで挟む構造となっている。該構造により、窒化物半導体レーザ素子１０１と複数の第１のサブマウント１０２との接続状態が均一化しており窒化物半導体レーザ素子１０１ごとの放熱特性のばらつきを抑制し、窒化物半導体レーザ素子１０１が発振する投入電力値の均一化をはかることができる。
【００４５】
そして、第２のサブマウント１０４は、窒化物半導体レーザ装置１００の外部へ熱伝導により放熱する機能を有するため、従来の窒化物半導体レーザ装置１００に比べ、放熱特性を向上させることができる。
【００４６】
さらに本実施の形態においては、複数の窒化物半導体レーザ素子が、互いに分割された状態のもの、つまり、一つの独立した窒化物半導体レーザ素子につき１つのストライプ状導波路構造（後述する）が備えられたものが複数搭載されている。この方法により、窒化物半導体レーザ素子の特性が近い該窒化物半導体レーザ素子を選別して、搭載することができる。
【００４７】
また、本実施の形態において、第１のサブマウント１０２および第２のサブマウント１０４における窒化物半導体レーザ素子１０１の厚み方向の寸法は、０．２ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましく、０．２５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることが特に好ましい。該寸法が０．２ｍｍ未満である場合には、窒化物半導体レーザ素子１０１から発生した熱が、第１のサブマウント１０２および第２のサブマウント１０４内部の厚みに垂直な面方向への熱伝導が悪くなり、第１のサブマウント１０２および第２のサブマウント１０４の実質的な熱抵抗が低くなる問題が生ずる虞がある。該寸法が１０ｍｍを超える場合には、窒化物半導体レーザ装置１００全体が大きくなってしまい、実質上問題が生じる虞がある。
【００４８】
図２は、本実施の形態における窒化物半導体レーザ素子の要部の構造を表す模式的な断面図である。窒化物半導体レーザ素子１０１は、ｎ型基板３０１の第２主面上に、ｎ型層３０２、ｎ型バッファ層３０３、ｎ型クラッド層３０４、ｎ型光導波層３０５、ｎ型活性層３０６、ｐ型キャリアストップ層３０７、ｐ型光導波層３０８、ｐ型クラッド層３０９およびｐ型コンタクト層３１０が順次積層形成されている。さらに、ｎ型活性層３０６の上部構造の一部に、ｐ型クラッド層３０９に到達するまでエッチングすることにより、幅５〜１００μｍ（たとえば１０μｍ）のリッジ形状のストライプ３１２が形成されている。本実施の形態においては、ｎ型活性層３０６およびｎ型光導波層３０８が、ｐ型クラッド層３０９に挟まれたストライプ状導波路構造を有しており、ｎ型活性層３０６の発光は、該ストライプ状導波路構造内に閉じ込められて、レーザ発振動作を生じる。
【００４９】
また、エッチングされずに残ったｐ型コンタクト層３１０の上にはｐ側コンタクト電極３１１が形成されており、またエッチングされた領域には絶縁膜３１３と厚さ０．１μｍ以下の金属層３１６が形成されている。またｐ型コンタクト電極３１０と接するように、厚さ１〜５μｍ（たとえば３μｍ）のｐ型電極パッド３１４が形成されている。本実施の形態において、金属層３１６は絶縁膜３１３とｐ型電極パッド３１４との密着性を向上させるために形成されており、たとえばＭｏ等が用いられるが、無くても窒化物半導体レーザ素子１０１の特性上に支障はない。ｎ型基板３０１の第１主面上には、ｎ側電極３１５が形成されている。ｎ型基板３０１の厚さは５０〜２００μｍ（たとえば１００μｍ）になるまで研磨され、また窒化物半導体レーザ素子１０１の横幅が３００〜４００μｍとなるように設計されている。
【００５０】
本実施の形態において、第１のサブマウントおよび第２のサブマウントの少なくとも１つが１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する材料で構成されてなることが好ましい。具体的には、該第１のサブマウントおよび第２のサブマウントの少なくとも１つが、ＳｉＣ、Ｃｕ、ＣｕＷ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、ＭｏおよびＡｇから選ばれる材料で構成されていることが好ましい。なお、本明細書に記載された該熱伝導率は、たとえば、レーザフラッシュ法により求めることができるが、該熱伝導率は、他の方法で求めてもよい。
【００５１】
また、第１のサブマウントおよび第２のサブマウントの表面に形成されるハンダ材およびハンダ材から成る層は、第１のサブマウントおよび第２のサブマウントの１面全体に渡って形成されているが、複数の窒化物半導体レーザ素子の全てに接触するように形成されていればよく、たとえば第１のサブマウントおよび第２のサブマウントの１面の一部に形成されていてもよい。
【００５２】
また、本実施の形態においては、第１のサブマウントおよび第２のサブマウントと、窒化物半導体レーザ素子とは、ハンダ材を介して接続されているが、これに限定されるものではない。上述した接続には、導電性接着材料を用いることができる。また、該導電性接着材料は、共晶材料であることが好ましい。窒化物半導体レーザ素子の電極材料と、原子レベルで混ぜることが可能である故、電気的接触および熱伝導上有利であるからである。そして、共晶材料の共晶温度は、第１のサブマウント側と第２のサブマウント側と同一であることが好ましい。同一の共晶温度を有する共晶材料を用いても、窒化物半導体レーザ素子を介して配置されているため、同時に溶けることはなく、実用上問題ないためである。なお、共晶材料の例示として、ＳｎＡｇＣｕの共晶温度は２１７〜２２５℃である。
該導電性接着材料としては、たとえば銀ペースト等を用いても良い。しかし銀ペーストはハンダ材に比べて一般的に熱伝導率が低いことから、ハンダ材を用いる方が望ましい。
【００５３】
≪動作≫
図３は、本実施の形態における窒化物半導体レーザ装置の熱抵抗回路網を示した模式図である。なお、図３に示した熱抵抗以外に、窒化物半導体レーザ素子１０１、第１サブマウント１０２、第２のサブマウント１０４の表面から、自然冷却により放熱される経路に相当する熱抵抗も並列的に存在するが、通常は図示した熱抵抗に比べて十分大きく、この経路を通って放熱される熱流は無視できるほど小さいため、省略する。
【００５４】
複数の窒化物半導体レーザ素子１０１の発光領域における発熱２０１は、窒化物半導体レーザ素子１０１の発光領域から、第１のサブマウント１０２と窒化物半導体レーザ素子１０１とが接する表面までの熱抵抗２０２を経る。次に、発熱２０１は、熱抵抗２０２から、第１のサブマウント１０２とステム１０６とが接する表面までの熱抵抗２０３を経る。最後に、発熱２０１は、ステム１０６から窒化物半導体レーザ装置１００が収納される筐体までの熱抵抗２０４を経て、放熱される。
【００５５】
本実施の形態の窒化物半導体レーザ装置１００は、第１のサブマウント１０２のほかに第２のサブマウント１０４を有するため、従来の窒化物半導体レーザ装置よりも放熱の効率がよい。つまり、第１のサブマウント１０２に由来する熱放射のほかに、発熱２０１は、第２のサブマウント１０４と窒化物半導体レーザ素子１０１とが接する表面までの熱抵抗２０５から、第１のサブマウント１０２とステム１０６とが接する表面までの熱抵抗２０３を経て、最後に、ステム１０６から窒化物半導体レーザ装置１００が収納される筐体（図示せず）までの熱抵抗２０４を経て、放熱される。
【００５６】
本発明の窒化物半導体レーザ装置においては、従来の窒化物半導体レーザ装置に比べ、さらに第２のサブマウント１０４を介した熱経路を設けている。したがって、図１４に示した従来の窒化物半導体レーザ装置における熱回路網で構成された熱経路に何ら悪影響を与えることなく、加えて、熱抵抗２０５，２０６，２０７に示した熱抵抗で構成された熱経路が生じ、これにより従来の窒化物半導体レーザ装置に比して、放熱特性が向上するという効果を奏している。
【００５７】
≪製造方法≫
図４は、本実施の形態の窒化物半導体レーザ装置の製造工程を示す模式的な斜視図である。以下、図４（ａ）〜（ｄ）に基づいて説明する。
【００５８】
まず、図４（ａ）に示す工程について説明する。第１のサブマウント４０２の一面には、金属の層を介して（図示せず）ハンダ材から成る層４０３が形成されている。第１のサブマウント４０２の材料には、たとえばＳｉＣを用いることができる。第１のサブマウント４０２の形状は、たとえば幅３ｍｍ×奥行き１．５ｍｍ×厚さ１ｍｍとする。該金属の層は、たとえばＴｉ（厚さ０．１μｍ）／Ｐｔ（厚さ０．２μｍ）／Ａｕ（厚さ０．２μｍ）の順に、第１のサブマウント４０２側から構成されている。ハンダ材から成る層４０３は、たとえばＡｕＳｎを用いることができる。このとき、ハンダ材から成る層４０３の厚さは、たとえば３μｍとするが、窒化物半導体レーザ素子４０１の厚さのばらつき範囲より厚く、窒化物半導体レーザ素子４０１のｎ型基板の厚さより薄いことが望ましい。一般的なダイボンド装置を用いる等の手段により、この第１のサブマウント４０１上のハンダ材から成る層４０３が形成された面上に、複数の窒化物半導体レーザ素子４０１を配置する。このとき、複数の窒化物半導体レーザ素子４０１における、レーザ光を取り出す面が、第１のサブマウント４０２の端と一致しているか、もしくは第１のサブマウント４０２の端から１０μｍ以内の距離を隔てて突出するように配置されることが好ましい。これは、窒化物半導体レーザ素子４０１からの発光が、第１のサブマウント４０１により物理的に遮蔽されることを防ぐためである。
【００５９】
次に、図４（ｂ）に示す工程について説明する。第１のサブマウント４０２における窒化物半導体レーザ素子４０１が配置された面の対向面から、市販の半導体レーザ用実装装置等を用いて加熱する。このとき加熱前に、第２のサブマウント４０４を用いて、複数の窒化物半導体レーザ素子４０１を一定荷重で押さえた状態で加熱を行なう。第２のサブマウント４０４は、第１のサブマウント４０２と全く同じものを用いることができる。すなわち、本実施の形態においては、第２のサブマウント４０２の材料は、たとえばＳｉＣを用い、第２のサブマウント４０２の形状は、たとえば幅３ｍｍ×奥行き１．５ｍｍ×厚さ１ｍｍとすることができる。第２のサブマウント４０４の上に形成される金属の層（図示せず）は、たとえばＴｉ（厚さ０．１μｍ）／Ｐｔ（厚さ０．２μｍ）／Ａｕ（厚さ０．２μｍ）の順に、第２のサブマウント４０４側から構成されているものを用いることができる。ハンダ材から成る層４０５は、第１のサブマウント４０２上に形成されたハンダ材から成る層４０５の共晶温度と同じかそれ以上の共晶温度を有するものを用い、たとえばＡｕＳｎを用いることができる。加熱温度は、第１のサブマウント上に形成されたハンダ材が溶融する温度を下限とし、それより２０〜３０℃高い温度となるように設定する。市販の半導体レーザ用実装装置等を用いた加熱の温度の上限は、窒化物半導体レーザ素子４０１の信頼性が顕著に低下しないようにとの観点から決定され、たとえば窒化物半導体レーザ素子４０１の温度が３００℃以上とならないように設定されることが好ましい。
【００６０】
ここで、第１のサブマウント４０２と窒化物半導体レーザ素子４０１の接着を行なうと同時に、第２のサブマウント４０４と窒化物半導体レーザ素子４０１との接着も行なうように、温度を設定する場合は、後述する図４（ｄ）に示す工程に進む。また、図４（ｂ）に示す工程で第１のサブマウント４０２と窒化物半導体レーザ素子４０１との接着のみを行なう場合は、図４（ｃ）に示す工程に進む。
【００６１】
次に、図４（ｃ）に示す工程について説明する。窒化物半導体レーザ素子４０１が接着された第１のサブマウント４０２を、第２のサブマウント４０４におけるハンダから成る層４０５が形成された面の上に配置する。そして、第２のサブマウント４０４におけるハンダ材から成る層４０５が形成された面の対向面から、図４（ｂ）における加熱方法と同様にして加熱する。このときの加熱の温度は、第２のサブマウント４０４上に形成されたハンダ材から成る層４０５が溶融する温度を下限とし、それより２０〜３０℃高い温度となるように設定することが好ましい。加熱温度の上限は、窒化物半導体レーザ素子４０１の信頼性が顕著に低下しないようにとの観点から決定され、たとえば窒化物半導体レーザ素子４０１の温度が３００℃以上とならないように設定されることが好ましい。第２のサブマウント４０４は、複数の窒化物半導体レーザ素子４０１のレーザ光を取り出す面が、第２のサブマウントの端と一致しているか、もしくは第２のサブマウントの端から１０μｍ以内の距離を隔てて突出するように配置されていることが望ましい。これは、窒化物半導体レーザ素子４０１からのレーザ光が、第２のサブマウント４０４により物理的に遮蔽されることを防ぐためである。
【００６２】
最後に図４（ｄ）に示す工程について説明する。第１のサブマウント４０２および第２のサブマウント４０４を、ステム４０６にハンダ材（図示せず）を用いて接着する。このとき、ステム４０６において、第１のサブマウント４０２および第２のサブマウント４０４がそれぞれ接着される領域が、互いに電気的に絶縁されていることが必要である。該ハンダ材の共晶温度は、第１のサブマウント４０２および第２のサブマウント４０４上に形成されたハンダ材と同じかそれ未満のものとなるように選択することが好ましく、本実施の形態においては、たとえばＳｎＡｇＣｕなどを選択することができる。
【００６３】
以上の工程を経て、本発明の窒化物半導体レーザ装置は製造される。
なお、以下の実施の形態においては、上述した各種材料を適宜選択して利用することができる。
【００６４】
＜実施の形態２＞
≪構造≫
図５は、本発明の実施の形態１における窒化物半導体レーザ装置の模式的な斜視図である。以下、図５に基づいて説明する。
【００６５】
本実施の形態の窒化物半導体レーザ装置６００において、複数の窒化物半導体レーザ素子６０１における第１の電極は、第１のサブマウント６０２とハンダ材６０３を用いて接続されている。さらに、複数の窒化物半導体レーザ素子６０１における第２の電極は、第２のサブマウント６０４と、第１のサブマウント６０２と対向する位置にハンダ材６０５を用いて接続されている。第１のサブマウント６０２および第２のサブマウント６０４は、ステム６０６に、ハンダ材（図示せず）を用いて接続されている。
【００６６】
さらに本実施の形態の窒化物半導体レーザ装置６００において、複数の窒化物半導体レーザ素子６０１が互いに分割されていない。つまり、言い換えると、本実施の形態において、窒化物半導体レーザ素子６０１は、１枚のｎ型基板上の複数のストライプ状導波路構造を有する構造を備える。
【００６７】
本発明の窒化物半導体レーザ装置において、複数の窒化物半導体レーザ素子６０１は、互いの特性ばらつきが小さくなることが必要とされる。本実施の形態によると、該特性のばらつきが小さく、さらに窒化物半導体レーザ素子６０１の製造工程における、チップを分割する工程の時間が短縮され、コスト削減という効果を奏する。
【００６８】
実施の形態１における窒化物半導体レーザ装置と同様に、従来の窒化物半導体レーザ装置と比較して、熱放射効率が高い。
【００６９】
＜実施の形態３＞
≪構造≫
図６は、本発明の実施の形態３における窒化物半導体レーザ装置の模式的な斜視図である。以下、図６に基づいて説明する。
【００７０】
複数の窒化物半導体レーザ素子７０１における第１の電極は、第１のサブマウント７０２とハンダ材７０３を用いて接続されている。さらに、複数の窒化物半導体レーザ素子７０１における第２の電極は、第２のサブマウント７０４と、第１のサブマウント７０２と対向する位置にハンダ材７０５を用いて接続されている。
【００７１】
さらに本実施の形態の窒化物半導体レーザ装置７００は、実施の形態１と比較して、第１のサブマウント７０２のハンダ材７０３と対向する面が、外部端子を支持するステム７０６と一体的に形成された熱放射材としてのヒートシンク７０７に接着されている。第１のサブマウントはヒートシンク７０７によって、該ステム７０６と電気的に、かつ、熱伝導するように接続されている。また、第２のサブマウント７０４のハンダ材７０５と対向する面においても、第２のサブマウント７０４とヒートシンク７０７とが熱伝導するように接続されており、第２のサブマウントは、該ステム７０６と電気的に接続されている。
【００７２】
本構成を用いることにより、ＣＤ用・ＤＶＤ用レーザ等に汎用されているステムを使用することが出来るため、特別な形状のステムを作製するに必要がなく、ステムのコストを削減できるという効果を奏する。
【００７３】
本実施の形態においては、第１のサブマウント７０２および第２のサブマウント７０４いずれも、ハンダ材７０３およびハンダ材７０５が存在している面と、それに対向する面とが、互いに電気的に接続されている必要がある。
【００７４】
したがって、たとえば、ヒートシンク７０７の材料として、ＣｕおよびＣｕＷなどの導電性材料を用いるか、ヒートシンク７０７の側面に金属を蒸着する、等の手法が有効である。
【００７５】
本実施の形態においては、第１のサブマウント７０２および第２のサブマウント７０４のいずれも、厚さは薄いほど望ましく、表面積は大きいほど、放熱特性の観点から好ましい。特に、第１のサブマウント７０２および第２のサブマウント７０４の光出射方向長さは、いずれも窒化物半導体レーザ素子の光出射方向長さより長い。
【００７６】
ここで、本実施の形態の窒化物半導体レーザ装置７００においては、第２のサブマウント７０４が、ステム７０６と物理的に、つまり、熱伝導するように接触してはいない。このため、第２のサブマウント７０４からの放熱手段として、第２のサブマウント７０４に接触するようにヒートシンク７０７を設けている。このヒートシンク７０７は、第２のサブマウント７０４とヒートシンク７０７とは、たとえばハンダ等を用いて接着されている。ヒートシンク７０７は、たとえばアルミナで構成されることが好ましい。
【００７７】
第２のサブマウント７０４に接触する熱放射材としてのヒートシンク７０７の大きさは、材料に寄らず、窒化物半導体レーザ素子７０１からの距離が１μｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に渡って配置されていることが望ましい。さらに望ましくは、該距離が、１０μｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に渡って配置されていることが望ましい。
【００７８】
これは、該ヒートシンク７０７の下側表面で発生した電磁波が、該ヒートシンク７０７の上側表面から外部へ放出される前に、再度該ヒートシンク７０７内部で吸収されてしまうためである。該ヒートシンク７０７の表面から数μｍ深さまでの温度とステムの表面の温度との差が５度以下になると、熱放射材としての役割を果たさない虞がある。このような観点から該ヒートシンク７０７の厚さの上限が決定される。該上限は１０００μｍとすることができるが、本実施の形態においては、該ヒートシンク７０７の厚さは、１００μｍ以下が好ましく、１０μｍ以下が特に好ましい。
【００７９】
また、熱放射材としてのヒートシンク７０７の材料としてアルミナのほか、０．７以上の放射率を有していれば他の材料でもよく、たとえばセラミック、レンガ、コンクリート、ラッカ、塗料のいずれかで構成されていれば、本発明の効果を奏する。
【００８０】
また、本発明において、放射率の測定方法としては、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ）によるものとできる。
【００８１】
ここで、ラッカや塗料を熱放射材としてのヒートシンクとする場合は、第２のサブマウント７０４自体を作製する際に、該第２のサブマウント７０４を個々に分割する前、第２のサブマウント７０４のハンダ材７０５と対向する面側に、ラッカや塗料を部分的に形成し、その後個々に分割したものを用いることができる。ラッカや塗料を部分的に形成する方法としては、個々に分割される前のサブマウント材料基板上に、部分的に穴の開いた金属マスクをかぶせ、穴の開いた方向からフィルムコーティング装置等を用いてラッカや塗料から構成される膜を部分的に形成する等が用いられる。該塗料としては、たとえば、Ｃｕ2Ｏ3（青）、ＣｕＯ（黒）、Ｃｕ2Ｏ3（緑）、Ｆｅ2Ｏ3（赤）、Ａｌ2Ｏ3（白）、Ｙ2Ｏ3（白）、ＺｎＯ（白）、ＭｇＣＯ3（白）、ＺｒＯ2（白）、ＴｈＯ2（白）、ＭｇＯ（白）、ＰｂＣＯ3（白）、ＰｂＯ（黄）、ＰｂＣｒＯ4（黄）、ニス等を用いることができる。
【００８２】
≪製造方法≫
図７は、本実施の形態の窒化物半導体レーザ装置の製造工程を示す模式的な斜視図である。以下、図７に基づいて説明する。
【００８３】
本実施の形態においては、上述した実施の形態１における図４（ａ）に示した工程において、第１のサブマウント８０２のハンダ材から成る層８０３が存在している面上において、同面の重心位置からみて、窒化物半導体レーザ素子８０１と対向する位置に、絶縁体からなるスペーサ８０４を配置する。
【００８４】
このスペーサ８０４を配置しない場合には、後工程において第２のサブマウント（図示せず）で上方から押さえる際、第１のサブマウント８０２および第２のサブマウントのハンダ材から成る層が互いに平行でなくなる虞がある。すなわち、本実施の形態において、第１のサブマウント８０２および第２のサブマウントの光出射方向長さは、いずれも窒化物半導体レーザ素子８０１の光出射方向長さより長い場合に、第２のサブマウントと窒化物半導体レーザ素子８０１との接着が不十分となる問題を防止できるという効果を奏する。
【００８５】
スペーサ８０４は、窒化物半導体レーザ素子８０１の厚さとの相違量が、０〜２０μｍであることが好ましい。また、スペーサ８０４には、たとえばアルミナ等のガラスを研磨したものの両面に、金属を蒸着したものを用いることができる。この研磨は、上述はしていないが、窒化物半導体レーザ素子８０１の研磨工程の際に、同時に研磨したものを用いれば、自ずと窒化物半導体レーザ素子８０１とスペーサ８０４の厚さが概略一致するようになり、スペーサ８０４を形成する工程を省くことができる。
【００８６】
なお、本実施の形態における以後の製造工程は、上述した図４（ｂ）〜（ｄ）に示す工程と同様に行なうことができる。
【００８７】
＜実施の形態４＞
≪構造≫
図８は、本発明の実施の形態４における窒化物半導体レーザ装置の模式的な斜視図である。以下、図８に基づいて説明する。
【００８８】
本実施の形態の窒化物半導体レーザ装置１０００において、複数の窒化物半導体レーザ素子１００１の第１の電極は、第１のサブマウント１００２にハンダ材１００３を用いて接続されている。さらに、複数の窒化物半導体レーザ素子１００１における第２の電極は、第２のサブマウント１００４と、第１のサブマウント１００２と対向する位置にハンダ材１００５を用いて接続されている。そして、第１のサブマウント１００２とステム１００６とが熱的にも、電気的にも接続されている。
【００８９】
さらに本実施の形態における窒化物半導体レーザ装置１０００は、実施の形態３と比較して、第２のサブマウント１００４が放熱構造を有し、フィン構造である。フィン構造とは、外気との接触面積を大きくし、また外気の対流を考慮して効率よく熱を大気もしくは液体中に放熱させることを目的としており、くし型形状や剣山状のものなど、種々の構造がある。本実施の形態における窒化物半導体レーザ装置は、第２のサブマウント１００４の表面積を増大させ、対流により放熱させるという特徴を有している。
【００９０】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００９１】
［実施例１］
図４を参照して、本実施例について説明する。
【００９２】
まず、図４（ａ）に示す工程について説明する。第１のサブマウント４０２の一面には、金属の層を介して（図示せず）ハンダ材から成る層４０３を形成した。該金属の層は、厚さ０．１μｍのＴｉ層／厚さ０．２μｍのＰｔ層／厚さ０．２μｍのＡｕの順に、第１のサブマウント４０２側から形成した。該ハンダ材から成る層４０２として、厚さ３μｍのＡｕＳｎから成る層を形成した。
【００９３】
そして、ダイボンド装置（Ｔｏｈｓｏｋｕ社製モデルＣＤ−２００シリーズＡ）を用いて、第１のサブマウント４０１上のハンダ材から成る層４０３が形成された面上に、複数の窒化物半導体レーザ素子４０１を配置した。このとき、複数の窒化物半導体レーザ素子４０１における、レーザ光を取り出す面、第１のサブマウント４０１の端と一致させた。
【００９４】
次に、図４（ｂ）に示す工程について説明する。第１のサブマウント４０２における窒化物半導体レーザ素子４０１が配置された面の対向面から、市販の半導体レーザ用実装装置（Ｔｏｈｓｏｋｕ社製モデルＣＤ−２００シリーズＡ）を用いて３００℃で加熱した。このとき加熱前に、第２のサブマウント４０４を用いて、複数の窒化物半導体レーザ素子４０１を一定荷重で押さえた状態で加熱を行なった。第２のサブマウント４０４は、第１のサブマウント４０２と全く同じものを用いた。また、第２のサブマウント４０４上には、金属の層（図示せず）を介してハンダ材から成る層４０５を形成したものを用いた。このとき第２のサブマウント４０４における金属の層およびハンダ材から成る層４０５についても上述のものと同様のものを用いた。
【００９５】
次に、図４（ｃ）に示す工程について説明する。窒化物半導体レーザ素子４０１が接着された第１のサブマウント４０２を、第２のサブマウント４０４におけるハンダから成る層４０５が形成された面の上に配置した。そして、第２のサブマウント４０４におけるハンダ材から成る層４０５が形成された面の対向面から、図４（ｂ）における加熱方法と同様にして加熱した。このときの加熱の温度は、３００℃とした。また、第２のサブマウント４０４は、複数の窒化物半導体レーザ素子４０１のレーザ光を取り出す側の面を第２のサブマウントの端と一致させた。
【００９６】
最後に図４（ｄ）に示す工程について説明する。第１のサブマウント４０２および第２のサブマウント４０４を、ステム４０６にハンダ材（図示せず）を用いて接着した。このとき、ステム４０６において、第１のサブマウント４０２および第２のサブマウント４０４がそれぞれ接着される領域を、互いに電気的に絶縁させた。該ハンダ材には、ＳｎＡｇＣｕを選択した。
【００９７】
以上の工程を経て、本実施例の窒化物半導体レーザ装置を製造した。
製造された窒化物半導体レーザ装置について、図１に基づいて説明する。
【００９８】
窒化物半導体レーザ装置１００において、窒化物半導体レーザ素子１０１は、第１主面に平行方向かつストライプ状導波路構造から発光する方向に垂直な方向に２個以上配置された構造である。そして、窒化物半導体レーザ装置１００における窒化物半導体レーザ素子１０１の配置は、第１のサブマウント１０２と窒化物半導体レーザ素子１０１の第１の電極とが電気的に、かつ、熱伝導するように、接続され、第２のサブマウント１０４と窒化物半導体レーザ素子１０１の第２の電極とが電気的に、かつ、熱伝導するように、接続された構造によって固定されていた。
【００９９】
本実施例における窒化物半導体レーザ素子について図３に基づいて説明する。まず、厚さは１００μｍになるまで研磨されたＧａＮからなるｎ型基板３０１を準備した。該窒化物レーザ素子は、ＧａＮからなるｎ型基板３０１の第２主面上に、ｎ型ＧａＮ層３０２（膜厚３μｍ）、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｎ型バッファ層３０３、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｎ型クラッド層３０４（膜厚２．０μｍ）、ＧａＮからなるｎ型光導波層３０５（膜厚０．１μｍ）、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／ｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ３重量子井戸構造のｎ型活性層３０６（膜厚各４０Å／８０Å×３ＭＱＷ（重量子井戸））、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｐ型キャリアストップ層３０７（膜厚２００Å）、ＧａＮからなるｐ型光導波層３０８（膜厚０．１μｍ）、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｐ型クラッド層３０９（膜厚０．５μｍ）およびＧａＮからなるｐ型コンタクト層３１０（膜厚０．２μｍ）が順次積層形成した。さらに、ｎ型活性層３０６の上部構造の一部に、ｐ型クラッド層３０９に到達するまでエッチングすることにより、幅１０μｍのリッジ形状のストライプ３１２が形成した。本実施例においては、活性層及び光導波層がクラッド層に挟まれた光閉じ込め導波路構造を有しており、活性層で発光した光は、この導波路構造内に閉じ込められて、レーザ発振動作を生じる。
【０１００】
また、エッチングされずに残ったｐ型コンタクト層３１０の上にはｐ側コンタクト電極３１１が形成され、またエッチングされた領域には絶縁膜３１３と厚さ０．１μｍ以下のＭｏからなる金属層３１６が形成された構造とした。またｐ型コンタクト電極３１０と接するように、厚さ３μｍのｐ型電極パッド３１４を形成した。
【０１０１】
［比較例１］
図９は、本発明における第２のサブマウントを備えない従来の窒化物半導体レーザ装置を示す模式的な斜視図である。ここでは、窒化物半導体レーザ装置１１００は、複数の窒化物半導体レーザ素子１１０１が、ＰＮ接合面側をサブマウント１１０２にハンダ材１１０３を用いてボンディングする、いわゆるジャンクションダウン配置で実装した。サブマウント１１０２は、ステム１１０６に溶接されたヒートシンク１１０５にボンディングした。
【０１０２】
≪性能比較≫
図１０は、本実施の形態の窒化物半導体レーザ装置およびその他の窒化物半導体レーザ装置における電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性を示している。図１０中、データ５０１は、実施例１の窒化物半導体レーザ装置におけるＩ−Ｌ特性を示している。データ５０２は、比較のために図１３のデータを示す。また、データ５０３は、比較例１の窒化物半導体レーザ装置におけるＩ−Ｌ特性を示している。なお、図１０における縦軸および横軸は任意の値である。また、図１１は、比較例１の窒化物半導体レーザ装置における電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性を示している。
【０１０３】
まず、図１０に基づいて説明する。
Ｉ−Ｌ特性測定は、本発明の窒化物半導体レーザ装置におけるステムが２５℃となるようにペルチェを用いて温度一定状態に保持された状態で行なった。また、Ｉ−Ｌ特性測定において、電流は定電流源を用いて０ｍＡから１ｍＡ毎に１秒間の時間をかけて電力を注入することで増加させた。
【０１０４】
本発明の窒化物半導体レーザ装置におけるデータ５０１では、データ５０３と比較して、低い電力注入時から直線的なＩ−Ｌ特性を示した。これは、第２のサブマウントを用いて複数の窒化物半導体レーザ素子を均一に押さえてハンダ材から成る層を介して接続したため、該窒化物半導体レーザ素子毎の接続状態のばらつきが抑制され、全ての該窒化物レーザ素子がほぼ同じ投入電力で発振するようになったためである。
【０１０５】
またさらに、データ５０１は、データ５０２およびデータ５０３と比較して、より高い電力注入時まで、光出力の飽和が生じなかった。これは、本発明の窒化物半導体レーザ装置においては、第２のサブマウントを用いたことにより熱経路が増加し、放熱特性が向上したため、窒化物半導体レーザ素子の温度上昇が抑制されたためであると考えた。
【０１０６】
次に図１１について説明する。
図１１において、点１２０１および点１２０２において、Ｉ−Ｌ特性の変曲点が確認された。そして、点１２０２より低い電流値では、窒化物半導体レーザ素子が有する本来の光出力の効率が得られていないことが分かった。これは、比較例１において、複数の窒化物半導体レーザ素子とサブマウントとの接続状態が、該窒化物半導体レーザ素子によってばらつきを生じたためと考えた。該ばらつきのために、該窒化物半導体レーザ素子によって放熱特性が異なるため、該窒化物半導体レーザ素子によってレーザ発振する投入電力値が異なるためである。また点１２０２より高い電流値では、直線的なＩ−Ｌ特性を示しているが、点１２０３より高い電流値では、窒化物半導体レーザ素子からの発熱のため、光出力が飽和を示し、以降電流を加えても光出力向上より素子からの発熱による光出力低下の作用が上回り、光出力が減少傾向を示していることが確認された。
【０１０７】
以上より、実施例１の窒化物半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性は高いことが示された。
［実施例２］
以下、図５を参照して、説明する。
【０１０８】
本実施例においては、実施例１と比較して複数の窒化物半導体レーザ素子６０１が互いに分割されていないことが異なる窒化物半導体レーザ装置６００を作製した。つまり、言い換えると、本実施例において、窒化物半導体レーザ素子６０１は、１枚のｎ型基板上の複数のストライプ状導波路構造を有する構造を備えるものとした。
【０１０９】
本実施の形態によると、該特性のばらつきが小さく、さらに窒化物半導体レーザ素子６０１の製造工程の時間が短縮され、コスト削減という効果を奏した。
【０１１０】
［実施例３］
図６および図７を参照して、本実施例について説明する。
【０１１１】
まず、図７に基づいて説明する。
本実施例においては、上述した実施例１における図４（ａ）に示した工程において、第１のサブマウント８０２のハンダ材から成る層８０３が存在している面上において、同面の重心位置からみて、窒化物半導体レーザ素子８０１と対向する位置に、絶縁体からなるスペーサ８０４を配置した。なお、窒化物半導体レーザ素子８０１には、実施例１で上述したものと同じものを用いた。
【０１１２】
このスペーサ８０４を配置しない場合には、後工程において第２のサブマウント（図示せず）で上方から押さえる際、第１のサブマウント８０２および第２のサブマウントのハンダ材から成る層が互いに平行でなくなる虞がある。すなわち、本実施の形態において、第１のサブマウント８０２および第２のサブマウントの光出射方向長さは、いずれも窒化物半導体レーザ素子８０１の光出射方向長さより長い場合に、第２のサブマウントと窒化物半導体レーザ素子８０１との接着が不十分となる問題を防止できるという効果を奏する。
【０１１３】
スペーサ８０４は、窒化物半導体レーザ素子８０１の厚さとの相違量が、２０μｍ以下であるものを用いた。また、スペーサ８０４には、アルミナを研磨したものの両面に、金属を蒸着したものを用いた。なお、該アルミナの研磨においては、窒化物半導体レーザ素子８０１の仕上げにおいて研磨する際に、同時に研磨したものを用いた。
【０１１４】
なお、本実施の形態における以後の製造工程は、上述した図４（ｂ）〜（ｄ）に示す工程と同様に行なった。
【０１１５】
図６に基づいて以下説明する。
さらに本実施例の窒化物半導体レーザ装置７００は、実施例１と比較して、第１のサブマウント７０２のハンダ材７０３と対向する面が、ステム７０６と一体的に形成されたヒートシンク７０７に接着されていること、また第２のサブマウント７０４のハンダ材７０５と対向する面に、ヒートシンクが熱的に接着されている構造とした。そして、ヒートシンク７０７には、アルミナ材を用いた。図１２は、該アルミナ材の厚さを横軸に取り、縦軸に窒化物半導体レーザ素子のＰＮ接合面の平均温度を縦軸にとり、プロットした図である。ここで窒化物半導体レーザ素子７０１のＰＮ接合面の平均温度は、窒化物半導体レーザ素子７０１の光出力と注入電流値とから、窒化物半導体レーザ素子７０１の温度特性を考慮して伊藤良一・中村道治共著・半導体レーザ（培風館）に記載の方法で算出できる。また、横軸、縦軸の値は、相対的な値である。
【０１１６】
図１２から、該アルミナ材の厚さを点０から点９０１の領域まで増加させていくと、窒化物半導体レーザ素子７０１のＰＮ接合面の平均温度は急激に減少することが分かった。これは、ヒートシンク７０７としてのアルミナ材の厚みが薄すぎると、熱放射に必要な電磁波の強度が得られず、ヒートシンク７０７としての機能を果たさないことを表した。これは、アルミナ材以外の他のヒートシンク７０７を用いた場合でも同様であった。そして、ヒートシンク７０７は、０．０１μｍ以上の厚みがある場合に、効果を奏することが判った。
【０１１７】
さらにヒートシンク７０７としてのアルミナ材の厚さを点９０１から増加させると、点９０２を上回ると再び窒化物半導体レーザ素子のＰＮ接合面の温度が上昇に転じ、厚さ０の場合の温度に漸近する傾向を示した。これは、アルミナ材の下側表面で発生した電磁波が、アルミナ材の上側表面から外部へ放出される前に、再度アルミナ材内部で吸収されてしまうためであると考えられた。これは、該アルミナ材の表面から数μｍ深さまでの温度と筐体としてのステム温度との差が５度以下になると、熱放射材としての役割を果たさないためであると考えた。
【０１１８】
また放射率の測定方法としては、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ）によるものとした。
【０１１９】
［実施例４］
以下、図８に基づいて本実施例を説明する。
【０１２０】
本実施例における窒化物半導体レーザ装置１０００は、実施例３と比較して、第２のサブマウント１００４がフィン構造であるものを採用した。フィン構造とは、外気との接触面積を大きくし、また外気の対流を考慮して効率よく熱を大気もしくは液体中に放熱させることを目的としており、くし型形状や剣山状のものなど、種々の構造がある。
【０１２１】
これにより、第２のサブマウントの表面積を増大させ、対流により窒化物半導体レーザ装置１０００の熱を放出させることができた。
【０１２２】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】実施の形態１における窒化物半導体レーザ装置の模式的な斜視図である。
【図２】実施の形態１における窒化物半導体レーザ装置の熱抵抗回路網を示した模式図である。
【図３】実施の形態１における窒化物半導体レーザ素子の要部の構造を表す模式的な断面図である。
【図４】実施の形態１の窒化物半導体レーザ装置の製造工程を示す模式的な斜視図である。
【図５】実施の形態２における窒化物半導体レーザ装置の模式的な斜視図である。
【図６】実施の形態３における窒化物半導体レーザ装置の模式的な斜視図である。
【図７】実施の形態３の窒化物半導体レーザ装置の製造工程を示す模式的な斜視図である。
【図８】実施の形態４における窒化物半導体レーザ装置の模式的な斜視図である。
【図９】本発明における第２のサブマウントを備えない従来の窒化物半導体レーザ装置を示す模式的な斜視図である。
【図１０】実施例１の窒化物半導体レーザ装置およびその他の窒化物半導体レーザ装置における電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性を示す図である。
【図１１】比較例１の窒化物半導体レーザ装置における電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性を示す図である。
【図１２】アルミナ材の厚さを横軸に取り、縦軸に窒化物半導体レーザ素子のＰＮ接合面の平均温度を縦軸にとり、プロットした図である。
【図１３】従来の検討されている窒化物半導体レーザ装置の構成を示す模式図である。
【図１４】図１３に示した窒化物半導体レーザ装置における、熱抵抗回路網を示した図である。
【図１５】図１３に示す窒化物半導体レーザ装置における電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性を示した図である。
【符号の説明】
【０１２４】
１００，６００，７００，１０００，１１００  窒化物半導体レーザ装置、１０１，４０１，６０１，７０１，８０１，１００１，１１０１，１０００１  窒化物半導体レーザ素子、１０２，１０３，６０３，６０５，７０３，７０５，１００３，１００５，１１０３  ハンダ材、１０４，４０２，６０２，７０２，８０２，１００２  第１のサブマウント、１０５，４０４，６０４，７０４，１００４  第２のサブマウント、１０６，４０６，６０６，７０６，１１０６，１０００４  ステム、２０１，３０００１  発熱、２０２，２０３，２０４，２０５，２０６，２０７，３０００２，３０００３，３０００４  熱抵抗、３０１  ｎ型基板、３０２  ｎ型層、３０３  ｎ型バッファ層、３０４  ｎ型クラッド層、３０５  ｎ型光導波層、３０６  ｎ型活性層、３０７  ｐ型キャリアストップ層、３０８  ｐ型光導波層、３０９  ｐ型クラッド層、３１０  ｐ型コンタクト層、３１１  ｐ側コンタクト電極、３１２  ストライプ、３１３  絶縁膜、３１４  ｐ型電極パッド、３１５  ｎ側電極、３１６  金属層、４０３，４０５，８０３  ハンダから成る層、５０１，５０２，５０３  データ、７０７，１１０５，１０００３  ヒートシンク、８０４  スペーサ、９０１，９０２，１２０１，１２０２，１２０３，２０００１，２０００２  点、１１０２，１０００２  サブマウント。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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