JP2010027942A - Semiconductor laser device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体レーザ装置に関する。詳しくは、半導体レーザ素子の端面劣化を防止する技術に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser device. Specifically, the present invention relates to a technique for preventing end face deterioration of a semiconductor laser element.
一般に、高出力の半導体レーザにおいては、高出力動作時にレーザ光の出射側の共振器端面で、光吸収に伴う発熱に起因した突然破壊現象:COD(Catastrophic Optical Damage)が起こる場合がある。CODの発生は、高出力動作や高信頼性の妨げになっている。CODの発生を防止するために幾つかの技術が提案されている。その一つとして、例えば、共振器端面(以下、単に「端面」とも記す)をコーティングする「端面コート工程」の前に、プラズマによる共振器端面の「クリーニング工程」を導入することにより、共振器端面の界面準位を低減する技術が知られている。ただし、上記の「クリーニング工程」を導入しても、CODの発生を十分に抑制することはできない。 Generally, in a high-power semiconductor laser, there is a case where a sudden destruction phenomenon: COD (Catastrophic Optical Damage) due to heat generation due to light absorption occurs at the resonator end face on the laser beam emission side during high-power operation. The generation of COD hinders high output operation and high reliability. Several techniques have been proposed to prevent the occurrence of COD. As one of them, for example, by introducing a “cleaning process” of the resonator end face by plasma before the “end face coating process” for coating the resonator end face (hereinafter also simply referred to as “end face”), the resonator A technique for reducing the interface state of the end face is known. However, even if the “cleaning step” is introduced, the generation of COD cannot be sufficiently suppressed.
そこで、ウエハ処理工程で共振器端面付近に相当する部分に不純物を拡散させ、量子井戸を混晶化させることにより、半導体レーザの端面近傍のバンドギャップを拡大し、光吸収を低減した「窓構造」が提案されている。ただし、この技術では、上記ウエハ処理工程を含む半導体レーザの製造工程が複雑になるという欠点がある。また、不純物を導入する工程が存在するため、その際に生じる点欠陥などが長期の信頼性を低減させるという欠点もある。ちなみに、「窓構造」とは、共振器端面近傍の活性層のバンドギャップを拡大して、当該共振器端面での光吸収を低減する構造をいう。また、「共振器端面」とは、共振器としての機能を実現するために劈開されるレーザ端面をいう。 Therefore, in the wafer processing process, impurities are diffused in the part corresponding to the vicinity of the cavity end face, and the quantum well is mixed, thereby expanding the band gap near the end face of the semiconductor laser and reducing the light absorption. Is proposed. However, this technique has a drawback that the manufacturing process of the semiconductor laser including the wafer processing process is complicated. In addition, since there is a process for introducing impurities, there is a drawback that long-term reliability is reduced due to point defects generated at that time. Incidentally, the “window structure” refers to a structure in which the band gap of the active layer in the vicinity of the resonator end face is expanded to reduce light absorption at the resonator end face. The “resonator end face” refers to a laser end face that is cleaved to realize a function as a resonator.
上記の「窓構造」を実現する他の技術として、In(インジウム)を含む窒化物系化合物半導体を用いた半導体レーザの製造方法として、半導体レーザの共振器端面を形成した後、当該共振器端面にレーザ光を照射することにより、端面付近でIn組成を低下させてバンドギャップを拡大する技術が知られている(特許文献1を参照)。 As another technique for realizing the “window structure” described above, as a method of manufacturing a semiconductor laser using a nitride compound semiconductor containing In (indium), after forming a resonator end face of the semiconductor laser, the resonator end face A technique for expanding the bandgap by reducing the In composition in the vicinity of the end face by irradiating a laser beam on (see Patent Document 1) is known.
本発明は、半導体レーザ装置の製造工程の中で、共振器端面近傍のバンドギャップを拡大するために、不純物の拡散を行なったり、共振器端面にレーザ光を照射したりしなくても、COD防止に有効な窓構造を実現することができる仕組みを提供することを目的とする。 According to the present invention, in the manufacturing process of a semiconductor laser device, in order to enlarge the band gap in the vicinity of the cavity end face, it is possible to perform COD without diffusing impurities or irradiating the cavity end face with laser light. An object is to provide a mechanism capable of realizing a window structure effective for prevention.
本発明に係る半導体レーザ装置は、共振器の一方の端面からレーザ光を出射する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子が実装される実装体とを備え、前記半導体レーザ素子の光出射側の共振器端面部分に引っ張り歪を付与した構成となっている。 A semiconductor laser device according to the present invention includes a semiconductor laser element that emits laser light from one end face of a resonator, and a mounting body on which the semiconductor laser element is mounted, and resonance on a light emission side of the semiconductor laser element. It has a configuration in which tensile strain is applied to the end surface portion.
本発明に係る半導体レーザ装置においては、活性層に圧縮歪が生じた半導体レーザ素子を実装体に実装した場合に、当該半導体レーザ素子の光出射側の共振器端面部分に付与される引っ張り歪が、活性層の圧縮歪みを打ち消すように作用する。このため、圧縮歪によってレーザ内部に生じるピエゾ電界が減少する。したがって、半導体レーザ素子の光出射側の共振器端面部分でバンドギャップが拡大する。 In the semiconductor laser device according to the present invention, when the semiconductor laser element in which the compressive strain is generated in the active layer is mounted on the mounting body, the tensile strain applied to the resonator end surface portion on the light emitting side of the semiconductor laser element is increased. , Acting to cancel the compressive strain of the active layer. For this reason, the piezoelectric field generated inside the laser due to the compressive strain is reduced. Therefore, the band gap is enlarged at the resonator end face portion on the light emitting side of the semiconductor laser element.
本発明によれば、半導体レーザ装置の製造工程の中で、共振器端面近傍のバンドギャップを拡大するために、不純物の拡散を行なったり、共振器端面にレーザ光を照射したりしなくても、COD防止に有効な窓構造を実現することができる。 According to the present invention, in the manufacturing process of the semiconductor laser device, in order to enlarge the band gap near the cavity end face, it is not necessary to diffuse impurities or irradiate the cavity end face with laser light. A window structure effective for preventing COD can be realized.
以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明の技術的範囲は以下に記述する実施の形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that the technical scope of the present invention is not limited to the embodiments described below, and various modifications and improvements have been made within the scope of deriving specific effects obtained by the constituent requirements of the invention and combinations thereof. Including form.
本発明に係る半導体レーザ装置は、共振器の一方の端面からレーザ光を出射する半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子が実装される実装体とを備えるものである。一般に、半導体レーザ素子は、レーザ光の出射時に熱を発生する。このため、半導体レーザ素子で発生した熱を効率良く外部に逃がすために、半導体レーザ装置を構成する部品の一つとして、ヒートシンクが用いられている。ただし、ヒートシンクを構成する材料と半導体レーザ素子を構成する材料は、熱膨張係数の差が大きい。このため、半導体レーザ素子を直にヒートシンクに実装すると、両者の熱長係数差によって、半導体レーザ素子に反り等が発生する。 A semiconductor laser device according to the present invention includes a semiconductor laser element that emits laser light from one end face of a resonator, and a mounting body on which the semiconductor laser element is mounted. In general, a semiconductor laser element generates heat when laser light is emitted. For this reason, in order to efficiently release the heat generated in the semiconductor laser element to the outside, a heat sink is used as one of the components constituting the semiconductor laser device. However, there is a large difference in thermal expansion coefficient between the material constituting the heat sink and the material constituting the semiconductor laser element. For this reason, when the semiconductor laser element is directly mounted on the heat sink, warpage or the like occurs in the semiconductor laser element due to the difference in thermal length coefficient between the two.
このような技術的背景から、半導体レーザ装置の構成として、半導体レーザ素子とヒートシンクとの間に、熱膨張係数差による応力を緩和するために、サブマウント材と呼ばれる中間体を介在させた構成が採用されている。本発明に係る半導体レーザ装置においては、一例として、半導体レーザ素子をサブマウント材に実装した構成を採用するものとする。そうした場合、サブマウント材は、前述した「実装体」に相当するものとなる。 From such a technical background, the configuration of the semiconductor laser device includes a configuration in which an intermediate body called a submount material is interposed between the semiconductor laser element and the heat sink to relieve stress due to a difference in thermal expansion coefficient. It has been adopted. In the semiconductor laser device according to the present invention, as an example, a configuration in which a semiconductor laser element is mounted on a submount material is employed. In such a case, the submount material corresponds to the “mounting body” described above.
(第1の実施の形態)
図1は本発明の第1の実施の形態に係る半導体レーザ装置の構成を示す側面概略図である。図1においては、半導体レーザ素子1がサブマウント材2に実装されている。半導体レーザ素子1の下面は、サブマウント材2の上面に接している。半導体レーザ素子1の下面側には、発光層となるp−n接合の活性層(不図示)が設けられている。また、半導体レーザ素子1の光出射側の端面3は、サブマウント材2の端面に合わせて、当該サブマウント端面と面一に配置されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic side view showing the configuration of the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a semiconductor laser element 1 is mounted on a submount material 2. The lower surface of the semiconductor laser element 1 is in contact with the upper surface of the submount material 2. On the lower surface side of the semiconductor laser element 1, a pn junction active layer (not shown) serving as a light emitting layer is provided. Further, the end face 3 on the light emitting side of the semiconductor laser element 1 is arranged flush with the end face of the submount 2 in accordance with the end face of the submount material 2.
半導体レーザ素子1は、GaN(窒化ガリウム)基板を用いた、いわゆるGaN系の半導体レーザ素子であって、青紫色のレーザ光を出射する。半導体レーザ素子1は、平面視長方形のチップ状に形成されている。半導体レーザ素子1は、図示はしないが、ストライプ構造の共振器(光共振器)を有している。 The semiconductor laser element 1 is a so-called GaN-based semiconductor laser element using a GaN (gallium nitride) substrate, and emits blue-violet laser light. The semiconductor laser element 1 is formed in a chip shape having a rectangular shape in plan view. Although not shown, the semiconductor laser element 1 has a resonator having a stripe structure (optical resonator).
共振器は、例えばInGaNからなる活性層にストライプ状に形成されるものである。共振器の長さ方向(以下、「共振器長方向」と記す)の両端には、それぞれ劈開による端面(以下、「共振器端面」)3,4が形成されている。共振器長方向は、図1の左右方向に相当する。各々の共振器端面3,4は、2枚の平行な反射鏡を構成するもので、一方の共振器端面3の光反射率が他方の共振器端面4の光反射率よりも低くなっている。このため、共振器内で反射を繰り返して発振した光は、レーザ光となって一方の共振器端面3から空気中に出射される。 The resonator is formed in a stripe shape on an active layer made of, for example, InGaN. Cleaved end faces (hereinafter referred to as “resonator end faces”) 3 and 4 are formed at both ends in the length direction of the resonator (hereinafter referred to as “resonator length direction”), respectively. The resonator length direction corresponds to the left-right direction in FIG. Each resonator end face 3, 4 constitutes two parallel reflecting mirrors, and the light reflectivity of one resonator end face 3 is lower than the light reflectivity of the other resonator end face 4. . For this reason, the light oscillated by repeatedly reflecting in the resonator becomes laser light and is emitted from one resonator end face 3 into the air.
サブマウント材2は、半導体レーザ素子1よりも大きな面積で平面視長方形の板状に形成されている。サブマウント材2は、半導体レーザ素子1が実装される素子実装領域5を有している。サブマウント材2の素子実装領域5は、共振器長方向において、半導体レーザ素子1の光出射側の共振器端面3部分に対応する第1の領域6と、当該第1の領域6を除く第2の領域7とに区分されている。
The submount material 2 is formed in a rectangular plate shape in plan view with a larger area than the semiconductor laser element 1. The submount material 2 has an element mounting region 5 on which the semiconductor laser element 1 is mounted. The element mounting area 5 of the submount material 2 includes a first area 6 corresponding to the cavity end face 3 portion on the light emitting side of the semiconductor laser element 1 in the cavity length direction, and a first area 6 excluding the first area 6. It is divided into two
「光出射側の共振器端面部分」とは、光出射側の共振器端面3から所定寸法Lまでの部分をいう。所定寸法Lは、例えば最小で1μm、最大で50μmで規定される寸法である。光出射側の共振器端面3から所定寸法Lまでの部分は、CODの発生確率が他の部分よりも高い部分となる。特に、光出射側の共振器端面3から5μmまでの部分は、CODの発生確率が非常に高い部分となる。したがって、CODの発生を防止するという観点から、所定寸法Lは、最小で1μm、最大で5μmで規定することが望ましい。 The “light emitting side resonator end surface portion” means a portion from the light emitting side resonator end surface 3 to a predetermined dimension L. The predetermined dimension L is a dimension defined by, for example, a minimum of 1 μm and a maximum of 50 μm. The portion from the cavity facet 3 on the light emission side to the predetermined dimension L is a portion where the probability of occurrence of COD is higher than the other portions. In particular, the portion from the light emitting side resonator end face 3 to 5 μm is a portion where the probability of COD occurrence is very high. Therefore, from the viewpoint of preventing the occurrence of COD, it is desirable that the predetermined dimension L is defined as 1 μm at the minimum and 5 μm at the maximum.
また、サブマウント材2の素子実装領域5において、第1の領域6は、半導体レーザ素子1の光出射側の共振器端面3部分に対し、平面的に見て、当該共振器端面3部分に重なり合うサブマウント材2の部分領域をいう。具体的には、半導体レーザ素子1の光出射側の共振器端面と面一に配置されたサブマウント材2の端面から、共振器端面部分と同等の寸法Lまでの部分をいう。ここで記述する「同等の寸法」とは、上記所定寸法と同一の寸法、又は上記所定寸法よりも数μmほど大きい寸法をいう。 Further, in the element mounting region 5 of the submount material 2, the first region 6 is located on the resonator end surface 3 portion in plan view with respect to the resonator end surface 3 portion on the light emitting side of the semiconductor laser element 1. This refers to a partial region of the overlapping submount material 2. Specifically, it refers to a portion from the end face of the submount material 2 arranged flush with the resonator end face on the light emitting side of the semiconductor laser element 1 to a dimension L equivalent to the end face part of the resonator. The “equivalent dimension” described here refers to a dimension that is the same as the predetermined dimension or that is several μm larger than the predetermined dimension.
サブマウント材2は、熱膨張係数の異なる複数種の金属材料(複合材料)を用いて構成されている。サブマウント材2の第1の領域6と第2の領域7は、熱膨張係数の異なる材料によって構成されている。第1の領域6を構成する材料の熱膨張係数は、第2の領域7を構成する材料の熱膨張係数よりも小さい構成になっている。また、半導体レーザ素子1の熱膨張係数(c軸方向の熱膨張係数=3.2)を基準に考えると、第1の領域6の熱膨張係数は、半導体レーザ素子1の熱膨張係数よりも小さく、第2の領域7の熱膨張係数は、半導体レーザ素子1の熱膨張係数と同等の構成になっている。「熱膨張係数が同等」とは、材料の熱膨張係数の差が±10%の範囲をいう。具体的な金属材料として、第1の領域6は、例えばFe(鉄)−Ni(ニッケル)合金で構成され、第2の領域7は、例えばAlN(窒化アルミニウム)で構成されている。
The submount material 2 is configured using a plurality of types of metal materials (composite materials) having different thermal expansion coefficients. The first region 6 and the
サブマウント材2は、例えば、未焼結のAlN材にスルーホールを空けておき、その中にFe−Ni合金を挿入した状態で焼結するなどの方法により作製することができる。また、AlNからなる部材とFe−Ni合金からなる部材を、例えば半田接合、ロウ付けなどにより接合した後、切断するなどの方法を適用して作製してもよい。 The submount material 2 can be produced by, for example, a method in which a through hole is made in an unsintered AlN material and sintered with an Fe—Ni alloy inserted therein. Alternatively, a member made of AlN and a member made of Fe—Ni alloy may be manufactured by joining, for example, by soldering or brazing and then cutting.
半導体レーザ素子1は、活性層となる部分がサブマウント材2側に向くように、ジャンクションダウン(Junction-down)方式で、サブマウント材2に半田材料を用いて接合されている。半導体レーザ素子1の接合に使用する半田材料としては、例えば、金すず半田材料(Au80Su20など)を用いることができる。 The semiconductor laser element 1 is bonded to the submount material 2 using a solder material by a junction-down method so that a portion that becomes an active layer faces the submount material 2 side. As a solder material used for joining the semiconductor laser element 1, for example, a gold tin solder material (Au80Su20 or the like) can be used.
本発明の第1の実施の形態に係る半導体レーザ装置を製造する場合は、半導体レーザ素子1をサブマウント材2に実装する「素子実装工程」において、両者の接合に使用する金すず半田材料をその融点280℃以上に加熱して当該半田材料を溶融し、半導体レーザ素子1とサブマウント材2の双方に当該半田材料を馴染ませる。そして、半導体レーザ素子1とサブマウント材2を相互に位置合わせした状態で、常温(室温)まで降温させる。 In the case of manufacturing the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention, in the “element mounting process” in which the semiconductor laser element 1 is mounted on the submount material 2, a tin solder material used for bonding between the two is used. The solder material is melted by heating to a melting point of 280 ° C. or higher, and the solder material is adapted to both the semiconductor laser element 1 and the submount material 2. Then, the temperature is lowered to room temperature (room temperature) in a state where the semiconductor laser element 1 and the submount material 2 are aligned with each other.
そうすると、半田材料の融点と室温との温度差によって、半導体レーザ素子1の光出射側の共振器端面3部分に引っ張り歪が付与された状態となる。特に、上記のジャンクションダウン方式で半導体レーザ素子1をサブマウント材2に実装すれば、半導体レーザ素子1の活性層に対して、効果的に引っ張り歪を印加することができる。この引っ張り歪は、サブマウント材2の第1の領域6と第2の領域7の熱膨張係数差によって生じるものである。すなわち、第1の領域6の熱膨張係数は、半導体レーザ素子1の熱膨張係数よりも小さく、第2の領域7の熱膨張係数は、第1の領域6の熱膨張係数よりも大きく且つ半導体レーザ素子1の熱膨張係数と同等になっている。このため、半田材料の融点から室温まで降温する過程で、半導体レーザ素子1の光出射側の共振器端面3部分の熱収縮が、サブマウント材2の第1の領域6との物理的な接合によって抑制される。その結果、室温レベルまで降温した段階では、半導体レーザ素子1の光出射側の共振器端面3部分に定常的に引っ張り歪が加わった状態となる。
Then, due to the temperature difference between the melting point of the solder material and room temperature, a tensile strain is applied to the resonator end face 3 portion on the light emitting side of the semiconductor laser element 1. In particular, if the semiconductor laser element 1 is mounted on the submount material 2 by the junction down method, tensile strain can be effectively applied to the active layer of the semiconductor laser element 1. This tensile strain is caused by a difference in thermal expansion coefficient between the first region 6 and the
一般に、GaN基板上の青紫色レーザでは、活性層にGaNとは格子不整合なInGaNを用いている。このため、格子歪(圧縮歪)によりレーザ内部にピエゾ電界を生じている。そのピエゾ電界により量子井戸活性層内で量子閉じ込めシュタルクシフトによるバンドギャップ波長の長波化が生じている。例えばIn0.08GaN層を活性層とした場合、その歪量は0.9%程度である。 In general, in a blue-violet laser on a GaN substrate, InGaN that is lattice-mismatched with GaN is used for the active layer. For this reason, a piezoelectric field is generated inside the laser due to lattice strain (compression strain). Due to the piezoelectric field, the band gap wavelength is lengthened by the quantum confined Stark shift in the quantum well active layer. For example, when the In0.08GaN layer is an active layer, the amount of strain is about 0.9%.
これに対して、上記の温度差によって光出射側の共振器端面3部分に付与される引っ張り歪は、上記InGaN活性層の圧縮歪を打ち消すように作用する。例えば、熱膨張係数=4.5のAlNと、熱膨張係数=2.5のFe−Ni合金を用いた場合は、室温を25℃とすると、AnNに接触する部分とFe−Ni合金に接触する部分で、0.064%の歪量の差が生じる。このため、本構造によれば、InGaN活性層の圧縮歪を、Fe−Ni合金に接触している部分で、0.064%(活性層の圧縮歪に対する比率で約7%)低減できることになる。Fe−Ni合金からなる第1の領域6に接触するレーザ素子部は、AlNからなる第2の領域7に接触するレーザ素子部に対してピエゾ電界が減少し、バンドギャップ波長が短波化する。このため、共振器端面近傍の活性層のバンドギャップを拡大した窓構造を実現し、共振器端面での光吸収を低減することができる。その結果、高出力動作時等のCODの発生を有効に防止することが可能となる。
On the other hand, the tensile strain applied to the resonator end face 3 portion on the light emitting side due to the temperature difference acts so as to cancel the compressive strain of the InGaN active layer. For example, when using AlN with a thermal expansion coefficient = 4.5 and an Fe—Ni alloy with a thermal expansion coefficient = 2.5, if the room temperature is 25 ° C., the portion that contacts AnN and the Fe—Ni alloy are contacted. The difference in distortion amount of 0.064% occurs in the portion where For this reason, according to this structure, the compressive strain of the InGaN active layer can be reduced by 0.064% (about 7% as a ratio to the compressive strain of the active layer) at the portion in contact with the Fe—Ni alloy. . The laser element portion in contact with the first region 6 made of Fe—Ni alloy has a reduced piezo electric field and a shorter band gap wavelength than the laser element portion in contact with the
なお、上記第1の実施の形態においては、サブマウント材2の素子実装領域5を第1の領域6とこれを除く第2の領域7に区分し、第1の領域6を相対的に熱膨張係数の低い材料で構成するものとしたが、本発明はこれに限らない。すなわち、サブマウント材2の素子実装領域5において、半導体レーザ素子1の光出射側とは反対側の共振器端面4部分に対応する領域を「第3の領域」とし、当該「第3の領域」を上記第1の領域6と同様に低熱膨張係数材料で構成してもよい。かかる構成を採用すれば、光出射側の共振器端面とその反対側の共振器端面の双方で、CODの発生を有効に防止することが可能となる。
In the first embodiment, the element mounting region 5 of the submount material 2 is divided into the first region 6 and the
(第2の実施の形態)
図2は本発明の第2の実施の形態に係る半導体レーザ装置の構成を示す側面概略図である。なお、本第2の実施の形態においては、上記第1の実施の形態で挙げた構成部分と同様の部分に同じ符号を付して説明する。図示のように、半導体レーザ素子1はサブマウント材2に実装されている。本第2の実施の形態においては、上記第1の実施の形態と比較して、サブマウント材2の構成(構造)が異なる。すなわち、サブマウント材2は、前述した2種類の金属材料を適用した複合材料ではなく、半導体レーザ素子1よりも熱膨張係数が小さい1種類の金属材料(合金を含む)を用いて構成されている。ここでは一例として、サブマウント材2がFe−Ni合金で構成されるものとする。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a schematic side view showing the configuration of the semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, the same components as those described in the first embodiment will be described with the same reference numerals. As illustrated, the semiconductor laser element 1 is mounted on a submount material 2. In the second embodiment, the configuration (structure) of the submount material 2 is different from that in the first embodiment. That is, the submount material 2 is not composed of the composite material to which the two kinds of metal materials described above are applied, but is composed of one kind of metal material (including an alloy) having a smaller thermal expansion coefficient than that of the semiconductor laser element 1. Yes. Here, as an example, it is assumed that the submount material 2 is made of an Fe—Ni alloy.
サブマウント材2の素子実装領域5は、上記第1の実施の形態と同様に、第1の領域6と第2の領域7に区分されている。そして、第2の領域7には複数の凹溝8が形成されており、第1の領域6には凹溝8が形成されていない。各々の凹溝8は、サブマウント材2の上面(即ち、半導体レーザ素子1が接合される素子実装面)に形成されている。また、複数の凹溝8は、図3の平面図に示すように、半導体レーザ素子1の共振器の幅と同等の幅Wtで形成されている。ここで記述する「同等の幅」とは、共振器幅±10%の範囲をいう。半導体レーザ素子1の共振器の幅は、例えば、半導体レーザ素子1のチップ幅Wcを200μm程度とすると、それよりも狭い幅、例えばWt=20μm程度に設定される。また、複数の凹溝8は、共振器長方向(図3の左右方向)に一定の間隔で周期的に並べて設けられている。各々の凹溝8は、平面視長方形の開口形状に形成されるとともに、その長手方向が共振器幅方向、その短手方向が共振器長方向に対応するものとなっている。各々の凹溝8の深さ寸法D1は、例えばサブマウント材2の厚さをTsbとすると、D1=Tsb×0.5に設定されている。
The element mounting region 5 of the submount material 2 is divided into a first region 6 and a
本発明の第2の実施の形態に係る半導体レーザ装置を製造する場合は、半導体レーザ素子1をサブマウント材2に実装する「素子実装工程」において、両者の接合に使用する半田材料、例えば金すず半田材料をその融点280℃以上に加熱して当該半田材料を溶融し、半導体レーザ素子1とサブマウント材2の双方に当該半田材料を馴染ませる。そして、半導体レーザ素子1とサブマウント材2を相互に位置合わせした状態で、常温(室温)まで降温させる。 When the semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention is manufactured, in the “element mounting process” in which the semiconductor laser element 1 is mounted on the submount material 2, a solder material, for example gold The tin solder material is heated to a melting point of 280 ° C. or higher to melt the solder material, and the solder material is made to conform to both the semiconductor laser element 1 and the submount material 2. Then, the temperature is lowered to room temperature (room temperature) in a state where the semiconductor laser element 1 and the submount material 2 are aligned with each other.
そうすると、半田材料の融点と室温との温度差によって、半導体レーザ素子1の光出射側の共振器端面3部分に引っ張り歪が付与された状態となる。特に、上記のジャンクションダウン方式で半導体レーザ素子1をサブマウント材2に実装すれば、半導体レーザ素子1の活性層に対して、効果的に引っ張り歪を印加することができる。この引っ張り歪は、半導体レーザ素子1とサブマウント材2の熱膨張係数差によって生じるものである。すなわち、サブマウント材2は、半導体レーザ素子1よりも熱膨張係数の低い材料で構成されている。このため、半田材料の融点から室温まで降温する過程で、半導体レーザ素子1の熱収縮が、サブマウント材2との物理的な接合によって抑制される。この場合、サブマウント材2の第1の領域6と第2の領域7に着目すると、第2の領域7は、複数の凹溝8の存在により、第1の領域6よりも剛性が低くなる。このため、半導体レーザ素子1に対して、サブマウント材2の第2の領域7の剛性を、複数の凹溝8の存在によって弱めることにより、半導体レーザ素子1の光出射側の共振器端面3部分に集中的に引っ張り歪が作用する。その結果、室温レベルまで降温した段階では、半導体レーザ素子1の光出射側の共振器端面3部分に定常的に引っ張り歪が加わった状態となる。
Then, due to the temperature difference between the melting point of the solder material and room temperature, a tensile strain is applied to the resonator end face 3 portion on the light emitting side of the semiconductor laser element 1. In particular, if the semiconductor laser element 1 is mounted on the submount material 2 by the junction down method, tensile strain can be effectively applied to the active layer of the semiconductor laser element 1. This tensile strain is caused by a difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor laser element 1 and the submount material 2. That is, the submount material 2 is made of a material having a lower thermal expansion coefficient than that of the semiconductor laser element 1. For this reason, thermal contraction of the semiconductor laser element 1 is suppressed by physical bonding with the submount material 2 in the process of lowering the temperature from the melting point of the solder material to room temperature. In this case, when focusing on the first region 6 and the
したがって、上記第1の実施の形態と同様の理由(ピエゾ電界の減少等)により、共振器端面3でのバンドギャップ波長が短波化する。このため、共振器端面近傍の活性層のバンドギャップを拡大した窓構造を実現し、共振器端面での光吸収を低減することができる。その結果、高出力動作時等のCODの発生を有効に防止することが可能となる。また、サブマウント材2の第2の領域7において、複数の凹溝8を共振器の幅と同等の幅Wtで形成することにより、当該第2の領域7で共振器に作用する引っ張り歪を低減しつつ、凹溝8の存在による排熱効率の低下を抑えることができる。
Therefore, the band gap wavelength at the resonator end face 3 is shortened for the same reason as in the first embodiment (decrease in piezoelectric field, etc.). For this reason, a window structure in which the band gap of the active layer in the vicinity of the resonator end face is enlarged can be realized, and light absorption at the resonator end face can be reduced. As a result, it is possible to effectively prevent the generation of COD during high output operation. Further, in the
(第3の実施の形態)
図4は本発明の第3の実施の形態に係る半導体レーザ装置の構成を示す側面概略図である。なお、本第3の実施の形態においては、上記第1の実施の形態及び第2の実施の形態で挙げた構成部分と同様の部分に同じ符号を付して説明する。図示のように、半導体レーザ素子1はサブマウント材2に実装されている。本第3の実施の形態においては、上記第1の実施の形態及び第2の実施の形態と比較して、サブマウント材2の構成(構造)が異なる。すなわち、サブマウント材2は、上記第1の実施の形態のような2種類の金属材料を適用した複合材料ではなく、半導体レーザ素子1よりも熱膨張係数が小さい1種類の金属材料(合金を含む)を用いて構成されている。ここでは一例として、サブマウント材2がFe−Ni合金で構成されるものとする。また、サブマウント材2の上面(半導体レーザ素子1が実装される実装面)には、上記第2の実施の形態のような複数の凹溝8が形成されておらず、その反対側の面にザグリ部9が設けられている。
(Third embodiment)
FIG. 4 is a schematic side view showing the configuration of the semiconductor laser device according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment, the same components as those described in the first embodiment and the second embodiment will be described with the same reference numerals. As illustrated, the semiconductor laser element 1 is mounted on a submount material 2. In the third embodiment, the configuration (structure) of the submount material 2 is different from that in the first embodiment and the second embodiment. That is, the submount material 2 is not a composite material to which two kinds of metal materials are applied as in the first embodiment, but one kind of metal material (alloy) having a smaller thermal expansion coefficient than that of the semiconductor laser element 1. Is included). Here, as an example, it is assumed that the submount material 2 is made of an Fe—Ni alloy. Further, the upper surface (mounting surface on which the semiconductor laser element 1 is mounted) of the submount material 2 is not formed with the plurality of
サブマウント材2の素子実装領域5は、上記第1の実施の形態と同様に、第1の領域6と第2の領域7に区分されている。そして、第2の領域7にはザグリ部9が形成されており、第1の領域6にはザグリ部9が形成されていない。このため、第1の領域6の肉厚は、第2の領域7の肉厚よりも厚くなっている。ザグリ部9は、図5の平面図に示すように、半導体レーザ素子1の共振器の幅と同等の幅Wtで形成されている。また、ザグリ部9は、共振器長方向(図5の左右方向)に沿って長く連続した帯状に形成されている。このため、ザグリ部9の長手方向が共振器長方向で、同短手方向が共振器幅方向に対応するものとなっている。ザグリ部9の深さ寸法D2は、例えばサブマウント材2の厚さをTsbとすると、D2=Tsb×0.75に設定されている。
The element mounting region 5 of the submount material 2 is divided into a first region 6 and a
本発明の第3の実施の形態に係る半導体レーザ装置を製造する場合は、半導体レーザ素子1をサブマウント材2に実装する「素子実装工程」において、両者の接合に使用する半田材料、例えば金すず半田材料をその融点280℃以上に加熱して当該半田材料を溶融し、半導体レーザ素子1とサブマウント材2の双方に当該半田材料を馴染ませる。そして、半導体レーザ素子1とサブマウント材2を相互に位置合わせした状態で、常温(室温)まで降温させる。 When the semiconductor laser device according to the third embodiment of the present invention is manufactured, in the “element mounting process” in which the semiconductor laser element 1 is mounted on the submount material 2, a solder material used for bonding between the two, for example, gold The tin solder material is heated to a melting point of 280 ° C. or higher to melt the solder material, and the solder material is made to conform to both the semiconductor laser element 1 and the submount material 2. Then, the temperature is lowered to room temperature (room temperature) in a state where the semiconductor laser element 1 and the submount material 2 are aligned with each other.
そうすると、半田材料の融点と室温との温度差によって、半導体レーザ素子1の光出射側の共振器端面3部分に引っ張り歪が付与された状態となる。特に、上記のジャンクションダウン方式で半導体レーザ素子1をサブマウント材2に実装すれば、半導体レーザ素子1の活性層に対して、効果的に引っ張り歪を印加することができる。この引っ張り歪は、半導体レーザ素子1とサブマウント材2の熱膨張係数差によって生じるものである。すなわち、サブマウント材2は、半導体レーザ素子1よりも熱膨張係数の低い材料で構成されている。このため、半田材料の融点から室温まで降温する過程で、半導体レーザ素子1の熱収縮が、サブマウント材2との物理的な接合によって抑制される。この場合、サブマウント材2の第1の領域6と第2の領域7に着目すると、第2の領域7は、ザグリ部9の存在により、第1の領域6よりも剛性が低くなる。このため、半導体レーザ素子1に対して、サブマウント材2の第2の領域7の剛性を、ザグリ部9の存在によって弱めることにより、半導体レーザ素子1の光出射側の共振器端面3部分に集中的に引っ張り歪が作用する。その結果、室温レベルまで降温した段階では、半導体レーザ素子1の光出射側の共振器端面3部分に定常的に引っ張り歪が加わった状態となる。
Then, due to the temperature difference between the melting point of the solder material and room temperature, a tensile strain is applied to the resonator end face 3 portion on the light emitting side of the semiconductor laser element 1. In particular, if the semiconductor laser element 1 is mounted on the submount material 2 by the junction down method, tensile strain can be effectively applied to the active layer of the semiconductor laser element 1. This tensile strain is caused by a difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor laser element 1 and the submount material 2. That is, the submount material 2 is made of a material having a lower thermal expansion coefficient than that of the semiconductor laser element 1. For this reason, thermal contraction of the semiconductor laser element 1 is suppressed by physical bonding with the submount material 2 in the process of lowering the temperature from the melting point of the solder material to room temperature. In this case, when focusing on the first region 6 and the
したがって、上記第1の実施の形態と同様の理由(ピエゾ電界の減少等)により、共振器端面3でのバンドギャップ波長が短波化する。このため、共振器端面近傍の活性層のバンドギャップを拡大した窓構造を実現し、共振器端面での光吸収を低減することができる。その結果、高出力動作時等のCODの発生を有効に防止することが可能となる。また、サブマウント材2の第2の領域7において、ザグリ部9を共振器の幅と同等の幅Wtで形成することにより、当該第2の領域7で共振器に作用する引っ張り歪を低減しつつ、ザグリ部9の存在による排熱効率の低下を抑えることができる。
Therefore, the band gap wavelength at the resonator end face 3 is shortened for the same reason as in the first embodiment (decrease in piezoelectric field, etc.). For this reason, a window structure in which the band gap of the active layer in the vicinity of the resonator end face is enlarged can be realized, and light absorption at the resonator end face can be reduced. As a result, it is possible to effectively prevent the generation of COD during high output operation. Further, in the
1…半導体レーザ素子、2…サブマウント材、3,4…共振器端面、5…素子実装領域、6…第1の領域、7…第2の領域、8…凹溝、9…ザグリ部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor laser element, 2 ... Submount material, 3, 4 ... End face of resonator, 5 ... Element mounting area, 6 ... 1st area | region, 7 ... 2nd area | region, 8 ... Concave groove, 9 ... Counterbore part
Claims (7)
前記半導体レーザ素子が実装される実装体とを備え、
前記半導体レーザ素子の光出射側の共振器端面部分に引っ張り歪を付与してなる
半導体レーザ装置。 A semiconductor laser element that emits laser light from one end face of the resonator;
A mounting body on which the semiconductor laser element is mounted;
A semiconductor laser device in which tensile strain is applied to a resonator end face portion on a light emitting side of the semiconductor laser element.
請求項1記載の半導体レーザ装置。 In the mounting body, an element mounting area on which the semiconductor laser element is mounted excludes a first area corresponding to the resonator end face portion on the light emitting side in the resonator length direction, and the first area. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the semiconductor laser device is divided into a second region, and the first region is made of a material having a smaller thermal expansion coefficient than the second region.
請求項2記載の半導体レーザ装置。 The thermal expansion coefficient of the first region is smaller than the thermal expansion coefficient of the semiconductor laser element, and the thermal expansion coefficient of the second region is equivalent to the thermal expansion coefficient of the semiconductor laser element. Semiconductor laser device.
請求項1記載の半導体レーザ装置。 In the mounting body, an element mounting area on which the semiconductor laser element is mounted excludes a first area corresponding to the resonator end face portion on the light emitting side in the resonator length direction, and the first area. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the semiconductor laser device is divided into a second region, and a plurality of concave grooves are formed in the second region.
請求項4記載の半導体レーザ装置。 The semiconductor laser device according to claim 4, wherein the plurality of concave grooves are formed with a width equal to a width of the resonator.
請求項1記載の半導体レーザ装置。 In the mounting body, an element mounting area on which the semiconductor laser element is mounted excludes a first area corresponding to the resonator end face portion on the light emitting side in the resonator length direction, and the first area. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the semiconductor laser device is divided into second regions, and the thickness of the first region is thicker than the thickness of the second region.
請求項6記載の半導体レーザ装置。 A counterbore portion is provided on the surface opposite to the mounting surface on which the semiconductor laser element is mounted with respect to the mounting body so that the thickness of the first region is thicker than the thickness of the second region. The semiconductor laser device according to claim 6, wherein the counterbored portion is formed with a width equal to the width of the resonator.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2012124373A (en) * | 2010-12-09 | 2012-06-28 | Kyocera Corp | Sub mount substrate, optical semiconductor element storing package, and optical semiconductor device |
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-
2008
- 2008-07-23 JP JP2008189363A patent/JP2010027942A/en active Pending
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