JP2004265961A - 半導体レーザ装置、半導体レーザモジュールおよび半導体レーザ装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＤＷＤＭ伝送システムにおいては、中継器の間隔を長くするために、信号光源のレーザ光の大出力化が要望されている。また、光ファイバ増幅器の増幅能力を向上させるために、励起用光源に使用される半導体レーザ装置の大出力化も要望されている。
【解決手段】半導体レーザ装置１０は、半導体レーザ素子９を設置するサブマウント１２を有し、半導体レーザ素子９を設置するサブマウント１２の少なくとも表面の一部にＡｕを主成分とする金属薄膜を有する金属膜が形成され、この金属膜は熱処理されることを特徴としている。
【選択図】 図１
【解決手段】半導体レーザ装置１０は、半導体レーザ素子９を設置するサブマウント１２を有し、半導体レーザ素子９を設置するサブマウント１２の少なくとも表面の一部にＡｕを主成分とする金属薄膜を有する金属膜が形成され、この金属膜は熱処理されることを特徴としている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高出力化と長寿命化を実現した半導体レーザ装置および半導体レーザモジュールに関し、特に半導体レーザ素子の下方に位置するサブマウントの構造に特徴のある半導体レーザ装置、半導体レーザモジュールおよび半導体レーザ装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年のインターネットの急速な普及や企業内ＬＡＮ間接続の急増等によって、データトラフィックの増加が問題となっており、通信パフォーマンスの低下を防止するためにも、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ：Ｄｅｎｓｅ−Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送システムがめざましい発展を遂げ普及している。
【０００３】
ＤＷＤＭ伝送システムでは、複数の光信号をそれぞれ異なる波長に乗せることにより１本の光ファイバで従来の１００倍にも及ぶ大容量伝送を実現している。ここで、ＤＷＤＭ伝送システムにおいて用いられる信号光源あるいは増幅用光源を構成する半導体レーザ素子を有する半導体レーザ装置は、発振波長が高精度に調節される必要があるとともに、半導体レーザ素子の熱飽和を防止して高い光出力で動作させる必要がある。このため、従来の半導体レーザ装置は、レーザ光を出射する半導体レーザ素子の近傍に、半導体レーザ素子の温度を測定するサーミスタを設け、このサーミスタからの情報によりペルチェ素子等の温度調節素子によって、半導体レーザ素子の温度調節を行ない、発振波長の不安定化や半導体レーザ素子の熱飽和を防止するようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図１３は、従来の半導体レーザ装置の概要構成を示す斜視図である。図１３において、半導体レーザ装置は、銅タングステン（ＣｕＷ）合金で形成されたキャリア１０１上に、絶縁性および高熱伝導率をもつ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成されたサブマウント１０２が設けられ、このサブマウント１０２上に、所定波長のレーザ光Ｌ１００を出力する半導体レーザ素子１０３が設けられる。また、キャリア１０１上には、前記サブマウント１０２とは別にＡｌＮで形成されたサブマウント１０４が設けられ、このサブマウント１０４上に、半導体レーザ素子の温度を計測するサーミスタ１０５が設けられる。
【０００５】
半導体レーザ素子１０３とサブマウント１０２は、金属膜１０２ａを介して接合される。この金属膜１０２ａは、サブマウント上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕがそれぞれ６０ｎｍ／２００ｎｍ／６００ｎｍの膜厚で積層することにより形成される。この金属薄膜１０２ａと半導体レーザ素子１０３をＡｕＳｎなどのハンダ材によって固定することにより、半導体レーザ素子１０３とサブマウント１０２が接合される。また、サーミスタ１０５とサブマウント１０４との間も同様に、金属膜１０４ａを介して接合される。
【０００６】
半導体レーザ素子１０３は、サブマウント１０２と接合する面にｐ側電極を有し、他方の面にｎ側電極を有する。また、半導体レーザ素子１０３は、主に熱を発生する活性層をサブマウント１０２側に配置、言い換えるならば半導体レーザ素子１０３の基板側にｎ側電極を配置した、いわゆるジャンクションダウンで固定される。ｎ側電極は、Ａｕのワイヤ１０６ａによってマイナス電極にリードされる。ｐ側電極は、金属薄膜１０２ａおよびＡｕのワイヤ１０６ｂを介してプラス電極側のキャリア１０１にリードされる。
【０００７】
これによって、サブマウント１０２は、半導体レーザ素子１０３の絶縁を確保するとともに、半導体レーザ素子１０３のヒートシンクとして機能する。また、サブマウント１０２は、キャリア１０１の下部にＡｕＳｎハンダ材によって接合される図示しないＣｕＷのベースに接合され、このベース下部に設けられた図示しないペルチェモジュールが、サーミスタ１０５によって検出された温度に応じて半導体レーザ素子１０３の温度調節を行なう。
【０００８】
なお、サーミスタ１０５も、半導体レーザ素子１０３と同様に、サブマウント１０４によってキャリア１０１から絶縁され、熱伝導性の高い、サブマウント１０２、キャリア１０１およびサブマウント１０４を介して半導体レーザ素子１０３の温度を検出する。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−３４０８７８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したＤＷＤＭ伝送システムにおいては、中継器の間隔を長くするために、信号光源のレーザ光の大出力化が要望されている。また、光ファイバ増幅器の増幅能力を向上させるために、励起用光源に使用される半導体レーザ装置の大出力化も要望されている。
【００１１】
光出力の最大値は、主に発熱による光出力の飽和によって決定されるので、半導体レーザ装置においてレーザ光の大出力化を実現するには、放熱性の向上が鍵となる。
【００１２】
そこで、上述したサブマウントを放熱性の高いダイヤモンド等の材料で形成したり、半導体レーザ素子を上述したジャンクションダウンで接合したりして放熱効率を高めている。
【００１３】
ダイヤモンド等のサブマウント上に半導体レーザ素子を接合するには、まずサブマウント上にハンダ材を介して半導体レーザ素子を配置し、前記ハンダ材の融点程度の温度までサブマウントを加熱してハンダ材を溶かす。その後、ハンダ材の融点程度の温度から室温程度に温度が下がることによって半導体レーザ素子はサブマウント上に接合される。このとき、サブマウントと半導体レーザ素子の線熱膨張係数の違いによって歪が生じる。この歪によって半導体レーザ素子の特性劣化、破損、信頼性劣化が生じるという問題が起こることがあった。
【００１４】
また、半導体レーザ素子は、半導体レーザ素子の動作時における発熱とサブマウントによる放熱とが繰り返されるため特性劣化、破損、信頼性劣化という問題が起こることもあった。
【００１５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、サブマウント上の金属膜を工夫することによって、半導体レーザ素子とサブマウントの線熱膨張係数の違いにより生じる歪を緩和させ、半導体レーザ素子を用いて高出力化を図りつつ長寿命化と安定化を実現する半導体レーザ装置、半導体レーザモジュール及び半導体レーザ素子の製造方法を提供することを目的とする。特にキャビティ長の大きな半導体レーザ素子を用いる場合、本発明は有効である。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１にかかる半導体レーザ装置は、高熱伝導性を有し、少なくとも表面の一部に金属膜が形成されたサブマウントと、前記金属膜上に設置される半導体レーザ素子と、を有する半導体レーザ装置において、前記金属膜は熱処理が施されていることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項２にかかる半導体レーザ装置は、前記金属膜が、金（Ａｕ）を主成分とする金属薄膜を少なくとも１層含む複数の金属薄膜から成る多層膜で形成されることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項３にかかる半導体レーザ装置は、前記金（Ａｕ）を主成分とする金属薄膜の厚みが金（Ａｕ）を主成分としない金属薄膜の厚みの総計よりも大きいことを特徴としている。
【００１９】
また、請求項４にかかる半導体レーザ装置は、高熱伝導性を有し、少なくとも表面の一部に金属膜が形成されたサブマウントと、前記金属膜上に設置される半導体レーザ素子と、を有する半導体レーザ装置において、前記金属膜は、ビッカース硬度がＨＶ（０．０１ｋｇｆ）６５未満であることを特徴としている。
【００２０】
また、請求項５にかかる半導体レーザ装置は、高熱伝導性を有し、少なくとも表面の一部に金属膜が形成されたサブマウントと、前記金属膜上に設置される半導体レーザ素子と、を有する半導体レーザ装置において、前記金属膜はビッカース硬度がＨＶ（０．０１ｋｇｆ）６５未満である金（Ａｕ）を主成分とする金属薄膜を少なくとも１層含む複数の金属薄膜からなる多層膜で形成されることを特徴としている。
【００２１】
また、請求項６にかかる半導体レーザ装置は、前記サブマウントが、ダイヤモンドによって形成されていることを特徴としている。
【００２２】
また、請求項７にかかる半導体レーザ装置は、前記半導体レーザ素子のキャビティ長が８００μｍ以上であることを特徴としている。
【００２３】
また、請求項８にかかる半導体レーザモジュールは、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置と、該半導体レーザ装置を覆うパッケージと、前記半導体レーザ装置から出射されたレーザ光をパッケージの外部に導波する光ファイバと、前記半導体レーザ装置と前記光ファイバと光結合を行う光結合レンズ系と、を備えたことを特徴としている。
【００２４】
また、請求項９にかかる半導体レーザ装置の製造方法は、半導体レーザ素子を形成する工程と、サブマウントの表面に少なくとも前記半導体レーザ素子の底面と略同一の大きさの金属膜を形成する工程と、前記金属薄膜に熱処理を施す工程と、前記半導体レーザ素子を前記金属膜上に接合する工程を有することを特徴としている。
【００２５】
また、請求項１０にかかる半導体レーザ装置の製造方法は、半導体レーザ素子を形成する工程と、サブマウントの表面に少なくとも前記半導体レーザ素子の底面と略同一の大きさの金属膜を形成する工程と、前記金属膜上に誘電体膜を形成する工程と、前記金属膜に熱処理を施す工程と、前記熱処理後に前記誘電体膜を除去する工程と、前記半導体レーザ素子を前記金属膜上に接合する工程を有することを特徴としている。
【００２６】
また、請求項１１にかかる半導体レーザ装置の製造方法は、前記熱処理の温度が３００℃以上であることを特徴としている。
【００２７】
また、請求項１２にかかる半導体レーザ装置の製造方法は、前記熱処理の温度が４００℃以上であることを特徴としている。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる半導体レーザ装置および半導体レーザモジュールの実施の形態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本発明が限定されるものではない。
【００２９】
（実施の形態１）
まず、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置について説明する。図１は、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の構成を説明するための説明図である。特に、図１（ａ）は、半導体レーザ装置の共振方向に対し垂直な面の断面図を示す。すなわち、紙面に垂直な方向がレーザ出射方向に一致する。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）をＡ−Ａで切断し、ハンダ層１４側から半導体レーザ素子９を見た図を示す。実施の形態１にかかる半導体レーザ装置１０は、半導体レーザ素子９を設置するサブマウント１２を有し、半導体レーザ素子９を設置するサブマウント１２の少なくとも表面の一部にＡｕを主成分とする金属薄膜を有する金属膜が形成され、この金属膜は熱処理されることを特徴としている。また、図２（ａ）は、図１（ｂ）と同様に図１（ａ）をＡ−Ａで切断した場合のハンダ層１４及び半導体レーザ素子９の斜視図である。半導体レーザ素子９は、キャビティ長Ｌの活性層３を有し、ｐ側電極層１６上に金属膜１５を有する。また金属膜１５の凸部１９は、半導体レーザ素子の光が出射する側を識別するために設けられている。
【００３０】
（実施例１）
図１（ａ）において、半導体レーザ装置１０は、ＡｌＮ等で形成されたキャリア１１上に、絶縁性および高熱伝導性をもつダイヤモンドで形成されたサブマウント１２が設けられ、このサブマウント１２上に、所定波長のレーザ光を出力する半導体レーザ素子９が設置される。
【００３１】
図１（ａ）に示すように、半導体レーザ素子９の一面側にはｐ側電極層１６が形成され、それに対向する他面側にはｎ側電極層１８が形成される。また、ｐ側電極層１６の表面には、Ａｕを主成分とする金属薄膜１５が形成される。なお、半導体レーザ素子９としては、例えばＩｎＰ系の１．４８μｍ帯で発振する半導体レーザ素子を用いることができ、そのキャビティ長は、高出力を実現するために８００μｍ以上であることが好ましい。
【００３２】
一方、サブマウント１２上には金属膜１３が形成される。そして、この金属膜１３上にハンダ層１４が塗布され、そのハンダ層１４を介して、前記金属薄膜１５が金属膜１３と接合される。これにより、半導体レーザ素子９がサブマウント１２上に接合されるとともに、ｐ側電極層１６から金属膜１３を経由した電極配線の引き出しが可能となる。なお、半導体レーザ素子９は、活性層３がｐ側電極層１６寄りに位置、言い換えるならば半導体レーザ素子９の基板側にｎ側電極を配置して、上述したジャンクションダウンの形態で接合される。
【００３３】
金属膜１３は、複数の金属薄膜が積層された多層膜構造であり、Ａｕを主成分とする金属薄膜を有する。本実施例では図中に示す金属膜１３は、本発明の一例であり、４層の金属薄膜ｃ１〜ｃ４によって構成されている。例えば金属薄膜ｃ３としてＡｕ膜を用いている。なお、これら金属薄膜は、隣接する金属薄膜の材料が異なれば、同じ材料により形成される金属薄膜を複数層用いても良い。例えば、本実施例では金属膜ｃ２とｃ４として、ともにＰｔ膜を用いている。
【００３４】
また、これら金属薄膜は、金属薄膜間でのエレクトロマイグレーションによる劣化を防止できる組成の組み合わせとすることが好ましく、かつＡｕを主成分とする金属薄膜の厚みを、他の金属薄膜の厚みの総計より大きくすることが好ましい。例えば、本実施例では、Ａｕ薄膜ｃ３の厚みを２μｍ、他のＴｉ膜ｃ１、Ｐｔ膜ｃ２、Ｐｔ膜ｃ４の厚みの総計は０．５μｍ程度とする。このように、金属膜１３を構成する主材料をＡｕとし、かつ本発明を適用することにより金属膜１３のＡｕのグレインサイズが大きくなり、半導体レーザ装置は低電気抵抗やクッション機能の利点を享受することができる。
【００３５】
次に、サブマウントの表面に形成される金属膜の形成工程１及び形成工程２について述べる。
（形成工程１）
本発明の形成工程１では、ダイヤモンド製のサブマウントの表面に、真空蒸着法を用いてＴｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｔを順番に蒸着し、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜、Ｐｔ膜からなる金属膜を形成する。ついで、このサブマウントに４２０℃、１分間窒素雰囲気下で熱処理を施すことにより金属膜に熱処理を施す。その後、金属膜上にハンダ層を真空蒸着法で形成する。
【００３６】
図１０は、金属膜の形成工程１に対する熱処理（焼結）を示すフローチャートである。図１０において、まずダイヤモンド製のサブマウントを準備する（ステップＳ１０１）。そして、そのサブマウントの表面に、図１（ａ）で示したような金属膜１３を真空蒸着法で形成する（ステップＳ１０２）。ここで、この金属膜１３を構成する金属薄膜Ａｕ膜ｃ３の厚みは、他の金属薄膜の厚みの総計よりも大きくなるように形成することが好ましい。例えば、本形成工程により形成される金属膜１３は、金属薄膜Ａｕ膜ｃ３の厚みを２μｍとし、他の金属薄膜ｃ１、ｃ２、ｃ４の厚みの総計を０．５μｍ程度とする。
【００３７】
つぎに、前記金属膜１３が形成されたサブマウントに、所定時間、所定温度で熱処理を施す（ステップＳ１０３）。この熱処理は、例えば数十秒間その特定の温度で保持される。加熱炉内で特定の時間加熱された後は、室温まで冷却される（ステップＳ１０４）。なお、サブマウントを加熱することができれば、加熱炉以外の装置を用いてもよい。
【００３８】
冷却が終わった状態では、上述した金属膜は、熱処理を施すことにより熱処理を施さない場合と比較して、大きなサイズのグレインが形成されており、効果的なクッション機能を有する。次に、前記金属膜１３の上に、ハンダを真空蒸着法で形成する（ステップＳ１０５）。
【００３９】
（形成工程２）
本発明の形成工程２は、ダイヤモンド製のサブマウントの表面に、真空蒸着法を用いてＴｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｔを順番に蒸着し、金属薄膜Ｔｉ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜、Ｐｔ膜からなる金属膜を形成する。その後、金属膜上にＳｉＮ等の誘電体膜をプラズマＣＶＤ法で形成し、ついでこのサブマウントに４２０℃、１分間窒素雰囲気下で熱処理を施すことにより金属膜に熱処理を施す。その後、ＳｉＮ等の誘電体膜を除去し、金属膜上にハンダ層を真空蒸着法で形成する。熱処理時に金属膜上にＳｉＮ等の誘電体膜を形成する目的は、熱処理後にハンダ層が剥がれる問題を抑制することにある。
【００４０】
図１１は、前記金属膜の形成工程２に対する熱処理（焼結）を示すフローチャートである。図１１において、まずダイヤモンド製のサブマウントを準備する（ステップＳ２０１）。そして、そのサブマウントの表面に、図１（ａ）で示したような金属膜１３を真空蒸着法で形成する（ステップＳ２０２）。ここで、この金属膜１３を構成する金属薄膜Ａｕ膜ｃ３の厚みは、他の金属薄膜の厚みの総計よりも大きくなるように形成することが好ましい。例えば、本形成工程により形成される金属膜１３は、金属薄膜Ａｕ膜ｃ３の厚みを２μｍとし、他の金属薄膜ｃ１、ｃ２、ｃ４の厚みの総計を０．５μｍ程度とする。
【００４１】
つぎに、前記金属膜１３上に、誘電体膜（ＳｉＮ等）を形成する（ステップＳ２０３）。その後、前記金属膜１３、誘電体膜が形成されたサブマウントに、所定時間、所定温度で熱処理を施す（ステップＳ２０４）。この熱処理は、例えば数十秒間その特定の温度で保持される。加熱炉内で特定の時間加熱された後は、室温まで冷却される（ステップＳ２０５）。なお、サブマウントを加熱することができれば、加熱炉以外の装置を用いてもよい。
【００４２】
冷却が終わった状態では、上述した金属膜は、熱処理を施すことにより大きなサイズのグレインが形成されており、効果的なクッション機能を有する。次に、前記金属膜１３の上に形成された誘電体膜（ＳｉＮ等）をフッ酸で除去する（ステップＳ２０５）。その後、前記金属膜１３の上にハンダ層を真空蒸着法で形成する（ステップＳ２０６）。
【００４３】
次に、金属膜１３、特に金属薄膜Ａｕ膜ｃ３のグレインサイズについて述べる。サブマウント上の金属膜１３のクッション機能に影響を及ぼすパラメータの一つは、Ａｕ膜ｃ３のグレインサイズであり、半導体レーザ素子９とサブマウント１２との間におけるクッション機能を増加させるには、Ａｕ膜ｃ３のグレインサイズは大きい方が望ましい。ここでは、半導体レーザ素子９のｐ側電極層１６の表面に形成されたＡｕを主成分とする金属薄膜１５について検討し、この結果を金属薄膜Ａｕ膜ｃ３に適用することにする。
【００４４】
図３は、どんな熱処理も施されていない場合（焼結なし）の金属薄膜１５の微視画像である。金属薄膜１５中のグレインサイズは、図中で表示されている２０μｍよりもかなり小さい。本発明者らは、前記熱処理の工程において、焼結する温度と金属薄膜１５のグレインサイズとの関係を求めるために以下の実験を行った。
【００４５】
図４〜８は、順に、焼結温度を１００℃、２００℃、３００℃、３６０℃、４２０℃とした場合の金属薄膜１５のグレインサイズを示す微視画像である。ここで、グレインサイズは、画像上においてある方向に１本の直線を引くことで測定することかできる。例えば図８において、水平方向に直線を引き、その直線を交差するグレインを数えた後、直線の長さをそのグレイン数で除算すればグレインサイズを得ることができる。
【００４６】
図４〜８で示されるように、焼結温度が増加するに従って、グレインサイズも増加する。特に、焼結温度が１００℃と２００℃の間では、図４と図５で示されるように、グレインサイズを決定する縁が増加していることがよくわかる。特に、図６で示されるように、焼結温度が３００℃である場合、金属薄膜の境界において早期な結晶化が観測され、より大きなグレインサイズを得ることができる。図７と図８では、さらに再結晶化が観測される。これらの結果から、発明者らは、金属薄膜１５のクッション機能を効果的にするためには、３００℃以上の焼結温度で熱処理することが好ましいことを見いだした。また、４００℃以上の焼結温度で熱処理することがより好ましいことを見いだした。
【００４７】
発明者らはこの知見を金属膜１３にも適用することを考えた。すなわち、金属膜１３に上述した熱処理を施すことで金属膜１３中の金属薄膜Ａｕ膜ｃ３のグレインサイズを大きくし、金属膜１３のクッション機能を効果的にすることを考えた。その結果、上述した金属膜１３の形成工程１、２を発明するにいたった。
【００４８】
図９は、Ａｕ材料についてのビッカース硬度と焼結温度との関係を示すグラフである。なお、図９を得るために、各サンプルは、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に準じた方法により１０重量グラムの負荷を１５秒間保持する条件の下で、２つのポイントで測定された。図９で見られるように、焼結温度の増加に従って硬度は減少する。この結果から、３００℃以上の焼結温度では、金材料の硬度はＨＶ（０．０１ｋｇｆ）６５未満となることがわかる。発明者は、この知見を金属薄膜１３にも適用することを考えた。すなわちＡｕを主成分とする金属薄膜１３のビッカーズ硬度をＨＶ（０．０１ｋｇｆ）６５未満とすることで、金属膜１３のクッション機能を効果的なものにすることを考えた。
【００４９】
つぎに、ｐ側電極層１６、金属薄膜１５、ハンダ層１４および金属膜１３を形成する各材料および厚みについて説明する。図２（ｂ）は、半導体レーザ素子９とサブマウント１２との間の接合部分の拡大図である。なお、図２（ｂ）において、図１（ａ）と共通する部分には同一の符号を付してここではその説明を省略する。
【００５０】
図２（ｂ）において、ｐ側電極層１６は、複数の金属薄膜が積層された多層膜構造であり、少なくとも金属薄膜１５と接触する金属薄膜はＡｕを主成分とする材料で形成される。図中に示すｐ側電極層１６は、本発明の一例であり、５層の金属薄膜ａ１〜ａ５によって構成されている。なお、これら金属薄膜は、隣接する金属薄膜の材料が異なれば、同じ材料により形成される金属薄膜を複数層用いても良い。例えば、本実施例では金属膜ａ１とａ５として、ともにＡｕ膜を用いている。
【００５１】
また、これら金属薄膜は、金属薄膜間でのエレクトロマイグレーションによる劣化を防止できる組成の組み合わせとすることが好ましく、かつその厚みの総計、すなわちｐ側電極層１６の厚みｈ４は熱抵抗や電気抵抗が最小限となるように形成することが好ましい。例えば、本実施例では、ｐ側電極層１６の厚みｈ４を０．５μｍ以下とする。
【００５２】
金属薄膜１５は、Ａｕを用いて電解めっき法によって形成される。このように、金属薄膜１５を、上述したｐ側電極層１６の最表面の金属薄膜と同じ材料であるＡｕで形成することによって、ｐ側電極層１６との接合状態を安定に保つことができる。また、Ａｕ（特に純金）は柔らかい上に、電気抵抗が低く、ハンダ層１４との接着においてクッション材としても機能させることかできる。すなわち、金属薄膜１５と一体になった半導体レーザ素子９を、ハンダ層１４を介してサブマウント１２上に接合する際に、サブマウント１２側への加圧によって受ける半導体レーザ素子９の負荷を分散させることができる。これにより、接合時における半導体レーザ素子９の破損を防止することができる。なお、金属薄膜１５の厚みｈ３は、上述したクッション機能を確保しつつ、熱抵抗や電気抵抗が大幅に増大しない程度の値とすることが好ましい。具体的には、金属薄膜１５の厚みｈ３は少なくとも１μｍ以上であることが好ましく、特に２〜９μｍの範囲内であることが好ましい。さらに、金属薄膜１５の厚みｈ３の最適な値は６μｍである。
【００５３】
ここで、電解めっき法によって金属薄膜１５を形成した後に、熱処理を施す。この熱処理工程によって、金属薄膜１５を構成するＡｕのグレインサイズが大きくなり、上述したクッション効果が高められる。
【００５４】
導電接着材となるハンダ層１４は、Ａｕ系、例えばＡｕＳｎで形成される。Ａｕ系の材料は上述したように柔らかく電気抵抗も低いため、金属薄膜１５と同様なクッション機能を持たせるために厚くすることができ、歪緩和に適する。また、ハンダ層１４は、その材料の組成によって共晶温度が変わるが、共晶温度が高くなる、すなわち冷却（常温）までの温度差が大きいと、半導体レーザ素子９とサブマウント１２との線熱膨張係数差による熱膨張差も大きくなり、半導体レーザ素子９に与える歪も大きくなってしまう。そこで、共晶温度が小さくなるように、ハンダ層１４の組成を決定することが好ましい。例えば、ハンダ層１４としてＡｕＳｎを用いた場合には、Ａｕ：Ｓｎ＝７４：２６〜８０：２０の割合とすることが好ましい。
【００５５】
ハンダ層１４は、電気抵抗や熱抵抗が最小となり、かつ十分な導電機能と接着機能を果たすだけの厚みとすることが好ましい。例えば、ハンダ層１４としてＡｕＳｎを用いた場合、半導体レーザ素子９を固着させる直前の塗布状態において３．５μｍ±２０％（２．８〜４．２μｍ）とし、接合後の厚みｈ２を１μｍ程度とすることが好ましい。
【００５６】
（実施例２）
図１４は、実施の形態１にかかる実施例２のサブマウント４４上の金属膜４５の構成を説明するための説明図であり、サブマウント４４側から金属膜４５を見た図である。金属膜４５は、複数の金属薄膜が積層された多層膜構造であり、Ａｕを主成分とする金属薄膜有する。図中に示す金属膜４５は、本発明の一例として、４層の金属薄膜４０〜４３によって構成されている。例えば金属薄膜４２としてＡｕ膜を用いている。なお、これら金属薄膜は、隣接する金属薄膜の材料が異なれば、同じ材料により形成される金属薄膜を複数層用いても良い。例えば、本実施例では金属膜４１と４３として、ともにＰｔ膜を用いている。
より具体的には、金属膜４５は、ダイヤモンド製のサブマウント４４の表面全部を覆うように、真空蒸着法を用いて、金属薄膜Ｔｉ膜４０、Ｐｔ膜４１、Ａｕ膜４２、Ｐｔ膜４３の順番に蒸着されることにより形成される。
【００５７】
また、これら金属薄膜は、金属薄膜間でのエレクトロマイグレーションによる劣化を防止できる組成の組み合わせとすることが好ましく、かつＡｕを主成分とする金属薄膜の厚みを、他の金属薄膜の厚みの総計よりも大きくすることが好ましい。例えば、本実施例では、金属薄膜４２の厚みを２μｍとし、他のＴｉ膜４０、Ｐｔ膜４１、Ｐｔ膜４３の厚みの総計を０．５μｍ程度とする。このように、金属膜４５を構成する主材料をＡｕとすることにより、上述した低電気抵抗やクッション機能の利点を享受することができる。
【００５８】
さらに、本実施例２のように金属膜で覆われたサブマウントを図１３に示す半導体レーザ装置に用いる場合、図１３に示すワイヤ１０６ｂは不要となり、工程は短縮される。
以上に説明したとおり、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置のサブマウント上の金属膜１３、４５によれば、前記金属膜１３、４５中のＡｕ膜ｃ３のグレインサイズは大きくなり、Ａｕ膜ｃ３のビッカーズ硬度は小さくなるので、Ａｕ膜ｃ３は半導体レーザ素子９に対して効果的なクッション機能を有し、半導体レーザ素子９の端部に与える熱応力の影響を低減させることができ、活性層３で生じた熱や半導体レーザ素子９をサブマウント１２上に接合する際に生じる熱を起因とした半導体レーザ素子９の劣化の助長や破損を防止することができる。
【００５９】
なお、以上に説明した実施の形態１では、ジャンクションダウンを例に示したが、前記電極の極性を変えて活性層３を上方の電極側に設けた、いわゆるジャンクションアップの構造を採用した場合でも、本発明を同様に適用することができる。
また、本実施の形態では高熱伝導性のサブマウントとしてダイヤモンドを用いたが、窒化アルミ等の高熱伝導性をもつ材料を用いてもよい。
【００６０】
（実施の形態２）
つぎに、実施の形態２にかかる半導体レーザモジュールについて説明する。実施の形態２にかかる半導体レーザモジュールは、実施の形態１で示した半導体レーザ装置をモジュール化したものである。図１２は、実施の形態２にかかる半導体レーザモジュール２０の構成を示す断面図である。図１２において、半導体レーザモジュール２０は、銅タングステン（ＣｕＷ）合金などによって形成されたパッケージ２９を筐体とする。そのパッケージ２９の内部底面上には、温度調節装置として機能するペルチェモジュール２８が配置される。ペルチェモジュール２８上にはベース２７が配置され、このベース２７上にはキャリア３４が配置される。
【００６１】
特に、図１２においては、半導体レーザ装置３１が、上述した実施の形態１で示した半導体レーザ装置に対応し、キャリア３４が図１に示したキャリア１１に相当する。よって、キャリア３４上には、半導体レーザ装置３１が配置されるが、さらに、サーミスタ３２および光モニタ３３が配置される。また、ベース２７上には、第１レンズ２２が配置される。半導体レーザ装置３１から出射されたレーザ光は、第１レンズ２２、アイソレータ２３および第２レンズ２４を介し、光ファイバ２５内に導波される。第２レンズ２４は、レーザ光の光軸上に位置するパッケージ２９内に設けられ、外部接続される光ファイバ２５に光結合される。なお、光モニタ３３は、半導体レーザ装置３１の出射面とは反対側から漏れた光をモニタ検出する。
【００６２】
ここで、この半導体レーザモジュール２０では、他の光学部品などによる反射戻り光が共振器内に再入力しないように、半導体レーザ装置３１と光ファイバ２５との間にアイソレータ２３を介在させている。
【００６３】
なお、上述した実施の形態２では、半導体レーザ装置３１から出射されたレーザ光をそのまま出力する形態の半導体レーザモジュール２０としたが、光ファイバ２５の第２レンズ２４側端部の近傍に光ファイバグレーティングを形成し、この光ファイバグレーティングによって半導体レーザ装置３１から出射されたレーザ光を波長選択して出力する光ファイバグレーティング付き半導体レーザモジュールにも適用できる。この場合、アイソレータ２３は設けなくても良い。
【００６４】
以上に説明したとおり、実施の形態２にかかる半導体レーザモジュールによれば、実施の形態１に示した半導体レーザ装置を搭載しているため、実施の形態１で示した効果を享受した半導体レーザモジュールを提供することができる。
【００６５】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明にかかる半導体レーザ装置によれば、高熱伝導性を有するとともに表面に金属膜層が形成されたサブマウントと、前記サブマウント上に設置される半導体レーザ素子とを有する半導体レーザ装置において、前記金属膜層は熱処理されているので、半導体レーザ素子とサブマウント間において、クッション作用、低熱抵抗を与えることができ、半導体レーザ素子の保護とサブマウントによる放熱効果を享受することができ、安定した長寿命の半導体レーザ装置を提供することができる。
【００６６】
また、本発明にかかる半導体レーザモジュールによれば、上述した半導体レーザ装置を搭載しているため、上述した半導体レーザ装置の効果を享受することができるという効果を奏する。
【００６７】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置の製造方法によれば、サブマウント表面に金属膜を形成した後に、その金属膜に対して熱処理を施すので、その金属膜を構成する材料のグレインサイズを大きくすることができ、上述したクッション作用を高めることが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の構成を説明するための説明図である。
【図２】図２（ａ）は、図１（ｂ）の斜視図である。図２（ｂ）は、図１（ａ）の拡大図である。
【図３】焼結なしの場合の金属膜の微視画像を示す図である。
【図４】焼結温度１００℃の場合の金属膜の微視画像を示す図である。
【図５】焼結温度２００℃の場合の金属膜の微視画像を示す図である。
【図６】焼結温度３００℃の場合の金属膜の微視画像を示す図である。
【図７】焼結温度３６０℃の場合の金属膜の微視画像を示す図である。
【図８】焼結温度４２０℃の場合の金属膜の微視画像を示す図である。
【図９】金材料についてのビッカース硬度と焼結温度との関係を示すグラフである。
【図１０】金属膜に対する熱処理（焼結）を示す形成工程１のフローチャートである。
【図１１】金属膜に対する熱処理（焼結）を示す形成工程２のフローチャートである。
【図１２】実施の形態２にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す断面図である。
【図１３】従来の半導体レーザ装置の概要構成を示す斜視図である。
【図１４】実施の形態１の金属膜のその他の実施例を示す図である。
【符号の説明】
３ 活性層
９、１０３ 半導体レーザ素子
１０、３１ 半導体レーザ装置
１１、３４、１０１ キャリア
１２、４４、１０２、１０４ サブマウント
１３、１５、１０２ａ、１０４ａ 金属膜
１４ ハンダ層
１６ ｐ側電極層
１８ ｎ側電極層
１９ 凸部
２０ 半導体レーザモジュール
２２ 第１レンズ
２３ アイソレータ
２４ 第２レンズ
２５ 光ファイバ
２７ ベース
２８ ペルチェモジュール
２９ パッケージ
３２、１０５ サーミスタ
３３ 光モニタ
４０ Ｔｉ膜
４１ Ｐｔ膜
４２ Ａｕ膜
４３ Ｐｔ膜
１０６ａ、１０６ｂ ワイヤ
Ｌ キャビティ長
【発明の属する技術分野】
本発明は、高出力化と長寿命化を実現した半導体レーザ装置および半導体レーザモジュールに関し、特に半導体レーザ素子の下方に位置するサブマウントの構造に特徴のある半導体レーザ装置、半導体レーザモジュールおよび半導体レーザ装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年のインターネットの急速な普及や企業内ＬＡＮ間接続の急増等によって、データトラフィックの増加が問題となっており、通信パフォーマンスの低下を防止するためにも、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ：Ｄｅｎｓｅ−Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送システムがめざましい発展を遂げ普及している。
【０００３】
ＤＷＤＭ伝送システムでは、複数の光信号をそれぞれ異なる波長に乗せることにより１本の光ファイバで従来の１００倍にも及ぶ大容量伝送を実現している。ここで、ＤＷＤＭ伝送システムにおいて用いられる信号光源あるいは増幅用光源を構成する半導体レーザ素子を有する半導体レーザ装置は、発振波長が高精度に調節される必要があるとともに、半導体レーザ素子の熱飽和を防止して高い光出力で動作させる必要がある。このため、従来の半導体レーザ装置は、レーザ光を出射する半導体レーザ素子の近傍に、半導体レーザ素子の温度を測定するサーミスタを設け、このサーミスタからの情報によりペルチェ素子等の温度調節素子によって、半導体レーザ素子の温度調節を行ない、発振波長の不安定化や半導体レーザ素子の熱飽和を防止するようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図１３は、従来の半導体レーザ装置の概要構成を示す斜視図である。図１３において、半導体レーザ装置は、銅タングステン（ＣｕＷ）合金で形成されたキャリア１０１上に、絶縁性および高熱伝導率をもつ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成されたサブマウント１０２が設けられ、このサブマウント１０２上に、所定波長のレーザ光Ｌ１００を出力する半導体レーザ素子１０３が設けられる。また、キャリア１０１上には、前記サブマウント１０２とは別にＡｌＮで形成されたサブマウント１０４が設けられ、このサブマウント１０４上に、半導体レーザ素子の温度を計測するサーミスタ１０５が設けられる。
【０００５】
半導体レーザ素子１０３とサブマウント１０２は、金属膜１０２ａを介して接合される。この金属膜１０２ａは、サブマウント上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕがそれぞれ６０ｎｍ／２００ｎｍ／６００ｎｍの膜厚で積層することにより形成される。この金属薄膜１０２ａと半導体レーザ素子１０３をＡｕＳｎなどのハンダ材によって固定することにより、半導体レーザ素子１０３とサブマウント１０２が接合される。また、サーミスタ１０５とサブマウント１０４との間も同様に、金属膜１０４ａを介して接合される。
【０００６】
半導体レーザ素子１０３は、サブマウント１０２と接合する面にｐ側電極を有し、他方の面にｎ側電極を有する。また、半導体レーザ素子１０３は、主に熱を発生する活性層をサブマウント１０２側に配置、言い換えるならば半導体レーザ素子１０３の基板側にｎ側電極を配置した、いわゆるジャンクションダウンで固定される。ｎ側電極は、Ａｕのワイヤ１０６ａによってマイナス電極にリードされる。ｐ側電極は、金属薄膜１０２ａおよびＡｕのワイヤ１０６ｂを介してプラス電極側のキャリア１０１にリードされる。
【０００７】
これによって、サブマウント１０２は、半導体レーザ素子１０３の絶縁を確保するとともに、半導体レーザ素子１０３のヒートシンクとして機能する。また、サブマウント１０２は、キャリア１０１の下部にＡｕＳｎハンダ材によって接合される図示しないＣｕＷのベースに接合され、このベース下部に設けられた図示しないペルチェモジュールが、サーミスタ１０５によって検出された温度に応じて半導体レーザ素子１０３の温度調節を行なう。
【０００８】
なお、サーミスタ１０５も、半導体レーザ素子１０３と同様に、サブマウント１０４によってキャリア１０１から絶縁され、熱伝導性の高い、サブマウント１０２、キャリア１０１およびサブマウント１０４を介して半導体レーザ素子１０３の温度を検出する。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−３４０８７８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したＤＷＤＭ伝送システムにおいては、中継器の間隔を長くするために、信号光源のレーザ光の大出力化が要望されている。また、光ファイバ増幅器の増幅能力を向上させるために、励起用光源に使用される半導体レーザ装置の大出力化も要望されている。
【００１１】
光出力の最大値は、主に発熱による光出力の飽和によって決定されるので、半導体レーザ装置においてレーザ光の大出力化を実現するには、放熱性の向上が鍵となる。
【００１２】
そこで、上述したサブマウントを放熱性の高いダイヤモンド等の材料で形成したり、半導体レーザ素子を上述したジャンクションダウンで接合したりして放熱効率を高めている。
【００１３】
ダイヤモンド等のサブマウント上に半導体レーザ素子を接合するには、まずサブマウント上にハンダ材を介して半導体レーザ素子を配置し、前記ハンダ材の融点程度の温度までサブマウントを加熱してハンダ材を溶かす。その後、ハンダ材の融点程度の温度から室温程度に温度が下がることによって半導体レーザ素子はサブマウント上に接合される。このとき、サブマウントと半導体レーザ素子の線熱膨張係数の違いによって歪が生じる。この歪によって半導体レーザ素子の特性劣化、破損、信頼性劣化が生じるという問題が起こることがあった。
【００１４】
また、半導体レーザ素子は、半導体レーザ素子の動作時における発熱とサブマウントによる放熱とが繰り返されるため特性劣化、破損、信頼性劣化という問題が起こることもあった。
【００１５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、サブマウント上の金属膜を工夫することによって、半導体レーザ素子とサブマウントの線熱膨張係数の違いにより生じる歪を緩和させ、半導体レーザ素子を用いて高出力化を図りつつ長寿命化と安定化を実現する半導体レーザ装置、半導体レーザモジュール及び半導体レーザ素子の製造方法を提供することを目的とする。特にキャビティ長の大きな半導体レーザ素子を用いる場合、本発明は有効である。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１にかかる半導体レーザ装置は、高熱伝導性を有し、少なくとも表面の一部に金属膜が形成されたサブマウントと、前記金属膜上に設置される半導体レーザ素子と、を有する半導体レーザ装置において、前記金属膜は熱処理が施されていることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項２にかかる半導体レーザ装置は、前記金属膜が、金（Ａｕ）を主成分とする金属薄膜を少なくとも１層含む複数の金属薄膜から成る多層膜で形成されることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項３にかかる半導体レーザ装置は、前記金（Ａｕ）を主成分とする金属薄膜の厚みが金（Ａｕ）を主成分としない金属薄膜の厚みの総計よりも大きいことを特徴としている。
【００１９】
また、請求項４にかかる半導体レーザ装置は、高熱伝導性を有し、少なくとも表面の一部に金属膜が形成されたサブマウントと、前記金属膜上に設置される半導体レーザ素子と、を有する半導体レーザ装置において、前記金属膜は、ビッカース硬度がＨＶ（０．０１ｋｇｆ）６５未満であることを特徴としている。
【００２０】
また、請求項５にかかる半導体レーザ装置は、高熱伝導性を有し、少なくとも表面の一部に金属膜が形成されたサブマウントと、前記金属膜上に設置される半導体レーザ素子と、を有する半導体レーザ装置において、前記金属膜はビッカース硬度がＨＶ（０．０１ｋｇｆ）６５未満である金（Ａｕ）を主成分とする金属薄膜を少なくとも１層含む複数の金属薄膜からなる多層膜で形成されることを特徴としている。
【００２１】
また、請求項６にかかる半導体レーザ装置は、前記サブマウントが、ダイヤモンドによって形成されていることを特徴としている。
【００２２】
また、請求項７にかかる半導体レーザ装置は、前記半導体レーザ素子のキャビティ長が８００μｍ以上であることを特徴としている。
【００２３】
また、請求項８にかかる半導体レーザモジュールは、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置と、該半導体レーザ装置を覆うパッケージと、前記半導体レーザ装置から出射されたレーザ光をパッケージの外部に導波する光ファイバと、前記半導体レーザ装置と前記光ファイバと光結合を行う光結合レンズ系と、を備えたことを特徴としている。
【００２４】
また、請求項９にかかる半導体レーザ装置の製造方法は、半導体レーザ素子を形成する工程と、サブマウントの表面に少なくとも前記半導体レーザ素子の底面と略同一の大きさの金属膜を形成する工程と、前記金属薄膜に熱処理を施す工程と、前記半導体レーザ素子を前記金属膜上に接合する工程を有することを特徴としている。
【００２５】
また、請求項１０にかかる半導体レーザ装置の製造方法は、半導体レーザ素子を形成する工程と、サブマウントの表面に少なくとも前記半導体レーザ素子の底面と略同一の大きさの金属膜を形成する工程と、前記金属膜上に誘電体膜を形成する工程と、前記金属膜に熱処理を施す工程と、前記熱処理後に前記誘電体膜を除去する工程と、前記半導体レーザ素子を前記金属膜上に接合する工程を有することを特徴としている。
【００２６】
また、請求項１１にかかる半導体レーザ装置の製造方法は、前記熱処理の温度が３００℃以上であることを特徴としている。
【００２７】
また、請求項１２にかかる半導体レーザ装置の製造方法は、前記熱処理の温度が４００℃以上であることを特徴としている。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる半導体レーザ装置および半導体レーザモジュールの実施の形態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本発明が限定されるものではない。
【００２９】
（実施の形態１）
まず、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置について説明する。図１は、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の構成を説明するための説明図である。特に、図１（ａ）は、半導体レーザ装置の共振方向に対し垂直な面の断面図を示す。すなわち、紙面に垂直な方向がレーザ出射方向に一致する。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）をＡ−Ａで切断し、ハンダ層１４側から半導体レーザ素子９を見た図を示す。実施の形態１にかかる半導体レーザ装置１０は、半導体レーザ素子９を設置するサブマウント１２を有し、半導体レーザ素子９を設置するサブマウント１２の少なくとも表面の一部にＡｕを主成分とする金属薄膜を有する金属膜が形成され、この金属膜は熱処理されることを特徴としている。また、図２（ａ）は、図１（ｂ）と同様に図１（ａ）をＡ−Ａで切断した場合のハンダ層１４及び半導体レーザ素子９の斜視図である。半導体レーザ素子９は、キャビティ長Ｌの活性層３を有し、ｐ側電極層１６上に金属膜１５を有する。また金属膜１５の凸部１９は、半導体レーザ素子の光が出射する側を識別するために設けられている。
【００３０】
（実施例１）
図１（ａ）において、半導体レーザ装置１０は、ＡｌＮ等で形成されたキャリア１１上に、絶縁性および高熱伝導性をもつダイヤモンドで形成されたサブマウント１２が設けられ、このサブマウント１２上に、所定波長のレーザ光を出力する半導体レーザ素子９が設置される。
【００３１】
図１（ａ）に示すように、半導体レーザ素子９の一面側にはｐ側電極層１６が形成され、それに対向する他面側にはｎ側電極層１８が形成される。また、ｐ側電極層１６の表面には、Ａｕを主成分とする金属薄膜１５が形成される。なお、半導体レーザ素子９としては、例えばＩｎＰ系の１．４８μｍ帯で発振する半導体レーザ素子を用いることができ、そのキャビティ長は、高出力を実現するために８００μｍ以上であることが好ましい。
【００３２】
一方、サブマウント１２上には金属膜１３が形成される。そして、この金属膜１３上にハンダ層１４が塗布され、そのハンダ層１４を介して、前記金属薄膜１５が金属膜１３と接合される。これにより、半導体レーザ素子９がサブマウント１２上に接合されるとともに、ｐ側電極層１６から金属膜１３を経由した電極配線の引き出しが可能となる。なお、半導体レーザ素子９は、活性層３がｐ側電極層１６寄りに位置、言い換えるならば半導体レーザ素子９の基板側にｎ側電極を配置して、上述したジャンクションダウンの形態で接合される。
【００３３】
金属膜１３は、複数の金属薄膜が積層された多層膜構造であり、Ａｕを主成分とする金属薄膜を有する。本実施例では図中に示す金属膜１３は、本発明の一例であり、４層の金属薄膜ｃ１〜ｃ４によって構成されている。例えば金属薄膜ｃ３としてＡｕ膜を用いている。なお、これら金属薄膜は、隣接する金属薄膜の材料が異なれば、同じ材料により形成される金属薄膜を複数層用いても良い。例えば、本実施例では金属膜ｃ２とｃ４として、ともにＰｔ膜を用いている。
【００３４】
また、これら金属薄膜は、金属薄膜間でのエレクトロマイグレーションによる劣化を防止できる組成の組み合わせとすることが好ましく、かつＡｕを主成分とする金属薄膜の厚みを、他の金属薄膜の厚みの総計より大きくすることが好ましい。例えば、本実施例では、Ａｕ薄膜ｃ３の厚みを２μｍ、他のＴｉ膜ｃ１、Ｐｔ膜ｃ２、Ｐｔ膜ｃ４の厚みの総計は０．５μｍ程度とする。このように、金属膜１３を構成する主材料をＡｕとし、かつ本発明を適用することにより金属膜１３のＡｕのグレインサイズが大きくなり、半導体レーザ装置は低電気抵抗やクッション機能の利点を享受することができる。
【００３５】
次に、サブマウントの表面に形成される金属膜の形成工程１及び形成工程２について述べる。
（形成工程１）
本発明の形成工程１では、ダイヤモンド製のサブマウントの表面に、真空蒸着法を用いてＴｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｔを順番に蒸着し、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜、Ｐｔ膜からなる金属膜を形成する。ついで、このサブマウントに４２０℃、１分間窒素雰囲気下で熱処理を施すことにより金属膜に熱処理を施す。その後、金属膜上にハンダ層を真空蒸着法で形成する。
【００３６】
図１０は、金属膜の形成工程１に対する熱処理（焼結）を示すフローチャートである。図１０において、まずダイヤモンド製のサブマウントを準備する（ステップＳ１０１）。そして、そのサブマウントの表面に、図１（ａ）で示したような金属膜１３を真空蒸着法で形成する（ステップＳ１０２）。ここで、この金属膜１３を構成する金属薄膜Ａｕ膜ｃ３の厚みは、他の金属薄膜の厚みの総計よりも大きくなるように形成することが好ましい。例えば、本形成工程により形成される金属膜１３は、金属薄膜Ａｕ膜ｃ３の厚みを２μｍとし、他の金属薄膜ｃ１、ｃ２、ｃ４の厚みの総計を０．５μｍ程度とする。
【００３７】
つぎに、前記金属膜１３が形成されたサブマウントに、所定時間、所定温度で熱処理を施す（ステップＳ１０３）。この熱処理は、例えば数十秒間その特定の温度で保持される。加熱炉内で特定の時間加熱された後は、室温まで冷却される（ステップＳ１０４）。なお、サブマウントを加熱することができれば、加熱炉以外の装置を用いてもよい。
【００３８】
冷却が終わった状態では、上述した金属膜は、熱処理を施すことにより熱処理を施さない場合と比較して、大きなサイズのグレインが形成されており、効果的なクッション機能を有する。次に、前記金属膜１３の上に、ハンダを真空蒸着法で形成する（ステップＳ１０５）。
【００３９】
（形成工程２）
本発明の形成工程２は、ダイヤモンド製のサブマウントの表面に、真空蒸着法を用いてＴｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｔを順番に蒸着し、金属薄膜Ｔｉ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜、Ｐｔ膜からなる金属膜を形成する。その後、金属膜上にＳｉＮ等の誘電体膜をプラズマＣＶＤ法で形成し、ついでこのサブマウントに４２０℃、１分間窒素雰囲気下で熱処理を施すことにより金属膜に熱処理を施す。その後、ＳｉＮ等の誘電体膜を除去し、金属膜上にハンダ層を真空蒸着法で形成する。熱処理時に金属膜上にＳｉＮ等の誘電体膜を形成する目的は、熱処理後にハンダ層が剥がれる問題を抑制することにある。
【００４０】
図１１は、前記金属膜の形成工程２に対する熱処理（焼結）を示すフローチャートである。図１１において、まずダイヤモンド製のサブマウントを準備する（ステップＳ２０１）。そして、そのサブマウントの表面に、図１（ａ）で示したような金属膜１３を真空蒸着法で形成する（ステップＳ２０２）。ここで、この金属膜１３を構成する金属薄膜Ａｕ膜ｃ３の厚みは、他の金属薄膜の厚みの総計よりも大きくなるように形成することが好ましい。例えば、本形成工程により形成される金属膜１３は、金属薄膜Ａｕ膜ｃ３の厚みを２μｍとし、他の金属薄膜ｃ１、ｃ２、ｃ４の厚みの総計を０．５μｍ程度とする。
【００４１】
つぎに、前記金属膜１３上に、誘電体膜（ＳｉＮ等）を形成する（ステップＳ２０３）。その後、前記金属膜１３、誘電体膜が形成されたサブマウントに、所定時間、所定温度で熱処理を施す（ステップＳ２０４）。この熱処理は、例えば数十秒間その特定の温度で保持される。加熱炉内で特定の時間加熱された後は、室温まで冷却される（ステップＳ２０５）。なお、サブマウントを加熱することができれば、加熱炉以外の装置を用いてもよい。
【００４２】
冷却が終わった状態では、上述した金属膜は、熱処理を施すことにより大きなサイズのグレインが形成されており、効果的なクッション機能を有する。次に、前記金属膜１３の上に形成された誘電体膜（ＳｉＮ等）をフッ酸で除去する（ステップＳ２０５）。その後、前記金属膜１３の上にハンダ層を真空蒸着法で形成する（ステップＳ２０６）。
【００４３】
次に、金属膜１３、特に金属薄膜Ａｕ膜ｃ３のグレインサイズについて述べる。サブマウント上の金属膜１３のクッション機能に影響を及ぼすパラメータの一つは、Ａｕ膜ｃ３のグレインサイズであり、半導体レーザ素子９とサブマウント１２との間におけるクッション機能を増加させるには、Ａｕ膜ｃ３のグレインサイズは大きい方が望ましい。ここでは、半導体レーザ素子９のｐ側電極層１６の表面に形成されたＡｕを主成分とする金属薄膜１５について検討し、この結果を金属薄膜Ａｕ膜ｃ３に適用することにする。
【００４４】
図３は、どんな熱処理も施されていない場合（焼結なし）の金属薄膜１５の微視画像である。金属薄膜１５中のグレインサイズは、図中で表示されている２０μｍよりもかなり小さい。本発明者らは、前記熱処理の工程において、焼結する温度と金属薄膜１５のグレインサイズとの関係を求めるために以下の実験を行った。
【００４５】
図４〜８は、順に、焼結温度を１００℃、２００℃、３００℃、３６０℃、４２０℃とした場合の金属薄膜１５のグレインサイズを示す微視画像である。ここで、グレインサイズは、画像上においてある方向に１本の直線を引くことで測定することかできる。例えば図８において、水平方向に直線を引き、その直線を交差するグレインを数えた後、直線の長さをそのグレイン数で除算すればグレインサイズを得ることができる。
【００４６】
図４〜８で示されるように、焼結温度が増加するに従って、グレインサイズも増加する。特に、焼結温度が１００℃と２００℃の間では、図４と図５で示されるように、グレインサイズを決定する縁が増加していることがよくわかる。特に、図６で示されるように、焼結温度が３００℃である場合、金属薄膜の境界において早期な結晶化が観測され、より大きなグレインサイズを得ることができる。図７と図８では、さらに再結晶化が観測される。これらの結果から、発明者らは、金属薄膜１５のクッション機能を効果的にするためには、３００℃以上の焼結温度で熱処理することが好ましいことを見いだした。また、４００℃以上の焼結温度で熱処理することがより好ましいことを見いだした。
【００４７】
発明者らはこの知見を金属膜１３にも適用することを考えた。すなわち、金属膜１３に上述した熱処理を施すことで金属膜１３中の金属薄膜Ａｕ膜ｃ３のグレインサイズを大きくし、金属膜１３のクッション機能を効果的にすることを考えた。その結果、上述した金属膜１３の形成工程１、２を発明するにいたった。
【００４８】
図９は、Ａｕ材料についてのビッカース硬度と焼結温度との関係を示すグラフである。なお、図９を得るために、各サンプルは、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に準じた方法により１０重量グラムの負荷を１５秒間保持する条件の下で、２つのポイントで測定された。図９で見られるように、焼結温度の増加に従って硬度は減少する。この結果から、３００℃以上の焼結温度では、金材料の硬度はＨＶ（０．０１ｋｇｆ）６５未満となることがわかる。発明者は、この知見を金属薄膜１３にも適用することを考えた。すなわちＡｕを主成分とする金属薄膜１３のビッカーズ硬度をＨＶ（０．０１ｋｇｆ）６５未満とすることで、金属膜１３のクッション機能を効果的なものにすることを考えた。
【００４９】
つぎに、ｐ側電極層１６、金属薄膜１５、ハンダ層１４および金属膜１３を形成する各材料および厚みについて説明する。図２（ｂ）は、半導体レーザ素子９とサブマウント１２との間の接合部分の拡大図である。なお、図２（ｂ）において、図１（ａ）と共通する部分には同一の符号を付してここではその説明を省略する。
【００５０】
図２（ｂ）において、ｐ側電極層１６は、複数の金属薄膜が積層された多層膜構造であり、少なくとも金属薄膜１５と接触する金属薄膜はＡｕを主成分とする材料で形成される。図中に示すｐ側電極層１６は、本発明の一例であり、５層の金属薄膜ａ１〜ａ５によって構成されている。なお、これら金属薄膜は、隣接する金属薄膜の材料が異なれば、同じ材料により形成される金属薄膜を複数層用いても良い。例えば、本実施例では金属膜ａ１とａ５として、ともにＡｕ膜を用いている。
【００５１】
また、これら金属薄膜は、金属薄膜間でのエレクトロマイグレーションによる劣化を防止できる組成の組み合わせとすることが好ましく、かつその厚みの総計、すなわちｐ側電極層１６の厚みｈ４は熱抵抗や電気抵抗が最小限となるように形成することが好ましい。例えば、本実施例では、ｐ側電極層１６の厚みｈ４を０．５μｍ以下とする。
【００５２】
金属薄膜１５は、Ａｕを用いて電解めっき法によって形成される。このように、金属薄膜１５を、上述したｐ側電極層１６の最表面の金属薄膜と同じ材料であるＡｕで形成することによって、ｐ側電極層１６との接合状態を安定に保つことができる。また、Ａｕ（特に純金）は柔らかい上に、電気抵抗が低く、ハンダ層１４との接着においてクッション材としても機能させることかできる。すなわち、金属薄膜１５と一体になった半導体レーザ素子９を、ハンダ層１４を介してサブマウント１２上に接合する際に、サブマウント１２側への加圧によって受ける半導体レーザ素子９の負荷を分散させることができる。これにより、接合時における半導体レーザ素子９の破損を防止することができる。なお、金属薄膜１５の厚みｈ３は、上述したクッション機能を確保しつつ、熱抵抗や電気抵抗が大幅に増大しない程度の値とすることが好ましい。具体的には、金属薄膜１５の厚みｈ３は少なくとも１μｍ以上であることが好ましく、特に２〜９μｍの範囲内であることが好ましい。さらに、金属薄膜１５の厚みｈ３の最適な値は６μｍである。
【００５３】
ここで、電解めっき法によって金属薄膜１５を形成した後に、熱処理を施す。この熱処理工程によって、金属薄膜１５を構成するＡｕのグレインサイズが大きくなり、上述したクッション効果が高められる。
【００５４】
導電接着材となるハンダ層１４は、Ａｕ系、例えばＡｕＳｎで形成される。Ａｕ系の材料は上述したように柔らかく電気抵抗も低いため、金属薄膜１５と同様なクッション機能を持たせるために厚くすることができ、歪緩和に適する。また、ハンダ層１４は、その材料の組成によって共晶温度が変わるが、共晶温度が高くなる、すなわち冷却（常温）までの温度差が大きいと、半導体レーザ素子９とサブマウント１２との線熱膨張係数差による熱膨張差も大きくなり、半導体レーザ素子９に与える歪も大きくなってしまう。そこで、共晶温度が小さくなるように、ハンダ層１４の組成を決定することが好ましい。例えば、ハンダ層１４としてＡｕＳｎを用いた場合には、Ａｕ：Ｓｎ＝７４：２６〜８０：２０の割合とすることが好ましい。
【００５５】
ハンダ層１４は、電気抵抗や熱抵抗が最小となり、かつ十分な導電機能と接着機能を果たすだけの厚みとすることが好ましい。例えば、ハンダ層１４としてＡｕＳｎを用いた場合、半導体レーザ素子９を固着させる直前の塗布状態において３．５μｍ±２０％（２．８〜４．２μｍ）とし、接合後の厚みｈ２を１μｍ程度とすることが好ましい。
【００５６】
（実施例２）
図１４は、実施の形態１にかかる実施例２のサブマウント４４上の金属膜４５の構成を説明するための説明図であり、サブマウント４４側から金属膜４５を見た図である。金属膜４５は、複数の金属薄膜が積層された多層膜構造であり、Ａｕを主成分とする金属薄膜有する。図中に示す金属膜４５は、本発明の一例として、４層の金属薄膜４０〜４３によって構成されている。例えば金属薄膜４２としてＡｕ膜を用いている。なお、これら金属薄膜は、隣接する金属薄膜の材料が異なれば、同じ材料により形成される金属薄膜を複数層用いても良い。例えば、本実施例では金属膜４１と４３として、ともにＰｔ膜を用いている。
より具体的には、金属膜４５は、ダイヤモンド製のサブマウント４４の表面全部を覆うように、真空蒸着法を用いて、金属薄膜Ｔｉ膜４０、Ｐｔ膜４１、Ａｕ膜４２、Ｐｔ膜４３の順番に蒸着されることにより形成される。
【００５７】
また、これら金属薄膜は、金属薄膜間でのエレクトロマイグレーションによる劣化を防止できる組成の組み合わせとすることが好ましく、かつＡｕを主成分とする金属薄膜の厚みを、他の金属薄膜の厚みの総計よりも大きくすることが好ましい。例えば、本実施例では、金属薄膜４２の厚みを２μｍとし、他のＴｉ膜４０、Ｐｔ膜４１、Ｐｔ膜４３の厚みの総計を０．５μｍ程度とする。このように、金属膜４５を構成する主材料をＡｕとすることにより、上述した低電気抵抗やクッション機能の利点を享受することができる。
【００５８】
さらに、本実施例２のように金属膜で覆われたサブマウントを図１３に示す半導体レーザ装置に用いる場合、図１３に示すワイヤ１０６ｂは不要となり、工程は短縮される。
以上に説明したとおり、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置のサブマウント上の金属膜１３、４５によれば、前記金属膜１３、４５中のＡｕ膜ｃ３のグレインサイズは大きくなり、Ａｕ膜ｃ３のビッカーズ硬度は小さくなるので、Ａｕ膜ｃ３は半導体レーザ素子９に対して効果的なクッション機能を有し、半導体レーザ素子９の端部に与える熱応力の影響を低減させることができ、活性層３で生じた熱や半導体レーザ素子９をサブマウント１２上に接合する際に生じる熱を起因とした半導体レーザ素子９の劣化の助長や破損を防止することができる。
【００５９】
なお、以上に説明した実施の形態１では、ジャンクションダウンを例に示したが、前記電極の極性を変えて活性層３を上方の電極側に設けた、いわゆるジャンクションアップの構造を採用した場合でも、本発明を同様に適用することができる。
また、本実施の形態では高熱伝導性のサブマウントとしてダイヤモンドを用いたが、窒化アルミ等の高熱伝導性をもつ材料を用いてもよい。
【００６０】
（実施の形態２）
つぎに、実施の形態２にかかる半導体レーザモジュールについて説明する。実施の形態２にかかる半導体レーザモジュールは、実施の形態１で示した半導体レーザ装置をモジュール化したものである。図１２は、実施の形態２にかかる半導体レーザモジュール２０の構成を示す断面図である。図１２において、半導体レーザモジュール２０は、銅タングステン（ＣｕＷ）合金などによって形成されたパッケージ２９を筐体とする。そのパッケージ２９の内部底面上には、温度調節装置として機能するペルチェモジュール２８が配置される。ペルチェモジュール２８上にはベース２７が配置され、このベース２７上にはキャリア３４が配置される。
【００６１】
特に、図１２においては、半導体レーザ装置３１が、上述した実施の形態１で示した半導体レーザ装置に対応し、キャリア３４が図１に示したキャリア１１に相当する。よって、キャリア３４上には、半導体レーザ装置３１が配置されるが、さらに、サーミスタ３２および光モニタ３３が配置される。また、ベース２７上には、第１レンズ２２が配置される。半導体レーザ装置３１から出射されたレーザ光は、第１レンズ２２、アイソレータ２３および第２レンズ２４を介し、光ファイバ２５内に導波される。第２レンズ２４は、レーザ光の光軸上に位置するパッケージ２９内に設けられ、外部接続される光ファイバ２５に光結合される。なお、光モニタ３３は、半導体レーザ装置３１の出射面とは反対側から漏れた光をモニタ検出する。
【００６２】
ここで、この半導体レーザモジュール２０では、他の光学部品などによる反射戻り光が共振器内に再入力しないように、半導体レーザ装置３１と光ファイバ２５との間にアイソレータ２３を介在させている。
【００６３】
なお、上述した実施の形態２では、半導体レーザ装置３１から出射されたレーザ光をそのまま出力する形態の半導体レーザモジュール２０としたが、光ファイバ２５の第２レンズ２４側端部の近傍に光ファイバグレーティングを形成し、この光ファイバグレーティングによって半導体レーザ装置３１から出射されたレーザ光を波長選択して出力する光ファイバグレーティング付き半導体レーザモジュールにも適用できる。この場合、アイソレータ２３は設けなくても良い。
【００６４】
以上に説明したとおり、実施の形態２にかかる半導体レーザモジュールによれば、実施の形態１に示した半導体レーザ装置を搭載しているため、実施の形態１で示した効果を享受した半導体レーザモジュールを提供することができる。
【００６５】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明にかかる半導体レーザ装置によれば、高熱伝導性を有するとともに表面に金属膜層が形成されたサブマウントと、前記サブマウント上に設置される半導体レーザ素子とを有する半導体レーザ装置において、前記金属膜層は熱処理されているので、半導体レーザ素子とサブマウント間において、クッション作用、低熱抵抗を与えることができ、半導体レーザ素子の保護とサブマウントによる放熱効果を享受することができ、安定した長寿命の半導体レーザ装置を提供することができる。
【００６６】
また、本発明にかかる半導体レーザモジュールによれば、上述した半導体レーザ装置を搭載しているため、上述した半導体レーザ装置の効果を享受することができるという効果を奏する。
【００６７】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置の製造方法によれば、サブマウント表面に金属膜を形成した後に、その金属膜に対して熱処理を施すので、その金属膜を構成する材料のグレインサイズを大きくすることができ、上述したクッション作用を高めることが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の構成を説明するための説明図である。
【図２】図２（ａ）は、図１（ｂ）の斜視図である。図２（ｂ）は、図１（ａ）の拡大図である。
【図３】焼結なしの場合の金属膜の微視画像を示す図である。
【図４】焼結温度１００℃の場合の金属膜の微視画像を示す図である。
【図５】焼結温度２００℃の場合の金属膜の微視画像を示す図である。
【図６】焼結温度３００℃の場合の金属膜の微視画像を示す図である。
【図７】焼結温度３６０℃の場合の金属膜の微視画像を示す図である。
【図８】焼結温度４２０℃の場合の金属膜の微視画像を示す図である。
【図９】金材料についてのビッカース硬度と焼結温度との関係を示すグラフである。
【図１０】金属膜に対する熱処理（焼結）を示す形成工程１のフローチャートである。
【図１１】金属膜に対する熱処理（焼結）を示す形成工程２のフローチャートである。
【図１２】実施の形態２にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す断面図である。
【図１３】従来の半導体レーザ装置の概要構成を示す斜視図である。
【図１４】実施の形態１の金属膜のその他の実施例を示す図である。
【符号の説明】
３ 活性層
９、１０３ 半導体レーザ素子
１０、３１ 半導体レーザ装置
１１、３４、１０１ キャリア
１２、４４、１０２、１０４ サブマウント
１３、１５、１０２ａ、１０４ａ 金属膜
１４ ハンダ層
１６ ｐ側電極層
１８ ｎ側電極層
１９ 凸部
２０ 半導体レーザモジュール
２２ 第１レンズ
２３ アイソレータ
２４ 第２レンズ
２５ 光ファイバ
２７ ベース
２８ ペルチェモジュール
２９ パッケージ
３２、１０５ サーミスタ
３３ 光モニタ
４０ Ｔｉ膜
４１ Ｐｔ膜
４２ Ａｕ膜
４３ Ｐｔ膜
１０６ａ、１０６ｂ ワイヤ
Ｌ キャビティ長
Claims (12)
- 高熱伝導性を有し、少なくとも表面の一部に金属膜が形成されたサブマウントと、前記金属膜上に設置される半導体レーザ素子と、を有する半導体レーザ装置において、前記金属膜には熱処理が施されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
- 前記金属膜は、金（Ａｕ）を主成分とする金属薄膜を少なくとも１層含む複数の金属薄膜からなる多層膜で形成されることを特徴とする請求項１またはに記載の半導体レーザ装置。
- 前記金（Ａｕ）を主成分とする金属薄膜の厚みは金（Ａｕ）を主成分としない金属薄膜の厚みの総計よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。
- 高熱伝導性を有し、少なくとも表面の一部に金属膜が形成されたサブマウントと、前記金属膜上に設置される半導体レーザ素子と、を有する半導体レーザ装置において、前記金属膜はビッカース硬度がＨＶ（０．０１ｋｇｆ）６５未満であることを特徴とする半導体レーザ装置。
- 高熱伝導性を有し、少なくとも表面の一部に金属膜が形成されたサブマウントと、前記金属膜上に設置される半導体レーザ素子と、を有する半導体レーザ装置において、前記金属膜はビッカース硬度がＨＶ（０．０１ｋｇｆ）６５未満である金（Ａｕ）を主成分とする金属薄膜を少なくとも１層含む複数の金属薄膜からなる多層膜で形成されることを特徴とする半導体レーザ装置。
- 前記サブマウントは、ダイヤモンドによって形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
- 前記半導体レーザ素子のキャビティ長は８００μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
- 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置と、
該半導体レーザ装置を覆うパッケージと、
前記半導体レーザ装置から出射されたレーザ光をパッケージの外部に導波する光ファイバと、
前記半導体レーザ装置と前記光ファイバと光結合を行う光結合レンズ系と、
を備えたことを特徴とする半導体レーザモジュール。 - 半導体レーザ素子を形成する工程と、
サブマウントの表面に少なくとも前記半導体レーザ素子の底面と略同一の大きさの金属膜を形成する工程と、
前記金属膜に熱処理を施す工程と、
前記半導体レーザ素子を前記金属膜上に接合する工程と、
を有することを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。 - 半導体レーザ素子を形成する工程と、
サブマウントの表面に少なくとも前記半導体レーザ素子の底面と略同一の大きさの金属膜を形成する工程と、
前記金属膜上に誘電体膜を形成する工程と、
前記金属膜に熱処理を施す工程と、
前記熱処理後に前記誘電体膜を除去する工程と、
前記半導体レーザ素子を前記金属膜上に接合する工程と、を有することを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。 - 前記熱処理の温度は３００℃以上であることを特徴とする請求項９または１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
- 前記熱処理の温度は４００℃以上であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2003052344A JP2004265961A (ja) | 2003-02-28 | 2003-02-28 | 半導体レーザ装置、半導体レーザモジュールおよび半導体レーザ装置の製造方法 |
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|---|---|---|---|---|
| WO2024162074A1 (ja) * | 2023-01-30 | 2024-08-08 | ヌヴォトンテクノロジージャパン株式会社 | 半導体レーザデバイス、半導体レーザ素子用サブマウント、半導体レーザ素子用集合サブマウント、発光デバイスの製造方法、及び発光素子用サブマウントの製造方法 |
| WO2024162073A1 (ja) * | 2023-01-30 | 2024-08-08 | ヌヴォトンテクノロジージャパン株式会社 | 発光デバイス、発光モジュール、発光デバイスの製造方法、及び、発光モジュールの製造方法 |
-
2003
- 2003-02-28 JP JP2003052344A patent/JP2004265961A/ja active Pending
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