JP2019062033A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性に優れるとともに、ワイヤと放熱体との接触による電気的短絡を抑制できる半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】半導体レーザ装置１は、レーザ光を出射する発光層１１、第１電極１２及び第２電極１３を有する半導体レーザ素子１０と、半導体レーザ素子１０の一方側に配置された、導電性材料よりなる第１放熱体２０と、半導体レーザ素子１０の他方側に配置された、導電性材料よりなる第２放熱体３０とを備え、第１放熱体２０は、ワイヤ６０を介して第１電極１２と電気的に接続され、第２放熱体３０は、第１放熱体２０と対向する面に凹部３１を有し、且つ、第２電極１３と電気的に接続され、ワイヤ６０の屈曲部６１は、凹部３１に位置する。
【選択図】図１

Description

本開示は、半導体レーザ素子を有する半導体レーザ装置に関する。

近年、プロジェクタ又は産業用スポット照明等の光源として用いられる半導体レーザ装置については、半導体レーザ装置に搭載される半導体レーザ素子のレーザ光の高出力化が要望されている。このため、半導体レーザ素子に流れる電流が大きくなり、これに伴って、半導体レーザ素子の発熱量が増加する。

半導体レーザ素子は、高温になるとレーザ光の出力が低下して、信頼性が低下する。特に、半導体レーザ素子は、発光により自身から熱が発生し、この熱によって半導体レーザ素子の温度が上昇してレーザ光の出力が低下する。

そこで、従来、半導体レーザ素子の放熱性を高めるために、半導体レーザ素子の両側の各々にサブマウントを配置する技術が提案されている（例えば特許文献１）。

特許文献１に開示された半導体発光装置は、ＴＯ−Ｃａｎ型の半導体レーザ装置であり、リード、基台及び素子実装台を有するステムと、第１のサブマウントとともにステムの素子実装台に実装された半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子の第１のサブマウント側とは反対側に配置された第２のサブマウントとを備える。

この半導体発光装置において、半導体レーザ素子の正極は、第１のサブマウントと電気的に接続されている。具体的には、第１のサブマウントの表面には金属層が形成れており、この金属層とリードとがワイヤ（ボンディングワイヤ）によって接続されている。また、第２のサブマウントの表面にも金属層が形成れており、半導体レーザ素子の負極とステムの基台とは、第２のサブマウントによって電気的に接続されている。

国際公開第２０１３／１７５６９７号

特許文献１に開示された技術では、半導体レーザ素子の正極と電気的に接続された第１のサブマウントとリードとをワイヤによって接続することで通電させている。また、第２のサブマウントと半導体レーザ素子の負極とを電気的に接続するために、第２のサブマウントの表面には金属層が形成されている。

しかしながら、このような構成では、半導体レーザ素子の負極側の第２のサブマウントとワイヤとの接触による電気的短絡を回避するために、第２のサブマウントとワイヤとが接触しないようにしてワイヤをボンディングする必要がある。このため、特許文献１に開示された半導体発光装置は、ワイヤの配線方法の自由度が低く、また、信頼性及び歩留まりが低い。

本開示は、このような課題を解決するためになされたものであり、放熱性に優れるとともに、ワイヤと放熱体との接触による電気的短絡を抑制できる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様は、レーザ光を出射する発光層、第１電極及び第２電極を有する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子の一方側に配置された、導電性材料よりなる第１放熱体と、前記半導体レーザ素子の他方側に配置された、導電性材料よりなる第２放熱体とを備え、前記第１放熱体は、ワイヤを介して前記第１電極と電気的に接続され、前記第２放熱体は、前記第１放熱体と対向する面に凹部を有し、且つ、前記第２電極と電気的に接続され、前記ワイヤの屈曲部は、前記凹部に位置する。

このように、半導体レーザ素子の一方側には第１放熱体が配置され、半導体レーザ素子の他方側には第２放熱体が配置されているので、半導体レーザ素子で発生する熱を効率良く放熱することができる。

しかも、第１放熱体と半導体レーザ素子の第１電極とが電気的に接続され、かつ、第２放熱体と半導体レーザ素子の第２電極とが電気的に接続されているので、第１放熱体と第２放熱体とによって半導体レーザ素子に給電することができる。このとき、第１放熱体と半導体レーザ素子の第１電極とをワイヤによって接続したとしても、ワイヤの屈曲部が第２放熱体の凹部に位置しているので、ワイヤと第２放熱体との接触による電気的短絡を抑制することができる。

したがって、放熱性に優れるとともに、ワイヤと第２放熱体との接触による電気的短絡を抑制できる半導体レーザ装置を実現できる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記第１放熱体よりも熱伝導性が高い材料よりなるサブマウントをさらに備え、前記第１電極は、前記第２電極よりも前記発光層に近い位置にあり、前記半導体レーザ素子は、前記第１電極側において前記サブマウントに固定され、前記サブマウントは、前記半導体レーザ素子とは反対側の面において前記第１放熱体と接合され、前記ワイヤは、一端が前記サブマウントに接続され、他端が前記第１放熱体に接続されていてもよい。

この構成により、半導体レーザ素子で発生する熱を、サブマウントを介して第１放熱体に効率良く放熱させることができる。したがって、より放熱性に優れた半導体レーザ装置を実現できる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記サブマウントは、高熱伝導絶縁体と、該高熱伝導絶縁体の表面に形成された金属層とからなり、前記金属層には、前記第１電極が接合され、且つ、前記ワイヤの一端が接続されていてもよい。

このように、高熱伝導絶縁体によってサブマウントを構成することにより、熱伝導性に優れたサブマウントを容易に実現できる。また、高熱伝導絶縁体の表面には、半導体レーザ素子の第１電極が接合されるとともに、ワイヤの一端が接続される金属層が形成されている。これにより、この金属層を介して半導体レーザ素子の第１電極とワイヤとを電気的に接続することができる。つまり、半導体レーザ素子と第１放熱体とをサブマウント及びワイヤを介して電気的に接続することができる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記高熱伝導絶縁体は、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、単結晶の炭化ケイ素、多結晶の炭化ケイ素、及び窒化アルミニウムの何れかであるとよい。

これらの材料は熱伝導率が高いので、高熱伝導絶縁体をこれらの材料によって構成することによって、高い熱伝導性を有するサブマウントを容易に得ることができる。これにより、一層放熱性に優れた半導体レーザ装置を実現できる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記第１放熱体は、前記第２放熱体と対向する面に凹所を有し、前記凹所の底面に、前記サブマウントが接合され、前記ワイヤの他端は、前記凹所の底面に接続されていてもよい。

この構成により、サブマウントに固定された半導体レーザ素子を、第１放熱体と第２放熱体との間の省スペースに配置することができる。また、第１放熱体に凹所を設けることで、凹所のエッジを利用してサブマウントと第１放熱体との位置合わせを行うことができるので、半導体レーザ素子が実装されたサブマウントを第１放熱体の所定の位置に容易に配置することができる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記第１放熱体と前記第２放熱体とは、前記凹所の周囲において絶縁体を介して接合されているとよい。

この構成により、第１放熱体と第２放熱体との電気的短絡を抑制することができる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記第２放熱体は、前記第１放熱体と対向する面において前記第２電極と接触していてもよい。

この構成により、半導体レーザ素子で発生する熱を、第２放熱体を介して効率良く放熱させることができる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記凹部の表面には、絶縁膜が形成されていてもよい。

この構成により、振動等によって仮にワイヤが凹部内で第２放熱体と接触した場合であっても、ワイヤと第２放熱体との電気的短絡を回避することができる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記ワイヤは、複数本であってもよい。

複数本のワイヤを用いることにより半導体レーザ素子の発光層に流す電流量を増加させることができる。また、複数本のワイヤを用いると、ワイヤ同士が接触して信頼性が低下するおそれがあるが、複数本のワイヤを用いる場合であっても、第２放熱体の凹部の中に各ワイヤの屈曲部を位置させることで、各ワイヤが横に拡がることを抑制できる。これにより、ワイヤ同士の接触を抑制することができる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記凹部は一つであり、前記複数本のワイヤの各々の屈曲部は、前記一つの凹部に位置していてもよい。

この構成により、個々のワイヤ毎に対応させて凹部を形成することなく、第２放熱体の一つの凹部に複数本のワイヤの屈曲部を簡単に納めることができる。

放熱性に優れるとともに、ワイヤと第２放熱体との接触による電気的短絡を抑制することができる半導体レーザ装置を実現できる。

実施の形態に係る半導体レーザ装置の斜視図である。 実施の形態に係る半導体レーザ装置の分解斜視図である。 実施の形態に係る半導体レーザ装置の正面図である。 実施の形態に係る半導体レーザ装置の断面図である。 実施の形態に係る半導体レーザ装置における半導体レーザ素子及びサブマウントの実装形態を示す斜視図である。 実施の形態に係る半導体レーザ装置における半導体レーザ素子及びサブマウントの実装形態を示す拡大断面図である。 第２放熱体を外したときの実施の形態に係る半導体レーザ装置の部分斜視図である。 実施の形態に係る半導体レーザ装置の第２放熱体を下面側から見たときの斜視図である。 実施の形態に係る半導体レーザ装置を電源に接続したときの一例を示す図である。 第２放熱体を外したときの変形例１に係る半導体レーザ装置の部分斜視図である。 変形例１に係る半導体レーザ装置の第２放熱体を下面側から見たときの斜視図である。 第２放熱体を外したときの変形例２に係る半導体レーザ装置の部分斜視図である。 変形例２に係る半導体レーザ装置の第２放熱体を下面側から見たときの斜視図である。 第２放熱体を外したときの変形例３に係る半導体レーザ装置の部分斜視図である。 変形例３に係る半導体レーザ装置の第２放熱体を下面側から見たときの斜視図である。 変形例４に係る実施の形態に係る半導体レーザ装置の断面図である。 変形例５に係る実施の形態に係る半導体レーザ装置の断面図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、ステップ（工程）及びステップの順序などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺などは必ずしも一致していない。各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

（実施の形態）
まず、実施の形態に係る半導体レーザ装置１の構成について、図１〜図６を用いて説明する。図１は、実施の形態に係る半導体レーザ装置１の斜視図である。図２は、同半導体レーザ装置１の分解斜視図である。図３は、同半導体レーザ装置１の正面図である。図４は、同半導体レーザ装置１の断面図である。図５及び図６は、同半導体レーザ装置１における半導体レーザ素子１０及びサブマウント４０の実装形態を示す図であり、図５はその斜視図、図６はその拡大断面図を示している。なお、図４は、半導体レーザ素子１０の共振器長方向と平行な面で切断したときの断面であり、図６は、半導体レーザ素子１０の共振器長方向を法線とする面で切断したときの断面図である。

図１〜図４に示すように、半導体レーザ装置１は、レーザ光を出射する半導体レーザ素子１０と、半導体レーザ素子１０の一方側に配置された第１放熱体２０と、半導体レーザ素子１０の他方側に配置された第２放熱体３０とを備える。本実施の形態に係る半導体レーザ装置１は、さらに、第３放熱体であるサブマウント４０と、絶縁シート５０とを備える。

半導体レーザ素子１０は、図５及び図６に示すように、サブマウント４０の上に配置される。半導体レーザ素子１０は、ＬＤ（レーザダイオード）チップであり、図６に示すように、レーザ光を出射する発光層１１、第１電極１２及び第２電極１３を有する。第１電極１２及び第２電極１３は、発光層１１に電流を流すための電極である。

本実施の形態において、半導体レーザ素子１０の第１電極１２は、第１放熱体２０とワイヤ６０を介して電気的に接続される。具体的には、半導体レーザ素子１０の第１電極１２は、サブマウント４０及びワイヤ６０を介して、第１放熱体２０と電気的に接続される。ワイヤ６０は、金ワイヤ等のボンディングワイヤであり、図１〜図４に示すように、一端がサブマウント４０に接続され、他端が第１放熱体２０に接続されている。図４に示すように、ワイヤ６０は、ワイヤ６０の一部が折れ曲がった部分である屈曲部６１と、両端部のボンド部６２とを有する。

また、半導体レーザ素子１０の第２電極１３は、第２放熱体３０と電気的に接続される。第２電極１３と第２放熱体３０とは、直接接合されることにより電気的に接続されていてもよいし、導電性接合材料等を介して間接的に電気的に接続されていてもよい。

図６に示すように、半導体レーザ素子１０は、基板１０ａと、基板１０ａの一方の面側に順次積層された、ｎ型クラッド層１０ｂ、活性層１０ｃ、ｐ型クラッド層１０ｄ及びｐ型コンタクト層１０ｅと、ｐ型コンタクト層１０ｅに積層されたｐ側電極１０ｆと、基板１０ａの他方の面に形成されたｎ側電極１０ｇとを有する。半導体レーザ素子１０は、ｐ側電極１０ｆ及びｎ側電極１０ｇが基板１０ａの異なる面側に位置する両面電極構造である。

また、本実施の形態において、半導体レーザ素子１０は、リッジストライプ構造として、凸条に形成されたｐ型クラッド層１０ｄの一部分とｐ型コンタクト層１０ｅとによって構成されたリッジ部を有する。

ｐ型クラッド層１０ｄのリッジ部以外の部分は、絶縁膜１０ｈで覆われている。つまり、絶縁膜１０ｈは、リッジ部の部分が開口している。

ｐ側電極１０ｆには、パッド電極１０ｉが積層されている。具体的には、パッド電極１０ｉは、ｐ側電極１０ｆ及び絶縁膜１０ｈを覆うように形成されている。なお、本実施の形態では、ｐ側電極１０ｆ及びパッド電極１０ｉによって第１電極１２が構成されているが、これに限らない。第１電極１２は、ｐ側電極１０ｆびパッド電極１０ｉのいずれか一方であってもよいし、第１電極１２には、その他の電極又は導電部材が含まれていてもよい。

また、本実施の形態において、第２電極１３は、ｎ側電極１０ｇのみによって構成されているが、これに限らない。例えば、第２電極１３には、その他の電極又は導電部材が含まれていてもよい。

半導体レーザ素子１０において、活性層１０ｃ（発光層１１）からｐ側電極１０ｆまでの距離は、活性層１０ｃ（発光層１１）からｎ側電極１０ｇまでの距離よりも小さい。つまり、第１電極１２は、第２電極１３よりも発光層１１に近い位置にある。

半導体レーザ素子１０は、例えば、窒化物半導体材料によって構成された窒化物半導体レーザである。一例として、基板１０ａは、厚さ８０μｍのＧａＮ単結晶からなるｎ型六方晶ＧａＮ基板等の半導体基板である。なお、基板１０ａは、ＧａＡｓ基板等であってもよい。ｎ型クラッド層１０ｂは、厚さ３μｍのｎ型ＡｌＧａＮ層である。活性層１０ｃは、厚さ５ｎｍのＩｎＧａＮ層と厚さ１０ｎｍのＡｌＧａＮ層とからなる井戸層である。ｐ型クラッド層１０ｄは、厚さ１．５ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層と厚さ１．５ｎｍのＧａＮ層とを１６０周期繰り返して形成した総厚０．４８μｍの超格子層である。ｐ型コンタクト層１０ｅは、厚さ５ｎｍのｐ型ＧａＮ層である。ｐ側電極１０ｆは、厚さ７５ｎｍのＰｄ／Ｐｔの２層構造からなるオーミック電極である。ｎ側電極１０ｇは、Ｔｉ（０．１μｍ）／Ｐｔ（０．２μｍ）／Ａｕ（０．２μｍ）の３層構造からなるオーミック電極である。絶縁膜１０ｈは、厚さ３００ｎｍのＳｉＯ_２からなる誘電体膜である。パッド電極１０ｉは、Ｔｉ（０．１μｍ）／Ｐｔ（０．２μｍ）／Ａｕ（０．２μｍ）の３層構造からなる電極部材である。

このように構成される半導体レーザ素子１０は、ＡｕＳｎからなる半田１４によってサブマウント４０に実装される。本実施の形態において、半導体レーザ素子１０は、ジャンクションダウンでサブマウント４０に実装されている。つまり、半導体レーザ素子１０は、第１電極１２側（ｐ側電極１０ｆ側）においてサブマウント４０に固定されている。具体的には、半導体レーザ素子１０の第１電極１２（本実施の形態ではパッド電極１０ｉ）が半田１４を介してサブマウント４０の金属層４２に接合されている。これにより、半導体レーザ素子１０は、サブマウント４０に固定されるだけではなく、サブマウント４０と電気的に接続される。

なお、本実施の形態では、半導体レーザ素子１０は、レーザ光の出射側端面である前端面がサブマウント４０の前端面と面一となるようにサブマウント４０に配置されているが、半導体レーザ素子１０の前端面は、サブマウント４０の前端面よりも突出しているとよい。このようにすることで、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光がサブマウント４０で反射することを抑制できる。

サブマウント４０は、高熱伝導絶縁体４１と、高熱伝導絶縁体４１の表面に形成された金属層４２とからなる。サブマウント４０は、第１放熱体２０よりも熱伝導性が高い材料によって構成されている。具体的には、高熱伝導絶縁体４１の熱伝導率は、第１放熱体２０の熱伝導率よりも高い。

本実施の形態において、高熱伝導絶縁体４１は、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、単結晶の炭化ケイ素（ＳｉＣ）、多結晶の炭化ケイ素（ＳｉＣ）、及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の何れかによって構成されているが、これに限定されるものではない。

金属層４２は、金属材料等の導電性材料によって構成されている。本実施の形態において、金属層４２は、金からなるＡｕ薄膜層である。上記のように、金属層４２には、半導体レーザ素子１０の第１電極１２が接合されている。また、金属層４２には、ワイヤ６０の一端が接続されている。

互いに接合された半導体レーザ素子１０及びサブマウント４０は、図３及び図４に示すように、第１放熱体２０に配置される。この場合、半導体レーザ素子１０が接合されたサブマウント４０は、半導体レーザ素子１０とは反対側の面において第１放熱体２０と接合される。また、サブマウント４０に実装された半導体レーザ素子１０のサブマウント４０とは反対側の面（第２電極１３側の面）は、第２放熱体３０と接触している。このように、半導体レーザ素子１０及びサブマウント４０は、第１放熱体２０及び第２放熱体３０に挟持されている。

第１放熱体２０及び第２放熱体３０は、半導体レーザ素子１０で発生する熱を放熱するためのヒートシンクであるとともに、半導体レーザ素子１０に供給する電流が流れる電流経路をなす導電体である。したがって、第１放熱体２０及び第２放熱体３０は、金属材料等の熱伝導性に優れた導電性材料によって構成されているとよい。本実施の形態において、第１放熱体２０及び第２放熱体３０は、銅によって構成されている。具体的には、第１放熱体２０及び第２放熱体３０は、銅ブロックである。また、第１放熱体２０及び第２放熱体３０を構成する銅表面には、金メッキが施されている。

図４に示すように、第１放熱体２０の前端面と第２放熱体３０の前端面とは面一である。また、本実施の形態では、第１放熱体２０の側端面と第２放熱体３０の側端面とについても、面一となっている。また、半導体レーザ素子１０の前端面及びサブマウント４０の前端面は、第１放熱体２０の前端面及び第２放熱体３０の前端面と面一となっている。

図１〜図４に示すように、第１放熱体２０は、半導体レーザ素子１０の下方に配置されている。具体的には、第１放熱体２０は、半導体レーザ素子１０のｐ側電極１０ｆ側（第１電極１２側）に配置されている。

第１放熱体２０は、第２放熱体３０と対向する面に凹所２１を有する。本実施の形態において、凹所２１は、第１放熱体２０の表面を薄肉で窪ませた形状の窪み部であり、第１放熱体２０の上面の一端側の中央部に形成されている。一例として、凹所２１は、平面視形状が矩形で、深さが一定の窪み部である。凹所２１の底面は、平面である。

凹所２１の底面に、半導体レーザ素子１０が固定されたサブマウント４０が接合されている。つまり、サブマウント４０の半導体レーザ素子１０が接合された面とは反対側の面が凹所２１の底面に当接している。

図７に示すように、凹所２１の底面には、ワイヤ６０が接続されている。具体的には、ワイヤ６０は、一端（一方のボンド部６２）がサブマウント４０の金属層４２に接続され、他端（他方のボンド部６２）が凹所２１の底面に接続されている。なお、図７は、第２放熱体３０を外したときの半導体レーザ装置１の部分斜視図である。

なお、図２及び図４に示すように、第１放熱体２０の後端部の中央には、後方に突出する突出部２２が設けられている。突出部２２には、給電用の接続穴２３が設けられている。接続穴２３には、第１放熱体２０に給電を行うための電極端子が接続される。

図１〜図４に示すように、第１放熱体２０と対向する位置に、第２放熱体３０が配置されている。第２放熱体３０は、半導体レーザ素子１０の上方に配置されている。具体的には、第２放熱体３０は、半導体レーザ素子１０のｎ側電極１０ｇ側（第２電極１３側）に配置されている。

第２放熱体３０は、半導体レーザ素子１０の第２電極１３と電気的に接続されている。本実施の形態において、第２放熱体３０は、第１放熱体２０と対向する面において、半導体レーザ素子１０の第２電極１３と接触している。

第２放熱体３０は、第１放熱体２０と対向する面に凹部３１を有する。凹部３１は、第２放熱体３０の表面を薄肉で窪ませた形状の窪み部であり、第２放熱体３０の下面の一端側の中央部に形成されている。図８に示すように、本実施の形態において、凹部３１は、平面視形状がコ字形状で、深さが一定の窪み部である。凹部３１の底面は、平面である。なお、図８は、第２放熱体３０を下面側から見たときの斜視図である。

また、図８に示すように、凹部３１を形成することにより、第２放熱体３０には、凸部３２が設けられる。つまり、凸部３２は、凹部３１に囲まれている。本実施の形態では、凹部３１の平面視形状がコ字形状であるので、凸部３２の平面視形状が矩形状であり、凸部３２の４辺のうちの３辺（２つの側面と後方面）が凹部３１に囲まれている。また、凸部３２の前端面は第２放熱体３０の前端面と面一であり、凸部３２の上面は、第２放熱体３０の下面と面一である。

図３及び図４に示すように、凸部３２は、半導体レーザ素子１０の第２電極１３と接合される。これにより、第２放熱体３０と半導体レーザ素子１０の第２電極１３とが電気的に接続される。つまり、半導体レーザ素子１０への給電は、第２放熱体３０の凸部３２によって行われる。

第２放熱体３０の凹部３１には、ワイヤ６０の屈曲部６１が収納される。つまり、ワイヤ６０の屈曲部６１は、凹部３１に位置している。本実施の形態において、ワイヤ６０は、複数本である。具体的には、半導体レーザ素子１０の両側方の各々に３本ずつ配置された合計６本のワイヤ６０と、半導体レーザ素子１０の後方（出射側端面とは反対側）に配置された１本のワイヤ６０との合計７本のワイヤ６０が用いられている。

半導体レーザ素子１０の側方に配置された６本のワイヤ６０は、上方で屈曲した屈曲部６１とその周辺部分とが第２放熱体３０の凹部３１の中に納まっており、６本のワイヤ６０は、凹部３１と接触していない。また、６本のうち片側３本ずつのワイヤ６０は、前後方向にずれることなく殆ど向きを変えておらず、半導体レーザ素子１０の側方において外方に向かって互いに並行に架張されている。また、片側３本ずつのワイヤ６０は、隣り合う前後の距離も十分に保たれており、接触しない。

半導体レーザ素子１０の後方に配置された１本のワイヤ６０についても、上方で屈曲した屈曲部６１とその周辺部分とが第２放熱体３０の凹部３１の中に納まっており、凹部３１と接触していない。

このように、全てのワイヤ６０は、凹部３１と接触しておらず、第２放熱体３０と非接触である。つまり、凹部３１は、ワイヤ６０と接触しない形状及び深さで形成されている。これにより、ワイヤ６０と第２放熱体３０とが電気的に短絡することを抑制できる。なお、凹部３１の表面には、酸化アルミニウム膜又はＳｉＯ_２膜等の絶縁膜が形成されているとよい。この場合、例えば、凹部３１の表面に絶縁材料を塗布すること等により、絶縁膜を形成することができる。

また、本実施の形態において、凹部３１は、一つである。したがって、７本のワイヤ６０の各々の屈曲部６１は、一つの凹部３１に位置している。つまり、全てのワイヤ６０の屈曲部６１が一つの凹部３１にまとめて収納されている。

なお、図２及び図４に示すように、第２放熱体３０には、給電用の接続穴３３が設けられている。接続穴３３には、第２放熱体３０に給電を行うための電極端子が接続される。本実施の形態において、接続穴３３は、第２放熱体３０の上面に設けられている。

このように構成された第２放熱体３０は、サブマウント４０と第１放熱体２０とをワイヤ６０によってワイヤボンディングした後に、第１放熱体２０を覆うようにして第１放熱体に重ね合わせる。

このとき、第１放熱体２０と第２放熱体３０とは、少なくとも第１放熱体２０の凹所２１の周囲において絶縁シート５０を介して接合される。具体的には、絶縁シート５０は、絶縁シート５０が無かった場合に重ね合わせた第１放熱体２０と第２放熱体３０とが接触する部分に存在する。図２に示すように、本実施の形態において、絶縁シート５０は、凹所２１に対応する部分が切り欠かれた矩形状のシート状の絶縁体である。なお、絶縁シート５０を介して重ね合わされた第１放熱体２０と第２放熱体３０とは、例えばボルト（不図示）によって締め付けられて固定される。したがって、絶縁シート５０は、第１放熱体２０と第２放熱体３０とによって圧接される。

以上のように構成される半導体レーザ装置１は、例えば、図９に示すように、電源１００に接続されることでレーザ光を出射する。図９は、実施の形態に係る半導体レーザ装置１を電源１００に接続したときの一例を示す図である。

この場合、半導体レーザ装置１の第１放熱体２０の接続穴２３には、電源線等によって電源１００の一方の電極（例えば正極）と電気的に接続された電極端子１１０がねじ込まれる。また、半導体レーザ装置１の第２放熱体３０の接続穴３３には、電源線等によって電源１００の他方の電極（例えば負極）と電気的に接続された電極端子１２０がねじ込まれるが。これにより、図９の矢印で示すようにして、半導体レーザ装置１に電流が流れる。

具体的には、電源１００によって半導体レーザ装置１に給電が行われると、半導体レーザ装置１に流れる電流は、第１放熱体２０→ワイヤ６０→サブマウント４０（金属層４２）→半導体レーザ素子１０→第２放熱体３０の順に流れる。これにより、半導体レーザ素子１０からレーザ光が出射する。

なお、図９に示すように、半導体レーザ装置１の下に、水冷機構２００を配置するとよい。これにより、水冷機構２００によって、半導体レーザ素子１０で発生した熱を一層効率良く放熱させることができる。また、水冷機構２００を配置する場合は、第１放熱体２０と水冷機構２００との絶縁性を確保するために、水冷機構２００と第１放熱体２０との間には、絶縁シート３００を配置するとよい。

以上、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１によれば、レーザ光を出射する発光層１１、第１電極１２及び第２電極１３を有する半導体レーザ素子１０と、半導体レーザ素子１０の一方側に配置された、導電性材料よりなる第１放熱体２０と、半導体レーザ素子１０の他方側に配置された、導電性材料よりなる第２放熱体３０とを備え、第１放熱体２０は、ワイヤ６０を介して第１電極１２と電気的に接続され、第２放熱体３０は、第２電極１３と電気的に接続される。そして、第２放熱体３０は、第１放熱体２０と対向する面に凹部３１を有し、ワイヤ６０の屈曲部６１は、この凹部３１に位置している。

このように、半導体レーザ素子１０の一方側には第１放熱体２０が配置され、半導体レーザ素子１０の他方側には第２放熱体３０が配置されている。本実施の形態では、半導体レーザ素子１０の上下を挟むように第１放熱体２０及び第２放熱体３０が配置されている。これにより、半導体レーザ素子１０で発生する熱を効率良く放熱することができる。

しかも、第１放熱体２０及び第２放熱体３０が導電性材料によって構成されている。そして、第１放熱体２０と半導体レーザ素子１０の第１電極１２とが電気的に接続され、第２放熱体３０と半導体レーザ素子１０の第２電極１３とが電気的に接続されている。これにより、第１放熱体２０と第２放熱体３０とによって半導体レーザ素子１０に給電することができる。このとき、第１放熱体２０と半導体レーザ素子１０の第１電極１２とをワイヤ６０によって接続したとしても、ワイヤ６０の屈曲部６１が第２放熱体３０の凹部３１に位置しているので、ワイヤ６０と第２放熱体３０との接触による電気的短絡を抑制することができる。

したがって、放熱性に優れるとともに、ワイヤ６０と第２放熱体３０との接触による電気的短絡を抑制できる半導体レーザ装置１を実現できる。

また、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１は、第１放熱体２０よりも熱伝導性が高い材料よりなるサブマウント４０をさらに備えている。そして、半導体レーザ素子１０では、第１電極１２が第２電極１３よりも発光層１１に近い位置にあり、半導体レーザ素子１０は、第１電極１２側においてサブマウント４０に固定されている。サブマウント４０は、半導体レーザ素子１０とは反対側の面において第１放熱体２０と接合され、ワイヤ６０は、一端がサブマウント４０に接続され、他端が第１放熱体２０に接続されている。

この構成により、半導体レーザ素子１０は、熱源となる発光層１１がサブマウント４０に近い位置となるようにサブマウント４０に固定される。これにより、半導体レーザ素子１０で発生する熱を、サブマウント４０を介して第１放熱体２０に効率良く放熱させることができる。したがって、より放熱性に優れた半導体レーザ装置１を実現できる。

また、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１では、サブマウント４０は、高熱伝導絶縁体４１と、高熱伝導絶縁体４１の表面に形成された金属層４２とを有する。そして、金属層４２には、第１電極１２が接合され、且つ、ワイヤ６０の一端が接続されている。

このように、高熱伝導絶縁体４１によってサブマウント４０を構成することにより、熱伝導性に優れたサブマウント４０を容易に実現できる。

この場合、高熱伝導絶縁体４１の材料として、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、単結晶の炭化ケイ素、多結晶の炭化ケイ素、及び窒化アルミニウムの何れかを用いることができる。これにより、高い熱伝導性を有するサブマウント４０を容易に得ることができるので、一層放熱性に優れた半導体レーザ装置１を実現できる。

また、単結晶ダイヤモンド等のこれらの材料をはじめとして、熱伝導性に優れた高熱伝導絶縁体４１を主体とするサブマウントは、金属材料を主成分とするサブマウントに比べて熱伝導率が高いものの、絶縁材料によって構成されていることが多い。このため、このままでは、サブマウントを通じて、半導体レーザ素子１０に給電を行うことができない。

そこで、本実施の形態では、高熱伝導絶縁体４１の表面に金属層４２が形成されている。そして、金属層４２には、半導体レーザ素子１０の第１電極１２が接合されるとともに、ワイヤ６０の一端が接続される。これにより、熱伝導性に優れた絶縁性の高熱伝導絶縁体４１を用いたとしても、この金属層４２を介して半導体レーザ素子１０の第１電極１２とワイヤ６０とを電気的に接続することができる。つまり、半導体レーザ素子１０と第１放熱体２０とをサブマウント４０及びワイヤ６０を介して電気的に接続することができる。したがって、熱伝導性に優れた高熱伝導絶縁体４１が絶縁体であったとしても、第１放熱体２０と第２放熱体３０とによって半導体レーザ素子１０に給電することができる。したがって、より一層放熱性に優れた半導体レーザ装置１を実現できる。

また、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１において、第１放熱体２０は、第２放熱体３０と対向する面に凹所２１を有している。そして、凹所２１の底面には、サブマウント４０が接合される。さらに、ワイヤ６０の他端は、凹所２１の底面に接続されている。

この構成により、サブマウント４０に固定された半導体レーザ素子１０を、第１放熱体２０と第２放熱体３０との間の省スペースに配置することができる。また、第１放熱体２０に凹所２１を設けることで、凹所２１のエッジを利用してサブマウント４０と第１放熱体２０との位置合わせを行うことができるので、半導体レーザ素子１０が実装されたサブマウント４０を第１放熱体２０の所定の位置に容易に配置することができる。

また、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１において、第１放熱体２０と第２放熱体３０とは、凹所２１の周囲において絶縁シート５０を介して接合されている。

この構成により、半導体レーザ素子１０の放熱性を高めるために第１放熱体２０の上面と第２放熱体３０の下面とを近接させたとしても、第１放熱体２０と第２放熱体３０との電気的短絡を抑制することができる。

また、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１において、第２放熱体３０は、第１放熱体２０と対向する面において半導体レーザ素子１０の第２電極１３と接触している。

この構成により、半導体レーザ素子１０で発生する熱を、第２放熱体３０を介して効率良く放熱させることができる。

また、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１において、凹部３１の表面には、絶縁膜が形成されているとよい。

この構成により、振動等によって仮にワイヤ６０が凹部３１内で第２放熱体３０と接触した場合であっても、ワイヤ６０と第２放熱体３０との電気的短絡を回避することができる。

また、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１において、ワイヤ６０は、複数本である。

複数本のワイヤ６０を用いることにより半導体レーザ素子１０の発光層１１に流す電流量を増加させることができる。これにより、高出力の半導体レーザ素子１０を用いることができるので、高出力の半導体レーザ装置１を実現できる。

また、複数本のワイヤ６０を用いると、ワイヤ６０同士が接触して信頼性が低下するおそれがあるが、本実施の形態のように、複数本のワイヤ６０を用いる場合であっても、第２放熱体３０の凹部３１の中に各ワイヤ６０の屈曲部６１を位置させることで、各ワイヤ６０が横（半導体レーザ素子１０の前後）に拡がることを抑制できる。これにより、ワイヤ６０同士の接触を抑制することができる。

また、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１において、凹部３１は一つであり、また、複数本のワイヤ６０の各々の屈曲部６１は、一つの凹部３１に位置している。

この構成により、個々のワイヤ６０毎に対応させて凹部３１を形成することなく、第２放熱体３０の一つの凹部３１に複数本のワイヤ６０の屈曲部６１を簡単に納めることができる。

（変形例）
以上、本開示に係る半導体レーザ装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施の形態において、ワイヤ６０は、半導体レーザ素子１０の両側方及び後方に配置したが、図１０に示す変形例１に係る半導体レーザ装置１Ａのように、ワイヤ６０は、半導体レーザ素子１０の後方には配置されておらず、半導体レーザ素子１０の両側方のみに配置されていてもよい。例えば、ワイヤ６０は、半導体レーザ素子１０の片側３本ずつの合計６本配置することができる。また、変形例１における半導体レーザ装置１Ａでは、上記実施の形態における第２放熱体３０を用いてもよいが、図１１に示すように、ワイヤ６０の配置に対応する２つの凹部３１Ａが形成された第２放熱体３０Ａが用いてもよい。図１１に示されるように、凸部３２Ａの後方が削られていない第２放熱体３０Ａを用いることによって、上記実施の形態における半導体レーザ装置１よりも放熱性に優れた半導体レーザ装置１Ａを実現できる。

あるいは、図１２に示す変形例２に係る半導体レーザ装置１Ｂのように、ワイヤ６０は、半導体レーザ素子１０の片側一方のみに配置されていてもよい。例えば、ワイヤ６０は、半導体レーザ素子１０の片側一方のみに３本配置することができる。また、変形例２における半導体レーザ装置１Ｂでは、上記実施の形態における第２放熱体３０又は変形例１における第２放熱体３０Ａを用いてもよいが、図１３に示すように、ワイヤ６０の配置に対応する１つの矩形状の凹部３１Ｂが形成された第２放熱体３０Ｂを用いてもよい。図１３に示す第２放熱体３０Ｂを用いることで、上記の半導体レーザ装置１、１Ａよりも放熱性に優れた半導体レーザ装置１Ｂを実現できる。

あるいは、図１４に示す変形例３に係る半導体レーザ装置１Ｃのように、ワイヤ６０は、半導体レーザ素子１０の後方のみに配置されていてもよい。例えば、ワイヤ６０は、半導体レーザ素子１０の後方のみに１本配置することができる。また、変形例３における半導体レーザ装置１Ｃでは、上記実施の形態における第２放熱体３０を用いてもよいが、図１５に示すように、ワイヤ６０の配置に対応する１つの矩形状の凹部３１Ｃが形成された第２放熱体３０Ｃを用いてもよい。図１５に示す第２放熱体３０Ｃを用いることで、上記の半導体レーザ装置１、１Ａ、１Ｂよりも放熱性に優れた半導体レーザ装置１Ｃを実現できる。

また、上記実施の形態において、第２放熱体３０の凹部３１は、深さが一定で断面形状を矩形状に形成したが、これに限らない。例えば、図１６に示す変形例４に係る半導体レーザ装置１Ｄのように、断面形状が二等辺三角形の凹部３１Ｄが形成された第２放熱体３０Ｄであってもよいし、図１７に示す変形例５に係る半導体レーザ装置１Ｅのように、断面形状が直角三角形の凹部３１Ｅが形成された第２放熱体３０Ｅであってもよいし。この場合、ワイヤ６０と第２放熱体３０との接触を回避するために、凹部３１Ｄ及び３１Ｅの最深部周辺がワイヤ６０の屈曲部６１に対応するように凹部３１Ｄ及び３１Ｅを形成するとよい。なお、第２放熱体の凹部の断面形状は、これらに限らず、球形、又は、三角形以外のテーパを有する形状であってもよい。

また、上記実施の形態において、半導体レーザ素子１０の導波路は、リッジストライプ構造としたが、これに限らず、電極ストライプ構造であってもよい。

また、上記実施の形態において、半導体レーザ素子１０は、発光点が１つであるシングルエミッタ構造としたが、発光点が複数のマルチエミッタ構造であってもよい。

また、上記実施の形態において、ｐ側電極１０ｆをサブマウント４０側（下向き）となるように半導体レーザ素子１０を実装したが、これに限らず、ｎ側電極１０ｇがサブマウント４０側（上向き）となるように半導体レーザ素子１０を実装してもよい。この場合、半導体レーザ装置を流れる電流は、図９に示される流れの向きとは逆向きになる。

その他、上記実施の形態に対して当業者が思い付く各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。

本開示に係る半導体レーザ装置は、放熱性に優れるので、プロジェクタ等に用いられる画像表示用光源又は産業用スポット照明等に用いられる照明用光源等として利用することができ、特に、比較的に高い光出力を必要とする機器の光源として有用である。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ 半導体レーザ装置
１０ 半導体レーザ素子
１０ａ 基板
１０ｂ ｎ型クラッド層
１０ｃ 活性層
１０ｄ ｐ型クラッド層
１０ｅ ｐ型コンタクト層
１０ｆ ｐ側電極
１０ｈ 絶縁膜
１０ｉ パッド電極
１１ 発光層
１２ 第１電極
１３ 第２電極
１４ 半田
２０ 第１放熱体
２１ 凹所
２２ 突出部
２３ 接続穴
３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ 第２放熱体
３１、３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅ 凹部
３２、３２Ａ 凸部
３３ 接続穴
４０ サブマウント
４１ 高熱伝導絶縁体
４２ 金属層
５０ 絶縁シート
６０ ワイヤ
６１ 屈曲部
６２ ボンド部
１００ 電源
１１０ 電極端子
１２０ 電極端子
２００ 水冷機構
３００ 絶縁シート

Claims (10)

1. レーザ光を出射する発光層、第１電極及び第２電極を有する半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子の一方側に配置された、導電性材料よりなる第１放熱体と、
   前記半導体レーザ素子の他方側に配置された、導電性材料よりなる第２放熱体とを備え、
   前記第１放熱体は、ワイヤを介して前記第１電極と電気的に接続され、
   前記第２放熱体は、前記第１放熱体と対向する面に凹部を有し、且つ、前記第２電極と電気的に接続され、
   前記ワイヤの屈曲部は、前記凹部に位置する
   半導体レーザ装置。
2. 前記第１放熱体よりも熱伝導性が高い材料よりなるサブマウントをさらに備え、
   前記第１電極は、前記第２電極よりも前記発光層に近い位置にあり、
   前記半導体レーザ素子は、前記第１電極側において前記サブマウントに固定され、
   前記サブマウントは、前記半導体レーザ素子とは反対側の面において前記第１放熱体と接合され、
   前記ワイヤは、一端が前記サブマウントに接続され、他端が前記第１放熱体に接続されている
   請求項１記載の半導体レーザ装置。
3. 前記サブマウントは、高熱伝導絶縁体と、該高熱伝導絶縁体の表面に形成された金属層とからなり、
   前記金属層には、前記第１電極が接合され、且つ、前記ワイヤの一端が接続されている
   請求項２記載の半導体レーザ装置。
4. 前記高熱伝導絶縁体は、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、単結晶の炭化ケイ素、多結晶の炭化ケイ素、及び窒化アルミニウムの何れかである
   請求項３記載の半導体レーザ装置。
5. 前記第１放熱体は、前記第２放熱体と対向する面に凹所を有し、
   前記凹所の底面に、前記サブマウントが接合され、
   前記ワイヤの他端は、前記凹所の底面に接続されている
   請求項２〜４の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
6. 前記第１放熱体と前記第２放熱体とは、前記凹所の周囲において絶縁体を介して接合されている
   請求項５記載の半導体レーザ装置。
7. 前記第２放熱体は、前記第１放熱体と対向する面において前記第２電極と接触している
   請求項１〜６の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
8. 前記凹部の表面には、絶縁膜が形成されている
   請求項１〜７の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
9. 前記ワイヤは、複数本である
   請求項１〜８の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
10. 前記凹部は一つであり、
    前記複数本のワイヤの各々の屈曲部は、前記一つの凹部に位置する
    請求項９記載の半導体レーザ装置。

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