JP2019175997A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力の半導体レーザチップを搭載しながらも、高い排熱性を確保することのできる、小型の半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】第一開口部を有する第一面と、第二開口部を有する第二面とを含む外側面によって覆われてなる中空形状の金属製の筐体と、筐体の内側に収容された半導体レーザチップと、第一開口部を閉塞するように第一面の上面に載置された、絶縁性材料からなる蓋体と、透光部材を含み、少なくとも透光部材の一部分が第二開口部に対向するように第二面の上面に載置された窓部と、蓋体の筐体側の面の一部分と、蓋体の筐体とは反対側の面の一部分との間を、蓋体を貫通して連絡するように形成された、電性材料からなる電極部と、蓋体の筐体側の面上に露出した電極部と半導体レーザチップとを電気的に接続するための給電端子とを備える。【選択図】 図７

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関する。

近年、小型の半導体レーザ装置の開発が進められている（例えば、特許文献１参照）。以下、図９〜図１１を参照して、この従来の半導体レーザ装置の構造について説明する。

図９は、従来の半導体レーザ装置１００の模式的な斜視図である。図９に示すように、この半導体レーザ装置１００は、絶縁性セラミックスからなる筐体１１０と、筐体１１０の上面に固定的に載置された蓋体１２０と、光取り出し用の窓部を構成する透光板１３０とを含む。

図１０は、図９から蓋体１２０及び透光板１３０を取り外した構造を模式的に示す斜視図である。また、図１１は、図９におけるＡ１−Ａ１線で半導体レーザ装置１００を切断したときの模式的な断面図である。

蓋体１２０は、筐体１１０の面１１１に接触するように設置される。また、透光板１３０は、筐体１１０の面１１２と、蓋体１２０の面１２１とに接触するように設置される。透光板１３０は、筐体１１０の面１１２及び蓋体１２０の面１２１に対して、それぞれ接着層（１５１，１５２）を介して固定的に接着されている。

半導体レーザチップ１４０は、筐体１１０の面１１４上に設置されると共に、ワイヤ１４１を介して、筐体１１０の裏面に設けられた電極（１６０，１６０）から電力が供給される。

特開２０１７−１１２１３８号公報

近年、半導体レーザ装置の高出力化の要請が高まっている。本発明者らは、図９〜図１１を参照して上述した従来の半導体レーザ装置１００において、半導体レーザチップ１４０を、高輝度の光を射出可能なレーザチップとした場合、以下の課題が生じることを見出した。

半導体レーザチップ１４０が、高輝度の光を射出可能なレーザチップである場合、発光時に生じる熱量が増大する。しかし、上述したように、半導体レーザチップ１４０が載置されている筐体１１０は、絶縁性セラミックスからなる。絶縁性セラミックスの中には、高い熱伝導率を示す材料が存在するが、それでも金属材料に比較するとその熱伝導率は低い。このため、十分な排熱機能が実現されない可能性がある。

そして、図１１に図示されるように、半導体レーザチップ１４０に対して給電するための電極１６０が、筐体１１０の裏面側（蓋体１２０とは反対側）に形成されているため、筐体１１０自体を導電性材料で構成することができない。仮に、図９〜図１１を参照して上述した従来の半導体レーザ装置１００において、筐体１１０を金属材料で構成すると、一対の電極１６０同士が短絡してしまい、半導体レーザ装置１００に対して電流を供給することができないことは明らかである。

本発明は、上記の課題に鑑み、高出力の半導体レーザチップを搭載しながらも、高い排熱性を確保することのできる、小型の半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体レーザ装置は、
第一開口部を有する第一面と、前記第一面に隣接した面であって第二開口部を有する第二面とを含む外側面によって覆われてなる、中空形状の金属製の筐体と、
前記筐体の内側に収容された半導体レーザチップと、
前記第一開口部を閉塞するように前記第一面の上面に載置された、絶縁性材料からなる蓋体と、
透光部材を含み、少なくとも前記透光部材の一部分が前記第二開口部に対向するように、前記第二面の上面に載置された窓部と、
前記蓋体の前記筐体側の面の一部分と、前記蓋体の前記筐体とは反対側の面の一部分との間を、前記蓋体を貫通して連絡するように形成された、導電性材料からなる電極部と、
前記蓋体の前記筐体側の面上に露出した前記電極部と前記半導体レーザチップとを電気的に接続するための給電端子と、を備えたことを特徴とする。

上記構成によれば、半導体レーザチップに対して、蓋体側から給電が行われる。このため、半導体レーザチップが載置される筐体を、熱伝導性の高い金属材料（例えばＣｕなど）で構成することが可能となる。この結果、半導体レーザチップが高出力のチップである場合においても、筐体を通じて高い排熱性能が確保される。

ところで、図９〜図１１を参照して上述した従来の半導体レーザ装置１００では、透光板１３０は、蓋体１２０と筐体１１０の両者に接触するように設置されている（特に図１１参照）。この構成を実現するためには、蓋体１２０を筐体１１０の面１１１上に設置する際に、位置合わせの精度を高める必要がある。もし、蓋体１２０の位置がずれてしまうと、透光板１３０を正しく設置することができず、この場合、筐体１１０の内部の気密性が十分に確保できない可能性がある。仮に、筐体１１０の内部の気密性が十分に確保できない場合、半導体レーザチップ１４０の端面に埃や水分が付着し、光強度が低下する可能性がある。

更に、上述した従来の半導体レーザ装置１００では、特に図１０に図示されるように、セラミックスからなる筐体１１０を微細に加工して成型する必要がある。セラミックスの成型時には、焼成工程（例えば１０００℃以上）が必要になるが、この焼成工程と、その後、室温下での冷却工程を経ることで、形状に歪みが生じ、各面（１１１，１１２）の平坦性が確保できない可能性がある。このような理由によっても、筐体１１０の内部の気密性が十分に確保できない可能性がある。

これに対し、本発明に係る半導体レーザ装置によれば、蓋体は筐体の一つの面（第一面）に載置され、透光部材を含む窓部は筐体の別の面（第二面）に載置される構成である。このため、従来の半導体レーザ装置１００のように、高い精度での位置合わせを行うことなく、筐体内部の気密性を確保することができるという別の効果を奏する。また、筐体を金属材料で形成できるため、セラミックスとは異なり容易に成型が可能である。

前記半導体レーザ装置は、前記半導体レーザチップを面上に載置するサブマウントを備え、前記サブマウントは、前記筐体の内壁面上に載置されているものとしても構わない。

かかる構成によれば、サブマウントを薄く構成することで、実質的に、半導体レーザチップの面を金属製の筐体の面上に載置することが可能となる。これにより、高い排熱性が確保される。

前記半導体レーザ装置は、支持基板を備え、
前記支持基板の面と、前記筐体の面のうちの前記第一面及び前記第二面を除くいずれか１つの面とが接合されているものとすることができる。

上記構成によれば、金属製の筐体の一面と支持基板の一面とを接合することができるため、支持基板も筐体と同様に熱伝導率の高い材料で構成することで、半導体レーザチップで生じる熱を筐体を通じて支持基板側に効率的に排熱することができる。この場合、支持基板は、筐体を支持する機能と、半導体レーザチップで生じた熱を排熱する機能を併せ持つ。

前記半導体レーザ装置は、前記半導体レーザチップを内側に収容した前記筐体が、平面上に複数個配列されているものとしても構わない。このとき、前記筐体は、前記支持基板の面上に複数個が配列されているものとしても構わない。

かかる構成によれば、各筐体が金属製の材料からなるため、各筐体に収容されている半導体レーザチップから生じる熱を効率的に排熱することができる。これにより、高い放射照度を有する光を射出することのできる、小型の半導体レーザ装置が実現される。

前記半導体レーザ装置は、前記筐体の内側には、単一の前記半導体レーザチップが収容されているものとしても構わない。

前記半導体レーザチップは、前記第二面に直交する方向に光を射出する光射出領域を備えるものとしても構わない。

本発明によれば、高出力の半導体レーザチップを搭載しながらも、高い排熱性を確保することのできる、小型の半導体レーザ装置が実現される。

本発明の半導体レーザ装置の一実施形態の全体構造を模式的に示す斜視図である。 図１から、第一透光板を取り外した状態の半導体レーザ装置を模式的に示す斜視図である。 本発明の半導体レーザ装置に含まれる半導体レーザユニットを抽出して図示した模式的な斜視図である。 図３に示す半導体レーザユニットを、−Ｚ方向に見たときの模式的な平面図である。 図３に示す半導体レーザユニットを、Ｘ方向に見たときの模式的な平面図である。 半導体レーザユニットを図４内のＸ１−Ｘ１線で切断したときの模式的な断面図である。 半導体レーザユニットの構成部品を分解して模式的に示した斜視図である。 半導体レーザユニットの構成部品の一つである筐体を模式的に示す斜視図である 従来の半導体レーザ装置の構成を模式的に示す斜視図である。 図９に図示された半導体レーザ装置から、蓋体及び透光板を取り外した状態の構造を模式的に示す斜視図である。 図９におけるＡ１−Ａ１線で半導体レーザ装置を切断したときの模式的な断面図である。

本発明に係る半導体レーザ装置の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の図面は、あくまで模式的に図示されたものであり、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致していない。

図１は、半導体レーザ装置の一実施形態の全体構造を模式的に示す斜視図である。半導体レーザ装置１は、支持基板２と、光取り出し用の第一透光板３と、側方から全体を覆うように形成された枠体４とを含む。枠体４の内側には、後述する複数の半導体レーザチップ４０（図７参照）が搭載されており、各半導体レーザチップ４０から射出されたレーザ光Ｌ１が、第一透光板３を介して装置外部に取り出される。

以下では、必要に応じて、図１に図示されたＸＹＺ座標系を用いて説明される。支持基板２及び第一透光板３は、いずれも主面がＸＹ平面に対して平行になるように配置されており、レーザ光Ｌ１が、ＸＹ平面に対して直交する方向（Ｚ方向）に取り出されるものとして説明する。

支持基板２は、複数の半導体レーザチップ４０（図７参照）を支持する機能に加えて、半導体レーザチップ４０から生じる熱を排熱する機能を兼ねており、高い熱伝導率を示す材料であるのが望ましい。一例として、支持基板２は、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌなどの金属材料で構成され、厚みは、例えば０．３ｍｍ以上、２ｍｍ以下であり、好ましくは、０．５ｍｍ以上、１ｍｍ以下である。

第一透光板３は、レーザ光Ｌ１に対する透過性の高い材料であればよく、例えば、ホウケイ酸ガラスなどで構成される。また、枠体４は、任意の材料で構成することができるが、加工時の取扱容易性に鑑み、例えばセラミックス材料やガラスエポキシ樹脂などで構成される。

図２は、図１から第一透光板３を取り外した状態の半導体レーザ装置１を模式的に示す斜視図である。図２に示すように、半導体レーザ装置１は、複数の半導体レーザユニット１０が、ＸＹ平面上に配列されて構成されている。各半導体レーザユニット１０は、後述する半導体レーザチップ４０（図７参照）を含む。なお、図２では、各半導体レーザユニット１０から射出されたレーザ光が、レンズ部材１１を介して第一透光板３（図１参照）に導かれる例が図示されている。また、図２では、説明の都合上、一部のレンズ部材１１の図示を省略している。

以下、図３〜図８を参照して、半導体レーザ装置１に含まれる半導体レーザユニット１０の構成につき説明する。

図３は、本実施形態に係る半導体レーザユニット１０を抽出して図示した模式的な斜視図である。図４は、図３に示す半導体レーザユニット１０を、−Ｚ方向に見たときの模式的な平面図である。図５は、図３に示す半導体レーザユニット１０を、Ｘ方向に見たときの模式的な平面図である。

図６は、半導体レーザユニット１０を図４内のＸ１−Ｘ１線で切断したときの模式的な断面図である。図７は、半導体レーザユニット１０の構成部品を分解して模式的に示した斜視図である。図８は、半導体レーザユニット１０の一構成部品である、筐体２０のみを抽出して示す模式的な斜視図である。

半導体レーザユニット１０は、筐体２０、蓋体３０、窓部５０を含んでなり、筐体２０の内側には半導体レーザチップ４０が収容されている。半導体レーザチップ４０は、例えば０．５Ｗ以上の出力でレーザ光Ｌ１を射出することのできる素子である。本実施形態において、半導体レーザチップ４０から射出されるレーザ光Ｌ１の波長は限定されないが、例えば、可視光である。

図７及び図８に示すように、筐体２０は、第一開口部２１ａを有する第一面２１と、この第一面２１に隣接した面であって、第二開口部２２ａを有する第二面２２とを含む外側面によって覆われた、中空形状の部材である。ここでは、第一面２１がＹＺ平面に平行な面であり、第二面２２がＸＹ平面に平行な面であるとして説明する。

筐体２０は、高い熱伝導率を示す金属材料からなる。このような金属材料の例としては、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌが挙げられ、Ｃｕが特に好ましい。筐体２０の寸法は、例えば、Ｘ方向が２ｍｍ以上、５ｍｍ以下であり、Ｙ方向が２ｍｍ以上、５ｍｍ以下であり、Ｚ方向が１．５ｍｍ以上、５ｍｍ以下である。

図３〜図７に示すように、蓋体３０は、第一開口部２１ａを閉塞するように、筐体２０の第一面２１上に設置される。蓋体３０は、絶縁性材料からなり、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮなどのセラミックス材料が利用される。より詳細には、筐体２０の第一面２１上に形成されたハンダ材（不図示）を介して、蓋体３０と筐体２０とが固定的に接着される。蓋体３０の厚み（Ｘ方向）は、例えば、０．３ｍｍ以上、１ｍｍ以下である。

蓋体３０の一部上面には、導電性材料からなる電極部（３１，３１）が形成されている。この電極部（３１，３１）は、蓋体３０を厚み方向（Ｘ方向）に貫通するように形成されており、反対側の面（筐体２０側の面）に露出している。筐体２０側の面に露出した電極部（３１，３１）は、給電端子（３２，３２）と接続されている。電極部（３１，３１）は、例えばＡｕメッキからなる。

半導体レーザチップ４０は、サブマウント４５上に、例えばＡｕ−Ｓｎからなるハンダ層４６を介して固定的に接着されている。サブマウント４５の面には、電気的に相互に離間して形成された導電層（４７，４７）が形成されている。これらの導電層（４７，４７）と、給電端子（３２，３２）とが接触している。また、一方の導電層４７には、半導体レーザチップ４０に連絡されているワイヤ４１が接続されている。これにより、電極部（３１，３１）に電圧が印加されると、半導体レーザチップ４０に対して電流が供給される。なお、図６〜図８に示すように、サブマウント４５は、筐体２０の内壁面２３上に載置されている。

本実施形態では、筐体２０の内壁面２３は、ＹＺ平面に平行な面で構成されている。半導体レーザチップ４０は、例えば、Ｙ方向（短手方向）に関して、５０μｍ以上、５００μｍ以下であり、Ｚ方向（長手方向）に関して、１ｍｍ以上、２ｍｍ以下であり、Ｘ方向（厚み方向）に関して、５０μｍ以上、２００μｍ以下である。また、サブマウント４５は、Ｙ方向に関して、０．２ｍｍ以上、３ｍｍ以下であり、Ｚ方向に関して、１ｍｍ以上、３ｍｍ以下であり、Ｘ方向（厚み方向）に関して、１００μｍ以上、５００μｍ以下である。

図７に示すように、本実施形態の半導体レーザユニット１０において、窓部５０は透光部材５１のみで構成されている。透光部材５１は、例えば、ホウケイ酸ガラス、ケイ酸塩ガラス、石英ガラスなどのガラス材料が好適に利用される。そして、窓部５０を構成する透光部材５１の一部分が第二開口部２２ａに対向するように設置されている。

なお、図７に示す例とは別に、窓部５０が、透光部材５１以外の構成部材（例えばスペーサなど）を備えていても構わない。この場合、例えば、筐体２０の第二面２２とは、スペーサと接触し、このスペーサの面上に透光部材５１が設置されるものとすることができる。

かかる構成において、電極部（３１，３１）に電圧が印加されると、半導体レーザチップ４０に対して電流が供給され、閾値電流を超える電流量が供給されると、半導体レーザチップ４０の端面（光射出領域：エミッタ）からＺ方向にレーザ光Ｌ１が射出される。このレーザ光Ｌ１は、第二開口部２２ａ及び透光部材５１を介して半導体レーザユニット１０の外部に取り出される。そして、図１及び図２を参照して上述したように、各半導体レーザユニット１０から射出されたレーザ光Ｌ１は、レンズ部材１１、第一透光板３を介して、半導体レーザ装置１の外部に取り出される。

上述した半導体レーザ装置１によれば、各半導体レーザユニット１０に対して、蓋体３０側から給電が行われる。このため、半導体レーザユニット１０（及びサブマウント４５）を、導電性材料からなる面２３上に載置することができる。つまり、図７及び図８を参照して上述したように、この面２３を、金属製の筐体２０の内壁とすることで、半導体レーザチップ４０から生じる熱を、筐体２０を通じて支持基板２側へと効率的に排熱することができる。特に、図６に示されるように、筐体２０の一つの面を支持基板２の面と接合させることで、半導体レーザチップ４０から生じる熱を更に効率的に外部へと排熱することができる。

更に、筐体２０を金属材料で構成することができるため、例えば図８に示したような形状に容易に成型できる。そして、蓋体３０が載置される筐体２０の面（第一面２１）と、窓部５０が載置される筐体２０の面（第二面２２）とが異なるため、筐体２０の内部の気密性を確保するためには、単にそれぞれの面で独立した位置合わせを行うのみでよく、従来よりも位置合わせの精度が要求されない。

［別実施形態］
以下、本発明に係る半導体レーザ装置の別実施形態について説明する。

〈１〉上記実施形態では、各筐体２０内に一つの半導体レーザチップ４０が搭載される場合を例示して説明した。しかし、各筐体２０内に、複数（例えば２個以上５個以下）の半導体レーザチップ４０が搭載されているものとしても構わない。

また、上記実施形態では、図２を参照して、複数の半導体レーザユニット１０が平面的に配列されている場合について説明した。しかし、本発明は、半導体レーザ装置１が、単一の半導体レーザユニット１０のみを備える場合を排除しない。

〈２〉各図面を参照して上述した半導体レーザ装置１の構造は、あくまで一例であり、本発明は、図示された構造に限定されない。例えば、以下のような変形が可能である。

半導体レーザ装置１は、第一透光板３を備えない構成としても構わないし、レンズ部材１１を備えない構成としても構わない。また、半導体レーザ装置１は、適宜ミラーなどの反射部材を備えることで、光取り出し方向をＺ方向以外の方向としても構わない。

〈３〉上記実施形態では、筐体２０の外形がほぼ直方体形状である場合について説明したが、４面以上の平面を有する多面体であれば直方体には限定されない。

１ ： 本発明の半導体レーザ装置
２ ： 支持基板
３ ： 第一透光板
４ ： 枠体
１０ ： 半導体レーザユニット
１１ ： レンズ部材
２０ ： 筐体
２１ ： 筐体の第一面
２１ａ ： 第一開口部
２２ ： 筐体の第二面
２２ａ ： 第二開口部
２３ ： 筐体の内壁面
３０ ： 蓋体
３１ ： 電極部
３２ ： 給電端子
４０ ： 半導体レーザチップ
４１ ： ワイヤ
４５ ： サブマウント
４６ ： ハンダ層
４７ ： 導電層
５０ ： 窓部
５１ ： 透光部材
１００ ： 従来の半導体レーザ装置
１１０ ： 筐体
１１１，１１２，１１４ ： 筐体の面
１２０ ： 蓋体
１２１ ： 蓋体の面
１３０ ： 透光板
１４０ ： 半導体レーザチップ
１４１ ： ワイヤ
１５１，１５２ ： 接着層
１６０ ： 電極
Ｌ１ ： レーザ光

Claims (6)

1. 第一開口部を有する第一面と、前記第一面に隣接した面であって第二開口部を有する第二面とを含む外側面によって覆われてなる、中空形状の金属製の筐体と、
   前記筐体の内側に収容された半導体レーザチップと、
   前記第一開口部を閉塞するように前記第一面の上面に載置された、絶縁性材料からなる蓋体と、
   透光部材を含み、少なくとも前記透光部材の一部分が前記第二開口部に対向するように、前記第二面の上面に載置された窓部と、
   前記蓋体の前記筐体側の面の一部分と、前記蓋体の前記筐体とは反対側の面の一部分との間を、前記蓋体を貫通して連絡するように形成された、導電性材料からなる電極部と、
   前記蓋体の前記筐体側の面上に露出した前記電極部と前記半導体レーザチップとを電気的に接続するための給電端子と、を備えたことを特徴とする、半導体レーザ装置。
2. 前記半導体レーザチップを面上に載置するサブマウントを備え、
   前記サブマウントは、前記筐体の内壁面上に載置されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 支持基板を備え、
   前記支持基板の面と、前記筐体の面のうちの前記第一面及び前記第二面を除くいずれか１つの面とが接合されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記支持基板の面上に、前記半導体レーザチップを内側に収容した前記筐体が、平面上に複数個配列されていることを特徴とする、請求項３に記載の半導体レーザ装置。
5. 前記筐体の内側には、単一の前記半導体レーザチップが収容されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
6. 前記半導体レーザチップは、前記第二面に直交する方向に光を射出する光射出領域を備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。

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