特開 2024-62002 レーザダイオードバー及びこれを備えたレーザモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024062002

(43)【公開日】2024-05-09

(54)【発明の名称】レーザダイオードバー及びこれを備えたレーザモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/22 20060101AFI20240430BHJP

   H01S 5/023 20210101ALI20240430BHJP

【ＦＩ】

H01S5/22 610

H01S5/023

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022169718

(22)【出願日】2022-10-24

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和４年度、環境省、革新的な省ＣＯ２実現のための部材や素材の社会実装・普及展開加速化事業委託業務、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000005821

【氏名又は名称】パナソニックホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山下 賢哉

(72)【発明者】

【氏名】岡本 貴敏

(72)【発明者】

【氏名】内田 貴史

(72)【発明者】

【氏名】村尾 文弥

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AA08

5F173AD05

5F173AH22

5F173AR61

5F173AR93

5F173MC12

5F173MC18

5F173MD04

5F173MD07

5F173MD84

(57)【要約】

【課題】金属はんだを介してサブマウントに実装された場合、金属はんだにボイドが残留するのを抑制することができるレーザダイオードバーを提供する。
【解決手段】レーザダイオードバー１０は、それぞれレーザ光を出射する複数のエミッタ１１がＸ方向に一列に並んで配置されている。レーザダイオードバー１０の厚さ方向をＹ方向とし、レーザ光の出射方向をＺ方向とする。互いに隣り合うエミッタ１１の間には、レーザダイオードバー１０の第１面１０ａから内部に向かう素子分離溝１７が形成されている。Ｙ方向から見て、素子分離溝１７は、Ｚ方向に沿って直線状に設けられた第１溝１７ａと、Ｘ方向に沿って第１溝１７ａの側面から突出する複数の第２溝１７ｂと、を有している。複数の第２溝１７ｂは、Ｚ方向に沿って互いに間隔Ｌｖをあけて設けられている。
【選択図】図２Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

それぞれレーザ光を出射する複数のエミッタが一列に並んで配置されたレーザダイオードバーであって、
複数の前記エミッタの配列方向をＸ方向とし、前記レーザダイオードバーの厚さ方向をＹ方向とし、前記レーザ光の出射方向であって、前記Ｘ方向と前記Ｙ方向のそれぞれと交差する方向をＺ方向とするとき、
互いに隣り合う前記エミッタの間には、前記レーザダイオードバーの第１面から前記レーザダイオードバーの内部に向かう素子分離溝が形成されており、
前記Ｙ方向から見て、前記素子分離溝は、前記Ｚ方向に沿って直線状に設けられた第１溝と、前記Ｘ方向に沿って前記第１溝の側面から突出する複数の第２溝と、を有しており、
複数の前記第２溝は、前記Ｚ方向に沿って互いに所定の間隔をあけて設けられていることを特徴とするレーザダイオードバー。

【請求項2】

請求項１に記載のレーザダイオードバーにおいて、
前記エミッタの前記第１面にはボンディング電極が形成されており、
前記Ｙ方向から見て、前記ボンディング電極は、前記素子分離溝とオーバーラップする部分を有さず、前記素子分離溝と所定の分離幅をあけて配置されていることを特徴とするレーザダイオードバー。

【請求項3】

請求項２に記載のレーザダイオードバーにおいて、
前記素子分離溝は、前記レーザダイオードバーの前記第１面から前記Ｙ方向に沿って所定の深さを有しており、
前記所定の深さは、前記レーザダイオードバーの前記第１面から前記レーザ光を発生する活性層までの前記Ｙ方向に沿った距離よりも深いことを特徴とするレーザダイオードバー。

【請求項4】

請求項２に記載のレーザダイオードバーにおいて、
前記Ｚ方向に沿って互いに隣り合う前記第２溝の間隔は、前記Ｘ方向に沿って互いに隣り合う前記第１溝の間隔よりも狭いことを特徴とするレーザダイオードバー。

【請求項5】

請求項１に記載のレーザダイオードバーと、
金属はんだを介して前記レーザダイオードバーが表面に実装されるサブマウントと、を少なくとも備えたことを特徴とするレーザモジュール。

【請求項6】

請求項５に記載のレーザモジュールにおいて、
前記サブマウントは、導電性の母材の内部にダイヤモンド粒子が分散した複合体からなることを特徴とするレーザモジュール。

【請求項7】

請求項６に記載のレーザモジュールにおいて、
前記母材は、銅または銀を主たる構成材料とすることを特徴とするレーザモジュール。

【請求項8】

請求項５に記載のレーザモジュールにおいて、
前記金属はんだは、金とスズの合金からなることを特徴とするレーザモジュール。

【請求項9】

請求項５に記載のレーザモジュールにおいて、
前記エミッタの前記第１面に形成されたボンディング電極が、前記金属はんだを介して前記サブマウントの表面に接合されることで、前記サブマウントに前記レーザダイオードバーが実装されることを特徴とするレーザモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、レーザダイオードバー及びこれを備えたレーザモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ワットクラスの高出力レーザ光源として、それぞれレーザ光を出射するレーザ共振器である複数のエミッタを一方向に配列して、単一の基板上に形成したレーザダイオードバーが知られている。このようなレーザダイオードバーにおいて、エミッタ間に素子分離溝を設けたり、素子分離溝を熱伝導率の低い材料で埋めたりすることで、エミッタ間の熱干渉の抑制が図られている。

【0003】

例えば、特許文献１には、互いに隣り合うエミッタの間であって、互いに対向する共振器の端面の間に素子分離溝が形成されたレーザダイオードバーが開示されている。素子分離溝の底面は、エミッタの発光層となる活性層を貫通した半導体基板の内部まで達している。このような素子分離溝を形成することで、エミッタ間の熱干渉を抑制し、レーザ光の発生部である活性層から基板への放熱を促進できる。また、基板に生じる歪みを低減し、ひいては、基板の表面において、複数のエミッタが配列方向に反ってしまうのを抑制できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２０１９／０５８８０２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、レーザダイオードバーは、通常、金属はんだによりサブマウントに実装されて使用される。サブマウントはレーザダイオードバーを機械的に支持するとともに、各エミッタで発生した熱を外部に放散する。

【0006】

近年、レーザ光の高出力化とこれに伴うサブマウントの放熱性の向上が要求されている。しかし、放熱性の高い材質のサブマウントを使用した場合、金属はんだにボイドが発生し、レーザダイオードバーからサブマウントへの放熱が阻害される場合があることが、本願発明者等の検討でわかってきた。このようなことが起こると、レーザ光の出射性能の低下や、レーザダイオードバーの動作信頼性の低下を招き、場合によっては、レーザダイオードバーの熱的破壊が発生するおそれがある。

【0007】

本開示は、かかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、金属はんだを介してサブマウントに実装された場合、金属はんだにボイドが残留するのを抑制することができるレーザダイオードバー及びこれを備えたレーザモジュールを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するため、本開示に係るレーザダイオードバーは、それぞれレーザ光を出射する複数のエミッタが一列に並んで配置されたレーザダイオードバーであって、複数の前記エミッタの配列方向をＸ方向とし、前記レーザダイオードバーの厚さ方向をＹ方向とし、前記レーザ光の出射方向であって、前記Ｘ方向と前記Ｙ方向のそれぞれと交差する方向をＺ方向とするとき、互いに隣り合う前記エミッタの間には、前記レーザダイオードバーの第１面から前記レーザダイオードバーの内部に向かう素子分離溝が形成されており、前記Ｙ方向から見て、前記素子分離溝は、前記Ｚ方向に沿って直線状に設けられた第１溝と、前記Ｘ方向に沿って前記第１溝の側面から突出する複数の第２溝と、を有しており、複数の前記第２溝は、前記Ｚ方向に沿って互いに所定の間隔をあけて設けられていることを特徴とする。

【0009】

本開示に係るレーザモジュールは、前記レーザダイオードバーと、金属はんだを介して前記レーザダイオードバーが表面に実装されるサブマウントと、を少なくとも備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本開示のレーザダイオードバーによれば、金属はんだを介してサブマウントに実装された場合、金属はんだにボイドが残留するのを抑制することができる。

【0011】

本開示のレーザモジュールによれば、金属はんだにボイドが残留するのを抑制でき、レーザダイオードバーとサブマウントとの接合不良を低減できる。また、レーザダイオードバーの動作不良を低減でき、動作信頼性を高められる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1A】実施形態に係るレーザモジュールの斜視図である。

【図1B】図１ＡのＩＢ－ＩＢ線での断面図である。

【図1C】図１Ｂにおいて破線で囲まれた部分の拡大図である。

【図2A】レーザダイオードバーの要部の平面図である。

【図2B】ボンディング電極と第２溝との配置関係を示す図である。

【図2C】図２Ａの各部におけるＹ方向のプロファイルを示す図である。

【図3A】比較例に係るレーザダイオードバーの要部の平面図である。

【図3B】図３Ａの各部におけるＹ方向のプロファイルを示す図である。

【図4】比較例に係るレーザダイオードバーの実装時に金属はんだに発生するボイドの様子を示す模式図である。

【図5】金属はんだにボイドが残留した場合の比較例に係るレーザモジュールの断面模式図である。

【図6】実施形態に係るレーザダイオードバーの実装時に金属はんだに発生するボイドの様子を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

【0014】

（実施形態）
［レーザモジュール及びレーザダイオードバーの構成］
図１Ａは、実施形態に係るレーザモジュールの斜視図を示し、図１Ｂは、図１ＡのＩＢ－ＩＢ線での断面図を示し、図１Ｃは、図１Ｂにおいて破線で囲まれた部分の拡大図を示す。なお、説明の便宜上、図１Ａにおいて、レーザダイオードバー１０の形状は簡略化して図示している。

【0015】

なお、以降の説明において、レーザダイオードバー１０におけるエミッタ１１の配列方向をＸ方向と呼び、レーザダイオードバー１０の厚さ方向をＹ方向と呼ぶ。Ｙ方向は、レーザダイオードバー１０とサブマウント２０と冷却器３０とが積み重ねられた方向でもある。Ｘ方向及びＹ方向とそれぞれ直交する方向をＺ方向と呼ぶ。Ｚ方向は、エミッタ１１の長手方向であり、複数のエミッタ１１のそれぞれから出射されるレーザ光の出射方向でもある。

【0016】

なお、Ｙ方向において、レーザダイオードバー１０が配置された側を上または上方と呼び、冷却器３０が配置された側を下または下方と呼ぶ。Ｚ方向において、エミッタ１１におけるレーザ光が出射される端面が配置された側を前または前方と呼び、当該端面と対向する端面が配置された側を後または後方と呼ぶ。また、レーザモジュール１００及びこれを構成する各部品をＹ方向から見た場合を平面視と呼ぶ。

【0017】

なお、本願明細書において、「直交」または「平行」あるいは「同じ」とは、レーザモジュール１００を構成する各部品の製造公差や部品間の組立公差を含んで直交している、または平行である、あるいは同じであるという意味であり、比較対象同士が厳密に直交している、または平行である、あるいは同じであることまでを意味するものではない。

【0018】

図１に示すように、レーザモジュール１００は、冷却器３０とサブマウント２０とレーザダイオードバー１０とが下からこの順に積み重ねられて構成されている。

【0019】

なお、サブマウント２０において、レーザダイオードバー１０が実装される面を表面と呼び、当該表面とＹ方向に対向する面を裏面と呼ぶ。

【0020】

同様に、冷却器３０において、サブマウント２０が実装される面を表面と呼び、当該表面とＹ方向に対向する面を裏面と呼ぶ。

【0021】

冷却器３０は、内部に冷却水路（図示せず）を有する部品であり、表面に金属層（図示せず）が形成されている。

【0022】

冷却器３０自体は、例えば、絶縁性のセラミック等で構成される。ただし、ステンレス等の金属で構成されていてもよい。ただし、冷却器３０とサブマウント２０とは電気的に絶縁される。また、冷却水路を流れる冷却水と冷却器３０との電気的絶縁は確保する必要がある。レーザモジュール１００の動作時は、図示しない循環機構により冷却水路に冷却水を循環させて、レーザダイオードバー１０が実装されたサブマウント２０を冷却している。

【0023】

サブマウント２０は、平面視で長方形の板状の導電部材であり、銅からなる母材の内部にダイヤモンド粒子（図示せず）が分散された複合体からなる。

【0024】

サブマウント２０は、所定値以上の熱伝導率を有していることが好ましく、また、抵抗率が低いことが好ましい。この観点から、複合体を構成する主要な材料が選択される。ダイヤモンドは、熱伝導率が約２２００Ｗ／ｍＫと高く、放熱性に優れている。一方で、ダイヤモンドは電気導体ではないため、抵抗率は高い。そこで、銅のような抵抗率が低い材料からなる母材と複合体を構成することで、前述の要求を満足できるサブマウント２０を実現できる。なお、銅の抵抗率は、室温で、１．７ΜΩ・ｃｍ程度であり、熱伝導率は、４００Ｗ／ｍＫ程度である。

【0025】

なお、サブマウント２０は銅からなる母材とダイヤモンド粒子以外の別の材料を含んでいてもよい。また、母材に含まれる不可避不純物や、不可避不純物と母材との反応物がサブマウント２０に含まれていてもよい。

【0026】

また、サブマウント２０は、レーザダイオードバー１０を構成する主たる半導体材料と線膨張係数が近く、ヤング率が高いことが好ましい。本実施形態に示すように、サブマウント２０を異なる材料の複合体とし、材料の選択や各材料の混合比率を調整することで、サブマウント２０の線膨張係数やヤング率の調整を行うこともできる。

【0027】

なお、サブマウント２０に許容される各種仕様、例えば、前述した熱伝導率や抵抗率、機械的強度等が所望の条件を満足すれば、サブマウント２０の材質は前述の複合体に限られない。

【0028】

図１Ｂに示すように、サブマウント２０の表面には金属層４０が形成されている。金属層４０は、例えば、ニッケルからなるめっき層である。金属層４０は、金属はんだ５０の濡れ性を向上させ、金属はんだ５０を介してレーザダイオードバー１０とサブマウント２０とを強固に接合するために設けられている。

【0029】

図１Ｂに示すように、金属層４０の表面には、金属はんだ５０が設けられている。本願明細書において、金属はんだ５０は、金とスズとの合金からなる。ただし、金属はんだ５０の材質は特にこれに限定されない。

【0030】

金属はんだ５０は、下面が金属層５０に接合されている一方、上面はレーザダイオードバー１０に形成されたボンディング電極１４ｂ（図１Ｃ参照）に接合されている。

【0031】

レーザダイオードバー１０は、複数のエミッタ１１を有し、平面視で長方形の部材であり、長辺がＸ方向で、短辺がＺ方向である。エミッタ１１は、基板１２にレーザ光の発生部である活性層（図示せず）、光や電流の閉じ込め層であるクラッド層（図示）等が積層されてなる積層体である。また、後で述べるように、エミッタ１１には、リッジ分離溝１６や素子分離溝１７が形成されている。

【0032】

図１Ｂに示すように、レーザダイオードバー１０の一方の面にｎ側電極１３が形成されている。以降の説明において、レーザダイオードバー１０におけるｎ側電極１３が形成された面を第２面１０ｂと呼ぶ。また、レーザダイオードバー１０において、第２面１０ｂとＹ方向に対向する面にｐ側電極１４が形成されている。以降の説明において、レーザダイオードバー１０におけるｐ側電極１４が形成された面、具体的には、エミッタ１１におけるｐ側電極１４が形成された面を第１面１０ａと呼ぶ（図１Ｃ参照）。

【0033】

なお、図１Ｃに示すように、ｐ側電極１４は、オーミック電極１４ａとボンディング電極１４ｂとで構成されている。オーミック電極１４ａは、エミッタ１１におけるリッジストライプ１１ａの第１面１０ａとオーミック接触している。ボンディング電極１４ｂは、オーミック電極１４ａに接してエミッタ１１を覆うように設けられている。また、オーミック電極１４ａとの接触部分を除き、レーザダイオードバー１０の第１面１０ａは絶縁層１５で覆われている。

【0034】

なお、本実施形態において、基板１２は、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる半導体基板であり、レーザダイオードバー１０を構成する主たる半導体材料は窒化物半導体（ＧａＮ系半導体）である。レーザダイオードバー１０における各エミッタ１１からは、青色の波長域のレーザ光がそれぞれ出射される。なお、「青色の波長域」とは、３５０ｎｍ以上、４６０ｎｍ以下の波長範囲を言う。

【0035】

レーザダイオードバー１０のｐ側電極１４は、金属はんだ５０と金属層４０とを介してサブマウント２０と電気的に接続されている。ｎ側電極１３とサブマウント２０との間に、図示しない外部電源からしきい値を超える電流を流すことにより、レーザダイオードバー１０における各エミッタ１１からそれぞれレーザ光が出射される。

【0036】

［レーザダイオードバーの要部の構成］
図２Ａは、レーザダイオードバーの要部の平面図を、図２Ｂは、ボンディング電極と第２溝との配置関係を、図２Ｃは、図２Ａの各部におけるＹ方向のプロファイルをそれぞれ示す。

【0037】

なお、図２Ａでは、基板１２からレーザダイオードバー１０が個片化される前の状態を示している。また、図２Ａに示す破線Ａ－Ａ、Ｂ－Ｂ、Ｃ－Ｃのそれぞれは、Ｘ方向に延びた仮想の直線である。図２Ｃに示す３つのプロファイルは、破線Ａ－Ａ、Ｂ－Ｂ、Ｃ－Ｃのそれぞれに沿ったプロファイルである。

【0038】

図２Ａに示すように、エミッタ１１は、リッジストライプ１１ａとリッジ分離溝１６とを有している。前述したように、リッジストライプ１１ａは、エミッタ１１への電流注入領域にあたる。また、レーザ共振器を構成するリッジストライプ１１ａの一方の端面であるフロント端面１０ｃから他方の端面であるリア端面１０ｄにかけて、Ｚ方向に沿って直線状に設けられている。具体的には、２本のリッジ分離溝１６が、Ｘ方向に間隔をあけて、かつフロント端面１０ｃからリア端面１０ｄにかけて直線状に形成されることで、リッジストライプ１１ａが形成される。Ｘ方向における２本のリッジ分離溝１６の間隔が、エミッタ１１の共振器幅に相当する。

【0039】

リッジ分離溝１６は、レーザダイオードバー１０の第１面１０ａから活性層に達するか、または、活性層に達しない程度の深さとなるように形成される。図２Ｃに示す例では、発光点に相当する深さが活性層の位置にあたる。

【0040】

リッジストライブ１１ａが２本のリッジ分離溝１６で、エミッタ１１における、それ以外の部分と分離され、かつ、オーミック電極１４ａとの接触部分を除き、リッジストライブ１１ａの表面が絶縁層１５で覆われている。

【0041】

このようにすることで、エミッタ１１における活性層への電流注入箇所をリッジストライプ１１ａの直下に限定することができる。言い換えると、リッジストライプ１１ａの直下に、注入された電流及び活性層で発生した光を閉じ込めることができる。

【0042】

また、２本のリッジ分離溝１６の端部は、Ｚ方向に間隔をあけて対向して設けられたバー分割溝１８に、それぞれ達している。２本のバー分割溝１８は、それぞれ、Ｘ方向に沿って直線状に設けられている。劈開等により、バー分割溝１８の底面がＸ方向に沿って分割されることで、エミッタ１１等が形成された基板１２から個片化したレーザダイオードバー１０が得られる。この際の分割面の一方が、フロント端面１０ｃに、他方がリア端面１０ｄにあたる。なお、図２Ｃに示す例では、レーザダイオードバー１０の第１面１０ａからの深さが、リッジ分離溝１６とバー分割溝１８とで同じになるようにしている。このようにすることで、リッジ分離溝１６とバー分割溝１８とを同じ工程で形成することができ、レーザダイオードバー１０の製造工程が簡素化される。ただし、特にこれに限定されず、リッジ分離溝１６の深さがバー分割溝１８の深さと異なっていてもよい。

【0043】

図２Ａ，２Ｃに示すように、互いに隣り合うエミッタ１１の間に、レーザダイオードバー１０の第１面１０ａからレーザダイオードバー１０の内部に向かう素子分離溝１７が形成されている。さらに言うと、リッジストライプ１１ａと２本のリッジ分離溝１６とをＸ方向で挟むように素子分離溝１７が形成されている。なお、リッジ分離溝１６と素子分離溝１７とはＸ方向に間隔をあけて形成されている。

【0044】

素子分離溝１７は、Ｚ方向に沿って直線状に延びるように設けられた第１溝１７ａと、第１溝１７ａの側面から突出してＸ方向に延びるように設けられた複数の第２溝１７ｂとで構成されている。第１溝１７ａのＸ方向の幅Ｌ１は、第２溝１７ｂのＺ方向の幅Ｌ２よりも広くなるように形成される。なお、幅Ｌ１，Ｌ２ともに、１０μｍ以上であることが好ましい。幅Ｌ１，Ｌ２がこの値よりも小さくなると、基板１２をエッチング加工して素子分離溝１７を形成することが難しくなる。

【0045】

第１溝１７ａのＺ方向の端部は、Ｚ方向に対向する２本のバー分割溝１８に達するように、さらに言うと、フロント端面１０ｃ及びリア端面１０ｄにそれぞれ達するように形成されている。また、Ｘ方向に互いに隣り合う第１溝１７ａは、所定の間隔Ｌｈをあけて配置される（図２Ａ参照）。さらに言うと、間隔Ｌｈは、Ｘ方向に互いに隣り合う２本の第１溝１７ａにおいて、対向する側面のＸ方向の間隔である。なお、Ｘ方向に互いに隣り合う第１溝１７ａの中心線間の間隔をＷ０とする（図２Ａ参照）。本願明細書において、間隔Ｗ０は２２５μｍであり、間隔Ｌｈは、２０５μｍ程度であるが、特にこれに限定されない。

【0046】

平面視で、複数の第２溝１７ｂは、２本のバー分割溝１８の内側に形成されている。第１溝１７ａの同じ側面から突出する複数の第２溝１７ｂは、Ｚ方向に互いに所定の間隔Ｌｖをあけて配置されており、間隔Ｌｖは、前述の間隔Ｌｈよりも狭くなるように設定される。

【0047】

また、図２Ａに示すように、平面視で、エミッタ１１の第１面１０ａに形成されたボンディング電極１４ｂは、素子分離溝１７とオーバーラップする部分を有していない。さらに言うと、図２Ｃに示すように、平面視で、素子分離溝１７の第２溝１７ｂとボンディング電極１４ｂとは所定の分離幅ΔＬをあけて配置されている。なお、分離幅ΔＬは、１μｍ以上であることが好ましい。ΔＬがこの値よりも小さいと、第２溝１７ｂと間隔をあけてボンディング電極１４ｂを形成することが難しくなる。

【0048】

また、図２Ｃに示すように、素子分離溝１７の深さ、具体的には、レーザダイオードバー１０の第１面１０ａからＹ方向に沿った深さが、リッジ分離溝１６やバー分割溝１８よりも深くなるように、素子分離溝１７が形成されている。さらに言うと、素子分離溝１７の深さは、レーザダイオードバー１０の第１面１０ａから活性層までのＹ方向に沿った距離よりも深くなるように設定されている。なお、基板１２に対してエッチング加工を行って、素子分離溝１７を一括で形成している。よって、素子分離溝１７の内部において、深さは一定である。つまり、第１溝１７ａの深さと複数の第２溝１７ｂのそれぞれの深さは、いずれも同じである。

【0049】

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るレーザダイオードバー１０は、それぞれレーザ光を出射する複数のエミッタ１１がＸ方向に一列に並んで配置されている。

【0050】

複数のエミッタ１１の配列方向をＸ方向とし、レーザダイオードバー１０の厚さ方向をＹ方向とし、レーザ光の出射方向であって、Ｘ方向とＹ方向のそれぞれと交差する方向をＺ方向とする。

【0051】

互いに隣り合うエミッタ１１の間には、レーザダイオードバー１０の第１面１０ａからレーザダイオードバー１０の内部に向かう素子分離溝１７が形成されている。

【0052】

Ｙ方向から見て、素子分離溝１７は、Ｚ方向に沿って直線状に設けられた第１溝１７ａと、Ｘ方向に沿って第１溝１７ａの側面から突出する複数の第２溝１７ｂと、を有している。複数の第２溝１７ｂは、Ｚ方向に沿って互いに所定の間隔Ｌｖをあけて設けられている。

【0053】

レーザダイオードバー１０をこのように構成することで、金属はんだ５０を介してレーザダイオードバー１０がサブマウント２０に実装された場合、金属はんだ５０にボイドが残留するのを抑制することができる。これについてさらに説明する。

【0054】

図３Ａは、比較例に係るレーザダイオードバーの要部の平面図を、図３Ｂは、図３Ａの各部におけるＹ方向のプロファイルをそれぞれ示す。

【0055】

なお、図３Ａでは、基板１２からレーザダイオードバー６０が個片化される前の状態を示している。また、図３Ａに示す破線Ｄ－Ｄ、Ｅ－Ｅ、Ｆ－Ｆのそれぞれは、Ｘ方向に延びた仮想の直線である。図３Ｂに示す３つのプロファイルは、破線Ｄ－Ｄ、Ｅ－Ｅ、Ｆ－Ｆのそれぞれに沿ったプロファイルである。

【0056】

なお、図３Ａ，３Ｂにおいて、互いに隣り合う素子分離溝１９のＸ方向の間隔を間隔Ｌｈ１として図示している。また、互いに隣り合う素子分離溝１９の中心線のＸ方向の間隔を間隔Ｗ０１として図示している。

【0057】

図３Ａ，３Ｂに示すレーザダイオードバー６０は、素子分離溝１９が、Ｚ方向に沿って直線状に延びる部分のみで構成されている点が、図２Ａ～２Ｃに示す本実施形態のレーザダイオードバー１０と異なる。つまり、素子分離溝１９は、素子分離溝１７の第２溝１７ｂにあたる部分を有していない。なお、素子分離溝１９の深さは、素子分離溝１７の深さと同じである。

【0058】

また、第２溝１７ｂが設けられていないことに対応して、ボンディング電極１４ｂの平面視の形状も、図２Ａ～２Ｃに示すレーザダイオードバー１０と異なる。これらを除けば、他の部分は、図３Ａ，３Ｂに示すレーザダイオードバー１０は、図２Ａ～２Ｃに示すレーザダイオードバー１０と同様の構成である。

【0059】

図１Ｂ，１Ｃに示すように、エミッタ１１の第１面１０ａに形成されたボンディング電極１４ｂが、金属はんだ５０を介してサブマウント２０の表面に形成された金属層４０に接合されることで、サブマウント２０にレーザダイオードバー１０が実装される。この際、サブマウント２０を金属はんだ５０の溶融温度よりも高い温度に予め加熱しておき、サブマウント２０に対して位置合わせを行った上でレーザダイオードバー１０を金属はんだ５０に接触させる。その後、サブマウント２０の加熱を中止し、レーザダイオードバー１０が載置された状態でサブマウント２０の温度を低下させることで、金属はんだ５０が固化し、サブマウント２０にレーザダイオードバー１０が実装される。

【0060】

一方、本実施形態におけるサブマウント２０は、前述した複合体である。この場合、熱伝導率の違いにより、複合体を構成する母材とダイヤモンド粒子とで温度の上昇度合いが異なってくるため、サブマウント２０の表面で温度むらが発生しやすくなる。また、サブマウント２０が複合体では無い場合も、サブマウント２０を構成する材料の内部の不均一性等により、同様の温度むらが発生しうる。

【0061】

サブマウント２０を加熱した場合、熱伝導率の違いにより、銅母材２１とダイヤモンド粒子２２とで温度の上昇度合いが異なってくるため、サブマウント２０の表面で温度むらが発生しやすくなる。

【0062】

その結果、サブマウント２０の加熱中に、金属はんだ５０には、温度が融点に達して溶融した部分（以下、溶融部という）と融点に達していない部分（以下、未溶融部という）とが生じることがある。この状態で、レーザダイオードバー６０を金属はんだ５０に接触させると、未溶融部の直上には、溶融部が十分には広がっていないため、レーザダイオードバー６０のボンディング電極１４ｂに対して、金属はんだ５０が接触していない部分が残ってしまう。金属はんだ５０が固化すると、ボンディング電極１４ｂと金属はんだ５０との未接触部分が、ボイド５１として残留する（図５参照）。この様子を図４を用いてさらに説明する。

【0063】

図４は、比較例に係るレーザダイオードバーの実装時に金属はんだに発生するボイドの様子を示す模式図である。図５は、金属はんだにボイドが残留した場合の比較例に係るレーザモジュールの断面模式図である。なお、説明の便宜上、図４において、レーザダイオードバー６０は、リッジストライプ１１ａと素子分離溝１９とのみを図示している。また、サブマウント２０や金属はんだ５０の図示を省略し、初期ボイド５１ａとボイド５１のみを図示している。

【0064】

まず、前述したように、実装中に金属はんだ５０に未溶融部が形成されるため、未溶融部の直上に小さな空気だまりが生じる。以下、これを初期ボイド５１ａという。平面視で、金属はんだ５０には、未溶融部が分散して発生するため、図４の左側に示すように、初期ボイド５１ａも平面視で、レーザダイオードバー６０の全体に分散して発生する。また、ボンディング電極１４ｂは、素子分離溝１９と平面視でオーバーラップする部分を有していない。このため、初期ボイド５１ａは、素子分離溝１９と平面視でオーバーラップする部分では発生しにくく、ボンディング電極１４ｂとオーバーラップする部分で主に発生する。

【0065】

一方、実装中の金属はんだ５０は、大部分が溶融状態であるため、初期ボイド５１ａは、金属はんだ５０に加わる圧力等により、金属はんだ５０の内部を移動する。ボンディング電極１４ｂの周縁が、レーザダイオードバー６０に形成された各種の溝と近接している場合は、当該溝が移動した初期ボイド５１ａの逃げ道となる。その結果、金属はんだ５０の内部から初期ボイド５１ａが押し出される。例えば、リッジ分離溝１６やバー分割溝１８の近傍では、前述した現象が生じうる。

【0066】

一方、図３Ａに示すように、素子分離溝１９とボンディング電極１４ｂとは、平面視でＸ方向に間隔をあけて配置されている。また、素子分離溝１９の側面とボンディング電極１４ｂの周縁とが対向する長さも図２Ａに示す本実施形態のレーザダイオードバー１０に比べれば短くなっている。

【0067】

したがって、平面視でボンディング電極１４ｂの直下に形成された初期ボイド５１ａが逃げ切れず、リッジストライプ１１ａを含むエミッタ１１の直下に留まる。また、複数の初期ボイド５１ａが集まって、より大きなサイズの空気だまりが形成される。最終的には、図４の右側や図５に示すように、リッジストライプ１１ａを含むエミッタ１１の直下において、金属はんだ５０の内部にボイド５１が残留する。

【0068】

このようにボイド５１が残留すると、レーザダイオードバー６０の動作中に生じた熱が金属はんだ５０を介してサブマウント２０に排出されるのが阻害される。このため、レーザダイオードバー６０の動作不良、例えば、長時間使用時のレーザ光の出力低下等を引き起こすことがある。極端な場合は、レーザダイオードバー６０の熱的破壊を引き起こすことがある。

【0069】

一方、本実施形態によれば、素子分離溝１７が複数の第２溝１７ｂを有していることで、ボンディング電極１４ｂの周縁から初期ボイド５１ａが逃げる経路を、比較例に示す場合に比べて大幅に長く確保できる。このことにより、エミッタ１１の直下に多くの初期ボイド５１ａが残留するのを抑制でき、最終的に、金属はんだ５０の内部にボイド５１が形成されるのを大幅に抑制できる。その結果、レーザダイオードバー１０とサブマウント２０との接合不良を低減できる。また、レーザダイオードバー１０の動作中に生じた熱がサブマウント２０に確実に排出されるため、レーザダイオードバー１０の動作不良を低減できる。また、レーザダイオードバー１０熱的破壊を防止して、レーザダイオードバーの動作信頼性を高められる。

【0070】

平面視で、ボンディング電極１４ｂは、素子分離溝１７とオーバーラップする部分を有していない。また、ボンディング電極１４ｂは、素子分離溝１７の第２溝１７ｂと所定の分離幅ΔＬをあけて配置されている。

【0071】

ボンディング電極１４ｂが、素子分離溝１７とオーバーラップする部分を有していると、当該部分で金属はんだ５０が素子分離溝１７の内部に入り込んで、素子分離溝１７の一部が埋まってしまうことがある。このようなことが起こると、素子分離溝１７が、初期ボイド５１ａの逃げ道になりえず、図４や図５に示すように、最終的に金属はんだ５０の内部にボイド５１が残留し、レーザダイオードバー１０の動作不良を引き起こしたり、動作信頼性の低下を招くおそれがある。

【0072】

本実施形態によれば、ボンディング電極１４ｂは、素子分離溝１７とオーバーラップする部分を有していないため、素子分離溝１７に金属はんだ５０が埋まり込んでしまうのを抑制できる。また、分離幅ΔＬを適切に設定することで、実装時の圧力でボンディング電極１４ｂの周縁からはみ出した金属はんだ５０が、素子分離溝１７に埋まり込んでしまうのを抑制できる。これらのことにより、レーザダイオードバー１０の動作不良や動作信頼性の低下が起こるのを抑制できる。

【0073】

また、素子分離溝１７は、レーザダイオードバー１０の第１面１０ａからＹ方向に沿って所定の深さを有している。当該深さは、レーザダイオードバー１０の第１面１０ａからレーザ光を発生する活性層までのＹ方向に沿った距離よりも深くなるように設定されている。

【0074】

素子分離溝１７をこのように設けることで、動作中に最も高温となりうる活性層を、リッジエミッタ１１毎に分離することができるため、複数のエミッタ１１の間で熱干渉が生じるのを確実に抑制できる。また、このことにより、各エミッタ１１における活性層から、基板１２を通ってサブマウント２０に向かう方向への熱拡散を促進できるため、各エミッタ１１から出射されるレーザ光の高出力化、ひいては、レーザダイオードバー１０から出射されるトータルのレーザ光の高出力化が可能となる。

【0075】

素子分離溝１７において、Ｚ方向に沿って互いに隣り合う第２溝１７ｂの間隔Ｌｖは、Ｘ方向に沿って互いに隣り合う第１溝１７ａの間隔Ｌｈよりも狭くなるように設定されている。

【0076】

このようにすることで、実装中に発生した初期ボイド５１ａが素子分離溝１７、具体的には、第２溝１７ｂに向かって移動する距離を比較例に示すレーザダイオードバー６０よりも短くできる。このことにより、金属はんだ５０の内部から初期ボイド５１ａをより多く排出でき、金属はんだ５０の内部にボイド５１が残留するのを確実に抑制できる。また、レーザダイオードバー１０の動作不良や動作信頼性の低下が起こるのを確実に抑制できる。

【0077】

また、第２溝１７ｂのＺ方向の幅Ｌ２は、第１溝１７ａのＸ方向の幅Ｌ１よりも狭いことが好ましい。幅Ｌ２が幅Ｌ１よりも広くなると、リッジストライプ１１ａ以外の部分に形成されるボンディング電極１４ｂの面積が大幅に小さくなるおそれがある。この場合、レーザダイオードバー１０とサブマウント２０とが熱的に接触する面積が小さくなり、レーザダイオードバー１０からサブマウント２０に排出される熱量が小さくなってしまうおそれがある。

【0078】

本実施形態によれば、レーザダイオードバー１０とサブマウント２０とが熱的に接触する面積が過度に小さくなるのを抑制でき、レーザダイオードバー１０の動作中に生じた熱がサブマウント２０に確実に排出される。このことにより、レーザダイオードバー１０の動作不良を低減できる。また、レーザダイオードバー１０熱的破壊を防止して、レーザダイオードバーの動作信頼性を高められる。

【0079】

なお、第１溝１７ａから突出する第２溝１７ｂの本数が多ければ、初期ボイド５１ａの逃げ道は多くなるものの、レーザダイオードバー１０とサブマウント２０とが熱的に接触する面積は小さくなる。以上のことを踏まえて、第１溝１７ａから突出する第２溝１７ｂの本数と第２溝１７ｂのＺ方向の幅Ｌ２、言い換えると、第２溝１７ｂの平面視での面積は、ボイド５１の残留抑制効果とレーザダイオードバー１０からサブマウント２０への放熱とを考慮して定められる。

【0080】

本実施形態に係るレーザモジュール１００は、レーザダイオードバー１０と、金属はんだ５０を介してレーザダイオードバー１０が表面に実装されるサブマウント２０と、レーザダイオードバー１０が実装されたサブマウント２０が載置された冷却器３０とを備えている。

【0081】

エミッタ１１の第１面１０ａに形成されたボンディング電極１４ｂが、金属はんだ５０を介してサブマウント２０の表面に接合されることで、サブマウント２０にレーザダイオードバー１０が実装される。

【0082】

レーザモジュール１００をこのように構成することで、レーザダイオードバー１０とサブマウント２０とを接続する金属はんだ５０の内部にボイド５１が形成されるのを大幅に抑制できる。このことにより、レーザダイオードバー１０とサブマウント２０との接合不良を低減できる。また、レーザダイオードバー１０の動作中に生じた熱がサブマウント２０に確実に排出されるため、レーザダイオードバー１０の動作不良を低減できる。また、レーザダイオードバー１０熱的破壊を防止して、レーザダイオードバーの動作信頼性を高められる。

【0083】

サブマウント２０は、導電性の母材の内部にダイヤモンド粒子が分散した複合体からなるのが好ましい。サブマウント２０をこのように構成することで、例えば、金属のみからなるサブマウントに比べて、放熱性を大幅に高められる。また、サブマウント２０をレーザダイオードバー１０への通電経路の一部とすることができる。

【0084】

母材は、銅または銀を主たる構成材料とすることが好ましい。このようにすることで、サブマウント２０の電気抵抗を低くすることができる。

【0085】

なお、前述したように、銅や銀等の導電材料の母材にダイヤモンド粒子が分散した複合体では、母材とダイヤモンド粒子との間の熱伝導率の差が大きく、サブマウント２０の表面温度の不均一性が大きくなる。このような不均一性は、金属はんだ５０の内部にボイド５１が残留する可能性を大きくすることは既に述べたとおりである。

【0086】

一方、本実施形態によれば、素子分離溝１７、特に複数の第２溝１７ｂが初期ボイド５１ａの逃げ道となることで、金属はんだ５０の内部にボイド５１が形成されるのを大幅に抑制できる。

【0087】

金属はんだ５０は、金とスズの合金からなるのが好ましい。金属はんだ５０をこのような構成とすることで、金属はんだ５０の融点と抵抗率とを低くすることができる。このことにより、レーザダイオードバー１０への通電時に発生する熱量を低く抑えられる。また、レーザダイオードバー１０とサブマウント２０との実装工程で、実装温度が高くなるのを抑制でき、レーザダイオードバー１０の反りを抑制できる。

【0088】

（その他の実施形態）
なお、レーザダイオードバー１０を構成する主たる半導体材料がＧａＡｓ系半導体やＩｎＰ系半導体であってもよい。また、各エミッタ１１から、赤外の波長域、例えば、９６０ｎｍ程度の波長のレーザ光がそれぞれ出射されてもよい。

【0089】

また、図１Ａでは、サブマウント２０が内部に冷却水路を有する冷却器３０に載置された例を示したが、冷却器３０における冷却機構は水冷に限らず、例えば、空冷であってもよい。また、冷却器３０を省略してもよい。すなわち、本開示に係るレーザモジュール１００は、レーザダイオードバー１０と、金属はんだ５０を介してレーザダイオードバー１０が表面に実装されるサブマウント２０と、を少なくとも備えていればよい。

【産業上の利用可能性】

【0090】

本開示のレーザダイオードバーは、金属はんだを介してサブマウントに実装された場合、金属はんだにボイドが残留するのを抑制することができるため、高出力のレーザ光を得る上で有用である。

【符号の説明】

【0091】

１０ レーザダイオードバー
１０ａ 第１面
１０ｂ 第２面
１０ｃ フロント端面
１０ｄ リア端面
１１ エミッタ
１１ａ リッジストライプ
１２ 基板
１３ ｎ側電極
１４ ｐ側電極
１４ａ オーミック電極
１４ｂ ボンディング電極
１５ 絶縁層
１６ リッジ分離溝
１７ 素子分離溝
１７ａ 第１溝
１７ｂ 第２溝
１８ バー分割溝
１９ 素子分離溝
２０ サブマウント
３０ 冷却器
４０ 金属層
５０ 金属はんだ
５１ ボイド
５１ａ 初期ボイド
６０ レーザダイオードバー
１００ レーザモジュール

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】