特許 7438476 半導体レーザ装置及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-16

(45)【発行日】2024-02-27

(54)【発明の名称】半導体レーザ装置及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/022 20210101AFI20240219BHJP

【ＦＩ】

H01S5/022

【請求項の数】 25

(21)【出願番号】P 2019150572

(22)【出願日】2019-08-20

(65)【公開番号】P2021034450

(43)【公開日】2021-03-01

【審査請求日】2022-07-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000226057

【氏名又は名称】日亜化学工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(74)【代理人】

【識別番号】100168332

【弁理士】

【氏名又は名称】小崎 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100172188

【弁理士】

【氏名又は名称】内田 敬人

(72)【発明者】

【氏名】小川 尚史

(72)【発明者】

【氏名】市川 将嗣

(72)【発明者】

【氏名】高野 哲至

【審査官】吉岡 一也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－２２２７２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１８－５２６３１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０７３４１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２７２６４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１１１６６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１００８６８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－１１９６９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１４０４３２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０９－１３８３２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－１２１８２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１７０６２９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００６－２４５１３６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

支持体と、
前記支持体の上面に接合された半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子の光出射面に直接接合され、無機材料からなる透光性部材と、
を備え、
前記光出射面側から見て、前記透光性部材は前記半導体レーザ素子の発光領域よりも大きく、前記透光性部材は前記支持体の端面にも直接接合されており、
前記光出射面及び前記端面は連続した平坦面を構成している半導体レーザ装置。

【請求項2】

前記半導体レーザ素子と前記透光性部材との間には、厚さが１ｎｍ以下の金属含有層が形成されている請求項１記載の半導体レーザ装置。

【請求項3】

支持体と、
前記支持体の上面に接合された半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子の光出射面に直接接合され、無機材料からなる透光性部材と、
を備え、
前記半導体レーザ素子と前記透光性部材との間には、前記半導体レーザ素子の材料を含む第１非晶質層と、前記透光性部材の材料を含む第２非晶質層とが形成されており、前記第１非晶質層は前記第２非晶質層に接しており、
前記光出射面側から見て、前記透光性部材は前記半導体レーザ素子の発光領域よりも大きく、前記透光性部材は前記支持体の端面にも直接接合されている半導体レーザ装置。

【請求項4】

支持体と、
前記支持体に接合された半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子の光出射面に直接接合され、無機材料からなる透光性部材と、
を備え、
前記半導体レーザ素子と前記透光性部材との間には、前記半導体レーザ素子の材料を含む第１非晶質層と、前記透光性部材の材料を含む第２非晶質層とが形成されており、前記第１非晶質層は前記第２非晶質層に接している半導体レーザ装置。

【請求項5】

前記半導体レーザ素子は、ガリウム及び窒素を含む請求項１～４のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。

【請求項6】

前記半導体レーザ素子は、レーザダイオードである請求項１～５のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。

【請求項7】

前記半導体レーザ素子は、半導体光増幅器である請求項１～５のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。

【請求項8】

前記半導体レーザ素子の光入射面に直接接合され、無機材料からなる他の透光性部材をさらに備えた請求項７記載の半導体レーザ装置。

【請求項9】

前記光入射面側から見て、前記他の透光性部材は前記半導体レーザ素子の発光領域よりも大きく、前記他の透光性部材は前記支持体の端面にも直接接合されている請求項８記載の半導体レーザ装置。

【請求項10】

前記半導体レーザ素子は、
素子本体部と、
前記素子本体部の表面に形成され、前記他の透光性部材の光出射面に直接接合された光学膜と、
を有する請求項８または９に記載の半導体レーザ装置。

【請求項11】

前記他の透光性部材は、
部材本体部と、
前記部材本体部の表面に形成され、前記半導体レーザ素子に直接接合された光学膜と、
を有する請求項８～１０のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。

【請求項12】

前記半導体レーザ素子は、
素子本体部と、
前記素子本体部の表面に形成され、前記透光性部材に直接接合された光学膜と、
を有する請求項１～９のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。

【請求項13】

前記透光性部材は、
部材本体部と、
前記部材本体部の表面に形成され、前記半導体レーザ素子に直接接合された光学膜と、
を有する請求項１～１２のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。

【請求項14】

前記透光性部材は、光ファイバーである請求項１～１３のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。

【請求項15】

前記透光性部材は、レンズである請求項１～１３のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。

【請求項16】

前記透光性部材は、回折光学素子である請求項１～１３のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。

【請求項17】

前記透光性部材は、レーザーゲイン媒質である請求項１～１３のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。

【請求項18】

前記透光性部材は、非線形光学結晶である請求項１～１３のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。

【請求項19】

半導体レーザ素子を支持体の上面に接合する工程と、
前記半導体レーザ素子の光出射面及び前記支持体の端面を含む第１面を平坦化する工程と、
前記平坦化した第１面に無機材料からなる透光性部材を直接接合する工程と、
を備えた半導体レーザ装置の製造方法。

【請求項20】

前記平坦化する工程は、前記第１面を研磨する工程を有する請求項１９記載の半導体レーザ装置の製造方法。

【請求項21】

前記平坦化する工程は、前記第１面に光学膜を形成する工程を有する請求項１９記載の半導体レーザ装置の製造方法。

【請求項22】

前記直接接合は固相接合である請求項１９～２１のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置の製造方法。

【請求項23】

前記直接接合は原子拡散接合である請求項１９～２２のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置の製造方法。

【請求項24】

前記直接接合は表面活性化接合である請求項１９～２２のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置の製造方法。

【請求項25】

半導体レーザ素子を支持体に接合する工程と、
前記半導体レーザ素子の光出射面を含む第１面を平坦化する工程と、
前記平坦化した第１面に無機材料からなる透光性部材を固相接合する工程と、
を備えた半導体レーザ装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

実施形態は、半導体レーザ装置及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、レーザダイオード（Laser Diode：ＬＤ）又は半導体光増幅器等の半導体レーザ素子と、レンズ等の透光性部材を組み合わせた半導体レーザ装置が開発されている。このような半導体レーザ装置においては、半導体レーザ素子の光出射面が光集塵により汚染されて、レーザ光の出力が低下する問題がある。特許文献１には、半導体レーザ素子と透光性部材との間にシリコーンオイルを充填し、これを変性させることにより、半導体レーザ素子の光出射面における光集塵を抑制する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１１－００３８８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の一実施形態は、光学特性が精度よく制御された半導体レーザ装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置は、支持体と、前記支持体に接合された半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子の光出射面に直接接合され、無機材料からなる透光性部材と、を備える。

【0006】

本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法は、半導体レーザ素子を支持体に接合する工程と、前記半導体レーザ素子の光出射面を含む第１面を平坦化する工程と、前記平坦化した第１面に無機材料からなる透光性部材を直接接合する工程と、を備える。

【発明の効果】

【0007】

実施形態によれば、光学特性が精度良く制御された半導体レーザ装置及びその製造方法を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１の実施形態に係る半導体レーザ装置を示す斜視図である。

【図2】第１の実施形態に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。

【図3】第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の半導体レーザ素子と透光性部材の接合面を示す一部拡大断面図である。

【図4A】第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法を示す図である。

【図4B】第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法を示す図である。

【図4C】第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法を示す図である。

【図4D】第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法を示す図である。

【図4E】第１の実施形態に係る半導体レーザ装置において、保護部材を設けた例を示す斜視図である。

【図5】第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の半導体レーザ素子と透光性部材の接合面を示す一部拡大断面図である。

【図6A】第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法を示す図である。

【図6B】第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法を示す図である。

【図7】第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の半導体レーザ素子と透光性部材の接合面を示す一部拡大断面図である。

【図8A】第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法を示す図である。

【図8B】第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法を示す図である。

【図9】第４の実施形態に係る半導体レーザ装置の半導体レーザ素子と透光性部材の接合面を示す一部拡大断面図である。

【図10】第５の実施形態に係る半導体レーザ装置の半導体レーザ素子と透光性部材の接合面を示す一部拡大断面図である。

【図11】第６の実施形態に係る半導体レーザ装置の半導体レーザ素子と透光性部材の接合面を示す一部拡大断面図である。

【図12】第７の実施形態に係る半導体レーザ装置を示す斜視図である。

【図13】第７の実施形態に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。

【図14】第８の実施形態に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。

【図15】第９の実施形態に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。

【図16】第１０の実施形態に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。

【図17】第１１の実施形態に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。

【図18】第１２の実施形態に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

＜第１の実施形態＞
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ装置１は、支持体４１と、支持体４１に接合された半導体レーザ素子２１と、半導体レーザ素子２１の光出射面２１ａに直接接合され、無機材料からなる透光性部材３１と、を有する。

【0010】

支持体４１は、半導体レーザ素子２１を搭載可能な上面４１ａを持つ部材である。支持体４１の熱膨張率は、半導体レーザ素子２１の熱膨張率に近いことが好ましい。半導体レーザ素子２１がＧａＮ系半導体材料により形成されている場合は、支持体４１は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）若しくは酸化アルミニウム（ＡｌＯ）等の絶縁材料、シリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）若しくはダイヤモンド（Ｃ）等の半導体材料、又は、銅（Ｃｕ）等の導電材料によって形成することができる。支持体４１には、半導体レーザ素子２１に電力を供給する配線が設けられていてもよい。

【0011】

半導体レーザ素子２１は、支持体４１の上面４１ａに設けられ、支持体４１に対して固定されている。半導体レーザ素子２１は、例えばレーザダイオード（ＬＤ）である。半導体レーザ素子２１は、例えば、一般式が、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で示され、ガリウム及び窒素を含む窒化ガリウム系化合物半導体によって形成することができる。当該一般式で示される具体的な半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等が挙げられる。半導体レーザ素子２１は、光出射面２１ａからレーザ光１００を出射する。半導体レーザ素子２１の光出射面２１ａ及び支持体４１の端面４１ｂは、連続した平坦面を構成している。言い換えると、光出射面２１ａと端面４１ｂの間には段差がなく、面一とされている。

【0012】

透光性部材３１は無機材料からなり、例えば、ガラス、石英、サファイア又はダイアモンドを含んでいてもよい。本実施形態においては、透光性部材３１の機能及び形状は特に限定しない。例えば、透光性部材３１は、半導体レーザ素子２１から出射したレーザ光１００に対して所定の光学的効果を加える光学部材であってもよい。後述する他の実施形態において説明するように、例えば、透光性部材３１は凸レンズ若しくは凹レンズ、回折格子、又は光ファイバー等の所定の形状を有し、レーザ光１００の波面や経路を制御してもよい。

【0013】

半導体レーザ素子２１の光出射面２１ａ側から見て、透光性部材３１は半導体レーザ素子２１の光出射面２１ａの発光領域よりも大きい。半導体レーザ素子２１の光出射面２１ａ及び支持体４１の端面４１ｂは、透光性部材３１の光入射面３１ａに直接接合されている。

【0014】

直接接合には、固相接合及び液相接合があり、固相接合には、原子拡散接合（Atomic Diffusion Bonding：ＡＤＢ）及び表面活性化接合（Surface Activated Bonding：ＳＡＢ）等、いくつかの方法があるが、半導体レーザ素子２１の光出射面２１ａ及び支持体４１の端面４１ｂと透光性部材３１は、いずれの方法によって直接接合されていてもよい。本実施形態においては、原子拡散接合（ＡＤＢ）によって直接接合されている例を説明する。

【0015】

図３に示すように、半導体レーザ素子２１と透光性部材３１との間には、金属含有層９１が形成されている。後述するように、金属含有層９１は、原子拡散接合によって半導体レーザ素子２１と透光性部材３１とを直接接合した結果、形成されたものである。金属含有層９１は、半導体レーザ素子２１の成分及び透光性部材３１の成分に加えて、金属、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を含有する。

【0016】

半導体レーザ素子２１及び透光性部材３１においては、原子が規則的に配列されており、単結晶を形成している。金属含有層９１においては、原子の配列がやや乱れているが、乱れの程度は小さく、空隙は実質的に存在しない。金属含有層９１の厚さｔは、数原子層程度であり、例えば５ｎｍ以下であり、例えば１ｎｍ以下である。金属含有層９１はレーザ光１００の波長と比較して十分に薄いため、レーザ光１００の特性には実質的に影響を及ぼさない。なお、例えば、透光性部材３１をサファイアによって形成し、後述する金属層９３ａ及び９３ｂをアルミニウムによって形成した場合、半導体レーザ素子２１から透光性部材３１にかけて成分分析を行うと、金属含有層９１に相当する領域においては、透光性部材３１に相当する領域と比較して、（Ａｌ／Ｏ）比が若干高くなった。

【0017】

次に、本実施形態に係る半導体レーザ装置１の製造方法について説明する。
本実施形態に係る半導体レーザ装置１の製造方法は、半導体レーザ素子２１を支持体４１に接合する工程と、半導体レーザ素子２１の光出射面２１ａを含む第１面９２を平坦化する工程と、平坦化した第１面９２に無機材料からなる透光性部材３１を直接接合する工程と、を備える。直接接合は、例えば、固相接合によって行い、例えば、原子拡散接合（ＡＤＢ）によって行う。

【0018】

以下、より具体的に説明する。
先ず、図４Ａに示すように、半導体レーザ素子２１を支持体４１の上面４１ａに接合する。接合方法は特に限定されず、例えば、接着剤を用いた接着でもよく、半田を用いた接合でもよく、これらを併用してもよい。
次に、図４Ｂに示すように、半導体レーザ素子２１の光出射面２１ａ及び支持体４１の端面４１ｂを含む第１面９２を研磨する。これにより、第１面９２を平坦化する。

【0019】

次に、図４Ｃに示すように、半導体レーザ素子２１及び支持体４１からなる構造体と、透光性部材３１を、真空チャンバー２０１内に装入する。そして、真空チャンバー２０１内を排気して、真空にする。このとき、真空チャンバー２０１内の圧力は、５．０×１０^－７Ｐａ以下とすることが好ましい。

【0020】

次に、平坦化した第１面９２、及び、透光性部材３１の光入射面３１ａに、金属を堆積させる。例えば、スパッタリング法により、アルミニウムを堆積させる。これにより、第１面９２に金属層９３ａが形成されると共に、光入射面３１ａに金属層９３ｂが形成される。金属層９３ａ及び９３ｂの厚さは、それぞれ、スパッタレート換算で０．０５ｎｍ以上０．５ｎｍ以下とし、例えば、０．２ｎｍ程度とする。なお、図４Ｃ及び図４Ｄにおいて、金属層９３ａ及び９３ｂは実際よりも厚く描かれている。

【0021】

次に、図４Ｄに示すように、同じ真空チャンバー２０１内で、真空を破らずに、支持体４１及び半導体レーザ素子２１の第１面９２と、透光性部材３１の光入射面３１ａとを、金属層９３ａ及び９３ｂを介して当接させ、加圧する。これにより、金属層９３ａ及び９３ｂを構成する金属原子と、支持体４１を構成する原子と、半導体レーザ素子２１を構成する原子が相互に固相拡散し、金属層９３ａ及び９３ｂが金属含有層９１に変化する。これにより、支持体４１の端面４１ｂ及び半導体レーザ素子２１の光出射面２１ａに、透光性部材３１が原子拡散接合される。このようにして、本実施形態に係る半導体レーザ装置１が製造される。

【0022】

なお、半導体レーザ素子２１に透光性部材３１を直接接合した後、図４Ｅに示すように、半導体レーザ装置１の上面に保護部材５１を設けてもよい。保護部材５１は、半導体レーザ素子２１の上面及び側面を覆い、外部雰囲気から半導体レーザ素子２１を保護する。保護部材５１は、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂又はフッ素樹脂等の樹脂材料により形成することができる。

【0023】

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態に係る半導体レーザ装置１においては、半導体レーザ素子２１の光出射面２１ａが透光性部材３１の光入射面３１ａに直接接合されている。このため、光出射面２１ａが大気に曝されることがなく、光集塵を抑制できる。

【0024】

また、半導体レーザ素子２１が透光性部材３１に直接接合されているため、光出射面２１ａとの光入射面３１ａとの間に、反射率及び屈折率等の光学特性に影響を及ぼす部材が存在しない。このため、半導体レーザ装置１は、半導体レーザ素子２１と透光性部材３１の光学特性で定まるとおりの、波面、経路、出力及び波長等の特性をもつレーザ光１００を得ることができる。言い換えると、半導体レーザ装置１は光学特性が精度よく制御されている。

【0025】

これに対して、仮に、透光性部材３１を半導体レーザ素子２１に接着剤層を介して接着すると、接着剤層がレーザ光１００の特性に影響を及ぼす可能性がある。接着剤層の反射率及び屈折率等の光学特性を正確に見積もることは困難であるため、半導体レーザ装置の光学特性を設計どおりに実現することは困難である。例えば、接着剤層の屈折率分布の不均一性により、レーザ光の波面が歪む等の不具合が発生する場合がある。

【0026】

更に、本実施形態においては、半導体レーザ素子２１を支持体４１に接合した後、透光性部材３１に直接接合している。これにより、直接接合時の加圧により、半導体レーザ素子２１が破損することを抑制できる。また、半導体レーザ素子２１を支持体４１に接合してから研磨することにより、半導体レーザ素子２１の光出射面２１ａを精度よく研磨して平坦化することができる。光出射面２１ａ及び光入射面３１ａを原子レベルまで平坦化することにより、光出射面２１ａと光入射面３１ａとの距離が原子間距離に近くなり、直接接合が効果的に発生し、半導体レーザ素子２１を透光性部材３１に強固に接合することができる。

【0027】

なお、本実施形態においては、金属層９３ａ及び９３ｂをアルミニウムにより形成する例を示したが、これには限定されない。金属層９３ａ及び９３ｂには、一般的な光学薄膜に使用される材料が使用可能である。例えば、金属層９３ａ及び９３ｂの材料には、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、銀（Ａｇ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、セリウム（Ｃｅ）、及び、クロム（Ｃｒ）からなる群より選択された１種以上の金属を使用可能である。また、固相接合の際には、必要に応じて、熱処理を施してもよい。

【0028】

＜第２の実施形態＞
本実施形態に係る半導体レーザ装置２の基本的な構成は、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１の構成と同様である。本実施形態においては、透光性部材３１が、半導体レーザ素子２１の光出射面２１ａに、表面活性化接合（ＳＡＢ）によって直接接合されている。

【0029】

図５に示すように、半導体レーザ素子２１と透光性部材３１との間には、半導体レーザ素子２１の材料からなる第１非晶質層９４ａと、透光性部材３１の材料からなる第２非晶質層９４ｂとが形成されており、第１非晶質層９４ａは第２非晶質層９４ｂに接している。第１非晶質層９４ａ及び第２非晶質層９４ｂの厚さは、それぞれ、数ｎｍ程度である。

【0030】

次に、本実施形態に係る半導体レーザ装置２の製造方法について説明する。
先ず、図４Ａ及び図４Ｂに示す工程を実施する。

【0031】

次に、図６Ａに示すように、半導体レーザ素子２１及び支持体４１からなる構造体と、透光性部材３１を、真空チャンバー２０２内に装入する。そして、真空チャンバー２０２内を排気して、真空にする。

【0032】

次に、平坦化した第１面９２、及び、透光性部材３１の光入射面３１ａに、不活性ガス、例えば、アルゴンガス（Ａｒ）をイオン注入する。これにより、第１面９２及び光入射面３１ａが活性化する。この結果、半導体レーザ素子２１の光出射面２１ａに第１非晶質層９４ａが形成されると共に、透光性部材３１の光入射面３１ａに第２非晶質層９４ｂが形成される。

【0033】

次に、図６Ｂに示すように、同じ真空チャンバー２０２内で、真空を破らずに、第１非晶質層９４ａと第２非晶質層９４ｂとを接触させて、加圧する。これにより、活性化した第１非晶質層９４ａと第２非晶質層９４ｂとが表面活性化接合され、透光性部材３１が支持体４１及び半導体レーザ素子２１に直接接合される。このようにして、本実施形態に係る半導体レーザ装置２が製造される。本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

【0034】

＜第３の実施形態＞
図７に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ装置３においては、半導体レーザ素子２１に、素子本体部２１ｃ及び光学膜２１ｄが設けられている。光学膜２１ｄは、素子本体部２１ｃの表面に形成されており、半導体レーザ素子２１の光出射面２１ａを構成する。したがって、透光性部材３１は、半導体レーザ素子２１の光学膜２１ｄに直接接合されている。直接接合は、例えば、原子拡散接合（ＡＤＢ）であり、光学膜２１ｄと透光性部材３１との間に、金属含有層９１が形成されている。すなわち、半導体レーザ装置３においては、レーザ光１００の経路に沿って、半導体レーザ素子２１の素子本体部２１ｃ、光学膜２１ｄ、金属含有層９１及び透光性部材３１がこの順に配列されている。

【0035】

光学膜２１ｄは、光出射面２１ａの平坦化のために設けられており、さらに、反射率の調整のために設けられる場合もある。光学膜２１ｄがレーザ光１００の波長に対して十分に薄い場合、例えば、光学膜２１ｄの厚さが数ｎｍ以下の場合は、光学膜２１ｄはレーザ光１００に実質的に影響を及ぼさず、光出射面２１ａの平滑化のみに寄与する。一方、光学膜２１ｄの厚さがレーザ光１００の波長と同程度以上である場合は、平滑化と共に反射率の調整にも寄与する。この場合、光学膜２１ｄは、例えば、半導体レーザ素子２１及び透光性部材３１に対して反射防止膜又は部分透過膜となる単層膜又は多層膜である。

【0036】

光学膜２１ｄが単層膜である場合、光学膜２１ｄの屈折率は、半導体レーザ素子２１の素子本体部２１ｃの屈折率及び透光性部材３１の屈折率に近い値であることが好ましい。例えば、素子本体部２１ｃが窒化ガリウム（ＧａＮ）により形成されている場合は、窒化ガリウムの屈折率は、その発光波長に対して、約２．４であるため、光学膜２１ｄの屈折率は、窒化ガリウムの発光波長に対して、２．１以上２．８以下の範囲であることが好ましい。これにより、レーザ光１００の反射率を０．５％程度に抑えることができる。光学膜２１ｄの屈折率は、２．３以上２．６以下の範囲であることがより好ましい。光学膜２１ｄの材料として、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用いることができる。酸化チタンの屈折率は、窒化ガリウムの発光波長に対して、約２．５である。

【0037】

光学膜２１ｄが多層膜である場合は、低屈折率層と高屈折率層を所定の周期で交互に積層させてもよい。これにより、各層の反射光を干渉させて、全体の反射率を調整することができる。各層の組成は、レーザ光１００の波長、半導体レーザ素子２１の素子本体部２１ｃに対する付着性等を考慮して選択する。例えば、低屈折率層を酸化シリコン（ＳｉＯ_２）により形成し、高屈折率層を酸化チタンにより形成することができる。酸化シリコンの屈折率は、窒化ガリウムの発光波長に対して、約１．５である。

【0038】

次に、本実施形態に係る半導体レーザ装置３の製造方法について説明する。
先ず、図８Ａに示すように、支持体４１の上面４１ａに半導体レーザ素子２１の素子本体部２１ｃを搭載する。このとき、支持体４１の端面４１ｂと素子本体部２１ｃの光出射面２１ａが連続した第１面９２を構成するようにする。なお、図４Ｂに示すように、第１面９２を研磨してもよい。

【0039】

次に、図８Ｂに示すように、例えば、化学気相成長法（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）により、第１面９２に光学膜２１ｄを形成する。成膜後の表面粗さや段差に応じて、必要と判断された場合には、第１面９２に対して、化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）等の研磨処理を施す。これにより、第１面９２が平坦化される。

【0040】

次に、図４Ｃ及び図４Ｄに示す工程を実施して、半導体レーザ素子２１及び支持体４１に透光性部材３１を原子拡散接合（ＡＤＢ）により直接接合する。このようにして、本実施形態に係る半導体レーザ装置３が製造される。

【0041】

本実施形態によれば、光学膜２１ｄを形成し、必要に応じて研磨処理を施すことにより、半導体レーザ素子２１の光出射面２１ａを高精度に平坦化することができる。また、光学膜２１ｄの設計によっては、半導体レーザ素子２１と透光性部材３１との間の反射率を調整することができる。この結果、半導体レーザ装置３の光学特性の設計の自由度及び調整の精度が向上する。本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

【0042】

＜第４の実施形態＞
図９に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ装置４においては、透光性部材３１に、部材本体部３１ｃ及び光学膜３１ｄが設けられている。光学膜３１ｄは、部材本体部３１ｃの表面に形成されており、透光性部材３１の光入射面３１ａを構成する。したがって、半導体レーザ素子２１及び支持体４１は、透光性部材３１の光学膜３１ｄに直接接合されている。直接接合は、例えば、原子拡散接合（ＡＤＢ）であり、半導体レーザ素子２１及び支持体４１と光学膜３１ｄとの間に、金属含有層９１が形成されている。すなわち、半導体レーザ装置４においては、レーザ光１００の経路に沿って、半導体レーザ素子２１、金属含有層９１、光学膜３１ｄ及び部材本体部３１ｃがこの順に配列されている。

【0043】

光学膜３１ｄの構成及び機能は、第３の実施形態における光学膜２１ｄの構成及び機能と同様である。本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び効果は、前述の第３の実施形態と同様である。

【0044】

＜第５の実施形態＞
本実施形態は、前述の第３の実施形態と第４の実施形態を組み合わせた例である。すなわち、本実施形態に係る半導体レーザ装置５においては、光学膜は半導体レーザ素子２１と透光性部材３１の双方に設けられている。

【0045】

図１０に示すように、半導体レーザ素子２１には素子本体部２１ｃ及び光学膜２１ｄが設けられており、透光性部材３１には部材本体部３１ｃ及び光学膜３１ｄが設けられており、光学膜２１ｄが光学膜３１ｄに直接接合されている。これにより、光学膜２１ｄと光学膜３１ｄの間には金属含有層９１が形成されている。したがって、レーザ光１００の経路に沿って、半導体レーザ素子２１の素子本体部２１ｃ、光学膜２１ｄ、金属含有層９１、透光性部材３１の光学膜３１ｄ及び部材本体部３１ｃが、この順に配列されている。

【0046】

本実施形態によれば、半導体レーザ素子２１及び透光性部材３１の双方に光学膜を設けることにより、半導体レーザ素子２１の光出射面２１ａ及び透光性部材３１の光入射面３１ａの双方をより平滑化することができる。この結果、半導体レーザ装置５の光学特性をより向上させることができる。本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び効果は、前述の第３の実施形態と同様である。

【0047】

＜第６の実施形態＞
図１１に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ装置６は、第５の実施形態に係る半導体レーザ装置５と比較して、半導体レーザ素子２１と透光性部材３１との直接接合を、表面活性化接合（ＳＡＢ）によって行っている点が異なっている。このため、半導体レーザ装置６においては、金属含有層９１は形成されておらず、半導体レーザ素子２１の光学膜２１ｄには第１非晶質層９４ａが形成されており、透光性部材３１の光学膜３１ｄには第２非晶質層９４ｂが形成されている。第１非晶質層９４ａは第２非晶質層９４ｂに接している。第１非晶質層９４ａは光学膜２１ｄの材料からなり、第２非晶質層９４ｂは光学膜３１ｄの材料からなる。本実施形態に係る半導体レーザ装置６の製造方法は、第２の実施形態と同様である。本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び効果は、第５の実施形態と同様である。

【0048】

＜第７の実施形態＞
図１２及び図１３に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ装置７においては、支持体４１上に半導体レーザ素子２２が設けられている。半導体レーザ素子２２は、半導体光増幅器である。半導体レーザ素子２２は、光入射面２２ｂに入射したレーザ光１０１を増幅して、光出射面２２ａからレーザ光１０２を出射する。半導体レーザ素子２２の光出射面２２ａは支持体４１の端面４１ｂと連続した平坦面を構成しており、半導体レーザ素子２２の光入射面２２ｂは支持体４１の端面４１ｃと連続した平坦面を構成している。支持体４１の端面４１ｂと端面４１ｃとは、相互に反対側に位置している。

【0049】

また、半導体レーザ装置７においては、透光性部材３１及び３２が設けられている。透光性部材３２は無機材料からなり、その組成は例えば、透光性部材３１と同様である。本実施形態においては、透光性部材３２の機能及び形状は特に限定しないが、例えば、第１の実施形態において説明した透光性部材３１の機能及び形状と同様である。透光性部材３２の組成、機能及び形状は、透光性部材３１の組成、機能及び形状と同じであってもよく、異なっていてもよい。

【0050】

半導体レーザ素子２２の光出射面２２ａ及び支持体４１の端面４１ｂは、透光性部材３１の光入射面３１ａに直接接合されている。また、半導体レーザ素子２２の光入射面２２ｂ及び支持体４１の端面４１ｃは、透光性部材３２の光出射面３２ａに直接接合されている。直接接合の方法は特に限定されず、例えば、固相接合であってもよく、例えば、原子拡散接合（ＡＤＢ）又は表面活性化接合（ＳＡＢ）であってもよい。半導体レーザ素子２２の光出射面２２ａ及び光入射面２２ｂ、並びに、支持体４１の端面４１ｂ及び端面４１ｃの平坦化の方法も特に限定されず、例えば、研磨又は光学膜の形成であってもよい。

【0051】

半導体レーザ素子２２の光出射面２２ａ側から見て、透光性部材３１は半導体レーザ素子２２の光出射面２２ａの発光領域よりも大きい。また、半導体レーザ素子２２の光入射面２２ｂ側から見て、透光性部材３２は半導体レーザ素子２２の光入射面２２ｂの発光領域よりも大きい。なお、「発光領域」とは、レーザ光１０１の光束が通過する領域である。

【0052】

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態に係る半導体レーザ装置７においては、半導体レーザ素子２２の光入射面２２ｂが透光性部材３２の光出射面３２ａに光学的に結合されている。このため、透光性部材３２から半導体レーザ素子２２にレーザ光１０１を導入することができる。半導体レーザ素子２２は、入射したレーザ光１０１を増幅して、光出射面２２ａからレーザ光１０２を出射する。

【0053】

また、透光性部材３２の光出射面３２ａにおけるレーザ光１０１が出射する領域は、半導体レーザ素子２２に直接接合されている。このため、この領域が大気に曝されることがない。このため、光集塵を抑制できる。

【0054】

更に、半導体レーザ素子２２が透光性部材３２に直接接合されているため、透光性部材３２の光出射面３２ａと半導体レーザ素子２２の光入射面２２ｂとの間に、反射率及び屈折率等の光学特性に影響を及ぼす部材が存在しない。このため、半導体レーザ素子２２と透光性部材３２の光学特性で定まるとおりの、波面、経路、出力及び波長等の特性をもつレーザ光１０１を半導体レーザ素子２２に入射させることができ、半導体レーザ素子２２から、半導体レーザ素子２２と透光性部材３３の光学特性で定まるとおりの、波面、経路、出力及び波長等の特性をもつレーザ光１０２を出射させることができる。したがって、半導体レーザ装置７は、光学特性が精度よく制御されている。本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

【0055】

＜第８の実施形態＞
図１４に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ装置８においては、半導体レーザ素子２２の出力側に透光性部材３３が設けられており、半導体レーザ素子２２の入力側に透光性部材３９が設けられている。透光性部材３３及び３９は、凸レンズである。透光性部材３３の光入射面３３ａは、支持体４１の端面４１ｂ及び半導体レーザ素子２２の光出射面２２ａに直接接合されている。透光性部材３９の光出射面３９ａは、支持体４１の端面４１ｃ及び半導体レーザ素子２２の光入射面２２ｂに直接接合されている。半導体レーザ素子２２は、第７の実施形態において説明したように、半導体光増幅器である。直接接合は、例えば、原子拡散接合（ＡＤＢ）又は表面活性化接合（ＳＡＢ）である。

【0056】

本実施形態によれば、凸レンズである透光性部材３９によって集光したレーザ光１０１を、波面や経路等が精度良く制御された状態で、半導体レーザ素子２２に入射させることができる。また、半導体レーザ素子２２から出力したレーザ光１０２を、凸レンズである透光性部材３３によって集光することができる。本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び効果は、第７の実施形態と同様である。なお、透光性部材として凹レンズ又はプリズムを設けてもよい。

【0057】

＜第９の実施形態＞
図１５に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ装置９においては、半導体レーザ素子２２の出力側に、透光性部材３４が設けられている。透光性部材３４は、回折格子３４ｃが設けられた回折光学素子（Diffractive Optical Elements：ＤＯＥ）である。透光性部材３４の光入射面３４ａは、支持体４１の端面４１ｂ及び半導体レーザ素子２２の光出射面２２ａに直接接合されている。

【0058】

本実施形態によれば、半導体レーザ素子２２から出力したレーザ光１０２を、回折格子３４ｃが設けられた透光性部材３４によって回折させて、種々のパターンにモード整形することができる。本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び効果は、第７の実施形態と同様である。

【0059】

＜第１０の実施形態＞
図１６に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ装置１０においては、半導体レーザ素子２２の出力側に、透光性部材３５が設けられている。透光性部材３５は、レーザーゲイン媒質である。レーザーゲイン媒質は、例えば、チタンサファイア結晶又は希土類ドープガラスや希土類ドープ固体単結晶等である。透光性部材３５の光入射面３５ａは、支持体４１の端面４１ｂ及び半導体レーザ素子２２の光出射面２２ａに直接接合されている。

【0060】

本実施形態によれば、半導体レーザ素子２２から出力したレーザ光１０２によって、レーザーゲイン媒質である透光性部材３５を励起し、発光させることができる。本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び効果は、第７の実施形態と同様である。

【0061】

＜第１１の実施形態＞
図１７に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ装置１１においては、半導体レーザ素子２２の出力側に、透光性部材３６が設けられている。透光性部材３６は、非線形光学結晶である。非線形光学結晶は、例えば、ＢＢＯ（ベータホウ酸バリウム：β－ＢａＢ_２Ｏ_４）結晶又はＬｉＮｂＯ_３結晶等である。透光性部材３６の光入射面３６ａは、支持体４１の端面４１ｂ及び半導体レーザ素子２２の光出射面２２ａに直接接合されている。

【0062】

本実施形態によれば、半導体レーザ素子２２から出力したレーザ光１０２を、非線形光学結晶である透光性部材３６によって波長変換することができる。本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び効果は、第７の実施形態と同様である。

【0063】

＜第１２の実施形態＞
図１８に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ装置１２においては、半導体レーザ素子２２の入力側及び出力側に、それぞれ、透光性部材３７及び透光性部材３８が設けられている。透光性部材３７及び３８は光ファイバーである。光ファイバーである透光性部材３７の光入射面３７ａは、半導体レーザ素子２２の光出射面２２ａに直接接合されている。光ファイバーである透光性部材３８の光出射面３８ａは、半導体レーザ素子２２の光入射面２２ｂに直接接合されている。

【0064】

透光性部材３７は光出射面２２ａにおけるレーザ光１０２が出射する領域に直接接合されていればよく、光出射面２２ａ側から見て、透光性部材３７は半導体レーザ素子２２よりも小さくてもよい。また、透光性部材３８は、透光性部材３８内を伝播したレーザ光１０１が半導体レーザ素子２２に確実に入射するような位置に接合されていればよく、光入射面２２ｂ側から見て、透光性部材３８は半導体レーザ素子２２よりも小さくてもよい。

【0065】

本実施形態によれば、光ファイバーである透光性部材３８内を伝播したレーザ光１０１が、半導体レーザ素子２２に入射する。そして、半導体レーザ素子２２がレーザ光１０１を増幅してレーザ光１０２を生成する。半導体レーザ素子２２から出射したレーザ光１０２は、光ファイバーである透光性部材３７に入射し、透光性部材３７内を伝播する。本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び効果は、第７の実施形態と同様である。

【0066】

前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。前述の各実施形態においては、半導体レーザ素子がＬＤ又は半導体光増幅器である例を示したが、本発明はこれには限定されない。直接接合の方法も、原子拡散接合（ＡＤＢ）及び表面活性化接合（ＳＡＢ）には限定されず、例えば、プラズマ活性化接合等の他の方法でもよい。透光性部材の例も、前述の各実施形態において例示した形態には限定されない。

【産業上の利用可能性】

【0067】

本発明は、例えば、車載用照明装置、ディスプレイ装置及びプロジェクタ装置等の光源に利用することができる。

【符号の説明】

【0068】

１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２：半導体レーザ装置
２１、２２：半導体レーザ素子
２１ａ、２２ａ：光出射面
２１ｂ、２２ｂ：光入射面
２１ｃ：素子本体部
２１ｄ：光学膜
３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９：透光性部材
３１ａ、３３ａ、３４ａ、３５ａ、３６ａ、３７ａ：光入射面
３２ａ、３８ａ：光出射面
３１ｃ：部材本体部
３１ｄ：光学膜
３４ｃ：回折格子
４１：支持体
４１ａ：上面
４１ｂ、４１ｃ：端面
５１：保護部材
９１：金属含有層
９２：第１面
９３ａ、９３ｂ：金属層
９４ａ、９４ｂ：非晶質層
１００、１０１、１０２：レーザ光
２０１、２０２：真空チャンバー
ｔ：厚さ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】