专利名称：激光元件及其制造方法，以及使用该激光元件的激光模块的制作方法
技术领域：
本发明是关于将由一块基板内具有多个发光点的氮化物半导体形成的激光棒固定在散热器上，形成激光元件的制造方法和具有该激光元件的激光模块。
背景技术：
为了提高激光器的输出，提出了一种具有多条激光束、光纤、和由使上述多条激光束对光纤进行合波的准直透镜和聚光透镜形成光学系统的激光模块(例如，参照专利文献1)。作为多个激光束光源，可以使用将具有一个发光点的二极管设置在散热器等中的组件，或者使用在一块基板上形成半导体层层叠而成的具有多个发光点的半导体激光棒。
然而，在同一块基板上通过成长结晶形成多个发光点的半导体激光棒中，存在的问题是发光点以并行方向，产生叫作笑颜的翘曲，一部分激光束从并行的位置向上方或向下方偏移(例如，参照非专利文献1)。将这样的半导体激光棒连接在固定面平坦的散热器上时，以前，使用圆柱状筒夹(collet)，一边通过将半导体激光棒的发光点并行方向挤压靠近中心处，矫正翘曲，一边连接。
在上述激光模块的光学系统内，放大率，例如，约10倍时，若半导体激光棒中发光点的变位量为2μm的活，聚焦点在射入纤维端处，就会形成2μm×10＝20μm的移动。这就意味着聚焦点从50μm纤维(半径25μm)的中心部位，最大移动20μm，导致大幅度降低结合效率。此处所说的“发光点的变位量”是表示在散热器的固定面为平坦面时，从透镜光轴方向看半导体激光棒时，从散热器上的半导体激光棒固定面到最近发光点中心的距离，与到最远发光点中心的距离之差。
以往，在GaAs系半导体激光棒与Cu散热器的塔接中，使用了刚性低的(柔软的)In。由于Cu散热器和GaAs系半导体激光棒的热膨胀系数有很大的差异，半导体激光棒驱动时，因发热等，使半导体激光器内部产生应力(形变)，但使用In可以缓和这种内部应力。
(专利文献1)特开2002-202442号公报(非专利文献1)Dr.Boland Dichel，“ltigh Power Diode Lasers”，Springer-Verlag社在兰宝石基板或GaN基板上，成长GaN系化合物形成具有多个发光点的氮化物半导体激光棒，比GaAs系半导体激光棒的刚性要好。因此，在氮化物半导体激光棒的情况下，使用上述的筒夹时，不可能形成与散热器表面同等形状。作为焊剂材料，使用硬度低的In时，由于氮化物半导体激光棒的硬度很高，所以很难以和散热器表面同等形状进行固定。
进而，在上述激光模块中使用氮化物半导体激光棒时，由于其翘曲，所以存在与光纤的结合效率低的问题。经过一段时间的驱动，也因发热等，激光棒仍会恢复到原来的翘曲状，这也存在降低结合效率的问题。
发明内容
本发明鉴于上述情况，其目的是提供一种激光元件，以和散热器的激光棒固定面形状大体一致的形状，使半导体激光棒固定在散热器上；，和该激光元件的制造方法；以及使用该激光元件的，与纤维的结合效率大的激光模块。
本发明的激光元件，其特征在于，将一块基板内具有3个以上发光点的氮化物半导体激光棒，以具有与散热器上固定该半导体激光棒的表面形状相对应形状的部件，挤压在由Cu或含Cu合金形成的散热器上，并利用由Au和Sn或Si形成的焊剂材料进行固定而成的。
本发明激光元件的制造方法，其特征在于，以具有与散热器上固定半导体激光棒的表面形状相对应形状的部件，将一块基板内具有3个以上发光点的氮化物半导体激光棒，挤压在由Cu或含Cu合金形成的散热器上，并利用由Au和Sn或Si形成的焊剂材料进行固定。
本发明的激光模块，其特征在于，由上述本发明的激光元件、光纤、和将来自激光元件的多条激光光束进行合波并射入该光纤的聚光光学系统而成。
根据本发明的激光元件，由于以具有与散热器上固定半导体激光棒的表面形状相对应形状的部件，挤压并固定该半导体激光棒，所以能使多个发光点，以和散热器上半导体激光棒的固定面形状大致同等的形状，形成并行状。
另外，作为焊剂材料，由于使用了由Au和Sn或Si形成的材料，所以半导体激光棒能与散热器形成牢固的连接，而且可以做到发光点的经时移动量很小，并提高了可靠性。
在使激光光束对纤维形成合波的激光模块中，使用这样的激光元件时，由于多个发光点和散热器的表面形状大致同等的形状并行排列，所以只要使与多个发光点对应的透镜的并行光轴与散热器的表面形状一样就可以，并由于光学系统设计简便，易于进行位置重合，所以也能很容易地制造激光模块。
根据本发明激光元件的制造方法，由于以具有与散热器上固定半导体激光棒的表面形状相对应形状的部件，对半导体激光棒进行挤压并固定，所以能很容易地以和散热器上半导体激光棒固定面形状大致同等的形状，排列多个发光点。
通过使用由Au和Sn或Si形成的焊剂材料，由于能吸收Cu和氮化物半导体激光棒之间的热膨胀系数差，所以能减小半导体激光棒内部产生的应力。
进而，与In进行比较，通过使用硬度高的由Au和Sn或Si形成的焊剂材料，所以能牢固地固定刚性高的氮化物半导体激光棒。由于硬度高，所以能防止氮化物半导体激光棒经过一段时间后恢复翘曲，从而能获得很高的经时可靠性。
根据本发明的激光模块，由于使用了上述经时可靠性高的激光元件，所以能提高对介于光学系统的光纤结合效率。由于能容易设计光学系统和位置重合，所以也容易制造。
图1是表示根据本发明的第1实施方式制造激光元件的方法的断面图。
图2是散热器的表面为平坦面时发光点变位量的定义说明图。
图3是表示构成本发明激光元件的氮化物半导体激光棒中的GaN基板制造过程的断面图。
图4是表示构成本发明激光元件的氮化物半导体棒的制造过程的断面图。
图5是表示本发明的激光元件和比较例的激光元件，向散热器上安装后和实施热循处理后的发光点变位量的曲线和表。
图6是表示根据本发明第1实施方式的激光模块简要的构成图。
图7是表示激光束偏离光纤中心的量与结合效率之间的关系的曲线。
图8是表示根据本发明第2实施方式的激光元件制造方法的断面图。
图9是表示散热器的表面为弧状面时，发光点变位量的定义的断面图。
图10是表示根据本发明第2实施方式的激光元件的立体图。
图11是表示根据本发明第2实施方式的激光模块的立体图。
图中，11…Cu散热器，12…发光点，13…氮化物半导体激光棒，14…焊剂材料，16…筒夹，15…激光元件，21…蓝宝石基板，22…GaN缓冲层，23…GaN层，24、27、29、…SiO2膜，25…保护层，26、28…GaN层，31、31、…n-GaN层 41…n型GaN基板，42…GaN缓冲层，43…AlGaN/GaN超格子包层，44…GaN光波导层，45…InGaN/InGaN三重量子井活性层，46…AlGaN载波块层，47…GaN光波导层，48…AlGaN超格子包层，50…SiO2膜，51…p侧电极，52…N侧电极具体实施方式
以下用附图详细说明本发明的实施方式。
说明对根据本发明的第1实施方式制造激光元件的方法。图1示出了制造该激光元件过程的断面图。
如图1(a)所示，在由最表面为1μm厚镀Au的Cu形成的散热器11平坦表面11a上，配置3-50μm左右厚的颗粒状的，由AuSn形成的焊剂材料14，再在其上配置氮化物半导体激光棒13。以和氮化物半导体激光棒13大致同等的纵向长度的，由与散热器表面11a形状相对应的平坦板形成的焊接简夹16，一边挤压该氮化物半导体激光棒13，一边加热AuAn焊剂材料14，熔融后固化，固定住氮化物半导体激光棒13。散热器表面11a，每10mm具有0.02μm以下的平坦性。
如图1(b)所示，如此制造的激光元件，翘曲得以挤正，发光点与散热器表面11a大致同等地成一直线并行排列，发光点的变位量为0.2μm。
AuSn焊剂材料14，并不仅限于颗粒状，也可以是在散热器上利用蒸镀形成的材料。
另外，散热器，厚度约6mm，在Cu块的表面上，依次蒸镀Ni(0.1μm)和Pt(0.2μm)而形成的。
筒夹并不限于板状的，也可以是具有多个凸部的，由该多个凸部的端部形成的形状，最好是具有与散热器固定面同等的形状。
此外，在此所说的发光点变位量是指，如图2所示，散热器的表面为平坦面时，从透镜光轴方向看半导体激光棒时，从散热器上的半导体激光棒表面到最远发光点中心的距离l2，与到最近发光点中心的距离l1之差(l2-l1)。
以下对氮化物半导体棒的制作方法进行说明。图3中示出了该激光棒的GaN基板制造过程的断面图，图4中示出了半导体层向GaN基板上进行层叠过程的断面图。
如图3(a)所示，利用有机金属气相成长法，将三甲基镓(TMG)和氨用作成长用原料，作为n型掺杂气体使用硅烷气体，作为p型掺杂剂使用茂基镁(Cp2Mg)，500℃下，以20nm左右膜厚，在(0001)C面兰宝石基板21上形成缓冲层22。接着，将温度升到1050℃，成长2μm的GaN层23。在其上形成SiO2膜24，涂布保护膜(regist)25后，利用通常的石印(平版印刷)，在(数1)(1 100)方向上除去3μm宽的SiO2膜24，形成7μm宽的SiO2膜24线，形成线和间隙为10μm周期的图案。
接着，如图3(b)所示，将保护层25和SiO2膜24作防护层，使用氯系气体，通过干蚀刻，除去缓冲层22和GaN层23，达到兰宝石基板21上面后，除去保护层25和SiO2膜24。此时，兰宝石基板21也可少许蚀刻。
接着，如图3(c)所示，使GaN层26选择成长20μm。这时，通过横向成长，最终形成条状合体，表面形成平坦化。在这时刻，在由缓冲层22和GaN层23形成层的线上部，产生贯通错位，但该线间的GaN层26上，不产生贯通错位。
接着，如图3(d)所示，形成SiO2膜27，将位于可残留上述缓冲层22和GaN层23的线间间隙部分中央处的SiO2膜27除去3μm左右。
接着，如图3(e)所示，将成长温度升至1050℃，使GaN层选择成长20μm。这时通过横向成长，最终形成条状合体，表面形成平坦化。
接着，如图3(f)所示，形成SiO2膜29，将位于残留SiO2膜27的中央处的SiO2膜29除去宽3μm左右，在其上，升高成长温度到1050℃，选择成长20μm左右的GaN层30。
最后，如图3(g)所示，在如上述制作成的GaN基板上，成长100-200μm左右的n-GaN层31后，除去从兰宝石基板到GaN层30，将n-GaN层41作为n型GaN基板。
接着，如图4所示，在如上述制作的n型GaN基板41上形成以下层叠，即，N-CaN缓冲层42、150双的n-Al0.14Ga0.86N(2.5nm)/GaN(2.5nm)超格子包层43、n-GaN光导波层44、n-In0.02Ga0.98N(10.5nm)/n-In0.15Ga0.85N(3.5nm)三重量子井活性层45、p-Al0.2Ga0.8N载波块层46、p-GaN光导波层47、150对p-Al0.14Ga0.86N(2.5nm)/GaN(2.5nm)超格子包层48、p-GaN接触层49。作为p型的杂质，使用Mg。为了使Mg活化，成长后可在氮气气氛中热处理，或者在富氮气氛中实施成长，也可以采用任意方法。
接着，在条带区域形成具有开口的SiO2膜50，以500μm间距设置宽2μm的开口500。形成由Ni/Au而成的p侧电极51后，研磨基板，在基板里面上，与p侧电极对应的区域内形成Ti/Au的n电极52。将如上述制作的试料剖开，在形成共振的一个面上进行高反射涂层，在另一面上进行低反射涂层，之后，剖切成共振器长400μm、长约1cm的棒，制成半导体激光棒13。
如此制作的氮化物半导体激光棒的振荡带入为400-420nm，输出30mW。形成20个2μm宽的发光点，间距约500μm，发光点并行方向的长度约1cm。向上形成p侧电极侧的面，翘曲成凸状，其发光点变位量约10μm。
接着，从一20℃到80℃升降温100次循环，对上述制成的激光元件进行热循环处理。这种热循环处理，是对焊接半导体激光棒和散热器时熔融固化焊剂材料，在焊剂材料内部产生的应力，进行缓冲的必要过程，就确保元件的可靠性讲，是不可省略的过程。
将向散热器连接后和热循环处理后激光元件的发光点变位量与比较例的激光元件进行比较。结果示于图5。另外，比较例的氮化物半导体激光棒的制作与本发明氮化物半导体激光棒的制作一样，具有20个发光点，发光点排列方向的长度约1cm，发光点变位量也为10μm。向散热器上的固定方法与本发明一样。
如图5所示，利用本发明激光元件的制造方法制造的激光元件中，发光点变位量为0.2μm，与其相反，利用以往的激光元件制造方法制造的激光元件发光点变位量为2μm，认为本发明的氮化物半导体激光棒，由于使用了具有与散热器表面11a形状一样平坦表面形状的筒夹，作为焊剂材料，使用了硬度高的AuSn，所以能够减小发光点的变位量。
热循环处理后的发光点变位量，本发明中，为0.2μm，比较例中，为2.5μm。认为比较例中使用了比本发明激光元件中所用的AuSn硬度低的In，所以激光棒能再次产生翘曲。
散热器，并不仅限于由Cu制成的，也可以是由含Cu合金，如CuTe合金制成。
接着，对具有上述本发明激光元件的一个激光模块实施方式进行说明。图6中示出了该激光模块的简要平面图。
本实施方式的激光模块，如图6所示，具有20个发光点的氮化物半导体激光棒13(长1cm)，发光点变位量为0.2μm，是由以下部分构成，即，在由Cu形成的散热器11上，用AuSn焊剂材料固定的激光元件15、由平行光管透镜阵列61和一个聚光透镜62形成的光学系统、和1条多模光纤63。
另外，在图6中，为了避免图面复杂，在由氮化物半导体激光棒发出的激光B1-B20中，只对B1和B20付与了符号，省去了B2-B19的符号。
由氮化物半导体激光棒13的各个发光点，以发散光状态射出的激光束B1-B20，分别由平行光管透镜阵列61形成平行光。
形成平行光的激光束B1-B20，由聚光透镜62进行聚光，在多模光纤63芯的射入端面上进行集束。在本例中，是由平行光管透镜阵列61和聚光透镜62构成聚光光学系统，由该系统和多模光纤63构成合波光学系统。即，如上述，由聚光透镜62聚光的激光束B1-B20射入该多模光纤63的芯内，并将其传递，合波成1条激光束B，从多模光纤63中射出。
平行光管透镜阵列61的构成，是将20个平行光管透镜61a以一列固定成一个整体。各个平行光管透镜61a切取一部分含有轴对称透镜的光轴，形成细长形状。具体讲是各个平行光管透镜61a的开口径，在水平方向，垂直方向上各为0.5mm、1.5mm，而各个平行光管透镜61a的各焦点距离f1＝1.2mm，NA＝0.6，有效高度为2.5mm。而且，与激光束的断面形状一致，纵横比，例如取为3∶1。这些20个平行光管透镜61 a的间距，与氮化物半导体激光棒的发光点间距一致，为500μm(误差在0.2μm以下)。
由各发光点发出的激光束B1-B20，对于上述形成的细长形状的各个平行光管透镜，以扩展角最大的方向和开口径大的方向一致，扩展角最小的方向和开口径小的方向一致的状态，形成射入。入射激光束B1-B20的水平方向、垂直方向的光束径，各自为0.36mm、1.04mm。即，形成细长形状的各个平行光管透镜61a，与入射激光束B1-B20的椭圆形断面形状相对应，极力减少使用非有效部分。
聚光透镜62是宽为12mm、有效高度为10mm、焦点距离为16.0mm，NA为0.6的缩短型透镜，20条激光束由聚光透镜62进行聚光，在多模光纤63的芯端面上收束成直径约为26μm的聚焦点。
作为多模光纤63，是将三菱电线工业株式会社制的缓变折射率型的光纤为基本纤维，芯中心部分是缓变折射率，外周部分是阶梯折射率，使用芯径为50μm、NA为0.3、端面涂层的透过率在99.5％以上的光纤。本实例中，是上述的芯径×NA的值为7.5μm。
本实施方式中，构成激光模块的各要素，最好是装入上方开口的箱式包装体内，用包装体盖封闭住该包装体的上述开口。由此，可防止污染物附着在各要素表面的光路上，可获得长期高可靠性的组件。尤其是，由于能量高，集尘效果也高，所以在350-450nm的波长带内是很有效的。
本实施方式的构成中，激光束B1-B20向多模光纤63的结合效率达到90％。因此，从氮化物半导体激光棒13的各发光点的输出为30mW时，可得到输出540mW(＝30mW×0.9×20)的合波激光束B。
对在上述的激光模块中，1条激光束偏离纤维中心时与纤维的结合效率变化进行说明。图7中示出了由激光棒发出的光束与射入光纤端的纤维中心(半径25μm)偏离量和对纤维的结合效率之间的关系。
上述激光模块的光学系统放大率，根据平行光管透镜和聚光透镜的焦点距离，为16mm/1.2mm13.3倍。即，例如，翘曲成凸状的氮化物半导体激光棒的发光点变位量为1μm时将元件中心的发光点作为基准位置，将基准位置的光束调至纤维芯中心时，由偏离基准位置的发光点发出的光束，会偏离纤维中心13.3μm。当偏离13.3μm时，如图7所示，结合效率降低15％左右。
即，在上述比较例的激光模块中，激光元件在热循环处理后的变位量为2.5μm，所以例如，将位于激光中心部位的发光点发出的激光束，调至光纤芯中心时(即，将由该发光点发出的激光束调至与平行光管透镜的光轴一致时)，从两端的发光点发出的激光束会偏离光纤中心33μm左右(2.5×13.4)。当偏离33μm时，不能与芯径50μm的纤维(半径25μm)相结合。
另外，在根据本发明的激光模块中，激光元件在热循环处理后的发光点变位量，由于是0.2μm，所以将该激光元件用于激光模块中时，与上述比较例一样调芯时，由两端的发光点发出的激光束，会偏离纤维中心2.6μm(＝0.2μm×13.3)。当偏离2.6μm左右时，根据图7，结合效率的降低在5％以内，因此能维持很高的结合效率。
以下对根据本发明第2实施方式制造激光元件的方法进行说明。该制造过程的断面图示于图8之中。
如图8(a)所示，散热器是在6mm厚、圆柱状的Cu块表面上，依次蒸镀Ni(0.1μm)、Pt(0.2μm)和Au(1μm)的，在散热器73的弧状表面73a上，蒸镀3-50μm左右厚的由AuSn形成的焊剂材料14而形成，再在其上配置氮化物系半导体激光棒13。用具有和散热器的曲率同等曲率的焊接筒夹71，一边挤压该激光棒，一边加热AuSn焊接材料14，熔融后固化，固定住氮化物半导体激光棒13。
这样制作的激光元件，如图8(b)所示，发光点以和散热器的曲率半径同等的曲率半径，成一直线状并行排列，发光点变位量为0.4μm。由于利用AuSn焊剂材料连接固定，所以是牢固连接，经时可靠性很高。
所说的散热器的表面形状为弧状时的发光点变位量，如图9所示，以散热器的曲率半径R和相对激光元件的并行发光的曲率半径R1之差(R1-R)表示。
以下对上述制造的激光元件进行说明，该激光元件的立体图示于图10。
如图10所示，本实施方式的激光元件75，在半径7mm圆柱状的散热器73表面73a上，将与氮化物半导体激光棒13同样制造的具有20个发光点的3个氮化物半导体激光棒13a、13b和13c，以同等间距，利用AuSn焊剂材料进行连接的。
以下对具有本实施方式的激光元件的激光模块进行说明。
如图11所示，根据本实施方式的激光模块，由激光元件75、3个平行光管透镜阵列81a、81b、81c、1个聚光透镜82、和1条多模光纤83构成。并通过平行光管透镜和聚光透镜构成光学系统。
在图11中，为避免图面复杂化，对从氮化物半导体激光棒13a、13b和13c分别发出的20条激光中，只记载2条，对后18条省略。
由氮化物半导体激光棒13a、13b和13c的各个发光点，以发散光状态射出的20条激光束，分别由平行光管透镜阵列81a、81b和81c形成平行光。
形成平行光的激光束，由聚光透镜82进行聚光，在多模光纤83芯的入射端面上进行会聚，合波成1条激光束B，并从多模光纤83射出。
聚光透镜82，例如以树脂或光学玻璃为原料，通过模塑成形法制作。
本发明的激光模块，由于使用了以和散热器的曲率半径同等曲率半径，使发光点成一线状并行排列，牢固连接的经时可靠性高的激光元件，所以能使平行光管透镜的并行光轴与散热器的表面形状一样，从而光学系统设计简便，容易进行位置重合，并能容易制造。
权利要求
1.一种激光元件，其特征在于，是将一块基板内具有3个以上发光点的氮化物半导体激光棒，用具有与散热器上固定半导体激光棒的表面形状相对应形状的部件，挤压在由Cu或含Cu合金形成的散热器上，并用由Au和Sn或Si形成的焊剂材料固定而成的。
2.一种激光元件的制造方法，其特征在于，是将一块基板内具有3个以上发光点的氮化物半导体激光棒，用具有与散热器上固定半导体激光棒的表面形状相对应形状的部件，挤压在由Cu或含Cu合金形成的散热器上，并用由Au和Sn或Si形成的焊剂材料固定住。
3.一种激光模块，其特征于，由权利要求1记载的激光元件、光纤、和将上述激光元件发出的多条激光光束，进行合波并射入该光纤的聚光光学系统而构成。
全文摘要
将氮化物半导体激光棒牢固地固定在Cu散热器上，得到激光元件。在由表面上依次蒸镀上Ni(0.1μm)和Pt(0.2μm)的Cu形成的散热器11上，配置3μm－50μm厚颗粒状由AuSn形成的焊剂材料14，并在其上配置氮化物系半导体激光棒13。用具有与激光棒同等从向长度的平坦焊接筒套，对该激光棒一边挤压，一边加热AuSn焊剂材料14(Au∶Sn＝80％∶20％、熔点280℃)，熔融后固化，并固定住氮化物半导体激光棒。
文档编号H01S5/323GK1519996SQ20041000257
公开日2004年8月11日 申请日期2004年1月30日 优先权日2003年1月31日
发明者山中英生, 蔵町照彦, 彦 申请人:富士胶片株式会社