JP2008244427A - 発光装置および画像出力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザから成る発光素子の窓構造を半導体レーザの内部構造を変えることなく実装手法によって実現すること。
【解決手段】本発明は、光を発生する発光ストライプ１１が形成されるレーザチップ１０と、レーザチップ１０をはんだ材３０を介して実装するため、レーザチップ１０の発光ストライプ１１の方向に沿って、熱膨張係数の異なる複数の材料（第１のヒートシンク２１、第２のヒートシンク２２）から構成される基板とを備える発光装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、両端部のうち少なくとも一方の端部から光を出射する発光素子が基板に実装された発光装置およびこの発光装置を用いる画像出力装置に関する。

端面発光型の半導体レーザにおける高出力化の妨げとなる要因のひとつに、端面での光吸収に伴う発熱に起因した破壊・溶融現象ＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage）がある。ＣＯＤを回避する手段としては、レーザの端面部分において局所的に材料のバンドギャップを拡大し、光吸収を低減した、いわゆる「窓構造」が有効であり広く用いられている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−１４７８１５号公報

ここで、窓構造の実現手段としては、端面領域への不純物拡散や異種材料の再成長、活性層厚の変調等の手法があるが、これらはいずれもウェハ上にレーザを形成する際の工程を増やす必要が生じるほか、レーザチップの材料によっては適用が困難となっている。

本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、両端部のうち少なくとも一方の端部から光を出射する発光素子と、発光素子が実装される基板とを備え、基板が、発光素子の両端部を結ぶ方向に沿って、熱膨張係数の異なる複数の材料から構成される発光装置である。

このような本発明では、発光素子が、発光素子の両端部を結ぶ方向に沿って、熱膨張係数の異なる複数の材料から構成される基板に実装されているため、この材料の熱膨張係数に応じた歪みが発光素子に加わり、この歪みによって発光素子の部分的にバンドギャップを調整できるようになる。

特に、基板における複数の材料を、発光素子の両端部の少なくとも光の出射側の端部に対応した第１の材料と、それ以外の部分に対応した第２の材料とに分けておき、第１の材料として第２の材料に比べて熱膨張係数の大きい材料を用いることで、発光素子の出射側の端部に対してその他の部分より大きな歪みを与えることができ、出射側の端部のバンドギャップを広げることができる。

また、本発明は、両端部のうち少なくとも一方の端部から光を出射する発光素子と、発光素子が実装される基板と、発光素子を基板に接合する接合部材とを備えており、基板には、発光素子の両端部を結ぶ方向に沿って部分的に凹部が設けられている発光装置である。

このような本発明では、基板に、発光素子の両端部を結ぶ方向に沿って部分的に凹部が設けられているため、この凹部に入る接合部材の厚さに応じた歪みが発光素子に加わり、この歪みによって発光素子の部分的にバンドギャップを調整できるようになる。

特に、この凹部を、発光素子の両端部を結ぶ方向に沿った中央部に設けることで、発光素子の端部にかかる歪みを中央部にかかる歪みより相対的に大きくでき、端部でのバンドギャップを広げることができるようになる。

また、本発明は、両端部のうち少なくとも一方の端部から光を出射する発光素子と、発光素子が実装される基板と、発光素子と基板とを接合するため、発光素子の両端部を結ぶ方向に沿った複数の領域で発光素子に対して異なる大きさの歪みを与える接合手段とを備える発光装置である。

このような本発明では、発光素子と基板とを接合するため、発光素子の両端部を結ぶ方向に沿った複数の領域で発光素子に対して異なる大きさの歪みを与える接合手段を備えているため、この領域の位置に応じて異なる歪みを発光素子に与えることができ、発光素子の部分的にバンドギャップを調整できるようになる。

特に、複数の領域として、発光素子の両端部の少なくとも光の出射側の端部に対応した第１の領域と、中央部に対応した第２の領域とに分けておき、第１の領域に第２の領域より大きな歪みを与える。例えば、第１の領域に第２の領域より凝固点温度の高いはんだ材料を用いる。これにより、第１の領域に対応した発光素子の光の出射側の端部に対して中央部より大きな歪みを与えることができ、出射側の端部のバンドギャップを広げることができる。

本発明によれば、半導体レーザの高出力化を図るための窓構造を、レーザ材料やレーザ構造によらず形成することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。本実施形態に係る発光装置は、半導体レーザにおいて光の導波路（発光ストライプ）を形成する活性層のバンドギャップを端面で局所的に拡大することで光吸収を低減し高出力化を図る、いわゆる「窓構造」を、外部応力による圧縮歪みを端面領域に選択的に付加する、例えば次のような実装手法によって実現している。

１．ヒートシンクにレーザチップをはんだ付けした半導体レーザ素子において、レーザチップの端面領域が接するヒートシンク部分の熱膨張係数が、その他の領域が接するヒートシンク部分の熱膨張係数より大きい。

２．ヒートシンクにレーザチップをはんだ付けした半導体レーザ素子において、ヒートシンクの熱膨張係数がレーザチップのそれと比べて大きく、なおかつ両者を接合するはんだ材の厚みがレーザチップの端面領域において薄く、その他の領域において厚い。

３．ヒートシンクにレーザチップをはんだ付けした半導体レーザ素子において、ヒートシンクの熱膨張係数がレーザチップのそれと比べて大きく、なおかつ両者を接合するはんだ材の組成が端面領域とその他の領域において異なり、前者の凝固点温度が後者の凝固点温度よりも高い。

本実施形態では、上記の実装手法を用いることで、レーザ構造をウェハに形成する際に追加の工程を必要とすること無く、その後のチップ実装工程で用いる部材に変更を加えるだけで、レーザチップの材料によらずに窓構造を実現することができる。

これには、半導体レーザ材料の持つ次の基本性質を利用する。すなわち、下記の参照文献で報告されているように、半導体材料のバンドギャップは格子歪によって変化し、圧縮歪を受けた際にはバンドギャップが拡大する方向に変化し、逆に引っ張り歪を受けた際にはバンドギャップが縮小する方向に変化する。

＜参照文献＞
「Effect of mismatch strain on band gap in III-V semiconductors」、Journal of Applied Physics、米国、1985、Vol.57 p.5428-5432

そこで、レーザチップの端面領域には圧縮歪が、それ以外の領域にはこれよりも相対的に小さな圧縮歪、もしくは無歪、あるいは引っ張り歪が生じるよう、領域に応じて異なる値の外部応力が恒常的に印加される構成を用いる。これによって、端面領域におけるバンドギャップが相対的に広い、いわゆる「窓構造」を形成することが可能となる。

ここで、端面領域に対して異なる値の外部応力が恒常的に印加される構成を簡便に実現するには、レーザチップをヒートシンクにはんだ付けする工程で生じる次のような現象を利用することができる。

すなわち、はんだ付けの際には、まずレーザチップをはんだ材を介してヒートシンクに重ねた状態で加熱し、はんだ材の融点および凝固点温度より高い温度Ｔにまで昇温する。ここでレーザチップおよびヒートシンクはそれぞれの熱膨張係数κ_Lおよびκ_Hに応じて異なる膨張量となるκ_L(Ｔ−Ｔ_R)およびκ_H(Ｔ−Ｔ_R)で独立に膨張する。ここで、Ｔ_Rは室温である。

続いて、はんだ材が溶融しレーザチップ・ヒートシンクの双方に十分馴染み、熱平衡状態に達した後、室温Ｔ_Rまで降温する。この降温過程ではんだ材は凝固点温度Ｔ_Sに達した時に凝固するが、凝固前(Ｔ_S＜Ｔ)まではレーザチップ・ヒートシンクは独立して収縮するのに対し、凝固後(Ｔ＜Ｔ_S)にはレーザチップがヒートシンクに接合され、以降両者は一体となって収縮する。

この結果、レーザチップは自身よりも数十倍の厚みを持つヒートシンク材の収縮量であるκ_H(Ｔ_S−Ｔ_R)にならう形で収縮し、最終的には室温において以下の式で表される量の外部応力が恒常的に印加された状態となる。

｛κ_L(Ｔ_S−Ｔ_R)｝−｛κ_H(Ｔ_S−Ｔ_R)｝＝（κ_L−κ_H）(Ｔ_S−Ｔ_R)

ここで、レーザチップとヒートシンクの熱膨張係数差κ_L−κ_Hの符号が負の場合には圧縮応力、正の場合には引っ張り応力、零の場合には無応力となる。

したがって、ヒートシンクの熱膨張係数またははんだ材の凝固点を調整することで、レーザチップの材料に与える歪の量を制御することができる。

その結果、端面領域の歪をその他の領域に比べて圧縮側に設定することでバンドギャップを相対的に広くし、窓構造を形成することが可能となる。以降、上記の特性を利用した実例となる構成について具体例を挙げながら説明する。

図１は、第１の実施形態に係る発光装置（半導体レーザ装置）を説明する模式図で、（ａ）は側断面図、（ｂ）は正面図である。図１に示す第１の実施形態では、レーザチップ１０を実装する基板としてのヒートシンクを２種類の材料で構成している。第１のヒートシンク２１を構成する第１の材料は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）を使用し、その熱膨張係数は４．５ｐｐｍ／Ｋとなっている。一方、第２のヒートシンク２２を構成する第２の材料は、例えばＣｕ（銅）を使用し、その熱膨張係数は１６．８ｐｐｍ／Ｋとなっている。

第１のヒートシンク２１は、レーザチップ１０の発光ストライプ１１の方向に沿った略中央部に対応して配置され、レーザチップ１０の発光ストライプ１１の両端部に対応した位置には第２のヒートシンク２２が配置されるようになっている。レーザチップ１０の発光ストライプ１１の方向（以下、「ストライプ方向」とも記す）は、レーザ発振のためにｐ−ｎ接合活性層に形成される光の導波路に沿う方向（共振器長方向）であって、少なくとも一方の端部から光を出射する発光素子の両端部を結ぶ方向に相当するものとなる。

第１のヒートシンク２１は、第２のヒートシンク２２の凹部に入れ子となって組み込まれており、これによって一つの基板を構成している。また、図１（ｂ）に示すように、このレーザチップ１０は発光点が複数並ぶバーレーザ型となっており、第１のヒートシンク２１はバーレーザの長手方向については全域をカバーする長さで設けられている。

この基板に、全長７００μｍのＧａＡｓを主成分とするレーザチップ（５．９ｐｐｍ／Ｋ）１０を、凝固点２８０℃のＡｕ_0.8Ｓｎ_0.2から成るはんだ材３０で接合するが、この際、レーザチップ１０の前後（レーザ光の出射側の端部を前、反対の端部を後ろ）の幅約５０μｍの端面部分だけが第２のヒートシンク２２のＣｕからなる領域に接合される。

この結果、動作温度２５℃においてレーザチップ１０の端面部分ではおよそ２．８％の圧縮歪が、その他の部分では０．３％の引っ張り歪が加わった状態となり、端部での歪みが中央部での歪みより大きくなって、発光ストライプ１１におけるバンドギャップが端部のみ広がり、窓構造を形成できるようになる。

なお、図２は、ＧａＡｓ基板およびＧａＡｓ活性層からなるレーザチップの発振波長を、ＡｌＮのみを用いたヒートシンク上にマウントした場合と、Ｃｕのみを用いたヒートシンク上にマウントした場合とで比較したグラフである。

はんだ材には図１の例と同様にＡｕ_0.8Ｓｎ_0.2を用いている。両者の波長差は８．２ｎｍ、バンドギャップ差は１６ｍｅＶとなっている。したがって、本実施形態のように、レーザチップ１０の発光ストライプ１１に沿った中央部にＡｌＮから成る第１のヒートシンク２１、端部にＣｕから成る第２のヒートシンク２２を用いることで、発光ストライプ１１の中央部に対して端部のバンドギャップを１６ｍｅＶ大きくすることができ、端部での窓構造を形成する上で十分な特性を得ることができる。

次に、第２の実施形態に係る発光装置について図３の模式断面図に沿って説明する。図３に示す第２の実施形態では、レーザチップ１０を実装する基板であるヒートシンク２０に凹部２０ａが設けられており、レーザチップ１０の発光ストライプ１１の方向に沿って部分的に接合部材であるはんだ材３０の厚さを変えられる構造である。

具体的には、Ｃｕからなるヒートシンク２０の表面が平坦では無く、レーザチップ１０の両端約５０μｍの領域を除いた接合面が約１００μｍの深さで後退した形状となっている。

このような構造からなるヒートシンク２０の表面にＡｕ_0.8Ｓｎ_0.2から成るはんだ材３０を充填後、全長７００μｍのＧａＡｓ基板からなるレーザチップ１０を載せ、はんだ材３０の厚みが端面領域で３μｍ、その他の接合領域で約１０３μｍとなるように接合する。

その結果、レーザチップ１０の端面部に対応した領域でははんだ材３０が薄いため、熱膨張係数の大きいＣｕからなるヒートシンク２０の収縮に伴ってレーザチップ１０は圧縮歪を受ける。

一方、その他の領域でははんだ材３０が大きな厚みを持つことからヒートシンク２０の収縮量を緩和する効果が顕在化し、レーザチップ１０に加わる歪はほぼ無視できる量にまで低減される。

その結果、第１の実施形態と同様に、レーザチップ１０の発光ストライプ１１における端部だけに歪みを与え、バンドギャップを大きくして、レーザチップ１０に窓構造を実現することができるようになる。

次に、第３の実施形態に係る発光装置について説明する。図４に示す第３の実施形態では、レーザチップ１０を基板であるヒートシンク２０に実装する際に、レーザチップ１０とヒートシンク２０とを接合するための接合手段として、レーザチップ１０の発光ストライプ１１の方向に沿った複数の領域でレーザチップ１０に対して異なる大きさの歪みを与えるものを備えた構造である。

図４は本発明の第３の実施形態に係る発光装置の第１具体例を説明する模式断面図である。この第１具体例においては、Ｃｕからなる平坦なヒートシンク２０上に、レーザチップ１０の両端約５０μｍの領域が接合する部分には融点および凝固点が３５６℃のＡｕ_0.88Ｇｅ_0.12からなる第１のはんだ材３１が、その他の接合領域には融点および凝固点が２８０℃のＡｕ_0.8Ｓｎ_0.2から成る第２のはんだ材３２がそれぞれ約３μｍの厚みで予め付着させてある。

そして、この上に全長７００μｍのＧａＡｓ基板からなるレーザチップ１０を載せ、先ずは３００℃まで加熱した後に降温する。

この時、レーザチップ１０はＡｕＳｎから成る第２のはんだ材３２と接する面でのみヒートシンク２０と接合し、前述のように２．８％の圧縮歪を受ける。

また、ＡｕＳｎは一旦凝固する過程でレーザチップ１０またはヒートシンク２０の表面のＡｕコーティングから拡散したＡｕによる組成変化によって融点が４００℃程度に上昇する。

続いて室温から３８０℃まで加熱した後に降温し、ＡｕＧｅから成る第１のはんだ材３１に接した端面部が接合する。ここで端面部は、凝固点が高いＡｕＧｅを第１のはんだ材３１を用いていることから３．６％とより大きな圧縮歪を受ける。

その一方で、Ａｕ_0.8Ｓｎ_0.2から成る第２のはんだ材３２で接合した領域ははんだ材融点の上昇効果により昇温前後での変化は無く、２．８％の圧縮歪のままである。結果、端面部とその他の領域とにおいて圧縮歪の程度に差が生じ、相対的なバンドギャップの拡大による窓構造が実現できる。

図５は本発明の第３の実施形態に係る発光装置の第２具体例を説明する正面図である。この第２具体例においては、Ｃｕ（熱膨張係数１７．５ｐｐｍ／Ｋ）からなる平坦なヒートシンク２０上に、はんだ層３３と歪み付与層４０からなる接合手段を用いて、レーザチップ１０が実装されている。なお、図５においては、複数の発光点を有するバーレーザ型のレーザチップ１０のバーレーザ長手方向（発光点の並び方向）において、１つの発光点を持つ半導体レーザ素子部分の実装状態を抽出して示している。

発光素子となる半導体レーザ素子は、活性層を含む半導体基板を挟むように両面に電極が形成された構造になっている。半導体レーザ素子のｐ側電極は、半導体基板側から順に、例えばチタン（Ｔｉ）層、白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層を順に積層して形成されるものである。半導体レーザ素子のｎ側電極は、半導体基板側から順に、例えば金（Ａｕ）層、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金層および金（Ａｕ）層を順に積層して形成されるものである。レーザチップ１０は、ｐ側電極がヒートシンク２０に対向する向きで実装されている。また、レーザチップ１０には上記発光ストライプ（導波路）１１に沿うリッジ部１２が設けられている。リッジ部１２はバーレーザの短手方向に延びている。

はんだ層３３は、例えばＡｕＳｎ系のはんだ材料からなるもので、その熱膨張係数は１７．５ｐｐｍ／Ｋとなっている。はんだ層３３は、ヒートシンク２０上でレーザチップ１０の実装領域（以下、「レーザ実装領域」とも記す）の全域にわたって一様な厚みで形成されている。レーザ実装領域は、平面視長方形（バー形状）をなすレーザチップ１０の平面寸法で規定される長方形の領域となっている。

歪み付与層４０は、はんだ層３３の中に埋め込まれた状態で設けられている。また、歪み付与層４０は、ヒートシンク２０上でレーザ実装領域に配置されるとともに、レーザチップ１０よりも熱膨張係数の小さい材料を用いて、例えば１μｍ〜５０μｍ程度の厚さで薄板状に形成されている。一例として、ＧａＡｓ基板からなる半導体基板上に、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなる活性層を有する半導体レーザ素子を一次元に複数並設してなるレーザチップ１０を用いた場合は、その熱膨張係数が半導体基板材料に依存して６ｐｐｍ／Ｋとなるため、歪み付与層４０は、それよりも熱膨張係数の小さい材料、例えばグラファイト（熱膨張係数１ｐｐｍ／Ｋ）を用いて形成される。

ただし、歪み付与層４０の形成材料はグラファイトに限らず、例えば図６に示すように、ＡｌＮ（熱膨張係数４．５ｐｐｍ／Ｋ）、ダイヤモンド（熱膨張係数２ｐｐｍ／Ｋ）、ＳｉＣ（熱膨張係数３ｐｐｍ／Ｋ）、石英ガラス（ＳｉＯ₂）又はシリコン（熱膨張係数３ｐｐｍ／Ｋ）などを用いて歪み付与層４０を形成してもよい。また、レーザチップ１０で発生した熱をヒートシンク２０に効率良く伝えるために、歪み付与層４０の形成材料として、熱伝導性の良い材料（熱伝導率の高い材料）を選択することで、排熱効果を高めても良い。

図７はレーザ実装領域でレーザチップ１０と歪み付与層４０の位置関係を説明する模式図である。また、図８はレーザチップ１０とはんだ層３３と歪み付与層４０の位置関係を説明する斜視図である。上述したようにはんだ層３３および歪み付与層４０からなる接合手段は、レーザチップ１０のリッジ部１２の長手方向（ストライプ方向）において、２つの端部領域Ｅed１，Ｅed２と、これら２つの端部領域Ｅed１，Ｅed２の間の中央部領域Ｅctに分けられている。この場合、半導体レーザ素子の発光点は、例えば端部領域Ｅed２側のレーザ素子端面に設けられる。２つの端部領域Ｅed１，Ｅed２は、それぞれレーザチップ１０（半導体レーザ素子）の端面から数十μｍ（例えば、５０μｍ）程度の領域となっており、中央部領域Ｅctは、リッジ部１２の長手方向で２つの端部領域Ｅed１，Ｅed２の間に挟まれた領域となっている。

そうした場合、歪み付与層４０は、一方の端部領域Ｅed１に設けられた第１歪み付与層４１と、他方の端部領域Ｅed２に設けられた第２歪み付与層４２と、中央部領域Ｅctに設けられた第３歪み付与層４３とを用いて構成されている。第１歪み付与層４１、第２歪み付与層４２および第３歪み付与層４３は、それぞれ平面視長方形に形成されている。また、第１歪み付与層４１および第２歪み付与層４２は、互いに同一の平面寸法で長方形に形成され、第３歪み付与層４３は、それよりも大きな平面寸法で長方形に形成されている。第１歪み付与層４１、第２歪み付与層４２および第３歪み付与層４３からなる歪み付与層４０は、ヒートシンク２０上のレーザ実装領域に二次元的に配置されている。

さらに詳述すると、第１歪み付与層４１は、リッジ部１２の短手方向（発光ストライプ１１の方向と交差する方向）において、リッジ部１２を２つの第１歪み付与層４１で挟むように、リッジ部１２の両側に配置されている。同様に、第２歪み付与層４２は、リッジ部１２の短手方向において、リッジ部１２を２つの第２歪み付与層４２で挟むように、リッジ部１２の両側に配置されている。第１歪み付与層４１および第２歪み付与層４２は、いずれもリッジ部１２に重ならないように、リッジ部１２の外側に配置されている。第３歪み付与層４３は、リッジ部１２に重なるように配置されている。第３歪み付与層４３の幅はリッジ部１２の幅よりも広くなっている。そして、第３歪み付与層４３の幅方向の両端部は、リッジ部１２の外側にはみ出した状態で配置されている。

ここで、一例として、バーレーザ型のレーザチップ１０に一体に形成される複数の半導体レーザ素子のうち、単個の半導体レーザ素子の幅を４００μｍ、共振器長を７００μｍ、発光ストライプ幅を６０μｍとすると、はんだ層３３の厚さは３μｍ、歪み付与層４０の厚さは２０μｍ、第１歪み付与層４１および第２歪み付与層４２のストライプ方向の寸法は１００μｍ、第１歪み付与層４１および第２歪み付与層４２のストライプ方向に直交する方向の寸法は１５０μｍ、第３歪み付与層４３のストライプ方向の寸法は５００μｍ、第３歪み付与層４３のストライプ方向に直交する方向の寸法（以下、「幅寸法」とも記す）は２５０μｍに設定される。

以上のような接合手段を備えた構成をレーザチップ１０全体に適用すると、図９のようになる。図９においては、５つの半導体レーザ素子をレーザチップ１０のバーレーザ長手方向（図の左右方向）に並べて設けたアレイ構造を例示している。この場合、半導体レーザ素子と１：１の関係で対応する５つのリッジ部１２のうち、ストライプ方向と直交する方向で隣り合うリッジ部１２同士の間には、それぞれ第１歪み付与層４１、第２歪み付与層４２が１つずつ配置されている。また、各々の半導体レーザ素子に対応して設けられた第３歪み付与層４３の幅寸法Ｗは、全ての同一寸法に設定されている。

上記構成からなる発光装置においては、ヒートシンク２０上にはんだ層３３および歪み付与層４０を介してレーザチップ１０を実装するにあたり、まず、はんだ層３３の素材（例えば、リボンはんだ）と、歪み付与層４０を構成する第１歪み付与層４１、第２歪み付与層４２および第３歪み付与層４３の素材を上記の位置関係でレーザ実装領域に平面的に並べて配置する。このとき、層の厚み方向で、歪み付与層４０の素材をはんだ層３３の素材でサンドイッチ状に挟み込み、その状態ではんだ接合を行うために室温環境からはんだ材料の融点以上まで加熱した後、降温する。

このとき、歪み付与層４０の熱膨張係数がレーザチップ１０の熱膨張係数よりも小さいことから、図１０に示すように、レーザ実装領域内で第１歪み付与層４１、第２歪み付与層４２および第３歪み付与層４３が配置された部分では、レーザチップ１０に対して引っ張り歪が付与される。この引っ張り歪は、レーザチップ１０のリッジ部１２の長手方向の両端部、すなわち導波路上の端部領域Ｅed１，Ｅed２に対しては圧縮歪となって作用する。

したがって、図１１に示すように、レーザチップ１０のストライプ方向において、各々の端部領域Ｅed１，Ｅed２では圧縮歪の印加によって半導体材料（活性層）のバンドギャップＥｇが拡大し、中央部領域Ｅctでは引っ張り歪の印加によって半導体材料のバンドギャップＥｇが縮小することになる。この結果、レーザの端面部分で局所的にバンドギャップを拡大した「窓構造」が実現される。

なお、上記の第２具体例では、第１歪み付与層４１、第２歪み付与層４２および第３歪み付与層４３によって歪み付与層４０を構成したが、これに限らず、第１歪み付与層４１のみ、第２歪み付与層４２のみ又は第３歪み付与層４３のみによって歪み付与層４０を構成してもよい。また、第１歪み付与層４１および第２歪み付与層４２によって歪み付与層４０を構成してもよい。

また、歪み付与層４０の他の配置として、例えば図１２に示すように、発光点の並び方向（図の左右方向）で第３歪み付与層４３の幅寸法Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を段階的に変えた構成、さらに詳しくは、発光点の並び方向の中心部から両端部に向かって第３歪み付与層４３の幅寸法が段階的に小さくなるよう、Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３の条件で構成してもよい。かかる構成においては、発光点の並び方向で中央部に配置された第３歪み付与層４３が最も幅広（Ｗ１）になっているため、当該中央部に配置された半導体レーザ素子の導波路部分に最も大きな引っ張り歪が生じ、そこから両端部に向かって段階的に小さな引っ張り歪が生じることになる。

これに対して、ヒートシンク２０にレーザチップ１０をはんだ接合によって実装する場合は、両者の熱膨張係数差によってレーザチップ１０に圧縮応力が加わる。この圧縮応力は、発光点の並び方向で、両端部よりも中央部に大きく作用するため、当該圧縮応力によってレーザチップ１０に生じる圧縮歪も、中央部の方が両端部よりも大きくなる。したがって、第３歪み付与層４３によってレーザチップ１０に生じる引っ張り歪と、レーザチップ１０とヒートシンク２０の熱膨張係数差によってレーザチップ１０に生じる圧縮歪との差し引きにより、レーザチップ１０に生じる歪の量が均一化される。レーザチップ１０に生じる歪は、当該レーザチップ１０をアレイ構造とした場合に、各々の半導体レーザ素子の発振波長ずれの原因となる。このため、レーザチップ１０に生じる歪の量を均一化することで、アレイ構造をなすレーザチップ１０の発振波長の均一化を図ることができる。

さらに、歪み付与層４０の他の配置例として、例えば図１３に示すように、各々の端部領域Ｅed１，Ｅed２でリッジ部１２（導波路）を囲む状態にコ字形の歪み付与層４４を配置したものであってもよい。かかる構成においては、歪み付与層４４が配置された部分では、レーザチップ１０に対して引っ張り歪が付与される。この引っ張り歪は、レーザチップ１０のリッジ部１２の長手方向の両端部、すなわち導波路上の端部領域Ｅed１，Ｅed２に対しては圧縮歪となって作用する。このため、上記同様の効果が得られる。

また、上記の第２具体例では、レーザチップ１０よりも熱膨張係数の小さい材料を用いて歪み付与層４０を形成するとしたが、これと反対に、レーザチップ１０よりも熱膨張係数の大きい材料を用いて歪み付与層４０を形成することも可能である。その場合は、図１４に示すように、各々の端部領域Ｅed１，Ｅed２で導波路に重なる状態に歪み付与層４５を配置する。歪み付与層４５は、レーザチップ１０よりも熱膨張係数が大きい材料として、例えば、アルミニウム（熱膨張係数２３ｐｐｍ／Ｋ）を用いて形成される。各々の歪み付与層４５は、平面視長方形に形成されるとともに、レーザチップ１０のストライプ方向と直交する方向で、リッジ部１２の両側からはみ出すように配置されている。

上記図１４に示す構造を採用した場合は、歪み付与層４０を構成する各々の歪み付与層４５の熱膨張係数がレーザチップ１０の熱膨張係数よりも大きいことから、各々の歪み付与層４５が配置された部分では、レーザチップ１０に圧縮歪が付与される。この圧縮歪は、レーザチップ１０のリッジ部１２の長手方向の両端部、すなわち導波路上の端部領域Ｅed１，Ｅed２に圧縮歪のまま直接作用する。このため、レーザチップ１０のストライプ方向において、各々の端部領域Ｅed１，Ｅed２では圧縮歪の印加によって半導体材料（活性層）のバンドギャップが拡大する。したがって、レーザの端面部分で局所的にバンドギャップを拡大した「窓構造」が実現される。

なお、これまでの実施形態では、レーザチップ１０における発光ストライプの前後の双方の端面に窓構造を形成する構成を示しているが、光密度のより高くなる前面（レーザ光の出射面）のみに窓構造を形成する構造にしても良い。さらに、レーザチップ１０の基板材料はＧａＡｓに限定されず、ＩｎＰ、ＧａＮ、サファイア等でも良い。

また、上記実施形態では、レーザチップ１０をはんだ材によって直接ヒートシンクに接続する、いわゆるダイレクトマウント構造の例を示したが、レーザチップ１０をはんだ材によってサブマウント基板に接続し、このサブマウント基板をヒートシンクに接続する、いわゆるサブマウント構造であっても適用可能である。この場合には、レーザチップ１０とサブマウント基板との間で上記実施形態のような実装構造を採用すればよい。

さらには、基板として、レーザチップ１０の端部と中央部とで与える歪みを変える構造の例を示したが、さらに細分化した領域（３つ以上の領域）で与える歪みを変えるようにしてもよい。例えば、レーザチップ１０の中央部から端部にかけて徐々に与える歪みを大きくするよう基板の材質やはんだ材の厚さ、はんだ材の材質を変えて、３つ以上の段階を踏んで徐々に熱膨張係数が変化するようにしてもよい。

上記説明した本実施形態の発光装置には、種々の利用が考えられるが、主として画像表示装置の光源としての利用が好適である。つまり、均一な波長で大出力の光を必要とする機器への適用が好適である。

具体的には、発光装置から出射した光を光変調装置に照射し、この光変調装置で画像に応じた光変調を行って映像を生成する画像出力装置であり、光変調装置として、液晶表示装置、ＧＬＶ（Grating Light Valve）などが挙げられる。特に、大型スクリーンへの映像投射を行うプロジェクタ装置への適用が好ましい。

ＧＬＶは、リボン状の光回折格子がシリコン基板上に一列に形成された一次元反射型ディスプレイデバイスである。マイクロリボンアレイに、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のレーザ光を照射し、回折光量を変化させ、さらに走査ミラーを用いて一次元画像を二次元画像に走査することで、フルＨＤ画像を投影することができる。

ＧＬＶは、１画素が６本のリボンと呼ばれる中空構造に保持されたビームで構成されており、ＨＤ映像の垂直画素数と同じ１０８０画素（合計６４８０本のリボン）の光回折素子が形成されている。

リボンは、例えばＡｌ／ＳｉＮ積層膜で構成されており、反射ミラーとしての働きに加えて駆動電極としての機能も備える。リボンの駆動は、リボン電極と下部電極の間に電圧を印加することにより行なわれ、電圧が印加されていない状態では、全てのリボンが同じ平面に並んで鏡面を構成して、照射されたＲＧＢ３色のレーザ光をそのまま反射する。

一方、動作時には、１本おきのリボンに電圧を印加し、リボンに段差をつけて回折格子を作り出す。この回折格子が、入射したレーザ光に対して角度をもった回折光を生み出す。そして、ＧＬＶからの反射光については遮断し、回折光だけを取り出して集光するフィルタをＧＬＶの手前に配置しておくことで、回折光を画像の明暗として取り出すことができる。

図１５は、ＧＬＶを用いたプロジェクタ装置の構成を説明する模式図である。このプロジェクタ装置１００では、光源１０１としてＲＧＢのレーザ光を用い、それぞれのレーザ光を照明レンズ１０２を介してＧＬＶ１０３にスリット状にして照射する。

ＧＬＶ１０３によって変調されたレーザ光は、投影レンズ１０４を介して走査ミラー１０５で反射し、走査ミラー１０５の水平走査によって１０８０画素分の１次元像をスクリーン２００上に２次元画面として構成することができる。

このようなＧＬＶ１０３を用いたプロジェクタ装置１００の光源１０１として、先に説明した本実施形態の半導体レーザ装置１を適用する。ＧＬＶ１０３に照射するスリット状のレーザ光の形状にも対応し、大出力で安定した波長のレーザ光を提供できることから、本実施形態の発光装置（半導体レーザ装置）１が非常に適していることになる。

第１の実施形態に係る発光装置（半導体レーザ装置）を説明する模式図で、（ａ）は側断面図、（ｂ）は正面図である。 ＧａＡｓ基板およびＧａＡｓ活性層からなるレーザチップの発振波長のヒートシンク材料による相違を示す図である。 第２の実施形態に係る発光装置を説明する模式断面図である。 第３の実施形態に係る発光装置の第１具体例を説明する模式断面図である。 第３の実施形態に係る発光装置の第２具体例を説明する正面図である。 材料の物性値（熱膨張係数、熱伝導率）を示す図である。 レーザチップと歪み付与層の位置関係を説明する模式図である。 レーザチップとはんだ層と歪み付与層の位置関係を説明する斜視図である。 レーザチップのアレイ構造に対応した歪み付与層の配置例を示す模式図である。 歪み付与層によってレーザチップに生じる歪を説明する模式図である。 レーザチップのバンドギャップを変化を説明する模式図である。 レーザチップのアレイ構造に対応した歪み付与層の他の配置例を示す模式図である。 歪み付与層の他の配置例を説明する模式図である。 歪み付与層のさらに他の配置例を説明する模式図である。 ＧＬＶを用いたプロジェクタ装置の構成を説明する模式図である。

符号の説明

１０…レーザチップ、１１…発光ストライプ、２０…ヒートシンク、２１…第１のヒートシンク、２２…第２のヒートシンク、３０…はんだ材、３１…第１のはんだ材、３２…第２のはんだ材、３３…はんだ層、４０（４１，４２，４３），４４，４５…歪み付与層１００…プロジェクタ装置、１０１…光源、１０２…照明レンズ、１０３…ＧＬＶ、１０４…投射レンズ、１０５…走査ミラー、２００…スクリーン

Claims (17)

1. 両端部のうち少なくとも一方の端部から光を出射する発光素子と、
   前記発光素子が実装される基板とを備え、
   前記基板は、前記発光素子の両端部を結ぶ方向に沿って、熱膨張係数の異なる複数の材料から構成される
   ことを特徴とする発光装置。
2. 前記基板における複数の材料は、前記発光素子の両端部の少なくとも光の出射側の端部に対応した第１の材料と、中央部に対応した第２の材料とに分けられており、
   前記第１の材料には前記第２の材料に比べて熱膨張係数の大きい材料が用いられている
   ことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 両端部のうち少なくとも一方の端部から光を出射する発光素子と、
   前記発光素子が実装される基板と、
   前記発光素子を前記基板に接合する接合部材とを備えており、
   前記基板には、前記発光素子の両端部を結ぶ方向に沿って部分的に凹部が設けられている
   ことを特徴とする発光装置。
4. 前記凹部は、前記発光素子の両端部を結ぶ方向に沿った中央部に設けられている
   ことを特徴とする請求項３記載の発光装置。
5. 両端部のうち少なくとも一方の端部から光を出射する発光素子と、
   前記発光素子が実装される基板と、
   前記発光素子と前記基板とを接合するため、前記発光素子の両端部を結ぶ方向に沿った複数の領域で前記発光素子に対して異なる大きさの歪みを与える接合手段と
   を備えることを特徴とする発光装置。
6. 前記複数の領域は、前記発光素子の両端部における少なくとも光の出射側の端部に対応した第１の領域と、中央部に対応した第２の領域とに分けられており、
   前記第１の領域は前記第２の領域に比べて大きな歪みを与える
   ことを特徴とする請求項５記載の発光装置。
7. 前記複数の領域は、前記発光素子の両端部の少なくとも光の出射側の端部に対応した第１の領域と、中央部に対応した第２の領域とに分けられており、
   前記接合手段として、前記第１の領域には前記第２の領域に比べて凝固点温度の高いはんだ材料が用いられている
   ことを特徴とする請求項５記載の発光装置。
8. 前記複数の領域は、前記発光素子の両端部における少なくとも光の出射側の端部に対応した第１の領域と、中央部に対応した第２の領域とに分けられており、
   前記接合手段は、はんだ層と、このはんだ層に埋め込まれ且つ前記基板上で前記発光素子の実装領域に配置された歪み付与層とを有する
   ことを特徴とする請求項５記載の発光装置。
9. 前記歪み付与層は、前記発光素子よりも熱膨張係数の小さい材料からなる
   ことを特徴とする請求項８記載の発光装置。
10. 前記歪み付与層は、前記第１の領域に設けられるとともに、前記発光素子の両端部を結ぶ方向と交差する方向で前記発光素子の導波路を挟む状態に配置されている
    ことを特徴とする請求項９記載の発光装置。
11. 前記歪み付与層は、前記第２の領域に設けられるとともに、前記発光素子の導波路に重なる状態に配置されている
    ことを特徴とする請求項９記載の発光装置。
12. 前記歪み付与層は、前記第１の領域で前記発光素子の導波路を囲む状態に配置されている
    ことを特徴とする請求項９記載の発光装置。
13. 前記歪み付与層は、前記発光素子よりも熱膨張係数の大きい材料からなる
    ことを特徴とする請求項８記載の発光装置。
14. 前記歪み付与層は、前記第１の領域で前記発光素子の導波路に重なる状態に配置されている
    ことを特徴とする請求項１３記載の発光装置。
15. 発光装置から出射した光を光変調装置に照射し、この光変調装置で画像に応じた光変調を行って映像を生成する画像出力装置において、
    前記発光装置は、
    両端部のうち少なくとも一方の端部から光を出射する発光素子と、
    前記発光素子が実装される基板とを備え、
    前記基板が、前記発光素子の両端部を結ぶ方向に沿って、熱膨張係数の異なる複数の材料から構成される
    ことを特徴とする画像出力装置。
16. 発光装置から出射した光を光変調装置に照射し、この光変調装置で画像に応じた光変調を行って映像を生成する画像出力装置において、
    前記発光装置は、
    光を発生する発光ストライプが形成される発光素子と、
    前記発光素子が実装される基板と、
    前記発光素子を前記基板に接合する接合部材とを備えており、
    前記基板には、前記発光素子の発光ストライプの方向に沿って部分的に前記接合部材の厚さを変えるための凹部が設けられている
    ことを特徴とする画像出力装置。
17. 発光装置から出射した光を光変調装置に照射し、この光変調装置で画像に応じた光変調を行って映像を生成する画像出力装置において、
    前記発光装置は、
    両端部のうち少なくとも一方の端部から光を出射する発光素子と、
    前記発光素子が実装される基板と、
    前記発光素子と前記基板とを接合するため、前記発光素子の両端部を結ぶ方向に沿った複数の領域で前記発光素子に対して異なる大きさの歪みを与える接合手段と
    を備えることを特徴とする画像出力装置。

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