JP2016025129A - 面発光レーザアレイ、光源装置、光源モジュール、レーザ加工機、表示装置、及び面発光レーザアレイの製造方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】 出射光を有効利用可能に構成される面発光レーザアレイを提供すること。【解決手段】 面発光レーザアレイ１０は、基板１０１と、該基板１０１上にアレイ状に形成された複数の発光部と、複数の発光部上に設けられ、該複数の発光部に対応する複数の部分に出射口となる複数の開口が個別に形成されたｐ側電極層１１０と、を備え、複数の開口は、全体として略円形の仮想領域を形成するように並んでいる。この場合、出射光を有効利用可能に構成される面発光レーザアレイを提供できる。【選択図】図４

Description

本発明は、面発光レーザアレイ、光源装置、光源モジュール、レーザ加工機、表示装置、及び面発光レーザアレイの製造方法に係り、更に詳しくは、電極層に形成された複数の開口を出射口とする面発光レーザアレイ、該面発光レーザアレイを備える光源装置、前記面発光レーザアレイを備える光源モジュール、前記光源装置又は前記光源モジュールを備えるレーザ加工機及び表示装置、並びに電極層に形成された複数の開口を出射口とする面発光レーザアレイの製造方法に関する。

従来、基板と、該基板上にアレイ状に形成された複数の発光部と、該複数の発光部上に設けられ、該複数の発光部に対応する複数の部分に出射口となる複数の開口が個別に形成された電極層と、を備える面発光レーザアレイが知られている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に開示されている面発光レーザアレイは、出射光を有効利用可能に構成されていなかった。

本発明は、基板と、前記基板上にアレイ状に形成された複数の発光部と、前記複数の発光部上に設けられ、該複数の発光部に対応する複数の部分に出射口となる複数の開口が個別に形成された電極層と、を備え、前記複数の開口は、全体として略円形の仮想領域を形成するように並んでいることを特徴とする面発光レーザアレイである。

これによれば、出射光を有効利用可能に構成される面発光レーザアレイを提供できる。

本発明の一実施形態に係る光源装置の構成を概略的に示す図である。 面発光レーザアレイの各発光部のＹＺ断面図である。 面発光レーザアレイを含む光源モジュールの平面図である。 面発光レーザアレイの平面図である。 図４のＡＢ断面図である。 面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図（その１）である。 面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図（その２）である。 面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図（その３）である。 面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図（その４）である。 変形例１の光源モジュールについて説明するための図である。 変形例２の面発光レーザアレイの平面図である。 変形例３の面発光レーザアレイの平面図である。 図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）は、それぞれレーザアニール装置の概略構成を説明するための図である。 レーザ切断機の概略構成を説明するための図である。 レーザ・ディスプレイ装置を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図９に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係る光源装置１００が概略的に示されている。

光源装置１００は、例えばレーザ加工機、表示装置等の光源や、例えば固体レーザ等のレーザ媒質の励起用光源として用いられる。光源装置１００は、一例として、図１に示されるように、面発光レーザアレイ１０、ヒートシンク１２、マイクロレンズアレイ１４、集光レンズ１６、光ファイバ１８などを備えている。

なお、本明細書では、面発光レーザアレイ１０の発振方向をＺ軸方向、該Ｚ軸方向に直交する平面内で互いに直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向として説明する。ここでは、面発光レーザアレイ１０の出射方向は、＋Ｚ方向である。

面発光レーザアレイ１０は、一例として、図２に示されるように、ＸＹ平面に平行な基板１０１上にアレイ状に形成された複数の発光部１０ａ、該複数の発光部１０ａ上に共通に設けられたｐ側電極層１１０などを有する。ここでは、複数の発光部１０ａは、ＸＹ平面に平行に格子状（マトリクス状）に並んでいる。なお、図２には、面発光レーザアレイ１０における１つの発光部１０ａのみが図示されている。

面発光レーザアレイ１０は、図１に示されるように、接合材１５（例えばペースト状のはんだ）を介してヒートシンク１２の＋Ｚ側の面に実装されている。以下では、面発光レーザアレイ１０、接合材１５及びヒートシンク１２を含んで構成されるユニットを光源モジュール５０と称する。

各発光部１０ａは、一例として、発振波長が８０８ｎｍ帯の垂直共振器型の面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）である。

ヒートシンク１２は、一例として、ＸＹ平面に平行な板状部材である。ヒートシンクの材料としては、例えばＣＶＤ（化学気相成長）ダイヤモンド、高熱伝導率のセラミック（例えばＳｉＣやＡｕ薄膜パターンが形成されたＡｌＮ）を用いても良い。また、ヒートシンク１２としては、中空構造を有する部材であって、内部に水冷又は空冷などの冷却機能を有する部材であっても良い。また、ヒートシンクの代わりにヒートスプレッダを用いても良い。

マイクロレンズアレイ１４は、一例として、面発光レーザアレイ１０の＋Ｚ側に配置され、ＸＹ平面に平行に２次元配列された複数のマイクロレンズ１４ａを含む。複数のマイクロレンズ１４ａは、複数の発光部１０ａからの複数のレーザ光の光路上に個別に配置され、対応するレーザ光を略平行光にする。

集光レンズ１６は、一例として、光軸がＺ軸に略平行になるようにマイクロレンズアレイ１４の＋Ｚ側に配置され、該マイクロレンズアレイ１４からの複数のレーザ光を集光（合成）する。

光ファイバ１８は、入射端が集光レンズ１６の焦点位置近傍に配置され、集光レンズ１６で合成された複数のレーザ光を導波させる。光ファイバ１８内を導波したレーザ光（合成光）は、光ファイバ１８の射出端で取り出されて、例えばレーザ加工等に用いられる。

以上の説明から分かるように、マイクロレンズアレイ１４、集光レンズ１６及び光ファイバ１８を含んで、面発光レーザアレイ１０からの複数のレーザ光を導光する光学系を構成している。

図２には、面発光レーザアレイ１０のＸＹ断面図が示されている。なお、図２には、便宜上、面発光レーザアレイ１０の１つの発光部１０ａのみが図示されている。

面発光レーザアレイ１０は、一例として、図２に示されるように、基板１０１、ｎ側電極層１１２、バッファ層１０２、下部半導体ＤＢＲ１０３、下部スペーサ層１０４、活性層１０５、上部スペーサ層１０６、上部半導体ＤＢＲ１０７、コンタクト層１０９、保護層１１１、ｐ側電極層１１０などを有している。

基板１０１は、一例として、表面が鏡面研磨面であるｎ−ＧａＡｓ単結晶基板である。

ｎ側電極層１１２は、基板１０１の−Ｚ側の面上に形成されたＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層膜である。

バッファ層１０２は、基板１０１の＋Ｚ側の面上に積層され、ｎ−ＧａＡｓからなる層である。

下部半導体ＤＢＲ１０３は、バッファ層１０２の＋Ｚ側に積層され、ｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層と、ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを４０．５ペア有している。各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた厚さ２０ｎｍの組成傾斜層が設けられている。そして、各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、λ／４（λは発振波長）の光学的厚さとなるように設定されている。なお、光学的厚さがλ／４のとき、その層の実際の厚さＤは、Ｄ＝λ／４ｎ（但し、ｎはその層の媒質の屈折率）である。

下部スペーサ層１０４は、下部半導体ＤＢＲ１０３の＋Ｚ側に積層され、ノンドープのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓからなる層である。

活性層１０５は、下部スペーサ層１０４の＋Ｚ側に積層され、Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ａｓ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる３重量子井戸構造の活性層である。活性層１０５は、出射されるレーザ光の波長λ（発振波長）が８０８ｎｍとなる厚さに設定されている。

上部スペーサ層１０６は、活性層１０５の＋Ｚ側に積層され、ノンドープのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓからなる層である。

下部スペーサ層１０４と活性層１０５と上部スペーサ層１０６とからなる部分は、共振器構造体とも呼ばれており、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、その厚さが１波長（λ）の光学的厚さとなるように設定されている。なお、活性層１０５は、高い誘導放出確率が得られるように、電界の定在波分布における腹に対応する位置である共振器構造体の中央に設けられている。なお、各発光部１０ａは、共振器構造体を１つずつ有している。

上部半導体ＤＢＲ１０７は、上部スペーサ層１０６の＋Ｚ側に積層され、ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層とｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを２５ペア有している。

上部半導体ＤＢＲ１０７における各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた組成傾斜層が設けられている。そして、各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、λ／４の光学的厚さとなるように設定されている。

上部半導体ＤＢＲ１０７における低屈折率層の１つには、ｐ−ＡｌＡｓからなる被選択酸化層１０８が厚さ３０ｎｍで挿入されている。

コンタクト層１０９は、上部半導体ＤＢＲ１０７の＋Ｚ側に積層され、ｐ−ＧａＡｓからなる層である。

コンタクト層１０９には、ｐ−ＳｉＮ（プラズマＣＶＤにより成膜されたＳｉＮ）からなる光学的に透明な誘電体層から成る保護層１１１によって絶縁されたｐ側電極層１１０の一部が接触している。ｐ側電極層１１０には、Ｃｒ／ＡｕＺｎ／Ａｕからなる多層膜、もしくはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる多層膜が用いられる。

ｐ側電極層１１０は、一例として、図３に示されるように、円形状の第１電極部１１０ａと、該第１電極部１１０ａと同心であって第１電極部１１０ａの周辺（周囲）に配置された円弧状（例えばＣ字状）の第２電極部１１０ｂと、複数（例えば３つ）の電極パッド部とを有する。すなわち、ｐ側電極層１１０は、第１及び第２電極部１１０ａ、１１０ｂを含む、全体として（マクロ的に見て）、略円形の電極領域を有する。第１及び第２電極部１１０ａ、１１０ｂは、互いに分離（絶縁）されている。

第１電極部１１０ａには、略全域に出射口となる複数の第１開口が格子状に所定ピッチで並ぶように形成されている（図４、図５参照）。すなわち、複数の第１開口は、全体として（マクロ的に見て）、円形の仮想領域を形成するように並んでいる。ここでは、第１開口は、正方形状である（図４の部分拡大図参照）。なお、図４は、面発光レーザアレイ１０の平面図であり、図５は、図４のＡＢ断面図である。

第１電極部１１０ａは、その＋Ｙ側の電極パッド部に連続している（図３、図４参照）。この電極パッド部には、Ａｕからなる通電用のワイヤが接続されている（図３参照）。

第２電極部１１０ｂには、略全域に出射口となる複数の第２開口が格子状に所定ピッチで並ぶように形成されている（図４、図５参照）。すなわち、複数の第２開口は、全体として（マクロ的に見て）、複数の第１開口が形成された第１電極部１１０ａの周辺（周囲）に配置された円弧状（例えばＣ字状）の仮想領域を形成するように並んでいる。なお、第２開口は、第１開口と同形かつ同大である（図４の部分拡大図参照）。

第２電極部１１０ｂは、一端がその＋Ｙ側の電極パッド部に連続し、他端がその＋Ｙ側の電極パッド部に連続している（図３、図４参照）。各電極パッド部には、Ａｕからなる通電用のワイヤが接続されている（図３参照）。

すなわち、面発光レーザアレイ１０では、ワイヤの有無により第１及び第２電極部１１０ａ、１１０ｂの少なくとも一方に選択的に通電可能となっている。換言すると、面発光レーザアレイ１０では、第１及び第２電極部１１０ａ、１１０ｂの一方にのみ通電することもできるし、第１及び第２電極部１１０ａ、１１０ｂに並行して通電することもできる。

結果として、面発光レーザアレイ１０では、複数の第１開口及び複数の第２開口が、全体として（マクロ的に見て）、略円形の仮想領域を形成するように並んでいる。

この場合、面発光レーザアレイ１０では、略円形の仮想領域の略全域から複数の光を出射できるため、出射された複数の光を、例えば断面が略円形の集光レンズや光ファイバに対して効率的に（極力漏れなく）入射させることができる。この結果、必要最低限の駆動電流で面発光レーザアレイ１０を駆動させることが可能となる。

このように、面発光レーザアレイ１０では、複数の出射光のほぼ全てを光ファイバに入射させることができるため、漏れ光による様々な弊害を防止できる。

さらに、面発光レーザアレイ１０では、発光領域を第１及び第２の電極部１１０ａ、１１０ｂの少なくとも一方に対応する領域に適宜設定することができる。

そこで、第１及び第２電極部１１０ａ、１１０ｂに並行して（例えば同時に）通電することで、高出力化を図ることができる。また、第１及び第２電極部１１０ａ、１１０ｂの一方に通電することで、低出力化や省電力化を図ることができる。すなわち、用途に応じて出力を切り替えることできる。

また、第１及び第２電極部１１０ａ、１１０ｂの一方に対して通電不良が生じても、他方に通電することで出射光を得ることができる。

以下に、面発光レーザアレイ１０を含む光源モジュール５０の製造方法について説明する。面発光レーザアレイ１０は、半導体製造工程によって、同時に複数個が一体的に形成された後、複数のチップ状の面発光レーザアレイ１０に分割される。なお、上記のように、基板１０１上に複数の半導体層が積層されたものを、以下では、「積層体」ともいう。また、面発光レーザアレイ１０を「チップ」とも呼ぶ。

（１）上記積層体を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）あるいは分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）による結晶成長によって作成する。この結晶成長は、不図示の結晶成長装置の反応管内において行われる。

ここでは、ＭＯＣＶＤ法を例に説明する。ＭＯＣＶＤ法では、ＩＩＩ族の原料に、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、Ｖ族の原料に、フォスフィン（ＰＨ_３）、アルシン（ＡｓＨ_３）を用いている。また、ｐ型ドーパントの原料には四臭化炭素（ＣＢｒ_４）、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用い、ｎ型ドーパントの原料にはセレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）を用いている。

具体的には、基板１０１上に、バッファ層１０２、下部半導体ＤＢＲ１０３、下部スペーサ層１０４、活性層１０５、上部スペーサ層１０６、被選択酸化層１０８を含む上部半導体ＤＢＲ１０７及びコンタクト層１０９を、この順に成長させて積層体を作成する（図６参照）。

（２）リソグラフィにより積層体の表面に一辺が２５μｍの正方形状の複数のレジストパターンをアレイ状に形成する。ここでは、後の工程で形成されるｐ側電極層１１０の電極領域に対応する範囲以上の範囲に亘ってレジストパターンを形成する。

（３）ＩＣＰドライエッチング法で、上記レジストパターンをフォトマスクとして四角柱の複数のメサをアレイ状に形成する（図７参照）。

（４）フォトマスクを除去する。

（５）メサが形成された積層体を水蒸気中で熱処理することにより、被選択酸化層１０８中のＡｌ（アルミニウム）をメサの外周部から選択的に酸化し、メサの中央部に、Ａｌの酸化層１０８ａによって囲まれた酸化されていない領域１０８ｂを形成する（図８参照）。酸化層１０８ａにより発光部の駆動電流の経路がメサの中央部だけに制限される。そこで、領域１０８ｂは、電流通過領域（電流注入領域）とも呼ばれる。このようにして、例えば幅４μｍから６μｍ程度の略正方形状の電流通過領域が形成される。

（６）酸化処理が完了した積層体に対して、チップ分離溝を形成する領域のみを露出させるようリソグラフィによりレジストパターンを形成し、ＩＣＰドライエッチング法を用いてチップ分離溝を形成した後、レジストパターンを除去する。

（７）メサ及びチップ分離溝が形成された積層体を加熱チャンバーに入れ、窒素雰囲気中に３８０〜４００℃の温度で３分間保持する。これにより、大気中で表面に付着した酸素や水、もしくは加熱処理用のチャンバー内の微量な酸素や水による自然酸化膜が、窒素雰囲気中での加熱処理により安定した不動態皮膜になる。

（８）気相化学堆積法（ＣＶＤ法）を用いて、ＳｉＮ、ＳｉＯＮあるいはＳｉＯ_２からなる保護層１１１を形成する。

（９）メサ上部にｐ側電極コンタクトの窓開けを行う。ここでは、フォトレジストによるエッチングマスクを施した後、メサ上部を露光してその部分のフォトレジストを除去し、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）にて保護層１１１をエッチングして開口（コンタクトホール）を形成する（図９参照）。また、このとき同時に（６）工程で形成したチップ分離溝の底面にあるスクライブする領域の保護層１１１も除去する。

（１０）エッチングマスクを除去する。

（１１）メサ上部にｐ側電極で囲まれた出射口を形成するための一辺１０μｍの正方形状のレジストパターンと、複数（例えば３つ）の電極パッド部を形成するためのレジストパターンと、第１及び第２電極部１１０ａ、１１０ｂを形成するためのレジストパターンとを形成し、ｐ側の電極材料の蒸着を行う。ｐ側の電極材料としてはＣｒ／ＡｕＺｎ／Ａｕからなる多層膜、もしくはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる多層膜が用いられる。

（１２）出射口となる領域の電極材料をリフトオフし、第１及び第２電極部１１０ａ、１１０ｂを含むｐ側電極層１１０を形成する。ｐ側電極層１１０には、複数の出射口が全体として略円形の仮想領域を形成するように並ぶ。このとき、同時に複数（例えば３つ）の電極パッド部が形成される領域の電極材料もリフトオフし、複数（例えば３つ）の電極パッド部が形成される。

（１３）基板１０１の裏側を所定の厚さ（例えば１００μｍ程度）まで研磨した後、ｎ側電極層１１２を形成する。ここでは、ｎ側電極層１１２はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層膜である。

（１４）アニールによって、ｐ側電極層１１０とｎ側電極層１１２のオーミック導通をとる。これにより、メサは発光部１０ａとなる。

（１５）スクライブ・ブレーキングにより、チップ毎に切断する。

上記（１）〜（１５）の工程により、複数の発光部１０ａをそれぞれが含む複数のチップ状の面発光レーザアレイ１０が製造される。

（１６）２００〜２５０℃に加熱したホットプレート上で、厚さ１μｍのＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜によりパターンが形成されたＡｌＮ材料からなるヒートシンク１２と面発光レーザアレイ１０とを接合材１５（例えばペースト状のはんだ）により接合する。なお、ヒートシンク１２にはＡｕが成膜されていない領域が設けられており（図３参照）、これにより、ｐ側電極層１１０とｎ側電極層１１２の短絡が防止される。

（１７）Ａｕからなる通電用のワイヤを、第１及び第２電極部１１０ａ、１１０ｂに対して接続する（図３参照）。この結果、面発光レーザアレイ１０の発光領域を第１及び第２の電極部１１０ａ、１１０ｂの少なくとも一方に対応する領域に適宜設定することができる。

なお、面発光レーザアレイ１０の製造に際し、第１及び第２の電極部１１０ａ、１１０ｂの径を、使用する集光レンズや光ファイバの径に応じて設定することで、径が異なる複数の集光レンズや光ファイバに対して、効率的に光を入射させることができる面発光レーザアレイ１０を得ることができる。第１及び第２の電極部１１０ａ、１１０ｂの径は、上記（１１）工程におけるレジストパターンの大きさで調整することができる。

上記（１）〜（１７）の工程により、面発光レーザアレイ１０を含む光源モジュール５０が製造される（図１参照）。

以上説明した本実施形態の面発光レーザアレイ１０は、基板１０１と、該基板１０１上にアレイ状に形成された複数の発光部１０ａと、複数の発光部１０ａ上に設けられ、該複数の発光部１０ａに対応する複数の部分に出射口となる複数の開口が個別に形成されたｐ側電極層１１０と、を備え、複数の開口は、全体として略円形の仮想領域を形成するように並んでいる。

この場合、全体として略円形の仮想領域を形成するように並ぶ複数の出射口から光を出射できるため、例えば略円形の断面形状を有する集光レンズや光ファイバに対して効率的に（極力漏れなく）光を入射させることができる。

この結果、出射光を有効利用可能に構成される面発光レーザアレイ１０を提供できる。

また、本実施形態の面発光レーザアレイ１０の製造方法は、基板１０１上に下部半導体ＤＢＲ１０３、活性層１０５、上部反射鏡１０７を積層し、積層体を作製する工程と、該積層体をエッチングして、基板１０１上に複数の発光部１０ａをアレイ状に形成する工程と、複数の発光部１０ａ上にｐ側電極層１１０を形成する工程と、該ｐ側電極層１１０における複数の発光部１０ａのうち少なくとも２つの発光部１０ａに対応する少なくとも２つの部分に、出射口となる少なくとも２つの開口を全体として略円形の仮想領域を構成するように個別に形成する工程と、を含む。

この場合、出射光を有効利用可能に構成される面発光レーザアレイ１０を容易に製造できる。

また、ｐ側電極層１１０は、全体として略円形に形成されているため、全体として略円形以外の形状に形成される場合に比べて、出射光を有効利用可能に構成でき、かつ小型化を図ることができる。

また、ｐ側電極層１１０は、複数の開口の一部が形成された円形状の第１電極部１１０ａと、第１電極部１１０ａの周辺（周囲）に該第１電極部１１０ａとは絶縁された状態で配置され、複数の開口の残部が形成された円弧状の第２電極部１１０ｂと、を含み、第１及び第２電極部１１０ａ、１１０ｂの少なくとも一方に対して選択的に通電可能である。

この場合、第１及び第２電極部１１０ａ、１１０ｂそれぞれに対して通電するか否かを適宜選択することで、出力を切り替えることができる。すなわち、簡易な構成により出力を切り替え可能である。

この結果、出力を切り替え可能であり、かつ低コストで製造可能な面発光レーザアレイ１０を提供できる。

また、使用する集光レンズや光ファイバの径に応じて発光領域の径を変更可能である。この場合、径が異なる複数の集光レンズや光ファイバに対して複数の光を効率的に入射させることができる。

また、例えば第１及び第２電極部１１０ａ、１１０ｂの一方に対する通電不良が生じても、他方に通電することで、出射光を得ることができる。

なお、上記実施形態の光源モジュールでは、面発光レーザアレイ１０（チップ）とヒートシンク１２とを接合する接合材１５として、ペースト状のはんだを用いているが、例えば図１０に示される変形例１の光源モジュール１５０のように、ＡｕＳｎ（金錫）を含む材料を用いることもできる。

変形例１の光源モジュール１５０は、図１０に示されるように、絶縁材料（例えばＡｕによりパターンが形成されたＡｌＮ材料）からなるヒートシンク５０１と、該ヒートシンク５０１の＋Ｚ側の面に成膜された金属膜５０２と、該金属膜５０２の＋Ｚ側の面に接合された膜厚３μｍのＡｕＳｎ薄膜からなる接合材５０３と、該接合材５０３の＋Ｚ側の面に接合された面発光レーザアレイ１０とを有する。

変形例１では、面発光レーザアレイ１０とヒートシンク５０１は、面発光レーザアレイ１０とヒートシンク５０１との間に接合材５０３を配置した状態で、Ｎ_２雰囲気下で３００℃程度に加熱し、面発光レーザアレイ１０に適切な荷重を掛けることで接合されている。

上記実施形態で接合材１５として用いられたペースト状のはんだは、扱いが容易であるという利点があるが、フラックスが必要であり、チップを接合させる際にフラックスが残留しやすく、電気抵抗が増大するといった不具合があった。これに対して、ＡｕＳｎを含む材料からなる接合材により接合する場合、フラックスを必要とせず、電気抵抗を低減させることができる。また、ＡｕＳｎは材料として安定であり、接合の信頼性を高めることができる。

また、面発光レーザアレイ１０とヒートシンク１２とを接合する接合材は、Ｉｎ（インジウム）を含む材料でも良い。Ｉｎは軟らかい金属であり、面発光レーザアレイ１０とヒートシンク１２との熱膨張率差に起因する応力歪みを吸収でき、接合品質の劣化を抑制できる。

ここでは、Ｉｎ薄膜が表面に５μｍ形成された、Ａｕによりパターンが形成されたダイヤモンドからなるヒートシンクと、チップとをＨ_２とＮ_２の混合雰囲気下で１５０〜２００℃に加熱し、チップに適切な荷重を掛けることで、ヒートシンクとチップとを接合する。

ダイヤモンドからなるヒートシンクは、熱伝導性が非常に良く、ＡｌＮ材料からなるヒートシンクに比べて大幅に放熱効果が向上する。

ただし、ダイヤモンドとＧａＡｓとの熱膨張率差は大きいため、例えばＡｕＳｎのような応力歪み吸収性が小さい接合材を用いると、ヒートシンクとチップとの間の応力歪みが大きくなり、チップが破損するおそれがある。そこで、ダイヤモンドからなるヒートシンクを使用する際は、Ｉｎのような軟らかい接合材を使用することが好ましい。

また、上記実施形態では、面発光レーザアレイ１０のｐ側電極層１１０は、図３に示されるような互いに分離（絶縁）された２つの部分（第１電極部１１０ａ、第２電極部１１０ｂ）を有しているが、これに限られず、要は、単一の部材（例えば単一の円形層）から成るか、又は互いに分離（絶縁）された複数の部分（例えば円形部分と該円形部分の周辺に配置された少なくとも１つの円弧部分）を有していれば良い。

例えば図１１に示される変形例２の面発光レーザアレイ２０のように、ｐ側電極層２１０が互いに分離（絶縁）された３つの部分を有していても良い。詳述すると、ｐ側電極層２１０は、円形状の第１電極部２１０ａと、該第１電極部２１０ａの周辺に第１電極部２１０ａとは分離（絶縁）された状態で配置された円弧状の第２電極部２１０ｂと、第１及び第２電極部２１０ａ、２１０ｂとは分離（絶縁）された状態で第２電極部２１０ｂの周辺に配置された円弧状の第３電極部２１０ｃとを有している。この場合、第１〜第３電極部２１０ａ〜２１０ｃそれぞれに連続する電極パッドに通電用のワイヤを接続することで、第１〜第３電極部２１０ａ〜２１０ｃの少なくとも１つに選択的に通電可能となる。

また、上記実施形態では、ｐ側電極層１１０は、全体として（マクロ的に見て）略円形に形成されているが、これに限らず、例えば楕円形、多角形等の他の形状であっても良い。要は、ｐ側電極層に、出射口となる複数の開口が全体として（マクロ的に見て）略円形の仮想領域を構成するように形成されれば良い。

また、上記実施形態では、ｐ側電極層１１０に形成される開口（出射口）の形状は、正方形とされているが、例えば円形、楕円形、正方形以外の多角形等の他の形状であっても良い。また、複数の開口（出射口）の配列、すなわち複数の発光部１０ａの配列は、格子状に限られず、要は、２次元配列であれば良い。

また、例えば図１２に示される変形例３の面発光レーザアレイ３０のように、ｐ側電極層３１０の第１及び第２電極部３１０ａ、３１０ｂそれぞれに連続する電極パッド部を異なる側（例えば＋Ｙ側及び−Ｙ側）に形成しても良い。

また、上記実施形態では、ｐ側電極層に出射口となる複数の開口を全体として略円形の仮想領域を構成するように形成しているが、これに代えて、ｐ側電極層に出射口となる複数の開口を全体として略円環状又は略円弧状の仮想領域を構成するように形成しても良い。この場合も上記実施形態と同様な効果が得られる。この場合、ｐ側電極層の電極領域を全体として略円環状又は略円弧状に形成しても良い。そして、略円環状又は略円弧状の電極領域を、互いに絶縁された同心の半径が異なる複数の円弧状の部分で構成しても良い。

また、上記実施形態及び各変形例では、ＡｌＧａＡｓ系の半導体ＤＢＲ、ＡｌＧａＩｎＰ系のスペーサ層、ＧａＩｎＡｓＰ系の活性層の例を示したが、この材料系に限定されるものではない。

また、上記実施形態及び各変形例では、光学系は、集光レンズ１６及び光ファイバ１８を含んで構成されているが、これに限られず、要は、集光レンズ１６及び光ファイバ１８のうち少なくとも１つを含んで構成されることが好ましい。また、マイクロレンズアレイ１４は、必ずしも設けなくても良い。

また、上記実施形態及び各変形例では、発光部の発振波長が８０８ｎｍ帯の場合について説明したが、これに限定されるものではない。材料を適切に選択する事により、例えば６５０ｎｍ帯、７８０ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯、９８０ｎｍ帯、１．３ｕｍ帯、１．５ｕｍ帯の波長帯の面発光レーザアレイを同様に作成することができる。

以上は、ｎ型基板上の素子について説明したものであるが、ｎ型基板上の素子に対して限定されるものではなく、ｐ型基板上の素子に対しても同様のことが言える。ｐ型基板を用いた場合には、上記の説明において、各層の導電型とキャリアの極性を入れ換えれば同様の効果が得られる。また、波長も８０８ｎｍ帯に限定されるものではなく、６５０ｎｍ帯、７８０ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯、９８０ｎｍ帯、１．３μｍ及び１．５μｍ帯など、異なる活性層材料を用いた他の波長帯であっても良い。また、基板もＧａＡｓ以外の基板を用いても良い。

また、上記面発光レーザアレイ１０は、レーザ加工以外の用途（例えば画像形成）にも用いることができる。その場合には、発振波長は、その用途に応じて、６５０ｎｍ帯、７８０ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯、９８０ｎｍ帯、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の波長帯であっても良い。この場合に、活性層を構成する半導体材料は、発振波長に応じた混晶半導体材料を用いることができる。例えば、６５０ｎｍ帯ではＡｌＧａＩｎＰ系混晶半導体材料、９８０ｎｍ帯ではＩｎＧａＡｓ系混晶半導体材料、１．３μｍ帯及び１．５μｍ帯ではＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）系混晶半導体材料を用いることができる。

《レーザアニール装置》
一例として図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）にレーザ加工機としてのレーザアニール装置１５００の概略構成が示されている。このレーザアニール装置１５００は、光源１０１０、光学系１０２０、テーブル装置１０３０、及び不図示の制御装置などを備えている。

光源１０１０は、上記面発光レーザアレイ又は上記光源モジュールを複数有し、複数のレーザ光を射出することができる。光学系１０２０は、光源１０１０から射出された複数のレーザ光を対象物Ｐの表面に導光する。テーブル装置１０３０は、対象物Ｐが載置されるテーブルを有している。該テーブルは、少なくともＹ軸方向に沿って移動することができる。

例えば、対象物Ｐがアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）の場合、レーザ光が照射されると、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）は、温度が上昇し、その後、徐々に冷却されることによって結晶化し、ポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）になる。

この場合、レーザアニール装置１５００は、光源１０１０が上記面発光レーザアレイ又は上記光源モジュールを有しているため、アニール処理を効率的に行うことができる。

《レーザ切断機》
一例として図１４にレーザ加工機としてのレーザ切断機２０００の概略構成が示されている。このレーザ切断機２０００は、光源２０１０、光学系２１００、対象物Ｐが載置されるテーブル２１５０、テーブル駆動装置２１６０、操作パネル２１８０及び制御装置２２００などを備えている。

光源２０１０は、上記面発光レーザアレイ又は上記光源モジュールを有し、制御装置２２００の指示に基づいてレーザ光を射出する。光学系２１００は、光源２０１０から射出されたレーザ光を対象物Ｐの表面近傍で集光させる。テーブル駆動装置２１６０は、制御装置２２００の指示に基づいて、テーブル２１５０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に移動させる。

操作パネル２１８０は、作業者が各種設定を行うための複数のキー、及び各種情報を表示するための表示器を有している。制御装置２２００は、操作パネル２１８０からの各種設定情報に基づいて、光源２０１０及びテーブル駆動装置２１６０を制御する。

この場合、レーザ切断機２０００は、光源２０１０が上記面発光レーザアレイ又は上記光源モジュールを有しているため、切断処理を効率的に行うことができる。

なお、レーザ切断機２０００は、複数の光源２０１０を有しても良い。

また、上記面発光レーザアレイ又は上記光源モジュールは、レーザアニール装置及びレーザ切断機以外のレーザ光を利用する装置にも好適である。例えば、表示装置の光源に用いても良い。

《レーザ・ディスプレイ装置》
図１５には、表示装置としてのレーザ・ディスプレイ装置３０００の概略構成が示されている。

このレーザ・ディスプレイ装置３０００は、上記面発光レーザアレイ又は上記光源モジュールを含む光源３００１と、該光源３００１からのレーザ光を表示情報に応じて変調し、該変調されたレーザ光をスクリーン３０１０に向けて出力するための光学系３００３と、光源３００１及び光学系３００３を制御する制御装置３００５とを備えている。

このレーザ・ディスプレイ装置３０００は、上記面発光レーザアレイ又は上記光源モジュールを有しているため、表示される画像品質を向上させることができる。

なお、空間を貫くレーザ光によって映像表現を行うレーザ・ディスプレイ装置であっても、前記光源３００１を備えるレーザ・ディスプレイ装置であれば、表示される画像品質を向上させることができる。

以下に、本発明に至った思考プロセスを説明する。

垂直共振器型の面発光レーザ素子（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）は、基板に垂直な方向に光を射出するものであり、基板に平行な方向に光を射出する端面発光型の半導体レーザ素子よりも低価格、低消費電力、小型、２次元デバイスに好適、かつ高性能であることから、注目されている。

面発光レーザ素子の応用分野としては、プリンタにおける光書き込み系の光源（発振波長：７８０ｎｍ帯）、光ディスク装置における書き込み用光源（発振波長：７８０ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯）、光ファイバを用いるＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などの光伝送システムの光源（発振波長：１．３μｍ帯、１．５μｍ帯）が挙げられる。さらには、ボード間、ボード内、集積回路（ＬＳＩ：Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）のチップ間、及び集積回路のチップ内の光伝送用光源としても期待されている。

また、固体レーザに対する励起用光源としての応用が可能であり、エンジンの燃焼効率を大幅に向上させることが可能であるため、固体レーザのエンジン点火プラグへの応用時に効果がある（参考文献：常包正樹，平等拓範，動作温度領域の拡大を目指したエンジン点火用VCSEL励起マイクロレーザー，レーザー学会学術講演会第32回年次大会，B330p I 16，pp．33 2012）。

しかし、固体レーザに対する励起用光源としての面発光レーザアレイは、集光レンズや光ファイバと組み合わせて使用することが一般的であり、使用する集光レンズや光ファイバの仕様により入射可能なレーザ光の断面の半径が決まっている。

したがって、使用する集光レンズや光ファイバによっては、発光領域の面積の大きい面発光レーザアレイでは、すべてのレーザ光が光ファイバに入射できず、無駄なレーザ光が発生してしまう。

この場合、光ファイバに入射されないレーザ光の分まで電流を注入しなければならず、過剰な仕様の電源を用意しなければならない懸念があった。一般的に、固体レーザ励起光源として面発光レーザアレイを駆動させるための大電流電源は高価であり、高コスト化を招くものである。また、光ファイバに入射できなかったレーザ光が他のモジュール部分に照射されることで、何らかの悪影響を与えるといった懸念もあった。

しかしながら、使用する集光レンズや光ファイバ毎に面発光レーザアレイを製造する場合、プロセス開発費やフォトマスク費用などがかかり、結果として面発光レーザアレイが高価となってしまうという不具合があった。

本発明は、かかる事情の下なされたものであり、その目的は、使用する集光レンズや光ファイバに応じて適切な発光領域を設定できる低価格の面発光レーザアレイを提供することにある。

１０…面発光レーザアレイ、１０ａ…発光部、１４…マイクロレンズアレイ、１５、５０３…接合材、１６…集光レンズ、１８…光ファイバ、５０、１５０…光源モジュール、１００…光源装置、１０１…基板、１１０…ｐ側電極層、１１０ａ、２１０ａ、３１０ａ…第１電極部（一の電極部）、１１０ｂ、２１０ｂ、３１０ｂ…第２電極部（他の電極部）、２１０ｃ…第３電極部（他の電極部）、１５００…レーザアニール装置（レーザ加工機）、２０００…レーザ切断機（レーザ加工機）、３０００…レーザ・ディスプレイ装置（表示装置）。

特許５２２４１５９号公報

Claims (15)

1. 基板と、
   前記基板上にアレイ状に形成された複数の発光部と、
   前記複数の発光部上に設けられ、該複数の発光部に対応する複数の部分に出射口となる複数の開口が個別に形成された電極層と、を備え、
   前記複数の開口は、全体として略円形の仮想領域を形成するように並んでいることを特徴とする面発光レーザアレイ。
2. 前記電極層は、全体として略円形の電極領域を含み、
   前記複数の開口は、前記電極領域に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザアレイ。
3. 前記電極領域は、前記複数の開口の一部が形成された円形状の一の電極部と、該一の電極部の周辺に該一の電極部とは絶縁された状態で配置され、前記複数の開口の残部が形成された少なくとも１つの円弧状の他の電極部と、を含み、
   前記一及び他の電極部の少なくとも１つに対して選択的に通電可能であることを特徴とする請求項２に記載の面発光レーザアレイ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の面発光レーザアレイと、
   前記面発光レーザアレイからの複数の光の光路上に配置された光学系と、を備える光源装置。
5. 前記光学系は、前記面発光レーザアレイからの複数の光を集光する集光レンズを有することを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
6. 前記光学系は、前記集光レンズにより集光された複数の光を導光する光ファイバを有することを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
7. 前記光学系は、前記面発光レーザアレイと前記集光レンズとの間の複数の光の光路上に個別に配置された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイを有することを特徴とする請求項５又は６に記載の光源装置。
8. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の面発光レーザアレイと、
   前記面発光レーザアレイに接合材を介して接合された放熱部材と、備える光源モジュール。
9. 前記接合材は、金錫（ＡｕＳｎ）を含む材料からなることを特徴とする請求項８に記載の光源モジュール。
10. 前記接合材は、インジウム（Ｉｎ）を含む材料からなることを特徴とする請求項８に記載の光源モジュール。
11. 前記放熱部材は、ダイヤモンドを含む材料からなることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の光源モジュール。
12. 請求項４〜７のいずれか一項に記載の光源装置又は請求項８〜１１のいずれか一項に記載の光源モジュールを備えるレーザ加工機。
13. レーザ光を用いて情報を表示する表示装置において、
    前記レーザ光を出射する請求項４に記載の光源装置又は請求項８〜１１のいずれか一項に記載の光源モジュールを備えることを特徴とする表示装置。
14. 基板上に第１反射鏡、活性層、第２反射鏡を積層し、積層体を作製する工程と、
    前記積層体をエッチングして、前記基板上に複数の発光部をアレイ状に形成する工程と、
    前記複数の発光部上に電極層を形成する工程と、
    前記電極層における前記複数の発光部のうち少なくとも２つの発光部に対応する少なくとも２つの部分に、出射口となる少なくとも２つの開口を全体として略円形の仮想領域を構成するように個別に形成する工程と、を含む面発光レーザアレイの製造方法。
15. 基板と、
    前記基板上にアレイ状に形成された複数の発光部と、
    前記複数の発光部上に設けられ、該複数の発光部に対応する複数の部分に出射口となる複数の開口が個別に形成された電極層と、を備え、
    前記複数の開口は、全体として略円弧状の仮想領域を形成するように並んでいることを特徴とする面発光レーザアレイ。
    

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