JP2017092160A - 面発光レーザアレイチップ、面発光レーザアレイ、レーザ装置、点火装置、内燃機関、及び面発光レーザアレイの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の発光部の高密度配置を維持しつつ、放熱性を向上させることができる面発光レーザアレイを提供する。
【解決手段】 面発光レーザアレイチップは、複数の発光部、該複数の発光部における光射出部側に設けられた上部電極１１３を有している。そして、上部電極１１３上に平坦化材料１２６からなる層が形成されている。この平坦化材料１２６は、熱伝導性及び絶縁性を有するナノコンポジット材料である。この場合は、平坦化材料１２６が大きな熱伝導性を有しているため、発光部で生じた熱を速やかに放熱することができる。すなわち、複数の発光部の高密度配置を維持しつつ、放熱性を向上させることができる
【選択図】図２５

Description

本発明は、面発光レーザアレイチップ、面発光レーザアレイ、レーザ装置、点火装置、内燃機関、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、複数の発光部を有する面発光レーザアレイチップ、該面発光レーザアレイチップを有する面発光レーザアレイ、該面発光レーザアレイを有するレーザ装置及び点火装置、該点火装置を備える内燃機関、前記面発光レーザアレイの製造方法に関する。

垂直共振器型の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）は、基板に対して垂直な方向にレーザ発振を行う半導体レーザであり、温度に対する波長の安定性が非常に高く、また、集積化が容易、といった特徴を有している。

そして、複数の発光部を有する面発光レーザアレイチップは、高い出力でレーザ光を射出することができるため、様々な装置への応用が検討されている。

ところで、複数の発光部が高密度で配置された面発光レーザアレイチップでは、発生する熱の影響を考慮する必要があった。

特許文献１には、放熱性を向上させ、信頼性を高くすることを目的とした電子デバイスが開示されている。

しかしながら、特許文献１に開示されている電子デバイスの構造を採用した面発光レーザアレイチップでは、放熱性を低下させることなく複数の発光部を高密度で配置するのは困難であった。

本発明は、複数の発光部を有する面発光レーザアレイチップであって、前記複数の発光部における光射出部側に設けられた電極上に、熱伝導性及び絶縁性を有するナノコンポジット材料からなる層が形成されている面発光レーザアレイチップである。

本発明の面発光レーザアレイによれば、複数の発光部の高密度配置を維持しつつ、放熱性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るエンジン３００の概略を説明するための図である。 点火装置３０１を説明するための図である。 レーザ共振器２０６を説明するための図である。 面発光レーザアレイ２０１を説明するための図（その１）である。 面発光レーザアレイ２０１を説明するための図（その２）である。 面発光レーザアレイチップ２３０を説明するための図である。 面発光レーザアレイ２０１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２０１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２０１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２０１の製造方法を説明するための図（その４）である。 面発光レーザアレイ２０１の製造方法を説明するための図（その５）である。 面発光レーザアレイ２０１の製造方法を説明するための図（その６）である。 面発光レーザアレイ２０１の製造方法を説明するための図（その７）である。 面発光レーザアレイ２０１の製造方法を説明するための図（その８）である。 面発光レーザアレイ２０１の製造方法を説明するための図（その９）である。 面発光レーザアレイ２０１の製造方法を説明するための図（その１０）である。 面発光レーザアレイ２０１の製造方法を説明するための図（その１１）である。 面発光レーザアレイ２０１の製造方法を説明するための図（その１２）である。 面発光レーザアレイ２０１の製造方法を説明するための図（その１３）である。 面発光レーザアレイ２０１の製造方法を説明するための図（その１４）である。 放熱部材４０１を説明するための図である。 面発光レーザアレイ２０１の製造方法を説明するための図（その１５）である。 面発光レーザアレイ２０１の製造方法を説明するための図（その１６）である。 面発光レーザアレイ２０１の製造方法を説明するための図（その１７）である。 面発光レーザアレイ２０１の製造方法を説明するための図（その１８）である。 比較例を説明するための図である。 図２７（Ａ）及び図２７（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。 レーザ加工機の概略構成を説明するための図である。

「概要」
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１には、一実施形態に係る内燃機関としてのエンジン３００の主要部が模式図的に示されている。

このエンジン３００は、点火装置３０１、燃料噴出機構３０２、排気機構３０３、燃焼室３０４、及びピストン３０５などを備えている。

エンジン３００の動作について簡単に説明する。
（１）燃料噴出機構３０２が、燃料と空気の可燃性混合気を燃焼室３０４内に噴出させる（吸気）。
（２）ピストン３０５が上昇し、可燃性混合気を圧縮する（圧縮）。
（３）点火装置３０１が、燃焼室３０４内にレーザ光を射出する。これにより、燃料に点火される（着火）。
（４）燃焼ガスが発生し、ピストン３０５が降下する（燃焼）。
（５）排気機構３０３が、燃焼ガスを燃焼室３０４外へ排気する（排気）。

このように、吸気、圧縮、着火、燃焼、排気からなる一連の過程が繰り返される。そして、燃焼室３０４内の気体の体積変化に対応してピストン３０５が運動し、運動エネルギーを生じさせる。燃料には例えば天然ガスやガソリン等が用いられる。

なお、エンジン３００は、該エンジン３００の外部に設けられ、該エンジン３００と電気的に接続されているエンジン制御装置２２２の指示に基づいて、上記動作を行う。

点火装置３０１は、一例として図２に示されるように、レーザ装置２００、射出光学系２１０、及び保護部材２１２などを有している。

射出光学系２１０は、レーザ装置２００から射出される光を集光する。これにより、集光点で高いエネルギー密度を得ることができる。

保護部材２１２は、燃焼室３０４に臨んで設けられた透明の窓である。ここでは、一例として、保護部材２１２の材料としてサファイアガラスが用いられている。

レーザ装置２００は、面発光レーザアレイ２０１、第１集光光学系２０３、光ファイバ２０４、第２集光光学系２０５、及びレーザ共振器２０６を備えている。なお、本明細書では、ＸＹＺ３次元直交座標系を用い、面発光レーザアレイ２０１からの光の射出方向を＋Ｚ方向として説明する。

面発光レーザアレイ２０１は、励起用光源であり、複数の発光部を有している。各発光部は、垂直共振器型の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）である。

面発光レーザアレイは、射出される光の、温度による波長ずれが非常に少ないため、励起波長のずれによって特性が大きく変化するＱスイッチレーザを励起するのに有利な光源である。そこで、面発光レーザアレイを励起用光源に用いると、環境の温度制御を簡易なものにできるという利点がある。

第１集光光学系２０３は、面発光レーザアレイ２０１から射出される光を集光する。

光ファイバ２０４は、第１集光光学系２０３によって光が集光される位置にコアの−Ｚ側端面の中心が位置するように配置されている。

光ファイバ２０４を設けることによって、面発光レーザアレイ２０１をレーザ共振器２０６から離れた位置に置くことができる。これにより配置設計の自由度を増大させることができる。また、レーザ装置２００を点火装置に用いる際に、熱源から面発光レーザアレイ２０１を遠ざけることができるため、エンジン３００を冷却する方法の幅を広げることが可能である。

光ファイバ２０４に入射した光はコア内を伝播し、コアの＋Ｚ側端面から射出される。

第２集光光学系２０５は、光ファイバ２０４から射出された光の光路上に配置され、該光を集光する。第２集光光学系２０５で集光された光は、レーザ共振器２０６に入射する。

レーザ共振器２０６は、Ｑスイッチレーザであり、一例として図３に示されるように、レーザ媒質２０６ａ、及び可飽和吸収体２０６ｂを有している。

レーザ媒質２０６ａは、共振器長が８ｍｍの直方体形状のＮｄ：ＹＡＧ結晶である。可飽和吸収体２０６ｂは、長さが２ｍｍの直方体形状のＣｒ：ＹＡＧ結晶である。

なお、ここでは、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶とＣｒ：ＹＡＧ結晶は接合されており、いわゆるコンポジット結晶となっている。また、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶及びＣｒ：ＹＡＧ結晶は、いずれもセラミックスである。

第２集光光学系２０５からの光は、レーザ媒質２０６ａに入射される。すなわち、第２集光光学系２０５からの光によってレーザ媒質２０６ａが励起される。なお、面発光レーザアレイ２０１から射出される光の波長は、ＹＡＧ結晶において最も吸収効率の高い波長８０８ｎｍであることが望ましい。そして、可飽和吸収体２０６ｂは、Ｑスイッチの動作を行う。

レーザ媒質２０６ａの入射側（−Ｚ側）の面、及び可飽和吸収体２０６ｂの射出側（＋Ｚ側）の面は光学研磨処理がなされ、ミラーの役割を果たしている。なお、以下では、便宜上、レーザ媒質２０６ａの入射側の面を「第１の面」ともいい、可飽和吸収体２０６ｂの射出側の面を「第２の面」ともいう（図３参照）。

そして、第１の面及び第２の面には、面発光レーザアレイ２０１から射出される光の波長、及びレーザ共振器２０６から射出される光の波長に応じた誘電体膜がコーティングされている。

具体的には、第１の面には、波長が８０８ｎｍの光に対して十分に高い透過率を示し、波長が１０６４ｎｍの光に対して十分に高い反射率を示すコーティングがなされている。また、第２の面には、波長が１０６４ｎｍの光に対して所望のしきい値が得られるように選択された反射率を示すコーティングがなされている。

これにより、レーザ共振器２０６内で光が共振し増幅される。ここでは、レーザ共振器２０６の共振器長は１０（＝８＋２）ｍｍである。

図２に戻り、駆動装置２２０は、エンジン制御装置２２２の指示に基づいて、面発光レーザアレイ２０１を駆動する。すなわち、駆動装置２２０は、エンジン３００の動作における着火のタイミングで点火装置３０１から光が射出されるように、面発光レーザアレイ２０１を駆動する。なお、面発光レーザアレイ２０１における複数の発光部は、同時に点灯及び消灯される。

上記実施形態において、面発光レーザアレイ２０１をレーザ共振器２０６から離れた位置に置く必要がない場合は、光ファイバ２０４が設けられなくても良い。

また、ここでは、内燃機関として燃焼ガスによってピストンを運動させるエンジン（ピストンエンジン）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。例えば、ロータリーエンジンや、ガスタービンエンジンや、ジェットエンジンであっても良い。要するに、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するものであれば良い。

また、排熱を利用して、動力や温熱や冷熱を取り出し、総合的にエネルギー効率を高めるシステムであるコジェネレーションに、点火装置３０１を用いても良い。

また、ここでは、点火装置３０１が内燃機関に用いられる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。

また、ここでは、レーザ装置２００が点火装置に用いられる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。例えば、レーザ加工機、レーザピーニング装置、テラヘルツ発生装置などに用いることができる。

「詳細」
次に、面発光レーザアレイ２０１の詳細について説明する。面発光レーザアレイ２０１は、一例として図４及び図５に示されるように、面発光レーザアレイチップ２３０及び放熱部材４０１などを有している。

面発光レーザアレイチップ２３０は、１万個以上（例えば、２万個）の発光部が２次元配列されている。そして、面発光レーザアレイチップ２３０のＸＺ断面図が図６に示されている。以下では、便宜上、Ｘ軸方向に関して、２個の発光部が配列されているものとする。

面発光レーザアレイチップ２３０は、図６に示されるように、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、上部半導体ＤＢＲ１０７、コンタクト層１０９、保護膜１１１、上部電極１１３、下部電極１１４などを有している。ここでは、面発光レーザアレイ２０１は、発振波長が８０８ｎｍ帯の面発光レーザアレイである。

バッファ層１０２は、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。下部半導体ＤＢＲ１０３は、低屈折率層から始まっている。

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、発振波長をλとするとλ／４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からなる量子井戸層と、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる障壁層とが交互に積層された３重量子井戸（ＴＱＷ：Ｔｒｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造の活性層である。

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。

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。

各屈折率層の間には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が挿入されている。この被選択酸化層１０８の挿入位置は、上部スペーサ層１０６から光学的にλ／４の距離だけ離れた位置である。

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。

なお、このように複数の半導体層が積層されたものを、以下では、便宜上「積層体」ともいう。

次に、上記面発光レーザアレイ２０１の製造方法について説明する。

（１）有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いた結晶成長によって、基板１０１上に、厚さが１００ｎｍのエッチストップ層１２１を形成し、該エッチストップ層１２１の上に上記積層体を形成する（図７参照）。基板１０１は、ｎ−ＧａＡｓ単結晶基板である。なお、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）に代えて、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）を用いても良い。

ＩＩＩ族の原料には、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族の原料には、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）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。

（２）積層体の表面にメサ形状に対応するレジストパターンを形成する。具体的には、コンタクト層１０９上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、メサ形状に対応したレジストパターンを形成する。ここでは、メサの断面が一辺２５μｍの正方形となるようにした。なお、コンタクト層１０９上に塗布されるレジストはポジレジストを用い、コンタクト露光により露光を行う。

（３）ＩＣＰドライエッチングによって、略四角柱状のメサを形成する。ここでは、エッチングの底部は下部スペーサ層１０４中に位置するようにした。

（４）レジストパターンを除去する（図８参照）。

（５）水蒸気中で熱処理する。ここでは、メサの外周部から被選択酸化層１０８中のＡｌが選択的に酸化される。そして、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を残留させる（図９参照）。これにより、発光部の駆動電流の経路をメサの中央部だけに制限する、酸化狭窄構造体が作成される。上記酸化されていない領域１０８ｂが電流通過領域（電流注入領域）である。

（６）素子分離溝形成部のみが露出されるようリソグラフィによりレジストパターン１２２を形成する（図１０参照）。

（７）ＩＣＰドライエッチング法を用いて分離溝を形成する。

（８）レジストパターン１２２を除去する（図１１参照）。

（９）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。この窒素雰囲気中での加熱処理により、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、安定した不動態皮膜になる。

（１０）気相化学堆積法（ＣＶＤ法）を用いて、ＳｉＮ、ＳｉＯＮあるいはＳｉＯ_２からなる保護膜１１１を形成する（図１２参照）。

（１１）メサ上面にコンタクトホールを形成するためのレジストパターンを作成する。ここでは、フォトレジストによるマスクを施した後、メサ上部の開口部となる部分を露光し、該部分のフォトレジストを除去する。

（１２）ＢＨＦ（バッファード・フッ酸）を用いたウエットエッチングにより、レジストパターンの開口部における保護膜１１１を除去する。このとき、工程（７）で形成した分離溝底面におけるスクライブ領域の保護膜１１１も除去する。

（１３）レジストパターンを除去する（図１３参照）。

（１４）メサ上部の光射出部となる領域に一辺１０μｍの正方形状のレジストパターンと、電極パッドと発光部とを接続するレジストパターンを形成する。

（１５）上部電極１１３の材料を蒸着する。ここでは、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる多層金属膜が用いられる。Ｔｉ（チタン）の膜厚は１５ｎｍとし、Ｐｔ（白金）の膜厚は１５ｎｍとし、Ａｕ（金）の膜厚は８μｍとした。このようにＡｕの膜厚を厚くすると、表面の凹凸はそれにつれて大きくなることを避けられない。

（１６）光射出部の多層金属膜をリフトオフする。これにより、上部電極１１３が形成される（図１４参照）。

（１７）光射出部に該光射出部を保護するための光射出部保護部材１２５を設ける（図１５参照）。このとき、上部電極１１３におけるワイヤボンディングされる部分にも光射出部保護部材１２５を設ける（図１５参照）。

なお、ここでは、光射出部保護部材１２５として、感光性樹脂（例えば、日本化薬株式会社製「ＳＵ−８」）を用いることができる。この場合、スピンコータを用いて感光性樹脂をコーティングし、保護すべき部分のみを露光し、ベーキング、現像、リンス、乾燥などの処理を行って、光射出部保護部材１２５を所定の位置に設けることができる。

（１８）平坦化材料１２６からなる層を形成する（図１６参照）。なお、平坦化材料１２６の詳細については後述する。

（１９）スクライブ・ブレーキングにより、チップ毎に切断する。

ところで、高出力の面発光レーザアレイチップの場合、ＧａＡｓ基板を除去して、エピタキシャル層を直接放熱部材に接合する構造が放熱性を高めるのに有効であり、その構造を実現するために、一時的に搬送用基板に接合して、ハンドリングできるようにする必要がある。

（２０）接着材３１５を介して搬送用基板３１６とチップを接合する（図１７参照）。ここでは接着材３１５として耐熱性液状ワックスを用い、搬送用基板３１６として厚さが０．６ｍｍのテンパックスガラスを用いている。この場合、チップ上に接着材３１５を塗布し、その上に搬送用基板３１６を乗せ、真空中で加熱する。

ガラスは、充分な機械的強度を有し、各種の薬品を用いたプロセスにも適応でき、透明であるので接合時の位置あわせについても観察しながら行えるので、搬送用基板３１６として最適の材料である。

（２１）ウェットエッチング法により基板１０１を除去する（図１８参照）。ここでは、アンモニア水と過酸化水素水を１：２０の容量比で混合し、温度を２０℃に調整したエッチング液を用いる。これにより、エッチストップ層１２１を残留させて基板１０１のみを選択的に除去することができる。

（２２）塩酸に浸漬してエッチストップ層１２１を除去する（図１９参照）。

（２３）下部電極１１４を形成する（図２０参照）。ここでは、下部電極１１４はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層膜である。ＡｕＧｅの膜厚は２０ｎｍとし、Ｎｉの膜厚は９ｎｍとし、Ａｕの膜厚は２μｍとした。

（２４）ペースト状のはんだ１２３を用いてチップと放熱部材４０１とを接合させる。放熱部材４０１は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる板状部材であり、＋Ｚ側の面には、厚さ１μｍのＡｕ（金）が成膜されている領域４０３とＡｕが成膜されていない領域４０２とが設けられている（図２１参照）。ここでは、領域４０３にはんだ１２３を塗布し、その上にチップを乗せ、２００〜２５０℃に加熱されているホットプレート上に載置する。これにより、下部電極１１４と領域４０３とが電気的に導通される（図２２参照）。

（２５）有機溶剤に浸漬して接着材３１５を溶解させることにより、搬送用基板３１６及び接着材３１５を除去する（図２３参照）。

（２６）リムーバを用いて光射出部保護部材１２５を除去する（図２４参照）。

（２７）アニールし、上部電極１１３と下部電極１１４のコンタクト特性をオーミックコンタクトにする。

（２８）Ａｕからなるワイヤ４０４を用いたワイヤボンディングにより、配線形成を行う（図２５参照）。

（２９）パッケージングなどの実装を行い、面発光レーザアレイ２０１となる。

このようにして製造された面発光レーザアレイ２０１の特性評価を行ったところ、温度上昇による波長のシフトが抑制されて、所望の特性が実現できていることが確認できた。

一般に、高出力の面発光レーザアレイチップは、数万個レベルの発光部を有しており、その出力は４００Ｗにも及ぶ。そして、このような大きな出力を得るには、注入する電流も数百アンペアという大電流が必要となるため、それに耐えうる上部電極の厚さは、電気伝導性に優れた金を用いたとしても、８μｍ程度の膜厚が必要になる。

このような厚い電極を表面に形成するとチップ表面の凹凸が大きくなり、搬送用基板を接合する際に接着材と搬送用基板との間に空隙が生じる（図２６参照）。この状態で、搬送用基板とチップを接合すると、その後の熱プロセスなどで空隙が膨張し、最悪の場合、チップの破損を引き起こす恐れがあった。

平坦化材料１２６は、熱伝導特性に優れた絶縁物であることが望ましい。高出力の面発光レーザアレイチップの動作によって生じる熱を効率的に系外に放出するとともに、そのまま残して、上部電極１１３のパッシベーション材料としての役割も果たすことができる。

本実施形態では、平坦化材料１２６として、ナノコンポジット材料を用いている。一般的に絶縁材料として用いられているポリイミドやエポキシといった樹脂材料は、そのままでは熱伝導が低く、放熱材料としての機能は期待できない。そこで、熱伝導特性に優れた材料を充填した複合材料が注目される。

単純にフィラーを分散させた複合材料では、十分な熱伝導特性は得られにくい。一方、充填する材料としてナノチューブやナノファイバーといったナノマテリアルを分散させたナノコンポジット材料では、熱伝導特性を飛躍的に向上させることができる。また、ナノコンポジット材料では、樹脂が硬化しても、平坦性を高く維持することができる。

カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を例に取ると、ＣＮＴ自体の熱伝導特性が高いことに加えて、形状異方性が大きい（アスペクト比が大きい）ために球形に近い充填物に比べて、隣接するＣＮＴ間の距離が短くなり、熱の移動がしやすいという現象が期待できる。

また、窒化ホウ素のナノチューブ（ＢＮＮＴ）についても、ＣＮＴと同様のことが期待できる。

以下に実施例を用いて、さらに詳細に説明する。
《実施例１》
実施例１では、平坦化材料１２６として、ポリイミド系のワニスを無水ＮＭＰ（Ｎ−メチルピロリドン）で希釈し、粘度を３５０ｍＰａ・ｓ程度に低粘度化したものに、公知の手段で生成したＣＮＴを０．２５ｗｔ％の割合で混合し、超音波分散を５時間行って調整したナノコンポジット材料を用いた。

このナノコンポジット材料を、８０℃に加熱されたチップの表面に滴下、充填し、３５０℃に設定されている真空オーブン中で６時間加熱して、イミド化を促進した。

ナノコンポジット材料が形成されたチップの表面は、ナノコンポジット材料の形成前に比べてはるかに平坦化されていることを表面形状測定装置により確認した。

接着材３１５を介して搬送用基板３１６とチップを接合した後、搬送用基板３１６を介してチップ表面を観察すると、空隙がないことが確認できた。

《実施例２》
実施例２では、平坦化材料１２６として、ポリイミド中にナノマテリアルとしてＢＮＮＴを分散させたナノコンポジット材料を用いた。

ＢＮＮＴは、原料にホウ素とアンモニアを用い、いわゆるＣＶＤ法で合成した。具体的には、ホウ素は酸化マグネシウム粉末の共存下にＣＶＤ反応菅内で１３００〜１５００℃にて反応させる。この反応により活性反応体であるＢ_２Ｏ_２ガスと触媒となるマグネシウム微粒子が発生する。ここにキャリアガスとしてアルゴン共にアンモニアを導入することで熱ＣＶＤ反応を行い，金属マグネシウム微粒子上にＢＮＮＴを成長させる。ここで生成するＢＮＮＴは，炭素等の不純物を含まず，反応後の熱処理等で残存金属も完全に除去できるため高純度化が容易である。また原料ホウ素を高効率にＢＮＮＴへ変換できるため、工業化にも有利な手法である。

そして、実施例１と同様にポリイミド系のワニスを無水ＮＭＰ（Ｎ−メチルピロリドン）で希釈し、粘度を３５０ｍＰａ・ｓ程度に低粘度化したものに、上記のようにして合成されたＢＮＮＴを０．５５ｗｔ％の割合で混合し、超音波分散を６時間行って調整し、ナノコンポジット材料とした。

このナノコンポジット材料を、８０℃に加熱されたチップの表面に滴下、充填し、３５０℃に設定されている真空オーブン中で６時間加熱して、イミド化を促進した。

ナノコンポジット材料が形成されたチップの表面は、ナノコンポジット材料の形成前に比べてはるかに平坦化されていることを表面形状測定装置により確認した。

接着材３１５を介して搬送用基板３１６とチップを接合した後、搬送用基板３１６を介してチップ表面を観察すると、空隙がないことが確認できた。

《実施例３》
実施例３では、平坦化材料１２６として、エポキシ樹脂中にナノマテリアルとしてＣＮＴを分散させたナノコンポジット材料を用いた。

エポキシ樹脂は、一般的なエポキシ樹脂で、主剤であるビスフェノールＡと硬化剤のエピクロルヒドリンを混合して分散母材となるエポキシ樹脂を形成した。このエポキシ樹脂にＣＮＴを０．２５ｗｔ％の割合で混合し、超音波分散を５時間行って調整し、ナノコンポジット材料とした。

このナノコンポジット材料を、８０℃に加熱されたチップの表面に滴下、充填し、３５０℃に設定されている真空オーブン中で６時間加熱して、イミド化を促進した。

ナノコンポジット材料が形成されたチップの表面は、ナノコンポジット材料の形成前に比べてはるかに平坦化されていることを表面形状測定装置により確認した。

接着材３１５を介して搬送用基板３１６とチップを接合した後、搬送用基板３１６を介してチップ表面を観察すると、空隙がないことが確認できた。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る面発光レーザアレイ２０１の製造方法において、本発明の面発光レーザアレイの製造方法が実施されている。

以上説明したように、本実施形態に係る面発光レーザアレイチップ２３０は、複数の発光部、該複数の発光部における光射出部側に設けられた上部電極１１３を有している。そして、上部電極１１３上に平坦化材料１２６からなる層が形成されている。この平坦化材料１２６は、熱伝導性及び絶縁性を有するナノコンポジット材料である。

この場合は、平坦化材料１２６が大きな熱伝導性を有しているため、発光部で生じた熱を速やかに放熱することができる。すなわち、複数の発光部の高密度配置を維持しつつ、放熱性を向上させることができる。また、チップ表面が平坦になり、接着材３１５を介して搬送用基板３１６とチップを接合する際に、接着材３１５と搬送用基板３１６との間に空隙が生じるのを抑制することができる。

面発光レーザアレイ２０１では、面発光レーザアレイチップ２３０が放熱部材４０１と接合されている。この場合、面発光レーザアレイ２０１は、面発光レーザアレイチップ２３０の温度上昇をさらに抑制することができる。そこで、面発光レーザアレイチップ２３０の寿命を長くすることができ、その結果、面発光レーザアレイ２０１の長寿命化を図ることができる。

そして、レーザ装置２００は、面発光レーザアレイ２０１を有しているため、安定して高出力のレーザ光を射出することができる。また、レーザ装置２００の長寿命化を図ることができる。

さらに、点火装置３０１は、レーザ装置２００を備えているため、安定した点火を行うことができる。また、点火装置３０１の長寿命化を図ることができる。

また、エンジン３００は、点火装置３０１を備えているため、結果として、安定性を向上させることができる。さらに、点火装置３０１のメンテナンス間隔を長くすることができる。

なお、上記実施形態では、チップと放熱部材４０１とを接合させる際に、はんだが用いられる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。

例えば、はんだに代えて、ＡｕＳｎ（金すず合金）を含む材料を用いても良い。この場合は、チップが接合される領域にＡｕＳｎ薄膜が３μｍの厚さで形成されている熱拡散板を用い、該ＡｕＳｎ薄膜上にチップを乗せ、Ｎ_２雰囲気下で、適切な荷重を印加して３００℃程度に加熱する。また、この場合は、フラックスが不要であり、フラックスの影響を考慮する必要がない。さらに、ＡｕＳｎは安定した材料であるため、面発光レーザアレイの信頼性を高めることができる。

また、例えば、はんだに代えて、Ａｇ（銀）を含む焼結材料を用いても良い。Ａｇの焼結体は内部に隙間が存在するため、熱拡散板とチップとの間で生じる熱応力を緩和することができ、熱膨張係数差が大きい材料を接合させるのに好適である。この場合は、チップが接合される領域にＡｇペーストを塗布し、該Ａｇペースト上にチップを乗せ、適切な荷重を印加して加熱する。

また、上記実施形態では、放熱部材４０１としてＡｌＮが用いられる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。

また、上記実施形態において、第１集光光学系２０３、第２集光光学系２０５及び射出光学系２１０は、いずれも単一のレンズからなっていても良いし、複数のレンズからなっていても良い。

また、上記実施形態では、面発光レーザアレイ２０１が励起用光源としてレーザ装置２００に用いられる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。面発光レーザアレイ２０１が励起用ではない光源としてレーザ装置に用いられても良い。

《レーザアニール装置》
一例として図２７（Ａ）及び図２７（Ｂ）にレーザ装置としてのレーザアニール装置１０００の概略構成が示されている。このレーザアニール装置１０００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、面発光レーザアレイ２０１を有し、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。

そして、レーザアニール装置１０００は、光源１０１０が面発光レーザアレイ２０１を有しているため、処理効率を向上させることができる。

《レーザ加工機》
一例として図２８にレーザ装置としてのレーザ加工機３０００の概略構成が示されている。このレーザ加工機３０００は、光源３０１０、光学系３１００、対象物Ｐが載置されるテーブル３１５０、テーブル駆動装置３１６０、操作パネル３１８０及び制御装置３２００などを備えている。

光源３０１０は、面発光レーザアレイ２０１を有し、制御装置３２００の指示に基づいてレーザ光を射出する。光学系３１００は、光源３０１０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３１６０は、制御装置３２００の指示に基づいて、テーブル３１５０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３１８０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３２００は、操作パネル３１８０からの各種設定情報に基づいて、光源３０１０及びテーブル駆動装置３１６０を制御する。

そして、レーザ加工機３０００は、光源３０１０が面発光レーザアレイ２０１を有しているため、加工（例えば、切断や溶接）の処理効率を向上させることができる。

なお、レーザ加工機３０００は、複数の光源３０１０を有しても良い。

また、面発光レーザアレイ２０１は、レーザアニール装置及びレーザ加工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、面発光レーザアレイ２０１を表示装置の光源に用いても良い。

また、上記実施形態では、面発光レーザアレイ２０１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く、用途に応じて適切な発振波長のものを用いることができる。

１０１…基板、１０２…バッファ層、１０３…下部半導体ＤＢＲ、１０４…下部スペーサ層、１０５…活性層、１０６…上部スペーサ層、１０７…上部半導体ＤＢＲ、１０８…被選択酸化層、１０９…コンタクト層、１１１…保護膜、１１３…上部電極、１１４…下部電極、１２３…はんだ、１２５…射出部保護部材、１２６…平坦化材料（ナノコンポジット材料）、２００…レーザ装置、２０１…面発光レーザアレイ、２０３…第１集光光学系、２０４…光ファイバ（伝送部材）、２０５…第２集光光学系、２０６…レーザ共振器、２０６ａ…レーザ媒質、２０６ｂ…可飽和吸収体、２１０…射出光学系（レーザ装置から射出されるレーザ光を集光する光学系）、２１２…保護部材、２２０…駆動装置、２２２…エンジン制御装置、２３０…面発光レーザアレイチップ、３００…エンジン（内燃機関）、３０１…点火装置、３０２…燃料噴出機構、３０３…排気機構、３０４…燃焼室、３０５…ピストン、３１５…接着材、３１６…搬送用基板、４０１…放熱部材、４０２…Ａｕが成膜されていない領域、４０３…Ａｕが成膜されている領域、４０４…ワイヤ、１０００…レーザアニール装置（レーザ装置）、１０１０…光源、１０２０…光学系、１０３０…テーブル装置、３０００…レーザ加工機（レーザ装置）、３０１０…光源、３１００…光学系、３１５０…テーブル、３１６０…テーブル駆動装置、３１８０…操作パネル、３２００…制御装置、Ｐ…対象物。

特許第５７０９７１９号公報

Claims (14)

1. 複数の発光部を有する面発光レーザアレイチップであって、
   前記複数の発光部における光射出部側に設けられた電極上に、熱伝導性及び絶縁性を有するナノコンポジット材料からなる層が形成されている面発光レーザアレイチップ。
2. 前記ナノコンポジット材料における母材は、ポリイミド樹脂であ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チップ。
3. 前記ナノコンポジット材料における母材は、エポキシ樹脂であ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チップ。
4. 前記ナノコンポジット材料におけるナノ材料は、カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の面発光レーザアレイチップ。
5. 前記ナノコンポジット材料におけるナノ材料は、窒化ホウ素ナノチューブであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の面発光レーザアレイチップ。
6. 前記ナノコンポジット材料におけるナノ材料は、窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の面発光レーザアレイチップ。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の面発光レーザアレイチップと、
   前記面発光レーザアレイチップと接合される放熱部材と、を有する面発光レーザアレイ。
8. 対象物にレーザ光を照射するレーザ装置であって、
   請求項７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射出されるレーザ光を前記対象物に導光する光学系と、を備えるレーザ装置。
9. 請求項７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レーザ光が入射されるレーザ共振器とを備えるレーザ装置。
10. 前記レーザ共振器は、Ｑスイッチレーザであることを特徴とする請求項９に記載のレーザ装置。
11. 前記レーザ共振器は、レーザ媒質及び可飽和吸収体を含むことを特徴とする請求項１０に記載のレーザ装置。
12. 請求項９〜１１のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
    前記レーザ装置から射出された光を集光する光学系と、を備える点火装置。
13. 燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する内燃機関において、
    前記燃料に点火するための請求項１２に記載の点火装置を備えていることを特徴とする内燃機関。
14. 複数の発光部を有する面発光レーザアレイの製造方法であって、
    前記複数の発光部における光射出部側に設けられた電極上に、熱伝導性及び絶縁性を有するナノコンポジット材料からなる層を形成する工程と、
    前記ナノコンポジット材料からなる層に搬送用基板を接合する工程と、を含む面発光レーザアレイの製造方法。

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