JP2017092204A - 面発光レーザアレイ、面発光レーザ、レーザ装置、点火装置、及び内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力で使用しても、発光効率が低下するのを抑制す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２０１は、活性層１０５、該活性層１０５を挟む下部半導体ＤＢＲ１０３と上部半導体ＤＢＲ１０７、はんだ１２３によって接合される熱拡散板４０１とを備え、下部半導体ＤＢＲ１０３の側面の一部は、はんだ１２３で覆われている。この場合は、高出力で使用しても、発光効率が低下するのを抑制することができる。そして、外周部の発熱を効率良く放熱できるため、複数の発光部における外側の発光部の劣化が抑制され、その結果、高出力での動作寿命を長くすることができる。【選択図】図５

Description

本発明は、面発光レーザアレイ、面発光レーザ、レーザ装置、点火装置及び内燃機関に係り、更に詳しくは、熱拡散部材を有する面発光レーザアレイ及び面発光レーザ、前記面発光レーザアレイを有するレーザ装置、該レーザ装置を備える点火装置及び内燃機関に関する。

垂直共振器型の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ ＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）は、基板に垂直な方向に光を射出するレーザである。この面発光レーザは、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。

そして、複数の面発光レーザが集積された面発光レーザアレイは、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。

非特許文献１には、活性層で発生する熱を速やかに放熱することを目的とする面発光レーザアレイが開示されている。

しかしながら、非特許文献１に開示されている面発光レーザアレイでは、高出力で使用すると、発光効率が低下するおそれがあった。

本発明は、複数の発光部を含み、活性層、及び該活性層を挟む第１の反射鏡と第２の反射鏡を有するチップと、前記第１の反射鏡に接合部材を介して接合される熱拡散部材とを備え、前記第１の反射鏡の側面の一部は、前記接合部材で覆われている面発光レーザアレイである。

本発明の面発光レーザアレイによれば、高出力で使用しても、発光効率が低下するのを抑制することができる。

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。 熱拡散板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１４）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。 比較例の面発光レーザアレイ９０１を説明するための図である。 面発光レーザアレイ２０１及び面発光レーザアレイ９０１における光出力と供給電流との関係を説明するための図である。 面発光レーザアレイ２０１における熱流の経路を説明するための図である。 面発光レーザアレイ９０１における熱流の経路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、１万個以上の発光部が２次元配列（図４参照）されている。なお、以下では、わかりやすくするため、Ｘ軸方向に関して、３個の発光部が配列されているものとする。そして、面発光レーザアレイ２０１のＸＺ断面図が図５に示されている。

面発光レーザアレイ２０１は、図５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６参照）。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７参照）。

（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８参照）。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９参照）。

（７）ＩＣＰドライエッチング法を用いて分離溝を形成する。このとき、露出部では、エッチストップ層１２１が完全に除去されるとともに、基板１０１が深さ１μｍ程度除去されるまでエッチングを行う。

（８）レジストパターン１２２を除去する（図１０参照）。

（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１１参照）。このとき、保護膜１１１は、下部半導体ＤＢＲ１０３、活性層１０５、上部半導体ＤＢＲ１０７の側面にも形成される。

（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１２参照）。

（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。

（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１３参照）。

（１７）スクライブ・ブレーキングにより、チップ毎に切断する。

（１８）接着材３１５を介して搬送用基板３１６とチップを接合する（図１４参照）。ここでは接着材３１５としてワックスを用い、搬送用基板３１６としてガラス板を用いている。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。

（１９）ウェットエッチング法により基板１０１を除去する（図１５参照）。硫酸と過酸化水素水の混合液を使用する事により、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。

（２０）ＢＨＦに浸漬し、下部半導体ＤＢＲ１０３の側面の一部、及び約１μｍの保護膜１１１を除去する（図１６参照）。

（２１）塩酸に浸漬してエッチストップ層１２１を除去する（図１７参照）。

（２２）下部電極１１４を形成する（図１８参照）。ここでは、下部電極１１４はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層膜である。

（２３）ペースト状のはんだ１２３を用いてチップと熱拡散板４０１とを接合させる。熱拡散板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１９参照）。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。なお、下部半導体ＤＢＲ１０３の側面における保護膜１１１が無い部分をはんだ１２３が覆うように（図２０参照）、はんだ１２３の量は調整されている。

（２４）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２１参照）。

（２５）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。

（２６）Ａｕからなるワイヤ４０４を必要な本数形成する（図２２参照）。これによって、面発光レーザアレイ２０１となる。

図２３には、比較例としての面発光レーザアレイ９０１が示されている。この面発光レーザアレイ９０１では、面発光レーザアレイ２０１と異なり、下部半導体ＤＢＲ１０３の側面の全部が保護膜１１１で覆われている。

図２４には、面発光レーザアレイ２０１及び面発光レーザアレイ９０１について、光出力と供給電流との関係が示されている。図２４からわかるように、面発光レーザアレイ９０１では、供給電流が２００Ａ（アンペア）を超えると、光出力の増加は緩やかとなっている。そして、供給電流が２５０Ａ（アンペア）になると、光出力は飽和している。一方、面発光レーザアレイ２０１では、供給電流が２５０Ａ（アンペア）を超えても、光出力は増加している。このことから、面発光レーザアレイ２０１は、面発光レーザアレイ９０１に比べて、高出力での発光効率の低下が少ない。

ところで、高出力の面発光レーザアレイは、絶縁領域により分離された導電領域を表面に有する熱拡散板に実装される。熱拡散板の導電領域と面発光レーザアレイの上部電極をワイヤボンドにより電気的に導通させ、熱拡散板の導電領域を通して直流電源から電流を供給する。そのため、ワイヤボンドの位置から遠い発光部ほど注入される電流量が少なくなる。言い換えると、ワイヤボンドの位置に近い発光部ほど注入される電流量が大きく、活性層での発熱量が大きい。

そして、面発光レーザで２００Ｗ（ワット）を超える出力を実現するためには、駆動電流が２００Ａを超え、また、アレイ規模が大きくなる。この場合、発光領域の１辺の長さが７ｍｍを超える大きさとなり、発光部の個数が１万個以上の大規模なデバイスとなる。

このような規模になると、複数の発光部において、ワイヤボンドの位置からの差に由来する電流量の差が無視出来ない大きさとなり、発熱量が大きい外側の発光部の劣化が急速に進行するため、高出力での動作寿命が短くなることがわかった。

面発光レーザアレイ２０１は、下部半導体ＤＢＲ１０３の側面が熱伝導率の高いはんだ１２３と直接接するため、一例として図２５に示されるように、各発光部で発生した熱は矢線で示される経路で拡散する。この場合、ワイヤボンドに近い発光部で発生した熱は、効率良く放熱される。すなわち、面発光レーザアレイ２０１では、外周部の発熱を効率良く放熱できるため、外側の発光部の劣化が抑制され、その結果、高出力での動作寿命を長くすることができる。そして、面発光レーザアレイ２０１は、高出力での動作信頼性を高くすることができる。なお、比較のために、面発光レーザアレイ９０１における熱の拡散経路が図２６に示されている。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る点火装置３０１では、射出光学系２１０によって、本発明の点火装置における「レーザ装置から射出されるレーザ光を集光する光学系」が構成されている。そして、本実施形態に係るレーザ装置２００では、第１集光光学系２０３によって、本発明のレーザ装置における「面発光レーザアレイから射出されるレーザ光を集光する光学系」が構成され、光ファイバ２０４によって、本発明のレーザ装置における「伝送部材」が構成されている。

以上説明したように、本実施形態に係るに面発光レーザアレイ２０１は、活性層１０５、該活性層１０５を挟む下部半導体ＤＢＲ１０３と上部半導体ＤＢＲ１０７、はんだ１２３によって接合される熱拡散板４０１とを備え、下部半導体ＤＢＲ１０３の側面の一部は、はんだ１２３で覆われている。

この場合は、高出力で使用しても、発光効率が低下するのを抑制することができる。また、外周部の発熱を効率良く放熱できるため、複数の発光部における外側の発光部の劣化が抑制され、その結果、高出力での動作寿命を長くすることができる。

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、チップと熱拡散板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さらに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、熱拡散板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、上記実施形態では、バッファ層１０２の−Ｚ側の面の全てが下部電極１１４で覆われてい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。

また、１個の発光部を有する面発光レーザにおいて、面発光レーザアレイ２０１と同様に、下部半導体ＤＢＲの側面が熱伝導率の高い材料と直接接するようにすると、高出力で使用しても、発光効率が低下するのを抑制することができる。また、放熱効率を向上させることができるため、供給電流を大きくしても、寿命の低下を抑制することが可能となる。

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（接合部材）、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、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…熱拡散板（熱拡散部材）、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、９０１…比較例の面発光レーザアレイ、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。

Ｓｅｕｒｉｎ， Ｊｅａｎ Ｆｒａｎｃｏｉｓ， ｅｔ ａｌ． "Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ＶＣＳＥＬ ａｒｒａｙｓ．" Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ． Ｖｏｌ． ７２２９． ２００９．

Claims (17)

1. 複数の発光部を含み、活性層、及び該活性層を挟む第１の反射鏡と第２の反射鏡を有するチップと、
   前記第１の反射鏡に接合部材を介して接合される熱拡散部材とを備え、
   前記第１の反射鏡の側面の一部は、前記接合部材で覆われている面発光レーザアレイ。
2. 前記活性層、及び前記第２の反射鏡の側面は、保護膜で覆われており、
   前記第１の反射鏡の側面は、前記保護膜で覆われている部分と、前記保護膜で覆われていない部分とを有し、前記保護膜で覆われていない部分が前記接合部材で覆わ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. 前記保護膜で覆われていない部分は、ワイヤボンドに近い部分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. 前記接合部材は、金属を含んでい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。
5. 前記接合部材は、はんだ、金とスズを含む材料、及び銀を含む材料のいずれかであることを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザアレイ。
6. 発光部を含み、活性層、及び該活性層を挟む第１の反射鏡と第２の反射鏡を有するチップと、
   前記第１の反射鏡に接合部材を介して接合される熱拡散部材とを備え、
   前記第１の反射鏡の側面の一部は、前記接合部材で覆われている面発光レーザ。
7. 前記活性層、及び前記第２の反射鏡の側面は、保護膜で覆われており、
   前記第１の反射鏡の側面は、前記保護膜で覆われている部分と、前記保護膜で覆われていない部分とを有し、前記保護膜で覆われていない部分が前記接合部材で覆われていることを特徴とする請求項６に記載の面発光レーザ。
8. 前記保護膜で覆われていない部分は、ワイヤボンドに近い部分であることを特徴とする請求項７に記載の面発光レーザ。
9. 前記接合部材は、金属を含んでいることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
10. 前記接合部材は、はんだ、金とスズを含む材料、及び銀を含む材料のいずれかであることを特徴とする請求項９に記載の面発光レーザ。
11. 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１〜５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。
12. 請求項１〜５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射出されるレーザ光を集光する光学系と、
    前記光学系を介したレーザ光を伝送する伝送部材と、を備えるレーザ装置。
13. 請求項１〜５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。
14. 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１３に記載のレーザ装置。
15. 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１４に記載のレーザ装置。
16. 請求項１３〜１５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るレーザ光を集光する光学系と、を備える点火装置。
17. 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１６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。

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