JP2017135178A - 光源素子放熱構造体および光源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体レーザを発する光源素子を固定し、放熱するための光源素子放熱構造体において、構造体の生産性を向上させ、使用時に光源素子の位置ずれやクラックの起こりにくい構造を提供する。
【解決手段】光源素子放熱構造体１は、１３族元素窒化物からなり、第一の主面１ｃ、第二の主面１ｄおよび外側端面１ｅを有する膜１、第一の主面１ｃおよび第二の主面１ｄに開口する貫通孔２からなる光源素子収容部１５、および貫通孔２に面し、光源素子に接する光源素子固定面２ａを有する。
【選択図】 図１
【解決手段】光源素子放熱構造体１は、１３族元素窒化物からなり、第一の主面１ｃ、第二の主面１ｄおよび外側端面１ｅを有する膜１、第一の主面１ｃおよび第二の主面１ｄに開口する貫通孔２からなる光源素子収容部１５、および貫通孔２に面し、光源素子に接する光源素子固定面２ａを有する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、光源素子放熱構造体および光源装置に関するものである。
半導体レーザ光源は、光通信用光源や光ディスク用ピックアップ光源として広く使用されている。近年、窒化物半導体レーザ光源は、プロジェクタ用光源、自動車ヘッドランプ用光源などへの利用が検討されている。
半導体レーザ光源の用途を高照度用途に広げるためには、光出力を上げる必要がある。しかし、半導体レーザでは、注入電流と発振した光出力とが一部に集中し、無効な電流による熱が局所に集中する。このため、光源素子中で発生した過剰な熱を外部に放出する必要があり、このためにサブマウント(submount)やパッケージを通して熱を外部へと放出することが必要である。しかし、光源素子からサブマウントやパッケージを通して熱が伝導することで、光源装置全体の温度が上昇し、光出力をある程度以上上昇させることが難しかった。
このため、いわゆる両面放熱構造の光源素子放熱構造が提案されている（非特許文献１）。この構造においては、パッケージにサブマウントを収容し、サブマウント上に光源素子チップをマウントすることで、光源素子からサブマウントを通してパッケージへと熱を放散させる。これとともに、光源素子上には、サブマウントとは別体の上部放熱ブロックを載置し、上部放熱ブロック側からも熱を放散させる。サブマウントや上部放熱ブロックの材質としては、熱伝導性が高い窒化アルミニウムが使用されることが多い。
「ワイドギャップ半導体光・電子デバイス第１６２委員会」第９６回研究会資料 ３０〜３５頁 「高出力青紫色半導体レーザと高輝度照明への応用」 （（独）日本学術振興会）
しかし、両面放熱構造は、従来あったサブマウントに加えて、上部放熱ブロックを新たに追加し、上下から光源素子をはさむ形態である。このため、放熱構造は全体として複雑になるので、生産性が低下する。これに加えて、サブマウントと上部放熱ブロックとの間に光源素子を固定するためには、サブマウントと上部放熱ブロックとの間の間隔を一定にするために、スペーサーをはさむ必要があり、スペーサーを通しても放熱が行われる。こうした複雑な構造であると、光源素子の加熱と冷却とが繰り返されるときに、各部材の熱膨張係数の相違から、光源素子の微妙な位置ずれを起こすおそれがあり、また各部材にクラックが入る可能性がある。
本発明の課題は、半導体レーザを発する光源素子を固定し、放熱するための光源素子放熱構造体において、構造体の生産性を向上させることが可能であり、かつ使用時に光源素子の位置ずれやクラックの起こりにくい構造を提供することである。
本発明は、半導体レーザを発する光源素子を固定し、放熱するための光源素子放熱構造体であって、
１３族元素窒化物からなり、第一の主面、第二の主面および外側端面を有する膜、
前記第一の主面および前記第二の主面に開口する貫通孔からなる光源素子収容部、および
前記貫通孔に面し、前記光源素子に接する光源素子固定面
を有することを特徴とする。
１３族元素窒化物からなり、第一の主面、第二の主面および外側端面を有する膜、
前記第一の主面および前記第二の主面に開口する貫通孔からなる光源素子収容部、および
前記貫通孔に面し、前記光源素子に接する光源素子固定面
を有することを特徴とする。
また、本発明は、前記構造体、および前記光源素子収容部に収容された光源素子であって、前記光源素子固定面に固定された光源素子を備えていることを特徴とする。
本発明によれば、膜に設けた貫通孔を光源素子の収容部および固定面として利用するので、構造が単純であり、構造体の生産性を向上させることが可能であり、かつ使用時に光源素子の位置ずれやクラックが起こりにくい。
図１に示すように、本発明例の構造体１は、１３族元素窒化物の膜からなる。図１（ａ）は、膜の厚さ方向Ａに垂直な方向から見た図であり、図１（ｂ）は、膜の厚さ方向Ａに平行な方向から見た図である。
膜には貫通孔２が設けられており、貫通孔２は、第一の主面１ｃと第二の主面１ｄとの間に延びている。貫通孔２は、本例では平面的に見て四辺形をしている。このため、一対の内壁面２ａが貫通孔２を挟んで対向しており、また、一対の内壁面２ｂが貫通孔２を挟んで対向している。本例では、一対の内壁面２ａを光源素子固定面とする。この結果、構造体１のうち、固定面２ａ側は光源素子固定部１ａとなり、内壁面２ｂ側は支柱部１ｂとなる。
好適な実施形態においては、本発明の構造体に、発光素子用の電極を設ける。例えば、図２に示す構造体１０では、構造体１の第一の主面１ｃ上に一対の電極３が設けられており、また外側端面１e上にも電極４が設けられている。各電極４は各電極３と電気的に接続されており、各電極３は貫通孔２をはさんで分離されている。これら一対の電極３を通して光源素子に所定の電力を供給できるようになっている。
図３は、構造体１０に光源素子９を収容した光源装置１１を示す。貫通孔２は、光源素子収容部１５として機能するものである。光源素子を貫通孔に収容した状態で、各内壁面２ａが光源素子の固定面として機能する。このため、光源素子９の一対の端面９ａ、９ｂがそれぞれ固定面２ａに接し、光源素子９の端面９ｃと内壁面２ｂとの間に隙間８が生ずる。この状態で、光源素子の端子（図示しない）と電極３との間に配線を行い、光源素子を駆動可能とする。
本発明において、光源素子放熱構造体は、１３族元素窒化物膜によって構成されている。ここでいう１３族元素とは、ＩＵＰＡＣが策定した周期律表による第１３族元素のことである。１３族元素は、具体的にはガリウム、アルミニウム、インジウム、タリウム等である。この１３族元素窒化物は、特に好ましくは、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮである。また、収納する光学素子がＧａＮ系光学素子の場合、１３族元素窒化物膜はＧａＮであることが最も好ましい。１３族元素窒化物膜をＧａＮとすることで、収納するＧａＮ系光学素子と、１３族元素窒化物膜の熱膨張係数差を低減する事が可能となる。この結果、熱膨張差に起因する光学素子、光源素子放熱構造体の損傷を防止する事が可能である。
１３族元素窒化物膜は、第一の主面、第二の主面および外側端面を有する。ここで、１３族元素窒化物膜の平面的形態は特に限定されないが、四辺形であることが好ましい。
１３族元素窒化物膜には、第一の主面および第二の主面に開口する貫通孔からなる光源素子収容部が設けられている。ここで、光源素子収容部には、光源素子の全体が包含されている必要はなく、図３（ｂ）に示すように光源素子９の一部が貫通孔２から突出していてもよい。
光源素子収容部には、貫通孔に面し、光源素子に接する光源素子固定面が設けられている。そして、発光時には、この固定面を通して、光源素子から放熱構造体に熱伝導し、最終的にパッケージに放熱される。
好適な実施形態においては、構造体に複数の光源素子固定面を設ける。これによって、光源素子からの放熱を促進できる。好ましくは、構造体に、二つの光源素子固定面を設ける。特に好ましくは、二つの光源素子固定面が、貫通孔を挟んで互いに対向している。
好適な実施形態においては、一対の光源素子用電極が、第一の主面に設けられており、第一の主面上で貫通孔を挟んで対向している。本発明の構造体を製造する際には、通常、多数の構造体をウエハ上に同時に形成する。ゆえに、こうした主面上の電極は、ウエハ上でパターニングによって形成できるので、生産性が特に高い。
光源素子のベース基板の熱膨張率と、本発明の構造体を構成する１３族元素窒化物の熱膨張率との差は、構造体を構成する１３族元素窒化物の熱膨張率の２０％以下であることが好ましい。こうした観点からは、光源素子のベース基板の材料は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮが好ましい。
以下、本発明の構造体の製法例について述べる。
まず、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、ベース基板２０を準備する。次いで、図４（ｃ）に示すように、ベース基板２０の成膜面２０ａ上に種結晶膜２１を形成する。
まず、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、ベース基板２０を準備する。次いで、図４（ｃ）に示すように、ベース基板２０の成膜面２０ａ上に種結晶膜２１を形成する。
ベース基板としては、サファイア、ＧａＮ、ＡｌＮなどの単結晶材料を用いることもできる。しかし、本発明のように放熱構造体を提供するという用途では、ベース基板として、配向性セラミックスを用いることが、コスト低減という観点からは更に好ましい。こうした配向性セラミックスとしては、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、窒化アルミニウムを例示できる。特に好ましくは、ベース基板が、面垂直方向に略c軸が揃った多結晶体の酸化アルミニウム基板である。
種結晶膜の形成方法は気相成長法が好ましいが、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、パルス励起堆積（ＰＸＤ）法、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法、昇華法を例示できる。有機金属化学気相成長法が特に好ましい。
次いで、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、種結晶膜をフォトリソグラフィー法などによってパターニングし、パターニングされた種結晶膜２２を得る。種結晶膜２２は、ベース基板２０（ウエハ）上で細長くそれぞれ横にストライプ状に延びている。図５（ａ）において隣接する種結晶膜２２の間には隙間が設けられており、この隙間からベース基板表面２０ａが露出している。また、各種結晶膜２２には、それぞれ所定箇所に開口２２ａが形成されており、開口２２ａからベース基板表面２０ａが露出している。
次いで、図６に示すように、種結晶膜上に１３族元素窒化物膜２３を形成する。この際、１３族元素窒化物膜２３は、下地である種結晶膜２２の平面的形状を引き継ぐように成長させる。ここで、好適な実施形態においては、種結晶膜と１３族元素窒化物膜とを同種材質によって形成する。この場合には、図６（ｂ）に示すように、種結晶膜とその上に成長した１３族元素窒化物膜とは一体化し、両者の界面は不明瞭となる。このため、図６（ｂ）では、ベース基板上に１３族元素窒化物膜２３を図示しており、種結晶膜を分けて示していない。
本実施形態では、１３族元素窒化物膜２３は、ベース基板２０（ウエハ）上で細長くそれぞれ横にストライプ状に延びている。図６（ａ）において隣接する１３族元素窒化物膜２３の間には隙間が設けられており、この隙間からベース基板表面２０ａが露出している。また、各１３族元素窒化物膜２３には、それぞれ所定箇所に開口２３ａが形成されており、開口２３ａからベース基板表面２０ａが露出している。
１３族元素窒化物膜の製法は特に限定されないが、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ： Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、パルス励起堆積（ＰＸＤ）法、ＭＢＥ法、昇華法などの気相法、フラックス法などの液相法を例示できる。
好適な実施形態においては、１３族元素窒化物膜に亜鉛がドープされている。これによって、１３族元素窒化物膜の電気絶縁性を高める事が可能である。
１３族元素窒化物膜の形成が終わった後には、下地であるベース基板を除去する。この際には、種結晶膜を、形成した１３族元素窒化物膜側に残しておいても良いが、ベース基板とともに除去しても良い。ベース基板の除去は、研削やレーザリフトオフ法によって行うことができる。次いで、必要に応じて、１３族元素窒化物膜の一方あるいは両方の主面を研磨加工する。
ベース基板２０上の１３族元素窒化物膜には、多数の構造体を同時にパターニングする。このため、１３族元素窒化物膜の形成およびベース基板の除去が終わった後、例えば図７に示すように、切断線Ｄに沿って各１３族元素窒化物膜を切断する。これによって、図１に示すような構造体を得ることができる。
Claims (10)
- 半導体レーザを発する光源素子を固定し、放熱するための光源素子放熱構造体であって、
１３族元素窒化物からなり、第一の主面、第二の主面および外側端面を有する膜、
前記第一の主面および前記第二の主面に開口する貫通孔からなる光源素子収容部、および
前記貫通孔に面し、前記光源素子に接する光源素子固定面
を有することを特徴とする、光源素子放熱構造体。 - 複数の前記光源素子固定面を有することを特徴とする、請求項１記載の構造体。
- 複数の前記光源素子固定面が前記貫通孔を挟んで対向していることを特徴とする、請求項２記載の構造体。
- 前記１３族元素窒化物がＧａＮであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の構造体。
- 前記１３族元素窒化物に亜鉛がドープされていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の構造体。
- 前記光源素子用の電極を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の構造体。
- 一対の前記電極が、前記第一の主面に設けられており、前記第一の主面上で前記貫通孔を挟んで対向していることを特徴とする、請求項６記載の構造体。
- 前記外側端面に設けられている外側電極を有することを特徴とする、請求項６または７記載の構造体。
- 請求項１〜８のいずれか一つの請求項に記載の構造体、および前記光源素子収容部に収容された光源素子であって、前記光源素子固定面に固定された光源素子を備えていることを特徴とする、光源装置。
- 前記構造体が複数の前記光源素子固定面を有しており、前記光源素子が前記各光源素子固定面に対してそれぞれ接していることを特徴とする、請求項９記載の装置。
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