JP2017212270A

JP2017212270A - 面発光レーザ装置

Info

Publication number: JP2017212270A
Application number: JP2016103007A
Authority: JP
Inventors: 耕明田澤; Komei Tazawa; 吉鎬梁; Ji-Hao Liang
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2016-05-24
Filing date: 2016-05-24
Publication date: 2017-11-30

Abstract

【課題】複数の面発光レーザ素子を含み、光のクロストーク及びダークラインの発生が大幅に抑制された面発光レーザ装置を提供する。【解決手段】搭載基板１１と、搭載基板上に並置され、各々が上面に凸部を有する複数の面発光レーザ素子１２を含む面発光レーザアレイ２０と、複数の面発光レーザ素子の各々上に形成され、各々が、蛍光体板１３Ａと蛍光体板の側面ＳＳ及び底面ＢＳを覆いかつ底面上に開口部ＡＰ１を有する光反射膜１３Ｂとを有し、光反射膜の開口部において蛍光体板が面発光レーザ素子の凸部１２Ａに接するように配置された複数の波長変換板１３と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、垂直共振器型面発光レーザ（VCSEL：vertical cavity surface emitting laser）を含む面発光レーザ装置に関する。

垂直共振器型面発光レーザ（以下、単に面発光レーザと称する）は、基板面に対して垂直に光を共振させ、当該基板面に垂直な方向に光を出射させる構造を有する半導体レーザである。また、面発光レーザなどの半導体発光素子がアレイ状に複数個配置された発光装置が知られている。例えば、特許文献１には、基板に搭載された複数の発光素子と、貫通孔が形成された型枠と、貫通孔に配置された蛍光体フィルタ板とを備える照明装置が開示されている。

特開2009-134965号公報

例えば、複数の発光素子が並置された発光装置においては、当該複数の発光素子を個別に駆動することを考慮すると、１の素子から放出された光が他の素子（例えば消灯中の素子）の光路上を進む光のクロストークは少ないことが好ましい。一方、各素子を駆動した場合には、隣接する素子間の非発光領域に対応した暗線（ダークライン）の形成が抑制されることが好ましい。

また、面発光レーザは、高出力であり、省スペースでアレイ化することが可能な発光素子であるが、アレイ化された面発光レーザ装置においても、上記したクロストーク及びダークラインの抑制が図られることが好ましい。また、面発光レーザ装置は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）に比べて発熱が大きいため、高い放熱性能を有していることが好ましい。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、複数の面発光レーザ素子を含み、光のクロストーク及びダークラインの発生が大幅に抑制された面発光レーザ装置を提供することを目的としている。また、本発明は、複数の面発光レーザ素子を含み、高い放熱性能を有する面発光レーザ装置を提供することを目的としている。

本発明による面発光レーザ装置は、搭載基板と、搭載基板上に並置され、各々が上面に凸部を有する複数の面発光レーザ素子を含む面発光レーザアレイと、複数の面発光レーザ素子の各々上に形成され、各々が、蛍光体板と蛍光体板の側面及び底面を覆いかつ底面上に開口部を有する光反射膜とを有し、光反射膜の開口部において蛍光体板が面発光レーザ素子の凸部に接するように配置された複数の波長変換板と、を有することを特徴としている。

（ａ）は、実施例１に係る面発光レーザ装置の模式的な斜視図であり、（ｂ）は、実施例１に係る面発光レーザ装置の断面図である。（ａ）は、実施例１に係る面発光レーザ装置における発光セグメントの断面図であり、（ｂ）は、当該発光セグメント内の光の進路を模式的に示す図である。（ａ）〜（ｄ）は、実施例１に係る面発光レーザ装置の製造方法を示す図である。（ａ）は、実施例２に係る面発光レーザ装置における発光セグメントの断面図であり、（ｂ）は、当該発光セグメント内の光の進路を模式的に示す図である。実施例２の変形例に係る面発光レーザ装置の断面図である。

以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

図１（ａ）は、実施例１に係る面発光レーザ装置（以下、単にレーザ装置と称する）１０の模式的な斜視図である。面発光レーザ装置１０は、搭載基板１１上に並置された複数の垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）素子（以下、単に面発光レーザ素子又はレーザ素子と称する）１２を含む面発光レーザアレイ（以下、単にレーザアレイと称する）２０を有する。なお、図の明確さのため、図１（ａ）には一部のレーザ素子１２のみを示している。

また、レーザ装置１０は、レーザアレイ２０上に設けられ、レーザ素子１２の各々に対応する複数の波長変換板１３を含む波長変換体３０を有する。波長変換板１３の各々は、対応するレーザ素子１２から出射された光を受ける受光部ＲＰを有する。本実施例においてはレーザ素子１２の各々はその上面に光出射部として凸部１２Ａを有する。波長変換板１３の各々は対応するレーザ素子１２の凸部１２Ａ上に形成され、その受光部ＲＰはレーザ素子１２の凸部１２Ａ上に設けられている。

波長変換板１３は、受光部ＲＰから入射したレーザ素子１２からの出射光に対して波長変換を行い、波長が変換された光を外部に出射する。本実施例においては、受光部ＰＲは波長変換板１３の主面の一方に設けられ、波長変換板１３に入射した光は波長変換板１３の他方の主面から取り出される。

本実施例においては、レーザ装置１０は、４行４列でマトリクス状に配置された１６個のレーザ素子１２と、レーザ素子１２のそれぞれ上に形成され、４行４列でマトリクス状に配置された１６個の波長変換板１３とを有する。また、本実施例においては、レーザアレイ２０はレーザ素子１２の各々が一体的に形成された構造を有し、波長変換体３０は波長変換板１３の各々が一体的に形成された構造を有する。

また、レーザ装置１０は、レーザ素子１２の各々に接続された共通端子１４と、レーザ素子１２のそれぞれに接続された個別端子１５とを有する。個別端子１５の各々は、配線電極１６を介してレーザ素子１２の各々に個別に接続されている。レーザ素子１２の各々は、共通端子１４と、各レーザ素子１２に対応する個別端子１５との間に電圧を印加することで発光動作を行う。本実施例においては、各個別端子１５は互いに絶縁されており、これによって各レーザ素子１２が独立して発光動作を行う。

なお、本実施例においては、レーザアレイ２０は、最外部のレーザ素子１２の側部に共通端子１４との接続領域２０Ａを有する。また、波長変換体３０は、接続領域２０Ａ上に設けられた側板３０Ａを有する。なお、本実施例においては、レーザアレイ２０及び波長変換体３０の各々は、矩形の上面形状を有する。また、共通端子１４は、搭載基板１１上におけるレーザアレイ２０の互いに対向する側部の各々に設けられており、接続領域２０Ａはレーザ素子１２の全体を挟むようにレーザアレイ２０の両側部に設けられている。図１（ａ）には一方の接続領域２０Ａのみを示している。

図１（ｂ）は、レーザ装置１０の断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＸ−Ｘ線に沿った断面図であるが、その一部を図示している。図１（ｂ）に示すように、まず、レーザアレイ２０は、レーザ素子１２の各々に共通の成長基板（結晶成長に用いられる基板）２１、第１の多層膜反射鏡（以下、第１の反射鏡と称する）２２、半導体構造層２３、電流狭窄層２４及び第２の多層膜反射鏡（以下、第２の反射鏡と称する）２５を有する。本実施例においては、成長基板２１は、半導体構造層２３の結晶成長に用いられる基板であり、例えばＧａＮ基板からなる。

換言すれば、レーザアレイ２０は、半導体構造層２３と、半導体構造層２３を挟んで互いに対向して形成された第１及び第２の反射鏡２２及び２５を有する。本実施例においては、半導体構造層２３は、第１の半導体層２３Ａ、活性層２３Ｂ及び第２の半導体層２３Ｃが積層された構造を有する。半導体構造層２３は、例えば、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成を有する。

本実施例においては、活性層２３Ｂは多重量子井戸構造を有する。また、本実施例においては、第１の半導体層２３Ａはｎ型半導体層であり、第２の半導体層２３Ｃはｐ型半導体層である。共通端子１４は接続電極（第１の接続電極）Ｅ１を介して第１の半導体層２３Ａに接続され、個別端子１５は配線電極１６を介して第２の半導体層２３Ｃに接続されている。接続電極Ｅ１は、第２の半導体層２３Ｃ、活性層２３Ｂ、配線電極１６とは電気的に絶縁されている。

また、本実施例においては、第１の反射鏡２２は互いに屈折率の異なる半導体層が交互に積層されてなる分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）である。また、第２の反射鏡２５は互いに屈折率の異なる誘電体層が交互に積層されてなるＤＢＲである。また、電流狭窄層２４は、半導体構造層２３と第２の反射鏡２５との間に形成され、レーザ素子１２の各々に対応する電流狭窄部２４Ａを有する。電流狭窄層２４は、例えばＳｉＯ₂やＳｉＮなどの絶縁材料からなる絶縁層であり、電流狭窄部２４Ａとして開口部ＡＰ２を有する。

また、本実施例においては、レーザアレイ２０は、成長基板２１の一方の主面上に、第１の反射鏡２２、第１の半導体層２３Ａ、活性層２３Ｂ、第２の半導体層２３Ｃ、電流狭窄層２４及び第２の反射鏡２５が積層された構造を有する。また、レーザ装置１０は、第２の反射鏡２５側からレーザアレイ２０が搭載基板１１にフリップチップ実装された構造を有する。従って、本実施例においては、レーザ素子１２の各々の上面は成長基板２１の表面（他方の主面）であり、レーザ素子１２の凸部１２Ａは成長基板２１の表面に設けられた凸部である。なお、本実施例においては、搭載基板１１は、例えば、Ｓｉ、ＡｌＮ又はＳｉＣなどの高い熱伝導性を有する材料からなる。

次に、波長変換体３０の波長変換板１３の各々は、底面ＢＳ、上面ＴＳ及び側面ＳＳを有する蛍光体板１３Ａと、蛍光体板１３Ａの底面ＢＳ及び側面ＳＳを覆い、底面ＢＳ上に受光部ＲＰを構成する開口部ＡＰ１を有する光反射膜１３Ｂとを有する。蛍光体板１３Ａは、例えば、蛍光体粒子及び光散乱粒子を含むガラスプレートからなる。蛍光体板１３Ａの底面ＢＳは、光反射膜１３Ｂの開口部ＡＰ１においてレーザ素子１２の凸部１２Ａに接している。

また、波長変換板１３は、底面ＢＳ上の光反射膜１３Ｂを介してレーザ素子１２（レーザアレイ１２）に固定されている。本実施例においては、波長変換板１３は、レーザアレイ２０の成長基板２１の表面に接合されている。

また、本実施例においては、波長変換板１３の受光部ＲＰとしての光反射膜１３Ｂの開口部（第１の開口部）ＡＰ１、及びレーザ素子１２の電流狭窄部２４Ａとしての電流狭窄層２４の開口部（第２の開口部）は、それぞれ円形状を有し、搭載基板１１に垂直な方向において同軸に配置されている。また、本実施例においてはレーザ素子１２の表面の凸部１２Ａは円柱形状を有している。

また、波長変換板１３（蛍光体板１３Ａ）の各々は、四角柱形状を有する。また、隣接する波長変換板１３は、その側面の光反射膜１３Ｂ同士が互いに面接触によって接している。すなわち、本実施例においては、波長変換板１３の各々はレーザアレイ２０上において最密充填構造で配置されている。また、受光部ＲＰ（開口部ＡＰ１）は蛍光体板１３Ａの底面ＢＳの中央部に配置されている。

なお、開口部ＡＰ１及びＡＰ２の形状は円形に限定されず、例えば楕円形状や多角形状を有していてもよい。また、蛍光体板１３Ａの形状は四角柱に限定されず、例えば三角柱や六角柱など、角柱形状であればよい。また、レーザ素子１２の凸部１２Ａの形状は円柱形状に限定されず、多角柱形状や錐台形状を有していてもよい。

また、配線電極１６の各々は、電流狭窄部２４Ａ及び受光部ＲＰの位置にそれぞれ対応して半導体構造層２３（本実施例においては第２の半導体層２３Ｃ）に接続されている。共通端子１４及び１つの個別端子１５（配線電極１６）間に印加された電流は、対応する電流狭窄部２４Ａから半導体構造層２３内を流れる。

そして、活性層２３Ｂ内で放出された光は第１及び第２の反射鏡２２及び２５間で増幅されてレーザ発振を行い、１つの電流狭窄部２４Ａの直上の受光部ＲＰ（底面ＢＳ）から波長変換板１３（蛍光体板１３Ａ）に入射する。波長変換板１３に入射した光はその波長が変換され、上面ＴＳから出射される。このように、１つのレーザ素子１２及びこれに対応する波長変換板１３は、１つの発光セグメントＥＳを構成する。レーザ装置１０は、発光セグメントＥＳ毎に個別に駆動可能な構成を有する。

図２（ａ）は、発光セグメントＥＳのより詳細な構造を示す断面図である。図２（ａ）は、図１（ｂ）の破線で囲まれた部分を拡大して示す部分拡大断面図であるが、一部のハッチングを省略し、一部の構成要素を破線で示している。図２（ａ）を用いて、レーザ素子１２及び波長変換板１３の構成についてより詳細に説明する。

まず、レーザ素子１２は、電流狭窄層２４の開口部ＡＰ２から露出した第２の半導体層２３Ｃの表面に接続された接続電極（第２の接続電極）Ｅ２を有する。接続電極Ｅ２は開口部ＡＰ２を埋め込みつつ電流狭窄層２４上に形成されている。接続電極Ｅ２は、例えばＩＴＯやＩＺＯなどの透光材料からなる。

また、第２の反射鏡２５は接続電極Ｅ２上に形成され、接続電極Ｅ２を部分的に露出させる貫通孔を有する。レーザ素子１２は、当該貫通孔を介して接続電極Ｅ２に接続されたパッド電極１２Ｃを有する。パッド電極１２Ｃは当該貫通孔を埋め込みつつ第２の反射鏡２５上に形成されている。配線電極１６は、パッド電極１２Ｃに接触されている。

次に、波長変換板１３は、本実施例においては、２層構造の光反射膜１３Ｂを有する。光反射膜１３Ｂは、蛍光体板１３Ａの側面ＳＳ及び底面ＢＳ上に形成された反射金属膜ＭＦと、反射金属膜ＭＦ上に形成された保護金属膜ＰＦとからなる。反射金属膜ＭＦは、例えばＴｉ／Ａｇ、Ｔｉ／Ａｌ又はＩＴＯ／Ａｇの薄膜のいずれかがこの順で積層された構造を有する。保護金属膜ＰＦは、例えばＴｉ膜、Ｐｔ膜及びＡｕ膜が積層された構造を有する。

次に、レーザ素子１２及び波長変換板１３は、接合金属層ＢＤによって互いに接合されている。本実施例においては、レーザ素子１２の成長基板２１と波長変換板１３の保護金属膜ＰＦとが、接合金属層ＢＤを介して接合されている。具体的には、成長基板２１における凸部１２Ａの外側の表面１２Ｂ上に接合金属層ＢＤが形成され、接合金属層ＢＤに保護金属膜ＰＦが接合されて形成されている。

なお、接合金属層ＢＤは、例えばＴｉ膜又はＮｉ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜が積層された構造を有する。また、本実施例においては、接合金属層ＢＤは凸部１２Ａ上には設けられておらず、凸部１２Ａは接合金属層ＢＤから露出している。

次に、レーザ素子１２の凸部１２Ａは、波長変換板１３Ａにおける蛍光体板１３Ａの底面ＢＳに接している。具体的には、凸部１２Ａは接合金属層ＢＤから露出している。また、蛍光体板１３Ａの底面ＢＳは、光反射膜１３Ｂの開口部ＡＰ１から露出している。波長変換板１３は、この蛍光体板１３Ａの底面ＢＳの露出した部分がレーザ素子１２の凸部１２Ａ上に配置されるように構成されている。従って、凸部１２Ａ上における蛍光体板１３Ａの底面ＢＳはレーザ素子１２からの光の受光部ＲＰとして機能する。

換言すれば、レーザ素子１２及び波長変換板１３は、レーザ素子１２の凸部１２Ａにおいて互いに光学的に接続され、レーザ素子１２の凸部１２Ａの外側の表面（上面）において互いに接合されている。

また、波長変換体３０の隣接する波長変換板１３は、蛍光体板１３Ａの側面ＳＳ上の光反射膜１３Ｂによって互いに接触している。本実施例においては、隣接する蛍光体板１３Ａの側面ＳＳ上の保護金属層ＰＦ同士が互いに接合（固着）され、全体として一体化した板状の波長変換体３０を構成している。例えば、蛍光体板１３Ａの側面ＳＳ間の間隔は、およそ数μｍである。

なお、本実施例においては、光反射膜１３Ｂの開口部ＡＰ１の開口径Ｄ１は、レーザ素子１２における半導体構造層２３と接続電極Ｅ２とのコンタクト部となる電流狭窄層２４（絶縁層）の開口部ＡＰ２の開口径Ｄ２以上の大きさを有する。開口径Ｄ１及びＤ２は、例えば、レーザ素子１２の全体層厚、開口部ＡＰ１及びＡＰ２間の距離、並びに開口部ＡＰ１（受光部ＲＰ）におけるビームの広がり角を考慮して調節することができる。光の取り出し効率を考慮すると、開口径Ｄ１を開口径Ｄ２以上とすることが好ましい。

また、蛍光体板１３Ａの外形や厚さについては、例えば半導体構造層２３の材料や蛍光体粒子の材料などを考慮して、所望の発光色が得られるように調節することができる。例えば、開口部ＡＰ２は２〜２０μｍの開口径Ｄ２を有し、開口部ＡＰ１は２０〜４０μｍの開口径Ｄ１を有する。また、例えば、蛍光体板１３Ａは、２０〜３００μｍの厚さ、及び５０〜４００μｍの幅及び長さを有する。

図２（ｂ）は、発光セグメントＥＳ内における光の進路を模式的に示す図である。図２（ｂ）は図２（ａ）と同様の断面図である。まず、レーザ素子１２から出射されるレーザ光は、その大部分がコヒーレント性を持っているため、この大部分のコヒーレント光Ｌ１は受光部ＲＰ（開口部ＡＰ１）に向かって直進し、蛍光体板１３Ａに入射する。光Ｌ１は、その一部が蛍光体板１３Ａ内で蛍光体粒子や光散乱粒子に衝突し、波長が変換された光又は散乱された光となって上面ＴＳから出射される。また、蛍光体粒子などに衝突しなかった光Ｌ１はそのまま直進して蛍光体板１３Ａの上面ＴＳから出射される。これによって光の混色が生じ、所望の発光色の光を得ることができる。

次に、光Ｌ１のうち、上面ＴＳで反射された光Ｌ２は、蛍光体板１３Ａの底面ＢＳに向かって進む。この光Ｌ２は、開口部ＡＰ１を除いて底面ＢＳ及び側面ＳＳのほぼ全面を覆う光反射膜１３Ｂ（反射金属膜ＭＦ）によって反射される。従って、光Ｌ２は再度上面ＴＳに向かって進み、蛍光体板１３Ａから取り出される可能性が高い。また、側面ＳＳに光反射膜１３Ｂが設けられていることで、隣接する他の蛍光体板１３Ａに光Ｌ１及びＬ２が進むことが抑制される。従って、波長変換板１３に入射した光を、クロストークを抑制しつつ外部に取り出すことができる。

一方、レーザ素子１２から放出された光には、例えば発光ダイオードからの放出光のようなコヒーレント性を有しない成分が含まれる場合がある。このインコヒーレント光Ｌ３は活性層２３Ｂから放射的に放出されるため、受光部ＲＰから外れた方向に進む可能性がある。しかし、この光Ｌ３は、レーザ素子１２側から光反射膜１３Ｂ（保護金属膜ＰＦ）、本実施例においては接合金属層ＢＤに入射する。この光Ｌ３は半導体構造層２３側に戻されるか又は減衰する可能性が高い。従って、光Ｌ３が他の発光セグメントＥＳの領域に進入すること、すなわち光のクロストークが抑制される。

このように、本実施例においては、まず、光反射膜１３Ｂが開口部ＡＰ１を有して蛍光体板１３Ａの底面ＢＳを覆っている。従って、レーザ光の特性を活用しつつ高効率で光を波長変換板１３に入射させ、かつ波長変換板１３から高い効率で光を取り出すことができる。また、光Ｌ３のようなインコヒーレント光の他の発光セグメントＥＳへのクロストークを抑制することができる。

また、光反射膜１３Ｂは蛍光体板１３Ａの側面ＳＳを覆うように形成されている。また、本実施例においては、波長変換板１３の各々が角柱形状を有し、隣接する波長変換板１３の側面の光反射膜１３Ｂ同士が互いに接している。従って、発光セグメントＥＳ間の非発光領域、すなわちダークラインを生じさせ得る領域の幅は、光反射膜１３Ｂの膜厚程度とすることができる。例えば、蛍光体板１３Ａ間の距離は、５〜２０μｍ程度にまで小さくすることができる。従って、ダークラインの形成が抑制される。

従って、例えばレーザ装置１０を照明用途に用いる場合、照射領域の明暗のコントラストが明確となり、また、照射領域にダークラインが形成されることが抑制され、照射領域全体を均一に照らすことが可能となる。従って、光のクロストーク及びダークラインの形成が大幅に抑制された面発光レーザ装置１０を提供することができる。

また、波長変換板１３は、光反射膜１３Ｂが接合金属層ＢＤに接触している。この接合金属層ＢＤ及び光反射膜１３Ｂは、波長変換板１３において生ずる熱を外部に放熱する放熱経路を形成する。また、上記したように、波長変換板１３は、開口部ＡＰ１を除いてほぼ全面が接合金属層ＢＤに接触しているため、高効率で放熱を行うことができる。

また、光反射膜１３Ｂが反射金属膜ＭＦ及び保護金属膜ＰＦを有することで、光反射膜１３Ｂの耐久性が向上し、かつ接合金属層ＢＤと共に安定した放熱部を形成することができる。

さらに、本実施例においては、レーザ素子１２の上面に凸部１２Ａが形成され、蛍光体板１３Ａにおける光反射膜１３Ｂの開口部ＡＰ１から露出した底面ＢＳの部分は凸部１２Ａ上に接して形成されている。従って、蛍光体板ＰＬの底面ＢＳの受光部ＲＰに生じ得る熱をレーザ素子１２側に伝達（伝導）させることができる。

なお、面発光レーザにおいては、例えばレーザ光の出射面（凸部１２Ａ）や蛍光体板１３Ａの入光面（受光部ＲＰ）などにおいて大きな熱が生ずる。また、アレイ状に複数のレーザ素子１２を配置した場合、この発熱が外部に逃げにくい場合がある。これに対し、本実施例においては、凸部１２Ａにおいてレーザ素子１２及び蛍光体板１３Ａを接触させることで、接合金属層ＢＤ及び光反射膜ＲＦを利用して高効率で放熱を行うことができる。従って、高信頼性かつ長寿命なレーザ装置１０を提供することができる。

なお、本実施例においては、レーザアレイ２０が接続領域２０Ａを有し、波長変換体３０が側板３０Ａを有する場合について説明したが、レーザアレイ２０及び波長変換体３０は、それぞれ複数のレーザ素子１２及び波長変換板１３を有していればよい。また、レーザ素子１２の各々が並列に接続され、個別に駆動可能なように構成されている場合について説明したが、レーザ素子１２の接続構成はこれに限定されない。例えばレーザ素子１２の各々が直列に接続されていてもよい。

また、本実施例においてはレーザ素子１２及び波長変換板１３がマトリクス状に配置される場合について説明したが、レーザ素子１２及び波長変換板１３の配置構成は一例に過ぎない。レーザ装置１０は、搭載基板１１上に複数のレーザ素子１２を含むレーザアレイ２０が形成されていればよい。例えば、レーザ素子１２がハニカム状に配置されていてもよい。また、波長変換板１３の配置構成及びレーザ素子１２の層構成は一例に過ぎない。

次に、図３（ａ）〜（ｄ）を用いて、レーザ装置１０の製造方法について説明する。図３（ａ）〜（ｄ）は、レーザ装置１０の製造過程における半導体ウェハ又は搭載基板１１を示す図である。

［レーザアレイ２０の形成工程］
図３（ａ）は、複数のレーザ素子１２を含むレーザアレイ２０が形成された半導体ウェハの断面図である。本工程においては、成長基板２１上に第１の反射鏡２２、半導体構造層２３（第１の半導体層２３Ａ、活性層２３Ｂ及び第２の半導体層２３Ｃ）、電流狭窄層２４、第２の反射鏡２５並びに各電極（図２（ａ）も併せて参照）を形成する。

本実施例においては、まず成長基板２１を準備し、成長基板２１上にバッファ層（図示せず）を形成した。次に、バッファ層上に高屈折率半導体層及び低屈折率半導体層を交互に複数回成長して第１の反射鏡２２を形成した。続いて、第１の反射鏡２２上に第１の半導体層２３Ａ、活性層２３Ｂ及び第２の半導体層２３Ｃを成長し、半導体構造層２３を形成した。

次に、第２の半導体層２３Ｃ上に、開口部ＡＰ２を有する電流狭窄層２４を形成した。続いて、電流狭窄層２４上に、接続電極Ｅ２、第２の反射鏡２５及びパッド電極１２Ｃを形成した。また、第２の半導体層２３Ｃ側から第１の半導体層２３Ａに至る凹部を形成し、当該凹部において露出した第１の半導体層２３Ａの表面上に接続電極Ｅ１を形成した。このようにして、レーザ素子１２を含むレーザアレイ２０を形成した。

［搭載基板１１の形成工程］
図３（ｂ）は、共通端子１４、個別端子１５及び配線電極１６が形成された搭載基板１１を示す断面図である。本工程では、搭載基板１１を準備し、搭載基板１１上に共通端子１４、個別端子１５及び配線電極１６を形成する。本実施例においては、搭載基板１１上に、パターニングされた金属層を形成することで、共通端子１４、個別端子１５及び配線電極１６を形成した。

［レーザアレイ２０の搭載基板１１への搭載工程及び凸部１２Ａの形成工程］
図３（ｃ）は、レーザ素子１２に凸部１２Ａが形成されたレーザアレイ２０を含む搭載基板１１を示す断面図である。本工程では、搭載基板１１にレーザアレイ２０を接合し、レーザアレイ２０の上面に複数の凸部１２Ａを形成する。

まず、本実施例においては、搭載基板１１の共通端子１４上及び配線電極１６上に接合層を、レーザアレイ２０のパッド電極１２Ｃ上に接合層を形成する。そして、当該接合層を加熱及び圧着によって接合し、搭載基板１１にレーザアレイ２０を接合する。本実施例においては、図３（ｃ）に示すように、第２の反射鏡２５（第２の半導体層２３Ｃ）側からレーザアレイ２０を搭載基板１１に接合した。従って、搭載基板１１上には、第２の反射鏡２５、半導体構造層２３、第１の反射鏡２２及び成長基板２１がこの順で積層される。

次に、成長基板２１の表面に、電流狭窄層２４の開口部ＡＰ２に対応する複数の凸部１２Ａを形成する。具体的に、成長基板２１の搭載基板１１側の表面（結晶成長面）とは反対側の表面において、開口部ＡＰ２上の領域を除いてエッチング加工を施し、当該成長基板２１の表面を部分的に除去する。理解の容易さのため、エッチング前における成長基板２１の表面を破線で示している。これによって、エッチングされなかった部分は凸部１２Ａとなり、エッチングされた部分は凸部１２Ａよりも窪んだ表面１２Ｂとなる。

［波長変換体３０の形成工程及びレーザアレイ２０への接合工程］
図３（ｄ）は、波長変換体３０が接合された搭載基板１１を示す断面図である。本工程では、波長変換板１３及び側板３０Ａを有する波長変換体３０を形成し、波長変換体３０をレーザアレイ２０に接合する。まず、本実施例においては、複数の蛍光体板１３Ａを準備し、その側面ＳＳを覆い、底面ＢＳ上に開口部ＡＰ１を有する光反射膜１３Ｂを形成する。これによって複数の波長変換板１３を形成する。次に、複数の蛍光体板１３Ａをその側面ＳＳ上の光反射膜１３Ｂを介して互いに接着する。これによって、波長変換板１３が接着された波長変換体３０を形成する。

次に、レーザアレイ２０に波長変換体３０を接合する。具体的には、凸部１２Ａを除いたレーザアレイ２０の上面部分１２Ｂに接合金属層ＢＤを形成する。そして、凸部１２Ａ上に蛍光体板１３Ａの光反射膜１３Ｂから露出した底面ＢＳが接するように、光反射膜１３Ｂ及び接合金属層ＢＤを接触させ、両者を加熱及び圧着によって接合する。

なお、これ以降は、各端子へのワイヤボンディングやレーザ装置１０の封止などを行って、レーザ装置１０を作製する。

本実施例においては、レーザ装置１０は、搭載基板１１上に並置され、各々が上面に凸部１２Ａを有する複数のレーザ素子１２を含むレーザアレイ２０と、レーザ素子１２の各々上に形成され、各々が、蛍光体板１３Ａと蛍光体板１３Ａの側面ＳＳ及び底面ＢＳを覆いかつ底面ＢＳ上に開口部ＡＰ１を有する光反射膜１３Ｂとを有し、開口部ＡＰ１において蛍光体板１３Ａの底面ＢＳがレーザ素子１２の凸部１２Ａに接するように配置された波長変換板１３と、を有する。従って、光のクロストーク及びダークラインの形成が抑制された高出力のアレイ型面発光レーザ装置１０を提供することができる。

図４（ａ）は、実施例２に係る面発光レーザ装置４０の構造を示す断面図である。図４（ａ）は、レーザ装置４０の１つの発光セグメントＥＳ１の部分を拡大して示す断面図である。レーザ装置４０は、レーザ素子１２及び波長変換板１３間に光吸収層４１を有する点を除いてはレーザ装置１０と同様の構成を有する。レーザ装置４０は、レーザ素子１２と光反射膜１３Ｂとの間に光吸収層４１を有する。

具体的には、レーザ装置４０は、レーザ素子１２における凸部１２Ａの外側の表面１２Ｂ上に、光吸収層４１を有する。接合金属層ＢＤは光吸収層４１上に形成されている。光吸収層４１は、光反射膜１３Ｂの反射金属膜ＭＦよりも反射率の小さい層であり、例えば層状のＣｕ又はＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）などの低反射金属層を含んでいてもよい。なお、光吸収層４１は、レーザ素子１２との界面に反射防止（ＡＲ）層を有していてもよい。

例えば、光吸収層４１は、レーザ素子１２の発振波長に対し、６０％以下の反射率、好ましくは３０％以下の反射率を有する。一方、例えば、光反射膜１３Ｂの反射金属膜ＭＦは、レーザ素子１２の発振波長に対し、８０％以上の反射率、好ましくは９０％以上の反射率を有する。

図４（ｂ）は、レーザ装置４０における発光セグメントＥＳ１内の光の進路を模式的に示す図である。図４（ｂ）は発光セグメントＥＳ１における図２（ｂ）と同様の断面図である。レーザ装置４０は、レーザ素子１２から放出されるインコヒーレント光Ｌ３の吸収特性に優れた構成を有する。具体的には、図４（ｂ）に示すように、レーザ素子１２から放出されるインコヒーレント光Ｌ３は、光吸収層４１によって減衰又は消滅する可能性が高い。なお、レーザ光（図２（ｂ）における光Ｌ１のような光）については、レーザ装置１０と同様の進路を進む可能性が高い。

本実施例においては、レーザ素子１２の凸部１２の外側の表面１２Ｂと波長変換板１３の光反射膜１３Ｂとの間に光吸収層４１が設けられている。従って、レーザ素子１２の上面における凸部１２Ａ（すなわち光出射面）以外の部分を光吸収面として機能させることができる。これによって、凸部１２Ａ以外のレーザ素子１２の上面部分１２Ｂに向かって進む光Ｌ３が他の発光セグメントＥＳ１に進むことが抑制される。従って、クロストークの抑制効果に優れたレーザ装置４０を提供することができる。

図５は、実施例２の変形例に係るレーザ装置４０Ａの構造を示す断面図である。図５は、レーザ装置４０Ａの１つの発光セグメントＥＳ２の部分を拡大して示す断面図である。レーザ装置４０Ａは、レーザ素子４２の構造を除いてはレーザ装置１０と同様の構成を有する。レーザ装置４０Ａは、レーザ素子４２と光吸収層４１との界面に凹凸面４２Ｂを有する。具体的には、レーザ素子４２の上面には、凸部４２と凸部４２の外側に設けられた凹凸面４２Ｂとが設けられている。

本変形例においては、凹凸面４２Ｂにおける凹凸の平均サイズは、凸部４２Ａの高さよりも十分に小さい。例えば、凹凸面４２Ｂは、一部（凸部４２Ａとなる部分）を除いてレーザ素子４２の成長基板２１の表面にウェットエッチングを行い、例えばＧａＮ系半導体の結晶構造に由来する六角錐状の複数の突起を形成することで、形成することができる。例えば、凹凸面４２Ｂにおける凹凸（例えば六角錐状の突起）は、その直径の平均が０．１μｍ以上１０μｍ以下であり、好ましくは０．５μｍ以上１．０μｍ以下である。

なお、レーザ装置４０Ａを作製する際には、レーザ素子４２の凹凸面４２Ｂ上においてレーザ素子４２及び波長変換板１３を互いに接合する。このとき、凹凸面４２Ｂのような粗面で接合を行うことで、安定して凸部４２Ａと蛍光体板１３Ａとを接触させることができる。

具体的には、レーザ素子４２及び波長変換板１３は、両者が確実に接合されていることに加え、レーザ素子４２の凸部４２Ａが確実に蛍光体板１３Ａの底面ＢＳに密着していることが好ましい。これに対し、例えば、実際の凸部４２の高さや光反射膜１３Ｂの膜厚、接合金属層ＢＤの層厚によっては、両者の接合強度が低下する場合や、凸部４２Ａが蛍光体板１３Ａに密着しない場合がある。

これに対し、本変形例においては、レーザ素子４２と波長変換板１３との接合（加熱及び圧着）が粗面上で行われる。従って、例えば平坦面を用いた接合に比べて接合面の面積が増加する。これによって、上記した寸法の誤差を吸収するように、凸部４２Ａへの蛍光体板１３Ａの確実な接触、かつレーザ素子４２への波長変換板１３（蛍光体板１３Ａ）の安定した接合が行われる。従って、レーザ装置４０Ａの製造歩留まりが改善する。

なお、凹凸面４２Ｂ上に光吸収層４１が形成される場合、凹凸の内部反射によって光吸収が高まるため、光吸収層４１が低反射金属材料から構成される必要はない。また、例えば、凹凸面４２Ｂ上に光吸収層４１を設けず、低反射率の金属層を有する接合金属層ＢＤが凹凸面４２Ｂ上に形成されていてもよい。すなわち、例えば、接合金属層ＢＤが光吸収層４１の機能（低反射機能）を有していてもよい。

本変形例においては、レーザ素子４２が光吸収層４１との界面に凹凸面４２Ｂを有する。従って、光吸収層４１に向かう光（図４（ｂ）における光Ｌ３のような光）を高効率で光吸収層４１に入射させることができる。これによって光吸収層４１に向かう光の大部分を消滅又は減衰させることができ、光のクロストークを抑制することができる。従って、光のクロストークが抑制され、また、ダークラインの形成が抑制された高信頼性かつ高出力のレーザ装置４０Ａを提供することができる。

１０、４０、４０Ａ面発光レーザ装置
２０面発光レーザアレイ
１２面発光レーザ素子
１２Ａ凸部
１３波長変換板
１３Ａ蛍光体板
１３Ｂ光反射膜
ＡＰ１開口部
４１光吸収層
４２Ｂ凹凸面

Claims

搭載基板と、
前記搭載基板上に並置され、各々が上面に凸部を有する複数の面発光レーザ素子を含む面発光レーザアレイと、
前記複数の面発光レーザ素子の各々上に形成され、各々が、蛍光体板と前記蛍光体板の側面及び底面を覆いかつ前記底面上に開口部を有する光反射膜とを有し、前記光反射膜の前記開口部において前記蛍光体板が前記面発光レーザ素子の前記凸部に接するように配置された複数の波長変換板と、を有することを特徴とする面発光レーザ装置。
前記複数の面発光レーザ素子の各々と前記複数の光反射膜との間に光吸収層を有することを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ装置。
前記複数の面発光レーザ素子の各々は、前記光吸収層との界面に凹凸面を有することを特徴とする請求項２に記載の面発光レーザ装置。
前記複数の波長変換板の各々は角柱形状を有し、
前記複数の波長変換板の隣接する波長変換板は、前記隣接する波長変換板の側面の前記光反射膜同士が互いに接していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の面発光レーザ装置。
前記複数の光反射膜の各々は、前記蛍光体板上に形成された反射金属膜と、前記反射金属膜上に形成された保護金属膜とを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の面発光レーザ装置。
前記面発光レーザアレイは、
前記面発光レーザ素子の各々に共通の半導体構造層と、
前記半導体構造層を挟んで互いに対向する第１及び第２の多層膜反射鏡と、
前記第１の多層膜反射鏡と前記半導体構造層との間に形成され、各々が前記面発光レーザ素子の各々に対応する複数の電流狭窄部を有する電流狭窄層と、を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の面発光レーザ装置。
前記電流狭窄層は、前記電流狭窄部として開口部を有する絶縁層であり、
前記絶縁層の前記開口部は、前記光反射膜の前記開口部と同軸に配置さ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装置。
前記光反射膜の前記開口部は、前記絶縁層の前記開口部以上の開口径を有することを特徴とする請求項６又は７に記載の面発光レーザ装置。