JP3621137B2 - 非モノリシックレーザーアレイ - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、非モノリシックレーザーアレイに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザープリンタや光メモリなどの多くの装置の性能は、独立に制御されるレーザー素子から成るレーザーアレイによって向上させることができる。たとえば、レーザー素子から成るレーザーアレイを使用するレーザープリンタは、単一レーザー素子のみを使用するプリンタよりも高い印刷速度とすぐれたスポット鮮鋭度をもつことができる。多くのアプリケーションにおいて、レーザーアレイのレーザー素子の位置および方位を正確に定めることが重要である。
【０００３】
モノリシックレーザーアレイは、通例、同じ波長の光線を出力する。一般に、その波長は狭い範囲内で変えることができるだけである。しかし、カラー印刷を含む幾つかのアプリケーションにおいては、広い範囲（たとえば、赤外線から可視光）にわたる多くの波長を出力することが望ましい。カラー印刷の場合、これにより、レーザー出力特性を感光体レスポンスウィンドウに適合させることができ、あるいは重なり合ったレーザー光線をダイクロイックフィルタを使用して分離することができる。また、幾つかのアプリケーションにおいては、異なる偏光またはスポットプロフィールをもつ多数のレーザー光線を放射することが望ましいことがある。最後に、ほとんどの場合、レーザー素子間の電気的、光学的、および熱的漏話が少ないことが望ましい。
【０００４】
現在のモノリシックレーザーアレイに比べると、非モノリシックレーザーアレイはより広い範囲のレーザー光線の特性（波長や偏光など）を与えることができ、そして電気的、光学的、および熱的漏話をより少なくすることができる。従って、非モノリシックレーザーアレイのほうが好ましいことが多い。
【０００５】
非モノリシックレーザーアレイは、一般に、支持体に取り付けられた複数の個別レーザーダイオードから成っている。多くのアプリケーションにおいて、出力レーザー光線を正確に間隔をおいて配置しなければならないので、支持体は非モノリシックレーザーアレイの長所を損なわないようにしながら、レーザー素子を正確に配置することができなければならない。
【０００６】
従来の非モノリシックレーザーアレイは、通例、平坦な支持体を使用している。これらの平坦レーザーアレイには、放射されたレーザー光線をどれだけ近い間隔で配置することができるかに関して大きな問題がある。これは、レーザー素子が形成されたウェーハを切断する際に損傷を避けるため、レーザー素子のレーザーストライプ（レーザー光線の発生源）が一般にレーザー素子の中央に置かれることが理由である。従って、従来は、レーザーストライプを共通平坦基板上に置く場合には、レーザーストライプをレーザー素子の幅より狭い任意の間隔で配置することは容易でなかった。
【０００７】
米国特許第４，９０１，３２５号は、レーザー素子が近接した間隔で配置された非平坦・非モノリシックレーザーアレイを開示している。図１に、非モノリシックレーザーアレイの支持体１０の簡単な斜視図を示す。支持体１０（スペーサ１２と共に）は、レーザー素子１４を数ミクロン以内の間隔を置いて配置することができるが、レーザー素子間隔の完全な制御（レーザー素子が所望の場所にどれほど近いか）を行っていない。またレーザー素子の方位も精密に制御されていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、電気的、光学的、および（または）熱的漏話が過大でなく、非モノリシックレーザーアレイのレーザー素子を近接して正確な間隔で配置することを可能にする方法および装置が要望されている。上記の方法および装置がさらにレーザー素子の方位を正確に定めることができれば、よりいっそう望ましい。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザー素子の正確な位置決めおよび分離を可能にし、かつ熱的、光学的、および電気的漏話を少なくすることができる支持体に取り付けられたレーザー素子から成る非モノリシックレーザーアレイを提供する。本発明は、非常に広範囲の分離にわたって使用できるが、レーザー素子を約２５０ミクロン以下に分離する場合に特に有用である。
【００１０】
支持体はスペーサが突き出た本体をもつ複合構造である。支持体は低熱拡散率領域と、その低熱拡散率領域を取り囲み、レーザー素子取付け面を形成している１個またはそれ以上の高熱拡散率領域から成っている。従って、レーザー素子の水平方向の分離はスペーサの厚さによって支配される。
【００１１】
もし本体および（または）スペーサが絶縁物であれば、必要なとき電流がレーザー素子へ流れるように、本体および（または）スペーサの１つまたはそれ以上の外面にわたって導電性層をデポジットすることができる。都合のよいことに、支持体に接合されるレーザー素子の取付け面は電気入力端子である。レーザー素子の他の端子は電線を通して対応する電流源に接続されている。従って、支持体は２個のレーザー素子へ電流を伝える。
【００１２】
レーザー素子を通る電流によって発生した熱はスペーサの高熱拡散率領域を通って本体へ伝わる。本体はヒートシンクであることが好ましい。スペーサの低熱拡散率領域はレーザー素子間の熱の流れを減らす熱障壁になる。このように、スペーサはレーザー素子間の熱的漏話を減らすまたは除去するほか、レーザー素子の自己加熱（レーザードループを引き起こす）を減らす作用もする。
【００１３】
本発明の他の特徴は、添付図面を参照して以下の説明を読まれれば明らかになるであろう。
【００１４】
【実施例】
最初に熱拡散率と熱伝導率の２つの特性について説明する。熱拡散率は熱を伝達する材料の能力を表すのに対し、熱伝導率は熱拡散率と熱容量の積である。次に説明する複合構造の目的は熱を発生するレーザー素子からの熱伝達を最適にすることにあるので、熱拡散率が最も重要な特性である。
【００１５】
次に説明する実施例に使用した典型的なレーザー素子は、図２に示すように、半導体ダイオードレーザー２０である。ダイオードレーザー２０は、或る電気的な型（たとえばｎ型）にドーピングされた基板２２と、その上に全面成長させた複数区間のエピタキシャル層２４から成っている。エピタキシャル層２４は５つの層２４ａ〜２４ｅから成っている。層２４ａと２４ｂはｎ型であり、層２４ｄと２４ｅはｐ型であり、層２４ｃはドーピングされていない。さまざまな層２４ａ〜２４ｅは再結合するキャリヤと、その結果放射されたフォトンを閉じ込める作用をする。エピタキシャル層２４の上に電極層２８が形成されている。必要なとき入力電流を閉じ込めるため、電極層２８をパターニングすることができる、またはエピタキシャル層２４内の材料を部分修正することができる（たとえば、層の秩序を乱すこと、すなわち逆ドーピングによって）。基板２２の底面全体に第２電極層３０が形成されている。ダイオードレーザー２０は、電極層２８，３０を通して印加された電流によって光を放射するように構成されている。
【００１６】
周知のように、ダイオードレーザー２０は動作するために光反射器が必要である（通例はへき開面として具体化される）。ダイオードレーザー２０の光反射器は誘導放射のためキャビティを形成しているへき開面３２（１つのみを示す）を使用して得られる。動作中、レーザー光線３６はへき開面３２から放射される。
【００１７】
レーザー出力の最大間隔および位置決め精度を達成するため、電極層２８が支持体に電気的に接触した状態でレーザー素子２０が支持体に取り付けられている（以下、説明する）。エキタキシャル層２４ａ〜２４ｅの厚さと電極層２８の厚さを制御するほうが基板の厚さを制御するより容易であるので、これは有利である。さらにエキタキシャル層２４ａ〜２４ｅと電極層２８は非常に薄い（全部で約２μｍ）ので、このやり方で取り付けると、レーザー光線出力が支持体に非常に近接する。従って、レーザー光線間の間隔は本質的に支持体の厚さに等しい。最後にレーザー素子をこのやり方で取り付けると、熱を発生するエピタキシャル層が支持体に良好に熱的に接触した状態に置かれるので、熱伝達が向上する。
【００１８】
次に図３について説明する。本発明の第１実施例による非モノリシックレーザーアレイでは、２個のレーザー素子２０ａ，２０ｂが支持体１０２に取り付けられている。支持体１０２は低熱拡散率芯１０４と、低熱拡散率芯１０４を取り囲んでいる導電性高熱拡散率部分１０６（図３に示した部分１０６ａ，１０６ｂ）から成るＴ形複合構造である。レーザー素子は、（１）支持体に熱的に接触した状態で、かつ（２）電極層２８が高熱拡散率部分１０６と電気的に接触した状態で支持体に取り付けられている。実例として、芯１０４はシリコンであってもよく、高熱拡散率部分１６は銅、金、またはアルミニウムであってもよい。
【００１９】
動作中、電流源１０８ａ，１０８ｂから対応するレーザー素子２０ａ，２０ｂへ電流が印加される。高熱拡散率部分１０６は２つの電流源の共通導体の役目を果たす。ここでレーザー素子２０ａのみについて検討すると、電流源１０８ａから導電性層３０（図２参照）に印加された電流は、レーザー素子２０ａを通って光を放射させ、レーザー素子２０ａから電極層２８を通って支持体１０２へ流れ、支持体１０２を通って電流源１０８ａへ戻る。レーザー素子２０ｂも電流源１０８ｂに対し同様に作用する。
【００２０】
レーザー素子を通って流れる電流は熱を発生する。その熱は高熱拡散率部分１０６へ流れるので、レーザー素子が冷却される。これにより、レーザードループが減少し、かつ熱が逃げる機会が減少する。高熱拡散率部分１０６を通って流れる熱は適当なヒートシンクによって容易に除去される。低熱拡散率部分１０４はレーザー素子間の熱の流れを減らす熱障壁となるので、熱的漏話が減少する。
【００２１】
以下説明する別の実施例はすべて電気的および熱的に同様に作用するので、上に述べた電気的および熱的な作用の説明を繰り返す必要はないであろう。
【００２２】
本発明の非モノリシックレーザーアレイの原理は、図３に示した実施例以外の多くの実施例において実施することができる。たとえば、図４に、特定のアプリケーションにおいて非常に望ましいと思われる代替実施例の非モノリシックレーザーアレイ１５０を示す。レーザーアレイ１５０では、２個のレーザー素子２０ｃ，２０ｄが高熱拡散率支持体１５２に取り付けられている。支持体１５２はシリコン内芯１５４と、それを取り囲んでいるダイヤモンド外芯１５６から成っている。ダイヤモンドは絶縁物質であるから、レーザー素子２０ｃ，２０ｄに電流路を与えるため、ダイヤモンド外芯１５６の少なくとも一部分に導電性層１５８がデポジットされている。電線１６０はレーザー素子と導電性層１５８を電流源（図４には図示してない）に接続する。このダイヤモンド／シリコン複合構造は非常に有効な支持構造になる。
【００２３】
図５に、図４に示した構造に類似した代替実施例の非モノリシックレーザーアレイ１７０を示す。レーザーアレイ１７０では、２個のレーザー素子２０ｅ，２０ｆが高熱拡散率複合シート１７２に取り付けられている。複合シート１７２は、外面に薄い導電性層をもつ２枚のダイヤモンドシート１７６と、その間にはさまれたシリコン芯１７４から成っている。図４に示すように、レーザー素子は、薄い導電性層に電気的に接触した状態で、かつダイヤモンドシート１７６に熱的に接触した状態で取り付けられる。銅ヒートシンク１７８は複合シート１７２のための熱シンクになる。
【００２４】
図６に、さらに別の非モノリシックレーザーアレイ２００を示す。レーザーアレイ２００では、２個のレーザー素子２０ｇ，２０ｈが支持体２０４の脚部２０２ａ，２０２ｂに取り付けられている。脚部間のギャップ２０６の中に、低熱拡散率物質を充填することができる。
【００２５】
説明した諸実施例は広範囲のレーザー素子間隔にわたってうまく機能するが、レーザー素子間隔が約２５０μｍ以下のとき特に有用である。これは、レーザー素子間隔が減少するとレーザー素子間を熱絶縁する必要性が増すからである。
【００２６】
具体化する特定の実施例のさまざまな要素を構成する材料は、その特定要素の目標を達成するように選定すべきである。
【００２７】
熱的性質によって材料を選定する表を以下に示す。
【００２８】
記載したいろいろな実施例は多くのやり方で製作することができる。たとえば、低熱拡散率材料の上に高熱拡散率材料をコーティングすることができる。また低熱拡散率材料の上に高熱拡散率材料を接着することができる（たとえばエポキシ樹脂を用いて）。あるいは２つの高熱拡散率層を空気または低熱拡散率材料によって（図６のように）物理的に分離することができる。
【００２９】
低熱拡散率材料に対する高熱拡散率材料のコーティングは、金属の電気メッキまたは電着、蒸着、またはスパッタリングなど、幾つかのやり方で、あるいはシリコン、ニッケル、またはプラチナ上のＣＶＤダイヤモンド成長などの物質成長によって達成することができる。電気メッキを使用する場合は、ボイドの無い密な膜を生成する条件のもとでプロセスを実施しなければならない。シリコンＴ形サブマウントの上に約１０μｍの厚さまで銅、銀、および金をうまく電気メッキできた（約４８分のデポジッション時間）。
【００３０】
シリコンＴ形サブマウント（図４参照）の上に金属を電着する場合には、ハンダ（たとえば、Ｓｎ：Ａｇ＝９５：５）を使用してサブマウントを銅ヒートシンクにハンダ付けした後、電着を実施するのが最良である。蒸発したＣｒ：Ａｕを用いてハンダ付けするため、逆Ｔ形の底面の準備を行う。次にシリコンＴ形サブマウントの側面をスパッタさけたＮｉ：Ｐｔで被覆する。次に電着を実施し、続いてシリコン逆Ｔ形サブマウントに薄いＮｉ：Ｐｔ層をスパッタリングする。最後に、シリコン逆Ｔ形サブマウントにＩｎ（インジウム）を蒸着する。また高熱拡散率要素を製作するのに、無電解触媒金属皮膜を使用することもできよう。シリコンサブマウントの上に直接成長させたＣＶＤダイヤモンドも可能である。
【００３１】
また、いろいろな要素を一緒にハンダ付けすることも可能である。ハンダを使用する場合には、レーザー素子を所定の場所にハンダ付けするときの問題を避けるため（以下参照）、Ｉｎ−Ｓｎなどの高溶融温度ハンダを使用することが有益である。
【００３２】
いろいろな支持体に対するレーザー素子の取付けは、Ｉｎなどの低温ハンダを使用して実施するのが最良である。最初に、ハンダ付けする前に、ハンダ付けに使用するインジウムパレットを希塩酸溶液に浸して酸化物を除去する。次に、ニッケルの薄層のスパッタデポジッション、続いてプラチナの薄層のスパッタ・デポジッションによってハンダ付けするため、スペーサの取付け面の準備を行う。次にタングステンボートからインジウムパレットの蒸発を用いて、スペーサの上にハンダをデポジットする。その目的は、平坦化および湿潤化する程度に厚く、しかし僅かな材料の流れを許す程度に薄い膜をデポジットすることである。妥当なＩｎ膜の厚さは約２〜２．５ μｍである。次にレーザー素子をスペーサのインジュウム層に近づけて、整合する。次に目視によって、スペーサの温度をインジウムハンダの溶融温度より上に高め、そして真空コレットを使用してレーザー素子２０をその場所に押し込む。次に真空を解放する。しかしコレットによる物理的圧力は維持する。次に加熱源をオフにし、レーザー素子に冷却窒素ガス流を当てる。ハンダが凝固したら、レーザー素子上の圧力を解放する。そのあと室温まで冷却し続ける。
【００３３】
上に述べたハンダ付け手順は、個々のアプリケーションおよび材料に適合するように修正することがきる。しかし、すべての場合において、満足のいく、信頼性の高い、熱的および電気的な接合を確保するため、表面の準備を注意深く実施すべきである。
【００３４】
以上の説明から、この分野の専門家には本発明の原理の多くの修正および変更は自明であろう。従って、本発明の範囲は特許請求の範囲によって定めるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の非モノリシックレーザーアレイの斜視図である。
【図２】例示したいろいろな実施例の非モノリシックレーザーアレイに使用できるレーザー素子の斜視図である。
【図３】本発明の原理による第１実施例の非モノリシックレーザーアレイの斜視図である。
【図４】本発明の原理による第２実施例の非モノリシックレーザーアレイの平面図である。
【図５】本発明の原理による第３実施例の非モノリシックレーザーアレイの平面図である。
【図６】本発明の原理による第４実施例の非モノリシックレーザーアレイの平面図である。
【符号の説明】
１０ 支持体
１２ スペーサ
１４ レーザー素子
２０ 半導体ダイオードレーザー（レーザー素子）
２２ 基板
２４ エピタキシャル層
２８，３０ 電極層
３２ へき開面
３６ レーザー光線
１０２ 支持体
１０４ 低熱拡散率芯
１０６ 高熱拡散率部分
１０８ 電流源
１５０ 非モノリシックレーザーアレイ
１５２ 高熱拡散率支持体
１５４ シリコン内芯
１５６ ダイヤモンド外芯
１５８ 導電性層
１６０ 電線
１７０ 非モノリシックレーザーアレイ
１７２ 高熱拡散率複合シート
１７４ シリコン芯
１７６ ダイヤモンドシート
１７８ 銅シートシンク
２００ 非モノリシックレーザーアレイ
２０２ 脚部
２０４ 支持体
２０６ ギャップ
【産業上の利用分野】
本発明は、非モノリシックレーザーアレイに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザープリンタや光メモリなどの多くの装置の性能は、独立に制御されるレーザー素子から成るレーザーアレイによって向上させることができる。たとえば、レーザー素子から成るレーザーアレイを使用するレーザープリンタは、単一レーザー素子のみを使用するプリンタよりも高い印刷速度とすぐれたスポット鮮鋭度をもつことができる。多くのアプリケーションにおいて、レーザーアレイのレーザー素子の位置および方位を正確に定めることが重要である。
【０００３】
モノリシックレーザーアレイは、通例、同じ波長の光線を出力する。一般に、その波長は狭い範囲内で変えることができるだけである。しかし、カラー印刷を含む幾つかのアプリケーションにおいては、広い範囲（たとえば、赤外線から可視光）にわたる多くの波長を出力することが望ましい。カラー印刷の場合、これにより、レーザー出力特性を感光体レスポンスウィンドウに適合させることができ、あるいは重なり合ったレーザー光線をダイクロイックフィルタを使用して分離することができる。また、幾つかのアプリケーションにおいては、異なる偏光またはスポットプロフィールをもつ多数のレーザー光線を放射することが望ましいことがある。最後に、ほとんどの場合、レーザー素子間の電気的、光学的、および熱的漏話が少ないことが望ましい。
【０００４】
現在のモノリシックレーザーアレイに比べると、非モノリシックレーザーアレイはより広い範囲のレーザー光線の特性（波長や偏光など）を与えることができ、そして電気的、光学的、および熱的漏話をより少なくすることができる。従って、非モノリシックレーザーアレイのほうが好ましいことが多い。
【０００５】
非モノリシックレーザーアレイは、一般に、支持体に取り付けられた複数の個別レーザーダイオードから成っている。多くのアプリケーションにおいて、出力レーザー光線を正確に間隔をおいて配置しなければならないので、支持体は非モノリシックレーザーアレイの長所を損なわないようにしながら、レーザー素子を正確に配置することができなければならない。
【０００６】
従来の非モノリシックレーザーアレイは、通例、平坦な支持体を使用している。これらの平坦レーザーアレイには、放射されたレーザー光線をどれだけ近い間隔で配置することができるかに関して大きな問題がある。これは、レーザー素子が形成されたウェーハを切断する際に損傷を避けるため、レーザー素子のレーザーストライプ（レーザー光線の発生源）が一般にレーザー素子の中央に置かれることが理由である。従って、従来は、レーザーストライプを共通平坦基板上に置く場合には、レーザーストライプをレーザー素子の幅より狭い任意の間隔で配置することは容易でなかった。
【０００７】
米国特許第４，９０１，３２５号は、レーザー素子が近接した間隔で配置された非平坦・非モノリシックレーザーアレイを開示している。図１に、非モノリシックレーザーアレイの支持体１０の簡単な斜視図を示す。支持体１０（スペーサ１２と共に）は、レーザー素子１４を数ミクロン以内の間隔を置いて配置することができるが、レーザー素子間隔の完全な制御（レーザー素子が所望の場所にどれほど近いか）を行っていない。またレーザー素子の方位も精密に制御されていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、電気的、光学的、および（または）熱的漏話が過大でなく、非モノリシックレーザーアレイのレーザー素子を近接して正確な間隔で配置することを可能にする方法および装置が要望されている。上記の方法および装置がさらにレーザー素子の方位を正確に定めることができれば、よりいっそう望ましい。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザー素子の正確な位置決めおよび分離を可能にし、かつ熱的、光学的、および電気的漏話を少なくすることができる支持体に取り付けられたレーザー素子から成る非モノリシックレーザーアレイを提供する。本発明は、非常に広範囲の分離にわたって使用できるが、レーザー素子を約２５０ミクロン以下に分離する場合に特に有用である。
【００１０】
支持体はスペーサが突き出た本体をもつ複合構造である。支持体は低熱拡散率領域と、その低熱拡散率領域を取り囲み、レーザー素子取付け面を形成している１個またはそれ以上の高熱拡散率領域から成っている。従って、レーザー素子の水平方向の分離はスペーサの厚さによって支配される。
【００１１】
もし本体および（または）スペーサが絶縁物であれば、必要なとき電流がレーザー素子へ流れるように、本体および（または）スペーサの１つまたはそれ以上の外面にわたって導電性層をデポジットすることができる。都合のよいことに、支持体に接合されるレーザー素子の取付け面は電気入力端子である。レーザー素子の他の端子は電線を通して対応する電流源に接続されている。従って、支持体は２個のレーザー素子へ電流を伝える。
【００１２】
レーザー素子を通る電流によって発生した熱はスペーサの高熱拡散率領域を通って本体へ伝わる。本体はヒートシンクであることが好ましい。スペーサの低熱拡散率領域はレーザー素子間の熱の流れを減らす熱障壁になる。このように、スペーサはレーザー素子間の熱的漏話を減らすまたは除去するほか、レーザー素子の自己加熱（レーザードループを引き起こす）を減らす作用もする。
【００１３】
本発明の他の特徴は、添付図面を参照して以下の説明を読まれれば明らかになるであろう。
【００１４】
【実施例】
最初に熱拡散率と熱伝導率の２つの特性について説明する。熱拡散率は熱を伝達する材料の能力を表すのに対し、熱伝導率は熱拡散率と熱容量の積である。次に説明する複合構造の目的は熱を発生するレーザー素子からの熱伝達を最適にすることにあるので、熱拡散率が最も重要な特性である。
【００１５】
次に説明する実施例に使用した典型的なレーザー素子は、図２に示すように、半導体ダイオードレーザー２０である。ダイオードレーザー２０は、或る電気的な型（たとえばｎ型）にドーピングされた基板２２と、その上に全面成長させた複数区間のエピタキシャル層２４から成っている。エピタキシャル層２４は５つの層２４ａ〜２４ｅから成っている。層２４ａと２４ｂはｎ型であり、層２４ｄと２４ｅはｐ型であり、層２４ｃはドーピングされていない。さまざまな層２４ａ〜２４ｅは再結合するキャリヤと、その結果放射されたフォトンを閉じ込める作用をする。エピタキシャル層２４の上に電極層２８が形成されている。必要なとき入力電流を閉じ込めるため、電極層２８をパターニングすることができる、またはエピタキシャル層２４内の材料を部分修正することができる（たとえば、層の秩序を乱すこと、すなわち逆ドーピングによって）。基板２２の底面全体に第２電極層３０が形成されている。ダイオードレーザー２０は、電極層２８，３０を通して印加された電流によって光を放射するように構成されている。
【００１６】
周知のように、ダイオードレーザー２０は動作するために光反射器が必要である（通例はへき開面として具体化される）。ダイオードレーザー２０の光反射器は誘導放射のためキャビティを形成しているへき開面３２（１つのみを示す）を使用して得られる。動作中、レーザー光線３６はへき開面３２から放射される。
【００１７】
レーザー出力の最大間隔および位置決め精度を達成するため、電極層２８が支持体に電気的に接触した状態でレーザー素子２０が支持体に取り付けられている（以下、説明する）。エキタキシャル層２４ａ〜２４ｅの厚さと電極層２８の厚さを制御するほうが基板の厚さを制御するより容易であるので、これは有利である。さらにエキタキシャル層２４ａ〜２４ｅと電極層２８は非常に薄い（全部で約２μｍ）ので、このやり方で取り付けると、レーザー光線出力が支持体に非常に近接する。従って、レーザー光線間の間隔は本質的に支持体の厚さに等しい。最後にレーザー素子をこのやり方で取り付けると、熱を発生するエピタキシャル層が支持体に良好に熱的に接触した状態に置かれるので、熱伝達が向上する。
【００１８】
次に図３について説明する。本発明の第１実施例による非モノリシックレーザーアレイでは、２個のレーザー素子２０ａ，２０ｂが支持体１０２に取り付けられている。支持体１０２は低熱拡散率芯１０４と、低熱拡散率芯１０４を取り囲んでいる導電性高熱拡散率部分１０６（図３に示した部分１０６ａ，１０６ｂ）から成るＴ形複合構造である。レーザー素子は、（１）支持体に熱的に接触した状態で、かつ（２）電極層２８が高熱拡散率部分１０６と電気的に接触した状態で支持体に取り付けられている。実例として、芯１０４はシリコンであってもよく、高熱拡散率部分１６は銅、金、またはアルミニウムであってもよい。
【００１９】
動作中、電流源１０８ａ，１０８ｂから対応するレーザー素子２０ａ，２０ｂへ電流が印加される。高熱拡散率部分１０６は２つの電流源の共通導体の役目を果たす。ここでレーザー素子２０ａのみについて検討すると、電流源１０８ａから導電性層３０（図２参照）に印加された電流は、レーザー素子２０ａを通って光を放射させ、レーザー素子２０ａから電極層２８を通って支持体１０２へ流れ、支持体１０２を通って電流源１０８ａへ戻る。レーザー素子２０ｂも電流源１０８ｂに対し同様に作用する。
【００２０】
レーザー素子を通って流れる電流は熱を発生する。その熱は高熱拡散率部分１０６へ流れるので、レーザー素子が冷却される。これにより、レーザードループが減少し、かつ熱が逃げる機会が減少する。高熱拡散率部分１０６を通って流れる熱は適当なヒートシンクによって容易に除去される。低熱拡散率部分１０４はレーザー素子間の熱の流れを減らす熱障壁となるので、熱的漏話が減少する。
【００２１】
以下説明する別の実施例はすべて電気的および熱的に同様に作用するので、上に述べた電気的および熱的な作用の説明を繰り返す必要はないであろう。
【００２２】
本発明の非モノリシックレーザーアレイの原理は、図３に示した実施例以外の多くの実施例において実施することができる。たとえば、図４に、特定のアプリケーションにおいて非常に望ましいと思われる代替実施例の非モノリシックレーザーアレイ１５０を示す。レーザーアレイ１５０では、２個のレーザー素子２０ｃ，２０ｄが高熱拡散率支持体１５２に取り付けられている。支持体１５２はシリコン内芯１５４と、それを取り囲んでいるダイヤモンド外芯１５６から成っている。ダイヤモンドは絶縁物質であるから、レーザー素子２０ｃ，２０ｄに電流路を与えるため、ダイヤモンド外芯１５６の少なくとも一部分に導電性層１５８がデポジットされている。電線１６０はレーザー素子と導電性層１５８を電流源（図４には図示してない）に接続する。このダイヤモンド／シリコン複合構造は非常に有効な支持構造になる。
【００２３】
図５に、図４に示した構造に類似した代替実施例の非モノリシックレーザーアレイ１７０を示す。レーザーアレイ１７０では、２個のレーザー素子２０ｅ，２０ｆが高熱拡散率複合シート１７２に取り付けられている。複合シート１７２は、外面に薄い導電性層をもつ２枚のダイヤモンドシート１７６と、その間にはさまれたシリコン芯１７４から成っている。図４に示すように、レーザー素子は、薄い導電性層に電気的に接触した状態で、かつダイヤモンドシート１７６に熱的に接触した状態で取り付けられる。銅ヒートシンク１７８は複合シート１７２のための熱シンクになる。
【００２４】
図６に、さらに別の非モノリシックレーザーアレイ２００を示す。レーザーアレイ２００では、２個のレーザー素子２０ｇ，２０ｈが支持体２０４の脚部２０２ａ，２０２ｂに取り付けられている。脚部間のギャップ２０６の中に、低熱拡散率物質を充填することができる。
【００２５】
説明した諸実施例は広範囲のレーザー素子間隔にわたってうまく機能するが、レーザー素子間隔が約２５０μｍ以下のとき特に有用である。これは、レーザー素子間隔が減少するとレーザー素子間を熱絶縁する必要性が増すからである。
【００２６】
具体化する特定の実施例のさまざまな要素を構成する材料は、その特定要素の目標を達成するように選定すべきである。
【００２７】
熱的性質によって材料を選定する表を以下に示す。
記載したいろいろな実施例は多くのやり方で製作することができる。たとえば、低熱拡散率材料の上に高熱拡散率材料をコーティングすることができる。また低熱拡散率材料の上に高熱拡散率材料を接着することができる（たとえばエポキシ樹脂を用いて）。あるいは２つの高熱拡散率層を空気または低熱拡散率材料によって（図６のように）物理的に分離することができる。
【００２９】
低熱拡散率材料に対する高熱拡散率材料のコーティングは、金属の電気メッキまたは電着、蒸着、またはスパッタリングなど、幾つかのやり方で、あるいはシリコン、ニッケル、またはプラチナ上のＣＶＤダイヤモンド成長などの物質成長によって達成することができる。電気メッキを使用する場合は、ボイドの無い密な膜を生成する条件のもとでプロセスを実施しなければならない。シリコンＴ形サブマウントの上に約１０μｍの厚さまで銅、銀、および金をうまく電気メッキできた（約４８分のデポジッション時間）。
【００３０】
シリコンＴ形サブマウント（図４参照）の上に金属を電着する場合には、ハンダ（たとえば、Ｓｎ：Ａｇ＝９５：５）を使用してサブマウントを銅ヒートシンクにハンダ付けした後、電着を実施するのが最良である。蒸発したＣｒ：Ａｕを用いてハンダ付けするため、逆Ｔ形の底面の準備を行う。次にシリコンＴ形サブマウントの側面をスパッタさけたＮｉ：Ｐｔで被覆する。次に電着を実施し、続いてシリコン逆Ｔ形サブマウントに薄いＮｉ：Ｐｔ層をスパッタリングする。最後に、シリコン逆Ｔ形サブマウントにＩｎ（インジウム）を蒸着する。また高熱拡散率要素を製作するのに、無電解触媒金属皮膜を使用することもできよう。シリコンサブマウントの上に直接成長させたＣＶＤダイヤモンドも可能である。
【００３１】
また、いろいろな要素を一緒にハンダ付けすることも可能である。ハンダを使用する場合には、レーザー素子を所定の場所にハンダ付けするときの問題を避けるため（以下参照）、Ｉｎ−Ｓｎなどの高溶融温度ハンダを使用することが有益である。
【００３２】
いろいろな支持体に対するレーザー素子の取付けは、Ｉｎなどの低温ハンダを使用して実施するのが最良である。最初に、ハンダ付けする前に、ハンダ付けに使用するインジウムパレットを希塩酸溶液に浸して酸化物を除去する。次に、ニッケルの薄層のスパッタデポジッション、続いてプラチナの薄層のスパッタ・デポジッションによってハンダ付けするため、スペーサの取付け面の準備を行う。次にタングステンボートからインジウムパレットの蒸発を用いて、スペーサの上にハンダをデポジットする。その目的は、平坦化および湿潤化する程度に厚く、しかし僅かな材料の流れを許す程度に薄い膜をデポジットすることである。妥当なＩｎ膜の厚さは約２〜２．５ μｍである。次にレーザー素子をスペーサのインジュウム層に近づけて、整合する。次に目視によって、スペーサの温度をインジウムハンダの溶融温度より上に高め、そして真空コレットを使用してレーザー素子２０をその場所に押し込む。次に真空を解放する。しかしコレットによる物理的圧力は維持する。次に加熱源をオフにし、レーザー素子に冷却窒素ガス流を当てる。ハンダが凝固したら、レーザー素子上の圧力を解放する。そのあと室温まで冷却し続ける。
【００３３】
上に述べたハンダ付け手順は、個々のアプリケーションおよび材料に適合するように修正することがきる。しかし、すべての場合において、満足のいく、信頼性の高い、熱的および電気的な接合を確保するため、表面の準備を注意深く実施すべきである。
【００３４】
以上の説明から、この分野の専門家には本発明の原理の多くの修正および変更は自明であろう。従って、本発明の範囲は特許請求の範囲によって定めるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の非モノリシックレーザーアレイの斜視図である。
【図２】例示したいろいろな実施例の非モノリシックレーザーアレイに使用できるレーザー素子の斜視図である。
【図３】本発明の原理による第１実施例の非モノリシックレーザーアレイの斜視図である。
【図４】本発明の原理による第２実施例の非モノリシックレーザーアレイの平面図である。
【図５】本発明の原理による第３実施例の非モノリシックレーザーアレイの平面図である。
【図６】本発明の原理による第４実施例の非モノリシックレーザーアレイの平面図である。
【符号の説明】
１０ 支持体
１２ スペーサ
１４ レーザー素子
２０ 半導体ダイオードレーザー（レーザー素子）
２２ 基板
２４ エピタキシャル層
２８，３０ 電極層
３２ へき開面
３６ レーザー光線
１０２ 支持体
１０４ 低熱拡散率芯
１０６ 高熱拡散率部分
１０８ 電流源
１５０ 非モノリシックレーザーアレイ
１５２ 高熱拡散率支持体
１５４ シリコン内芯
１５６ ダイヤモンド外芯
１５８ 導電性層
１６０ 電線
１７０ 非モノリシックレーザーアレイ
１７２ 高熱拡散率複合シート
１７４ シリコン芯
１７６ ダイヤモンドシート
１７８ 銅シートシンク
２００ 非モノリシックレーザーアレイ
２０２ 脚部
２０４ 支持体
２０６ ギャップ
Claims (2)
- 少なくとも２つの取付け面をもつ導電性高熱拡散率領域と、前記取付け面の間に少なくとも一部分が置かれた低熱拡散率領域とから成る複合支持体と、
レーザー素子間の分離が前記高熱拡散率領域の厚さと前記取付け面の間に置かれた前記低熱拡散率領域の部分の厚さによって支配されるように、各レーザー素子が対応する取付け面に取り付けられ、前記レーザー素子が対応する取付け面に電気的および熱的に接触している少なくとも２個のレーザー素子とから成り、
前記低熱拡散率領域は少なくとも一方のレーザー素子が光を放射しているときレーザー素子間の熱の流れを妨げており、前記高熱拡散率領域は前記光を放射しているレーザー素子内に発生した熱を該レーザー素子の外へ伝導しており、
前記複合支持体は、前記取付け面が立ち上がるように前記高熱拡散率領域部分及び前記低熱拡散率領域部分を支持する、該高熱拡散率材料と低熱拡散率材料とから成る支持部を包含し、該支持部は前記高熱拡散率領域部分及び前記低熱拡散率領域部分より前記取付け面に対して直交する方向に延び出ており、更に、該支持部において前記低熱拡散率材料部分が前記直交方向に沿って前記取付け面より延び出ている
ことを特徴とするレーザーアレイ。 - ２つの導電性表面をもつ高熱拡散率領域と、前記２つの表面の間に少なくとも一部分が置かれた低熱拡散率領域とから成る複合支持体と、
レーザー素子間の分離が前記高熱拡散率領域の厚さと前記高拡散率領域の間に置かれた前記低熱拡散率領域の部分の厚さによって支配されるように、各レーザー素子が対応する前記導電性表面の取付け面に取り付けられ、前記レーザー素子が前記導電性表面に電気的および熱的に接触している少なくとも２個のレーザー素子とから成り、
前記低熱拡散率領域は少なくとも一方のレーザー素子が光を放射しているときレーザー素子間の熱の流れを妨げており、前記高熱拡散率領域は前記光を放射しているレーザー素子内に発生した熱を該レーザー素子の外へ伝導しており、
前記複合支持体は、前記導電性表面が立ち上がるように前記高熱拡散率領域部分及び前記低熱拡散率領域部分を支持する、該高熱拡散率材料及び低熱拡散率材料から成る支持部を包含し、該支持部は前記高熱拡散率領域部分及び低熱拡散率領域部分より前記取付け面に対して直交する方向に延び出ており、更に、該支持部において前記低熱拡散率材料部分が前記直交方向に沿って前記取付け面より延び出ている
ことを特徴とするレーザーアレイ。
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