JP6593770B2 - 面発光レーザ、面発光レーザアレイ、レーザ装置、点火装置、及び内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、面発光レーザ、面発光レーザアレイ、レーザ装置、点火装置、及び内燃機関に係り、更に詳しくは、傾斜基板上に複数の半導体層が積層されている面発光レーザ、複数の前記面発光レーザが集積されてい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、並びに前記点火装置を備える内燃機関に関する。

垂直共振器型の面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）は、基板に垂直な方向に光を射出するものであり、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。

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、様々な用途が検討されている。

例えば、特許文献１には、傾斜基板上に形成され、酸化可能層の選択酸化によって形成された電流狭窄領域を有するメサ構造体を含む垂直共振器型の面発光レーザが開示されている。

しかしながら、傾斜基板上に複数の半導体層からなるメサ構造体が形成されている面発光レーザは、射出される光の断面形状が非等方的であり、等方的な断面形状を要する用途への応用に不利であった。

本発明は、傾斜基板上に形成されたメサ構造体を含む面発光レーザにおいて、前記メサ構造体は、酸化領域と非酸化領域を含む酸化狭窄構造を有し、前記傾斜基板は、その表面の法線方向が結晶方位［１ ０ ０］方向に対して、結晶方位［１ １ １］方向、結晶方位［１ ―１ ―１］方向、結晶方位［１ １ −１］方向、及び結晶方位［１ −１ １］方向のいずれかの方向に向かって傾斜しており、前記メサ構造体は正六角柱状であり、該メサ構造体の横断面形状である六角形を構成する３組の対向する２辺のうち、一の組の対向する２辺が前記傾斜基板の傾斜方向に平行である面発光レーザである。

本発明の面発光レーザによれば、傾斜基板を用いつつ、断面形状が等方的な光を射出することができる。

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。 図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、それぞれ本実施形態の面発光レーザアレイを説明するための図である。 本実施形態の面発光レーザアレイチップを説明するための図である。 発光部を説明するための図である。 図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、それぞれ発光部の基板を説明するための図である。 図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、それぞれ放熱部材を説明するための図である。 面発光レーザアレイチップの作製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チップの作製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チップの作製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チップの作製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チップの作製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チップの作製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チップの作製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チップの作製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チップの作製方法を説明するための図（その９）である。 図１８（Ａ）及び図１８（Ｂ）は、それぞれ面発光レーザアレイチップと放熱部材の接合を説明するための図である。 図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）は、それぞれ配線部材の取り付けを説明するための図である。 図２０（Ａ）及び図２０（Ｂ）は、それぞれ非酸化領域の赤外顕微鏡写真を説明するための図である。 六角柱のメサ構造体を六方充填配置したときを説明するための図である。 円柱のメサ構造体を六方充填配置したときを説明するための図である。 六角柱のメサ構造体を六方充填配置したときの利点を説明するための図である。 面発光レーザアレイチップの変形例を説明するための図である。 マイクロレンズアレイを説明するための図（その１）である。 マイクロレンズアレイを説明するための図（その２）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２０１から射出される光の波長は８０８ｎｍ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。ここでは、光ファイバ２０４として、コア径が１．５ｍｍ、ＮＡが０．３９の光ファイバ（Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製、型番：ＦＴ１５００ＵＭＴ）が用いられている。

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、３ｍｍ×３ｍｍ×８ｍｍの直方体形状のＮｄ：ＹＡＧ結晶であり、Ｎｄが１．１％ドープされている。可飽和吸収体２０６ｂは、３ｍｍ×３ｍｍ×２ｍｍの直方体形状のＣｒ：ＹＡＧ結晶であり、初期透過率が３０％のものである。

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である。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９９．５％の高い透過率を示し、波長が１０６４ｎｍの光に対して９９．５％の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５０％の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、前記第１集光光学系２０３、前記第２集光光学系２０５、及び前記射出光学系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、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（Ａ）及び図４（Ｂ）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２３１などを有している。

面発光レーザアレイチップ２３０は、図５に示されるように、複数の発光部、該複数の発光部が形成されている発光部領域２４０の周囲に設けられた電極パッド２４１を有している。各発光部は、Ｚ軸方向からみると、六角形状をしている。そして、複数の発光部は、蜂の巣状に配置（六方充填配置）されている。

１つの発光部のＹＺ断面が図６に示されている。各発光部は、基板１０１、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。

基板１０１は、図７（Ａ）に示されるように、基板表面の法線方向が、結晶方位［１ ０ ０］方向に対して、結晶方位［１ １ １］Ａ方向に向かって１５度（θ＝１５度）傾斜したｎ−ＧａＡｓ単結晶基板である。すなわち、基板１０１は、いわゆる傾斜基板である。ここでは、図７（Ｂ）に示されるように、結晶方位［０ −１ １］方向が＋Ｘ方向、結晶方位［０ １ −１］方向が−Ｘ方向となるように配置されている。そこで、傾斜基板の傾斜軸は、Ｘ軸方向に平行である。なお、基板表面の法線方向及び傾斜軸方向のいずれにも直交する方向を「傾斜方向」という。ここでは、Ｙ軸方向が傾斜方向である。

図６に戻り、バッファ層１０２は、基板１０１の＋Ｚ側の面上に積層され、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側の面上に積層され、ｎ−Ａｌ_０．９Ａｓ_０．１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。

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_０.１Ｇａ_０.９）_０.５Ｉｎ_０.５Ｐからなる層であり、面発光レーザアレイ２０１から射出される光の波長が８０８ｎｍとなるように設計されている。

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_０.１Ｇａ_０.９）_０.５Ｉｎ_０.５Ｐ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。

但し、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が厚さ３０ｎｍで挿入されており、この低屈折率層のみ３λ／４の光学的厚さである。この低屈折率層における被選択酸化層１０８の挿入位置は、上部スペーサ層１０６側からみて、＋Ｚ側へ光学的にλ／４の距離だけ離れた位置であり、低屈折率層中である。

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。

保護膜１１１は、ＳｉＮ、ＳｉＯＮあるいはＳｉＯ_２からなる膜である。

上部電極１１３は、配線部材によって電極パッドと電気的に接続される。

図８（Ａ）及び８（Ｂ）には、放熱部材２３１が示されている。この放熱部材２３１は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなり、＋Ｚ側の面に、第１の金属層２３１ａ及び第２の金属層２３１ｂが形成されている。第１の金属層２３１ａと第２の金属層２３１ｂは、電気的に分離されている。ここでは、各金属層は、厚さ１μｍの金（Ａｕ）の層である。

ここで、面発光レーザアレイチップ２３０の作製方法について説明する。

（１）有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）あるいは分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）による結晶成長によって、基板１０１上に、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、被選択酸化層１０８、コンタクト層１０９を形成する（図９参照）。なお、このように基板１０１上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。

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、フォスフィン（ＰＨ_３）、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アレイ状に形成する。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、図１０に示されるように、１辺の長さＷが１３．６μｍの正六角形状のパターンを、パターン同士の間隔Ｇが１．０μｍの六方充填配置で形成する。また、各パターンは、正六角形を構成する３組の対向する２辺のうち、一の組の対向する２辺が基板１０１の傾斜方向に略平行になるように形成されている。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、六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。

なお、ドライエッチングの条件を調整することにより、メサの側面の傾斜角を調整することができる。ここでは、基板１０１の表面に対し、メサの側面の傾斜角が７０°〜８０°となるように、ドライエッチングの条件を調整している。この場合は、配線部材の断線を抑制することができる。

（４）レジストパターンを除去する（図１１参照）。

（５）積層体を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１２参照）。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、酸化狭窄構造が形成される。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。ここでは、図１３に示されるように、酸化距離ａが２．５μｍ、非酸化領域径ｂが９．３μｍとなるように酸化を行った。

（６）外周部溝形成部のみを露出させるようリソグラフィによりレジストパターンを形成する。

（７）ＩＣＰドライエッチングを用いて分離溝を形成する。

（８）レジストパターンを除去する。

（９）積層体を加熱処理用のチャンバーに入れ、窒素雰囲気中に３８０〜４００℃の温度で３分間保持する。これにより、大気中で表面に付着した酸素や水、もしくはチャンバー内の微量な酸素や水による自然酸化膜が、窒素雰囲気中での加熱処理により安定した不動態皮膜になる。

（１０）プラズマ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１４参照）。保護膜１１１の膜厚は１５０ｎｍ〜２００ｎｍであれば良く、１５０ｎｍであるのが好ましい。

（１１）メサ上面にコンタクトホールを設けるためのレジストパターンを形成する。

（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。このとき同時に、（７）で形成した分離溝の底面にあるスクライブする領域の保護膜１１１も除去する。

（１３）レジストパターンを除去する（図１５参照）。

（１４）メサ構造体上部の光射出部となる領域に一辺１１．９μｍの六角形状のレジストパターンと、電極パッドと発光部を接続するレジストパターンとを形成する。

（１５）上部電極１１３の材料を蒸着する。ここでは、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる金属膜をＥＢ（電子ビーム）蒸着により順次積層する。

（１６）リフトオフにより、レジストパターンの形成されている領域上の金属膜を除去する。これにより、上部電極１１３が形成される（図１６参照）。

（１７）基板１０１の裏側を所定の厚さ（例えば１００μｍ程度）まで研磨した後、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる金属膜をＥＢ（電子ビーム）蒸着により順次積層し、下部電極１１４を形成する（図１７参照）。

（１８）４００℃で５分間アニールし、上部電極１１３と下部電極１１４のオーミック導通をとる。これにより、メサは発光部となる。

（１９）スクライブ・ブレーキングにより、チップ毎に切断する。

次に、３００〜３５０℃に加熱したホットプレート上で、金錫（ＡｕＳｎ）合金を用いて放熱板２３１と面発光レーザアレイチップ２３０を接合する。ここでは、放熱板２３１の第１の金属層２３１ａ上に金錫（ＡｕＳｎ）合金が３μｍ成膜されている。そして、面発光レーザアレイチップ２３０は、金錫（ＡｕＳｎ）合金上に載置されるように位置決めされる（図１８（Ａ）及び図１８（Ｂ）参照）。接合は、チップ全面で良好な接合を得るために適切な荷重を印加しながら行う。金錫（ＡｕＳｎ）合金を用いて接合させる場合は、フラックスを必要とせず、電気抵抗を低減させる効果がある。

さらに、金（Ａｕ）からなる配線部材２３２を用いて、上部電極１１３と第２の金属層２３１ｂを電気的に接続する（図１９参照）。

これにより、面発光レーザアレイ２０１を作製することができる。

発明者らは、傾斜基板上に面発光レーザを作製し、上記酸化されていない領域１０８ｂの形状と、六角柱状のメサ構造体の面方位との関係について詳細な検討を行った。なお、以下では、煩雑さを避けるため、上記酸化されていない領域１０８ｂを「非酸化領域１０８ｂ」ともいう。

そして、六角柱状のメサ構造体の横断面（ＸＹ断面）形状である正六角形を構成する３組の対向する２辺のうち、一の組の対向する２辺が基板１０１の傾斜方向に略平行になるように形成した場合、被選択酸化層１０８の各面方位における酸化速度が略等しくなり、非酸化領域１０８ｂの形を等方的に形成させることができるということを新たに見出した。

図２０（Ａ）には、一の組の２辺が基板１０１の傾斜方向に略直交するように形成した場合の赤外顕微鏡写真が示され、図２０（Ｂ）には、一の組の２辺が基板１０１の傾斜方向に略平行となるように形成した場合の赤外顕微鏡写真が示されている。図２０（Ａ）では、非酸化領域１０８ｂの形状がメサ構造体の形状に対して非等方的な形状になっているのに対し、図２０（Ｂ）では、非酸化領域１０８ｂの形状がメサ構造体の形状に対して等方的になっていることが分かる。

また、六角柱状のメサ構造体を形成することが可能なことから、２次元平面に対し高密度にメサ構造体を形成することができ、面発光レーザアレイの単位面積当たりの出力を円柱状のメサ構造体を用いた場合より大きくすることが可能となる。

図２１には、六角柱状のメサ構造体を六方充填配置した場合が示され、図２２には、円柱状のメサ構造体を六方充填配置した場合が示されている。なお、以下では、被選択酸化層１０８における酸化領域１０８ａと非酸化領域１０８ｂの境界部を「酸化端」という。また、ＸＹ面内において、メサ構造体の中心から酸化端までの距離をｂ、酸化端からメサ構造体の端部までの距離をａ、メサ構造体の端部から、隣接する２つのメサ構造体の中点までの距離をｄとする。

隣接する２つのメサ構造体の中心間距離は、２ｂ+２ａ+２ｄとなる。なお、メサ構造体が六角柱状のときの中心間距離をＰ、円柱状のときの中心間距離をＱとする。

メサ構造体を高密度に集積するためには、上記中心間距離をできるだけ小さくすれば良い。但し、距離ｄはメサ構造体を所望の形状に再現性良く加工するためにある一定の大きさが必要であり、加工が可能な最小値以上にする必要がある。ここで、距離ｄはこの最小値を取るものとする。

距離ａは、電極とのコンタクトを取るために必要な間隔ｆ（図２３参照）と、酸化領域から電極の端部までの距離ｃとに分けられる。間隔ｆも加工の限界値により最小値が制限され、ここではｆも最小値をとるものとする。

距離ｃは、面発光レーザの放射角や出力特性に影響する部分である。そのため、用途によって自由に決められる値である。このようにして、ある距離ｃに対して、距離ａ及び距離ｄの最小値は決定される。

このように距離ａ及び距離ｄの値が決まるので、中心間距離をより小さくするには、距離ｂを小さくすることが求められる。メサ構造体の形状が一定である場合、距離ｂは素子の閾値電流特性や放射角を決定するパラメータであるため、設計上の制限から距離ｂの値を変更することは難しい。しかしながら、発明者らは、メサ構造体の形状を円柱状から六角柱状に変更することにより、上記の特性を保ったまま距離ｂの値を小さくできることを見出した。

閾値電流特性及び放射角特性を保つために、非酸化領域１０８ｂの面積をＳとすると、メサ構造体の形状が六角柱状の場合、次の（１）式が成り立ち、円柱状の場合、次の（２）式が成り立つ。

そこで、メサ構造体の形状が六角柱状の場合の上記中心間距離Ｐは、次の（３）式で示され、円柱状の場合の上記中心間距離Ｑは、次の（４）式で示される。

プロセス上の制限は、例えばｄ＝１．０［μｍ］、ａ＝２．５［μｍ］程度である。このとき、メサ構造体の形状が六角柱状の場合と円柱状の場合とで非酸化領域１０８ｂの面積Ｓを同じとすると、Ｐ／Ｑは、Ｓ＝１００［μｍ^２］のとき約０．９７であり、Ｓ＝３００［μｍ^２］のとき約０．９６である。

このことから、六角柱状のメサ構造体を用いることで、円柱状のメサ構造体に対して、単位面積あたりの発光部数（チャンネル数）は、Ｓ＝１００［μｍ^２］のとき約６％、Ｓ＝３００［μｍ^２］のとき約７％の増加となり、より高密度に集積することが可能となる。すなわち、出力密度の大きい面発光レーザアレイが実現できる。

なお、本実施形態では、中心間距離Ｐは約２５．６μｍである。そして、本実施形態と面積Ｓが等しい円柱形状のメサ構造体では、中心間距離Ｑは約２６．５μｍである。つまり、本実施形態では、円柱状のメサ構造体に対して単位面積あたりの発光部数（チャンネル数）は約７％の増加となる。

六角柱状のメサ構造体の横断面（ＸＹ断面）形状である正六角形を構成する６つの辺を対向する２辺からなる３つの組に分けたとき、一の組の２辺が基板１０１の傾斜方向に略平行になるように形成した場合、非酸化領域１０８ｂの形状をメサ構造体と同様の六角形状にすることができる。これにより、面発光レーザアレイから射出された光を集光レンズで集光したとき、その集光形も非酸化領域１０８ｂと同様の等方的な六角形状にすることが可能となる。

従来の非等方的な非酸化領域１０８ｂを有する面発光レーザアレイでは、その集光形も非等方的となるため、光ファイバに光を入射させる際に、一部の光が集光し切れずに損失が生じていた。しかしながら、本実施形態の面発光レーザアレイ２０１では、等方的な形状の集光形を得ることができるため、効率良く光ファイバに光を入射させることができる。また、光ファイバからも高い出力の光が取り出せる結果が実験的に得られている。

また、本実施形態では、傾斜基板を用いているため、光学利得の異方性を有する活性層を得ることができ、射出される光の偏光方向を調整することができる。

また、本実施例では、傾斜基板を用いているが、ＡｌＧａＩｎＰ等の混晶は、傾斜基板上に成長することにより、ヒロックと呼ばれる結晶欠陥が発生することなく、表面平坦性が良好で、結晶欠陥が少ない良質な結晶に成長することができる。

ＡｌＧａＩｎＰ、及びＧａＩｎＡｓＰ等は、赤色から近赤外の発振波長を有する活性層材料として利用することができ、傾斜基板を用いることで特にこれらの活性層材料を有した面発光レーザアレイを高品質に作製することができる。

また、ＡｌＧａＩｎＰ混晶はＧａＡｓ基板に格子整合して成長できる結晶の中で、最もバンドギャップエネルギーが大きく、スペーサ層、多層膜反射鏡の材料としても用いることが可能である。この場合には、バンドギャップエネルギーが大きいことによって活性領域にキャリアを効率良く閉じ込めることができる。その際、傾斜基板を用いることで良質な結晶を成長することが可能となり、その効果として非発光再結合を低減させることができ、効率の良い面発光レーザ素子が得られる。

従って、赤色から近赤外の波長帯において、非酸化領域の形状が揃ったことで集光効率が良く、また結晶品質が良いことで出力密度がより高い面発光レーザアレイを実現することができる。

すなわち、傾斜基板上に活性層を含む六角柱状のメサ構造体を形成することで、高集積化に加え、単位面積当たりの出力を、無傾斜基板を用いた場合に比べ、大きくすることが可能となる。また、傾斜基板の傾斜角度を３度から１５度とすることで、より等方的な形状となる非酸化領域１０８ｂを得ることができる。

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２０１は、複数の発光部（面発光レーザ）が集積された面発光レーザアレイチップ２３０を有している。そして、各発光部は、基板１０１、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。

基板１０１は、基板表面の法線方向が、結晶方位［１ ０ ０］方向に対して、結晶方位［１ １ １］Ａ方向に向かって１５度傾斜した傾斜基板である。

また、各発光部のメサ構造体は六角柱状であり、該メサ構造体の横断面形状である六角形を構成する３組の対向する２辺のうち、一の組の対向する２辺が基板１０１の傾斜方向に平行である。

この場合は、酸化狭窄構造における非酸化領域１０８ｂの形状が六角形となり、断面形状が等方的な光を射出することができる。すなわち、傾斜基板を用いつつ、断面形状が等方的な光を射出することができる。

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、効率良く高出力のレーザ光を射出することができる。

また、高密度にメサ構造体が集積された面発光レーザアレイでは、面発光レーザアレイのサイズを小さくしても従来の面発光レーザアレイと同等の出力を得ることができるため、集光レンズを介して光を集光する際にそのスポット径を小さくすることができるという利点がある。

これにより、光ファイバのコア径を小さくすることが可能となり、高いビーム品質を保ったまま出力の大きい光を取り出すことが可能となる。すなわち、出力の大きい光を高いビーム品質を保ったまま伝送し、取り出すことができるレーザ装置を実現できる。

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、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。

なお、上記実施形態では、放熱板２３１の材料として窒化アルミニウム（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。放熱板２３１の材料は、面発光レーザアレイチップ２３０を構成する半導体材料よりも熱伝導率の高い材料であれば良い。

また、上記実施形態では、金錫（ＡｕＳｎ）合金を含む材料を用いて放熱板２３１と面発光レーザアレイチップ２３０を接合す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、ペースト状のはんだを用いて放熱板２３１と面発光レーザアレイチップ２３０を接合しても良い。また、例えば、銀（Ａｇ）を含む焼結材料用いて放熱板２３１と面発光レーザアレイチップ２３０を接合しても良い。この場合は、放熱板２３１と面発光レーザアレイチップ２３０の熱膨張率の差に起因する熱応力を緩和することができる。

また、上記実施形態では、複数の発光部が形成される領域の形状が矩形形状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、図２４に示されるように、複数の発光部が形成される領域の形状が円形状であっても良い。一般に集光レンズは円形のものが多く、複数の面発光レーザが円形に配置された面発光レーザアレイを用いることで、出力の無駄がなく、効率的に集光することが可能となる。また、光ファイバに励起光を効率良く入射させることができる。

また、上記実施形態において、一例として図２５に示されるように、面発光レーザアレイチップ２３０の＋Ｚ側の、面発光レーザアレイチップ２３０と光学的に対応する位置に、マイクロレンズアレイ２５０が設けられても良い。この場合は、高密度に集積された複数の面発光レーザから射出された光をマイクロレンズアレイ２５０によって出力密度の大きい平行光とすることができる。なお、マイクロレンズアレイ２５０は、紫外線硬化樹脂を用いて取り付けられる。

また、上記実施形態では、基板１０１の表面の法線方向が、結晶方位［１ ０ ０］方向に対して、結晶方位［１ １ １］Ａ方向に向かって傾斜し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。基板表面の法線方向が結晶方位［１ ０ ０］方向に対して、結晶方位［１ １ １］方向、結晶方位［１ ―１ ―１］方向、結晶方位［１ １ −１］方向、及び結晶方位［１ −１ １］方向のいずれかの方向に向かって傾斜していれば良い。

また、上記実施形態では、基板１０１の傾斜角度が１５度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。

また、上記実施形態では、発光部の発振波長が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い。固体レーザの吸収する波長帯など、その用途に応じて、発光部の発振波長を変更しても良い。

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、上記実施形態で説明した面発光レーザアレイ２０１を有している。光学系１０２０は、光源１０１０から射出された光を対象物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、光源１０１０からの光が照射されると、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。

この場合、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の指示に基づいて光を射出する。光学系３１００は、光源３０１０から射出された光を対象物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。

この場合、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、光源３０１０を複数有しても良い。

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。

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、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、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、２０７…射出光学系（レーザ装置から射出された光を集光する光学系）、２０８…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、２３１…放熱部材、２３２…配線部材、２４０…発光部領域、２４１…電極パッド、２５０…マイクロレンズアレイ、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、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５３０９４８５号公報

Claims (10)

1. 傾斜基板上に形成されたメサ構造体を含む面発光レーザにおいて、
   前記メサ構造体は、酸化領域と非酸化領域を含む酸化狭窄構造を有し、
   前記傾斜基板は、その表面の法線方向が結晶方位［１ ０ ０］方向に対して、結晶方位［１ １ １］方向、結晶方位［１ ―１ ―１］方向、結晶方位［１ １ −１］方向、及び結晶方位［１ −１ １］方向のいずれかの方向に向かって傾斜しており、
   前記メサ構造体は正六角柱状であり、該メサ構造体の横断面形状である六角形を構成する３組の対向する２辺のうち、一の組の対向する２辺が前記傾斜基板の傾斜方向に平行である面発光レーザ。
2. 前記酸化狭窄構造における非酸化領域の形状が、前記メサ構造体の横断面形状に対して等方的な六角形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。
3. 複数の請求項１又は２に記載の面発光レーザを備える面発光レーザアレイ。
4. 前記複数の面発光レーザは、隣接する２つのメサ構造体において、最も近接する２つの辺が互いに平行であり、前記互いに平行な２つの辺の中点と、前記隣接する２つのメサ構造体の中心とが一つの直線上に位置していることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザアレイ。
5. 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３又は４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。
6. 請求項３又は４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。
7. 前記面発光レーザアレイと光学的に対応する位置に配置されたマイクロレンズアレイを有することを特徴とする請求項５又は６に記載のレーザ装置。
8. 前記マイクロレンズアレイを介した光を集光する集光レンズと、
   前記集光レンズで集光された光を伝送する光ファイバとを有することを特徴とする請求項７に記載のレーザ装置。
9. 請求項６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。
10. 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９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。