JP7787397B2 - 発光装置、および発光装置の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、発光装置、発光装置の製造方法、およびサブマウントの製造方法に関する。

発光装置は、加工機、プロジェクタ、および照明器具などの装置に利用することができる。発光装置の典型例は、端面出射型の半導体レーザ素子と、それを支持するサブマウントとを備える。端面出射型の半導体レーザ素子は導波路を有する。そのような半導体レーザ素子を駆動すると、導波路に沿って繰り返し往復する光が生じ、その光の一部が導波路の２つの端面の一方からレーザ光として出射される。導波路では、熱密度が高くなりやすいため、サブマウントの熱伝導率が低いと熱抵抗も高くなる。その結果、半導体レーザ素子の温度が過度に上昇してレーザ光の出力が低下する可能性がある。特許文献１は、グラフェンシートが積層された構造体を備え、特定方向に高い熱伝導率を有する異方性熱伝導素子を開示している。

特開２０１１－０２３６７０号公報

端面出射型の半導体レーザ素子の温度上昇を抑制することが可能な発光装置およびその製造方法、ならびに端面出射型の半導体レーザ素子から発せられる熱を効率的に外部に伝えることが可能なサブマウントの製造方法が求められている。

本開示の発光装置は、一実施形態において、互いに直交する第１方向および第２方向に沿って拡がる上面および下面を有するグラファイト層であって、前記第１方向に積層された複数のグラフェンを含み、前記複数のグラフェンの各々は前記第２方向に沿って延びている、グラファイト層と、前記第１方向および前記第２方向に沿って拡がる上面および下面を有し、前記グラファイト層より厚い、支持層であって、前記グラファイト層の前記下面を前記支持層の前記上面によって支持する支持層と、を有するサブマウントと、前記第１方向に沿って延びる導波路を有し、前記第１方向に交差する端面からレーザ光を出射し、前記グラファイト層の前記上面によって支持されている、半導体レーザ素子と、前記サブマウントを直接的または間接的に支持する基体と、を備える。

本開示のサブマウントの製造方法は、一実施形態において、互いに直交する第１方向および第２方向に沿って拡がるグラファイト層であって、前記第１方向に積層され、各々が前記第２方向に沿って延びる複数のグラフェンを含むグラファイト層と、前記第１方向および前記第２方向に沿って拡がり、前記グラファイト層より厚い、支持層とが積層された積層体を用意する工程と、前記積層体に、前記第１方向および前記第２方向に沿って複数の溝を形成する工程と、前記積層体を前記複数の溝に沿って個片化することにより、各々が前記グラファイト層の一部および前記支持層の一部を含む複数のサブマウントを形成する工程と、を含む。

本開示の発光装置の製造方法は、一実施形態において、上記のサブマウントの製造方法の後に、前記複数のサブマウントの各々に含まれる前記グラファイト層の前記一部の上に、前記第１方向に沿って延びる導波路を有し、前記第１方向に交差する端面からレーザ光を出射する半導体レーザ素子を設ける工程を含む。

端面出射型の半導体レーザ素子の温度上昇を抑制することが可能な発光装置およびその製造方法、ならびに端面出射型の半導体レーザ素子から発せられる熱を効率的に外部に伝えることが可能なサブマウントの製造方法を実現できる。

図１Ａは、本開示の例示的な実施形態による発光装置の構成を模式的に示す斜視図である。 図１Ｂは、図１Ａに示す発光装置の内部の構成を模式的に示す上面図である。 図２Ａは、図１Ａの発光装置からパッケージ、リード端子、およびワイヤを省略した構成のより詳細を示す斜視図である。 図２Ｂは、図２Ａの発光装置から第１金属膜および第２金属膜を省略した構成を模式的に示す斜視図である。 図３Ａは、図２Ｂに示す発光装置の上面図である。 図３Ｂは、図２Ｂに示す発光装置の側面図である。 図４Ａは、本開示の実施形態の第１変形例による発光装置を模式的に示す斜視図である。 図４Ｂは、図４Ａの発光装置から第１金属膜および第２金属膜を省略した構成を模式的に示す斜視図である。 図４Ｃは、本開示の実施形態の第２変形例による発光装置を模式的に示す斜視図である。 図５Ａは、グラファイトシートの製造方法における工程の例を説明するための図である。 図５Ｂは、グラファイトシートの製造方法における工程の例を説明するための図である。 図６Ａは、本開示の実施形態によるサブマウントの製造方法における工程の例を説明するための図である。 図６Ｂは、本開示の実施形態によるサブマウントの製造方法における工程の例を説明するための図である。 図６Ｃは、本開示の実施形態によるサブマウントの製造方法における工程の例を説明するための図である。 図６Ｄは、本開示の実施形態によるサブマウントの製造方法における工程の例を説明するための図である。 図６Ｅは、本開示の実施形態によるサブマウントの製造方法における工程の例を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態による発光装置およびその製造方法、ならびにサブマウントの製造方法を説明する。複数の図面に表れる同一符号の部分は同一または同等の部分を示す。

さらに以下に説明する実施形態および変形例は、本発明の技術思想を具体化するために例示しているのであって、本発明を以下に限定しない。また、構成要素のサイズ、材質、形状、その相対的配置などの記載は、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図している。各図面が示す部材の大きさや位置関係などは、理解を容易にするなどのために誇張している場合がある。

また、本明細書または特許請求の範囲において、ある構成要素に関し、これに該当する構成要素が複数あり、それぞれを区別して表現する場合に、その構成要素の頭に“第１”、“第２”と付記して区別することがある。本明細書と特許請求の範囲とで区別する対象や観点が異なる場合、本明細書と特許請求の範囲との間で、同一の付記が、同一の対象を指さない場合がある。

（実施形態）
［発光装置］
まず、図１Ａから図２Ｂを参照して、本開示の実施形態による発光装置の例を説明する。図１Ａは、本開示の例示的な実施形態による発光装置の構成を模式的に示す斜視図である。図面では、参考のために、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸が模式的に示されている。Ｘ軸の矢印の方向を＋Ｘ方向と称し、その反対の方向を－Ｘ方向と称する。±Ｘ方向を区別しない場合は、単にＸ方向と称する。±Ｙ方向および±Ｚ方向についても同様である。座標軸は、発光装置の使用時における向きを制限するわけではなく、発光装置の向きは任意である。本明細書において、Ｚ方向を「第１方向」とも称し、Ｘ方向を「第２方向」とも称する。

図１Ａに示す発光装置１００は、外観には表れない端面出射型の半導体レーザ素子およびサブマウントと、それらを収容するパッケージ３０と、パッケージ３０を貫通し、半導体レーザ素子に電力を供給するリード端子４０とを備える。パッケージ３０は、蓋体３０Ｌ、基体３０ｂ、および窓３０ｗを備える。

図１Ｂは、図１Ａに示す発光装置１００の内部の構成を模式的に示す上面図である。図１Ｂでは、蓋体３０Ｌが省略されている。発光装置１００は、図１Ｂに示すように、基体３０ｂの内部に、サブマウント１０と、半導体レーザ素子２０と、ワイヤ４０ｗとを備える。基体３０ｂは、内側底面３０ｂｔを有する底板部分と、内側底面３０ｂｔに設けられた部材３０ｍとを備える。基体３０ｂの部材３０ｍは、サブマウント１０を直接的または他の部材を介して間接的に支持する。半導体レーザ素子２０から出射されるレーザ光は、図１Ａに示す窓３０ｗから外部に取り出される。

図２Ａは、図１Ｂの発光装置１００からパッケージ３０、リード端子４０、およびワイヤ４０ｗを省略した構成のより詳細を示す斜視図である。図２Ａに示す発光装置１００Ａは、サブマウント１０と、サブマウント１０の上に設けられる半導体レーザ素子２０とを備える。図２Ａに示す例において、サブマウント１０の上に設けられる半導体レーザ素子２０の数は１であるが、複数であってもよい。サブマウント１０は、支持層１４と、支持層１４によって支持される外観には表れないグラファイト層と、支持層１４およびグラファイト層の上に設けられる第１金属膜１６ａと、第１金属膜１６ａの上に部分的に設けられる第２金属膜１６ｂとを備える。図２Ａに示すハッチングされた部分は、第１金属膜１６ａおよび第２金属膜１６ｂを表す。以下では、わかりやすさのために、第１金属膜１６ａおよび第２金属膜１６ｂを省略した図を参照して、発光装置１００Ａの構成を説明する。第１金属膜１６ａおよび第２金属膜１６ｂの詳細については後述する。

図２Ｂは、図２Ａの発光装置１００Ａから第１金属膜１６ａおよび第２金属膜１６ｂを省略した構成を模式的に示す斜視図である。本明細書では、図２Ｂに示す発光装置も「発光装置１００Ａ」と称する。半導体レーザ素子２０は、Ｚ方向に沿って延びる導波路２０ｗを有する。図２Ｂに示す点線は、導波路２０ｗを表す。半導体レーザ素子２０を駆動すると、導波路２０ｗに沿って繰り返し往復する光が生じ、その光の一部がレーザ光として＋Ｚ方向側の端面２０ｅから＋Ｚ方向に向けて出射する。導波路２０ｗでは、駆動時の注入電流が幅の狭い領域を流れるので、電流密度が高くなり、導波路２０ｗの熱密度（単位時間当たりの発熱量／単位体積）が高くなる。導波路２０ｗで発生する熱を効率的に外部に放出できなければ、熱抵抗（温度上昇量／単位時間当たりの発熱量）も高くなる。その結果、半導体レーザ素子２０から出射されるレーザ光の出力が低下し得る。本実施形態による発光装置１００Ａでは、半導体レーザ素子２０の温度上昇をサブマウント１０によって抑制することができる。以下に、サブマウント１０に含まれる各構成要素の詳細を説明する。

まず、グラファイト層１２の詳細を説明する。グラファイト層１２は、上面１２ｓ１および下面１２ｓ２を有する。グラファイト層１２の上面１２ｓ１および下面１２ｓ２の各々は、Ｘ方向およびＺ方向に沿って拡がる。グラファイト層１２の上面１２ｓ１は、半導体レーザ素子２０を支持する。グラファイト層１２は、図２Ｂの拡大図（破線によって囲まれた領域）に模式的に示すように、Ｚ方向に積層された複数のグラフェン１２ｇを有する。複数のグラフェン１２ｇの各々は、Ｚ方向に対して垂直な平面方向に拡がり、図２Ｂに示す例においてはＸ方向に沿って延びている。各グラフェン１２ｇは、複数の炭素原子の共有結合によって形成される蜂の巣構造により、ＸＹ平面に対して平行な平面形状を有する。Ｚ方向において互いに隣接する２つのグラフェン１２ｇは、ファンデルワールス力によって結合されている。実際には、互いに隣接する２つのグラフェン１２ｇのＺ方向における間隔は０．３ｎｍから０．４ｎｍ程度であり極めて狭いが、図２Ｂに示す例では誇張して示されている。グラファイト層１２の製造方法については後述する。

各グラフェン１２ｇの熱伝導キャリアとしては、電子よりもフォノンが主体的である。各グラフェン１２ｇの面内の方が、互いに隣接する２つのグラフェン１２ｇの間よりも、熱が伝わりやすい。したがって、グラファイト層１２のＸＹ平面方向における熱伝導率は極めて高く、反対に、グラファイト層１２のＺ方向における熱伝導率はそれほど高くない。具体的には、グラファイト層１２のＸＹ平面方向における熱伝導率は１７００Ｗ／ｍＫであり、Ｚ方向における熱伝導率は７Ｗ／ｍＫである。以上のように、グラファイト層１２は、熱伝導率について高い異方性を有する。

次に、図３Ａおよび図３Ｂを参照して、半導体レーザ素子２０から発せられる熱がグラファイト層１２においてどのように拡散するかを説明する。図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ、図２Ｂに示す発光装置１００Ａの上面図および側面図である。図３Ａおよび図３Ｂに示す太線の矢印は、導波路２０ｗから発せられる熱がグラファイト層１２において効率的に拡散する方向を表す。

導波路２０ｗから発せられる熱は、図３Ａに示すように、グラファイト層１２において±Ｘ方向に効率的に拡散し、図３Ｂに示すように、グラファイト層１２において－Ｙ方向に効率的に拡散する。その結果、導波路２０ｗの駆動時における熱密度を効率的に低減することができる。導波路２０ｗの延びる方向が、各グラフェン１２ｇの熱伝導率が高い平面に対して垂直であるので、導波路２０ｗの駆動時における熱密度を効率的に低減することができる。熱密度の低減によって熱抵抗も低減する。対照的に、導波路２０ｗの延びる方向が、複数のグラフェン１２ｇの熱伝導率が低い積層方向に対して垂直である構成では、導波路２０ｗの駆動時における熱密度を効率的に低減することは困難である。そのような構成では、図３Ａに示す例とは異なり、導波路２０ｗから発せられる熱は、＋Ｙ方向側から見たとき、すなわち上面視で、導波路２０ｗの延びる方向に対して垂直な方向には効率的に拡散しないからである。

本実施形態において、導波路２０ｗの延びる方向は、各グラフェン１２ｇの平面に対して厳密に垂直である必要はない。導波路２０ｗの延びる方向と各グラフェン１２ｇの平面とがなす角度は、例えば８０°以上９０°以下であり得る。同様に、半導体レーザ素子２０の端面２０ｅは、複数のグラフェン１２ｇの積層方向に対して厳密に垂直である必要はない。半導体レーザ素子２０の端面２０ｅは複数のグラフェン１２ｇの積層方向に交差し、半導体レーザ素子２０の端面２０ｅと複数のグラフェン１２ｇの積層方向とがなす角度は、例えば８０°以上９０°以下であり得る。

次に、支持層１４の詳細を説明する。支持層１４は、上面１４ｓ１および下面１４ｓ２を有する。支持層１４の上面１４ｓ１および下面１４ｓ２の各々は、Ｘ方向およびＺ方向に沿って拡がる。支持層１４の上面１４ｓ１は、グラファイト層１２の下面１２ｓ２を支持する。グラファイト層１２は、支持層１４の上面１４ｓ１の全体ではなく一部に設けられている。支持層１４は、上面視において、グラファイト層１２の周縁の外側に位置する周縁部１４ｐを有する。周縁部１４ｐにより、脆いグラファイト層１２に物体が接触することを抑制できる。上面視における周縁部１４ｐの幅は、例えば５μｍ以上１００μｍ以下であり得る。

支持層１４の剛性はグラファイト層１２の剛性よりも高い。また、支持層１４の厚さはグラファイト層１２の厚さよりも大きい。剛性が高く、厚い支持層１４によって脆いグラファイト層１２を支持することにより、サブマウント１０の機械強度を向上させることができる。グラファイト層１２のＹ方向における寸法、すなわち、厚さは、例えば１０μｍ以上２００μｍ以下であり得る。支持層１４の厚さは、例えば５０μｍ以上３００μｍ以下であり得る。サブマウント１０の最大の厚さは、グラファイト層１２の厚さ、支持層１４の厚さ、第１金属膜１６ａの厚さ、および第２金属膜１６ｂの厚さの合計に等しい。サブマウント１０のＸ方向における最大の寸法は例えば０．３ｍｍ以上４ｍｍ以下であり、Ｚ方向における最大の寸法は例えば０．３ｍｍ以上５ｍｍ以下であり得る。

支持層１４の熱伝導率は、グラファイト層１２のＸＹ平面方向における熱伝導率ほどではないが比較的高く、例えば１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上８００Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり得る。支持層１４の下面１４ｓ２は、図１Ｂの示す部材３０ｍの上面に熱的に接触している。部材３０ｍは放熱部材として機能し得る。支持層１４は、導波路２０ｗからグラファイト層１２に伝わる熱を、基体３０ｂの部材３０ｍに効率的に伝えることができる。

部材３０ｍが導電性を有する場合、支持層１４が同様に導電性を有すると、半導体レーザ素子２０が部材３０ｍに導通してしまい、半導体レーザ素子２０に電力を効率的に供給できない可能性がある。電気絶縁性を有する支持層１４であれば、半導体レーザ素子２０が部材３０ｍに導通することを抑制できる。なお、部材３０ｍが電気絶縁性を有する場合、支持層１４は導電性を有していてもよいし、電気絶縁性を有していてもよい。

支持層１４は、例えば、ＡｌＮ、ＳｉＣ、窒化シリコンおよびアルミナからなる群から選択される少なくとも１つを含むセラミックから形成され得る。セラミックは、例えばＬＴＣＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ－ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃ：低温同時焼成セラミックス）であってもよい。あるいは、支持層１４は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｗ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄからなる群から選択される少なくとも１つを含む金属またはそれらの合金から形成され得る。

次に、図２Ａに示す第１金属膜１６ａおよび第２金属膜１６ｂの詳細を説明する。第１金属膜１６ａは、図２Ｂに示す周縁部１４ｐの上面の全体、ならびにグラファイト層１２の上面１２ｓ１の全体および各側面の全体に設けられている。第１金属膜１６ａは、サブマウント１０と半導体レーザ素子２０とを、はんだ付け、ろう付け、または焼結が可能な無機接合材で接合する際に役立つ。さらに、第１金属膜１６ａは、図１Ｂに示すワイヤ４０ｗを介して半導体レーザ素子２０に電力を供給する際に役立つ。

第１金属膜１６ａは、例えばＴｉ、Ｐｔ、およびＡｕからなる群から選択される少なくとも１つの金属から形成され得る。はんだ付けの場合、無機接合材は、例えばＡｕＳｎ、ＳｎＣｕ、ＳｎＡｇ、およびＳｎＡｇＣｕからなる群から選択される少なくとも１つの合金から形成され得る。ろう付けの場合、無機材料は、例えば金ろう材、銀ろう材、および銅ろう材からなる群から選択される少なくとも１つの合金から形成され得る。焼結の場合、無機接合材は、例えばＡｇ粒子、Ｃｕ粒子、およびＡｕ粒子からなる群から選択される少なくとも１種類の粒子を含む金属ペーストから形成され得る。

第１金属膜１６ａは薄い方が、半導体レーザ素子２０から発せられる熱をグラファイト層１２に効率的に伝えることができる。第１金属膜１６ａの厚さは、例えば０．０５μｍ以上２μｍ以下であり得る。第１金属膜１６ａは、単層膜または多層膜である。

第２金属膜１６ｂは、第１金属膜１６ａの上に部分的に設けられている。図１Ｂに示すワイヤ４０ｗを第１金属膜１６ａに超音波接合しようとしても、第１金属膜１６ａは薄いので、超音波が、第１金属膜１６ａを介して剛性が低いグラファイト層１２に吸収されてしまう。超音波がグラファイト層１２に吸収されてしまうと、ワイヤ４０ｗが第１金属膜１６ａに接合されない可能性がある。第１金属膜１６ａの上に第２金属膜１６ｂを部分的に設けることにより、第２金属膜１６ｂにワイヤ４０ｗを超音波接合することができる。第１金属膜１６ａに第２金属膜１６ｂが加わることによって超音波がグラファイト層１２に吸収されることを抑制できるからである。超音波がグラファイト層１２に吸収されることを抑制できる第２金属膜１６ｂの厚さは、例えば５μｍ以上１００μｍ以下であり得る。第２金属膜１６ｂの材料は、例えば第１金属膜１６ａの材料と同じであり得る。第２金属膜１６ｂは、単層膜または多層膜である。

なお、半導体レーザ素子２０の上面にも金属膜が設けられている。当該金属膜は、ワイヤ４０ｗを介して半導体レーザ素子２０に電力を供給する際に役立つ。

次に、図４Ａから図４Ｃを参照して、本開示の実施形態による発光装置１００Ａの変形例を説明する。図４Ａは、本開示の実施形態の第１変形例による発光装置を模式的に示す斜視図である。図４Ａに示す発光装置１１０Ａは、サブマウント１１Ａと、半導体レーザ素子２０とを備える。サブマウント１１Ａは、グラファイト層１３Ａと、支持層１４と、第１金属膜１６ａと、第２金属膜１６ｂとを備える。図４Ｂは、図４Ａの発光装置１１０Ａから第１金属膜１６ａおよび第２金属膜１６ｂを省略した構成を模式的に示す斜視図である。本明細書では、図４Ｂに示す発光装置も「発光装置１１０Ａ」と称する。図４Ｂに示す発光装置１１０Ａが図２Ｂに示す発光装置１００Ａとは異なる点は、グラファイト層１３Ａが支持層１４の上面１４ｓ１の全体に設けられており、かつ、グラファイト層１３Ａのうち、周縁部分以外の部分が盛り上がっていることである。

グラファイト層１３Ａは、上面および下面を有する本体部１３ａと、本体部１３ａの周囲に位置し、上面および下面を有する鍔部１３ｂとを有する。グラファイト層１３Ａの上面は、本体部１３ａの上面および鍔部１３ｂの上面を有する。グラファイト層１３Ａの下面は、本体部１３ａの下面および鍔部１３ｂの下面を有する。図４Ａに示す第１金属膜１６ａは、グラファイト層１３Ａの上面に設けられている。本体部１３ａの上面は、第１金属膜１６ａを介して半導体レーザ素子２０を支持する。図４Ａに示す第２金属膜１６ｂは、上面視で、本体部１３ａに重なる。

本体部１３ａの下面および鍔部１３ｂの下面は互いに同じ平面内に位置しており、支持層１４の上面１４ｓ１に設けられている。支持層１４の上面１４ｓ１を基準として、鍔部１３ｂの上面は、本体部１３ａの上面よりも低い位置にある。鍔部１３ｂの厚さは、本体部１３ａの厚さよりも小さい。鍔部１３ｂの厚さは、例えば本体部１３ａの厚さの０．１倍以上、０．６倍以下であり得る。本体部１３ａの厚さは、例えば、前述したグラファイト層１２の厚さと同じであり得る。第１変形例による発光装置１１０Ａでは、鍔部１３ｂによって本体部１３ａを保護することができるので、支持層１４は、図２Ｂに示すような周縁部１４ｐを有さなくてもよい。

図４Ｃは、本開示の実施形態の第２変形例による発光装置を模式的に示す斜視図である。図４Ｃに示す発光装置１１０Ｂは、サブマウント１１Ｂと、半導体レーザ素子２０とを備える。サブマウント１１Ｂは、グラファイト層１３Ｂと、支持層１４と、第１金属膜１６ａと、第２金属膜１６ｂとを備える。図４Ｃに示す発光装置１１０Ｂが図２Ａに示す発光装置１００Ａとは異なる点は、グラファイト層１３Ｂが支持層１４の上面１４ｓ１の全体に設けられており、かつ、グラファイト層１３ＢがＸＺ平面に沿って拡がる平板形状を有することである。グラファイト層１３Ｂを保護する必要がないのであれば、支持層１４は、図２Ｂに示すような周縁部１４ｐを有さなくてもよい。第２変形例による発光装置１１０Ｂでは、グラファイト層１３Ｂがより広くなるので、サブマウント１１Ｂにおいて、半導体レーザ素子２０をより＋Ｚ方向側に配置することができる。

本実施形態による発光装置１００Ａおよびその変形例による発光装置１１０Ａ、１１０Ｂによれば、半導体レーザ素子２０の過度な温度上昇を抑制することが可能になる。発光装置１００Ａ、１１０Ａ、１１０Ｂでは、半導体レーザ素子２０から出射されるレーザ光の出力が低い場合だけでなく、レーザ光の出力が１０Ｗ以上１００Ｗ以下と高い場合であっても、レーザ光の出力の低下を抑制することができる。高出力の発光装置は、例えば、加工機またはプロジェクタに利用することができる。

［発光装置の製造方法］
以下に、本開示の実施形態による発光装置の製造方法を説明する。発光装置の製造方法は、例えば１０ｍｍ角以上５０ｍｍ角以下の支持層およびグラファイトシートを積層した積層体を加工し、個片化することによって複数のサブマウント１０を製造する工程を含む。個片化によって得られる複数のサブマウント１０の数は、例えば１０^２から１０^３のオーダであり得る。

まず、図５Ａおよび図５Ｂを参照して、グラファイトシートの製造方法を説明する。図５Ａおよび図５Ｂは、グラファイトシートの製造方法における工程の例を説明するための図である。

最初の工程において、図５Ａに示すように、グラファイト１２Ｇが、例えば化学蒸着法によって形成される。グラファイト１２Ｇは、鉛直方向に積層される複数のグラフェンシート１２ｇｓを有する。複数のグラフェンシート１２ｇｓの各々は、２次元的に拡がる平面形状を有する。各グラフェンシート１２ｇｓは、図２Ｂに示す各グラフェン１２ｇと同様に、複数の炭素原子の共有結合によって形成される蜂の巣構造を有する。互いに隣接する２つのグラフェンシート１２ｇｓは、図２Ｂに示す互いに隣接する２つのグラフェン１２ｇと同様に、ファンデルワールス力によって結合されている。グラファイト１２Ｇとして、例えば、高配向性グラファイトである米国ＭＩＮＴＥＱ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．社製のＰＹＲＯＩＤ ＨＴを用いることができる。

次の工程において、図５Ａに示すグラファイト１２Ｇの端部を破線に沿ってスライスすることにより、図５Ｂに示すように、グラファイトシート１２Ａが形成される。ただし、図５Ｂに示すグラファイトシート１２Ａの向きは、図５Ａに示すグラファイト１２Ｇのスライスされる端部の向きとは異なる。グラファイトシート１２Ａは、Ｘ方向およびＺ方向に沿って拡がっている。グラファイトシート１２Ａは、Ｚ方向に積層され、各々がＸ方向に沿って延びる、複数のグラフェン１２ｇを含む。グラファイトシート１２Ａの厚さは、例えば１００μｍ以上３０００μｍ以下であり得る。

次に、図６Ａから図６Ｅを参照して、本開示の実施形態によるサブマウント１０の製造方法を説明する。図６Ａから図６Ｅは、本開示の実施形態によるサブマウント１０の製造方法における工程の例を説明するための図である。

最初の工程において、図６Ａに示すように、グラファイトシート１２Ａと支持層１４Ａとが積層された積層体１０Ａが用意される。図６Ａに示すグラファイトシート１２Ａは、図５Ｂに示すグラファイトシート１２Ａとは異なり、平板として表されている。支持層１４Ａは、グラファイトシート１２Ａと同様に、Ｘ方向およびＺ方向に沿って拡がっている。グラファイトシート１２Ａと支持層１４Ａとは、例えば常温接合によって貼り合わせられる。具体的には、グラファイトシート１２Ａの下面および支持層１４Ａの上面の各々が研磨され、研磨されたグラファイトシート１２Ａの下面および支持層１４Ａの上面が常温で分子間力によって互いに接合される。常温接合では、接合材を用いる必要がない。この工程において、グラファイトシート１２Ａの厚さは、支持層１４Ａの厚さよりも大きい。

次の工程において、図６Ａに示すグラファイトシート１２Ａの上面を研磨して、グラファイトシート１２Ａを支持層１４Ａよりも薄くすることにより、図６Ｂに示すように、グラファイト層１２Ｂが形成される。図６Ｂに示す積層体１０Ｂでは、グラファイト層１２Ｂと支持層１４Ａとが積層されている。支持層１４Ａの剛性はグラファイト層１２Ｂの剛性よりも高く、支持層１４Ａの厚さは、グラファイト層１２Ｂの厚さよりも大きい。剛性が高く、厚い支持層１４Ａによって脆いグラファイト層１２Ｂを支持することにより、積層体１０Ｂの機械強度を向上させることができる。グラファイト層１２Ｂの厚さは、図２Ｂに示すグラファイト層１２の厚さと同じである。支持層１４Ａの厚さは、図２Ｂに示す支持層１４の厚さと同じである。支持層１４Ａの材料は、図２Ｂに示す支持層１４の材料と同じである。

次の工程において、図６Ｂに示す積層体１０Ｂのグラファイト層１２Ｂに、図６Ｃに示すように、Ｘ方向およびＺ方向に沿って複数の溝が形成される。複数の溝の形成によって支持層１４Ａの表面の一部は露出する。図６Ｃに示す積層体１０Ｃでは、複数の溝が形成されたグラファイト層１２Ｃと支持層１４Ａとが積層されている。複数の溝は、例えばエッチングによってグラファイト層１２Ｂを格子状にパターニングして形成され得る。エッチングによって複数の溝を形成することにより、ブレードによって複数の溝を形成する場合と比較して、グラファイト層１２Ｃにバリが発生することを抑制できる。グラファイト層１２Ｃにバリの発生が許容できる場合であれば、ブレードによって複数の溝を形成してもよい。

次の工程において、図６Ｃに示す積層体１０Ｃの上面、すなわち、グラファイト層１２Ｃの上面および各側面、ならびに支持層１４Ａの露出した表面に、図６Ｄに示すように、第１金属膜１６Ａが形成される。第１金属膜１６Ａは、例えばスパッタリング、蒸着、またはめっき加工によって形成され得る。さらに、第１金属膜１６Ａに、Ｘ方向およびＺ方向に沿って配列される複数の第２金属膜１６Ｂが部分的に形成される。複数の第２金属膜１６Ｂは、例えば、第１金属膜１６Ａの上面の全体に金属膜を設け、当該金属膜をパターニングすることによって形成され得る。各第２金属膜１６Ｂは、第１金属膜１６Ａのうち、複数の溝によって区切られる１つの部分の上に設けられる。図６Ｄに示す積層体１０Ｄは、図６Ｃに示す積層体１０Ｃと、第１金属膜１６Ａと、第２金属膜１６Ｂとを有する。第１金属膜１６Ａおよび第２金属膜１６Ｂの材料は、図２Ａに示す第１金属膜１６ａおよび第２金属膜１６ｂの材料とそれぞれ同じである。第１金属膜１６Ａおよび第２金属膜１６Ｂの厚さは、図２Ａに示す第１金属膜１６ａおよび第２金属膜１６ｂの厚さとそれぞれ同じである。

次の工程において、図６Ｄに示す積層体１０Ｄを複数の溝に沿って個片化することにより、図６Ｅに示すように、複数のサブマウント１０が形成される。個片化は、例えばブレードによる切断によって行われる。各サブマウント１０は、図６Ｃに示すグラファイト層１２Ｃの一部、ならびに図６Ｄに示す支持層１４Ａの一部、第１金属膜１６Ａの一部、および第２金属膜１６Ｂを有する。グラファイト層１２Ｃの一部は、図２Ｂに示すグラファイト層１２に相当し、支持層１４Ａの一部は、図２Ｂに示す支持層１４に相当する。第１金属膜１６Ａの一部は、図２Ａに示す第１金属膜１６ａに相当し、第２金属膜１６Ｂは、図２Ａに示す第２金属膜１６ｂに相当する。

複数の溝に沿って個片化するので、グラファイト層１２Ｃは切断されない。したがって、グラファイト層１２Ｃの切断に起因するバリは発生しない。ただし、第１金属膜１６Ａを切断することに起因するバリは発生し得る。そのようなバリが発生しても、図２Ａに示すように、サブマウント１０の盛り上がった部分に半導体レーザ素子２０が配置されるので、半導体レーザ素子２０から出射されるレーザ光の進行が当該バリによって妨げられることを抑制することができる。

図６Ａから図６Ｅを参照して説明する上記の工程により、本実施形態によるサブマウント１０を製造することができる。本実施形態による発光装置１００Ａの製造方法は、本実施形態によるサブマウント１０の製造方法の後に、サブマウント１０に含まれるグラファイト層１２の上に、第１金属膜１６ａを介して半導体レーザ素子２０を設ける工程を含む。

図６Ｃに示す例とは異なり、図６Ｂに示す積層体１０Ｂのグラファイト層１２Ｂに、支持層１４Ａの表面の一部が露出しないように、Ｘ方向およびＺ方向に沿って複数の溝を形成してもよい。当該複数の溝が形成されたグラファイト層の上に、図６Ｄに示す第１金属膜１６Ａおよび複数の第２金属膜１６Ｂが設けられる。そのようにして得られた積層体を複数の溝に沿って個片化することにより、図４Ａに示す本実施形態の第１変形例によるサブマウント１１Ａを製造することができる。グラファイト層および第１金属膜１６Ａの切断に起因するバリは発生し得る。そのようなバリが発生しても、前述したように、サブマウント１０の盛り上がった部分に半導体レーザ素子２０が配置されるので、半導体レーザ素子２０から出射されるレーザ光の進行が当該バリによって妨げられることを抑制することができる。

あるいは、図６Ｂに示す積層体１０Ｂのグラファイト層１２Ｂに、複数の溝を形成しなくてもよい。図６Ｂに示すグラファイト層１２Ｂの上に図６Ｄに示す第１金属膜１６Ａおよび複数の第２金属膜１６Ｂが設けられる。そのようにして得られた積層体をＸ方向およびＺ方向に沿って個片化することにより、図４Ｃに示す本実施形態の第２変形例によるサブマウント１１Ｂを製造することができる。グラファイト層１２Ｂおよび第１金属膜１６Ａの切断に起因して発生するバリにより、半導体レーザ素子２０から出射されるレーザ光の進行が妨げられる可能性がある。レーザ光の進行の妨げが問題にならない程度であれば、第２変形例によるサブマウント１１Ｂは有効である。

次に、図２Ａおよび図２Ｂに示す半導体レーザ素子２０、ならびに図１Ａに示すパッケージ３０およびリード端子４０の構成を説明する。

［半導体レーザ素子２０］
半導体レーザ素子２０は、例えば直方体であり得る。各半導体レーザ素子２０のＸ方向におけるサイズは例えば５０μｍ以上５００μｍ以下であり、好ましくは１５０μｍ以上５００μｍ以下である。Ｙ方向におけるサイズは例えば２０μｍ以上１５０μｍ以下である。Ｚ方向におけるサイズは例えば５０μｍ以上１０ｍｍ以下であり、好ましくは１２００μｍ以上４ｍｍ以下である。

半導体レーザ素子２０は、可視領域における紫色、青色、緑色もしくは赤色のレーザ光、または不可視領域における赤外もしくは紫外のレーザ光を出射し得る。紫色の発光ピーク波長は、３８０ｎｍ以上４１９ｎｍ以下の範囲内にあることが好ましく、４００ｎｍ以上４１５ｎｍ以下の範囲内にあることがより好ましい。青色光の発光ピーク波長は、４２０ｎｍ以上４９４ｎｍ以下の範囲内にあることが好ましく、４４０ｎｍ以上４７５ｎｍ以下の範囲内にあることがより好ましい。紫色または青色のレーザ光を出射する半導体レーザ素子としては、窒化物半導体材料を含む半導体レーザ素子が挙げられる。窒化物半導体材料としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、およびＡｌＧａＮを用いることができる。緑色光の発光ピーク波長は、４９５ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の範囲内にあることが好ましく、５１０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲内にあることがより好ましい。緑色のレーザ光を出射する半導体レーザ素子としては、窒化物半導体材料を含む半導体レーザ素子が挙げられる。窒化物半導体材料としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、およびＡｌＧａＮを用いることができる。赤色光の発光ピーク波長は、６０５ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の範囲内にあることが好ましく、６１０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲内にあることがより好ましい。赤色のレーザ光を出射する半導体レーザ素子としては、例えば、ＩｎＡｌＧａＰ系、ＧａＩｎＰ系、ＧａＡｓ系およびＡｌＧａＡｓ系の半導体材料を含む半導体レーザ素子が挙げられる。

半導体レーザ素子２０は、＋Ｙ方向または－Ｙ方向に沿って、基板、第１クラッド層、発光層、および第２クラッド層がこの順に積層された半導体積層構造を含む。第１クラッド層の導電型は、ｐ型およびｎ型の一方であり、第２クラッド層の導電型は、ｐ型およびｎ型の他方である。基板は、例えば半導体基板である。半導体積層構造は、基板を有していなくてもよい。半導体レーザ素子２０の第１クラッド層に電気的に接続される電極を「第１電極」と称し、半導体レーザ素子２０の第２クラッド層に電気的に接続される電極を「第２電極」と称する。第１電極と第２電極とに順方向電圧を印加して閾値以上の電流を流すことにより、発光層のＺ方向に交差する２つの端面のうちの一方、すなわち端面２０ｅからレーザ光が出射される。当該レーザ光は広がりを有し、端面２０ｅと平行な面において楕円形状のファーフィールドパターン（以下「ＦＦＰ」という。）を形成する。例えば、当該楕円形状のうち、長軸は、半導体積層構造の積層方向に対して平行であり、短軸は、端面２０ｅが延びる方向に対して平行である。レーザ光は、進行するにつれて長軸方向において相対的に速く広がり、短軸方向において相対的に遅く広がることから、長軸および短軸は、それぞれ速軸および遅軸と呼ばれている。

レーザ光の速軸方向における広がりを低減する速軸コリメートレンズは、例えば、パッケージ３０の内側または外側かつレーザ光の光路上に設けられ得る。レーザ光の遅軸方向における広がりを低減する遅軸コリメートレンズについても同様である。速軸コリメートレンズは、半導体レーザ素子２０と遅軸コリメートレンズとの間に位置する。１つのコリメートレンズによって、速軸方向と遅軸方向の両方のレーザ光の広がりを低減するようにしてもよい。

半導体レーザ素子２０は、半導体積層構造において発光層よりも基板がサブマウント１０に近い、いわゆるフェイスアップの状態で実装されてもよい。あるいは、半導体レーザ素子２０は、半導体積層構造において基板よりも発光層がサブマウント１０の近くに位置する、いわゆるフェイスダウンの状態で実装されてもよい。レーザ光の波長の長短に関係なく、フェイスダウンの状態で実装する方が、フェイスアップの状態で実装するよりも、半導体レーザ素子２０から発せられる熱を、サブマウント１０に効率的に伝えることができる。フェイスダウンの状態で実装する場合、半導体レーザ素子２０は、サブマウント１０の上に、半導体レーザ素子２０の端面２０ｅを含む先端部分が上面視でグラファイト層１２または支持層１４から突出するように配置され得る。そのような配置により、レーザ光の一部の進行がグラファイト層１２または支持層１４よって妨げられることを抑制できる。

［パッケージ３０］
パッケージ３０のうち、基体３０ｂは、図１Ｂに示すように、サブマウント１０、半導体レーザ素子２０、およびワイヤ４０ｗを収容する。パッケージ３０はこれらの構成要素を気密封止してもよい。半導体レーザ素子２０が例えば３５０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下のレーザ光を出射する場合、雰囲気に含まれる有機ガス成分などがレーザ光によって分解され、分解物が半導体レーザ素子２０の図２Ｂに示す端面２０ｅに付着することがある。さらに、半導体レーザ素子２０の端面２０ｅが外気に接していると、例えば集塵により、駆動中に出射面の劣化が進行していく可能性もある。これらの要因により、半導体レーザ素子２０から出射されるレーザ光の出力が低下し得る。半導体レーザ素子２０の信頼性を高めて寿命を延ばすため、パッケージ３０は、半導体レーザ素子２０を気密に封止していることが望ましい。パッケージ３０による気密封止は、半導体レーザ素子２０から出射されるレーザ光の波長に関係なく行われてもよい。

基体３０ｂの内側底面３０ｂｔに設けられる部材３０ｍにより、半導体レーザ素子２０の端面２０ｅと窓３０ｗとの高さを合わせることができる。部材３０ｍは、基体３０ｂの内側底面３０ｂｔを有する底板部分と同じ材料から形成され得る。あるいは、部材３０ｍは、基体３０ｂの内側底面３０ｂｔの少なくとも一部が突出した部分であり得る。基体３０ｂのうち、内側底面３０ｂｔを有する底板部分は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｗ、およびＣｕＭｏからなる群から選択される少なくとも１つを含む金属から形成され得る。当該金属は高い熱伝導率を有し、そのような金属から形成された底板部分は、駆動時に半導体レーザ素子２０から発せられた熱を外部に効率的に伝えることができる。基体３０ｂのうち、側壁部分は、サブマウント１０、半導体レーザ素子２０、およびワイヤ４０ｗを囲む。当該側壁部分は、例えばコバール（ｋｏｖａｒ）から形成され得る。コバールは、主成分である鉄にニッケルおよびコバルトを加えた合金である。

蓋体３０Ｌは、基体３０ｂと同じ材料から形成されてもよいし、異なる材料から形成されてもよい。窓３０ｗは、基体３０ｂに取り付けられ、半導体レーザ素子２０から出射されるレーザ光を透過させる。窓３０ｗの材料は、例えば、ガラス、シリコン、石英、合成石英、サファイア、透明セラミック、およびプラスチックからなる群から選択される少なくとも１つの透光性材料から形成され得る。

［リード端子４０］
リード端子４０によって半導体レーザ素子２０に電流が注入されて、半導体レーザ素子２０からレーザ光が出射される。リード端子４０は、半導体レーザ素子２０から出射されるレーザ光の出射タイミングおよび出力を調整する外部回路に電気的に接続されている。

リード端子４０は、図１Ｂに示すように、ワイヤ４０ｗおよびサブマウント１０を介して半導体レーザ素子２０に電気的に接続されている。図１Ｂに示す例では、リード端子４０のうち、一方が、３本のワイヤ４０ｗを介して、半導体レーザ素子２０の上面に形成された金属膜（電極）に電気的に接続されており、他方が、３本のワイヤ４０ｗを介して、サブマウント１０の上面に設けられた金属膜（図２Ａに示す第２金属膜１６ｂ）に電気的に接続されている。ワイヤ４０ｗの本数は３本である必要はなく、１本または２本でもよいし、４本以上でもよい。

リード端子４０は、例えばＦｅ－Ｎｉ合金、またはＣｕ合金のような導電性材料から形成され得る。ワイヤ４０ｗは、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、およびＡｌからなる群から選択される少なくとも１つの金属から形成され得る。

本開示の発光装置、発光装置の製造方法、およびサブマウントの製造方法は、例えば、加工機、プロジェクタ、および照明器具に利用され得る。

１０、１１Ａ、１１Ｂ サブマウント
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ 積層体
１２、１３Ａ、１３Ｂ グラファイト層
１２Ａ グラファイトシート
１２Ｂ、１２Ｃ グラファイト層
１２Ｇ グラファイト
１２ｇ グラフェン
１２ｇｓ グラフェンシート
１２ｓ１ 上面
１２ｓ２ 下面
１３ａ 本体部
１３ｂ 鍔部
１４、１４Ａ 支持層
１４ｐ 周縁部
１４ｓ１ 上面
１４ｓ２ 下面
１６ａ、１６Ａ 第１金属膜
１６ｂ、１６Ｂ 第２金属膜
２０ 半導体レーザ素子
２０ｅ 端面
２０ｗ 導波路
３０ パッケージ
３０Ｌ 蓋体
３０ｂ 基体
３０ｂｔ 内側底面
３０ｍ 部材
３０ｗ 窓
４０ リード端子
４０ｗ ワイヤ
１００、１１０Ａ、１１０Ｂ 発光装置

Claims (16)

1. 互いに直交する第１方向および第２方向に沿って拡がる上面および下面を有するグラファイト層であって、前記第１方向に積層された複数のグラフェンを含み、前記複数のグラフェンの各々は前記第２方向に沿って延びている、グラファイト層と、
   前記第１方向および前記第２方向に沿って拡がる上面および下面を有し、前記グラファイト層より厚い、支持層であって、前記グラファイト層の前記下面を前記支持層の前記上面によって支持する支持層と、を有するサブマウントと、
   前記第１方向に沿って延びる導波路を有し、前記第１方向に交差する端面からレーザ光を出射し、前記グラファイト層の前記上面によって支持されている、半導体レーザ素子と、
   前記サブマウントを直接的または間接的に支持する基体と、
   を備える、発光装置。
2. 前記グラファイト層の厚さは、１０μｍ以上２００μｍ以下であり、前記支持層の厚さは、５０μｍ以上３００μｍ以下である、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記支持層は、セラミックまたは金属から形成されている、請求項１または２に記載の発光装置。
4. 前記支持層の熱伝導率は、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である、請求項３に記載の発光装置。
5. 前記支持層は電気絶縁性を有する、請求項３または４に記載の発光装置。
6. 上面視において、前記支持層は、前記グラファイト層の周縁の外側に位置する周縁部を有している、請求項１から５のいずれか１項に記載の発光装置。
7. 前記グラファイト層は、前記支持層の前記上面の全体に設けられている、請求項１から５のいずれか１項に記載の発光装置。
8. 前記グラファイト層は、上面および下面を有する本体部と、前記本体部の周囲に位置し、上面および下面を有する鍔部とを備え、
   前記本体部の上面は、半導体レーザ素子を支持し、
   前記本体部の前記下面および前記鍔部の前記下面は、互いに同じ平面内に位置し、
   前記支持層の前記上面を基準として、前記鍔部の前記上面は、前記本体部の前記上面よも低い位置にある、請求項７に記載の発光装置。
9. 前記サブマウントは、前記グラファイト層の前記上面に設けられる第１金属膜を有する、請求項１から８のいずれか１項に記載の発光装置。
10. 前記サブマウントは、前記第１金属膜の上に部分的に設けられる第２金属膜を有する、請求項９に記載の発光装置。
11. 前記半導体レーザ素子は、基板、第１クラッド層、発光層、および第２クラッド層がこの順に積層された半導体積層構造を有し、
    前記半導体積層構造において、前記基板よりも前記発光層が前記グラファイト層の近くに位置する、請求項１から１０のいずれか１項に記載の発光装置。
12. 互いに直交する第１方向および第２方向に沿って拡がるグラファイト層であって、前記第１方向に積層され、各々が前記第２方向に沿って延びる複数のグラフェンを含むグラフ
    ァイト層と、前記第１方向および前記第２方向に沿って拡がり、前記グラファイト層より厚い、支持層とが積層された積層体を用意する工程と、
    前記積層体に、前記第１方向および前記第２方向に沿って複数の溝を形成する工程と、
    前記積層体を前記複数の溝に沿って個片化することにより、各々が前記グラファイト層の一部および前記支持層の一部を含む複数のサブマウントを形成する工程と、
    前記複数のサブマウントの各々に含まれる前記グラファイト層の前記一部の上に、前記第１方向に沿って延びる導波路を有し、前記第１方向に交差する端面からレーザ光を出射する半導体レーザ素子を設ける工程と、
    を含む、発光装置の製造方法。
13. 前記積層体に前記複数の溝を形成する工程は、前記グラファイト層に前記複数の溝を形成する、請求項１２に記載の発光装置の製造方法。
14. 前記積層体に前記複数の溝を形成する工程は、エッチングによって前記グラファイト層を格子状にパターニングする工程を含む、請求項１２または１３に記載の発光装置の製造方法。
15. 前記積層体に前記複数の溝を形成する工程と、前記積層体を個片化して前記複数のサブマウントを形成する工程との間に、前記積層体の前記グラファイト層の上面に金属膜を形成する工程を含む、請求項１２から１４のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
16. 前記積層体を用意する工程は、前記支持層に接合されたグラファイトシートを研磨して、前記グラファイトシートを前記支持層より薄くすることにより、前記グラファイト層を形成する工程を含む、請求項１２から１５のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。