JPH0629623A - モノリシックレーザーダイオードアレイ及びその製造方法 - Google Patents

モノリシックレーザーダイオードアレイ及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 ［目的］ 予め複数の小レーザーダイオードアレイを作
成しておき、これらを組み合わせ永久固着して大容積の
レーザーダイオードアレイを製造することで、全小レー
ザーダイオードアレイを永久固着する前に個々の小アレ
イを予備検査することが可能になり、欠陥のあるアレイ
を予め除去することによる製造コストの低下、歩留まり
の向上が可能になる。 ［構成］ モノリシック基板１０上に基板の長さ方向に
沿って、基板の垂直（厚さ）方向に延びた側壁を有した
少なくとも１つの溝２０を形成し、該溝を含む基板の上
面に金属化層を設け、さらに金属化された溝に複数個の
レーザーダイオードを配設することでレーザーダイオー
ドアレイを製造する。 ［効果］ 大容積でかつ信頼性の高い１次元及び２次元
のレーザーダイオードアレイを、低コストでしかも歩留
まりを高くして製造することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一次元または二次元レー
ザーダイオードアレイに関し、特に、実用的なレーザー
発生装置に使用される組み立て用ユニットとしてのレー
ザダイオードアレイとその製造方法に関する。本発明の
レーザーダイオードアレイは高パワーの半導体レーザー
ダイオードアレイからなり、特に、衛生通信、エネルギ
ー分野、大気状態の遠隔観測、レンジファインダー、同
位体の分離、光学的読み取り装置、計算機、レーザー加
工機、レベル探知機並びに遠隔探知機等に利用すること
ができる。
【０００２】
【従来の技術】近年、ＡｌＧａＡｓ等のレーザーダイオ
ード用材料の研究開発により、レーザーダイオード自体
の性能と信頼性の向上がなされてきた。しかし、複数の
レーザーダイオードからレーザーダイオードアレイを製
造する段階で利用されるレーザーダイオードのパッキン
グ技術自体は未開発のままであり、レーザーダイオード
自体の性能及び信頼性の向上に比し、パッキング技術の
開発が未だなされていないのが現状である。
【０００３】現在利用されている第一世代のパッキング
技術として、Ｃｕ、ＢｅＯ,THERMKON(TM),もしくはダイ
アモンドの基板上のＩn等の鑞付けもしくはＳｎ／Ａｕ
系の溶着剤を利用する方法がある。この方法では工業的
なプロトタイプの製造には適しているが、信頼性が高
く、低コストの１次元または２次元のレーザーダイオー
ドアレイを大容積に組み立てるには適していない。
【０００４】他方、本出願の発明者もその研究開発に関
与したレーザーパッキング技術の一例として、”ラック
スタック（Rack & Stack）”組立法がある。この方法
は、１次元に配列されたレーザーダイオードからなる１
次元サブアレイを個々に製造した後に、これらのサブア
レイを背面部材上に２次元のアレイとして配設するもの
である。この方法では、特に組立工程が多く、部品数も
多いので、大容積の製品を得ることが困難であり、さら
に歩留まりも比較的低いという欠点がある。また、個々
の組立工程のほとんどは各サブアレイを正確に配列する
ことが必要であり、これは組立時間を長くし、歩留まり
を低くする原因となっている。さらに、使用された１次
元サブアレイは再使用ができないという欠点を有してい
る。これは、もしサブアレイのレーザーダイオードの一
部にでも傷があったならば、サブアレイ上のレーザーダ
イオード自体を取り替えることができないので、サブア
レイ全体を廃棄する必要があるからである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明によれば、大容
積でかつ信頼性の高い１次元及び２次元のレーザーダイ
オードアレイを、低コストでしかも歩留まりを高くして
製造することができるものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、上下面を有し
た基板であって、該上面上に該基板の長さ方向に沿って
形成され、さらに該基板の垂直（厚さ）方向に延びた側
壁を有した少なくとも１つの溝を有するモノリシック基
板と、該モノリシック基板上に少なくとも１つの金属化
溝を形成するために該溝の該側壁に沿って設けられた金
属化層と、該金属化溝に配設された複数個のレーザーダ
イオードとからなるモノリシックレーザーダイオードア
レイを特徴とするものである。
【０００７】
【作用】本発明のモノリシックレーザーダイオードアレ
イ及びその製造方法によれば、予め小基板上に溝を形成
した後に該溝へレーザーダイオードを配設することで小
レーザーダイオードアレイを製造し、しかる後に複数個
の小レーザーダイオードアレイを組み合わせることで、
大容積のレーザーダイオードアレイを得ているものであ
る。従って、全小レーザーダイオードアレイを永久固着
する前に個々の小アレイを予備検査することで、欠陥の
あるレーザーダイオードアレイを予め除去することが可
能になる。その結果、大容積でかつ信頼性の高い１次元
及び２次元のレーザーダイオードアレイを、低コストで
しかも歩留まりを高くして製造することがでができる。
【０００８】
【実施例】図１は、本発明で使用されるモノリシック基
板の第１の実施例を実際の寸法を併記して示している。
モノリシック基板１０は、例えばＢｅＯ，ＡｌＮ，もし
くは高い熱伝導率を有する材料、好ましくはセラミック
からなっている。特に基板１０にＢｅＯを用いた場合、
結晶粒であっても良い。本実施例で利用されるモノリシ
ック基板１０は１次元レーザーダイオードアレイ用基板
であり、ほぼ中央部にレーザーダイオード配設用の溝を
有する。基板１０は長さ２．０５インチ，幅０．５０イ
ンチ，厚さ０．０２５インチの大きさを有する。この大
きさは使用目的に応じて変えることができる。また、溝
は幅が０．０４インチで、深さが０．０１９インチであ
る。例えば、セラミックに対する工業規格で、２．００
Ｘ２．００Ｘ０．０２５（インチ）の大きさを有する基
板を用いても良い。また、基板の厚さも変えることがで
き、例えば、工業規格に適合する４０ミルの厚さの基板
を用いても良い。基板の製造は、例えば、最初に大きな
基板を作っておき、これを製造プロセスの１工程を利用
してより小さな複数個のアレイに分割することで所望の
大きさを有する基板を得ることができる。
【０００９】図２は、本発明で使用されるモノリシック
基板の第２の実施例を実際の寸法を併記して示してい
る。本実施例で利用されるモノリシック基板は２次元レ
ーザーダイオードアレイ用基板であり、レーザーダイオ
ードアレイ配設用の複数個の溝２０が基板上に形成され
ている。基板１０の構成材料は第１の実施例と同じもの
であり、また、基板１０の両側面は３乃至４ミクロン研
磨仕上げされており、全体の厚さは２５ミルになるよう
研磨されている。溝２０は深さが約０．０１８インチ、
幅が約０．００４インチで、基板の幅方向に沿って形成
されている。溝の構造は製造物の目的に応じて自由に変
えることができ、例えば、溝の最上部の幅を底部の幅よ
りも大きく設計しても良い。また図２で示されるよう
に、底部は丸みを帯びる様に形成しても良い。さらに、
各溝の大きさはほぼ同じ大きさであることが好ましい。
【００１０】図２で示されるように、本実施例のモノリ
シック基板１０の各溝は約０．００４インチの間隔をあ
けて設けられており、さらに基板の最側端に位置する溝
から基板の側端までの距離が約０．０５０インチである
ように設計されている。従って、長さが０．５００イン
チの基板では５０個の溝を形成することができる。しか
し、溝の構造、寸法は上述の実施例に限定されるもので
はなく、レーザーアレイの使用目的に応じて変えること
が出来ることは言うまでもない。例えば、各溝の間隔を
より大きく、またはより小さくしても良い。
【００１１】図３は、図２で示される溝２０内に金属化
層３０を形成したモノリシック基板の断面図である。金
属化層３０は、プリント回路基板の製造に利用される通
常の金属蒸着法やメッキ技術等により、Ｃｒ，Ｔｉ，Ｎ
ｉ，Ａｕ、Ａｇまたはこれらの合金もしくはモノリシッ
ク基板１０に十分に接着可能な適当な導電性を有する材
料を用いて形成される。実際には、上述の材料を組み合
わせて用いる場合が一般的である。例えば、まず最初に
Ｃｒ層もしくはＴｉ層を、溝の内壁を含めて、基板上に
形成する。これはこれらの材料と通常はセラミックから
なる基板との接着力が強いからである。しかる後、金属
化層への給電を担うために、膜厚の厚いＮｉ層を形成
し、さらに熱圧縮による接着可能なＡｕ層を形成する。
【００１２】金属化層３０の基板上の形成により溝の大
きさが減少するが、金属化溝の大きさは溝に配設するレ
ーザーダイオードの全体の厚さの数分の１ミル小さいも
のでもよく、またわずかに大きいものでも良い。 他
方、各溝の底部は、電気的な絶縁を保持するために、公
知の金属化技術によりシャドーもしくはマスクを用いて
金属化層を形成しないようにしても良い。金属化の工程
が終了した後、金属化された基板は所望の大きさの基板
に分割される。例えば２．００Ｘ２．００（平方イン
チ）のアレイを１ｃｍ2のアレイに分割する。
【００１３】この分割工程が終了した後、図４で示され
るように、レーザーダイオード４０を各アレイの溝の中
に組み込む。この組み込みは、現在のところ２つの方法
が採用されているが、溝の大きさが組み込むべきレーザ
ーダイオードの大きさよりも狭い場合、以下で示される
上記２つの方法の内の１つが選択される。
【００１４】もし金属化溝がレーザーダイオードよりも
小さい場合、基板１０の底部から上端部への押圧力によ
り基板１０を湾曲させる基板曲げ装置を用いることでレ
ーザーダイオードを金属化溝に配設することができる。
基板１０のこのような湾曲性は基板上に形成した溝の幅
を広くすることができるので、レーザーダイオードの溝
内への挿入を容易にすることができる。
【００１５】図５は上述した基板曲げ装置の概略図であ
る。基板曲げ装置２００は各々一端に基板固定用の溝２
２０を有する２つのＬ字型の基板保持部材２１０を有
し、基板１０はこれらの２つの基板保持部材２１０の各
溝２２０の間に固定挟持される。基板１０の挿入は各基
板保持部材２１０を互いに離れる方向に移動することで
可能になり、また基板１０の挿入後に互いに近接する方
向に各基板保持部材を２１０を移動させることで、基板
１０を固定保持することができる。
【００１６】Ｌ字型の基板保持部材２１０の間には、上
下方向に移動可能で、丸みを帯びた上面を有する曲げ部
材２３０が設けられている。曲げ部材２３０の上面は溝
２２０に固定された基板１０の裏面（下面）と接触する
ように配置されており、基板１０と曲げ部材２３０の上
面を接触した状態で曲げ部材２３０を上方向へ移動する
ことで、基板１０が湾曲されることになる。基板１０の
湾曲の程度は曲げ部材２３０の移動量を調整することで
制御することができる。基板１０を適切に湾曲するため
には、溝２０の深さを均一にすることが重要である。こ
れは、溝が不均一な深さであれば、深さの浅い溝で破砕
が生じることになるからである。
【００１７】基板１０を基板曲げ装置２００へ挿入し、
湾曲することで幅を広くした溝の中へレーザーダイオー
ド４０を挿入した後、レーザーダイオード４０と各金属
化溝との機械的、電気的な接続がなされる。予め低電力
下で各ダイオードを検査し、例えば、熱圧縮接着により
ダイオードを最終的に溶着する前に少なくとも欠陥のあ
るダイオードを取り替えることで、電気的な接続を十分
に達成することができる。
【００１８】上述した基板曲げ方法の利点として、レー
ザーダイオードを永久的に基板に接着させるためには基
板材料への圧力のみを考慮するに足り、付加的な工程を
必要とはしない点が挙げられる。従ってこの方法を用い
れば、製造組立工程に必要となる部品の数を減ずること
が可能となる。しかしながら、金属化溝がレーザーダイ
オードよりも大きいか小さいかにかかわらず、ダイオー
ドの溝への接着性が有効であることが以下の様に分かっ
ている。
【００１９】例えば、予備検査されたダイオードアレイ
を真空オーブン中に入れておき（金を金属層として利用
しているとして）、アレイを加熱することで金の金属層
をプラスチック台の中へ浸透させる。これにより前製造
工程で基板中に誘引された応力を取り除き、レーザーダ
イオード４０と基板１０との金による熱圧縮接着を行
う。他の接着方法、例えば、標準的なレフロー（standa
rd reflow）や導電性のＡｇ，Ａｕ，Ｃｕ，またはＡｌ
を充填したエポキシ樹脂や、熱的、電気的に連続性の粒
子群を含むエポキシ樹脂からなる接着剤を溝に設け、接
着を達成するものがある。
【００２０】レーザーダイオード４０は、もしアレイの
最上端面からのみ発光が行われるという、単一端発光が
要求されている場合は、多層からなる高反射率の誘電体
からなる多層積層体をレーザーダイオードの切子面に塗
布した構造のものを利用しても良い。
【００２１】図４は基板上に配設したレーザーダイオー
ドアレイを示している。予備検査用として、基板は小基
板（submount）を用いている。小基板はこれよりも大き
な基板よりもよりたやすく作動させることができ、また
この小構造の基板へのダイオードの配設も容易に行い得
る。さらに、モジュラー型のレーザーダイオードアレイ
を製造するためにより小さい小基板を用いた場合、数多
くの異なる構造を有するアレイを製造することが容易に
なることから、このような小基板は消費者側からも要求
されているものである。
【００２２】本発明のレーザーダイオードアレイには現
在製造、販売されているレーザーダイオードが利用でき
る。このようなレーザーダイオードの一例としてノース
イースト セミコンダクター社（NORTHEAST SEMICONDUC
TOR, INC. (NSI)）の、分子ビームエピタキシ技術（Ｍ
ＢＥ）により製造された量子井戸ヘテロ構造型レーザー
ダイオードバーから得られるものがある。ＭＢＥ技術
は、直径３インチの領域にわたって均一性が保証され、
また有毒な物質を取り扱う有機金属の気相エピタキシに
とって好ましいものである。均一性は特に製造コストを
低減させるための重要な因子であり、狭いスペクトル領
域を要求されるレーザーダイオードを得るために製造さ
れたレーザーダイオードバーの波長選別を行う必要が、
これにより回避されるという利点がある。ＮＳＩは、グ
レーデッド型分離制限ヘテロ構造の単一量子井戸（GRIN
SH-SQW）をＭＢＥ技術を利用して成長させることで、２
インチのＧａＡｓ基板からの放射波長の変動が１ｎｍ以
下で、連続的使用に対しても変動幅が３インチ以下のレ
ーザーダイオードを得ている。
【００２３】図６Ａは２次元レーザーアレイモジュール
を示すもので、上述した方法で製造されたレーザーダイ
オードアレイの裏面に、金等からなる低融解接着層７０
と、選択的に配設されるＢｅＯからなる熱スプレッダー
及び絶縁点８０との電気的接続７５を有する。アレイか
らの熱は熱スプレッダーを介して放熱され、熱の放熱方
向（図で下方向）と逆の方向（図で上方向）に発光す
る。熱スプレッダーを用いなくとも、厚みの厚い基板１
０を用いても良く、この場合は基板の厚い底部が熱を拡
散することになる。
【００２４】図６Ｂは、図６Ａのモジュールに鑞付け９
０を介して水で冷却された銅吸熱部材１００が接着され
た構造を示している。ポリイミド、ガラス繊維等の絶縁
部材１１０をさらに設けても良い。
【００２５】図７は、図６Ｂで示されたレーザーダイオ
ードアレイモジュールを複数個組み合わせて製造したレ
ーザーダイオードユニットの概略図である。図で示され
ているように、この実施例の場合、縦及び横の長さが
２．００インチで、厚みが１．００インチのレーザーダ
イオードユニットであり、２０個のレーザーダイオード
アレイモジュールから組み立てられている。また、１モ
ジュールあたり５０００個のダイオードが含まれてお
り、従って全体には１０００００個のダイオードが含ま
れることになる。このレーザーダイオードユニットは、
デューティーサイクルが２．５％で１００ｋＷのピーク
電力の散逸があった。配線をした場合、要求される電力
は５００Ａｘ４００Ｖの電力、すなわち２００ｋＷが要
求される。熱散逸に対しては、１時間あたり４０ガロン
の流量の水が水冷却銅吸熱部材を介して供給される。
【００２６】図８は図７で示されるレーザーダイオード
装置を駆動するための回路図である。上述の電力に対す
る要求をかなえるものであればどの様な駆動回路でも利
用することができる。
【００２７】以上の如く構成されたレーザーダイオード
ユニットに対して、プロトタイプの２次元レーザーダイ
オードアレイを７７６ｎｍで動作することで性能実験を
行ったところ、２．５ｋＷ／ｃｍ2のパワー密度で、４
０％の変換効率を得ることができた。
【００２８】本発明は上述した実施例に限定されること
なく、発明の趣旨を逸脱しない限り任意の変形、修飾が
可能である。例えば、基板内の金属化及び／もしくは絶
縁化は、パターニング及び／もしくは機械的な絶縁（基
板を分割する）により達成することができる。
【００２９】
【発明の効果】本発明のレーザーダイオードアレイ及び
その製造方法によれば、大容積のレーザーダイオードア
レイは複数の小レーザーダイオードアレイを組み合わせ
た後に永久固着することで得られており、全小レーザー
ダイオードアレイを永久固着する前に個々の小アレイを
予備検査することで、欠陥のあるアレイを予め除去する
ことが可能になる。その結果、大容積でかつ信頼性の高
い１次元及び２次元のレーザーダイオードアレイを、低
コストでしかも歩留まりを高くして製造することができ
るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１次元レーザーダイオードアレイ製造
用の、１つの溝を有するモノリシック基板である。
【図２】本発明の２次元レーザーダイオードアレイ製造
用の、複数個の溝を有するモノリシック基板である。
【図３】本発明の金属化層を有したモノリシック基板の
部分側面図である。
【図４】本発明の金属化基板にレーザーダイオードを配
設することで得た、小レーザーダイオードアレイの部分
側面図である。
【図５】図１及び２で示される基板を湾曲させるための
基板曲げ装置の概略図である。
【図６Ａ】本発明の２次元レーザーダイオードアレイに
熱スプレッダーを取り付けたレーザーダイオードアレイ
を示す斜視図である。
【図６Ｂ】図６Ａの２次元レーザーダイオードアレイに
吸熱部材を取り付けたレーザーダイオードアレイを示す
斜視図である。
【図７】図６Ａの２次元レーザーダイオードアレイを複
数個組み合わせることで得られた２次元レーザーダイオ
ードユニットを示す斜視図である。
【図８】本発明のレーザーダイオードユニットを駆動す
るための駆動回路図である。
【符合の説明】
１０ モノリシック基板 ２０ 溝 ３０ 金属化層 ４０ レーザーダイオード ７０ 熱スプレッダー １００ 吸熱部材

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 上下面を有した基板であって、該上面上
    に該基板の長さ方向に沿って形成され、さらに該基板の
    垂直（厚さ）方向に延びた側壁を有した少なくとも１つ
    の溝を有するモノリシック基板と、該モノリシック基板
    上に少なくとも１つの金属化溝を形成するために該溝の
    該側壁に沿って設けられた金属化層と、該金属化溝に配
    設された複数個のレーザーダイオードとからなるモノリ
    シックレーザーダイオードアレイ。
  2. 【請求項２】 上下面を有した基板であって、該上面上
    に該基板の長さ方向に沿って形成された少なくとも１つ
    の溝を有し、該基板の材質と厚み並びに該溝の深さは該
    基板の底面からの外力にたいして基板が湾曲可能な程度
    のものであるモノリシック基板と、該モノリシック基板
    上に少なくとも１つの金属化溝を形成するために該溝の
    側壁に沿って設けられた金属化層と、該金属化溝に配設
    された複数個のレーザーダイオードとからなる請求項１
    記載のモノリシックレーザーダイオードアレイ。
  3. 【請求項３】 前記上面上に複数個の溝を形成すること
    で、該金属化層により複数個の金属化溝を形成し、さら
    に複数個のレーザーダイオードを各金属化溝中に配設し
    たことを特徴とする請求項１または２記載のモノリシッ
    クレーザーダイオードアレイ。
  4. 【請求項４】 前記基板がＢｅＯもしくはＡｌＮからな
    ることを特徴とする請求項１または２記載のモノリシッ
    クレーザーダイオード。
  5. 【請求項５】 前記金属化層はＡｕ，ＮｉもしくはＣｒ
    からなることを特徴とする請求項１または２記載のモノ
    リシックレーザーダイオード。
  6. 【請求項６】 前記モノリシックレーザーダイオードア
    レイは、複数個のレーザーダイオードを該金属化溝に固
    定するための溶接層を有し、該溶接（結合）層はＡｕ／
    Ｓｉ，ＩｎまたはＰｂからなる溶接剤からなることを特
    徴とする請求項１または２記載のモノリシックレーザー
    ダイオードアレイ。
  7. 【請求項７】 前記モノリシックレーザーダイオード
    は、さらに該基板の下面に設けられた熱スプレッダー
    と、該熱スプレッダーの該基板とは反対側に位置する面
    に取り付けられた吸熱部材と、該基板に接続し、該レー
    ザーダイオードを駆動するための駆動回路を有すること
    を特徴とする請求項１または２記載のモノリシックレー
    ザーダイオードアレイ。
  8. 【請求項８】 前記熱スプレッダーは該基板の下面に低
    融解結合剤を介して取り付けられたことを特徴とする請
    求項７記載のモノリシックレーザーダイオードアレイ。
  9. 【請求項９】 モノリシック基板を製造する工程と、該
    基板の主面上に少なくとも１つの溝を形成する工程と、
    該溝の側壁に沿って金属化層を形成することで、少なく
    とも１つの金属化溝を形成する工程と、複数のレーザー
    ダイオードを該金属化溝中に配設する工程からなる、モ
    ノリシックレーザーダイオードアレイ製造方法。
  10. 【請求項１０】 前記溝形成工程は複数の溝を基板上に
    形成する工程からなり、該金属化層形成工程は該複数の
    溝の側壁に沿って金属化層を形成することで、複数の金
    属化溝を形成する工程からなり、かつ該配設工程は該複
    数の金属化溝の各々に該複数のレーザーダイオードを配
    設し、２次元のレーザーダイオードアレイを形成する工
    程からなることを特徴とする請求項９記載のモノリシッ
    クレーザーダイオードアレイ製造方法。
  11. 【請求項１１】 前記配設工程は、該複数の溝が形成さ
    れる該基板の第１の面と反対側に位置する該基板の第２
    の面から該基板を押圧し、これにより該基板を湾曲させ
    て各溝の側壁を互いに離反する方向に移動させ該溝の幅
    を広げる工程と、該複数のレーザーダイオードを該複数
    の溝に配設する工程と、該基板への押圧操作を停止する
    ことで該側壁を元の位置に戻す工程からなることを特徴
    とする請求項１０記載のモノリシックレーザーダイオー
    ドアレイ製造方法。
  12. 【請求項１２】 該配設工程は、熱伝導性並びに電導性
    のあるエポキシ系の接着剤を該溝の該側壁に沿って供給
    することで該複数のレーザーダイオードアレイを該溝内
    へ固着することを特徴とする請求項９記載のモノリシッ
    クレーザーダイオードアレイ製造方法。
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