JPH10200199A - 半導体レーザアレイ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザ素子の温度上昇を抑制した高出
力半導体レーザアレイ装置を提供する。 【解決手段】 複数の半導体レーザ素子を１次元方向に
配置した複数の１次元半導体レーザアレイ１と複数のダ
イヤモンド基板２が交互に積層されている。基板２の両
方の面上には、レーザアレイ１と電気的に接続された電
極パッド３が設けられ、さらに、基板２には、一方の面
から他方の面に貫通して導電体４領域が形成されてい
る。導電体４は電極パッド３とワイア５により接続され
ている。最上層のレーザアレイ１と、最下層の電極パッ
ド３には、Ｃｕ板６、８を介してリード板７、８が固定
され、外部駆動電圧に接続されている。これにより、複
数のレーザアレイ１が直列に接続される。レーザアレイ
１で発生した熱は、基板２に伝えられて、効果的に放熱
されるため、安定した発振が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ装
置、特に固体レーザ結晶の励起や、各種の加工に用いら
れる半導体レーザアレイ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザは、スペクトル幅が狭く、
効率が高いという特徴を有する。このため、Ｎｄ：ＹＡ
Ｇ結晶等の固体レーザ結晶の吸収スペクトルに発振波長
を合わせれば、効率良く固体レーザ結晶を励起すること
ができるので、固体レーザ励起用光源として注目されて
いる。このような固体レーザの励起光源は、光密度が高
い必要がある。しかしながら、半導体レーザの発光領域
の大きさは１０μｍ×２μｍ程度と小さいため、単体で
は十分な光密度を達成することができない。したがっ
て、十分な光密度を得るためには、レーザ光射出点を多
数用意して１次元あるいは２次元に配置した半導体レー
ザアレイ装置とする必要がある。

【０００３】こうした半導体レーザアレイ装置は、コン
パクト化するため、レーザ光射出点を２次元状に配置す
ることが好ましい。しかし、半導体レーザは結晶の劈開
面を共振器として用いるため、１枚の基板上にモノリシ
ックにレーザ光射出点を並べることは困難であった。こ
の問題を解決する装置として、１次元にレーザ光射出点
を並べたバー状の１次元半導体レーザアレイを基板等を
介して積層させることにより、レーザ光射出点を２次元
状に配置する特開平２−２８１７８２号の技術が知られ
ている。

【０００４】この従来装置の全体構成図を図９に、その
積層配置の細部を図１０にそれぞれ示す。この装置は、
図１０に示すように、複数の半導体レーザ素子の射出点
を１次元に並べたバー状の半導体レーザアレイ３１のレ
ーザ射出方向と反対側に同じ厚さの窒化ホウ素（ＢＮ）
製の絶縁スペーサ３２を配置し、これらを同じくＢＮ製
の絶縁板３３で挟み込んで交互に積層することで２次元
半導体アレイ３０を構成している。ここで、レーザアレ
イ３１、絶縁スペーサ３２、絶縁板３３の各表面には、
図示のように通電用のＣｒ−Ｐｔ−Ａｕのメタライズパ
ターン３４が形成されている。この２次元半導体レーザ
素子３０は、レーザ射出方向と反対の面が銅製のヒート
シンク３５上に固定されており、メタライズパターン３
４上に設けられたハンダ材とヒートシンク３５上の電極
３６、３７がＡｕワイヤ３８によりワイヤボンディング
されている。

【０００５】この装置では、メタライズパターン３４と
Ａｕワイヤ３８により、電極間３６、３７に印加した電
流が各レーザアレイ３１に加えられて、レーザを発振さ
せることができる。したがって、２次元に配置したレー
ザ光射出点を利用して高出力レーザ光が得られる。レー
ザ発振に伴い発生する熱は絶縁板３３を介してヒートシ
ンク３５に伝えられるため、レーザ発振による半導体レ
ーザ素子の発熱を抑える効果がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】こうした高出力レーザ
では、発熱が大きな問題となる。半導体レーザ素子はそ
のしきい値電流が温度に大きく依存し、ある温度に達す
ると光出力が飽和してしまう。さらに、高温で動作させ
ると素子寿命が著しく短くなる。例えば、素子温度が１
０度上昇すると、寿命は半分になるとされている。

【０００７】前述の特開平２−２８１７８２号の装置で
は、図９、１０に示されるように、１次元半導体レーザ
アレイ３１の間に熱伝導度の高いＢＮ製の絶縁板３３を
挟み込むことにより、半導体レーザで発生した熱を絶縁
板３３を介して銅製ヒートシンク３５に導くことで放熱
を促進している。しかし、ＢＮは熱伝導率が銅の２倍強
にすぎず、レーザ出力を上昇させると絶縁板に伝えられ
る熱より発生する熱が上回り、十分な放熱効果が得られ
なかった。十分な放熱効果を得るには、熱伝導度がＢＮ
より大きい素材、例えば全物質で最も熱伝導度が優れて
いるダイヤモンド（熱伝導度はＢＮの約３倍）を使用す
れば良いが、ダイヤモンドは絶縁体でしかも表面に５μ
ｍ以上の厚い導電膜を形成することが困難である。した
がって、この装置にＢＮの代わりにダイヤモンドを用い
た場合、ダイヤモンド絶縁体上に形成した導電膜が５μ
ｍ以下と薄いためその電気抵抗が大きくなって、半導体
レーザ素子に十分な電流を流すことができない。このた
め、レーザの高出力化を達成することが難しかった。

【０００８】本発明は、半導体レーザ素子の温度上昇を
抑制した高出力半導体レーザアレイ装置を提供すること
を課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザア
レイ装置は、複数の半導体レーザ素子のレーザ射出点を
同一側面上で１次元方向に配列させた板状の１次元半導
体レーザアレイと、一方の面から他方の面まで貫通する
１又は２以上の導電体領域を有するダイヤモンド基板と
を複数個交互に積層させてレーザ射出点を２次元に配列
させ、導電体を介してすべての半導体レーザ素子を電気
的に接続していることを特徴とする。

【００１０】これにより、レーザ射出点が２次元に配列
させた２次元半導体レーザアレイが形成される。また、
各半導体レーザ素子は、ダイヤモンド基板中の導電体を
介して電気的に接続されている。さらに、各半導体レー
ザアレイはダイヤモンド基板を挟み込んだ構造になって
いるため、各半導体レーザアレイで発生した熱は、熱伝
導度の高いダイヤモンド基板に効率的に伝えられる。

【００１１】また、１次元半導体レーザアレイに内蔵さ
れた半導体レーザ素子はそれぞれの前記１次元半導体レ
ーザアレイごとに電気的に並列に接続され、それぞれの
１次元半導体レーザアレイは導電体を介して電気的に直
列に接続されていてもよい。

【００１２】これにより、それぞれの半導体レーザ素子
は、内蔵される１次元半導体レーザアレイ内部で電気的
に並列接続され、これらの１次元半導体レーザアレイは
導電体を介して電気的に直列接続されている。このた
め、個々の半導体レーザ素子は積層方向には直列で、１
次元半導体レーザアレイの配列方向には並列で電気的に
接続されていることになる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図１は、第１の実施形態の斜視図、
図２は、そのＡ−Ａ線断面図である。

【００１４】まず、図１及び図２により、第１の実施形
態の構造を説明する。共振器長５００〜１０００μｍ程
度の半導体レーザ素子の射出点が、１００〜２００μｍ
の間隔で１次元方向に複数個配置されて１次元半導体レ
ーザアレイ１を構成している。それぞれの半導体レーザ
素子は、１次元半導体レーザアレイ１の上部と下部に設
けられた電極により、電気的に並列に接続されている。
半導体レーザ素子の配置数は高出力化を実現するために
は、２０個以上が好ましく、３３個以上であればより好
ましい。但し、製作の容易性を考慮すると、１００個以
下とするのが好ましく、６７個以下であればより好まし
い。１つのレーザアレイ１の厚さは約１００μｍ、レー
ザ配列方向の長さは約１０ｍｍになる。以下、説明の簡
略化のため、各レーザアレイ１中に６個のレーザ射出点
があるものとして説明する。

【００１５】一方、一辺の長さがレーザアレイ１のレー
ザ配列方向の長さと同じでこれと直交する辺の長さがレ
ーザアレイ１の共振器長方向の長さよりも長い矩形のダ
イヤモンド基板２各々の両方の面には、レーザアレイ１
と長さが同一の一辺に沿って、半導体レーザ素子と１対
１に対応した数のＡｕ又はＡｌ製の電極パッド３が設け
られている。この電極パッド３の共振器長方向の長さ
は、レーザアレイ１よりも長くなっている。さらに、各
ダイヤモンド基板２には、一方の面から他方の面まで貫
通する複数の導電体４が、これらと１対１に対応する電
極パッド３のそばに形成されている。この導電体４に
は、低抵抗シリコン、Ａｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｐｔ、Ｔｉ等を
用いることができる。それぞれのダイヤモンド基板２の
上下両面にある各電極パッド３と対応するそれぞれの導
電体４とは、Ａｕワイヤ５によりワイヤボンディングさ
れている。したがって、各ダイヤモンド基板の一方の面
にある各電極パッド３ａと他方の面の対応する位置にあ
る各電極パッド３ｂとは、それぞれ導電体４を介して電
気的に接続されていることになる。

【００１６】前述のレーザアレイ１₁は、こうして形成
されたダイヤモンド基板２₁上に、レーザ射出面側の面
が一致するように固定される。レーザ射出面側の面を一
致させることにより、出射したレーザ光がダイヤモンド
基板２₁等により反射されることがなく光損失を抑える
ことができる。この固定は、Ａｕ−ＳｎやＰｂ−Ｓｎ等
のハンダ材か導電性接着剤によってレーザアレイ１₁の
下部電極と電極パッド３ａ₁を接着して、電気的に接続
することによって行われる。ダイヤモンド基板２₁の反
対の面には、同様にレーザアレイ１₂が固定される。レ
ーザアレイ１₂の上部電極とダイヤモンド基板２₁の電極
パッド３ｂ₁はハンダ材か導電性接着剤によって電気的
に接続されているので、レーザアレイ１₁、１₂は電気的
に接続されていることになる。

【００１７】これを繰り返して、レーザアレイ１とダイ
ヤモンド基板２を積層していく。以下の説明では、説明
を簡略化するため、レーザアレイ１とダイヤモンド基板
２を３層積層した例について説明する。実際には、さら
に多数のレーザアレイ１とダイヤモンド基板２を積層す
ることで、レーザ射出点を増やして高出力化することが
可能である。

【００１８】最上層のレーザアレイ１₁の上部電極に
は、ハンダ材又は導電性接着剤によりＣｕ板６を介して
リード板７が積層されている。このリード板７は駆動電
源の一方の電極に接続されている。また、最下層のダイ
ヤモンド基板２₃の下側の電極パッド３ｂ₃にもハンダ材
又は導電性接着剤によりＣｕ板８を介してリード板９が
積層されている。このリード板９は駆動電源の他方の電
極に接続されている。したがって、複数のレーザアレイ
１は、駆動電源に対して電気的に直列に接続されている
ことになる。

【００１９】次に一方の面から他方の面まで貫通する導
電体４領域を有するダイヤモンド基板２の形成について
図３を参照して説明する。ダイヤモンド基板２を形成す
る台となるシリコンウエハ１０（同図(a)参照）の表面
をダイヤモンドや炭化珪素等の硬質粒を用いて研磨する
前処理であるいわゆる傷つけ処理を行う（同図(b)参
照）。傷つけ処理を施さない鏡面研磨状態のシリコンウ
エハ表面にダイヤモンド基板を形成した場合のダイヤモ
ンドの核形成密度は１０³個／ｃｍ²程度であるが、傷つ
け処理を施すことにより核形成密度を最大１０⁸個／ｃ
ｍ²まで上昇させることができる。この核形成密度を調
整することによってシリコンウエハ表面上に形成するダ
イヤモンド柱状結晶粒の大きさを調整することができ
る。

【００２０】傷つけ処理を施したシリコンウエハ１０の
表面上の所定の位置に窒化シリコン、シリコンカーバイ
ド、窒化アルミ等の材料からなる所定の大きさのブロッ
ク１１を配置する（同図(c)参照）。それぞれのブロッ
ク１１は、シリコンウエハ１０上に形成されるダイヤモ
ンド基板２中の導電体４の大きさに対応した大きさであ
り、配置される位置もダイヤモンド基板２中の導電体４
の位置に対応している。ブロック１１の高さは、形成さ
れるダイヤモンド基板２の厚さと同じかそれより高くな
るように調整されている。

【００２１】このシリコンウエハ１０のブロック１１が
配置された表面上に、多結晶ダイヤモンドを成長させて
ダイヤモンド基板２を形成する（同図(d)参照）。多結
晶ダイヤモンドは気相成長によって形成され、原料ガス
には、ガス化した炭素、エタン、プロパン、アセチレ
ン、アセトン、メタノール、エタノール、ブタノール、
アセトアルデヒド、一酸化炭素、二酸化炭素などの炭素
を含有する炭素源ガスと、水素を含むガスが用いられ
る。気相成長法には、熱フィラメントによる熱分解を利
用する熱フィラメントＣＶＤ（気相成長）法、マイクロ
波や直流放電によるプラズマＣＶＤ法等を用いることが
できる。

【００２２】シリコンウエハ１０上に所定厚のダイヤモ
ンド結晶を成長させた後、シリコンウエハ１０及びブロ
ック１１をエッチング除去することにより、一部に貫通
孔１２を有する多結晶ダイヤモンド基板２が形成される
（同図(e)参照）。この貫通孔１２はブロック１１に対
応する。その後、ダイヤモンド基板２の貫通孔１２に低
抵抗シリコン、Ａｕ等を充填させて導電体４を形成する
ことにより、一部に導電体４を有するダイヤモンド基板
２が形成される（同図(f)参照）。

【００２３】ここでは、多結晶ダイヤモンドを成長させ
るための台としてシリコンウエハを用いたが、例えば多
結晶シリコン等のように表面上に多結晶ダイヤモンドを
成長できる材料であれば良い。

【００２４】また、ブロック１１には、窒化シリコン等
のエッチングで除去できる材料ではなく、Ａｕ、Ａｌ等
の導電体４材料をそのままブロック１１として用いても
よい。この場合は、導電体４の周囲に直接多結晶ダイヤ
モンドを成長させることができ、ブロック１１を除去し
て導電体４を形成する工程が不要になる。

【００２５】続いて、この実施形態の動作について図
１、図２を用いて説明する。リード板７、９間に駆動電
圧を印加すると、電極パッド３と導電体４を介して３層
ある各レーザアレイ１に電圧が印加される。各レーザア
レイ１内のレーザ素子は内部で電気的に並列接続されて
いるため、これによってそれぞれのレーザ素子に電圧が
供給される。この結果、３×６＝１８個のレーザ射出点
からレーザ光が射出され、１個の半導体レーザを用いる
場合に比べて高出力のレーザ光が得られる。半導体レー
ザからの発熱は、レーザアレイ１を挟み込む電極パッド
３を介して、ダイヤモンド基板２に伝えられる。ダイヤ
モンドの熱伝導度が極めて高いため、レーザアレイ１で
発生した熱は速やかにダイヤモンド基板２に送られて、
両者の温度はほぼ等しい状態に保たれる。さらに、ダイ
ヤモンド基板２の共振器長方向の長さは、レーザアレイ
１よりも長く、はみ出しているため、この部分がフィン
の役割を果たして効率良く放熱することができる。した
がって、ダイヤモンド基板２及びレーザアレイ１の温度
は低く保たれる。このようにして、レーザアレイ１のレ
ーザ発振に伴う発熱による温度上昇を抑えることができ
る。この結果、素子寿命の劣化や光出力の低下を防ぎ、
連続発振が可能となる。

【００２６】導電体４は、電極パッド３と１対１に対応
する数だけ設ける必要はなく、図４に示すように複数個
の電極パッド３に対して、１個の導電体４を設けても良
い。この場合は、ダイヤモンド基板２中に占める導電体
４の数が減ることにより、ダイヤモンド基板２の形成が
容易になるほか、ダイヤモンドより熱伝導度が低いため
に熱遮蔽体となる導電体４の体積が減少して、ダイヤモ
ンド基板２の放熱効率がよくなる。しかし、導電体４の
面積を小さくしすぎると、導電体４に大電流が流せず、
レーザアレイ１を高出力化できなくなるため、必要に応
じて導電体４の面積は調整する必要がある。

【００２７】さらに、電極パッド３自体の数もレーザ素
子と１対１に対応させる必要はなく、複数のレーザ素子
に対して１個の大面積の電極パッド３を設けてもよい。
この場合は、電極パッド３の製作及びレーザアレイ１と
ダイヤモンド基板２との積層の際の位置調整が簡単にな
る。

【００２８】また、本実施形態では、外部駆動電源との
接続は、リード板７、９とＣｕ板６、８を介して行った
が、これに限定されるものではなく、各レーザアレイ１
を駆動可能な大電流を供給できるものであればよく、Ｃ
ｕ板６、８を介しないで駆動電源と接続したり、駆動電
源とレーザアレイ１等を直接接続してもよい。

【００２９】次に、本実施形態の応用例について説明す
る。図５は、本発明の第２の実施形態の構造斜視図、図
６は、そのＡ−Ａ線断面図である。以下、図１、図２に
示す第１の実施形態と比較してその構造が異なる部分に
ついて説明し、共通の部分については説明を省略する。

【００３０】図５、図６に示される第２の実施形態は、
図１、図２に示される第１の実施形態と基本的な構造は
同じであるが、電極パッド３と導電体４の接続方法が異
なる。第１の実施形態では、両者をワイヤ５によりワイ
ヤボンディングすることで電気的に接続していたが、第
２の実施形態では、導電体４表面の一部又は全部を覆う
ように電極パッド３が形成されている。したがって両者
は直接接触しているのでワイヤボンディングする必要が
なく、加工が容易になる。

【００３１】続いて、図７、８を参照して第３の実施形
態について説明する。図７は第３の実施形態の構造斜視
図、図８はそのＡ−Ａ線断面図である。ここでも第１の
実施形態と同様の構成部分については説明を省略する。

【００３２】第３の実施形態では、図７、８に示すよう
に、導電体４の表面にレーザアレイ１の上部、下部の電
極が、ハンダ材や導電性接着剤によって直接固定されて
いる。この構成によれば、ボンディングワイヤ、電極パ
ッドが必要ないため、製造、加工、取り扱いが容易にな
る利点がある。

【００３３】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、複数の１次元半導体レーザアレイを間にダイヤモン
ド基板を介して積層しているため、レーザ発振によって
各半導体レーザ素子で発生した熱が、熱伝導度の高いダ
イヤモンド基板に伝えられるため、効果的に放熱を行う
ことができ、半導体レーザ素子の発熱による温度上昇を
抑えて、寿命の劣化や光出力の低下を防ぐことができ
る。また、ダイヤモンド基板中に形成された導電性領域
を介して各１次元半導体レーザアレイを直列に接続して
おり、導電性領域には大電流を流すことができるため、
レーザアレイの高出力化が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の構造斜視図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】図１に係る実施形態のダイヤモンド基板形成の
例を示す図である。

【図４】図１に係る第１の実施形態の応用例の構造斜視
図である。

【図５】本発明の第２の実施形態の構造斜視図である。

【図６】図５のＡ−Ａ線断面図である。

【図７】本発明の第３の実施形態の構造斜視図である。

【図８】図７のＡ−Ａ線断面図である。

【図９】積層型半導体レーザアレイ装置の従来例の全体
構成図である。

【図１０】図９に係る従来例の積層配置の詳細構成図で
ある。

【符号の説明】

１…１次元半導体レーザアレイ、２…ダイヤモンド基
板、３…電極パッド、４…導電体、５…ワイヤ、６…Ｃ
ｕ板、７…リード板、８…Ｃｕ板、９…リード板、１０
…シリコンウエハ、１１…ブロック、３１…半導体レー
ザアレイ、３２…絶縁スペーサ、３３…絶縁板、３４…
メタライズパターン、３５…ヒートシンク、３６、３７
…電極、３８…金ワイヤ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の半導体レーザ素子のレーザ射出点
   を同一側面上で１次元方向に配列させた板状の１次元半
   導体レーザアレイと、一方の面から他方の面まで貫通す
   る１又は２以上の導電体領域を有するダイヤモンド基板
   とを複数個交互に積層させてレーザ射出点を２次元に配
   列させ、前記導電体を介してすべての前記半導体レーザ
   素子を電気的に接続していることを特徴とする半導体レ
   ーザアレイ装置。
2. 【請求項２】 前記１次元半導体レーザアレイに内蔵さ
   れた前記半導体レーザ素子はそれぞれの前記１次元半導
   体レーザアレイごとに電気的に並列に接続され、それぞ
   れの前記１次元半導体レーザアレイは前記導電体を介し
   て電気的に直列に接続されている請求項１記載の半導体
   レーザアレイ装置。