(57)【要約】【課題】長尺状の発光素子と基板とを直接接続した場合でも各発光点の特性劣化を抑制できるようにすること。【解決手段】本発明は、複数の発光部が発光ストライプの方向と直交する方向に配置される長尺状の半導体レーザ基板１０と、半導体レーザ基板１０が実装される基板２０と、半導体レーザ基板１０と基板２０との接合を行うため、半導体レーザ基板１０の発光ストライプの方向と直交する方向に沿う複数の領域ごとに硬さの異なる第１の接合部材３１および第２の接合部材３２とを備える半導体レーザ装置１である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光部が発光ストライプの方向と交差する方向に配置される発光素子と、
前記発光素子が実装される基板と、
前記発光素子と前記基板との接合を行うため、前記複数の発光部の配置方向に沿う複数の領域ごとに硬さの異なる接合部材と
を備えることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記接合部材は、前記発光素子の複数の発光部の配置方向に沿った略中央部の第１領域とそれ以外の第２領域とで硬さが異なっている
ことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
【請求項３】
前記接合部材は、前記発光素子の複数の発光部の配置方向に沿った略中央部および両端部から成る第１領域とそれ以外の第２領域とで硬さが異なっている
ことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
【請求項４】
前記接合部材は、前記発光素子の複数の発光部の配置方向に沿った両端部から成る第１領域とそれ以外の第２領域とで硬さが異なっている
ことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
【請求項５】
前記基板において、前記複数の領域のうち硬い方の接合部材が配置される領域に対応する部分が他の部分と別体となっている
ことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
【請求項６】
前記第１領域の接合部材の硬さに比べて前記第２領域の接合部材の硬さの方が柔らかい
ことを特徴とする請求項３記載の発光装置。
【請求項７】
前記第１領域の接合部材は錫を主成分とした合金材料、前記第２領域の接合部材はインジウムを主成分とした合金材料である
ことを特徴とする請求項３記載の発光装置。
【請求項８】
前記基板は、前記硬さの異なる接合部材が設けられる複数の領域のうち少なくとも１つの領域に対応した部分に凹部が設けられる主基板と、前記主基板の凹部に嵌め込まれる副基板とを備えており、
前記主基板と前記副基板とで前記発光素子との接合を行う接合部材の硬さが異なっている
ことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
【請求項９】
複数の発光部が発光ストライプの方向と交差する方向に配置される発光素子を主基板に実装するにあたり、前記発光素子における前記主基板と接続する側の面の一部の領域に第１の硬さから成る接合部材を介して副基板を接続する工程と、
前記主基板における前記発光素子を実装する側の面の一部に前記副基板と対応した凹部を形成しておき、前記主基板の接続面のうち前記凹部が形成されていない部分に前記第１の硬さとは異なる第２の硬さから成る接合部材を配置する工程と、
前記凹部に前記副基板を嵌め込むことで前記発光素子を前記主基板に載置し、前記第２の硬さから成る接合部材を介して前記発光素子と前記主基板とを接続する工程と
を備えることを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項１０】
発光装置から出射した光を光変調装置に照射し、この光変調装置で画像に応じた光変調を行って映像を生成する画像出力装置において、
前記発光装置が、
複数の発光部が発光ストライプの方向と交差する方向に配置される発光素子と、
前記発光素子が実装される基板と、
前記発光素子と前記基板との接続を行うため、前記複数の発光部の配置方向に沿う複数の領域ごとに硬さの異なる接合部材とを備える
ことを特徴とする画像出力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の発光点が並ぶ長尺状の発光素子を基板に実装して成る発光装置および発光装置の製造方法ならびに画像出力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在広く実用化されている半導体レーザは、更なる高性能化が進められており、特に高出力が要求される分野では複数の発光点が並ぶアレイレーザが有効な手法として適用されている。アレイレーザは高出力であるが故に排熱が大きな問題であり、発光効率の向上と高温動作を可能にするためにも、排熱性の優れた実装方法が重要となる（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−０７６２１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、アレイレーザにおける放熱性向上の観点から、アレイレーザである半導体レーザ基板とヒートシンク基板とを直接接着することが望ましいが、２つの基板の熱膨張係数の違いによって応力が発生し、この応力によって半導体レーザにおけるしきい特性の変化などによりレーザ発振に悪影響を与え、最悪の場合は発振しないという問題が生じる。
【０００５】
このため、従来では、半導体レーザ基板とヒートシンク基板との間にサブマウントと呼ばれるもう1つの別の基板を挿入し、半導体レーザ基板とヒートシンク基板との間の熱膨張係数の差を吸収する実装が行われている。
【０００６】
しかし、このようなサブマウントを介在させた実装では、直接接続に比べて放熱特性が悪く、十分な放熱性を得ることができない。また、サブマウントを用いることで部品点数の増加や製造工数の増加を招くことになる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、複数の発光部が発光ストライプの方向と直交する方向に配置される発光素子と、発光素子が実装される基板と、発光素子と基板との接合を行うため、発光素子の発光ストライプの方向と直交する方向に沿う複数の領域ごとに硬さの異なる接合部材とを備える発光装置である。
【０００８】
より具体的な手段として、本発明の発光装置は、光を発生する活性層と発生した光を閉じ込めて伝播するクラッド層とを有する発光素子と、この発光素子の強度と放熱性を向上するための実装用の基板とを備えており、これらを種類の異なる複数のはんだ材料で接合することによって、固定後の残留応力を緩和するようにしている。
【０００９】
また、本発明は、複数の発光部が発光ストライプの方向と直交する方向に配置される発光素子を主基板に実装するにあたり、発光素子における主基板と接続する側の面の一部の領域に第１の硬さから成る接合部材を介して副基板を接続する工程と、主基板における発光素子を実装する側の面の一部に副基板と対応した凹部を形成しておき、主基板の接続面のうち凹部が形成されていない部分に第１の硬さとは異なる第２の硬さから成る接合部材を配置する工程と、凹部に副基板を嵌め込むことで発光素子を主基板に載置し、第２の硬さから成る接合部材を介して発光素子と主基板とを接続する工程とを備える発光装置の製造方法である。
【００１０】
このような製造方法では、発光素子と基板との間を硬さの異なる接合部材で実装するにあたり、組成の違いより生じる融点の違いを利用して異なる硬さでの接合を実現できるようになる。
【発明の効果】
【００１１】
したがって、本発明によれば次のような効果がある。すなわち、発光素子と基板との間の接合における残留応力がレーザ発振に及ぼす悪影響を抑制でき、発振波長の安定化の安定化および発光効率の向上を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図１は、本実施形態に係る発光装置（半導体レーザ装置）を説明する模式断面図である。すなわち、この半導体レーザ装置１は、複数の発光部が発光ストライプの方向（図中紙面垂直方向）と直交する方向（図中紙面横方向）に配置される半導体レーザ基板１０と、この半導体レーザ基板１０を実装して機械的および電気的接続と放熱性とを果たす基板（主基板）２０と、半導体レーザ基板１０と基板２０との接続を行うため、半導体レーザ基板１０の発光ストライプの方向と直交する方向に沿う複数の領域ごとに硬さの異なる第１の接合部材３１および第２の接合部材３２とを備える構成となっている。
【００１３】
半導体レーザ基板１０は、いわゆるアレイレーザ素子であり、長尺方向に沿って数十のレーザ発光点が並ぶもので、各レーザ発光点に対応して活性層やクラッド層が形成されている。なお、この半導体レーザ基板１０の発光点は、必要に応じて多重構成になっていてもよい。
【００１４】
本実施形態で適用する半導体レーザ基板１０であるアレイレーザ素子は、長さ約１０ｍｍ、奥行き約０．７ｍｍ、厚さ約０．１ｍｍのＧａＡｓ半導体基板から構成される。
【００１５】
実装のための基板２０は、銅などの優れた放熱性と堅牢な強度が得られるものを用いる。この基板２０と半導体レーザ基板１０との接続を行う第１の接合部材３１、第２の接合部材３２としては、一般的にＡｕＳｎなどのはんだ材料が用いられる。
【００１６】
従来は半導体レーザ基板とヒートシンクとなる基板との間に、サブマウントと呼ばれるもう1つの別の基板を挿入するのが一般的であった。サブマウントとしては、例えばＳｉＣ基板などが用いられ、ＧａＡｓ基板とヒートシンクとの熱膨張係数の違いに起因する応力の緩和が主な目的となっている。
【００１７】
本実施形態では、サブマウントを省略してダイレクトマウントにすることにより、ヒートシンクとなる基板との熱抵抗を小さくし、排熱性能の向上を図るようにしている。
【００１８】
図２は、従来のサブマウント構造と、ダイレクトマウント構造での発振波長の比較を示す図である。駆動は5μsecの短パルスでデューティは1/2000なので発熱の影響は無視できる。図２に示すように、ダイレクトマウントになって発振波長が短波長化しているが、その理由は、レーザ素子の活性層に加わる応力が原因であると考えられる。
【００１９】
つまり、ＧａＡｓ基板とヒートシンクとの熱膨張係数の違いから、活性層には圧縮応力が加わることが予想され、理論的に圧縮応力は短波長化をもたらすからである。応力のシミュレーションと実装基板の測長結果により、圧縮応力がかかっていることの裏付けが得られている。さらに、測長から得られた圧縮率と発振波長の短波長化は理論から予想される結果と定量的に良く一致する。
【００２０】
図３は、ダイレクトマウント構造において、パルス駆動にてアレイレーザ素子の各エミッタの発振波長を調べた結果を示す図である。すなわち、図３におけるグラフの横軸がエミッタ番号、縦軸が発振波長である。なお、２本のグラフは接合部材の材質が異なる場合である。これから分かるように、ダイレクトマウント構造では、アレイレーザ素子の両端は中央と比較して数ｎｍ長波長であり、中央部は短波長である。同時に中央部は発振の閾値(Ith)が高く、顕著な場合には発振しない場合もある。
【００２１】
一方、図４は、ＧａＡｓ基板とヒートシンクとをサブマウントを介して接続したサブマウント構造での半導体レーザ装置の各エミッタの発振波長を調べた結果を示す図である。図３と同様に、横軸がエミッタ番号、縦軸が発振波長である。図４に示すように、サブマウントを介して接続する場合には、各エミッタとも揃った発振波長によって駆動できていることが分かる。
【００２２】
したがって、ダイレクトマウント構造の場合には、アレイレーザ素子の両端での発振波長がサブマウント構造での発振波長に近く、中央部分では離れていることが分かる。これは、応力のシミュレーションにより、アレイレーザ素子の両端での圧縮応力が緩和されているためであると考えられる。
【００２３】
以上述べてきたように、アレイレーザ素子を基板に実装した後で残留する応力は、レーザの特性に大きな影響を及ぼす。したがって、応力を低減するか、うまく制御して悪影響を及ぼさないようにする必要がある。
【００２４】
そこで、応力を低減する方策として、軟らか接合部材（はんだ）を用いてＧａＡｓ基板とヒートシンクとを接着することが考えられる。図５は、接合部材であるはんだの種類（すなわち、硬さ）の違いおよび厚さの違いによる発振波長の相違を示す図である。このグラフでは、横軸がエミッタ番号、縦軸が発振波長である。なお、ここで、はんだ材料である接合部材の硬さについては相対的な表現となっている。
【００２５】
図５に示す例では、従来用いられていた硬いはんだ（Ｓｎ系）に代えて、軟らかいＩｎＡｇを使用している。軟らかいはんだは応力の緩衝材として機能し、発振波長は長波長化している（図中ＩｎＡｇのグラフ参照）。しかしながら、アレイレーザ素子の長手方向における複数の発光点のうち２箇所で不連続な波長変化が見られる。これははんだが軟らかいために強度が不足し、応力に耐えられずに機械的な破断や浮きによる電気的接触不良が発生しているためと推察される。
【００２６】
そこで、本実施形態では、図１に示すように、半導体レーザ基板１０の中央部に硬いはんだ材料から成る第１の接合部材３１を配置し、両端部に軟らかいはんだ材料から成る第２の接合部材３２を配置している。なお、本実施形態に係る半導体レーザ装置１の説明において、半導体レーザ基板１０とヒートシンクとなる基板２０との接合に用いられる複数のはんだ材料（接合部材）の硬さについて、相対的に硬いものを硬いはんだ材料、相対的に柔らかいものを柔らかいはんだ材料というものとする。
【００２７】
図６は、本実施形態の半導体レーザ装置の模式分解平面図である。硬いはんだ材料である第１の接合部材３１は、基板２０における半導体レーザ素子１０の実装面のうち略中央の領域（第１の領域）に配置され、柔らかいはんだ材料である第２の接合部材３２は、基板２０における半導体レーザ素子１０の実装面のうち両端の領域（第２の領域）に配置される。
【００２８】
これにより、半導体レーザ基板１０とヒートシンクとなる基板２０とは中央部の硬いはんだ材料（第１の接合部材３１）によって強固に接着されると同時に、応力は両端部の軟らかいはんだ材料（第２の接合部材３２）で緩和される構成となる。その結果として、図５に見られるような破断等による不連続な発振といった不都合が生じない、応力の小さい実装が可能となる。
【００２９】
図７は、本実施形態に係る半導体レーザ装置の製造プロセスの例を示す模式断面図である。先ず、図７（ａ）に示すように、ヒートシンクとなる基板２０を２つに分割しておき、基板２０から分割された副基板２１の表面に、ＡｕＳｎなどの硬いはんだ材料から成る第１の接合部材を形成しておく。
【００３０】
また、基板２０における副基板２１の部分（凹部２０ａ）を除く部分には、ＩｎＡｇなどの軟らかいはんだ材料から成る第２の接合部材３２を表面に形成しておく。
【００３１】
この状態で、最初に半導体レーザ基板１０と副基板２１とを二百数十度で固着する。これにより、半導体レーザ基板１０の裏面における略中央部に副基板２１が硬いはんだ材料である第１の接合部材３１によって接続された状態となる。
【００３２】
そして、半導体レーザ基板１０の裏面に接続された副基板２１を基板２０の凹部２０ａにはめ込むよう配置する。
【００３３】
その後、図７（ｂ）に示すように、半導体レーザ基板１０の裏面と基板２０とを百数十度で固着する。この固着では、柔らかいはんだ材料である第２の接合部材３２だけが溶融して固着する状態となり、その際に副基板２１と凹部２０ａとの隙間に第２の接合部材３２が入り込んで副基板２１と基板２０との一体化も図られることになる。
【００３４】
なお、基板２０と副基板２１との接合において、予め基板２０の凹部２０ａの内面にはんだ材料（第２の接合部材）を形成しておいても良いし、先に説明した基板２０の表面に形成した第２の接合部材３２が凹部２０ａと副基板２１との隙間に流れ込んで副基板２あの側面と底面とを満たすようにしても良い。
【００３５】
このようなプロセスによって製造された半導体レーザ装置１では、図７（ｂ）および図１に示すように、硬いはんだ材料である第１の接合部材３１で接続される部分が、基板２０とは別体の副基板２１によって接続され、この副基板２１が基板２０の凹部２０ａ内にはめ込まれた構造となる点に特徴がある。つまり、硬さ異なる複数の接合部材を用いて半導体レーザ基板１０をマウントするには、硬いはんだ材料であって融点の相対的に高い第１の接合材料３１を先に副基板２１に接続しておき、この状態で柔らかいはんだ材料であって融点の相対的に低い第２の接合材料３２で半導体レーザ基板１０と基板２０との接続を行うことが必要であり、完成した半導体レーザ装置１では上記のような基板２０に副基板２１が入り込んだ構成となる。
【００３６】
図８、図９は、他の実施形態を説明する模式断面図である。図８（ａ）に示す例は、硬いはんだ材料である第１の接合部材３１を用いた接続の箇所が、半導体レーザ基板１０の中央部分と両端部分との３箇所になっている例である。
【００３７】
また、図８（ｂ）に示す例は、硬いはんだ材料である第１の接合部材３１を用いた接続の箇所が、半導体レーザ基板１０の両端の２箇所になっている例である。
【００３８】
図９は、副基板が２段になっている例である。すなわち、副基板が２段のケースでは、先ず、図７（ａ）のように１段目の副基板２１を半導体レーザ基板１０の中央部に貼り付けた後、１段目の副基板２１に対応する凹部を有する２段目の副基板２２をさらに貼り付ける。そして、この状態で、２段目の副基板２２に対応する凹部を有する基板２０に２段目の副基板２２を貼り付けるようにする。
【００３９】
このような貼り付けにおいて、半導体レーザ基板１０と副基板２１との接続を第１の接合部材３１によって行い、半導体レーザ基板１０と副基板２２との接続を第２の接合部材３２によって行い、半導体レーザ基板１０と基板２０との接続を第３の接合部材３３によって行う。この際、接合部材の硬さは、第１の接合部材３１が最も硬く、その次に第２の接合部材３２が硬く、第３の接合部材３３が最も柔らかいものを使用する。すなわち、半導体レーザ基板１０の中央部から外側にかけて順次硬さが柔らかくなっていくよう接合部材を選択する。複数の硬さから成る接合部材を用いる場合には、このように副基板を複数段にすることで実現可能である。
【００４０】
なお、ここでは副基板が２段のケースを例に示すが、３段以上であっても同様である。また、上記説明した硬さの異なる接合部材を用いる本発明の技術的思想は、発光素子をサブマウントに接合する場合にも適用することができる。この場合、本実施形態の基板２０をサブマウントとしてとらえることで適用可能である。
【００４１】
先に説明した実施形態のように、半導体レーザ基板１０の中央部分のみに硬いはんだ材料である第１の接合部材３１を用いた接続に限らず、使用する半導体レーザ基板１０の材質、基板２０の材質からくる応力の関係から、このように種々の位置に硬いはんだ材料での接続箇所を設けることができる。
【００４２】
この場合でも、硬いはんだ材料である第１の接合部材３１による接続箇所には副基板２１が設けられており、予め副基板２１を第１の接合部材３１で接続しておき、その後に柔らかいはんだ材料である第２の接合部材３１を介して半導体レーザ基板１０と基板２０とを接続することになる。
【００４３】
また、本実施形態では、はんだ材料である接合部材として硬い、柔らかいの２種類の硬さによる接合を行っているが、３種類以上の硬さの接合部材を用いて接続するようにしてもよい。半導体レーザ基板１０と基板２０との熱膨張差によって適宜はんだ材料の硬さを設定することで、半導体レーザ基板１０と基板２０との強固な接合とともに、固定後の残留応力の緩和による安定したレーザ発振を実現することが可能となる。また、ダイレクトマウントによって別基板を挿入する必要がなく、部品点数の削減によるコストダウンをはかることが可能となる。さらには、発光素子と基板との間の接合における残留応力が減少することによって、クラックの発生が少なくなり、製造歩留の向上を図ることが可能となる。
【００４４】
本実施形態の半導体レーザ装置１である発光装置は、種々の利用が考えられるが、主として画像表示装置の光源としての利用が好適である。つまり、均一な波長で大出力の光を必要とする機器への適用が好適である。
【００４５】
具体的には、発光装置から出射した光を光変調装置に照射し、この光変調装置で画像に応じた光変調を行って映像を生成する画像出力装置であり、光変調装置として、液晶表示装置、ＧＬＶ（Grating Light Valve）などが挙げられる。特に、大型スクリーンへの映像投射を行うプロジェクタ装置への適用が好ましい。
【００４６】
ＧＬＶは、リボン状の光回折格子がシリコン基板上に一列に形成された一次元反射型ディスプレイデバイスである。マイクロリボンアレイに、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のレーザ光を照射し、回折光量を変化させ、さらに走査ミラーを用いて一次元画像を二次元画像に走査することで、フルＨＤ画像を投影することができる。
【００４７】
ＧＬＶは、１画素が６本のリボンと呼ばれる中空構造に保持されたビームで構成されており、ＨＤ映像の垂直画素数と同じ１０８０画素（合計６４８０本のリボン）の光回折素子が形成されている。
【００４８】
リボンは、例えばＡｌ／ＳｉＮ積層膜で構成されており、反射ミラーとしての働きに加えて駆動電極としての機能も備える。リボンの駆動は、リボン電極と下部電極の間に電圧を印加することにより行なわれ、電圧が印加されていない状態では、全てのリボンが同じ平面に並んで鏡面を構成して、照射されたＲＧＢ３色のレーザ光をそのまま反射する。
【００４９】
一方、動作時には、１本おきのリボンに電圧を印加し、リボンに段差をつけて回折格子を作り出す。この回折格子が、入射したレーザ光に対して角度をもった回折光を生み出す。そして、ＧＬＶからの反射光については遮断し、回折光だけを取り出して集光するフィルタをＧＬＶの手前に配置しておくことで、回折光を画像の明暗として取り出すことができる。
【００５０】
図１０は、ＧＬＶを用いたプロジェクタ装置の構成を説明する模式図である。このプロジェクタ装置１００では、光源１０１としてＲＧＢのレーザ光を用い、それぞれのレーザ光を照明レンズ１０２を介してＧＬＶ１０３にスリット状にして照射する。
【００５１】
ＧＬＶ１０３によって変調されたレーザ光は、投影レンズ１０４を介して走査ミラー１０５で反射し、走査ミラー１０５の水平走査によって１０８０画素分の１次元像をスクリーン２００上に２次元画面として構成することができる。
【００５２】
このようなＧＬＶ１０３を用いたプロジェクタ装置１００の光源１０１として、先に説明した本実施形態の半導体レーザ装置１を適用する。ＧＬＶ１０３に照射するスリット状のレーザ光の形状にも対応し、大出力で安定した波長のレーザ光を提供できることから、本実施形態の半導体レーザ装置１が非常に適していることになる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本実施形態に係る発光装置（半導体レーザ装置）を説明する模式断面図である。
【図２】従来のサブマウント構造と、ダイレクトマウント構造での発振波長の比較を示す図である。
【図３】ダイレクトマウント構造において、パルス駆動にてアレイレーザ素子の各エミッタの発振波長を調べた結果を示す図である。
【図４】ＧａＡｓ基板とヒートシンクとをサブマウントを介して接続したサブマウント構造での半導体レーザ装置の各エミッタの発振波長を調べた結果を示す図である。
【図５】接合部材であるはんだの種類の違いおよび厚さの違いによる発振波長の相違を示す図である。
【図６】本実施形態の半導体レーザ装置の模式分解平面図である。
【図７】本実施形態に係る半導体レーザ装置の製造プロセスの例を示す模式断面図である。
【図８】他の実施形態（その１）を説明する模式断面図である。
【図９】他の実施形態（その２）を説明する模式断面図である。
【図１０】ＧＬＶを用いたプロジェクタ装置の構成を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００５４】
１…半導体レーザ装置、１０…半導体レーザ基板、２０…基板、２１…副基板、３１…第１の接合部材、３２…第２の接合部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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