(57)【要約】【課題】発光部の温度上昇を抑制することができる面発光レーザアレイを提供する。【解決手段】  面発光レーザアレイ２０１は、面発光レーザアレイチップ２３０、サブマウント２３２、放熱部材２３４、ペルチェ素子２３５、第１の金属層２３６、第２の金属層２３７などを有している。第１の金属層２３６は、サブマウント２３２における面発光レーザアレイチップ２３０が保持される側の面に形成され、サブマウント２３２よりも熱伝導率が大きい。そして、面発光レーザアレイチップ２３０は、接合材２３１によって第１の金属層２３６と接合されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光部を有するアレイチップと、
前記アレイチップが保持される保持部材とを備え、
前記保持部材は、絶縁部材と、該絶縁部材における前記アレイチップが保持される側の面に形成され、前記絶縁部材よりも熱伝導率が大きい第１の金属層とを有する面発光レーザアレイ。
【請求項２】
前記絶縁部材は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）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アレイ。
【請求項３】
前記第１の金属層は、少なくとも銅を含む材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項４】
前記アレイチップは接合材によって前記保持部材に保持され、
前記接合材の材料は、金錫（ＡｕＳｎ）合金であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項５】
前記保持部材は、前記絶縁部材における前記アレイチップが保持される側の面とは反対側の面に形成された第２の金属層を更に有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項６】
前記保持部材に取り付けられる放熱部材を更に備え、
前記放熱部材の材料は、前記第２の金属層よりも熱膨張係数が小さく、かつ前記絶縁部材よりも熱膨張係数が大きい材料であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項７】
前記保持部材に取り付けられる放熱部材を更に備え、
前記放熱部材の材料は、銅（Ｃｕ）又は銅タングステン（ＣｕＷ）であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項８】
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１〜７のいずれか一項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。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか一項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。
【請求項１０】
前記レーザ共振器は、Ｑスイッチレーザであることを特徴とする請求項９に記載のレーザ装置。
【請求項１１】
前記レーザ共振器は、レーザ媒質及び可飽和吸収体を含むことを特徴とする請求項１０に記載のレーザ装置。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれか一項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。
【請求項１３】
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１２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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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、複数の発光部を有す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。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振器型の面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）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。
【０００３】
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。
【０００４】
例えば、特許文献１には、面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）が２次元に配列されたアレイ素子を有する半導体レーザ光源と、その半導体レーザ光源が放射した半導体レーザ光で励起されて燃料点火用のパルスレーザ光を放射する固体レーザ媒質とを備える車載用点火装置が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されている半導体レーザ光源のアレイ素子では、面発光レーザ素子の温度が上昇するという不都合があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、複数の発光部を有するアレイチップと、前記アレイチップが保持される保持部材とを備え、前記保持部材は、絶縁部材と、該絶縁部材における前記アレイチップが保持される側の面に形成され、前記絶縁部材よりも熱伝導率が大きい第１の金属層とを有する面発光レーザアレイである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の面発光レーザアレイによれば、発光部の温度上昇を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】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。
【図２】点火装置３０１を説明するための図である。
【図３】レーザ共振器２０６を説明するための図である。
【図４】面発光レーザアレイ２０１の構成を説明するための図である。
【図５】面発光レーザアレイチップ２３０を説明するための図である。
【図６】面発光レーザアレイチップ２３０における１つの発光部を説明するための図である。
【図７】図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、それぞれ面発光レーザアレイ２０１の基板を説明するための図である。
【図８】サブマウント２３２に形成された第１の金属層２３６を説明するための図である。
【図９】接合材２３１の蒸着を説明するための図である。
【図１０】絶縁溝を説明するための図である。
【図１１】図１０のＡ−Ａ断面図である。
【図１２】図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）は、それぞれ下部金属層２３６ａの厚さと面発光レーザアレイ２０１から射出される光のスペクトルとの関係を説明するための図である。
【図１３】サブマウント２３２の−Ｚ側の面に第２の金属層２３７が形成されない場合を説明するための図である。
【図１４】図１４（Ａ）及び図１４（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。
【図１５】レーザ加工機の概略構成を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
「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。
【００１０】
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。
【００１１】
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）。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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）。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
「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。ここでは、一例として図４に示されるように、面発光レーザアレイ２０１は、面発光レーザアレイチップ２３０、サブマウント２３２、放熱部材２３４、ペルチェ素子２３５、第１の金属層２３６、第２の金属層２３７などを有している。サブマウント２３２と第１の金属層２３６と第２の金属層２３７とからなる複合部材は、面発光レーザアレイチップ２３０を保持する保持部材である。
【００４１】
面発光レーザアレイチップ２３０は、一例として図５に示されるように、２次元配列された複数の発光部を有している。各発光部が面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である。そして、１つの発光部のＹＺ断面が図６に示されている。ここでは、面発光レーザアレイチップ２３０は、発光部数が１００００個級の大規模レーザアレイである。
【００４２】
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。
【００４３】
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、−Ｙ方向を「傾斜方向」ともいう。
【００４４】
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。
【００４５】
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−ＡｌＡｓからなる低屈折率層と、ｎ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを３７．５ペア有している。
【００４６】
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。
【００４７】
そして、基板１０１上から約３４．５ペアまでは、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、下部スペーサ層１０４に近い３ペアでは、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、高屈折率層の光学的厚さがλ／４、低屈折率層の光学的厚さが３λ／４となるように設定されている。
【００４８】
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。
【００４９】
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ＡｌＧａＩｎＰからなる層である。
【００５０】
活性層１０５は、下部スペーサ層１０４の＋Ｚ側に積層され、ＧａＡｓからなる量子井戸層と、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ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。
【００５１】
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ＡｌＧａＩｎＰからなる層である。
【００５２】
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。
【００５３】
上部半導体ＤＢＲ１０７は、上部スペーサ層１０６の＋Ｚ側に積層され、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなる低屈折率層とｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを２４ペア有している。
【００５４】
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。
【００５５】
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で挿入されている。この被選択酸化層１０８の挿入位置は、上部スペーサ層１０６から光学的にλ／４の距離だけ離れた位置であり、低屈折率層中である。
【００５６】
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。
【００５７】
保護膜１１１は、ＳｉＯ２又はＳｉＮからなる膜である。
【００５８】
上部電極１１３は、電極パッドと電気的に接続されている。
【００５９】
ここで、面発光レーザアレイチップ２３０の作成方法について説明する。
【００６０】
（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。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。
【００６１】
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（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）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（ＣＢｒ４）、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用い、ｎ型ドーパントの原料にはセレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）を用いている。
【００６２】
（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、メサの断面が一辺２０μｍ〜２５μｍの正方形となるようにした。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。
【００６３】
（３）反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのドライエッチングによって、四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。
【００６４】
（４）レジストパターンを除去する。
【００６５】
（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。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、酸化狭窄構造体が作成される。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、電流通過領域１０８ｂは、一辺の長さが約５μｍの略正方形状であった。
【００６６】
（６）プラズマＣＶＤ法を用いて、ＳｉＮからなる保護膜１１１を形成する。保護膜１１１の膜厚は１５０ｎｍ〜２００ｎｍであれば良い。
【００６７】
（７）メサ上面にコンタクトホールを形成するためのレジストパターンを作成する。
【００６８】
（８）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。
【００６９】
（９）レジストパターンを除去する。
【００７０】
（１０）射出領域をマスクするためのレジストパターンを作成する。
【００７１】
（１１）上部電極１１３の材料を蒸着する。ここでは、Ｃｒ／ＡｕＺｎ／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。
【００７２】
（１２）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。
【００７３】
（１３）基板１０１の厚さが２００μｍとなるまで、基板１０１の裏側を研磨した後、Ｃｒ／ＡｕＧｅ／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。Ａｕは厚さが１μｍとなるように設定されている。なお、基板１０１は、全てが除去されても良い。
【００７４】
（１４）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。
【００７５】
（１５）チップ毎に分割する。
【００７６】
図４に戻り、サブマウント２３２は、絶縁材料からなっている。ここでは、サブマウント２３２として厚さが０．３ｍｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられている。
【００７７】
サブマウント２３２の＋Ｚ側の面には、下地として厚さが１μｍのニッケル（Ｎｉ）が蒸着されており、その上（＋Ｚ側）に第１の金属層２３６がメッキにより成膜されている。また、サブマウント２３２の−Ｚ側の面には、下地として厚さが１μｍのニッケル（Ｎｉ）が蒸着されており、その上（−Ｚ側）に第２の金属層２３７がメッキにより成膜されている。第１の金属層２３６及び第２の金属層２３７は、サブマウント２３２よりも熱伝導率が大きい材料からなっている。
【００７８】
第１の金属層２３６は、一例として図８に示されるように、下部金属層２３６ａと、該下部金属層２３６ａを覆う上部金属層２３６ｂとからなっている。上部金属層２３６ｂは、下部金属層２３６ａの酸化を防止する。
【００７９】
ここでは、下部金属層２３６ａとして厚さが３０μｍの銅（Ｃｕ）薄膜が用いられ、上部金属層２３６ｂとして厚さが１μｍの金（Ａｕ）薄膜が用いられている。
【００８０】
第２の金属層２３７は、一例として図８に示されるように、下部金属層２３７ａと、該下部金属層２３７ａを覆う上部金属層２３７ｂとからなっている。上部金属層２３７ｂは、下部金属層２３７ａの酸化を防止する。
【００８１】
ここでは、下部金属層２３７ａとして厚さが３０μｍの銅（Ｃｕ）薄膜が用いられ、上部金属層２３７ｂとして厚さが１μｍの金（Ａｕ）薄膜が用いられている。すなわち、第２の金属層２３７は、第１の金属層２３６と同じ金属層である。
【００８２】
面発光レーザアレイチップ２３０は、接合材２３１によって第１の金属層２３６の上部金属層２３６ｂと接合されている。接合材２３１としては、７０ｗｔ％の金（Ａｕ）を含む金錫（ＡｕＳｎ）合金が用いられている。
【００８３】
接合材２３１は、第１の金属層２３６の上部金属層２３６ｂ上に厚さ３μｍ蒸着され（図９参照）、その上に面発光レーザアレイチップ２３０が載置される。そして、面発光レーザアレイチップ２３０に荷重を印加しつつヒータで３００℃に加熱した後、室温まで冷却することにより、面発光レーザアレイチップ２３０と第１の金属層２３６の上部金属層２３６ｂとが接合される。すなわち、面発光レーザアレイチップ２３０が保持部材に保持される。
【００８４】
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の熱伝導率は１７０（Ｗ／ｍＫ）であり、銅（Ｃｕ）の熱伝導率は４００（Ｗ／ｍＫ）であり、金（Ａｕ）の熱伝導率は３１８（Ｗ／ｍＫ）であり、ニッケル（Ｎｉ）の熱伝導率は９１（Ｗ／ｍＫ）である。
【００８５】
ところで、第１の金属層２３６には、一例として図１０及び図１１に示されるように、絶縁溝が形成されている。図１１は図１０のＡ−Ａ断面図である。この場合、絶縁溝の＋Ｘ側の第１の金属層２３６を下部電極１１４と電気的に接続させることができる。また、各発光部の上部電極１１３と絶縁溝の−Ｘ側の第１の金属層２３６とを配線部材で電気的に接続させることができる。
【００８６】
放熱部材２３４は、第２の金属層２３７よりも熱膨張係数が小さく、サブマウント２３２よりも熱膨張係数が大きい材料からなっている。ここでは、放熱部材２３４として、厚さが２ｍｍの銅タングステン（ＣｕＷ）板が用いられている。
【００８７】
放熱部材２３４は、接合材２３３によって第２の金属層２３７の上部金属層２３７ｂと接合されている。接合材２３３としては、ペースト状のはんだが用いられている。
【００８８】
銅（Ｃｕ）の熱膨張係数は１６．６×１０−６〜１７×１０−６／Ｋであり、銅タングステン（ＣｕＷ）の熱膨張係数は６×１０−６〜９×１０−６／Ｋであり、ＧａＡｓの熱膨張係数は５．７×１０−６〜６．８×１０−６／Ｋである。また、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の熱膨張係数は４．５×１０−６〜４．７×１０−６／Ｋである。但し、材料の熱膨張係数は製造方法等で多少異なる。
【００８９】
さらに、放熱部材２３４には、ペルチェ素子２３５が取り付けられている。
【００９０】
ところで、面発光レーザアレイチップを高い出力で駆動させると、面発光レーザアレイチップで多くの熱が発生する。面発光レーザは、温度が高くなると出力が飽和するため、発生した熱を速やかに放熱する必要があり、熱伝導率の大きいサブマウントに実装することが必要である。
【００９１】
特許文献１のように面発光レーザアレイチップを炭化ケイ素（ＳｉＣ）製のサブマウントに接合し、さらに該サブマウントを銅（Ｃｕ）製のヒートシンクに接合する方法が考案されているが、この方法では、複数の発光部のうち特に配列の中央部に位置する発光部の温度が高くなり、該発光部から射出される光の波長がシフトするおそれがあった。
【００９２】
面発光レーザアレイにおいて、発光部から射出される光の波長がシフトすると、レーザ媒質の励起が不十分となったり、不安定となるおそれがある。
【００９３】
ここで、面発光レーザアレイ２０１における第１の金属層２３６の下部金属層２３６ａの厚さを種々異ならせ、面発光レーザアレイ２０１から射出される光のスペクトルと下部金属層２３６ａの厚さとの関係を調べた。なお、ここでは、発光部数が約１５０００個で、発光部間隔が約５０μｍの面発光レーザアレイチップを用いた。
【００９４】
図１２（Ａ）には、下部金属層２３６ａの厚さが２５μｍのときの面発光レーザアレイ２０１から射出される光のスペクトルが示されている。図１２（Ｂ）には、下部金属層２３６ａの厚さが７０μｍのときの面発光レーザアレイ２０１から射出される光のスペクトルが示されている。なお、図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）は、２００Ａ（アンペア）、ＱＣＷ駆動（５００μｓ、２０Ｈｚ）、室温（１７℃）での結果である。
【００９５】
ところで、レーザ光の利用においては単一波長であることが必要とされることが多い。特に固体レーザの励起用光源として用いる場合には、励起光のピーク波長が固体レーザ（レーザ媒質）の吸収ピーク波長と一致し、スペクトル幅の狭い光（半値全幅で２ｎｍ以下）であることが望ましい。発明者らの実験によると、下部金属層２３６ａの厚さが２５μｍの場合の半値全幅は約１．８ｎｍであり、下部金属層２３６ａの厚さが７０μｍの場合の半値全幅は約１．２ｎｍであった。
【００９６】
すなわち、本実施形態の面発光レーザアレイ２０１は、スペクトル幅の狭い光を射出することができる。なお、第１の金属層２３６がない場合は、半値全幅が２ｎｍを超えていた。このことは、第１の金属層２３６によって、面発光レーザアレイチップ２３０からサブマウント２３２への熱の移動が促進され、面発光レーザアレイチップ２３０における発光部の温度上昇が抑制されていることを示している。
【００９７】
このように、本実施形態の面発光レーザアレイ２０１では、発光部の温度上昇を抑制することができる。その結果、高いパワーでレーザ媒質２０６ａを安定して励起することができる。
【００９８】
また、面発光レーザアレイ２０１では、面発光レーザアレイチップ２３０の点灯と消灯が繰り返し行われる。そして、この繰り返しによって、面発光レーザアレイチップ２３０は、加熱と冷却が繰り返される。すなわち、面発光レーザアレイ２０１には温度変化が生じることとなる。
【００９９】
本実施形態では、面発光レーザアレイチップ２３０とサブマウント２３２との間に第１の金属層２３６が設けられている。この場合は、第１の金属層２３６が、面発光レーザアレイチップ２３０及びサブマウント２３２よりも高い延性を有しているため、面発光レーザアレイチップ２３０とサブマウント２３２の熱膨張係数の差が大きくても、第１の金属層２３６が変形することにより、温度変化に起因して面発光レーザアレイチップ２３０とサブマウント２３２との間に発生する熱応力を緩和することができる。その結果、面発光レーザアレイチップ２３０とサブマウント２３２の接合品質を向上させることができる。
【０１００】
また、仮に、放熱部材２３４の熱膨張係数が大きいと、温度変動によってサブマウント２３２と放熱部材２３４との接合部に大きな熱応力が生じ、接合品質が劣化することがわかった。例えば、このような構成では、−５５℃〜１５０℃の温度サイクル試験において、サブマウント２３２と放熱部材２３４との接合部に空隙が成長することが確認された。
【０１０１】
本実施形態では、面発光レーザアレイチップ２３０の線膨張係数をαＬＤ、給電線の線膨張係数をαｐ、サブマウント２３２の線膨張係数をαｓ、放熱部材２３４の線膨張係数をαｈとすると、それらの間には、αｓ＜αＬＤ＜αｐ≠αｈ、αｓ＜αｈ＜αｐ、の関係がある。この場合は、サブマウント２３２と放熱部材２３４の接合部にかかる熱応力を緩和することができる。
【０１０２】
以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る面発光レーザアレイ２０１では、面発光レーザアレイチップ２３０によって、本発明の面発光レーザアレイにおけるアレイチップが構成され、サブマウント２３２によって絶縁部材が構成されている。また、サブマウント２３２と第１の金属層２３６と第２の金属層２３７とによって、保持部材が構成されている。
【０１０３】
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、面発光レーザアレイチップ２３０、サブマウント２３２、放熱部材２３４、ペルチェ素子２３５、第１の金属層２３６、第２の金属層２３７などを有している。
【０１０４】
第１の金属層２３６は、サブマウント２３２における面発光レーザアレイチップ２３０が保持される側の面に形成され、サブマウント２３２よりも熱伝導率が大きい。そして、面発光レーザアレイチップ２３０は、接合材２２１によって第１の金属層２３６と接合されている。
【０１０５】
この場合、面発光レーザアレイチップ２３０からサブマウント２３２への熱の移動が促進され、その結果、面発光レーザアレイチップ２３０における発光部の温度上昇が抑制され、発光部から射出される光の波長シフトを抑制することができる。そこで、レーザ媒質２０６ａを高いパワーで安定して励起することができる。また、この場合、複数の発光部間の温度差を従来よりも小さくすることができる。
【０１０６】
また、第１の金属層２３６は銅を含んでいるため第１の金属層２３６の電気抵抗値を小さくすることができる。そこで、面発光レーザアレイチップ２３０に１００アンペア級の大電流を流すことが可能となる。
【０１０７】
また、面発光レーザアレイ２０１では、サブマウント２３２の＋Ｚ側の面に第１の金属層２３６が形成され、−Ｚ側の面に第２の金属層２３７が形成されている。この場合は、サブマウント２３２の反りを抑制することができる。そして、面発光レーザアレイチップ２３０を接合する際、接合材２２１の厚みが均一になり、熱抵抗値をチップ面内で均一にすることができる。
【０１０８】
また、面発光レーザアレイ２０１では、サブマウント２３２の−Ｚ側の面に第２の金属層２３７が形成されているため、サブマウント２３２に放熱部材２３４を接合させる際の接合材２２３としてはんだを使用することができる。さらに、サブマウント２３２の反りを抑制することができるため、はんだの膜厚を均一にすることができる。これにより、熱抵抗値をチップ面内で均一にすることができる。
【０１０９】
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、安定して高出力のレーザ光を射出することができる。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
なお、上記実施形態において、ペルチェ素子２３５に代えて、水冷装置を用いても良い。
【０１１３】
また、上記実施形態において、面発光レーザアレイチップ２３０での発熱量が少ない場合は、ペルチェ素子２３５がなくても良い。
【０１１４】
また、上記実施形態では、サブマウント２３２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。
【０１１５】
また、上記実施形態では、第１の金属層２３６が銅薄膜と金薄膜とからな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。
【０１１６】
また、上記実施形態では、第１の金属層２３６が２つの金属層からな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、第１の金属層２３６が１つの金属層からなっていても良い。
【０１１７】
また、各接合材についても、上記実施形態は一例であり、これに限定されるものではない。
【０１１８】
また、上記実施形態において、サブマウント２３２の反りを考慮する必要がない場合は、第２の金属層２３７がなくても良い（図１３参照）。
【０１１９】
また、上記実施形態では、放熱部材２３４の材料として銅タングステン（ＣｕＷ）を用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。例えば、サブマウント２３２と放熱部材２３４との接合部に生じる熱応力があまり大きくない場合は、放熱部材２３４として、銅（Ｃｕ）を用いても良い。
【０１２０】
また、上記実施形態において、第１の金属層２３６の厚さと第２の金属層２３７の厚さとが異なっていても良い。
【０１２１】
また、上記実施形態において、第１の金属層２３６の材料と第２の金属層２３７の材料とが異なっていても良い。
【０１２２】
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。
【０１２３】
《レーザアニール装置》
一例として図１４（Ａ）及び図１４（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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
《レーザ加工機》
一例として図１５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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
なお、レーザ加工機３０００は、光源３０１０を複数有しても良い。
【０１３２】
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。
【符号の説明】
【０１３３】
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（アレイチップ）、２３１…接合材、２３２…サブマウント（絶縁部材）、２３３…接合材、２３４…放熱部材、２３５…ペルチェ素子、２３６…第１の金属層、２３６ａ…下部金属層、２３６ｂ…上部金属層、２３７…第２の金属層、２３７ａ…下部金属層、２３７ｂ…上部金属層、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１３４】
【特許文献１】特開２０１４−１９２１６６号公報
【図１】
2017011174.tif 000003
【図２】
2017011174.tif 000004
【図３】
2017011174.tif 000005
【図４】
2017011174.tif 000006
【図５】
2017011174.tif 000007
【図６】
2017011174.tif 000008
【図７】
2017011174.tif 000009
【図８】
2017011174.tif 000010
【図９】
2017011174.tif 000011
【図１０】
2017011174.tif 000012
【図１１】
2017011174.tif 000013
【図１２】
2017011174.tif 000014
【図１３】
2017011174.tif 000015
【図１４】
2017011174.tif 000016
【図１５】
2017011174.tif 000017