(57)【要約】【課題】射出される光の波長スペクトルの幅を狭く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チップ２３０、第１のサブマウント２３２ａ、第２のサブマウント２３２ｂ、放熱部材２３４、ペルチェ素子２３５などを有している。第１のサブマウント２３２ａとして、非多孔質の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられ、第２のサブマウント２３２ｂとして、多孔質の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられている。第１のサブマウント２３２ａと第２のサブマウント２３２ｂからなる複合サブマウントにおける、面発光レーザアレイチップ２３０の中央に対応する部分の密度は、面発光レーザアレイチップ２３０の周辺に対応する部分の密度よりも大きい。【選択図】図８
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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取り付けられる取付部材とを備え、
前記取付部材は、前記アレイチップの中央に対応する部分の吸収する熱量が、前記アレイチップの周辺に対応する部分の吸収する熱量よりも大きい面発光レーザアレイ。
【請求項２】
前記取付部材は、前記アレイチップが保持される保持部材、及び該保持部材に接合される放熱部材を有す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】
前記保持部材は、セラミック製であり、前記アレイチップの中央に対応する部分の密度が、前記アレイチップの周辺に対応する部分の密度よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項４】
前記保持部材における前記アレイチップの周辺に対応する部分は、ポーラス構造を有していることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項５】
前記放熱部材は、金属製であり、前記アレイチップの中央に対応する部分の密度が、前記アレイチップの周辺に対応する部分の密度よりも大きいことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項６】
前記放熱部材における前記アレイチップの周辺に対応する部分は、ポーラス構造を有していることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項７】
前記取付部材は、前記放熱部材における前記アレイチップの中央に対応する部分を冷却する第１の冷却装置と、前記放熱部材における前記アレイチップの周辺に対応する部分を冷却する第２の冷却装置とを更に備えることを特徴とする請求項２〜６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）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及び特許文献２には、面発光レーザアレイを有する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及び特許文献２に開示されている点火装置では、面発光レーザアレイから射出される光の波長スペクトルの幅が広いため、レーザ発振の効率が低い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取り付けられる取付部材とを備え、前記取付部材は、前記アレイチップの中央に対応する部分の吸収する熱量が、前記アレイチップの周辺に対応する部分の吸収する熱量よりも大きい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、射出される光の波長スペクトルの幅を狭くすることができる。
【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】比較例の面発光レーザアレイを説明するための図である。
【図５】図５（Ａ）は、低出力の場合の波長スペクトルを説明するための図であり、図５（Ｂ）は、高出力の場合の波長スペクトルを説明するための図である。
【図６】図６（Ａ）は、駆動パルスの立ち上がり付近の出力光の波長スペクトルを説明するための図であり、図６（Ｂ）は、駆動パルスの立下り付近の出力光の波長スペクトルを説明するための図である。
【図７】図７（Ａ）は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶の吸収スペクトルを説明するための図であり、図７（Ｂ）は、比較例の面発光レーザアレイを用いたときの励起光の波長スペクトルを説明するための図であり、図７（Ｃ）は、図７（Ａ）と図７（Ｂ）を重ねたものである。
【図８】本実施形態の面発光レーザアレイを説明するための図である。
【図９】面発光レーザアレイチップを説明するための図である。
【図１０】面発光レーザアレイチップの発光部を説明するための図である。
【図１１】図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、それぞれ面発光レーザアレイの基板を説明するための図である。
【図１２】第１のサブマウント２３２ａを説明するための図である。
【図１３】第２のサブマウント２３２ｂを説明するための図である。
【図１４】第２のサブマウント２３２ｂの開口に第１のサブマウント２３２ａが挿入された状態を説明するための図である。
【図１５】図１５（Ａ）は、本実施形態の面発光レーザアレイを用いたときの励起光の波長スペクトルを説明するための図であり、図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）と図７（Ａ）を重ねたものである。
【図１６】変形例１の面発光レーザアレイを説明するための図である。
【図１７】変形例２の面発光レーザアレイを説明するための図である。
【図１８】変形例３の面発光レーザアレイを説明するための図である。
【図１９】変形例４の面発光レーザアレイを説明するための図である。
【図２０】図２０（Ａ）及び図２０（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２１】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」
面発光レーザアレイから射出された光を集光して強力な光を得る場合、数万チャネルの発光部を有する面発光レーザアレイが用いられることがある。この面発光レーザアレイのサイズは、数ｍｍから１０ｍｍ以上となり、全ての発光部を点灯させると、面発光レーザアレイの中央の温度は周辺の温度よりも高くなる。
【００４１】
面発光レーザ（発光部）から射出される光の波長は、温度が上昇すると長波長側にシフトするので、面発光レーザアレイの中央に位置する発光部のほうが周辺に位置する発光部よりも、発振開始からの波長シフトが大きくなる。
【００４２】
比較例として従来の面発光レーザアレイが図４に示されている。この面発光レーザアレイは、面発光レーザアレイチップ、サブマウント、放熱部材、ペルチェ素子などを有している。面発光レーザアレイチップは、サブマウントの＋Ｚ側の面に接合されている。サブマウントの−Ｚ側の面には放熱部材が接合されている。そして、放熱部材にペルチェ素子が取り付けられている。
【００４３】
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）には、従来の面発光レーザアレイから射出され、集光された光の波長スペクトルが示されている。図５（Ａ）は低出力（発振閾値より少し上）の場合であり、図５（Ｂ）は高出力（最大出力より少し下）の場合である。スペクトル幅は、低出力の場合よりも高出力の場合のほうが広い。
【００４４】
また、従来の面発光レーザアレイをパルス駆動する際には、駆動パルスの立ち上がり付近の出力光のスペクトル幅（図６（Ａ）参照）よりも、駆動パルスの立下り付近の出力光のスペクトル幅（図６（Ｂ）参照）のほうが広い。
【００４５】
ところで、面発光レーザアレイからの光をレーザ共振器の励起光として用いる場合、レーザ媒質が吸収できる波長で励起光を入射させなければならないため、励起光が熱によって波長シフトし、波長スペクトルの幅が広がることは発振効率の点で不利である。
【００４６】
従来の面発光レーザアレイから射出され、集光された光（励起光）をＮｄ：ＹＡＧ結晶に入射させる場合について説明する。図７（Ａ）には、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶の吸収スペクトルが示されている。図７（Ｂ）には、従来の面発光レーザアレイから射出され、集光された光の波長スペクトルが示されている。このとき、励起光における８１０ｎｍ付近から長波長側の成分はＹＡＧ結晶のレーザ反転に寄与しない（図７（Ｃ）参照）ため、レーザ発振の効率を低下させる。なお、図７（Ｃ）は、図７（Ａ）と図７（Ｂ）を重ねたものである。
【００４７】
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８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、第１のサブマウント２３２ａ、第２のサブマウント２３２ｂ、放熱部材２３４、ペルチェ素子２３５などを有している。本実施形態では、第１のサブマウント２３２ａと第２のサブマウント２３２ｂと放熱部材２３４とペルチェ素子２３５とから、面発光レーザアレイチップ２３０が取り付けられる取付部材が構成されている。
【００４８】
面発光レーザアレイチップ２３０は、一例として図９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。ここでは、面発光レーザアレイチップ２３０において、複数の発光部が形成されている領域の形状は円形状であり、該円形状の直径をｄ１とする。
【００４９】
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１０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。
【００５０】
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。
【００５１】
基板１０１は、図１１（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１１（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。
【００５２】
図１０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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
保護膜１１１は、ＳｉＯ２又はＳｉＮからなる膜である。
【００６６】
上部電極１１３は、配線部材によって電極パッドと電気的に接続されている。
【００６７】
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。
【００６８】
（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。
【００６９】
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。
【００７０】
（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。
【００７１】
（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。
【００７２】
（４）レジストパターンを除去する。
【００７３】
（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。
【００７４】
（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であれば良く、１５０ｎｍであるのが好ましい。
【００７５】
（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。
【００７６】
（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。
【００７７】
（９）レジストパターンを除去する。
【００７８】
（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。
【００７９】
（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。
【００８０】
（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。
【００８１】
（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。
【００８２】
（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。
【００８３】
（１５）チップ毎に分割する。
【００８４】
第１のサブマウント２３２ａは、絶縁材料からなり、図１２に示されるように、円板形状を有している。第１のサブマウント２３２ａの直径をｄ２とする。ｄ２は前記ｄ１よりも小さくなるように設定されている。ここでは、第１のサブマウント２３２ａとして、非多孔質の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられている。
【００８５】
第２のサブマウント２３２ｂは、第１のサブマウント２３２ａよりも密度が小さい絶縁材料からなり、図１３に示されるように、第１のサブマウント２３２ａが挿入される円形状の開口を有している。ここでは、第２のサブマウント２３２ｂとして、多孔質の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられている。
【００８６】
第２のサブマウント２３２ｂの開口に第１のサブマウント２３２ａが挿入された状態が図１４に示されている。なお、以下では、便宜上、第２のサブマウント２３２ｂの開口に第１のサブマウント２３２ａが挿入されたものを「複合サブマウント」ともいう。
【００８７】
面発光レーザアレイチップ２３０は、接合材によって複合サブマウントの＋Ｚ側の面に接合されている。なお、面発光レーザアレイチップ２３０における複数の発光部が形成されている領域の中心と、第１のサブマウント２３２ａの中心とは略一致している。
【００８８】
そこで、複合サブマウントは、面発光レーザアレイチップ２３０の中央に対応する部分の密度が、面発光レーザアレイチップ２３０の周辺に対応する部分の密度よりも大きい。
【００８９】
放熱部材２３４は、接合材によって複合サブマウントの−Ｚ側の面に接合されている。
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】
本実施形態での、励起光の波長スペクトルが図１５（Ａ）に示されている。また、図１５（Ｂ）には、図７（Ａ）と図１５（Ａ）を重ねたものが示されている。図１５（Ｂ）と図７（Ｃ）を比較すると、励起光の波長スペクトルとＮｄ：ＹＡＧの吸収スペクトルのレーザ励起に寄与する波長域との重なりは、前記従来の面発光レーザアレイを用いた場合に対してかなり改善されている。すなわち、面発光レーザアレイ２０１を用いることにより、従来の面発光レーザアレイよりも、励起用光源としてより適した波長スペクトルを有する高出力の光を得ることができる。
【００９１】
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ている。
【００９２】
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、第１のサブマウント２３２ａ、第２のサブマウント２３２ｂ、放熱部材２３４、ペルチェ素子２３５などを有している。
【００９３】
第１のサブマウント２３２ａとして、非多孔質の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられ、第２のサブマウント２３２ｂとして、多孔質の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられている。
【００９４】
第１のサブマウント２３２ａと第２のサブマウント２３２ｂからなる複合サブマウントは、面発光レーザアレイチップ２３０を保持する。複合サブマウントにおける、面発光レーザアレイチップ２３０の中央に対応する部分の密度は、面発光レーザアレイチップ２３０の周辺に対応する部分の密度よりも大きい。
【００９５】
そして、多孔質の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、非多孔質の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）よりも熱伝導性が低いため、面発光レーザアレイチップ２３０において、周辺での熱の逃げが中央よりも若干悪い状態を作ることができる。
【００９６】
この場合は、取付部材では、面発光レーザアレイチップ２３０の中央に対応する部分の吸収する熱量が、面発光レーザアレイチップ２３０の周辺に対応する部分の吸収する熱量よりも大きくなる。その結果、面発光レーザアレイチップ２３０内の温度のばらつきを小さくすることが可能となり、励起光の波長スペクトルの幅を従来よりも狭くすることができる。
【００９７】
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、効率良く高出力のレーザ光を射出することができる。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
なお、上記実施形態では、第１のサブマウント２３２ａの材料として非多孔質の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられ、第２のサブマウント２３２ｂの材料として多孔質の窒化アルミニウム（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。要するに、第１のサブマウント２３２ａ及び第２のサブマウント２３２ｂは、セラミック製であり、第１のサブマウント２３２ａの密度が、第２のサブマウント２３２ｂの密度よりも大きければ良い。
【０１０１】
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。
【０１０２】
また、上記実施形態において、放熱部材２３４を強制的に冷却する必要がなければ、ペルチェ素子２３５がなくても良い。この場合は、第１のサブマウント２３２ａと第２のサブマウント２３２ｂと放熱部材２３４とから、面発光レーザアレイチップ２３０が取り付けらる取付部材が構成されることとなる。
【０１０３】
また、上記実施形態では、複合サブマウントが密度の異なる２種類の部材から構成さ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、複合サブマウントが密度の異なる３種類の部材から構成されても良い。
【０１０４】
また、面発光レーザアレイ２０１の種々の変形例について説明する。いずれの変形例においても、上記実施形態と同様な効果を得ることができる。
【０１０５】
＜変形例１＞
図１６には、変形例１の面発光レーザアレイ２０１Ａが示されている。この面発光レーザアレイ２０１Ａは、従来の面発光レーザアレイにおける放熱部材に代えて、第１の放熱部材２３４ａと、該第１の放熱部材２３４ａよりも密度が小さい第２の放熱部材２３４ｂを用いたものである。なお、符号２３２は、サブマウントであり、一例として、非多孔質の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられる。
【０１０６】
第１の放熱部材２３４ａは、円形形状であり、面発光レーザアレイチップ２３０の中央に対応している。第２の放熱部材２３４ｂは、第１の放熱部材２３４ａが挿入される円形の開口を有し、面発光レーザアレイチップ２３０の周辺に対応している。例えば、第１の放熱部材２３４ａとして非多孔質の銅（Ｃｕ）を用い、第２の放熱部材２３４ｂとして多孔質の銅（Ｃｕ）を用いることができる。
【０１０７】
この場合、多孔質の銅（Ｃｕ）は非多孔質の銅（Ｃｕ）よりも熱伝導性が低いため、面発光レーザアレイチップ２３０において、周辺での熱の逃げが中央よりも若干悪い状態を作ることができる。
【０１０８】
＜変形例２＞
図１７には、変形例２の面発光レーザアレイ２０１Ｂが示されている。この面発光レーザアレイ２０１Ａは、上記実施形態の面発光レーザアレイ２０１における放熱部材２３４に代えて、第１の放熱部材２３４ａと、該第１の放熱部材２３４ａよりも密度が小さい第２の放熱部材２３４ｂを用いたものである。
【０１０９】
第１の放熱部材２３４ａは、円形形状であり、面発光レーザアレイチップ２３０の中央に対応している。第２の放熱部材２３４ｂは、第１の放熱部材２３４ａが挿入される円形の開口を有し、面発光レーザアレイチップ２３０の周辺に対応している。なお、以下では、便宜上、第２の放熱部材２３４ｂの開口に第１の放熱部材２３４ａが挿入されたものを「複合放熱部材」ともいう。
【０１１０】
例えば、第１の放熱部材２３４ａとして非多孔質の銅（Ｃｕ）を用い、第２の放熱部材２３４ｂとして多孔質の銅（Ｃｕ）を用いることができる。この場合、多孔質の銅（Ｃｕ）は非多孔質の銅（Ｃｕ）よりも熱伝導性が低いため、面発光レーザアレイチップ２３０において、周辺での熱の逃げが中央よりも若干悪い状態を作ることができる。
【０１１１】
また、変形例２では、複合放熱部材が密度の異なる２種類の部材から構成さ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、複合放熱部材が密度の異なる３種類の部材から構成されても良い。
【０１１２】
＜変形例３＞
図１８には、変形例３の面発光レーザアレイ２０１Ｃが示されている。この面発光レーザアレイ２０１Ｃは、比較例の面発光レーザアレイにおけるペルチェ素子２３５に代えて、第１のペルチェ素子２３５ａと第２のペルチェ素子２３５ｂと第３のペルチェ素子２３５ｃを用いたものである。
【０１１３】
第１のペルチェ素子２３５ａによる冷却を、第２のペルチェ素子２３５ｂ及び第３のペルチェ素子２３５ｃによる冷却よりも大きくして用いる。具体的には、各ペルチェ素子にフィードバック制御をかけるため、各ペルチェ素子近傍に設けている測温点の設定温度を、第１のペルチェ素子２３５ａの設定温度＜第２のペルチェ素子２３５ｂの設定温度＝第３のペルチェ素子２３５ｃの設定温度、となるようにする。
【０１１４】
このような使い方をすることから、第２のペルチェ素子２３５ｂと第３のペルチェ素子２３５ｃについては、制御のためのフィードバック回路は、一つのフィードバック回路内に組み込んでも良い。また、第１のペルチェ素子２３５ａよりも周辺の位置に配置できるという、実装の形状の点での要求事項を満たすことができるのであれば、第２のペルチェ素子２３５ｂと第３のペルチェ素子２３５ｃは、一つのペルチェ素子としても良い。
【０１１５】
＜変形例４＞
図１９には、変形例４の面発光レーザアレイ２０１Ｄが示されている。この面発光レーザアレイ２０１Ｃは、面発光レーザアレイ２０１Ｂにおけるペルチェ素子２３５に代えて、前記第１のペルチェ素子２３５ａと前記第２のペルチェ素子２３５ｂと前記第３のペルチェ素子２３５ｃを用いたものである。
【０１１６】
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。特に、スペクトル幅の広がりが軽減されることによりメリットが得られる用途に面発光レーザアレイ２０１を用いるのは好適である。
【０１１７】
《レーザアニール装置》
一例として図１９（Ａ）及び図１９（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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
《レーザ加工機》
一例として図２０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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
なお、レーザ加工機３０００は、光源３０１０を複数有しても良い。
【０１２６】
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】
【０１２７】
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、２０１Ａ…面発光レーザアレイ、２０１Ｂ…面発光レーザアレイ、２０１Ｃ…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）、２３２…サブマウント（保持部材）、２３２ａ…第１のサブマウント（アレイチップの中央に対応する部分）、２３２ｂ…第２のサブマウント（アレイチップの周辺に対応する部分）、２３４…放熱部材、２３４ａ…第１の放熱部材（アレイチップの中央に対応する部分）、２３４ｂ…第２の放熱部材（アレイチップの周辺に対応する部分）、２３５…ペルチェ素子、２３５ａ…第１のペルチェ素子（第１の冷却装置）、２３５ｂ…第２のペルチェ素子（第２の冷却装置）、２３５ｃ…第３のペルチェ素子（第２の冷却装置）、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】
【０１２８】
【特許文献１】特表２００９−５３８４０２号公報
【特許文献２】特表２０１３−５４５２８０号公報
【図１】
2017011175.tif 000003
【図２】
2017011175.tif 000004
【図３】
2017011175.tif 000005
【図４】
2017011175.tif 000006
【図５】
2017011175.tif 000007
【図６】
2017011175.tif 000008
【図７】
2017011175.tif 000009
【図８】
2017011175.tif 000010
【図９】
2017011175.tif 000011
【図１０】
2017011175.tif 000012
【図１１】
2017011175.tif 000013
【図１２】
2017011175.tif 000014
【図１３】
2017011175.tif 000015
【図１４】
2017011175.tif 000016
【図１５】
2017011175.tif 000017
【図１６】
2017011175.tif 000018
【図１７】
2017011175.tif 000019
【図１８】
2017011175.tif 000020
【図１９】
2017011175.tif 000021
【図２０】
2017011175.tif 000022
【図２１】
2017011175.tif 000023