(57)【要約】【課題】基板と半導体レーザ素子との間の隙間の放熱性を確実に向上させ、基板および半導体レーザ素子に応力が発生すること防止できるレーザ光源装置とその製造方法および画像表示装置を提供する。【解決手段】基板２０の凹部１７に対応する位置に、凹部１７に収容される凸部２２が形成され、凸部２２は空気よりも熱伝導率の高い材料によって形成され、半導体レーザ素子１０と凸部２２との間には、隙間Ｇが形成されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を実装する基板とを備え、前記半導体レーザ素子の前記基板側の面に凹部が形成されたレーザ光源装置であって、
前記基板の前記凹部に対応する位置に、前記凹部に収容される凸部が形成され、
前記凸部は空気よりも熱伝導率の高い材料によって形成され、
前記半導体レーザ素子と前記凸部との間には、隙間が形成されていることを特徴とするレーザ光源装置。
【請求項２】
前記凹部は、前記半導体レーザ素子の発光部の周囲に形成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項３】
前記半導体レーザ素子には、前記発光部が複数形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ光源装置。
【請求項４】
前記凹部には、前記凹部の内面の少なくとも一部に沿って電極が形成され、
前記凸部の表面には、絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のレーザ光源装置。
【請求項５】
半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を実装する基板とを備え、前記半導体レーザ素子の前記基板側の面に凹部が形成されたレーザ光源装置の製造方法であって、
前記基板の表面に、空気よりも熱伝導率の高い材料によって放熱材料層を形成する工程と、
前記放熱材料層をパターニングし、前記凹部に対応する位置に凸部を形成する工程と、
前記凹部に前記凸部を収容し、前記半導体レーザ素子を前記基板に実装する工程と、
を有することを特徴とするレーザ光源装置の製造方法。
【請求項６】
半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を実装する基板とを備え、前記半導体レーザ素子の前記基板側の面に凹部が形成されたレーザ光源装置の製造方法であって、
前記基板の表面の前記凹部に対応する位置に、放熱材料のシードを形成し、前記シードを等方成長させて放熱材料部を形成する工程と、
前記放熱材料部をパターニングして、前記凹部の形状に対応する凸部を形成する工程と、
前記凹部に前記凸部を収容し、前記半導体レーザ素子を前記基板に実装する工程と、
を有することを特徴とするレーザ光源装置の製造方法。
【請求項７】
前記凸部を形成する工程の後、前記凸部の表面に絶縁層を形成する工程を有することを特徴とする請求項５または請求項６に記載のレーザ光源装置の製造方法。
【請求項８】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のレーザ光源装置と、
前記レーザ光源装置から射出されたレーザ光を画像情報に応じて変調する光変調素子と、
を備える画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ光源装置とその製造方法および画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、基板と半導体チップの接合面の隙間に熱伝導性の優れた物質を充填することにより、熱抵抗を下げ、素子の信頼性向上を図ることができるレーザ光源装置が知られている。（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−１８８３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来のレーザ光源装置は、熱伝導性の高い微粒子を絶縁性のバインダに混ぜた絶縁性フィラーを用い、絶縁性フィラーを溶融させ、毛細管現象により、基板と半導体チップの接合面の隙間に充填している。このため、基板と半導体チップとの間の隙間が比較的大きい場合や、絶縁性フィラーの密度が大きい場合、あるいは、溝の絶縁性フィラーに対する濡れ性が低い場合には、毛細管現象によって隙間に絶縁性フィラーを充填することが困難であるという課題がある。
【０００４】
また、毛細管現象によって、基板と半導体チップの隙間に絶縁性フィラーが完全に充填されてしまった場合には、絶縁性フィラーと基板との間の熱膨張係数の差異により、基板や半導体チップに応力が発生するという問題がある。
【０００５】
そこで、この発明は、基板と半導体レーザ素子との間の隙間の放熱性を確実に向上させ、基板および半導体レーザ素子に応力が発生すること防止できるレーザ光源装置とその製造方法および画像表示装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明のレーザ光源装置は、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を実装する基板とを備え、前記半導体レーザ素子の前記基板側の面に凹部が形成されたレーザ光源装置であって、前記基板の前記凹部に対応する位置に、前記凹部に収容される凸部が形成され、前記凸部は空気よりも熱伝導率の高い材料によって形成され、前記半導体レーザ素子と前記凸部との間には、隙間が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
このように構成することで、凹部に収容された凸部によって、半導体レーザ素子の輻射熱を吸収し、半導体レーザ素子に発生した熱を基板へと拡散させることができる。
また、半導体レーザ素子の発光に伴って半導体レーザ素子の温度が上昇すると、基板と半導体レーザ素子との熱膨張係率の差異により、凹部と凸部との間の距離が変動する。このとき、凹部と凸部との隙間によって、凹部と凸部との間の距離の変動を許容することができる。
したがって、半導体レーザ素子の放熱性を凹部に収容された凸部によって確実に向上させることができる。また、凹部と凸部との間の隙間によって、基板および半導体レーザ素子に応力が発生すること防止できる。
【０００８】
また、本発明のレーザ光源装置は、前記凹部は、前記半導体レーザ素子の発光部の周囲に形成されていることを特徴とする。
このように構成することで、最も熱が発生する発光部の周囲に凸部を配置し、半導体レーザ素子の放熱性をより向上させることができる。
【０００９】
また、本発明のレーザ光源装置は、前記半導体レーザ素子には、前記発光部が複数形成されていることを特徴とする。
このように構成することで、半導体レーザ素子を高出力化することができる。
【００１０】
また、本発明のレーザ光源装置は、前記凹部には、前記凹部の内面の少なくとも一部に沿って電極が形成され、前記凸部の表面には、絶縁層が形成されていることを特徴とする。
このように構成することで、電極と凸部とを電気的に絶縁し、電極と凸部の短絡を防止することできる。
【００１１】
また、本発明のレーザ光源装置の製造方法は、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を実装する基板とを備え、前記半導体レーザ素子の前記基板側の面に凹部が形成されたレーザ光源装置の製造方法であって、前記基板の表面に、空気よりも熱伝導率の高い材料によって放熱材料層を形成する工程と、前記放熱材料層をパターニングし、前記凹部に対応する位置に凸部を形成する工程と、前記凹部に前記凸部を収容し、前記半導体レーザ素子を前記基板に実装する工程と、を有することを特徴とする。
このように製造することで、凹部の内側に放熱性の高い凸部を確実に収容することができる。また、凸部を形成する工程において、凸部の形状を凹部の内面形状よりも小さく形成することで、凸部と凹部との間に隙間を形成することができる。
【００１２】
また、本発明のレーザ光源装置の製造方法は、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を実装する基板とを備え、前記半導体レーザ素子の前記基板側の面に凹部が形成されたレーザ光源装置の製造方法であって、前記基板の表面の前記凹部に対応する位置に、放熱材料のシードを形成し、前記シードを等方成長させて放熱材料部を形成する工程と、前記放熱材料部をパターニングして、前記凹部の形状に対応する凸部を形成する工程と、前記凹部に前記凸部を収容し、前記半導体レーザ素子を前記基板に実装する工程と、を有することを特徴とする。
このように製造することで、凹部の内側に放熱性の高い凸部を確実に収容することができる。また、凸部を形成する工程において、凸部の形状を凹部の内面形状よりも小さく形成することで、凸部と凹部との間に隙間を形成することができる。
【００１３】
また、本発明のレーザ光源装置の製造方法は、前記凸部を形成する工程の後、前記凸部の表面に絶縁層を形成する工程を有することを特徴とする。
このように製造することで、凸部の表面を電気的に絶縁することができる。
【００１４】
また、本発明の画像表示装置は、上述したようなレーザ光源装置と、前記レーザ光源装置から射出されたレーザ光を画像情報に応じて変調する光変調素子と、を備えたことを特徴とする。
このような画像表示装置は、上述したようなレーザ光源装置を備えているため、装置の放熱性と信頼性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（レーザ光源装置）
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各図面では、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材ごとに縮尺を適宜変更している。
図１に示すように、レーザ光源装置１００は、光源として半導体レーザ素子１０を備えている。半導体レーザ素子１０は、放熱性を有する基板２０に実装されている。基板２０は、例えば、窒化アルミニウム、ダイヤモンド、炭化珪素、セラミック等により形成されている。
【００１６】
半導体レーザ素子１０は、上部半導体層１１（ＩｎＧａＡｓ層）、第２ミラー層１２（ＤＢＲ層）、活性層１３、第１ミラー層１４（ＤＢＲ層）が順に積層されて形成されている。
上部半導体層１１の上面には、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）等の導電性を有する金属材料によって上部電極１５が形成されている。上部電極には複数の開口部１５ａが形成されている。第１ミラー層１４は、開口部１５ａに対応する部分にのみ形成され、それ以外の部分には下部半導体層１６（ＩｎＧａＡｓ層）が形成されている。
【００１７】
第１ミラー層１４および第２ミラー層１２は、例えば、ＡｌＧａＡｓ等によって形成された低組成層と高組成層とを交互に積層することにより形成されている。
第１ミラー層１４、活性層１３、第２ミラー層１２、上部半導体層１１が積層され、上部電極１５が開口されている領域が、半導体レーザ素子１０の発光部１０ａを構成している。半導体レーザ素子１０は、複数の発光部１０ａを備えている。発光部１０ａには、第１ミラー層１４、活性層１３および第２ミラー層１２により、垂直共振器が構成されている。
【００１８】
発光部１０ａの周囲には、下部半導体層１６から上部半導体層１１に達する凹部１７が形成されている。凹部１７の断面形状は、略台形に形成されている。発光部１０ａは、発光部１０ａの周囲に形成された凹部１７により、基板２０側の断面形状が略台形に形成されている。
半導体レーザ素子１０の基板２０側で、第１ミラー層１４および下部半導体層１６の表面には、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）等の導電性を有する金属材料によって下部電極１８が形成されている。複数形成された凹部１７のうちの一部には、凹部１７の内面１７ａの一部に沿って下部電極１８が形成されている。
【００１９】
基板２０の半導体レーザ素子１０側の表面には、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）等の導電性を有する金属材料によって基板側電極２１が形成されている。
基板側電極２１の表面には、半導体レーザ素子１０の凹部１７に対応する位置に凸部２２が形成されている。凸部２２は凹部１７の形状に対応し、断面形状が略台形となっている。また、凸部２２の形状および寸法は凹部１７に収容されるように、凹部１７の内面形状および寸法よりも一回り小さく形成されている。例えば、凹部１７の基板２０側の開口部の幅寸法Ｗ１が約２００μｍ、深さ寸法Ｄ１が約２０μｍであった場合、凸部２２の基板２０側の幅寸法Ｗ２は約１９０μｍ、高さ寸法Ｈ２は約１５μｍとすることができる。
【００２０】
凸部２２は、例えば、銅（Ｃｕ）等の熱伝導率の高い材料によって形成されている。また、凸部２２の表面には、例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ２）等により、絶縁層２３が形成されている。
また、半導体レーザ素子１０は、凹部１７の内面１７ａと凸部２２の表面の絶縁層２３との間に、隙間Ｇが形成されるように基板２０に実装され、下部電極１８と基板側電極２１とが電気的に接続されている。
【００２１】
次に、この実施の形態の作用について説明する。
図１に示すように、上部電極１５および基板側電極２１を電源（図示省略）に接続し、半導体レーザ素子１０に電流を供給すると、発光部１０ａの活性層１３は特定の波長の光を発する。活性層１３が発した光は、第１ミラー層１４、活性層１３および第２ミラー層１２により構成される垂直共振器によって共振して増幅され、第２ミラー層１２からレーザ光として射出される。第２ミラー層１２から射出されたレーザ光は、上部半導体層１１を透過して上部電極１５の開口部１５ａから外部に射出される。
【００２２】
ここで、半導体レーザ素子１０に複数の発光部１０ａが形成されている。したがって、発光部１０ａが単数の場合と比較して、レーザ光源装置１００により多くの電流を供給し、レーザ光源装置１００を高出力化することができる。
また、発光部１０ａの周囲には、下部半導体層１６の表面から上部半導体層１１に達する凹部１７が形成されている。これにより、活性層１３を分離し、発光部１０ａから射出されるレーザ光の指向性を高めることができる。
【００２３】
レーザ光源装置１００に電流を供給すると、発光部１０ａからレーザ光が射出される一方で、発光効率分以外のエネルギーは熱エネルギーに変換され、半導体レーザ素子１０および基板２０の温度を上昇させる。
ここで、凹部１７には、凹部１７の形状に対応した凸部２２が収容されているので、凸部２２によって半導体レーザ素子１０の輻射熱を吸収し、半導体レーザ素子１０に発生した熱を基板２０へと拡散させることができる。特に、凹部１７が発光部１０ａの周囲に形成されているので、最も熱が発生する発光部１０ａの放熱性を向上させることができる。
【００２４】
したがって、本実施形態によれば、レーザ光源装置１００の高出力化に伴って半導体レーザ素子１０に発生する大量の熱を、凸部２２によって確実に吸収して基板２０に拡散させることで、半導体レーザ素子１０と基板２０との間の放熱性を確実に向上させることができる。
また、凸部２２の表面には絶縁層２３が形成されているので、凹部１７の内面１７ａに形成された下部電極１８と凸部２２とを電気的に絶縁し、下部電極１８と凸部２２の短絡を防止することできる。
【００２５】
また、電力の供給により半導体レーザ素子１０および基板２０の温度が上昇すると、半導体レーザ素子１０と基板２０との間の熱膨張係率の差異により、凹部１７の内面１７ａと凸部２２の表面の絶縁層２３との間の距離が変動する。
ここで、凹部１７と凸部２２との間には、隙間Ｇが形成されている。この隙間Ｇによって、半導体レーザ素子１０と基板２０との間の膨張率の差異による凹部１７と凸部２２との間の距離の変動を受容することができる。このため、凸部２２が凹部１７に接触して基板２０と半導体レーザ素子１０の双方に応力が作用することを防止できる。
【００２６】
したがって、本実施形態によれば、基板２０と半導体レーザ素子１０との熱膨張係率の差異により、それぞれが異なる熱膨張をした場合であっても、基板２０および半導体レーザ素子１０に応力が発生すること防止できる。
【００２７】
（レーザ光源装置の製造方法）
次に、本実施の形態のレーザ光源装置１００の製造方法について説明する。
図２（ａ）に示すように、まず、基板２０の表面に基板側電極２１を形成する。基板側電極２１は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）等の導電性を有する材料を用い、蒸着法等により形成する。
次に、図２（ｂ）に示すように、基板側電極２１の表面に放熱材料層２２０を形成する。放熱材料層２２０は、例えば、銅（Ｃｕ）等、空気よりも熱伝導率の高い材料によって形成する。放熱材料層２２０は、例えば、めっき処理等により形成する。
【００２８】
次に、放熱材料層２２０を、例えば、フォトリソグラフィ法、エッチング法等によりパターニングし、図３（ａ）に示すように、基板２０に実装する半導体レーザ素子１０の凹部１７に対応する位置（図３（ｃ）参照）に凸部２２を形成する。また、凸部２２は、半導体レーザ素子１０の実装時に凹部１７に収容され、凹部１７の内面１７ａと凸部２２の表面との間に隙間Ｇ（図１参照）が形成されるように、凹部１７の内面１７ａの寸法よりも小さい寸法に形成する。
【００２９】
次に、図３（ｂ）に示すように、凸部２２の表面に、例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ２）等の絶縁材料を用いたマスクスパッタ法等により、絶縁層２３を形成する。
次に、図３（ｃ）に示すように、凹部１７に凸部２２を収容し、半導体レーザ素子１０の下部電極１８と基板側電極２１とを接合し、半導体レーザ素子１０を基板２０に実装する。下部電極１８と基板側電極２１とは、例えば、フラックスレスのＡｕ−Ｓｎ（金錫）やＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｉｎ（インジウム）等を用いたはんだによって接合する。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態の製造方法によれば、凹部１７の内側に放熱性の高い凸部２２を確実に収容することができる。また、凸部２２を形成する工程において、凸部２２の形状を凹部１７の内面１７ａの形状よりも小さく形成することで、凸部２２と凹部１７との間に隙間Ｇを形成することができる。また、凸部２２の表面を絶縁層２３により電気的に絶縁することができる。
【００３１】
（レーザ光源装置の製造方法の変形例）
次に、本実施の形態のレーザ光源装置１００の製造方法の変形例について、図３（ａ）〜図３（ｃ）を援用し、図４（ａ）および図４（ｂ）を用いて説明する。本変形例におけるレーザ光源装置１００の製造方法は、上述のレーザ光源装置１００の製造方法と、基板２０の表面に放熱材料層２２０を形成する代わりに、基板２０の表面に島状の放熱材料部２２２を形成する点で異なっている。その他の点は上述のレーザ光源装置１００の製造方法と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して、説明は省略する。
【００３２】
図４（ａ）に示すように、基板２０の表面に基板側電極２１を形成した後、基板側電極２１の表面の凹部１７に対応する位置に、例えば、銅（Ｃｕ）等の熱伝導率の高い材料により、シード２２１を形成する。シード２２１の形成は、例えば、マスク蒸着法等により行う。
次いで、図４（ｂ）に示すように、めっき処理等により、シード２２１を等方成長させて、島状の放熱材料部２２２を形成する。次いで、放熱材料部２２２を、例えば、レーザ加工等によりパターニングして、図３（ａ）に示すように、凹部１７の形状に対応する凸部２２を形成する。そして、上述の実施の形態で説明したレーザ光源装置１００の製造方法と同様に、図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すように、凸部２２の表面に絶縁層２３を形成し、半導体レーザ素子１０を基板２０に実装する。
【００３３】
以上説明したように、本変形例におけるレーザ光源装置１００の製造方法によれば、上述の実施の形態のレーザ光源装置１００の製造方法と同様のレーザ光源装置１００を製造することができる。
また、放熱材料部２２２が凹部１７に対応する位置のみに形成されるので、基板２０の表面に放熱材料層２２０を形成する場合と比較して、放熱材料を有効に利用することができる。
【００３４】
＜レーザ光源装置の応用例＞
以上に述べたようなレーザ光源装置１００を画像表示装置に応用することにより、これらの装置における放熱性を向上させることが可能である。以下、画像表示装置への応用例について説明する。
【００３５】
［応用例：プロジェクタ］
上述の実施の形態に係るレーザ光源装置１００を応用した画像表示装置の一例として、プロジェクタ３０の構成について説明する。図５は、プロジェクタ３０の光学系の概略を示す模式図である。
【００３６】
図５において、プロジェクタ３０は、レーザ光源装置１００、光変調装置としての液晶パネル３２、偏光板３３１及び３３２、クロスダイクロイックプリズム３４、投射レンズ３５などを備えている。なお、液晶パネル３２と、その光入射側に設けられた偏光板３３１及び光射出側に設けられた偏光板３３２によって液晶ライトバルブ３３が構成される。
【００３７】
レーザ光源装置１００は、赤色レーザ光を射出する赤色光用光源装置１００Ｒと、青色レーザ光を射出する青色光用光源装置１００Ｂと、緑色レーザ光を射出する緑色光用光源装置１００Ｇを備えている。これらの光源装置１００（１００Ｒ，Ｇ，Ｂ）は、それぞれクロスダイクロイックプリズム３４の側面三方にそれぞれ対向するように配置されている。図５ではクロスダイクロイックプリズム３４を挟んで、赤色光用光源装置１００Ｒと青色光用光源装置１００Ｂとが互いに対向し、投射レンズ３５と緑色光用光源装置１００Ｇが互いに対向しているが、これらの位置は、適宜入れ替えることが可能である。
【００３８】
液晶パネル３２は、例えば、ポリシリコンＴＦＴ（Thin Film Transistor）をスイッチング素子として用いたものである。各レーザ光源装置１００から射出された色光は、入射側偏光板３３１を介して液晶パネル３２に入射する。液晶パネル３２に入射した光は、画像情報に応じて変調されて、液晶パネル３２から射出される。液晶パネル３２によって変調された光のうち、特定の直線偏光だけが、射出側偏光板３３２を透過して、クロスダイクロイックプリズム３４に向かう。
【００３９】
クロスダイクロイックプリズム３４は、各液晶パネル３２によって変調された各色光を合成して、カラー画像を形成する光学素子である。このクロスダイクロイックプリズム３４は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなしている。そして、これら４つの直角プリズムの界面には、２種類の誘電体多層膜がＸ字状に設けられている。これら誘電体多層膜は、互いに対向する各液晶パネル３２から射出された各色光を反射し、投射レンズ３５に対向する液晶パネル３２から射出された色光を透過する。このようにして、各液晶パネル３２にて変調された各色光が合成されて、カラー画像が形成される。
投射レンズ３５は、複数のレンズが組み合わされた組レンズとして構成される。この投射レンズ３５は、カラー画像Ｖを拡大投射する。
【００４０】
以上説明したように、上述の実施の形態に係るレーザ光源装置１００をプロジェクタ３０に応用することで、プロジェクタ３０の光源の放熱性を向上させ、信頼性を向上させることができる。
【００４１】
尚、この発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、上述の実施の形態では凸部の表面に絶縁層を形成したが、凹部の内面に配線が形成されていない場合等、配線によるショートの虞がない場合には、凸部の表面に絶縁層を形成しなくてもよい。
【００４２】
また、半導体レーザ素子の発光部は単数であってもよい。半導体レーザ素子の基板側には下部電極を形成せず、基板側電極に直接はんだ接合等により接合するようにしてもよい。凸部および凹部の形状は、凸部が凹部に収容されるものであれば、上述の実施の形態の形状で説明した形状でなくてもよい。凸部は、空気よりも熱伝導率の高い材料であれば、銅以外の材料によって形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザ光源装置の断面図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は図１のレーザ光源装置の製造方法の工程説明図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は図１のレーザ光源装置の製造方法の工程説明図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は図１のレーザ光源装置の製造方法の変形例の工程説明図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るプロジェクタの光学系の概略構成図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  半導体レーザ素子、１０ａ  発光部、１７  凹部、１７ａ  内面、１８  下部電極（電極）、２０  基板、２２  凸部、２３  絶縁層、３０  プロジェクタ（画像表示装置）、３２  液晶パネル（光変調素子）、１００  レーザ光源装置、２２０  放熱材料層、２２１  シード、２２２  放熱材料部、Ｇ  隙間
【図１】
2009004561.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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