特許 7673516 半導体光出射器および光出力装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-04-28

(45)【発行日】2025-05-09

(54)【発明の名称】半導体光出射器および光出力装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/0225 20210101AFI20250430BHJP

   H01S 5/026 20060101ALI20250430BHJP

   H01S 5/02315 20210101ALI20250430BHJP

   H01S 5/0239 20210101ALI20250430BHJP

   H01S 5/22 20060101ALI20250430BHJP

   H01S 5/343 20060101ALI20250430BHJP

【ＦＩ】

H01S5/0225

H01S5/026 650

H01S5/02315

H01S5/0239

H01S5/22

H01S5/343

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021102011

(22)【出願日】2021-06-18

(65)【公開番号】P2023000926

(43)【公開日】2023-01-04

【審査請求日】2024-02-26

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２８年度国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「高出力・高ビーム品質動作を可能とする新型面発光レーザの研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願）

(73)【特許権者】

【識別番号】000005496

【氏名又は名称】富士フイルムビジネスイノベーション株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】早川 純一朗

(72)【発明者】

【氏名】村上 朱実

(72)【発明者】

【氏名】逆井 一宏

(72)【発明者】

【氏名】浜田 勉

【審査官】百瀬 正之

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２１／０１４５６８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－１４１０９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１３６６５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０４４３９６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００９－１１７６６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００２／０１７６４６３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００２－１５８３９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１１０１３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２５０８９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１５２２５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１４７１９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１１０２５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板上に実装され、さらに、延伸された方向に伝播する光を増幅する光増幅部を備え、光を前記基板に対して斜め方向に出射する光出射部を備える半導体積層構造体と、
前記基板が配置される基台と、
前記基板を前記基台に対して予め設定された角度で保持する保持部材と、
前記保持部材と前記基板の間もしくは前記保持部材の前記基板側において、前記基板に対して平行に配置され、前記基板の温度を調整する温調部と、
前記基板に対して保持され、前記半導体積層構造体から出射された光束を整形する整形光学系と、
を備えた半導体光出射器。

【請求項2】

前記半導体積層構造体における前記基板に対する光の出射角度をθ１、
前記保持部材における前記基板の保持面と前記基台に対する取付面との角度をθ２とした場合、
θ１＋θ２は、０°または１８０°である
請求項１に記載の半導体光出射器。

【請求項3】

前記半導体積層構造体と前記基板とは、前記基板に形成された電極パッドを介して電気的に接続されている
請求項１または２に記載の半導体光出射器。

【請求項4】

前記温調部は、前記半導体積層構造体と前記基板との間に配置されている
請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体光出射器。

【請求項5】

前記温調部は、前記基板における前記半導体積層構造体の保持面とは反対側の面に配置されている
請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体光出射器。

【請求項6】

前記基板は、前記半導体積層構造体の配置領域にサーマルビア部を備え、
前記サーマルビア部は、複数のサーマルビアからなるサーマルビアグループを複数備え、かつ、前記サーマルビアグループ毎に前記サーマルビアグループ内の複数のサーマルビアがベタ配線により接続されている
請求項５に記載の半導体光出射器。

【請求項7】

隣接する前記サーマルビアグループ間の間隔は、前記サーマルビアグループ内の隣接するサーマルビアの間隔よりも広い
請求項６に記載の半導体光出射器。

【請求項8】

前記サーマルビアグループ内での、前記半導体積層構造体の長手方向において隣接するサーマルビアの間隔は均等である
請求項７に記載の半導体光出射器。

【請求項9】

前記基板は、前記半導体積層構造体を制御するドライバ回路と、前記基板の温度を測定する温度測定部とを備え、
前記温度測定部は、前記基板上において、前記ドライバ回路と前記半導体積層構造体との間に配置されている
請求項５から８のいずれか１項に記載の半導体光出射器。

【請求項10】

基板と、
前記基板上に実装され、光を前記基板に対して斜め方向に出射する光出射部を備える半導体積層構造体と、
前記基板が配置される基台と、
前記基板を前記基台に対して予め設定された角度で保持する保持部材と、
前記基台に保持され、前記半導体積層構造体から出射される光の照射位置を示すための位置表示光を出射する位置表示光出射部と、
前記基板に対して保持され、前記半導体積層構造体から出射された光束を整形する整形光学系と、を備え、
前記半導体積層構造体における前記基板に対する光の出射角度をθ１、
前記保持部材における前記基板の保持面と前記基台に対する取付面との角度をθ２とした場合、
θ１＋θ２は、前記位置表示光出射部の出射光に対して、０°である
光出力装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体光出射器および光出力装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、分布ブラッグ反射鏡導波路を用いた半導体積層構造体に関連して、レーザ光を出射する光源部と、基板上に形成されるとともに、光源部から基板の基板面に沿い予め定めた方向に延伸して形成された活性領域を備え、光源部から予め定めた方向に伝播する伝播光を増幅し、増幅した伝播光を基板面に対して斜め方向に出射光として出射する光増幅部と、を有する半導体積層構造体が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２０－１３６６５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記のような半導体積層構造体が実装された基板においては、光が基板に対して斜め方向に出射する。そのため、この基板を製品筐体の基台に取り付けると、光が基台に対して斜め方向に出射されることになるため、半導体積層構造体を製品に搭載する際に、設計上使用し難いという問題がある。

【0005】

また、半導体積層構造体が実装された基板において温度むらが生じると、半導体積層構造体から出射される光の周波数や出射角度が変化してしまうため、基板の温度が均一になるように温度調整することが望まれる。

【0006】

本発明の目的は、基板に対して光が斜めに出射する半導体積層構造体であっても、半導体積層構造体を実装した基板の温度調整が可能な半導体光出射器を提供することである。

【0007】

また、半導体積層構造体から出射される光の照射位置を示すための位置表示光を出射可能な光出力装置において、基板に対して光が斜めに出射する半導体積層構造体であっても、実装された場合の位置表示機能の低下を抑制することが可能な光出力装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の第１態様の半導体光出射器は、基板と、光を基板に対して斜め方向に出射する光出射部を備える半導体積層構造体と、基板が配置される基台と、基板を基台に対して予め設定された角度で保持する保持部材と、基板に対して平行に配置され、基板の温度を調整する温調部と、基板に対して保持され、半導体積層構造体から出射された光束を整形する整形光学系と、を備えた半導体光出射器である。

【0009】

本発明の第２態様の半導体光出射器は、基板と、光を基板に対して斜め方向に出射する光出射部を備える半導体積層構造体と、基板が配置される基台と、基板を基台に対して予め設定された角度で保持する保持部材と、保持部材と基板の間もしくは保持部材の基板側において、基板に対して平行に配置され、基板の温度を調整する温調部と、を備えた半導体光出射器である。

【0010】

本発明の第３態様の半導体光出射器は、第１態様または第２態様の半導体光出射器において、半導体積層構造体は、延伸された方向に伝播する光を増幅する光増幅部を備える半導体光出射器である。

【0011】

本発明の第４態様の半導体光出射器は、第１態様から第３態様のいずれか１つの態様の半導体光出射器において、半導体積層構造体における基板に対する光の出射角度をθ１、保持部材における基板の保持面と基台に対する取付面との角度をθ２とした場合、θ１＋θ２は、０°、９０°、または１８０°である半導体光出射器である。

【0012】

本発明の第５態様の半導体光出射器は、第１態様から第４態様のいずれか１つの態様の半導体光出射器において、半導体積層構造体と基板とは、基板に形成された電極パッドを介して電気的に接続されている半導体光出射器である。

【0013】

本発明の第６態様の半導体光出射器は、第１態様から第５態様のいずれか１つの態様の半導体光出射器において、温調部は、半導体積層構造体と基板との間に配置されている半導体光出射器である。

【0014】

本発明の第７態様の半導体光出射器は、第１態様から第５態様のいずれか１つの態様の半導体光出射器において、温調部は、基板における半導体積層構造体の保持面とは反対側の面に配置されている半導体光出射器である。

【0015】

本発明の第８態様の半導体光出射器は、第７態様の半導体光出射器において、基板は、半導体積層構造体の配置領域にサーマルビア部を備え、サーマルビア部は、複数のサーマルビアからなるサーマルビアグループを複数備え、かつ、サーマルビアグループ毎にサーマルビアグループ内の複数のサーマルビアがベタ配線により接続されている半導体光出射器である。

【0016】

本発明の第９態様の半導体光出射器は、第８態様の半導体光出射器において、隣接するサーマルビアグループ間の間隔は、サーマルビアグループ内の隣接するサーマルビアの間隔よりも広い半導体光出射器である。

【0017】

本発明の第１０態様の半導体光出射器は、第９態様の半導体光出射器において、サーマルビアグループ内での、長手方向において隣接するサーマルビアの間隔は均等である半導体光出射器である。

【0018】

本発明の第１１態様の半導体光出射器は、第７態様から第１０態様のいずれか１つの態様の半導体光出射器において、基板は、半導体積層構造体を制御するドライバ回路と、基板の温度を測定する温度測定部とを備え、温度測定部は、基板上において、ドライバ回路と半導体積層構造体との間に配置されている半導体光出射器である。

【0019】

本発明の第１２態様の光出力装置は、基板と、光を基板に対して斜め方向に出射する光出射部を備える半導体積層構造体と、基板が配置される基台と、基板を基台に対して予め設定された角度で保持する保持部材と、基台に保持され、半導体積層構造体から出射される光の照射位置を示すための位置表示光を出射する位置表示光出射部と、を備え、半導体積層構造体における基板に対する光の出射角度をθ１、保持部材における基板の保持面と基台に対する取付面との角度をθ２とした場合、θ１＋θ２は、位置表示光出射部の出射光に対して、０°である光出力装置である。

【発明の効果】

【0020】

本発明の第１態様の半導体光出射器によれば、基板に対して光が斜めに出射する半導体積層構造体であっても、半導体積層構造体を実装した基板の温度調整が可能となる。

【0021】

本発明の第２態様の半導体光出射器によれば、基板に対して光が斜めに出射する半導体積層構造体であっても、半導体積層構造体を実装した基板の温度調整が可能となる。

【0022】

本発明の第３態様の半導体光出射器によれば、発光部で生じた光を増幅して出射することが可能となる。

【0023】

本発明の第４態様の半導体光出射器によれば、基台の接地面に対して垂直方向または水平方向に光を出射することが可能となるため、装置に実装し易くすることができる。

【0024】

本発明の第５態様の半導体光出射器によれば、保持部材を設けることにより、基板に対して光が斜めに出射する半導体積層構造体であっても基板に水平に実装できるため、例えばダイボンディングやワイヤボンディング等により、基板に対して半導体積層構造体を容易に実装することが可能となる。

【0025】

本発明の第６態様の半導体光出射器によれば、基板を介さずに半導体積層構造体を温調部により温度調整できるため、基板を介して温度調整する場合と比較して、半導体積層構造体の温度調整が容易となる。

【0026】

本発明の第７態様の半導体光出射器によれば、温調部を基板における半導体積層構造体の保持面とは反対側の面に配置しているため、半導体積層構造体を基板に直接実装することができるため、温調部を介して半導体積層構造体を基板に実装する場合と比較して、半導体積層構造体の実装が容易となる。

【0027】

本発明の第８態様の半導体光出射器によれば、サーマルビアにベタ配線を接続して温調部との接触面積を大きくすることにより高い放熱性を持たすことができ、かつ、サーマルビアグループ毎にベタ配線を接続し、サーマルビアグループ間にはベタ配線を設けないことにより、基板における寄生容量を抑えて、高周波特性を維持することが可能となる。

【0028】

本発明の第９態様の半導体光出射器によれば、隣接するサーマルビアグループ間の間隔を、サーマルビアグループ内の隣接するサーマルビアの間隔よりも広くして、電流のリターン経路を広く確保することにより、電磁ノイズを低減することが可能となる。

【0029】

本発明の第１０態様の半導体光出射器によれば、サーマルビアグループ内での、長手方向において隣接するサーマルビアの間隔を均等にすることにより、サーマルビアグループ内での温度ムラを抑制することができる。

【0030】

本発明の第１１態様の半導体光出射器によれば、基板上で主な熱源となるドライバ回路と半導体積層構造体との間に温度測定部を配置しているため、基板の端部に温度測定部を配置した場合と比較して、基板の温度を正確に測定することができる。

【0031】

本発明の第１２態様の光出力装置によれば、半導体積層構造体から出射される光の照射位置を示すための位置表示光を出射可能な光出力装置において、基板に対して光が斜めに出射する半導体積層構造体であっても、実装された場合の位置表示機能の低下を抑制することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】第１の実施の形態における半導体光出射器の概略構成図である。

【図2】第１の実施の形態における半導体積層構造体の平面図である。

【図3】図２に示すＡ－Ａ’線に沿った断面図である。

【図4】第１の実施の形態におけるプリント基板の平面図である。

【図5】第１の実施の形態における半導体積層構造体のドライバ回路の等価回路図である。

【図6】ドライバ回路のリターン経路において流れる電流の状態を示す図であって、図６（ａ）は一つの大きなサーマルビアグループを形成した状態を示す図、図６（ｂ）は複数のサーマルビアグループを形成した状態を示す図である。

【図7】サーマルビアグループの熱分布特性を示す図であって、図７（ａ）はサーマルビアグループ内において複数のサーマルビアを行列状に配置した状態を示す図、図７（ｂ）はサーマルビアグループ内において複数のサーマルビアを千鳥状に配置した状態を示す図である。

【図8】第１の実施の形態における半導体光出射器の変形例であり、保持部材の形状を変更した例を示す概略構成図である。

【図9】第１の実施の形態における半導体光出射器の変形例であり、保持部材の形状を図８とは別の形状に変更した例を示す概略構成図である。

【図10】第１の実施の形態における半導体光出射器の変形例であり、温調部の配置位置を変更した例を示す概略構成図である。

【図11】第１の実施の形態における別の形態の半導体積層構造体の平面図である。

【図12】図１１に示すＡ－Ａ’線に沿った断面図である。

【図13】第１の実施の形態におけるさらに別の形態の半導体積層構造体の平面図である。

【図14】図１３に示すＡ－Ａ’線に沿った断面図である。

【図15】第１の実施の形態におけるさらに別の形態の半導体積層構造体の平面図である。

【図16】図１５に示すＡ－Ａ’線に沿った断面図である。

【図17】第２の実施の形態における光出力装置の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

【0034】

［第１の実施の形態］
図１を参照して本実施の形態に係る半導体光出射器１０について説明する。図１は半導体光出射器１０の概略構成図である。

【0035】

図１に示すように、半導体光出射器１０は、プリント基板１１と、光をプリント基板１１に対して斜め方向に出射する光出射部を備える半導体積層構造体２０と、プリント基板１１が配置される基台１２と、プリント基板１１を基台１２に対して予め設定された角度で保持する保持部材１３と、プリント基板１１に対して平行に配置され、プリント基板１１の温度を調整する温調部１４と、プリント基板１１に対して保持され、半導体積層構造体２０から出射された光束を整形する整形光学系１５と、を備えている。

【0036】

半導体積層構造体２０は、光をプリント基板１１に対して斜め方向に出射する光出射部を備える半導体積層構造体であればどのような素子を用いてもよい。本実施の形態では、半導体積層構造体２０は、一例として、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）導波路を用いた面出射型の半導体積層構造体を用いる。

【0037】

図２は半導体積層構造体２０の平面図、図３は図２に示すＡ－Ａ’線に沿った断面図である。図２および図３に示すように、半導体積層構造体２０は、発光部５０と、発光部５０から延伸され、延伸された方向に伝播する光を増幅する光増幅部５２と、を備えている。

【0038】

発光部５０は、種光Ｌｓを発生する部位であり、本実施の形態ではＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）として構成されている。図３に示すように、発光部５０から発生した種光Ｌｓは、光増幅部５２に向けて伝播する。

【0039】

光増幅部５２は、発光部５０で発生した光である種光Ｌｓを増幅し、出射する機能を有する。本実施の形態に係る光増幅部５２は、一例としてＧａＡｓ系の分布ブラッグ反射鏡導波路（以下、「ＤＢＲ導波路」）を用いた面出射型の光増幅部とされている。

【0040】

半導体積層構造体２０は、ベース層３０上に形成された、下部ＤＢＲ３２、活性領域３４、非導電領域６０、上部ＤＢＲ３６、絶縁部５４、第１Ｐ電極４１、および第２Ｐ電極４２と、ベース層３０の裏面に形成されたＮ電極４０とを含んで構成されている。

【0041】

本実施の形態では、ベース層３０をｎ型のＧａＡｓ基板とし、Ｎ電極４０はベース層３０の裏面に設けられている。一方、本実施の形態に係る下部ＤＢＲ３２はｎ型であり、上部ＤＢＲ３６は全体としてｐ型である。

【0042】

下部ＤＢＲ３２は、以下で説明する上部ＤＢＲ３６と対になって、発光部５０においては光を発生させる光源を構成し、光増幅部５２においては光を増幅して出射する共振器を構成している。

【0043】

下部ＤＢＲ３２は、半導体積層構造体２０の発振波長をλ、媒質（半導体層）の屈折率をｎとした場合に、膜厚がそれぞれ０．２５λ／ｎとされかつ屈折率の互いに異なる２つの半導体層を交互に繰り返し積層して構成される多層膜反射鏡である。具体的な一例として、下部ＤＢＲ３２は、Ａｌ０．９０Ｇａ０．１Ａｓによるｎ型の低屈折率層と、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓによるｎ型の高屈折率層と、を交互に繰り返し積層することにより構成されている。

【0044】

本実施の形態に係る活性領域３４は、例えば、下部スペーサ層、量子井戸活性領域、及び上部スペーサ層を含んで構成されてもよい（図示省略）。本実施の形態に係る量子井戸活性領域は、例えば、４層のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる障壁層と、その間に設けられた３層のＧａＡｓからなる量子井戸層と、で構成されてもよい。なお、下部スペーサ層、上部スペーサ層は、各々量子井戸活性領域と下部ＤＢＲ３２との間、量子井戸活性領域と上部ＤＢＲ３６との間に配置されることにより、共振器の長さを調整する機能とともに、キャリアを閉じ込めるためのクラッド層としての機能も有している。

【0045】

活性領域３４上に設けられた非導電領域６０および導電領域５８はｐ型の酸化狭窄層、つまり電流狭窄層である。すなわち、非導電領域６０が酸化領域、導電領域５８が非酸化領域に対応している。導電領域５８と非道電領域６０との界面が酸化フロント５６を形成している。

【0046】

本実施の形態では、下部ＤＢＲ３２を構成する多層膜のうちの１層を酸化させて非導電領域６０（酸化領域）が形成され、この１層の非導電領域６０以外の領域が酸化されていない導電領域５８（非酸化領域）となっている。第１Ｐ電極４１および第２Ｐ電極４２からＮ電極４０に向かって流れる電流は、導電領域５８によって絞られる。

【0047】

なお、本実施の形態では、非導電領域６０（酸化領域）を下部ＤＢＲ３２の１層に形成する形態を例示して説明するが、これに限られず下部ＤＢＲ３２の複数層に形成する形態としてもよいし、上部ＤＢＲ３６に形成する形態としてもよい。

【0048】

上部ＤＢＲ３６は、ｐ－ＤＢＲ６６、位相制御層６４、およびｉ－ＤＢＲ６８を含んで構成されている。ｐ－ＤＢＲ６６はｐ型であるが、ｉ－ＤＢＲ６８は不純物を含まない。位相制御層６４は、ｐ－ＤＢＲ６６とｉ－ＤＢＲ６８との間に形成され、種光Ｌｓの波長と、光増幅部５２における垂直共振波長との関係を調整する層である。本実施の形態では、位相制御層６４は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）、シリコン窒化膜（ＳｉＯＮ）、あるいはＧａＡｓ等を用いて形成する。

【0049】

絶縁部５４は、発光部５０と光増幅部５２とを電気的に絶縁する層であり、本実施の形態では、一例としてイオン注入によって形成されている。

【0050】

第１Ｐ電極４１は発光部５０のＰ電極であり、第２Ｐ電極４２は光増幅部５２のＰ電極である。

【0051】

半導体積層構造体２０を駆動する際には、駆動用電源の正極を第１Ｐ電極４１および第２Ｐ電極４２に印加し、負極をＮ電極４０に印加し、第１Ｐ電極４１および第２Ｐ電極４２からＮ電極４０に駆動電流を流す。しかしながら、ベース層３０、下部ＤＢＲ３２、上部ＤＢＲ３６の極性はこれに限られず、これらの極性を逆に、すなわち、ベース層３０をｐ型のＧａＡｓ基板とし、下部ＤＢＲ３２をｐ型、上部ＤＢＲ３６をｎ型としもよい。

【0052】

ここで、本実施の形態に係る半導体積層構造体２０についてより詳細に説明する。図３に示すように、発光部５０におけるＤＢＲの両側に設けられた第１Ｐ電極４１およびＮ電極４０により活性領域３４へ電流を注入すると種光Ｌｓが発生し、発光部５０において発生した種光Ｌｓは紙面左側から右側に向かう伝播方向に伝播する。この際、伝播光は、主として下部ＤＢＲ３２、活性領域３４、導電領域５８、上部ＤＢＲ３６を、所定の分布をもって伝播する。従って、「ＤＢＲ導波路」は、これらの部分を含んで構成されている。

【0053】

ＤＢＲ導波路を用いた半導体積層構造体２０は、半導体基板であるベース層３０上に設けられた一対のＤＢＲと、一対のＤＢＲの間にある活性領域および共振器スペーサ層から構成されている。ＤＢＲに挟まれた領域は光導波路として機能し、このＤＢＲ導波路内へ入力された光は斜め方向に多重反射しながらスローライト伝播する。

【0054】

このとき、光増幅部５２におけるＤＢＲの両側に設けられた第２Ｐ電極４２およびＮ電極４０により活性領域３４へ電流を注入すると、垂直共振波長より短い波長の光が増幅され、ベース層３０の面に対して交差する方向であってかつ伝播光のＤＢＲ導波路の伝播方向前方に傾いた方向（斜め前方方向）へ増幅ビームが出力される。図３では、この出力された光を「出力光Ｌｆ」として示している。 つまり、第２Ｐ電極４２およびＮ電極４０が設けられた光増幅部５２の領域は、光導波路と光増幅部としての機能を併せ持つ。また、光増幅部５２の表面の光出射領域は、本実施の形態における光出射部５２ａとして機能する。

【0055】

図４は半導体積層構造体２０等を実装したプリント基板１１の平面図である。なお、ここでは、便宜上、プリント基板１１において、半導体積層構造体２０が実装される面を表面、表面の裏側の面を裏面と呼称する。

【0056】

プリント基板１１は、表面層、中間層、および裏面層の多層構造となっている。中間層は、ドライバ回路におけるノイズを低減するためベタグランド層となっている。この、中間層（ベタグランド層）は、表面に実装された半導体積層構造体２０に流れる電流のリターン径路となる。

【0057】

図４に示すように、プリント基板１１の表面には、半導体積層構造体２０、半導体積層構造体２０を制御するドライバＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）７０、プリント基板１１の温度を測定するサーミスタ７１、半導体積層構造体２０のドライバ回路の一部を構成するコンデンサ７２等が実装されている。本実施の形態では、一例として、ドライバ回路において、図４中の右側から左側に向けて電流Ｉが流れるものとする。

【0058】

半導体積層構造体２０とプリント基板１１とは、プリント基板１１に形成された電極パッド１１ａを介してダイボンディングにより電気的に接続されている。なお、半導体積層構造体２０とプリント基板１１との接続は、ダイボンディングに限らず、ワイヤボンディング等、どのような接続態様としてもよい。

【0059】

サーミスタ７１は、プリント基板１１上において、ドライバＩＣ７０と半導体積層構造体２０との間に配置されている。サーミスタ７１は、後述の温調部１４における温度制御に用いられる。

【0060】

また、プリント基板１１は、半導体積層構造体２０の配置領域にサーマルビア部７３を備えている。サーマルビア部７３は、複数のサーマルビア７５からなるサーマルビアグループ７４を複数備え、かつ、サーマルビアグループ７４毎にサーマルビアグループ７４内の複数のサーマルビア７５がベタ配線７６により接続されている。

【0061】

サーマルビア７５は、プリント基板１１を貫通する放熱孔であり、プリント基板１１の表面に実装された半導体積層構造体２０で発生した熱を、プリント基板１１の裏面側に伝導させるためのものである。

【0062】

ベタ配線７６は、プリント基板１１の裏面においてサーマルビア７５から伝導してきた熱を放熱するための金属層である。

【0063】

図５は半導体積層構造体２０のドライバ回路の等価回路図である。図５に示すように、ドライバ回路においては、電源８０に対して半導体積層構造体２０およびドライバＩＣ７０が直列に接続されるとともに、半導体積層構造体２０およびドライバＩＣ７０に対してコンデンサ７２が並列に接続されている。

【0064】

半導体積層構造体２０の放熱のためには、プリント基板１１を貫通するサーマルビア７５を多数設けることが好ましいが、サーマルビア７５を設けすぎると、中間層（ベタグランド層）におけるリターン経路が阻害され電磁ノイズが発生する。

【0065】

また、サーマルビア７５は、スタブとなるため、ドライバ回路においてインダクタンス成分（以後、Ｌ成分と記載）が発生する。また、ベタ配線７６は、中間層（ベタグランド層）と積層することによりコンデンサとして機能するため、ドライバ回路においてキャパシタンス成分（以後、Ｃ成分と記載）が発生する。

【0066】

これらのＬ成分およびＣ成分は、図５中で点線で示すように、ドライバ回路における寄生回路となり、半導体積層構造体２０に流れる電流を振動させてしまう。半導体積層構造体２０に流れる電流の振動は、Ｌ成分およびＣ成分共に、大きくなると増大する。半導体積層構造体２０に流れる電流が振動すると、半導体積層構造体２０の駆動特性が劣化する。

【0067】

このような問題を解消するため、本実施の形態においてサーマルビア部７３は、半導体積層構造体２０の配置領域において複数のサーマルビアグループ７４に分かれて形成されている。

【0068】

ここで、ドライバ回路のリターン経路の特性について説明する。図６はドライバ回路のリターン経路において流れる電流の状態を示す図であって、図６（ａ）は一つの大きなサーマルビアグループ１７４を形成した状態を示す図、図６（ｂ）は複数のサーマルビアグループ７４を形成した状態を示す図である。

【0069】

図６（ａ）に示す比較例のように、半導体積層構造体２０の配置領域において一つの大きなサーマルビアグループ１７４を形成すると、中間層（ベタグランド層）におけるリターン経路において、電流Ｉはサーマルビアグループ１７４を大きく迂回しなければならないため、電流Ｉの流れが阻害されて、電磁ノイズが発生する。また、サーマルビアグループ１７４内の複数のサーマルビア１７５に接続されている放熱用のベタ配線１７６の面積も大きくなるため、寄生回路にけるＣ成分が大きくなり、半導体積層構造体２０の駆動特性が劣化する。

【0070】

これに対して、図６（ｂ）に示す本実施の形態のように、半導体積層構造体２０の配置領域において複数のサーマルビアグループ７４を形成することにより、複数のサーマルビアグループ７４間を電流Ｉが通過することができるため、良好なリターン経路を確保し、電磁ノイズの発生を抑えることができる。また、サーマルビアグループ７４内の複数のサーマルビア７５に接続されている放熱用のベタ配線７６の面積も、複数のサーマルビアグループ７４を形成した方が、一つの大きなサーマルビアグループ１７４を形成する場合と比較して小さくできるため、寄生回路にけるＣ成分が小さくなり、半導体積層構造体２０の駆動特性の劣化を抑えることができる。

【0071】

なお、複数のサーマルビアグループ７４間の間隔を広くするほどリターン径路の確保が容易になるが、代わりに、半導体積層構造体２０の配置領域に形成されるサーマルビア７５の数が減って放熱特性が悪化する。そのため、複数のサーマルビアグループ７４間の間隔については、リターン径路の特性と、放熱特性とを考慮して、適宜設計すればよい。

【0072】

次に、サーマルビアグループの熱分布特性について説明する。図７はサーマルビアグループの熱分布特性を示す図であって、図７（ａ）はサーマルビアグループ２７４内において複数のサーマルビア２７５を図中縦方向および横方向ともに等間隔で行列状に配置した状態を示す図、図７（ｂ）はサーマルビアグループ７４内において複数のサーマルビア７５を千鳥状に配置した状態を示す図である。

【0073】

図７（ａ）に示す比較例のように、サーマルビアグループ２７４内において複数のサーマルビア２７５を図中縦方向および横方向ともに等間隔で行列状に配置すると、サーマルビアグループ２７４内においてサーマルビア２７５が形成された部分の温度は低くなり、サーマルビア２７５が形成されていない部分の温度は高くなる。そのため、サーマルビアグループ２７４内において温度むらが生じることになる。

【0074】

これに対して、図７（ｂ）に示す本実施の形態のように、サーマルビアグループ７４内において複数のサーマルビア７５を千鳥状に配置することにより、サーマルビア７５の配置が分散されるため、サーマルビアグループ７４内における温度むらを抑えることができる。また、サーマルビアグループ７４内におけるサーマルビア７５の配置密度も、サーマルビア７５を千鳥状に配置した方が、サーマルビア２７５を行列状に配置する場合と比較して高くできるため、サーマルビアグループ７４内における温度むらを抑えるのに有利となる。

【0075】

温調部１４は、例えば、ペルチェ素子等の温度調整素子により構成されている。温調部１４は、サーミスタ７１が計測したプリント基板１１の温度に基づいて、プリント基板１１の温度が予め設定された温度になるように不図示の制御部により制御される。

【0076】

温調部１４は、保持部材１３とプリント基板１１の間、もしくは保持部材１３のプリント基板１１側に配置されていることが好ましい。本実施形態においては、一例として、温調部１４が、プリント基板１１における半導体積層構造体２０の保持面とは反対側の面であって、保持部材１３とプリント基板１１の間に配置されている。

【0077】

整形光学系１５は、一例として、半導体積層構造体２０の光増幅部５２の延伸方向を長手方向とした場合に長手方向と直交する短手方向において正のパワーを有するシリンドリカルレンズである。整形光学系１５は、支柱１６を介してプリント基板１１に保持されている。

【0078】

図１に示すように、本実施の形態の半導体光出射器１０は、半導体積層構造体２０におけるプリント基板１１に対する光の出射角度をθ１、保持部材１３におけるプリント基板１１の保持面と基台１２に対する取付面との角度をθ２とした場合、θ１＋θ２が９０°になるように構成されている。

【0079】

本実施の形態においては、基台１２と保持部材１３とを別体で構成している。このようにすることで、θ１が変わっても、それに併せてθ２を変えることで、容易にθ１+θ２で欲しい角度、すなわち本実施の形態においては９０°に設定することができる。ただし、基台１２と保持部材１３とを一体で構成してもよい。

【0080】

本実施の形態では、一例として、半導体積層構造体２０におけるプリント基板１１に対する光の出射角度θ１は４５°であり、保持部材１３におけるプリント基板１１の保持面と基台１２に対する取付面との角度θ２も４５°である。

【0081】

このような構成とすることにより、プリント基板１１に対して光が斜めに出射する半導体積層構造体２０であっても、光を基台１２に対して垂直方向に出射されるため、半導体光出射器１０を製品に搭載にする際に、設計が容易になる。

【0082】

また、温調部１４がプリント基板１１に対して平行に配置されているため、温調部１４がプリント基板１１に対して斜めに配置されている場合と比較して、プリント基板１１の全体にわたって均一に温度調整を行うことが可能となる。

【0083】

なお、本実施の形態に係る半導体光出射器１０の変形例として、図８に示す半導体光出射器１０Ａのように、θ１＋θ２が０°になるように構成してもよい。この場合、一例として、半導体積層構造体２０におけるプリント基板１１に対する光の出射角度θ１は４５°であり、保持部材１３Ａにおけるプリント基板１１の保持面と基台１２に対する取付面との角度θ２は－４５°である。

【0084】

また、図９に示す半導体光出射器１０Ｂのように、θ１＋θ２が１８０°になるように構成してもよい。この場合、一例として、半導体積層構造体２０におけるプリント基板１１に対する光の出射角度θ１は４５°であり、保持部材１３Ｂにおけるプリント基板１１の保持面と基台１２に対する取付面との角度θ２は１３５°である。

【0085】

また、図１０に示す半導体光出射器１０Ｃのように、半導体積層構造体２０とプリント基板１１との間に配置してもよい。

【0086】

また、本実施の形態において、半導体積層構造体２０は、光増幅部５２で長手方向に伝搬して増幅された光を光出射部５２ａから出射させたが、光出射部５２ａから出射される光は増幅された光でなくてもよい。

【0087】

また、本実施の形態において、半導体積層構造体２０は、発光部５０から発生した種光Ｌｓを光増幅部５２で増幅する例を示したが、種光Ｌｓがなく、光増幅部に対して直接電流を印加することにより光増幅部の半導体の層自体が発光する光を増幅してもよい。

【0088】

また、本実施の形態において、半導体積層構造体２０は、図３のように種光の発生部を同一チップに集積したものではなく、図１１および図１２に示す半導体積層構造体１２０のように、外部から種光を導入する構成としてもよい。

【0089】

図１１は半導体積層構造体１２０の平面図、図１２は図１１に示すＡ－Ａ’線に沿った断面図である。半導体積層構造体１２０は、光結合部１５０と、光結合部１５０から延伸され、延伸された方向に伝播する光を増幅する光増幅部１５２と、を備えている。

【0090】

光結合部１５０は、図示を省略する外部光源から光ファイバ１７０を介して入力光を伝播させ、光ファイバ１７０の出力端を半導体光増幅器１２０の光源部として機能する光結合部１５０に結合させて入力光を光増幅部５２に導入している。外部光源としては例えば面型発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を用いる。光ファイバ１７０は、光の結合効率の観点から、レンズドファイバを用いてもよい。

【0091】

光増幅部１５２は、光結合部１５０において導入された種光Ｌｓを増幅し、出射する機能を有する。光増幅部１５２の表面の光出射領域は、光出射部１５２ａとして機能する。

【0092】

半導体積層構造体１２０は、ベース層１３０上に形成された、下部ＤＢＲ１３２、活性領域１３４、非導電領域１６０、上部ＤＢＲ１３６、Ｐ電極１４１と、ベース層１３０の裏面に形成されたＮ電極１４０とを含んで構成されている。図３に示す半導体積層構造体２０とは異なり、上部ＤＢＲ１３６は位相制御層およびｉ－ＤＢＲを含まない。

【0093】

活性領域１３４上に設けられた非導電領域１６０および導電領域１５８は、ｐ型の酸化狭窄層、つまり電流狭窄層である。すなわち、非導電領域１６０が酸化領域、導電領域１５８が非酸化領域に対応している。導電領域１５８と非道電領域１６０との界面が酸化フロント１５６を形成している。

【0094】

半導体積層構造体１２０は、半導体積層構造体２０と同様に、垂直共振波長より短い波長の光が増幅される。種光の波長、光出力は可変で、増幅器の最適構造、種光条件などの探索に有利である。また、半導体積層構造体１２０は、半導体積層構造体２０よりも簡素な構造であるため、一般的なＶＣＳＥＬ工程と同じプロセスで作製可能である。

【0095】

また、本実施の形態において、半導体積層構造体２０は、図１３および図１４に示す半導体積層構造体２２０、または、図１５および図１６に示す半導体積層構造体３２０のように、回折格子を利用する構成に適用してもよい。

【0096】

図１３は半導体積層構造体２２０の平面図、図１４は図１３に示すＡ－Ａ’線に沿った断面図である。半導体積層構造体２２０は、延伸された方向に伝播する光を増幅する光増幅部２５２を備えている。

【0097】

光増幅部２５２は、一般的なＶＣＳＥＬと同様に内部で発生させた種光Ｌｓを増幅し、出射する機能を有する。光増幅部２５２の表面の光出射領域は、光出射部２５２ａとして機能する。

【0098】

半導体積層構造体２２０は、ベース層２３０上に形成された、下部ＤＢＲ２３２、活性領域２３４、非導電領域２６０、上部ＤＢＲ２３６、Ｐ電極２４１、回折格子２７０と、ベース層２３０の裏面に形成されたＮ電極２４０とを含んで構成されている。

【0099】

活性領域２３４上に設けられた非導電領域２６０および導電領域２５８は、ｐ型の酸化狭窄層、つまり電流狭窄層である。すなわち、非導電領域２６０が酸化領域、導電領域２５８が非酸化領域に対応している。導電領域２５８と非道電領域２６０との界面が酸化フロント２５６を形成している。

【0100】

半導体積層構造体２２０は、半導体積層構造体２０と同様に、垂直共振波長より短い波長の光が増幅される。また、半導体積層構造体２２０においては、光出射部２５２ａに形成された回折格子２７０の構成により決定されるスローライトモードの光が出力される。半導体積層構造体２２０では、種光は必須ではなく、一般的なＶＣＳＥＬと同様に発光させ、回折格子２７０の構成により増幅する波長が決定される。

【0101】

図１５は半導体積層構造体３２０の平面図、図１６は図１５に示すＡ－Ａ’線に沿った断面図である。半導体積層構造体３２０は、発光部３５０と、発光部３５０から延伸され、延伸された方向に伝播する光を増幅する光増幅部３５２と、を備えている。

【0102】

発光部３５０は、種光Ｌｓを発生する部位であり、回折格子３７０を備えたＶＣＳＥＬとして構成されている。図１６に示すように、発光部３５０から発生した種光Ｌｓは、光増幅部３５２に向けて伝播する。

【0103】

光増幅部２５２は、発光部３５０で発生した光である種光Ｌｓを増幅し、出射する機能を有する。光増幅部３５２の表面の光出射領域は、光出射部３５２ａとして機能する。

【0104】

半導体積層構造体３２０は、ベース層３３０上に形成された、下部ＤＢＲ３３２、活性領域３３４、非導電領域３６０、上部ＤＢＲ３３６、第１Ｐ電極３４１、第２Ｐ電極３４２、イオン注入部３５４、および回折格子３７０と、ベース層３３０の裏面に形成されたＮ電極３４０とを含んで構成されている。

【0105】

活性領域３３４上に設けられた非導電領域３６０および導電領域３５８は、ｐ型の酸化狭窄層、つまり電流狭窄層である。すなわち、非導電領域３６０が酸化領域、導電領域３５８が非酸化領域に対応している。導電領域３５８と非道電領域３６０との界面が酸化フロント３５６を形成している。

【0106】

半導体積層構造体３２０は、半導体積層構造体２０と同様に、垂直共振波長より短い波長の光が増幅される。また、半導体積層構造体３２０においては、発光部３５０に形成された回折格子３７０の構成により決定される波長の光が出力される。

【0107】

［第２の実施の形態］
次に図１１を参照して、本実施の形態に係る光出力装置について説明する。図１１は光出力装置の一例としての光加工装置１００の概略構成図である。光加工装置１００は、加工対象物１１０に対して加工光を照射し、加工対象物１１０対する加工処理を行う装置である。なお、第１実施形態の半導体光出射器１０と同じ構成要素には同じ参照番号を付し、同じ構成要素についての説明を省略する。

【0108】

図１１に示すように、光加工装置１００は、プリント基板１１と、プリント基板１１に取り付けた際に、プリント基板１１に対して光を斜め方向に出射する半導体積層構造体２０と、プリント基板１１が配置される基台１２と、プリント基板１１を基台１２に対して予め設定された角度で保持する保持部材１３と、プリント基板１１に対して平行に配置され、プリント基板１１の温度を調整する温調部１４と、プリント基板１１に対して保持され、半導体積層構造体２０から出射された光束を整形する整形光学系と、基台１２に保持され、半導体積層構造体２０から出射される光の照射位置を示すための位置表示光を出射する位置表示光出射部９０と、を備えている。

【0109】

整形光学系は、一例として、半導体積層構造体２０の光増幅部５２の延伸方向を長手方向とした場合に長手方向と直交する短手方向において正のパワーを有するシリンドリカルレンズ１５ａと、シリンドリカルレンズ１５ａから出射した光を集光する集光レンズ１５ｂとを備えている。シリンドリカルレンズ１５ａは支柱１６ａを介してプリント基板１１に保持されており、集光レンズ１５ｂは支柱１６ｂを介してプリント基板１１に保持されている。

【0110】

位置表示光出射部９０は、加工対象物１１０に対して、加工光（半導体積層構造体２０から出射される光）の照射位置を示すためのものであり、例えばレーザ光源等により構成される。

【0111】

本実施の形態の光加工装置１００は、半導体積層構造体２０におけるプリント基板１１に対する光の出射角度をθ１、保持部材１３におけるプリント基板１１の保持面と基台１２に対する取付面との角度をθ２とした場合、θ１＋θ２が位置表示光出射部９０の出射光ＡＬに対して０°になるように構成されている。

【0112】

本実施の形態では、一例として、半導体積層構造体２０におけるプリント基板１１に対する光の出射角度θ１は４５°であり、保持部材１３におけるプリント基板１１の保持面と基台１２に対する取付面との角度θ２も４５°である。また、位置表示光出射部９０において出射光ＡＬは、基台１２の保持面に対して垂直方向に出射される。

【0113】

このような構成とすることにより、プリント基板１１に対して光が斜めに出射する半導体積層構造体２０であっても、位置表示光出射部９０の出射光ＡＬと平行に加工光を出射することが可能となるため、出射光ＡＬと加工光が平行でない場合と比較して、加工光の照射位置の表示精度を向上させることができる。

【0114】

また、出射光ＡＬと加工光が平行でない場合と比較して、加工対象物１１０において出射光ＡＬが示す加工位置に対して加工光を集光させやすくなるため、加工部を小さくでき、加工精度を向上させることができる。

【0115】

なお、本実施の形態では、基台１２を１つの部材で構成して、さらに基台１２の同じ面に位置表示光出射部９０と保持部材１３とを取り付けている。このような態様とすることで、基板の光出射部から出た光と位置表示光出射部９０から出た光の光軸がより平行に設定される。しかしながら、基台１２を複数の部材により構成してもよい。その場合、形状の異なる物同士を組み合わせもよいが、複数の平板で構成する方が好ましい。基台を複数の平板で構成する場合は、例えば２枚の平板を積層し、位置表示光出射部と保持部材を別々の平板に取り付けることもできる。

【0116】

以上、本発明の種々の典型的な実施形態を説明してきたが、本発明はそれらの実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。

【符号の説明】

【0117】

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 半導体光出射器
１１ プリント基板
１１ａ 電極パッド
１２ 基台
１３，１３Ａ，１３Ｂ 保持部材
１４ 温調部
１５ 整形光学系
１５ａ シリンドリカルレンズ
１５ｂ 集光レンズ
１６，１６ａ，１６ｂ 支柱
２０ 半導体積層構造体
７１ サーミスタ
７２ コンデンサ
７３ サーマルビア部
７４ サーマルビアグループ
７５ サーマルビア
７６ ベタ配線
８０ 電源
９０ 位置表示光出射部
１００ 光加工装置
１１０ 加工対象物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】