JPH05508265A - 端面発光レーザダイオードのアレーの冷却用薄板パッケージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 端面発光レーザダイオードのアレーの 冷却用薄板パッケージ アメリカ合衆国政府は、ローレンス　リバーモア　ナショナル　ラボラトリ−（ Ｌａｖ＋ｅｎｃ＋　Ｌｉｖｅ＋ｍｏ＋ｅ　！１ａｔｉｏｎａｌＬａｂｏ＋ａｌｏ Ｂ）の運営のためのアメリカ合衆国エネルギー省（Ｕ、Ｓ、Ｄｅｐａ＋＋ｍｅｎ ｔ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇ７）とカルフォルニア大学（ｌｌ’ｎ１ｖｅ＋ｓｉ＋ｙ　 ａｔ　Ｃａ１ｉｆ＋ｎ１ａ）とのあいだの契約（契約番号Ｗ−７４０５−ＥＮＧ −４８）により本発明における権利を有する。

本発明はレーザダイオードと、レーザダイオードのアレーと、さらに動作中にレ ーザダイオードを冷却する装置に関する。とくに、本発明は能動的に冷却され、 高い平均インテンシテイ−（ｉｎＴｅａ＋ｉ＋７）を有するレーザ出力をもたら すレーザダイオードのアレーに関する。その主題において本発明は、１９９０年 ７４６日アメリカ合衆国特許商標局に出願された「レーザダイオードアレー冷却 用モジュラ−パッケージ」という名称の特許出願（出願番号３１１５４９５０９ 号）と関連している。

関連技術の説明 レーザダイオードは、従来のレーザの中で多大な進歩をとげてきた。レーザダイ オードは小さくコンパクトで、電気的エネルギーをレーザのエネルギーに変換さ せるのに有効であり、信頼性がある。しかしながら、レーザダイオードが高い平 均パワーで動作されるとき、小さい体積で相当な量の熱を発生し、そのためダイ オードの温度が上昇し、波長の変化や効率の損失といったマイナスの効果をもた らす。もし温度が充分に上昇するならば、ダイオードパッケージの破壊がお二り うる。したがって、レーザダイオードの現在の使用は一般的に、低い平均パワー を要求する適用に限定されている。

レーザダイオードは発光ダイオード（ＬＥＤ；ＬｉｇｈｔＥｍｕ口Ｂ　Ｄｉ＋＋ ａｅ）とい（つかの類似点を有する。典型的なレーザダイオードは、ガリウムヒ 素（ＧａＡｓ）のような半導体材料からなり、ｐｎ接合を有するように製造され る。簡潔にいえば、ｐｎ接合における電界発光はｐｎ接合を横断して電気的流れ が加えられた結果であり、半導体材料のバンド特性と関連している。これらのバ ンド特性の結果、電子はホール（電子の欠損）と結合し、発光をもたらす再結合 の状態となる。典型的ＬＥＤでは、電流の増加の効果は発光を伴う再結合の割合 を、発光を伴わない再結合の割合よりも充分増加させることである。

レーザダイオードは、ｐｎ接合の両端上のＬＥＤ面（反射面）において追加的な 特徴を有する。これらの面はｐヤビテイ−（ｌａｓｅｒ　ｃａｖｉｔ７１を構成 して０る。

レーザ放射（ｌａｔｅｒｒａｄｉａｔｉｏｎ）は教育）医学翫軍事１研究および 他の、電磁放射の導入が利益となるような任意の分野など広範囲にわたる多様な 学問分野において適用されている。

他のレーザと比較すれば、レーザダイオードは複数の特徴で区別しつる。１つの 顕著な特徴はレーザダイオードのサイズである。レーザダイオードは、巨大なガ スチューブおよびゃブルースターウィンドウ（Ｂｒｅｖ＋＋ｅｒｗｉｎｄｏｗ） 　、鏡、スペーシャルフィルター（ｘｐａｔｉｘｌｆｉｌｔｅｒ）　、レンズな どの特殊な光学器具を必要とするガスレーザのような他のレーザデバイスよりず っと小さいパッケージのなかで製造されつる。

レーザダイオードの他の頭蓋な特徴は、その大刀した電力から出力レーザのイン テンシテイ−への変換効率である。他のレーザが１０％から１％未満の効率を有 するのに対して、レーザダイオードはすでに５０％がそれ以上の、電気エネルギ ーからレーザエネルギーへの効率を達成しうる。たとえば、他のレーザによって 達成された最高の効率はＣＯ２レーザによって獲得されたものであり、１０％の 効率を獲得しうる。それらの高い効率にもかかわらず、レーザダイオードは主に 熱の散逸のせいで高パワーの応用にはまだ応用されていない。銅蒸気レーザのよ うな他の高パワーレーザは、１％かそれ未満の効率である。レーザダイオードの 追加的な顕著な特徴には制御信号への応答が速いことと設計の単純性がある。レ ーザダイオードの製造は当業者には知られており、複数の型のレーザダイオード を製造する可能性が存在する。

レーザダイオードの１つの型は端面発光レーザダイオード−しばしば「レーザダ イオードバー（ｂａｒ）Ｊとよばれるーである。これらのダイオードはその端部 の長さに沿ってレーザ光を発光する。たとえば、端面発光レーザダイオードは１ ｃｍの長さで　０．３ｉｍの幅の発光端を有するビームを出力しつる。典型的に は、端面発光レーザダイオードは、ブロックの端から端までの平面内に形成され るｐｎ接合と有するただ１つのＧａＡｓのブロックから製造され、当該面はｐｎ 接合によって構成される平面の端部に対向して位置づけられる。ｐｎ接合のおの おのの側には導電部が形成され、その結果電流が加えられたとき電流がｐｎ接合 を通って伝達する。電流はｐｎ接合を横断して反転分布を形成し、レーザ（ｆａ ｔｉｎｇ）効果がおこりつる。

熱の発生はいかなるレーザダイオードにとっても出方インテンシテイ−に直接関 連している。さらに、高インテンシテイ−の出力がダイオードに加えられる大き な電流からもたらされる。ダイオード中の熱の発生に通じる基本的メカニズムは 、ダイオードの連続的な抵抗と放射を伴わない再結合である。連続的抵抗は半導 体材料の抵抗と接触抵抗を有しており、それらは電流が流れるあいだに熱を発生 する。電流が加えられたとき、合計して１２Ｒに比例する熱（流）束の熱を抵抗 は発生させる。

この熱発生のため、ダイオードの出力インテンシテイ−における基本的な制限は 、移動（ｐＩｌｍｐｉｎｇ）過程で発生する熱によって確立された温度である。

最大の効率のためにはダイオードは２５℃以下の温度を有しなければならない。

ダイオードの信頼できる、長寿命の動作のためには、実質的な効率損失を伴わな ければ温度は５０’Ｃ未満でもよい。５０℃を少しでも超える温度は効率および 信頼性に実質的影響を及ぼし、ダイオードの耐用年数を短縮する。さらに、より 高温では出力光の波長がシフトする。

高温は、レーザダイオードにおける欠点の増大を促進し、効率を低下させる。低 下した効率を補償するために高い電流を加えてもよいがそのとき、より多くの熱 を発生し、より多くの欠点の拡大およびより多くの効率損失を促進する。もしダ イオードがその最適温度またはそれに近い温度に維持されるならば、当該ダイオ ードはその最大の効率および寿命を有し、一定波長を放射するだろう。

高い平均出力パワーを発生する一方で、ダイオードの温度を許容しうるレベルに 低下させるためにはダイオードはしばしば、動作時間の一部のあいだのみダイオ ードに電流が加えられるというパルスモードで動作される。

このモードにおいては、電流がオフになっている時間中に熱は散逸する機会を有 する。動作のパルスモードにおいて、ダイオードがパルスされる時間のパーセン トを描いた図形が「デユーティ−サイクル（ｄｕｔｙ　ｃｙｃｌｅＮである。た とえば１％のデユーティ−サイクルは、１ｏｏサイクル中たた１度だけ電流で動 作するダイオードに対応する。典型的には、レーザダイオードは１％のデユーテ ィ−サイクルでかつ単位長さく　１　ｃｍ）当たり５０アンペアの電流を供給さ れて動作される。しかしながら、なんらかの格別な冷却が利用できるならば、よ り高いデユーティ−サイクルか達成されうる。もしより実質的な冷却が利用でき るなら、最適電流レベルに対して、連続的な（連続波（ＣＷ））動作かえられる 。冷却の問題はレーザダイオードのアレーにはとくに重要である。

レーザダイオードのアレーはたがいに近接して位置づけられた複数のレーザダイ オードを含有している。レーザダイオードアレーは積層式構成やモノリシック（ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ）表面発光構成などの多様な構成で製造されうる。「ラッ クおよび積層Ｊ　ｆ＋ａｃｋ　ａｎｄ　１ｌａｃｋ）構造における一形態として はレーザダイオードが、あるレーザダイオードが他のレーザダイオードの頂部上 に位置づけられる積層構造をとる。別の形態としてはすなわち、モノリシック表 面発光構成では、複数の端面発光レーザバーが熱伝導性の材料の表面上に、リフ レクタ−と４５°の角度で隣接して位置づけられる。このようにして、レーザダ イオードバーからのレーザ放射は、はじめにブロックの表面に沿った方向に放射 されるが、ついでブロックの表面上の角度をっけたりフレフタ−によって上方に 反射される。

レーザダイオードのアレーの特徴は、近接してパックされたレーザダイオードか ら発生される高インテンシテイ−の出力である。ダイオードアレーの他の利点は 、出力ビームの面積がただ、アレー面積を増大させることによって拡大されうろ ことである。さらなる高インテンシテイ−をうるためにアレー状のレーザダイオ ードはおたがいに近接して位置づけられなければならない。しかしながら、返書 な配置の結果として、おのおののレーザバーからの熱（流）束は隣接するレーザ のバーの熱（流）束を伴って増大し、積極的な冷却がなくては、温度は急速に上 昇しうる。高出力パワー（高インテンシテイ−で長いデユーディーサイクル）に おいて、おのおののダイオード中で発生される熱（流）束の量は、相当なものに なる。

結果として、ダイオードアレーの平均出力インテンシテイ−は、実質的にその吸 熱能力によって制限される。

周囲空気の冷却のみを利用すると平均パワー出力は、損傷温實の確立を防止する のに満足なレベルの電流とデユーティ−サイクルを維持することによって制限さ れなければならない。出力パワーと出力パルス持続時間とのあいだにトレードオ フ（＋ｒａｄｅｏｆｆ）が存在する。すなわち、長いデユーティ−サイクルは低 電流によって安定に保たれなければならず、逆に高電流は短いデユーティ−サイ クルによって安定に保たれなければならない。ダイオードアレー中の熱（流）束 は高出力の期間中には相当なものになる。付加的な冷却なしには高い平均パワー で動作されるレーザダイオードアレーは急速な温度上昇をひきおこし、装置の損 傷に通じうる大きな熱（流）束および前述の問題に関連した温度を発生度する。

したがってさらなる高インテンシテイ−の出力は、一般的にもっと効率的な冷却 システムを必要とするであろう。

冷却の目的に有益な２つの実行値は熱抵抗と均一温度である。熱抵抗は冷媒注入 口温度と比較した、レーザ接合における温度上昇としてＷ（ワット）／ａｍ”の 熱負荷により定義される。熱負荷の結果と効果は既知であり、上記ですでに議論 されている。

温度の均一性は、熱が加えられる表面を横断した最大温度変化の基準である。温 度の均一性の欠如は、冷媒の加熱および熱の経路と熱抵抗の変化によってひきお こされつる。高パワーレーザダイオードアレーのような適用のためにはヒートシ ンクは、高い平均パワーの動作によって生産された熱の大部分を消費するために 充分に低い均一温度および熱抵抗の数値を有しなければならない。

これらの高パワーの適用において、もし、熱抵抗およびできるならば、出力レー ザパワーのワットあたりのコストは著しく低下するであろう。

高い平均パワーのレーザダイオードアレーに出現する他の問題は、熱膨張の不一 致である。材料の熱膨張率は、温度変化によってひきおこされた材料の膨張の程 度を表す。もし２つの、熱膨張の不一致を有する材料が互いに結合されているな ら、温度変化が一方の材料の、または他方の材料の構造のクラックの発生に至る 結果になるかもしれない。あるいは、２つの材料が充分に接合されないという結 果になるかもしれない。ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）は従来の、レーザダイオード 用の材料であり、その熱膨張率はたとえばシリコン（Ｓｉ）や他の多くの材料の 熱膨張とことなっている。

低い均一温度、熱抵抗、および熱膨張の不一致に関する問題は積層アレーに関し て存在する。これらの問題にとりかかるには熱伝導性の、似た膨張率を有する材 料が「ラックおよび積層」構成のダイオードバーのあいだにおかれることが提案 されている。熱伝導性材料は、銅またはゼネラルエレクトリック社（Ｇｅｎｅｒ ａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）生産のサームコン（Ｔｈｅｒｍｋｏｎ）　（登録商標 ）のような銅−タングステン合金でもよく、それはＧａＡｓの熱膨張定数と一致 している。このように材料は余分な熱を吸収するように厚くされる。しかしなが ら、銅またはサームコンの熱コンダクタンスは、高いデユーティ−サイクルでの 動作では重要でない。他の、ラックおよび積層構成に使用される生成物は酸化ベ リリウム（Ｂ　ｅ　Ｏ）であり、それはさらに低い熱コンダクタンスを有してお り、それゆえさらに小さなデユーティ−サイクルを可能にした。Ｂｅ０はその熱 膨張がＧ　ａ　、Ａ　ｓの熱膨張と一致しており、それゆえ高温での動作中であ っても構造的に１７つかりしたパッケージを供給するため使用される。またダイ アモンド材料がラックおよび積層構成に使用されることも提案されている。ダイ アモンドは高い熱伝導性を有するが、ダイヤモンドの硬度により製造が困難でコ スト高である。

熱膨張不一致は単一材料が使用されるときには問題ではない。たとえば、もし冷 却パッケージがシリコンなどの単一の材料で形成されるならば、その材料は均等 に膨張し構造上の保全（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）は危機にさらされはしないだろう 。このように、単一の材料で構成された冷却パッケージを用意することが好まし い。

さらに、冷却パッケージが可能な限り薄いと有利である。与えられたいかなる長 さの冷却パッケージ中においても、冷却器の薄さがより多くのパッケージを共に 動作させることを可能にする。おのおのの冷却器は連結されたレーザダイオード を有し、このようにして与えられた長さの冷却パッケージが多ければ、それだけ 一層大きいインテンシテイ−の出力レーザ光に転換する。

マイクロチャネル（ｍｉｃ＋ｏｃｈａｎｎｅｌ）冷却器（すなわち、その中にお いてエツチングされたマイクロチャネルを有するシリコンウェハー）が集積回路 を冷却するために使用されている。しかしながら、シリコンをシリコンに結合さ せる方法は一般的に非効率的であり、そのため、たとえばシリコンガラスなどの 中間層を必要とする。もしアレーが、シリコンをシリコンに結合させるのに好適 である方法で設計されうるならば、このようなレーザダイオードアレーは、パル スされた固体状態のレーザの有効なポンプ源としての応用を含む複数の使用法を 有するであろう。

マイクロチャネル冷却技術をレーザダイオードに応用するさいの問題は、強力で 有効な冷却を小さいパッケージ中に与えることを含む。冷却の問題は複雑であり 、冷媒を大きな流量でマイクロチャネルに供給することと、冷媒をマイクロチャ ネルに均一に分配し、ダイオードのバーに沿って著しい温度勾配が存在しないよ うにすることに関する問題を含んでいる。このようにして、効果的な冷媒分配シ ステムが開発されなければならない。従来のマイクロチャネル技術は、冷媒をシ リコンウェハ一層に供給するのに向けられており、このように従来の冷媒分配シ ステムはまだ、ウェハ一端部に隣接した効果的な冷却を供給するようには設計さ れていない。もし冷媒分配システムが端部の近くでも効果的に冷却され、その結 果ダイオードの基板が端部に近接して据え付けられうるならば有益であるだろう 。アレー内にダイオードをたがいに近接して、および端部に近接して据え付ける ことによって高インテンシテイ−の出力が与えられる。加えて、アレーの端部に 据え付けられたダイオードはより容易に、光フアイバーレンズで連結されうる。

さらにもう一つの、従来のレーザダイオードアレーのである。従来のレーザダイ オードアレーは、非機能的な、そうでなければ動作しないレーザダイオードの交 換が困難であるか、あるいは不可能であるような方法でたがいに構造的に連結さ れた複数のレーザダイオードからなっている。この不利益はとくに、レーザダイ オードアレ−の製造において深刻である。つまり、設置前におのおののレーザダ イオードを検査することが困難なのである。

もし、非機能的レーザダイオードが、このように構造的に連結されたダイオード アレーの製造後に発見されたならば、全アレーが廃棄または相当なコストをかけ て再製造されたことだろう。端面発光レーザダイオードバーを有するパッケージ およびレーザダイオードが高い平均パワーで動作されうるようにレーザダイオー ドからの熱の相当な量を除去しうるヒートシンクを備えることが有益であるだろ う。もしレーザダイオードアレーが、複数の類似したレーザダイオードおよび互 換性があり容易に交換しうる冷却パッケージからなり、その結果もし特定のパッ ケージが動作不能あるいは品質が低下したばあい、そのパッケージは残りのダイ オードアレーに影響を及ぼすことなしに低コストで容易に交換しうるならば有益 であるだろう。

発明の概要 本発明はレーザダイオードアレーの冷却装置を提供する。本発明は、小さな領域 に大量の冷却を与えるダイオード冷却アセンブリーからなる。ダイオード冷却ア センブリーは薄く、そしてそられは高い平均出力インテンシテイ−を有する構造 を与えるために、１つが他の頂部に位置しなから近接して積み重ねられうる。ア センブリーは容易な修理と交換を促進するため容易に交換することができ、互換 性がある。さらにより多くのあるいは少ない出力エネルギーを与えるためには積 層のサイズは、ダイオード冷却アセンブリーを追加あるいは除去することによっ て容易に変えられうる。本発明の原理を利用するとレーザダイオードアレーは、 高インテンシテイ−で延長された期間のあいだ動作されつる。レーザの動作モー ドは長いデユーティ−サイクルを含むかまたは連続的動作でさえありうる。

本発明はレーザダイオードおよび１つの端部に隣接して位置づけられたレーザダ イオードを有するコンパクトな薄板アセンブリー中で連結された冷却手段からな る。

アレー中ではこのような薄板アセンブリーのいかなる個数でもたがいに固定され 、あるものは他のものの頂部に積み重ねられうる。このアレー中でアセンブリー は、そのおのおのの中のレーザダイオードがきわめて近接して位置づけられ、高 インテンシテイ−の出力を複数のアセンブリーの広さの領域にわたって供給でき るように緊密に隣接して連結されうる。好ましい実施例において、板状アセンブ リーは、銀メッキした銅で充填されたシリコンエラストマーのような伝導性材料 からなる薄いガスケットによって分離されている。薄いガスケットは電流径路と 同様にアセンブリー間に防水シールを与える。

アセンブリー内の冷媒分配システムは有効な、制御された均一な冷却をもたらす 。アセンブリーは、レーザダイオードバーと平行に走りアセンブリ一端部ときわ めて緊密に位置づけられつるマイクロチャネルを含む。マイクロチャネルヒート シンクが端部に緊密に隣接していることは、レーザダイオードバーが端部に緊密 に位置づけられることを可能にする。ダイオードをアレー中に近接して据え付け ることは高インテンシテイ−の出力をもたらす。

各々の板状アセンブリーは３つのウェハーからなる。

ウェハーはマイクロチャネルのシステムを有する基板、該基板中に形成され、ア センブリー内に冷媒を分配するｉＩｔ（ｇｚｏｖｅ）とスロットからなる。ウェ ハーは、注入通路Ｉ（ｃｏｔｒｉｄｏｒ）と注出通路を構成する複数個の孔を有 する。

注入および注出通路は、アレーを貫通して延びており、従来の冷媒循環システム に連結されている。

動作中、冷媒は注入通路の中へ、そして該注入通路を通って流れる。冷媒は中間 部と下部ウェハーのあいだの溝を通り、そして中間部ウェハーの中のスロットを 通って誘導される。スロットは頂部の層の下方のマイクロチャネルに垂直に隣接 して位置づけられる。レーザダイオードに隣接して位置するマイクロチャネルは 、冷媒がレーザ動作によって生じた熱を吸収するヒートシンクを形成する。加熱 された冷媒は隣接したスロットによってマイクロチャネルから除去される。スロ ットは、逆に注出通路に接続している中間部および下部のウェハーのあいだの溝 に接続している。

注入スロットは冷媒を上方に流し、マイクロチャネルに注入し、そうすることに よって高い冷却能力と、および冷媒−マイクロチャネルの境界面における効率的 な熱交換をもたらす。さらに、注入路（ｐａ＋＋ａｇｅｗａｙ）に関しては注入 スロットの断面を狭くすることによって冷却能力は高められる。狭い断面は、冷 媒の流れにベンチュリー（Ｙｔｎｌｕ＋ｉ）効果をひきおこす。つまり冷媒の速 度は、それが注入路から注入スロット、さらにマイクロチャネルに流れる当該注 入路が広いほど大きくなる。したがって冷媒は、より効率的な冷却のためにより 大きな速度でマイクロチャネルに注入される。

アセンブリー中の３つのウェハーすなわち、頂部ウェハー、中間部ウェハー、お よび下部ウェハーは、好ましくはシリコンのような単一の材料からなる。シリコ ンは廉価で、従来の技術を使用して薄いウェハーに切断されうる。そしてスロッ ト、溝およびマイクロチャネルを形成するために切断、エツチングされつる。本 明細書に記載された方法を使用して、シリコンウェハーは薄いアセンブリーを形 成するためたがいに結合されうる。レーザダイオードはマイクロチャネルの冷却 効果のおかげで低温を維持する一方で、高インテンシテイ−のため緊密に隣接し て位置づけられつるので、薄さは有益である。さらなる利点として、同一材料で 形成された隣接するウェハーは、同一の熱膨張率、熱膨張における構造的保全を 促進する特性を有する。

本発明は高出力固体レーザ用光学的ポンプとしての利用を有する。レーザダイオ ードを用いた、レーザ効果を発生しつる材料のポンピングは、固体レーザをポン ピングする従来からの選択であるせん光電法（ｊｌｘ＋ｈｌａｍｐ）　と比較す ると実質的な利益をもたらす。もし適度に冷却されるなら、レーザダイオードは きわめて長い寿命を有し、長時間にわたる動作において信頼性がある。さらなる 利点としてレーザダイオードは、固体レーザ効果を発生しうる材料の吸収ピーク と一致させられつる、単一の放射周波数を出力できる。さらに、レーザダイオー ドにおける電気的エネルギーから光学的エネルギーへの変換はきわめて効率的で ある。レーザダイオードはほんの少しの電圧と電力しか必要としない。それに比 較すれば、せん光電法はそれほど効率的でなく、高出力と高電圧の電気的エネル ギーを必要とする。このように、本発明は効率的高出力固体レーザの基礎を提供 する。

本発明はサイズの小さい、必要なエネルギーの低い、効率的な光源を提供する。

そのレーザポンプとしての使用に加え、本発明は通信装置やセンサーなどの器具 に組み込まれうる。このように本発明は軍事および宇宙にかんする応用を含む、 空間的束縛とエネルギーの制限を有するいかなる応用にも有用である。

図面の簡単な説明 図１は、レーザダイオードパーと冷却手段を含む薄板アセンブリーの透視図およ びアセンブリーの部分断面図を示す。

図２は、互いに連結された複数の薄板アセンブリーからなるダイオードアレーの 透視図である。

図３は、レーザダイオードパーが据え付けられた頂部ウェハー、中間部ウェハー 、そして下部ウェハーからなる３枚のウェハーの構造を説明している薄板アセン ブリーの分解図である。

図４は、側面と前面の端部が切断された薄板アセンブリーの断面図である。

図５はアセンブリーを通る冷媒の流れを説明するために側面から見たアセンブリ ーの断面図である。

図６はアセンブリーを通る冷媒の流れを説明するために正面から見たアセンブリ ーの断面図である。

図７は上部から透視してアセンブリーを通る流れを図示するダイヤグラムである 。

発明の詳細な説明 本発明は、同一部分は同一の数字で一貫して作成されている図を参照することに よってもっともよく理解されるだろう。この節では一般的な説明からはじまり、 ついで一般的な説明がその中で展開されるもう少し特殊な説明、そして好ましい 実施例が、さらに詳細に説明される。

一般的説明 図１は、レーザダイオードパー１１２が頂部表面１１３上に据え付らえたコンパ クトな薄板アセンブリー１１０を示している。電流は従来の電源＋１４によって レーザダイオード）＜−１１２に供給される。レーザダイオードパー１１２は、 照射されたレーザ光１１８が最上面１１３によって実質的に遮断されないように 端部１１６に隣接して位置づけられる。好ましくは、レーザダイオードパー１１ ２はその発光端１１５が端部１１６と一線上になるように位置づけられる。レー ザダイオード１１２によって発生した熱は、ダイオードパー１１２と隣接して形 成されたマイクロチャネル１２Ｇへと流れる。冷媒は熱を除去するためマイクロ チャネル１２０を通らしめられる。水などの冷媒はアセンブリー　１１０を通っ て、図２においてブロック状に示した従来の冷媒循環システム１２２によって移 動される。

これらの複数のアセンブリー１１０が図２に図示されるようにアレー１２３を形 成するため積み重ねられつる。アセンブリー１１０はクランプ２３０のような固 定手段によって互いに固定されてもよい。これらのアセンブリー　１１０ａ　− 、１ｌＯｂ　ｓ　１１０ｃは図２に図示されるのが、他の実施例中ではアレー１ ２３はいかなる個数のアセンブリー１１０からなっていてもよい。アレー１２３ 中でアセンブリー１１０は、レーザダイオードパー１１２がきわめて緊密に位置 し、したがって高インテンシテイ−のレーザ出力１１８ａ　１１１８ｂ　５１１ ８ｃをアレー１２３によって構成される領域上に供給するように緊密に隣接して 連結される。

図３に図示されるように、おのおののアセンブリー１１０は、そのおのおのが好 ましくはシリコン基板からなる３つの分離したウェハー１３０．１３２．１３４ から構成される。ウェハー１３０．１３２．１３４のおのおのは、ウェハを貫い て延びる、列１３７中に形成されている複数の注入孔１３６および列１３９中に 形成されている複数の注出孔１３８を有する。列１３７．１３９はレーザダイオ ードパー１１２の長さに平行に形成されている。孔１３６は注入通路１３７を構 成し、孔１３８は、注出通路１４２を構成する。冷媒循環システム１２２（図２ ）はこれらの通路１４０．１４２を通って冷媒の流れを供給する。

頂部ウェハー１３０の下側は、レーザダイオードパー１１２と実質的に平行に形 成された複数のマイクロチャネル１２０からなる。マイクロチャネルは図１．４ ．５．６、および７に示される。マイクロチャネル１２０は頂部ウェハー１３０ の下側にレーザダイオードパー１１２と隣接してヒートシンクを形成する。マイ クロチャネル１２０を通って流れている冷媒はレーザダイオードパー１１２によ って発生された熱を吸収する。

図１および４に示されるように中間部ウェハー１３２と下部ウェハー１３４は、 複数の注入路１５０および注出路１５２からなる。注入路＋５０は、注入通路１ ４０とマイクロチャネル１２０のあいだに冷媒の流れを供給し、注出路１５２は 、冷媒の流れを注出通路１４２とマイクロチャネル１２０のあいだに供給する。

好ましい実施例中では住人出路！５０．１５２は中間部ウェハー１３２中に形成 された複数のスロット１５４．１５６　（図３および４に示される）からなる。

スロット１５４．１５６は実質的に、頂部ウニ／％　−１３０中のマイクロチャ ネル１２Ｇに垂直となるように形成される。中間部ウェハー１３２の下側もまた 、注入および注出通路１４０．１４２と、各々のスロット１５４．１５６のあい だに拡がっている複数の溝＋５８．１５９からなる。中間部ウェハー１３２と下 部ウェハー１３４がたがいに結合されるとき、住人出路１５０．１５２は溝１５ ８．１５９、下部ウェハー１３４の隣接する部分、およびスロット＋５４．１５ ６によって構成される。

アセンブリー１１０のアレー１２３において、図２に図示されるようにマイクロ チャネルヒートシンク１２０の冷却作用による低温を維持する一方で広い領域に わたり高インテンシテイ−の出力をつるためレーザダイオードパー１１２は緊密 に隣接して位置づけられつるので、ウェハー１３０．１３２．１３４の薄さは有 益である。説明のためにアセンブリー１１０は直方体の形態で現れているが、好 ましい実施例中ではアセンブリー１１０はきわめて薄い。すなｍｍ、レーザダイ オード＋１２に関しては０．１ｍｍの高さであり、アセンブリー１１０の高さは たった１、４■である。

より詳細な説明 図１に示されるように本発明は、１１０で一般的に示される、レーザダイオード パー１１２がその上に据え付けられたコンパクトな薄板アセンブリーからなる。

レーザダイオードバー１１２はいかなる個数の、商業的に利用されつる半導体レ ーザダイオードパーからなっていてもよく、西ドイツのシーメンス　ＡＧ　オブ 　ムーニツヒ（Ｓｉｅｍｅｎｓ　ＡＧ　ｏｆ　１ｌｕｎｉｃｈ）やカルフォルニ ア州のアプライド　ソーラー　エネルギー　コーポレーション　オブシティー　 オブ　インダストリー（Ａｐｐｌｉｅｄ　ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙ　Ｃａｒｐ、 ｏｆ　Ｃ１ｔ７　ｏｆ　ＩｎｄｏｓＨ７）などの製造業者から入手できる。

製造業者から未加工のダイオードブロックが入手されるとき、そのブロックは典 型的には、平面中の正方形−面に形成され、正方形の表面に対し平行なｐｎ接合 を伴ったガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などの半導体材料の正方形の薄片からなる。

さらに半導体中の結晶軸は端部に対し直角になるように形成される。この正方形 ダイオードを使用し、個々のダイオードパーは、まずはじめに正方形半導体材料 の端部に刻み目を固定された間隔でつける従来のひ−かき具を使用して形成され る。刻み目をガイドとして利用し、正方形は結晶軸に沿って正方形を従来の分割 具によって分割することにより複数のバーに分離される。バーはさいごにいかな る有機材料の痕跡も、容易に除去されうる灰の中に方向転換させる従来のプラズ マ灰みがき（ｐｌａｓｍａ　ａｓｈｉｎｇ）によって洗浄される。滑らかなファ セット［Ｉａｃｅｔ）がこのプロセスで形成され、さらに従来の技術によって反 射するように形成される。好ましい実施例中では出力ファセットはＡｌ２Ｏ３の 一波長半の薄さでコートされ、後部ファセットは　ＴｉＯ２／５１０２の８層か らなる、１／４波長の積層でコートされる。

再び図１に言及すると、レーザダイオードパー１１２は、照射されたレーザ光１ １８が実質的に頂部表面１１３によって遮断されないように端部１１６に隣接し て位置づけられる。好ましくはダイオードバー１１２の発光端１１５は、端部１ １６に隣接して位置づけられる。レーザダイオードパー１１２は従来のインジウ ムのハンダなどの従来の方法を使用して頂部ウェハー１３０に結合される。好ま しい結合技術においてレーザダイオードパー１１２は、ウェハー１３０上に形成 された濃縮されたインジウムのハンダにバー１１２を長さ分を押しつけて密着さ せるエラストマ一端部を有するクランプ（図示されない）によって、頂部つ！バ ー１３Ｑに固定される。バー１１２　とウェハー１３０ハついでハンダが融解す るほど充分に加熱され、さらにハンダは冷却され、機械的電気的結合を形成する 。ダイオードパー１１２は図中では半導体材料の単一の長いバーとして図示され ているが、実際の応用においては２つまたはそれ以上の別々のもっと短い半導体 材料のバーであり、端と端をつないで置かれ、単一のより長いバーのかわりに使 用されつる。

図１および５に関しては、従来の電源１１４はレーザダイオードパー１１２に電 流を供給する。アセンブリー１１０中では、電流は頂部ウェハー１３０上に設け られた第１の電極１６０と下部ウェハー１３４上に設けられた第２の電極１６２ を通って分配される。図示のための第１の電極１６０は陽電極１６０と仮定され 、第２の電極１６２は陰電極［６２と仮定され、さらに電流が陽から陰に流れる ことが仮定される。

動作中、図５に関して図示されるように電流は陽極１６０へ、さらに頂部ウェハ ー１３０の頂部表面に沿って、金属化された部分１６４を経由して流れる。金属 化された部分１６４および他の全ての金属化された部分は好ましくは金の導電層 からなる。好ましい実施例中では薄い（ＩＯＧＯＡ）チタンの層がウェハー１３ ０上に直接形成され、薄い（１０［１０Ａ　）プラチナの層がチタンの頂部に形 成される。ついで金の導電層が、電流を伝達するのに充分な、たとえば１．５ミ クロンの薄さでプラチナの頂部に形成される。レーザダイオードパー１１２が頂 部ウェハー１３０と連結するところにおいて、頂部ウェハー１３０とレーザダイ オードｔ＜−１１２の間に連結を与えるために、もう−っの１００ＯＡのチタン かプラチナの層が金の導電層の頂部に形成され、金の薄層（１０００人）がチタ ンまたはプラチナの頂部に形成され、インジウムのハンダが金の薄層の頂部で濃 縮される。

頂部ウェハーの頂部表面は、金属部分１６４とレーザダイオードの下方に位置づ けられた金属部分１７２のあいだの電流の流れを妨げる非導電性の電気的な遮断 １６６を有する。この電気的遮断１６６の上方で好ましくは金のワイヤである一 連の配線１６８が、金属部分１６４を、レーザダイオードパー１１２の頂部に配 置された極板１６９と電気的に連結する。

レーザダイオードバー１１２中では電流は、レーザ放射１１８の発射をひきおこ すため半導体接合を通って電流を供給しながら、頂部極板１６９と下部極板１７ Ｇのあいだを流れる。電流の流れを方向を前章中での議論と一致すると仮定する と、レーザダイオードパー１１２の、上部極板１６９は陽極であり、下部極板１ ７０は陰極である。レーザダイオードパー１１２の下部極板１７０は頂部ウェハ ー１３０中の金属部分１７２　と電気的に連結している。このようにして、電流 は下部極板１７０から金属表面１７２へと流れ、１７２は頂部ウェハー１３［１ のコーナーで連続しており、中間部層１３２の金属部分１７３と接触し、１７３ は逆に下部層１３４の金属部分１７４　と接触しており、１７４は陰電極１６２ と連結される（図１）。このようにして電流径路はレーザダイオードパー１１２ から、アセンブリー１１０の正面端１１１１６に沿って与えられ、頂部ウェハー １３０の金属部分１７２、中間部ウェハー１３２の金属の正面端部１７３および 下部ウェハー１３４の金属部分１７４を含んでいる。

所望のインテンシテイ−のレーザ出力を選択するため電源１１４は所望の出力イ ンテンシテイ−をアレー１２３中のおのおののダイオードに与えるレベルの電流 を供給するように動作される。図２に図示されるように、複数の板状アセンブリ ーＩｌＯがたがいに積み重ねられているが、電流径路を隣接するダイオードアセ ンブリー１１［１のあいだに与えるためには少なくとも１つの金属クリップ１２ ６が隣接するアセンブリー１１０のおのおののあいだに配置されつる。たとえば 、アセンブリー１１０ａと隣接アセンブリー１１０ｂのあいだに配置された金属 クリップ１７６ａは、板状アセンブリー　１１０ａの下部金属表面１７４　ａを その下の板状アセンブリー　１１０ｂの金属部分１６４ｂと電気的に連結してい る。複数のこのようなりリップ１７５が板状アセンブリー１１０のおのおののあ いだに連結されるとき、レーザダイオードパー１１２は電気的に連続して連結さ れる。もう一つの好ましい実施例ではもしダイオードアセンブリー１１Ｑのあい だのガスケットが、防水シールと同様に電流径路を与える導電性エラストマーで 形成されるならば、クリップ１７６は必要ではない。

水などの好適な冷媒はアセンブリー１１０を通り、従来の冷媒循環システム１２ ２によって分配される。好ましい実施例の板状アセンブリー１１０は、ネスラブ 型の冷却装置（Ｎｅ＋ｌａｈ　ｃｈｉｌｌｅｒ）からなる冷媒循環システム１２ ２　と共に、冷媒循環のための圧力を与える５５９日の圧力で動作されている。

しかしながら、板状アセンブリー１１０はさらなる高圧にも耐えるようテストさ れており、したがって冷媒循環システム１２２はさらにすぐれた冷媒能力のため ５５ｐＩｉ　よりも高い圧力で使用されうる。

図２中で冷媒循環システム１２２はヘッダー（ｈｅａｄｅｒ）１７８に連結され ている。注入マニホールド（ｍａｎｉｆｏｌｄ）１８０と注出マニホールド１８ １は、冷媒循環システム１２２と通路＋４０．１４２　（図１）のあいだに冷媒 を供給するヘッダー１７８のなかに形成される。防水シールを形成するため薄い ガスケット　１８２ａがヘッダー１７８と頂部パッケージ１１０ａとのあいだに 配置される。好ましくはヘッダー１７８とガスケット　１８２ａの両方が電流の 流れに対し伝導性の材料からなり、このようにして電極１６０はヘッダー１１８ と直接に連結されてもよく、クリップ１７６の必要性をとり除いている。たとえ ば、ヘッダー１７８はステンレス鋼または銅からなっていてもよく、さらにガス ケツｈ　１８２ａは銀メッキした銅粒子などの伝導性材料で充填されたシリコン のエラストマーからなっていてもよい。

シリコンエラストマーはケンタラキー州のシール　グループ　オブ　ザ　パーカ ー　ハニフィン　コーポレーション　オブ　レフシントン（Ｓｅｘｌ　Ｇ＋ｏｖ ｐ　＋＋ｆ　ｔｈｅ　Ｐａｃｋｅｒｌ（ａｎｎｉｌｉｎ　Ｃｏ＋ｐｏ＋ａ目ｏｎ 　ｏｆ　ＬｅｘｉｎＢｏｎ）やニューヨークのＳＡＳインダストリーズ　オブ　 マノーヴイル（ＳＡＳＩｎｄｔ＋＋＋ｒｉｅ＋　ｏｆ　Ｍａｎｏ「ｖｉｌｌｅ） から入手できる。ガスケット１８２ａは鋳造されるかまたはシートから切断され てもよい。他の実施例中では、もしガスケット　１８２ａが伝導性であることを 要求されていないならば、それはボアテックス（Ｇｏｒｅ−Ｎｘ）　（登録商標 ）などのようなテフロン（Ｔｅｆｌｏｎ）　（登録商標）材料からなっていても よい。アレー１２３の下部においてプレート１８３は冷媒の流れを通路１４０． １４２内に封印するため配置される。ガスケット１８２ｄはプレート１８３　と 隣接するダイオードアセンブリー１１０ｃのあいだに位置づけられ、好ましくは ガスケット１８２ｄは銀メッキされた銅粒子で充填されたシリコンエラストマー などの伝導性材料からなる。プレート１８３はステンレス鋼または銅などの伝導 性材料からなっていてもよく、電極１６２はそれに直接連結されていてもよい。

ガスケット　１８２ｂ、１８２ｃは防水シールを設けるためにアセンブリー１１ ０のおのおののあいだに配置される。

好ましくは、ガスケット　１８２ｂ、１８２ｃのおのおのは銀メッキされた銅粒 子で充填されたシリコンエラストマーなどのような伝導性材料からなり、このよ うにして各ダイオードアセンブリー１１０のあいだに電路を与える。もしガスケ ット　１８２ｂ、１８２ｃが伝導性を要求されていないならば、それらはボアテ ックスのようなテフロン材料からなっていてもよい。ガスケット　１ｇ２ｂ、１ ８２ｃはアセンブリー１１０がたがいに緊密に隣接して位置づけられるように、 薄い（たとえばＯ，Ｏｌ［１インチ）のが好ましい。

結果としてレーザダイオードパー１１２はきわめて緊密におかれ、アレー１１１ は高インテンシテイ−のレーザ出力を供給できる。

アセンブリー１１０がアレー１２３中で一線上になるとき、ウェハー１３０．１ ３２．１３４が、注入通路１４０と注出通路１４２とを構成する孔＋３６．１３ ｇからなっている図２と３が関係づけられる。図２で図示されるアレー１２３中 で複数のアセンブリー１１０を固定する手段はクランプ２３０である。従来のい かなるクランプでもよいが、好ましくはクランプ２３０はガスケット１８２を水 平に押さえつける。

アレ−１２３上部のヘッダー１７８とアレ−１２３下部のプレート１８３のあい だの電流の流れを妨げるためにはクランプ２３０は非伝導性であることが好まし い。他の実施例（図示されない）ではアレー１２３は、当該アレーを貫いて延び る１または２以上のボルトのような、ことなる固定手段を有してもよい。

図３に図示されるように、各アセンブリー１１０　は、３つの分離したウェハー １３０．１３２．１３４から構成されている。互いに結合されているとき、ウェ ハー１３０　、＋３２．１３４は、必要不可欠な冷却路を当該アセンブリー中に 有するアセンブリー１１０を形成する。３つの各ウェハー１３０．１３２．１３ ４は好ましくはシリコン基板からなる。

各ウェハー１３０．１３２．１３４は薄く、レーザダイオードパー１１２のおの おのを、広い領域にわたって高インテンシテイ−の出力をつるために緊密に隣接 して位置づけている。シリコンウェハー１３０　、１３２．１３４は好ましくは 静電的な補助なしで直接的な熱結合プロセスによって互いに結合される。シリコ ンの直接結合とは、２つのことなるウェハーが室温で接触され、単一片を形成す るため火炉（１２００℃）中で焼なましされるプロセスのことである。はじめの 段階で、各ウェハー１３０．１３２．１３４は適当なスロット、マニホールド、 およびマイクロチャネルを備えるため精密に機械加工され、５１３Ｎ４のマスク で化学的に“湿った”状態であり、さらに３１３Ｎ４は除去される。変更したＲ ＣＡ除去はＨＦ干衡溶液へ浸すことを省略して実施される。１５分間の脱イオン 水による洗浄ののち直ちにウェハー１３０５１３２．１３４は回転式洗浄／乾燥 器におかれる。回転式洗浄／乾燥器からの排出水の抵抗率の設定値は、最大の水 の表面反射率を保証するには１４ＭΩ・ｃｍより大きくなければならない。つい でウェハー１３０．１３２．１３４は表面がまだ反応しているうちに直ちに一線 上におかれ、結合される。結合されるべき表面は高度に（ｈｉｇｈｌｙ）平面的 でなければならない。すなわち、２つのウェハーが束ねられるとき表面は緊密に 隣接しているので平面的であることが重要である。表面は必ずしも平らである必 要はないが、しかしながら平面的な表面を用意することは２つのウェハー間のよ り強い接着力に通じる。はじめに、２つの表面の接触は無粒子の環境でなされな ければならない。つまり、マイクロメーターの範囲の粒子は平均直径がミリメー ターの範囲の空隙を形成しつる。ウェハー１３０．１３２．１３４はクラス１０ ０のクリーンルームで結合されなければならない。排気ツウイーザー（Ｖａｃｕ ｕｍ　ｔｖｅｅｘｅｒ）がウェハー１３０．１３２．１３４を処理するために使 用されなければならない。結合されるウェハーの粗アライメントを与えるために 従来のアライメントジグが使用される。アライメントジグはテフロンからなり、 ウェハーの対応する孔に隣接して位置づけられた排気孔を有する。洗浄後、２． ３のウェハーが排気装具の上におかれる。好ましくはどちらのウェハーも、正確 なｘ−ｙをうるためその周辺上においてエツチングを施したアライメント平面と 回転アライメントを有する。ウェハーが位置づけられたのちそれらは接触される 。ついでウェハーをたがいにさらに緊密にするため排気が適用される。室温にお ける弱い結合の現象は、排気なしでも出現するであろうが、排気を使用するとプ ロセスの収量が増加するということが特記されてもよい。

排気は約５分間装具上で保持される。一度つエバーが束ねられると赤外線イメー ジング（ＩＲｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｆｆｌａｇｉｎｇ）が結合の質をモニ ターするために使用されてもよい。

はじめの弱い結合段階ののち、焼なましが１２００℃の温度で５分間、乾燥Ｎ２ でとりまいて実施される。束ねられたウェハーは、火炉中の水平の位置に３イン チのウェハーを保持するよう設計された水晶ホルダー中におかれる。焼なましの のちウェハーの結合は炭素スキャン音響マイクログラフ（Ｃ−ｓｃａｎ　ａｃｏ ｕｓｔｉｃ　ｍｉｃ＋Ｂ＋ａｐｈ）によって観察されうる。

図３に図示されるように３つのウェハー１３０　、１３２．１３４のおのおのは 、長方形の穴！３６．１３８の複数の組からなる。孔＋３６．１３８は注入列１ ３７と注出列１３９の２列に位置づけられる。孔１３６　、＋３８はたがいに一 線上におかれ、その結果アレー１２３（図２）中では孔１３６．１３ａは複数の 注入通路１４０と注出通路１４２を構成する。注入列１４０中の孔１３６は冷媒 の各アセンブリー１１０への入口のため、注入通路１４０を構成する。注出列１ ３９中の孔１３８は注出通路１４２を構成する。

図１と図４を比較すると、図４は図１に示されるアセンブリー１１０の部分の拡 大である。頂部ウェハー１３０の下面は、レーザダイオードパー１１２に隣接す る複数のマイクロチャネル１２０からなる。好ましい実施例中で、マイクロチャ ネル１２０は、レーザダイオードパー１１２の長さ方向に平行となるようにウェ ハー１３０中に形成される。

マイクロチャネル１２Ｇは、材料を結晶軸に沿ってエツチングする従来の異方性 エツチング技術によって形成されうる。

中間部ウェハー１３２の頂部表面は、頂部ウェハー１３０中のマイクロチャネル １２［１に垂直に形成された複数のスロット１５４からなる。スロット１５４は 従来のエツチング技術を使用して中間部ウェハー１３２中に形成される。

中間部ウェハー１３２の下面は複数の溝１５８　、＋５９からなり、それらはウ ェハー１３４の頂部表面に包囲されるとき、各通路１４０．１４２に連結してい る注入孔路１５０．１５２を各スロット１５４．１５６　とともに構成する。と くに、−組の溝＋５８は注入孔１３６から対応するスロット１５４まで延びてお り、第２組の溝１５９は注出孔１３８から対応するスロット１５６まで延びてい る。溝１５８．１５９は好ましくは長方形をなし、および各々がその対応するス ロット１５４．１５６より広い幅を有する。

動作中の冷媒の流れは図２．４．６、および７を参照して図示される。冷媒循環 システム１２２（図２）は、すべての注入通路１４０（図７）に連結される注入 マニホールド１８０に冷媒を供給する。各注入通路１４０中の冷媒は、加圧下で 注入路１５０を通り、ついでその対応する注入スロット１５４へと流れる。たと えば注入通路１４０ａ中の加圧された冷媒は注入路１５０ａへ流入される。注入 路　１５０ａの他端では、スロット　１５４ａ　（図６および７参照）が冷媒を 上方へ、そして頂部ウェハー１３０の下方のマイクロチャネル１２０の内部へと 誘導する。とくに、注入スロツト１５４は、高い冷却能力と充分なマイクロチャ ネルの利用のため、マイクロチャネル１２０の内部深くに冷媒を誘導する。さら に、冷却能力は注入スロット１５４の断面が注入路１５０と比較すると狭いこと によって高められる。

狭い断面は、ベンチュリー効果をひきおこす。つまり、冷媒速度はそれが広い注 入路１５Ｇから注入スロット１５４へ入り、ついでマイクロチャネル１２Ｇ内へ 流れるにつれて増加する。したがって、冷媒はさらに効果的な冷却のため注入ス ロットから上方へ、そしてマイクロチャネル１２０内へさらに速度を上げて注入 される。

冷媒は熱をマイクロチャネル１２０から、該冷媒がマイクロチャネルを通って流 れるにつれ、吸収する。加熱された冷媒はそののち、注入と注出スロット　１： ＋４ａｓ　１５６ａのあいだで圧力が異なるため、隣接スロット　１５６ａ内に 流れこむ。冷媒はスロット　１５６ａを通り、注出路　１５２ａ内へと流れる。

注出路１５２ａの他端では注出通路　１４２ａは加熱された冷媒を受け取り、そ れは注出マニホールド１８１（図２）を通って出て行く。

アレー１２３において注入通路１４０と注出通路１４２は、アレー１２３中の全 ての板状アセンブリー１１０に共通であり、このようにして、ただ１つの冷媒循 環システム１２２がアレ−１２３全体に必要であることが明白である。

総括すると、図２．６および７に図示されるように、冷媒径路は注入マニホール ドｔａ＋＋から注入通路１４Ｑへと、注入路１５０と対応するスロット１５４を 通って与えられ、それらは、熱がレーザダイオードパー１１２から吸収されるマ イクロチャネルヒートシンク１２０内へと冷媒を上方に分配する。ついで冷媒は 、加熱された冷媒を注出通路１４２へ誘導する注出路１５２へと、隣接するスロ ット１５６を通って送られる。冷媒は注出マニホールド１８１から冷媒循環シス テム１２２へ流れてもよい。通路１４０　、１４２は各々「注入」、「注出」通 路と命名されているが、冷媒はアセンブリー１１０と通っていずれの方向にも流 されうる。本発明では冷媒の流れの方向に留意しない、好適な冷却を提供する。

アセンブリー１１０は図示のために直方体で表わされているが、好ましい実施例 中ではアセンブリー１１０ははるかに薄く、したがって互いに緊密に置かれつる 。結果として本発明は連続的にまたは高い平均出力で維持されうる高インテンシ テイ−の出力を供給する。

たとえば、ウェハー１３０　、１３２．１３４はすでにおのおの０．０１７イン チ（０，４３ｍｍ）の厚さで製造されている。たがいに連結されるとき、３つの ウェハーＮｏ　、１３２．１３４は結合した０、０５１インチ（１，３０ｍｍ） の厚さを有する。

レーザダイオード１１２は０．００４インチ（０，Ｉｍｍ）の厚さであってもよ く、かつガスケット１Ｂ２の合計の厚さは０．０６５インチ（１，６５ｍｍ）で ある。この図はアレー１２３中の隣接するレーザダイオード１１２のあいだの分 離手段である。これらの図はただ図示の目的用であり、他の実施例中では実際の 厚さはそれより小さくてもよく、また大きくでもよい。

本発明はパルスモードで、あるいは連続してきわめて高い平均出力でレーザダイ オード１１２を動作するのに充分な冷却を提供する。本発明は高出力固体レーザ 用ポンプとしての応用を有する。本発明を従来の方法に組み込むことによって有 効で廉価であり、現在使用されているレーザと比較するとサイズの小さい高出力 レーザが生産されうる。

本発明は、その精神と実質的な特性から逸脱することなしに、他の特殊な形態に 実施されうる。記述された実施例は、すべての点において単なる説明として考慮 されるべきであり、これに限定されるものではなく、シたがって本発明の範囲は 前述の記述よりむしろ添付した請求項によって指摘される。請求項と均等の範囲 内で現れるあらゆる変更が、それらの範囲内で採用されるべきである。

ＦＩＧ、２ ０　へ　豐 ｗｓｔ’ｌ　ド） ＦＩＧ、７ 要　約　書 複数の板状アセンブリーおよびおのおののアセンブリーの能動的冷却を含むレー ザダイオードが開示されている。レーザダイオードアレーは、長いデユーティ− サイクルで作動されてよい。レーザダイオードバーおよびマイクロチャネルヒー トシンクは、コンパクトに熱的に接続されており、薄い板状のアセンブリーは当 該アセンブリーの一端に隣接して位置づけられたレーザダイオードバーを有して いる。アレーにおいては、多くの薄板状アセンブリーがたがいに積み重ねられ、 緊密に隣接して固着されているので、レーザダイオードは近接して離間される。

冷却手段はレーザ動作によって発生される熱を吸収するためにレーザダイオード バーに接近したマイクロチャネルヒートシンクを含んでいる。当該マイクロチャ ネルに冷媒を供給するために、おのおのの薄板アセンブリーは、当該マイクロチ ャネルと注入および注出通路とを連結する注入路を有している。各注入路は、冷 媒を前記マイクロチャネルに導き、通過する流速を増大させる狭いスロットを有 してもよい。前記通路はアレー内の各アセンブリーを通して延びる孔を有してい る。前記注入および注出通路は、従来の冷媒循環システムと接続される。能動的 冷却器付きのレーザダイオードアレーは、高出力固体レーザ用の光ポンプとして の適用、または光ファイバーレンズ付きのダイオードと組み合せる応用が可能で ある。さらに、アレーは空間の制限とエネルギーの制限を有する適用に有益であ り、軍事および宇宙への応用にも有益である。アレーは通召装置およびセンサの ような装置にも組み込まれつる。

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. １．循環システムで移動される冷媒で能動的にダイオードを冷却する装置であっ て、該装置は前記ダイオードに熱的および電気的に接続された板状アセンブリー からなり、さらに該アセンブリーは、 前記冷媒によって能動的に冷却される復数のマイクロチャネルと、 前記アセンブリーに冷媒を供給するための複数の注入通路と、 前記アセンブリーから冷媒を除去するための複数の注出通路と、 前記注入通路の１つと１または２以上のマイクロチャネルとのあいだに冷媒の流 れを供給するために設けられ、前記アセンブリーを構成する複数の注入路と、前 記注出通路の１つと１または２以上のマイクロチャネルとのあいだに冷媒の流れ を供給するために設けられ、前記アセンブリーを構成する複数の注出路を含み、 前記マイクロチャネルは、熱がダイオードとマイクロチャネル間を伝達されるよ うに前記ダイオードに接続されてなる装置。
2. ２．前記ダイオードが、アセンブリー端部に隣接して位置づけられ、前記アセン ブリーに接続された端面発光レーザダイオードバーからなる請求項１記載の装置 。
3. ３．前記板状アセンブリーがさらに、 機械的にダイオードに接続され、マイクロチャネルからなる頂部ウエハーと、下 部ウエハーと、および該頂部ウエハーと下部ウエハーとのあいだに結合されてな る中間部ウエハーからなるアセンブリーであって、前記中間部ウエハーおよび下 部ウエハーの隣接部分が、前記マイクロチャネルと注入および注出通路とのあい だに冷媒の流れを供給する注入および注出路を構成する請求項１記載の装置。
4. ４．前記頂部、中間部および下部の層がシリコン材料からなる請求項３記載の装 置。
5. ５．前記ダイオードが、前記アセンブリー端部に隣接して位置づけられ、該アセ ンブリーに接続されてなる端面発光レーザダイオードバーからなる請求項３記載 の装置。
6. ６．前記頂部ウエハーが、長軸を有するマイクロチャネルからなり、前記マイク ロチャネルの長軸が、前記ダイオードバーの発光端と隣接するアセンブリー端部 と平行に該マイクロチャネルが形成されてなる請求項５記載の装置。
7. ７．前記注入路のおのおのが、前記マイクロチャネルの独立部分に冷媒を分配す るために位置づけられ、かつ少なくとも１つの注出路が、前記注入器と隣接して 位置づけられ、その結果当該注出路が冷媒を前記独立部分から除去しうる請求項 ６記載の装置。
8. ８．前記注入路のおのおのが注入溝および注入スロットからなり、該注入溝が、 前記注入通路から該注入スロットへ冷媒を伝えるために位置づけられた注入路を 構成するために前記下部ウエハーの隣接部分に包囲され、前記中間部ウエハーの 下面に形成される溝であって、該注入スロットが、注入スロットを通って流れる 冷媒が速度を増し、それゆえ冷媒が前記マイクロチャネルに加速されて注入され るように、前記注入溝の流れ断面よりも小さい冷媒の流れ断面を有し、該マイク ロチャネルの長軸と実質的に垂直をなす注入スロットであり、さらに、前記注出 路おのおのの注出溝と注出スロットからなり、該注出溝が、前記注出通路から該 注出スロットへ冷媒を伝えるために位置づけられた注出路を構成するため前記下 部ウエハーの隣接部分に包囲され、前記中間部ウエハーの下面に形成される溝で あって、前記注出スロットが前記中間部ウエハーに形成され、前記スロットが前 記注出路と前記マイクロチャネルとのあいだに冷媒を伝える位置に形成され、前 記注出スロットが前記マイクロチャネルの長軸と実質的に垂直をなすスロットで ある請求項７記載の装置。
9. ９．循環システムによって移動される冷媒によってダイオードを能動的に冷却す るための板状アセンブリーであって、該板状アセンブリーは、前記ダイオードと 熱的および電気的にされ、さらに該板状アセンブリーは、前記冷媒によって能動 的に冷却される複数のマイクロチャネルと、 前記アセンブリーに冷媒を供給するための複数の注入通路と、 前記アセンブリーから冷媒を除去するための複数の注出通路と、 前記注入路の１つと１または２以上のマイクロチャネル間に冷媒の流れを供給す るために位置づけられた、前記アセンブリーを構成する複数の注入路と、それぞ れ１つの前記注出通路と１または２以上の前記マイクロチャネルとのあいだに冷 媒の流れを供給するために位置づけられ、前記アセンブリーを構成する複数の注 出路を含み、前記マイクロチャネルは、熱がダイオードと、マイクロチャネル間 を伝達されるように前記ダイオードに接続されており、 前記注入路のおのおのが、冷媒を前記マイクロチャネルに注入するため位置づけ られた注入スロットを有しており、前記冷媒スロットが前記注入路に対して狭い 断面を有しており、その結果前記注入路から狭い断面を通って冷媒が流れるにつ れて速度をまし、それにより該冷媒を前記マイクロチャネルに加速して注入する 装置。
10. １０．おのおのの注入スロットが、前記マイクロチャネルの独立部分に冷媒を分 配するために位置づけられており、かつ、冷媒を前記独立部分から除去しうるよ うに、少なくとも１つの前記注出路が、前記注入スロットに隣接して位置づけら れる請求項９記載の装置。
11. １１．板状アセンブリーがさらに、 機械的にダイオードに連結され、前記マイクロチャネルからなる頂部ウエハーと 、 下部ウエハーと、 該頂部ウエハーと下部ウエハーとのあいだに結合されてなる中間部ウエハー からなり、該中間部ウエハーおよび下部ウエハーの隣接部分が、前記マイクロチ ャネルと前記注入および注出通路とのあいだに冷媒の流れを供給する注入および 注出路を構成する請求項９記載の装置。
12. １２．冷媒循環システムによって能動的に冷却される複数の板状アセンブリーか らなるレーザダイオードのアレーであって、該アセンブリーが前記アレーを形成 するため積み重ねられており、当該アセンブリーがおのおのさらに、 熱的および電気的に前記アセンブリーに連結され、前記板状アセンブリー上に設 けられたダイオードと、冷媒によって能動的に冷去される複数のマイクロチャネ ルと、 前記アセンブリーおよび冷媒循環システム間に冷媒の流れを供給する複数の注入 通路と、 前記アセンブリーおよび冷媒循環システムへ冷媒の流れを除去する複数の注出通 路と、 １つの注入通路および１または２以上のマイクロチャネル間に冷媒の流れを供給 するために位置づけられた、前記アセンブリーを構成する複数の注入路と、その おのおのが、前記注出路の１つおよび１または２以上のマイクロチャネル間に冷 媒の流れを供給するために位置づけられた、前記アセンブリーを構成する複数の 注出路を含み、前記マイクロチャネルは、熱が該ダイオードとマイクロチャネル とのあいだに伝達されるように該ダイオードに熱的に連結されてなる、レーザダ イオードのアレー。
13. １３．前記ダイオードが前記アセンブリーの端部に隣接して位置づけられ、該ア センブリーに連結されてなる端面発光レーザダイオードバーからなる請求項１２ 記載の装置。
14. １４．さらに、隣接する板状アセンブリー間に位置づけられた複数の伝導性ガス ケットからなる請求項１２記載のレーザダイオードアレー。
15. １５．前記各アセンブリーの複数の注入通路が、該通路を通る冷媒の流れのため 互いに一直線状に置かれ、前記各アセンブリーの複数の注出通路が、該注出通路 を通る冷媒の流れのため互いに直線上に置かれるように前記アセンブリーが一直 線上に置かれ、およびさらに冷媒循環システムヘの複数の注入通路に連結する注 入マニホールドと、そして 冷媒循環システムヘの複数の注出通路に連結する注出マニホールドからなるアセ ンブリーである請求項１２記載のレーザダイオードアレー。
16. １６．各アセンブリーがさらに、前記各ダイオードを通って電流を伝達する手段 からなる請求項１２記載のレーザダイオードアレー。
17. １７．前記板上パッケージのおのおのが、第１の極を有するレーザダイオードの 第１電極と電気的に連結された、その最上面上に第１電気的導体からなり、さら に前記パッケージのおのおのが、第１と反対側の第２の極を有するレーザダイオ ードの第２電極と電気的に連結された、下面上の第２電気的導体からなる請求項 １６記載のレーザダイオードアレー。
18. １８．各板状パッケージが、前記レーザダイオードヘの伝導電流のための第１の 金属表面および該レーザダイオードからの伝導電流のための第２の金属表面から なり、およびダイオードアレーが、さらに、複数の導電体からなり、導電体のお のおのは、隣接するパッケージが電気的に結合され、前記電気的な連結が、前記 おのおののパッケージの第２の金属表面および隣接パッケージの第１金属表面の あいだに存在するように隣接パッケージ間に位置づけられる請求項１７記載のレ ーザダイオードアレー。
19. １９．各板状のアセンブリーが、さらに、前記マイクロチャネルからなり、機械 的に前記ダイオードに連結された頂部ウエハーと、 下部ウエハーと、および 該頂部ウエハーおよび下部ウエハー間で結合された中間部ウエハーからなり、前 記中間部ウエハーが下部ウエハーと共に、前記マイクロチャネルおよび前記注入 および注出通路とのあいだに、冷媒の流れを供給する前記注入および注出路を構 成する請求項１２記載のアレー。
20. ２０．前記頂部、中間部、および下部ウエハーがシリコン材料の基板からなる請 求項１９記載のレーザダイオードアレー。
21. ２１．前記ダイオードが、アセンブリー端部に隣接して位置づけられ、該アセン ブリーに連結された端面発光レーザダイオードバーからなる請求項１９記載の装 置。
22. ２２．前記頂部ウエハーが、長軸を有する前記マイクロチャネルからなり、該マ イクロチャネルが、ダイオードバーの発光端に隣接するアセンブリー端部と平行 になるように該マイクロチャネルの長軸が形成されてなる請求項２１記載のレー ザダイオードのアレー。
23. ２３．各注入路が、前記マイクロチャネルの独立部分に冷媒を分配するため位置 づけられ、かつ少なくとも１つの前記注出路が前記注入路に隣接するよう位置づ けられ、その結果当該注出路が前記独立部分から冷媒を除去しうる請求項２２記 載の装置。
24. ２４．各注入路が前記注入溝および注入スロットからなり、該注入溝が、前記注 入通路から該注入スロットに冷媒を伝えるため位置づけられた該注入路を構成す るために前記下部ウエハーの隣接部分に包囲され、前記中間部ウエハーの下面に 形成されてなり、前記注入スロットが該中間部ウエハーに形成され、前記スロッ トが該注入路とマイクロチャネルとのあいだに冷媒を伝える位置に形成され、当 該注入スロットが、注入スロットを通る冷媒の流れが速度を増し、それゆえ冷媒 が加速してマイクロチャネルに注入されるように、前記注入溝の流れ断面より小 さい流れ断面を有し、前記マイクロチャネルの長軸と実質的に垂直をなす請求項 ２３記載の装置。