CN105210246A - 半导体激光器装置 - Google Patents

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Abstract

在设副固定件厚度为t时，在多个开口部(10a、10b)中的至少1个开口部的开口端与副固定件(8)端的水平方向最短距离x是，且与开口部不同的其它开口部中的至少1个是。

Description

半导体激光器装置
技术领域
本发明涉及在投影仪装置等的光源中采用的半导体激光器装置。
背景技术
在投影仪装置或投影电视机等显示彩色图像的装置中，作为光源需要R(红)、G(绿)、B(蓝)这3个颜色的光源。有时采用发光效率高的半导体激光器元件作为该光源。作为半导体激光器的特征之一，可举出输出光的相位一致即相干性高，但这会产生在投射面上出现斑点图案的所谓斑点噪声(specklenoise)的问题。
因此，作为降低该斑点噪声的1个方法，采取了通过混合多个波长来降低相干性的手段。
以往，作为通过使这样的多个波长同时振荡来降低斑点噪声的装置，存在这样的装置，其具有产生波长λ1的激光的半导体激光器和产生与波长λ1不同的波长的波长λ2的激光的半导体激光器。因为波长λ1与波长λ2存在几nm～十几nm左右的差异，所以，难以用肉眼来区分两者的波长差，看起来是同色的光。另一方面，可获得利用相干性的降低来减小斑点噪声的效果。
另外，作为获得多个波长的方法，如专利文献1或专利文献2所示，还具有在1个衬底上使多个有源层结晶成长的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-95736号公报
专利文献2：日本特开2004-47096号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在上述现有的具备不同波长的半导体激光器的装置中，需要制作波长不同的半导体激光器元件。这里，因为通过变更发光层即有源层的材料组成或膜厚来使半导体激光器的振荡波长变化，所以，需要分别实施结晶成长。此外，还需要组装多个半导体激光器元件，因此，具有元件的制作成本或组装成本上升的问题。
另外，如专利文献1或专利文献2所示，当在1个衬底上进行多个有源层的结晶成长时，需要多次实施结晶成长，而且在使1个有源层成长之后，需要去除其一部分，或者在使1个有源层进行结晶成长时，需要采用选择成长法等来设置不进行结晶成长的区域。但是，在这些方法中需要复杂的工艺，所以，无法避免成本上升和合格率的恶化。
本发明是为了解决此问题而完成的，其目的是提供能够廉价且容易地抑制斑点噪声的半导体激光器装置。
解决问题的手段
本发明的半导体激光器装置在散热器上接合有水平方向的热传导率为kx、垂直方向的热传导率为ky的副固定件，在该副固定件上以使具有有源层的一侧朝向所述副固定件侧的方式安装有在单个激光器元件中具有基于多个开口部的多个发光区域的激光器元件，在设所述副固定件的厚度为t时，所述多个开口部中的至少1个开口部的开口端与所述副固定件端的水平方向最短距离x是且与所述开口部不同的其它开口部中的至少1个是
发明效果
因为本发明的半导体激光器装置定义了多个开口部的开口端与副固定件端的距离，所以，可获得能够廉价且容易地抑制斑点噪声的半导体激光器装置。
附图说明
图1是本发明的实施方式1的半导体激光器装置的结构图。
图2是示出利用热仿真来求出本发明的实施方式1的半导体激光器装置中的有源层温度的结果的说明图。
图3是示出利用热仿真来求出本发明的实施方式1的半导体激光器装置中的副固定件的热传导率不同时的有源层温度的结果的说明图。
图4是用于说明本发明的实施方式1的半导体激光器装置中的临界点存在的理由的结构图。
图5是示出本发明的实施方式1的半导体激光器装置中的波长测定的结果的说明图。
图6是归纳地示出本发明的实施方式1的半导体激光器装置中的波长测定的结果的说明图。
图7是本发明的实施方式2的半导体激光器装置的结构图。
图8是示出利用热仿真来求出本发明的实施方式2的半导体激光器装置中的有源层温度的结果的说明图。
图9是示出利用热仿真来求出本发明的实施方式2的半导体激光器装置中的副固定件厚度不同时的有源层温度的结果的说明图。
图10是用于说明本发明的实施方式2的半导体激光器装置中的临界点存在的理由的结构图。
图11是示出本发明的实施方式2的半导体激光器装置中的波长测定的结果的说明图。
图12是归纳地示出本发明的实施方式2的半导体激光器装置中的波长测定的结果的说明图。
具体实施方式
以下，为了更详细地说明本发明，根据附图来说明用于实施本发明的方式。
实施方式1.
图1是本实施方式的半导体激光器装置的结构图，示出了从前面观察半导体激光器装置的状态。
图示的半导体激光器装置由n型GaAs衬底1、n型AlInP包覆层2、有源层3、p型AlInP包覆层4、SiN绝缘膜5、p侧电极6、n侧电极7、副固定件(submount)8、散热器9构成。
n型GaAs衬底1的厚度约为100μm，n型AlInP包覆层2的厚度为1.5μm，有源层3是利用两层的200μm厚的无掺杂AlGaInP光引导层来夹住10nm厚的无掺杂GaInP发光层的结构，形成了量子阱。p型AlInP包覆层4的厚度为1.0μm，SiN绝缘膜5的厚度为10nm，p侧电极6约2μm厚，n侧电极7约2μm厚。在半导体层叠构造的结晶成长中采用例如有机金属气相成长法(MOCVD：MetalOrganicChemicalVaporDeposition：金属有机气相沉积)。
纸面的深度方向是激光的光路方向，谐振器长度是1.5mm。SiN绝缘膜5在激光器发光区域上在谐振器方向上利用蚀刻设置了2个开口(第1开口部10a、第2开口部10b)，经由该第1开口部10a以及第2开口部10b，半导体激光器元件表面与p侧电极6接触，由此，仅对此部分注入电流，形成振荡区域。
另一方面，在使这样的半导体激光器进行动作时产生的发热主要是经由在有源层3内的发光层上无助于发光的非发光再结合而产生的发热、经由在n型AlInP包覆层2或有源层3以及p型AlInP包覆层4上吸收激光而产生的发热、通过电流流过半导体层而产生的焦耳热这三种。这里，在半导体层中，因为p型AlInP包覆层4的电阻比其它的大，所以焦耳热大部分产生在p型AlInP包覆层4上。
这里，考虑有源层3与半导体表面之间非常薄、为1μm左右的情况、电流仅注入到SiN绝缘膜5的开口部的情况、产生激光的振荡区域仅是该开口部的情况，可认为发热仅在SiN绝缘膜5的开口部附近产生且其发热区域宽度与该开口部宽度大致相等而没有问题。
该半导体激光器元件利用使p侧成为下端的下结合(junctiondown)，与氮化铝(AlN)材料的副固定件8进行焊锡接合。该副固定件8的热传导率在垂直方向、水平方向、相对于纸面的垂直方向这3个方向上全都相同，是各向同性。该副固定件8与由用于散热的铜构成的散热器9进行焊锡接合。
这里，如图1所示，将作为2个开口部之一的第1开口部10a中的接近于副固定件端的开口端与副固定件端之间的水平距离设为x，将副固定件厚度设为t。图2示出针对此构造采用使用了3维有限要素法的热仿真来求出对第1开口部10a给予发热时的第1开口部10a上的有源层温度的结果。这里，横轴为x/t，纵轴为给予每1W的发热时的有源层温度上升量。副固定件厚度t示出了200、300、400μm的3种情况。副固定件8的热传导率为烧结体AlN的热传导率即230W/m·K。
由图2可知，在x/t大的情况即开口端更远离副固定件端的情况下，有源层3的温度的x依赖性小，但在x/t小的情况下，即，随着开口端接近于副固定件端，温度急剧上升。关于该温度上升，在所有的副固定件厚度的情况下，x/t＝0.5的点成为边界。
以上，在第1开口部10a处，x/t为0.5以下，在第2开口部10b处，x/t为0.5以上，从而使第1开口部10a上的有源层温度高于第2开口部10b上的有源层温度。这里，在半导体激光器中，当作为激光器振荡介质的发光层的温度变高时，其带隙变小，从而振荡波长变长。因此，来自第1开口部10a上的有源层3的激光长于来自第2开口部10b上的有源层3的激光的波长，可由1个元件来获得2个波长的激光器振荡光。
接着，图3示出针对将副固定件厚度设为300μm、将副固定件8的热传导率设为130、230、330W/m·K时分别实施同样的热仿真的结果。针对此情况可知，均是x/t＝0.5为临界值。
根据图2以及图3所示的结果可知，有源层温度急剧上升的条件即x/t≤0.5不取决于副固定件8的厚度或副固定件8的热传导率。
这样，可如以下这样地说明x/t的临界值具有普遍性的理由。
图4是从前面观察x/t＝0.5时的装置的结构图。这里，因为副固定件8的热传导率具有各向同性，所以，在第1开口部10a的右端产生的热以45°的扩散角向右横方向进行扩散。向该方向扩散的热在副固定件端进行反射，向左方向进行扩散，但当其到达副固定件下表面时即向下方向扩散t的距离时，在x/t>0.5的情况下，该热不会到达第1开口部10a的右端，而是扩散至散热器9。另一方面，在x/t≤0.5的情况下，在副固定件端反射的热从第1开口部10a的右端位置即距副固定件端距离x的位置。这是热到达从第1开口部10a右端到散热器的最短热路径的情况，因此，在这样的情况下，第1开口部10a上的有源层3的温度大幅上升。
接着，制作了图1所示的激光器装置。第1开口部10a以及第2开口部10b的开口宽度是70μm，开口中心的间隔是200μm，激光器元件的宽度是400μm。副固定件厚度为240μm，将第1开口部10a的开口端与副固定件端的距离设为50μm。x/t是50/240＝0.21。第2开口部10b的开口端与副固定件端的距离为500μm。
在对10个这样的激光器装置施加6A的电流时，采用带有透镜的光纤来测定从2个发光区域产生的激光的波长。图5示出各个波长的测定结果。2个的波长差平均是1.8nm。同样，图6示出将x/t作为参数来制作激光器装置并测定2个的波长差的结果。
这样，本实施方式的半导体激光器装置可通过使一部分发光区域的温度高于其它发光区域的温度来使振荡波长进行长波化，获得具有多个波长的振荡光。另外，关于装置结构也仅仅是对现有的结构变更激光器元件的位置，可容易地进行制作。
这里，满足作为临界条件的x/t＝0.5时的第1开口部10a的右端与副固定件端间的距离大多与100μm前后非常接近，所以，如图1那样，优选使一个开口部(在图中为第1开口部10a)更接近于激光器元件端。
另外，在假设副固定件8的材料的热传导率具有各向异性即水平方向的热传导率kx与垂直方向的热传导率ky不同的情况下，热传导相对于垂直方向以如下这样的角度进行传导而不是45°：
θ＝tan-1(kx/ky)[deg.]。
因此，在这样的情况下，设副固定件厚度为t，使得有源层的温度大幅上升的针对开口位置与副固定件端之间的距离的临界点x成为下式：
x = 1 2 · t · t a n θ = 1 2 · t · ( k x / k y ) .
此外，在本实施方式中示出了在1个激光器元件内形成2个发光点(基于开口部的发光区域)的单片构造中的例子，但即使是排列2个仅形成1个发光点的激光器元件的构造也是同样的。另外，在此情况下，可在1个副固定件上配置2个激光器元件，或在各个激光器元件中使用1个副固定件。此外，在本实施方式中说明了2个发光点的情况，但关于具有3个以上的多个发光点的情况也能够取得同样的效果。
如以上所说明的那样，根据实施方式1的半导体激光器装置，该激光器装置在散热器上接合有水平方向的热传导率为kx、垂直方向的热传导率为ky的副固定件，在副固定件上以使具有有源层的一侧朝向副固定件侧的方式安装有在单个激光器元件上具有基于多个开口部的多个发光区域的激光器元件，在设副固定件厚度为t时，多个开口部中的至少1个开口部的开口端与副固定件端的水平方向最短距离x是
x ≤ 1 2 · t · ( k x / k y ) ,
且与开口部不同的其它开口部中的至少1个是
x > 1 2 · t · ( k x / k y ) .
因此，仅改变组装形状，就能够同时获得多个波长，而制作成本或组装成本与现有的完全相同。此外，即使关于该组装也仅仅是变更组装位置，所以能够廉价且容易地获得可抑制斑点噪声的半导体激光器装置。
另外，根据实施方式1的半导体激光器装置，取代在单个激光器元件上具有多个发光区域的激光器元件，而是在副固定件上设置多个在单个激光器元件中具有基于单个开口部的发光区域的激光器元件，各自的开口部为多个开口部，因此，即使在采用多个元件的情况下，也因为该元件具有相同的波长即可，而能够降低元件制作成本。
另外，根据实施方式1的半导体激光器装置，该激光器装置在散热器上接合有在水平方向以及垂直方向上具有各向同性的热传导率的副固定件，在副固定件上以使具有有源层的一侧朝向副固定件侧的方式安装有在单个激光器元件中具有基于多个开口部的多个发光区域的激光器元件，在设副固定件厚度为t时，多个开口部中的至少1个开口部的开口端与副固定件端的水平方向最短距离x是x/t≤0.5，且与开口部不同的其它开口部中的至少1个是x/t>0.5，因此，能够廉价且容易地获得可抑制斑点噪声的半导体激光器装置。
实施方式2.
图7是从前面观察实施方式2中的半导体激光器装置的结构图。图示的半导体激光器装置由n型GaAs衬底1、n型AlInP包覆层2、有源层3、p型AlInP包覆层4、SiN绝缘膜5、p侧电极6、n侧电极7、副固定件8、散热器9构成，构成要素与实施方式1的相同，但激光器元件、副固定件8与散热器9的位置关系不同。
这里，如图7所示，将作为2个开口部之一的第1开口部10a的右端与散热器9的右端的距离设为x，将副固定件厚度设为t。图8示出针对此构造采用使用了3维的有限要素法的热仿真来求出对第1开口部10a以及第2开口部10b给予发热时的第1开口部10a上的有源层(设为有源层3a)以及第2开口部10b上的有源层(设为有源层3b)的温度的结果。这里，横轴为x/t，纵轴为对各个有源层给予1W的发热时的有源层温度上升量。副固定件厚度t为300μm。副固定件8的热传导率为烧结体AlN的热传导率即230W/m·K。
图9以图8的热仿真结果为基础示出该2个有源层3a、3b的温度差。对于副固定件的热传导率为230W/m·K、副固定件厚度为200、300、400μm的情况，实施热仿真。这样可知，在x/t大的情况下，即散热器9的右端远远位于第1开口部10a的右端的右侧的情况下，2个有源层3a、3b的温度差的x依赖性小，但在x/t小的情况下，即，随着散热器9的右端接近于第1开口部10a的右端，温度差急剧上升。由该温度上升可知，在全部的副固定件厚度的情况下，x/t＝1.0的点为边界。
此外，但当使x/t变小时，温度差上升。另外，可知，在x/t为负即与第1开口部10a的右端位置相比，散热器9的右端位置位于左侧的状态下，温度差也同样扩大。
根据以上的情况，通过将第1开口部10a的右端与副固定件右端的位置关系设为x/t≤1.0、将第2开口部10b左端与副固定件左端的位置关系设为x/t>1.0，能够使第1开口部10a上的有源层温度高于第2开口部10b上的有源层温度。由此，可利用1个元件获得2个波长的激光器振荡光。
另外，由图8以及图9可知，有源层温度的差急剧变大的条件即x/t≤1.0没有基于副固定件厚度或副固定件的热传导率。关于x/t的值具有普遍性的理由，可如以下这样进行说明。
图10是从前面观察x/t＝1.0时的装置的结构图。这里，因为副固定件8的热传导率具有各向同性，所以在第1开口部10a的右端产生的热以45°的扩散角向右横方向扩散。当该热到达副固定件8下表面时即向下方向扩散t的距离时，在x/t≤1.0的情况下，散热器9不存在于此位置，因此热传导不充分，有源层3a的温度相对于有源层3b变高。
接着，制作图7所示的激光器装置。第1开口部10a以及第2开口部10b的开口宽度是100μm，激光器元件的宽度是600μm。副固定件厚度是240μm，第1开口部10a的开口端与副固定件端的距离为70μm，使第1开口部10a的开口端位于副固定件端的外侧。此时，x/t是-70/240＝-0.29。
在针对10个这样的激光器装置施加6A的电流时，采用带有透镜的光纤来测定从2个发光区域产生的激光的波长。图11示出各个波长的测定结果。2个的波长差平均是2.3nm。同样，图12示出将x/t作为参数来制作激光器装置并测定2个的波长差的结果。
这样，根据本实施方式中的装置的结构，可利用1个元件来获得2个振荡波长。另外，装置结构相对于现有的结构也仅变更副固定件8的位置，可容易地进行制作。
另外，在假设副固定件8的材料的热传导率具有各向异性即水平方向的热传导率kx与垂直方向的热传导率ky不同时，热传导相对于垂直方向以如下的角度进行传导，而不是45°：
θ＝tan-1(kx/ky)[deg.]。
因此，在这样的情况下，将副固定件厚度设为t，使得有源层的温度大幅上升的针对开口位置与副固定件端之间的距离的临界点x成为下式：
x＝t·tanθ＝t·(kx/ky)。
此外，在本实施方式中示出了在1个激光器元件内形成2个发光点的单片构造中的例子，但即使是排列2个仅形成1个发光点的激光器元件的构造也是同样的。另外，在此情况下，可在1个副固定件上配置2个激光器元件，或在各个激光器元件中使用1个副固定件。此外，在本实施方式中说明了2个发光点的情况，但关于具有3个以上的多个发光点的情况也能够取得同样的效果。
如以上所说明的那样，根据实施方式2的半导体激光器装置，该激光器装置在散热器上接合有水平方向的热传导率是kx、垂直方向的热传导率是ky的副固定件，在副固定件上以使具有有源层的一侧朝向副固定件侧的方式安装有在单个激光器元件上具有基于多个开口部的多个发光区域的激光器元件，在设副固定件厚度为t时，多个开口部中的至少1个开口部的开口端与散热器端的水平方向最短距离x是x≤t·(kx/ky)，且与开口部不同的其它开口部中的至少1个是x>t·(kx/ky)，因此，能够廉价且容易地获得可抑制斑点噪声的半导体激光器装置。
另外，根据实施方式2的半导体激光器装置，取代在单个激光器元件上具有多个发光区域的激光器元件，而是在副固定件上设置多个在单个激光器元件中具有基于单个开口部的发光区域的激光器元件，各自的开口部为多个开口部，因此，即使在采用多个元件的情况下，也因为该元件具有相同的波长即可，而能够降低元件制作成本。
另外，根据实施方式2的半导体激光器装置，该激光器装置在散热器上接合有在水平方向以及垂直方向上具有各向同性的热传导率的副固定件，在副固定件上以使具有有源层的一侧朝向副固定件侧的方式安装有在单个激光器元件中具有基于多个开口部的多个发光区域的激光器元件，在设副固定件厚度为t时，多个开口部中的至少1个开口部的开口端与散热器端的水平方向最短距离x是x/t≤1.0，且与开口部不同的其它开口部中的至少1个是x/t>1.0，因此能够廉价且容易地获得可抑制斑点噪声的半导体激光器装置。
此外，本申请发明在本发明的范围内，在各实施方式的自由组合、各实施方式的任意的构成要素的变形或者各实施方式中，可省略任意的构成要素。
工业上的可利用性
以上，本发明的半导体激光器装置通过使具有多个发光区域的激光器元件中的一部分发光区域的温度高于其它发光区域来使振荡波长进行长波化，并获得具有多个波长的振荡光，适合用于投影仪装置等的光源。
标号说明
1n型GaAs衬底；2n型AlInP包覆层；3有源层；4p型AlInP包覆层；5SiN绝缘膜；6p侧电极；7n侧电极；8副固定件；9散热器；10a第1开口部；10b第2开口部。

Claims (6)

1.一种半导体激光器装置，在该半导体激光器装置中，在散热器上接合有水平方向的热传导率为kx、垂直方向的热传导率为ky的副固定件，在该副固定件上以使具有有源层的一侧朝向所述副固定件侧的方式安装有在单个激光器元件中具有基于多个开口部的多个发光区域的激光器元件，
在设所述副固定件的厚度为t时，所述多个开口部中的至少1个开口部的开口端与所述副固定件端的水平方向最短距离x是且与所述开口部不同的其它开口部中的至少1个是
2.根据权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，
取代权利要求1的在单个激光器元件中具有多个发光区域的激光器元件，
在所述副固定件上设置有多个在单个激光器元件中具有基于单个开口部的发光区域的激光器元件，各自的开口部作为所述多个开口部。
3.一种半导体激光器装置，在该半导体激光器装置中，在散热器上接合有在水平方向和垂直方向具有各向同性的热传导率的副固定件，在该副固定件上以使具有有源层的一侧朝向所述副固定件侧的方式安装有在单个激光器元件中具有基于多个开口部的多个发光区域的激光器元件，
在设所述副固定件的厚度为t时，所述多个开口部中的至少1个开口部的开口端与所述副固定件端的水平方向最短距离x是x/t≤0.5，且与所述开口部不同的其它开口部中的至少1个是x/t>0.5。
4.一种半导体激光器装置，在该半导体激光器装置中，在散热器上接合有水平方向的热传导率为kx、垂直方向的热传导率为ky的副固定件，在该副固定件上以使具有有源层的一侧朝向所述副固定件侧的方式安装有在单个激光器元件中具有基于多个开口部的多个发光区域的激光器元件，
在设所述副固定件的厚度为t时，所述多个开口部中的至少1个开口部的开口端与所述散热器端的水平方向最短距离x是x≤t·(kx/ky)，且与所述开口部不同的其它开口部中的至少1个是x>t·(kx/ky)。
5.根据权利要求4所述的半导体激光器装置，其特征在于，
取代权利要求4的在单个激光器元件中具有多个发光区域的激光器元件，
在所述副固定件上设置有多个在单个激光器元件中具有基于单个开口部的发光区域的激光器元件，各自的开口部作为所述多个开口部。
6.一种半导体激光器装置，在该半导体激光器装置中，在散热器上接合有在水平方向和垂直方向具有各向同性的热传导率的副固定件，在该副固定件上以使具有有源层的一侧朝向所述副固定件侧的方式安装有在单个激光器元件中具有基于多个开口部的多个发光区域的激光器元件，
在设所述副固定件的厚度为t时，所述多个开口部中的至少1个开口部的开口端与所述散热器端的水平方向最短距离x是x/t≤1.0，且与所述开口部不同的其它开口部中的至少1个是x/t>1.0。
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