JP2688897B2 - Semiconductor laser device - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
この発明は、半導体レーザ装置に関し、特にレーザ光
の出射端面の構造に関するものである。
［従来の技術］
半導体レーザ装置は、屈折率の小さいクラッド層で、
屈折率の高い活性層を挾んだダブルヘテロ接合構造にお
いて、活性層に注入されたキャリアとその再結合による
光とが閉込められ、ある電流値を超えてキャリアが注入
された場合に、共振器端面から光が外部に放射されるよ
うになっている。
光ディスクやレーザビームプリンタのように半導体レ
ーザを光源として用いるシステムにおいては、高速化お
よび高性能化のために半導体レーザの高出力化が非常に
重要であり、現在、盛んに研究が行なわれている。
［発明が解決しようとする問題点］
従来の半導体レーザ装置においては、レーザ光の出力
を増大させると、半導体結晶におけるレーザ光の出射端
面近傍において、不純物による表面準位を介しての非発
光再結合が起こり、局所的な発熱が行なわれるため、前
記端面付近において半導体結晶の劣化が起こりやすいと
いう問題点があった。
また、AlGaAs形の半導体レーザ装置の場合は、半導体
結晶の端面が熱酸化して不純物準位が生じることを防止
するために、誘電体保護膜をその端面に付着している。
しかし、光出力の増大とともに半導体結晶と誘電体保護
膜との界面において非発光再結合による発熱が生じ、端
面付近の劣化が起こるという問題点があった。
そこでこの発明の目的は、高出力動作時に半導体結晶
の端面付近の温度上昇を抑えてその端面の劣化を防止す
ることによって、信頼性が向上した半導体レーザ装置を
提供することである。
［問題点を解決するための手段］
この発明は、半導体基板およびその上に形成された半
導体結晶層からなる半導体結晶を用いてレーザ光を出射
する半導体レーザ装置であって、半導体結晶のレーザ光
出射端面の半導体基板を除く領域に誘電体からなる保護
膜が形成されており、かつ保護膜上の発光部分を除く領
域および半導体基板の端面上に半導体結晶および保護膜
よりも熱伝導率の大きい材料からなる放熱層が形成され
ていることを特徴とする。
［作用］
この発明に係る半導体レーザ装置においては、高出力
動作時に半導体結晶の端面付近に発熱が生じてもその端
面に形成されている放熱層によって端面付近の温度上昇
が押えられ、半導体結晶の端面の劣化が防止される。
［実施例］
以下、この発明の実施例を図面を用いて説明する。
ここでは、この発明をVSIS（Ｖ−channeled Substrat
e Inner Stripe）レーザ装置に適用した場合について説
明する。
第３図は、VSISレーザ装置の端面側から見た正面図で
ある。
このVSISレーザ装置は次のようにして製造される。ま
ず、ｐ−GaAs基板30上にLPE（液相エピタキシャル）成
長法等の結晶成長法によってｎ−GaAs電流阻止層31を形
成する。次に、フォトリソグラフィおよびエッチング技
術を用いて、ｎ−GaAs電流阻止層31の表面からｐ−GaAs
基板30内へ達する深さのＶ字形溝32を形成する。このＶ
字形溝32を形成することによってｎ−GaAs電流阻止層31
の除去された部分が電流の通路となる。
次に、LPE法を用いて、前記ｎ−GaAs電流阻止層31上
に、ｐ−AlXGa1-XAsクラッド層33、ｐ型またはｎ型のAl
YGa1-YAs活性層34、ｎ−AlXGa1-XAsクラッド層35を順次
形成する。なお、ここでＸ＞Ｙとなっている。さらに、
ｎ−AlXGa1-XAsクラッド層35上にn+−GaAsキャップ層36
を連続成長させた後、基板側の表面にｐ型電極37を形成
し、成長層側の表面にｎ型電極38を形成する。そして、
共振器長が200〜300μｍになるように両端を劈開して、
１対の平行平滑な反射面からなるファブリ・ペロー型共
振器を形成する。
第1A図は、この発明を適用したVSISレーザ装置の第１
の実施例の端面側から見た正面図、第1B図は、そのVSIS
レーザ装置の端面付近のみを示す側面図である。
図において、各層30,31,33,34,35,36からなる半導体
結晶３におけるレーザ光の出射端面には、Al2O3からな
る誘電体保護膜10が形成されており、その誘電体保護膜
10上の発光部分11を除く領域には放熱層となるAl金属膜
12が形成されている。
これらの誘電体保護膜10およびAl金属膜12を形成する
には、まず、半導体結晶３の端面にAl2O3からなる誘電
体保護膜10を形成し、その誘電体保護膜10上に低融点金
属であるAlを真空蒸着し、フォトリソグラフィおよびエ
ッチングを施すことにより、発光部分11の領域のAlを除
去する。
このようにして形成されたAl金属膜12の熱伝導率は、
2.4W/cm・Ｋであり、GaAs結晶の熱伝導率0.47W/cm・
Ｋ、および、Al2O3誘電体保護層10の熱伝導率0.17W/cm
・Ｋよりもかなり良い。
次に、第2A図および第2B図はこの発明の第２の実施例
を示し、第2A図は端面側から見た正面図、第2B図は端面
付近のみを示す側面図である。
この実施例においては、誘電体保護膜20が半導体結晶
３の端面のGaAs基板30を除く領域のみに形成されてお
り、Al金属膜22がｐ−GaAs基板30の端面上および誘電体
保護膜20上の発光部分21を除く領域に形成されている。
上記のいずれの実施例においても、Al金属膜12,22と
半導体結晶３との間に誘電体保護膜10,20が存在するた
め、各層の接合部分で電気的短絡が生じない。
なお、上記実施例においては、半導体結晶３の両端面
のうち前端面の反射率を３％、後端面の反射率を95％に
形成している。
第４図は、第１および第２の実施例の半導体レーザ装
置および従来例の半導体レーザ装置について半導体結晶
端面の温度分布の測定結果を示すグラフである。
測定方法は次のように行なった。半導体レーザ装置を
成長層側を下にしてヒートシンク上に取付け、この半導
体レーザ装置の通電を行なって、前端面の光出力が50mW
のときの端面の温度分布を測定した。温度分布の測定
は、レーザストライプの中央部において、ｐ−GaAs基板
30の表面に対して垂直に活性層34からｐ−GaAs基板30の
方向に行なった。
第４図に示されているように、半導体結晶の端面に誘
電体保護膜を形成しただけの従来例の半導体レーザ装置
に比べて、この発明の実施例の半導体レーザ装置におい
ては、熱伝導率の良いAl金属膜12,22を通して放熱が行
なわれるので、温度上昇が抑制されている。なお、第２
の実施例の半導体レーザ装置の方が、ｐ−GaAs基板30の
端面における放熱性が良いので、第１の実施例よりも温
度上昇は少なくなっている。
第５図は、第１および第２の実施例の半導体レーザ装
置および従来例の半導体レーザ装置について光出力−電
流特性を示したグラフである。
第５図に示されているように、この発明の実施例の半
導体レーザ装置は、半導体結晶の端面の温度上昇が抑制
されているため、従来例の半導体レーザ装置に比べて、
光学損傷の発生する光出力が増加している。
第６図は、第１および第２の実施例の半導体レーザ装
置および従来例の半導体レーザ装置について通電試験の
結果を示したグラフである。
第６図に示されているように、この発明の実施例の半
導体レーザ装置においては、半導体結晶の端面の温度上
昇抑制により、従来例の半導体レーザ装置よりも高い信
頼性が得られた。
なお、上記実施例においては、熱伝導率の良い材料と
してAl金属を用いているが、これに限られず、他の熱伝
導率の良い材料を用いてもよい。
さらにこの発明は、GaAs−AlGaAs系以外の材料からな
る半導体レーザ装置、たとえばInP−InGaAsP系の材料か
らなる半導体レーザ装置にも適用され、また、半導体結
晶の各層の極性が実施例の場合とすべて逆になっている
半導体レーザ装置にも適用される。
また、上記実施例の半導体レーザ装置の導波機構は屈
折率導波型であるが、この発明は利得導波型の半導体レ
ーザにも適用可能である。
［発明の効果］
以上のようにこの発明によれば、レーザ光の出射端面
に形成されている放熱層により高出力動作時においても
端面付近の温度上昇が抑制されるので、温度上昇による
端面の劣化が防止され、信頼性の向上が図られる。また
本発明によって誘電体からなる保護膜上の発光部分を除
く領域に放熱層を形成すれば、放熱層の膜厚を自由に厚
くすることができ、かつ、膜厚が厚くなっても発光領域
には影響を与えないので、レーザ発光の特性を下げるこ
となく、より高い放熱効果が得られる。したがって、よ
り高効率で信頼性の高い半導体レーザ素子を提供でき
る。The present invention relates to a semiconductor laser device, and more particularly to a structure of a laser light emitting end face. [Prior Art] A semiconductor laser device is a clad layer having a small refractive index.
In a double heterojunction structure that sandwiches an active layer with a high refractive index, when the carriers injected into the active layer and the light due to their recombination are confined and carriers are injected above a certain current value, resonance occurs. The light is emitted from the end face of the vessel. In a system using a semiconductor laser as a light source such as an optical disk and a laser beam printer, it is very important to increase the output of the semiconductor laser in order to achieve high speed and high performance, and currently, active research is being conducted. . [Problems to be Solved by the Invention] In the conventional semiconductor laser device, when the output of laser light is increased, non-emission re-generation is caused in the vicinity of the emission end face of the laser light in the semiconductor crystal via the surface level due to impurities. There is a problem that the semiconductor crystal is likely to be deteriorated near the end face because the bonding occurs and the local heat is generated. Further, in the case of an AlGaAs type semiconductor laser device, a dielectric protective film is attached to the end face of the semiconductor crystal in order to prevent the end face of the semiconductor crystal from being thermally oxidized to generate an impurity level.
However, there has been a problem that heat generation due to non-radiative recombination occurs at the interface between the semiconductor crystal and the dielectric protective film as the light output increases, causing deterioration near the end face. Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser device having improved reliability by suppressing a temperature rise near the end face of a semiconductor crystal and preventing the end face from deteriorating during high power operation. [Means for Solving the Problems] The present invention is a semiconductor laser device that emits laser light using a semiconductor crystal composed of a semiconductor substrate and a semiconductor crystal layer formed on the semiconductor substrate. A protective film made of a dielectric material is formed on a region of the emitting end face excluding the semiconductor substrate, and has a higher thermal conductivity than the semiconductor crystal and the protective film on the region excluding the light emitting portion on the protective film and on the end face of the semiconductor substrate. A heat dissipation layer made of a material is formed. [Operation] In the semiconductor laser device according to the present invention, even if heat is generated in the vicinity of the end face of the semiconductor crystal during high-power operation, the temperature rise near the end face is suppressed by the heat dissipation layer formed on the end face, End face deterioration is prevented. Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Here, the present invention is applied to VSIS (V-channeled Substrat
e Inner Stripe) The case of application to a laser device will be described. FIG. 3 is a front view of the VSIS laser device as seen from the end face side. This VSIS laser device is manufactured as follows. First, the n-GaAs current blocking layer 31 is formed on the p-GaAs substrate 30 by a crystal growth method such as LPE (liquid phase epitaxial) growth method. Next, using photolithography and etching techniques, p-GaAs is removed from the surface of the n-GaAs current blocking layer 31.
A V-shaped groove 32 having a depth reaching the substrate 30 is formed. This V
The n-GaAs current blocking layer 31 is formed by forming the V-shaped groove 32.
The removed portion becomes a current path. Next, using the LPE method, the p-Al X Ga 1-X As cladding layer 33 and the p-type or n-type Al are formed on the n-GaAs current blocking layer 31.
The Y Ga 1-Y As active layer 34 and the n-Al X Ga 1-X As clad layer 35 are sequentially formed. Note that here, X> Y. further,
n-Al X Ga 1-X As n + -GaAs cap layer 36 on the cladding layer 35
After continuous growth, a p-type electrode 37 is formed on the surface on the substrate side, and an n-type electrode 38 is formed on the surface on the growth layer side. And
Cleave both ends so that the resonator length is 200-300 μm,
A Fabry-Perot resonator including a pair of parallel and smooth reflecting surfaces is formed. FIG. 1A shows the first VSIS laser device to which the present invention is applied.
FIG. 1B is a front view of the embodiment of FIG.
It is a side view which shows only the end surface vicinity of a laser apparatus. In the figure, a dielectric protective film 10 made of Al 2 O 3 is formed on a laser light emitting end face of a semiconductor crystal 3 made of each layer 30, 31, 33, 34, 35, 36. film
Al metal film which becomes a heat dissipation layer in the area excluding the light emitting portion 11 on 10
12 are formed. In order to form the dielectric protective film 10 and the Al metal film 12, first, the dielectric protective film 10 made of Al 2 O 3 is formed on the end face of the semiconductor crystal 3, and the low dielectric protective film 10 is formed on the dielectric protective film 10. Al, which is a melting point metal, is vacuum-deposited, and photolithography and etching are performed to remove Al in the region of the light emitting portion 11. The thermal conductivity of the Al metal film 12 thus formed is
2.4 W / cm ・ K, which is the thermal conductivity of GaAs crystal 0.47 W / cm ・
K and Al 2 O 3 dielectric protective layer 10 thermal conductivity 0.17 W / cm
・ Much better than K. Next, FIGS. 2A and 2B show a second embodiment of the present invention, FIG. 2A is a front view seen from the end face side, and FIG. 2B is a side view showing only the vicinity of the end face. In this embodiment, the dielectric protection film 20 is formed only on the end surface of the semiconductor crystal 3 except the GaAs substrate 30, and the Al metal film 22 is formed on the end surface of the p-GaAs substrate 30 and the dielectric protection film 20. It is formed in a region excluding the upper light emitting portion 21. In any of the above-mentioned embodiments, since the dielectric protective films 10 and 20 are present between the Al metal films 12 and 22 and the semiconductor crystal 3, no electrical short circuit occurs at the junction between the layers. In the above-mentioned embodiment, the reflectance of the front end face is 3% and the reflectance of the rear end face is 95% among the both end faces of the semiconductor crystal 3. FIG. 4 is a graph showing the measurement results of the temperature distribution on the semiconductor crystal facets of the semiconductor laser devices of the first and second embodiments and the conventional semiconductor laser device. The measuring method was as follows. The semiconductor laser device was mounted on the heat sink with the growth layer side down, and the semiconductor laser device was energized, and the optical output of the front end face was 50 mW.
At this time, the temperature distribution on the end face was measured. The temperature distribution was measured at the center of the laser stripe at the p-GaAs substrate.
This is done from the active layer 34 toward the p-GaAs substrate 30 perpendicular to the surface of the substrate 30. As shown in FIG. 4, in the semiconductor laser device of the embodiment of the present invention, the thermal conductivity is higher than that of the conventional semiconductor laser device in which the dielectric protective film is simply formed on the end face of the semiconductor crystal. Since the heat is radiated through the excellent Al metal films 12 and 22, the temperature rise is suppressed. The second
Since the semiconductor laser device of this embodiment has better heat dissipation at the end face of the p-GaAs substrate 30, the temperature rise is smaller than that of the first embodiment. FIG. 5 is a graph showing the optical output-current characteristics of the semiconductor laser devices of the first and second embodiments and the conventional semiconductor laser device. As shown in FIG. 5, in the semiconductor laser device of the embodiment of the present invention, since the temperature rise of the end face of the semiconductor crystal is suppressed, as compared with the semiconductor laser device of the conventional example,
The optical output causing optical damage is increasing. FIG. 6 is a graph showing the results of the energization test for the semiconductor laser devices of the first and second embodiments and the conventional semiconductor laser device. As shown in FIG. 6, in the semiconductor laser device of the embodiment of the present invention, higher reliability was obtained than in the conventional semiconductor laser device due to the suppression of the temperature rise of the end face of the semiconductor crystal. In the above embodiment, Al metal is used as the material having good thermal conductivity, but the material is not limited to this, and other materials having good thermal conductivity may be used. Further, the present invention is also applied to a semiconductor laser device made of a material other than GaAs-AlGaAs system, for example, a semiconductor laser device made of InP-InGaAsP system material, and the polarity of each layer of the semiconductor crystal is the same as that of the embodiment. It is also applied to the reversed semiconductor laser device. Further, the waveguide mechanism of the semiconductor laser device of the above embodiment is of the refractive index waveguide type, but the present invention is also applicable to the gain waveguide type semiconductor laser. [Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the heat radiation layer formed on the emitting end face of the laser beam suppresses the temperature rise near the end face even during high-power operation. Deterioration is prevented and reliability is improved. Further, according to the present invention, if the heat dissipation layer is formed in the area excluding the light emitting portion on the protective film made of a dielectric, the thickness of the heat dissipation layer can be freely increased, and even if the film thickness is increased, the light emitting area is increased. Is not affected, a higher heat dissipation effect can be obtained without lowering the characteristics of laser emission. Therefore, a highly efficient and highly reliable semiconductor laser device can be provided.
【図面の簡単な説明】
第1A図はこの発明の第１の実施例の半導体レーザ装置の
端面を示す正面図、第1B図は同半導体レーザ装置の端面
付近のみを示す側面図、第2A図はこの発明の第２の実施
例の半導体レーザ装置の端面を示す正面図、第2B図は同
半導体レーザ装置の端面付近のみを示す側面図、第３図
はVSISレーザ装置の端面を示す正面図である。第４図は
端面の温度上昇の測定結果を示すグラフ、第５図は電流
−光出力特性を示すグラフ、第６図は通電試験の結果を
示すグラフである。
図において、３は半導体結晶、10,20は誘電体保護膜、1
2,22はAl金属膜を示す。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1A is a front view showing an end face of a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention, FIG. 1B is a side view showing only the vicinity of the end face of the semiconductor laser device, and FIG. 2A. Is a front view showing the end face of the semiconductor laser device of the second embodiment of the present invention, FIG. 2B is a side view showing only the end face of the semiconductor laser device, and FIG. 3 is a front view showing the end face of the VSIS laser device. Is. FIG. 4 is a graph showing the measurement result of the temperature rise of the end face, FIG. 5 is a graph showing the current-light output characteristic, and FIG. 6 is a graph showing the result of the current-carrying test. In the figure, 3 is a semiconductor crystal, 10 and 20 are dielectric protective films, and 1
2 and 22 are Al metal films.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森本 泰司 大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャー プ株式会社内 (72)発明者 兼岩 進治 大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャー プ株式会社内 (72)発明者 山口 雅広 大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャー プ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−9989（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−211292（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−68090（ＪＰ，Ａ) ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Taiji Morimoto 22-22 Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka Incorporated (72) Inventor Shinji Kaneiwa 22-22 Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka Incorporated (72) Inventor Masahiro Yamaguchi 22-22 Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka Incorporated (56) References JP-A-59-9989 (JP, A) JP-A-59-211292 (JP, A) JP-A-53-68090 (JP, A)
Claims (1)
からなる半導体結晶を用いてレーザ光を出射する半導体
レーザ装置であって、 前記半導体結晶のレーザ光出射端面の前記半導体基板を
除く領域に誘電体からなる保護膜が形成されており、か
つ 前記保護膜上の発光部分を除く領域および前記半導体基
板の端面上に前記半導体結晶および前記保護膜よりも熱
伝導率の大きい材料からなる放熱層が形成されているこ
とを特徴とする、半導体レーザ装置。 ２．前記半導体基板がGaAs基板であり、前記半導体結晶
層がAlを含み、かつ前記放熱層が金属膜であることを特
徴とする、特許請求の範囲第１項記載の半導体レーザ装
置。(57) [Claims] A semiconductor laser device for emitting a laser beam by using a semiconductor crystal comprising a semiconductor substrate and a semiconductor crystal layer formed on the semiconductor substrate, wherein a dielectric is provided in a region of the laser crystal emitting end face of the semiconductor crystal excluding the semiconductor substrate. A protective film is formed, and a heat dissipation layer made of a material having a thermal conductivity higher than that of the semiconductor crystal and the protective film is formed on a region of the protective film excluding a light emitting portion and on an end face of the semiconductor substrate. A semiconductor laser device characterized by the above. 2. 2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is a GaAs substrate, the semiconductor crystal layer contains Al, and the heat dissipation layer is a metal film.
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|---|---|---|---|
| JP62058486A JP2688897B2 (en) | 1987-03-13 | 1987-03-13 | Semiconductor laser device |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP62058486A JP2688897B2 (en) | 1987-03-13 | 1987-03-13 | Semiconductor laser device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63224386A JPS63224386A (en) | 1988-09-19 |
| JP2688897B2 true JP2688897B2 (en) | 1997-12-10 |
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| JP62058486A Expired - Fee Related JP2688897B2 (en) | 1987-03-13 | 1987-03-13 | Semiconductor laser device |
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| JPH0236073B2 (en) * | 1984-06-08 | 1990-08-15 | Hitachi Ltd | HANDOTAIREEZASOCHINOSEIZOHOHO |
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| JPS6220390A (en) * | 1985-07-19 | 1987-01-28 | Hitachi Ltd | Semiconductor laser device |
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1987
- 1987-03-13 JP JP62058486A patent/JP2688897B2/en not_active Expired - Fee Related
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