JP2819593B2

JP2819593B2 - マルチビーム半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP2819593B2
Application number: JP1056201A
Authority: JP
Inventors: 保次瀬古; 喜一上柳; 秀生中山; 秀樹福永
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1989-03-10
Filing date: 1989-03-10
Publication date: 1998-10-30
Anticipated expiration: 2013-10-30
Also published as: JPH02237185A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、光通信用光源、情報処理端末装置用光源、
及び各種計測器用光源等に広く利用されている半導体レ
ーザ装置に係わり、特に、独立駆動可能な複数の発光部
を有するマルチビーム半導体レーザ素子と上記発光部の
昇温を防止する放熱体とを備える半導体レーザ装置の改
良に関するものである。

［従来の技術］この種の半導体レーザ装置としては、例えば、第８図
に示すようにｎ−GaAs製の基板（ａ）と、この基板
（ａ）上に設けられたｎ−Ga_0.5Al_0.5As製のクラッド層
（b1）と、このクラッド層（b1）上に設けられたｎ−Ga
_0.84Al_0.16As製の活性層（ｃ）と、この活性層（ｃ）上
に設けられたｐ−Ga_0.5Al_0.5As製のクラッド層（b2）
と、このクラッド層（b2）上に設けられたｐ−GaAs製の
キャップ層（ｄ）とでその主要部が構成され、かつ、ｎ
−GaAs製基板（ａ）の背面側にｎ側共通電極（ｅ）が、
他方のｐ−GaAs製キャップ層（ｄ）上に絶縁層（ｆ）を
介してｐ側駆動用電極（ｇ）が形成されたものが知られ
ている。

そして、この半導体レーザ装置においては、上記活性
層（ｃ）中で電極（ｅ）（ｇ）を介して注入されたキャ
リアの再結合が起こり、この時生じたエネルギの一部が
光に変換されてレーザ光として出力されると共に、残り
のエネルギが熱に変換されるものであった。

ところで、上記エネルギの熱変換により活性層（ｃ）
の温度が上昇した場合、キャリアの再結合によって生じ
たエネルギの光に変換される割合が減少し、レーザ光の
出力が低下してしまう欠点があった。

このため、この種の半導体レーザ装置において発光効
率を上げるためには上記活性層（ｃ）の昇温を防止する
必要があり、この防止方法として特開昭63−141385号公
報に記載されている放熱体を利用する方法が知られてい
る。

すなわち、特開昭63−141385号公報に開示されている
半導体レーザ装置は、第９図〜第11図に示すように独立
駆動可能な複数の発光部と各発光部に対応する独立駆動
用電極（g1）〜（g3）を有するマルチビーム半導体レー
ザ素子（ｈ）と、このマルチビーム半導体レーザ素子
（ｈ）の独立駆動用電極（g1）〜（g3）が配置された面
側に接合されマルチビーム半導体レーザ素子（ｈ）の発
光部の昇温を防止する放熱体（ｊ）とでその主要部が構
成されており、上記放熱体（ｊ）に設けられた配線部
（ｋ）とマルチビーム半導体レーザ素子（ｈ）の独立駆
動用電極（g1）〜（g3）とが個々に接続されて上記配線
部（ｋ）を介し各独立駆動用電極（g1）〜（g3）へ通電
できるようになっているものである。

［発明が解決しようとする課題］ところで、この種の半導体レーザ装置において上記マ
ルチビーム半導体レーザ素子（ｈ）の小型化や発光部数
の増大を図るためには上記独立駆動用電極（g1）〜（g
3）の微細化が必要となるが、この独立駆動用電極（g
1）〜（g3）の微細化に伴って独立駆動用電極（g1）〜
（g3）の間隔が10μｍ以下になった場合、これ等独立駆
動用電極（g1）〜（g3）と上記放熱体（ｊ）に設けられ
た配線部（ｋ）との位置合わせが難しくなってその組立
て作業が頻繁となる問題点があり、かつ、上記独立駆動
用電極（g1）〜（g3）と配線部（ｋ）とが個々に接続さ
れ無い場合があって組立てられた半導体レーザ装置が適
正に機能しなくなる問題点があった。

一方、これ等の問題点を解消するため、第12図に示す
ようにマルチビーム半導体レーザ素子（ｈ）の共通電極
（ｅ′）側に上記放熱体（ｊ）を接合させ、上記独立駆
動用電極（g1）〜（g3）と配線部（ｋ）との位置合せを
必要としない組立て方法も一部において利用されてい
る。

しかし、マルチビーム半導体レーザ素子（ｈ）の共通
電極（ｅ′）と放熱体（ｊ）の配線部（ｋ）とを接合さ
せる上記のような方法を採った場合、活性層（ｃ）内に
生じた熱エネルギは上記基板（ａ）を介して放熱体
（ｊ）から放出されることになるため、その分放熱効率
が悪くなって活性層（ｃ）の昇温を充分に防止できなく
なり、経時的にレーザ光の出力が低下し、かつ、その寿
命にも悪影響を及ぼしてしまう問題点があった。

尚、第11図と第12図中（ｗ）は配線部（ｋ）や独立駆
動用電極（g1）〜（g3）等に接続された通電ワイヤを示
している。

［課題を解決するための手段］本発明は以上の問題点に着目してなされたもので、そ
の課題とするところは、組立て操作が簡便で、しかも経
時的にレーザ光の出力が低下しないマルチビーム半導体
レーザ装置を提供することにある。

すなわち、本発明は、独立駆動可能な複数の発光部と
各発光部に対応する独立駆動用電極を有するマルチビー
ム半導体レーザ素子と、このマルチビーム半導体レーザ
素子の独立駆動用電極が配置された面側に接合され上記
発光部の昇温を防止する放熱体とを備え、上記放熱体に
設けられた配線部にワイヤをボンディングさせ、上記ワ
イヤを介してマルチビーム半導体レーザ素子の各独立駆
動用電極へ通電するマルチビーム半導体レーザー装置を
前提とし、上記マルチビーム半導体レーザ素子の独立駆動用電極
が配置された面上に、独立駆動用電極に接続されたボン
ディングパッド部を各々設け、上記放熱体のマルチビーム半導体レーザ素子との接合
面の上記ボンディングパッド部と対応する部位に、上記
配線部に接続された放熱体側ボンディングパッド部を設
けたことを特徴とするものである。

また本発明は、上記ボンディングパッド部と対応する
上記放熱体側ボンディングパッド部との面積と形状とが
それぞれ等しいものである。

また本発明は、上記ボンディングパッド部が上記マル
チビーム半導体レーザ素子の独立駆動用電極が配置され
た面上の端部にそれぞれ設けられるものである。

このような技術的手段において、上記マルチビーム半
導体レーザ素子における基板のクラッド層やキャップ層
等に非電流領域を形成して活性層に複数の発光部を形成
する手段については任意であり、例えば、エッチング法
にてクラッド層等にＶ溝を設けて非電流領域を形成する
方法や、キャップ層やクラッド層内に亜鉛やケイ素等を
拡散させて非電流領域を形成する方法等が利用できる。

また、上記マルチビーム半導体レーザ素子の独立駆動
用電極が配置された面上に設けられるボンディングパッ
ド部については、従来、半導体装置等においてボンディ
ングパッド材として広く利用されている良導電性の金
属、合金等でこれを構成することができ、かつ、その形
成部位については独立駆動用電極の配設個数、その微細
化の程度、並びに上記放熱体に設けられる放熱体側ボン
ディングパッド部との位置合せ具合等を考慮して適宜決
定される。

一方、マルチビーム半導体レーザ素子に接合される放
熱体については、熱導電率の高い材料、例えば、ダイヤ
モンド、シリコンカーバイド、ボロンナイトライド等に
より構成されるもので、その一面上に配設される配線部
や放熱体側ボンディングパッド部の形成具合、並びに放
熱効率等を考慮して適宜形状に設定されるものである。
また、この放熱体に設けられるボンディングパッド部
は、上記マルチビーム半導体レーザ素子に設けられるボ
ンディングパッド部と同一の材料でこれを構成すること
ができる。更に、上記マルチビーム半導体レーザ素子の
独立駆動用電極が配置された面に接合させる放熱体に加
えて、これとは反対側の共通電極が配置された面にも別
の放熱体を接合させてもよい。

また、上記マルチビーム半導体レーザ素子に設けられ
るボンディングパッド部と放熱体に設けられる放熱体側
ボンディングパッド部との接合手段については任意であ
り、例えば、良導電性で結合力が強く、かつ、低温で融
着するAu−Sn合金、Ag−Sn合金、Au−Ge−Ni合金、Au−
Si合金、In−Al合金、及びIn等の材料を介装した方法が
適用できる。

［作用］このような技術的手段によれば、マルチビーム半導体
レーザ素子の独立駆動用電極が配置された面上に独立駆
動用電極に接続されたボンディングパッド部を各々設
け、かつ、放電体のマルチビーム半導体レーザ素子との
接合面の上記ボンディングパッド部と対応する部位に配
線部に接続された放熱体側ボンディングパッド部を設け
ているため、マルチビーム半導体レーザ素子における独
立駆動用電極の微細化を図る一方で、ボンディングパッ
ド部、放熱体における放熱体側ボンディングパッド部及
び配線部を介してワイヤと確実に接続させることが可能
となり、かつ、活性層内に生じた熱エネルギは、上記独
立駆動用電極、ボンディングパッド部、放熱体側ボンデ
ィングパッド部を介して放熱体から放出され、上記活性
層の昇温を確実に防止することが可能となる。

［実施例］以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に
説明する。

◎第一実施例この実施例に係るマルチビーム半導体レーザ装置
（１）は、第１図に示すように４の独立駆動可能な発光
部を有するマルチビーム半導体レーザ素子（２）と、こ
のマルチビーム半導体レーザ素子（２）に接合された放
熱体（３）とでその主要部が構成されているものであ
る。

まず、上記マルチビーム半導体レーザ素子（２）は、
第２図に示すようにｎ−GaAsの基板（20）と、この基板
（20）上に積層された厚さ1.5μｍのｎ−Al_0.85Ga_0.15A
sのクラッド層（21）と、このクラッド層（21）上に積
層された厚さ、1000オングストロームのｎ−Al_0.35Ga
_0.65Asのコンファインメント層（22）と、このコンファ
イメント層（22）上に積層された厚さ、70オングストロ
ームのｐ−GaAsの井戸層（23）と、この井戸層（23）上
に積層された厚さ、110オングストロームのｎ−Al_0.35G
a_0.65Asのバリアー層（24）と、このバリアー層（24）
上に積層された厚さ、70オングストロームのｐ−GaAsの
井戸層（25）と、この井戸層（25）上に積載された厚
さ、1000オングストロームのｎ−Al_0.35Ga_0.65Asのコン
ファインメント層（26）と、このコンファインメント層
（26）上に積層された厚さ、0.8μｍのｐ−Al_0.85Ga
_0.15Asのクラッド層（27）と、このクラッド層（27）に
積層された厚さ、0.1μｍのp⁺−GaAsのキャップ層（2
8）とでその主要部が構成され、ｎ−GaAsの基板（20）
の背面側にAu−Ge合金製のｎ側共通電極（2a）が、一
方、p⁺−GaAsのキャップ層（28）上にAu−Zn合金にて構
成された４のｐ側独立駆動用電極（2b）〜（2e）が形成
されていると共に、上記キャップ層（28）からクラッド
層（21）の全層に亘ってI.I.D（Impurity Induced Diso
rdering）法によりSiが拡散された非電流領域（2f）〜
（2j）が形成されこれによって４の発光部（2k）〜（2
p）が形成されている。尚、このマルチビーム半導体レ
ーザ素子（２）においては、上記２の井戸層（23）（2
5）とこれ等井戸層（23）（25）に挟まれたバリアー層
（24）とで活性層が構成されており、上記電流領域（2
f）〜（2j）間を通して矢印（ｚ）方向から電流が注入
されると、上記活性層である井戸層（23）（25）とバリ
アー層（24）中にレーザ発振が生じて４のレーザスポッ
ト（２′）〜（2p′）が出力されるようになってい。

また、このマルチビーム半導体レーザ素子（２）の独
立駆動用電極（2b）〜（2e）が配置された面上には、第
３図〜第４図に示すようにその四隅に４のボンディング
パッド部（41）〜（44）が配設されており、かつ、各独
立駆動用電極（2b）〜（2e）とボンディングパッド部
（41）〜（44）間は配線（４）により接続されている。
尚、これ等ボンディングパッド部（41）〜（44）と配線
（４）は、上記独立駆動用電極（2b）〜（2e）と同一の
Au−Zn合金により形成されている。

一方、このマルチビーム半導体レーザ素子（２）に接
合される上記放熱体（３）は直方体状のダイヤモンドに
て構成されており、第５図〜第６図に示すようにそのマ
ルチビーム半導体レーザ素子（２）との接合面の上記ボ
ンディングパッド部（41）〜（44）と対応する部位に放
熱体側ボンディングパッド部（51）〜（54）が配設され
ており、かつ、これ等放熱体側ボンディングパッド部
（51）〜（54）は配線（５）を介して通電用の配線部
（61）〜（64）に夫々接続されている。尚、これ等放射
体側ボンディングパッド部（51）〜（54）や配線部
（５）等は、順次積層されたAu/Pt/Tiの３層材料にて各
々構成されている。

そして、上記ボンディグパッド部（41）〜（44）と放
熱体側ボンディングパッド部（51）〜（54）とをAu−Sn
合金を介して接着させ、上記マルチビーム半導体レーザ
素子（２）と放熱体（３）とが接合されてマルチビーム
半導体レーザ装置（１）は成るものである。

このように構成されたマルチビーム半導体レーザ装置
（１）においては、通電ワイア（７）〜（７）、独立駆
動用電極（2b）〜（2e）、及び共通電極（2a）を介して
各非電流領域（2f）〜（2j）間に電流が注入されると、
活性層である井戸層（23）（25）とバリアー層（24）中
にレーザ発振が生じて４のレーザスポット（2k′）〜
（2p′）が出力される。

この時、エネルギの一部が熱に変換されて活性層内の
温度が上昇しても、この熱エネルギは上記独立駆動用電
極（2b）〜（2e）を介し放熱体（３）から放出されて活
性層内の温度上昇を大幅に抑制することができるため、
レーザ光の出力が経時的に低下しない利点を有してい
る。

しかも、マルチビーム半導体レーザ素子（２）の独立
駆動用電極（2b）〜（2e）と上記放熱体（３）の配線部
（61）〜（64）との電気的接合を、マルチビーム半導体
レーザ素子（２）側に設けられたボンディングパッド部
（41）〜（44）と放熱体（３）側に設けられた放熱体側
ボンディングパッド部（51）〜（54）との接合によって
行なっているため、十分な導電性が確保でき、安定的に
レーザを独立駆動できる。また、十分な熱伝導性を確保
でき、放熱体に効率よく熱を伝えるとができる。さら
に、その位置合わせが容易になってマルチビーム半導体
レーザ装置（１）の製造が簡便化される利点を有してい
る。

『マルチビーム半導体レーザ装置の製造』以下、この実施例に係るマルチビーム半導体レーザ装
置の製造法について簡単に説明する。

まず、このマルチビーム半導体レーザ装置（１）の一
部を構成するマルチビーム半導体レーザ素子（２）は、
第２図に示すようにｎ−GaAsの基板（20）上に、MOCVD
法（有機金属化学的気相成長法）にてクラッド層（21）
を構成する1.5μｍのｎ−Al_0.85Ga_0.15Asと、コンファ
インメント層（22）を構成する1000オングストロームの
Al_0.35Ga_0.65Asと、井戸層（23）を構成する70オングス
トロームのGaAsと、バリアー層（24）を構成する110オ
ングストロームのAl_0.35Ga_0.65Asと、井戸層（25）を構
成する70オングストロームのGaAsと、コンファインメン
ト層（26）を構成する1000オングストロームのAl_0.35Ga
_0.65Asと、クラッド層（27）を構成する0.8μｍのｐ−A
l_0.85Ga_0.15As、及びキャップ層（28）を構成する0.1μ
ｍのp⁺−GaAsを連続的に順次積層する。

次いで、上記キャップ層（28）上に厚さ1000オングス
トロームのSi₃N₄をCVD法（化学的気相成長法）にて着膜
し、このSi₃N₄をフォトリソグラフィー法によりエッチ
ングして幅７μｍのスリット窓を７μｍ間隔で５個形成
すると共に、この面上に500オングストローム厚のSi
と、1000オングストローム厚のSi₃N₄を連続的に着膜す
る。

そして、850℃、7.5時間の加熱処理を施して上記Si₃N
₄層のスリット窓からSiをキャップ層（28）からクラッ
ド層（21）の全層に亘って拡散させ、上記井戸層（23）
（25）とバリアー層（24）とで構成される活性層を破壊
して非電流領域（2f）〜（2j）を形成すると共に４の発
光領域を形成し、各光ビームの発振モードを整える。

次に、上記キャップ層（28）表面に着膜させたSi₃N₄
とSiとをCF₄を用いたドライエッチング法にて除去した
後、キャップ層（28）の表面全体にZnを拡散させ、ｎ−
type Siとｐ−type Znにより補償させてｐ−n junction
を形成し、非電流領域（2f）〜（2j）に電流が流れない
ように調整する。

最後に、上記キャップ層（28）表面にAu−Zn合金を一
様に着膜し、フォトリソグラフィー法を用いたウェット
エッチング処理により、第４図に示すようなボンディン
グパッド部（41）〜（44）、配線（４）、及び独立駆動
用電極（2b）〜（2e）を夫々形成してマルチビーム半導
体レーザ素子（２）が得られる。

一方、上記放熱体（３）は直方体状のダイヤモンド表
面に、この下側からエレクトロンビーム蒸着器によりAu
/Pt/Tiの各金属を順次着膜し、かつ、リフトオフ法によ
りパターニングして第６図に示すような表面に放熱体側
ボンディングパッド部（51）〜（54）と配線（５）を有
する放熱体（３）を得る。

そして、上記ボンディングパッド部（41）〜（44）と
放熱体側ボンディングパッド部（51）〜（54）とをAu−
Sn合金を介して接着させ、上記マルチビーム半導体レー
ザ素子（２）と放熱体（３）とが接合されたマルチビー
ム半導体レーザ装置（１）が完成する。

◎第二実施例この実施例に係るマルチビーム半導体レーザ装置
（１）は、第７図に示すようにマルチビーム半導体レー
ザ素子（２）の共通電極（2a）側にも第二放熱体（８）
を配設した点を除き第一実施例に係るマルチビーム半導
体レーザ装置と略同一である。

すなわち、上記第二放熱体（８）は直方体状のダイヤ
モンドにて構成され、その外周面にAu−Sn合金が着膜さ
れて成るもので、上記マルチビーム半導体レーザ素子
（２）の共通電極（2a）にAu−Snハンダを介して接合さ
れているものである。

そして、このマルチビーム半導体レーザ装置（１）に
おいては活性層内の熱エネルギが放熱体（３）と第二放
熱体（８）から放出され、第一実施例に係るマルチビー
ム半導体レーザ装置より放熱効率が優れているため、活
性層内の温度上昇を大幅に抑制することができる利点を
有している。

［発明の効果］以上のように請求項１に記載の発明によれば、マルチ
ビーム半導体レーザ素子の独立駆動用電極が配置された
面上に、独立駆動用電極に接続されたボンディングパッ
ド部を各々設け、かつ、放熱体のマルチビーム半導体レ
ーザ素子との接合面の上記ボンディングパッド部と対応
する部位に配線部に接続された放熱体側ボンディングパ
ッド部を設けているため、マルチビーム半導体レーザ素
子における独立駆動用電極の微細化を図る一方で、ボン
ディングパッド部、放熱体における放熱体側ボンディン
グパッド部及び配線部を介してワイヤと確実に接続させ
ることが可能となり、かつ、活性層内に生じた熱エネル
ギは、上記独立駆動用電極、ボンディングパッド部、放
熱体側ボンディングパッド部を介して放熱体から放出さ
れ、上記活性層の昇温を確実に防止することが可能とな
る。

したがって、レーザ光の出力が経時的に低下しない効
果を有していると共に、このようなマルチビーム半導体
レーザ装置を簡便に製造できる効果を有している。

また請求項２に記載の発明によれば、上記ボンディン
グパッド部と対応する上記放熱体側ボンディングパッド
部との面積と形状とがそれぞれ等しく構成したため、熱
伝導性、導電性、位置合わせ性を限られた面積の半導体
レーザ素子面内でより効果的に向上させることができ
る。

また請求項３に記載の発明によれば、上記ボンディン
グパッド部が上記マルチビーム半導体レーザ素子の独立
駆動用電極が配置された面上の端部にそれぞれ設けたた
め、同様に熱伝導性、導電性、位置合わせ性を限られた
面積の半導体レーザ素子面内でより効果的に向上させる
ことができる。特に、多くのビーム数を必要とし、それ
に伴って放熱体側ボンディングパッド部も多く設ける必
要がある場合に、限られた半導体レーザ素子面内に効率
よく放熱体側ボンディングパッド部を配することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第７図は本発明の実施例を示しており、第１図
は第一実施例に係るマルチビーム半導体レーザ装置の構
成斜視図、第２図はこの装置の一部を構成するマルチビ
ーム半導体レーザ素子の斜視図、第３図はその底面斜視
図、第４図はその底面図、第５図は上記マルチビーム半
導体レーザ装置の一部を構成する放熱体の斜視図、第６
図はその平面図、第７図は第二実施例に係るマルチビー
ム半導体レーザ装置の構成斜視図を夫々示し、また、第
８図〜第12図は従来例を示し、第８図は放熱体を備えな
い半導体レーザ装置の斜視図、第９図はマルチビーム半
導体レーザ素子の斜視図、第10図はこのマルチビーム半
導体レーザ素子に接合される放熱体の斜視図、第11図及
び第12図は放熱体を備えるマルチビーム半導体レーザ装
置の構成斜視図を示している。［符号説明］（１）……マルチビーム半導体レーザ装置（２）……マルチビーム半導体レーザ素子（３）……放熱体（８）……第二放熱体（41）〜（44）……ボンディングパッド部（51）〜（54）……放熱体側ボンディングパッド部（61）〜（64）……配線部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者福永秀樹神奈川県海老名市本郷2274番地富士ゼロックス株式会社海老名事業所内 (56)参考文献特開昭63−262885（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−141385（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−84890（ＪＰ，Ａ) 実開昭64−355（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】独立駆動可能な複数の発光部と各発光部に
対応する独立駆動用電極を有するマルチビーム半導体レ
ーザ素子と、このマルチビーム半導体レーザ素子の独立
駆動用電極が配置された面側に接合され上記発光部の昇
温を防止する放熱体とを備え、上記放熱体に設けられた
配線部にワイヤをボンディングさせ、上記ワイヤを介し
てマルチビーム半導体レーザ素子の各独立駆動用電極へ
通電するマルチビーム半導体レーザー装置において、上記マルチビーム半導体レーザ素子の独立駆動用電極が
配置された面上に、独立駆動用電極に接続されたボンデ
ィングパッド部を各々設け、上記放熱体のマルチビーム半導体レーザ素子との接合面
の上記ボンディングパッド部と対応する部位に、上記配
線部に接続された放熱体側ボンディングパッド部を設け
たことを特徴とするマルチビーム半導体レーザ装置。
【請求項２】上記ボンディングパッド部と対応する上記
放熱体側ボンディングパッド部との面積と形状とがそれ
ぞれ等しい請求項１に記載のマルチビーム半導体レーザ
装置。
【請求項３】上記ボンディングパッド部が上記マルチビ
ーム半導体レーザ素子の独立駆動用電極が配置された面
上の端部にそれぞれ設けられる請求項１又は請求項２に
記載のマルチビーム半導体レーザ装置。