JP4310826B2 - パルス駆動半導体レーザの駆動方法 - Google Patents
パルス駆動半導体レーザの駆動方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、パルス駆動発光素子に関し、例えば、指示装置、照明装置、光電子情報通信装置などに適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般の指示装置または建設用などのレベリング装置としてのレーザポインタとしては、赤色発光の半導体レーザを用いたものが実用化されている。この赤色発光のレーザポインタに加えて、オレンジ色、黄色、青色などで発光するレーザポインタが得られれば、多色化を図ることができる。
【０００３】
しかしながら、現状では、波長１．３〜１．５μｍで発光する半導体レーザ、赤外域で発光する半導体レーザおよび赤色発光の半導体レーザ以外の半導体レーザは連続発振時の寿命が発展途上で、万時間オーダーの寿命が得られていない。あるいは、これらの発光波長の半導体レーザでも、確立した材料以外の材料を用いた半導体レーザの寿命はまだ長くない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、これらの半導体レーザにおいては、端面のＣＯＤ（catastrophic optical damage)破壊に対するレベルは、寿命によらず高いものが得られている。
【０００５】
そこで、緑色発光の半導体レーザなどの寿命が発展途上の各種の色で発光する半導体レーザであっても、実用化を図ることができる可能性がある。
【０００６】
また、半導体レーザの寿命が十分でも、平均出力を一定に保ちつつその耐久時間を長くすることができれば有益である。
【０００７】
したがって、この発明の目的は、連続発振時の半導体レーザの寿命を超えて長時間使用することができるパルス駆動発光素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、連続発振時の寿命が短い半導体レーザの有効利用や連続発振時の寿命が十分な半導体レーザのより長寿命化を図るべく、鋭意検討を行った。以下にその概要について説明する。
【０００９】
いま、連続発振時の半導体レーザの寿命τの注入電流依存性が、注目している出力領域で
τ（Ｉ）＝ｃＩ-r （１）
と近似することができるとする。ただし、Ｉは注入電流、ｃは定数である。ここで、ｒは注目している出力領域によって異なることがあり、例えば、ある出力領域ではｒ1 であるが、他のある出力領域ではｒ2 （≠ｒ1 ）となることがある。また、この半導体レーザは、しきい電流Ｉ0 およびスロープ効率ηを有し、図１に示すような出力（Ｐ）−電流（Ｉ）特性を有するとする。
【００１０】
図１に示すＰ−Ｉ特性は、
Ｐ＝０ （Ｉ＜Ｉ0 ） （２）
Ｐ＝η（Ｉ−Ｉ0 ） （Ｉ≧Ｉ0 ） （３）
と表される。
【００１１】
（３）式より、
Ｉ＝Ｉ0 ＋Ｐ／η （４）
である。
【００１２】
要求される平均出力をＰ0 、パルス駆動時の出力をＰとすると、パルス駆動時のデューティ比βはＰ0 ／Ｐに等しくなる。すなわち、β＝Ｐ0 ／Ｐである。ここで、出力がＰのときのτをτ（Ｐ）、出力がＰ0 のときのτをτ（Ｐ0 ）と書く。（４）式を（１）式に代入すると
τ（Ｐ）＝ｃ（Ｉ0 ＋Ｐ／η）-r （５）
となる。
【００１３】
いま、パルス駆動時の実効寿命をτ（Ｐ）／βと定義し、ｆ（Ｐ）＝τ（Ｐ）／βとおくと、（５）式より
ｆ（Ｐ）＝τ（Ｐ）／β＝｛ｃ（Ｉ0 ＋Ｐ／η）-r｝／（Ｐ0 ／Ｐ）
＝（ｃ／Ｐ0 ）｛Ｐ／（Ｉ0 ＋Ｐ／η）r ｝ （６）
となる。
【００１４】
（６）式を
（Ｐ0 ／ｃ）ｆ（Ｐ）＝｛Ｐ／（Ｉ0 ＋Ｐ／η）r ｝
と変形し、両辺をＰで微分すると
（Ｐ0 ／ｃ）ｄｆ（Ｐ）／ｄＰ
＝１／（Ｉ0 ＋Ｐ／η）r ＋Ｐ（−ｒ）｛１／（Ｉ0 ＋Ｐ／η）r+1 ｝（１／η）
＝｛１／（Ｉ0 ＋Ｐ／η）r+1 ｝｛Ｉ0 ＋Ｐ／η−（Ｐ／η）ｒ｝
＝｛１／（Ｉ0 ＋Ｐ／η）r+1 ｝｛（Ｐ／η）（１−ｒ）＋Ｉ0 ｝（７）
となる。
【００１５】
ｄｆ（Ｐ）／ｄＰ＝０とおくと、ｆ（Ｐ）が最大となるのは
Ｐ* ＝（Ｉ0 η）／（ｒ−１） （８）
のときであり、そのとき
β＝Ｐ0 ／Ｐ* ＝｛（ｒ−１）／Ｉ0 η｝Ｐ0 （９）
である。また、ｆ（Ｐ）の最大値は（８）式を（６）式に代入することにより求められる。
【００１６】
Ｐ＝Ｐ* のときの連続発振時の寿命に対するパルス発振時の寿命の比（以下「延命比」という。）は
延命比＝｛τ（Ｐ* ）／β｝／τ（Ｐ0 ）
＝［｛ｃ／（Ｉ0 ＋Ｐ* ／η）r ｝／｛ｃ／（Ｉ0 ＋Ｐ0 ／η）r ｝］×（１／β）
＝｛（ηＩ0 ＋Ｐ0 ）／（ηＩ0 ＋Ｐ* ）｝r （１／β） （10）
となる。
【００１７】
次に、パルス駆動時の実効寿命を連続発振時の寿命τ（Ｐ0 ）よりも長くするための条件は
τ（Ｐ）／β＞τ（Ｐ0 ） （11）
で表される。（11）式に（５）式を代入すると
｛ｃ（Ｉ0 ＋Ｐ／η）-r｝／（Ｐ0 ／Ｐ）＞ｃ（Ｉ0 ＋Ｐ0 ／η）-r（12）
となる。これより
Ｐ／Ｐ0 ＞｛（Ｉ0 ＋Ｐ／η）／（Ｉ0 ＋Ｐ0 ／η）｝r （13）
となる。
【００１８】
（13）式を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比でパルス駆動をすることにより、連続発振時の半導体レーザの寿命に比べて長寿命化を図ることができる。
【００１９】
この発明は、本発明者による以上のような検討に基づいて案出されたものである。
【００２０】
すなわち、上記課題を解決するために、この発明は、
しきい電流Ｉ0 およびスロープ効率ηを有し、かつ、連続発振時の寿命の注入電流依存性が注目する出力領域でτ（Ｉ）＝ｃＩ-r（ただし、Ｉは注入電流、ｃは定数）と近似される半導体レーザを用い、
要求される平均出力Ｐ0 に対し、
｛（Ｉ0 ＋Ｐ／η）／（Ｉ0 ＋Ｐ0 ／η）｝r ＜Ｐ／Ｐ0
を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比で半導体レーザをパルス駆動するようにした
ことを特徴とするパルス駆動発光素子である。
【００２１】
この発明において、最も長寿命化を図るためには、Ｐ＝ηＩ0 ／（ｒ−１）を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比で半導体レーザをパルス駆動する。
【００２２】
この発明において、典型的には、半導体レーザは紫外から赤外の領域の発振波長を有し、具体的には、紫外、青、緑、赤、赤外の領域の発振波長を有する。
【００２３】
この発明において、半導体レーザの具体例をいくつか挙げると、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｇ、ＣｄおよびＨｇからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のＩＩ族元素とＳｅ、Ｓ、ＴｅおよびＯからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のＶＩ族元素とにより構成されたＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた半導体レーザ、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＢからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のＩＩＩ族元素とＮ、ＰおよびＡｓからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のＶ族元素とにより構成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザ、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＢからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のＩＩＩ族元素とＮとにより構成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザ、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＢからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のＩＩＩ族元素とＰおよびＡｓからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のＶ族元素とにより構成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザ、有機半導体（有機エレクトロルミネッセンス物質）を用いた半導体レーザなどである。ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた半導体レーザとしては、例えばＺｎＣｄＳｅを活性層の材料として用いた緑色発光の半導体レーザや、ＢｅＺｎＭｇＳｅを活性層の材料として用いた半導体レーザ、さらには赤色、緑色または青色で発光可能なＺｎＭｇＣｄＳｅを活性層の材料として用いた半導体レーザなどが挙げられる。また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザとしては、紫色ないし青色で発光発光可能なＩｎＧａＮを活性層の材料として用いた半導体レーザ、可視光から赤外の領域で発光可能なＧａＩｎＮＡｓを活性層の材料として用いた半導体レーザなどが挙げられる。さらに、有機半導体を用いた半導体レーザとしては、テトラフェニルポルフィリン（ＴＰＰ）、テトラフェニルクロリン（ＴＰＣ）、アルミニウムヒドロキシキノリン（Ａｌｑ3 ）、ジアミン誘導体（ＴＰＤ）、ｐ−sexiphenyl（ｐ−６Ｐ）などを活性層の材料として用いた半導体レーザが挙げられる。これらの半導体レーザは、一般に連続発振時の寿命が短いものである。
【００２４】
この発明においては、必要に応じて、これらの半導体レーザのうちの一つまたは複数を用いてパルス駆動発光素子が構成される。この場合、互いに発振波長が異なる複数の半導体レーザを用いることにより、互いに異なる二つ以上の発光波長を得ることができる。
【００２５】
上述のように構成されたこの発明においては、要求される平均出力Ｐ0 に対し、｛（Ｉ0 ＋Ｐ／η）／（Ｉ0 ＋Ｐ0 ／η）｝r ＜Ｐ／Ｐ0 を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比で半導体レーザをパルス駆動するようにしていることにより、使用する半導体レーザの連続発振時の寿命よりも長時間使用することができる。特に、Ｐ＝ηＩ0 ／（ｒ−１）を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比で半導体レーザをパルス駆動することにより、寿命の最大化を図ることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２７】
図２はこの発明の一実施形態によるパルス駆動発光素子の全体構成を示し、図３はこのパルス駆動発光素子のヘッダー部分を拡大して示す。図２および図３に示すように、この一実施形態によるパルス駆動発光素子においては、ヘッダー１上に半円柱状のヒートシンク２が設けられ、このヒートシンク２の平坦な側面にチップ状の半導体レーザ３がマウントされている。この場合、この半導体レーザ３はそのｐ側電極（図示せず）を上にして、すなわちｐサイドアップでマウントされている。符号３ａはこの半導体レーザ３のストライプを示す。ヘッダー１には３本のリード４、５、６が設けられている。半導体レーザ３のｐ側電極とリード４の一端とがワイヤー７によりボンディングされている。リード５は接地端子であり、ヒートシンク２を介して半導体レーザ３のｎ側電極（図示せず）およびヘッダー１上に設けられたモニター用フォトダイオード８のカソードと接続されている。一方、リード６の一端は、ワイヤー９によりモニター用フォトダイオード８のアノードとボンディングされている。半導体レーザ３およびヒートシンク２の全体はヘッダー２上に取り付けられたキャップ１０でシールされている。キャップ１０の上面には窓１０ａが設けられ、この窓１０ａにガラス板１１がはめ込まれている。
【００２８】
図２および図３において、リード４、５を通じて半導体レーザ３にしきい値電流以上の電流が注入されると、そのフロント側の端面からレーザビーム１２が出射される。このレーザビーム１２はキャップ１０の窓１０ａのガラス板１１を通って外部に出射される。このレーザビーム１２は、必要に応じて、外部に設けられたレンズ系（例えば、ビームシフターと集光レンズとからなるものなど）に導かれる。
【００２９】
図４に、半導体レーザ３の一例として、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた緑色発光の半導体レーザを示す。図４に示すように、この半導体レーザにおいては、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、図示省略したバッファ層（例えば、ｎ型ＧａＡｓバッファ層、ｎ型ＺｎＳｅバッファ層およびｎ型ＺｎＳＳｅバッファ層を順次積層したもの）を介して、ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層１０２、ｎ型ＺｎＳＳｅ光導波層１０３、活性層１０４、ｐ型ＺｎＳＳｅ光導波層１０５、ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層１０６、ｐ型ＺｎＳＳｅキャップ層１０７、ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ多重量子井戸（ＭＱＷ）層１０８およびｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１０９が順次積層されている。ｎ型ＧａＡｓ基板１０１にはｎ型不純物として例えばＳｉがドープされ、厚さは例えば３５０μｍである。ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層１０２およびｎ型ＺｎＳＳｅ光導波層１０３にはｎ型不純物として例えばＣｌがドープされている。また、ｐ型ＺｎＳＳｅ光導波層１０５、ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層１０６、ｐ型ＺｎＳＳｅキャップ層１０７、ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅＭＱＷ層１０８およびｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１０９にはｐ型不純物として例えばＮがドープされている。レーザ構造を形成する各層の厚さの一例を挙げると、ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層１０２は１μｍ、ｎ型ＺｎＳＳｅ光導波層１０３およびｐ型ＺｎＳＳｅ光導波層１０５はそれぞれ４５ｎｍ、ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層１０６は１μｍ、ｐ型ＺｎＳＳｅキャップ層１０７は１００ｎｍ、ｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１１０は７０ｎｍ、ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅＭＱＷ層１０８は３ｎｍである。活性層１０４は例えばＺｎＣｄＳｅからなる単一量子井戸（ＳＱＷ）構造を有し、そのＺｎＣｄＳｅ層の厚さは例えば３．５ｎｍ、そのＩＩ族元素の組成はＺｎが６５％、Ｃｄが３５％であり、その格子定数はｎ型ＧａＡｓ基板１の格子定数よりも若干大きくなっている。また、ｎ型ＺｎＳＳｅ光導波層１０３およびｐ型ＺｎＳＳｅ光導波層１０５のＶＩ族元素の組成は例えばＳが６％、Ｓｅが９４％である。
【００３０】
ｐ型ＺｎＳＳｅキャップ層１０７の上部、ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅＭＱＷ層１０８およびｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１０９は一方向に延びるストライプ形状を有する。このストライプ部の幅は例えば２〜１０μｍである。このストライプ部の両側の部分には例えばＡｌ2 Ｏ3 膜のような絶縁層１１０が設けられており、これによって電流狭窄構造が形成されている。ストライプ形状のｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１０９および絶縁層１１０上にはｐ側電極１１１が、ｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１０９とオーミックコンタクトして設けられている。ｐ側電極１１１としては、例えば、厚さが１０ｎｍのＰｄ膜、厚さが１００ｎｍのＰｔ膜および厚さが３００ｎｍのＡｕ膜が順次積層されたＰｄ／Ｐｔ／Ａｕ電極が用いられる。一方、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面にはｎ側電極１１２がオーミックコンタクトして設けられている。このｎ側電極１１２としては例えばＩｎ電極が用いられる。
【００３１】
この半導体レーザの共振器長は例えば６００μｍであり、劈開面からなる共振器端面を有する。
【００３２】
図５に、半導体レーザ３の他の例として、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた紫色ないし青色発光の半導体レーザを示す。図５に示すように、この半導体レーザにおいては、例えば（０００１）面方位のサファイア基板２０１上に低温成長によるＧａＮバッファ層２０２を介してアンドープＧａＮ層２０３が積層されている。サファイア基板２０１の厚さは例えば３５０μｍである。アンドープＧａＮ層２０３上にストライプ形状のＳｉＯ2 膜２０４が形成されている。そして、アンドープＧａＮ層２０３上に、このＳｉＯ2 膜２０４を成長マスクとしていわゆるＥＬＯＧ（epitaxial lateral over-growth)法により横方向エピタキシャル成長されたアンドープＧａＮ層２０５が積層されている。このアンドープＧａＮ層２０５上にｎ型ＧａＮコンタクト層２０６、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０７、ｎ型ＧａＮ光導波層２０８、活性層２０９、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２１０、ｐ型ＧａＮ光導波層２１１、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１２およびｐ型ＧａＮコンタクト層２１３が順次積層されている。ｎ型ＧａＮコンタクト層２０６、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０７およびｎ型ＧａＮ光導波層２０８にはｎ型不純物として例えばＳｉがドープされている。ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２１０、ｐ型ＧａＮ光導波層２１１、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１２およびｐ型ＧａＮコンタクト層２１３にはｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。レーザ構造を形成する各層の厚さの一例を挙げると、ｎ型ＧａＮコンタクト層２０６は４μｍ、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０７は１μｍ、ｎ型ＧａＮ光導波層２０８は１００ｎｍ、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２１０は２０ｎｍ、ｐ型ＧａＮ光導波層２１１は１００ｎｍ、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１２は１μｍ、ｐ型ＧａＮコンタクト層２１３は５０ｎｍである。活性層２０９は、例えば厚さが３．５ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さが１０．５ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ層とからなる４重量子井戸構造を有する。また、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０７およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１２のＩＩＩ族元素の組成はＡｌが１４％、Ｇａが８６％である。ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２１０のＩＩＩ族元素の組成はＡｌが２０％、Ｇａが８０％である。
【００３３】
ｎ型ＧａＮコンタクト層２０６の上部、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０７、ｎ型ＧａＮ光導波層２０８、活性層２０９、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２１０、ｐ型ＧａＮ光導波層２１１およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１２の下部は所定のメサ形状を有する。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１２の上部およびｐ型ＧａＮコンタクト層２１３はリッジ形状を有する。このリッジ部の両側面およびこのリッジ部の両側の部分のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１２上には例えばＳｉＯ2 膜のような絶縁膜２１４が設けられている。この絶縁膜２１４にはリッジ部の上の部分に開口２１４ａが設けられており、この開口２１４ａを通じてｐ側電極２１５がｐ型ＧａＮコンタクト層２１３にオーミックコンタクトしている。このｐ側電極２１５としては例えばＮｉ／Ａｕ電極が用いられる。一方、メサ部の近傍の部分のｎ型ＧａＮコンタクト層２０６上にｎ側電極２１６がオーミックコンタクトして設けられている。このｎ側電極２１６としては例えばＴｉ／Ａｌ電極が用いられる。
【００３４】
図６は、半導体レーザ３の駆動回路を示す。図６に示すように、半導体レーザ３はパルス電源１３により駆動される。半導体レーザ３はその種類に応じた発振波長を有する。このとき、パルス電源１３を制御することにより、レーザビーム１２の出力を任意に設定することができる。
【００３５】
この一実施形態において、半導体レーザ３は、しきい電流Ｉ0 およびスロープ効率ηを有し、連続発振時の寿命の注入電流依存性が、注目する出力領域でτ（Ｉ）＝ｃＩ-rと近似されるものである。そして、このような半導体レーザ３を、要求される平均出力Ｐ0 に対し、
｛（Ｉ0 ＋Ｐ／η）／（Ｉ0 ＋Ｐ0 ／η）｝r ＜Ｐ／Ｐ0
を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比でパルス駆動する。このときのパルス駆動発光素子の実効寿命は半導体レーザ３の連続発振時の寿命よりも長くすることができる。
【００３６】
特に、Ｐ＝ηＩ0 ／（ｒ−１）を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比で半導体レーザをパルス駆動することにより、連続発振時の寿命に対して、
延命比＝｛（ηＩ0 ＋Ｐ0 ）／（ηＩ0 ＋Ｐ* ）｝r （１／β）
を得ることができる。言い換えれば、この一実施形態によるパルス駆動発光素子の寿命は、連続発振時の半導体レーザ３の寿命に比べて、この延命比倍だけ長くなる。
【００３７】
例えば、図７はＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた半導体レーザの出力と寿命との関係の測定結果の一例を示す。測定温度は４０℃である。実線で示す曲線はＪ-4理論（Ｊはしきい電流密度）による理論曲線であり、特に低出力側で測定データと良く一致している。このＪ-4に従う変化はτ（Ｉ）＝ｃＩ-rにおいてｒ＝４の場合に相当する。
【００３８】
図７より、１０ｍＷ出力時の寿命は１ｍＷ出力時の寿命に比べて約１／２に低下するのに対し、この一実施形態によるパルス駆動発光素子においては、平均出力Ｐ0 ＝１ｍＷに対し、出力Ｐ＝１０ｍＷで、かつ、デューティ比１０％でパルス駆動すると、１／β＝１０であるので、約５倍の寿命向上となる。
【００３９】
以上のように、この一実施形態によるパルス駆動発光素子によれば、要求される平均出力Ｐ0 に対し、｛（Ｉ0 ＋Ｐ／η）／（Ｉ0 ＋Ｐ0 ／η）｝r ＜Ｐ／Ｐ0 を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比で半導体レーザ３をパルス駆動することにより、半導体レーザ３の連続発振時の寿命を超えて長時間使用することができる。特に、Ｐ＝ηＩ0 ／（ｒ−１）を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比で半導体レーザ３をパルス駆動することにより、寿命の最大化を図ることができる。このため、半導体レーザ３として、寿命が発展途上にある図４または図５に示すような緑色または青色発光の半導体レーザを用いて、実用化に耐えられる十分な寿命を有するパルス駆動発光素子を得ることができる。
【００４０】
この一実施形態によるパルス駆動発光素子により、緑色または青色発光のレーザポインタを実現することができる。また、そのほかに、このパルス駆動発光素子は、光電子装置、照明装置、光通信装置などの光装置全般に適用することができることは勿論、高温で動作させる必要のある車載用の半導体レーザ装置を有する機器などにも適用可能である。
【００４１】
以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００４２】
例えば、上述の一実施形態において挙げた数値や構造などははあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値や構造などを用いてもよい。
【００４３】
具体的には、上述の一実施形態において半導体レーザ３の例として挙げた図４に示す半導体レーザにおいて、ｎ型ＺｎＳＳｅ光導波層１０３およびｐ型ＺｎＳＳｅ光導波層１０５の代わりにアンドープＺｎＳＳｅ光導波層を用いてもよい。同様に、図５に示す半導体レーザにおいて、ｎ型ＧａＮ光導波層２０８およびｐ型ＧａＮ光導波層２１１の代わりにアンドープＧａＮ光導波層を用いてもよい。さらに、これらの半導体レーザの代わりにレーザ構造が異なる他の半導体レーザを用いてもよい。
【００４４】
また、上述の一実施形態においては、半導体レーザ３をｐサイドアップでマウントした場合について説明したが、半導体レーザ３はｐサイドダウンでマウントしてもよい。このときの半導体レーザ３の駆動回路としては図９に示すものを用いる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によるパルス駆動発光素子によれば、要求される平均出力Ｐ0 に対し、｛（Ｉ0 ＋Ｐ／η）／（Ｉ0 ＋Ｐ0 ／η）｝r ＜Ｐ／Ｐ0 を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比で半導体レーザをパルス駆動するようにしていることにより、連続発振時の半導体レーザの寿命を超えて長時間使用することができ、特に、Ｐ＝ηＩ0 ／（ｒ−１）を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比で半導体レーザをパルス駆動することにより、寿命の最大化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体レーザの出力−電流特性を示す略線図である。
【図２】この発明の一実施形態によるパルス駆動発光素子の全体構成を示す斜視図である。
【図３】この発明の一実施形態によるパルス駆動発光素子のヘッダー部を拡大して示す略線図である。
【図４】この発明の一実施形態によるパルス駆動発光素子における半導体レーザの具体例を示す断面図である。
【図５】この発明の一実施形態によるパルス駆動発光素子における半導体レーザの他の具体例を示す断面図である。
【図６】この発明の一実施形態によるパルス駆動発光素子における半導体レーザの駆動回路の一例を示す略線図である。
【図７】ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた半導体レーザの寿命と出力との関係を示す略線図である。
【図８】この発明の一実施形態によるパルス駆動発光素子における半導体レーザの駆動回路の他の例を示す略線図である。
【符号の説明】
３・・・半導体レーザ、１２・・・レーザビーム、１３・・・パルス電源、１０１・・・ｎ型ＧａＡｓ基板、１０２・・・ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層、１０４・・・活性層、１０６・・・ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層、１１１・・・ｐ側電極、１１２・・・ｎ側電極、２０１・・・サファイア基板、２０７・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、２０９・・・活性層、２１２・・・ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
【発明の属する技術分野】
この発明は、パルス駆動発光素子に関し、例えば、指示装置、照明装置、光電子情報通信装置などに適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般の指示装置または建設用などのレベリング装置としてのレーザポインタとしては、赤色発光の半導体レーザを用いたものが実用化されている。この赤色発光のレーザポインタに加えて、オレンジ色、黄色、青色などで発光するレーザポインタが得られれば、多色化を図ることができる。
【０００３】
しかしながら、現状では、波長１．３〜１．５μｍで発光する半導体レーザ、赤外域で発光する半導体レーザおよび赤色発光の半導体レーザ以外の半導体レーザは連続発振時の寿命が発展途上で、万時間オーダーの寿命が得られていない。あるいは、これらの発光波長の半導体レーザでも、確立した材料以外の材料を用いた半導体レーザの寿命はまだ長くない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、これらの半導体レーザにおいては、端面のＣＯＤ（catastrophic optical damage)破壊に対するレベルは、寿命によらず高いものが得られている。
【０００５】
そこで、緑色発光の半導体レーザなどの寿命が発展途上の各種の色で発光する半導体レーザであっても、実用化を図ることができる可能性がある。
【０００６】
また、半導体レーザの寿命が十分でも、平均出力を一定に保ちつつその耐久時間を長くすることができれば有益である。
【０００７】
したがって、この発明の目的は、連続発振時の半導体レーザの寿命を超えて長時間使用することができるパルス駆動発光素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、連続発振時の寿命が短い半導体レーザの有効利用や連続発振時の寿命が十分な半導体レーザのより長寿命化を図るべく、鋭意検討を行った。以下にその概要について説明する。
【０００９】
いま、連続発振時の半導体レーザの寿命τの注入電流依存性が、注目している出力領域で
τ（Ｉ）＝ｃＩ-r （１）
と近似することができるとする。ただし、Ｉは注入電流、ｃは定数である。ここで、ｒは注目している出力領域によって異なることがあり、例えば、ある出力領域ではｒ1 であるが、他のある出力領域ではｒ2 （≠ｒ1 ）となることがある。また、この半導体レーザは、しきい電流Ｉ0 およびスロープ効率ηを有し、図１に示すような出力（Ｐ）−電流（Ｉ）特性を有するとする。
【００１０】
図１に示すＰ−Ｉ特性は、
Ｐ＝０ （Ｉ＜Ｉ0 ） （２）
Ｐ＝η（Ｉ−Ｉ0 ） （Ｉ≧Ｉ0 ） （３）
と表される。
【００１１】
（３）式より、
Ｉ＝Ｉ0 ＋Ｐ／η （４）
である。
【００１２】
要求される平均出力をＰ0 、パルス駆動時の出力をＰとすると、パルス駆動時のデューティ比βはＰ0 ／Ｐに等しくなる。すなわち、β＝Ｐ0 ／Ｐである。ここで、出力がＰのときのτをτ（Ｐ）、出力がＰ0 のときのτをτ（Ｐ0 ）と書く。（４）式を（１）式に代入すると
τ（Ｐ）＝ｃ（Ｉ0 ＋Ｐ／η）-r （５）
となる。
【００１３】
いま、パルス駆動時の実効寿命をτ（Ｐ）／βと定義し、ｆ（Ｐ）＝τ（Ｐ）／βとおくと、（５）式より
ｆ（Ｐ）＝τ（Ｐ）／β＝｛ｃ（Ｉ0 ＋Ｐ／η）-r｝／（Ｐ0 ／Ｐ）
＝（ｃ／Ｐ0 ）｛Ｐ／（Ｉ0 ＋Ｐ／η）r ｝ （６）
となる。
【００１４】
（６）式を
（Ｐ0 ／ｃ）ｆ（Ｐ）＝｛Ｐ／（Ｉ0 ＋Ｐ／η）r ｝
と変形し、両辺をＰで微分すると
（Ｐ0 ／ｃ）ｄｆ（Ｐ）／ｄＰ
＝１／（Ｉ0 ＋Ｐ／η）r ＋Ｐ（−ｒ）｛１／（Ｉ0 ＋Ｐ／η）r+1 ｝（１／η）
＝｛１／（Ｉ0 ＋Ｐ／η）r+1 ｝｛Ｉ0 ＋Ｐ／η−（Ｐ／η）ｒ｝
＝｛１／（Ｉ0 ＋Ｐ／η）r+1 ｝｛（Ｐ／η）（１−ｒ）＋Ｉ0 ｝（７）
となる。
【００１５】
ｄｆ（Ｐ）／ｄＰ＝０とおくと、ｆ（Ｐ）が最大となるのは
Ｐ* ＝（Ｉ0 η）／（ｒ−１） （８）
のときであり、そのとき
β＝Ｐ0 ／Ｐ* ＝｛（ｒ−１）／Ｉ0 η｝Ｐ0 （９）
である。また、ｆ（Ｐ）の最大値は（８）式を（６）式に代入することにより求められる。
【００１６】
Ｐ＝Ｐ* のときの連続発振時の寿命に対するパルス発振時の寿命の比（以下「延命比」という。）は
延命比＝｛τ（Ｐ* ）／β｝／τ（Ｐ0 ）
＝［｛ｃ／（Ｉ0 ＋Ｐ* ／η）r ｝／｛ｃ／（Ｉ0 ＋Ｐ0 ／η）r ｝］×（１／β）
＝｛（ηＩ0 ＋Ｐ0 ）／（ηＩ0 ＋Ｐ* ）｝r （１／β） （10）
となる。
【００１７】
次に、パルス駆動時の実効寿命を連続発振時の寿命τ（Ｐ0 ）よりも長くするための条件は
τ（Ｐ）／β＞τ（Ｐ0 ） （11）
で表される。（11）式に（５）式を代入すると
｛ｃ（Ｉ0 ＋Ｐ／η）-r｝／（Ｐ0 ／Ｐ）＞ｃ（Ｉ0 ＋Ｐ0 ／η）-r（12）
となる。これより
Ｐ／Ｐ0 ＞｛（Ｉ0 ＋Ｐ／η）／（Ｉ0 ＋Ｐ0 ／η）｝r （13）
となる。
【００１８】
（13）式を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比でパルス駆動をすることにより、連続発振時の半導体レーザの寿命に比べて長寿命化を図ることができる。
【００１９】
この発明は、本発明者による以上のような検討に基づいて案出されたものである。
【００２０】
すなわち、上記課題を解決するために、この発明は、
しきい電流Ｉ0 およびスロープ効率ηを有し、かつ、連続発振時の寿命の注入電流依存性が注目する出力領域でτ（Ｉ）＝ｃＩ-r（ただし、Ｉは注入電流、ｃは定数）と近似される半導体レーザを用い、
要求される平均出力Ｐ0 に対し、
｛（Ｉ0 ＋Ｐ／η）／（Ｉ0 ＋Ｐ0 ／η）｝r ＜Ｐ／Ｐ0
を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比で半導体レーザをパルス駆動するようにした
ことを特徴とするパルス駆動発光素子である。
【００２１】
この発明において、最も長寿命化を図るためには、Ｐ＝ηＩ0 ／（ｒ−１）を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比で半導体レーザをパルス駆動する。
【００２２】
この発明において、典型的には、半導体レーザは紫外から赤外の領域の発振波長を有し、具体的には、紫外、青、緑、赤、赤外の領域の発振波長を有する。
【００２３】
この発明において、半導体レーザの具体例をいくつか挙げると、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｇ、ＣｄおよびＨｇからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のＩＩ族元素とＳｅ、Ｓ、ＴｅおよびＯからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のＶＩ族元素とにより構成されたＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた半導体レーザ、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＢからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のＩＩＩ族元素とＮ、ＰおよびＡｓからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のＶ族元素とにより構成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザ、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＢからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のＩＩＩ族元素とＮとにより構成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザ、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＢからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のＩＩＩ族元素とＰおよびＡｓからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のＶ族元素とにより構成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザ、有機半導体（有機エレクトロルミネッセンス物質）を用いた半導体レーザなどである。ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた半導体レーザとしては、例えばＺｎＣｄＳｅを活性層の材料として用いた緑色発光の半導体レーザや、ＢｅＺｎＭｇＳｅを活性層の材料として用いた半導体レーザ、さらには赤色、緑色または青色で発光可能なＺｎＭｇＣｄＳｅを活性層の材料として用いた半導体レーザなどが挙げられる。また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザとしては、紫色ないし青色で発光発光可能なＩｎＧａＮを活性層の材料として用いた半導体レーザ、可視光から赤外の領域で発光可能なＧａＩｎＮＡｓを活性層の材料として用いた半導体レーザなどが挙げられる。さらに、有機半導体を用いた半導体レーザとしては、テトラフェニルポルフィリン（ＴＰＰ）、テトラフェニルクロリン（ＴＰＣ）、アルミニウムヒドロキシキノリン（Ａｌｑ3 ）、ジアミン誘導体（ＴＰＤ）、ｐ−sexiphenyl（ｐ−６Ｐ）などを活性層の材料として用いた半導体レーザが挙げられる。これらの半導体レーザは、一般に連続発振時の寿命が短いものである。
【００２４】
この発明においては、必要に応じて、これらの半導体レーザのうちの一つまたは複数を用いてパルス駆動発光素子が構成される。この場合、互いに発振波長が異なる複数の半導体レーザを用いることにより、互いに異なる二つ以上の発光波長を得ることができる。
【００２５】
上述のように構成されたこの発明においては、要求される平均出力Ｐ0 に対し、｛（Ｉ0 ＋Ｐ／η）／（Ｉ0 ＋Ｐ0 ／η）｝r ＜Ｐ／Ｐ0 を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比で半導体レーザをパルス駆動するようにしていることにより、使用する半導体レーザの連続発振時の寿命よりも長時間使用することができる。特に、Ｐ＝ηＩ0 ／（ｒ−１）を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比で半導体レーザをパルス駆動することにより、寿命の最大化を図ることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２７】
図２はこの発明の一実施形態によるパルス駆動発光素子の全体構成を示し、図３はこのパルス駆動発光素子のヘッダー部分を拡大して示す。図２および図３に示すように、この一実施形態によるパルス駆動発光素子においては、ヘッダー１上に半円柱状のヒートシンク２が設けられ、このヒートシンク２の平坦な側面にチップ状の半導体レーザ３がマウントされている。この場合、この半導体レーザ３はそのｐ側電極（図示せず）を上にして、すなわちｐサイドアップでマウントされている。符号３ａはこの半導体レーザ３のストライプを示す。ヘッダー１には３本のリード４、５、６が設けられている。半導体レーザ３のｐ側電極とリード４の一端とがワイヤー７によりボンディングされている。リード５は接地端子であり、ヒートシンク２を介して半導体レーザ３のｎ側電極（図示せず）およびヘッダー１上に設けられたモニター用フォトダイオード８のカソードと接続されている。一方、リード６の一端は、ワイヤー９によりモニター用フォトダイオード８のアノードとボンディングされている。半導体レーザ３およびヒートシンク２の全体はヘッダー２上に取り付けられたキャップ１０でシールされている。キャップ１０の上面には窓１０ａが設けられ、この窓１０ａにガラス板１１がはめ込まれている。
【００２８】
図２および図３において、リード４、５を通じて半導体レーザ３にしきい値電流以上の電流が注入されると、そのフロント側の端面からレーザビーム１２が出射される。このレーザビーム１２はキャップ１０の窓１０ａのガラス板１１を通って外部に出射される。このレーザビーム１２は、必要に応じて、外部に設けられたレンズ系（例えば、ビームシフターと集光レンズとからなるものなど）に導かれる。
【００２９】
図４に、半導体レーザ３の一例として、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた緑色発光の半導体レーザを示す。図４に示すように、この半導体レーザにおいては、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、図示省略したバッファ層（例えば、ｎ型ＧａＡｓバッファ層、ｎ型ＺｎＳｅバッファ層およびｎ型ＺｎＳＳｅバッファ層を順次積層したもの）を介して、ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層１０２、ｎ型ＺｎＳＳｅ光導波層１０３、活性層１０４、ｐ型ＺｎＳＳｅ光導波層１０５、ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層１０６、ｐ型ＺｎＳＳｅキャップ層１０７、ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ多重量子井戸（ＭＱＷ）層１０８およびｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１０９が順次積層されている。ｎ型ＧａＡｓ基板１０１にはｎ型不純物として例えばＳｉがドープされ、厚さは例えば３５０μｍである。ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層１０２およびｎ型ＺｎＳＳｅ光導波層１０３にはｎ型不純物として例えばＣｌがドープされている。また、ｐ型ＺｎＳＳｅ光導波層１０５、ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層１０６、ｐ型ＺｎＳＳｅキャップ層１０７、ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅＭＱＷ層１０８およびｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１０９にはｐ型不純物として例えばＮがドープされている。レーザ構造を形成する各層の厚さの一例を挙げると、ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層１０２は１μｍ、ｎ型ＺｎＳＳｅ光導波層１０３およびｐ型ＺｎＳＳｅ光導波層１０５はそれぞれ４５ｎｍ、ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層１０６は１μｍ、ｐ型ＺｎＳＳｅキャップ層１０７は１００ｎｍ、ｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１１０は７０ｎｍ、ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅＭＱＷ層１０８は３ｎｍである。活性層１０４は例えばＺｎＣｄＳｅからなる単一量子井戸（ＳＱＷ）構造を有し、そのＺｎＣｄＳｅ層の厚さは例えば３．５ｎｍ、そのＩＩ族元素の組成はＺｎが６５％、Ｃｄが３５％であり、その格子定数はｎ型ＧａＡｓ基板１の格子定数よりも若干大きくなっている。また、ｎ型ＺｎＳＳｅ光導波層１０３およびｐ型ＺｎＳＳｅ光導波層１０５のＶＩ族元素の組成は例えばＳが６％、Ｓｅが９４％である。
【００３０】
ｐ型ＺｎＳＳｅキャップ層１０７の上部、ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅＭＱＷ層１０８およびｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１０９は一方向に延びるストライプ形状を有する。このストライプ部の幅は例えば２〜１０μｍである。このストライプ部の両側の部分には例えばＡｌ2 Ｏ3 膜のような絶縁層１１０が設けられており、これによって電流狭窄構造が形成されている。ストライプ形状のｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１０９および絶縁層１１０上にはｐ側電極１１１が、ｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１０９とオーミックコンタクトして設けられている。ｐ側電極１１１としては、例えば、厚さが１０ｎｍのＰｄ膜、厚さが１００ｎｍのＰｔ膜および厚さが３００ｎｍのＡｕ膜が順次積層されたＰｄ／Ｐｔ／Ａｕ電極が用いられる。一方、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面にはｎ側電極１１２がオーミックコンタクトして設けられている。このｎ側電極１１２としては例えばＩｎ電極が用いられる。
【００３１】
この半導体レーザの共振器長は例えば６００μｍであり、劈開面からなる共振器端面を有する。
【００３２】
図５に、半導体レーザ３の他の例として、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた紫色ないし青色発光の半導体レーザを示す。図５に示すように、この半導体レーザにおいては、例えば（０００１）面方位のサファイア基板２０１上に低温成長によるＧａＮバッファ層２０２を介してアンドープＧａＮ層２０３が積層されている。サファイア基板２０１の厚さは例えば３５０μｍである。アンドープＧａＮ層２０３上にストライプ形状のＳｉＯ2 膜２０４が形成されている。そして、アンドープＧａＮ層２０３上に、このＳｉＯ2 膜２０４を成長マスクとしていわゆるＥＬＯＧ（epitaxial lateral over-growth)法により横方向エピタキシャル成長されたアンドープＧａＮ層２０５が積層されている。このアンドープＧａＮ層２０５上にｎ型ＧａＮコンタクト層２０６、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０７、ｎ型ＧａＮ光導波層２０８、活性層２０９、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２１０、ｐ型ＧａＮ光導波層２１１、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１２およびｐ型ＧａＮコンタクト層２１３が順次積層されている。ｎ型ＧａＮコンタクト層２０６、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０７およびｎ型ＧａＮ光導波層２０８にはｎ型不純物として例えばＳｉがドープされている。ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２１０、ｐ型ＧａＮ光導波層２１１、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１２およびｐ型ＧａＮコンタクト層２１３にはｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。レーザ構造を形成する各層の厚さの一例を挙げると、ｎ型ＧａＮコンタクト層２０６は４μｍ、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０７は１μｍ、ｎ型ＧａＮ光導波層２０８は１００ｎｍ、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２１０は２０ｎｍ、ｐ型ＧａＮ光導波層２１１は１００ｎｍ、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１２は１μｍ、ｐ型ＧａＮコンタクト層２１３は５０ｎｍである。活性層２０９は、例えば厚さが３．５ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さが１０．５ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ層とからなる４重量子井戸構造を有する。また、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０７およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１２のＩＩＩ族元素の組成はＡｌが１４％、Ｇａが８６％である。ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２１０のＩＩＩ族元素の組成はＡｌが２０％、Ｇａが８０％である。
【００３３】
ｎ型ＧａＮコンタクト層２０６の上部、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０７、ｎ型ＧａＮ光導波層２０８、活性層２０９、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２１０、ｐ型ＧａＮ光導波層２１１およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１２の下部は所定のメサ形状を有する。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１２の上部およびｐ型ＧａＮコンタクト層２１３はリッジ形状を有する。このリッジ部の両側面およびこのリッジ部の両側の部分のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１２上には例えばＳｉＯ2 膜のような絶縁膜２１４が設けられている。この絶縁膜２１４にはリッジ部の上の部分に開口２１４ａが設けられており、この開口２１４ａを通じてｐ側電極２１５がｐ型ＧａＮコンタクト層２１３にオーミックコンタクトしている。このｐ側電極２１５としては例えばＮｉ／Ａｕ電極が用いられる。一方、メサ部の近傍の部分のｎ型ＧａＮコンタクト層２０６上にｎ側電極２１６がオーミックコンタクトして設けられている。このｎ側電極２１６としては例えばＴｉ／Ａｌ電極が用いられる。
【００３４】
図６は、半導体レーザ３の駆動回路を示す。図６に示すように、半導体レーザ３はパルス電源１３により駆動される。半導体レーザ３はその種類に応じた発振波長を有する。このとき、パルス電源１３を制御することにより、レーザビーム１２の出力を任意に設定することができる。
【００３５】
この一実施形態において、半導体レーザ３は、しきい電流Ｉ0 およびスロープ効率ηを有し、連続発振時の寿命の注入電流依存性が、注目する出力領域でτ（Ｉ）＝ｃＩ-rと近似されるものである。そして、このような半導体レーザ３を、要求される平均出力Ｐ0 に対し、
｛（Ｉ0 ＋Ｐ／η）／（Ｉ0 ＋Ｐ0 ／η）｝r ＜Ｐ／Ｐ0
を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比でパルス駆動する。このときのパルス駆動発光素子の実効寿命は半導体レーザ３の連続発振時の寿命よりも長くすることができる。
【００３６】
特に、Ｐ＝ηＩ0 ／（ｒ−１）を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比で半導体レーザをパルス駆動することにより、連続発振時の寿命に対して、
延命比＝｛（ηＩ0 ＋Ｐ0 ）／（ηＩ0 ＋Ｐ* ）｝r （１／β）
を得ることができる。言い換えれば、この一実施形態によるパルス駆動発光素子の寿命は、連続発振時の半導体レーザ３の寿命に比べて、この延命比倍だけ長くなる。
【００３７】
例えば、図７はＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた半導体レーザの出力と寿命との関係の測定結果の一例を示す。測定温度は４０℃である。実線で示す曲線はＪ-4理論（Ｊはしきい電流密度）による理論曲線であり、特に低出力側で測定データと良く一致している。このＪ-4に従う変化はτ（Ｉ）＝ｃＩ-rにおいてｒ＝４の場合に相当する。
【００３８】
図７より、１０ｍＷ出力時の寿命は１ｍＷ出力時の寿命に比べて約１／２に低下するのに対し、この一実施形態によるパルス駆動発光素子においては、平均出力Ｐ0 ＝１ｍＷに対し、出力Ｐ＝１０ｍＷで、かつ、デューティ比１０％でパルス駆動すると、１／β＝１０であるので、約５倍の寿命向上となる。
【００３９】
以上のように、この一実施形態によるパルス駆動発光素子によれば、要求される平均出力Ｐ0 に対し、｛（Ｉ0 ＋Ｐ／η）／（Ｉ0 ＋Ｐ0 ／η）｝r ＜Ｐ／Ｐ0 を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比で半導体レーザ３をパルス駆動することにより、半導体レーザ３の連続発振時の寿命を超えて長時間使用することができる。特に、Ｐ＝ηＩ0 ／（ｒ−１）を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比で半導体レーザ３をパルス駆動することにより、寿命の最大化を図ることができる。このため、半導体レーザ３として、寿命が発展途上にある図４または図５に示すような緑色または青色発光の半導体レーザを用いて、実用化に耐えられる十分な寿命を有するパルス駆動発光素子を得ることができる。
【００４０】
この一実施形態によるパルス駆動発光素子により、緑色または青色発光のレーザポインタを実現することができる。また、そのほかに、このパルス駆動発光素子は、光電子装置、照明装置、光通信装置などの光装置全般に適用することができることは勿論、高温で動作させる必要のある車載用の半導体レーザ装置を有する機器などにも適用可能である。
【００４１】
以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００４２】
例えば、上述の一実施形態において挙げた数値や構造などははあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値や構造などを用いてもよい。
【００４３】
具体的には、上述の一実施形態において半導体レーザ３の例として挙げた図４に示す半導体レーザにおいて、ｎ型ＺｎＳＳｅ光導波層１０３およびｐ型ＺｎＳＳｅ光導波層１０５の代わりにアンドープＺｎＳＳｅ光導波層を用いてもよい。同様に、図５に示す半導体レーザにおいて、ｎ型ＧａＮ光導波層２０８およびｐ型ＧａＮ光導波層２１１の代わりにアンドープＧａＮ光導波層を用いてもよい。さらに、これらの半導体レーザの代わりにレーザ構造が異なる他の半導体レーザを用いてもよい。
【００４４】
また、上述の一実施形態においては、半導体レーザ３をｐサイドアップでマウントした場合について説明したが、半導体レーザ３はｐサイドダウンでマウントしてもよい。このときの半導体レーザ３の駆動回路としては図９に示すものを用いる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によるパルス駆動発光素子によれば、要求される平均出力Ｐ0 に対し、｛（Ｉ0 ＋Ｐ／η）／（Ｉ0 ＋Ｐ0 ／η）｝r ＜Ｐ／Ｐ0 を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比で半導体レーザをパルス駆動するようにしていることにより、連続発振時の半導体レーザの寿命を超えて長時間使用することができ、特に、Ｐ＝ηＩ0 ／（ｒ−１）を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比で半導体レーザをパルス駆動することにより、寿命の最大化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体レーザの出力−電流特性を示す略線図である。
【図２】この発明の一実施形態によるパルス駆動発光素子の全体構成を示す斜視図である。
【図３】この発明の一実施形態によるパルス駆動発光素子のヘッダー部を拡大して示す略線図である。
【図４】この発明の一実施形態によるパルス駆動発光素子における半導体レーザの具体例を示す断面図である。
【図５】この発明の一実施形態によるパルス駆動発光素子における半導体レーザの他の具体例を示す断面図である。
【図６】この発明の一実施形態によるパルス駆動発光素子における半導体レーザの駆動回路の一例を示す略線図である。
【図７】ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた半導体レーザの寿命と出力との関係を示す略線図である。
【図８】この発明の一実施形態によるパルス駆動発光素子における半導体レーザの駆動回路の他の例を示す略線図である。
【符号の説明】
３・・・半導体レーザ、１２・・・レーザビーム、１３・・・パルス電源、１０１・・・ｎ型ＧａＡｓ基板、１０２・・・ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層、１０４・・・活性層、１０６・・・ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層、１１１・・・ｐ側電極、１１２・・・ｎ側電極、２０１・・・サファイア基板、２０７・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、２０９・・・活性層、２１２・・・ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
Claims (7)
- しきい電流Ｉ0 およびスロープ効率ηを有し、かつ、連続発振時の寿命の注入電流依存性が注目する出力領域でτ（Ｉ）＝ｃＩ -4 （ただし、Ｉは注入電流、ｃは定数）と近似される半導体レーザを用い、
要求される平均出力Ｐ0 に対し、
｛（Ｉ0 ＋Ｐ／η）／（Ｉ0 ＋Ｐ0 ／η）｝ 4 ＜Ｐ／Ｐ0
を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比で上記半導体レーザをパルス駆動するようにしたパルス駆動半導体レーザの駆動方法。 - Ｐ＝ηＩ0 ／３を満たす出力Ｐで、かつ、β＝Ｐ0 ／Ｐなるデューティ比で上記半導体レーザをパルス駆動するようにした請求項１記載のパルス駆動半導体レーザの駆動方法。
- 上記半導体レーザは、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｇ、ＣｄおよびＨｇからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のＩＩ族元素とＳｅ、Ｓ、ＴｅおよびＯからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のＶＩ族元素とにより構成されたＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた半導体レーザである請求項１または２記載のパルス駆動半導体レーザの駆動方法。
- 上記半導体レーザは、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＢからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のＩＩＩ族元素とＮ、ＰおよびＡｓからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のＶ族元素とにより構成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザである請求項１または２記載のパルス駆動半導体レーザの駆動方法。
- 上記半導体レーザは、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＢからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のＩＩＩ族元素とＮとにより構成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザである請求項１または２記載のパルス駆動半導体レーザの駆動方法。
- 上記半導体レーザは、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＢからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のＩＩＩ族元素とＰおよびＡｓからなる群より選ばれた少なくとも一種類以上のＶ族元素とにより構成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザである請求項１または２記載のパルス駆動半導体レーザの駆動方法。
- 上記半導体レーザは有機半導体を用いた半導体レーザである請求項１または２記載のパルス駆動半導体レーザの駆動方法。
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