JP6572803B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、プロジェクタなどの可視光光源又は加工機などの励起用光源に用いられる半導体レーザ装置に関する。
半導体レーザは、他の光源と比較して、小型、色再現性が良い、低消費電力、高輝度といったメリットを持っており、プロジェクタ又はシネマなどの投射型ディスプレイ用の光源として期待されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、レーザ光を被照射面に照射すると、スペックルノイズと呼ばれる斑点模様が現れ、画像がちらついて見える。これは、レーザ光の波長が単一であり、コヒーレンスが高いことにより起こる干渉が原因となっている。スペックルノイズは、映像鑑賞者に不快感及び目の疲労を強いる原因となっており、軽減が望まれている。
このスペックルノイズを軽減する方法として、被照射面を振動させることや、半導体レーザと被照射面の間の光路上に拡散板をすることなどが挙げられるが、これらは非常にコストがかかる。スペックルノイズの大きさＣｓと、レーザ光の発振スペクトルの半値幅Δλとの間にはＣｓ∝１／√Δλなる関係がある。そのため、スペックルノイズを軽減する方法として、光源の発光波長の半値幅を広げることが有効である。
特開２０１１−４９３３８号公報
光源の発光波長の半値幅を広げるためには、波長の異なる複数の半導体レーザ素子を使用すればよい。しかし、そのためには、活性層が異なる複数の半導体レーザ素子を作製する必要がある。また、１つの半導体レーザ素子から波長の異なる複数のレーザ光を出射させることはできなかった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は１つの半導体レーザ素子の発光波長の半値幅を広げてスペックルノイズを軽減することができる半導体レーザ装置を得るものである。
本発明に係る半導体レーザ装置は、電流が注入されてレーザ光を発光する複数の発光領域と、互いに対向する第１及び第２主面とを有する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子の前記第１主面にワイヤボンドされた複数の第１ワイヤとを備え、前記半導体レーザ素子の前記第１主面は、前記複数の発光領域の１つに対応する第１ストライプ領域と他の発光領域に対応する第２ストライプ領域を有し、前記複数の第１ワイヤは、前記第１ストライプ領域に前記第２ストライプ領域よりも多くワイヤボンドされ、前記複数の第１ワイヤは、前記第１ストライプ領域のみにワイヤボンドされていることを特徴とする。
本発明では、ワイヤボンド位置を１つの発光領域上に偏らせることで、発光領域へ流れる電流を不均一にし、さらにワイヤで発生した熱を１つの発光領域に偏って流入させることにより、活性層温度を異ならせている。これにより、各発光領域から出射するレーザ光の発振波長が異なることになり、１つの半導体レーザ素子の発光波長の半値幅を広げてスペックルノイズを軽減することができる。
本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置を示す側面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置を示す正面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置の主要部を示す平面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子の共振器内における活性層温度の分布を求めた結果を示す図である。 比較例に係る半導体レーザ装置の主要部を示す平面図である。 比較例に係る半導体レーザ素子の共振器内における活性層温度の分布を求めた結果を示す図である。 全面にｎ側電極及び金メッキ層を形成した場合の共振器内における活性層温度の分布を求めた結果を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ装置の主要部を示す平面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ装置の主要部を示す平面図である。
本発明の実施の形態に係る半導体レーザ装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置を示す側面図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置を示す正面図である。半導体レーザ素子１は、通信用、ディスクシステム又はプロジェクタの光源用としてよく用いられるφ９．０ｍｍステムパッケージに搭載されている。
半導体レーザ素子１はサブマウント２に接合されている。サブマウント２はステムのブロック３に搭載されている。パッケージの熱抵抗を下げるために、ブロック３の材料として銅が用いられることが多い。ブロック３はステムのアイレット４に接着されている。アイレット４の直径は９．０ｍｍである。
アイレット４に設けられた穴にリード５，６が通されている。アイレット４とリード５，６との間に両者を電気的に分離するための封止用ガラス７が設けられている。半導体レーザ素子１の上面とリード５は金ワイヤ８により電気的に接続されている。サブマウント２の上面とリード６は金ワイヤ９により電気的に接続されている。
アイレット４の底面１０がシステムの筐体（不図示）と接触する。これにより、半導体レーザ素子１から発生した熱がサブマウント２、ブロック３、アイレット４及びその底面１０を介して外部に放熱される。なお、半導体レーザ素子１を封止するために、本ステムパッケージはキャッピングがなされることがある。
図３は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。ｎ型ＧａＡｓの半導体基板１１上に、ｎ型ＡｌＩｎＰの下クラッド層１２、アンドープＡｌＩｎＰの下光ガイド層１３、ＧａＩｎＰの活性層１４、アンドープＡｌＧａＩｎＰの上光ガイド層１５、ｐ型ＡｌＩｎＰの上クラッド層１６、及びｐ型ＧａＡｓのコンタクト層１７，１８が順に形成されている。コンタクト層１７，１８はそれぞれエッチングされてリッジストライプが形成されている。
半導体基板１１の厚さは５０〜１５０μｍである。下クラッド層１２の厚さは０．５〜４．０μｍ、そのキャリア濃度は０．５〜１．５×１０１８ｃｍ−３である。下光ガイド層１３及び上光ガイド層１５の厚さは０．０２〜０．４μｍである。活性層１４の厚さは３．０〜２０ｎｍである。上クラッド層１６の厚さは０．５〜４．０μｍ、そのキャリア濃度は０．５〜２．０×１０１８ｃｍ−３である。コンタクト層１７，１８の厚さは０．０５〜０．５μｍ、そのキャリア濃度は１．０〜４．０×１０１９ｃｍ−３である。
上クラッド層１６上及びコンタクト層１７，１８のサイドには、シリコン窒化膜などの絶縁膜１９が形成されている。コンタクト層１７，１８上において絶縁膜１９にそれぞれ開口が形成されている。これらの開口の幅は６０μｍである。
このコンタクト層１７，１８及び絶縁膜１９上にｐ側電極２０が形成され、絶縁膜１９の開口を通してコンタクト層１７，１８と低抵抗接合している。ｐ側電極２０上に金メッキ層２１が形成されている。ｐ側電極２０はＴｉ、Ｐｔ、Ａｕなどの薄膜を積層したもので、全厚さは０．０５〜１．０μｍである。金メッキ層２１の厚さは１．０〜６．０μｍである。半導体基板１１の下面にｎ側電極２２が接合され、その下に金メッキ層２３が形成されている。ｎ側電極２２はＴｉ、Ｐｔ、Ａｕなどの薄膜を積層したもので、全厚さは０．０５〜１．０μｍである。金メッキ層２３の厚さは１．０〜６．０μｍである。
絶縁膜１９の２つの開口の真下に存在する活性層１４の領域は、それぞれ電流が注入されてレーザ光を発光する第１及び第２発光領域２４，２５となる。従って、半導体レーザ素子１の２カ所からレーザ光が出射されることになる。ｎ側電極２２及び金メッキ層２３は、半導体基板１１の第１発光領域２４側のみに形成されている。
図４は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置の主要部を示す平面図である。図３に示した半導体レーザ素子１は上下を反対にされ、半導体レーザ素子１の表面の金メッキ層２１がサブマウント２に接合されている。従って、半導体レーザ素子１の活性層１４はサブマウント２に非常に近い位置に存在する。複数の金ワイヤ８が半導体レーザ素子１の裏面の金メッキ層２３にワイヤボンドされている。複数の金ワイヤ９がサブマウント２にワイヤボンドされている。金ワイヤ８，９の数はそれぞれ６本、ワイヤ径は２５μｍ、ワイヤ長は全て２．０ｍｍである。
半導体レーザ素子１の裏面は、第１発光領域２４に対応する第１ストライプ領域２６と第２発光領域２５に対応する第２ストライプ領域２７を有する。ｎ側電極２２及び金メッキ層２３は第１ストライプ領域２６に形成され、第２ストライプ領域２７には形成されていない。複数の金ワイヤ８は第１ストライプ領域２６のみにワイヤボンドされている。
続いて、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１の製造方法について説明する。まず、半導体基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法などの結晶成長法により、下クラッド層１２、下光ガイド層１３、活性層１４、上光ガイド層１５、上クラッド層１６、コンタクト層を順に形成する。次に、エッチングによりコンタクト層を選択的に除去して第１及び第２発光領域２４，２５上のみにコンタクト層１７，１８を残す。次に、全面に絶縁膜１９を形成し、第１及び第２発光領域２４，２５上の絶縁膜１９をエッチングによって除去する。次に、ｐ側電極２０及び金メッキ層２１を形成する。次に、半導体基板１１の裏面を研磨して所望の厚さにし、ｎ側電極２２と金メッキ層２３を形成する。半導体基板１１を共振器長が１．５ｍｍとなるようにへき開し、前端面に反射率１０％のコーティングを実施し、後端面に反射率９０％のコーティングを実施する。以上の構成により本実施の形態に係る半導体レーザ１が製造される。

第１及び第２発光領域２４，２５は、電流が流れ、かつレーザ光が導波されるため、しきい値電流、非発光再結合、光吸収又はジュール熱に起因する熱が発生する領域となる。図５は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子の共振器内における活性層温度の分布を求めた結果を示す図である。半導体レーザ素子１に注入する全電流値を５．０Ａとし、外気温を０℃として第１及び第２発光領域２４，２５についてジュール熱を考慮した熱シミュレーションを実施した。図５の横軸の０は前端面、横軸の１．５ｍｍは後端面の位置である。ここで、光吸収と非発光再結合に起因する発熱は除外している。ただし、２つの発光領域の前後面反射率、光利得、しきい電流値がほとんど同じであることから、光吸収と非発光再結合に起因する発熱による温度分布は２つの発光領域とも同じとなる。
第１発光領域２４と第２発光領域２５では、活性層温度が約１．５℃異なっている。これは、図４のように金ワイヤ８が第１発光領域２４側に偏って打たれ、かつ電極も第１発光領域２４側のみに存在することから、金ワイヤ８から第２発光領域２５に流れる電流よりも、金ワイヤ８から第１発光領域２４に流れる電流が大きくなった結果、第１発光領域２４におけるジュール熱が第２発光領域２５のそれよりも大きくなったためである。さらに、金ワイヤ８が第１発光領域２４側に打たれているため、金ワイヤ８で発生したジュール熱が第１発光領域２４付近に伝わることで、さらに第１発光領域２４と第２発光領域２５の温度差が大きくなる。
ここで、発振波長の温度依存性は、半導体レーザの材料や発振波長によって異なるが、ＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いた本実施の形態に係る半導体レーザ素子１では０．２０ｎｍ／℃程度である。従って、半導体レーザ素子１では、第１発光領域２４と第２発光領域２５の波長差は０．３ｎｍ程度となる。従って、１つの半導体レーザ素子１から異なる波長のレーザ光が出射されることになる。
図６は、比較例に係る半導体レーザ装置の主要部を示す平面図である。複数の発光領域に均一に電流を注入するため、第１及び第２発光領域２４，２５に対応する第１及び第２ストライプ領域２６，２７に均等にワイヤボンドされている。図７は、比較例に係る半導体レーザ素子の共振器内における活性層温度の分布を求めた結果を示す図である。図５と同様の条件で熱シミュレーションを実施した。第１発光領域２４と第２発光領域２５の温度差が小さいため、２つの発光領域から出射されるレーザ光の波長差はほぼ同じとなる。従って、１つの半導体レーザ素子１の発光波長の半値幅が狭くなるため、スペックルノイズが発生する。
これに対して、本実施の形態に係る半導体レーザ装置では、ワイヤボンド位置を１つの発光領域上に偏らせることで、発光領域へ流れる電流を不均一にし、さらにワイヤで発生した熱を１つの発光領域に偏って流入させることにより、活性層温度を異ならせている。これにより、各発光領域から出射するレーザ光の発振波長が異なることになり、１つの半導体レーザ素子１の発光波長の半値幅を広げてスペックルノイズを軽減することができる。
図８は、全面にｎ側電極及び金メッキ層を形成した場合の共振器内における活性層温度の分布を求めた結果を示す図である。図５に示す本実施の形態の場合に比べて第１発光領域２４と第２発光領域２５の温度差が小さいことが分かる。従って、図４に示すように、ｎ側電極２２及び金メッキ層２３を一方の発光領域上にのみ形成することで、電極上での電流広がりによって、電流偏りが緩和されることを防止することができる。
また、半導体レーザ素子１のワイヤボンドされた第１ストライプ領域２６は、ワイヤボンドされていない第２ストライプ領域２７よりも、サブマウント２のワイヤボンドされた領域に近い。このように両者のワイヤボンドされた領域の間隔が近くなることで、ワイヤボンドされた第１発光領域２４に流れる電流が多くなり、ワイヤボンドされていない第２発光領域２５に流れる電流が少なくなる。これにより、第１発光領域２４と第２発光領域２５の温度差が大きくなり、本発明の効果が大きくなる。
実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ装置の主要部を示す平面図である。複数の金ワイヤ８は、第１ストライプ領域２６に第２ストライプ領域２７よりも多くワイヤボンドされている。このように、必ずしも全ての金ワイヤ８を１つの発光領域上のみにワイヤボンドする必要はなく、ワイヤ本数に偏りがあれば第１発光領域２４と第２発光領域２５の温度差が生じるため、スペックルノイズを軽減することができる。
実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ装置の主要部を示す平面図である。複数の金ワイヤ８は第１ストライプ領域２６のみにワイヤボンドされている。これにより、実施の形態２よりも第１発光領域２４と第２発光領域２５の温度差が大きくなるため、更にスペックルノイズを軽減することができる。ただし、実施の形態１のようにｎ側電極２２及び金メッキ層２３を第１ストライプ領域２６のみに形成した方が、温度差が大きくなる。
なお、実施の形態１〜３では半導体レーザ素子１の発光領域の数が２つの場合について説明したが、これに限らず、半導体レーザ素子１が３つ以上の発光領域を有する場合についても同様の効果が得られることは明らかである。ただし、発光領域の数が２つの場合は、発光領域の間隔が広くなるため、電流が隣りの発光領域に流れにくくなる。そのため、電流量差が大きくなることで、本発明の効果が大きくなる。
１ 半導体レーザ素子、２ サブマウント、８ 金ワイヤ（第１ワイヤ）、９ 金ワイヤ（第２ワイヤ）、２２ ｎ側電極（電極）、２３ 金メッキ層（電極）、２４ 第１発光領域、２５ 第２発光領域、２６ 第１ストライプ領域、２７ 第２ストライプ領域

Claims (4)

  1. 電流が注入されてレーザ光を発光する複数の発光領域と、互いに対向する第１及び第２主面とを有する半導体レーザ素子と、
    前記半導体レーザ素子の前記第１主面にワイヤボンドされた複数の第１ワイヤとを備え、
    前記半導体レーザ素子の前記第１主面は、前記複数の発光領域の１つに対応する第１ストライプ領域と他の発光領域に対応する第２ストライプ領域を有し、
    前記複数の第１ワイヤは、前記第１ストライプ領域に前記第２ストライプ領域よりも多くワイヤボンドされ、
    前記複数の第１ワイヤは、前記第１ストライプ領域のみにワイヤボンドされていることを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 前記半導体レーザ素子は、前記複数の第１ワイヤがワイヤボンドされる電極を更に有し、
    前記電極は前記第１ストライプ領域に形成され、前記第２ストライプ領域には形成されていないことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
  3. 電流が注入されてレーザ光を発光する複数の発光領域と、互いに対向する第１及び第２主面とを有する半導体レーザ素子と、
    前記半導体レーザ素子の前記第１主面にワイヤボンドされた複数の第１ワイヤと、
    前記半導体レーザ素子の前記第２主面が接合されたサブマウントと、
    前記サブマウントにワイヤボンドされた第２ワイヤとを備え、
    前記半導体レーザ素子の前記第１主面は、前記複数の発光領域の１つに対応する第１ストライプ領域と他の発光領域に対応する第２ストライプ領域を有し、
    前記複数の第１ワイヤは、前記第１ストライプ領域に前記第２ストライプ領域よりも多くワイヤボンドされ、
    前記半導体レーザ素子の前記第１ストライプ領域は前記第２ストライプ領域よりも前記サブマウントのワイヤボンドされた領域に近いことを特徴とする半導体レーザ装置。
  4. 前記複数の発光領域の数が２つであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
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