JPH02144980A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体レーザ素子、特にドループ特性の高い半
導体レーザ素子、たとえば、レーザビームプリンタ用発
光源に適用して有効な半導体レーザ素子および半導体レ
ーザ装置に関する。

〔従来の技術〕

ディジタルオーディオディスク、ビデオディスク、光デ
イスクファイル、レーザビームプリンタ等の情報処理装
置用光源として、または光通信用の発光源として半導体
レーザ素子が使用されている。

たとえば、日経マグロウヒル社発行「日経エレクトロニ
クスＪ　１９Ｂ３年３月１４日号、Ｐ２９４〜Ｐ２９５
には、高速レーザビームプリンタや、書き込みのできる
光ディスクなどに使用できるＳＢ　Ｈ（ｓｅｌｆ−ａｌ
ｉｇｎｅｄ　５ｔｒｉｐ　ｂｕｒｉｅｄ−ｈｅｔｅｒｏ
　）型レーザが紹介されている。この半導体レーザ素子
は、波長が７８０ｎｍ、光出力が４０ｍＷとなっている
。また、この半導体レーザ素子は光導波路を設けるとと
もに、共振器の一端面には高効率反射膜を設けることに
よって高出力化が達成されている。

また、前記高効率反射膜は、アモーファスｓｉ：Ｈと５
１０ｆｆｉ膜を４層程度重ねた多層反射膜からなり、反
射率は８０〜９０％となっている。また、他方（前方）
の共振器の端面には１／４波長厚のＳｔＯ，膜（反射率
５〜１０％）をスパッタによって設けられている。１ また、特開昭５７−１９７８８８号公報には、共振器の
両端面に反射率０．３程度のＳｉＯ２膜、膜をコートし
た半導体レーザ素子が記載されている。

一方、半導体レーザ素子の高出力化を左右する因子の一
つとして、熱特性（ドループ特性）がある、ドループ特
性については、たとえば、昭和６２年８月、三菱電機株
式会社半導体事業部発行、「”８７三菱半導体データブ
ック、光半導体素子線Ｊｌ−２９頁に記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

レーザビームプリンタ用の半導体レーザ素子は、熱抵抗
（−Ｒｔｂ）が、たとえば１・０％以下と低いことが要
求されている。−Ｒいが大きいと、レーザビームプリン
タによって打ち出された文字に濃淡が現われてしまう、
また一方の小型化の要請から、半導体レーザ素子を組み
込んだ半導体レーザ装置は、−層パッケージが小型とな
っている。この結果、半導体レーザ素子を取り付けるス
テムの放熱性も悪くなり、熱抵抗が高くなってしまう。

特に、小型の半導体レーザ装置の場合、ステムは従来の
銅（Ｃｕ）系から鉄（Ｆｅ）系材料に変更されている。

本発明の目的は熱抵抗（−Ｒい）の小さい半導体レーザ
素子および半導体レーザ装置を提供することにある。

本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、
本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであ
ろう。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の半導体レーザ装置は、組み込んだ半導体レーザ
素子において、半導体レーザ素子の共振器の両端面に発
振波長λの１／４の厚さのＳｉＯ２膜と、このＳｉＯ２
膜、膜上に重なる厚さλ／４のアモルファスＳｌ膜と、
このアモルファスＳｉ膜上に重なる厚さλ／４のＳｉＯ
２膜、膜とからなる多層反射膜が設けられている。この
多層反射膜の反射率は５５％程度となっている。

〔作用〕

本発明の半導体レーザ装置にあっては、半導体レーザ素
子の共振器の両端面に発振波長λのｌ／４の厚さのＳｉ
Ｏ２膜、膜と、このＳｔｏｗ膜上に重なる厚さλ／４の
アモルファスＳｉ膜と、このアモルファスＳｉ膜上に重
なる厚さλ／４のＳｉＯ、ａとからなる多層反射膜が設
けられていることから、両端面の反射率はおよそ５５％
となる。このように共振器の両端面の反射率が高くなる
と、やや出力が低下するが、スロープ効率ηおよび閾値
Ｉ□は低くなるため、−Ｒいを小さくできる。

すなわち、本発明の半導体レーザ素子の熱抵抗（−Ｒｔ
ｂ）は１．４％程度となり、従来の５％程度の約半分と
なる。また、−Ｒいの低減化によって、−Ｒ□不良率も
従来の約１０％から１％と低くなり、歩留りも向上する
。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の一実施例について説明する
。

第１図は本発明の一実施例による半導体レーザ素子の概
要を示す模式図、第２図は同じく本発明の半導体レーザ
素子を示す模式的斜視図、第３図はドループ特性を示す
グラフ、第４図は本発明の半導体レーザ装置を示す一部
を切り欠いた斜視図である。

この実施例では、情報処理用半導体レーザ素子に本発明
を適用した例について説明する。

本発明の半導体レーザ素子は、第１図にその概要を示す
ように、半導体レーザ素子（レーザダイオードチップ）
■の両端、すなわち、共振器２の両端に多層反射膜３を
それぞれ設けた構造となっている。前記多層反射ｌＩ！
３は半導体レーザ素子１の端面に直接設けられたＳ　ｉ
　Ｏｘ　［４と、このＳｉＯ２膜４上に設けられたアモ
ルファスＳｉ膜５と、このアモルファスＳｉ膜５に重な
る５ｉＣｈ膜６とからなっている。また、各膜は、それ
ぞれ発振波長λの１／４の厚さとなっている。前記共振
器２の両端からはレーザ光７が発光される。し−ザ光７
の出力は前記多層反射膜３の存在によって反射率が５５
％と高（なるため、やや低下するが、たとえば、レーザ
ビームプリンタの光源として必要な出力の５ｍＷ以上は
維持できる。

第２図はＣ３ＰてＣｈａｎｎｅｌｅｄ−５ｕｂｓｔｒａ
ｔｅＰｌａｎａｒ）型半導体レーザ素子に本発明を適用
した例を示す斜視図である。

Ｃ５Ｐ型半導体レーザ素子は、第２図に示されるように
、ｎ形のＧａＡｓからなる基板１０上に多層成長層１１
を有し、多層成長層１１の上面にＣｒＡｕからなるアノ
ード電極１２を、基板１０の下面にＡ　ｕ　Ｇ　ｅ　Ｎ
　ｉ　／　Ｃｒ　／　Ａ　ｕからなるカソード電ｉ１３
を有した構造となっている。前記基板１０の主面中央に
は両側が傾斜した溝（チャネル）１４が設けられている
。また、前記多層成長層１１は、基板１０の主面上に直
接形成されたｎ形のＧａＡ１Ａｓによる厚さ０．２μｍ
程度のクラッド層１５と、このクラシト層１５の上面に
形成されたＧａＡＪＩＡｓによる厚さ０，０６μｍ程度
の活性層１６と、この活性層１６の上面に形成されたｐ
形のＧａＡＪＬＡｓによる厚さ２μｍ程度のクラッド層
１７と、このクラッド層１７の上面に形成されたｎ形の
ＧａＡｓによる厚さ０．５μｍ程度のキャップ層１日と
からなる四層の多層成長構造となっている。また、前記
キャップ層１８にはクラッド層１７の途中深さにまで達
し、かつチャネル１４の幅と同一の幅を有する亜鉛（Ｚ
ｎ）の部分拡散によるＰ形の拡散層（点々で示される電
流狭窄用拡散層）１９が形成されている。

また、前記Ｃ５Ｐ型の半導体レーザ素子は、第２図に示
されるように、基板ｌＯの主面にチャネル１４を設ける
ことによって、このチャネル１４の上部のクラッド層１
５への光の滲み出しを他の部分よりも多くし、チャネル
１４の上部に対応する活性層１６部分（共振器２）がそ
の両側に拡がる活性層１６部分よりも、実効的に屈折率
が高くなるようにして前記共振器２における光の閉じ込
め効果を向上させ、レーザ発振を生じさせる構造となっ
ている。

第４図は本発明の半導体レーザ素子１を組み込んだ半導
体レーザ装置を示す示す一部を切り欠いた状態の斜視図
である。

半導体レーザ装置は、同図に示されるように、それぞれ
アセンブリの主体部品となる板状のステム２０およびこ
のステム２０の主面側に気密固定されたキャップ２１と
からなっている。前記ステム２０は数ｍｍの厚さの円形
の金属板となっていて、その主面（上面）の中央部には
銅製のヒートシンク２２が鑞材等で固定されている。こ
のヒートシンク２２の側面にはサブマウント２３を介し
て半導体レーザ素子１が固定されている。前記半導体レ
ーザ素子ｌは、たとえば、幅が４００μｍ。

長さが３００μｍ、高さが１１００ｔＩとなっていて、
レーザ光７を発光する共振器は、半導体レーザ素子１の
表面から３〜５μｍ程度の深さに位置している。

一方、前記ステム２０の主面に、は半導体レーザ素子１
の端から発光されるレーザ光７を受光し、レーザ光７の
光出力をモニターする受光素子２４が固定されている。

この受光素子２４はステム２０の主面に設けられた傾斜
面２５に図示しない接合材を介して固定されている。こ
れは、遠視野像の乱れを生じさせなくするためである。

他方、前記ステム２０には３本のり一部２６が固定され
ている。１本のリード２６はステム２０の裏面に電気的
および機械的に固定され、他の２本のリード２６はステ
ム２０を貫通し、かつガラスのような絶縁体２７を介し
てステム２０に対し電気的に絶縁されて固定されている
。前記ステム２０の主面に突出する２本のり一部２６の
上端は、それぞれワイヤ２Ｂを介して半導体レーザ素子
１および受光素子２４の各電極に接続されている。

また、前記ステム２０の主面には窓２９を有する金属製
のキャップ２１が気密的に固定され、半導体レーザ素子
１およびヒートシンク２２を封止している。前記窓２９
はキャップ２１の天井部に設けた円形孔を透明なガラス
板３０で気密的に塞ぐことによって形成されている。し
たがって、半導体レーザ素子ｌの上端から出射したレー
ザ光７は、この透明なガラス板３０を透過してステム２
Ｏとキャップ２１とによって形成されたパッケージ外に
放射される。

なお、前記ステム２０の外周部分には、相互に対峙して
設けられる一対のＶ字状切欠部３１と、矩形状切欠部３
２が設けられ、組立時の位置決めに使用されるようにな
っている。

このように組み立てられた半導体レーザ装置において、
前述のように半導体レーザ素子１は、熱抵抗（−Ｒい）
が小さくなるように、第１図に示されるように、共振器
２の両端面に多層反射膜３を設けている。

また、このような半導体レーザ素子１のドループ特性は
、第３図に示されるようになる。すなわち、このグラフ
は縦軸が光出力、横軸が時間となっていて、測定周波数
（ｆ　；　ｆ＝６００Ｈｚ）における１パルスの光出力
変化を示している。ハツチング領域が１０％デユティで
あり、１０％デユティの初端出力をＰ　ｏ　　（Ｐ　−
＝　５　ｍ　Ｗ　）とし、９０％デユティの終端出力を
Ｐ、とした場合、熱抵抗（−Ｒｔｂ）は次式（１）で与
えられる。

Ｐ、　　−Ｐ。

Ｒｔｈ＝　　　　　　　Ｘ　１００　（％）　・・・（
１）Ｐ。

また、本発明者等は、前記熱抵抗（−Ｒｔｈ）が、下記
（１）式で与えられることを確認している。

Ｒｔｈ＝７７１ｔｈ　（ｅｘｐ　　（０，ｓ　ＶＦ　　
（ＩＬｋ＋Ｐ／η）「い／’ｒｏ　ｌ−１）Ｘ１００／
Ｐ・・・（２）ここで、ηニスロープ効率 ■い：閾イｄ！ ＶＦ　：順方向電圧 Ｐ　：出力 ｒい：ステム熱抵抗である。

したがって、この式から判断できるように、ステム熱抵
抗ｒいが大きくなれば、−Ｒいが大きくなる。また、−
Ｒいを下げるには、■いおよびηを下げれば良いことも
分る。

また、閾値Ｉいは下記（３）式で表わされる。

■。ｃｃＪ、＋　（α。

（ｉｎＲ）／Ｌｌ／βＦ・（３） ここで、Ｊｏ　：利得零での電流密度 α、：内部吸収係数 Ｒ：端面反射率 Ｌ　：キャビティ長 β　：規格化利得係数 「　：光閉じ込め率である。

また、効率（スロープ効率）ηは次式で表わされる。

７７”　（ｕｎＲ／Ｌ）／　（ｉｎＲ／ＬαＩ　）　　
　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（４）したが
って、上記式（３）および式（４）から、端面反射率Ｒ
を増大すれば、！いおよびηが減少することがわかる。

端面反射率Ｒの下限は、−Ｒいの上限値で決まり、レー
ザビームプリンタの発光源として要請される数値である
１０％とした場合、端面反射率Ｒはおよそ０．３　（３
０％）となる、また、端面反射率Ｒの上限は動作電流で
決定され、反射膜を付けない場合（反射率０．３）の１
．５倍程度までとすると、Ｒはおよそ０．９（９０％）
となる。

このようなことから、反射膜および膜数の選択を行なえ
ばよい、λ／４の厚さとなる５ｉｎｔ膜とアモルファス
Ｓｉ膜との組み合わせを考えた場合、ＳｉＯ□膜とアモ
ルファスＳｉ膜の２層コーティング、ＳｉＯ２膜、膜、
アモルファスＳｉ膜、ＳｉＯ□膜の３層コーティングが
考えられ、前者は端面反射率Ｒ＝７０％、後者は５５％
程度となる。

Ｒ＝７０％の場合、Ｐｏ＝５ｍＷ時の動作電流の増加が
あるが、Ｒ＝５５％の場合はとんど変わらなく、寿命特
性に有利と考え、Ｒ＝５５％を採用した。

したがって、実施例のように共振器２の両端面にいずれ
もλ／４の厚さとなるＳｉＯ２膜、膜４．アモルファス
Ｓｔ膜５，５Ｌ０２膜６からなる多層反射膜３を設ける
ことによって、端面反射率Ｒを５５％と増大することが
できる。この結果、−Ｒｌｈは、たとえば、ステム熱抵
抗が３０”Ｃ／Ｗとした場合、１．４％程度となり、従
来の−Ｒいの５％程度の半分以下となる。また、−Ｒい
が小さくなることによって、　ＲＬｈ不良率が従来の１
０％弱から１％以下と低減でき歩留りも向上する。

なお、レーザビームプリンタ用発光源としての半導体レ
ーザ装置の出力を５ｍＷとした場合、共振器の両端面の
反射率をそれぞれ５５％程度とした本発明による半導体
レーザ素子１は、充分に５ｍＷの出力を得ることができ
る。また、共振器の両端面の反射率をこれ以上高くする
と、所望の光出力が得られなくなる。

このような実施例によれば、つぎのような効果が得られ
る。

（１）本発明の半導体レーザ素子は、共振器の両端面に
三層に亘る多層反射膜が設けられていることから、端面
反射率が５５％程度高くなっているという効果が得られ
る。

（２）本発明の半導体レーザ装置は、端面反射率が高い
半導体レーザ素子を組み込んでいることから、スロープ
効率および闇値が小さくなるという効果が得られる。

（３）上記（２）により、本発明の半導体レーザ装置は
、スロープ効率の低下お　よび閾値が小さくなるため、
熱抵抗（−Ｒい）が小さくなるという効果が得られる。

（４）上記（３）により、本発明の半導体レーザ装置は
、熱抵抗の低減により、より一層小型化を図ることがで
きるという効果が得られる。

（５）本発明の半導体レーザ装置は、熱抵抗が小さくな
ることから、レーザビームプリンタの光源として使用し
た場合、印字の濃淡のムラが発生し難くなり、鮮明な印
字が出来るという効果が得られる。

（６）本発明の半導体レーザ素子は、熱抵抗を小さくで
きるため、歩留りの向上およびコストの低減が達成でき
るという効果が得られる。

（７）上記（１）〜（６）により、本発明によれば、熱
抵抗の小さな半導体レーザ素子および半導体レーザ装置
を安価に提供することができるという相乗効果が得られ
る。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない、たとえば、本発明はＣ３
Ｐ型半導体レーザ素子に多層反射膜を設けた例について
説明したが、Ｂ）ｌ　（１）ｕｒｉ６ｄ−ｈ６ｔｅｒｏ
　５ｔｒｕｃｔｕｒｅ　）型半導体レーザ素子等信の構
造の半導体レーザ素子にも同様に適用でき前記実施例同
様な効果が得られる。

また、本発明によれば、半導体レーザ素子１の熱抵抗を
小さくできることから、その分ステムの熱抵抗を大きく
できるため、銅系ステムを鉄系ステムに変えることも可
能となる。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその背景となった利用分野である情報処理用半導体レ
ーザ素子に適用した場合について説明したが、それに限
定されるものではない。

〔発明の効果］ 本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりであ
る。

本発明の半導体レーザ装置にあっては、半導体レーザ素
子の共振器の両端面に厚さがそれぞれ発振波長λの１／
４となるＳｉＯ２膜、膜、アモルファスＳｉ膜、Ｓｉ０
ｇ膜からなる多層反射膜が設けられていることから、両
端面の反射率をおよそ５５％とさせ、スロープ効率ηお
よび閾値Ｉいを低くできるため、熱抵抗（−Ｒい）を小
さくできる。

したがって、本発明の半導体レーザ装置は小さな熱抵抗
を要求されるレーザビームプリンタ用光源として使用で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による半導体レーザ素子の概
要を示す模式図、 第２図は同じく本発明の半導体レーザ素子を示。 す模式的斜視図、 第３図はドループ特性を示すグラフ、 第４図は本発明の半導体レーザ装置を示す一部を切り欠
いた斜視図である。 １・・・半導体レーザ素子、２・・・共振器、３・・・
多層反射膜、４・・・ＳｉＯ２膜、膜、５・・・アモル
ファスＳｉ膜、６・・・ＳｉＯ２膜、膜、７・・・レー
ザ光、１０・・・基板、１１・・・多層成長層、１２・
・・アノード電極、１３・・・カソード電極、１４・・
・チャネル、１５・・・クラッド層、１６・・・活性層
、１７・・・クラッド層、１８・・・キヤップ層、１９
・・・電流狭窄用拡散層、２０・・・ステム、２１・・
・キャップ、２２・・・ヒートシンク、２３・・・サブ
マウント、２４・・・受光素子、２５・・・傾斜面、２
６・・・リード、２７・・・絶縁体、２８・・・ワイヤ
、２９・・・窓、３０・・・ガラス板、３１・・・Ｖ字
状切欠部、３２・・・矩形状切欠部。 ５−７ちＩレフγ人ＳＬ月促

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、共振器の両端面に反射膜を有する半導体レーザ素子
   であって、前記共振器の両端の反射膜の反射率はおよそ
   ５５％程度となっていることを特徴とする半導体レーザ
   素子。 ２、前記反射膜はＳｉＯ＿２膜、アモルファスシリコン
   膜、ＳｉＯ＿２膜と重なる３層構造となっていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体レーザ素
   子。 ３、共振器の両端面に反射膜を有する半導体レーザ素子
   を組み込んだ半導体レーザ装置であって、前記半導体レ
   ーザ素子の共振器の両端の反射膜の反射率はおよそ５５
   ％程度となっていることを特徴とする半導体レーザ装置
   。