JPS6015987A - 発光素子 - 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】 〔技術分野〕 本発明は半導体素子、特に主素子部の温度検出モニタが
可能な半導体素子で、１ことえば発熱量の大きな半４体
レーザ装置に適用して有効な技術に関する。

半導体レーザ装置はレーザ発振に伴なう発熱温度および
周囲温度に体めて影響を受け易く、これら温度によって
光出力の低下ならびに寿命劣化を来たすことがよく知ら
れている。このため、従来の半導体レーザ装置は、たと
えば、日経エレクトロニクス（１９８１年９月１４日号
）の１３８〜１５２貞にも記載されているように、半導
体レーザ素子（レーザチップ）をＣｕ、Ｓｉ等のような
熱伝導性の良好な放熱板（サブマウント）、を介して、
Ｃｕのステムに固定されたＣｕのヒートシンクに固定し
た構造とし、レーザ発振に伴なう熱の速やかな放散によ
る温度上昇阻止を図るとともに、受光素子で光出力をモ
ニタし、このモニタ情報に基いてレーザチップの動作電
流Ｚ制御することによって光出力の一定化を図っている
。

しかし、この構造では周囲温度が高すぎたり、あるいは
低すぎたりした場合には効果的な光出力制御は難しい。

そこで、従来、熱電冷却素子を用いてレーザチップの温
度乞制御して光出力を一定に保つ技術が提案（特開昭５
０−８１６９５号公報記載の技術）されている。また、
この半導体レーザ装置６ではレーザチップはＣｕのサブ
マウントに固定された構造となっている。

しかし、この半導体レーザ装置は直接温度検出をする構
造ではなく、光出力であるレーザ光の光強度を受光素子
によって検出し、光強度の大小に対応させて熱電冷却素
子の制御を行ない、レーザチップの温度制御を行なう構
造であるために、周囲温度に対して規定の光出力を得る
のに限外がある。

そこで、本出願人は前記の問題点を解消する技術を開発
し１こ。

すなわち、この開発技術はｐｎ接合ダイオードは温度特
性を有していることに着目し、レーザチップを取り付け
ろサブマウント乞ｐｎ接合ダイメーードの形成ができる
シリコンとし、このシリコンからなるサブマウントの一
部に温度検出用のｐｎ接合ダイオードを構成し、サブマ
ウントの温度検出によって間接的にレーザチップの温度
を検出し、この検出情報に基いて熱電冷却素子を制御し
て光出力の安定化７図っている。

しかし、このような技術においても、発熱部７有するレ
ーザチップの温度ン直接検出する構造でないため、たと
えば、サブマウントにレーザチップを固定するソルダの
接着状況によって熱抵抗が微妙に変化し、レーザチップ
の温度状況を高精度に検出でき難いという問題点が生じ
るということが本発明者によってあきらかとされた。

一方、本発明者はｐｎ接合〃イオードはシリコン以外の
化合物半導体に形成したものであっても、シリコンのｐ
ｎ接合と同様に温度特性を有する（たとえば、１９８２
年９月１日付発行の光通信ハンドブック、１６３頁には
、閾電流密度の温度依存性が記載されている。）ことに
気が付き、レーザチップにモノリシックに温度検出用素
子を設ける本発明を成した。

〔発明の目的〕

本発明の目的は半導体素子自体の温度検出を高精度に検
出することができる半導体素子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ざＸ付図面からあきらかになるで
あろう。

〔発明の概要〕

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、下記のとおりである。

すなわち、本発明は、レーザ発振が行なわれる共振器（
王素子部）乞形成した化合物半導体からなる半導体レー
ザ素子の一部分に、温度検出用のｐｎ接合ダイオード（
温度検出素子部）を組み込んだ素子構造とすることによ
り、直接半導体レーザ素子の温度ビ検出できるため、高
精度な半導体レーザ素子温度の検出が達成できろ。

〔実施例１〕 第１図は本発明の一実施例による半導体レーザ装置の要
部７示す斜視図、第２図は同じく要部の概念図である。

半導体レーザ装置は第１図に示すように、６本のり一部
１を絶縁的に貫通固定したＣｕからなるステム２を基に
して構成されている。すなわち、ステム２の主面中央に
は熱電冷却素子３が固着され、この熱電冷却素子３上に
は熱放散のためのＣｕの金属支持板（ヒートシンク）４
が固着されている。ヒートシンク４は基部５とこの基部
５の主面から矢出する支柱部６とからなり、支柱部６に
は半導体レーザ素子（レーザチップ）７を固定したＳｉ
からなるサブマウント８が固着されている。

レーザチップ７はレーザ光９を上方および下方に向けて
それぞれ発光するようになっている。そして、前記ヒー
トシンク４０基部５の主面には、下方に進むレーザ光９
を検出し、レーザ光強度（光出力）を検出する受光素子
１０が固定されている。

なお、受光素子面で反射したレーザ光が上方の供述する
窓から外部に出ないようにするために、基部５の主面を
傾斜させ受光素子面が傾斜するようになっている。これ
は上方に発光されたレーザ光９の遠視野像の乱れを生じ
させない配慮によるものである。

また、前記レーザチップ７は第２図のように、レーザ光
９を発光する半導体レーザ部（主県子部）１１と、この
半導体レーサ部１１の温度を検出する温度検出素子部１
２をモノリシックに形成した構造となっている。そして
、このレーザチップ７および受光素子１０の各電極はス
テム２に突出した所定のリード１とワイヤ１３を介して
電気的に接続されている。さらに、ステム２の主面には
金絹製のキャンプ１４が気密的に取り付けられ、前記レ
ーザチップ７等を気密的に封止している。また、前記キ
ャップ】４の天井部分は開口されるとともに、この開口
部には透明なガラス板１５が気密的に取り付けられてレ
ーザ光９が透過する窓１６が形成されている。

ここで、レーザチップ７および熱電冷却素子３等の関係
について説明する。第２図はレーザチップ７および熱電
冷却素子３等の関係を示す概念図である。熱電冷却素子
３はヒートシンク４．サブマウント８を介してレーザチ
ップ７乞冷却するものであって、複数のサーモ・モジュ
ールパネル１７゜それらを挾むセラミック板１８．１９
および一方のセラミック板］９に設けられたプラス端子
２０とマイナス端子２】とから構成されている。また、
熱電冷却素子３の一方のセラミック板１８（吸熱板）上
には固着材２２を介してヒートシンク４（第２図では概
念的に単なる平板で示す。構造上問題ない場合はこのヒ
ートジンクは不要となる。）が固定され、このヒートシ
ンク４にはレーーｙ−ｙ−ツブ７をソルダ２３を介して
固定したサブマウント８がソルダ２４によって固定され
ている。なお、サブマウント８はその表面にＡｕ層２５
が形成され、ソルダ２３，２４との濡れ性が良好となる
ようになっている。

レーザチップ７は一般によく知られたタブルーテロ構造
のプレーナ型であり、裏返し状態となってｐ電極面がサ
ブマウント８に対面するようにしテ固定（ジャンクショ
ン・ダウン固定構造）されている。プレーナ型は同図で
示すように、ｎ　−ＧａＡｓの基板２６上に順次ｎ−Ｇ
ａＡ−ｇＡｓのｎ−クラッド層２７．’ＧａＡｓの活性
層２８．　ｐ　−ＧａＡ−ｇＡｓのｐ−クラソド層２９
＋　ｎ−ＧａＡｓのキャップ層３０を積層した構造とな
り、キャップ層３０上にはｐ形電極３１．基板２６面に
はｎ形電極３２がそれぞれ・形成されている。また、ｐ
形電極３１とのコンタクト層３３として、キャップ層３
０およびｐ−クラッド層２９の中間部分に亘ってＺｎが
拡散されている。そして、ｐ’ｎ形電極３１．３２間に
所定の電圧を印加すると、前記コンタクト層３３下の活
性層部分（共振器）でレーザ発振が起き、端面の襞開面
からレーザ光を発光する。

ところで、本発明では、このようなレーザ光ヲ発振する
共振器等からなる主素子部１１、より正確に説明するな
らば主素子部１１を構成するチップの温度ン検出ずろ温
度検出素子部１２が設けられている。この温度検出素子
部１２はｎ形の基板２６の表層部にｐ影領域３４を形成
することによって得られたｐＨ接合ダイオードによって
形成され、温度変化に伴なつｊ順方向電圧変化によって
主素子部１１の温度をモニタするようＫなっている。

なお、図中３５は絶縁膜、３６はｐｎ接合夕゛イオード
のｐ形電極である。

このような素子群において、前記熱電冷却素子３および
温度検出素子部１２は詳説はしない自動温度制御回路（
Ａ　Ｔ　Ｃ）　３７に接続され、温度検出素子部１２の
検出情報に基いて熱電冷却素子３を動作させ、レーザチ
ップ７が所望温度となるように制御するようになってい
る。すなわち、レーサチ・プ７は熱電冷却素子３の冷却
面（吸熱面）側に配設されている。したがって、レーザ
発振に伴なうレーザチップ７の不所望な温度上昇、ある
いは周囲温度によるレーザチップ７の不所望な温度上昇
は、温度検出素子部１２の検出情報に基く熱電冷却素子
３の冷却効果によって阻止され、レーザチップ７は常に
所望の温度下でレーザ発振を行なうことになる。したが
って、レーザ発振による動作電流も低くかつ安定するた
め、レーザチップの素子寿命の劣化防止等が可能となり
、高信頼度の半導体レーザ装置を提供ずろことができる
ようになる。

〔実施例２〕 第３図（ａ）〜（ｃ）はレーザチップの他の構造例を示
すものであって、いずれも半導体レーザ部である主素子
部１１および温度検出素子部１２がモノリシックに形成
されている。

同図（ａ）は前記実施例と同様にプレーナ型のレーザチ
ップ７であるが温度検出素子部１２はキャップ層３０に
形成しである。このレーザチップ７のサブマウントへの
搭載は、ジャンクション・アンプで固定すればサブマウ
ントに全面を固着でき、固定が容易である。ジャンクシ
ョン・アソフでは、サブマウントを熱伝導性の良好なＳ
ｉＣとすれば充分使用に耐える。

同図（ｂ）、　（ｃ）は一般に良く知られた埋込みへテ
ロ構造のレーザチップ７に温度検出素子部１２乞設けた
例を示す、このレーザチップ７はｎ−ＧａＡｓの基板２
６の主面中央にｎ　−Ｇ　ａ　ＡＡ　Ａ　ｓのｎ−クラ
ッド層２７．ＧａＡｓの活性層２８．ｐ−ＧａＡ−ｉ（
Ａｓのｐ−クラッド層２９．ｎ−ＧａＡｓのキャップ層
３０をストライプ状に有するとともに、このストライプ
部分の両側にｐ−ＧａＡ−ｇＡｓのブロッキング層３８
゜ｎ　−Ｇ　ａ　Ａ−／Ｊ　Ａ　ｓの埋込み層３９Ｙ埋
込み形成した構造であり、同図（ｂ）ではｎ形の埋込ツ
メ層３９に温度検出素子部１２欠形成し、同図（ｃ）で
はｎ形の基板２６に温度検出素子部１２を形成したもの
であり、実施例１で示すレーザチップと同様に使用でき
同様の効果ケ得るこ、ト・ができる。なお、図中実施例
１のレーザチップ７の構成部分と同様な構成部分は説明
ケ％略し指示符号はそのまま使用した。

〔効　果〕

（１）半導体レーザ素子部（主素子部）を形成する同一
チ・・プ内に温度検出素子部を形成しているため、チッ
プの温度を高精度に検出することができるという効果が
得られる。

（２１半導体レーザ装置として温度検出素子部を有する
半導体レーザ素子に、この半導体レーザ素子の温度制御
をする熱電冷却素子を付加させることによって、半導体
レーザ素子ン所望の低温度下で動作させることができろ
ため、動作電流を低く抑えることも可能となり、半導体
レーザ素子の劣化防止が図れる。したがって、高品質、
尚信頼度により長寿命の半導体レーザ装置を提供するこ
とができるという効果が得られる、 （３）　上記（２）のように、温度検出素子部は半導体
レーザ素子を形成したチップ内に化ノリシックに組み込
まれていることから、温度供出素子という構成体が多く
なっても、半導体レーザ装置は大型化しないという効果
が得られる。

（４）上記（２１のように、レーザチップには温度検出
素子部が組み込まれていることから、レーザチップどし
、て（・土、チップの温度検出も可能となり、多機能（
ヒし、高付加価値を生み出ずという効果が得られる。

以上本発明者によってなされた発明を実施例にもとづき
具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されろ
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で棟々変史可
能であることはいうまでもない。

ｆことえば、レーザチップ構造は′＃施例以外の各種構
造にも同様に逆用できるとともに、レーザチップを構成
部ろ半導体はＧａＡ彫Ａｓ系り、外の半導体、１ことえ
ば畏波長元を発揚するＩｎＧａＡ−＆Ａｓ系等であって
も同様に実施でき同様σ）効果を得ろことができる。

〔利用分野〕

以−ヒ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半導体レーザ技術
に適用した場合について説明したが、それに限定される
ものではなく、たとえば、発光り“イオード、受光素子
さらには他の半導体装置にも適用できる。本発明は半得
体基体に少なくとも温度特性が敏感な素子が組み込まれ
ている製品群に対して適用できる。

【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装置の要
部を示す斜視図、 第２図は同じく要部の概念図、 第３図（ａ）〜（Ｃ）は他の実施例による半導体レーザ
素子の断面図である。 １・・リード、２・・・ステム、３　熱電冷却素子、４
・・・金属支持板（ヒートシンク）、５・基部、６・・
・支柱部、７・・半導体レーザ素子（レーザチップ）、
８・・サブマウント、９・・レーザ光、１０・・・受光
素子、１１・・・主素子部（半導体レーザ部）、１２・
・・温度検出素子部、１３・・・ワイヤ、１４・・キャ
ップ、１５・・ガラス板、１６・・・窓、１７・・・サ
ーモ・モジュールハネル、１８．１９・・・セラミック
板、２０・・・プラス端子、２１・・・マイナス端子、
２２・・・固着材、２３．２４・・・ソルタ、２５・・
・Ａｕ層、２６・・・基板、２７・・・ｎ−クラッド層
、２Ｂ・・・活性層、２９・・・ｐ−クラッド層、３０
・・・キャップ層、３１・・・ｎ形電極、３２・・・ｎ
形電極、３３・・・コンタクト層、３４・・・ｐ影領域
、３５・・・絶縁膜、３６・・・ｎ形電極、３７・・自
動温度制御回路、３８・・プロ・キング層、３９・・埋
込み層。 第　１　図 第　２　図 第　３　図 （０−）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ■。同−半ｄｆｉ体基体内に光出射領域と該光出射領域
   の温度を検出するだめの温度検出素子とを具備すること
   を特徴とする発光素子。