JPS63289983A

JPS63289983A - 半導体レ−ザ装置

Info

Publication number: JPS63289983A
Application number: JP12539687A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Matsui; 松井　都四郎; Kazunori Shiraishi; 白石　和則
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Device Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Development and Engineering Corp
Priority date: 1987-05-22
Filing date: 1987-05-22
Publication date: 1988-11-28

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、裏換え可能型光ディスクの光源等に用いられ
る半導体レーザ装置に関する。

（従来の技術）半導体レーザ装置の効率と信頼性は、液相エビタギシャ
ル成長技術の向上と、レーザ素子作成技術の改良とによ
り大幅な改善が見られている。

第６図に一般的な半導体レーザ素子の構造を示す。図に
おいて、１１はＰ型ＧａＡｓ　（ガリウムヒ素）基板で
、その−側面（図示上面）には液相エピタキシトル成艮
技術により、順次Ｐ型ＧａＡｌ！Ａｓ（ガリウムアルミ
ニウムヒ素）層１２、活性層１３、ｎ型ＧａＡｌ！ＡＳ
層１４、ｎ型ＧａＡｓ１ｉ　１５、絶縁層１６を形成し
、さらにこの絶縁層１６の上部に開孔１７を介して接触
する陰極電極層１８を形成している。また、Ｐ型ＧａＡ
ｓ基板１１の他側面（図示下面）には陽Ｖｊ電極層１９
を形成している。

また、第６図で示した半導体レーザ素子の、断面ではな
く、図において丸印で表示した一対の相対向するへき開
面により共振面（このうち一方は外部と対向し、レーザ
射出面となる）には、それぞれスパッタ法によりＡｊ！
２０ａ（酸化アルミニウム）による誘電体膜２０を設け
ている。この誘電体膜２０は反射膜として機能するもの
であり、反射率Ｒ千０．３となるように、スパッタレー
ト３　ｎＩｌ／分で８０分間スパッタして、膜厚２４０
ｎｍの＾１２０３膜を形成し−ている。

このような半導体レーザ素子は、第７図や、特開昭５９
−１１０１８５＠公報で示されるように、半導体レーザ
装置の一部品として組立Ｃられる。第７図において、２
１は第６図で示した構造の半導体レーザ素子で、前記誘
導体膜２０を設けた一方の共振面がレーザ射出面として
外方を向くように、ステム２３上に設けられた銅製のヒ
ートシンク２４上にダイボンドされる。２５はレーザ光
出力を検出する手段としてのシリコンフォトダイオード
（特開昭５９−１１０１８５＠公報ではＰＩＮフォトダ
イオード）で、半導体レーザ素子２１から離れた背面側
に独立して設けられている。このシリコンフォトダイオ
ード２５は、ステム２３上にはんだ付けによって装着さ
れるが、前記半導体レーザ素子２１がヒートシンク２４
にダイボンドされる以前に装着されていなければならな
い。ザなわら、逆の順序であると、既に装着状態にある
半導体レーザ素子２１に対し、シリコンフォトダイオー
ド２５がはんだ付は工程において接触し、半導体レーザ
素子２１を破損してしまうおそれがあるためである。

第８図は、３ビ一ム半導体レー’ｆ装置の構成例を示し
ており、ヒートシンク２４上には、第６図のものと基本
的には同じであるが、３ビームアレイ型に構成された３
ビ一ム半導体レーザ素子２７を設けている。この場合、
フォトダイオードは後述する理由により設けない。

上記いずれの構成においても、半導体レーザ素子２１ま
たは２７からはレーザ発振が両方の共振面から出てしま
い、利用効率が低下する。す４【わら、レーザ射出面側
でレーザ出力を測定すると、外部量子効率が低いことに
なる。

第７図の構成において、シリコンフォトダイオード２５
はレーザ光出力を検出して、レーザ光のＩＩＩ御等に用
いるが、半導体レーザ素子２１とは分離して設けられて
おり、また、特性上類傾向を有すること等により、温度
変動が大きい組合せとなる。

このため、前述した各種制御への応用上不都合が生じる
。

また、半導体レーザ素子２１からのレーザ光線の角度開
きが大きいため、シリコンフォトダイオード２５は大面
積のものでなければ使用できない。

このため、これを装着するステム２３として直径が大き
いものが必要となり、不経済である。

さらに、製造上の問題として、シリコンフォトダイオー
ド２５をステム２３上に正しい位置関係を保って装着す
るのが難しく、製造不良が発生しやすい。また、半導体
レーザ素子２１の表面と、シリコンフォトダイオード２
５の表面とが直交した関係であるため、ワイヤボンディ
ング作業が難しく、製造不良が発生しやづい。さらに、
シリコンフォトダイオード２５からの反射光が半導体レ
ーザ素子２１に戻り、干渉を起すことに起因する角度誤
差と角度対称性の不良が生じやすく、これらにより製造
上の歩留りが低下する。

また、第８図で示した３ビ一ム半導体レーザ装置では、
前述したようにレーザ光出力を検出するためのモニタ用
シリコンフォトダイオードを設けていない。これは、３
ビームアレイのビーム間隔が１００〜２００ｍと狭いた
めに、モニタ用シリコンフォトダイオードをどのように
設けても、検出されるビーム同志が重なり合ってしまい
、光出力信号の相互干渉を起してしまうためである。

この場合、半導体レーザの駆動電流をほぼ一定にするよ
うに、定電流回路を設けてレーデを発振させるのが通常
の手法である。

しかし、定電流回路はレーザ光出力を制御しないので、
モードホッピングによる発振波長の変動と光出力の変動
が顕著に表われてしまう。３ビ一ム半導体レーザ装置の
用途として、書換え可能型光ディスクの光源が考えられ
るが、上述のような特性のものでは、上記光源として使
用づることはできない。また、３ビ一ム半導体レーザ装
置を上記光源として用いた場合、２高出力、１低出力ビ
ームを実現すれば、消去ヘッドと記録ヘッドを分割する
必要のない、１チツプ型オー・パライト機闇、すなわち
、古いメモリを消去しながら直ちに新しい機能を占き込
むＶ１能を達成できるが、レーザ光出力を制御できない
従来装置では、このような機能は達成できない。

（発明が解決しようとする問題点）上記のように、従来装置では、レーザ発振が両方の共振
面から出てしまい、外部微分１子効率を向上させること
ができない。また、シリコンフォトダイオードを設けた
ものは、温度変化に対する出力の特性変化が大きく、レ
ーザ光出力を正確にモニタできない。また、シリコンフ
ォトダイオードを設けたことにより、スペース上の問題
や、製造歩留り上程々の問題点が生じる。さらに、３ビ
ームアレイ型のものは、光出力を制御できないため、３
ビ一ム半導体レーザ装置としての特徴を充分活かせる書
ｉえ可能型光ディスクの光源に用いることができない。

本発明の目的は、外部微分量子効率が向上し、レーザ光
出力検出用としてのシリコンフォトダイオードを不要と
し、しかも温度変化による影響な受けることなく光出力
を正確にモニタできるようにした半導体レーザ装置を提
供づることにある。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）本発明による半導体レーザ装置は、へき開面からなる一
対の相対向する共振面にそれぞれ反射膜を設けたもので
、上記各反射膜はそれらの反射率が互いに異なるように
構成する。これら反射膜のうち、反射率の高い反射膜側
には光導電膜を付着させると共に、この光導電膜と導電
接続する光導電電極を設ける。

（作用）本発明では、反射膜の反射率を互いに異なるように構成
したため、外部にレーザ光を有効に取り出すことが容易
となり、外部微分量子効率が向上する。また、反射率の
高い反射膜に光導電膜を付着させ、レーザ光出力に応じ
た抵抗変化を光導１ｉ？ｌｉ極から電気出力として取り
出すようにしたので、温度変化等に影響されることなく
レーザ光出力を正確にモニスすることができる。このた
め、この電気出力により、レーザ光出力の正確な制御が
可能になる。

（実施例）以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図において、３１は半導体レーデ素子で、この構造
および製法は第２図により後で詳述する。

この半導体レーザ素子３１のへき開面からなる一対の相
対向する共振面（図示左右面）にはそれぞれ反射膜３２
．３３を設けている。ここで、一方の反射膜３２はＡＪ
！２０３による誘電体膜で、セルの反射膜３３は、ＡＪ
２２０３による複数の誘電体膜３４．３５．３６と、複
数のアモルファスＳ１膜３７．３８とからなる多層構造
であり、反射率は前記一方の反射膜３２より高い値とな
る。また、この反射１９３３には光導電膜として水素ド
ープアモルファスＳｉ膜４０が付着されており、ざらに
この光導電膜４０には光導電電極４１が導電接続されて
いる。これらの製法についても後で詳述する。

まず、第２図により半導体レーザ素子３１の製法を説明
する。第２図に示したものは利得ガイド型半導体レーザ
素子で、正孔ａ度２　Ｘ　１０１９、−３のＰ型Ｇａへ
ｓ基板４３を鏡面研磨して外径２０　ｔｒｍ　Ｘ　４０
６Ｘ　０．５ｍ＋に整形し、これをスライド方式の液相
エピタキシャル炉中に入れ、４層の結晶成長を行なう。

すなわち、下部から順次説明すると、４４はＰ型ＧａＡ
１！Ａｓ層で、Ｎ比０．３５　、正孔濃度５ＸｉＱＩ７
３−３、厚み２．０声である。４５は活性層で、Ｎ比０
．９５　、厚み０．７５　ｍである。４６はｎ型ＧａＡ
ｊ！ＡＳ層で、Ｎ比０．３５　、電子濃度１　Ｘ　１０
１８ｃｍ−３、厚み１．０ＪＪ１１１’ある。４７はｎ
型ＧａＡｓ１で、電子ｉ１１度７×１０１８０−３、厚
み４．０声である。次に絶縁ＩＩ！４８を形成すべく、
ＳｉＨ４（シランガス）と０２（酸素）とを反応させ、
ＣＶＤ方式により５ｉ（１２（酸素珪素）の絶縁膜４８
を前記ｎ型ＧａＡｓ層（エピタキシャル成長層）４７上
に形成する。

次に通常の写真食刻法によりへき開面と直角に幅２．０
３の溝４９をＳ　ｉ　Ｑ２の絶縁膜４８に開孔させる。

上記溝４９を開孔し、清浄した後、絶縁Ｉｌ！４８上に
陰極電極５０を層状に形成する。この陰極電極５０はＡ
Ｕ−Ｇｅ（金−ゲルマニウム）の合金膜で、蒸着法によ
りマスクを通して付着させる。次に同じくＡｕ−Ｚｎ（
金−亜鉛）合金膜を陽極電極５１としてＰ型ＧａＡｓ基
板４３の図示下面に形成する。さらに、素子分離のため
にマスクを介してメサカット５２のエツチングを行なう
。この後、蒸着金属膜である陰極電極５０と、ｎ型Ｇａ
Ａｓ層４７との間の接触抵抗を低減するため８２　　（
窒素）気流中で４２０℃、５分間のシンターを行ない、
第２図で示す利得ガイド型半導体レーザ素子３１が作ら
れる。

半導体レーザ素子３１としては上述した利得ガイド型の
使に屈折率ガイド型があり、この場合の製法を以下説明
する。

この場合も、Ｚｎ（亜鉛）添加、正孔濃度２×１ＱＩ９
Ｃ１１−３のＰ型ＧａＡｓ基板を鏡面研磨シ、外１２０
ｍ＋Ｘ４０ｍＸ　Ｏ，＋ａｍに成形したものを用いる。

このＰ型ＧａＡｓ基板に対しＷ　ｌ　ａｌｌｌｌ合溝Ｎ
接合で得て、屈折率ガイド型半導体レーザ素子を作成す
る。

具体的には、スライド方式の液相エピタキシャル成長に
より順次各層を形成する。すなわちＰ型ＧａＡ１１ＡＳ
層はＮ比０．４とし、Ｚｎ添加屋は正孔濃度が５×１０
１７α−３となるように決定し、厚みは０３譚とする。

この上にｒ）型ＧａＡｓ１ｉｌを１．ＯＪ、Ｂエピタキ
シャル成長さゼ丁字形の溝を形成する。また、活性層は
Ｎ比０１、厚み０．１虜として丁字形の溝内部に埋込む
。この活性層の上部に形成されるｎ型ＧａＡＪＡｓ層は
、Ｎ比０４、Ｔｅ（テルル）添加量は電子濃度が５Ｘ１
０１７１−３となるように決め、厚みは１．５虜にする
。最後のｎ型ＧａＡｓＭは電子濃度２Ｘ１Ｑ＋８、−３
、厚みは２０虜とする。

上記屈折率ガイド型半導体レーザ素子および前述した利
得ガイド型半導体レーザ素子の両方とも、幅２虜の溝と
直角で、共振長の設計値２５０虐の２倍の長さの短辺を
持つ長方形にへぎ開分割する。

次に、第１図で示した反射膜３２．３３の製法を説明す
る。まず、反射率の高い多層構造の反射膜３３の製法を
説明する。

ここで、各反射面３２．３３は特開昭５９−１１０１８
５号公報に示されたまわり込み膜形式スパッタ法で形成
する。そこで反射面３３の形成にあたっては、まず、半
導体レーザ素子３１の上面すなわち陰極電極５０上にメ
タルマスクをのせ、前述したまわり込み膜形成スパッタ
法により＾１２０３１１３４を厚み１２０．ｒｖで付着
させる。次にアモルファスＳｉ膜３７を厚み４１ｎｍｒ
、その上に八ｊ！ｚ０３１ｇ！３５を厚み１２Ｏｎｍで
、その上にアモルファスＳ１膜３８を厚み４０ｎｍで、
さらにその上にＡｊ！ｚ０３膜３６を厚み１２０ｒｖで
それぞれ前述したスパッタ法にて付着させ、多層構造と
する。

次に、メタルマスクおよびマスクホルダを、スパッタが
まわり込み易いように開放位置に移動させる。また、ス
パッタ装置内にＨｚ　　（水素）ガスまたはＳｉＨ４ガ
スを、真空が破れない程度まで導入する。これらのＨ２
系ガスがスパッタすべき多結晶シリコンターゲットに吸
着する時間゛（１０分間）放置し、スパッタを再び行な
う。このスパッタにより最後の水素ドープアモルファス
Ｓ１膜を光導電膜として形成する。この光導電膜４０は
その膜厚が５７ｎｍになるまでスパッタを続けて形成す
る。

この反射Ｉｇ１３７の反射率Ｒを測定したところ、Ｒ＝
０．９５と高い値が得られた。

次にマスクホルダに装着されたＧａＡｓエピタキシャル
基板をスパッタ装置から取り出す。そして前記光導？ｆ
ｉＩ！！Ｊ４０上に光導電電極４１を形成−すべく上部
に設けられたマスクを光導電電極４１用のマスクと交換
する。

この後、これら一式を蒸着装置内に入れ、Ｎを２００ｎ
ｉ、Ａｕを８０Ｏｎ−蒸着させる。これにより光導電電
極４１は光導電膜４０の一部に形成され、導電接続状態
となる。

次に、反対側に位置する反射膜３２を形成する場合を説
明する。この場合、５００　ｎｍの短辺にへき開を入れ
、２５０ＪＩＲ短辺の長方形を２個作る。

この２５０℃知辺の長方形ＧａＡｓエピタキシャル基板
を２５０ｍ用マスクホルダとメタルマスクとに入れ、再
びまわり込み膜形成スパッタ法でＡｊ！２０３による誘
電体膜を厚み１２Ｏｎｍ形成させ、反９Ａ膜３２とする
。この反射膜３２の反射率ＲはＲ＝０．０２と低い値で
あった。

この後、スパッタ装置から取り外し、チップスクライバ
−により長方形２５０声Ｘ　３００ＪＲの寸法に分割す
る。

このようにして３ビームアレイ型に構成した半導体レー
ザ素子３１を第３図で示づように、ステム５５上のヒー
トシンク５６にはんだ法により取付ける。この場合、レ
ーザ射出面５７が外側に正確に指向するよう調整する。

また、各陰極電極５０および各光導電電極４１に直径２
５溝の金線をワイヤボンディングし、それぞれ対応する
ピンによりステム５５の外へ取り出せるように構成する
。

なお、この段階でポリイミド樹脂または低融点ガラス等
による保護物質を半導体レーザ素子３１の後方に接着さ
せ、反応させる。後述する諸特性はこれらの保護物質が
存在しなくとも全て達成される。しかし、高温放置後の
特性検査では、上記保護物質が光導Ｔｉ電極４１を覆っ
たザンブルは成績良好であった。

また、光導電膜４０は光出力に応じて抵抗値が変化する
ものを例示したが、ＰＩＮ層、すなわち光起電効果を有
するものについても試作を行なった。しかし、反射膜３
３の形成条件である５７ｎｍでは膜厚が不足した。す４
【わちＰＩＮ層では９Ｑｎｍ以上必要であった。このこ
とから光起電（Ｐｈｏｔ。

Ｖｏｌｔａｉｃ）膜の適用は難しいことがわかった。

上記構成において、半導体レーザ素子３１から生じるレ
ーザ光出力は、両共振面に設けた反射膜３２、３３の反
射率が異なるように構成したので、従来のように両方の
共振面から出てしまうことはなく、外部微分量子効率は
大幅に向−トする。また、レーザ光出力をモニタする光
導電膜４０は半導体シー１１素子３１の一方の共振面側
に一体に設けられており、従来のように別体に設けたシ
リコンフォトダイオードによりモニタする場合に比べ、
周囲温度等に影響されることなく、レーザ光出力を正確
にモニタできる。

第４図はレーザ光出力と、これに対する本発明での光導
電膜４０のモニタ抵抗（実線）との関係を、従来のシリ
コンフォトダイオードによるモ二り電流（点線）との関
係と対比して示している。

図から明らかなように従来のシリコンフォトダイオード
によるモニタ電流は、周囲温度Ｔａが一１０℃、２５℃
、６０℃と変るにつれて、大ぎく変化する。これに対し
、本発明での光導電膜４０によるモニタ抵抗は、周囲温
度Ｔａが一１０℃、２５℃、６０℃と変化してもほとん
ど変化けず正確にレーザ光出力をモニタしている。

これは前述したように従来用いたシリコンフォトダイオ
ードが半導体レーザ素子から分離されているため両者間
に温度差が生じ、これがモニタ電流を変化させるためで
あり、反対に光導電膜４０は半導体レーザ素子３１と一
体であるため温度差が生じず、モニタ抵抗が周囲温度に
影響を受けないためである。さらに、光導電ｖＡ４０と
して用いた水素ドープアモルファスＳｉ膜は、温度上界
に対し光導電率がほとんど変化しないものでありこのこ
ともその理由の１つと思われる。

第５図は半導体レーザ素子３１に対する順電流とレーザ
光出力の関係を示す特性図である。図において、各温度
における点線は従来例、実線は本発明によるものを表わ
す。図から明らかなように、直線の傾き、すなわち、外
部坦子効率は温度に関係なく５０％以上増加しているこ
とがわかる。

寿命に関しての測定では、従来例に対し２２倍が確認で
きた。また耐ナージ特性は光導電膜４０の応答速度が２
桁遅いことが原因し、従来５０Ｖ２ｍ秒が、２５０Ｖ２
ｍ秒まで上昇した。

ｔＪ　’Ｌ上の面から見ると、モニタ用としてのシリコ
ンフォトダイオードが不要になったためコストが低減す
るとともに、第３図におけるステム５５として、直径の
小さいものを使用ひき、半導体レーザ素子装置を小型の
パッケージに組込むことが可能となった。また、シリコ
ンフォトダイオード表面のくもりに起因する特性劣化が
皆無になり、さらにシリコンフォトダイオードを設ける
ことによる位置出し不良やダイボンディング不良、ワイ
ヤボンディング不良の発生が皆無となった。また、シリ
コンフォトダイオードに起因づる干渉による角度誤差不
良もなくなり、これらによって製造上の歩留りが向上し
た。

また、構造上置まで実現不可能であった３ビ一ム半導体
レーザ装置に対する正確なモニタが可能となったので、
制御性が大幅に向トし、応用面で多くの効果を生じる。

例えば３ビ一ム半導体レーザ装置の光強度を検出し、そ
れぞれの光導電電極４０から得られる電気出力を３ビー
ムアレイのそれぞれのレーザ発振部の駆！！ＪＩｆｆｉ
流に負帰還し、それぞれのレーザ出力を設定値に制御す
ることで、レーザ光出力を一定化する駆動回路を簡単に
構成できる。また、従来のフォトダイオードで問題とな
った差動アンプとの関係で表われるピークゲインが解消
し、小型パッケージの場合は放熱が容易になった。

さらに、書換え可能光ディスクの光源として用いること
ができ、３つのビームを２高出力、１低出力に制御して
それぞれ第３図で示すように、消去用６１、コントロー
ル用６２、記録・再生６３として用いることができる。

すなわち記録時にはコントロール用レーザビーム６２に
より記録したいところに光学ヘッドを動かしながら、消
去用レーザビーム６３で前に記録した信号を消去しなが
ら記録用レーザ６３で新たに記録する。この場合、消去
用レーザビーム６１は２Ｑｍｗと高出力、コントロール
用レーザビーム６２は５ｍｗと低出力、記録用レーザビ
ーム６３は２Ｑｍｗと高出力である。これに対し再生時
には常時低出力（５ｍｗ）のコントロール用レーザビー
ム６２により再生番地に光学ヘッドを運び、記録用レー
ザビームとしての高出力（２０ｍｗ）モードから、再生
用レーザビームとしての低出力＜　５　ｔｌＷ）モード
に切換えＩＣレーザビーム６３により再生を行なうこと
ができる。

すなわちレーザ光出力を正確にモニタできるので、これ
にに従って各レーザビームのレーザ光出力を任意にコン
トロールでき、上述したような記録、消去をリアルタイ
ムで行なうことのできる３ビ一ム半導体レーザ装置を作
ることが可能となる。

（発明の効果〕以上のように本発明によれば、外部微分量子効率が向上
し、周囲温度に影響されることなくレーザ光出力を正確
にモニタできる半導体レーザ装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体レーデ装置の−・実滴例を
示す断面図、第２図は第１図で示した半導体レーザ素子
を側方から見た断面図、第３図は第１図で示した半導体
レーザ素子を用いて３ビームアレイ型に構成した場合を
示す斜視図、第４図は本発明におけるレーザ光出力のモ
ニタ特性を従来と比較して示゛す特性図、第５図はレー
ザ光出力と順電流との関係を従来と比較して示す特性図
、第６図は従来の半導体レーザ素子を示す斜視図、第７
図は第６図で示した半導体レーザ素子を用いた従来の半
導体レーザ装置を示す斜視図、第８図は従来の３ビ一ム
アレイ型半導体レーザ装置を示す斜視図である。３１・・半導体レーザ素子、３２．３３・・反射膜、４
０・・光導電膜、４１・光導電電極。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）へき開面からなる一対の相対向する共振面にそれ
ぞれ反射膜を設けた半導体レーザ装置において、上記各反射膜をそれらの反射率が互いに異なるように構
成し、かつ反射率の高い反射膜側に光導電膜を付着し、
この光導電膜と導電接続する光導電電極を設けたことを
特徴とする半導体レーザ装置。
（２）光導電電極から得られる電気出力をレーザ発振部
の駆動電流に負帰還し、レーザ出力の制御に用いること
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
装置。