JPS63318188A - 半導体レ−ザアレイ装置 - 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アレイ装置の構造に関するもので
ある。

〈従来技術とその問題点〉 複数個の半導体レーザな同一基板上に配置し光学的に結
合することにより高出方化を計る半導体レーザアレイ装
置の研究が進められている。

これらの半導体レーザアレイの発光領域の幅は数μｍか
ら数百μｍになるため、高光出方の動作時ではアレイの
発光領域の中央部に位置する半導体レーザの活性領域の
温度が周辺部の半導体レーザの活性領域の温度に比べて
数度程度高くなってしまう。

この結果、アレイの発光領域の中央部と周辺部の半導体
レーザの発振波長すなわち伝搬定数が異なる結果となり
、アレイの発光領域全域にわたって位相同期状態で発振
しなくなる。

第８図（ａｌに従来の半導体レーザ装置の構造図を示す
。

ｐ型ＧａＡｓ基板８１上にｎ型ＧａＡｓ（又はＧａＡｌ
Ａｓ　）　　電流狭窄層８２を液相工°ピタキシャル成
長法で形成し、その後ホトリングラフィ技術とエツチン
グ技術を利用して基板表面にｎ型６Ｍ（又はＧａＡｌＡ
ｓ　）層を貫通する溝８３を形成する。第８図（ｂｌに
溝形状の平面図を示す。

続いてこれを基板とし、ｐ−Ｇａ１＝Ａ６ｘＡｓ　ｙラ
フ１層８３、ｐ−（又は”　）　Ｇ　ａ　１ｙＡ　ｌ　
ｙ　Ａ　ｓ活性層８４、ｎ型Ｇ　ａ　ＨｌＡ　１２　ｘ
Ａ　ｓ　クラッド層８５、ｎ＋−ＧａＡｓキャップ層８
６を液相エピタキシャル成長法により連続成長させる（
ただしＯ≦ｙ≦ｘ＜１　）。

その後ｐ側電極８７及びｎ側電極８８を形成し、臂開法
を用いて共振面を形成した後各レーザアレイ素子に分割
する。その後、レーザ発振時に活性層８４近傍で発生す
る熱を有効に冷却するためヒートシンク（Ｃｕ又はダイ
ヤモンド等）８９上ｃインジウムあるいは金−スズ合金
等のハンダ材９０乞用いてロウ付けする。ヒートシンク
８９上には電流の流れ及びロウ材との密着性を良くする
ために金糸の合金層９１が形成されている。

このような幅の広い発光領域をもつ位相同期レーザアレ
イ装置を直光ｄ力状態で動作させた場合、第８図（Ｃ１
に示すように活性層８４近傍の温度は中央部で高く、周
辺部で低くなりその温度差は約数度程度に迄拡大する。

半導体レーザの発振波長は〜ＩＡ／℃の温度依存性をも
っており、又０．３Ａ以上の発振波長の差があると互い
に隣設するレーザ発光領域は位相同期状態で発振できな
くなる。このため、発光領域全域にわたって同一の軸モ
ードで発振されなくなり、かつ単−横モード発振も得ら
れなくなる。

この結果、レンズを用いて回折限界まで集光することが
困難となり、かつ横モードが混在した状態で発振するた
め光出力が不安定になったり、光出力の雑音が発生した
り、さらには動作寿命が短かくなるといった問題が生ず
る。

〈発明の目的〉 本発明の主たる目的は、複数個の半導体レーザを同一基
板上に光学的に結合させた状態で配置した半導体レーザ
アレイ装置のような広い発光領域をもつ半導体レーザ装
置において発光幅全域に渡って位相同期状態で発振する
ような半導体レーザ装置を提供することである。

く問題点を解決するための手段〉 本発明は発光領域幅の広い半導体レーザアレイ装置にお
いて、発光領域の温度が均一になるように、発光領域の
放熱体への熱放散を発光領域の中央部と周辺部とで異な
らせる温度補償手段を付設したことを特徴としている。

く作用〉 本発明にかかる半導体レーザアレイ装置は高出力動作時
にも発光領域全域にわたって均一な温度分布が得られる
ため、各々のレーザ発光領域の軸モードが一致し、その
結果発光領域全域にわたって位相同期状態でレーザ発振
させることができる。

〈実施例〉 第１図（ａｌは本発明の一実施例を示す半導体レーザア
レイ装置の構造を示す模式図であり、第１図（ｂｌは同
半尋体レーザアレイ装置の発光領域の温度分布を示す図
である。

半導体レーザアレイ装置は有機金属化学析出法で作製さ
れており、ｎ−ＧａＡｓ基板１１、ｎ−Ｇａｐ、ＡＮｘ
Ａｓ　　クラッド層１２、ｎ−（又はｐ）Ｇａ、、ＡＪ
、Ａｓ活性層１３、ｐ　−Ｇａ、−ｘＡＪ？ｘＡｓ第１
クラッド層１４、ｎ−ＧａＡｓ（又はＧａＡ＃Ａｓ　’
）電流狭窄兼光吸収層１５を形成した後、リングラフィ
技術と化学エツチング法を用いて電流通路となりかつ光
導波路を形成する溝１６を形成する。

その後、再度有機金属化学析出法でｐ　　Ｇ　ａ　＋−
ｘｋｌ　Ａｓ第２クラッド層１７、ｐ　ＧａＡｓキャッ
プ層１８を順次エピタキシャル成長させる。

次にｎ側電極１９及びｐ側電極２０を形成した後、ロウ
材２３及びヒートシンク２５の熱伝導率よりも小さい熱
伝導率をもつ拐料即ち本実施例ではロウ材としてインジ
ウム、ヒートシンク８９上銅を用いているため、これら
より熱伝導率が１桁小さいＳ　ｉ　Ｎ　２膜２１を形成
した後、リングラフィ技術と化学エツチング法を用いて
発光領域の中央部分を除去した後ロウ材けのためのモリ
ブデン（Ｍｏ−Ａｕ）電極層２２を形成する。

その後壁開法を用いて共振器端面を形成し、端面Ｃ１２
０Ｂ膜等の保護膜を形成した後各レーザアレイ素子に分
割する。その後モリブデン・金層２４を表面に形成した
ヒートシンク２５にインジラム石２３を形成した後半導
体レーザアレイ素子のモリブデン・金電極２２とロウ付
けする。

本実施例では半導体レーザアレイの導波路構造としては
第８図［ｂｌｌ’５−示す分岐型導波路を用い、導波路
幅３μｍ１導波路ピツチ５μｍ、導波路数は前面８本、
後面９本を用いた。

又Ｓ　ｒ　Ｎ　２膜２１は周辺部左右の合計４本の導波
路上に３００ＯＡの厚さで形成した。

その結果、第１図（ｂｌの実線で示すような温度分布と
なり、点線で示す従来の温度分布に比べて均一になり発
光領域全域にわたって０．２℃以下で均一な温度分布が
得られた。このため発光領域全域で位相同期状態での発
振を得ることができる。

第２図は本発明の第２の実施例を示す半導体レーザアレ
イ状態の構造図である。

液相エピタキシャル成長法を用いて作製されている内部
電流狭窄構造の屈折率導波型半導体レーザアレイ素子は
発光領域の中央の４本の導波路に対応する部分即ち約２
０μｍ幅のストライプ状の部分を除いて他の部分にＡｌ
２Ｏ３膜３６を２０００λの厚さで表面に形成し、その
後全面にロウ材の接着用にモリブデン・金電極層３７を
形成したダイヤモンドヒートシンク３５に金−スズ層３
８をロウ材としてロウ付けしている。

Ａｇ２Ｏ３膜の熱伝導率は金層スズ合金あるいはダイヤ
モンドより約１桁小さいため、第１図［ｂ）で示したよ
うに発光領域の周辺部の温度を上昇することができ全域
にわたって均一な温度分布とすることができる。

第３図は本発明の第３実施例を示す半導体レーザアレイ
装置の構成図である。

半導体レーザアレイ素子は通常のダブルへテロ接合構造
になっており、液相成長法、有機金属化学析出法等で作
製した後、電流通路を制限するためにイオン注入法を用
いて３μｍの深さまでプロトンを注入し、その部分を高
抵抗領域４４Ｆ？−する。

その後中央部の４つの電流通路に対応する部分のｐ　　
ＧａＡｓキャップ層４３をエツチング加工して幅４０ｐ
ｍ、深さ１μｍのストライプ状の溝４５を形成する。

その後ｎ側電極４６及びｎ側電極４７を形成し、襞間、
端面保護膜の形成を行った後側々の素子に分割する。

その後モリブデン・金層４９を被覆したダイヤモンドヒ
ートシンク４８に金・スズ層５０をロウ材として貼着し
半導体レーザアレイ素子をロウ付けする。

ＧａＡｓの熱伝導率は、ダイヤモンドや金スズ合金の熱
伝導率よりも小さいため第１図の実施例で示した効果と
同様の効果が得られ発光領域全域に均一な温度分布を得
ることができる。

第４図（ａｌは本発明の第４の実施例を示す半導体レー
ザアレイ装置の構成図である。

半導体レーザアレイ素子は第１の実施例で示した素子構
造と同様で有機金属析出法で作製されている。ｎ側電極
１９．ｐ側電極２０番形成した後に、発光領域の中央部
４本の導波路に対応して幅２０μｍ　、厚さ３μｍのス
トライフ“状の銅層５１をｐ側電極２０Ｃ形成する。そ
の後半導体レーザアレイ素子に分割し、モリブデン・金
層２４を表面に形成した銅ヒートシンク２５上にロウ材
としてインジウム２３を用いてロウ付けする。

この結果、ストライプ状の銅に対応する発光領域の中央
部は、インジウムに比べて銅の熱伝導率が２０倍も大き
いため、熱放散が良くなり温度が低下する。この結果、
第４図（ｂｌに実線で示すように発光領域全域に渡って
均一な温度分布を形成することができる。

第５図は本発明の第５の実施例を示す半導体レーザアレ
イ装置の構成図である。

半導体レーザアレイ素子は有機金属析出法で製作してお
り、通常のダブルへテロの接合構造となっている。光導
波路の形成はｐ　−Ｇａ、、Ａ６ｘＡｓ第１クラッド層
１４をリッジ形状にエツチング加工した後、ｐ−Ｇａ１
．ＡＩ！ｙＡｓ第３クラッド層５２、ｐ−ＧａＡｓキャ
ップ層１８を再度エピタキシャル成長させる。このとき
、第１クラッド層１４と第３クラッド層３２のＡｌ混晶
比を変えることによって活性層１３に沿って横方向の屈
折率差が形成され光導波路が形成されることになる。そ
の後電流狭窄の為のＳｉＮ　又はＳｉ８Ｎ４膜５３を発
光領域に対応する領域以外のｐ−ＧａＡｓキャップ層田
上層液上した後、電極を形成して素子化を行なう。

一方、銅ヒートシンク５４には半導体レーザアレイの発
光領域の中央部に対応する幅２０μｍ　。

高さ３μｍのストライプ状の凸部５５を形成した後、モ
リブデンｅ金層５６及びインジウム材５７を堆積し、半
導体レーザアレイの中央部の４つの導波路が銅ヒートシ
ンクの凸部５５に位置合せしてロウ付けする。この結果
、銅ヒートシンク５４はインジウム層５７に比べて熱伝
導率が大きいため、半導体レーザアレイの中央部の発光
領域の熱が効率良く放散されるため、第４図（ｂ）で示
したように均一な温度分布が得られることになる。

第６図は本発明の第６の実施例を示す半導体レーザアレ
イ装置の構成図である。

半導体レーザアレイ装置は液相エピタキシャル成長法で
製作しｎ　　ＧａＡｓ基板５８に光導波路を形成するた
めの溝５９を化学エツチングで刻設した後、ｎ　　Ｇ　
ａ　ｒｌＡ　ｌ　ｘ　Ａ　ｓ　クラッド層６０．ｎ−（
又はｐ）Ｇａ１□Ａ７？、Ａｓ　活性層６１．ｐ−Ｇａ
１−ｘＡｌＸＡｓクラッド層６２　、ｐ−ＧａＡｓキャ
ップ層６３をエピタキシャル成長法で順次積層する。

その後、電流狭窄のために発光領域に対応する領域のｐ
−ＧａＡｓキャップ層６３を残し他の部分はｐ　　Ｇａ
１１Ａｊ？ｘＡｓ　クラッド層６２に到達するまで化学
エツチング法でエツチング加工し、ｐ　−ＧａＡｓキャ
ップ層６３　＋　ｐ　−Ｇａ１．ＡｄｘＡｓ　クラッド
層６２の一部を除去してメサ状のストライフ゛を形成す
る。その後、ＳｉＮ４膜６４をメサ状のストライプ以外
に形成しｐ側及びｎ側電極を形成する。

その後発光領域の周辺部の熱放散が悪くなるようにＡＩ
ｊ２０３膜゛６５を発光領域の中央部を除いた状態でｐ
倶（ｊ電極２０上に形成し、その上にモリブデン・金層
６６を形成し、素子化を行なう。

その後、第５の実施例として第５図に示したストライプ
状の凸部５５を形成した銅ヒートシンク５４上に発光領
域の中央部が凸部５５に対応するようにインジウム５７
でロウ付けする。

この結果、発光領域の周辺部は熱放散がＡ１２０３ｗＸ
６５で妨げられ、中央部は銅ヒートシワの凸部５５で熱
放散が高くなることになる。

第７図は本発明の第７の実施例で示す半導体レーザアレ
イ装置の構成図である。

半導体レーザアレイ素子は第６の実施例で示した素子構
造と同様に液相エピタキシャル成長法で製作する。

熱放散防止用のＡｌ２Ｏ８膜６５を形成した後メッキ法
で発光領域の中央部に対応する部位にストライプ状の銅
層６７を形成する。その後モリブデン金属６９を形成し
たダイヤモンドヒートシンク６８上に金・スズ層７０を
用いてロウ付けする。

以上の実施例では第８図１ｂ＋に示す導波路構造の半導
体レーザアレイ素子について説明してきたが、他の導波
路構造、例えば互いに平行な導波路をもつレーザアレイ
素子、幅の広い導波路の一部に互いに平行な導波路をも
つレーザアレイ素子等の幅の広い発光領域をもつ半導体
レーザアレイ素子に本発明は適用可能である。

さらに本発明ではＧａＡｓ−ＧａＡｌＡｓ系の半導体レ
ーザアレイについて述べたが、ＩｎＧａＡｓｐ−。

Ｉｎｐ　　系等の半導体レーザアレイ装置にも同様の効
果をもたらすものである。

さらに熱伝導の良い材料として銅あるいはダイヤモンド
を用いているが、他の材料例えば銀、金を用いてもよく
、熱伝導の悪い材料としてＡｌ２Ｏ３膜やＳｉＮ４膜以
外に鉄、５ｉ０２膜等も利用できる。

〈発明の効果〉 以、上のように、広い発光領域をもつ半導体レーザアレ
イ装置において、発光領域の中央部の放熱体への熱放散
を良くし、あるいは発光領域の周辺部の放熱体への熱放
散を悪くするために発光領域の中央部に熱伝導の良い材
料あるいは周辺部に熱伝導の悪い材料を選択的に形成す
ることによって熱分布の補償作用が得られ発光領域全域
に渡って均一な温度分布を得ることができる結果、位相
同期状態でレーザ発振させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第７図はそれぞれ本発明の実施例を示す半導
体レーザアレイ装置の構造模式図である。 第８図（ａｌは従来の半導体レーザアレイ装置の模式図
である。第８図［ｂｌはその導波路構造を示す平面図で
ある。 第８図［ＣＪは従来の半導体レーザアレイ装置の発光領
域の温度分布を示す説明図である。 １１．２６．３９．５８−ＧａＡｓ基板、１２゜３１　
、４０　、６０−ｎ　−ＧａＡｌＡｓ　　クラッド層、
１３．３０，４１，６ｌ−ｎ（又はｐ）ＧａＡｓ（又は
ＧａＡｌＡｓ　　）活性層、１４−　ｐ　−ＧａＡｌＡ
ｓ第１クラッド層、１５　＊　２７−　ｎ　”ＧａＡｓ
　（又はＧａＡｌＡｓ　　）電流狭窄兼光吸収層、１６
．２８゜５９’・・・溝、　１７−　ｐ　−ＧａＡＡ’
Ａｓ第２クラッド層、１８．４３．６３−ｐ−ＧａＡｓ
キｑツブ層、１９゜３３．４６・・・ｎ側電極、２０，
３４．４７・・・ｐ側電極、２１．５３・・・Ｓ　ｒ　
Ｎ４膜、２２．６６・・・モリブデン・金電極層、２９
　、４２　、６２−　Ｐ−ＧａＡＭｓクラッド層、３２
・・・ｎ−ＧａＡｓキャップ層、３６゜６５・・・ＡＩ
Ｏ膜、４４・・・高抵抗領域％５２・・・ｐ　−Ｇａ、
−２ＡＮ、Ａｓ第３クラッド層。 代理人　弁理士　杉　山　毅　至（他１名）艶随 （ｂ） ＄　１　図 ＄２　図 第３１ 距離 （ｂ） 第５４ 第７図 ″＄８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数個の半導体レーザによって構成される発光領域
   をもつ半導体レーザアレイ装置において、該発光領域の
   温度分布を均一にする温度分布の補償手段を備えたこと
   を特徴とする半導体レーザアレイ装置。 ２、温度分布補償手段が前記発光領域周辺部の熱放散を
   中央部に比べて小さくする特許請求の範囲第１項記載の
   半導体レーザアレイ装置。 ３、温度分布補償手段が前記発光領域中央部の熱放散を
   周辺部に比べて大きくする特許請求の範囲第１項記載の
   半導体レーザアレイ装置。