JPWO2004095663A1

JPWO2004095663A1 - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JPWO2004095663A1
Application number: JP2005505797A
Authority: JP
Inventors: 将司渡邉; 本多　正治; 正治本多; 岩村　康弘; 康弘岩村; 源清水; 哲郎井上
Original assignee: Tottori Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2006-07-13
Also published as: US20060013275A1; CN1706081A; TWI236196B; WO2004095663A1; CN1324773C; EP1617531A1; EP1617531A4; KR100785204B1; TW200425603A; KR20060002824A

Abstract

気密封止されたパッケージ２内に活性領域がＡｌＧａＡｓ系結晶、はＡｌＧａＩｎＰ系結晶、ＡｌＧａＮ系結晶、あるいはＩｎＧａＮ系結晶からなる半導体レーザ素子３を備える半導体レーザ装置１において、パッケージ２内の雰囲気ガスを酸素を含む気体とした。半導体レーザ素子３は、レーザ出射面に誘電体酸化膜を具備する。雰囲気ガスを酸素と窒素の混合ガスとし、酸素の割合を２０％以上とした。

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関する。

従来、半導体レーザ素子として、短波長系の半導体レーザ素子と長波長系の半導体レーザ素子が広く用いられている。短波長系の半導体レーザ素子は、発光領域となる活性層がＡｌＧａＡｓ系（三元系）結晶等からなる。長波長系の半導体レーザ素子は、活性層がＩｎＧａＡｓＰ系（四元系）結晶等からなる。
これらの三元系や四元系からなる半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板上に成長させることが多い。おのおのの結晶比を変化させることにより、ＡｌＧａＡｓ系のものでは０．７〜０．９μｍ、ＩｎＧａＡｓＰ系のものでは１．１〜１．７μｍの波長の光を発生可能である。
これらの半導体レーザ素子は、光が出射される端面に保護膜（反射膜）を付け、かつ雰囲気ガスが充填されたパッケージ内に配置されている。これにより、端面の酸化による劣化が防止される。
雰囲気ガスとしては、長波長系、短波長系の何れの場合も窒素ガス等の不活性ガスが主に用いられている。特公平４−６１１４号公報には雰囲気ガスとして酸素を含んだガスを用いることが提案されている。同公報によれば、酸素を含んだガスを雰囲気ガスとして用いることによって、ＩｎＧａＡｓＰ系（四元系）結晶からなる長波長系の半導体レーザ素子の劣化を改善することができるとされている。
短波長系の半導体レーザ素子は、雰囲気ガスとして窒素を利用してＣＤ，ＤＶＤといった記録媒体の読み込み用の光源として５ｍＷ程度の低出力で使用されてきた。図４はＡｌＧａＩｎＰ系からなる短波長系の半導体レーザ素子の出力に対するＭＴＴＦ（ＭｅａｎＴｉｍｅＴｏＦａｉｒｅ）の変化を示す図である。縦軸はＭＴＴＦ（単位：時間）を示し、横軸は出力（単位：ｍＷ）を示している。尚、雰囲気温度は７０℃である。
同図に示すように、１５ｍＷ程度までの低出力では、ＭＴＴＦで表される平均寿命が数千時間であり、問題なく使用することができる。しかしながら、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ−Ｒといった記録用として３０ｍＷ以上の高出力で使用すると、高温動作状態において発光部付近の保護膜及び端面が劣化する。これにより、ＭＴＴＦで表される平均寿命が極端に短くなるという問題があった。

本発明は、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ−Ｒといった記録用として高出力で使用する半導体レーザ素子が高温動作において劣化しにくい構造を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明は、気密封止されたパッケージ内に活性領域がＡｌＧａＡｓ系結晶、ＡｌＧａＩｎＰ系結晶、ＡｌＧａＮ系結晶、あるいはＩｎＧａＮ系結晶からなる半導体レーザ素子を備える半導体レーザ装置において、前記パッケージ内の雰囲気ガスを酸素を含む気体としたことを特徴とする。
前記半導体レーザ素子は、レーザ出射面に誘電体酸化膜を具備することができる。また、前記雰囲気ガスを酸素と窒素の混合ガスとし、酸素の割合を２０％以上とすることが望ましい。また、半導体レーザ素子は０．９μｍ以下の波長の光を出射する。
また本発明は、気密封止されたパッケージ内に定格出力が３０ｍＷ以上の半導体レーザ素子を備える半導体レーザ装置において、前記パッケージ内の雰囲気ガスを酸素を含む気体としたことを特徴とする。
また本発明は、気密封止されたパッケージ内に活性領域がＡｌＧａＡｓ系結晶、ＡｌＧａＩｎＰ系結晶、ＡｌＧａＮ系結晶、あるいはＩｎＧａＮ系結晶の何れかからなる定格出力が３０ｍＷ以上の半導体レーザ素子を備えた半導体レーザ装置において、前記パッケージ内の雰囲気ガスを酸素を含む気体としたことを特徴とする。

図１本発明の実施形態の半導体レーザ装置を示す断面図である。
図２Ａ、図２Ｂ本発明の実施形態の半導体レーザ装置の動作電流が時間によって変化する様子を示す特性図である。
図３本発明の実施形態の半導体レーザ装置のＭＴＴＦが酸素濃度によって変化する様子を示す特性図である。
図４従来の四元系の半導体レーザ装置のＭＴＴＦが定格出力によって変化する様子を示す特性図である。

以下本発明の実施形態について説明する。図１は一実施形態の半導体レーザ装置を示す断面図である。半導体レーザ装置１は、気密封止されたパッケージ２内に半導体レーザ素子３を備えて構成される。
パッケージ２は、ステム４にキャップ５を固定して内部空間が気密された気密構造としている。ステム４は金属製で、電源用の１対のリードピン６，７と信号取出用のリードピン８を備えている。ステム４の上面には、金属製の放熱ブロック９が固定される。放熱ブロック９の側面にはサブマウント１０を介して半導体レーザ素子３が取り付けられる。半導体レーザ素子３を放熱ブロック９に直接取り付けても良い。
また、ステム４の上面には、半導体レーザ素子３の信号をモニターするための受光素子１１が配置される。半導体装置１がＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ−Ｒといった記録用のみに使用される場合は、受光素子１１を省略することもできる。
半導体レーザ素子３の一方の電極は、電源用の一方のリードピン６に電気的に接続される。半導体レーザ素子３の他方の電極は電源用の他方のリードピン７に電気的に接続されている。受光素子１１の一方の電極は、信号取出用のリードピン８に電気的に接続される。受光素子１１の他方の電極はステム４に電気的に接続されている。電源用の一方のリードピン６並びに信号取出用のリードピン８は、ステム４と電気的に絶縁されている。他方のリードピン７は、ステム４と電気的に接続されている。
キャップ５の上面には半導体レーザ素子３の光出力を取り出す窓１２が設けられる。窓１２はガラス板１３によって覆われている。
半導体レーザ素子３は、素子活性領域が四元系のＡｌＧａＩｎＰ系結晶からなる半導体素子で構成されている。半導体レーザ素子３は、種々の構造を採用することができ、シングルヘテロ構造、あるいはダブルヘテロ構造を採用することができる。半導体レーザ素子３の光が出射される端面には、端面劣化を防止するための反射膜を兼ねる保護膜を付けている。保護膜は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の酸化物誘電体やその他の被膜を用いることができる。
パッケージ２内には、酸素を含む気体が雰囲気ガスとして充填されている。図２Ａ、図２Ｂは、半導体レーザ素子３の発振時間に対する動作電流（Ｉｏｐ）の変化の特性を示している。縦軸は動作電流（単位：ｍＡ）であり、横軸は時間（単位：時間））である。
図２Ａは雰囲気ガスとして窒素１００％の場合を示しており、図２Ｂは雰囲気ガスとして窒素８０％、酸素２０％の場合を示している。尚、図２Ａ、図２Ｂは周囲温度は７０℃で、出力が５０ｍＷの連続発振の同一条件の特性である。
図２Ａに示す窒素１００％の場合は、実験した数個のサンプル全てが１５０時間以内に動作不能（ＭＴＴＦ：１００時間以下）になった。これに対して、図２Ｂに示す雰囲気ガスとして窒素８０％、酸素２０％の場合は、実験した数個のサンプル全てが、１０００時間以上正常に動作した。
図３は、パッケージ２内の雰囲気ガスとして酸素と窒素の混合ガスを用い、その混合割合を変化させて半導体レーザ素子３の特性変化を、ＭＴＴＦの時間で表したものである。縦軸はＭＴＴＦ（単位：時間）を示し、横軸は酸素の混合比（単位：％）を示している。
同図から明らかなように、酸素を含む方が、含まない場合よりも格段に向上していることが分かる。ここで、半導体レーザ素子３は、図２に示す条件と同様の条件である周囲温度が７０℃で、出力が５０ｍＷの連続発振の状態に保っている。
ＭＴＴＦは、酸素濃度が２０％になるまで増加し、２０％以上ではほぼ３０００時間で変化がなくなった。よって、高温、高出力で利用する半導体レーザ素子３の雰囲気ガスは、１０００時間以上のＭＴＴＦが得られる５％以上の酸素を含むことが望ましい。より好ましくは２０００時間以上のＭＴＴＦが得られる１０％以上が望ましい。さらに好ましくは３０００時間以上のＭＴＴＦが得られる２０％以上の酸素を含むことが望ましい。
上記の実施形態は、半導体レーザ素子３として、素子活性領域がＡｌＧａＩｎＰ系結晶からなる半導体素子を用いた場合を例示した。これに加えて、素子活性領域がＡｌＧａＡｓ系結晶、ＡｌＧａＮ系結晶、あるいはＩｎＧａＮ系結晶（窒化ガリウム系結晶）からなる短波長（０．９μｍ以下の波長）の光を出射する半導体発光素子を用いる場合も上記の図２Ｂ、図３に示す特性と同様の特性が得られることを確認した。
すなわち、酸素を含まない雰囲気ガスよりも、酸素を含む雰囲気ガスの中に半導体レーザ素子３を配置した方が、素子劣化が抑制され、素子が長時間安定して動作することを確認した。
酸素を含む雰囲気ガスの中に配置する半導体レーザ素子３は、その定格出力が低い低出力タイプの場合よりも定格出力が高い高出力タイプの方が、劣化抑制効果が大きいことが分かった。例えば、定格出力が１５ｍＷ以下の低出力タイプの場合は、酸素濃度を高くしても効果が少なかったが、定格出力が３０ｍＷ以上の高出力タイプの場合は、雰囲気ガスの中に酸素を混合することによって、ＭＴＴＦを１００時間程度から１０００時間以上に改善することができ、効果が極めて高かった。
したがって、酸素を含む雰囲気ガスの中に配置する半導体レーザ素子３は、読出用の低出力タイプのものよりも、記録用にも利用できる定格出力が３０ｍＷ以上（パルス発振出力では５０ｍＷ以上）の高出力タイプとすることにより、半導体レーザ素子の劣化を効果的に抑制することができる。
パッケージ２内に封入する雰囲気ガスは、窒素と酸素の混合ガス以外のものを用いることができる。例えば、不活性ガスに酸素を混合したものや、その他のガスに酸素を混合したものを用いることもできる。また、パッケージ２内に封入する雰囲気ガスとして、乾燥空気を用いることもできる。

以上のように、半導体レーザ装置、特に短波長系の高出力タイプの半導体レーザ装置において、パッケージ内の雰囲気ガスを酸素を含む気体としたことにより、半導体レーザ素子の劣化が抑制され、半導体レーザ素子を安定して長時間動作させることができる。

Claims

気密封止されたパッケージ内に活性領域がＡｌＧａＡｓ系結晶、ＡｌＧａＩｎＰ系結晶、ＡｌＧａＮ系結晶、あるいはＩｎＧａＮ系結晶の何れかからなる半導体レーザ素子を備える半導体レーザ装置において、
前記パッケージ内の雰囲気ガスを酸素を含む気体とした。
請求項１に記載の半導体レーザ装置であって、
前記半導体レーザ素子は、レーザ出射面に誘電体酸化膜を具備する。
請求項１に記載の半導体レーザ装置であって、
前記雰囲気ガスを酸素と窒素の混合ガスとし、酸素の割合を２０％以上とした。
請求項１に記載の半導体レーザ装置であって、
前記半導体レーザ素子は０．９μｍ以下の波長の光を出射する。
気密封止されたパッケージ内に定格出力が３０ｍＷ以上の半導体レーザ素子を備える半導体レーザ装置において、
前記パッケージ内の雰囲気ガスを酸素を含む気体とした。
請求項５に記載の半導体レーザ装置であって、
前記雰囲気ガスを酸素と窒素の混合ガスとし、酸素の割合を２０％以上とした。
気密封止されたパッケージ内に活性領域がＡｌＧａＡｓ系結晶、ＡｌＧａＩｎＰ系結晶、ＡｌＧａＮ系結晶、あるいはＩｎＧａＮ系結晶の何れかからなり、定格出力が３０ｍＷ以上半導体レーザ素子を備えた半導体レーザ装置において、
前記パッケージ内の雰囲気ガスを酸素を含む気体とした。
請求項７に記載の半導体レーザ装置であって、
前記雰囲気ガスを酸素と窒素の混合ガスとし、酸素の割合を２０％以上とした。