JP3093646B2

JP3093646B2 - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP3093646B2
Application number: JP08210878A
Authority: JP
Inventors: 岳正玉貫
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-08-09
Filing date: 1996-08-09
Publication date: 2000-10-03
Anticipated expiration: 2016-08-09
Also published as: JPH1056230A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はワットクラスの大出
力までの動作が可能な半導体レーザ装置に関し、特に狭
い光出射領域でかつ大出力が得られる半導体レーザ装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年における光計測等の分野において、
測定箇所から遠方のある点までの距離を計測するポイン
ト測距装置が開発されるようになってきており、その光
源としてワット級の光出力を発生する高出力レーザダイ
オードの研究開発が活発化している。このようなレーザ
装置では、単体のレーザダイオードチップの高出力化を
図ることが行われており、そのためには、発光領域の幅
を広げ、いわゆるブロードエリアレーザダイオードにす
ることが行われている。例えば、「レーザ研究」山中
等，第１８巻，第５５５頁，１９９０年によれば、発光
領域幅６００μｍにおいて、６Ｗの光出力のレーザダイ
オードが得られている。また、多数のレーザ素子をアレ
ー状に配置すること等が行われてきており、「アプライ
ド・フィジックスレター誌」ハルナゲイ等，第４９巻，
１４１８項，１９８６年：G.L. Harnagei et al., App
l. Phys. Lett., vol. 49, pp. 1418, 1986. によれ
ば、全発光領域幅７２００μｍにおいて、１００Ｗ以上
の光出力が得られている。

【０００３】一方、特開平６−２８３８０７号公報で
は、複数の半導体レーザを多段に積層したスタックレー
ザとして構成することで高出力化を図ったものが提案さ
れている。これは、図８に示すように、複数個、ここで
は３個の半導体レーザ３０１，３０２，３０３を互いに
同じ向きに重ね合わせ、かつ各レーザの上下の電極が互
いに導通するように融着接合している。そして、最上に
位置される電極３０４と最下に位置される電極３０５と
の間に電流を注入することにより、各半導体レーザ３０
１，３０２，３０３の各端面からレーザ光が出射され、
これらのレーザ光が一体化されることで単独の半導体レ
ーザの３倍の光出力が得られるようになっている。な
お、それぞれの半導体レーザの発光部３１１，３１２，
３１３の間隔は半導体レーザ３０２，３０３の厚さと等
しく、約１００μｍ程度である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
たような単一のレーザダイオードにおいてレーザ光の光
出射領域幅を広げることで高出力化を得る技術では、発
光領域の幅が６００μｍ，７２００μｍと増大されるの
に伴ってレーザビームの水平方向の拡がり角度が大きく
なり、光計測用途の装置を構成する場合に必要とされる
平行なレーザ光を得ることが困難になる。これを解消す
るためには、長焦点のレンズが必要となり、半導体レー
ザ装置を用いた光学機器の小型化を図る上での障害とな
っている。このような問題は、前記公報に記載のスタッ
ク構造においても同様であり、各レーザダイオードの発
光部の間隔が半導体レーザの厚さと略同じであるため、
前記した３個の半導体レーザを重ねた場合には垂直方向
に３００μｍの幅となり、仮に２個の半導体レーザを重
ねた場合でも２００μｍの幅となり、その結果発光領域
が拡大され、レーザビームの垂直方向の拡がり角度が大
きなものとなっている。

【０００５】因みに、半導体レーザの光出射端を焦点距
離ｆのレンズの焦点に配置させ、その出射光をレンズに
よって集光させて平行光を得る場合、発光領域の全スポ
ットサイズ、すなわち最大スポット幅寸法をＷとすれ
ば、レンズ通過後の拡がり角θｅは、ｔａｎ（θｅ／
２）＝Ｗ／２ｆで表されるため、Ｗが大きいとθｅも大
きくなる。

【０００６】本発明は、狭い光出射領域でかつ高出力が
得られる半導体レーザを提供することを目的としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板の一方の
面に半導体層を接合し、この半導体層に光出射領域を形
成した同一発振波長の第１及び第２の２個の半導体レー
ザを有し、前記２個の半導体レーザはそれぞれ同一極性
の基板に形成されるとともに、各半導体レーザの基板の
一方の面側に設けた電極を互いに絶縁膜を介して対向さ
せた状態で一体化し、前記第１の半導体レーザの基板の
一方の面側の電極と、前記第２の半導体レーザの基板の
他方の面側の電極とを金属ワイヤで導通し、前記第１の
半導体レーザの基板の他方の面側の電極と前記第２の半
導体レーザの基板の一方の面側の電極との間に電力を印
加して前記第１及び第２の半導体レーザを直列接合にて
同時に駆動する構成としたことを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。（実施形態１）図１は本発明の半導体レーザ装置の第１
の実施形態の概略斜視図である。ｎ型基板上に構築され
た半導体レーザ（以下、ｎ型半導体レーザと称する）１
００上に、ｐ型基板上に構築された半導体レーザ（以
下、ｐ型半導体レーザと称する）２００を積層状態に一
体化する。すなわち、各半導体レーザを構築するために
各基板１０１，２０１上に形成された種々の半導体層を
接合した側の面（以下、接合面と称する）を互いに対向
するようにして積層状態とする。そして、この接合面側
に形成されているｎ型半導体レーザ１００のｐ側電極１
０７と、ｐ型半導体レーザ２００のｎ側電極２０７を当
接させ、両電極を接着もしくは融着により一体化する。
なお、融着にはＡｕＳｎ半田を用いる。また、このとき
ｎ型半導体レーザ１００の光出射領域１０９と、ｐ型半
導体レーザ２００の光出射領域２０９が略同一立面内に
位置されるように互いの端面を揃えている。

【０００９】ここで、前記ｎ型半導体レーザ１００と、
ｐ型半導体レーザ２００のそれぞれの構造を説明する。
図２はｎ型半導体レーザの斜視図であり、ｎ型ＩｎＰ基
板１０１の上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０２を成長
し、Ｇａ_0.47Ｉｎ_0.53Ａｓ量子井戸層１１３とＧａ_0.22
Ｉｎ_0.78Ａｓ_0.48Ｐ_0.52ＳＣＨ層１１５、Ｇａ_0.22Ｉｎ
_0.78Ａｓ_0.48Ｐ_0.52バリア層１１４からなる活性層１０
３、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０４、ｐ⁺型Ｇａ_0.47Ｉｎ
_0.53Ａｓコンタクト層１０５を順次結晶成長する。活性
層１０３は図４にそのエネルギーバンド構造を示すよう
な多重量子井戸構造であり、層厚はそれぞれ、ｎ型クラ
ッド層１０２が０．５μｍ、量子井戸層１１３が３．７
ｎｍ、ＳＣＨ層１１５が５０ｎｍ、バリア層１１４が８
ｎｍ、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０４が１．５μｍ、コン
タクト層１０５を０．２μｍとした。結晶成長には、有
機金属気相成長法または化学ビーム成長法を用いた。次
に、ｐ型コンタクト層１０５の電流注入領域１１０とな
る部分を残して選択的に取り除き、表面に誘電体層１０
６を形成し、電流注入領域となる部分の上の誘電体層１
０６をエッチング除去し、ｐ側電極１０７を形成する。
基板１０１の裏面を研磨して厚さを１００μｍ程度にし
た後、ｎ側電極１０８を形成し、チップに切り出す。光
出射領域１０９の幅は１００μｍとした。

【００１０】図３は前記ｐ型半導体レーザ２００の斜視
図であり、ｎ型半導体レーザと同様の製造方法によって
製造する。ただし、ｎ型半導体レーザとはその導電型が
反対であり、ｐ型ＩｎＰ基板２０１上に、ｐ型ＩｎＰク
ラッド層２０２、Ｇａ_0.47Ｉｎ_0.53Ａｓ量子井戸層、Ｇ
ａ_0.22Ｉｎ_0.78Ａｓ_0.48Ｐ_0.52ＳＣＨ層、Ｇａ_0.22Ｉｎ
_0.78Ａｓ_0.48Ｐ_0.52バリア層からなる活性層２０３、ｐ
型ＩｎＰクラッド層２０４、ｎ⁺型Ｇａ_0.47Ｉｎ_0.53Ａ
ｓコンタクト層２０５を順次結晶成長し、さらにｎ型コ
ンタクト層２０５の電流注入領域となる部分を形成し、
かつその表面に誘電体層２０６を形成し、電流注入領域
２１０となる部分の上の誘電体層２０６をエッチング除
去してｎ側電極２０７を形成する。基板２０１の裏面を
研磨して厚さを１００μｍ程度にした後、ｐ側電極２０
８を形成し、チップに切り出す。光出射領域２０９の幅
は１００μｍとした。

【００１１】このように形成された半導体レーザ装置で
は、図１に示したように、ｎ型半導体レーザ１００とｐ
型半導体レーザ２００のそれぞれの接合面側の面が互い
に当接されて一体化されており、しかも各半導体レーザ
においては、電流注入領域１１０，２１０と活性層１０
３，２０３の間隔は１．７μｍであることから、両半導
体レーザのそれぞれの光出射領域１０９，２０９の間隔
は３．４μｍとなる。そして、この構成の半導体レーザ
装置に対しては、ｐ型半導体レーザ２００のｐ側電極２
０８を正電極とし、ｎ型半導体レーザ１００のｎ側電極
１０８を負電極とし、これら電極間に幅２０ｎｓ、繰り
返し１０ｋＨｚのパルス電流を印加することにより、ピ
ーク出力２０Ｗのレーザ光出力を得ることができる。こ
のとき、焦点距離５０ｍｍのレンズの焦点に光出射領域
１０９，２０９の中心を配置して、出射光を集光するこ
とにより、垂直の方向拡がり角度が６８μｒａｄのビー
ムが得られた。したがって、この半導体レーザ装置を用
いた光学機器のレンズに短焦点のものを使用することが
可能となり、光学機器の小型化を実現する上でも有利と
なる。

【００１２】（実施形態２）図５は本発明の第２の実施
形態の半導体レーザ装置の概略斜視図である。ｎ型半導
体レーザ１００上に別のｎ型半導体レーザ１００Ａを、
互いの接合面側の電極、すなわちｐ側電極１０７が当接
されるように対向させて両者を接着もしくは融着する。
融着にはＡｕＳｎ半田を用い、各光出射領域１０９が同
一面内にあるようにそれぞれの端面を揃えている。ま
た、上側のｎ型半導体レーザ１００Ａの素子の幅を５０
０μｍとし、下側のｎ型半導体レーザ１００の素子幅を
９００μｍとし、下側のｎ型半導体レーザ１００のｐ側
電極１０７の両側一部１０７ａが露呈されるように構成
する。なお、各半導体レーザ１００，１００Ａのそれぞ
れの光出射領域１０９の幅は１００μｍであり、これら
の領域の間隔は第１の実施形態と同様に３．４μｍとす
る。

【００１３】この半導体レーザ装置によれば、各ｎ型半
導体レーザ１００，１００Ａの接合面である、ｐ側電極
１０７を正電極とし、各ｎ型半導体レーザ１００，１０
０Ａのｎ側電極１０８を互いに導通させて負電極とす
る。そして、両電極間に幅２０ｎｓ、繰り返し１０ｋＨ
ｚのパルス電流を印加することにより、ピーク出力２０
Ｗのレーザ光出力が得られた。また、焦点距離５０ｍｍ
のレンズの焦点に各光出射領域１０９の中心を配置し
て、出射光を集光することにより、垂直方向の拡がり角
度が６８μｒａｄのビームが得られた。また、この場合
においても、短焦点のレンズが使用できることは言うま
でもない。

【００１４】（実施形態３）図６は本発明の第３の実施
形態の半導体レーザ装置の概略斜視図である。ｎ型半導
体レーザ１００の接合面側の電極であるｐ側電極１０７
上に、その一部を除いて絶縁膜となる誘電体膜１０と金
属膜１１を形成する。この誘電体膜１０と金属膜１１を
除去した領域は、前記ｐ側電極１０７のワイヤ結合領域
１０７ａとなる。なお、誘電体膜１０の膜厚を０．１μ
ｍとし、ワイヤ結合領域１０７ａは幅が１５０μｍの帯
状に形成した。前記ｎ型半導体レーザ１００上に、別の
ｎ型半導体レーザ１００Ａの接合面側、すなわちｐ側電
極１０７を金属膜１１に当接させた状態で接着もしくは
融着する。融着にはＡｕＳｎ半田を用い、各光出射領域
１０７が互いに同一面内にあるようにそれぞれの端面を
揃えている。なお、各半導体レーザの光出射領域１０９
の幅は１００μｍであり、上側のｎ型半導体レーザ１０
０Ａの素子の幅を５００μｍとし、下側のｎ型半導体レ
ーザ１００の素子幅を１０００μｍとした。そして、上
側のｎ型半導体レーザ１００Ａのｎ側電極１０８と下側
のｎ型半導体レーザ１００のｐ側電極１０７のワイヤ結
合領域１０７ａにおいて金ワイヤ１２により接続する。
なお、各半導体レーザの光出射領域１０９の間隔は３．
５μｍである。

【００１５】この半導体レーザ装置によれば、下側のｎ
型半導体レーザ１００の接合面側に誘電体膜１０を介し
て設けた金属膜１１を正電極とし、下側のｎ型半導体レ
ーザ１００の基板側のｎ側電極１０８を負電極とし、こ
れらの電極間に幅２０ｎｓ、繰り返し１０ｋＨｚのパル
ス電流を印加することにより、ピーク出力２０Ｗのレー
ザ光出力が得られた。また、焦点距離５０ｍｍのレンズ
の焦点に光出射領域１０９の中心を配置して、出射光を
集光することにより、垂直方向の拡がり角度が７０μｒ
ａｄのレーザビームが得られた。この場合においても、
短焦点のレンズが使用できることは言うまでもない。

【００１６】（実施形態４）図７は本発明の第４の実施
形態の半導体レーザ装置を示しており、同図（ａ）はそ
の組立方法を説明するための図、同図（ｂ）はその平面
図である。ここでは、前記した第２実施形態の半導体レ
ーザ装置に適用した例を示しており、上側のｎ型半導体
レーザ１００Ａの基板側のｎ側電極１０８に２本の平行
な部分線からなるマーク１４を形成する。このマーク１
４は、例えばｎ側電極１０８の一部をエッチングするこ
とで形成する。また、このマーク１４は、自己の半導体
レーザの発光領域となる電流注入領域１１０の両側縁を
裏面に射影した位置に一致するように形成する。なお、
ここでは、マーク１４の線幅は１０μｍで、その平行な
間隔は光出射領域１０９の幅寸法である１００μｍと
し、線長は電流注入領域１１０の長さの６００μｍより
も両端において５０μｍ短い５００μｍとした。

【００１７】このように形成された上側のｎ型半導体レ
ーザ１００Ａを下側のｎ型半導体レーザ１００に対して
互いの接合面側が対向するように配置する際には、前記
したマーク１４を利用してマスクアライナによりアライ
メントする。このアライメントでは、マーク１４が下側
のｎ型半導体レーザ１００の電流注入領域１１０の両側
縁に一致するように行なう。そして、このアライメント
により位置決めを行った上で、第２の実施形態と同様に
各ｎ型半導体レーザ１００，１００Ａのｐ側電極１０７
を互いに接着あるいは融着し、半導体レーザ装置を構成
する。

【００１８】したがって、この実施形態の半導体レーザ
装置では、上下の各ｎ型半導体レーザ１００，１００Ａ
の光出射領域１０９は、その幅方向に極めて高精度に一
致されるため、両半導体レーザの光出射領域が幅方向に
ずれることによる光出射領域１０９の実質的な幅が拡大
されることが抑制できる。この実施形態の場合には、位
置ずれの精度を±５μｍ以内に抑制でき、したがって半
導体レーザ装置全体としての光出射領域の幅を１０５μ
ｍ以内に限定することが可能となる。この結果、焦点距
離５０ｍｍのレンズの焦点に両光出射領域１０９の中心
を配置して出射光を集光することにより、第２の実施形
態と同様に垂直方向の拡がり角度が小さくされるのと同
時に、水平方向の拡がり角度が２．０〜２．１ｍｒａｄ
のレーザビームを得ることが可能となった。この場合で
も、短焦点のレンズを使用できることは言うまでもな
い。

【００１９】ここで、前記各実施形態では、ＩｎＰを基
板とする波長１．５μｍ付近のレーザ素子の例を示して
いるが、本発明はこの半導体レーザに限られるものでは
なく、ＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｌＡｓ系等の種々の材料
の半導体レーザに適用できることは言うまでもない。

【００２０】

【発明の効果】以上、各実施形態を用いて本発明を説明
したが、同一の極性の基板に形成した半導体レーザを直
列接合にて同時に駆動する構成を採用する場合には、第
３の実施形態の構成が必要であり、そこで本発明は第３
の実施形態を採用し、基板の一方の面に半導体層を接合
し、この半導体層に光出射領域を形成した第１及び第２
の２個の半導体レーザを有し、前記２個の半導体レーザ
はそれぞれ同一極性の基板に形成されるとともに、各半
導体レーザの基板の一方の面側に設けた電極を互いに絶
縁膜を介して対向させた状態で一体化し、前記第１の半
導体レーザの基板の一方の面側の電極と、前記第２の半
導体レーザの基板の他方の面側の電極とを金属ワイヤで
導通し、前記第１の半導体レーザの基板の他方の面側の
電極と前記第２の半導体レーザの基板の一方の面側の電
極との間に電力を印加して前記第１及び第２の半導体レ
ーザを直列接合にて同時に駆動する構成としているの
で、両半導体レーザのレーザ光を一体化させて高出力化
が実現できるとともに、両半導体レーザの光出射領域の
間隔を微小とし、垂直方向のレーザ光の拡がり角度を抑
制し、平行でかつ高出力のレーザビームを得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の概略斜視図である。

【図２】第１の実施形態の下側の半導体レーザの斜視図
である。

【図３】第１の実施形態の上側の半導体レーザの斜視図
である。

【図４】半導体レーザにおけるエネルギーバンド構造を
示す図である。

【図５】本発明の第２実施形態の概略斜視図である。

【図６】本発明の第３実施形態の概略斜視図である。

【図７】本発明の第４実施形態の概略斜視図である。

【図８】従来の半導体レーザ装置の一例を示す概略斜視
図である。

【符号の説明】

１００，１００Ａｎ形半導体レーザ２００ｐ型半導体レーザ１０１，２０１基板１０２，２０２クラッド層１０３，２０３活性層１０４，２０４クラッド層１０５，２０５コンタクト層１０６，２０６誘電体層１０７，２０７接合面側の電極（ｐ側電極，ｎ側電
極）１０８，２０８基板側の電極（ｎ側電極，ｐ側電極）１０９，２０９光出射領域１１０，２１０電流注入領域

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の一方の面に半導体層を接合し、こ
の半導体層に光出射領域を形成した同一発振波長の第１
及び第２の２個の半導体レーザを有し、前記２個の半導
体レーザはそれぞれ同一極性の基板に形成されるととも
に、各半導体レーザの基板の一方の面側に設けた電極を
互いに絶縁膜を介して対向させた状態で一体化し、前記
第１の半導体レーザの基板の一方の面側の電極と、前記
第２の半導体レーザの基板の他方の面側の電極とを金属
ワイヤで導通し、前記第１の半導体レーザの基板の他方
の面側の電極と前記第２の半導体レーザの基板の一方の
面側の電極との間に電力を印加して前記第１及び第２の
半導体レーザを直列接合にて同時に駆動する構成とした
ことを特徴とする半導体レーザ装置。