JP4885688B2

JP4885688B2 - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP4885688B2
Application number: JP2006310576A
Authority: JP
Inventors: 主之宮部
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2006-11-16
Filing date: 2006-11-16
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2026-11-16
Also published as: JP2008130611A

Description

本発明は、ＤＶＤ／ＣＤ用半導体レーザ装置に関し、特に、サージに対する保護回路を備えた２波長半導体レーザ装置に関する。

近年、再生型ＤＶＤ／ＣＤは世界中に広く普及しており、ＡＶ、ストレージ機器の中で欠かせない技術となっている。ＤＶＤ／ＣＤの読取りには半導体レーザが使われており、各種のメディアにより波長を使い分けている。
通常、ＤＶＤには６５０ｎｍ帯の赤色半導体レーザ、ＣＤには７８０ｎｍ帯の赤外半導体レーザが用いられ、コスト削減、部品点数の削減の観点から、６５０ｎｍ帯と７８０ｎｍ帯の半導体レーザを１つのパッケージに組み込んだ２波長半導体レーザが主流となっている。

しかしながら、６５０ｎｍ帯や７８０ｎｍ帯のいわゆる短波系の半導体レーザは、サージ電流等の電気的ストレスに弱い。その原因の一つに、短波系の半導体レーザ素子特有の破壊現象、すなわちＣＯＤ（ＣａｔａｓｔｒｏｆｉｃＯｐｔｉｃａｌＤａｍａｇｅ）によるところが大きい。ＣＯＤは、サージ電圧などが印加されたときに、順方向に過大な電流が印加されることにより最大定格以上の光が発せられ、高温となった発光端面部が破壊される現象である。
大きな光出力で使用する記録型ＤＶＤ／ＣＤ用半導体レーザは発光端面部に窓構造を設ける等、光の吸収を低減することにより発熱を抑制し、ＣＯＤが起きる光出力レベルに十分な余裕を持たせている。しかし、光出力の小さい再生型ＤＶＤ／ＣＤで用いられる半導体レーザでは、発光端面部は結晶を劈開した後、端面の保護膜を形成するのみである。そのためサージ電流によるＣＯＤを防止する対策の一つとして、半導体レーザに保護回路を設ける技術が知られている。

２波長半導体レーザ装置に保護回路を設けた技術の例が、特許文献１に開示されている。サージ耐性の弱いほうの６５０ｎｍ帯の半導体レーザチップにだけ保護回路が設けられ、装置としてのサージ耐圧を改善したものである。保護素子は２つの半導体レーザ層を積層して形成したサイリスタがレーザチップに作り込まれ、６５０ｎｍ帯の半導体レーザに並列接続されている。また、特許文献２には、１つの半導体レーザチップに保護回路を並列に設けたものが開示されている。その装置構成は通常のダイオードとツェナーダイオードを含む保護回路をＳｉヒートシンクに作りこみ、１つの半導体レーザをマウントしたものである。そのほかにも、特許文献３にはＬＥＤでの保護回路の構成が開示されている。

特開２００５−２１７３８１特開平０５−１０２６０２特許第３７８７６４８号

特許文献１は、２つの半導体レーザ層を積層して形成したサイリスタ層を保護素子として用い、レーザチップ上に集積したものである。必然的にサイリスタ層は、基板からの高さが半導体レーザ層より厚くなる。放熱性の観点から、通常は、いわゆるジャンクションダウンでヒートシンクにマウントされるが、上記構成では、レーザチップ上に凹凸が出来るため、ヒートシンクにマウントするには凹凸を考慮した特別なヒートシンクや、特別な組立工程が必要となり、装置のコストアップを招く。

ところで、保護回路は、半導体レーザの通常動作の動作電圧よりある程度高い電圧でターンオンしなければいけない。一方、保護回路は単純な構成のほうが、製造が容易であり、コストの点で有利である。特に、ＤＶＤ／ＣＤ装置に用いられる２波長半導体レーザ装置はコストダウン要求が強く低コスト性は重要である。特許文献２のように、通常のダイオードとツェナーダイオードを１つずつ接続した回路構成では、異なる素子を使うため、製造工程が複雑になり装置のコストダウンは限定される。特許文献１のように、サイリスタを用いれば１段でも高いターンオン電圧を実現できるが、サイリスタはｐｎｐｎ構造であるので、ダイオードに比べ構造が複雑であり、装置のコストダウンは限定される。

本発明の２波長半導体レーザ装置は、第一の半導体レーザと前記第一の半導体レーザと並列接続された保護回路とを備え、保護回路は、第一の半導体レーザよりサージ耐圧の高い第二の半導体レーザを備えることを特徴とする。

本発明によれば、保護回路を備えた低コストの２波長半導体レーザ装置が実現される。

次に、本発明による２波長半導体レーザ装置の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（第一の実施形態）
図１は本発明の第一の実施形態を示す２波長半導体レーザ装置１０の回路図である。第一の半導体レーザ１１に対して並列接続された保護回路１２で構成され、保護回路には第二の半導体レーザ１３を備えている。保護回路１２は、第二の半導体レーザ１３と同じｐｎ接合構造を有する２段のダイオード１４とを備えている。第二の半導体レーザ１３は第一の半導体レーザ１１よりサージ耐圧が高い。ダイオード１４のｐ側端子／ｎ側端子はそれぞれ第一の半導体レーザ１１のｐ側と第二の半導体レーザ１３のｐ側端子とに接続されている。また、第一の半導体レーザ１１のp側端子、第二の半導体レーザ１３のｐ側端子には、それぞれ動作電流を導入する電流導入部１５、１６が設けられている。更に、第一の半導体レーザ１１のｎ側端子と第二の半導体レーザ１３のｎ側端子とが繋がってｎ側の共通端子１７が設けられている。保護回路１２の順方向立ち上がり電圧は、第一の半導体レーザ１１の動作電圧より高い。ダイオード１４の逆方向耐圧は第二の半導体レーザ１３の順方向サージ耐圧より高い。また、保護回路１２の抵抗は第一の半導体レーザ１１の抵抗より小さい。

図２は、本発明の第一の実施形態の２波長半導体レーザ装置１０の斜視図、また、図３は図２のＡ−Ａ‘に沿った断面図を示す。ヒートシンクとなるｐ型のＳｉ基板２１の表面にはｎ型領域２２が２箇所設けられ、ｎ型領域２２の中にｐ型領域２３が設けられて、同じｐｎ接合構造の２つのダイオード１４が作りこまれている。Ｓｉ基板２１上には、絶縁膜２４を介して第一の電極２５と第二の電極２６が設けられている。また、第一の電極２５と第二の電極２６は各々、絶縁膜２４に開けられたコンタクトホールを介して、ｐ領域２３/ｎ領域２２と接続されており、それぞれダイオード１４のｐ側端子/ｎ側端子となっている。また、ダイオード１４は第一の電極２５と第二の電極２６との跨った位置に配置されると共に、絶縁膜２４に開けられたコンタクトホールを介して配線２７でダイオード１４間が接続されている。第一の電極２５と第二の電極２６には各々、半田２８を介して第一の半導体レーザ１１のｐ側端子となるｐ側電極２９と第二の半導体レーザ１３のｐ側端子となるｐ側電極３０とが融着されている。第一の半導体レーザ１１と第二の半導体レーザ１３はいわゆるジャンクションダウンで融着されている。第一の半導体レーザ１１と第二の半導体レーザ１３はＧａＡｓからなる半導体基板３１上に１チップ集積されており、共通のｎ側端子となるｎ側電極３２が設けられている。第一の電極２５と第二の電極２６は、それぞれ第一の半導体レーザ１１と第二の半導体レーザ１３の動作電流を印加する、電流導入部となっておりワイヤ３３がボンディングされている。また、ｎ電極側３３にもワイヤ３３がボンディングされている。

次に、本発明の第一の実施形態を示す２波長半導体レーザ装置の製造工程について説明する。ヒートシンクとなるｐ型のＳｉ基板２１にｎ型不純物を熱拡散し、２箇所のｎ型領域２２を形成する。ｎ型不純物として例えば、リン、砒素、アンチモンが用いられる。ｎ型領域２２の中に濃度の高いｐ型不純物を熱拡散してｐ型領域２３を形成し、ダイオード１４を作りこむ。ｐ型不純物として例えば、ホウ素が用いられる。ダイオード１４は、その逆方向耐圧が第二の半導体レーザ１３の順方向サージ耐圧より高くなるようｐｎ接合のキャリアプロファイルが設定されている。次に、Ｓｉ基板２１上に絶縁膜２４を形成する。絶縁膜２４は例えば、酸化珪素、窒化珪素、酸化チタン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムが望ましく、少なくとも１０ｎｍ以上の厚さで形成される。次に、ｐ領域２３、ｎ領域２２上の絶縁膜２４にコンタクトホールを形成し、絶縁膜２４上に第一の電極２５、第二の電極２６を形成すると共に、ｐ領域２３と第一の電極２５、ｎ領域２３と第二の電極２６をそれぞれ接続する。
次に、第一の半導体レーザ１１のｐ側電極２９と第二の半導体レーザ１３のｐ側電極３０とを一括して、それぞれ、第一の電極２５と第二の電極２６とに半田２８を介して融着する。半田２８は例えば金錫合金が用いられる。次に、第一の電極２５、第二の電極２６、ｎ電極３１にそれぞれワイヤ３３をボンディングする。尚、図には示していないが、Ｓｉ基板２１はサブマウント或いはステムに装着され、ワイヤ３３は外部回路と接続される。

次に、本実施形態の効果について説明する。上述したように、保護回路１２は同じｐｎ構造のダイオード１４と第二の半導体レーザ１３で構成されている。ダイオード１４は２回の不純物拡散で一括してＳｉ基板２１に作りこみ、２段構成にしただけであり、素子構造、回路構成、製造工程は簡単である。また、第二の半導体レーザ１３を保護回路１２の一部として利用し、ダイオード１４との回路接続も第一の半導体レーザ１１と一括して行われる。従って、保護回路１２は２種類のダイオードで構成されるものの、そのことで、製造工程が増えたり、複雑になることはない。また、ダイオードだけで保護回路を形成する場合に比べダイオードの段数を減らす、すなわち素子数を削減できるので、製造コストを下げることが出来る。更に、第一の半導体レーザ１１と第二の半導体レーザ１３は結晶成長厚がほぼ同じであり、融着面の高さは揃っているため、融着にあたってはヒートシンクに特別の構成や特別の組立方法は必要としない。
また、ダイオード１４は第一の電極２５と第二の電極２６との跨った位置に配置されている。この配置では、半導体基板３１が覆いかぶさることにより、第一の半導体レーザ１１或いは第二の半導体レーザ１３の光出力の一部が迷光としてダイオード１４に入射することを防止する。従って、ダイオード１４に迷光が入射することによる光電流発生を防止し、第一の半導体レーザ１１或いは第二の半導体レーザ１３の動作が不安定になることを防ぐ効果がある。また、ヒートシンクとなるＳｉ基板２１のサイズを最小限に抑えることが出来る。なお、ダイオード１４の配置は、半導体基板３１が覆いかぶさる位置であればよいので、図３において、紙面に垂直方向に配置してもよい。
Ｓｉのダイオード１４は２段構成となっておりその順方向立ち上がり電圧は０．６Ｖｘ２＝１．２Ｖ、７８０ｎｍ帯半導体レーザである第二の半導体レーザ１３の順方向立ち上がり電圧は１．４Ｖであるので、保護回路１２の順方向立ち上がり電圧は２．６Ｖとなる。一方、６５０ｎｍ帯半導体レーザである第一の半導体レーザ１１は、ＤＶＤの読取りに用いられる小光出力の場合、その動作電圧は２．３V程度であり、第一の半導体レーザ１１が通常動作する条件下では、保護回路に電流は流れ込まない。

第一の半導体レーザ１１にサージにより、保護回路１２の立ち上がり電圧を超える過大な電圧が順方向に印加されると、それにより印加される過大な電流は保護回路に分流され、実効的に第一の半導体レーザ１１のサージ耐圧が向上する。

ところで、一般に、６５０ｎｍ帯半導体レーザはＡｌＧａＩｎＰ系の材料、７８０ｎｍ帯半導体レーザはＡｌＧａＡｓ系の材料より構成され、その電気抵抗、熱抵抗の違いから、７８０ｎｍ帯半導体レーザの方がＥＳＤに強い。実際、マンマシンモデルによるＥＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｓｔａｔｉｃ−Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ：静電気放電）試験により、７８０ｎｍ帯半導体レーザでは１００Ｖ以上のＥＳＤ耐圧すなわちサージ耐圧があるのに対して、６５０ｎｍ帯半導体レーザでは５０Ｖ程度しかないことがあることを確認している。

従って、本実施形態では、第一の半導体レーザ１１よりサージ耐圧の高い第二の半導体レーザ１３を保護回路１２の一部として用いているため、第一の半導体レーザ１１のサージ破壊電圧以下で、第二の半導体レーザ１３は破壊されない。

また逆に、第二の半導体レーザ１３が通常動作する条件下では、ダイオード１４は逆バイアスとなるので、第一の半導体レーザ１１へ電流が流れ込むことはない。更に、第二の半導体レーザ１３にサージにより、過大な電圧が順方向に印加された場合も、ダイオード１４の逆方向耐圧は第二の半導体レーザ１３の順方向サージ耐圧よりも高いので、第二の半導体レーザ１３へ印加される過大な電流は第一の半導体レーザ１１へは流れ込まない。
本実施の形態では、第二の半導体レーザ１３のサージ耐圧は維持され、第一の半導体レーザ１１のサージ耐圧が実効的に、５０Ｖから８０Ｖと大きく改善されることにより、２波長半導体レーザ装置としてのサージ耐圧が５０Ｖから８０Ｖへと大きく改善された。
（第二の実施形態）
図４は第二の実施形態の２波長半導体レーザ装置４０の斜視図を示す。本実施形態では、Ｓｉ基板２１上に、レーザ出力をモニターするための光出力モニターフォトダイオード４１が作り込まれており、ワイヤ４３からモニタ出力が取り出される。その他の構成は第一の実施例と同じなので詳細説明は省略する。従って、保護回路の構成／動作における効果は第一の実施形態で説明したものと同等である。
また、本実施の形態では、例えば、特許文献２と異なり、ダイオード１４を第一の電極と第二の電極２６に跨った領域に形成しているので、レーザ後方直近に光出力モニターフォトダイオード４１を配置でき、十分なモニター電流が得られる利点を持つ。製造工程は第一の実施例と比べると、例えば、ｎ型領域を形成するときに同時にｎ型不純物を熱拡散して、フォトダイオード４１のｐｎ接合領域を形成し、また、光出力モニターフォトダイオード４１のｎ側電極４２もダイオード１４の電極形成時に一括して形成すれば、工程数は増えない。
尚、ダイオード１４の段数２段に限定されず、第一の半導体レーザ１１の動作電圧、第二の半導体レーザ１３の順方向立ち上がり電圧が本実施例と異なるものを使う場合は、上述した実施例の主旨に沿って、適宜決めればよい。また、第一の半導体レーザ１１、第二の半導体レーザ１３は６５０ｎｍ帯と７８０ｎｍ帯の半導体レーザの例を示したが、他の波長帯のレーザでも構成できることは言うまでもない。

本発明の２波長半導体レーザ装置の活用例として、ＤＶＤ／ＣＤ用半導体レーザ装置が挙げられる。

本発明の第一の実施形態の２波長半導体レーザ装置の回路図本発明の第一の実施形態の２波長半導体レーザ装置の斜視図図２のＡ−Ａ‘断面図本発明の第二の実施形態の２波長半導体レーザ装置の斜視図

符号の説明

１０：２波長半導体レーザ装置
１１：第一の半導体レーザ
１２：保護回路
１３：第二の半導体レーザ
１４：ダイオード
１５、１６：電流導入部
１７：共通端子
２１：Ｓｉ基板
２２：ｎ型領域
２３：ｐ型領域
２４：絶縁膜
２５：第一の電極
２６：第二の電極
２７：配線
２８：半田
２９：ｐ側電極
３０：ｐ側電極
３１：半導体基板
３２：ｎ側電極
３３：ワイヤ
４１：光出力モニターフォトダイオード
４２：ｎ側電極
４３：ワイヤ

Claims

第一の半導体レーザと、前記第一の半導体レーザと並列接続された保護回路と、を備え、
前記保護回路は、前記第一の半導体レーザよりサージ耐圧の高い第二の半導体レーザとｐｎ接合構造のダイオードを備え、
前記ダイオードは、ｐ型端子が前記第一の半導体レーザのｐ型端子に、ｎ型端子が前記第二の半導体レーザのｐ型端子に、それぞれ接続されており、
前記ダイオードの前記ｐ型端子及び前記第一の半導体レーザの前記ｐ型端子は、前記第一の半導体レーザの動作電流を導入する第１の電流導入部に接続しており、
前記ダイオードの前記ｎ型端子及び前記第二の半導体レーザの前記ｐ型端子は、前記第二の半導体レーザの動作電流を導入する第２の電流導入部に接続していることを特徴とする半導体レーザ装置。
前記ダイオードは、同じｐｎ接合構造のダイオード素子が複数段直列に接続された構造を有しており、
最も前記第一の半導体レーザに近い前記ダイオード素子の前記ｐ型端子が前記第１の電流導入部に接続しており、
最も前記第二の半導体レーザに近い前記ダイオード素子の前記ｎ型端子が前記第２の電流導入部に接続していることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ装置。
前記保護回路の順方向立ち上がり電圧が、前記第一の半導体レーザの動作電圧より高いことを特徴とする、請求項１ないし２に記載の半導体レーザ装置。
前記ダイオードの逆方向耐圧が、前記第二の半導体レーザの順方向サージ耐圧より高いことを特徴とする、請求項１ないし３に記載の半導体レーザ装置。
Ｓｉのヒートシンクを備え、前記ダイオードが、前記ヒートシンクに作りこまれていることを特徴とする、請求項１ないし４に記載の半導体レーザ装置。
前記ヒートシンクは、前記第一の半導体レーザと前記第二の半導体レーザとをマウントする第一の電極と第二の電極とを備え、前記ダイオードが前記第一の電極と前記第二の電極とに跨った位置に配置されることを特徴とする、請求項５に記載の半導体レーザ装置。
前記ヒートシンクには、光出力モニターフォトダイオードが作りこまれていることを特徴とする、請求項５ないし６に記載の半導体レーザ装置。
前記第一の半導体レーザは650nm帯半導体レーザであり、前記第二の半導体レーザは780ｎｍ帯半導体レーザであることを特徴とする請求項１ないし７に記載の半導体レーザ装置。
前記第一の半導体レーザと前記第二の半導体レーザとが１チップ集積されていることを特徴とする、請求項１ないし８に記載の半導体レーザ装置。