JP4965354B2

JP4965354B2 - 半導体レーザ装置、光書込器およびプリンタ装置

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Publication number: JP4965354B2
Application number: JP2007162364A
Authority: JP
Inventors: 宏稲永
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2027-06-20
Also published as: JP2009004473A; US20080317082A1; US7664153B2

Description

本発明は，半導体レーザ装置、光書込器およびプリンタ装置に関し、特に、３素子以上のレーザ素子を有し、複数のレーザビームを発光する端面発光型のレーザアレイチップを具備した半導体レーザ装置、ならびに、該半導体レーザ装置を組み込んだ光書込器およびプリンタ装置に関するものである。

一般的な端面発光型の半導体レーザ装置の構成を図１から図３に示す。特許文献１等にも記載されている。

図３において、端面発光型のレーザアレイチップ１を備えた半導体レーザ装置は、例えば、ガリウム砒素で作製した半導体基板６の主面６ａに、互いに分離溝７で電気的に分離してある複数のレーザ素子を、アレイ状に形成してある。そして、図２に示すように、該レーザアレイチップ１の電極８側を下にして、例えば、シリコンカーバイドで作製したサブマウント２のレーザアレイチップ１の搭載領域上に搭載する。ここで、半導体基板６の下面にはコモン電極９が設けてある。サブマウント２のレーザアレイチップ１の搭載領域には、レーザアレイチップ１のそれぞれの電極８と対向した位置に、表面に半田層が形成された複数の電極（図示せず）が配置してある。このため、サブマウント２のレーザアレイチップ１の搭載領域上に配置してある複数の電極（図示せず）のそれぞれは、半田層を介して複数のレーザ素子の電極８と電気的かつ機械的に接続してある。

図１に示すように、前記サブマウント２のレーザアレイチップ１の搭載領域と別の領域には、複数のボンディングワイヤ接続のためのボンディングパッドが、ワイヤ接続時に該ワイヤがレーザビームを遮断しない位置に形成してある。それらが、ボンディングワイヤの他端側をパッケージのフランジ５を貫通して設けてあり、フランジ５とは電気的に分離された複数のリード４の一端側にそれぞれ接続することにより、パッケージ外部から半導体レーザ素子へ通電することを可能にしている。

前記サブマウント２は、熱伝導度の高い材料、例えば、銅で作製したヒートシンク３と接合してあり、レーザ素子の発熱を抑えるようにしてある。さらに、前記ヒートシンク３は、フランジ５とロウ付けで接合してある。

レーザの光は、レーザアレイチップ１の端面から、図１、図２において、上方に向かって放射されるようになっている。

また、特許文献２には、ヒートシンクに半導体レーザ素子が固設されてなる半導体レーザ装置において、第一の対の電極の一方がコンタクト層上に形成され、他方が基板に対して一方の電極と同じ側に形成されており、ヒートシンクがヒートシンク基板上に第二の対の電極を備えてなり、半導体レーザ素子がヒートシンク上に、第一の対の電極が第二の対の電極に接着されて固設されているものが開示されている。この半導体レーザ装置は、ワイヤを用いずに第一の対の電極と第二の対の電極とを接続することができるため、配線抵抗を低減して、しきい値電流および発光効率等の電気特性を向上させることができる。特に、半導体レーザ素子をヒートシンク上に複数並列してなるアレイ状の半導体レーザ装置においては、素子間の配線抵抗ばらつきを小さくできるため、周波数特性を向上させることができる、と記載されている。

特公平６−３８５４２号公報特開２００３−３４７６５７号公報

図４は、図３に示す従来のレーザアレイチップ１の各電極と動作時の温度上昇の関係を示すグラフである。第四、第五素子に関しては、第二、第一素子と同等であるため図示していない。レーザアレイチップ１内に複数のレーザ素子の数が存在する場合、図４に示すように、レーザアレイチップ１内のレーザ素子間で、動作温度が異なるという現象が生じる。特に中央に位置する第三レーザ素子は端部に位置する第一、第二レーザ素子に比べ動作温度が高くなる。レーザ素子間の動作温度差は、レーザビーム発振波長の素子間誤差として現れる。

レーザビームプリンタ装置等への応用において、走査ビーム間で焦点距離に差異が生じ、走査ビームの結像位置や結像スポット径の差異となって現れ、該レーザビームプリンタ装置の印刷品質が低下するという問題がある。

本発明の課題は、レーザアレイチップ内におけるレーザ素子の動作温度の差異を低減し、各レーザ素子間の発振波長の差異低減を実現する構造を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は、３素子以上のレーザ素子を有する端面発光型のレーザアレイチップを具備し、前記レーザアレイチップがサブマウントを介してヒートシンクに固定してある半導体レーザ装置であって、前記レーザアレイチップの中央部にあるレーザ素子の電極の幅を、前記レーザアレイチップの端部にあるレーザ素子の電極の幅よりも広くしたことを特徴とする。

本発明によれば、レーザアレイチップ内におけるレーザ素子の動作温度の差異を低減し、各レーザ素子間の発振波長の差異低減を実現する構造を提供することができる。さらに、レーザビームプリンタ装置等への応用においては、各レーザ素子間の発振波長の差異が低減されることで、走査ビーム間で焦点距離の差異も低減することができ、走査ビームの結像位置や結像スポット径の差異の少ない光書込器、および印刷品質に優れたレーザビームプリンタ装置を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により説明する。

図１、図２および図６は本発明による半導体レーザ装置の実施例を示したものである。

端面発光型のレーザアレイチップ１を備えた半導体レーザ装置は、例えば、ガリウム砒素を含む半導体基板６の主面６ａに互いに分離溝７で電気的に分離した複数のレーザ素子がアレイ状に形成してある。そして、これらのレーザ素子は、例えば、シリコンカーバイドを含むサブマウント２のレーザアレイチップ１の搭載領域上に、該レーザアレイチップ１の電極８側を下にして搭載してある（図では逆に示してある）。半導体基板６の下面にはコモン電極９が設けてある。サブマウント２のレーザアレイチップ１の搭載領域には、レーザアレイチップ１のそれぞれの電極８と対向した位置に、表面に半田層を形成した複数の電極３１が配置してある。このため、サブマウント２のレーザアレイチップ１の搭載領域上に配置した複数の電極３１はそれぞれ、半田層を介して複数のレーザ素子の電極８と電気的かつ機械的に接続してある。

前記サブマウント２のレーザアレイチップ１の搭載領域とは別の領域には、複数のボンディングワイヤ接続のためのボンディングパッドが、ワイヤ接続時に該ワイヤがレーザビームを遮断しない位置に形成してある。それらがボンディングワイヤの他端側をパッケージのフランジ５を貫通して設けてあり、フランジ５とは電気的に分離し、かつ、相互に電気的に分離した複数のリード４の一端側にそれぞれ接続することにより、パッケージ外部からの半導体レーザ素子への通電を可能にしている。

前記サブマウント２は、レーザ素子の発熱を抑えるために、熱伝導度の高い材料、例えば、銅で作られたヒートシンク３と接合してあり、さらに、前記ヒートシンク３は、フランジ５とロウ付けで機械的に接合している。

本実施例においては、図６に示すように、レーザ素子間で電極８の幅を異ならせたことを特徴としている。ここで、電極８の幅とは、図中、水平方向の電極８の長さをいう。前記レーザアレイチップ１の中央部にあるレーザ素子の電極８の幅は、それに隣接するレーザ素子の電極８の幅よりも大きくし、レーザアレイチップ１の端部、すなわち最も外側にあるレーザ素子の電極８の幅は最も小さくしてある。言い換えると、レーザアレイチップ１の中央部にあるレーザ素子の電極８と、該電極に対応するサブマウント２側の電極３１とが接する部分の面積を、レーザアレイチップ１の端部にあるレーザ素子の電極８と、該電極８に対応するサブマウント２側の電極３１とが接する部分の面積よりも広くすることにより、レーザアレイチップ１の中央部にあるレーザ素子に発生する熱を、サブマウント２を介してヒートシンク３に伝えやすくし、レーザアレイチップ１の各レーザ素子の温度を可能な限り一様としている。

電極８と接するサブマウント２側の電極３１の幅は、対応する電極８の幅とほぼ等しいか、対応する電極８の幅より大きいことが望ましい。これは、各レーザ素子からヒートシンク３への放熱に関して、幅を異ならせた電極８が律速段階となっているためである。もし電極８と接するサブマウント２側の電極３１の幅が、対応する電極８の幅よりも小さいとすると、サブマウント２側の電極３１が伝熱に関する律速段階となり、各レーザ素子の温度を一様にするという所期の目的を達成することができない。サブマウント２側の電極３１の幅が少し小さい程度であれば、影響は小さいが、サブマウント２側の電極３１の幅が２、３割以上小さい場合、各レーザ素子間に温度分布が生じる可能性が高い。

図５は有限要素法を用いた二次元モデルによる熱解析シミュレーションで得た、レーザ素子ごとの電極の幅と、動作時における温度上昇との関係の一例を示すグラフである。このシミュレーションでは、第四、第五素子については、それぞれ第二、第一素子と同じ結果となるため省略してある。

このグラフにおいて破線（約１９．７Ｋ上昇）で示すように、電極幅を第一素子で１０μｍ、第二素子で１４μｍ、第三素子で２０μｍとすることにより、動作時の温度上昇が各素子間で等しくなることがわかる。

図６に示すように、本実施例では図５の結果を適用し、各レーザ素子で電極の幅が異なるようにしてある。すなわち、前記レーザアレイチップ１の中央部にあるレーザ素子の電極８の幅は、それに隣接するレーザ素子の電極８の幅よりも大きくし、レーザアレイチップ１の端部にあるレーザ素子の電極８の幅は最も小さくしてある。

図７は、図６において破線で囲んだ部分のレーザ素子の層構造を示す拡大図である。

本図において、本実施例のレーザ素子は、半導体基板６の下面にコモン電極９を設けてある。一方、半導体基板６の上面には、下から順に、Ｎ−クラッド層２５、活性層２４およびＰ−クラッド層２３が設けてある。その上に絶縁層２２およびキャップ層２１を設けてあり、キャップ層２１の上に電極８が設けてある。

本実施例によれば、レーザアレイチップ内におけるレーザ素子の動作温度の差異を低減し、各レーザ素子間の発振波長の差異低減を実現する構造を提供することができる。さらに、レーザビームプリンタ装置等への応用においては、各レーザ素子間の発振波長の差異を低減することで、走査ビーム間での焦点距離の差異も低減することができ、走査ビームの結像位置や結像スポット径の差異の少ない、印刷品質に優れたレーザビームプリンタ装置を提供できる。

図８は本発明による他の実施例を示すレーザアレイチップおよびサブマウントの断面図である。

本図において、各レーザ素子の電極８の幅は等しくしてあり、電極８と接するサブマウント２側の電極３１の幅を異ならせてある。すなわち、前記レーザアレイチップ１の中央部にあるレーザ素子の電極８に対応するサブマウント２側の電極３１の幅は、それに隣接するレーザ素子の電極８に対応するサブマウント２側の電極３１の幅よりも大きくし、レーザアレイチップ１の端部にあるレーザ素子の電極８に対応するサブマウント２側の電極３１の幅は最も小さくしてある。この場合に、レーザ素子の電極８の幅に比べて、対応するサブマウント２側の電極３１の幅を小さくしてある。これは、レーザ素子の電極８に対応するサブマウント２側の電極３１を、伝熱に関して律速段階とするためである。各レーザ素子の電極８の幅を、対応するサブマウント２側の電極３１の幅とほぼ等しくしてもよい。

これにより、レーザ素子の電極８の幅が等しい場合でも、レーザ素子の動作温度の差異を低減し、各レーザ素子間の発振波長の差異低減を実現することができる。

以上の実施例は、レーザ素子が５素子の場合であるが、さらに多くの素子を連ねた場合も同様に設計・製造することができる。

以下、本発明を適用したプリンタ装置および光書込器の構成について説明する。

図９は、本発明を適用したプリンタ装置全体の概略構成図である。図１０は、図９のプリンタ装置の光書込器を示す内部構成図である。

図９において、４１はプリンタ装置の筐体、４２は光書込器、４４は感光体、４９は転写ロール、５０は定着器を表す。感光体４４の周りには現像器４５、帯電器５１および除電器５２が設置してある。光書込器４２から感光体４４に向かってレーザ光４３が放射されるようになっている。

印刷に際しては、感光体４４を帯電器５１により帯電させ、レーザ光４３により感光体４４に画像を書き込み、現像器４５で画像を現像した後、給紙トレー４６から紙４７を筐体４１内部に送り、感光体４４と転写ロール４９との間で画像を転写する。そして、紙４７を定着器５０を通過させて排紙トレー４８に送り出す。感光体４４は画像を転写した後、除電器５２で除電され、再び帯電器５１で帯電される。

図１０において、光書込器は、半導体レーザ装置６１、集光レンズ群６３、ポリゴンミラー６４およびＦθレンズ６５を含む。半導体レーザ装置６１から放射されたレーザ光６２は、集光レンズ群６３、ポリゴンミラー６４およびＦθレンズ６５を介して感光体４４に達するようになっている。

以上のように、プリンタ装置等への応用において、各レーザ素子間の発振波長の差異を低減することで、走査ビーム間で焦点距離の差異も低減することができ、走査ビームの結像位置や結像スポット径の差異の少ない、印刷品質に優れたプリンタ装置を提供できる。

本発明による実施例を示す、３素子以上のレーザ素子を有する端面発光型のレーザアレイチップを具備する半導体レーザ装置の全体図である。図１のレーザチップ付近を示す拡大図である。従来例を示す、３素子以上のレーザ素子を有する端面発光型のレーザアレイチップの断面斜視図である。図３のレーザアレイチップの各電極と動作時の温度上昇の関係を示すグラフである。二次元モデルによる熱解析シミュレーションで得た、各レーザ素子の電極の幅と、動作時における温度上昇との関係の一例を示すグラフである。本発明による実施例を示す、３素子以上のレーザ素子を有する端面発光型のレーザアレイチップの断面図である。図６のレーザ素子の層構造を示す部分拡大図である。本発明による他の実施例を示すレーザアレイチップおよびサブマウントの断面図である。本発明を適用したプリンタ装置全体の概略構成図である。図９のプリンタ装置の光書込器を示す内部構成図である。

符号の説明

１…レーザアレイチップ、２…サブマウント、３…ヒートシンク、４…リード、５…フランジ、６…半導体基板、６ａ…半導体基板の主面、７…分離溝、８…レーザ素子の電極、９…コモン電極。

Claims

３素子以上のレーザ素子を有する端面発光型のレーザアレイチップを具備し、前記レーザアレイチップがサブマウントを介してヒートシンクに固定してある半導体レーザ装置であって、前記レーザアレイチップの中央部にあるレーザ素子の電極の幅、及び前記レーザアレイチップの中央部にあるレーザ素子の電極に対応するサブマウント側の電極の幅のいずれもが、前記レーザアレイチップの端部にあるレーザ素子の電極の幅、及び前記レーザアレイチップの端部にあるレーザ素子の電極に対応するサブマウント側の電極の幅よりも広くし、前記レーザ素子の電極の幅と、該電極に対応する前記サブマウント側の電極の幅とをほぼ等しくしたことを特徴とする半導体レーザ装置。
３素子以上のレーザ素子を有する端面発光型のレーザアレイチップを具備し、前記レーザアレイチップがサブマウントを介してヒートシンクに固定してある半導体レーザ装置であって、前記レーザアレイチップの中央部にあるレーザ素子の電極と、該電極に対応するサブマウント側の電極とが接する部分の面積を、前記レーザアレイチップの端部にあるレーザ素子の電極と、該電極に対応するサブマウント側の電極とが接する部分の面積よりも広くしたことを特徴とする半導体レーザ装置。
請求項２に記載の半導体レーザ装置において、前記レーザ素子の電極と該電極に対応するサブマウント側の電極とが接する部分の面積を、前記レーザ素子の電極の面積によって規定したことを特徴とする半導体レーザ装置。
請求項２に記載の半導体レーザ装置において、前記レーザ素子の電極と該電極に対応するサブマウント側の電極とが接する部分の面積を、前記サブマウント側の電極の面積によって規定したことを特徴とする半導体レーザ装置。
請求項２に記載の半導体レーザ装置において、前記レーザ素子の電極の面積と、該電極に対応する前記サブマウント側の電極の面積とをほぼ等しくしたことを特徴とする半導体レーザ装置。
請求項１から５のいずれかに記載の半導体レーザ装置を組み込んだことを特徴とする光書込器。
請求項１から５のいずれかに記載の半導体レーザ装置を組み込んだことを特徴とするプリンタ装置。
請求項６に記載の光書込器を組み込んだことを特徴とするプリンタ装置。