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発明の名称 GaN系半導体発光素子を備えた光源装置および迷光除去方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−24230(P2001−24230A)
公開日 平成13年1月26日(2001.1.26)
出願番号 特願平11−194057
出願日 平成11年7月8日(1999.7.8)
代理人 【識別番号】100073184
【弁理士】
【氏名又は名称】柳田 征史 (外1名)
【テーマコード(参考)】
5F041
5F073
【Fターム(参考)】
5F041 AA14 CA04 CA05 CA33 CA34 CA35 CA36 CA39 CA40 CA46 CA65 CA74 CA82 CA92 CB05 EE11 EE22 EE25 FF16 
5F073 AA11 AA74 AB21 AB27 AB29 BA09 CA07 CB04 CB05 CB07 CB22 DA05 DA25 EA07 EA29
発明者 早川 利郎
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 GaN系半導体発光素子を備えた光源装置において、前記GaN系半導体発光素子から発せられた光から、該半導体発光素子の最大出力下では全出力の20%以下となる迷光を除去する空間フィルタが設けられたことを特徴とするGaN系半導体発光素子を備えた光源装置。
【請求項2】 前記GaN系半導体発光素子から発せられた光を集光する集光光学系が設けられ、前記空間フィルタが、前記集光光学系による前記光の収束位置近傍に配されたスリット板あるいはピンホール板から構成されていることを特徴とする請求項1記載のGaN系半導体発光素子を備えた光源装置。
【請求項3】 前記GaN系半導体発光素子から発せられた光を集光する集光光学系が設けられ、前記空間フィルタが、前記集光光学系による前記光の収束位置近傍でこの光を部分的に反射させる部分反射ミラーから構成されていることを特徴とする請求項1記載のGaN系半導体発光素子を備えた光源装置。
【請求項4】 前記空間フィルタが、前記GaN系半導体発光素子から発せられた光のTEモード成分以外の成分を除去する偏光素子であることを特徴とする請求項1記載のGaN系半導体発光素子を備えた光源装置。
【請求項5】 前記迷光が、前記GaN系半導体発光素子の駆動電流がレーザ発振閾値未満であるときに生じる迷光であることを特徴とする請求項1から4いずれか1項記載のGaN系半導体発光素子を備えた光源装置。
【請求項6】 GaN系半導体発光素子を備えた光源装置において、前記GaN系半導体発光素子から発せられた光から、空間フィルタにより、該半導体発光素子の最大出力下では全出力の20%以下となる迷光を除去することを特徴とする迷光除去方法。
【請求項7】 前記迷光が、前記GaN系半導体発光素子の駆動電流がレーザ発振閾値未満であるときに生じる迷光であることを特徴とする請求項6項記載の迷光除去方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、GaN系半導体発光素子を備えた光源装置に関するものであり、特に詳細には、GaN系半導体発光素子に特有の迷光を除去する機能を備えた光源装置に関するものである。
【0002】また本発明は、上記の迷光を除去する方法に関するものである。
【0003】
【従来の技術】近時、InGaN、InGaNAsあるいはGaNAs等のGaN系半導体から活性層が構成されて、青色のレーザビームを発するGaN系半導体レーザが実用化に近付きつつある。また、例えば特開平11−74559号に示されるように、GaN系半導体からなる活性層を有してストライプ構造を備える発光ダイオード、いわゆるSLD(Super Luminescent Diode)も公知となっている。このSLDはレーザ発振しないものであるが、発光領域がストライプ構造によって制限されているため、微小発光径でかつビーム放射角度の狭い緑色光もしくは青色光を出力することができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このGaN系半導体発光素子(半導体レーザと発光ダイオードの双方を含むものとする)においては、半導体材料に起因する特有の迷光が生じやすくなっている。以下、この点について詳しく説明する。
【0005】GaAs基板上のAlGaInP、AlGaAs、InGaAsP等を構成材料とする半導体レーザやSLDにおいては、基板となるGaAsが発光波長に対して吸収材料であり、また基板と反対側に形成される対向電極もInGaAsやGaAs等の発光吸収材料から形成されている。そのため、通常数μm幅の発光領域に閉じ込められない不要な迷光が生じても、その光は基板等に吸収されてしまい、実用上そのような迷光が特に問題となることはない。
【0006】それに対してGaN系半導体発光素子では、基板材料として、サファィアやSiC等発光波長に対して透明なものが使用される。そこで、基板側や対向電極側の素子端面まで到達した迷光が反射して発光領域近傍まで戻ったり、複数回の反射によって様々なパターンの迷光が生じる、といった問題が生じ得る。
【0007】この種の半導体発光素子をレーザ発振閾値以上の電流で駆動する場合は、レーザ発振下での光強度が、迷光の元になる自然発光光の強度と比べて格段に高いため、この迷光は通常問題とならない。しかし、このGaN系半導体発光素子を階調画像記録用の記録光源として用い、高階調画像を記録可能とするために、レーザ発振閾値に達しない低電流領域でも直接変調駆動する場合は、実用上この迷光が問題となってくる。
【0008】すなわちこのような低電流領域では上記迷光が発生しやすく、極端な場合は、ストライプ部のみならず素子全体で発光しているような発光パタンとなってしまう。このようにしてストライプ外の部分から生じる光は、記録光を絞った際のスポット形状を不良にし、それにより記録光と光学系との結合効率低下を招くことになる。そのような事態が生じると、高階調画像を記録する上で、記録光量(露光量)を精密に制御することが難しくなり、記録画像の品質が劣化する。
【0009】本発明は上記の事情に鑑み、GaN系半導体発光素子を備えた光源装置において、発光素子の駆動電流の変化による光スポット形状の変動を防止することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明によるGaN系半導体発光素子を備えた光源装置は、GaN系半導体発光素子から発せられた光から、該半導体発光素子の最大出力下では全出力の20%以下となる迷光(例えば、GaN系半導体発光素子の駆動電流がレーザ発振閾値未満であるときに生じる迷光)を除去する空間フィルタが設けられたことを特徴とするものである。
【0011】なおGaN系半導体発光素子から発せられた光を集光する集光光学系が設けられる場合は、上記の空間フィルタとして、この集光光学系による収束位置近傍に配されたスリット板あるいはピンホール板を用いることができるし、あるいは、上記収束位置近傍で集光された光を部分的に反射させる部分反射ミラーを用いることもできる。
【0012】さらには、この空間フィルタとして、GaN系半導体発光素子から発せられた光のTEモード成分(GaN系半導体発光素子のpn接合面に平行な電界ベクトルを有する偏光成分)以外の成分を除去する偏光素子を用いることもできる。
【0013】一方、本発明による迷光除去方法は、GaN系半導体発光素子を備えた光源装置において、上記GaN系半導体発光素子から発せられた光から、空間フィルタにより、該半導体発光素子の最大出力下では全出力の20%以下となる迷光を除去することを特徴とするものである。
【0014】
【発明の効果】本発明においては、GaN系半導体発光素子から発せられた光から、該半導体発光素子の最大出力下では全出力の20%以下となる迷光を空間フィルタによって除去するようにしたので、前述したように例えばレーザ発振閾値に達しない低電流領域で主に発生する迷光(これは、半導体発光素子の最大出力下では上述の特性となる)はこの空間フィルタによって除去される。したがって、この迷光の発生に起因する光スポット形状の変動が防止される。
【0015】そこで、本発明による光源装置は記録光量(露光量)を精密に制御可能となり、高品位の階調露光が求められる印刷、写真、医療画像の分野に好適なものとなる。例えば、この光源装置を高階調画像の記録に適用した場合には、記録画像の品質が向上する。
【0016】
【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の第1の実施形態による、GaN系半導体レーザを備えた光源装置の概略平面形状を示すものであり、図2はそこに用いられた半導体レーザ20の縦断面形状を模式的に示すものである。
【0017】まず図2を参照して、半導体レーザ20について詳しく説明する。この半導体レーザ20は、活性層7をクラッド層6、8で挟むダブルヘテロ構造を有し、また光の閉じ込めのためストライプ状の電流注入窓(キャップ層10の部分)が設けられたものであり、その発振波長は400nmである。そして素子の劈開面は反射面とされて、光反射構造が形成されている。
【0018】以下、この半導体レーザ20の層構成を作製方法と併せて簡単に説明する。サファイアc面基板1上にMOCVD法を用いて、n-GaN 低温バッファ層2を成長させた後、ストライプ状のSiO2 マスク14を形成する。次にこの上に、n-GaN バッファ層3(Siドープ、5μm)、n-In0.05Ga0.95N バッファ層4(Siドープ、0.1 μm)、n-Al0.1Ga0.9N クラッド層5(Siドープ、0.5 μm)、n-GaN 光ガイド層6(Siドープ、0.1 μm)、アンドープ活性層7、p-GaN 光ガイド層8(Mgドープ、0.1 μm)、p-Al0.1Ga0.9N クラッド層9(Mgドープ、0.5 μm)およびp-GaN キャップ層10(Mgドープ、0.3 μm)を順次成長する。その後、窒素ガス雰囲気中で熱処理によりp型不純物を活性化する。
【0019】なお活性層7は、アンドープln0.05Ga0.95N (10nm)、アンドープIn0.28Ga0.72N 量子井戸層(2.5nm、波長488nm )、アンドープIn0.05Ga0.95N(5nm)、アンドープIn0.28Ga0.72N 量子井戸層(2.5nm)、アンドープln0.05Ga0.95N (5nm)、アンドープIn0.28Ga0.72N 量子井戸層(2.5nm)、アンドープln0.05Ga0.95N (5nm)、アンドープAl0.1Ga0.9N(10nm)からなる3重量子井戸構造である。
【0020】次に、6μm幅のリッジストライプを形成するため、リッジストライプ部以外のエピタキシャル層をキャップ層10からクラッド層9の途中まで塩素イオンを用いたRIBE(reactive ion beam etching )により除去する。次にプラズマCVDにより、リッジストライプ部上部を含む露出面上にSiN 膜11を製膜する。その後、n側電極を形成するために、フォトリソグラフィと塩素を用いたRIBEにより、リッジストライプ部を含む発光領域部以外のエピタキシャル層をn-GaNバッファ層3が露出するまでエッチング除去する。なお、この際に共振器端面を形成する。
【0021】その後、リッジ部上面のSiN 膜11に電流注入のためのストライプ状窓(幅10μm)を作製し、該ストライプ窓を覆うようにp側電極12としてNi/Au を、またn-GaN バッファ層3の露出部にn側電極13としてTi/Al を真空蒸着した後、窒素中でアニールしてオーミック電極を形成する。
【0022】なお、この半導体レーザ20の図2中に示した各寸法は、一例としてW1=2μm、W2=300μm、H1=0.5〜1μm、H2=3〜5μm、H3=100μmである。
【0023】次に、この半導体レーザ20を備えた図1の光源装置について詳しく説明する。図示の通りこの光源装置は半導体レーザ20と、この半導体レーザ20から発散光状態で発せられた波長400nmのレーザビーム21を集光する集光レンズ22と、この集光レンズ22によるレーザビーム21の収束位置に配されたスリット板23とから構成されている。なお図中の30は、レーザビーム21の光量を検出するための光検出器である。
【0024】図1において半導体レーザ20は、そのpn接合面が紙面に平行となるように配置されている。一方スリット板23は、その細長いスリット23aが紙面に対して垂直に延びるように配置されている。また集光レンズ22としては開口数NA=0.75のものを用い、レンズ挿入による光学的な損失を10%程度に抑えてある。
【0025】上記スリット板23の効果を確認するために、図3に示すように半導体レーザ20から発散光状態で発せられたレーザビーム21を光検出器30で直接受光する系を作製した。そしてこの図3の系と図1の光源装置において、それぞれ半導体レーザ20の駆動電流を変化させ、それに伴う光出力の変化を光検出器30で測定した。その測定結果を図4に示す。なおこの図4において、曲線aがスリット無しの場合(図3の構成)を示し、曲線bおよびcがそれぞれ図1のスリット23aの幅を1mm、0.7mmとした場合を示している。
【0026】この図4の例では、レーザ発振の閾値電流は約38mAである。この閾値電流以上の領域すなわちレーザ発振領域での光出力は、スリット板23が有っても無くてもほとんど変わらない値となっている。つまり、半導体レーザ20の活性層7のストライプ部分から発せられる発振光に関しては、スリット板23によって光量が損なわれることがほとんど無いと言える。
【0027】それに対して、上記閾値電流を下回る領域すなわち自然発光領域では、スリット板23が有る場合の光出力は、それが無い場合の約1/2に減少している。すなわちこの自然発光領域では、半導体レーザ20の活性層7のストライプ部分以外から発せられた迷光がスリット板23によってカットされていると考えられる。
【0028】図4から明かなように自然発光領域では、半導体レーザ20から発せられる光の光量の約半分が迷光である。このように迷光が多いと、レーザビーム21を絞ったときのスポット形状が不良になり、該光源装置を高階調画像記録装置の記録光源として用いた場合は、記録光量(露光量)を精密に制御することが難しくなり、記録画像の品質が劣化する。しかし、このような迷光をスリット板23でカットできれば、そのような問題を回避可能となる。
【0029】なお、スリット23aの幅を発光幅ぎりぎりの大きさにすると、光学系の調整が難しくなり、また機械振動等に対する許容度も低下するが、上述の通りスリット23aの幅を1mmあるいは0.7mmと比較的大きくしても、顕著な迷光除去効果が得られている。一般にこのスリット幅は、収束部での光のスポット径の2倍以下程度であれば、明かな迷光除去効果が得られる。なお図1の構成の場合は、スリット23aの幅を0.5mm以下とすると、通過光量は急激に減少する。
【0030】以上説明した図1の構成において、半導体レーザ20のpn接合面と垂直な方向(紙面に垂直な方向)に拡がっている迷光は、スリット板23によって除去することはできない。そのような迷光も除去するためには、スリット板23に代えてピンホール板を用いればよい。
【0031】またスリット板23の代わりに、レーザビーム21の収束位置近傍でこのレーザビーム21を部分的に反射させる細い部分反射ミラーを用いても、同様の効果を得ることができる。
【0032】次に、本発明の別の実施形態について説明する。図5は、本発明の第2の実施形態による、GaN系半導体レーザを備えた光源装置の概略平面形状を示すものである。なおこの図5において、図1中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての重複した説明は省略する(以下、同様)。
【0033】この第2の実施形態においては、半導体レーザ20から発せられた波長400nmのレーザビーム21がコリメータレンズ40により平行光化された上で、グラントムソン(Glan-Thompson)プリズム41に通されるようになっている。そして、グラントムソンプリズム41を通過したレーザビーム21は集光レンズ42で集光されて、光検出器30に受光される。
【0034】半導体レーザ20は図5上で、そのpn接合面が紙面に平行となるように配置されている。一方偏光素子としてのグラントムソンプリズム41は、レーザビーム21のTEモード成分(上記pn接合面に平行な電界ベクトルを有する偏光成分)のみを透過させ、その他の偏光成分は除去する向きに配置されている。
【0035】上記グラントムソンプリズム41の効果を確認するために、この図5の光源装置と先に説明した図3の系においてそれぞれ半導体レーザ20の駆動電流を変化させ、それに伴う光出力の変化を光検出器30で測定した。その測定結果を図6に示す。なおこの図6において、曲線aがグラントムソンプリズム41およびスリット板23無しの場合(図3の構成)を示し、曲線dがグラントムソンプリズム41を設けた場合(図5の構成)を示している。またここでは参考のために、図1の構成においてスリット23aの幅を0.7mmとした場合の特性を曲線cで示してある。
【0036】この図6の例でも、レーザ発振の閾値電流は約38mAである。この閾値電流以上の領域すなわちレーザ発振領域での光出力は、グラントムソンプリズム41が有っても無くてもほとんど変わらない値となっている。つまり、半導体レーザ20の活性層7のストライプ部分から発せられるTEモードの発振光に関しては、グラントムソンプリズム41によって光量が損なわれることがほとんど無い。
【0037】それに対して、上記閾値電流を下回る領域すなわち自然発光領域では、グラントムソンプリズム41が有る場合の光出力は、それが無い場合と比べて顕著に減少している。すなわちこの自然発光領域では、半導体レーザ20の活性層7のストライプ部分以外から発せられてランダム偏光となっている迷光が、グラントムソンプリズム41によって大部分カットされていると考えられる。
【0038】なお図6の例では、グラントムソンプリズム41を挿入した場合と比べて、スリット板23を挿入した場合の方が迷光除去効果が高くなっているが、これは個別の素子構造や特性に依存するものである。したがって、迷光除去用の素子の選択および組合せによって、本発明の効果を最適化することが可能である。スリット板使用の場合は、レーザビームを収束させるための集光光学系が必要で、またそれに伴う精密な光学的調整も必要となるが、偏光素子を用いる場合は光学的調整が粗くて済む上、素子挿入位置の自由度も高い。
【0039】以上説明した2つの実施形態は、光源装置の中核部分となる基本構成のみを備えたものであるが、本発明による光源装置は、光走査するためのポリゴンミラー(回転多面鏡)やガルバノミラー等と組み合わせて、光走査系を構成することも勿論可能である。そのようにする場合は、レンズ等の必要な光学素子を適宜組み合わせて、例えば図7および8に示すような光学系を構成すればよい。
【0040】図7に示す第3実施形態では、図1に示した構成に加えて、スリット板23を通過した後のレーザビーム21を集光する集光レンズ50と、レーザビーム21を紙面と垂直な方向のみに集光する補正用のシリンドリカルレンズ51とを設けてなる光学系が採用されている。
【0041】また図8に示す第4実施形態では、図5の構成において用いられたものと同様のコリメータレンズ40および集光レンズ42に加えて、コリメータレンズ40により平行光化されたレーザビーム21をスリット板23の位置において収束させる集光レンズ60と、スリット板23を通過した後のレーザビーム21を平行光化するコリメータレンズ61とを設けてなる光学系が採用されている。




 

 


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