JP2002009382A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザ素子の放熱特性を改善して、高
出力発振下においても高い信頼性を得る。 【解決手段】 基板１上に複数の半導体層２、３……10
が形成されてなる半導体レーザ素子25において、基板１
に、半導体層が形成された面と反対側の面から該基板１
内に入り込む凹部１ａを形成し、この凹部１ａに、基板
１よりも熱伝導率の高いAu等の金属61を埋め込む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体レーザ素子に
関し、さらに詳しくは、放熱特性を改善した半導体レー
ザ素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近時、半導体レーザの用途は著しく拡大
しており、それらの用途の多くにおいて、半導体レーザ
のさらなる高出力化が求められている。そこで、半導体
レーザの高出力化を実現するために、半導体レーザ素子
そのものの構造を改良する提案が既に種々なされてい
る。例えば文献1)：J.K. Wade et al.“6.1 W continuo
uswave front-facet power from Al-free active-regio
n (λ=805 ｎｍ) diodelasers”Applied Physics Lette
rs, Vol. 72, No. 1（1998）pp.4-6 には、Alを含まな
いInGaAsPから活性層を形成し、InGaPを光導波層とし、
クラッド層をInAlGaPとした構造を有し805ｎｍ帯で発振
する半導体レーザが報告されている。

【０００３】この文献1)では、高出力特性を改善するた
めに、活性層の光密度を低減する構造として、光導波層
の厚みを広くしたLOC（Large Optical Cavity）構造が
提案され、それによる最高光出力の増大が報告されてい
る。

【０００４】また、Alを含まない活性層を有して0.8 μ
m帯で発振する半導体レーザとして、文献2)：T. Fukuna
ga et al.“Highly Reliable Operation of High-Power
InGaAsP/InGaP/AlGaAs 0.8 μm Separate Confinement
Heterostructure Lasers”Jpn. J. Appl. Phys. Vol.
34, (1995) pp.L1175-1177 に示されるように、n−GaA
s基板に、n−AlGaAsクラッド層、i−InGaP光導波層、In
GaAsP量子井戸活性層、i−InGaP光導波層、p−AlGaAsク
ラッド層およびp−GaAsキャップ層を形成してなる半導
体レーザも公知となっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし文献1)に示され
た構造においては、素子端面での光吸収に起因して流れ
る電流により端面が温度上昇し、さらに端面でのバンド
ギャップが小さくなって光吸収がより多くなるという循
環により、端面が破壊されるCOMD（Catastrophicoptica
l mirror damage）という現象が認められる。そのため
最高光出力は、このCOMDに達しない範囲に抑えられるこ
とになる。このCOMDに達する光出力は経時により変化す
るので、半導体レーザが突然の駆動停止に至ることもあ
る。このような事情があるため、上記文献1)で提案され
ている半導体レーザは、高出力駆動時には高信頼性を得
ることが難しくなっている。

【０００６】また文献2)に示された半導体レーザにおい
ても、最高光出力は1.8Ｗとかなり低くなっている。

【０００７】本発明は上記の事情に鑑みて、高出力発振
下においても高い信頼性が得られる半導体レーザ素子を
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の半導
体レーザ素子は、基板上に複数の半導体層が形成されて
なる半導体レーザ素子において、前記基板に、前記半導
体層が形成された面と反対側の面から該基板内に入り込
む凹部が形成され、この凹部に、前記基板よりも熱伝導
率の高い金属が埋め込まれていることを特徴とするもの
である。

【０００９】また本発明による第２の半導体レーザ素子
は、基板上に複数の半導体層が形成されてなる半導体レ
ーザ素子において、前記半導体層の少なくとも一部に、
前記基板と反対側の面から該半導体層内に入り込む凹部
が形成され、この凹部に、該凹部が形成された半導体層
よりも熱伝導率の高い金属が埋め込まれていることを特
徴とするものである。

【００１０】なおこの第２の半導体レーザ素子において
も、第１の半導体レーザ素子と同様に、基板に、半導体
層が形成された面と反対側の面から該基板内に入り込む
凹部が形成され、この凹部に、基板よりも熱伝導率の高
い金属が埋め込まれるのが望ましい。

【００１１】また本発明の半導体レーザ素子において、
基板や半導体層に形成される前述の凹部は、発光端面に
対し垂直な方向に逆メサ形状のものであることが望まし
い。

【００１２】また上記凹部に埋め込まれた金属には、ヒ
ートシンクが接合されることが望ましい。

【００１３】また本発明の半導体レーザ素子は、半導体
層に複数の発光部が形成されて、半導体レーザアレイを
構成していることが望ましい。

【００１４】さらに本発明の半導体レーザ素子は、固体
レーザの励起用光源として用いられるのが望ましい。

【００１５】

【発明の効果】本発明の第１の半導体レーザ素子におい
ては、基板に形成された凹部に、この基板よりも熱伝導
率の高い金属が埋め込まれているので、活性層およびそ
の近辺に生した熱は、この金属を伝導することにより、
基板を伝導する場合よりも効率良く放熱されるようにな
る。そこで、半導体レーザ素子の（より具体的には活性
層近傍の）温度が低く保たれて、高出力発振下において
も高い信頼性が確保される。

【００１６】また本発明の第２の半導体レーザ素子にお
いては、半導体層に形成された凹部に、この半導体層よ
りも熱伝導率の高い金属が埋め込まれているので、活性
層およびその近辺に生した熱は、この金属を伝導するこ
とにより、半導体層を伝導する場合よりも効率良く放熱
されるようになる。そこでこの構成においても、半導体
レーザ素子の（より具体的には活性層近傍の）温度が低
く保たれ、高出力発振下でも高い信頼性が確保される。

【００１７】またこの第２の半導体レーザ素子のうち、
特に第１の半導体レーザ素子と同様に、基板に形成され
た凹部に、この基板よりも熱伝導率の高い金属が埋め込
まれたものにおいては、基板側からの放熱効果も改善さ
れるので、半導体レーザ素子の温度がより低く保たれ、
高出力発振下においてより高い信頼性が確保される。

【００１８】また本発明の半導体レーザ素子において、
特に基板や半導体層に形成される凹部が逆メサ形状とさ
れたものにおいては、素子の発光端面により近い部分ま
で前述の金属を配することができるので、高温になりや
すい発光端面をより効果的に冷却することができる。

【００１９】また本発明の半導体レーザ素子において、
特に上記凹部に埋め込まれた金属にヒートシンクが接合
されたものにおいては、この金属に伝導した熱をヒート
シンクを介していわば３次元的に効率良く放熱可能とな
るので、高出力発振下においてより高い信頼性を得るこ
とができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実
施形態による半導体レーザ素子の断面形状を示すもので
ある。また図２は、この半導体レーザ素子25の発光側端
面つまり共振器面となる端面の形状を示し、図３は図２
のＡ−Ａ線に沿った断面の形状（作製途中の状態）を示
すものである。

【００２１】まず図２および３を参照して、半導体レー
ザ素子25の構成をその作製方法とともに説明する。有機
金属気相成長法により(１００)ｎ−GaAs基板１上に、ｎ
−GaAsバッファ層２、ｎ−In_０．４９Ga_０．５１Pエッ
チング阻止層３、ｎ−GaAsコンタクト層４、ｎ−Ga
_１−ｚ１Al_ｚ１As下部クラッド層５（0.55≦z1≦0.
8）、ｎあるいはｉ−In_０．４９Ga_０．５１P下部光導波
層６、In_ｘ３Ga_１−ｘ３As_{１ −ｙ３}Ｐ_ｙ３量子井戸活性
層７（0≦x3≦0.3, 0≦y３≦0.6）、ｐあるいはｉ−In
_０．４９Ga_０．５１P上部光導波層８、ｐ−Ga_１−ｚ１A
l_ｚ１As上部クラッド層９、ｐ−GaAsコンタクト層10を
順次成長させる。

【００２２】その上に絶縁膜11を形成し、ストライプ方
向が基板オリフラ方向

【数１】 と平行になるようにして、通常のリソグラフィーにより
幅200μｍ程度のストライプ状に絶縁膜11を除去し、そ
の上にｐ側電極12を形成する。

【００２３】次にｎ−GaAs基板１を研磨加工して薄膜化
し、その裏面に図示外の絶縁膜を形成する。次にこの絶
縁膜をマスクとして、溝の長手方向が(１００)面と平行
になるようにして、リソグラフィーによりストライプ状
の開口を有するSiO_２パターン（図示せず）を形成す
る。このSiO_２パターンをマスクとし、硫酸系またはア
ンモニア系のエッチャントを用いて基板１をエッチング
し、逆メサ状の溝（凹部）１ａを形成する。このとき、
自動的にｎ−In_０．４９Ga_０．５１Pエッチング阻止層
３でエッチングが停止し、このエッチング阻止層３まで
GaAsがエッチングされる。

【００２４】次に塩酸系エッチング液により、ｎ−In
_０．４９Ga_０．５１Pエッチング阻止層３を除去する。
また上記絶縁膜を除去した後、ｎ側電極14を形成する。
その上にAu材を含んだ溶媒をスピン塗布法によって塗布
し、約400℃で30分間のアニーリングを行なうと、上記
溝１ａを平坦に埋める形にAu層61が形成される。なお、
上記Au材を含んだ溶媒の塗布法としては、例えば特開平
１０−２２５７４号に示される方法を好適に用いること
ができる。

【００２５】その後、試料劈開領域のｎ側電極14および
Au層61をフォトリソエッチング法により除去し、試料を
両端面設定位置で劈開して形成した共振器面に高反射率
コート15、低反射率コート16を形成し、チップ化する
と、図１に示す半導体レーザ素子25が完成する。

【００２６】この半導体レーザ素子25は、ｎ−GaAs基板
１、ｎ−GaAsバッファ層２、ｎ−In _０．４９Ga_０．５１
Pエッチング阻止層３、ｎ−GaAsコンタクト層４、ｎ−G
a_{１ −ｚ１}Al_ｚ１As下部クラッド層５（0.55≦z1≦0.
8）、ｎあるいはｉ−In_{０．４ ９}Ga_０．５１P下部光導波
層６、In_ｘ３Ga_１−ｘ３As_１−ｙ３Ｐ_ｙ３量子井戸活性
層７（0≦x3≦0.3, 0≦y３≦0.6）、ｐあるいはｉ−In
_０．４９Ga_０．５１P上部光導波層８、ｐ−Ga_１−ｚ１A
l_ｚ１As上部クラッド層９、ｐ−GaAsコンタクト層10、
絶縁膜11、ｐ側電極12、ｎ側電極14、Au層61、高反射率
コート15および低反射率コート16から構成されている。

【００２７】この半導体レーザ素子25は、ｐ側をInロウ
材18で銅製のヒートシンク17に接合した状態で使用さ
れ、上記低反射率コート16が施された側の端面からレー
ザ光Ｌを発する。なお活性層は、圧縮歪、格子整合、引
っ張り歪量子井戸のいずれのタイプでもよい。

【００２８】またｎ側電極14の材料としては、例えばAu
Ge/Ni/Au、AuGe/Auが挙げられる。さらにその上側にTi/
Pt/Auオーバーコート層が形成されていても構わない。
バリアメタル材であるPt材を含んだオーバーコート層が
形成されていると、塗布法によって形成されたAu材をア
ニール処理する際のAu材のGaAs基板内への拡散が抑制さ
れることから、アニール温度を上げることが可能にな
る。それにより塗布Au材の純度を高めることができ、電
気抵抗の低減、ワイヤーボンド性の向上が実現される。

【００２９】この半導体レーザ素子25においては、ヒー
トシンク17を介して通常通りに放熱がなされる。その上
さらに、ｎ−GaAs基板１に形成された溝１ａに、該基板
１よりも熱伝導率の高いAu層61が埋め込まれているの
で、量子井戸活性層７およびその近辺に発生した熱は、
このAu層61を伝導することにより、基板１を伝導する場
合よりも効率良く放熱されるようになる。そこで、半導
体レーザ素子25の（より具体的には量子井戸活性層７近
傍の）温度が低く保たれて、高出力発振下においても高
い信頼性が確保される。なおｎ−GaAs基板１の熱伝導率
は50Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であり、それに対してAu層61の
熱伝導率は3000Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度である。

【００３０】図４には、本実施形態の半導体レーザ素子
25の電流−光出力特性を、従来の半導体レーザ素子のそ
れと比較して示す。なおこの従来の半導体レーザ素子
は、本実施形態の半導体レーザ素子25と同等の層構成を
有するが、前述したAu層61は備えないものであり、その
ｐ側はInロウ材で図１のものと同様の銅製ヒートシンク
に接合されている。またこの場合、双方の半導体レーザ
素子とも、ｐ側に接合したヒートシンクを電子冷却素子
に接合して、そのヒートシンクの温度を25℃に設定し
た。

【００３１】この図４に示される通り、本発明による半
導体レーザ素子25は従来の半導体レーザ素子と比較し
て、高駆動電流側（つまり高光出力側）でスロープ効率
が改善され、最大光出力も1.5Ｗ程度向上している。ま
た、より高い光出力までキンク発生を抑制できる効果も
得られる。

【００３２】なお上記の実施形態は、絶縁膜ストライプ
を形成した利得導波ストライプレーザに本発明を適用し
たものであるが、本発明はそれに限らず、屈折率導波機
構付き半導体レーザや、回折格子付きの半導体レーザ
や、半導体レーザ素子を有する光集積回路に対しても同
様に適用可能である。

【００３３】またクラッド層は、GaAs基板１に格子整合
するInGaAlPまたはInGaAlAsP系のものであってもよい。
また上記実施形態では、GaAs基板１としてｎ型の導電性
のものを用いているが、ｐ型の導電性基板を用いてもよ
く、この場合すべての導電性を上記と反対にすればよ
い。

【００３４】さらに、本実施形態で基板１に形成された
溝１ａは、側壁の斜め形状を無視すれば概略直方体状に
形成されているが、同様の効果が得られるものであれば
他の溝形状を採用してもよい。また、硫酸系エッチング
液でエッチングして形成された溝１ａは素子端面から見
た状態では逆メサ形状を成して、エッチングマスクより
も発光端面側に広がりを有することから、発光端面によ
り近い領域までAu層61を埋め込んで該発光端面を良好に
冷却する上でより効果的である。

【００３５】次に、本発明の第２の実施形態について説
明する。図５は、本発明の第２の実施形態による半導体
レーザ素子30の斜視形状を示すものであり、図６はこの
半導体レーザアレイ30の１つの発光部の発光側端面（共
振器面となる端面）の形状を示し、図７は図６のＢ−Ｂ
線に沿った断面の形状を示している。なおこの図５以降
において、図１〜４中の要素と同等の要素には同番号を
付してあり、それらについては必要の無い限り説明を省
略する。

【００３６】まず図６および７を参照して、半導体レー
ザアレイ30の構成を作製方法とともに説明する。有機金
属気相成長法により(１００)ｎ−GaAs基板１上に、ｎ−
GaAsバッファ層２、ｎ−In_０．４９Ga_０．５１Pエッチ
ング阻止層３、ｎ−GaAsコンタクト層４、ｎ−In_０．５
(Ga_１−ｚ２Al_ｚ２)_０．５P下部クラッド層（0.2≦z2≦
1）42、ｎあるいはｉ−In_０．４９Ga_０．５１P下部光導
波層43、In_ｘ３Ga_{１− ｘ３}As_１−ｙ３Ｐ_ｙ３量子井戸活
性層44（0≦x3≦0.3, 0≦y３≦0.6）、ｐあるいはｉ−
In_０．４９Ga_０．５１P上部光導波層45、p−In_０．５(G
a_１−ｚ２Al_{ｚ ２})_０．５P上部クラッド層46、ｐ−In
_ｘ４Ga_１−ｘ４As_１−ｙ４P_ｙ４エッチング阻止層（0≦
x4≦0.3, 0≦y4≦0.6）47、ｎ−In_０．５(Ga_１−ｚ３A
l_ｚ３)_{０ ．５}P電流狭窄層（0.1≦z3＜z2）48、それに図
示外のｎ−GaAsキャップ層を順次成長させる。

【００３７】この後、上記ｎ−GaAsキャップ層の上にレ
ジスト（図示せず）を塗布した後、通常のリソグラフィ
ーにより基板オリフラ方向

【数２】 に平行にして、レーザのへき開面に垂直方向に幅３μｍ
程度のストライプ状のレジスト領域を除去する。こうし
てストライプ状の開口が形成されたレジストをマスクと
して、酒石酸エッチャントで上記GaAsキャップ層をスト
ライプ状に除去する。

【００３８】次いでレジストを剥離した後、GaAsキャッ
プ層をマスクとして、塩酸系のエッチャントによりｎ−
In_０．５(Ga_１−ｚ３Al_ｚ３)_０．５P電流狭窄層48をエ
ッチングし、さらに硫酸系のエッチャントによりｐ−In
_ｘ４Ga_１−ｘ４As_１−ｙ４P _ｙ４エッチング阻止層47お
よび上記ｎ−GaAsキャップ層を除去する。

【００３９】そしてその上に、p−In_０．５(Ga_１−ｚ１
Al_ｚ１)_０．５P上部クラッド層53、ｐ−GaAsコンタクト
層54を成長させる。上部クラッド層53の厚みは、共振器
の中央部の溝中の導波路において、単一基本モードによ
る屈折率導波が高出力下まで達成できるような厚みとす
る。次いでｐ側電極55を形成し、その後基板１を研磨し
て、この基板側に複数のストライプ状開口を有する絶縁
膜（図示せず）を形成する。そしてこの絶縁膜をマスク
として、硫酸系、アンモニア系のエッチャントを用いて
GaAs基板1をストライプ状にエッチングして、複数の溝
１ａを形成する。このとき、自動的にｎ−In_０．４９Ga
_０．５１Pエッチング阻止層３でエッチングが停止す
る。

【００４０】次に塩酸系エッチング液により、ｎ−In
_０．４９Ga_０．５１Pエッチング阻止層３を除去する。
上記絶縁膜を除去した後、その上にｎ側電極14を形成す
る。その上にAu材を含んだ溶媒をスピン塗布法によって
塗布し、約400℃で30分間のアニーリングを行なうと、
上記溝１ａを平坦に埋める形にAu層61が形成される。

【００４１】その後、試料劈開領域のｎ側電極14および
Au層61をフォトリソエッチング法により除去し、試料を
両端面設定位置で劈開して形成したレーザアレイバーの
共振器面に高反射率コート57、低反射率コート58を形成
すると、半導体レーザアレイ30が完成する。

【００４２】この半導体レーザアレイ30は図７に示され
るように、ｎ−GaAs基板１、ｎ−GaAsバッファ層２、ｎ
−In_０．４９Ga_０．５１Pエッチング阻止層３、ｎ−GaA
sコンタクト層４、ｎ−In_０．５(Ga_１−ｚ２Al_ｚ２)
_０．５P下部クラッド層（0.2≦z2≦1）42、ｎあるいは
ｉ−In_０．４９Ga_０．５１P下部光導波層43、In_ｘ３Ga
_{１ −ｘ３}As_１−ｙ３Ｐ_ｙ３量子井戸活性層44（0≦x3≦
0.3, 0≦y３≦0.6）、ｐあるいはｉ−In_０．４９Ga
_０．５１P上部光導波層45、p−In_０．５(Ga_１−ｚ２Al
_ｚ２)_０．５P上部クラッド層46、ｐ−In_ｘ４Ga_１−ｘ４
As_１−ｙ４P_ｙ４エッチング阻止層（0≦x4≦0.3, 0≦y
4≦0.6）47、ｎ−In_０．５(Ga_１−ｚ３Al_ｚ３) _０．５P
電流狭窄層（0.1≦z3＜z2）48、p−In_０．５(Ga
_１−ｚ１Al_ｚ１)_０．５P上部クラッド層53、ｐ−GaAsコ
ンタクト層54、ｐ側電極55、ｎ側電極14、Au層61、高反
射率コート57および低反射率コート58から構成されてい
る。

【００４３】この半導体レーザアレイ30は、図５に示す
ように、アレイ長手方向に互いに所定間隔を置いて配さ
れた複数の発光部を有し、各発光部からレーザ光Ｌを発
する。なお図５では省略してあるが、この半導体レーザ
アレイ30は、ｐ側およびｎ側をそれぞれアレイバーサイ
ズに対応するサイズを有するヒートシンクにロウ材で接
合し、放熱効果を高めて使用してもよい。

【００４４】この半導体レーザアレイ30においては、ｎ
−GaAs基板１に形成された溝１ａに、該基板１よりも熱
伝導率の高いAu層61が埋め込まれているので、量子井戸
活性層44およびその近辺に発生した熱は、このAu層61を
伝導することにより、基板１を伝導する場合よりも効率
良く放熱されるようになる。

【００４５】そこで、半導体レーザアレイ30の（より具
体的には量子井戸活性層44近傍の）温度上昇が抑制され
て、単一横モードを保ったまま、高出力発振下において
も高い信頼性が確保される。なおこの効果は、Au層61に
上述のヒートシンクが接合される場合も、また接合され
ない場合も同様に得られるものであるが、より良い放熱
効果を得る上では、勿論このヒートシンクが接合される
方が好ましい。

【００４６】上述の実施形態は、基本横モード発振する
半導体レーザに本発明を適用したものであるが、3μｍ
以上の幅広ストライプ半導体レーザに対して本発明を適
用することも可能である。またGaAs基板１はｎ型のもの
であるが、ｐ型の導電性の基板を用いてもよく、その場
合は、前述したすべての導電性を反対にすればよい。ま
た、発振する波長帯は、In_ｘGa_１−ｘAs_１−ｙＰ_ｙ量子
井戸活性層の組成により、700ｎｍ〜1200ｎｍの範囲で
制御可能である。そして、InGaAlＰ系クラッド層と、バ
ンドギャップがクラッド層より小さいInGaAlＰ系光導波
層とを用いることにより、600ｎｍ〜700ｎｍでの発振も
可能となる。

【００４７】さらに、結晶成長法は、固体あるいはガス
を原料とする分子線エピタキシャル成長法であってもよ
い。

【００４８】また、半導体レーザアレイに形成される溝
の形状も、本実施形態における長方形、くし状、に限定
されることはなく、同様の効果が得られるものであれば
他の形状を採用してもよい。

【００４９】次に、本発明の第３の実施形態について説
明する。図８は、本発明の第３の実施形態による半導体
レーザ素子60の発光側端面（共振器面となる端面）の形
状を示し、図９は図８のＤ−Ｄ線に沿った断面の形状を
示している。

【００５０】この第３の実施形態の半導体レーザ素子60
は、単一素子として形成されたものであるが、層構成は
第２の実施形態の半導体レーザアレイ30と同様である。
そこで図８および９において、各層等については図６お
よび７中のものと同番号を付してあり、それらについて
の説明は省略する。

【００５１】この半導体レーザ素子60は、ｎ側つまり基
板１側をInロウ材18で銅製のヒートシンク17に接合し
た、いわゆる接合面アップの実装状態で使用される。な
おこの場合、Inロウ材18を介してヒートシンク17に直接
接合するのはAu層61である。この構成では、ｎ−GaAs基
板１に形成された溝１ａに、該基板１よりも熱伝導率の
高いAu層61が埋め込まれているので、量子井戸活性層44
およびその近辺に発生した熱は、このAu層61を伝導する
ことにより、基板１を伝導する場合よりも効率良くヒー
トシンク17に伝わり、放熱効果が高められる。

【００５２】そこで、この半導体レーザ素子60の（より
具体的には量子井戸活性層44近傍の）温度上昇が抑制さ
れて、単一横モードを保ったまま、高出力発振下におい
ても高い信頼性が確保される。

【００５３】次に本発明の第４の実施形態について説明
する。図１０は、本発明の第４の実施形態による半導体
レーザ素子70の使用状態を示すものである。また図１１
は、この半導体レーザ素子70の発光側端面つまり共振器
面となる端面の形状を示し、図１２は図１１のＣ−Ｃ線
に沿った断面の形状（作製途中の状態）を示すものであ
る。

【００５４】まず図１１および１２を参照して、半導体
レーザ素子70の構成をその作製方法とともに説明する。
有機金属気相成長法により(１００)ｎ−GaAs基板１上
に、ｎ−GaAsバッファ層２、ｎ−In_０．４９Ga_０．５１
Pエッチング阻止層３、ｎ−GaAsコンタクト層４、ｎ−G
a_１−ｚ１Al_ｚ１As下部クラッド層５（0.55≦z1≦0.
8）、ｎあるいはｉ−In_０．４９Ga_０．５１P下部光導波
層６、In_ｘ３Ga_１−ｘ３As _１−ｙ３Ｐ_ｙ３量子井戸活性
層７（0≦x3≦0.3, 0≦y３≦0.6）、ｐあるいはｉ−In
_０．４９Ga_０．５１P上部光導波層８、ｐ−Ga_１−ｚ１A
l_ｚ１As上部クラッド層９、ｐ−GaAsコンタクト層10を
順次成長させる。

【００５５】その後、フォトリソグラフィにより、ｐ−
GaAsコンタクト層10および上部クラッド層９に、共振器
長手方向に延びる２本のリッジ溝21を形成する。これら
のリッジ溝21は基板オリフラ方向

【数３】 に平行で、例えば幅10μｍ、互いの間隔が50μｍとされ
たものである。

【００５６】その上に絶縁膜11を形成し、通常のリソグ
ラフィーにより、２本のリッジ溝間において幅45μｍ程
度のストライプ状に絶縁膜11を除去し、その上にｐ側電
極12を形成する。その上にAu材を含んだ溶媒をスピン塗
布法によって塗布し、約400℃で30分間のアニーリング
を行なうと、上記リッジ溝21を平坦に埋める形にAu層62
が形成される。

【００５７】その後ｎ−GaAs基板１を研磨加工して薄膜
化し、その裏面に図示外の絶縁膜を形成する。次にリソ
グラフィーにより、溝の長手方向が上記オリフラと平行
になるようにして、両端面設定位置より内側の領域の上
記絶縁膜を除去する。次にこの絶縁膜をマスクとしてス
トライプ状の開口を有するSiO_２パターン（図示せず）
を形成する。このSiO_２パターンをマスクとし、硫酸系
またはアンモニア系のエッチャントを用いて基板１をエ
ッチングし、逆メサ状の溝１ａを形成する。このとき、
自動的にｎ−In_０．４９Ga_０．５１Pエッチング阻止層
３でエッチングが停止し、このエッチング阻止層３まで
GaAsがエッチングされる。

【００５８】次に塩酸系エッチング液により、ｎ−In
_０．４９Ga_０．５１Pエッチング阻止層３を除去する。
また上記絶縁膜を除去した後、ｎ側電極14を形成する。
その上にAu材を含んだ溶媒をスピン塗布法によって塗布
し、約400℃で30分間のアニーリングを行なうと、上記
溝１ａを平坦に埋める形にAu層61が形成される。

【００５９】その後、試料劈開領域のｎ側電極14および
Au層61をフォトリソエッチング法により除去し、試料を
両端面設定位置で劈開して形成した共振器面に高反射率
コート15、低反射率コート16を形成し、チップ化する
と、図１０に示す半導体レーザ素子70が完成する。

【００６０】この半導体レーザ素子70は、ｎ−GaAs基板
１、ｎ−GaAsバッファ層２、ｎ−In _０．４９Ga_０．５１
Pエッチング阻止層３、ｎ−GaAsコンタクト層４、ｎ−G
a_{１ −ｚ１}Al_ｚ１As下部クラッド層５（0.55≦z1≦0.
8）、ｎあるいはｉ−In_{０．４ ９}Ga_０．５１P下部光導波
層６、In_ｘ３Ga_１−ｘ３As_１−ｙ３Ｐ_ｙ３量子井戸活性
層７（0≦x3≦0.3, 0≦y３≦0.6）、ｐあるいはｉ−In
_０．４９Ga_０．５１P上部光導波層８、ｐ−Ga_１−ｚ１A
l_ｚ１As上部クラッド層９、ｐ−GaAsコンタクト層10、
絶縁膜11、ｐ側電極12、ｎ側電極14、Au層61、Au層62、
高反射率コート15および低反射率コート16から構成され
ている。

【００６１】図１０に示すように半導体レーザ素子70
は、ｐ側のAu層62をAuZnロウ材20で銅製のヒートシンク
22に接合し、またｎ側のAu層61を同じくAuZnロウ材20で
銅製のヒートシンク19に接合した状態で使用され、上記
低反射率コート16が施された側の端面からレーザ光Ｌを
発する。なお活性層は、圧縮歪、格子整合、引っ張り歪
量子井戸のいずれのタイプでもよい。

【００６２】この実施形態でも、ｎ−GaAs基板１に形成
された溝１ａに、該基板１よりも熱伝導率の高いAu層61
が埋め込まれているので、量子井戸活性層７およびその
近辺に発生した熱は、このAu層61を伝導することによ
り、基板１を伝導する場合よりも効率良くヒートシンク
19に伝わり、放熱効果が高められる。

【００６３】さらに、ｐ−Ga_１−ｚ１Al_ｚ１As上部クラ
ッド層９およびｐ−GaAsコンタクト層10に形成されたリ
ッジ溝21に、これらの層９および10よりも熱伝導率の高
いAu層62が埋め込まれているので、量子井戸活性層７お
よびその近辺に発生した熱は、このAu層62を伝導するこ
とにより、ｐ−Ga_１−ｚ１Al_ｚ１As上部クラッド層９お
よびｐ−GaAsコンタクト層10を伝導する場合よりも効率
良くヒートシンク20に伝わり、放熱効果が高められる。
なおｐ−Ga_１−ｚ１Al_ｚ１As上部クラッド層９およびｐ
−GaAsコンタクト層10の熱伝導率はそれぞれ50Ｗ／（ｍ
・Ｋ）程度であり、それに対してAu層62の熱伝導率は30
00Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度である。

【００６４】そこで、この半導体レーザ素子70の（より
具体的には量子井戸活性層７近傍の）温度上昇が抑制さ
れて、単一横モードを保ったまま、高出力発振下におい
ても高い信頼性が確保される。

【００６５】なおヒートシンク19および20としては、本
実施形態で用いた直方体ブロック状のものに限らず、そ
の他、羽根や突起状の放熱フィンを備えたもの等も好適
に利用可能である。これは、第１の実施形態や第３の実
施形態で用いられたヒートシンク17についても同様であ
る。

【００６６】また、基板や半導体層に形成した凹部に埋
め込む金属も、上述した各実施形態におけるAuに限られ
るものではなく、熱伝導率が比較的高いその他Ag、Al、
Cu、もしくはAuに不純物が添加されたもの等も好適に用
いることができる。

【００６７】次に図１３を参照して、本発明の半導体レ
ーザ素子の応用例について説明する。ここで用いられて
いる本発明による半導体レーザ素子70は、例えば図１０
に示した第４実施形態のものであり、ヒートシンク19お
よび20とともに半導体レーザ装置を構成して、第２高調
波を発生する固体レーザ装置の励起光源として使用され
ている。

【００６８】すなわちこの固体レーザ装置は、上記構成
の半導体レーザ装置71と、この半導体レーザ素子から出
射された励起光としてのレーザ光80を集光する集光レン
ズ72と、集光されたレーザ光80によって励起される固体
レーザ結晶73と、この固体レーザ結晶73と共に固体レー
ザ共振器を構成する凹面鏡からなる出力ミラー74と、固
体レーザ結晶73および出力ミラー74の間に配された非線
形光学結晶75とから構成されている。

【００６９】なお固体レーザ結晶73としては、例えばN
d:YVO_４、Nd:YAG、Nd:YLF等が用いられ、一方非線形光
学結晶75としては、例えばKNbO_３結晶、KTP結晶、周期
ドメイン反転構造を有するLiNbO_３ 結晶等が用いられ
る。

【００７０】また半導体レーザ装置71、固体レーザ結晶
73および非線形光学結晶75は、図示しないペルチェ素子
および温度調節回路を用いて、所定の温度に温度調節さ
れている。

【００７１】上記固体レーザ結晶73の励起光入射側の端
面73ａには、レーザ光80を良好に透過させ、後述する固
体レーザ光81および第２高調波82は良好に反射させるコ
ート膜76が形成されている。一方出力ミラー74のミラー
面74ａには、上記レーザ光80および固体レーザ光81を良
好に反射させ、第２高調波82は一部透過させるコート膜
79が形成されている。

【００７２】上記の構成において、固体レーザ結晶73は
レーザ光80により励起されて光を発し、この光は上記コ
ート膜76が形成された固体レーザ結晶端面73ａと、コー
ト膜79が形成されたミラー面74ａとの間で共振し、固体
レーザ光81が発振する。この固体レーザ光81は非線形光
学結晶75に入射して波長が１／２の第２高調波82に変換
される。

【００７３】出力ミラー74からはほぼ第２高調波82のみ
が出射し、この第２高調波82のうちビームスプリッタ77
を透過したものが所定の用途に用いられる。またビーム
スプリッタ77で反射した一部の第２高調波82は受光素子
78に入射する。この受光素子78が出力する光強度検出信
号は図示外のAPC(automatic power control)回路に入力
され、このAPC回路により、受光素子78の検出光強度が
一定となるように半導体レーザ素子70の駆動電流が制御
される。その結果、ビームスプリッタ77を透過して所定
の用途に用いられる第２高調波82の光出力が一定化され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による半導体レーザ素
子の使用状態を示す図

【図２】図１の半導体レーザ素子の発光側端面を示す図

【図３】図２の半導体レーザ素子の断面図

【図４】図１の半導体レーザ素子の駆動電流対光出力特
性を従来装置の特性と比較して示すグラフ

【図５】本発明の第２の実施形態による半導体レーザ素
子の斜視図

【図６】図５の半導体レーザアレイの発光側端面を示す
図

【図７】図５の半導体レーザアレイの断面図

【図８】本発明の第３の実施形態による半導体レーザ素
子の発光側端面を示す図

【図９】図８の半導体レーザ素子の断面図

【図１０】本発明の第４の実施形態による半導体レーザ
素子の使用状態を示す図

【図１１】図１０の半導体レーザ素子の発光側端面を示
す図

【図１２】図１０の半導体レーザ素子の断面図

【図１３】本発明の半導体レーザ素子を用いた固体レー
ザ装置の概略側面図

【符号の説明】

１ ｎ−GaAs基板 １ａ 基板の溝 ２ ｎ−GaAsバッファ層 ３ ｎ−In_０．４９Ga_０．５１Pエッチング阻止層 ４ ｎ−GaAsコンタクト層 ５ ｎ−Ga_１−ｚ１Al_ｚ１As下部クラッド層 ６ ｎあるいはｉ−In_０．４９Ga_０．５１P下部光導
波層 ７ In_ｘ３Ga_１−ｘ３As_１−ｙ３Ｐ_ｙ３量子井戸活性
層 ８ ｐあるいはｉ−In_０．４９Ga_０．５１P上部光導
波層 ９ ｐ−Ga_１−ｚ１Al_ｚ１As上部クラッド層 10 ｐ−GaAsコンタクト層 11 絶縁膜 12 ｐ側電極 14 ｎ側電極 15 高反射率コート 16 低反射率コート 17、19、22 ヒートシンク 18 Inロウ材 20 AuZnロウ材 21 リッジ溝 25 半導体レーザ素子 30 半導体レーザアレイ 42 ｎ−In_０．５(Ga_１−ｚ２Al_ｚ２)_０．５P下部ク
ラッド層 43 ｎあるいはｉ−In_０．４９Ga_０．５１P下部光導
波層 44 In_ｘ３Ga_１−ｘ３As_１−ｙ３Ｐ_ｙ３量子井戸活性
層 45 ｐあるいはｉ−In_０．４９Ga_０．５１P上部光導
波層 46 p−In_０．５(Ga_１−ｚ２Al_ｚ２)_０．５P上部クラ
ッド層 47 ｐ−In_ｘ４Ga_１−ｘ４As_１−ｙ４P_ｙ４エッチン
グ阻止層 48 ｎ−In_０．５(Ga_１−ｚ３Al_ｚ３)_０．５P電流狭
窄層 53 p−In_０．５(Ga_１−ｚ１Al_ｚ１)_０．５P上部クラ
ッド層 54 ｐ−GaAsコンタクト層 55 ｐ側電極 57 高反射率コート 58 低反射率コート 60 半導体レーザ素子 61、62 Au層 70 半導体レーザ素子 71 半導体レーザ装置 72 集光レンズ 73 固体レーザ結晶 74 出力ミラー 75 非線形光学結晶 80 レーザ光 81 固体レーザ光 82 第２高調波 Ｌ レーザ光

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に複数の半導体層が形成されてな
   る半導体レーザ素子において、 前記基板に、前記半導体層が形成された面と反対側の面
   から該基板内に入り込む凹部が形成され、 この凹部に、前記基板よりも熱伝導率の高い金属が埋め
   込まれていることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 【請求項２】 基板上に複数の半導体層が形成されてな
   る半導体レーザ素子において、 前記半導体層の少なくとも一部に、前記基板と反対側の
   面から該半導体層内に入り込む凹部が形成され、 この凹部に、該凹部が形成された半導体層よりも熱伝導
   率の高い金属が埋め込まれていることを特徴とする半導
   体レーザ素子。
3. 【請求項３】 前記基板に、前記半導体層が形成された
   面と反対側の面から該基板内に入り込む凹部が形成さ
   れ、 この凹部に、前記基板よりも熱伝導率の高い金属が埋め
   込まれていることを特徴とする請求項２記載の半導体レ
   ーザ素子。
4. 【請求項４】 前記凹部が、発光端面に対し垂直な方向
   に逆メサ形状のものであることを特徴とする請求項１か
   ら３いずれか１項記載の半導体レーザ素子。
5. 【請求項５】 前記凹部に埋め込まれた金属にヒートシ
   ンクが接合されていることを特徴とする請求項１から４
   いずれか１項記載の半導体レーザ素子。
6. 【請求項６】 前記半導体層に複数の発光部が形成され
   て、半導体レーザアレイを構成していることを特徴とす
   る請求項１から５いずれか１項記載の半導体レーザ素
   子。
7. 【請求項７】 請求項１から６いずれか１項記載の半導
   体レーザ素子であって、固体レーザの励起用光源として
   用いられていることを特徴とする半導体レーザ素子。