JP2004055683A - 窒化物半導体レーザ素子チップとそれを含むレーザ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】改善されたレーザ発振寿命を有する窒化物半導体レーザ素子チップおよびそれを含むレーザ装置を提供する。
【解決手段】窒化物半導体レーザ素子チップは窒化物半導体基板１０１の一主面上において順次積層されたｎ型層と活性層とｐ型層を含む窒化物半導体積層構造１０２を含み、ｐ型層の一部にリッジストライプ構造１０６が形成されており、そのストライプ構造１０６の長手方向に沿ったチップ長さをＬ１としかつストライプ構造１０６の幅方向に沿ったチップ長さをＬ２としたときに、Ｌ１が５００μｍ以上、Ｌ２が２００μｍ以上、そしてＬ１／Ｌ２が２．５以上に設定される。
【選択図】 図１
【解決手段】窒化物半導体レーザ素子チップは窒化物半導体基板１０１の一主面上において順次積層されたｎ型層と活性層とｐ型層を含む窒化物半導体積層構造１０２を含み、ｐ型層の一部にリッジストライプ構造１０６が形成されており、そのストライプ構造１０６の長手方向に沿ったチップ長さをＬ１としかつストライプ構造１０６の幅方向に沿ったチップ長さをＬ２としたときに、Ｌ１が５００μｍ以上、Ｌ２が２００μｍ以上、そしてＬ１／Ｌ２が２．５以上に設定される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体レーザ素子チップおよびそれを含む窒化物半導体レーザ装置の改善に関するものである。
【０００２】
なお、本願明細書における窒化物半導体には、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）が含まれる。また、窒化物半導体の窒素元素の約１０％以下が、Ａｓ、Ｐ、およびＳｂの少なくともいずれかの元素で置換されていてもよい（ただし、六方晶系が維持されること）。さらに、窒化物半導体中に、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、およびＢｅの少なくともいずれかがドーピングされていてもよい。
【０００３】
【従来の技術】
図６は、特開平１１−３４０５７１号公報に開示された窒化物半導体レーザ素子チップを模式的な断面図で示している。このレーザ素子チップにおいては、複数の層からなる窒化物半導体基板８００の一方の主面上に、ｎ側クラッド層８０１、ｎ側光ガイド層８０２、活性層８０３、ｐ側光ガイド層８０４、ｐ側クラッド層８０５、ｐ側コンタクト層８０６、絶縁膜８０７、およびｐ電極８０８が順次に形成されている。基板８００の他方の主面上には、ｎ側コンタクト層８０９と複数の層からなるｎ電極８１０とが形成されている。
【０００４】
図６のレーザ素子チップは、その共振器の長手方向に沿って４００μｍの長さを有するとともに、共振器の幅方向に沿って４００μｍの長さを有している。
【０００５】
図６のレーザ素子チップのｎ電極側はＡｕでメタライズされたヒートシンクに熱圧着され、Ａｕ線を用いてそのチップに電気的接続を形成することによって窒化物半導体レーザ装置が作製される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の窒化物半導体レーザ素子チップにおいては、その寸法形状について格別の注意が払われておらず、通常はレーザ素子チップの４つの側辺が同一程度の長さに形成されている。
【０００７】
しかし、本発明者が窒化物半導体レーザ素子チップの寸法形状について種々検討したところ、レーザ素子の発振寿命がそのチップの寸法形状によって影響されることが見出された。
【０００８】
そこで、本発明は、窒化物半導体レーザ素子チップの寸法形状を最適化することによって、改善されたレーザ発振寿命を有する窒化物半導体レーザ素子チップおよびそれを含むレーザ装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、窒化物半導体レーザ素子チップは窒化物半導体基板の一主面上において順次積層されたｎ型層と活性層とｐ型層を含む窒化物半導体積層構造を含み、ｐ型層の一部にリッジストライプ構造が形成されており、そのストライプ構造の長手方向に沿ったチップ長さをＬ１としかつストライプ構造の幅方向に沿ったチップ長さをＬ２としたときに、Ｌ１が５００μｍ以上、Ｌ２が２００μｍ以上、そしてＬ１／Ｌ２が２．５以上であることを特徴としている。
【００１０】
なお、窒化物半導体基板と窒化物半導体積層構造との合計厚さは、５０μｍ以上で２００μｍ以下であることが好ましい。また、ストライプ構造は、その幅方向に沿ってチップの端部から１０μｍ以上離れた位置に形成されていることが好ましい。
【００１１】
本発明によれば、窒化物半導体レーザ装置は、上述のように寸法形状が最適化された窒化物半導体レーザ素子チップとそれを設置するための支持基体とを含むことを特徴としている。
【００１２】
なお、ここに言う支持基体とは、窒化物半導体レーザ素子チップを設置する部分であり、たとえば窒化物半導体レーザ装置においてステムのチップ搭載部にレーザ素子チップを設置する場合はそのチップ搭載部を支持基体とし、またサブマウントを介して設置する場合にはそのサブマウントを支持基体をする。
【００１３】
なお、支持基体は、窒化物半導体基板に比べて大きい熱膨張係数を有することが好ましい。また、支持基体は、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｆｅ、Ａｌ−ＳｉＣ、ＣｕＷ、およびＢｅＯのいずれかを含むことが好ましい。さらに、窒化物半導体レーザ素子チップを支持基体へ接合するためのハンダは、ＡｕＳｎ、ＡｇＳｎ、ＡｕＳｉ、ＡｕＧｅ、ＰｂＳｎ、ＩｎＳｎ、およびＡｇＣｕＳｎのいずれかを含むことが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１において、本発明による窒化物半導体レーザ素子チップの一例が、模式的な斜視図で示されている。この窒化物半導体レーザ素子チップは、窒化物半導体基板１０１の一主面上において、ｎ型窒化物半導体層と窒化物半導体活性層とｐ型窒化物半導体層を含む窒化物半導体積層構造１０２を含み、そのｐ型窒化物半導体層の一部にリッジストライプ構造１０６が形成されている。
【００１５】
図１のレーザ素子チップにおいて、ストライプ構造１０６の長手方向に沿ったチップ長さをＬ１と定め、ストライプ構造１０６の幅方向に沿ったチップ長さをＬ２と定める。
【００１６】
図２においては、図１のレーザ素子チップにおける積層構造の詳細が、そのストライプ構造の長手方向に直交する断面で示されている。すなわち、図２のレーザ素子チップはｎ型ＧａＮ基板１０１上に形成された窒化物半導体積層構造を含み、その積層構造は順に堆積されたｎ−ＧａＮ層２０１、ｎ−Ｇａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎクラック防止層２０２、ｎ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎクラッド層２０３、ｎ−ＧａＮガイド層２０４、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層２０５、ｐ−Ａｌ０．２０Ｇａ０． ８０Ｎキャリアバリア層２０６、ｐ−ＧａＮガイド層２０７、ｐ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎクラッド層２０８、およびｐ−ＧａＮコンタクト層２０９を含んでいる。
【００１７】
ｐクラッド層２０８とｐコンタクト層２０９には、共振器方向に延びたストライプ状のリッジ１０６が形成されている。また、ｐ型電極１０４と窒化物半導体の積層構造との間には、リッジ部１０６上を除いて、絶縁膜１０３が設けられている。すなわち、本発明における窒化物半導体レーザ素子チップは、いわゆるリッジストライプ型構造を有している。そして、ｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面側には、ｎ型電極１０５が形成されている。
【００１８】
図１と図２を参照しつつ、本発明による窒化物半導体レーザ素子チップの製造工程が、以下において説明される。
【００１９】
まず、公知の方法を適宜に適用することによって、窒化物半導体基板１０１の第１主面上に窒化物半導体層積層構造２０１−２０９を堆積してから複数のリッジストライプ構造を形成し、その上にさらに絶縁膜１０３とｐ型電極１０４が形成されたウエハを作製した。この場合、リッジストライプ部１０６の幅は、１．５μｍに設定された。また、絶縁膜１０３はＳｉＯ２で形成され、ｐ型電極１０４はｐコンタクト層２０９に接する側からＰｄ／Ｍｏ／Ａｕの順に積層された多層金属膜で形成された。
【００２０】
次に、ｎ型ＧａＮ基板１０１の第２主面側から研磨またはエッチングすることによって、基板１０１からｐ型電極１０４までを含むウエハの厚さを１５０μｍに調整した。そして、ウエハ裏面上には、ｎ型電極１０５が形成された。ここで、ｎ型電極１０５は、基板１０１側からＴｉ／Ａｌ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕの順で積層された金属多層膜で形成された。
【００２１】
その後、ウエハを複数の窒化物半導体レーザ素子チップに分割した。このチップ分割は、次のようにして行われた。すなわち、ＧａＮ基板１０１側を上にしてウエハをステージ上に置き、光学顕微鏡を用いて傷入れ位置のアラインメントを行った。そして、ＧａＮ基板１０１側にダイヤモンドポイントでスクライブラインを入れた。その後、ウエハに適当な力を加えることによってスクライブラインに沿ってウエハを分割し、図１および図２に示されているような窒化物半導体レーザ素子チップの複数個が作製された。
【００２２】
ここではダイヤモンドポイントを用いたスクライビング法によるチップ分割について説明したが、他の方法によってチップ分割してもよいことは言うまでもない。他の手法として、ワイヤソーまたは薄板ブレードを用いて傷入れまたは切断を行なうダイシング法、エキシマレーザ等のレーザビームの照射加熱とその後の急冷により照射部に生じるクラックをスクライブラインとするレーザスクライビング法、または高エネルギー密度のレーザ光による照射部分を蒸発させて溝入れ加工を行なうレーザアブレーション法などを用いても、同様にチップ分割が可能であった。
【００２３】
上述のようなチップ分割方法を用いて、図１および図２に示すようなレーザ素子チップの寸法形状に分割されるが、その寸法形状を種々に変えた窒化物半導体レーザ素子チップが製造された。なお、その際に、リッジストライプ１０６の位置は、その幅方向に沿ってチップ端部から１０μｍ以上離れるように設定された。
【００２４】
その後、ダイボンデイング法によって窒化物半導体レーザ素子チップをステム等にマウントし、そのチップに電気的接続を形成することによって窒化物半導体レーザ装置が得られた。ここで、窒化物半導体レーザ装置においてレーザ素子チップを設置する部分を支持基体と表現すれば、ステムのチップ搭載部へ直にレーザ素子チップを設置する場合にはそのチップ搭載部が支持基体であり、サブマウントを介して設置する場合にはそのサブマウントが支持基体になる。なお、レーザ素子チップを支持基体に固定するためには、ハンダ等を用いて接合してもよい。
【００２５】
上述のようにして作製された窒化物半導体レーザ装置の一例が、図５の模式的な斜視図において示されている。すなわち、この窒化物半導体レーザ装置は、ステム５００、チップ搭載部５０１、支持基体としてのサブマウント５０２、レーザ素子チップ５０３、リードワイヤ５０４、およびピン５０５を含んでいる。なお、この例では、レーザ素子チップ５０３は、Ｃｕからなるサブマウント５０２上にＡｕＳｎハンダを用いてマウントされた。しかし、このサブマウント５０２は場合によって省略可能であり、レーザ素子チップ５０３がチップ搭載部５０１へ直に接合されてもよい。
【００２６】
前述のように、リッジストライプの長手方向のに沿ったチップ長さＬ１とリッジストライプの幅方向に沿ったチップ長さＬ２とが種々に変更されたレーザ素子チップ含む複数の窒化物半導体レーザ装置を作製し、それらのレーザ発振寿命試験を行った。そして、以下の結果が得られた。
【００２７】
まず、Ｌ１が５００μｍより小さくてＬ２が２００μｍより小さい場合、レーザ発振寿命が非常に短くなってしまうことがわかった。この場合、レーザ素子チップの全体的寸法が小さいために放熱性が良好ではなく、レーザ動作時に発生する熱の影響がより顕著になると考えられる。そして、その熱の影響によってレーザ素子の劣化が早くなって、レーザ発振寿命が非常に短くなってしまったものと思われる。また、Ｌ２が２００μｍより小さくなれば、外部との電気的接続を形成するためのリードワイヤをボンディングするときに、リッジストライプ部にダメージを与えることなくｐ型電極面にワイヤをボンディングし得る領域が狭くなり、レーザ装置の製造歩留まりが低下する傾向になる。
【００２８】
次に、Ｌ１が５００μｍ以上でＬ２が２００μｍ以上の範囲においてＬ１／Ｌ２の比が種々に変更された複数の窒化物半導体レーザ装置のレーザ発振寿命試験を行ったところ、Ｌ１がＬ２の２倍以上である場合にレーザ発振寿命が長くなり始める傾向にあることがわかった。そして、Ｌ１がＬ２の２．５倍以上になれば、レーザ発振寿命が長くなる効果が明瞭に現れることがわかった。
【００２９】
図３のグラフでは、Ｌ１が６００μｍ、８００μｍ、および１６００μｍである場合において、Ｌ２の変化に依存するレーザ発振寿命の変化が示されている。すなわち、このグラフにおいて、横軸はＬ２（μｍ）を表し、縦軸はレーザ発振寿命を任意単位（ａ．ｕ．）で表している。その任意単位において、Ｌ１＝Ｌ２の場合のレーザ発振寿命が基準値１に設定されている。
【００３０】
図３からわかるように、Ｌ１／Ｌ２が２よりも小さい範囲では、Ｌ２に対するレーザ発振寿命の依存性はほとんどない。しかし、Ｌ１／Ｌ２が２倍以上になれば、レーザ発振寿命が長くなり始める。さらに、Ｌ１／Ｌ２が２．５倍以上になれば、レーザ発振寿命が長くなる効果がはっきりと見られるようになる。しかし、その後にさらにＬ１／Ｌ２の比を大きくしていけば、Ｌ１がどの大きさの場合においても、Ｌ２が２００μｍ以下になったときに、レーザ発振寿命が劇的に短くなってしまった。なお、図３に示した３通りのＬ１以外の場合についても、レーザ発振寿命に及ぼすＬ１／Ｌ２比の影響には同様の傾向が見られた。このような影響の原因としては、以下のような事情が考えられる。
【００３１】
図２に見られるように、窒化物半導体レーザ素子チップは窒化物半導体基板１０１とその上に積層された複数の窒化物半導体層２０１−２０９とを含んでいるが、これらの窒化物半導体層はそれぞれの機能に適した組成に設定されて形成される。その結果、異なる組成の窒化物半導体層間に結晶格子歪みによる内部応力が発生することになる。
【００３２】
すなわち、窒化物半導体基板１０１とその上に積層された複数の窒化物半導体層２０１−２０９とを含むウエハの作製時には、ウエハ面内に大きな応力が内在していることになる。また、各層の熱膨張係数が異なることから、高温状態にて窒化物半導体積層構造を形成した後にウエハを室温の状態に戻したとき、熱膨張係数差による内部応力が発生してウエハが反った状態になる。さらに、窒化物半導体基板を研磨またはエッチングすることによりウエハの厚み薄くしたとき、内部応力によるウエハの反りの度合いが大きくなることもある。このように内部応力を含むウエハをレーザ素子チップに分割すれば、そのレーザ素子チップの寸法形状（この場合には、特にＬ１とＬ２の比）に依存して内部応力に変化が生じ、それがレーザ装置の発振寿命に影響を与えるものと考えられる。そして、Ｌ１／Ｌ２が２以上、好ましくは２．５以上の場合に、レーザ素子チップ内が適切な応力状態になっていると考えられる。
【００３３】
また、上述の反りの影響によって、レーザ素子チップを支持基体にマウントする際に密着性が不良になり、その結果として放熱性などの問題からレーザ素子特性が悪化してしまうことがある。しかし、本発明によれば、特にリッジストライプの幅方向に平行な方向におけるレーザ素子チップの反りの影響を低減することができる。ただし、Ｌ２が２００μｍ以下まで小さくなれば、本発明による効果よりも放熱性の低下による悪影響のほうが大きくなって、レーザ発振寿命が短くなってしまったものと考えられる。
【００３４】
なお、上述の例では、ｎ型ＧａＮ基板１０１を研磨またはエッチングすることによってウエハの厚み薄くしたが、通常は４０〜２５０μｍ程度にまで薄く調整することによって本発明の効果が得られる。なぜならば、ウエハの厚さがこの範囲において適度に薄いほうが、内部応力をリッジストライプ部に伝えることが可能となるからである。すなわち、リッジストライプ部に適度な応力が与えられれば、レーザ発振閾値電流が低下する傾向にあって好ましい。しかし、ウエハがこの範囲よりも薄ければ、レーザ素子チップの反りが大きくなりすぎて、そのチップを支持基体にマウントする際に密着性が低下してレーザ素子特性が低下してしまう。他方、ウエハが厚すぎれば、リッジストライプ部に適度な応力を加えることが難しくなり、本発明の効果が得にくくなる。
【００３５】
さらには、ウエハの厚さを５０〜２００μｍの範囲内に調整することがより好ましい。すなわち、ウエハの厚さをこの範囲内で薄くすることによって、レーザ素子チップの端面ミラーの形成を劈開で容易かつ安定的に行うことができるという利点も生じる。
【００３６】
また、図５ではレーザ素子チップを設置する支持基体としてＣｕのサブマウント５０２が例示されたが、窒化物半導体基板１０１よりも熱膨張係数の大きな材質からなるサブマウント５０２またはステムのチップ搭載部５０１を支持基体として用いることにより、本発明の効果をさらに高めることができる。例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｆｅ、Ａｌ−ＳｉＣ、ＣｕＷ、またはＢｅＯなどを用いることが好ましい。ここで、例えば、Ｃｕとは材質の主成分がＣｕであるものを意味していて、Ｃｕを主要成分として含む銅合金も含んでおり、他の材質についても同様である。なお、これらの中でも、熱伝導率が大きい材質を用いることが特に好ましい。
【００３７】
窒化物半導体レーザ素子チップをサブマウントやステムのチップ搭載部等の支持基体にマウントする際に接合するためのハンダとしては、ＡｕＳｎ、ＡｇＳｎ、ＡｕＳｉ、ＡｕＧｅ、ＰｂＳｎ、ＩｎＳｎ、またはＡｇＣｕＳｎなどのハンダ、あるいはこれらの混合物が好ましく用いられ得る。
【００３８】
なお、図５では基板側をステム等にマウントするいわゆるジャンクションアップの状態でレーザ装置が作製されているが、窒化物半導体積層構造側を支持基体にマウントするいわゆるジャンクションダウンの状態でマウントしてレーザ装置を作製した場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００３９】
次に、窒化物半導体レーザ素子チップにおけるリッジストライプの形成位置がレーザ素子特性に及ぼす影響について検討した結果を説明する。
【００４０】
まず、図１と図２に示された積層構造を有する窒化物半導体レーザ素子チップにおいて、Ｌ１が８００μｍで、Ｌ２が３００μｍに設定された。レーザ素子チップ上のリッジストライプの形成位置は、そのストライプの幅方向におけるチップ端部を原点として１０μｍから１５０μｍ（チップの中心位置）の範囲で変化させられた。
【００４１】
このようにリッジストライプ位置が変化させられた複数のレーザ素子チップを用いて図５のレーザ装置の複数を作製して、レーザ発振寿命試験を行った。その結果、図４に示されているように、レーザ素子チップの側端部から１０μｍ以上内側（チップの中心側）にリッジストライプ構造を作製したレーザ装置において、長寿命の発振動作を確認できた。これは、以下の理由によるものと思われる。
【００４２】
本発明においては、窒化物半導体レーザ素子チップの寸法形状を最適化することによって、レーザ発振の長寿命化を図っている。すなわち、本発明による窒化物半導体レーザ装置では、チップの寸法形状を最適化することによって、発光領域に相当するリッジストライプ部にかかる応力を適切な状態に調整できていると考えられる。しかし、そのリッジストライプ部がレーザ素子チップの側端部に形成されれば、不連続端としての端部の影響でリッジストライプ部における応力分布が不均一になり、そのリッジストライプ部に適切な応力をかける事ができなくなっていると考えられる。また、その不均一な応力分布の影響によって発光層近傍に結晶欠陥などが発生しやすくなり、その結果として非発光領域の増大によるレーザ素子特性の劣化が生じている可能性もある。
【００４３】
なお、Ｌ１が５００μｍ以上、Ｌ２が２００μｍ以上、およびＬ１／Ｌ２の比が２．５以上の範囲においてレーザ素子チップの寸法形状を種々に変更したレーザ装置に関する実験においても、レーザ素子チップの側端部から１０μｍ以上内側にリッジストライプ構造を形成したレーザ装置で長寿命のレーザ発振動作を確認できた。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、窒化物半導体レーザ素子チップの寸法形状を最適化することによって、改善されたレーザ発振寿命を有する窒化物半導体レーザ素子チップおよびそれを含むレーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による窒化物半導体レーザ素子チップの一例を示す模式的な斜視図である。
【図２】図１のレーザ素子チップにおける積層構造の詳細を示す模式的な断面図である。
【図３】レーザ素子チップの寸法形状がレーザ発振寿命に及ぼす影響を示すグラフである。
【図４】レーザ素子チップ上におけるリッジストライプの形成位置がレーザ発振寿命に及ぼす影響を示すグラフである。
【図５】本発明による窒化物半導体レーザ装置の一例を示す模式的な斜視図である。
【図６】従来接術による窒化物半導体レーザ素子チップの積層構造を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１０１ ｎ型ＧａＮ基板、１０２ 窒化物半導体積層構造、１０３ 絶縁膜、１０４ ｐ型電極、１０５ ｎ型電極、１０６ リッジストライプ構造、２０１ｎ−ＧａＮコンタクト層、２０２ ｎ−ＧａＩｎＮクラック防止層、２０３ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、２０４ ｎ−ＧａＮガイド層、２０５ ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層、２０６ ｐ−ＡｌＧａＮキャリアバリア層、２０７ ｐ−ＧａＮガイド層、２０８ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、２０９ ｐ−ＧａＮコンタクト層、５００ ステム、５０１ ステムのチップ搭載部、５０２ 支持基体、５０３ 窒化物半導体発光素子、５０４ ワイヤ、５０５ ピン、８００ 窒化物半導体基板、８０１ ｎ側クラッド層、８０２ ｎ側ガイド層、８０３ 活性層、８０４ ｐ側ガイド層、８０５ ｐ側クラッド層、８０６ ｐ側コンタクト層、８０７ 絶縁膜、８０８ ｐ電極、８０９ ｎ側コンタクト層、８１０ｎ電極。
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体レーザ素子チップおよびそれを含む窒化物半導体レーザ装置の改善に関するものである。
【０００２】
なお、本願明細書における窒化物半導体には、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）が含まれる。また、窒化物半導体の窒素元素の約１０％以下が、Ａｓ、Ｐ、およびＳｂの少なくともいずれかの元素で置換されていてもよい（ただし、六方晶系が維持されること）。さらに、窒化物半導体中に、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、およびＢｅの少なくともいずれかがドーピングされていてもよい。
【０００３】
【従来の技術】
図６は、特開平１１−３４０５７１号公報に開示された窒化物半導体レーザ素子チップを模式的な断面図で示している。このレーザ素子チップにおいては、複数の層からなる窒化物半導体基板８００の一方の主面上に、ｎ側クラッド層８０１、ｎ側光ガイド層８０２、活性層８０３、ｐ側光ガイド層８０４、ｐ側クラッド層８０５、ｐ側コンタクト層８０６、絶縁膜８０７、およびｐ電極８０８が順次に形成されている。基板８００の他方の主面上には、ｎ側コンタクト層８０９と複数の層からなるｎ電極８１０とが形成されている。
【０００４】
図６のレーザ素子チップは、その共振器の長手方向に沿って４００μｍの長さを有するとともに、共振器の幅方向に沿って４００μｍの長さを有している。
【０００５】
図６のレーザ素子チップのｎ電極側はＡｕでメタライズされたヒートシンクに熱圧着され、Ａｕ線を用いてそのチップに電気的接続を形成することによって窒化物半導体レーザ装置が作製される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の窒化物半導体レーザ素子チップにおいては、その寸法形状について格別の注意が払われておらず、通常はレーザ素子チップの４つの側辺が同一程度の長さに形成されている。
【０００７】
しかし、本発明者が窒化物半導体レーザ素子チップの寸法形状について種々検討したところ、レーザ素子の発振寿命がそのチップの寸法形状によって影響されることが見出された。
【０００８】
そこで、本発明は、窒化物半導体レーザ素子チップの寸法形状を最適化することによって、改善されたレーザ発振寿命を有する窒化物半導体レーザ素子チップおよびそれを含むレーザ装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、窒化物半導体レーザ素子チップは窒化物半導体基板の一主面上において順次積層されたｎ型層と活性層とｐ型層を含む窒化物半導体積層構造を含み、ｐ型層の一部にリッジストライプ構造が形成されており、そのストライプ構造の長手方向に沿ったチップ長さをＬ１としかつストライプ構造の幅方向に沿ったチップ長さをＬ２としたときに、Ｌ１が５００μｍ以上、Ｌ２が２００μｍ以上、そしてＬ１／Ｌ２が２．５以上であることを特徴としている。
【００１０】
なお、窒化物半導体基板と窒化物半導体積層構造との合計厚さは、５０μｍ以上で２００μｍ以下であることが好ましい。また、ストライプ構造は、その幅方向に沿ってチップの端部から１０μｍ以上離れた位置に形成されていることが好ましい。
【００１１】
本発明によれば、窒化物半導体レーザ装置は、上述のように寸法形状が最適化された窒化物半導体レーザ素子チップとそれを設置するための支持基体とを含むことを特徴としている。
【００１２】
なお、ここに言う支持基体とは、窒化物半導体レーザ素子チップを設置する部分であり、たとえば窒化物半導体レーザ装置においてステムのチップ搭載部にレーザ素子チップを設置する場合はそのチップ搭載部を支持基体とし、またサブマウントを介して設置する場合にはそのサブマウントを支持基体をする。
【００１３】
なお、支持基体は、窒化物半導体基板に比べて大きい熱膨張係数を有することが好ましい。また、支持基体は、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｆｅ、Ａｌ−ＳｉＣ、ＣｕＷ、およびＢｅＯのいずれかを含むことが好ましい。さらに、窒化物半導体レーザ素子チップを支持基体へ接合するためのハンダは、ＡｕＳｎ、ＡｇＳｎ、ＡｕＳｉ、ＡｕＧｅ、ＰｂＳｎ、ＩｎＳｎ、およびＡｇＣｕＳｎのいずれかを含むことが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１において、本発明による窒化物半導体レーザ素子チップの一例が、模式的な斜視図で示されている。この窒化物半導体レーザ素子チップは、窒化物半導体基板１０１の一主面上において、ｎ型窒化物半導体層と窒化物半導体活性層とｐ型窒化物半導体層を含む窒化物半導体積層構造１０２を含み、そのｐ型窒化物半導体層の一部にリッジストライプ構造１０６が形成されている。
【００１５】
図１のレーザ素子チップにおいて、ストライプ構造１０６の長手方向に沿ったチップ長さをＬ１と定め、ストライプ構造１０６の幅方向に沿ったチップ長さをＬ２と定める。
【００１６】
図２においては、図１のレーザ素子チップにおける積層構造の詳細が、そのストライプ構造の長手方向に直交する断面で示されている。すなわち、図２のレーザ素子チップはｎ型ＧａＮ基板１０１上に形成された窒化物半導体積層構造を含み、その積層構造は順に堆積されたｎ−ＧａＮ層２０１、ｎ−Ｇａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎクラック防止層２０２、ｎ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎクラッド層２０３、ｎ−ＧａＮガイド層２０４、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層２０５、ｐ−Ａｌ０．２０Ｇａ０． ８０Ｎキャリアバリア層２０６、ｐ−ＧａＮガイド層２０７、ｐ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎクラッド層２０８、およびｐ−ＧａＮコンタクト層２０９を含んでいる。
【００１７】
ｐクラッド層２０８とｐコンタクト層２０９には、共振器方向に延びたストライプ状のリッジ１０６が形成されている。また、ｐ型電極１０４と窒化物半導体の積層構造との間には、リッジ部１０６上を除いて、絶縁膜１０３が設けられている。すなわち、本発明における窒化物半導体レーザ素子チップは、いわゆるリッジストライプ型構造を有している。そして、ｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面側には、ｎ型電極１０５が形成されている。
【００１８】
図１と図２を参照しつつ、本発明による窒化物半導体レーザ素子チップの製造工程が、以下において説明される。
【００１９】
まず、公知の方法を適宜に適用することによって、窒化物半導体基板１０１の第１主面上に窒化物半導体層積層構造２０１−２０９を堆積してから複数のリッジストライプ構造を形成し、その上にさらに絶縁膜１０３とｐ型電極１０４が形成されたウエハを作製した。この場合、リッジストライプ部１０６の幅は、１．５μｍに設定された。また、絶縁膜１０３はＳｉＯ２で形成され、ｐ型電極１０４はｐコンタクト層２０９に接する側からＰｄ／Ｍｏ／Ａｕの順に積層された多層金属膜で形成された。
【００２０】
次に、ｎ型ＧａＮ基板１０１の第２主面側から研磨またはエッチングすることによって、基板１０１からｐ型電極１０４までを含むウエハの厚さを１５０μｍに調整した。そして、ウエハ裏面上には、ｎ型電極１０５が形成された。ここで、ｎ型電極１０５は、基板１０１側からＴｉ／Ａｌ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕの順で積層された金属多層膜で形成された。
【００２１】
その後、ウエハを複数の窒化物半導体レーザ素子チップに分割した。このチップ分割は、次のようにして行われた。すなわち、ＧａＮ基板１０１側を上にしてウエハをステージ上に置き、光学顕微鏡を用いて傷入れ位置のアラインメントを行った。そして、ＧａＮ基板１０１側にダイヤモンドポイントでスクライブラインを入れた。その後、ウエハに適当な力を加えることによってスクライブラインに沿ってウエハを分割し、図１および図２に示されているような窒化物半導体レーザ素子チップの複数個が作製された。
【００２２】
ここではダイヤモンドポイントを用いたスクライビング法によるチップ分割について説明したが、他の方法によってチップ分割してもよいことは言うまでもない。他の手法として、ワイヤソーまたは薄板ブレードを用いて傷入れまたは切断を行なうダイシング法、エキシマレーザ等のレーザビームの照射加熱とその後の急冷により照射部に生じるクラックをスクライブラインとするレーザスクライビング法、または高エネルギー密度のレーザ光による照射部分を蒸発させて溝入れ加工を行なうレーザアブレーション法などを用いても、同様にチップ分割が可能であった。
【００２３】
上述のようなチップ分割方法を用いて、図１および図２に示すようなレーザ素子チップの寸法形状に分割されるが、その寸法形状を種々に変えた窒化物半導体レーザ素子チップが製造された。なお、その際に、リッジストライプ１０６の位置は、その幅方向に沿ってチップ端部から１０μｍ以上離れるように設定された。
【００２４】
その後、ダイボンデイング法によって窒化物半導体レーザ素子チップをステム等にマウントし、そのチップに電気的接続を形成することによって窒化物半導体レーザ装置が得られた。ここで、窒化物半導体レーザ装置においてレーザ素子チップを設置する部分を支持基体と表現すれば、ステムのチップ搭載部へ直にレーザ素子チップを設置する場合にはそのチップ搭載部が支持基体であり、サブマウントを介して設置する場合にはそのサブマウントが支持基体になる。なお、レーザ素子チップを支持基体に固定するためには、ハンダ等を用いて接合してもよい。
【００２５】
上述のようにして作製された窒化物半導体レーザ装置の一例が、図５の模式的な斜視図において示されている。すなわち、この窒化物半導体レーザ装置は、ステム５００、チップ搭載部５０１、支持基体としてのサブマウント５０２、レーザ素子チップ５０３、リードワイヤ５０４、およびピン５０５を含んでいる。なお、この例では、レーザ素子チップ５０３は、Ｃｕからなるサブマウント５０２上にＡｕＳｎハンダを用いてマウントされた。しかし、このサブマウント５０２は場合によって省略可能であり、レーザ素子チップ５０３がチップ搭載部５０１へ直に接合されてもよい。
【００２６】
前述のように、リッジストライプの長手方向のに沿ったチップ長さＬ１とリッジストライプの幅方向に沿ったチップ長さＬ２とが種々に変更されたレーザ素子チップ含む複数の窒化物半導体レーザ装置を作製し、それらのレーザ発振寿命試験を行った。そして、以下の結果が得られた。
【００２７】
まず、Ｌ１が５００μｍより小さくてＬ２が２００μｍより小さい場合、レーザ発振寿命が非常に短くなってしまうことがわかった。この場合、レーザ素子チップの全体的寸法が小さいために放熱性が良好ではなく、レーザ動作時に発生する熱の影響がより顕著になると考えられる。そして、その熱の影響によってレーザ素子の劣化が早くなって、レーザ発振寿命が非常に短くなってしまったものと思われる。また、Ｌ２が２００μｍより小さくなれば、外部との電気的接続を形成するためのリードワイヤをボンディングするときに、リッジストライプ部にダメージを与えることなくｐ型電極面にワイヤをボンディングし得る領域が狭くなり、レーザ装置の製造歩留まりが低下する傾向になる。
【００２８】
次に、Ｌ１が５００μｍ以上でＬ２が２００μｍ以上の範囲においてＬ１／Ｌ２の比が種々に変更された複数の窒化物半導体レーザ装置のレーザ発振寿命試験を行ったところ、Ｌ１がＬ２の２倍以上である場合にレーザ発振寿命が長くなり始める傾向にあることがわかった。そして、Ｌ１がＬ２の２．５倍以上になれば、レーザ発振寿命が長くなる効果が明瞭に現れることがわかった。
【００２９】
図３のグラフでは、Ｌ１が６００μｍ、８００μｍ、および１６００μｍである場合において、Ｌ２の変化に依存するレーザ発振寿命の変化が示されている。すなわち、このグラフにおいて、横軸はＬ２（μｍ）を表し、縦軸はレーザ発振寿命を任意単位（ａ．ｕ．）で表している。その任意単位において、Ｌ１＝Ｌ２の場合のレーザ発振寿命が基準値１に設定されている。
【００３０】
図３からわかるように、Ｌ１／Ｌ２が２よりも小さい範囲では、Ｌ２に対するレーザ発振寿命の依存性はほとんどない。しかし、Ｌ１／Ｌ２が２倍以上になれば、レーザ発振寿命が長くなり始める。さらに、Ｌ１／Ｌ２が２．５倍以上になれば、レーザ発振寿命が長くなる効果がはっきりと見られるようになる。しかし、その後にさらにＬ１／Ｌ２の比を大きくしていけば、Ｌ１がどの大きさの場合においても、Ｌ２が２００μｍ以下になったときに、レーザ発振寿命が劇的に短くなってしまった。なお、図３に示した３通りのＬ１以外の場合についても、レーザ発振寿命に及ぼすＬ１／Ｌ２比の影響には同様の傾向が見られた。このような影響の原因としては、以下のような事情が考えられる。
【００３１】
図２に見られるように、窒化物半導体レーザ素子チップは窒化物半導体基板１０１とその上に積層された複数の窒化物半導体層２０１−２０９とを含んでいるが、これらの窒化物半導体層はそれぞれの機能に適した組成に設定されて形成される。その結果、異なる組成の窒化物半導体層間に結晶格子歪みによる内部応力が発生することになる。
【００３２】
すなわち、窒化物半導体基板１０１とその上に積層された複数の窒化物半導体層２０１−２０９とを含むウエハの作製時には、ウエハ面内に大きな応力が内在していることになる。また、各層の熱膨張係数が異なることから、高温状態にて窒化物半導体積層構造を形成した後にウエハを室温の状態に戻したとき、熱膨張係数差による内部応力が発生してウエハが反った状態になる。さらに、窒化物半導体基板を研磨またはエッチングすることによりウエハの厚み薄くしたとき、内部応力によるウエハの反りの度合いが大きくなることもある。このように内部応力を含むウエハをレーザ素子チップに分割すれば、そのレーザ素子チップの寸法形状（この場合には、特にＬ１とＬ２の比）に依存して内部応力に変化が生じ、それがレーザ装置の発振寿命に影響を与えるものと考えられる。そして、Ｌ１／Ｌ２が２以上、好ましくは２．５以上の場合に、レーザ素子チップ内が適切な応力状態になっていると考えられる。
【００３３】
また、上述の反りの影響によって、レーザ素子チップを支持基体にマウントする際に密着性が不良になり、その結果として放熱性などの問題からレーザ素子特性が悪化してしまうことがある。しかし、本発明によれば、特にリッジストライプの幅方向に平行な方向におけるレーザ素子チップの反りの影響を低減することができる。ただし、Ｌ２が２００μｍ以下まで小さくなれば、本発明による効果よりも放熱性の低下による悪影響のほうが大きくなって、レーザ発振寿命が短くなってしまったものと考えられる。
【００３４】
なお、上述の例では、ｎ型ＧａＮ基板１０１を研磨またはエッチングすることによってウエハの厚み薄くしたが、通常は４０〜２５０μｍ程度にまで薄く調整することによって本発明の効果が得られる。なぜならば、ウエハの厚さがこの範囲において適度に薄いほうが、内部応力をリッジストライプ部に伝えることが可能となるからである。すなわち、リッジストライプ部に適度な応力が与えられれば、レーザ発振閾値電流が低下する傾向にあって好ましい。しかし、ウエハがこの範囲よりも薄ければ、レーザ素子チップの反りが大きくなりすぎて、そのチップを支持基体にマウントする際に密着性が低下してレーザ素子特性が低下してしまう。他方、ウエハが厚すぎれば、リッジストライプ部に適度な応力を加えることが難しくなり、本発明の効果が得にくくなる。
【００３５】
さらには、ウエハの厚さを５０〜２００μｍの範囲内に調整することがより好ましい。すなわち、ウエハの厚さをこの範囲内で薄くすることによって、レーザ素子チップの端面ミラーの形成を劈開で容易かつ安定的に行うことができるという利点も生じる。
【００３６】
また、図５ではレーザ素子チップを設置する支持基体としてＣｕのサブマウント５０２が例示されたが、窒化物半導体基板１０１よりも熱膨張係数の大きな材質からなるサブマウント５０２またはステムのチップ搭載部５０１を支持基体として用いることにより、本発明の効果をさらに高めることができる。例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｆｅ、Ａｌ−ＳｉＣ、ＣｕＷ、またはＢｅＯなどを用いることが好ましい。ここで、例えば、Ｃｕとは材質の主成分がＣｕであるものを意味していて、Ｃｕを主要成分として含む銅合金も含んでおり、他の材質についても同様である。なお、これらの中でも、熱伝導率が大きい材質を用いることが特に好ましい。
【００３７】
窒化物半導体レーザ素子チップをサブマウントやステムのチップ搭載部等の支持基体にマウントする際に接合するためのハンダとしては、ＡｕＳｎ、ＡｇＳｎ、ＡｕＳｉ、ＡｕＧｅ、ＰｂＳｎ、ＩｎＳｎ、またはＡｇＣｕＳｎなどのハンダ、あるいはこれらの混合物が好ましく用いられ得る。
【００３８】
なお、図５では基板側をステム等にマウントするいわゆるジャンクションアップの状態でレーザ装置が作製されているが、窒化物半導体積層構造側を支持基体にマウントするいわゆるジャンクションダウンの状態でマウントしてレーザ装置を作製した場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００３９】
次に、窒化物半導体レーザ素子チップにおけるリッジストライプの形成位置がレーザ素子特性に及ぼす影響について検討した結果を説明する。
【００４０】
まず、図１と図２に示された積層構造を有する窒化物半導体レーザ素子チップにおいて、Ｌ１が８００μｍで、Ｌ２が３００μｍに設定された。レーザ素子チップ上のリッジストライプの形成位置は、そのストライプの幅方向におけるチップ端部を原点として１０μｍから１５０μｍ（チップの中心位置）の範囲で変化させられた。
【００４１】
このようにリッジストライプ位置が変化させられた複数のレーザ素子チップを用いて図５のレーザ装置の複数を作製して、レーザ発振寿命試験を行った。その結果、図４に示されているように、レーザ素子チップの側端部から１０μｍ以上内側（チップの中心側）にリッジストライプ構造を作製したレーザ装置において、長寿命の発振動作を確認できた。これは、以下の理由によるものと思われる。
【００４２】
本発明においては、窒化物半導体レーザ素子チップの寸法形状を最適化することによって、レーザ発振の長寿命化を図っている。すなわち、本発明による窒化物半導体レーザ装置では、チップの寸法形状を最適化することによって、発光領域に相当するリッジストライプ部にかかる応力を適切な状態に調整できていると考えられる。しかし、そのリッジストライプ部がレーザ素子チップの側端部に形成されれば、不連続端としての端部の影響でリッジストライプ部における応力分布が不均一になり、そのリッジストライプ部に適切な応力をかける事ができなくなっていると考えられる。また、その不均一な応力分布の影響によって発光層近傍に結晶欠陥などが発生しやすくなり、その結果として非発光領域の増大によるレーザ素子特性の劣化が生じている可能性もある。
【００４３】
なお、Ｌ１が５００μｍ以上、Ｌ２が２００μｍ以上、およびＬ１／Ｌ２の比が２．５以上の範囲においてレーザ素子チップの寸法形状を種々に変更したレーザ装置に関する実験においても、レーザ素子チップの側端部から１０μｍ以上内側にリッジストライプ構造を形成したレーザ装置で長寿命のレーザ発振動作を確認できた。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、窒化物半導体レーザ素子チップの寸法形状を最適化することによって、改善されたレーザ発振寿命を有する窒化物半導体レーザ素子チップおよびそれを含むレーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による窒化物半導体レーザ素子チップの一例を示す模式的な斜視図である。
【図２】図１のレーザ素子チップにおける積層構造の詳細を示す模式的な断面図である。
【図３】レーザ素子チップの寸法形状がレーザ発振寿命に及ぼす影響を示すグラフである。
【図４】レーザ素子チップ上におけるリッジストライプの形成位置がレーザ発振寿命に及ぼす影響を示すグラフである。
【図５】本発明による窒化物半導体レーザ装置の一例を示す模式的な斜視図である。
【図６】従来接術による窒化物半導体レーザ素子チップの積層構造を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１０１ ｎ型ＧａＮ基板、１０２ 窒化物半導体積層構造、１０３ 絶縁膜、１０４ ｐ型電極、１０５ ｎ型電極、１０６ リッジストライプ構造、２０１ｎ−ＧａＮコンタクト層、２０２ ｎ−ＧａＩｎＮクラック防止層、２０３ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、２０４ ｎ−ＧａＮガイド層、２０５ ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層、２０６ ｐ−ＡｌＧａＮキャリアバリア層、２０７ ｐ−ＧａＮガイド層、２０８ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、２０９ ｐ−ＧａＮコンタクト層、５００ ステム、５０１ ステムのチップ搭載部、５０２ 支持基体、５０３ 窒化物半導体発光素子、５０４ ワイヤ、５０５ ピン、８００ 窒化物半導体基板、８０１ ｎ側クラッド層、８０２ ｎ側ガイド層、８０３ 活性層、８０４ ｐ側ガイド層、８０５ ｐ側クラッド層、８０６ ｐ側コンタクト層、８０７ 絶縁膜、８０８ ｐ電極、８０９ ｎ側コンタクト層、８１０ｎ電極。
Claims (7)
- 窒化物半導体基板の一主面上において順次積層されたｎ型層と活性層とｐ型層を含む窒化物半導体積層構造を含み、前記ｐ型層の一部にリッジストライプ構造が形成されたレーザ素子チップにおいて、
前記ストライプ構造の長手方向に沿った前記チップの長さをＬ１としかつ前記ストライプ構造の幅方向に沿った前記チップの長さをＬ２としたときに、Ｌ１が５００μｍ以上、Ｌ２が２００μｍ以上、そしてＬ１／Ｌ２が２．５以上であることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子チップ。 - 前記窒化物半導体基板と前記窒化物半導体積層構造との合計厚さが５０μｍ以上で２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子チップ。
- 前記ストライプ構造は、その幅方向に沿って前記チップの端部から１０μｍ以上離れた位置に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体レーザ素子チップ。
- 請求項１から３のいずれかに記載された窒化物半導体レーザ素子チップとそれを設置するための支持基体とを含むことを特徴とする窒化物半導体レーザ装置。
- 前記支持基体は、前記窒化物半導体基板に比べて大きい熱膨張係数を有することを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体レーザ装置。
- 前記支持基体は、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｆｅ、Ａｌ−ＳｉＣ、ＣｕＷ、およびＢｅＯのいずれかを含むことを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体レーザ装置。
- 前記レーザ素子チップを前記支持基体に接合するためのハンダをさらに含み、そのハンダは、ＡｕＳｎ、ＡｇＳｎ、ＡｕＳｉ、ＡｕＧｅ、ＰｂＳｎ、ＩｎＳｎ、およびＡｇＣｕＳｎのいずれかを含むことを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ装置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002208640A JP4216011B2 (ja) | 2002-07-17 | 2002-07-17 | 窒化物半導体レーザ素子チップとそれを含むレーザ装置 |
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|---|---|---|---|
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