JP2005268562A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 素子の製造の困難性を回避しながら、素子の放熱性を向上させることにより、素子の温度特性を向上させ、これによって、素子の信頼性を向上させる。
【解決手段】 活性層１４の上方に位置するリッジ１の側方にサポート２・２を形成する。リッジ１の中心からサポート２・２におけるリッジ１側の端までの距離を、２０μｍよりも大きく、５０μｍ未満に設定する。これにより、リッジ−サポート間距離が、従来の７０μｍに比べて十分に短くなり、活性層１４にて発生した熱を、リッジ１およびサポート２・２を介して外部（例えばサブマウントを介して保持体）に放散することができる。その結果、素子の放熱性が向上するので、活性層１４での温度上昇が抑制され、素子の温度特性が向上し、素子の信頼性が向上する。また、リッジ−サポート間距離は２０μｍよりも大きいので、リッジ−サポート間のエッチングに支障をきたすことはない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ストライプ状のリッジを有する、いわゆるリッジストライプ型の半導体レーザ素子に関するものである。

従来から、リッジストライプ型の半導体レーザ素子が種々提案されている（例えば特許文献１参照）。例えば、図４（ａ）は、従来の半導体レーザ素子の平面図を示し、図４（ｂ）は、上記半導体レーザ素子の断面図を示している。この半導体レーザ素子は、基板上に、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、エッチングストッパ層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層が順に形成されている。そして、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層をエッチングすることにより、素子表面にリッジ１０１が形成されているとともに、リッジ１０１の両側に所定間隔おいてサポート１０２・１０２が形成されている。なお、説明を簡略化するため、図中では、ｎ型ブロック層、ｐ型電極およびｎ型電極の図示を省略している。

ここで、上記半導体レーザ素子の素子幅を３００μｍとすると、リッジ１０１の中心からサポート１０２・１０２におけるリッジ１０１側の端までの距離（以下では、リッジ−サポート間距離と称する）は、例えば７０μｍに設定されている。

このような構成の半導体レーザ素子は、図４（ｃ）に示すように、基板におけるリッジ１０１およびサポート１０２・１０２側をサブマウント１０３に取り付け、このサブマウント１０３を介して保持体（図示せず）に保持される（ジャンクションダウン方式）。
特許第３３４８０２４号公報

ところで、半導体レーザ素子では、周囲温度が変化すると、それに伴って、例えば、一定の光出力を得るのに必要な動作電流や動作電圧、波長などの諸特性が変動する。ここで、以下では、周囲温度に対する諸特性のことを温度特性と称し、周囲温度に対して諸特性が変動することを温度特性の低下と称することにする。温度特性の低下は、素子の信頼性を低下させる要因となるため、極力、これを抑制することが必要である。

ここで、半導体レーザ素子の諸特性のうち、動作電流について着目すると、レーザ光を出力する活性層の温度が高くなればなるほど、動作電流が上昇する。これは、活性層の温度が高くなればなるほど、電流を光に変換する効率（変換効率）が低下するからである。したがって、素子の信頼性を向上させるためには、活性層およびその周囲にて発生する熱を活性層以外の部位（素子以外の部位）に逃がし、活性層の温度上昇を抑制して、動作電流の上昇を抑制する必要がある。

そこで、ジャンクションダウン方式が適用される半導体レーザ素子では、リッジの両側にサポート１０２・１０２を設け、活性層にて発生する熱を、リッジ１０１およびサポート１０２・１０２を介してサブマウント１０３に伝達させるようにしている。

しかし、上記した従来の半導体レーザ素子の構成では、リッジ−サポート間距離が７０μｍと比較的広めに設定されているため、実際には、リッジ１０１下部の活性層にて発生した熱がサポート１０２・１０２を介してサブマウント１０３に伝達されにくい。そのため、実際には素子の放熱が不十分であり、活性層の温度上昇を確実に抑制できるまでには至っていない。その結果、動作電流が上昇（温度特性が低下）し、素子の信頼性が確実に向上するまでには至っていない。

なお、一方で、リッジ−サポート間距離を短くしすぎると、リッジ１０１とサポート１０２・１０２間のエッチングがしにくく、素子の製造がかえって困難となるため、妥当ではない。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、素子の製造の困難性を回避しながら、素子の放熱性を確実に向上させることによって、素子の温度特性を確実に向上させ、これによって、素子の信頼性を確実に向上させることができる半導体レーザ素子を提供することにある。

本発明の半導体レーザ素子は、活性層の上方に位置するリッジの側方にサポートを有する半導体レーザ素子であって、前記リッジの中心から前記サポートにおける前記リッジ側の端までの距離（リッジ−サポート間距離）が、２０μｍよりも大きく、５０μｍ未満に設定されていることを特徴としている。

５０μｍ未満のリッジ−サポート間距離は、従来の７０μｍに比べて十分に短いので、リッジ下方の活性層にて発生した熱が、リッジだけでなくサポートにも確実に伝達される。これにより、上記の熱をリッジおよびサポートを介して外部（例えば、ジャンクションダウン方式であれば、サブマウントを介して保持体）に確実に放散することができ、素子の放熱性を確実に向上させることができる。その結果、活性層での温度上昇を確実に抑制して、素子の温度特性を確実に向上させることができ（例えば一定の光出力を得るための動作電流を確実に低減することができ）、素子の信頼性を確実に向上させることができる。また、リッジ−サポート間距離は２０μｍよりも大きいので、リッジ−サポート間のエッチングに支障をきたすことはなく、素子の製造の困難性を十分に回避することができる。

また、リッジ−サポート間距離は、２０μｍよりも大きく、４０μｍ以下に設定されていることが好ましく、２０μｍよりも大きく、３３μｍ以下に設定されていることがさらに好ましい。このように、リッジ−サポート間距離の上限を小さくすることにより、素子の放熱性をさらに確実に向上させ、素子の信頼性をさらに確実に向上させることができる。特に、リッジ−サポート間距離が３０μｍ以上３３μｍ以下に設定されていれば、上記の効果を確実に得ることができるとともに、リッジ−サポート間のエッチング領域も広がるため、そのエッチングがしやすくなる。

本発明によれば、リッジ−サポート間距離を適切に設定することにより、素子の製造困難性を回避したまま、活性層にて発生した熱を、リッジおよびサポートを介して外部に確実に放散することができる。これにより、活性層の温度上昇によって温度特性が低下するのを確実に回避して、素子の信頼性を確実に向上させることができる。

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。

図２（ａ）は、本実施形態に係る半導体レーザ素子（以下、単に素子と称する）の概略の構成を示す平面図であり、図２（ｂ）は、素子の概略の構成を示す断面図である。なお、説明を簡略化するため、これらの図中、素子表面の電極層（ｐ型電極、ｎ型電極）の図示は省略している。この素子は、ストライプ状のリッジ１と、その側方（本実施形態では両側）に所定間隔をおいて形成されるストライプ状のサポート２・２とを有している。サポート２・２は、後述するサブマウント３（図２（ｃ）参照）に素子を安定して取り付けるための支持部であり、このサポート２・２の存在により、リッジ１が保護される。

本素子は、図２（ｃ）に示すように、リッジ１およびサポート２・２側をサブマウント３に取り付け、このサブマウント３を介して保持体（図示せず）に保持される（ジャンクションダウン方式）。以下、素子の詳細な構成について説明する。

図１は、素子の詳細な構成を示す断面図である。この素子において、ｎ型（第１導電型）ＧａＡｓからなる基板１１上には、ｎ型ＧａＩｎＰからなるバッファ層１２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層１３、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰからなり、レーザ光（例えば赤色）を出射する活性層１４、ｐ型（第２導電型）ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型クラッド層１５およびｐ型ＧａＩｎＰからなるエッチングストッパ層１６がこの順で積層されている。

エッチングストッパ層１６上には、上記したストライプ状のリッジ１が形成されているとともに、そのリッジ１の両側に所定間隔をおいてサポート２・２が形成されている。そして、リッジ１のトップを除く表面には、ｎ型ＡｌＩｎＰからなるブロック層１７が積層されており、リッジ１のトップおよびブロック層１７上には、ｐ型電極１８が積層されている。一方、基板１１の裏面側には、ｎ型電極１９が形成されている。ｐ型電極１８とｎ型電極１９とを流れる電流が、素子の動作電流である。

上記のリッジ１およびサポート２・２は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型クラッド層２０、ｐ型ＧａＩｎＰからなるコンタクト層２１およびｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層２２がこの順で積層されて構成されており、これらをエッチングストッパ層１６までエッチング（ＩＣＰによるドライエッチング、ウェットエッチング）することにより形成されている。

次に、本実施形態では、素子の放熱性の向上および温度特性が向上するように、以下の実験結果に基づいて、リッジ１の中心からサポート２・２におけるリッジ１側の端までの距離（以下、リッジ−サポート間距離と称する）Ｗａを設定した。この点について説明する。

本実施形態では、周囲温度２５℃のときに一定の光出力Ｐ_０（例えば４０ｍＷ）を得るための動作電流Ｉ_ｏｐ（約８５ｍＡ）に対する、周囲温度７０℃のときに一定の光出力Ｐ_０（例えば４０ｍＷ）を得るための動作電流Ｉ_ｏｐの変化を、リッジ−サポート間距離Ｗａを変化させて調べた。その結果を表１に示す。なお、チップ幅Ｗｃは、素子１個の幅のことであり、本実施形態では３００μｍとした。また、サポート２・２の各サポート幅Ｗｓは、それぞれ５０μｍとした（サポート２・２の幅の総和をＷｓｓとする）。図３は、表１の数値に基づいて作成した、リッジ−サポート間距離Ｗａと動作電流Ｉ_ｏｐとの関係を示すグラフである。

図３より、リッジ−サポート間距離Ｗａが従来と同じ７０μｍでは、動作電流Ｉ_ｏｐは１３３．６ｍＡであり、最大となっている。また、リッジ−サポート間距離Ｗａが５０μｍ以上７０μｍ以下の範囲でも、動作電流Ｉ_ｏｐは上記と同じ１３３．６ｍＡであり、最大となっている。これは、リッジ−サポート間距離Ｗａが大きいため、活性層１４にて発生した熱がサポート２・２に伝達されにくく、放熱性が優れていないため、活性層１４での温度上昇により、動作電流Ｉ_ｏｐが増大しているためと思われる。

一方、リッジ−サポート間距離Ｗａが３０μｍでは、動作電流Ｉ_ｏｐは１２２．９ｍＡと最小であり、放熱性が向上した結果、動作電流Ｉ_ｏｐが最小になったものと思われる。つまり、リッジ−サポート間距離Ｗａが３０μｍでは、素子の放熱性向上の効果が一番高いと思われる。

また、リッジ−サポート間距離Ｗａが２０μｍでは、動作電流Ｉ_ｏｐは１２４．６ｍＡであり、最小ではないが、リッジ−サポート間距離Ｗａが従来の７０μｍのときよりも大幅に低減していることは言え、放熱性向上の効果は依然として高いと言える。ただし、リッジ−サポート間距離Ｗａが２０μｍちょうどでは、リッジ１とサポート２・２間のｐ型クラッド層２０、コンタクト層２１およびコンタクト層２２のエッチングを精度よく行う必要があり、製造の困難性を伴うので、リッジ−サポート間距離Ｗａは、２０μｍよりも大きくとる必要がある。また、図３のグラフより、リッジ−サポート間距離Ｗａが３３μｍのときも、動作電流Ｉ_ｏｐが上記と同じ１２４．６ｍＡであり、放熱性向上の効果が高いと言える。

また、リッジ−サポート間距離Ｗａが４０μｍでは、図３のグラフから動作電流Ｉ_ｏｐは１２８．０ｍＡ付近であり、リッジ−サポート間距離Ｗａが３０μｍ、２０μｍ（３３μｍ）の次に、放熱性向上の効果が高いと言える。

以上のことから、素子の放熱性向上の効果を得るためには、リッジ−サポート間距離Ｗａの上限としては、５０μｍ未満、４０μｍ以下、３３μｍ以下、３０μｍ以下を考えることができる。

また、リッジ−サポート間距離Ｗａの下限としては、リッジ−サポート間のエッチングを容易にすることを主に考慮して、２０μｍよりも大きい、３０μｍ以上、３３μｍ以上、４０μｍ以上を考えることができる。

したがって、リッジ−サポート間距離Ｗａの適切な範囲としては、２０μｍよりも大きく５０μｍ未満の範囲で、上記した下限と上限とを適宜組み合わせることによって設定することが可能である。つまり、リッジ−サポート間距離Ｗａは、２０μｍよりも大きく５０μｍ未満の範囲、２０μｍよりも大きく４０μｍ以下の範囲、２０μｍよりも大きく３３μｍ以下の範囲、２０μｍよりも大きく３０μｍ以下の範囲を考えることができる。また、リッジ−サポート間距離Ｗａは、３０μｍ以上５０μｍ未満の範囲、３０μｍ以上４０μｍ以下の範囲、３０μｍ以上３３μｍ以下の範囲を考えることができる。さらに、リッジ−サポート間距離Ｗａは、３３μｍ以上５０μｍ未満、３３μｍ以上４０μｍ以下の範囲を考えることもでき、４０μｍ以上５０μｍ未満の範囲も考えることができる。

ここで、図３に示すように、リッジ−サポート間距離Ｗａが、２０μｍよりも大きく３０μｍ以下の範囲をａとし、３０μｍ以上３３μｍ以下の範囲をｂとし、３３μｍ以上４０μｍ以下の範囲をｃとし、４０μｍ以上５０μｍ未満の範囲をｄとする。なお、境界の値は、隣接するどちらの範囲に含めて考えてもよい。

動作電流Ｉ_ｏｐの低減に最も着目するならば、リッジ−サポート間距離Ｗａの範囲は、ａとｂとのうち少なくとも一方を含む範囲（ａ＋ｂ、ａ、ｂ）であることが一番好ましく、次に、それにｃを含む範囲（例えばａ＋ｂ＋ｃ、ｂ＋ｃ、ｃで表される範囲）であることが好ましく、その次に、それにｄを含む範囲（例えばａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ、ｂ＋ｃ＋ｄ、ｃ＋ｄ、ｄで表される範囲）であることが好ましいと言える。

以上のように、活性層１４の上方に位置するリッジ１の側方にサポート２・２を有する素子において、上記の実験結果に基づき、リッジ−サポート間距離Ｗａが、２０μｍよりも大きく、５０μｍ未満に設定されていれば、リッジ−サポート間距離Ｗａが７０μｍに設定されている従来に比べて、一定の光出力（例えば４０ｍＷ）を得るための動作電流Ｉ_ｏｐを確実に低減することができる。このことは、言い換えれば、リッジ−サポート間距離Ｗａが従来の７０μｍよりも十分短くなったことにより、活性層１４にて発生した熱がリッジ１およびサポート２・２を介してサブマウント３に確実に伝達され、素子の放熱性が向上し、素子の温度特性が向上したことを意味する。したがって、リッジ−サポート間距離Ｗａを上記範囲に設定することにより、素子の信頼性を確実に向上させることができる。また、リッジ−サポート間距離Ｗａは２０μｍよりも大きいので、リッジ−サポート間のエッチングに支障をきたすことはなく、素子の製造の困難性を十分に回避することができる。

また、リッジ−サポート間距離Ｗａの下限を３０μｍ以上とすれば、リッジ−サポート間のエッチング領域も広がるため、エッチングがよりしやすくなる。

上記実施形態において、リッジ１並びにサポート２の高さ（ｐ型電極は含まない）は、１０μm以下、好ましくは２〜７μmの範囲に設定される。また、活性層１４からリッジ１の頂上部までの間隔は、１０μm以下、好ましくは２〜８μmの範囲に設定される。ｐ型電極１８の厚さは、１〜５μｍに設定される。ｐ型電極１８を加えたリッジ１並びにサポート２の高さは、１５μm以下、好ましくは３〜１２μmの範囲に設定される。

本発明は、例えばＣＤ−Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ−Ｒ／±ＲＷなどの記録媒体に対して情報の記録、再生を行う情報記録再生装置の光源として使用される半導体レーザ素子に利用可能である。

本発明の実施の一形態に係る半導体レーザ素子の詳細な構成を示す断面図である。 （ａ）は、上記半導体レーザ素子の平面図であり、（ｂ）は、上記半導体レーザ素子の概略の構成を示す断面図であり、（ｃ）は、上記半導体レーザ素子をサブマウントにジャンクションダウン方式で接続した状態を示す断面図である。 リッジ−サポート間距離と動作電流との関係を示すグラフである。 （ａ）は、従来の半導体レーザ素子の平面図であり、（ｂ）は、上記半導体レーザ素子の概略の構成を示す断面図であり、（ｃ）は、上記半導体レーザ素子をサブマウントにジャンクションダウン方式で接続した状態を示す断面図である。

符号の説明

１ リッジ
２ サポート
１４ 活性層

Claims (4)

1. 活性層の上方に位置するリッジの側方にサポートを有する半導体レーザ素子であって、
   前記リッジの中心から前記サポートにおける前記リッジ側の端までの距離が、２０μｍよりも大きく、５０μｍ未満に設定されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記距離が、２０μｍよりも大きく、４０μｍ以下に設定され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素子。
3. 前記距離が、２０μｍよりも大きく、３３μｍ以下に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記距離が、３０μｍ以上３３μｍ以下に設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。

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