JP2005327753A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共振器端面近傍（共振器端面と電流注入領域との間）での局所的な温度の上昇を抑えつつ、かつレーザ光のビーム形状の悪化を防止することが可能となり、信頼性の高い高出力の半導体レーザ装置を実現する。
【解決手段】窒化ガリウム系半導体レーザ素子を放熱体であるサブマウントに実装する際に、放熱体の端面に対するレーザ素子のレーザ出射面の突き出し長さをＬ１とし、電流非注入領域の共振器方向の長さをＬ３とする時、Ｌ３≧Ｌ１≧０とする。
【選択図】図１（ｂ）

Description

本発明は、光ディスク装置に代表される光情報処理分野、ディスプレイ用途などに用いられている半導体レーザ装置に関するものである。特に、窒化物半導体（ＧａＮ系半導体）を用いた半導体レーザ装置に関するものである。

窒化ガリウムをはじめとするＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料（Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１））からなる半導体レーザは、光ディスク装置による超高密度記録を実現するためのキーデバイスであり、現在、実用レベルに達しつつある。この青紫色半導体レーザの高出力化は、光ディスクの高速書き込みを可能にするのみならず、レーザディスプレイへの応用など、新たな技術分野の開拓に必須の技術である。

特許文献１では、高出力を得るためのＧａＮ系半導体レーザ装置が提案されており、図１４にそのＧａＮ系半導体レーザ素子の斜視図を示す。基板１１上にｎ型半導体層２０、多重量子井戸活性層３０（Ｇａ_xＩｎ_１−ｘＮ（０≦ｘ））およびｐ型半導体層４０が堆積されている。ｎ型半導体層２０は、ｎ型ＧａＮコンタクト層２１（厚さ３μｍ、Ｓｉ添加）、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２２（厚さ１μｍ、Ｓｉ添加）およびｎ型ＧａＮガイド層２３（厚さ０．１μｍ、Ｓｉ添加）を有している。ｐ型半導体層４０は、ｐ型ＧａＮガイド層４１（厚さ０．１μｍ、Ｍｇ添加）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４２（厚さ０．８μｍ、Ｍｇ添加）、ｐ型ＧａＮコンタクト層４３（厚さ０．５μｍ、Ｍｇ添加）を有している。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４２の一部とｐ型ＧａＮコンタクト層４３は、共振器方向に延びた細い帯状に加工され、電流狭窄を行うようになっている。

また、ｐ型ＧａＮコンタクト層４３は、共振器方向における活性層３０の少なくとも一方の端部には設けられていない。これにより、活性層３０の共振器方向の少なくとも一方の端部は電流非注入領域となっている。

この半導体レーザ１のｎ側電極５１とｐ側電極５２との間に所定の電圧が印加されると、活性層３０に電流が注入され、電子―正孔の発光再結合が起こり、共振器ミラーによりレーザ発振が得られる。このレーザでは、共振器端面の少なくとも一方を電流非注入領域とすることで、共振器端面近傍の温度上昇を抑制し、破局的な端面破壊（ＣＯＤ）を防止しようと試みている。

さらに、特許文献２では、配線（図等に明示されていない）との接触面積を大きくすることで接触抵抗増加を防止し、また、共振器端部での放熱を上げる目的で、ｐ側オーミック電極５２を覆うようにｐ側ショットキー電極５３を設ける構造が提案されている。
特開２００２−４３６９２号公報 特開２００３−３１８９４号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載されている窒化物半導体レーザは、レーザ素子の端面破壊を抑制しようとする意図と、配線との接触を十分に確保しようという意図ではあるが、発明者らの検討の結果、実用上新たな課題が生じることが判明した。即ち、接触抵抗を懸念する余り配線との間に十分な接触を持たせると、共振器端面から出射されたレーザ光が配線上で乱反射し（レーザ光のけられが生じ）、ビーム形状に異常が発生して、例えば光ディスク等に使用した場合、集光特性が悪化する恐れがあることが実験的にわかった。

一方、これに対し、ビーム形状を懸念する余りレーザ素子を放熱体であるサブマウントの端面から出射面方向に突き出させると、レーザ素子の出射側端部（端面より数十μｍ内側）の温度が局所的に上昇し、信頼性を損ねる恐れがあることが実験的にわかった。これらの現象は、特に、高出力動作のために消費電力が大きなレーザや、横方向（ラテラル）成長技術を用いたレーザで顕在化した。それは、消費電力が大きいために発生熱量が増大しやすく、また、横方向（ラテラル）成長では、ボイドやエアギャップの存在により、基板側への放熱がより低下し、とりわけ共振器端面より内側数十μｍの領域において温度が上昇するためである。

本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、レーザ素子内の局所的な温度の上昇を抑えつつ、かつビーム形状の悪化を防止する半導体レーザ装置を提供するものであり、信頼性の高い窒化物半導体レーザ装置を歩留まり良く作製することができる。その結果、信頼性の高い光ディスク用レーザ、レーザディスプレイ装置や医療用レーザを歩留まりよく作製することができる。

上記課題を解決するために、本発明の半導体レーザ装置は、放熱体と、上記放熱体に熱伝導部材を介して実装され、共振器のレーザ出射面側の端部に電流非注入領域を有するレーザ素子とを有し、上記レーザ素子は、放熱体に対し、レーザ出射面側に突き出て実装されており、放熱体の端面に対するレーザ素子のレーザ出射面の突き出し長さをＬ１とし、上記電流非注入領域の共振器方向の長さをＬ３とする時、Ｌ３≧Ｌ１≧０であることを特徴とする。

本発明において、上記レーザ素子は、レーザ出射面側の端部に熱伝導部材と接触しない非接触領域を有し、非接触領域の共振器方向の長さをＬ２とする時、Ｌ３≧Ｌ２であることが好ましい。

また、Ｌ３≧Ｌ１≧Ｌ２≧０であることが好ましい。

また、Ｌ３が１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。

また、上記レーザ素子は、放熱体にジャンクションダウンで実装されていることが好ましい。

また、上記熱伝導部材は、金またはその合金を含む接着層を有することが好ましい。

また、上記熱伝導部材は、銀またはその合金を含む接着層を有することが好ましい。

また、上記熱伝導部材は、錫またはその合金を含む接着層を有することが好ましい。

また、上記レーザ素子は、基板と、基板に支持される窒化物半導体の積層構造とを備えたレーザ素子であって、上記積層構造は、第１導電型の第１の窒化物半導体層と、第２導電型の第２の窒化物半導体層と、第１および第２の窒化物半導体層に挟まれた活性層とを有しており、基板と積層構造との間に空隙を有していることが好ましい。

また、上記レーザ素子は、基板と、前記基板に支持される窒化物半導体の積層構造とを備えたレーザ素子であって、上記積層構造は、第１導電型の第１の窒化物半導体層と、第２導電型の第２の窒化物半導体層と、第１および第２の窒化物半導体層に挟まれた活性層とを有しており、基板と積層構造との間にマスク膜を有していることが好ましい。

また、上記マスク膜は、誘電体膜であり、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、窒化チタンの少なくとも１つを含むことが好ましい。

また、上記レーザ素子の積層構造または基板は、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を有することが好ましい。

また、上記レーザ素子は、基板と、基板に支持される積層構造とを備えたレーザ素子であって、積層構造は、第１導電型の第１の半導体層と、第２導電型の第２の半導体層と、第１および第２の半導体層に挟まれた活性層とを有しており、積層構造または基板は、Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＰ（u＋v＋w＝１）を有することが好ましい。

また、上記電流非注入領域において、活性層近傍に高抵抗層が形成されていることが好ましい。

また、上記電流非注入領域における活性層のバンドギャップが、電流非注入領域以外の領域における活性層のバンドギャップに比べて大きいことが好ましい。

本発明によれば、共振器端部（共振器端面と電流注入領域との間）での局所的な温度の上昇を抑えつつ、かつレーザ光のビーム形状の悪化を防止することが可能となり、信頼性の高い高出力の半導体レーザ装置を実現することができる。その結果、光ディスク用レーザ、レーザディスプレイ装置、医療用レーザ等の信頼性の向上や歩留まりの向上、生産性の向上を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態１）
本発明の半導体レーザ装置は、共振器の少なくともレーザ光の出射面側の端部に電流非注入領域を有する半導体レーザ装置に関するものであり、特に動作電圧が大きく消費電力が大きい窒化物半導体（Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で記載される結晶）レーザ装置に対して有効である。窒化物半導体基板は、他の半導体レーザ用基板（ＧａＡｓなど）と比べ、転位密度が１桁以上高いために、レーザ素子内の温度分布が大きくなると、レーザ素子に歪みが加わり転位の増殖を誘発して劣化の原因となる。

本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置のレーザ素子の斜視図を図１（ａ）に、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置におけるレーザ素子のサブマウントへの実装状態を示す共振器方向の断面図を図１（ｂ）に示す。

図１（ａ）に示すレーザ素子は、ｎ−ＧａＮ基板１０１、ｎ−ＧａＮ層１０６、ｎ-Ａｌ_０．1Ｇａ_０．９Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０７（トータル膜厚１．５μｍ）、ｎ-ＧａＮ光ガイド層１０８（膜厚０．１μｍ）、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０９（井戸層３ｎｍ、バリア層６ｎｍで、２つの井戸層からなる）、ｐ-ＧａＮ光ガイド層１１０（膜厚０．１μｍ）、ｐ-Ａｌ_０．1Ｇａ_０．９Ｎ／ＧａＮクラッド層１１１（トータル膜厚０．６μｍ）、ｐ-ＧａＮ層１１２（膜厚０．５μｍ）の積層構造からなる。

ｐ-ＧａＮ層１１２と、ｐ-Ａｌ_０．1Ｇａ_０．９Ｎ／ＧａＮクラッド層１１１の一部とは、リッジストライプ状に加工され、リッジの両脇を絶縁膜であるＴａ_２Ｏ_５電流ブロック層１１４で覆い、電流狭窄構造を形成する。ストライプ幅は１．７μｍ程度と狭く、高出力（例えば５０ｍＷ以上）での単一横モード発振が得られるようにしてある。

ｐ-ＧａＮ層１１２表面にはｐ電極（Ｐｄ／Ａｕ）１１３が設けられ、さらに、ｐ電極１１３とＴａ_２Ｏ_５電流ブロック層１１４の上には配線電極（Ｔｉ／Ａｕ）１１６（図１（ａ）では不図示）が設けられている。そして、配線電極（Ｔｉ／Ａｕ）１１６上にはレーザ素子とサブマウントとを熱的に接続するためのパット電極１１８（図１（ａ）では不図示）が設けられている。また、ｎ−ＧａＮ基板１０１の裏面側には、ｎ電極（Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕ）１１５が形成されている。

また、共振器端面付近のｐ-ＧａＮ層１１２表面は４０μｍの長さに渡りＴａ_２Ｏ_５電流ブロック層１１４で被覆されており、ｐ電極１１３から電流が注入されないようになっている。即ち、電流非注入領域１１２ａおよび１１２ｂを形成している。

このレーザ素子は、基板１０１と反対側、つまりｐ電極１１３側を放熱体であるＡｌＮサブマウント１１９（図１（ａ）では不図示）に実装される。図１（ｂ）はその実装状態を示すものである。レーザ素子は、ＡｌＮサブマウント１１９の端面から出射側端面が突き出るように、ＡｕＳｎ合金（Ａｕ８０重量％の合金）からなるソルダー１１７（厚さ３μｍ）によりＡｕパッド電極１１８部で融着されている。

図１（ｂ）のように、レーザ素子のレーザ出射面のＡｌＮサブマウントの端面からの突き出し量をＬ１とし、レーザ素子のレーザ出射面側の端部においてＡｕパッド電極と接触していない領域の共振器方向の長さをＬ２とし、レーザ素子のレーザ出射面側の端部における電流非注入領域の共振器方向の長さをＬ３とする時、Ｌ３≧Ｌ１≧０およびＬ３≧Ｌ２の関係となっている。Ｌ３の長さは、１μｍ以上１００μｍ以下が望ましく、さらに好ましくは、２０μｍ以上１００μｍ以下が望ましい。Ｌ３を１００μｍより大きくすると、電流非注入領域での損失が増大し、しきい値電流の増大を招いてしまうからである。また、Ｌ３を１μｍよりも小さくすると、共振器端面での温度上昇による端面劣化という問題が発生する。

なお、本願において熱伝導部材とは、放熱体とレーザ素子との間を熱的に接続する部材であり、本実施の形態の場合、Ａｕパッド電極１１８およびソルダー１１７がこれに相当する。また、ソルダー１１７は、Ａｕパッド電極１１８と放熱体であるＡｌＮサブマウント１１９を接着するための接着層である。

本実施の形態の半導体レーザ装置におけるレーザ素子のさらに詳細な構造を図２から図６を用いて説明する。

図２は本実施の形態の半導体レーザ装置におけるレーザ素子の斜視図である。図２の破線で表した面における断面図を図３から図６に示す。図３は、Ｘ１−Ｘ１´面（電流注入領域）での断面図であり、図４は、Ｘ２−Ｘ２´面（電流非注入領域の出射端面から内側に３５μmの場所）での断面図であり、図５は、Ｘ３−Ｘ３´面（電流非注入領域の出射端面から内側に２０μmの場所）での断面図であり、図６は、Ｚ−Ｚ´面（リッジ内のストライプ方向）での断面図である。

図３の電流注入領域（利得領域）と図４の電流非注入領域（出射端面から内側に３５μmの場所）には、サブマウントと融着するためのパッド電極１１８が設けられている。これに対し、図５の電流非注入領域（出射端面から内側に２０μmの場所）では、図５に示すようにパッド電極を設けていない。

図５に示す電流非注入領域は、キャリアの注入が行われないために活性層近傍での発熱が少なく、必ずしもパット電極を設ける必要はない。また、パッド電極１１８をその端面が共振器端面より内側になるように配置することで、実装時のジャンクションの短絡を防止することができる。したがって、図６に示すように、レーザ素子の共振器長をＴ１、電流注入領域の共振器方向の長さをＴ３、パッド電極１１８が形成される領域の共振器方向の長さをＴ２とする時、Ｔ１≧Ｔ２≧Ｔ３（但し、パット電極は、電流注入領域には必ず形成され、かつ、レーザ素子の共振器端面よりも内側に形成される）とすることで十分な放熱が得られる。なお、Ｔ１とＴ３の差は１μｍ以上２００μｍ以下が望ましい。

ｎ−ＧａＮ層１０６より上部の構造は、図１（ａ）で説明した通りであるが、ｎ−ＧａＮ層１０６より下部には、ＧａＮ結晶の転位密度を１〜２桁低減するために、横方向（ラテラル）成長技術を用いている。このレーザ素子のｎ−ＧａＮ層１０６から下部（基板側）の作製方法は下記の通りである。

まず、ｎ−ＧａＮ基板１０１の主面に、フォトリソグラフィー技術によってレジストをストライプ状に加工する。レジストをマスクとしＣｌ_２を用いたドライエッチングによってｎ−ＧａＮ基板１０１の主面（ここでは（０００１）面）に凹凸を形成する。この時、凹部の幅は約１５μｍ、リッジ部（レジストのある凸部）の幅は約５μｍ、深さは１μｍである。レジストを除去した後、ＥＣＲスパッタ法を用いてＳｉＮ_ｘ（窒化シリコン）１０２を堆積する。その後、平坦化レジストを堆積し、凸部の頂面（頂上の面）が露出するまでレジストをエッチングする。凸部の頂面が露出した状態で、ＳＦ_６を用いたドライエッチングにより凸部の頂面のＳｉＮ_ｘを除去し、ＧａＮ面（基板）を凸部の頂面のみ露出させ、さらに、平坦化レジストをアセトン等の有機溶剤により除去する。露出したＧａＮ基板のシード部１０５を種結晶として、ＭＯＶＰＥ法によって１０６０℃でｎ−ＧａＮ層１０６を成長させる。ｎ−ＧａＮ層１０６の不純物は、シリコン（Ｓｉ）、セレン（Ｓｅ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、硫黄（Ｓ）等である。

ｎ−ＧａＮ層１０６の成長は、前述の凹部上で合体するまで行い、その後、ｎ-Ａｌ_０．1Ｇａ_０．９Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０７からｐ-ＧａＮ層１１２までの積層膜を順次堆積する。前述のリッジストライプ部はエアギャップ１０３の上部の、転位の少ない領域に形成されている。好ましくは、合体部の下面に形成されるボイド１０４の上部を避けるのがよい。

ｎ−ＧａＮ基板１０１の転位密度は、５ｘ１０^６ｃｍ^−２程度であるが、横方向成長（ラテラル成長）させた領域の転位密度を１桁以上低減することができ、２×１０^５ｃｍ^−２となっている。また、ＧａＮ結晶のチルト（この場合は、Ｃ軸（０００１）の傾き）が著しく小さく、合体部での刃状転位の新たな発生を防止できる。

以上説明してきたレーザ素子において、ｎ電極１１５とｐ電極１１３の間に電圧を印加すると、電流注入領域１２０のＭＱＷ活性層１０９にキャリアが注入され、活性層で利得を生じ、４０８ｎｍの波長でレーザ発振を起こす。なお、ＭＱＷ活性層１０９は厚さ３ｎｍのＧａ_0.8Ｉｎ_0.2Ｎ井戸層（２ウエル）と厚さ６ｎｍのＧａＮバリア層から構成されている。

次に、本発明の効果について、図７から図１０を用いて詳細に説明する。

図７、図９は計算によりレーザ素子の温度分布を調べたものであり、実装状態を示す断面図（上段）と、温度分布または課題（下段）とを示している。また、図８、図１０は、高精度のサーモビューワーを用いてレーザ素子の裏面から基板を透過して実装面近傍の温度分布を観察したものである。このとき、観察部分の裏面の電極は除去してある。ペルチェ素子を用いて実装した半導体レーザを６０℃に保持し、０．３５Ｗの消費電力下で動作させた状態で測定を行った。

図７のケース１は、Ｌ１＝２０μｍ、Ｌ２＝３０μｍ、Ｌ３＝４０μｍであり、Ｌ３≧Ｌ１≧０の関係にあり、また、Ｌ３≧Ｌ２の関係にもある。この時、レーザ素子の放熱状態を見ると、電流注入領域において均一な温度分布が観察された。

図７のケース２は、Ｌ１＝２０μｍ、Ｌ２＝１０μｍ、Ｌ３＝４０μｍであり、Ｌ３≧Ｌ１≧Ｌ２≧０の関係にある。この場合も、レーザ素子の放熱状態は、共振器方向で概ね均一になっているが、共振器端面の最表面はより効果的に放熱されている。

図８は、サーモビューワーで観察したレーザ素子の温度分布（レーザ素子の裏面から観察）を示している。図８において、（１）レーザ素子のレーザ出射面から約２０μｍ内側（電流非注入領域）、（２）レーザ素子の共振器方向の中央部（電流注入領域）、（３）レーザ素子の後面から２０μｍ内側（電流非注入領域）の３点で温度を測定した。結果は、上記（１）と（２）とで、１．１℃の差しか生じておらず、均一に温度が保たれていることがわかる。

図９は比較例（好ましくない実装状態）を示したものである。ケース３は、Ｌ１＝−２０μｍ（マイナスはレーザ素子の共振器方向の後面方向を意味する）、Ｌ２＝１０μｍ、Ｌ３＝４０μｍである。この場合は、レーザ素子の出射側端面がサブマウントの端面よりも引っ込んで配置されているため（図中のマイナス方向に位置しているため）、レーザ光の一部がサブマウントの上端部に当たり（レーザ光のけられが生じ）、ビーム形状に異常が発生して、例えば光ディスク等に使用した場合、光の集光特性の弊害となる。

また、ケース４では、Ｌ１＝５５μｍ、Ｌ２＝１０μｍ、Ｌ３＝４０μｍとなっており、Ｌ３＜Ｌ１の関係にある。この場合、レーザ素子のレーザ出射面から数十μｍ内部に入った部分に熱の集中が見られ、共振器方向で温度分布の不均一が生じている。

図１０はサーモビューワーで観察したレーザ素子の温度分布（レーザ素子の裏面から観察）を示している。図８と同様に、（１）レーザ素子のレーザ出射面から約２０μｍ内側（電流非注入領域）、（２）レーザ素子の共振器方向の中央部（電流注入領域）、（３）レーザ素子の後面から２０μｍ内側（電流非注入領域）の３点で温度を測定した。図１０に示すように、上記（１）と（２）とで、１４．５℃もの温度差が生じていることがわかった。この温度差はレーザチップの信頼性の低下をもたらす。温度が局所的に上昇したレーザ素子とサブマウントとの境目では、熱膨張によるストレスが局所的に加わることになる。そのために、レーザを駆動している間に転位の増殖が起こる。断面ＴＥＭの分析から、転位の増殖と同時にＭＱＷ活性層の劣化も観察されている。

以上説明したように、本発明を用いれば、レーザ素子のレーザ出射面近傍の電流非注入領域での局所的な温度の上昇を抑えつつ、かつレーザ光のビーム形状の悪化を防止することが可能となり、信頼性の高い高出力の半導体レーザ装置を実現することができる。その結果、光ディスク用レーザ、レーザディスプレイ装置や医療用レーザの信頼性の向上や歩留まりの向上、生産性の向上を図ることができる。

なお、上記の実施の形態の説明では、レーザ素子のレーザ出射面側端部の電流非注入領域において、ｐ-Ａｌ_０．1Ｇａ_０．９Ｎ／ＧａＮクラッド層１１１には何の処理も施されていない場合を説明したが、イオン注入、プラズマ照射または不純物拡散により、ｐ-Ａｌ_０．1Ｇａ_０．９Ｎ／ＧａＮクラッド層１１１を高抵抗化しても良い。

また、レーザ素子のレーザ出射面側端部の電流非注入領域において、少なくとも一部の活性層のバンドギャップが、イオン注入、プラズマ照射または不純物拡散により増大していてもよい。

また、本実施の形態では、ＳｉＮ_ｘマスクは、リセス底部（凹部の底部）とリッジ状になったｎ−ＧａＮ基板１０１の側面を被覆している場合について説明したが、エアギャップが形成される方法であれば、リセス底部のみＳｉＮ_ｘで被覆しても構わない。

また、図１〜６では、縦方向（基板と垂直な方向）にキャリアを注入する構造（ｎ電極を基板の裏面側に配置する構造）について述べたが、図１１のように同一の主面上にｐ電極１１３およびｎ電極１１０３を形成した構成でも構わない。但し、図１１には、電流注入領域の断面図のみを示している。また、ＧａＮ層１１０１はアンドープでもｎ型ドープでもｐ型ドープでもよい。さらに、図１１のような構造とするとき、横方向に流れる電流の抵抗成分を低くする構成（例えば図１１のように、ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮ超格子コンタクト層１１０２の使用、ｎ型不純物を添加した場合のＧａＮ層１１０１の厚膜化）を採ることが望ましい。

また、本実施の形態では、種結晶のリッジ形成に平坦化レジスト用いたエッチバック・プロセスを用いたが、リッジ形状を作製できる方法であれば、他の方法を用いても構わない。

また、マスク材料としてＳｉＮ_ｘを用いているが、その他の誘電体膜または非晶質絶縁膜、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化酸化アルミニウム（ＡｌＮＯ）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、窒化チタン（ＴｉＮ）でも構わない。

また、本実施の形態では、ラテラル成長を行う表面を凹状に加工する場合について述べたが、図１２に示すように同一面上に誘電体膜ＳｉＯ_２１２０２と開口部１２０３を設ける形態でもよい。この場合、熱伝導率の悪い誘電体膜ＳｉＯ_２が存在することで、レーザ素子内に共振器方向に温度分布の不均一が生じやすくなる。

また、図１２に示すように構造では、ラテラル成長の合体部に刃状転位が生じる場合がある。これは、ＧａＮ結晶と誘電体膜との間に生じる歪みの影響でＣ軸が傾き（チルトが発生し）、合体部において格子のずれが生じるためである。したがって、レーザの活性領域（ストライプ状の電流注入領域）は、開口部と合体部との間に正確に設けなくてはいけない。

また、本実施の形態では、レーザ素子の共振器の両端面近傍に電流非注入領域を設ける場合について説明したが、少なくともレーザ素子のレーザ出射面近傍に設ければ本発明の効果は大きい。

また、本実施の形態では、特に、ラテラル成長を用いた窒化物半導体について述べてきたが、この作製方法により得られたデバイスに限ったものではない。また、動作電圧が高く大きな消費電力が必要な高出力のＧａＮ系半導体レーザや紫外領域の半導体レーザにおいて本発明の効果は大きい。特に、消費電力が０．３Ｗ以上のデバイスにおいて効果的である。

（実施の形態２）
実施の形態１では、転位密度が比較的多く、動作電圧が高い（つまり消費電力が大きい）窒化物半導体を用いた半導体レーザ装置について述べたが、ここでは、熱伝導率が悪く、ｐ型不純物の拡散が起こりやすいＡｌ_uＧａ_vＩｎ_wＰ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１）系赤色半導体レーザの場合について述べる。

図１３は、本実施の形態のＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ素子の斜視図である。基本的な構造は、リッジストライプ構造であるが、電流ブロック層として、ｎ−Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ電流ブロック層１３０９を用いている。また、ｐ側のコンタクト層としてｐ−ＧａＡｓコンタクト層１３０７を設けてある。出射側端面近傍には、破局的端面破壊（ＣＯＤ）を防止するために、窓構造１３１１（共振器方向の長さ４０μｍ）が形成され、端面近傍のバンドギャップＥｇ^Ｗを、電流注入領域（利得領域１３１０）のＥｇ^ａよりも大きくしてある。窓構造の形成には、不純物拡散、イオン注入等を用いる。さらに、窓構造部への電流の注入を防止するために、ｎ−Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ電流ブロック層１３０９が窓構造１３１１の上部を長さ５０μｍに渡り被覆している。これにより、端面近傍に電流非注入領域１３１２を形成している。

このレーザ素子において、放熱体（ＡｌＮサブマウント）と、ソルダー（ＡｕＳｎ合金）を用いて接着させるパッド電極は、電流注入領域（利得領域１３１０）および、少なくとも電流非注入領域１３１２の一部を覆うように設ける。好ましくは、窓領域の上部の一部を覆った方が良い。

パッド電極は、熱伝導率の点から、ＡｕやＡｇを含有する金属が望ましく、その厚さは０．５μｍ以上、好ましくは１μｍ以上、さらに好ましくは３μｍ以上とするのがよい。

発明者の実験の結果、赤色半導体レーザ素子の劣化には、活性層へのｐ型不純物（Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂｅなど）の拡散が関与していることがわかった。特に、Ｚｎは、ＡｌＧａＩｎＰ結晶中の拡散速度が大きく、外的な要因（熱、応力など）がトリガーとなって活性層へ拡散する。ｐ型不純物の濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３以上、特に３×１０^１７ｃｍ^−３以上でその影響が大きくなる傾向にある。

ＡｌＧａＩｎＰ結晶は、ＡｌＧａＡｓ結晶（赤外半導体レーザ素子の母結晶材料）よりも約２倍の熱抵抗があり（つまり熱伝導率が悪いため）、レーザ素子内の温度分布の不均一が生じやすい。レーザ素子の放熱が悪い場合（例えば、図９のケース４のような場合）、電流注入領域（利得領域）と電流非注入領域の界面近傍に熱集中が起こり、その部分が熱膨張して結晶に応力が入り、ｐ型不純物の拡散を誘発する。ｐ型不純物が、キャリアの発光再結合が激しい電流注入領域の活性層内へ拡散すると、信頼性を著しく低下させる。特に、１００ｍＷ超級の高出力レーザにおいて顕著である。これは、横モード安定化のために、リッジストライプの幅が底部で３μｍ以下となり、電流密度が上昇するためである。

レーザ素子の共振器長をＴ１、電流注入領域の共振器方向の長さをＴ３、パッド電極が形成される領域の共振器方向の長さをＴ２とする時、Ｔ１≧Ｔ２≧Ｔ３（但し、パット電極は、電流注入領域には必ず形成され、かつ、レーザ素子の共振器端面よりも内側に形成される）とすることで、レーザ素子内での局所的な熱集中を抑制でき、レーザ素子全体でほぼ均一な温度分布となり、信頼性を向上させることができる。なお、Ｔ１とＴ３の差は１μｍ以上２００μｍ以下が望ましい。

また、レーザ素子のレーザ出射面のサブマウントの端面からの突き出し量をＬ１とし、レーザ素子のレーザ出射面側の端部においてパット電極と接触していない領域の共振器方向の長さをＬ２とし、レーザ素子のレーザ出射面側の端部における電流非注入領域の共振器方向の長さをＬ３とする時、Ｌ３≧Ｌ１≧０およびＬ３≧Ｌ２とすることで、共振器端面の近傍（共振器端面と電流注入領域との間）での局所的な温度の上昇を抑えつつ、かつサブマウント端でのレーザ光のけられを防止することでレーザ光のビーム形状の悪化を防止することが可能となり、信頼性の高い高出力の半導体レーザ装置を実現することができる。さらに、好ましくは、Ｌ３≧Ｌ１≧Ｌ２≧０とするのがよい。

なお、本実施の形態のＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ装置において、本発明の効果は、ｎ型ＧａＡｓ基板のキャリア濃度が３×１０^１８ｃｍ^−３以下、特に２×１０^１８ｃｍ^−３以下の時に特に顕著となる。また、ｎクラッド層も２×１０^１８ｃｍ^−３以下、好ましくは１×１０^１８ｃｍ^−３以下の時に顕著となる。これは、ｎ型半導体のキャリア濃度の増大は、熱伝導率を低下させ、ひいては温度分布の不均一を発生させやすいためである。また、同時に、ｐ型ドーパント（ＺｎやＭｇ、Ｂｅ）の拡散を誘発しやすい傾向にある。

なお、実施の形態１と実施の形態２では、ソルダーとしてＡｕとＳｎの合金を例に出して説明したが、Ａｇまたはその合金を用いてもよい。例えば、ＡｇとＳｎの合金（Ｓｎ９５重量％の合金）とすることで、融着温度をＡｕＳｎよりも１００℃程度下げることができ、レーザ素子への応力低減を図ることができる。

本発明の半導体レーザ装置は、信頼性の高い、高出力動作の半導体レーザ装置を必要とする光記録装置、光ディスプレイ（レーザディスプレイ）装置等の光源として有用である。またその他、レーザ加工、医用等への応用にも有用である。

本発明の第１の実施の形態の半導体レーザ装置のレーザ素子の斜視図 本発明の第１の実施の形態の半導体レーザ装置の共振器方向の断面図 本発明の第１の実施の形態の半導体レーザ装置のレーザ素子の斜視図 図２のＸ１−Ｘ１´面における断面図 図２のＸ２−Ｘ２´面における断面図 図２のＸ３−Ｘ３´面における断面図 図２のＺ−Ｚ´面における断面図 本発明の第１の実施の形態の半導体レーザ装置の共振器方向の断面と温度分布を示す図 本発明の第１の実施の形態の半導体レーザ装置の温度分布を示す図 比較例の半導体レーザ装置の共振器方向の断面と温度分布または課題を示す図 比較例の半導体レーザ装置の温度分布を示す図 本発明の第１の実施の形態における半導体レーザ装置の別のレーザ素子の共振器に垂直な方向の断面図 本発明の第１の実施の形態における半導体レーザ装置の別のレーザ素子の共振器に垂直な方向の断面図 本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ装置のレーザ素子の斜視図 従来のＧａＮ系半導体レーザ装置のレーザ素子の斜視図 従来のＧａＮ系半導体レーザ装置のレーザ素子の斜視図

符号の説明

１０１ ｎ−ＧａＮ基板
１０２ ＳｉＮ_ｘ
１０３ エアギャップ
１０４ ボイド
１０５ シード部
１０６ ｎ−ＧａＮ層
１０７ ｎ-Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層
１０８ ｎ-ＧａＮ光ガイド層
１０９ ＭＱＷ活性層
１１０ ｐ-ＧａＮ光ガイド層
１１１ ｐ-Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層
１１２ ｐ-ＧａＮ層
１１３ ｐ電極
１１４ Ｔａ₂Ｏ_５電流ブロック層
１１５ ｎ電極
１１６ 配線電極
１１７ リッジ部
１１８ パッド電極
１２０ 利得領域（電流注入領域）
１２１ 非注入領域
１２２ レーザ光
１１０１ ＧａＮ層
１１０２ ｎ-Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮ超格子コンタクト層
１１０３ ｎ電極
１１０４ 配線電極
１２０２ ＳｉＯ_２
１２０３ 開口部
１２０４ ＧａＮ層
１２０５ ｎ-Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮ超格子コンタクト層
１２０６ ｎ-Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層
１２０７ ｎ-ＧａＮ光ガイド層
１２０８ ＭＱＷ活性層
１２０９ ｐ-ＧａＮ光ガイド層
１２１０ ｐ-Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層
１２１１ ｐ-ＧａＮ層
１２１２ ｐ電極
１２１３ ＳｉＯ_２電流ブロック層
１２１４ ｎ電極
１３０１ ｎ−ＧａＡｓ基板
１３０３ ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１３０４ 量子井戸活性層
１３０５ ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１３０７ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１３０８ リッジストライプ
１３０９ ｎ−ＡｌＩｎＰ電流ブロック層
１３１０ 利得領域（電流注入領域）
１３１１ 窓領域
１３１２ 電流非注入領域
１１ 基板
２０ ｎ型半導体層
３０ 多重量子井戸活性層
４０ ｐ型半導体層
２１ ｎ型ＧａＮコンタクト層
２２ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
２３ ｎ型ＧａＮガイド層
４１ ｐ型ＧａＮガイド層
４２ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
４３ ｐ型ＧａＮコンタクト層
５１ ｎ側電極
５２ ｐ側オーミック電極
５３ ｐ側ショットキー電極

Claims (15)

1. 放熱体と、前記放熱体に熱伝導部材を介して実装され、共振器のレーザ出射面側の端部に電流非注入領域を有するレーザ素子とを有し、前記レーザ素子は、前記放熱体に対し、レーザ出射面側に突き出て実装されており、前記放熱体の端面に対する前記レーザ素子のレーザ出射面の突き出し長さをＬ１とし、前記電流非注入領域の共振器方向の長さをＬ３とする時、Ｌ３≧Ｌ１≧０であることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記レーザ素子は、レーザ出射面側の端部に前記熱伝導部材と接触しない非接触領域を有し、前記非接触領域の共振器方向の長さをＬ２とする時、Ｌ３≧Ｌ２である請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. Ｌ３≧Ｌ１≧Ｌ２≧０である請求項２に記載の半導体レーザ装置。
4. Ｌ３が１μｍ以上１００μｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
5. 前記レーザ素子は、前記放熱体にジャンクションダウンで実装されている請求項１から４のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
6. 前記熱伝導部材は、金またはその合金を含む接着層を有する請求項１から５のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
7. 前記熱伝導部材は、銀またはその合金を含む接着層を有する請求項１から５のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
8. 前記熱伝導部材は、錫またはその合金を含む接着層を有する請求項１から５のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
9. 前記レーザ素子は、基板と、前記基板に支持される窒化物半導体の積層構造とを備えたレーザ素子であって、前記積層構造は、第１導電型の第１の窒化物半導体層と、第２導電型の第２の窒化物半導体層と、前記第１および第２の窒化物半導体層に挟まれた活性層とを有しており、前記基板と前記積層構造との間に空隙を有している請求項１から８のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
10. 前記レーザ素子は、基板と、前記基板に支持される窒化物半導体の積層構造とを備えたレーザ素子であって、前記積層構造は、第１導電型の第１の窒化物半導体層と、第２導電型の第２の窒化物半導体層と、前記第１および第２の窒化物半導体層に挟まれた活性層とを有しており、前記基板と前記積層構造との間にマスク膜を有している請求項１から８のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
11. 前記マスク膜は、誘電体膜であり、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、窒化チタンの少なくとも１つを含む請求項１０に記載の半導体レーザ装置。
12. 前記レーザ素子の前記積層構造または基板は、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を有する請求項９または１０に記載の半導体レーザ装置。
13. 前記レーザ素子は、基板と、前記基板に支持される積層構造とを備えたレーザ素子であって、前記積層構造は、第１導電型の第１の半導体層と、第２導電型の第２の半導体層と、前記第１および第２の半導体層に挟まれた活性層とを有しており、前記積層構造または基板は、Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＰ（u＋v＋w＝１）を有する請求項１から８のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
14. 前記電流非注入領域において、前記活性層近傍に高抵抗層が形成されている請求項１から１３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
15. 前記電流非注入領域における前記活性層のバンドギャップが、前記電流非注入領域以外の領域における前記活性層のバンドギャップに比べて大きい請求項１から１３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。