JP2006032778A

JP2006032778A - 半導体レーザ素子

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Publication number: JP2006032778A
Application number: JP2004211652A
Authority: JP
Inventors: Kenji Nakajima; 健二中島; Seiji Kawamoto; 清時河本; Yozo Uchida; 陽三内田
Original assignee: Tokyo Sanyo Electric Co Ltd; Tottori Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Tokyo Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2004-07-20
Filing date: 2004-07-20
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】放熱や応力緩和というサポートの効果を損なうことなく、エッチングの進行を確認するための領域を確保し、エッチング時の干渉色視認性を向上させる半導体レーザ素子を提供することである。
【解決手段】半導体レーザ素子は、活性層の上方に位置するリッジ１の両側方に１本ずつサポート２を有し、サポート２は、リッジ１の短手方向に沿って形成された溝部３によって分割されている構成とする。
【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７（ａ）は、従来の１波長半導体レーザ素子の平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。この１波長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。

また例えば、図８（ａ）は、従来の２波長半導体レーザ素子の平面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＦ−Ｆ線断面図である。この２波長半導体レーザ素子の層構成は、図７に示した１波長半導体レーザ素子の層構成と同じである。素子中央に形成された素子分割溝１０４を挟んで、両側の素子で異なった波長の光が発せられる。

このような構成の１又は２波長半導体レーザ素子は、図７（ｃ）又は図８（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を介してサブマウント１０３に伝達させるようにしている。

また、サポート１０２には、素子をサブマウント１０３に固定する際にリッジ１０１にかかる応力を緩和する役割もある。そして、放熱や応力緩和の効果を十分に得るためには、サポート１０２の面積を増やす必要がある。

一方、リッジ１０１とサポート１０２との間は、エッチングストッパ層までエッチングされるが、リッジ１０１の中心からサポート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）を短くしすぎたり、素子幅に対するサポート幅の割合を大きくしすぎると、エッチングの進行を目視で確認するための領域が減るため、エッチングの進行を目視で確認することが困難となり、素子の製造に支障をきたす。なお、エッチングの進行は被エッチング部の干渉色を目安に判断できる。

本発明は、放熱や応力緩和というサポートの効果を損なうことなく、エッチングの進行を確認するための領域を確保し、エッチング時の干渉色視認性を向上させる半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、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、前記サポートは、前記リッジの短手方向に沿って形成された１以上の溝部によって分割されていることを特徴とする。

また本発明は、前記溝部の前記リッジの長手方向の長さの合計が、３００〜６００μｍであることを特徴とする。

なお、当該素子の前記リッジの長手方向の長さに対する前記溝部の前記リッジの長手方向の長さの合計の割合が、２７〜５５％であると規定してもよい。

また本発明は、前記サポートは、前記リッジの両側に少なくとも１本ずつ形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、リッジの短手方向に沿って形成された１以上の溝部によってサポートを分割することにより、エッチングの進行を確認するための領域（溝部）が確保されるので、エッチング時の干渉色視認性を向上させることができる。更に、素子に溝部が形成されてもサポートの幅は従来品と変わらないので、応力緩和というサポートの効果を損なうことがない。また、動作電流が低くなるようにリッジ−サポート間距離を設定することができるので、良好な放熱性も維持される。

図１（ａ）は、１波長半導体レーザ素子（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１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。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。また、図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図は、図７（ｂ）と同様であるので省略する。

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サポート２とを有している。サポート２は、本素子の短手方向の溝部３によって分割されている。またサポート２は、サブマウント１０３（図７（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の存在により、リッジ１が保護される。

本素子は、図７（ｃ）と同様に、リッジ１およびサポート２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）。以下、素子の詳細な構成について説明する。

図２は、図１の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（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。

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。その結果を図３に示す。図３は、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。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、各サポート２の幅Ｗｓは、それぞれ５０μｍとした（サポート２の幅の総和をＷｓｓとする）。また、リッジ幅は２〜４μｍである。

図３より、リッジ−サポート間距離Ｗａが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いえる。

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いえる。

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。

以上より本実施形態においては、リッジ−サポート間距離Ｗａは３０μｍを採用する。なお、本素子の長手方向の長さＤｃは１１００μｍとする。

ところで、リッジ１及びサポート２を形成するためのエッチング時には、リッジ１とサポート２との間の領域やサポート２間の溝部３を、エッチングの進行を目視で確認するためのモニタ領域として確保する必要がある。エッチングの進行は被エッチング部の干渉色を目安に判断するからである。この干渉色はエッチングされている層の表面での反射光と、エッチングされている層（例えばクラッド層）とその下の層（例えばストッパ層）との界面での反射光とが干渉するために生じる。

ここで、サポート２のリッジ１の長手方向の長さをＤｓ、溝部３のリッジ１の長手方向の長さをＤｇとする。そしてサポート２の長さの総和をＤｓｓとする。図１のような構造では、例えば、Ｄｓｓ＝７００μｍ、Ｄｇ＝４００μｍとすることができる。なお、溝部３で干渉色の確認を可能にするには、Ｄｇ＝３００〜６００μｍであることが好ましく、更に好ましくは、Ｄｇ＝４００〜５００μｍである。割合でいえば、Ｄｇ／Ｄｃ＝２７〜５５％である。

また、サポート２は他の形状としてもよい。例えば、図４は、他の１波長半導体レーザ素子の概略の構成を示す平面図である。この場合の断面図は図１（ｂ）、図７（ｂ）と同様であるので省略する。図４において、２本のサポート２が２本の溝部３で６つに分割されている。

本素子の各部の長さも、図１と同様にＤｓｓ＝７００μｍ、Ｄｇｇ＝４００μｍ（溝部３のリッジ１の長手方向の長さの総和）とすることができる。つまり、Ｄｇ＝２００である。同様に、Ｄｇｇ＝３００〜６００μｍであれば、溝部３は何本形成しても構わない。

このように、素子に溝部３が形成されてもサポート２の幅Ｗｓは従来品と変わらないので、応力緩和というサポート２の効果を損なうことがない。更に、エッチングの進行を確認するための領域（溝部３）が確保されるので、エッチング時の干渉色視認性を向上させることができる。また、動作電流が低くなるようにリッジ−サポート間距離を設定することができるので、良好な放熱性も維持される。

本発明は２波長半導体レーザ素子にも応用できる。図５（ａ）は、２波長半導体レーザ素子の概略の構成を示す平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。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。また、図５（ａ）のＤ−Ｄ線断面図は、図８（ｂ）と同様であるので省略する。

この素子は、図１のような１波長半導体レーザ素子を素子分割溝４を挟んで幅方向に２つ繋げたものである。異なる２つの波長の半導体レーザ素子を組み合わせることで、２波長半導体レーザ素子とすることができる。本素子は、図８（ｃ）と同様に、リッジ１およびサポート２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。

この２波長半導体レーザ素子は上記の１波長半導体レーザ素子を２つ繋げたものであるので、各部（サポート２や溝部３など）の長さは、上記の１波長半導体レーザ素子の長さと同様である。

また、サポート２は他の形状としてもよい。例えば、図６は、他の２波長半導体レーザ素子の概略の構成を示す平面図である。この場合の断面図は図５（ｂ）、図８（ｂ）と同様であるので省略する。図６は図４と同様に、サポート２が２本の溝部３で分割されている。本素子の各部の長さも、図５と同様に設計できる。なお、サポート２と溝部３との長さの比が変わらなければ、溝部３は何本形成しても構わない。

本発明の半導体レーザ素子は、１波長半導体レーザ素子又は２波長以上の半導体レーザ素子とすることができ、光ディスクの読み取りや書き込み等に利用することができる。

（ａ）は、１波長半導体レーザ素子の概略の構成を示す平面図、（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図１の素子の詳細な構成を示す断面図である。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。他の１波長半導体レーザ素子の概略の構成を示す平面図である。（ａ）は、２波長半導体レーザ素子の概略の構成を示す平面図、（ｂ）は、図５（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。他の２波長半導体レーザ素子の概略の構成を示す平面図である。（ａ）は、従来の１波長半導体レーザ素子の平面図、（ｂ）は、図７（ａ）のＥ−Ｅ線断面図、（ｃ）は、図７（ａ）の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。（ａ）は、従来の２波長半導体レーザ素子の平面図、（ｂ）は、図７（ａ）のＦ−Ｆ線断面図、（ｃ）は、図７（ａ）の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
３溝部
１４活性層

Claims

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、
前記サポートは、前記リッジの短手方向に沿って形成された１以上の溝部によって分割されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
前記溝部の前記リッジの長手方向の長さの合計が、３００〜６００μｍであることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
当該素子の前記リッジの長手方向の長さに対する前記溝部の前記リッジの長手方向の長さの合計の割合が、２７〜５５％であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
前記サポートは、前記リッジの両側に少なくとも１本ずつ形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の半導体レーザ素子。