JP2010114202A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波重畳の印加効率の向上と高い耐端面破壊性とを両立することが可能な半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】ｐ側電極２１に、一対の共振器端面１０Ｆ，１０Ｒおよびその近傍に広領域２２を設けることにより、共振器端面１０Ｆ，１０Ｒ付近で発生した熱を広領域２２を介して放熱させる。また、一対の共振器端面１０Ｆ，１０Ｒの間の広領域２２以外の部分には、広領域２２よりも幅ＷＢの狭い帯状の狭領域２３を形成する。これにより、共振器端面１０Ｆ，１０Ｒ付近以外のｐ側電極２１の面積が小さくなり、キャパシタンスが低減される。一対の共振器端面１０Ｆ，１０Ｒの中間の位置には、ワイヤボンディングのためのボンディングパッド２４を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、高出力半導体レーザまたはディスク用半導体レーザなどに好適な半導体レーザ素子に関する。

一般に、高出力半導体レーザでは、出射側端面の突然破壊（Catastrophic Optical Damage ；以下、「ＣＯＤ」という。）の抑止が信頼性向上のために重要である。ＣＯＤは、端面付近の界面準位による非発光再結合が原因で、発熱とバンドギャップ縮小との正のフィードバックが生じ、端面の溶融に至るという現象である。また、ＧａＮ系の青色半導体レーザでは、ＩｎＧａＮ活性層の歪に起因したピエゾ電界によるバンドギャップシフトが生じているが、その状態が端面付近で変化するため、端面部分での光吸収がより顕著になるという傾向がある。そのため、端面付近の放熱効率を上昇させることが重要となっており、従来ではチップのほぼ全面に電極が形成されている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、ディスク用半導体レーザでは、低ノイズ化のために高周波重畳という手法が用いられる。高周波重畳の印加効率を向上させるためには、デバイスのキャパシタンスを低減するのが有効であり、そのためには電極の面積を小さくする必要がある。
特許第３６５００００号明細書

しかしながら、電極の面積を小さくすると、上述したＣＯＤレベルの低下を招くおそれがあった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、高周波重畳の印加効率の向上と高い耐端面破壊性とを両立することが可能な半導体レーザ素子を提供することにある。

本発明による半導体レーザ素子は、３Ｂ族元素のうちの少なくともガリウム（Ｇａ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなると共に活性層を含む半導体層と、半導体層の対向する側面に形成された一対の共振器端面と、半導体層の上に設けられた電極とを有し、電極は、一対の共振器端面のうち少なくとも活性層で発生した光が出射される側の端面およびその近傍に形成された広領域と、一対の共振器端面の間の広領域以外の部分に、広領域よりも幅の狭い帯状に形成された狭領域とを有するものである。

この半導体レーザ素子では、電極が、一対の共振器端面のうち少なくとも活性層で発生した光が出射される側の端面およびその近傍に広領域を有しているので、共振器端面付近で発生した熱は広領域を介して放熱される。また、一対の共振器端面の間の広領域以外の部分には、広領域よりも幅の狭い帯状の狭領域が形成されているので、共振器端面付近以外の電極の面積が小さくなり、キャパシタンスが低減される。

本発明の半導体レーザ素子によれば、電極が、一対の共振器端面のうち少なくとも活性層で発生した光が出射される側の端面およびその近傍に広領域を有するようにしたので、共振器端面付近の放熱効率を向上させることができ、高い耐端面破壊性を得ることが可能となる。また、一対の共振器端面の間の広領域以外の部分には、広領域よりも幅の狭い帯状の狭領域を形成するようにしたので、共振器端面付近以外の電極の面積を小さくすることができ、高周波重畳の印加効率の向上が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ素子をチップ上面から見た構成を表したものであり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線、図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った縦断面構造をそれぞれ表したものである。この半導体レーザ素子は、例えば、パーソナルコンピュータや家庭用ゲーム機などのＢＤ（Blu-ray Disc）記録・再生用レーザとして用いられるものであり、例えば、ＧａＮよりなる基板１１の一面側に、ｎ型クラッド層１２，活性層１３，ｐ型クラッド層１４およびｐ側コンタクト層１５がこの順に積層された構成を有している。この半導体レーザは、活性層１３の材料として、例えば短周期型周期律表における３Ｂ族元素のうちの少なくともガリウム（Ｇａ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた青色レーザであり、３Ｂ族元素としてはアルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）のうちの少なくとも１種が挙げられる。

また、この半導体レーザでは、ｐ側コンタクト層１５およびｐ型クラッド層１４の一部が、二本の平行な溝により三本の帯状の突部となっており、これらの三本の帯状の突部のうち中央の突部が半導体レーザとして機能するようになっている。中央の突部は、電流狭窄をするように帯状に延長されている。

ｎ型クラッド層１２は、例えば、積層方向における厚み（以下、単に厚みという。）が２．６μｍであり、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）を添加したｎ型ＡｌＧａＮ混晶により構成されている。活性層１３は、例えば、厚みが０．０５６μｍであり、組成の異なるＧａ_x Ｉｎ_1-x Ｎ（但し、ｘ≧０）混晶によりそれぞれ形成された井戸層と障壁層との多重量子井戸構造を有している。ｐ型クラッド層１４は、例えば、厚みが０．６μｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加したｐ型ＡｌＧａＮ混晶層およびｐ型ＧａＮ層の超格子構造を有している。ｐ側コンタクト層１５は、例えば、厚みが０．１０μｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加したｐ型ＧａＮにより構成されている。

ｐ側コンタクト層１５の上には、ＳｉＯ₂ などの絶縁膜１６を間にして、ｐ側電極２１が形成されている。ｐ側電極２１は、三本の帯状の突部のうち中央の突部においてｐ側コンタクト層１５と電気的に接続されており、このｐ側電極２１に対応する活性層１３の領域が発光領域１３Ａとなっている。ここで、ｐ側電極２１が、本発明における「電極」の一具体例に対応している。

一方、基板１１の裏面には、ｎ側電極３１が形成されている。ｎ側電極３１は、例えば、チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）が順次積層された構造を有しており、基板１１を介してｎ型クラッド層１２と電気的に接続されている。

また、この半導体レーザ素子では、例えばｐ側電極２１の長さ方向において対向する一対の側面が共振器端面１０Ｆ，１０Ｒとなっており、この一対の共振器端面１０Ｆ，１０Ｒに図示しない一対の反射鏡膜がそれぞれ形成されている。これら一対の反射鏡膜のうち一方の反射鏡膜の反射率は低くなるように、他方の反射鏡膜の反射率は高くなるようにそれぞれ調整されている。これにより、活性層１３において発生した光は一対の反射鏡膜の間を往復して増幅され、一方の反射鏡膜からレーザビームＬＢとして出射するようになっている。

ｐ側電極２１は、一対の共振器端面１０Ｆ，１０Ｒおよびその近傍に形成された広領域２２と、一対の共振器端面１０Ｆ，１０Ｒの間の広領域２２以外の部分に、広領域２２よりも幅の狭い帯状に形成された狭領域２３とを有している。これにより、この半導体レーザ素子では、高周波重畳の印加効率の向上と高い耐端面破壊性とを両立することができるようになっている。

広領域２２は、共振器端面１０Ｆ，１０Ｒ付近の発熱を周辺に放散させることによりＣＯＤを抑制するためのものである。本発明者らの試作結果では、図４に示したように、ｐ側電極１２１を共振器端面１１０Ｆ，１１０ＲからＬ＝５μｍ離して配置したところ、ＣＯＤレベルが約１００ｍＷ低下するという結果が得られた。このことから、共振器端面１０Ｆ，１０Ｒおよびその近傍に広領域２２を形成することが、ＣＯＤ抑制に有効であることが分かる。

広領域２２の長さＬは、例えば５μｍ以上であることが好ましい。本発明者らの試作結果では、図５に示したように、劣化品の活性層１１３の溶融領域１１３Ｂの長さＬを調べたところ、５μｍ以下であったからである。なお、図５では、図２と同一の構成要素には図２と同一の１００番台の符号を付して表している。

広領域２２の幅ＷＡは、例えば１０μｍ以上であることが好ましい。図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、幅ＷＡを１０μｍおよび４μｍとしたときのＣＯＤレベルおよび生存率を調べた結果を、図７に示したようにｐ側電極２２１をチップ上面全体に一定幅で形成した場合と比較して表したものである。図６（Ａ）および図６（Ｂ）から分かるように、幅ＷＡが１０μｍの場合には、図７に示したｐ側電極２２１と同等のＣＯＤレベルが得られる。なお、本発明者らの試作結果では、ＣＯＤレベルは幅ＷＡが１０μｍ程度でほぼ最大となり、それ以上に幅ＷＡを広げた場合もＣＯＤレベルの大幅な向上はないことが確認されている。なお、幅ＷＡは、例えば１２０μｍ以下とすることができる。

狭領域２３は、共振器端面１０Ｆ，１０Ｒおよびその近傍以外のｐ側電極２１の面積を小さくして、キャパシタンスを低減するためのものである。狭領域２３の幅ＷＢは、例えば５μｍ程度であることが好ましい。

また、ｐ側電極２１は、ワイヤボンディングのため、例えば５０μｍ角程度のボンディングパッド２４を有している。ボンディングパッド２４は、一対の共振器端面１０Ｆ，１０Ｒの中間の位置に設けられていることが好ましい。パターニングしやすいので、歩留まりを高めることができるからである。なお、ボンディングパッド２４は、ジャンクションダウンの場合には必ずしも設ける必要はない。

このようなｐ側電極２１は、ある程度の厚みを持つことが、放熱性を確保するために重要である。ｐ側電極２１は、例えば、ｐ側コンタクト層１５の側から順に、チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ），金（Ａｕ），白金（Ｐｔ），チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）が順次積層された構造を有し、合計厚みは例えば１μｍ程度であることが望ましい。

更に、この半導体レーザ素子では、ｎ型クラッド層１２，活性層１３，ｐ型クラッド層１４およびｐ側コンタクト層１５の少なくとも一部に、一対の共振器端面１０Ｆ，１０Ｒに、活性層１３への電流注入が抑えられた電流非注入領域４１が形成されている。電流非注入領域４１は、共振器端面１０Ｆ，１０Ｒ付近の非発光再結合を引き起こす電流注入を抑制するものであり、それ自体が共振器端面１０Ｆ，１０Ｒの発熱による突然劣化を抑制する機能を有している。それに加えて、電流非注入領域４１の境界部分では、共振器端面１０Ｆ，１０Ｒ方向に向かって電流注入が緩やかに減少するような電流注入のプロファイルになるので、共振器端面１０Ｆ，１０Ｒ付近の発熱が平均化される。よって、電流非注入領域４１と広領域２２との組合わせにより、活性層１３のストライプ長手方向に平均化された発熱が更に広い範囲に熱放散され、共振器端面１０Ｆ，１０Ｒの突然劣化を抑制する効果を更に高めることが可能である。

電流非注入領域４１は、例えば、ＳｉＯ₂ などの絶縁層が形成されていてもよいし、また、ｐ側電極２１に接するｐ側コンタクト層１５にドーパントを不活性化するような不純物がイオン注入されていてもよい。

この半導体レーザは、例えば、次のようにして製造することができる。

まず、例えば、ＧａＮよりなる基板１１を用意し、この基板１１の表面に、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により、上述した材料よりなるｎ型クラッド層１２，活性層１３，ｐ型クラッド層１４およびｐ側コンタクト層１５を成長させる。

次いで、ｐ側コンタクト層１５上に図示しないマスクを形成し、このマスクを利用して例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）法によりｐ側コンタクト層１５およびｐ型クラッド層１４の一部を選択的にエッチングして、二本の平行な溝を設け、ｐ側コンタクト層１５およびｐ型クラッド層１４の一部を三本の帯状の突部とする。

続いて、ｐ側コンタクト層１５の上に、上述した材料よりなる絶縁層１６を形成し、この絶縁層１６に、中央の突部に対応して開口部を設け、上述した広領域２２，狭領域２３およびボンディングパッド２４を有するｐ側電極２１を形成する。更に、基板１１の裏面側を例えばラッピングおよびポリッシングして基板１１の厚さを例えば１００μｍ程度としたのち、基板１１の裏面にｎ側電極３１を形成する。そののち、基板１１を所定の大きさに整え、対向する一対の共振器端面に図示しない反射鏡膜を形成する。以上により、図１に示した半導体レーザ素子が完成する。

この半導体レーザでは、ｎ側電極３１とｐ側電極２１との間に所定の電圧が印加されると、活性層１８に電流が注入されて、電子−正孔再結合により発光が起こる。この光は、一対の反射鏡膜により反射され、その間を往復してレーザ発振を生じ、レーザビームとして外部に射出される。ここでは、ｐ側電極２１が、一対の共振器端面１０Ｆ，１０Ｒおよびその近傍に広領域２２を有しているので、共振器端面１０Ｆ，１０Ｒ付近で発生した熱は広領域２２を介して放熱される。また、一対の共振器端面１０Ｆ，１０Ｒの間の広領域２２以外の部分には、広領域２２よりも幅ＷＢの狭い帯状の狭領域２３が形成されているので、共振器端面１０Ｆ，１０Ｒ付近以外のｐ側電極２１の面積が小さくなり、キャパシタンスが低減される。

このように本実施の形態では、ｐ側電極２１が、一対の共振器端面１０Ｆ，１０Ｒおよびその近傍に広領域２２を有するようにしたので、共振器端面１０Ｆ，１０Ｒ付近の放熱効率を向上させることができ、高い耐端面破壊性を得ることが可能となる。また、一対の共振器端面１０Ｆ，１０Ｒの間の広領域２２以外の部分には、広領域２２よりも幅ＷＢの狭い帯状の狭領域２３を形成するようにしたので、共振器端面１０Ｆ，１０Ｒ付近以外のｐ側電極２１の面積を小さくすることができ、高周波重畳の印加効率の向上が可能となる。

（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ素子をチップ上面から見た構成を表したものである。この半導体レーザ素子は、ボンディングパッド２４が、活性層１３で発生した光が出射される側の端面１０Ｆの近傍に形成されていることを除いては、上記第１の実施の形態の半導体レーザ素子と同様の構成を有し、同様にして製造することができる。

本実施の形態では、ボンディングパッド２４を、活性層１３で発生した光が出射される側の端面１０Ｆの近傍に形成するようにしたので、ボンディングに必要な面積部分と放熱に必要な面積部分とを共用させることが可能となる。よって、更にｐ側電極２１の面積を減らすことができ、キャパシタンスを低減させることが可能となる。また、ボンディングパッド２４に接合されるワイヤ（図示せず）の方向にも放熱されるので、更に放熱効率を向上させることができる。

（第３の実施の形態）
図９は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザ素子をチップ上面から見た構成を表したものである。この半導体レーザ素子は、広領域２２が、電流非注入領域４１から等距離ＷＡの範囲内に形成されていることを除いては、上記第１の実施の形態の半導体レーザ素子と同様の構成を有し、同様にして製造することができる。

本実施の形態は、共振器端面１０Ｆ，１０Ｒ付近において、共振器端面１０Ｆ，１０Ｒの界面部分と、非注入領域４１の境界部分とでの発熱量が大きいことに鑑みたものであり、広領域２２を、電流非注入領域４１から例えば１０μｍないし２０μｍの等距離ＷＡの範囲内に形成するようにしている。よって、発熱量が極大となる部位から等方的に放熱され、ｐ側電極２１の面積の低減と放熱効率の向上とを両立させることが可能となる。

（第４の実施の形態）
図１０は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザ素子をチップ上面から見た構成を表したものである。この半導体レーザ素子は、広領域２２が、一対の共振器端面１０Ｆ，１０Ｒおよびその近傍に形成された第１広領域２２Ａと、第１広領域２２Ａに隣接して形成され、第１広領域２２Ａよりも幅の広い第２広領域２２Ｂとを含むことを除いては、上記第１の実施の形態の半導体レーザ素子と同様の構成を有し、同様にして製造することができる。

第１広領域２２Ａの幅ＷＡ１は、第１の実施の形態で説明した広領域２２の幅ＷＡと同様に、例えば１０μｍ以上であることが好ましい。また、第１広領域２２Ａの長さＬは、第１の実施の形態で説明した広領域２２の長さＬと同様に、例えば５μｍ以下であることが好ましい。

第２広領域２２Ｂの幅ＷＡ２は、第１広領域２２Ａの幅ＷＡ１よりも広く、例えば１００μｍ程度であることが好ましい。この理由としては、チッププロービングなどの際のパターン認識のためなどである。また、第１広領域２２Ａの幅ＷＡ１を狭くしたことにより、ヘキ開時にｐ側電極２１を構成する金属が共振器端面１０Ｆ，１０Ｒに垂れ、電流リークなどの不良を引き起こす可能性を小さくすることができる。

狭領域２３の幅ＷＢは、第１の実施の形態と同様に、キャパシタンスを適切に調整するため、例えば５μｍ程度に形成されている。

本実施の形態では、第１の実施の形態の作用・効果に加えて、第１広領域２２Ａおよび第２広領域２２Ｂを設けることにより、チッププロービングなどの際のパターン認識を容易にすることができると共に、ヘキ開時の電流リークなどの不良の発生を低減することが可能となる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、広領域２２を、共振器端面１０Ｆ，１０Ｒの両方およびその近傍に配置した場合について説明したが、広領域２２は、共振器端面１０Ｆ，１０Ｒのうち少なくとも活性層１３で発生した光が出射される側の端面１０Ｆに形成されていればよい。このことは、電流非注入領域４１についても同様である。

また、本発明は、ジャンクションアップ、ジャンクションダウンのいずれの場合にも適用可能であるが、サブマウント等の放熱経路が無いジャンクションアップの場合のほうが、より高い効果が得られる。

更に、例えば、上記実施の形態において説明した各層の材料および厚み、または成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の成膜方法および成膜条件としてもよい。例えば、上記実施の形態では、ｎ型クラッド層１２ないしｐ側コンタクト層１５をＭＯＣＶＤ法により形成する場合について説明したが、ＭＯＶＰＥ法等の他の有機金属気相成長法により形成してもよく、あるいは、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；分子線エピタキシー）法等を用いてもよい。

加えて、例えば、上記実施の形態では、半導体レーザ素子の構成を具体的に挙げて説明したが、全ての層を備える必要はなく、また、他の層を更に備えていてもよい。

更にまた、本発明は、ＧａＮ系以外の半導体レーザにも適用可能であるが、ＧａＮ系半導体レーザでは、上述したピエゾ電界の存在によって共振器端面１０Ｆ，１０Ｒ付近の発熱の範囲が広くなるので、より効果が大きくなる。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ素子をチップ上面から見た構成を表す平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図１に示した広領域の作用を説明するための図である。 図１に示した広領域の長さを説明するための図である。 図１に示した広領域の幅を変えたときのＣＯＤレベルおよび生存率を調べた結果を表す図である。 図６に示した参照例におけるｐ側電極の構成を説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ素子をチップ上面から見た構成を表す平面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザ素子をチップ上面から見た構成を表す平面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザ素子をチップ上面から見た構成を表す平面図である。

符号の説明

１１…基板、１２…ｎ型クラッド層、１３…活性層、１４…ｐ型クラッド層、１５…ｐ側コンタクト層、１６…絶縁膜、２１…ｐ側電極、２２…広領域、２２Ａ…第１広領域、２２Ｂ…第２広領域、２３…狭領域、２４…ボンディングパッド、３１…ｎ側電極、４１…電流非注入領域

Claims (10)

1. ３Ｂ族元素のうちの少なくともガリウム（Ｇａ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなると共に活性層を含む半導体層と、
   前記半導体層の対向する側面に形成された一対の共振器端面と、
   前記半導体層の上に設けられた電極と
   を有し、
   前記電極は、
   前記一対の共振器端面のうち少なくとも前記活性層で発生した光が出射される側の端面およびその近傍に形成された広領域と、
   前記一対の共振器端面の間の前記広領域以外の部分に、前記広領域よりも幅の狭い帯状に形成された狭領域と
   を有する半導体レーザ素子。
2. 前記半導体層は、前記一対の共振器端面のうち少なくとも前記活性層で発生した光が出射される側の端面に、前記活性層への電流注入が抑えられた電流非注入領域を有する
   請求項１記載の半導体レーザ素子。
3. 前記電極は、前記一対の共振器端面の中間の位置にボンディングパッドを有する
   請求項１または２記載の半導体レーザ素子。
4. 前記電極は、前記一対の共振器端面のうち前記活性層で発生した光が出射される側の端面の近傍にボンディングパッドを有する
   請求項１または２記載の半導体レーザ素子。
5. 前記広領域は、前記電流非注入領域から等距離の範囲内に形成されている
   請求項２記載の半導体レーザ素子。
6. 前記広領域の幅は１０μｍ以上である
   請求項１記載の半導体レーザ素子。
7. 前記広領域の長さは５μｍ以上である
   請求項１記載の半導体レーザ素子。
8. 前記広領域は、前記一対の共振器端面のうち少なくとも前記活性層で発生した光が出射される側の端面およびその近傍に形成された第１広領域と、前記第１広領域に隣接して形成され、前記第１広領域よりも幅の広い第２広領域とを含む
   請求項１または２記載の半導体レーザ素子。
9. 前記第１広領域の幅は１０μｍ以上である
   請求項８記載の半導体レーザ素子。
10. 前記第１広領域の長さは５μｍ以上である
    請求項８記載の半導体レーザ素子。

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