JP2013179210A

JP2013179210A - アレイ型半導体レーザ装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP2013179210A
Application number: JP2012042934A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Yamaguchi; 秀明山口; Naoto Ueda; 直人上田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-09-09

Abstract

【課題】特性の安定性や均一性および高い信頼性が確保できる高出力のアレイ型半導体レーザ装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明のアレイ型半導体レーザ装置２０は、基板２１と、基板２１の上に形成されたｎ型クラッド層２２および活性層２３と、活性層２３をｎ型クラッド層２２と共に挟むｐ型クラッド層２４と、ｐ型クラッド層２４の上に形成された、活性領域２５の上部だけストライプ状の開口部２６を有する電流狭窄膜２７と、電流狭窄膜２７の開口部２６および活性領域２５の上部および下部の少なくともいずれかにストライプ状の金属バーからなる放熱部２８を有し、隣接する複数のエミッタ２９からレーザ光を出射する構成とし、複数のエミッタ２９の間に、分離溝５１と、分離溝５１を金属で埋める埋め込み部５２とをさらに有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、溶接機などの産業用途の分野で溶接、接合および切断などに光源として用いる高出力のアレイ型半導体レーザ装置およびその製造方法に関する。

近年、半導体レーザ装置の高出力化の進展は著しく、半導体レーザ装置は、産業用途の分野で溶接、接合および切断などの加工の用いる機器の光源として期待されている。半導体レーザ装置は、小型かつ高効率で半導体ウェハにより多数の素子を同時に生産できるので、数十Ｗ級の小型光源に適している。このような数十Ｗ級の高出力レーザの光源としては、１つのチップに隣接した複数の活性領域を形成し、このチップの端面から隣接したエミッタと呼ばれる複数の発光点を有するアレイ型半導体レーザ装置が用いられることが多い。さらに、アレイ型半導体レーザ装置から出射されるレーザ光は、数ミクロン程度に集光できるので集光性がよく、極めて微小な領域に光エネルギーを集中できるので局所的な加工に最適である。

しかしながら、アレイ型半導体レーザ装置は、数十Ｗ級の光出力で動作するために、光ディスク等に用いられる数百ｍＷ級の高出力レーザに比べて、動作電流が非常に高く活性領域での発熱量も非常に大きい。したがって、アレイ型半導体レーザ装置を高出力かつ長寿命で動作させるための高い信頼性を確保するには、活性領域で発生した熱を速やかに外部に逃がし、活性領域の動作温度の上昇を抑えることが重要となる。そこで、アレイ型半導体レーザ装置では、通常は冷却用のヒートシンクなどの部材に、半導体基板上にレーザ素子構造をＭＯＣＶＤなどの結晶成長法を用いて形成した結晶成長面の表面近傍の電極面をはんだなどの接着材料で接着し実装するジャンクションダウン実装が行われる。しかしながら、このような実装は、光ディスクで用いられる数百ｍＷ級の半導体レーザでは十分効果的だが、溶接機などの産業用途に用いる数十Ｗ級のアレイ型半導体装置において、活性領域の動作温度の上昇を抑えるのには十分ではない。また、複数の活性領域のそれぞれの動作温度の上昇をばらつきなくほぼ均一に抑えることが重要である。したがって、複数の活性領域のうちのいずれか１つの活性領域の動作温度が突出して大きくなると、この活性領域の寿命が他の活性領域の寿命よりも著しく短くなり、その結果、アレイ型半導体レーザ装置の寿命も著しく短くなる。

そこで、アレイ型半導体レーザ装置において、隣接する活性領域間の熱的干渉を防止するための素子構造が提案されている。図１７は、従来のアレイ型半導体レーザ装置の素子構造を示す断面図である。図１７は、アレイ型半導体レーザ装置の隣接する活性領域間の熱的干渉を防止するための素子構造の一例が示されている。

図１７は、従来のアレイ型半導体レーザ装置において、アレイ型半導体レーザ素子のヒートシンクへの実装状態の断面図を示している。図１７に示すように、半導体レーザアレイ素子１５は、結晶成長層１４を下側にしてヒートシンク１０にジャンクションダウン（アップサイドダウン）実装で実装されている。半導体レーザアレイ素子１５は、上下方向が逆になっているが、半導体基板１上にレーザ光を発生し増幅する活性層２と、活性層２を挟みレーザ光を導波するクラッド層３、４を形成し、クラッド層４上に電極層６とオーミック接続するためのキャップ層５を形成して構成されている。クラッド層４には、電流を活性層２の活性領域２ａに選択的に流すために電流を阻止する絶縁膜７が形成されている。また、半導体基板１の底面１ａには、電流を流す金属ワイヤと接続するための電極層８が形成されている。活性層２、クラッド層４およびキャップ層５を切断する分離溝９が形成されている。この分離溝９は、例えば熱伝導率の悪い材料で埋め込まれており、隣接する活性領域２ａの光クロストークを防止するとともに熱的干渉を低減している。これにより、複数の活性領域２ａのうちの１つに発光により生じた熱が集中して動作温度が突出して大きくなることを防止している（例えば、特許文献１参照）。

また、平面状に面発光レーザを形成した２次元配置の面発光レーザアレイを構成したアレイ型半導体レーザ装置において、隣接する面発光レーザの間に、面発光レーザの下部反射鏡に接して金属膜を放熱部材として形成する構成が提案されている。この構成により、面発光レーザの発光により発生した熱を２次元配置の面発光レーザアレイの周辺部に速やかに放熱し、発光部間の熱干渉を従来に比べて小さくできることが示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１−２８１７８６号公報特開２００８−３１１４９１号公報

しかしながら、上記で説明した従来のアレイ型半導体レーザ装置の構成では、クラッド層中に絶縁層を形成する、および、分離溝を形成して熱伝導率の悪い材料を埋め込むなど、半導体レーザ装置の製造方法が複雑になるという課題を生じる。さらに、素子構造が複雑で構成する材料が多いのでアレイ型半導体レーザ素子の素子内部の応力の設計や制御が難しく、アレイ型半導体レーザ装置の特性の安定性や均一性および高水準の信頼性の確保が難しいという課題を生じる。また、従来の面発光レーザアレイの放熱部材の構成は、端面発光型のアレイ型半導体レーザ装置に適用しても十分な放熱効果が得られず、同様に特性の安定性や均一性および高水準の信頼性の確保が難しいという課題を生じる。

本発明は、この課題を解決するものであり、特性の安定性や均一性および高い信頼性が確保できる高出力のアレイ型半導体レーザ装置およびその製造方法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、本発明のアレイ型半導体レーザ装置は、基板と、上記基板の上に形成されたｎ型クラッド層および活性層と、上記活性層を上記ｎ型クラッド層と共に挟むｐ型クラッド層と、上記ｐ型クラッド層の上に形成された、活性領域の上部だけストライプ状の開口部を有する電流狭窄膜と、上記電流狭窄膜の上記開口部および上記活性領域の上部および下部の少なくともいずれかにストライプ状の金属バーからなる放熱部と、を有し、隣接する複数のエミッタからレーザ光を出射する構成からなる。

この構成により、それぞれの活性領域近傍からの放熱を効率よく行えるので、特性の安定性や均一性および高い信頼性が確保できる高出力のアレイ型半導体レーザ装置を実現できる。

また好ましくは、複数のエミッタの間に、活性層に垂直な方向に活性層を貫通して形成された分離溝と、分離溝を金属で埋める埋め込み部と、をさらに有する構成としてもよい。

この構成により、それぞれの活性領域近傍からの放熱をさらに効率よく行え、かつ、隣接する活性領域間の温度上昇の差を低減することができる。

また、本発明のアレイ型半導体レーザ装置の製造方法は、基板の上に活性層および活性層を挟むｎ型クラッド層とｐ型クラッド層を形成するダブルへテロ構造を形成するＤＨ構造形成ステップと、ダブルへテロ構造の上に電流狭窄膜を形成した後に、活性領域の上部だけストライプ状の開口部を形成する電流ストライプ形成ステップと、ダブルへテロ構造および電流狭窄膜の上にキャップ層を形成するキャップ層形成ステップと、電流狭窄膜の開口部および活性領域の上部および下部の少なくともいずれかにストライプ状の金属バーからなる放熱部を形成する放熱部形成ステップと、を備え、隣接する複数のエミッタからレーザ光を出射する方法からなる。

この方法により、それぞれの活性領域近傍からの放熱を効率よく行えるので、特性の安定性や均一性および高い信頼性が確保できる高出力のアレイ型半導体レーザ装置を実現できる。

また好ましくは、複数のエミッタの間に、活性層に垂直な方向に活性層を貫通して分離溝を形成する分離溝形成ステップと、分離溝を金属で埋める埋め込みステップと、をさらに備えた方法としてもよい。

この方法により、それぞれの活性領域近傍からの放熱をさらに効率よく行え、かつ、隣接する活性領域間の温度上昇の差を低減することができる。

本発明によれば、それぞれの活性領域近傍からの放熱を効率よく行えるので、特性の安定性や均一性および高い信頼性が確保できる高出力のアレイ型半導体レーザ装置およびその製造方法を実現できる。

本発明の実施の形態１にかかるアレイ型半導体レーザ装置の構造を示す断面図本発明の実施の形態１にかかる別のアレイ型半導体レーザ装置の構造を示す断面図本発明の実施の形態１にかかるさらに別のアレイ型半導体レーザ装置の構造を示す断面図本発明の実施の形態１にかかるアレイ型半導体レーザ装置の製造方法を示すフローチャート本発明の実施の形態１にかかるアレイ型半導体レーザ装置の製造方法のフローを示す断面図本発明の実施の形態１にかかるアレイ型半導体レーザ装置の製造方法のフローを示す断面図本発明の実施の形態１にかかるアレイ型半導体レーザ装置の製造方法のフローを示す断面図本発明の実施の形態１にかかるアレイ型半導体レーザ装置の製造方法のフローを示す断面図本発明の実施の形態１にかかるアレイ型半導体レーザ装置の製造方法のフローを示す断面図本発明の実施の形態１にかかるアレイ型半導体レーザ装置の製造方法のフローを示す断面図半導体ウェハから個々のアレイ型半導体レーザ素子を分離するプロセスを示す斜視図半導体ウェハから個々のアレイ型半導体レーザ素子を分離するプロセスを示す斜視図半導体ウェハから個々のアレイ型半導体レーザ素子を分離するプロセスを示す斜視図本発明の実施の形態１にかかるアレイ型半導体レーザ装置の実装状態を示す側面図本発明の実施の形態２にかかるアレイ型半導体レーザ装置の構造を示す断面図本発明の実施の形態２にかかるアレイ型半導体レーザ素子の構造を示す断面図従来のアレイ型半導体レーザ装置の素子構造を示す断面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同じ構成要素には同じ符号を付しており、説明を省略する場合もある。また、図面は、理解しやすくするためにそれぞれの構成要素を主体に模式的に示している。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかるアレイ型半導体レーザ装置２０の構造を示す断面図である。図１に示すように本実施の形態１のアレイ型半導体レーザ装置２０は、基板２１と、基板２１の上に形成されたｎ型クラッド層２２および活性層２３と、活性層２３をｎ型クラッド層２２と共に挟むｐ型クラッド層２４と、を有する。そして、本実施の形態１のアレイ型半導体レーザ装置２０は、ｐ型クラッド層２４の上に形成された、活性領域２５の上部だけストライプ状の開口部２６を有する電流狭窄膜２７と、ストライプ状の金属バーからなる放熱部２８と、を有している。ここで、ストライプ状の金属バーからなる放熱部２８は、電流狭窄膜２７の開口部２６および活性領域２５の上部および下部の少なくともいずれかに配置されている。そして、本実施の形態１のアレイ型半導体レーザ装置２０は、隣接する複数のエミッタ２９からレーザ光を出射する構成としている。

この構成により、活性領域２５近傍で注入電流３０と抵抗により生じたジュール熱は、熱伝導性のよい金属バーからなる放熱部２８が、近傍に配置されているので、この放熱部２８によりｐ型電極３１および半田接合層３２を介してヒートシンク３３に放熱される。これにより、それぞれの活性領域２５近傍からの放熱を効率よく行えるので、特性の安定性や均一性および高い信頼性が確保できる高出力のアレイ型半導体レーザ装置２０が実現できる。

次に本実施の形態１のアレイ型半導体レーザ装置２０の基本的な動作について説明する。図１に示すように、アレイ型半導体レーザ素子３４は、半田接合層３２を介してヒートシンク３３に接続されている。なお、アレイ型半導体レーザ素子３４は、１００μｍ程度の厚みの基板２１に数μｍの活性層２３を含む結晶成長層を積層しているため、一般的に活性層２３近傍で発生した熱の放熱を考慮して、結晶成長層を下側に基板２１を上側にしてヒートシンク３３に接続されている。

アレイ型半導体レーザ装置２０は、活性領域２５に注入電流３０を注入し、この電流３０を構成する電子と正孔とが活性層２３中で再結合しレーザ光が発生する。発生したレーザ光は、ストライプ状の放熱部２８に沿ったレーザ共振器の軸方向に伝播し、活性層２３中に蓄積されたゲイン媒質に増幅されて出力が増大する。電流３０は、金属などで形成されたパッケージ（図示せず）から図１に示すヒートシンク３３を介して注入される。この電流３０は、半田接合層３２を通過し、ｐ型電極３１、ｐ型キャップ層３６および金属バーからなる放熱部２８から、開口部２６を介して活性領域２５および活性層２３に注入される。ここで、ｐ型クラッド層２４の中に絶縁膜からなる電流狭窄膜を設けて、電流３０を阻止すると共に活性領域２５の近傍にストライプ状の開口部２６を設けて、開口部２６からレーザ共振器の軸方向に沿って、電流３０を集中して流している。これにより、所定の光出力を得るのに必要な動作電流が抑制でき、低電流動作が可能となる。その結果、電流３０による発熱も抑制できる。

注入された電流３０の一部は、レーザ光に変換され、その残りは、ｎ型クラッド層２２およびｎ型電極３７を通って、ｎ型電極３７に接続された、例えば金ワイヤ（図示せず）を介してパッケージの電極に流れていく。この時に、活性層２３およびこれを挟むｐ型クラッド層２４およびｎ型クラッド層の抵抗成分によりジュール熱が発生する。この熱が蓄積されると活性領域２５の温度が上昇し、その結果、アレイ型半導体レーザ装置２０のしきい値が上昇するため、所定の光出力を維持しようとすると動作電流が上昇する。しかしながら、本実施の形態１のアレイ型半導体レーザ装置２０には、このジュール熱を速やかにヒートシンク３３に逃がすストライプ状の金属バーからなる放熱部２８が配置されているので、活性領域２５の温度上昇が抑えられ、動作温度の上昇が抑制される。この構成により、それぞれの活性領域２５近傍からの放熱を効率よく行えるので、アレイ型半導体レーザ素子３４の素子特性の安定性や均一性および高い信頼性が確保できる。したがって、レーザ特性のそろった高信頼性で高出力のアレイ型半導体レーザ装置を実現できる。

図２は、本発明の実施の形態１にかかる別のアレイ型半導体レーザ装置４０の構造を示す断面図である。図２のアレイ型半導体レーザ装置４０は、図１に示すアレイ型半導体レーザ装置２０の構造に加えて、基板２１を貫通する放熱部４１をさらに備えているところが異なる。

すなわち、図２に示すアレイ型半導体レーザ装置４０は、基板２１と、ｎ型クラッド層２２および活性層２３と、ｐ型クラッド層２４と、ストライプ状の開口部２６を有する電流狭窄膜２７と、ストライプ状の金属バーからなる放熱部２８と、を有し、隣接する複数のエミッタ２９からレーザ光を出射する構成としている。そして、アレイ型半導体レーザ装置４０は、この構成に加えて、別の放熱部４１が、活性層２３に垂直な方向に基板２１を貫通して形成された構成としてもよい。

この構成により、活性領域２５近傍の熱をヒートシンク３３に近い放熱部２８から逃がすだけではなく、基板２１側の放熱部４１からも逃がすことができる。これにより、それぞれの活性領域２５近傍からの放熱をさらに効率よく行える。したがって、アレイ型半導体レーザ素子３４の素子特性の安定性や均一性および高い信頼性が確保できる。

図３は、本発明の実施の形態１にかかるさらに別のアレイ型半導体レーザ装置５０の構造を示す断面図である。図３のアレイ型半導体レーザ装置５０は、図１に示すアレイ型半導体レーザ装置２０の構造に加えて、複数のエミッタ２９の間に、分離溝５１と、分離溝５１を金属で埋める埋め込み部５２と、をさらに有しているところが異なる。

すなわち、図３に示すアレイ型半導体レーザ装置５０は、基板２１と、ｎ型クラッド層２２および活性層２３と、ｐ型クラッド層２４と、ストライプ状の開口部２６を有する電流狭窄膜２７と、ストライプ状の金属バーからなる放熱部２８と、を有し、隣接する複数のエミッタ２９からレーザ光を出射する構成としている。そして、アレイ型半導体レーザ装置５０は、この構成に加えて、複数のエミッタ２９の間に、活性層２３に垂直な方向に活性層２３を貫通して形成された分離溝５１と、分離溝５１を金属で埋める埋め込み部５２と、をさらに有する構成としてもよい。

この構成により、活性領域２５近傍の熱をヒートシンク３３に近い放熱部２８から逃がすだけではなく、それぞれの活性領域２５近傍からの放熱を活性層２３に沿った、矢印５３の方向に行い、埋め込み部５２の金属を介して、矢印５４の方向に放熱してヒートシンク３３に逃がす。これにより、放熱がさらに効率よく行え、かつ、隣接する活性領域２５間の温度上昇の差を低減することができる。したがって、アレイ型半導体レーザ素子３４の素子特性の安定性や均一性および高い信頼性がさらに確保できる。

次に本実施の形態１のアレイ型半導体レーザ装置２０の製造方法について説明する。図４は、本発明の実施の形態１にかかるアレイ型半導体レーザ装置２０の製造方法を示すフローチャートである。

図４に示すように、本実施の形態１のアレイ型半導体レーザ装置２０の製造方法は、ＤＨ（ＤｏｕｂｌｅＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造形成ステップＳ１０と、電流ストライプ形成ステップＳ１１と、キャップ層形成ステップＳ１２と、放熱部形成ステップＳ１３と、を備え、隣接する複数のエミッタ２９からレーザ光を出射する方法からなる。ここで、ＤＨ構造形成ステップＳ１０は、基板２１の上に活性層２３および活性層２３を挟むｎ型クラッド層２２とｐ型クラッド層２４を形成するダブルへテロ構造を形成するステップである。電流ストライプ形成ステップＳ１１は、ダブルへテロ構造の上に電流狭窄膜２７を形成した後に、活性領域２５の上部だけストライプ状の開口部２６を形成するステップである。キャップ層形成ステップＳ１２は、ダブルへテロ構造および電流狭窄膜２７の上にｐ型キャップ層３６を形成するステップである。放熱部形成ステップＳ１３は、電流狭窄膜２７の開口部２６および活性領域２５の上部および下部の少なくともいずれかにストライプ状の金属バーからなる放熱部２８を形成するステップである。

この方法により、活性領域２５近傍で注入電流３０と抵抗により生じたジュール熱は、熱伝導性のよい金属バーからなる放熱部２８が、近傍に配置されているので、この放熱部２８によりｐ型電極３１および半田接合層３２を介してヒートシンク３３に放熱される。これにより、それぞれの活性領域２５近傍からの放熱を効率よく行えるので、特性の安定性や均一性および高い信頼性が確保できる高出力のアレイ型半導体レーザ装置２０が実現できる。

また、本実施の形態１のアレイ型半導体レーザ装置２０の製造方法は、複数のエミッタ２９の間に、活性層２３に垂直な方向に活性層２３を貫通して分離溝５１を形成する分離溝形成ステップＳ１４と、分離溝５１を金属で埋める埋め込みステップＳ１５と、をさらに備えた方法としてもよい。

この方法により、図３に示すように活性領域２５近傍の熱をヒートシンク３３に近い放熱部２８から逃がすだけではなく、それぞれの活性領域２５近傍からの放熱を活性層２３に沿った、矢印５３の方向に行い、埋め込み部５２の金属を介して、矢印５４の方向に放熱してヒートシンク３３に逃がす。これにより、放熱がさらに効率よく行え、かつ、隣接する活性領域２５間の温度上昇の差を低減することができる。したがって、アレイ型半導体レーザ素子３４の素子特性の安定性や均一性および高い信頼性がさらに確保できる。

次に本実施の形態１のアレイ型半導体レーザ装置２０の製造方法について具体的に説明する。図５から図１０は、本発明の実施の形態１にかかるアレイ型半導体レーザ装置２０の製造方法のフローを示す断面図である。図５に示すようにｎ型ＧａＡｓの化合物半導体からなる基板２１上に厚さ１．５μｍのｎ型ＩｎＧａＰからなるｎ型クラッド層２２、単一量子井戸構造からなる活性層２３および厚さ１．５μｍのｐ型ＩｎＧａＰからなるｐ型クラッド層２４を、例えばＭＯＣＶＤ法を用いてエピタキシャル成長により形成する（ＤＨ構造形成ステップＳ１０）。ここで、活性層２３は、ノンドープＧａＡｓ層を単一量子井戸層とし、この両側をＩｎＧａＡｓ層で挟みバリア層とした構成としている。

次に図６に示すように、隣接する複数のエミッタ２９から放出されるレーザ光が共振器内を伝播する時に、アレイ型半導体レーザ素子３４内で隣接して伝播するレーザ光のクロストークを防止するために、分離溝５１がドライエッチング法などにより形成される。本発明では、隣接する活性領域２５間の熱的な干渉を防止するために、活性層２３を分離しｎ型クラッド層２２に到達する深い溝が形成される。その後、図７に示すように厚さ０．１μｍの絶縁層または高抵抗層である電流狭窄膜２７を形成する。そして、図８に示すように電流狭窄膜２７の一部をストライプ状にエッチングして開口部２６を形成し、注入電流３０が印加できる経路を矢印５５に沿って形成する（電流ストライプ形成ステップＳ１１）。その後、厚さ０．５μｍのｐ型キャップ層３６を成長させる（キャップ層形成ステップＳ１２）。このｐ型キャップ層は、ｐ型ＧａＡｓ層のみで構成してもよく、ｐ型ＩｎＧａＰ層とｐ型ＧａＡｓ層の２層構造としてもよい。

その後、ｐ型キャップ層３６の、開口部２６の上部およびその近傍にエッチングにより凹部５６を形成した後に、金などの熱伝導のよい金属膜をスパッタ法などにより全面に形成し、ｐ型電極３１とする。この時に、隣接するエミッタ２９間に形成された分離溝５１を埋め込むように金属膜を５μｍ程度の厚さまで形成し、ｐ型電極３１と共に開口部２６の近傍の放熱部２８および分離溝５１を埋め込む放熱部４１を形成する（放熱部形成ステップＳ１３）。上述のように、予め分離溝５１となる部分および開口部２６の近傍の放熱部となる部分を先に形成し、ｐ型電極３１を形成するときに同じ金属を同時に埋め込むと放熱部形成ステップＳ１３だけでなく、同時に分離溝形成ステップＳ１４および埋め込みステップＳ１５が実施できる。これにより、アレイ型半導体レーザ装置を製造する工程が簡単になり、製造コストを低減することができる。なお、必要に応じてｐ型電極３１の表面３１ａを研磨等による平坦化処理を行う。場合によっては、各エミッタ２９の電流印加用の端子部と分離溝５１の埋め込み部を除く部位に関しては、リフトオフ法などを用いて金めっきを行っためっき膜の電極部を除去してもよい。

最後にアレイ型半導体レーザ素子のウェハを上下反転させて、スパッタ法やめっき処理により、基板２１の裏面２１ａの全面を金などの金属膜で覆い、ｎ型電極３７を形成する。

図１１から図１３は、アレイ型半導体レーザ素子３４をマトリックス状に形成した半導体ウェハから個々のアレイ型半導体レーザ素子３４を分離するプロセスを示す斜視図である。図１４は、本発明の実施の形態１にかかるアレイ型半導体レーザ装置２０の実装状態を示す側面図である。

図１１に示すように、ＭＯＣＶＤ法などの結晶成長やスパッタ法などの金属膜形成などを行った後に、半導体ウェハ５７は直方体形状に加工される。そして、半導体ウェハ５７は、矢印５８に沿ったストライプ方向と直行する方向に所望の長さＬで割断される。この割断は、化合物半導体基板のへき開性を利用して行われ、レーザバー６２が切り出される。この長さＬが、アレイ型半導体レーザ素子３４の共振器長となり、へき開により割断された端面５９が共振器を構成するミラー面となる。なお、ここで共振器長は１ｍｍとしている。

次に図１２に示すように、レーザバー６２の共振器を構成する２つの端面５９に高反射率膜６０と低反射率膜６１とを形成する。この高反射率膜６０と低反射率膜６１は、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３などの酸化膜やアモルファスＳｉなどのアモルファス膜を用いた誘電体多層膜で構成され、膜の材料（誘電体の屈折率）や厚さ、積層数などを設計して所望の反射率となるように制御されている。ここでは、高反射率膜６０と低反射率膜６１の反射率は、それぞれ９０％、１０％としている。その後、図１３に示すように、必要な数のエミッタ２９を含むように、ストライプ方向への割断を分離溝５１の中心近傍を通るように行い、アレイ型半導体レーザ素子３４を切り出す。

切り出されたアレイ型半導体レーザ素子３４は、ｐ型電極３１をＡｕＳｎ系合金やＩｎ系合金の半田接合層３２により、例えばＣｕＷ材料で形成されたサブマウントや熱伝導率のよい銅などの金属からなるヒートシンク３３に電気的に接続される。さらに、アレイ型半導体レーザ素子３４は、金などの金属性のワイヤ６３やリボンなどを用いてｎ型電極３７が接地電極６４に接続され接地される。

このように組み立てられたアレイ型半導体レーザ装置５０は、接地電極６４から注入電流３０がアレイ型半導体レーザ素子３４に注入されることで、活性領域２５に電流が注入され、隣接する複数のエミッタ２９からレーザ光が出射される。

（実施の形態２）
図１５は、本発明の実施の形態２にかかるアレイ型半導体レーザ装置７０の構造を示す断面図である。図１６は、本発明の実施の形態２にかかるアレイ型半導体レーザ素子７１の構造を示す断面図である。本実施の形態２のアレイ型半導体レーザ装置７０が、実施の形態１と異なるのは、予め基板２１上に段差７２を設け、この段差７２が形成された基板２１上にアレイ型半導体レーザ装置の構造を形成しているところである。

図１５に示すように本実施の形態２のアレイ型半導体レーザ装置７０は、段差７２が形成された基板２１上に、基板２１の上に形成されたｎ型クラッド層２２および活性層２３と、活性層２３をｎ型クラッド層２２と共に挟むｐ型クラッド層２４と、を有している。そして、本実施の形態２のアレイ型半導体レーザ装置７０は、活性領域２５の上部だけストライプ状の開口部２６を有する電流狭窄膜２７と、電流狭窄膜２７の開口部２６および活性領域２５の上部および下部の少なくともいずれかにストライプ状の金属バーからなる放熱部２８と、を有している。そして、本実施の形態２のアレイ型半導体レーザ装置７０は、隣接する複数のエミッタ２９の、活性層２３を含む積層方向の位置を交互にオフセットさせて、複数のエミッタ２９からレーザ光を出射する構成としている。

この構成により、実施の形態１のアレイ型半導体レーザ装置２０、４０、５０と同様に活性領域２５近傍で注入電流３０と抵抗により生じたジュール熱は、熱伝導性のよい金属バーからなる放熱部２８が、近傍に配置されているので、この放熱部２８によりｐ型電極３１および半田接合層３２を介してヒートシンク３３に放熱される。また、隣接する複数の活性領域２５は積層方向の位置が交互にオフセットしているので活性領域２５間の熱的干渉を大幅に低減できる。これにより、それぞれの活性領域２５近傍からの放熱を効率よく行えるので、特性の安定性や均一性および高い信頼性が確保できる高出力のアレイ型半導体レーザ装置７０が実現できる。

すなわち、基板２１に予め段差７２を設けるだけで、例えばＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法などの結晶性長法でアレイ型レーザ構造を形成すると積層される結晶成長層は、図１５、図１６に示すように段差７２の形状のパターンでそれぞれの層が形成される。したがって、活性層２３も段差７２の形状のパターンで形成されるので、隣接する複数の活性領域２５は、積層方向において位置が交互にオフセットされる。その結果、レーザ動作を行い、活性領域２５の近傍で熱が発生しても、段差７２のない構造に比べて隣接する複数の活性領域２５は互いに離れており、熱が伝わる部分の積層構造も複雑なため熱的な干渉を大幅に低減できる。

また、実施の形態１と同様に、放熱部２８以外の放熱部（図示せず）は、活性層２３に垂直な方向に基板２１を貫通して形成された構成としてもよい。この構成により、それぞれの活性領域２５近傍からの放熱をさらに効率よく行える。

また、複数のエミッタ２９の間に、活性層２３に垂直な方向に活性層２３を貫通して形成された分離溝（図示せず）と、分離溝を金属で埋める埋め込み部（図示せず）と、をさらに有する構成としてもよい。この構成により、それぞれの活性領域２５近傍からの放熱をさらに効率よく行え、かつ、隣接する活性領域２５間の温度上昇の差を低減することができる。

ところで、図１６に示すアレイ型半導体レーザ素子７１は、平坦な基板２１の代わりに段差７２を有する基板２１を用いて、図４に示すフローチャートで製造することができる。

したがって、本実施の形態２のアレイ型半導体レーザ装置７０の製造方法は、ＤＨ構造形成ステップＳ１０と、電流ストライプ形成ステップＳ１１と、キャップ層形成ステップＳ１２と、放熱部形成ステップＳ１３と、を備え、隣接する複数のエミッタ２９の、活性層２３を含む積層方向の位置を交互にオフセットさせて、複数のエミッタ２９からレーザ光を出射する方法からなる。ここで、ＤＨ構造形成ステップＳ１０は、段差７２が形成された基板２１の上に活性層２３および活性層２３を挟むｎ型クラッド層２２とｐ型クラッド層２４を形成するダブルへテロ構造を形成するステップである。電流ストライプ形成ステップＳ１１は、ダブルへテロ構造の上に電流狭窄膜２７を形成した後に、活性領域２５の上部だけストライプ状の開口部２６を形成するステップである。キャップ層形成ステップＳ１２は、ダブルへテロ構造および電流狭窄膜２７の上にｐ型キャップ層３６を形成するステップである。放熱部形成ステップＳ１３は、電流狭窄膜２７の開口部２６および活性領域２５の上部および下部の少なくともいずれかにストライプ状の金属バーからなる放熱部２８を形成するステップである。

この方法により、それぞれの活性領域２５近傍からの放熱を効率よく行え、かつ、隣接する活性領域２５間の熱的干渉を大幅に低減できるので、特性の安定性や均一性および高い信頼性が確保できる高出力のアレイ型半導体レーザ装置７０を実現できる。

なお、基板２１に段差７２を形成するためには、基板２１に例えば、レジストを塗布した後にストライプ状の開口を開け、例えばＨ_２ＳＯ_４：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏ系のエッチング液でウェットエッチングを行うことで形成できる。

また、実施の形態１と同様に、放熱部２８以外の放熱部（図示せず）は、活性層２３に垂直な方向に基板２１を貫通して形成された方法としてもよい。この方法により、それぞれの活性領域２５近傍からの放熱をさらに効率よく行える。

また、複数のエミッタ２９の間に、活性層２３に垂直な方向に活性層２３を貫通して形成された分離溝（図示せず）と、分離溝を金属で埋める埋め込み部（図示せず）と、をさらに有する方法としてもよい。この方法により、それぞれの活性領域２５近傍からの放熱をさらに効率よく行え、かつ、隣接する活性領域２５間の温度上昇の差を低減することができる。

本発明のアレイ型半導体レーザ装置およびその製造方法によれば、それぞれの活性領域近傍からの放熱を効率よく行えるので、特性の安定性や均一性および高い信頼性が確保できる高出力のアレイ型半導体レーザ装置およびその製造方法を実現でき、有用である。

２０，４０，５０，７０アレイ型半導体レーザ装置
２１基板
２２ｎ型クラッド層
２３活性層
２４ｐ型クラッド層
２５活性領域
２６開口部
２７電流狭窄膜
２８，４１放熱部
２９エミッタ
３０注入電流
３１ｐ型電極
３２半田接合層
３３ヒートシンク
３４，７１アレイ型半導体レーザ素子
３６ｐ型キャップ層
３７ｎ型電極
５１分離溝
５２埋め込み部
５３，５４，５５，５８矢印
５６凹部
５７半導体ウェハ
５９端面
６０高反射率膜
６１低反射率膜
６２レーザバー
６３ワイヤ
６４接地電極
７２段差

Claims

基板と、
前記基板の上に形成されたｎ型クラッド層および活性層と、
前記活性層を前記ｎ型クラッド層と共に挟むｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層の上に形成された、活性領域の上部だけストライプ状の開口部を有する電流狭窄膜と、
前記電流狭窄膜の前記開口部および前記活性領域の上部および下部の少なくともいずれかにストライプ状の金属バーからなる放熱部と、を有し、
隣接する複数のエミッタからレーザ光を出射するアレイ型半導体レーザ装置。
前記複数のエミッタの間に、前記活性層に垂直な方向に前記活性層を貫通して形成された分離溝と、
前記分離溝を金属で埋める埋め込み部と、をさらに有する請求項１に記載のアレイ型半導体レーザ装置。
基板の上に活性層および前記活性層を挟むｎ型クラッド層とｐ型クラッド層を形成するダブルへテロ構造を形成するＤＨ構造形成ステップと、
前記ダブルへテロ構造の上に電流狭窄膜を形成した後に、活性領域の上部だけストライプ状の開口部を形成する電流ストライプ形成ステップと、
前記ダブルへテロ構造および前記電流狭窄膜の上にキャップ層を形成するキャップ層形成ステップと、
前記電流狭窄膜の前記開口部および前記活性領域の上部および下部の少なくともいずれかにストライプ状の金属バーからなる放熱部を形成する放熱部形成ステップと、を備え、
隣接する複数のエミッタからレーザ光を出射するアレイ型半導体レーザ装置の製造方法。
前記複数のエミッタの間に、前記活性層に垂直な方向に前記活性層を貫通して分離溝を形成する分離溝形成ステップと、
前記分離溝を金属で埋める埋め込みステップと、をさらに備えた請求項３に記載のアレイ型半導体レーザ装置の製造方法。