JP2013191684A

JP2013191684A - 半導体レーザ素子

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Publication number: JP2013191684A
Application number: JP2012056085A
Authority: JP
Inventors: Shingo Tanisaka; 真吾谷坂; Atsuo Michigami; 敦生道上
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2013-09-26
Anticipated expiration: 2032-03-13
Also published as: JP5862380B2

Abstract

【課題】半導体レーザ素子を小型化しても光出力の高い半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る半導体レーザ素子は、基板と、基板上に形成されると共に３以上の側面を有する半導体構造と、を備えている。半導体構造の一側面には、半導体構造で生じた光を他の側面に反射させる反射面と、半導体構造で生じた光を出射させる出射面と、を有する溝が設けられている。そして、半導体構造で生じた光は、反射面と、溝が設けられていない２以上の側面と、出射面と、を結ぶ領域で共振する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子に関する。

従来の半導体レーザ素子は、出射端面と、出射端面に対して反対側に設けられた反射端面と、を有する。半導体レーザ素子内で生じた光は、両端面の間で共振され、出射端面からレーザ光が出射される。（例えば、特許文献１参照）

平０８−３３０６２８号

しかしながら、従来の半導体レーザ素子は、そのサイズを小さく設計すると、反射端面から出射端面までの距離（以下「共振器長」ともいう）も必然的に短くなってしまう。このため、素子サイズの小さな半導体レーザ素子では、素子内で生じた光を共振させても十分に増幅することができず、高出力の半導体レーザ素子を得ることが難しいという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、素子サイズが小さいにもかかわらず光出力の高い半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

一態様に係る半導体レーザ素子は、基板と、基板上に形成されると共に３以上の側面を有する半導体構造と、を備えている。半導体構造の一側面には、半導体構造で生じた光を他の側面に反射させる反射面と、半導体構造で生じた光を出射させる出射面と、を有する溝が設けられている。そして、半導体構造で生じた光は、反射面と、溝が設けられていない２以上の側面と、出射面と、を結ぶ領域で共振する。

一態様に係る半導体レーザ素子は、基板と、基板上に形成されると共に３以上の側面を有する半導体構造と、を備えている。半導体構造の一側面には、半導体構造で生じた光を他の側面に反射させる反射面を有する反射側溝が設けられ、半導体構造の他の一側面には、半導体構造で生じた光を出射させる出射面を有する出射側溝が設けられている。そして、半導体構造で生じた光は、反射面と、反射側溝も出射側溝も設けられていない１以上の側面と、出射面と、を結ぶ領域で共振する。

本発明によれば、半導体レーザ素子を小型化しても光出力の高い半導体レーザ素子を提供することができる。

第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の上面図である。第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の断面図である。（ａ）は図１のＡ−Ａの断面図である。（ｂ）は図１のＢ−Ｂの断面図である。第１の実施形態の変形例に係る半導体レーザ素子の上面図である。第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の上面図である。第２の実施形態の変形例に係る半導体レーザ素子の上面図である。本発明の半導体レーザ素子を得るための劈開方向を示す上面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体レーザ素子を実施するための形態について説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明を以下に限定するものではない。また、各図面が示す部材の位置や大きさ等は、説明を明確にするため誇張していることがある。同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、重複した説明は省略する。
（第１の実施形態）

図１に、第１の実施形態に係る半導体レーザ素子１００の上面図を示す。図２に、半導体レーザ素子１００の断面図を示す。図２（ａ）は図１のＡ−Ａの断面図であり、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂの断面図である。また、図３に、第１の実施形態の変形例の上面図を示す。

図１に示すように、半導体レーザ素子１００は、基板１０と、基板１０上に形成されると共に３以上の側面３０（３０ａ〜ｆ）を有する半導体構造２０と、を備えている。半導体構造２０の一側面３０ａには、半導体構造２０で生じた光を他の側面３０ｂに反射させる反射面５０と、半導体構造２０で生じた光を出射させる出射面６０と、を有する溝４０が設けられている。そして、半導体構造２０で生じた光は、反射面５０と、溝４０が設けられていない２以上の側面３０ｂ〜ｆと、出射面６０と、を結ぶ領域で共振する。

これにより、素子のサイズを小さくしても、高出力の半導体レーザ素子１００を得ることができる。

つまり、反射面と出射面とが互いに反対側に設けられた従来の半導体レーザ素子は、反射面と出射面とを直線で結ぶ距離が共振器長となり、素子サイズが小さくなる分だけ共振器長が短くなってしまう。これに対して、半導体レーザ素子１００では、反射面５０と出射面６０との間を共振する光が、溝４０が設けられていない２以上の側面３０ｂ〜ｆを経由するため、反射面と出射面との間の直線上を共振する従来技術に比べて、共振器長を長くすることができる。これにより、素子サイズを小さくしても、十分長い共振器長を形成することができ、高出力のレーザ光を出射させることができる。

基板１０は、後述する半導体構造２０を積層させるためのものである。基板１０は、基板１０を劈開により分割できるように劈開面を有する材料であることが好ましい。例えば、六方晶の結晶構造を有する窒化物半導体が挙げられる。

基板１０の上面（つまり、半導体構造２０を積層させる面）は、ｃ面であることが好ましい。これにより、基板１０の側面３０をｍ面で構成することができる。基板１０をｍ面に沿って劈開すると劈開不良が生じにくいため、基板１０の側面を劈開で形成したｍ面で構成することにより、量産性に優れる半導体レーザ素子を得ることができる。

図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、基板１０上には半導体構造２０が設けられている。半導体構造２０は、基板側から第１半導体層２１、活性層２２、第２半導体層２３の順に積層された積層体である。半導体構造２０は、ｐ型半導体である第１半導体層２１とｎ型半導体である第２半導体層２３から移動した電子や正孔が活性層２２で再結合することで発光する。半導体構造２０で生じた光は、その平面内で共振することにより、最終的には、半導体構造２０の出射面６０から外部に放出される。半導体構造２０の材料は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる窒化物半導体などが挙げられる。窒化物半導体であれば、後述するように半導体構造２０の側面３０にｍ面を形成することができる。

半導体構造２０は、３以上の側面３０を有しており、図１では６つの側面３０ａ〜ｆを有する。半導体構造２０の側面３０ａ〜ｆは、半導体構造２０の積層方向に沿って形成される。また、半導体構造２０の側面３０ａ〜ｆは、エッチングによって形成されるのが好ましい。これにより、半導体構造２０の側面３０ａ〜ｆを同時に形成することができ、劈開で半導体構造２０の各側面３０ａ〜ｆを一面ずつ形成する場合に比べて生産性が向上する。なお、半導体構造２０の側面３０ａ〜ｆを形成するためのエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングのどちらでもよい。

図２（ａ）又は（ｂ）に示すように、半導体構造２０の側面３０は、第２半導体層２３の上面から第１半導体層２１の下面までが連続して露出することにより形成されている。但し、例えば、第２半導体層２３の上面から第１半導体層２１の途中（第１半導体層２１の上面と下面との間）まで、又は、第２半導体層２３の上面から基板１０の途中まで露出させて、側面３０としても良い。

また、図１に示すように上方から見て半導体構造２０の側面３０ａ〜ｆで正六角形が形成される場合、半導体構造２０の側面３０ａ〜ｆがｍ面であることが好ましい。側面３０ａ〜ｆを安定なｍ面とすることで、より平坦な側面３０ａ〜ｆを得ることができるからである。

また、上方から見て、半導体構造２０の外縁を、基板１０の外縁よりも内側に設けることができる（図１参照）。これにより、基板１０を劈開する際に半導体構造２０の側面３０にダメージが発生するのを抑制することができる。

図１に基づいて、光の共振について説明する。半導体構造２０で生じた光は、側面３０ａの溝４０に設けられた反射面５０で、側面３０ａと隣接する他の側面３０ｂに向かって反射される。そして、側面３０ｂに到達した光は、側面３０ｂと隣接する側面３０ｃに向かって反射される。このように隣接する側面で順番に反射されていき、最終的に反射面５０を有する側面３０ａを除く側面３０ｂ〜ｆで反射された後、側面３０ａの溝４０に設けられた出射面６０で今度は逆方向に再度反射される。そして、これが繰り返されることで光が増幅して最終的には出射面６０からレーザ光が出射する。つまり、半導体構造２０で生じた光は、図１の矢印に示すように半導体構造２０の側面で構成される正六角形とは６０度傾いた正六角形の経路を共振する。このような経路で共振するために、反射面５０及び出射面６０は、溝４０が設けられる側面３０ａと平行ではなく、互いに異なる面に配置することが好ましい。

例えば、図１に示すように、上方から見た溝４０の形状を２面からなる切欠き（V字）にして、溝４０の一方の側面を反射面５０、溝４０の他方の側面を出射面６０とし、共に光の経路に対して垂直をなすように形成すれば、上記のとおり効率よく光を導波させることができる。

溝４０は、エッチングで形成されるのが好ましい。これにより、任意の形状で溝４０を形成することができる。工程数を削減するために、溝４０及び半導体構造２０の側面３０ａ〜ｆを同時に形成してもよい。

溝４０に設けられる反射面５０には、図２（ｂ）に示すように、半導体構造２０で生じた光を反射面５０で確実に他の側面３０ｂに向かって反射させるために、反射膜８０を設けることができる。反射膜８０の材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２等の酸化物、又は、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＢＮ、ＳｉＮ等の窒化物が挙げられ、これらの２種類以上の組合せによって誘電体多層膜とすることもできる。

溝４０に設けられる出射面６０には、反射膜８０よりも低い所定の反射率を有する保護膜を設けることができる。保護膜としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２等の酸化物、又は、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＢＮ、ＳｉＮ等の窒化物が挙げられ、これらの２種類以上の組合せによって誘電体多層膜とすることもできる。

図１及び図２（ｂ）に示すように、半導体構造２０の上部には、リッジ７０を設けることもできる（すなわち、第２半導体層の上側の一部をリッジとすることもできる）。リッジ７０は、半導体構造２０で生じた光が反射面５０から出射面６０までに共振する領域に対応して設けられており、これにより横方向（半導体構造２０平面方向）の光閉じ込め及びキャリア閉じ込めを向上させることができる。具体的には、図１に示すように、半導体構造２０で生じた光は上面視で正六角形の経路で共振するため、リッジ７０の上面視の形状はこの光の共振経路に対応した正六角形とすることができる。

また、図１に示すように、正六角形のリッジ７０の外周側の角部は、主な光路となるリッジの幅の中心が側面３０と一致するように形成することができる。これにより、半導体構造２０の側面３０で反射された光をリッジ７０形成領域から逸らせることなく導波させることができる。

なお、図示していないが、第２半導体層２３上面にｐ電極を設け、基板１０の下面にｎ電極を設けることができる。これにより、ｐ電極及びｎ電極を半導体構造上に配置する場合と比較して、素子のサイズを小さくすることができ、ウエハ１０００からの半導体レーザ素子の取れ数が増加する。

側面３０ｂ〜ｆには、半導体構造２０で生じた光を反射させるために反射膜（図示なし）を設けることができる。これにより、半導体構造２０で生じる光が半導体構造２０の側面３０ｂ〜ｆから外部に漏れることなく半導体構造２０内へ反射するため、光損失を抑制することができる。この反射膜の材料は、反射面５０に設けられる反射膜８０と同一であることが好ましい。これにより、半導体構造２０の側面３０ｂ〜ｆ及び反射面５０に反射膜を同時に形成することができ、生産性を向上させることができる。

図６に示すように、基板１０上に半導体構造２０が複数配置されたウエハ１０００を３方向（図６に示す点線）に劈開することで、正六角形の半導体レーザ素子１００を得ることができる。この３方向の劈開は、ｍ面に沿って行うのが好ましい。これにより、劈開時の歩留まりを向上させることができる。また、図６の点線に示す３方向のうち２方向のみを劈開することで、半導体構造２０が正六角形であり、基板の最外縁が平行四辺形である半導体レーザ素子を得ることもできる。これにより、少ない回数の劈開により素子化することができ、生産性を向上させることができる。なお、図６では、説明を簡単にするため、溝４０、リッジ７０及び反射膜８０を省略してある。

第１の実施形態に係る半導体レーザ素子１００は、図３に示すような変形例にすることができる。すなわち、図３（ａ）のように、半導体構造２０が上面視で正六角形であることは図１に示す半導体レーザ素子１００と同じであるが、溝４０の反射面５０及び出射面６０を所定の傾斜角度にすることで、反射面５０と出射面６０との間を光が共振する際に、溝４０が設けられる側面ａから一面飛ばしで側面ｃ及び側面ｅを経由しても良い。また、図３（ｂ）のように、半導体構造２０の上面視の形状を正三角形にして、側面３０ｇに設けられる反射面５０と出射面６０との間を光が共振する際に、側面３０ｇ及び３０ｉを経由しても良い。半導体構造２０の上面視の形状は、正ｎ角形（ｎ≧３）であれば良いが、特に正六角形又は正三角形とすれば、全ての側面をｍ面とすることができ、平坦な側面を形成することができる。
（第２の実施形態）

以下、第２の実施形態に係る半導体レーザ素子２００について、図４及び図５を参照にしながら説明する。図４は、半導体レーザ素子２００の上面図である。図５は、その変形例の上面図である。

図４に示す半導体レーザ素子２００は、反射面５０及び出射面６０が同一の側面３０ａに設けられている半導体レーザ素子１００とは異なり、反射面５０と出射面６０が異なる側面３０ａ及び３０ｅ（具体的には、側面３０ａの反射側溝４１と側面３０ｅの出射側溝４２）に設けられている。それ以外の構成については、前記した半導体レーザ素子１００と実質的に同様である。

図４に示すように、半導体レーザ素子２００は、基板１０と、基板１０上に形成されると共に３以上の側面３０（３０ａ〜ｆ）を有する半導体構造２０と、を備えている。半導体構造２０の一側面３０ａには、半導体構造２０で生じた光を他の側面３０ｂに反射させる反射面５０を有する反射側溝４１が設けられ、半導体構造２０の他の一側面３０ｅには、前記半導体構造２０で生じた光を出射させる出射面６０を有する出射側溝４２が設けられている。そして、半導体構造２０で生じた光は、反射面５０と、反射側溝４１も出射側溝４２も設けられていない１以上の側面３０ｂ〜ｄと、出射面６０と、を結ぶ領域で共振する。

これにより、共振器長を長くすることができることに加えて、共振器長を所望の長さに調整することができる。この結果、高出力でありながら任意の光出力を得ることができる。

つまり、図４に示すように、反射側溝４１が側面３０ａに設けられ、出射側溝４２が側面３０ｅに設けられると、共振器長は側面３０ｂ〜ｄの３地点を経由する長さとなる。これに対して、図５（ａ）に示すように出射側溝４２が側面３０ｄに設けられると、共振器長は側面３０ｂ及び３０ｃの２地点を経由する長さとなるため、共振器長を短くすることができる。一方、図５（ｂ）に示すように出射側溝４２が側面３０ｆに設けられると、共振器長は側面３０ｂ〜ｅの４地点を経由する長さとなるため、共振器長を長くすることができる。このように出射側溝４２の配置を変更し、反射側溝４１も出射側溝４２も設けられていない側面を経由する回数を変更させることで、半導体レーザ素子が小型の同一サイズであっても共振器長を任意に調整することができる。これにより、レーザ光を所望の出力とすることができる。

半導体レーザ素子２００における半導体構造２０の上面視の形状は、図４に示すように正六角形であると、半導体構造２０の側面３０をｍ面で構成することができるため、平坦な側面３０を得ることができる。また、正三角形としても、半導体構造２０の側面３０をｍ面で構成することができ、正六角形の場合と同様の効果を得ることができるが、正六角形（つまり、より多角形）のほうが共振器長をより細かく調整することができる。なお、半導体レーザ素子２００は、上記した形状に限定されず、上面視の形状を正ｎ角形（ｎ≧３）とすることができる。

また、図４に示す半導体レーザ素子２００は、半導体構造２０の上面視の形状が正六角形であり、反射面５０と出射面６０との間を共振する光が側面３０ｂ〜ｄを経由するが、この変形例として、反射側溝４１の反射面５０及び出射側溝４２の出射面６０を所定の傾斜角度にすることによって側面３０ｃのみ経由することもできる。

１００、２００・・・半導体レーザ素子
１０・・・基板
２０・・・半導体構造
２１・・・第１半導体層
２２・・・活性層
２３・・・第２半導体層
３０、３０ａ〜ｉ・・・側面
４０・・・溝
４１・・・反射側溝
４２・・・出射側溝
５０・・・反射面
６０・・・出射面
７０・・・リッジ
８０・・・反射膜
１０００・・・ウエハ

Claims

基板と、前記基板上に形成されると共に３以上の側面を有する半導体構造と、を備える半導体レーザ素子において、
前記半導体構造の一側面には、前記半導体構造で生じた光を他の側面に反射させる反射面と、前記半導体構造で生じた光を出射させる出射面と、を有する溝が設けられ、
前記半導体構造で生じた光は、前記反射面と、前記溝が設けられていない２以上の側面と、前記出射面と、を結ぶ領域で共振することを特徴とする半導体レーザ素子。
基板と、前記基板上に形成されると共に３以上の側面を有する半導体構造と、を備える半導体レーザ素子において、
前記半導体構造の一側面には、前記半導体構造で生じた光を他の側面に反射させる反射面を有する反射側溝が設けられ、
前記半導体構造の他の一側面には、前記半導体構造で生じた光を出射させる出射面を有する出射側溝が設けられ、
前記半導体構造で生じた光は、前記反射面と、前記反射側溝も前記出射側溝も設けられていない１以上の側面と、前記出射面と、を結ぶ領域で共振することを特徴とする半導体レーザ素子。
前記半導体構造の上部には、リッジが設けられており、
前記リッジは、前記半導体構造で生じた光が前記反射面から前記出射面までに共振する領域に対応して設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
前記半導体構造は、窒化物半導体からなり、
前記半導体構造の３以上の側面は、ｍ面であり、
上方から見て、前記半導体構造の３以上の側面で正三角形又は正六角形が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
前記基板は、窒化物半導体からなり、
前記基板の側面は、劈開により形成されたｍ面であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。