JP2015041688A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも光取り出し効率の高い半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】 半導体レーザ装置は、半導体基板と、半導体基板の基板面のうちの第１面の上層に形成された第１反射鏡と、第１反射鏡の上層に形成された発光部と、発光部の上層に形成された第２反射鏡と、少なくとも底面の一部が第２反射鏡の外縁部の上面に接触すると共に、前記外縁部の内側には接触しないように形成されたコンタクト層と、基板面のうちの第１面とは反対側の第２面に接触して形成された第１電極と、コンタクト層の上層に形成された第２電極を備える。半導体基板は、第２面側に、基板面に直交する方向の厚みの異なる第１凹凸部を有し、第１電極は、第１凹凸部に嵌合する形状の第２凹凸部を有し、第２反射鏡の外縁部の内側領域から、半導体基板の配置位置と反対側の方向へ光が取り出される。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体レーザ装置に関する。

半導体レーザ装置として、近年、基板面に垂直な方向に光を取り出す構成の垂直外部共振器面発光レーザ（Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers：以下、「ＶＥＣＳＥＬ」と略記する。）の開発が進められている（例えば、下記特許文献１、非特許文献１参照）。

図５は、特許文献１や非特許文献１に開示された従来のＶＥＣＳＥＬ構造のレーザ装置の模式的断面図である。従来のレーザ装置９０は、半導体基板４０の上面に、ｎ側多層膜反射鏡１１、発光部１３、及びｐ側多層膜反射鏡１５を備え、発光部１３を一対の反射鏡１１及び１５が半導体基板４０の面に垂直な方向に挟み込む構成である。

また、ｐ側多層膜反射鏡１５の上層には、高濃度のｐ型コンタクト層１７を介してｐ側電極２１が形成されている。一方、発光部１３や一対の反射鏡１１及び１５が形成されていない側において、半導体基板４０の面上にはｎ側電極１９が形成されている。

ｎ側多層膜反射鏡１１、発光部１３、ｐ側多層膜反射鏡１５及びｐ型コンタクト層１７の多層構造体の外側には絶縁層２５が形成されている。この絶縁層２５は、ｐ側電極２１とｎ側電極１９の間にバイアス電圧が印加された際、発光効率を高めるべく発光部１３を含む上記多層構造体の領域に電流を集中させ、その外側の領域に電流を流さないようにするための高抵抗層（電流狭窄層）を構成する。そして、この絶縁層２５の周囲をパッシベーション層２７が覆っている。

半導体基板４０に対して、光取り出し方向ｄ１の向きに離間した位置には、外部出力ミラー３が備えられている。

ｐ側電極２１とｎ側電極１９の間にバイアス電圧を印加することにより、発光部１３に電流が流れて当該領域が発光する。この光は、外部出力ミラー３、ｎ側多層膜反射鏡１１、及びｐ側多層膜反射鏡１５によって形成される共振器で共振され、励起された光がレーザ光５として外部出力ミラー３から放出される。

なお、図５に示すレーザ装置９０は、ｎ側電極１９の形成側がレーザ光５の取り出し面となっているため（取り出し方向ｄ１）、ｎ側電極１９は、光の通路を遮らないような形状となっている。図５のレーザ装置９０は、ｎ側電極１９がドーナツ形状を構成しており、その内側の位置において、半導体基板４０のｎ側電極１９が形成されている側の面上に誘電体層２９が形成されている。誘電体層２９は、共振中の光の損失を抑制するために設けられている。

ｐ型コンタクト層１７は、高濃度（例えば、１×１０^１８／ｃｍ^３以上）の不純物（キャリア）がドープされており、ｐ側電極２１との間のコンタクト抵抗値を下げる役割を果たしている。

ここで、同様に、ｎ側電極１９と半導体基板４０の間の抵抗値を下げるべく、例えば半導体基板４０を高濃度にドープする方法が考えられる。

しかし、一般的に高濃度にドープされた半導体層は、光を多く吸収することが知られている。図５の構成によれば、発光部１３で生成された光は、外部出力ミラー３との間で半導体基板４０内を通過しながら反射を繰り返した後、外部へと取り出される構成である。従って、半導体基板４０を高濃度でドープした場合、発光部１３で生成された光が半導体基板４０内で吸収されてしまい、取り出し効率が低下するという問題がある。

このような点に鑑み、特許文献１や非特許文献１の構成では、半導体基板４０として、不純物濃度の低いＧａＡｓ基板（例えば、５×１０^１６／ｃｍ^３以上、５×１０^１７／ｃｍ^３以下程度）を採用している。

特表２００６−５１１９６６号公報

Gregory T. Niven, et.al. "Laser lighting revolution - Coming soon to a theater near you- ", December 2010, Optik & Photonik No.4, p34〜p37

しかし、半導体基板４０として、このような低濃度のＧａＡｓ基板を用いると、半導体基板４０とｎ側電極１９の間のコンタクト抵抗や、半導体基板４０内の抵抗が大きくなる。このため、駆動時にｐ側電極２１とｎ側電極１９の間にバイアス電圧を印加すると高いジュール熱が発生し、これに起因してレーザ装置９０が大きく昇温する。温度が上昇するとレーザ光５の波長が長波長側にシフトするため、所望の発光波長の光の取り出し効率は低下してしまう。

なお、ｎ側電極１９と半導体基板４０の間の抵抗値を下げるべく、ｎ側電極１９と半導体基板４０の間に高濃度のｎ型コンタクト層を形成する方法も考えられる。しかし、この方法を採用した場合、ｎ側電極１９と半導体基板４０の間のコンタクト抵抗値は低下させられるものの、低濃度の半導体基板４０内を電流が通過することには変わりがないため、素子全体の抵抗を低下させることはできない。よって、高いジュール熱が発生してレーザ光５の波長が長波長側にシフトする点において、上記従来構成と同様の課題を有している。

かかる課題を解決する目的で、図６に示すレーザ装置９１のように、半導体基板４０と反対側から光を取り出す構成も考えられる。このレーザ装置９１は、図５に示すレーザ装置９０と同様に、半導体基板４０の一方の面上には、ｎ側多層膜反射鏡１１、発光部１３及びｐ側多層膜反射鏡１５を下からこの順に積層し、他方の面上にはｎ側電極１９を形成している。そして、一部の底面がｐ側多層膜反射鏡１５の外縁部の上面に接触するようにｐ型コンタクト層１７を形成し、その上層にｐ側電極２１を形成する。また、ｐ側多層膜反射鏡１５の上面のうち、ｐ型コンタクト層１７が形成されていない領域、すなわち中央部の領域には誘電体層２９が形成されている。

図６に示すレーザ装置９１においては、ｐ側電極２１の形成側がレーザ光５の取り出し面となっているため（取り出し方向ｄ２）、ｐ型コンタクト層１７及びｐ側電極２１が光の通路を遮らないよう、いずれもドーナツ形状を構成している。

このような構成としたとき、光の取り出し方向が半導体基板４０とは反対側となるため、レーザ光が半導体基板４０内を通過することがない。このため、半導体基板４０の不純物濃度を高く設定することができ、これによってｎ側電極１９と半導体基板４０の間の抵抗値を下げながらも高い取り出し効率を実現することができるとも思える。

ところで、半導体レーザ装置においては、要求される光出力によっては発光部１３において極めて高い熱が発生することがある。ここで、半導体基板４０の厚みは約１００〜２００μｍであるのに対し、半導体基板４０上に形成された半導体層（１１，１３，１５，１７）及びｐ側電極２１の積層体の厚みは高々約１０〜１０数μｍ程度である。そして、半導体基板４０を構成する材料の熱伝導率は、ｐ側電極２１を構成する材料の熱伝導率に比べてはるかに小さい。このため、高出力レーザを形成する場合においては、ｐ側電極２１側の上面にサブマウント（不図示）を介して排熱する冷却部材が形成されることが通常である。

しかし、図６に示すレーザ装置９１においては、ｐ側電極２１側から光を取り出す構成であるため、ｐ側電極２１側にサブマウントを介して冷却部材を配置すると、光の通過を遮るおそれがある。従って、排熱を行うためには、ｎ側電極１９側にサブマウントを介した冷却部材を配置する必要が生じる。

しかしながら、上述したように、半導体基板４０は半導体層よりも厚みが十分に厚い上に、電極材料よりも熱伝導率が極めて低い。このため、ｎ側電極１９側にサブマウントを設置しても、発光部１３で生じた熱を、厚く形成され、且つ熱伝導率の低い半導体基板４０を通じて排熱しなければならないため、結果的に十分に排熱することができず、駆動時のレーザ装置９１の温度上昇を十分に抑制することができない。この結果、発光波長が長波長側にシフトしてしまい、所望の発光波長の光に関して取り出し効率が低下してしまうという問題が生じる。かかる点から、図６に示すようなレーザ装置９１の構成は、発熱が高い高出力レーザには適用できない。

本発明は、上記の点に鑑み、特に駆動時の発熱が高い高出力レーザに関し、従来よりも光取り出し効率の高い半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

本発明は、
半導体基板と、
前記半導体基板の基板面のうちの第１面の上層に形成された第１反射鏡と、
前記第１反射鏡の上層に形成された発光部と、
前記発光部の上層に形成された第２反射鏡と、
少なくとも底面の一部が前記第２反射鏡の外縁部の上面に接触すると共に、前記外縁部の内側領域には接触しないように形成されたコンタクト層と、
前記基板面のうちの前記第１面とは反対側の第２面に接触して形成された第１電極と、
前記コンタクト層の上層に形成された第２電極を備え、
前記半導体基板は、前記第２面側に、前記基板面に直交する方向の厚みの異なる第１凹凸部を有し、
前記第１電極は、前記第１凹凸部に嵌合する形状の第２凹凸部を有し、
前記第２反射鏡の前記外縁部の内側領域から、前記半導体基板の配置位置と反対側の方向へ光が取り出されることを特徴とする。

上記構成によれば、半導体基板の第１面側に形成されている第２反射鏡の内側領域から半導体基板の配置位置と反対側の方向へ光が取り出される。よって、半導体基板内を光が通過することがないため、半導体基板の不純物濃度を高濃度にしても、半導体基板内で光が吸収されるという問題は生じない。このため、半導体基板と第１電極のコンタクト抵抗を低抵抗化できる。

また、第１電極と第２電極の間にバイアス電圧を印加した際、第２電極、コンタクト層、第２反射鏡、発光部、第１反射鏡、半導体基板、及び第１電極からなる電流経路が形成されるが、この間に低濃度領域を介さない構成とすることができるので、素子全体の抵抗が大きくなることもない。この結果、高いジュール熱が発生して発光波長がシフトすることにより所望の発光波長の光の取り出し効率が低下するという問題は解消する。

そして、半導体基板は、第２面側において、基板面に直交する方向の厚みの異なる第１凹凸部を有し、半導体基板とこの第２面側において接触する第１電極についても、第１凹凸部に嵌合する形状の第２凹凸部を有する構成としている。この結果、半導体基板と第１電極の接触面積を増大させると共に、半導体基板の厚みが部分的に薄く形成される。半導体基板に比べて第１電極を形成する電極材料の方が熱伝導率が高いため、かかる構成とすることで、発光部からの発熱を第１電極を通じて高効率で排熱することができる。これにより、駆動時における高い排熱性が確保されるため、発光波長がシフトすることにより所望の発光波長の光の取り出し効率が低下するという問題も解消する。

つまり、上記の構成によれば、素子の低抵抗化と所望波長の光の取り出し効率の向上という両者を同時に実現することができる。

ここで、第１凹凸部及び第２凹凸部の各凹凸の組み合わせ数は少なくとも１以上存在すればよく、その形成数には限定されない。ただし、凹凸の組み合わせ数が増えるほど、半導体基板と第１電極との接触面積が増大するため、排熱性を向上させることができる。

また、上記構成においては、第１反射鏡をｎ型半導体層とし、コンタクト層及び第２反射鏡をｐ型半導体層としても構わないし、逆に、第１反射鏡をｐ型半導体層とし、コンタクト層及び第２反射鏡をｎ型半導体層としても構わない。

具体的な構成例として、前記第１電極によって形成される前記第２凹凸部を、凹部と、前記凹部に隣接して形成され、前記凹部よりも前記基板面に直交する方向の厚みが厚く、前記基板面に垂直な方向に突出した凸部とで構成することができる。

このとき、前記凸部を、前記基板面に垂直な方向に延伸する円柱状で構成することができる。なお、円柱状の他、楕円柱状、角柱状、円錐台状、角錐台状、楕円錐台状等の形状も採用可能である。

また、別の具体的な構成例として、前記第１電極によって形成される前記第２凹凸部を、凹部と、前記凹部に隣接して形成され、前記凹部よりも前記基板面に直交する方向の厚みが厚い凸部とが、それぞれ前記基板面に平行な方向に延伸して形成することができる。

このとき、前記凸部を、前記基板面に平行な方向に延伸する角柱状で構成することができる。なお、角柱状の他、円柱状、楕円柱状、角錐台状、円錐台状、楕円錐台状等の形状も採用可能である。

本発明によれば、コンタクト抵抗及び素子抵抗を低抵抗にしながらも、光の通過経路上に高濃度領域を有さない構成とすることができる上、高い排熱性を確保できるので、従来よりも所望波長の光の取り出し効率の向上した半導体レーザ装置が実現できる。

半導体レーザ装置の一実施形態の模式的断面図である。 半導体レーザ装置に対し、図１のＡ１−Ａ１線で半導体基板を切断して、第２面側から見たときの模式的平面図である。 別実施形態の半導体レーザ装置に対し、図１のＡ１−Ａ１線で半導体基板を切断して、第２面側から見たときの模式的平面図である。 半導体レーザ装置の工程断面図の一部である。 半導体レーザ装置の工程断面図の一部である。 半導体レーザ装置の工程断面図の一部である。 半導体レーザ装置の工程断面図の一部である。 半導体レーザ装置の工程断面図の一部である。 半導体レーザ装置の工程断面図の一部である。 半導体レーザ装置の工程断面図の一部である。 半導体レーザ装置の工程断面図の一部である。 第１実施形態のレーザ装置の工程断面図の一部である。 従来の半導体レーザ装置の模式的断面図である。 図５の半導体レーザ装置に対して光取り出し方向を反対側にした半導体レーザ装置の模式的断面図である。

本発明の半導体レーザ装置（以下、適宜「レーザ装置」と略記する。）につき、図面を参照して説明する。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。

図１は、本発明の一実施形態のレーザ装置の模式的断面図である。なお、図５と同一の要素に対しては、同一の符号を付している。

〈構造〉
レーザ装置１は、半導体基板１０、ｎ側多層膜反射鏡１１（「第１反射鏡」に対応）、発光部１３、ｐ側多層膜反射鏡１５（「第２反射鏡」に対応）、コンタクト層１７、ｎ側電極１９（「第１電極」に対応）、ｐ側電極２１（「第２電極」に対応）を有する。なお、以下の図面においては、半導体基板１０の基板面に平行な平面をＸＹ平面とし、このＸＹ平面に垂直な方向、すなわち半導体基板１０の厚み方向をＺ軸と規定する。

半導体基板１０の基板面のうち、発光部１３が形成されている側の面（「第１面」に対応）の上層の一部箇所にはｎ側多層膜反射鏡１１が形成されており、ｎ側多層膜反射鏡１１の上層に発光部１３が形成され、発光部１３の上層にｐ側多層膜反射鏡１５が形成される。

コンタクト層１７は、例えばＧａＡｓで構成され、コンタクト抵抗を小さくするためにＣなどのｐ型不純物が１×１０^１８／ｃｍ^３以上の高濃度でドープされている。

図１に示すレーザ装置１では、図５に示すレーザ装置９０とは異なり、ｐ側多層膜反射鏡１５側からレーザ光５が取り出される構成である（光取り出し方向ｄ２）。このため、ｐ側多層膜反射鏡１５の上層に形成されるコンタクト層１７は、レーザ光の通路を遮らないよう、例えばドーナツ形状を構成している。すなわち、ｐ側多層膜反射鏡１５の外縁部の上面がコンタクト層１７の底面と接触し、ｐ側多層膜反射鏡１５の外縁部よりも内側領域は、コンタクト層１７とは接触しない構成を採用している。これは、もしコンタクト層１７がレーザ光の経路上に存在すると、不純物濃度の高いコンタクト層１７内をレーザ光が通過することで、この光が一部コンタクト層１７内において吸収されて光取り出し効率が低下してしまうのを防止するためである。

そして、このコンタクト層１７の上層に形成されたｐ側電極２１も、レーザ光の通路を遮らないよう、例えばドーナツ形状を構成している。これは、もしｐ側電極２１がレーザ光の経路上に存在すると、ｐ側電極２１においてレーザ光が吸収されてしまい、光取り出し効率が低下してしまうのを防止するためである。ｐ側電極２１は、例えばＡｕ／Ｚｎ／ＡｕやＴｉ／Ｐｔ／Ａｕなどで構成される。

つまり、レーザ装置１においては、ｐ側多層膜反射鏡１５の上面のうち、コンタクト層１７と接触していない内側領域が、光取り出し面を形成する。そして、この光取り出し面から光取り出し方向ｄ２に離間した位置には外部出力ミラー３が形成される。なお、図１に示すレーザ装置１では、図５に示すレーザ装置９０と同様に、光取り出し面に誘電体層２９が形成されている。また、図５に示すレーザ装置９０と同様に、電流狭窄用の絶縁層２５及びパッシベーション層２７を備えている。

発光部１３は、取り出すレーザ光５の波長に応じた材料で構成される。例えば、発光波長が０．８μｍ〜１μｍの場合はＧａＩｎＡｓ又はＡｌＧａＡｓなどが用いられる。

ｎ側多層膜反射鏡１１及びｐ側多層膜反射鏡１５は、所望の波長に対して吸収が少なく、且つ屈折率の異なる２種類の材料が積層されたもの、例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ又はＧａＡｓ／ＡｌＡｓなどが用いられる。また、各反射鏡１１，１５を構成する各層の厚さは、材料及び波長に応じた厚さとされる。なお、ｎ側多層膜反射鏡１１の反射率を９９％以上、ｐ側多層膜反射鏡１５の反射率を２０％以上９０％以下の範囲とするのが好ましい。ｐ側多層膜反射鏡１５の反射率をｎ側多層膜反射鏡１１よりも低くしているのは、発光部１３からの光が、ｎ側多層膜反射鏡１１とｐ側多層膜反射鏡１５の間で反射を繰り返すことで励起された後、ｐ側多層膜反射鏡１５を通過して外部へと取り出す必要があるためである。

半導体基板１０は、例えばＧａＡｓ基板で構成され、Ｓｉなどのｎ型不純物が１×１０^１８／ｃｍ^３以上の高濃度でドープされる。上述したように、図１に示すレーザ装置１においては、発光部１３で発光した光は、ｎ側多層膜反射鏡１１とｐ側多層膜反射鏡１５の間で反射を繰り返すことで励起された後、ｐ側多層膜反射鏡１５を通過して外部へと取り出される。つまり、レーザ光が半導体基板１０内を通過することがない。従って、ｎ側電極１９との間のコンタクト抵抗を低下させるべく半導体基板１０の不純物濃度を高濃度としても、レーザ光が吸収されることで光取り出し効率が低下するということはない。

また、図１に示すレーザ装置１においては、ｎ側電極１９は、ｐ側電極２１とは異なり、半導体基板１０の基板面のうち、発光部１３が形成されていない側の面、すなわち第１面とは反対側の面（「第２面」に対応）に形成されている。ｎ側電極１９の材料としては、例えばＮｉ／Ｇｅ／Ａｕ／Ｎｉ／ＡｕやＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕなどが利用可能である。なお、ｎ側電極１９とｐ側電極２１は同一の材料で構成しても構わない。

そして、半導体基板１０とｎ側電極１９とは、基板面に平行なＸＹ平面に関して接触すると共に、このＸＹ平面に垂直な面に関しても一部箇所で接触する構成である。この点に関し、図２も参照して説明する。

図２は、図１のＡ１−Ａ１線で半導体基板１０を切断して、半導体基板１０の第２面側（ｎ側電極１９側）から見たときの模式的平面図である。なお、図２では、半導体基板１０上にレーザ装置１が複数配列されている状態を示しており、レーザ装置１からの光取り出し方向は紙面の奥行き側である。

レーザ装置１は、半導体基板１０の第２面側において、基板面に直交する方向（Ｚ方向）に厚みの異なる第１凹凸部３０を有する構成であり、第１電極１９は、この半導体基板１０の第１凹凸部３０に嵌合するように、Ｚ方向に厚みの異なる第２凹凸部３３を有する構成である。

より詳細には、図１においては、半導体基板１０のうち、厚みの厚い領域を凸部３１、厚みの薄い領域を凹部３２とし、この凸部３１と凹部３２が繰り返し形成されることで第１凹凸部３０が形成されている。また、第１電極１９のうち、厚みの薄い領域を凹部３４、厚みの厚い領域を凸部３５とし、この凹部３４と凸部３５が繰り返し形成されることで第２凹凸部３３が形成されている。そして、半導体基板１０の凸部３１と第１電極１９の凹部３４、半導体基板１０の凹部３２と第１電極１９の凸部３５がそれぞれ嵌合している。

本実施形態では、図２に示すように、第１電極１９の凸部３５は、Ｚ方向に延伸する円柱形状を示している。

このような構成としたとき、半導体基板１０と第１電極１９は、基板面に平行な面（ＸＹ平面）に沿って接触するのみならず、基板面に垂直な面を構成する半導体基板１０の凸部３１の側面と第１電極１９の凸部３５の側面も接触する。これにより、半導体基板１０及び第１電極１９の双方の接触面をＸＹ平面に沿って平坦な構成とした場合に比べて、接触面積を増大することができる。

第１電極１９を構成する材料は、半導体基板１０を構成する材料よりも熱伝導率が高い。このため、半導体基板１０と第１電極１９の接触面積を増大させることで、発光部１３から生じる熱を第１電極１９を介して効率的に排熱することができる。また、半導体基板１０の凹部３２と第１電極の凸部３５が基板面に平行な面で接触する箇所においては、半導体基板１０の厚みが薄くなっているため、熱伝導率の低い半導体基板１０内を通過する距離を短くすることができ、排熱性が高められる。

レーザ装置１において、半導体基板１０の第１凹凸部３０、及び第１電極１９の第２凹凸部３３の形成数は、少なくとも１箇所存在すれば接触面積を増大する効果が得られる。しかし、排熱能力を高めるためには、半導体基板１０の第１凹凸部３０、及び第１電極１９の第２凹凸部３３の形成数を多くするのが好ましい。

なお、第１電極１９の凸部３５の形状は、基板面に垂直な方向に延伸する円柱状に限られず、楕円柱状、角柱状、円錐台状、角錐台状、楕円錐台状等の形状も採用可能である。また、半導体基板１０の凸部３１の形状は、第１電極１９の隣接する凸部３５間の形状、すなわち凹部３４の形状に応じて適宜選択される。

図３は、半導体基板１０の第１凹凸部３０、及び第１電極１９の第２凹凸部３３の別形態を説明するための図であり、図２と同様に、図１のＡ１−Ａ１線で半導体基板１０を切断して、半導体基板１０の第２面側（ｎ側電極１９側）から見たときの模式的平面図である。図３においても、図２と同様に、半導体基板１０上にレーザ装置１が複数配列されている状態を示しており、レーザ装置１からの光取り出し方向は紙面の奥行き側である。

本実施形態では、図３に示すように、第１電極１９の凸部３５は、Ｙ方向に延伸する矩形形状を示している。また、第１電極１９の凹部３４、すなわち半導体基板１０の凸部３１も、同様にＹ方向に延伸する矩形形状を示している。つまり、半導体基板１０及び第１電極１９の双方共に、波板形状を示す構成である。

このような構成においても、図２に示す構成と同様、半導体基板１０と第１電極１９の接触面積が増大すると共に、半導体基板１０の凹部３２と第１電極の凸部３５が基板面に平行な面で接触する箇所における半導体基板１０の厚みが薄いため、排熱性を向上させることができる。

なお、第１電極１９の凸部３５の形状は、Ｙ方向に延伸する矩形形状に限られず、円柱状、楕円柱状、角錐台状、円錐台状、楕円錐台状等の形状も採用可能である。また、半導体基板１０の凸部３１の形状は、第１電極１９の隣接する凸部３５間の形状、すなわち凹部３４の形状に応じて適宜選択される。

また、図３では、第１電極１９の凸部３５及び半導体基板１０の凸部３２が、半導体基板１０の短手方向（Ｙ方向）に沿って延伸する構成としたが、半導体基板１０の長手方向（Ｘ方向）に沿って延伸する構成を採用しても構わないし、Ｘ軸及びＹ軸に非平行で、ＸＹ平面に平行な別の方向に沿って延伸する構成を採用しても構わない。また、場所に応じて延伸する向きが異なっていても構わない。更に、第１電極１９の凸部３５及び半導体基板１０の凸部３２は、必ずしも半導体基板１０の対向する２辺間を端から端まで延伸する必要はなく、一部の箇所において延伸する構成であっても構わない。

〈別構造〉
図１の構成において、誘電体層２９を備えない構成としても構わないし、電流狭窄用の絶縁層２５を備えない構成としても構わない。また、上記実施形態では、半導体基板１０の光取り出し方向ｄ２側をｐ側、反対側をｎ側として説明したが、ｐ側とｎ側の位置を反転させても構わない。

〈製造方法〉
以下、図１に示すレーザ装置１の製造方法の一例につき、図４Ａ〜図４Ｊの各工程断面図を参照して説明する。

（ステップＳ１）
図４Ａに示すように、半導体基板１０を準備する。半導体基板１０としては、上述したように、不純物濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３以上の高濃度のＧａＡｓ基板を採用することができる。

（ステップＳ２）
図４Ｂに示すように、半導体基板１０上に、ｎ側多層膜反射鏡１１、発光部１３、ｐ側多層膜反射鏡１５を下からこの順に結晶成長させる。

ｎ側多層膜反射鏡１１としては、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ又はＧａＡｓ／ＡｌＡｓなどが用いられ、反射率が９９％以上となるように積層数が設定される。発光部１３としては、ＧａＩｎＡｓ又はＡｌＧａＡｓなどが用いられ、発光波長に応じて採用される材料や組成比が設定される。ｐ側多層膜反射鏡１５としては、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ又はＧａＡｓ／ＡｌＡｓなどが用いられ、反射率が２０％以上９０％以下となるように積層数が設定される。なお、積層される膜厚の例としては、ｎ側多層膜反射鏡１１が１０００ｎｍ〜５０００ｎｍ程度、発光部１３が５０ｎｍ〜２０００ｎｍ程度、ｐ側多層膜反射鏡１５が１００ｎｍ〜２０００ｎｍ程度である。

（ステップＳ３）
ステップＳ２で成膜された多層構造体を、ウェットエッチング法又はドライエッチング法によりメサ形状に加工する（図４Ｃ参照）。これにより、半導体基板１０の一部上面が露出される。

（ステップＳ４）
ステップＳ２で成膜された多層構造体のうち、例えば中央付近の領域をマスクしてイオン注入を行うことにより、電流狭窄層としての絶縁層２５（高抵抗層）を形成する（図４Ｄ参照）。なお、当該箇所を酸化することで絶縁層２５を形成してもよい。

（ステップＳ５）
図４Ｅに示すようにコンタクト層１７を結晶成長させる。コンタクト層１７としては、例えばＣなどのｐ型不純物が１×１０^１８／ｃｍ^３以上の高濃度でドープされたＧａＡｓが膜厚１０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度で成膜される。

（ステップＳ６）
ｐ側多層膜反射鏡１５の外縁部の内側領域の上方に係る位置以外をマスクして、ウェットエッチング法又はドライエッチング法により非マスク領域、すなわちｐ側多層膜反射鏡１５の外縁部の内側領域の上方位置に形成されたコンタクト層１７を除去する。これにより、ｐ側多層膜反射鏡１５の内側領域の上面が露出する。その後、ＳｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５，ＳｉＮＯなどで構成される光学薄膜を、露出されているｐ側多層膜反射鏡１５の上面にスパッタ法又は真空蒸着法によって膜厚１０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度成膜し、誘電体層２９を形成する（図４Ｆ参照）。

（ステップＳ７）
図４Ｇに示すように、コンタクト層１７及び誘電体層２９の上方に係る位置以外をマスクして、スパッタ法又はＰＶＤ（Physical Vapor Deposition：物理気相成長）法にて、例えばＳｉＮやＳｉＯ_２などの絶縁材料を膜厚１０ｎｍ〜２０００ｎｍ程度成膜し、パッシベーション層２７を形成する。

（ステップＳ８）
図４Ｈに示すように、コンタクト層１７の上層にスパッタ法又は真空蒸着法によって例えばＡｕ／Ｚｎ／ＡｕやＴｉ／Ｐｔ／Ａｕなどの電極材料を膜厚１００ｎｍ〜３０００ｎｍ程度成膜して、ｐ側電極２１を形成する。

（ステップＳ９）
半導体基板１０の発光部１３が形成されている側と反対側の面（第２面）に対し、ウェットエッチング法又はドライエッチング法により、基板面に直交する方向（Ｚ方向）に厚みを異ならせた第１凹凸部３０を形成するように、円筒状の凹部３２を形成する（図４Ｉ参照）。この凹部３２は、半導体基板１０の第２面側から見たときに円形状を示す。

なお、半導体基板１０の第２面側から見たときに、凹部３２を同心円状に複数形成することで、円状及び円環状の凹部３２を形成しても構わない。また、上述したように、円形に限られず、矩形等の他の形状でも構わない。

（ステップＳ１０）
半導体基板１０の基板面に、第２面側から、スパッタ法又は真空蒸着法によって例えばＮｉ／Ｇｅ／Ａｕ／Ｎｉ／ＡｕやＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕなどの電極材料を膜厚１００ｎｍ〜３０００ｎｍ程度成膜して、ｎ側電極１９を形成する。このとき、ステップＳ９で形成された凹部３２内には電極材料が完全に充填されるように成膜する。これにより、半導体基板１０の凹部３２内に充填されることで形成された凸部３５、半導体基板１０の凸部３１上に形成されることで凸部３５よりも膜厚の薄い凹部３４を含む第２凹凸部３３を有したｎ側電極１９が形成される（図１参照）。

上記ステップＳ１〜Ｓ１０を経てレーザ装置１を製造する方法は、あくまで一例であり、この方法に限定されるものではない。また、成膜する膜厚の条件や用いられる材料も一例であり、上述した内容に限定されるものではない。

なお、図３に示した構成のレーザ装置１を形成するに際しては、ステップＳ９におけるエッチング時に、半導体基板１０の凹部３２がＹ方向に延伸する形状となるように、エッチング条件を設定すればよい。

１ ： 半導体レーザ装置
３ ： 外部出力ミラー
５ ： レーザ光
１０ ： 半導体基板
１１ ： ｎ側多層膜反射鏡（第１反射鏡）
１３ ： 発光部
１５ ： ｐ側多層膜反射鏡（第２反射鏡）
１７ ： コンタクト層
１９ ： ｎ側電極（第１電極）
２１ ： ｐ側電極（第２電極）
２５ ： 電流狭窄層としての絶縁層
２７ ： パッシベーション層
２９ ： 誘電体層
３０ ： 第１凹凸部
３１ ： 第１凹凸部を形成する凸部
３２ ： 第１凹凸部を形成する凹部
３３ ： 第２凹凸部
３４ ： 第２凹凸部を形成する凹部
３５ ： 第２凹凸部を形成する凸部
４０ ： 半導体基板
９０ ： 従来のＶＥＣＳＥＬ構造のレーザ装置
９１ ： 従来の構成に対し、光の取り出し方向を反転させたレーザ装置
ｄ１，ｄ２ ： レーザ光の取り出し方向

Claims (5)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の基板面のうちの第１面の上層に形成された第１反射鏡と、
   前記第１反射鏡の上層に形成された発光部と、
   前記発光部の上層に形成された第２反射鏡と、
   少なくとも底面の一部が前記第２反射鏡の外縁部の上面に接触すると共に、前記外縁部の内側領域には接触しないように形成されたコンタクト層と、
   前記基板面のうちの前記第１面とは反対側の第２面に接触して形成された第１電極と、
   前記コンタクト層の上層に形成された第２電極を備え、
   前記半導体基板は、前記第２面側に、前記基板面に直交する方向の厚みの異なる第１凹凸部を有し、
   前記第１電極は、前記第１凹凸部に嵌合する形状の第２凹凸部を有し、
   前記第２反射鏡の前記外縁部の内側領域から、前記半導体基板の配置位置と反対側の方向へ光が取り出されることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記第２凹凸部は、凹部と、前記凹部に隣接して形成され、前記凹部よりも前記基板面に直交する方向の厚みが厚く、前記基板面に垂直な方向に突出した凸部とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記凸部が、前記基板面に垂直な方向に延伸する円柱状で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記第２凹凸部は、凹部と、前記凹部に隣接して形成され、前記凹部よりも前記基板面に直交する方向の厚みが厚い凸部が、それぞれ前記基板面に平行な方向に延伸して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
5. 前記凸部が、前記基板面に平行な方向に延伸する角柱状で構成されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置。

Images