JP3618989B2 - Semiconductor laser device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ装置に関する。より詳しくは、本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子を備えた半導体レーザ装置であって、素子の活性層からの放熱特性を顕著に改善することができる半導体レーザ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、青色から紫外域の発光ダイオード(LED)や半導体レーザ用の材料としてGaN、InGaN、GaAlNなど窒化ガリウム系化合物半導体を用いたものが実現されつつある。窒化ガリウム系化合物半導体は、直接遷移型のバンド構造を有することから高い発光効率を得られるために注目されている。
【0003】
この材料系を用いた半導体レーザは、その発振波長が短いがゆえに高密度の情報処理用の光源としての応用が期待されている。例えば、光ディスク記録装置の光源として用いれば、記録密度を倍増することが可能となる。
【0004】
なお、本明細書において「窒化ガリウム系化合物半導体」とは、GaxAlyInzB1−x−y−zN(x≦1,y≦1,z≦1,x+y+z≦1)なる化学式において組成比x、y、及びzをそれぞれの範囲内で変化させたすべての組成の半導体を含むものとする。例えば、GaInN(x=0.6、y=0、z=0.4)も「窒化ガリウム系化合物半導体」に含まれるものとする。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体レーザは、その活性層で発生する熱を効率良く外部に逃がすことが困難であるという問題があった。以下、この問題について詳述する。
【0006】
まず、窒化ガリウム系化合物半導体として代表的な窒化ガリウム(GaN)を例に挙げると、そのバンドギャップエネルギーは3.4eVである。そのため、半導体レーザの動作電圧はそれ以上の値とならざるを得ない。一方で、半導体レーザにおいては、活性層への電流の集中が要求される。従って、駆動電流値が同じであるとしても、発光ダイオード(LED)と半導体レーザとでは、電流密度の点で大きく異なる。
【0007】
ここで、発熱量は駆動電圧と駆動電流密度との積によって決まるものである。すなわち、窒化ガリウム系化合物半導体で半導体レーザを構成した場合、その発熱量は他の材料系と比べて大きく、しかも、その発熱は活性層の発振領域に集中することとなる。
【0008】
一方、窒化ガリウム系化合物半導体材料の積層構造を形成する際には、成長用基板としてサファイアが用いられることが一般的である。しかしながら、サファイアは熱伝導率が非常に低く放熱には適さない材料である。しかも、発熱量がもっとも大きい領域は、活性層のうちの発振領域であり、これは通常、基板から比較的遠く、むしろ表面に近い箇所にある。従って、このような通常用いられる素子構成は、基板側から熱を逃すという点では望ましいものではない。
【0009】
以上説明したように、従来の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ装置では、活性層の発振領域において高い密度で発生する熱を効率よく外部へ逃がすことができないという問題点があった。
【0010】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものである。すなわち、その目的は、良好な放熱構造を実現することにより、発光特性、温度特性や信頼性が改善され、長寿命な半導体レーザ装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明による半導体レーザ装置は、窒化ガリウム系化合物半導体を含み、少なくともひとつの電極パッドを有する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子に電流を供給する電極端子と、前記電極パッドと前記電極端子とを接続する複数のワイアと、を備えたことを特徴とし、複数のワイアを介して、効率的に放熱することができるようになる。
【0012】
さらに具体的には、本発明の半導体レーザ装置は、n型の窒化ガリウム系化合物半導体層と、活性層と、p型の窒化ガリウム系化合物半導体層と、p側電極と、n側電極と、を有する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子に電流を供給する電極端子と、前記p側電極と前記電極端子とを接続する複数のワイアと、を備えたことを特徴とし、活性層において発生する熱をp側電極を介して効率的に放出することができる。
【0013】
また、本発明による半導体レーザ装置は、基板と、前記基板上に形成されたn型の窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記n型の窒化ガリウム系化合物半導体層の上に形成された活性層と、前記活性層の上に形成されたp型の窒化ガリウム系化合物半導体層と、n側電極と、p側電極と、を有する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子に電流を供給する電極端子と、前記p側電極と前記電極端子とを接続する複数のワイアと、を備えたことを特徴とし、活性層において発生する熱を基板を介して効率的に放出することができないようなレーザ素子においても、複数のワイアを介して効率的に放熱することができるようになる。
【0014】
ここで、前記基板は、サファイアであり、前記複数のワイアは、前記半導体レーザ素子の前記p側電極のうちの発振領域の上の部分に接続されていることを特徴とすることにより、熱伝導率の低い基板を有するレーザ素子において、効率的に放熱することができる。
【0015】
または、前記複数のワイアは、前記半導体レーザ素子のストライプ状に存在する前記発振領域に沿って接続されていることを特徴とすることにより、活性層の発振領域において発生する熱を効率的に放出することができるようになる。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子のp側電極に複数のワイアを接続することにより、半導体レーザ素子の活性層の発振領域において高い密度で発生する熱を効率的に外部に放出することができる半導体レーザ装置を提案するものである。
【0017】
以下に図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体レーザ装置の要部を表す概略説明図である。また、図2は、その半導体レーザ素子の断面構造を例示する概略図である。
【0018】
本発明の半導体レーザ装置10Aは、半導体レーザ素子20Aと電極端子50及び60Aと、複数のワイア70、70、・・・及び80、80、・・・を備える。これらの要素は、例えば、リードフレーム、ステム、チップキャリア、或いは絶縁性基板や導電性基板などの図示しない部材の上に適宜配置することができる。
【0019】
半導体レーザ素子20Aは、窒化ガリウム系化合物半導体を含むレーザ素子であり、p側電極30とn側電極40とを有する。
【0020】
電極端子50、60Aは、半導体レーザ素子20Aに駆動電流を供給するための電極端子である。その具体例としては、例えば、図示しないリードフレームのインナー・リード部や、ステムの電極端子、或いは絶縁性の基板上に形成された配線パターンの一部などを挙げることができる。また、図示しない増幅素子、抵抗素子、容量素子、或いはインダクタなど電気素子の入出力端子であっても良い。
【0021】
レーザ素子20Aのp側電極30と電極端子50とは、複数のワイア70、70、・・・によって接続されている。ここで、ワイア70の数は、図示した3本に限定されず、2本以上の複数であれば良い。
また、レーザ素子20Aのn側電極40と電極端子60Aとは、複数のワイア80、80、・・・により接続されている。ここで、n側のワイア80は、図示した例に限定されず、1本であっても良い。
【0022】
本発明によれば、このようにレーザ素子20Aのp側電極30と電極端子50とを複数のワイア70、70、・・・で接続することにより、放熱効率を大幅に改善することができる。
【0023】
この効果を図2に示したレーザ素子20Aの断面図を参照しつつ説明する。すなわち、レーザ素子20Aは、c面を主面とする厚さ約60μmのサファイア基板上に形成されている。サファイア基板101Aの上には、まず、窒化ガリウム(GaN)バッファ層102が形成され、その上にGaN品質改善層103、n型GaNコンタクト層104が積層されている。さらに、その上に部分的に、n型窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)クラッド層105、アンドープGaNガイド層106、多重量子井戸(MQW)構造の活性層107、p型GaNガイド層108、p型AlGaNクラッド層109、p型GaN第1コンタクト層110が積層されている。さらに、活性層の発振領域、すなわち電流が注入されてレーザ発振が生ずる領域に注入電流を狭窄するためのn型電流ブロック層111が設けられている。そして、それを覆うようにp型GaN第2コンタクト層112、さらに最上層として高キャリア濃度p型GaN第3コンタクト層113が形成されている。また、n型コンタクト層104からp型第3コンタクト層までの側面を保護するようにSiO2膜120が形成されている。
【0024】
また、p型コンタクト層113の上にはp側電極30が形成され、n型コンタクト層104の上にははn側電極40が形成されている。ここで、p側電極30は、例えば、半導体側からPt、Ti、Pt、Auの4層からなる積層構造とすることができる。また、n側電極40は、半導体層側からTi、Auの積層構造とすることができる。
【0025】
本発明によれば、このような窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子20Aのp側電極30に対して、図示したように複数のワイア70、70、・・を接続する。さらに具体的には、この複数のワイア70、70、・・・は、活性層107のストライプ状の発振領域Lの直上において、ストライプに沿ってボンディングすることが望ましい。
【0026】
窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子は、図2に例示したように、注入電流が狭窄されレーザ発振が生ずる活性層107の発振領域Lにおいて高い密度で熱が発生する。ここで、例えば、図2における発振領域Lからp側電極30までの距離は1〜3μm程度であるのに対し、Lから基板101Aの下面までは基板厚に半導体層の厚さを加えた65μm程度、Lからn側電極までの距離は横方向の寸法から30μm程度である。このような距離関係を考えても分かるように、発振領域Lの直上にあるp側電極30は、発生した熱の放出経路として極めて有効に作用する。
【0027】
一方、複数のワイア70、70、・・・を接続することにより、電気的な抵抗を下げ、また、容量やインダクタンスを調節することができるという効果も併せて得られる。すなわち、ワイア部分の抵抗、電気容量、インダクタンスを低下することにより、レーザ素子を従来よりも高速で変調することができるようになり、情報の送信速度を増大することができるようになる。
【0028】
ここで、ガリウム砒素系やインジウムリン系などの材料系を用いたレーザ素子の場合には、活性層の直上にワイア・ボンディングを施すと活性層に欠陥が誘起され、素子劣化の原因となる。これに対して、窒化ガリウム系化合物半導体は、欠陥密度が比較的高い場合でも素子劣化が生じにくいという特性を有する。すなわち、窒化ガリウム系化合物半導体系の半導体レーザにおいては、素子の劣化を生じさせることなく、活性層の直上に複数のワイア・ボンディングを施すことができるという利点を有する。
【0029】
ここで、本発明において用いるボンディング・ワイアの径は、通常の100μmΦでも良いが、放熱効率を考慮した場合には、それ以上の太さ、例えば150μmΦ以上であることが望ましい。このように、活性層の真上に所定の太さの複数のワイアをボンディングすることにより、従来よりも大幅に放熱性を改善し、半導体レーザ素子の初期特性と信頼性とを向上させることができる。
【0030】
本発明者の実験の結果、120μmΦの4本のワイアを発振領域の直上にボンディングしたレーザ装置においては、従来よりも電流−発光強度特性におけるスロープ効率が約30%改善された。同時に、レーザの最大発光強度が約15%上昇した。さらに、実用的なレーザ発振光が得られる上限温度も従来の40℃から65℃に改善された。例えば、DVD装置の光ピックアップとして使用する際には、最大定格温度として65℃付近におけるレーザ発振動作が要求される場合が多い。本発明によれば、素子の放熱効率を改善することにより、従来よりも動作条件温度を上昇させ、半導体レーザ装置の応用範囲を顕著に広げることができる。
【0031】
さらに、本発明によれば、レーザ素子の寿命も伸ばすことができる。本発明者の実験の結果、従来の単一のボンディングと比べて約3倍の寿命を得ることができた。
【0032】
また、本発明によれば、複数のワイアをボンディングを施すことにより、電極の接触抵抗を下げ、付着強度を改善する効果も得られる。すなわち、ワイア・ボンディング工程においては、通常、加熱状態において所定の荷重で電極にワイアを押しつけると共に、超音波を印加する。このようなワイア・ボンディングを複数箇所で行なうことにより、電極とその下のコンタクト層との付着力が改善され、同時に接触抵抗も低減させることができる。窒化ガリウム系化合物半導体の場合には、特にp側において電極の接触抵抗や付着強度が十分でない場合が多い。従って、本発明のこの効果は顕著である。
【0033】
本発明者の実験によれば、従来と比較して、p側電極30の接触抵抗を約1/5に低下させ、電極の付着強度を50%向上することができた。
【0034】
ここで、本発明の主眼は窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子を用いたレーザ装置における電極へのワイア・ボンディングを複数にすることであり、レーザ素子内部の積層構造にはよらない。しかし、いわゆるBH(buried hetero:埋め込みヘテロ)構造のように注入電流をより絞った構造においては発振領域における発熱密度がさらに上がるので、本発明を適用してより顕著な効果を得ることができる。
【0035】
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。
【0036】
図3は、本発明の第2の半導体レーザ装置10Bの要部を表す概略説明図である。
【0037】
ここで、本発明の半導体レーザ装置10Bは、半導体レーザ素子20Bと電極端子50及び60Bと、複数のワイア70、70、・・・と、を備える。前述した第1実施形態と同様に、レーザ素子20Bの電極30と電極端子50とは、複数のワイア70、70、・・・により接続されている。
【0038】
ここで、本実施形態が前述した第1実施形態と相違する点は、レーザ素子20Bが電極端子60Bの上に直接マウントされ、ワイアを介することなく接続されていることである。すなわち、レーザ素子20Bの裏面側にn側電極40が形成されている。これは、レーザ素子20Bの基板101Bとして導電性の材料を用いることにより実現することができる。そのような材料の具体例としては、例えば、炭化珪素(SiC)を挙げることができる。すなわち、基板101BとしてSiC基板を用いることにより、その上に所定の品質の結晶性を有する窒化ガリウム系化合物半導体層をエピタキシャル成長することができ、さらに基板101Bを介して電流を流すことができる。
【0039】
ここで、基板として用いるSiCの結晶型としては、いわゆる「6H型」よりも「4H型」或いは「2H型」であることが望ましい。窒化ガリウム系化合物半導体層とのヘテロ障壁をより小さくして、電流に対する抵抗を下げることができるからである。
【0040】
また、基板101Bの裏面に形成するn側電極としては、基板側から、ニッケル(Ni)と金(Au)とをこの順序に積層したものを用いることができる。または、白金(Pt)と金(Au)とをこの順序に積層したものでも良い。さらに、これらの金(Au)の代わりに金(Au)とゲルマニウム(Ge)またはシリコン(Si)との合金を用いることもできる。
【0041】
なお、基板101Bの上に形成する窒化ガリウム系化合物半導体の積層構造は、図2に例示したものと概略同様とすることができる。或いは、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた各種の半導体レーザ素子の構造を同様に採用することができる。
【0042】
本実施形態においても、図1に関して前述した種々の効果を同様に得ることができる。さらに、本実施形態によれば、n側のワイア・ボンディングが不要となり、構成を簡略化するとともに、装置の小型化、製造工程の簡略化などの効果も併せて得ることができる。
【0043】
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。
【0044】
図4は、本発明の第3の半導体レーザ装置10Cの要部を表す概略説明図である。
【0045】
ここで、半導体レーザ装置10Cは、半導体レーザ素子20Cと電極端子50、60Cと、複数のワイア70、70、・・・とを備える。前述した第1実施形態と同様に、レーザ素子20Cの電極30と電極端子50とは、複数のワイア70、70、・・・により接続されている。
【0046】
ここで、本実施形態においても、前述した第2実施形態と同様にレーザ素子20Cの裏面側にn側電極40が形成され、電極端子60Cの上に直接マウントすることによりワイアを介することなく接続されている。但し、本実施形態においては、レーザ素子20Cは、基板を有しない。すなわち、窒化ガリウム系化合物半導体の積層構造のみにより構成されている。
【0047】
例えば、レーザ素子20Cは、図2に表したコンタクト層104から上の積層構造体とすることができる。このようなレーザ素子20Cは、図示しない基板上に積層構造体を形成した後に、その基板を除去することによって得られる。具体的には、サファイアやSiCなどの基板の上に、特定のエッチング条件でエッチングされやすい結晶層を介して、窒化ガリウム系化合物半導体の積層構造体をエピタキシャル成長する。その後に、エッチングされやすい結晶層をエッチング除去することにより、基板と積層構造体と分離することができる。このように特定のエッチング条件においてエッチングされやすい結晶層としては、例えば、ZnO、SiO2、MgO、AlNなどを挙げることができる。
【0048】
基板を除去した後に、さらに、バッファ層や品質改善層などをエッチング除去してn型コンタクト層104を素子の裏面に露出させることにより、n側電極40を素子の裏面に形成することができる。あるいは、バッファ層や品質改善層に適量のドーピングを施すことによりn型コンタクト層としての働きを持たせることも可能である。
【0049】
本実施形態においても、図1に関して前述した種々の効果を同様に得ることができる。さらに、本実施形態によれば、n側のワイア・ボンディングが不要となり、構成を簡略化するとともに、装置の小型化、製造工程の簡略化などの効果も併せて得ることができる。
【0050】
また、図4に示した例の他にも、基板を有しないレーザ素子において、図1の場合と同様にn型コンタクト層104の一部を露出させ、n側電極40をn型コンタクト層104の上側に形成しても良い。この場合には、図1の場合と同様に、電極端子60Cをレーザ素子20Cとは別の位置に設け、ワイアを介してn側電極40と接続すれば良い。
【0051】
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。
【0052】
図5は、本発明の第4の半導体レーザ装置10Dの要部を表す概略説明図である。ここで、半導体レーザ装置10Dは、半導体レーザ素子20Dと電極端子50、60Dと、複数のワイア70、70、・・・と、複数のワイア80、80、・・・と、を備える。前述した第1の実施形態と同様に、レーザ素子20Dの電極30と電極端子50とは、複数のワイア70、70、・・・により接続されている。また、レーザ素子20Dの電極40と電極端子60Dとは、複数のワイア80、80、・・・により接続されている。
【0053】
本実施形態においては、電極30のワイア・ボンディングは発振領域Lの直上には形成されていない。この理由を以下に説明する。すなわち、レーザ素子の基板101Aとしてサファイア基板を用いた場合、サファイアが絶縁性であるため、窒化ガリウム系化合物半導体が積層された構造の一部をエッチング除去することによってn側のコンタクトを確保することが一般的である。この時、積層面と平行な方向に流れる電流成分が必ず生ずる。その距離は層構造の厚さや抵抗率、構造にも依存するが、一般にこの距離が長すぎることは、それだけ横方向の抵抗が大きくなり、抵抗低減の観点からは望ましいものではない。また、短すぎることもエッチングの制御性からくる発振領域へのダメージの影響、あるいは電極形成プロセスの制御性からくる電極金属のはいあがりに伴うリーク電流の発生、などの観点から望ましいものではない。
【0054】
以上説明したような理由により、発振領域Lはメサ領域の側面90からの距離を10〜20μm程度に設定することが望ましい場合もある。このような場合に、発振領域Lの直上にワイア・ボンディングを施すと、側面90へのボンディングの回り込みが発生し、密着性が低下するおそれがある。従って、ボンディングの回り込みが生じないように側面90から離し、且つ、発振領域Lの直上にできるだけ近いようにボンディングを施すことが必要となる。このような構造にしたものが図5である。すなわち、同図に例示した構造にすると、発振領域の直上にボンディングを施した場合と比較して約20%程度、放熱性が低下するが、本願の主旨を逸脱することなく、一定の効果を得ることが可能となる。
【0055】
以上、本発明の実施の形態について具体例を示しつつ説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。
【0056】
例えば、レーザ素子の電極30に接続するワイアの本数は、図示した3本に限定されることなく、レーザやワイアの寸法、活性層における発熱量、その他の種々のパラメータを考慮して適宜決定することができる。
【0057】
また、レーザ素子20Aの基板101はサファイアに限定されず、その他、SiCや、Si、GaAsなどの各種の材料を用いることができる。但し、本発明によれば、熱伝導率が低い基板を用いた場合において、より顕著な効果を得ることができる。このような基板としては、前述したサファイアの他に、例えば、スピネル、ScAlMgO4、(LaSr)(AlTa)O3などを挙げることができる。ここで、ScAlMgO4基板の場合には、(0001)面、(LaSr)(AlTa)O3基板の場合には(111)面を用いることが望ましい。
【0058】
また、レーザ素子の構造やその導電型も前述した具体例には、限定されず、例えば、p型とn型とを反転した構造であっても良い。
【0059】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に説明する効果を奏する。
【0060】
まず、本発明によれば、活性層の発振領域の直上に複数のワイヤーボンディングを施すことにより、レーザ素子の放熱性を改善することができる。その結果として、半導体レーザ装置の諸特性を改善し、信頼性や寿命を延ばすことができ、応用範囲を大幅に広げることができる。
【0061】
また、本発明によれば、複数のワイアをボンディングすることによって、レーザ素子の電極の接触抵抗および付着強度を改善することもできる。その結果として、駆動電流を低下させ、発光特性を安定化させると共に、振動や衝撃などに対する機械的強度も改善することができる。
【0062】
複数のワイアを接続することにより、電気的な抵抗を下げ、また、容量やインダクタンスを調節することができるという効果も併せて得られる。すなわち、ワイアの発熱を抑制しつつ、窒化ガリウム系化合物半導体のレーザを高出力で動作させ、レーザ素子を従来よりも高速で変調することができるようになり、情報の送信速度を増大することができるようになる。
【0063】
このように、本発明によれば、高性能で高信頼性を有する半導体レーザ装置を提供することができるようになり、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る半導体レーザ装置の概略説明図である。
【図2】レーザ素子20Aの断面を表す概略図である。
【図3】本発明の第2実施形態に係る半導体レーザ装置の概略説明図である。
【図4】本発明の第3実施形態に係る半導体レーザ装置の概略説明図である。
【図5】本発明の第4実施形態に係る半導体レーザ装置の概略説明図である。
【符号の説明】
10A、10B、10C、10D 半導体レーザ装置
20A、20B、20C、20D 半導体レーザ素子
30、40 電極
50、60 電極端子
70、80 ワイア
90 メサ側面
101A 基板
102 バッファ層
103 品質改善層
104 コンタクト層
105、109 クラッド層
106、108 ガイド層
107 活性層
110 第1コンタクト層
111 ブロック層
112 第2コンタクト層
113 第3コンタクト層
120 保護膜
L 発振領域[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser device. More particularly, the present invention relates to a semiconductor laser device including a gallium nitride-based compound semiconductor laser element, which can remarkably improve the heat dissipation characteristics from the active layer of the element.
[0002]
[Prior art]
In recent years, materials using gallium nitride-based compound semiconductors such as GaN, InGaN, and GaAlN have been realized as light emitting diodes (LEDs) in the blue to ultraviolet range and semiconductor lasers. Gallium nitride-based compound semiconductors have attracted attention because they have a direct transition type band structure, so that high luminous efficiency can be obtained.
[0003]
A semiconductor laser using this material system is expected to be applied as a light source for high-density information processing because of its short oscillation wavelength. For example, when used as a light source for an optical disk recording apparatus, the recording density can be doubled.
[0004]
In this specification, “gallium nitride-based compound semiconductor” refers to a chemical formula of Ga x Al y In z B 1-xyz N (x ≦ 1, y ≦ 1, z ≦ 1, x + y + z ≦ 1). It is assumed that semiconductors of all compositions in which the composition ratios x, y, and z are changed within the respective ranges are included. For example, GaInN (x = 0.6, y = 0, z = 0.4) is also included in the “gallium nitride compound semiconductor”.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, semiconductor lasers using these gallium nitride compound semiconductors have a problem that it is difficult to efficiently release the heat generated in the active layer to the outside. Hereinafter, this problem will be described in detail.
[0006]
First, taking a typical gallium nitride (GaN) as an example of a gallium nitride-based compound semiconductor, the band gap energy is 3.4 eV. For this reason, the operating voltage of the semiconductor laser must be a value higher than that. On the other hand, in a semiconductor laser, current concentration on the active layer is required. Therefore, even if the drive current value is the same, the light emitting diode (LED) and the semiconductor laser are greatly different in terms of current density.
[0007]
Here, the heat generation amount is determined by the product of the drive voltage and the drive current density. That is, when a semiconductor laser is formed of a gallium nitride-based compound semiconductor, the amount of heat generation is larger than that of other material systems, and the heat generation is concentrated in the oscillation region of the active layer.
[0008]
On the other hand, when forming a laminated structure of gallium nitride compound semiconductor materials, sapphire is generally used as a growth substrate. However, sapphire has a very low thermal conductivity and is not suitable for heat dissipation. In addition, the region where the amount of heat generation is the largest is the oscillation region of the active layer, which is usually relatively far from the substrate but rather close to the surface. Therefore, such a normally used device configuration is not desirable in terms of releasing heat from the substrate side.
[0009]
As described above, the conventional gallium nitride-based compound semiconductor laser device has a problem that heat generated at high density in the oscillation region of the active layer cannot be efficiently released to the outside.
[0010]
The present invention has been made in view of this point. That is, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser device having a long life by improving a light emission characteristic, a temperature characteristic, and reliability by realizing a good heat dissipation structure.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
That is, a semiconductor laser device according to the present invention includes a semiconductor laser element including a gallium nitride compound semiconductor and having at least one electrode pad, an electrode terminal for supplying a current to the semiconductor laser element, the electrode pad, and the electrode terminal And a plurality of wires that connect to each other, and heat can be efficiently radiated through the plurality of wires.
[0012]
More specifically, the semiconductor laser device of the present invention includes an n-type gallium nitride compound semiconductor layer, an active layer, a p-type gallium nitride compound semiconductor layer, a p-side electrode, an n-side electrode, And a plurality of wires that connect the p-side electrode and the electrode terminal, and are generated in the active layer. Heat can be efficiently released through the p-side electrode.
[0013]
The semiconductor laser device according to the present invention includes a substrate, an n-type gallium nitride compound semiconductor layer formed on the substrate, and an active layer formed on the n-type gallium nitride compound semiconductor layer. A semiconductor laser element having a p-type gallium nitride compound semiconductor layer formed on the active layer, an n-side electrode, and a p-side electrode, and an electrode terminal for supplying current to the semiconductor laser element; And a plurality of wires connecting the p-side electrode and the electrode terminal, wherein the heat generated in the active layer cannot be efficiently released through the substrate. However, it is possible to efficiently dissipate heat through a plurality of wires.
[0014]
Here, the substrate is sapphire, and the plurality of wires are connected to a portion of the p-side electrode of the semiconductor laser element above the oscillation region, thereby providing heat conduction. In a laser device having a low-rate substrate, heat can be radiated efficiently.
[0015]
Alternatively, the plurality of wires are connected along the oscillation region existing in a stripe shape of the semiconductor laser element, thereby efficiently releasing heat generated in the oscillation region of the active layer. Will be able to.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
According to the present invention, a plurality of wires are connected to the p-side electrode of a gallium nitride-based compound semiconductor laser device, thereby efficiently releasing heat generated at a high density in the oscillation region of the active layer of the semiconductor laser device to the outside. The present invention proposes a semiconductor laser device capable of performing
[0017]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic explanatory view showing the main part of the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic view illustrating the cross-sectional structure of the semiconductor laser element.
[0018]
The
[0019]
The semiconductor laser element 20 </ b> A is a laser element including a gallium nitride-based compound semiconductor, and includes a p-
[0020]
The
[0021]
The p-
Further, the n-
[0022]
According to the present invention, the heat dissipation efficiency can be greatly improved by connecting the p-
[0023]
This effect will be described with reference to a cross-sectional view of the
[0024]
A p-
[0025]
According to the present invention, a plurality of
[0026]
In the gallium nitride compound semiconductor laser element, as illustrated in FIG. 2, heat is generated at a high density in the oscillation region L of the
[0027]
On the other hand, by connecting a plurality of
[0028]
Here, in the case of a laser element using a material system such as gallium arsenide or indium phosphide, if wire bonding is performed immediately above the active layer, a defect is induced in the active layer, causing deterioration of the element. On the other hand, a gallium nitride-based compound semiconductor has a characteristic that element deterioration hardly occurs even when the defect density is relatively high. That is, the gallium nitride compound semiconductor based semiconductor laser has an advantage that a plurality of wire bondings can be performed immediately above the active layer without causing deterioration of the element.
[0029]
Here, the diameter of the bonding wire used in the present invention may be the usual 100 μmΦ, but when considering the heat dissipation efficiency, it is desirable that the diameter be larger than that, for example, 150 μmΦ. In this way, by bonding a plurality of wires having a predetermined thickness directly above the active layer, it is possible to greatly improve the heat dissipation and improve the initial characteristics and reliability of the semiconductor laser device. it can.
[0030]
As a result of the inventor's experiment, in the laser device in which four wires of 120 μmΦ are bonded immediately above the oscillation region, the slope efficiency in the current-luminescence intensity characteristic is improved by about 30% compared to the conventional case. At the same time, the maximum emission intensity of the laser increased by about 15%. Furthermore, the upper limit temperature at which practical laser oscillation light can be obtained has also been improved from the conventional 40 ° C. to 65 ° C. For example, when used as an optical pickup of a DVD device, a laser oscillation operation at around 65 ° C. is often required as the maximum rated temperature. According to the present invention, by improving the heat dissipation efficiency of the element, the operating condition temperature can be increased as compared with the conventional case, and the application range of the semiconductor laser device can be remarkably expanded.
[0031]
Furthermore, according to the present invention, the lifetime of the laser element can be extended. As a result of experiments by the present inventors, it was possible to obtain a life that is about three times that of a conventional single bonding.
[0032]
In addition, according to the present invention, by bonding a plurality of wires, the effect of reducing the contact resistance of the electrode and improving the adhesion strength can be obtained. That is, in the wire bonding process, usually, a wire is pressed against the electrode with a predetermined load in a heated state, and an ultrasonic wave is applied. By performing such wire bonding at a plurality of locations, the adhesion between the electrode and the contact layer thereunder can be improved, and at the same time, the contact resistance can be reduced. In the case of a gallium nitride compound semiconductor, the contact resistance and adhesion strength of the electrode are often not sufficient particularly on the p side. Therefore, this effect of the present invention is remarkable.
[0033]
According to the inventor's experiment, the contact resistance of the p-
[0034]
Here, the main point of the present invention is to make a plurality of wire bondings to electrodes in a laser apparatus using a gallium nitride compound semiconductor laser element, and does not depend on the laminated structure inside the laser element. However, in a structure in which the injection current is further reduced, such as a so-called BH (Buried Hetero) structure, the heat generation density in the oscillation region is further increased, so that a more remarkable effect can be obtained by applying the present invention.
[0035]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0036]
FIG. 3 is a schematic explanatory diagram showing the main part of the second
[0037]
Here, the
[0038]
Here, the difference between this embodiment and the first embodiment described above is that the
[0039]
Here, it is desirable that the crystal type of SiC used as the substrate is “4H type” or “2H type” rather than the so-called “6H type”. This is because the heterobarrier with the gallium nitride-based compound semiconductor layer can be further reduced to reduce the resistance to current.
[0040]
In addition, as the n-side electrode formed on the back surface of the
[0041]
Note that the stacked structure of the gallium nitride-based compound semiconductor formed over the
[0042]
Also in this embodiment, the various effects described above with reference to FIG. 1 can be obtained similarly. Furthermore, according to the present embodiment, n-side wire bonding is not required, and the configuration can be simplified, and effects such as downsizing of the apparatus and simplification of the manufacturing process can be obtained.
[0043]
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
[0044]
FIG. 4 is a schematic explanatory diagram showing the main part of the third
[0045]
Here, the
[0046]
Here, also in the present embodiment, the n-
[0047]
For example, the
[0048]
After removing the substrate, the n-
[0049]
Also in this embodiment, the various effects described above with reference to FIG. 1 can be obtained similarly. Furthermore, according to the present embodiment, n-side wire bonding is not required, and the configuration can be simplified, and effects such as downsizing of the apparatus and simplification of the manufacturing process can be obtained.
[0050]
In addition to the example shown in FIG. 4, in the laser element having no substrate, a part of the n-
[0051]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
[0052]
FIG. 5 is a schematic explanatory diagram showing the main part of the fourth semiconductor laser device 10D of the present invention. Here, the semiconductor laser device 10D includes a
[0053]
In the present embodiment, the wire bonding of the
[0054]
For the reasons described above, it may be desirable for the oscillation region L to have a distance from the
[0055]
The embodiments of the present invention have been described above with specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples.
[0056]
For example, the number of wires connected to the
[0057]
Further, the substrate 101 of the
[0058]
Further, the structure of the laser element and its conductivity type are not limited to the specific examples described above, and for example, a structure in which p-type and n-type are inverted may be used.
[0059]
【The invention's effect】
The present invention is implemented in the form as described above, and has the effects described below.
[0060]
First, according to the present invention, the heat dissipation of the laser element can be improved by performing a plurality of wire bondings directly on the oscillation region of the active layer. As a result, various characteristics of the semiconductor laser device can be improved, the reliability and life can be extended, and the application range can be greatly expanded.
[0061]
Further, according to the present invention, the contact resistance and adhesion strength of the electrode of the laser element can be improved by bonding a plurality of wires. As a result, the driving current can be reduced, the light emission characteristics can be stabilized, and the mechanical strength against vibration and impact can be improved.
[0062]
By connecting a plurality of wires, the electrical resistance can be lowered and the capacity and inductance can be adjusted. That is, while suppressing the heat generation of the wire, the laser of the gallium nitride compound semiconductor can be operated at a high output, and the laser element can be modulated at a higher speed than the conventional one, and the transmission speed of information can be increased. become able to.
[0063]
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor laser device having high performance and high reliability, which has a great industrial advantage.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing a cross section of a
FIG. 3 is a schematic explanatory diagram of a semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic explanatory diagram of a semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic explanatory diagram of a semiconductor laser device according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10A, 10B, 10C, 10D
Claims (2)
前記半導体レーザ素子に電流を供給する電極端子と、
前記p側電極と前記電極端子とを接続する複数のワイアと、
を備え、前記複数のワイアは、前記半導体レーザ素子の前記p側電極のうちの前記半導体レーザ素子のストライプ状に存在する発振領域の上の部分に沿って接続されていることを特徴とする半導体レーザ装置。A substrate, an n-type gallium nitride compound semiconductor layer formed on the substrate, an active layer formed on the n-type gallium nitride compound semiconductor layer, and formed on the active layer a semiconductor laser device having a p-type gallium nitride compound semiconductor layer, an n-side electrode, and a p-side electrode;
An electrode terminal for supplying a current to the semiconductor laser element;
A plurality of wires connecting the p-side electrode and the electrode terminal;
And the plurality of wires are connected along a portion of the p-side electrode of the semiconductor laser element above the oscillation region existing in a stripe shape of the semiconductor laser element. Laser device.
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