JP5565402B2 - Optical module, nitride semiconductor laser device, submount - Google Patents
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本発明は、光モジュール、窒化物半導体レーザ装置、サブマウントに関する。 The present invention relates to an optical module, a nitride semiconductor laser device, and a submount.
特許文献1は、半導体レーザ装置を開示する。この半導体レーザ装置は、LDチップ、サブマウント及び高熱伝導ステムを備えている。LDチップとステムとの間には、サブマウントが配置されている。
特許文献1では、高熱伝導ステムは、接合樹脂により、サブマウントの高熱伝導ステム側表面に接合される。接合樹脂は、炭化ケイ素、窒化アルミニウム等からなるサブマウントと、銅等からなり金メッキされた高熱伝導ステムとを接合する。接合樹脂は、熱伝導度が高いものであるのが好ましいが、LD活性層で発生した熱はサブマウント内で広がるので、半田材よりも熱伝導率が低い樹脂を使用しても、放熱性にはさほど影響はない。特許文献1は、サブマウントが炭化ケイ素、窒化アルミニウム等からなることを開示する。
In
次いで、窒化ガリウム系半導体からなる緑色半導体レーザを例示として、半導体レーザとサブマウントとの関係を説明する。緑色半導体レーザは、窒化ガリウム系半導体基板の半極性主面を使用する。半極性主面を使用すると、窒化ガリウム系半導体基板の表面及び裏面における熱膨張係数は異方性を示す。これ故に、等方的な熱膨張係数を有するサブマウントは、レーザ導波路に平行な方向に関する熱膨張係数とレーザ導波路に垂直な方向に関する熱膨張係数とのいずれかの向きにおいて半導体レーザの熱膨張係数と異なることになる。 Next, the relationship between the semiconductor laser and the submount will be described using a green semiconductor laser made of a gallium nitride semiconductor as an example. The green semiconductor laser uses a semipolar main surface of a gallium nitride based semiconductor substrate. When the semipolar main surface is used, the thermal expansion coefficient on the front surface and the back surface of the gallium nitride based semiconductor substrate exhibits anisotropy. For this reason, a submount having an isotropic thermal expansion coefficient has a thermal expansion coefficient of a semiconductor laser in either direction of a thermal expansion coefficient in a direction parallel to the laser waveguide and a thermal expansion coefficient in a direction perpendicular to the laser waveguide. It will be different from the expansion coefficient.
利用可能なサブマウントの材料は、例えば炭化ケイ素及び窒化アルミニウムであり、これらのサブマウントは多結晶からなる。これ故に、特許文献1のサブマウントは、異方的な熱膨張係数を有さない。また、サブマウントの材料は、例えばSiC及びAlNに限られることなくダイヤモンドもあり、このダイヤモンドも多結晶からなる。窒化ガリウム系半導体からなる青色半導体レーザは、c面サファイア基板、c面SiC基板、c面GaN基板等を用いて作製される。これらのc面基板は、等方的な熱膨張係数を有する。したがって、等方的な熱膨張係数の青色半導体レーザには、等方的な熱膨張係数を有するサブマウントを用いることが好適である。
Available submount materials are, for example, silicon carbide and aluminum nitride, which are made of polycrystals. For this reason, the submount of
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する第1基準面に対して傾斜する基板主面を用いるIII族窒化物半導体レーザとサブマウントとの間の熱膨張係数差及び熱膨張係数の異方性に係る、III族窒化物半導体レーザの特性変動を低減可能な光モジュールを提供することを目的とし、光モジュールのための窒化物半導体レーザ装置を提供することを目的とし、III族窒化物半導体レーザのためのサブマウントを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a group III nitride semiconductor laser using a substrate main surface inclined with respect to a first reference plane orthogonal to the c-axis of a gallium nitride semiconductor and a sub The purpose of the present invention is to provide an optical module capable of reducing the characteristic variation of a group III nitride semiconductor laser related to the difference in thermal expansion coefficient from the mount and the anisotropy of the thermal expansion coefficient. An object of the present invention is to provide a semiconductor laser device, and to provide a submount for a group III nitride semiconductor laser.
本発明に係る光モジュールは、(a)半極性又は無極性の主面を有する六方晶系の窒化ガリウム単結晶ベースを含み搭載面を有するサブマウントと、前記サブマウントの前記搭載面の上に設けられたIII族窒化物半導体レーザとを含む窒化物半導体レーザ装置と、(b)前記窒化物半導体レーザ装置を搭載するステムとを備える。前記III族窒化物半導体レーザは、六方晶系の窒化ガリウム系半導体からなる主面を有する基板と、前記基板の前記主面の上に設けられ活性層を含むエピタキシャル半導体積層と、前記エピタキシャル半導体積層の上に設けられた電極を含み、前記基板の前記主面は、前記窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する第1基準面に対して傾斜を成し、前記III族窒化物半導体レーザの発振波長は、400nm以上550nm以下の範囲にある。 An optical module according to the present invention includes: (a) a submount including a hexagonal gallium nitride single crystal base having a semipolar or nonpolar main surface and having a mounting surface; and on the mounting surface of the submount. A nitride semiconductor laser device including a provided group III nitride semiconductor laser; and (b) a stem on which the nitride semiconductor laser device is mounted. The group III nitride semiconductor laser includes a substrate having a main surface made of a hexagonal gallium nitride semiconductor, an epitaxial semiconductor stack including an active layer provided on the main surface of the substrate, and the epitaxial semiconductor stack The main surface of the substrate is inclined with respect to a first reference plane orthogonal to the c-axis of the gallium nitride semiconductor, and the oscillation of the group III nitride semiconductor laser The wavelength is in the range of 400 nm to 550 nm.
この光モジュールによれば、III族窒化物半導体レーザの基板の主面は、基板の窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する基準面に対して傾斜を成すので、III族窒化物半導体レーザは、熱膨張係数に関して異方性を有する。また、このIII族窒化物半導体レーザが、半極性又は無極性の主面を有する六方晶系の窒化ガリウム単結晶ベースを含むサブマウントの搭載面上に設けられる。窒化ガリウム単結晶ベースの主面が、熱膨張係数に関して異方性を有する。これ故に、異方的な熱膨張係数を示すIII族窒化物半導体レーザを、異方的な熱膨張係数を示す窒化ガリウム単結晶ベースを含むサブマウントの搭載面上に搭載できる。また、III族窒化物半導体レーザの熱膨張係数はサブマウントの熱膨張係数に近くできる。 According to this optical module, the main surface of the substrate of the group III nitride semiconductor laser is inclined with respect to a reference plane perpendicular to the c-axis of the gallium nitride semiconductor of the substrate. Anisotropy with respect to thermal expansion coefficient. The group III nitride semiconductor laser is provided on a mounting surface of a submount including a hexagonal gallium nitride single crystal base having a semipolar or nonpolar main surface. The main surface of the gallium nitride single crystal base has anisotropy with respect to the coefficient of thermal expansion. Therefore, a group III nitride semiconductor laser exhibiting an anisotropic thermal expansion coefficient can be mounted on a mounting surface of a submount including a gallium nitride single crystal base exhibiting an anisotropic thermal expansion coefficient. Further, the thermal expansion coefficient of the group III nitride semiconductor laser can be close to the thermal expansion coefficient of the submount.
本発明に係る窒化物半導体レーザ装置は、(a)半極性又は無極性の主面を有する窒化ガリウム単結晶ベースを含み搭載面を有するサブマウントと、(b)前記サブマウントの前記搭載面の上に設けられたIII族窒化物半導体レーザとを備える。前記III族窒化物半導体レーザは、III族窒化ガリウム系半導体からなる主面を有する基板と、前記基板の前記主面の上に設けられ活性層を含むエピタキシャル半導体積層とを含み、前記基板の前記主面は、前記窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する基準面に対して傾斜を成し、前記III族窒化物半導体レーザの発振波長は、400nm以上550nm以下の範囲にある。 A nitride semiconductor laser device according to the present invention includes (a) a submount including a gallium nitride single crystal base having a semipolar or nonpolar main surface and having a mounting surface; and (b) the mounting surface of the submount. And a group III nitride semiconductor laser provided on the top. The group III nitride semiconductor laser includes a substrate having a main surface made of a group III gallium nitride based semiconductor, and an epitaxial semiconductor stack including an active layer provided on the main surface of the substrate, The main surface is inclined with respect to a reference plane orthogonal to the c-axis of the gallium nitride semiconductor, and the oscillation wavelength of the group III nitride semiconductor laser is in the range of 400 nm to 550 nm.
この窒化物半導体レーザ装置によれば、III族窒化物半導体レーザの基板の主面は、基板の窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する第1基準面に対して傾斜を成すので、III族窒化物半導体レーザの基板は、熱膨張係数に関して異方性を有する。また、このIII族窒化物半導体レーザが、半極性又は無極性の主面を有する六方晶系の窒化ガリウム単結晶ベースを含むサブマウントの搭載面上に設けられる。窒化ガリウム単結晶ベースの主面が、熱膨張係数に関して異方性を有する。これ故に、異方的な熱膨張係数を示すIII族窒化物半導体レーザを、異方的な熱膨張係数を示す窒化ガリウム単結晶ベースを含むサブマウントの搭載面上に搭載できる。また、材料としての熱膨張係数については、III族窒化物半導体レーザの熱膨張係数はサブマウントの熱膨張係数に近くなる。 According to this nitride semiconductor laser device, the main surface of the substrate of the group III nitride semiconductor laser is inclined with respect to the first reference plane orthogonal to the c-axis of the gallium nitride semiconductor of the substrate. The substrate of the semiconductor laser has anisotropy with respect to the thermal expansion coefficient. The group III nitride semiconductor laser is provided on a mounting surface of a submount including a hexagonal gallium nitride single crystal base having a semipolar or nonpolar main surface. The main surface of the gallium nitride single crystal base has anisotropy with respect to the coefficient of thermal expansion. Therefore, a group III nitride semiconductor laser exhibiting an anisotropic thermal expansion coefficient can be mounted on a mounting surface of a submount including a gallium nitride single crystal base exhibiting an anisotropic thermal expansion coefficient. Regarding the thermal expansion coefficient as a material, the thermal expansion coefficient of the group III nitride semiconductor laser is close to the thermal expansion coefficient of the submount.
本発明に係る光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置では、前記エピタキシャル半導体積層は、前記電極が接触を成すp型窒化ガリウム系半導体層を含み、前記基板の前記主面は、前記第1基準面に対して10度以上の角度で傾斜することが好ましい。 In the optical module and the nitride semiconductor laser device according to the present invention, the epitaxial semiconductor stack includes a p-type gallium nitride based semiconductor layer in contact with the electrode, and the main surface of the substrate is the first reference surface. It is preferable to incline at an angle of 10 degrees or more.
この光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置によれば、エピタキシャル半導体積層が基板の主面上に設けられるので、電極とp型窒化ガリウム系半導体層との接合面も第1基準面に対して上記の角度で傾斜する。 According to this optical module and nitride semiconductor laser device, since the epitaxial semiconductor stack is provided on the main surface of the substrate, the bonding surface between the electrode and the p-type gallium nitride based semiconductor layer is Tilt at an angle.
半極性又は無極性の主面を有する六方晶系の窒化ガリウム単結晶ベースを含み搭載面を有するサブマウントは、上記のような熱劣化及び熱変動を低減できる。 A submount including a hexagonal gallium nitride single crystal base having a semipolar or nonpolar main surface and having a mounting surface can reduce the above-described thermal deterioration and thermal fluctuation.
本発明に係る光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置では、前記基板の前記窒化ガリウム系半導体の前記c軸と前記サブマウントの前記窒化ガリウム単結晶ベースのc軸のなす角が45度以内であることが好ましい。 In the optical module and the nitride semiconductor laser device according to the present invention, an angle formed between the c-axis of the gallium nitride semiconductor of the substrate and the c-axis of the gallium nitride single crystal base of the submount is within 45 degrees. Is preferred.
この光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置によれば、基板の窒化ガリウム系半導体のc軸とサブマウントの窒化ガリウム単結晶ベースのc軸のなす角が45度以内であるので、基板の窒化ガリウム系半導体のc軸の傾斜が窒化ガリウム単結晶ベースのc軸の傾斜と近くできる。 According to this optical module and nitride semiconductor laser device, the angle between the c-axis of the gallium nitride semiconductor of the substrate and the c-axis of the gallium nitride single crystal base of the submount is within 45 degrees. The inclination of the c-axis of the semiconductor can be close to the inclination of the c-axis of the gallium nitride single crystal base.
本発明に係る光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置では、前記III族窒化物半導体レーザはエピダウン形態で前記サブマウントの前記搭載面に実装されていることができる。 In the optical module and the nitride semiconductor laser device according to the present invention, the group III nitride semiconductor laser can be mounted on the mounting surface of the submount in an epi-down configuration.
この光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置によれば、窒化ガリウム系半導体と異なる材料から成るサブマウントを用いるならば、このとき、サブマウント材料とIII族窒化物半導体レーザとの熱膨張係数の違いに起因して実装の際の熱応力を、III族窒化物半導体レーザの電極が受ける。しかしながら、サブマウントが、窒化ガリウム単結晶ベースを含んで異方的な熱膨張係数を有するので、実装の際の熱応力を低減できる。このため、電極の熱劣化を低減できる。 According to this optical module and nitride semiconductor laser device, if a submount made of a material different from that of a gallium nitride semiconductor is used, the difference in thermal expansion coefficient between the submount material and the group III nitride semiconductor laser is This causes the group III nitride semiconductor laser electrode to receive thermal stress during mounting. However, since the submount includes the gallium nitride single crystal base and has an anisotropic thermal expansion coefficient, the thermal stress during mounting can be reduced. For this reason, the thermal deterioration of an electrode can be reduced.
本発明に係る光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置では、前記III族窒化物半導体レーザを前記サブマウントの前記搭載面に実装する導電性接着部材を更に備えることができる。 The optical module and the nitride semiconductor laser device according to the present invention may further include a conductive adhesive member for mounting the group III nitride semiconductor laser on the mounting surface of the submount.
この光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置によれば、導電性接着部材を用いた実装に際に熱がIII族窒化物半導体レーザに加わるけれども、熱応力に起因した熱劣化がIII族窒化物半導体レーザの電極に生じることを低減できる。 According to this optical module and nitride semiconductor laser device, heat is applied to the group III nitride semiconductor laser during mounting using the conductive adhesive member, but thermal degradation due to thermal stress is caused by the group III nitride semiconductor laser. It is possible to reduce the occurrence in the electrode.
本発明に係る光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置では、前記III族窒化物半導体レーザの発振波長は480nm以上540nm以下の範囲にあることが好ましい。 In the optical module and the nitride semiconductor laser device according to the present invention, the group III nitride semiconductor laser preferably has an oscillation wavelength in the range of 480 nm to 540 nm.
この光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置によれば、III族窒化物半導体レーザは、緑色及びその隣接色の光を示す上記波長範囲内のレーザ発振を提供できる。 According to this optical module and nitride semiconductor laser device, the group III nitride semiconductor laser can provide laser oscillation within the above wavelength range indicating light of green and its adjacent color.
本発明に係る光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置では、前記III族窒化物半導体レーザの発振波長は510nm以上540nm以下の範囲にあることが好ましい。 In the optical module and the nitride semiconductor laser device according to the present invention, the group III nitride semiconductor laser preferably has an oscillation wavelength in the range of 510 nm or more and 540 nm or less.
この光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置によれば、III族窒化物半導体レーザは、緑色光を示す上記波長範囲内のレーザ発振を提供できる。 According to this optical module and nitride semiconductor laser device, the group III nitride semiconductor laser can provide laser oscillation within the above wavelength range showing green light.
本発明に係る光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置では、前記基板の前記窒化ガリウム系半導体の前記c軸は、該III族窒化物半導体のa軸又はm軸の方向に傾斜を成すことが好ましい。 In the optical module and the nitride semiconductor laser device according to the present invention, it is preferable that the c-axis of the gallium nitride semiconductor of the substrate is inclined in the direction of the a-axis or m-axis of the group III nitride semiconductor.
この光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置によれば、III族窒化物半導体レーザは、a軸又はm軸の方向に傾斜したc軸の基板を用いて作製されるとき、III族窒化物半導体レーザは異方的な熱膨張係数を有する。 According to the optical module and the nitride semiconductor laser device, when the group III nitride semiconductor laser is manufactured using a c-axis substrate inclined in the a-axis or m-axis direction, the group III nitride semiconductor laser is Has an anisotropic coefficient of thermal expansion.
本発明に係る光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置では、前記エピタキシャル半導体積層は光ガイド層を含み、前記光ガイド層は前記活性層と接触を成し、前記活性層と前記光ガイド層との界面は、前記窒化ガリウム系半導体のc軸に直交するc面から角度ALPHAの傾斜を成すことができる。 In the optical module and the nitride semiconductor laser device according to the present invention, the epitaxial semiconductor stack includes a light guide layer, the light guide layer is in contact with the active layer, and an interface between the active layer and the light guide layer Can be inclined at an angle ALPHA from the c-plane orthogonal to the c-axis of the gallium nitride semiconductor.
この光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置によれば、活性層と光ガイド層との界面が窒化ガリウム系半導体のc軸に直交するc面から、ゼロより大きな角度ALPHAの傾斜を成すとき、III族窒化物半導体レーザでは、角度ALPHAは活性層の面方位を規定する。 According to this optical module and nitride semiconductor laser device, when the interface between the active layer and the optical guide layer forms an inclination of an angle ALPHA greater than zero from the c plane perpendicular to the c axis of the gallium nitride semiconductor, the group III In a nitride semiconductor laser, the angle ALPHA defines the plane orientation of the active layer.
本発明に係る光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置では、前記角度ALPHAは、63度以上80度未満の範囲にあることが好ましい。 In the optical module and the nitride semiconductor laser device according to the present invention, it is preferable that the angle ALPHA is in a range of not less than 63 degrees and less than 80 degrees.
この光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置によれば、角度ALPHAが63度以上80度未満の範囲にあるとき、緑色及びその隣接波長の光を生成するIII族窒化物半導体レーザの作製に好適である。 According to this optical module and nitride semiconductor laser device, when the angle ALPHA is in the range of not less than 63 degrees and less than 80 degrees, it is suitable for producing a group III nitride semiconductor laser that generates light of green and its adjacent wavelength. .
本発明に係る光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置では、前記サブマウント主面は前記窒化ガリウム単結晶ベースのc面から10度以上の角度で傾斜することが好ましい。 In the optical module and the nitride semiconductor laser device according to the present invention, it is preferable that the main surface of the submount is inclined at an angle of 10 degrees or more from the c-plane of the gallium nitride single crystal base.
この光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置によれば、サブマウント主面が10度以上の角度でc面から傾斜するとき、サブマウントに異方的な熱膨張係数を提供することに好適である。 According to this optical module and nitride semiconductor laser device, when the submount main surface is inclined from the c-plane at an angle of 10 degrees or more, it is suitable for providing an anisotropic thermal expansion coefficient to the submount.
本発明に係る光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置では、前記サブマウント主面は前記窒化ガリウム単結晶ベースのc面から80度以上の角度で傾斜することが好ましい。 In the optical module and the nitride semiconductor laser device according to the present invention, it is preferable that the main surface of the submount is inclined at an angle of 80 degrees or more from the c-plane of the gallium nitride single crystal base.
この光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置によれば、サブマウント主面が80度以上の角度でc面から傾斜するとき、窒化ガリウムの無極性面に近い異方的な熱膨張係数をサブマウントに提供することに好適である。 According to this optical module and nitride semiconductor laser device, when the submount main surface is inclined from the c-plane at an angle of 80 degrees or more, the anisotropic thermal expansion coefficient close to the nonpolar surface of gallium nitride is applied to the submount. It is suitable for providing.
本発明に係る光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置では、前記搭載面は、前記搭載面に沿った第1面内方向に関する第1サブマウント熱膨張係数と、前記搭載面に沿った第2面内方向に関する第2サブマウント熱膨張係数とを有し、前記第1面内方向は前記第2面内方向に直交し、前記サブマウントの前記第1サブマウント熱膨張係数は前記サブマウントの前記第2サブマウント熱膨張係数より大きく、前記III族窒化物半導体レーザは、前記第1面内方向に関する第1素子熱膨張係数と、前記第2面内方向に関する第2素子熱膨張係数とを有し、前記III族窒化物半導体レーザの前記第1熱膨張係数は前記III族窒化物半導体レーザの前記第2熱膨張係数より大きいことができる。 In the optical module and the nitride semiconductor laser device according to the present invention, the mounting surface includes a first submount thermal expansion coefficient related to a first in-plane direction along the mounting surface, and a second in-plane direction along the mounting surface. A second submount thermal expansion coefficient with respect to a direction, wherein the first in-plane direction is orthogonal to the second in-plane direction, and the first submount thermal expansion coefficient of the submount is the first submount thermal expansion coefficient of the submount. The group III nitride semiconductor laser has a first element thermal expansion coefficient with respect to the first in-plane direction and a second element thermal expansion coefficient with respect to the second in-plane direction. The first thermal expansion coefficient of the group III nitride semiconductor laser may be greater than the second thermal expansion coefficient of the group III nitride semiconductor laser.
この光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置によれば、III族窒化物半導体レーザにおける異方的な熱膨張係数に、サブマウントの異方的な熱膨張係数に整合させることができる。 According to this optical module and nitride semiconductor laser device, it is possible to match the anisotropic thermal expansion coefficient of the group III nitride semiconductor laser with the anisotropic thermal expansion coefficient of the submount.
本発明に係る光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置では、前記サブマウントの前記窒化ガリウム単結晶ベースのc軸は、前記窒化ガリウム単結晶ベースの主面に対する法線軸に対してゼロより大きい角度を成し、前記III族窒化物半導体レーザのレーザ導波路は、前記サブマウントの前記窒化ガリウム単結晶ベースの前記c軸と前記窒化ガリウム単結晶ベースの前記主面の前記法線軸とによって規定される基準平面に沿って延在することが好ましい。 In the optical module and the nitride semiconductor laser device according to the present invention, the c-axis of the gallium nitride single crystal base of the submount forms an angle larger than zero with respect to the normal axis to the main surface of the gallium nitride single crystal base. The laser waveguide of the group III nitride semiconductor laser is a reference defined by the c-axis of the gallium nitride single crystal base of the submount and the normal axis of the main surface of the gallium nitride single crystal base of the submount. It preferably extends along a plane.
この光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置によれば、III族窒化物半導体レーザのレーザ導波路が窒化ガリウム単結晶ベースのc軸と窒化ガリウム単結晶ベースの主面に対する法線軸とによって規定される基準平面に沿って延在するので、III族窒化物半導体レーザにおける熱膨張係数の異方性の向きを、サブマウントにおける熱膨張係数の異方性の向きに整合させることができる。 According to the optical module and the nitride semiconductor laser device, the laser waveguide of the group III nitride semiconductor laser is defined by the c-axis of the gallium nitride single crystal base and the normal axis with respect to the main surface of the gallium nitride single crystal base Since it extends along the plane, the direction of anisotropy of the thermal expansion coefficient in the group III nitride semiconductor laser can be matched with the direction of the anisotropy of the thermal expansion coefficient in the submount.
本発明に係る光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置では、前記基板は前記窒化ガリウム単結晶ベースと同じ材料からなることが好ましい。 In the optical module and the nitride semiconductor laser device according to the present invention, the substrate is preferably made of the same material as the gallium nitride single crystal base.
この光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置によれば、基板及び窒化ガリウム単結晶ベースは同じ材料からなるので、III族窒化物半導体レーザの熱膨張係数が窒化ガリウム単結晶ベースの材料に近くなる。 According to this optical module and nitride semiconductor laser device, since the substrate and the gallium nitride single crystal base are made of the same material, the thermal expansion coefficient of the group III nitride semiconductor laser is close to that of the gallium nitride single crystal base material.
本発明に係る光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置では、前記サブマウントは、前記窒化ガリウム単結晶ベースの前記主面の上に設けられた金属層を含み、前記III族窒化物半導体レーザは、前記導電性接着部材により前記サブマウントの前記金属層に固定されていることが好ましい。 In the optical module and the nitride semiconductor laser device according to the present invention, the submount includes a metal layer provided on the main surface of the gallium nitride single crystal base, and the group III nitride semiconductor laser includes the It is preferable to be fixed to the metal layer of the submount by a conductive adhesive member.
この光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置によれば、サブマウントにおける熱膨張係数の異方性はサブマウントの金属層を通して発揮される。 According to this optical module and nitride semiconductor laser device, the anisotropy of the thermal expansion coefficient in the submount is exhibited through the metal layer of the submount.
本発明に係る光モジュールでは、前記ステムは、前記窒化物半導体レーザ装置を搭載する側面を有する金属台座と、前記金属台座を搭載する主面と裏面とを有する金属ベースとを含み、前記ステムは、前記金属ベースの前記主面から前記裏面に向かう方向に延在する貫通孔と、該貫通孔に保持されたリード端子とを含むことは好ましい。 In the optical module according to the present invention, the stem includes a metal base having a side surface on which the nitride semiconductor laser device is mounted, and a metal base having a main surface and a back surface on which the metal base is mounted. Preferably, the metal base includes a through hole extending in a direction from the main surface toward the back surface, and a lead terminal held in the through hole.
この光モジュールによれば、窒化物半導体レーザ装置のIII族窒化物半導体レーザからの熱は金属台座を介して金属ベースに伝導する。 According to this optical module, heat from the group III nitride semiconductor laser of the nitride semiconductor laser device is conducted to the metal base via the metal pedestal.
本発明に係る窒化物半導体レーザ装置では、前記III族窒化物半導体レーザは、前記搭載面に沿った第1面内方向に関する第1素子熱膨張係数と、前記搭載面に沿った第2面内方向に関する第2素子熱膨張係数とを有し、前記第1面内方向は前記第2面内方向に直交し、前記III族窒化物半導体レーザの前記第1熱膨張係数は前記窒化ガリウム系半導体レーザの前記第2熱膨張係数より大きく、前記搭載面は、前記第1面内方向に関する第1サブマウント熱膨張係数と、前記第2面内方向に関する第2サブマウント熱膨張係数とを有し、前記サブマウントの前記第1サブマウント熱膨張係数は前記サブマウントの前記第2サブマウント熱膨張係数より大きい。 In the nitride semiconductor laser device according to the present invention, the group III nitride semiconductor laser includes a first element thermal expansion coefficient in a first in-plane direction along the mounting surface, and a second in-plane direction along the mounting surface. The first in-plane direction is perpendicular to the second in-plane direction, and the first thermal expansion coefficient of the group III nitride semiconductor laser is the gallium nitride based semiconductor. The mounting surface has a first submount thermal expansion coefficient with respect to the first in-plane direction and a second submount thermal expansion coefficient with respect to the second in-plane direction. The first submount coefficient of thermal expansion of the submount is greater than the second submount coefficient of thermal expansion of the submount.
本発明に係る、半導体レーザを搭載するためのサブマウントは、半極性又は無極性の主面を有する窒化ガリウム単結晶ベースを含み搭載面を有し、前記搭載面は、該搭載面に沿った第1面内方向に関する第1熱膨張係数と、該搭載面に沿った第2面内方向に関する第2熱膨張係数とを有し、前記第1面内方向は前記第2面内方向に直交し、前記第1熱膨張係数は前記第2熱膨張係数と異なる。 A submount for mounting a semiconductor laser according to the present invention includes a gallium nitride single crystal base having a semipolar or nonpolar main surface, and has a mounting surface, the mounting surface being along the mounting surface A first thermal expansion coefficient related to the first in-plane direction, and a second thermal expansion coefficient related to the second in-plane direction along the mounting surface, wherein the first in-plane direction is orthogonal to the second in-plane direction. The first thermal expansion coefficient is different from the second thermal expansion coefficient.
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。 The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the present invention, which proceeds with reference to the accompanying drawings.
以上説明したように、本発明によれば、窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する第1基準面に対して傾斜する基板主面を用いるIII族窒化物半導体レーザとサブマウントとの間の熱膨張係数差及び熱膨張係数の異方性に係る、III族窒化物半導体レーザの特性変動を低減可能な光モジュールが提供される。また、本発明によれば、光モジュールのための窒化物半導体レーザ装置が提供される。さらに、本発明によれば、窒化物半導体レーザ装置のためのサブマウントが提供される。 As described above, according to the present invention, the heat between the group III nitride semiconductor laser and the submount that uses the substrate main surface inclined with respect to the first reference plane orthogonal to the c-axis of the gallium nitride semiconductor. There is provided an optical module capable of reducing variation in characteristics of a group III nitride semiconductor laser related to an expansion coefficient difference and anisotropy of a thermal expansion coefficient. The present invention also provides a nitride semiconductor laser device for an optical module. Furthermore, according to the present invention, a submount for a nitride semiconductor laser device is provided.
引き続いて、添付図面を参照しながら、光モジュール、半導体レーザ装置、サブマウントに係る本発明の実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。 Subsequently, embodiments of the present invention relating to an optical module, a semiconductor laser device, and a submount will be described with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.
図1は、本実施の形態に係る光モジュールを模式的に示す図面である。図2は、本実施の形態に係る光モジュール及び窒化物半導体レーザ装置を模式的に示す図面である。図1及び図2を参照すると、窒化物半導体レーザ装置1及び光モジュール10が示され、また半導体発光素子として、III族窒化物半導体レーザ11が示される。光モジュール10は窒化物半導体レーザ装置1を含む。光モジュール10は窒化物半導体レーザ装置1を搭載するステム10aと、ステム10a上の窒化物半導体レーザ装置1を覆うキャップ10bとを含む。窒化物半導体レーザ装置1はサブマウント3及びIII族窒化物半導体レーザ11を含む。サブマウント3は、搭載面3aを有し、また半極性又は無極性の主面を有する六方晶系の窒化ガリウム単結晶ベース3dを含む。このサブマウント3は、熱膨張係数の異方性を有する搭載面3aを有する。サブマウント3の搭載面3aには、必要な場合には、第1の電極5a及び第2の電極5bが、窒化ガリウム単結晶ベース3d上の主面上に設けられることができる。サブマウント3の搭載面3aはIII族窒化物半導体レーザ11といった窒化物半導体発光素子を搭載する。図1の(b)部は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子の構造を概略的に示す図面である。III族窒化物半導体レーザ11は、レーザ構造体13及び電極15、41を含む。
FIG. 1 is a drawing schematically showing an optical module according to the present embodiment. FIG. 2 is a drawing schematically showing the optical module and the nitride semiconductor laser device according to the present embodiment. Referring to FIGS. 1 and 2, a nitride
III族窒化物半導体レーザ11は、利得ガイド型の構造を有するけれども、本実施の形態は、利得ガイド型の構造に限定されるものではなく、例えばリッジ型の構造を適用される。III族窒化物半導体レーザ11は、レーザ構造体13及び電極15を備える。レーザ構造体13は、III族窒化物半導体からなるエピタキシャル半導体積層(以下、「半導体積層」と記す)19及び該半導体積層19を搭載する基板17を含む。半導体積層19は基板17の主面17a上に設けられる。電極15は半導体積層19上に設けられる。基板17は、六方晶系の窒化ガリウム系半導体からなり、また主面17a及び裏面17bを有する。また、基板17の主面17aは、基板17の窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する第1基準面(例えば面Sc)に対して傾斜を成し、またc面の極性と異なる極性特性を有する。半導体積層19は活性層25を含み、一実施例では、活性層25は、III族窒化物半導体レーザ11の発振波長が400nm以上550nm以下の範囲にあるように設けられる。半導体積層19におけるc軸(ベクトルVCの方向に向く軸)は基板17の主面17aに対する法線軸NXに対して傾斜する。
Although group III
この光モジュール10によれば、III族窒化物半導体レーザ11の基板17の主面17aは、基板17の窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する基準面に対して傾斜を成すので、III族窒化物半導体レーザ11の基板17は、熱膨張係数に関して異方性を有する。また、このIII族窒化物半導体レーザ11が、半極性又は無極性の主面を有する六方晶系の窒化ガリウム単結晶ベースを含むサブマウント3の搭載面3a上に設けられる。窒化ガリウム単結晶ベース3dの主面が、熱膨張係数に関して異方性を有する。これ故に、異方的な熱膨張係数を示すIII族窒化物半導体レーザ11を、異方的な熱膨張係数を示す窒化ガリウム単結晶ベース3dを含むサブマウント3の主面3a上に搭載できる。また、材料としての熱膨張係数について、III族窒化物半導体レーザ11の熱膨張係数はサブマウント3の熱膨張係数に近づけることができる。
According to this
本実施例では、窒化物半導体レーザ装置1はステム10a上に搭載される。III族窒化物半導体レーザ11はエピダウン形態でサブマウント3の主面3aに実装されていることができる。
In this embodiment, the nitride
窒化物半導体レーザ装置1は、III族窒化物半導体レーザ11をサブマウント3の搭載面3aに実装する導電性接着部材7を更に備えることができる。窒化物半導体レーザ装置1によれば、導電性接着部材7を用いた実装に際に熱応力が加わるとき、熱応力に起因した熱劣化が電極に生じることを低減できる。
The nitride
この光モジュール10及び窒化物半導体レーザ装置1によれば、が窒化ガリウム系半導体と異なる材料から成るサブマウントを用いてIII族窒化物半導体レーザ11を実装するならば、このサブマウント材料とIII族窒化物半導体レーザ1の材料との熱膨張係数の違いに起因して実装の際の熱を、III族窒化物半導体レーザ11の電極15が受ける。しかしながら、本実施の形態では、サブマウント3が、窒化ガリウム単結晶ベース3dを含んで異方的な熱膨張係数を有するので、実装の際の熱応力を低減できる。このため、電極15の熱劣化を低減できる。
According to the
III族窒化物半導体レーザ11はサブマウント3の第1の電極5a上に位置し、窒化物半導体発光素子のアノードは、第1の電極5aに接着される。第1の電極5aは金属層を含む。第1の電極5aをボンディングワイヤといった導電部材を介してリード端子に接続されていても良い。また、窒化物半導体発光素子11のカソードは、ボンディングワイヤといった導電部材9を介して第2の電極5bに接続されていてもよく、第2の電極5bを別のボンディングワイヤといった導電部材を介してステムのリード端子に接続されていても良い。第2の電極5bは金属層を含む。一実施例では、電極5a、5bのための金属層は、窒化ガリウム単結晶ベース3dの主面上に設けられることができる。III族窒化物半導体レーザ11は、導電性接着部材7によりサブマウント3の電極5aに固定されていることが好ましい。この窒化物半導体レーザ装置1及び光モジュール10によれば、サブマウント3における熱膨張係数の異方性はサブマウント3の電極5aを通して発揮される。
The group III
光モジュール10及び窒化物半導体レーザ装置1では、サブマウント3の窒化ガリウム単結晶ベース3dのc軸は、窒化ガリウム単結晶ベース3dの法線軸に対してゼロより大きい角度を成し、III族窒化物半導体レーザ11のレーザ導波路は、サブマウント3の窒化ガリウム単結晶ベース3dのc軸と窒化ガリウム単結晶ベース3dの主面の法線軸とによって規定される基準平面に沿って延在することが好ましい。
In the
この光モジュール10及び窒化物半導体レーザ装置1によれば、III族窒化物半導体レーザ11のレーザ導波路が窒化ガリウム単結晶ベース3dのc軸と窒化ガリウム単結晶ベース3dの主面に対する法線軸とによって規定される基準平面に沿って延在するので、III族窒化物半導体レーザ11における熱膨張係数の異方性の向きを、サブマウント3における熱膨張係数の異方性の向きに整合させることができる。
According to the
光モジュール10及び窒化物半導体レーザ装置1では、基板17の窒化ガリウム系半導体のc軸(ベクトルVC)は、該III族窒化物半導体のa軸又はm軸の方向に傾斜を成すことができる。III族窒化物半導体レーザ11がa軸又はm軸の方向に傾斜したc軸の基板17を用いて作製されるとき、III族窒化物半導体レーザ11は異方的な熱膨張係数を有する。
In the
図2に示されるサブマウント3の搭載面3aにおいて、搭載面3aに沿った第1面内方向(図2ではX軸方向及びY軸方向の一方)及び搭載面3aに沿った第2面内方向(図2ではX軸方向及びY軸方向の他方)を規定する。窒化物半導体レーザ装置1及び光モジュール10では、搭載面3aは、第1面内方向(例えば図2におけるY軸方向)に関する第1サブマウント熱膨張係数CM1(Ex)と、第2面内方向(例えば図2におけるX軸方向)に関する第2サブマウント熱膨張係数CM2(Ex)とを有する。第1面内方向は第2面内方向に直交する。III族窒化物半導体レーザ1は、第1面内方向(例えば図2におけるY軸方向)に関する第1素子熱膨張係数CS1(Ex)と、第2面内方向(例えば図2におけるX軸方向)に関する第2素子熱膨張係数CS2(Ex)とを有する。
In the mounting
例えば、サブマウント3の第1サブマウント熱膨張係数CM1(Ex)がサブマウントの第2サブマウント熱膨張係数CM2(Ex)より大きく且つIII族窒化物半導体レーザ11の第1熱膨張係数CS1(Ex)がIII族窒化物半導体レーザ11の第2熱膨張係数CS2(Ex)より大きいように、サブマウント3上にIII族窒化物半導体レーザ11を搭載できる。或いは、サブマウント3の第1サブマウント熱膨張係数CM1(Ex)がサブマウントの第2サブマウント熱膨張係数CM2(Ex)より小さく且つIII族窒化物半導体レーザ11の第1熱膨張係数CS1(Ex)がIII族窒化物半導体レーザ11の第2熱膨張係数CS2(Ex)より小さくように、サブマウント3上にIII族窒化物半導体レーザ11を搭載できる。このような形態の光モジュール10及び窒化物半導体レーザ装置1によれば、III族窒化物半導体レーザ11における異方的な熱膨張係数を、サブマウント3の異方的な熱膨張係数に整合させることができる。
For example, the first submount thermal expansion coefficient CM1 (Ex) of the
III族窒化物半導体レーザ11の基板17は窒化ガリウム単結晶ベース3dと同じ材料からなることが好ましい。この形態では、基板17及び窒化ガリウム単結晶ベース3dが同じ材料からなるので、III族窒化物半導体レーザ11の熱膨張係数及びその異方性を窒化ガリウム単結晶ベース3dの材料に近づけることができる。
The substrate 17 of the group III
光モジュール10及び窒化物半導体レーザ装置1では、サブマウント主面3aは窒化ガリウム単結晶ベース3dのc面から10度以上の角度で傾斜することが好ましい。サブマウント主面3aが上記の角度範囲c面から傾斜するとき、サブマウント3に異方的な熱膨張係数を提供することに好適である。また、光モジュール10及び窒化物半導体レーザ装置1では、サブマウント主面3aは窒化ガリウム単結晶ベース3dのc面から80度以上の角度で傾斜することが好ましい。サブマウント主面3aが80度以上の角度でc面から傾斜するとき、窒化ガリウムの無極性面の異方的な熱膨張係数をサブマウントに提供することに好適である。また、サブマウント主面3aは窒化ガリウム単結晶ベース3dのc面から90度以下の角度で傾斜することが好ましい。
In the
また、窒化物半導体レーザ装置1及び光モジュール10のためのIII族窒化物半導体レーザ11では、半導体積層19は、電極15が接触を成すp型窒化ガリウム系半導体層(例えば「層33」)を含み、基板17の主面17aは、第1基準面(例えばSc)に対して10度以上の角度で傾斜することが好ましい。この光モジュール10及び窒化物半導体レーザ装置1によれば、半導体積層19が基板17の主面17a上に設けられるので、電極15とp型窒化ガリウム系半導体層との接合面30aも基準面(例えば面Sc)に対して10度以上の角度で傾斜する。また、接合面30aも基準面(例えば面Sc)に対して90度以下の角度で傾斜する。
In the group III
基板18の半極性面17aが該六方晶系のIII族窒化ガリウム系半導体のc軸に対してm軸の方向に63度以上80度以下の範囲内の角度ALPHAで傾斜するとき、電極15と該電極15が接触を成すp型コンタクト層33との界面も、上記の角度ALPHAで傾斜する。このとき、窒化物半導体レーザ装置1では、基板17の窒化ガリウム系半導体のc軸(ベクトルVCの方向)とサブマウント3の窒化ガリウム単結晶ベース3dのc軸のなす角が45度以内であることが好ましい。この窒化物半導体レーザ装置1によれば、基板17の窒化ガリウム系半導体のc軸とサブマウント3の窒化ガリウム単結晶ベース3dのc軸のなす角が上記角度以内であるとき、基板17の窒化ガリウム系半導体のc軸の傾斜が窒化ガリウム単結晶ベースのc軸の傾斜と近くできる。
When the
上記の角度範囲では、III族窒化物半導体レーザ11のp側の電極15は、電流−電圧特性の劣化を引き起こしやすい。電流−電圧特性の劣化の一例では、良好なオーミック特性が失われて、電極15の電流−電圧特性がショットキー特性又はショットキー特性に近い特性を示すように劣化する。このような電極特性劣化は、発明者の知見によれば、窒化ガリウム系半導体の半極性面上に形成される電極15において顕著に生じる。III族窒化物半導体レーザ11が、例えば製造後の摂氏200度程度のプロセス温度によるストレスにさらされるとき、電極15の電流−電圧特性は容易に劣化してしまう。
In the above angle range, the p-
また、このような電極の特性劣化(つまり、熱劣化)だけでなく、別の劣化の例では、等方的な熱膨張係数を有するAlNサブマウント上にIII族窒化物半導体レーザ11を半田材を用いて実装するとき、AlNサブマウント上に実装されたIII族窒化物半導体レーザ11の順方向電圧(Vf)において、実装後の値は実装前の値に対してプラス0.2ボルト(50mAの注入電流)程度大きくなる。しかし、半極性又は無極性の主面を有する六方晶系の窒化ガリウム単結晶ベース3dを含み搭載面3aを有するサブマウント上にIII族窒化物半導体レーザ11を実装するとき、実装後の値と実装前の値との差はほぼ0ボルトである。これ故に、電極の熱劣化だけでなく電極の特性変動(つまり、熱変動)もまた、半極性又は無極性の主面を有する六方晶系の窒化ガリウム単結晶ベース3dを含み搭載面3aを有するサブマウント3は、上記のような熱劣化及び熱変動を低減できる。
In addition to such electrode characteristic deterioration (that is, thermal deterioration), in another example of deterioration, a group III
電極15は、レーザ構造体13の半導体積層19上に設けられる。半導体積層19は、第1のクラッド層21と、第2のクラッド層23と、活性層25とを含む。第1のクラッド層21は、第1導電型の窒化ガリウム系半導体からなり、例えばn型AlGaN、n型InAlGaN等からなる。第2のクラッド層23は、第2導電型の窒化ガリウム系半導体からなり、例えばp型AlGaN、p型InAlGaN等からなる。活性層25は、第1のクラッド層21と第2のクラッド層23との間に設けられる。活性層25は窒化ガリウム系半導体層を含み、この窒化ガリウム系半導体層は例えば井戸層25aである。活性層25は窒化ガリウム系半導体からなる障壁層25bを含み、井戸層25aは障壁層25bの間に設けられており、これら層25a、25bは交互に配列されている。井戸層25aは、例えばInGaN等からなり、障壁層25bは例えばGaN、InGaN等からなる。活性層25は量子井戸構造を含むことができる。第1のクラッド層21、第2のクラッド層23及び活性層25は、半極性の主面17aの法線軸NXに沿って配列されている。半極性の主面17aの利用により、波長480nm以上540nm以下の光の発生に好適である。この窒化物半導体レーザ装置1及び光モジュール10によれば、III族窒化物半導体レーザ11は、緑色及びその隣接色の光を示す上記波長範囲内のレーザ発振を提供できる。また、 III族窒化物半導体レーザ11では、活性層25は510nm以上540nm以下の範囲に発振波長を有するように設けられることが好ましい。この窒化物半導体レーザ装置1及び光モジュール10によれば、III族窒化物半導体レーザ11は、緑色光を示す上記波長範囲内のレーザ発振を提供できる。
The
本実施例におけるIII族窒化物半導体レーザ11では、六方晶系III族窒化物半導体のc軸は六方晶系III族窒化物半導体のm軸の方向に傾斜している。これ故に、レーザ構造体13は、六方晶系III族窒化物半導体のm軸及び法線軸NXによって規定されるm−n面に交差する第1の端面27及び第2の端面29を含む。なお、六方晶系III族窒化物半導体のc軸は六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向に傾斜していることができ、この傾斜のとき、レーザ構造体13の第1の端面27及び第2の端面29は、六方晶系III族窒化物半導体のa軸及び法線軸NXによって規定されるa−n面に交差し、へき開面ではない割断面からなる。或いは、第1の端面27及び第2の端面29は、基板17の主面17aとm−n面(又はa−n面)との両方に直交する面に交差していてもよい。
In the group III
図2を参照すると、直交座標系S及び結晶座標系CRが描かれている。法線軸NXは、直交座標系SのZ軸の方向に向く。主面17aは、直交座標系SのX軸及びY軸により規定される所定の平面に平行に延在する。また、代表的なc面Scが描かれている。基板17の六方晶系III族窒化物半導体のc軸は、六方晶系III族窒化物半導体のm軸の方向に法線軸NXに対してゼロより大きい角度ALPHAで傾斜している。
Referring to FIG. 2, an orthogonal coordinate system S and a crystal coordinate system CR are depicted. The normal axis NX is directed in the direction of the Z axis of the orthogonal coordinate system S. The
III族窒化物半導体レーザ11は、絶縁膜31を更に備える。絶縁膜31はレーザ構造体13の半導体積層19の表面19aを覆っており、半導体積層19は絶縁膜31と基板17との間に位置する。基板17は六方晶系III族窒化物半導体からなる。絶縁膜31は開口31aを有し、開口31aは半導体積層19の表面19aと上記のm−n面との交差線LIXの方向に延在し、例えばストライプ形状を成す。電極15は、開口31aを介して半導体積層19の表面19a(例えば第2導電型のコンタクト層33)に接触を成しており、上記の交差線LIXの方向に延在する。III族窒化物半導体レーザ11では、レーザ導波路は、第1のクラッド層21、第2のクラッド層23及び活性層25を含み、また上記の交差線LIXの方向に延在する。電極15及び絶縁膜31上には、サブマウントに接合する形成するために使用されるパッド電極16が設けられる。
The group III
基板17の主面17aは六方晶系窒化ガリウム系半導体からなり、基板17の主面17は該六方晶系窒化ガリウム系半導体のc軸に対して傾斜した半極性面を有する。半導体積層19は基板17の主面17a上にエピタキシャルに成長された複数の半導体層21、20、23、33を含む。この窒化物半導体レーザ装置によれば、六方晶系窒化ガリウム系半導体の半極性面上に半導体積層を作製可能である。基板17の主面17aは六方晶系窒化ガリウムからなることが好ましい。この窒化物半導体レーザ装置1によれば、良好な結晶品質のGaN上に半導体積層を作製可能である。
The
III族窒化物半導体レーザ11では、既に説明したように、c軸がm軸の方向に傾斜するとき、第1の端面27及び第2の端面29は、六方晶系III族窒化物半導体のm軸及び法線軸NXによって規定されるm−n面に交差する(或いは、c軸がa軸の方向に傾斜するとき、第1の端面27及び第2の端面29は、六方晶系III族窒化物半導体のm軸及び法線軸NXによって規定されるa−n面に交差する)。III族窒化物半導体レーザ11のレーザ共振器は第1及び第2の端面27、29を含み、第1の端面27及び第2の端面29の一方から他方への導波路軸の方向に、レーザ導波路が延在している。レーザ構造体13は第1の面13a及び第2の面13bを含み、第1の面13aは第2の面13bの反対側の面である。これらの端面は、c軸の傾斜方向とレーザ導波路の延在方向とに応じて、へき開面或いは割断面であることができる。第1及び第2の端面27、29は、第1の面13aのエッジ13cから第2の面13bのエッジ13dまで延在する、本実施例では、レーザ導波路はn−m面にそって延在しており、第1及び第2の端面27、29は、c面、m面又はa面といったこれまでのへき開面とは異なり、光共振器のための割断面からなる。基板17は、例えばGaN等からなることができる。該窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いるとき、共振器として利用可能な端面27、29を得ることができる。
In the group III
このIII族窒化物半導体レーザ11によれば、レーザ共振器を構成する第1及び第2の端面27、29がm−n面に交差する。これ故に、m−n面と半極性面17aとの交差線の方向に延在するレーザ導波路を設けることができる。これ故に、III族窒化物半導体レーザ11は、低しきい値電流を可能にするレーザ共振器を有することになる。
According to the group III
第1及び第2の端面27、29の少なくとも一方、又はそれぞれに設けられた誘電体多層膜43a、43bを更に備えることができる。これらの端面27、29にも端面コートを適用できる。誘電体多層膜43a、43bにより、端面コートにより反射率を調整できる。
III族窒化物半導体レーザ11は、n側光ガイド層35及びp側光ガイド層37を含む。n側光ガイド層35は、第1の部分35a及び第2の部分35bを含み、n側光ガイド層35は例えばGaN、InGaN等からなる。p側光ガイド層37は、第1の部分37a及び第2の部分37bを含み、p側光ガイド層37は例えばGaN、InGaN等からなる。キャリアブロック層39は、例えば第1の部分37aと第2の部分37bとの間に設けられる。
The group III
基板17の裏面17bには別の電極41が設けられ、電極41は例えば基板17の裏面17bを覆っている。上記の光ガイド層35、37及び活性層25は、発光層20を構成する。
Another
半導体積層19は光ガイド層35を含み、光ガイド層35は活性層25と接触を成し、活性層25と光ガイド層35との界面30bは、窒化ガリウム系半導体のc軸に直交するc面から角度ALPHAの傾斜を成すことができる。活性層25と光ガイド層35との界面30bが上記の傾斜を成すとき、III族窒化物半導体レーザ11では、角度ALPHAは活性層25の面方位を規定する。例えば、角度ALPHAが63度以上80度未満の範囲にあるとき、緑色及びその隣接波長の光を生成するIII族窒化物半導体レーザの作製に好適である。
The
III族窒化物半導体レーザ11では、半導体積層19は、第1導電型III族窒化物半導体領域(例えば半導体層21、35a)、発光層20及び第2導電型III族窒化物半導体領域(例えば半導体層37a、23、33)を含む。第1導電型III族窒化物半導体領域(例えば半導体層21、35a)、発光層20及び第2導電型III族窒化物半導体領域(例えば半導体層37b、23、33)は法線軸NXの方向に順に配列されている。電極15は、第2導電型III族窒化物半導体領域(例えば半導体層37a、23、33)の主面に接触を成す。第1導電型III族窒化物半導体領域(例えば半導体層21、35a)、発光層20及び第2導電型III族窒化物半導体領域(例えば半導体層37b、23、33)は、それぞれ、法線軸NXに直交する第1〜第3の基準平面R1、R2、R3に沿って延在する。
In the group III
III族窒化物半導体レーザ11は、法線軸NXに直交する第1の方向に関する第1の熱膨張係数CS1(Ex)と、法線軸NX及び第1の方向に直交する第2の方向に関する第2の熱膨張係数CS2(Ex)とを有する。III族窒化物半導体レーザ11は、第1の熱膨張係数CS1(Ex)が第2の熱膨張係数CS2(Ex)より大きいことを示す熱膨張係数の異方性を有する。この異方性は、c軸が基板17の主面17aの法線軸に対して大きく傾斜することに因る。III族窒化物半導体レーザ11は、サブマウント3の熱膨張係数の異方性に合わせて向き付けされてサブマウント3の主面3a上に搭載されている。第1の方向は、例えばレーザ導波路の延在方向であることができ、また第2の方向は例えば端面27、29の延在方向であることができる。
The group III
サブマウント3は、その主面3aの法線に直交する第3の方向に関する第1の熱膨張係数CM1(Ex)と、上記法線及び第3の方向に直交する第4の方向に関する第2の熱膨張係数CM2(Ex)とを有する。サブマウント3は、第1の熱膨張係数CM1(Ex)が第2の熱膨張係数CM2(Ex)より大きいこを示す熱膨張係数の異方性を有する。サブマウント3の主面3a上には、サブマウント3の熱膨張係数の異方性に合わせた向きでIII族窒化物半導体レーザ11が搭載される。例えば、第3の方向は第1の方向に一致するように規定することができ、第4の方向は第2の方向に一致するように規定することができる。
The
この窒化物半導体レーザ装置1によれば、レーザ構造体13はIII族窒化物半導体からなる半導体積層19及び該半導体積層19を搭載する基板17を含み、この半導体積層19におけるc軸(ベクトルVCの方向)は基板17の主面17aに対する法線軸NXに対して傾斜している。これ故に、III族窒化物半導体レーザ11の半導体積層19は、基板17のc面ではなく半極性面17a上に作製される。また、単結晶窒化ガリウムベース3dのc軸の傾斜方向は、ベクトルVCと法線軸NXとによって規定される基準面に沿った方向である。
According to this nitride
サブマウント3は、例えば搭載部材主面3aの第1の熱膨張係数CM1(Ex)が搭載部材主面3aの第2の熱膨張係数CM2(Ex)より大きいことを示す熱膨張係数の異方性を有する。また、III族窒化物半導体レーザ11は、III族窒化物半導体レーザ11の第1の熱膨張係数CS1(Ex)が半導体発光素子の第2の熱膨張係数CS2(Ex)より大きいことを示す熱膨張係数の異方性を有する。この半導体レーザ素子はサブマウント3の熱膨張係数の異方性に合わせて向き付けされて、熱膨張係数の異方性を有する搭載部材主面3a上に搭載されている。したがって、III族窒化物半導体レーザ11は、熱膨張係数の異方性を有する搭載部材主面3a上に搭載されるとき、等方的な熱膨張係数を有する搭載部材主面3a上に搭載されることに比べて、窒化物半導体レーザ装置1では、III族窒化物半導体レーザ11とサブマウント3との熱膨張係数差に起因する応力がIII族窒化物半導体レーザ11において低減される。
The
窒化物半導体レーザ装置1では、例えばIII族窒化物半導体レーザ11の半導体積層19が基板17とサブマウント3との間に設けられていてもよい。この窒化物半導体レーザ装置1では、いわゆるエピダウン形態でIII族窒化物半導体レーザ11が実装される。活性層25が基板17に比べてサブマウント3の主面3aに近い。
In the nitride
サブマウント3の異方性について説明する。窒化物半導体レーザ装置1では、サブマウント3の主面3aは窒化ガリウムの半極性面又は無極性面からなることができ、半極性面又は無極性面上に設けられた薄い金属層からなることができる。六方晶系の単結晶窒化ガリウムの半極性面又は無極性面は、異方的な熱膨張係数をサブマウント3に提供できる。また、サブマウント3の主面3aが半極性面からなるとき、LDチップの異方性がある熱膨張係数(x軸方向、y軸方向)両方に適合することができる。サブマウント3の主面3aが無極性面からなるとき、LDチップの異方性がある熱膨張係数(x軸方向、y軸方向)両方にほぼ適合することができ、c面で成長したGaNインゴットから切り出す過程で半極性面サブマウントより作製しやすい。単結晶窒化ガリウムの半極性面又は無極性面は、異方的な熱膨張をサブマウント3に提供できる。
The anisotropy of the
窒化物半導体レーザ装置1は、III族窒化物半導体レーザ11の電極(例えば電極15)とサブマウント3の主面3aとの間に位置する(例えば、半田)導電性接着部材7を介して熱的に接合される。電極15はサブマウント3の第1の電極5aに導電性接着部材7を介して固定される。導電性接着部材7を用いた固定の際に加わる熱によりIII族窒化物半導体レーザ11の膨張及び収縮は異方的である。この固定が、サブマウント3(単結晶窒化ガリウムの半極性面又は無極性面)上へ行われるとき、サブマウント3の膨張及び収縮も異方的である。したがって、単結晶窒化ガリウムのサブマウント3の熱膨張係数及びその異方性とIII族窒化物半導体レーザ11の熱膨張係数及びその異方性との僅かな違いにより、非常に小さい異方的な残留応力が窒化物半導体レーザ装置1に残る可能性がある。しかしながら、この残留応力は十分に小さくできる。
The nitride
窒化物半導体レーザ装置1では、半極性の主面17aは、該六方晶系窒化ガリウム系半導体のc軸に対して10度以上170度以下の範囲内の角度ALPHAで傾斜していることが好ましい。この窒化物半導体レーザ装置1によれば、上記の角度範囲においては、c面からの傾斜に起因した熱膨張の異方性が顕著になる。
In the nitride
基板18の半極性の主面17aが該六方晶系窒化ガリウム系半導体のc軸に対してm軸の方向に10度以上170度以下の範囲内の角度ALPHAで傾斜するとき、活性層25の発光のピーク波長は500nm以上540nm以下の範囲にあることができる。III族窒化物半導体レーザ11の半導体積層19がc面ではなく主面17a上に作製されるので、このIII族窒化物半導体レーザ11は上記の波長範囲の発光(例えば緑色の発光)を提供できる。
When the semipolar
図3は、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置を作製する方法における主要な工程を示す図面である。この作製方法の工程フロー100では、図1及び図2に示された窒化物半導体レーザ装置1の一形態を作製する。
FIG. 3 is a drawing showing main steps in the method of manufacturing the nitride semiconductor laser device according to the present embodiment. In the
工程S101において、熱膨張係数の異方性を示す主面を有する搭載部材を準備する。この搭載部材として、例えば図1に示されたサブマウント3を使用できる。サブマウント3は、単結晶窒化ガリウムベース3dを含み、単結晶窒化ガリウムベース3dのGaNは例えばn導電性を示す。後の工程において、サブマウント3の搭載面3a上には窒化物半導体発光素子が搭載される。具体的に説明すると、サブマウント3の搭載面3aは、第3の方向に関する第1の熱膨張係数CM1(Ex)と、第3の方向に直交する第4の方向に関する第2の熱膨張係数M2(Ex)とを有する。サブマウント3の搭載面3aは、例えばサブマウント3の第1の熱膨張係数CM1(Ex)がサブマウント3の第2の熱膨張係数CM1(Ex)より大きい熱膨張係数の異方性を有する。サブマウント3の材料は、単結晶GaNを用い、その面方位は、例えば{20−21}面(m面方向にc面が75度の角度で傾斜する面)であり、この面方位は、サブマウントに搭載される半導体レーザのGaN基板に対応する。搭載する半導体デバイスの面方位から−15度〜+45度の角度範囲の面方位を有するサブマウントを利用することが好ましい。
In step S101, a mounting member having a main surface exhibiting anisotropy of thermal expansion coefficient is prepared. As the mounting member, for example, the
工程S102では、窒化物半導体発光素子を準備する。この窒化物半導体発光素子として、例えばIII族窒化物半導体レーザ11を使用できる。理解を容易にするために、引き続く説明において、III族窒化物半導体レーザ11の構造物においては、図1に示された参照符号を付する。III族窒化物半導体レーザ11はレーザ構造体13及び電極15を含む。本実施例におけるIII族窒化物半導体レーザ11は、例えばレーザ導波路の延在方向における第1の熱膨張係数CS1(Ex)と、レーザ導波路の方向及び法線方向の両方に直交する第2の方向に関する第2の熱膨張係数CS2(Ex)とを有する。半導体発光素子は熱膨張係数の異方性を有し、この異方性では、一例として第1の熱膨張係数CS1(Ex)が第2の熱膨張係数CS2(Ex)より大きい(或いは、第2の熱膨張係数CS2(Ex)が第1の熱膨張係数CS1(Ex)より大きい)。
In step S102, a nitride semiconductor light emitting device is prepared. As this nitride semiconductor light emitting device, for example, a group III
工程S103では、半導体発光素子の搭載に先立って、サブマウント3上に導電性接着部材7を設けることができる。導電性接着部材7は例えば半田であることができ、半田として、例えばAu−Sn、Ag−Sn等を用いることができる。必要な場合には、導電性接着部材7は、サブマウント3の電極上に予め設けておくことができ、このサブマウント3を用いるときは、工程S103は行われない。
In step S103, the conductive
工程S104では、サブマウント3の熱膨張係数の異方性に合わせて、半導体発光素子の向き付けを行う。例えば、半導体発光素子の第1の方向がサブマウント3の第1の方向に整列するように、サブマウント3を基準にして半導体発光素子を向き付けされる。サブマウント3はこの向き付けのためのマーク(例えば図1におけるマーク3c)を有することができる。
In step S104, the semiconductor light emitting element is oriented in accordance with the anisotropy of the thermal expansion coefficient of the
工程S105では、半導体発光素子の向き付けを行った後に、サブマウント3の主面3a上に半導体発光素子を搭載する。サブマウント3上に導電性接着部材7が設けられている場合、半導体発光素子を搭載する工程では、導電性接着部材7を介して半導体発光素子がサブマウント3に固定される。搭載に際して、サブマウント3の温度を半田の溶融より高い温度に上昇させて、半田を溶融させる。溶融している導電性接着材上に、向き付けした素子を配置した後に、サブマウント3及び素子の温度を半田の溶融より低い温度に降下させて、半田を固化する。この実施例では、導電性接着部材7としては、例えばAu−Sn半田(融点:摂氏300度)、Sn−Ag半田(融点:摂氏200度)を用いる。実装温度の範囲は例えば摂氏205度〜摂氏340度の範囲であることが好ましい。この作製方法では、導電性接着部材7を用いた固定の際の熱応力が窒化物半導体レーザ装置1の異方的な残留応力を増加させる可能性があるけれども、異方的な熱膨張係数を有するサブマウント3を用いることによって、残留応力の影響を低減できる。
In step S <b> 105, the semiconductor light emitting element is mounted on the
この作製方法によれば、レーザ構造体13はIII族窒化物半導体からなる半導体積層19及び該半導体積層19を搭載する基板17を含み、この半導体積層19におけるc軸は基板17の主面17aに対する法線軸NXに対して傾斜している。これ故に、半導体積層19は、c面ではない主面17a上に作製される。III族窒化物半導体レーザ11は、III族窒化物半導体レーザ11の第1の熱膨張係数CS1(Ex)が第2の熱膨張係数CS2(Ex)と異なることを示す熱膨張係数の異方性を有する。このIII族窒化物半導体レーザ11はサブマウント3の熱膨張係数の異方性に合わせて向き付けされて、熱膨張係数の異方性を有するサブマウント3の搭載面3a上に搭載されている。したがって、III族窒化物半導体レーザ11は、熱膨張係数の異方性を有する搭載面3a上に搭載されるとき、等方的な熱膨張係数を有する搭載面3a上にIII族窒化物半導体レーザ11が搭載される装置に比べて、窒化物半導体レーザ装置1では熱膨張係数に起因する応力がIII族窒化物半導体レーザ11において低減される。
According to this manufacturing method, the laser structure 13 includes the
図4は、図3に示された工程フローに通して作製された参照すると、半導体レーザモジュールを示す図面である。図4の(a)部を参照すると、半導体レーザモジュール71aが示される。ステム73aは、第1方向に延在する貫通孔及び該貫通孔に保持されたリード端子77a、77b、77cを含む金属ベースと、該金属ベースの上に設けられ側面を有する金属台座75とを含む。半導体レーザ装置61aは、ステム73aの金属ベース上の金属台座(ヒートシンク)75の側面上に搭載される。III族窒化物半導体レーザ12はサブマウント3に導電性接着剤を介してしっかりと固定される。III族窒化物半導体レーザ12は、リッジ構造を有する点を除いてIII族窒化物半導体レーザ11と同じ構造を有することができる。ステム73a上に、レンズ74を保持するレンズキャップ73bが設けられ、ステム73a及びレンズキャップ73bはパッケージ73を構成する。金属製のステム73aは例えば鉄製であり、レンズキャップ73bの金属部分も鉄製である。金属台座(ヒートシンク)75は熱伝導性に優れた例えば銅製である。ステム73aはリード端子77a、77b、77cを支持している。リード端子77aは、ボンディングワイヤ79aを介してヒートシンク9に接続され、ヒートシンク9の電極層を介してIII族窒化物半導体レーザ11のアノード電極に接続される。リード端子77bは、サブマウント3の搭載面3a上の電極層にボンディングワイヤ79bを介して接続される。リード端子77cは、ステム73に接続される。ヒートシンク9はIII族窒化物半導体レーザ12のアノード電極と導電性接着剤7を介してしっかりと接着される。この光モジュール71aによれば、窒化物半導体レーザ装置1のIII族窒化物半導体レーザ12からの熱は金属台座75を介して金属ベースに伝導する。
FIG. 4 is a drawing showing a semiconductor laser module, which is manufactured through the process flow shown in FIG. Referring to FIG. 4A, a
(実施例1)
窒化物半導体レーザ装置の一実施例を説明する。III族窒化物半導体レーザ素子を準備する。本実施例では、III族窒化物半導体レーザ素子を以下の工程により形成することによって準備する。
Example 1
An embodiment of a nitride semiconductor laser device will be described. A group III nitride semiconductor laser device is prepared. In this example, a group III nitride semiconductor laser device is prepared by forming the following steps.
(III族窒化物半導体レーザ素子の作製)
図5に示すレーザダイオード構造を作製する。c軸がm軸方向に75度オフしたGaNウエハ90を準備した。このGaNウエハ90の主面の面方位は{20−21}面である。GaNウエハ90を成長炉に配置した後に、アンモニア及び水素の雰囲気中で熱処理を行う。熱処理温度は摂氏1100度であり、熱処理時間は約10分である。熱処理の後に、TMG(98.7μmol/分)、TMA(8.2μmol/分)、NH3(6slm)、SiH4を成長炉に供給して、クラッド層のためのn型AlGaN層91をGaNウエハ90上に摂氏1150度で成長する。n型AlGaN層91の厚さは2300nmである。n型AlGaN層91の成長速度は46.0nm/分である。n型AlGaN層91のAl組成は0.04である。
(Production of Group III Nitride Semiconductor Laser Device)
The laser diode structure shown in FIG. 5 is produced. A
次いで、TMG(98.7μmol/分)、NH3(5slm)、SiH4を成長炉に供給して、n型AlGaN層91上にn型GaN層92を摂氏1150度で成長する。n型GaN層92の厚さは50nmである。n型GaN層92の成長速度は58.0nm/分である。TMG(24.4μmol/分)、TMI(4.6μmol/分)、NH3(6slm)を成長炉に供給して、光ガイド層のためのアンドープInGaN層93aをn型GaN層94上に摂氏840度で成長する。n型InGaN層93aの厚さは65nmである。n型InGaN層93aの成長速度は6.7nm/分である。アンドープInGaN層93aのIn組成は0.05である。次いで活性層94を形成する。TMG(15.6μmol/分)、TMI(29.0μmol/分)、NH3(8slm)を成長炉に供給して、アンドープInGaN井戸層を摂氏745度で成長する。InGaN層の厚さは3nmである。InGaN層の成長速度は3.1nm/分である。
Next, TMG (98.7 μmol / min), NH 3 (5 slm), and SiH 4 are supplied to the growth reactor to grow the n-
次いで、成長炉の温度を摂氏745度に維持しながら、TMG(15.6μmol/分)、TMI(0.3μmol/分)、NH3(8slm)を成長炉に供給して、アンドープGaN層をInGaN層上に摂氏745度で成長する。GaN層の厚さは1nmである。GaN層の成長速度は3.1nm/分である。アンドープGaN層を成長した後に、成長炉の温度を摂氏745度から摂氏870度に変更する。TMG(24.4μmol/分)、TMI(1.6μmol/分)、NH3(6slm)を成長炉に供給して、障壁層のためのアンドープInGaN層をアンドープInGaN井戸層上に摂氏870度で成長する。InGaN層の厚さは15nmである。InGaN層の成長速度は6.7nm/分である。アンドープInGaN層のIn組成は0.02である。 Next, while maintaining the temperature of the growth furnace at 745 degrees Celsius, TMG (15.6 μmol / min), TMI (0.3 μmol / min), NH 3 (8 slm) was supplied to the growth furnace, and the undoped GaN layer was formed. Grows on the InGaN layer at 745 degrees Celsius. The thickness of the GaN layer is 1 nm. The growth rate of the GaN layer is 3.1 nm / min. After growing the undoped GaN layer, the temperature of the growth furnace is changed from 745 degrees Celsius to 870 degrees Celsius. TMG (24.4 μmol / min), TMI (1.6 μmol / min), NH 3 (6 slm) was supplied to the growth reactor, and an undoped InGaN layer for the barrier layer was formed on the undoped InGaN well layer at 870 degrees Celsius. grow up. The thickness of the InGaN layer is 15 nm. The growth rate of the InGaN layer is 6.7 nm / min. The In composition of the undoped InGaN layer is 0.02.
次いで、成長炉の温度を摂氏870度から摂氏745度に変更する。この後に、TMG(15.6μmol/分)、TMI(29.0μmol/分)、NH3(8slm)を成長炉に供給して、アンドープInGaN井戸層をInGaN層上に摂氏745度で成長する。InGaN層の厚さは3nmである。InGaN層の成長速度は3.1nm/分である。アンドープInGaN層のIn組成は0.25である。 Next, the temperature of the growth furnace is changed from 870 degrees Celsius to 745 degrees Celsius. Thereafter, TMG (15.6 μmol / min), TMI (29.0 μmol / min), and NH 3 (8 slm) are supplied to the growth reactor to grow an undoped InGaN well layer on the InGaN layer at 745 degrees Celsius. The thickness of the InGaN layer is 3 nm. The growth rate of the InGaN layer is 3.1 nm / min. The In composition of the undoped InGaN layer is 0.25.
井戸層及び障壁層の成長を2回繰り返して行う。この後に、TMG(13.0μmol/分)、TMI(4.6μmol/分)、NH3(6slm)を成長炉に供給して、光ガイド層のためのアンドープInGaN層93bを活性層94上に摂氏840度で成長する。InGaN層93bの厚さは65nmである。InGaN層93bの成長速度は6.7nm/分である。次いで、TMG(98.7μmol/分)、NH3(5slm)を成長炉に供給して、アンドープGaN層96をInGaN層93b上に摂氏1100度で成長する。GaN層96の厚さは50nmである。GaN層96の成長速度は58.0nm/分である。アンドープInGaN層93bのIn組成は0.05である。
The growth of the well layer and the barrier layer is repeated twice. Thereafter, TMG (13.0 μmol / min), TMI (4.6 μmol / min), and NH 3 (6 slm) are supplied to the growth reactor, and an
次いで、TMG(16.6μmol/分)、TMA(2.8μmol/分)、NH3(6slm)、Cp2Mgを成長炉に供給して、p型AlGaN層97をGaN層96上に摂氏1100度で成長する。AlGaN層97の厚さは20nmである。AlGaN層97の成長速度は4.9nm/分である。p型AlGaN層97のAl組成は0.15である。TMG(36.6μmol/分)、TMA(3.0μmol/分)、NH3(6slm)、Cp2Mgを成長炉に供給して、p型AlGaN層98をp型AlGaN層97上に摂氏1100度で成長する。AlGaN層98の厚さは400nmである。Alの組成は0.06である。AlGaN層98の成長速度は13.0nm/分である。また、TMG(34.1μmol/分)、NH3(5slm)、Cp2Mgを成長炉に供給して、p型GaN層99をp型AlGaN層98上に摂氏1100度で成長する。GaN層99の厚さは50nmである。p型GaN層99の成長速度は18.0nm/分である。これらの工程によってエピタキシャルウエハが作製される。
Next, TMG (16.6 μmol / min), TMA (2.8 μmol / min), NH 3 (6 slm), and Cp 2 Mg are supplied to the growth reactor, and the p-
このエピタキシャルウエハ上にアノードAN及びカソードCTを形成して基板生産物を作製した後に、基板生産物を分離して個々のレーザダイオードを作製できる。アノード電極は、例えば10マイクロメートル幅のストライプ窓を有する絶縁膜を介してp型GaN層に電気的に接続される。この基板生産物をa面及びa面に垂直な面において切断して、一対の共振器のための端面をa面とする600マイクロメートル長及び2マイクロメートル幅のレーザダイオードLD0を作製する。 After the anode AN and cathode CT are formed on the epitaxial wafer to produce a substrate product, the substrate product can be separated to produce individual laser diodes. The anode electrode is electrically connected to the p-type GaN layer via an insulating film having a stripe window having a width of 10 micrometers, for example. This substrate product is cut in the a plane and a plane perpendicular to the a plane to produce a laser diode LD0 having a length of 600 micrometers and a width of 2 micrometers with the a face as an end face for the pair of resonators.
このレーザダイオードLD0の熱膨張係数を測定する。このレーザダイオードLD0は、GaNのc軸がGaNのm軸の方向に75度の角度(オフ角とも呼ばれる)で傾斜するGaNウエハを用いて作製される。 The thermal expansion coefficient of the laser diode LD0 is measured. The laser diode LD0 is manufactured using a GaN wafer in which the c-axis of GaN is inclined at an angle of 75 degrees (also referred to as an off angle) in the direction of the m-axis of GaN.
レーザダイオードLD0のレーザ導波路の延在方向(例えばa軸方向)の熱膨張係数CS1(Ex)は5.6×10−6/Kであり、レーザ共振器端面の延在方向の熱膨張係数CS2(Ex)は4.6×10−6/Kである。レーザダイオードのレーザ導波路の延在方向はレーザ共振器端面の延在方向(例えばm−n面の方向)に直交する。 The thermal expansion coefficient CS1 (Ex) in the extending direction (for example, a-axis direction) of the laser waveguide of the laser diode LD0 is 5.6 × 10 −6 / K, and the thermal expansion coefficient in the extending direction of the end face of the laser resonator. CS2 (Ex) is 4.6 × 10 −6 / K. The extending direction of the laser waveguide of the laser diode is orthogonal to the extending direction of the laser resonator end face (for example, the direction of the mn plane).
サブマウントのためのGaN単結晶とAlN多結晶の特性を比較する。GaN単結晶において、c軸に直交する方向の熱膨張係数は5.59×10−6/Kであり、c軸に平行な方向の熱膨張係数は3.17×10−6/Kであり、熱伝導率は130W/(m・K)である。一方、このAlNサブマウントの熱伝導率は170〜250W/(m・K)であり、AlNサブマウントの熱膨張係数は4.7×10−6/Kである。 The characteristics of GaN single crystal and AlN polycrystal for submount are compared. In the GaN single crystal, the thermal expansion coefficient in the direction orthogonal to the c-axis is 5.59 × 10 −6 / K, and the thermal expansion coefficient in the direction parallel to the c-axis is 3.17 × 10 −6 / K. The thermal conductivity is 130 W / (m · K). On the other hand, the thermal conductivity of the AlN submount is 170 to 250 W / (m · K), and the thermal expansion coefficient of the AlN submount is 4.7 × 10 −6 / K.
(熱抵抗の測定及びMTTFの見積もり)
図6は、窒化ガリウム単結晶ベースを含むサブマウントの厚さ100μm及び300μmにおいて、熱伝導率と熱抵抗との関係を示す。発明者の実験によれば、AlNサブマウントを使用したpダウン実装における窒化物半導体レーザ装置の熱抵抗は、22℃/Wである一方で、単結晶GaNサブマウントを使用したpダウン実装における窒化物半導体レーザ装置の熱抵抗は、26℃/Wである。この結果は、投入電力1ワット(W)において、サブマウントの違いは、4ケルビン(K)のジャンクション温度差を生じさせる。発明者は、窒化物半導体レーザ装置における熱膨張率差と平均故障寿命(MTTF)との関係を見積もっており、この見積もりによれば、4ケルビン(K)のジャンクション温度の上昇は、MTTFにおけるレーザ寿命は1%の悪化になる。
(Measurement of thermal resistance and estimation of MTTF)
FIG. 6 shows the relationship between thermal conductivity and thermal resistance at submount thicknesses of 100 μm and 300 μm including a gallium nitride single crystal base. According to the inventor's experiment, the thermal resistance of the nitride semiconductor laser device in the p-down mounting using the AlN submount is 22 ° C./W, while the nitriding in the p-down mounting using the single crystal GaN submount. The thermal resistance of the semiconductor laser device is 26 ° C./W. This result shows that, at an input power of 1 watt (W), the difference in submount results in a junction temperature difference of 4 Kelvin (K). The inventor has estimated the relationship between the thermal expansion coefficient difference and the mean failure life (MTTF) in the nitride semiconductor laser device, and according to this estimate, the increase in the junction temperature of 4 Kelvin (K) Lifespan becomes 1% worse.
{20−21}面の面方位のGaN基板上に作成された2個の実質的に同等な窒化物半導体レーザ(LDチップ)を準備する。その一方を該窒化物半導体レーザ(LDチップ)のGaN基板の面方位と同じ面方位の単結晶窒化ガリウムベースを含むサブマウント上にpダウン実装して窒化物半導体レーザ装置GNを作製すると共に、他方の窒化物半導体レーザを入手可能なAlNサブマウント上にpダウン実装して窒化物半導体レーザ装置(以下、「AN」として参照する)を作製する。窒化物半導体レーザ装置(以下、「GN」として参照する)では、LDチップと単結晶GaNサブマウントとの間で熱膨張係数差が実質的に無い。窒化物半導体レーザ装置ANでは、LDチップとAlNサブマウントとの間で熱膨張係数差が残る。これらの窒化物半導体レーザ装置GN及び窒化物半導体レーザ装置ANのLD寿命試験の結果のMTTFを比較すると、窒化物半導体レーザ装置ANは窒化物半導体レーザ装置GNに比べて10%程度寿命が短い。したがって、上記の実装形態では、数度程度のジャンクション温度の上昇があっても、窒化物半導体レーザの熱膨張係数に近く且つその熱膨張係数の異方性に整合した熱膨張係数を有する単結晶窒化ガリウムケースのサブマウントを使用することが、LD寿命の点で優れている。 Two substantially equivalent nitride semiconductor lasers (LD chips) prepared on a GaN substrate having a {20-21} plane orientation are prepared. One of them is p-down mounted on a submount including a single crystal gallium nitride base having the same plane orientation as the plane orientation of the GaN substrate of the nitride semiconductor laser (LD chip) to produce a nitride semiconductor laser device GN, The other nitride semiconductor laser is p-down mounted on an available AlN submount to produce a nitride semiconductor laser device (hereinafter referred to as “AN”). In a nitride semiconductor laser device (hereinafter referred to as “GN”), there is substantially no difference in thermal expansion coefficient between the LD chip and the single crystal GaN submount. In the nitride semiconductor laser device AN, a difference in thermal expansion coefficient remains between the LD chip and the AlN submount. Comparing the MTTFs of the results of the LD lifetime test of the nitride semiconductor laser device GN and the nitride semiconductor laser device AN, the lifetime of the nitride semiconductor laser device AN is about 10% shorter than that of the nitride semiconductor laser device GN. Therefore, in the above-described mounting form, a single crystal having a thermal expansion coefficient that is close to the thermal expansion coefficient of the nitride semiconductor laser and matched with the anisotropy of the thermal expansion coefficient even when the junction temperature increases by several degrees. Using a gallium nitride case submount is superior in terms of LD life.
引き続く説明では理解を容易にするために図1及び図2の参照符号を用いて説明する。単結晶窒化ガリウムサブマウント3の搭載面の第1の熱膨張係数CM1(Ex)が搭載面3aの第2の熱膨張係数CM2(Ex)より大きいことを示す熱膨張係数の異方性を有する。また、III族窒化物半導体レーザ11は、III族窒化物半導体レーザ11の第1の熱膨張係数CS1(Ex)が半導体発光素子の第2の熱膨張係数CS2(Ex)より大きいことを示す熱膨張係数の異方性を有する。この半導体レーザ素子はサブマウント3の熱膨張係数の異方性に合わせて向き付けされて、熱膨張係数の異方性を有する搭載部材主面3a上に搭載されている。III族窒化物半導体レーザ11は、熱膨張係数の異方性を有する単結晶GaNサブマウント3の搭面3a上に搭載され、等方的な熱膨張係数を有する搭載面3a上に搭載されることに比べて、窒化物半導体レーザ装置1では、III族窒化物半導体レーザ11とサブマウント3との熱膨張係数差に起因する応力がIII族窒化物半導体レーザ11において低減される。上記の実験を含み他の実験の結果から、窒化物半導体レーザのGaN基板(図1の基板17の主面17a)の傾斜角は60度〜90度の角度範囲にあることが好ましく、また窒化物半導体レーザのGaN基板のc軸と単結晶窒化ガリウムベースのc軸との角度差は−15度〜+45度の角度範囲にあることが好ましい。
In the following description, the reference numerals of FIGS. 1 and 2 are used for easy understanding. The first thermal expansion coefficient CM1 (Ex) of the mounting surface of the single crystal
本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。 The present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment.
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する第1基準面に対して傾斜する基板主面を用いるIII族窒化物半導体レーザにおいて、サブマウントとIII族窒化物半導体レーザとの間の熱膨張係数差及び熱膨張係数の異方性に係る特性変動を低減可能な光モジュールが提供される。また、本発明の実施の形態によれば、光モジュールのための半導体レーザ装置が提供される。さらに、本発明の実施の形態によれば、半導体レーザ装置のためのサブマウントが提供される。 As described above, according to the embodiment of the present invention, in the group III nitride semiconductor laser using the substrate main surface inclined with respect to the first reference plane orthogonal to the c-axis of the gallium nitride semiconductor, the submount There is provided an optical module capable of reducing the characteristic variation related to the difference in thermal expansion coefficient and the anisotropy of the thermal expansion coefficient between the semiconductor laser and the group III nitride semiconductor laser. In addition, according to the embodiment of the present invention, a semiconductor laser device for an optical module is provided. Furthermore, according to an embodiment of the present invention, a submount for a semiconductor laser device is provided.
1…窒化物半導体レーザ装置、3…単結晶GaNサブマウント、3a…搭載部材主面、5a…第1の電極、5b…第2の電極、7…導電性接着部材、9…導電部材、11…III族窒化物半導体レーザ素子、13…レーザ構造体、13a…第1の面、13b…第2の面、13c、13d…エッジ、15…電極、17…基板、17a…主面、17b…裏面、19…半導体積層、19a…半導体領域表面、21…第1のクラッド層、23…第2のクラッド層、25…活性層、25a…井戸層、25b…障壁層、27、29…割断面、ALPHA…角度、Sc…c面、NX…法線軸、31…絶縁膜、31a…絶縁膜開口、35…n側光ガイド層、37…p側光ガイド層、39…キャリアブロック層、41…電極、43a、43b…誘電体多層膜、71a、71b…半導体レーザモジュール、73a…ステム、73b…レンズキャップ、75…ヒートシンク、77a〜77c…リード端子、79a、79b…ボンディングワイヤ。
DESCRIPTION OF
Claims (19)
前記窒化物半導体レーザ装置を搭載するステムと、
を備え、
前記III族窒化物半導体レーザは、六方晶系の窒化ガリウム系半導体からなる主面を有する基板と、前記基板の前記主面の上に設けられ活性層を含むエピタキシャル半導体積層と、前記エピタキシャル半導体積層の上に設けられた電極を含み、
前記基板の前記主面は、前記窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する第1基準面に対して傾斜を成し、
前記サブマウントの前記搭載面は熱膨張係数の異方性を示し、
前記基板の前記窒化ガリウム系半導体の前記c軸と前記サブマウントの前記窒化ガリウム単結晶ベースのc軸のなす角が45度以内であり、
前記III族窒化物半導体レーザの発振波長は、400nm以上550nm以下の範囲にある、光モジュール。 A submount including a hexagonal gallium nitride single crystal base having a semipolar or nonpolar main surface and having a mounting surface, and a group III nitride provided on the mounting surface of the submount A nitride semiconductor laser device including a semiconductor laser;
A stem on which the nitride semiconductor laser device is mounted;
With
The group III nitride semiconductor laser includes a substrate having a main surface made of a hexagonal gallium nitride semiconductor, an epitaxial semiconductor stack including an active layer provided on the main surface of the substrate, and the epitaxial semiconductor stack Including an electrode provided on the
The main surface of the substrate is inclined with respect to a first reference plane orthogonal to the c-axis of the gallium nitride based semiconductor,
The mounting surface of the submount exhibits anisotropy of thermal expansion coefficient;
An angle formed by the c-axis of the gallium nitride based semiconductor of the substrate and the c-axis of the gallium nitride single crystal base of the submount is within 45 degrees;
An optical module in which the oscillation wavelength of the group III nitride semiconductor laser is in a range of 400 nm to 550 nm.
前記基板の前記主面は、前記第1基準面に対して10度以上の角度で傾斜する、請求項1に記載された光モジュール。 The epitaxial semiconductor stack includes a p-type gallium nitride based semiconductor layer in contact with the electrode,
The optical module according to claim 1, wherein the main surface of the substrate is inclined at an angle of 10 degrees or more with respect to the first reference surface.
前記光ガイド層は前記活性層と接触を成し、
前記活性層と前記光ガイド層との界面は、前記窒化ガリウム系半導体の前記c軸に直交する基準面から角度ALPHAの傾斜を成す、請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載された光モジュール。 The epitaxial semiconductor stack includes a light guide layer;
The light guide layer is in contact with the active layer;
8. The interface according to claim 1 , wherein an interface between the active layer and the light guide layer forms an inclination of an angle ALPHA from a reference plane orthogonal to the c-axis of the gallium nitride semiconductor. Optical module.
前記第1面内方向は前記第2面内方向に直交し、
前記サブマウントの前記第1サブマウント熱膨張係数は前記サブマウントの前記第2サブマウント熱膨張係数より大きく、
前記III族窒化物半導体レーザは、前記第1面内方向に関する第1素子熱膨張係数と、前記第2面内方向に関する第2素子熱膨張係数とを有し、
前記III族窒化物半導体レーザの前記第1素子熱膨張係数は前記III族窒化物半導体レーザの前記第2素子熱膨張係数より大きい、請求項1〜請求項11のいずれか一項に記載された光モジュール。 The mounting surface has a first submount thermal expansion coefficient related to a first in-plane direction along the mounting surface and a second submount thermal expansion coefficient related to a second in-plane direction along the mounting surface;
The first in-plane direction is orthogonal to the second in-plane direction,
The first submount thermal expansion coefficient of the submount is greater than the second submount thermal expansion coefficient of the submount;
The group III nitride semiconductor laser has a first element thermal expansion coefficient related to the first in-plane direction and a second element thermal expansion coefficient related to the second in-plane direction,
The III said first element thermal expansion coefficient of the nitride semiconductor laser is greater than the second element thermal expansion coefficient of the III nitride semiconductor laser, as claimed in any one of claims 1 to 11 Optical module.
前記III族窒化物半導体レーザのレーザ導波路は、前記サブマウントの前記窒化ガリウム単結晶ベースの前記c軸と前記窒化ガリウム単結晶ベースの前記主面の前記法線軸とによって規定される基準平面に沿って延在する、請求項1〜請求項12のいずれか一項に記載された光モジュール。 The c-axis of the gallium nitride single crystal base of the submount forms an angle greater than zero with respect to the normal axis of the main surface of the gallium nitride single crystal base;
The group III nitride semiconductor laser has a laser waveguide in a reference plane defined by the c-axis of the gallium nitride single crystal base of the submount and the normal axis of the main surface of the gallium nitride single crystal base. The optical module according to claim 1 , which extends along the optical module.
前記ステムは、前記金属ベースの前記主面から前記裏面に向かう方向に延在する貫通孔と、該貫通孔に保持されたリード端子とを含む、請求項1〜請求項14のいずれか一項に記載された光モジュール。 The stem includes a metal base having a side surface on which the nitride semiconductor laser device is mounted, and a metal base having a main surface and a back surface on which the metal base is mounted,
The stem includes a through hole extending in a direction toward the back side from the main surface of the metal base, and a lead terminals held in the through-hole, any one of claims 1 to 14 The optical module described in 1.
前記III族窒化物半導体レーザは、導電性接着部材により前記サブマウントの前記金属層に固定されている、請求項1〜請求項15のいずれか一項に記載された光モジュール。 The submount includes a metal layer provided on the main surface of the gallium nitride single crystal base,
The optical module according to any one of claims 1 to 15 , wherein the group III nitride semiconductor laser is fixed to the metal layer of the submount by a conductive adhesive member.
半極性及び無極性のいずれか一方の主面を有する窒化ガリウム単結晶ベースを含み搭載面を有するサブマウントと、
前記サブマウントの前記搭載面の上に設けられたIII族窒化物半導体レーザと、
を備え、
前記III族窒化物半導体レーザは、III族窒化ガリウム系半導体からなる主面を有する基板と、前記基板の前記主面の上に設けられ活性層を含むエピタキシャル半導体積層とを含み、
前記基板の前記主面は、前記窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する基準面に対して傾斜を成し、
前記サブマウントの前記搭載面は熱膨張係数の異方性を示し、
前記基板の前記窒化ガリウム系半導体の前記c軸と前記サブマウントの前記窒化ガリウム単結晶ベースのc軸のなす角が45度以内であり、
前記III族窒化物半導体レーザの発振波長は、400nm以上550nm以下の範囲にある、窒化物半導体レーザ装置。 A nitride semiconductor laser device,
A submount including a mounting surface including a gallium nitride single crystal base having a semipolar or nonpolar main surface;
A group III nitride semiconductor laser provided on the mounting surface of the submount;
With
The group III nitride semiconductor laser includes a substrate having a main surface made of a group III gallium nitride based semiconductor, and an epitaxial semiconductor stack including an active layer provided on the main surface of the substrate,
The main surface of the substrate is inclined with respect to a reference plane orthogonal to the c-axis of the gallium nitride based semiconductor,
The mounting surface of the submount exhibits anisotropy of thermal expansion coefficient;
An angle formed by the c-axis of the gallium nitride based semiconductor of the substrate and the c-axis of the gallium nitride single crystal base of the submount is within 45 degrees;
An oscillation wavelength of the group III nitride semiconductor laser is a nitride semiconductor laser device in a range of 400 nm to 550 nm.
前記第1面内方向は前記第2面内方向に直交し、
前記III族窒化物半導体レーザの前記第1素子熱膨張係数は前記III族窒化物半導体レーザの前記第2素子熱膨張係数より大きく、
前記搭載面は、前記第1面内方向に関する第1サブマウント熱膨張係数と、前記第2面内方向に関する第2サブマウント熱膨張係数とを有し、
前記サブマウントの前記第1サブマウント熱膨張係数は前記サブマウントの前記第2サブマウント熱膨張係数より大きい、請求項17に記載された窒化物半導体レーザ装置。 The group III nitride semiconductor laser has a first element thermal expansion coefficient related to a first in-plane direction along the mounting surface and a second element thermal expansion coefficient related to a second in-plane direction along the mounting surface. And
The first in-plane direction is orthogonal to the second in-plane direction,
The first element thermal expansion coefficient of the group III nitride semiconductor laser is larger than the second element thermal expansion coefficient of the group III nitride semiconductor laser;
The mounting surface has a first submount thermal expansion coefficient related to the first in-plane direction and a second submount thermal expansion coefficient related to the second in-plane direction,
18. The nitride semiconductor laser device according to claim 17 , wherein the first submount thermal expansion coefficient of the submount is larger than the second submount thermal expansion coefficient of the submount.
前記III族窒化物半導体レーザの前記基板の前記主面は、前記窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する第1基準面に対して傾斜を成し、
前記III族窒化物半導体レーザの発振波長は、400nm以上550nm以下の範囲にあり、
前記サブマウントは、半極性又は無極性の主面を有する窒化ガリウム単結晶ベースを含み、また搭載面を有し、
前記搭載面は、該搭載面に沿った第1面内方向に関する第1熱膨張係数と、該搭載面に沿った第2面内方向に関する第2熱膨張係数とを有し、
前記第1面内方向は前記第2面内方向に直交し、
前記第1熱膨張係数は前記第2熱膨張係数と異なって、前記サブマウントの前記搭載面は熱膨張係数の異方性を示し、
前記基板の前記窒化ガリウム系半導体の前記c軸と前記サブマウントの前記窒化ガリウム単結晶ベースのc軸のなす角が45度以内である、サブマウント。
A substrate having a main surface made of a hexagonal gallium nitride semiconductor, an epitaxial semiconductor stack including an active layer provided on the main surface of the substrate, and an electrode provided on the epitaxial semiconductor stack A submount for mounting a group III nitride semiconductor laser including :
The main surface of the substrate of the group III nitride semiconductor laser is inclined with respect to a first reference plane orthogonal to the c-axis of the gallium nitride semiconductor,
The oscillation wavelength of the group III nitride semiconductor laser is in the range of 400 nm to 550 nm,
The submount includes a gallium nitride single crystal base having a semipolar or nonpolar main surface, and has a mounting surface;
The mounting surface has a first thermal expansion coefficient related to a first in-plane direction along the mounting surface and a second thermal expansion coefficient related to a second in-plane direction along the mounting surface;
The first in-plane direction is orthogonal to the second in-plane direction,
It said first coefficient of thermal expansion I different from the second thermal expansion coefficient, the mounting surface of the submount indicates the anisotropy of thermal expansion coefficient,
A submount in which an angle formed between the c axis of the gallium nitride based semiconductor of the substrate and the c axis of the gallium nitride single crystal base of the submount is within 45 degrees .
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