JP5573222B2

JP5573222B2 - 窒化物半導体レーザ素子

Info

Publication number: JP5573222B2
Application number: JP2010036889A
Authority: JP
Inventors: 裕樋口
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2010-02-23
Filing date: 2010-02-23
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2030-02-23
Also published as: JP2011175993A

Description

本発明は半導体レーザ素子に関する。

図４に、従来の半導体レーザ素子の一例を示す（非特許文献１）。図４に示される半導体レーザ素子は、ｎ型半導体層５１と、活性層５２と、ｐ型半導体層５３とからなる半導体積層部を有する。

ｐ型半導体層５３上には、開口部を有する絶縁部５４が設けられている。絶縁部５４及び開口部におけるｐ型半導体層５３には、コンタクト電極５５が連続して設けられており、コンタクト電極５５は絶縁部５４の開口部においてｐ型半導体層５３と電気的に接続されている。ｎ型半導体層５１には、半導体積層部を介してコンタクト電極５５と対向するようにして、ｎ電極５９が設けられている。さらに、ｎ側及びｐ側には絶縁部５４の開口部に対応する位置に一対のｎ側反射器６０とｐ側反射器５８が設けられている。

コンタクト電極５５はｐ側反射器５８の周囲において接続電極５７と電気的に接続されており、接続電極５７は導電性の支持基板６１と電気的に接続されている。

Applied Physics Express 1 (2008) 121102

従来の半導体レーザ素子では、ｐ型半導体層５３とコンタクト電極５５との接触抵抗を低減し発熱を抑えるために、ｐ型半導体層５３とコンタクト電極５５との接触面積をある程度確保する必要があった。

しかし、ｐ型半導体層５３とコンタクト電極５５との接触面積を大きくすると、通電領域が大きくなる結果、マルチ横モード（高次横モード）発振になりやすくシングル横モード（基底横モード）発振が得られ難いという問題があった。

そこで本発明は、ｐ型半導体層５３とコンタクト電極５５との接触抵抗を低減し発熱を抑制しつつ、シングル横モード発振の得られやすい半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る半導体レーザ素子は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有する半導体積層部と、ｎ型半導体層とｐ型半導体層の少なくとも一方の半導体層上に設けられ第１開口部を有する第１絶縁部と、第１絶縁部上と第１開口部における半導体層上とに連続して設けられ第１開口部において半導体層と電気的に接続されたコンタクト電極と、を備える。特に、コンタクト電極は、第１開口部よりも小さな第２開口部を第１開口部の内側に有する第２絶縁部を有し、第１開口部の内側且つ第２開口部の外側において第２絶縁部により半導体層から近い側と遠い側とに分離されていることを特徴とする。

第２絶縁部は、第１絶縁部と離間して設けることができる。

第２絶縁部は、第１絶縁部と接して設けることができる。

コンタクト電極において、第２絶縁部により分離された半導体層から近い側と遠い側との合計の膜厚は、第２開口部の内側における膜厚よりも大きいことが好ましい。

本発明に係る一実施の形態である半導体レーザ素子を説明するための概略断面図である。図１の半導体レーザ素子における第１絶縁部と第２絶縁部との関係を説明するための概略平面図である。本発明に係る他の実施の形態である半導体レーザ素子を説明するための概略断面図である。従来の窒化物半導体レーザ素子を説明するための概略断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、特に記載しない限り本発明を以下に限定するものではない。

（実施の形態１）
図１に、本実施の形態の半導体レーザ素子の半導体積層方向における断面図を示す。本実施の形態の半導体レーザ素子は、ｎ型半導体層１、活性層２及びｐ型半導体層３を有する半導体積層部と、ｐ型半導体層３上に設けられ第１開口部４ａを有する第１絶縁部４と、第１絶縁部４上と第１開口部４ａにおけるｐ型半導体層３上とに連続して設けられ第１開口部４ａにおいてｐ型半導体層３と電気的に接続されたコンタクト電極５と、を備える。

コンタクト電極５の第２開口６ａに対応する位置にはｐ側反射器８が設けられており、ｐ側反射器８を取り囲むようにしてコンタクト電極５と電気的に接続される接続電極７が設けられている。接続電極７は導電性の支持基板１１に電気的に接続されており、支持基板１１、接続電極７を順に介して、外部からの電流がコンタクト電極５に送られる。一方、ｎ型半導体層１には第１開口部４aに対応する位置に開口部を有するｎ電極９が設けられており、ｎ電極９の開口部にはｎ側反射器１０が設けられている。

図２は、第１絶縁部４ａと第２絶縁部６ａとの位置関係を理解するためのものであり、本実施の形態の半導体レーザ素子をｐ型半導体層３側（図１の下側）から見た透過図である（説明の便宜上、支持基板１１、ｐ側反射器８、接続電極７及びコンタクト電極５は図示していない。）。図１及び図２から理解できるように、本実施の形態では第１絶縁部４は第１開口部４ａを除いてｐ型半導体層３の略全面に形成されている。第２絶縁部６は、第１開口部４ａよりも小さな第２開口部６ａを第１開口部４ａの内側に有しており、第１開口部４ａの外側及び内側に重複するように設けられている。

図１に示すとおり、コンタクト電極５は、第１開口部４aの内側且つ第２開口部６aの外側において、第２絶縁部６によりｐ型半導体層３から近い側と遠い側とに分離されている。ここで、第２絶縁部６は、第１絶縁部４と離間して設けられている。

これにより、ｐ型半導体層３とコンタクト電極５とが電気的に接触する領域を、発振領域となる第２開口部６ａよりも大きい第１開口部４ａとすることができるので、ｐ型半導体層３とコンタクト電極５との接触抵抗を低減させて発熱を抑制することができる（効果１）。さらに、主に通電する領域を第１開口部４ａよりも小さい第２開口部６ａとすることができるので、シングル横モード発振が得られやすくなる（効果２）。つまり、本実施の形態により本来であれば相反する関係となる効果１と効果２とを両立させることが可能となる。

以下、詳細を説明する。先ず、接続電極７からコンタクト電極５に送られた電流は、開口部４ａにおけるｐ型半導体層３とコンタクト電極５との接触領域を中心として、コンタクト電極の外側から内側（中心）に流れる。次に、第１開口部４ａの内側且つ第２開口部６ａの外側の領域（図１の「非発振領域」に相当する）においては、第２絶縁部６が存在することにより、外側から内側へと流れる電流はｐ型半導体層３から近い側の経路（経路１）と遠い側の経路（経路２）に分かれる。最後に、一旦分かれた電流が第２開口部６ａの内側においてひとつにまとまる。つまり、第１開口部４aの内側且つ第２開口部６aの外側の領域においては、電流経路が経路１と経路２とに分離されることにより、ｐ型半導体層３と接する経路１における電流量を第２開口部６ａの内側における電流量よりも小さくすることができる。これにより、第２開口部６ａの内側の活性層に注入される電流量をその周囲の非発振領域における電流量よりも大きくすることができる。その結果、ｐ型半導体層３とコンタクト電極５との接触面積を発振領域となる第２開口部６ａよりも大きい第１開口部４ａとしつつ、且つ発振領域を第１開口部４ａよりも小さな第２開口部６ａとすることができるので、結果として発熱が抑制されシングル横モード発振になり易い半導体レーザ素子とすることができる。

なお、コンタクト電極５における第１開口部４ａの内側且つ第２開口部６ａの外側の領域は、接触抵抗を低下させるためだけにｐ型半導体層３と電気的に接続されており、その領域で発振させることを目的としていない。よって、図１では「非発振領域」と記してある。

ここで、コンタクト電極５において、第２絶縁部６により分離されたｐ型半導体層３から近い側（経路１）と遠い側（経路２）との合計の膜厚は、第２開口部６の内側における膜厚よりも大きいことが好ましい。これにより、非発振領域のコンタクト電極のシート抵抗を低減させ、発振領域に低抵抗に電流を送り込むことができる。

なお、経路１と経路２におけるコンタクト電極５の膜厚は、必ずしも同じにする必要はない。例えば、非発振領域と発振領域との間における活性層に注入される電流量の差をより大きくしたい場合は、コンタクト電極５の経路１の膜厚を経路２よりも小さくすることができる。

以下、本実施の形態の半導体レーザ素子の主な構成要素について説明する
（半導体積層部）
半導体積層部は、少なくともｎ型半導体層１及びｐ型半導体層３を有していれば良く、その構造は特に限定されない。ｎ型半導体層１及びｐ型半導体層３には、コンタクト層、クラッド層、光閉じ込め層等、公知のものを含めることができる。半導体積層部を構成する各層の材料は限定されないが、例えば一般式がＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で示される窒化物半導体を用いることができる。

本実施の形態では、ｎ型半導体層１とｐ型半導体層３との間に活性層２を備えたものを半導体積層部としている。活性層３の構造は限定されず、多重量子井戸構造や単一量子井戸構造など公知のものを採用することができる。

（第１絶縁部、第２絶縁部）
第１絶縁部４、第２絶縁部６の材料は限定されないが、例えば、ＳｉＯ_２、Ｇａ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２等の酸化物、ＳｉＮ、ＡｌＮ及びＡｌＧａＮ等の窒化物等を用いることができる。特に第２絶縁部６については、コンタクト電極をオーミックアニールした場合等のコンタクト電極への影響を考慮して選択することが好ましい。また、両者の膜厚は限定されないが、好ましくは５〜５００ｎｍ、より好ましくは１０〜３００ｎｍとすることができる。

第１絶縁部４及び第２絶縁部６は、１つの材料の層だけでなく複数の材料の層で形成することもできる。特に、第２絶縁部６を（後述するｎ側反射器１０やｐ側反射器８と同様）複数の誘電体膜からなる反射器とすれば、非発振領域の反射率をあげることもできる。これにより、第１開口部４ａの内側全体における光の損失を低減させることができるので、高効率の半導体レーザ素子とすることができると考えられる。

第２絶縁部６は、少なくとも図１に示す非発振領域に設けられていればよく、図１及び図２のように必ずしも第１開口部４ａの外側で第１絶縁部４に重複している必要はない。また、ここではｐ側に第１絶縁部４及び第２絶縁部６を設けたが、ｎ側にそれらを設けたり、ｎ側及びｐ側の両方にそれらを設けることもできる。

第１開口部４ａ及び第２開口部６ａの形状は特に限定されないが、例えば円形とすることができる。

第２開口部６ａは第１開口部４ａよりも小さければよく、両者の大きさは限定されないが、両者の形状が円形の場合、例えば第１開口部４ａの直径を３μｍ以上２０μｍ以下とし第２開口部６ａの直径を１μｍ以上１０μｍ以下とすることができ、好ましくは第１開口部４ａの直径を４μｍ以上１５μｍ以下とし第２開口部６ａの直径を２μｍ以上６μｍ以下とすることができる。これにより、より低抵抗で高効率な半導体レーザ素子とすることができる。

第２絶縁部６は、半導体積層方向（図１における縦方向）において１つだけでなく複数設けることもできる。いずれの場合であっても、第２絶縁部の厚さを調節し、電流経路となるコンタクト電極を定在波の節に配置することで、非発振領域のコンタクト電極による吸収を低減させ（つまり、第１開口部４ａの内側全体における光の吸収を低減させ）、高効率の半導体レーザ素子とすることができる。

第２絶縁部６の開口部６ａは、第１開口部４ａ内に１つだけでなく複数あっても良い。これにより、複数個所を発振領域とすることも可能となる。

（ｎ電極）
ｎ電極８の材料は特に限定されないが、例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｖ、ＩＴＯ等の少なくとも１つを含む単層又は複数層で形成することができる。

（コンタクト電極）
コンタクト電極５の材料は特に限定されないが、好ましくはＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、ＡＴＯ、ＩＴＯ、ＭｇＯ、Ｎｉ／Ａｕ、より好ましくはＩＴＯを用いることができる。その膜厚は特に限定されないが、５〜１００ｎｍ程度とすることができる。なお、本実施の形態では活性層２からの光がコンタクト電極５を透過してｐ側反射器８で反射されることを要するため、コンタクト電極５はその光に対して実質的に透明である。

（接続電極）
接続電極７の材料は特に限定されないが、電気伝導率及び熱伝導率の大きい材料が好ましい。例えば、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、これらの酸化物又は窒化物、ＩＴＯ、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３等の透明導電性酸化物からなる群から選択された少なくとも一種を含む金属、合金の単層膜又は積層膜により形成することができる。具体的には、Ｔｉ−Ｒｈ−Ａｕ、Ｃｒ−Ｐｔ−Ａｕ、Ｎｉ−Ａｕ、Ｎｉ−Ａｕ−Ｐｔ、Ｐｄ−Ｐｔ、Ｎｉ−Ｐｔ等が挙げられる。

接続電極７は、少なくとも第２開口部６ａよりも外側、好ましくは第１開口部４ａよりも外側、更に好ましくは第２絶縁部６（第２開口部６ａの反対側の端部（図１における第２絶縁部６の最外部））よりも外側で、コンタクト電極５と電気的に接続されていることが好ましい。これにより、外側から内側への電流の流れをより確実に行うことができるので、上記効果を安定して得ることができる。

（ｎ側反射器１０、ｐ側反射器８）
ｎ側反射器１０及びｐ側反射器８は、誘電体材料の多層膜から形成される。誘電体材料は特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｔａ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｙ、Ｂ、Ｔｉ等の酸化物、窒化物など公知のものを用いることができる。これらの誘電体のうち、屈折率が異なる２種以上の材料層を交互に積層することにより誘電体多層膜を得ることができる。具体的には、ＳｉＯ_２／Ｎｂ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２／ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２／ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３／Ｎｂ_２Ｏ_５等の多層膜が例示できる。

（支持基板）
支持基板１１の材料は特に限定されないが、好ましくはＳｉ、ＧａＮ、ＡｌＮ、より好ましくはＳｉを用いることができる。支持基板１０は単層である必要はなく、多層であっても良い。さらに、本実施の形態では導電性の支持基板を用いているが、支持基板１０は必ずしも導電性を備えている必要はなく、絶縁性であってもよい。支持基板１０を絶縁性とする場合は、例えば支持基板に導電性のスルーホールを設け、スルーホールを介してコンタクト電極と通電させることもできる。

（実施の形態２）
図３に、本実施の形態の半導体レーザ素子の断面図を示す。本実施の形態における半導体レーザ素子は、第２絶縁部６が異なる以外は、実施の形態１と実質的に同一である（正確には、第２絶縁部６の形状が異なることに伴い、ｐ側反射器８及び支持基板１１の形状が若干異なる（図３参照）。）。

本実施の形態の半導体レーザ素子では、第２絶縁部６が、第１絶縁部４と接して設けられている。これにより、接続電極７から注入された電流は、一旦、第１開口部４ａの内側且つ第２開口部６ａの外側の領域（非発振領域）を通過し、主として第２開口部６ａの内側（発振領域）でｐ型半導体層３に流れる。しかし、ｐ型半導体層３は、非発振領域においても、コンタクト電極５と電気的に接続されているので、第２開口部６ａの内側のみでｐ型半導体層３とコンタクト電極５とが電気的に接続されている場合に比較して、接触抵抗を低減させることができる。

これにより、実施の形態１と同様、本来であれば相反する関係となる効果１と効果２とを両立させることが可能となる。

本実施の形態では、第１開口部４ａの外側において第１絶縁部４と第２絶縁部６とが接する構成としている。しかし、これに限定されることなく、例えば、非発振領域においてｐ型半導体層３とコンタクト電極５との接触領域が残るようにして、第１開口部４ａの内側から第２絶縁部６を連続的に形成することもできる。

１、５１・・・ｎ型半導体層
２、５２・・・活性層
３、５３・・・ｐ型半導体層
４、５４・・・第１絶縁部
４ａ・・・第１開口部
５、５５・・・コンタクト電極
６・・・第２絶縁部
６ａ・・・第２開口部
７、５７・・・接続電極
８、５８・・・ｐ側反射器
９、５９・・・ｎ電極
１０、６０・・・ｎ側反射器
１１、６１・・・支持基板

Claims

ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有する半導体積層部と、
前記ｐ型半導体層上に設けられ、第１開口部を有する第１絶縁部と、
前記第１絶縁部上と前記第１開口部における前記ｐ型半導体層上とに連続して設けられ、前記第１開口部において前記ｐ型半導体層と電気的に接続された透光性のコンタクト電極と、
前記コンタクト電極上に設けられたｐ側反射器と、
前記ｎ型半導体層に設けられたｎ側反射器と、を備える半導体レーザ素子において、
前記コンタクト電極は、前記第１開口部よりも小さな第２開口部を前記第１開口部の内側に有する第２絶縁部を有し、前記第１開口部の内側且つ前記第２開口部の外側において、前記第２絶縁部により前記半導体層から近い側と遠い側とに分離されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
前記第２絶縁部は、前記第１絶縁部と離間して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
前記第２絶縁部は、前記第１絶縁部と接して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
前記コンタクト電極において、前記第２絶縁部により分離された前記半導体層から近い側と遠い側との合計の膜厚は、前記第２開口部の内側における膜厚よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。