JP5724316B2 - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体よりなる窒化物半導体レーザ素子に関する。
図４に、従来の窒化物半導体レーザ素子を示す（非特許文献１）。この窒化物半導体レーザ素子は、ｎ電極１８が設けられたｎ型層１１と、活性層１２と、ｐ型層１３とを有する。ｐ型層１３には、開口部を有する絶縁部１５がｐ型層１３と接して形成されている。さらに、開口部において、ｐ型層１３の表面に透光性のｐ電極１６が形成され、ｐ電極１６の表面に誘電体材料からなる反射器１７が形成されている。ｐ電極１６は絶縁部１５を介してｐ型層１３表面を延伸する延伸部を有しており、その延伸部において接続電極１４と電気的に接続されている。接続電極１４は、導電性の支持基板２０と電気的に接続されている。
Applied Physics Express 1 (2008) 121102
しかしながら、従来の窒化物半導体レーザ素子は、ｐ型層１３と接続電極１４との間に絶縁部１５及びｐ電極１６（延伸部）が介在しており、ｐ型層１３で生じた熱を接続電極１４に直接逃がすことができなかった。
さらに、接続電極１４への通電等により、接続電極１４自体が高温になったり圧力がかかったりして、接続電極１４において金属等の部材が拡散するという問題があった。接続電極１４において金属が拡散すると、例えばｐ電極１６とのオーミック接続を維持できなくなるため、これを防止するために接続電極１４中にバリア層等を設ける必要があった。つまり、接続電極１４の材料及び構成には制限があり、必ずしも放熱性に優れた接続電極１４とすることができなかった。
そこで、本発明は窒化物半導体レーザ素子の放熱性を向上させ、閾値電流や出力など種々の特性を向上させることを目的とする。
それぞれが窒化物半導体から構成されたｎ型層及びｐ型層を含む半導体積層部と、ｎ型層に接続されたｎ電極と、ｐ型層に接続されたｐ電極と、を有する窒化物半導体レーザ素子に関する。ｐ型層にはｐ電極が接続された領域と異なる領域において熱伝導部が接して配されており、熱伝導部はｐ電極と電気的に絶縁されていることを特徴とする。
熱伝導部は、ｐ型層のｐ電極が接続された領域を取り囲むように配されていることが好ましい。
熱伝導部の少なくとも一部は、ｐ型層に埋没させることができる。
ｎ電極とｐ電極とは半導体積層部を介して反対側に設けられており、ｐ電極は支持基板と電気的及び熱的に接続されていることが好ましい。
ｐ型層とｐ電極とが接続された部位において、ｐ電極のｐ型層から遠い側に、誘電体材料からなるｐ側反射器を設けることができる。
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、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を説明するための概略断面図を示す。本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子は、それぞれが窒化物半導体からなるｎ型層１とｐ型層３とを含む半導体積層部を有する。ｎ型層１にはｎ電極８が接続されており、ｐ型層３にはｐ電極６が接続されている。ｐ型層３には、ｐ電極６が電気的に接続された領域と異なる別の領域において、熱伝導部４が接して配置されており、熱伝導部４はｐ電極６と電気的に絶縁されている。
図１に、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を説明するための概略断面図を示す。本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子は、それぞれが窒化物半導体からなるｎ型層１とｐ型層３とを含む半導体積層部を有する。ｎ型層１にはｎ電極８が接続されており、ｐ型層３にはｐ電極６が接続されている。ｐ型層３には、ｐ電極６が電気的に接続された領域と異なる別の領域において、熱伝導部４が接して配置されており、熱伝導部４はｐ電極６と電気的に絶縁されている。
これにより、ｐ型層３で生じた熱を熱伝導部４に直接的に放散させることができるので、閾値電流の低下や出力の向上といった効果が得られる。つまり、窒化物半導体は一般にｎ型層の抵抗よりもｐ型層の抵抗が大幅に大きいので、ｎ型層での発熱よりもｐ型層での発熱が顕著となる。特にレーザ素子では電流を発振領域に集中させる必要があるので、ＬＥＤに比較してｐ型層の発熱は飛躍的に大きい。そこで、発熱の大きい窒化物半導体レーザ素子のｐ型層に熱伝導部４を直接設けることにより、放熱性を向上させ、窒化物半導体レーザ素子全体としての特性を向上させることができる。
特に、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子では、熱伝導部４がｐ電極６と電気的に絶縁されているので、熱伝導部４の材料として熱伝導率の高いものを比較的広範囲に採用することができる。
つまり、図４に示す従来の窒化物半導体レーザ素子では、接続電極１４への通電等により、接続電極１４自体が高温になったり圧力がかかったりして、接続電極１４において金属等の部材が拡散するという問題があった。しかし、本実施の形態では、熱伝導部４には通電の必要がないので、部材の拡散による通電（電気特性）への影響を考慮せずに、単純な構成で熱伝導率の優れた材料を比較的広範囲に採用することができる。
熱伝導部４は、ｐ型層３のｐ電極６が接続された領域を取り囲むように配されている。発熱部位となるｐ型層３とｐ電極６との接続箇所の周囲に熱伝導部４を設けることにより、ｐ型層３で生じた熱を熱伝導部４に効果的に逃がすことができる。
本実施の形態において、ｎ電極８とｐ電極６とは半導体積層部を介して互いに反対側に設けられており、ｐ電極６は支持基板１０と電気的及び熱的に接続されている。これにより、熱伝導部４による放熱効果だけでなく、ｐ電極６から支持基板１０への放熱経路が確保できるので、より良い放熱が可能となる。
さらに、ｐ型層３とｐ電極６とが接続された部位において、ｐ電極６のｐ型層３から遠い側には、誘電体材料からなるｐ側反射器７が設けられている。窒化物半導体レーザ素子では、同じ材料系である窒化物半導体で良質の反射器を得ることは困難なので、一般に誘電体材料からなる反射器が用いられる。しかし、窒化物半導体に比較して誘電体材料は熱伝導率が悪いので、反射器を介しての放熱は効率的ではない。このような場合であっても、本実施の形態では、ｐ型層３に熱伝導部４が直接設けられているので、素子全体として放熱性を向上させ、各特性の低下をより軽減することができる。
図２に、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子をｎ電極形成面側から見た図を示す。ｎ電極８は一部分が開口しており、その開口部からはｎ型層１が露出している。そしてｎ電極８の開口部において、ｎ側反射器９が設けられている（つまり、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子は一対の反射器が縦方向に設けられた垂直共振器型面発光レーザ素子である。）。窒化物半導体の場合、ｎ型層はｐ型層に比較して抵抗が低いので、本実施の形態のように発振領域から離れた箇所でｎ電極と接続されていても電流は横方向に流れることができるが、ｐ型層はｎ型層に比較して抵抗が高いので、発振領域から離れた箇所でｐ電極と接続されていると電流が横方向に流れにくい。したがって、発振領域から離れた箇所でｐ型層にｐ電極を設けると、主にｐ電極の下に電流が流れてしまい、発光しても反射器で共振させることができないので発振に寄与せず電流が無駄になってしまう。そこで、本実施の形態ではｐ側においては、発振領域に対応する領域でｐ型層３とｐ電極６とを接続させている。
一般に垂直共振器型面発光レーザ素子は、端面発光レーザに比較して電流注入領域が小さく発熱が大きい。そこで、垂直共振器型面発光レーザ素子に熱伝導部４を設ければ、熱導電部４による放熱効果をより効果的に得ることができるので好ましい。
以下、本実施の形態の窒化物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型層１及びｐ型層３を含む。層構造は限定されないが、ｎ型層１及びｐ型層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。本実施の形態では、ｎ型層１とｐ型層３との間に活性層２を備える。活性層の構造は限定されないが、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。各層は窒化物半導体からなるが、窒化物半導体とは、代表的には一般式がＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で示されるものを指す。
（半導体積層部）
半導体積層部は、少なくともｎ型層１及びｐ型層３を含む。層構造は限定されないが、ｎ型層１及びｐ型層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。本実施の形態では、ｎ型層１とｐ型層３との間に活性層２を備える。活性層の構造は限定されないが、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。各層は窒化物半導体からなるが、窒化物半導体とは、代表的には一般式がＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で示されるものを指す。
（絶縁部）
絶縁部５の材料は限定されないが、例えば、ＳｉＯ２、Ｇａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２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。その膜厚は限定されないが、好ましくは５〜１０００ｎｍ、より好ましくは１０〜３００ｎｍとすることができる。
絶縁部５の材料は限定されないが、例えば、ＳｉＯ２、Ｇａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２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。その膜厚は限定されないが、好ましくは５〜１０００ｎｍ、より好ましくは１０〜３００ｎｍとすることができる。
（ｎ電極）
ｎ電極８の材料は限定されないが、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。
ｎ電極８の材料は限定されないが、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。
（ｐ電極）
ｐ電極の材料は限定されないが、好ましくはＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、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で発振したレーザ光がｐ電極６を透過してｐ側反射器７で反射されることを要するため、ｐ電極６はレーザ光に対して実質的に透明である。
ｐ電極の材料は限定されないが、好ましくはＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、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で発振したレーザ光がｐ電極６を透過してｐ側反射器７で反射されることを要するため、ｐ電極６はレーザ光に対して実質的に透明である。
（熱伝導部）
熱伝導部４の材料は限定されないが、Ａｇ／Ｎｉ系、Ｃｕ／ＴａＮ系、Ｃｕ／ＴｉＮ系、Ａｌ／ＴｉＮ系、Ｃｕ／Ｔｉ系又はＡｌ／Ｔｉ系等を用いることができる。また必ずしも複数層である必要はなく単層とすることもできる。なお、例えばＡｇ／Ｎｉ系とは、ｐ型層３から順に少なくともＡｇとＮｉを積層したものを指す。さらに、熱伝導部４の材料は、必ずしも導電性材料である必要はなくＡｌＮ等の絶縁性材料であってもよい。熱伝導部４の材料としては、反射率の高いＡｌ又はＡｇの少なくとも一方を含む材料とすることが好ましい。これにより、熱伝導部での光損失を抑制することができるので、レーザ光が発振し易く、閾値電流が低下し易いと考えられる。熱伝導部４の膜厚は限定されないが、例えば１００〜３０００ｎｍ、好ましくは５００〜２０００ｎｍとすることができる。
熱伝導部４の材料は限定されないが、Ａｇ／Ｎｉ系、Ｃｕ／ＴａＮ系、Ｃｕ／ＴｉＮ系、Ａｌ／ＴｉＮ系、Ｃｕ／Ｔｉ系又はＡｌ／Ｔｉ系等を用いることができる。また必ずしも複数層である必要はなく単層とすることもできる。なお、例えばＡｇ／Ｎｉ系とは、ｐ型層３から順に少なくともＡｇとＮｉを積層したものを指す。さらに、熱伝導部４の材料は、必ずしも導電性材料である必要はなくＡｌＮ等の絶縁性材料であってもよい。熱伝導部４の材料としては、反射率の高いＡｌ又はＡｇの少なくとも一方を含む材料とすることが好ましい。これにより、熱伝導部での光損失を抑制することができるので、レーザ光が発振し易く、閾値電流が低下し易いと考えられる。熱伝導部４の膜厚は限定されないが、例えば１００〜３０００ｎｍ、好ましくは５００〜２０００ｎｍとすることができる。
（反射器７、９）
反射器は、誘電体材料の多層膜から形成される。誘電体材料は限定されないが、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、ＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２／ＺｒＯ２、ＳｉＯ２／ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３／Ｎｂ２Ｏ５等の多層膜が例示できる。
反射器は、誘電体材料の多層膜から形成される。誘電体材料は限定されないが、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、ＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２／ＺｒＯ２、ＳｉＯ２／ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３／Ｎｂ２Ｏ５等の多層膜が例示できる。
（支持基板）
支持基板１０の材料は限定されないが、好ましくはＳｉ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＣｕＷ、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ｐ電極と支持基板との間に導電層を設け、そこを介して通電させることができる。
支持基板１０の材料は限定されないが、好ましくはＳｉ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＣｕＷ、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ｐ電極と支持基板との間に導電層を設け、そこを介して通電させることができる。
（実施の形態２）
図３に、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子の概略断面図を示す。本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子は、熱伝導部４の一部がｐ型層３に埋没している以外は、実施の形態１の窒化物半導体レーザ素子と同一の構成である。
図３に、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子の概略断面図を示す。本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子は、熱伝導部４の一部がｐ型層３に埋没している以外は、実施の形態１の窒化物半導体レーザ素子と同一の構成である。
本実施の形態では、実施の形態１と比較して、熱伝導部４とｐ型層３との接触面積を大きく取ることができるので、より良い放熱が可能となる。
１、１１・・・ｎ型層
２、１２・・・活性層
３、１３・・・ｐ型層
４・・・熱伝導部
１４・・・接続電極
５、１５・・・絶縁部
６、１６・・・ｐ電極
７、１７・・・ｐ側反射器
８、１８・・・ｎ電極
９、１９・・・ｎ側反射器
１０、２０・・・支持基板
２、１２・・・活性層
３、１３・・・ｐ型層
４・・・熱伝導部
１４・・・接続電極
５、１５・・・絶縁部
６、１６・・・ｐ電極
７、１７・・・ｐ側反射器
８、１８・・・ｎ電極
９、１９・・・ｎ側反射器
１０、２０・・・支持基板
Claims (5)
- それぞれが窒化物半導体から構成されたｎ型層及びｐ型層を含む半導体積層部と、前記ｎ型層に接続されたｎ電極と、前記ｐ型層に接続されたｐ電極と、前記ｐ型層と前記ｐ電極が接続された領域において前記ｐ電極の前記ｐ型層から遠い側に設けられた誘電体材料からなるｐ側反射器と、を有する窒化物半導体レーザ素子であって、
前記ｐ型層には、前記ｐ電極が接続された領域と異なる領域において熱伝導部が接して配されており、
前記熱伝導部は、絶縁部により前記ｐ電極と電気的に絶縁されていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記熱伝導部は、前記ｐ型層の前記ｐ電極が接続された領域を取り囲むように配されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記熱伝導部の少なくとも一部は、前記ｐ型層に埋没していることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記ｎ電極と前記ｐ電極とは、前記半導体積層部を介して反対側に設けられており、
前記ｐ電極は、支持基板と電気的及び熱的に接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記熱伝導部は、Ａｌ又はＡｇの少なくとも一方を含む請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
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