JP5857707B2 - 面発光レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は面発光レーザ素子に関する。

これまでに半導体レーザ素子の一種として面発光レーザ素子が報告されている（例えば特許文献１）。特許文献１の図１に記載された面発光レーザ素子は、半導体部の一方の側に設けられた「第２ブラッグ反射器」（本願発明の「第１反射器」に相当）と、半導体部の他方の側に設けられた「第１ブラッグ反射器」（本願発明の「第２反射器」に相当）と、半導体部の他方の主面に設けられた開口部を有する「絶縁層」（本願発明の「電流狭窄部」に相当）と、開口部を覆うように設けられた「第１透明電極」（本願発明の「第２電極」に相当）と、「絶縁層」上に設けられ「第１透明電極」と接続された「接続電極」（本願発明の「接続電極」に相当）と、を備える。

特開２０１０−１２３９２１

しかしながら、従来の面発光レーザ素子は放熱性については十分に考慮されていなかった。

そこで、本願発明は、十分な放熱性を得ることが可能な面発光レーザ素子を提供することを目的とする。

一実施形態に係る面発光レーザ素子は、第１半導体層及び第２半導体層を有する半導体部と、半導体部の第１半導体層側に設けられた第１電極及び第１反射器と、半導体部の第２半導体層側に設けられた第２電極及び第２反射器と、を有する。特に、第２電極は、第２半導体層と第２反射器との間に設けられ、第２電極と第２反射器との間には、第２反射器よりも熱伝導率の高い熱伝導部が設けられている。

図１は、第１実施形態に係る面発光レーザ素子を説明するための概略断面図である。 図２は、図１の面発光レーザ素子を説明するための概略平面図である。 図３は、第２実施形態に係る面発光レーザ素子を説明するための概略断面図である。 図４は、第３実施形態に係る面発光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、本発明を以下に限定するものではない。さらに、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、重複した説明は適宜省略する。

＜第１実施形態＞
図１に、本実施形態に係る面発光レーザ素子１００の半導体積層方向における概略断面図を示す（後述する図２のＸ−Ｘにおける概略断面図である）。面発光レーザ素子１００は、第１半導体層１１及び第２半導体層１２を有する半導体部１０と、半導体部１０の第１半導体層側に設けられた第１電極３１及び第１反射器５１と、半導体部１０の第２半導体層側に設けられた第２電極３２及び第２反射器５２と、を有する。第２電極３２は、第２半導体層１２と第２反射器５２との間に設けられ、第２電極３２と第２反射器５２との間には、第２反射器５２よりも熱伝導率の高い熱伝導部４０が設けられている。

これにより、面発光レーザ素子１００の放熱性を向上させることができる。つまり、半導体部１０で生じた熱を、第２電極３２を介して熱伝導部４０に逃がすことができるので、熱伝導部４０がない場合と比較して放熱性を向上させることができる。また、放熱性が向上する結果、面発光レーザ素子１００の閾値電流を低下させることができる。

以下、本実施の形態の面発光レーザ素子の主な構成要素について説明する
（半導体部１０）
半導体部１０は、少なくとも第１半導体層１１及び第２半導体層１２を有していれば良く、その構造は特に限定されない。第１半導体層１１は第１電極３１を接続するための部材であり、第２半導体層１２と異なる極性を有している。同様に、第２半導体層１２は第２電極３２を接続するための部材であり、第１半導体層１１と異なる極性を有している。

本実施形態では、第１半導体層１１をｎ型窒化物半導体層、第２半導体層１２をｐ型窒化物半導体層とし、両者の間に活性層１３を備えたものを半導体部１０としている。窒化物半導体は、一般的に、ｐ型半導体層がｎ型半導体層よりも抵抗が高く、ｐ型半導体層の発熱が大きい。よって、第１半導体層はｎ型窒化物半導体層、第２半導体層はｐ型窒化物半導体層とすることにより、本発明における放熱の効果がより顕著となる。活性層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。半導体部１０を構成する各層の材料は限定されないが、本実施形態では、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ている。

（電流狭窄部２０）
面発光レーザ素子１００は、電流狭窄部２０を有することができる。電流狭窄部２０は、所望の領域（電流狭窄領域）に電流を狭窄するためのものであり、電流狭窄領域に相当する領域に開口部が設けられている。また、電流狭窄部２０の開口部に対応する領域には第２反射器５２が設けられている。つまり、透過平面視（図１の上方又は下方から透過して見た平面視）において、第２反射器５２の周囲に電流狭窄部２０が設けられていることになる。

電流狭窄部２０は、例えば、誘電体単膜で構成することもできるし、誘電体多層膜のＤＢＲで構成することもできる。特に、電流狭窄部２０をＤＢＲとすることにより、電流狭窄領域以外の漏れ光を半導体部１０に閉じ込めることができるので、接続電極６０等による光の吸収が抑制でき、レーザ発振率を向上させることができる。誘電体としては、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＨｆＯ_２、ＡｌＮ、ＳｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ＭｇＯ等が例示される。これらの誘電体のうち、屈折率が異なる２種以上の材料層を所定の膜厚で交互に積層することにより誘電体多層膜とすることができる。電流狭窄部２０を誘電体多層膜とする場合、ＳｉＯ_２／Ｎｂ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２／ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２／ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＮ等が好ましい。電流狭窄部の膜厚は、０．０３μｍ以上７．０μｍ未満、好ましくは０．０４μｍ以上５．０μｍ未満、より好ましくは０．０５μｍ以上３．０μｍ未満とすることができる。電流狭窄部の膜厚は、電流狭窄部全体の熱伝導率や反射率等から適宜調整すればよい。

電流狭窄部２０をＤＢＲとする場合は、電流狭窄領域における定在波の位相と合うように調整されていることが好ましい。電流狭窄部２０において、光の損失を効果的に低減させることができるからである。また、電流狭窄部上の熱伝導部４０が形成されている領域と接続電極６０が形成されている領域で層構造が異なっていても良い。光の損失をより低減させることができる。

（第１電極３１）
本実施形態では、第１電極３１をｎ電極として形成している。ｎ電極としての第１電極は、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｖ、ＩＴＯ等のいずれかを含む構成とすることができる。

図２に、面発光レーザ素子１００を第１反射器側からみた概略平面図を示す。第１電極３１は第１半導体層１１が露出した開口部（図２の破線部分）を有しており、当該開口部において、露出した第１半導体層１１と第１反射器５１が接して設けられている。また、第１電極３１の外縁は第１半導体層１１の外縁近傍まで配置されている。

（第２電極３２）
本実施形態では、第２電極３２をｐ電極として形成している。ｐ電極としての第２電極は、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、本実施形態では活性層１３からの光が第２電極３２を透過して第２反射器５２で反射されることを要するため、第２電極３２はその光に対して実質的に透明である。

（熱伝導部４０）
熱伝導部４０の材料として例えば、ＡｌＮ（熱伝導率の一例としては１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ＳｉＣ（熱伝導率の一例としては６０Ｗ／（ｍ・Ｋ））、Ａｌ_２Ｏ_３（熱伝導率の一例としては３０Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ＳｉＮ（熱伝導率の一例としては３０Ｗ／（ｍ・Ｋ））を用いることができ、特に熱伝導率の高いＡｌＮを用いるのが好ましい。なお、本実施形態では活性層１３からの光が熱伝導部４０を透過して第２反射器５２で反射されることを要するため、熱伝導部４０はその光に対して実質的に透明である。

また、熱伝導部４０は、単膜のみならず屈折率が異なる２種以上の材料層を所定の膜厚で交互に積層した誘電体多層膜とすることもできる。この場合、第２半導体層１２側において、第２反射器５２とは別に、反射器を兼ねた熱伝導部４０が設けられることになる。熱伝導部４０を誘電体多層膜とする場合、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３／ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３／Ｎｂ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２／ＡｌＮを用いることができ、全体として第２反射器５２よりも放熱性が優れるように構成される。

熱伝導部４０の膜厚としては、０．０１μｍ以上５．０μｍ未満、好ましくは０．０３μｍ以上３．０μｍ未満とすることができる。

窒化物半導体では、一般的に、ｐ型半導体がｎ型半導体よりも抵抗が高く、ｐ型半導体がｎ型半導体よりも発熱が大きい。そこで、ｐ型半導体である第２半導体層の側に熱伝導部４０を設けることで、より放熱性を向上させることができる。

熱伝導部４０は、電流狭窄部２０よりも屈折率を高くすることができる。これにより、横方向の光閉じ込めが可能となり、ひいては閾値電流を低減することができる。

（第１反射器５１、第２反射器５２）
第１反射器５１及び第２反射器５２は、誘電体多層膜や半導体多層膜から形成することができる。第１反射器５１及び第２反射器５２が誘電体多層膜からなる場合、誘電体多層膜を構成する各層としては、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＨｆＯ_２等が例示される。これらの誘電体のうち、屈折率が異なる２種以上の材料層を所定の膜厚で交互に積層することにより誘電体多層膜からなる第１反射器５１及び第２反射器５２を得ることができる。例えば、ＳｉＯ_２／Ｎｂ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２／ＺｒＯ_２等の多層膜が好ましい。第１反射器５１、第２反射器５２の膜厚としては、０．３μｍ以上７．０μｍ未満、好ましくは０．４μｍ以上６．０μｍ未満、より好ましくは０．５μｍ以上５．０μｍ未満とすることができる。用いる材料によって決まる第１反射器５１、第２反射器５２、及び熱伝導部４０全体の熱伝導率と反射率から適宜調整することが好ましい。

第２反射器５２が誘電体多層膜から構成される場合、一般に誘電体は半導体よりも熱伝導率が低いので、半導体部からの放熱の問題がより顕著となる。つまり、半導体部では電流狭窄領域に電流が流れるので電流狭窄領域が主に発熱するが、熱伝導率の低い誘電体多層膜からなる第２反射器が電流狭窄領域と支持基板との間に介在する場合、放熱経路が分断されて放熱性が損なわれてしまうという問題がある。そこで、熱伝導部４０を設けることで、放熱性を向上させつつ反射率が十分高い面発光レーザ素子とすることができる。

（接続電極６０）
面発光レーザ素子１００は、接続電極６０を有することができる。接続電極６０は、後述する支持基板７０と第２電極３２とを電気的に接続する部材である。ここでは、第２半導体層側に接続電極６０を介して支持基板７０が設けられ、熱伝導部４０は接続電極６０と熱的に接続されている。一般に、接続電極６０は金属からなるので、熱伝導部４０よりも熱伝導率が高い。したがって、熱伝導部４０における熱をより放熱性に優れた接続電極６０に逃がすことができるので、放熱性をさらに向上させることができる。

透過平面視において、接続電極６０は、熱伝導部４０の周囲に設けることができる。つまり、接続電極６０は開口部を有しており、当該開口部内に熱伝導部４０を設けることができる。熱伝導部４０は、接続電極６０と熱的に接続されているため熱伝導部４０からの放熱経路が増える。これにより、放熱性が向上する。

接続電極６０には、高い電気伝導率及び熱伝導率が求められるので、その材料及び膜厚の関係から、第２電極３２よりも半導体部１０からの光に対して透光性が低く、半導体部１０からの光を吸収しやすい（例えば非透光性）。接続電極６０は、例えば、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｒ又はＷの少なくともいずれか一種を含む材料から構成することができる。より具体的には、Ｔｉ−Ｒｈ−Ａｕ、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ、Ｃｒ−Ｒｈ−Ａｕ、Ｃｒ−Ｐｔ−Ａｕ、Ｎｉ−Ａｕ、Ｎｉ−Ａｕ−Ｐｔ、Ｐｄ−Ｐｔ、Ｎｉ−Ｐｔ等が挙げられる。

図１では、接続電極６０は、透過平面視において、熱伝導部４０及び第２反射器５２の周囲に設けられており、第２反射器５２と支持基板７０との間には設けられていない。ただ、必要に応じて、第２反射器５２と支持基板７０との間にも接続電極６０を介在させてもよいことは言うまでもない。

（支持基板７０）
支持基板７０は、接続電極６０を介して半導体部１０の第２半導体層側に設けることができ、熱伝導部４０は接続電極６０と熱的に接続されていることが好ましい。こうすることで、熱を接続電極に直接逃がすことが可能となり、放熱経路を増やすことができる。支持基板７０としては種々のものを採用できるが、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。なお、実際は、Ｓｉ等の上部に金属等からなる接続層が形成されているが、図面では、Ｓｉ等と接続層を含めて支持基板７０としている。

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７０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７０を絶縁性とする場合は、例えば支持基板７０に導電性のスルーホールを設け、スルーホールを介して通電させることもできる。

第２反射器５２の支持基板７０側にはＡｌ等の高反射率部材を設けることもできる。これにより、電流狭窄領域近傍における反射率をより向上させることができる。

＜第２実施形態＞
図３に、本実施形態に係る面発光レーザ素子２００の概略断面図を示す。面発光レーザ素子２００は、熱伝導部４０が接続電極６０の側面だけでなく下面にも延在している（つまり、透過平面視において、熱伝導部４０は接続電極６０と重なるようにして配置されている）以外は、第１実施形態と実質的に同一である。

これにより、熱伝導部４０と接続電極６０とが直接接する領域が増え、かつ熱伝導部４０と支持基板７０が直接接するため、支持基板へ熱を逃がしやすくなる。

＜第３実施形態＞
図４に、本実施形態に係る面発光レーザ素子３００の概略断面図を示す。面発光レーザ素子３００において、半導体部１０は、電流狭窄領域の周囲が電流狭窄領域に比較して薄くなっており、それにより凸部が形成されている。このとき、凸部の第２反射器５２が設けられている側だけでなく側面にも熱伝導部４０が設けられている。

これにより、半導体部１０における凸部の側面からも効果的に放熱させることができる。また、半導体部１０の凸部の周囲に屈折率の低い熱伝導部４０を設けることで、横方向における強い光閉じ込めが期待できる。

なお、第１〜第３実施形態では、第１電極３１と第２電極３２とが半導体部１０を介して互いに反対となるように構成しているが、本願発明に係る面発光レーザ素子はこれに限定されない。例えば、半導体部１０の一部を第２半導体層１２側から第１半導体層１１が露出するように除去し、当該除去部分に第１電極３１を形成してもよい。

１０…半導体部
１１…第１半導体層
１２…第２半導体層
１３…活性層
２０…電流狭窄部
３１…第１電極
３２…第２電極
４０…熱伝導部
５１…第１反射器
５２…第２反射器
６０…接続電極
７０…支持基板

Claims (6)

1. 第１半導体層及び第２半導体層を有する半導体部と、前記半導体部の第１半導体層側に設けられた第１電極及び第１反射器と、前記半導体部の第２半導体層側に設けられた第２電極及び第２反射器と、透過平面視において前記第２反射器が設けられた領域に相当する領域に開口部を備える電流狭窄部と、を有する面発光レーザ素子であって、
   前記第２反射器は誘電体多層膜からなり、
   前記第２電極は、前記第２半導体層と前記第２反射器との間に設けられ、
   前記開口部内に設けられた第２電極と前記第２反射器との間には、前記第２反射器よりも熱伝導率の高い熱伝導部が設けられ、
   前記熱伝導部の周囲には接続電極が設けられており、前記接続電極は前記第２電極と電気的に接続され、
   前記熱伝導部は、前記接続電極と熱的に接続されていることを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 透過平面視において、前記熱伝導部は、前記接続電極と重なるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
3. 前記熱伝導部は、前記電流狭窄部よりも屈折率が高いことを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記第１半導体層は、ｎ型窒化物半導体層であり、
   前記第２半導体層は、ｐ型窒化物半導体層であ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面発光レーザ素子。
5. 前記熱伝導部は、ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＳｉＮからなる群より選択される１つを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
6. 前記熱伝導部は、誘電体多層膜であることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ素子。

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