JP6094043B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、通信用光源や情報機器用光源に用いられる半導体レーザ素子、半導体レーザ素子の製造方法、及び半導体レーザアレイに関する。
特許文献１には、表面電極と裏面電極の間に電圧を印加し、端面からレーザ光を発光させる半導体レーザ素子を複数有する多ビーム半導体レーザ素子が開示されている。
特許文献１に開示の半導体レーザ素子の場合、ＣＯＤなどにより端面の一部で劣化が生じた場合は、当該劣化が端面全体に広がる問題があった。そして端面全体に劣化が広がるとその半導体レーザ素子の光出力がほとんどなくなる問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、半導体レーザ素子の端面の一部の劣化が端面全体に広がることを防止できる半導体レーザ素子、半導体レーザ素子の製造方法、及び半導体レーザアレイを提供することを目的とする。
本願の発明に係る半導体レーザ素子は、基板と、該基板の上に、分離部で分離して形成された複数のリッジストライプと、該複数のリッジストライプの上に一体的に形成された表面電極と、該基板の裏面に形成された裏面電極と、を備え、該複数のリッジストライプはそれぞれ、該基板の上に形成された下クラッド層と、該下クラッド層の上に形成された活性層と、該活性層の上に形成された上クラッド層と、該上クラッド層の上に形成されたコンタクト層を備え、該複数のリッジストライプのうち、中央のリッジストライプの幅は両端のリッジストライプの幅より大きく、該分離部は、該複数のリッジストライプの側面に形成された絶縁膜と、該表面電極の一部であって、該絶縁膜と接しつつ該複数のリッジストライプの間を埋めるリッジ間部分と、を備え、該中央のリッジストライプと該表面電極の接触幅は、該両端のリッジストライプと該表面電極の接触幅より大きいことを特徴とする。
本発明によれば、１つの半導体レーザ素子に複数のリッジストライプを形成するので、半導体レーザ素子の端面の一部の劣化が端面全体に広がることを防止できる。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子の正面図である。半導体レーザ素子１０は、基板１２を有している。基板１２の上には下クラッド層１４が形成されている。下クラッド層１４の上には活性層１６が形成されている。活性層１６の上には上クラッド層１８が形成されている。上クラッド層１８の上にはコンタクト層２０が形成されている。
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子の正面図である。半導体レーザ素子１０は、基板１２を有している。基板１２の上には下クラッド層１４が形成されている。下クラッド層１４の上には活性層１６が形成されている。活性層１６の上には上クラッド層１８が形成されている。上クラッド層１８の上にはコンタクト層２０が形成されている。
半導体レーザ素子１０には、複数のリッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄが形成されている。複数のリッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄはそれぞれ、下クラッド層１４、活性層１６、上クラッド層１８、及びコンタクト層２０を有している。リッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄは、コンタクト層２０を露出するように形成された絶縁膜２２で覆われている。
コンタクト層２０と接するように表面電極２４が形成されている。表面電極２４は、表面部分２４ａとリッジ間部分２４ｂが一体的に形成されたものである。表面部分２４ａは、複数のリッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの上に一体的に形成された部分である。リッジ間部分２４ｂは、表面電極２４の一部であって、絶縁膜２２と接しつつ複数のリッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの間を埋める部分である。
複数のリッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの側面に形成された絶縁膜２２とリッジ間部分２４ｂは、複数のリッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを分離する部分であるので分離部と称する。なお、分離部の幅は例えば１μｍであるが特にこれに限定されない。
基板１２の裏面には裏面電極２６が形成されている。このように本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子１０は、基板１２の上に分離部で分離して形成された複数のリッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを有している。半導体レーザ素子１０は、表面電極２４と裏面電極２６の間に電圧を印加して活性層１６から発光させるものである。
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ破線における矢示図である。半導体レーザ素子１０は前端面４０と後端面４２を有している。図２から分かるように、複数のリッジストライプは、それぞれが前端面４０から後端面４２に伸びている。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ破線における矢示図である。活性層１６は平面視で複数のストライプを形成している。各ストライプは分離部（絶縁膜２２とリッジ間部分２４ｂ）で分離されている。なお、端面コーティングを形成してもよいがここでは省略する。
次いで、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する。まず基板１２の上に下クラッド層、活性層、上クラッド層、コンタクト層をこの順に形成する。必要に応じてバンド不連続緩和層を形成してもよい。次いで、コンタクト層、上クラッド層、活性層、及び下クラッド層をストライプ状にエッチングして、複数のリッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを形成する。この時点では、あるリッジストライプと隣のリッジストライプの間は溝で隔てられている。
次いで、全面に絶縁膜を形成する。これにより複数のリッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの側面と溝の底面に絶縁膜が形成される。次いで、リッジストライプ上部の絶縁膜を除去してコンタクト層２０を露出させる。次いで、コンタクト層２０の上の部分の表面部分２４ａと、溝を埋める部分であるリッジ間部分２４ｂを有する表面電極２４を形成する。なお、複数のリッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを形成するエッチングは、活性層を複数のストライプに分離することを目的とするため、下クラッド層の途中までとしてもよいし下クラッド層をエッチングしなくてもよい。下クラッド層を残すためにはエッチングストッパ層を用いてもよい。
ここで本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子１０の意義の説明に先立ち、理解を容易にするために比較例について説明する。図４は、比較例の半導体レーザ素子の正面図である。比較例の半導体レーザ素子の活性層５０は、シングルワイドストライプ構造であり、連続的な一体の活性層となっている。活性層５０の幅は例えば４０μｍである。表面電極５２は、平坦に形成され、前述のリッジ間部分に相当する部分を有していない。
図５は、図４のＶ−Ｖ破線における矢示図である。前端面５４から後端面５６まで全面に活性層５０が表れている。比較例の半導体レーザ素子を高出力動作させると、端面の一部がＣＯＤなどにより劣化することがある。そしてこの劣化は、発光領域幅全域（端面全体）に広がり、半導体レーザ素子の光出力がほとんどなくなってしまう。
ところが、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子１０によれば、リッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄが分離部（絶縁膜２２とリッジ間部分２４ｂ）により分離されているので、あるリッジストライプの端面が劣化してもこの劣化が他のリッジストライプの端面に伝播することを防止できる。例えば、リッジストライプ２１ａの端面が劣化した場合、この劣化は、リッジストライプ２１ａと分離されているリッジストライプ２１ｂの端面には及ばない。従って、半導体レーザ素子１０の端面の一部の劣化が端面全体に広がることを防止できる。
ところで、半導体レーザ素子１０の動作電流を、比較例の半導体レーザ素子の動作電流と同等としたい場合は、リッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの幅を調整すればよい。比較例の活性層５０の幅は４０μｍであるので、リッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの幅をそれぞれ１０μｍとすると発光する活性層の幅を比較例と一致させることができる。このように、半導体レーザ素子１０によれば、動作電流を維持しつつ端面劣化の伝播を抑制できる。
また、リッジ間部分２４ｂは絶縁膜２２を介して活性層１６に接しているので、活性層１６で生じた熱をリッジ間部分２４ｂと表面部分２４ａを経由させて外部に放出できる。よって、半導体レーザ素子１０の放熱性を高めることができる。
本発明の実施の形態１では活性層１６を区切る分離部を絶縁膜２２と表面電極２４の一部で形成した。しかしながら、分離部の構成を適宜変更してもよい。例えば、リッジ間部分を表面部分よりも放熱性の高い材料で形成してもよい。
図６は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子の変形例を示す正面図である。複数のリッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄのうち中央のリッジストライプ２１ｂ、２１ｃの幅（Ｘ１）を端のリッジストライプ２１ａ、２１ｄの幅（Ｘ２）より大きくした。ワイド半導体レーザ素子では、発光領域が数十μｍと広いため、半導体レーザ素子の発振時に発光領域中央付近での発熱が大きくなる。しかしながら、中央のリッジストライプの幅を大きくするとこの部分での放熱を促進できる。
図７は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子の他の変形例を示す正面図である。分離部のうち、中央の分離部の幅(Ｘ３)を端の分離部の幅（Ｘ４）より大きくした。これにより中央のリッジストライプ２１ｂ、２１ｃの放熱を促進できる。
図８は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子の他の変形例の活性層を示す平面図である。この変形例はリッジストライプの平面形状を変形したものである。複数のリッジストライプはそれぞれ、平面視で長手方向の端部において幅が最大になるように形成した。このように端面付近のリッジストライプ幅を広げてフレアストライプとすることで、端面部で光を広げることができる。
表面電極２４（ｐ側電極）や裏面電極２６（ｎ側電極）には、金、白金、チタン、モリブデン、タンタル、ニッケル、又はこれらの多層膜等を用いることができる。また、表面電極２４や裏面電極２６には金メッキ等を形成しても良い。
実施の形態２．
実施の形態１に係る半導体レーザ素子との相違点を中心に説明する。図９は、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ素子の正面図である。半導体レーザ素子１００の複数のリッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを分離する分離部は、プロトン注入部１０２で形成されている。プロトン注入部１０２は、基板１２の上に下クラッド層１４、活性層１６、上クラッド層１８、及びコンタクト層２０を形成した後に、ストライプ状にプロトンを注入して形成する。本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ素子によれば、プロトン注入により容易に分離部を形成できる。
実施の形態１に係る半導体レーザ素子との相違点を中心に説明する。図９は、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ素子の正面図である。半導体レーザ素子１００の複数のリッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを分離する分離部は、プロトン注入部１０２で形成されている。プロトン注入部１０２は、基板１２の上に下クラッド層１４、活性層１６、上クラッド層１８、及びコンタクト層２０を形成した後に、ストライプ状にプロトンを注入して形成する。本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ素子によれば、プロトン注入により容易に分離部を形成できる。
実施の形態３．
実施の形態１に係る半導体レーザ素子との相違点を中心に説明する。図１０は、本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ素子の正面図である。半導体レーザ素子２００の複数のリッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを分離する分離部は、不純物拡散部２０２で形成されている。不純物拡散部２０２は、基板１２の上に下クラッド層１４、活性層１６、上クラッド層１８、及びコンタクト層２０を形成した後に、ストライプ状に不純物を拡散して形成する。本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ素子によれば、不純物を拡散させて容易に分離部を形成できる。
実施の形態１に係る半導体レーザ素子との相違点を中心に説明する。図１０は、本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ素子の正面図である。半導体レーザ素子２００の複数のリッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを分離する分離部は、不純物拡散部２０２で形成されている。不純物拡散部２０２は、基板１２の上に下クラッド層１４、活性層１６、上クラッド層１８、及びコンタクト層２０を形成した後に、ストライプ状に不純物を拡散して形成する。本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ素子によれば、不純物を拡散させて容易に分離部を形成できる。
実施の形態４．
実施の形態１に係る半導体レーザ素子との相違点を中心に説明する。図１１は、本発明の実施の形態４に係る半導体レーザ素子の正面図である。半導体レーザ素子３００の上クラッド層３０２は、活性層１６の上と活性層１６の側面に一体的に形成されている。複数のリッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを分離する分離部は、絶縁膜２２と表面電極２４の一部（リッジ間部分２４ｂ）で形成されている。
実施の形態１に係る半導体レーザ素子との相違点を中心に説明する。図１１は、本発明の実施の形態４に係る半導体レーザ素子の正面図である。半導体レーザ素子３００の上クラッド層３０２は、活性層１６の上と活性層１６の側面に一体的に形成されている。複数のリッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを分離する分離部は、絶縁膜２２と表面電極２４の一部（リッジ間部分２４ｂ）で形成されている。
半導体レーザ素子３００の製造方法を説明する。図１２は、本発明の実施の形態４に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す断面図である。まず、基板１２にストライプ状の複数の選択成長膜３１０を形成する。選択成長膜３１０は例えばＳｉＯ２などで形成される。次いで、基板１２のうち、選択成長膜３１０が形成されていない部分に下クラッド層１４を選択成長する。下クラッド層１４は、選択成長膜３１０の上には形成されない。次いで、下クラッド層１４の上に活性層１６を形成する。
次いで、上クラッド層を形成する。図１３は、上クラッド層を形成したことを示す断面図である。上クラッド層３０２は、活性層１６の上と、活性層１６及び下クラッド層１４の側面とに成長されるが、選択成長膜３１０がある部分には成長しない。次いで、上クラッド層３０２の上にコンタクト層を選択成長する。こうして、下クラッド層、活性層、上クラッド層、及びコンタクト層を有する複数のリッジストライプを形成する。
次いで、複数のリッジストライプごとにコンタクト層を露出させつつ複数のリッジの側面を覆う絶縁膜２２を形成する。選択成長膜３１０と絶縁膜２２は同じ材料なので、選択成長膜３１０は絶縁膜２２の一部となる。次いで、複数のリッジストライプごとのコンタクト層２０と接し、かつ絶縁膜２２と接して複数のリッジストライプの間を埋める表面電極２４を一体的に形成する。さらに裏面電極２６を形成して、図１１の半導体レーザ素子が完成する。本発明の実施の形態４に係る半導体レーザ素子の製造方法によれば、選択成長により複数のリッジストライプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを容易に形成できる。
実施の形態５．
実施の形態５は、半導体レーザアレイに関する。実施の形態５に係る半導体レーザアレイを構成する個々の半導体レーザ素子は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１０と同じ構造を有している。
実施の形態５は、半導体レーザアレイに関する。実施の形態５に係る半導体レーザアレイを構成する個々の半導体レーザ素子は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１０と同じ構造を有している。
図１４は、本発明の実施の形態５に係る半導体レーザアレイの正面図である。半導体レーザアレイ４００は、一枚の基板４０１を有している。基板４０１に第１半導体レーザ素子４０２、第２半導体レーザ素子４１２、第３半導体レーザ素子４２２が形成されている。第１半導体レーザ素子４０２は複数の第１リッジストライプ４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ、４０２ｄを有している。複数の第１リッジストライプ４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ、４０２ｄは第１分離部で分離されている。複数の第１リッジストライプ４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ、４０２ｄの上には、第１表面電極４０６が形成されている。基板４０１の裏面であって第１表面電極４０６の直下部分には第１裏面電極４０８が形成されている。第１半導体レーザ素子４０２は、第１表面電極４０６と第１裏面電極４０８の間に電圧を印加して用いる。
第２半導体レーザ素子４１２は複数の第２リッジストライプ４１２ａ、４１２ｂ、４１２ｃ、４１２ｄを有している。複数の第２リッジストライプ４１２ａ、４１２ｂ、４１２ｃ、４１２ｄは第２分離部で分離されている。複数の第２リッジストライプ４１２ａ、４１２ｂ、４１２ｃ、４１２ｄの上には、第２表面電極４１６が形成されている。基板４０１の裏面であって第２表面電極４１６の直下部分には第２裏面電極４１８が形成されている。第２半導体レーザ素子４１２は、第２表面電極４１６と第２裏面電極４１８の間に電圧を印加して用いる。
第３半導体レーザ素子４２２は複数の第３リッジストライプ４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃ、４２２ｄを有している。複数の第３リッジストライプ４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃ、４２２ｄは第３分離部で分離されている。複数の第３リッジストライプ４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃ、４２２ｄの上には、第３表面電極４２６が形成されている。基板４０１の裏面であって第３表面電極４２６の直下部分には第３裏面電極４２８が形成されている。第３半導体レーザ素子４２２は、第３表面電極４２６と第３裏面電極４２８の間に電圧を印加して用いる。
半導体レーザアレイ４００は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子１０を複数個アレイにしたものである。ところで、特許文献１に開示の多ビーム半導体レーザ素子は、１つの半導体レーザ素子に１つの活性層を有する構成であるので半導体レーザ素子の端面の一部が劣化するとその半導体レーザ素子の端面全体に劣化が広がる問題がある。しかしながら、本発明の実施の形態５に係る半導体レーザアレイ４００によれば、１つの半導体レーザ素子に複数のリッジストライプが形成されているので、この問題を防止できる。なお、ここでは３素子の半導体レーザアレイを示したが、２素子以上であれば特に限定されない。
上記の半導体レーザアレイ４００では、半導体レーザ素子間の活性層等をエッチングした。しかしながら、半導体レーザ素子間の活性層等をエッチングしない構造としてもよい。図１５は、半導体レーザ素子間の活性層等をエッチングしない半導体レーザアレイの正面図である。
本発明の実施の形態１乃至５の特徴は、様々なタイプの半導体レーザ素子、半導体レーザアレイに応用可能である。つまり、ここまでの説明ではエピ層の詳細構造は省略したが、本発明は基板、バッファー層、下クラッド層、光ガイド層、活性層（ＱＷ、ＭＱＷ、ＳＣＨ構造等すべてのタイプの活性層を採用できる）、光ガイド層、上クラッド層、バンドギャップ緩和層、コンタクト層等を適宜有する全てのタイプの半導体レーザ素子に応用できる。
実施の形態２乃至５の半導体レーザ素子又は半導体レーザアレイは、少なくとも実施の形態１と同程度の変形が可能である。また、各実施形態の特徴は適宜組み合わせが可能である。
１０ 半導体レーザ素子、 １２ 基板、 １４ 下クラッド層、 １６ 活性層、 １８ 上クラッド層、 ２０ コンタクト層、 ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ リッジストライプ、 ２２ 絶縁膜、 ２４ 表面電極、 ２４ａ 表面部分、 ２４ｂ リッジ間部分、 ２６ 裏面電極、 ４０ 前端面、 ４２ 後端面、 ５０ 活性層、 ５２ 表面電極、 ５４ 前端面、 ５６ 後端面、 １００ 半導体レーザ素子、 １０２ プロトン注入部、 ２００ 半導体レーザ素子、 ２０２ 不純物拡散部、 ３００ 半導体レーザ素子、 ３０２ 上クラッド層、 ３１０ 選択成長膜、 ４００ 半導体レーザアレイ、 ４０１ 基板、 ４０２，４１２，４２２ 半導体レーザ素子、 ４０２ａ，４０２ｂ，４０２ｃ，４０２ｄ 第１リッジストライプ、 ４０６ 第１表面電極、 ４０８ 第１裏面電極、 ４１２ａ，４１２ｂ，４１２ｃ，４１２ｄ 第２リッジストライプ、 ４１６ 第２表面電極、 ４１８ 第２裏面電極、 ４２２ａ，４２２ｂ，４２２ｃ，４２２ｄ 第３リッジストライプ、 ４２６ 第３表面電極、 ４２８ 第３裏面電極
Claims (3)
- 基板と、
前記基板の上に、分離部で分離して形成された複数のリッジストライプと、
前記複数のリッジストライプの上に一体的に形成された表面電極と、
前記基板の裏面に形成された裏面電極と、を備え、
前記複数のリッジストライプはそれぞれ、前記基板の上に形成された下クラッド層と、前記下クラッド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上クラッド層と、前記上クラッド層の上に形成されたコンタクト層を備え、
前記複数のリッジストライプのうち、中央のリッジストライプの幅は両端のリッジストライプの幅より大きく、
前記分離部は、
前記複数のリッジストライプの側面に形成された絶縁膜と、
前記表面電極の一部であって、前記絶縁膜と接しつつ前記複数のリッジストライプの間を埋めるリッジ間部分と、を備え、
前記中央のリッジストライプと前記表面電極の接触幅は、前記両端のリッジストライプと前記表面電極の接触幅より大きいことを特徴とする半導体レーザ素子。 - 前記上クラッド層は、前記活性層の上と前記活性層の側面に一体的に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
- 前記複数のリッジストライプはそれぞれ、平面視で長手方向の端部において幅が最大になるように形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
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