JP6098175B2

JP6098175B2 - 半導体レーザ素子

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Publication number: JP6098175B2
Application number: JP2013004310A
Authority: JP
Inventors: 渉栗林
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2033-01-15
Also published as: JP2014138005A

Description

本発明は、半導体レーザ素子に関する。

半導体レーザ素子のＦＦＰ（ｆａｒｆｉｅｌｄｐａｔｔｅｒｎ）のリップルを低減するために、半導体レーザ素子の光導波路領域の両脇に溝を設けた構造がある（例えば、特許文献１および２）。このような溝は、半導体レーザ素子の内部の迷光を反射ないしは散乱することで、半導体層の面方向である水平方向のＦＦＰのリップルを低減している。

特開２００５−３１１３０８号公報特開２０１０−１３５５８６号公報

半導体レーザ素子に、複数の溝を近接して設けると、溝間を繋ぐクラックが発生することがある。溝が光導波路領域の両脇に設けられていれば、クラックは光導波路領域を横断する。このような半導体レーザ素子に電流を流すと、電流が流れる経路にクラックがあるために、素子が破壊されることがある。

本発明の実施形態の半導体レーザ素子は、光導波路領域を含む半導体部を備え、半導体部の劈開面を共振器端面とする半導体レーザ素子であって、平面視において、半導体部の表面には、光導波路領域の両側に一対の溝が少なくとも設けられており、一対の溝は、共振器端面と平行な方向において互いに重ならないように配置されたことを特徴とする。

複数の溝間におけるクラックの発生を抑制し、半導体レーザ素子の破壊を抑制する。

図１は、本発明の一実施形態を説明する模式的な平面図である。図２は、図１のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ線における断面図である。図３は、半導体レーザ素子１００の断面の部分拡大図である。図４は、本発明の一実施形態を説明する模式的な部分拡大図である。図５は、本発明の他の実施形態を説明する模式的な断面図である。図６は、六方晶系の結晶構造を模式的に示すユニットセル図である。図７は、本発明の他の実施形態を説明する模式的な平面図である。図８は、本発明の一実施形態を説明する模式的な部分拡大図である。

以下、本件発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための方法を例示するものであって、本発明を以下の実施形態に特定するものではない。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。

図１は本発明の一実施形態の半導体レーザ素子１００を説明する模式的な平面図であり、図２は、図１のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ線における断面図である。図２において、切断面はハッチングで示す。また、図３は半導体レーザ素子１００の断面の部分拡大図であり、リッジ部２３ａ、第２電極４、第１絶縁膜３ａ等の断面構造を説明するための模式図である。半導体レーザ素子１００は、基板１上に半導体部２が形成されている。半導体部２は、第１導電型を有する第１半導体層２１と、活性層２２と、第２導電型を有する第２半導体層２３とを含む。第２半導体層２３には、ストライプ状のリッジ部２３ａが形成されており、リッジ部２３ａの下方の活性層２２近傍が光導波路領域２０となる。リッジ部２３ａを除く第２半導体層２３の表面の大部分には第１絶縁膜３ａが設けられ、その上の一部には第２絶縁膜３ｂが設けられている。リッジ部２３ａには第２電極４が設けられ、その上にパッド電極５が設けられている。また、導電性を有する基板１の下面側には、基板１より一回り小さい第１電極６が設けられている。さらに、半導体部２の表面には複数の溝７ａ，７ｂが設けられている。光導波路領域２０（リッジ部２３ａ）に対して略垂直な端面が、レーザの共振器端面８ａ，８ｂであり、半導体部２の劈開面で構成されている。

本実施形態の半導体レーザ素子は、図１および図２に示すように、半導体部２の表面において、光導波路領域２０（リッジ部２３ａ）の両側に一対の溝７ａ，７ｂが設けられており、一対の溝７ａ，７ｂは、共振器端面８ａまたは８ｂと平行な方向において互いに重ならないように配置されている。

また、本実施形態の半導体レーザ素子は、光導波路領域２０を含む半導体部２を備え、共振器端面８ａ，８ｂを有する半導体レーザ素子１００であって、半導体部２の表面において、光導波路領域２０の両側に一対の溝７ａ，７ｂが少なくとも設けられており、一対の溝７ａ，７ｂは、共振器端面８ａまたは８ｂと平行な方向において互いに重ならないように配置されている。

溝７ａ，７ｂについて、図４を用いて説明する。図４は、本発明の一実施形態を説明する模式的な部分拡大図であり、図１における溝７ａ，７ｂ付近を拡大した図である。なお図４では、説明のため、第１絶縁膜３ａおよび第２電極４は省略した。図４に示すように、溝７ａ，７ｂは、第２半導体層２３の側からの平面視において、共振器端面８ａと平行な方向において互いに重ならない。つまり、一方の溝７ａから共振器端面８ａと平行な方向に伸びる領域Ａ_１に重ならないように、他方の溝７ｂが配置されている。このように、半導体レーザ素子１００においては、溝７ａの共振器端面８ａと平行な方向に他の溝が存在しない。溝７ｂについても同様である。

溝間を繋ぐクラックは、例えばエッチング等によって溝を形成する際に発生するが、このようなクラックは、劈開面である共振器端面８ａ，８ｂと略平行な方向に走り溝間を繋ぐ。加えて、クラックの発生位置は溝間を最短距離で結ぶ位置に限るものではなく、溝間を１つの劈開可能面（劈開性をもった面）で繋ぐことができるように溝が配置されていればクラックは発生し得る。

そこで、本実施形態の半導体レーザ素子１００のように、劈開面である共振器端面８ａ，８ｂと平行な方向において互いに重ならないように複数の溝７ａ，７ｂを配置することで、溝７ａ，７ｂ間を繋ぐクラックの発生を抑制することができると考えられる。これによって、光導波路領域２０の損傷が抑制されるので、光導波路領域２０の損傷に起因する通電時の素子破壊を抑制することができる。また、溝７ａ，７ｂ間を繋ぐクラックを発生させることなく溝７ａ，７ｂを近接して設けることができるので、溝７ａ，７ｂを光導波路領域２０の近傍に配置することができる。これによって、光導波路領域２０から漏れた光を光導波路領域２０の近くで散乱させることができ、効率的にＦＦＰのリップルを低減することができる。また、溝７ａ，７ｂを近接して設けることで横方向の光閉じ込めを強くすることができるので、半導体レーザ素子の共振器損失の低減や、水平方向ＦＦＰの形状の改善が見込める。例えば、シングルモードであればガウシアン形状により近付けることができ、マルチモードであれば左右対称な形状により近付けることができる。

以下、各部材について詳述する。

（基板１）
基板１としては、劈開性を有する材料を用いることが好ましく、基板１と半導体部２を同時に劈開し、その劈開面を共振器端面８ａ，８ｂとする半導体レーザ素子１００を作製可能なものであることが好ましい。例えば、ＧａＮ等の窒化物半導体基板など、半導体部２と同じ結晶構造のものを用いることができる。また、導電性の基板１であれば、図２に示すように、下面に第１電極６を形成することができ、両面電極構造とできる。

（半導体部２、絶縁膜３ａ，３ｂ、電極４〜６）
半導体部２は、基板１上に形成された第１半導体層２１、活性層２２および第２半導体層２３を有する。半導体部２は化合物半導体からなることが好ましく、例えばＧａＮ系半導体等の窒化物半導体からなるものとすることができる。第２導電型の第２半導体層２３は、第１導電型の第１半導体層２１とは異なる導電型をしており、一方をｎ型半導体層とすれば、他方はｐ型半導体層となる。活性層２２は、多重量子井戸構造または単一量子井戸構造とすることができる。

本実施形態に係る半導体レーザ素子１００は、例えば、基板１上に、ｎ側クラッド層、ｎ側光ガイド層、活性層２２、ｐ側電子閉じ込め層、ｐ側光ガイド層、ｐ側クラッド層、ｐ側コンタクト層が順に形成される。本実施形態において、ｎ側クラッド層とｎ側光ガイド層が第１半導体層２１を構成し、ｐ側電子閉じ込め層、ｐ側光ガイド層、ｐ側クラッド層およびｐ側コンタクト層が第２半導体層２３を構成する。ｐ側コンタクト層およびｐ側クラッド層の一部がリッジ状の部分を残してエッチング除去されることにより、光導波路形成用のリッジ部２３ａが形成されている。

第１絶縁膜３ａは、リッジ部２３ａの上端であるｐ側コンタクト層の上面を露出するように、リッジ部２３ａの両側に形成されている。第２絶縁膜３ｂは、リッジ部２３ａから離間した位置に設けられている。なお、本実施形態では２種類の絶縁膜３ａ，３ｂを設けているが、絶縁膜の構成や形状はこれに限るものではない。第１絶縁膜３ａから露出したｐ側コンタクト層の表面に接触するように、第２電極４としてｐ電極が形成され、さらにパッド電極５が形成されている。基板の裏面には第１電極６としてｎ電極が形成されている。

また、図１〜３に示す半導体レーザ素子１００ではリッジ部２３ａを設けることで光導波路領域２０を形成しているが、光導波路領域を形成するための構造はこれに限るものではなく、例えば電流狭窄層を設けることで光導波路領域を形成してもよい。一例を図５に示す。図５は、本発明の他の実施形態を説明する模式的な断面図である。図５に示すように、平坦な第２半導体層２３の表面に電流狭窄層３ｃを設け、その上に第２電極４０を設けることができる。電流狭窄層３ｃはストライプ状の開口部を有しており、この開口部で第２電極４０と第２半導体層２３とが接触して導通部２３ｂとなり、その下方の活性層２２近傍が光導波路領域となる。このような半導体レーザ素子においても、リッジ部を設けた場合と同様の溝を設けることができ、また、溝と導通部２３ｂとの位置関係等についても溝とリッジ部との位置関係等と同様とすることができる。電流狭窄層３ｃは、絶縁性の材料により形成することができ、例えばＳｉＯ_２により形成する。電流狭窄層３ｃの開口部は、共振器端面の内側で終端していてもよく、共振器端面に至り、開放状態であってもよい。また、第２電極４０の上にはパッド電極５０を設けてもよい。

（溝７ａ，７ｂ）
溝７ａ，７ｂは、半導体部２に設けられており、光導波路領域２０（平面視においてリッジ部２３ａに相当）の両側にそれぞれ１つずつ配置されている。このような溝７ａ，７ｂを設けることによって、半導体レーザ素子の光導波路領域から漏れた光を溝によって散乱させることができる。したがって、光導波路領域から漏れ出た光（迷光）の半導体レーザ素子の主ビームへの混入を抑制し、リップルが低減されたＦＦＰを得ることができる。

溝７ａ，７ｂは共振器端面８ａ，８ｂと平行な方向において互いに重ならないように配置されるが、半導体部２が共振器端面８ａ，８ｂと平行な面以外にも劈開性のある面（劈開可能な面）を有する結晶構造のものであれば、それらの面と平行な全ての方向においても互いに重ならないように溝７ａ，７ｂを配置することが好ましい。例えば、半導体部２が窒化物半導体などの六方晶系の半導体からなり、共振器端面８ａ，８ｂが半導体部２のＭ面である場合には、半導体部２のＭ面と平行な全ての方向において互いに重ならないように溝７ａ，７ｂを配置することが好ましい。このように溝７ａと溝７ｂとが劈開可能な面（Ｍ面）で連結されるような配置を避けることで、溝７ａ，７ｂ間のクラックの発生をより一層抑制することができる。

図６は、六方晶系の結晶構造の単位格子を模式的に示すユニットセル図である。図６に示すように、劈開性を有するＭ面はＣ面と垂直な面であるため、半導体部２の成長面がＣ面であれば、Ｍ面の劈開性を利用して半導体レーザ素子１００の共振器端面８ａ，８ｂを形成することができる。このような半導体レーザ素子１００では、図４に示すように、一方の溝７ａからＭ面と平行な方向に伸びる領域Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３の全てに対して重ならないように、他方の溝７ｂが配置されることが好ましい。なお、溝７ａからＭ面と平行な方向に伸びる領域はＡ_１〜Ａ_３の他にも存在するが、それらは溝７ｂを配置する側とは反対の側に伸びるものであり溝７ｂの配置に影響を及ぼさないため、図４では省略した。

一方で、少なくとも溝７ａ，７ｂ間の距離が最も近くなる共振器端面８ａ，８ｂと平行な方向を避けて溝７ａ，７ｂを配置すればクラックの発生を抑制することができると考えられるため、他の劈開性の面と平行な方向では重なるように溝７ａ，７ｂを配置することもできる。

溝７ａ，７ｂは、光導波路から漏れだした光を散乱できるような深さに形成することが好ましい。溝７ａ，７ｂの底面が少なくとも第１半導体層２１に達する深さとすることで、活性層２２から横方向に漏れた光を効果的に散乱することができる。特に、本実施形態のような分離光閉込型（ＳＣＨ型）の半導体レーザ素子の場合は、溝７ａ，７ｂの底面が第１半導体層２１中の光ガイド層の下面よりも下方に到達していることが好ましい。すなわち、溝７ａ，７ｂの底面が第１半導体層２１中のクラッド層に到達していることが好ましい。これによって、ｎ側光ガイド層、活性層２２およびｐ側光ガイド層で構成された光導波路から漏れてきた光を効果的に散乱することができる。

共振器端面８ａ，８ｂは、レーザ光が出射する出射端面８ａと、その反対側の反射端面８ｂとからなる。溝７ａ，７ｂは、出射端面８ａの側に形成することが好ましい。出射端面８ａの近傍に溝７ａ，７ｂを設けることによって、出射端面８ａから放出される漏光を散乱させ、光導波路領域２０から漏れ出た光（迷光）の半導体レーザ素子１００の主ビームへの混入を抑制することができる。これにより、ＦＦＰのリップル発生を効果的に抑制できる。本実施形態では一対の溝７ａ，７ｂを設けているが、これに限るものではなく、少なくとも一対の溝が上述した配置で設けられていればよい。また、例えば、図７に示すように、出射端面８ａ近傍と反射端面８ｂ近傍の両方にそれぞれ一対の溝を設け、合計２対の溝を設けてもよい。図７は、本発明の他の実施形態を説明する模式的な平面図である。反射端面８ｂ近傍にも溝７ｃ，７ｄを設けることで、レーザの反射端面でレーザ内に向かって反射される漏光を外部に散乱させることができる。また、横方向の光閉じ込めを強くすることができるため、共振器損失を減らすことができる。

図８は、本発明の一実施形態を説明する模式的な部分拡大図であり、図１における溝７ａ，７ｂ付近を拡大した図である。なお図８では、説明のため、第１絶縁膜３ａおよび第２電極４は省略した。溝７ａ，７ｂは、あまり光導波路領域２０から離れた位置に配置するとリップル抑制の効果が低下する。したがって、溝７ａ，７ｂの外縁とリッジ部２３ａ（光導波路領域２０）の外縁の間の最短距離Ｄ_１，Ｄ_２は、１５μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下、より一層好ましくは７．５μｍ以下であることが望ましい。

このように光導波路領域２０の近くに光導波路領域２０を挟むように一対の溝７ａ，７ｂを設ける場合、２つの溝７ａ，７ｂを劈開面である共振器端面８ａ，８ｂと平行な方向に配列すると、２つの溝７ａ，７ｂを繋ぐクラックが発生し、光導波路領域２０を構成する半導体が損傷することがある。しかし、本実施形態では、共振器端面８ａ，８ｂと平行な方向を避けて溝７ａ，７ｂを配置するため、光導波路領域２０を構成する半導体を損傷させることなく光導波路領域２０の近傍に溝７ａ，７ｂを配置することができ、リップルを効果的に抑制することができる。また、共振器損失を減らすことができる。なお、本実施形態のようにリッジ部２３ａを有する半導体レーザ素子１００の場合は、リッジ部２３ａの外縁を光導波路領域２０の外縁とみなすことができる。また、溝７ａ，７ｂは、その一部がリッジ部２３ａと接するように配置することもできるが、そのように配置すると、シングルモードの半導体レーザ素子においてキンクが発生し始める電流値が低下し特性が不安定になりやすいため、好ましくは、図８等に示すようにリッジ部２３ａから離間させて設ける。溝７ａ，７ｂの外縁と光導波路領域２０の外縁との距離Ｄ_１，Ｄ_２は、例えば０．５μｍ以上とすることができる。

また、平行方向ＦＦＰの対称性を維持するためには、溝７ａ，７ｂの共振器方向（光導波路領域２０の長手方向）におけるずれＤ_３を小さくすることが好ましい。このようなずれＤ_３は、好ましくは５０μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下とする。また、図４に示すように、一方の溝７ａからＭ面と平行な方向に伸びる領域のうち、共振器端面８ａと平行な方向に伸びる領域Ａ_１と、Ａ_１に最も近い領域Ａ_２との間に、他方の溝７ｂを配置することが好ましい。

図１等に示すように、溝７ａ，７ｂは共振器端面から離間した位置に設けることができる。溝７ａ，７ｂは共振器端面から大きく離れた位置に形成してもよく、これによって光閉じ込め効果を得ることができる。一方で、ＦＦＰのリップルを効果的に低減するためには、溝７ａ，７ｂを共振器端面の近傍に配置することが望ましい。具体的には、共振器端面から３０μｍ以内、より好ましくは共振器端面から１０μｍ以内の領域に溝７ａ，７ｂの両方を設けることが望ましい。

溝７ａ，７ｂの平面形状としては、種々の構成を採用することができる。溝７ａ，７ｂの平面形状は、光導波路領域２０から漏れてきた光を主ビームの進行方向に異なる方向に散乱（微視的には屈折）可能な形状とすることが好ましい。光導波路領域２０から漏れてレーザ内を導波している光をレーザの主ビームと異なる方向に散乱／屈折するためには、溝７ａ，７ｂの平面形状が、接線の方向が連続的に変化する円形や楕円形であるか、または共振器端面８ａ，８ｂに対して傾斜した構成辺を有していることが好ましい。例えば、円形、六角形、三角形、ライン状等の種々の形態にすることができる。また、溝７ａ，７ｂのつぶれ等を避けるためには、その平面形状において、最も狭い部分の幅を０．１μｍ以上、さらには０．５μｍ以上とすることができる。

ライン状の溝７ａ，７ｂとしては、例えば、図４に示すように、共振器端面８ａに対して傾斜した２種類の構成辺、つまり共振器端面８ａに対する傾斜角が異なる第１の構成辺と第２の構成辺とを有するものとすることができる。第１の構成辺と第２の構成辺が連続し、角度の異なる第１の構成辺と第２の構成辺とが交互に配列されることでこれによって、より狭い面積内に光を屈折する傾斜面を多数配置できるため、効果的にリップル抑制を行うことができる。また、異なる傾斜角を持った２種類の構成辺によって、漏光を異なる方向に屈折させることができるので、屈折された漏光が特定の方向に集中することを防止できる。また、一対の溝７ａ，７ｂは、図４に示すように、光導波路領域２０に対して線対称な平面視形状を共振器方向（光導波路領域２０の長手方向）にずらしたものとすることができる。

溝７ａ，７ｂは、少なくとも光導波路領域２０の両側に１つずつ設けられる。このような一対の溝を複数対設けてもよい。この場合、一対の溝７ａ，７ｂの場合と同様に、光導波路領域２０の一方側の溝と他方側の溝とが共振器端面８ａ，８ｂと平行な方向において重ならないように配置することが好ましく、また、一方側の溝の共振器端面と平行な方向に他方側の溝が存在しないように配置することが好ましい。特に、一方側の溝と他方側の溝との最短距離が５０μｍ以下である場合に、そのように配置することが好ましい。半導体部２が六方晶系半導体からなり、共振器端面８ａ，８ｂがＭ面である場合には、Ｍ面と平行な全ての方向において重ならないように配置してもよい。これによって、光導波路領域２０を構成する半導体を損傷させることなく溝を光導波路領域２０の近くに配置することができる。

なお、光導波路領域２０の半導体部２の損傷を抑制するためには、少なくとも光導波路領域２０を挟む溝の間が劈開性をもった面（劈開可能面）で連結されないように配置すればよい。光導波路領域２０の一方の側に複数の溝を配置する場合は、光導波路領域２０の半導体部２が損傷する虞がないため、これらの溝が劈開性をもった面で連結され得る配置としてもよいが、好ましくは一対の溝７ａ，７ｂと同様に配置する。これによって、溝間におけるクラックの発生が抑制できるので、漏光を効率的に遮ることができるように複数の溝を近接して配置することができる。また、複数の溝を設けることで光閉じ込めを強め、より共振器損失を減らすこともできる。また、対とならない溝を設けることもできる。

本実施形態の半導体レーザ素子では、溝７ａ，７ｂには絶縁膜３ａ，３ｂも電極４，５も形成していない。ただし、溝７ａ，７ｂの内部に露出した半導体部２を保護するため、溝７ａ，７ｂにも絶縁膜を設けてもよい。電極については、溝７ａ，７ｂを被覆しない位置に設けることが好ましい。これは、第１半導体層２１が露出している溝７ａ，７ｂに電極４，５を設けると、短絡が起きる虞があるためである。溝７ａ，７ｂの内壁には漏光を吸収する光吸収部材を設けてもよい。また、溝７ａ，７ｂの内部は空洞であることが望ましい。溝７ａ，７ｂの内部が空洞であることにより、溝７ａ，７ｂの内壁界面に大きな屈折率差が生じ、溝７ａ，７ｂによる光の散乱・屈折効果が高まる。また、光導波路領域２０内との大きな屈折率差が生じ、溝７ａ，７ｂによる光の閉じ込め効果が高まる。したがって、溝７ａ，７ｂの内側に絶縁膜や光吸収部材を形成する場合であっても、溝７ａ，７ｂが完全に埋め込まれない厚みとすることが好ましい。

１００半導体レーザ素子
１基板
２半導体部
２０光導波路領域
２１第１半導体層
２２活性層
２３第２半導体層、２３ａリッジ部、２３ｂ導通部
３ａ第１絶縁膜、３ｂ第２絶縁膜、３ｃ電流狭窄層
４，４０第２電極
５，５０パッド電極
６第１電極
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ溝
８ａ，８ｂ共振器端面

Claims

光導波路領域を含む半導体部を備え、前記半導体部の劈開面を共振器端面とする半導体レーザ素子であって、
平面視において、
前記半導体部の表面には、前記光導波路領域の両側に一対の溝が少なくとも設けられており、
前記一対の溝は、前記共振器端面と平行な方向において互いに重ならないように配置されており、
前記一対の溝の両方は、１つの前記共振器端面から３０μｍ以内に配置されたことを特徴とする半導体レーザ素子。
前記半導体部は六方晶系の半導体からなり、
前記共振器端面は前記半導体部を構成する半導体のＭ面からな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。
前記一対の溝は、前記半導体部のＭ面と平行な全ての方向において互いに重ならないように配置されたことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
前記一対の溝の、前記光導波路領域の長手方向におけるずれは、１０μｍ以下であり、
前記一対の溝は、それぞれ、前記光導波路領域との距離が１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。