JPH08321660A - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents

窒化物半導体レーザ素子

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JPH08321660A
JPH08321660A JP12645595A JP12645595A JPH08321660A JP H08321660 A JPH08321660 A JP H08321660A JP 12645595 A JP12645595 A JP 12645595A JP 12645595 A JP12645595 A JP 12645595A JP H08321660 A JPH08321660 A JP H08321660A
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JP
Japan
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mirror
nitride semiconductor
light emitting
emitting chip
chip
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Toshio Matsushita
俊雄 松下
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Nichia Chemical Industries Ltd
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Nichia Chemical Industries Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/02Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022Mountings; Housings
    • H01S5/0233Mounting configuration of laser chips
    • H01S5/0234Up-side down mountings, e.g. Flip-chip, epi-side down mountings or junction down mountings
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14External cavity lasers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/323Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/32308Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm
    • H01S5/32341Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm blue laser based on GaN or GaP

Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 窒化物半導体の劈開面を光共振面とせず、他
の手段により新しい光共振面を形成し、InAlGaN
よりなる紫外、青色の半導体レーザを提供する。 【構成】 サファイア透明基板1,P−n接合をもつ二
重ヘテロ構造の窒化物半導体2とその中の活性層2′、
及び負電極3、正電極4から構成された発光チップがサ
ブマウント20上に載置されている。発光チップのレー
ザ光出射面側に半球状の凹レンズ10を設け、その凹面
側に誘電体多層膜からなる第一ミラー11が形成され、
チップにはもう一方の光共振面となる第二ミラー5が形
成されている。凹面ミラーの曲率中心より内側に発光チ
ップを配置することにより、チップ外部に共振面(第一
ミラー11)をもつ共振器と、チップ内に全反射鏡の共
振面(第二ミラー5)をもつ共振器との間で活性層2′
の発光は共振する。図の矢線は共振状態を示す。両ミラ
ー間で共振した光はレーザ光となり凹レンズ側に出射す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は窒化物半導体(InX
YGa1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)よりなるレ
ーザ素子に関する。
【0002】
【従来の技術】窒化物半導体よりなる発光素子は現在ダ
ブルへテロ構造の青色LED、青緑色LEDが実用化さ
れている。一方レーザダイオードについては、光共振面
の作製が困難であるため未だ発振したという報告は成さ
れていない。
【0003】例えばGaAsを基板とする赤外、赤色発
光の半導体レーザダイオードは、基板の劈開性を利用し
た半導体劈開面が光共振面とされる。一方、窒化物半導
体は結晶系が六方晶系という性質上、劈開性を有してい
ない。また窒化物半導体は一般にサファイア基板の上に
成長されるため、その基板自体に劈開性がないので、基
板を強制的に割った半導体の劈開面を光共振面とするこ
とは困難であった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は窒化物半導体
の劈開面を光共振面とせず、他の手段により新たな光共
振面を作製し、窒化物半導体よりなる紫外、青色の半導
体レーザを実現することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者は窒化物半導体
発光チップの外部に共振器を設けることにより前記問題
が解決できることを見いだし本発明を成すに至った。即
ち、本発明の窒化物半導体レーザ素子は透明基板上に窒
化物半導体が積層されてなる発光チップの外部に、少な
くとも一方の光共振器が設けられていることを特徴とす
る。
【0006】次に本発明のレーザ素子の特徴は光共振器
は発光チップに向かって凹面状のミラーが形成された凹
レンズであることである。
【0007】さらに、レーザ素子の光共振器は発光チッ
プに対して凹面状のミラーが形成されると共に、発光チ
ップに対して凸面を有する凹レンズであることを特徴と
する。(以下、本明細書において、このレンズをメニス
カス型凹レンズと記載する。)メニスカス型レンズは発
光チップの発光に対して、凹面で発光を発光チップ側に
反射させ、凹面を透過した光を凸レンズの作用で平行光
にするか、または集光する作用を有する。
【0008】さらにまた、レーザ素子のミラーは誘電体
多層膜よりなることを特徴とする。この誘電体多層膜は
単なる凹レンズの凹面部に形成することもでき、またメ
ニスカス型凹レンズの凹面部に形成することも可能であ
る。誘電体多層膜の材料は特に問うものではないが、例
えば酸化ジルコニウム、酸化チタン、フッ化マグネシウ
ム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化バリウム等の
材料より適当な材料を選択し、窒化物半導体の発光を反
射するように設計して、それらの材料よりなる薄膜を蒸
着、スパッタ等の薄膜形成技術を用いて積層することに
より形成可能である。
【0009】
【作用】窒化物半導体は他の半導体材料と異なり、サフ
ァイア、スピネルといった透明基板の上に成長されるこ
とが多い。本発明ではこの透明基板の上に成長される窒
化物半導体特有の作用を利用してレーザ素子を実現す
る。つまり、透明基板が活性層の発光を透過することに
より発光チップの外部にミラーとなる共振器のいずれか
一方または両方を設けて、透明基板を透過した光をレー
ザ発振させるものである。透明基板の透過率は発光を減
衰させずに共振させるため、窒化物半導体の発光波長に
対し90%以上、さらに好ましくは95%以上を有する
材料であることが望ましい。
【0010】次に光共振器を発光チップに対して凹面状
のミラーが形成された凹レンズとする。凹面に形成され
たミラーは、窒化物半導体層の発光を発光チップ側に戻
し、さらに発光チップ側に形成したもう一方の共振器と
の間で共振を起こさせてレーザ発振させる作用がある。
また凹レンズは発振したレーザ光をレンズ側から出射さ
せる作用がある。ミラーを形成するには、窒化物半導体
の発光を反射させる作用を有するものであればどのよう
な材料を用いて形成しても良いが、例えば金属薄膜、誘
電体多層膜等を好ましく形成し、前記のようにこれらの
材料を蒸着、スパッタ等の薄膜形成技術を用いることに
より凹面に形成可能である。さらに、透明基板の平行度
が悪くても、凹面のミラーはそのミラーの角度や発光チ
ップとの距離を調整することによって調整ができるので
基本モードでの発振を容易にできる。
【0011】さらにメニスカス型凹レンズは請求項3に
記載したように発光チップ面と対向する面が凹面となっ
ており、その反対側の面が発光チップに対して凸面とな
っている。つまり発光チップの発光を凹面に形成された
ミラーで共振させると共に、ミラーを透過したレーザ光
を平行光にしたり、集光したりする作用がある。
【0012】光共振器のミラーは金属薄膜で形成するこ
とも可能であるが、好ましくは誘電体多層膜で形成す
る。誘電体多層膜は、窒化物半導体の発光を反射するよ
うに、適当な材料を選択して、それらの内のすくなくと
も二種類の材料を適当な膜厚で積層することにより簡単
に形成できるという利点がある。
【0013】
【実施例】以下図面を元に本発明の実施例について説明
する。図1は本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造
を示す模式的な断面図を示している。1はサファイアよ
りなる透明基板、2は窒化物半導体、2’は窒化物半導
体の活性層、3は負電極、4は正電極を示しており、窒
化物半導体はp−n接合を有するダブルへテロ構造であ
り、窒化物半導体層の中の活性層に電流を集中させて発
光させる。発光チップは基本的にこの1〜4の構成を有
している。さらにこの発光チップはフェースダウンとし
てサブマウント20に載置されている。
【0014】発光チップのレーザ光出射面側には半球状
の凹面を有する凹レンズ10が設けられており、この凹
面側には誘電体多層膜よりなる第一のミラー11が形成
されている。一方、発光チップにはもう一方の光共振面
となる第二のミラー5が形成されている。発光チップを
例えば半球状凹面ミラーの曲率の中心よりも内側、つま
り凹面側に配置することにより(図1はチップの大きさ
の関係から発光チップを曲率の中心よりも外側に配置し
た図となっている。)、発光チップ外部に共振面(第一
のミラー11)を有する共振器と、発光チップ内に全反
射ミラーの共振面(第二のミラー5)を有する共振器と
の間で2’部の発光を共振させる。図の矢線は2’部の
発光が第一のミラー11と第二のミラーとの間で共振す
る状態を示している。さらに、ミラー間で共振した光
は、レーザ光となって凹レンズ10側に発振、出射す
る。
【0015】なお、図1では第二のミラー5を窒化物半
導体2と正電極4との間に形成している。この場合、第
二のミラー5は正電極5を半導体層に電気的に接続する
ために金属薄膜で形成する。また第二のミラー5は光閉
じ込め層として、活性層よりも屈折率の小さい窒化物半
導体で形成することも可能である。
【0016】図2は本発明の他の実施例に係るレーザ素
子の構造を示す模式的な断面図である。図2が図1と異
なる点は、まず第一のミラー11を有する凹レンズ30
をメニスカス型凹レンズとしているところである。この
レーザ素子も図の矢線に示すように、活性層2’の発光
を第一のミラー11と第二のミラー5との間で共振させ
ることによりレーザ発振させることができる。
【0017】メニスカス型凹レンズは上記したように第
一のミラーを透過したレーザ光を集光したり、またコリ
メータのように平行光にする作用を有する。レーザ光は
この凹レンズの凹面の形状の他、このメニスカス型凹レ
ンズのレンズ厚、発光チップとの距離を調整することに
よって、設計可能となる。なお、平面状の第二のミラー
5は発光チップを載置したサブマウント20の上に形成
することも可能である。
【0018】図3は本発明の他の実施例に係るレーザ素
子を実装したレーザダイオードの構造を示す分解斜視図
であり、図4は図3のレーザダイオードの断面図であ
る。このレーザダイオードは透明基板を有する発光チッ
プをフェースアップでサブマウント20の上に載置し
て、サブマウント20をヒートシンク40に載置してい
る。発光チップは金属性のカン50で封止されており、
カン50の中心には凹面に第一のミラー11が形成され
たメニスカス型凹レンズ30が設置されている。
【0019】発光チップは透明基板1とダブルへテロ構
造を有する窒化物半導体2よりなり、窒化物半導体2と
対向する透明基板側1には第二のミラー55が形成され
ている。図3、図4において透明基板に形成する第二の
ミラー55も同様に活性層の光を反射できる金属薄膜で
形成することが好ましく、また誘電体多層膜を形成して
も良い。
【0020】このレーザダイオードも活性層の発光を発
光チップ外部に設けられた第一のミラー11と、発光チ
ップと一体で設けられた第二のミラー55とで共振させ
ることによりレーザ発振させることができる。
【0021】
【発明の効果】従来の赤外、赤色等のGaAsを主成分
とする半導体材料で面発光レーザを実現する場合、ウェ
ーハの半導体面にレーザミラーを加工するため、複雑な
製造工程を必要とするのが常であった。その上、ミラー
の平行度にもレーザ光の特性が左右されることが多い。
【0022】一方、窒化物半導体はGaAsと異なり非
常に硬い物質であるので、複雑な加工はGaAs系の材
料に比べて難しい。しかしながら、本発明のレーザ素子
によるいずれかのミラーが発光チップと分離しているの
で、非常にミラーの形成が容易である。また、透明基板
の平行度が悪くても、レーザ素子組立時に第一のミラー
の角度や位置を調整することによって基本モードでの発
振が可能となる。また凹面レンズのミラーの曲率と、発
光チップまでの距離を変えることにより発振するレーザ
光のビームサイズを設計することも可能である。
【0023】このように本発明のレーザ素子は透明基板
を用いた窒化物半導体特有の性質を利用して、紫外、青
色のレーザ発振を実現できその産業上の利用価値は非常
に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を
示す模式断面図。
【図2】 本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造
を示す模式断面図。
【図3】 本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造
を示す分解斜視図。
【図4】 図3のレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
1・・・・透明基板 2・・・・窒化物半導体 2’・・・活性層 3・・・・負電極 4・・・・正電極 5、55・・・・第二のミラー 10、30・・・・凹レンズ 11・・・・第一のミラー 20・・・・サブマウント

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 透明基板上に窒化物半導体が積層されて
    なる発光チップの外部に、少なくとも一方の光共振器が
    設けられていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素
    子。
  2. 【請求項2】 前記光共振器は発光チップに対して凹面
    状のミラーが形成された凹レンズであることを特徴とす
    る請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  3. 【請求項3】 前記光共振器は発光チップに対して凹面
    状のミラーが形成されると共に、発光チップに対して凸
    面を有する凹レンズであることを特徴とする請求項1ま
    たは請求項2に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  4. 【請求項4】 前記ミラーは誘電体多層膜よりなること
    を特徴とする請求項2または請求項3に記載の窒化物半
    導体レーザ素子。
JP12645595A 1995-05-25 1995-05-25 窒化物半導体レーザ素子 Pending JPH08321660A (ja)

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