JPWO2019160039A1 - 光半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
高出力な半導体レーザ装置においては、図1に示すように、半導体レーザ素子1は、AlNなどのセラミックス基板5上にAuなどの金属膜4が形成された、サブマウント6とよばれる基板に接合される。さらに、半導体レーザ素子1の電極層には、半導体レーザ素子1に電流を注入するための電気的接続部として、Auなどのボンディングワイヤ2が接続される。図2に、従来技術の例として、高出力の半導体レーザ素子1の電極層の上に、多数のボンディングワイヤ2を均等に配置した構成を示す(従来構成1)。一般に、ボンディングワイヤ2の直径は15μm〜50μm程度と非常に細いので、数A〜30Aの大電流を注入する、数W〜20Wの高出力の半導体レーザ装置では、非常に多くの本数のボンディングワイヤ2を半導体レーザ素子1の電極層に接続する必要がある。しかしながら、ボンディングワイヤ2の本数が増えると、Auなどの材料コストアップ、工程タクト時間の増加などのデメリットが生じる。さらに半導体レーザ素子1の表面積は非常に小さい(たとえば、幅0.3mm〜0.5mm×長さ3mm〜5mm)ので、ボンディングワイヤ2を接続するためのフットプリントが限られているという問題がある。
産業用レーザでは、電気−光変換効率(WPE:Wall Plug Efficiency)が高いことが求められる。WPEは、投入電力(電流×電圧)に対する半導体レーザ装置の最終的な光出力の割合として定義される。そのため、駆動電圧の上昇はWPEの低下につながり、半導体レーザの性能上好ましくない。
本実施形態では、図8に示すような構成で、電気的接続部としてボンディングワイヤ2を第二電極層13に接続した。
本実施形態では、図10に示すような構成で、電気的接続部としてボンディングワイヤ2を第二電極層13に配置、接続した。すなわち、上記電気的接続部と第二電極層13との接触面積のうち、半導体レーザ素子1の上部面積における第一端面E1側の1/2に含まれる接触面積をα、上部面積の第二端面E2側の1/2に含まれる接触面積をβとしたとき、α>βの関係を満たすとともに、半導体レーザ素子1の上部面積の第二端面E2側には少なくとも1本のボンディングワイヤ2が接続されており、β>0となっている。さらに、ボンディングワイヤ2は、半導体レーザ素子1の活性領域11内における第一端面E1と第二端面E2を結ぶ方向の電流密度分布を、同方向の光子密度分布に近似させるように配置されている。
実施形態1及び実施形態2と、第一端面E1側に多数のボンディングワイヤ2を寄せて配置した従来構成2(図3の構成)との光出力及び駆動電圧を比較した。その結果を図12A、12Bに示す。その結果、電気的接続部と第二電極層13との接触面積のうち、半導体レーザ素子1の上部面積の第一端面E1側の1/2に含まれる接触面積をα、第二端面E2側の1/2に含まれる接触面積をβとしたとき、α>βの関係を満たし、かつβ>0となる、実施形態1のボンディングワイヤ2の配置では、従来構成2よりも駆動電圧が低下した。さらに、電気的接続部と第二電極層13との接触面積のうち、半導体レーザ素子1の上部面積の第一端面E1側の1/2に含まれる接触面積をα、第二端面E2側の1/2に含まれる接触面積をβとしたとき、α>βの関係を満たし、かつβ>0であるとともに、活性領域11内の第一端面E1と第二端面E2を結ぶ方向の電流密度分布を、同方向の光子密度分布に近似させるようにボンディングワイヤ2を配置した、実施形態2の構成では、さらに駆動電圧が低下した。一方で、実施形態1及び実施形態2の光出力は、従来構成2の光出力と比較してほとんど低下していない。
本実施形態は、実施形態1の応用例である。図14に示すような構成で、第一端面E1側に、実施形態1においてボンディングワイヤ2を多数接続する代わりに、Au箔などをリボン状にしたボンディングリボン32を、電気的接続部として第二電極層13に接続した。さらに、第二端面E2側には少なくとも1本(ここでは2本)のボンディングワイヤ2が接続されている。
本実施形態は、実施形態2の応用例である。すなわち、図15に示すような構成で、半導体レーザ素子1の第二電極層13の上部にパッド56が形成されており、さらに、このパッド56上にボンディングワイヤ2が接続されている。パッド56は電気抵抗の小さいAuメッキなどで形成されており、その厚さはたとえば3μm〜10μmである。パッド56と、このパッド56上に接続されたボンディングワイヤ2は、等電位とみなすことができる。よって、本実施形態では、パッド56が、半導体レーザ素子1の第二電極層13に接続された電気的接続部に相当する。
本実施形態は、実施形態2の応用例である。すなわち、図16に示すような構成で、半導体レーザ素子1の第二電極層13の上部に、半導体レーザ素子1の第一端面E1側が底辺となり、第二端面E2側が頂点となるような、略三角形状のパッド56が形成されている。さらに、このパッド56上にボンディングワイヤ2が接続されている。パッド56は電気抵抗の小さいAuメッキなどで形成されており、その厚さはたとえば3μm〜10μmである。パッド56と、このパッド56上に接続されたボンディングワイヤ2は、等電位とみなすことができる。よって、本実施形態では、実施形態4と同様に、パッド56が、半導体レーザ素子1の第二電極層13に接続された電気的接続部に相当する。
本実施形態は、実施形態2の変形例である。すなわち、図17に示すような構成で、半導体レーザ素子1の第二電極層13上に、電気的接続部としてボンディングワイヤ2を、2列の構成ではなく、1列の構成で配置し、接続した。
2 ボンディングワイヤ
4 金属膜
5 基板
6 サブマウント
7 はんだ
8 半導体積層部
E1 第一端面
E2 第二端面
L 素子長さ
9 低反射率膜
10 高反射率膜
11 活性領域
12 導波路幅
13 第二電極層
14 基板
15 n型バッファ層
16 n型クラッド層
17 n型ガイド層
18 活性層
18a 下部バリア層
18b 量子井戸層
18c 上部バリア層
19 p型ガイド層
20 p型クラッド層
21 p型コンタクト層
22 パッシベーション膜
22a 開口部
23 第一電極層
24 ボンディングワイヤの接続部面積
32 ボンディングリボン
33 ボンディングリボンの接続部
56 パッド
Claims (7)
- 半導体積層部と、
光出力側の第一端面及び前記第一端面と対向する第二端面にはさまれた活性領域と、
前記半導体積層部の上部に設けられた第一電極層及び下部に設けられた第二電極層と、を備えた光半導体素子と、
前記光半導体素子の前記第一電極層又は前記第二電極層の少なくとも一方に、前記活性領域に電流を注入するための電気的接続部が接続された光半導体装置であって、
前記電気的接続部と、前記光半導体素子との接触面積のうち、前記光半導体素子の上部面積の前記第一端面側の1/2に含まれる前記接触面積をα、前記第二端面側の1/2に含まれる前記接触面積をβとしたとき、α>βを満たし、かつ、β>0であることを特徴とする光半導体装置。 - 前記光半導体素子の上部面積の前記第二端面側の1/2に接続された前記電気的接続部の一部は、前記第二端面近傍にあることを特徴とする、請求項1に記載の光半導体装置。
- 前記光半導体素子の上部面積の前記第二端面側の1/2に接続された前記電気的接続部の一部は、前記第二端面側から1/4の領域にあることを特徴とする、請求項1に記載の光半導体装置。
- 前記電気的接続部は、前記活性領域内の前記第一端面と前記第二端面を結ぶ方向の電流密度分布を、前記活性領域内における同方向の光子密度分布に近似させるように配置し、接続されていることを特徴とする、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の光半導体装置。
- 前記光半導体素子は、前記第一端面から出力される光の出力が100mW以上であるような半導体レーザ素子であることを特徴とする、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の光半導体装置。
- 前記光半導体素子は、前記第一端面から出力される光が出力1W以上のレーザ光であり、前記レーザ光をマルチモード発振するような半導体レーザ素子であることを特徴とする、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の光半導体装置。
- 前記光半導体素子は、前記第二端面からレーザ光を入力し、前記第一端面から10mW以上のレーザ光を出力するような、半導体光増幅素子であることを特徴とする、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の光半導体装置。
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