WO2021112191A1 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

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WO2021112191A1
WO2021112191A1 PCT/JP2020/045089 JP2020045089W WO2021112191A1 WO 2021112191 A1 WO2021112191 A1 WO 2021112191A1 JP 2020045089 W JP2020045089 W JP 2020045089W WO 2021112191 A1 WO2021112191 A1 WO 2021112191A1
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WO
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electrode
semiconductor laser
laser device
layer
injection range
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Application number
PCT/JP2020/045089
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English (en)
French (fr)
Inventor
俊彦 深町
Original Assignee
ウシオ電機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Application filed by ウシオ電機株式会社 filed Critical ウシオ電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser device.
  • nitride semiconductor lasers In recent years, the application of nitride semiconductor lasers has been advancing as a laser light source for exposure machines and 3D printers. Further, the nitride semiconductor laser is required to have high output from the viewpoint of superiority in miniaturization of equipment, cost reduction, high performance and the like.
  • Patent Document 1 For the purpose of suppressing the above-mentioned COD and IL sudden drop, for example, in Patent Document 1, the width of the p-side ohmic electrode on the exit side is made sufficiently narrower than the width of the p-side ohmic electrode in the center of the element so that the width of the p-side ohmic electrode is sufficiently narrower.
  • Patent Document 2 discloses a technique in which the p-side ohmic electrode is covered with the p-side Schottky electrode to improve heat dissipation and suppress COD.
  • Patent Document 3 discloses a technique in which the p-side electrode width in the vicinity of the end face is sufficiently wider than the p-side electrode width in the center of the element to improve the heat dissipation property in the vicinity of the end face and suppress COD. ing.
  • Patent Document 4 discloses a technique in which heat dissipation is improved and COD is suppressed by providing a heat radiating layer made of the same material as the pad electrode and electrically separated in the vicinity of the end face.
  • Patent Document 5 discloses a technique in which heat dissipation is improved and COD is suppressed by providing a heat conductive film made of AlN, Si, or the like in the vicinity of the end face.
  • Japanese Patent No. 6160141 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-31894 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-114202 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-258883 JP-A-2010-41035
  • the width of the p-side ohmic electrode on the exit side needs to be sufficiently narrower than the width of the p-side ohmic electrode at the center of the element.
  • a thin laser structure having a mesa stripe width of, for example, 2 ⁇ m or less, such as a single mode laser it is technically difficult to form a finer electrode on the mesa stripe with a higher yield. Therefore, the applicable laser structure of the technique described in Patent Document 1 is limited.
  • a plurality of semiconductor layers including a first conductive semiconductor layer, an active layer, and a second conductive semiconductor layer are laminated in this order.
  • the injection range extends along the light oscillation direction in the active layer and can be injected with carriers.
  • the insulating layer laminated on the opposite side and the first conductive semiconductor layer are connected to the injection range in an ohmic manner, and at least within the injection range, they are connected to each other in the oscillation direction.
  • the first conductive type is separated and connected to a plurality of first electrodes including a main electrode and a sub-electrode having a smaller connection area between the main electrode and the injection range than the main electrode, and each of the plurality of first electrodes.
  • a second electrode that is non-ohmic with respect to the semiconductor layer is provided.
  • the configuration of the semiconductor laser element can be applied to a wide range of laser structures including a laser structure having a narrow mesa stripe width.
  • the first conductive semiconductor is a P-type semiconductor
  • the second conductive semiconductor is an n-type semiconductor
  • the first electrode is the first p-side electrode
  • the second electrode is the second electrode. It may be a 2p side electrode.
  • the second p-side electrode reaches the end of the entire region on the opposite side in the oscillation direction, and the outermost surface of the end is not Au. In such a preferable configuration, Au sagging to the end face is prevented even when the end portion is cleaved during the manufacture of the semiconductor laser device.
  • the solder wettability of the outermost surface of the second p-side electrode is worse than that of other portions at the end portion.
  • the advance of solder to the end face is suppressed in the so-called junction down mounting.
  • the outermost surface of the end portion is not Au
  • the outermost surface of the second p-side electrode is Au at least in the portion overlapping the first p-side electrode.
  • the outermost Au promotes heat dissipation.
  • the total length of the non-injection region in the injection range that is not in contact with the first p-side electrode in the oscillation direction is the total length of the optical resonator of the semiconductor laser element in the oscillation direction. It is preferably 10% or less. Alternatively, it is also preferable that the total area of the non-injection region in the injection range that is not in contact with the first p-side electrode is 10% or less of the total area of the injection range. If the portion that does not become a gain in the laser oscillation exceeds 10% of the whole, the gain may be insufficient and the increase in the output of the semiconductor laser element may be hindered.
  • the plurality of first p-side electrodes may extend outside the injection range and be connected to each other outside the injection range.
  • the plurality of first p-side electrodes are smaller than the distance between both edges of the injection range in the width direction intersecting the oscillation direction and do not hang on any edge. Is. With such a configuration, spatial hole burning is suppressed, so that the oscillation mode of the laser is stabilized.
  • the shape of the sub-electrode is such that the length in the oscillation direction is longer than the end portion in the central portion in the width direction intersecting the oscillation direction.
  • the applicable range of the laser structure is wide, sufficient heat dissipation is ensured, or heat generation is suppressed.
  • Top view showing the first embodiment of the semiconductor laser element of this invention Longitudinal sectional view showing the first embodiment of the semiconductor laser device of the present invention.
  • CC sectional view showing 1st Embodiment of the semiconductor laser element of this invention DD cross-sectional view showing the first embodiment of the semiconductor laser device of the present invention.
  • Graph showing the relationship between the size of the non-injection region and the output characteristics of the semiconductor laser device A plan view showing a second embodiment of the semiconductor laser device of the present invention.
  • AA sectional view showing a second embodiment of the semiconductor laser device of the present invention BB sectional view showing a second embodiment of the semiconductor laser device of the present invention.
  • the figure which shows the oscillation mode in the comparative example The figure which shows the oscillation mode in the semiconductor laser element of 2nd Embodiment
  • FIG. 1 EE sectional view showing a third embodiment of the semiconductor laser device of the present invention.
  • the figure which shows the oscillation mode in the semiconductor laser element of 3rd Embodiment Top view showing the 4th Embodiment of the semiconductor laser element of this invention Longitudinal sectional view showing a fourth embodiment of the semiconductor laser device of the present invention.
  • FIG. 1 to 6 are diagrams showing a first embodiment of the semiconductor laser device of the present invention.
  • FIG. 1 shows a plan view
  • FIG. 2 shows a vertical sectional view along an optical resonator
  • FIG. 3 shows a sectional view taken along the line AA
  • FIG. 4 shows a sectional view taken along the line BB.
  • Shown, FIG. 5 shows a CC sectional view, and FIG. 6 shows a DD sectional view.
  • the semiconductor laser device 100 has an n-type semiconductor layer 101, an active layer 102, and a p-type semiconductor layer 103, which are laminated in this order, and each of these layers is made of, for example, a nitride semiconductor. In addition, each of these layers may have a layer structure in which a plurality of layers are laminated as an internal structure.
  • the semiconductor laser device 100 is a refractive index waveguide type laser, for example, as the layer structure of the n-type semiconductor layer 101, a layer structure in which a substrate, a clad layer, and a guide layer are laminated is adopted, and a p-type semiconductor layer is adopted.
  • As the layer structure of 103 for example, a layer structure in which a guide layer, a clad layer, and a contact layer are laminated is adopted.
  • the p-type semiconductor layer 103 corresponds to an example of the first conductive type semiconductor layer referred to in the present invention
  • the n-type semiconductor layer 101 corresponds to an example of the second conductive type semiconductor layer referred to in the present invention.
  • the same effect can be obtained even if the first conductive type semiconductor layer referred to in the present invention is an n-type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer referred to in the present invention is a p-type semiconductor layer.
  • the direction in which the layers are laminated with a laminate of the n-type semiconductor layer 101, the active layer 102, and the p-type semiconductor layer 103 may be referred to as a lamination direction below. That is, the stacking direction is a direction perpendicular to the paper surface in the plan view, and is a vertical direction in the vertical sectional view, the AA sectional view, the BB sectional view, the CC sectional view, and the DD sectional view. Further, in the following description, the direction from the n-type semiconductor layer 101 side to the p-type semiconductor layer 103 side in the stacking direction is referred to as "up” regardless of the gravity direction, and the opposite direction is referred to as "up”. , May be referred to as "down” regardless of the direction of gravity.
  • the semiconductor laser element 100 has a shape extending in the left-right direction in the plan view, and light is reflected at both ends in this direction to form an optical resonator.
  • the light emitting side of the semiconductor laser device 100 is, for example, the left side of FIG. 1, and the length of the optical resonator is, for example, 800 ⁇ m.
  • the optical resonator extends along the direction in which the semiconductor laser element 100 extends, and the direction in which the optical resonator extends may be hereinafter referred to as a resonance direction.
  • the resonance direction is the left-right direction in the plan view and the vertical sectional view, and is the direction perpendicular to the paper surface in the AA sectional view, the BB sectional view, the CC sectional view, and the DD sectional view.
  • a mesa stripe 103a having a shape protruding in the stacking direction and extending in the resonance direction is formed on the upper portion of the p-type semiconductor layer 103 on the side opposite to the active layer 102. ..
  • the width of the mesa stripe 103a is, for example, 2 ⁇ m in the present embodiment, and insulating layers 120 are formed on both sides of the mesa stripe 103a.
  • the direction in which the insulating layer 120 sandwiches the mesa stripe 103a may be referred to as the width direction below.
  • the width direction is the vertical direction in the plan view and the direction perpendicular to the paper surface in the vertical sectional view, and is in the AA sectional view, the BB sectional view, the CC sectional view, and the DD sectional view. Left and right direction. Further, the size in the width direction may be simply referred to as "width".
  • the semiconductor laser device 100 of the first embodiment has a plurality of first electrodes 111 formed on the p-type semiconductor layer 103 and the insulating layer 120 and crossing the mesa stripe 103a in the width direction.
  • the first electrode 111 is an electrode that is ohmic-connected to the p-type semiconductor layer 103.
  • the first electrode 111 has a layered structure in which a plurality of metal materials are laminated.
  • As the layer structure of the first electrode 111 for example, a layer structure in which Pd, Ti, Pt, and Au are laminated in order from the bottom is adopted. In this layer structure, the bottom layer Pd realizes ohmic connection with the p-type semiconductor layer 103, but the Pd has low adhesiveness to the insulating layer 120.
  • the main electrode 111m is a large electrode extending in the resonance direction, and the sub-electrodes 111s of the plurality of first electrodes 111 are separated from the main electrode 111m in the resonance direction and are sub-electrodes.
  • the electrodes are smaller than the main electrode 111m, which are separated from each other by 111s.
  • a plurality of sub-electrodes 111s are formed, and each sub-electrode 111s is a rectangular electrode elongated in the width direction.
  • sub-electrodes 111s are formed in the present embodiment, only one sub-electrode 111s may be formed. Further, in the present embodiment, the sub-electrodes 111s are formed on the light emitting end side, but the sub-electrodes 111s may be formed on both ends.
  • the sub-electrode 111s as shown in FIG. 1 can be easily formed even on a thin mesa stripe 103a having a width of 2 ⁇ m or less.
  • the semiconductor laser device 100 of the first embodiment further has a second electrode 112 on the first electrode 111.
  • the second electrode 112 spreads wider than the first electrode 111 in the resonance direction and the width direction, and strongly adheres to the insulating layer 120 to suppress peeling of the first electrode 111.
  • the second electrode 112 is non-ohmic with respect to the p-type semiconductor layer 103.
  • the first electrode 111 corresponds to an example of the first electrode referred to in the present invention, and also corresponds to an example of the first p-side electrode referred to in the present invention.
  • the second electrode 112 corresponds to an example of the second electrode referred to in the present invention, and also corresponds to an example of the second p-side electrode referred to in the present invention.
  • the first conductive type semiconductor layer referred to in the present invention is an n-type semiconductor layer
  • the first electrode referred to in the present invention is the first n-side electrode
  • the second electrode referred to in the present invention is the second n-side
  • the second electrode 112 also has a layered structure in which a plurality of metal materials are laminated.
  • a layer structure of the second electrode 112 for example, a layer structure in which Ti, Pt, and Au are laminated in order from the bottom is adopted.
  • Ti in the lowermost layer realizes strong adhesion to the insulating layer 120
  • Au in the uppermost layer promotes heat dissipation.
  • Au in the uppermost layer is peeled off to expose Pt.
  • the end portion 112a is, for example, in the range from the end face of the semiconductor laser device 100 to 20 ⁇ m.
  • An n-side electrode 113 is formed under the n-type semiconductor layer 101.
  • a voltage is applied between the p-side electrode in which the first electrode 111 and the second electrode 112 are combined and the n-side electrode 113, a current flows through the active layer 102 to emit light.
  • the carrier is injected by forming the first electrode 111. Is a possible place. In the following description, this point may be referred to as carrier injection range.
  • the carrier is not injected into the portion where the first electrode 111 is not formed, and the portion where the first electrode 111 is formed and comes into contact with the first electrode 111. Only the carrier is injected. Further, since the second electrode 112 is non-ohmic with respect to the p-type semiconductor layer 103, carriers are not injected even if the second electrode 112 is in contact with the carrier injection range.
  • the plurality of first electrodes 111 are formed in a range separated from both ends of the semiconductor laser device 100 (that is, both ends of the optical resonator) by, for example, 10 ⁇ m. Therefore, the region of 10 ⁇ m at both ends of the optical resonator is a non-injection region in which carriers are not injected.
  • the current flowing through the active layer 102 flows only in a region of the active layer 102 corresponding to the portion where the carrier injection range and the first electrode 111 are in contact with each other, and that region is the gain region 130 capable of amplifying light. Become.
  • the light amplified in the gain region 130, reflected at both ends in the resonance direction, and repeatedly reciprocated becomes laser light and is emitted from the semiconductor laser element 100.
  • the plurality of first electrodes 111 are arranged apart from each other within the carrier injection range, and the space between the first electrodes 111 is a non-injection region in which carriers are not injected. Therefore, as shown in FIG. 1, the gain region 130 is also divided into a plurality of parts in the resonance direction, and has a structure in which the heat generated in the gain region 130 has high heat dissipation. Further, the heat generation itself is suppressed by dividing the gain region 130 into a plurality of parts. As a result, in the semiconductor laser element 100, COD and IL sudden drop are suppressed.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the size of the non-injection region and the output characteristics of the semiconductor laser device.
  • the horizontal axis of FIG. 7 indicates the size of the non-injection region located between the plurality of first electrodes 111 as the total length in the resonance direction (hereinafter, abbreviated as “inter-electrode non-injection length”). ing. Further, in the vertical axis of FIG. 7, the left axis indicates the input current value when a COD or IL sudden drop occurs (hereinafter, abbreviated as “sudden drop generation current value”), and the right axis indicates the input current value.
  • the optical output hereinafter, abbreviated as "1A optical output" when a current of 1A is input is shown. Further, in the graph of FIG.
  • the value of the sudden drop generation current is indicated by a circle, and the 1A optical output is indicated by a cross.
  • the circles and x marks shown on the left axis are values in the comparative example in which the first electrode 111 has only the main electrode 111 m and does not have the sub electrodes 111s.
  • the value of the sudden drop generation current was improved as compared with the comparative example even when the non-injection length between the electrodes was as short as 10 ⁇ m.
  • the value of the sudden drop generated current gradually increases as the inter-electrode non-injection length increases.
  • the 1A light output gradually decreased as the inter-electrode non-injection length increased, but the rate of decrease in the 1A light output increased when the inter-electrode non-injection length exceeded 60 ⁇ m.
  • the output characteristics of the semiconductor laser device 100 are significantly deteriorated.
  • the output characteristics of the semiconductor laser device 100 shown here can be said to be a kind of oscillation characteristics in the optical resonator. Then, it is predicted that the oscillation characteristics of the optical resonator depend on the ratio of the non-injection region to the total length of the optical resonator. Since the total length of the optical resonator in the semiconductor laser device 100 whose output characteristics are shown in the above graph is 800 ⁇ m and there are 10 ⁇ m non-injection regions at both ends of the optical resonator, the graph shown in FIG. 7 shows light. It can be seen that when the ratio of the non-injection region to the total length of the resonator exceeds 10%, the output characteristics are significantly reduced.
  • FIGS. 8 to 12 are diagrams showing a second embodiment of the semiconductor laser device of the present invention.
  • 8 shows a plan view
  • FIG. 9 shows a vertical sectional view along the optical resonator
  • FIG. 10 shows an AA sectional view
  • FIG. 11 shows a BB sectional view.
  • FIG. 12 shows a cross-sectional view taken along the line EE.
  • the width of the mesa stripe 103a of the semiconductor laser device 200 of the second embodiment is wider than that of the semiconductor laser device 100 of the first embodiment, for example, 20 ⁇ m.
  • the length of the resonator is, for example, 1000 ⁇ m.
  • the first electrode 111 is housed inside the width of the mesa stripe 103a, and each of the first electrodes 111 is a mesa. It does not hang on the edge of the stripe 103a. Further, the widths of the first electrodes 111 are the same.
  • the width of the first electrode 111 is narrower than the width of the mesa stripe 103a, so that the region exceeding the width of the first electrode 111 is a non-injection region in which carriers are not injected.
  • the width of the gain region is also narrower than the width of the mesa stripe 103a.
  • the gain region is narrower than that of the mesa stripe 103a, so that the oscillation mode (horizontal and transverse mode) is stabilized as described below.
  • FIG. 13 is a diagram showing an oscillation mode in a comparative example
  • FIG. 14 is a diagram showing an oscillation mode in the semiconductor laser device of the second embodiment.
  • a semiconductor laser device in which the first electrode 111 is formed on the mesa stripe 103a having a width of 20 ⁇ m to the full width of the mesa stripe 103a is assumed.
  • FIGS. 13 and 14 shows the position in the width direction in the semiconductor laser device of the comparative example and the second embodiment, and the vertical axis shows the carrier density and the photon density in the active layer 102.
  • the carrier density becomes almost uniform over the entire width of the carrier injection range corresponding to the mesa stripe 103a, and light oscillates.
  • the light density in the mode of the light oscillated at this time is high in the central portion as shown by a dotted line in FIG. 13, for example. Since the injected carriers are consumed more in the region where the light density is high in the light mode, a kind of spatial hole burning occurs in which a region where the carrier density is locally reduced is generated within the carrier injection range. As a result, in the example shown in FIG. 13, as shown by the solid line, the carrier density increases at both ends in the width direction.
  • the oscillation mode changes in the width direction in which the carrier density is relatively high.
  • the mode shifts to the mode shown by the solid line in FIG. 13, in which peaks of photon density occur at both ends.
  • the first electrode 111 is narrower than the carrier injection range, and the first electrode 111 is not formed at both ends in the width direction in the carrier injection range.
  • the carrier density is almost zero at both ends of the carrier injection range from the start of oscillation, and the carrier density peak occurs at the center in the width direction in the carrier injection range.
  • the oscillation mode becomes a mode in which the photon density is high in the central portion of the carrier injection range. And even if this mode is continued, the carrier density and the photon density in the central part decrease as shown by the solid line, but the carrier density reversal and the photon density reversal do not occur in the central part and both ends. .. Therefore, spatial hole burning as in the comparative example is suppressed, and the oscillation mode is stable. Hereinafter, the description will be continued by returning to FIGS. 8 to 12.
  • the semiconductor laser device 200 of the second embodiment also has a main electrode 111m and a sub-electrode 111s formed as the first electrode 111, and each sub-electrode 111s is elongated in the width direction. It is a rectangular electrode. Even in the semiconductor laser device 200 of the second embodiment, since the plurality of first electrodes 111 are separated from each other in the resonance direction, the space between the first electrodes 111 is a non-injection region in which carriers are not injected, which is shown in FIG. As described above, the gain region 130 is also divided into a plurality of parts in the resonance direction. Therefore, high heat dissipation is realized, heat generation is suppressed, and COD and IL sudden drop are suppressed.
  • the semiconductor laser device 200 of the second embodiment also has a second electrode 112 on the first electrode 111, similarly to the semiconductor laser device 100 of the first embodiment. Further, at the end portion 112a of the second electrode 112 in the resonance direction, Au in the uppermost layer is peeled off to expose Pt.
  • the end portion 112a is in the range from, for example, the end face of the semiconductor laser device 200 to, for example, 10 ⁇ m, and the end portion 112a does not reach the first electrode 111. That is, in the portion of the second electrode 112 that overlaps the first electrode 111, the uppermost layer is Au. In the portion where the uppermost layer is Au, heat dissipation is promoted by Au.
  • FIG. 15 to 19 are diagrams showing a third embodiment of the semiconductor laser device of the present invention.
  • FIG. 15 shows a plan view
  • FIG. 16 shows a vertical sectional view along the optical resonator
  • FIG. 17 shows a sectional view taken along the line AA
  • FIG. 18 shows a sectional view taken along the line BB.
  • FIG. 19 shows a cross-sectional view taken along the line EE.
  • the width of the mesa stripe 103a is wider than that of the semiconductor laser device 100 of the first embodiment and the semiconductor laser device 200 of the second embodiment, for example, 40 ⁇ m.
  • the length of the resonator is, for example, 1200 ⁇ m.
  • a plurality of first electrodes 111 are also formed in the semiconductor laser device 300 of the third embodiment, and a second electrode 112 is further formed on the first electrode 111.
  • the second electrode 112 does not reach the end of the semiconductor laser element 300 in the resonance direction.
  • Au in the uppermost layer is peeled off to expose Pt.
  • the end portion 112a of the second electrode 112 is in the range of, for example, 10 ⁇ m in the resonance direction.
  • the main electrode 111m and the sub-electrode 111s are formed as the first electrode 111 as in the first and second embodiments, but unlike the first and second embodiments.
  • the widths of the plurality of first electrodes 111 are not uniform, and the width of the sub-electrodes 111s is narrower than the width of the main electrodes 111m.
  • the main electrode 111m is wider than the width of the mesa stripe 103a, while the sub-electrode 111s is housed inside the width of the mesa stripe 103a.
  • the gain region 130 corresponding to the main electrode 111m is the width of the mesa stripe 103a (that is, the carrier injection range).
  • the gain region 130 corresponding to the sub-electrode 111s is narrower than the width of the mesa stripe 103a.
  • the shape of the sub-electrode 111s is not a rectangular shape but an elliptical shape or a convex lens shape. That is, the shape of the sub-electrode 111s is such that the length in the resonance direction is long at the central portion in the width direction and short at the end portion.
  • the first electrodes 111 are separated from each other in the resonance direction to form a carrier non-injection region, so that the gain is obtained.
  • the region 130 is divided into a plurality of regions in the resonance direction. Therefore, the semiconductor laser device 300 of the third embodiment also has high heat dissipation, heat generation is suppressed, and COD and IL sudden drop are suppressed.
  • the output characteristics of the semiconductor laser device 300 are not injected. It is desirable that the ratio of the area is measured not by the length but by the area. That is, in order to obtain good output characteristics in the semiconductor laser device 300, it is desirable that the total area of the non-injection region is 10% or less of the total area of the injection range.
  • FIG. 20 is a diagram showing an oscillation mode in the semiconductor laser device of the third embodiment.
  • the horizontal axis of FIG. 20 shows the position in the width direction in the semiconductor laser device of the third embodiment, and the vertical axis shows the carrier density and the photon density in the active layer 102.
  • carriers are supplied substantially evenly over the entire width of the carrier injection range by the wide main electrode 111 m.
  • carriers are concentrated in the central part of the carrier injection range by the narrow auxiliary electrodes 111s.
  • a carrier density of a certain degree or more is generated over the entire width of the carrier injection range, and a peak with a high carrier density is generated in the central portion in the width direction in the carrier injection range.
  • the oscillation mode becomes a mode in which the photon density is high in the central portion of the carrier injection range.
  • the carrier density in the central portion decreases as shown by the solid line, but when the carrier density decreases to a substantially constant level over the entire width of the carrier injection range, it is supplied by the sub-electrode 111s. Balanced and the decrease stops. Then, the photon density is maintained at a high mode in the central part of the carrier injection range as shown by the solid line. That is, even in the case of the third embodiment, the spatial hole burning as shown in FIG. 13 is suppressed, and the oscillation mode is stable.
  • 21 to 24 are views showing a fourth embodiment of the semiconductor laser device of the present invention.
  • 21 shows a plan view
  • FIG. 22 shows a vertical sectional view along the optical resonator
  • FIG. 23 shows an AA sectional view
  • FIG. 24 shows a BB sectional view. It is shown.
  • the width of the mesa stripe 103a is, for example, 50 ⁇ m
  • the length of the resonator is, for example, 1500 ⁇ m.
  • the semiconductor laser device 400 of the fourth embodiment also has a plurality of first electrodes 111 formed on the mesa stripe 103a.
  • the first electrode 111 includes a main electrode 111m having a long resonance direction on the mesa stripe 103a and a sub-electrode 111s having a short resonance direction, and the main electrode 111m and the sub-electrode 111s are mesa. It extends to the outside of the stripe 103a.
  • the main electrode 111m and the sub-electrode 111s are connected to each other by a bridging portion 111i outside the mesa stripe 103a.
  • a second electrode 112 is further formed on the bridging portion 111i.
  • the main electrode 111m and the sub-electrode 111s are separated in the resonance direction on the mesa stripe 103a, and the carriers are not injected between the first electrodes 111 as a non-injection region. Therefore, as shown in FIG. 22, the gain region 130 is divided into a plurality of parts in the resonance direction. As a result, even the semiconductor laser device 400 of the fourth embodiment has high heat dissipation, heat generation is suppressed, and COD and IL sudden drop are suppressed. ⁇ Fifth Embodiment>
  • FIG. 25 to 28 are views showing a fifth embodiment of the semiconductor laser device of the present invention.
  • FIG. 25 shows a plan view
  • FIG. 26 shows a vertical sectional view along the optical resonator
  • FIG. 27 shows an AA sectional view
  • FIG. 28 shows a BB sectional view. It is shown.
  • the length of the resonator is, for example, 800 ⁇ m.
  • the mesa stripe is not formed, and the portion of the upper surface of the p-type semiconductor layer 103 that is not covered by the insulating layer 120 is the carrier injection range 103b.
  • the width of the carrier injection range 103b is as large as 100 ⁇ m, for example.
  • the semiconductor laser device 500 of the fifth embodiment also has a plurality of first electrodes 111 having a width larger than the width of the carrier injection range 103b, and the carrier injection range 103b is formed. It is arranged so as to be separated from each other.
  • As the first electrode 111 a main electrode 111m having a long resonance direction and a sub-electrode 111s having a short resonance direction are formed. Since the carriers are not injected between the first electrodes 111, the gain region 130 is divided into a plurality of parts in the resonance direction as shown in FIG. 26, and the heat generated in the gain region 130 is dissipated. It has a structure that is highly resistant and suppresses heat generation. As a result, in the semiconductor laser element 500, COD and IL sudden drop are suppressed.
  • the plurality of first electrodes 111 have a structure uniform over the entire width of the wide carrier injection range 103b, and the light reciprocating in the optical resonator passes through the wide carrier injection range 103b. However, it is amplified and there is no place where loss occurs. Therefore, in the semiconductor laser device 500 of the fifth embodiment, instead of destabilizing the horizontal and horizontal modes, all modes are amplified, and a stable high output can be obtained as a whole.

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Abstract

レーザ構造の適用範囲が広く、十分な放熱性も確保された半導体レーザ素子を提供する。　半導体レーザ素子は、第１導電型半導体層、活性層、および第２導電型半導体層をこの順で含んだ複数の半導体層が積層された半導体積層体と、前記第１導電型半導体層の、前記活性層側とは逆側の全領域のうち、前記活性層における光の発振方向に沿って延びていてキャリアが注入可能な注入範囲を残して当該逆側に対して積層された絶縁層と、前記第１導電型半導体層に対してオーミックとなって前記注入範囲に各々が接続され、少なくとも当該注入範囲内では互いに前記発振方向に分離し、主電極と当該主電極よりも当該注入範囲との接続面積が小さい副電極とを含んだ複数の第１電極と、前記複数の第１電極のそれぞれに接続され、前記第１導電型半導体層に対して非オーミックとなる第２電極と、を備える。

Description

半導体レーザ素子
　本発明は、半導体レーザ素子に関する。
　近年、露光機や３Ｄプリンタ用のレーザ光源として窒化物半導体レーザの応用が進んでいる。また、窒化物半導体レーザは、装置の小型化、コスト削減、高性能化などに優位との点から高出力化が求められている。
　しかし、半導体レーザ素子における出射端面の近傍は、劈開時の欠陥導入やバンドギャップのシュリンクなどによる光吸収が大きく、高出力化に伴って出射端面近傍での温度上昇が問題となる。即ち、端面での温度上昇は「端面結晶部の融解による急激な素子劣化（以下、ＣＯＤと称する。）」や「大電流領域においてレーザの出力が急降下する不具合（以下、Ｉ－Ｌ急降下と称する。）」の原因となっており、大出力かつ高信頼な半導体レーザ素子を実現する上での大きな課題となっている。
　上記のＣＯＤやＩ－Ｌ急降下の抑制を目的として、例えば特許文献１には、出射側のｐ側オーミック電極幅が素子中央部のｐ側オーミック電極幅よりも十分細くされることで出射側の端面近傍の発熱が抑制される技術が開示されている。
　また、特許文献２には、ｐ側オーミック電極がｐ側ショットキー電極で覆われることで放熱性が改善されてＣＯＤが抑制される技術が開示されている。
　また、特許文献３には、端面近傍のｐ側電極幅が素子中央部のｐ側電極幅よりも十分広くされることで端面近傍の放熱性が改善されてＣＯＤが抑制される技術が開示されている。
　また、特許文献４には、端面近傍にパッド電極と同一材料かつ電気的に分離された放熱層が設けられることで放熱性が改善されてＣＯＤが抑制される技術が開示されている。
　さらに、特許文献５には、端面近傍にＡｌＮやＳｉなどからなる熱伝導性膜が設けられることで放熱性が改善されてＣＯＤが抑制される技術が開示されている。
特許第６１６０１４１号公報 特開２００３－３１８９４号公報 特開２０１０－１１４２０２号公報 特開２０１１－２５８８８３号公報 特開２０１０－４１０３５号公報
　上記特許文献１に記載の技術にあっては、出射側のｐ側オーミック電極幅が素子中央部のｐ側オーミック電極幅よりも十分細い必要がある。例えば単一モードレーザなどメサストライプ幅が例えば２μｍ以下の細いレーザ構造である場合、このメサストライプ上に更に細い電極を歩留り高く形成することは技術的に難しい。従って、上記特許文献１に記載の技術は、適用可能なレーザ構造が限定される。
　また、特許文献２に記載の技術にあっては、放熱性はｐ側ショットキー電極の熱伝導率などに依存するため、レーザの高出力化によって端面での発熱が大きくなっていくに伴い、十分な放熱性の確保が困難になる場合がある。
　さらに、特許文献３、特許文献４、特許文献５に記載の技術にあっても、特許文献２と同様な理由によって、十分な放熱性の確保が困難になる場合がある。
　そこで、本発明は、レーザ構造の適用範囲が広く、特に端面近傍において十分な放熱性も確保された、もしくは発熱が抑制された半導体レーザ素子を提供することを課題とする。
　上記課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザ素子の一態様は、第１導電型半導体層、活性層、および第２導電型半導体層をこの順で含んだ複数の半導体層が積層された半導体積層体と、前記第１導電型半導体層の、前記活性層側とは逆側の全領域のうち、前記活性層における光の発振方向に沿って延びていてキャリアが注入可能な注入範囲を残して当該逆側に対して積層された絶縁層と、前記第１導電型半導体層に対してオーミックとなって前記注入範囲に各々が接続され、少なくとも当該注入範囲内では互いに前記発振方向に分離し、主電極と当該主電極よりも当該注入範囲との接続面積が小さい副電極とを含んだ複数の第１電極と、前記複数の第１電極のそれぞれに接続され、前記第１導電型半導体層に対して非オーミックとなる第２電極と、を備える。
　このような半導体レーザ素子によれば、主電極から副電極が分離した構造によって端部における発熱が抑制されて十分な放熱性も確保され、その結果としてＣＯＤやＩ－Ｌ急降下が抑制される。また、上記半導体レーザ素子の構成は、メサストライプ幅が細いレーザ構造などを含む広い範囲のレーザ構造に適用可能である。
　上記半導体レーザ素子において、上記第１導電型半導体はＰ型半導体であり、上記第２導電型半導体はｎ型半導体であり、上記第１電極は第１ｐ側電極であり、上記第２電極は第２ｐ側電極であってもよい。
　上記半導体レーザ素子において、前記第２ｐ側電極は、前記逆側の全領域のうち前記発振方向の端部に達し、かつ、当該端部では最表面がＡｕではないことが好ましい。このような好ましい構成では、半導体レーザ素子の製造時に端部が劈開される場合であっても端面へのＡｕダレが防止される。
　端部最表面がＡｕではない上記構成において、前記第２ｐ側電極は、前記端部では最表面のハンダ濡れ性が他の部分よりも悪いことが更に好ましい。このような好ましい構成では、いわゆるジャンクションダウン実装に際し、端面へのハンダの進出が抑制される。
　また、端部最表面がＡｕではない上記構成において、前記第２ｐ側電極は、少なくとも前記第１ｐ側電極に重なった部分では最表面がＡｕであることも好ましい。このような好ましい構成では、最表面のＡｕによって放熱が促される。
　上記半導体レーザ素子において、前記注入範囲のうち前記第１ｐ側電極と接触していない非注入領域の前記発振方向における合計長は、前記半導体レーザ素子の光共振器における当該発振方向の全長に対して１割以下であることが好適である。あるいは、前記注入範囲のうち前記第１ｐ側電極と接触していない非注入領域の総面積が、当該注入範囲の総面積に対して１割以下であることも好適である。
　レーザ発振において利得とならない部分が全体に対して１割を越えると利得が不足して、半導体レーザ素子の高出力化を阻害する虞がある。
　上記半導体レーザ素子において、前記複数の第１ｐ側電極は、前記注入範囲外に延び、当該注入範囲外で互いに繋がっていてもよい。
　また、上記半導体レーザ素子において、前記複数の第１ｐ側電極は、前記発振方向に交わる幅方向において前記注入範囲の両縁の間隔よりも小さく、かつ、何れの縁にも掛かっていないことが好適である。このような構成により、空間的ホールバーニングが抑制されるのでレーザの発振モードが安定する。
　また、上記半導体レーザ素子において、前記副電極の形状は、前記発振方向における長さが、前記発振方向に交わる幅方向の央部では端部よりも長い形状であることも好適である。このような構成により、注入範囲の央部におけるキャリア密度が端部よりも増すため、半導体レーザ素子における横モードがシングルモードに安定し易い。
　本発明の半導体レーザ素子によれば、レーザ構造の適用範囲が広く、十分な放熱性も確保され、もしくは発熱が抑制される。
本発明の半導体レーザ素子の第１実施形態を示す平面図 本発明の半導体レーザ素子の第１実施形態を示す縦断面図 本発明の半導体レーザ素子の第１実施形態を示すＡ－Ａ断面図 本発明の半導体レーザ素子の第１実施形態を示すＢ－Ｂ断面図 本発明の半導体レーザ素子の第１実施形態を示すＣ－Ｃ断面図 本発明の半導体レーザ素子の第１実施形態を示すＤ－Ｄ断面図 非注入領域の大きさと半導体レーザ素子の出力特性との関係を示すグラフ 本発明の半導体レーザ素子の第２実施形態を示す平面図 本発明の半導体レーザ素子の第２実施形態を示す縦断面図 本発明の半導体レーザ素子の第２実施形態を示すＡ－Ａ断面図 本発明の半導体レーザ素子の第２実施形態を示すＢ－Ｂ断面図 本発明の半導体レーザ素子の第２実施形態を示すＥ－Ｅ断面図 比較例における発振モードを示す図 第２実施形態の半導体レーザ素子における発振モードを示す図 本発明の半導体レーザ素子の第３実施形態を示す平面図 本発明の半導体レーザ素子の第３実施形態を示す縦断面図 本発明の半導体レーザ素子の第３実施形態を示すＡ－Ａ断面図 本発明の半導体レーザ素子の第３実施形態を示すＢ－Ｂ断面図 本発明の半導体レーザ素子の第３実施形態を示すＥ－Ｅ断面図 第３実施形態の半導体レーザ素子における発振モードを示す図 本発明の半導体レーザ素子の第４実施形態を示す平面図 本発明の半導体レーザ素子の第４実施形態を示す縦断面図 本発明の半導体レーザ素子の第４実施形態を示すＡ－Ａ断面図 本発明の半導体レーザ素子の第４実施形態を示すＢ－Ｂ断面図 本発明の半導体レーザ素子の第５実施形態を示す平面図 本発明の半導体レーザ素子の第５実施形態を示す縦断面図 本発明の半導体レーザ素子の第５実施形態を示すＡ－Ａ断面図 本発明の半導体レーザ素子の第５実施形態を示すＢ－Ｂ断面図
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
　以下に説明する実施形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、以下に説明する図面において、同一または機能的に同様の構成要素については、異なる実施形態でも同一符号を付し、繰り返しの説明は省略する。さらに、各図面は、以下の説明と併せて参照したときに分かりやすいように示した模式的な図であり、必ずしも一定の比率の縮尺では描かれていない。
＜第１実施形態＞
　図１～図６は、本発明の半導体レーザ素子の第１実施形態を示す図である。図１には平面図が示され、図２には光共振器に沿った縦断面図が示され、図３にはＡ－Ａ断面図が示され、図４にはＢ－Ｂ断面図が示され、図５にはＣ－Ｃ断面図が示され、図６にはＤ－Ｄ断面図が示されている。
　半導体レーザ素子１００は、順に積層された、ｎ型半導体層１０１と、活性層１０２と、ｐ型半導体層１０３を有し、これらの各層は例えば窒化物半導体からなる。なお、これらの各層は、内部構造として、複数層が積層された層構造を有してもよい。半導体レーザ素子１００が屈折率導波型レーザである場合は、ｎ型半導体層１０１の層構造としては、例えば、基板とクラッド層とガイド層が積層された層構造が採用され、ｐ型半導体層１０３の層構造としては、例えば、ガイド層とクラッド層とコンタクト層が積層された層構造が採用される。
　本実施形態では、ｐ型半導体層１０３が本発明にいう第１導電型半導体層の一例に相当し、ｎ型半導体層１０１が本発明にいう第２導電型半導体層の一例に相当するものとして説明するが、本発明にいう第１導電型半導体層がｎ型半導体層であり、本発明にいう第２導電型半導体層がｐ型半導体層であっても同様の作用効果が得られる。
　ｎ型半導体層１０１と活性層１０２とｐ型半導体層１０３とを併せた積層体で層が積層された方向のことを、以下では積層方向と称する場合がある。つまり積層方向は、平面図における紙面に垂直な方向であり、縦断面図、Ａ－Ａ断面図、Ｂ－Ｂ断面図、Ｃ－Ｃ断面図、およびＤ－Ｄ断面図における上下方向である。また、以下の説明では、積層方向におけるｎ型半導体層１０１側からｐ型半導体層１０３側へと向かう向きのことを、重力方向とは無関係に「上」と称し、その逆の向きのことを、重力方向とは無関係に「下」と称する場合がある。
　半導体レーザ素子１００は、平面図における左右方向に延びた形状を有し、この方向の両端で光が反射されて光共振器が構成されている。半導体レーザ素子１００における光の出射側は、例えば図１の左側方向であり、光共振器の長さは例えば８００μｍである。光共振器は、半導体レーザ素子１００が延びた方向に沿って延びており、光共振器が延びた方向のことを、以下では共振方向と称する場合がある。つまり共振方向は、平面図および縦断面図における左右方向であり、Ａ－Ａ断面図、Ｂ－Ｂ断面図、Ｃ－Ｃ断面図、およびＤ－Ｄ断面図における紙面に垂直な方向である。
　第１実施形態の半導体レーザ素子１００では、ｐ型半導体層１０３の上部に、活性層１０２とは反対側へと積層方向に突出するとともに共振方向に延びた形状のメサストライプ１０３ａが形成されている。メサストライプ１０３ａの幅は、本実施形態では例えば２μｍであり、メサストライプ１０３ａを挟んだ両側には絶縁層１２０が形成されている。メサストライプ１０３ａを絶縁層１２０が挟んだ方向のことを、以下では幅方向と称する場合がある。つまり幅方向は、平面図における上下方向であり、縦断面図における紙面に垂直な方向であり、Ａ－Ａ断面図、Ｂ－Ｂ断面図、Ｃ－Ｃ断面図、およびＤ－Ｄ断面図における左右方向である。また、幅方向におけるサイズのことを単に「幅」と称する場合がある。
　第１実施形態の半導体レーザ素子１００は、ｐ型半導体層１０３および絶縁層１２０の上に形成され、メサストライプ１０３ａ上を幅方向に横断した複数の第１電極１１１を有する。この第１電極１１１はｐ型半導体層１０３とオーミック接続した電極である。第１電極１１１は、一例として、複数の金属材料が積層された層構造を有する。第１電極１１１における層構造としては、例えば、下から順に、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕが積層された層構造が採用される。この層構造では、最下層のＰｄがｐ型半導体層１０３とのオーミック接続を実現するが、Ｐｄは絶縁層１２０に対して接着性が低い。
　複数の第１電極１１１のうち主電極１１１ｍは共振方向に延びた大きな電極であり、複数の第１電極１１１のうち副電極１１１ｓは、共振方向について、主電極１１１ｍに対して離間すると共に副電極１１１ｓ同士も離間した、主電極１１１ｍよりも小さな電極である。本実施形態では複数の副電極１１１ｓが形成されており、各副電極１１１ｓは幅方向に長尺な長方形状の電極となっている。
　なお、本実施形態では副電極１１１ｓが複数形成されているが、副電極１１１ｓは１つだけ形成されてもよい。また、本実施形態では副電極１１１ｓが光の出射端側に形成されているが、副電極１１１ｓは両端それぞれに形成されてもよい。図１に示すような副電極１１１ｓは、幅が２μｍ以下の細いメサストライプ１０３ａに対しても容易に形成することができる。
　第１実施形態の半導体レーザ素子１００は、第１電極１１１の上に更に第２電極１１２を有する。この第２電極１１２は、共振方向および幅方向に第１電極１１１よりも広く広がっており、絶縁層１２０と強く着いて第１電極１１１の剥がれを抑制する。第２電極１１２はｐ型半導体層１０３に対して非オーミックである。
　本実施形態では、上記第１電極１１１が本発明にいう第１電極の一例に相当すると共に、本発明にいう第１ｐ側電極の一例にも相当する。また、上記第２電極１１２が本発明にいう第２電極の一例に相当すると共に、本発明にいう第２ｐ側電極の一例にも相当する。本発明にいう第１導電型半導体層がｎ型半導体層である場合には、本発明にいう第１電極は第１ｎ側電極となり、本発明にいう第２電極は第２ｎ側電極となる。
　第２電極１１２も、一例として、複数の金属材料が積層された層構造を有する。第２電極１１２における層構造としては、例えば、下から順に、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕが積層された層構造が採用される。この層構造では、最下層のＴｉが絶縁層１２０に対する強い接着を実現し、最上層のＡｕが放熱を促進させる。第２電極１１２のうち共振方向の端部１１２ａでは、最上層のＡｕが剥離されてＰｔが露出されている。端部１１２ａは、例えば半導体レーザ素子１００の端面から２０μｍ迄の範囲である。
　Ａｕが剥離されていることにより、半導体レーザ素子１００製造に際して端面が劈開される場合にも、Ａｕの膜が端面に垂れて短絡したり出射光を遮るなどの不具合が抑制される。また、Ｐｔが露出されていることにより、いわゆるジャンクションダウン実装によって半導体レーザ素子１００の上面がサブホルダにハンダ付けされる場合にも、端部１１２ａはハンダの濡れ性が低い。そのため、半導体レーザ素子１００の端面にハンダが回り込んで短絡したり出射光を遮るなどの不具合が抑制される。
　ｎ型半導体層１０１の下にはｎ側電極１１３が形成されている。第１電極１１１および第２電極１１２を併せたｐ側電極と、ｎ側電極１１３との間に電圧が印加されることにより、活性層１０２に電流が流れて発光する。ここで、ｐ型半導体層１０３の上面のうち、絶縁層１２０で覆われていない範囲（即ち本実施形態ではメサストライプ１０３ａの上面）については、第１電極１１１が形成されることによってキャリアの注入が可能な箇所となっている。以下の説明では、この箇所のことをキャリア注入範囲と称する場合がある。
　キャリア注入範囲であるメサストライプ１０３ａの範囲内であっても、第１電極１１１が形成されていない部分にはキャリアは注入されず、第１電極１１１が形成されて第１電極１１１と接触した部分のみにキャリアが注入される。また、第２電極１１２はｐ型半導体層１０３に対して非オーミックであるため、第２電極１１２がキャリア注入範囲と接触していてもキャリアは注入されない。複数の第１電極１１１は、半導体レーザ素子１００の両端（即ち光共振器の両端）から例えば１０μｍの距離を空けた範囲に形成されている。従って光共振器の両端それぞれにおける１０μｍの領域は、キャリアが注入されない非注入領域となっている。
　活性層１０２に流れる電流は、活性層１０２のうち、キャリア注入範囲と第１電極１１１とが接触した部分に相応した領域のみに流れ、その領域が、光を増幅することができる利得領域１３０となる。この利得領域１３０で増幅され、共振方向の両端で反射されて繰り返し往復した光がレーザ光となって半導体レーザ素子１００から出射される。
　複数の第１電極１１１については、キャリア注入範囲内で互いに離間した配置となっており、第１電極１１１の相互間は、キャリアが注入されない非注入領域となっている。このため、図１に示すように利得領域１３０も共振方向で複数に分かれていて、利得領域１３０で発生する熱の放熱性が高い構造となっている。また、利得領域１３０が複数に分かれていることで発熱自体も抑制されている。この結果、半導体レーザ素子１００では、ＣＯＤやＩ－Ｌ急降下が抑制される。
　ここで、半導体レーザ素子１００で良好な特性が実現される第１電極１１１同士の間隔について検討する。第１電極１１１同士の間隔が増すと放熱性が上がるが、一方で非注入領域の大きさも増し、非注入領域が大きすぎると半導体レーザ素子１００の特性を悪化させる虞がある。また、非注入領域の存在が半導体レーザ素子１００の特性に与える影響は、非注入領域の１箇所の大きさよりも、非注入領域の大きさの総計が寄与すると考えられる。そこで、本願発明者らは、図１～図６に示す構造の半導体レーザ素子１００について、第１電極１１１同士の間隔が異なる種々の試作を行い、出力特性を測定した。
　図７は、非注入領域の大きさと半導体レーザ素子の出力特性との関係を示すグラフである。
　図７の横軸は、複数の第１電極１１１相互間に位置する非注入領域の大きさを、共振方向の長さの合計（以下、「電極間非注入長」と略称する。）で示している。また、図７の縦軸は、左側の軸が、ＣＯＤあるいはＩ－Ｌ急降下が発生するときの入力電流値（以下、「急降下発生電流値」と略称する。）を示し、右側の軸が、１Ａの電流が入力された場合の光出力（以下、「１Ａ光出力」と略称する。）を示している。また、図７のグラフ中には、急降下発生電流値が丸印で示され、１Ａ光出力が×印で示されている。但し、左側の軸上に示された丸印と×印は、第１電極１１１が主電極１１１ｍのみで副電極１１１ｓを有していない比較例における値である。
　急降下発生電流値は、電極間非注入長が１０μｍという短い分離間隔の場合であっても比較例より向上することが確認された。急降下発生電流値は電極間非注入長が増えるに従って次第に上昇する。
　一方、１Ａ光出力は電極間非注入長が増えると徐々に低下するが、電極間非注入長が６０μｍを超えると１Ａ光出力の低下の割合が大きくなった。
　このように、第１電極１１１相互間に位置する電極間非注入長が６０μｍを超えると、半導体レーザ素子１００の出力特性は顕著に低下する。
　ここで示された半導体レーザ素子１００の出力特性は、光共振器における発振特性の一種と言える。そして、光共振器における発振特性は、光共振器の全長に対する非注入領域の割合に依存することが予測される。上記グラフに出力特性が示された半導体レーザ素子１００における光共振器の全長は８００μｍであり、光共振器の両端それぞれに１０μｍの非注入領域が存在するので、図７に示すグラフからは、光共振器の全長と比較した非注入領域の割合が１割を越えると出力特性の低下が顕著になることが解る。逆に言うと、光共振器の全長と比較した非注入領域の割合が１割以下であると、非注入領域での光損失による光出力の低下を抑制しつつ、急降下発生電流値を向上させることができる。
＜第２実施形態＞
　図８～図１２は、本発明の半導体レーザ素子の第２実施形態を示す図である。図８には平面図が示され、図９には光共振器に沿った縦断面図が示され、図１０にはＡ－Ａ断面図が示され、図１１にはＢ－Ｂ断面図が示され、図１２にはＥ－Ｅ断面図が示されている。
　第２実施形態の半導体レーザ素子２００は、第１実施形態の半導体レーザ素子１００に較べてメサストライプ１０３ａの幅が広く、例えば２０μｍとなっている。また、共振器の長さは例えば１０００μｍである。
　第２実施形態の半導体レーザ素子２００では第１実施形態の半導体レーザ素子１００とは異なり、第１電極１１１がメサストライプ１０３ａの幅よりも内側に納まっていて、何れの第１電極１１１も、メサストライプ１０３ａの縁には掛かっていない。また、第１電極１１１同士で幅が揃っている。
　第２実施形態の半導体レーザ素子２００では第１電極１１１の幅がメサストライプ１０３ａの幅よりも狭いので、第１電極１１１の幅を超えた領域は、キャリアの注入されない非注入領域となっていて、
　利得領域の幅もメサストライプ１０３ａの幅より狭い。メサストライプ１０３ａの幅が広い場合には、利得領域がメサストライプ１０３ａより狭いことで、以下説明するように、発振モード（水平横モード）の安定化が実現される。
　図１３は、比較例における発振モードを示す図であり、図１４は、第２実施形態の半導体レーザ素子における発振モードを示す図である。
　ここで、比較例としては、幅が２０μｍのメサストライプ１０３ａ上に、メサストライプ１０３ａの幅いっぱいに第１電極１１１が形成された半導体レーザ素子を想定する。
　図１３および図１４の横軸は、比較例および第２実施形態の半導体レーザ素子における幅方向の位置を示し、縦軸は、活性層１０２におけるキャリア密度と光子密度とを示す。
　比較例の場合、発振開始時には図１３に点線で示すように、メサストライプ１０３ａに対応したキャリア注入範囲の全幅でほぼ均等なキャリア密度となり、光が発振する。このとき発振した光のモードにおける光密度は、例えば図１３に点線で示すように中央部で高密度となる。光のモードにおける光密度が高い領域では注入されたキャリアがより多く消費されるため、キャリア注入範囲内で局所的にキャリア密度が低下した領域が生じる一種の空間的ホールバーニングを生じる。この結果、図１３に示す例では実線で示すように、幅方向の両端部でキャリア密度が高くなる。光増幅は相対的にキャリア密度の高い領域で強くなるので、キャリア密度が図１３に点線で示す状態から実線で示す状態へと変化すると、発振モードは、相対的にキャリア密度の高い幅方向の両端部で光子密度のピークが生じる、図１３に実線で示すようなモードに移行する。
　このモードが一定時間継続すると、キャリア注入範囲の両端部では中央部よりも多くキャリアが消費されるため、点線で示すようなキャリア密度に戻り、発振モードが、中央部で光密度が高いモードとなる。このようなモードの移行が比較例では繰り返されることになり、発振モードが不安定となる。特にキャリア拡散長より幅が広いキャリア注入範囲を有するレーザ構造の場合には、光の発振モードが不安定になることで、光－電流特性へのキンクや、駆動条件に依存した遠視野像の変化などが発生するので、実用上望ましい特性が得られなくなる。
　これに対して第２実施形態の半導体レーザ素子では、第１電極１１１がキャリア注入範囲よりも狭く、キャリア注入範囲における幅方向の両端部には第１電極１１１が形成されていない。これにより、図１４に点線で示すように、発振開始時から、キャリア注入範囲の両端部ではキャリア密度がほぼゼロで、キャリア注入範囲における幅方向の中央部にキャリア密度のピークが生じる。
　その結果、発振モードは、キャリア注入範囲の中央部で光子密度が高密度なモードとなる。そして、このモードが継続された場合も、実線で示すように中央部のキャリア密度および光子密度が減少するものの、中央部と両端部とでキャリア密度の逆転および光子密度の逆転が生じることはない。従って、比較例のような空間的ホールバーニングが抑制されて、発振モードは安定する。
　以下、図８～図１２に戻って説明を続ける。
　第２実施形態の半導体レーザ素子２００でも第１実施形態の半導体レーザ素子１００と同様に、第１電極１１１として主電極１１１ｍおよび副電極１１１ｓが形成され、各副電極１１１ｓは幅方向に長尺な長方形状の電極となっている。第２実施形態の半導体レーザ素子２００でも、複数の第１電極１１１相互間は共振方向に離間しているため、第１電極１１１の相互間がキャリアの注入されない非注入領域となり、図９に示すように、利得領域１３０も共振方向で複数に分かれている。このため、高い放熱性が実現され、発熱も抑制されて、ＣＯＤやＩ－Ｌ急降下が抑制される。
　また、第２実施形態の半導体レーザ素子２００でも第１実施形態の半導体レーザ素子１００と同様に、第１電極１１１の上に更に第２電極１１２を有する。また、第２電極１１２のうち共振方向の端部１１２ａでは、最上層のＡｕが剥離されてＰｔが露出されている。第２実施形態では、端部１１２ａは、例えば半導体レーザ素子２００の端面から例えば１０μｍ迄の範囲であり、端部１１２ａは第１電極１１１には届いていない。つまり、第２電極１１２のうち第１電極１１１に重なった部分では、いずれも最上層がＡｕとなっている。最上層がＡｕの部分では、Ａｕによって放熱が促されるため、第１電極１１１に重なった部分の最上層がＡｕであることにより、光増幅に伴う熱が効率よく放熱される。この結果、ＣＯＤやＩ－Ｌ急降下の一層の抑制が図られる。
＜第３実施形態＞
　図１５～図１９は、本発明の半導体レーザ素子の第３実施形態を示す図である。図１５には平面図が示され、図１６には光共振器に沿った縦断面図が示され、図１７にはＡ－Ａ断面図が示され、図１８にはＢ－Ｂ断面図が示され、図１９にはＥ－Ｅ断面図が示されている。
　第３実施形態の半導体レーザ素子３００は、第１実施形態の半導体レーザ素子１００および第２実施形態の半導体レーザ素子２００に較べてメサストライプ１０３ａの幅が広く、例えば４０μｍとなっている。また、共振器の長さは例えば１２００μｍである。
　第３実施形態の半導体レーザ素子３００でも複数の第１電極１１１が形成され、第１電極１１１の上には更に第２電極１１２が形成される。
　第３実施形態では、第１および第２実施形態とは異なり、第２電極１１２が半導体レーザ素子３００における共振方向の端部まで到達していない。第２電極１１２のうち共振方向の端部１１２ａでは、最上層のＡｕが剥離されてＰｔが露出されている。第３実施形態では、第２電極１１２の端部１１２ａは共振方向に例えば１０μｍの範囲である。
　第３実施形態の半導体レーザ素子３００では、第１および第２実施形態と同様に、第１電極１１１として主電極１１１ｍおよび副電極１１１ｓが形成されるが、第１および第２実施形態とは異なり、複数の第１電極１１１それぞれにおける幅が揃っておらず、副電極１１１ｓの幅は主電極１１１ｍの幅よりも狭い。また、主電極１１１ｍは、メサストライプ１０３ａの幅よりも広く広がっているのに対し、副電極１１１ｓはメサストライプ１０３ａの幅よりも内側に納まっている。
　このように主電極１１１ｍと副電極１１１ｓとで幅が異なっているため、第３実施形態の半導体レーザ素子３００では、主電極１１１ｍに対応した利得領域１３０はメサストライプ１０３ａの幅（即ちキャリア注入範囲の幅）まで広がっているが、副電極１１１ｓに対応した利得領域１３０はメサストライプ１０３ａの幅よりも狭くなっている。
　更に、第３実施形態の半導体レーザ素子３００では、副電極１１１ｓの形状が長方形状では無く、楕円形状あるいは凸レンズ形状となっている。即ち、副電極１１１ｓの形状は、共振方向の長さが幅方向の央部では長くて端部で短い形状となっている。
　このような主電極１１１ｍと副電極１１１ｓからなる第３実施形態の第１電極１１１の場合も、第１電極１１１相互間は共振方向に離間してキャリアの非注入領域となっているため、利得領域１３０が共振方向で複数に分かれている。従って、第３実施形態の半導体レーザ素子３００も放熱性が高く、発熱も抑制され、ＣＯＤやＩ－Ｌ急降下が抑制される。
　なお、第３実施形態の半導体レーザ素子３００のように、共振方向における副電極１１１ｓの長さが、幅方向の位置に応じて異なっている場合、半導体レーザ素子３００の出力特性に影響する非注入領域の割合としては、長さでは無く面積で測られることが望ましい。即ち、半導体レーザ素子３００において良好な出力特性が得られるためには、注入範囲の総面積に対し、非注入領域の総面積が１割以下であることが望ましい。
　また、上記のような主電極１１１ｍおよび副電極１１１ｓによって利得領域１３０が形成されていることにより、以下説明するように発振モード（水平横モード）の安定化が実現される。
　図２０は、第３実施形態の半導体レーザ素子における発振モードを示す図である。
　図２０の横軸は、第３実施形態の半導体レーザ素子における幅方向の位置を示し、縦軸は、活性層１０２におけるキャリア密度と光子密度とを示す。
　第３実施形態の半導体レーザ素子３００では、幅の広い主電極１１１ｍによりキャリア注入範囲の全幅に対してほぼ均等にキャリアが供給される。その一方で、幅の狭い副電極１１１ｓによりキャリア注入範囲の央部に集中してキャリアが供給される。その結果、点線で示すように、キャリア注入範囲の全幅に亘って一定程度以上のキャリア密度が生じると共に、キャリア注入範囲における幅方向の中央部に、キャリア密度の高いピークが生じる。その結果、発振モードは、キャリア注入範囲の中央部で光子密度が高いモードとなる。
　また、このモードが継続した場合には、実線で示すように中央部のキャリア密度が減少するが、キャリア注入範囲の全幅に亘ってキャリア密度が概ね一定程度まで減少すると、副電極１１１ｓによる供給とバランスして減少は止まる。そして、光子密度は、実線で示すようにキャリア注入範囲の中央部で高いモードが維持される。つまり、第３実施形態の場合にも、図１３に示すような空間的ホールバーニングが抑制されて、発振モードは安定する。
　加えて、主電極１１１ｍに対応した領域で光の水平横モードの不安定性が生じたとしても、増幅の過程において発光光は副電極１１１ｓに対応した領域を常に通過するので、光の水平横モードの不安定性が抑制される方向に働く。
＜第４実施形態＞
　図２１～図２４は、本発明の半導体レーザ素子の第４実施形態を示す図である。図２１には平面図が示され、図２２には光共振器に沿った縦断面図が示され、図２３にはＡ－Ａ断面図が示され、図２４にはＢ－Ｂ断面図が示されている。
　第４実施形態の半導体レーザ素子４００では、メサストライプ１０３ａの幅が例えば５０μｍとなり、共振器の長さは例えば１５００μｍとなっている。
　第４実施形態の半導体レーザ素子４００でも、第１実施形態の半導体レーザ素子１００と同様に、メサストライプ１０３ａ上で複数に分かれた第１電極１１１が形成されている。また、第１電極１１１は、メサストライプ１０３ａ上での共振方向の長さが長い主電極１１１ｍと、共振方向の長さが短い副電極１１１ｓとを含み、主電極１１１ｍおよび副電極１１１ｓは、メサストライプ１０３ａの外部まで延びている。
　第４実施形態の半導体レーザ素子４００では、第１実施形態の半導体レーザ素子１００とは異なり、主電極１１１ｍおよび副電極１１１ｓが、メサストライプ１０３ａの外部で橋渡し部１１１iによって互いに繋がっている。橋渡し部１１１iの上には更に第２電極１１２が形成されている。
　メサストライプ１０３ａの外部で繋がっていても、メサストライプ１０３ａ上では主電極１１１ｍおよび副電極１１１ｓが共振方向に離間しており、第１電極１１１の相互間はキャリアが注入されない非注入領域となっているので、図２２に示すように利得領域１３０は共振方向で複数に分かれている。その結果、第４実施形態の半導体レーザ素子４００でも放熱性が高く、発熱が抑制され、ＣＯＤやＩ－Ｌ急降下が抑制される。
＜第５実施形態＞
　図２５～図２８は、本発明の半導体レーザ素子の第５実施形態を示す図である。図２５には平面図が示され、図２６には光共振器に沿った縦断面図が示され、図２７にはＡ－Ａ断面図が示され、図２８にはＢ－Ｂ断面図が示されている。
　第５実施形態の半導体レーザ素子５００では、共振器の長さは例えば８００μｍとなっている。また、第５実施形態ではメサストライプが形成されておらず、ｐ型半導体層１０３の上面のうち、絶縁層１２０に覆われていない部分がキャリア注入範囲１０３ｂとなっている。キャリア注入範囲１０３ｂの幅は例えば１００μｍという大きな幅となっている。
　第５実施形態の半導体レーザ素子５００でも第１実施形態の半導体レーザ素子１００と同様に、キャリア注入範囲１０３ｂの幅よりも大きな幅を有した複数の第１電極１１１が形成され、キャリア注入範囲１０３ｂ内で互いに離間した配置となっている。第１電極１１１としては、共振方向の長さが長い主電極１１１ｍと共振方向の長さが短い副電極１１１ｓとが形成されている。第１電極１１１の相互間は、キャリアが注入されない非注入領域となっているので、図２６に示すように利得領域１３０が共振方向で複数に分かれていて、利得領域１３０で発生する熱の放熱性が高く、発熱も抑制される構造となっている。この結果、半導体レーザ素子５００では、ＣＯＤやＩ－Ｌ急降下が抑制される。
　また、複数の第１電極１１１は、幅の広いキャリア注入範囲１０３ｂの全幅に亘って均等な構造となっており、光共振器を往復する光は、幅の広いキャリア注入範囲１０３ｂの何処を通っても増幅され、損失を生じる箇所がない。このため、第５実施形態の半導体レーザ素子５００では、水平横モードが不安定化する代わりに、何れのモードも増幅されて、全体として安定した高出力が得られることになる。
　なお、上記説明した各実施形態では、放熱性向上と発熱抑制との双方が実現された例が示されているが、本発明の半導体レーザ素子は放熱性向上と発熱抑制との一方のみが実現されるものであってもよい。
１００，２００，３００，４００，５００…半導体レーザ素子、
１０１…ｎ型半導体層、１０２…活性層、１０３…ｐ型半導体層、
１０３ａ…メサストライプ、１０３ｂ…キャリア注入範囲、
１１１…第１電極、１１１ｍ…主電極、１１１ｓ…副電極、
１１１i…橋渡し部、１１２…第２電極、１１２ａ…端部、
１１３…ｎ側電極、１２０…絶縁層、１３０…利得領域
 

Claims (10)

  1. 　第１導電型半導体層、活性層、および第２導電型半導体層をこの順で含んだ複数の半導体層が積層された半導体積層体と、
    　前記第１導電型半導体層の、前記活性層側とは逆側の全領域のうち、前記活性層における光の発振方向に沿って延びていてキャリアが注入可能な注入範囲を残して当該逆側に対して積層された絶縁層と、
    　前記第１導電型半導体層に対してオーミックとなって前記注入範囲に各々が接続され、少なくとも当該注入範囲内では互いに前記発振方向に分離し、主電極と当該主電極よりも当該注入範囲との接続面積が小さい副電極とを含んだ複数の第１電極と、
    　前記複数の第１電極のそれぞれに接続され、前記第１導電型半導体層に対して非オーミックとなる第２電極と、
    を備えたことを特徴とする半導体レーザ素子。
  2. 　前記第１導電型半導体層はｐ型半導体層であり、前記第２導電型半導体層はｎ型半導体層であり、前記第１電極は第１ｐ側電極であり、前記第２電極は第２ｐ側電極であ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。
  3. 　前記第２ｐ側電極は、前記逆側の全領域のうち前記発振方向の端部に達し、かつ、当該端部では最表面がＡｕではないことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
  4. 　前記第２ｐ側電極は、前記端部では最表面のハンダ濡れ性が他の部分よりも悪いことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ素子。
  5. 　前記第２ｐ側電極は、少なくとも前記第１ｐ側電極に重なった部分では最表面がＡｕであることを特徴とする請求項３または４に記載の半導体レーザ素子。
  6. 　前記注入範囲のうち前記第１ｐ側電極と接触していない非注入領域の前記発振方向における合計長は、前記半導体レーザ素子の光共振器における当該発振方向の全長に対して１割以下であることを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  7. 　前記注入範囲のうち前記第１ｐ側電極と接触していない非注入領域の総面積が、当該注入範囲の総面積に対して１割以下であることを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  8. 　前記複数の第１ｐ側電極は、前記注入範囲外に延び、当該注入範囲外で互いに繋がっていることを特徴とする請求項２から７のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  9. 　前記複数の第１ｐ側電極は、前記発振方向に交わる幅方向において前記注入範囲の両縁の間隔よりも小さく、かつ、何れの縁にも掛かっていないことを特徴とする請求項２から７のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  10. 　前記副電極の形状は、前記発振方向における長さが、前記発振方向に交わる幅方向の央部では端部よりも長い形状であることを特徴とする請求項２から９のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
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