JP2001251018A - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザの発振電流しきい値を効果的に
抑制する。 【解決手段】 ダイヤモンドより成り、金属層２２を有
する絶縁部材２１の裏側は、熱伝導性に優れるＡｕ／Ｓ
ｎより成る半田材１２により、銅製のサブマウント２０
に固定されている。正電極１０６はＩｎ／Ｓｎより成る
半田材１１により、リード電極１４に接続されており、
更に、負電極１０７は半田材１２によりサブマウント２
０に接続されている。本構成により、共振器から生じる
熱は、共振器平頂部を有する平面の略全面より、絶縁部
材２１やサブマウント２０を介してヒートシンク１９側
に極めて効率よく放熱される。低屈折率材料のＳｉＯ₂
より成り、横方向の光閉じ込め効果に寄与する両絶縁壁
の厚さｄ１，ｄ２や、各浸食残骸部の幅Ｌ１，Ｌ２、及
び共振器の幅Ｄ等の各値は、電流狭窄効果、放熱効果、
量産される半導体ウエハの歩留り等を総合的に考慮して
好適値を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板の上に III族
窒化物系化合物半導体から成る複数の半導体層を積層す
ることにより形成される半導体レーザに関し、特に、光
の閉じ込め効果や、或いは、ヒートシンク材等への放熱
効果等を高度に検討した III族窒化物系化合物半導体レ
ーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】積層された半導体層の少なくともｎ型半
導体層の上面に至るまでをエッチングすることにより形
成されたメサ形状又はリッジ形状の略平頂な島型の共振
器を有する III族窒化物系化合物半導体レーザとして
は、例えば、公開特許公報「特開平１０−２００２１
３：窒化ガリウム系半導体レーザ」（以下、「従来技術
１」と言う。）に記載されているもの等が一般に知られ
ている。本従来技術１の半導体レーザにおいては、メサ
形状の平頂な島型の共振器が、ｎ型半導体層（ｎ型コン
タクト層）に至るまでをエッチングすることにより形成
されており、メサ（共振器）が略垂直に立脚した構造と
なっている。

【０００３】また、ヒートシンク材等への放熱効果を高
めるために、電極近傍の熱伝導断面積を拡大した III族
窒化物系化合物半導体レーザとしては、例えば、公開特
許公報「特開平１０−２３３５４９：窒化物半導体レー
ザダイオード」（以下、「従来技術２」と言う。）に記
載されているもの等が一般に知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術２の半導
体レーザでは、一応の放熱効果は得られるものの、電流
狭窄作用が不十分となったり、或いは、活性層における
光の閉じ込め効果が不十分となったりし、発振電圧のし
きい値が十分抑制できないと言う問題が生じていた。

【０００５】また、上記従来技術１及び上記従来技術２
の半導体レーザにおいて、電流狭窄作用や光の閉じ込め
効果を十分に得るためには、メサ幅（特に、共振器の活
性層付近の幅）を１〜１０μｍ程度にまで十分細くしな
ければならない。しかし、このメサ幅をこの程度にまで
細くすると、これに伴って共振器の平頂部の面積（幅）
が狭くなるため、正電極の形成（成膜）が難しくなった
り、或いは、一旦形成された正電極が半導体最上層（ｐ
型コンタクト層）から剥離し易くなったりすると言う問
題が生じる。

【０００６】特に、従来技術１の半導体レーザの共振器
については、ｎ型コンタクト層に至るまでをエッチング
することによりメサが形成されているため、共振器が縦
方向に長く、更に、略垂直かつ単独で立脚しているた
め、メサ幅を細くすると、半導体レーザ製造工程の途中
でメサにダメージが生じ易くなったりするなどの問題も
派生する。また、従来技術１の半導体レーザのメサ幅を
細くすると、正電極側からの放熱のための熱伝導断面積
が小さくなると言う問題も生じる。

【０００７】また、上記従来技術２の半導体レーザにお
いても、共振器の活性層からの直接的な水平方向への放
熱経路については殆ど確保されていなかったため、十分
な放熱効果が得られておらず、しきい値の上昇が十分に
は抑えられていなかった。

【０００８】本発明は、上記の課題を解決するために成
されたものであり、その目的は、半導体レーザの共振器
における上記の水平方向（横方向、即ち、共振器の側壁
に対して略垂直な方向）の光の閉じ込め効果を向上させ
ることにより、或いは、共振器の放熱効果を十分に高め
ることにより、半導体レーザの発振しきい値を効果的に
抑制することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めには、以下の手段が有効である。即ち、第１の手段
は、基板の上に III族窒化物系化合物半導体から成る複
数の半導体層を積層することにより形成される半導体レ
ーザにおいて、これらの半導体層の最上面である第１伝
導型半導体層の上面より、少なくとも第２伝導型半導体
層の上面に至るまでをエッチングすることにより形成さ
れた、メサ形状又はリッジ形状等の略平頂な島型の共振
器を設け、共振方向に平行な共振器の少なくとも片側の
側壁に共振器の平頂部のストライプ幅よりも厚い絶縁壁
を設け、この絶縁壁の屈折率ｎを上記の半導体層の屈折
率よりも小さくすることである。

【００１０】ただし、上記の「第１伝導型」は、ｐ型で
有ってもｎ型であっても良い。この第１伝導型がｐ型の
ときは、上記の「第２伝導型」はｎ型であり、また、こ
の第１伝導型がｎ型のときは、上記の「第２伝導型」は
ｐ型である。

【００１１】また、第２の手段は、上記の第１の手段に
おいて、エッチングにより侵食された被侵食部の略全体
を半田等の導電性材料、電極等を構成する金属層、絶縁
層、又は上記の絶縁壁、或いは、その他の熱伝導性を有
する絶縁体又は導電体により埋めることである。

【００１２】また、第３の手段は、上記の第１又は第２
の手段において、共振器の平頂部のストライプ幅を１０
μｍ未満にすることである。

【００１３】また、第４の手段は、上記の第１乃至第３
の何れか１つの手段において、絶縁壁又は絶縁層の屈折
率ｎを２未満にすることである。

【００１４】また、第５の手段は、上記の第１乃至第４
の何れか１つの手段において、絶縁壁又は絶縁層を酸化
珪素、アルミナ等の酸化膜、又は窒化膜より形成するこ
とである。

【００１５】また、第６の手段は、上記の第１乃至第５
の何れか１つの手段において、共振器の平頂部の少なく
とも一部分、及び、絶縁壁又は絶縁層の少なくとも一部
分に、一連の金属層を積層することにより電極を形成す
ることである。

【００１６】また、第７の手段は、上記の第１乃至第６
の何れか１つの手段において、共振器の側壁、又は、複
数の半導体層のエッチングにより残された侵食残骸部の
側壁に、共振器の平頂部に対して傾斜したテーパ部を設
けることである。

【００１７】また、第８の手段は、上記の第１乃至第７
の何れか１つの手段において、複数の半導体層のエッチ
ングにより残された侵食残骸部の平頂部にまで、或い
は、負電極又は負電極パットを構成する金属層の層上に
まで、絶縁壁又は絶縁層の一部分を拡張することであ
る。

【００１８】また、第９の手段は、上記の第１乃至第８
の何れか１つの手段において、正電極又は正電極パット
を構成する金属層の一部を、絶縁壁又は絶縁層を間に介
して、負電極又は負電極パットを構成する金属層の少な
くとも一部分と重ねて積層することである。

【００１９】また、第１０の手段は、上記の第１乃至第
８の何れか１つの手段において、半導体層が成長する基
板を導電性材料より構成し、この基板に電極を形成又は
接続することである。

【００２０】また、第１１の手段は、上記の第１乃至第
１０の何れか１つの手段において、ヒートシンク、リー
ドフレーム、ステム、サブマウント等の基材の一部分、
又は、正電極付近に配置される絶縁部材の少なくとも一
部分をダイヤモンド（Ｃ）、アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、又
はシリコン（Ｓｉ）より形成することである。

【００２１】更に、第１２の手段は、上記の第１乃至第
１１の何れか１つの手段において、正電極を、ヒートシ
ンク、リードフレーム、ステム、サブマウント等の基材
に、又は、これらの基材の表面上に成膜された金属製の
リード電極に、或いは、正電極付近に配置された絶縁部
材の表面上に成膜された金属製のリード電極に、インジ
ウム(In)、又は少なくともインジウム(In)を含んだ導電
性材料により接着することである。以上の手段により、
前記の課題を解決することができる。

【００２２】

【作用及び発明の効果】上記の第１の手段によれば、共
振器の側壁に設けられる厚い絶縁壁により、光の閉じ込
め効果が十分に得られると共に、共振器自体を十分に細
く（薄く）形成することが可能となる。このため、電流
狭窄や横方向（共振器の側壁に垂直な方向）の光閉じ込
め効果の高い共振器が形成できるので、半導体レーザの
発振しきい値を効果的に抑制することできる。

【００２３】尚、上記の「第１伝導型」は、ｐ型で有っ
てもｎ型であっても良く、本発明の作用・効果は、これ
らの型の反転に対して不変である。従って、以下簡単に
説明を行うために、暗に「第１伝導型」がｐ型であるこ
とを仮定する場合があるが、この様な仮定は、本発明を
限定的に解釈するためのものではなく、単に一通りの説
明を容易にするためだけのものに過ぎない。

【００２４】本発明による上記の様な高い放熱効果は、
共振器の平頂部のストライプ幅が１０μｍ未満と小さな
場合に、特に重要（必要）となる。これは、このストラ
イプ幅が小さくなると、共振器の平頂部の放熱断面積が
非常に狭くなると同時に、電流狭窄による発熱が激しく
なるためである。また、効率的に電流狭窄作用を得るた
めにも、共振器の平頂部のストライプ幅は、１０μｍ未
満が良い。また、このストライプ幅は、より望ましくは
１〜５μｍ程度であり、更により望ましい値としては、
２μｍ前後（１〜３μｍ程度）が理想的である。

【００２５】また、活性層の側壁付近に形成される絶縁
壁又は絶縁層の屈折率ｎは、高い光閉じ込め効果を得る
ためには、少なくとも「ｎ＜２」程度でなければなず、
この値は小さい程よい。また、これらの絶縁壁又は絶縁
層の熱伝導率は、大きいものほど高い放熱効果を示す。
即ち、より具体的には、例えば、酸化珪素、アルミナ等
の酸化膜、又は窒化膜等の屈折率が比較的小さく、且つ
熱伝導率が比較的大きな絶縁材料よりこれらの絶縁壁又
は絶縁層を形成することが望ましい。

【００２６】また、これらの絶縁壁又は絶縁層を共振器
の平頂部付近に形成することにより、正電極を共振器の
平頂部とこれらの絶縁壁又は絶縁層の両方の表面に渡っ
てより広く成膜することが可能となるため、正電極の形
成（成膜）が容易になり、また、一旦形成された正電極
が半導体最上層（ｐ型コンタクト層）から剥離し難くな
ると言う効果も得られる。

【００２７】また、エッチングにより形成される共振器
や侵食残骸部の側壁が略垂直に立脚している場合、特
に、これらの側壁が深く（高く）形成されている場合等
には、これらの側壁上に絶縁壁、絶縁膜、金属層等を成
膜すると、形成される層にはムラができ易く、略一様の
厚さに成膜することが困難となる。しかしながら、本発
明のテーパ部を備えることによりこれらの側壁を傾斜さ
せて形成しておけば、側壁上に形成される絶縁壁、絶縁
膜、金属層等の各層の厚さには、局所的なムラが生じ難
くなり、これらの各層の積層は、容易、正確、且つ確実
に（下層に対して密着させて）実施できる様になる。

【００２８】また、侵食残骸部の平頂部にまで、或い
は、負電極等を構成する金属層の上にまで、絶縁壁又は
絶縁層の一部分を拡張することにより、これらの絶縁壁
又は絶縁層を新たな放熱経路の一部とすれば、より高い
放熱効果を得ることが可能となる。更に、本構成によれ
ば、正電極をより広範に渡って形成することも可能とな
るため、この拡張された正電極を新たな放熱経路の一部
とすることによっても、更により高い放熱効果を得るこ
とが可能となる。

【００２９】また、正電極等を構成する金属層の一部
を、絶縁壁又は絶縁層を間に介して、負電極等を構成す
る金属層の少なくとも一部分と重ねて積層することによ
り、両電極間の熱伝導の効率を高めることが可能とな
る。これにより、両電極間の温度差が小さくなり、片側
の電極に放熱流が偏る（集中する）現象が軽減されるた
め、より高い放熱効果を得ることが可能となる。

【００３０】また、半導体層が成長する基板を導電性材
料より構成し、この基板に電極を形成又は接続すれば、
共振器の平頂部側の面には一方の電極のみを設ければ良
いことになるため、共振器の平頂部付近の十分に広い領
域（例えば、略全面）に渡って、放熱断面を確保するこ
とも可能となる。この様な構成により放熱効果を極めて
高いものにすることが可能である。

【００３１】また、ヒートシンク等の基材の一部分、又
は、正電極付近に配置される絶縁部材の少なくとも一部
分を、例えばダイヤモンド（Ｃ）等の熱伝導率の高い絶
縁材料より形成すれば、正電極と負電極との間に用いら
れるこれらの絶縁素子によって、本発明の放熱効果を更
に高いものにすることができる。

【００３２】例えば、絶縁効果が必要となる絶縁箇所に
限定的に、最小量のダイヤモンドを使用することによ
り、比較的安い材料コストで最大限の放熱効果を得るこ
とが可能となる。また、この低コスト化は、極力薄い板
形状のダイヤモンドを使用することにより実現でき、よ
り望ましくは、水平に薄板状のダイヤモンドで形成され
た絶縁素子を配置すべきである。例えば、この様な手段
によれば、特に水平方向の熱伝導効果が顕著に増大する
ので、装置全体としても十分に高い放熱効果を比較的低
コストで得ることができるようになる。

【００３３】また、インジウム(In)は、融点が比較的低
い（約１５７℃）ため、共振器平頂部付近の熱膨張と熱
収縮による歪の量が大幅に削減でき、電極の剥離現象が
抑制される。即ち、正電極を、ヒートシンク等の基材
や、これらの基材等の表面に成膜されたリード電極等
に、インジウム(In)、又は少なくともインジウム(In)を
含んだ導電性材料により接着することにより、正電極の
剥離を抑止することができる。これにより、正電極の剥
離等による発光不均一が生じず、しきい値電流が低い半
導体レーザを実現することができる。

【００３４】また、インジウム(In)は常温でも比較的柔
らかい金属であるため、この柔軟性によっても、上記の
歪による応力を緩和することができる。尚、この応力緩
和効果は、正電極又は共振器平頂部の幅が１０μｍ未満
の場合に、特に有効かつ顕著となる。これは、正電極と
半導体層との間の境界面が狭い場合程、この境界面に応
力が集中し易く、よって、この境界面が狭い場合程、応
力緩和効果が有効かつ重要となるためである。

【００３５】尚、エッチングにより侵食された被侵食部
の略全体を金属層や絶縁体等の熱伝導性の高い材料で埋
め込む等の手段によれば、即ち、例えば、共振器の活性
層からの直接的な水平方向（上記の「横方向」）への放
熱経路を十分確保する等の放熱対策によれば、半導体チ
ップからヒートシンク等の基材への熱伝導断面積が格段
に広がり、半導体層からの放熱効果を格段に高めること
ができので、半導体レーザの発振しきい値を効果的に抑
制することできる。また、これらの絶縁壁、金属層、絶
縁材料等は、スパッタリング、蒸着、スピンコートなど
の方法により、積層することができる。

【００３６】本発明に係わる以上の作用・効果は、少な
くともＡｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ
≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）にて表される２元系、３元系、
若しくは４元系の半導体から成る半導体層が積層された
III族窒化物系化合物半導体レーザに対して得ることが
できる。また、更に、 III族元素の一部は、ボロン
（Ｂ）、タリウム（Tl）で置き換えても良く、また、窒
素（Ｎ）の一部、或いは全部をリン（Ｐ）、砒素（A
s）、アンチモン（Sb）、ビスマス（Bi）で置き換えて
も、上記の本発明の作用効果を得ることができる。

【００３７】また、半導体結晶の成長基板には、サファ
イア、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、
リン化ガリウム、砒化ガリウム、酸化マグネシウム、酸
化マンガン、酸化ガリウムチチウム（ＬｉＧａＯ₂ ）、
硫化モリブデン（ＭｏＳ）等の材料を用いることができ
る。また、半導体結晶成長における導電性基板や、導電
性を有するバッファ層についても、同様に公知の種種の
材料を利用することができる。

【００３８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例
に限定されるものではない。 （第１実施例）図１は、本第１実施例における III族窒
化物系化合物半導体レーザ１００の模式的な断面図であ
る。

【００３９】サファイヤ基板１０１の上には、窒化アル
ミニウム（AlＮ）から成るバッファ層１０２が積層され
ている。更にその上には、シリコン(Si)ドープのGaN か
ら成る高キャリア濃度ｎ⁺ 層、ノンドープのIn_0.03Ga
_0.97N から成る中間層、GaN から成るｎ型クラッド層、
及びAl_0.01Ga_0.99Nより成るｎ型の光ガイド層の順に積
層された、計４層より成るｎ型層１０３が形成されてい
る。更にその上には、公知の端面発光型レーザダイオー
ドに見られる極一般的な多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の
活性層１０４が形成されている。

【００４０】この活性層１０４の上には、マグネシウム
(Mg)ドープのAl_0.01Ga_0.99Nから成るｐ型の光ガイド
層、ｐ型Al_0.12Ga_0.88N から成るｐ型クラッド層、及び
Ｍｇドープのｐ型Al_0.05Ga_0.95N から成るｐ型コンタク
ト層の順に積層された、計３層より成るｐ型層１０５が
形成されている。

【００４１】ｎ型層１０３は、上方（ｐ型層１０５側）
からのエッチングによりその大部分が露出され、本エッ
チングにより、基板に対して略垂直に立脚した平頂な共
振器部分が形成されている。また、この共振器の両脇に
は、屈折率約 1.4のＳｉＯ₂より成る絶縁壁１１０がス
パッタリングにより形成されている。この絶縁壁１１０
は、共振器側壁の略全面にわたって密着して形成されて
おり、この絶縁壁１１０の厚さ（共振器の側壁に対して
垂直な方向の太さ）は、共振器の太さよりも厚く構成さ
れている。

【００４２】更に、共振器の平頂部（ｐ型層１０５）の
上には、ロジウム（Ｒｈ）より成る正電極１０６が、蒸
着により成膜されている。また、ｎ型層１０３の露出部
には、ニッケル（Ｎｉ）より成る負電極１０７が、蒸着
により成膜されている。

【００４３】以上の様に III族窒化物系化合物半導体レ
ーザ１００を構成することにより、共振器の水平方向の
幅（厚さ）、特に活性層１０４、ｐ型層１０５の幅を１
〜３μｍ程度と非常に細くすることができる。

【００４４】これらの構成により、高い電流狭窄効果が
得られた。また、共振器の幅を細くした上で、活性層の
両脇を屈折率の低い絶縁材料（絶縁壁１１０）で埋め込
んだことにより、活性層から出力される光の横方向の閉
じ込めが効果的に実施できた。

【００４５】また、共振器の平頂部に形成される正電極
１０６は、絶縁壁１１０の上にも形成され、正電極１０
６の成膜面積が広がったため、正電極１０６が共振器平
頂部より局所的に剥離することがなくなった。即ち、正
電極１０６は、この平頂部に一様に密着して成膜された
状態を安定して維持できる様になった。

【００４６】また、活性層１０４及びその周辺で発生し
た熱は、共振器平頂部のみを放熱経路（熱伝導経路）と
するにとどまらず、絶縁壁１１０及び絶縁壁１１０上に
成膜された正電極１０６を介して、図略のヒートシンク
側に放熱することができる様になった。これらの作用に
より、 III族窒化物系化合物半導体レーザ１００の発振
しきい値を効果的に抑止することができた。

【００４７】（第２実施例）図２は、本第２実施例にお
ける III族窒化物系化合物半導体レーザ２００の模式的
な断面図である。本半導体レーザ２００は、第１実施例
における半導体レーザ１００と各半導体層の積層順序等
が同一であり、同一記号を付した各部分は、それぞれ物
性や組成比等が略同じ材料で構成されている。本半導体
レーザ２００の主な特徴は、次の通りである。

【００４８】（１）共振器の裾が太くなっている。即
ち、ｎ型層１０３の一部（上記のｎ型クラッド層、及
び、高キャリア濃度ｎ⁺ 層の一部）が、共振器を下方両
脇より支持する構造になっている。これにより、共振器
の物理的な強度が補強されるため、共振器の平頂部のス
トライプ幅を細く形成することが容易となる。従って、
本構造により、光の閉じ込め効果をより容易に得ること
ができる。

【００４９】（２）共振器の平頂部の一部に絶縁壁１１
０の一部が拡張されて成膜されている。これら（１），
（２）の構成により、より高い電流狭窄効果が得られ
る。

【００５０】（３）絶縁壁１１０の一部が負電極１０７
の上にまで拡張して積層されており、この絶縁壁１１０
の拡張部分を介して、正電極１０６の拡張部位と負電極
１０７とが重ねて積層されている。この構造により、正
電極１０６と負電極１０７との間の熱伝導効率が高ま
り、両電極間の温度差が低減されるため、片方の電極に
放熱経路が集中することがない。従って、より高い放熱
効果が得られる。

【００５１】これらの作用により、本 III族窒化物系化
合物半導体レーザ２００の発振しきい値は、前記の半導
体レーザ１００（図１）の発振しきい値と比べて、同等
以上に効果的に抑止されている。

【００５２】（第３実施例）図３は、本第３実施例にお
ける III族窒化物系化合物半導体レーザ３００の模式的
な断面図である。本半導体レーザ３００は、第１実施例
における半導体レーザ１００と各半導体層の積層順序等
が同一であり、同一記号を付した各部分は、それぞれ物
性や組成比等が略同じ材料で構成されている。

【００５３】サブマウント２０は、銅（Ｃｕ）より構成
されており、絶縁部材２１は、ダイヤモンド又は炭化珪
素等の熱伝導性の高い絶縁材料より構成されている。絶
縁部材２１の裏面には、銅より成る金属層２２が成膜さ
れており、絶縁部材２１の表側には、銅より成るリード
電極１４が成膜されている。金属層２２を有するこの絶
縁部材２１の裏側は、熱伝導性に優れる金（Ａｕ）又
は、Ａｕ／Ｓｎより成る半田材１２により、サブマウン
ト２０に固定されている。

【００５４】また、正電極１０６は、インジウム(In)又
は、Ｉｎ／Ｓｎより成る半田材１１により、リード電極
１４に接続されており、更に、負電極１０７は、上記の
半田材１２により、サブマウント２０に直接接続されて
いる。半田材１３は、各ワイヤーＷをリード電極１４、
或いは、サブマウント２０に固定している。更に、これ
らの全体は、サブマウント２０の底面において、上記の
半田材１２を用いて銅製のヒートシンク１９に固定され
ている。

【００５５】図３に示す以上の様な構成により、幅Ｄを
有する共振器より発生する熱は、共振器の平頂部を有す
る上側の平面の略全面より、絶縁部材２１やサブマウン
ト２０を介してヒートシンク１９側に極めて効率よく放
熱される。

【００５６】尚、図３に示す本実施例の半導体レーザ３
００における両絶縁壁の厚さｄ１，ｄ２、各浸食残骸部
の幅Ｌ１，Ｌ２、及び、共振器の幅Ｄ等の値は、光閉じ
込め効果（横方向）、電流狭窄効果、放熱効果（熱抵
抗）、電気抵抗、或いは、量産される半導体ウエハの歩
留り等に鑑み、それぞれおよそ以下の範囲内であること
が望ましい。

【００５７】

【数１】 ２≦Ｄ≦１０〔μｍ〕 …（１）

【数２】 ２≦ｄ２≦３０〔μｍ〕 …（２）

【数３】 ０≦ｄ１≦１００〔μｍ〕 …（３）

【数４】 ０≦Ｌ１≦１００〔μｍ〕 …（４）

【数５】 ０≦Ｌ２≦１００〔μｍ〕 …（５）

【００５８】ただし、式（３），（４）においては、ｄ
１が０の場合には、Ｌ１も０でなければならない。例え
ば、この様な「ｄ１＝Ｌ１＝０」成る構成によれば、即
ち、共振器の図面に向かって左側の側壁を空気等に直接
露出させる場合には、正電極側の放熱断面積（よって、
放熱効果）は小さくなるものの、光の横方向の閉じ込め
効果は向上する。これは絶縁壁１１０の屈折率よりも、
空気等の屈折率の方が遥かに小さいこと（ｎ≒１）によ
るものである。

【００５９】また、右側の絶縁壁１１０の厚さｄ２は、
正電極１０６と負電極１０７とが短絡しない限りにおい
て、共振器の幅Ｄ程度にまで薄い方が放熱効果の点でよ
り望ましい。これらの構成により、半導体レーザ３００
の発振しきい値を十分に抑制することができる。

【００６０】（第４実施例）エッチングにより侵食され
た被侵食部の略全体を金属層や絶縁体等の熱伝導性の高
い材料で埋め込めば、即ち、例えば、共振器の活性層か
らの直接的な水平方向（横方向）への放熱経路を十分確
保する等の放熱対策によれば、半導体チップからヒート
シンク等の基材への熱伝導断面積が格段に広がり、半導
体層からの放熱効果を格段に高めることができる。

【００６１】図４は、サブマウント２０にフェイスダウ
ンでボンディングされた（逆さまに接着された） III族
窒化物系化合物半導体レーザ４００の模式的な断面図で
ある。本半導体レーザ４００は、第３実施例における半
導体レーザ３００と各半導体層の積層順序等が同一であ
り、同一記号を付した各部分は、それぞれ物性や組成比
等が略同じ材料で構成されている。なお、熱伝導性の高
い絶縁部材２１の表面には、負電極１０７側に接続され
る銅製のリード電極１６が成膜されており、この絶縁部
材２１は、ヒートシンク２０に対して熱伝導性の高い接
着剤３０により固定されている。

【００６２】本半導体レーザ４００の主な特徴は、次の
通りである。 （１）エッチングにより形成された共振器、及び負電極
１０７が積層されている浸食残骸部の各側壁は、基板１
０１の結晶成長面や共振器の平頂部に対して傾斜したテ
ーパ部を有する。 （２）半導体層及び負電極１０７の上方（ただし、本図
４においては、下方）への露出面の略全面、即ち、共振
器及び浸食残骸部の各平頂部の一部分を除いた上方への
露出部の略全面に渡って絶縁層１１０が成膜されてい
る。 （３）更に、共振器の平頂部（幅Δ）の露出部（幅δ）
と、上記絶縁層１１０の層上には、上記浸食残骸部の平
頂部を除いて略全面に、ロジウムより成る正電極１０６
が形成されている。また、この正電極１０６の上面と負
電極１０７の上面とは、略同じ高さに構成されている。

【００６３】以上の様に半導体レーザ４００を構成する
ことにより、共振器から発生する熱は、正電極１０６、
絶縁層１１０、及び負電極１０７の各部に直接或いは間
接的に極めて効率よく伝導され、サブマウント２０側に
放熱される。また、正電極１０６と負電極１０７とは、
比較的薄膜の絶縁層１１０を介して間接的に広く接触し
ているため、両電極間の温度差は従来技術１、２の構造
のレーザに比べて格段に小さくなっている。このため、
放熱経路が偏在することがない。即ち、本半導体レーザ
４００においては、リード電極１６や半田材１１を経由
する熱伝導断面の略全面にわたって高い熱伝導作用を得
ることができる。これらの構成により、半導体レーザ４
００においては、十分な放熱効果が得られ、これによ
り、発振しきい値の上昇が十分に抑止される。

【００６４】（第５実施例）図５は、本第５実施例にお
ける III族窒化物系化合物半導体レーザ５００の模式的
な断面図である。本半導体レーザ５００は、前記の半導
体レーザ３００、或いは、前記の半導体レーザ４００と
各半導体層の積層順序等が同一であり、同一記号を付し
た各部分は、それぞれ物性や組成比等が略同じ材料で構
成されている。また、絶縁性のサブマウント１０は、熱
伝導性の高いセラミックスより構成されており、その表
面には、負電極１０７側に接続される銅製のリード電極
１６と、正電極１０６側に接続される銅製のリード電極
１４が成膜されている。

【００６５】本半導体レーザ５００の主な特徴は、次の
通りである。 （１）エッチングにより形成された共振器及び浸食残骸
部の各側壁は、傾斜している。これにより、その露出面
上にその後積層される各層（１０７、１１０、１０６、
１０９ａ、１０９ｂ）は、ムラ無く略一様に密着して形
成されている。 （２）正電極１０６の上面（ただし、本図５において
は、下方の面）の凹部（谷間）には、熱伝導性の高い熱
伝導性材料１０９ａ、１０９ｂが積層されている。ただ
し、１０９ｂは、半田１２の接着時の流出や、電極金属
のマイグレーション等による両電極間の短絡を防止する
ために絶縁体より形成されたものである。また、１０９
ａは、電気伝導性を有する材料から形成しても、絶縁体
１０９ｂと同じ材料から形成しても良い。

【００６６】（３）これらの熱伝導性材料１０９ａ、１
０９ｂや、金属製の正電極１０６、負電極１０７、絶縁
壁１１０、及び半田材１１により、半導体層１０３〜１
０５のエッチングによる被浸食部の略全体が埋められて
いる。 （４）絶縁壁１１０の少なくとも活性層１０４近傍の厚
さ（壁厚ｄ）は、共振器の平頂部のストライプ幅Δより
も厚く形成せれている。この絶縁壁１１０の屈折率は約
1.４程度であり、本絶縁壁１１０は、活性層１０４から
出力される光の横方向への閉じ込めに寄与している。 （５）正電極１０６と負電極１０７とは、絶縁壁１１０
の拡張部分である比較的薄膜の部分を介して間接的に広
く接触している。これにより、本半導体レーザ駆動時の
両電極間の温度差は小さくなっている。 （６）半導体レーザ５００の共振器、浸食残骸部、被浸
食部の各幅Ｄ，Ｌ１，ｄ１の適正範囲は、前記の式
（１）、（３）、（４）に概ね従うものであるが、特に
本図５に示したものについては、これらの和「Ｄ＋Ｌ１
＋ｄ１」は、共振器平頂部のストライプ幅Δ（≒１〜３
μｍ）の約１０倍以上になっている。また、本図５の半
導体レーザ５００においては、この和「Ｄ＋Ｌ１＋ｄ
１」と略同じ幅で、半田１１により、正電極１０６がリ
ード電極１４に接続されている。

【００６７】これらの構成により、横方向（水平方向）
の高い光閉じ込め効果と高い放熱効果が同時に効率よく
得られるため、上記半導体レーザ５００は、発振しきい
値が低く抑制されている。

【００６８】（第６実施例）図６は、本第６実施例にお
ける III族窒化物系化合物半導体レーザ６００の模式的
な断面図である。本半導体レーザ６００は、前記の半導
体レーザ３００、半導体レーザ４００、或いは、上記の
半導体レーザ５００に類似のものであり、これらの半導
体レーザと略同様に、水平方向の光閉じ込め効果、又は
放熱効果によりレーザ発振のしきい値が低く抑制されて
いる。

【００６９】本半導体レーザ６００の主な特徴は、次の
通りである。 （１）絶縁壁１１０が負電極１０７の平頂部の上面（た
だし、本図６では下側）にまで拡張して形成されてお
り、負電極１０７をサブマウント２０に固定している半
田１２は、この絶縁壁１１０により、リード電極１４や
正電極１０６と短絡することが無い。 （２）正電極１０６は、多層構造をしており、その最上
層の金属層１０６ｂは、マイグレーション等の劣化を起
こし難い白金、コバルト等の耐蝕性の高い金属より形成
されている。 （３）共振器の図面左側の側壁は、略垂直に立脚してお
り、直接空気、又は外気と接触する構造となっており、
本構成により、光の横方向の閉じ込め効果が高い。これ
は絶縁壁１１０の屈折率よりも、空気等の屈折率の方が
遥かに小さいこと（ｎ≒１）によるものである。

【００７０】（第７実施例）図７は、本第７実施例にお
ける III族窒化物系化合物半導体レーザ７００の模式的
な断面図である。本半導体レーザ７００は、前記の半導
体レーザ４００、又は５００に類似のものであり、これ
らの半導体レーザと略同様に、水平方向の光閉じ込め効
果、又は放熱効果によりレーザ発振のしきい値が低く抑
制されている。

【００７１】本半導体レーザ７００の主な特徴は、次の
通りである。 （１）半導体結晶を成長させる基板１０１０及びバッフ
ァ層１０２０は、導電性を有している。 （２）基板１０１０の裏面には、金属製の負電極１０７
が形成されている。 （３）正電極１０６は、絶縁壁１１０の略全面に渡って
形成されており、更に、半田材１１により、銅製のヒー
トシンク１９に直接広面積（略全面）に渡って接着され
ている。 （４）銅製のヒートシンク１９の表面には、凹凸面が形
成されている。これら（１）〜（４）の構成により、本
半導体レーザ７００のヒートシンク１９に対する熱伝導
断面積は、極めて大きくなっている。

【００７２】（５）絶縁壁１１０は、屈折率ｎの小さな
ＳｉＯ₂ （ｎ≒1.４）より形成されており、この絶縁壁
１１０の活性層１０４近傍の壁厚ｄは、共振器平頂部の
正電極１０６の接触幅δ（或いは、共振器平頂部のスト
ライプ幅Δ）よりも厚い。 （６）共振器の幅（太さ）、及び絶縁壁１１０の厚さ
は、共振器平頂部に近づくにつれて細く（薄く）なって
いる。これら（５）、（６）の構成により、絶縁壁１１
０による横方向の光の閉じ込め効果を十分に維持しつ
つ、熱伝導性を最大限に確保することができる。

【００７３】これらの作用により、 III族窒化物系化合
物半導体レーザ７００の発振しきい値を効果的に抑止す
ることができる。

【００７４】尚、上記の各実施例におけるｎ型層および
ｐ型層は、それぞれ複数の層で構成してもよく、単数の
層構成としても良い。また、活性層、及びその他の層
は、任意の混晶比の４元、３元、２元系のAl_xGa_y In
_1-x-y N （０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）
としても良い。

【００７５】また、上記の各実施例における III族窒化
物系化合物半導体より成る各半導体層は、４元系のＡｌ
ＧａＩｎＮ、３元系のＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＩ
ｎＮ、２元系のＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、及び、これら
に III族元素をドーピングしたもの、Ｖ族元素をドーピ
ングしたものでも良い。又、ＡｌＧａＩｎＮにおけるＮ
（窒素）の一部（或いは全部）を例えば、Ｐ、Ａｓ、Ｓ
ｂ等と置換したＡｌＧａＩｎＮＰ、ＡｌＧａＩｎＮＡ
ｓ、ＡｌＧａＩｎＮＳｂ等でも良い。即ち、一般に、本
発明の半導体レーザを構成する III族窒化物系化合物半
導体より成る各半導体層は、窒素を含む III族−Ｖ族化
合物半導体なら使用可能である。

【００７６】また、バッファ層には、AlN 、AlGaN 、Ga
N 、InAlGaN 等のIII族窒化物系化合物半導体の他に
も、窒化チタン(TiN) 、窒化ハフニウム(HfN) 等の金属
窒化物や、酸化亜鉛(ZnO) 、酸化マグネシウム(MgO) 、
酸化マンガン(MnO) 等の金属酸化物を用いてもよい。

【００７７】また、高キャリア濃度ｎ⁺ 層は、シリコン
(Si)ドープの窒化ガリウム(GaN）より形成しても良い
が、或いは、上記のIII族窒化物系化合物半導体に、シ
リコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)等のIV族元素、又は、VI
族元素をドープすることにより形成しても良い。

【００７８】また、半導体結晶の成長基板には、サファ
イア基板やシリコン(Si)基板の他にも、炭化珪素(Si
C）、GaN 、MgAl₂O₄ 、酸化亜鉛(ZnO) 、酸化マグネシ
ウム(MgO) 、酸化マンガン(MnO) 等を用いることができ
る。

【００７９】尚、本発明の各手段は、面発光型の半導体
レーザに対して適応した場合にも有効であり、この様な
場合においても一般に、端面発光型の半導体レーザの場
合と同様に、本発明の作用・効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例における III族窒化物系化
合物半導体レーザ１００の模式的な断面図。

【図２】本発明の第２実施例における III族窒化物系化
合物半導体レーザ２００の模式的な断面図。

【図３】本発明の第３実施例における III族窒化物系化
合物半導体レーザ３００の模式的な断面図。

【図４】本発明の第４実施例における III族窒化物系化
合物半導体レーザ４００の模式的な断面図。

【図５】本発明の第５実施例における III族窒化物系化
合物半導体レーザ５００の模式的な断面図。

【図６】本発明の第６実施例における III族窒化物系化
合物半導体レーザ６００の模式的な断面図。

【図７】本発明の第７実施例における III族窒化物系化
合物半導体レーザ７００の模式的な断面図。

【符号の説明】

１０、２０… サブマウント ２１ … 絶縁部材 １１、１２、 １３ … 導電性接着材（半田材等） １４ … リード電極（ｐ側） １６ … リード電極（ｎ側） １９ … ヒートシンク（又は、ステム） １００，２００，３００，４００，５００，６００， ７００ … III族窒化物系化合物半導体レーザ １０１ … 結晶成長基板 １０２ … バッファ層 １０３ … ｎ型層 １０４ … 活性層 １０５ … ｐ型層 １０６ … 正電極 １０７ … 負電極 １１０ … 絶縁壁又は絶縁層 １０１０… 導電性基板 Ｗ … リード線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永井 誠二 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１ 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 山崎 史郎 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１ 番地 豊田合成株式会社内 Ｆターム(参考） 5F073 AA11 AA22 AA74 CA07 CB05 CB07 CB22 CB23 DA21 DA30 EA23 EA29 FA14 FA15 FA16 FA22 FA30

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の上に III族窒化物系化合物半導体
   から成る複数の半導体層を積層することにより形成され
   る半導体レーザにおいて、 前記複数の半導体層の最上面である第１伝導型半導体層
   の上面より、少なくとも第２伝導型半導体層の上面に至
   るまでをエッチングすることにより形成された、メサ形
   状又はリッジ形状等の略平頂な島型の共振器を有し、 共振方向に平行な前記共振器の少なくとも片側の側壁
   に、前記共振器の平頂部のストライプ幅よりも厚い絶縁
   壁を有し、 前記絶縁壁の屈折率ｎは、前記半導体層の屈折率よりも
   小さいことを特徴とする III族窒化物系化合物半導体レ
   ーザ。
2. 【請求項２】 前記エッチングにより侵食された被侵食
   部の略全体は、 半田等の導電性材料、電極等を構成する金属層、絶縁
   層、前記絶縁壁、或いは、その他の熱伝導性を有する絶
   縁体又は導電体により埋められていることを特徴とする
   請求項１に記載の III族窒化物系化合物半導体レーザ。
3. 【請求項３】 前記共振器の平頂部のストライプ幅は、
   １０μｍ未満であることを特徴とする請求項１又は請求
   項２に記載の III族窒化物系化合物半導体レーザ。
4. 【請求項４】 前記絶縁壁又は前記絶縁層の屈折率ｎ
   は、２未満であることを特徴とする請求項１乃至請求項
   ３のいずれか１項に記載の III族窒化物系化合物半導体
   レーザ。
5. 【請求項５】 前記絶縁壁又は前記絶縁層は、酸化珪
   素、アルミナ等の酸化膜、又は窒化膜より形成されてい
   ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１
   項に記載の III族窒化物系化合物半導体レーザ。
6. 【請求項６】 前記共振器の平頂部の少なくとも一部
   分、及び、 前記絶縁壁又は前記絶縁層の少なくとも一部分に、 一連の金属層を積層することにより電極が形成されてい
   ることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１
   項に記載の III族窒化物系化合物半導体レーザ。
7. 【請求項７】 前記共振器の側壁、又は、前記複数の半
   導体層の前記エッチングにより残された侵食残骸部の側
   壁は、 前記共振器の平頂部に対して傾斜したテーパ部を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項
   に記載の III族窒化物系化合物半導体レーザ。
8. 【請求項８】 前記絶縁壁又は前記絶縁層の一部分は、 前記複数の半導体層の前記エッチングにより残された侵
   食残骸部の平頂部にまで、或いは、 負電極又は負電極パットを構成する金属層の層上にま
   で、拡張されていることを特徴とする請求項１乃至請求
   項７のいずれか１項に記載の III族窒化物系化合物半導
   体レーザ。
9. 【請求項９】 正電極又は正電極パットを構成する金属
   層の一部が、前記絶縁壁又は前記絶縁層を間に介して、
   負電極又は負電極パットを構成する金属層の少なくとも
   一部分と重ねて積層されていることを特徴とする請求項
   １乃至請求項８のいずれか１項に記載の III族窒化物系
   化合物半導体レーザ。
10. 【請求項１０】 前記基板は、 導電性を有し、電極が形成又は接続されていることを特
    徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の
    III族窒化物系化合物半導体レーザ。
11. 【請求項１１】 ヒートシンク、リードフレーム、ステ
    ム、サブマウント等の基材の一部分、又は、 正電極付近に配置される絶縁部材の少なくとも一部分
    は、 ダイヤモンド（Ｃ）、アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、窒化ア
    ルミニウム（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、又はシリ
    コン（Ｓｉ）より形成されていることを特徴とする請求
    項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の III族窒化
    物系化合物半導体レーザ。
12. 【請求項１２】 正電極が、 ヒートシンク、リードフレーム、ステム、サブマウント
    等の基材に、又は、 これらの基材の表面上に成膜された金属製のリード電極
    に、或いは、 前記正電極付近に配置された絶縁部材の表面上に成膜さ
    れた金属製のリード電極に、 インジウム(In)、又は少なくともインジウム(In)を含ん
    だ導電性材料により接着されていることを特徴とする請
    求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の III族窒
    化物系化合物半導体レーザ。