JP4737387B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、ストライプ状のリッジ部を有する半導体レーザ素子に係り、特に、高温、高出力の用途に好適に適用可能な半導体レーザ素子に関する。

近年、高密度光ディスク装置やレーザビームプリンタなどの光源として、窒化物半導体レーザ素子が注目されている。このレーザ素子は、例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）基板の表面に、一部露出領域を有するｎ型バッファ層、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層がこの順に積層配置された半導体層を有している。この半導体層の上部、具体的には、ｐ型クラッド層の上部およびｐ型コンタクト層に、帯状のリッジ部が形成され、リッジ部の側面およびｐ型クラッド層の上面には電流狭窄用の絶縁層が形成されている。また、リッジ部の上部および絶縁層の一部にはｐ側電極が、ｎ型バッファ層の露出領域に対してｎ側電極がそれぞれ形成されており、リッジ部の延在方向に対して垂直な端面に一対の反射鏡膜が形成されている。

このような構成の窒化物半導体レーザ素子では、ｐ側電極とｎ側電極との間に所定の電位差の電圧が印加されると、リッジ部により電流狭窄されると共に、活性層の電流注入領域に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の反射鏡膜により反射され、素子内を一往復したときの位相の変化が２πの整数倍となる波長でレーザ発振を生じ、ビームとして一方の反射鏡膜から外部に射出される。

ところで、一般に半導体レーザ素子は熱による影響（特性劣化・信頼性低下など）を受け易く、高温，高出力時においては、窒化物半導体レーザ素子も熱による影響を受け易い。半導体レーザの駆動には、高電流密度によるジュール熱を放散（放熱）させることが重要であり、そのため、一般に半導体レーザ素子は、基板の裏面側（ｐサイドアップ）またはリッジ部の上部側（ｐサイドダウン）を、半田層を介してＣｕ（銅）などの熱伝導率の高い材料により形成されたヒートシンク（放熱部材）上に装着され、これにより熱抵抗を下げ、効率よく放散するようになっている。
特許第３０３１４１５号

ところで、上記した電流狭窄用の絶縁層には、特許文献１に記載されているように、少なくともＳｉＯ２やＴｉＯ２などの酸化物により構成された層が含まれている。これは、酸化物が絶縁性に優れているだけでなく、ｐ側電極との密着性に優れているからである。

しかしながら、酸化物は放熱性が悪いため、上記したように電流狭窄用の絶縁層がリッジ部の側面およびｐ型クラッド層の上面を覆うように形成されている場合には、リッジ部の上部側から放散することが困難となる。そのため、ｐサイドダウンとした場合にはヒートシンク側へ放散することが困難となる。一方、ｐサイドアップとした場合にはリッジ部の上部側から放散することが困難であってもヒートシンク側へ放散することができる。しかしながら、電流密度の高い（発熱量の多い）リッジ部がｐサイドダウンの場合と比べてヒートシンクから遠くなるため、半導体レーザ素子内の熱を充分に放散することが困難となる。このように、放熱性の考慮されていない電流狭窄用の絶縁層を用いた場合には、放熱性が悪くなるため、半導体レーザ素子の特性および信頼性を著しく悪化させる虞があるという問題がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、放熱性を向上させることの可能な半導体レーザ素子を提供することにある。

本発明の半導体レーザ素子は、基板上に、第１導電型層，活性層および第２導電型層をこの順に積層して構成された半導体層を備える。その第２導電型層の上部にストライプ状のリッジ部が形成され、そのリッジ部の側面から第２導電型層の表面までの連続した表面上に、ＡｌＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮを含んで構成された第１絶縁層が形成されている。さらに、その第１絶縁層の表面には、第１絶縁層の表面を酸化することにより第２絶縁層が形成されている。ここで、「表面上」とは、第１絶縁層がその表面に密着配置されている場合の他、その表面と第１絶縁層との間に何らかの層が配置されている場合も含む概念である。

本発明の半導体レーザ素子では、第１絶縁層および第２絶縁層はリッジ部の側面から第２導電型層の表面までの連続した表面上まで形成されていることから電流狭窄の機能を有する。第１絶縁層はＡｌＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮを含んで構成され、従来から電流狭窄用として用いられているＳｉＯ２やＺｒＯｘなどと比べて高い熱伝導率を有する。一方、第２絶縁層は第１絶縁層の表面を酸化することにより形成されていることから、ＡｌＮＯｘ、ＢＮＯｘ、ＳｉＯ２、ＧａＮＯｘまたはＡｌＧａＩｎＮＯｘにより構成される。このように表面酸化を利用することにより、ピンホールなどの欠陥を生じさせることなく非常に薄い酸化膜を形成することが可能となり、その結果、絶縁性と放熱性とを両立させることが可能となる。これにより、第２絶縁層は高い絶縁性と高い放熱性とを有する。

本発明の半導体レーザ素子によれば、電流狭窄用の絶縁層を、高い熱伝導率を有する第１絶縁層と、高い絶縁性および高い放熱性を有する第２絶縁層とにより構成するようにしたので、半導体レーザ素子内で発生した熱を第１絶縁層および第２絶縁層を介してリッジ部の上部側から放散することが可能となる。このように、放熱性の考慮された電流狭窄用の絶縁層を用いることにより、放熱性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１および図２は、本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ素子１をヒートシンク２６（放熱部材）上に実装した態様を表すものである。なお、図１および図２は模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。

この半導体レーザ素子１は、窒化物半導体により構成されたものである。なお、ここでいう窒化物半導体とは、ガリウム（Ｇａ）と窒素（Ｎ）とを含んだ窒化ガリウム系化合物のことであり、例えばＧａＮ，ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウム・ガリウム）混晶，あるいはＡｌＧａＩｎＮ（窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム）混晶などが挙げられる。これらは、必要に応じてＳｉ（シリコン），Ｇｅ（ゲルマニウム），Ｏ（酸素），Ｓｅ（セレン）などのＩＶ族およびＶＩ族元素からなるｎ型不純物、または、Ｍｇ（マグネシウム），Ｚｎ（亜鉛），Ｃ（炭素）などのＩＩ族およびＩＶ族元素からなるｐ型不純物を含有している。

この半導体レーザ素子１は、ｎ型の基板１１の上に、ｎ側コンタクト層１２，ｎ型クラッド層１３，活性層１４，ｐ型クラッド層１５およびｐ側コンタクト層１６をこの順に積層してなる半導体層を備える。なお、ｎ側コンタクト層１２およびｎ型クラッド層１３が本発明の第１導電型層に対応し、ｐ型クラッド層１５およびｐ側コンタクト層１６が本発明の第２導電型層に対応する。

基板１１は、導電性を有するものであり、例えばｎ型のＧａＮ基板により構成される。なお、ｎ型不純物としてＰ（リン）またはＮ（窒素）がドープされたＳｉＣ（炭化ケイ素）基板により構成されていてもよい。

ｎ側コンタクト層１２は、例えば、厚さが１．５μｍのｎ型ＧａＮにより構成され、ｎ型クラッド層１３は、例えば、厚さが１．０μｍのｎ型ＡｌＧａＮにより構成される。

活性層１４は、例えば、厚さが３０ｎｍの、互いに組成の異なるＧａ_x Ｉｎ_1-x Ｎ（但し、ｘ≧０）によりそれぞれ形成された井戸層とバリア層との多重量子井戸構造を有している。この活性層１４は、電流が注入される電流注入領域が発光領域として機能するようになっている。

ｐ型クラッド層１５は、例えば、厚さが０．８μｍのｐ型ＡｌＧａＮにより構成される。ｐ側コンタクト層１６は、例えば、厚さ０．５μｍのｐ型ＧａＮにより構成される。

ｐ側コンタクト層１６からｎ側コンタクト層１２の一部までは、図１に示したように、紙面に対し垂直方向に延在してなる帯状の凸部となっており、ｎ側コンタクト層１２の一部が露出している。また、ｐ側コンタクト層１６、およびｐ型クラッド層１５の上部には、上記凸部と同じ方向に延在する細い帯状のリッジ部２２が設けられている。このリッジ部２２は電流狭窄部を構成しており、この電流狭窄部によって活性層１４に対して局所的に電流が注入されるようになっている。

リッジ部２２の側面からｐ型クラッド層１５の表面までの連続した表面（以下、表面Ａとする。）上には、第１絶縁層１７と第２絶縁層１８とがこの順に積層して設けられている。なお、表面Ａと第１絶縁層１７との間に何らかの層、例えば表面Ａと第１絶縁層１７との密着性を高めるための層などが配置されていてもよい。

これら第１絶縁層１７および第２絶縁層１８は、共通の母材により構成される。具体的には、第１絶縁層１７は、例えば３００ｎｍ程度の膜厚の、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＳｉＣ（シリコンカーバイト）またはＧａＮなどの酸素を含有していない絶縁材料を含んで構成され、従来からリッジ部２２の側面やｐ型クラッド層１５の表面などを覆う材料として用いられているＳｉＯ２やＺｒＯｘなどと比べて高い熱伝導率を有する。

第２絶縁層１８は、その第１絶縁層１７の表面を例えば水蒸気などで酸化することにより形成されており、第１絶縁層１７がＡｌＮの場合はＡｌＮＯｘ、第１絶縁層１７がＢＮの場合はＢＮＯｘ、第１絶縁層１７がＳｉＣの場合はＳｉＯ２、第１絶縁層１７がＧａＮの場合はＧａＮＯｘによりそれぞれ構成される。また、第２絶縁層１８は、表面酸化を利用することにより形成されていることから、蒸着法やスパッタ法などにより形成された場合よりも薄くて、しかもピンホールなどの欠陥の無い薄膜により構成される。したがって、第２絶縁層１８は、薄くても高い絶縁性を有する。

なお、第２絶縁層１８は、高い絶縁性を維持できる最低限度の厚さを有していればよく、例えば０ｎｍより厚く１００ｎｍより薄い膜厚を有することが好ましく、０ｎｍより厚く１０ｎｍより薄い膜厚を有することがより好ましい。上記したように、第２絶縁層１８は酸化物により構成されているので、膜厚を厚くすると放熱性が低下するからである。ただし、膜厚をあまりにも薄くすると、膜厚の制御が困難となるので、１ｎｍ程度の膜厚とするのが最も好ましい。

このように、第２絶縁層１８の厚さを、高い絶縁性を維持できる最低限度の厚さとすることにより、絶縁性と放熱性とを両立させることが可能となる。したがって、第２絶縁層１８は、高い絶縁性と高い放熱性とを兼ね備えている。

なお、第１絶縁層１７および第２絶縁層１８が、表面Ａ上にこの順に積層されているのは、一般に酸化物は金属との接触性が良いことから、後述するように金属からなるｐ側電極１９の形成される表面上に絶縁物からなる第２絶縁層１８を形成した方が、絶縁物を含まない第１絶縁層１７を形成した場合と比べて、半導体層とｐ側電極１９との接触性を向上させることができるからである。また、このような順に積層した方が、相対的に放熱性の低い第２絶縁層１８を介することなく、相対的に放熱性の高い第１絶縁層１７から、活性層１２で発生した熱を放散させることができ、放熱効率が良いからである。

また、第１絶縁層１７および第２絶縁層１８は、上記したような構成を有しており、かつ、表面Ａ上に設けられていることから、電流は第１絶縁層１７および第２絶縁層１８の設けられていない領域、すなわちリッジ部２２の上面からしか活性層１４へ流れ込めないようになっている。したがって、第１絶縁層１７および第２絶縁層１８は、電流狭窄機能を有する。

リッジ部２２の上面、すなわち、ｐ側コンタクト層１６の表面から第２絶縁層１８の表面までの連続した表面上にはｐ側電極１９（金属層）が設けられており、ｐ側コンタクト層１６と電気的に接続されている。一方、ｎ側コンタクト層１２の露出領域にはｎ側電極２０が設けられており、ｎ側コンタクト層１２と電気的に接続されている。

また、ｐ側電極１９は配線層２１と電気的に接続されており、その配線層２１と電気的に接続された配線２３を介して正側電源（図示せず）に接続されている。ｎ側電極２０は配線２４と電気的に接続されており、その配線２４を介して負側電源（図示せず）に接続されている。ここで、ｐ側電極１９、ｎ側電極２０および配線層２１は、例えば厚さ１５ｎｍのＴｉ（チタン）／厚さ３０ｎｍのＰｔ（白金）／厚さ１０００ｎｍのＡｕ（金）をこの順に積層して構成される。

なお、ｐ側電極１９および配線層２１において、第２絶縁層１８の表面と接する層は、上記したＴｉの他に、Ｎｉ（ニッケル）またはＰｄ（パラジウム）により構成されていてもよい。また、ｐ側電極１９および配線層２１は、上述のように金属で構成されているので、第２絶縁層１８から放散されてきた熱を充分に放散できる程度の表面積（もしくは厚さ）を有することが好ましく、例えば厚さが１μｍ以上であることが好ましい。また、配線２３も、上述のように金属で構成されているので、配線層２１から放散されてきた熱を充分に放散できる程度の総表面積（もしくは総断面積）を有することが好ましく、例えば総断面積が９８１μｍ² 以上であることが好ましい。

また、リッジ部２２の延在方向（軸方向）に対して垂直な面には、一対の反射鏡膜（図示せず）が形成されている。一対の反射鏡膜の一方（主出射側）は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）により構成され、低反射率となるように調整されている。これに対して他方の反射鏡膜は、例えば酸化アルミニウム層と非晶質珪素（アモルファスシリコン）層とを交互に積層して構成され、高反射率となるように調整されている。これにより、活性層１４の発光領域において発生した光は一対の反射鏡膜の間を往復して増幅され、低反射率側の反射鏡膜からビームとして射出されるようになっている。

また、この半導体レーザ１は、例えばＳｎ（錫）からなる半田層２５により例えば、Ｃｕ（銅）により形成されたヒートシンク２６上に実装されており、熱的に接続、すなわち、発生した熱をヒートシンク２６を介して放散させるようになっている。

このような構成を有する半導体レーザ素子１は、例えば次のようにして製造することができる。

半導体レーザ素子１を製造するためには、ＧａＮ基板１１上の半導体層を、例えば、ＭＯＣＶＤ法により形成する。この際、窒化物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アンモニア (ＮＨ₃)を用いる。

具体的には、まず、基板１１上に、ｎ側コンタクト層１２，ｎ型クラッド層１３，活性層１４，ｐ型クラッド層１５およびｐ型コンタクト層１６をこの順に積層する。

次に、ｐ側コンタクト層１６およびｐ型クラッド層１５を例えばドライエッチング法により細い帯状の凸部となるようにパターンニングし、リッジ部２２を形成する。続いて、ｐ型クラッド層１５からｎ側コンタクト層１２の所定部分までを例えばドライエッチング法により除去してｎ側コンタクト層１２の一部領域を露出させる。

次に、図３（Ａ）に示したように、リッジ部２２の上面、および表面Ａ上に、ＡｌＮ、ＢＮ、ＳｉＣまたはＧａＮなどの酸素を含有していない絶縁材料１７Ａ、例えばＡｌＮを蒸着またはスパッタリングにより形成したのち、図３（Ｂ）に示したように、その表面を例えば水蒸気などに曝すことにより酸化させる。これにより、絶縁材料１７Ａの表面に酸化物１７Ｂ、例えばＡｌＮＯｘが形成される。その後、図３（Ｃ）に示したように、絶縁材料１７Ａおよび酸化物１７Ｂのうちリッジ部２２の上面に対応する領域をエッチングにより除去する。これにより、表面Ａ上に、絶縁材料１７Ａからなる第１絶縁層１７と、酸化物１７Ｂからなる第２絶縁層１８がこの順に積層して形成される。なお、図３（Ａ）〜（Ｃ）は、リッジ部２２およびその周辺領域の断面構成を表すものである。

次に、ｐ側コンタクト層１６の表面から第２絶縁層１８の表面までの連続した表面上にｐ側電極１９を、ｎ側コンタクト層１２の露出領域上にｎ側電極２０をそれぞれ形成する。このようにして、本実施の形態の半導体レーザ素子１が製造される。

次に、このようにして得られた半導体レーザ素子１を半田層２５によってヒートシンク２６上に固着させる。

このようにしてヒートシンク２６上に実装された半導体レーザ素子１では、ｐ側電極１９とｎ側電極２０との間に所定の電圧が印加されると、活性層１４に電流が注入され、電子−正孔再結合によって発光が起きる。この光は、両端の反射鏡膜によって反射されてレーザ発振し、ビームとなって外部に射出される。

このとき、半導体レーザ素子１内では、高電流密度によるジュール熱が発生しているが、このジュール熱はヒートシンク２６側へ放散されると共に、第１絶縁層１７および第２絶縁層１８を介してリッジ部２２側へ放散される。

このように、本実施の形態の半導体レーザ素子１では、放熱性の考慮された電流狭窄用の絶縁層（第１絶縁層１７および第２絶縁層１８）を用いるようにしているので、ジュール熱を双方向へ放散させることができる。これにより、熱抵抗が下がり、効率よく放散することができ、その結果、放熱効率を向上させることができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく種々変形可能である。

例えば、上記実施の形態では、半導体レーザ素子１として窒化物半導体レーザを挙げ、その組成および構成について具体的に例示して説明したが、本発明は、他の組成や構造を有する半導体レーザ素子についても同様に適用することができるものである。

また、上記実施の形態では、ｎ側電極２０をｎ側コンタクト層１２の露出領域に設けるようにしていたが、基板１１の裏面側に設けるようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、半導体レーザ素子１をヒートシンク２６上にｐサイドアップとなるように固着していたが、ｐサイドダウンとなるように固着してもよい。このような構成とした場合には、上記実施の形態よりもリッジ部２２がヒートシンク２６寄りに配置されることとなるので、ジュール熱は、上記実施の形態よりもヒートシンク２６を介してより多く放散されるようになる。このように、ｐサイドダウンとした場合の方がｐサイドアップとした場合よりも、熱抵抗がより下がり、より効率よく放散することができ、その結果、放熱効率をより向上させることができる。

また、上記実施の形態では、電流狭窄用の絶縁層を、高い熱伝導率を有する第１絶縁層１７と、高い絶縁性および高い放熱性を有する第２絶縁層１８とにより構成するようにしていたが、図４に示したように、第１絶縁層１７と、第２絶縁層１８と、第２絶縁層１８のうちｐ型クラッド層１５と対応する領域上に設けられた第１絶縁層２７と、第１絶縁層２７上に設けられた第２絶縁層２８とにより構成するようにしてもよい。

ここで、これら第１絶縁層２７および第２絶縁層２８は、第１絶縁層１７および第２絶縁層１８と同様、共通の母材により構成される。具体的には、第１絶縁層２７は、第１絶縁層１７と同様、酸素を含有していない絶縁材料を含んで構成され、ＳｉＯ２やＺｒＯｘなどと比べて高い熱伝導率を有する。一方、第２絶縁層２８は、第２絶縁層１８と同様、第１絶縁層２７の表面を例えば水蒸気などで酸化することにより形成されている。これにより、第２絶縁層２８は、第２絶縁層１８と同様、膜厚が薄いにも拘わらず、高い絶縁性および高い放熱性を有する。

このような構成とすることにより、半導体レーザ素子１の容量を小さくすることができる。これにより、放熱性を向上させると共に、変調特性を向上させることができる。

本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ素子の概略構成を表す断面図である。 図１の半導体レーザ素子の概略構成を表す斜視図である。 図１の半導体レーザ素子の製造工程の一部を説明するための断面図である。 図１の半導体レーザ素子の変形例の概略構成を表す断面図である。

符号の説明

１…半導体レーザ素子、１１…基板、１２…ｎ側コンタクト層、１３…ｎ型クラッド層、１４…活性層、１５…ｐ型クラッド層、１６…ｐ側コンタクト層、１７…第１絶縁層、１７Ａ…絶縁材料、１７Ｂ…酸化物、１８…第２絶縁層、１９…ｐ側電極、２０…ｎ側電極、２１…配線層、２２…リッジ部、２３，２４…配線、２５…半田層、２６…ヒートシンク。

Claims (5)

1. 基板上に第１導電型層，活性層および第２導電型層をこの順に積層して構成された半導体層を備えると共に、前記第２導電型層の上部にストライプ状のリッジ部を有する半導体レーザ素子であって、
   前記リッジ部の側面から前記第２導電型層の表面までの連続した表面上に形成され、ＡｌＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮを含んで構成された第１絶縁層と、
   前記第１絶縁層の表面を酸化することにより形成された第２絶縁層と
   を備えた半導体レーザ素子。
2. 前記第２絶縁層は、０ｎｍより大きく１０ｎｍより小さな膜厚を有する
   請求項１記載の半導体レーザ素子。
3. 前記第２絶縁層の表面上に多層構造の金属層を備え、
   この金属層のうち前記第２絶縁層の表面と接する層は、Ｔｉ、ＮｉまたはＰｄを含んで構成される
   請求項１記載の半導体レーザ素子。
4. 前記金属層は、１μｍ以上の膜厚を有する
   請求項３記載の半導体レーザ素子。
5. 前記リッジ部の上部側に放熱部材を備える
   請求項１記載の半導体レーザ素子。

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