DE112021005129T5

DE112021005129T5 - Halbleiter-Laserelement

Info

Publication number: DE112021005129T5
Application number: DE112021005129.6T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki HAGINO
Original assignee: Panasonic Holdings Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2021-07-08
Publication date: 2023-07-20
Also published as: WO2022070544A1; JPWO2022070544A1; US20230223740A1

Abstract

Ein Halbleiterlaserelement (1) emittiert Laserlicht und ist versehen mit einem Substrat (10), einer ersten Halbleiterschicht (20), die über dem Substrat (10) angeordnet ist, einer lichtemittierenden Schicht (30), die über der ersten Halbleiterschicht (20) angeordnet ist, einer zweiten Halbleiterschicht (40), die über der lichtemittierenden Schicht (30) angeordnet ist, und einer dielektrischen Schicht (60), die über der zweiten Halbleiterschicht (40) angeordnet ist, wobei: die zweite Halbleiterschicht (40) einen Wellenleiterabschnitt (40a) zum Leiten von Laserlicht aufweist; die Breite wenigstens eines Abschnitts des Wellenleiterabschnitts (40a) relativ zu der Position der Längsrichtung eines Resonators, die die Richtung der längeren Seite des Wellenleiterabschnitts (40a) ist, moduliert wird; der Wellenleiterabschnitt (40a) einen ersten Wellenleiterabschnitt (40a1) und einen zweiten Wellenleiterabschnitt (40a2) aufweist, der breiter ist als der erste Wellenleiterabschnitt (40a1); und der Unterschied in dem effektiven Brechungsindex zwischen der Innenseite des Wellenleiterabschnitts (40a) und der Außenseite des Wellenleiterabschnitts (40a) in dem zweiten Wellenleiterabschnitt (40a2) größer ist als in dem ersten Wellenleiterabschnitt (40a1).

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Halbleiterlaserelement, das einen Wellenleiter enthält, dessen Breite in Bezug auf die Position in Richtung der Resonatorlänge moduliert wird.
[Hintergrund der Erfindung]
In den letzten Jahren erregt ein Halbleiterlaserelement als Lichtquelle in verschiedenen Anwendungen Aufmerksamkeit. Beispiele für eine derartige Lichtquelle sind eine Lichtquelle für eine Bildanzeigevorrichtung, wie beispielsweise ein Display oder ein Projektor, eine Lichtquelle für einen Fahrzeugscheinwerfer, eine Lichtquelle für eine Industrie- oder Verbraucherbeleuchtung oder eine Lichtquelle für eine Industrieausrüstung, wie beispielsweise eine Laserschweißvorrichtung, eine Dünnfilmglühvorrichtung oder eine Laserzerspanungsvorrichtung. Darüber hinaus soll ein Halbleiterlaserelement, das als Lichtquelle in einer der vorgenannten Anwendungen eingesetzt wird, eine hohe Strahlqualität und eine hohe Ausgangsleistung haben, die weit über eine optische Leistung von einem Watt hinausgeht.
Um eine hohe Strahlqualität zu erreichen, ist es wünschenswert, dass ein Laser in der Grundmode (d.h. in der transversalen Grundmode) oszilliert. Bei einer Technik zum Erzielen eines Betriebs in der Grundmode wird die Breite eines Wellenleiters in einem Laser klein gehalten und der Laser in einem Zustand betrieben, in dem optisch keine Mode höherer Ordnung vorhanden ist (in einem Cutoff-Zustand). Ein Wellenleiter mit einer größeren Breite (ein breiter Streifen) ist jedoch vorteilhafter, wenn es darum geht, eine hohe Ausgangsleistung zu erreichen, weshalb die transversale Mode des Laserlichts mit einer hohen Ausgangsleistung, die eine optische Leistung von einem Watt übersteigt, häufig eine Mode höherer Ordnung ist. In der folgenden Beschreibung wird eine Mode höherer Ordnung in transversaler Richtung einfach auch als Mode höherer Ordnung bezeichnet.
Die Patentliteratur 1 offenbart ein herkömmliches Halbleiterlaserelement 1000. 6 ist eine Draufsicht auf das in der Patentliteratur 1 offenbarte herkömmliche Halbleiterlaserelement 1000.
Wie in 6 dargestellt, umfasst das herkömmliche Halbleiterlaserelement 1000 einen Lichtwellenleitermechanismus 1001 mit rauer Oberfläche und einen Wellenleitermechanismus 1002 mit paralleler Gleitfläche. Der Lichtwellenleitermechanismus 1001 mit rauer Oberfläche hat eine zerklüftete Form und ist an einem mittleren Abschnitt in einer Wellenleitrichtung jeder Seitenfläche eines streifenförmigen Stegabschnitts vorgesehen. Der Wellenleitermechanismus 1002 mit paralleler Gleitfläche ist an jedem Endabschnitt in der Wellenleitrichtung vorgesehen. Dieser Lichtwellenleitermechanismus 1001 mit rauer Oberfläche bewirkt den Verlust einer Mode höherer Ordnung, so dass der Anteil der Grundmode erhöht werden kann.
[Literaturverzeichnis]
[Patentliteratur]
[PTL 1] Ungeprüfte japanische Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. 9-246664
[Übersicht über die Erfindung]
[Technisches Problem]
Trotzdem kann es bei dem in der Patentliteratur 1 beschriebenen Halbleiterlaserelement 1000 nicht nur zu einem Verlust einer Mode höherer Ordnung kommen, sondern auch zu einem Anstieg des Verlusts der Grundmode. Wenn das Verhältnis der Grundmode abnimmt, kann die Strahlqualität daher abnehmen.
Die vorliegende Offenbarung zielt darauf ab, ein Halbleiterlaserelement mit hoher Strahlqualität anzugeben.
[Lösung des Problems]
Um das oben beschriebene Problem zu lösen, ist ein Aspekt eines Halbleiterlaserelements gemäß der vorliegenden Offenbarung ein Halbleiterlaserelement, das Laserlicht emittiert, wobei das Halbleiterlaserelement umfasst: ein Substrat; eine erste Halbleiterschicht oberhalb des Substrats; eine lichtemittierende Schicht oberhalb der ersten Halbleiterschicht; eine zweite Halbleiterschicht oberhalb der lichtemittierenden Schicht; eine zweite Halbleiterschicht über der lichtemittierenden Schicht; und eine dielektrische Schicht über der zweiten Halbleiterschicht, wobei die zweite Halbleiterschicht einen Wellenleiter enthält, der das Laserlicht leitet, eine Breite von wenigstens einem Abschnitt des Wellenleiters in Bezug auf eine Position in einer Richtung der Resonatorlänge moduliert wird, die Richtung eine Längsrichtung des Wellenleiters ist, der Wellenleiter einen ersten Wellenleiter und einen zweiten Wellenleiter umfasst, der breiter ist als der erste Wellenleiter, und ein Unterschied zwischen einem effektiven Brechungsindex innerhalb des Wellenleiters und einem effektiven Brechungsindex außerhalb des Wellenleiters in dem zweiten Wellenleiter größer ist als in dem ersten Wellenleiter.
Mit dieser Konfiguration kann der Verlust der Grundmode des Laserlichts in dem ersten Wellenleiter reduziert werden, wenn der Wellenleiter eine geringe Breite hat. Zusammen mit diesem Effekt kann der Anteil der Grundmode mit höherer Strahlqualität in dem Laserlicht, das das Halbleiterlaserelement 1 emittiert, erhöht werden, wodurch ein Halbleiterlaserelement 1 mit hoher Strahlqualität erreicht werden kann.
Darüber hinaus kann in einem Aspekt des Halbleiterlaserelements gemäß der vorliegenden Offenbarung ein Winkel, der durch eine Seitenfläche ausgebildet ist, die sich mit einer Breitenrichtung des Wellenleiters und der Richtung der Resonatorlänge schneidet, größer als ein kritischer Winkel an dem ersten Wellenleiter und kleiner als der kritische Winkel an dem zweiten Wellenleiter sein, wobei der kritische Winkel durch den effektiven Brechungsindex innerhalb des Wellenleiters und den effektiven Brechungsindex außerhalb des Wellenleiters definiert sein kann.
Durch diese Konfiguration kann verhindert werden, dass die Grundmode in dem ersten Wellenleiter reflektiert wird. So kann ein Halbleiterlaserelement mit hoher Strahlqualität erzielt werden.
Darüber hinaus kann in einem Aspekt des Halbleiterlaserelements gemäß der vorliegenden Offenbarung die zweite Halbleiterschicht außerhalb des ersten Wellenleiters dicker sein als außerhalb des zweiten Wellenleiters.
Bei dieser Konfiguration kann der Unterschied zwischen dem effektiven Brechungsindex des ersten Wellenleiters und dem effektiven Brechungsindex des ersten ebenen Abschnitts kleiner gemacht werden als der Unterschied zwischen dem effektiven Brechungsindex des zweiten Wellenleiters und dem effektiven Brechungsindex des zweiten ebenen Abschnitts.
Darüber hinaus kann in einem Aspekt des Halbleiterlaserelements gemäß der vorliegenden Offenbarung die dielektrische Schicht einen kleineren Brechungsindex haben als die zweite Halbleiterschicht.
Diese Konfiguration ermöglicht es, das Laserlicht in der zweiten Halbleiterschicht einzufangen.
[Vorteilhafte Effekte der Erfindung]
Mit der vorliegenden Offenbarung kann ein Halbleiterlaserelement mit hoher Strahlqualität angegeben werden.
Figurenliste

1A ist eine schematische Draufsicht, die eine Konfiguration eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
1B ist eine schematische erste Schnittansicht, die eine Konfiguration eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
1C ist eine schematische zweite Schnittansicht, die eine Konfiguration eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
1D ist ein Diagramm, das ein Ergebnis der Berechnung einer Beziehung zwischen dem kritischen Winkel und des Unterschieds (ni - no) zwischen den effektiven Brechungsindizes innerhalb und außerhalb eines Wellenleiters gemäß einer Ausführungsform darstellt.
2A ist eine schematische Schnittansicht, die einen ersten Schritt eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2B ist eine schematische Schnittansicht, die einen zweiten Schritt eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2C ist eine schematische Schnittansicht, die einen dritten Schritt eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2D ist eine schematische Draufsicht, die einen dritten Schritt eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2E ist eine schematische Schnittansicht, die einen vierten Schritt eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2F ist eine schematische Draufsicht, die einen vierten Schritt eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2G ist eine schematische Schnittansicht, die einen fünften Schritt eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2H ist eine schematische Draufsicht, die einen fünften Schritt eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2I ist eine schematische Schnittansicht, die einen sechsten Schritt eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2J ist eine schematische Draufsicht, die einen sechsten Schritt eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2K ist eine schematische Schnittansicht, die einen siebten Schritt eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2L ist eine schematische Schnittansicht, die einen achten Schritt eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2M ist eine schematische Schnittansicht, die einen neunten Schritt eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2N ist eine schematische Schnittansicht, die einen zehnten Schritt eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
3A ist eine schematische Draufsicht auf eine Halbleiterlaservorrichtung mit einem Halbleiterlaserelement gemäß einer Ausführungsform.
3B ist eine schematische Schnittansicht einer Halbleiterlaservorrichtung mit einem Halbleiterlaserelement gemäß einer Ausführungsform.
4A ist eine Draufsicht, die in vereinfachter Weise die Konfiguration eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
4B ist eine Darstellung, die eine Verteilung der effektiven Brechungsindizes in einem Halbleiterlaserelement entlang des in 4A gezeigten IVB-IVB-Schnitts zeigt.
4C ist eine Darstellung, die eine Verteilung der effektiven Brechungsindizes in einem Halbleiterlaserelement entlang des in 4A gezeigten IVC-IVC-Schnitts zeigt.
5A ist ein Diagramm, das ein Ergebnis einer Berechnung einer Beziehung zwischen dem Umfang der Änderung von Δn und dem Lichtverlust der Grundmode zeigt.
5B ist ein Diagramm, das ein Ergebnis einer Berechnung der Beziehung zwischen dem Umfang der Änderung von Δn und BPP zeigt.
6 ist eine Draufsicht auf ein herkömmliches Halbleiterlaserelement, das in der Patentliteratur 1 offenbart ist.

[Beschreibung von Ausführungsformen]
Nachfolgend werden einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen lediglich spezifische Beispiele der vorliegenden Offenbarung darstellen. Daher sind die Zahlenwerte, die Formen, die Materialien, die Bestandteile, die Anordnungspositionen und die Verbindungsarten der Bestandteile usw., die gemäß den folgenden Ausführungsformen dargestellt werden, lediglich Beispiele und sollen die vorliegende Offenbarung nicht einschränken.
Außerdem handelt es sich bei den Zeichnungen um schematische Darstellungen, die nicht notwendigerweise die exakten Abbildungen wiedergeben. Daher stimmen die Maßstäbe usw. in den Zeichnungen nicht unbedingt überein. In den beigefügten Zeichnungen sind im Wesentlichen identische Komponenten mit identischen Bezugszeichen versehen, weshalb auf eine doppelte Beschreibung derselben verzichtet wird oder diese vereinfacht ist.
In der vorliegenden Beschreibung werden die Begriffe „über“ und „unter“ nicht nur als Begriffe verwendet, die eine Aufwärtsrichtung (vertikal über) und eine Abwärtsrichtung (vertikal unter) in der absoluten räumlichen Wahrnehmung angeben, sondern auch als Begriffe, die relative Positionsbeziehungen definieren, die auf der Reihenfolge beruhen, in der Ebenen in einer Ebenenstruktur übereinander gestapelt sind. Darüber hinaus werden die Begriffe „über“ und „unter“ nicht nur in einem Fall verwendet, in dem zwei fragliche Bestandteile mit einem Zwischenraum dazwischen angeordnet sind und ein weiterer Bestandteil zwischen diesen beiden Bestandteilen liegt, sondern auch in einem Fall, in dem zwei fragliche Bestandteile so angeordnet sind, dass sie miteinander in Kontakt stehen.
In der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen stellen die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse die drei Achsen eines dreidimensionalen orthogonalen Koordinatensystems dar. Die X-Achse und die Y-Achse sind orthogonal zueinander und beide orthogonal zu der Z-Achse.
[Ausführungsform 1]
Es wird ein Halbleiterlaserelement gemäß Ausführungsform 1 beschrieben.
[Konfiguration eines Halbleiterlaserelements]
Zunächst wird eine Konfiguration eines Halbleiterlaserelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 1A, 1B und 1C beschrieben. 1A ist eine schematische Draufsicht, die eine Konfiguration des Halbleiterlaserelements 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt, und 1 B und 1C sind jeweils eine schematische Schnittansicht, die eine Konfiguration des Halbleiterlaserelements 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigen. 1B zeigt einen Schnitt durch das Halbleiterlaserelement 1 entlang der in 1A angegebenen IB-IB-Linie. 1C zeigt einen Schnitt durch das Halbleiterlaserelement 1 entlang der in 1A gezeigten IC-IC-Linie.
Das Halbleiterlaserelement 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein Element, das Laserlicht emittiert. Wie in 1B dargestellt, umfasst das Halbleiterlaserelement 1 ein Substrat 10, eine erste Halbleiterschicht 20, eine lichtemittierende Schicht 30, eine zweite Halbleiterschicht 40 und eine dielektrische Schicht 60, Gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst das Halbleiterlaserelement 1 weiterhin ein Elektrodenelement 50 und eine n-seitige Elektrode 80. Das Halbleiterlaserelement 1 enthält einen Resonator, der durch die vordere Stirnfläche Cf und die hintere Stirnfläche Cr ausgebildet ist, und emittiert Laserlicht über die vordere Stirnfläche Cf.
Das Substrat 10 ist zum Beispiel ein GaN-Substrat. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird ein hexagonales GaN-Substrat vom n-Typ, dessen Hauptebene die (0001)-Ebene ist, als Substrat 10 verwendet. Das Substrat 10 kann eine beliebige Dicke haben, die es ermöglicht, das Substrat 10 zu spalten, wenn das Halbleiterlaserelement 1 vereinzelt wird, wobei das Substrat 10 beispielsweise eine Dicke von mehr als oder gleich 50 µm und weniger als oder gleich 130 µm hat. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat das Substrat 10 eine Dicke von 90 µm.
Die erste Halbleiterschicht 20 ist eine Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps und befindet sich über dem Substrat 10. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält die erste Halbleiterschicht 20 ein Nitrid-Halbleitermaterial. Insbesondere ist die erste Halbleiterschicht 20 eine n-seitige Plattierschicht, die aus n-Typ Al_0,03Ga_0,97N besteht und eine Dicke von 3 µm hat. Es wird darauf hingewiesen, dass die Dicke und die Al-Zusammensetzung der ersten Halbleiterschicht 20 nicht auf das obige Beispiel beschränkt sind. Zum Beispiel kann die erste Halbleiterschicht 20 eine Dicke von mehr als oder gleich 0,5 µm und weniger als oder gleich 5,0 µm haben, wobei die Al-Zusammensetzung der ersten Halbleiterschicht 20 durch n-Typ Al_xGa_1-xN (0 < x < 1) ausgedrückt werden kann. Außerdem kann die erste Halbleiterschicht 20 eine andere n-Typ-Halbleiterschicht als n-Typ-Al_0,03Ga_0,97N enthalten. Wenn die Dicke und/oder die Al-Zusammensetzung der n-seitigen Plattierschicht zu groß ist, können Probleme auftreten, wie beispielsweise das Auftreten eines Risses, der durch einen Unterschied zwischen der Gitterkonstante der n-seitigen Plattierschicht und der Gitterkonstante des GaN-Substrats verursacht wird, oder ein Anstieg der Betriebsspannung, der durch einen Anstieg des Reihenwiderstands verursacht wird.
Die lichtemittierende Schicht 30 ist über der ersten Halbleiterschicht 20 angeordnet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält die lichtemittierende Schicht 30 ein Nitrid-Halbleitermaterial. Insbesondere weist die lichtemittierende Schicht 30 eine Schichtstruktur auf, die eine n-seitige Lichtleiterschicht 31, die aus n-Typ GaN besteht und eine Dicke von 0,2 µm hat, eine aktive Schicht 32, in der eine In_0,06Ga_0,94N-Quantentopfschicht mit einer Dicke von 5 nm zwischen einer In_0,02Ga_0,98N-Barriereschicht mit einer Dicke von 10 nm liegt, und eine p-seitige Lichtleiterschicht 33, die aus p-Typ GaN besteht und eine Dicke von 0,1 µm hat, umfasst. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst die aktive Schicht 32 zwei Quantentopfschichten, wobei jede der Quantentopfschichten von einer Barriereschicht umschlossen ist. In diesem Beispiel ist die Anzahl der Quantentopfschichten nicht auf zwei beschränkt; es können auch eine Quantentopfschicht oder drei oder mehr Quantentopfschichten vorgesehen sein. Darüber hinaus sind die Zusammensetzung und die Dicke jeder Quantentopfschicht und jeder Barriereschicht nicht auf die obigen Angaben beschränkt, wobei jede Quantentopfschicht und jede Barriereschicht eine beliebige Zusammensetzung und eine beliebige Dicke aufweisen kann, die es der lichtemittierenden Schicht 30 ermöglichen, Licht bei mehr als oder gleich etwa 400 nm und weniger als oder gleich etwa 470 nm zu emittieren.
Die zweite Halbleiterschicht 40 ist eine Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps und befindet sich über der lichtemittierenden Schicht 30. Die zweite Halbleiterschicht 40 umfasst einen Wellenleiter 40a, der Laserlicht leitet. In diesem Beispiel ist der zweite Leitfähigkeitstyp ein Leitfähigkeitstyp, der sich von dem ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält die zweite Halbleiterschicht 40 ein Nitrid-Halbleitermaterial. Insbesondere weist die zweite Halbleiterschicht 40 eine Schichtstruktur auf, die die Elektronenbarriereschicht 41, die aus Al_0,35Ga_0,65N besteht und eine Dicke von 10 nm aufweist, die p-seitige Plattierschicht 42, die aus einem gespannten Übergitter mit einer Dicke von 0,66 µm besteht und durch 220 wiederholte Zyklen von p-Typ Al_0.06Ga_0.94N mit einer Dicke von 1,5 nm und p-Typ GaN mit einer Dicke von 1,5 nm ausgebildet ist, und die p-seitige Kontaktschicht 43 umfasst, die aus p-Typ GaN besteht und eine Dicke von 0,05 µm hat. Dabei ist die p-seitige Kontaktschicht 43 als oberste Schicht des Wellenleiters 40a ausgebildet. Es wird darauf hingewiesen, dass die Konfiguration der p-seitigen Plattierschicht 42 nicht auf die oben angegebene Konfiguration beschränkt ist. Zum Beispiel kann die p-seitige Plattierschicht 42 eine Dicke von mehr als oder gleich 0,3 µm und weniger als oder gleich 1 µm haben, wobei die Zusammensetzung der p-seitigen Plattierschicht 42 p-Typ Al_xGa_1-xN (0 < x < 1) sein kann.
Hier weist die p-seitige Plattierschicht 42 einen Vorsprung auf, der sich in Richtung der Resonatorlänge (d.h. in Richtung der Resonanz des Laserlichts) erstreckt. Der Vorsprungsabschnitt dieser p-seitigen Plattierschicht 42 und die p-seitige Kontaktschicht 43 bilden einen streifenförmigen Wellenleiter 40a (mit anderen Worten: eine Rippenform). Die p-seitige Plattierschicht 42 umfasst weiterhin einen ebenen Oberflächenabschnitt, der durch den ebenen Abschnitt 40b an jeder Seite des Wellenleiters 40a ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist die oberste Oberfläche jedes ebenen Abschnitts 40b die Oberfläche der p-seitigen Plattierschicht 42, wobei die p-seitige Kontaktschicht 43 nicht auf den obersten Oberflächen der ebenen Abschnitte 40b ausgebildet ist.
Wie in 1A dargestellt, wird die Breite wenigstens eines Abschnitts des Wellenleiters 40a in Bezug auf die Position in Richtung der Resonatorlänge moduliert, die die Längsrichtung des Wellenleiters 40a ist (d.h. in Richtung der in jeder Zeichnung angegebenen Y-Achse). Dabei ist die Breite des Wellenleiters 40a die Abmessung des Wellenleiters 40a in der Richtung senkrecht zu der Richtung der Resonatorlänge und senkrecht zu der Richtung der Dicke der zweiten Halbleiterschicht 40 (d.h. in der Richtung der in jeder Zeichnung angegebenen Z-Achse). Gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst der Wellenleiter 40a einen ersten Wellenleiter 40a1 und einen zweiten Wellenleiter 40a2, der eine größere Breite als der erste Wellenleiter 40a1 hat (d.h. eine größere Abmessung in Richtung der in jeder Zeichnung angegebenen X-Achse). Der erste Wellenleiter 40a1 und der zweite Wellenleiter 40a2 sind zyklisch abwechselnd in der Richtung der Resonatorlänge angeordnet. Jede Position, an der der erste Wellenleiter 40a1 und der zweite Wellenleiter 40a2 aneinander grenzen, kann nach Bedarf eingestellt werden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind derartige Grenzpositionen jeweils auf eine Position eingestellt, in der der Wellenleiter 40a eine Breite aufweist, die der mittleren Breite des Wellenleiters 40a entspricht.
Daneben variiert die Höhe des Wellenleiters 40a von der obersten Oberfläche des ebenen Abschnitts 40b (d.h. die Abmessung des Vorsprungsabschnitts des Wellenleiters 40a, der aus dem ebenen Abschnitt 40b herausragt, in Richtung der Z-Achse) in Abhängigkeit von der Position in Richtung der Resonatorlänge. Mit anderen Worten variiert die Dicke des Abschnitts der zweiten Halbleiterschicht 40, die außerhalb des Wellenleiters 40a liegt, je nach Position in Richtung der Resonatorlänge. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat der erste Wellenleiter 40a1 des Wellenleiters 40a eine geringere Höhe als der zweite Wellenleiter 40a2. Mit anderen Worten ist die Dicke des Abschnitts der zweiten Halbleiterschicht 40, die außerhalb des ersten Wellenleiters 40a1 liegt, größer als die Dicke des Abschnitts der zweiten Halbleiterschicht 40, die außerhalb des zweiten Wellenleiters 40a2 liegt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst jeder ebene Abschnitt 40b einen ersten ebenen Abschnitt 40b1, der sich auf jeder Seite des ersten Wellenleiters 40a1 des Wellenleiters 40a befindet, und einen zweiten ebenen Abschnitt 40b2, der sich auf jeder Seite des zweiten Wellenleiters 40a2 des Wellenleiters 40a befindet. Die Dicke des ersten ebenen Abschnitts 40b1 ist größer als die Dicke des zweiten ebenen Abschnitts 40b2. Insbesondere hat der erste Wellenleiter 40a1 des Wellenleiters 40a eine Höhe von 600 nm und der zweite Wellenleiter 40a2 eine Höhe von 650 nm. Bei dieser Konfiguration ist der Unterschied zwischen dem effektiven Brechungsindex innerhalb des Wellenleiters 40a und dem effektiven Brechungsindex außerhalb des Wellenleiters 40a in dem zweiten Wellenleiter 40a2 größer als in dem ersten Wellenleiter 40a1. Die detaillierte Konfiguration des Wellenleiters 40a wird später beschrieben.
Das Elektrodenelement 50 ist über der zweiten Halbleiterschicht 40 angeordnet. Das Elektrodenelement 50 ist breiter als der Wellenleiter 40a. Mit anderen Worten ist die Breite des Elektrodenelements 50 (d.h. die Breite in Richtung der in jeder Zeichnung angegebenen X-Achse) größer als die Breite des Wellenleiters 40a (d.h. die Breite in Richtung der in jeder Zeichnung angegebenen X-Achse). Das Elektrodenelement 50 steht in Kontakt mit der oberen Oberfläche der dielektrischen Schicht 60 und der oberen Oberfläche des Wellenleiters 40a.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst das Elektrodenelement 50 eine p-seitige Elektrode 51 zum Zuführen eines elektrischen Stroms und eine über der p-seitigen Elektrode 51 angeordnete Padelektrode 52.
Dabei ist die p-seitige Elektrode 51 in Kontakt mit der oberen Oberfläche des Wellenleiters 40a. Darüber hinaus ist die p-seitige Elektrode 51 eine ohmsche Elektrode, die in einem ohmschen Kontakt mit der p-seitigen Kontaktschicht 43 an der oberen Oberfläche des Wellenleiters 40a steht, wobei die p-seitige Elektrode 51 in Kontakt mit der oberen Oberfläche der p-seitigen Kontaktschicht 43 steht, die als obere Oberfläche des Wellenleiters 40a dient. Die p-seitige Elektrode 51 besteht beispielsweise aus einem Metallmaterial, wie Pd, Pt oder Ni. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat die p-seitige Elektrode 51 eine zweischichtige Struktur, die aus Pd/Pt besteht.
Die Padelektrode 52 ist breiter als der Wellenleiter 40a. Die Padelektrode 52 steht in Kontakt mit der dielektrischen Schicht 60, Mit anderen Worten ist die Padelektrode 52 derart ausgebildet, dass sie den Wellenleiter 40a und die dielektrische Schicht 60 bedeckt. Die Padelektrode 52 besteht beispielsweise aus einem Metallmaterial, wie Ti, Ni, Pt oder Au. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat die Padelektrode 52 eine dreischichtige Struktur, die aus Ti/Pt/Au besteht.
In diesem Beispiel, wie in 1A dargestellt, ist die Padelektrode 52 derart ausgebildet, dass sie in der dielektrischen Schicht 60 enthalten ist, wenn das Halbleiterlaserelement 1 von oben betrachtet wird (d.h. innerhalb der zweiten Halbleiterschicht 40), um die Ausbeute zu verbessern, wenn das Halbleiterlaserelement 1 vereinzelt wird. Wenn mit anderen Worten das Halbleiterlaserelement 1 von oben betrachtet wird, ist die Padelektrode 52 nicht an dem Umfangsrand des Halbleiterlaserelements 1 ausgebildet. Mit dieser Konfiguration kann das Halbleiterlaserelement 1 an seinem Umfangsrand einen Bereich aufweisen, in den kein elektrischer Strom eingespeist wird.
Die dielektrische Schicht 60 ist ein Isolierfilm, der auf den Seitenflächen des Wellenleiters 40a (d.h. auf den Flächen, die sich mit der X-Achse schneiden) ausgebildet ist, um das Licht in dem Wellenleiter 40a einzufangen. Die dielektrische Schicht 60 hat einen niedrigeren Brechungsindex als der der zweiten Halbleiterschicht 40. Die dielektrischen Schichten 60 sind kontinuierlich von den Seitenflächen des Wellenleiters 40a ausgebildet und erstrecken sich über die jeweiligen ebenen Abschnitte 40b. Die dielektrische Schicht 60 ist über der zweiten Halbleiterschicht 40 angeordnet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die dielektrische Schicht 60 um den Wellenleiter 40a herum derart ausgebildet, dass sie sich kontinuierlich über die Seitenflächen der p-seitigen Kontaktschicht 43, die Seitenflächen des vorstehenden Abschnitts der p-seitigen Plattierschicht 42 und die obere Oberfläche der p-seitigen Plattierschicht 42 erstreckt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die dielektrische Schicht 60 aus SiO₂ ausgebildet.
Für die Form der dielektrischen Schicht 60 gibt es keine besonderen Beschränkungen, wobei die dielektrische Schicht 60 mit den Seitenflächen des Wellenleiters 40a und mit den ebenen Abschnitten 40b in Kontakt sein kann. Diese Konfiguration ermöglicht es, das direkt unter dem Wellenleiter 40a erzeugte Licht stabil einzufangen.
Darüber hinaus ist bei einem Halbleiterlaserelement 1, das mit einer hohen Ausgangsleistung betrieben werden soll (d.h. einem Betrieb mit hoher Ausgangsleistung), ein Stirnflächenbeschichtungsfilm aus einem dielektrischen Mehrschichtfilm oder ähnlichem auf der vorderseitigen Stirnfläche Cf ausgebildet. Es ist schwierig, diesen Stirnflächenbeschichtungsfilm nur auf der Stirnfläche auszubilden, wobei sich der Stirnflächenbeschichtungsfilm auf die obere Oberfläche des Halbleiterlaserelements 1 erstreckt. Da in einem derartigen Fall die Padelektrode 52 nicht an den Endabschnitten des Halbleiterlaserelements 1 in der Richtung der Resonatorlänge (d.h. in der in jeder Zeichnung angegebenen Richtung der Y-Achse) ausgebildet ist, kann der Stirnflächenbeschichtungsfilm, wenn er sich auf die obere Oberfläche des Halbleiterlaserelements 1 erstreckt, mit der dielektrischen Schicht 60 an einem der Endabschnitte des Halbleiterlaserelements 1 in der Richtung der Resonatorlänge in Kontakt kommen. Wenn in diesem Fall die dielektrische Schicht 60 nicht ausgebildet ist oder wenn die Filmdicke der dielektrischen Schicht 60 zu gering ist, um das Licht einzufangen, wird das Licht durch den Stirnflächenbeschichtungsfilm beeinträchtigt, was zu einem Lichtverlust führen kann. Dementsprechend kann die Filmdicke der dielektrischen Schicht 60 größer als oder gleich 100 nm sein, um das in der lichtemittierenden Schicht 30 erzeugte Licht ausreichend einzufangen. Wenn daneben die Filmdicke der dielektrischen Schicht 60 zu groß ist, wird es schwierig, die Padelektrode 52 auszubilden. Daher kann die Filmdicke der dielektrischen Schicht 60 kleiner oder gleich der Höhe des Wellenleiters 40a sein.
Daneben können Ätzschäden in den Seitenflächen des Wellenleiters 40a und in den ebenen Abschnitten 40b bei dem Ätzprozess zurückbleiben, der ausgeführt wird, wenn der Wellenleiter 40a ausgebildet wird, wobei ein elektrischer Leckstrom erzeugt werden kann. Das Auftreten eines unnötigen elektrischen Leckstroms kann jedoch reduziert werden, wenn der Wellenleiter 40a und die ebenen Abschnitte 40b durch die dielektrische Schicht 60 abgedeckt sind.
Hier ist die n-seitige Elektrode 80 eine Elektrode, die unter dem Substrat 10 angeordnet ist und einen ohmschen Kontakt mit dem Substrat 10 herstellt. Die n-seitige Elektrode 80 ist zum Beispiel ein Schichtenfilm aus Ti/Pt/Au. Die Konfiguration der n-seitigen Elektrode 80 ist nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Die n-seitige Elektrode 80 kann auch eine Schicht sein, bei der Ti und Au übereinander gestapelt sind.
[Detaillierte Konfiguration des Wellenleiters]
Im Folgenden wird eine detaillierte Konfiguration des Wellenleiters 40a gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
Wie oben beschrieben, umfasst die zweite Halbleiterschicht 40 einen Wellenleiter 40a, der durch den streifenförmigen Vorsprungsabschnitt ausgebildet ist, der sich in Richtung der Resonatorlänge erstreckt (d.h. in Richtung der in jeder Zeichnung angegebenen Y-Achse), und ebene Abschnitte 40b, die sich jeweils in Querrichtung von dem Ursprung des Wellenleiters 40a erstrecken (d.h. in Richtung der in jeder Zeichnung angegebenen X-Achse).
Die Breite wenigstens eines Abschnitts des Wellenleiters 40a wird in Bezug auf die Position innerhalb des Wellenleiters 40a in Richtung der Resonatorlänge moduliert. Mit anderen Worten variiert die Breite des Wellenleiters 40a in Bezug auf die Position in Richtung der Resonatorlänge. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform variiert die Breite des Wellenleiters 40a kontinuierlich, wobei der erste Wellenleiter 40a1, bei dem es sich um einen Abschnitt mit einer geringeren Breite handelt, und der zweite Wellenleiter 40a2, der eine größere Breite als der erste Wellenleiter 40a1 aufweist, abwechselnd in Richtung der Y-Achse angeordnet sind. In diesem Beispiel, wie in 1A dargestellt, ist ein lokaler Maximalwert der Breite des Wellenleiters 40a mit Wa bezeichnet und ein lokaler Minimalwert der Breite mit Wb bezeichnet. Daneben ist der kürzeste Abstand in Richtung der Y-Achse von der Position, an der die Breite des Wellenleiters 40a ein lokales Maximum aufweist, zu der Position, an der die Breite des Wellenleiters 40a ein lokales Minimum aufweist und die sich auf der Seite befindet, die näher an der Vorderseite liegt (die sich auf der Oberseite in 1A befindet) als La definiert und der kürzeste Abstand in Richtung der Y-Achse von der Position, an der die Breite des Wellenleiters 40a ein lokales Maximum aufweist, zu der Position, an der die Breite des Wellenleiters 40a ein lokales Minimum aufweist und die sich auf der Seite befindet, die näher an der Rückseite liegt (die sich auf der Unterseite von 1A befindet), als Lb definiert. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ändert sich die Breite des Wellenleiters 40a linear. Ein Winkel, der durch die Richtung der Resonatorlänge und, von einer Seitenfläche des Wellenleiters 40a, den Abschnitt ausgebildet ist, der sich von der Position, an der die Breite des Wellenleiters 40a ein lokales Maximum hat, in Richtung der Vorderseite erstreckt, ist als θa definiert, und ein Winkel, der durch die Richtung der Resonatorlänge und, von einer Seitenfläche des Wellenleiters 40a, den Abschnitt ausgebildet ist, der sich von der Position, an der die Breite des Wellenleiters 40a ein lokales Maximum hat, in Richtung der Rückseite erstreckt, ist als θb definiert. Dann gelten die folgenden Beziehunoen. $θ a = arctan {(Wa - Wb) / (2 \times La)}$
$θ b = arctan {(Wa - Wb) / (2 \times Lb)}$
Die Größenbeziehung zwischen den Werten von θa und θb und dem später beschriebenen kritischen Winkel (definiert als θc) bestimmt, ob das geleitete Licht reflektiert oder übertragen wird.
Mit anderen Worten wird das geleitete Licht vollständig reflektiert, wenn der Winkel, der von einer Seitenfläche des Wellenleiters 40a ausgebildet ist, die sich mit der Breitenrichtung des Wellenleiters 40a (d.h. der Richtung der X-Achse) und der Richtung der Resonatorlänge schneidet, kleiner ist als der kritische Winkel θc, der durch den effektiven Brechungsindex innerhalb des Wellenleiters 40a und den effektiven Brechungsindex außerhalb des Wellenleiters 40a definiert ist. Daneben wird das geleitete Licht übertragen, wenn der Winkel, der durch eine Seitenfläche des Wellenleiters 40a, der sich mit der Breitenrichtung des Wellenleiters 40a schneidet, und der Richtung der Resonatorlänge ausgebildet ist, größer als der kritische Winkel θc ist. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der kritische Winkel θc der Maximalwert des Winkels (θa oder θb), bei dem das Laserlicht von einer Seitenfläche des Wellenleiters 40a vollständig reflektiert wird.
In einem Beispiel ist die Breite des Wellenleiters 40a größer als oder gleich 1 µm und kleiner als oder gleich 100 µm. Um das Halbleiterlaserelement 1 mit einer hohen optischen Leistung zu betreiben (beispielsweise mit einem bestimmten Wattpegel), kann der lokale Maximalwert Wa der Breite des Wellenleiters 40a auf mehr als oder gleich 10 µm und weniger als oder gleich 50 µm festgelegt werden. Wenn der lokale Minimalwert Wb der Breite des Wellenleiters 40a kleiner ist, kann eine Modenkomponente höherer Ordnung weiter reduziert werden. Wenn jedoch der lokale Minimalwert Wb zu klein ist, erfährt auch die Grundmodenkomponente (d.h. die transversale Grundmodenkomponente) einen Verlust und wird folglich reduziert. Wenn der lokale Minimalwert Wb der Breite des Wellenleiters 40a zu groß ist, wird die Wirkung der Reduzierung einer Modenkomponente höherer Ordnung verringert. Um eine Modenkomponente höherer Ordnung effizient zu unterdrücken und gleichzeitig die Intensität der Grundmode beizubehalten, kann der lokale Minimalwert Wb der Breite des Wellenleiters 40a auf mehr als oder gleich etwa ein Viertel und weniger als oder gleich etwa drei Viertel des lokalen Maximalwerts Wa der Breite eingestellt werden.
Wenn die Abstände La und Lb zu klein gewählt sind, werden θa und θb zu groß, so dass die übertragene Komponente zunimmt. Sind dagegen die Abstände La und Lb zu groß gewählt, verringert sich die Anzahl der Abschnitte in dem Wellenleiter 40a, in denen die Breite gering ist, und damit auch die Wirkung der Unterdrückung einer Mode höherer Ordnung. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist Wa 16 µm, Wb ist 10 µm und La und Lb sind jeweils 30 µm. In diesem Fall gilt θa = θb = 5,7°.
Alternativ dazu können La und Lb auch ungleich sein. Wenn La und Lb nicht gleich sind, kann der Verlust einer Mode höherer Ordnung zwischen einem ersten Weg und einem Rückweg variiert werden, wenn sich das Licht in dem Resonator in Richtung der Y-Achse hin- und herbewegt. Wenn zum Beispiel La größer als Lb ist, kann der Verlust einer Mode höherer Ordnung, der auftritt, wenn das Licht von der Rückseite zur Vorderseite wandert, erhöht werden. Da außerdem der Anteil des Abschnitts, in dem die Breite von der Rückseite zur Vorderseite innerhalb des Resonators abnimmt (d.h. der durch den Abstand La in 1A abgedeckte Abschnitt), zunimmt, nimmt der Verlust einer Mode höherer Ordnung weiter zu.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Ermitteln des kritischen Winkels θc beschrieben. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Struktur des dreidimensionalen Wellenleiters 40a (d.h. die Rippenstruktur) durch eine zweidimensionale Plattenwellenleiterstruktur unter Verwendung des Äquivalenzindexverfahrens angenähert und die Berechnung ausgeführt. Zunächst werden die optische Verteilung und der effektive Brechungsindex in der Schichtrichtung (d.h. ein äquivalenter Brechungsindex) unter Verwendung der Dicke und des Brechungsindex jeder Schicht entlang der in 1B gezeigten Z1-Z1-Linie berechnet. Der effektive Brechungsindex wird durch Diskretisierung einer zweidimensionalen skalaren Wellengleichung und Lösung des Eigenwertproblems berechnet, wobei auf Einzelheiten verzichtet wird. Wenn der effektive Brechungsindex entlang der in 1B angegebenen Z1-Z1-Linie als ni definiert ist, ergibt sich gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein ni von 2,535. In ähnlicher Weise wird, wenn der effektive Brechungsindex entlang der in 1B angegebenen Z2-Z2-Linie als no₁ definiert ist, no₁ von 2,527 erhalten. Ähnlich verhält es sich, wenn der effektive Brechungsindex entlang der in 1C gezeigten Z3-Z3-Linie als no₂ definiert ist, dann ergibt sich no₂ von 2,525. Obwohl diese Werte von der Dicke und dem Brechungsindex jeder Halbleiterschicht abhängen, sind in einem Fall, in dem die zweite Halbleiterschicht 40 eine Wellenleiterstruktur mit einem Vorsprungsabschnitt ist, wie das Halbleiterlaserelement 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die Beziehungen ni > no₁ und ni > no₂ konstant erfüllt.
Darüber hinaus ist der effektive Brechungsindex bei der vorliegenden Ausführungsform kleiner, wenn die Dicke der p-seitigen Plattierschicht 42, die außerhalb des Wellenleiters 40a liegt, geringer ist. Insbesondere ist im Fall der vorliegenden Ausführungsform die Beziehung no₁ > no₂ konstant erfüllt.
Anschließend wird der Maximalwert des Winkels, der eingehalten wird, wenn die Bedingung der Totalreflexion erfüllt ist, mit Hilfe des Snellschen Gesetzes berechnet (dieser Winkel ist als kritischer Winkel θc definiert). Der Maximalwert dieses Winkels ist als kritischer Winkel θc definiert. Der kritische Winkel θc ist definiert durch den effektiven Brechungsindex innerhalb des Wellenleiters 40a und den effektiven Brechungsindex außerhalb des Wellenleiters 40a. Wenn beispielsweise der kritische Winkel in der in 1B dargestellten Struktur als θc1 definiert ist und wenn der kritische Winkel in der in 1C dargestellten Struktur als θc2 definiert ist, werden die kritischen Winkel θc1 und θc2 wie in den folgenden Gleichungen auf der Grundlage des Snellschen Gesetzes ausgedrückt. $θ c 1 = 90 - arcsin ({no}_{1} / ni)$
$θ c 2 = 90 - arcsin ({no}_{2} / ni)$
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden θc1 von 4,6° und θc2 von 5,1° erreicht.
Da der kritische Winkel θc von der Dicke und dem Brechungsindex jeder Schicht und der Höhe des Wellenleiters 40a abhängt, muss der kritische Winkel θc für jede Struktur berechnet werden, die nicht der Struktur gemäß der vorliegenden Ausführungsform entspricht. In diesem Zusammenhang wird eine Beziehung zwischen dem kritischen Winkel θc und dem Unterschied zwischen den effektiven Brechungsindizes innerhalb und außerhalb des Wellenleiters 40a unter Bezugnahme auf 1D beschrieben. 1D ist ein Diagramm, das ein Ergebnis der Berechnung einer Beziehung zwischen dem kritischen Winkel θc und des Unterschieds (ni - no) zwischen den effektiven Brechungsindizes innerhalb und außerhalb des Wellenleiters 40a gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. In diesem Beispiel wird die Berechnung ausgeführt, wobei ni auf 2,535 festgelegt ist und der effektive Brechungsindex no außerhalb des Wellenleiters variiert. Die Berechnung zeigt, dass der kritische Winkel θc umso größer ist, je größer der Unterschied zwischen dem effektiven Brechungsindex innerhalb des Wellenleiters 40a und dem effektiven Brechungsindex außerhalb des Wellenleiters 40a ist.
Wie bei der vorliegenden Ausführungsform variiert in einem Fall, in dem die Höhe der Rippe (die Dicke der p-seitigen Plattierschicht 42, die außerhalb der Rippe liegt) in Abhängigkeit von der Position in Richtung der Resonatorlänge variiert, der kritische Winkel an jeder Position. Wenn beispielsweise der Winkel θa (= θb), der durch die Form des Wellenleiters 40a bestimmt ist, von oben gesehen 4,8° beträgt, gilt θa > θc1. Somit ist die Bedingung der Totalreflexion nicht erfüllt, und das Licht wird in dem in 1B dargestellten Strukturabschnitt übertragen. Da jedoch θa < θc2 gilt, ist die Bedingung der Totalreflexion erfüllt, und das Licht wird in dem in 1C dargestellten Strukturabschnitt total reflektiert. Mit anderen Worten ist der Winkel, der durch eine Seitenfläche des Wellenleiters 40a, der sich mit der Breitenrichtung des Wellenleiters 40a und der Richtung der Resonatorlänge schneidet, ausgebildet ist, größer als der kritische Winkel θc bei dem ersten Wellenleiter 40a1 und kleiner als der kritische Winkel θc bei dem zweiten Wellenleiter 40a2. Wenn die Höhe der Rippe in Abhängigkeit von der Position in der Richtung der Resonatorlänge variiert wird, kann auf diese Weise ein Wellenleiter 40a mit einem Bereich, in dem die Bedingung der Totalreflexion erfüllt ist, und einem Bereich, in dem die Bedingung der Totalreflexion nicht erfüllt ist, erreicht werden.
[Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements]
Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 2A bis 2N beschrieben. 2A bis 2C, 2E, 2G, 2I und 2K bis 2M sind jeweils eine schematische Schnittansicht, die einen Schritt eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. 2D, 2F, 2H und 2J sind jeweils eine schematische Draufsicht, die einen Schritt des Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform veranschaulicht. 2C, 2E, 2G und 2I zeigen Schnitte entlang der in 2D angegebenen IIC-IIC-Linie, der in 2F angegebenen IIE-IIE-Linie, der in 2H angegebenen IIG-IIG-Linie bzw. der in 2J angegebenen 2I-2I-Linie.
Zunächst werden, wie in 2A dargestellt, unter Verwendung einer metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) eine erste Halbleiterschicht 20, eine lichtemittierende Schicht 30 und eine zweite Halbleiterschicht 40 nacheinander auf einem Substrat 10 abgeschieden, das ein hexagonales GaN-Substrat vom n-Typ ist, dessen Hauptebene die (0001)-Ebene ist. Insbesondere wird als erste Halbleiterschicht 20 eine n-seitige Plattierschicht aus n-Typ AlGaN mit einer Dicke von 3 µm auf dem Substrat 10 mit einer Dicke von 400 µm abgeschieden. Dann wird eine n-seitige Lichtleiterschicht 31 aus n-Typ GaN mit einer Dicke von 0,2 µm abgeschieden. Dann wird die aktive Schicht 32, die aus zwei Zyklen einer Barriereschicht aus InGaN und einer InGaN-Quantentopfschicht besteht, abgeschieden. Dann wird die p-seitige Lichtleiterschicht 33 aus p-Typ GaN mit einer Dicke von 0,1 µm abgeschieden. Dann wird eine Elektronenbarriereschicht 41 aus AlGaN mit einer Dicke von 10 nm abgeschieden. Dann wird die p-seitige Plattierschicht 42 abgeschieden, die aus einem gespannten Übergitter mit einer Dicke von 0,66 µm besteht und durch 220 wiederholte Zyklen einer p-Typ AlGaN-Schicht mit einer Schichtdicke von 1,5 nm und einer GaN-Schicht mit einer Schichtdicke von 1,5 nm ausgebildet ist. Dann wird die p-seitige Kontaktschicht 43 aus p-Typ GaN mit einer Dicke von 0,05 µm abgeschieden. In diesem Beispiel werden beim Abscheiden jeder Schicht gemäß der vorliegenden Ausführungsform beispielsweise Trimethylgallium (TMG), Trimethylammonium (TMA) und Trimethylindium (TMI) als organische Metallursprungsmaterialien verwendet, die Ga, AI bzw. In enthalten. Daneben wird Ammoniak (NH₃) als Stickstoffquelle verwendet.
Als nächstes wird, wie in 2B dargestellt, der erste Schutzfilm 91 auf der p-seitigen Kontaktschicht 43 abgeschieden. Insbesondere wird mit Hilfe einer plasmachemischen Gasphasenabscheidung (CVD), bei der Silan (SiH₄) verwendet wird, ein Siliziumoxidfilm (SiO₂) als erster Schutzfilm 91 mit einer Dicke von 300 nm abgeschieden. Das Abscheidungsmaterial für den ersten Schutzfilm 91 ist nicht auf das oben genannte Material beschränkt, sondern es kann beispielsweise jedes Material, wie ein dielektrischer Körper oder ein Metall, verwendet werden, das eine Selektivität in Bezug auf das später beschriebene Ätzen der zweiten Halbleiterschicht 40 aufweist. Das Verfahren zum Abscheiden des ersten Schutzfilms 91 ist nicht auf die Plasma-CVD-Technik beschränkt, wobei beispielsweise jedes bekannte Abscheideverfahren, wie ein thermisches CVD-Verfahren, ein Sputterverfahren, ein Vakuumbedampfungsverfahren oder ein gepulstes Laserabscheideverfahren, verwendet werden kann.
Als nächstes wird, wie in 2C und 2D dargestellt, eine Strukturierung ausgeführt, so dass ein erster Schutzfilm 91 mit einer vorbestimmten Form zurückbleibt. Insbesondere wird ein Schutzfilm aus Fotolack auf den ersten Schutzfilm 91 aufgebracht, der erste Schutzfilm 91 selektiv mit Hilfe einer fotolithografischen Technik und einer Ätztechnik entfernt, so dass der erste Schutzfilm 91 mit einer vorgegebenen Form verbleibt, und dann der Schutzfilm aus Fotolack entfernt. Die vorbestimmte Form ist die Form des Wellenleiters 40a und der zweiten ebenen Abschnitte 40b2, die in 1A dargestellt sind, wie sie von oben betrachtet werden. Mit anderen Worten ist die vorgegebene Form die Form ohne den Bereich der ersten ebenen Abschnitte 40b1, wenn die zweite Halbleiterschicht 40 von oben betrachtet wird.
Beispiele für Lithografietechniken sind die Fotolithografie, bei der eine kurzwellige Lichtquelle verwendet wird, die Elektronenstrahllithografie, bei der direkt mit einem Elektronenstrahl gezeichnet wird, oder die Nanoimprint-Technik. Beispiele für Ätztechniken sind das Trockenätzen durch reaktives lonenätzen (RIE), bei dem ein Gas auf Fluorbasis, beispielsweise CF₄, verwendet wird, oder das Nassätzen, bei dem etwa 1:10 verdünnte Flusssäure (HF) oder ähnliches verwendet wird. Beispiele für Lösungsmittel, die zum Entfernen des Schutzfilms verwendet werden können, sind organische Lösungsmittel, wie Aceton.
Als nächstes werden, wie in 2E und 2F dargestellt, mit dem ersten Schutzfilm 91, der als Maske dient, die p-seitige Kontaktschicht 43 und die p-seitige Plattierschicht 42 geätzt und somit erste Wellenleiter 40a1 sowie erste ebene Abschnitte 40b1 in der zweiten Halbleiterschicht 40 ausgebildet. Insbesondere werden die ersten Wellenleiter 40a1 unter dem ersten Schutzfilm 91 ausgebildet, der sich in der Mitte in der in 2E dargestellten horizontalen Richtung befindet. Darüber hinaus werden die p-seitige Kontaktschicht 43 und die p-seitige Plattierschicht 42, die sich in dem Bereich befinden, in dem der erste Schutzfilm 91 nicht ausgebildet ist, geätzt, so dass erste ebene Abschnitte 40b1 ausgebildet werden. Beim Ätzen der p-seitigen Kontaktschicht 43 und der p-seitigen Plattierschicht 42 kann ein Trockenätzen durch eine RIE-Technik verwendet werden, bei dem ein Gas auf Chlorbasis, wie CI₂, verwendet wird.
Anschließend wird der erste Schutzfilm 91 entfernt. Beispiele für Verfahren, die zum Entfernen des ersten Schutzfilms 91 verwendet werden können, sind das Trockenätzen durch reaktives lonenätzen (RIE), bei dem ein Gas auf Fluorbasis, wie CF₄, verwendet wird, oder das Nassätzen, bei dem Flusssäure (HF) oder Ähnliches in einer Verdünnung von etwa 1:10 verwendet wird.
Als nächstes wird, wie in 2G und 2H dargestellt, ein zweiter Schutzfilm 92 mit einer vorgegebenen Form auf der zweiten Halbleiterschicht 40 ausgebildet. Insbesondere wird ein Siliziumoxidfilm (SiO₂) als zweiter Schutzfilm 92 mit einer Dicke von 300 nm abgeschieden. Dann wird der zweite Schutzfilm 92 selektiv mit Hilfe einer fotolithografischen Technik und einer Ätztechnik entfernt, so dass der zweite Schutzfilm 92 mit einer vorbestimmten Form zurückbleibt. Die vorbestimmte Form ist die Form des Wellenleiters 40a und der ersten ebenen Abschnitte 40b1, wie sie in 1A von oben betrachtet werden. Mit anderen Worten ist die vorbestimmte Form die Form ohne den Bereich der zweiten ebenen Abschnitte 40b2, wenn die zweite Halbleiterschicht 40 von oben betrachtet wird.
Als nächstes werden, wie in 2I und 2J dargestellt, mit dem zweiten Schutzfilm 92, der als Maske dient, die p-seitige Kontaktschicht 43 und die p-seitige Plattierschicht 42 geätzt und so zweite Wellenleiter 40a2 und zweite ebene Abschnitte 40b2 in der zweiten Halbleiterschicht 40 ausgebildet.
Als nächstes wird, wie in 2K dargestellt, der zweite Schutzfilm 92 mit der vorgegebenen Form durch Nassätzen mit Flusssäure entfernt und dann die dielektrische Schicht 60 so abgeschieden, dass sie die p-seitige Kontaktschicht 43 und die p-seitige Plattierschicht 42 bedeckt. Mit anderen Worten wird die dielektrische Schicht 60 auf dem Wellenleiter 40a und den ebenen Abschnitten 40b ausgebildet. Als dielektrische Schicht 60 wird zum Beispiel ein Siliziumoxidfilm (SiO₂) mit einer Dicke von 300 nm durch eine Plasma-CVD-Technik unter Verwendung von Silan (SiH₄) abgeschieden.
Als nächstes wird, wie in 2L dargestellt, nur die dielektrische Schicht 60, die auf dem Wellenleiter 40a liegt, durch eine fotolithografische Technik und Nassätzen, bei dem Flusssäure verwendet wird, entfernt, so dass die obere Oberfläche der p-seitigen Kontaktschicht 43 freigelegt wird. Danach wird die p-seitige Elektrode 51, die aus Pd/Pt besteht, nur auf dem Wellenleiter 40a mit Hilfe einer Vakuumaufdampftechnik und einer Abhebetechnik ausgebildet. Insbesondere wird die p-seitige Elektrode 51 auf der p-seitigen Kontaktschicht 43 ausgebildet, die durch die dielektrische Schicht 60 freigelegt ist. Dabei ist das Verfahren zum Abscheiden der p-seitigen Elektrode 51 nicht auf die Vakuumaufdampftechnik beschränkt, sondern es können auch eine Sputtertechnik, eine gepulste Laserabscheidetechniktechnik oder Ähnliches verwendet werden. Darüber hinaus kann das Material zum Ausbilden der p-seitigen Elektrode 51 ein beliebiges Material sein, beispielsweise ein Material auf Ni/Au-Basis oder ein Material auf Pt-Basis, das einen ohmschen Kontakt mit der zweiten Halbleiterschicht 40 (p-seitige Kontaktschicht 43) herstellt.
Als nächstes wird, wie in 2M dargestellt, die Padelektrode 52 derart ausgebildet, dass sie die p-seitige Elektrode 51 und die dielektrische Schicht 60 bedeckt. Insbesondere wird ein Negativresist durch eine fotolithografische Technik oder dergleichen auf einen anderen Abschnitt als den Abschnitt, in dem die Padelektrode 52 ausgebildet werden soll, strukturiert, und die Padelektrode 52, die aus Ti/Pt/Au besteht, auf der gesamten Oberfläche oberhalb des Substrats 10 durch eine Vakuumaufdampftechnik oder ähnliches ausgebildet. Dann wird die Elektrode in einem überflüssigen Abschnitt durch eine Abhebetechnik entfernt. Mit diesem Vorgang kann auf der p-seitigen Elektrode 51 und der dielektrischen Schicht 60 eine Padelektrode 52 mit einer vorgegebenen Form ausgebildet werden. Auf diese Weise wird ein Elektrodenelement 50 ausgebildet, das aus der p-seitigen Elektrode 51 und der Padelektrode 52 besteht.
Als nächstes wird, wie in 2N dargestellt, die n-seitige Elektrode 80 auf einer unteren Oberfläche des Substrats 10 ausgebildet (d.h. auf der Hauptoberfläche, die der Hauptoberfläche gegenüberliegt, auf der die erste Halbleiterschicht 20 usw. angeordnet ist). Insbesondere wird die n-seitige Elektrode 80, die aus Ti/Pt/Au besteht, auf der unteren Oberfläche des Substrats 10 durch eine Vakuumabscheidetechnik oder Ähnliches ausgebildet und diese n-seitige Elektrode 80 mit Hilfe einer fotolithografischen Technik und einer Ätztechnik strukturiert. Auf diese Weise wird die n-seitige Elektrode 80 mit einer vorbestimmten Form ausgebildet.
Auf diese Weise kann das Halbleiterlaserelement 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform hergestellt werden.
[Art des Anbringens des Halbleiterlaserelements]
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 3A und 3B eine Art des Anbringens des Halbleiterlaserelements 1 gemäß Ausführungsform 1 beschrieben. 3A und 3B sind eine schematische Draufsicht bzw. eine schematische Schnittansicht der Halbleiterlaservorrichtung 2 mit dem Halbleiterlaserelement 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 3B zeigt einen Schnitt durch die Halbleiterlaservorrichtung 2 entlang der in 3A angegebenen IIIB-IIIB-Linie.
Wie in 3B dargestellt, umfasst die Halbleiterlaservorrichtung 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Halbleiterlaserelement 1 und den Unterbau 100.
Wie in 3B dargestellt, umfasst der Unterbau 100 einen Sockel 101, eine erste Elektrode 102a, eine zweite Elektrode 102b, eine erste Verbindungsschicht 103a und eine zweite Verbindungsschicht 103b.
Der Sockel 101 ist ein Sockel, der unter dem Substrat 10 des Halbleiterlaserelements 1 angeordnet ist und als Wärmesenke dient. Das Material des Sockels 101 ist nicht beschränkt, wobei der Sockel 101 aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit bestehen kann, die der Wärmeleitfähigkeit des Halbleiterlaserelements 1 entspricht oder höher oder gleich ist. Beispiele für derartige Materialien sind Keramiken wie Aluminiumnitrid (AIN) oder Siliziumkarbid (SiC), ein elementares Metall wie Diamant (C), Cu oder Al, das durch CVD abgeschieden wird, oder eine Legierung wie CuW.
Wie in 3A und 3B dargestellt, ist die erste Elektrode 102a auf einer der Oberflächen des Sockels 101 angeordnet. Daneben ist die zweite Elektrode 102b auf der anderen Oberfläche des Sockels 101 angeordnet. Die erste Elektrode 102a und die zweite Elektrode 102b sind beispielsweise jeweils ein Schichtfilm, der aus drei Metallfilmen besteht: einem Ti-Film mit einer Filmdicke von 0,1 µm, einem Pt-Film mit einer Filmdicke von 0,2 µm und einem Au-Film mit einer Filmdicke von 0,2 µm.
Die erste Verbindungsschicht 103a ist auf der ersten Elektrode 102a angeordnet. Die zweite Verbindungsschicht 103b ist auf der zweiten Elektrode 102b angeordnet. Die erste Verbindungsschicht 103a und die zweite Verbindungsschicht 103b bestehen beispielsweise aus eutektischem Lot, das aus einer Gold-Zinn-Legierung mit einem prozentualen Anteil von 70% Au und 30% Sn besteht.
Das Halbleiterlaserelement 1 ist auf dem Unterbau 100 angebracht. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die p-Seite des Halbleiterlaserelements 1 (d.h. die Seite, an der sich das Elektrodenelement 50 befindet) mit dem Unterbau 100 verbunden. Mit anderen Worten wird eine Anbringung mit nach unten gerichteter Verbindung angewendet. Somit wird die Padelektrode 52 des Halbleiterlaserelements 1 mit der ersten Verbindungsschicht 103a des Unterbaus 100 verbunden.
Wenn das Halbleiter-Laserelement 1 mit Gold-Zinn-Lot angebracht wird, das für die erste Verbindungsschicht 103a verwendet wird, wie in der vorliegenden Ausführungsform, geht das Gold-Zinn-Lot eine eutektische Reaktion mit dem Gold in der Padelektrode 52 oder dem Gold in der ersten Elektrode 102a ein. Dadurch kann es schwierig werden, die Grenze zu erkennen. In diesem Fall ist die Dicke der ersten Verbindungsschicht 103a definiert als der Abstand zwischen der Schicht (beispielsweise Pt), die keine eutektische Reaktion mit dem Gold-Zinn-Lot der Padelektrode 52 eingeht, und der Schicht (beispielsweise Pt), die keine eutektische Reaktion mit dem Gold-Zinn-Lot der ersten Elektrode 102a eingeht.
Daneben wird der Draht 110 mit der Padelektrode 52 des Halbleiterlaserelements 1 und mit der ersten Elektrode 102a des Unterbaus 100 durch Drahtbonden verbunden. Diese Konfiguration ermöglicht es, das Halbleiterlaserelement 1 über den Draht 110 mit elektrischem Strom zu versorgen.
Obwohl hier nicht dargestellt, wird der Unterbau 100 beispielsweise an einem Metallgehäuse, wie einem CAN-Gehäuse, befestigt, um die Wärmeableitung zu verbessern und die Handhabung zu vereinfachen. Mit anderen Worten wird der Unterbau 100 durch die zweite Verbindungsschicht 103b mit dem Metallgehäuse verbunden. Dabei kann der Sockel 101 selbst als Gehäuse fungieren. In diesem Fall muss der Unterbau 100 keine zweite Verbindungsschicht 103b enthalten.
[Funktionsweise und vorteilhafte Effekte des Halbleiterlaserelements]
Als nächstes werden einige Funktionsweisen und vorteilhafte Effekte des Halbleiterlaserelements 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 4A bis 4C, 5A und 5B beschrieben.
4A ist eine Draufsicht, die in vereinfachter Weise eine Konfiguration des Halbleiterlaserelements 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. 4B ist eine Darstellung, die die Verteilung der effektiven Brechungsindizes in dem Halbleiterlaserelement 1 entlang des in 4A gezeigten IVC-IVC-Schnitts zeigt, und 4C ist eine Darstellung, die eine Verteilung der effektiven Brechungsindizes in dem Halbleiterlaserelement 1 entlang des in 4A gezeigten IVC-IVC-Schnitts zeigt.
In dem in 4A dargestellten Wellenleiter 40a gibt es zwei Arten von Unterschieden zwischen den effektiven Brechungsindizes innerhalb und außerhalb der Rippe. Wie in 4B dargestellt, wird der Unterschied zwischen dem effektiven Brechungsindex des ersten Wellenleiters 40a1 und dem effektiven Brechungsindex des ersten ebenen Abschnitts 40b1 mit Δn1 bezeichnet. Wie in 4C dargestellt, wird der Unterschied zwischen dem effektiven Brechungsindex des zweiten Wellenleiters 40a2 und dem effektiven Brechungsindex des zweiten ebenen Abschnitts 40b2 mit Δn2 bezeichnet.
Unter Bezugnahme auf 5A wird ein Ergebnis der Berechnung des Lichtverlusts der Grundmode beschrieben, der beobachtet wird, wenn der Umfang der Änderung von Δn (d.h. Δn2 - Δn1), der der Umfang der Änderung der beiden oben genannten Unterschiede zwischen den effektiven Brechungsindizes in Bezug auf die Position in Richtung der Resonatorlänge ist. 5A ist ein Diagramm, das das Ergebnis der Berechnung einer Beziehung zwischen dem Umfang der Änderung von Δn und dem Lichtverlust der Grundmode zeigt. Es ist zu sehen, dass, wenn der Umfang der Änderung von Δn (Δn2 - Δn1) positiv ist (die rechte Hälfte des Graphen in 5A), wie in der vorliegenden Ausführungsform, d.h., wenn der Unterschied Δn zwischen den effektiven Brechungsindizes in dem Abschnitt, in dem die Breite des Wellenleiters 40a klein ist, kleiner ist, der Verlust des Lichts der Grundmode kleiner ist als in der herkömmlichen Struktur. Die hier verwendete herkömmliche Struktur ist eine Struktur, in der Δn1 = Δn2 gilt, d.h. eine Struktur, in der der Unterschied Δn zwischen den effektiven Brechungsindizes entlang der Richtung der Resonatorlänge konstant ist. Wenn dagegen der Umfang der Änderung von Δn (Δn2 - Δn1), der gemäß einem Vergleichsbeispiel berechnet wurde, negativ ist (die linke Hälfte des in 5A gezeigten Diagramms), d.h. wenn der Unterschied Δn zwischen den effektiven Brechungsindizes in dem Abschnitt größer ist, in dem die Breite des Wellenleiters 40a klein ist, ist der Verlust größer als in der herkömmlichen Struktur.
Bei dem Halbleiterlaserelement 1 gemäß der in 4A dargestellten Ausführungsform breitet sich das Laserlicht während der Laserschwingung in dem Wellenleiter 40a in Richtung der Y-Achse aus. Zu diesem Zeitpunkt erfährt das Laserlicht den Verlust in einem Abschnitt, in dem die Breite des Wellenleiters 40a klein ist (d.h. in dem ersten Wellenleiter 40a1). Von dem Laserlicht ist hauptsächlich eine Mode höherer Ordnung von dem Verlust betroffen, aber auch die Grundmode erfährt den Verlust. Durch die Verringerung des Unterschieds Δn zwischen den effektiven Brechungsindizes in einem Bereich, in dem die Breite des Wellenleiters 40a gering ist, kann der Verlust der Grundmode verringert werden.
Als Nächstes wird ein Strahlparameterprodukt (BPP), das als Index für die Strahlqualität dient, unter Bezugnahme auf 5B beschrieben. 5B ist ein Diagramm, das das Ergebnis der Berechnung einer Beziehung zwischen dem Umfang der Änderung von Δn und einem BPP zeigt. Wie aus 5B ersichtlich, ist das BPP kleiner als bei der konventionellen Struktur, wenn Δn2 - Δn1 > 0 gilt und der Verlust der Grundmode gering ist. Dies liegt daran, dass der Anteil der Grundmode mit einer höheren Strahlqualität relativ höher wird, wenn der Verlust der Grundmode abnimmt.
[Rekapitulation]
Wie oben beschrieben, ist bei dem Halbleiterlaserelement 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Unterschied zwischen dem effektiven Brechungsindex innerhalb des Wellenleiters 40a und dem effektiven Brechungsindex außerhalb des Wellenleiters 40a in dem zweiten Wellenleiter 40a2 größer als in dem ersten Wellenleiter 40a1. Mit dieser Konfiguration kann der Verlust der Grundmode des Laserlichts in dem ersten Wellenleiter 40a1 reduziert werden, wenn der Wellenleiter 40a eine geringe Breite hat. Zusammen mit diesem Effekt kann der Anteil der Grundmode mit einer höheren Strahlqualität in dem Laserlicht, das das Halbleiterlaserelement 1 emittiert, erhöht und somit ein Halbleiterlaserelement 1 mit einer hohen Strahlqualität erreicht werden.
Darüber hinaus kann bei dem Halbleiterlaserelement 1 der Winkel, der durch eine Seitenfläche des Wellenleiters 40a ausgebildet ist, die sich mit der Breitenrichtung des Wellenleiters 40a und der Richtung der Resonatorlänge schneidet, größer als der kritische Winkel an dem ersten Wellenleiter 40a1 und kleiner als der kritische Winkel an dem zweiten Wellenleiter 40a2 sein. Durch diese Konfiguration kann verhindert werden, dass die Grundmode in dem ersten Wellenleiter 40a1 reflektiert wird. Dementsprechend kann ein Halbleiterlaserelement 1 mit einer hohen Strahlqualität erreicht werden.
Außerdem kann bei dem Halbleiterlaserelement 1 die Dicke des Abschnitts der zweiten Halbleiterschicht 40, die außerhalb des ersten Wellenleiters 40a1 liegt, größer sein als die Dicke des Abschnitts der zweiten Halbleiterschicht 40, die außerhalb des zweiten Wellenleiters 40a2 liegt. Bei dieser Konfiguration kann der Unterschied Δn1 zwischen dem effektiven Brechungsindex des ersten Wellenleiters 40a1 und dem effektiven Brechungsindex des ersten ebenen Abschnitts 40b1 kleiner gemacht werden als der Unterschied Δn2 zwischen dem effektiven Brechungsindex des zweiten Wellenleiters 40a2 und dem effektiven Brechungsindex des zweiten ebenen Abschnitts 40b2.
Außerdem kann die dielektrische Schicht 60 bei dem Halbleiterlaserelement 1 einen kleineren Brechungsindex haben als die zweite Halbleiterschicht 40. Diese Konfiguration ermöglicht es, das Laserlicht in der zweiten Halbleiterschicht 40 einzufangen.
[Variationen und andere]
Soweit wurde das Halbleiterlaserelement 1 gemäß der vorliegenden Offenbarung anhand der Ausführungsformen beschrieben, wobei jedoch die vorliegende Offenbarung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist.
Beispielsweise ist das Halbleiterlaserelement 1 gemäß den vorstehenden Ausführungsformen ein Nitrid-Halbleiterlaserelement, wobei jedoch die Konfiguration des Halbleiterlaserelements nicht auf diese Konfiguration beschränkt ist. Ein Halbleiterlaserelement kann beispielsweise ein Halbleiterlaserelement sein, das aus einem anderen Halbleiter als einem Nitrid-Halbleiter besteht und beispielsweise ein Halbleiterlaserelement sein, das aus einem Halbleitermaterial auf Galliumarsenidbasis besteht.
Darüber hinaus umfasst die p-seitige Plattierschicht 42 gemäß den vorstehenden Ausführungsformen zwei ebene Abschnitte, die jeweils eine unterschiedliche Dicke aufweisen. Alternativ kann die p-seitige Plattierschicht auch drei oder mehr ebene Abschnitte mit jeweils unterschiedlicher Dicke aufweisen. Die Dicke der einzelnen ebenen Abschnitte kann in Bezug auf die Position in Richtung der Resonatorlänge kontinuierlich variieren.
Darüber hinaus wird der Unterschied zwischen dem effektiven Brechungsindex des Wellenleiters 40a und dem effektiven Brechungsindex des Abschnitts außerhalb des Wellenleiters 40a durch Modulation der Dicke des ebenen Abschnitts 40b gemäß den vorstehenden Ausführungen moduliert. Alternativ kann der Unterschied zwischen den effektiven Brechungsindizes auch durch andere Techniken moduliert werden. Zum Beispiel kann der Brechungsindex des Abschnitts der ersten Halbleiterschicht, die außerhalb des Wellenleiters liegt, moduliert werden. Insbesondere kann eine Schicht mit einem niedrigeren Brechungsindex als dem des Wellenleiters außerhalb des zweiten Wellenleiters angeordnet sein.
Außerdem wird die Breite des Wellenleiters 40a entsprechend der Position in Richtung der Resonatorlänge linear variiert, wie in den vorstehenden Ausführungen beschrieben. Alternativ kann eine derartige Breite auch krummlinig variiert werden. Darüber hinaus kann der Wellenleiter einen Abschnitt enthalten, in dem sich die Breite unabhängig von der Position in Richtung der Resonatorlänge nicht ändert.
Zudem ist der Wellenleiter 40a gemäß den vorstehenden Ausführungsformen durch eine Rippenstruktur ausgebildet. Alternativ kann der Wellenleiter 40a auch durch eine andere Struktur als eine Rippenstruktur ausgebildet sein. Zum Beispiel kann der Wellenleiter durch eine eingebettete Heterostruktur ausgebildet sein.
Darüber hinaus wird eine Ausführungsform, die durch verschiedene Modifikationen, die ein Fachmann an den vorstehenden Ausführungsformen vornehmen kann, erreicht wird, sowie eine Ausführungsform, die durch eine beliebige Kombination der Bestandteile und Funktionen der vorstehenden Ausführungsformen innerhalb eines Geltungsbereiches, der nicht von dem Gedanken der vorliegenden Offenbarung abweicht, erreicht wird, ebenfalls von der vorliegenden Offenbarung umfasst.
[Industrielle Anwendbarkeit]
Das Halbleiterlaserelement gemäß der vorliegenden Offenbarung kann als Lichtquelle, beispielsweise, aber nicht nur, für Bildanzeigegeräte, Beleuchtungsanlagen oder Industrieanlagen verwendet werden und eignet sich insbesondere als Lichtquelle für Anlagen, die eine relativ hohe optische Leistung erfordern.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterlaser-Element
2: Halbleiterlaservorrichtung
10: Substrat
20: erste Halbleiterschicht
30: lichtemittierende Schicht
31: n-seitige Lichtleiterschicht
32: aktive Schicht
33: p-seitige Lichtleiterschicht
40: zweite Halbleiterschicht
40a: Wellenleiter
40a1: erster Wellenleiter
40a2: zweiter Wellenleiter
40b: ebener Abschnitt
40b1: erster ebener Abschnitt
40b2: zweiter ebener Abschnitt
41: Elektronenbarriereschicht
42: p-seitige Plattierschicht
43: p-seitige Kontaktschicht
50: Elektrodenelement
51: p-seitige Elektrode
52: Padelektrode
60: dielektrische Schicht
80: n-seitige Elektrode
91: erster Schutzfilm
92: zweiter Schutzfilm
100: Unterbau
101: Sockel
102a: erste Elektrode
102b: zweite Elektrode
103a: erste Verbindungsschicht
103b: zweite Verbindungsschicht
110: Draht
1000: Halbleiterlaserelement
1001: Lichtwellenleitermechanismus mit rauer Oberfläche
1002: Wellenleitermechanismus mit paralleler Gleitfläche
Cf: vordere Stirnfläche
Cr: hintere Stirnfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 9246664 [0006]

Claims

Halbleiterlaserelement, das Laserlicht emittiert, wobei das Halbleiterlaserelement umfasst: ein Substrat; eine erste Halbleiterschicht über dem Substrat; eine lichtemittierende Schicht über der ersten Halbleiterschicht; eine zweite Halbleiterschicht über der lichtemittierenden Schicht; und eine dielektrische Schicht über der zweiten Halbleiterschicht, wobei die zweite Halbleiterschicht einen Wellenleiter umfasst, der das Laserlicht leitet, eine Breite wenigstens eines Abschnitts des Wellenleiters in Bezug auf eine Position in einer Richtung der Resonatorlänge moduliert wird, wobei die Richtung eine Längsrichtung des Wellenleiters ist, der Wellenleiter einen ersten Wellenleiter und einen zweiten Wellenleiter umfasst, der breiter als der erste Wellenleiter ist, und ein Unterschied zwischen einem effektiven Brechungsindex innerhalb des Wellenleiters und einem effektiven Brechungsindex außerhalb des Wellenleiters in dem zweiten Wellenleiter größer ist als in dem ersten Wellenleiter.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, bei dem ein Winkel, der durch eine Seitenfläche ausgebildet ist, die sich mit einer Breitenrichtung des Wellenleiters und der Richtung der Resonatorlänge schneidet, größer als ein kritischer Winkel an dem ersten Wellenleiter und kleiner als der kritische Winkel an dem zweiten Wellenleiter ist, wobei der kritische Winkel durch den effektiven Brechungsindex innerhalb des Wellenleiters und den effektiven Brechungsindex außerhalb des Wellenleiters definiert ist.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite Halbleiterschicht außerhalb des ersten Wellenleiters dicker als außerhalb des zweiten Wellenleiters ist.
Halbleiterlaserelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die dielektrische Schicht einen kleineren Brechungsindex als die zweite Halbleiterschicht hat.