JP2004363147A - 半導体レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】リッジ部への実装応力の集中を防止する信頼性の高い実装を可能にし、なおかつ放熱性に優れた半導体レーザ素子およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】少なくとも３箇所以上のリッジ構造１１７・１１８と、このリッジ構造１１７Ａ・１１８Ｂの上部に１つ以上の電極層１１５とを有し、リッジ構造のうち１つのリッジ構造１１７Ａが電流狭窄構造としてレーザ発振に寄与し、電極層１１５の膜厚がリッジ構造１１７・１１８の間隔の半分の値、またはそれ以上であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【選択図】 図１
【解決手段】少なくとも３箇所以上のリッジ構造１１７・１１８と、このリッジ構造１１７Ａ・１１８Ｂの上部に１つ以上の電極層１１５とを有し、リッジ構造のうち１つのリッジ構造１１７Ａが電流狭窄構造としてレーザ発振に寄与し、電極層１１５の膜厚がリッジ構造１１７・１１８の間隔の半分の値、またはそれ以上であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳｉＯ２あるいはＳｉ３Ｎ４等の誘電体膜を用いて電流狭窄構造を形成するリッジ導波型半導体レーザは、レーザチップの製造コストを低減できるという利点から、光ディスクシステム用の光源として広く注目されている。一般に、高出力レーザ等の高い動作電流を必要とするレーザ素子は、サブマウントの主面上にジャンクションダウンにより実装される。
【０００３】
例えば非特許文献１に、絶縁膜により電流狭窄されたリッジ導波型半導体レーザ構造が記載されている。しかしながら、非特許文献１に記載のリッジ導波型半導体レーザはリッジ部が剥き出しになっているため、ジャンクションダウンでの実装はリッジ部に過度の応力集中が起きる。過度の応力集中は素子特性の劣化、特に信頼性の著しい低下をもたらす要因となる。従って、リッジ導波型半導体レーザにおいて、実装時の応力緩和による素子劣化防止は極めて重要な課題であった。またジャンクションダウンによる実装ではレーザ素子の傾きが発生しやすいため、実装の安定性も問題であった。
【０００４】
これら課題に対して、非特許文献２に、前記リッジ部の左右にｐ型電極と絶縁されたリッジ（突起部）を形成することで実装時の応力を低減するリッジ導波型半導体レーザ構造が開示されている。
【０００５】
また、特許文献１に、前記リッジ部の周囲にｐ型電極と絶縁された突起部を形成することで信頼性の高い実装ができるリッジ導波型半導体レーザ構造が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２に、埋め込み再成長を行うことでリッジ部への応力集中を防止するとともに、素子表面の平坦性を高めることで素子の放熱性を良好にする素子製造方法が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１２９７０号公報
【特許文献２】
特開２００２−９４１６９号公報
【非特許文献１】
Ｊ． Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ ｅｔ． ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ， ｖｏｌ． ３３， ｐｐ．６６−７０ （１９９７）
【非特許文献２】
宮下ほか， ２０００年春季応用物理学関係連合講演会 （Ｎｏ．２９ａ−Ｎ−７）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非特許文献２、および特許文献１で開示されているレーザ構造では、リッジ構造の上部に形成するｐ型電極表面の平坦性が大きく低下する。電極表面の平坦性が低いレーザ素子をジャンクションダウンで実装した場合、レーザ素子とサブマウントとの接触面積が狭くなるため、素子の放熱性が著しく低下する可能性があった。放熱性の低下は、特に素子の信頼性、および高温での素子特性に重大な影響を与える可能性がある。
【０００９】
また特許文献２で開示されているレーザ構造は、複数回の結晶成長を必要とする。このため、誘電体膜で電流狭窄構造を形成するリッジ導波型半導体レーザの有する利点の１つである低コスト性を充分に引き出せない。
【００１０】
本発明は、前記従来の問題を解決し、誘電体膜を用いて電流狭窄構造を形成するリッジ導波型半導体レーザにおいて、リッジ部への実装応力の集中を防止する信頼性の高い実装を可能にし、なおかつ放熱性に優れた半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、少なくとも３箇所以上のリッジ構造と、前記リッジ構造の上部に１つ以上の電極層とを有し、前記リッジ構造のうち１つのリッジ構造が電流狭窄構造としてレーザ発振に寄与し、前記電極の膜厚が前記リッジ間隔の半分の値、またはそれ以上であることを特徴とする半導体レーザ素子である。
【００１２】
本発明は、複数のリッジ構造が形成されたリッジ導波型半導体レーザをジャンクションダウンで実装する際の課題である放熱性の低下防止に対して、前記電極膜厚を前記リッジ間隔で規定することにより解決する。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、少なくとも３箇所以上のリッジ構造と、前記リッジ構造の上部に１つ以上の電極層とを有し、前記リッジ構造のうち１つのリッジ構造が電流狭窄構造としてレーザ発振に寄与し、前記電流狭窄構造であるリッジ構造とそれ以外の前記リッジ構造間の凹部がＳＯＧにより平坦化されていることを特徴とする半導体レーザ素子である。
【００１４】
本発明は、前記の課題に対して、複数のリッジ形成よって発生する素子表面の凹凸をＳＯＧからなる誘電体層で平坦化して前記電極の表面形状を制御することにより解決する。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、少なくとも３箇所以上のリッジ構造を形成する工程と、前記リッジ構造のうち１つのリッジ構造を電流狭窄構造とする工程と、前記リッジ構造の上部に前記リッジ間隔の半分の値、またはそれ以上である１つ以上の電極層を形成する工程とを有することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法である。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、少なくとも３箇所以上のリッジ構造を形成する工程と、前記リッジ構造のうち１つのリッジ構造を電流狭窄構造とする工程と、前記電流狭窄構造であるリッジ構造とそれ以外の前記リッジ構造間の凹部を有機性塗布ガラス材料（Ｓｐｉｎ−Ｏｎ−Ｇｌａｓｓ， （ＳＯＧ））により平坦化する工程とを有することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を詳細に説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
第１の実施形態は、本発明の半導体レーザ素子およびその製造方法を、窒化ガリウム系半導体材料からなるリッジ導波型半導体レーザ素子およびその製造方法に適用したものである。
【００１９】
図１は本発明の第１の実施形態の半導体レーザ素子の共振器に垂直な方向の断面構造を示す。図２は、本発明の第１の実施形態による誘電体膜により電流狭窄されたリッジ導波型半導体レーザ装置の共振器方向に平行な平面図である。
【００２０】
図１に示した半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＮ基板１０１上にｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１０３、ＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造からなる活性層１０４、ｕｎｄｏｐｅｄ−ＧａＮ中間層１０５、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０６、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０７、ｐメタル層１０８、絶縁層１０９、ｐ電極１１５、およびｎ電極１１６を有する。絶縁膜１０９はリッジ部Ａ １１７の両側面、リッジ部Ｂ １１８の上面および側面を被覆している。リッジ部Ａ １１７およびリッジ部Ｂ １１８の上面および側面にはｐ電極が形成され、ｎ−ＧａＮ基板１０１の裏面にはｎ電極１１６が形成されている。リッジ部Ｂ １１８は上面および側面のすべてが絶縁膜で被覆されているため、ｐ電極１１５はリッジ部Ａ １１７の上面でのみｐメタル層１０８と接する。したがって、リッジ部Ａ １１５のみが電流狭窄構造として機能し、レーザ発振に寄与する。
【００２１】
なお、図１および図２においては、１本のリッジ部Ａ １１７が、一対のリッジ部Ｂ １１８に挟まれているが。リッジ部Ｂ １１８は３本以上存在していてもよい。但し、３本以上の場合であっても、そのうちのいずれか２本のリッジ部Ｂ １１８が１本のリッジ部１１７Ａを挟んでいることが必要である。
【００２２】
また、リッジ部Ａ １１７およびリッジ部Ｂ１１８とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０６との関連性について説明すると、リッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ１１８との間の凹部の底面は、図１に示すように、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０６の層内部にあることが好ましい。この凹部の底面はｐ−ＧａＮコンタクト層１０７に位置していてはならない。また、この凹部の底面は活性層１０４に位置していてはならない。但し、この凹部の底面はｐ−ＧａＮ光ガイド層１０５に位置していても良い。
【００２３】
上記レーザ素子の製造方法は以下の通りである。有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）で窒化ガリウム基板１０１上にｎ−ＧａＮ基板１０１上にｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１０３、ＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造からなる活性層１０４、ｐ−ＧａＮ光ガイド層１０５、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０６、およびｐ−ＧａＮコンタクト層１０７を連続成長する。ドライエッチングによりリッジ部Ａ １１７、リッジ部Ｂ １１８を形成した後、リッジ部Ａ １１７の上面が開口となるように素子上面部を絶縁膜１０９で被覆し、ｐメタル層、ｐ電極、ｎ電極を順次形成する。
【００２４】
リッジ部Ａ １１７、およびリッジ部Ｂ １１８は一定の間隔で形成する。本実施形態１ではリッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ １１８の間隔は１０μｍとした。素子の共振器長、チップ幅、および厚みはそれぞれ６００μｍ、４００μｍ、および１００μｍであり、また、リッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ １１８に挟まれた凹部の深さは０．７５μｍである。ｐ電極１１５、ｎ電極１１６の最表面はＡｕめっき層で形成される。金めっきは、例えば、めっき浴温６５℃，成膜レート０．１μｍ／ｍｉｎの条件下で行ない、めっき層厚はめっき時間で制御する。
【００２５】
図１はｐ電極１１５の最表面のＡｕめっき層の厚みが３μｍであるレーザ素子の典型的な構成断面である。レーザ素子に複数のリッジ構造が形成されているために、ｐ電極１１５表面はリッジ部Ａ １１７、およびリッジ部Ｂ １１８の凹凸を反映した形状となる。
【００２６】
図３は、ｐ電極１１５の最表面のＡｕめっき層の厚みが１０μｍであるレーザ素子の典型的な構成断面を示す。図１に示したＡｕメッキ層厚３μｍであるレーザ素子と異なり、複数のリッジ部を形成しているにも係らず、表面が平坦なｐ電極１１５が形成されている。このように金めっき層の膜厚をリッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ １１８の距離（１０μｍ）と同程度とすることで、ｐ電極１１５の表面の平坦性を向上させることができる。
【００２７】
ジャンクションダウン方式での実装においては、ｐ電極１１５の表面の平坦性が高いほどサブマウントとの密着性は向上する。したがって、図３に示した電極表面が平坦化されたレーザ素子は、図１に示したレーザ素子よりもサブマウントとの密着性が高く、放熱性に優れる。これにより、リッジ部Ａ １１７への応力集中防止と、放熱性の向上とが両立される。
【００２８】
以下の表１にｐ電極１１５のＡｕめっき層の膜厚（すなわち、ｐ電極１１５の厚み）とこのｐ電極１１５の表面の凹凸の関係を示す。Ａｕめっき厚（すなわち、ｐ電極１１５の厚み）をリッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ １１８の間隔と同等、もしくはそれ以上とすることで、ｐ電極１１５の表面の凹凸を０．１μｍ以下とすることができる。
【００２９】
【表１】
Ａｕめっき層（すなわち、ｐ電極１１５）の膜厚が３μｍと５μｍの素子で寿命試験を実施したところ、Ａｕめっき厚（すなわち、ｐ電極１１５の厚み）が１０μｍの素子の寿命時間は、Ａｕめっき厚（すなわち、ｐ電極１１５の厚み）が３μｍの素子と比べて、約２０倍程度伸びることを確認した。
【００３０】
Ａｕめっき層（すなわち、ｐ電極１１５）を厚膜化する工程において、リッジ部Ｂ １１８は極めて重要な役割を果たす。Ａｕめっき層（すなわち、ｐ電極１１５）の形成は、素子をめっき浴内に配置し、素子が陽極となる電圧を印加することで行う。電圧の印加により発生する電界は、リッジ構造のような突起部分に集中する性質を有し、電界の集中する領域ではめっき層の形成が促進される。
【００３１】
したがって、リッジ構造を有する導波型半導体レーザ構造の電極表面にＡｕめっき層を形成において、電界はリッジ部に集中するため、リッジ部周囲のＡｕめっき層の膜厚はリッジ部から離れた平坦部分と比べてより厚くなる。すなわち、リッジ部Ｂ １１８がないリッジ導波型半導体レーザで単純にＡｕめっき層の膜厚を増加しても、リッジ部Ａ １１７の周囲でより金メッキ層の膜厚が厚くなるために、電極（すなわち、Ａｕメッキ層）の表面を均一に平坦化することは容易ではない。
【００３２】
これに対して、リッジ部Ａ １１７の周囲にリッジ部Ｂ １１８が形成されている場合、リッジ部Ｂ １１８の存在によりリッジ部Ａ １１７への電界集中が緩和され、リッジ部Ａ １１７付近の金めっき層の平坦性低下が抑制される。すなわち本発明が提案する課題解決方法は、複数のリッジ部が形成されたリッジ導波型半導体レーザにおいて極めて有効な手法である。
【００３３】
なお、図３に示したレーザ素子の構造が図４に示した構造のように変形されても、Ａｕメッキ層の厚膜化は実施の形態１と同様の効果を与える。この場合、ｐ電極１１５の平坦部分は図３に示した素子の場合と比べて狭くなるが、レーザ駆動時に急激な温度上昇が起こるリッジ部Ａ １１７近傍のｐ電極１１５の表面は平坦性が保たれるため、ジャンクションダウンでの実装で優れた放熱性が保たれる。
【００３４】
（第２の実施形態）
本実施形態２は、本発明の半導体レーザ素子およびその製造方法を、窒化ガリウム系半導体材料からなるリッジ導波型半導体レーザ素子およびその製造方法に適用したものである。
【００３５】
図５は本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の共振器に垂直な方向の断面構造を示している。図５に示す半導体レーザ素子はｎ−ＧａＮ基板１０１上にｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１０３、ＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造からなる活性層１０４、ｕｎｄｏｐｅｄ−ＧａＮ中間層１０５、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０６、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０７、ｐメタル層１０８、絶縁層１０９、ｐ電極１１５、およびｎ電極１１６を有する。絶縁膜１０９はリッジ部Ａ １１７の両側面、リッジ部Ｂ １１８の上面および側面を被覆している。リッジ部Ａ １１５、およびリッジ部Ｂ １１６が一定の間隔で形成されている。リッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ １１８に挟まれた凹部は有機性塗布ガラス材料（ＳＯＧ）からなる誘電体層１１０で埋め込まれ、リッジ部Ａ １１７およびリッジ部Ｂ １１８間は平坦化されている。リッジ部Ａ １１７、リッジ部Ｂ １１８、および誘電体層１０９の上面にはｐ電極が形成され、ｎ−ＧａＮ基板１０１の裏面にはｎ電極１１０が形成されている。リッジ部Ｂ １１８は上面および側面のすべてが絶縁膜１０８で被覆されているため、ｐ電極１１５はリッジ部Ａ １１７の上面でのみｐメタル層１０８と接する。したがって、リッジ部Ａ １１７のみが電流狭窄構造として機能し、レーザ発振に寄与する。
【００３６】
上記レーザ素子の製造方法は実施形態１で示したレーザ素子の製造方法において、リッジ部Ａ １１７の上面開口部にｐメタル層１０８を形成した後、リッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ １１８に挟まれた凹部にのみＳＯＧを塗布する。ＳＯＧは焼成、あるいは電子線や紫外線の照射により硬化する。このようにしてリッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ １１８に挟まれた凹部に誘電体層１１０を形成することにより凹部の平坦化工程を経た後、ｐ電極、ｎ電極を順次形成する。
【００３７】
本実施形態２ではリッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ １１８の間隔は１０μｍとした。素子の共振器長、チップ幅、および厚みはそれぞれ６００μｍ、４００μｍ、および厚み１００μｍであり、また、リッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ １１８に挟まれた凹部の深さは０．７５μｍである。ｐ電極１１５、およびｎ電極１１６の最表面はＡｕめっき層で形成される。本実施形態２ではＡｕめっき層厚を３μｍとした。
【００３８】
図５に示す半導体レーザ素子は、図１に示したリッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ １１８に挟まれた凹部が埋め込まれていないレーザ素子と比べて、リッジ間に挟まれた凹部が埋め込まれた効果によりｐ電極１１５の表面の平坦性が向上している。本発明の実施形態１と同様、ｐ電極１１５の表面の平坦性向上は、サブマウントとの密着性および放熱性の向上を実現する。これにより、リッジ部Ａ １１７への応力集中防止と放熱性の向上とが両立される。
【００３９】
ＳＯＧからなる誘電体層による埋め込みは、電流狭窄構造であるリッジ部Ａ １１７、あるいはＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造からなる活性層１０４への過剰な応力が働くことを抑制する点で有利である。これはＳＯＧからなる誘電体層の熱膨張係数は電流狭窄に用いている絶縁層の熱膨張係数に近いことによる。リッジ部周辺への過度の応力集中は素子の基本特性、および信頼性を極端に低下させることが知られている。
【００４０】
また、本実施形態によれば、煩雑な結晶成長をすることなくリッジ部Ａ １１７およびリッジ部Ｂ １１８に挟まれた凹部を埋め込むことが可能であり、誘電体膜で電流狭窄構造を形成するリッジ導波型半導体レーザの有する利点の１つである低コスト性を充分に引き出すことができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように本発明は、誘電体膜による電流狭窄構造を形成するリッジ導波型半導体レーザにおいて、リッジ部への実装応力の集中を防止する信頼性の高い実装を可能にし、なおかつ電極表面を平坦化することによって放熱性に優れた半導体素子およびその製造方法を提供することが実現できる。
【００４２】
これにより、実装による応力集中の防止と放熱性の向上とを両立できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による誘電体膜により電流狭窄されたリッジ導波型半導体レーザ装置の共振器方向に垂直な断面図
【図２】本発明の第１の実施形態による誘電体膜により電流狭窄されたリッジ導波型半導体レーザ装置の共振器方向に平行な平面図
【図３】本発明の第１の実施形態による誘電体膜により電流狭窄されたリッジ導波型半導体レーザ装置の共振器方向に垂直な断面図
【図４】本発明の第１の実施形態による誘電体膜により電流狭窄されたリッジ導波型半導体レーザ装置の共振器方向に垂直な断面図
【図５】本発明の第２の実施形態による誘電体膜により電流狭窄されたリッジ導波型半導体レーザ装置の共振器方向に垂直な断面図
【符号の説明】
１０１ ｎ−ＧａＮ基板
１０２ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
１０３ ｎ−ＧａＮ光ガイド層
１０４ ＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造からなる活性層
１０５ ｕｎｄｏｐｅｄ−ＧａＮ中間層
１０６ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
１０７ ｐ−ＧａＮコンタクト層
１０８ ｐメタル層
１０９ ＳＯＧからなる誘電体層
１１５ ｐ電極
１１６ ｎ電極
１１７ リッジ部Ａ
１１８ リッジ部Ｂ
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳｉＯ２あるいはＳｉ３Ｎ４等の誘電体膜を用いて電流狭窄構造を形成するリッジ導波型半導体レーザは、レーザチップの製造コストを低減できるという利点から、光ディスクシステム用の光源として広く注目されている。一般に、高出力レーザ等の高い動作電流を必要とするレーザ素子は、サブマウントの主面上にジャンクションダウンにより実装される。
【０００３】
例えば非特許文献１に、絶縁膜により電流狭窄されたリッジ導波型半導体レーザ構造が記載されている。しかしながら、非特許文献１に記載のリッジ導波型半導体レーザはリッジ部が剥き出しになっているため、ジャンクションダウンでの実装はリッジ部に過度の応力集中が起きる。過度の応力集中は素子特性の劣化、特に信頼性の著しい低下をもたらす要因となる。従って、リッジ導波型半導体レーザにおいて、実装時の応力緩和による素子劣化防止は極めて重要な課題であった。またジャンクションダウンによる実装ではレーザ素子の傾きが発生しやすいため、実装の安定性も問題であった。
【０００４】
これら課題に対して、非特許文献２に、前記リッジ部の左右にｐ型電極と絶縁されたリッジ（突起部）を形成することで実装時の応力を低減するリッジ導波型半導体レーザ構造が開示されている。
【０００５】
また、特許文献１に、前記リッジ部の周囲にｐ型電極と絶縁された突起部を形成することで信頼性の高い実装ができるリッジ導波型半導体レーザ構造が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２に、埋め込み再成長を行うことでリッジ部への応力集中を防止するとともに、素子表面の平坦性を高めることで素子の放熱性を良好にする素子製造方法が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１２９７０号公報
【特許文献２】
特開２００２−９４１６９号公報
【非特許文献１】
Ｊ． Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ ｅｔ． ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ， ｖｏｌ． ３３， ｐｐ．６６−７０ （１９９７）
【非特許文献２】
宮下ほか， ２０００年春季応用物理学関係連合講演会 （Ｎｏ．２９ａ−Ｎ−７）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非特許文献２、および特許文献１で開示されているレーザ構造では、リッジ構造の上部に形成するｐ型電極表面の平坦性が大きく低下する。電極表面の平坦性が低いレーザ素子をジャンクションダウンで実装した場合、レーザ素子とサブマウントとの接触面積が狭くなるため、素子の放熱性が著しく低下する可能性があった。放熱性の低下は、特に素子の信頼性、および高温での素子特性に重大な影響を与える可能性がある。
【０００９】
また特許文献２で開示されているレーザ構造は、複数回の結晶成長を必要とする。このため、誘電体膜で電流狭窄構造を形成するリッジ導波型半導体レーザの有する利点の１つである低コスト性を充分に引き出せない。
【００１０】
本発明は、前記従来の問題を解決し、誘電体膜を用いて電流狭窄構造を形成するリッジ導波型半導体レーザにおいて、リッジ部への実装応力の集中を防止する信頼性の高い実装を可能にし、なおかつ放熱性に優れた半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、少なくとも３箇所以上のリッジ構造と、前記リッジ構造の上部に１つ以上の電極層とを有し、前記リッジ構造のうち１つのリッジ構造が電流狭窄構造としてレーザ発振に寄与し、前記電極の膜厚が前記リッジ間隔の半分の値、またはそれ以上であることを特徴とする半導体レーザ素子である。
【００１２】
本発明は、複数のリッジ構造が形成されたリッジ導波型半導体レーザをジャンクションダウンで実装する際の課題である放熱性の低下防止に対して、前記電極膜厚を前記リッジ間隔で規定することにより解決する。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、少なくとも３箇所以上のリッジ構造と、前記リッジ構造の上部に１つ以上の電極層とを有し、前記リッジ構造のうち１つのリッジ構造が電流狭窄構造としてレーザ発振に寄与し、前記電流狭窄構造であるリッジ構造とそれ以外の前記リッジ構造間の凹部がＳＯＧにより平坦化されていることを特徴とする半導体レーザ素子である。
【００１４】
本発明は、前記の課題に対して、複数のリッジ形成よって発生する素子表面の凹凸をＳＯＧからなる誘電体層で平坦化して前記電極の表面形状を制御することにより解決する。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、少なくとも３箇所以上のリッジ構造を形成する工程と、前記リッジ構造のうち１つのリッジ構造を電流狭窄構造とする工程と、前記リッジ構造の上部に前記リッジ間隔の半分の値、またはそれ以上である１つ以上の電極層を形成する工程とを有することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法である。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、少なくとも３箇所以上のリッジ構造を形成する工程と、前記リッジ構造のうち１つのリッジ構造を電流狭窄構造とする工程と、前記電流狭窄構造であるリッジ構造とそれ以外の前記リッジ構造間の凹部を有機性塗布ガラス材料（Ｓｐｉｎ−Ｏｎ−Ｇｌａｓｓ， （ＳＯＧ））により平坦化する工程とを有することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を詳細に説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
第１の実施形態は、本発明の半導体レーザ素子およびその製造方法を、窒化ガリウム系半導体材料からなるリッジ導波型半導体レーザ素子およびその製造方法に適用したものである。
【００１９】
図１は本発明の第１の実施形態の半導体レーザ素子の共振器に垂直な方向の断面構造を示す。図２は、本発明の第１の実施形態による誘電体膜により電流狭窄されたリッジ導波型半導体レーザ装置の共振器方向に平行な平面図である。
【００２０】
図１に示した半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＮ基板１０１上にｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１０３、ＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造からなる活性層１０４、ｕｎｄｏｐｅｄ−ＧａＮ中間層１０５、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０６、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０７、ｐメタル層１０８、絶縁層１０９、ｐ電極１１５、およびｎ電極１１６を有する。絶縁膜１０９はリッジ部Ａ １１７の両側面、リッジ部Ｂ １１８の上面および側面を被覆している。リッジ部Ａ １１７およびリッジ部Ｂ １１８の上面および側面にはｐ電極が形成され、ｎ−ＧａＮ基板１０１の裏面にはｎ電極１１６が形成されている。リッジ部Ｂ １１８は上面および側面のすべてが絶縁膜で被覆されているため、ｐ電極１１５はリッジ部Ａ １１７の上面でのみｐメタル層１０８と接する。したがって、リッジ部Ａ １１５のみが電流狭窄構造として機能し、レーザ発振に寄与する。
【００２１】
なお、図１および図２においては、１本のリッジ部Ａ １１７が、一対のリッジ部Ｂ １１８に挟まれているが。リッジ部Ｂ １１８は３本以上存在していてもよい。但し、３本以上の場合であっても、そのうちのいずれか２本のリッジ部Ｂ １１８が１本のリッジ部１１７Ａを挟んでいることが必要である。
【００２２】
また、リッジ部Ａ １１７およびリッジ部Ｂ１１８とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０６との関連性について説明すると、リッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ１１８との間の凹部の底面は、図１に示すように、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０６の層内部にあることが好ましい。この凹部の底面はｐ−ＧａＮコンタクト層１０７に位置していてはならない。また、この凹部の底面は活性層１０４に位置していてはならない。但し、この凹部の底面はｐ−ＧａＮ光ガイド層１０５に位置していても良い。
【００２３】
上記レーザ素子の製造方法は以下の通りである。有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）で窒化ガリウム基板１０１上にｎ−ＧａＮ基板１０１上にｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１０３、ＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造からなる活性層１０４、ｐ−ＧａＮ光ガイド層１０５、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０６、およびｐ−ＧａＮコンタクト層１０７を連続成長する。ドライエッチングによりリッジ部Ａ １１７、リッジ部Ｂ １１８を形成した後、リッジ部Ａ １１７の上面が開口となるように素子上面部を絶縁膜１０９で被覆し、ｐメタル層、ｐ電極、ｎ電極を順次形成する。
【００２４】
リッジ部Ａ １１７、およびリッジ部Ｂ １１８は一定の間隔で形成する。本実施形態１ではリッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ １１８の間隔は１０μｍとした。素子の共振器長、チップ幅、および厚みはそれぞれ６００μｍ、４００μｍ、および１００μｍであり、また、リッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ １１８に挟まれた凹部の深さは０．７５μｍである。ｐ電極１１５、ｎ電極１１６の最表面はＡｕめっき層で形成される。金めっきは、例えば、めっき浴温６５℃，成膜レート０．１μｍ／ｍｉｎの条件下で行ない、めっき層厚はめっき時間で制御する。
【００２５】
図１はｐ電極１１５の最表面のＡｕめっき層の厚みが３μｍであるレーザ素子の典型的な構成断面である。レーザ素子に複数のリッジ構造が形成されているために、ｐ電極１１５表面はリッジ部Ａ １１７、およびリッジ部Ｂ １１８の凹凸を反映した形状となる。
【００２６】
図３は、ｐ電極１１５の最表面のＡｕめっき層の厚みが１０μｍであるレーザ素子の典型的な構成断面を示す。図１に示したＡｕメッキ層厚３μｍであるレーザ素子と異なり、複数のリッジ部を形成しているにも係らず、表面が平坦なｐ電極１１５が形成されている。このように金めっき層の膜厚をリッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ １１８の距離（１０μｍ）と同程度とすることで、ｐ電極１１５の表面の平坦性を向上させることができる。
【００２７】
ジャンクションダウン方式での実装においては、ｐ電極１１５の表面の平坦性が高いほどサブマウントとの密着性は向上する。したがって、図３に示した電極表面が平坦化されたレーザ素子は、図１に示したレーザ素子よりもサブマウントとの密着性が高く、放熱性に優れる。これにより、リッジ部Ａ １１７への応力集中防止と、放熱性の向上とが両立される。
【００２８】
以下の表１にｐ電極１１５のＡｕめっき層の膜厚（すなわち、ｐ電極１１５の厚み）とこのｐ電極１１５の表面の凹凸の関係を示す。Ａｕめっき厚（すなわち、ｐ電極１１５の厚み）をリッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ １１８の間隔と同等、もしくはそれ以上とすることで、ｐ電極１１５の表面の凹凸を０．１μｍ以下とすることができる。
【００２９】
【表１】
【００３０】
Ａｕめっき層（すなわち、ｐ電極１１５）を厚膜化する工程において、リッジ部Ｂ １１８は極めて重要な役割を果たす。Ａｕめっき層（すなわち、ｐ電極１１５）の形成は、素子をめっき浴内に配置し、素子が陽極となる電圧を印加することで行う。電圧の印加により発生する電界は、リッジ構造のような突起部分に集中する性質を有し、電界の集中する領域ではめっき層の形成が促進される。
【００３１】
したがって、リッジ構造を有する導波型半導体レーザ構造の電極表面にＡｕめっき層を形成において、電界はリッジ部に集中するため、リッジ部周囲のＡｕめっき層の膜厚はリッジ部から離れた平坦部分と比べてより厚くなる。すなわち、リッジ部Ｂ １１８がないリッジ導波型半導体レーザで単純にＡｕめっき層の膜厚を増加しても、リッジ部Ａ １１７の周囲でより金メッキ層の膜厚が厚くなるために、電極（すなわち、Ａｕメッキ層）の表面を均一に平坦化することは容易ではない。
【００３２】
これに対して、リッジ部Ａ １１７の周囲にリッジ部Ｂ １１８が形成されている場合、リッジ部Ｂ １１８の存在によりリッジ部Ａ １１７への電界集中が緩和され、リッジ部Ａ １１７付近の金めっき層の平坦性低下が抑制される。すなわち本発明が提案する課題解決方法は、複数のリッジ部が形成されたリッジ導波型半導体レーザにおいて極めて有効な手法である。
【００３３】
なお、図３に示したレーザ素子の構造が図４に示した構造のように変形されても、Ａｕメッキ層の厚膜化は実施の形態１と同様の効果を与える。この場合、ｐ電極１１５の平坦部分は図３に示した素子の場合と比べて狭くなるが、レーザ駆動時に急激な温度上昇が起こるリッジ部Ａ １１７近傍のｐ電極１１５の表面は平坦性が保たれるため、ジャンクションダウンでの実装で優れた放熱性が保たれる。
【００３４】
（第２の実施形態）
本実施形態２は、本発明の半導体レーザ素子およびその製造方法を、窒化ガリウム系半導体材料からなるリッジ導波型半導体レーザ素子およびその製造方法に適用したものである。
【００３５】
図５は本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の共振器に垂直な方向の断面構造を示している。図５に示す半導体レーザ素子はｎ−ＧａＮ基板１０１上にｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１０３、ＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造からなる活性層１０４、ｕｎｄｏｐｅｄ−ＧａＮ中間層１０５、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０６、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０７、ｐメタル層１０８、絶縁層１０９、ｐ電極１１５、およびｎ電極１１６を有する。絶縁膜１０９はリッジ部Ａ １１７の両側面、リッジ部Ｂ １１８の上面および側面を被覆している。リッジ部Ａ １１５、およびリッジ部Ｂ １１６が一定の間隔で形成されている。リッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ １１８に挟まれた凹部は有機性塗布ガラス材料（ＳＯＧ）からなる誘電体層１１０で埋め込まれ、リッジ部Ａ １１７およびリッジ部Ｂ １１８間は平坦化されている。リッジ部Ａ １１７、リッジ部Ｂ １１８、および誘電体層１０９の上面にはｐ電極が形成され、ｎ−ＧａＮ基板１０１の裏面にはｎ電極１１０が形成されている。リッジ部Ｂ １１８は上面および側面のすべてが絶縁膜１０８で被覆されているため、ｐ電極１１５はリッジ部Ａ １１７の上面でのみｐメタル層１０８と接する。したがって、リッジ部Ａ １１７のみが電流狭窄構造として機能し、レーザ発振に寄与する。
【００３６】
上記レーザ素子の製造方法は実施形態１で示したレーザ素子の製造方法において、リッジ部Ａ １１７の上面開口部にｐメタル層１０８を形成した後、リッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ １１８に挟まれた凹部にのみＳＯＧを塗布する。ＳＯＧは焼成、あるいは電子線や紫外線の照射により硬化する。このようにしてリッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ １１８に挟まれた凹部に誘電体層１１０を形成することにより凹部の平坦化工程を経た後、ｐ電極、ｎ電極を順次形成する。
【００３７】
本実施形態２ではリッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ １１８の間隔は１０μｍとした。素子の共振器長、チップ幅、および厚みはそれぞれ６００μｍ、４００μｍ、および厚み１００μｍであり、また、リッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ １１８に挟まれた凹部の深さは０．７５μｍである。ｐ電極１１５、およびｎ電極１１６の最表面はＡｕめっき層で形成される。本実施形態２ではＡｕめっき層厚を３μｍとした。
【００３８】
図５に示す半導体レーザ素子は、図１に示したリッジ部Ａ １１７とリッジ部Ｂ １１８に挟まれた凹部が埋め込まれていないレーザ素子と比べて、リッジ間に挟まれた凹部が埋め込まれた効果によりｐ電極１１５の表面の平坦性が向上している。本発明の実施形態１と同様、ｐ電極１１５の表面の平坦性向上は、サブマウントとの密着性および放熱性の向上を実現する。これにより、リッジ部Ａ １１７への応力集中防止と放熱性の向上とが両立される。
【００３９】
ＳＯＧからなる誘電体層による埋め込みは、電流狭窄構造であるリッジ部Ａ １１７、あるいはＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造からなる活性層１０４への過剰な応力が働くことを抑制する点で有利である。これはＳＯＧからなる誘電体層の熱膨張係数は電流狭窄に用いている絶縁層の熱膨張係数に近いことによる。リッジ部周辺への過度の応力集中は素子の基本特性、および信頼性を極端に低下させることが知られている。
【００４０】
また、本実施形態によれば、煩雑な結晶成長をすることなくリッジ部Ａ １１７およびリッジ部Ｂ １１８に挟まれた凹部を埋め込むことが可能であり、誘電体膜で電流狭窄構造を形成するリッジ導波型半導体レーザの有する利点の１つである低コスト性を充分に引き出すことができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように本発明は、誘電体膜による電流狭窄構造を形成するリッジ導波型半導体レーザにおいて、リッジ部への実装応力の集中を防止する信頼性の高い実装を可能にし、なおかつ電極表面を平坦化することによって放熱性に優れた半導体素子およびその製造方法を提供することが実現できる。
【００４２】
これにより、実装による応力集中の防止と放熱性の向上とを両立できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による誘電体膜により電流狭窄されたリッジ導波型半導体レーザ装置の共振器方向に垂直な断面図
【図２】本発明の第１の実施形態による誘電体膜により電流狭窄されたリッジ導波型半導体レーザ装置の共振器方向に平行な平面図
【図３】本発明の第１の実施形態による誘電体膜により電流狭窄されたリッジ導波型半導体レーザ装置の共振器方向に垂直な断面図
【図４】本発明の第１の実施形態による誘電体膜により電流狭窄されたリッジ導波型半導体レーザ装置の共振器方向に垂直な断面図
【図５】本発明の第２の実施形態による誘電体膜により電流狭窄されたリッジ導波型半導体レーザ装置の共振器方向に垂直な断面図
【符号の説明】
１０１ ｎ−ＧａＮ基板
１０２ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
１０３ ｎ−ＧａＮ光ガイド層
１０４ ＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造からなる活性層
１０５ ｕｎｄｏｐｅｄ−ＧａＮ中間層
１０６ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
１０７ ｐ−ＧａＮコンタクト層
１０８ ｐメタル層
１０９ ＳＯＧからなる誘電体層
１１５ ｐ電極
１１６ ｎ電極
１１７ リッジ部Ａ
１１８ リッジ部Ｂ
Claims (4)
- 少なくとも３箇所以上のリッジ構造と、前記リッジ構造の上部に１つ以上の電極層とを有し、前記リッジ構造のうち１つのリッジ構造が電流狭窄構造としてレーザ発振に寄与し、前記電極層の厚みが前記リッジ間隔の半分の値、またはそれ以上であることを特徴とする半導体レーザ素子。
- 少なくとも３箇所以上のリッジ構造と、前記リッジ構造の上部に１つ以上の電極層とを有し、前記リッジ構造のうち１つのリッジ構造が電流狭窄構造としてレーザ発振に寄与し、前記電流狭窄構造であるリッジ構造とそれ以外の前記リッジ構造間の凹部が有機性塗布ガラス材料（Ｓｐｉｎ−Ｏｎ−Ｇｌａｓｓ， （ＳＯＧ））により平坦化されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
- 少なくとも３箇所以上のリッジ構造を形成する工程と、前記リッジ構造のうち１つのリッジ構造を電流狭窄構造とする工程と、前記リッジ構造の上部に前記リッジ間隔の半分の値、またはそれ以上である１つ以上の電極層を形成する工程とを有することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
- 少なくとも３箇所以上のリッジ構造を形成する工程と、前記リッジ構造のうち１つのリッジ構造を電流狭窄構造とする工程と、前記電流狭窄構造であるリッジ構造とそれ以外の前記リッジ構造の間の凹部をＳＯＧにより平坦化する工程とを有することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
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| JP2011108932A (ja) * | 2009-11-19 | 2011-06-02 | Opnext Japan Inc | 光半導体装置 |
| JP2011211240A (ja) * | 2011-07-25 | 2011-10-20 | Opnext Japan Inc | 光半導体素子の製造方法 |
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2003
- 2003-06-02 JP JP2003156399A patent/JP2004363147A/ja not_active Withdrawn
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