JP2007173402A

JP2007173402A - 半導体レーザ装置

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Publication number: JP2007173402A
Application number: JP2005366944A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Yuri; 正昭油利
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2007-07-05

Abstract

【課題】パッド電極からの金属元素の拡散を発生させることなく、共振器の中央部分に対する端面部分の相対的な温度上昇を低減して、信頼性が高い半導体レーザ装置を得られるようにする。
【解決手段】半導体レーザ装置は、活性層１０５の上方に形成されたストライプ部１０９ａからなる電流注入領域を有する半導体積層体１２０と、該半導体積層体１２０の上にストライプ部１０９ａを覆うように形成されたｐ側オーミック電極１４１と、半導体積層体１２０の上にｐ側オーミック電極１４１と電気的に接続されるパッド電極１４３とを有している。半導体積層体１２０は、活性層１０５を含み且つストライプ部１０９ａの長手方向にほぼ垂直に形成され、互いに対向する一対の劈開面１６０を持つ共振器を有し、パッド電極１４３はストライプ部１０９ａの上側部分を除く領域に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高密度光ディスク装置、レーザディスプレイ装置又は照明装置等に適用可能な半導体レーザ装置に関する。

近年、半導体レーザ装置のうち、III-Ｖ族窒化物系化合物半導体（以下、単に窒化物半導体と称す。）を用いた半導体レーザ装置の研究及び開発が進み、高密度光ディスク装置用の短波長光源として一部が実用化されるに至っている。

窒化物半導体レーザ装置は、通常、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、例えばｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板の上に、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層を含むダブルへテロ構造体を形成した後、形成されたｐ型層の一部をリッジ状のストライプ部として加工して導波路を形成し、ストライプ部の上面を除く領域を絶縁膜で覆った後にｐ側電極を形成する。さらに、基板の裏面にｎ側電極を形成し、続いて、ダブルへテロ構造体を所定の結晶面で劈開して共振器を形成することにより作製される。これら製造工程のなかで、とりわけｐ側電極の形成方法は、半導体レーザ装置の性能、信頼性及び歩留まり等に大きく影響を及ぼす要因として注目され、種々の改良が加えられている。例えば、下記の特許文献１に開示された従来の窒化物半導体レーザ装置におけるｐ側電極の構成について図面を参照しながら説明する。

図１２（ａ）は従来の窒化物半導体レーザ装置におけるｐ側電極を含む部分の断面構成を示し、図１２（ｂ）はｐ側電極の平面構成を示している。

図１２に示すように、従来の窒化物半導体レーザ装置は、活性層を含み、上部がリッジ状のストライプ部を有する半導体積層体１と、該半導体積層体１におけるリッジ部の上部に形成されたｐ型半導体層（コンタクト層）２と、該ｐ型半導体層２の上に形成されたｐ側オーミック電極４とを有している。

ストライプ部の側面を含む半導体積層体１は絶縁膜３により覆われており、ｐ側オーミック電極４は、その上面及びストライプ部の側方を含めチタン（Ｔｉ）等からなる第１の薄膜層５及び該第１の薄膜層５の上に形成され幅が第１の薄膜層５よりも小さく且つ長さがストライプ部よりも短い金（Ａｕ）からなる第２の薄膜層６からなるパッド電極７により覆われている。

この構成により、パッド電極７は、ｐ型半導体層２と良好なオーミック特性を得られると共に、第１の薄膜層５を設けることより、半導体積層体１を劈開する際の電極剥がれが発生しにくくなる。さらには、第２の薄膜層６を設けることにより、良好な放熱性を確保することができる。

なお、特許文献１においては、第１の薄膜層５と第２の薄膜層６とを併せてパッド電極７と称しているが、本願明細書においては、より厳密に、ワイヤボンディング又はヒートシンクとの半田付けに供される、特許文献１に係る第２の薄膜層６に相当する部材をパッド電極と称し、特許文献１に係る第１の薄膜層５に相当する部材は配線電極と称し、これらを区別する。
特開２０００−２２２７２号公報

本願発明者は、前記従来の半導体レーザ装置に対して種々の検討を加えた結果、従来の半導体レーザ装置の構成では十分な信頼性を得られないという結果を得ている。

具体的には、光出力一定の条件下で従来の半導体レーザ装置を駆動した場合に、動作電流が時間と共に徐々に増加すると共に、ある時点で動作電流が急激に増大して不可逆的に劣化してしまう現象を確認している。劣化した半導体レーザ装置を観察した結果、ストライプ部における端面近傍、すなわち第２の薄膜層６が設けられていない領域において、ストライプ部の一部が溶解し破壊されていることを観察した。

解析の結果、時間と共に徐々に動作電流が増大する現象は、本願発明のパッド電極に相当する第２の薄膜層６を構成するＡｕ等の元素が第１の薄膜層５又はｐ側オーミック電極４と相互拡散して半導体積層体１にまで侵入し、非発光再結合中心が形成されたためと推察される。また、ある時点で発生した端面付近の不可逆的な破壊は、放熱性が非常に良好な第２の薄膜層６で覆われる共振器の中央部分に対し、該第２の薄膜層６で覆われていない共振器端面の近傍の温度が相対的に異常に上昇し、これが端面近傍のバンドギャップエネルギーを低下させ、さらには光吸収を増大させるという正帰還的な現象が発生し、ついには結晶及び電極の溶融を引き起こすまでに温度上昇したためと推察される。

本発明は、前記の問題に鑑み、パッド電極からの金属元素の拡散を発生させることなく、且つ、共振器の中央部分に対する端面部分の相対的な温度上昇を低減して、信頼性が高い半導体レーザ装置を得られるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、ストライプ状の電流注入領域を有する半導体レーザ装置を、オーミック電極と接続されるパッド電極を電流注入領域の上側から外れた領域に形成する構成とする。

具体的に、半導体レーザ装置は、活性層及び該活性層の上方にストライプ状に延びる電流注入領域を有する半導体積層体と、半導体積層体の上に電流注入領域を覆うように形成されたオーミック電極と、半導体積層体の上にオーミック電極と電気的に接続されて形成されたパッド電極とを備え、半導体積層体は、活性層を含み且つ電流注入領域の長手方向にほぼ垂直に形成され、互いに対向する一対の劈開面を持つ共振器を有し、パッド電極は、電流注入領域の上側部分を除く領域に形成されていることを特徴とする。

本発明の半導体レーザ装置によると、半導体積層体の上にオーミック電極と電気的に接続されて形成されたパッド電極は、電流注入領域の上側部分を除く領域に形成されているため、電流注入領域にパッド電極を構成する金属元素が拡散することがない。その上、動作時に高温となる電流注入領域をパッド電極が部分的にを覆うことがないため、電流注入領域（共振器）のパッド電極に覆われた部分と覆われていない部分とに生じる温度差が小さくなる。その結果、例えば共振器の端面のみが局所的に高温となって結晶性が破壊されるという事態を防止することができるので、半導体レーザ装置の信頼性が向上する。

本発明の半導体レーザ装置において、パッド電極は、電流注入領域と対向する側に形成され、端部が一対の劈開面の少なくとも一方にまで達する第１の領域と、第１の領域に対する電流注入領域の反対側に形成され、端部が各劈開面と間隔をおいた第２の領域とを有していることが好ましい。このように、端面部分の温度がその中央部分よりも高くなる共振器において、パッド電極における電流注入領域に近い第１の領域を劈開面の少なくとも一方にまで達するように形成するため、端面部部分の温度と中央部分の温度との温度差がさらに小さくなるので、信頼性がより向上する。

本発明の半導体レーザ装置において、電流注入領域とパッド電極との間隔は、電流注入領域の中央部分よりも両端部で小さく設定されていることが好ましい。

本発明の半導体レーザ装置において、パッド電極は、金若しくはアルミニウムを含む単層膜又は積層膜からなることが好ましい。

本発明の半導体レーザ装置において、パッド電極は、半導体積層体上における電流注入領域の長手方向の両側に形成されていることが好ましい。

本発明の半導体レーザ装置において、オーミック電極は、電流注入領域の放熱性を高める膜により覆われていることが好ましい。

この場合に、膜は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン又はグラファイトからなることが好ましい。

本発明の半導体レーザ装置において、半導体積層体は、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層を含み、オーミック電極は、半導体積層体におけるｐ型半導体層と接するように形成されていることが好ましい。

本発明の半導体レーザ装置において、半導体積層体は、III-Ｖ族窒化物半導体からなることが好ましい。

本発明に係る半導体レーザ装置によると、パッド電極を構成する金属元素の半導体積層体への拡散が生じず、非発光性再結合中心が形成されることがない。さらに、共振器の端部と中央部との温度差が小さくなるため、共振器の中央部に対する端部の相対的な温度上昇が抑制されるので、共振器端面及びその近傍に結晶溶融が発生しにくくなり、その結果、半導体レーザ装置の信頼性を大幅に向上することができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１（ａ）及びは図１（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置であって、（ａ）は平面構成を示し、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面であって、共振器の長手方向に対して垂直な方向の断面構成を示している。

ここでは、図１（ａ）及び（ｂ）を用いて、第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置の構成及びその製造方法を説明する。

まず、図１（ｂ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、例えばｎ型ＧａＮからなる基板１０１の上に、基板温度を１０５０℃として、厚さが３μｍのｎ型ＧａＮ層１０２、厚さが１．２μｍのｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなるｎ型クラッド層１０３及び厚さが０．０８μｍのｎ型ＧａＮからなる第１光ガイド層１０４を順次成長する。なお、基板１０１は図示していないが、劈開するまではウエハ状態にある。

続いて、基板温度を８００℃にまで降温した後、厚さが７．５ｎｍのＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなるバリア層と厚さが３．０ｎｍのＩｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなる井戸層とを３周期分繰り返して成長することにより多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０５を形成し、その後、該ＭＱＷ活性層１０５の上に、厚さが５０ｎｍのＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなる第２光ガイド層１０６を成長する。

次に、基板温度を１０００℃に設定して、第２光ガイド層１０６の上に、厚さが５０ｎｍのＧａＮからなる第３光ガイド層１０７、厚さが１０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎからなるｐ型第１クラッド層１０８、厚さが１．５ｎｍのｐ型Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなる第１層と厚さが１．５ｎｍのｐ型ＧａＮからなる第２層とを１６０周期分繰り返して形成し、厚さが０．４８μｍの歪超格子構造を有するｐ型第２クラッド層１０９、及び厚さが０．０５μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１１０を順次成長する。このようなエピタキシャル成長により、ダブルへテロ構造を有する半導体積層体１２０が形成される。

続いて、半導体積層体１２０が形成された基板（ウエハ）１０１を反応炉から取り出し、塩素（Ｃｌ₂ ）ガスを用いたドライエッチングにより、コンタクト層１１０及びｐ型第２クラッド層１０９の上部に、幅が約１．５μｍで高さが約０．５μｍのリッジ状のストライプ部１０９ａを形成する。ここで、ストライプ状に形成されたｐ型コンタクト層１１０が半導体積層体１２０における電流注入領域となる。

次に、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、化学的気相堆積（ＣＶＤ）法により、ストライプ部１０９ａが形成された半導体積層体１２０の上に全面にわたって、厚さが０．１μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）からなる絶縁膜１３０を成膜する。続いて、リソグラフィ法及びフルオロカーボンガスを主成分とするドライエッチング法により、成膜された絶縁膜１３０におけるｐ型コンタクト層１１０の上側部分を選択的に除去して、ｐ型コンタクト層１１０を露出する。

続いて、真空蒸着法により、露出したｐ型コンタクト層１１０を含むストライプ部１０９ａの上面及び側面を覆うように、厚さが４０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と、厚さが４０ｎｍの白金（Ｐｔ）とを順次成膜して、ストライプ部１０９ａの上面の電流注入領域にｐ側オーミック電極１４１を形成する。

次に、絶縁膜１３０の上のｐ側オーミック電極１４１を含む全面に配線電極１４２を形成する。その後、形成した配線電極１４２の上のストライプ部１０９ａの一方の側方領域にパッド電極１４３を形成する。ここで、配線電極１４２は、真空蒸着法により、ｐ側オーミック電極１４２側から、例えば厚さが５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）と厚さが１００ｎｍの白金（Ｐｔ）とにより構成している。また、パッド電極１４３は、真空蒸着法又はめっき法により、配線電極１４２側から、例えば厚さが５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）と厚さが１．０μｍの金（Ａｕ）とにより構成している。配線電極１４２及びパッド電極１４３のそれぞれの１層目のＴｉは下地金属である白金との密着性を向上させるために設けている。

図１（ａ）に示すように、パッド電極１４３の平面形状はほぼ長方形であるが、互いに対向する共振器端面のうちの出射端面が識別可能なように、長方形の１つの角部にかぎ型の切り欠き部を設けている。パッド電極１４３におけるストライプ部１０９ａが延びる方向（長手方向）の寸法は、共振器長の６００μｍよりも短い５８０μｍとし、ストライプ部１０９ａに対して垂直な方向の幅は２００μｍとしている。ここで、パッド電極１４３の長さ寸法を共振器の長さ寸法よりも短くし、劈開面（共振器端面）１６０よりも内側に形成しているのは、パッド電極１４３を複数のレーザチップに跨って形成した場合に、この後の劈開工程において、パッド電極１４３が剥がれたり、逆に分離できなかったりする事態を回避するためである。また、ストライプ部１０９ａとパッド電極１４３の間隔ｄは５μｍとしている。

続いて、基板１０１におけるｎ型ＧａＮ層１０２の反対側の面すなわち裏面を研磨して、該基板１０１の厚さを約１００μｍにまで薄膜化する。その後、真空蒸着法等により、薄膜化された基板１０１の離面上にｎ側オーミック電極１５０を形成する。ここで、ｎ側オーミック電極１５０は、基板１０１側から、厚さが１０ｎｍのチタン（Ｔｉ）、厚さが１００ｎｍの白金（Ｐｔ）及び厚さが１．０μｍの金（Ａｕ）を順次積層して形成されている。

次に、ｎ側オーミック電極１５０が形成された基板１０１及びパッド電極１４３が形成された半導体積層体１２０をストライプ部１０９ａの長手方向とほぼ直交する方向に劈開して、幅が６００μｍのバー状に切り出して共振器端面１６０を形成する。なお、バー状に劈開された基板１０１には、各ストライプ部１０９ａが互いに平行に位置する複数の半導体レーザ装置（レーザチップ）が含まれる。続いて、例えばスパッタ法により、各共振器端面１６０上に誘電体からなるコーティング膜（図示せず）を形成する。ここでは、前端面及び後端面の発振波長に対する電力反射率をそれぞれ２０％及び９５％となるように形成している。

次に、スクライブによって、バー状の基板１０１に含まれる半導体レーザ装置を個々のレーザチップに分離する。

その後、図示はしていないが、形成された窒化物半導体レーザ装置を、両面がメタライズされた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるサブマウントの上に、基板１０１のｎ側オーミック電極１５０が接するように、いわゆるジャンクションアップと呼ばれる実装法によって、金錫（ＡｕＳｎ）からなる半田材により固着する。さらに、半導体レーザ装置が固着されたサブマウントを銅（Ｃｕ）からなるヒートシンクの上にＡｕＳｎからなる半田材により固着する。

続いて、パッド電極１４３に、金（Ａｕ）からなるワイヤを接続し、接続されたワイヤと、ｎ側オーミック電極１５０と電気的に接続されたサブマウント上の金属電極とにそれぞれ外部から電流を供給することにより、半導体積層体１２０におけるストライプ部１０９ａに電流を注入することができる。

以下、第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置の動作特性を評価した結果を図２に示す比較例と共に説明する。図２に示すように、本比較例は、パッド電極２４３がストライプ部１０９ａを含め、配線電極１４２のほぼ全面を覆う構成としている。具体的には、パッド電極２４３のストライプ部１０９ａの長手方向の寸法は、第１の実施形態と同一の５８０μｍであるが、ストライプ部１０９ａに垂直な方向の幅は３００μｍとし、その一部がストライプ部１０９ａを覆うように形成している。この比較例も、第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置と同様のサブマウント及びヒートシンクに実装して動作特性の比較を行なっている。

図３は第１の実施形態に係る半導体レーザ装置と比較例に係る半導体レーザ装置の室温における電流−光出力特性の代表例を示している。図３に示すように、電流−光出力特性は両者でほぼ同等であったが、測定数を増やしてより詳細に比較すると、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の方が高出力時の動作電流が若干多めになっていることが分かる。これは、比較例においては、ストライプ部１０９ａの直上に放熱性に優れた比較的に膜厚が大きいＡｕからなるパッド電極２４３が形成されているのに対し、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置においては、ストライプ部１０９ａの直上にはパッド電極１４３が設けられていないためである。

図４に各半導体レーザ装置について、光出力を１５０ｍＷの一定値とする条件下でエージング試験を行なった結果を示す。図４から分かるように、比較例に係る半導体レーザ装置は、初期の動作電流が第１の実施形態に係る半導体レーザ装置と比べて平均して小さいものの、５００時間程度の比較的に短時間で電流の増加が起こり、１０００時間前後でついには急激に動作電流が増大して故障に至っている。一方、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置は、電流の増加の割合が極めて小さく、２０００時間が経過しても安定した動作を示す。

一般に、半導体レーザ装置の寿命は動作電流が大きい程短くなることが知られているが、図３及び図４に示す評価結果はこれに当てはまらない。本願発明者は、この原因を探るために、数値シミュレーションによってストライプ方向の温度分布を計算した。ここでは、数値シミュレーションの前提として、リッジ状の電流注入領域であるストライプ部１０９ａに均一に発生した熱が、レーザチップ及びサブマウントを通して、ヒートシンクに放熱される単純なモデルを仮定している。

図５はレーザ駆動時のストライプ部１０９ａに沿ったＭＱＷ活性層１０５における温度分布のシミュレーション結果を表わしている。図５から分かるように、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置は、横軸に示す距離が０μｍ及び６００μｍの端面の近傍でわずかに温度上昇が見られるものの、共振器（ストライプ部１０９ａ）の全域にわたって比較的に均一な温度分布を示している。

これに対し、図５に示すように、比較例に係る半導体レーザ装置は、パッド電極２４３による良好な放熱特性を反映して全体的に温度は低いものの、パッド電極２４３に覆われていない共振器端面１６０近傍の温度がパッド電極２４３に覆われたストライプ部１０９ａの中央部分に対して大きく上昇している。このように、比較例に係る半導体レーザ装置は、局所的に温度が上昇する共振器端面１６０の近傍において、ストライプ部１０９ａの中央部分と比べて活性層１０５のバンドギャップエネルギーが相対的に小さくなるため、発振波長の光エネルギーがより多く吸収されてしまう。これにより、発熱がさらに多く生じるという正帰還的なプロセスを経ることとなって、共振器端面１６０の近傍では、実際には数値シミュレーション以上に温度が上昇して、局所的な劣化を引き起こしていると推測される。

この局所的な劣化とは、前述したように、動作時の発熱によって、パッド電極２４３における共振器端面１６０に比較的に近い領域が、ｐ側オーミック電極１４１を介して半導体積層体１２０に拡散し非発光再結合中心を形成するメカニズムと、温度上昇によって共振器端面１６０の近傍で半導体積層体１２０自体が溶融するに至るメカニズムとの双方が並存すると考えられる。

このように、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置は、レーザチップとしての平均的な温度は比較例より高いものの、局所的な温度上昇が小さいため、半導体積層体１２０に劣化が生じにくい。窒化物半導体は、ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰといった従来の砒化ガリウム系又は燐化ガリウム系のIII-Ｖ族化合物半導体と比べて化学的に極めて安定で
あるため、レーザチップ全体の平均的な温度の上昇は結晶性の劣化にそれ程影響は及ぼさないが、局所的な温度分布は結晶性の劣化に極めて大きな影響を及ぼすと考えられる。

以上説明したように、第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置によると、放熱性が比較的に優れたパッド電極１４３を電流注入領域を構成するストライプ部１０９ａから離して形成するため、チップ全体の温度は上昇するものの、共振器端面１６０及びその近傍部分の温度が局所的に上昇することを防止することができる。これにより、パッド電極１４３を構成する金属元素の半導体積層体１２０への拡散が生じないため、非発光性再結合中心が形成されることがない。さらに、共振器端面１６０と共振器の中央部分との温度差が小さくなるため、共振器の中央部分に対する端面部部分の相対的な温度上昇が抑制される。その結果、共振器端面１６０及びその近傍に結晶溶融が発生しにくくなるので、半導体レーザ装置の信頼性を大幅に向上することができる。

なお、第１の実施形態においては、パッド電極１４３のストライプ方向の寸法を共振器端面１６０からそれぞれ１０μｍずつ内側となるように設定したが、これに限られない。但し、劈開工程における劈開位置のばらつきを考慮すると、共振器端面１６０から５μｍ以上のマージンを取ることが望ましい。

また、ストライプ部１０９ａとパッド電極１４３との間隔ｄを５μｍとしているが、これに限られない。但し、パッド電極１４３がストライプ部１０９ａに近くなり過ぎると、ストライプ部１０９ａの中央部分と端面部分との温度差が生じ易くなるため、間隔ｄは少なくとも０．５μｍ程度とすることが望ましい。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図６は本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置の平面構成を示している。図６において、図１（ａ）に示した構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。また、III-Ｖ族窒化物からなる半導体積層体の構成も第１の実施形態と同等である。

図６に示すように、第２の実施形態に係る半導体レーザ装置は、パッド電極１４３を、ストライプ部１０９ａと対向する領域では両端部が１対の共振器端面（劈開面）１６０にまで達するように設けられた第１の領域１４３ａと、該第１の領域１４３ａに対するストライプ部１０９ａの反対側で且つ端部が共振器長よりも短いすなわち共振器端面１６０よりも内側に設けられた第２の領域１４３ｂとにより構成している。

ここで、ストライプ部１０９ａと第１の領域１４３ａとの間隔ｄは５μｍとし、第１の領域１４３ａの幅ａは２０μｍとしている。第２の領域１４３ｂにおける共振器の長手方向の寸法は、第１の実施形態と同様に５８０μｍとし、幅は１８０μｍとしている。

また、パッド電極１４３は第１の実施形態と同様に、厚さが５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）とその上に形成された厚さが１．０μｍの金（Ａｕ）とにより構成している。

図７に、図６に示した第２の実施形態に係る半導体レーザ装置のＭＱＷ活性層１０５におけるストライプ部１０９ａに沿った温度分布の数値シミュレーション結果を示す。比較のために、図１に示した第１の実施形態に係る半導体レーザ装置及び図２に示した比較例に係る半導体レーザ装置のシミュレーション結果をも表わしている。

図７から分かるように、第２の実施形態に係る半導体レーザ装置は、共振器端面１６０における温度上昇がさらに抑制され、レーザチップの全体にわたって均一な温度分布を実現できている。これは、ストライプ部１０９に近い第１の領域１４３ａが共振器端面１６０にまで延びていることから、ストライプ部１０９ａにおける最も発熱し易い共振器端面１６０の近傍部分が効果的に冷却されているためである。

本願発明者は、実際に第２の実施形態に係る半導体レーザ装置を光出力が１５０ｍＷで且つ温度が７０℃の条件下で連続的に通電したところ、２０００時間以上経過しても動作電流の増大はほとんど観測されず、第１の実施形態と比べてもさらに良好な信頼性を得ることができることを確認している。

なお、ここでは、第１の領域１４３ａが劈開面である共振器端面１６０と接する部分の幅ａを２０μｍとしたが、これに限られない。但し、幅ａは約１μｍ以上且つ１００μｍ未満が望ましい。なぜなら、幅ａが約１μｍ未満になると放熱効果が十分に得られなくなるため、共振器端面１６０の近傍での温度上昇が大きくなる。一方、幅ａが１００μｍ以上とすると、半導体積層体１２０を劈開する際に、パッド電極１４３の第１の領域１４３ａに対する劈開が困難となるため望ましくない。具体的には、半導体積層体１２０を劈開する際に、パッド電極１４３が剥がれたり、逆に、パッド電極１４３が劈開されず、ちぎれたような不規則な形状で分離されたりして、歩留まりが低下する原因となる。

このように、第２の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置によると、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の構成に加え、パッド電極１４３におけるリッジ状のストライプ部１０９ａと対向する第１の領域１４３ａにのみ、ストライプ部１０９ａの長手方向の両端部を共振器端面１６０にまで延ばしているため、共振器端面１６０と共振器の中央部分との温度差がさらに小さくなる。従って、半導体レーザ装置の信頼性がさらに向上する。

なお、第２の実施形態においては、パッド電極１４３の第２の領域１４３ｂにおけるストライプ部１０９ａの長手方向の寸法を共振器端面からそれぞれ１０μｍずつ内側になるように設定したが、これに限られない。但し、劈開工程における劈開位置のばらつきを考慮すると、共振器端面１６０から５μｍ以上のマージンを取ることが望ましい。

また、第２の実施形態においては、ストライプ部１０９ａとパッド電極１４３との間隔ｄを５μｍとしたが、これに限られない。但し、パッド電極１４３がストライプ部１０９ａに近くなり過ぎると、ストライプ部１０９ａの中央部分と端面部分との温度差が生じ易くなるため、約０．５μｍ以上離すことが望ましい。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図８は本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置の平面構成を示している。図８において、図１（ａ）に示した構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。また、III-Ｖ族窒化物からなる半導体積層体の構成も第１の実施形態と同等である。

図８に示すように、第３の実施形態に係る半導体レーザ装置は、第２の実施形態と同様に、パッド電極１４３を、ストライプ部１０９ａと対向する領域では両端部が１対の共振器端面（劈開面）１６０にまで達するように設けられた第１の領域１４３ａと、該第１の領域１４３ａに対するストライプ部１０９ａの反対側で且つ端部が共振器端面１６０よりも内側に設けられた第２の領域１４３ｂとにより構成している。

さらに、第２の実施形態においては、ストライプ部１０９ａと第１の領域１４３ａとの間隔は、共振器端面１６０の近傍ではｄ₀ ＝５μｍとし、共振器端面１６０の近傍を除く部分ではｄ₁ ＝１０μｍとしている。

図９に、図８に示した第３の実施形態に係る半導体レーザ装置のＭＱＷ活性層１０５におけるストライプ部１０９ａに沿った温度分布の数値シミュレーション結果を示す。比較のために、図１に示した第１の実施形態に係る半導体レーザ装置、図２に示した比較例に係る半導体レーザ装置及び図６に示した第２の実施形態に係る半導体レーザ装置のシミュレーション結果をも表わしている。

図９から分かるように、第３の実施形態に係る半導体レーザ装置は、レーザチップ全体の平均的な温度は若干高くなるものの、共振器端面１６０の近傍の温度と共振器の中央部分の温度との差が一層小さくなり、均一な温度分布が実現されている。これは、ストライプ部１０９ａとパッド電極１４３との間隔を共振器端面１６０とその近傍部分でｄ₀ とし、他の部分でｄ₁ （ｄ₀ ＜ｄ₁ ）と大きくすることにより、発熱量が大きい共振器端面１６０の近傍部分の放熱が優先的に改善されるからである。

このように、第３の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置によると、第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の構成に加え、パッド電極１４３におけるリッジ状のストライプ部１０９ａと対向する第１の領域１４３ａの両端部を除く部分のストライプ部１０９ａとの間隔ｄ₁ を両端部の間隔ｄ₀ よりも大きくしている。これにより、共振器端面１６０と共振器の中央部分との温度差がより一層小さくなるため、半導体レーザ装置の信頼性がより一層向上する。

なお、第３の実施形態においては、ストライプ部１０９ａとパッド電極１４３との距離ｄ₀ を５μｍとし、ｄ₁ を１０μｍとしたがこれに限られない。各間隔ｄ₀ 及びｄ₁ は、ストライプ部１０９ａの中央部分と端面部分との温度差が小さくなるように適宜設定することができる。

また、第３の実施形態においても、パッド電極１４３の第１の領域１４３ａが劈開面と接する部分の幅ａを２０μｍとしたが、これに限られない。但し、第２の実施形態に示した理由で、約１μｍ以上且つ１００μｍ未満が望ましい。

また、パッド電極１４３の第２の領域１４３ｂにおけるストライプ部１０９ａの長手方向の寸法を共振器端面からそれぞれ１０μｍずつ内側になるように設定したが、これに限られない。但し、劈開工程における劈開位置のばらつきを考慮すると、共振器端面１６０から５μｍ以上のマージンを取ることが望ましい。

（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１０（ａ）及びは図１０（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置であって、（ａ）は平面構成を示し、（ｂ）は（ａ）のＸｂ−Ｘｂ線における断面であって、共振器の長手方向に対して垂直な方向の断面構成を示している。図１０（ａ）及び（ｂ）において、図１（ａ）及び（ｂ）に示した構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、第４の実施形態においては、第２の実施形態に示したパッド電極１４３をストライプ部１０９ａの両側方の領域に設けている。

具体的には、第４の実施形態に係るパッド電極１４３は、ストライプ部１０９ａの両側面と対向する領域では両端部が１対の共振器端面（劈開面）１６０にまで達するように設けられた第１の領域１４３ａと、該第１の領域１４３ａに対するストライプ部１０９ａの反対側で且つ端部が共振器長よりも短い、すなわち共振器端面１６０よりも内側に設けられた第２の領域１４３ｂとにより構成している。

ここで、ストライプ部１０９ａと各第１の領域１４３ａとの間隔ｄは５μｍとし、第１の領域１４３ａの幅ａは２０μｍとしている。各第２の領域１４３ｂにおける共振器の長手方向の寸法は、第１の実施形態と同様にそれぞれ５８０μｍとし、幅は１８０μｍとしている。

このように、第４の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置によると、第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の構成を持つパッド電極１４３をストライプ部１０９ａの両側に形成しているため、電流注入領域を構成するストライプ部１０９ａからの発熱がより効果的に放散される。このため、ストライプ部１０９ａ全体の平均温度を低下させることができるので、半導体レーザ装置の信頼性をさらに向上させることができる。

なお、第４の実施形態においては、第２の実施形態と同様に、パッド電極１４３における第１の領域１４３ａが劈開面と接する部分の幅ａは本実施形態では２０μｍとしたが、これに限られず、約１μｍ以上且つ１００μｍ未満が望ましい。

また、第４の実施形態においては、パッド電極１４３の第２の領域１４３ｂにおけるストライプ部１０９ａの長手方向の寸法を、共振器端面１６０からそれぞれ１０μｍずつ内側となるように設定したが、これに限られない。但し、劈開工程における劈開位置のばらつきを考慮すると、共振器端面１６０から５μｍ以上のマージンを取ることが望ましい。

また、ストライプ部１０９ａとパッド電極１４３の第１の領域１４３ａとの間隔ｄを５μｍとしたが、これに限られない。但し、パッド電極１４３がストライプ部１０９ａに近くなり過ぎると、ストライプ部１０９ａの中央部分と端面部分との温度差が生じ易くなるため、約０．５μｍ以上離すことが望ましい。

（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１１（ａ）及びは図１１（ｂ）は本発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置であって、（ａ）は平面構成を示し、（ｂ）は（ａ）のXIｂ−XIｂ線における断面であって、共振器の長手方向に対して垂直な方向の断面構成を示している。図１１（ａ）及び（ｂ）において、図１０（ａ）及び（ｂ）に示した構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

第５の実施形態に係る半導体レーザ装置は、第４の実施形態と同様の構成であるストライプ部１０９ａの両側に形成されたパッド電極１４３と、該パッド電極１４３の間から露出するストライプ部１０９ａ上の配線電極１４２を覆うように形成され、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる放熱膜１７０とを有している。

このように、第５の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置によると、第４の実施形態に係る半導体レーザ装置の構成に加え、パッド電極１４３から露出する領域の上に、比較的に熱伝導率が高い放熱膜１７０を設けているため、ストライプ部１０９ａから発生した熱がより効果的に放散できる。このため、ストライプ部１０９ａ全体の温度を大幅に低下させることができるので、半導体レーザ装置の信頼性をより一層向上させることができる。

なお、放熱膜１７０を構成する材料には、劈開が容易な材料、すなわち金属よりも延性が小さい材料が望ましい。また、良好な放熱性を確保するため、熱伝導率が高い材料であることが望ましい。このような材料には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の他に、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、アモルファスシリコン（α−Ｓｉ）若しくはグラファイト（Ｃ）又はこれらのうち２種類以上を含む積層膜を用いることができる。

なお、これらを構成材料とする放熱膜１７０は、例えば、リソグラフィ法により、パッド電極１４３の上にストライプ部１０９ａを含む領域を開口するレジストパターンを形成した後、スパッタ法、真空蒸着法又はＣＶＤ法等により放熱膜１７０の形成材料を成膜し、続いて、レジストパターンを除去することにより形成することができる。

なお、第５の実施形態においては、パッド電極１４３を第４の実施形態に示したようなストライプ部１０９ａの両側に設ける構成としたが、これに限られず、第１〜第３の実施形態のように、パッド電極１４３がストライプ部１０９ａの片側にのみ配置される構成においても同様の効果を得ることができる。

また、第５の実施形態においては、第４の実施形態と同様に、パッド電極１４３における第１の領域１４３ａが劈開面と接する部分の幅ａは本実施形態では２０μｍとしたが、これに限られず、約１μｍ以上且つ１００μｍ未満が望ましい。

また、第５の実施形態においては、パッド電極１４３の第２の領域１４３ｂにおけるストライプ部１０９ａの長手方向の寸法を、共振器端面１６０からそれぞれ１０μｍずつ内側となるように設定したが、これに限られない。但し、劈開工程における劈開位置のばらつきを考慮すると、共振器端面１６０から５μｍ以上のマージンを取ることが望ましい。

さらに、第１〜第５の各実施形態においては、パッド電極１４３として金（Ａ）ｕを用いたが、これに限られない。第１の実施形態のように、ジャンクションアップで実装する場合は、ワイヤとのボンディング性に優れた材料であればよく、例えばアルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。また、Ａｕ又はＡｌを含む合金膜又は積層膜であってもよい。

また、各実施形態においては、ｐ側オーミック電極１４１にはパラジウム（Ｐｄ）と白金（Ｐｔ）との積層膜を用いたが、これに限られず、ｐ型窒化ガリウムと良好なオーミック特性を得られる金属を用いることができる。

また、各実施形態においては、ｐ側オーミック電極１４１をリッジ状のストライプ部１０９ａの上面及び側面とその近傍にのみ形成し、配線電極１４２を介してパッド電極１４３と電気的に接続する構成を採っているが、必ずしもこのような３つの部材を用いる構成を採る必要はない。例えば、配線電極１４２を省略する代わりに、ｐ側オーミック電極１４１を配線電極１４２と同一の形状に形成して、ｐ側オーミック電極１４１の上にパッド電極１４３を直接に形成してもよい。

また、各実施形態においては、パッド電極１４３の厚さを１μｍ程度としたがこれに限られない。但し、パッド電極１４３の厚さは、０．３μｍ以上且つ３０μｍ未満が望ましい。なぜなら、パッド電極１４３の厚さが０．３μｍ未満になると、ワイヤボンディング（ジャンクションアップ実装の場合）又はヒートシンクへの半田付け（ジャンクションダウン実装の場合）が困難となり、また、放熱性も劣化するからである。逆に、パッド電極１４３の厚さが３０μｍ以上になると、成膜工程である蒸着時又はめっき時に生じる膜中の応力が大きくなって、成膜されたパッド電極１４３が剥がれる等の不具合が生じやすくなるからである。

また、各実施形態においては、半導体積層体１２０の上部にリッジ状の電流注入領域（ストライプ部１０９ａ）を有する半導体レーザ装置について説明したが、必ずしもこの構成に限られない。例えば、リッジ状のストライプ部１０９ａを埋め込み型の電流狭窄層に挟まれた内部ストライプ部を有する構成のストライプ型レーザ装置であっても同様の効果を得ることができる。

また、各実施形態においては、パッド電極１４３をｐ側オーミック電極１４１と電気的に接続する構成を採ったが、半導体積層体１２０の活性層１０５に対して基板１０１側にｐ型半導体層を形成し、且つ基板１０１と反対側にｎ型半導体層、ストライプ部及びｎ側オーミック電極を形成して、該ｎ側オーミック電極と電気的に接続される構成でもよい。

また、半導体積層体１２０は、III-Ｖ族窒化物半導体に限られず、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）又は燐化ガリウム（ＧａＰ）系のIII-Ｖ族化合物半導体にも適用可能である。

本発明に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザ装置の信頼性を大幅に向上することができ、高密度光ディスク装置、レーザディスプレイ装置又は照明装置等に利用可能である。

（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図である。比較例に係る窒化物半導体レーザ装置を示す平面図である。本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置の電流−光出力特性を比較例と共に示したグラフである。本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置の連続動作時の電流変化を比較例と共に示したグラフである。本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置のストライプ方向の温度分布の数値シミュレーション結果を比較例と共に示したグラフである。本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置を示す平面図である。本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置のストライプ方向の温度分布の数値シミュレーション結果を第１の実施形態及び比較例と共に示したグラフである。本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置を示す平面図である。本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置のストライプ方向の温度分布の数値シミュレーション結果を第１及び第２の実施形態並びに比較例と共に示したグラフである。（ａ）及び（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸｂ−Ｘｂ線における断面図である。（ａ）及び（ｂ）は本発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のXIｂ−XIｂ線における断面図である。（ａ）及び（ｂ）従来の窒化物半導体レーザ装置を示し、（ａ）はパッド電極を含む断面図であり、（ｂ）は平面図である。

符号の説明

１０１基板
１０２ｎ型ＧａＮ層
１０３ｎ型クラッド層
１０４第１光ガイド層
１０５多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
１０６第２光ガイド層
１０７第３光ガイド層
１０８ｐ型第１クラッド層
１０９ｐ型第２クラッド層
１０９ａストライプ部
１１０ｐ型コンタクト層
１２０半導体積層体
１３０絶縁膜
１４１ｐ側オーミック電極
１４２配線電極
１４３パッド電極
１４３ａ第１の領域
１４３ｂ第２の領域
１５０ｎ側オーミック電極
１６０劈開面（共振器端面）
１７０放熱膜

Claims

活性層及び該活性層の上方にストライプ状に延びる電流注入領域を有する半導体積層体と、
前記半導体積層体の上に前記電流注入領域を覆うように形成されたオーミック電極と、
前記半導体積層体の上に前記オーミック電極と電気的に接続されて形成されたパッド電極とを備え、
前記半導体積層体は、前記活性層を含み且つ前記電流注入領域の長手方向にほぼ垂直に形成され、互いに対向する一対の劈開面を持つ共振器を有し、
前記パッド電極は、前記電流注入領域の上側部分を除く領域に形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
前記パッド電極は、前記電流注入領域と対向する側に形成され、端部が前記一対の劈開面の少なくとも一方にまで達する第１の領域と、前記第１の領域に対する前記電流注入領域の反対側に形成され、端部が前記各劈開面と間隔をおいた第２の領域とを有していることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
前記電流注入領域と前記パッド電極との間隔は、前記電流注入領域の中央部分よりも両端部で小さく設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
前記パッド電極は、金若しくはアルミニウムを含む単層膜又は積層膜からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
前記パッド電極は、前記半導体積層体上における前記電流注入領域の長手方向の両側に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
前記オーミック電極は、前記電流注入領域の放熱性を高める膜により覆われていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
前記膜は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、アモルファスシリコン又はグラファイトからなることを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ装置。
前記半導体積層体は、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層を含み、
前記オーミック電極は、前記半導体積層体における前記ｐ型半導体層と接するように形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
前記半導体積層体は、III-Ｖ族窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。