JP4710123B2 - 半導体レーザ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザに関するものであり、例えば、車間距離を計測するレーダ光源として用いると好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体レーザを用いて自動車間の距離を測定し、車間距離を一定に保ったり前方の車に接近しすぎた場合に警報を発する、あるいはブレーキをかけるというようなシステムが検討されている。このようなシステムでは通常、出射した光ビームを上下または左右方向に走査させることにより前方の情報を広範囲に取得することを可能にしている。
【０００３】
また、このような用途で使用される半導体レーザは、発光部の幅が１００μｍ以上と大きく、光出力も１０Ｗ以上と大出力である。このため、半導体レーザの長期信頼性を確保することが重要であり、特に大電流駆動によって発生する熱を抑制することが長期信頼性を確保するのに有効である。一般には、駆動によって発生する熱を抑制するためには、駆動電流を下げるか駆動デューティ（パルス幅／パルス周期）を小さくするのが効果的である。しかし、単純に駆動電流を下げたり駆動デューティを小さくすると発光強度や発光エネルギーが低下するため検知距離が短くなってしまうという問題がある。従って、発光領域を電気的に複数に分離して順次発光させるようにすれば、発光のデューティを変えることなく、分割した各発光部分個々の駆動デューティを分割した数の分だけ減らすことができ、駆動によって発生する熱が低減されて素子全体の長寿命化が可能になる。また、発光領域の一つが故障しても他の発光部分が健在であれば発光素子としての機能は損なわれず、フェールセーフとしての機能も付与できる。
【０００４】
半導体発光チップの発光領域を電気的に複数に分離する構造については特開平６−９６４６８号公報に提案されている。この構造は、１つの半導体発光素子の中に複数の分離溝を設けて発光領域を分離した構造となっており、それぞれを独立で駆動することが可能である。しかし、この構造では活性層をも分離溝により分離しているため、各発光領域の境目は全く発光しない部分となってしまう。この素子を車間距離制御システムに用いると、全く発光しない部分が出射ビームに反映されて、先行車を見落とす可能性があるという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような背景の下になされたものであり、その目的は、電流注入領域を複数に分離して各々を独立に駆動することができ、かつ、各電流注入領域に対応した発光領域は各々の境目でも十分な強度で発光する構造を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、各電流注入領域がそれぞれ光出射面に垂直な方向である光の共振方向に連続した一連の領域からなって、かつ、各電流注入領域を互いに分離するための非電流注入領域の平面形状として、非電流注入領域での光出射面において電流注入領域を分離する幅が１０μ以下の非電流注入領域が光の共振方向とは異なる方向に延びる形状をなすことを特徴としている。
【０００７】
このように、非電流注入領域を光出射面に垂直な方向である共振方向に延びる帯状としないことにより、各電流注入領域に対応した発光領域の各々の境目からも発光させることができる。また、電流注入領域を複数に分離して各々を独立に駆動することにより、各電流注入領域に対応した発光領域は各々の境目でも十分な強度で発光させることができる。
【０００８】
つまり、活性層を分離する方法で電流注入領域を分離する構造とした場合、光出射面側（発光端面側）から見て各電流注入領域に対応した発光領域の各々の境目部分には共振方向に全く電流注入領域が存在しないため利得領域が全くなく、この境目部分は発光しない。また、活性層は分離しないが共振方向に延びる帯状の非電流注入領域で電流注入領域を分離する構造とした場合、光出射面側（発光端面側）から見て各電流注入領域に対応した発光領域の各々の境目部分には共振方向に電流注入領域が存在しないため利得領域がなく、この境目部分が広い場合は電流の滲み出しにより若干の発光が得られるのみである。この場合でも、電流注入領域を分離する非電流注入領域が共振方向に延びない形状、すなわち共振方向とは異なる方向に延びる形状にした場合、光出射面側（発光端面側）から見た場合に、各電流注入領域に対応した発光領域の各々の境目部分から出射すべき光の共振経路上にも電流注入領域が存在する。従って、この境目部分からも十分な強度の発光を得ることができる。この場合は非電流注入領域の幅を狭小化する必要がないため、製造工程の高精度化がそれほど要求されず、製造上のマージンを確保する上で非常に好ましい。
【０００９】
さらに、請求項１に記載の半導体レーザにおいて、請求項２に記載のように、非電流注入領域の中心線が１本の直線であったり、請求項３に記載のように、非電流注入領域の中心線が２本の直線を繋いだ形状であったり、請求項４に記載のように、非電流注入領域の中心線が２本の直線を少なくとも１本の直線で繋いだ形状であったり、請求項５に記載のように、非電流注入領域の中心線が２本の直線を１本以上の直線または曲線で繋いだ形状であったり、請求項６に記載のように、非電流注入領域の中心線が曲線であったり、請求項７に記載のように、非電流注入領域の中心線が少なくとも１本以上の曲線部分を含むものとすることができる。
【００１０】
また、請求項８に記載のように、請求項１〜７のいずれかの半導体レーザにおいて、電流注入領域が２つ設けられているものとすることができる。
【００１１】
さらには、請求項９に記載のように、請求項１〜８のいずれかの半導体レーザにおいて、半導体基板上に形成された絶縁層上に上部電極を延設し、当該絶縁層の下の半導体基板に非電流注入領域が形成されているようにすることもできる。
【００１２】
また、請求項１０に記載のように、請求項１〜９のいずれかの半導体レーザにおいて、半導体基板上に絶縁層を介して上部電極を配置するとともに、この電極上にボンディングワイヤーを設けると、ワイヤーボンディング時に絶縁層によりワイヤー直下の活性層にダメージが加わりにくくなる。
【００１３】
さらに、請求項１１に記載のように、請求項１〜９のいずれかの半導体レーザにおいて、半導体基板上に接するように上部電極を配置するとともに、この電極上にボンディングワイヤーを設けると、電流注入領域における電流分布の均一化を図ることができる。
【００１４】
さらには、請求項１２に記載のように、請求項１〜１１のいずれかの半導体レーザにおいて、電流注入領域と、その間の非電流注入領域との合計の発光領域の幅を１００μｍ以上にすると、実用上好ましいものとなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（比較例）
以下、この発明を具体化した実施の形態の説明に先立ち、比較例を図面に従って説明する。
【００１６】
図１には、本比較例における半導体レーザの斜視図を示す。図２には、半導体レーザの正面図を示す。図３には、半導体レーザの平面図を示す。
図１，２に示すように、半導体基板１の上面表層側において活性層２が埋設され、この活性層２は所定の深さでの面方向に連続する状態で広がっている。基板材料としては、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等を用いることができる。半導体基板１の上面には上部電極３ａ，３ｂが離間して配置されている。上部電極３ａ，３ｂにはワイヤー４ａ，４ｂがボンディングされ、ワイヤー４ａ，４ｂを通して上部電極３ａ，３ｂには所定の正の電圧Ｅ１，Ｅ２（図３参照）が印加される。半導体基板１の下面（裏面）には裏面電極５が全面に形成され、裏面電極５には負の電圧が印加される。
【００１７】
半導体基板１の上面における上部電極３ａと接する部位が第１の電流注入領域Ｚ１となり、また、半導体基板１の上面における上部電極３ｂと接する部位が第２の電流注入領域Ｚ２となる。この電流注入領域Ｚ１，Ｚ２は電気的に２つに分離されている。つまり、半導体基板１の上面における第１の電流注入領域Ｚ１と第２の電流注入領域Ｚ２との間が非電流注入領域Ｚ１０となり、非電流注入領域Ｚ１０により第１と第２の電流注入領域Ｚ１，Ｚ２が互いに分離されている。この非電流注入領域Ｚ１０は図３に示すごとく直線的に延びる帯状をなし、かつ、光の共振方向に延びている。非電流注入領域Ｚ１０の幅Ｗは、図３に示すように、１０μｍとなっている。
【００１８】
そして、両方の上部電極３ａ，３ｂと裏面電極５との間に電圧が印加されると、図１に示すように、上部電極３ａ，３ｂの下方における（第１と第２の電流注入領域Ｚ１，Ｚ２の下方における）活性層２からレーザ光が出力される。このとき、非電流注入領域Ｚ１０の幅Ｗを電流の滲み出しにより利得が得られる程度まで狭くしており（１０μｍ）、各電流注入領域Ｚ１，Ｚ２に対応した発光領域の各々の境目からも発光させることができる。
【００１９】
第１および第２の電流注入領域Ｚ１，Ｚ２と、その間の非電流注入領域Ｚ１０との合計の発光領域の幅ＷＬは１００μｍ以上となっている。
また、電流注入領域Ｚ１，Ｚ２を複数に分離して各々を独立に駆動することにより、図３に示すように、各電流注入領域Ｚ１，Ｚ２および非電流注入領域Ｚ１０からレーザ光が出力される。つまり、上部電極３ａを印加することにより電流注入領域Ｚ１および非電流注入領域Ｚ１０からレーザ光が出力され、また、上部電極３ｂを印加することにより電流注入領域Ｚ２および非電流注入領域Ｚ１０からレーザ光が出力される。このように、電流注入領域Ｚ１，Ｚ２に対応した発光領域は各々の境目でも十分な強度で発光させることができる。
【００２０】
また、図２に示すように、基板１上に接するように上部電極３ａ，３ｂを配置し、この上部電極３ａ，３ｂ上にボンディングワイヤー４ａ，４ｂを設けており、これにより、電流注入領域Ｚ１，Ｚ２における電流分布を均一に保ち注入電流密度の均一化を図ることができる。
【００２１】
なお、非電流注入領域Ｚ１０の幅Ｗは１０μｍ以下、特に、図４に示すように、５μｍ以下とすれば電流が電流注入領域Ｚ１，Ｚ２から非電流注入領域Ｚ１０側へ滲み出す効果がより十分に非電流注入領域にも及び、特に有効である。
（第１の実施の形態）
次に、この発明を具体化した第１の実施の形態を、比較例との相違点を中心に説明する。
【００２２】
図５には、本実施の形態における半導体レーザの平面図を示す。
図５において、非電流注入領域Ｚ１０の平面形状に関して、非電流注入領域Ｚ１０は直線的に延びる帯状をなし、かつ、光の共振方向に対し所定角度θだけ傾斜した方向に延設されている。
【００２３】
ここで、非電流注入領域Ｚ１０の中心線Ｘ１が１本の直線であり、その中心線Ｘ１と共振方向とでなす角θが、共振器長Ｌ、非電流注入領域Ｚ１０の幅Ｗとの関係において、
θ＞ｔａｎ-1（Ｌ／Ｗ）
・・・（１）
を満足している。
【００２４】
これにより、各電流注入領域Ｚ１，Ｚ２を互いに分離するための非電流注入領域Ｚ１０の平面形状として、非電流注入領域Ｚ１０での光出射面Ｐにおいて光の共振方向に電流注入領域Ｚ１，Ｚ２が在る形状をなすことになる。
【００２５】
よって、光出射面（発光端面）Ｐから見た場合、電流注入の全く無い部分が無いため、発光しない部分が無い。
このように非電流注入領域Ｚ１０を共振方向に延びる帯状としないことにより、各電流注入領域Ｚ１，Ｚ２に対応した発光領域の各々の境目からも発光させることができる。また、電流注入領域Ｚ１，Ｚ２を複数に分離して各々を独立に駆動することにより、各電流注入領域Ｚ１，Ｚ２に対応した発光領域は各々の境目でも十分な強度で発光させることができる。
【００２６】
なお、図５においては、
θ＞ｔａｎ-1（Ｌ／Ｗ）
・・・（１）
としたが、図６に示すように、
θ≦ｔａｎ-1（Ｌ／Ｗ）
・・・（２）
であるが、印加電圧を高くして電流注入領域Ｚ１，Ｚ２から非電流注入領域側への注入電流の滲み出し領域を広くして、滲み出し領域Ｚ５０，Ｚ５１を形成し、この領域Ｚ５０，Ｚ５１で挟まれた領域Ｚ６０での幅Ｗａが、
θ＞ｔａｎ-1（Ｌ／Ｗａ）
・・・（３）
を満足している。これにより、図５の場合と同等の効果が得られる。要は、各電流注入領域Ｚ１，Ｚ２を互いに分離するための非電流注入領域の平面形状として、非電流注入領域Ｚ６０での光出射面において光の共振方向に電流注入領域Ｚ１，Ｚ２が在る形状をなすようにすればよい。
【００２７】
この効果は非電流注入領域の幅Ｗが２０μｍ以下、特に、１０μｍ以下であれば効果的となり、さらに、５μｍ以下の場合は特に有効である。
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００２８】
図７には、本実施の形態における半導体レーザの平面図を示す。
図５に対し、本実施形態では、図７において、電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）を分離する非電流注入領域（Ｚ１０）の中心線が２本の直線Ｘ１０，Ｘ１１からなり、この中心線Ｘ１０，Ｘ１１は、途中で折れた線、即ち、２本の直線Ｘ１０，Ｘ１１を繋いだ形状となっている。このようにしても第１の実施の形態と同様の効果を奏する。
【００２９】
つまり、非電流注入領域（Ｚ１０）での光出射面をＰとし、この光出射面Ｐを共振方向に延長したときの反射面Ｑを考えたとき、ＰとＱを対向する２辺とする矩形領域内での共振方向に平行な直線が電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）を通る。
【００３０】
なお、図７に対し図８に示すように、電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）から非電流注入領域（Ｚ１０）側へ滲み出す効果により、非電流注入領域（Ｚ１０）に滲み出し領域Ｚ５０，Ｚ５１を形成する。これにより、前述の（１）式を満足しない構造、即ち、ＰとＱを対向する２辺とする矩形領域内に考え得る共振方向に平行な直線が電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）を通らない構造の場合でも、滲み出し領域Ｚ５０，Ｚ５１で挟まれた領域Ｚ６０が上述の（３）式を満たせば図６を用いて説明したように同等の効果が得られる。この効果は非電流注入領域（Ｚ１０）の幅Ｗが１０μｍ以下であれば効果的となり、５μｍ以下の場合は特に有効である。
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態を、第２の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００３１】
図９には、本実施の形態における半導体レーザの平面図を示す。
第２の実施形態に比べ、図９の本実施形態の場合には、電流注入領域を分離する非電流注入領域（Ｚ１０）の中心線が３本の直線Ｘ２０，Ｘ２１，Ｘ２２からなり、２本の直線Ｘ２０，Ｘ２１を１本の直線Ｘ２２で繋いだ形状となっている。
【００３２】
非電流注入領域（Ｚ１０）における光出射面Ｐを共振方向に延長した反射面Ｑを考えたとき、ＰとＱを対向する２辺とする矩形領域内に共振方向に平行な直線が電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）を通る。
【００３３】
なお、図９では２本の直線Ｘ２０，Ｘ２１が共に共振方向に平行で、線Ｘ２０，Ｘ２１を繋ぐ直線Ｘ２２はＸ２０およびＸ２１に垂直である例を示したが、必ずしもこのようにする必要はなく、例えば、図１０に示すように、直線Ｘ２５，Ｘ２６，Ｘ２７で示すように、ＰとＱを対向する２辺とする矩形領域内に共振方向に平行な直線が電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）を通る構造であれば同等の効果が得られる。
【００３４】
また、図１１に示すように、ＰとＱを対向する２辺とする矩形領域内に共振方向に平行な直線が電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）を通らない場合でも、電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）から非電流注入領域（Ｚ１０）側へ滲み出す効果により、非電流注入領域（Ｚ１０）において滲み出し領域Ｚ５０，Ｚ５１を形成して該領域Ｚ５０，Ｚ５１で挟まれた領域Ｚ６０が上述の（３）式を満たすようにすれば、同等の効果が得られる。この効果は非電流注入領域（Ｚ１０）の幅Ｗが１０μｍ以下であれば効果的となり、５μｍ以下の場合は特に有効である。
（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態を、比較例、第１〜第３の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００３５】
図１２には、本実施の形態における半導体レーザの正面図を示す。
半導体基板１の上面の一部領域に絶縁層１０が形成され、絶縁層１０の上に上部電極３ａ，３ｂが延設されている。この絶縁層１０の下の基板１に非電流注入領域Ｚ１０が形成されている。このように、通常は活性層をエッチングで分断するが、図１２に示すように、絶縁層１０で分離すれば注入電流の滲み出しが期待でき、発光しない部分を無くすことができる。
【００３６】
絶縁層１０としては、蒸着、スパッタによる成膜、エッチングによるパターニングが容易な二酸化珪素、二酸化チタン、窒化珪素、三酸化二アルミニウム、窒化アルミニウム等が好適である。
（第５の実施の形態）
次に、第５の実施の形態を、比較例、第１〜第４の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００３７】
図１３には、本実施の形態における半導体レーザの正面図を示す。
半導体基板１上の一部領域には絶縁層２０が形成されるとともに、絶縁層２０の上に上部電極３ａ，３ｂが配置され、さらに、この上部電極３ａ，３ｂ上にボンディングワイヤー４ａ，４ｂを設けている。このようにワイヤー４ａ，４ｂを絶縁層２０上でボンディングすると、ワイヤーボンディング時に絶縁層２０によりボンディングワイヤー４ａ，４ｂの直下の活性層２にダメージが加わりにくくすることができる。
【００３８】
なお、図１３ではワイヤー４ａ，４ｂの数を各々１本としたが、図１４に示すように、ワイヤー数を２本以上としてワイヤー切断時のフェールセーフを確保しつつ、大電流、高デューティ駆動時にワイヤー１本あたりに流れる電流を低減し、ワイヤーが発熱源となり、ワイヤーが溶断することを防ぐようにすると実用上好ましいものとなる。
【００３９】
また、基板１上に直接、電極３ａ，３ｂを設ける場合において、ワイヤー４ａ，４ｂの数は図１５に示すように、２本以上としてワイヤー切断時のフェールセーフを確保しつつ、大電流、高デューティ駆動時にワイヤー１本あたりに流れる電流を低減してワイヤーが発熱源となってワイヤーが溶断するのを防止できるとともに、電流注入領域における電流分布の均一性を更に向上させる上でも非常に好ましい。
（第６の実施の形態）
次に、第６の実施の形態を、比較例、第１〜第５の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００４０】
図１６には、本実施の形態における半導体レーザの正面図を示す。
本実施形態では、図１６に示すごとく、電流注入領域を３つ（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３）に分割して、非電流注入領域を２つ（Ｚ１０，Ｚ１１）にしている。
【００４１】
図１６では電流注入領域を３分割しているが、図１７に示すように、４分割としたり、さらに５分割と分割数を増やしてもよく、これにより、駆動パターンの自由度が増すことになる。
【００４２】
これまで説明してきたものの他にも下記のように実施してもよい。
図２，図１２，図１３，図１４，図１５，図１６に示した構造を組み合わせて実施してもよい。これにより、それぞれの構造の長所を併せ持つ素子構造とすることができる。例えば、図１８に示すように、絶縁層１０を用いた非電流注入領域Ｚ１０を形成し、かつ、絶縁層２０ａ，２０ｂ上に電極３ａ，３ｂを配置する。あるいは、図１９に示すように、図１８の構成に加えて、電流注入領域・非電流注入領域を細分化する。
【００４３】
また、図１〜図１９では活性層２が素子の左右両端に露出する構造となっているが、図２０に示すように、素子の左右両端にメサエッチングを施したり、図２１に示すように、埋め込み構造として、活性層２が露出しない構造とすることにより素子の信頼性を向上することができる。図２１では符号３０ａ，３０ｂで示す埋込エピタキシャル層にて埋め込んでいる。このように、図２０に示すようにメサ構造とすることにより、安価に活性層２の露出を防止でき、また、図２１に示すように埋込エピタキシャル層３０ａ，３０ｂにて埋め込む場合には、高価であるが、界面準位を形成せずに活性層露出やリークを防止することができる。
【００４４】
また、これまでの説明においては非電流注入領域Ｚ１０の中心線は直線であったが、曲線としてもよい（少なくとも１本以上の曲線部分を含むようにする）。例えば、図５に代わる図２２のように、非電流注入領域Ｚ１０の中心線を曲線Ｘ３０とする。あるいは、図９の２本の直線Ｘ２０，Ｘ２１を１本以上の曲線で繋いだ形状としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 比較例における半導体レーザの斜視図。
【図２】 比較例における半導体レーザの正面図。
【図３】 比較例における半導体レーザの平面図。
【図４】 別例の半導体レーザの平面図。
【図５】 第１の実施の形態における半導体レーザの平面図。
【図６】 別例の半導体レーザの説明図。
【図７】 第２の実施の形態における半導体レーザの平面図。
【図８】 別例の半導体レーザの平面図。
【図９】 第３の実施の形態における半導体レーザの平面図。
【図１０】 別例の半導体レーザの平面図。
【図１１】 別例の半導体レーザの平面図。
【図１２】 第４の実施の形態における半導体レーザの正面図。
【図１３】 第５の実施の形態における半導体レーザの正面図。
【図１４】 別例の半導体レーザの斜視図。
【図１５】 別例の半導体レーザの斜視図。
【図１６】 第６の実施の形態における半導体レーザの正面図。
【図１７】 別例の半導体レーザの正面図。
【図１８】 別例の半導体レーザの正面図。
【図１９】 別例の半導体レーザの正面図。
【図２０】 別例の半導体レーザの正面図。
【図２１】 別例の半導体レーザの平面図。
【図２２】 別例の半導体レーザの平面図。
【符号の説明】
１…半導体基板、２…活性層、３ａ，３ｂ…上部電極、４ａ，４ｂ…ワイヤー、Ｚ１，Ｚ２…電流注入領域、Ｚ１０…非電流注入領域、Ｗ…幅、Ｐ…光出射面。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザに関するものであり、例えば、車間距離を計測するレーダ光源として用いると好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体レーザを用いて自動車間の距離を測定し、車間距離を一定に保ったり前方の車に接近しすぎた場合に警報を発する、あるいはブレーキをかけるというようなシステムが検討されている。このようなシステムでは通常、出射した光ビームを上下または左右方向に走査させることにより前方の情報を広範囲に取得することを可能にしている。
【０００３】
また、このような用途で使用される半導体レーザは、発光部の幅が１００μｍ以上と大きく、光出力も１０Ｗ以上と大出力である。このため、半導体レーザの長期信頼性を確保することが重要であり、特に大電流駆動によって発生する熱を抑制することが長期信頼性を確保するのに有効である。一般には、駆動によって発生する熱を抑制するためには、駆動電流を下げるか駆動デューティ（パルス幅／パルス周期）を小さくするのが効果的である。しかし、単純に駆動電流を下げたり駆動デューティを小さくすると発光強度や発光エネルギーが低下するため検知距離が短くなってしまうという問題がある。従って、発光領域を電気的に複数に分離して順次発光させるようにすれば、発光のデューティを変えることなく、分割した各発光部分個々の駆動デューティを分割した数の分だけ減らすことができ、駆動によって発生する熱が低減されて素子全体の長寿命化が可能になる。また、発光領域の一つが故障しても他の発光部分が健在であれば発光素子としての機能は損なわれず、フェールセーフとしての機能も付与できる。
【０００４】
半導体発光チップの発光領域を電気的に複数に分離する構造については特開平６−９６４６８号公報に提案されている。この構造は、１つの半導体発光素子の中に複数の分離溝を設けて発光領域を分離した構造となっており、それぞれを独立で駆動することが可能である。しかし、この構造では活性層をも分離溝により分離しているため、各発光領域の境目は全く発光しない部分となってしまう。この素子を車間距離制御システムに用いると、全く発光しない部分が出射ビームに反映されて、先行車を見落とす可能性があるという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような背景の下になされたものであり、その目的は、電流注入領域を複数に分離して各々を独立に駆動することができ、かつ、各電流注入領域に対応した発光領域は各々の境目でも十分な強度で発光する構造を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、各電流注入領域がそれぞれ光出射面に垂直な方向である光の共振方向に連続した一連の領域からなって、かつ、各電流注入領域を互いに分離するための非電流注入領域の平面形状として、非電流注入領域での光出射面において電流注入領域を分離する幅が１０μ以下の非電流注入領域が光の共振方向とは異なる方向に延びる形状をなすことを特徴としている。
【０００７】
このように、非電流注入領域を光出射面に垂直な方向である共振方向に延びる帯状としないことにより、各電流注入領域に対応した発光領域の各々の境目からも発光させることができる。また、電流注入領域を複数に分離して各々を独立に駆動することにより、各電流注入領域に対応した発光領域は各々の境目でも十分な強度で発光させることができる。
【０００８】
つまり、活性層を分離する方法で電流注入領域を分離する構造とした場合、光出射面側（発光端面側）から見て各電流注入領域に対応した発光領域の各々の境目部分には共振方向に全く電流注入領域が存在しないため利得領域が全くなく、この境目部分は発光しない。また、活性層は分離しないが共振方向に延びる帯状の非電流注入領域で電流注入領域を分離する構造とした場合、光出射面側（発光端面側）から見て各電流注入領域に対応した発光領域の各々の境目部分には共振方向に電流注入領域が存在しないため利得領域がなく、この境目部分が広い場合は電流の滲み出しにより若干の発光が得られるのみである。この場合でも、電流注入領域を分離する非電流注入領域が共振方向に延びない形状、すなわち共振方向とは異なる方向に延びる形状にした場合、光出射面側（発光端面側）から見た場合に、各電流注入領域に対応した発光領域の各々の境目部分から出射すべき光の共振経路上にも電流注入領域が存在する。従って、この境目部分からも十分な強度の発光を得ることができる。この場合は非電流注入領域の幅を狭小化する必要がないため、製造工程の高精度化がそれほど要求されず、製造上のマージンを確保する上で非常に好ましい。
【０００９】
さらに、請求項１に記載の半導体レーザにおいて、請求項２に記載のように、非電流注入領域の中心線が１本の直線であったり、請求項３に記載のように、非電流注入領域の中心線が２本の直線を繋いだ形状であったり、請求項４に記載のように、非電流注入領域の中心線が２本の直線を少なくとも１本の直線で繋いだ形状であったり、請求項５に記載のように、非電流注入領域の中心線が２本の直線を１本以上の直線または曲線で繋いだ形状であったり、請求項６に記載のように、非電流注入領域の中心線が曲線であったり、請求項７に記載のように、非電流注入領域の中心線が少なくとも１本以上の曲線部分を含むものとすることができる。
【００１０】
また、請求項８に記載のように、請求項１〜７のいずれかの半導体レーザにおいて、電流注入領域が２つ設けられているものとすることができる。
【００１１】
さらには、請求項９に記載のように、請求項１〜８のいずれかの半導体レーザにおいて、半導体基板上に形成された絶縁層上に上部電極を延設し、当該絶縁層の下の半導体基板に非電流注入領域が形成されているようにすることもできる。
【００１２】
また、請求項１０に記載のように、請求項１〜９のいずれかの半導体レーザにおいて、半導体基板上に絶縁層を介して上部電極を配置するとともに、この電極上にボンディングワイヤーを設けると、ワイヤーボンディング時に絶縁層によりワイヤー直下の活性層にダメージが加わりにくくなる。
【００１３】
さらに、請求項１１に記載のように、請求項１〜９のいずれかの半導体レーザにおいて、半導体基板上に接するように上部電極を配置するとともに、この電極上にボンディングワイヤーを設けると、電流注入領域における電流分布の均一化を図ることができる。
【００１４】
さらには、請求項１２に記載のように、請求項１〜１１のいずれかの半導体レーザにおいて、電流注入領域と、その間の非電流注入領域との合計の発光領域の幅を１００μｍ以上にすると、実用上好ましいものとなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（比較例）
以下、この発明を具体化した実施の形態の説明に先立ち、比較例を図面に従って説明する。
【００１６】
図１には、本比較例における半導体レーザの斜視図を示す。図２には、半導体レーザの正面図を示す。図３には、半導体レーザの平面図を示す。
図１，２に示すように、半導体基板１の上面表層側において活性層２が埋設され、この活性層２は所定の深さでの面方向に連続する状態で広がっている。基板材料としては、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等を用いることができる。半導体基板１の上面には上部電極３ａ，３ｂが離間して配置されている。上部電極３ａ，３ｂにはワイヤー４ａ，４ｂがボンディングされ、ワイヤー４ａ，４ｂを通して上部電極３ａ，３ｂには所定の正の電圧Ｅ１，Ｅ２（図３参照）が印加される。半導体基板１の下面（裏面）には裏面電極５が全面に形成され、裏面電極５には負の電圧が印加される。
【００１７】
半導体基板１の上面における上部電極３ａと接する部位が第１の電流注入領域Ｚ１となり、また、半導体基板１の上面における上部電極３ｂと接する部位が第２の電流注入領域Ｚ２となる。この電流注入領域Ｚ１，Ｚ２は電気的に２つに分離されている。つまり、半導体基板１の上面における第１の電流注入領域Ｚ１と第２の電流注入領域Ｚ２との間が非電流注入領域Ｚ１０となり、非電流注入領域Ｚ１０により第１と第２の電流注入領域Ｚ１，Ｚ２が互いに分離されている。この非電流注入領域Ｚ１０は図３に示すごとく直線的に延びる帯状をなし、かつ、光の共振方向に延びている。非電流注入領域Ｚ１０の幅Ｗは、図３に示すように、１０μｍとなっている。
【００１８】
そして、両方の上部電極３ａ，３ｂと裏面電極５との間に電圧が印加されると、図１に示すように、上部電極３ａ，３ｂの下方における（第１と第２の電流注入領域Ｚ１，Ｚ２の下方における）活性層２からレーザ光が出力される。このとき、非電流注入領域Ｚ１０の幅Ｗを電流の滲み出しにより利得が得られる程度まで狭くしており（１０μｍ）、各電流注入領域Ｚ１，Ｚ２に対応した発光領域の各々の境目からも発光させることができる。
【００１９】
第１および第２の電流注入領域Ｚ１，Ｚ２と、その間の非電流注入領域Ｚ１０との合計の発光領域の幅ＷＬは１００μｍ以上となっている。
また、電流注入領域Ｚ１，Ｚ２を複数に分離して各々を独立に駆動することにより、図３に示すように、各電流注入領域Ｚ１，Ｚ２および非電流注入領域Ｚ１０からレーザ光が出力される。つまり、上部電極３ａを印加することにより電流注入領域Ｚ１および非電流注入領域Ｚ１０からレーザ光が出力され、また、上部電極３ｂを印加することにより電流注入領域Ｚ２および非電流注入領域Ｚ１０からレーザ光が出力される。このように、電流注入領域Ｚ１，Ｚ２に対応した発光領域は各々の境目でも十分な強度で発光させることができる。
【００２０】
また、図２に示すように、基板１上に接するように上部電極３ａ，３ｂを配置し、この上部電極３ａ，３ｂ上にボンディングワイヤー４ａ，４ｂを設けており、これにより、電流注入領域Ｚ１，Ｚ２における電流分布を均一に保ち注入電流密度の均一化を図ることができる。
【００２１】
なお、非電流注入領域Ｚ１０の幅Ｗは１０μｍ以下、特に、図４に示すように、５μｍ以下とすれば電流が電流注入領域Ｚ１，Ｚ２から非電流注入領域Ｚ１０側へ滲み出す効果がより十分に非電流注入領域にも及び、特に有効である。
（第１の実施の形態）
次に、この発明を具体化した第１の実施の形態を、比較例との相違点を中心に説明する。
【００２２】
図５には、本実施の形態における半導体レーザの平面図を示す。
図５において、非電流注入領域Ｚ１０の平面形状に関して、非電流注入領域Ｚ１０は直線的に延びる帯状をなし、かつ、光の共振方向に対し所定角度θだけ傾斜した方向に延設されている。
【００２３】
ここで、非電流注入領域Ｚ１０の中心線Ｘ１が１本の直線であり、その中心線Ｘ１と共振方向とでなす角θが、共振器長Ｌ、非電流注入領域Ｚ１０の幅Ｗとの関係において、
θ＞ｔａｎ-1（Ｌ／Ｗ）
・・・（１）
を満足している。
【００２４】
これにより、各電流注入領域Ｚ１，Ｚ２を互いに分離するための非電流注入領域Ｚ１０の平面形状として、非電流注入領域Ｚ１０での光出射面Ｐにおいて光の共振方向に電流注入領域Ｚ１，Ｚ２が在る形状をなすことになる。
【００２５】
よって、光出射面（発光端面）Ｐから見た場合、電流注入の全く無い部分が無いため、発光しない部分が無い。
このように非電流注入領域Ｚ１０を共振方向に延びる帯状としないことにより、各電流注入領域Ｚ１，Ｚ２に対応した発光領域の各々の境目からも発光させることができる。また、電流注入領域Ｚ１，Ｚ２を複数に分離して各々を独立に駆動することにより、各電流注入領域Ｚ１，Ｚ２に対応した発光領域は各々の境目でも十分な強度で発光させることができる。
【００２６】
なお、図５においては、
θ＞ｔａｎ-1（Ｌ／Ｗ）
・・・（１）
としたが、図６に示すように、
θ≦ｔａｎ-1（Ｌ／Ｗ）
・・・（２）
であるが、印加電圧を高くして電流注入領域Ｚ１，Ｚ２から非電流注入領域側への注入電流の滲み出し領域を広くして、滲み出し領域Ｚ５０，Ｚ５１を形成し、この領域Ｚ５０，Ｚ５１で挟まれた領域Ｚ６０での幅Ｗａが、
θ＞ｔａｎ-1（Ｌ／Ｗａ）
・・・（３）
を満足している。これにより、図５の場合と同等の効果が得られる。要は、各電流注入領域Ｚ１，Ｚ２を互いに分離するための非電流注入領域の平面形状として、非電流注入領域Ｚ６０での光出射面において光の共振方向に電流注入領域Ｚ１，Ｚ２が在る形状をなすようにすればよい。
【００２７】
この効果は非電流注入領域の幅Ｗが２０μｍ以下、特に、１０μｍ以下であれば効果的となり、さらに、５μｍ以下の場合は特に有効である。
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００２８】
図７には、本実施の形態における半導体レーザの平面図を示す。
図５に対し、本実施形態では、図７において、電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）を分離する非電流注入領域（Ｚ１０）の中心線が２本の直線Ｘ１０，Ｘ１１からなり、この中心線Ｘ１０，Ｘ１１は、途中で折れた線、即ち、２本の直線Ｘ１０，Ｘ１１を繋いだ形状となっている。このようにしても第１の実施の形態と同様の効果を奏する。
【００２９】
つまり、非電流注入領域（Ｚ１０）での光出射面をＰとし、この光出射面Ｐを共振方向に延長したときの反射面Ｑを考えたとき、ＰとＱを対向する２辺とする矩形領域内での共振方向に平行な直線が電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）を通る。
【００３０】
なお、図７に対し図８に示すように、電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）から非電流注入領域（Ｚ１０）側へ滲み出す効果により、非電流注入領域（Ｚ１０）に滲み出し領域Ｚ５０，Ｚ５１を形成する。これにより、前述の（１）式を満足しない構造、即ち、ＰとＱを対向する２辺とする矩形領域内に考え得る共振方向に平行な直線が電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）を通らない構造の場合でも、滲み出し領域Ｚ５０，Ｚ５１で挟まれた領域Ｚ６０が上述の（３）式を満たせば図６を用いて説明したように同等の効果が得られる。この効果は非電流注入領域（Ｚ１０）の幅Ｗが１０μｍ以下であれば効果的となり、５μｍ以下の場合は特に有効である。
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態を、第２の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００３１】
図９には、本実施の形態における半導体レーザの平面図を示す。
第２の実施形態に比べ、図９の本実施形態の場合には、電流注入領域を分離する非電流注入領域（Ｚ１０）の中心線が３本の直線Ｘ２０，Ｘ２１，Ｘ２２からなり、２本の直線Ｘ２０，Ｘ２１を１本の直線Ｘ２２で繋いだ形状となっている。
【００３２】
非電流注入領域（Ｚ１０）における光出射面Ｐを共振方向に延長した反射面Ｑを考えたとき、ＰとＱを対向する２辺とする矩形領域内に共振方向に平行な直線が電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）を通る。
【００３３】
なお、図９では２本の直線Ｘ２０，Ｘ２１が共に共振方向に平行で、線Ｘ２０，Ｘ２１を繋ぐ直線Ｘ２２はＸ２０およびＸ２１に垂直である例を示したが、必ずしもこのようにする必要はなく、例えば、図１０に示すように、直線Ｘ２５，Ｘ２６，Ｘ２７で示すように、ＰとＱを対向する２辺とする矩形領域内に共振方向に平行な直線が電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）を通る構造であれば同等の効果が得られる。
【００３４】
また、図１１に示すように、ＰとＱを対向する２辺とする矩形領域内に共振方向に平行な直線が電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）を通らない場合でも、電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）から非電流注入領域（Ｚ１０）側へ滲み出す効果により、非電流注入領域（Ｚ１０）において滲み出し領域Ｚ５０，Ｚ５１を形成して該領域Ｚ５０，Ｚ５１で挟まれた領域Ｚ６０が上述の（３）式を満たすようにすれば、同等の効果が得られる。この効果は非電流注入領域（Ｚ１０）の幅Ｗが１０μｍ以下であれば効果的となり、５μｍ以下の場合は特に有効である。
（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態を、比較例、第１〜第３の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００３５】
図１２には、本実施の形態における半導体レーザの正面図を示す。
半導体基板１の上面の一部領域に絶縁層１０が形成され、絶縁層１０の上に上部電極３ａ，３ｂが延設されている。この絶縁層１０の下の基板１に非電流注入領域Ｚ１０が形成されている。このように、通常は活性層をエッチングで分断するが、図１２に示すように、絶縁層１０で分離すれば注入電流の滲み出しが期待でき、発光しない部分を無くすことができる。
【００３６】
絶縁層１０としては、蒸着、スパッタによる成膜、エッチングによるパターニングが容易な二酸化珪素、二酸化チタン、窒化珪素、三酸化二アルミニウム、窒化アルミニウム等が好適である。
（第５の実施の形態）
次に、第５の実施の形態を、比較例、第１〜第４の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００３７】
図１３には、本実施の形態における半導体レーザの正面図を示す。
半導体基板１上の一部領域には絶縁層２０が形成されるとともに、絶縁層２０の上に上部電極３ａ，３ｂが配置され、さらに、この上部電極３ａ，３ｂ上にボンディングワイヤー４ａ，４ｂを設けている。このようにワイヤー４ａ，４ｂを絶縁層２０上でボンディングすると、ワイヤーボンディング時に絶縁層２０によりボンディングワイヤー４ａ，４ｂの直下の活性層２にダメージが加わりにくくすることができる。
【００３８】
なお、図１３ではワイヤー４ａ，４ｂの数を各々１本としたが、図１４に示すように、ワイヤー数を２本以上としてワイヤー切断時のフェールセーフを確保しつつ、大電流、高デューティ駆動時にワイヤー１本あたりに流れる電流を低減し、ワイヤーが発熱源となり、ワイヤーが溶断することを防ぐようにすると実用上好ましいものとなる。
【００３９】
また、基板１上に直接、電極３ａ，３ｂを設ける場合において、ワイヤー４ａ，４ｂの数は図１５に示すように、２本以上としてワイヤー切断時のフェールセーフを確保しつつ、大電流、高デューティ駆動時にワイヤー１本あたりに流れる電流を低減してワイヤーが発熱源となってワイヤーが溶断するのを防止できるとともに、電流注入領域における電流分布の均一性を更に向上させる上でも非常に好ましい。
（第６の実施の形態）
次に、第６の実施の形態を、比較例、第１〜第５の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００４０】
図１６には、本実施の形態における半導体レーザの正面図を示す。
本実施形態では、図１６に示すごとく、電流注入領域を３つ（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３）に分割して、非電流注入領域を２つ（Ｚ１０，Ｚ１１）にしている。
【００４１】
図１６では電流注入領域を３分割しているが、図１７に示すように、４分割としたり、さらに５分割と分割数を増やしてもよく、これにより、駆動パターンの自由度が増すことになる。
【００４２】
これまで説明してきたものの他にも下記のように実施してもよい。
図２，図１２，図１３，図１４，図１５，図１６に示した構造を組み合わせて実施してもよい。これにより、それぞれの構造の長所を併せ持つ素子構造とすることができる。例えば、図１８に示すように、絶縁層１０を用いた非電流注入領域Ｚ１０を形成し、かつ、絶縁層２０ａ，２０ｂ上に電極３ａ，３ｂを配置する。あるいは、図１９に示すように、図１８の構成に加えて、電流注入領域・非電流注入領域を細分化する。
【００４３】
また、図１〜図１９では活性層２が素子の左右両端に露出する構造となっているが、図２０に示すように、素子の左右両端にメサエッチングを施したり、図２１に示すように、埋め込み構造として、活性層２が露出しない構造とすることにより素子の信頼性を向上することができる。図２１では符号３０ａ，３０ｂで示す埋込エピタキシャル層にて埋め込んでいる。このように、図２０に示すようにメサ構造とすることにより、安価に活性層２の露出を防止でき、また、図２１に示すように埋込エピタキシャル層３０ａ，３０ｂにて埋め込む場合には、高価であるが、界面準位を形成せずに活性層露出やリークを防止することができる。
【００４４】
また、これまでの説明においては非電流注入領域Ｚ１０の中心線は直線であったが、曲線としてもよい（少なくとも１本以上の曲線部分を含むようにする）。例えば、図５に代わる図２２のように、非電流注入領域Ｚ１０の中心線を曲線Ｘ３０とする。あるいは、図９の２本の直線Ｘ２０，Ｘ２１を１本以上の曲線で繋いだ形状としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 比較例における半導体レーザの斜視図。
【図２】 比較例における半導体レーザの正面図。
【図３】 比較例における半導体レーザの平面図。
【図４】 別例の半導体レーザの平面図。
【図５】 第１の実施の形態における半導体レーザの平面図。
【図６】 別例の半導体レーザの説明図。
【図７】 第２の実施の形態における半導体レーザの平面図。
【図８】 別例の半導体レーザの平面図。
【図９】 第３の実施の形態における半導体レーザの平面図。
【図１０】 別例の半導体レーザの平面図。
【図１１】 別例の半導体レーザの平面図。
【図１２】 第４の実施の形態における半導体レーザの正面図。
【図１３】 第５の実施の形態における半導体レーザの正面図。
【図１４】 別例の半導体レーザの斜視図。
【図１５】 別例の半導体レーザの斜視図。
【図１６】 第６の実施の形態における半導体レーザの正面図。
【図１７】 別例の半導体レーザの正面図。
【図１８】 別例の半導体レーザの正面図。
【図１９】 別例の半導体レーザの正面図。
【図２０】 別例の半導体レーザの正面図。
【図２１】 別例の半導体レーザの平面図。
【図２２】 別例の半導体レーザの平面図。
【符号の説明】
１…半導体基板、２…活性層、３ａ，３ｂ…上部電極、４ａ，４ｂ…ワイヤー、Ｚ１，Ｚ２…電流注入領域、Ｚ１０…非電流注入領域、Ｗ…幅、Ｐ…光出射面。
Claims (12)
- 活性層（２）が埋設された半導体基板（１）の上面に複数の上部電極（３ａ，３ｂ）が離間して配置され、各上部電極（３ａ，３ｂ）に接する半導体基板（１）での電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）が電気的に２つ以上に分離された半導体レーザであって、
各電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）がそれぞれ光出射面（Ｐ）に垂直な方向である光の共振方向に連続した一連の領域からなって、かつ、各電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）を互いに分離するための非電流注入領域（Ｚ１０）の平面形状として、光出射面（Ｐ）において電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）を分離する幅（Ｗ）が１０μ以下の非電流注入領域（Ｚ１０）が光の共振方向とは異なる方向に延びる形状をなすことを特徴とする半導体レーザ。 - 請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記非電流注入領域（Ｚ１０）の中心線が、１本の直線（Ｘ１）であることを特徴とする半導体レーザ。 - 請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記非電流注入領域（Ｚ１０）の中心線が、２本の直線（Ｘ１０，Ｘ１１）を繋いだ形状であることを特徴とする半導体レーザ。 - 請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記非電流注入領域（Ｚ１０）の中心線が、２本の直線（Ｘ２０，Ｘ２１）を少なくとも１本の直線（Ｘ２２）で繋いだ形状であることを特徴とする半導体レーザ。 - 請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記非電流注入領域（Ｚ１０）の中心線が、２本の直線を１本以上の直線または曲線で繋いだ形状であることを特徴とする半導体レーザ。 - 請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記非電流注入領域（Ｚ１０）の中心線が、曲線（Ｘ３０）であることを特徴とする半導体レーザ。 - 請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記非電流注入領域（Ｚ１０）の中心線が、少なくとも１本以上の曲線部分を含むことを特徴とする半導体レーザ。 - 請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体レーザにおいて、
前記電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）は２つ設けられていることを特徴とする半導体レーザ。 - 請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体レーザにおいて、
半導体基板（１）上に形成された絶縁層（１０）上に上部電極（３ａ，３ｂ）が延設され、当該絶縁層（１０）の下の半導体基板（１）に非電流注入領域（Ｚ１０）が形成されていることを特徴とする半導体レーザ。 - 請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体レーザにおいて、
半導体基板（１）上に絶縁層（２０ａ，２０ｂ）を介して上部電極（３ａ，３ｂ）が配置されるとともに、この電極（３ａ，３ｂ）上にボンディングワイヤー（４ａ，４ｂ）を設けたことを特徴とする半導体レーザ。 - 請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体レーザにおいて、
半導体基板（１）上に接するように上部電極（３ａ，３ｂ）が配置されるとともに、この電極（３ａ，３ｂ）上にボンディングワイヤー（４ａ，４ｂ）を設けたことを特徴とする半導体レーザ。 - 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体レーザにおいて、
電流注入領域（Ｚ１，Ｚ２）と、その間の非電流注入領域（Ｚ１０）との合計の発光領域の幅（ＷＬ）が１００μｍ以上であることを特徴とする半導体レーザ。
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