JP7391944B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
本開示は、半導体レーザ素子に関する。
なお、本願は、平成２８年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発／次々世代加工に向けた新規光源・要素技術開発／高効率加工用GaN系高出力・高ビーム品質半導体レーザーの開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願である。
近年、半導体レーザ素子は、ディスプレイやプロジェクターなどの画像表示装置の光源、車載ヘッドランプの光源、産業用照明や民生用照明の光源、又は、レーザ溶接装置や薄膜アニール装置、レーザ加工装置などの産業機器の光源など、様々な用途の光源として注目されている。また、上記用途の光源として用いられる半導体レーザ素子には、光出力が１ワットを大きく超える高出力化及び高いビーム品質が望まれている。
高ビーム品質を実現するには、レーザ光は基本横モードで発振することが望ましい。基本横モード動作を実現するには、導波路の幅を小さくし、光学的に高次モードが存在しない状態（カットオフ状態）で動作させる手法がある。しかし、高出力化のためには、導波路幅は大きい（ワイドストライプ）方が有利であるため、光出力が１ワットを超えるような高出力半導体レーザ素子においては、レーザ光の横モードは高次モードであることが多い。
特許文献１に、従来の半導体レーザ素子が開示されている。図１０は、特許文献１に開示された従来の半導体レーザ素子の構成を示す模式的な断面図である。
図１０に示すように、従来の半導体レーザ素子は、主に、基板１０１０と、ｎ側クラッド層１０１２と、活性層１０１８と、ｐ側クラッド層１０２４と、ｐ側コンタクト層１０２６と、ｐ側電極１０２８と、パッド電極１０３０と、ｎ側電極１０３６とを備える。ｐ側クラッド層１０２４は、リッジ部１０４０と非リッジ部１０４２とを有する。図１０に示される半導体レーザ素子のｐ側電極１０２８には、リッジ部１０４０の上の領域と非リッジ部１０４２の上の領域との間に、導電材料が存在しない空隙部１０３２が設けられている。この空隙部１０３２により、活性層１０１８における発光点近傍からの放熱経路が分離されるため、リッジ部１０４０と非リッジ部１０４２との温度差を低減でき、その結果水平横モードを安定化できることが記載されている。
特許文献１に記載された手法は、カットオフにより基本横モードを維持する導波路幅が小さい構造に対しては有効である。しかしながら、高出力化のために導波路幅を広げた上述のワイドストライプ構造では、導波路内に多数の高次水平横モードが光学的に許容されるため、特許文献１のように、リッジ部１０４０と非リッジ部１０４２との温度差を低減しても、高次水平横モードを抑制することはできない。
本開示は、高出力動作時においても、レーザ光における基本横モードの割合を高めることができる半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様は、第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層の上方に配置され、半導体からなる発光層と、前記発光層の上方に配置され、前記発光層において生成された光が伝播する導波路部を有する第２導電型の第２半導体層と、前記導波路部の上方に配置される電極と、前記電極と対向して配置される基台と、前記電極と前記基台との間に配置される導電性部材と、前記導電性部材の内部領域に配置され、前記導電性部材より熱抵抗が高い空隙部とを備える。
このように、空隙部によって導波路部において基本横モードを優勢とする屈折率分布を形成できるため、高出力動作時においても、レーザ光における基本横モードの割合を高めることができる。
また、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記第２半導体層は、前記導波路部に隣接して配置される平坦部をさらに有し、前記導波路部は、前記発光層から遠ざかる向きに前記平坦部に対して突出してもよい。
これにより、導波路部に光を閉じ込めることができる。
また、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記空隙部の幅は、前記導波路部の幅より小さくてもよい。
これにより、導波路部の幅方向の端部からの放熱経路上には空隙部が存在しないので、導波路部の幅方向の中央部と端部との温度差を大きくできる。つまり、導波路部の幅方向の中央部と端部との屈折率差を大きくできる。
また、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記空隙部の幅は、前記導波路部の幅の０．３７５倍以上、０．６２５倍以下であってもよい。
これにより、基本横モードの割合をより一層高め、かつ、高いレーザ光出力強度を得られる。
また、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様は、前記光の伝播方向の一方の端面であって、前記光を出射するフロント側端面と、前記光の伝播方向の他方の端面であって、前記フロント側端面より前記光の反射率が高いリア側端面とをさらに備え、前記空隙部の幅は、前記フロント側端面に近づくにしたがって大きくなってもよい。
このように、光密度が比較的高いフロント側端面に近い位置において空隙部を設けることで横モードを効果的に制御できる。また、光密度が比較的低いリア側端面に近い位置においては、空隙部を設けない（又は、空隙部の幅を縮小する）ことで、放熱性を確保できる。
また、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記空隙部は、空気で構成されてもよい。
これにより、導電性部材より、熱抵抗が高く、かつ、導電性部材との熱膨張係数の差に起因する応力を低減できる空隙部を実現できる。
また、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記空隙部は、前記電極の幅方向の中央の上方に配置されてもよい。
これにより、基本横モードの分布のピークと、導波路部における温度分布のピークとを一致させることができるため、基本横モード動作を促進できる。
また、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記空隙部は、前記電極に接触してもよい。
これにより、空隙部による電極及び導波路部からの放熱阻害効果を高めることができる。
また、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様は、前記基台と導電性部材との間に配置された半田層をさらに備え、前記空隙部は、前記電極から前記半田層まで延びてもよい。
また、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記空隙部は、前記基台に接触してもよい。
本開示に係る半導体レーザ素子は、高出力動作時においても、レーザ光における基本横モードの割合を高めることができる。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、ステップ（工程）及びステップの順序などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺などは必ずしも一致していない。各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
また、本明細書及び図面において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、三次元直交座標系の三軸を表している。Ｘ軸及びＹ軸は、互いに直交し、かつ、いずれもＺ軸に直交する軸である。
また、本明細書において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」及び「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔をあけて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに接する状態で配置される場合にも適用される。
（実施の形態１）
実施の形態１に係る半導体レーザ素子について説明する。
実施の形態１に係る半導体レーザ素子について説明する。
［半導体レーザチップの構成］
まず、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の構成要素である半導体レーザチップの構成について、図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１の構成を示す模式的な平面図である。図１Ａは、半導体レーザチップ１の基板１０の平面視における平面図が示されている。図１Ｂは、半導体レーザチップ１の構成を示す模式的な断面図である。図１Ｂには、図１ＡのＩＢ－ＩＢ線における半導体レーザチップ１の断面が示されている。
まず、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の構成要素である半導体レーザチップの構成について、図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１の構成を示す模式的な平面図である。図１Ａは、半導体レーザチップ１の基板１０の平面視における平面図が示されている。図１Ｂは、半導体レーザチップ１の構成を示す模式的な断面図である。図１Ｂには、図１ＡのＩＢ－ＩＢ線における半導体レーザチップ１の断面が示されている。
本実施の形態に係る半導体レーザチップ１は、半導体材料によって構成された半導体レーザチップであって、図１Ｂに示すように、基板１０と、第１半導体層２０と、発光層３０と、第２半導体層４０と、電極部材５０と、誘電体層６０と、高熱抵抗部７０と、ｎ側電極８０とを有する。
基板１０は、その主面に半導体レーザチップ１の半導体層が積層される板状部材である。基板１０は、例えば、ＧａＮ基板である。本実施の形態では、基板１０として、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板を用いている。
第１半導体層２０は、基板１０の上方に配置され、第１導電型の半導体層である。本実施の形態では、第１導電型は、ｎ型であり、第１半導体層２０は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ側クラッド層である。
発光層３０は、第１半導体層２０の上方に配置され、半導体からなる層である。本実施の形態では、発光層３０は、ｎ型ＧａＮからなるｎ側光ガイド層３１と、ｎ側光ガイド層３１の上方に配置され、ＩｎＧａＮ量子井戸層からなる活性層３２と、活性層３２の上方に配置され、ｐ型ＧａＮからなるｐ側光ガイド層３３とを含み、それらの層が積層された積層構造を有する。
第２半導体層４０は、発光層３０の上方に配置され、発光層３０において生成された光が伝播する導波路部４０ａを有する第２導電型の半導体層である。本実施の形態では、第２半導体層４０は、導波路部４０ａに隣接して配置される平坦部４０ｂをさらに有する。導波路部４０ａは、発光層３０から遠ざかる向きに平坦部４０ｂに対して突出する。言い換えると、第２半導体層４０は、レーザ共振器長方向（つまり、図１Ａ及び図１ＢのＹ軸方向）に延在するリッジ状の凸部を含む導波路部４０ａと、導波路部４０ａの根元（つまり、リッジ状部分の発光層３０側端部付近）から横方向（つまり、図１ＢのＸ軸方向）に広がる平坦部４０ｂとを有する。このような構成により、導波路部４０ａに光を閉じ込めることができる。第２導電型は、第１導電型と異なる導電型であり、本実施の形態ではｐ型である。本実施の形態では、第２半導体層４０は、ＡｌＧａＮからなる電子障壁層４１と、電子障壁層４１の上方に配置され、ｐ型ＡｌＧａＮ層からなるｐ側クラッド層４２と、ｐ側クラッド層４２の上方に配置され、ｐ型ＧａＮからなるｐ側コンタクト層４３とを含み、それらの層が積層された積層構造を有する。ｐ側コンタクト層４３は、導波路部４０ａの最上層（つまり、発光層３０から最も遠い層）として形成されており、平坦部４０ｂには形成されていない。
導波路部４０ａの幅（つまり、レーザ共振器長方向及び各半導体層の積層方向に垂直な方向の寸法であるストライプ幅）及び高さ（各半導体層の積層方向の寸法）は、特に限定されないが、例えば、導波路部４０ａの幅は１μｍ以上１００μｍ以下で、導波路部４０ａの高さは１００ｎｍ以上１μｍ以下である。半導体レーザチップ１を高い光出力（例えばワットクラス）で動作させるには、導波路部４０ａの幅を１０μｍ以上５０μｍ以下とし、導波路部４０ａの高さを３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下にしてもよい。本実施の形態では、幅１０μｍ、高さ５００ｎｍである。
ｐ側クラッド層４２は、レーザ共振器長方向に延在するリッジ状の凸部を有している。ｐ側クラッド層４２の凸部とｐ側コンタクト層４３とによってリッジ状（つまり、ストライプ状）の導波路部４０ａが構成されている。また、ｐ側クラッド層４２は、導波路部４０ａの両側方に、平坦部４０ｂとして平面部を有している。つまり、平坦部４０ｂの最上面は、ｐ側クラッド層４２の表面であり、平坦部４０ｂの最上面にはｐ側コンタクト層４３が配置されていない。
誘電体層６０は、光を閉じ込めるために、導波路部４０ａの側面に形成された誘電体からなる絶縁膜である。具体的には、誘電体層６０は、導波路部４０ａの側面から平坦部４０ｂの上面にわたって連続的に形成されている。本実施の形態において、誘電体層６０は、導波路部４０ａの周辺において、ｐ側コンタクト層４３の側面とｐ側クラッド層４２の凸部の側面とｐ側クラッド層４２の上面とにわたって連続して形成されている。
誘電体層６０の形状は、特に限定されないが、誘電体層６０は、導波路部４０ａの側面及び平坦部４０ｂの上面と接していてもよい。これにより、導波路部４０ａの直下で発光した光を安定的に閉じ込めることができる。本実施の形態では、誘電体層６０は、ＳｉＯ２で形成される。
電極部材５０は、第２半導体層４０の上方に形成される導電性部材である。電極部材５０は、導波路部４０ａよりも幅広である。つまり、電極部材５０の幅（つまり、Ｘ軸方向の幅）は、導波路部４０ａの幅（つまり、Ｘ軸方向の幅）よりも大きい。電極部材５０は、誘電体層６０及び導波路部４０ａの上面と接触している。
本実施の形態において、電極部材５０は、導波路部４０ａへの電流供給のためのｐ側電極５１と、ｐ側電極５１の上方に配置されるパッド電極５２とを有する。
ｐ側電極５１は、導波路部４０ａの上方に配置される電極の一例であり、導波路部４０ａの上面と接触している。ｐ側電極５１は、導波路部４０ａの上方においてｐ側コンタクト層４３とオーミック接触するオーミック電極であり、導波路部４０ａの上面であるｐ側コンタクト層４３の上面と接触している。ｐ側電極５１は、例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉなどの金属材料を用いて形成される。本実施の形態において、ｐ側電極５１は、第２半導体層４０側から順にＰｄ層及びＰｔ層が積層された２層構造を有する。
パッド電極５２は、ｐ側電極５１の上方に配置される導電性部材の一例である。パッド電極５２は、導波路部４０ａよりも幅広である。パッド電極５２は、誘電体層６０の上方にも配置されている。本実施の形態では、パッド電極５２は、誘電体層６０と接触している。つまり、パッド電極５２は、導波路部４０ａ及び誘電体層６０を覆うように形成されている。パッド電極５２は、例えば、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕなどの金属材料を用いて形成される。本実施の形態において、パッド電極５２は、第２半導体層４０側から順にＴｉ層、Ｐｔ層及びＡｕ層が積層された３層構造を有する。
なお、半導体レーザチップ１を個片化する際の歩留まりを向上させるために、図１Ａに示すように、パッド電極５２は、パッド電極５２の平面視において、第２半導体層４０の内側に形成されている。すなわち、半導体レーザチップ１を平面視した場合に、パッド電極５２は、半導体レーザチップ１の周縁部には配置されていない。つまり、半導体レーザチップ１は、周縁部に電流が供給されない非電流注入領域を有する。また、パッド電極５２が形成されている領域の断面形状は、レーザ共振器長方向のどの部分でも図１Ｂに示される構造となる。
高熱抵抗部７０は、ｐ側電極５１とパッド電極５２との間の一部の領域に配置され、パッド電極５２より熱抵抗が高い空隙部である。高熱抵抗部７０は、パッド電極５２の内部領域に配置される空隙部である。本実施の形態では、高熱抵抗部７０は、ｐ側電極５１に接触する。
高熱抵抗部７０のＸ軸方向の幅は、ｐ側電極５１のＸ軸方向の幅より小さい。本実施の形態では、高熱抵抗部７０は、ｐ側電極５１及びパッド電極５２より熱伝導率が低い。また、高熱抵抗部７０は、ｐ側電極５１及びパッド電極５２との間で熱膨張に起因して発生する応力が小さくなるような材料であってもよい。例えば、高熱抵抗部７０として、パッド電極５２より熱伝導率が低く、かつ、パッド電極５２などとの間で発生する応力が比較的低い空気などの気体が用いられてもよい。また、高熱抵抗部７０として、パッド電極５２より熱伝導率が低く、かつ、パッド電極５２などと熱膨張係数が近い固体材料が用いられてもよい。このような固体材料の具体例については後述する。
本実施の形態では、高熱抵抗部７０は、空気で構成されている。言い換えると、パッド電極５２には、高熱抵抗部７０として空気が埋め込まれている。これにより、パッド電極５２より、熱抵抗が高く、かつ、パッド電極５２との熱膨張係数の差に起因する応力を低減できる高熱抵抗部７０を実現できる。
また、高い光出力で動作させること（つまり、高出力動作）を目的とした半導体レーザチップでは、光出射端面には誘電体多層膜などの端面コート膜が形成される。この端面コート膜は、端面のみに形成することが難しく、半導体レーザチップ１の上面にも回りこむ。この場合、半導体レーザチップ１のレーザ共振器長方向（つまり、図１ＡのＹ軸方向）の端部では、パッド電極５２が形成されていないため、端面コート膜が上面にまで回りこんでしまうと、半導体レーザチップ１の長手方向の端部で誘電体層６０と端面コート膜とが接してしまう場合がある。この際、誘電体層６０が形成されていない又は誘電体層６０の膜厚が光閉じ込めに対して薄い場合には、光が端面コート膜の影響を受けるため、光損失の原因となる。そこで、発光層３０で発生した光を十分に閉じ込めるには、誘電体層６０の膜厚は、１００ｎｍ以上にしてもよい。一方、誘電体層６０の膜厚が厚すぎると、パッド電極５２の形成が困難となるため、誘電体層６０の膜厚は、導波路部４０ａの高さ以下にしてもよい。
また、導波路部４０ａの側面及び平坦部４０ｂには、導波路部４０ａを形成する際のエッチング工程でエッチングダメージが残存してリーク電流が発生する場合があるが、導波路部４０ａの側面及び平坦部４０ｂを誘電体層６０で被覆することで、不要なリーク電流の発生を低減できる。
ｎ側電極８０は、基板１０の下方に配置される電極であり、基板１０とオーミック接触するオーミック電極である。ｎ側電極８０は、例えば、Ｔｉ層、Ｐｔ層及びＡｕ層が順に積層された積層膜である。ｎ側電極８０の構成はこれに限定されない。ｎ側電極８０は、Ｔｉ及びＡｕが積層された積層膜であってもよい。
［半導体レーザチップの製造方法］
次に、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１の製造方法について、図２Ａ～図２Ｊを用いて説明する。図２Ａ～図２Ｊは、それぞれ、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１の製造方法における各工程を示す模式的な断面図である。
次に、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１の製造方法について、図２Ａ～図２Ｊを用いて説明する。図２Ａ～図２Ｊは、それぞれ、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１の製造方法における各工程を示す模式的な断面図である。
まず、図２Ａに示すように、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板である基板１０上に、有機金属気層成長法（Metalorganic Chemical Vapor Deposition；ＭＯＣＶＤ法）を用いて、第１半導体層２０、発光層３０及び第２半導体層４０を順次成膜する。具体的には、基板１０の上に、第１半導体層２０としてｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ側クラッド層を３μｍ成長させる。続いて、第１半導体層２０の上に、ｎ型ＧａＮからなるｎ側光ガイド層３１を０．２μｍ成長させる。続いて、ＩｎＧａＮからなるバリア層とＩｎＧａＮ量子井戸層との３周期からなる活性層３２を成長させる。続いて、ｐ型ＧａＮからなるｐ側光ガイド層３３を０．１μｍ成長させる。続いて、ＡｌＧａＮからなる電子障壁層４１を１０ｎｍ成長させる。続いて、膜厚１．５ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層と膜厚１．５ｎｍのＧａＮ層とを１６０周期繰り返して形成した厚さ０．４８μｍの歪超格子からなるｐ側クラッド層４２を成長させる。続いて、ｐ型ＧａＮからなるｐ側コンタクト層４３を０．０５μｍ成長させる。ここで、各層において、Ｇａ、Ａｌ及びＩｎを含む有機金属原料には、例えば、それぞれ、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアンモニウム（ＴＭＡ）及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いる。また、窒素原料には、アンモニア（ＮＨ３）を用いる。
次に、図２Ｂに示すように、第２半導体層４０上に、第１保護膜９１を成膜する。具体的には、ｐ側コンタクト層４３の上に、シラン（ＳｉＨ４）を用いたプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって、第１保護膜９１として、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を３００ｎｍ成膜する。
なお、第１保護膜９１の成膜方法は、プラズマＣＶＤ法に限るものではなく、例えば、熱ＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法、又は、パルスレーザ成膜法など、公知の成膜方法を用いることができる。また、第１保護膜９１の成膜材料は、上記のものに限るものではなく、例えば、誘電体や金属など、後述する第１半導体層２０のエッチングに対して、選択性のある材料であればよい。
次に、図２Ｃに示すように、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を用いて、第１保護膜９１が帯状に残るように、第１保護膜９１を選択的に除去する。なお、第１保護膜９１は、導波路部が形成される部分の上方に残るように形成される。リソグラフィー法としては、短波長光源を利用したフォトリソグラフィー法や、電子線で直接描画する電子線リソグラフィー法、またナノインプリント法などを用いることができる。エッチング法としては、例えば、ＣＦ４などのフッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によるドライエッチング、又は、１：１０程度に希釈した弗化水素酸（ＨＦ）などを用いたウェットエッチングを用いることができる。
次に、図２Ｄに示すように、帯状に形成された第１保護膜９１をマスクとして、ｐ側コンタクト層４３及びｐ側クラッド層４２をエッチングすることで、第２半導体層４０に導波路部４０ａ及び平坦部４０ｂを形成する。ｐ側コンタクト層４３及びｐ側クラッド層４２のエッチングとしては、例えば、Ｃｌ２などの塩素系ガスを用いたＲＩＥ法によるドライエッチングを用いてもよい。
次に、図２Ｅに示すように、帯状の第１保護膜９１を弗化水素酸などのウェットエッチングによって除去した後、ｐ側コンタクト層４３及びｐ側クラッド層４２を覆うように、誘電体層６０を成膜する。つまり、導波路部４０ａ及び平坦部４０ｂの上に誘電体層６０を形成する。誘電体層６０としては、例えば、シラン（ＳｉＨ４）を用いたプラズマＣＶＤ法によって、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を３００ｎｍ成膜する。
次に、図２Ｆに示すように、フォトリソグラフィー法と弗化水素酸を用いたウェットエッチングとにより、導波路部４０ａ上の誘電体層６０のみを除去して、ｐ側コンタクト層４３の上面を露出させる。その後、真空蒸着法及びリフトオフ法を用いて、導波路部４０ａ上のみにＰｄ及びＰｔからなるｐ側電極５１を形成する。具体的には、誘電体層６０から露出させたｐ側コンタクト層４３の上にｐ側電極５１を形成する。
なお、ｐ側電極５１の成膜方法は、真空蒸着法に限るものではなく、スパッタ法又はパルスレーザ成膜法などであってもよい。また、ｐ側電極５１を構成する材料は、Ｎｉ／Ａｕ系、Ｐｔ系など、第２半導体層４０（ｐ側コンタクト層４３）とオーミック接触する材料であればよい。
次に、図２Ｇに示すように、高熱抵抗部７０を形成するために、ｐ側電極５１上の一部領域のみに第２保護膜９２を形成する。また、第２保護膜９２の材料としては、ｐ側電極５１及びパッド電極５２よりもエッチング速度が十分速い材料を用いるとよい。本実施の形態では、東京応化工業（株）製のｉ線ポジ型フォトレジスト（ＴＨＭＲ－８９００）を用いた。第２保護膜９２としてレジストを用いる場合、基板１０の上方の全面にレジスト材料をスピンコート法で成膜し、フォトリソグラフィー法を用いてパターニングすることで、第２保護膜９２を形成することができる。本実施の形態では、スピンコートの回転数を調整し、レジストの厚さは２μｍとした。
次に、図２Ｈに示すように、ｐ側電極５１、誘電体層６０、第２保護膜９２を覆うようにパッド電極５２を形成する。具体的には、フォトリソグラフィー法などによって、形成したい部分以外にネガ型レジストをパターニングし、基板１０の上方の全面に真空蒸着法などによってＴｉ、Ｐｔ及びＡｕからなるパッド電極５２を形成し、リフトオフ法を用いて不要な部分の電極を除去する。これにより、ｐ側電極５１、誘電体層６０の上に所定形状のパッド電極５２を形成する。以上のように、ｐ側電極５１及びパッド電極５２からなる電極部材５０が形成される。
次に、図２Ｉに示すように、ｐ側電極５１とパッド電極５２との間に存在する第２保護膜９２を除去することで空気で構成された高熱抵抗部７０を形成する。例えば、第２保護膜９２がレジストである場合、第２保護膜９２を除去するための除去液としてアセトンなどの有機溶剤を用いて、第２保護膜９２を除去する。この場合、パッド電極５２が形成されていない第２半導体層４０の長手方向の端部から有機溶剤（除去液）を浸透させることで、第２保護膜９２のみを除去する。このように、ｐ側電極５１とパッド電極５２との間に高熱抵抗部７０を形成する。
次に、図２Ｊに示すように、基板１０の下面にｎ側電極８０を形成する。具体的には、基板１０の裏面に真空蒸着法などによってＴｉ、Ｐｔ及びＡｕからなるｎ側電極８０を形成し、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を用いてパターニングすることで、所定形状のｎ側電極８０を形成する。これにより、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１を製造することができる。
［半導体レーザ素子の構成］
次に、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の構成について図３Ａ及び図３Ｂを用いて説明する。図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ、本実施の形態に係る半導体レーザ素子２の構成を示す模式的な平面図及び断面図である。図３Ｂは、図３ＡのＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ線における半導体レーザ素子２の断面図である。
次に、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の構成について図３Ａ及び図３Ｂを用いて説明する。図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ、本実施の形態に係る半導体レーザ素子２の構成を示す模式的な平面図及び断面図である。図３Ｂは、図３ＡのＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ線における半導体レーザ素子２の断面図である。
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、半導体レーザ素子２は、半導体レーザチップ１と、サブマウント１００とを備える。
サブマウント１００は、基台１０１を有する部材である。サブマウント１００は、第１電極１０２ａと、第２電極１０２ｂと、第１半田層１０３ａと、第２半田層１０３ｂとをさらに有する。
基台１０１は、半導体レーザチップ１のｐ側電極５１と対向して配置される部材である。基台１０１は、サブマウント１００の主要部材であり、サブマウント１００のうち、最も厚さが大きい部材である。基台１０１は、半導体レーザチップ１のｐ側電極５１と対向する第１主面１０１ａを有する。本実施の形態では、第１主面１０１ａ上に、基台１０１側から順に第１電極１０２ａ及び第１半田層１０３ａが配置される。また、基台１０１は、第１主面１０１ａの裏側に第２主面１０１ｂを有する。第２主面１０１ｂ上に、基台１０１側から順に第２電極１０２ｂ及び第２半田層１０３ｂが配置される。基台１０１の形状は、特に限定されないが、本実施の形態では、板状であり、より詳しくは、直方体状である。
基台１０１の材料は、特に限定されないが、アルミナイトライド（ＡｌＮ）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）などのセラミック、ＣＶＤで成膜されたダイヤモンド（Ｃ）、Ｃｕ、Ａｌなどの金属単体、又は、ＣｕＷなどの合金など、半導体レーザチップ１と比べて熱伝導率が同等かそれ以上の材料で構成されていてもよい。
第１電極１０２ａは、ｐ側電極５１と基台１０１との間に配置される導電性部材の一例であり、基台１０１の第１主面１０１ａに配置される。また、第２電極１０２ｂは、基台１０１の第２主面１０１ｂに配置される。第１電極１０２ａ及び第２電極１０２ｂは、例えば、基台１０１側から順に膜厚０．１μｍのＴｉ、膜厚０．２μｍのＰｔ及び膜厚０．２μｍのＡｕが積層された積層膜である。
第１半田層１０３ａは、ｐ側電極５１と基台１０１との間に配置される導電性部材の一例であり、第１電極１０２ａ上に配置される。第２半田層１０３ｂは、第２電極１０２ｂ上に配置される。第１半田層１０３ａ及び第２半田層１０３ｂは、例えば、組成比７０％のＡｕ及び組成比３０％のＳｎを含む金スズ合金からなる共晶半田である。
半導体レーザチップ１は、サブマウント１００に実装される。本実施の形態では、半導体レーザチップ１のｐ側がサブマウント１００に接続される実装形態、つまりジャンクションダウン実装であるので、半導体レーザチップ１のパッド電極５２がサブマウント１００の第１半田層１０３ａに接続される。つまり、パッド電極５２は、ｐ側電極５１と基台１０１との間に配置される。
なお、本実施の形態のように、第１半田層１０３ａに金スズ半田を用いて実装する場合、金スズ半田がパッド電極５２のＡｕや第１電極１０２ａのＡｕと共晶反応を起こすため、境界を判別するのが困難となることがある。
また、ワイヤボンディングによって、半導体レーザチップ１のパッド電極５２及びサブマウント１００の第１電極１０２ａの各々には、ワイヤ１１０が接続される。これにより、ワイヤ１１０を介して半導体レーザチップ１に電流を供給することができる。
なお、図示しないが、サブマウント１００は、放熱性の向上及び取り扱いの簡便化の目的で、例えば、ＣＡＮパッケージなどの金属パッケージに実装されてもよい。
［半導体レーザ素子の作用効果］
次に、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１の作用効果について、図４Ａ及び図４Ｂを用いて説明する。図４Ａは、本実施の形態に係る半導体レーザ素子２における放熱経路、及び、レーザ光の基本横モードの電界強度分布を示す図である。図４Ａの断面図（ａ）は、半導体レーザチップ１のサブマウント１００への実装形態を簡略化して示した図である。図４Ａのグラフ（ｂ）は、半導体レーザ素子２におけるレーザ光の基本横モードの電界強度分布の計算結果を示した図である。図４Ｂは、本実施の形態に係る発光層３０の導波路部４０ａ直下の幅Ｗの部分の温度分布の計算結果を示す図である。
次に、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１の作用効果について、図４Ａ及び図４Ｂを用いて説明する。図４Ａは、本実施の形態に係る半導体レーザ素子２における放熱経路、及び、レーザ光の基本横モードの電界強度分布を示す図である。図４Ａの断面図（ａ）は、半導体レーザチップ１のサブマウント１００への実装形態を簡略化して示した図である。図４Ａのグラフ（ｂ）は、半導体レーザ素子２におけるレーザ光の基本横モードの電界強度分布の計算結果を示した図である。図４Ｂは、本実施の形態に係る発光層３０の導波路部４０ａ直下の幅Ｗの部分の温度分布の計算結果を示す図である。
一般に半導体においては、温度が上昇するにしたがって屈折率は高くなり、キャリア密度が増加するにしたがって屈折率は低くなる。ワイドストライプ構造における水平横モードは、導波路部４０ａ内での屈折率分布の影響を受けるため、高出力動作時に基本横モード動作を維持するには、導波路部４０ａ内での温度分布及びキャリア分布の制御が肝要となる。例えば、導波路部４０ａの幅方向（図４ＡのＸ軸方向）の中央部の温度が高くなると、導波路部４０ａの幅方向の中央部の屈折率が、幅方向の端部の屈折率に比べて相対的に増加し、導波路部４０ａの幅方向の中央部で光強度が強い水平横モードが優勢となる。一方、導波路部４０ａの幅方向の中央部の温度が低くなると、導波路部４０ａの幅方向の中央部の屈折率が、幅方向の端部の屈折率に比べて相対的に低下し、導波路部４０ａの幅方向の端部での屈折率が相対的に増加するため、導波路部４０ａの幅方向の端部で光強度が強い水平横モードが優勢となる。
導波路部４０ａの幅方向の中央部での温度を導波路部の幅方向の端部の温度と比べて高くするには、導波路部の幅方向の中央部での放熱性を低下させればよい。すなわち、導波路部の幅方向の中央部の放熱経路上に熱抵抗が高い構造を設けることで、導波路部の幅方向の中央部の温度を端部と比べて高くすることができる。すなわち、導波路部４０ａからサブマウント１００の基台１０１までの間において、電極部材５０よりも熱抵抗が高い（すなわち、熱伝導率が低い）材料を設けることで、導波路部４０ａの幅方向の中央部の温度を端部の温度と比べて高くすることができる。
図４Ａの断面図（ａ）は本実施の形態に係る半導体レーザチップ１の実装形態を簡略化して示している。この形態では、ｐ側の電極部材５０がサブマウント１００に接続される実装形態、つまりジャンクションダウン実装であるので、半導体レーザチップ１で発生した熱は、ｐ側の電極部材５０からサブマウント１００へ放熱される。図４Ａの断面図（ａ）に半導体レーザチップ１で発生した熱の放熱経路を矢印で示す。導波路部４０ａの幅方向の中央部では放熱経路の途中に高熱抵抗部７０が存在するため、導波路部４０ａの幅方向の中央部の放熱性は低下し、導波路部４０ａの幅方向の中央部の温度が上昇する。高熱抵抗部７０の中心は導波路部４０ａの幅方向の中心と一致するように配置される。言い換えると、高熱抵抗部７０は、ｐ側電極５１の幅方向の中央の上方（図４Ａでは下方）に配置される。すなわち、半導体レーザチップ１の断面において、導波路部４０ａ及び高熱抵抗部７０が導波路部４０ａの幅方向の中央に対して左右対称となる。これにより、基本横モードの分布のピークと、導波路部における温度分布のピークとを一致させることができるため、基本横モード動作を促進できる。ここで、高熱抵抗部７０の幅をＷｔｈと定義し、導波路部４０ａの幅、すなわち、ｐ側電極５１の幅をＷと定義すると、Ｗｔｈ＜Ｗの関係が成り立つ。つまり、高熱抵抗部の幅は、前記導波路部の幅より小さい。Ｗｔｈ＜Ｗの場合、導波路部４０ａの幅方向の端部からの放熱経路上には高熱抵抗部７０が存在しないので、導波路部４０ａの幅方向の中央部と端部との温度差を大きくできる。つまり、導波路部４０ａの幅方向の中央部と端部との屈折率差を大きくできる。
以上のように、本実施の形態では、高熱抵抗部７０は、ｐ側電極５１の幅方向の中央の上方に配置される。ここで、ｐ側電極５１の幅方向の中央との記載によって表される構成には、ｐ側電極５１の幅方向の中央と完全に一致する構成だけでなく、実質的に一致する構成も含まれる。例えば、ｐ側電極５１の幅方向の中央との記載によって表される構成には、ｐ側電極５１の幅の１０％程度以下だけ中央からずれている構成も含まれてもよい。
また、本実施の形態では、高熱抵抗部７０は、ｐ側電極５１に接触する。これにより、高熱抵抗部７０によるｐ側電極５１及び導波路部４０ａからの放熱阻害効果を高めることができる。
図４Ａのグラフ（ｂ）は、基本横モードの電界強度の計算結果である。図４Ａのグラフ（ｂ）に示すように、基本横モードの光分布は導波路部４０ａの幅方向の中央部でピークを持つため、基本横モード動作を維持させるには、導波路部４０ａの幅方向の中央部での温度が高くなるような構造が有利となる。
図４Ｂは、活性層３２での温度分布の計算結果を示すグラフである。図４Ｂに示される温度分布は、導波路部４０ａに１Ｗの発熱源を設け、熱伝導方程式を解くことで求められる。半導体レーザチップ１に含まれるそれぞれの材料の熱伝導率は、ＧａＮが１３０Ｗ／ｍＫ、ｐ側電極５１が８０Ｗ／ｍＫ、パッド電極５２が６０Ｗ／ｍＫ、ＳｉＯ２が１．４Ｗ／ｍＫであり、導波路部４０ａの幅Ｗは１６μｍとして計算した。また、高熱抵抗部７０の材料は、空気の場合を想定し熱伝導率を０．０２４Ｗ／ｍＫとした。また高熱抵抗部７０の幅Ｗｔｈを２μｍから１４μｍまで、２μｍ毎に変化させて計算を行った。また、比較のため、Ｗｔｈ＝０μｍとした場合、つまり、半導体レーザチップが高熱抵抗部を備えない従来構造の場合の計算も行った。
計算結果から、導波路部の幅方向の中央部の温度が最も高く、端部に近づくにつれ温度は低下することがわかる。これは、発熱源である導波路部の幅Ｗに比べて、パッド電極５２及びサブマウント１００の幅が十分大きいため、パッド電極５２及びサブマウント１００において、横方向（つまり、Ｘ軸方向）への熱拡散の効果で導波路部４０ａの幅方向の端部の温度が低下するためである。また、高熱抵抗部７０を設けた部分の温度がより上昇していることがわかる。これは、高熱抵抗部７０により導波路部４０ａの幅方向の中央部の放熱性が低下したためである。従来構造（つまり、Ｗｔｈ＝０）における導波路部の中央と端部との温度差は０．７℃であったのに対し、高熱抵抗部７０の幅Ｗｔｈを例えば８μｍとした場合の温度差は、２．５℃であった。この温度差が大きいほど基本横モードが優勢となる。このように、本実施の形態に係る半導体レーザ素子２によれば、高熱抵抗部７０によって導波路部４０ａにおいて基本横モードを優勢とする屈折率分布を形成できるため、高出力動作時においても、レーザ光における基本横モードの割合を高めることができる。
本実施の形態では、高熱抵抗部７０の幅Ｗｔｈが８μｍの場合、つまり、高熱抵抗部７０の幅Ｗｔｈが導波路部４０ａの幅Ｗの０．５倍の場合に、基本横モードの割合、レーザ光出力強度とも最も良好な結果が得られた。また、高熱抵抗部の幅Ｗｔｈが、導波路部４０ａの幅Ｗの０．３７５倍（本実施の形態では、Ｗｔｈ＝６μｍ）以上、０．６２５倍（本実施の形態では、Ｗｔｈ＝１０μｍ）以下であれば、基本横モードの割合、レーザ光出力強度ともに特に良好な結果が得られた。
なお、高熱抵抗部７０の高熱抵抗とは、周囲の材料に対して、熱抵抗が高いという意味である。パッド電極５２及びｐ側電極５１の熱伝導率が６０～８０Ｗ／ｍＫであるため、本実施の形態の効果を得るためには、高熱抵抗部７０の熱伝導率は、パッド電極５２及びｐ側電極５１の熱伝導率より一桁以上小さい８Ｗ／ｍＫ以下であってもよい。
また、金属中に高熱抵抗部７０を埋め込む場合、熱膨張係数も重要となる。高出力動作時には、温度が大きく上昇するため、高熱抵抗部７０と電極部材５０との熱膨張係数差が大きいと、剥がれが生じ半導体レーザ素子２の特性が大きく低下するという課題が生じる。ここで、高熱抵抗部７０を構成する材料について図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子２に用いられる材料及び高熱抵抗部７０を構成し得る材料の熱伝導率及び熱膨張係数を示す表である。本実施の形態では、高熱抵抗部７０として空気を用いたが、空気以外の気体を用いてもよい。例えば、高熱抵抗部７０として、窒素などの気体を用いてもよい。
（実施の形態２）
実施の形態２に係る半導体レーザ素子について説明する。実施の形態１では、パッド電極５２とｐ側電極５１の間に高熱抵抗部７０を設けた構造を示した。本実施の形態では、より簡便な手法で高熱抵抗部７０を設けられる構造について説明する。本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、主に、高熱抵抗部７０ａの構成において実施の形態１に係る半導体レーザ素子２と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体レーザ素子について、実施の形態１に係る半導体レーザ素子２との相違点を中心に説明する。
実施の形態２に係る半導体レーザ素子について説明する。実施の形態１では、パッド電極５２とｐ側電極５１の間に高熱抵抗部７０を設けた構造を示した。本実施の形態では、より簡便な手法で高熱抵抗部７０を設けられる構造について説明する。本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、主に、高熱抵抗部７０ａの構成において実施の形態１に係る半導体レーザ素子２と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体レーザ素子について、実施の形態１に係る半導体レーザ素子２との相違点を中心に説明する。
［半導体レーザ素子の構成］
まず、本実施の形態に係る半導体レーザチップ及び半導体レーザ素子の構成について図６Ａ及び図６Ｂを用いて説明する。図６Ａは、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１ａの構成を示す模式的な断面図である。図６Ｂは、本実施の形態に係る半導体レーザ素子２ａの構成を示す模式的な断面図である。図６Ａ及び図６Ｂにおいては、図１Ｂと同様に、半導体レーザチップ１ａ及び半導体レーザ素子２ａのレーザ共振器長方向に垂直な断面が示されている。
まず、本実施の形態に係る半導体レーザチップ及び半導体レーザ素子の構成について図６Ａ及び図６Ｂを用いて説明する。図６Ａは、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１ａの構成を示す模式的な断面図である。図６Ｂは、本実施の形態に係る半導体レーザ素子２ａの構成を示す模式的な断面図である。図６Ａ及び図６Ｂにおいては、図１Ｂと同様に、半導体レーザチップ１ａ及び半導体レーザ素子２ａのレーザ共振器長方向に垂直な断面が示されている。
図６Ａに示されるように、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１ａは、実施の形態１に係る半導体レーザチップ１と同様に、基板１０と、第１半導体層２０と、発光層３０と、第２半導体層４０と、電極部材１５０と、高熱抵抗部７０ａとを備える。本実施の形態に係る半導体レーザチップ１ａは、電極部材１５０のパッド電極１５２及び高熱抵抗部７０ａの構成において、実施の形態１に係る半導体レーザチップ１と相違する。
本実施の形態に係る電極部材１５０は、ｐ側電極５１と、パッド電極１５２とを有する。ｐ側電極５１は、実施の形態１に係るｐ側電極５１と同様の構成を有する。パッド電極１５２は、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、レーザ共振器長方向（図６ＡのＺ軸方向）に垂直な断面において、ｐ側電極５１上で二つに分断されている。つまり、パッド電極１５２には、スリット部１５２ｓが形成されている。
高熱抵抗部７０ａは、分断された二つのパッド電極１５２の間に（つまりスリット部１５２ｓに）配置される空隙部である。言い換えると、高熱抵抗部７０ａは、パッド電極１５２の内部領域に配置される空隙部である。本実施の形態では、高熱抵抗部７０ａは、空気で構成される。
図６Ｂに示されるように、本実施の形態に係る半導体レーザ素子２ａは、半導体レーザチップ１ａと、サブマウント１００とを備える。本実施の形態に係るサブマウント１００は、実施の形態１に係るサブマウント１００と同様の構成を有する。実施の形態１に係る半導体レーザ素子２と同様に、半導体レーザチップ１ａは、サブマウント１００にジャンクションダウン実装される。つまり、サブマウント１００は、ｐ側電極５１と対向して配置され、パッド電極１５２は、ｐ側電極５１と、サブマウント１００の基台１０１との間に配置される。
本実施の形態では、高熱抵抗部７０ａは、ｐ側電極５１からサブマウント１００まで延びる。言い換えると、本実施の形態に係る半導体レーザ素子２ａは、ｐ側電極５１の上方に配置される導電性部材の一例であるパッド電極１５２と基台１０１との間に配置される第１半田層を備え、高熱抵抗部７０ａは、ｐ側電極５１から第１半田層１０３ａまで延びる。このような構成を有する半導体レーザ素子２ａによっても、実施の形態１に係る半導体レーザ素子２と同様の効果が奏される。
［半導体レーザ素子の製造方法］
次に、本実施の形態に係る半導体レーザ素子２ａの製造方法について説明する。本実施の形態に係る半導体レーザ素子２ａの製造方法は、半導体レーザチップ１ａの製造方法以外は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子２の製造方法と同様であるため、以下では、半導体レーザチップ１ａの製造方法について図７Ａ～図７Ｃを用いて説明する。図７Ａ～図７Ｃは、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１ａの製造方法の各工程を説明する模式的な断面図である。
次に、本実施の形態に係る半導体レーザ素子２ａの製造方法について説明する。本実施の形態に係る半導体レーザ素子２ａの製造方法は、半導体レーザチップ１ａの製造方法以外は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子２の製造方法と同様であるため、以下では、半導体レーザチップ１ａの製造方法について図７Ａ～図７Ｃを用いて説明する。図７Ａ～図７Ｃは、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１ａの製造方法の各工程を説明する模式的な断面図である。
本実施の形態に係る半導体レーザチップ１ａの製造方法のうち、実施の形態１に係る半導体レーザチップ１の製造方法と異なる点について説明する。
まず、図７Ａに示されるように、基板１０の上方に、第１半導体層２０、発光層３０、第２半導体層４０及びｐ側電極５１を積層する。図７Ａに示される図は、実施の形態１に係る半導体レーザチップ１の製造方法の工程を示す図２Ｆと同様である。つまり、本実施の形態においても、実施の形態１において、図２Ａ～図２Ｆを用いて説明した工程と同様の工程によって、図７Ａに示されるような積層体を形成する。
続いて、図７Ｂに示すように、リフトオフ法を用いて、ｐ側電極５１上の所望の位置にパッド電極１５２を設けないようにパッド電極１５２を形成する。これは、フォトレジストのパターニングの際に、ｐ側電極５１上の一部にもレジストを残すことで、その部分にパッド電極１５２が形成されない領域を作ることができる。次に、実施の形態１と同様に、図７Ｃに示すように、基板１０にｎ側電極８０を形成する。
これにより、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１ａを製造できる。また、このようにして製造した半導体レーザチップ１ａをサブマウント１００に実装することにより、半導体レーザ素子２ａを製造できる。
また、本実施の形態では、高熱抵抗部７０ａをパッド電極１５２のパターニングだけによって形成できるため、製造を容易化できる。
（実施の形態３）
実施の形態３に係る半導体レーザ素子について説明する。実施の形態１、２では、各半導体レーザチップに高熱抵抗部が形成された。本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、サブマウントに高熱抵抗部が形成される。以下、本実施の形態に係る半導体レーザ素子について、実施の形態１に係る半導体レーザ素子２との相違点を中心に説明する。
実施の形態３に係る半導体レーザ素子について説明する。実施の形態１、２では、各半導体レーザチップに高熱抵抗部が形成された。本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、サブマウントに高熱抵抗部が形成される。以下、本実施の形態に係る半導体レーザ素子について、実施の形態１に係る半導体レーザ素子２との相違点を中心に説明する。
［半導体レーザ素子の構成］
本実施の形態に係る半導体レーザ素子の構成について図８Ａ～図８Ｃを用いて説明する。図８Ａは、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１ｂの構成を示す模式的な断面図である。図８Ａに示されるように、半導体レーザチップ１ｂは、電極部材２５０において高熱抵抗部を有さない点において、実施の形態１、２に係る各半導体レーザチップと相違する。つまり、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１ｂは、従来の半導体レーザチップと同じ構造である。本実施の形態に係る電極部材２５０は、ｐ側電極５１と、パッド電極２５２とを有する。パッド電極２５２には、高熱抵抗部が埋め込まれていない。
本実施の形態に係る半導体レーザ素子の構成について図８Ａ～図８Ｃを用いて説明する。図８Ａは、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１ｂの構成を示す模式的な断面図である。図８Ａに示されるように、半導体レーザチップ１ｂは、電極部材２５０において高熱抵抗部を有さない点において、実施の形態１、２に係る各半導体レーザチップと相違する。つまり、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１ｂは、従来の半導体レーザチップと同じ構造である。本実施の形態に係る電極部材２５０は、ｐ側電極５１と、パッド電極２５２とを有する。パッド電極２５２には、高熱抵抗部が埋め込まれていない。
図８Ｂは、本実施の形態に係るサブマウント２００の構成を示す模式的な断面図である。本実施の形態に係るサブマウント２００は、基台１０１と、第１電極２０２ａと、第２電極１０２ｂと、第１半田層２０３ａと、第２半田層１０３ｂと、高熱抵抗部７０ｂとを有する。本実施の形態に係る基台１０１、第２電極１０２ｂ及び第２半田層１０３ｂは、それぞれ、実施の形態１、２に係る基台１０１、第２電極１０２ｂ及び第２半田層１０３ｂと同様の構成を有する。
本実施の形態に係る第１電極２０２ａ及び第１半田層２０３ａは、レーザ共振器長方向（図８ＢのＺ軸方向）に垂直な断面において、それぞれ、二つに分断されている。高熱抵抗部７０ｂは、分断された二つの第１電極２０２ａの間、及び、分断された二つの第１半田層２０３ａの間に配置される空隙部である。言い換えると、高熱抵抗部７０ｂは、第１電極２０２ａ及び第１半田層２０３ａの内部領域に配置される空隙部である。本実施の形態では、高熱抵抗部７０ｂは、空気で構成される。
図８Ｃは、本実施の形態に係る半導体レーザ素子２ｂの構成を示す模式的な断面図である。図８Ｃに示されるように、本実施の形態に係る半導体レーザ素子２ｂは、半導体レーザチップ１ｂと、サブマウント２００とを備える。実施の形態１、２に係る各半導体レーザ素子と同様に、半導体レーザチップ１ｂは、サブマウント２００にジャンクションダウン実装される。つまり、サブマウント２００は、ｐ側電極５１と対向して配置され、パッド電極２５２は、ｐ側電極５１と、サブマウント２００の基台１０１との間に配置される。ここで、ｐ側電極５１は、高熱抵抗部７０ｂと対向する位置に配置される。より詳しくは、ｐ側電極５１の幅方向（図８ＣのＸ軸方向）の中央に、高熱抵抗部７０ｂが配置される。本実施の形態において、パッド電極２５２、第１電極２０２ａ及び第１半田層２０３ａの各々は、ｐ側電極５１と基台１０１との間に配置される導電性部材の一例である。
以上のように、本実施の形態では、高熱抵抗部７０ｂは、基台１０１に接触する。このような構成を有する半導体レーザ素子２ｂによっても、実施の形態１、２に係る各半導体レーザ素子と同様の効果が奏される。
（実施の形態４）
実施の形態４に係る半導体レーザ素子について説明する。本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、高熱抵抗部の幅がレーザ共振器長方向（導波路部の長手方向）の位置に応じて変化する点において、実施の形態１に係る半導体レーザ素子２と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の構成について、実施の形態１に係る半導体レーザ素子２との相違点を中心に説明する。
実施の形態４に係る半導体レーザ素子について説明する。本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、高熱抵抗部の幅がレーザ共振器長方向（導波路部の長手方向）の位置に応じて変化する点において、実施の形態１に係る半導体レーザ素子２と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の構成について、実施の形態１に係る半導体レーザ素子２との相違点を中心に説明する。
［半導体レーザ素子の構成］
本実施の形態に係る半導体レーザ素子の構成について説明する。本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、半導体レーザチップにおいて、実施の形態１に係る半導体レーザ素子２と相違し、サブマウント１００の構成において一致するため、以下では、本実施の形態に係る半導体レーザ素子が備える半導体レーザチップ１ｃについて説明し、サブマウントについての説明を省略する。図９Ａは、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１ｃの構成を示す模式的な平面図である。図９Ａは、半導体レーザチップ１ｃの基板１０の平面視における平面図が示されている。図９Ｂは、実施の形態４に係る半導体レーザチップ１ｃの構成を示す模式的な断面図である。図９Ｂには、図９ＡのＩＸＢ－ＩＸＢ線における半導体レーザチップ１ｃの断面が示されている。
本実施の形態に係る半導体レーザ素子の構成について説明する。本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、半導体レーザチップにおいて、実施の形態１に係る半導体レーザ素子２と相違し、サブマウント１００の構成において一致するため、以下では、本実施の形態に係る半導体レーザ素子が備える半導体レーザチップ１ｃについて説明し、サブマウントについての説明を省略する。図９Ａは、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１ｃの構成を示す模式的な平面図である。図９Ａは、半導体レーザチップ１ｃの基板１０の平面視における平面図が示されている。図９Ｂは、実施の形態４に係る半導体レーザチップ１ｃの構成を示す模式的な断面図である。図９Ｂには、図９ＡのＩＸＢ－ＩＸＢ線における半導体レーザチップ１ｃの断面が示されている。
図９Ｂに示されるように、本実施の形態に係る半導体レーザチップ１ｃは、基板１０と、第１半導体層２０と、発光層３０と、第２半導体層４０と、電極部材３５０と、誘電体層６０と、高熱抵抗部７０ｃと、ｎ側電極８０とを有する。また、半導体レーザチップ１ｃは、発光層３０で生成される光の伝播方向の一方の端面であって、光を出射するフロント側端面１ｄｆと、光の伝播方向の他方の端面であって、フロント側端面１ｄｆより光の反射率が高いリア側端面１ｄｒとを有する。電極部材３５０は、ｐ側電極５１と、パッド電極３５２とを有する。パッド電極３５２は、高熱抵抗部７０ｃに対応する部分の形状が異なる点において、実施の形態１に係るパッド電極５２と相違し、その他の点において一致する。
図９Ａに示されるように、本実施の形態に係る高熱抵抗部７０ｃの幅は、レーザ共振器長方向（つまり、図９ＡのＺ軸方向）の位置に応じて変化している。具体的には、高熱抵抗部７０ｃの幅は、フロント側端面１ｄｆに近づくにしたがって大きくなり、リア側端面１ｄｒに近づくにしたがって小さくなる。図９Ａに示されるように、リア側端面１ｄｒに近い位置において高熱抵抗部７０ｃが形成されていなくてもよい。
一般に半導体レーザチップにおいて、高出力化を実現するためには、共振器端面の一方の反射率を高く、他方を低くする構造が用いられる。この構造において、レーザ共振器長方向の光密度が変わる。低反射率の共振器端面に近い位置において光密度が高くなる。横モード選択は、光密度が高い位置において行う方が効果的であるため、光密度が比較的高いフロント側端面１ｄｆに近い位置において高熱抵抗部７０ｃを設けることで横モードを効果的に制御できる。また、光密度が比較的低いリア側端面１ｄｒに近い位置においては、高熱抵抗部７０ｃを設けない（又は、高熱抵抗部７０ｃの幅を縮小する）ことで、放熱性を確保できる。
以上のように、本実施の形態に係る半導体レーザ素子によれば、レーザ光における基本横モードの割合を高め、かつ、放熱性を確保できる。発熱量が多い高出力動作時においても、レーザ光における基本モードの割合を高めることができる。
（変形例など）
以上、本開示に係る半導体レーザ素子について、各実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記各実施の形態に限定されるものではない。
以上、本開示に係る半導体レーザ素子について、各実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記各実施の形態に限定されるものではない。
例えば、上記各実施の形態では、第２半導体層４０の導波路部４０ａは、リッジ状の形状を有したが、導波路部の構成はこれに限定されない。例えば、導波路部は、発光層から遠ざかる向きに突出しなくてもよい。この場合、例えば、導波路部の幅方向の端部に溝が形成され、当該溝に誘電体が埋め込まれてもよい。このような構成を有する半導体レーザ素子においても、上記各実施の形態に係る半導体レーザ素子と同様の効果が奏される。さらに、このような構成によれば、半導体レーザチップをサブマウントに実装する際に、第２半導体層に加わる力が導波路部に集中することを抑制できる。したがって、実装の際に導波路部が損傷することを低減できる。
また、上記各実施の形態においては、半導体レーザ素子は、窒化物半導体からなる半導体レーザチップを備えたが、半導体レーザチップは、窒化物半導体以外の半導体材料からなってもよい。
また、上記各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で上記各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
例えば、実施の形態２と実施の形態３とを組み合わせてもよい。つまり、高熱抵抗部は、半導体レーザチップのｐ側電極からサブマウントの基台まで延びてもよい。
また、実施の形態２又は実施の形態３に係る高熱抵抗部において、実施の形態４の構成を適用してもよい。
本開示に係る半導体レーザ素子は、画像表示装置、照明又は産業機器などの光源として利用することができ、特に、比較的に高い光出力を必要とする機器の光源として有用である。
１、１ａ、１ｂ、１ｃ 半導体レーザチップ
２、２ａ、２ｂ 半導体レーザ素子
１０ 基板
２０ 第１半導体層
３０ 発光層
３１ ｎ側光ガイド層
３２ 活性層
３３ ｐ側光ガイド層
４０ 第２半導体層
４０ａ 導波路部
４０ｂ 平坦部
４１ 電子障壁層
４２ ｐ側クラッド層
４３ ｐ側コンタクト層
５０、１５０、２５０、３５０ 電極部材
５１ ｐ側電極
５２、１５２、２５２、３５２ パッド電極
６０ 誘電体層
７０、７０ａ、７０ｂ、７０ｃ 高熱抵抗部
８０ ｎ側電極
９１ 第１保護膜
９２ 第２保護膜
１００、２００ サブマウント
１０１ 基台
１０２ａ、２０２ａ 第１電極
１０２ｂ 第２電極
１０３ａ、２０３ａ 第１半田層
１０３ｂ 第２半田層
１５２ｓ スリット部
２、２ａ、２ｂ 半導体レーザ素子
１０ 基板
２０ 第１半導体層
３０ 発光層
３１ ｎ側光ガイド層
３２ 活性層
３３ ｐ側光ガイド層
４０ 第２半導体層
４０ａ 導波路部
４０ｂ 平坦部
４１ 電子障壁層
４２ ｐ側クラッド層
４３ ｐ側コンタクト層
５０、１５０、２５０、３５０ 電極部材
５１ ｐ側電極
５２、１５２、２５２、３５２ パッド電極
６０ 誘電体層
７０、７０ａ、７０ｂ、７０ｃ 高熱抵抗部
８０ ｎ側電極
９１ 第１保護膜
９２ 第２保護膜
１００、２００ サブマウント
１０１ 基台
１０２ａ、２０２ａ 第１電極
１０２ｂ 第２電極
１０３ａ、２０３ａ 第１半田層
１０３ｂ 第２半田層
１５２ｓ スリット部
Claims (9)
- 第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上方に配置される発光層と、
前記発光層の上方に配置され、前記発光層において生成された光が伝播する導波路部を有する第２導電型の第２半導体層と、
前記導波路部の上方に配置される電極と、
前記電極と対向して配置される基台と、
前記電極と前記基台との間に配置される導電性部材と、
前記導電性部材の内部領域に配置され、前記導電性部材より熱抵抗が高い空隙部とを備え、
前記空隙部の幅は、前記導波路部の幅より小さい
半導体レーザ素子。 - 第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上方に配置される発光層と、
前記発光層の上方に配置され、前記発光層において生成された光が伝播する導波路部を有する第２導電型の第２半導体層と、
前記導波路部の上方に配置される電極と、
前記電極と対向して配置される基台と、
前記電極と前記基台との間に配置される導電性部材と、
前記導電性部材の内部領域に配置され、前記導電性部材より熱抵抗が高い空隙部とを備え、
前記空隙部の幅は、前記導波路部の幅の０．３７５倍以上、０．６２５倍以下である
半導体レーザ素子。 - 第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上方に配置される発光層と、
前記発光層の上方に配置され、前記発光層において生成された光が伝播する導波路部を有する第２導電型の第２半導体層と、
前記導波路部の上方に配置される電極と、
前記電極と対向して配置される基台と、
前記電極と前記基台との間に配置される導電性部材と、
前記導電性部材の内部領域に配置され、前記導電性部材より熱抵抗が高い空隙部と、
前記光の伝播方向の一方の端面であって、前記光を出射するフロント側端面と、
前記光の伝播方向の他方の端面であって、前記フロント側端面より前記光の反射率が高いリア側端面とを備え、
前記空隙部の幅は、前記フロント側端面に近づくにしたがって大きくなる
半導体レーザ素子。 - 第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上方に配置される発光層と、
前記発光層の上方に配置され、前記発光層において生成された光が伝播する導波路部を有する第２導電型の第２半導体層と、
前記導波路部の上方に配置される電極と、
前記電極と対向して配置される基台と、
前記電極と前記基台との間に配置される導電性部材と、
前記導電性部材の内部領域に配置され、前記導電性部材より熱抵抗が高い空隙部とを備え、
前記空隙部は、前記基台に接触する
半導体レーザ素子。 - 前記第２半導体層は、前記導波路部に隣接して配置される平坦部をさらに有し、
前記導波路部は、前記発光層から遠ざかる向きに前記平坦部に対して突出する
請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。 - 前記空隙部は、空気で構成される
請求項１～５のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。 - 前記空隙部は、前記電極の幅方向の中央の上方に配置される
請求項１～６のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。 - 前記空隙部は、前記電極に接触する
請求項１～７のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。 - 前記基台と導電性部材との間に配置された半田層をさらに備え、
前記空隙部は、前記電極から、前記半田層まで延びる
請求項８に記載の半導体レーザ素子。
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