(57)【要約】【課題】複数の発光部を有する半導体レーザアレイ装置において、反りの低減、及び、高出力化を実現できるを提供する。【解決手段】半導体レーザアレイ装置１０は、基板１０１と、積層体１００とを備え、積層体１００は、第１導電型の第１半導体層（ｎ側クラッド層１０２）と、活性層１０３と、第１導電型と異なる第２導電型の第２半導体層（ｐ側クラッド層１０４及びｐ側コンタクト層１０５）とを有し、積層体１００は、少なくとも三つの発光部１３１〜１３３を有し、隣り合う二つの発光部の間には、積層体を分断する溝部１４１及び１４２が形成され、溝部１４１及び１４２は、積層体１００の上方の面から下方の面まで延び、かつ、隣り合う二つの溝部１４１及び１４２の間の積層体１００の体積と溝部１４１の容積との和に対する溝部１４１の容積の割合は２０％以上であり、かつ、隣り合う二つの発光部の中心間距離は２００μｍ以上である。【選択図】図１
2020088182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上方に配置される積層体とを備え、
前記積層体は、前記基板の上方に配置される第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活性層と、前記活性層の上方に配置され、前記第１導電型と異なる第２導電型の第２半導体層とを有し、
前記積層体は、前記活性層に沿って配列され、各々がレーザ光を出射する少なくとも三つの発光部を有し、
前記少なくとも三つの発光部のうち、隣り合う二つの発光部の間には、前記積層体を分断する溝部が形成され、
前記溝部は、前記積層体の上方の面から、下方の面まで延び、かつ、隣り合う二つの前記溝部の間の前記積層体の体積と前記溝部の容積との和に対する前記溝部の容積の割合は２０％以上であり、かつ、前記隣り合う二つの発光部の中心間距離は２００μｍ以上である
半導体レーザアレイ装置。
【請求項２】
前記基板は、窒化ガリウムであり、
前記積層体は、窒化ガリウム系材料を含む
請求項１に記載の半導体レーザアレイ装置。
【請求項３】
前記少なくとも三つ以上の発光部は、四つ以上の発光部を含む
請求項１又は２に記載の半導体レーザアレイ装置。
【請求項４】
前記溝部は、
第１溝部と、
前記第１溝部より幅が狭く、かつ、前記第１溝部より深い第２溝部とを有する
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザアレイ装置。
【請求項５】
前記第１溝部は、前記基板の主面又は前記基板の内部までの深さを有する
請求項４に記載の半導体レーザアレイ装置。
【請求項６】
前記第１溝部は、前記第１半導体層の内部までの深さを有する
請求項４に記載の半導体レーザアレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体レーザアレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ワットクラスの高出力レーザ光源として、複数の発光部を有するレーザアレイ部を単一の基板上に形成したモノリシックな半導体レーザアレイ装置が知られている。このような半導体レーザアレイ装置において、隣り合う二つの発光部間に溝を設けることで、発光部間の熱干渉の抑制が図られ、高い光出力を得ることができる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、溝が形成されたエピタキシャル積層体を備え、エピタキシャル積層体の一つの層が当該溝によって部分的に除去されたブロードエリアレーザが開示されている。以下、特許文献１に開示されたブロードエリアレーザについて、図面を用いて簡単に説明する。図７は、特許文献１に開示されたブロードエリアレーザ１００１の構成を示す模式的な断面図である。
【０００４】
図７に示されるように、特許文献１に開示されたブロードエリアレーザ１００１は、下面１０２３と、上面１０２２を有するエピタキシャル積層体１００２を備え、エピタキシャル積層体１００２はビーム生成活性層１０２１を含んでいる。エピタキシャル積層体１００２は上面１０２２から下面１０２３の方向に沿って複数の溝１００３を有しており、溝１００３においては、エピタキシャル積層体１００２の少なくとも１つの層が部分的に除去されている。エピタキシャル積層体１００２の上面は複数のリッジ１００４を有しており、それぞれ溝１００３と接しているので、エピタキシャル積層体１００２の上面側はストライプ状に構成されている。リッジ１００４の幅ｄ１及び溝１００３の幅ｄ２は、それぞれ最大で２０μｍである。
【０００５】
さらに、エピタキシャル積層体１００２の上面１０２２には、誘電性のパッシベーション部１００９がリッジ１００４の上部以外に配置され、絶縁分離されており、リッジ１００４の上には発光部に流れる電流供給用のそれぞれ端子層１００５が配置されている。これにより、複数のリッジ１００４の下方にそれぞれ位置する複数の発光部からレーザ光が出射される。
【０００６】
特許文献１に開示されたブロードエリアレーザ１００１においては、本構成とすることにより、大電流時にレーザ光のレーザモードを数μｍに狭める「熱レンズ効果」によって、リッジ１００４が損傷する課題を解決しようとしている。また、特許文献１では、高出力時の効率を高めることができ、かつ、寿命を改善できるブロードエリアレーザを提供しようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２０１３−５０１３４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示されたブロードエリアレーザ１００１においては、溝１００３の幅ｄ２が最大２０μｍと限定されていることから、数十ワットの光出力を実現し得る電流を供給する場合にはリッジ１００４間で熱干渉が発生する。このため、特許文献１に開示されたブロードエリアレーザ１００１では、高出力化を実現することができない。
【０００９】
また、エピタキシャル積層体１００２における各層の格子不整合などに起因して、ブロードエリアレーザ１００１に反りが発生し得る。このような反りが発生した場合、複数の発光部からのレーザ光を合成する際に大きな課題となる。つまり、ブロードエリアレーザ１００１の反りによって複数の発光部の高さにずれが生じる。この高さのずれに起因して、複数の発光部からのレーザ光を集光する際に、複数のレーザ光の結合効率が低下する。したがって、複数の発光部からの光を一点に集光させ難くなる。
【００１０】
本開示は、このような課題を解決するものであり、複数の発光部を有する半導体レーザアレイ装置において、反りの低減、及び、高出力化を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本開示に係る半導体レーザアレイ装置の一態様は、基板と、前記基板の上方に配置される積層体とを備え、前記積層体は、前記基板の上方に配置される第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活性層と、前記活性層の上方に配置され、前記第１導電型と異なる第２導電型の第２半導体層とを有し、前記積層体は、前記活性層に沿って配列され、各々がレーザ光を出射する少なくとも三つの発光部を有し、前記少なくとも三つの発光部のうち、隣り合う二つの発光部の間には、前記積層体を分断する溝部が形成され、前記溝部は、前記積層体の上方の面から、下方の面まで延び、かつ、隣り合う二つの前記溝部の間の前記積層体の体積と前記溝部の容積との和に対する前記溝部の容積の割合は２０％以上であり、かつ、前記隣り合う二つの発光部の中心間距離は２００μｍ以上である。
【００１２】
このように、各発光部の間隔が２００μｍ以上離れていることにより、レーザ部相互間の熱干渉の効果を抑制することが可能となる。これにより、各発光部に供給する電流量を増大させることができるため、半導体レーザアレイ装置の高出力化が可能となる。また、発光部間に基板まで達する溝部を形成することで格子不整合歪を分断することができる。また、基板まで達する溝部の容積の割合を積層体の体積（つまり、隣り合う二つの溝部の間の積層体の体積）の２０％以上とすることで半導体レーザアレイ装置の反り（つまり、基板の反り）を大幅に抑制し、反り量を５μｍ以下とすることが可能となる。これにより、複数の発光部から出射されるレーザ光をレンズなどで集光する際に、半導体レーザアレイ装置の反りによって結合効率が低下することを抑制できる。
【００１３】
また、本開示に係る半導体レーザアレイ装置の一態様は、前記基板は、窒化ガリウムであり、前記積層体は、窒化ガリウム系材料を含んでもよい。
【００１４】
このように、窒化ガリウム系材料を含む半導体レーザアレイ装置では大きな反りが発生し得るが、各発光部間に溝部を形成することにより大幅に反りを低減することが可能となる。
【００１５】
また、本開示に係る半導体レーザアレイ装置の一態様において、前記三つ以上の発光部は、四つ以上の発光部を含んでもよい。
【００１６】
発光部が増加することにより、半導体レーザアレイ装置の共振方向に対して垂直な方向（つまり、発光部の配列方向）の幅が長くなるため、基板の反りが増加し得るが、発光部間に溝部が配置され、かつ、溝部の容積を積層体の体積の２０％以上とすることで、反り量を５μｍ以下にすることが可能となる。これにより、複数の発光部から出射されるレーザ光をレンズなどで集光する際に、半導体レーザアレイ装置の反りによって結合効率が低下することを抑制できる。
【００１７】
また、本開示に係る半導体レーザアレイ装置の一態様において、前記溝部は、第１溝部と、前記第１溝部より幅が狭く、かつ、前記第１溝部より深い第２溝部とを有してもよい。
【００１８】
これにより、幅が一定の溝部を形成する場合より、溝部の容積を削減できるため、積層体又は基板を除去する量を低減でき、かつ、半導体レーザアレイ装置の強度低下を抑制できる。また、第１溝部だけを形成する場合と比較して、より一層格子不整合歪を分断することができ、反り量をさらに低減することが可能となる。
【００１９】
また、本開示に係る半導体レーザアレイ装置の一態様において、前記第１溝部は、前記基板の主面又は前記基板の内部までの深さを有してもよい。
【００２０】
これにより、積層体と基板との接触面積を低減でき、かつ、深い溝部を形成できる。
【００２１】
また、本開示に係る半導体レーザアレイ装置の一態様において、前記第１溝部は、前記第１半導体層の内部までの深さを有してもよい。
【００２２】
このように、基板まで達する第２溝部を有するため、第１溝部が基板に達していなくとも格子不整合歪を分断することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本開示によれば、複数の発光部を有する半導体レーザアレイ装置において、反りの低減、及び、高出力化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、実施の形態１に係る半導体レーザアレイ装置の構造を示す模式的な断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、半導体レーザアレイ装置における溝部の容積の割合と半導体レーザアレイ装置の反り量との相関を示すグラフである。
【図２Ｂ】図２Ｂは、半導体レーザアレイ装置における溝部の容積の割合と半導体レーザアレイ装置１０の反り量との相関を反りの要因毎に分離して示すグラフである。
【図３】図３は、従来技術の半導体レーザアレイ装置及び本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置の反り量を模式的に示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、実施の形態１に係る半導体レーザアレイ装置の製造方法の前半の各工程を示す模式的な断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、実施の形態１に係る半導体レーザアレイ装置の製造方法の後半の各工程を示す模式的な断面図である。
【図５】図５は、実施の形態２に係る半導体レーザアレイ装置の構造を示す模式的な断面図である。
【図６】図６は、実施の形態３に係る半導体レーザアレイ装置の構造を示す模式的な断面図である。
【図７】図７は、特許文献１に開示されたブロードエリアレーザの構成を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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、及び、構成要素の配置位置や接続形態などは、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。
【００２６】
また、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、各図において縮尺等は必ずしも一致していない。なお、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。
【００２７】
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。
【００２８】
（実施の形態１）
実施の形態１に係る半導体レーザアレイ装置について説明する。
【００２９】
［１−１．構造］
まず、本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置の構造について図面を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置１０の構造を示す模式的な断面図である。図１には、半導体レーザアレイ装置１０のレーザ光の共振方向に垂直な断面が示されている。
【００３０】
本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置１０は、少なくとも三つの発光部１３１、１３２及び１３３を有するレーザアレイ素子である。本実施の形態では、半導体レーザアレイ装置１０は、青紫色光から青色光までに対応する波長帯に含まれるレーザ光を出射し、例えば、レーザ加工用の光源として用いられる。半導体レーザアレイ装置の用途はレーザ加工に限定されない。半導体レーザアレイ装置は、例えば、レーザディスプレイ、レーザプリンタ、プロジェクタなどにも用いられてもよい。
【００３１】
半導体レーザアレイ装置１０は、図１に示されるように、基板１０１と、基板１０１の上方に配置される積層体１００とを備える。本実施の形態では、半導体レーザアレイ装置１０は、絶縁層１０６と、ｐ電極１０７と、パッド電極１０８と、ｎ電極１０９とをさらに備える。なお、図示しないが、半導体レーザアレイ装置１０は、レーザ光の共振方向の両端面に、共振器を形成する反射面を備える。
【００３２】
積層体１００は、基板１０１の上方に配置される第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層の上方に配置される活性層１０３と、活性層１０３の上方に配置される第１半導体層第１導電型と異なる第２導電型の第２半導体層とを有する。
【００３３】
積層体１００は、活性層１０３に沿って配列され、各々がレーザ光を出射する少なくとも三つの発光部を有する。本実施の形態では、半導体レーザアレイ装置１０は、三つの発光部１３１、１３２及び１３３を有する。なお、発光部の個数は、三つ以上であればよく、半導体レーザアレイ装置１０に要求される光出力に応じて適宜決定されればよい。三つの発光部１３１、１３２及び１３３のうち隣り合う二つの発光部の中心間距離Ｄｃは２００μｍ以上である。
【００３４】
少なくとも三つの発光部のうち、隣り合う二つの発光部の間には、積層体１００を分断する溝部１４１及び１４２が形成される。本実施の形態では、発光部１３１と発光部１３２との間に溝部１４１が形成され、発光部１３２と発光部１３３との間に溝部１４２が形成される。溝部１４１及び１４２の各々は、積層体１００における共振方向の両端面間において連続して形成される。これにより、積層体１００は、溝部１４１及び１４２によって、第１レーザ部１２１、第２レーザ部１２２及び第３レーザ部１２３に分離される。第１レーザ部１２１、第２レーザ部１２２及び第３レーザ部１２３は、レーザアレイを形成する。
【００３５】
溝部１４１及び１４２は、積層体１００の基板１０１から遠い側の主面から、基板１０１から近い側の主面まで延びる。言い換えると、溝部１４１及び１４２は、積層体１００の上方の面から、下方の面まで延びる。また、積層体１００の隣り合う二つの溝部１４１及び１４２の間の体積に対する、溝部１４１及び１４２の各々の容積の割合は２０％以上である。なお、溝部１４１及び１４２の容積とは、溝部１４１及び１４２のうち、基板１０１の積層体１００が積層される主面より上方の部分の容積で定義される。また、溝部１４１の幅（図１の水平方向の寸法）とは、積層体１００の側面間の距離で定義される。したがって、溝部１４１及び１４２に形成された絶縁層１０６が存在する部分も、溝部１４１及び１４２の一部である。
【００３６】
第１レーザ部１２１〜第３レーザ部１２３の各々は、電流注入されて、レーザ発光を行うリッジ部１２５と、リッジ部１２５に沿って配置されるサポート部１２６とを備える。リッジ部１２５とサポート部１２６とは、分離溝１２７によって分離される。
【００３７】
基板１０１は、半導体レーザアレイ装置１０の基材である。本実施の形態では、基板１０１は、厚さ１００μｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）基板である。なお、基板１０１の厚さは、１００μｍに限定されず、例えば、５０μｍ以上、１２０μｍ以下であってもよい。
【００３８】
第１半導体層は、第１導電型の半導体層であり、基板１０１の上方に配置される。本実施の形態では、第１半導体層は、ｎ側クラッド層１０２を含む。
【００３９】
ｎ側クラッド層１０２は、本実施の形態では、厚さ３μｍのｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる層である。なお、ｎ側クラッド層１０２の構成はこれに限定されない。ｎ側クラッド層１０２の厚さは、０．５μｍ以上４．０μｍ以下であってもよく、組成は、ｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）であってもよい。
【００４０】
活性層１０３は、第１半導体層の上方に配置される発光層である。本実施の形態では、活性層１０３は、Ｉｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎからなる厚さ５ｎｍの井戸層とＧａＮからなる厚さ１０ｎｍの障壁層とが交互に積層された量子井戸活性層であり、２層の井戸層を有する。このような活性層１０３を備えることにより、半導体レーザアレイ装置１０は、波長が約４５０ｎｍの青色レーザ光を出射できる。活性層１０３の構成はこれに限定されず、ＩｎｘＧａ１―ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなる井戸層とＡｌｘＩｎｙＧａ１―ｘ―ｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる障壁層とが交互に積層された量子井戸活性層であればよく、また、井戸層の数も２層に限定されず、１層でも３層以上でも同様の効果を得ることができる。また、４００ｎｍから４５０ｎｍの波長帯、つまり、青紫色光から青色光までの波長帯においても同様の効果を得ることができる。なお、活性層１０３は量子井戸活性層の上方及び下方の少なくとも一方に形成されたガイド層を含んでもよい。活性層１０３のうち電流通路となる領域、つまり、リッジ部１２５の下方の領域が発光する。したがって、フロント側の共振器端面における活性層１０３の側面のうち、リッジ部１２５の下方の領域が発光部を形成する。
【００４１】
第２半導体層は、第１導電型と異なる第２導電型の半導体層であり、活性層１０３の上方に配置される。本実施の形態では、第２半導体層には、ｐ側クラッド層１０４及びｐ側コンタクト層１０５が含まれる。
【００４２】
第２半導体層（つまり、ｐ側クラッド層１０４及びｐ側コンタクト層１０５）は、電流通路となる複数のリッジ部１２５と、リッジ部１２５の両側に配置された電流通路とならないサポート部１２６とを備える。このようなサポート部１２６を備えることにより、半導体レーザアレイ装置１０をジャンクションダウン実装する際に、リッジ部１２５に荷重が集中することによって生じる応力を低減できる。
【００４３】
本実施の形態では、リッジ部１２５の幅は、２０μｍである。なお、リッジ部１２５の幅は、これに限定されず、例えば、５μｍ以上、５０μｍ以下であってもよい。
【００４４】
サポート部１２６の上面の基板１０１からの高さは、リッジ部１２５の上面の基板１０１からの高さと等しい。これより、半導体レーザアレイ装置１０をジャンクションダウン実装する際に、リッジ部１２５に荷重が集中することによって生じる応力をより確実に低減できる。なお、ここで、基板１０１からサポート部１２６の上面までの高さと、基板１０１からリッジ部１２５の上面までの高さとが等しいとの記載が示す構成には、これらの高さが完全に一致している構成だけでなく、これらの高さが略等しい構成も含まれる。例えば、これらの高さに、第２半導体層の厚さの１０％程度以下の誤差がある構成も含まれる。
【００４５】
本実施の形態では、サポート部１２６の幅（図１における水平方向の幅）は、７０μｍである。なお、サポート部１２６の幅は、これに限定されず、３０μｍ以上、２００μｍ以下であってもよい。当該幅を３０μｍ以上とすることで、半導体レーザアレイ装置１０をジャンクションダウン実装する際に、リッジ部１２５に生じる応力を確実に低減できる。また、当該幅を２００μｍ以下とすることで、隣り合う発光部間の距離を低減できるため、複数の発光部から出力されるレーザ光の結合を容易化できる。
【００４６】
第２半導体層には、リッジ部１２５とサポート部１２６とを分離する分離溝１２７が形成されている。分離溝１２７により、リッジ部１２５に電流及び光を閉じ込めることができる。本実施の形態では、分離溝１２７の幅及び深さは、それぞれ、１０μｍ及び１μｍである。なお、分離溝１２７の構成は、これに限定されない。分離溝１２７の幅は、５μｍ以上、３０μｍ以下であってもよい。また、分離溝１２７の深さは、０．４μｍ以上で、発光部である活性層１０３に到達しない深さであってもよい。第２半導体層の厚さが２．０μｍより大きい場合には、分離溝１２７の深さは、２．０μｍ以下であってもよい。
【００４７】
ｐ側クラッド層１０４は、第２半導体層に含まれるクラッド層であり、本実施の形態では、ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる厚さ３ｎｍの層と、ＧａＮからなる厚さ３ｎｍの層とが交互に１００層ずつ積層された厚さ０．６μｍの超格子層である。なお、ｐ側クラッド層１０４の構成はこれに限定されない。ｐ側クラッド層１０４の厚さは、０．３μｍ以上、１μｍ以下であってもよく、組成は、ｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）であってもよい。
【００４８】
ｐ側コンタクト層１０５は、第２半導体層に含まれ、ｐ側クラッド層１０４の上方に配置されるコンタクト層である。本実施の形態では、ｐ側コンタクト層１０５は、厚さ１０ｎｍのｐ−ＧａＮからなる層である。なお、ｐ側コンタクト層１０５の構成はこれに限定されない。ｐ側コンタクト層１０５の厚さは、５ｎｍ以上、０．５μｍ以下の層であってもよい。
【００４９】
絶縁層１０６は、第２半導体層の上方に配置されるパッド電極１０８と第２半導体層との間を絶縁する層である。絶縁層１０６は、溝部１４１及び１４２、並びに、分離溝１２７にも配置される。また、絶縁層１０６は、リッジ部１２５の上方に、ｐ側コンタクト層１０５とｐ電極１０７とを接触させるための開口部を有する。なお、絶縁層１０６の開口部は、スリット状の形状を有してもよい。本実施の形態では、絶縁層１０６は、厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２からなる層である。なお、絶縁層１０６の構成はこれに限定されない。絶縁層１０６の厚さは、１００ｎｍ以上、５００ｎｍ以下であってもよい。
【００５０】
ｐ電極１０７は、ｐ側コンタクト層１０５の上方に配置され、ｐ側コンタクト層１０５とオーミック接触する電極である。ｐ電極１０７は、リッジ部１２５の上方に配置される。つまり、ｐ電極１０７は、絶縁層１０６の開口部に配置される。なお、ｐ電極１０７は、絶縁層１０６の上方にも配置されてもよい。ｐ電極１０７は、絶縁層１０６の開口部において、ｐ側コンタクト層１０５と接触する。本実施の形態では、ｐ電極１０７は、ｐ側コンタクト層１０５側から順にＰｄ、及びＰｔが積層された積層膜である。ｐ電極１０７の構成はこれに限定されない。ｐ電極１０７は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕの少なくとも一つで形成された単層膜又は多層膜であってもよい。
【００５１】
パッド電極１０８は、ｐ電極１０７の上方に配置されたパッド状の電極である。本実施の形態では、パッド電極１０８は、ｐ電極１０７側から順にＴｉ及びＡｕが積層された積層膜であり、リッジ部１２５、サポート部１２６、及び、分離溝１２７の上方に配置される。また、パッド電極１０８は、溝部１４１及び１４２の上方にも配置されてもよい。さらに、パッド電極１０８の構成はこれに限定されない。パッド電極１０８は、例えば、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕ、Ｎｉ及びＡｕなどの積層膜であってもよい。
【００５２】
ｎ電極１０９は、基板１０１の下方に配置される電極である。本実施の形態では、ｎ電極１０９は、基板１０１側から順にＴｉ、Ｐｔ及びＡｕが積層された積層膜である。ｎ電極１０９の構成はこれに限定されない。ｎ電極１０９は、他の導電材料で形成されてもよい。
【００５３】
［１−２．作用及び効果］
本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置１０の作用及び効果について図１、図２Ａ及び図２Ｂを使用しながら説明する。
【００５４】
まず、図２Ａの説明を行う。図２Ａは、半導体レーザアレイ装置１０における溝部の容積の割合と半導体レーザアレイ装置１０の反り量との相関を示すグラフである。図２Ａに示される曲線は、黒丸印で示される実測データをフィッティングすることによって得られるグラフである。
【００５５】
ここで、溝部の容積の割合は、隣り合う二つの溝部の間の積層体の体積と溝部の容積との和に対する、溝部の容積の割合を意味する。また、溝部の容積とは、溝部のうち、基板１０１の積層体１００が積層される主面より上方の部分の容積を意味する。図２Ａに示されるグラフでは、横軸が当該割合を示し、縦軸が、半導体レーザアレイ装置１０の反り量を示す。本実施の形態では、当該割合は、図１における溝部１４１の幅Ａ１と第２レーザ部１２２の幅Ａ２とを用いて以下の式（１）で表される割合とほぼ等しい。
【００５６】
（Ａ１／（Ａ１＋Ａ２））・・・（１）
【００５７】
なお、幅Ａ１として溝部１４１の幅を用いたが、溝部１４２の幅を用いてもよい。同様に、幅Ａ２は第２レーザ部１２２の幅を用いたが、第１レーザ部１２１又は第３レーザ部１２３の幅を用いてもよい。
【００５８】
図２Ａに示されるように、式（１）で示される割合が増加するにしたがって、半導体レーザアレイ装置１０の反り量が減少する。この原因は、式（１）で示される割合が増加することで、ＧａＮからなる基板１０１とＡｌＧａＮからなるｎ側クラッド層１０２との接触面積の基板１０１の主面の全面積に対する割合が低下し、格子定数の異なる材料が接触することにより発生する格子不整合歪を抑制することができるからである。また、格子不整合歪は、基板１０１と格子定数が異なる積層膜が厚くなるにしたがって、大きくなる性質を有している。このため、格子不整合歪を低減するには、基板１０１と積層体１００との接触面積の割合を低下すること、及び、格子定数が異なる積層膜を少なくすることが重要となる。
【００５９】
ここで、図２Ｂを説明する。図２Ｂは、半導体レーザアレイ装置１０における溝部の容積の割合と半導体レーザアレイ装置１０の反り量との相関を反りの要因毎に分離して示すグラフである。
【００６０】
図２Ｂに示される実線の曲線は、図２Ａに示される曲線と同一の曲線であり、半導体レーザアレイ装置１０における溝部の容積の割合と半導体レーザアレイ装置の反り量との相関を示す。図２Ｂでは、反り量を上述した二つの格子不整合歪の要因毎に分離して示している。図２Ｂにおいて一点鎖線で示されるグラフは、基板１０１と積層体１００との界面歪（つまり、ＧａＮとＡｌＧａＮとの界面歪）に起因する反り量を示す。つまり、一点鎖線で示されるグラフは、前述した反りの二つの要因のうち、「ＧａＮからなる基板１０１とＡｌＧａＮからなるｎ側クラッド層１０２との接触面積の基板１０１の主面の全面積に対する割合」に相当する。
【００６１】
一方、図２Ｂにおいて破線で示されるグラフは、ＧａＮなどからなる基板に、ＡｌＧａＮなどからなる積層膜を垂直方向に厚く積層することにより大きくなる歪に起因する反り量を示す。つまり、破線で示されるグラフは、前述した反りの二つの要因のうち、「基板１０１と基板１０１上に積層された基板１０１と格子定数が異なる積層膜が厚くなるにしたがって、大きくなる性質を有している」部分に相当する。
【００６２】
溝部の容積の割合が０％から４０％程度までの範囲では、図２Ｂにおいて破線で示される要因が支配的であり、当該割合を０％から増加させることで、大幅な反り低減を実現できる。一方、当該割合が約４０％以上、１００％未満の範囲では、基板１０１と積層体１００との接触に起因する要因（図２Ｂの破線参照）が支配的となる。このように、図２Ａに記載する曲線は、二つの要因に基いて定まる曲線であると考えられる。
【００６３】
以上のように、半導体レーザアレイ装置１０の反り量は格子不整合歪が大きくなることにより発生している。このため、基板１０１と第１半導体層のｎ側クラッド層１０２との接触面積の割合を低下させ、かつ、溝部の容積を増加させることにより、反り量を抑制することが可能となる。従って、溝部１４１及び１４２において、基板１０１に対して格子不整合歪の大きい第１半導体層、及び、第２半導体層をすべて除去することが歪量、すなわち反り量を大幅に低減することにつながる。本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置１０においては、溝部の容積の割合を２０％以上とすることで反り量を５μｍ以下にすることが可能となる。
【００６４】
ここで、半導体レーザアレイ装置１０の反り量抑制の効果について図３を用いて説明する。図３は、従来技術の半導体レーザアレイ装置１０１０及び本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置１０の反り量を模式的に示す図である。図３においては、各半導体レーザアレイ装置の光出射端面が示されている。図３に示されるように、従来技術の半導体レーザアレイ装置１０１０では、反りが発生している。例えば、反り量が５μｍ以上になると、三つ以上の発光部１１３１〜１１３３のうち、中央付近の発光部１１３２及び端部の発光部１１３１及び１１３３から出射されるレーザ光の基板の主面に垂直な方向における位置の差異が大きくなる。これにより、レーザ光を例えばレンズなどを利用して集光する際に、レーザ光の結合効率が低下するため、高い光出力を実現することができない。
【００６５】
一方、本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置１０の溝部１４１及び１４２の容積の割合を第１レーザ部１２１、第２レーザ部１２２及び第３レーザ部１２３の各々の体積の２０％以上とすることで、半導体レーザアレイ装置１０における反り量を低減できる。特に、本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置１０では、基板１０１は、ＧａＮであり、積層体１００は、窒化ガリウム系材料を含む。このように、窒化ガリウム系材料を含む半導体レーザアレイ装置１０では大きな反りが発生し得る。つまり、図２Ａに示すように、ＧａＮからなる基板１０１とＡｌＧａＩｎＮ系材料からなる積層体１００との格子定数の違いから生じる格子不整合歪、及び、熱膨張係数差により半導体レーザアレイ装置１０において大きな反りが発生し得る。しかしながら、本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置１０では、上記構成を備えることにより、反り量を５μｍ以下とすることが可能となる。
【００６６】
具体的には、前述のリッジ部１２５の幅が２０μｍであり、サポート部１２６の幅が７０μｍであり、分離溝１２７の幅が１０μｍであることより、第１レーザ部１２１の幅Ａ２は、１８０μｍである。なお、上述したように、第１レーザ部１２１の幅は、１００μｍ以上、４００μｍ以下であってもよい。また、第２レーザ部１２２及び第３レーザ部１２３は、第１のレーザ部と同等の幅であるが、幅の違いがあっても同等の効果を得ることは可能である。
【００６７】
また、本実施の形態では、溝部１４１及び１４２の幅Ａ１は同一の幅であり８０μｍである。深さは基板１０１の上面（つまり、積層体１００が積層される面）より低い面にあれば問題ない。なお、溝部１４１及び１４２の幅Ａ２は同一でなくてもよく、また、幅Ａ２はこれに限定されることなく、例えば、２０μｍ以上１５０μｍ以下であってもよい。また、基板１０１まで到達する溝を形成しているので、体積割合は、式（１）で示される割合と同義と考えてよい。本実施の形態においては、当該割合は、約３０％となり、２０％以上を確保しているため、図２Ａに示すように反り量を５μｍ以下とすることができる。これにより、複数の発光部から出射されるレーザ光を集光する際に、レーザ光の結合効率が低下することを抑制することが可能となる。
【００６８】
本実施の形態では、溝部１４１及び１４２のうち基板１０１の部分の深さは約１μｍであるが、当該深さは、これに限定されない。当該深さは、１．０μｍ以上であってもよい。これにより、上記効果を確実に奏することができる。また、当該深さは、基板１０１の厚さより２０μｍ以上小さくてもよい。基板１０１の厚さは、通常、５０μｍ以上、１２０μｍ以下であるため、当該深さは、１００μｍ以下であってもよい。これにより、基板１０１の強度を確保できる。
【００６９】
また、本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置１０は、隣り合う発光部である第１レーザ部１２１と第２レーザ部１２２との間に、溝部１４１を備えており、それぞれのリッジ部１２５の間隔（つまり、中心間距離）は本実施の形態では、２６０μｍである。つまり、隣り合う発光部の中心間距離Ｄｃは、２６０ｎｍである。なお、距離はこれに限定されることなく、２００μｍ以上、５００μｍ以下であってもよい。
【００７０】
隣り合うリッジ部１２５、つまり、隣り合う発光部の中心間距離Ｄｃが２００μｍ以上離れていることにより、複数の発光部相互間の熱干渉の効果を抑制することが可能となり、基板１０１方向への熱の拡散を促進できるため、半導体レーザアレイ装置１０の高出力化が可能となる。また、隣り合う発光部の中心間距離Ｄｃが５００μｍ以下とすることで、複数の発光部から出射されるレーザ光の距離を狭めることが可能となるため、半導体レーザアレイ装置１０からの複数のレーザ光を集光する際に、レーザ光の結合効率を低下することを抑制することが可能となる。
【００７１】
［１−３．製造方法］
本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置１０の製造方法について図面を用いて説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置１０の製造方法の各工程を示す模式的な断面図である。図４Ａ及び図４Ｂにおいては、半導体レーザアレイ装置１０の図１と同様の断面が示されている。
【００７２】
図４Ａの断面図（ａ）に示されるように、まず、基板１０１を準備し、第１半導体層、活性層１０３及び第２半導体層を順に積層する。本実施の形態では、基板１０１上に、ｎ側クラッド層１０２、活性層１０３、ｐ側クラッド層１０４及びｐ側コンタクト層１０５を順に積層する。本実施の形態では、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、各層の成膜を行う。
【００７３】
次に、図４Ａの断面図（ｂ）に示されるように、溝部１４１及び１４２を形成する。具体的には、まず、隣り合う発光部のほぼ中間に相当する位置に溝部１４１及び１４２をウェットエッチング法、ドライエッチング法などによって形成する。溝部１４１及び１４２は、半導体レーザアレイ装置１０の共振方向に沿って連続して、つまり、途切れることなく形成される。
【００７４】
次に、図４Ａの断面図（ｃ）に示されるように、分離溝１２７を、ウェットエッチング法、ドライエッチング法などによって形成する。分離溝１２７は、溝部１４１及び１４２の間に二つずつ形成される。第２半導体層（本実施の形態では、ｐ側クラッド層１０４及びｐ側コンタクト層１０５）のうち、二つの分離溝１２７の間の部分が、リッジ部１２５となり、分離溝１２７と溝部１４１及び１４２との間の部分が、サポート部１２６となる。
【００７５】
次に、図４Ａの断面図（ｄ）に示されるように、絶縁層１０６をプラズマＣＶＤ法などによって形成する。絶縁層１０６は、基板１０１の上方全面に、つまり、第２半導体層、分離溝１２７、溝部１４１及び１４２に形成される。
【００７６】
次に、図４Ｂの断面図（ｅ）に示されるように、絶縁層１０６に開口部を形成し、当該開口部にｐ電極１０７を形成する。まず、絶縁層１０６のうち、リッジ部１２５の上方の部分を、ウェットエッチング法などにより除去することによって開口部を形成する。これにより、開口部においては、ｐ側コンタクト層１０５が露出する。続いて、当該開口部のｐ側コンタクト層１０５上に真空蒸着法などによりｐ電極１０７を形成する。なお、ｐ電極１０７は、絶縁層１０６の上方にも形成されてもよい。
【００７７】
次に、図４Ｂの断面図（ｆ）に示されるように、第２半導体層の上方に、真空蒸着法などによりパッド電極１０８を形成する。本実施の形態では、ｐ電極１０７を覆うようにリッジ部１２５にパッド電極１０８を形成する。なお、パッド電極１０８は、図４Ｂの断面図（ｆ）に示されるように、分離溝１２７及びサポート部１２６の上方にも形成されてもよい。
【００７８】
次に、図４Ｂの断面図（ｇ）に示されるように、基板１０１の下面（つまり、積層体１００が積層されている面の裏側の面）に、真空蒸着法などにより、ｎ電極１０９を形成する。ｎ電極１０９は、基板１０１の下面のほぼ全面に形成されるが、リッジ部１２５の裏側に相当する位置のみに形成されてもよい。
【００７９】
次に、劈開によって共振器端面を形成し、レーザ共振器を形成する。本実施の形態では、共振器長が１．２ｍｍとなるように劈開を行うが、共振器長はこれに限定されず、例えば、０．８ｍｍ以上、４ｍｍ以下であってもよい。
【００８０】
なお、共振器端面には、誘電体多層膜などの反射膜を形成してもよい。
【００８１】
本実施の形態に半導体レーザアレイ装置は、三つの発光部を備えたが、半導体レーザアレイ装置は、四つ以上の発光部、及び、三つ以上の溝部を備えてもよい。このように発光部の個数が増加することにより、半導体レーザアレイ装置１０の共振方向に対して垂直な方向（つまり、発光部の配列方向）の幅が長くなるため、基板１０１の反りが増加し得るが、発光部間に溝部が配置され、かつ、溝部の容積を積層体の体積の２０％以上とすることで、反り量を５μｍ以下にすることが可能となる。例えばより高い光出力を実現するために、半導体レーザアレイ装置は、２０個の発光部を有してもよい。
【００８２】
本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置において、以上では、半導体レーザアレイ装置として、ＧａＮ系の材料を用いる例を示したが、本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置に用いられる材料はこれに限定されず、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＡｓ／ＩｎＰなどでもよい。
【００８３】
また、基板１０１を形成する材料は、ＧａＮ単結晶に限定されず、サファイア、ＳｉＣなどであってもよい。
【００８４】
（実施の形態２）
実施の形態２に係る半導体レーザアレイ装置について説明する。本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置は、溝部の構成において、実施の形態１に係る半導体レーザアレイ装置１０と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置について、実施の形態１に係る半導体レーザアレイ装置１０との相違点を中心に図５を用いて説明する。
【００８５】
図５は、本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置２０の構造を示す模式的な断面図である。
【００８６】
図５に示されるように、本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置２０は、実施の形態１に係る半導体レーザアレイ装置１０と同様に、三つの発光部１３１〜１３３を有し、三つの発光部１３１〜１３３のうち、隣り合う二つの発光部の間には、積層体１００を分断する溝部２４１及び２４２が形成されている。
【００８７】
また、本実施の形態に係る溝部２４１は、第１溝部２４１ａと、第１溝部２４１ａより幅が狭く、かつ、第１溝部２４１ａより深い第２溝部２４１ｂとを有する。また、溝部２４２も溝部２４１と同様に、第１溝部２４２ａと、第１溝部２４２ａより幅が狭く、かつ、第１溝部２４２ａより深い第２溝部２４２ｂとを有する。
【００８８】
これにより、幅が一定の溝部を形成する場合より、溝部の容積を削減できるため、積層体又は基板を除去する量を低減でき、かつ、半導体レーザアレイ装置２０の強度低下を抑制できる。また、第１溝部２４１ａ及び２４２ａだけを形成する場合と比較して、より一層格子不整合歪を分断することができ、反り量をさらに低減することが可能となる。
【００８９】
また、本実施の形態では、第１溝部２４１ａ及び２４２ａは、基板１０１の主面（つまり、積層体１００が積層される面）又は基板１０１の内部までの深さを有する。
【００９０】
これにより、積層体１００と基板１０１との接触面積を低減でき、かつ、深い溝部２４１及び２４２を形成できる。
【００９１】
本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置２０の製造方法は、溝部２４１及び２４２の形成工程において、実施の形態１に係る半導体レーザアレイ装置１０の製造方法と異なる。
【００９２】
本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置２０の溝部２４１及び２４２の形成工程において、まず、隣り合う発光部のほぼ中間に相当する位置に第１溝部２４１ａ及び２４２ａをウェットエッチング法、ドライエッチング法などによって形成する。第１溝部２４１ａ及び２４２ａは、半導体レーザアレイ装置２０の共振方向に沿って連続して、つまり、途切れることなく形成される。続いて、第１溝部２４１ａ及び２４２ａの底面に、第２溝部２４１ｂ及び２４２ｂをそれぞれウェットエッチング法、ドライエッチング法などによって形成する。第２溝部２４１ｂ及び２４２ｂを第１溝部２４１ａ及び２４２ａの底面に形成することにより、第２半導体層の上面から幅が一定の溝部を形成する場合より、溝部の形成に要するエッチング量を低減できる。
【００９３】
以上のような工程により、本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置２０の溝部２４１及び２４２を形成できる。第２溝部２４１ｂ及び２４２ｂの形成は、実施の形態１に係る溝部１４１及び１４２の形成と同様に、絶縁層１０６などを積層する前であってもよい。また、第２溝部２４１ｂ及び２４２ｂは、パッド電極１０８及びｎ電極１０９を形成した後に、レーザスクライブ装置などを用いて形成されてもよい。
【００９４】
（実施の形態３）
実施の形態３に係る半導体レーザアレイ装置について説明する。本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置は、主に第１溝部の構成において、実施の形態２に係る半導体レーザアレイ装置２０と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置について、実施の形態２に係る半導体レーザアレイ装置２０との相違点を中心に図６を用いて説明する。
【００９５】
図６は、本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置３０の構造を示す模式的な断面図である。
【００９６】
図６に示されるように、本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置３０は、実施の形態２に係る半導体レーザアレイ装置２０と同様に、三つの発光部１３１〜１３３を有し、三つの発光部１３１〜１３３のうち、隣り合う二つの発光部の間には、積層体１００を分断する溝部３４１及び３４２が形成されている。
【００９７】
また、本実施の形態に係る溝部３４１は、第１溝部３４１ａと、第１溝部３４１ａより幅が狭く、かつ、第１溝部３４１ａより深い第２溝部３４１ｂとを有する。また、溝部３４２も溝部３４１と同様に、第１溝部３４２ａと、第１溝部３４２ａより幅が狭く、かつ、第１溝部３４２ａより深い第２溝部３４２ｂとを有する。
【００９８】
これにより、幅が一定の溝部を形成する場合より、溝部の容積を削減できるため、積層体又は基板を除去する量を低減でき、かつ、半導体レーザアレイ装置３０の強度低下を抑制できる。また、第１溝部３４１ａ及び３４２ａだけを形成する場合と比較して、より一層格子不整合歪を分断することができ、反り量をさらに低減することが可能となる。
【００９９】
また、本実施の形態では、第１溝部３４１ａ及び３４２ａは、第１半導体層、つまり、ｎ側クラッド層１０２の内部までの深さを有する。
【０１００】
これにより、基板１０１のエッチング量を低減できるため、半導体レーザアレイ装置３０の強度低下をより一層抑制できる。
【０１０１】
なお、本実施の形態では、溝部３４１及び３４２の容積は、第１溝部３４１ａ及び３４２ａの容積と、第２溝部３４１ｂ及び３４２ｂの容積のうち、基板１０１の積層体１００が積層される主面より上方の部分との和で定義される。
【０１０２】
本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置３０の製造方法は、第１溝部３４１ａ及び３４２ａの形成工程において、実施の形態２に係る半導体レーザアレイ装置２０の製造方法と異なる。本実施の形態においても実施の形態２と同様に、第１溝部３４１ａ及び３４２ａをウェットエッチング法、ドライエッチング法などによって形成する。ただし、本実施の形態では、第１溝部３４１ａ及び３４２ａが、第１半導体層の内部までの深さを有するようにエッチング深さを調整する。
【０１０３】
以上のような工程により、本実施の形態に係る半導体レーザアレイ装置３０の第１溝部３４１ａ及び３４２ａを形成できる。
【０１０４】
（変形例など）
以上、本開示に係る半導体レーザアレイ装置について、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。
【０１０５】
例えば、上記各実施の形態では積層体１００は、上記各実施の形態の構成に限定されない。例えば、基板１０１とｎ側クラッド層１０２との間にバッファ層などが配置されてもよいし、ｐ側クラッド層１０４と活性層１０３との間に、電子障壁層などが配置されてもよい。
【０１０６】
また、上記各実施の形態では各レーザ部は、サポート部１２６を有したが、サポート部１２６を有さなくてもよい。また、各レーザ部は、リッジ部１２５を有したが、リッジ構造以外の電極ストライプ構造、埋め込み型構造などの電流狭窄構造を有してもよい。
【０１０７】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本開示の半導体レーザアレイ装置は、例えば、産業向け加工用に青紫色から赤外までの発光を伴う半導体レーザアレイ装置に適用可能である。また、プロジェクタ用の青紫色から赤色までの可視域の発光を伴う半導体レーザアレイ装置などにも適用可能である。
【符号の説明】
【０１０９】
１０、２０、３０、１０１０  半導体レーザアレイ装置
１００  積層体
１０１  基板
１０２  ｎ側クラッド層
１０３  活性層
１０４  ｐ側クラッド層
１０５  ｐ側コンタクト層
１０６  絶縁層
１０７  ｐ電極
１０８  パッド電極
１０９  ｎ電極
１２１  第１レーザ部
１２２  第２レーザ部
１２３  第３レーザ部
１２５  リッジ部
１２６  サポート部
１２７  分離溝
１４１、１４２、２４１、２４２、３４１、３４２  溝部
２４１ａ、２４２ａ、３４１ａ、３４２ａ  第１溝部
２４１ｂ、２４２ｂ、３４１ｂ、３４２ｂ  第２溝部
１００１  ブロードエリアレーザ
１００２  エピタキシャル積層体
１００３  溝
１００４  リッジ
１００５  端子層
１００９  パッシベーション部
１０２１  ビーム生成活性層
１０２２  上面
１０２３  下面
Ａ１、Ａ２、ｄ１、ｄ２  幅
Ｄｃ  中心間距離
【図１】
2020088182.tif 000003
【図２Ａ】
2020088182.tif 000004
【図２Ｂ】
2020088182.tif 000005
【図３】
2020088182.tif 000006
【図４Ａ】
2020088182.tif 000007
【図４Ｂ】
2020088182.tif 000008
【図５】
2020088182.tif 000009
【図６】
2020088182.tif 000010
【図７】
2020088182.tif 000011