(57)【要約】【課題】  信頼性が高く、且つ、簡易な構造を有する半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】  半導体レーザ素子は、半導体基板、第１導電型の下部クラッド層、活性層、第２導電型の上部クラッド層、電極、及び反射膜を備えている。下部クラッド層は、半導体基板の上に設けられている。活性層は、下部クラッド層の上に設けられている。上部クラッド層は、活性層の上に設けられている。電極は、上部クラッド層の上に設けられている。半導体レーザ素子は、活性層の端部を含む端面を有しており、この端面には反射膜が設けられている。この端面を含む領域における上部クラッド層の厚みは、１０μｍ以上である。【選択図】  図１
2010040561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の上に設けられた第１導電型の下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に設けられた活性層と、
前記活性層の上に設けられた第２導電型の上部クラッド層と、
前記上部クラッド層の上に設けられた電極と、
前記活性層の端部を含む端面に設けられた反射膜と、
を備え、
前記端面を含む領域における前記上部クラッド層の厚みは、１０μｍ以上である、
半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記上部クラッド層は、前記端面を含む前記領域を介して前記端面から離間した別の領域を含んでおり、
該別の領域における前記上部クラッド層の厚みは、前記端面を含む前記領域の厚みより小さい、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子には、ＩｎＰ基板、ｎ型ＩｎＰを含む下部クラッド層、活性層、ｐ型ＩｎＰを含む上部クラッド層、及び電極を備えるものがある。この半導体レーザ素子では、ＩｎＰ基板上に下部クラッド層が設けられており、下部クラッド層と上部クラッド層との間に活性層が設けられており、上部クラッド層の上に電極が設けられている。このような半導体レーザ素子の端面には高反射（ＨＲ：High Reflection）膜が設けられることがある。また、半導体レーザ素子では、非特許文献１〜３に記載されているように、電極から活性層までの距離は約２〜４μｍ程度となっている。
【非特許文献１】K. Endo他， " Rapid degradation of InGaAsP/InP double heterostructurelasers due to <110> dark line defect formation", Applied PhysicsLetters, Volume 40, Number 11, June 1, 1982, pp.921-923
【非特許文献２】Vincenzo Spagnolo他, ”Temperatureprofile of GaInAs/AlInAs/InP quantum cascade-laser facets measured bymicroprobe photoluminescence” Applied Physics Letters, Volume 78, Number 15, April 9, 2008, pp.2095-2097
【非特許文献３】Thomas Kallstenius 他， "Degradation of InGaAsP/InP-based multiquantum-well lasers",Journal of Applied Physics, Volume 86, Issue 5, pp. 2397-2406 (1999).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した半導体レーザ素子においては、電極及び高反射膜に応力が発生し、この応力が半導体レーザ素子の端面に応力をもたらす。かかる応力は、半導体レーザ素子の端面のうち、電極から約２〜４μｍの位置において大きくなる。このような位置には、非特許文献１〜３に記載されているように、活性層の端部が位置している。したがって、応力による半導体レーザ素子の信頼性の低下が問題となっている。
【０００４】
このような応力による半導体レーザ素子の信頼性低下を防止するために、特開２００３−２８３０３９号に開示の半導体レーザ素子、及び、特開平９−１６７９８２号に開示の半導体レーザ素子が提案されている。これら文献に記載された半導体レーザ素子は、活性層における応力を低減させるために、複雑な構造をとっている。また、半導体レーザ素子に発生する応力は当該素子の各層の材料及び成長方法に影響されるので、活性層における応力を低減するには高度な製造プロセスの管理が必要である。
【０００５】
本発明は、信頼性が高く、且つ、簡易に製造可能な半導体レーザ素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の半導体レーザ素子は、半導体基板、第１導電型の下部クラッド層、活性層、第２導電型の上部クラッド層、及び電極を備えている。下部クラッド層は、半導体基板の上に設けられている。活性層は、下部クラッド層の上に設けられている。上部クラッド層は、活性層の上に設けられている。電極は、上部クラッド層の上に設けられている。本半導体レーザ素子は、活性層の端部を含む端面を有しており、当該端面には、反射膜が設けられている。また、当該端面を含む領域における上部クラッド層の厚みは、１０μｍ以上である。
【０００７】
本半導体レーザ素子では、端面を含む領域において上部クラッド層の厚みが１０μｍ以上であるので、電極から活性層までの距離も１０μｍ以上となる。したがって、本半導体レーザ素子によれば、応力が大きくなる位置に活性層が位置していないので、その信頼性が向上されている。また、本発明によれば、上部クラッド層の厚みを１０μｍ以上とすることによって、信頼性の高い半導体レーザ素子を、簡易に製造可能である。
【０００８】
ところで、上部クラッド層の厚みを大きくすると、半導体レーザ素子の抵抗が大きくなる傾向がある。したがって、通常の当業者は、クラッド層の厚みを、光の閉じ込めに十分な厚みの範囲で可能な限り薄くする。一方、本半導体レーザ素子は、抵抗の増加をある程度犠牲にしつつ、信頼性を高め、且つ、製造の簡易化を図っている。
【０００９】
本発明の半導体レーザ素子では、上部クラッド層が、上記の領域を介して端面から離間した別の領域を含んでおり、当該別の領域における上部クラッド層の厚みは、端面を含む上記の領域の厚みより小さいことが好適である。
【００１０】
かかる構造によれば、端面を含む領域において電極から活性層までの距離を１０μｍ以上としつつ、他の領域において上部クラッド層の厚みを小さくすることができる。したがって、半導体レーザ素子の抵抗を小さくすることが可能である。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、信頼性が高く、且つ、簡易な構造を有する半導体レーザ素子が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子を一部破断して示す斜視図である。図１に示す半導体レーザ素子１０は、半導体基板１２、下部クラッド層１４、活性層１６、上部クラッド層１８、及び、上部電極２０を備えている。
【００１４】
半導体基板１２は、第１導電型のドーパントが高濃度にドープされた半導体基板である。半導体基板１２は、本例では、ｎ型のＩｎＰ基板である。半導体基板１２は、一対の主面を有しており、一方の主面側には下部クラッド層１４等の半導体層が形成されている。また、他方の主面には、下部電極２２が形成されている。
【００１５】
下部クラッド層１４は、第１導電型の半導体層であり、半導体基板１２の上に設けられている。下部クラッド層１４は、当該下部クラッド層１４と後述する上部クラッド層１８との間に光を閉じ込めるために設けられている。下部クラッド層１４は、本例では、ｎ型のＩｎＰ層であり、例えば、０．６μｍの厚みを有する。
【００１６】
活性層１６は、下部クラッド層１４の上に設けられている。活性層１６は、注入される電流により光を発生する領域であり、本例では、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ製の多重量子井戸構造を有している。活性層１６は、例えば、０．４μｍの厚みを有する。
【００１７】
上部クラッド層１８は、活性層１６の上に設けられた第２導電型の半導体層である。上部クラッド層１８は、本例では、ｐ型のＩｎＰ層である。この上部クラッド層１８は、第１の上部クラッド層１８ａ及び第２の上部クラッド層１８ｂを含んでいる。
【００１８】
第１の上部クラッド層１８ａは、活性層１６上に設けられている。この第１の上部クラッド層１８ａは、下部クラッド層１４及び活性層１６と共に、半導体メサ構造部を構成している。
【００１９】
半導体レーザ素子１０は、半導体メサ構造部の両側に、埋込領域２４を有している。埋込領域２４は、第２導電型（本例ではｐ型）の埋込層２４ａ、及び、第１導電型（本例ではｎ型）の埋込層２４ｂを含んでいる。埋込領域２４は、半導体メサ構造部への電流狭窄構造を提供している。
【００２０】
第２の上部クラッド層１８ｂは、第１の上部クラッド層１８ａ及び埋込領域２４の上に形成されている。本例では、第２の上部クラッド層１８ｂは、１０μｍの厚みを有している。なお、第２の上部クラッド層１８ｂの厚みは、１０μｍ以上の任意の厚みであってよいが、半導体レーザ素子１０の抵抗を小さくするために、１０μｍに近い厚みであることが好ましい。
【００２１】
上部電極２０は、上部クラッド層１８の上、即ち、本例では第２の上部クラッド層１８ｂの上に設けられている。本例では、上部電極２０は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの三層構造を有しており、その厚みは、例えば、０．６μｍである。また、本例では、第２の上部クラッド層１８ｂと上部電極２０との間に、コンタクト層２６が設けられている。コンタクト層２６は、例えば、ｐ型のＩｎＧａＡｓ層である。
【００２２】
本半導体レーザ素子１０は、活性層１６の端部１６ａを含む端面２８に高反射（ＨＲ：High Reflection）膜３０を有している。ＨＲ膜３０としては、Ａｌ２Ｏ３及びアモルファスシリコンによる多層膜、又は、Ａｌ２Ｏ３及びＴｉＯ２による多層膜を用いることができる。
【００２３】
なお、図１には示していないが、半導体レーザ素子１０は、端面２８と反対側の端面（光出射面）に反射防止（ＡＲ：Anti Reflection）膜を有していてもよい。
【００２４】
以下、半導体レーザ素子１０の上部クラッド層１８の厚みが１０μｍ以上である理由について説明する。本願発明者は、上部クラッド層１８の厚みを１０μｍ以上とする発明に至る課程において、半導体レーザ素子の端面における分布を有限要素解析により調査した。
【００２５】
図２は、上部クラッド層の厚みを決定するために行った有限要素解析のモデルを示す図である。本調査では、上部電極と下部電極との間の半導体層を単層のＩｎＰ層４０（ヤング率：６０７００ＭＰａ、ポアソン比：０．３６）であると仮定して、有限要素解析を行った。
【００２６】
また、本調査では、図２に示すように、上部電極４２の端部とＨＲ膜４４の端部が位置するＩｎＰ層４０の角を原点とし、端面４０ａにおいて、上部電極４２から下部電極に向かう方向（図中、ｙ方向）における原点からの距離と最大主応力との関係を求めた。
【００２７】
また、本調査では、以下の条件１及び条件２により、端面４０ａでの最大主応力を求めた。なお、条件１は、ＨＲ膜の応力及び上部電極の厚みについて、現状考え得る限界値を想定したものである。条件１のＨＲ膜の応力及び上部電極の厚みが限界値であるとする根拠については、特開２００２−２２３０２６号公報に開示のＨＲ膜の応力、特開２００３−２８３０４１号公報及び特開平７−３３５９６９号公報に開示の電極の厚みを参照されたい。
＜条件１＞
ＨＲ膜の厚み：１．０μｍ
ＨＲ膜のヤング率：３２００００
ＨＲ膜のポアソン比：０．２７
ＨＲ膜の応力：２．０ＧＰａの引張応力（線膨張：−０．００４７）及び２．０ＧＰａの圧縮応力（線膨張係数：０．００４７）の二種
上部電極の厚み：５．０μｍ
上部電極（Ａｕを想定）のヤング率：７８０００、
上部電極（Ａｕを想定）のポアソン比：０．４４
上部電極の応力：引張応力（線膨脹：−０．００３）
＜条件２＞
ＨＲ膜の厚み：１．０μｍ
ＨＲ膜の応力：０．８ＧＰａの圧縮応力（体積変化率：０．００１９）及び１．６ＧＰａの圧縮応力（体積変化率：０．００３８）の二種
上部電極の厚み：０．５８μｍ
上部電極の応力：引張応力（体積変化率：−０．００３１４）
【００２８】
図３は、条件１により得られた有限要素解析の結果を示す図であり、図４は、条件２により得られた有限要素解析の結果を示す図である。図３に示すように、ＨＲ膜４４が圧縮応力を発生する場合に（図中、破線の特性を参照）、端面４０ａでは、原点（上部電極）から２〜４μｍの位置で大きな応力が発生していることがわかる。また、ＨＲ膜４４が引張応力を発生する場合には（図中、破線の実線の特性を参照）、端面４０ａでは、原点（上部電極）から１０μｍの位置までは応力が減少する傾向が続いている。また、図３からは、上部電極４２から１０μｍ以上の距離があれば、端面４０ａでの応力は十分小さくなっていることがわかる。
【００２９】
また、図４に示すように、ＨＲ膜４４の応力及び上部電極４２の厚みが条件１の対応の値より小さくなっても、端面４０ａでは、上部電極からの距離が２〜４μｍの位置で大きな応力が生じており、上部電極からの距離が１０μｍ以上であれば、端面４０ａにおける応力が小さくなっていることがわかる。
【００３０】
以上の図３及び図４に示す有限要素解析の結果から、半導体レーザ素子１０の信頼性を向上するためには、上部電極２０から活性層１６までの距離を１０μｍ以上とすることが必要であることが明らかとなり、本半導体レーザ素子１０は、上部クラッド層１８の厚みを１０μｍ以上としている。
【００３１】
以上、本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子について説明したが、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、半導体レーザ素子の端面を含む領域においてのみ、上部クラッド層１８の厚みを１０μｍ以上とし、他の領域においては上部クラッド層１８の厚みを薄くしてもよい。
【００３２】
図５は、本発明の別の実施形態に係る半導体レーザ素子の縦断面図である。図５に示す半導体レーザ素子１０Ｂでは、第２の上部クラッド層１８ｂが、端面２８を含む半導体レーザ素子１０Ｂの一対の端面の近傍の領域１８Ａにのみ形成されている。端面２８から反対側の端面に向かう方向における領域１８Ａの長さは、例えば、１０μｍである。半導体レーザ素子１０Ｂでは、当該半導体レーザ素子１０Ｂの端面を含む領域１８Ａにおいて上部クラッド層１８の厚みが大きくなっているので、活性層１６に大きな応力が加わらない。したがって、半導体レーザ素子１０Ｂの信頼性は高い。また、領域１８Ａ以外の領域１８Ｂにおいては、上部クラッド層１８の厚みが小さくなっているので、半導体レーザ素子１０Ｂの抵抗値は、半導体レーザ素子１０に比べて小さくなっている。したがって、半導体レーザ素子１０Ｂは、その消費電力を小さくすることができる。
【００３３】
なお、半導体レーザ素子１０Ｂに具現化された思想は、領域１８Ａを介して半導体レーザ素子１０Ｂの端面から離間した領域１８Ｂの厚みを、領域１８Ａの厚みより小さくするものである。したがって、領域１８Ｂの厚みが領域１８Ａの厚みより小さければ、領域１８Ｂに第２の上部クラッド層１８ｂを設けてもよい。このような構造は、領域１８Ａ及び領域１８Ｂに第２の上部クラッド層１８ｂを設けた後、領域１８Ｂにおいて、第２の上部クラッド層１８ｂをエッチングすることにより、形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子を一部破断して示す斜視図である。
【図２】上部クラッド層の厚みを決定するために行った有限要素解析のモデルを示す図である
【図３】有限要素解析の結果を示す図である。
【図４】有限要素解析の結果を示す図である。
【図５】本発明の別の実施形態に係る半導体レーザ素子の縦断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０，１０Ｂ…半導体レーザ素子、１２…半導体基板、１４…下部クラッド層、１６…活性層、１８…上部クラッド層、２０…上部電極、２２…下部電極、２８…端面、３０…反射（ＨＲ）膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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