(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する一対の短辺と、互いに対向する一対の長辺を含む主面を有する本体部と、
前記短辺の方向を光出射方向とする活性層と、
前記活性層上に設けられ、前記活性層に電流を供給する電極と、
前記主面上に設けられ、変調信号が入力される第１の電極パッドと、
前記主面上に設けられ、前記電極と前記第１の電極パッドとを互いに接続するための第１の配線と、
前記主面上に設けられ、バイアス電流が入力される第２の電極パッドと、
前記主面上に設けられ、前記第１の電極パッドと前記第２の電極パッドとを互いに接続し、前記第１及び前記第２の電極パッドの幅よりも小さい幅を有する第２の配線と、
を備え、
前記活性層と、前記第１の電極パッドと、前記第２の電極パッドとは、前記長辺の延在方向に沿って順に配列されている、半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記第２の配線は、その幅の合計が、前記第１及び前記第２の電極パッドの幅よりも小さい複数の配線を有する、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記第２の配線の幅は、前記第１の配線の幅より狭い、請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記主面上に設けられ、前記活性層に対して、前記第１の電極パッドと対向する位置に配置される第３の電極パッドと、
前記主面上に設けられ、前記活性層と前記第３の電極パッドとを互いに接続するための第３の配線と、を更に備える請求項１〜３のいずれか一項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。
【背景技術】
【０００２】
光通信における光の発振素子として、直接変調型の半導体レーザ素子が用いられている。この半導体レーザ素子の一方の電極には、変調信号とバイアス電流との両方が供給される。例えば特許文献１には、半導体レーザ素子が開示されており、当該半導体レーザ素子における一方の電極にはパッドが接続されている。一般には、このパッドに、変調信号を供給するためのワイヤと、バイアス電流を供給するためのワイヤとの各々がボンディング接続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２９７０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、更なる高速変調（例えば１５ＧＨｚ〜３０ＧＨｚ）が可能な半導体レーザ素子が求められている。このような半導体レーザにおいては、半導体レーザ素子の共振器長を短縮することによる高速変調技術が検討されている。この場合、半導体レーザ素子に配置されるパッドの大きさも限定される。これにより、変調信号を供給するためのワイヤと、バイアス電流を供給するためのワイヤとの両方を、パッドにボンディング接続するために設定される当該パッドの形状における設計マージンがなくなってしまうおそれがある。また、パッドが小型になることにより、製造工程においてワイヤをパッドにボンディング接続する際に時間がかかってしまい、生産性が低下することがある。
【０００５】
本発明は、生産性の低下が抑制され、高速変調が可能な半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一形態に係る半導体レーザ素子は、互いに対向する一対の短辺と、互いに対向する一対の長辺とを含む主面を有する本体部と、短辺の延在方向を光出射方向とする活性層と、活性層上に設けられ、活性層に電流を供給する電極と、主面上に設けられる第１の電極パッドと、主面上に設けられ、電極と第１の電極パッドとを互いに接続するための第１の配線と、主面上に設けられる第２の電極パッドと、主面上に設けられ、第１の電極パッドと第２の電極パッドとを互いに接続し、第１及び第２の電極パッドの幅よりも小さい幅を有する第２の配線と、を備え、活性層と、第１の電極パッドと、第２の電極パッドとは、長辺の延在方向に沿って順に配列されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、生産性の低下が抑制され、高速変調が可能な半導体レーザ素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本実施形態に係る半導体レーザ素子を示す平面図である。
【図２】図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】図３は、第１比較例に係る半導体レーザ素子の平面図である。
【図４】図４は、第２比較例に係る半導体レーザ素子の平面図である。
【図５】図５は、第１変形例に係る半導体レーザ素子の平面図である。
【図６】図６は、第２変形例に係る半導体レーザ素子の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。本願発明の一実施形態は、互いに対向する一対の短辺と、互いに対向する一対の長辺とを含む主面を有する本体部と、短辺の延在方向を光出射方向とする活性層と、活性層上に設けられ、活性層に電流を供給する電極と、主面上に設けられる第１の電極パッドと、主面上に設けられ、電極と第１の電極パッドとを互いに接続するための第１の配線と、主面上に設けられる第２の電極パッドと、主面上に設けられ、第１の電極パッドと第２の電極パッドとを互いに接続し、第１及び第２の電極パッドの幅よりも小さい幅を有する第２の配線と、を備え、活性層と、第１の電極パッドと、第２の電極パッドとは、長辺の延在方向に沿って順に配列されている半導体レーザ素子である。
【００１０】
この半導体レーザ素子によれば、活性層に電流を供給する電極に、第１の電極パッド及び第２の電極パッドが接続されている。これにより、例えば変調信号を供給するためのワイヤを第１の電極パッドに接続し、バイアス電流を供給するためのワイヤを第２の電極パッドに接続することができる。また、活性層上の電極と、第１の電極パッドと、第２の電極パッドとは、主面における長辺の延在方向に沿って順に配列されている。これにより、活性層の共振器長の短縮を阻害することなく、ワイヤを接続するための所定の面積を有する第１の電極パッドと第２の電極パッドとを設けることができる。したがって、各電極パッドの形状における設計マージンを十分に確保することができ、生産性の低下が抑制される。また、第１の電極パッドと第２の電極パッドとは、第１及び第２の電極パッドの幅よりも小さい幅を有する第２の配線により接続されている。これにより、第１の電極パッド及び第２の電極パッドを一体形成するよりもこれらの電極パッドの合計面積を小さくすることができ、静電容量の低減が可能になる。すなわち、活性層の共振器長の縮小と、各電極パッドの静電容量の低減との両立が可能となり、高速変調が可能な半導体レーザ素子を提供できる。
【００１１】
また、第１の電極パッドには変調信号が入力され、第２の電極パッドにはバイアス電流が入力されてもよい。この場合、第１の電極パッドと第２の電極パッドとは、狭幅の第２の配線を介して接続され、この第２の配線に比較的大きなインダクタンス成分を持たせることができ、第１及び第２のパッドの高周波的な分離が容易となる。すなわち、第１の電極パッドに入力する変調信号が、第２の電極パッドの寄生容量の影響を受けにくくなる。
【００１２】
また、第２の配線は、その幅の合計が、第１及び第２の電極パッドの幅よりも小さい複数の配線を有してもよい。この場合、第２の配線が有する複数の配線のインピーダンスは、第１の配線の特性インピーダンスよりも大きくなり、第１及び第２の電極パッドは、高周波的に一層分離される。
【００１３】
また、第２の配線の幅は、第１の配線の幅より狭くてもよい。この場合、第１の配線は、該第１の配線から活性層上の電極を見込んだ時のインピーダンス条件にほぼ整合しており、第２の配線は、第１の配線のインピーダンスよりも大きなインピーダンスを有する。この場合、第１及び第２の電極パッドは、高周波的に一層分離される。
【００１４】
また、半導体レーザ素子は、主面上に設けられ、活性層に対して、第１の電極パッドと対向する位置に配置される第３の電極パッドと、主面上に設けられ、活性層と第３の電極パッドとを互いに接続するための第３の配線と、を更に備えてもよい。
【００１５】
［本願発明の実施形態の詳細］
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１６】
図１は、本実施形態に係る半導体レーザ素子を示す平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図１及び図２に示されるように、半導体レーザ素子１は、チップ（本体部）２と、活性層３と、電極４（cathode），電極５（anode）と、配線６〜８と、電極パッド９〜１１と、を備えている。チップ２は、互いに対向する一対の短辺２ａ，２ｂと、互いに対向する一対の長辺２ｃ，２ｄとを含む略四角形状（例えば、長方形状）の主面１２を有している。一対の短辺２ａ，２ｂの長さＬ１は、例えば１００μｍ〜１５０μｍである。一対の長辺２ｃ，２ｄの長さＬ２は、例えば４００μｍ〜５００μｍである。
【００１７】
チップ２は、少なくとも基板２１と、第１クラッド層２２と、高抵抗層２３と、絶縁膜２４とを有している。基板２１は、例えばｎ型ＩｎＰ基板である。第１クラッド層２２は、基板２１上に設けられており、例えばｎ型ＩｎＰ層である。第１クラッド層２２の厚さは、例えば０．５μｍである。高抵抗層２３は、第１クラッド層２２上に設けられており、例えば鉄（Ｆｅ）がドープされたＩｎＰ層である。高抵抗層２３の厚さは、例えば１．５μｍである。絶縁膜２４は、基板２１、第１クラッド層２２及び高抵抗層２３を覆い、例えば酸化ケイ素膜である。絶縁膜２４の厚さは、例えば０．６μｍである。
【００１８】
チップ２の主面１２の一部には、短辺２ａに平行な二つの溝２５，２６が設けられている。溝２５，２６は、第１クラッド層２２の一部及び高抵抗層２３の一部を除去して形成される。溝２５の幅は、溝２６の幅よりも大きい。溝２５，２６の表面は、一部を除いて絶縁膜２４によって覆われている。具体的には、溝２５の底面２５ａを覆う絶縁膜２４の一部に開口部２４ａが設けられており、開口部２４ａの底において基板２１が露出している。この開口部２４ａを埋設するように電極４が設けられている。電極４は、開口部２４ａを介して基板２１に接触し、基板２１を介して活性層３と電気的に接続されている。電極４は、例えばＡｕＺｎの合金層又はこれらの金属を含む合金層である。
【００１９】
溝２５，２６によって挟まれる領域には、メサ３０が設けられている。このメサ３０は、チップ２の一部であり、第１クラッド層３１と、第２クラッド層３２と、活性層３と、埋め込み層３３とを有している。第１クラッド層３１は、第１クラッド層２２と同じｎ型ＩｎＰ層である。第２クラッド層３２は、第１クラッド層３１上に設けられており、例えばｐ型ＩｎＰ層である。第２クラッド層３２の厚さは、例えば１．３μｍである。埋め込み層３３は、高抵抗層２３の一部である。
【００２０】
活性層３は、光導波路層である。活性層３の光出射方向は短辺２ａ，２ｂに平行、長辺２ｃ，２ｄに直交する方向である。活性層３は、第１クラッド層３１と第２クラッド層３２と埋め込み層３３に囲まれており、活性層３の厚さは、例えば０．２μｍである。活性層３は、例えば多重量子井戸（ＭＱＷ：multi quantum well）構造であり、複数のＩｎＧａＡｓＰ層を有している。活性層３の端面（共振端面）は二つの長辺２ｃ，２ｄそれぞれに露出している。したがって、半導体レーザ素子１の共振器長は、短辺２ａ，２ｂの長さＬ１と略同一である。
【００２１】
メサ３０上の絶縁膜２４の一部には他の開口部２４ｂが設けられており、開口部２４ｂの底に第２クラッド層３２の一部が露出している。この開口部２４ｂを埋設するように電極５が設けられている。電極５は、開口部２４ｂを介して第２クラッド層３２に接触しており、活性層３に電流を供給する電極として機能する。電極５は、例えばＡｕＺｎ等の合金層又はこれらの金属を含む合金層である。電極５には、変調信号及びバイアス信号（バイアス電流）が配線７を介して供給される（詳細は後述する）。
【００２２】
配線（第３配線）６は、電極４からメサ３０外方、すなわち、短辺２ａに向かって延在する導電層である。配線６は、例えば金（Ａｕ）を主体とする金属層であり、その短辺２ａに平行な方向の幅は例えば４０μｍである。配線６の一端は、溝２５内の電極４に接続されている。配線６の他端は、電極パッド９に接続されている。
【００２３】
電極パッド（第３の電極パッド）９は、メサ３０に対して溝２６の外方の配線６上に設けられており、円形の平面形状を有している。電極パッド９の直径は、例えば６０μｍである。電極パッド９の表面には、ワイヤＡ１が接続されている。
【００２４】
配線（第１配線）７は、メサ３０上の電極５から溝２５を横切り、短辺２ｂに向かって延在する導電層である。配線７は、例えば金（Ａｕ）を主体とする金属層であり、その短辺２ｂに沿った幅（つまり、短辺２ｂの延在方向に沿った幅）は例えば４０μｍである。配線７にはバイアス信号に加えて変調信号が供給されるため、配線７の長さ及び幅は、当該配線７から電極５を見込んだ時のインピーダンスに整合している（整合条件に合致している）。配線７の一端は、メサ３０を横切り溝２５内に達しているが、絶縁膜２４により電極４及び配線６と電気的に絶縁している。配線７の他端は、電極パッド（第１の電極パッド）１０に接続されている。すなわち、配線７は、電極５と電極パッド１０を接続する。
【００２５】
電極パッド（第１の電極パッド）１０は、メサ３０に対して溝２６の外方の主面１２上に設けられており、円形の平面形状を有している。電極パッド１０の直径は、例えば６０μｍである。電極パッド１０の表面には、例えば変調信号をメサ３０に供給するワイヤＡ２が接続されている。
【００２６】
配線（第２配線）８は、電極パッド１０の外方、短辺２ｂに向けて延在する導電層である。配線８は、例えば金（Ａｕ）を主体とする金属層であり、短辺２ｂに沿った幅は例えば４０μｍである。配線８の一端は、電極パッド１０に接続され、配線８の他端は電極パッド（第２の電極パッド）１１に接続されている。すなわち、配線８は、電極パッド１０と電極パッド１１を接続する。本実施形態における配線７，８は、同一の導電層、すなわち、同一の製造工程で同時に作製される。
【００２７】
電極パッド（第２の電極パッド）１１は、電極パッド１０の短辺２ｂ側、電極パッド１０の外方の主面１２上に設けられており、円形の平面形状を有している。電極パッド１１の直径は、例えば６０μｍである。電極パッド１１の表面には、バイアス電流を供給するワイヤＡ３が接続されている。活性層３と、電極パッド１０と、電極パッド１１とは、長辺２ｃ，２ｄ（つまり、長辺２ｃ，２ｄの延在方向）に沿って順に配列されている。
【００２８】
以上をまとめると、配線６〜８の短辺２ａ，２ｂに沿った幅は、電極パッド９〜１１の直径（幅）よりも狭い。
【００２９】
以上に説明した、本実施形態の半導体レーザ素子１によって得られる利点（advantages）について説明する。図３は、第１比較例に係る半導体レーザ素子の平面図である。図３に示されるように、第１比較例に係る半導体レーザ素子１０１において、電極５に接続される電極パッド１１０は、各角が丸まっている長円形を有している。電極パッド１１０において、短辺１０２ａ，１０２ｂに沿った最大長さＰ１は例えば８０μｍであり、長辺１０２ｃ，１０２ｄに沿った最大長さＰ２は例えば６０μｍである。電極パッド１１０は、図１に示された本実施形態に係る電極４に接続される電極パッド９よりも大きい。これは、電極パッド１１０にワイヤＡ２，Ａ３の両方が接続されるからである。この様な電極パッド１１０をチップ１０２上に設けようとすると、短辺１０２ａ，１０２ｂの長さＬ１１は、例えば２００μｍとなり、主面１１２における長辺１０２ｃ，１０２ｄの長さＬ１２は、例えば３６０μｍとなる。第１比較例において、半導体レーザ素子１０１を高速変調するために活性層の共振器長を１００μｍ程度に短縮した場合、短辺１０２ａ，１０２ｂの長さが電極パッド１１０の最大長さＰ１で決定される事態を招く。すなわち、電極パッド１１０の形状、特にその短辺１０２ａ、１０２ｂに沿った長さを、半導体レーザ素子１０１の共振器長を基に決定すると、電極パッド１１０にワイヤＡ２，Ａ３を同時に接続することができなくなってしまう。
【００３０】
図４は、第２比較例に係る半導体レーザ素子の平面図である。図４に示されるように、第２比較例に係る半導体レーザ素子２０１においてアノードである電極５に接続される電極パッド２１０は、チップ２の長辺に沿った長円形を有する。チップ２の長辺に沿った最大長さＰ３は例えば１８０μｍであり、チップ２の短辺に沿った最大幅Ｐ４は例えば６０μｍである。第２比較例の電極パッド２１０の平面形状は、第１比較例の電極パッド１１０を９０°回転した形状と略同一である。この場合、半導体レーザ素子２０１を高速変調するために活性層の共振器長を短縮したとしても、電極パッド２１０の大きさは影響を受けない。したがって、電極パッド２１０に対するワイヤーボンディングの設計マージンを十分に確保することができる。しかしながら、電極パッド２１０の寄生容量により、電極パッド２１０に供給する変調信号が影響を受ける。このため、半導体レーザ素子２０１の更なる高速変調を実現するために、例えば電極パッド２１０の面積を小さくし、電極パッド２１０の寄生容量を小さくすることが考えられる。
【００３１】
本実施形態に係る半導体レーザ素子１では、活性層３上のアノードである電極５に、電極パッド（第１の電極パッド）１０及び電極パッド（第２の電極パッド）１１が接続されている。これにより、変調信号を供給するワイヤＡ２を電極パッド１０に接続し、バイアス電流を供給するワイヤＡ３を電極パッド１１に接続することができる。また、活性層３上の電極５と、電極パッド１０と、電極パッド１１とは、長辺２ｃ，２ｄに沿って順に配列されている。これにより、活性層３の共振器長の短縮を阻害することなく、ワイヤＡ２，Ａ３を接続するための所定の面積を有する電極パッド１０と電極パッド１１とを設けることができる。また、電極パッド１０と電極パッド１１とは、狭幅の配線（第２の配線）８により接続されている。これにより、電極パッド１０と電極パッド１１との合計面積を、上記第２比較例の電極パッド２１０の面積よりも小さくすることが可能になる。したがって、電極パッド１０及び電極パッド１１の寄生容量が小さくなる。すなわち、活性層３の共振器長の縮小と、各電極パッド１０，１１の寄生容量の低減を両立することができる。よって本実施形態では、電極パッド１０，１１の設計マージンを十分に確保することができ、生産性の低下を抑制し、高速変調が可能な半導体レーザ素子１を提供できる。
【００３２】
また、電極パッド１０には変調信号が入力され、電極パッド１１にはバイアス信号が入力される。電極パッド１０と電極パッド１１とは、狭幅の配線８を介して接続され、この配線８に比較的大きなインダクタンス成分を持たせることができ、二つの電極パッド１０，１１の高周波的な分離が容易となる。すなわち、電極パッド１０に入力する変調信号が、電極パッド１１の寄生容量の影響を受けにくくなる。
【００３３】
図５は、本実施形態の第１変形例に係る半導体レーザ素子の平面図である。図５に示されるように、電極パッド１０と電極パッド１１とを接続する配線（第２配線）８Ａの短辺２ａ，２ｂに沿った幅は、配線（第１配線）７の幅よりも狭い。具体的には、配線７の幅Ｗ１は例えば４０μｍであり、配線８Ａの幅Ｗ２は例えば１０μｍである。配線７は、当該配線７からアノードである電極５を見込んだ時のインピーダンス条件にほぼ整合しており、配線８Ａは、当該インピーダンスよりも大きなインピーダンスを有する。この場合、電極パッド１０と電極パッド１１とは、高周波的に一層分離される。
【００３４】
図６は、本実施形態の第２変形例に係る半導体レーザ素子の平面図である。図６に示されるように、半導体レーザ素子１Ｂにおける電極パッド１０と電極パッド１１とは、２本の配線（第２配線）８Ｂ，８Ｃにより接続される。配線８Ｂ，８Ｃは、並列に配置されており、配線８Ｂ，８Ｃの短辺２ａ，２ｂに沿った幅は、配線（第１配線）７の幅よりも狭い。具体的には、配線８Ｂの幅Ｗ３と、配線８Ｃの幅Ｗ４はそれぞれ例えば１０μｍである。したがって、配線８Ｂの幅Ｗ２と配線８Ｃの幅Ｗ３の合計は、配線７の短辺２ａ，２ｂに沿った幅、すなわち４０μｍよりも小さい。配線８Ｂ，８Ｃは配線７の特性インピーダンスよりも大きい。この場合であっても、前出の第１変形例に係る配線８Ａよりも電極パッド１０と電極パッド１１とは、高周波的に一層分離される。電極パッド１０と電極パッド１１を接続するための配線全体の抵抗が抑制される。なお、電極パッド１０と電極パッド１１とは、配線８Ｂ，８Ｃに加えてさらに複数の配線を介して接続されてもよい。この場合であっても、当該複数の配線の短辺２ａ，２ｂに沿った幅の合計は、電極パッド９〜１１の短辺２ａ，２ｂに沿った幅よりも小さい。また、これら複数の配線それぞれの幅が一様である必要はなく異なっていてもよい。
【００３５】
本発明による半導体レーザ素子は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態及び変形例における主面１２は、正方形状でもよく、平行四辺形状でもよく、角が丸まった四角形状でもよい。また、上記実施形態及び変形例における電極パッド９〜１１は、円形状に限られず、四角形状でもよく、楕円形状でもよく、多角形状でもよい。また、本発明に係る実施の形態は、第１クラッド層がｎ型半導体、第２クラッド層がｐ型半導体を有し、メサ上にアノードである電極５を有する半導体レーザ素子について説明した。しかしながら、本発明に係る配線形状は、第１クラッド層がｐ型半導体、第２クラッド層がｎ型半導体、そしてメサ上の電極がカソードである電極の半導体レーザ素子についても同様に適用できる。
【００３６】
上記実施形態における配線６と電極パッド９が重なっている部分の形状は、電極パッド９の形状と略同一でもよいし、異なっていてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１，１Ａ，１Ｂ、１０１，２０１…半導体レーザ素子、２，１０２…チップ（本体部）、２ａ，２ｂ，１０２ａ，１０２ｂ…短辺、２ｃ，２ｄ…長辺、３…活性層、４，５…電極、６…配線、７…配線（第１配線）、８，８Ａ〜８Ｃ…配線（第２配線）、９〜１１，１１０，２１０…電極パッド、１２，１１２…主面、Ｗ１〜Ｗ４…幅。
【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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【図６】
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