(57)【要約】【課題】放熱性が良好な半導体レーザ素子及び半導体レーザ装置の提供。【解決手段】半導体レーザ素子は、第１の面及び第２の面を有する第１導電型からなる半導体基板と、半導体基板の第１の面上に順次形成される第１導電型の半導体層からなる第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型の半導体層からなる第２導電型第１クラッド層、第２導電型の半導体層からなるエッチングストップ層、第２導電型の半導体層からなる第２導電型第２クラッド層、第２導電型の半導体層からなるコンタクト層とを有する。また、半導体レーザ素子は、コンタクト層の上面から半導体基板内に亘って設けられる並列に配置される２本の溝と、前記２本の溝に挟まれるストライプ状のリッジの各側面から溝を含みかつ溝を越えて半導体基板側縁に至る部分を覆う絶縁層と、リッジ及び絶縁層を覆う金属からなる第１の電極と、第１の電極に重ねて設けられ表面が平坦化された金属メッキ層と、半導体基板の前記第２の面に形成される第２の電極とを有する。【選択図】図１
2008135629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面及びこの第１の面の反対面となる第２の面を有する第１導電型からなる半導体基板と、
前記半導体基板の第１の面上に形成される第１導電型の半導体層からなる第１導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層上に形成される活性層と、
前記活性層上に形成される第２導電型の半導体層からなる第２導電型第１クラッド層と、
前記第２導電型第１クラッド層上に形成される第２導電型の半導体層からなるエッチングストップ層と、
前記エッチングストップ層上に形成される第２導電型の半導体層からなる第２導電型第２クラッド層と、
前記第２導電型第２クラッド層の上面から前記半導体基板内に亘って設けられる並列に配置される２本の溝と、
前記２本の溝に挟まれるリッジストライプ部の両側面からそれぞれ前記溝を含みかつ前記溝を越えて前記半導体基板側縁に至る部分を覆う絶縁層と、
前記リッジストライプ部及び前記絶縁層を覆う金属からなる第１の電極と、
前記第１の電極に重ねて設けられ、表面が平坦化された金属メッキ層と、
前記半導体基板の前記第２の面に形成される第２の電極とを有することを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記活性層、前記第２導電型第１クラッド層、前記エッチングストップ層及び前記第２導電型第２クラッド層の熱伝導率が前記半導体基板よりも小さくなり、
前記金属メッキ層は前記半導体基板よりも熱伝導率が大きい金属で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記溝の前記半導体基板表面からの深さは５乃至２５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記溝の幅は１０乃至３０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
パッケージと、
前記パッケージの内外に亘って延在しかつ電気的にそれぞれ独立する複数のリードと、
前記パッケージ内に配置される導電性のサブマウントに取り付けられる半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子の各電極と前記各電極に対応する前記リードを電気的に接続する接続手段と、
前記パッケージに設けられかつ前記半導体レーザ素子の出射面から出射されるレーザ光を前記パッケージの外部に案内する光学系とを有する半導体レーザ装置であって、
前記半導体レーザ素子は、
第１の面及びこの第１の面の反対面となる第２の面を有する第１導電型からなる半導体基板と、
前記半導体基板の第１の面上に形成される第１導電型の半導体層からなる第１導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層上に形成される活性層と、
前記活性層上に形成される第２導電型の半導体層からなる第２導電型第１クラッド層と、
前記第２導電型第１クラッド層上に形成される第２導電型の半導体層からなるエッチングストップ層と、
前記エッチングストップ層上に形成される第２導電型の半導体層からなる第２導電型第２クラッド層と、
前記第２導電型第２クラッド層の上面から前記半導体基板内に亘って設けられる並列に配置される２本の溝と、
前記２本の溝に挟まれるリッジストライプ部の両側面からそれぞれ前記溝を含みかつ前記溝を越えて前記半導体基板側縁に至る部分を覆う絶縁層と、
前記リッジストライプ部及び前記絶縁層を覆う金属からなる第１の電極と、
前記第１の電極に重ねて設けられ、表面が平坦化された金属メッキ層と、
前記半導体基板の前記第２の面に形成される第２の電極とを有する構成になり、
前記半導体レーザ素子は前記金属メッキ層が前記サブマウントに重なるように接合材で接続されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【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及び半導体レーザ装置に係わり、特に、リッジ導波路型半導体レーザ素子の放熱性向上技術に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ（レーザダイオード：ＬＤ）素子の一つの構造として、電流通路が突条部（リッジストライプ）となるリッジ導波路型半導体レーザ素子が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１には、放熱性を向上させる半導体レーザとして、半導体基板上に活性層を含む積層体と、この積層体上に順に積層されたクラッド層及びコンタクト層を有する構造が開示されている。リッジストライプ（単にリッジとも呼称する）は、積層体上のクラッド層とコンタクト層によって形成されている。このリッジの両側面からリッジを外れた積層体上に亘って電流阻止層が形成されている。また、リッジの上部を形成するコンタクト層の表面及び電流阻止層の表面には薄くメッキ給電用金属膜が形成され、さらに重ねて厚くメッキ金属層（Ａｕ）が形成されている。メッキ金属層の表面は略平坦となっている。積層体は、ｎ−ＧａＡｓ基板上に順次形成されるｎ−ＧａＩｎＰバッファ層、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、量子井戸活性層、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層、エッチングストップ層からなる。また、積層体上のクラッド層はｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層であり、コンタクト層はｐ−ＧａＡｓ層となっている。電流阻止層は、ＳｉＯ２、ＳｉＮＸ、Ａｌ２Ｏ３等の誘電体で形成されている。
【０００４】
このリッジストライプ形状の電流導波路を有する半導体レーザ（以下、リッジ導波路型半導体レーザ素子と呼称する）は、半導体レーザ装置を構成するヒートシンクに固定される。この固定（搭載）構造はジャンクションダウン構造となり、ｐｎ接合で発生した熱はメッキ金属層を通って速やかにヒートシンクに伝達されるため、放熱性が向上する。
【０００５】
一方、埋め込み型へテロ構造の半導体レーザの一つとして、メサストライプを形成した後、メサストライプの両側に、ｐ−ＩｎＰ、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層を形成して埋め込み型へテロ構造を形成し、メサストライプの両側のｐ−ＩｎＰ及びｎ−ＩｎＰ電流ブロック層部分にそれぞれ溝を形成する構造が知られている（例えば、特許文献２）。
【０００６】
特許文献２の半導体レーザでは、メサストライプの活性層で発生した熱を電流ブロック層を利用して横方向へ伝達させて放散することで、放熱性を向上させる構造になっている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２１７２５５号公報
【特許文献２】特開平８−３７３３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
リッジ導波路型半導体レーザ素子であるＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザ（ＬＤ）はデジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）の読み取り用光源、書き込み用光源として広く用いられている。高出力が要求される半導体レーザ素子では、駆動電流が４００ｍＡ以上と大きいことから、素子抵抗を低減し、また放熱を促進することで素子の温度上昇を抑える必要がある。
【０００９】
しかしながら、上記の従来のリッジ導波路型半導体レーザ素子では、放熱のための熱伝達経路中に、メッキ金属層（例えば金の場合は熱伝導率は３１５Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも熱伝導率の低いｐクラッド層（ＡｌＧａＩｎＰの場合は熱伝導率は７Ｗ／ｍ・Ｋ）や絶縁層（ＳｉＯ２膜の場合は熱伝導率は１．４Ｗ／ｍ・Ｋ）が存在するので、リッジ部の放熱性を改善する余地があることが分かる。
【００１０】
また、上記の従来のリッジ導波路型半導体レーザ素子では、上記埋め込み型へテロ構造の半導体レーザのように埋め込み層（例えばＩｎＰの場合は熱伝導率は６０Ｗ／ｍ・Ｋ）がないため、埋め込み型へテロ構造の半導体レーザとは違い、横方向への放熱は少ない。従って、特許文献１に記載されているようなクラッド層まで達する溝を有する構造では十分な放熱は得られない。従来のリッジ導波路型半導体レーザ素子では発生した熱は、ｎクラッド層（ＡｌＧａＩｎＰの場合は熱伝導率７Ｗ／ｍ・Ｋ）、ＧａＡｓ基板（熱伝導率は４４Ｗ／ｍ・Ｋ）を通り、ＧａＡｓ基板表面から外部に放熱される。従って、基板の放熱性を改善する余地があることがわかる。
【００１１】
本発明の目的は、放熱性が良好な半導体レーザ素子及び半導体レーザ装置を提供することにある。
本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
（１）半導体レーザ素子は、
第１の面及びこの第１の面の反対面となる第２の面を有する第１導電型からなる半導体基板と、
前記半導体基板の第１の面上に形成される第１導電型の半導体層からなる第１導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層上に形成される活性層と、
前記活性層上に形成される第２導電型の半導体層からなる第２導電型第１クラッド層と、
前記第２導電型第１クラッド層上に形成される第２導電型の半導体層からなるエッチングストップ層と、
前記エッチングストップ層上に形成される第２導電型の半導体層からなる第２導電型第２クラッド層と、
前記第２導電型第２クラッド層上に形成される第２導電型の半導体層からなるコンタクト層と、
前記コンタクト層の上面から前記半導体基板内に亘って設けられる並列に配置される２本の溝と、
前記２本の溝に挟まれるリッジストライプ部の両側面からそれぞれ前記溝を含みかつ前記溝を越えて前記半導体基板側縁に至る部分を覆う絶縁層と、
前記リッジストライプ部及び前記絶縁層を覆う金属からなる第１の電極と、
前記第１の電極に重ねて設けられ、表面が平坦化された金属メッキ層と、
前記半導体基板の前記第２の面に形成される第２の電極とを有することを特徴とする。
【００１３】
また、前記活性層、前記第２導電型第１クラッド層、前記エッチングストップ層及び前記第２導電型第２クラッド層の熱伝導率が前記半導体基板よりも小さくなり、前記金属メッキ層は前記半導体基板よりも熱伝導率が大きい金属で形成されている。前記溝の前記半導体基板表面からの深さは５乃至２５μｍである。前記溝の幅は１０乃至３０μｍである。
このような半導体レーザ素子は半導体レーザ装置に組み込まれる。
【００１４】
半導体レーザ装置は、
パッケージと、
前記パッケージの内外に亘って延在しかつ電気的にそれぞれ独立する複数のリードと、
前記パッケージ内に配置される導電性のサブマウントに取り付けられる半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子の各電極と前記各電極に対応する前記リードを電気的に接続する接続手段と、
前記パッケージに設けられかつ前記半導体レーザ素子の出射面から出射されるレーザ光を前記パッケージの外部に案内する光学系とを有する。
前記半導体レーザ素子は、前記金属メッキ層が前記サブマウントに重なるように接合材で接続されている。
【発明の効果】
【００１５】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１６】
前記（１）の手段によれば、（ａ）リッジストライプ部の両側に設けられる溝は第１導電型クラッド層を貫通して半導体基板内（表層）まで設けられている。そして、これら溝内には、サブマウントに接合材を介して固定される金属メッキ層が埋め込まれている。活性層部分で発生した熱のサブマウントに至る経路は複数存在する。一つは第２導電型第１クラッド層、第１の電極及び金属メッキ層を経由するものである。一つは第２導電型第１クラッド層、絶縁層、第１の電極及び溝内のものをも含む金属メッキ層を経由するものである。一つは第１導電型クラッド層、絶縁層、第１の電極及び溝内のものをも含む金属メッキ層を経由するものである。一つは第１導電型クラッド層、半導体基板、絶縁層、第１の電極及び溝底内のものをも含む金属メッキ層を経由するものである（この経路を半導体基板・溝底経由と呼称）。これら４つの熱伝達経路のうち、前記半導体基板・溝底経由の熱伝達経路は、従来のリッジ導波路型半導体レーザ素子の半導体基板を経由する熱伝達経路に比較して熱伝導が良好になり、放熱性が良好になる。
【００１７】
即ち、従来の構造では、本発明の前記半導体基板・溝底経由に相当する活性層部分からヒートシンクに至る熱伝達経路は、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ｎ−ＧａＩｎＰバッファ層を通ってｎ−ＧａＡｓ基板に到達し、ｎ−ＧａＡｓ基板を流れた後再び積層体、電流阻止層及びメッキ給電用金属層を通過してメッキ金属層に至る経路である。
【００１８】
本発明の構造及び従来の構造も前記半導体基板・溝底経由に相当する熱伝達経路をＵ字状の曲線を描く同じ経路と仮定する。この場合、従来構造はそのＵ字状経路は主として半導体部分を通るのに対して、本発明の場合は溝を半導体基板内（表層）にまで到達させる構造となることから、一部は半導体よりも熱伝導率が大幅に良好となる金属メッキ層を通ることになり、従来構造に比較して熱の伝導性（伝達性）が格段に良好になる。即ち、各半導体層を形成するＡｌＧａＩｎＰの熱伝導率は７Ｗ／ｍ・Ｋであり、ＧａＡｓの熱伝導率は４４Ｗ／ｍ・Ｋである。これに対して、金属メッキ層（メッキ金属層）を形成する金の熱伝導率は３１５Ｗ／ｍ・Ｋと半導体に比較して大幅に熱伝導率は大きい。
【００１９】
この結果、本発明の半導体レーザ素子を半導体レーザ装置に使用することによって、半導体レーザ装置の動作時の熱の放散性が良好となり、半導体レーザ装置は特性が安定した動作をするようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。なお、発明の実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【実施例１】
【００２１】
実施例１では、例えば、発振波長が０．６３μｍ帯の半導体レーザに本発明を適用した例について説明する。図１乃至図９は本発明の実施例１である半導体レーザ素子に係わる図である。実施例１の半導体レーザ素子１は、図１乃至図３に示すような構造になっている。図１は半導体レーザ素子の概要を示す一部の断面図、図２は半導体レーザ素子の斜視図、図３は図２のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図である。
【００２２】
実施例１の半導体レーザ素子１は、図１に示すように、幅１８０μｍ、厚さ（高さ）１００μｍ、長さ１５４０μｍの大きさになり、両端面の出射面からそれぞれレーザ光を出射する構造となっている。
【００２３】
半導体レーザ素子１は、図３に示すように、第１の面２ａ及びこの第１の面２ａの反対面となる第２の面２ｂを有する第１導電型（例えば、ｎ型）のＧａＡｓからなる半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ基板）２を有している。このｎ−ＧａＡｓ基板２の第１の面２ａには順次半導体層が積層形成されている。即ち、ｎ−ＧａＡｓ基板２の第１の面２ａには、第１導電型クラッド層３、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなる活性層４、第２導電型（ｐ型）からなる第２導電型第１クラッド層５、ｐ型からなるエッチングストップ層６、ｐ型からなる第２導電型第２クラッド層７及びｐ型からなるコンタクト層８が順次形成されている。
【００２４】
ここで、各半導体層の材料及び厚さ等寸法の一例を示す。第１導電型クラッド層３は厚さ２．０μｍのＡｌＧａＩｎＰで形成されている。活性層４は、障壁層が厚さ５ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ層からなり、井戸層が厚さ６ｎｍのＧａＩｎＰ層からなり、井戸層が３層となる多重量子井戸構造となっている。第２導電型第１クラッド層５、エッチングストップ層６及び第２導電型第２クラッド層７はいずれもＡｌＧａＩｎＰで形成されている。第２導電型第１クラッド層５は厚さ０．３μｍ、エッチングストップ層６は厚さ２０ｎｍ、第２導電型第２クラッド層７は厚さ１．２μｍとなっている。コンタクト層８は厚さ０．４μｍのＧａＡｓで形成されている。
【００２５】
また、各半導体層の一部の名称を導電型及び材料が分かるように下記のようにも呼称する。第１導電型クラッド層３をｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３と呼称し、第２導電型第１クラッド層５をｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層５と呼称し、第２導電型第２クラッド層７をｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層７と呼称し、コンタクト層８をｐ−ＧａＡｓコンタクト層８と呼称する。
【００２６】
図１に示すように、半導体レーザ素子１の幅の中央部分において、エッチングストップ層６上のｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層７及びｐ−ＧａＡｓコンタクト層８は中央の幅ａを除いて除去されている。前記幅ａは、例えば、１．４μｍとなる。この残された幅ａのリッジストライプ部１０は半導体レーザ素子１の長さ方向に延在し、電流が狭窄されて供給される給電部となる。また、リッジストライプ部１０の両側にはエッチングストップ層６の上面からｎ−ＧａＡｓ基板２内（表層）に亘って溝（分離溝）１１が形成されている。一対の溝１１は半導体レーザ素子１の長さ方向に沿って並列に配置されている。２本の溝１１に挟まれる突出したストライプ部分もリッジストライプ部を構成する。上部のリッジストライプ部１０と、ｎ−ＧａＡｓ基板２の表層部分、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、活性層４、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層５及びエッチングストップ層６で構成される下部のリッジストライプ部とを区別するときは、上部のリッジストライプ部１０と呼称し、下部を第２のリッジストライプ部１３と呼称する。実施例では、溝１１から外れたエッチングストップ層６上にはｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層７及びｐ−ＧａＡｓコンタクト層８は存在しないが、存在しても特に支障はない。
【００２７】
また、リッジストライプ部１０を細く形成し、かつ溝１１の影響を受けないようにするため、実施例ではリッジストライプ部を二段構成としている。なお、リッジストライプ部を単にリッジとも呼称する。
【００２８】
ｎ−ＧａＡｓ基板２の第１の面２ａ側には、リッジストライプ部１０の表面（上面）を除いて絶縁層１２が設けられている。絶縁層１２はＳｉＯ２膜と、前記ＳｉＯ２膜上に形成されるＰＳＧ膜で形成されている。絶縁層１２は、図１及び図３に示すように、リッジストライプ部１０の各側面（両側面）から溝１１を含みかつ溝１１を越えてｎ−ＧａＡｓ基板２の側縁に至る部分を覆う構造になっている。絶縁層１２の熱伝導率は１．４Ｗ／ｍ・Ｋとなる。
【００２９】
また、リッジストライプ部１０及び絶縁層１２上には第１の電極１４が形成されている。この第１の電極１４はアノード電極（ｐ型電極）となっている。第１の電極１４はリッジストライプ部１０のｐ−ＧａＡｓコンタクト層８に接着されている。また、第１の電極１４の端は、図３に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板２の両側縁にまで至らない絶縁層１２の上で止まっている。第１の電極１４は、例えば、チタン、モリブデン及び金を順次積層した金属多層膜からなり、全体の厚さは０．５μｍとなっている。
【００３０】
また、前記第１の電極１４上には、ｎ−ＧａＡｓ基板２よりも熱伝導率が高い金属、例えば、金によって金属メッキ層１５が形成されている。この金属メッキ層１５は、蒸着で形成され、表面（上面）は平坦になっている。金属メッキ層１５は５〜７μｍと厚く形成されている。
【００３１】
さらに、ｎ−ＧａＡｓ基板２の第２の面２ｂには、第２の電極１６が形成されている。この第２の電極１６はカソード電極（ｎ型電極）となっている。第２の電極１６は、例えば、チタン、モリブデン及び金を順次積層した金属多層膜からなり、全体の厚さは０．５μｍとなっている。
【００３２】
実施例１では、溝１１には金属メッキ層１５が埋め込まれ、放熱用に使用される。溝１１がリッジストライプ部１０に近すぎると光特性に影響を及ぼし、半導体レーザ素子の信頼性が低下する。このため、図１に示すように、溝１１とリッジストライプ部１０との距離ｂは少なくとも所定長さが確保される。距離ｂは、例えば、５μｍである。レーザの光特性に影響を及ぼさない範囲であれば、５μｍ以下でも問題ない。なお、溝１１の表面は絶縁層１２で覆われているため、溝部分には電流は流れない。このため、溝１１の表面の絶縁層１２上に第１の電極１４を形成しない構造でも、レーザダイオードの光特性および放熱性には影響はない。
【００３３】
また、溝１１の深さｄは、ｎ−ＧａＡｓ基板２の表面（第１の面２ａ）から５〜２５μｍ程度となり、溝１１の幅ｗは１０〜３０μｍ程度となっている。
【００３４】
つぎに、実施例１の半導体レーザ素子１の製造方法の一例について、図４及び図５を参照して説明する。
【００３５】
図４（ａ）に示すように、数百μｍの厚さの半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ基板）２を準備した後、ｎ−ＧａＡｓ基板２の第１の面２ａに、既に説明したｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、多重量子井戸構造の活性層４、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層５、エッチングストップ層６、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層７及びｐ−ＧａＡｓコンタクト層８をＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）の多層成長によって形成する。
【００３６】
つぎに、図４（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８上に幅約１．４μｍのＰＳＧからなるＰＳＧマスク２０を形成する。その後、ドライエッチとウェットエッチにより、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８及びｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層７をエッチングし、リッジストライプ部１０を形成する。
【００３７】
つぎに、図４（ｃ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板２の第１の面２ａ側全域にエッチングマスク素材を形成した後、このエッチングマスク素材を選択的にエッチング除去してマスク２１を形成する。エッチング除去部はリッジストライプ部１０の両側に設けられる。エッチング除去部はリッジストライプ部１０に沿った所定幅を持った溝である。つぎに、マスク２１をエッチング用マスクとして使用して多層成長層をエッチングして底がｎ−ＧａＡｓ基板２の表層（内部）にまで到達する溝１１を形成する。この一対の溝１１の間に存在する部分が第２のリッジストライプ部１３となる。リッジストライプ部１０の側面から溝１１の縁までの距離は、既に説明したように５μｍとなる。
【００３８】
つぎに、マスク２１を除去する。その後、図５（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板２の第１の面２ａ側全体に絶縁層１２を形成し、ついでリッジストライプ部１０（ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８）の上面部分の絶縁層１２をエッチング除去する。絶縁層１２は、例えば熱ＣＶＤ（気相化学成長法）で成膜されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）及びＰＳＧ膜で形成されている。なお、リッジストライプ部１０の上面は電流注入領域となっており、電極に電圧を印加した際には、電流はｐ−ＧａＡｓコンタクト層８及びｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層７を通って流れることになる。
【００３９】
つぎに、図５（ｂ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板２の第１の面２ａ側全域に電極素材を形成した後、一部をエッチング除去する。即ち、第１の面２ａにチタン、モリブデン、金からなる金属多層膜を蒸着する。第１の電極１４は、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８に接続され、かつリッジストライプ部１０の両側の溝１１を覆い溝１１の外側領域にまで延在している（図３参照）。
【００４０】
つぎに、図５（ｃ）に示すように、第１の電極１４上にｎ−ＧａＡｓ基板２よりも熱伝導率の高い金属、たとえば金を蒸着し、金属メッキ層１５を形成する。
最後に、図５（ｃ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板２の第２の面２ｂにチタン、モリブデン、金からなる金属多層膜を蒸着を形成して第２の電極１６を形成する。
以上のことより、実施例１の半導体レーザ素子１は以下の製造方法によって製造することができる。
【００４１】
リッジ導波路型の半導体レーザ素子は、
半導体基板の第１の面に第１導電型の半導体層からなる第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型の半導体層からなる第２導電型第１クラッド層、第２導電型の半導体層からなるエッチングストップ層、第２導電型の半導体層からなる第２導電型第２クラッド層及び第２導電型の半導体層からなるコンタクト層を順次形成する工程と、
前記コンタクト層及び前記第２導電型第２クラッド層を選択除去して前記エッチングストップ層上に１本のリッジストライプを形成する工程と、
前記リッジストライプの両側の前記エッチングストップ層から前記半導体基板内にまで到達する溝を形成する工程と、
前記リッジストライプの各側面から前記溝を含みかつ前記溝を越えて前記半導体基板側縁に至る部分を覆う絶縁層を形成する工程と、
前記リッジストライプの露出する上面及び前記絶縁層の上面に第１の電極を形成する工程と、
前記第１の電極上に表面が平坦化された金属メッキ層を形成する工程と、
前記半導体基板の前記第２の面に第２の電極を形成する工程とによって製造される。
【００４２】
また、前記半導体基板の第１の面に半導体層を順次形成する工程においては、例えば、半導体基板上にバッファ層，第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型第１クラッド層、エッチングストップ層、第２導電型第２クラッド層及びコンタクト層を順次形成する方法であってもよい。
【００４３】
また、レーザダイオードの特性によっては、コンタクト層から半導体基板の表層部分にまで到達する溝を２本形成して、半導体基板の表層部分からコンタクト層に至る各半導体層によるリッジストライプ部としてもよい。
【００４４】
このような半導体レーザ素子１は、パッケージ（封止容器）に組み込まれて半導体レーザ装置として使用される。図６に半導体レーザ素子１を組み込んだ半導体レーザ装置３０の一例を示す。図７は半導体レーザ装置３０の構成部品であるヒートシンクとヒートシンクにサブマウントを介して固定された半導体レーザ素子を示す斜視図である。図６及び図７において半導体レーザ素子１は模式的に示す。
【００４５】
半導体レーザ装置３０は、第１の面及びこの第１の面の反対面となる第２の面を有する金属板（円板）からなる数ｍｍの厚さのステム３１と、このステム３１の第１の面（図６では上面）を覆うように固定される帽子型のキャップ３２とを有している。このステム３１とキャップ３２によってパッケージ３３が形成される。
【００４６】
キャップ３２の下部はフランジ部３４を有し、このフランジ部３４の下面が図示しない接合材によってステム３１に接続されている。キャップ３２の天井部分３５には穴が設けられるとともに、この穴を透明なガラス板３７で塞ぐことによって窓３８が形成されている。この窓３８からレーザ光がパッケージ３３の外部に放射される。天井部分３５はステム３１の第１の面に対面している。
【００４７】
ステム３１の第１の面の中央から外れた部分には銅製のヒートシンク３９が導電性の蝋材等で固定されている。ヒートシンク３９のステム３１の中央に面する側面の先端側には熱伝導性が良好でかつ導電性のサブマウント４０が接合材４１によって固定されている（図７参照）。サブマウント４０は、例えば、熱伝導率が１４０Ｗ／ｍ・Ｋとなる厚さ２００μｍのＡｌＮで形成されている。サブマウント４０としてはＳｉＣ等でもよい。接合材４１は、例えば、熱伝導率が２４０Ｗ／ｍ・ＫとなるＡｕＳｎが使用される。接合材４１の厚さは３〜７μｍ程度である。接合材４１としてはＳｎＡｇ等でもよい。
【００４８】
サブマウント４０は半導体レーザ素子１よりも大きい矩形板からなっている。半導体レーザ素子１は細長く、その両端からレーザ光を出射するため、細長いサブマウント４０はステム３１に対して垂直な方向でヒートシンク３９に固定される。この結果、半導体レーザ素子１の出射面は窓３８に対面する構造になる。また、図示はしないが、サブマウント４０の表面には、チップ固定部と、このチップ固定部から延在し先端部分が幅広のワイヤ接続パッドとを構成する導体層が設けられている。
【００４９】
一方、ステム３１には３本のリード４５ａ，４５ｂ，４５ｃが固定されている。２本のリード４５ａ，４５ｂは絶縁体４６を介してステム３１に貫通状態で固定されている。残りの１本のリード４５ｃはステム３１の第１の面と反対面となる第２の面に突き合わせ状態で固定され、かつステム３１と電気的に等電位状態になっている。
【００５０】
半導体レーザ素子１は符号は付さないが金属メッキ層１５の平坦面がサブマウント４０の電気的に独立したチップ固定部に導電性の接合材４７を介して固定されている。従って、半導体レーザ素子１の露出する面には第２の電極（ｎ電極）１６が位置する（図７参照）。そこで、第２の電極１６とヒートシンク３９を導電性のワイヤ４８で電気的に接続する。これにより、半導体レーザ素子１の第２の電極（ｎ電極）１６はリード４５ｃに電気的に接続されることになる。また、サブマウント４０の表面に設けられた前述の図示しないチップ固定部から延在した幅広のワイヤ接続パッドと、ステム３１を貫通するリード４５ｂのステム３１の第１の面側に突出する先端とを導電性のワイヤ４９で電気的に接続する。これにより、半導体レーザ素子１の第１の電極（ｐ電極）１４はリード４５ｂに電気的に接続されることになる。
【００５１】
以上のように、ステム３１の第１の面側のヒートシンク３９、リード４５ａ，４５ｂ、サブマウント４０、半導体レーザ素子１及びワイヤ４８，４９は、キャップ３２によって覆われる構造になる。
【００５２】
半導体レーザ装置３０において、リード４５ｂとリード４５ｃ間に所定の電圧を印加すると半導体レーザ素子１の端面からレーザ光が出射され、このレーザ光は窓３８を透過してパッケージ３３の外部に放射されることになる。
【００５３】
本実施例では半導体レーザ素子１の出射面から出射されるレーザ光をパッケージ３３の外部に案内する光学系は窓３８としたが、光ファイバやレンズ等他の光学系でもよい。
【００５４】
図８は半導体レーザ素子１のｐｎ接合（活性層４部分）で発生した熱の熱伝達経路の一部を示す模式的断面図である。半導体レーザ素子１は、金属メッキ層１５の平坦な表面が接合材４７によってサブマウント４０に固定されるため、活性層４部分で発生した熱は、大別すると、図８の矢印で示すような２経路からなる熱伝達経路を経てヒートシンク３９に到達する。また、ヒートシンク３９に到達した熱はステム３１からあるいはステム３１に接続されるキャップ３２からパッケージ３３の外に放熱されることになる。
【００５５】
実施例１の半導体レーザ装置３０における半導体レーザ素子１では、ｐｎ接合がサブマウント４０側に位置することから、「ジャンクションダウン」と呼称される。一つの熱伝達経路は、図８に示すように、活性層４で発生した熱が、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層５、エッチングストップ層６、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層７、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８、第１の電極１４及び金属メッキ層１５と直線的に伝わる経路である。また、他の一つの熱伝達経路は、図８に示すように、活性層４で発生した熱がｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３を通ってｎ−ＧａＡｓ基板２に到達し、かつｎ−ＧａＡｓ基板２内をＵターンして溝１１の底の絶縁層１２、第１の電極１４を通り、溝１１内に位置する金属メッキ層１５を通る経路である。
【００５６】
熱伝達経路の各材料の熱伝導率を示すと以下のとおりである。前記一つの経路における活性層４、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層５、エッチングストップ層６、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層７の熱伝導率はいずれも７Ｗ／ｍ・Ｋとなる。ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８の熱伝導率は４４Ｗ／ｍ・Ｋ、第１の電極１４の熱伝導率は２０４Ｗ／ｍ・Ｋ、金属メッキ層１５の熱伝導率は３１５Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００５７】
前記他の一つの経路における活性層４、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３の熱伝導率はいずれも７Ｗ／ｍ・Ｋとなる。ｎ−ＧａＡｓ基板２の熱伝導率は４４Ｗ／ｍ・Ｋである。絶縁層１２の熱伝導率は１．４Ｗ／ｍ・Ｋである。第１の電極１４の熱伝導率は２０４Ｗ／ｍ・Ｋであり、金属メッキ層１５の熱伝導率は３１５Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００５８】
金属メッキ層１５はＡｕＳｎからなる接合材４７を介してＡｌＮからなるサブマウント４０に固定され、サブマウント４０はＡｕＳｎからなる接合材４１を介して銅のヒートシンク３９に固定される。ヒートシンク３９は銀蝋によって銅からなるステム３１に固定される。キャップ３２も銅である。ＡｕＳｎの熱伝導率は２４０Ｗ／ｍ・Ｋ、サブマウント１４０の熱伝導率は２４０Ｗ／ｍ・Ｋ、銅の熱伝導率は４００Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００５９】
溝１１はｎ−ＧａＡｓ基板２の内部にまで設けられていることと、溝１１内には熱伝導率が４４Ｗ／ｍ・Ｋとなるｎ−ＧａＡｓ基板２に比較して、熱伝導率が３１５Ｗ／ｍ・Ｋとなる金属メッキ層１５が充填されていることから、熱の伝達速度は従来の実施例１のような溝１１を有さない半導体レーザ素子に比較して放熱効果は格段によくなる。
【００６０】
即ち、実施例１の構造では、レーザ駆動時に発生した熱は、図８に示すとおり、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層７（熱伝導率７Ｗ／ｍ・Ｋ）と、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８（熱伝導率４４Ｗ／ｍ・Ｋ）を通って金属メッキ層１５（例えば金の場合、熱伝導率３１５Ｗ／ｍ・Ｋ）に伝わる。また、発生した熱はｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３（熱伝導率７Ｗ／ｍ・Ｋ）を通ってｎ−ＧａＡｓ基板２（熱伝導率４４Ｗ／ｍ・Ｋ）に達した後、溝１１の底を通過して溝１１に充填された金属メッキ層１５を伝わり、サブマウント４０（熱伝導率３９８Ｗ／ｍ・Ｋ）へ放熱される。従って、従来のリッジ導波路型半導体レーザ素子よりも、効率よくサブマウント４０へ放熱することができ、半導体レーザ素子１の温度上昇を抑えることができる。
【００６１】
図９は溝１１の溝深さ及び溝幅の違いによる放熱効果を示す特性図（グラフ）である。このグラフは各モデルを準備し、シミュレーションで求めたものである。シミュレーションはレーザ内部でのジュール発熱と、レーザ端面部分の光吸収による発熱を考慮し、3 次元の熱伝導解析を行った。
【００６２】
図９のグラフの相対放熱効果は下記の数１から求めたものである。
【００６３】
【数１】
2008135629.tif 000003
【００６４】
ここで、Ｔｍａｘは半導体レーザ素子の最大温度、
Ｔｍａｘ１は従来構造のリッジ導波路型半導体レーザ素子の最大温度、
ＴｍａｘＸは各モデルの最大温度、
Ｔｍａｘ２は半導体基板に到達せず半導体基板に重ねて形成される第１導電型のクラッド層にまで幅５μｍの溝を設ける構造の最大温度。
【００６５】
図９のグラフは縦軸を相対放熱効果とし、横軸を溝深さ（μｍ）としたものである。丸印を付けた線が溝幅を５μｍとした半導体レーザ素子の相対放熱効果であり、四角形の印を付けた線が溝幅を１０μｍとした半導体レーザ素子の相対放熱効果であり、三角形の印を付けた線が溝幅を１５μｍとした半導体レーザ素子の相対放熱効果である。
【００６６】
エッチングストップ層６の表面から５μｍになる深さを太い点線で示してある。この５μｍの位置が第１導電型のクラッド層と半導体基板との界面の深さである。従って、図９では溝深さを２段に亘って表示してあるが、上段の表示はエッチングストップ層６の表面からの高さ（深さ）を０μｍとした場合の深さ表示であり、下段の表示は半導体基板の表面の高さ（深さ）を０μｍとした場合の深さ表示である。
【００６７】
溝底が半導体基板の表面深さ（下段の表示の０μｍの深さ）にあり溝幅が５μｍとなる半導体レーザ素子を公知例のクラッド層まで溝を設けたリッジ導波路型半導体レーザ素子とし、相対放熱効果の比較基準とする。シミュレーションによれば、溝底が半導体基板の表層（内部）に到達する構成では、溝幅が５μｍ、１０μｍ、１５μｍとなるいずれの半導体レーザ素子でも溝深さの増大に伴って相対放熱効果が増大することがわかる。また、クラッド層まで溝のある構造の半導体レーザ素子でも、溝幅を１０μｍにすると相対放熱効果は１．５５程度となり、溝幅を１５μｍにすると相対放熱効果は１．７５程度となる。これにより、溝幅を広くすることによっても相対放熱効果が増大することがわかる。
【００６８】
溝深さが１０μｍ以上であり、かつ溝幅が１０μｍまたは１５μｍとなる半導体レーザ素子の場合、クラッド層まで溝を設けた半導体レーザ素子に比較して相対放熱効果は２倍以上となる。そこで、相対放熱効果を２倍以上にするためには溝深さは１０μｍ以上とすることが望ましい。シミュレーションでは半導体基板の表面からの深さ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍでの相対放熱効果をモデルとの関係から求めたが、半導体基板の表面からの深さが２５μｍ程度で相対放熱効果が飽和すると推定できる。
【００６９】
一方、半導体レーザ素子のサブマウントへの搭載の安定性、半導体レーザ素子の幅が１８０μｍ程度であること等を考慮し、溝幅の上限を３０μｍ程度と設定する。
【００７０】
これにより、相対放熱効果を２以上とする条件で、半導体基板の表面からの溝１１の溝深さを５μｍ〜２５μｍとし、溝幅を１０μｍ〜３０μｍとする。
【００７１】
実施例１によれば以下の効果を有する。
（１）リッジストライプ部１０の両側に設けられる溝１１はエッチングストップ層６を貫通して半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ基板２）の表層（内部）まで設けられている。そして、これら溝１１内には、サブマウント４０に接合材４７を介して固定される金属メッキ層１５が埋め込まれている。活性層４部分で発生した熱のサブマウント４０に至る経路は複数存在する。一つは第２導電型第１クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層）５、エッチングストップ層６、第２導電型第２クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層）７、コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓコンタクト層）８、第１の電極１４及び金属メッキ層１５を経由するものである。一つはｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層５、絶縁層１２、第１の電極１４及び溝１１内のものをも含む金属メッキ１５層を経由するものである。一つは第１導電型クラッド層（ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層）３、絶縁層１２、第１の電極１４及び溝１１内のものをも含む金属メッキ層１５を経由するものである。一つはｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、ｎ−ＧａＡｓ基板２、絶縁層１２、第１の電極１４及び溝１１底内のものをも含む金属メッキ層１５を経由するものである（この経路を半導体基板・溝底経由と呼称）。これら４つの熱伝達経路のうち、前記半導体基板・溝底経由の熱伝達経路は、従来のリッジ導波路型半導体レーザ素子の半導体基板を経由する熱伝達経路に比較して熱伝導が良好になり、放熱性が良好になる。
【００７２】
即ち、従来の構造では、本発明の前記半導体基板・溝底経由に相当する活性層部分からヒートシンクに至る熱伝達経路は、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ｎ−ＧａＩｎＰバッファ層を通ってｎ−ＧａＡｓ基板に到達し、ｎ−ＧａＡｓ基板を流れた後再び積層体、電流阻止層及びメッキ給電用金属層を通過してメッキ金属層に至る経路である。
【００７３】
本発明の構造及び従来の構造も前記半導体基板・溝底経由に相当する熱伝達経路をＵ字状の曲線を描く同じ経路と仮定する。この場合、従来構造はそのＵ字状経路は主として半導体部分を通るのに対して、本発明の場合は溝を半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ基板２）内（表層）にまで到達させる構造となることから、一部は半導体よりも熱伝導率が大幅に良好となる金属メッキ層１５を通ることになり、従来構造に比較して熱の伝導性（伝達性）が格段に良好になる。即ち、各半導体層を形成するＡｌＧａＩｎＰの熱伝導率は７Ｗ／ｍ・Ｋであり、ＧａＡｓの熱伝導率は４４Ｗ／ｍ・Ｋである。これに対して、金属メッキ層（メッキ金属層）を形成する金の熱伝導率は３１５Ｗ／ｍ・Ｋと半導体に比較して大幅に熱伝導率は大きい。
【００７４】
この結果、本発明の半導体レーザ素子１を半導体レーザ装置３０に使用することによって、半導体レーザ装置３０の動作時の熱の放散性が良好となり、半導体レーザ装置３０は特性が安定した動作をするようになる。
【００７５】
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の実施例１である半導体レーザ素子の概要を示す一部の断面図である。
【図２】実施例１の半導体レーザ素子の斜視図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図である。
【図４】実施例１の半導体レーザ素子の製造方法において、多層成長工程から溝形成工程までを示す各工程における半導体基板の模式的断面図である。
【図５】実施例１の半導体レーザ素子の製造方法において、絶縁層形成工程から金属電極層形成工程までを示す各工程における半導体基板の模式的断面図である。
【図６】実施例１の半導体レーザ素子を組み込んだ半導体レーザ装置の一部を切り欠いた斜視図である。
【図７】前記半導体レーザ装置の構成部品であるヒートシンクとヒートシンクにサブマウントを介して固定された半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図８】実施例１の半導体レーザ素子で発生した熱の熱伝達経路の一部を示す模式的断面図である。
【図９】溝の溝深さ及び溝幅の違いによる放熱効果を示す特性図（グラフ）である。
【符号の説明】
【００７７】
１…半導体レーザ素子、２…半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ基板）、２ａ…第１の面、２ｂ…第２の面、３…第１導電型クラッド層（ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層）、４…活性層、５…第２導電型第１クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層）、６…エッチングストップ層、７…第２導電型第２クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層）、８…コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓコンタクト層）、１０…リッジストライプ部、１１…溝（分離溝）、１２…絶縁層、１３…リッジストライプ（リッジ）、１４…第１の電極、１５…金属メッキ層、１６…第２の電極、２０…ＰＳＧマスク、２１…マスク、３０…半導体レーザ装置、３１…ステム、３２…キャップ、３３…パッケージ、３４…フランジ部、３５…天井部分、３７…ガラス板、３８…窓、３９…ヒートシンク、４０…サブマウント、４１…接合材、４５ａ，４５ｂ，４５ｃ…リード、４６…絶縁体、４７…接合材、４８，４９…ワイヤ。
【図１】
2008135629.tif 000004
【図２】
2008135629.tif 000005
【図３】
2008135629.tif 000006
【図４】
2008135629.tif 000007
【図５】
2008135629.tif 000008
【図６】
2008135629.tif 000009
【図７】
2008135629.tif 000010
【図８】
2008135629.tif 000011
【図９】
2008135629.tif 000012