(57)【要約】【課題】組立時の熱ストレスの影響を受けることなく、設計どおり基本モードで発振させることができる半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】この半導体レーザ装置１０は、金属製のステム２と、ステムの一方の面に接合されたリッジ型半導体レーザチップ１とを備え、リッジ型半導体レーザチップは、ステムに接合されている第１電極層１１と、第１電極層の上に順に積層された、第１導電型の基板１２と、第１導電型の第１クラッド層１３と、活性層１４と、少なくとも層厚が２段階の部分を有する第２導電型の第２クラッド層１５と、第２クラッドの２段階の部分のうち相対的に層厚が薄い部分を覆う絶縁体層１７と、第２クラッド層の２段階の部分のうち相対的に層厚が厚い部分で電気的に接続された第２電極１８とを備えると共に、横基本モードのレーザ光を発振する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製のステムと、
前記ステムの一方の面に接合されたリッジ型半導体レーザチップと
を備え、
前記リッジ型半導体レーザチップは、前記ステムに接合されている第１電極層と、前記第１電極層の上に順に積層された、第１導電型の基板と、第１導電型の第１クラッド層と、活性層と、少なくとも層厚が２段階の部分を有する第２導電型の第２クラッド層と、前記第２クラッドの前記２段階の部分のうち相対的に層厚が薄い部分を覆う絶縁体層と、前記第２クラッド層の前記２段階の部分のうち相対的に層厚が厚い部分で電気的に接続された第２電極とを備えると共に、横基本モードのレーザ光を発振することを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記ステムと前記リッジ型半導体レーザチップとの間にサブマウントを介在させたことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記半導体レーザチップの前記第２電極は、１μｍ以上の層厚を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記リッジ型半導体レーザチップは、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザチップを備えた半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスク書き込み用の半導体レーザ装置は、通常、半導体レーザチップを金属製のステムの上に直接又は間接に配置して構成されている。光ディスク書き込み用高出力レーザの例として、ＡｌＧａＩｎＰ系赤色高出力レーザ装置の構成例を図９に示す。この半導体レーザ装置６０は、鉄等からなるステム５２と、該ステム５２の上にサブマウント５３を介して配置された半導体レーザチップ５１とを備える。このサブマウント５３は、半導体レーザチップ５１とステム５２の線熱膨張係数差により発生する熱応力を緩和するために挿入される。半導体レーザチップ５１とサブマウント５３、サブマウント５３とステム５２の間の接着には、通常、高融点の金錫（Ａｕ−Ｓｎ）系合金半田が用いられる。また、光ディスク書き込み用などの数十ｍＷ以上の高出力動作が必要な場合にはレーザ発光領域５４の温度上昇を抑制する必要がある。このために、図１０に示すように、端面のレーザ発光領域５４と連続する導波路部分６５を半導体レーザチップ５１の全体の厚さの１／２よりも近い距離となるようにサブマウント５３に接合する。このような半導体レーザチップ５１とサブマウント５３との構造を、いわゆるジャンクションダウン構造という。
【０００３】
図１０は、図９の半導体レーザチップ５１の拡大図である。この半導体レーザチップ５１は、ｎ側電極６１の一方の面に順に積層された、ｎ型（以下ｎ−と略す）ＧａＡｓ基板６２、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６３、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層６４、ｐ型（以下、ｐ−と略す）ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６５、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層６６、ＳｉＮ絶縁膜６７、及びｐ側電極６８とから構成される。このｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６５には、ストライプ状の凸部６４を有する。また、該クラッド層６５を覆うＳｉＮ絶縁膜６７には、ストライプ状の凸部６４部分のみに電流を流すために穴があけられている。ｐ側電極６８は、オーミック接触用金属並びに金（Ａｕ）メッキ層で形成されている。なお、半導体レーザチップ５１をサブマウント５２にダイボンド接合するために高融点のＡｕ−Ｓｎ系合金半田５５が用いられている。
【０００４】
ところで、光ディスク用途には、レーザ光を小さなスポットに集光する必要がある。このように小さなスポットに集光するためには、レーザ光を横基本モードで発振させる必要がある。図９及び図１０に示す半導体レーザ装置６０では、光軸に垂直であって活性層６４に平行な方向、いわゆる左右方向についてもレーザ光を閉じ込めてストライプ幅Ｗの範囲で導波させている。即ち、ストライプ状の凸部７０における垂直方向の等価屈折率（ｎ１）と、ストライプ状の凸部７０の両側における垂直方向の等価屈折率（ｎ２）の差（△ｎ＝ｎ１−ｎ２）を所定値としている。これによって、ストライプ状の凸部７０に対応するストライプ幅Ｗの範囲にレーザ光を閉じ込めて導波させている。
【０００５】
上記ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６３、多重量子井戸活性層６４、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６５からなる３層ストライプ導波路において、該活性層６４のレーザ発光領域５４からレーザ光を基本モードで発振させるためには、図１１の高次モードのカットオフ条件を満足する必要がある。上記３層の屈折率はそれぞれｎ２、ｎ１、ｎ２である。図１１には、ストライプ幅Ｗと、ストライプ状の凸部６４の両側のｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層９の厚さｄとをパラメータとした場合の高次モードのカットオフカーブを実線で示している。このカットオフカーブよりクラッド層６５の厚さが厚い領域が基本モードのみが許される領域となる。レーザ光を基本モードで発振させるために、例えば、図１１に示すように、設計ポイントは、カットオフカーブの上部の基本モードを発振する範囲に設定される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記半導体レーザ装置６０では、半導体レーザチップ５１をステム５２上に組み立てる際のダイボンド時に半田５５と半導体レーザチップ５１の電極６８と反応する。この反応によって熱応力による組み立てストレスを生じ、この組み立てストレスのために、高次モードのカットオフ条件がシフトしてしまう。このためあらかじめ設定された設計ポイントがカットオフ条件から外れ、基本モードを発振させることができなくなる。
【０００７】
まず、ｐ側電極６８と半田５５とが反応し、熱応力を生じる機構について、図１２から図１３を用いて説明する。図１２は、大気圧下における金錫合金系の２元相図であり、図１３は、図１２のうち、共晶組成（Ａｕ：Ｓｎ＝７１：２９）近傍の拡大図である。上記半導体レーザ装置６０では、上述のように、ｐ側電極１８に金系材料、半田５に高融点の金錫合金系共晶半田（Ａｕ：Ｓｎ＝７１：２９）が用いられる。この場合、半導体レーザチップ５１をサブマウントにダイボンドする際、共晶組成の半田５５を昇温すると、図１３の共晶点Ａで液相となる。一方、ｐ側電極６８と半田５５との界面において金が過剰となっているため、図１３に示すように、ｐ側電極６８から液相の半田５５へ金が取り込まれて、組成が金：錫＝７：３の点Ｂから金リッチ側の組成Ｃに移行し、その後、固相のζ相やβ相を生じる。このため、３５０℃程度のダイボンド温度においてｐ側電極６８のほとんど全てがζ相やβ相に変化する場合がしばしばある。さらに高温になると、点Ｄから点Ｅへの経路をたどる。このように、半導体レーザ装置６０の組み立て時に、半導体レーザチップ５１とサブマウント５３とをダイボンド接合するために半田５５を用いた接合の際の熱処理過程により、接合面に比較的近いレーザ発光領域５４近傍の導波路部分６５は、熱応力を受けやすい。
【０００８】
次に、高次モードのカットオフ条件がシフトする機構について、図１１を用いて説明する。図９で示すように、この半導体レーザ装置６０では、レーザ発光領域４の近傍の半導体レーザチップ５１の表面（エピタキシャル面側）が平坦ではない構造が採用されている。また、ｐ側電極６８に用いられている金属の線熱膨張係数（金で１．５×１０−５）は、その他の部材の半導体の線熱膨張係数（ＧａＡｓで５．７×１０−６）、サブマウント（ＡｌＮで４．４×１０−６）等に比べて大きい。そのため、上述のようにダイボンド時において、ｐ側電極６８が金錫合金のζ相やβ相などに移行した場合、ストライプ状の凸部７０において大きな引張応力が発生する。一方、ストライプ状の凸部７０の両脇の領域においては圧縮応力が発生する。一般に半導体に引張応力が印加されると屈折率は大きくなり、圧縮応力が印加されると屈折率は小さくなる。従って、図９もしくは図１０に示すようにジャンクションダウン構造で半導体レーザ装置６０を組み立てると、△ｎが設計値より大きくなり、カットオフカーブが図１１中の破線で示すように上方向にシフトする。このシフト量は、使用する半田５５や組立時に受ける熱ストレスにより変動するが、ジャンクションダウン構造の場合、必ずカットオフカーブは上方向に移動する。シフト量が大きい場合には図１１に示すように設計ポイントがカットオフ条件を割り込み、基本モードでの発振が不可能になるという問題点があった。また、シフト量が小さく、設計ポイントがカットオフ条件をクリアしている場合でも、高出力動作時にはストライプ状の凸部７０およびレーザ発光領域５４の温度がさらに上昇するため△ｎが設計値よりも大きくなる（カットオフ条件がグラフ上で上方に移動する）。このために、カットオフ条件を割り込み、基本モードの発振が不可能になると言う問題点があった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、組立時の熱ストレスの影響を受けることなく、設計どおり基本モードで発振させることができる半導体レーザ装置を提供することである。また、高出力動作時にも基本モードで発振させることができる半導体レーザ装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体レーザ装置は、金属製のステムと、
前記ステムの一方の面に接合されたリッジ型半導体レーザチップと
を備え、
前記リッジ型半導体レーザチップは、前記ステムに接合されている第１電極層と、前記第１電極層の上に順に積層された、第１導電型の基板と、第１導電型の第１クラッド層と、活性層と、少なくとも層厚が２段階の部分を有する第２導電型の第２クラッド層と、前記第２クラッドの前記２段階の部分のうち相対的に層厚が薄い部分を覆う絶縁体層と、前記第２クラッド層の前記２段階の部分のうち相対的に層厚が厚い部分で電気的に接続された第２電極とを備えると共に、横基本モードのレーザ光を発振することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の半導体レーザ装置は、前記半導体レーザ装置であって、前記ステムと前記リッジ型半導体レーザチップとの間にサブマウントを介在させたことを特徴とする。
【００１２】
さらに、本発明の半導体レーザ装置は、前記半導体レーザ装置であって、前記半導体レーザチップの前記第２電極は、１μｍ以上の層厚を有することを特徴とする。
【００１３】
またさらに、本発明の半導体レーザ装置は、前記半導体レーザ装置であって、前記リッジ型半導体レーザチップは、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る半導体レーザ装置について、添付図面を用いて説明する。なお、図面において、実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
【００１５】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置について、図１及び図２を用いて説明する。この半導体レーザ装置１０は、図１に示すように、ストライプ状の凸部を有するリッジ型半導体レーザチップ１をステム２の上にダイボンド接合して構成されている。また、半導体レーザチップ１のレーザ発光領域４がステム２との接合面から相対的に遠い側となる、いわゆるジャンクションアップ構造で構成している。この半導体レーザ装置では、半導体レーザチップにおいてストライプ状の凸部２０という応力の影響を受けやすい導波路構造を有する。しかし、半導体レーザ装置１０に組み立てる際には、レーザ発光領域４が接合面から遠いので、ダイボンド時の材料間の線熱膨張係数差によって生じる熱ストレスを半導体レーザチップ１の下部で吸収させることができる。そのため、該熱ストレスはレーザ発光領域４近傍に位置する導波路に影響を与えない。従って、半導体レーザ装置１０の組立時の熱ストレスの影響を受けることなく、設計どおり基本モードで発振させることができる。更には高出力動作時にも同様に熱ストレスの影響を抑制できるので、基本モードで発振させることができる。また、半導体レーザチップ１を直接ステム３の上にダイボンド接合しているので、熱抵抗の増大を招く構造物を介在させていないので、半導体レーザ装置１０の熱抵抗を低くできる。そこで、この半導体レーザ装置１０は、光ディスク書き込み用高出力レーザ装置として用いることができる。
【００１６】
なお、この半導体レーザ装置１０は、半導体レーザチップ１をステム２の上にジャンクションアップ構造となるように接合している。そのため、半田５にＡｕ−Ｓｎ高融点半田を用い、ｎ側電極１１に金メッキ等の金系電極を用いた場合には、上述した従来例と同様にして半田５とｎ側電極１１とは互いに反応する。そのため、ｎ側電極１１近傍では高温側で析出する固相による熱応力が生じる。しかし、ジャンクションアップ構造を採用しているので、端面のレーザ発光領域４に連続する導波路部分１４及びストライプ状の凸部２０は、ステム２との接合面から半導体レーザチップ１の全体の厚さの１／２よりも遠く離れている。このため、上記熱応力の影響を受けない。
【００１７】
また、ステム２には、通常は鉄（Ｆｅ）や銅タングステン合金（ＣｕＷ）などを用いることができる。また、半導体レーザチップ１とステム３の間の接着には半田５を用いる。半田５には、例えば、高融点のＡｕ−Ｓｎ系合金半田を用いてもよい。
【００１８】
この半導体レーザ装置を構成する半導体レーザチップ１について、図２を用いて説明する。図２は、図１の半導体レーザ装置１０を構成する半導体レーザチップ１の拡大図である。この半導体レーザチップ１は、ｎ側電極１１の上に順に積層された、ｎ−ＧａＡｓ基板１２、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１３、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１４、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１５、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１６、ＳｉＮ絶縁膜１７、ｐ側電極１８によって構成されている。上記多重量子井戸活性層１４は、ＩｎＧａウエル層、ＡｌＧａＩｎＰバリア層、ＡｌＧａＩｎＰバリア層（いずれも図示せず）からなる。また、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１５は、少なくとも層厚が２段階の部分を有し、この２段階の部分のうち相対的に層厚が厚い部分によってストライプ状の凸部２０が構成されている。このストライプ状の凸部２０を含むｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１５は構造上、応力に影響されやすい。また、該ストライプ状の凸部２０に対応する活性層１４は端面にレーザ発光領域４を有する。さらに、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１５の上記２段階の部分のうち相対的に層厚の薄い部分を覆うＳｉＮ絶縁膜１７には、相対的に層厚の厚いストライプ状の凸部２０部分のみに電流を流すために穴があけられている。なお、ｐ側電極１８は、オーミック接触用金属並びに金（Ａｕ）メッキ層で形成されている。
【００１９】
なお、この半導体レーザチップ１は、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる。この場合、図１１に示す高次モードのカットオフ条件を満たすようにストライプ状の凸部２０の幅Ｗと、凸部２０の両側のｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１５の厚さｄとの組み合わせを適宜選択することで横基本モードのレーザ光を発振させることができる。
【００２０】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ装置について、図３及び図４を用いて説明する。この半導体レーザ装置は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置と比較すると、図３に示すように、半導体レーザチップ１をステム２に直接ダイボンド接合するのではなく、ステム２との間に介在させたサブマウント３にダイボンド接合している点で相違する。このサブマウント３は、半導体レーザチップ１とステム３の線熱膨張係数差により発生する熱応力を緩和するために挿入される。このサブマウント３には、炭化珪素（ＳｉＣ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等が用いられる。ステム２と半導体レーザチップ１との間にサブマウント３を介在させることによって、材料間の線熱膨張係数差によって生じる熱応力を緩和することができる。
【００２１】
なお、この半導体レーザ装置１０においても実施の形態１に係る半導体レーザ装置と同様に、半導体レーザチップ１のレーザ発光領域４がサブマウント２との接合面から相対的に遠い側に設置するいわゆるジャンクションアップ構造を採用している。そこで、ダイボンド時に発生する材料間の線熱膨張係数差に起因する熱ストレスは半導体レーザチップ１の下部で吸収され、該熱ストレスはレーザ発光領域４近傍に位置する導波路に影響を与えない。従って、組立時の熱ストレスの影響をうけることなく、設計どおり基本モードで発振させることができる。更には高出力動作時にも熱ストレスの影響を抑制することができるので、基本モードで発振する半導体レーザ装置を得ることができる。
【００２２】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ装置について、図５及び図６を用いて説明する。この半導体レーザ装置１０は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置と比較すると、図５に示すように、半導体レーザチップ１の上面のｐ側電極１８ａを層厚が１μｍ以上、好ましくは２〜５μｍ程度の厚膜電極としている点で相違する。このように厚膜電極の層厚を１μｍ以上とすることによって放熱性をより向上させることができる。
【００２３】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る半導体レーザ装置について、図７及び図８を用いて説明する。この半導体レーザ装置１０は、実施の形態２に係る半導体レーザ装置と比較すると、図７に示すように、半導体レーザチップ１の上面のｐ側電極１８ａを層厚が１μｍ以上、好ましくは２〜５μｍ程度の厚膜電極としている点で相違する。このように厚膜電極の層厚を１μｍ以上とすることによって放熱性をより向上させることができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明に係る半導体レーザ装置によれば、半導体レーザチップのレーザ発光領域がステムとの接合面から相対的に遠い側となる、いわゆるジャンクションアップ構造で構成している。また、第２クラッド層の相対的に層厚が厚い部分の幅Ｗ及び該層厚が厚い部分の両側の層厚ｄとは、横基本モードのレーザ光の発振条件に設計されている。一方、この半導体レーザ装置では、半導体レーザチップにおいてストライプ状の凸部という応力の影響を受けやすい導波路構造を有する。しかし、半導体レーザ装置に組み立てる際には、レーザ発光領域が接合面から遠いので、ダイボンド時の材料間の線熱膨張係数差によって生じる熱ストレスを半導体レーザチップの下部で吸収させることができる。そのため、該熱ストレスはレーザ発光領域近傍に位置する導波路に影響を与えない。従って、半導体レーザ装置の組立時の熱ストレスの影響を受けることなく、設計どおり基本モードで発振させることができる。更には高出力動作時にも熱ストレスの影響を抑制できるので、基本モードで発振する半導体レーザ装置を得ることができる。
【００２５】
本発明に係る半導体レーザ装置によれば、半導体レーザチップをステムに直接ダイボンド接合するのではなく、ステムとの間に挿入したサブマウントにダイボンド接合している。このサブマウントをステムとの間に挿入することによって、材料間の線熱膨張係数差によって生じる熱応力を緩和することができる。
【００２６】
また、本発明に係る半導体レーザ装置によれば、半導体レーザチップの上面の第２電極を層厚が１μｍ以上の厚膜電極としている。このように厚膜電極の層厚を１μｍ以上とすることによって放熱性をより向上させることができる。
【００２７】
またさらに、本発明に係る半導体レーザ装置によれば、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるリッジ型半導体レーザチップを用いている。この場合、高次モードのカットオフ条件を満たすようにストライプ状の凸部の幅Ｗと、該凸部の両側のｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層の厚さｄとの組み合わせを適宜選択することで横基本モードのレーザ光を発振させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置の側面図である。
【図２】図１の半導体レーザ装置における半導体レーザチップの拡大側面図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ装置の側面図である。
【図４】図３の半導体レーザ装置における半導体レーザチップの拡大側面図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ装置の側面図である。
【図６】図５の半導体レーザ装置における半導体レーザチップの拡大側面図である。
【図７】本発明の実施の形態４に係る半導体レーザ装置の側面図である。
【図８】図７の半導体レーザ装置における半導体レーザチップの拡大側面図である。
【図９】従来の半導体レーザ装置の側面図である。
【図１０】図９の半導体レーザ装置における半導体レーザチップの拡大側面図である。
【図１１】ストライプ状凸部を有する半導体レーザチップの凸部の幅Ｗ及び該凸部の両脇のクラッド層厚さｄと発振モードとの関係を示すグラフである。
【図１２】Ａｕ−Ｓｎ合金の大気圧下における２元相図である。
【図１３】図１２の２元相図中、共晶点組成（Ａｕ７１％、Ｓｎ２９％）のＡｕ−Ｓｎ合金の温度履歴の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１　半導体レーザチップ、２　ステム、３　サブマウント、４　レーザ発光領域、５　半田、１０　半導体レーザ装置、１１　ｎ側電極、１２　ｎ−ＧａＡｓ基板、１３　ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１４　多重量子井戸活性層、１５　ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１６　ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、１７　ＳｉＮ絶縁膜、１８　ｐ側電極、２０　凸部、５１　半導体レーザチップ、５２　ステム、５３　サブマウント、５４　レーザ発光領域、５５　半田、６０　半導体レーザ装置、６１　ｎ側電極、６２　ｎ−ＧａＡｓ基板、６３　ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、６４　多重量子井戸活性層、６５　ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、６６　ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、６７　ＳｉＮ絶縁膜、６８　ｐ側電極、７０　凸部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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