(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上面に、活性層を含む半導体層が形成された、半導体レーザ素子であって、
前記半導体層は、前方側において前記活性層の共振器端面と前記基板の端面と面一となり、後方側において前記基板の上面が露出するように、前記基板の上面の一部に形成され、
前記基板の前記上面が、前記半導体層の下面よりも大きな面積を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記半導体層の両側において前記基板の上面が露出するように前記基板上に前記半導体層が形成された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】
前記基板は炭化珪素からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記基板は所定導電型の半導体からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記半導体層は、III 族窒化物系半導体層であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
放熱部材と、
前記放熱部材上に取り付けられた請求項１〜５のいずれかに記載の半導体レーザ素子とを備えたことを特徴とする半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子およびその半導体レーザ素子を備えた半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体レーザ装置には、半導体レーザ素子を直接ステムに固定するものと、半導体レーザ素子をサブマウントを介してステムに固定するものとがある。さらに、半導体レーザ素子のｐｎ接合側（基板と反対側）をステムまたはサブマウント側に接着するジャンクションダウン組み立てと、半導体レーザ素子の基板側をステムまたはサブマウント側に接着するジャンクションアップ組み立てとがある。
【０００３】
図１０は、半導体レーザ素子が直接ステムに固定された従来の半導体レーザ装置の構成を示す模式的斜視図である。
【０００４】
図１０の半導体レーザ装置においては、銅等により形成されるステム６０の上面に半導体レーザ素子６２が融着剤６１により接着されている。
【０００５】
半導体レーザ素子６２は、基板６２ａ上に半導体層６２ｂが形成されてなる。半導体層６２ｂには活性層が含まれている。
【０００６】
図１０の例は、ジャンクションアップ組み立てであり、半導体レーザ素子６２の基板６２ａがステム６０に接着されている。
【０００７】
図１１は、半導体レーザ素子がサブマウントを介してステムに固定された従来の半導体レーザ装置の構成を示す模式的斜視図である。
【０００８】
図１１の半導体レーザ装置においては、銅等により形成されるステム６０の上面に融着剤７１によりサブマウント７２が接着され、サブマウント７２の上面に融着剤７３により半導体レーザ素子６２が接着されている。
【０００９】
図１１の例は、ジャンクションアップ組み立てであり、半導体レーザ素子６２の基板６２ａがサブマウント７２に接着されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示す半導体レーザ装置のように半導体レーザ素子６２が直接ステム６０に固定される場合、１回の工程でステム６０に半導体レーザ素子６２を固定することができるので、組み立て工程が簡略化される。
【００１１】
しかし、半導体レーザ素子６２の基板６２ａとステム６０との熱膨張係数の差が大きいため、半導体レーザ素子６２がレーザ光を出射するときに発熱すると、半導体レーザ素子６２に応力が加わる。その結果、半導体レーザ素子６２の特性が劣化する場合がある。
【００１２】
一方、図１１に示す半導体レーザ装置のように半導体レーザ素子６２がサブマウント７２を介してステム６０に固定される場合、サブマウント７２には熱伝導率が高く、熱膨張係数が半導体レーザ素子６２に近い材料が選択される。サブマウント７２は、例えばＳｉ（シリコン）、ＳｉＣ（炭化シリコン）、ダイヤモンドまたはＡｌＮ（窒化アルミニウム）等で形成される。それにより、半導体レーザ素子６２とサブマウント７２との間の熱膨張係数差に起因する特性の劣化を防ぐことができる。
【００１３】
しかし、半導体レーザ素子６２をステム６０に固定するために、半導体レーザ素子６２をサブマウント７２に接着する工程と、サブマウント７２をステム６０に接着する工程とが必要になるため、組み立て工程数が多く、それに伴って組み立て精度が悪くなる。
【００１４】
ところで、図１０および図１１に示した半導体レーザ装置は、いずれもジャンクションアップ組み立てである。そのため、半導体レーザ素子６２の半導体層６２ｂが基板６２ａを介してヒートシンクとして機能するステム６０およびサブマウント７２に接合されるため、半導体層６２ｂの放熱特性が悪い。
【００１５】
一方、放熱特性を良くするために半導体レーザ装置をジャンクションダウン組み立てにすると、半導体層６２ｂがステム６０やサブマウント７２側に配置されるので、融着剤６１，７３が半導体層６２ｂのｐｎ接合近傍に位置する。そのため、半導体層６２ｂのｐｎ接合部に融着剤６１，７３が付着しやすくなり、半導体レーザ装置が不良となる可能性が大きくなる。したがって、組み立てが容易でなく、組み立て歩留りが悪くなる。
【００１６】
窒化物半導体レーザ素子の場合、半導体層は絶縁性のサファイア基板または導電性のＳｉＣ（炭化シリコン）基板上に形成される。
【００１７】
絶縁性のサファイア基板を用いた場合、サファイア基板の裏面に電極が形成できないため、ジャンクションダウン組み立てにすることは困難である。そのため、ジャンクションアップ組み立てになるが、サファイア基板の熱伝導率が低いため、基板側からの放熱効果が低く、熱により半導体レーザ素子の特性が劣化しやすくなる。
【００１８】
導電性のＳｉＣ基板を用いると、ＳｉＣ基板の裏面に電極を形成してジャンクションダウン組み立てにすることができるが、半導体層のｐｎ接合近傍に融着剤が存在するため、組み立て歩留りが悪くなる。
【００１９】
本発明の目的は、簡単な組み立て工程で良好な放熱特性を有し、かつ歩留りが高い半導体レーザ素子およびそれを備えた半導体レーザ装置を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明に係る半導体レーザ素子は、基板の上面に、活性層を含む半導体層が形成され、基板の上面が、半導体層の下面よりも大きな面積を有するものである。
【００２１】
本発明に係る半導体レーザ素子においては、基板の上面の面積が半導体層の下面の面積よりも大きい。それにより、基板の上面には露出した領域が形成されるとともに、基板全体の表面積が大きくなる。したがって、基板がヒートシンクとして作用し、半導体層の放熱特性が向上する。その結果、発熱による半導体レーザ素子の特性の劣化が抑制される。
【００２２】
また、ヒートシンクとして作用する基板と半導体素子とが一体化されているので、半導体層からヒートシンクまでの距離が短くなる。そのため、基板をステムにジャンクションアップ組み立てで接着しても高い放熱特性を確保することができる。したがって、簡単な組み立て工程で発熱による半導体レーザ素子の特性の劣化を抑制することができる。
【００２３】
さらに、基板がサブマウントを兼ねるので、基板の材料に熱膨張係数が半導体層に近いものを選択することにより、基板をステムに直接接着した場合に、熱膨張係数差による応力の発生を抑制して半導体レーザ素子の特性の劣化を防止することができる。
【００２４】
また、サブマウントを兼ねる基板が半導体層に一体化されているので、サブマウントを有する半導体レーザ素子を１回の工程でステム上に固定することができる。したがって、組み立て精度が高く、組み立て歩留りが高くなる。
【００２５】
基板は炭化珪素からなることが好ましい。炭化珪素は、高い熱伝導率を有し、かつ半導体層と同程度の熱膨張係数を有する。したがって、半導体層の放熱特性がさらに向上するとともに、基板と半導体層との間の熱膨張係数差に起因する応力の発生を抑制することができる。
【００２６】
基板は所定導電型の半導体からなることが好ましい。それにより、基板の裏面に電極を形成することが可能になる。その結果、配線工程が簡単になる。
【００２７】
半導体層の活性層の一方の共振器端面が基板の端面と面一に形成されることが好ましい。これにより、活性層の一方の共振器端面から出射したレーザ光の一部が基板に当たることが防止される。
【００２８】
半導体層の一方の共振器端面の前方側および他方の共振器端面の後方側に基板の上面が露出するように基板上に半導体層が配置されてもよい。これにより、半導体層の一方の共振器端面の前方側および他方の共振器端面の後方側に基板の上面が露出するので、半導体層の一方の共振器端面側および他方の共振器端面側の放熱特性が均一になる。
【００２９】
第２の発明に係る半導体レーザ装置は、放熱部材と、放熱部材上に取り付けられた上記いずれかの半導体レーザ素子とを備えたものである。
【００３０】
本発明に係る半導体レーザ装置においては、放熱部材上に上記の半導体レーザ素子が設けられているので、簡単な組み立て工程で良好な放熱特性が得られるとともに組み立て歩留りが高くなる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施例における半導体レーザ装置の構成を示す模式的斜視図である。
【００３２】
図１の半導体レーザ装置においては、ステム５０の上面に半導体レーザ素子５２が融着剤５１により接着されている。ステム５０は放熱特性を良くするために、銅またはコバール等の熱伝導率の高い材料で形成される。融着剤５１は、Ｉｎ（インジウム）またはＳｎ（錫）等のはんだ材からなる。
【００３３】
半導体レーザ素子５２は、基板５２ａ上に半導体層５２ｂが形成されてなる。基板５２ａは、ｎ型のＳｉＣからなる。半導体層５２ｂは、例えばＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）、ＢＮ（窒化ホウ素）もしくはＴｌＮ（窒化タリウム）またはこれらの混晶等のIII −Ｖ族窒化物系半導体により形成される。それにより、半導体レーザ素子５２が青色または青紫色のレーザ光を出射する。
【００３４】
半導体層５２ｂには活性層が含まれている。図１の例は、ジャンクションアップ組み立てであり、半導体レーザ素子５２の基板５２ａがステム５０に接着されている。半導体層５２ｂの前端面５３ｂに共振器端面が配置されている。基板５２ａの前端面５３ａは半導体層５２ｂの前端面５３ｂと面一に形成されている。
【００３５】
基板５２ａの長さｄ１は、半導体層５２ｂの長さ（共振器長の方向の長さ）ｄ２よりも長い。それにより、半導体層５２ｂの後方側に基板５２ａの上面が露出する。
【００３６】
半導体レーザ素子５２から出射されるレーザ光の方向を設定するため、半導体レーザ装置の組み立ての際に、基板５２ａの前端面がステム５０の前端面と面一に配置される。
【００３７】
基板５２ａの長さｄ１が半導体層５２ｂの長さｄ２より大きいので、基板５２ａの上面の面積が半導体層５２ｂの下面の面積よりも大きくなる。また、ＳｉＣからなる基板５２ａは高い熱伝導率を有する。そのため、基板５２ａがヒートシンクとして機能する。それにより、半導体レーザ素子５２の放熱特性が良好となる。
【００３８】
また、ヒートシンクとして機能する基板５２ａと半導体層５２ｂとが一体化されているので、半導体層５２ｂからヒートシンクまでの距離が短くなり、ジャンクションダウン組み立てを用いることなく、高い放熱特性を確保することができる。
【００３９】
さらに、ＳｉＣからなる基板５２ａの熱膨張係数がIII −Ｖ族窒化物系半導体からなる半導体層５２ｂの熱膨張係数に近いため、基板５２ａがサブマウントとして機能する。それにより、半導体層５２ｂとステム５０との間の熱膨張係数差に起因して半導体層５２ｂに発生する応力を基板５２ａにより緩和することができる。
【００４０】
これらの結果、発熱による半導体レーザ素子５２の特性の劣化が抑制される。また、ジャンクションアップ組み立てを用いることができるので、組み立て工程が簡単である。さらに、サブマウントとして機能する基板５２ａが半導体層５２ｂに一体化されているので、サブマウントを有する半導体レーザ素子５２を１回の工程でステム５０上に固定することができる。したがって、組み立て精度が高く、歩留りが高くなる。
【００４１】
次に、図１の半導体レーザ素子５２の製造方法について図２〜図６を用いて説明する。図２〜図６は図１の半導体レーザ素子５２の製造方法の一例を示す模式的工程断面図である。図２〜図６の右側に配置された図は、それぞれ左側に配置された図のＡ１−Ａ１線〜Ａ１０−Ａ１０線における断面を示している。
【００４２】
図２（ａ），（ｂ）に示すように、ｎ型の４Ｈ−ＳｉＣまたは６Ｈ−ＳｉＣからなる基板１上にＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）により、ｎ−Ａｌa Ｇａ1-a Ｎ（０＜ａ＜１）からなるｎ−クラッド層２、ｎ−ＧａＮからなるｎ−光ガイド層３、ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層４、ｐ−Ａｌb Ｇａ1-b Ｎ（０＜ｂ＜１）からなるｐ−クラッド層７、ｐ−ＧａＮからなるｐ−コンタクト層８を順に成長させる。ＭＱＷ活性層４は、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎからなる量子井戸層とＩｎy Ｇａ1-y Ｎからなる量子障壁層とが交互に複数積層されてなる。ここで、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１およびｘ＞ｙである。
【００４３】
次に、図２（ｃ），（ｄ）に示すように、ｐ−コンタクト層８上にストライプ状の第１のマスクパターン１３を形成する。
【００４４】
そして、図３（ｅ），（ｆ）に示すように、第１のマスクパターン１３を用いてドライエッチングによりｐ−コンタクト層８からｐ−クラッド層７の途中までを除去してストライプ状のリッジ部を形成する。
【００４５】
次に、第１のマスクパターン１３を除去した後、図３（ｇ），（ｈ）に示すように、ｐ−クラッド層７上およびリッジ部の上面および側面に蒸着によりＳｉＯ2 層９を形成する。その後、ＳｉＯ2 層９上に、リッジ部の上面の前方側に開口部を有する第２のマスクパターン１４を形成する。
【００４６】
図４（ｉ），（ｊ）に示すように、第２のマスクパターン１４の開口部内のＳｉＯ2 層９をエッチングしてｐ−コンタクト層８を露出させる。
【００４７】
次に、図４（ｋ），（ｌ）に示すように、露出したリッジ部上のｐ−コンタクト層８上および第２のマスクパターン１４上にｐ側電極１０を形成する。
【００４８】
次に、図５（ｍ），（ｎ）に示すように、第２のマスクパターン１４とともに第２のマスクパターン１４上に形成されたｐ側電極１０をリフトオフ法によって除去することにより、リッジ部のｐ−コンタクト層８上にｐ側電極１０を形成する。
【００４９】
さらに、図５（ｏ），（ｐ）に示すように、ｐ側電極１０上から両側のＳｉＯ2 層９上に延びるパッド電極１１を形成し、基板１の裏面にｎ側電極１２を形成する。
【００５０】
次に、図６（ｑ），（ｒ）に示すように、パッド電極１１上に第３のマスクパターン１５を形成する。このとき、ＳｉＯ2 層９の上面の後方側は露出している。
【００５１】
最後に、図６（ｓ），（ｔ）に示すように、第３のマスクパターン１５を用いてドライエッチング等によりＳｉＯ2 層９からｎ−クラッド層２までを基板１が露出するまで除去した後、第３のマスクパターン１５を除去する。それにより、半導体層５２ｂの後方側で基板１の上面が露出する。その後、へき開などの工程を経て図１に示す半導体レーザ素子５２が形成される。
【００５２】
図７は本発明の第２の実施例による半導体レーザ装置の構成を示す模式的斜視図である。
【００５３】
図７の半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子５２の基板５２ａの幅ｗ３が半導体層５２ｂの幅ｗ４よりも大きく、基板５２ａの長さｄ３が半導体層５２ｂの長さｄ４よりも長い。基板５２ａの前端面５３ａは半導体層５２ｂの前端面５３ｂと面一に形成されている。それにより、半導体層５２ｂの後方側および両側において基板５２ａの上面が露出する。
【００５４】
本実施例の半導体レーザ装置においても、基板５２ａの上面の面積が半導体層５２ｂの下面の面積よりも大きいので、基板５２ａがヒートシンクとして機能するとともにサブマウントとしても機能する。したがって、第１の実施例の半導体レーザ装置と同様に、発熱による半導体レーザ素子５２の特性の劣化が抑制されるとともに、組み立て工程が簡単で歩留りが高くなる。
【００５５】
図８は本発明の第１の参考例による半導体レーザ装置の構成を示す模式的斜視図である。
【００５６】
図８の半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子５２の基板５２ａおよび半導体層５２ｂが図７の半導体レーザ素子５２の基板５２ａおよび半導体層５２ｂと同じ寸法を有する。本参考例の半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子５２の半導体層５２ｂが基板５２ａ上の中央部に配置されている。それにより、半導体層５２ｂの前方側、後方側および両側において基板５２ａの上面が露出する。
【００５７】
本参考例の半導体レーザ装置においても、基板５２ａの上面の面積が半導体層５２ｂの下面の面積よりも大きいので、基板５２ａがヒートシンクとして機能するとともにサブマウントとしても機能する。したがって、第１の実施例の半導体レーザ装置と同様に、発熱による半導体レーザ素子５２の特性の劣化が抑制されるとともに、組み立て工程が簡単で歩留りが高くなる。
【００５８】
図９は本発明の第２の参考例による半導体レーザ装置の構成を示す模式的斜視図である。
【００５９】
図９の半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子５２の基板５２ａおよび半導体層５２ｂが図１の半導体レーザ素子５２の基板５２ａおよび半導体層５２ｂと同じ寸法を有する。本参考例の半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子５２の半導体層５２ｂが基板５２ａ上の中央部に配置されている。それにより、基板５２ｂの前方側および後方側において基板５２ａの上面が露出する。
【００６０】
本参考例の半導体レーザ装置においても、基板５２ａの上面の面積が半導体層５２ｂの下面の面積よりも大きいので、基板５２ａがヒートシンクとして機能するとともにサブマウントとしても機能する。したがって、第１の実施例の半導体レーザ装置と同様に、発熱による半導体レーザ素子５２の特性の劣化が抑制されるとともに、組み立て工程が簡単で歩留りが高くなる。
【００６１】
図１および図７の半導体レーザ素子においては、半導体層５２ｂの前端面５３ｂが基板５２ａの前端面５３ａと面一に形成されているので、半導体層５２ｂの共振器端面から出射したレーザ光が基板５２ａに当たることが防止される。
【００６２】
一方、図８および図９の半導体レーザ装置においては、半導体層５２ｂの前方側および後方側に基板５２ａの上面が露出しているので、半導体層５２ｂの前方側および後方側の放熱特性が均一になる。
【００６３】
上記実施例及び参考例では、基板５２ａの材料としてＳｉＣを用いているが、ＳｉＣの代わりに他の材料、例えばＳｉ、ダイヤモンド、ＧａＮ等を用いてもよい。その場合、ＳｉＣと同様に高い熱伝導率を有しかつ半導体層５２ｂと熱膨張係数が近い材料を選択することが好ましい。また、基板５２ａの材料としてｐ型半導体を用いてもよい。その場合には、ｎ−クラッド層２からｐ−コンタクト層８までの導電型を逆にする。
【００６４】
さらに、基板５２ａの材料として絶縁材料を用いてもよい。その場合、ｎ−クラッド層２と基板５２ａとの間にｎ−コンタクト層を設け、ｐ−コンタクト層８からｎ−コンタクト層までの一部領域をエッチングにより除去し、露出したｎ−コンタクト層の表面に電極を形成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施例における半導体レーザ装置の構造を示す模式的斜視図である。
【図２】  図１の半導体レーザ素子の製造方法の一例を示す模式的工程断面図である。
【図３】  図１の半導体レーザ素子の製造方法の一例を示す模式的工程断面図である。
【図４】  図１の半導体レーザ素子の製造方法の一例を示す模式的工程断面図である。
【図５】  図１の半導体レーザ素子の製造方法の一例を示す模式的工程断面図である。
【図６】  図１の半導体レーザ素子の製造方法の一例を示す模式的工程断面図である。
【図７】  本発明の第２の実施例における半導体レーザ装置の構造を示す模式的斜視図である。
【図８】  本発明の第１の参考例における半導体レーザ装置の構造を示す模式的斜視図である。
【図９】  本発明の第２の参考例における半導体レーザ装置の構造を示す模式的斜視図である。
【図１０】  従来の半導体レーザ装置の構成の一例を示す模式的断面図である。
【図１１】  従来の半導体レーザ装置の構造の他の例を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
５０  ステム
５１  融着剤
５２  半導体レーザ素子
５２ａ  基板
５２ｂ  半導体層
【図１】
0004623779.tif 000002
【図２】
0004623779.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0004623779.tif 000007
【図７】
0004623779.tif 000008
【図８】
0004623779.tif 000009
【図９】
0004623779.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
0004623779.tif 000012