(57)【要約】【課題】半導体発光素子の光出力を向上させること。【解決手段】サファイア基板１０１の光出射端面１１０に多数の溝１２０を形成した。多数の溝１２０が形成された結果として多数の凸部（フィン）１３０が形成されている。この溝１２０の幅Ｗは１０μｍ、深さＤは３０μｍで、周期Ｔは２０μｍでり、凸部１３０の幅は１０μｍである。溝１２０と凸部１３０との繰り返しにより、放熱有効面積が拡大されるので、サファイア基板１０１の光出射端面側の放熱効果が向上する。この結果、活性層１０４を主とするレーザキャビティの光出射端面側の放熱特性が向上して、光出射端面側の温度上昇が防止され、光出射端面の溶解が防止される。この結果として、投入する電力を向上させることができ、レーザ出力を向上させることができる。【選択図】  図１
2005197596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に半導体層を形成した端面放射型の半導体発光素子において、
前記基板の光出射端面、光出射端面側であって基板の光軸に平行な側面、又は、光出射端面側であって基板の外上面のうち少なくとも一つに多数の溝を形成したことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
基板上に半導体層を形成した端面放射型の半導体発光素子において、
前記基板の外上面又は／及び前記基板の光軸に平行な側面において、光出射端面からその端面と反対側の端面に至るにつれて、周期が大きくなる多数の溝が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
基板上に半導体層を形成した端面放射型の半導体発光素子において、
前記基板の光出射端面側において、前記基板を除去又は前記基板の厚さを他の部分よりも薄くしたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
基板上に半導体層を形成した端面放射型の半導体発光素子において、
前記基板の前記外上面には、光出射端面側に多数の凸部を有する放熱フィンが設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
基板上に半導体層を形成した端面放射型の半導体発光素子において、
前記基板の前記外上面には、光出射端面からその端面と反対側の端面に至るにつれて、周期が大きくなる多数の凸部を有する放熱フィンが設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
基板上に半導体層を形成してサブマウントに固定した端面放射型の半導体発光素子において、
前記サブマウントの光出射端面、又は光出射端面側であってサブマウントの光軸に平行な側面のうち少なくとも一つに多数の溝を形成したことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
基板上に半導体層を形成してサブマウントに固定した端面放射型の半導体発光素子において、
前記サブマウントの光軸に平行な側面において、光出射端面からその端面と反対側の端面に至るにつれて、周期が大きくなる多数の溝が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】
基板上に半導体層を形成してサブマウントに固定した端面放射型の半導体発光素子において、
前記サブマウントの光出射端面側において、前記サブマウントの厚さを他の部分よりも薄くしたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】
前記基板を上側にして固定するサブマウントを有し、
前記サブマウントの光出射端面、又は光出射端面側であってサブマウントの光軸に平行な側面のうち少なくとも一つに多数の溝を形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記基板を上側にして固定するサブマウントを有し、
前記サブマウントの光軸に平行な側面において、光出射端面からその端面と反対側の端面に至るにつれて、周期が大きくなる多数の溝が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記基板は、サファイア、炭化硅素、シリコン、又はIII −Ｖ族窒化物半導体であることを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記半導体層は、III −Ｖ族窒化物半導体から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は端面放射型の発光素子に関する。本発明は特に端面放射型の半導体レーザに有効である。さらに、III−Ｖ族窒化物半導体を用いた発光素子、特に、半導体レーザに有効である。
【背景技術】
【０００２】
近年、III−Ｖ族窒化物半導体はバンドギャップが広いこと、結晶が安定していること、ヒ素などの環境汚染物質を用いていないことなどから、このIII−Ｖ族窒化物半導体を用いた発光素子、受光素子、太陽電池、トランジスタなどの電子デバイスが盛んに研究されている。発光素子としては、端面から光を放射する端面放射型の素子が知られている。とりわけ、端面放射型のIII−Ｖ族窒化物半導体レーザは、発振波長を短くできるなどの利点から盛んに研究されている。
【０００３】
特許文献１及び２には、フリップチップ型のIII−Ｖ族窒化物半導体レーザをフェースダウンでヒートシンクにボンディングして、放熱特性を向上させた技術が開示されている。また、特許文献３には、放熱特性を改善したヒートシンクやサブマウントに応用できる放熱基板が開示されている。
【特許文献１】特開平１０−２３３５４９号
【特許文献２】特開平１０−２００２１３号
【特許文献３】特開２００３−１２４４０８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、端面放射型の半導体レーザにおいては、レーザキャビィティ内の光軸方向の光強度分布が、図１８に示すようになり、この結果、温度分布も図１８に示すように、光出射端面側に向かうに連れて内部温度が上昇する。半導体は温度が高い程、バンドギャップが小さくなり、バンドギャップが小さい程、光の吸収端波長が長くなる。この結果、光出射端面とは反対側の光反射端面付近で発振されるレーザの波長は、光出射端面付近で発振されるレーザの波長に比べて短くなる。そして、この比較的短い波長のレーザが、バンドギャップが狭くなり光の吸収端波長が長くなった光出射端面付近の半導体で吸収されることになる。このため、さらに、光出射端面側の温度が、光反射端面側の温度に比べて上昇し、それらの温度差は、益々、拡大される。このことから、一旦、光出射端面側の温度が光反射端面側の温度よりも高くなると、正のフィードバックがかかり、光出射端面側の温度は上昇し続けて、ついには、光出射端面が溶解することになる（ＣＯＤ劣化）。
【０００５】
このＣＯＤ劣化のために、投入する電力を大きくすることができず、半導体レーザの高出力化が困難であった。特に、この問題は、半導体層の結晶成長基板にサファイアなどの熱伝導率の低い基板を用いる場合に顕著であった。すなわち、フェースダウンでサブマウントにレーザを固定しても、基板側からの放熱が阻害され、上記の問題を提起することになる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するための請求項１に記載の発明は、基板上に半導体層を形成した端面放射型の半導体発光素子において、基板の光出射端面、光出射端面側であって基板の光軸に平行な側面、又は、光出射端面側であって基板の外上面のうち少なくとも一つに多数の溝を形成したことを特徴とする半導体発光素子である。
【０００７】
本発明は、基板の光出射端面側の端面、光出射端面付近の外上面、光出射端面付近の光軸に平行な側面の３者のうち、少なくとも一つの面に多数の溝を形成し、溝の両側の凸部で放熱フィンを形成したことを特徴とする。すなわち、光出射端面側において、基板が外部環境と接触する面積を大きくすることで、光出射端面側の温度上昇を防止するものである。光出射端面における溝は、半導体を成長させる基板の主面に平行な横溝、これに垂直な縦溝、両者に対して斜交する斜溝、のいずれか一つ又は複数であっても良い。光出射端面付近において基板の外上面に形成される溝は、通常は、光軸に垂直な方向に形成されることが望ましいが、光軸に平行であっても、光軸と斜交するものであっても良いし、それらの複合であっても良い。光出射端面付近において基板の光軸に平行な側面に形成される溝は、通常は、光軸に垂直な方向に形成されることが望ましいが、光軸に平行であっても、光軸と斜交するものであっても良いし、それらの複合であっても良い。基板側面において光軸に垂直な方向に形成される溝は、基板の外上面に形成される溝と連続して形成されていても良いし、両者が別々のピッチで形成されていても良い。基板側面において光軸に平行な方向に形成される溝は、基板の光出射端面に基板の主面と平行に形成される溝と連続して形成されていても良いし、両者が別々のピッチで形成されていても良い。基板の外上面とは、半導体層が形成される側の主面（内面）とは反対側の面をいう。
【０００８】
溝を形成する方法は、任意であるが、ウエットチエッチング、ドライエッチング、ＲＦエッチング、プラズマエッチング、ダイサによるカッテング、スクライバによるスクライビング、レーザ加工などを用いることができる。本件の半導体発光素子は、主としてレーザにおいて、本発明の効果が高いが、レーザモードで発振していないか、レーザモードとＬＥＤモードの中間の発振をしているような高出力の発光素子であっても良い。基板の材料は任意であるが、特に、熱伝導性の悪い基板において効果は高い。半導体材料は任意であるが、III−Ｖ族窒化物半導体の場合には、他の化合物半導体に比べて結晶性が良くなく、したがって、熱劣化も大きいので、III−Ｖ族窒化物半導体を用いた場合に、本件発明は効果が高い。１周期に占める溝幅の割合（デューティ比）は、任意ではあるが、大きい程、放熱効果は高い。すなわち、溝の両側の凸部（フィン）の幅が狭く、多数の凸部を有するほど、放熱効果が高いといえる。
【０００９】
請求項２の発明は、基板上に半導体層を形成した端面放射型の半導体発光素子において、基板の外上面又は／及び基板の光軸に平行な側面において、光出射端面からその端面と反対側の端面に至るにつれて、周期が大きくなる多数の溝が形成されていることを特徴とする半導体発光素子である。
【００１０】
本発明では、基板の外上面又は／及び側面において、光出射端面からその端面と反対側の端面に至る区間において、多数の溝がその周期が分布して形成されていることである。そして、その溝の分布は、光出射端面から反対側端面に向かう方向に光軸に沿って、溝の周期（ピッチ）が徐々に大きくなるようなものである。この場合には、溝は、基板の外上面も側面も、通常は、光軸に垂直な方向に形成されるが、斜交する方向であっても、上記の溝の周期分布は形成可能である。光軸に平行な方向に溝を形成する場合には、光軸方向に沿って複数の区間を定め、その各区間内において、溝を多数形成し、光出射端面により近い区間の溝の周期をより小さくすることで、実現することが可能である。基板の外上面には光軸に垂直な方向に溝を形成し、基板の光軸に平行な側面には光軸に垂直な方向に溝を形成した場合には、両溝は連続して形成されることが望ましいが、必ずしも連続して形成されている必要はなく、両者の溝の形成位相や周期（ピッチ）が異なるものであっても良い。このように溝を形成することは、放熱特性を光出射端面側程大きくすることで、光軸方向の温度分布をより均一にするためである。溝の形成やその他の特徴については請求項１の説明が、本発明にも同様に当てはまる。
【００１１】
請求項３の発明は、基板上に半導体層を形成した端面放射型の半導体発光素子において、基板の光出射端面側において、基板を除去又は基板の厚さを他の部分よりも薄くしたことを特徴とする半導体発光素子である。
【００１２】
光出射端面側において、基板を除去し、又は、基板の厚さを他の部分よりも薄くしたものである。これにより、熱伝導率の悪い基板の体積の減少により、光出射端面付近の半導体層からの放熱特性が向上することになる。基板の除去は、基板だけを除去するものの他、基板と半導体層の一部まで除去するものであっても良い。
【００１３】
請求項４の発明は、基板上に半導体層を形成した端面放射型の半導体発光素子において、基板の外上面には、光出射端面側に多数の凸部を有する放熱フィンが設けられていることを特徴とする半導体発光素子である。
【００１４】
基板の外上面に放熱フィンを設けるものである。凹部（溝）の幅と凸部の幅は任意であるが、１周期に占める凸部の割合（デューティ比）が小さいほど、放熱効果は高いといえる。この放熱フィンとしては、銅、アルミニウム、金、などの熱伝導性の高い金属やダイヤモンドなどの熱伝導性の高い材料などが選択される。これにより、光出射端面側の放熱効果がより向上する。
【００１５】
請求項５の発明は、基板上に半導体層を形成した端面放射型の半導体発光素子において、基板の外上面には、光出射端面からその端面と反対側の端面に至るにつれて、周期が大きくなる多数の凸部を有する放熱フィンが設けられていることを特徴とする半導体発光素子である。
【００１６】
請求項２と同一の考え方によるものである。すなわち、凸部の周期を反光出射端面（光反射端面）に向かうほど、大きくするようにしたものである。これにより、光軸方向の温度分布をより一様にすることができる。
【００１７】
請求項６の発明は、基板上に半導体層を形成してサブマウントに固定した端面放射型の半導体発光素子において、サブマウントの光出射端面、又は光出射端面側であってサブマウントの光軸に平行な側面のうち少なくとも一つに多数の溝を形成したことを特徴とする半導体発光素子である。
【００１８】
この半導体発光素子は、基板を上側にすることだけに限定されないが、望ましくは、基板を上側にしてサブマウントに素子を固定するフリップチップ型の発光素子である。サブマウントに、請求項１の基板に設けた溝と同様な溝を形成したものである。基板の外上面に該当する部分は、サブマウントの外下面となるが、通常、この面は別のヒートシンクに接合されるために、この外下面には溝を形成することができない。溝の構成については、請求項１の発明で説明した構成を採用することができる。
【００１９】
請求項７の発明は、基板上に半導体層を形成してサブマウントに固定した端面放射型の半導体発光素子において、サブマウントの光軸に平行な側面において、光出射端面からその端面と反対側の端面に至るにつれて、周期が大きくなる多数の溝が形成されていることを特徴とする半導体発光素子である。
【００２０】
本発明はフェースダウンによる固定には限定されないが、基板を上側にしてサブマウントに固定するのが望ましい。請求項２と同様な構成をサブマウントの光軸に平行な側面に形成したものであるので、請求項２で説明した溝と同様な構成が用いられる。
【００２１】
請求項８の発明は、基板上に半導体層を形成してサブマウントに固定した端面放射型の半導体発光素子において、サブマウントの光出射端面側において、サブマウントの厚さを他の部分よりも薄くしたことを特徴とする半導体発光素子である。
【００２２】
本発明も、これには限定されないが、基板を上側にしてサブマウントに固定するのが望ましい。請求項３の基板の一部除去と同様に、光出射端面側のサブマウントの一部を除去したものである。この除去部分には、通常は、サブマウントよりも熱伝導率が高いヒートシンクと接合されるために光出射端面付近の熱伝導率を向上させることが可能である。
【００２３】
請求項９の発明は、基板を上側にして固定するサブマウントを有し、サブマウントの光出射端面、又は光出射端面側であってサブマウントの光軸に平行な側面のうち少なくとも一つに多数の溝を形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の半導体発光素子である。
【００２４】
本発明は、基板に溝を形成し、かつ、サブマウントの光出射端面、又は光出射端面側であってサブマウントの光軸に平行な側面のうち少なくとも一つに多数の溝を形成したものである。溝の形成、その他の特徴については、上記の説明がそのまま適用される。
【００２５】
請求項１０の発明は、基板を上側にして固定するサブマウントを有し、サブマウントの光軸に平行な側面において、光出射端面からその端面と反対側の端面に至るにつれて、周期が大きくなる多数の溝が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の半導体発光素子である。
【００２６】
本発明は、基板に溝を形成し、かつ、サブマウントの光軸に平行な側面において、光出射端面からその端面と反対側の端面に至るにつれて、周期が大きくなる多数の溝が形成されていることである。溝の形成、その他の特徴については、上記の説明がそのまま適用される。
【００２７】
請求項１１の発明は、基板は、サファイア、炭化硅素、シリコン、又はIII −Ｖ族窒化物半導体であることを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか１項に記載の半導体発光素子である。熱伝導性の悪い材料を結晶成長基板にしている半導体発光素子において、本発明の構成を採用することで、より効果を奏することができる。
【００２８】
請求項１２の発明は、半導体層は、III −Ｖ族窒化物半導体から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載の半導体発光素子である。III −Ｖ族窒化物半導体は、結晶性が悪いことから、本発明の構成を採用することで、より効果を奏する。  なお、上記の説明では、各請求項毎に説明し、既に、説明した部分については、重複して説明することを省略したが、それらの説明は、全請求項の発明においても、当てはまるものである。
【発明の効果】
【００２９】
請求項１の発明では、基板の光出射端面側において、多数の溝が形成されているので、光出射端面側の温度上昇を防止することができる。すなわち、光出射端面側と、反光出射端面側（光反射端面側）との温度差を小さくすることができる。これにより、光出射端面側での光吸収の増大を防止することができ、温度上昇の正のフィードバックを抑制することができる。このため、光出射端面の溶解が防止できる。この結果、投入電力を向上させることができ、その結果、光出力を向上させることが可能となる。
【００３０】
請求項２の発明では、基板の外上面又は／及び基板の光軸に平行な側面において、光軸に沿って溝の周期が大きくなるように多数の溝を分布させて形成しているので、光軸に沿った方向の温度分布をより一様にすることができる。この結果、上記した作用効果がより顕著となり、投入する電力をより大きくできて、半導体発光素子の光出力をより向上させることができる。
【００３１】
請求項３の発明では、基板の光出射端面側の放熱特性を向上させることができる結果、請求項１の発明と同様な効果を奏する。
【００３２】
請求項４の発明では、基板の外上面に、光出射端面側に多数の凸部を有する放熱フィンを設けたものである。よって、光出射端面側の放熱特性を向上させることができる結果、請求項１の発明と同様な効果を奏する。
【００３３】
請求項５の発明では、基板の外上面に、光反射端面に向かう光軸方向に沿って、周期が大きくなる凸部を有した放熱フィンを設けたものであるので、光軸方向に沿った温度分布をより一様にすることができる。よって、請求項２と同様に、半導体発光素子の光出力をより向上させることができる。
【００３４】
請求項６の発明では、サブマウントの光出射端面、又は光出射端面側であってサブマウントの光軸に平行な側面のうち、少なくとも一方に、多数の溝を形成したものである。よって、光出射端面側の温度上昇が防止される。この結果、光出射端面の破壊が防止され、請求項１の発明と同様に、半導体発光素子の出力をより向上させることができる。
【００３５】
請求項７の発明では、サブマウントの光軸に平行な側面において、光反射端面に向かう光軸にそって、溝の周期が大きくなるように、溝が分布して形成されている。これにより、光軸方向の温度分布をより一様にすることができ、光出射端面の破壊が防止される。この結果、より大きい電力を投入することができ、半導体発光素子の光出力をより向上させることができる。
【００３６】
請求項８の発明では、光出射端面側でサブマウントを一部除去しているので、この部分に熱伝導率のより高いヒートシンクを接合することができる。よって、請求項１の発明と同様な効果を奏する。
【００３７】
請求項９、１０の発明では、基板とサブマウントの両者に溝を形成したものであるので、光出射端面側の温度上昇をより防止することができる。この結果、光出射端面の溶解が防止でき、より投入電力を向上させることができる結果として、発光素子の光出力が向上する。
【００３８】
請求項１１の基板の材料、請求項１２の半導体の材料を用いた場合には、本発明の溝や放熱フィンを用いることで、光出射端面側の温度上昇の防止の効果が、より顕著に達成されることになる。この結果、これらの材料を用いた半導体発光素子では、光出力の向上の効果が顕著に現れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本発明では、次の構成を採用することができる。発光層を構成する単一量子井戸構造や多重量子井戸構造は、少なくともインジウム(In)を含むIII族窒化物系化合物半導体AlyGa1-y-zInzN(0≦y＜1, 0＜z≦1)から成る井戸層を含むものが望ましい。発光層の構成は、例えばドープされた、又はアンドープのGa1-zInzN(0＜z≦1)から成る井戸層と、当該井戸層よりもバンドギャップの大きい任意の組成のIII族窒化物系化合物半導体AlGaInNから成る障壁層が挙げられる。好ましい例としてはアンドープのGa1-zInzN(0＜z≦1)の井戸層とアンドープのGaNから成る障壁層である。ここでドープは、ドーパントを意図的に原料ガスに含ませて目的とする層に添加していることを意味し、アンドープは、原料ガスにドーパントを含ませないで、意図的にドーパントを添加しないもの意味する。したがって、アンドープは、近接の層から拡散して自然にドーピングされている場合をも含む。
【００４０】
本発明に係るIII−Ｖ族窒化物半導体発光素子の製造方法としては任意の製造方法を用いることができる。具体的には、結晶成長させる基板としては、サファイア、スピネル、Si、SiC、ZnO、MgO或いは、III−Ｖ族窒化物系化合物単結晶等を用いることができる。III−Ｖ族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、液相成長法等が有効である。
【００４１】
半導体発光素子を構成する各層のIII−Ｖ族窒化物半導体は、少なくともAlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)にて表される２元系、３元系若しくは４元系の半導体から成るIII−Ｖ族窒化物系化合物半導体で形成することができる。また、これらのIII族元素の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えても良く、また、窒素(N)の一部をリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても良い。
【００４２】
更に、これらの半導体を用いてｎ型の層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等を添加し、ｐ型の層を形成する場合には、ｐ型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等を添加することができる。
【００４３】
半導体層の結晶成長は、通常の成長の他、ＥＬＯ（エピタキシャルラテラルオーバグース）（横方向成長法）を用いることができる。ＥＬＯ法には、酸化硅素やタングステンなどのマスクを用いて、マスク上にＥＬＯ成長させる方法や、マスクを用いずに、凹部を形成し、両側の凸部からこの凹部上においてＥＬＯ成長させる方法を用いることができる。マスクを用いない方法は、ＥＬＯ成長時の結晶成長の種子となる半導体材料と異なる半導体を凹部で露出させたり、基板を凹部で露出させたり、基板に凹部を形成させたりする方法を用いることができる。これらの方法により、半導体層の結晶性を向上させて、貫通転移密度を減少させることにより、本件発明の効果はより顕著に実現可能となる。
【実施例１】
【００４４】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。
（半導体レーザの基本構造）
図１は、本実施例における III族窒化物系化合物半導体レーザ１００（以下、単に「半導体レーザ１００」と言う場合が有る。）を表す模式的な断面図である。後から図２を用いて詳述するが、半導体レーザ１００は、サファイア基板１０１、 III族窒化物系化合物半導体より成る半導体層１０２〜１０５、正電極１０６、及び負電極１０７より構成された半導体素子である。
【００４５】
窒化アルミニウム(AlN) より形成されたサブマウント１０の上面（表面）には、正電極１０６と接続されるべきリード電極１４と、負電極１０７と接続されるべきリード電極１６が、それぞれＡｕ／Ｍｏを真空蒸着することにより成膜されている。また、サブマウント１０の下面（裏側）には、ニッケル(Ni)より成る金属層１５が形成されている。
【００４６】
上記の半導体レーザ１００は、その正電極１０６とリード電極１４とを直接接続するインジウム(In)より成る半田材１１と、負電極１０７とリード電極１６とを直接接続する半田材１３とによって、サブマウント１０の上面（表側）に直接接着されている。
【００４７】
また、半導体レーザ１００が接続固定されたサブマウント１０の裏側（金属層１５側）は、銅(Cu)製のヒートシンク１９の上面に、融点温度Ｔ２が約１１７℃のＩｎ／Ｓｎより成る半田材１２により直接接着されている。
【００４８】
図２は、上記の半導体レーザ１００の模式的な斜視図である。サファイア基板１０１の上には、窒化アルミニウム（AlＮ）から成るバッファ層１０２が積層されている。更にその上には、シリコン(Si)ドープのGaN から成る高キャリア濃度ｎ+ 層、Al0.1 Ga0.9 Ｎから成るｎ型クラッド層の順に積層された、これら計３層の半導体層より成るｎ型層１０３が形成されている。
【００４９】
更にその上には、公知の端面放射型レーザに見られる端面放射型の活性層１０４が形成されている。活性層１０４はＳＱＷ（単一量子井戸構造）、ＭＱＷ（多重量子井戸構造）を用いることができる。この活性層１０４の上には、マグネシウム(Mg)ドープのｐ型Al0.12Ga0.88N から成るｐ型クラッド層、及びＭｇドープのｐ型ＧａＮから成るｐ型コンタクト層の順に積層された、これら計３層の半導体層より成るｐ型層１０５が形成されている。更に、ｎ型層１０３は、上方（ｐ型層１０５側）からのエッチングによりその一部が露出され、このエッチングにより、平頂な共振器部分と、浸食残骸部とが形成されている。
【００５０】
共振器（メサ部）のストライプ幅Δは、約２μｍであり、共振器の平頂部Πには、２層構造の正電極１０６が真空蒸着により成膜されている。この２層構造の正電極１０６を構成する正電極第１層１０６１は、膜厚約３０００Åのロジウム(Rh)より成り、正電極第２層１０６２は、膜厚約３００ÅのＡｕ／Ｍｏより成る。
【００５１】
また、浸食残骸部の側壁は、上記のエッチングによりその平頂部Σ（半導体の最上層の上面）に対して傾斜している。ｎ型層の露出部より、この浸食残骸部の側壁を経て、浸食残骸部の平頂部Σにまでニッケル(Ni)を真空蒸着により成膜させることにより、浸食残骸部上に負電極１０７がテーパ形状に形成されている（テーパ部τ）。このテーパ部の傾斜は、十分になだらかなため、このテーパ部にはムラなく十分に膜厚のある負電極１０７が形成されている。また、正電極１０６と負電極１０７の両者は、それぞれ各平頂部Π、Σにおいては、互いに略同じ膜厚に積層（蒸着）されている。
【００５２】
図３は、上記の半導体レーザ１００の正電極をサブマウント１０に接続する前に、サブマウント１０に半田材１１を配置した時の、サブマウント１０の模式的な断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。インジウム(In)より成る半田材１１は、約１〜３μｍの厚さに、リード電極１４の上に盛られる。
【００５３】
図４は、半導体レーザ１００駆動時のサブマウント１０の裏面（図１、図３の平面α）をＢ方向から見た模式的な平面図である。ただし、この撮影時点でのサブマウント１０は、半導体レーザ１００とは接着されているが、ヒートシンク１９とは接着されていない。
【００５４】
本実施例では、上記の構成の半導体レーザ１００において、次のように溝や放熱フィンを形成し、又は、基板、サブマウントの光出射端面側を薄く又は除去した構造を採用したことを特徴とする。
【００５５】
本実施例１では、図１、図２に示すように、サファイア基板１０１の光出射端面１１０に多数の溝１２０を形成した例である。この溝１２０はダイサによるカッティングにより形成した。なお、溝１２０はウェットエッチンク、プラズマドライエッチングなどを用いることができる。サファイア基板１０１の光出射端面１１０の幅Ｘは３００μｍ、厚さＨは１００μｍ、長Ｌさ（キャビィティの長さ）は７００μｍである。光出射端面１１０と溝１２０の長さ方向に垂直に切断した断面図を図５に示す。多数の溝１２０が形成された結果として多数の凸部（フィン）１３０が形成されている。この溝１２０の幅Ｗは１０μｍ、深さＤは３０μｍで、周期Ｔは２０μｍでり、凸部１３０の幅は１０μｍである。よって、溝１２０のデューティ比は５０％である。この構造により、溝１２０と凸部１３０との繰り返しにより、放熱有効面積が拡大されるので、サファイア基板１０１の光出射端面側の放熱効果が向上する。この結果、活性層１０４を主とするレーザキャビティの光出射端面側の放熱特性が向上して、光出射端面側の温度上昇が防止され、光出射端面の溶解が防止される。この結果として、投入する電力を向上させることができ、レーザ出力を向上させることができる。なお、溝１２０はサファイア基板１０１の主面（結晶成長面）に平行に形成したが、主面に対して垂直方向に形成しても良く、主面と斜交する方向に形成しても良い。
【実施例２】
【００５６】
本実施例は、図６に示すように、実施例１の半導体レーザにおいて、さらに、サファイア基板１０１の光軸に平行な側面１４０の光出射端面側において、光軸に平行な多数の溝１４１を形成したものである。基板１０１の光出射端面１１０に形成された溝１２０と側面１４０に形成された溝１４１とは連続して、同一深さ、同一幅、同一周期で形成されている。側面１４１に形成される溝１４１の長さは、サファイア基板１０１の長さ７００μｍの１／５程度とした。基板１０１の長さの１／１０〜１／５とすることが望ましい。よって、光出射端面側の光軸に平行な基板の側面とは、基板の長さの１／１０〜１／５の範囲とするのが望ましい。基板の側面１４０の光出射端面側に多数の溝１４１を形成した結果、レーザキャビティの光出射端面側の温度上昇をより防止することができる。この結果、光出力をより向上させることができる。溝１４１は光軸に平行な方向に形成したが、光軸に垂直な方向に形成しても良く、光軸と交差するような斜方向に形成しても良い。
【実施例３】
【００５７】
本実施例は、図７に示すように、サファイア基板１０１の光軸に平行な側面１４０の光出射端面側にみの多数の溝１４２を形成した半導体レーザである。この構成によっても、光出射端面側の温度上昇を防止することができる。溝１４２は光軸に平行な方向に形成したが、光軸に垂直な方向に形成しても良く、光軸と交差するような斜方向に形成しても良い。
【実施例４】
【００５８】
本実施例は、図８に示すように、多数の溝１５１をサファイア基板１０１の外上面１５０（図１、図８）に形成した半導体レーザである。サファイア基板１０１の長さＬに対して光出射端面１１０から約１／５の領域である光出射端面側Ｅにおいて、多数の溝１５１が光軸に垂直な方向に形成されている。溝１５１の幅、周期、深さは、図５に示した関係と同一である。これによっても、レーザキャビティの光出射端面側の温度上昇を効率良く抑制することができる。溝１５１を形成する領域Ｅは、基板１０１の長さＬの光出射端面１１０から１／１０〜１／５の範囲が効果的である。
【００５９】
溝１５１は光軸に平行に形成されているが、光出射端面側Ｅにおいて、光軸に平行に形成しても良い。また、図９に示すように、溝１５１は、光出射端面側Ｅにおいて、光軸と斜交する方向に形成しても良い。
【００６０】
さらに、実施例１、実施例２、実施例３、実施例４を任意に組み合わせ、サファイア基板１０１に多数の溝を形成しても良い。すなわち、サファイア基板１０１の光出射端面１１０、光軸に平行な側面１４０の光出射端面側Ｅ、外上面１５０の光出射端面側Ｅのいずれか２つ以上の領域に、任意の向きに多数の溝を形成したものであっても良い。組み合わせにより光出射端面側の温度上昇の抑制効果はより高くなる。
【実施例５】
【００６１】
本実施例は、サファイア基板１０１の外上面１５０において、溝の周期が光軸に沿って変化するように溝が形成された半導体レーザである。図１０に示すように、溝１５２は、光出射端面１１０から反光出射端面（光反射端面）１１１に向けて、その周期Ｔが長くなるように形成されている。この実施例では、溝１５２の幅を１０μｍに一定としたので、凸部１５３の幅が反光出射端面１１１に向かうに連れて大きくなっている。したがって、溝１５２のデューティ比ｒ（溝幅／周期）は反光出射端面１１１に向かうに連れて小さくなっている。この周期Ｔとデューティ比ｒと、位置との関係を図示すれば、図１１のようになる。それらの関係を示す特性曲線は直線でも指数関数でも、その他の曲線でも良い。  
【００６２】
さらに、図１０に示す、溝１５２と凸部１５３とを入れ換えて、凸部１５３の幅を一定として、溝１５２の幅が反光出射端面１１１に向かうに連れて大きくなるようにしても良い。この場合には周期Ｔと溝のディーティ比ｒは反光出射端面１１１に向うに連れて増大することになる。このように、光軸に沿って反光出射端面１１１に向かうに連れて溝の周期が長くなるように溝を形成することで、光軸方向の温度分布をより均一にすることができる。この結果、光出射端面側Ｅでの光吸収がより防止される結果、より大きな光出力を得ることができる。
【実施例６】
【００６３】
本実施例は、サファイア基板１０１の外上面１５０上に図１２に示す構造の銅製の放熱フィン１６０を接合した半導体レーザである。多数のフィン１６１の周期Ｔとデューティ比ｒは、図１１に示す特性で変化している。すなわち、周期Ｔは反光出射端面１１１に向かうに連れて長くなり、デューティ比ｒは反光出射端面１１１に向かうに連れて小さくなっている。図１０における溝１５２がフィン１６１に相当し、図１０における凸部１５３が空間部１６２に相当する。このような構成としても実施例５と同様に光軸方向の温度分布をより一様化することができる。なお、本実施例においても、放熱フィン１６１の形成部分は、光出射端面側Ｅに制限することも可能である。
【実施例７】
【００６４】
実施例１ではサファイア基板１０１の光出射端面１１０に多数の溝１２０を形成したのに対して、本実施例では、図１３に示すように、サブマウント１０の光出射端面１７０に多数の溝１７１を形成した半導体レーザである。基板１０１に溝を形成することをサブマウント１０に溝を形成することに代えれば、実施例１の説明はそのまま本実施例にも当てはまるので、説明を省略する。この構成により、サブマウント１０の光出射端面側からの本熱特性が向上する結果、レーザキャビティの光出射端面の溶解が防止され、光出力を増大させることができる。
【実施例８】
【００６５】
本実施例は、実施例２に対応するものである。図１４に示すように、サブマウント１０の光出射端面１７０に多数の溝１７１を形成して、さらに、サブマウント１０の光軸に平行な両側面１７２、１７３の光出射端面側Ｅ（サブマウント１０上に設置されるサファイア基板１０１の光軸方向の長さの１／１０〜１／５程度の光出射端面１７０からの領域））において、多数の溝を形成したものである。光出射端面側Ｅは、サファイア基板１０１の光出射端面側からその長さの１／１０〜１／５とすることが望ましい。よって、光出射端面側の光軸に平行なサブマウントの側面とは、レーザキャビティの長さの１／１０〜１／５の範囲とするのが望ましい。サブマウント１０の両側面１７２、１７３の光出射端面側に多数の溝１７４を形成した結果、より、レーザキャビティの光出射端面側の温度上昇をより防止することができる。この結果、光出力をより向上させることができる。溝１７４は光軸に平行な方向に形成したが、光軸に垂直な方向に形成しても良く、光軸と交差するような斜方向に形成しても良い。溝の形成方法、形成角度などの説明は、実施例２の説明が本実施例においても当てはまる。
【実施例９】
【００６６】
本実施例は、実施例３に対応するものである。サブマウント１０の光軸に平行な両側面１７２、１７３の光出射端面側Ｅにのみ溝１７４を形成したものである。この構成によっても、光出射端面側の温度上昇を防止することができる。溝１４２は光軸に平行な方向に形成したが、光軸に垂直な方向に形成しても良く、光軸と交差するような斜方向に形成しても良い。本実施例は、図１４において、光出射端面１７０における溝１７１を省略したものに相当するので、図面を省略する。本実施例は、実施例３と同様な効果を奏する。
【実施例１０】
【００６７】
本実施例は、実施例５に対応する実施例である。サブマウント１０の光軸に平行な両側面１７２、１７３において、溝の周期が光軸に沿って変化するように溝が形成された半導体レーザである。図１５に示すように、溝１７５は、光出射端面１７０から反光出射端面（光反射端面）１７６に向けて、その周期Ｔが長くなるように形成されている。この実施例では、溝１７５の幅を１０μｍに一定としたので、凸部１７７の幅が反光出射端面１７６に向かうに連れて大きくなっている。したがって、溝１７５のデューティ比ｒ（溝幅／周期）は反光出射端面１７６に向かうに連れて小さくなっている。この周期Ｔとデューティ比ｒと、位置との関係は、図１１と同様である。それらの関係を示す特性曲線は直線でも指数関数でも、その他の曲線でも良い。
【００６８】
さらに、図１５に示す、溝１７５と凸部１７７とを入れ換えて、凸部１７７の幅を一定として、溝１７５の幅が反光出射端面１７６に向かって大きくなるようにしても良い。この場合には周期Ｔと溝のディーティ比ｒは反光出射端面１７６に向かって増大することになる。このように、光軸に沿って反光出射端面１７６に向かうに連れて溝の周期が長くなるように溝を形成することで、光軸方向の温度分布をより均一にすることができる。この結果、光出射端面側Ｅでの光吸収がより防止される結果、より大きな光出力を得ることができる。
【実施例１１】
【００６９】
本実施例は、実施例６に対応する。サブマウント１０の光軸に平行な両側面１７２、１７３に、図１２に示す構造の銅製の放熱フィン１６０を接合した半導体レーザである。多数のフィン１６１の周期Ｔとデューティ比ｒは、図１１に示す特性で変化している。すなわち、周期Ｔは反光出射端面１７６に向かうに連れて長くなり、デューティ比ｒは反光出射端面１７６に向かうに連れて小さくなっている。図１５における溝１７５がフィン１６１に相当し、図１５における凸部１７７が空間部１６２に相当する。このような構成としても実施例１０と同様に光軸方向の温度分布をより一様化することができる。なお、本実施例においても、放熱フィン１６１の形成部分は、光出射端面側Ｅに制限することも可能である。
【実施例１２】
【００７０】
本実施例は、図１６に示すように、サファイア基板１０１の光出射端面１１０からサファイア基板１０１の長さＬの１／１０〜１／５の領域である光出射端面側Ｅにおいて、サファイア基板１０１の厚さを薄くしたものである。熱伝導率の低い基板物質が除去されるので、この構造によっても光出射端面側の放熱効果が増大し、光出射端面の溶解を防止でき、光出力を増大することができる。また、光出射端面側Ｅにおけるサファイア基板１０１の除去は、薄くするだけで、基板が残っても、全て除去しても良い。さらに、半導体層の一部まで除去されるものであっても良い。
【実施例１３】
【００７１】
本実施例は、図１７に示すように、サブマウント１０の光出射端面側Ｅにおいて、マウント材料を一部除去してサブマウントの厚さを薄くして、この部分に、ヒートシンク１９と同一物質を充填したものである。サブマウント１０よりも熱伝導率の高い物質を充填することにより、光出射端面側の熱伝導率を向上させることができる。これにより、光出射端面側の温度上昇を防止でき、レーザキャビティの光出射端面の溶解が防止できる。よって、投入電力を増大させることができ、光出力を増加させることが可能となる。なお、充填する物質はヒートシンク１０よりも熱伝導率の高い異なる物質を充填しても良い。
【００７２】
なお、図１７では、サファイア基板１０１の光出射端面側Ｅも基板を薄くして実施例１２の構造を採用しているが、サファイア基板１０１は加工することなく、サブマウント１０だけ、図１７のように加工しても良い。
【００７３】
実施例１〜実施例１３は、任意に組み合わせることが可能である。光出射端面側の放熱特性や熱伝導特性を改善することが本件発明の趣旨であるから、上記実施例は光出射端面側の温度上昇を抑制するための構造として、任意に組み合わせることが可能である。それらの任意に組み合わせた構造も、本出願により認識されている。
【００７４】
また、基板は、熱伝導率の低いサファイアを例に示したが、熱伝導率の低い他の基板であっても、同様に用いることは可能である。半導体層は、III-V 族窒化物化合物半導体を例示したが、III-V 族窒化物化合物半導体は、結晶性が悪いために、熱劣化に対して敏感であるために、本件発明の構成は、この半導体を用いた発光素子において特に有効である。さらに、III-V 族窒化物化合物半導体は、絶縁性基板であるサファイア、シリコン、炭化硅素、窒化ガリウムなどの基板に形成されることが多いが、この場合には、電極は同一面側に形成される。このため、上記実施例に示したように、フェースダウンでサブマウントに固定されるのが、一般的であるので、この点においても、本件発明は、III-V 族窒化物化合物半導体を用いた発光素子において特に有効である。
【００７５】
しかしながら、基板について溝や放熱フィンを設ける実施例１〜実施例６については、基板に加工することがその趣旨であるから、サブマウントを有しない半導体発光素子においても適用可能である。また、基板の光出射端面や光軸に平行な側面に溝を加工する実施例では、基板の外上面をサブマウントやヒートシンクに接合するフェースアップ型の半導体発光素子であっても良い。
【００７６】
また、実施例７〜実施例１１、及び実施例１３は、サブマウントに溝などの加工を施すことが趣旨であるから、サブマウントを有する半導体発光素子であれば適用可能であり、必ずしも基板を上側にしてサブマウントに固定するフェースダウン型の端面放射型の半導体発光素子でなくとも良い。
【００７７】
また、本発明は、高電力を必要とし、高光出力を得るレーザにおいて特に有効ではあるが、レーザ発振に近い発光モードの発光素子、高出力の端面放射型のＬＥＤモード発光の発光素子においても適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、半導体発光素子の高光出力化に用いることができる。レーザなどの発光素子の光出射端面の溶解を防止できる結果、大光出力の半導体発光素子を得ることができる。  
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施例における III族窒化物系化合物半導体レーザの接続固定状態を表す模式的な断面図。
【図２】実施例における半導体レーザの模式的な斜視図。
【図３−Ａ】実施例における半導体レーザを接続する半田材を配置したサブマウントの模式的な断面図。
【図３−Ｂ】実施例における半導体レーザを接続する半田材を配置したサブマウントの模式的な平面図。
【図４】実施例における半導体レーザのサブマウントをＢ方向から目視した模式的な平面図。
【図５】本発明の実施例１における III族窒化物系化合物半導体レーザの光出射端面に形成される溝を示した断面図。
【図６】本発明の実施例２における III族窒化物系化合物半導体レーザの光出射端面と側面とに形成される溝を示した斜視図。
【図７】本発明の実施例３における III族窒化物系化合物半導体レーザの側面に形成される溝を示した斜視図。
【図８】本発明の実施例４における III族窒化物系化合物半導体レーザの基板の外上面に形成される溝を示した平面図。
【図９】本発明の実施例４の変形例における III族窒化物系化合物半導体レーザの基板の外上面に形成される溝を示した平面図。
【図１０】本発明の実施例５における III族窒化物系化合物半導体レーザの基板の外上面に形成される溝を示した平面図。
【図１１】本発明の実施例５における III族窒化物系化合物半導体レーザの基板の外上面に形成される溝の周期、デューティ比と光軸方向の位置との関係を示した特性図。
【図１２】本発明の実施例６における III族窒化物系化合物半導体レーザの基板の外上面に放熱フィンを接合した構造を示した正面図。
【図１３】本発明の実施例７における III族窒化物系化合物半導体レーザのサブマウントの光出射端面に形成された溝を示した断面図。
【図１４】本発明の実施例８における III族窒化物系化合物半導体レーザのサブマウントの光出射端面及び光軸に平行な側面に形成された溝を示した斜視図。
【図１５】本発明の実施例１０における III族窒化物系化合物半導体レーザのサブマウントの光軸に平行の側面に形成された溝を示した正面図。
【図１６】本発明の実施例１２における III族窒化物系化合物半導体レーザの基板の構成を示した斜視図。
【図１７】本発明の実施例１３における III族窒化物系化合物半導体レーザのサブマウント及びヒートシンクの構成を示した斜視図。
【図１８】従来の半導体レーザの内部光強度分布と内部温度との分布特性。
【符号の説明】
【００８０】
１０  …  サブマウント
１０ａ…  絶縁層（ダイヤモンド）
１１  …  半田材
１２  …  半田材
１３  …  半田材
１４  …  リード電極（ｐ側）
１５  …  金属層（裏側）
１６  …  リード電極（ｎ側）
１９  …  ヒートシンク（又は、ステム）
１００  …   III族窒化物系化合物半導体レーザ
１０１  …  サファイア基板
１０２  …  バッファ層
１０３  …  ｎ型層
１０４  …  活性層
１０５  …  ｐ型層
１０６  …  正電極
１０７  …  負電極
１１０  …  基板の光出射端面
１１１  …  反光出射端面（光反射端面）
１５０  …  外上面
１２０  …  溝
１３０  …  凸部
１４０  …  基板の光軸に平行の側面
１４１，１４２  …  溝
１５１  …  溝
１５２  …  溝
１５３  …  凸部
１６０  …  放熱フィン
１６１  …  フィン
１６２  …  空間部
１７０  …  サブマウントの光出射端面
１７１  …  溝
１７２，１７３  …  サブマウントの光軸に平行の側面
１７５  …  溝
１７６  …  サブマウントの反光出射端面（光反射端面）
１７７  …  凸部
Ｅ  …  光出射端面側
Ｌ  …  基板の長さ
Ｄ  …  溝の深さ
Ｔ  …  溝の周期
Ｗ  …  溝の幅
ｒ  …  溝のデューティ比
【図１】
2005197596.tif 000003
【図２】
2005197596.tif 000004
【図３−Ａ】
2005197596.tif 000005
【図３−Ｂ】
2005197596.tif 000006
【図４】
2005197596.tif 000007
【図５】
2005197596.tif 000008
【図６】
2005197596.tif 000009
【図７】
2005197596.tif 000010
【図８】
2005197596.tif 000011
【図９】
2005197596.tif 000012
【図１０】
2005197596.tif 000013
【図１１】
2005197596.tif 000014
【図１２】
2005197596.tif 000015
【図１３】
2005197596.tif 000016
【図１４】
2005197596.tif 000017
【図１５】
2005197596.tif 000018
【図１６】
2005197596.tif 000019
【図１７】
2005197596.tif 000020
【図１８】
2005197596.tif 000021