(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子を複数個備え、
前記半導体レーザ素子は、
基板と、
前記基板に設けられ、前記基板面と平行な上面を有するストライプ状メサ型リッジと、
前記リッジの上面を底辺とする三角形断面のストライプ状積層構造を有するレーザ共振器構造と、
前記リッジ及び前記レーザ共振器構造を埋め込む埋め込み積層構造とを備え、
前記埋め込み積層構造の上面および前記埋め込み積層構造上の電極の上面が、前記レーザ共振器構造上にストライプ状に形成された中央面部と、前記レーザ共振器構造上の外側で前記中央面部の両脇に設けられ、前記中央面部より高い側縁面部と、前記中央面部と前記側縁面部との間に前記中央面部に沿って設けられ、前記中央面部より低い低面部とから構成され、
前記中央面部が同じ方向に向けて並列配列された
マルチビーム半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、マルチビーム半導体レーザ装置に関し、更に詳細には、ジャンクションダウン接合方式で半導体レーザ素子をマウントする際に偏光回転角がばらつくようなことがなく、しかもバーを劈開してチップ化する際、劈開面にクラックが発生し難い構成を備え、ＳＤＨ型の埋め込みヘテロ接合型半導体レーザ素子として最適な半導体レーザ素子を備えるマルチビーム半導体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
低いしきい値電流で、しかも生産性が高い半導体レーザ素子として、１回のエピタキシャル成長工程で共振器積層構造を形成できる構成のＳＤＨ（Separated Double Heterostructure）型の埋め込みヘテロ接合型半導体レーザ素子が注目されている。
ＳＤＨ型の埋め込みヘテロ接合型半導体レーザ素子は、ストライプ状のリッジを基板面に有するリッジ基板を予め作製し、エピタキシャル成長速度の結晶面方位依存性を利用することにより、リッジ基板上に、レーザ共振器構造とレーザ共振器構造を埋め込む積層構造とを一回のエピタキシャル成長により作製した半導体レーザ素子である。
【０００３】
ここで、図４を参照して、上述のＳＤＨ型の埋め込みヘテロ接合型半導体レーザ素子の構成を説明する。図４はＳＤＨ型の埋め込みヘテロ接合型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
ＳＤＨ型の埋め込みヘテロ接合型半導体レーザ素子（以下、簡単にＳＤＨ型半導体レーザ素子と言う）１０は、図４に示すように、（１００）結晶面１２ａを上面とし、図４の紙面に直交する＜０１１＞軸方向に延びるストライプ状順メサ型のリッジ１２を有する、主面が（１００）結晶面の、例えばｎ型ＧａＡｓ基板１４を基板としている。
ＳＤＨ型半導体レーザ素子１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１４上に、順次、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１６、ＧａＡｓ活性層１８、第１ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２０、第１ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層２２と、ｐ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層２４と、第２ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層２６とからなる電流ブロック構造２８、第２ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３０、及びｐ型ＧａＡｓキャップ層３２を有する積層構造を備えている。
【０００４】
また、ＳＤＨ型半導体レーザ素子１０は、リッジ１２の上面１２ａ（（１００）面）上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１６ａ、ＧａＡｓ活性層１８ａ、及び第１ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２０ａからなる、三角形断面の積層構造２１を備えている。三角形断面の積層構造２１は、主面に対して約５５°の傾きを有する（１１１）Ｂ結晶面を側斜面としている。
リッジ１２上のｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１６ａ、ＧａＡｓ活性層１８ａ、及び第１ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２０ａは、それぞれ、リッジ１２の両脇のＧａＡｓ基板１４上に積層されたｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１６、ＧａＡｓ活性層１８、及び第１ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２０と同時に成膜された、実質的に同じ組成の層である。
【０００５】
ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１６ａ及びＧａＡｓ活性層１８ａは、それぞれ、台形断面の層として形成されている。
ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１６ａは、両側辺で第１ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２０及び電流ブロック構造２８の下部に接し、ＧａＡｓ活性層１８ａは、両側辺でその全長にわたり、第１ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層２２、ｐ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層２４、及び第２ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層２６からなる電流ブロック構造２８に接している。
ＧａＡｓ活性層１８ａ上の第１ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２０ａは、三角形断面に形成され、両側辺で電流ブロック構造２８の上部及び第２ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３０に接し、頂部を第２ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３０内に突出させている。
ｐ型キャップ層３２上にはオーミック接合するｐ側電極３４が、ＧａＡｓ基板１４の裏面にはオーミック接合するｎ側電極３６が形成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来のＳＤＨ型半導体レーザ素子は、以下のような点で更に改良されつつある。
第１には、ジャンクションダウン接合方式でＳＤＨ型半導体レーザ素子をヒートシンク等に半田等で接合し、マウントする際の問題である。
ジャンクションダウン接合方式で従来のＳＤＨ型半導体レーザ素子１０をヒートシンク等に凸の構造を下にしてマウントすると、出力したレーザ光の偏光が回転するという現象が起きる。例えば偏光の回転角は４５°にも達し、しかも偏光回転角がマウントとした半導体レーザ素子間でばらつく。
１個の半導体レーザ素子をマウントしたシングルビームの半導体レーザ装置であれば、偏光が角回転しても、光軸を回転させて調整すれば、大きな支障が生じないものの、同一基板上に複数個の半導体レーザ素子を集積させたマルチビーム半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子間の偏光の角回転差が３０°にも達することがある。これでは、各半導体レーザ素子の光軸を調整して偏光回転角差を許容範囲内に収めることが難しい。特に、偏光回転角が変わると、透過率、反射率が変化する偏光光学系では、大きな問題となっている。
【０００７】
また、従来の構成のＳＤＨ型半導体レーザ素子では、ウエハ上にレーザ積層構造を形成した後、ウエハをレーザ共振器構造に沿ってバー状に分割し、更にバーを劈開して、チップ化している。しかし、チップ化する際、劈開面にクラックが発生することが多かった。
クラックは、図５に示すように、リッジ脇の一方の積層構造の層に沿って劈開面に発生し、更に活性層１８ａを通ってリッジ脇の他方に達し、続いて積層構造の層に沿って成長する。このため、活性層１８ａに損傷を与えて、レーザ特性を低下さえることが多かった。これでは、ＳＤＨ型半導体レーザ素子の歩留りを向上させることが難しい。
以上の説明では、ＳＤＨ型半導体レーザ素子を例にして説明したが、この問題は半導体レーザ素子全般に該当する問題である。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、ジャンクションダウン接合方式でヒートシンク等にマウントしても、偏光角回転がばらつくようなことがなく、また劈開しても活性層に損傷を与えるようなクラックを発生させないような構成の半導体レーザ素子を備えたマルチビーム半導体レーザ装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来のＳＤＨ型半導体レーザ素子１０では、図４に示すように、上に凸のリッジ基板１４上に積層構造が形成されているので、積層構造の最上層であるキャップ層３２或いはｐ側電極３４も、上面が上に向かって凸の凸面形状となっている。
その結果、ジャンクションダウン接合方式でヒートシンク等にマウントすると、凸面の頂部に力が集中して、レーザ構造を構成する頂部直下の積層構造２１に歪みが生じ、応力が積層構造２１内に発生する。この結果、屈折率が光弾性効果を介して応力によって変化し、偏光が角回転することを見い出した。
また、凸構造であると、劈開面の厚さが中央で厚く両側で薄くなるために、バーの劈開時に、劈開面にクラックが発生し易いことを突き止めた。
そこで、本発明者は、積層構造の上面を平坦化することを研究し、種々の実験の結果、本発明を発明するに到った。
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係るマルチビーム半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子を複数個備え、半導体レーザ素子は、基板と、基板に設けられ、基板面と平行な上面を有するストライプ状メサ型リッジと、リッジの上面を底辺とする三角形断面のストライプ状積層構造を有するレーザ共振器構造と、リッジ及びレーザ共振器構造を埋め込む埋め込み積層構造とを備え、埋め込み積層構造の上面および埋め込み積層構造上の電極の上面が、レーザ共振器構造上にストライプ状に形成された中央面部と、レーザ共振器構造上の外側で中央面部の両脇に設けられ、中央面部より高い側縁面部と、中央面部と側縁面部との間に中央面部に沿って設けられ、中央面部より低い低面部とから構成され、中央面部が同じ方向に向けて並列配列されたことを特徴としている。
【００１３】
本発明のマルチビーム半導体レーザ装置では、側縁面部が基板とは反対側に最も突出している領域であるから、ジャンクションダウン接合方式で半導体レーザ素子をマウントするとき、側縁面部に応力が集中するものの、側縁面部はレーザ共振器構造の外側領域上に設けられているから、応力がレーザ共振器構造に伝達され難い。よって、本発明に係るマルチビーム半導体レーザ装置では、ジャンクションダウン接合方式でマウントとしても、従来の半導体レーザ素子のように、レーザ共振器構造に応力が伝達されて、レーザ特性、例えば偏光回転角がばらつくようなことが生じ難い。基板の組成及びレーザ共振器構造を構成する化合物半導体層の組成に制約なく適用できる。例えば、基板がＧａＡｓ基板であり、レーザ共振器構造がＧａＡｓ系である。
【００１４】
本発明では、ジャンクションダウン接合方式でマウントする際に、中央面部に応力が生じない程度に、側縁面部が中央面部より高ければ良い。また、側縁面部は、ジャンクションダウン接合方式でマウントする際に接合し易いように、平坦な接合面になっていることが望ましい。更には、中央面部より低い低面部が、中央面部と側縁面部との間に中央面部に沿って設けられていても良い。また、バーを劈開してレーザチップを形成する際、劈開面でのクラックの発生が抑制される。本発明に係る半導体レーザ素子は、ジャンクションダウン接合方式でマウントしても、半導体レーザ素子間で偏光角回転差が大きくなるようなことがないので、例えば、マルチビーム半導体レーザ装置に搭載する半導体レーザ素子として好適に適用できる。そこで、本発明に係るマルチビーム半導体レーザ装置は、中央面部を同じ方向に向けた並列配列で、上述の半導体レーザ素子の複数個を備えていることを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照して、実施形態例に基づいて本発明をより詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示した膜種、成膜方法、その他寸法等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、本発明はこれら例示に限定されるものではない。
半導体レーザ素子の実施形態例
本実施形態例は、第２の発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の一例であって、図１は、本実施形態例の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子４０は、ＳＤＨ型半導体レーザ素子であって、上面形状を除いて、半導体レーザ素子１０と同じ構成を備えている。
本半導体レーザ素子４０の上面４２は、図１に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１４とは反対側に凸の湾曲筒面として形成され、湾曲筒面の長手方向がｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１６ａ、活性層１８ａ、及びｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２０ａで構成されるストライプ状レーザ共振器構造２１のストライプ方向と同じ方向に延在する。
【００１８】
更に、上面４２は、レーザ共振器構造２１上にストライプ状に形成された中央面部４４と、中央面部４４の両脇に設けられ、中央面部４４より低い低面部４６と、レーザ共振器構造２１の外側領域上に低面部４６の各々にそって設けられ、中央面部４４より高い側縁面部４８とを備えている。つまり、側縁面部４８は、中央面部４４よりｄ（ｄ＞０）だけ高くなるように形成されている。
【００１９】
本実施形態例の半導体レーザ素子４０では、側縁面部４８がＧａＡｓ基板１４とは反対側に最も上方に突出している領域であるから、ジャンクションダウン接合方式で半導体レーザ素子４２をマウントするとき、側縁面部４８に応力が集中するものの、側縁面部４８はレーザ共振器構造２１の外側領域上に設けられているから、従来の半導体レーザ素子のように、レーザ共振器構造２１に応力が伝達して、レーザ特性、例えば偏光回転角がばらつくようなことが生じない。即ち、本半導体レーザ素子４０では、ダウンマウント時に発生する応力が分散され、活性領域直上の中央面部４４に生じる応力が低減するので、偏光角回転が小さくなる。また、上面４２が平坦化されているので、バーを劈開してチップを形成する際、劈開面でのクラックの発生が抑制される。
【００２０】
本実施形態例では、ＳＤＨ型半導体レーザ素子を例にして第２の発明を説明しているが、ＳＤＨ型に限らず、一般的な半導体レーザ素子には、第１の発明を適用できる。
また、マルチビーム半導体レーザ装置の半導体レーザ素子として本実施形態例の半導体レーザ素子４０を搭載することにより、半導体レーザ素子間の偏光角回転差が１５度以下となるので、偏光光学系の光源として最適なマルチビーム半導体レーザ装置を実現することができる。
【００２１】
半導体レーザ素子の作製方法の実施形態例
本実施形態例は、本発明に係る半導体レーザ素子の作製方法を上述の半導体レーザ素子４０に適用した実施形態の一例であって、図２（ａ）と（ｂ）及び図３（ｃ）と（ｄ）は、それぞれ、本実施形態例の方法に従って半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の基板断面図である。
先ず、従来と同様にして、図２（ａ）に示すように、（１００）面を基板面とし、基板面と平行な上面を有す順メサ形のストライプ状のリッジ１２を有するｎ型ＧａＡｓリッジ基板１４上に、ＭＯＣＶＤ法によって、順次、連続的に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１６、ＧａＡｓ活性層１８、第１ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２０、第１ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層２２と、ｐ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層２４と、第２ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層２６とからなる電流ブロック構造２８、第２ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３０、及びｐ型ＧａＡｓキャップ層３２を１回のエピタキシャル成長工程でエピタキシャル成長させる。
【００２２】
以上のエピタキシャル成長工程では、結晶成長速度の結晶面方位依存性により、同時に、リッジ１２上には、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラック１６ａ、ＧａＡｓ活性層１８ａ、及び第１ｐ型ＡｌＧａＡｓクラック２０ａがエピタキシャル成長して、リッジ１２の上面１２ａを底辺とする三角形断面の積層構造２１からなるレーザ共振器構造を構成する。
リッジ１２脇のｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１６、ＧａＡｓ活性層１８、第１ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２０、第１ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層２２と、ｐ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層２４と、第２ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層２６とからなる電流ブロック構造２８、第２ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３０、及びｐ型ＧａＡｓキャップ層３２は、積層構造２１からなるレーザ共振器構造を埋め込んでいる。
【００２３】
以上の成長工程により、ｐ型ＧａＡｓキャップ層３２の上面は、長手方向が共振器構造を構成する積層構造２１のストライプ方向と同じ方向に延在し、ＧａＡｓ基板１４とは反対側に凸で、積層構造２１上が最も高い湾曲筒面として形成されている。
【００２４】
次に、図２（ｂ）に示すように、キャップ層３２上にフォトレジスト膜５０をスピナーなどで塗布、成膜する。
続いて、図３（ｃ）に示すように、積層構造２１上の領域のキャップ層３２をストライプ状に露出させるように露光現像処理して、フォトレジスト膜５０を除去する。
【００２５】
次いで、図３（ｄ）に示すように、露出した領域のキャップ層３２をエッチングして中央面部４４を形成し、キャップ層３２の上面４２が、中央面部４４と、中央面部４４の両脇に設けられ、中央面部４４より低い低面部４６と、積層構造２１の外側領域上に低面部４６の各々に沿って設けられ、かつ中央面部４４より高い凸状側縁面部４８とから構成されるようにする。キャップ層３２のエッチングでは、燐酸系のエッチャントを用いて時間制御によりエッチング深さを制御する。燐酸系のエッチャントとして、例えばＨ3ＰＯ4：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏ＝３：１：５０の混合比のものを用いて、３０℃の液温で３０分間、エッチングする。続いて、キャップ層３２上にｐ側電極３４を、基板１４の裏面にｎ側電極３６をそれぞれ形成し、積層構造２１に沿ってバー状に切断し、更にバーに直交する面で劈開する。これにより、図１に示す半導体レーザ素子４０を作製することができる。
【００２６】
本実施形態例では、従来の半導体レーザ素子に比べてｐ側電極３４の上面がフラットになっていて、積層構造の厚さが比較的一様なので、良好な劈開を行うことができ、活性層１８ａにクラックが入ることがなくなる。
【００２７】
本発明によれば、レーザ共振器構造上にストライプ状に形成された中央面部を中央面部の両脇の側縁面部より低くすることにより、ジャンクションダウン接合方式でマウントするときでも、レーザ共振器構造の活性層に応力が伝達され難いように構成し、偏光回転角を低減させ、かつ半導体レーザ素子間で偏光角回転がばらつかないようにすることができる。また、従来に比べて、基板上の積層構造の厚さが比較的一様になるので、劈開時に劈開線（クラック）が発生し難く、従って半導体レーザ素子の高信頼性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、実施形態例の方法に従って半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の基板断面図である。
【図３】図３（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ、図２（ｂ）に続いて、実施形態例の方法に従って半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の基板断面図である。
【図４】従来のＳＤＨ型の埋め込みヘテロ接合型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図５】従来のＳＤＨ型の埋め込みヘテロ接合型半導体レーザ素子の問題を説明するための基板断面図である。
【符号の説明】
１０……従来のＳＤＨ型半導体レーザ素子、１２……リッジ、１２ａ……リッジの上面、１４……ｎ型ＧａＡｓ基板、１６……ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、１６ａ……リッジ上のｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、１８……ＧａＡｓ活性層、１８ａ……リッジ上のＧａＡｓ活性層、２０……第１ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、２０ａ……リッジ上の第１ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、２２……第１ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層、２４……ｐ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層、２６……第２ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層、２８……電流ブロック構造、３０……第２ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、３２……ｐ型ＧａＡｓキャップ層、３４……ｐ側電極、３６……ｎ側電極、４０……実施形態例のＳＤＨ型半導体レーザ素子、４２……上面、４４……中央面部、４６……低面部、４８……側縁面部、５０……フォトレジスト膜。
【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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