(57)【要約】【課題】発光寿命を改善できる窒化物半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】III族窒化物半導体レーザ素子１１の半導体積層１９は、基板１７のｃ面ではなく半極性面１７ａ上に作製される。搭載部材３は、例えば搭載部材主面３ａの第１の熱膨張係数ＣＭ１（Ｅｘ）が搭載部材主面３ａの第２の熱膨張係数ＣＭ２（Ｅｘ）より大きいことを示す熱膨張係数の異方性を有する。また、III族窒化物半導体レーザ素子１１は、III族窒化物半導体レーザ素子１１の第１の熱膨張係数ＣＳ１（Ｅｘ）が半導体発光素子の第２の熱膨張係数ＣＳ２（Ｅｘ）より大きいことを示す熱膨張係数の異方性を有する。この窒化物半導体レーザ装置１では、この半導体レーザ素子は搭載部材３の熱膨張係数の異方性に合わせて向き付けされて、熱膨張係数の異方性を有する搭載部材主面３ａ上に搭載されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体レーザ装置であって、
熱膨張係数の異方性を示す主面を有する搭載部材と、
レーザ構造体及び電極を含むIII族窒化物半導体レーザ素子と、
を備え、
前記レーザ構造体は、III族窒化物半導体からなる半導体積層及び該半導体積層を搭載する基板を含み、
前記半導体積層におけるｃ軸は前記基板の主面に対する法線軸に対して傾斜しており、
前記III族窒化物半導体レーザ素子は、前記法線軸に直交する第１の方向に関する第１の熱膨張係数と、前記法線軸に直交する第２の方向に関する第２の熱膨張係数とを有し、前記第１の方向は前記第２の方向に直交し、
前記III族窒化物半導体レーザ素子は、前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第１の熱膨張係数が前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第２の熱膨張係数より大きい熱膨張係数の異方性を有し、
前記III族窒化物半導体レーザ素子は、前記搭載部材の前記熱膨張係数の異方性に合わせて向き付けされて前記搭載部材の前記主面上に搭載されており、
前記半導体積層は、第１導電型III族窒化物半導体領域、発光層及び第２導電型III族窒化物半導体領域を含み、
前記第１導電型III族窒化物半導体領域、前記発光層及び前記第２導電型III族窒化物半導体領域は、前記法線軸の方向に順に配列されており、
前記電極は前記第２導電型III族窒化物半導体領域の主面に接触を成し、
前記搭載部材は、前記第１の方向に関する第１の熱膨張係数と、前記第２の方向に関する第２の熱膨張係数とを有し、前記第１の熱膨張係数は前記第１の熱膨張係数と異なる、窒化物半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記半導体積層は前記基板と前記搭載部材との間に設けられる、請求項１に記載された窒化物半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記ｃ軸は前記半導体積層のｍ軸及びａ軸のいずれかの方向に傾斜しており、
前記III族窒化物半導体レーザ素子は、光共振器のための第１及び第２の端面を有し、
前記半導体積層は、前記ｃ軸と前記ｍ軸又は前記ａ軸とによって規定される平面に沿って前記第１及び第２の端面の一方から他方への導波路軸の方向に延在する、請求項１又は請求項２に記載された窒化物半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記III族窒化物半導体レーザ素子の発光のピーク波長は、５００ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲にある、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記搭載部材が前記III族窒化物半導体レーザ素子に圧縮応力を与えるように、前記搭載部材の前記第１の熱膨張係数は前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第１の熱膨張係数より大きい、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記搭載部材が前記III族窒化物半導体レーザ素子に圧縮応力を与えるように、前記搭載部材の前記第２の熱膨張係数は前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第２の熱膨張係数より大きい、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記搭載部材の異方性係数Ｃ（Ｍ）は、
（前記搭載部材の前記第１の熱膨張係数）／（前記搭載部材の前記第２の熱膨張係数）−１で規定され、
前記III族窒化物半導体レーザ素子の異方性係数Ｃ（Ｓ）は、
（前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第１の熱膨張係数）／（前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第２の熱膨張係数）−１で規定され、
前記搭載部材の前記異方性係数Ｃ（Ｍ）と前記III族窒化物半導体レーザ素子の異方性係数Ｃ（Ｓ）との比（Ｃ（Ｍ）／Ｃ（Ｓ））は、０．５以上１．５以下である、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記基板の前記主面は六方晶系窒化ガリウム系半導体からなり、
前記基板の前記主面は、該六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して傾斜した半極性面を有し、
前記半導体積層は前記基板の前記主面上にエピタキシャルに成長された半導体層を含む、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記基板の前記主面は、該六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して１０度以上１７０度以下の範囲内の角度で傾斜している、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ装置。
【請求項１０】
前記搭載部材の前記主面はＣｕ−Ｍｏ合金からなる、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ装置。
【請求項１１】
前記搭載部材の前記主面は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は炭化シリコン（ＳｉＣ）からなる、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ装置。
【請求項１２】
前記搭載部材の前記主面は、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）のいずれかからなる、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ装置。
【請求項１３】
前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記電極を前記搭載部材の前記主面も固定する導電性接着部材を更に備える、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ装置。
【請求項１４】
窒化物半導体レーザ装置を作製する方法であって、
熱膨張係数の異方性を示す主面を有する搭載部材を準備する工程と、
レーザ構造体及び電極を含むIII族窒化物半導体レーザ素子を準備する工程と、
前記搭載部材の前記熱膨張係数の異方性に合わせて前記III族窒化物半導体レーザ素子の向き付けを行う工程と、
前記III族窒化物半導体レーザ素子の向き付けを行った後に、前記搭載部材の前記主面上に前記III族窒化物半導体レーザ素子を搭載する工程と、
を備え、
前記レーザ構造体は、III族窒化物半導体からなる半導体積層及び該半導体積層を搭載する基板を含み、
前記半導体積層におけるｃ軸は前記基板の前記主面に対する法線軸に対して傾斜しており、
前記III族窒化物半導体レーザ素子は、前記法線軸に直交する第１の方向に関する第１の熱膨張係数と、前記法線軸に直交する第２の方向に関する第２の熱膨張係数とを有し、前記第１の方向は前記第２の方向に直交し、
前記III族窒化物半導体レーザ素子は、前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第１の熱膨張係数が前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第２の熱膨張係数より大きいという熱膨張係数の異方性を有し、
前記半導体積層は、第１導電型III族窒化物半導体領域、発光層及び第２導電型III族窒化物半導体領域を含み、
前記第１導電型III族窒化物半導体領域、前記発光層及び前記第２導電型III族窒化物半導体領域は、前記法線軸の方向に順に配列されており、
前記電極は前記第２導電型III族窒化物半導体領域の主面に接触を成し、
前記搭載部材は、前記第１の方向に関する第１の熱膨張係数と、前記第２の方向に関する第２の熱膨張係数とを有し、前記第１の熱膨張係数は前記第１の熱膨張係数と異なる、窒化物半導体レーザ装置を作製する方法。
【請求項１５】
前記搭載部材の前記第１の熱膨張係数は前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第１の熱膨張係数より大きく、
前記搭載部材の前記第２の熱膨張係数は前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第２の熱膨張係数より大きい、請求項１４に記載された窒化物半導体レーザ装置を作製する方法。
【請求項１６】
前記搭載部材の異方性係数Ｃ（Ｍ）は、
（前記搭載部材の前記第１の熱膨張係数）／（前記搭載部材の前記第２の熱膨張係数）−１で規定され、
前記III族窒化物半導体レーザ素子の異方性係数Ｃ（Ｓ）は、
（前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第１の熱膨張係数）／（前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第２の熱膨張係数）−１で規定され、
前記搭載部材の前記異方性係数Ｃ（Ｍ）と前記III族窒化物半導体レーザ素子の異方性係数Ｃ（Ｓ）との比（Ｃ（Ｍ）／Ｃ（Ｓ））は、０．５以上であり、１．５以下である、請求項１４又は請求項１５に記載された窒化物半導体レーザ装置を作製する方法。
【請求項１７】
前記基板の前記主面は六方晶系窒化ガリウム系半導体からなり、
前記基板の前記主面は、該六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して傾斜した半極性面を有し、
前記半導体積層は前記基板の前記主面上にエピタキシャルに成長された半導体層を含む、請求項１４〜請求項１６のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ装置を作製する方法。
【請求項１８】
前記基板の前記主面は、該六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して１０度以上１７０度以下の範囲内の角度で傾斜している、請求項１４〜請求項１７のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ装置を作製する方法。
【請求項１９】
前記搭載部材上に導電性接着材を設ける工程を更に備え、
前記III族窒化物半導体レーザ素子を搭載する前記工程では、導電性接着剤を介して前記III族窒化物半導体レーザ素子が前記搭載部材に固定される、請求項１４〜請求項１８のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ装置を作製する方法。
【請求項２０】
前記搭載部材の前記主面はＣｕ−Ｍｏ合金、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、又はアルミニウム（Ａｌ）のいずれかからなる、請求項１４〜請求項１９のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ装置を作製する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体レーザ装置、及び窒化物半導体レーザ装置を作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半極性のＧａＮ基板を用いた半導体レーザが記載されている。特許文献２には、窒化物半導体レーザ装置が記載されている。窒化物半導体レーザ素子をハンダでサブマウントに固定する際に、窒化物半導体基板の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有する材料からなるサブマウントを用いる。このサブマウントは、ｎ型ＧａＮ基板と窒化物半導体積層部とから構成される窒化物半導体積層構造の厚さの１．２倍以上の厚さを有する。ｎ型ＧａＮ基板とサブマウントとの間の金属膜の厚さは１〜５０μｍである。特許文献３には、放熱基板材料としての特性に優れた金属複合材料の製造方法が記載されている。金属複合材料は、モリブデン粉末および電解銅を用いて作製される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許４４５０１１２号公報
【特許文献２】特開２００３−１０１１１３号公報
【特許文献３】特開平０８−９２６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これまで、窒化ガリウム系半導体レーザはＧａＮ基板のｃ面上に作製されてきた。この窒化ガリウム系半導体レーザは、特許文献１に記載されているように、サブマウント上に搭載される。特許文献１に記載されているように、ＧａＮ基板の半極性面上にIII族窒化物半導体レーザのための半導体積層が作製されている。サブマウントといった部材上に窒化ガリウム系半導体レーザを搭載して窒化物半導体レーザ装置を作製し、この窒化物半導体レーザ装置の素子寿命のための試験を行う。この実験によれば、半極性面上のIII族窒化物半導体レーザの発光寿命は、ｃ面上の窒化ガリウム系半導体レーザに比べて短いことが明らかになった。
【０００５】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、発光寿命を改善できる窒化物半導体レーザ装置を提供することを目的とし、またこの窒化物半導体レーザ装置を作製する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る窒化物半導体レーザ装置は、（ａ）熱膨張係数の異方性を示す主面を有する搭載部材と、（ｂ）レーザ構造体及び電極を含むIII族窒化物半導体レーザ素子とを備える。前記レーザ構造体は、III族窒化物半導体からなる半導体積層及び該半導体積層を搭載する基板を含み、前記半導体積層におけるｃ軸は前記基板の主面に対する法線軸に対して傾斜しており、前記III族窒化物半導体レーザ素子は、前記法線軸に直交する第１の方向に関する第１の熱膨張係数と、前記法線軸に直交する第２の方向に関する第２の熱膨張係数とを有し、前記第１の方向は前記第２の方向に直交し、前記III族窒化物半導体レーザ素子は、前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第１の熱膨張係数が前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第２の熱膨張係数より大きい熱膨張係数の異方性を有し、前記III族窒化物半導体レーザ素子は、前記搭載部材の前記熱膨張係数の異方性に合わせて向き付けされて前記搭載部材の前記主面上に搭載されており、前記半導体積層は、第１導電型III族窒化物半導体領域、発光層及び第２導電型III族窒化物半導体領域を含み、前記第１導電型III族窒化物半導体領域、前記発光層及び前記第２導電型III族窒化物半導体領域は、前記法線軸の方向に順に配列されており、前記電極は前記第２導電型III族窒化物半導体領域の主面に接触を成し、前記搭載部材は、前記第１の方向に関する第１の熱膨張係数と、前記第２の方向に関する第２の熱膨張係数とを有し、前記第１の熱膨張係数は前記第１の熱膨張係数と異なる。
【０００７】
この窒化物半導体レーザ装置によれば、レーザ構造体はIII族窒化物半導体からなる半導体積層及び該半導体積層を搭載する基板を含み、この半導体積層におけるｃ軸は基板の主面に対する法線軸に対して傾斜している。これ故に、窒化物III族窒化物半導体レーザ素子の半導体積層は、ｃ面ではなく基板の無極性又は半極性面上に作製される。III族窒化物半導体レーザ素子は、III族窒化物半導体レーザ素子の第１の熱膨張係数がIII族窒化物半導体レーザ素子の第２の熱膨張係数より大きいことを示す熱膨張係数の異方性を有する。このIII族窒化物半導体レーザ素子は搭載部材の熱膨張係数の異方性に合わせて向き付けされて、熱膨張係数の異方性を有する搭載部材主面上に搭載されている。したがって、III族窒化物半導体レーザ素子が、熱膨張係数の異方性を有する搭載部材主面上に搭載されるとき、等方的な熱膨張係数を有する搭載部材主面上にレーザ素子を搭載するレーザ装置に比べて、窒化物半導体レーザ装置では熱膨張係数に起因する応力がIII族窒化物半導体レーザ素子において低減される。
【０００８】
本発明に係る窒化物半導体レーザ装置では、前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記半導体積層が前記基板と前記搭載部材との間に設けられることができる。この窒化物半導体レーザ装置では、III族窒化物半導体レーザ素子は、いわゆるエピダウン形態で実装される。
【０００９】
本発明に係る窒化物半導体レーザ装置では、前記ｃ軸は前記半導体積層のｍ軸及びａ軸のいずれかの方向に傾斜しており、前記III族窒化物半導体レーザ素子は、光共振器のための第１及び第２の端面を有し、前記半導体積層は、前記ｍ軸及び前記ａ軸のいずれかと前記ｃ軸とによって規定される平面に沿って前記第１及び第２の端面の一方から他方への導波路軸の方向に延在することができる。この窒化物半導体レーザ装置では、III族窒化物半導体レーザ素子は、第１及び第２の端面を有する光共振器を含むので、レーザ発振を可能である。
【００１０】
本発明に係る窒化物半導体レーザ装置では、前記III族窒化物半導体レーザ素子の発光のピーク波長は５００ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲にあることができる。この窒化物半導体レーザ装置によれば、窒化物III族窒化物半導体レーザ素子の半導体積層はｃ面ではなく無極性又は半極性面上に作製されるので、この窒化物III族窒化物半導体レーザ素子は、上記の波長範囲の発光を提供できる。
【００１１】
本発明に係る窒化物半導体レーザ装置では、前記搭載部材の前記主面は、前記第１の方向に関する第１の熱膨張係数と、前記第２の方向に関する第２の熱膨張係数とを有し、前記搭載部材の前記第１の熱膨張係数は前記搭載部材の前記第２の熱膨張係数より大きい。前記搭載部材の前記第１の熱膨張係数は前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第１の熱膨張係数より大きいことが好ましい。２つの第１の熱膨張係数の上記の関係が満たされるとき、長寿命の窒化物半導体レーザ装置が提供される。
【００１２】
本発明に係る窒化物半導体レーザ装置では、異方的な熱膨張係数を有する搭載部材が窒化物III族窒化物半導体レーザ素子に圧縮応力を与えるように、前記搭載部材の前記第２の熱膨張係数は前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第２の熱膨張係数より大きいことが好ましい。２つの第２の熱膨張係数の上記の関係が満たされるとき、長寿命の窒化物半導体レーザ装置が提供される。
【００１３】
本発明に係る窒化物半導体レーザ装置では、前記III族窒化物半導体レーザ素子の異方性係数Ｃ（Ｓ）は、「（前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第１の熱膨張係数ＣＳ１（Ｅｘ））／（前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第２の熱膨張係数ＣＳ２（Ｅｘ））−１」で規定される。また、前記搭載部材の異方性係数Ｃ（Ｍ）は、「（前記搭載部材の前記第１の熱膨張係数ＣＭ１（Ｅｘ））／（前記搭載部材の前記第２の熱膨張係数ＣＭ２（Ｅｘ））−１」で規定される。前記搭載部材の前記異方性係数Ｃ（Ｍ）と前記III族窒化物半導体レーザ素子の異方性係数Ｃ（Ｓ）との比（Ｃ（Ｍ）／Ｃ（Ｓ））は０．５以上であることができる。また、比（Ｃ（Ｍ）／Ｃ（Ｓ））は１．５以下であることができる。
【００１４】
この窒化物半導体レーザ装置によれば、発明者らの実験によれば、上記の比率の範囲において、発光素子の寿命が改善される。
【００１５】
本発明に係る窒化物半導体レーザ装置では、前記基板の前記主面は六方晶系窒化ガリウム系半導体からなり、前記基板の前記主面は該六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して傾斜した無極性又は半極性面からなり、前記半導体積層は前記基板の前記主面上にエピタキシャルに成長された半導体層を含むことが好ましい。この窒化物半導体レーザ装置によれば、半導体積層は、六方晶系窒化ガリウム系半導体の半極性面上に結晶軸を合わせて配列された複数の半導体層を含む。
【００１６】
本発明に係る窒化物半導体レーザ装置では、前記基板の前記主面は六方晶系窒化ガリウムからなることが好ましい。この窒化物半導体レーザ装置によれば、良好な結晶品質のＧａＮ上に半導体積層を作製可能である。
【００１７】
本発明に係る窒化物半導体レーザ装置では、前記無極性又は半極性面は、該六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して１０度以上１７０度以下の範囲内の角度で傾斜していることが好ましい。この窒化物半導体レーザ装置によれば、上記の角度範囲においては、ｃ面からの傾斜に起因した熱膨張係数の異方性が顕著になる。
【００１８】
本発明に係る窒化物半導体レーザ装置では、前記搭載部材の前記主面はＣｕ−Ｍｏ合金からなることができる。Ｃｕ−Ｍｏ合金は、異方的な熱膨張係数を示す搭載主面を有する搭載部材を提供できる。
【００１９】
本発明に係る窒化物半導体レーザ装置では、前記搭載部材の前記主面は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は炭化シリコン（ＳｉＣ）からなることが好ましい。ＡｌＮ又はＳｉＣは、異方的な熱膨張係数を示す搭載主面を有する搭載部材を提供できる。これらの材料は六方晶系の結晶構造をとることができる。
【００２０】
本発明に係る窒化物半導体レーザ装置では、前記搭載部材の前記主面は、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）のいずれかからなることができる。これらの金属又はその合金は、圧延により異方的な熱膨張係数を示す搭載主面を有する搭載部材を提供できる。
【００２１】
本発明に係る窒化物半導体レーザ装置では、前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記電極を前記搭載部材の前記主面も固定する導電性接着部材を更に備えることができる。この窒化物半導体レーザ装置は、導電性接着部材を用いた固定の際の熱応力は、窒化物半導体レーザ装置において異方的な残留応力を生成する。
【００２２】
本発明に係る窒化物半導体レーザ装置を作製する方法は、（ａ）熱膨張係数の異方性を有する主面を有する搭載部材を準備する工程と、（ｂ）レーザ構造体及び電極を含む窒化物III族窒化物半導体レーザ素子を準備する工程と、（ｃ）前記搭載部材の前記熱膨張係数の異方性に合わせて前記III族窒化物半導体レーザ素子の向き付けを行う工程と、（ｄ）前記III族窒化物半導体レーザ素子の向き付けを行った後に、前記搭載部材の前記主面上に前記III族窒化物半導体レーザ素子を搭載する工程とを備える。前記レーザ構造体は、III族窒化物半導体からなる半導体積層及び該半導体積層を搭載する基板を含み、前記半導体積層におけるｃ軸は前記基板の前記主面に対する法線軸に対して傾斜しており、前記III族窒化物半導体レーザ素子は、前記法線軸に直交する第１の方向に関する第１の熱膨張係数と、前記法線軸に直交する第２の方向に関する第２の熱膨張係数とを有し、前記第１の方向は前記第２の方向に直交し、前記III族窒化物半導体レーザ素子は、前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第１の熱膨張係数が前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第２の熱膨張係数より大きいことを示す熱膨張係数の異方性を有する。前記半導体積層は、第１導電型III族窒化物半導体領域、発光層及び第２導電型III族窒化物半導体領域を含み、前記第１導電型III族窒化物半導体領域、前記発光層及び前記第２導電型III族窒化物半導体領域は、前記法線軸の方向に順に配列されており、前記電極は前記第２導電型III族窒化物半導体領域の主面に接触を成し、前記搭載部材は、前記第１の方向に関する第１の熱膨張係数と、前記第２の方向に関する第２の熱膨張係数とを有し、前記第１の熱膨張係数は前記第１の熱膨張係数と異なる。
【００２３】
この作製方法によれば、レーザ構造体はIII族窒化物半導体からなる半導体積層及び該半導体積層を搭載する基板を含み、この半導体積層におけるｃ軸は基板の主面に対する法線軸に対して傾斜している。これ故に、窒化物III族窒化物半導体レーザ素子の半導体積層は、基板のｃ面ではなく無極性又は半極性面上に作製される。III族窒化物半導体レーザ素子は、III族窒化物半導体レーザ素子の第１の熱膨張係数がIII族窒化物半導体レーザ素子の第２の熱膨張係数より大きいことを示す熱膨張係数の異方性を有する。このIII族窒化物半導体レーザ素子は搭載部材の熱膨張係数の異方性に合わせて向き付けされて、熱膨張係数の異方性を有する搭載部材主面上に搭載される。したがって、III族窒化物半導体レーザ素子は、熱膨張係数の異方性を有する搭載部材主面上に搭載されるとき、等方的な熱膨張係数を有する搭載部材主面上に搭載されることに比べて、窒化物半導体レーザ装置では熱膨張係数に起因する応力がIII族窒化物半導体レーザ素子において低減される。
【００２４】
本発明に係る作製方法では、前記搭載部材の前記第１の熱膨張係数は前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第１の熱膨張係数より大きく、前記搭載部材の前記第２の熱膨張係数は前記III族窒化物半導体レーザ素子の前記第２の熱膨張係数より大きいことが好ましい。この作製方法によれば、２つの第１の熱膨張係数の上記の関係が満たされるとき、III族窒化物半導体レーザ素子に内包される応力が低減されて、長寿命の窒化物半導体レーザ装置を作製可能である。
【００２５】
本発明に係る作製方法では、前記搭載部材の異方性係数Ｃ（Ｍ）は、「（前記第１の熱膨張係数ＣＭ１（Ｅｘ））／（前記第２の熱膨張係数ＣＭ２（Ｅｘ））−１」で規定されることができる。また、前記III族窒化物半導体レーザ素子の異方性係数Ｃ（Ｓ）は、「（前記第１の熱膨張係数ＣＳ１（Ｅｘ））／（前記第２の熱膨張係数ＣＳ２（Ｅｘ））−１」で規定されることができる。前記搭載部材の前記異方性係数Ｃ（Ｍ）と前記III族窒化物半導体レーザ素子の異方性係数Ｃ（Ｓ）との比（Ｃ（Ｍ）／Ｃ（Ｓ））は０．５以上であることができる。また、比（Ｃ（Ｍ）／Ｃ（Ｓ））は１．５以下であることができる。
【００２６】
発明者らの実験によれば、上記の比率の範囲において、発光素子の寿命が改善される窒化物半導体レーザ装置を作製できる。
【００２７】
本発明に係る作製方法では、前記基板の前記主面は六方晶系窒化ガリウム系半導体からなり、前記基板の前記主面は、該六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して傾斜した半極性面からなり、前記半導体積層は前記基板の前記主面上にエピタキシャルに成長された半導体層を含むことができる。この作製方法によれば、六方晶系窒化ガリウム系半導体の半極性面上に作製された半導体積層を含む窒化物III族窒化物半導体レーザ素子を用いて、窒化物半導体レーザ装置を作製可能である。
【００２８】
本発明に係る作製方法は、前記搭載部材上に導電性接着材を設ける工程を更に備えることができる。前記III族窒化物半導体レーザ素子を搭載する前記工程では、導電性接着剤を介して前記III族窒化物半導体レーザ素子が前記搭載部材に固定されることができる。
【００２９】
この作製方法では、導電性接着部材を用いた固定の際の熱応力が窒化物半導体レーザ装置の異方的な残留応力を増加させる可能性があるけれども、異方的な熱膨張係数を有する搭載部材を用いることによって、残留応力の影響を低減できる。
【００３０】
本発明に係る作製方法では、前記搭載部材の前記主面はＣｕ−Ｍｏ合金からなることができる。Ｃｕ−Ｍｏ合金は、異方的な熱膨張係数を示す搭載主面を有する搭載部材を提供できる。
【００３１】
本発明に係る作製方法では、前記搭載部材の前記主面は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は炭化シリコン（ＳｉＣ）からなることが好ましい。ＡｌＮ又はＳｉＣは、異方的な熱膨張係数を示す搭載主面を有する搭載部材を提供できる。これらの材料は六方晶系の結晶構造をとることができる。
【００３２】
本発明に係る作製方法では、前記搭載部材の前記主面は、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）のいずれかからなることができる。これらの金属又はその合金は、圧延により異方的な熱膨張係数を示す搭載主面を有する搭載部材を提供できる。
【００３３】
本発明に係る作製方法では、前記主面は、該六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して１０度以上１７０度以下の範囲内の角度で傾斜していることが好ましい。この作製方法によれば、上記の角度範囲においては、ｃ面からの傾斜に起因した熱膨張係数の異方性が顕著になる。
【発明の効果】
【００３４】
以上説明したように、本発明によれば、発光寿命を改善できる窒化物半導体レーザ装置を提供でき、またこの窒化物半導体レーザ装置を作製する方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置を示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置を作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【図３】図３は、実施例で用いられるレーザダイオードの構造を示す図面である。
【図４】図４は、実施例で作製される窒化物半導体レーザ装置の構造を示す図面である。
【図５】図５は、異方的な熱膨張係数のＣｕ-Ｍｏ合金搭載部材のための寿命評価の一覧を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
引き続いて、添付図面を参照しながら、窒化物半導体レーザ装置、及び窒化物半導体レーザ装置を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００３７】
図１は、本実施の形態に係る窒化物半導体発光装置を示す図面である。図１の（ａ）部を参照すると、窒化物半導体発光装置として、窒化物半導体レーザ装置１が示され、また半導体発光素子として、III族窒化物半導体レーザ素子１１が示される。この窒化物半導体レーザ装置１は搭載部材３及びIII族窒化物半導体レーザ素子１１を含む。搭載部材３は、熱膨張係数の異方性を有する主面３ａを有する。搭載部材３の主面３ａには、必要な場合には、第１の電極５ａ及び第２の電極５ｂが設けられることができる。搭載部材３はIII族窒化物半導体レーザ素子１１といった窒化物半導体発光素子を搭載する。搭載部材３は、例えばサブマウントであることができる。窒化物半導体発光素子１１は搭載部材３の第１の電極５ａ上に位置し、窒化物半導体発光素子のアノード及びカソードの一方は、第１の電極５ａに接着される。また、窒化物半導体発光素子１１のアノード及びカソードの他方は、ボンディングワイヤといった導電部材９を介して第２の電極５ｂに接続される。図１の（ｂ）部は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子の構造を概略的に示す図面である。III族窒化物半導体レーザ素子１１は、レーザ構造体１３及び電極１５、４１を含む。
【００３８】
III族窒化物半導体レーザ素子１１は、利得ガイド型の構造を有するけれども、本実施の形態は、利得ガイド型の構造に限定されるものではなく、例えばリッジ型の構造にて適用される。III族窒化物半導体レーザ素子１１は、レーザ構造体１３及び電極１５を備える。レーザ構造体１３は、III族窒化物半導体からなる半導体積層１９及び該半導体積層１９を搭載する基板１７を含む。基板１７は、六方晶系III族窒化物半導体からなり、また主面１７ａ及び裏面１７ｂを有する。半導体積層１９は、基板１７の主面１７ａ上に設けられている。半導体積層１９におけるｃ軸（ベクトルＶＣの方向に向く軸）は基板１７の主面１７ａに対する法線軸ＮＸに対して傾斜する。
【００３９】
電極１５は、レーザ構造体１３の半導体積層１９上に設けられる。半導体積層１９は、第１のクラッド層２１と、第２のクラッド層２３と、活性層２５とを含む。第１のクラッド層２１は、第１導電型の窒化ガリウム系半導体からなり、例えばｎ型ＡｌＧａＮ、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。第２のクラッド層２３は、第２導電型の窒化ガリウム系半導体からなり、例えばｐ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。活性層２５は、第１のクラッド層２１と第２のクラッド層２３との間に設けられる。活性層２５は窒化ガリウム系半導体層を含み、この窒化ガリウム系半導体層は例えば井戸層２５ａである。活性層２５は窒化ガリウム系半導体からなる障壁層２５ｂを含み、井戸層２５ａは障壁層２５ｂの間に設けられており、これら層２５ａ、２５ｂは交互に配列されている。井戸層２５ａは、例えばＩｎＧａＮ等からなり、障壁層２５ｂは例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。活性層２５は量子井戸構造を含むことができる。第１のクラッド層２１、第２のクラッド層２３及び活性層２５は、無極性又は半極性主面１７ａの法線軸ＮＸに沿って配列されている。無極性又は半極性面の利用により、波長４３０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光の発生に好適である。
【００４０】
本実施例におけるIII族窒化物半導体レーザ素子１１では、六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸は六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜している。これ故に、レーザ構造体１３は、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるｍ−ｎ面に交差する第１の端面２７及び第２の端面２９を含む。なお、六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸は六方晶系III族窒化物半導体のａ軸の方向に傾斜していることができ、この傾斜のとき、レーザ構造体１３の第１の端面２７及び第２の端面２９は、六方晶系III族窒化物半導体のａ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるａ−ｎ面に交差し、へき開面ではない割断面からなる。或いは、第１の端面２７及び第２の端面２９は、基板１７の主面１７ａとｍ−ｎ面（又はａ−ｎ面）との両方に直交する面に交差していてもよい。
【００４１】
図１を参照すると、直交座標系Ｓ及び結晶座標系ＣＲが描かれている。法線軸ＮＸは、直交座標系ＳのＺ軸の方向に向く。無極性又は半極性の主面１７ａは、直交座標系ＳのＸ軸及びＹ軸により規定される所定の平面に平行に延在する。また、図１の（ｂ）部には、代表的なｃ面Ｓｃが描かれている。基板１７の六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸は、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸の方向に法線軸ＮＸに対してゼロより大きい角度ＡＬＰＨＡで傾斜している。
【００４２】
III族窒化物半導体レーザ素子１１は、絶縁膜３１を更に備える。絶縁膜３１はレーザ構造体１３の半導体積層１９の表面１９ａを覆っており、半導体積層１９は絶縁膜３１と基板１７との間に位置する。基板１７は六方晶系III族窒化物半導体からなる。絶縁膜３１は開口３１ａを有し、開口３１ａは半導体積層１９の表面１９ａと上記のｍ−ｎ面との交差線ＬＩＸの方向に延在し、例えばストライプ形状を成す。電極１５は、開口３１ａを介して半導体積層１９の表面１９ａ（例えば第２導電型のコンタクト層３３）に接触を成しており、上記の交差線ＬＩＸの方向に延在する。III族窒化物半導体レーザ素子１１では、レーザ導波路は、第１のクラッド層２１、第２のクラッド層２３及び活性層２５を含み、また上記の交差線ＬＩＸの方向に延在する。
【００４３】
基板１７の主面１７ａは六方晶系窒化ガリウム系半導体からなり、基板１７の主面１７は該六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して傾斜した無極性又は半極性面を有する。半導体積層１９は基板１７の主面１７ａ上にエピタキシャルに成長された複数の半導体層２１、２０、２３、３３を含む。この窒化物半導体レーザ装置によれば、六方晶系窒化ガリウム系半導体の半極性面上に半導体積層を作製可能である。基板１７の主面１７ａは六方晶系窒化ガリウムからなることが好ましい。この窒化物半導体レーザ装置１によれば、良好な結晶品質のＧａＮ上に半導体積層を作製可能である。
【００４４】
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、既に説明したように、ｃ軸がｍ軸の方向に傾斜するとき、第１の端面２７及び第２の端面２９は、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるｍ−ｎ面に交差する（或いは、ｃ軸がａ軸の方向に傾斜するとき、第１の割断面２７及び第２の端面２９は、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるａ−ｎ面に交差する）。III族窒化物半導体レーザ素子１１のレーザ共振器は第１及び第２の端面２７、２９を含み、第１の端面２７及び第２の端面２９の一方から他方への導波路軸の方向に、レーザ導波路が延在している。レーザ構造体１３は第１の面１３ａ及び第２の面１３ｂを含み、第１の面１３ａは第２の面１３ｂの反対側の面である。これらの端面は、ｃ軸の傾斜方向とレーザ導波路の延在方向とに応じて、へき開面或いは割断面であることができる。第１及び第２の端面２７、２９は、第１の面１３ａのエッジ１３ｃから第２の面１３ｂのエッジ１３ｄまで延在する、本実施例では、レーザ導波路はｎ−ｍ面にそって延在しており、第１及び第２の端面２７、２９は、ｃ面、ｍ面又はａ面といったこれまでのへき開面とは異なり、光共振器のための割断面からなる。基板１７は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなることができる。これらの窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いるとき、共振器として利用可能な端面２７、２９を得ることができる。
【００４５】
このIII族窒化物半導体レーザ素子１１によれば、レーザ共振器を構成する第１及び第２の端面２７、２９がｍ−ｎ面に交差する。これ故に、ｍ−ｎ面と無極性又は半極性面１７ａとの交差線の方向に延在するレーザ導波路を設けることができる。これ故に、III族窒化物半導体レーザ素子１１は、低しきい値電流を可能にするレーザ共振器を有することになる。
【００４６】
第１及び第２の端面２７、２９の少なくとも一方、又はそれぞれに設けられた誘電体多層膜４３ａ、４３ｂを更に備えることができる。これらの端面２７、２９にも端面コートを適用できる。誘電体多層膜４３ａ、４３ｂにより、端面コートにより反射率を調整できる。
【００４７】
III族窒化物半導体レーザ素子１１は、ｎ側光ガイド層３５及びｐ側光ガイド層３７を含む。ｎ側光ガイド層３５は、第１の部分３５ａ及び第２の部分３５ｂを含み、ｎ側光ガイド層３５は例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。ｐ側光ガイド層３７は、第１の部分３７ａ及び第２の部分３７ｂを含み、ｐ側光ガイド層３７は例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。キャリアブロック層３９は、例えば第１の部分３７ａと第２の部分３７ｂとの間に設けられる。基板１７の裏面１７ｂには別の電極４１が設けられ、電極４１は例えば基板１７の裏面１７ｂを覆っている。上記の光ガイド層３５、３７及び活性層２５は、発光層２０を構成する。
【００４８】
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、半導体積層１９は、第１導電型III族窒化物半導体領域（例えば半導体層２１、３５ａ）、発光層２０及び第２導電型III族窒化物半導体領域（例えば半導体層３７ａ、２３、３３）を含む。第１導電型III族窒化物半導体領域（例えば半導体層２１、３５ａ）、発光層２０及び第２導電型III族窒化物半導体領域（例えば半導体層３７ｂ、２３、３３）は法線軸ＮＸの方向に順に配列されている。電極１５は、第２導電型III族窒化物半導体領域（例えば半導体層３７ａ、２３、３３）の主面に接触を成す。第１導電型III族窒化物半導体領域（例えば半導体層２１、３５ａ）、発光層２０及び第２導電型III族窒化物半導体領域（例えば半導体層３７ｂ、２３、３３）は、それぞれ、法線軸ＮＸに直交する第１〜第３の基準平面Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３に沿って延在する。
【００４９】
III族窒化物半導体レーザ素子１１は、法線軸ＮＸに直交する第１の方向に関する第１の熱膨張係数ＣＳ１（Ｅｘ）と、法線軸ＮＸ及び第１の方向に直交する第２の方向に関する第２の熱膨張係数ＣＳ２（Ｅｘ）とを有する。III族窒化物半導体レーザ素子１１は、第１の熱膨張係数ＣＳ１（Ｅｘ）が第２の熱膨張係数ＣＳ２（Ｅｘ）より大きいことを示す熱膨張係数の異方性を有する。この異方性は、ｃ軸が基板１７の主面１７ａの法線軸に対して大きく傾斜することに因る。III族窒化物半導体レーザ素子１１は、搭載部材３の熱膨張係数の異方性に合わせて向き付けされて搭載部材３の主面３ａ上に搭載されている。第１の方向は、例えばレーザ導波路の延在方向であることができ、また第２の方向は例えば端面２７、２９の延在方向であることができる。
【００５０】
搭載部材３は、その主面３ａの法線に直交する第３の方向に関する第１の熱膨張係数ＣＭ１（Ｅｘ）と、上記法線及び第３の方向に直交する第４の方向に関する第２の熱膨張係数ＣＭ２（Ｅｘ）とを有する。搭載部材３は、第１の熱膨張係数ＣＭ１（Ｅｘ）が第２の熱膨張係数ＣＭ２（Ｅｘ）より大きいこを示す熱膨張係数の異方性を有する。搭載部材３の主面３ａ上には、搭載部材３の熱膨張係数の異方性に合わせた向きでIII族窒化物半導体レーザ素子１１が搭載される。例えば、第３の方向は第１の方向に一致するように規定することができ、第４の方向は第２の方向に一致するように規定することができる。
【００５１】
この窒化物半導体レーザ装置１によれば、レーザ構造体１３はIII族窒化物半導体からなる半導体積層１９及び該半導体積層１９を搭載する基板１７を含み、この半導体積層１９におけるｃ軸（ベクトルＶＣの方向）は基板１７の主面１７ａに対する法線軸ＮＸに対して傾斜している。これ故に、III族窒化物半導体レーザ素子１１の半導体積層１９は、基板１７のｃ面ではなく半極性面１７ａ上に作製される。搭載部材３は、例えば搭載部材主面３ａの第１の熱膨張係数ＣＭ１（Ｅｘ）が搭載部材主面３ａの第２の熱膨張係数ＣＭ２（Ｅｘ）より大きいことを示す熱膨張係数の異方性を有する。また、III族窒化物半導体レーザ素子１１は、III族窒化物半導体レーザ素子１１の第１の熱膨張係数ＣＳ１（Ｅｘ）が半導体発光素子の第２の熱膨張係数ＣＳ２（Ｅｘ）より大きいことを示す熱膨張係数の異方性を有する。この半導体レーザ素子は搭載部材３の熱膨張係数の異方性に合わせて向き付けされて、熱膨張係数の異方性を有する搭載部材主面３ａ上に搭載されている。したがって、III族窒化物半導体レーザ素子１１は、熱膨張係数の異方性を有する搭載部材主面３ａ上に搭載されるとき、等方的な熱膨張係数を有する搭載部材主面３ａ上に搭載されることに比べて、窒化物半導体レーザ装置１では、III族窒化物半導体レーザ素子１１と搭載部材３との熱膨張係数差に起因する応力がIII族窒化物半導体レーザ素子１１において低減される。
【００５２】
窒化物半導体レーザ装置１では、例えばIII族窒化物半導体レーザ素子１１の半導体積層１９が基板１７と搭載部材３との間に設けられていてもよい。この窒化物半導体レーザ装置１では、いわゆるエピダウン形態でIII族窒化物半導体レーザ素子１１が実装される。活性層２５が基板１７に比べて搭載部材３の主面３ａに近い。
【００５３】
搭載部材３の異方性について説明する。窒化物半導体レーザ装置１では、搭載部材３の主面３ａはＣｕ−Ｍｏ合金からなることができる。Ｃｕ−Ｍｏ合金は、異方的な熱膨張係数を搭載部材３に提供できる。また、搭載部材３の主面３ａは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は炭化シリコン（ＳｉＣ）からなることが好ましい。ＡｌＮ又はＳｉＣは、異方的な熱膨張を搭載部材３に提供できる。これらの材料の結晶構造は六方晶系であることができる。
【００５４】
搭載部材３の主面３ａは、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）のいずれかからなることができる。これらの金属又はその合金は、異方的な熱膨張係数を示す搭載主面を圧延により形成できる。
【００５５】
窒化物半導体レーザ装置１は、III族窒化物半導体レーザ素子１１の電極（例えば電極１５）と搭載部材３の主面３ａとの間に位置する導電性接着部材７を更に備えることができる。電極１５は搭載部材３の第１の電極５ａに導電性接着部材７を介して固定される。導電性接着部材７を用いた固定の際の熱応力は、窒化物半導体レーザ装置１の異方的な残留応力となる。
【００５６】
窒化物半導体レーザ装置１では、無極性又は半極性主面１７ａは、該六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して１０度以上１７０度以下の範囲内の角度ＡＬＰＨＡで傾斜していることが好ましい。この窒化物半導体レーザ装置１によれば、上記の角度範囲においては、ｃ面からの傾斜に起因した熱膨張の異方性が顕著になる。
【００５７】
無極性又は半極性面１７ａが該六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対してｍ軸の方向に１０度以上１７０度以下の範囲内の角度ＡＬＰＨＡで傾斜するとき、活性層２５の発光のピーク波長は５００ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲にあることができる。III族窒化物半導体レーザ素子１１の半導体積層１９がｃ面ではなく主面１７ａ上に作製されるので、このIII族窒化物半導体レーザ素子１１は上記の波長範囲の発光（例えば緑色の発光）を提供できる。
【００５８】
図２は、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置を作製する方法における主要な工程を示す図面である。この作製方法の工程フロー１００では、図１に示された窒化物半導体レーザ装置１の一形態を作製する。
【００５９】
工程Ｓ１０１において、熱膨張係数の異方性を示す主面を有する搭載部材を準備する。この搭載部材として、例えば図１に示された搭載部材３を使用できる。後の工程において、搭載部材の主面上には窒化物半導体発光素子が搭載される。具体的に説明すると、搭載部材の主面は、第３の方向に関する第１の熱膨張係数ＣＭ１（Ｅｘ）と、第３の方向に直交する第４の方向に関する第２の熱膨張係数Ｍ２（Ｅｘ）とを有する。搭載部材３の主面３ａは、例えば搭載部材３の第１の熱膨張係数ＣＭ１（Ｅｘ）が搭載部材３の第２の熱膨張係数ＣＭ１（Ｅｘ）より大きい熱膨張係数の異方性を有する。搭載部材３の材料は、例えばＣｕ−Ｍｏ合金を用いることがで、またガリウム砒素（ＧａＡｓ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及び炭化シリコン（ＳｉＣ）といった半導体が用いられることができ、さらに銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）のいずれか金属、或いはこれらの合金が用いられることができる。Ｃｕ−Ｍｏ合金は熱膨張係数の異方性を搭載部材の搭載主面に提供できる。ＡｌＮ又はＳｉＣの結晶構造は例えば六方晶系であるので、ＡｌＮ又はＳｉＣのｃ軸が搭載面の法線に対して傾斜するとき、その搭載面は、異方的な熱膨張係数を有する。また、銅、タングステン、鉄、金、銀、アルミニウムといった金属は、圧延による加工を用いて、熱膨張係数の異方性を搭載面に提供できる。
【００６０】
工程Ｓ１０２では、窒化物半導体発光素子を準備する。この窒化物半導体発光素子として、例えばIII族窒化物半導体レーザ素子１１を使用できる。理解を容易にするために、引き続く説明において、III族窒化物半導体レーザ素子１１の構造物においては、図１に示された参照符号を付する。III族窒化物半導体レーザ素子１１はレーザ構造体１３及び電極１５を含む。半導体発光素子は、例えばレーザ導波路の延在方向における第１の熱膨張係数ＣＳ１（Ｅｘ）と、レーザ導波路の方向及び法線方向の両方に直交する第２の方向に関する第２の熱膨張係数ＣＳ２（Ｅｘ）とを有する。半導体発光素子は熱膨張係数の異方性を有し、この異方性では、一例として第１の熱膨張係数ＣＳ１（Ｅｘ）が第２の熱膨張係数ＣＳ２（Ｅｘ）より大きい（或いは、第２の熱膨張係数ＣＳ２（Ｅｘ）が第１の熱膨張係数ＣＳ１（Ｅｘ）より大きい）。
【００６１】
工程Ｓ１０３では、半導体発光素子の搭載に先立って、搭載部材上に導電性接着材を設けることができる。導電性接着材は例えば半田であることができ、半田として、例えばＡｕ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｓｎ等を用いることができる。必要な場合には、導電性接着材は、搭載部材の電極上に予め設けておくことができ、この搭載部材では、工程Ｓ１０３は行われない。
【００６２】
工程Ｓ１０４では、搭載部材の熱膨張係数の異方性に合わせて、半導体発光素子の向き付けを行う。例えば、半導体発光素子の第１の方向が搭載部材の第１の方向に整列するように、搭載部材を基準にして半導体発光素子を向き付けされる。搭載部材はこの向き付けのためのマーク（例えば図１におけるマーク３ｃ）を有することができる。
【００６３】
工程Ｓ１０５では、半導体発光素子の向き付けを行った後に、搭載部材３の主面３ａ上に半導体発光素子を搭載する。搭載部材３上に導電性接着材が設けられている場合、半導体発光素子を搭載する工程では、導電性接着剤を介して半導体発光素子が搭載部材３に固定される。搭載に際して、搭載部材３の温度を半田の溶融より高い温度に上昇させて、半田を溶融させる。溶融している導電性接着材上に、向き付けした素子を配置した後に、搭載部材及び素子の温度を半田の溶融より低い温度に降下させて、半田を固化する。この実施例では、導電性接着材としては、例えばＡｕ−Ｓｎ半田（融点：摂氏２８０度）を用いる。この作製方法では、導電性接着部材を用いた固定の際の熱応力が窒化物半導体レーザ装置の異方的な残留応力を増加させる可能性があるけれども、異方的な熱膨張係数を有する搭載部材を用いることによって、残留応力の影響を低減できる。
【００６４】
この作製方法によれば、レーザ構造体１３はIII族窒化物半導体からなる半導体積層１９及び該半導体積層１９を搭載する基板１７を含み、この半導体積層１９におけるｃ軸は基板１７の主面１７ａに対する法線軸ＮＸに対して傾斜している。これ故に、半導体積層１９は、ｃ面ではなく無極性又は半極性の主面１７ａ上に作製される。III族窒化物半導体レーザ素子１１は、III族窒化物半導体レーザ素子１１の第１の熱膨張係数ＣＳ１（Ｅｘ）が第２の熱膨張係数ＣＳ２（Ｅｘ）と異なることを示す熱膨張係数の異方性を有する。このIII族窒化物半導体レーザ素子１１は搭載部材３の熱膨張係数の異方性に合わせて向き付けされて、熱膨張係数の異方性を有する搭載部材主面３ａ上に搭載されている。したがって、III族窒化物半導体レーザ素子１１は、熱膨張係数の異方性を有する搭載部材主面３ａ上に搭載されるとき、等方的な熱膨張係数を有する搭載部材主面上にIII族窒化物半導体レーザ素子１１が搭載される装置に比べて、窒化物半導体レーザ装置１では熱膨張係数に起因する応力がIII族窒化物半導体レーザ素子１１において低減される。
【００６５】
（実施例１）
窒化物半導体レーザ装置の一実施例を説明する。III族窒化物半導体レーザ素子を準備する。本実施例では、III族窒化物半導体レーザ素子を以下の工程により形成することによって準備する。
【００６６】
（III族窒化物半導体レーザ素子の作製）
図３に示すレーザダイオード構造を作製する。ｍ軸方向に５１．４度オフしたＧａＮウエハ９０を準備した。このＧａＮウエハ９０の主面の面方位は（２０−２３）面である。ＧａＮウエハ９０を成長炉に配置した後に、アンモニア及び水素の雰囲気中で熱処理を行う。熱処理温度は摂氏１１００度であり、熱処理時間は約１０分である。熱処理の後に、ＴＭＧ（９８．７μｍｏｌ／分）、ＴＭＡ（８．２μｍｏｌ／分）、ＮＨ３（６ｓｌｍ）、ＳｉＨ４を成長炉に供給して、クラッド層のためのｎ型ＡｌＧａＮ層９１をＧａＮウエハ９０上に摂氏１１５０度で成長する。ｎ型ＡｌＧａＮ層９１の厚さは２３００ｎｍである。ｎ型ＡｌＧａＮ層９１の成長速度は４６．０ｎｍ／分である。ｎ型ＡｌＧａＮ層９１のＡｌ組成は０．０４である。
【００６７】
次いで、ＴＭＧ（９８．７μｍｏｌ／分）、ＮＨ３（５ｓｌｍ）、ＳｉＨ４を成長炉に供給して、ｎ型ＡｌＧａＮ層９１上にｎ型ＧａＮ層９２を摂氏１１５０度で成長する。ｎ型ＧａＮ層９２の厚さは５０ｎｍである。ｎ型ＧａＮ層９２の成長速度は５８．０ｎｍ／分である。ＴＭＧ（２４．４μｍｏｌ／分）、ＴＭＩ（４．６μｍｏｌ／分）、ＮＨ３（６ｓｌｍ）を成長炉に供給して、光ガイド層のためのアンドープＩｎＧａＮ層９３ａをｎ型ＧａＮ層９４上に摂氏８４０度で成長する。ｎ型ＩｎＧａＮ層９３ａの厚さは６５ｎｍである。ｎ型ＩｎＧａＮ層９３ａの成長速度は６．７ｎｍ／分である。アンドープＩｎＧａＮ層９３ａのＩｎ組成は０．０５である。次いで活性層９４を形成する。ＴＭＧ（１５．６μｍｏｌ／分）、ＴＭＩ（２９．０μｍｏｌ／分）、ＮＨ３（８ｓｌｍ）を成長炉に供給して、アンドープＩｎＧａＮ井戸層を摂氏７４５度で成長する。ＩｎＧａＮ層の厚さは３ｎｍである。ＩｎＧａＮ層の成長速度は３．１ｎｍ／分である。
【００６８】
次いで、成長炉の温度を摂氏７４５度に維持しながら、ＴＭＧ（１５．６μｍｏｌ／分）、ＴＭＩ（０．３μｍｏｌ／分）、ＮＨ３（８ｓｌｍ）を成長炉に供給して、アンドープＧａＮ層をＩｎＧａＮ層上に摂氏７４５度で成長する。ＧａＮ層の厚さは１ｎｍである。ＧａＮ層の成長速度は３．１ｎｍ／分である。アンドープＧａＮ層を成長した後に、成長炉の温度を摂氏７４５度から摂氏８７０度に変更する。ＴＭＧ（２４．４μｍｏｌ／分）、ＴＭＩ（１．６μｍｏｌ／分）、ＮＨ３（６ｓｌｍ）を成長炉に供給して、障壁層のためのアンドープＩｎＧａＮ層をアンドープＩｎＧａＮ井戸層上に摂氏８７０度で成長する。ＩｎＧａＮ層の厚さは１５ｎｍである。ＩｎＧａＮ層の成長速度は６．７ｎｍ／分である。アンドープＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は０．０２である。
【００６９】
次いで、成長炉の温度を摂氏８７０度から摂氏７４５度に変更する。この後に、ＴＭＧ（１５．６μｍｏｌ／分）、ＴＭＩ（２９．０μｍｏｌ／分）、ＮＨ３（８ｓｌｍ）を成長炉に供給して、アンドープＩｎＧａＮ井戸層をＩｎＧａＮ層上に摂氏７４５度で成長する。ＩｎＧａＮ層の厚さは３ｎｍである。ＩｎＧａＮ層の成長速度は３．１ｎｍ／分である。アンドープＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は０．２５である。
【００７０】
井戸層及び障壁層の成長を２回繰り返して行う。この後に、ＴＭＧ（１３．０μｍｏｌ／分）、ＴＭＩ（４．６μｍｏｌ／分）、ＮＨ３（６ｓｌｍ）を成長炉に供給して、光ガイド層のためのアンドープＩｎＧａＮ層９３ｂを活性層９４上に摂氏８４０度で成長する。ＩｎＧａＮ層９３ｂの厚さは６５ｎｍである。ＩｎＧａＮ層９３ｂの成長速度は６．７ｎｍ／分である。次いで、ＴＭＧ（９８．７μｍｏｌ／分）、ＮＨ３（５ｓｌｍ）を成長炉に供給して、アンドープＧａＮ層９６をＩｎＧａＮ層９３ｂ上に摂氏１１００度で成長する。ＧａＮ層９６の厚さは５０ｎｍである。ＧａＮ層９６の成長速度は５８．０ｎｍ／分である。アンドープＩｎＧａＮ層９３ｂのＩｎ組成は０．０５である。
【００７１】
次いで、ＴＭＧ（１６．６μｍｏｌ／分）、ＴＭＡ（２．８μｍｏｌ／分）、ＮＨ３（６ｓｌｍ）、Ｃｐ２Ｍｇを成長炉に供給して、ｐ型ＡｌＧａＮ層９７をＧａＮ層９６上に摂氏１１００度で成長する。ＡｌＧａＮ層９７の厚さは２０ｎｍである。ＡｌＧａＮ層９７の成長速度は４．９ｎｍ／分である。ｐ型ＡｌＧａＮ層９７のＡｌ組成は０．１５である。ＴＭＧ（３６．６μｍｏｌ／分）、ＴＭＡ（３．０μｍｏｌ／分）、ＮＨ３（６ｓｌｍ）、Ｃｐ２Ｍｇを成長炉に供給して、ｐ型ＡｌＧａＮ層９８をｐ型ＡｌＧａＮ層９７上に摂氏１１００度で成長する。ＡｌＧａＮ層９８の厚さは４００ｎｍである。Ａｌの組成は０．０６である。ＡｌＧａＮ層９８の成長速度は１３．０ｎｍ／分である。また、ＴＭＧ（３４．１μｍｏｌ／分）、ＮＨ３（５ｓｌｍ）、Ｃｐ２Ｍｇを成長炉に供給して、ｐ型ＧａＮ層９９をｐ型ＡｌＧａＮ層９８上に摂氏１１００度で成長する。ＧａＮ層９９の厚さは５０ｎｍである。ｐ型ＧａＮ層９９の成長速度は１８．０ｎｍ／分である。これらの工程によってエピタキシャルウエハが作製される。
【００７２】
このエピタキシャルウエハ上にアノードＡＮ及びカソードＣＴを形成して基板生産物を作製した後に、基板生産物を分離して個々のレーザダイオードを作製できる。アノード電極は、例えば１０マイクロメートル幅のストライプ窓を有する絶縁膜を介してｐ型ＧａＮ層に電気的に接続される。この基板生産物をａ面及びａ面に垂直な面において切断して、一対の共振器のための端面をａ面とする６００マイクロメートル長及び２マイクロメートル幅のレーザダイオードＬＤ０を作製する。
【００７３】
このレーザダイオードＬＤ０の熱膨張係数を測定する。このレーザダイオードＬＤ０は、ＧａＮのｃ軸がＧａＮのｍ軸の方向に５１．４度の角度（オフ角とも呼ばれる）で傾斜するＧａＮウエハを用いて作製される。
【００７４】
レーザダイオードＬＤ０のレーザ導波路の延在方向（例えばａ軸方向）の熱膨張係数ＣＳ１（Ｅｘ）は５．６×１０−６／℃であり、レーザ共振器端面の延在方向の熱膨張係数ＣＳ２（Ｅｘ）は４．６×１０−６／℃である。レーザダイオードのレーザ導波路の延在方向はレーザ共振器端面の延在方向（例えばｍ−ｎ面の方向）に直交する。発明者の実験によれば、レーザダイオードＬＤ０の熱膨張係数の係数は、ＧａＮウエハのオフ角ＴＨ（度）として、本実施例では以下の式で近似的に表される。
熱膨張係数Ｃ２＝（（５.６×cos（π×ＴＨ／１８０））２＋（３．２×sin（π×ＴＨ／１８０））２）１／２。
【００７５】
Ｃｕ-Ｍｏ合金からなる搭載部材を準備する。
・等方的Ｃｕ-Ｍｏ合金搭載部材。
このＣｕ-Ｍｏ合金搭載部材の搭載主面における熱膨張係数が等方性であり、その値は９．０×１０−６／℃である。
（ａ）第１のＣｕ-Ｍｏ合金搭載部材。
第１のＣｕ-Ｍｏ合金搭載部材の搭載主面における熱膨張が異方的であり、搭載部材の長手方向Ｌの熱膨張係数が８．５×１０−６／℃であり、搭載部材の幅方向Ｗの熱膨張係数が７．８×０−６／℃である。
（ｂ）第２のＣｕ-Ｍｏ合金搭載部材。
第２のＣｕ-Ｍｏ合金搭載部材の搭載主面における熱膨張が異方的であり、搭載部材の長手方向Ｌの熱膨張係数が８．７×１０−６／℃であり、搭載部材の幅方向Ｗの熱膨張係数が７．８×０−６／℃である。
（ｃ）第３のＣｕ-Ｍｏ合金搭載部材。
第３のＣｕ-Ｍｏ合金搭載部材の搭載主面における熱膨張が異方的であり、搭載部材の長手方向Ｌの熱膨張係数が９．２×１０−６／℃であり、搭載部材の幅方向Ｗの熱膨張係数が７．８×０−６／℃である。
（ｄ）第４のＣｕ-Ｍｏ合金搭載部材。
第４のＣｕ-Ｍｏ合金搭載部材の搭載主面における熱膨張が異方的であり、搭載部材の長手方向Ｌの熱膨張係数が９．４×１０−６／℃であり、搭載部材の幅方向Ｗの熱膨張係数が７．７×０−６／℃である。
（ｅ）第５のＣｕ-Ｍｏ合金搭載部材。
第５のＣｕ-Ｍｏ合金搭載部材の搭載主面における熱膨張が異方的であり、搭載部材の長手方向Ｌの熱膨張係数が９．５×１０−６／℃であり、搭載部材の幅方向Ｗの熱膨張係数が７．６×０−６／℃である。
（ｆ）第６のＣｕ-Ｍｏ合金搭載部材。
第６のＣｕ-Ｍｏ合金搭載部材の搭載主面における熱膨張が異方的であり、搭載部材の長手方向Ｌの熱膨張係数が９．７×１０−６／℃であり、搭載部材の幅方向Ｗの熱膨張係数が７．３×０−６／℃である。
（ｇ）第７のＣｕ-Ｍｏ合金搭載部材。
第７のＣｕ-Ｍｏ合金搭載部材の搭載主面における熱膨張が異方的であり、搭載部材の長手方向Ｌの熱膨張係数が９．８×１０−６／℃であり、搭載部材の幅方向Ｗの熱膨張係数が７．２×０−６／℃である。
これらのＣｕ-Ｍｏ合金搭載部材の熱膨張係数は、例えば特許文献３に示されるように製造方法により実現される。
【００７６】
同じ基板生産物から作製されたいくつかレーザダイオードのｐ型ＧａＮコンタクト層に接触を成す電極を、それぞれ、等方性Ｃｕ-Ｍｏ合金搭載部材及び第１〜第７の異方性Ｃｕ-Ｍｏ合金搭載部材の搭載面にＡｕ−Ｓｎ半田を用いて接着して、図４に示される窒化物半導体レーザ装置を作製する。窒化物半導体レーザ装置では、レーザダイオードの導波路方向が搭載部材の長手方向に向きづけられている。本実施例では、レーザダイオードはいわゆるエピダウン形態で搭載される。窒化物半導体レーザ装置上のレーザダイオードはレーザ光ＬＤをを生成する。
【００７７】
これらの窒化物半導体レーザ装置を波長５２０ｎｍ及び出力５ｍＷで連続的に発光させて、寿命を評価する。搭載部材における熱膨張係数の異方性を示すために、異方性係数Ｃ（Ｍ）を以下のように定義する。
異方性係数Ｃ（Ｍ）＝（長手方向Ｌの熱膨張係数）／（幅方向Ｗの熱膨張係数）−１。
長手方向は、レーザダイオードの導波路ＬＷＧ方向にほぼ一致する。この向き付けに関するばらつきは、例えば−５度以上＋５度以下程度である。
レーザダイオードにおける熱膨張係数の異方性を示すために、異方性係数Ｃ（Ｓ）を以下のように定義する。
異方性係数Ｃ（Ｓ）＝（レーザ導波路方向の熱膨張係数）／（共振器端面の延在方向の熱膨張係数）−１。
なお、本実施例では、Ｃ（Ｓ）＝０．２２である。
搭載部材の熱膨張係数の異方性とレーザダイオードの熱膨張係数の異方性との比を示すために、異方性比率ＲＡＴＩＯを以下のように定義する。
異方性比率ＲＡＴＩＯ＝Ｃ（Ｍ）／Ｃ（Ｓ）。
【００７８】
等方的な熱膨張係数のＣｕ-Ｍｏ合金搭載部材を用いた窒化物半導体レーザ装置の寿命は３０時間程度である。図５は、異方的な熱膨張係数のＣｕ-Ｍｏ合金搭載部材のための寿命評価の一覧を示す。図５を参照すると、異方性比率ＲＡＴＩＯが１に近づくにつれて、装置寿命が長くなる。本実施例では、装置寿命は、５ｍＷ発振時の電流量が初期電流量の１３０％を超える時間によって定義される。
【００７９】
（実施例２）
４Ｈ型ＳｉＣ搭載部材を準備する。ｃ面を搭載面として持つ第１の４Ｈ型ＳｉＣ搭載部材と、ｍ面を搭載面として持つ第２の４Ｈ型ＳｉＣ搭載部材とを準備する。等方性ＳｉＣ搭載部材の搭載面は等方的な熱膨張係数を有し、つまり直交する第１及び第２の方向における熱膨張係数が互いに等しい。異方性ＳｉＣ搭載部材の搭載面は異方的な熱膨張係数を有し、つまり直交する第１及び第２の方向における熱膨張係数が互いに異なる。
・等方性ＳｉＣ搭載部材。
等方性ＳｉＣ搭載部材の搭載主面（ｃ面）における熱膨張係数が等方的であり、その値は４．７×１０−６／℃である。
・異方性ＳｉＣ搭載部材。
異方的ＳｉＣ搭載部材の搭載主面（ｍ面）における熱膨張係数が異方的であり、搭載部材のａ軸方向の熱膨張係数が４．７×１０−６／℃であり、ｃ軸方向の熱膨張係数が４．２×１０−６／℃である。
（ｈ）異方性ＳｉＣ搭載部材のａ軸方向に合わせて、実施例１で作製したレーザダイオードのレーザ導波路方向（ａ軸の方向）を向きづけて、異方性ＳｉＣ合金搭載部材上にレーザダイオードを実装する。
Ｃ（Ｍ）＝０．１２。
ＲＡＴＩＯ＝０．５５。
寿命：２００時間。
（ｉ）等方性ＳｉＣ搭載部材上に、実施例１で作製したレーザダイオードを実装する。
寿命：５０時間。
（ｊ）異方性ＳｉＣ搭載部材のｃ軸方向に合わせて、実施例１で作製したレーザダイオードのレーザ導波路方向（ａ軸の方向）を向きづけて、異方性ＳｉＣ合金搭載部材上にレーザダイオードを実装する。
Ｃ（Ｍ）＝−０．１１。
ＲＡＴＩＯ＝−０．５。
寿命：１０時間。
ＳｉＣの熱膨張係数は実施例１おける窒化物レーザダイオードの異方的な熱膨張係数より小さい。
【００８０】
本実施形態では、搭載部材の材料としてＣｕ―Ｍｏ及びＳｉＣを用いたが、その熱膨張係数に異方性を示す材料であればよく、Ｃｕ、Ｗ、Ｆｅ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＡｌＮなどを組み合わせても構わない。また、単一の材料であっても熱膨張係数に異方性があれば良く、例えばＣ面から傾いた支持面を有するＳｉＣ単結晶基材、ＡｌＮ単結晶基材などを搭載部材に用いることができる。
【００８１】
ＳｉＣと異なりＣｕ−Ｍｎ合金の熱膨張係数は窒化物系半導体発光素子の熱膨張係数より大きく、異方的なＣｕ−Ｍｎ合金搭載部材は窒化物系半導体発光素子に圧縮応力を与える。搭載部材からの引っ張り応力を受ける窒化物系半導体発光素子に比べて、圧縮応力を受ける素子の寿命が長くなる。
【００８２】
異方的な熱膨張係数を有する搭載部材が窒化物半導体発光素子に圧縮応力を与えるように、第１の方向に関して、搭載部材の第１の熱膨張係数が半導体発光素子の第１の熱膨張係数より大きいことが好ましい。また、異方的な熱膨張係数を有する搭載部材が窒化物半導体発光素子に圧縮応力を与えるように、第２の方向に関して、搭載部材の第２の熱膨張係数が半導体発光素子の第２の熱膨張係数より大きいことが好ましい。さらに、異方的な熱膨張係数を有する搭載部材が窒化物半導体発光素子に圧縮応力を与えるように、搭載部材の第１及び第２の熱膨張係数がそれぞれ半導体発光素子の第１及び第２の熱膨張係数より大きいことが好ましい。熱膨張係数の上記の関係が満たされるとき、長寿命の窒化物半導体レーザ装置が提供される。
【００８３】
実施例１及び実施例２に示される実験並びに発明者らの他の実験によれば、搭載部材の異方性係数Ｃ（Ｍ）は、異方性比（Ｃ（Ｍ）／Ｃ（Ｓ））は、０．５以上１．５以下であることが好ましい。発明者らの実験によれば、上記の比率の範囲において、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置の寿命が改善される。
【００８４】
本発明は、実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本実施の形態によれば、発光寿命を改善できる窒化物半導体レーザ装置を提供することができる。また、本実施の形態によれば、この窒化物半導体レーザ装置を作製する方法を提供できる。
【符号の説明】
【００８６】
１…窒化物半導体レーザ装置、３…搭載部材、３ａ…搭載部材主面、５ａ…第１の電極、５ｂ…第２の電極、７…導電性接着部材、９…導電部材、１１…III族窒化物半導体レーザ素子、１３…レーザ構造体、１３ａ…第１の面、１３ｂ…第２の面、１３ｃ、１３ｄ…エッジ、１５…電極、１７…基板、１７ａ…主面、１７ｂ…裏面、１９…半導体積層、１９ａ…半導体領域表面、２１…第１のクラッド層、２３…第２のクラッド層、２５…活性層、２５ａ…井戸層、２５ｂ…障壁層、２７、２９…割断面、ＡＬＰＨＡ…角度、Ｓｃ…ｃ面、ＮＸ…法線軸、３１…絶縁膜、３１ａ…絶縁膜開口、３５…ｎ側光ガイド層、３７…ｐ側光ガイド層、３９…キャリアブロック層、４１…電極、４３ａ、４３ｂ…誘電体多層膜。
【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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