(57)【要約】【課題】高出力特性とＦＦＰ特性とを同時に満足し、安定した高出力動作が可能な窒化物半導体レーザ装置を実現できるようにする。【解決手段】半導体レーザ装置は、基板１１１の上に形成された、第１導電型層１２１、活性層１２２及びストライプ状に延びるリッジ部１２３Ａを有する第２導電型層１２３を含む半導体層積層体１１２と、半導体層積層体１１２の上に形成され、リッジ部１２３Ａの上面を露出する開口部を有する誘電体層１１３と、誘電体層１１３の上に形成され、開口部においてリッジ部１２３Ａの上面と接する電極１１５とを備えている。電極１１５によりリッジ部１２３Ａに加わる圧縮応力は、第１領域１０１において、第２領域１０２よりも大きく、第１領域１０１の長さは、共振器長の２分の１よりも短い。【選択図】図１
2012227313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された、第１導電型層、活性層及び前方端面と後方端面との間にストライプ状に延びるリッジ部を有する第２導電型層を含む半導体層積層体と、
前記半導体層積層体の上に形成され、前記リッジ部の上面を露出する開口部を有する誘電体層と、
前記基板における前記半導体層積層体と反対側の面に形成された第１電極と、
前記誘電体層の上に形成され、前記開口部において前記リッジ部の上面と接する第２電極とを備え、
前記第２電極により前記リッジ部に加わる圧縮応力は、前記前方端面を含む第１領域において、前記第１領域を除く第２領域よりも大きく、
前記第１領域の長さは、共振器長の２分の１よりも短いことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記第２電極は、前記開口部において前記リッジ部の上面と接するコンタクト電極と、前記コンタクト電極の上に形成された配線電極とを有し、
前記配線電極は、前記第１領域に形成された部分の厚さが、前記第２領域に形成された部分よりも厚い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】
前記配線電極は、第１の層及び該第１の層の上に形成された第２の層を有し、
前記第２の層は、前記第１領域に形成された部分の厚さが前記第２領域に形成された部分よりも厚いことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記リッジ部の直上において前記配線電極と接続されたボンディングワイヤをさらに備え、
前記ボンディングワイヤは、前記第２領域において前記配線電極と接続されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記第２電極は、前記開口部において前記リッジ部の上面と接するコンタクト電極と、前記コンタクト電極の上に形成された配線電極とを有し、
前記配線電極は、第１の層及び該第１の層の上に形成された第２の層を有し、
前記第２の層は、前記第１領域及び第２領域において前記リッジ部の両側方の上に形成されたストライプ状の側壁部と、前記第１領域において前記側壁部同士の上に跨る天井部とを有している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６】
前記リッジ部と前記側壁部との間の間隔は、０．５μｍ以上且つ５μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記リッジ部の直上において前記配線電極と接続されたボンディングワイヤをさらに備え、
前記ボンディングワイヤは、前記第１領域において前記天井部と接続されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
一の面にサブマウント電極を有するサブマウントをさらに備え、
前記第１電極は前記サブマウント電極と接合されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に高密度光記憶装置等に用いる窒化物半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ディスク及び光磁気ディスク等の記録媒体に対する光学的記録装置及び読み出し装置等に用いる光ピックアップの光源として、半導体レーザ装置が多用されている。レコーダ用、コンピュータ用及び車載用等の様々な用途に光ディスク市場は拡大しており、特に最近では、青紫色の発光波長を有する窒化物半導体レーザ装置を用いた次世代デジタルヴァーサタイルディスク（ＤＶＤ）市場が急速に広がっている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００３】
このような状況において、光ディスクへのデータ記録速度を高速化するために必要な高出力まで線形性に優れた電流−光出力特性及び光ディスク上へのレーザ光の集光に適した遠視野像(ＦＦＰ：Far Field Pattern)特性が、窒化物半導体レーザ装置に求められている。
【０００４】
近年の高密度光記憶装置用の窒化物半導体レーザ装置は、４００ｍＷ以上の光出力及び水平方向が８°程度で垂直方向が１８°程度のＦＦＰ特性が求められている。また、高出力状態まで安定して動作することが求められている。
【０００５】
窒化物半導体レーザ装置は、一般的に高出力状態になると注入電流に対する光出力が非線形性（キンク）を示し、安定した光出力特性を得ることが困難になる。キンクの原因として次のようなことが考えられる。光出力の増加に伴いｐ型クラッド層において生じる光吸収及びジュール発熱により、リッジ部の温度が上昇してｐ型クラッド層の屈折率が増加し、これによる光閉じ込めが増大する。光出力の上昇と共に単一横モード条件を満たすことができなくなり、高次横モードが発生し、基本横モードと高次横モードとの干渉によりレーザ光に不安定性が生じ、その結果キンクが発生する。従って、キンクが生じる光出力(以下、キンクレベルと呼ぶ)を大きくするためには、基本横モードと高次横モードとの干渉が発生しないように窒化物半導体レーザ素子の単一モード条件を強化する必要がある。
【０００６】
従来の半導体レーザ装置における単一横モード条件を強化する基本的な対策として、リッジ側方の平坦部においてｐ型クラッド層の厚さを厚くすることが挙げられる。リッジ側方の平坦部においてｐ型クラッド層の厚さを厚くすることにより、リッジ部の実効屈折率とリッジ部の側方における実効屈折率との差である実効屈折率差ΔＮを低減できる。これにより、水平方向の光閉じ込めを弱めることができる。また、リッジ部の幅を狭くすることにより、高次横モードの発生を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−０８８４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、リッジ部側方の平坦部におけるｐ型クラッド層の厚さを厚くしたり、リッジ部の幅を狭くして、ΔＮを低減して水平方向の光閉じ込めを弱めると、水平ＦＦＰが狭くなるという問題がある。また、リッジ部の幅を狭くすると、リッジ部に流れる電流密度が増加するため、半導体レーザ装置の発熱が大きくなり、温度特性を悪化させるという問題がある。逆に、リッジ部側方の平坦部におけるｐ型クラッド層の厚さを薄くしたり、リッジ部の幅を広くして水平ＦＦＰを広くしようとすると、キンクレベルが低下し、ＦＦＰの単峰性を確保できなくなるという問題が生じる。仮に、キンクレベルとＦＦＰ特性とを共に満足するｐ型クラッド層の厚さ及びリッジ部の幅を見出したとしても、素子を作製する際のプロセスマージンが小さくなり、歩留まりが大きく低下するおそれがある。このように、リッジ部側方の平坦部におけるｐ型クラッド層の厚さ及びリッジ部の幅等の調整では、高いキンクレベルと広い水平ＦＦＰとを共に満足する半導体レーザ装置を実現することは実質的に不可能である。
【０００９】
本発明は、前記の問題を解決し、ｐ型クラッド層の厚さ及びリッジ部の幅等の調整によらず、高出力特性とＦＦＰ特性とを同時に満足し、安定した高出力動作が可能な窒化物半導体レーザ装置を実現できるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するため、本発明は半導体レーザ装置を、光を出射する前方端面側の領域において、リッジ部に大きな圧縮応力を加える構成とする。
【００１１】
具体的に、本発明に係る半導体レーザ装置は、基板の上に形成された、第１導電型層、活性層及び前方端面と後方端面との間にストライプ状に延びるリッジ部を有する第２導電型層を含む半導体層積層体と、半導体層積層体の上に形成され、リッジ部の上面を露出する開口部を有する誘電体層と、基板における半導体層積層体と反対側の面に形成された第１電極と、誘電体層の上に形成され、開口部においてリッジ部の上面と接する第２電極とを備え、第２電極によりリッジ部に加わる圧縮応力は、前方端面を含む第１領域において、第１領域を除く第２領域よりも大きく、第１領域の長さは共振器長の２分の１よりも短い。
【００１２】
本発明の半導体レーザ装置は、第２電極によりリッジ部に加わる圧縮応力が、前方端面を含む第１領域において、第１領域を除く第２領域よりも大きい。従って、光が出射される前方端面の近傍においてリッジ部における実効屈折率と、リッジ部の外側における実効屈折率との差である実効屈折率差が大きくなる。従って、水平ＦＦＰを広くすることができる。また、第１領域におけるリッジ部が延びる方向の長さは、第２領域におけるリッジ部が延びる方向の長さよりも短いため、共振器全体としては実効屈折率差が大きく変動しないため、キンクレベルの大きな低下が生じない。その結果、高いキンクレベルを確保しつつ広い水平ＦＦＰを実現できる。
【００１３】
本発明の半導体レーザ装置において、第２電極は、開口部においてリッジ部の上面と接するコンタクト電極と、コンタクト電極の上に形成された配線電極とを有し、配線電極は、第１領域に形成された部分の厚さが、第２領域に形成された部分よりも厚い構成としてもよい。この場合において、配線電極は、第１の層及び該第１の層の上に形成された第２の層を有し、第２の層は、第１領域に形成された部分の厚さが第２領域に形成された部分よりも厚くしてもよい。
【００１４】
本発明の半導体レーザ装置は、リッジ部の直上において配線電極と接続されたボンディングワイヤをさらに備え、ボンディングワイヤは、第２領域において配線電極と接続されていてもよい。
【００１５】
本発明の半導体レーザ装置において、第２電極は、開口部においてリッジ部の上面と接するコンタクト電極と、コンタクト電極の上に形成された配線電極とを有し、配線電極は、第１の層及び該第１の層の上に形成された第２の層を有し、第２の層は、第１領域及び第２領域においてリッジ部の両側方の上に形成されたストライプ状の側壁部と、第１領域において側壁部同士の上に跨る天井部とを有していてもよい。
【００１６】
この場合において、リッジ部と側壁部との間の間隔は、０．５μｍ以上且つ５μｍ以下とすればよい。
【００１７】
また、リッジ部の直上において配線電極と接続されたボンディングワイヤをさらに備え、ボンディングワイヤは、第１領域において天井部と接続されていてもよい。
【００１８】
本発明の半導体レーザ装置は、一の面にサブマウント電極を有するサブマウントをさらに備え、第１電極はサブマウント電極と接合されていてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る半導体レーザ装置によれば、高出力特性とＦＦＰ特性とを同時に満足し、安定した高出力動作が可能な窒化物半導体レーザ装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は第１の実施形態に係る半導体レーザ装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＩｃ−Ｉｃ線における断面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれリッジ部に加わる応力を計算により求めた結果を示す図であり、（ａ）は電極の厚さが厚い場合であり、（ｂ）は電極の厚さが薄い場合である。
【図３】電極がリッジ部と間隔をおいて形成されている場合についてリッジ部に加わる応力を計算により求めた結果を示す図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、水平ＦＦＰを計算により求めた結果を示す図であり、（ａ）は第１の領域における水平ＦＦＰであり、（ｂ）は第２の領域における水平ＦＦＰである。
【図５】第１の領域の長さと水平ＦＦＰとの関係を計算により求めた結果を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係る半導体レーザ装置について、水平ＦＦＰを測定した結果を示す図である。
【図７】第１の実施形態に係る半導体レーザ装置について、電流−光出力特性を測定した結果を示す図である。
【図８】第１の実施形態に係る半導体レーザ装置について、水平ＦＦＰ及び垂直ＦＦＰを測定した結果を示す図である。
【図９】第１の実施形態に係る半導体レーザ装置について、長期信頼性を測定した結果を示す図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の変形例を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸｂ−Ｘｂ線における断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＸｃ−Ｘｃ線における断面図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は第２の実施形態に係る半導体レーザ装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のXIｂ−XIｂ線における断面図であり、（ｃ）は（ａ）のXIｃ−XIｃ線における断面図である。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれリッジ部に加わる応力を計算により求めた結果を示す図であり、（ａ）は天井部が形成されていない場合であり、（ｂ）は天井部が形成されている場合である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本明細書において、窒化物半導体とは、III族元素である、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）及びガリウム（Ｇａ）とＶ族元素である窒素（Ｎ）との化合物である。
【００２２】
前方端面とは共振器の２つの端面のうちレーザ光出力が大きい方の端面であり、後方端面とはレーザ高出力が前方端面よりも小さい端面である。
【００２３】
（第１の実施形態）
図１に示すように第１の実施形態に係る半導体レーザ装置は、基板１１１の上に形成されたｎ型層１２１、活性層１２２及びｐ型層１２３とを有する半導体層積層体１１２を有している。基板１１１は例えばＧａＮ基板である。ｎ型層１２１はそれぞれｎ型のＡｌxＧａ1-xＮ（但し０≦ｘ≦１）からなるｎ型クラッド層１３１及びｎ型ガイド層１３２を含む。活性層１２２はそれぞれＩｎyＧａ1-yＮ（但し０≦ｙ≦１）からなるウェル層及びバリア層を含む量子井戸活性層である。ｐ型層１２３はそれぞれｐ型のＡｌxＧａ1-xＮ（但し０≦ｘ≦１）からなる電子ブロック層１３４、ｐ型クラッド層１３５及びｐ型コンタクト層１３６を含む。各層のＡｌ組成比ｘは、共振器が構成できるように適宜選択すればよい。ｐ型コンタクト層１３６は、ＧａＮとすることが好ましい。量子井戸活性層のＩｎ組成ｙは発光波長に応じて適宜選択すればよい。
【００２４】
ｐ型クラッド層１３５は、一部が除去され、リッジ部１２３Ａが形成されている。図１（ａ）に示すように、リッジ部１２３Ａは、共振器の前方端面１４１と後方端面１４２との間にストライプ状に形成されている。本実施形態の半導体レーザ装置においては、共振器の前方端面１４１と後方端面１４２との間隔（共振器長）を８００μｍとし、共振器のリッジ部１２３Ａと交差する方向の幅（共振器幅）を１００μｍとし、リッジ部１２３Ａの幅（リッジ幅）は１．４μｍとしている。また、リッジ部１２３Ａは共振器幅方向の中央部に形成されている。リッジ部１２３Ａの幅は、発振閾値電流付近において単一横モード発振条件を満たす幅であればよい。リッジ部１２３Ａは、反応性イオンエッチング等を用いて形成すればよい。
【００２５】
リッジ部１２３Ａの両側方には、リッジ部１２３Ａと間隔をおいて、ｐ型クラッド層１３５及びｐ型コンタクト層１３６が残存している領域が設けられている。ｐ型クラッド層１３５及びｐ型コンタクト層１３６を残存させた領域は、共振器をサブマウント等に実装する際の衝撃緩和層として機能し、実装の際に共振器にダメージを生じにくくすることができる。
【００２６】
ｐ型層１２３の上には、電流狭窄と光閉じ込めを行うための誘電体層１１３が形成されている。誘電体層１１３は、リッジ部１２３Ａの上においてｐ型コンタクト層１３６を露出する開口部を有している。誘電体層１１３は、光閉じ込めを行うために、ｐ型クラッド層１３５よりも屈折率が小さい材料が用いられる。具体的には酸化シリコン（ＳｉＯ2）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）又は酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）等を用いればよい。本実施形態においては、誘電体層１１３としてＳｉＯ2を用いた例について説明する。誘電体層１１３はフォトリソグラフィー等を用いて形成すればよい。
【００２７】
半導体層積層体１１２の上には、ｐ側電極１１５が形成されている。ｐ側電極１１５はリッジ部１２３Ａの上に形成され、ｐ型コンタクト層１３６とオーミック接合したコンタクト電極１５１と、コンタクト電極１５１及び誘電体層１１３を覆うように形成された配線電極１５２とを含む。基板１１１の半導体層積層体１１２と反対側の面（裏面）にはｎ側電極１１６が形成されている。
【００２８】
コンタクト電極１５１は例えば、厚さが５０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）層と厚さが４０ｎｍの白金（Ｐｔ）層との積層膜とすればよい。配線電極１５２は例えば、チタン（Ｔｉ）層、白金（Ｐｔ）層及び金（Ａｕ）層の積層膜とすればよい。配線電極１５２の厚さは、図１に示すように、前方端面を含む第１領域１０１と、共振器の中央部を含む第２領域１０２とで異なっている。第１領域１０１及び第２領域１０２において、Ｔｉ膜及びＰｔ膜はそれぞれ２０ｎｍ及び５０ｎｍとなっている。一方、Ａｕ層は第１領域１０１においては４μｍであり、第２領域１０２においては２μｍとなっている。
【００２９】
配線電極１５２にはボンディングワイヤ１１８が接続されている。図１において、ボンディングワイヤ１１８は、共振器の中央部に接続されている。従って、ボンディングワイヤ１１８は第２領域１０２においてリッジ部１２３Ａの直上に接続されている。ｎ側電極１１６は、サブマウント１６１に設けられたサブマウント電極１６２とはんだ層１６３を介在させて接続されている。
【００３０】
以下に、本実施形態の半導体レーザ装置によりキンクレベルを高くすると共に水平ＦＦＰを広くすることができる理由について説明する。前方端面１４１には反射率が低いコーティング膜が形成されており、後方端面１４２には反射率が高いコーティング膜が形成されている。このため、活性層１２２において生成された光は、前方端面１４１から主に出射され、前方端面における発熱量は大きくなる。
【００３１】
本実施形態においては、前方端面１４１を含む第１領域１０１において、配線電極１５２のＡｕ層の厚さが第２領域１０２よりも厚くなっている。このため、第１領域１０１は、第２領域１０２よりも熱容量が大きく、放熱性も高い。従って、発熱量が大きい第１領域１０１においても十分な放熱性を確保することができ、発熱による光導波路中における高次横モードの発生が抑制されるため、高いキンクレベルを実現することが可能となる。
【００３２】
一方、以下のような理由により、第１領域１０１において配線電極１５２の膜厚を厚くすることにより、水平ＦＦＰを広くすることもできる。図２（ａ）及び（ｂ）は、リッジ部２０１Ａを有するＧａＮ層２０１の上にＡｕ層２０２を堆積した場合に生じる応力を計算により求めた結果を示している。図２（ａ）及び（ｂ）において色が濃い部分ほど応力が大きいことを示している。図２（ａ）はＡｕ層２０２の厚さが厚い場合であり、図２（ｂ）はＡｕ層２０２の厚さが薄い場合である。図２に示すように、ＧａＮ層２０１とＡｕ層２０２との熱膨張係数の違いによる応力及びＡｕ層２０２自体の固有の内部応力等により、ＧａＮ層２０１に形成されたリッジ部２０１Ａの基部に圧縮応力が発生する。リッジ部２０１Ａに圧縮応力が加わると、ＧａＮ結晶の格子定数が小さくなり、屈折率が小さくなる。従って、リッジ部２０１Ａにおける実効屈折率と、リッジ部２０１Ａの側方における実効屈折率との差である実効屈折率差ΔＮが大きくなり、水平ＦＦＰが広がる。図２に示すように、リッジ部２０１Ａに加わる圧縮応力の大きさは、Ａｕ層２０２が厚い方が大きい。例えば、Ａｕ層２０２の厚さが２μｍの場合よりも４μｍの場合の方がリッジ部２０１に加わる圧縮応力が大きくなる。従って、Ａｕ層の厚さが厚い方が水平ＦＦＰを広げる効果も大きくなる。
【００３３】
リッジ部に圧縮応力を効果的に加えるためには、配線電極とリッジ部との間に空隙が存在していないことが好ましい。図３は、Ａｕ層２０２をリッジ部２０１と間隔をおいて形成した場合について生じる応力を計算により求めた結果を示している。図３に示すように、Ａｕ層２０２とリッジ部２０１との間に空隙２１０が存在している場合には、リッジ部２０１に圧縮応力が加わらず、水平ＦＦＰを広げることができない。
【００３４】
図４（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ本実施形態の半導体レーザ装置における水平ＦＦＰを計算により求めた結果であり、（ａ）は第１領域１０１における水平ＦＦＰを示し、（ｂ）は第２領域１０２における水平ＦＦＰを示している。図４に示すように第１領域１０１における水平ＦＦＰは約７．５°となり、第２領域１０２における水平ＦＦＰは約６．８°となった。このように、配線電極１５２の膜厚を厚くすることにより、実効屈折率差ΔＮを大きくし、半導体層内により効果的に光を閉じ込めることができ、その結果水平ＦＦＰを広くすることが可能となる。
【００３５】
実効屈折率差ΔＮを大きくすることにより水平ＦＦＰを広くすることができるが、実効屈折率差ΔＮを大きくすることはキンクレベルを低下させる要因となる。しかし、本実施形態の半導体発光装置は、前方端面１４１を含む第１領域１０１においてのみ配線電極１５２の膜厚を厚くし、第２領域１０２においては配線電極１５２の膜厚を第１領域１０１よりも薄くしている。このため、共振器全体としてみた場合に、実効屈折率差ΔＮの大きな上昇が生じず、キンクレベルが大きく低下することはない。
【００３６】
図５は、本実施形態の半導体レーザ装置における第１領域１０１の長さＬ１と水平ＦＦＰとの関係を計算により求めた結果を示している。図５に示すように、第１領域１０１が設けられていない場合の水平ＦＦＰは約６．８°であり、Ｌ１が大きくなると水平ＦＦＰは変動し、２５０μｍ程度において、第１領域１０１の定常状態である約７．５°に収束する。Ｌ１が１００μｍ以下の場合には水平ＦＦＰは大きく振動しており、Ｌ１が４０μｍ程度において水平ＦＦＰは最大値を示し、約８．１°となっている。
【００３７】
第１領域１０１の長さＬ１の変化に応じて水平ＦＦＰが振動する現象は、第１領域の基本横モード光（以下、基本横モード光１と呼ぶ）と第２領域の基本横モード光（以下、基本横モード光２と呼ぶ）との形状が異なるために、モード不整合が発生することによる。後方端面１４２側から第２領域１０２における基本横モード光２が第１領域１０１との境界部に伝播してくると、第１領域１０１における基本横モード光１とのモード不整合により境界部で干渉が発生する。その後、基本横モード光２は、基本横モード光１にモードが収束するように振動しながら第１領域１０１内を進み、前方端面１４１に到達する。第１領域１０１と第２領域１０２との境界部に近い領域では基本横モード光１と基本モード光２とのモード不整合が大きいために、基本モード光は激しく振動しながら伝播する。従って、第１領域１０１の長さＬ１が短く、第１領域１０１と第２領域１０２との境界部と前方端面１４１との間隔が狭い場合には、基本横モード光２から基本横モード光１にモード変換される過程のモード不整合成分が放射モードとして放射される。配線電極１５２の膜厚が厚い第１領域１０１の長さＬ１を調整し、基本横モード光１と基本横モード光２との干渉を積極的に利用することにより、水平ＦＦＰを第２領域１０２における水平ＦＦＰより広げることが可能となる。
【００３８】
図６はＬ１を０μｍ、２０μｍ、４０μｍ、６０μｍ、８０μｍ及び１００μｍとして試作した半導体レーザ装置のそれぞれについて光出力を５ｍＷとした際の水平ＦＦＰを測定した結果を示している。但し、共振器長、共振器幅及びリッジ幅はそれぞれ、８００μｍ、１００μｍ及び１．４μｍとした。また、表１には数値をまとめて示している。なお、水平ＦＦＰは、Ｌ１の値ごとに３０個の半導体レーザ装置について測定し、その平均値を求めた。図６において実線で示した試作した半導体レーザ装置におけるＬ１の変化に伴う水平ＦＦＰの変化は、破線で示した計算結果と傾向が良く一致している。図６及び表１に示すように、Ｌ１の値が０μｍであり第１領域１０１を設けていない場合には、水平ＦＦＰは７．４°となり、最も狭くなった。また、Ｌ１の変化とともに水平ＦＦＰは変動し、Ｌ１が４０μｍの場合に、水平ＦＦＰが８．３°となり最も広くなった。このように、第１領域１０１の長さＬ１を調整することにより、第１領域１０１を設けていない場合よりも水平ＦＦＰを最大で約０．９°広くできた。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
図７は、Ｌ１が４０μｍのは半導体レーザ装置における電流−光出力特性(以下、Ｉ−Ｌ特性と呼ぶ)を示している。図７に示すように、Ｌ１が４０μｍの半導体レーザ装置のキンクレベルは５００ｍＷ以上であり、高い出力でもキンクが発生しない良好な特性が実現できている。
【００４１】
図８は、Ｌ１が４０μｍの半導体レーザ装置における水平ＦＦＰ及び垂直ＦＦＰの特性を測定した結果を示している。図８に示すように、光出力が５ｍＷの場合における水平ＦＦＰは８．３°となり、垂直ＦＦＰは１８．２°である。従って、高いキンクレベルを保持しながら要望されるＦＦＰ特性を実現できている。
【００４２】
図９は、Ｌ１が４０μｍの半導体レーザ装置における長期信頼性試験の結果を示している。図９は、８５℃の温度においてパルス光出力を４５０ｍＷとした場合の電流変化を示している。図９に示すように、１０００時間においても大きな電流変化が生じておらず、突然レーザ素子が破壊に至り電流値が大きくなる現象も認められていない。このように、良好な長期信頼性が実現できている。
【００４３】
本実施形態においては、配線電極１５２のＡｕ層の膜厚を第１領域１０１において４μｍとし、第２領域において２μｍとした。しかし、これに限らず必要なキンクレベル及び水平ＦＦＰを実現できればどのような厚さとしてもよい。但し、ワイヤボンディングの際にリッジ部にダメージが生じることを抑えるためには、第２領域においてＡｕ層の膜厚を２μｍ以上とすることが好ましい。ボンディングワイヤ１１８の一般的な直径は５０±５μｍ程度であり、ワイヤボンディングの位置精度は±１０μｍ程度である。また、半導体レーザ装置を形成する際におけるマスク合わせ精度等のプロセスばらつきは±５μｍ程度であり、劈開位置ずれ等のばらつきは±１０μｍ程度である。このため、直径が５０μｍのボンディングワイヤ１１８のボンディング位置は±３０μｍ程度ばらつく。従って、共振器幅が１００μｍの場合には、ボンディングワイヤ１１８はリッジ部１２３Ａの直上に配置される。ボンディングワイヤ１１８をボンディングした際の沈み込み量は１．５μｍ程度であることが実験により確認されている。このため、ボンディングによるリッジ部１２３Ａへのダメージの発生を抑えるためには、配線電極の膜厚をボンディングによる沈み込み量よりも大きくすることが必要であり、２μｍ以上とすることが好ましい。
【００４４】
なお、本実施形態において、配線電極１５２のＡｕ層の膜厚を厚くすることにより、リッジ部１２３Ａに圧縮応力を加える構成としたが、リッジ部１２３Ａに加わる圧縮応力の大きさはｐ側電極１１５全体の厚さに依存する。従って、Ａｕ層に代えて配線電極１５２のＴｉ層又はＰｔ層を厚くしてもよい。また、コンタクト電極１５１のＰｄ層又はＰｔ層を厚くしてもよい。さらに、複数の層について第１領域１０１において第２領域１０２よりも膜厚を厚くしてもよい。
【００４５】
また、本実施形態においては、ｐ側電極１１５の厚さを第１領域１０１の全体において、第２領域１０２よりも厚くする例を示した。しかし、リッジ部１２３Ａに圧縮応力を加えられればよい。このため、第１領域１０１におけるリッジ部１２３Ａの近傍においてのみｐ側電極１１５の厚さを第２領域１０２よりも厚くし、共振器の側面の近傍においては第１領域１０１と第２領域１０２におけるｐ側電極１１５の厚さを同じにしてもよい。具体的には、リッジ部１２３Ａの端部から５μｍ程度の範囲について、第１領域１０１において第２領域１０２よりも配線電極１５２の膜厚を厚くすればよい。なお、配線電極１５２に代えてコンタクト電極１５１の厚さを厚くしてもよい。
【００４６】
配線電極１５２の構成を、Ｔｉ層、Ｐｔ層及びＡｕ層の積層膜とする例を示したが、Ａｕ、クロム（Ｃｒ）、Ｐｔ、Ｐｄ、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、すず（Ｓｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び鉛（Ｐｂ）等から適宜選択した材料により形成すればよい。特に、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｃｄ、Ｍｇ及びＰｂ等は、ＧａＮに対して熱膨張係数が大きいため圧縮応力が生じやすく、水平ＦＦＰを広くすることが容易となる。また、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｕ及びＺｎ等はめっき法により容易に形成できるため、生産性を向上させることができるという利点を有している。また、コンタクト電極１５１の材質についても配線電極１５２と同様に適宜変更してかまわない。
【００４７】
めっき法により形成した膜は、ＥＢ蒸着法及びスパッタ蒸着法等により形成した膜と比べて粗い膜となるため、膜厚が同じ場合、ＥＢ蒸着法及びスパッタ蒸着法等により形成した膜よりもリッジ部１２３Ａに加えられる応力が小さくなる。しかし、めっき法は、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法及びスパッタ蒸着法等と比べて厚い膜を短時間で形成することができるという利点を有している。
【００４８】
めっき法により成膜を行う場合、図１０に示すように配線電極１５２を第１の層１５４と第２の層１５５との積層体としてもよい。この場合、第１の層１５４は、厚さが２０ｎｍ、５０ｎｍ及び７０ｎｍのＴｉ層、Ｐｔ層及びＡｕ層の積層体とし、第２の層１５５は、めっき法により形成した、第１領域１０１における厚さが５μｍで、第２領域１０２における厚さが３μｍのＡｕ層とすればよい。第１の層１５４の厚さが十分に厚く、ワイヤボンディングが可能であれば、第２領域１０２には第２の層１５５を形成せず、第１領域１０１にのみ第２の層１５５を形成してもよい。
【００４９】
ＥＢ蒸着法及びスパッタ蒸着法等の場合、成膜レートが遅いため、２μｍ以上の厚い膜を堆積しようとすると成膜時間が長くなり、生産性が低下する。しかし、配線電極１５２のうち、厚い第２の層１５５はめっき法により形成することができるので生産性を向上させることができる。なお、第１の層１５４は膜厚が薄いためＥＢ蒸着法及びスパッタ蒸着法等により形成すればよいが、めっき法等により形成してもよい。第１の層１５４及び第２の層１５５の材質等は、適宜変更してかまわない。例えば、第２の層１５５をＡｕ層に代えて、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ又はＺｎ等のめっき法により容易に形成できる材料により形成してもよい。また、Ｓｎ、Ｃｄ、Ｍｇ又はＰｂ等を用いることも可能である。
【００５０】
（第２の実施形態）
第１の実施形態においては、リッジ部１２３Ａの上に形成するｐ側電極１１５の厚さを変えることにより、リッジ部１２３Ａに加わる圧縮応力を第１領域１０１において第２領域１０２よりも大きくする構成を示した。しかし、図１１に示すような構成としても、リッジ部１２３Ａに加わる圧縮応力を第１領域１０１において第２領域１０２よりも大きくすることができる。第２の実施形態の半導体レーザ装置は、第１の実施形態の半導体レーザ装置と配線電極１５２の構成が異なっている。以下においては、異なっている部分のみを説明する。
【００５１】
図１１に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置は、配線電極１５２が第１の層１５４と第２の層１５６とを有している。第１の層１５４は、厚さが２０ｎｍ、５０ｎｍ及び７０ｎｍのＴｉ層、Ｐｔ層及びＡｕ層の積層体であり、第１領域１０１及び第２領域１０２において同じ構成となっている。第２の層１５６は、厚さが約５μｍのＡｕからなる層であり、第１領域１０１及び第２領域１０２において、リッジ部１２３Ａの両側方の上にリッジ部１２３Ａと並行してストライプ状に延びる側壁部１５６Ａを有している。また、第１領域１０１において、２つの側壁部１５６Ａ同士に跨る天井部１５６Ｂとを有し、第２領域１０２には天井部１５６Ｂは形成されていない。従って、第２の層１５６は、第１領域１０１においてリッジ部１２３Ａの直上に空洞部１５６ａを有し、第２領域１０２において第１の層１５４を露出するストライプ状の開口部１５６ｂを有している。
【００５２】
図１２（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、リッジ部２０１Ａを有するＧａＮ層２０１の上にＡｕ層２０２が形成されている場合に、リッジ部２０１Ａに加わる応力を計算によりも止めた結果を示している。図１２（ａ）はＡｕ層２０２が、リッジ部２０１と間隔をおいて形成された側壁部と側壁部同士に跨る天井部とを有している場合を示し、図１２（ｂ）はＡｕ層２０２が、側壁部のみからなる場合を示している。図１２（ｂ）に示すように、リッジ部２０１の両側方に、リッジ部２０１Ａと間隔をおいて側壁部が形成され、側壁部同士が接続されず開口部２１２が形成されている場合には、Ａｕ層２０２からリッジ部２０１Ａに加わる応力は、ほぼ完全に存在しない。一方、図１２（ａ）に示すように、リッジ部２０１Ａの両側方に形成された側壁部同士が天井部により接続され、空洞部２１１が形成されている場合には、Ａｕ層２０２からリッジ部２０１Ａに圧縮応力が加わる。
【００５３】
このように、図１１に示す構造においては、側壁部１５６Ａ同士を接続する天井部１５６Ｂが形成されている第１領域１０１において、天井部１５６Ｂが形成されていない第２領域１０２よりも大きな圧縮応力が、リッジ部１２３Ａに加わる。従って、第１領域１０１においてリッジ部１２３Ａとリッジ部１２３Ａの外側との実効屈折率差ΔＮが大きくなり、水平ＦＦＰを広くすることができる。その結果、第１の実施形態と同様に前方端面１４１から出射されるレーザ光の水平ＦＦＰを広くすることが可能となる。また、第２領域１０２においてリッジ部１２３Ａには大きな圧縮応力が加わらないため、キンクレベルの低下を抑えることができる。
【００５４】
第２領域１０２において、リッジ部１２３Ａに応力を加えないようにするためには、側壁部１５６Ａとリッジ部１２３Ａとの間隔Ｄ１を大きくすることが好ましい。一方、第１領域１０１において、リッジ部１２３Ａに圧縮応力を加えるためには、側壁部１５６Ａとリッジ部１２３Ａとの間隔Ｄ１をできるだけ小さくすることが好ましい。具体的には、側壁部１５６Ａとリッジ部１２３Ａとの間隔Ｄ１は０．５μｍ以上且つ５μｍ以下とすればよい。側壁部１５６Ａとリッジ部１２３Ａとの間隔Ｄ１を０．５μｍよりも小さくしようとすると、位置合わせ等が困難となり、製造が困難となる。一方、側壁部１５６Ａとリッジ部１２３Ａとの間隔Ｄ１を５μｍよりも大きくすると、光分布に影響を与える範囲を超えてしまうため、水平ＦＦＰを広げることができなくなる。
【００５５】
第１領域１０１における、第１の層１５４の上面と天井部１５６Ｂの下面との間隔Ｄ２は、２μｍ以上とすることが好ましい。本実施形態の半導体レーザ装置の場合、ボンディングワイヤ１１８の直径及び位置合わせの精度等を考えると、第２領域１０２にボンディングワイヤ１１８を接続することは困難である。従って、第１領域１０１において、ボンディング時におけるリッジ部１２３Ａへのダメージをできるだけ小さくする必要がある。第１の層１５４の上面と天井部１５６Ｂの下面との間隔Ｄ２を２μｍ以上とすることにより、ダイスボンドコレット又はワイヤボンドキャピラリ等による衝撃が直接リッジ部１２３Ａに加わることを防ぎ、リッジ部１２３Ａへのダメージを低減することができる。
【００５６】
天井部１５６Ｂの厚さは、リッジ部１２３Ａに圧縮応力を加えることができ且つボンディングの際の衝撃に耐える厚さであればよい。天井部１５６Ｂは、側壁部１５６Ａと一体に形成されていてもよい。また、側壁部１５６Ａを形成した後天井部１５６Ｂを形成してもよい。この場合には、側壁部１５６Ａと天井部１５６Ｂとは異なる材料により形成されていてもよい。
【００５７】
第２の層１５６は、Ａｕ層に代えて、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ又はＺｎ等のめっき法により容易に形成できる材料により形成してもよい。また、Ｓｎ、Ｃｄ、Ｍｇ又はＰｂ等を用いることも可能である。第１の層１５４は、第１の実施形態と同様にその構成を任意に変更してかまわない。
【００５８】
本実施形態において、第２領域１０２にストライプ状の開口部１５６ｂを有する第２の層１５６が形成されている構成としたが、第１領域１０１にのみ第２の層１５６を形成し、第２領域１０２には第２の層１５６を形成しない構成としてもよい。
【００５９】
第１の実施形態及び第２の実施形態において、第１領域１０１の長さＬ１が１００μｍ以下の場合について、水平ＦＦＰを広くできることを示したが、第１領域１０１の長さＬ１が１００μｍ以上の長さであってもよい。電極に用いる材料及び電極の膜厚等によりリッジ部１２３Ａに加わる応力の大きさは変化する。従って、第１領域１０１の長さＬ１の値はこれらのパラメータ及び必要とする水平ＦＦＰに応じて設定すればよい。また、第１領域１０１の長さＬ１の値は、共振器長も考慮して決定すればよい。但し、キンクレベルの低下を抑えるためには、第１領域１０１の長さＬ１は前方端面１４１と後方端面１４２との間の長さ（共振器長）の２分の１よりも短い、つまり第２領域１０２の長さよりも短いことが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明に係る半導体レーザ装置は、高出力特性とＦＦＰ特性とを同時に満足し、特に高密度光記憶装置等に用いる高出力動作を必要とする窒化物半導体レーザ装置として有用である。
【符号の説明】
【００６１】
１０１      第１領域
１０２      第２領域
１１１      基板
１１２      半導体層積層体
１１３      誘電体層
１１５      ｐ側電極
１１６      ｎ側電極
１１８      ボンディングワイヤ
１２１      ｎ型層
１２２      活性層
１２３      ｐ型層
１２３Ａ    リッジ部
１３１      ｎ型クラッド層
１３２      ｎ型ガイド層
１３４      電子ブロック層
１３５      ｐ型クラッド層
１３６      ｐ型コンタクト層
１４１      前方端面
１４２      後方端面
１５１      コンタクト電極
１５２      配線電極
１５４      第１の層
１５５      第２の層
１５６      第２の層
１５６Ａ    側壁部
１５６Ｂ    天井部
１５６ａ    空洞部
１５６ｂ    開口部
１６１      サブマウント
１６２      サブマウント電極
１６３      はんだ層
２０１      ＧａＮ層
２０１Ａ    リッジ部
２０２      Ａｕ層
２１０      空隙
２１１      空洞部
２１２      開口部
【図１】
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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２】
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【図３】
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【図１２】
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