(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リッジの側壁を覆う第１の材料と、
上記リッジ構造のエッチングされた領域を覆う、上記第１の材料とは異なる第２の材料とを含み、
上記第１の材料は、低い屈折率の絶縁体および高い熱伝導率の絶縁体のうちの一方であり、上記第２の材料は、上記低い屈折率の絶縁体および上記高い熱伝導率の絶縁体のうちの他方であり、
上記第１の材料は上記低い屈折率の絶縁体であり、上記第２の材料は上記高い熱伝導率の絶縁体であり、
上記低い屈折率の絶縁体は、上記リッジの底部領域における上記リッジ側壁に接しており、上記高い熱伝導率の絶縁体は、上記リッジ構造の上記エッチングされた領域および上記リッジ側壁の上部領域に接しており、
上記低い屈折率の絶縁体の屈折率は、１．０より大きく、かつ上記リッジの屈折率よりも少なくとも０．１小さく、
上記高い熱伝導率の絶縁体の熱伝導率は、少なくとも１０Ｗ／ｍＫである、リッジ構造半導体レーザ。
【請求項２】
リッジの側壁を覆う第１の材料と、
上記リッジ構造のエッチングされた領域を覆う、上記第１の材料とは異なる第２の材料とを含み、
上記第１の材料は、低い屈折率の絶縁体および高い熱伝導率の絶縁体のうちの一方であり、上記第２の材料は、上記低い屈折率の絶縁体および上記高い熱伝導率の絶縁体のうちの他方であり、
上記第１の材料は上記低い屈折率の絶縁体であり、上記第２の材料は上記高い熱伝導率の絶縁体であり、
上記低い屈折率の絶縁体は、上記リッジの底部領域における上記リッジ側壁に接しており、上記高い熱伝導率の絶縁体は、上記リッジ構造の上記エッチングされた領域および上記リッジ側壁の上部領域に接しており、
上記低い屈折率の絶縁体の屈折率は、１．０より大きく、かつ上記リッジの屈折率よりも少なくとも０．１小さく、
上記高い熱伝導率の絶縁体の熱伝導率は、少なくとも２００Ｗ／ｍＫである、リッジ構造半導体レーザ。
【請求項３】
リッジの側壁を覆う第１の材料と、
上記リッジ構造のエッチングされた領域を覆う、上記第１の材料とは異なる第２の材料とを含み、
上記第１の材料は、低い屈折率の絶縁体および高い熱伝導率の絶縁体のうちの一方であり、上記第２の材料は、上記低い屈折率の絶縁体および上記高い熱伝導率の絶縁体のうちの他方であり、
上記第１の材料は上記低い屈折率の絶縁体であり、上記第２の材料は上記高い熱伝導率の絶縁体であり、
上記低い屈折率の絶縁体は、上記リッジの底部領域における上記リッジ側壁に接しており、上記高い熱伝導率の絶縁体は、上記リッジ構造の上記エッチングされた領域および上記リッジ側壁の上部領域に接しており、
上記低い屈折率の絶縁体の屈折率は、１．０より大きく、かつ上記リッジの屈折率よりも少なくとも０．１小さく、
上記低い屈折率の絶縁体の上記屈折率は、実質的に１．５５〜２．３２の範囲内にあり、上記高い熱伝導率の絶縁体の熱伝導率は、少なくとも２００Ｗ／ｍＫである、リッジ構造半導体レーザ。
【請求項４】
リッジの側壁を覆う第１の材料と、
上記リッジ構造のエッチングされた領域を覆う、上記第１の材料とは異なる第２の材料とを含み、
上記第１の材料は、低い屈折率の絶縁体および高い熱伝導率の絶縁体のうちの一方であり、上記第２の材料は、上記低い屈折率の絶縁体および上記高い熱伝導率の絶縁体のうちの他方であり、
上記第１の材料は上記低い屈折率の絶縁体であり、上記第２の材料は上記高い熱伝導率の絶縁体であり、
上記低い屈折率の絶縁体は、上記リッジの底部領域における上記リッジ側壁に接しており、上記高い熱伝導率の絶縁体は、上記リッジ構造の上記エッチングされた領域および上記リッジ側壁の上部領域に接しており、
上記低い屈折率の絶縁体の上記屈折率は、実質的に１．５５〜２．３２の範囲内にあり、
上記高い熱伝導率の絶縁体の熱伝導率は、少なくとも１０Ｗ／ｍＫである、リッジ構造半導体レーザ。
【請求項５】
リッジの側壁を覆う第１の材料と、
上記リッジ構造のエッチングされた領域を覆う、上記第１の材料とは異なる第２の材料とを含み、
上記第１の材料は、低い屈折率の絶縁体および高い熱伝導率の絶縁体のうちの一方であり、上記第２の材料は、上記低い屈折率の絶縁体および上記高い熱伝導率の絶縁体のうちの他方であり、
上記第１の材料は上記低い屈折率の絶縁体であり、上記第２の材料は上記高い熱伝導率の絶縁体であり、
上記低い屈折率の絶縁体は、上記リッジの底部領域における上記リッジ側壁に接しており、上記高い熱伝導率の絶縁体は、上記リッジ構造の上記エッチングされた領域および上記リッジ側壁の上部領域に接しており、
上記低い屈折率の絶縁体の上記屈折率は、実質的に１．５５〜２．３２の範囲内にあり、
上記高い熱伝導率の絶縁体の熱伝導率は、少なくとも２００Ｗ／ｍＫである、リッジ構造半導体レーザ。
【請求項６】
リッジの側壁を覆う第１の材料と、
上記リッジ構造のエッチングされた領域を覆う、上記第１の材料とは異なる第２の材料とを含み、
上記第１の材料は、低い屈折率の絶縁体および高い熱伝導率の絶縁体のうちの一方であり、上記第２の材料は、上記低い屈折率の絶縁体および上記高い熱伝導率の絶縁体のうちの他方であり、
上記第１の材料は上記低い屈折率の絶縁体であり、上記第２の材料は上記高い熱伝導率の絶縁体であり、
上記低い屈折率の絶縁体は、上記リッジの底部領域における上記リッジ側壁に接しており、上記高い熱伝導率の絶縁体は、上記リッジ構造の上記エッチングされた領域および上記リッジ側壁の上部領域に接しており、
上記低い屈折率の絶縁体の上記屈折率は、実質的に１．５５〜２．３２の範囲内にあり、上記高い熱伝導率の絶縁体の熱伝導率は、少なくとも２００Ｗ／ｍＫである、リッジ構造半導体レーザ。
【請求項７】
上記低い屈折率の絶縁体の上記屈折率は、上記リッジの上記屈折率よりも少なくとも０．５小さい、請求項１〜３のいずれか１項に記載のリッジ構造半導体レーザ。
【請求項８】
上記低い屈折率の絶縁体の上記屈折率は、上記リッジの上記屈折率よりも少なくとも１．０小さい、請求項１〜３のいずれか１項に記載のリッジ構造半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザに関する。本発明は特に、発振閾値電流を低く維持しながら高出力動作で効果的に放熱するために２つの異なる材料を含んだ、リッジ構造半導体レーザに関する。そのような構造を製造する方法も提示されている。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウムベースの半導体レーザ（LDs）は、Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標）Ｄｉｓｃまたは高解像度デジタルビデオディスク（HD-DVD）などの光ストレージにおいて、データの転送、書き込み、または読み出し手段として広く用いられている。これらのデバイスは速やかに商品化され、特にこれらのシステムへの高速書き込みのための高出力ＬＤが必要となる。しかし高出力動作では、自己発熱がＬＤデバイス特性に影響を及ぼし、スロープ効率および最大光出力の低下や発振閾値電流の増加の可能性がある。またこの影響によって、動作寿命が短縮されうるという課題がある。従って、発振閾値電流を低く維持しながら効率的に放熱できるＬＤが求められている。
【０００３】
図１は、Yangらによる特許文献１に記載されている半導体レーザの従来のリッジ導波構造の断面図である。上部クラッド層６上に形成された当該リッジ構造は、電流が活性層４内に注入される領域を規定しており、従って共鳴区域の幅を限定している。これによって、安定した横モードおよびレーザ発振のための低い発振閾値電流を確実に得ることができる。図１の構造は、ｎ−ＧａＮ基板１、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２、ｎ−ＧａＮ下部導波層３、ＩｎＧａＮ活性層４、ｐ−ＧａＮ上部導波層５、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層６、およびｐ−ＧａＮコンタクト層７から成る。ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層６の屈折率は、それぞれ、ｎ−ＧａＮ導波層３およびｐ−ＧａＮ導波層５の屈折率よりも低い。さらに、ｎ−ＧａＮ導波層３およびｐ−ＧａＮ導波層５の屈折率は、ＩｎＧａＮ活性層４の屈折率よりも低い。絶縁体層（通常はＳｉＯ２）が、リッジの側壁（層８ａ）およびリッジの底部のエッチングされた表面上に（層８）、形成されている。リッジの最上部には、ｐ型上部電極９がｐ−ＧａＮコンタクト層７と電気的に接触するように、窓が設けられている。ｎ−ＧａＮ基板１０の背部には、下部ｎ型電極が形成されている。この構造におけるＳｉＯ２は熱伝導率（ｋ＝１Ｗ／ｍＫ）が低く、高出力動作下における半導体レーザの放熱特性が制限される。この結果、デバイスの寿命を制限する自己発熱が生じる。
【０００４】
図２では、半導体レーザの放熱特性を改善するために、Sungらによる特許文献２に記載されている二重層絶縁体構造が用いられている。この構造では、埋め込み層の最上部に、当該埋め込み層よりも高い熱伝導率を有する保護層１１が形成されている。この場合、高い熱伝導率を有するＴｉＯ２（ｋ〜２５Ｗ／ｍＫ）などの絶縁体が典型的に用いられる。しかし、ｐ側を下にして実装されたデバイスの場合、構造内で生成された熱は、熱伝導率の高い保護層に到達する前に、まず熱伝導率の乏しいＳｉＯ２層を乗り越えなければならない。当該保護層は、埋め込み層も完全に覆っている。
【０００５】
図３は、ＭＢＥによって形成された、高い熱伝導率を有する抵抗性のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（ｋ〜４０〜２００Ｗ／ｍＫ）１２を示している。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１２は、Hooperらによる特許文献２に論じられているように、放熱特性を改善するための絶縁体層として形成されている。しかし、当該ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層の屈折率は、従来のＳｉＯ２（ＲＩ〜１．５）と比較して高い（ＲＩ〜２．３）ため、本願発明と比較して光閉じ込めが低減し、結果として発振閾値電流が増加する。
【０００６】
高出力半導体レーザの応用に際しては、デバイスによって生成された過剰な熱を効率的に放散することが重要である。前述したように、一般的に、熱伝導の良好な絶縁体は屈折率が高いため、これらの絶縁体を唯一の絶縁体層として用いる場合、光閉じ込めが低下し、発振閾値電流が増加する。この結果、半導体レーザからの放熱量が大きくなり、これによってデバイスの寿命が短くなってしまう。一方、屈折率の低い絶縁体は、光閉じ込めは良好であるが、一般的に熱伝導体としては不十分であり、高出力デバイスには適していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５，４７４，９５４号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００４／０２１８６４８Ａ１号
【特許文献２】英国特許出願公開第０６１３８９０号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】M. Kenissl et al, Applied Physics Letters, vol. 77, no. 13, pp. 1931-1933 (Sept 2000)
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来の単層絶縁体を有するリッジ導波型半導体レーザの断面図である。
【図２】二層からなる絶縁体層を有する従来のリッジ導波型半導体レーザの断面図である。
【図３】熱伝導率の高い絶縁体を有する従来のリッジ導波型半導体レーザの断面図である。
【図４Ａ】実施形態１において説明されている、本発明に係る半導体レーザ構造の第１の実施形態の断面図である。
【図４Ｂ】実施形態１において説明されている、ｐ側を下にして実装された従来のＳｉＯ２構造の格子温度プロファイルのシミュレーションデータを示す図である。
【図４Ｃ】実施形態１において説明されている、ｐ側を下にして実装された本発明の構造の格子温度プロファイルのシミュレーションデータを示す図である。
【図４Ｄ】実施形態１において説明されている、ｐ側を上にして実装された従来のＳｉＯ２構造の格子温度プロファイルのシミュレーションデータを示す図である。
【図４Ｅ】実施形態１において説明されている、ｐ側を上にして実装された本発明の構造の格子温度プロファイルのシミュレーションデータを示す図である。
【図４Ｆ】実施形態１において説明されている、ｐ側を下にして実装された本発明の構造および従来の構造（２．０μｍのリッジ導波型ＬＤ）においてシミュレートされた光出力対電流（Ｌ−Ｉ）、および、最高活性領域温度（ｍａｘ Ｔ）対電流の関係を示す図である。
【図４Ｇ】実施形態１において説明されている、ｐ側を下にして実装された本発明の構造および従来の構造（１．５μｍのリッジ導波型ＬＤ）においてシミュレートされた光出力対電流（Ｌ−Ｉ）、および、最高活性領域温度（ｍａｘ Ｔ）対電流の関係を示す図である。
【図４Ｈ】実施形態１において説明されている、ｐ側を上にして実装された本発明の構造および従来の構造（１．５μｍのリッジ導波型ＬＤ）においてシミュレートされた光出力対電流（Ｌ−Ｉ）、および、最高活性領域温度（ｍａｘ Ｔ）対電流の関係を示す図である。
【図５Ａ】実施形態２に説明されている、本発明の構造の断面図である。
【図５Ｂ】実施形態２に説明されている、改善された本発明の構造の断面図である。
【図５Ｃ】実施形態２に説明されている、従来のＳｉＯ２のみの構造および本発明の構造のシミュレーションデータを示す図である。
【図５Ｄ（ｉ）】実施形態２に説明されている、リッジ側壁におけるＳｉＯ２層の様々な厚さにおける格子温度プロファイルを示す図である。
【図５Ｄ（ｉｉ）】実施形態２に説明されている、リッジ側壁におけるＳｉＯ２層の様々な厚さにおける格子温度プロファイルを示す図である。
【図５Ｄ（ｉｉｉ）】実施形態２に説明されている、リッジ側壁におけるＳｉＯ２層の様々な厚さにおける格子温度プロファイルを示す図である。
【図５Ｄ（ｉｖ）】実施形態２に説明されている、リッジ側壁におけるＳｉＯ２層の様々な厚さにおける格子温度プロファイルを示す図である。
【図５Ｄ（ｖ）】実施形態２に説明されている、リッジ側壁におけるＳｉＯ２層の様々な厚さにおける格子温度プロファイルを示す図である。
【図５Ｄ（ｖｉ）】実施形態２に説明されている、リッジ側壁におけるＳｉＯ２層の様々な厚さにおける格子温度プロファイルを示す図である。
【図６Ａ】実施形態３に説明されている、本発明の逆の構造を示す断面図である。
【図６Ｂ】実施形態３に説明されている、従来の構造の活性領域温度プロファイルのシミュレーションデータを示す図である。
【図６Ｃ】実施形態３に説明されている、本発明の逆の構造の活性領域温度プロファイルのシミュレーションデータを示す図である。
【図６Ｄ】実施形態３に説明されている、従来の構造および本発明の構造の光出力対電流および活性領域温度プロファイルのシミュレーションデータを示す図である。
【図７Ａ】実施形態４に説明されている、従来のトレンチ構造の断面図である。
【図７Ｂ】実施形態４に説明されている、本発明のトレンチ構造の断面図である。
【図７Ｃ】実施形態４に説明されている、両構造のトレンチ長および電流に対する活性領域温度プロファイルのシミュレーションデータを示す図である。
【図７Ｄ】実施形態４に説明されている、両構造の電流に対する最高出力および活性領域温度のシミュレーションデータを示す図である。
【図８Ａ】実施形態５に説明されている、広いリッジ幅に対して単一モード動作を維持するために吸収ＳｉＮを用いたモード抑制の概念を示す図である。
【図８Ｂ】実施形態５に説明されている、広いリッジ幅に対して単一モード動作を維持するために吸収ＳｉＮを用いたモード抑制の概念を示す図である。
【図８Ｃ】実施形態５に説明されている、広いリッジ幅に対して単一モード動作を維持するために吸収ＳｉＮを用いたモード抑制の概念を示す図である。
【図９Ａ】実施形態６に説明されている、本発明の別の形態を示す断面図である。
【図９Ｂ】実施形態６に説明されている、本発明の別の形態を示す断面図である。
【図１０Ａ】本発明の実施形態７に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図１０Ｂ】本発明の実施形態７に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図１０Ｃ】本発明の実施形態７に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図１０Ｄ】本発明の実施形態７に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図１０Ｅ】本発明の実施形態７に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図１０Ｆ】本発明の実施形態７に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図１０Ｇ】本発明の実施形態７に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図１０Ｈ】本発明の実施形態７に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図１１Ａ】本発明の実施形態８に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図１１Ｂ】本発明の実施形態８に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図１１Ｃ】本発明の実施形態８に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図１１Ｄ】本発明の実施形態８に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図１１Ｅ】本発明の実施形態８に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図１１Ｆ】本発明の実施形態８に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図１１Ｇ】本発明の実施形態８に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図１１Ｈ】本発明の実施形態８に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図１１Ｉ】本発明の実施形態８に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図１１Ｊ】本発明の実施形態８に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図１１Ｋ】本発明の実施形態８に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図１１Ｌ】本発明の実施形態８に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図１１Ｍ】本発明の実施形態８に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、良好な光閉じ込めおよび良好な放熱特性を両方有する半導体レーザ構造を提供する。
【００１１】
屈折率導波型半導体レーザでは、良好な光閉じ込めを得るために、レーザを構成する半導体よりも屈折性の低い材料がリッジの側方に形成される。２つの材料間における屈折率の差は、０．１ほどの小ささであってもよいが、この差が大きいほど光閉じ込めが良好となる。従って屈折率の範囲は、式１に表されるように、レーザを構成する半導体の屈折率であるｎｌａｓｅｒと比較した「より低い屈折率材料」であるｎｌｏｗｅｒに対して規定される。
【００１２】
【数１】
0004959739.tif 000002
【００１３】
これよりわずかに大きい屈折率の差が用いられることがより好ましい。これは例えば次式２の通りである。
【００１４】
【数２】
0004959739.tif 000003
【００１５】
本発明の一実施形態では、次式３のように、さらに大きい屈折率の差が用いられる。
【００１６】
【数３】
0004959739.tif 000004
【００１７】
ＧａＮ系半導体レーザ（ｎｌａｓｅｒ＝２．５５）に対して用いることのできる典型的な絶縁体の例としては、ＳｉＯ２（ｎｌｏｗｅｒ＝〜１．５５）、Ｓｉ３Ｎ４（ｎｌｏｗｅｒ＝〜１．９０）、ＺｎＯ（ｎｌｏｗｅｒ＝〜２．０）、およびＡｌＮ（ｎｌｏｗｅｒ＝〜２．３２）が挙げられる。他の半導体（例えば、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＩｎＰ）によって作製された半導体レーザの屈折率（ｎｌａｓｅｒ）の方が、典型的にはより大きい（３〜３．５）。しかし、これらのレーザに対しても、先に挙げた材料を用いることができる。上記範囲に関し、屈折率の低い絶縁体は、その屈折率が低いほど光モード閉じ込めが良好に維持される。
【００１８】
熱伝導率の高い絶縁体は、高出力レーザ動作中におけるあらゆる自己発熱効果を最小限にすることが好ましい。放熱を改善することによって活性領域温度が低下し、これによって動作寿命が延び、スロープ効率が改善される。通常、絶縁体の熱伝導率はｋ＝１Ｗ／ｍＫであり、このような材料の一例としてはＳｉＯ２がある。熱伝導率は、ｋ＞１０Ｗ／ｍＫであることが好ましく、この値を有する材料の例としてはＴｉＯ２およびＳｉ３Ｎ４（ｋ〜２０Ｗ／ｍＫ）が挙げられる。しかし、非常に効率的な放熱を達成するためには、ｋ＞２００Ｗ／ｍＫであることが最も好ましい。このような材料の例としては、ＡｌＮ（ｋ〜２４５Ｗ／ｍＫ）が挙げられる。しかし本発明では、絶縁体ではあるが熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫを超え、より好ましくは２００Ｗ／ｍＫを超える、任意の他の材料を用いることもできる。これらの範囲に関し、熱伝導率の高い絶縁体は、その熱伝導率が高いほどより効果的に放熱する。
〔実施形態１〕
図４Ａには、本発明に係る半導体レーザ構造の第１の実施形態が示されている。図４Ａを参照すると、半導体レーザ構造は、基板５０（例えばｎ型ＧａＮ基板）、続いてｎ型下部クラッド層５１、ｎ型下部光導波層５２、活性層５３、ｐ型上部光導波層５４、ｐ型上部クラッド層５５、およびｐ型コンタクト層５６を有している。上記クラッド層は、上記光導波層よりも屈折率の低い材料によって形成されており、また上記光導波層の屈折率は、上記活性層よりも低い。活性層５３は、単一量子井戸構造から成っていてよく、あるいは多重量子井戸構造から成っていてもよい。活性層の一端または両端に薄いＡｌｘＧａ１−ｘＮブロック層を挿入して、光導波層内へのキャリア漏れを低減することが好ましい。電気的接続は、ｐ型電極層５７およびｎ型電極層５９を介して行われる。屈折率の低い絶縁体（すなわちＳｉＯ２）を用いてリッジの側壁６１ａが覆われている一方、熱伝導率の高い絶縁体層６３（例えばＡｌＮ）を用いてデバイスのエッチングされた領域が覆われている。通常は、層５７、６１ａ、および６３上に、金あるいはその他の金属層が堆積される。しかしこれは、分かりやすくするために図示されていない。
【００１９】
図１には、前述した従来の半導体レーザ構造が示されている。この構造では、デバイスの側壁８ａおよびエッチングされた領域８の両方に、屈折率の低い絶縁体（すなわちＳｉＯ２）が形成されている。
【００２０】
両構造の特性は、市販の半導体レーザシミュレータを用いてシミュレートされている。図４Ｂおよび図４Ｃは、従来のＳｉＯ２構造および本発明の構造の格子温度プロファイルを示している。これらの図では、「Ｘ」および「Ｙ」軸は、マイクロメータ単位の距離に対応している。格子温度は、２．０μｍのリッジ導波路に対して、２００ｍＡの動作電流で、デバイスのｐ側を下にしてシミュレートされた。これらのグラフから、本発明の構造がより効率的に放熱していることが明確に分かる。本発明を用いた場合、２００ｍＡで活性領域の温度が２．３℃改善する。この改善は、電流が高くなるほど多く得られる。
【００２１】
【数４】
0004959739.tif 000005
【００２２】
式４を参照すると、活性領域温度の２．３℃の差は、ＬＤ寿命の１５％の改善になる（この場合、Ｅａは０．５ｅＶとなるようにとられる（値は非特許文献１から取得した）。図４Ｄおよび図４Ｅには、ｐ側を上にして実装されたデバイスの格子温度プロファイルを示している。これらの図においても、「Ｘ」および「Ｙ」軸は、マイクロメータ単位の距離に対応している。本発明の構造では、ｐ側を下にして実装されたデバイスと同様に、従来の構造と比較して温度低下が得られた。温度低下は、ｐ側を下にした実装よりもｐ側を上にした実装の方がわずかに良好である。活性領域温度の絶対値は、図４Ｅに示されている実施形態では３０９．７°Ｋであり、図４Ｄに示されている従来のＳｉＯ２では３１２．６°Ｋである。従って、本発明の構造を用いた場合、ｐ側を上にした実装において得られる温度改善は２．９°Ｋであり、これはｐ側を下にした実装よりも２．３°Ｋ良好である。
【００２３】
図４Ｆ（ｐ側が下）は、本発明の構造および従来の構造（２．０μｍのリッジ導波型ＬＤ）においてシミュレートされた光出力対電流（Ｌ−Ｉ）、および、最高活性領域温度（ｍａｘ Ｔ）対電流の関係を示している。このグラフから、本発明の構造において、電流の増加に伴って活性領域温度の漸次的な改善が得られることが分かる。さらに、放熱の改善によって、高出力動作において熱的飽和が低下する。これは、２つのデバイスのＬ−Ｉ特性間において見ることができる。本発明のもう１つの重要な側面は、リッジ幅が小さくなるほど放熱の改善が重要となる点である。高電流注入において基本モード発振のみが行われるように、高出力の窒化物青色半導体レーザには１．５μｍ未満のリッジ幅が望ましい。ファセットにおいて生成された熱は、リッジ幅が狭いほどより局所化する。このため、デバイスが小さいほどより効率的な放熱が重要となる。図４Ｇ（ｐ側が下）は、図４Ｆと同様のグラフを示しているが、微細な１．５μｍの導波型ＬＤに対してシミュレートされている。このグラフから、１７０ｍＡの動作電流で２．８℃の温度低下が得られることが分かる。これは、同一の動作電流においてＬＤ寿命が１９％改善することになる。Ｌ−Ｉ曲線を参照すると、本発明の構造による放熱改善によって、高出力動作において熱的飽和が低下し、これによって高出力動作においても良好なスロープ効率が得られることが分かる。図４Ｈは、ｐ側を上にして実装されたデバイス（１．５μｍの導波路）のシミュレートされたグラフを示している。従来の構造と比較した場合の放熱改善および高出力における熱的飽和の低下は、ここでも依然として明らかである。
〔実施形態２〕
この実施形態によれば、図４Ａの構造を改変および改善して、図５Ｂに示されている構造を得ることができる。図５Ａは、レーザの光モードと屈折率の低いＳｉＯ２絶縁体６１ａとの重なりが、主にリッジ底部で起こっていることを示している。つまり、リッジ側壁６１ｂの底部領域のみにＳｉＯ２層を設けた場合でも良好な光モード閉じ込めを達成することができる。図５Ｂに示されているように、リッジ側壁６３ａの最上部領域のＳｉＯ２層を、熱伝導率の高い絶縁体（すなわちＡｌＮ）と置き換えることができ、これによってリッジの最上部を介した良好な放熱を達成することができる。図５Ｃには、リッジ側壁におけるＳｉＯ２の厚さを様々に変更した場合における、従来のＳｉＯ２のみの構造（図１）および本発明の構造の、シミュレートされたＬ−Ｉ特性および活性領域温度が示されている。シミュレーションでは、リッジ側壁のメサ高さが５００ｎｍに固定される。従って５００ｎｍのＳｉＯ２は、図５Ａに示されているように、リッジ側壁全体を覆う絶縁体の厚さを意味する。図５Ｃでは、４００ｎｍのＳｉＯ２は、リッジ側壁の底部からの高さ４００ｎｍを覆うＳｉＯ２層を意味し、最上部における残りの１００ｎｍは、熱伝導率の高いＡｌＮ層（例えば図５Ｂ）によって覆われる。同様に、１５０ｎｍのＳｉＯ２は、底部における１５０ｎｍのＳｉＯ２および最上部における３５０ｎｍのＡｌＮを意味する。Ｌ−Ｉ曲線は、ＳｉＯ２の厚さを１５０ｎｍまで小さくすることによる半導体レーザのＬ−Ｉ特性への影響はごくわずかであることを示している。ＳｉＯ２の厚さが１５０ｎｍになると、光モード閉じ込めは薄いＳｉＯ２層によって影響を受け始める。この影響によって、発振閾値電流の増加およびスロープ効率の不足が生じる。活性領域の温度曲線から、ＳｉＯ２厚さを漸次的に薄くすることによって活性領域温度が漸次的に改善されることが分かる。これは、リッジ側壁の最上部におけるＡｌＮ層を介した改善された放熱によるものである。図５Ｄ（ｉ）〜（ｖｉ）は、リッジ側壁におけるＳｉＯ２層の様々な厚さにおける格子温度プロファイルを示している。これらの図においても、「Ｘ」および「Ｙ」軸は、マイクロメータ単位の距離を示している。ＳｉＯ２を薄くするにつれ、格子温度の漸次的な低下が達成されることが明確に分かる。しかし、Ｌ−Ｉ曲線に示されているように、過度に薄いＳｉＯ２は光閉じ込めの不足および発振閾値電流の増加をもたらすため、折り合いを付けなければならない。シミュレートされた曲線に基づくと、良好な光閉じ込めおよび優れた放熱を維持するためには、リッジ底部からのＳｉＯ２の厚さは１５０〜２００ｎｍが最適である。
〔実施形態３〕
この実施形態によると、図６Ａに示されているように逆の構造が提供される。この構造では、リッジ側壁に熱伝導率の高い絶縁体層６３が形成されており、エッチ表面には屈折率の低い絶縁体層６１が形成されている。図６Ｂおよび図６Ｃは、本発明の逆の構造（図６Ｃ）および従来の単層絶縁体構造（図６Ｂ）の、シミュレートされた活性領域の温度プロファイルをケルビンで示している。これらの図においても、「Ｘ」および「Ｙ」軸は、マイクロメータ単位の距離を示している。図６Ｄは、本発明に係る当初の構造、本発明に係る逆の構造、および従来の単層ＳｉＯ２構造における、Ｌ−Ｉ特性および活性領域温度プロファイルを比較している。これらのグラフから、本発明に係る逆の構造の活性領域温度プロファイルは、従来の構造よりも低いが、本発明に係る当初の構造よりは劣ることが分かる。本発明に係る当初の構造（実施形態１）のＬ−Ｉ曲線は、効率的な放熱によって、より高い出力において熱的飽和が遥かに低下している点を観察されたい。
〔実施形態４〕
図７Ａは、従来のトレンチ構造を示している。当該構造では、二重チャネル６６およびプラットフォーム領域６７と共に、活性リッジ光導波層６５がトレンチ構造に形成されている。当該トレンチ構造は、図１の従来のリッジ構造と比べて平坦化された構造であるため、典型的にはより効率的なｐ側を下にした実装に用いられる。図１の構造が、ｐ側を下にした実装前に平坦化されなかった場合、リッジが破損して歩留まりが低下する可能性がある。当該トレンチ構造は、プラットフォーム領域６７を介して放熱されるようにチャネル領域６６が十分に狭く作製されている場合は、結晶構造におけるより効率的な放熱によって、改善された放熱特性の利点を得ることができる。従来のトレンチ構造では、作成方法はリッジ構造と同様である。当該方法では、まず低い屈折率の絶縁体が領域６５〜６７全体に堆積され、そしてリッジ６５の最上部に電気的接続のための電極窓が開けられる。しかし、図７Ａの放熱特性は、本発明の構造を用いてさらに改善することができ、これは図７Ｂに示されている。
【００２４】
本発明のこの実施形態に係るトレンチ発明構造（図７Ｂ）では、熱伝導率の低い層６１が、熱伝導率の高い絶縁体層６３と共に、チャネル領域６６上に配置されている。図７Ｃは、最高活性領域温度（ｐ側を上にした実装およびｐ側を下にした実装の両方）を、従来のトレンチ構造（図７Ａ）およびトレンチ発明構造（図７Ｂ）のトレンチ／チャネル長に対してプロットした図を示している。従来のトレンチ構造（ＳｉＯ２絶縁体のみ）では、トレンチ／チャネル長が８ｕｍから１ｕｍに短縮されると活性領域温度が低下する。しかし、５ｕｍ未満のトレンチ長を達成する作成方法は困難であり、大規模製造において生産歩留まりの問題が引き起こされうる。これとは対照的に、本発明に係るトレンチ構造（例えば、ＡｌＮ／ＳｉＯ２絶縁体）では、活性領域温度は、トレンチ／チャネル長の短縮によってほとんど影響を受けない。これは、熱伝導率の高いＡｌＮ層が、チャネル領域自身からの熱を効果的に放散させることができるからである。従って、本発明の構造を用いた場合には広いチャネル長を採用することができる。また、これによって製造がより容易になり、同時に半導体レーザの放熱特性も改善される。また、活性領域温度は、ｐ側を上にした実装およびｐ側を下にした実装の両方において、従来の構造と比較して本発明の構造の方が低いことに留意されたい。図７Ｄは、従来のトレンチ構造および本発明に係るトレンチ構造の最高出力および活性領域温度を電流に対してプロットした図を示している。Ｌ−Ｉ曲線からは、高い動作電力における熱的飽和が、より効率的な放熱によって、従来の構造よりも本発明の構造の方が低いことが分かる。図７Ｄの活性領域温度プロファイルでは、観察結果は図７Ｃと同様であり、本発明の構造の活性領域温度は、トレンチの長さの変化によって影響をほとんど受けない。これは、熱の大部分が、熱伝導率の高いＡｌＮ層を介して放散されるためである。しかし従来のトレンチ構造では、熱が結晶性プラットフォーム領域６７を介して放散されるため、トレンチの長さが短くなると活性領域温度が低下しえる。しかし本発明の構造では、活性領域温度は最低のままである。これは、ＳｉＯ２層全体において放熱機能が乏しいことを明確に示している。これはまた、よりよい熱管理のために、光閉じ込め絶縁体層（しかし熱伝導率に乏しい）と熱伝導率の高い絶縁体層とが組み合わせられたデバイス構造を有することの重要性を示している。この結果は、本発明をトレンチ半導体レーザ構造に首尾よく用いることができ、これは大規模製造の目的のために重要であることを示している。
〔実施形態５〕
この実施形態によると、図８Ａは、デバイス構造のリッジ側壁６４においてＳｉＮｘ吸収層を用い、エッチングされた領域において熱伝導率の高い絶縁体層６３を用いた発明構造を示している。単一モードの窒化物端面発光レーザには、狭いリッジ（幅が２μｍ未満）が必須である。しかし、これらは製造が困難である。リッジ幅が広いと、２つ以上の光モードが発振する可能性があり、これは遠視野像および特定のアプリケーションにおける光結合へ影響を及ぼしうる。従来、大きい領域のボンドパッドからリッジを絶縁するためには、その低い屈折率（閉じ込めに良好）および非常に低い吸収ゆえにＳｉＯ２が用いられている。本実施形態は、より広いリッジを用いて、より上位のモードにおけるモード損失を（絶縁体特性を変えることによって）増加させ、これによってより上位のモードが主モードよりも発振する可能性が低くなるようにすることを示している。これは、ＳｉＮｘ層（非化学量論的ＳｉＮ）内におけるＳｉ含有物を増加させて、光吸収性を持たせることによって達成することができる。この特徴は、約４００ｎｍの顕著な吸収を生成するために調整させることができる。これによって、基本光モード以外の全てのモードに対してモード損失が増加し、他のモードが発振する可能性が低くなる。従って、本発明によって、より広いリッジの使用が可能となる一方、基本モードのみの発振を確実にすることができる。また、エッチ表面における熱伝導性絶縁体層６３の存在によって、高出力のアプリケーションにおいて効率的な放熱が可能となる。図８Ｂは、窒素と、シランまたはアンモニアと、堆積中のシランとの比率を様々に変えた場合におけるＳｉＮの吸収を示しており、従ってＳｉ過剰ＳｉＮｘの特性をいかに調節させることができるかを示している。図８Ｃの表は、絶縁体としてＳｉＯ２を用いた場合、およびＳｉ過剰ＳｉＮｘを用いた場合における、発振閾値電流および一次モードおよび二次モードにおける対応するモード損失を示している。モード損失が大きいほど、高次のモードに発振を開始させるのに必要な発振閾値電流が増加する。
【００２５】
ＳｉＮの代わりに様々な他の材料を用いることができる。しかし、ａ）材料が絶縁体であること、ｂ）材料が、式１〜２に示されているように、レーザ材料の屈折率と比較して適切な屈折率を有していること、およびｃ）材料が、レーザの波長において１０００ｃｍ−１よりも大きい吸収を有していることが好ましく、吸収は１０，０００ｃｍ−１よりも大きいことがより好ましい。光吸収が１０００ｃｍ−１よりも低い場合、デバイスが高電流において単一モード動作を維持する効率が低くなる。
〔実施形態６〕
この実施形態によると、本発明は以下の構造から成っていてもよい。図９Ａは、図３に関連して説明した従来の構造を示している。この構造では、リッジをボンドパッドから絶縁するために、熱伝導性の絶縁体（すなわちＡｌＮ）６３が用いられている。しかし、このような絶縁体は、通常は屈折率が高いため光閉じ込めが乏しくなる。結果として、金ボンドパッドからの吸収、および後には発振閾値電流の増加が引き起こされる。後述する自己整合プロセスを用いることによって、ＡｌＮ絶縁体の側壁に屈折率の低い絶縁体（すなわちＳｉＯ２）６５を形成することができる（図９Ｂを参照）。これによって、構造の光閉じ込めの改善が助けられる一方、リッジ近傍にＡｌＮが存在していることによって良好な放熱特性が維持される。
〔実施形態７〕
実施形態１のための本発明の製造方法について説明する。図面は一定の縮尺とはなっていない。しかし、説明する本方法の手順は、各チップの完全な作製プロセスを示すものではなく、本発明と密接に関連するものを示している。
【００２６】
図１０Ａを参照すると、半導体レーザ構造が基板５０（例えばｎ型ＧａＮ基板）から始まっており、これにｎ型下部クラッド層５１、ｎ型下部光導波層５２、活性層５３、ｐ型上部光導波層５４、ｐ型上部クラッド層５５、およびｐ型コンタクト層５６が続いている。活性層５３は、単一量子井戸構造から成っていてよく、あるいは多重量子井戸構造から成っていてもよい。
【００２７】
図１０Ｂでは、その領域全体に第１のｐ型電極層５７（例えば、厚さが３０ｎｍまでのＰｄ）が塗布されており、これに（厚さが１００ｎｍまでの）Ｍｏから成る犠牲層５８が続いている。ｎ−基板上には、ｎ型電極５９（例えば、厚さが２０ｎｍ／１００ｎｍまでのＴｉ／Ａｌ）が形成されている。続いてフォトレジスト層６０が塗布およびパターン形成され、リッジの領域を構成している。
【００２８】
図１０Ｃでは、ｐ型電極５７およびＭｏ犠牲層５８が、（例えばＩＣＰまたはＲＩＥを用いた）ドライエッチングによって、フォトレジストによって保護されていない領域から完全に除去される。続いて、同一のフォトレジストマスクを用いて、エピタキシャル層が誘導結合プラズマによって所定の深さ（この場合は５００ｎｍ）までエッチングされる。これは、通常は、上部クラッド層５５ａの下半分までエッチングされる。
【００２９】
フォトレジストマスクが剥離された後、（その低い屈折率１．５ゆえに）ＳｉＯ２によって形成された厚さが最大で１００ｎｍの第１の絶縁層６１が、ＰＥＣＶＤまたはスパッタリングによって上記領域全体に堆積される。このプロセスでは、側壁の良好な均一性を実現する成膜装置を用いることが非常に重要である。リッジは良好なアスペクト比を有しているため（ほぼ垂直に見える）、またＳｉＯ２堆積によって側壁が均一に被覆されるため、メサ側壁６２におけるＳｉＯ２の厚さは、上から見た場合には少なくとも５００ｎｍに見える。これは、図１０Ｄに示されている。
【００３０】
続いて、絶縁体層６１がＲＩＥによってドライエッチングされる。ＲＩＥドライエッチング処理は異方性であるため、メサ側壁におけるＳｉＯ２ の厚さは、エッチ表面５５ａおよびリッジ最上部におけるＳｉＯ２層よりも遥かに厚いと考えられる。次いで、エッチング工程を較正して、ＳｉＯ２が厚さ１００ｎｍまでエッチングされる。得られる構造は図１０Ｅに示されている。メサ側壁６１ａのみを覆う絶縁体層を達成すると記載されている本方法は、自己整合し、これによって困難なあらゆる整合工程を省略することができるため都合が良い。
【００３１】
図１０Ｆを参照すると、厚さ８０ｎｍまでの第２の絶縁体層６３（良好な熱伝導率特性を有する、例えばＡｌＮ）が、上記領域全体に堆積される。これは、例えばスパッタリング、電子サイクロトロン共鳴（electron cyclotron resonance; ECR）、ＭＢＥ、またはそれ以外の技術を用いて行うことができる。この段階では、堆積技術の側壁の均一性はクリティカルではない。
【００３２】
図１０Ｇを参照すると、犠牲層５８がウェットエッチングによってリフトオフされ、リッジの最上部に電気的接続のための窓が開けられる。「超音波浴」などの機械的攪拌によって、上記リフトオフプロセスを補助することができる。
【００３３】
続いて、第２の絶縁体層がウェットエッチングされる（すなわち、ＡｌＮをエッチングするためにＫＯＨが用いられる）。この工程において、第２の絶縁体層の側壁における厚さを薄くすることができ、あるいは完全に除去することもできる。この点に関しては、図１０Ｈを参照されたい。
〔実施形態８〕
実施形態４のための本発明の製造方法について、図１１Ａ〜図１１Ｍを参照しながら説明する。これらの図は、一定の縮尺とはなっていない。しかし、説明する本方法の手順は、各チップの完全な作製プロセスを示すものではなく、本発明と密接に関連するものを示している。
【００３４】
図１１Ａに示されている半導体レーザ構造は、図１０Ａの半導体レーザ構造と同様である。図１１Ｂでは、上記領域全体に第１のｐ型電極層５７（例えばＰｄ）が塗布されており、またｎ−基板上にｎ型電極５９（例えばＴｉ／Ａｌ）が形成されている。次いで、フォトレジスト層６０が塗布およびパターン形成され、これによってリッジ６５の領域、チャネル６６、およびプラットフォーム領域６７が構成される。
【００３５】
図１１Ｃでは、（例えばＩＣＰまたはＲＩＥを用いた）ドライエッチングによって、フォトレジストによって保護されていない領域からｐ型電極５７が完全に除去される。誘導結合プラズマによって、エピタキシャル層が、同一のフォトレジストマスクを用いて所定の深さ（この場合は５００ｎｍ）までエッチングされる。通常、これは、上部クラッド層の下半分まで、または（図示されているように）ｐ型上部光導波層５４までエッチングされる。次いで、フォトレジストマスクが除去される。これは図１１Ｄに示されている。
【００３６】
上記領域全体に、ＰＥＣＶＤまたはスパッタリングによって、（その低い屈折率１．５ゆえに）ＳｉＯ２から成る厚さが最大で１００ｎｍの第１の絶縁層６１が堆積される。このプロセスでは、側壁の良好な均一性を実現する成膜装置を用いることが非常に重要である。リッジが良好なアスペクト比を有しているため（ほぼ垂直に見える）、またＳｉＯ２堆積によって側壁が均一に被覆されるため、メサ側壁６２におけるＳｉＯ２の厚さは、上から見た場合には少なくとも５００ｎｍに見える。これは、図１１Ｅに示されている。
【００３７】
続いて、チャネル６６およびリッジ領域６５を露出するためにフォトレジスト層６０ａがパターン形成される。しかし、プラットフォーム領域６７は保護される（図１１Ｆ）。次いで、絶縁体層６１がＲＩＥによってドライエッチングされる。ＲＩＥドライエッチング処理は異方性であるため、メサ側壁６２におけるＳｉＯ２ の厚さは、ｐ−導波管層５４およびリッジ最上部におけるＳｉＯ２層よりも遥かに厚いと考えられる。次いで、エッチング工程を較正して、ＳｉＯ２が厚さ１００ｎｍまでエッチングされ、そしてフォトレジスト層が除去される。得られる構造は図１１Ｇに示されている。メサ側壁６１ａのみを覆う絶縁体層を達成すると記載されている本方法は、自己整合し、これによって困難なあらゆる整合工程を省略することができるため都合が良い。
【００３８】
図１１Ｈを参照すると、厚さ８０ｎｍまでの第２の絶縁体層６３（良好な熱伝導率特性を有する、例えばＡｌＮ）が、上記領域全体に堆積される。これは、例えばスパッタリング、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）、ＭＢＥ、またはそれ以外の技術を用いて行うことができる。この段階では、堆積技術の側壁の均一性はクリティカルではない。
【００３９】
図１１Ｉを参照すると、上記サンプル上に、（厚さ１ｕｍまでの）フォトレジスト６８の層がスピンコートによって堆積されている。スピンコートの性質ゆえ、フォトレジスト層６８は、リッジ６５上およびプラットフォーム領域６７上よりもチャネル層６６において厚くなる。続いて、上記フォトレジスト層が、ＲＩＥ（すなわちＯ２プラズマを用いる）などの異方性の方法を用いてエッチングされる。フォトレジストは、チャネル領域６６においてより厚いため、プラットフォーム６７上およびリッジ領域６５上からフォトレジストが除去される一方でチャネル領域６６上に一部にレジストが残存するように、異方性エッチングが較正される。得られる構造は、図１１Ｊに示されている。
【００４０】
続いて、プラットフォーム６７上およびリッジ領域６５上の第２の絶縁体層６３が、ＲＩＥを用いてドライエッチングされる。このとき、チャネル領域６６における第２の絶縁体層６３はフォトレジスト層によって保護される（図１１Ｋ）。続いて、フォトレジスト層が除去される。これは、図１１Ｌに示されている。次いで、第２の絶縁体層がウェットエッチングされる（すなわち、ＡｌＮのエッチングのためにＫＯＨが用いられる）。この工程において、側壁における第２の絶縁体層の厚さを薄くすることができ、あるいは完全に除去することもできる。この点に関し、図１１Ｍを参照されたい。
【００４１】
本発明について、好ましい特定の実施形態に関連して図示および説明した。しかし当業者であれば、明細書を読んで理解することによって、同等物および変形例を考案しうることは明らかである。本発明は、そのような全ての同等物および変形例を包含するものであり、特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
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【図４Ｈ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ（ｉ）】
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【図５Ｄ（ｉｉ）】
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【図５Ｄ（ｉｉｉ）】
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【図５Ｄ（ｉｖ）】
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【図５Ｄ（ｖ）】
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【図５Ｄ（ｖｉ）】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１０Ｆ】
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【図１０Ｇ】
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【図１０Ｈ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１１Ｆ】
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【図１１Ｇ】
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【図１１Ｈ】
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【図１１Ｉ】
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【図１１Ｊ】
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【図１１Ｋ】
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【図１１Ｌ】
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【図１１Ｍ】
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