(57)【要約】  駆動電圧を低下させつつ光出力を増大させ、特に電気−光変換効率の増大を実現した、性能の良い光半導体装置、特に高出力の半導体レーザ装置を提供する。半導体積層部と、光出力側の第一端面及び第一端面と対向する第二端面にはさまれた活性領域と、半導体積層部の上部に設けられた第一電極層及び下部に設けられた第二電極層とを備えた光半導体素子と、光半導体素子の第一電極層又は第二電極層の少なくとも一方に、活性領域に電流を注入するための電気的接続部が接続された光半導体装置であって、電気的接続部と、光半導体素子との接触面積のうち、光半導体素子の上部面積の第一端面側の１／２に含まれる接触面積をα、第二端面側の１／２に含まれる接触面積をβとしたとき、α＞βを満たし、かつ、β＞０であることを特徴とする光半導体装置。
2019160039.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体積層部と、
光出力側の第一端面及び前記第一端面と対向する第二端面にはさまれた活性領域と、
前記半導体積層部の上部に設けられた第一電極層及び下部に設けられた第二電極層と、を備えた光半導体素子と、
前記光半導体素子の前記第一電極層又は前記第二電極層の少なくとも一方に、前記活性領域に電流を注入するための電気的接続部が接続された光半導体装置であって、
前記電気的接続部と、前記光半導体素子との接触面積のうち、前記光半導体素子の上部面積の前記第一端面側の１／２に含まれる前記接触面積をα、前記第二端面側の１／２に含まれる前記接触面積をβとしたとき、α＞βを満たし、かつ、β＞０であることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記光半導体素子の上部面積の前記第二端面側の１／２に接続された前記電気的接続部の一部は、前記第二端面近傍にあることを特徴とする、請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記光半導体素子の上部面積の前記第二端面側の１／２に接続された前記電気的接続部の一部は、前記第二端面側から１／４の領域にあることを特徴とする、請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記電気的接続部は、前記活性領域内の前記第一端面と前記第二端面を結ぶ方向の電流密度分布を、前記活性領域内における同方向の光子密度分布に近似させるように配置し、接続されていることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記光半導体素子は、前記第一端面から出力される光の出力が１００ｍＷ以上であるような半導体レーザ素子であることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【請求項６】
前記光半導体素子は、前記第一端面から出力される光が出力１Ｗ以上のレーザ光であり、前記レーザ光をマルチモード発振するような半導体レーザ素子であることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【請求項７】
前記光半導体素子は、前記第二端面からレーザ光を入力し、前記第一端面から１０ｍＷ以上のレーザ光を出力するような、半導体光増幅素子であることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体装置、特に、素子の出力が１００ｍＷ以上となるような半導体レーザ装置、さらに、素子の出力が数Ｗ以上となるような高出力の半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ装置は、光通信用レーザや加工などに用いられる産業用レーザなどとして活用されている。光通信用レーザでは、光ファイバ中に光を長距離（たとえば数百キロメートル）伝搬させる必要があり、信号品質の劣化を抑制するためにシングルモードのレーザが使用されることが一般的である。一方、産業用レーザでは、光通信用レーザ以上の高出力が必要とされ、かつ長距離を伝搬させる必要がないため、高出力に特化したマルチモードのレーザが使用される。マルチモードレーザでは、レーザの導波路の幅を広くして、導波路内で複数のモードを許容する（つまり、マルチモード）ことによって、高出力が達成される。ここで高出力とは、素子の出力として、たとえば数Ｗ〜２０Ｗ（ともに室温、ＣＷ駆動）程度の出力のことである。【０００３】
一般的な半導体レーザ素子は、基板上に形成された半導体積層部と光出力側の第一端面及び第一端面と対向する第二端面にはさまれた活性領域と、半導体積層部の上部に設けられた第一電極層及び、下部に設けられた第二電極層を備えている。
高出力な半導体レーザ装置においては、図１に示すように、半導体レーザ素子１は、ＡｌＮなどのセラミックス基板５上にＡｕなどの金属膜４が形成された、サブマウント６とよばれる基板に接合される。さらに、半導体レーザ素子１の電極層には、半導体レーザ素子１に電流を注入するための電気的接続部として、Ａｕなどのボンディングワイヤ２が接続される。図２に、従来技術の例として、高出力の半導体レーザ素子１の電極層の上に、多数のボンディングワイヤ２を均等に配置した構成を示す（従来構成１）。一般に、ボンディングワイヤ２の直径は１５μｍ〜５０μｍ程度と非常に細いので、数Ａ〜３０Ａの大電流を注入する、数Ｗ〜２０Ｗの高出力の半導体レーザ装置では、非常に多くの本数のボンディングワイヤ２を半導体レーザ素子１の電極層に接続する必要がある。しかしながら、ボンディングワイヤ２の本数が増えると、Ａｕなどの材料コストアップ、工程タクト時間の増加などのデメリットが生じる。さらに半導体レーザ素子１の表面積は非常に小さい（たとえば、幅０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ×長さ３ｍｍ〜５ｍｍ）ので、ボンディングワイヤ２を接続するためのフットプリントが限られているという問題がある。【０００４】
そこで本発明者らは、高出力な半導体レーザ装置において、半導体レーザ装置の性能を悪化させることなく、ボンディングワイヤの数を減らすことを目的に、特許文献１を参考にした。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３６７２２７２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１には、活性層内部でのキャリアの消費速度は、活性層内の光子密度が低い部分で遅く、光子密度が高い部分で速くなるため、半導体レーザ素子へ供給（注入）する電流が共振器長方向に均一であると、活性層内の光子密度が高い部分ではキャリアが不足し、光子密度の低い部分ではキャリアが過剰となる。そして、この活性層内のキャリア不足が半導体レーザの光出力を飽和させる原因であることが記載されている。そして、この課題を解決するために、活性層内の光子密度分布における共振器長方向での極大点に対応する共振器長方向の位置にボンディングワイヤを接合することが提案されている。【０００７】
本発明者らは、この特許文献１を参考に、図３に示すような構成を検討した（従来構成２）。すなわち、第一端面Ｅ１に形成された反射膜の反射率が、第二端面Ｅ２に形成された反射膜の反射率より低くなるような半導体レーザ素子１では、第一端面Ｅ１部が光子密度の極大点となる。さらに、高出力の半導体レーザ素子１に、数Ａ以上の電流を流すことができるように、第一端面Ｅ１側に図２の構成と同数のボンディングワイヤ２を寄せて配置した。【０００８】
しかしながら、図４Ａおよび４Ｂに示すように、多数のボンディングワイヤ２を均等に配置した従来構成１（図２の構成）と、第一端面Ｅ１側に従来構成１と同数のボンディングワイヤ２を寄せて配置した従来構成２（図３の構成）との光出力及び駆動電圧を比較したところ、特許文献１を参考にした従来構成２では、確かに光出力が増大しているが、駆動電圧が顕著に上昇してしまっている。これは、キャリアの消費速度が速い第一端面Ｅ１側に寄せて接合したボンディングワイヤ２への電流集中により、ボンディングワイヤ２が発熱し、電気抵抗が上昇してしまったためと考えられる。
産業用レーザでは、電気−光変換効率（ＷＰＥ：Ｗａｌｌ  Ｐｌｕｇ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が高いことが求められる。ＷＰＥは、投入電力（電流×電圧）に対する半導体レーザ装置の最終的な光出力の割合として定義される。そのため、駆動電圧の上昇はＷＰＥの低下につながり、半導体レーザの性能上好ましくない。【０００９】
本発明は、駆動電圧を低下させつつ光出力を増大させ、特にＷＰＥの増大を実現した、性能の良い光半導体装置、特に高出力の半導体レーザ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、半導体積層部と、光出力側の第一端面及び第一端面と対向する第二端面にはさまれた活性領域と、前記半導体積層部の上部に設けられた第一電極層及び下部に設けられた第二電極層と、を備えた光半導体素子と、前記光半導体素子の前記第一電極層又は前記第二電極層の少なくとも一方に、前記活性領域に電流を注入するための電気的接続部が接続された光半導体装置であって、前記電気的接続部と、前記光半導体素子との接触面積のうち、前記光半導体素子の上部面積の前記第一端面側の１／２に含まれる前記接触面積をα、前記第二端面側の１／２に含まれる前記接触面積をβとしたとき、α＞βを満たし、かつ、β＞０であることを特徴とする光半導体装置が提供される。【００１１】
本発明の他の態様によれば、前記光半導体素子の上部面積の前記第二端面側の１／２に接続された前記電気的接続部の一部は、前記第二端面近傍にあることを特徴とする、上記の光半導体装置が提供される。【００１２】
本発明の他の態様によれば、前記光半導体素子の上部面積の前記第二端面側の１／２に接続された前記電気的接続部の一部は、前記第二端面側から１／４の領域にあることを特徴とする、上記の光半導体装置が提供される。【００１３】
本発明の他の態様によれば、前記電気的接続部は、前記活性領域内の前記第一端面と前記第二端面を結ぶ方向の電流密度分布を、前記活性領域内における同方向の光子密度分布に近似させるように配置し、接続されていることを特徴とする、上記の光半導体装置が提供される。【００１４】
本発明の他の態様によれば、前記光半導体素子は、前記第一端面から出力される光の出力が１００ｍＷ以上であるような半導体レーザ素子であることを特徴とする、上記の光半導体装置が提供される。【００１５】
本発明の他の態様によれば、前記光半導体素子は、前記第一端面から出力される光が出力１Ｗ以上のレーザ光であり、前記レーザ光をマルチモード発振するような半導体レーザ素子であることを特徴とする、上記の光半導体装置が提供される。【００１６】
本発明の他の態様によれば、前記光半導体素子は、前記第二端面からレーザ光を入力し、前記第一端面から１０ｍＷ以上のレーザ光を出力するような、半導体光増幅素子であることを特徴とする、上記の光半導体装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来の構成に係る半導体レーザ装置の一例の斜視図である。
【図２】従来構成１における電気的接続部の配置を示す上面図である。
【図３】従来構成２における電気的接続部の配置を示す上面図である。
【図４Ａ】従来構成１と従来構成２の光出力及び駆動電圧を比較した結果を示すグラフである。
【図４Ｂ】従来構成１と従来構成２の光出力及び駆動電圧を比較した結果を示すグラフである。
【図５】本発明に係る半導体レーザ素子の模式的な斜視図である。
【図６】図５に示す半導体レーザ素子の模式的な断面図である。
【図７】本発明に係る半導体レーザ装置の一例の斜視図である。
【図８】本発明の実施形態１における電気的接続部の配置を示す上面図である。
【図９】ボンディングワイヤと第一電極層または第二電極層との接触面積を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態２における電気的接続部の配置を示す上面図である。
【図１１】活性領域内における光強度分布を示すグラフである。
【図１２Ａ】本発明の実施形態と、従来の構成の光出力及び駆動電圧を比較検討した結果を示すグラフである。
【図１２Ｂ】本発明の実施形態と、従来の構成の光出力及び駆動電圧を比較検討した結果を示すグラフである。
【図１３Ａ】本発明の実施形態と従来の構成を比較し、本発明の実施形態が電気−光変換効率が向上する効果を示すグラフである。
【図１３Ｂ】本発明の実施形態と従来の構成を比較し、本発明の実施形態が電気−光変換効率が向上する効果を示すグラフである。
【図１３Ｃ】本発明の実施形態と従来の構成を比較し、本発明の実施形態が電気−光変換効率が向上する効果を示すグラフである。
【図１４】本発明の電気的接続部の配置の一変形例を示す上面図である。
【図１５】本発明の電気的接続部の配置の一変形例を示す上面図である。
【図１６】本発明の電気的接続部の配置の一変形例を示す上面図である。
【図１７】本発明の電気的接続部の配置の一変形例を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、図面を参照して本発明に係る光半導体装置の実施の形態を説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
【００１９】
まず、本発明の実施の形態に係る光半導体素子の例として、半導体レーザ素子１について説明する。本実施の形態に係る半導体レーザ素子１は、レーザ光をマルチモード発振する端面発光型の半導体レーザ素子である。なお、ここでマルチモード発振するとは、複数の導波モードを許容する幅の広い導波路を有することを意味する。
【００２０】
図５は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子１の模式的な斜視図である。図５に示すように、この半導体レーザ素子１は、半導体積層部８と、光出力側の第一端面Ｅ１及び第一端面Ｅ１と対向する第二端面Ｅ２にはさまれた活性領域１１とを有する。半導体積層部８の光出力側の第一端面Ｅ１には、たとえば反射率が１０％以下の低反射率膜９が形成され、第一端面Ｅ１と対向する第二端面Ｅ２には、たとえば反射率が９０％以上の高反射率膜１０が形成されている。半導体レーザ素子１は、活性領域内１１にてレーザ光を導波し、第一端面Ｅ１より低反射率膜９を介してレーザ光を出射する。
【００２１】
第一端面Ｅ１と第二端面Ｅ２との距離で決まる、半導体レーザ素子１の素子長さＬは、たとえば１ｍｍ〜６ｍｍ、さらに好ましくは３ｍｍ〜５ｍｍ程度である。
【００２２】
図６は、図５に示す半導体レーザ素子１の断面図の一例である。図６に示すように、半導体レーザ素子１は、上面に形成された第一電極層２３と、下面に形成された第二電極層１３と、ｎ型のＧａＡｓからなる基板１４と、基板１４上に形成された半導体積層部８と、パッシベーション膜２２とを備える。
【００２３】
半導体積層部８は、基板１４上に順次形成された、ｎ型バッファ層１５、ｎ型クラッド層１６、ｎ型ガイド層１７、活性層１８、ｐ型ガイド層１９、ｐ型クラッド層２０、ｐ型コンタクト層２１を備える。
【００２４】
ｎ型バッファ層１５は、ＧａＡｓからなり、基板１４上に高品質のエピタキシャル層の積層構造を成長するための緩衝層である。ｎ型クラッド層１６とｎ型ガイド層１７とは、積層方向に対する所望の光閉じ込め状態を実現するように、屈折率と厚さとが設定されたＡｌＧａＡｓからなる。なお、ｎ型ガイド層１７のＡｌ組成は、たとえば２０％以上４０％未満である。また、ｎ型クラッド層１６は、ｎ型ガイド層１７よりも屈折率が小さくなっている。また、ｎ型ガイド層１７の厚さは、５０ｎｍ以上、たとえば１０００ｎｍ程度であることが好ましい。ｎ型クラッド層１６の厚さは、１μｍ〜３μｍ程度が好ましい。また、これらのｎ型半導体層は、ｎ型ドーパントとしてたとえば珪素（Ｓｉ）を含む。
【００２５】
活性層１８は、下部バリア層１８ａ、量子井戸層１８ｂ、上部バリア層１８ｃを備え、単一の量子井戸（ＳＱＷ）構造を有する。下部バリア層１８ａおよび上部バリア層１８ｃは、量子井戸層１８ｂにキャリアを閉じ込める障壁の機能を有し、故意にドーピングをしない高純度のＡｌＧａＡｓからなる。量子井戸層１８ｂは、故意にドーピングをしない高純度のＩｎＧａＡｓからなる。量子井戸層１８ｂのＩｎ組成および膜厚、下部バリア層１８ａおよび上部バリア層１８ｃの組成は、所望の発光中心波長（たとえば９００ｎｍ〜１０８０ｎｍ）に応じて設定される。なお、活性層１８の構造は、量子井戸層１８ｂとその上下に形成されたバリア層の積層構造を所望の数だけ繰り返した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造でもよいし、単一量子井戸構造でもよい。また、上記では、故意にドーピングをしない高純度層での構成を説明したが、量子井戸層１８ｂ、下部バリア層１８ａおよび上部バリア層１８ｃに故意にドナーやアクセプタが添加される場合もある。
【００２６】
ｐ型ガイド層１９およびｐ型クラッド層２０は、上述のｎ型クラッド層１６およびｎ型ガイド層１７と対になり、積層方向に対する所望の光閉じ込め状態を実現するように、屈折率と厚さとが設定されたＡｌＧａＡｓからなる。ｐ型ガイド層１９のＡｌ組成は、たとえば２０％以上４０％未満である。ｐ型クラッド層２０は、ｐ型ガイド層１９よりも屈折率が小さくなっている。層中の光のフィールドをｎ型クラッド層１６の方向にずらして導波路損失を小さくするために、ｐ型クラッド層２０のＡｌ組成はｎ型クラッド層１６に比べて若干大きめに設定される。そして、ｐ型ガイド層１９のＡｌ組成は、ｐ型クラッド層２０のＡｌ組成に比べ小さく設定される。また、ｐ型ガイド層１９の厚さは、５０ｎｍ以上、たとえば１０００ｎｍ程度であることが好ましい。ｐ型クラッド層２０の厚さは、１μｍ〜３μｍ程度が好ましい。また、これらのｐ型半導体層は、ｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）を含む。ｐ型ガイド層１９のＣ濃度は、たとえば０．１〜１．０×１０１７ｃｍ−３に設定され、０．５〜１．０×１０１７ｃｍ−３程度が好適である。ｐ型クラッド層２０のＣ濃度は、たとえば１．０×１０１７ｃｍ−３以上に設定される。また、ｐ型コンタクト層２１は、ＺｎまたはＣが高濃度にドーピングされたＧａＡｓからなる。
【００２７】
ｐ型コンタクト層２１の上面には第一電極層２３が形成される。第一電極層２３は、たとえばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの金属多層膜又はＡｕ、Ｚｎを主成分とする合金膜などが形成され、その厚さはたとえば２μｍ以下、さらに０．５〜０．１μｍが好ましい。第一電極層２３の上面には、第一電極層２３と良好な電気的接続を得るために、たとえば厚さ１０〜３μｍのＡｕメッキを形成してもよい。
【００２８】
ｎ型のＧａＡｓからなる基板１４の下面には第二電極層１３が形成される。第二電極層１３は、たとえばＡｕ、Ｇｅ、Ｎｉからなる合金膜が形成され、その厚さはたとえば２μｍ以下、さらに０．５〜０．１μｍが好ましい。
【００２９】
図６に示すように、半導体積層部８の開口部２２ａの直下の領域は、図６の横方向において光を閉じ込めるためのリッジ構造が形成されている。リッジ構造の底部の幅で決まる、導波路幅１２は、たとえば８０μｍ以上５００μｍ以下である。
【００３０】
パッシベーション膜２２は、たとえばＳｉＮｘからなる絶縁膜であり、開口部２２ａを有する。この半導体レーザ素子１では、パッシベーション膜２２により第一電極層２３と半導体積層部８との接触面積を制限することにより、活性領域１１への電流狭窄を実現している。
【００３１】
上記で形成された半導体レーザ素子１は、図７に示すように、サブマウント６上に接合され、さらに、半導体レーザ素子１に電流を注入するための電気的接続部として、Ａｕなどのボンディングワイヤ２が接続され、半導体レーザ装置に組み立てられる。
【００３２】
サブマウント６は、たとえばＣｕＷ合金などの基板上にＡｕなどの金属膜４を形成したもの、又はＡｌＮなどのセラミックス基板上にＡｕなどの金属膜４を形成したものが用いられる。また、半導体レーザ素子１とサブマウント６との接合には、たとえばＡｕＳｎ合金などのはんだ７などが用いられる。
【００３３】
一般に、半導体レーザ素子をサブマウントに接合する方法は、以下の２つの方法がある。一つの方法は、第二電極層を介して半導体レーザ素子をサブマウントに接合する方法で、ジャンクションアップ接合（ｊｕｎｃｔｉｏｎ−ｓｉｄｅ−ｕｐ  ｍｏｕｎｔ）と呼ばれる。ジャンクションアップ接合では、半導体レーザ素子の第一電極層に、活性領域に電流を注入するための電気的接続部として、たとえばＡｕなどのボンディングワイヤなどが接続される。ボンディングワイヤの直径は、たとえば１５〜５０μｍである。
【００３４】
もう一つの方法は、第一電極層を介して半導体レーザ素子をサブマウントに接合する方法で、ジャンクションダウン接合（ｊｕｎｃｔｉｏｎ−ｓｉｄｅ−ｄｏｗｎ  ｍｏｕｎｔ）と呼ばれる。ジャンクションダウン接合では、半導体レーザ素子の第二電極層に、活性領域に電流を注入するための電気的接続部として、たとえばＡｕなどのボンディングワイヤなどが接続される。高出力の半導体レーザ素子、特に８０〜５００μｍ程度の導波路幅をもつマルチモードレーザ素子では、ジャンクションダウン接合が用いられることが多い。
【００３５】
以下では、半導体レーザ素子１の活性領域１１に電流を注入するための電気的接続部の設計に関して、好ましい実施形態について説明する。具体的な例として、高出力な半導体レーザ素子１を、ジャンクションダウン接合でサブマウント６に接合した半導体レーザ装置において、半導体レーザ素子１の第二電極層１３に接続される電気的接続部の構成について説明する。ただし、それぞれの実施形態を示すそれぞれの図では、サブマウント６及びボンディングワイヤ２のワイヤ部が省略されている。
【００３６】
（実施形態１）
本実施形態では、図８に示すような構成で、電気的接続部としてボンディングワイヤ２を第二電極層１３に接続した。
【００３７】
上記電気的接続部と第二電極層１３との接触面積のうち、半導体レーザ素子１の上部面積における第一端面Ｅ１側の１／２に含まれる接触面積をα、上部面積の第二端面Ｅ２側の１／２に含まれる接触面積をβとする。このとき、α＞βの関係を満たすように、ボンディングワイヤ２が接続されている。ここで、ボンディングワイヤ２の１本あたりの接触面積２４は、たとえば図９に示されように、第二電極層１３上にボンディングワイヤ２の端部が接する面積として定められ得る。従って、１本のボンディングワイヤ２の１本あたりの接触面積２４と、半導体レーザ素子１の上部面積における第一端面Ｅ１側の１／２の領域にあるボンディングワイヤ２の本数を乗じた値がα、同様に第二端面Ｅ２側の１／２の領域にあるボンディングワイヤ２の本数を乗じた値がβとなる。
【００３８】
さらに、図８に示すように、半導体レーザ素子１の上部面積の第二端面Ｅ２側には少なくとも１本（ここでは２本）のボンディングワイヤ２が接続されており、β＞０となっている。
【００３９】
（実施形態２）
本実施形態では、図１０に示すような構成で、電気的接続部としてボンディングワイヤ２を第二電極層１３に配置、接続した。すなわち、上記電気的接続部と第二電極層１３との接触面積のうち、半導体レーザ素子１の上部面積における第一端面Ｅ１側の１／２に含まれる接触面積をα、上部面積の第二端面Ｅ２側の１／２に含まれる接触面積をβとしたとき、α＞βの関係を満たすとともに、半導体レーザ素子１の上部面積の第二端面Ｅ２側には少なくとも１本のボンディングワイヤ２が接続されており、β＞０となっている。さらに、ボンディングワイヤ２は、半導体レーザ素子１の活性領域１１内における第一端面Ｅ１と第二端面Ｅ２を結ぶ方向の電流密度分布を、同方向の光子密度分布に近似させるように配置されている。
【００４０】
具体的には、以下の式により、半導体レーザ素子１の活性領域１１内における光強度分布を求めた。
【００４１】
活性領域１１内の第二端面Ｅ２からの距離ｚにおける光強度Ｐ（ｚ）は、以下の式により表される。
【数１】
2019160039.tif 000003
【数２】
2019160039.tif 000004
ここで、Ａは比例定数、Ｒｆは第一端面Ｅ１に形成した低反射率膜９の反射率、Ｒｂは第二端面Ｅ２に形成した高反射率膜１０の反射率、Ｌは第一端面Ｅ１と第二端面Ｅ２の距離で決まる素子長さである。計算では、Ｒｆ＝０．５％、Ｒｂ＝９５％、Ｌ＝４．５ｍｍとした。その結果を図１１に示す。
【００４２】
活性領域１１内では、光子密度が高い部分、すなわち光強度の大きいところほど、キャリアの消費速度が速いことが知られている。従って、図１１に示す光強度分布に応じた分布で電気的接続部を配置することで、活性領域１１内に効率よくキャリアを供給することができ、性能の良い半導体レーザ装置が得られると考えた。その結果、図１０に示すように、光強度が最大となる第一端面Ｅ１側でボンディングワイヤ２が最密となるよう配置し、第二端面Ｅ２側に行くに従い、光強度の低下に比例させてボンディングワイヤ２の密度も下げるように、ボンディングワイヤ２を第二電極層１３上に配置、接続した。
【００４３】
（結果）
実施形態１及び実施形態２と、第一端面Ｅ１側に多数のボンディングワイヤ２を寄せて配置した従来構成２（図３の構成）との光出力及び駆動電圧を比較した。その結果を図１２Ａ、１２Ｂに示す。その結果、電気的接続部と第二電極層１３との接触面積のうち、半導体レーザ素子１の上部面積の第一端面Ｅ１側の１／２に含まれる接触面積をα、第二端面Ｅ２側の１／２に含まれる接触面積をβとしたとき、α＞βの関係を満たし、かつβ＞０となる、実施形態１のボンディングワイヤ２の配置では、従来構成２よりも駆動電圧が低下した。さらに、電気的接続部と第二電極層１３との接触面積のうち、半導体レーザ素子１の上部面積の第一端面Ｅ１側の１／２に含まれる接触面積をα、第二端面Ｅ２側の１／２に含まれる接触面積をβとしたとき、α＞βの関係を満たし、かつβ＞０であるとともに、活性領域１１内の第一端面Ｅ１と第二端面Ｅ２を結ぶ方向の電流密度分布を、同方向の光子密度分布に近似させるようにボンディングワイヤ２を配置した、実施形態２の構成では、さらに駆動電圧が低下した。一方で、実施形態１及び実施形態２の光出力は、従来構成２の光出力と比較してほとんど低下していない。
【００４４】
従来構成１、従来構成２、実施形態１、及び実施形態２の、以上４つの構成における、光出力、駆動電圧、及び電気−光変換効率を比較した結果を、図１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃに示す。
【００４５】
その結果、多数のボンディングワイヤを均等に配置した従来構成１は、最も電気−光変換効率（ＷＰＥ）が低く、第一端面側に多数のボンディングワイヤを寄せて配置した従来構成２では、光出力は大きくなるが、駆動電圧も大きく、ＷＰＥが悪い結果となった。一方、本実施形態１及び実施形態２の構成によれば、光出力は従来構成２にやや劣るものの、駆動電圧が顕著に下がるので、ＷＰＥが高い。特に電気的接続部と第二電極層１３との接触面積のうち、半導体レーザ素子１の上部面積の第一端面Ｅ１側の１／２に含まれる接触面積をα、第二端面Ｅ２側の１／２に含まれる接触面積をβとしたとき、α＞βの関係を満たし、かつβ＞０であるととともに、活性領域内の第一端面Ｅ１と第二端面Ｅ２を結ぶ方向の電流密度分布を、同方向の光子密度分布に近似させるようにボンディングワイヤが配置された実施形態２では、最もＷＰＥが高く、最も好ましいボンディングワイヤの配置であることが示された。
【００４６】
このように、ボンディングワイヤなどの電気的接続部の配置を変化させることで、半導体レーザ装置の光出力、駆動電圧、ＷＰＥなどの性能を変化させるためには、ボンディングワイヤなどの電気的接続部が接続される、電極層の電気抵抗は、ボンディングワイヤなどの電気的接続部よりも十分に大きい必要がある。
【００４７】
そのためには、たとえば半導体レーザ素子１の第一電極層２３に、ボンディングワイヤ２などの電気的接続部が接続される場合、たとえばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの金属多層膜又はＡｕ、Ｚｎを主成分とする合金膜などで形成される、第一電極層２３の厚さは、たとえば２μｍ以下、さらには０．５〜０．１μｍが好ましい。
【００４８】
同様に、たとえば半導体レーザ素子１の第二電極層１３に、ボンディングワイヤ２などの電気的接続部が接続される場合、たとえばＡｕ、Ｇｅ、Ｎｉからなる合金膜などで形成される、第二電極層１３の厚さは、たとえば２μｍ以下、さらには０．５〜０．１μｍが好ましい。
【００４９】
（実施形態３）
本実施形態は、実施形態１の応用例である。図１４に示すような構成で、第一端面Ｅ１側に、実施形態１においてボンディングワイヤ２を多数接続する代わりに、Ａｕ箔などをリボン状にしたボンディングリボン３２を、電気的接続部として第二電極層１３に接続した。さらに、第二端面Ｅ２側には少なくとも１本（ここでは２本）のボンディングワイヤ２が接続されている。
【００５０】
本実施形態においても、上記電気的接続部と第二電極層１３との接触面積のうち、半導体レーザ素子１の上部面積における第一端面Ｅ１側の１／２に含まれる接触面積をα、上部面積の第二端面Ｅ２側の１／２に含まれる接触面積をβとしたとき、α＞βの関係を満たす。ここで、第二電極層１３と電気的接続部としてのボンディングリボン３２の接触面積は、ボンディングリボン３２の接続部３３の面積である。このボンディングリボン３２の接続部３３の面積のうち、半導体レーザ素子１の上部面積における第一端面Ｅ１側の１／２に含まれる面積がαに相当する。さらに、半導体レーザ素子１の上部面積の第二端面Ｅ２側には少なくとも１本（ここでは２本）のボンディングワイヤ２が接続されており、β＞０となっていることから、実施形態１と同様に、ＷＰＥの増大を実現した、性能の良い半導体レーザ装置を得ることができる。
【００５１】
（実施形態４）
本実施形態は、実施形態２の応用例である。すなわち、図１５に示すような構成で、半導体レーザ素子１の第二電極層１３の上部にパッド５６が形成されており、さらに、このパッド５６上にボンディングワイヤ２が接続されている。パッド５６は電気抵抗の小さいＡｕメッキなどで形成されており、その厚さはたとえば３μｍ〜１０μｍである。パッド５６と、このパッド５６上に接続されたボンディングワイヤ２は、等電位とみなすことができる。よって、本実施形態では、パッド５６が、半導体レーザ素子１の第二電極層１３に接続された電気的接続部に相当する。
【００５２】
本実施形態においても、上記電気的接続部と第二電極層１３との接触面積のうち、半導体レーザ素子１の上部面積における第一端面Ｅ１側の１／２に含まれる接触面積をα、上部面積の第二端面Ｅ２側の１／２に含まれる接触面積をβとしたとき、α＞βの関係を満たす。ここで、電気的接続部と第二電極層１３との接触面積は、パッド５６の面積が相当する。パッド５６の面積のうち、半導体レーザ素子１の上部面積における第一端面Ｅ１側の１／２に含まれる面積の合計がαに、同様に第二端面Ｅ２側の１／２に含まれる面積の合計がβに相当する。また、半導体レーザ素子１の上部面積の第二端面Ｅ２側には少なくとも１つのパッド５６があり、β＞０となっている。
【００５３】
さらに、本実施形態では、パッド５６は、半導体レーザ素子１の第二電極層１３上に、半導体レーザ素子１の活性領域１１内における第一端面Ｅ１と第二端面Ｅ２を結ぶ方向の電流密度分布を、同方向の光子密度分布に近似させるように形成されている。よって、本実施形態は、実施形態２と同様に、最も好ましい電気的接続部の配置の一例であり、ＷＰＥの増大を実現した、性能の良い半導体レーザ装置を得ることができる。
【００５４】
（実施形態５）
本実施形態は、実施形態２の応用例である。すなわち、図１６に示すような構成で、半導体レーザ素子１の第二電極層１３の上部に、半導体レーザ素子１の第一端面Ｅ１側が底辺となり、第二端面Ｅ２側が頂点となるような、略三角形状のパッド５６が形成されている。さらに、このパッド５６上にボンディングワイヤ２が接続されている。パッド５６は電気抵抗の小さいＡｕメッキなどで形成されており、その厚さはたとえば３μｍ〜１０μｍである。パッド５６と、このパッド５６上に接続されたボンディングワイヤ２は、等電位とみなすことができる。よって、本実施形態では、実施形態４と同様に、パッド５６が、半導体レーザ素子１の第二電極層１３に接続された電気的接続部に相当する。
【００５５】
本実施形態においても、上記電気的接続部と第二電極層１３との接触面積のうち、半導体レーザ素子１の上部面積における第一端面Ｅ１側の１／２に含まれる接触面積をα、上部面積の第二端面Ｅ２側の１／２に含まれる接触面積をβとしたとき、α＞βの関係を満たす。ここで、電気的接続部と第二電極層１３との接触面積は、パッド５６の面積が相当する。本実施形態では、パッド５６が一体となっているが、パッド５６の面積のうち、半導体レーザ素子１の上部面積における第一端面Ｅ１側の１／２に含まれる部分の面積がαに、同様に第二端面Ｅ２側の１／２に含まれる部分の面積がβに相当する。また、パッド５６は、半導体レーザ素子１の上部面積の第二端面Ｅ２側が頂点となるような略三角形状であり、β＞０となっている。
【００５６】
さらに、本実施形態では、パッド５６は、半導体レーザ素子１の第二電極層１３上に、半導体レーザ素子１の活性領域１１内における第一端面Ｅ１と第二端面Ｅ２を結ぶ方向の電流密度分布を、同方向の光子密度分布に近似させるように形成されている。すなわち、半導体レーザ素子１の第一端面Ｅ１側でパッド５６の幅（第一端面Ｅ１と第二端面Ｅ２を結ぶ方向に垂直な幅）が最大であり、図１１に示す光強度分布に従うように、第二端面Ｅ２側に向かって幅が小さくなるよう形成されている。このように、半導体レーザ素子１の第二電極層１３に接続された電気的接続部として、パッド５６の形状を設計することで、活性領域１１内に効率よくキャリアを供給することができる。よって、本実施形態は、実施形態２と同様に、最も好ましい電気的接続部の構成の一例であり、ＷＰＥの増大を実現した、性能の良い半導体レーザ装置を得ることができる。
【００５７】
実施形態４及び実施形態５では、半導体レーザ素子１はサブマウント６に第一電極層２３を介して（ジャンクションダウン接合で）接合されており、半導体レーザ素子１の第二電極層１３上に電気的接続部としてパッド５６を形成する場合について説明したが、半導体レーザ素子１の第一電極層２３上に、実施形態４又は実施形態５のようなパッド５６を電気的接続部として形成したのち、この第一電極層２３上に形成されたパッド５６を介して、半導体レーザ素子１をサブマウント６に接合しても同様の効果が得られる。
【００５８】
（実施形態６）
本実施形態は、実施形態２の変形例である。すなわち、図１７に示すような構成で、半導体レーザ素子１の第二電極層１３上に、電気的接続部としてボンディングワイヤ２を、２列の構成ではなく、１列の構成で配置し、接続した。
【００５９】
半導体レーザ装置として、たとえば１０ｍＡ〜３Ａ程度の電流を注入する、たとえば１０ｍＷ〜２Ｗ程度の出力の半導体レーザ装置の場合、必ずしもボンディングワイヤを２列の構成とする必要はない。必要以上に多くのボンディングワイヤを、半導体レーザ素子の電極層に接続することは、Ａｕなどの材料コストアップ、工程タクト時間の増加などのデメリットを招き、好ましくない。
【００６０】
本実施形態は、上記電気的接続部と第二電極層１３との接触面積のうち、半導体レーザ素子１の上部面積における第一端面Ｅ１側の１／２に含まれる接触面積をα、上部面積の第二端面Ｅ２側の１／２に含まれる接触面積をβとしたとき、α＞βの関係を満たすとともに、半導体レーザ素子１の上部面積の第二端面Ｅ２側には少なくとも１本のボンディングワイヤ２が接続されており、β＞０となっている。さらに、ボンディングワイヤ２は、半導体レーザ素子１の活性領域１１内における第一端面Ｅ１と第二端面Ｅ２を結ぶ方向の電流密度分布を、同方向の光子密度分布に近似させるようにボンディングワイヤ２が１列の構成で配置されている。よって、本実施形態は、たとえば１０ｍＷ〜２Ｗ程度の出力の半導体レーザ装置において、最も好ましい電気的接続部の構成の一例であり、ＷＰＥの増大を実現した、性能の良い半導体レーザ装置を得ることができる。
【００６１】
上記実施形態では、半導体レーザ素子をジャンクションダウン接合でサブマウントに接合し、第二電極層に電気的接続部を接続又は形成する場合について説明したが、半導体レーザ素子をジャンクションアップ接合でサブマウントに接合し、第一電極層に電気的接続部を接続又は形成してもよい。
【００６２】
上記実施形態では、光半導体素子が半導体レーザ素子である場合について説明したが、光半導体素子の種類は特に限定されない。たとえば、光半導体素子は、第二端面からレーザ光を入力し、第一端面から１０ｍＷ以上のレーザ光を出力するような、半導体光増幅器でもよい。また、光半導体素子は、半導体レーザ素子と光半導体増幅器を集積した集積型半導体素子であってもよい。
【００６３】
この出願は２０１８年２月１６日に出願された日本国特許出願第２０１８−０２５５２６号からの優先権を主張するものであり、その内容を引用してこの出願の一部とするものである。
【符号の説明】
【００６４】
１      半導体レーザ素子
２      ボンディングワイヤ
４      金属膜
５      基板
６      サブマウント
７      はんだ
８      半導体積層部
Ｅ１    第一端面
Ｅ２    第二端面
Ｌ      素子長さ
９      低反射率膜
１０    高反射率膜
１１    活性領域
１２    導波路幅
１３    第二電極層
１４    基板
１５    ｎ型バッファ層
１６    ｎ型クラッド層
１７    ｎ型ガイド層
１８    活性層
１８ａ  下部バリア層
１８ｂ  量子井戸層
１８ｃ  上部バリア層
１９    ｐ型ガイド層
２０    ｐ型クラッド層
２１    ｐ型コンタクト層
２２    パッシベーション膜
２２ａ  開口部
２３    第一電極層
２４    ボンディングワイヤの接続部面積
３２    ボンディングリボン
３３    ボンディングリボンの接続部
５６    パッド
【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１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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