特許 7380152 半導体レーザ素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-07

(45)【発行日】2023-11-15

(54)【発明の名称】半導体レーザ素子

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/042 20060101AFI20231108BHJP

【ＦＩ】

H01S5/042 612

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2019218933

(22)【出願日】2019-12-03

(65)【公開番号】P2021089945

(43)【公開日】2021-06-10

【審査請求日】2022-09-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109380

【弁理士】

【氏名又は名称】小西 恵

(74)【代理人】

【識別番号】100109036

【弁理士】

【氏名又は名称】永岡 重幸

(72)【発明者】

【氏名】深町 俊彦

【審査官】高椋 健司

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－０３１８９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１３４９４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１９４７８８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開昭５３－０３０８８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１５７８６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ５／００－ ５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｐ型半導体層、活性層、およびｎ型半導体層をこの順で含んだ複数の半導体層が積層された半導体積層体と、
前記ｐ型半導体層の、前記活性層側とは逆側の全領域のうち、前記活性層における光の発振方向に沿って延びていてキャリアが注入可能な注入範囲を残して当該逆側に対して積層された絶縁層と、
前記ｐ型半導体層に対してオーミックとなって前記注入範囲に各々が接続され、少なくとも当該注入範囲内では互いに前記発振方向に分離し、主電極と当該主電極よりも当該注入範囲との接続面積が小さい副電極とを含んだ複数の第１ｐ側電極と、
前記複数の第１ｐ側電極のそれぞれに接続され、前記ｐ型半導体層に対して非オーミックとなる第２ｐ側電極と、
を備え、
前記第２ｐ側電極は、前記逆側の全領域のうち前記発振方向の端部に達し、かつ、当該端部では最表面がＡｕではなく、かつ、前記端部では最表面のハンダ濡れ性が他の部分よりも悪いことを特徴とする半導体レーザ素子。

【請求項2】

前記第２ｐ側電極は、少なくとも前記第１ｐ側電極に重なった部分では最表面がＡｕであることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。

【請求項3】

前記注入範囲のうち前記第１ｐ側電極と接触していない非注入領域の前記発振方向における合計長は、前記半導体レーザ素子の光共振器における当該発振方向の全長に対して１割以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。

【請求項4】

前記注入範囲のうち前記第１ｐ側電極と接触していない非注入領域の総面積が、当該注入範囲の総面積に対して１割以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。

【請求項5】

前記複数の第１ｐ側電極は、前記注入範囲外に延び、当該注入範囲外で互いに繋がっていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。

【請求項6】

前記複数の第１ｐ側電極は、前記発振方向に交わる幅方向において前記注入範囲の両縁の間隔よりも小さく、かつ、何れの縁にも掛かっていないことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。

【請求項7】

前記副電極の形状は、前記発振方向における長さが、前記発振方向に交わる幅方向の央部では端部よりも長い形状であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体レーザ素子に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、露光機や３Ｄプリンタ用のレーザ光源として窒化物半導体レーザの応用が進んでいる。また、窒化物半導体レーザは、装置の小型化、コスト削減、高性能化などに優位との点から高出力化が求められている。

【0003】

しかし、半導体レーザ素子における出射端面の近傍は、劈開時の欠陥導入やバンドギャップのシュリンクなどによる光吸収が大きく、高出力化に伴って出射端面近傍での温度上昇が問題となる。即ち、端面での温度上昇は「端面結晶部の融解による急激な素子劣化（以下、ＣＯＤと称する。）」や「大電流領域においてレーザの出力が急降下する不具合（以下、Ｉ－Ｌ急降下と称する。）」の原因となっており、大出力かつ高信頼な半導体レーザ素子を実現する上での大きな課題となっている。

【0004】

上記のＣＯＤやＩ－Ｌ急降下の抑制を目的として、例えば特許文献１には、出射側のｐ側オーミック電極幅が素子中央部のｐ側オーミック電極幅よりも十分細くされることで出射側の端面近傍の発熱が抑制される技術が開示されている。
また、特許文献２には、ｐ側オーミック電極がｐ側ショットキー電極で覆われることで放熱性が改善されてＣＯＤが抑制される技術が開示されている。

【0005】

また、特許文献３には、端面近傍のｐ側電極幅が素子中央部のｐ側電極幅よりも十分広くされることで端面近傍の放熱性が改善されてＣＯＤが抑制される技術が開示されている。

【0006】

また、特許文献４には、端面近傍にパッド電極と同一材料かつ電気的に分離された放熱層が設けられることで放熱性が改善されてＣＯＤが抑制される技術が開示されている。
さらに、特許文献５には、端面近傍にＡｌＮやＳｉなどからなる熱伝導性膜が設けられることで放熱性が改善されてＣＯＤが抑制される技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特許第６１６０１４１号公報

【文献】特開２００３－３１８９４号公報

【文献】特開２０１０－１１４２０２号公報

【文献】特開２０１１－２５８８８３号公報

【文献】特開２０１０－４１０３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上記特許文献１に記載の技術にあっては、出射側のｐ側オーミック電極幅が素子中央部のｐ側オーミック電極幅よりも十分細い必要がある。例えば単一モードレーザなどメサストライプ幅が例えば２μｍ以下の細いレーザ構造である場合、このメサストライプ上に更に細い電極を歩留り高く形成することは技術的に難しい。従って、上記特許文献１に記載の技術は、適用可能なレーザ構造が限定される。

【0009】

また、特許文献２に記載の技術にあっては、放熱性はｐ側ショットキー電極の熱伝導率などに依存するため、レーザの高出力化によって端面での発熱が大きくなっていくに伴い、十分な放熱性の確保が困難になる場合がある。
さらに、特許文献３、特許文献４、特許文献５に記載の技術にあっても、特許文献２と同様な理由によって、十分な放熱性の確保が困難になる場合がある。

【0010】

そこで、本発明は、レーザ構造の適用範囲が広く、特に端面近傍において十分な放熱性も確保された、もしくは発熱が抑制された半導体レーザ素子を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザ素子の一態様は、ｐ型半導体層、活性層、およびｎ型半導体層をこの順で含んだ複数の半導体層が積層された半導体積層体と、前記ｐ型半導体層の、前記活性層側とは逆側の全領域のうち、前記活性層における光の発振方向に沿って延びていてキャリアが注入可能な注入範囲を残して当該逆側に対して積層された絶縁層と、前記ｐ型半導体層に対してオーミックとなって前記注入範囲に各々が接続され、少なくとも当該注入範囲内では互いに前記発振方向に分離し、主電極と当該主電極よりも当該注入範囲との接続面積が小さい副電極とを含んだ複数の第１ｐ側電極と、前記複数の第１ｐ側電極のそれぞれに接続され、前記ｐ型半導体層に対して非オーミックとなる第２ｐ側電極と、を備える。

【0012】

このような半導体レーザ素子によれば、主電極から副電極が分離した構造によって端部における発熱が抑制されて十分な放熱性も確保され、その結果としてＣＯＤやＩ－Ｌ急降下が抑制される。また、上記半導体レーザ素子の構成は、メサストライプ幅が細いレーザ構造などを含む広い範囲のレーザ構造に適用可能である。

【0013】

上記半導体レーザ素子において、前記第２ｐ側電極は、前記逆側の全領域のうち前記発振方向の端部に達し、かつ、当該端部では最表面がＡｕではないことが好ましい。このような好ましい構成では、半導体レーザ素子の製造時に端部が劈開される場合であっても端面へのＡｕダレが防止される。

【0014】

端部最表面がＡｕではない上記構成において、前記第２ｐ側電極は、前記端部では最表面のハンダ濡れ性が他の部分よりも悪いことが更に好ましい。このような好ましい構成では、いわゆるジャンクションダウン実装に際し、端面へのハンダの進出が抑制される。

【0015】

また、端部最表面がＡｕではない上記構成において、前記第２ｐ側電極は、少なくとも前記第１ｐ側電極に重なった部分では最表面がＡｕであることも好ましい。このような好ましい構成では、最表面のＡｕによって放熱が促される。

【0016】

上記半導体レーザ素子において、前記注入範囲のうち前記第１ｐ側電極と接触していない非注入領域の前記発振方向における合計長は、前記半導体レーザ素子の光共振器における当該発振方向の全長に対して１割以下であることが好適である。あるいは、前記注入範囲のうち前記第１ｐ側電極と接触していない非注入領域の総面積が、当該注入範囲の総面積に対して１割以下であることも好適である。
レーザ発振において利得とならない部分が全体に対して１割を越えると利得が不足して、半導体レーザ素子の高出力化を阻害する虞がある。
上記半導体レーザ素子において、前記複数の第１ｐ側電極は、前記注入範囲外に延び、当該注入範囲外で互いに繋がっていてもよい。

【0017】

また、上記半導体レーザ素子において、前記複数の第１ｐ側電極は、前記発振方向に交わる幅方向において前記注入範囲の両縁の間隔よりも小さく、かつ、何れの縁にも掛かっていないことが好適である。このような構成により、空間的ホールバーニングが抑制されるのでレーザの発振モードが安定する。

【0018】

また、上記半導体レーザ素子において、前記副電極の形状は、前記発振方向における長さが、前記発振方向に交わる幅方向の央部では端部よりも長い形状であることも好適である。このような構成により、注入範囲の央部におけるキャリア密度が端部よりも増すため、半導体レーザ素子における横モードがシングルモードに安定し易い。

【発明の効果】

【0019】

本発明の半導体レーザ素子によれば、レーザ構造の適用範囲が広く、十分な放熱性も確保され、もしくは発熱が抑制される。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の半導体レーザ素子の第１実施形態を示す平面図

【図2】本発明の半導体レーザ素子の第１実施形態を示す縦断面図

【図3】本発明の半導体レーザ素子の第１実施形態を示すＡ－Ａ断面図

【図4】本発明の半導体レーザ素子の第１実施形態を示すＢ－Ｂ断面図

【図5】本発明の半導体レーザ素子の第１実施形態を示すＣ－Ｃ断面図

【図6】本発明の半導体レーザ素子の第１実施形態を示すＤ－Ｄ断面図

【図7】非注入領域の大きさと半導体レーザ素子の出力特性との関係を示すグラフ

【図8】本発明の半導体レーザ素子の第２実施形態を示す平面図

【図9】本発明の半導体レーザ素子の第２実施形態を示す縦断面図

【図10】本発明の半導体レーザ素子の第２実施形態を示すＡ－Ａ断面図

【図11】本発明の半導体レーザ素子の第２実施形態を示すＢ－Ｂ断面図

【図12】本発明の半導体レーザ素子の第２実施形態を示すＥ－Ｅ断面図

【図13】比較例における発振モードを示す図

【図14】第２実施形態の半導体レーザ素子における発振モードを示す図

【図15】本発明の半導体レーザ素子の第３実施形態を示す平面図

【図16】本発明の半導体レーザ素子の第３実施形態を示す縦断面図

【図17】本発明の半導体レーザ素子の第３実施形態を示すＡ－Ａ断面図

【図18】本発明の半導体レーザ素子の第３実施形態を示すＢ－Ｂ断面図

【図19】本発明の半導体レーザ素子の第３実施形態を示すＥ－Ｅ断面図

【図20】第３実施形態の半導体レーザ素子における発振モードを示す図

【図21】本発明の半導体レーザ素子の第４実施形態を示す平面図

【図22】本発明の半導体レーザ素子の第４実施形態を示す縦断面図

【図23】本発明の半導体レーザ素子の第４実施形態を示すＡ－Ａ断面図

【図24】本発明の半導体レーザ素子の第４実施形態を示すＢ－Ｂ断面図

【図25】本発明の半導体レーザ素子の第５実施形態を示す平面図

【図26】本発明の半導体レーザ素子の第５実施形態を示す縦断面図

【図27】本発明の半導体レーザ素子の第５実施形態を示すＡ－Ａ断面図

【図28】本発明の半導体レーザ素子の第５実施形態を示すＢ－Ｂ断面図

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

【0022】

以下に説明する実施形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、以下に説明する図面において、同一または機能的に同様の構成要素については、異なる実施形態でも同一符号を付し、繰り返しの説明は省略する。さらに、各図面は、以下の説明と併せて参照したときに分かりやすいように示した模式的な図であり、必ずしも一定の比率の縮尺では描かれていない。
＜第１実施形態＞

【0023】

図１～図６は、本発明の半導体レーザ素子の第１実施形態を示す図である。図１には平面図が示され、図２には光共振器に沿った縦断面図が示され、図３にはＡ－Ａ断面図が示され、図４にはＢ－Ｂ断面図が示され、図５にはＣ－Ｃ断面図が示され、図６にはＤ－Ｄ断面図が示されている。

【0024】

半導体レーザ素子１００は、順に積層された、ｎ型半導体層１０１と、活性層１０２と、ｐ型半導体層１０３を有し、これらの各層は例えば窒化物半導体からなる。なお、これらの各層は、内部構造として、複数層が積層された層構造を有してもよい。半導体レーザ素子１００が屈折率導波型レーザである場合は、ｎ型半導体層１０１の層構造としては、例えば、基板とクラッド層とガイド層が積層された層構造が採用され、ｐ型半導体層１０３の層構造としては、例えば、ガイド層とクラッド層とコンタクト層が積層された層構造が採用される。

【0025】

ｎ型半導体層１０１と活性層１０２とｐ型半導体層１０３とを併せた積層体で層が積層された方向のことを、以下では積層方向と称する場合がある。つまり積層方向は、平面図における紙面に垂直な方向であり、縦断面図、Ａ－Ａ断面図、Ｂ－Ｂ断面図、Ｃ－Ｃ断面図、およびＤ－Ｄ断面図における上下方向である。また、以下の説明では、積層方向におけるｎ型半導体層１０１側からｐ型半導体層１０３側へと向かう向きのことを、重力方向とは無関係に「上」と称し、その逆の向きのことを、重力方向とは無関係に「下」と称する場合がある。

【0026】

半導体レーザ素子１００は、平面図における左右方向に延びた形状を有し、この方向の両端で光が反射されて光共振器が構成されている。半導体レーザ素子１００における光の出射側は、例えば図１の左側方向であり、光共振器の長さは例えば８００μｍである。光共振器は、半導体レーザ素子１００が延びた方向に沿って延びており、光共振器が延びた方向のことを、以下では共振方向と称する場合がある。つまり共振方向は、平面図および縦断面図における左右方向であり、Ａ－Ａ断面図、Ｂ－Ｂ断面図、Ｃ－Ｃ断面図、およびＤ－Ｄ断面図における紙面に垂直な方向である。

【0027】

第１実施形態の半導体レーザ素子１００では、ｐ型半導体層１０３の上部に、活性層１０２とは反対側へと積層方向に突出するとともに共振方向に延びた形状のメサストライプ１０３ａが形成されている。メサストライプ１０３ａの幅は、本実施形態では例えば２μｍであり、メサストライプ１０３ａを挟んだ両側には絶縁層１２０が形成されている。メサストライプ１０３ａを絶縁層１２０が挟んだ方向のことを、以下では幅方向と称する場合がある。つまり幅方向は、平面図における上下方向であり、縦断面図における紙面に垂直な方向であり、Ａ－Ａ断面図、Ｂ－Ｂ断面図、Ｃ－Ｃ断面図、およびＤ－Ｄ断面図における左右方向である。また、幅方向におけるサイズのことを単に「幅」と称する場合がある。

【0028】

第１実施形態の半導体レーザ素子１００は、ｐ型半導体層１０３および絶縁層１２０の上に形成され、メサストライプ１０３ａ上を幅方向に横断した複数の第１電極１１１を有する。この第１電極１１１はｐ型半導体層１０３とオーミック接続した電極である。第１電極１１１は、一例として、複数の金属材料が積層された層構造を有する。第１電極１１１における層構造としては、例えば、下から順に、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕが積層された層構造が採用される。この層構造では、最下層のＰｄがｐ型半導体層１０３とのオーミック接続を実現するが、Ｐｄは絶縁層１２０に対して接着性が低い。

【0029】

複数の第１電極１１１のうち主電極１１１ｍは共振方向に延びた大きな電極であり、複数の第１電極１１１のうち副電極１１１ｓは、共振方向について、主電極１１１ｍに対して離間すると共に副電極１１１ｓ同士も離間した、主電極１１１ｍよりも小さな電極である。本実施形態では複数の副電極１１１ｓが形成されており、各副電極１１１ｓは幅方向に長尺な長方形状の電極となっている。

【0030】

なお、本実施形態では副電極１１１ｓが複数形成されているが、副電極１１１ｓは１つだけ形成されてもよい。また、本実施形態では副電極１１１ｓが光の出射端側に形成されているが、副電極１１１ｓは両端それぞれに形成されてもよい。図１に示すような副電極１１１ｓは、幅が２μｍ以下の細いメサストライプ１０３ａに対しても容易に形成することができる。

【0031】

第１実施形態の半導体レーザ素子１００は、第１電極１１１の上に更に第２電極１１２を有する。この第２電極１１２は、共振方向および幅方向に第１電極１１１よりも広く広がっており、絶縁層１２０と強く着いて第１電極１１１の剥がれを抑制する。第２電極１１２はｐ型半導体層１０３に対して非オーミックである。

【0032】

第２電極１１２も、一例として、複数の金属材料が積層された層構造を有する。第２電極１１２における層構造としては、例えば、下から順に、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕが積層された層構造が採用される。この層構造では、最下層のＴｉが絶縁層１２０に対する強い接着を実現し、最上層のＡｕが放熱を促進させる。第２電極１１２のうち共振方向の端部１１２ａでは、最上層のＡｕが剥離されてＰｔが露出されている。端部１１２ａは、例えば半導体レーザ素子１００の端面から２０μｍ迄の範囲である。

【0033】

Ａｕが剥離されていることにより、半導体レーザ素子１００製造に際して端面が劈開される場合にも、Ａｕの膜が端面に垂れて短絡したり出射光を遮るなどの不具合が抑制される。また、Ｐｔが露出されていることにより、いわゆるジャンクションダウン実装によって半導体レーザ素子１００の上面がサブホルダにハンダ付けされる場合にも、端部１１２ａはハンダの濡れ性が低い。そのため、半導体レーザ素子１００の端面にハンダが回り込んで短絡したり出射光を遮るなどの不具合が抑制される。

【0034】

ｎ型半導体層１０１の下にはｎ側電極１１３が形成されている。第１電極１１１および第２電極１１２を併せたｐ側電極と、ｎ側電極１１３との間に電圧が印加されることにより、活性層１０２に電流が流れて発光する。ここで、ｐ型半導体層１０３の上面のうち、絶縁層１２０で覆われていない範囲（即ち本実施形態ではメサストライプ１０３ａの上面）については、第１電極１１１が形成されることによってキャリアの注入が可能な箇所となっている。以下の説明では、この箇所のことをキャリア注入範囲と称する場合がある。

【0035】

キャリア注入範囲であるメサストライプ１０３ａの範囲内であっても、第１電極１１１が形成されていない部分にはキャリアは注入されず、第１電極１１１が形成されて第１電極１１１と接触した部分のみにキャリアが注入される。また、第２電極１１２はｐ型半導体層１０３に対して非オーミックであるため、第２電極１１２がキャリア注入範囲と接触していてもキャリアは注入されない。複数の第１電極１１１は、半導体レーザ素子１００の両端（即ち光共振器の両端）から例えば１０μｍの距離を空けた範囲に形成されている。従って光共振器の両端それぞれにおける１０μｍの領域は、キャリアが注入されない非注入領域となっている。

【0036】

活性層１０２に流れる電流は、活性層１０２のうち、キャリア注入範囲と第１電極１１１とが接触した部分に相応した領域のみに流れ、その領域が、光を増幅することができる利得領域１３０となる。この利得領域１３０で増幅され、共振方向の両端で反射されて繰り返し往復した光がレーザ光となって半導体レーザ素子１００から出射される。

【0037】

複数の第１電極１１１については、キャリア注入範囲内で互いに離間した配置となっており、第１電極１１１の相互間は、キャリアが注入されない非注入領域となっている。このため、図１に示すように利得領域１３０も共振方向で複数に分かれていて、利得領域１３０で発生する熱の放熱性が高い構造となっている。また、利得領域１３０が複数に分かれていることで発熱自体も抑制されている。この結果、半導体レーザ素子１００では、ＣＯＤやＩ－Ｌ急降下が抑制される。

【0038】

ここで、半導体レーザ素子１００で良好な特性が実現される第１電極１１１同士の間隔について検討する。第１電極１１１同士の間隔が増すと放熱性が上がるが、一方で非注入領域の大きさも増し、非注入領域が大きすぎると半導体レーザ素子１００の特性を悪化させる虞がある。また、非注入領域の存在が半導体レーザ素子１００の特性に与える影響は、非注入領域の１箇所の大きさよりも、非注入領域の大きさの総計が寄与すると考えられる。そこで、本願発明者らは、図１～図６に示す構造の半導体レーザ素子１００について、第１電極１１１同士の間隔が異なる種々の試作を行い、出力特性を測定した。
図７は、非注入領域の大きさと半導体レーザ素子の出力特性との関係を示すグラフである。

【0039】

図７の横軸は、複数の第１電極１１１相互間に位置する非注入領域の大きさを、共振方向の長さの合計（以下、「電極間非注入長」と略称する。）で示している。また、図７の縦軸は、左側の軸が、ＣＯＤあるいはＩ－Ｌ急降下が発生するときの入力電流値（以下、「急降下発生電流値」と略称する。）を示し、右側の軸が、１Ａの電流が入力された場合の光出力（以下、「１Ａ光出力」と略称する。）を示している。また、図７のグラフ中には、急降下発生電流値が丸印で示され、１Ａ光出力が×印で示されている。但し、左側の軸上に示された丸印と×印は、第１電極１１１が主電極１１１ｍのみで副電極１１１ｓを有していない比較例における値である。

【0040】

急降下発生電流値は、電極間非注入長が１０μｍという短い分離間隔の場合であっても比較例より向上することが確認された。急降下発生電流値は電極間非注入長が増えるに従って次第に上昇する。
一方、１Ａ光出力は電極間非注入長が増えると徐々に低下するが、電極間非注入長が６０μｍを超えると１Ａ光出力の低下の割合が大きくなった。
このように、第１電極１１１相互間に位置する電極間非注入長が６０μｍを超えると、半導体レーザ素子１００の出力特性は顕著に低下する。

【0041】

ここで示された半導体レーザ素子１００の出力特性は、光共振器における発振特性の一種と言える。そして、光共振器における発振特性は、光共振器の全長に対する非注入領域の割合に依存することが予測される。上記グラフに出力特性が示された半導体レーザ素子１００における光共振器の全長は８００μｍであり、光共振器の両端それぞれに１０μｍの非注入領域が存在するので、図７に示すグラフからは、光共振器の全長と比較した非注入領域の割合が１割を越えると出力特性の低下が顕著になることが解る。逆に言うと、光共振器の全長と比較した非注入領域の割合が１割以下であると、非注入領域での光損失による光出力の低下を抑制しつつ、急降下発生電流値を向上させることができる。
＜第２実施形態＞

【0042】

図８～図１２は、本発明の半導体レーザ素子の第２実施形態を示す図である。図８には平面図が示され、図９には光共振器に沿った縦断面図が示され、図１０にはＡ－Ａ断面図が示され、図１１にはＢ－Ｂ断面図が示され、図１２にはＥ－Ｅ断面図が示されている。

【0043】

第２実施形態の半導体レーザ素子２００は、第１実施形態の半導体レーザ素子１００に較べてメサストライプ１０３ａの幅が広く、例えば２０μｍとなっている。また、共振器の長さは例えば１０００μｍである。

【0044】

第２実施形態の半導体レーザ素子２００では第１実施形態の半導体レーザ素子１００とは異なり、第１電極１１１がメサストライプ１０３ａの幅よりも内側に納まっていて、何れの第１電極１１１も、メサストライプ１０３ａの縁には掛かっていない。また、第１電極１１１同士で幅が揃っている。

【0045】

第２実施形態の半導体レーザ素子２００では第１電極１１１の幅がメサストライプ１０３ａの幅よりも狭いので、第１電極１１１の幅を超えた領域は、キャリアの注入されない非注入領域となっていて、

【0046】

利得領域の幅もメサストライプ１０３ａの幅より狭い。メサストライプ１０３ａの幅が広い場合には、利得領域がメサストライプ１０３ａより狭いことで、以下説明するように、発振モード（水平横モード）の安定化が実現される。
図１３は、比較例における発振モードを示す図であり、図１４は、第２実施形態の半導体レーザ素子における発振モードを示す図である。

【0047】

ここで、比較例としては、幅が２０μｍのメサストライプ１０３ａ上に、メサストライプ１０３ａの幅いっぱいに第１電極１１１が形成された半導体レーザ素子を想定する。

【0048】

図１３および図１４の横軸は、比較例および第２実施形態の半導体レーザ素子における幅方向の位置を示し、縦軸は、活性層１０２におけるキャリア密度と光子密度とを示す。

【0049】

比較例の場合、発振開始時には図１３に点線で示すように、メサストライプ１０３ａに対応したキャリア注入範囲の全幅でほぼ均等なキャリア密度となり、光が発振する。このとき発振した光のモードにおける光密度は、例えば図１３に点線で示すように中央部で高密度となる。光のモードにおける光密度が高い領域では注入されたキャリアがより多く消費されるため、キャリア注入範囲内で局所的にキャリア密度が低下した領域が生じる一種の空間的ホールバーニングを生じる。この結果、図１３に示す例では実線で示すように、幅方向の両端部でキャリア密度が高くなる。光増幅は相対的にキャリア密度の高い領域で強くなるので、キャリア密度が図１３に点線で示す状態から実線で示す状態へと変化すると、発振モードは、相対的にキャリア密度の高い幅方向の両端部で光子密度のピークが生じる、図１３に実線で示すようなモードに移行する。

【0050】

このモードが一定時間継続すると、キャリア注入範囲の両端部では中央部よりも多くキャリアが消費されるため、点線で示すようなキャリア密度に戻り、発振モードが、中央部で光密度が高いモードとなる。このようなモードの移行が比較例では繰り返されることになり、発振モードが不安定となる。特にキャリア拡散長より幅が広いキャリア注入範囲を有するレーザ構造の場合には、光の発振モードが不安定になることで、光－電流特性へのキンクや、駆動条件に依存した遠視野像の変化などが発生するので、実用上望ましい特性が得られなくなる。

【0051】

これに対して第２実施形態の半導体レーザ素子では、第１電極１１１がキャリア注入範囲よりも狭く、キャリア注入範囲における幅方向の両端部には第１電極１１１が形成されていない。これにより、図１４に点線で示すように、発振開始時から、キャリア注入範囲の両端部ではキャリア密度がほぼゼロで、キャリア注入範囲における幅方向の中央部にキャリア密度のピークが生じる。

【0052】

その結果、発振モードは、キャリア注入範囲の中央部で光子密度が高密度なモードとなる。そして、このモードが継続された場合も、実線で示すように中央部のキャリア密度および光子密度が減少するものの、中央部と両端部とでキャリア密度の逆転および光子密度の逆転が生じることはない。従って、比較例のような空間的ホールバーニングが抑制されて、発振モードは安定する。
以下、図８～図１２に戻って説明を続ける。

【0053】

第２実施形態の半導体レーザ素子２００でも第１実施形態の半導体レーザ素子１００と同様に、第１電極１１１として主電極１１１ｍおよび副電極１１１ｓが形成され、各副電極１１１ｓは幅方向に長尺な長方形状の電極となっている。第２実施形態の半導体レーザ素子２００でも、複数の第１電極１１１相互間は共振方向に離間しているため、第１電極１１１の相互間がキャリアの注入されない非注入領域となり、図９に示すように、利得領域１３０も共振方向で複数に分かれている。このため、高い放熱性が実現され、発熱も抑制されて、ＣＯＤやＩ－Ｌ急降下が抑制される。

【0054】

また、第２実施形態の半導体レーザ素子２００でも第１実施形態の半導体レーザ素子１００と同様に、第１電極１１１の上に更に第２電極１１２を有する。また、第２電極１１２のうち共振方向の端部１１２ａでは、最上層のＡｕが剥離されてＰｔが露出されている。第２実施形態では、端部１１２ａは、例えば半導体レーザ素子２００の端面から例えば１０μｍ迄の範囲であり、端部１１２ａは第１電極１１１には届いていない。つまり、第２電極１１２のうち第１電極１１１に重なった部分では、いずれも最上層がＡｕとなっている。最上層がＡｕの部分では、Ａｕによって放熱が促されるため、第１電極１１１に重なった部分の最上層がＡｕであることにより、光増幅に伴う熱が効率よく放熱される。この結果、ＣＯＤやＩ－Ｌ急降下の一層の抑制が図られる。
＜第３実施形態＞

【0055】

図１５～図１９は、本発明の半導体レーザ素子の第３実施形態を示す図である。図１５には平面図が示され、図１６には光共振器に沿った縦断面図が示され、図１７にはＡ－Ａ断面図が示され、図１８にはＢ－Ｂ断面図が示され、図１９にはＥ－Ｅ断面図が示されている。

【0056】

第３実施形態の半導体レーザ素子３００は、第１実施形態の半導体レーザ素子１００および第２実施形態の半導体レーザ素子２００に較べてメサストライプ１０３ａの幅が広く、例えば４０μｍとなっている。また、共振器の長さは例えば１２００μｍである。
第３実施形態の半導体レーザ素子３００でも複数の第１電極１１１が形成され、第１電極１１１の上には更に第２電極１１２が形成される。

【0057】

第３実施形態では、第１および第２実施形態とは異なり、第２電極１１２が半導体レーザ素子３００における共振方向の端部まで到達していない。第２電極１１２のうち共振方向の端部１１２ａでは、最上層のＡｕが剥離されてＰｔが露出されている。第３実施形態では、第２電極１１２の端部１１２ａは共振方向に例えば１０μｍの範囲である。

【0058】

第３実施形態の半導体レーザ素子３００では、第１および第２実施形態と同様に、第１電極１１１として主電極１１１ｍおよび副電極１１１ｓが形成されるが、第１および第２実施形態とは異なり、複数の第１電極１１１それぞれにおける幅が揃っておらず、副電極１１１ｓの幅は主電極１１１ｍの幅よりも狭い。また、主電極１１１ｍは、メサストライプ１０３ａの幅よりも広く広がっているのに対し、副電極１１１ｓはメサストライプ１０３ａの幅よりも内側に納まっている。

【0059】

このように主電極１１１ｍと副電極１１１ｓとで幅が異なっているため、第３実施形態の半導体レーザ素子３００では、主電極１１１ｍに対応した利得領域１３０はメサストライプ１０３ａの幅（即ちキャリア注入範囲の幅）まで広がっているが、副電極１１１ｓに対応した利得領域１３０はメサストライプ１０３ａの幅よりも狭くなっている。

【0060】

更に、第３実施形態の半導体レーザ素子３００では、副電極１１１ｓの形状が長方形状では無く、楕円形状あるいは凸レンズ形状となっている。即ち、副電極１１１ｓの形状は、共振方向の長さが幅方向の央部では長くて端部で短い形状となっている。

【0061】

このような主電極１１１ｍと副電極１１１ｓからなる第３実施形態の第１電極１１１の場合も、第１電極１１１相互間は共振方向に離間してキャリアの非注入領域となっているため、利得領域１３０が共振方向で複数に分かれている。従って、第３実施形態の半導体レーザ素子３００も放熱性が高く、発熱も抑制され、ＣＯＤやＩ－Ｌ急降下が抑制される。

【0062】

なお、第３実施形態の半導体レーザ素子３００のように、共振方向における副電極１１１ｓの長さが、幅方向の位置に応じて異なっている場合、半導体レーザ素子３００の出力特性に影響する非注入領域の割合としては、長さでは無く面積で測られることが望ましい。即ち、半導体レーザ素子３００において良好な出力特性が得られるためには、注入範囲の総面積に対し、非注入領域の総面積が１割以下であることが望ましい。

【0063】

また、上記のような主電極１１１ｍおよび副電極１１１ｓによって利得領域１３０が形成されていることにより、以下説明するように発振モード（水平横モード）の安定化が実現される。
図２０は、第３実施形態の半導体レーザ素子における発振モードを示す図である。
図２０の横軸は、第３実施形態の半導体レーザ素子における幅方向の位置を示し、縦軸は、活性層１０２におけるキャリア密度と光子密度とを示す。

【0064】

第３実施形態の半導体レーザ素子３００では、幅の広い主電極１１１ｍによりキャリア注入範囲の全幅に対してほぼ均等にキャリアが供給される。その一方で、幅の狭い副電極１１１ｓによりキャリア注入範囲の央部に集中してキャリアが供給される。その結果、点線で示すように、キャリア注入範囲の全幅に亘って一定程度以上のキャリア密度が生じると共に、キャリア注入範囲における幅方向の中央部に、キャリア密度の高いピークが生じる。その結果、発振モードは、キャリア注入範囲の中央部で光子密度が高いモードとなる。

【0065】

また、このモードが継続した場合には、実線で示すように中央部のキャリア密度が減少するが、キャリア注入範囲の全幅に亘ってキャリア密度が概ね一定程度まで減少すると、副電極１１１ｓによる供給とバランスして減少は止まる。そして、光子密度は、実線で示すようにキャリア注入範囲の中央部で高いモードが維持される。つまり、第３実施形態の場合にも、図１３に示すような空間的ホールバーニングが抑制されて、発振モードは安定する。

【0066】

加えて、主電極１１１ｍに対応した領域で光の水平横モードの不安定性が生じたとしても、増幅の過程において発光光は副電極１１１ｓに対応した領域を常に通過するので、光の水平横モードの不安定性が抑制される方向に働く。
＜第４実施形態＞

【0067】

図２１～図２４は、本発明の半導体レーザ素子の第４実施形態を示す図である。図２１には平面図が示され、図２２には光共振器に沿った縦断面図が示され、図２３にはＡ－Ａ断面図が示され、図２４にはＢ－Ｂ断面図が示されている。
第４実施形態の半導体レーザ素子４００では、メサストライプ１０３ａの幅が例えば５０μｍとなり、共振器の長さは例えば１５００μｍとなっている。

【0068】

第４実施形態の半導体レーザ素子４００でも、第１実施形態の半導体レーザ素子１００と同様に、メサストライプ１０３ａ上で複数に分かれた第１電極１１１が形成されている。また、第１電極１１１は、メサストライプ１０３ａ上での共振方向の長さが長い主電極１１１ｍと、共振方向の長さが短い副電極１１１ｓとを含み、主電極１１１ｍおよび副電極１１１ｓは、メサストライプ１０３ａの外部まで延びている。

【0069】

第４実施形態の半導体レーザ素子４００では、第１実施形態の半導体レーザ素子１００とは異なり、主電極１１１ｍおよび副電極１１１ｓが、メサストライプ１０３ａの外部で橋渡し部１１１iによって互いに繋がっている。橋渡し部１１１iの上には更に第２電極１１２が形成されている。

【0070】

メサストライプ１０３ａの外部で繋がっていても、メサストライプ１０３ａ上では主電極１１１ｍおよび副電極１１１ｓが共振方向に離間しており、第１電極１１１の相互間はキャリアが注入されない非注入領域となっているので、図２２に示すように利得領域１３０は共振方向で複数に分かれている。その結果、第４実施形態の半導体レーザ素子４００でも放熱性が高く、発熱が抑制され、ＣＯＤやＩ－Ｌ急降下が抑制される。
＜第５実施形態＞

【0071】

図２５～図２８は、本発明の半導体レーザ素子の第５実施形態を示す図である。図２５には平面図が示され、図２６には光共振器に沿った縦断面図が示され、図２７にはＡ－Ａ断面図が示され、図２８にはＢ－Ｂ断面図が示されている。

【0072】

第５実施形態の半導体レーザ素子５００では、共振器の長さは例えば８００μｍとなっている。また、第５実施形態ではメサストライプが形成されておらず、ｐ型半導体層１０３の上面のうち、絶縁層１２０に覆われていない部分がキャリア注入範囲１０３ｂとなっている。キャリア注入範囲１０３ｂの幅は例えば１００μｍという大きな幅となっている。

【0073】

第５実施形態の半導体レーザ素子５００でも第１実施形態の半導体レーザ素子１００と同様に、キャリア注入範囲１０３ｂの幅よりも大きな幅を有した複数の第１電極１１１が形成され、キャリア注入範囲１０３ｂ内で互いに離間した配置となっている。第１電極１１１としては、共振方向の長さが長い主電極１１１ｍと共振方向の長さが短い副電極１１１ｓとが形成されている。第１電極１１１の相互間は、キャリアが注入されない非注入領域となっているので、図２６に示すように利得領域１３０が共振方向で複数に分かれていて、利得領域１３０で発生する熱の放熱性が高く、発熱も抑制される構造となっている。この結果、半導体レーザ素子５００では、ＣＯＤやＩ－Ｌ急降下が抑制される。

【0074】

また、複数の第１電極１１１は、幅の広いキャリア注入範囲１０３ｂの全幅に亘って均等な構造となっており、光共振器を往復する光は、幅の広いキャリア注入範囲１０３ｂの何処を通っても増幅され、損失を生じる箇所がない。このため、第５実施形態の半導体レーザ素子５００では、水平横モードが不安定化する代わりに、何れのモードも増幅されて、全体として安定した高出力が得られることになる。

【0075】

なお、上記説明した各実施形態では、放熱性向上と発熱抑制との双方が実現された例が示されているが、本発明の半導体レーザ素子は放熱性向上と発熱抑制との一方のみが実現されるものであってもよい。

【符号の説明】

【0076】

１００，２００，３００，４００，５００…半導体レーザ素子、１０１…ｎ型半導体層、
１０２…活性層、１０３…ｐ型半導体層、１０３ａ…メサストライプ、
１０３ｂ…キャリア注入範囲、１１１…第１電極、１１１ｍ…主電極、
１１１ｓ…副電極、１１１i…橋渡し部、１１２…第２電極、１１２ａ…端部、
１１３…ｎ側電極、１２０…絶縁層、１３０…利得領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】