JP4935676B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体発光素子に関し、特に、複数の半導体発光素子を集積した集積型の半導体レーザ装置に関する。
４００ｎｍ帯ＧａＮ（ガリウム・ナイトライド）系青紫色レーザと、６５０ｎｍ帯ＡｌＧａＩｎＰ（アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン）系赤色レーザまたは７８０ｎｍ帯ＡｌＧａＡｓ（アルミニウム・ガリウム・ヒ素）系赤外レーザを集積した２波長または３波長半導体レーザは、部品点数の削減による光ピックアップの小型化、低コスト化が可能であるため、ＨＤ−ＤＶＤやブルーレイディスクなどの次世代高密度光ディスク用光源として今後主流になると考えられる。
こうした多波長レーザが、特許文献１に記載されている。同文献には、波長６５０ｎｍで発光するレーザ素子と波長７８０ｎｍで発光するレーザ素子とをアノード側の電極同士で接合した２波長レーザが記載されている。そして、この構成により、発光点を近接させることができるとされている。また、装置構成を簡素化して、その小型化を図ることができるとされている。
ところで、多波長レーザを構成する個々のレーザについてみると、ＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザは、その熱伝導率が低いために共振器長を長くして放熱性を高めることにより高出力化を図ってきた。その結果、非特許文献１に記載されているように、１６倍速の書き込みに使われるパルス動作２４０ｍＷレーザでは、共振器長が１５００μｍと非常に長い。また、２層ディスクへの書き込みに対応した高出力レーザでは、光出力のアップのためにさらなる長共振器化がなされると考えられる。
一方、ＧａＮ系青紫色レーザは、その熱伝導率が高いために、比較的短い共振器長で高出力化が可能である。たとえば、非特許文献２には、ＧａＮ系青紫色レーザについて、共振器長が６００μｍで２００ｍＷ（ＣＷ（連続波）動作）の高出力特性が報告されている。
特開平１１−１１２０９１号公報 特開昭６１−２８０６９３号公報 我妻 新一、他７名、「モノリシック・デュアルウエイブレングス・レーザズ・フォア・ＣＤ−Ｒ／ＤＶＤ±ＲＷ／Ｒ／ＲＷ （Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｄｕａｌ−Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｌａｓｅｒｓ ｆｏｒ ＣＤ−Ｒ／ＤＶＤ±ＲＷ／Ｒ／ＲＷ）」、１９ｔｈ アイ・イー・イー・イー・インターナショナル・セミコンダクター・レーザ・カンファレンス （１９ｔｈ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）、２００４年９月、カンファレンスダイジェスト、ｐ．１２３−１２４ 池田 昌夫、他７名、「ハイパワー・ガリウムナイトライド・ベイスドゥ・セミコンダクター・レーザズ （Ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ ＧａＮ−ｂａｓｅｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ）」、フィジカ・ステイタス・ソリッド （ｃ） （Ｐｈｙｓｉｃａ Ｓｔａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄｉ （ｃ））、２００４年、第１巻、第６号、ｐ．１４６１−１４６７ 内田 史朗、他８名、「リセント・プログレス・イン・ハイパワー・ブルーバイオレット・レーザズ （Ｒｅｃｅｎｔ Ｐｒｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ Ｂｌｕｅ−Ｖｉｏｌｅｔ Ｌａｓｅｒｓ）」、アイ・イー・イー・イー・ジャーナル・オブ・セレクティド・トピックス・イン・カンタム・エレクトロニクス （ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、２００３年、第９巻、第５号、ｐ．１２５２−１２５９ 八木 哲也、他７名、「ハイパワー・ハイイフィシェンシー・６６０−ｎｍ・レーザ・ダイオードズ・フォア・ＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ （Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ Ｈｉｇｈ−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ６６０−ｎｍ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ ｆｏｒ ＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ）」、アイ・イー・イー・イー・ジャーナル・オブ・セレクティド・トピックス・イン・カンタム・エレクトロニクス （ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、２００３年、第９巻、第５号、ｐ．１２６０−１２６４
ここで、２波長または３波長半導体レーザにおいて、上述した各レーザの特性を踏まえた場合、ＧａＮ系青紫色レーザをヒートシンクとしてその上に高出力ＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザ、高出力ＡｌＧａＡｓ系赤外レーザを集積する構成が考えられる。こうした２波長または３波長レーザを作製する場合、放熱性を確保するために、ＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザやＡｌＧａＡｓ系赤外レーザの共振器長にあわせて、ＧａＮ系青紫色レーザの基板の共振器長方向の長さを確保しなければならない。このため、ＧａＮ系青紫色レーザの共振器長が、長くなる。たとえば、１６倍速書き込みのＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザ（たとえば共振器長１５００μｍ）と３２倍速書き込みのＡｌＧａＡｓ系赤外レーザ（たとえば共振器長９００μｍ）を集積する場合、ＧａＮ系青紫色レーザは１５００μｍ以上の共振器長となる。
ところが、ＧａＮ系青紫色レーザの内部損失は、１０〜３０ｃｍ-1程度であり、ＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザ（内部損失５ｃｍ-1以下）の場合に比べて大きい（非特許文献３および非特許文献４）。このため、ＧａＮ系青紫色レーザの長共振器化は、スロープ効率、つまり外部微分量子効率の低下により、駆動電流の増加をもたらす懸念があった。
また、ＧａＮ系青紫色レーザは、転位密度が１０5〜１０7ｃｍ-2のＧａＮ基板上や、サファイア基板上に成長した横方向成長ＧａＮ層上に作製される。ここで、前述した非特許文献２には、ＧａＮ基板や横方向成長ＧａＮ層中の転位が素子寿命に関係していることが記載されている。これより、ＧａＮ系青紫色レーザにおいては、共振器長を長くすると、発光部である導波路に含まれる転位の数が増加し、信頼性が低下する懸念がある。実際、共振器長が７００μｍを越える素子における良好な信頼性に関する報告は、現状なされていない。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、複数の半導体レーザを集積した多波長半導体レーザにおいて、レーザ特性および信頼性を向上させる技術を提供する。
本発明によれば、
互いに異なる波長のレーザ光を発振する少なくとも二つのレーザ構造体を含む半導体発光素子であって、
第一基板と、
前記第一基板の所定の面に配置される第二基板と、
前記第一基板の一方の面に設けられるとともに、第一活性層を含む第一レーザ構造体と、
前記第二基板の一方の面に設けられるとともに、第二活性層を含む第二レーザ構造体と、
を含み、
前記第一レーザ構造体と前記第二レーザ構造体とが、共振器長の方向が略平行になるように配置されており、前記第一レーザ構造体の共振器長が、前記第二レーザ構造体の共振器長よりも短く、
前記第一レーザ構造体の共振器長をＬ１、前記第二レーザ構造体の共振器長をＬ２、前記第一基板の共振器長方向の長さをＬ０としたときに、Ｌ１＜Ｌ２であるとともに、Ｌ０がＬ２よりも大きい半導体発光素子が提供される。
なお、本発明において、レーザ構造体とは、両クラッド層とこれらのクラッド層に挟まれた層から構成される積層体を指し、活性層を含む。本発明によれば、第一基板の一方の面に第二基板が配置されるため、第一基板をヒートシンクとして用いて第二レーザ構造体の放熱性を向上させることができる。そして、第一レーザ構造体の共振器長が第二レーザ構造体の共振器長よりも短いため、第二レーザ構造体の放熱性が充分に確保できる程度に第一基板の大きさを確保した場合にも、第一レーザ構造体の共振器長の増大に伴うレーザ特性および信頼性の低下を抑制することができる。このため、互いに異なる波長の第一レーザ構造体および第二レーザ構造体を含む構成において、レーザ特性および信頼性を向上させることができる。
本発明の半導体発光素子において、前記第一レーザ構造体の共振器長をＬ１、前記第二レーザ構造体の共振器長をＬ２、前記第一基板の共振器長方向の長さをＬ０としたときに、Ｌ１＜Ｌ２であるとともに、Ｌ０がＬ２と同等かまたはＬ２よりも大きい構成とすることができる。つまり、第一基板の共振器長方向の長さを、第一基板の所定の面に集積される第二レーザ構造体の共振器長と同等かまたはこれより長くすることができる。Ｌ０がＬ２と同等かまたはＬ２よりも大きい構成とすることにより、第二レーザ構造体の放熱性をさらに向上させることができる。なお、Ｌ０がＬ２と同等かまたはＬ２よりも大きいとは、第二レーザ構造体の放熱性が充分に確保される程度にＬ０の長さが確保されていることをいい、たとえばＬ０がＬ２の９０％以上であることをいう。
また、本発明において、Ｌ０＞Ｌ１としてもよい。つまり、第一基板の共振器長方向の長さを、第一基板の一方の面に設けられる第一レーザ構造体の共振器長より長くしてもよい。たとえば、前記第一レーザ構造体の前端面または後端面が、前記第一基板の端面よりも、前記第一基板の内側に後退させる。こうすれば、第一基板をヒートシンクとしてさらに効果的に機能させるとともに、第一レーザ構造体のレーザ発振に必要な共振器長を、第一基板の長さより短くして高効率、低動作電流、高信頼性をさらに充分に確保できる。
本発明の半導体発光素子において、前記第一レーザ構造体の前端面と、前記第二レーザ構造体の前端面とが、いずれも前記第一基板の同一の端面に一致していてもよい。こうすれば、第二レーザ構造体の放熱性を向上させつつ、半導体発光素子全体を小型化することができる。
また、本発明の半導体発光素子において、前記第一活性層の一部をエッチング除去することにより、前記第一レーザ構造体の前端面または後端面が、前記第一基板の内側に後退して形成されていてもよい。こうすることにより、第一レーザ構造体の前端面または後端面の製造安定性を向上させることができる。また、端面位置の制御性を向上させて、第一レーザ構造体の共振器長の製造時のばらつきを抑制することができる。
本発明の半導体発光素子において、前記第一レーザ構造体が、ＧａＮ系レーザであって、前記第二レーザ構造体が、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＩｎＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＡｓ系、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＡｓＮ系またはＩｎＧａＡｓＮＳｂ系のレーザであってもよい。また、本発明の半導体発光素子において、前記第一レーザ構造体が、リッジ型の上部クラッドを含むＧａＮ系レーザであってもよい。
本発明の半導体レーザは、たとえば、青紫色レーザと赤色レーザとを集積した２波長半導体レーザや、青紫色レーザ、赤色レーザおよび赤外レーザを集積した３波長半導体レーザとすることができる。２波長半導体レーザとしては、たとえば、ＧａＮ系青紫色レーザにＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザまたはＡｌＧａＡｓ系赤外レーザを集積した構成が挙げられる。また、３波長半導体レーザとしては、たとえば、ＧａＮ系青紫色レーザにＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザおよびＡｌＧａＡｓ系赤外レーザを集積した構成が挙げられる。本発明によれば、これらの多波長レーザを構成する各レーザ構造体のレーザ特性および信頼性を向上させることができる。
さらに具体的には、ＧａＮ系青紫色レーザの第一基板の長さを、これに集積されるＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザまたはＡｌＧａＡｓ系赤外レーザの第二基板の長さと同等かまたはより長くすることにより、集積したＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザまたはＡｌＧａＡｓ系赤外レーザの放熱性を確保することができ、それ単体と同等の高出力特性を実現することができる。一方、ＧａＮ系青紫色レーザについては、ドライエッチングなどで端面を形成することによりレーザ発振に必要な共振器長を第二基板の共振器長方向の長さより短くする。その結果、導波路損失の低減や基板から導波路ストライプへ伝播する転位の数が低減し、高効率、低動作電流でのレーザ発振と高信頼性を実現することができる。
本発明の半導体発光素子において、前記第一基板が、ＧａＮ基板やＡｌＧａＮ基板等のＩＩＩ族窒化物半導体基板であってもよい。こうすれば、第一基板の熱伝導率をさらに充分に確保し、第二レーザ構造体の放熱性を向上させることができる。
以上説明したように、本発明によれば、複数の半導体レーザを集積した多波長半導体レーザにおいて、レーザ特性および信頼性を向上させる技術が実現される。
本実施の形態の２波長半導体レーザの構成を示す斜視図である。 図１の２波長半導体レーザの断面図である。 図１の２波長半導体レーザのＧａＮ系青紫色レーザの製造工程を示す図である。 図１の２波長半導体レーザのＧａＮ系青紫色レーザの製造工程を示す図である。 図１の２波長半導体レーザのＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザの製造工程を示す断面図である。 図１の２波長半導体レーザのＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザの製造工程を示す断面図である。 図１の２波長半導体レーザが組み込まれたパッケージの構成を示す図である。 本実施の形態の２波長半導体レーザの構成を示す斜視図である。 本実施の形態の２波長半導体レーザの構成を示す斜視図である。 本実施の形態の２波長半導体レーザの構成を示す斜視図である。 本実施の形態の２波長半導体レーザの構成を示す斜視図である。 図１１の２波長半導体レーザに用いるＧａＮ系青紫色レーザの構成を示す斜視図である。 本実施の形態の２波長半導体レーザの構成を示す斜視図である。 本実施の形態の３波長半導体レーザの構成を示す斜視図である。 図１４の３波長半導体レーザの断面図である。 図１４の３波長半導体レーザのＧａＮ系青紫色レーザの構成を示す斜視図である。 図１４の３波長半導体レーザのＡｌＧａＡｓ系赤外レーザの製造工程を示す断面図である。 図１４の３波長半導体レーザが組み込まれたパッケージの構成を示す図である。 本実施の形態の３波長半導体レーザの構成を示す斜視図である。 本実施の形態の３波長半導体レーザの構成を示す断面図である。
以下、ＧａＮ系青紫色レーザの基板上に、異なる波長のレーザ光を発振する他のレーザを集積する場合を例に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、共通の構成要素には同一の符号を付し、以下の説明において共通する説明を適宜省略する。また、以下の実施の形態では、各半導体レーザのチップの長さが、当該半導体レーザの基板の長さに対応する場合を例に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施形態における２波長半導体レーザ１の斜視図である。また、図２は、図１に示した２波長半導体レーザ１を共振器方向に対して垂直に切断したときの断面図である。
２波長半導体レーザ１は、互いに異なる波長のレーザ光を発振する少なくとも二つのレーザ構造体を含む半導体発光素子である。
２波長半導体レーザ１は、第一基板（ｎ型ＧａＮ基板１０１）、ｎ型ＧａＮ基板１０１の所定の面に配置される第二基板（ｎ型ＧａＡｓ基板２０１）、ｎ型ＧａＮ基板１０１の一方の面に設けられるとともに、第一活性層（多重量子井戸活性層１０５）を含む第一レーザ構造体（青紫色レーザ１００）、およびｎ型ＧａＡｓ基板２０１の一方の面に設けられるとともに、第二活性層（多重量子井戸活性層２０５）を含む第二レーザ構造体（赤色レーザ２００）を含む。共振器長の短いＧａＮ系の青紫色レーザ１００のチップつまりｎ型ＧａＮ基板１０１上に、共振器長の長いＡｌＧａＩｎＰ系の赤色レーザ２００が集積されている。多重量子井戸活性層１０５および多重量子井戸活性層２０５は、ｎ型ＧａＮ基板１０１に対して同じ側に設けられている。赤色レーザ２００は、青紫色レーザ１００の側方に配置されている。
青紫色レーザ１００と赤色レーザ２００とは、共振器長の方向が略平行になるように配置されており、青紫色レーザ１００の共振器長が、赤色レーザ２００の共振器長よりも短い。
青紫色レーザ１００の共振器長をＬ１、赤色レーザ２００の共振器長をＬ２、ｎ型ＧａＮ基板１０１の共振器長方向の長さをＬ０としたときに、Ｌ１＜Ｌ２であるとともに、Ｌ０がＬ２と同等かまたはＬ２よりも大きく、赤色レーザ２００の放熱性が充分に確保される程度にｎ型ＧａＮ基板１０１の長さが確保されている。また、２波長半導体レーザ１において、Ｌ０＞Ｌ１である。
青紫色レーザ１００の熱伝導率は、赤色レーザ２００の熱伝導率よりも大きい。なお、レーザ構造体の熱伝導率とは、レーザ構造体において、基板上に形成された半導体層の熱伝導率であり、たとえば両クラッド層とそれにはさまれた活性層とから構成される積層体の熱伝導率である。
赤色レーザ２００は、ｎ型ＧａＮ基板１０１に所定の層を介して接合されている。たとえば、赤色レーザ２００がｎ型ＧａＮ基板１０１上にたとえば熱融着により接着されている。赤色レーザ２００はｐ側ダウンの形態で青紫色レーザ１００のｐ側に融着されている。赤色レーザ２００を構成する層の中で最も熱抵抗の高いｐ型クラッド層２０７（ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.47Ｉｎ0.53Ｐ層）の側をｎ型ＧａＮ基板１０１に対向させることにより、赤色レーザ２００の放熱性をさらに高めることができる。赤色レーザ２００においては、ｐ型クラッド層２０７の熱抵抗が高く、ｐ型クラッド層２０７の全面をｎ型ＧａＮ基板１０１の所定の面に所定の層を介して接着することにより、放熱特性が向上する。
青紫色レーザ１００の前端面および後端面のうち、ここでは後端面１２３がエッチングにより形成されている。また、多重量子井戸活性層１０５の一部をエッチング除去することにより、青紫色レーザ１００の後端面１２３が、ｎ型ＧａＮ基板１０１の端面よりもｎ型ＧａＮ基板１０１の内側に後退して形成されているとともに、赤色レーザ２００の後端面２２３よりもｎ型ＧａＮ基板１０１の内側に後退して形成されている。
一方、レーザの前端面については、青紫色レーザ１００の前端面１２４と、赤色レーザ２００の前端面２２４とが、いずれもｎ型ＧａＮ基板１０１の同一の端面に一致する。
また、青紫色レーザ１００の平面形状は矩形であって、青紫色レーザ１００の一方の面において、多重量子井戸活性層１０５の一部がエッチングにより除去された領域を有する。多重量子井戸活性層１０５の平面形状は略Ｌ字型である。赤色レーザ２００は、多重量子井戸活性層１０５が除去されていない領域において、ｎ型ＧａＮ基板１０１の当該一方の面に配置されている。こうすれば、ｎ型ＧａＮ基板１０１の上部の多重量子井戸活性層１０５が除去された領域を放熱領域として機能させることができるため、素子全体の放熱特性を向上させることができる。また、青紫色レーザ１００の後端面１２３が、多重量子井戸活性層１０５が欠損した領域の外周縁により規定されているため、青紫色レーザ１００の種類に応じて青紫色レーザ１００の共振器長を所定の長さに設定可能な構成となっている。
青紫色レーザ１００は、リッジ型の上部クラッド（ｐ型クラッド層１０８）を含むＧａＮ系レーザである。青紫色レーザ１００のチップ、ここではｎ型ＧａＮ基板１０１の大きさは、たとえば幅４００μｍ、長さ１６００μｍである。なお、本実施の形態および以下の実施の形態において、チップの幅は、導波路方向（共振器長方向）に対する断面方向の基板の長さを指し、チップの長さは、導波路方向に平行な方向の基板の長さを指す。
また、青紫色レーザ１００においては、共振器長が６００μｍになるように後端面をエッチングで形成し、不必要な発光層を除去してある。青紫色レーザ１００においては、光が出射する前端面１２４に、反射率が１０％の低反射コーティング（不図示）が施されている。また、青紫色レーザ１００の後端面１２３には、反射率が９０％の高反射コーティング（不図示）が施されている。
この青紫色レーザ１００は、ＣＷでたとえば２００ｍＷ以上の光出力が可能な構造である。
また、赤色レーザ２００は、リッジ型の上部クラッド（ｐ型クラッド層２０７）を含むＡｌＧａＩｎＰ系のレーザである。赤色レーザ２００のチップ、ここではｎ型ＧａＡｓ基板２０１の大きさは、たとえば幅２５０μｍ、長さ１５００μｍである。
赤色レーザ２００においては、光が出射する前端面２２４には、７％の低反射コーティングが施されている。また、赤色レーザ２００の後端面２２３には、９５％の高反射コーティングが施されている。
この赤色レーザ２００はパルス動作（たとえばパルス幅３０ｎｓ、デューティー比３０％）でたとえば２４０ｍＷ以上の光出力が可能な構造である。
以下、図２を参照して、青紫色レーザ１００および赤色レーザ２００の構成をさらに詳細に説明する。
青紫色レーザ１００においては、ｎ型ＧａＮ基板１０１（たとえば、厚さ約１００μｍ、ｎ＝３×１０18ｃｍ-3）上に、ｎ型バッファ層１０２（たとえば、ｎ型ＧａＮ層、厚さ１μｍ、ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）、ｎ型クラッド層１０３（たとえば、ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ層、厚さ１．３μｍ、ｎ＝７×１０17ｃｍ-3）、ｎ側光閉じ込め層１０４（たとえば、ｎ型ＧａＮ層、厚さ５０ｎｍ、ｎ＝５×１０17ｃｍ-3）、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎウェル（たとえば、厚さ３．５ｎｍ）とＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎバリア（たとえば、厚さ８．５ｎｍ）からなる多重量子井戸活性層１０５、ｐ側光閉じ込め層１０６（たとえば、ＧａＮ層、厚さ８０ｎｍ）、オーバーフロー防止層として機能するｐ型電子障壁層１０７（たとえば、ｐ型Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ層、厚さ１０ｎｍ、ｐ＝５×１０17ｃｍ-3）、ｐ型クラッド層１０８（たとえば、ｐ型ＡｌＧａＮ層、厚さ５００ｎｍ、ｐ＝７×１０17ｃｍ-3）およびｐ型コンタクト層１０９（たとえば、ｐ型ＧａＮ層、厚さ１００ｎｍ、ｐ＝１×１０18ｃｍ-3）が積層されている。
なお、本明細書において、「ｎ＝」および「ｐ＝」とは、それぞれ、層中のｎ型キャリア（電子）の濃度およびｐ型キャリア（正孔）の濃度を示す。
また、横モード制御のために、ｐ型クラッド層１０８の厚さ方向に途中までエッチングされ、リッジ１２１が形成されている。ｐ型コンタクト層１０９は、リッジ１２１の頂部すなわちｐ型クラッド層１０８の上面に設けられている。さらに、リッジ１２１の外側には、ｐ型クラッド層１０８の側面から底面を被覆する酸化シリコン膜１１０が積層されている。
また、ｐ型コンタクト層１０９には、コンタクト層側から順にパラジウム／白金／金（Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ）で構成されるｐ側電極１１１が設けられている。また、ｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面には、基板側から順にチタン／白金／金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）で構成されるｎ側電極１１２が形成されている。
一方、赤色レーザ２００においては、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１（たとえば、厚さ約１２０μｍ、ｎ＝２×１０18ｃｍ-3）上に、ｎ型バッファ層２０２（たとえば、ｎ型ＧａＡｓ層、厚さ５００ｎｍ、ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）、ｎ型クラッド層２０３（たとえば、ｎ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.47Ｉｎ0.53Ｐ層、厚さ２μｍ、ｎ＝８×１０17ｃｍ-3）、ｎ側光閉じ込め層２０４（たとえば、（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.47Ｉｎ0.53Ｐ層、厚さ３０ｎｍ）、ＧａＩｎＰウェルとＡｌＧａＩｎＰバリアからなる多重量子井戸活性層２０５、ｐ側光閉じ込め層２０６（たとえば、（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.47Ｉｎ0.53Ｐ層、厚さ３０ｎｍ）、ｐ型クラッド層２０７（たとえば、ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.47Ｉｎ0.53Ｐ層、厚さ１．５μｍ、ｐ＝８×１０17ｃｍ-3）およびｐ型コンタクト層２０８（たとえば、ｐ型ＧａＡｓ層、厚さ４００ｎｍ、ｐ＝５×１０18ｃｍ-3）が積層されている。
また、赤色レーザ２００においては、横モード制御のために、ｐ型クラッド層２０７が厚さ方向に途中までエッチングされ、リッジ２２１が形成されている。ｐ型コンタクト層２０８は、リッジ２２１の頂部すなわちｐ型クラッド層２０７の下面に設けられている。さらに、リッジ２２１の外側には、ｐ型クラッド層２０７の側面から上面を被覆する酸化シリコン膜２０９が積層されている。
また、ｐ型コンタクト層２０８には、コンタクト層側から順にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕで構成されるｐ側電極２１０が設けられている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１の裏面には、基板側から順に金・ゲルマニウム／ニッケル／金（ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ）で構成されるｎ側電極２１１が形成されている。
赤色レーザ２００は、ｐ側ダウンの形態で、青紫色レーザ１００上に金（Ａｕ）とすず（Ｓｎ）からなる融着材１１３を介して融着されている。なお、青紫色レーザ１００と赤色レーザ２００との発光点間隔は、できるだけ近い方が光ピックアップの光軸調整に有利である。従って、各々のレーザのチップの中におけるリッジの形成位置を調整して、発光点ができるだけ近づくようにするとよい。
次に、２波長半導体レーザ１の製造方法について説明する。図３〜図６は、それぞれ、２波長半導体レーザ１の製造方法を示す図である。図３（ａ）〜図３（ｃ）、図４（ａ）および図４（ｂ）は、ＧａＮ系の青紫色レーザ１００の製造工程を示す図であり、図５（ａ）、図５（ｂ）、図６（ａ）および図６（ｂ）は、ＡｌＧａＩｎＰ系の赤色レーザ２００の製造工程を示す断面図である。
まず、図３（ａ）〜図３（ｃ）、図４（ａ）および図４（ｂ）を参照して、ＧａＮ系の青紫色レーザ１００の製造工程について説明する。この製造工程では、後端面１２３をドライエッチングで形成する一方、光を取り出す前端面１２４をへき開で形成する。
はじめに、たとえば厚さ４００μｍ程度のｎ型ＧａＮ基板１０１上に、ｎ型バッファ層１０２、ｎ型クラッド層１０３、ｎ側光閉じ込め層１０４、多重量子井戸活性層１０５、光閉じ込め層１０６すなわちノンドープｐ側ＧａＮ層、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０７、ｐ型クラッド層１０８およびｐ型コンタクト層１０９を順次結晶成長させる（図３（ａ））。なお、図３（ｂ）および図３（ｃ）では、これらの成長層のうち、一部の層の図示を省略する。
結晶成長には、たとえば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用い、原料として、たとえばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）およびアンモニア（ＮＨ3）を用いる。また、ｎ型およびｐ型のドーパントには、それぞれ、たとえばシリコン（Ｓｉ）およびマグネシウム（Ｍｇ）を用い、これらの原料として、それぞれ、たとえばシラン（ＳｉＨ4）およびシクロペンタジエチルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いる。また、キャリアガスには各成長層の組成に応じて水素または窒素を用いる。
次に、ドライエッチングにより、青紫色レーザ１００の後端面１２３を形成する。まず、熱化学気相堆積（熱ＣＶＤ）法、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法または電子ビーム蒸着法等の方法を用いて、酸化シリコン膜１１４を堆積し、ステッパーや密着露光などのフォトリソグラフィーを用いて、酸化シリコン膜１１４の所定の領域を選択的にエッチング除去する。エッチング後の酸化シリコン膜１１４の平面形状は、たとえばＬ字型とする。そして、酸化シリコン膜１１４をマスクとして、ドライエッチングにより、ｎ型ＧａＮ基板１０１に達するまで成長層を除去し、成長層長を短くする（図３（ｂ））。なお、図３（ｂ）に示すように、エッチングされた側面は、青紫色レーザ１００の後端面１２３となるので、できるだけ平滑にかつ基板面内方向に対して垂直になるようにエッチングすることが望ましい。
つづいて、リッジ１２１を形成する。まず、ｐ型コンタクト層１０９に、たとえば幅１．５μｍのストライプ状の酸化シリコン膜１１５を形成する。酸化シリコン膜１１５は、図３（ｂ）を参照して前述した工程により成長層が短くなっている領域に、共振器長方向に延在するように形成される。また、酸化シリコン膜１１５は、酸化シリコン膜１１４を除去後、再度、別の酸化シリコン膜を堆積し、これをフォトリソグラフィーにより所定の領域のみ選択的に残存させることにより形成される。または、別の酸化シリコン膜を設ける方法に代えて、図３（ｂ）に示した工程の後、酸化シリコン膜１１４をさらにフォトリソグラフィーを用いて所定の形状に加工して形成してもよい。
そして、酸化シリコン膜１１５をマスクとして、ドライエッチングにより、ｐ型コンタクト層１０９およびｐ型クラッド層１０８の一部をエッチングし、リッジ１２１を形成する（図３（ｃ））。
ついで、ｐ側電極１１１を形成する。まず、ストライプ状の酸化シリコン膜１１５を除去後、ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面全面に、再度、別の酸化シリコン膜１１０を堆積する。次に、リッジトップの酸化シリコン膜１１０をエッチングにより除去し、ｐ型コンタクト層１０９を露出させる。そして、ｐ型コンタクト層１０９上に、ｐ側電極１１１を構成する金属膜を堆積する（図４（ａ））。
そして、へき開を容易にするために、ｎ型ＧａＮ基板１０１を研磨し、たとえば１００μｍ程度に薄化する。そして、研磨した面をクリーニング処理した後、研磨面に接しこれを被覆するｎ側電極１１２を形成する（図４（ｂ））。次に、端面コーティングのために、ウェハをリッジ１２１が横に並んだバー状態となるようにへき開する。このとき、ドライエッチングで形成した後端面１２３の位置から６００μｍの位置でへき開し、前端面１２４とする。これにより、ＧａＮ系の青紫色レーザ１００の共振器長が６００μｍとなる。
また、チップの長さすなわちｎ型ＧａＮ基板１０１の共振器長方向の長さが１６００μｍとなるように、反対側をへき開する。そして、前端面１２４には反射率１０％の低反射コーティングを施し、後端面１２３には９０％の高反射コーティングを施す。コーティング材のうち、低屈折率の材料としては、たとえば、アルミナや酸化シリコン、窒化アルミニウム、フッ化マグネシウム、またはフッ化カルシウムを用いる。また、コーティング材のうち、高屈折率の材料としては、たとえば、酸化チタンや酸化ジルコニウム、酸化ハーフニウムなどを用いる。最後に、複数のリッジ１２１がバー状態に平行に並んだウェハを複数のチップに個片化するへき開を行う。以上の手順により、青紫色レーザ１００が得られる。
次に、図５（ａ）、図５（ｂ）、図６（ａ）および図６（ｂ）を参照して、ＡｌＧａＩｎＰ系の赤色レーザ２００の製造工程を説明する。
はじめに、たとえば厚さ３５０μｍ程度のｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ型ＧａＡｓ２０２、ｎ型クラッド層２０３、ｎ側光閉じ込め層２０４（たとえばＡｌＧａＩｎＰ層）、多重量子井戸活性層２０５、ｐ側光閉じ込め層２０６（たとえばＡｌＧａＩｎＰ層）、ｐ型クラッド層２０７およびｐ型コンタクト層２０８を順次結晶成長させる（図５（ａ））。
結晶成長には、たとえばＭＯＶＰＥ法を用い、原料として、たとえばＴＭＡｌ、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、アルシン（ＡｓＨ3）およびホスフィン（ＰＨ3）を用いる。また、ｎ型およびｐ型のドーパントには、それぞれ、たとえばＳｉおよび亜鉛（Ｚｎ）を用い、これらの原料として、それぞれ、たとえばジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）およびジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）を用いる。また、キャリアガスには、たとえば水素を用いる。
次に、リッジ２２１を形成する。まず、熱ＣＶＤ法またはプラズマＣＶＤ法またはスパッタ法または電子ビーム蒸着法等を用いて、酸化シリコン膜２１２を堆積する。そして、ステッパーや密着露光などのフォトリソグラフィーを用いて酸化シリコン膜２１２の所定の領域を選択的に除去することにより、共振器長方向に延在する幅１．５μｍのストライプ形状に酸化シリコン膜２１２を加工する。そして、ドライエッチング等により、酸化シリコン膜２１２をマスクとして、ｐ型コンタクト層２０８およびｐ型クラッド層２０７の一部を選択的にエッチング除去し、リッジ２２１を形成する（図５（ｂ））。
次に、ｐ側電極２１０を形成する。まず、ストライプ状の酸化シリコン膜２１２を除去した後、再度、別の酸化シリコン膜２０９を堆積する。次に、リッジトップの酸化シリコン膜２０９をエッチングにより選択的に除去し、ｐ型コンタクト層２０８を露出させる。そして、ｐ型コンタクト層２０８上に、ｐ側電極２１０を構成する各金属膜を堆積する（図６（ａ））。
そして、へき開を容易にするために、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１を研磨によりたとえば１２０μｍ程度に薄化する。そして、研磨した面をクリーニング処理した後、研磨面に接しこれを被覆するｎ側電極２１１を形成する（図６（ｂ））。次に、端面コーティングのために共振器長が１５００μｍになるようにへき開を行う。そして、前端面２２４には反射率７％の低反射コーティングを、後端面２２３には９５％の高反射コーティングを施す。最後に、複数のリッジ２２１がバー状態に並んだウェハを複数のチップに個片化するへき開を行う。以上の手順により、赤色レーザ２００が得られる。
なお、赤色レーザ２００では、端面劣化を防止するために窓構造と電流非注入構造が採用されている。
こうして得られた赤色レーザ２００は、図２に示すように融着材１１３を用いてｐ側ダウンの形態で青紫色レーザ１００のｐ側に融着される。以上により、図１に示した２波長半導体レーザ１が得られる。
次に、２波長半導体レーザ１を含むパッケージについて説明する。図７は、本実施の形態に示した２波長半導体レーザ１を直径５．６ｍｍのパッケージに組み込んだ状態を示す斜視図である。
パッケージの本体１０の材料は、たとえば鉄とし、支持体１１ならびにフィードスルー１２、１３および１４の材料は、たとえば銅とする。また、本体１０、支持体１１および各フィードスルーは表面が金でコーティングされている。
また、フィードスルー１２およびフィードスルー１３は、セラミック等の絶縁体１５を介して本体１０に取り付けられている。こうすることにより、これらのフィードスルーと本体１０との絶縁性が確保される。また、フィードスルー１４は、本体１０に接続され、支持体１１と電気的に接続されている。
２波長半導体レーザ１は、青紫色レーザ１００のｎ側電極１１２の面において、融着材１６を介して支持体１１に融着されている。融着材１６としては、たとえば、低融点の金・すずや鉛・すずなどが用いられる。さらに、フィードスルー１２と青紫色レーザ１００のｐ側電極１１１とが、またフィードスルー１３と赤色レーザ２００のｎ側電極２１１とが、それぞれ、金のワイヤー１７でボンディングされている。
本実施の形態の２波長半導体レーザ１において、フィードスルー１２にプラス電圧を印加し、フィードスルー１４にマイナス電圧を印加することにより、青紫色レーザ１００がレーザ発振する。また、フィードスルー１２にプラス電圧を印加し、フィードスルー１３にマイナス電圧を印加することにより、赤色レーザ２００がレーザ発振する。
青紫色レーザ１００と赤色レーザ２００とを集積した２波長半導体レーザ１では、ヒートシンクの役割をなすＧａＮ系の青紫色レーザ１００のチップの長さが、これに融着されるＡｌＧａＩｎＰ系の赤色レーザ２００のチップと同等かまたは長くなっている。このため、赤色レーザ２００のチップで発生した熱は青紫色レーザ１００を介して支持体１１から効率よく放熱される。よって、共振器長が１５００μｍと長い赤色レーザ２００の放熱性が確保され、高出力特性を実現することができる。
ここで、背景技術の項で前述した特許文献１においては、波長６５０ｎｍの半導体発光体素子の基板に、波長７８０ｎｍの半導体発光素子の基板を貼り合わせた構成において、これらの半導体発光素子の前端面の位置をそろえて、後端面をオフセットすることにより、ボンディング領域を確保している。ところが、この構成の場合、各半導体発光素子の共振器長がいずれも基板の長さと等しく、基板の厚さに依存して決まる構成となっている。このため、本実施の形態の場合のように、面積の大きい基板にＧａＮ系の青紫色レーザ等を用いようとした場合にも、その共振器長が長くなってしまう。このため、青紫色レーザのレーザ特性および信頼性が充分に確保されない懸念があった。
これに対し、本実施の形態においては、青紫色レーザ１００においては、チップの長さが１６００μｍと長いが、共振器長が６００μｍとなるように後端面１２３がドライエッチングにより形成されている。ドライエッチングなどで後端面１２３を形成し、レーザ発振に必要な共振器長をチップの長さより短くすることにより、導波路損失の低減や、ｎ型ＧａＮ基板１０１から導波路ストライプへ伝播する転位の数が低減し、高効率・低動作電流でのレーザ発振と高信頼性を実現することができる。このため、６００μｍ共振器長の通常のＧａＮ系青紫色レーザと同等のレーザ特性と信頼性を実現できる。
以上のように、２波長半導体レーザ１によれば、熱伝導性と共振器長のバランスを確保し、レーザ特性と信頼性に優れた集積レーザが実現される。
また、本実施の形態においては、青紫色レーザ１００の後端面１２３が、エッチングにより形成されるため、後端面１２３を制御性よく形成し、製造時の青紫色レーザ１００の共振器長のばらつきを好適に抑制することができる。
なお、技術分野は異なるが、特許文献２には、モノリシックに形成された二つのレーザのエッチドミラー面を、同一のエッチング工程により形成し、ミラー面の位置を共振器長方向に異ならせる技術が記載されている。この場合、同一のエッチング工程によりエッチング可能な材料で二つのレーザが構成されている必要がある。
これに対し、本実施の形態においては、それぞれの半導体レーザを別個の基板上に形成した後、一方を他方の基板と接合する。このため、それぞれの半導体レーザの特性に応じて、端面の位置および共振器長をさらに高い自由度で設計し、安定的に製造することができる。そして、ＧａＮ系の青紫色レーザ１００に、多重量子井戸活性層１０５の形成領域とこれが除去された欠損領域が設けられており、赤色レーザ２００が多重量子井戸活性層１０５の形成領域に配置されている。このため、青紫色レーザ１００および赤色レーザ２００の放熱領域として欠損領域を効果的に利用することができる。
また、２波長半導体レーザ１においては、青紫色レーザ１００の前端面１２４と赤色レーザ２００の前端面２２４とが、いずれもｎ型ＧａＮ基板１０１の端面に一致し、これらの端面が同一直線上に配置されている。このため、青紫色レーザ１００からの出射光の焦点と赤色レーザ２００からの出射光との焦点が同一平面内に位置する構成となっている。このため、受光系の装置構成を簡素化することができる。
なお、本実施の形態では、ＧａＮ系の青紫色レーザ１００とＡｌＧａＩｎＰ系の赤色レーザ２００を集積した場合を例に説明した。ｎ型ＧａＮ基板１０１上に集積されるレーザ構造体は、ＡｌＧａＩｎＰ系には限られず、たとえば、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＩｎＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＡｓ系、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＡｓＮ系またはＩｎＧａＡｓＮＳｂ系のレーザとしてもよい。
さらに具体的には、ＡｌＧａＩｎＰ系の赤色レーザ２００の代わりにＡｌＧａＡｓ系の赤外レーザを集積した２波長半導体レーザとしてもよい。この場合、ＡｌＧａＡｓはＡｌＧａＩｎＰに比べて熱伝導率が高いため、たとえば共振器長が９００μｍとＡｌＧａＩｎＰ系の場合よりも短い構成においても、たとえばパルス動作（パルス幅５０ｎｓ、デューティー比５０％）２００ｍＷが可能である。従って、ＧａＮ系の青紫色レーザ１００のチップ、つまりｎ型ＧａＮ基板１０１の共振器長方向の長さを９００μｍ以上と短くすることができる。この場合にも、ｎ型ＧａＮ基板１０１上にＡｌＧａＡｓ系赤外レーザを集積し、放熱性を充分に確保することができる。
また、本実施の形態では、ＧａＮ系の青紫色レーザ１００の導波路方向（共振器長方向）のチップの長さが１６００μｍで、チップ上に融着するＡｌＧａＩｎＰ系の赤色レーザ２００のチップの長さより長い２波長半導体レーザ１の場合を例に説明した。さらに具体的には、赤色レーザ２００のチップの長さが導波路の長さおよび共振器長に等しく、１５００μｍである場合を例示した。
しかし、赤色レーザ２００の放熱性が充分に確保できる形態であれば、Ｌ０がＬ２よりも大きい構成には限られず、Ｌ２と同等である構成とすることも可能であり、厳密なチップの長さの大小関係は逆（Ｌ０＜Ｌ２）の構成を採用してもよい。放熱性をさらに確実に得る観点では、たとえば、ｎ型ＧａＮ基板１０１の共振器長方向の長さをｎ型ＧａＡｓ基板２０１の共振器長方向の長さの９０％以上、好ましくは９５％以上とすることができる。さらに具体的には、ｎ型ＧａＮ基板１０１の長さを１５００μｍとし、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１の長さを１５２０μｍとしてもよい。この場合、青紫色レーザ１００のチップ上に、赤色レーザ２００を集積したときに、赤色レーザ２００の前端面側１０μｍと後端面側１０μｍとが青紫色レーザ１００のチップからはみ出すことになる。こうした構成においても、赤色レーザ２００の基板２０１の大部分が青紫色レーザ１００に接しており、実用上問題ない程度の充分な放熱性が確保される。このような場合も、チップの長さは同等と考えることができる。
また、赤色レーザ２００の後端面２２３の位置と、ｎ型ＧａＮ基板１０１の端面の位置とが一致するとともに、青紫色レーザ１００の前端面１２４および赤色レーザ２００の前端面１２４がいずれもｎ型ＧａＮ基板１０１の同一の端面に一致していてもよい。これは、Ｌ０＝Ｌ２となる構成である。このようにすれば、赤色レーザ２００の放熱特性を充分に確保しつつ、２波長半導体レーザ１全体の小型化が可能である。
以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
（第２の実施の形態）
図８は、本実施の形態の２波長半導体レーザの構成を示す斜視図である。この２波長半導体レーザの基本構成は、第１の実施の形態における２波長半導体レーザ１と同様であるが、青紫色レーザ１００の後端面１２３をドライエッチングで作製する時に、後端面１２３に対向する面を後端面に対して４５゜に傾斜した反射ミラー１１６が形成された点が異なる。
図８においては、ｎ型ＧａＮ基板１０１の一方の面において、多重量子井戸活性層１０５の除去された領域に反射ミラー１１６を設けて、多重量子井戸活性層１０５の除去された領域を有効活用することができる。青紫色レーザ１００の後端面１２３から出射された光を反射ミラー１１６にて反射させてチップの側方に取りだし、受光素子（不図示）で受光する構成とし、レーザ動作のモニター光として利用することができる。
（第３の実施の形態）
図９は、本実施の形態の２波長半導体レーザ３の構成を示す斜視図である。この２波長半導体レーザの基本構成は、第１の実施の形態における２波長半導体レーザ１と同様であり、ＧａＮ系の青紫色レーザ１００のチップ上にＡｌＧａＩｎＰ系の赤色レーザ２００が集積されている。第１の実施の形態との違いは、青紫色レーザ１００のｎ側電極１１２が、ｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面ではなく、後端面１２３を作製するためにエッチングした領域のｎ型ＧａＮ基板１０１上に形成されていることである。
このような構成とすることにより、ｐ側電極１１１とｎ側電極１１２に同じ電極材料（たとえば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕなど）を用いて、ｐ側電極１１１とｎ側電極１１２とを同時に形成することができる。その結果、電極形成のプロセス工程を減らすことができる。また、ｎ型ＧａＮ基板１０１の一方の面において、多重量子井戸活性層１０５の除去された領域を有効活用することができる。
また、ｐ側電極１１１とｎ側電極１１２の材料が異なる場合にも、作製順序を任意に選ぶことができる。その結果、それぞれの電極について、アロイ条件などコンタクト抵抗が最小になる最適プロセスが適用できるという利点がある。なお、図３を参照して前述したプロセスでは、リッジ側の電極形成（図３の場合、ｐ側電極１１１）が先に行われる。こうすれば、酸化シリコン膜１１０の堆積、パターニングなどのプロセスが必要なリッジ側の電極形成を基板研磨前の状態で行うことができるため、製造安定性を向上させることができる。
また、本実施の形態においては、青紫色レーザ１００をパッケージに組み込む際に、支持体１１を電気的に分離するか、または、窒化アルミニウムのヒートシンク等の半絶縁性のサブマウントを介して青紫色レーザ１００を支持体１１に融着することにより、青紫色レーザ１００を電気的にフローティング状態にすることができるという利点もある。
（第４の実施の形態）
図１０は、本実施の形態の２波長半導体レーザの構成を示す斜視図である。この２波長半導体レーザの基本構成は、第１の実施の形態における２波長半導体レーザ１と同様であり、ＧａＮ系の青紫色レーザ１００のチップ上にＡｌＧａＩｎＰ系の赤色レーザ２００がｐ側ダウンの形態で融着材を介して集積されている。図１０においては、青紫色レーザ１００の前端面１２４と後端面１２３とが、いずれもドライエッチングにより形成された面である点が、第１の実施の形態と異なる。また、前端面１２４が前端面２２４よりもｎ型ＧａＮ基板１０１の内側に後退している。
この構成によれば、共振器長がエッチングプロセスで決定されるため、ウェハからチップにへき開する際に、厳密な共振器長の制御をする必要がない。また、青紫色レーザ１００のＧａＮ基板は非常に硬いために、研磨後のウェハ厚が不均一であったりへき開の条件が悪かったりする場合、へき開面に傷（段差）が形成される懸念がある。これに対し、本実施の形態においては、そのような懸念がなく、エッチングにより青紫色レーザ１００の共振器長の制御性をさらに向上させることができる。
また、ｎ型ＧａＮ基板１０１の後端面１２３の側と前端面１２４の両方に多重量子井戸活性層１０５の除去された領域が設けられているため、２波長半導体レーザ１内における放熱されやすさのばらつきを抑制することができる。
（第５の実施の形態）
図１１は、本実施の形態の２波長半導体レーザの構成を示す斜視図である。図１２は、図１１の２波長半導体レーザに用いた青紫色レーザ１００の構成を示す斜視図である。
この２波長半導体レーザの基本構成は、第１の実施の形態における２波長半導体レーザ１と同様であり、ＧａＮ系の青紫色レーザ１００のチップ上にＡｌＧａＩｎＰ系の赤色レーザ２００がｐ側ダウンの形態で融着材１１３を介して集積されている。図１１においては、青紫色レーザ１００のリッジ導波路（図１２のリッジ１２１）の直上に赤色レーザ２００が融着されている点が第１の実施の形態と異なる。
また、図１２に示したように、多重量子井戸活性層１０５が基板面内の中央付近の領域において欠損しており、その平面形状が略「ロ」の字型である。ｎ型ＧａＮ基板１０１の一方の面において、青紫色レーザ１００の後端面１２３およびその近傍の多重量子井戸活性層１０５が除去されている。多重量子井戸活性層１０５は、青紫色レーザ１００の後端面１２３から共振器長方向後方、つまり共振器長方向に青紫色レーザ１００から遠ざかる方向に除去されている。
リッジ１２１の直上に赤色レーザ２００を融着することにより、青紫色レーザ１００と赤色レーザ２００との発光点間隔が近くなる。このため、光ピックアップの光軸調整の点で非常に有利な構成である。
図１２においても、青紫色レーザ１００の共振器長を６００μｍとするために、第１の実施の形態で前述した方法を用いて後端面１２３をエッチングにより形成する。しかし、図１２においては、エッチングする領域を幅約２０μｍ、長さ約１０μｍと第１の実施の形態の場合よりも狭い領域にする。これにより、直上に融着する赤色レーザ２００の放熱性を確保することができる。よって、より一層優れた出力特性を得ることができる。
（第６の実施の形態）
図１３は、本実施の形態の２波長半導体レーザの構成を示す斜視図である。この２波長半導体レーザの基本構成は、第１の実施の形態における２波長半導体レーザ１と同様であり、青紫色レーザ１００のチップ上に赤色レーザ２００がｐ側ダウンの形態で融着材を介して融着されている。青紫色レーザ１００と赤色レーザ２００の構造は、第４の実施の形態に用いた構造とする。第４の実施の形態との違いは、多重量子井戸活性層１０５と多重量子井戸活性層２０５とが、ｎ型ＧａＮ基板１０１に対して異なる側に設けられた点である。具体的には、赤色レーザ２００が青紫色レーザ１００の基板裏面側に融着されている。
ｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面は平坦であるため、この裏面に赤色レーザ２００を融着すれば、赤色レーザ２００のリッジに大きな歪を与えることなく、チップ全体を青紫色レーザ１００に融着することが可能である。従って、組み立て時の歩留まり低下を抑制することができる。
また、本実施の形態の２波長半導体レーザをパッケージに組み込む場合、青紫色レーザ１００のｐ側ダウンの形態で、たとえば図５に示した直径５．６ｍｍのパッケージに組み込まれる。その場合、支持体１１に、直接またはサブマウントを介して融着される。従って、第４の実施の形態の場合に比べて、青紫色レーザ１００の放熱性が向上し、高出力特性や温度特性が向上するという利点がある。
以上の実施の形態では、２波長半導体レーザの場合を例に説明したが、本発明の実施の形態は２波長半導体レーザの場合に限られず、青紫色レーザ１００のチップ、ここではｎ型ＧａＮ基板１０１上に、第２、第３、第（ｎ＋１）のｎ個の半導体レーザ（ｎ＝１、２、３、・・・）を接着した集積型半導体レーザとすることができる。このとき、集積する第（ｎ＋１）の半導体レーザの共振器長をＬ（ｎ＋１）とすると、Ｌ０がＬ（ｎ＋１）と同等かより大きい構成とすることができる。
以下、３波長半導体レーザの実施の形態を説明する。
（第７の実施の形態）
図１４は、本実施の形態の３波長半導体レーザ２の構成を示す斜視図である。図１５は、図１４に示した３波長半導体レーザ２の断面図である。また、図１６は、図１５の３波長半導体レーザ２の青紫色レーザ１００の斜視図である。
３波長半導体レーザ２は、第三半導体基板（ｎ型ＧａＡｓ基板３０１）の一方の面に設けられた第三活性層（多重量子井戸活性層３０５）を含み、共振器長がＬ３の第三レーザ構造体（赤外レーザ３００）をさらに含む。赤色レーザ２００および赤外レーザ３００は、ｎ型ＧａＮ基板１０１に対して同じ側に設けられている。具体的には、ＧａＮ系の青紫色レーザ１００のチップ上に、ＡｌＧａＩｎＰ系の赤色レーザ２００とＡｌＧａＡｓ系の赤外レーザ３００とが集積されている。赤色レーザ２００および赤外レーザ３００は、いずれもｐ側ダウンの形態で青紫色レーザ１００のｐ側に融着されている。赤色レーザ２００、青紫色レーザ１００および赤外レーザ３００が、共振器長方向が互いに平行になるようにこの順に並置されている。
青紫色レーザ１００のチップの大きさは、たとえば幅４００μｍ、長さ１６００μｍである。青紫色レーザ１００においては、共振器長が６００μｍになるように後端面１２３がエッチングにより形成されている（図１６）。また、エッチングにより、不必要な発光層が除去されている。多重量子井戸活性層１０５の平面形状は略「コ」の字型である。また、青紫色レーザ１００において、光が出射する前端面１２４には反射率が１０％の低反射コーティングが施されており、後端面１２３（図１６中に図示）には９０％の高反射コーティングが施されている。
図１５に示したように、青紫色レーザ１００の積層構造は、第１の実施の形態で示した青紫色レーザ１００（図２）と同様である。しかし、図１５においては、図２の場合と異なり、青紫色レーザ１００のリッジ構造（リッジ１２１）がチップのほぼ中央に形成されている。これにより、赤色レーザ２００の発光点と赤外レーザ３００の発光点が、青紫色レーザ１００の発光点を中心に左右対称になるように配置される。
赤色レーザ２００の構造は、第１の実施の形態で示した素子と同様であり、そのチップの大きさは、たとえば幅１５０μｍ、長さ１５００μｍである。また、赤色レーザ２００において、光が出射する前端面２２４には７％の低反射コーティングが施されており、後端面２２３には９５％の高反射コーティングが施されている。
赤外レーザ３００のチップの大きさは、たとえば幅１５０μｍ、長さ９００μｍである。また、赤外レーザ３００において、光が出射する前端面３２４には５％の低反射コーティングが施されており、後端面３２３には９５％の高反射コーティングが施されている。
また、図１５に示したように、赤外レーザ３００においては、ｎ型ＧａＡｓ基板３０１（たとえば厚さ１２０μｍ、ｎ＝２×１０18ｃｍ-3）上に、ｎ型バッファ層３０２（たとえば、ｎ型ＧａＡｓ層、厚さ１μｍ、ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）、ｎ型クラッド層３０３（たとえば、ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層、厚さ２．２μｍ、ｎ＝７×１０17ｃｍ-3）、ｎ側光閉じ込め層３０４（たとえば、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層、厚さ１０ｎｍ）、ＡｌＧａＡｓウェルとＡｌＧａＡｓバリアとからなる多重量子井戸活性層３０５、ｐ側光閉じ込め層３０６（たとえば、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層、厚さ１０ｎｍ）、ｐ型クラッド層３０７（たとえば、ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層、厚さ１．８μｍ、ｐ＝７×１０17ｃｍ-3）およびｐ型コンタクト層３０８（たとえば、ｐ型ＧａＡｓ層、厚さ４００ｎｍ、ｐ＝５×１０18ｃｍ-3）が積層されている。
また、赤外レーザ３００において、横モード制御のために、ｐ型コンタクト層３０８およびｐ型クラッド層３０７の一部が厚さ方向にエッチングにより除去され、リッジ３２１が形成されている。さらに、リッジ３２１はｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層３０９（たとえば厚さ１μｍ、ｎ＝７×１０17ｃｍ-3）とｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層３１０（たとえば厚さ８００ｎｍ、ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）で埋め込まれている。また、ｐ型コンタクト層３０８上に、コンタクト層側から順にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕで構成されるｐ側電極３１１が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板３０１上に、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕで構成されるｎ側電極３１２が形成されている。赤外レーザ３００は赤色レーザ２００と同様にｐ側ダウンの形態で青紫色レーザ１００上にＡｕとＳｎからなる融着材１１３を介して融着されている。
次に、３波長半導体レーザ２の製造方法を説明する。青紫色レーザ１００および赤色レーザ２００は、第１の実施の形態で前述した方法を用いて得ることができる。
また、赤外レーザ３００は、たとえば以下の手順で得られる。図１７（ａ）〜図１７（ｃ）、図１８（ａ）および図１８（ｂ）は、赤外レーザ３００の製造工程を示す断面図である。
はじめに、ｎ型ＧａＡｓ基板３０１上に、ｎ型バッファ層３０２、ｎ型クラッド層３０３、ｎ側光閉じ込め層３０４、多重量子井戸活性層３０５、ｐ側光閉じ込め層３０６、ｐ型クラッド層３０７およびｐ型コンタクト層３０８を順次結晶成長させる（図１７（ａ））。
結晶成長には、たとえばＭＯＶＰＥ法を用い、原料として、たとえばＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、ＴＥＧａおよびＡｓＨ3を用いる。また、ｎ型およびｐ型のドーパントには、それぞれＳｉおよびＺｎを用いる。また、これらの原料として、それぞれ、たとえばＳｉ2Ｈ6およびジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いる。また、キャリアガスには、たとえば水素を用いる。
次に、リッジ３２１を形成する。まず、ｐ型コンタクト層３０８上に酸化シリコン膜３１３を堆積する。そして、フォトリソグラフィーを用いて、酸化シリコン膜３１３の所定の領域を選択的に除去し、酸化シリコン膜３１３を幅１．５μｍのストライプ状に成形する。そして、酸化シリコン膜３１３をマスクとしてドライエッチングを行い、ｐ型コンタクト層３０８からｐ型クラッド層３０７の途中までエッチングし、リッジ３２１を形成する（図１７（ｂ））。
そして、たとえば選択ＭＯＶＰＥ法により、ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層３０９およびｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層３１０を形成し、これらでリッジ３２１を埋め込む（図１７（ｃ））。
ついで、ｐ側電極３１１を形成する。まず、ストライプ状の酸化シリコン膜３１３を除去してｐ型コンタクト層３０８を露出させ、その表面にｐ側電極３１１を堆積する（図１８（ａ））。次に、へき開を容易にするために、ｎ型ＧａＡｓ基板３０１を研磨によりたとえば１２０μｍ程度に薄化する。そして、研磨した面を軽くエッチングした後、研磨面上にｎ側電極３１２を形成する（図１８（ｂ））。
次に、端面コーティングのために、共振器長が９００μｍになるようにへき開を行う。そして、前端面３２４には反射率５％の低反射コーティングを施し、後端面３２３には反射率９５％の高反射コーティングを施す。最後に、へき開により、複数のリッジ３２１がバー状態に平行に並んだウェハから複数のチップへと個片化する。以上により、赤外レーザ３００が得られる。
こうして得られた赤外レーザ３００および赤色レーザ２００を、融着材１１３を用いてｐ側ダウンの形態で図１６で示した青紫色レーザ１００のｐ側に融着する。これにより、図１４および図１５に示した３波長半導体レーザ２が得られる。
次に、３波長半導体レーザ２を含むパッケージについて説明する。図１９は、３波長半導体レーザ２を直径５．６ｍｍのパッケージに取り付けた状態を示す斜視図である。
パッケージの本体１０の材料は、たとえば鉄とする。また、支持体１１とフィードスルー１８、１９、２０、２１の材料は、たとえば銅とする。本体１０、支持体１１およびフィードスルー１８、１９、２０、２１の表面は金でコーティングされている。
また、フィードスルー１８、フィードスルー１９およびフィードスルー２０は、セラミック等の絶縁体１５を介して本体１０に取り付けられている。これにより、これらのフィードスルーと本体１０とが確実に絶縁される。
また、フィードスルー２１は本体１０に接続され、支持体１１と電気的に接続されている。
３波長半導体レーザ２は、青紫色レーザ１００のｎ側電極１１２の面において、融着材を介して支持体１１に融着されている。融着材の材料として、たとえば、低融点の金・すずや鉛・すずが挙げられる。
さらに、フィードスルー１８と青紫色レーザ１００のｐ側電極１１１とが、またフィードスルー１９と赤色レーザ２００のｎ側電極２１１とが、またフィードスルー２０と赤外レーザ３００のｎ側電極３１２とが、それぞれ金のワイヤー１７でボンディングされている。
本実施の形態の３波長半導体レーザ２において、フィードスルー１８にプラス電圧を印加し、フィードスルー２１にマイナス電圧を印加することにより青紫色レーザ１００がレーザ発振する。また、フィードスルー１８にプラス電圧を印加し、フィードスルー１９にマイナス電圧を印加することにより赤色レーザ２００がレーザ発振する。また、フィードスルー１８にプラス電圧を印加し、フィードスルー２０にマイナス電圧を印加することにより赤外レーザ３００がレーザ発振する。
３波長半導体レーザ２では、赤色レーザ２００と赤外レーザ３００を単独の素子として作製されて、これらが青紫色レーザ１００上へ集積される。このため、目的の光出力に対応した最適な共振器長の素子を独立に集積することができる。
また、３波長半導体レーザ２においては、ＧａＮ系の青紫色レーザ１００のｎ型ＧａＮ基板１０１の共振器長方向の長さが、ｎ型ＧａＮ基板１０１上に集積されるＡｌＧａＩｎＰ系の赤色レーザ２００の設けられるｎ型ＧａＡｓ基板２０１の長さおよびＡｌＧａＡｓ系の赤外レーザ３００の設けられる赤外レーザ３００の長さと同等かまたはより長くなっている。これにより、ｎ型ＧａＮ基板１０１上に集積される赤色レーザ２００および赤外レーザ３００の放熱性を向上させて、それ単体と同等の高出力特性を実現することができる。
一方、ＧａＮ系の青紫色レーザ１００においては、ドライエッチングなどで後端面１２３が形成されている。また、レーザ発振に必要な共振器長が、ｎ型ＧａＮ基板１０１の長さならびに赤色レーザ２００および赤外レーザ３００の共振器長よりも短くなっている。その結果、導波路損失を低減することができる。また、ｎ型ＧａＮ基板１０１から導波路ストライプへ伝播する転位の数を低減させることができる。このため、高効率・低動作電流でのレーザ発振と高信頼性を実現することができる。
なお、本実施の形態では、ＧａＮ系の青紫色レーザ１００、ＡｌＧａＩｎＰ系の赤色レーザ２００およびＡｌＧａＡｓ系の赤外レーザ３００を集積した３波長レーザの場合を例に説明したが、同じ波長の半導体レーザを複数個集積する組み合わせも可能である。こうした構成として、具体的にはＧａＮ系の青紫色レーザ１００上に、共振器長の長い書き込み専用のＡｌＧａＩｎＰ系の高出力赤色レーザと共振器長の短い読み取り専用のＡｌＧａＩｎＰ系の低出力レーザを集積する構造が挙げられる。
（第８の実施の形態）
図２０は、本実施の形態の３波長半導体レーザの構成を示す断面図である。図２０に示した３波長半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板４０１の一方の面に設けられた多重量子井戸活性層３０５を含み、共振器長がＬ３の赤外レーザ３００をさらに含み、赤色レーザ２００と赤外レーザ３００とが、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１に対して同じ側に設けられている。
この３波長半導体レーザの基本構成は、第７の実施の形態における３波長半導体レーザ２と同様であり、ＧａＮ系の青紫色レーザ１００のチップ上に、ＡｌＧａＩｎＰ系の赤色レーザ２００およびＡｌＧａＡｓ系の赤外レーザ３００がｐ側ダウンの状態で融着材１１３を介して融着されている。第７の実施の形態との違いは、ＡｌＧａＩｎＰ系の赤色レーザ２００とＡｌＧａＡｓ系の赤外レーザ３００とが単一のｎ型ＧａＡｓ基板４０１上に作製されているモノリシック２波長レーザ４００を用いていることである。
本実施の形態の３波長半導体レーザでは、モノリシック２波長レーザ４００を用いることにより、レーザ同士の融着が１回だけで済む。つまり、１回の発光点間隔の制御で３波長の発光点間隔が決定できるという利点がある。その理由は、モノリシック２波長レーザにおいては、その発光点間隔が作製プロセスによって容易に決定されるからである。
ここで、モノリシック２波長半導体レーザを用いた場合、プラス電圧を印加するｎ型ＧａＡｓ基板４０１が共通である。従って、赤色レーザ２００と赤外レーザ３００を別々に駆動させるためには、ｐ側電極を電気的に分離する必要がある。そこで、本実施の形態の青紫色レーザ１００では、図２におけるｐ側電極１１１がｐ側電極１１７と２つのｐ側電極１１８とに分離された構成となっている。青紫色レーザ１００のその他の構造に関しては、第７の実施の形態で示した青紫色レーザ（図１４〜図１６）と同様である。
図２０で示した３波長半導体レーザにおいて、ｐ側電極１１７にプラス電圧を印加し、ｎ側電極１１２にマイナス電圧を印加することにより青紫色レーザ１００がレーザ発振する。また、ｐ側電極２１０にプラス電圧を印加し、ｎ側電極４０２にマイナス電圧を印加することにより赤色レーザ２００がレーザ発振する。また、ｐ側電極３１１にプラス電圧を印加し、ｎ側電極４０２にマイナス電圧を印加することにより赤外レーザ３００がレーザ発振する。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
たとえば、以上の実施の形態では、各半導体レーザの基板としてｎ型基板を用いたが、導電性の異なる基板や高抵抗の基板を用いてもよい。この場合、適宜、極性を逆転した構造や表面電極構造を採用することができる。また、ｎ型ＧａＮ基板１０１に代えて、ＡｌＧａＮ基板等の他のＩＩＩ族窒化物半導体基板を用いることもできる。
また、第１の実施の形態から第６の実施の形態においては、ＧａＮ系青紫色レーザチップ上にＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザを集積した２波長半導体レーザの場合を例に説明したが、赤色レーザの代わりにＡｌＧａＡｓ系赤外レーザや他の波長帯のレーザを集積した２波長半導体レーザとすることもできる。
また、第７の実施の形態および第８の実施の形態においては、ＧａＮ系青紫色レーザチップ上にＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザとＡｌＧａＡｓ系赤外レーザを集積した３波長半導体レーザを例に挙げたが、ＺｎＭｇＳＳｅ系緑青色レーザやＩｎＰ基板上に作製した長波帯のレーザを集積することも可能であり、集積する波長を増やして各種多波長半導体レーザを得ることが可能である。

Claims (7)

  1. 互いに異なる波長のレーザ光を発振する少なくとも二つのレーザ構造体を含む半導体発光素子であって、
    第一基板と、
    前記第一基板の所定の面に配置される第二基板と、
    前記第一基板の一方の面に設けられるとともに、第一活性層を含む第一レーザ構造体と、
    前記第二基板の一方の面に設けられるとともに、第二活性層を含む第二レーザ構造体と、
    を含み、
    前記第一レーザ構造体と前記第二レーザ構造体とが、共振器長の方向が略平行になるように配置されており、前記第一レーザ構造体の共振器長が、前記第二レーザ構造体の共振器長よりも短く、
    前記第一レーザ構造体の共振器長をＬ１、前記第二レーザ構造体の共振器長をＬ２、前記第一基板の共振器長方向の長さをＬ０としたときに、Ｌ１＜Ｌ２であるとともに、Ｌ０がＬ２よりも大きい半導体発光素子。
  2. 請求項１に記載の半導体発光素子において、前記第一レーザ構造体の前端面または後端面が、前記第一基板の端面よりも、前記第一基板の内側に後退している半導体発光素子。
  3. 請求項２に記載の半導体発光素子において、前記第一活性層の一部をエッチング除去することにより、前記第一レーザ構造体の前端面または後端面が、前記第一基板の内側に後退して形成された半導体発光素子。
  4. 請求項１乃至３いずれかに記載の半導体発光素子において、
    前記第一レーザ構造体が、ＧａＮ系レーザであって、
    前記第二レーザ構造体が、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＩｎＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＡｓ系、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＡｓＮ系またはＩｎＧａＡｓＮＳｂ系のレーザである半導体発光素子。
  5. 請求項４に記載の半導体発光素子において、前記第一レーザ構造体が、リッジ型の上部クラッドを含むＧａＮ系レーザである半導体発光素子。
  6. 請求項１乃至５いずれかに記載の半導体発光素子において、前記第一基板がＩＩＩ族窒化物半導体基板である半導体発光素子。
  7. 請求項１乃至６いずれかに記載の半導体発光素子において、前記第一レーザ構造体の前端面と、前記第二レーザ構造体の前端面とが、いずれも前記第一基板の同一の端面に一致する半導体発光素子。
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