(57)【要約】【課題】高出力動作を可能とし、電気変換効率が高く消費電力の低減が図れる、半導体レーザ装置を得る。【解決手段】ｐ型クラッド層７、ｐ型クラッド層側ガイド層６、活性層５、ｎ型クラッド層側ガイド層４、および、ｎ型クラッド層３を有する半導体レーザ装置であって、ｐ型クラッド層側ガイド層６及びｎ型クラッド層側ガイド層４は、アンドープかそれに近いドーピングを施した状態であり、ｐ型クラッド層側ガイド層６の厚さとｎ型クラッド層側ガイド層４の厚さの和が２００ｎｍ以上あり、かつ、ｐ型クラッド層側ガイド層６のバンドギャップエネルギーと活性層５のバンドギャップエネルギーの差及びｎ型クラッド層側ガイド層４のバンドギャップエネルギーと活性層５のバンドギャップエネルギーの差が０．３ｅＶ以下であることを特徴とする。【選択図】図１
2011014694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型クラッド層、ｐ型クラッド層側ガイド層、活性層、ｎ型クラッド層側ガイド層、および、ｎ型クラッド層を少なくとも有する半導体レーザ装置であって、
前記ｐ型クラッド層側ガイド層及び前記ｎ型クラッド層側ガイド層は、アンドープかそれに近いドーピングを施した状態であり、
前記ｐ型クラッド層側ガイド層の厚さと前記ｎ型クラッド層側ガイド層の厚さの和が２００ｎｍ以上あり、かつ、前記ｐ型クラッド層側ガイド層のバンドギャップエネルギーと前記活性層のバンドギャップエネルギーの差及び前記ｎ型クラッド層側ガイド層のバンドギャップエネルギーと前記活性層のバンドギャップエネルギーの差が０．３ｅＶ以下である
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
ｐ型クラッド層、ｐ型クラッド層側ガイド層、活性層、ｎ型クラッド層側ガイド層、および、ｎ型クラッド層を少なくとも有する半導体レーザ装置であって、
前記ｐ型クラッド層側ガイド層及び前記ｎ型クラッド層側ガイド層は、アンドープかそれに近いドーピングを施した状態であり、
前記ｐ型クラッド層側ガイド層の厚さと前記ｎ型クラッド層側ガイド層の厚さの和が２００ｎｍ以上あり、発振波長が８１０ｎｍ近傍であって、かつ、前記ｐ型クラッド層側ガイド層のバンドギャップエネルギーと前記活性層のバンドギャップエネルギーの差及び前記ｎ型クラッド層側ガイド層のバンドギャップエネルギーと前記活性層のバンドギャップエネルギーの差が０．３ｅＶ以下である
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項３】
ｐ型クラッド層、ｐ型クラッド層側ガイド層、活性層、ｎ型クラッド層側ガイド層、および、ｎ型クラッド層を少なくとも有する半導体レーザ装置であって、
前記ｐ型クラッド層側ガイド層及び前記ｎ型クラッド層側ガイド層は、アンドープかそれに近いドーピングを施した状態であり、
前記ｐ型クラッド層側ガイド層の厚さとｎ型クラッド層側ガイド層の厚さの和が２００ｎｍ以上あり、発振波長が９２０ｎｍ近傍であって、かつ、前記ｐ型クラッド層側ガイド層のバンドギャップエネルギーと前記活性層のバンドギャップエネルギーの差及び前記ｎ型クラッド層側ガイド層のバンドギャップエネルギーと前記活性層のバンドギャップエネルギーの差が０．３ｅＶ以下である
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【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、ＮｄドープＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザやＹｂドープＹＡＧ（Ｙｂ：ＹＡＧ）レーザ等の固体レーザや、Ｙｂドープファイバーレーザ、Ｅｒドープファイバアンプ等の励起光源用の半導体レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来技術においては、高出力動作を可能とする半導体レーザ装置を提供するために、ＧａＡｓＰ活性層を、層厚ｘ＝０．４５又はｘ＝０．６５のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ光ガイド層で挟んだ構造にすることにより、高出力動作を実現している（例えば、非特許文献１参照）。層厚ｘ＝０．４５の場合は、活性層のバンドギャップエネルギーと光ガイド層のバンドギャップエネルギーの差は０．４５ｅＶ程度に、層厚ｘ＝０．６５の場合は０．７２ｅＶ程度に相当する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】J. Sebastian et. al.,"High-Power 810-nm GaAsP-AlGaAs Diode Lasers With Narrow Beam Divergence," IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 7, No. 2, March/April 2001, pp. 334-339.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年では、消費電力を低減するために電気変換効率の高い半導体レーザ装置の必要性が高まっている。上記の従来技術のように、ガイド層の層厚を厚くすることで光吸収を低減してスロープ効率を向上させることは、電気変換効率を高めることに一定の効果があるが、十分ではないという問題点があった。
【０００５】
本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、高出力動作を可能としながら、電気変換効率を向上させ、消費電力の低減を図ることが可能な、半導体レーザ装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ｐ型クラッド層、ｐ型クラッド層側ガイド層、活性層、ｎ型クラッド層側ガイド層、および、ｎ型クラッド層を少なくとも有する半導体レーザ装置であって、前記ｐ型クラッド層側ガイド層及び前記ｎ型クラッド層側ガイド層は、アンドープかそれに近いドーピングを施した状態であり、前記ｐ型クラッド層側ガイド層の厚さと前記ｎ型クラッド層側ガイド層の厚さの和が２００ｎｍ以上あり、かつ、前記ｐ型クラッド層側ガイド層のバンドギャップエネルギーと前記活性層のバンドギャップエネルギーの差及び前記ｎ型クラッド層側ガイド層のバンドギャップエネルギーと前記活性層のバンドギャップエネルギーの差が０．３ｅＶ以下であることを特徴とする半導体レーザ装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、ｐ型クラッド層、ｐ型クラッド層側ガイド層、活性層、ｎ型クラッド層側ガイド層、および、ｎ型クラッド層を少なくとも有する半導体レーザ装置であって、前記ｐ型クラッド層側ガイド層及び前記ｎ型クラッド層側ガイド層は、アンドープかそれに近いドーピングを施した状態であり、前記ｐ型クラッド層側ガイド層の厚さと前記ｎ型クラッド層側ガイド層の厚さの和が２００ｎｍ以上あり、かつ、前記ｐ型クラッド層側ガイド層のバンドギャップエネルギーと前記活性層のバンドギャップエネルギーの差及び前記ｎ型クラッド層側ガイド層のバンドギャップエネルギーと前記活性層のバンドギャップエネルギーの差が０．３ｅＶ以下であることを特徴とする半導体レーザ装置であるので、高出力動作を可能としながら、電気変換効率を向上させ消費電力の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置における動作電圧とガイド層厚の関係をグラフで示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置における電圧−電流特性をグラフで示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ装置の構成を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ装置における動作電圧とガイド層厚の関係をグラフで示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る発振波長８１０ｎｍ近傍の半導体レーザ装置を示す斜視図である。図において、１はｎ電極、２はｎ型ＧａＡｓ基板、３はｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．３５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層（層厚は１．５μｍ）（以下、ｎ型クラッド層３とする。）、４はｎ型クラッド層側Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙガイド層（層厚はｔｎ）（以下、ｎ型クラッド層側ガイド層４とする）、５はＧａＡｓ１−ｚＰｚ活性層（層厚は１２ｎｍ）（以下、活性層５とする。）、６はｐ型クラッド層側Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙガイド層（層厚はｔｐ）（以下、p型クラッド層側ガイド層６とする。）、７はｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．３５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層（層厚は１．５μｍ）（以下、ｐ型クラッド層７とする。）、８はｐ型ＧａＡｓコンタクト層、９はｐ電極、１０はプロトン注入領域である。尚、ｎ型クラッド層側ガイド層４およびｐ型クラッド層側ガイド層６は、結晶成長及びウエハプロセスにおいて意識的にドーピングを行なわないため、アンドープかそれに近いドーピングを施した状態となっている。
【００１０】
動作について説明する。図１の半導体レーザ装置に順方向のバイアスをかけ、ｎ型クラッド層３からｎ型クラッド層側ガイド層４を介して電子を、ｐ型クラッド層７からｐ型クラッド層側ガイド層６を介してホール（正孔）を、それぞれ、活性層５に注入する。当該活性層５では、電子とホールが再結合して発光に至る。
【００１１】
本発明の効果を明確にするため、活性層５のＰ組成比ｚとｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６のＡｓ組成比ｙを変えることで、活性層５のバンドギャップエネルギーとｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６のバンドギャップエネルギーとの差であるバンドギャップエネルギー差ΔＥｇを変化させると共に、ｎ型クラッド層側ガイド層４の層厚ｔｎ及びｐ型クラッド層側ガイド層６の層厚ｔｐを変化させた場合の、注入電流２４ｍＡ時の動作電圧を求めることにする。結果を図２に示す。図２において、横軸が層厚ｔｎとｔｐの和（ｔｎ＋ｔｐ（ｎｍ））であり、縦軸が動作電圧（ｖ）である。尚、ストライプ幅及び共振器長はそれぞれ１μｍ及び１２００μｍとしている。同図より、バンドギャップエネルギー差ΔＥｇが０．３ｅＶ以下では、動作電圧自体が小さくなり、かつ、ガイド層４，６の層厚の和ｔｎ＋ｔｐには殆ど依存しないことが判る。一方、ΔＥｇが０．３１ｅＶとすると（すなわち、０．３０ｅＶを超えると）、動作電圧自体が大きくなると共にｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６の層厚の和ｔｎ＋ｔｐに対する依存性も大きくなり、ｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６の層厚ｔｎ，ｔｐが厚くなるにつれて動作電圧が大きくなることが判る。本実施の形態１においては，ｎ型クラッド層側ガイド層４とｐ型クラッド層側ガイド層６は同一なので、活性層５のバンドギャップエネルギーとｎ型クラッド層側ガイド層４のバンドギャップエネルギーの差ΔＥｇと活性層５のバンドギャップエネルギーとｐ型クラッド層側ガイド層６のバンドギャップエネルギーの差ΔＥｇは同一となっている。尚、ｎ型クラッド層側ガイド層４とｐ型クラッド層側ガイド層６が異なる材料若しくは異なる組成の場合は、活性層５のバンドギャップエネルギーとｎ型クラッド層側ガイド層４のバンドギャップエネルギーの差ΔＥｇ及び活性層５のバンドギャップエネルギーとｐ型クラッド層側ガイド層６のバンドギャップエネルギーの差ΔＥｇの両方を０．３ｅＶ以下とすることで、同様な効果を奏するようになる。
【００１２】
図３は、バンドギャップエネルギー差ΔＥｇが０．３ｅＶ以下の場合とバンドギャップエネルギー差ΔＥｇが０．３ｅＶを超える場合の電圧−電流特性を模式的に表したものである。詳細に検討したところ、ΔＥｇが０．３ｅＶを超えると（ΔＥｇ＞０．３ｅＶ）、同図に示すように、電圧−電流特性の立ち上がり電圧Ｖｊが大きくなることが判った。この立ち上がり電圧Ｖｊの値は、ΔＥｇが０．３ｅＶを超えて大きくなるにつれて、大きくなることも明らかとなった。これは、半導体レーザ装置動作中は、ｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６内にも電子及び正孔といったキャリアがある程度滞留する必要があるため、ΔＥｇが大きくなるにつれて擬フェルミレベルが上昇することに起因すると考えられる。
【００１３】
一方、ΔＥｇが０．３ｅＶ以下の場合は立ち上がり電圧Ｖｊが飽和傾向を示し、ΔＥｇを小さくしても、立ち上がり電圧Ｖｊが大きく低減することは殆どない。これは、ΔＥｇが０．３ｅＶ以下と小さい場合、ｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６内キャリアが溜まりやすくなり、擬フェルミレベルを上昇させる必要がなくなるためである。この場合は、活性層５に溜まるキャリアによって擬フェルミレベル及び立ち上がり電圧Ｖｊが決まることになる。バンドギャップエネルギー差ΔＥｇの下限は、キャリアを活性層５内に有効に閉じ込める必要から０．１ｅＶ程度である。
【００１４】
尚、ｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６の層厚の和（ｔｎ＋ｔｐ）が２００ｎｍよりも狭くなると、当該ｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６内にキャリアが溜まりやすくなるため、立ち上がり電圧Ｖｊは低下する傾向を示す。但し、ｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６の層厚の和（ｔｎ＋ｔｐ）を２００ｎｍよりも狭くすると、光がｎ型およびｐ型クラッド層３，７内に多く浸み出してしまい、当該ｎ型およびｐ型クラッド層３，７のフリーキャリア吸収の影響を受けるので好ましくない。光をアンドープであるｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６内に８０％以上閉じ込めて、ｎ型およびｐ型クラッド層３，７のフリーキャリア吸収の影響を低減する観点からは、ｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６の層厚の和（ｔｎ＋ｔｐ）は発振波長の１／２以上、つまり４０５ｎｍ以上が好ましい。尚、ｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６の層厚の和（ｔｎ＋ｔｐ）の上限は、キャリアの拡散長である数μｍである。
【００１５】
以上のように、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置は、ｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６を、意識的にドーピングせずに、アンドープかそれに近いドーピングとすると共に、当該ｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６の層厚の和を２００ｎｍ以上とするので、光強度の多くを当該ｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６内に閉じ込めることができ、ｎ型およびｐ型クラッド層３，７のフリーキャリア吸収が減少し、結果的にスロープ効率の向上が図れる。更に、ｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６のバンドギャップエネルギーと活性層５のバンドギャップエネルギーの差であるバンドギャップエネルギー差ΔＥｇを０．３ｅＶ以下とするので、当該半導体レーザ装置に順方向に電流を流したときの電圧−電流特性の立ち上がり電圧Ｖｊを低減することができ、延いては、動作電圧の低減が図れる。これらの構成により、半導体レーザ装置の電気変換効率を高めることが可能となる。
【００１６】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る発振波長９２０ｎｍ近傍の半導体レーザ装置を示す斜視図である。図において、１１はＩｎｍＧａ１−ｍＡｓ活性層（層厚は１２ｎｍ）（以下、活性層１１とする。）である。その他は、図１と同じであるため、ここでは、説明を省略する。なお。図４の構成と図１の構成との違いは、図１の活性層５の代わりに、活性層１１が設けられている点である。
【００１７】
活性層１１のＩｎ組成比ｍとｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６のＡｓ組成比ｙを変えることで、活性層１１のバンドギャップエネルギーとｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６のバンドギャップエネルギーとの差であるバンドギャップエネルギーΔＥｇを変化させると共にｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６の層厚ｔｎ，ｔｐを変化させた場合の注入電流２４ｍＡ時の動作電圧を求めた結果を図５に示す。
【００１８】
同図より、バンドギャップエネルギー差ΔＥｇが０．３５ｅＶ以下では、動作電圧自体が小さくなることが判る。実施の形態１では、ΔＥｇが０．３ｅＶ以下で動作電圧が低下したが、本実施の形態では、０．３５ｅＶ以下となる。これは、本実施の形態の活性層が図１と異なるため、歪やバンドオフセット比の相違の影響を受けた結果と考えられる。但し、本実施の形態においても、バンドギャップエネルギー差ΔＥｇを０．３ｅＶ以下とすることで確実に動作電圧を下げることが可能である。バンドギャップエネルギー差ΔＥｇの下限は、キャリアを活性層１１内に有効に閉じ込める必要から０．１ｅＶ程度である。
【００１９】
なお、本実施の形態においても、ｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６の層厚の和（ｔｎ＋ｔｐ）を２００ｎｍ以上の例を示したが、光をｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６内に８０％以上閉じ込めて、ｎ型およびｐ型クラッド層３，７のフリーキャリア吸収の影響を低減する観点からは、ｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６の層厚の和（ｔｎ＋ｔｐ）は発振波長の１／２以上、つまり４６０ｎｍ以上が好ましい。尚、ｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６の層厚の和（ｔｎ，ｔｐ）の上限は、キャリアの拡散長である数μｍである。
【００２０】
以上のように、本実施の形態においても、上述の実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００２１】
なお、本発明に係る半導体レーザ装置の動作電圧は、上述の実施の形態１および２で説明したように、活性層５または１１のバンドギャップエネルギーとｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６のバンドギャップエネルギーとの差であるバンドギャップエネルギー差ΔＥｇ及びｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６の層厚ｔｎ，ｔｐの関係によって規定されるものである。よって、実施の形態１，２においては、発振波長８１０ｎｍ近傍及び９２０ｎｍ近傍の半導体レーザ装置を例示したが、これらに限るものではなく、他の波長帯の半導体レーザ装置でも、他の材料系の半導体レーザ装置でも成り立つものである。
【００２２】
また、実施の形態１，２において、活性層５または１１の層厚、ｎ型およびｐ型クラッド層３，７の組成や層厚等を固定して例示しているが、これらは一例であり、これらに限るものでないことは言うまでも無い。
【００２３】
また、実施の形態１，２においては、発振効率を高めるための電流狭窄方法としてプロトン注入による方法を示したが、これに限るものではなく、絶縁膜による方法、リッジ形成等の導波路による方法、ｎ−ＧａＡｓ半導体層を埋め込む等の電流ブロック層を挿入する方法等でも実現できることは言うまでもない。また、プラトン注入領域１０の層厚や領域範囲も一例であり、これに限定されるものではない。
【００２４】
尚、本発明は、ｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６の層厚の和が２００ｎｍ以上と厚いもので、かつ、当該ｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６が意識的にドーピングされずにアンドープかそれに近いドーピングとなっているものにおいて、活性層５または１１のバンドギャップエネルギーとｎ型およびｐ型クラッド層側ガイド層４，６のバンドギャップエネルギーとの差であるバンドギャップエネルギーΔＥｇを０．３ｅＶ以下とすると、立ち上がり電圧Ｖｊを小さくできることをはじめて見出したものである。
【符号の説明】
【００２５】
１  ｎ電極、２  ｎ型ＧａＡｓ基板、３  ｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．３５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層、４  ｎ型クラッド層側Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙガイド層、５  ＧａＡｓ１−ｚＰｚ活性層、６  ｐ型クラッド層側Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙガイド層、７  ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．３５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層、８  ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、９  ｐ電極、１０  プロトン注入領域、１１  ＩｎｍＧａ１−ｍＡｓ活性層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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