(57)【要約】【課題】単一のレーザ構造において複数の波長を発振することのできる半導体レーザを提供する。【解決手段】半導体基板上にクラッド層及び活性層を含む積層体が配置され、積層体の上面上に第１電極が配置され、活性層への電流注入領域がストライプ状に狭窄された利得導波型ストライプ構造の半導体レーザであって、活性層の積層面に平行であってレーザ光の出力方向に垂直な方向において、第１電極における電流注入領域に対応するストライプ部の幅Ｗｓと、第１電極における積層体の上面と対向する部位であってストライプ部から端部までの対向部の幅Ｗｏの比（Ｗｏ／Ｗｓ）が、１０よりも大きくなっている。【選択図】図１４
2008218913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に配置された第１導電型のクラッド層、前記クラッド層上に配置された活性層、及び前記活性層上に配置された前記第１導電型とは異なる第２導電型のクラッド層を少なくとも有する積層体と、
前記積層体の半導体基板配置面の裏面上に配置された第１電極と、
前記半導体基板の積層体配置面の裏面に形成された第２電極とを備え、前記活性層への電流注入領域がストライプ状に狭窄された利得導波型ストライプ構造の半導体レーザであって、
前記活性層の積層面に平行であってレーザ光の出力方向に垂直な方向において、前記第１電極における前記電流注入領域に対応するストライプ部の幅Ｗｓと、前記第１電極における前記積層体の半導体基板配置面の裏面と対向する部位であって前記ストライプ部から端部までの幅Ｗｏの比（Ｗｏ／Ｗｓ）が、１０よりも大きくされていることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記積層体の半導体基板配置面の裏面には、ストライプ状のコンタクトホールを有する絶縁膜が積層配置され、
前記第１電極は、前記コンタクトホールを覆うように前記絶縁膜に積層配置され、前記コンタクトホールを覆う部位が、前記ストライプ部として前記コンタクトホール内に配置されて前記積層体と接触され、
前記活性層の積層面に平行であってレーザ光の出力方向に垂直な方向において、前記コンタクトホールの幅が前記幅Ｗｓとされ、前記コンタクトホールの開口端から前記第１電極の端部までの前記絶縁膜と前記第１電極とが重なる領域の幅が前記幅Ｗｏとされていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記第１電極のストライプ部の幅Ｗｓに対する、前記ストライプ部から端部までの幅Ｗｏの比が１５以上とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記第１電極のストライプ部の幅Ｗｓに対する、前記ストライプ部から端部までの幅Ｗｏの比が６０以上とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記第１電極のストライプ部の幅Ｗｓが、１μｍ以上、３０μｍ未満とされていることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記第１電極のストライプ部の幅Ｗｓが、２０μｍ以下とされていることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記第１電極のストライプ部の幅Ｗｓが、５μｍ以下とされていることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ。
【請求項８】
前記第１電極のストライプ部から端部までの幅Ｗｏが、３００μｍとされていることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項９】
前記積層体は、メサ構造とされていることを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項１０】
前記活性層は、ＩｎＧａＡｓ層であることを特徴とする請求項１〜９いずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項１１】
前記活性層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ層であることを特徴とする請求項１〜９いずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項１２】
前記活性層は、量子井戸層であることを特徴とする請求項１〜１１いずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項１３】
前記活性層は、単一量子井戸層であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体レーザ。
【請求項１４】
前記積層体は、前記活性層から生じる光を閉じ込める光ガイド層として、前記活性層と前記第１導電型のクラッド層との間に配置された第１導電型の光ガイド層と、前記活性層と前記第２導電型のクラッド層との間に配置された第２導電型の光ガイド層を有することを特徴とする請求項１〜１３いずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項１５】
それぞれの前記光ガイド層は、その屈折率が前記活性層側で大きく、前記クラッド層側で小さく連続的に変化する屈折率分布構造とされていることを特徴とする請求項１４に記載の半導体レーザ。
【請求項１６】
前記光ガイド層は、ＡｌＧａＡｓからなることを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載の半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザに関し、特に利得導波型ストライプ構造の半導体レーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、波長の異なる複数の光を出力する半導体レーザとして、例えば特許文献１，２に示される構成のものが開示されている。
【０００３】
特許文献１においては、第１導電型クラッド層と、第１導電型クラッド層上に形成された活性層と、活性層上に形成された第２導電型クラッド層とを少なくとも有する積層体が、半導体基板の一面上に複数個並んで配置され、半導体基板表面の積層体間には絶縁膜が介在されている。そして、各積層体は、積層体ごとに波長の異なる光を出力するように構成されている。
【０００４】
また、特許文献２においては、半導体基板上に上述の積層体が形成され、この積層体上にさらに積層体が積み重ねられた構成となっている。そして、各積層体は、積層体ごとに波長の異なる光を出力するように構成されている。
【特許文献１】特開２００１−６０７４２号公報
【特許文献２】特開２００４−１６５４９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、いずれの構成においても、互いに波長の異なる光を出力する複数の積層体（すなわちレーザ素子）を必要とする。すなわち構成が複雑である。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑み、単一のレーザ構造において複数の波長を発振することのできる半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する為に請求項１に記載の発明は、第１導電型の半導体基板と、半導体基板上に配置された第１導電型のクラッド層、クラッド層上に配置された活性層、及び活性層上に配置された第１導電型とは異なる第２導電型のクラッド層を少なくとも有する積層体と、積層体の半導体基板配置面の裏面上に配置された第１電極と、半導体基板の積層体配置面の裏面に形成された第２電極とを備え、活性層への電流注入領域がストライプ状に狭窄された利得導波型ストライプ構造の半導体レーザであって、活性層の積層面に平行であってレーザ光の出力方向に垂直な方向において、第１電極における電流注入領域に対応するストライプ部の幅Ｗｓと、第１電極における積層体の半導体基板接触面の裏面と対向する部位であってストライプ部から端部までの幅Ｗｏの比（Ｗｏ／Ｗｓ）が、１０よりも大きくされていることを特徴とする。
【０００８】
このような構成とすると、注入電流値（注入電流密度）に応じて、１つの積層体から、波長の異なる複数の光を出力することができる。ここで、複数の光を出力するとは、波長の異なる光をそれぞれ独立して出力する（異なるタイミングで出力する）状態だけでなく、同時に出力する状態も含む。したがって、波長の異なる複数の光を出力する単一構造の半導体レーザとすることができる。これによれば、構成が簡素であるので、製造工程を簡素化することもできる。なお、比Ｗｏ／Ｗｓが１０以下においては、注入電流値を変化させても、単一波長の光のみが出力されるか、１つの光の強度に対して、波長の異なる残りの光の強度がごく僅か（１０％以下）であった。このことは本発明者によって確認されている。
【０００９】
ストライプ構造としては、例えば請求項２に記載のように、積層体の半導体基板配置面の裏面に、ストライプ状のコンタクトホールを有する絶縁膜が積層配置され、第１電極が、コンタクトホールを覆うように絶縁膜に積層配置され、コンタクトホールを覆う部位が、ストライプ部としてコンタクトホール内に配置されて積層体と接触され、活性層の積層面に平行であってレーザ光の出力方向に垂直な方向において、コンタクトホールの幅が幅Ｗｓとされ、コンタクトホールの開口端から第１電極の端部までの絶縁膜と第１電極とが重なる領域の幅が幅Ｗｏとされた構成とすると良い。このような所謂電極ストライプ構造を採用すると、１つの積層体から、波長の異なる複数の光を出力することができる。このことは本発明者によって確認されている。
【００１０】
請求項１又は請求項２に記載の発明においては、請求項３に記載のように、比Ｗｏ／Ｗｓを１５以上とすると良い。このような構成とすると、波長の異なる複数の光の強度を、それぞれ効果的に高めることができる。より好ましくは、請求項４に記載のように、比Ｗｏ／Ｗｓを６０以上とすると良い。このような構成とすると、異なる波長の光をそれぞれ独立して発光させることが可能となる。すなわち、異なる波長の光のスイッチングが可能となる。
【００１１】
請求項１〜４いずれかに記載の発明においては、請求項５に記載のように、第１電極のストライプ部の幅Ｗｓを１μｍ以上、３０μｍ未満とすると良い。この範囲内であれば、１つの積層体から、波長の異なる複数の光を出力することができる。好ましくは、請求項６に記載のように、第１電極のストライプ部の幅Ｗｓを２０μｍ以下とすると良い。このような構成とすると、波長の異なる複数の光の強度を、それぞれ効果的に高めることができる。より好ましくは、請求項７に記載のように、第１電極のストライプ部の幅Ｗｓを５μｍ以下とすると良い。このような構成とすると、異なる波長の光をそれぞれ独立して発光させることが可能となる。すなわち、異なる波長の光のスイッチングが可能となる。
【００１２】
請求項１〜７いずれかに記載の発明においては、第１電極のストライプ部から端部までの幅Ｗｏとして、例えば請求項８に記載のように３００μｍを採用することができる。これによれば、ストライプ幅を適宜設定することで、単一のレーザ構造から波長の異なる複数の光を出力することができる。
【００１３】
請求項１〜８いずれかに記載の発明においては、例えば請求項９に記載のように、積層体の構造をメサ構造としても良い。なお、メサ構造とすると、ウェハをダイシングして１チップ化する際に、活性層へのダメージを抑制することができる。
【００１４】
請求項１〜９いずれかに記載の発明においては、活性層の構成材料として、例えば請求項１０に記載のように、ＩｎＧａＡｓを採用すると良い。これによれば、１つの積層体から、波長の異なる複数の光を出力することができる。また、請求項１１に記載のように、ＡｌＧａＩｎＡｓを採用しても良い。この場合、所定組成とすることで、波長の異なる複数の光として、ＣＤ用の波長（７８０ｎｍ）とＤＶＤ用の波長（６５０ｎｍ）を１つの積層体から出力することができる。
【００１５】
請求項１〜１１いずれかに記載の発明においては、請求項１２に記載のように、活性層を量子井戸層とすることが好ましく、例えば請求項１３に記載のように単一量子井戸層とすると良い。量子井戸の場合、電子が積層方向に量子化されてエネルギー準位が離散化された準位に分かれている。したがって、注入電流値によって、荷電子帯から励起される伝導帯のエネルギー準位（第１準位とサブ準位）が変化し、その結果、伝導帯から荷電子帯への遷移の際にエネルギー準位に応じた波長の光を出力することができる。
【００１６】
請求項１〜１３いずれかに記載の発明においては、請求項１４に記載のように、積層体が、活性層から生じる光を閉じ込める光ガイド層として、活性層と第１導電型のクラッド層との間に配置された第１導電型の光ガイド層と、活性層と第２導電型のクラッド層との間に配置された第２導電型の光ガイド層を有する構成とすることが好ましい。
【００１７】
このように、光ガイド層を活性層の両側に設けた構造（所謂ＳＣＨ構造）とすると、活性層内に光を閉じ込める効果が高まり、活性層内の光密度を調整することができる。
【００１８】
請求項１４に記載の発明においては、例えば請求項１５に記載のように、それぞれの光ガイド層を、その屈折率が活性層側で大きく、クラッド層側で小さく連続的に変化する屈折率分布構造とすると良い。
【００１９】
このように、光ガイド層を所謂グレーデッドインデックス構造とすると、光ガイド層で光を効果的に閉じ込めることができるので、閾値電流密度を小さくすることができる。
【００２０】
請求項１４又は請求項１５に記載の発明においては、光ガイド層として、例えば請求項１６に記載のように、ＡｌＧａＡｓを採用すると良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体レーザの概略構成を示す断面図である。図２は積層体上部の拡大断面図である。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ１００は、端面発光型の半導体レーザであり、半導体基板１０１と、半導体基板１０１上に配置された第１導電型のクラッド層１０３、クラッド層１０３上に配置された活性層１０５、及び活性層１０５上に配置された第１導電型とは異なる第２導電型のクラッド層１０７を少なくとも有する積層体と、積層体の半導体基板配置面の裏面（以下、上面と示す）上に配置された第１電極１１０と、半導体基板１０１の積層体配置面の裏面（以下、下面と示す）に形成された第２電極１１１とを有している。
【００２３】
半導体基板１０１としては特に限定されるものではない。本実施形態においては、ｎ−ＧａＡｓ基板を採用している。詳しくは、Ｓｉをドーパントとしてキャリア濃度が２×１０１８ｃｍ−３程度に調整された厚さが略６００μｍのｎ−ＧａＡｓ基板を採用している。
【００２４】
半導体基板１０１の一面上には、結晶性を高める層であるバッファ層１０２が形成されている。本実施形態においては、Ｓｅをドーパントとしてキャリア濃度が２×１０１８ｃｍ−３程度に調整された厚さが略５００ｎｍのｎ−ＧａＡｓからなるバッファ層１０２を採用している。そして、バッファ層１０２上に、レーザ素子としての積層体が構成されている。積層体は、バッファ層１０２の一部の領域に対して、ｎ−ＡｌＧａＡｓからなるクラッド層１０３、ｎ−ＡｌＧａＡｓからなる光ガイド層１０４、ＩｎＧａＡｓからなる活性層１０５、ｐ−ＡｌＧａＡｓからなる光ガイド層１０６、ｐ−ＡｌＧａＡｓからなるクラッド層１０７、Ｚｎをドーパントとしてキャリア濃度が１×１０１９ｃｍ−３程度に調整された厚さが略５００μｍのｐ−ＧａＡｓからなるコンタクト層１０８の順で積層して構成されている。このように積層体は、半導体基板１０１上においてメサ構造となっている。
【００２５】
活性層１０５は、注入されたキャリアが再結合し、該層のバンドギャップエネルギーに応じた波長の光を発光する層である。本実施形態においては、ＩｎＧａＡｓからなり、厚さが略１０ｎｍの単一量子井戸（ＳＱＷ）層を採用している。なお、本実施形態においては、活性層１０５に隣接配置される光ガイド層１０４．１０６がＡｌＧａＡｓからなるので、活性層１０５が歪量子井戸層となっている。
【００２６】
クラッド層１０３，１０７は、活性層の接合領域の電子密度及びホール密度を高める層であり、光ガイド層１０４，１０６と同様に、光を活性層１０５に閉じ込める機能も有している。本実施形態においては、クラッド層１０３，１０７のＡｌ組成がともに０．５（Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ）となっている。また、クラッド層１０３は、Ｓｅをドーパントとしてキャリア濃度が５×１０１７ｃｍ−３程度に調整され、その厚さが略１０００μｍとなっている。クラッド層１０７は、Ｚｎをドーパントとしてキャリア濃度が２×１０１８ｃｍ−３程度に調整され、その厚さが略１０００μｍとなっている。
【００２７】
光ガイド層１０４，１０６は、発光した光を活性層１０５に閉じ込める層である。本実施形態においては、上述したように、光ガイド層１０４，１０６が、積層方向において活性層１０５の両側に形成された分離閉じ込め構造（ＳＣＨ構造）となっている。したがって、活性層１０５内に光を閉じ込める効果が高く、閾値電流密度を小さくすることができる。また、光ガイド層１０４，１０６は、そのＡｌ組成が活性層１０５からの距離に応じて段階的に変化されており、これにより屈折率が活性層１０５側で大きく、隣接するクラッド層１０３，１０７側で小さく連続的に変化するグレーデッドインデックス構造（ＧＲＩＮ構造）となっている。このように、光ガイド層１０４，１０７をＧＲＩＮ構造とすると、光ガイド層１０４，１０６で光をより効果的に閉じ込めることができるので、閾値電流密度をさらに小さくすることができる。なお、光ガイド層１０４は、クラッド層１０３側の略３００ｎｍの範囲がＳｅをドーパントとしてキャリア濃度が２×１０１７ｃｍ−３程度に調整され、活性層１０５側の略３００ｎｍの範囲が不純物の添加されていない構成となっている。また、光ガイド層１０６は、クラッド層１０７側の略３００ｎｍの範囲がＺｎをドーパントとしてキャリア濃度が２×１０１７ｃｍ−３程度に調整され、活性層１０５側の略３００ｎｍの範囲が不純物の添加されていない構成となっている。
【００２８】
なお、本実施形態においては、クラッド層１０３，１０７及び光ガイド層１０４，１０６が、後述する第１準位からの遷移による波長λ１の光で効率よく共振するように設計されている。しかしながら、共振器の構成が、第１準位の波長λ１と後述するサブ準位（第２準位）の波長λ２を考慮して設計されても良い。また、波長λ１と波長λ２がスイッチング可能な場合には、波長λ２で効率よく共振するように設計されても良い。
【００２９】
このように構成される積層体の上面には、絶縁膜１０９を介してｐ型電極としての第１電極１１０が形成されている。本実施形態においては、シリコン酸化膜からなる絶縁膜１０９を採用しており、積層体の上面に対向する部位の一部にストライプ状のコンタクトホール１０９ａを有している。コンタクトホール１０９ａは、図２に示すように、活性層１０５の積層面に平行であってレーザ光の出力方向（図１において紙面に垂直な方向）に垂直な方向の幅（以下、ストライプ幅Ｗｓと示す）が所定幅（一例として５μｍ）とされ、レーザ光の出力方向の長さ（共振器長）が８００μｍとされている。なお、絶縁膜１０９は、積層体の上面だけでなく、積層体の配置面であって、積層体の側面及び積層体が配置されないバッファ層１０２（半導体基板１０１）の部位にも形成されている。また、ストライプ幅Ｗｓは、コンタクトホール１０９ａの精度を考慮すると、１μｍ以上とすることが好ましい。
【００３０】
第１電極１１０は、例えばＣｒ／Ｐｔ／Ａｕからなり、コンタクトホール１０９ａを覆うように絶縁膜１０９上に積層配置され、コンタクトホール１０９ａを覆う部位が、ストライプ部１１０ａとしてコンタクトホール１０９ａ内に配置されて積層体（コンタクト層１０８）と接触されている。そして、コンタクトホール１０９ａのストライプ幅Ｗｓと第１電極１１０のストライプ部１１０ａの幅が略等しくなっている。なお、本実施形態においては、図２に示すように、活性層１０５の積層面に平行であってレーザ光の出力方向に垂直な方向において、積層体の上面と対向する第１電極１１０の部位のうち、ストライプ部１１０ａから端部までの対向部１１０ｂ（すなわち、コンタクトホール１０９ａの開口端から積層体の上面と対向する第１電極１１０の端部までの、絶縁膜１０９と第１電極１１０とが重なる領域）の幅Ｗｏ（以下、オーバーラップ幅Ｗｏと示す）が、３００μｍとなっている。
【００３１】
また、半導体基板１０１の下面には、例えばＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる第２電極１１１がｎ型電極として積層形成されている。このように、本実施形態においては、絶縁膜１０９のコンタクトホール１０９ａによって、活性層１０５への電流注入領域がストライプ状に狭窄される構成となっている。また、水平方向（積層体の構成要素の積層方向に対して垂直な方向）において、活性層１０５に隣接する電流注入領域は屈折率が調整されていない。したがって、半導体レーザ１００が、利得導波型ストライプ構造の半導体レーザとなっている。
【００３２】
上述の半導体レーザ１００においては、バッファ層１０２や積層体を構成する各層を、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法やＭＢＥ（分子線エピタキシー）法などの公知の結晶成長方法を用いて形成することができる。そして、結晶成長後、積層体をメサ構造とするためのメサエッチングやＣＶＤなどによる絶縁膜１０９の形成、蒸着やスパッタなどによる第１電極１１０及び第２電極１１１形成を経て、半導体レーザ１００を形成するができる。
【００３３】
このように構成される半導体レーザ１００において、本発明者は、注入電流値（注入電流密度）と発光波長との関係について確認を行った。その結果を、図３〜図１１に示す。図３は、注入電流１Ａにおける発光波長特性を示す図である。図４は、注入電流２Ａにおける発光波長特性を示す図である。図５は、注入電流３Ａにおける発光波長特性を示す図である。図６は、注入電流４Ａにおける発光波長特性を示す図である。図７は、注入電流５Ａにおける発光波長特性を示す図である。図８は、注入電流６Ａにおける発光波長特性を示す図である。図９は、注入電流７Ａにおける発光波長特性を示す図である。図１０は、注入電流８Ａにおける発光波長特性を示す図である。図１１は、注入電流１０Ａにおける発光波長特性を示す図である。なお、図３〜図１１においては、上述した半導体レーザ１００において、ストライプ幅Ｗｓを５μｍ、オーバーラップ幅Ｗｏを３００μｍとし、パルス幅５０ｎｓｅｃ、周波数１ｋＨｚ、Ｄｕｔｙ０．００５％で第１電極１１０及び第２電極１１１間の電流値を変化させて測定を行った。
【００３４】
注入電流値が１Ａ（注入電流密度２５ｋＡ／ｃｍ２）においては、図３に示すように、主として波長８１０〜８２０ｎｍ辺り（以下、波長λ２と示す）にピークを持つ発光が確認された。なお、図３に示すように、波長８７０〜８８０ｎｍ辺り（以下、波長λ１と示す）にピークを持つ発光も僅かながら確認されたが、その発光強度は波長λ２にピークを持つ発光の１０％以下であった。
【００３５】
これに対し、注入電流値を２Ａ（注入電流密度５０ｋＡ／ｃｍ２）とすると、図４に示すように、主要な発光として、波長λ２にピークを持つ発光と波長λ１にピークを持つ発光の、発光強度の近い異なる波長の２つの発光が確認された。さらに注入電流値を大きくすると、図５〜図１０に示すように、注入電流値を大きくするにつれて波長λ２にピークを持つ発光に対し、波長λ１にピークを持つ発光の強度が大きくなることが確認された。
【００３６】
そして、注入電流値を１０Ａ（注入電流密度２５０ｋＡ／ｃｍ２）とすると、図１１に示すように、主として波長λ１にピークを持つ発光が確認された。図１１に示すように、波長λ２にピークを持つ発光も僅かながら確認されたが、その発光強度は波長λ１にピークを持つ発光の１０％以下であった。
【００３７】
図１２は、図３〜図１１に示す結果をまとめると、注入電流と発光強度との関係を示す模式図である。なお、図１２に示すＰλ１は波長λ１の発光エネルギー、Ｐλ２は波長λ２の発光エネルギー、Ｐλ１＋Ｐλ２は全発光エネルギーを示している。図１２に示すように、上述した態様の半導体レーザ１００においては、注入電流値に応じて、ほぼ波長λ２にピークを持つ発光のみの状態（全発光エネルギーＰλ１＋Ｐλ２に占める波長λ２の発光エネルギーＰλ２が、全発光エネルギーに占める波長λ１の発光エネルギーＰλ１に対して支配的である状態）と、波長λ１と波長λ２にピークを持つ発光の混在状態、ほぼ波長λ１にピークを持つ発光のみの状態（全発光エネルギーＰλ１＋Ｐλ２に占める波長λ１の発光エネルギーＰλ１が、全発光エネルギーに占める波長λ２の発光エネルギーＰλ２に対して支配的である状態）を示すことができる。すなわち、注入流電流値に応じて、同一の積層体から波長の異なる複数の光を出力することが可能である。
【００３８】
ここで、同一の積層体から波長の異なる複数の光を出力する現象は、注入電流によって荷電子帯から電子が励起される伝導帯のエネルギー準位が異なり、それによって伝導帯から荷電子帯に電子が遷移する際の発光波長が異なることによって生じるものと考えられる。そこで、本発明者は、上述の現象を、シュレージンガーの波動方程式から導出される単一量子井戸の量子準位計算式を用いて検証した。なお、伝導帯における量子準位のうち、第１準位（ｎ＝１）は数式１に、サブ準位である第２準位（ｎ＝２）は数式２に示す通りである。
【００３９】
【数１】
2008218913.tif 000003
【００４０】
【数２】
2008218913.tif 000004
【００４１】
数式１，２において、ｍ１＊：ポテンシャル障壁層（光ガイド層）での電子の有効質量、ｍ２＊：量子井戸層（活性層）での電子の有効質量、Ｖ０：ポテンシャル障壁の高さ、Ｌｚ：量子井戸層の厚さ、Ｅ：量子準位、ｈ：プランク定数である。また、エネルギーＥ（Ｊ）と波長λ（μｍ）との関係は次式に示すとおりである。なお、ｃは光速度である。
（式３）Ｅ＝ｈｃ／λ
数式１〜３による計算結果を図１３に示す。図１３は、量子準位と発光波長との関係を示す図であり、第１準位を実線で示し、第２準位を破線で示している。なお、計算するに当たり、上述した活性層１０５の組成をＩｎ０．０５５Ｇａ０．９４５Ａｓとし、光ガイド層１０４，１０６の組成をＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓとしている。図１３に示すように、活性層１０５の厚さを１０ｎｍとすると、第１準位の発光波長が８８０ｎｍ、第２準位の発光波長が８１１ｎｍとなることが分かる。すなわち、本実施形態に係る半導体レーザ１００において、同一の積層体から出力された波長の異なる複数の光（λ１：８７０〜８８０ｎｍ、λ２：８１０〜８２０ｎｍ）は、伝導帯における第１準位から荷電子帯への遷移と、サブ準位（本実施形態においては第２準位）から荷電子帯への遷移とにともなう発光であるものと推定することができる。
【００４２】
また、本発明者は、上述した態様の半導体レーザ１００において、同一の積層体から波長の異なる複数の光を出力する現象についてさらに精査した。具体的には、上述した態様の半導体レーザ１００において、オーバーラップ幅Ｗｏを３００μｍで固定し、ストライプ幅Ｗｓを、上述した５μｍ以外にも、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、及び５０μｍとして、それぞれにおいて注入電流値を変化させた。その結果を図１４及び図１５に示す。図１４は、ストライプ幅Ｗｓに対するオーバーラップ幅Ｗｏの比（Ｗｏ／Ｗｓ）と、各波長λ１、λ２の発光強度比との関係を示す図である。図１５は、ストライプ幅Ｗｓと、各波長λ１、λ２の発光強度比との関係を示す図である。なお、図１４，１５において、各波長λ１、λ２の発光強度比とは、全発光エネルギー（Ｐλ１＋Ｐλ２）に占める波長λ１の発光エネルギーＰλ１の最大値に対する、全発光エネルギー（Ｐλ１＋Ｐλ２）に占める波長λ２の発光エネルギーＰλ２の最大値の比である。発光強度比が１の場合には、注入電流値によって、発光波長λ１が支配的な状態と発光波長λ２が支配的な状態とがそれぞれ存在することを示している。
【００４３】
図１４に示すように、比Ｗｏ／Ｗｓを１０よりも大きくすると、第１準位からの遷移に伴う波長λ１の発光強度に対して、サブ準位である第２準位からの遷移に伴う波長λ２の発光強度が大きくなる（１０％以上となる）ことが明らかである。すなわち、波長λ１の光を単独出力する、又は、波長λ１と波長λ２の光を同時に出力することができる。また、比Ｗｏ／Ｗｓを１５以上とすると、第１準位からの遷移に伴う波長λ１の発光強度に対して、サブ準位である第２準位からの遷移に伴う波長λ２の発光強度がより大きくなる（５０％以上となる）ことが明らかである。すなわち、波長λ１と波長λ２の光を同時に出力する際に、波長λ２の発光強度を大きくすることができる。さらには、比Ｗｏ／Ｗｓを６０以上とすると、第１準位からの遷移に伴う波長λ１の発光強度に対して、サブ準位である第２準位からの遷移に伴う波長λ２の発光強度がほぼ同等となることが明らかである。すなわち、波長λ１の光を単独出力、波長λ２の光を単独出力、又は波長λ１と波長λ２の光を同時に出力することができる。したがって、１つの積層体において、異なる波長の光を異なるタイミングで出力することも可能である。
【００４４】
同様に、図１５に示すように、ストライプ幅Ｗｓを３０μｍよりも小さくすると、第１準位からの遷移に伴う波長λ１の発光強度に対して、サブ準位である第２準位からの遷移に伴う波長λ２の発光強度が大きくなる（１０％以上となる）ことが明らかである。すなわち、波長λ１の光を単独出力する、又は、波長λ１と波長λ２の光を同時に出力することができる。また、ストライプ幅Ｗｓを２０μｍ以下とすると、第１準位からの遷移に伴う波長λ１の発光強度に対して、サブ準位である第２準位からの遷移に伴う波長λ２の発光強度がより大きくなる（５０％以上となる）ことが明らかである。すなわち、波長λ１と波長λ２の光を同時に出力する際に、波長λ２の発光強度を大きくすることができる。さらには、ストライプ幅Ｗｓを５μｍ以下とすると、第１準位からの遷移に伴う波長λ１の発光強度に対して、サブ準位である第２準位からの遷移に伴う波長λ２の発光強度がほぼ同等となることが明らかである。すなわち、波長λ１の光を単独出力、波長λ２の光を単独出力、又は波長λ１と波長λ２の光を同時に出力することができる。
【００４５】
このように、本実施形態に係る半導体レーザ１００によれば、１つの積層体（単一構造の半導体レーザ）から波長の異なる複数の光を出力することができる。したがって、構成が簡素であるので、製造工程を簡素化することもできる。特に本実施形態においては、比Ｗｏ／Ｗｓを６０（ストライプ幅Ｗｓを５μｍ）としているので、注入電流値（注入電流密度）に応じて、１つの積層体から波長の異なる複数の光（第１準位からの遷移とサブ準位からの遷移による）を出力することができる。また、第１準位からの遷移に伴う波長λ１の光を単独出力、サブ準位である第２準位からの遷移に伴う波長λ２の光を単独出力、又は波長λ１と波長λ２の光を同時に出力することができる。すなわち、１つの積層体において、異なる波長の光を異なるタイミングで出力することも可能（スイッチングが可能）である。例えば、本実施形態に示した構成によれば、波長λ１，λ２が、それぞれ固体レーザ媒質であるＮｄ：ＹＡＧの結晶の励起波長となっている。したがって、１つの半導体レーザ１００で、複数の励起光源と同じ効果を発揮することも可能である。
【００４６】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００４７】
本実施形態においては、ストライプ構造として、絶縁膜１０９にコンタクトホール１０９ａが設けられ、コンタクトホール１０９ａを介して第１電極１１０が積層体と接触される所謂電極ストライプ構造を採用する例を示した。しかしながら、ストライプ構造は電極ストライプ構造に限定されるものではない。利得導波型のストライプ構造であれば採用することができる。
【００４８】
本実施形態においては、積層体がメサ構造とされる例を示した。しかしながら、メサエッチングされずに半導体基板１０１の一面上に配置された構成としても良い。しかしながら、メサ構造とすると、ウェハをダイシングして１チップ化する際に、活性層へのダメージを抑制することができる。なお、本実施形態においては、バッファ層１０２を積層体として含めない例を示したが、バッファ層１０２を積層体として含めても良い。したがって、バッファ層１０２もメサエッチングされた構成としても良い。また、第１電極１１０が、絶縁膜１０９上全体を覆うように積層形成される例を示した。しかしながら、第１電極１１０が、積層体の上面のみと対向するように、絶縁膜１０９の一部上にのみ積層された構成としても良い。
【００４９】
本実施形態においては、活性層１０５として、ＩｎＧａＡｓからなる単一量子井戸層（より詳しくは、歪量子井戸層）を採用する例を示した。しかしながら、活性層１０５の構成は上記例に限定されるものではない。例えば多重量子井戸層を採用することもできる。また、量子井戸でなくとも良い。例えば活性層１０５を、ＡｌＧａＩｎＡｓからなる単一量子井戸層としても良い。この場合、活性層１０５の組成をＡｌ０．２５Ｇａ０．４７Ｉｎ０．２８Ａｓとすると、上述した数式１〜３の結果結果から、図１６に示すように、活性層１０５の厚さを５．５ｎｍとした場合に、第１準位の発光波長を７７６ｎｍ、第２準位の発光波長を６４８ｎｍとすることができることが明らかである。すなわち、波長の異なる複数の光として、ＣＤ用の波長（略７８０ｎｍ）とＤＶＤ用の波長（略６５０ｎｍ）を１つの積層体から出力することができる。それ以外にも、活性層１０５の構成材料としては、ＡｌＧａＡｓやＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰなどを採用することも可能である。
【００５０】
本実施形態においては、光ガイド層１０４，１０６が、ＧＲＩＮ構造とされた例を示した。しかしながら、ＧＲＩＮ構造に限定されるものではない。例えばステップインデックス構造としても良い。また、光ガイド層１０４，１０６がＡｌＧａＡｓからなる例を示したが、構成材料は上記例に限定されるものではない。例えばＡｌＧａＩｎＡｓやＡｌＧａＩｎＰなどを採用することも可能である。
【００５１】
本実施形態においては、オーバーラップ幅Ｗｏを３００μｍとする例を示した。しかしながら、オーバーラップ幅Ｗｏは３００μｍに限定されるものではない。
【００５２】
本実施形態においては、半導体基板１０１に１つの積層体が配置された例を示した。しかしながら、半導体基板１０１に複数の積層体が配置された構成としても良い。
【００５３】
なお、積層体の構成は上述した例に限定されるものではない。クラッド層１０３，１０７と活性層１０５を少なくとも有していれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】第１実施形態に係る半導体レーザの概略構成を示す断面図である。
【図２】積層体上部の拡大断面図である。
【図３】注入電流１Ａにおける発光波長特性を示す図である。
【図４】注入電流２Ａにおける発光波長特性を示す図である。
【図５】注入電流３Ａにおける発光波長特性を示す図である。
【図６】注入電流４Ａにおける発光波長特性を示す図である。
【図７】注入電流５Ａにおける発光波長特性を示す図である。
【図８】注入電流６Ａにおける発光波長特性を示す図である。
【図９】注入電流７Ａにおける発光波長特性を示す図である。
【図１０】注入電流８Ａにおける発光波長特性を示す図である。
【図１１】注入電流１０Ａにおける発光波長特性を示す図である。
【図１２】注入電流と発光強度との関係を示す模式図である。
【図１３】量子準位と発光波長との関係を示す図である。
【図１４】ストライプ幅Ｗｓに対するオーバーラップ幅Ｗｏの比（Ｗｏ／Ｗｓ）と、各波長λ１、λ２の発光強度比との関係を示す図である。
【図１５】ストライプ幅Ｗｓと、各波長λ１、λ２の発光強度比との関係を示す図である。
【図１６】変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１００・・・半導体レーザ
１０１・・・半導体基板
１０３，１０７・・・クラッド層
１０４，１０６・・・光ガイド層
１０５・・・活性層
１０９・・・絶縁膜
１０９ａ・・・コンタクトホール
１１０・・・第１電極
１１０ａ・・・ストライプ部
【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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【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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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