(57)【要約】【課題】高い集光密度でかつ高い出力を得られる半導体レーザアレイ光源を提供すること。【解決手段】半導体レーザ素子１は、第１導電型クラッド層１３と、第２導電型クラッド層１７と、第１導電型クラッド層１３と第２導電型クラッド層１７とに挟まれた量子井戸活性層１５とを有している。第１導電型クラッド層１７には、当該第１導電型クラッド層１７よりもレーザ光に対する屈折率が低く且つ量子井戸活性層１５に達しない深さを有する第２導電型半導体領域２１が、所定の間隔をおいて複数配列されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型クラッド層と、第２導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層と前記第２導電型クラッド層とに挟まれた量子井戸活性層とを有する半導体レーザ素子であって、
前記第１導電型クラッド層には、当該第１導電型クラッド層よりもレーザ光に対する屈折率が低く且つ前記量子井戸活性層に達しない深さを有する第２導電型半導体領域が、所定の間隔をおいて複数配列されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
隣接する前記第２導電型半導体領域の間の前記第１導電型クラッド層の領域に対応する前記量子井戸活性層の各々の領域が、空間横シングルモード発振により発生するレーザ光の発生領域とな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】
請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子が前記第２導電型半導体領域の配列方向と同じ方向に複数配列されていることを特徴とする半導体レーザアレイ。
【請求項４】
半導体レーザ素子が、アレイ状に複数配列された半導体レーザアレイであって、
前記半導体レーザ素子は、屈折率導波路構造を有し且つ空間横シングルモード発振によりレーザ光を出射する半導体レーザユニットを複数備えており、
前記各半導体レーザユニットは、前記半導体レーザ素子の配列方向と同じ方向に配列されていることを特徴とする半導体レーザアレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザ素子及び半導体レーザアレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体レーザにはより高い出力、より高い集光密度が求められている。従来、高出力が得られる半導体レーザ素子としては例えば特許文献１に開示されたような利得導波路を持つブロードエリア型構造のものが多く用いられていた。通常この構造の半導体レーザ素子は電流注入領域の幅（発光領域幅）１００〜２００μｍ程度に設計され、マルチ空間横モードで発振する。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２５７４１７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記利得導波構造の半導体レーザ素子は高い出力は得られるものの、マルチ空間横モードで発振し発光領域内で不均一な熱分布が発生するため、１つの出射領域から出射されるレーザ光は活性層に対して水平成分の遠視野像は中心部分が低く両端が高い、両端にピークがある形となっている（図７（ａ）参照）。このようなレーザ光はレンズとの結合効率が低く、レンズによる光の整形も困難であるため集光面積も大きくなってしまい高い集光密度が得られない。
【０００５】
一方、レンズとの結合効率を高くし集光面積を小さくするためには出射領域から出射されるレーザ光の遠視野像を単峰性のガウス形状（図７（ｂ）参照）に近づけることが必要である。しかしながらこのような単峰性の遠視野像の光を半導体レーザから得るためには、空間横シングルモードでの発振が必要であるため、構造上高い出力光を得ることは難しい。
【０００６】
このように従来の半導体レーザ素子を光源として高い光密度かつ高い出力を得ることは困難であった。
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点を解決し、高い集光密度でかつ高い出力を得られる半導体レーザ素子及び半導体レーザアレイを提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る半導体レーザ素子は、第１導電型クラッド層と、第２導電型クラッド層と、第１導電型クラッド層と第２導電型クラッド層とに挟まれた量子井戸活性層とを有する半導体レーザ素子であって、第１導電型クラッド層には、当該第１導電型クラッド層よりもレーザ光に対する屈折率が低く且つ量子井戸活性層に達しない深さを有する第２導電型半導体領域が、所定の間隔をおいて複数配列されていることを特徴とする。
【０００９】
本半導体レーザ素子によれば、第１導電型クラッド層に上記第２導電型半導体層が所定の間隔をおいて複数配列されているので、隣接する一対の第２導電型半導体領域と当該第２導電型半導体領域の間に位置する第１導電型クラッド層とにより屈折率導波路構造が形成されることとなる。このため、発生したレーザ光を第２導電型半導体領域の間に位置する第１導電型クラッド層に対応する量子井戸活性層の領域に閉じ込めることができる。よって、発生したレーザ光同士の位相結合を防止することができるため、上記第２導電型半導体層の配列間隔を狭くすることができ、高出力のレーザ光を得ることが可能となる。
【００１０】
また、上記半導体レーザ素子は、隣接する第２導電型半導体領域の間の第１導電型クラッド層の領域に対応する量子井戸活性層の各々の領域が、空間横シングルモード発振により発生するレーザ光の発生領域となることを特徴としてもよい。
【００１１】
本半導体レーザ素子は空間横シングルモード発振するため単峰性の遠視野像を有するレーザ光を出射することができる。これら複数のレーザ光が半導体レーザ素子に配列された各々の領域で発生し出射されるので半導体レーザ素子全体としても単峰性の遠視野像を有するレーザ光を出射することができる。単峰性の遠視野像を有するレーザ光はレンズとの結合効率が高いため平行化を高精度に行うことができ、高い集光密度が得ることが可能となる。
【００１２】
また、本発明の半導体レーザアレイは、上記半導体レーザ素子が第２導電型半導体領域の配列方向と同じ方向に複数配列されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の半導体レーザアレイは、半導体レーザ素子が、アレイ状に複数配列された半導体レーザアレイであって、半導体レーザ素子は、屈折率導波路構造を有し且つ空間横シングルモード発振によりレーザ光を出射する半導体レーザユニットを複数備えており、各半導体レーザユニットは、半導体レーザ素子の配列方向と同じ方向に配列されていることを特徴とする。
【００１４】
上記半導体レーザアレイによれば、半導体レーザ素子内のそれぞれの半導体レーザユニットが空間横シングルモードで発振するので単峰性の遠視野像を有するレーザ光を出射することができる。これら複数の出射領域が半導体レーザ素子に配列されるので半導体レーザ素子全体としても単峰性の遠視野像を有するレーザ光を出射することができる。また、このような半導体レーザユニットを複数配列することによって高出力を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
【００１６】
本実施形態の半導体レーザアレイ１は波長帯９４０ｎｍのレーザ光を出射するものであり、図１に示すとおり一次元方向に配列された複数の半導体レーザ素子３を有している。半導体レーザ素子３は１つの出射領域５を含み、出射領域５は上記半導体レーザ素子３の配列方向と略垂直にレーザ光を出射するようになっている。出射領域５は出射領域５ａが半導体レーザ素子３の配列方向と同じ方向に複数配列された集合領域であり、出射領域５ａのそれぞれがレーザ光を出射するようになっている。以下、図１に示すように半導体レーザ素子３がアレイ状に配列された方向をｘ方向、レーザ光出射の方向をｚ方向とし、ｘ方向、ｚ方向の双方に垂直な方向をｙ方向として説明する。図２はｘ方向、ｙ方向を双方含む面を切断面とした半導体レーザ素子３の出射領域５に対応する部分の断面図である。
【００１７】
半導体レーザ素子３は、図２に示すように、基板１１上にｎ型クラッド層１３（第２導電型クラッド層）、量子井戸活性層１５、ｐ型クラッド層１７（第１導電型クラッド層）、及びキャップ層１９、をｙ方向に積層した構造を有している。本実施形態においては、基板１１はn-GaAsから成りｙ方向の厚さは約100μｍである。量子井戸活性層１５はGaInAs/AlGaAsから成りｙ方向の厚さ約0.1μｍである。ｎ型クラッド層１３はn-AlGaAsから成りｙ方向の厚さ約２μｍである。ｐ型クラッド層１７はp-AlGaAsから成りｙ方向の厚さ約２μｍである。キャップ層１９はｐ型GaAsから成りｙ方向の厚さ約０.１μｍである。
【００１８】
ブロック領域２１（第２導電型半導体領域）は、キャップ層１９を貫通し、ｐ型クラッド層１７まではいり込んだ状態で複数設けられ、一定間隔でｘ方向に配列されている。ブロック領域２１のｙ方向の深さはｐ型クラッド層１７を貫通せず、量子井戸活性層１５に達する深さよりも浅くなっており、ブロック領域２１は量子井戸活性層１５には達していない。ブロック領域２１は第１ブロック層２１ａ及び第２ブロック層２１ｂがｙ方向に積層された構造を有している。本実施形態においては、ブロック領域２１のｘ方向の幅約１０μｍ、ｙ方向の厚さ約２.０μｍとなっており、約１５μｍの一定間隔でｘ方向に１０個配列されている。第１ブロック層２１ａはn-AlGaAsから成りｙ方向の厚さ約１.８μｍである。第２ブロック層２１ｂはn-GaAsから成りｙ方向の厚さ約０.２μｍである。
【００１９】
キャップ層１９の上層にはｐ−電極２３が設けられ、ｐ−電極２３の反対面側にはｎ−電極２５が設けられることによって、半導体レーザ素子３に電流を供給できるようになっている。
【００２０】
上述したようにｐ型クラッド層１７内部にはｘ方向に約１０μｍのブロック領域２１と当該ブロック領域２１に挟まれた約５μｍのｐ型クラッド層１７の領域とが交互に配列されている。ブロック領域２１で分割された１つの領域を半導体レーザユニット３ａとすると、半導体レーザ素子３は略等間隔で半導体レーザユニット３ａをｘ方向に複数配列したものである。
【００２１】
半導体レーザユニット３ａにおいて、量子井戸活性層１５の中のブロック領域２１同士に挟まれたｐ型クラッド層１７の領域に対してｚ方向に隣接する領域は、ｐ−電極２３、ｎ−電極２５を通じて電流が注入されることによりレーザ光を発生する発生領域として機能し、当該領域のｚ方向の端面はレーザ光を出射する出射領域５ａとして機能する。前述のとおりこの出射領域５ａがｘ方向に配列された集合体が図１に示す半導体レーザ素子３の出射領域５となる。
【００２２】
第１ブロック層２１ａ（n-AlGaAsから成る）は周囲のｐ型クラッド層１７（p-AlGaAsから成る）よりもAlの組成を高くすることによりレーザ光に対する屈折率が低くなっている。また、各半導体レーザユニット３ａは各層（ｐ型クラッド層１７、量子井戸活性層１５、ｎ型クラッド層１３）の材質、ブロック領域２１の幅や深さ等を考慮し空間横シングルモードで発振するように設計されている。
【００２３】
次に上記半導体レーザアレイの製造方法について図３を参照しながら説明する。まず、ｎ型GaAsの基板１１上にｎ型AlGaAsのｎ型クラッド層１３、GaInAs/AlGaAsの量子井戸活性層１５、ｐ型AlGaAsのｐ型クラッド層１７、ｐ型GaAsのキャップ層１９をエピタキシャル成長により形成する（図３（ａ）参照）。
【００２４】
その後、SiN膜２７をコーティングし、その上にフォトワークによりストライプ幅１５μｍ、幅５μｍのレジストストライプを形成する。レジストが付着していない部分のSiN膜２７を除去した後、キャップ層１９、ｐ型クラッド層１７をエッチングする。この時、ｐ型クラッド層１７がわずかに残り量子井戸活性層１５に達する前にエッチングを停止する（図３（ｂ）参照）。
【００２５】
次に、エッチングで形成された凹部の内部に選択結晶成長法によりｎ型AlGaAs（第１ブロック層２１ａ）、ｎ型GaAs（第２ブロック層２１ｂ）の順で結晶成長させ第１ブロック層２１ａ、第２ブロック層２１ｂを形成する。ここで、第１ブロック層２１ａはｐ型クラッド層１７よりもAl組成が高くなるようにする。
【００２６】
続いて、SiN膜２７を除去し、Au、Pt及びTiでｐ−電極２３を形成する。そして反対面側には基板研磨及び化学処理を行い、AuGe及びAuでｎ−電極２５を形成する（図３（ｃ）参照）。
【００２７】
以上のようにして得られた半導体レーザ素子を適当な共振器長で切り出し、反射膜コーティングを施す。こうして作製された半導体レーザ素子３をｘ方向に配列しアレイ化して半導体レーザアレイ１を製造する（図３（ｄ）参照）。
【００２８】
上記半導体レーザアレイ１によれば、各半導体レーザユニット３ａが空間横シングルモードで発振するため、各出射領域５ａからは単峰性（ガウス形状）の遠視野像を有するレーザ光が出射されることとなる。これらの各レーザ光が複数重なり合ったレーザ光全体についても遠視野像は単峰性となるため、半導体レーザ素子の出射領域５全体として単峰性のレーザ光が出射されることとなる。かかる単峰性の遠視野像をもつレーザ光はレンズとの結合効率が高い。このため、半導体レーザアレイ１を半導体レーザ装置に実装した際にはコリメートレンズによるレーザ光の整形・平行化を高精度に行うことができ、高い集光密度を得ることができる。また、出射領域５内には半導体レーザユニット３ａが狭い間隔で複数配列されているため高出力を得ることができる。よって、上記半導体レーザアレイによれば集光面積を小さくすることができ高い集光密度を得ることができる。
【００２９】
また上記半導体レーザアレイ１は、ブロック領域２１のｙ方向の深さを量子井戸活性層１５に達しないような深さとしているので、ブロック領域のスペースを形成する際にはエッチングが量子井戸活性層５に達する寸前にストップすることとなる。このため、量子井戸活性層１５にエッチング液が達することがなく、量子井戸活性層１５にエッチング液によるダメージを与えることを防止でき、レーザ光出射層を良好な結晶状態に保つことができる。
【００３０】
また上記半導体レーザアレイ１では、各半導体レーザユニットにおいて第１ブロック層２１ａが周囲のｐ型クラッド層１７よりもAl組成を高くすることにより屈折率を低くしている。すなわちｐ型クラッド層１７のブロック領域２１に相当する領域以外の領域が周囲よりも相対的に屈折率が高い構造（屈折率導波路構造）となっている。このため各出射領域５ａに対応する発生領域で発生したレーザ光は上記屈折率差の影響で量子井戸活性層１５の、ブロック領域２１に対応する領域以外の領域（出射領域５ａ）に閉じ込められることとなる。
【００３１】
このようにｘ方向についてレーザ光が各出射領域に閉じ込められることにより隣り合った各出射領域５ａ間で光の位相結合が生じにくく、安定したレーザ光を得ることができる。また、隣り合った各出射領域間での光の位相結合が生じにくいことから、半導体レーザ素子中の半導体レーザユニットの間隔をさらに狭くしても安定したレーザ光が得られる。このため、半導体レーザ素子５中の出射領域５ａの数や密度を増やすことも可能であり、さらに高い出力を得ることも容易となる。
【００３２】
本実施形態の半導体レーザアレイ１の１つの出射領域５（１つの半導体レーザ素子）から得られる遠視野像を測定した。測定した遠視野像を図４（ａ）に示す。また比較のため、従来の半導体レーザアレイ（ブロードエリア型構造を有する）の１つの出射領域５から得られた遠視野像についても測定を行った。測定した従来の半導体レーザアレイの遠視野像を図４（ｂ）に示す。図４（ａ）（ｂ）において、ともに特性Ｓｈは水平方向（ｘ方向）の遠視野像、特性Ｓｖは垂直方向（ｙ方向）の遠視野像を表している。遠視野像の水平方向（ｘ方向）成分について、本実施形態の半導体レーザアレイ１の遠視野像は単峰性の分布となっており従来のものと比較してガウス形状に近くなっている。このため、半導体レーザアレイ１は半導体レーザ装置に実装した場合にコリメートレンズによるレーザ光の整形・平行化を高精度に行うことができ、高い集光密度を得ることが可能となる。
【００３３】
本実施形態の半導体レーザアレイ１を光源とし、図５に示す構成の半導体レーザ装置を用いて集光を試みた。半導体レーザアレイ１の出射領域５から出射された複数のレーザ光束を、第１コリメートレンズ４０でｙ方向に平行化し、さらに、第２コリメートレンズ５０でｘ方向にも平行化する。こうして平行化された光束を集光レンズ６０でさらに集光し、スポット７０に集められたレーザ光の強度プロファイルを図６に示した。図６（ａ）は水平方向（ｘ方向）、図６（ｂ）は垂直方向（ｙ方向）についての光強度分布を示している。得られた集光スポット７０のサイズは半値全幅で水平方向２５９μｍ、垂直方向３０２μｍであり、このときの半導体レーザアレイの出力は６０ｗであったため、結果として1.40・105ｗ／ｃｍの集光密度が得られたことになる。
【００３４】
【発明の効果】
上述したとおり本発明によれば、高い集光密度でかつ高い出力を得られる半導体レーザ素子及び半導体レーザアレイを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の半導体レーザアレイの斜視図である。
【図２】本実施形態の半導体レーザアレイの出射領域の断面図である。
【図３】本実施形態の半導体レーザアレイの製造方法を説明する図である。
【図４】（ａ）は本実施形態の半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の遠視野像を示すグラフである。（ｂ）は従来の半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の遠視野像を示すグラフである。
【図５】本実施形態の半導体レーザアレイを光源とした半導体レーザ装置の構成図である。
【図６】本実施形態の半導体レーザアレイを光源とした半導体レーザ装置の集光スポットの強度分布のグラフである。
【図７】（ａ）は従来の半導体レーザアレイから出射されるレーザ光の遠視野像を示すグラフである。（ｂ）は単峰性の遠視野像を示すグラフである。
【符号の説明】
１…半導体レーザアレイ、３…半導体レーザ素子、３ａ…半導体レーザユニット、５…出射領域、５ａ…出射領域、１１…基板、１３…ｎ型クラッド層、１５…量子井戸活性層、１７…ｐ型クラッド層、２１ａ…第１ブロック層、２１ｂ…第２ブロック層、２１…ブロック領域。
【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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