(57)【要約】【課題】  射率が非対称な端面反射型の半導体レーザにおいてキンクの発生レベルを向上可能な半導体レーザ、半導体レーザ装置、及び半導体レーザの駆動方法を提供する。【解決手段】  半導体レーザ100が、第１の導電型を有する第１のクラッド層と、該第１のクラッド層の上に形成された活性層と、該活性層の上に形成され第２の導電型を有する第２のクラッド層と、該第２のクラッド層の上部を含むように形成されたストライプ構造117と、ストライプ構造117の頂部を覆い該頂部から電流を注入可能なように形成された電極115a~115dと、レーザ発振のための共振器を構成し一方の端面の反射率が他方の端面の反射率より低いストライプ構造の長手方向における一対の端面131,132とを有し、電極を通じて注入される電流の密度が、一方の端面131近傍において、他方の端面132近傍より高くなるよう構成されている。【選択図】      図６  
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型を有する第１のクラッド層と、該第１のクラッド層の上に形成された活性層と、該活性層の上に形成され第２の導電型を有する第２のクラッド層と、該第２のクラッド層の上部を含むように形成されたストライプ構造と、該ストライプ構造の頂部を覆い該頂部から電流を注入可能なように形成された電極と、レーザ発振のための共振器を構成し一方の端面の反射率が他方の端面の反射率より低い前記ストライプ構造の長手方向における一対の端面とを有し、
前記電極を通じて注入される電流の密度が、前記一方の端面近傍において、前記他方の端面近傍より高くなるよう構成された、半導体レーザ。
【請求項２】
前記他方の端面近傍における前記電流の密度に対する前記一方の端面近傍における前記電流の密度の比が１．２以上１０以下である、請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記電極の抵抗率が、前記ストライプ構造の長手方向において前記他方の端面から前記一方の端面に向かって小さくなっている、請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記電極が、前記ストライプ構造の長手方向に並ぶように配設された複数の単位電極で構成された集合電極である、請求項1記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記第２の導電型がｐ型であり、前記複数の単位電極がｐ電極である、請求項４記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記ストライプ構造の長手方向における前記複数の単位電極の長さが前記一方の端面に近い単位電極ほど短い、請求項４記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記ストライプ構造の幅が前記一方の端面に近い部位ほど太い、請求項６記載の半導体レーザ。
【請求項８】
ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料で構成されている、請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項９】
ＡｌＧａＡｓ系半導体材料で構成されている、請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項１０】
ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料で構成されている、請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項１１】
第１の導電型を有する第１のクラッド層、該第１のクラッド層の上に形成された活性層と、該活性層の上に形成され第２の導電型を有する第２のクラッド層、該第２のクラッド層の上部を含むように形成されたストライプ構造、該ストライプ構造の頂部を覆い該頂部から電流を注入可能なように形成された電極、及びレーザ発振のための共振器を構成し一方の端面の反射率が他方の端面の反射率より低い前記ストライプ構造の長手方向における一対の端面を有する半導体レーザと、
前記半導体レーザの電極に電流を注入するドライバとを備え、
前記ドライバは、前記電流の密度が前記一方の端面近傍において前記他方の端面近傍より高くなるよう前記電流を注入する、半導体レーザ装置。
【請求項１２】
前記他方の端面近傍における前記電流の密度に対する前記一方の端面近傍における前記電流の密度の比が１．２以上１０以下である、請求項１１記載の半導体レーザ装置。
【請求項１３】
前記電極が、前記ストライプ構造の長手方向に並ぶように配設された複数の単位電極で構成された集合電極であり、前記複数の単位電極に対応する複数の前記ドライバを備えている、請求項１1記載の半導体レーザ装置。
【請求項１４】
前記第２の導電型がｐ型であり、前記複数の単位電極がｐ電極である、請求項１３記載の半導体レーザ装置。
【請求項１５】
前記複数のドライバによって前記複数の単位電極へそれぞれ注入される電流の密度が前記一方の端面に近い単位電極ほど大きい、請求項１３記載の半導体レーザ装置。
【請求項１６】
前記ストライプ構造の長手方向における前記複数の単位電極の長さが全て同じあり、前記複数の単位電極へ注入される電流量が前記一方の端面に近い単位電極ほど多い、請求項１５記載の半導体レーザ装置。
【請求項１７】
前記ストライプ構造の長手方向における前記複数の単位電極の長さが前記一方の端面に近い単位電極ほど短い、請求項１５記載の半導体レーザ装置。
【請求項１８】
前記ストライプ構造の幅が前記一方の端面に近い部位ほど広い、請求項１７記載の半導体レーザ装置。
【請求項１９】
第１の導電型を有する第１のクラッド層と、該第１のクラッド層の上に形成された活性層と、該活性層の上に形成され第２の導電型を有する第２のクラッド層と、該第２のクラッド層の上部を含むように形成されたストライプ構造と、該ストライプ構造の頂部を覆い該頂部から電流を注入可能なように形成された電極と、レーザ発振のための共振器を構成し一方の端面の反射率が他方の端面の反射率より低い前記ストライプ構造の長手方向における一対の端面とを有する半導体レーザの駆動方法であって、
前記電極を通じて注入される電流の密度が、前記一方の端面近傍において、前記他方の端面近傍より高い、半導体レーザの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ、半導体レーザ装置、及び半導体レーザの駆動方法に関し、特にキンクの発生レベルを向上可能なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウムをはじめとするＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料（ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である））からなる半導体レーザは、光ディスクによる超高密度記録を実現するためのキーデバイスであり、現在、実用レベルに最も近い青紫色半導体レーザである。この青紫色半導体レーザの高出力化は、光ディスクの高速書き込みや多層化を可能にするのみならず、レーザディスプレイへの応用など、新たな技術分野の開拓に必須である。
【０００３】
図１０は絶縁膜を用いて電流狭窄構造を形成する代表的な半導体レーザの構成を模式的に示す斜視図である。
【０００４】
図１０において、この従来の半導体レーザは、ｎ型ＧａＮ基板１０１を有し、ｎ型ＧａＮ基板１０１上にｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１０２、ｎ型ＧａＮからなる光ガイド層１０３、ＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造からなる活性層１０４、アンドープＧａＮからなるキャップ層１０５、ｐ型ＧａＮからなる光ガイド層１０６、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１０７、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１０８、絶縁層１１０、及びｐ電極１１５が形成されている。ｐ電極１１５は図示されないメタル層によってコンタクト層１０８に電気的に接続されている。また、ｎ型ＧａＮ基板１０１の下面にｎ電極１１６が形成されている。そして、ｐ型クラッド層１０７が有するストライプ構造が電流狭窄構造として機能する。一般にストライプの幅は共振器全体で一様である。
【０００５】
この従来の半導体レーザでは、ｐ電極１１５及びｎ電極１１６から注入される電流の増加にともなって活性層１０４内のキャリア密度が上昇し、その値が一定の閾値キャリア密度に達するとレーザ発振が得られる。レーザの光出力は電流の増加に比例して増大する。しかしながら、さらに電流を増加させていくと、空間的ホールバーニングや利得飽和によりキンクが生じ、高光出力動作が阻害される。
【０００６】
キンクの発生を抑制する有効な対策のひとつは、ストライプの幅を狭くすることである。リッジ部の幅が狭くなるにつれて、活性層１０４に注入されるキャリアの分布、及び活性層１０４で誘起される光の強度分布の横方向への拡がりが相対的に狭められ、空間的なホールバーニングに起因するキンクの発生が抑制される。
【０００７】
しかしながら、ストライプの幅を共振器全体で一様に狭くすることは素子の直列抵抗を増加させ、素子の駆動電圧は上昇する。特に窒化物系半導体レーザの信頼性は、駆動電圧及び駆動電流に大きく依存することが知られており、駆動電圧の上昇はできる限り抑制されなければならない。また、光ディスクの書き込みに用いられる半導体レーザの重要なパラメータである水平方向遠視野角もまたストライプの幅によって決定される。つまり、リッジ部の幅は素子の電流−光出力特性、直列抵抗、及び水平方向遠視野角のそれぞれを最適とする値を選択する必要がある。
【０００８】
これらの課題に対して、第１の従来技術（特許文献１参照）のレーザ構造では、共振器の中央部から共振器の両端面方向に向かってストライプの幅が減少するテーパ領域が形成されている。このレーザ構造は、ストライプの幅を一様に狭くするレーザ構造と比べて、素子の駆動電圧を過度に上昇させることなく、安定な基本横モードでのレーザ発振を提供する。
【０００９】
また、第２の従来技術（非特許文献１参照）には、共振器端面の反射率を非対称とする方法が半導体レーザの高出力化に有効であることが記載されている。光ディスクの書き込みに用いられる半導体レーザでは一般的な方法である。この方法は、共振器を形成する端面を誘電体膜でコーティングすることで端面の反射率を非対称にする方法で、共振器を形成する端面のうち、レーザ光が出射する共振器の前方端面を低反射率に、また、その反対側の後方端面の反射率を高反射率とする（例えば前方端面１０％、後方端面９０％）。誘電体多層膜の反射率は、用いる誘電体の屈折率、層厚、及び積層する総数によって制御することができる。
【００１０】
また、第３の従来技術として、ＤＦＢ型半導体レーザに於いて、電極を分割することにより空間的ホールバーにングを避ける手法が開示されている（特許文献２参照）。この第３の従来技術では、例えば、ＤＦＢ型半導体レーザにおける空間的ホールバーニングを避けるために、中央部の電極に印加する電圧を高くし、それにより中央部へキャリアを多く供給する構成が開示されている。
【００１１】
また、第４の従来技術として、ＧａＮ系半導体に於いて分割電極を使用し、低出力におけるノイズを低減すると言う手法が開示されている（特許文献３参照）。
【００１２】
また、第５の従来技術として、ジャンクションアップで実装した時の注入電流供給用ワイヤーボンディングの位置を、共振器長方向の出射端面に近い位置にすることにより共振器長方向におけるキャリア密度を均一にし、それにより、閾値電流密度の低減及び応答性の向上を図る構成が開示されている（特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２０００−３５７８４２号公報
【非特許文献１】伊賀健一編著、「半導体レーザ」、第１版、株式会社オーム社、平成６年１０月２５日、ｐ．２３８
【特許文献２】特開平６−８５３８４
【特許文献３】特開２００３−８１３５
【特許文献４】特開平９−２３２６８９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、共振器を形成する前方端面と後方端面の反射率が非対称である場合、半導体レーザ内部では、共振器の軸方向の光強度分布に大きな偏りを生じる。図１１は図１０の従来の半導体レーザにおける共振器の軸方向（共振器長方向）における光強度分布の一例を示すグラフである。
【００１４】
図１１に示すように、半導体レーザでは、前方端面と後方端面の反射率がともに２０％である場合、前方端面と後方端面における光強度は同じとなる。一方、前方端面の反射率が１０％、後方端面の反射率が９０％である場合、前方端面における光強度は後方端面における光強度と比べて約２倍高い。
【００１５】
図１０に示したレーザ構造では、ストライプの幅が共振器全体で一定であるため、活性層に注入されるキャリア密度は、共振器の軸方向で一様となる。従って、前方端面と後方端面の反射率が非対称となるようにコーティングされている半導体レーザでは、前方端面と後方端面で光強度分布には大きな偏りがあるにもかかわらず、活性層に注入されるキャリア密度は一様という状態が発生する。すなわち、発光強度が高い前方端面において誘導放出が最も強く生じる為、この部分に注入されたキャリアが特に速く再結合して無くなり前方端面付近でキャリア密度の不足が生じ、ホールバーニングによるキンクが生じ高出力動作が阻害される。この現象は、ＡｌＧａＡｓ系半導体材料（ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１））からなる赤外半導体レーザや、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料（ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１））からなる赤色半導体レーザと比べて、閾値キャリア密度が極めて高く、なおかつ微分利得が高い窒化物系半導体レーザで特に顕著となる。
【００１６】
第１の従来技術の窒化物系半導体レーザ構造では、ストライプの幅を共振器中央部から共振器の前方端面及び後方端面に向かって減少させることで、基本横モードの安定化が図られている。しかしながら、共振器端面の反射率が前方端面と後方端面で大きく異なる場合、前記構造では、光強度分布と注入キャリア密度分布とのバランスが前方端面と後方端面との間でアンバランスになるという状態は解消されず、ホールバーニングによるキンクの発生は避け難い。
【００１７】
第３の従来技術のＤＦＢ型レーザでは、そもそも、ＧａＮ系半導体材料が目指す短波長の領域において、発振波長の半波長オーダー周期(２００ｎｍ程度)のグレーティングを形成することが困難であるため、短波長の半導体レーザを実現することが困難である。さらに、ＤＦＢ型レーザと端面反射を利用したレーザとでは共振器内の光密度分布が全く異なっており、ＤＦＢ型レーザにおける中央の電極の注入キャリア密度を増加させるという電極分割の構成は非対称コートを用いた端面反射型のレーザにおいては意味をなさない。
【００１８】
第４の従来技術では、低出力におけるノイズを低減するために電極が分割されており、高出力動作時の電流注入条件は電極を分割しない場合と同じである。従って、この電極の分割は、特にキンクを抑制できるものではない。
【００１９】
第５の従来技術では、共振器の出射端面側よりの位置にワイヤーボンディングを施されているが、これはジャンクションアップの実装が前提となる。しかしＧａＮ系材料では駆動電圧が高いため消費電力が大きく、発熱が素子特性に大きな影響を与えることが分かっている。そのため、現実的にはジャンクションダウン型の実装を行い、サブマウントとハンダ材料によって共振器のほぼ全域が接合されていることが望ましい。よって、出射端面側よりにワイヤーボンディングを施すと言う構成を採用することができない。また、一般的に、放熱のため及びボンディング材料からの拡散を防ぐバリアとして機能させるためにｐ電極の膜厚は厚くなっている。従って、通常、ｐ電極は十分高い導電性を有しておりワイヤーボンディングの位置を変えることでストライプ方向（ストライプの長さ方向）における電流注入量を制御することは困難である。
【００２０】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、反射率が非対称な端面反射型の半導体レーザにおいてキンクの発生レベルを向上可能な半導体レーザ、半導体レーザ装置、及び半導体レーザの駆動方法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】
【００２１】
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザは、第１の導電型を有する第１のクラッド層と、該第１のクラッド層の上に形成された活性層と、該活性層の上に形成され第２の導電型を有する第２のクラッド層と、該第２のクラッド層の上部を含むように形成されたストライプ構造と、該ストライプ構造の頂部を覆い該頂部から電流を注入可能なように形成された電極と、レーザ発振のための共振器を構成し一方の端面の反射率が他方の端面の反射率より低い前記ストライプ構造の長手方向における一対の端面とを有し、
前記電極を通じて注入される電流の密度が、前記一方の端面近傍において、前記他方の端面近傍より高くなるよう構成されている。このような構成とすると、活性層に注入されるキャリアの密度のストライプ構造の長手方向における分布が、光強度のストライプ構造の長手方向における分布に応じたものとなり、反射率が非対称な端面反射型の半導体レーザにおいて、ホールバーニングに起因するキンクの発生レベルが向上する。また、トータルの消費電力を小さくすることができる。その結果、スロープ効率の向上が図られ、注入キャリア密度の低減、及び光出力の飽和レベルの向上が実現される。
【００２２】
前記他方の端面近傍における前記電流の密度に対する前記一方の端面近傍における前記電流の密度の比は、１．２以上１０以下であることが好ましい。
【００２３】
前記電極の抵抗率が、前記ストライプ構造の長手方向において前記他方の端面から前記一方の端面に向かって小さくなっていてもよい。
【００２４】
前記電極が、前記ストライプ構造の長手方向に並ぶように配設された複数の単位電極で構成された集合電極であってもよい。
【００２５】
前記第２の導電型がｐ型であり、前記複数の単位電極がｐ電極であってもよい。
【００２６】
前記ストライプ構造の長手方向における前記複数の単位電極の長さが前記一方の端面に近い単位電極ほど短くてもよい。
【００２７】
前記ストライプ構造の幅が前記一方の端面に近い部位ほど太くてもよい。
【００２８】
前記半導体レーザは、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料で構成されていてもよい。
【００２９】
前記半導体レーザは、ＡｌＧａＡｓ系半導体材料で構成されていてもよい。
【００３０】
前記半導体レーザは、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料で構成されていてもよい。
【００３１】
また、本発明に係る半導体レーザ装置は、第１の導電型を有する第１のクラッド層、該第１のクラッド層の上に形成された活性層と、該活性層の上に形成され第２の導電型を有する第２のクラッド層、該第２のクラッド層の上部を含むように形成されたストライプ構造、該ストライプ構造の頂部を覆い該頂部から電流を注入可能なように形成された電極、及びレーザ発振のための共振器を構成し一方の端面の反射率が他方の端面の反射率より低い前記ストライプ構造の長手方向における一対の端面を有する半導体レーザと、前記前記半導体レーザの電極に電流を注入するドライバとを備え、前記ドライバは、前記電流の密度が前記一方の端面近傍において前記他方の端面近傍より高くなるよう前記電流を注入する。このような構成とすると、活性層に注入されるキャリアの密度のストライプ構造の長手方向における分布が、光強度のストライプ構造の長手方向における分布に応じたものとなり、反射率が非対称な端面反射型の半導体レーザにおいて、ホールバーニングに起因するキンクの発生レベルが向上する。また、トータルの消費電力を小さくすることができる。その結果、スロープ効率の向上が図られ、注入キャリア密度の低減、及び光出力の飽和レベルの向上が実現される。
【００３２】
前記電極が、前記ストライプ構造の長手方向に並ぶように配設された複数の単位電極で構成された集合電極であり、前記複数の単位電極に対応する複数の前記ドライバを備えていてもよい。
【００３３】
前記複数のドライバによって前記複数の単位電極へそれぞれ注入される電流の密度が前記一方の端面に近い単位電極ほど大きくてもよい。
【００３４】
前記ストライプ構造の長手方向における前記複数の単位電極の長さが全て同じあり、前記複数の単位電極へ注入される電流量が前記一方の端面に近い単位電極ほど多くてもよい。
【００３５】
また、本発明に係る半導体レーザの駆動方法は、第１の導電型を有する第１のクラッド層と、該第１のクラッド層の上に形成された活性層と、該活性層の上に形成され第２の導電型を有する第２のクラッド層と、該第２のクラッド層の上部を含むように形成されたストライプ構造と、該ストライプ構造の頂部を覆い該頂部から電流を注入可能なように形成された電極と、レーザ発振のための共振器を構成し一方の端面の反射率が他方の端面の反射率より低い前記ストライプ構造の長手方向における一対の端面とを有する半導体レーザの駆動方法であって、前記電極を通じて注入される電流の密度が、前記一方の端面近傍において、前記他方の端面近傍より高い。このような構成とすると、活性層に注入されるキャリアの密度のストライプ構造の長手方向における分布が、光強度のストライプ構造の長手方向における分布に応じたものとなり、反射率が非対称な端面反射型の半導体レーザにおいて、ホールバーニングに起因するキンクの発生レベルが向上する。また、トータルの消費電力を小さくすることができる。その結果、スロープ効率の向上が図られ、注入キャリア密度の低減、及び光出力の飽和レベルの向上が実現される。
【発明の効果】
【００３６】
本発明は、以上に説明したような構成を有し、反射率が非対称な端面反射型の半導体レーザにおいて、ホールバーニングに起因するキンクの発生レベルが向上するという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの共振器の軸方向に垂直な方向の断面を示す断面図、図２は図１の半導体レーザの平面視における構造と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模式図である。なお、図１ではｐ電極１１５の幅に較べてストライプ構造１１７の幅を誇張して描いてある。
［半導体レーザ］
まず、本実施の形態の半導体レーザについて説明する。
【００３８】
図１に示すように、本実施の形態に係る半導体レーザ１００はＧａＮ系半導体レーザであり、ｎ型ＧａＮ基板１０１を有している。ｎ型ＧａＮ基板１０１上には、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１０２、ｎ型ＧａＮからなる光ガイド層１０３、ＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造からなる活性層１０４、アンドープＧａＮからなるキャップ層１０５、ｐ型ＧａＮからなる光ガイド層１０６、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１０７、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１０８、及び絶縁層１１０が順に形成されている。ｐ型クラッド層１０７の上面中央部には共振器長方向に延びるように台形断面を有するリッジが形成され、このリッジの頂面上にコンタクト層１０８が形成されている。このｐ型クラッド層１０７のリッジとコンタクト層１０８とがストライプ構造１１７を形成している。絶縁膜１１０はこのストライプ構造１１７及びｐ型クラッド層１０７の上面を覆うように形成されている。この絶縁膜１１０のストライプ構造１１７の頂面上に位置する部分に開口が形成され、この開口を埋めるようにｐメタル層１０９が形成されている。絶縁膜１１０上には、ｐメタル層１０９で埋められた開口部を含む部分を覆うようにｐ電極１１５が形成されている。従って、ｐ電極１１５はストライプ構造１１７の上面においてのみｐメタル層１０９と接している。また、ｎ型ＧａＮ基板１０１の下面にはｎ電極１１６が形成されている。
【００３９】
図２に示すように、ｐ電極１１５（集合電極）は、第１乃至第４のｐ電極１１５ａ〜１１５ｄ（単位電極）で構成されている。換言すれば、ｐ電極１１５は、第１乃至第４のｐ電極１１５ａ〜１１５ｄの４つの電極に分割されている。第１乃至第４のｐ電極１１５ａ〜１１５ｄは、ここでは同同一面積の矩形形状に形成され、半導体レーザの共振器長方向において、後端から前端に向かって実質的に等間隔でこの順に配置されている。また、ｎ電極１１６はｎ型ＧａＮ基板１０１の下面の略全面に渡って１つ形成されている。すなわち、第１乃至第４のｐ電極１１５ａ〜１１５ｄに対し、共通のｎ電極として機能する。なお、符号Ｌ０は共振器長（正確には共振器長から壁開領域と分離領域とを除いた長さ）を表し、符号Ｌ１〜Ｌ４は、第１乃至第４のｐ電極１１５ａ〜１１５ｄの、電極間隔を無視して近似した長さを表している。
【００４０】
本実施の形態では、半導体レーザ１００の共振器長Ｌ０、チップ幅、及びチップの厚みは、それぞれ、６００μｍ、４００μｍ、及び８０μｍである。半導体レーザ１００の共振器端面は、誘電体膜によりコーティングされ、レーザ光が出射される端面（以下、前方端面という）１３１、及びその反対側の端面（以下、後方端面という）１３２の反射率はそれぞれ１０％、９０％である。なお、以上の構成は、半導体レーザ１００をＧａＮ系材料で構成した場合を示しており、これらを適宜変更することにより他の材料系たとえばＡｌＧａＡｓ系及びＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザにも本発明を有効に適用できるのは言うまでも無い。
【００４１】
次に、以上のように構成された半導体レーザの製造方法を説明する。
【００４２】
図１を参照して、まず、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって、ｎ型ＧａＮ基板１０１上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０３、ＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造からなる活性層１０４、アンドープＧａＮキャップ層１０５、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７、及びｐ型ＧａＮコンタクト層１０８を連続して成長する。
【００４３】
次いで、ドライエッチングによりｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７、及びｐ型ＧａＮコンタクト層１０８をリッジ形状に加工してストライプ構造１１７を形成し、その後、ストライプ構造１１７が形成されたｎ型ＧａＮ基板１０１の表面を、ストライプ構造１１７の頂面上に開口を有するようにして絶縁膜１１０で被覆する。
【００４４】
次いで、絶縁膜１１０の上記開口を埋めるようにｐメタル層１０９を形成し、その後、絶縁膜１１０の上面の全面に渡って電極膜を形成し、この電極膜をパターニングして、第１乃至第４のｐ電極１１５ａ〜１１５ｄを形成する。その後、ｎ型ＧａＮ基板１０１の下面にｎ電極１１６を形成する。
［半導体レーザ装置］
次に、本実施の形態の半導体レーザ装置について説明する。
【００４５】
図２に示すように、本実施の形態の半導体レーザ装置２００は、半導体レーザ１００と、第１乃至第４のドライバ２０１〜２０４と、コントローラ２０５とを備えている。第１乃至第４のドライバ２０１〜２０４の一方の出力端子は、それぞれ、半導体レーザ１００の第１乃至第４のｐ電極１１５ａ〜１１５ｄに接続され、第１乃至第４のドライバ２０１〜２０４の他方の出力端子は接地導体を介して半導体レーザ１００のｎ電極１１６に接続されている。第１乃至第４のドライバ２０１〜２０４は、それぞれ、第１乃至第４のｐ電極１１５ａ〜１１５ｄを通じて半導体レーザ１００に所定の駆動電流を注入し、コントローラ２０５は、第１乃至第４のドライバ２０１〜２０４の動作を制御する。
【００４６】
次に、本発明を特徴付ける駆動電流の電流密度について説明する。
【００４７】
図３は図１の半導体レーザの第１乃至第４の電極１１５ａ〜１１５ｄに注入される駆動電流の電流密度を示す表である。
【００４８】
図２及び図３において、番号１〜４は、それぞれ、第１乃至第４のｐ電極１１５ａ〜１１５ｄを表している。第１乃至第４のｐ電極１１５ａ〜１１５ｄの長さＬ１〜Ｌ４は、全てＬ０／４である。すなわち、第１乃至第４のｐ電極１１５ａ〜１１５ｄの面積は、全て同じである。一方、第１乃至第４のドライバ２０１〜２０４による電流注入量は、後方端面１３２に最も近い第１のｐ電極１１５ａへの電流注入量をＩ１とした時に、第２乃至第４のｐ電極１１５ｂ〜１１５ｄへの電流注入量が、それぞれ、
Ｉ４＝２．２×Ｉ１、Ｉ３＝１．６×Ｉ１、Ｉ２＝１．２×Ｉ１
となるように設定されている。
【００４９】
このように設定すると、各ｐ電極１１５ａ〜１１５ｄの面積は全て同じであるので、後方端面１３２に最も近い第１のｐ電極１１５ａにおける電流密度をＪ１とした時に、第２乃至第４のｐ電極１１５ｂ〜１１５ｄにおける電流密度は、それぞれ、
Ｊ４＝２．２×Ｊ１、Ｊ３＝１．６×Ｊ１、Ｊ２＝１．２×Ｊ１
となる。
【００５０】
次に、以上のように構成された半導体レーザ１００及び半導体レーザ装置２００の動作を説明する。
【００５１】
図４は図１の半導体レーザの共振器の軸方向における光強度と電流密度との関係を示すグラフ、図８は閾値電流密度及びスロープ効率について本発明と従来技術とを対比して示す表である。
【００５２】
図１、図２、及び図４において、コントローラ２０５の制御によって、第１乃至第４のドライバ２０１〜２０４により、Ｉ１〜Ｉ４の駆動電流が、それぞれ、第１乃至第４のｐ電極１１５ａ〜１１５ｄに注入されると、半導体レーザ１００はレーザ発振し、その共振器の軸方向における光強度が、図４に示すように、後方から前方に向かって大きくなるように分布する。しかし、半導体レーザ１００では、上述のように、第１乃至第４のｐ電極１１５ａ〜１１５ｄを通じて注入される電流の密度が、後方から前方に向かって大きくなっており、それに応じて、注入されるキャリアの密度も後方から前方に向かって大きくなっている。その結果、電流密度分布ひいては注入キャリア密度分布が、光強度分布に概ね対応するので、光強度が大きい半導体レーザ１００の前方端面１３１近傍において充分キャリが供給され、ホールバーニングによるキンクの発生が防止される。
【００５３】
ここで、ホールバーニングの発生に関して本件発明者が新たに得た知見を説明する。本発明はこの知見に基づいてなされたものである。
【００５４】
図５は図１の導体レーザのレーザ発振直後及び高光出力状態における共振器の軸方向における光強度分布を示すグラフである。
【００５５】
ホールバーニングとは、近視野像(near-field pattern）の発光強度が最も高いところで誘導放出が最も強く生じるため、この部分に注入されたキャリアが特に速く再結合してなくなり、かえってゲインが生じにくくなる現象をいう。
【００５６】
半導体レーザ１００のように、共振器を形成する前方端面１３１及び後方端面１３２の反射率が非対称な半導体レーザにおいては、電流注入量を増加して光出力を増大させると、反射率が低い前方端面１３１（レーザ光出射面）近傍で激しく発光再結合が生じ、キャリア密度が減少する。このキャリア密度の減少にともない前方端面１３１近傍ではキャリアによる光損失が減少する。このため、図５に示すように、高光出力状態では、レーザ発振直後（低光出力状態）に較べて、よりいっそう前方端面１３１近傍における光強度が高くなる。つまり、レーザ発振直後の光強度分布と高光出力状態における光強度分布とを比較すると、後方端面１３２部近傍における光強度差ΔＬＩ１より前方端面１３１部近傍における光強度差ΔＬＩ２の方が大きくなる。従って、第１乃至第４のｐ電極１１５ａ〜１１５ｄへの注入電流密度Ｊ１〜Ｊ４は、この光強度差ΔＬＩ２を見込んで設定する必要がある。具体的には、Ｊ４／Ｊ１を１．２以上１０以下に設定することが好ましい（・・・できれば数値（比）をご記入下さい）。本実施形態では、上述のように、このＪ４／Ｊ１は２．２に設定されている。
【００５７】
以上に説明したように、本実施の形態では、光強度分布に合わせるように電流密度分布を制御するので、ホールバーニングに起因するキンクの発生レベル（以下、キンクレベルという）が向上する。また、従来技術と比べて著しく電流の無駄が排除される。つまり、ストライプ全体にわたる電流注入量は電流密度分布の面積で換算できることから、本実施の形態による構成ではストライプ全体にわたる電流量を減少させることができていることがわかる。これにより、本実施の形態の半導体レーザ１００は、トータルの消費電力が減少することから発熱を抑制することができ、寿命や温度特性などといった特性も改善される。
【００５８】
さらに、図８から明らかなように、本実施の形態の半導体レーザ１００は、従来技術（電極を分割しない半導体レーザ）と比較すると、閾値電流密度が低下し、かつスロープ効率が増大しており、半導体レーザの基本特性が改善されている。
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２に係る半導体レーザの平面視における構造と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模式図である。図６において図２と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【００５９】
本実施の形態の半導体レーザ１００は、第１乃至第４のｐ電極１１５ａ〜１１５ｄの面積及び第１乃至第４のｐ電極１１５ａ〜１１５ｄへの駆動電流の注入量が実施の形態１とは異なっている。その他の点は実施の形態１と同様である。
【００６０】
具体的には、第１乃至第４のｐ電極１１５ａ〜１１５ｄは、同一幅の矩形形状に形成され、その長さがそれぞれ以下の式を満たすように設定されている。
【００６１】
Ｌｋ=｛(ｎ＋１−ｋ)/（Σｎ）｝Ｌ０
ここで、Ｌ０はストライプ上に形成する電極の合計の長さ（正確には実施の形態１で説明したように電極間隔を無視して近似した長さ）であり、具体的には共振器長（正確には実施の形態１で説明したように共振器長から壁開領域と分離領域とを除いた長さ）である。Ｌｋは、ｋ番目の電極の長さを表し、ｋは後方端面１３２側から数えた電極の順番を表す。ｎは、分割した電極の数を表す。
【００６２】
本実施の形態のように、電極が４つに分割されている場合には、後方端面１３２側から１番目の電極（第１のｐ電極１１５ａ）の長さは（４／１０）×Ｌ０、２番目の電極（第２のｐ電極１１５ｂ）の長さは（３／１０）×Ｌ０、３番目の電極（第３のｐ電極１１５ｃ）の長さは２／１０×Ｌ０、４番目の電極（第４のｐ電極１１５ｄ）の長さは１／１０×Ｌ０となる。つまり、第１のｐ電極１１５ａの面積を１としたとき、第２内乃至第４のｐ電極１１５ｂ〜１１５ｄの面積は、それぞれ、３／４、１／２、１／４となる。ここで、注意しなければならないことは、この第１内乃至第４のｐ電極１１５ａ〜１１５ｄの面積は電流密度を算出するためにのみ意味があり、キンクレベルには直接関連しない。キンクレベルには関連するのは、第１内乃至第４のｐ電極１１５ａ〜１１５ｄの長さであるということである。
【００６３】
なお、電極の長さを与える上記の式は例示であり、電極の長さは必ずしもこの通りでなくても良く、端面の反射率等から求められる共振器内の光密度分布に合わせた構成をとることが望ましい。
【００６４】
図７は図６の半導体レーザの第１乃至第４の電極１１５ａ〜１１５ｄに注入される駆動電流及びその電流密度を示す表である。図７において、番号１〜４、記号Ｌ、Ｉ１〜Ｉ４、Ｊ１〜Ｊ４の意味は図３と同じであるのでその説明を省略する。
【００６５】
図７に示すように、第１のｐ電極１１５ａへの電流注入量をＩ１としたとき、第２内乃至第４のｐ電極１１５ｂ〜１１５ｄへの電流注入量は、それぞれ、０．９×Ｉ１、０．８×Ｉ１、０．５５×Ｉ１に設定されている。
【００６６】
従って、第１のｐ電極１１５ａにおける電流密度をＪ１としたとき、第２内乃至第４のｐ電極１１５ｂ〜１１５ｄにおける電流密度は、それぞれ、２．２×Ｊ１、１．６×Ｊ１、１．２×Ｉ１となる。つまり、実施の形態１と同様になる。
【００６７】
このように後方から前方に向かって同一幅の電極の長さを順次短くすることにより、大きな電流密度が必要な前方端面１３１近傍付近において、大きな電流密度を確保しつつ、この大きな電流密度で電流が注入される領域を小さくすることができる。その結果、消費電力の増大に伴う前方端面１３１近傍部における熱の発生を実施の形態１に比べてストライプ方向に均一化もしくは最適化できる。特に、光密度が高く発熱が激しい出射端面における消費電力を小さくできることによる効果は大きく、寿命や波長シフト等の熱的条件により発生する特性変化に対して強い半導体レーザを実現することが可能となる。
【００６８】
また、図７を図３と較べると明らかなように、本実施の形態では、実施の形態１に較べて、トータルの電流注入量が小さくて済むことから、電極面積の減少にともなって生じる直列抵抗の増加から来る電圧上昇も抑制することができる。ただし、本実施の形態のように、ＧａＮ系材料等で構成された半導体レーザでは、ｐ型コンタクト層及びｐ型バルク層の抵抗が高く、電極面積の減少に伴う直列抵抗の増加が電流注入量の減少に比べて大きくなる場合がある。しかし、このような場合には、ｐ電極１１５が形成されるストライプ構造１１７の幅もしくはコンタクト領域の幅を前方端面１３１に向かって太くすることにより、前端部に位置するｐ電極の面積を、後端部に位置するｐ電極の面積に近いかもしくはそれ以上に大きくすることにより解決することができる。
【００６９】
また、図８から明らかなように、本実施の形態の半導体レーザ１００は、従来技術（電極を分割しない半導体レーザ）のみならず実施の形態１の半導体レーザと比較しても、閾値電流密度が低下し、かつスロープ効率が増大しており、半導体レーザの基本特性がよりいっそう改善されている。なお、閾値電流は本発明の場合においては電極を如何に分割するかにより大きく変化するので、図８には、電極構造やストライプ構造に依存しない閾値電流密度を示した。
【００７０】
図８を参照して実施の形態１及び２を総合して考察すると、電極を分割することにより閾値電流は減少し、スロープ効率が増加するという、半導体レーザにとってより望ましいレーザ特性を得ることができることが分かる。また、電極を分割する際にはその各々の電極の長さを変化させる実施の形態２の構成を採用することにより、より望ましいレーザ特性を得ることができることが分かる。
【００７１】
また、電極を分割することにより、キンクレベル及び特性温度にも前述したような大幅な改善が見られた。従来のレーザ構造では、連続発振動作時のキンクレベルは平均で６３ｍＷであった。これに対して、実施の形態２の電極を分割した構造では、連続発振動作時のキンクレベルは平均で１０５ｍＷであり、高光出力動作時まで基本横モードでの安定したレーザ発振が実現された。また、特性温度も１０５Ｋから１４５Ｋに上昇した。閾値電流の低下からも明らかなように、活性層内のキャリア密度の低下により熱飽和レベルが向上した。これらの現象は、本発明のレーザ構造において活性層へのキャリア注入が共振器方向の光強度分布に応じて制御され、活性層に注入されたキャリアが効率よくレーザ光に変換されていることを示唆している。
【００７２】
光ディスクの書き込み時に要求されるパラメータのひとつに、垂直方向遠視野角と水平方向遠視野角との比（アスペクト比）がある。光の取り出し効率の観点から、一般にアスペクト比は３以下であることが望ましい。水平方向遠視野角はリッジの幅に強く依存する値である。従って、前方端面１３１でのリッジ幅は水平拡がり角が仕様を満たすように決められることが望ましい。本発明による半導体レーザにおいてはキンクレベルが向上しているため、リッジ幅の許容範囲が広がる。これは設計マージン、及びプロセスマージンの観点から優れた効果である。同時に、ストライプの幅を狭くすることに伴う素子の直列抵抗の増加も抑制されるため、素子の駆動電圧が過度に上昇することはない。
（実施の形態３）
図９は本発明の実施の形態３に係る半導体レーザの平面視における構造と本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ装置の構成を示す模式図である。図９において図１及び図２と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【００７３】
図９に示すように、本実施の形態の半導体レーザ１００は単独のｐ電極１１５を有している。ｐ電極１１５はストライプ構造１１７の長手方向の全長にわたって、絶縁膜１１０の開口を埋めるよう形成されたｐメタル層１０９を通じてコンタクト層１０８に接続されている。また、ｐ電極１１５は、例えば、不純物をドーピングしたポリシリコンで構成され、この不純物の濃度を変化させることにより、抵抗率が後方から前方に向かって小さくなるように形成されている。
【００７４】
そして、本実施の形態の半導体レーザ装置２００は、ｐ電極１１５に駆動電流を注入するドライバ２１０とこのドライバ２１０の動作を制御するコントローラ２０５とを備えている。そして、ドライバ２１０の一方の出力端子とｐ電極１１５とが配線２１１及び図示されないジャンクションダウン型の実装によって接続されている。
【００７５】
このように構成された半導体レーザ装置２００では、ｐ電極１１５の抵抗率が後方から前方に向かう程、小さくなるので、ドライバ２１０からｐ電極１１５へ注入されて半導体レーザ１１０中を流れる駆動電流の電流密度が、後方から前方に向かって高くなる。よって、実施の形態１及び２と同様にキンクレベルを向上させることができる。
【００７６】
なお、本発明は上記実施の形態には限られない。例えば、ストライプ構造１１７の幅を前方端面１３１と後方端面１３２で変化させることにより特性が向上するが、これを本発明とを組み合わせても、それにより複合的な効果を得ることができる。
【００７７】
また、実施の形態１乃至３では、半導体レーザ１００をＧａＮ基板上に形成したが、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料がその上にエピタキシャル成長できる基板、例えば、サファイヤ基板やＳｉＣ基板等であってもよい。
【００７８】
また、実施の形態１乃至３では、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料からなる半導体レーザについて示したが、その他のレーザ、例えば、ＡｌＧａＡｓ系半導体材料やＡｌＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料からなる半導体レーザに対しても本発明を適用することができ、この場合においても、安定した基本横モードでレーザ発振する高出力半導体が得られる。
【００７９】
特に、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料からなる半導体レーザは、基板面方位が（１００）から[０−１１]または[０１１]方向に傾斜したＧａＡｓ基板上に形成すれば、結晶の秩序化によるバンドギャップ変動も起こらず、安定した高出力レーザが得られる。
【００８０】
また、本発明は必ずしも基本横モードのみでのレーザ発振を必要としない大出力半導体レーザにおいても、本発明によるキャリア注入密度を制御する方法を用いることによって利得の飽和が緩和され、より大出力の半導体レーザを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明の半導体レーザは、ホールバーニングに起因するキンクの発生レベルが向上可能な反射率が非対称な端面反射型の半導体レーザ等として有用である。
【００８２】
本発明の半導体レーザ装置は、反射率が非対称な端面反射型の半導体レーザを用いてホールバーニングに起因するキンクの発生レベルが向上可能な半導体レーザ装置等として有用である。
【００８３】
本発明の半導体レーザの駆動方法は、ホールバーニングに起因するキンクの発生レベルが向上可能な反射率が非対称な端面反射型の半導体レーザの駆動方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】図１は本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの共振器の軸方向に垂直な方向の断面を示す断面図である。
【図２】図１の半導体レーザの平面視における構造と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模式図である。
【図３】図１の半導体レーザの第１乃至第４の電極に注入される駆動電流の電流密度を示す表である。
【図４】図１の半導体レーザの共振器の軸方向における光強度と電流密度との関係を示すグラフである。
【図５】図１の導体レーザのレーザ発振直後及び高光出力状態における共振器の軸方向における光強度分布を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態２に係る半導体レーザの平面視における構造と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模式図である。
【図７】図７は図６の半導体レーザの第１乃至第４の電極に注入される駆動電流及びその電流密度を示す表である。
【図８】閾値電流密度及びスロープ効率について本発明と従来技術とを対比して示す表である。
【図９】本発明の実施の形態３に係る半導体レーザの平面視における構造と本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ装置の構成を示す模式図である。
【図１０】絶縁膜を用いて電流狭窄構造を形成する代表的な半導体レーザの構成を模式的に示す斜視図である。
【図１１】図１０の従来の半導体レーザにおける共振器の軸方向における光強度分布の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８５】
１００  半導体レーザ
１０１  ｎ型ＧａＮ基板
１０２  ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０３  ｎ型ＧａＮ光ガイド層
１０４  ＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造からなる活性層
１０５  アンドープＧａＮキャップ層
１０６  ｐ型ＧａＮ光ガイド層
１０７  ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０８  ｐ型ＧａＮコンタクト層
１０９  ｐメタル層
１１５  ｐ電極
１１５ａ〜１１５ｄ  第１乃至第４のｐ電極
１１６  ｎ電極
１１７  ストライプ構造
１３１  前方端面
１３２  後方端面
２００  半導体レーザ装置
２０１〜２０４  第１乃至第４のドライバ
２０５  コントローラ
２１１  配線
Ｌ０  共振器長
Ｌ１〜Ｌ４  第１乃至第４のｐ電極の長さ
ΔＬＩ１，ΔＬＩ２  光強度差
【図１】
2005310849.tif 000003
【図２】
2005310849.tif 000004
【図３】
2005310849.tif 000005
【図４】
2005310849.tif 000006
【図５】
2005310849.tif 000007
【図６】
2005310849.tif 000008
【図７】
2005310849.tif 000009
【図８】
2005310849.tif 000010
【図９】
2005310849.tif 000011
【図１０】
2005310849.tif 000012
【図１１】
2005310849.tif 000013