(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振方向に延びる２本の溝が形成された半導体基板と、
該半導体基板上に形成され電流注入領域を有する利得導波型の半導体レーザ構造部であって、該半導体基板上に、活性層と、該活性層の両側に設けられる一対の光導波層と、各光導波層の前記活性層とは反対側に設けられる一対のクラッド層とが有機金属気相成長によって形成され、前記光導波層が、前記電流注入領域の発振方向に垂直な横方向の両側において曲った構造を有する半導体レーザ構造部とを備えるブロードエリア型の半導体レーザ素子であって、
該電流注入領域が該２本の溝に挟まれた位置に設けられ、
各溝の深さは、活性層および各光導波層の厚さをそれぞれ加算した厚さ以上であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
活性層を構成する量子井戸がＧａＡｓからなることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐久性に優れた利得導波型の高出力半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、広い電流注入ストライプ幅を有するブロードエリア半導体レーザ素子は、固体レーザ、ファイバーレーザおよび、ダブルコアのエルビウムドープ光増幅器などの励起光源として、また、金属または樹脂の直接加工光源として幅広く用いられるようになってきている。このように応用分野が広がるにしたがってブロードエリア半導体レーザ素子でも単なる高出力だけでなく高い信頼性が求められるようになっている（特開２００１−３０８４４５）。ブロードエリア半導体レーザ素子の１つとして、利得導波型の半導体レーザ素子が挙げられる。
図４は、従来の利得導波型半導体レーザ素子１の構成を示す断面図である。半導体レーザ素子１は、平面な半導体基板２の厚み方向Ｚの一表面２ａ上に、第１クラッド層３、第１光導波層４、活性層５、第２光導波層６、第２クラッド層７、電流狭窄層８およびコンタクト層９が形成される。発振方向Ｘおよび厚み方向Ｚに垂直な横方向Ｙの中央部には、電流注入領域（電流注入ストライプ）１１が形成される。
ブロードエリア半導体レーザ素子の信頼性を損なう一因として、＜100＞ＤＬＤ（Dark  Line  Defect）が知られている。また、＜100＞ＤＬＤは、半導体レーザ素子作製時のスクライブ等によって導入された欠陥を基点に成長することが知られている。半導体レーザ素子に電流を注入するとレーザ発振閾値以下で自然放出光が放出される。図４に示すような従来の利得導波型の半導体レーザ素子１では、横方向に光の閉じ込め構造を有しない。このため、電流注入領域１１で発生した自然放出光は、レーザ構造の一部である第１および第２光導波層４，６を伝播しながら半導体レーザ素子１の横方向Ｙの素子端１２近傍まで到達して活性層５に吸収される。これによって発生するキャリアは、スクライブ等で導入された素子端１２の欠陥部で再結合する。この時の再結合エネルギーによって結晶欠陥が成長し、転移が結晶方位＜100＞に向かって進展して＜100＞ＤＬＤとなる。
図５Ａおよび図５Ｂは、図４に示す従来の半導体レーザ素子１において、スクライブによって導入された欠陥を基点として成長した＜100＞ＤＬＤを観測した観測図である。図５Ａは半導体レーザ素子１の外観写真であり、図５Ｂは図５Ａの半導体レーザ素子１のエレクトロルミネッセンスを高感度ＣＣＤ（Charge  Coupled  Device）で撮影したものである。図４に示す半導体レーザ素子１などの利得導波型の半導体レーザ素子を長時間駆動すると、横方向の素子端１２に存在する欠陥よって、この素子端１２の端面から発振方向Ｘおよび横方向Ｙに平行な仮想一平面内において４５°の方向、即ち結晶方位＜100＞に向かってＤＬＤが成長する。この＜100＞ＤＬＤは、電流注入領域１１に到達すると急激に成長し、レーザ発振を停止させるため重大な問題となる。
【発明の開示】
【０００３】
本発明は、ＤＬＤの成長を抑制することによって高信頼性を有し、かつ高出力の利得導波型の半導体レーザ素子を実現することを目的としている。
本発明は、発振方向に延びる２本の溝が形成された半導体基板と、該半導体基板上に形成され電流注入領域を有する利得導波型の半導体レーザ構造部であって、該半導体基板上に、活性層と、該活性層の両側に設けられる一対の光導波層と、各光導波層の前記活性層とは反対側に設けられる一対のクラッド層とが有機金属気相成長によって形成され、前記光導波層が、前記電流注入領域の発振方向に垂直な横方向の両側において曲った構造を有する半導体レーザ構造部とを備えるブロードエリア型の半導体レーザ素子であって、
該電流注入領域が該２本の溝に挟まれた位置に設けられ、
各溝の深さは、活性層および各光導波層の厚さをそれぞれ加算した厚さ以上である半導体レーザ素子である。
また、本発明において、前記半導体レーザ素子の活性層がＧａＡｓ量子井戸からなることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
本発明の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
図１は、本発明の一実施形態となる半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
図２は、実施例の半導体レーザ素子の連続通電試験結果を示すグラフである。
図３は、比較例となる従来の半導体レーザ素子の連続通電試験結果を示すグラフである。
図４は、比較例となる従来の利得導波型の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
図５は、＜100＞ＤＬＤの発生した半導体レーザ素子を観察した観察図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下図面を参考にして本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態となる半導体レーザ素子２０の構成を示す断面図である。半導体レーザ素子２０は、ケミカルエッチングにより発振方向Ｘに延びる２本の溝（下部開口部幅Ｗ１:２０μｍ、深さＤ:１μｍ）３１が形成されたｎ型ＧａＡｓ半導体基板２１上、すなわち溝３１に臨む表面を含む厚み方向Ｚの一表面２１ａの全面上に、全て周知な技術である有機金属気相成長、フォトリソグラフィーおよびケミカルエッチンチングを用いて、ｎ型Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓクラッド層２２（厚さ:０．９μｍ）と、ｎ型Ａｌ0.31Ｇａ0.66Ａｓ光導波層２３（厚さ:０．４μｍ）と、ｎ型Ａｌ0.62Ｇａ0.38Ａｓキャリアブロック層（厚さ:０．０１３μｍ）、ＧａＡｓ/Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ量子井戸層およびｐ型Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓキャリアブロック層（厚さ:０．０２０μｍ）からなる活性層２４と、ｐ型Ａｌ0.31Ｇａ0.66Ａｓ光導波層２５（厚さ:０．４μｍ）と、ｐ型Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓクラッド層２６（厚さ:０．９μｍ）と、ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層２７（厚さ:０．４μｍ）と、この電流狭窄層２７が埋め込まれたｐ型ＧａＡｓコンタクト層２８（厚さ:１．７μｍ）とが順次形成されて成るレーザ構造部が形成され、横方向Ｙの中央部に電流注入領域（電流注入ストライプ）２９（ストライプ幅Ｗ２:１００μｍ）が形成されている。
また、電流注入ストライプ２９は、半導体基板２１に形成した２本の溝３１に挟まれる位置（ストライプ端からストライプ側の溝端までの距離Ｗ３:６０μｍ）に形成されている。本発明の半導体レーザ素子２０は、溝３１が形成された半導体基板２１上にレーザ構造を結晶成長するため電流注入ストライプ２９の発振方向に垂直な横方向の両外側に導波層が曲った構造を有している。
また、本実施例では、完全分離閉じ込め構造（Decoupled  Confinement  Heterostructure：略称ＤＣＨ）に適用しているが、本発明は、既に周知な構造である分離閉じ込め構造（Separated  Confinement  Heterostructure：略称ＳＣＨ）に適用しても、前述したように電流注入ストライプを半導体基板に形成される溝に挟まれる位置に形成することによって、有効に作用する。この場合、キャリアブロック層は必要なく、したがってキャリアブロック層は本実施例に必須なものではない。
また、溝３１の深さＤは、電流注入ストライプ２９における導波モードの幅以上に選ばれることが好ましく、たとえばＤＣＨ構造では、前記導波層２３，２５および活性層２４の厚さをそれぞれ加算した厚さ以上に選ばれることが好ましい。
また、各層の膜厚、組成および不純物ドーピング量などは、所望のレーザ発振を得るために適宜決めることができる。
本実施例の半導体レーザ素子２０を温度が５０℃の条件下で、出力が２ワット（Ｗ）で一定になるよう電流を注入して連続通電試験を実施した。また、本連続通電試験は、連続通電試験と同条件で４００時間のスクリーニング後に実施した。
図２は、本実施例の半導体レーザ素子２０の連続通電試験の結果を示している。横軸は、通電を開始した時刻からの経過時間を示し、単位は、時間（ｈｒ）である。また、縦軸は、所定時間動作後の出力値Ｐを初期の出力値Ｐｏで除算した値（Ｐ／Ｐｏ）を示している。図２から判るように２７個の素子のうちの全てが７００時間を経ても安定動作している。これは、電流注入ストライプ２９の両側に形成された光導波層２３，２５の曲り部分によって、電流注入ストライプ領域内で発生する自然放出光の、横方向Ｙの素子端３２への伝播が押さえられた結果として、＜100＞ＤＬＤの成長が抑制できたためと考えられる。
（比較例）  
比較例として図４に示す利得導波型半導体レーザ素子を作製した。比較例として作製した半導体レーザ素子の構成は、ｎ型ＧａＡｓ半導体基板２に溝加工が施されていない以外は、レーザ構造部の各半導体層およびその作製方法とも実施例と同様である。
比較例として作製した半導体レーザ素子を実施例と同様に温度が５０℃の条件下で、出力が２ワット（Ｗ）で一定になるよう電流を注入して連続通電試験を実施した。また、本連続通電試験は、実施例の場合と同様に連続通電試験と同条件で４００時間のスクリーニング後に実施された。
図３は、比較例の利得導波型半導体レーザ素子を、続通電試験した結果を確率分布で示すグラフである。図３において、横軸は、通電を開始した時刻から故障するまでの時間、縦軸は、半導体レーザ素子が故障する確率を示す。横軸の単位は、時間（ｈｒ）である。
比較例の半導体レーザ素子は、７００時間の連続駆動によって１３個のうち、１３個全てが、発振を停止した。
このように比較例の半導体レーザ素子、すなわち従来の技術の半導体レーザ素子１が連続駆動に耐えられない、すなわち信頼性が低い原因は、前述したように＜100＞ＤＬＤの発生である。また、＜100＞ＤＬＤが発生する原因は、横方向Ｙに光の閉じ込め構造を有しないためである。比較例の半導体レーザ素子では、横方向Ｙに光の閉じ込め構造を備えないので、放出された自然放出光は、図４に示されるのと同じように第１および第２光導波層４，６を伝播しながら活性層５に吸収される。自然放出光が素子端１２近傍まで伝播し、活性層５に吸収されることによって発生するキャリアが、スクライブなどで形成された欠陥部で再結合し、この時の再結合エネルギーによって欠陥が成長し、＜100＞ＤＬＤが発生すると考えられる。
以上の実施例および比較例から明らかなように、溝３１が形成された半導体基板２１上に各半導体層が結晶成長された利得導波型半導体レーザ素子２０は、電流注入ストライプ２９の両側に形成される導波層の曲り部分によって、電流注入ストライプ２９領域内で発生する自然放出光が素子端へ伝播することを防止しすることができる。その結果として従来問題であった＜100＞ＤＬＤを抑制すること可能であり、長時間の連続安定動作が可能となる。すなわち本発明によって高い信頼性を有する高出力半導体レーザ素子を実現することが出来る。また、本発明の半導体レーザ素子２０は、半導体基板２１に溝３１を加工する工程のみを追加するだけで、従来の技術の半導体レーザ素子１と同様の結晶成長プロセスによって、作製が可能である。したがってプロセスの追加が無く、成膜プロセスによる製造コストの上昇なども無く、容易に実現可能である。
また、＜100＞ＤＬＤの成長する速度は、量子井戸を形成する材料によって異なることが実験的に分かっている。ＧａＡｓからなる量子井戸と、ＩｎＧａＡｓからなる量子井戸とを比較した場合、＜100＞ＤＬＤの成長する速度は、ＧａＡｓ量子井戸の場合がＩｎＧａＡｓ量子井戸よりも約１桁大きい。したがって本発明の効果は、量子井戸がＧａＡｓからなる活性層を有する利得導波型の半導体レーザ素子において、より顕著に発揮される。
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【０００６】
レーザ加工用の大出力レーザ装置のレーザ光源として利用できる。
発振方向に延びる２本の溝が形成された半導体基板上に、電流注入領域が該２本の溝に挟まれた位置となるように各半導体層が結晶成長された利得導波型半導体レーザ素子は、従来問題であった＜100＞ＤＬＤを抑制することが可能であり、高い信頼性を有する高出力半導体レーザ素子を実現することが出来る。また、本発明の半導体レーザ素子は、半導体基板の加工のみの変更によって作製が可能である。したがってプロセスの追加等無くコストの上昇なども無く、容易に実現可能である。
【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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