(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子井戸層、バリア層およびサイドバリア層から成る活性層と、
前記活性層の両側に設けられ、前記バリア層よりもエネルギーギャップが大きく屈折率が小さいキャリアブロック層と、
前記キャリアブロック層に対して活性層と反対側に設けられ、キャリアブロック層よりもエネルギーギャップが小さく屈折率が大きい導波層と、
前記導波層に対して活性層と反対側に設けられ、導波層よりもエネルギーギャップが大きく屈折率が小さいクラッド層とを備えた半導体レーザにおいて、
前記キャリアブロック層に最隣接する前記量子井戸層との間のサイドバリア層のエネルギーギャップＥＧ１、前記キャリアブロック層のエネルギーギャップＥＧ２、および前記導波層のうちキャリアブロック層に隣接する部分のエネルギーギャップＥＧ３が、
ＥＧ２＞ＥＧ１＞ＥＧ３
の関係式を満たすことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
活性層、キャリアブロック層、導波層およびクラッド層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
活性層、キャリアブロック層、導波層およびクラッド層は、ＡｌXＧａ1-XＡｓ（０≦Ｘ＜１）で形成されていることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
量子井戸層は、ＩｎYＧａ1-YＡｓ（０＜Ｙ＜１）で形成されていることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
導波層は、ＡｌZＧａ1-ZＡｓ（０≦Ｚ≦０．２０）で形成されていることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
πを円周率とし、λを発振波長とし、導波層の最大屈折率をＮ１とし、クラッド層の屈折率をＮ２とし、クラッド層間の実効厚みをｄ１とし、規格化周波数Ｖを
Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１2 −Ｎ２2 ）0.5
と定義したとき、
Ｖ＞π／３
となることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光情報処理、レーザ加工、レーザ医療などに好適に用いられる半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体レーザの高出力化が望まれているが、高出力化を妨げる要因の一つとして瞬時光学損傷（ＣＯＤ）があり、これは半導体レーザの端面が自らのレーザビームによって溶融する現象である。こうしたＣＯＤが発生しないように高出力化を図った半導体レーザとして、完全分離閉じ込めヘテロ構造（ＰＳＣＨ）が本出願人によって提案されている（特願平５−５０５５４２号）。
【０００３】
図８（ａ）はＡｌＧａＡｓ系を用いたＰＳＣＨ構造の半導体レーザ素子の一例を示す構成図であり、図８（ｂ）は活性層近傍の拡大図である。図８の縦軸は膜厚を示し、横軸はアルミニウム（Ａｌ）組成を示し、Ａｌ組成が大きいほどエネルギーギャップも大きくなる。
【０００４】
半導体レーザ素子は、バリア層４６、バリア層４６を挟む量子井戸層４５、および量子井戸層４５を挟むサイドバリア層４４から成る活性層５０と、活性層５０の両側に設けられたｎ型キャリアブロック層４３およびｐ型キャリアブロック層４７と、ｎ型キャリアブロック層４３およびｐ型キャリアブロック層４７の外側にそれぞれ設けられたｎ型導波層４２およびｐ型導波層４８と、ｎ型導波層４２およびｐ型導波層４８の外側にそれぞれ設けられたｎ型クラッド層４１およびｐ型クラッド層４９とで構成されている。
【０００５】
ＰＳＣＨ構造では、導波層４２、４８とクラッド層４１、４９の特性で決定されるレーザ光の導波モードを乱さない程度に、活性層５０近傍を両側から挟むように２つのキャリアブロック層４３、４７を形成している。キャリアブロック層４３、４７は活性層５０内の電子や正孔を閉じ込めて発振効率を向上させる機能を有し、しかも導波モードを理想的なガウス型に改善できるため、半導体レーザ端面でのレーザビームのピーク強度を低減化でき、端面溶融が起こる出力レベル、すなわちＣＯＤレベルを大幅に向上させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＰＳＣＨ構造を持つ半導体レーザ素子では、ＣＯＤレベルが向上して得られる出力が増大すると、熱的な負荷が厳しくなる連続発振状態においては、最大出力が熱飽和現象によって制限を受けてしまう。この熱飽和現象はＰＳＣＨ構造をもつ半導体レーザ素子特有の現象ではなく、半導体レーザ素子一般におこり得る現象である。すなわち半導体レーザ素子を連続発振させると活性層の温度が上昇する。特に高出力にするため注入電流を増大させていくにしたがい、温度上昇が大きくなり出力が飽和して最大出力が制限される現象である。
【０００７】
半導体レーザの熱飽和出力を高める手法として、１）共振器長を長くする。２）量子井戸数を増やす。などが一般に考えられる。共振器の長尺化および多重量子井戸化によってレーザ発振時の量子井戸１本当りのキャリア密度を低減化できるため、しきい電流の温度依存性を規定する特性温度が向上する。また共振器を長くすると各層の面積が大きくなるため、素子の熱抵抗が小さくなる。こうした手法によって熱飽和出力を高くすることができるが、何れも発振効率の低下を招いてしまう。
【０００８】
本発明の目的は、発振効率を維持しつつ特性温度を向上させ、たとえば連続発振状態での最大出力を決定している熱飽和出力を向上させた半導体レーザ素子を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、量子井戸層、バリア層およびサイドバリア層から成る活性層と、
前記活性層の両側に設けられ、前記バリア層よりもエネルギーギャップが大きく屈折率が小さいキャリアブロック層と、
前記キャリアブロック層に対して活性層と反対側に設けられ、キャリアブロック層よりもエネルギーギャップが小さく屈折率が大きい導波層と、
前記導波層に対して活性層と反対側に設けられ、導波層よりもエネルギーギャップが大きく屈折率が小さいクラッド層とを備えた半導体レーザにおいて、
前記キャリアブロック層に最隣接する前記量子井戸層との間のサイドバリア層のエネルギーギャップＥＧ１、前記キャリアブロック層のエネルギーギャップＥＧ２、および前記導波層のうちキャリアブロック層に隣接する部分のエネルギーギャップＥＧ３が、
ＥＧ２＞ＥＧ１＞ＥＧ３
の関係式を満たすことを特徴とする半導体レーザ素子である。
本発明に従えば、活性層内のサイドバリア層のエネルギーギャップＥＧ１を導波層のエネルギーギャップＥＧ３よりも大きくし、かつキャリアブロック層のエネルギーギャップＥＧ２よりも小さく形成することによって、素子の温度が上昇したとき量子井戸層内のキャリアが熱励起によってサイドバリア層に蒸発する割合を減らすことができる。その結果、半導体レーザの特性温度が向上し、連続発振状態での熱飽和出力を上昇させることができる。その際、共振器長や量子井戸数を変えることなく実現できるため、発振効率の低下をもたらさない。さらに、クラッド層および導波層のエネルギーギャップを大きくする必要がないため、素子の熱抵抗や電気抵抗の上昇もなく、素子内の発熱量の増加もない。したがって、高い発振効率で高出力の半導体レーザ素子を得ることができる。
【００１０】
また本発明は、活性層、キャリアブロック層、導波層およびクラッド層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されていることを特徴とする。
また本発明は、活性層、キャリアブロック層、導波層およびクラッド層は、ＡｌXＧａ1-XＡｓ（０≦Ｘ＜１）で形成されていることを特徴とする。
本発明に従えば、活性層、キャリアブロック層、導波層およびクラッド層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、好ましくはＡｌXＧａ1-XＡｓ（０≦Ｘ＜１）で形成されていることによって、組成の変化によるエネルギーギャップの制御が容易で、しかも高い信頼性の半導体レーザ素子を実現することができる。
【００１１】
また本発明は、量子井戸層は、ＩｎYＧａ1-YＡｓ（０＜Ｙ＜１）で形成されていることを特徴とする。
本発明に従えば、量子井戸層がＩｎYＧａ1-YＡｓ（０＜Ｙ＜１）で形成されていることによって、サイドバリア層、キャリアブロック層および導波層の各エネルギーギャップの関係式ＥＧ２＞ＥＧ１＞ＥＧ３とした場合の上述した効果が充分に得られる。また、ＡｌＧａＡｓ系と比べて量子井戸層のエネルギーギャップをより小さく設定できるため、量子井戸層でのキャリア存在確率が増加するとともに、量子井戸層からサイドバリア層へのキャリア蒸発を有効に抑制できる。
【００１２】
また本発明は、導波層は、ＡｌZＧａ1-ZＡｓ（０≦Ｚ≦０．２０）で形成されていることを特徴とする。
本発明に従えば、量子井戸層をＩｎＧａＡｓ系で形成する場合、導波層のＡｌ組成を０．２以下と比較的小さく形成することが可能になり、これによって導波層の熱抵抗および電気抵抗を低減でき、素子全体の熱抵抗および電気抵抗の低減化に寄与する。
【００１３】
また本発明は、πを円周率とし、λを発振波長とし、導波層の最大屈折率をＮ１とし、クラッド層の屈折率をＮ２とし、クラッド層間の実効厚みをｄ１とし、
規格化周波数Ｖを
Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１2 −Ｎ２2 ）0.5
と定義したとき、
Ｖ＞π／３
となることを特徴とする。
ここで、導波層の屈折率が一定の場合は最大屈折率Ｎ１はその一定値をとるが、導波層の中で屈折率が分布を持つ場合はその最大値を意味する。また実効厚みｄ１は、前記両クラッド層間の任意の位置（α）における屈折率をＮｗ（α）とし、ｎ型クラッド層の活性層に近い界面の位置をα１、およびｐ型クラッド層の活性層に近い界面の位置をα２とすると、次式で求められる。
【００１４】
【数１】
0003987138.tif 000002
【００１５】
本発明に従えば、上下のクラッド層に挟まれる活性層、キャリアブロック層、導波層から成る光導波路の規格化周波数Ｖをπ／３より大きく設定することによって、導波モードを理想的なガウス型に近付けることが可能となる。また、活性層領域での導波モードのピーク強度が減少して、半導体レーザ素子の出射端面での光学損傷レベルをより高くすることが可能になる。また横モードがマルチモード化しないためには、規格化周波数Ｖは２π以下であることが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１（ａ）は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、図１（ｂ）は活性層近傍の拡大図である。図１の縦軸は膜厚を示し、横軸はアルミニウム（Ａｌ）組成を示し、Ａｌ組成が大きいほどエネルギーギャップも大きくなる。
【００１７】
この半導体レーザ素子は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）やＭＢＥ（分子ビーム成長）等の薄膜製造方法を用いて、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＡｌXＧａ1-XＡｓのＡｌ組成Ｘや膜厚を制御しながら製造することができる。
【００１８】
図１（ａ）において、ｎ型ＧａＡｓから成る基板（不図示）の上に、ｎ型クラッド層（Ｘ＝０．４８）１１、ｎ型導波層（Ｘ＝０．３１）１２、ｎ型キャリアブロック層１３（Ｘ＝０．５）、活性層２０、ｐ型キャリアブロック層（Ｘ＝０．５）１７、ｐ型導波層（Ｘ＝０．３１）１８、およびｐ型クラッド層（Ｘ＝０．４８）１９を順次形成している。
【００１９】
また図１（ｂ）に示すように、活性層２０は２重量子井戸構造を有し、バリア層（Ｘ＝０．３７）１６と、バリア層１６を挟むＧａＡｓから成る２本の量子井戸層１５と、量子井戸層１５の外側で各キャリアブロック層１３、１７に最隣接するサイドバリア層１４（Ｘ＝０．３７）とで構成される。
【００２０】
ここで、ｎ型ドーパントとしてＳｅ（セレン）、ｐ型ドーパントとしてＣ（炭素）をそれぞれ使用している。ドーピング量に関しては、ｎ型およびｐ型ともにクラッド層１１、１９および導波層１２、１８で約３×１０17ｃｍ-3、キャリアブロック層１３、１７で約１×１０18ｃｍ-3である。また、活性層２０内のバリア層１６、量子井戸層１５、サイドバリア層１４は何れもノンドープである。
【００２１】
こうした構成において、サイドバリア層１４のエネルギーギャップＥＧ１、キャリアブロック層１３、１７のエネルギーギャップＥＧ２、導波層１２、１８のエネルギーギャップＥＧ３は、ＥＧ２＞ＥＧ１＞ＥＧ３という関係式を満たしている。すなわち、活性層２０内のサイドバリア層１４のエネルギーギャップＥＧ１を従来よりも大きく、すなわちキャリアブロック層１３、１７のエネルギーギャップＥＧ２未満として導波層１２、１８のエネルギーギャップＥＧ３よりも大きくなるように形成している。
【００２２】
これによって量子井戸層１５が相対的に深くなり、素子温度が上昇したとき量子井戸層１５内のキャリアが熱励起によって外側のサイドバリア層１４に蒸発する割合を減らすことができる。その結果、半導体レーザの特性温度が向上し、連続発振状態での熱飽和出力を上昇させることができる。
【００２３】
図２は、半導体レーザの電流−光出力特性を示すグラフである。図８の従来例および図１の第１実施形態ともに、ストライプ幅は５０μｍ、共振器長は９００μｍ、各端面には反射率４％と９６％のコーティングを形成している。図２に示すように、従来のものは電流１．６Ａあたりから次第に飽和が始まって、電流３Ａで完全に飽和状態になり、最大レーザ出力は約２．２Ｗである。一方、実施例のものは電流２．４Ａあたりまで直線性が保たれ、最大レーザ出力は約２．６Ｗを達成している。
【００２４】
図３は、各種共振器長に対する特性温度の変化を示すグラフである。なお、従来例および第１実施形態ともに、ストライプ幅は５０μｍ、共振器長は３００μｍ、５００μｍ、７００μｍ、９００μｍで、何れも端面コーティング無しで測定している。図３に示すように、何れも共振器長が長くなるほど特性温度が高くなる傾向があるが、同一共振器長で比較すると実施例の方が３０〜４０Ｋ程度改善されていることが判る。
【００２５】
このように活性層２０内のサイドバリア層１４のエネルギーギャップＥＧ１を導波層のエネルギーギャップＥＧ３よりも大きく形成することによって、半導体レーザの特性温度が向上し、連続発振状態での熱飽和出力を上昇させることができる。その際、共振器長や量子井戸数を変えることなく実現できるため、発振効率の低下をもたらさない。さらに、クラッド層および導波層のエネルギーギャップを大きくする必要がないため、素子の熱抵抗や電気抵抗の上昇もなく、素子内の発熱量の増加もない。
【００２６】
（第２実施形態）
図４は本発明の第２実施形態を示す構成図であり、図５はその比較例である。縦軸は膜厚を示し、横軸の正軸でアルミニウム（Ａｌ）組成を示し、横軸の負軸でインジウム（Ｉｎ）組成を示し、Ａｌ組成が大きいほどエネルギーギャップも大きくなり、逆にＩｎ組成が大きいほどエネルギーギャップは小さくなる。
【００２７】
この半導体レーザ素子は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）やＭＢＥ（分子ビーム成長）等の薄膜製造方法を用いて、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＡｌXＧａ1-XＡｓのＡｌ組成Ｘ、ＩｎYＧａ1-YＡｓのＩｎ組成Ｙや膜厚を制御しながら製造することができる。
【００２８】
図４において、ｎ型ＧａＡｓから成る基板（不図示）の上に、ｎ型クラッド層（Ｘ＝０．１６）１１、ｎ型導波層（Ｘ＝０）１２、ｎ型キャリアブロック層１３（Ｘ＝０．４）、活性層２０、ｐ型キャリアブロック層（Ｘ＝０．４）１７、ｐ型導波層（Ｘ＝０）１８、およびｐ型クラッド層（Ｘ＝０．１６）１９を順次形成している。
【００２９】
また、図１（ｂ）と同様に、活性層２０は２重量子井戸構造を有し、バリア層（Ｘ＝０）と、バリア層を挟むＩｎ0.18Ｇａ0.82Ａｓ（Ｙ＝０．１８）から成る２本の量子井戸層と、量子井戸層の外側で各キャリアブロック層１３、１７に最隣接するサイドバリア層（Ｘ＝０．１）とで構成される。
【００３０】
ここで、ｎ型ドーパントとしてＳｅ（セレン）、ｐ型ドーパントとしてＣ（炭素）をそれぞれ使用している。ドーピング量に関しては、ｎ型およびｐ型ともにクラッド層１１、１９および導波層１２、１８で約３×１０17ｃｍ-3、キャリアブロック層１３、１７で約１×１０18ｃｍ-3である。また、活性層２０内のバリア層、量子井戸層、サイドバリア層は何れもノンドープである。
【００３１】
こうした構成において、サイドバリア層のエネルギーギャップＥＧ１、キャリアブロック層１３、１７のエネルギーギャップＥＧ２、導波層１２、１８のエネルギーギャップＥＧ３は、ＥＧ２＞ＥＧ１＞ＥＧ３という関係式を満たしている。すなわち、活性層２０内のサイドバリア層のエネルギーギャップＥＧ１を従来よりも大きく、すなわちキャリアブロック層１３、１７のエネルギーギャップＥＧ２未満として導波層１２、１８のエネルギーギャップＥＧ３よりも大きくなるように形成している。
【００３２】
これによって量子井戸層が相対的に深くなり、素子温度が上昇したとき量子井戸層内のキャリアが熱励起によって外側のサイドバリア層に蒸発する割合を減らすことができる。その結果、半導体レーザの特性温度が向上し、連続発振状態での熱飽和出力を上昇させることができる。
【００３３】
一方、図５に示す比較例において、活性層２０は２重量子井戸構造を有し、バリア層およびサイドバリア層のＡｌ組成をＸ＝０で形成してｎ型導波層１２およびｐ型導波層１８のエネルギーギャップに一致させており、その他の層に関しては図４と同一組成である。
【００３４】
図６は、半導体レーザの電流−光出力特性を示すグラフである。図４の第２実施形態および図５の比較例ともに、ストライプ幅は５０μｍ、共振器長は１５００μｍ、前側端面には反射率４％、後側端面には反射率９６％のコーティングを形成している。
【００３５】
図６に示すように、第２実施形態および比較例ともに注入電流１０Ａであっても完全な熱飽和が現れず、何れも良好な特性を示している。しかし、全体の傾向として、注入電流を徐々に増加する場合、第２実施形態の出力の増加割合が比較例のものと比べて大きいことが判る。これは比較例の方が熱飽和に早く到達してしまうということを意味し、逆に第２実施形態の熱飽和レベルがより高いことを意味する。
【００３６】
図７は、各種共振器長に対する特性温度の変化を示すグラフである。なお、第２実施形態および比較例ともに、ストライプ幅は５０μｍで何れも端面コーティング無しで測定している。図７に示すように、何れも共振器長が長くなるほど特性温度が高くなる傾向があるが、同一共振器長で比較すると第２実施形態の方が４０〜８０Ｋ程度改善されていることが判る。
【００３７】
このように活性層２０内のサイドバリア層１４のエネルギーギャップＥＧ１を導波層のエネルギーギャップＥＧ３より大きく形成することによって、半導体レーザの特性温度が向上し、熱飽和出力を上昇させることができる。その際、共振器長や量子井戸数を変えることなく実現できるため、発振効率の低下をもたらさない。さらに、クラッド層および導波層のエネルギーギャップを大きくする必要がないため、素子の熱抵抗や電気抵抗の上昇もなく、素子内の発熱量の増加もない。
【００３８】
以上説明した各実施形態において、量子井戸層１５によって挟まれたバリア層１６のエネルギーギャップは、サイドバリア層１４のエネルギーギャップＥＧ１以下に形成した場合でも、本発明と同様な効果が得られる。
【００３９】
また、各実施形態では活性層に対して対称となる構造を示したが、非対称となる構造でも構わない。
【００４０】
また、各実施形態ではクラッド層、導波層、キャリアブロック層、サイドバリア層が均一層である例を示したが、層厚方向にＡｌ組成が変化したグレーデッド層であっても構わない。
【００４１】
また、各実施形態では量子井戸数が２本である例を示したが、３本以上でも本発明と同様な効果が得られる。
【００４２】
なお、本発明はＡｌＧａＩｎＰ系やＧａＩｎＡｓＰ系などの４元系にも同様に適用できる。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、素子の温度が上昇したとき量子井戸層内のキャリアが熱励起によってサイドバリア層に蒸発する割合を減らすことができる。そのため、特性温度が向上し、連続発振状態での熱飽和出力を上昇させることができる。したがって、高い発振効率で高出力の半導体レーザ素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、図１（ｂ）は活性層近傍の拡大図である。
【図２】半導体レーザの電流−光出力特性を示すグラフである。
【図３】各種共振器長に対する特性温度の変化を示すグラフである。
【図４】本発明の第２実施形態を示す構成図である。
【図５】図４に対する比較例を示す構成図である。
【図６】半導体レーザの電流−光出力特性を示すグラフである。
【図７】各種共振器長に対する特性温度の変化を示すグラフである。
【図８】図８（ａ）はＡｌＧａＡｓ系を用いたＰＳＣＨ構造の半導体レーザ素子の一例を示す構成図であり、図８（ｂ）は活性層近傍の拡大図である。
【符号の説明】
１１  ｎ型クラッド層
１２  ｎ型導波層
１３  ｎ型キャリアブロック層
１４  サイドバリア層
１５  量子井戸層
１６  バリア層
１７  ｐ型キャリアブロック層
１８  ｐ型導波層
１９  ｐ型クラッド層
２０  活性層
【図１】
0003987138.tif 000003
【図２】
0003987138.tif 000004
【図３】
0003987138.tif 000005
【図４】
0003987138.tif 000006
【図５】
0003987138.tif 000007
【図６】
0003987138.tif 000008
【図７】
0003987138.tif 000009
【図８】
0003987138.tif 000010