JP2004087836A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】光出力が高い半導体レーザ素子を、信頼性を低下させることなく得る。
【解決手段】発光領域に比べてバンドギャップが広い窓領域を有する窓構造の半導体レーザ素子において、裏面側窓領域のバンドギャップを、前面側窓領域のバンドギャップよりも狭くする。
【選択図】 図１
【解決手段】発光領域に比べてバンドギャップが広い窓領域を有する窓構造の半導体レーザ素子において、裏面側窓領域のバンドギャップを、前面側窓領域のバンドギャップよりも狭くする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子に関し、特に６００ｎｍ帯の窓構造の高光出力の半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＩｎＧａＡｌＰ系材料を用いた波長６００ｎｍ〜７００ｎｍの半導体レーザ素子は、ＤＶＤ（ｄｉｇｉｔａｌ ｖｅｒｓａｔｉｌｅ ｄｉｓｋ）などへの実用化が進み、ＤＶＤ−ＲＡＭ／Ｒ／ＲＷ等の書込み用レーザとして高出力化が進んでいる。高出力化した場合は不可逆的な端面破壊（ＣＯＤ：Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍｅｇｅ）が問題になるためレーザ光の出射端面に窓領域を設けることが多い。このような窓領域を設けた構造は、窓構造と呼ばれる。
【０００３】
図５は、この窓構造の半導体レーザ素子の従来例の断面図である。このレーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７） ０．５Ｐからなるｎ型クラッド層２０２、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．４Ａｌ０．６） ０．５Ｐからなるガイド層２０３、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ／Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５） ０．５Ｐからなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造の活性層２０４、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．４Ａｌ０．６） ０．５Ｐからなるガイド層２０５、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐからなるｐ型クラッド層２０６、ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層２０７、が順次形成されている。上記の活性層２０４は、ｐ側電極２９１と、ｎ側電極２９２と、からの電流注入により、発光領域２３２から、図中左側の前面側端面２１０と、図中右側の裏面側端面２２０と、に向けて光を放射する。この前面側端面２１０と、裏面側端面２２０と、の近傍には図中上部から亜鉛が拡散されることによって、図中斜線で示すように、前面側窓領域２１２と、裏面側窓領域２２２と、が形成されている。これらの窓領域２１２、２２２では、活性層２０４の井戸層と障壁層とが合金化されている。また、前面側端面２１０上には低反射膜２１１が、裏面側端面２２０上には高反射膜２２１が、それぞれ形成されている。図５の高出力用半導体レーザ素子の共振器長は、利得を稼ぐため７００〜９００μｍと長めであり、各窓領域２１２、２２２の図中横方向の長さは、活性層２０４付近で、３０〜４０μｍ程度である。また、活性層２０４の井戸層および障壁層の厚さはそれぞれ５ｎｍ前後、井戸層の数は３程度である。
【０００４】
図５の素子では、窓領域２１２、２２２のＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ井戸層にＩｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５） ０．５Ｐ障壁層からＡｌが入ってくることにより、窓領域２１２、２２２の井戸層のバンドギャップが広がる。このバンドギャップが広がれば、バンドギャップ波長が短くなる。そして、一般に、半導体は、バンドギャップ波長以上の波長の光は吸収しない。このため、窓領域２１２、２２２の井戸層２１４は、バンドギャップが広がってバンドギャップ波長が短くなることにより、発光領域の井戸層２１４からの光を吸収しにくくなる。この結果、端面破壊が起こりにくくなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、上記の窓領域２１２、２２２のバンドギャップは、動作に支障がない範囲でなるべく広くするほどレーザの特性が良くなると考えられていた。これは、窓領域２１２、２２２のバンドギャプが広がるほど、窓領域２１２、２２２の活性層２１４における光吸収が起こりにくくなり、端面破壊が起こりにくくなって信頼性が向上すると考えられていたからである。また、同時に、光出力も向上すると考えられていたからである。
【０００６】
しかし、本発明者は、シミュレーションの結果から、光出力について、窓領域２１２、２２２のバンドギャップが広がるほど特性が良くなるという上記の考え方に疑問を持った。このことから、本発明者は、半導体レーザの光出力をさらに向上させるため、さまざまな条件で、シミュレーションおよび実験を繰り返した。その結果、前面側窓領域２１２のバンドギャップは動作に支障がない範囲でなるべく広くすると良いが、裏面側窓領域２２２についてはバンドギャップをある範囲内に制御することで、前面側端面２１０からのレーザ光の光出力を増加させられることが分かった。また、この範囲内であれば、裏面側端面２２０の端面破壊の起こりにくさも従来とほとんど変わらないことが分かった。つまり、裏面側窓領域２２２のバンドギャップを、前面側窓領域２１２よりも狭くして発光領域２３２に近づけることで、従来と同程度の信頼性を維持しつつ、従来よりも光出力が高い半導体レーザが得られることを独自に知得するに至った。
【０００７】
本発明は上記ことに着目してなされたものである。つまり、この方法は、従来の技術常識とは異なった本発明者の独自の実験結果によって得られたものであり、本発明者の独自の知得に基づくものである。
【０００８】
本発明の目的は、窓構造の半導体レーザ素子において、光出力が高い素子を、信頼性を低下させることなく得る点にある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一実施形態による半導体レーザ素子は、基板と、前記基板上に形成された第１導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層上に形成され、ＩｎＧａＡｌＰ井戸層とＩｎＧａＡｌＰ障壁層とを交互に複数回積層した多重量子井戸構造であり、電流注入によって互いに向き合う第１の端面と第２の端面とに向けて発光領域から光を放射する活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、前記第１の端面の近傍に拡散によって形成された領域であって、この領域における前記井戸層のバンドギャップが前記発光領域における前記井戸層のバンドギャップよりも広くなる第１の窓領域と、前記第２の端面の近傍に拡散によって形成された領域であって、この領域における前記井戸層のバンドギャップが前記発光領域における前記井戸層のバンドギャップよりも広く前記第１の窓領域における前記井戸層のバンドギャップよりも狭くなる第２の窓領域と、を備え、前記発光領域における前記井戸層のバンドギャップと、前記第２の窓領域における前記井戸層のバンドギャップと、の差が波長変化量で１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の他の実施の形態の半導体レーザ素子は、第１導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層上に形成され、電流注入によって、互いに向き合う第１の端面と第２の端面とに向けて発光領域から光を放射する活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、前記第１の端面の近傍に拡散によって形成された領域であって、この領域における前記井戸層のバンドギャップが前記発光領域における前記井戸層のバンドギャップよりも広くなる第１の窓領域と、前記第２の端面の近傍に拡散によって形成された領域であって、この領域における前記井戸層のバンドギャップが、前記発光領域における前記井戸層のバンドギャップよりも広く、前記第１の窓領域における前記井戸層のバンドギャップよりも狭くなる第２の窓領域と、前記第２の端面上に形成され、前記活性層からの前記光を反射する反射膜と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態の半導体レーザ素子の断面図である。ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７） ０．５Ｐからなるｎ型クラッド層１０２、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．４Ａｌ０．６） ０．５Ｐからなるガイド層１０３、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ／Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５） ０．５Ｐからなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造の活性層１０４、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．４Ａｌ０．６） ０．５Ｐからなるガイド層１０５、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７） ０．５Ｐからなるｐ型クラッド層１０６、ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１０７、が順次形成されている。上記の活性層１０４には、図中上部のｐ側電極１９１と、図中下部のｎ側電極１９２と、から電流が注入される。そして、この電流注入により、発光領域１３２から、図中左側の前面側端面（第１の端面）１１０と、図中右側の裏面側端面（第２の端面）１２０と、に向けて波長６００ｎｍ〜７００ｎｍの光を放射する。
【００１３】
上記の前面側端面１１０と、裏面側端面１２０と、の近傍には図中上部から亜鉛が拡散されることによって、前面側窓領域（第１の窓領域）１１２と、裏面側窓領域（第２の窓領域）１２２と、が形成されている。これらの窓領域１１２、１２２では、活性層１０４の、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ井戸層と、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５） ０．５Ｐ障壁層と、が合金化されている。この合金化を起こり易くするため、活性層１０４の井戸層厚および障壁層厚はそれぞれ４ｎｍとし、井戸数は３としている。この合金化により、前面側窓領域１１２および裏面側領域１２２の井戸層は、発光領域１３２の井戸層に比べ、バンドギャップが広く、バンドギャップ波長が短くなる。これにより、前面側窓領域１１２および裏面側領域１２２の光吸収が抑制され、端面破壊が防止される。
【００１４】
上記の前面側端面１１０と、裏面側端面１２０と、の上には、それぞれ、低反射膜１１１と、高反射膜１２１と、が形成される。高反射膜１２１は、活性層１０４の発光領域１３２からの光に対する反射率が６０％以上であり、この光を前面側端面１１０の方向に反射する。本実施形態では、高反射膜１２１として、反射率が９０〜９５％の膜を用いている。一方、レーザ光の光出力を大きくするため、前面側端面１１０には、低反射膜１１１が付けられている。本実施形態では、この低反射膜１１１の反射率は、約１０％である。これらの高反射膜１２１と、低反射膜１１１と、の反射により増幅された光は、レーザ光となり、前面側端面１１０から出力される。なお、低反射膜１１１は、放熱のためのヒートシンクの前方に合わせて付けられる。
【００１５】
図１の半導体レーザ素子の特徴の１つは、前面側窓領域１１２のバンドギャップ波長変化（減少）量を５０ｎｍと大きくしているのに対し、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ変化量を２０ｎｍと小さくしている点である。つまり、裏面側窓領域１２２のバンドギャップを、前面側窓領域１１２よりも狭くしている点である。すなわち、発光領域１３２の活性層１０４のバンドギャップ波長を（λ）μｍ、バンドギャップを（１．２４／λ）ｅＶとすると、前面側窓領域１１２のバンドギャップ波長は（λ−０．０５）μｍ、バンドギャップ波長変化（減少）量は５０ｎｍ、バンドギャップは｛１．２４／（λ−０．０５）｝ｅＶである。これに対し、裏面側窓領域１２２は、バンドギャップ波長が（λ−０．０２）μｍ、バンドギャップ波長変化量が２０ｎｍ、バンドギャップが｛１．２４／（λ−０．０２）｝ｅＶである。また、各窓領域の長さは、活性層１１４おいて裏面側端面１２０から前面側端面１１０に向かう方向で、前面側窓領域１１２が３０〜４０μｍと長いのに対し、裏面側窓領域１２２が２５μｍと短い。このような差異は、例えば、裏面側窓領域１２２には１回の亜鉛拡散を行うのに対し、前面側窓領域１１２には２回の亜鉛拡散を行うことで、設けることができる。
【００１６】
以上説明した図１の半導体レーザ素子では、発光領域１３２に比べてバンドギャップが広い窓領域１１２、１２２を有する窓構造の半導体レーザ素子において、裏面側窓領域１２２のバンドギャップを前面側窓領域１１２のバンドギャップよりも狭くしたので、高い信頼性を維持しつつ、光出力を高くすることができる。言い換えれば、発光領域１３２に比べてバンドギャップ波長が短い窓領域１１２、１２２を有する窓構造の半導体レーザ素子において、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ波長を前面側窓領域１１２のバンドギャップ波長よりも長くしたので、特性が高い素子を得ることができる。また、裏面側窓領域１２２の長さを短く（２５μｍ）することで、さらに光出力を高くすることができる。
【００１７】
具体的には、本発明者は、図１のレーザ素子の１００ｍＡでの動作時における光出力（Ｐｏｗｅｒ）を測定したところ、約１５０ｍＷであった。これに対し、従来のように（図５）、前面側窓領域２１２と、裏面側窓領域２２２と、を共にバンドギャップ波長変化量５０ｎｍ、長さ３０〜４０ｎｍとした場合には、光出力は約１２５ｍＷであった。つまり、図１のレーザ素子では、従来に比べ、光出力を約２０％上昇させることができた。また、また、端面破壊の起こりにくさや信頼性は、従来と同程度に維持することができた。
【００１８】
もっとも、図１のレーザ素子のように、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ変化量を小さくすることは、通常の技術者にとって思いもよらないことである。なぜなら、裏面側窓領域１１２のバンドギャップ変化量を小さくすれば、裏面側窓領域１１２での光吸収が増加するはずだからである。しかしながら、本発明者のシミュレーションおよび実験によれば、従来の技術常識と異なる結果が得られた。この理由について、本発明者は、以下のように考えている。
【００１９】
まず、光出力が上昇する理由については、次の様に考えている。すなわち、確かに、発光領域１３２における活性層１０４からの発光に変化がないとすれば、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ波長変化量を５０ｎｍにするよりも２０ｎｍにした方が、裏面側窓領域１２２での光吸収が多くなり、光出力は低下してしまうはずである。しかし、実際には、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ波長を変化させると、レーザ素子内部でのモード利得分布や光出力分布が変化すると考えられる。このため、裏面側窓領域１２２での光吸収が多くなるというデメリットよりも、モード利得分布や光出力分布が適正化されるというメリットの方が大きくなって、光出力が増加すると考えられる。
【００２０】
また、端面破壊が起こりやすくならず、信頼性が低下しない理由については、次のように考えている。すなわち、前面側は、光出力を大きくするため低反射膜が付けられ、また、放熱のためのヒートシンクの前方に合わせて付けられる。このため、前面側は、裏面側に比べて温度が上昇し易く、端面破壊も起こりやすい。これにより、前面側窓領域１１２のバンドギャップ波長変化量は、大きくしないと、信頼性が低下する。これに対し、裏面側窓領域１２２は、前面側窓領域１１２に比べれば温度が上昇しにくい。このため、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ波長変化量は、前面側窓領域１１２ほど大きくしなくても、信頼性の低下が少なくなると考えられる。
【００２１】
このようして、図１のレーザ素子では、高い信頼性を維持しつつ、光出力を高くすることができる。なお、図１の構造では、窓領域のｐ−ｎ接合が亜鉛拡散により発光領域１３２の活性層１０５からずれるため、窓領域１１２、１２２に電流が流れすぎて動作に不具合が起こるようなことはない。
【００２２】
次に、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ波長変化量および長さの範囲について検討する。すなわち、図１の半導体レーザ素子では、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ変化量を２０ｎｍ、長さを２５μｍとしているが、これを他の値にして製造することもできるので、その範囲について、図２、図３を参照にして検討する。
【００２３】
図２は、前面側窓領域１１２をバンドギャップ波長変化量５０ｎｍ、長さ３０〜４０μｍとした素子において、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ波長を変化（ｓｉｆｔ）させた場合の、光出力（Ｐｏｗｅｒ）の変化を示す図である。この図２から、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ波長変化量は、減少量として、１０〜３０ｎｍ、好ましくは２０〜３０ｎｍでレーザ素子の光出力が最も大きくなることが分かる。そして、本実施形態のようにバンドギャップ波長変化量を２０ｎｍとすると、バンドギャップ波長変化量を５０ｎｍとした従来例よりも、光出力が約２０％程度増加することが分かる。このような結果になるのは、前述のように、バンドギャップ波長変化量を適当な範囲にすると、裏面側窓領域１２２での光吸収のデメリットよりも、モード利得分布や光出力分布の適正化のメリットが大きくなるからであると考えられる。
【００２４】
図３は、前面側窓領域１１２をバンドギャップ波長変化量５０ｎｍ、長さ３０〜４０μｍとした素子において、裏面側窓領域１２２の長さを変化させた場合の、光出力（Ｐｏｗｅｒ）の変化を示す図である。裏面側窓領域１２２のバンドギャップ波長変化量は、３０ｎｍとしている。この図３から、裏面側窓領域の長さは、２０〜３０μｍで最適になることが分かる。この理由についても、モード利得分布や光出力分布の適正化のメリットが大きくなるからであると考えられる。
【００２５】
このように、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ波長変化量を１０〜３０ｎｍ、長さを２０〜３０μｍとすることで、特性の高いレーザ素子が得られる。
【００２６】
また、本発明者は、さらに、図２、図３の結果を参照にして、前面側窓路領域１１２のバンドギャップ波長変化量の範囲についても検討した。その結果、前面側窓路領域１１２のバンドギャップ波長変化量が４０〜８０ｎｍであれば、図１の素子と同様な良好な素子が得られた。逆に、前面側窓路領域１１２のバンドギャップ波長変化量を４０ｎｍ未満にすると、光出力が低下したり、端面破壊が起こりやすなって信頼性が低下したりした。これは、前面側窓領域１１２での光吸収が増加してしまうからであると解析される。また、バンドギャップ波長変化量を８０ｎｍより大きくしようとすると、活性層１０４における井戸層とバリア層とのバンドギャップ差が少なくなりすぎて、動作に不具合が生じるようになった。
【００２７】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態の半導体レーザ素子を示す断面図である。図４の素子は、第１の実施の形態の素子（図１）において、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７） ０．５Ｐからなるｐ型クラッド層１０６まで結晶成長した後に、窓領域１１２および１２２を形成し、これらの窓領域１１２、１２２に電流が流れにくくなるようにｎ型ＧａＡｓからなる電流ブロック層１０８を形成し、さらに全面にＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１０７を設けた構造である。他の部分の構造は第１の実施の形態の素子（図１）とほぼ同様であり、詳細な説明は省略する。
【００２８】
図４の構造では、電流ブロック層１０８を設けることによりさらに窓領域１１２、１２２への電流注入を減らし、温度上昇を抑制することができる。
【００２９】
以上説明した図４の半導体レーザ素子では、前面側窓領域１１２への電流注入を妨げる図中左側の電流ブロック層１０８と、裏面側窓領域１２２への電流注入を妨げる図中右側の電流ブロック層１０８と、を設けたが、裏面側窓領域１２２への電流注入を妨げる図中右側の電流ブロック層１０８だけを設ける場合でも、温度上昇を抑制する効果を得ることができる。
【００３０】
以上説明した本実施形態の半導体レーザ素子では、活性層１０４の井戸層厚および障壁層厚をそれぞれ４ｎｍとしたが、それぞれ５ｎｍ以下とすることもできる。これに対し、５ｎｍよりも厚くすると、窓領域１１２、１２２における合金化が起こりにくくなる。
【００３１】
また、以上説明した本実施形態の半導体レーザ素子では、ＩｎＧａＡｌＰ系材料を用いた波長６００ｎｍ〜７００ｎｍのレーザ素子について説明したが、発光領域１３２に比べてバンドギャップが広い窓領域１１２、１２２を有する窓構造の半導体レーザ素子において、裏面側窓領域１２２のバンドギャップを前面側窓領域１１２のバンドギャップよりも狭くなるようにすれば、他の材料系のレーザ素子でも同様の効果を得ることができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、発光領域に比べてバンドギャップが広い窓領域を有する窓構造の半導体レーザ素子において、裏面側窓領域のバンドギャップを、前面側窓領域のバンドギャップよりも狭くしたので、高い信頼性を維持しつつ、光出力を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の半導体レーザ素子を示す断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の半導体レーザ素子の、裏面側窓領域のバンドギャップ波長変化と、光出力と、の関係を示す図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の半導体レーザ素子の、裏面側窓領域の長さと、光出力と、の関係を示す図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の半導体レーザ素子を示す断面図。
【図５】従来の半導体レーザ素子を示す断面図。
【符号の説明】
１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２ ｎ型（第１導電型）クラッド層
１０４ 活性層
１０６ ｐ型（第２導電型）クラッド層
１０８ 電流ブロック層
１１０ 前面側端面（第１の端面）
１１２ 前面側窓領域（第１の窓領域）
１２０ 裏面側端面（第２の端面）
１２１ 高反射膜
１２２ 裏面側窓領域（第２の窓領域）
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子に関し、特に６００ｎｍ帯の窓構造の高光出力の半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＩｎＧａＡｌＰ系材料を用いた波長６００ｎｍ〜７００ｎｍの半導体レーザ素子は、ＤＶＤ（ｄｉｇｉｔａｌ ｖｅｒｓａｔｉｌｅ ｄｉｓｋ）などへの実用化が進み、ＤＶＤ−ＲＡＭ／Ｒ／ＲＷ等の書込み用レーザとして高出力化が進んでいる。高出力化した場合は不可逆的な端面破壊（ＣＯＤ：Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍｅｇｅ）が問題になるためレーザ光の出射端面に窓領域を設けることが多い。このような窓領域を設けた構造は、窓構造と呼ばれる。
【０００３】
図５は、この窓構造の半導体レーザ素子の従来例の断面図である。このレーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７） ０．５Ｐからなるｎ型クラッド層２０２、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．４Ａｌ０．６） ０．５Ｐからなるガイド層２０３、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ／Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５） ０．５Ｐからなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造の活性層２０４、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．４Ａｌ０．６） ０．５Ｐからなるガイド層２０５、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐからなるｐ型クラッド層２０６、ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層２０７、が順次形成されている。上記の活性層２０４は、ｐ側電極２９１と、ｎ側電極２９２と、からの電流注入により、発光領域２３２から、図中左側の前面側端面２１０と、図中右側の裏面側端面２２０と、に向けて光を放射する。この前面側端面２１０と、裏面側端面２２０と、の近傍には図中上部から亜鉛が拡散されることによって、図中斜線で示すように、前面側窓領域２１２と、裏面側窓領域２２２と、が形成されている。これらの窓領域２１２、２２２では、活性層２０４の井戸層と障壁層とが合金化されている。また、前面側端面２１０上には低反射膜２１１が、裏面側端面２２０上には高反射膜２２１が、それぞれ形成されている。図５の高出力用半導体レーザ素子の共振器長は、利得を稼ぐため７００〜９００μｍと長めであり、各窓領域２１２、２２２の図中横方向の長さは、活性層２０４付近で、３０〜４０μｍ程度である。また、活性層２０４の井戸層および障壁層の厚さはそれぞれ５ｎｍ前後、井戸層の数は３程度である。
【０００４】
図５の素子では、窓領域２１２、２２２のＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ井戸層にＩｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５） ０．５Ｐ障壁層からＡｌが入ってくることにより、窓領域２１２、２２２の井戸層のバンドギャップが広がる。このバンドギャップが広がれば、バンドギャップ波長が短くなる。そして、一般に、半導体は、バンドギャップ波長以上の波長の光は吸収しない。このため、窓領域２１２、２２２の井戸層２１４は、バンドギャップが広がってバンドギャップ波長が短くなることにより、発光領域の井戸層２１４からの光を吸収しにくくなる。この結果、端面破壊が起こりにくくなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、上記の窓領域２１２、２２２のバンドギャップは、動作に支障がない範囲でなるべく広くするほどレーザの特性が良くなると考えられていた。これは、窓領域２１２、２２２のバンドギャプが広がるほど、窓領域２１２、２２２の活性層２１４における光吸収が起こりにくくなり、端面破壊が起こりにくくなって信頼性が向上すると考えられていたからである。また、同時に、光出力も向上すると考えられていたからである。
【０００６】
しかし、本発明者は、シミュレーションの結果から、光出力について、窓領域２１２、２２２のバンドギャップが広がるほど特性が良くなるという上記の考え方に疑問を持った。このことから、本発明者は、半導体レーザの光出力をさらに向上させるため、さまざまな条件で、シミュレーションおよび実験を繰り返した。その結果、前面側窓領域２１２のバンドギャップは動作に支障がない範囲でなるべく広くすると良いが、裏面側窓領域２２２についてはバンドギャップをある範囲内に制御することで、前面側端面２１０からのレーザ光の光出力を増加させられることが分かった。また、この範囲内であれば、裏面側端面２２０の端面破壊の起こりにくさも従来とほとんど変わらないことが分かった。つまり、裏面側窓領域２２２のバンドギャップを、前面側窓領域２１２よりも狭くして発光領域２３２に近づけることで、従来と同程度の信頼性を維持しつつ、従来よりも光出力が高い半導体レーザが得られることを独自に知得するに至った。
【０００７】
本発明は上記ことに着目してなされたものである。つまり、この方法は、従来の技術常識とは異なった本発明者の独自の実験結果によって得られたものであり、本発明者の独自の知得に基づくものである。
【０００８】
本発明の目的は、窓構造の半導体レーザ素子において、光出力が高い素子を、信頼性を低下させることなく得る点にある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一実施形態による半導体レーザ素子は、基板と、前記基板上に形成された第１導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層上に形成され、ＩｎＧａＡｌＰ井戸層とＩｎＧａＡｌＰ障壁層とを交互に複数回積層した多重量子井戸構造であり、電流注入によって互いに向き合う第１の端面と第２の端面とに向けて発光領域から光を放射する活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、前記第１の端面の近傍に拡散によって形成された領域であって、この領域における前記井戸層のバンドギャップが前記発光領域における前記井戸層のバンドギャップよりも広くなる第１の窓領域と、前記第２の端面の近傍に拡散によって形成された領域であって、この領域における前記井戸層のバンドギャップが前記発光領域における前記井戸層のバンドギャップよりも広く前記第１の窓領域における前記井戸層のバンドギャップよりも狭くなる第２の窓領域と、を備え、前記発光領域における前記井戸層のバンドギャップと、前記第２の窓領域における前記井戸層のバンドギャップと、の差が波長変化量で１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の他の実施の形態の半導体レーザ素子は、第１導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層上に形成され、電流注入によって、互いに向き合う第１の端面と第２の端面とに向けて発光領域から光を放射する活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、前記第１の端面の近傍に拡散によって形成された領域であって、この領域における前記井戸層のバンドギャップが前記発光領域における前記井戸層のバンドギャップよりも広くなる第１の窓領域と、前記第２の端面の近傍に拡散によって形成された領域であって、この領域における前記井戸層のバンドギャップが、前記発光領域における前記井戸層のバンドギャップよりも広く、前記第１の窓領域における前記井戸層のバンドギャップよりも狭くなる第２の窓領域と、前記第２の端面上に形成され、前記活性層からの前記光を反射する反射膜と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態の半導体レーザ素子の断面図である。ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７） ０．５Ｐからなるｎ型クラッド層１０２、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．４Ａｌ０．６） ０．５Ｐからなるガイド層１０３、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ／Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５） ０．５Ｐからなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造の活性層１０４、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．４Ａｌ０．６） ０．５Ｐからなるガイド層１０５、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７） ０．５Ｐからなるｐ型クラッド層１０６、ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１０７、が順次形成されている。上記の活性層１０４には、図中上部のｐ側電極１９１と、図中下部のｎ側電極１９２と、から電流が注入される。そして、この電流注入により、発光領域１３２から、図中左側の前面側端面（第１の端面）１１０と、図中右側の裏面側端面（第２の端面）１２０と、に向けて波長６００ｎｍ〜７００ｎｍの光を放射する。
【００１３】
上記の前面側端面１１０と、裏面側端面１２０と、の近傍には図中上部から亜鉛が拡散されることによって、前面側窓領域（第１の窓領域）１１２と、裏面側窓領域（第２の窓領域）１２２と、が形成されている。これらの窓領域１１２、１２２では、活性層１０４の、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ井戸層と、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５） ０．５Ｐ障壁層と、が合金化されている。この合金化を起こり易くするため、活性層１０４の井戸層厚および障壁層厚はそれぞれ４ｎｍとし、井戸数は３としている。この合金化により、前面側窓領域１１２および裏面側領域１２２の井戸層は、発光領域１３２の井戸層に比べ、バンドギャップが広く、バンドギャップ波長が短くなる。これにより、前面側窓領域１１２および裏面側領域１２２の光吸収が抑制され、端面破壊が防止される。
【００１４】
上記の前面側端面１１０と、裏面側端面１２０と、の上には、それぞれ、低反射膜１１１と、高反射膜１２１と、が形成される。高反射膜１２１は、活性層１０４の発光領域１３２からの光に対する反射率が６０％以上であり、この光を前面側端面１１０の方向に反射する。本実施形態では、高反射膜１２１として、反射率が９０〜９５％の膜を用いている。一方、レーザ光の光出力を大きくするため、前面側端面１１０には、低反射膜１１１が付けられている。本実施形態では、この低反射膜１１１の反射率は、約１０％である。これらの高反射膜１２１と、低反射膜１１１と、の反射により増幅された光は、レーザ光となり、前面側端面１１０から出力される。なお、低反射膜１１１は、放熱のためのヒートシンクの前方に合わせて付けられる。
【００１５】
図１の半導体レーザ素子の特徴の１つは、前面側窓領域１１２のバンドギャップ波長変化（減少）量を５０ｎｍと大きくしているのに対し、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ変化量を２０ｎｍと小さくしている点である。つまり、裏面側窓領域１２２のバンドギャップを、前面側窓領域１１２よりも狭くしている点である。すなわち、発光領域１３２の活性層１０４のバンドギャップ波長を（λ）μｍ、バンドギャップを（１．２４／λ）ｅＶとすると、前面側窓領域１１２のバンドギャップ波長は（λ−０．０５）μｍ、バンドギャップ波長変化（減少）量は５０ｎｍ、バンドギャップは｛１．２４／（λ−０．０５）｝ｅＶである。これに対し、裏面側窓領域１２２は、バンドギャップ波長が（λ−０．０２）μｍ、バンドギャップ波長変化量が２０ｎｍ、バンドギャップが｛１．２４／（λ−０．０２）｝ｅＶである。また、各窓領域の長さは、活性層１１４おいて裏面側端面１２０から前面側端面１１０に向かう方向で、前面側窓領域１１２が３０〜４０μｍと長いのに対し、裏面側窓領域１２２が２５μｍと短い。このような差異は、例えば、裏面側窓領域１２２には１回の亜鉛拡散を行うのに対し、前面側窓領域１１２には２回の亜鉛拡散を行うことで、設けることができる。
【００１６】
以上説明した図１の半導体レーザ素子では、発光領域１３２に比べてバンドギャップが広い窓領域１１２、１２２を有する窓構造の半導体レーザ素子において、裏面側窓領域１２２のバンドギャップを前面側窓領域１１２のバンドギャップよりも狭くしたので、高い信頼性を維持しつつ、光出力を高くすることができる。言い換えれば、発光領域１３２に比べてバンドギャップ波長が短い窓領域１１２、１２２を有する窓構造の半導体レーザ素子において、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ波長を前面側窓領域１１２のバンドギャップ波長よりも長くしたので、特性が高い素子を得ることができる。また、裏面側窓領域１２２の長さを短く（２５μｍ）することで、さらに光出力を高くすることができる。
【００１７】
具体的には、本発明者は、図１のレーザ素子の１００ｍＡでの動作時における光出力（Ｐｏｗｅｒ）を測定したところ、約１５０ｍＷであった。これに対し、従来のように（図５）、前面側窓領域２１２と、裏面側窓領域２２２と、を共にバンドギャップ波長変化量５０ｎｍ、長さ３０〜４０ｎｍとした場合には、光出力は約１２５ｍＷであった。つまり、図１のレーザ素子では、従来に比べ、光出力を約２０％上昇させることができた。また、また、端面破壊の起こりにくさや信頼性は、従来と同程度に維持することができた。
【００１８】
もっとも、図１のレーザ素子のように、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ変化量を小さくすることは、通常の技術者にとって思いもよらないことである。なぜなら、裏面側窓領域１１２のバンドギャップ変化量を小さくすれば、裏面側窓領域１１２での光吸収が増加するはずだからである。しかしながら、本発明者のシミュレーションおよび実験によれば、従来の技術常識と異なる結果が得られた。この理由について、本発明者は、以下のように考えている。
【００１９】
まず、光出力が上昇する理由については、次の様に考えている。すなわち、確かに、発光領域１３２における活性層１０４からの発光に変化がないとすれば、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ波長変化量を５０ｎｍにするよりも２０ｎｍにした方が、裏面側窓領域１２２での光吸収が多くなり、光出力は低下してしまうはずである。しかし、実際には、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ波長を変化させると、レーザ素子内部でのモード利得分布や光出力分布が変化すると考えられる。このため、裏面側窓領域１２２での光吸収が多くなるというデメリットよりも、モード利得分布や光出力分布が適正化されるというメリットの方が大きくなって、光出力が増加すると考えられる。
【００２０】
また、端面破壊が起こりやすくならず、信頼性が低下しない理由については、次のように考えている。すなわち、前面側は、光出力を大きくするため低反射膜が付けられ、また、放熱のためのヒートシンクの前方に合わせて付けられる。このため、前面側は、裏面側に比べて温度が上昇し易く、端面破壊も起こりやすい。これにより、前面側窓領域１１２のバンドギャップ波長変化量は、大きくしないと、信頼性が低下する。これに対し、裏面側窓領域１２２は、前面側窓領域１１２に比べれば温度が上昇しにくい。このため、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ波長変化量は、前面側窓領域１１２ほど大きくしなくても、信頼性の低下が少なくなると考えられる。
【００２１】
このようして、図１のレーザ素子では、高い信頼性を維持しつつ、光出力を高くすることができる。なお、図１の構造では、窓領域のｐ−ｎ接合が亜鉛拡散により発光領域１３２の活性層１０５からずれるため、窓領域１１２、１２２に電流が流れすぎて動作に不具合が起こるようなことはない。
【００２２】
次に、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ波長変化量および長さの範囲について検討する。すなわち、図１の半導体レーザ素子では、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ変化量を２０ｎｍ、長さを２５μｍとしているが、これを他の値にして製造することもできるので、その範囲について、図２、図３を参照にして検討する。
【００２３】
図２は、前面側窓領域１１２をバンドギャップ波長変化量５０ｎｍ、長さ３０〜４０μｍとした素子において、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ波長を変化（ｓｉｆｔ）させた場合の、光出力（Ｐｏｗｅｒ）の変化を示す図である。この図２から、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ波長変化量は、減少量として、１０〜３０ｎｍ、好ましくは２０〜３０ｎｍでレーザ素子の光出力が最も大きくなることが分かる。そして、本実施形態のようにバンドギャップ波長変化量を２０ｎｍとすると、バンドギャップ波長変化量を５０ｎｍとした従来例よりも、光出力が約２０％程度増加することが分かる。このような結果になるのは、前述のように、バンドギャップ波長変化量を適当な範囲にすると、裏面側窓領域１２２での光吸収のデメリットよりも、モード利得分布や光出力分布の適正化のメリットが大きくなるからであると考えられる。
【００２４】
図３は、前面側窓領域１１２をバンドギャップ波長変化量５０ｎｍ、長さ３０〜４０μｍとした素子において、裏面側窓領域１２２の長さを変化させた場合の、光出力（Ｐｏｗｅｒ）の変化を示す図である。裏面側窓領域１２２のバンドギャップ波長変化量は、３０ｎｍとしている。この図３から、裏面側窓領域の長さは、２０〜３０μｍで最適になることが分かる。この理由についても、モード利得分布や光出力分布の適正化のメリットが大きくなるからであると考えられる。
【００２５】
このように、裏面側窓領域１２２のバンドギャップ波長変化量を１０〜３０ｎｍ、長さを２０〜３０μｍとすることで、特性の高いレーザ素子が得られる。
【００２６】
また、本発明者は、さらに、図２、図３の結果を参照にして、前面側窓路領域１１２のバンドギャップ波長変化量の範囲についても検討した。その結果、前面側窓路領域１１２のバンドギャップ波長変化量が４０〜８０ｎｍであれば、図１の素子と同様な良好な素子が得られた。逆に、前面側窓路領域１１２のバンドギャップ波長変化量を４０ｎｍ未満にすると、光出力が低下したり、端面破壊が起こりやすなって信頼性が低下したりした。これは、前面側窓領域１１２での光吸収が増加してしまうからであると解析される。また、バンドギャップ波長変化量を８０ｎｍより大きくしようとすると、活性層１０４における井戸層とバリア層とのバンドギャップ差が少なくなりすぎて、動作に不具合が生じるようになった。
【００２７】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態の半導体レーザ素子を示す断面図である。図４の素子は、第１の実施の形態の素子（図１）において、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７） ０．５Ｐからなるｐ型クラッド層１０６まで結晶成長した後に、窓領域１１２および１２２を形成し、これらの窓領域１１２、１２２に電流が流れにくくなるようにｎ型ＧａＡｓからなる電流ブロック層１０８を形成し、さらに全面にＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１０７を設けた構造である。他の部分の構造は第１の実施の形態の素子（図１）とほぼ同様であり、詳細な説明は省略する。
【００２８】
図４の構造では、電流ブロック層１０８を設けることによりさらに窓領域１１２、１２２への電流注入を減らし、温度上昇を抑制することができる。
【００２９】
以上説明した図４の半導体レーザ素子では、前面側窓領域１１２への電流注入を妨げる図中左側の電流ブロック層１０８と、裏面側窓領域１２２への電流注入を妨げる図中右側の電流ブロック層１０８と、を設けたが、裏面側窓領域１２２への電流注入を妨げる図中右側の電流ブロック層１０８だけを設ける場合でも、温度上昇を抑制する効果を得ることができる。
【００３０】
以上説明した本実施形態の半導体レーザ素子では、活性層１０４の井戸層厚および障壁層厚をそれぞれ４ｎｍとしたが、それぞれ５ｎｍ以下とすることもできる。これに対し、５ｎｍよりも厚くすると、窓領域１１２、１２２における合金化が起こりにくくなる。
【００３１】
また、以上説明した本実施形態の半導体レーザ素子では、ＩｎＧａＡｌＰ系材料を用いた波長６００ｎｍ〜７００ｎｍのレーザ素子について説明したが、発光領域１３２に比べてバンドギャップが広い窓領域１１２、１２２を有する窓構造の半導体レーザ素子において、裏面側窓領域１２２のバンドギャップを前面側窓領域１１２のバンドギャップよりも狭くなるようにすれば、他の材料系のレーザ素子でも同様の効果を得ることができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、発光領域に比べてバンドギャップが広い窓領域を有する窓構造の半導体レーザ素子において、裏面側窓領域のバンドギャップを、前面側窓領域のバンドギャップよりも狭くしたので、高い信頼性を維持しつつ、光出力を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の半導体レーザ素子を示す断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の半導体レーザ素子の、裏面側窓領域のバンドギャップ波長変化と、光出力と、の関係を示す図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の半導体レーザ素子の、裏面側窓領域の長さと、光出力と、の関係を示す図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の半導体レーザ素子を示す断面図。
【図５】従来の半導体レーザ素子を示す断面図。
【符号の説明】
１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２ ｎ型（第１導電型）クラッド層
１０４ 活性層
１０６ ｐ型（第２導電型）クラッド層
１０８ 電流ブロック層
１１０ 前面側端面（第１の端面）
１１２ 前面側窓領域（第１の窓領域）
１２０ 裏面側端面（第２の端面）
１２１ 高反射膜
１２２ 裏面側窓領域（第２の窓領域）
Claims (7)
- 基板と、
前記基板上に形成された第１導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層上に形成され、ＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる井戸層とＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる障壁層とを交互に複数回積層した多重量子井戸構造であり、電流注入によって互いに向き合う第１の端面と第２の端面とに向けて発光領域から光を放射する活性層と、
前記活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、
前記第１の端面の近傍に形成された領域であって、この領域における前記井戸層のバンドギャップが前記発光領域における前記井戸層のバンドギャップよりも広くなる第１の窓領域と、
前記第２の端面の近傍に形成された領域であって、この領域における前記井戸層のバンドギャップが前記発光領域における前記井戸層のバンドギャップよりも広く前記第１の窓領域における前記井戸層のバンドギャップよりも狭くなる第２の窓領域と、
を備え、
前記発光領域における前記井戸層のバンドギャップと、前記第２の窓領域における前記井戸層のバンドギャップと、の差が波長変化量で１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 前記第２の端面上に形成され、前記活性層からの前記光に対する反射率が６０％以上の高反射膜をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
- 前記発光領域における前記井戸層のバンドギャップと、前記第１の窓領域における前記井戸層のバンドギャップと、の差が波長変化量で４０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体レーザ素子。
- 前記活性層おいて前記第２の端面から前記第１の端面に向かう方向の、前記第２の窓領域の長さが、２０μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
- 前記第２の窓領域への電流注入を妨げる電流ブロック層をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
- 前記活性層における、前記井戸層と、前記障壁層と、の厚さがそれぞれ５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
- 第１導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層上に形成され、電流注入によって、互いに向き合う第１の端面と第２の端面とに向けて発光領域から光を放射する活性層と、
前記活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、
前記第１の端面の近傍に形成された領域であって、この領域における前記井戸層のバンドギャップが前記発光領域における前記井戸層のバンドギャップよりも広くなる第１の窓領域と、
前記第２の端面の近傍に形成された領域であって、この領域における前記井戸層のバンドギャップが、前記発光領域における前記井戸層のバンドギャップよりも広く、前記第１の窓領域における前記井戸層のバンドギャップよりも狭くなる第２の窓領域と、
前記第２の端面上に形成され、前記活性層からの前記光を反射する反射膜と、
を備えることを特徴とする半導体レーザ素子。
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