JP2007157906A - 半導体レーザ素子および応用システム - Google Patents

Abstract

【課題】１次以上の高次の水平横モードを含むレーザ光を出射する半導体レーザ素子において、活性層の水平方向における光分布を安定化する。
【解決手段】本発明の半導体レーザ素子は、上クラッド層と、下クラッド層と、上クラッド層および下クラッド層との間に活性層と、ストライプ状の電流狭窄構造とを基板上に備え、ストライプの長手方向に直交する一対の端面反射鏡を有し、１次以上の高次の水平横モードでレーザ発振を生じる半導体レーザ素子であって、半導体レーザ素子内部におけるレーザ光が存在する領域に、ストライプの長手方向と直交する方向であって、基板と平行な方向での屈折率が変動する構造を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子およびそれを含む応用システムに関する。

高出力のブロードエリア型半導体レーザ素子は、ワット級の光出力を得ることができ、レーザ光を用いた加工分野および医療分野などで用いられている。一方、近年、光ディスクのピックアップ用の波長４００ｎｍ付近の青紫色レーザ光を出射する半導体レーザ素子の開発が進められており、実用化段階に近づいている。青紫色レーザ光は波長が短く、ワット級の光出力を得ることができれば、加工分野および医療分野での利用範囲がさらに広がることが期待される。なお、ここで述べているブロードエリア型の半導体レーザ素子とは、電流狭窄幅が広く、１次以上の高次の水平横モードのレーザ光を出射する半導体レーザ素子を指す。ブロードエリア型素子の電流狭窄構造には、電極ストライプ型および幅広リッジ型などがある。

たとえば、ＧａＮ基板上に形成されたＧａＩｎＮ多重量子井戸を活性層とするブロードエリア型の半導体レーザ素子が報告されている（非特許文献１および非特許文献２参照）。同文献によれば、半導体レーザ素子の電流狭窄幅は１０μｍ、５０μｍおよび１００μｍであって、１ワット程度の非常に高い光出力が得られることが開示されている。
S. Goto et al., ゛Super high-power AlGaInN-based laser diodes with a single broad-area stripe emitter fabricated on a GaN substrate", phys. stat. sol. (a) 200, No.1 (2003), p.122-125 M. TAKEYA et al., ゛High-power AlGaInN lasers", phys. stat. sol. (a) 192, No.2 (2002), p.269-276

ブロードエリア型の半導体レーザは、多数の水平横モードが混在して発振し、レーザ出力を上げるにつれて、そのモードの数の変化および位置のシフトが生じる。そのために、近視野像・遠視野像の変形が生じ、電流−光出力特性にキンクが生じやすくなる問題がある。近視野像・遠視野像が変形・シフトすると、出力光のレンズ結合効率が変動するなど、レーザ光を応用したシステムにおける光利用効率が低下する要因となる。また、電流−光出力特性にキンクが生じると、光出力値を電流によって線形に制御することができなくなる。

本発明の課題は、１次以上の高次の水平横モードを含むレーザ光を出射する半導体レーザ素子において、活性層の水平方向における光分布を安定化させることができ、近視野像・遠視野像が変動せず、電流−光出力特性においてキンクを生じさせることがない優れた半導体レーザ素子を提供することにある。また、その半導体レーザ素子を含む応用システムを提供することにある。

本発明の半導体レーザ素子は、上クラッド層と、下クラッド層と、上クラッド層および下クラッド層との間に活性層と、ストライプ状の電流狭窄構造とを基板上に備え、ストライプの長手方向に直交する一対の端面反射鏡を有し、１次以上の高次の水平横モードでレーザ発振を生じる半導体レーザ素子であって、半導体レーザ素子内部におけるレーザ光が存在する領域に、ストライプの長手方向と直交する方向であって、基板と平行な方向での屈折率が変動する構造を有することを特徴とする。

屈折率が変動する構造は、形状が周期的に変動する態様が好ましく、変動のピッチは、０．５μｍ以上６μｍ以下が好ましい。また、屈折率が変動する構造は、活性層以外の層に設け、凹凸形状を有する構造が好適である。この凹凸形状は、上クラッド層、または、活性層と上クラッド層の間、または、下クラッド層、または、活性層と下クラッド層の間、または、基板の表面に設ける態様が好ましい。

本発明の半導体レーザ素子に係る他の好適な実施態様としては、屈折率が変動する構造を活性層以外の層に設け、屈折率が変動する構造を設けた層が、その層の中に、その層の材料と異なる屈折率の材料からなる層を離散的に埋め込まれた構造を有する態様がある。異なる屈折率の材料からなる層が離散的に埋め込まれた構造は、上クラッド層、または、活性層と上クラッド層の間、または、下クラッド層、または、活性層と下クラッド層の間に設ける態様が好ましい。一方、本発明の半導体レーザ素子に係る他の好適な実施態様としては、屈折率の変動する構造が、上クラッド層に設けられたスリット状の溝を有する態様がある。

屈折率が変動する構造は、少なくとも半導体レーザ素子前面の出射端面反射鏡近傍に設けることが望ましい。また、屈折率が変動する構造は、ストライプ状の電流狭窄構造の長手方向から見たときに、電流狭窄構造を２等分する線であって、基板に直交する線を対称の軸とする線対称である態様が好ましい。半導体レーザ素子は、Ａｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ(0≦x≦1,0≦y≦1)からなるものが好ましい。

本発明の応用システムは、上述の半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の少なくとも一部を吸収して、出射されたレーザ光と異なる波長の光を発する蛍光体とを含むことを特徴とする。このシステムとしては、半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子から出射された波長が４２０ｎｍよりも短いレーザ光を吸収し、白色の光を発する蛍光体とを含む白色照明装置が好ましい。また、半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子から出射された青色のレーザ光の一部を吸収し、少なくとも赤色および緑色のスペクトル成分を有する光を発する蛍光体とを含む白色照明装置が好ましい。なお、本発明において「同一」には、完全に同一である場合だけでなく、実質的に同一である場合も含まれるものとする。

本発明によれば、１次以上の高次の水平横モードのレーザ光を出射する半導体レーザ素子において、光出力の増加時の水平方向の光分布の変動が抑制され、電流−光出力特性におけるキンクがなく、近視野像・遠視野像が安定する。特に、半導体レーザ素子の材料がＡｌＧａＩｎＮ系からなるときに効果的である。

実施の形態１
図１に、本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の斜視図を例示する。図１（ａ）は、半導体レーザ素子の全体図であり、一部を削除し内部構造を明らかにしている。また、図１（ｂ）は部分拡大図である。実施の形態１の半導体レーザ素子１００は、１次以上の高次の水平横モードのレーザ光を出射する電極ストライプ型のブロードエリアレーザ素子である。このレーザ素子は、活性層よりも上部にあるｐ型の光導波層１１０とｐ型の上クラッド層１１１との境界部分に、周期的な凹凸構造Ｋを有する。凹凸構造は、ストライプ状の電流狭窄構造の長手方向（Ｚ方向）と直交し、かつ基板と平行な方向（Ｘ方向）に設けられている点に特徴がある。

ここで、実施の形態１の半導体レーザ素子１００の主要な半導体積層部は、ｎ型ＧａＮからなる基板１０１上に、層厚０．５μｍのｎ型ＧａＮからなるバッファ層１０２、層厚２μｍのｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなる下クラッド層１０３、層厚０．０５μｍのノンドープＧａＮからなる下ガイド層１０４、層厚５ｎｍのＩｎＧａＮからなるウエル層１０５、層厚１０ｎｍのＩｎＧａＮからなるバリア層１０６、層厚５ｎｍのＩｎＧａＮからなるウエル層１０７、層厚０．０５μｍのノンドープＧａＮからなる上ガイド層１０８、層厚０．０２μｍのｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎからなるキャリアブロック層１０９、平均層厚０．０５μｍのｐ型ＧａＮからなる光導波層１１０、平均層厚０．５μｍのｐ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなる上クラッド層１１１、および層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１１２から構成することができる。

半導体積層部以外は、厚さ５０ｎｍの窒化珪素からなる保護膜１１３、厚さ１５ｎｍのＰｄ層と厚さ１５ｎｍのＭｏ層とをこの順序で積層してなるオーミック電極１１４、ｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面に厚さ５ｎｍのＨｆ層と厚さ１５０ｎｍのＡｌ層とをこの順序で積層してなるオーミック電極１１５とから構成することができる。ここで、ｐ型不純物としては、Ｍｇがドープされ、ｎ型不純物としては、Ｓｉがドープされる。窒化珪素からなる保護膜１１３によって設けられた電流狭窄構造の電流狭窄幅ｗは、１０μｍとすることができる。また、半導体レーザ素子１００の両端面は劈開されることによってファブリペロー共振器が得られ、この一対の端面反射鏡は、ストライプ状の電流狭窄構造の長手方向に直交するように位置する。ここで、劈開された前端面には、出射されるレーザ光の反射率が５％の厚さ８０ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃膜からなる低反射膜（図示せず。）が形成され、後端面には、ＳｉＯ₂膜とＴｉＯ₂膜とのペア４対からなり、出射されるレーザ光の波長の１／４の厚みを有し、出射されるレーザ光の反射率が９５％である高反射膜（図示せず。）を形成する。また、ファブリペロー共振器の共振器長（前端面と後端面との間の最短距離）は１．５ｍｍとすることができる。

半導体レーザ素子１００には、その内部のレーザ光が存在する領域であるｐ型クラッド層１１１とｐ型ガイド層１１０との境界部分に、ストライプの長手方向（Ｚ方向）と直交し、かつ基板と平行な方向（Ｘ方向）に、ピッチ（周期）２．５μｍの周期的な凹凸構造Ｋが設けられ、同方向において屈折率が周期的に変動する。この凹凸構造は、ストライプ状の電流狭窄部の長手方向（Ｚ方向）に平行となり、均一に伸びる構造を有する。また、ストライプ状の電流狭窄部のＸ方向における中央部に、凹凸構造の凹部が位置するように配置し、凹凸構造は、ストライプ状の電流狭窄構造の長手方向（Ｚ方向）から見たとき、電流狭窄構造を２等分する線であって、基板に直交する線（Ｙ方向）を対称軸とする線対称である。

半導体レーザ素子１００をジャンクションダウンにて銅製のヒートシンクにマウントし、放熱性に優れたパッケージに封入し、半導体レーザ素子１００に電流を流すと、閾値電流０．３Ａでレーザ光を出射し、最大１．５Ｗまで連続発振が得られる。なお、このレーザ光の波長は４０５ｎｍである。このレーザ光の出射時の近視野像は、複数の縦モードが存在した状態で安定して発光する。また、内部量子効率η_iが９０％を超える高い内部量子効率でレーザ光を出射する。

半導体レーザ素子１００の電流−光出力特性を、図５にＡとして例示する。図５には、比較のため、ｐ型クラッド層１１１とｐ型光導波層１１０との境界部に凹凸構造を設けていない点だけが異なり、他の点では実施の形態１におけるレーザ素子と同様の半導体レーザ素子について、電流−光出力特性をＢとして例示する。図５のＡから明らかなとおり、本願発明の半導体レーザ素子１００においては、発振開始から電流−光出力特性が線形に変化し、いわゆるキンクが生じていない。それに対し、凹凸構造が設けられていない半導体レーザ素子の場合においては、図５のＢから明らかなとおり、キンクが生じ、電流−光出力特性が線形に変化しない。

図５の電流−光出力特性において、Ｐ１〜Ｐ４と示した光出力について近視野像の水平方向における発光強度のピークの個数（モード数）を図６に示す。ピークの個数は、本願発明についてのＡの場合には、図６（ａ）に示すように、何れの光出力においても４個であり、４つのピークは強度が均等で、その位置も安定である。一方、Ｂとして示した半導体レーザにおいては、Ｐ１では、図６（ｂ）に示すように、２個であり、Ｐ２では、図６（ｃ）に示すように、４個であり、Ｐ３では５個、Ｐ４では６個というように（いずれも図示していない。）、出力に応じて変化し、近視野像のピークの個数が変化する時点において、電流−光出力特性にキンクが生じる。

凹凸構造が内部に設けられていない従来のブロードエリア型半導体レーザ素子の場合、レーザ共振器の内部の水平横モードが制御されていないため、レーザ出力を上げるにつれて、水平方向のホールバーニングが生じ、水平横モードのピーク位置およびモードの数が不連続に変化し、その影響によって注入電流を増加させた時に光出力が不連続に変化し、キンクが生じる。本発明者の検討によると、このような水平横モードの位置の変動は、特にＡｌＧａＩｎＮ系材料を用い、波長４００ｎｍ帯で発振する青色あるいは青紫色レーザにおいて顕著に生じ、問題が大きいことがわかった。これは、ＡｌＧａＩｎＮ系材料は、他の材料系と比較して結晶性および結晶表面の平坦性が悪いため、電流通路内での光強度の分布が安定しないことによると推測される。

これに対して、本実施の形態におけるブロードエリア型半導体レーザ素子では、ストライプ状の電流狭窄部分の長手方向（Ｚ方向）と直交し、かつ基板と平行な方向（Ｘ方向）に周期的な凹凸構造Ｋが設けられている。このため、電流狭窄部内において水平方向に周期的な屈折率分布が作られている。ブロードエリアレーザ素子内でのレーザ発振の水平横モードは、多数の高次モードを含んだ複雑なものとなるが、水平方向に屈折率分布を作ることによって、たとえば屈折率が高い部分に水平横モードのピークが安定して存在し、屈折率が低い部分に水平横モードの谷の部分が安定して存在するようになる。つまり、屈折率の水平方向の空間的分布と光強度分布との重なりが極大となるように、光分布が固定されるため、水平横モードの位置のシフトが生じにくくなり、高出力までキンクが発生せず、遠視野像および近視野像の変形も伴わなくなる。水平横モードの光分布と、屈折率分布との重なりが最も大きくなるように、水平横モードの光分布が決定された時、それが最も水平横モードの位置・形状を安定化させるものであるといえる。なお、この時、実施の形態１のように、凹凸構造が、ストライプ状の電流狭窄構造の長手方向（Ｚ方向）から見たとき、電流狭窄構造を２等分する線であって、基板に直交する線（Ｙ方向）を対称軸とする線対称とすることにより、光分布が電流狭窄構造に対してバランス良く対称に配置されるため、モード形状の安定性が良くなる。実施の形態１では電流狭窄構造のＸ方向における中心部分に凹凸構造の凹部を配置したが、凸部を配置しても良いことは言うまでもない。

凹凸構造などにより屈折率が変動する構造は、原理的には、必ずしも周期的である必要はないが、周期的である方がモード形状の安定性は良い。凹凸構造が周期的である場合の周期（ピッチ）とキンクが出現する出力の関係を図７に示す。図７に示すように、周期が一定の範囲にあるときは、キンクが生じるまでの光出力を高めることができ、特に、周期（ピッチ）が０．５〜６μｍとすることで格段の効果が見られる。

凹凸構造などの屈折率が変動する構造は、レーザ素子の内部におけるレーザ光が存在する領域に形成し、上クラッド層、または、活性層と上クラッド層の間、または、下クラッド層、または、活性層と下クラッド層の間に形成すると、有効である。実施の形態１では、活性層よりも上に設けられた層に凹凸を設けたが、活性層よりも下の任意の層に設けることも可能である。たとえば、下クラッド層１０３と下ガイド層１０４との間に設けることができる。また、基板あるいはバッファ層の表面に凹凸を設け、その上に下クラッド層を設けた構成としても有効である。特に、活性層の下部に凹凸を設けた場合、凹凸構造そのものによる構造変調に加え、凹凸構造上に成長した結晶に内在する組成のわずかな周期変調の影響が、活性層を含む素子の大部分に及ぶため、それによる水平横モードの安定化効果が大きくなり、より効果的である。特に、基板の表面に凹凸を設けると、１回の結晶成長により凹凸層を形成できるため、製造が容易で、かつ安価に製造できるようになる。

実施の形態２
図２に、本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の斜視図を例示する。図２（ａ）は、半導体レーザ素子の全体図であり、一部を削除し、内部構造を明らかにしている。また、図２（ｂ）は部分拡大図である。実施の形態２の半導体レーザ素子２００は、１次以上の高次の水平横モードのレーザ光を出射するワイドリッジストライプ型のブロードエリアレーザ素子である。このレーザ素子は、活性層よりも上部にあるｐ型の上クラッド層２１０に、周期的な異屈折率部２１１を形成し、異屈折率部２１１の形成により、ストライプ状の電流狭窄部分の長手方向（Ｚ方向）と直交し、かつ基板２０１と平行な方向（Ｘ方向）での屈折率が変動する点に特徴がある。

実施の形態２の半導体レーザ素子２００の主要な半導体積層部は、ｎ型ＧａＮからなる基板２０１上に、層厚０．５μｍのｎ型ＧａＮからなるバッファ層２０２、層厚２μｍのｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなる下クラッド層２０３、層厚０．０５μｍのノンドープＧａＮからなる下ガイド層２０４、層厚５ｎｍのＩｎＧａＮからなるウエル層２０５、層厚１０ｎｍのＩｎＧａＮからなるバリア層２０６、層厚５ｎｍのＩｎＧａＮからなるウエル層２０７、層厚０．０５μｍのノンドープＧａＮからなる上ガイド層２０８、層厚０．０２μｍのｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎからなるキャリアブロック層２０９、層厚０．５μｍのｐ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなる上クラッド層２１０、および層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるコンタクト層２１２から構成することができる。

上クラッド層２１０には、層厚０．２μｍ、ピッチ４μｍで、ｐ型ＧａＮからなる異屈折率部２１１が埋め込まれている。半導体積層部以外は、ポリイミドによる電流狭窄層２１３、厚さ１５ｎｍのＰｄ層と厚さ１５ｎｍのＭｏ層とをこの順序で積層してなるオーミック電極２１４、ｎ型ＧａＮ基板２０１の裏面に厚さ５ｎｍのＨｆ層と厚さ１５０ｎｍのＡｌ層とをこの順序で積層してなるオーミック電極２１５とする。ここで、ｐ型不純物としては、Ｍｇがドープされ、ｎ型不純物としては、Ｓｉがドープされる。

ポリイミドによる電流狭窄層２１３を設けることによって、電流狭窄構造が形成され、電流狭窄幅ｗは２０μｍとすることができる。また、半導体レーザ素子２００の両端面は劈開されることによってファブリペロー共振器が得られ、一対の端面反射鏡は、ストライプ状の電流狭窄構造の長手方向（Ｚ方向）に直交する。ここで、劈開された前端面には、出射されるレーザ光の反射率が５％の厚さ８０ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃膜からなる低反射膜（図示せず。）が形成され、後端面には、ＳｉＯ₂膜とＴｉＯ₂膜とのペア４対からなり、出射されるレーザ光の波長の１／４の厚みを有し、出射されるレーザ光の反射率が９５％である高反射膜（図示せず。）が形成され、ファブリペロー共振器の共振器長（前端面と後端面との間の最短距離）は１．５ｍｍとすることができる。

半導体レーザ素子２００には、ｐ型の上クラッド層２１０に、周期的な異屈折率部２１１が形成され、この異屈折率部２１１は、ストライプ状の電流狭窄部分の長手方向（Ｚ方向）と直交し、かつ基板と平行な方向（Ｘ方向）に配置する。また、この異屈折率部２１１は、ストライプ状の電流狭窄部の長手方向（Ｚ方向）に平行に均一に伸びる構造を有するが、共振器の全面にあるわけではなく、レーザ光が出射する前面の端面反射鏡から一定の範囲（５００μｍとすることができる）のみに設けられる。このように、本実施の形態においては、屈折率が変動する構造が、活性層以外の層に設けられ、屈折率が変動する構造を設けた層は、その層の中に、その層の材料と異なる屈折率の材料からなる層を離散的に埋め込まれた構造を有し、ストライプ状の電流狭窄部分の長手方向（Ｚ方向）と直交し、かつ基板２０１と平行な方向（Ｘ方向）での屈折率が変動する。

半導体レーザ素子２００をジャンクションダウンにて銅製のヒートシンクにマウントし、放熱性に優れたパッケージに封入し、半導体レーザ素子２００に電流を流すと、閾値電流０．６Ａでレーザ光を出射し、最大１．５Ｗまで連続発振が得られる。発振開始から光出力１．５Ｗに至るまで電流−光出力特性が線形に変化し、いわゆる、キンクが見られない。異屈折率部２１１が設けられていない点だけが異なり、他の点では同一の構成を有する半導体レーザ素子では、キンクが見られ、電流−光出力特性が線形に変化しない点から、本発明の有効性が実証される。本実施の形態における半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長は４０５ｎｍであり、レーザ光の出射時の近視野像は、複数の縦モードが存在した状態で安定したものである。また、内部量子効率η_iが９０％以上の高い内部量子効率でレーザ光が出射する。

実施の形態１では、素子の内部に周期的な凹凸を形成した例を示したのに対し、実施の形態２では、素子の内部に周期的な異屈折率部を埋め込んだ例を示している。何れの構成においても、水平横モードは水平方向の周期的な屈折率の変動によって安定化される点は同じであり、同様の効果が得られる。また、実施の形態１では、前端面から後端面に至る共振器全体に屈折率の変動構造が設けられているのに対し、実施の形態２では、前端面付近にのみ変動構造が設けられている。実施の形態２のように、少なくともレーザ光が外部に出射される前面の端面反射鏡付近で水平横モードを安定化すれば、キンクなどの不安定な現象が外部には現れないため、有効である。異屈折率部を設けることにより、屈折率の変動領域は、前面の出射端面反射鏡から５０μｍ以上であれば、より好ましい。なお、この点は実施の形態１に示した周期的な凹凸を設けた構成においても同様である。また、異なる屈折率の材料からなる層が離散的に埋め込まれた構造は、レーザ素子の内部におけるレーザ光が存在する領域に形成する。たとえば、上クラッド層、または、活性層と上クラッド層の間、または、下クラッド層、または、活性層と下クラッド層の間に設けることにより、本発明の効果を有効に発揮する。

実施の形態３
図３に、実施の形態３における半導体レーザ素子の斜視図を例示する。図３（ａ）は、半導体レーザ素子の全体図であり、図３（ｂ）は部分拡大図である。実施の形態３の半導体レーザ素子３００は、１次以上の高次の水平横モードのレーザ光を出射する幅の広いリッジストライプ型のブロードエリアレーザ素子である。このレーザ素子は、活性層よりも上部にあるｐ型コンタクト層とｐ型の上部クラッド層とに、周期的なスリット状の溝が設けられている。このスリットは、ストライプ状の電流狭窄部分の長手方向（Ｚ方向）に平行に配置しているため、ストライプの長手方向（Ｚ方向）と直交する方向であって、基板と平行な方向（Ｘ方向）において、屈折率が周期的に変動する点に特徴がある。

ここで、実施の形態３の半導体レーザ素子３００の主要な半導体積層部は、ｎ型ＧａＮからなる基板３０１上に、層厚０．５μｍのｎ型ＧａＮからなるバッファ層３０２、層厚２μｍのｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなる下クラッド層３０３、層厚０．０５μｍのノンドープＧａＮからなる下ガイド層３０４、層厚５ｎｍのＩｎＧａＮからなるウエル層３０５、層厚１０ｎｍのＩｎＧａＮからなるバリア層３０６、層厚５ｎｍのＩｎＧａＮからなるウエル層３０７、層厚０．０５μｍのノンドープＧａＮからなる上ガイド層３０８、層厚０．０２μｍのｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎからなるキャリアブロック層３０９、層厚０．５μｍのｐ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなる上クラッド層３１０、および層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるコンタクト層３１１から成る。コンタクト層および上クラッド層には、深さ０．４μｍ、ピッチ５μｍで、スリット状の溝部３１４が設けられ、スリット状の溝部はポリイミドで埋められた構成とすることができる。半導体積層部以外は、ポリイミドによる絶縁層３１２、厚さ１５ｎｍのＰｄ層と厚さ１５ｎｍのＭｏ層とをこの順序で積層してなるオーミック電極３１３、ｎ型ＧａＮ基板３０１の裏面に厚さ５ｎｍのＨｆ層と厚さ１５０ｎｍのＡｌ層とをこの順序で積層してなるオーミック電極３１５とからなる。ここで、ｐ型不純物としてはＭｇがドープされ、ｎ型不純物としてはＳｉがドープされる。

また、絶縁層３１２による電流狭窄構造の電流狭窄幅ｗは２５μｍである。また、半導体レーザ素子３００の両端面は劈開されることによってファブリペロー共振器が得られている。ここで、劈開された前端面には出射されるレーザ光の反射率が５％の厚さ８０ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃膜からなる低反射膜（図示せず。）が形成され、後端面にはＳｉＯ₂膜とＴｉＯ₂膜とのペア４対からなり、出射されるレーザ光の波長の１／４の厚みを有し、出射されるレーザ光の反射率が９５％である高反射膜（図示せず。）を形成することができる。また、ファブリペロー共振器の共振器長（前端面と後端面との間の最短距離）は１．０ｍｍとされる。

半導体レーザ素子３００には、ｐ型の上クラッド層３１０に、ストライプ状の電流狭窄部分の長手方向（Ｚ方向）と直交し、かつ基板と平行な方向（Ｘ方向）に周期的なスリット状溝部３１４が配置している。また、このスリットは、ストライプ状の電流狭窄部の長手方向（Ｚ方向）に平行に均一に伸びる構造を有し、ストライプ状の電流狭窄部分の長手方向（Ｚ方向）と直交し、かつ基板と平行な方向（Ｘ方向）での屈折率が変動する。半導体レーザ素子３００をジャンクションダウンにて銅製のヒートシンクにマウントし、放熱性に優れたパッケージに封入した。この半導体レーザ素子３００に電流を流すと、閾値電流０．５Ａでレーザ光を出射し、最大１．５Ｗまで連続発振が得られた。発振開始から光出力１．５Ｗに至るまで、電流−光出力特性が線形に変化し、いわゆるキンクが見られなかった。比較のため、スリット状の溝部が設けられていない点以外は同様の構成を有する半導体レーザ素子の場合においては、キンクが見られ、電流−光出力特性が線形に変化しない。レーザ光の波長は４０５ｎｍであり、レーザ光の出射時の近視野像を観察したところ、複数の縦モードが存在した状態で安定し、内部量子効率η_iが９０％を超える高い内部量子効率でレーザ光が出射する。

本実施の形態では素子の内部に周期的な凹凸または異屈折率部を設ける実施の形態１と２とは異なり、コンタクト層から上クラッド層の途中に達するスリット状の溝部を周期的に設けている。何れの構成においても、水平横モードは、水平方向（Ｘ方向）の周期的な屈折率の変動によって安定化される点では同じであり、同様の効果が得られる。しかし、スリットを設けた構成は、結晶再成長の必要がなく、エッチングによってスリット状に掘り込めば素子が完成するため、比較的安価に再現性良く製造できる点で優れる。なお、本実施の形態では掘り込んだスリット部をポリイミドで埋め込んだ構成としたが、ｐ型クラッド層と屈折率が異なる任意の材料で埋め込む態様、またはスリット部を中空のままとする態様においても本発明は有効である。なお、スリット状の掘り込みは、本実施の形態のように、前端面から後端面に至る共振器全体に設けてもよいし、実施の形態２のように前端面付近にのみ設けても有効である。

実施の形態１〜３においては、ブロードエリア型レーザ素子の一例として、電極ストライプ構造あるいは幅の広いリッジ構造を有する半導体レーザ素子を示しているが、たとえばストライプ幅が広い埋め込みヘテロ構造など、１次以上の高次の水平横モードでレーザ光を出射する任意の半導体レーザ素子に適用することができる。

また、本発明の半導体レーザ素子においては、ｐ型クラッド層、ｎ型クラッド層および活性層の材質は半導体材料であれば特に限定されず、なかでも、ｐ型クラッド層、ｎ型クラッド層および活性層の材質がＡｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ(0≦x≦1,0≦y≦1)の組成式で表される窒化物半導体材料からなる場合には、本発明の効果を十分に得ることができる。また、この組成式において、ｘはＡｌの混晶比を示し、ｙはＩｎの混晶比を示し、１−ｘ−ｙはＧａの混晶比を示す。また、Ａｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ(0≦x≦1,0≦y≦1)の組成式で表される窒化物半導体材料については、ＩＩＩ族元素（ボロンなど）およびＶ族元素（砒素、燐またはビスマスなど）が適宜混晶化することができ、不純物元素（亜鉛、ベリリウム、テルル、マグネシウム、硫黄、セレンまたはシリコンなど）が適宜配合することができる。

本発明の半導体レーザ素子においては、ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層は、それぞれ単層であってもよく、複数層であってもよい。また、本願発明では何れも活性層より上部にｐ型、下部にｎ型の層を配置したが、この上下の配置を逆とすることができる。また、活性層の構造は特に限定されず、たとえば、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）または多重量子井戸構造（ＭＱＷ）などを適用することができる。また、活性層を構成する層の歪量または井戸層厚に関しても制限はなく、活性層を構成するバリア層に圧縮または引っ張りの歪を導入してもよい。

本発明の半導体レーザ素子において、出射されるレーザ光の波長は、特に限定されず、用途に合わせて適宜調整することができる。また、基板は、特に、限定されるものではなく、たとえば、サファイア基板、炭化シリコン基板、シリコン基板または砒化ガリウム基板などの単結晶基板などを用いることが可能である。なお、これらの基板を結晶成長によって作製する場合、任意の原料を用いた任意の結晶成長方法により作製することができる。本願発明における「上」は基板から離れる方向を示し、「下」は基板に近づく方向を示すものとする。

実施の形態４
本発明の応用システムは、上述の半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の少なくとも一部を吸収し、吸収したレーザ光と異なる波長の光を発する蛍光体とを含む。たとえば、半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子から出射された波長が４２０ｎｍよりも短いレーザ光を吸収し、白色の光を発する蛍光体とを含む白色照明装置が例示される。図４に、本発明の応用システムの好ましい一例として、白色照明装置の模式的な原理図を示す。図４に示すように、照明装置４００の基本的な構成は、発振波長４０５ｎｍの半導体レーザ素子４０１と、レンズ系４０２と、波長４０５ｎｍのレーザ光を白色光に変換する蛍光体４０３から成る。半導体レーザ素子４０１は、たとえば、実施の形態１の半導体レーザ素子１００と同一の構成の半導体レーザ素子とすることができる。蛍光体４０３は、赤色（Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺）、緑色（ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ）および青色（（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ）₁₀（ＰＯ₄）₆Ｃｌ₂：Ｅｕ²⁺）の蛍光体を混合したものである。この照明装置において、半導体レーザ素子４０１からレーザ光を出射すると、発振波長４０５ｎｍのレーザ光が蛍光体４０３に集光され、白色蛍光４０４が放出される。

照明装置４００では、蛍光体に対する励起素子として、実施の形態１の半導体レーザ素子が用いられていることから、半導体レーザへの注入電流に応じて線形に白色光の光量・輝度を制御することができ、小型で高輝度な点光源が得られる。また、半導体レーザを光源に用いた照明システムでは、従来の照明に比べて電気−光変換効率が極めて高く、かつ長寿命であり、かつ水銀などの有毒物質を含まない点で優れる。したがって、蛍光灯および白熱灯の代替装置として有用である。

励起光源として用いるレーザ光の波長は、必ずしも４０５ｎｍでなくともよく、蛍光体の吸収線に合わせて調節することができる。たとえば、半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子から出射された青色のレーザ光の一部を吸収し、少なくとも赤色および緑色のスペクトル成分を有する光を発する蛍光体とを含む構成とすることにより、純粋な青色（たとえば、波長４４５ｎｍ）の半導体レーザを光源に用い、青色のレーザ光を赤色および緑色の蛍光に変換する白色照明装置を提供することができる。この白色照明装置は、小型、高輝度で、電気−光変換効率が高く、寿命が長いなど、優れた照明装置である。

本発明の半導体レーザ素子を備える応用システムは、実施の形態４の照明装置に限られるものでなく、レーザメスおよび各種加工用レーザなど、あるいは各種励起光源などの、高出力かつ高効率のレーザ光を必要とする各種応用システムに適用することができるものである。励起光源として用いる半導体レーザの発振波長については必ずしも４０５ｎｍでなくともよく、応用形態に合わせて適宜選択することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

小型、高輝度で、電気−光変換効率が高く、寿命が長い優れた白色照明装置などの応用システムを提供することができる。

実施の形態１における半導体レーザ素子の斜視図である。 実施の形態２における半導体レーザ素子の斜視図である。 実施の形態３における半導体レーザ素子の斜視図である。 実施の形態４における白色照明装置の模式的な原理図である。 半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示す図である。 近視野像の水平方向における発光強度のピークを示す図である。 凹凸の周期とキンクが出現する出力の関係を示す図である。

符号の説明

１００，２００，３００，４０１ 半導体レーザ素子、１０１，２０１，３０１ 基板、１０２，２０２，３０２ バッファ層、１０３，２０３，３０３ 下クラッド層、１０４，２０４，３０４ 下ガイド層、１０５，１０７，２０５，２０７，３０５，３０７ ウエル層、１０６，２０６，３０６ バリア層、１０８，２０８，３０８ 上ガイド層、１０９，２０９，３０９ キャリアブロック層、１１０ 光導波層、１１１，２１０，３１０ 上クラッド層、１１２，２１２，３１１ コンタクト層、１１３ 保護膜、２１１ 異屈折率部、２１３ 電流狭窄層、３１２ 絶縁層、３１４ スリット状溝部、４００ 照明装置、４０３ 蛍光体、４０４ 白色蛍光。

Claims (14)

1. 上クラッド層と、下クラッド層と、前記上クラッド層および前記下クラッド層との間に活性層と、ストライプ状の電流狭窄構造とを基板上に備え、前記ストライプの長手方向に直交する一対の端面反射鏡を有し、１次以上の高次の水平横モードでレーザ発振を生じる半導体レーザ素子であって、半導体レーザ素子内部におけるレーザ光が存在する領域に、前記ストライプの長手方向と直交する方向であって、前記基板と平行な方向での屈折率が変動する構造を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記屈折率が変動する構造は、形状が周期的に変動す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。
3. 前記形状の周期的な変動は、変動のピッチが、０．５μｍ以上６μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記屈折率が変動する構造は、活性層以外の層に設けられ、前記構造は、凹凸形状を有す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。
5. 前記凹凸形状が、上クラッド層、または、活性層と上クラッド層の間、または、下クラッド層、または、活性層と下クラッド層の間、または、基板の表面に設けられたことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ素子。
6. 前記屈折率が変動する構造は、活性層以外の層に設け、屈折率が変動する構造を設けた層は、該層の中に、該層の材料と異なる屈折率の材料からなる層を離散的に埋め込まれた構造を有す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。
7. 異なる屈折率の材料からなる層が離散的に埋め込まれた前記構造は、上クラッド層、または、活性層と上クラッド層の間、または、下クラッド層、または、活性層と下クラッド層の間に設けられたことを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ素子。
8. 前記屈折率が変動する構造は、上クラッド層に設けられたスリット状の溝を有す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。
9. 前記屈折率が変動する構造は、少なくとも半導体レーザ素子前面の出射端面反射鏡近傍に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
10. 前記屈折率が変動する構造は、ストライプ状の電流狭窄構造の長手方向から見たとき、電流狭窄構造を２等分する線であって、基板に直交する線を対称の軸として線対称であ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。
11. 前記半導体レーザ素子は、Ａｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ(0≦x≦1,0≦y≦1)を材料とす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。
12. 請求項１に記載の半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の少なくとも一部を吸収して、前記レーザ光と異なる波長の光を発する蛍光体とを含む応用システム。
13. 前記半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子から出射された波長が４２０ｎｍよりも短いレーザ光を吸収し、白色の光を発する蛍光体とを含む白色照明装置であることを特徴とする請求項１２に記載の応用システム。
14. 前記半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子から出射された青色のレーザ光の一部を吸収し、少なくとも赤色および緑色のスペクトル成分を有する光を発する蛍光体とを含む白色照明装置であることを特徴とする請求項１２に記載の応用システム。

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