JP2007227930A - 高出力半導体レーザー素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高次モード発生を抑制しつつ、内部光損失を減少させることが出来る高出力半導体レーザー素子を提供すること。
【解決手段】半導体レーザー素子３０は、第１及び第２導電型クラッド層３２、３５と、その間に形成された活性層３４及び上記第１及び第２導電型クラッド層と上記活性層との間に形成された第１及び第２光ガイド層３３ａ、３３ｂを含む半導体レーザー素子３０において、上記第１及び第２導電型クラッド層の少なくとも一つは、レーザービームの分布と重畳された少なくとも一部領域が意図的にドープされない光損失抑制領域３２ａ、３５ａである。
【選択図】 図３

Description

本発明は、高出力半導体レーザー素子に関するものであって、さらに詳細には、内部光損失を減少させることにより、優れた光出力効率を有する高出力半導体レーザー素子に関する。

最近、高出力半導体レーザー素子は、光通信、光記録装置、溶接及び切断などの産業分野及び医療分野などの様々な応用分野に使用されており、ディスプレイ用の可視光線レーザーとしての応用も試みられており、今後その応用範囲はさらに拡大される見込みである。

一般に半導体レーザー素子は、高出力特性を有するため、レーザーダイオードからビームが放出される部分を大きく設計する方案と、レーザーダイオードをバー（ｂａr）形態に長く配列しこのようなレーザーバーを積層する方案がある。

前者は、レーザーダイオード自体の出力を向上させる方案としてビームが放出される部分、即ちエミッタ（ｅｍｉｔｔｅｒ）の幅（図１の“Ｗ”）を広く設計する方法と、共振器自体の長さ（図１の“Ｌ”）を延長させる方法がある。エミッタの幅を広げる方法は高出力には有利であるが、ビームの形態が歪曲され得るため、共振器の長さを延長させる方式がビーム形態の歪曲が少なく共振器を長くすることにより、電流密度を低くして素子の温度上昇を抑制するので、出力向上の側面で有利である。しかし、共振器の長さ（Ｌ）を延長させる場合に、共振器内部の光損失［ｃｍ^-1］により光出力効率が低下される問題がある。従って、共振器内部の光損失を少なくして高出力のために共振器の長さが長くなっても電流−光特性の効率の低減を最小化させることが高出力半導体レーザー設計の核心と言える。

以下、このような共振器内部の損失問題を図１に図示された従来の高出力半導体レーザー素子構造を参照して説明する。

図１を参照すると、高出力半導体レーザー素子１０は、導電性基板１１上に第１及び第２導電型クラッド層１２、１５と、その間に位置した活性層１４を含む。第１及び第２導電型クラッド層１２、１５と活性層１４との間には各々第１及び第２光ガイド層１３ａ、１３ｂが形成される。上記第２導電型クラッド層１５上には第２導電型コンタクト層１６が形成され、上記第２導電型コンタクト層１６上には電流注入領域を制限して共振器Ｒ領域を定義する絶縁性物質から電流遮断層１７が形成される。また、上記半導体レーザー素子１０は、上下面に形成された各々第１及び第２電極１９ａ、１９ｂを含む。

上記第１及び第２光ガイド層１３ａ、１３ｂは、上記クラッド層１２、１５より高い屈折率を有するアンドープ層として、電子と正孔の動きを制限（ｃｏｎｆｉｎｅ）する上記活性層１４と別途で、レーザービームの形態を制限することを特徴とするため、ＳＣＨ（ｓｅｐａｒａｔｅ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層とも称される。このような光ガイド層（またはＳＣＨ層）の厚さを約５００ｎｍ〜２μｍ程度と大きく形成して（ＬＯＣ構造：Ｌａｒｇｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ構造）光モードと第１及び第２導電型クラッド層１２、１５が重畳される領域を減少させて内部光損失を低減させることが出来る。

しかし、内部光損失を低減させるため光ガイド層の厚さを大きく設定する場合には、かえってビームの高次モードが発生する恐れがあり、この場合ビーム形態の歪曲がひどくなり光学系と整合されず実際に応用するのは困難である。

従って、光ガイド層の厚さを大きくするには限界があり、この場合、図２に図示された通り、ビームモードが依然として第１及び第２導電型クラッド層１２、１５と重畳された領域が存在し、これによって内部損失を十分減少させるのは困難である。

その結果、従来の半導体レーザー素子では、このような内部損失問題によって、さらに出力を向上させるため共振器の長さを延長するのに限界があった。

本発明は、上述の従来技術の問題を解決するためのものであって、その目的は、より長い長さを有する共振器の設計が許容されるよう高次モード発生を抑制しつつ、内部光損失を減少させることが出来る高出力半導体レーザー素子を提供することにある。

上記の技術的課題を解決すべく、本発明は、第１及び第２導電型クラッド層と、その間に形成された活性層及び上記第１及び第２導電型クラッド層と上記活性層との間に形成された第１及び第２光ガイド層を含む半導体レーザー素子において、上記第１及び第２導電型クラッド層の少なくとも一つは、レーザービームの分布と重畳された少なくとも一部領域が意図的にドープされない光損失抑制領域であることを特徴とする半導体レーザー素子を提供する。

好ましく、上記光損失抑制領域は、よりビームモード分布が多い領域に配置されるよう第１または第２光ガイドと接した領域であることが出来る。

好ましくは、上記光損失抑制領域は、上記第１及び第２導電型クラッド層の両方に形成することが出来る。

本発明に採用された光損失抑制領域は、好ましくは上記活性層及び上記第１及び第２光ガイド層と共にレーザービーム分布の８０％以上、より好ましくは９０％以上を占めることが出来る厚さに形成することが出来る。

通常の高出力半導体レーザー素子において、上記光損失抑制領域の厚さは、約１０〜３００ｎｍであることが好ましい。本発明の光損失抑制領域の好ましいドーピング濃度は１０¹⁶／ｃｍ³以下であることが出来る。

本明細書において使用される“意図的にドープされない領域”とは、特定の不純物を注入する工程無しで形成されたアンドープ層を意味する用語であって、ドーピング濃度が実質的に０である理想的な場合だけでなく、蒸着装備または隣接層によってやむを得ず有することになる少量（例、５×１０¹⁶／ｃｍ³以下）のドーピング濃度条件も含んだ意味である。

本発明によると、第１及び第２導電型クラッド層にビームモード分布と重畳された少なくとも一部領域を意図的にドープさせない光損失抑制領域で形成することにより、駆動電圧の大きな増加がなくとも光出力効率を大きく改善させることが出来る。また、光損失抑制領域により内部損失が減少されるため、共振器の長さをより長く設けるのが許容され、これにより、電流密度を低くして温度上昇を効果的に抑制すると同時に発光効率を増加させることが出来る。

以下、添付の図面を参照に本発明をさらに詳細に説明する。図３は、本発明の一実施形態による高出力半導体レーザー素子を示した概略斜視図である。

図３を参照すると、高出力半導体レーザー素子３０は、導電性基板３１上に第１及び第２導電型クラッド層３２、３５と、その間に位置した活性層３４を含む。第１及び第２導電型クラッド層３２、３５と活性層３４との間には第１及び第２アンドープクラッド層３２ａ、３５ａが形成される。上記第１及び第２光ガイド層３３ａ、３３ｂは、上記第１及び第２導電型クラッド層３２、３５と第１及び第２アンドープクラッド層３２ａ、３５ａより高い屈折率を有するアンドープ層としてＳＣＨ（ｓｅｐａｒａｔｅ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造を形成する。

上記第２導電型クラッド層３５上には、第２導電型コンタクト層３６が形成され、上記第２導電型コンタクト層３６上には共振器Ｒ領域を定義する絶縁性物質から成る電流遮断層３７が形成される。また、上記半導体レーザー素子３０は、下面及び上面に形成された各々第１及び第２電極３９ａ、３９ｂを含む。

本発明に採用された第１及び第２導電型クラッド層３２、３５は、該当不純物でドーピングされた他の領域３２ｂ、３５ｂとは異なり意図的にドープされない光損失抑制領域３２ａ、３５ａを含む。本発明に採用された光損失抑制領域３２ａ、３５ａは、各々第１導電型及び第２導電型クラッド層３２、３５と同一の基本組成を有するが、意図的に不純物を注入しない領域を称する。

好ましくは、上記光損失抑制領域３２ａ、３５ａは、第１及び第２光ガイド層３３ａ、３３ｂと隣接して形成され、第１及び第２導電型クラッド層３２、３５と重畳されたビームモード分布領域に配置される。この場合、光損失抑制領域３２ａ、３５ａは、意図的にドープされないため極小量の不純物のみ存在し、不純物による内部損失が大きく減少されることが出来る。

上記光損失抑制領域３２ａ、３５ａに該当するクラッド層の部分を意図的にドープしなくとも、実際の蒸着装備と隣接した他のクラッド層領域３２ｂ、３５ｂによる不純物拡散などにより微量のドーピング濃度を有する。従って、上記光損失抑制領域３２ａ、３５ａの好ましいドーピング濃度は、１０¹⁶／ｃｍ³以下であることが出来る。

このように、本発明では内部損失が減少するため、共振器Ｒの長さＬをより長く設計しても、これによる光出力効率の低下を防ぐことが出来る。これは下記の式により説明される。

即ち、光出力効率のスロープ効率（ｓｌｏｐｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ：Ｓ）は、共振器の長さに関する下記の比例式で定義される。

ここで、“Ｌ”はレーザーダイオードの共振器の長さで、“Ｒ”はレーザーダイオードの断面での反射率、“α_i”は共振器Ｒを通過する間に単位長さ当たりに生じる損失、即ち内部損失率である。

上記式において、内部損失率α_iは、大きい値を有するほど、長さＬの増加によるスロープ効率の低下程度は増加する。従って、長い長さを有する共振器は相対的に電流密度を低くして温度上昇を抑制しながら発光効率を向上させるには有利であるが、このようなスロープ効率の低下問題により実際共振器の長さを増加させるには限界がある。

しかし、本発明では第１及び第２導電型クラッド層３２、３５のうち第１及び第２光ガイド層３３ａ、３３ｂに隣接した領域を意図的にドープせず光損失抑制領域３２ａ、３５ａを提供することにより、内部損失率を大きく減少させ、これによって電流密度の改善及び発光効率の向上に有利であるよう共振器長さＬをさらに増加させることが出来る。

従って、本発明によると、ビームの歪曲を引き起こす共振器の幅Ｗを増加させない代わりに、内部損失による光効率の低下を抑制しつつ共振器の長さＬを増加させることにより、電流密度を低くし温度上昇を低減させると同時に光効率を大きく改善することが出来る。

図４には、本発明の一実施形態による高出力半導体レーザー素子のバンドギャップとビームモード分布が図示されている。

図４を参照すると、先ず、図２に図示されたバンドダイアグラム（伝導帯域（Ｅ_C））と類似するバンドギャップが図示されている。ここで、第１及び第２導電型クラッド層３２、３５は、第１及び第２光ガイド層３３ａ、３３ｂと隣接した光損失抑制領域３２ａ、３５ａが含まれるため、光ガイド層３３ａ、３３ｂと連続するアンドープ領域が提供される。従って、高次モードの発生を抑制できる程度の光ガイド層３３ａ、３３ｂの幅を制限しても、さらにビームモード分布と重畳された領域Ｓの相当部分をアンドープ領域として含むことが出来る。

その結果、光損失抑制領域３２ａ、３５ａに該当するビームモードと重畳された部分から発生する光損失を減少させることが出来るため、全体の内部損失を低減させることが出来る。

このような光損失抑制領域３２ａ、３５ａは、よりビームモードの分布が多い領域に配置されるよう第１または第２光ガイド層３３ａ、３３ｂと接するよう位置させることが好ましい。また、上記光損失抑制領域３２ａ、３５ａは、上記活性層３４及び上記第１及び第２光ガイド層３３ａ、３３ｂと共にレーザービームモード分布の８０％以上が重畳される厚さで形成することが好ましく、より好ましくは９０％以上を占める厚さで形成することが出来る。このようなビームモード分布は、特定レーザーにおいて活性層３４の構造及び各層の屈折率、厚さを通じて計算することができ、適切な厚さに設計されることが出来る。

通常の高出力半導体レーザー素子においては、上記光損失抑制領域３２ａ、３５ａの厚さは、各々約１０〜３００ｎｍであることが好ましい。１０ｎｍ未満の場合には、十分の光損失低減効果を期待できず、３００ｎｍを超過する場合には、アンドープ領域の増加による駆動電圧の増加問題が起きる恐れがある。

本実施形態では、第１及び第２導電型クラッド層が何れも光損失抑制領域を有しほぼ対称で構成された構造として例示されているが、必要に応じて一つの導電型クラッド層のみに選択的に提供されるようにしたり、両側に提供されても非対称構造で提供されるようにしたりすることが出来る。この場合にも、不純物による光損失を減少させるため、既存の第１及び第２導電型クラッド層にドープされない領域を提供することを特徴とする本発明の範囲に該当すると言える。

本発明の効果を確認するため、従来のように、各々８×１０¹⁷／ｃｍ³、７×１０¹⁷／ｃｍ³のドーピング濃度を有するｐ型及びｎ型導電型クラッド層と、アンドープされた活性層が介在された第１及び第２光ガイド層を含む３個の半導体レーザーダイオードＡ１、Ａ２、Ａ３を各々異なる共振器長さ１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍを有するようにしてシミュレーションを行った。ここで、活性層と第１及び第２光ガイド層の厚さは、各々６ｎｍ、２５０ｎｍ、２５０ｎｍに設計した。

また、上記の半導体レーザー構造と同一の条件で３個の半導体レーザーダイオードＢ１、Ｂ２、Ｂ３を計算するが、本発明によって各々第１及び第２光ガイド層と隣接した第１及び第２導電型クラッド層の領域は、約１００ｎｍ厚さで意図的にドープしない光損失抑制領域で形成した。

このような構造において、半導体レーザーダイオードに関して各々電流−電圧のシミュレーション結果を表示した。

先ず、図５ａに図示された通り、本発明による半導体レーザーダイオードＢ１、Ｂ２、Ｂ３を同一の共振器長さを有する従来例Ａ１、Ａ２、Ａ３と比べると、全体的に入力電流に関する光出力が１０〜１４％ほど向上され、従来例との光出力の差は、共振器の長さを大きく設計するほどより大きい差を有することが確認できる。

図５ｂに図示された通り、本発明による半導体レーザーダイオードＢ１、Ｂ２、Ｂ３の場合、従来の半導体レーザーダイオード(Ａ３：３ｍｍ)と比べて０．１乃至０．２５Ｖ程度と駆動電圧の増加は非常に小さかった。これは、アンドープされた光損失抑制領域の採用により駆動電圧は多少増加した結果であるが、光出力効率の改善効果からみると考慮されない程度である。

上述の実施形態及び添付の図面は、好ましい実施形態の例示であり、本発明は添付の請求範囲によって限定する。また、本発明は請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で様々な形態の置換、変形及び変更が可能ということは当技術分野の通常の知識を有しているものには自明である。

従来の高出力半導体レーザー素子を示した概略斜視図である。 従来の高出力半導体レーザー素子のバンドギャップとビームモード分布を示したグラフである。 本発明の一実施形態による高出力半導体レーザー素子を示した概略斜視図である。 本発明の一実施形態による高出力半導体レーザー素子のバンドギャップとビームモード分布を示したグラフである。 本発明の実施例によって製造された高出力半導体レーザー素子の出力特性を示したグラフである。 本発明の実施例によって製造された高出力半導体レーザー素子の電圧−電流特性を示したグラフである。

符号の説明

３１ 導電性基板
３２ 第１導電型クラッド層
３３ａ、３３ｂ 第１及び第２光ガイド層
３４ 活性層
３５ 第２導電型クラッド層
３２ａ、３５ａ 光損失抑制領域
３６ 第２導電型コンタクト層
３７ 電流遮断層
３９ａ、３９ｂ 第１及び第２電極

Claims (7)

1. 第１及び第２導電型クラッド層と、その間に形成された活性層及び前記第１及び第２導電型クラッド層と前記活性層との間に形成された第１及び第２光ガイド層を含む半導体レーザー素子において、
   前記第１及び第２導電型クラッド層の少なくとも一つは、レーザービームの分布と重畳された少なくとも一部領域が意図的にドープされない光損失抑制領域であることを特徴とする半導体レーザー素子。
2. 前記光損失抑制領域は、前記第１または第２光ガイドと接した領域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ー素子。
3. 前記光損失抑制領域は、前記第１及び第２導電型クラッド層の両方に形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザー素子。
4. 前記光損失抑制領域は、前記活性層及び前記第１及び第２光ガイド層と共にレーザービーム分布の８０％以上を占める厚さを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザー素子。
5. 前記光損失抑制領域は、前記活性層及び前記第１及び第２光ガイド層と共にレーザービーム分布の９０％以上を占める厚さを有することを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザー素子。
6. 前記光損失抑制領域の厚さは、約１０〜３００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体レーザー素子。
7. 前記光損失抑制領域のドープ濃度は、１０¹⁷／ｃｍ³以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体レーザー素子。

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