JP2008166571A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力の低減が可能で信頼性にも優れた半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】半導体レーザ装置は、活性層６と、活性層６を挟んで設けられた一組のガイド層４，８と、活性層６およびガイド層４，８を挟んで設けられた一組のクラッド層３，９とを有する。ガイド層４，８は、いずれもＧａＡｓに格子整合するＩｎＧａＡｓＰである。クラッド層３，９には、いずれもＡｌＧａＡｓが用いられている。ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成比は、０．４以下で、且つ、ＡｌＧａＡｓの屈折率をＩｎＧａＡｓＰの屈折率より小さくする値以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に、ＮｄまたはＹｂをドープしたＹＡＧレーザなどの固体レーザ、Ｙｂをドープしたファイバレーザ、Ｅｒをドープしたファイバアンプなどの励起光源として用いられる半導体レーザ装置に関する。

半導体レーザ装置は、光通信システムなどの光源として広く用いられている。例えば、発振波長が９４０ｎｍである従来の半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板の一方の主面にｎ電極が設けられ、他方の主面に、ｎ型Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓクラッド層、Ａｌ_０．３５Ｇａ_０．６５Ａｓガイド層、ＧａＡｓＰバリア層、ＩｎＧａＡｓ活性層、ＧａＡｓＰバリア層、Ａｌ_０．３５Ｇａ_０．６５Ａｓガイド層、ｐ型Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓクラッド層、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、および、ｐ電極が順に設けられた構造を有している（例えば、非特許文献１参照。）。

Ａ．Ｋｎｉｇｇｅ et. al., "１００Ｗ−ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｆｒｏｍ ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｃｏｏｌｅｄ ｌａｓｅｒ ｂａｒ ｗｉｔｈ ３０％ ｆｉｌｌｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ，" ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ ２００４ ＩＥＥＥ １９ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， Ｋｕｎｉｂｉｋｉ Ｍｅｓｓｅ， Ｍａｔｓｕｅ−ｓｈｉ， Ｓｉｍａｎｅ Ｐｒｅｆ.， ＪＡＰＡＮ， ＴｈＡ１， ｐｐ．３５−３６， Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００４

しかしながら、上記の半導体レーザ装置では、活性層の近傍にＡｌ（アルミニウム）を含む構造であるために、信頼性の点で問題があった。

また、近年では、消費電力を低減するために、電気変換効率の高い半導体レーザに対する要求が高まっている。しかし、内部量子効率の向上や、損失低減によるスロープ効率の向上は、ほぼ限界に達しつつある。したがって、電気変換効率のさらなる向上のためには、別の面からのアプローチが必要となっている。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、消費電力の低減が可能で信頼性にも優れた半導体レーザ装置を提供することにある。

本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明の第１の態様は、
活性層と、該活性層を挟んで設けられた一組のガイド層と、該活性層および該一組のガイド層を挟んで設けられた一組のクラッド層とを有する半導体レーザ装置において、
前記一組のガイド層は、いずれもＧａＡｓに格子整合するＩｎＧａＡｓＰであり、
前記一組のクラッド層には、いずれもＡｌＧａＡｓが用いられていて、
前記ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成比は、０．４以下で、且つ、前記ＡｌＧａＡｓの屈折率を前記ＩｎＧａＡｓＰの屈折率より小さくする値以上であることを特徴とするものである。

本発明の第２の態様は、
活性層と、該活性層を挟んで設けられた一組のガイド層と、該活性層および該一組のガイド層を挟んで設けられた一組のクラッド層とを有する半導体レーザ装置において、
前記一組のガイド層は、いずれもＧａＡｓに格子整合するＩｎＧａＡｓＰであり、
前記一組のクラッド層には、いずれもＡｓ組成比が前記一組のガイド層のうち近い方のガイド層のＡｓ組成比以下であるＩｎＧａＡｓＰが用いられていることを特徴とするものである。

本発明の第１の態様によれば、クラッド層にＡｌＧａＡｓを用い、Ａｌ組成比を０．４以下とすることによって、消費電力の低減が可能で信頼性にも優れた半導体レーザ装置を提供することができる。

本発明の第２の態様によれば、クラッド層およびガイド層にＩｎＧａＡｓＰを用い、クラッド層のＡｓ組成比をガイド層のＡｓ組成比以下とすることによって、消費電力の低減が可能で信頼性にも優れた半導体レーザ装置を提供することができる。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態にかかる半導体レーザ装置の斜視図の一例である。図１において、１はｎ電極、２はｎ型ＧａＡｓ基板、３はｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ≦０．４０）クラッド層、４はｎ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙ（０．６≦ｙ≦０．８）ガイド層、５はｎ側ＧａＡｓ_０．８８Ｐ_０．１２エンハンス層、６はＩｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ａｓ活性層、７はｐ側ＧａＡｓ_０．８８Ｐ_０．１２エンハンス層、８はｐ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙ（０．６≦ｙ≦０．８）ガイド層、９はｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ≦０．４０）クラッド層、１０はｐ型ＧａＡｓコンタクト層、１１はｐ電極、１２はプロトン注入領域である。

発振波長を９４０ｎｍ近傍とする点からは、活性層６におけるＩｎ組成比を０．０７程度とし、活性層６の厚みを１２ｎｍとするのが好ましい。但し、本発明は、これに限られるものではない。

ｎ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層４とｐ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層８の厚みは、それぞれ１００ｎｍ以上とすることが好ましい。これは、光をアンドープのガイド層に多く閉じ込めることで光吸収により損失を低減し、半導体レーザ装置の効率を向上させるためである。キャリアの拡散長は２μｍ〜３μｍ程度であるので、ガイド層の厚みの上限は、その半分程度、すなわち、１μｍ〜１．５μｍ程度と考えられる。

ＧａＡｓに格子整合するＩｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層において、Ａｓ組成比（ｙ）とＧａ組成比（ｚ）の間には、
ｚ＝（０．２１５５＋０．１８９６ｙ）／（０．４１７６−０．０１２５ｙ）
の関係が成立することが報告されている（Ｎ．Ｓｈｉｎ−ｉｃｈｉら、「液相エピタキシーによって成長したＡｌＧａＡｓ充填層を有するＩｎＧａＡｓＰ／ＧａＡｓ可視光レーザの組み立て方法」（Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ＩｎＧａＡｓＰ／ＧａＡｓ ｖｉｓｉｂｌｅ ｌａｓｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ＡｌＧａＡｓ ｂｕｒｙｉｎｇ ｌａｙｅｒｓ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｌｉｑｕｉｄ−ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ），Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１９８６年２月１日、第５９巻、第３号、ｐ．７６１−７６８）。したがって、ｎ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層４およびｐ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層８においても、ｙとｚの間には上記関係が成立するものとする。

ｎ電極１とｐ電極１１に電圧を印加すると、ｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓクラッド層３の側から活性層６に電子が注入される。一方、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓクラッド層９の側から活性層６に正孔が注入される。そして、活性層６内で電子と正孔が結合することによってレーザ光が発生する。尚、プロトン注入領域１２を設けることにより、この部分における抵抗を高くすることができる。このため、電流は、プロトン注入領域１２を避けて流れるようになる。換言すると、プロトン注入領域１２以外の領域に電流を集中させることができる。

図１の半導体レーザ装置について、シミュレーションによって求めた電流―電圧特性を図２に示す。尚、ｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓクラッド層３とｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓクラッド層９では、Ａｌ組成比（ｘ）を０．２５としている。また、ｎ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層４およびｐ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層８では、Ａｓ組成比（ｙ）を０．６０、Ｇａ組成比（ｚ）を０．８０、厚みを６００ｎｍとしている。さらに、共振器長を１，２００μｍとし、ストライプ幅を１μｍとしている。但し、本発明は、これらに限られるものではない。

図２より、注入電流が２０ｍＡであるとき、動作電圧は１．４２６Ｖになることが分かった。

図３は、クラッド層を変えたときのガイド層の厚みと動作電圧との関係を示したものである。但し、ｎ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層４およびｐ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層８において、Ａｓ組成比（ｙ）を０．６０とし、Ｇａ組成比（ｚ）を０．８０としている。また、注入電流は２０ｍＡとしている。

図３において、符号ａ_１，ｂ_１，ｃ_１は、本発明によるクラッド層を用いた場合である。符号ａ_１はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．２５）に、符号ｂ_１はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．３５）に、符号ｃ_１はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．４０）に、それぞれ対応している。また、符号ｄ_１は、比較例１であって、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．４５）をクラッド層として用いた場合である。さらに、符号ｅ_１は比較例２であって、図１で、ｎ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層４とｐ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層８におけるＡｓ組成比をｙ＝０．６０、Ｇａ組成比をｚ＝０．８０とし、さらに、ｎ側およびｐ側のクラッド層にＩｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐを用いた場合である。

図３より、ガイド層の厚みにかかわらず、本発明によれば、比較例１および２よりも動作電圧を低減することができる。換言すると、クラッド層にＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓを用い、Ａｌ組成比（ｘ）を０．４０以下とすることによって、クラッド層にＩｎＧａＰを用いた場合に比較して低い動作電圧を実現することが可能となる。

図４は、ＩｎＧａＡｓＰガイド層におけるＡｓ組成比（ｙ）と、ＡｌＧａＡｓクラッド層におけるＡｌ組成比（ｘ）との関係を求めたものである。これは、波長９４０ｎｍにおいて、ＩｎＧａＡｓＰガイド層の屈折率と、ＡｌＧａＡｓクラッド層の屈折率とが一致するときの各組成比を示しており、
ｘ＝−０．４２１５ｙ＋０．４２３１
の関係が成立する。尚、関係式を求める手法については、非特許文献（伊賀健一著、「応用物理学シリーズ 半導体レーザ」第１版、株式会社オーム社、平成６年１０月２５日、ｐ．３４−３９）を参照した。

例えば、Ａｓ組成比（ｙ）が０．６０であるＩｎＧａＡｓＰガイド層の屈折率と、ＡｌＧａＡｓクラッド層の屈折率とを一致させるためには、図４より、ＡｌＧａＡｓクラッド層のＡｌ組成比（ｘ）を０．１７０とすればよい。ＡｌＧａＡｓクラッド層におけるＡｌ組成比（ｘ）が０．１７０より小さくなると、ＡｌＧａＡｓ層の屈折率は、上記のＩｎＧａＡｓＰガイド層の屈折率よりも大きくなってしまう。それ故、ＩｎＧａＡｓＰガイド層中に光を有効に閉じ込めることができなくなる。したがって、この例におけるＡｌＧａＡｓクラッド層のＡｌ組成比（ｘ）は、０．１７０が下限値になる。

図５は、クラッド層を変えたときのガイド層の厚みと動作電圧との関係を示した他の例である。但し、ｎ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層４およびｐ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層８において、Ａｓ組成比（ｙ）を０．７０とし、Ｇａ組成比（ｚ）を０．８５としている。また、注入電流は２０ｍＡとしている。

図５において、符号ａ_２，ｂ_２，ｃ_２，ｄ_２は、本発明によるクラッド層を用いた場合である。符号ａ_２はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．１５）に、符号ｂ_２はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．２５）に、符号ｃ_２はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．３５）に、符号ｄ_２はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．４０）に、それぞれ対応している。また、符号ｅ_２は、比較例１であって、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．４５）をクラッド層として用いた場合である。さらに、符号ｆ_２は、比較例２であって、図１で、ｎ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層４とｐ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層８におけるＡｓ組成比をｙ＝０．７０、Ｇａ組成比をｚ＝０．８５とし、さらに、ｎ側およびｐ側のクラッド層にＩｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐを用いた場合である。

図５より、ガイド層の厚みにかかわらず、本発明によれば、比較例１および２よりも動作電圧を低減することができる。換言すると、クラッド層にＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓを用い、Ａｌ組成比（ｘ）を０．４０以下とすることによって、クラッド層にＩｎＧａＰを用いた場合に比較して低い動作電圧を実現することが可能となる。

波長９４０ｎｍにおいて、ＩｎＧａＡｓＰガイド層の屈折率と、ＡｌＧａＡｓクラッド層の屈折率とが一致するときの各組成比については、図４で述べた関係
ｘ＝−０．４２１５ｙ＋０．４２３１
から求めることができる。すなわち、Ａｓ組成比（ｙ）が０．７０であるＩｎＧａＡｓＰガイド層の屈折率と、ＡｌＧａＡｓクラッド層の屈折率とを一致させるためには、ＡｌＧａＡｓクラッド層のＡｌ組成比（ｘ）を０．１２８とすればよい。ＡｌＧａＡｓクラッド層におけるＡｌ組成比（ｘ）が０．１２８より小さくなると、ＡｌＧａＡｓ層の屈折率は、上記のＩｎＧａＡｓＰガイド層の屈折率よりも大きくなってしまう。それ故、ＩｎＧａＡｓＰガイド層中に光を有効に閉じ込めることができなくなる。したがって、この例におけるＡｌＧａＡｓクラッド層のＡｌ組成比（ｘ）は、０．１２８が下限値になる。

図６は、クラッド層を変えたときのガイド層の厚みと動作電圧との関係を示した他の例である。但し、ｎ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層４およびｐ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層８において、Ａｓ組成比（ｙ）を０．８０とし、Ｇａ組成比（ｚ）を０．９０としている。また、注入電流は２０ｍＡとしている。

図６において、符号ａ_３，ｂ_３，ｃ_３，ｄ_３は、本発明によるクラッド層を用いた場合である。符号ａ_３はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．１５）に、符号ｂ_３はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．２５）に、符号ｃ_３はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．３５）に、符号ｄ_３はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．４０）に、それぞれ対応している。また、符号ｅ_３は、比較例１であって、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．４５）をクラッド層として用いた場合である。さらに、符号ｆ_３は、比較例２であって、図１で、ｎ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層４とｐ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層８におけるＡｓ組成比をｙ＝０．８０、Ｇａ組成比をｚ＝０．９０とし、さらに、ｎ側およびｐ側のクラッド層にＩｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐを用いた場合である。

図６より、ガイド層の厚みにかかわらず、本発明によれば、比較例１および２よりも動作電圧を低減することができる。換言すると、クラッド層にＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓを用い、Ａｌ組成比（ｘ）を０．４０以下とすることによって、クラッド層にＩｎＧａＰを用いた場合に比較して低い動作電圧を実現することが可能となる。

波長９４０ｎｍにおいて、ＩｎＧａＡｓＰガイド層の屈折率と、ＡｌＧａＡｓクラッド層の屈折率とが一致するときの各組成比については、図４で述べた関係
ｘ＝−０．４２１５ｙ＋０．４２３１
から求めることができる。すなわち、Ａｓ組成比（ｙ）が０．８０であるＩｎＧａＡｓＰガイド層の屈折率と、ＡｌＧａＡｓクラッド層の屈折率とを一致させるためには、ＡｌＧａＡｓクラッド層のＡｌ組成比（ｘ）を０．０８６とすればよい。ＡｌＧａＡｓクラッド層におけるＡｌ組成比（ｘ）が０．０８６より小さくなると、ＡｌＧａＡｓ層の屈折率は、上記のＩｎＧａＡｓＰガイド層の屈折率よりも大きくなってしまう。それ故、ＩｎＧａＡｓＰガイド層中に光を有効に閉じ込めることができなくなる。したがって、この例におけるＡｌＧａＡｓクラッド層のＡｌ組成比（ｘ）は、０．０８６が下限値になる。

このように、本実施の形態の半導体レーザ装置によれば、クラッド層にＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓを用い、Ａｌ組成比（ｘ）を０．４０以下とすることによって、消費電力を低減することが可能となる。また、Ａｌ組成比を低くしているので、信頼性にも優れた半導体レーザ装置とすることができる。

尚、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。

例えば、実施の形態１では、ＩｎＧａＡｓ活性層におけるＩｎ組成比を０．０７とした。しかし、本発明は、これに限られるものではなく、例えば、Ｉｎ組成比を０〜０．２程度まで変化させることで、半導体レーザ装置の発振波長を９００ｎｍ〜１，１００ｎｍ程度まで変えることができる。但し、Ｉｎ組成比を変更した場合には、Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層の屈折率と、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓクラッド層の屈折率とを一致させるために、Ａｓ組成比（ｙ）とＡｌ組成比（ｘ）の関係式を新たに導出する。

また、実施の形態１では、活性層が１つである単一の量子井戸構造について述べているが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、本発明は、活性層が複数存在する多重量子井戸構造に適用することもでき、その場合にも上記と同様の効果が得られる。

また、実施の形態１では、エンハンス層として、Ｐ組成比が０．１２であるＧａＡｓＰ層を用いているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、エンハンス層は、ＩｎＧａＡｓ活性層との間で歪をバランスさせる機能もあるので、活性層のＩｎ組成比を大きくした場合には、エンハンス層のＰ組成比も大きくすることが好ましい。また、活性層に対して故意に圧縮歪をかけることで、活性層のバンド構造を変化させる場合には、エンハンス層を挿入しないこともある。

また、実施の形態１では、Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層におけるＡｓ組成比が０．６，０．７，０．８である場合について、半導体レーザ装置の動作電圧を低減できることを示した。しかし、本発明は、これらに限られるものではなく、Ａｓ組成比が０．６より小さい場合や、０．８より大きい場合であっても、同様の効果を得ることが可能である。

すなわち、Ａｓ組成比が０（ゼロ）に近い場合、つまり、バンドギャップエネルギーがＩｎＧａＰに近い場合や、Ａｓ組成比が１に近い場合、つまり、バンドギャップエネルギーがＧａＡｓに近い場合であっても、動作電圧を低減することができる。但し、Ａｓ組成比が０（ゼロ）に近くなると、ガイド層のバンドギャップエネルギーが、クラッド層のバンドギャップエネルギーに近づくために、動作電圧を低減する効果は小さくなる。一方、Ａｓ組成比が１に近くなると、活性層とガイド層のバンドギャップエネルギーの差が小さくなるために、電子や正孔といったキャリアを活性層内に有効に閉じ込めることが困難となって、電気変換効率の低下を招く場合がある。したがって、ガイド層におけるＡｓ組成比は、０．６以上で０．８以下であることが好ましい。

さらに、実施の形態１では、ｎ側ガイド層のＡｓ組成比とｐ側ガイド層のＡｓ組成比、ｎ型クラッド層のＡｌ組成比とｐ型クラッド層のＡｌ組成比、および、ｎ型クラッド層のＡｓ組成比とｐ型クラッド層のＡｓ組成比が、それぞれ同じである場合について述べた。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、これらの組成比が異なる場合であっても動作電圧の低減が可能である。

実施の形態２．
図７は、本実施の形態にかかる半導体レーザ装置の斜視図の一例である。図７で、図１と同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。すなわち、１はｎ電極、２はｎ型ＧａＡｓ基板、５はｎ側ＧａＡｓ_０．８８Ｐ_０．１２エンハンス層、６はＩｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ａｓ活性層、７はｐ側ＧａＡｓ_０．８８Ｐ_０．１２エンハンス層、１０はｐ型ＧａＡｓコンタクト層、１１はｐ電極、１２はプロトン注入領域である。

実施の形態１では、クラッド層にＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ≦０．４０）層を用い、ガイド層にＩｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙ（０．６≦ｙ≦０．８）を用いた。これに対して、本実施の形態では、クラッド層およびガイド層にＩｎＧａＡｓＰを用い、クラッド層のＡｓ組成比をガイド層のＡｓ組成比以下とする。したがって、図７において、１３はｎ型Ｉｎ_１−ｔＧａ_ｔＡｓ_ｓＰ_１−ｓ（ｓ≦ｙ）クラッド層、１４はｎ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層、１５はｐ側Ｉｎ_１−ｚ′Ｇａ_ｚ′Ａｓ_ｙ′Ｐ_１−ｙ′ガイド層、１６はｐ型Ｉｎ_１−ｔ′Ｇａ_ｔ′Ａｓ_ｓ′Ｐ_１−ｓ′(ｓ′≦ｙ′)クラッド層である。

図８は、クラッド層を変えたときのガイド層の厚みと動作電圧との関係を示したものである。但し、ｎ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層１４およびｐ側Ｉｎ_１−ｚ′Ｇａ_ｚ′Ａｓ_ｙ′Ｐ_１−ｙ′ガイド層１５において、Ａｓ組成比（ｙ，ｙ′）を０．６０とし、Ｇａ組成比（ｚ，ｚ′）を０．８０としている。また、注入電流は２０ｍＡとしている。

図８において、符号ａ_４，ｂ_４，ｃ_４は、本発明によるクラッド層を用いた場合である。具体的には、ｎ型Ｉｎ_１−ｔＧａ_ｔＡｓ_ｓＰ_１−ｓクラッド層とｐ型Ｉｎ_１−ｔ′Ｇａ_ｔ′Ａｓ_ｓ′Ｐ_１−ｓ′クラッド層について、符号ａ_４は、ｓ＝ｓ′＝０．１、ｔ＝ｔ′＝０．５６である場合に、符号ｂ_４は、ｓ＝ｓ′＝０．２、ｔ＝ｔ′＝０．６１である場合に、符号ｃ_４は、ｓ＝ｓ′＝０．３、ｔ＝ｔ′＝０．６６である場合に、それぞれ対応している。また、符号ｄ_４は、比較例であって、図７で、ｎ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層１４とｐ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層１５におけるＡｓ組成比をｙ＝０．６０、Ｇａ組成比をｚ＝０．８０とし、さらに、ｎ側およびｐ側のクラッド層にＡｌ_０．１５Ｇａ_０．３５Ｉｎ_０．５０Ｐを用いた場合である。

図８より、ガイド層の厚みにかかわらず、本発明によれば、比較例よりも動作電圧を低減することができる。尚、この例では、クラッド層のＡｓ組成比が０．１，０．２，０．３である場合について示した。しかし、クラッド層のＡｓ組成比が、ガイド層のＡｓ組成比以下であれば、レーザ発振が可能であって、上記と同様に動作電圧を低減することができる。

図８で、ガイド層の厚みが１００ｎｍ以上である場合について考察しているのは、光をアンドープのガイド層に多く閉じ込めることで光吸収により損失を低減し、半導体レーザ装置の効率を向上させるためである。尚、キャリアの拡散長は２μｍ〜３μｍ程度であるので、ガイド層の厚みの上限は、その半分程度、すなわち、１μｍ〜１．５μｍ程度と考えられる。一方、下限については特段の制限はないものの、上述した理由から１００ｎｍ以上とすることが好ましい。

図９は、クラッド層を変えたときのガイド層の厚みと動作電圧との関係を示した他の例である。但し、ｎ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層１４およびｐ側Ｉｎ_１−ｚ′Ｇａ_ｚ′Ａｓ_ｙ′Ｐ_１−ｙ′ガイド層１５において、Ａｓ組成比（ｙ，ｙ′）を０．７０とし、Ｇａ組成比（ｚ，ｚ′）を０．８５としている。また、注入電流は２０ｍＡとしている。

図９において、符号ａ_５，ｂ_５，ｃ_５は、本発明によるクラッド層を用いた場合である。具体的には、ｎ型Ｉｎ_１−ｔＧａ_ｔＡｓ_ｓＰ_１−ｓクラッド層とｐ型Ｉｎ_１−ｔ′Ｇａ_ｔ′Ａｓ_ｓ′Ｐ_１−ｓ′クラッド層について、符号ａ_５は、ｓ＝ｓ′＝０．１、ｔ＝ｔ′＝０．５６である場合に、符号ｂ_５は、ｓ＝ｓ′＝０．２、ｔ＝ｔ′＝０．６１である場合に、符号ｃ_５は、ｓ＝ｓ′＝０．３、ｔ＝ｔ′＝０．６６である場合に、それぞれ対応している。また、符号ｄ_５は、比較例であって、図７で、ｎ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層１４とｐ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層１５におけるＡｓ組成比をｙ＝０．７０、Ｇａ組成比をｚ＝０．８５とし、さらに、ｎ側およびｐ側のクラッド層にＡｌ_０．１５Ｇａ_０．３５Ｉｎ_０．５０Ｐを用いた場合である。

図９より、ガイド層の厚みにかかわらず、本発明によれば、比較例よりも動作電圧を低減することができる。尚、この例では、クラッド層のＡｓ組成比が０．１，０．２，０．３である場合について示した。しかし、クラッド層のＡｓ組成比が、ガイド層のＡｓ組成比以下であれば、レーザ発振が可能であって、上記と同様に動作電圧を低減することができる。

図１０は、クラッド層を変えたときのガイド層の厚みと動作電圧との関係を示した他の例である。但し、ｎ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層１４およびｐ側Ｉｎ_１−ｚ′Ｇａ_ｚ′Ａｓ_ｙ′Ｐ_１−ｙ′ガイド層１５において、Ａｓ組成比（ｙ，ｙ′）を０．８０とし、Ｇａ組成比（ｚ，ｚ′）を０．９０としている。また、注入電流は２０ｍＡとしている。

図１０において、符号ａ_６，ｂ_６，ｃ_６は、本発明によるクラッド層を用いた場合である。具体的には、ｎ型Ｉｎ_１−ｔＧａ_ｔＡｓ_ｓＰ_１−ｓクラッド層とｐ型Ｉｎ_１−ｔ′Ｇａ_ｔ′Ａｓ_ｓ′Ｐ_１−ｓ′クラッド層について、符号ａ_６は、ｓ＝ｓ′＝０．１、ｔ＝ｔ′＝０．５６である場合に、符号ｂ_６は、ｓ＝ｓ′＝０．２、ｔ＝ｔ′＝０．６１である場合に、符号ｃ_６は、ｓ＝ｓ′＝０．３、ｔ＝ｔ′＝０．６６である場合に、それぞれ対応している。また、符号ｄ_６は、比較例であって、図７で、ｎ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層１４とｐ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層１５におけるＡｓ組成比をｙ＝０．８０、Ｇａ組成比をｚ＝０．９０とし、さらに、ｎ側およびｐ側のクラッド層にＡｌ_０．１５Ｇａ_０．３５Ｉｎ_０．５０Ｐを用いた場合である。

図１０より、ガイド層の厚みにかかわらず、本発明によれば、比較例よりも動作電圧を低減することができる。尚、この例では、クラッド層のＡｓ組成比が０．１，０．２，０．３である場合について示した。しかし、クラッド層のＡｓ組成比が、ガイド層のＡｓ組成比以下であれば、レーザ発振が可能であって、上記と同様に動作電圧を低減することができる。

尚、本実施の形態において、ガイド層の厚みは、１００ｎｍ以上とすることが好ましい。これは、光をアンドープのガイド層に多く閉じ込めることで光吸収により損失を低減し、半導体レーザ装置の効率を向上させるためである。キャリアの拡散長は２μｍ〜３μｍ程度であるので、ガイド層の厚みの上限は、その半分程度、すなわち、１μｍ〜１．５μｍ程度と考えられる。

このように、本実施の形態の半導体レーザ装置によれば、クラッド層およびガイド層にＩｎＧａＡｓＰを用い、クラッド層のＡｓ組成比をガイド層のＡｓ組成比以下とすることによって、消費電力を低減することが可能となる。また、Ａｌを含まない構造であるので、信頼性にも優れた半導体レーザ装置とすることができる。

尚、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。

例えば、実施の形態２では、ＩｎＧａＡｓ活性層におけるＩｎ組成比を０．０７とした。しかし、本発明は、これに限られるものではなく、例えば、Ｉｎ組成比を０〜０．２程度まで変化させることで、半導体レーザ装置の発振波長を９００ｎｍ〜１，１００ｎｍ程度まで変えることができる。

また、実施の形態２では、活性層が１つである単一の量子井戸構造について述べているが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、本発明は、活性層が複数存在する多重量子井戸構造に適用することもでき、その場合にも上記と同様の効果が得られる。

また、実施の形態２では、エンハンス層として、Ｐ組成比が０．１２であるＧａＡｓＰ層を用いているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、エンハンス層は、ＩｎＧａＡｓ活性層との間で歪をバランスさせる機能もあるので、活性層のＩｎ組成比を大きくした場合には、エンハンス層のＰ組成比も大きくすることが好ましい。また、活性層に対して故意に圧縮歪をかけることで、活性層のバンド構造を変化させる場合には、エンハンス層を挿入しないこともある。

また、実施の形態２では、ガイド層におけるＡｓ組成比が０．６，０．７，０．８である場合について、半導体レーザ装置の動作電圧を低減できることを示した。しかし、本発明は、これらに限られるものではなく、Ａｓ組成比が０．６より小さい場合や、０．８より大きい場合であっても、同様の効果を得ることが可能である。

すなわち、Ａｓ組成比が０（ゼロ）に近い場合、つまり、バンドギャップエネルギーがＩｎＧａＰに近い場合や、Ａｓ組成比が１に近い場合、つまり、バンドギャップエネルギーがＧａＡｓに近い場合であっても、動作電圧を低減することができる。但し、Ａｓ組成比が０（ゼロ）に近くなると、ガイド層のバンドギャップエネルギーが、クラッド層のバンドギャップエネルギーに近づくために、動作電圧を低減する効果は小さくなる。一方、Ａｓ組成比が１に近くなると、活性層とガイド層のバンドギャップエネルギーの差が小さくなるために、電子や正孔といったキャリアを活性層内に有効に閉じ込めることが困難となって、電気変換効率の低下を招く場合がある。したがって、ガイド層におけるＡｓ組成比は、０．６以上で０．８以下であることが好ましい。

さらに、実施の形態２では、ｎ側ガイド層のＡｓ組成比とｐ側ガイド層のＡｓ組成比、および、ｎ型クラッド層のＡｓ組成比とｐ型クラッド層のＡｓ組成比が、それぞれ同じである場合について述べた。しかし、本発明はこれに限られるものではない。本発明は、ｎ側ガイド層およびｐ側ガイド層が、いずれもＧａＡｓに格子整合するＩｎＧａＡｓＰであり、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層のいずれにも、Ａｓ組成比が前記ガイド層のうち近い方のガイド層のＡｓ組成比以下であるＩｎＧａＡｓＰが用いられていればよい。したがって、ｎ側ガイド層のＡｓ組成比とｐ側ガイド層のＡｓ組成比が異なる場合や、ｎ型クラッド層のＡｓ組成比とｐ型クラッド層のＡｓ組成比が異なる場合であっても、動作電圧の低減が可能である。

実施の形態１における半導体レーザ装置の斜視図である。 図１の半導体レーザ装置の電流―電圧特性である。 実施の形態１において、クラッド層を変えたときのガイド層の厚みと動作電圧との関係を示す一例である。 ＩｎＧａＡｓＰガイド層におけるＡｓ組成比とＡｌＧａＡｓクラッド層におけるＡｌ組成比との関係を示す図である。 実施の形態１において、クラッド層を変えたときのガイド層の厚みと動作電圧との関係を示す他の例である。 実施の形態１において、クラッド層を変えたときのガイド層の厚みと動作電圧との関係を示す他の例である。 実施の形態２における半導体レーザ装置の斜視図である。 実施の形態２において、クラッド層を変えたときのガイド層の厚みと動作電圧との関係を示す一例である。 実施の形態２において、クラッド層を変えたときのガイド層の厚みと動作電圧との関係を示す他の例である。 実施の形態２において、クラッド層を変えたときのガイド層の厚みと動作電圧との関係を示す他の例である。

符号の説明

１ ｎ電極
２ ｎ型ＧａＡｓ基板
３ ｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓクラッド層
４ ｎ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層
５ ｎ側ＧａＡｓ_０．８８Ｐ_０．１２エンハンス層
６ Ｉｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ａｓ活性層
７ ｐ側ＧａＡｓ_０．８８Ｐ_０．１２エンハンス層
８ ｐ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層
９ ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓクラッド層
１０ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１１ ｐ電極
１２ プロトン注入領域
１３ ｎ型Ｉｎ_１−ｔＧａ_ｔＡｓ_ｓＰ_１−ｓクラッド層
１４ ｎ側Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層
１５ ｐ側Ｉｎ_１−ｚ′Ｇａ_ｚ′Ａｓ_ｙ′Ｐ_１−ｙ′ガイド層
１６ ｐ型Ｉｎ_１−ｔ′Ｇａ_ｔ′Ａｓ_ｓ′Ｐ_１−ｓ′クラッド層

Claims (6)

1. 活性層と、該活性層を挟んで設けられた一組のガイド層と、該活性層および該一組のガイド層を挟んで設けられた一組のクラッド層とを有する半導体レーザ装置において、
   前記一組のガイド層は、いずれもＧａＡｓに格子整合するＩｎＧａＡｓＰであり、
   前記一組のクラッド層には、いずれもＡｌＧａＡｓが用いられていて、
   前記ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成比は、０．４以下で、且つ、前記ＡｌＧａＡｓの屈折率を前記ＩｎＧａＡｓＰの屈折率より小さくする値以上であることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記ＩｎＧａＡｓＰにおけるＡｓ組成比は、０．６以上で０．８以下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装置。
3. 前記一組のガイド層は、いずれも１００ｎｍ以上の厚みを有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
4. 活性層と、該活性層を挟んで設けられた一組のガイド層と、該活性層および該一組のガイド層を挟んで設けられた一組のクラッド層とを有する半導体レーザ装置において、
   前記一組のガイド層は、いずれもＧａＡｓに格子整合するＩｎＧａＡｓＰであり、
   前記一組のクラッド層には、いずれもＡｓ組成比が前記一組のガイド層のうち近い方のガイド層のＡｓ組成比以下であるＩｎＧａＡｓＰが用いられていることを特徴とする半導体レーザ装置。
5. 前記一組のガイド層のＡｓ組成比は、いずれも０．６以上で０．８以下であることを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置。
6. 前記一組のガイド層は、いずれも１００ｎｍ以上の厚みを有することを特徴とする請求項４または５に記載の半導体レーザ装置。

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