JP2009231647A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】メサストライプ構造を有するリッジ導波路型半導体レーザ素子の高出力化を推進する。
【解決手段】半導体レーザ素子は、素子１個当たり３本のメサストライプ部を有している。真ん中に配置された主メサストライプ部（ＭＳ１）は、発振波長よりも広い幅を有してり、その両側に配置された２本の副メサストライプ部（ＭＳ２）は、発振波長よりも狭い幅を有している。また、主メサストライプ部（ＭＳ１）と副メサストライプ部（ＭＳ２）の間隔は、発振波長よりも狭くなっている。発振波長よりも狭い幅の副メサストライプ部（ＭＳ２）は、横モードカットオフへの影響がほとんど無いので、キンクレベルの低下もほとんど無い。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体レーザ素子に関し、特に、メサストライプ構造を有するリッジ導波路型半導体レーザ素子の高出力化に適用して有効な技術に関するものである。

半導体レーザ素子は、光導波路に沿った電流路をストライプ状に形成し、さらに発光部である活性層を多重量子井戸構造(multi-quantum well)にして発光効率を向上させたものが主流となっている。

この種のリッジ導波路型半導体レーザ素子に関しては、例えば特許文献１（特開２００４−１７９２７４号公報）や、特許文献２（特開２００６−２７８６９４号公報）などに記載がある。
特開２００４−１７９２７４号公報 特開２００６−２７８６９４号公報

半導体レーザ素子を高出力化するためには、キンク（半導体レーザの光出力−動作電流特性における非直線性）のレベル改善と、高温動作時における飽和出力の改善とが課題となる。

キンクレベルを改善する一般的な手法は、レーザのストライプ幅を狭くして、横モードのカットオフ幅までのマージンを大きく取ることである。しかし、ストライプ幅を狭くすると抵抗値が増加するため、高温動作時の飽和出力が低下する。すなわち、キンクレベルと高温動作時の飽和出力とはトレードオフの関係にあるため、半導体レーザ素子のさらなる高出力化は、困難に直面しているのが現状である。

本発明の目的は、半導体レーザ素子の高出力化を実現することのできる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明の半導体レーザ素子は、半導体基板と、前記半導体基板の第１の面に形成された第１導電型のカソード電極と、前記半導体基板の第２の面上に形成された第１導電型のクラッド層と、前記クラッド層の上部に形成された活性層と、前記活性層の上部に形成された第２導電型の第１クラッド層と、前記第１クラッド層の上部に形成され、かつ、メサストライプ部を構成する第２導電型の第２クラッド層と、前記第２クラッド層の上面に形成された第２導電型のコンタクト層と、前記コンタクト層の上部に形成され、かつ、前記コンタクト層に電気的に接続された第２導電型のアノード電極とを有するリッジ導波路型の半導体レーザ素子であって、前記メサストライプ部は、発振波長よりも広い幅を有する主メサストライプ部と、前記主メサストライプ部の両側に配置され、かつ、前記発振波長以下の幅を有する副メサストライプ部とで構成されているものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

キンクレベルの改善と、高温動作時における飽和出力の改善とを両立させることができるので、半導体レーザ素子を高出力化することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

（実施の形態１）
本実施の形態では、６３５ｎｍの発振波長を有する赤色半導体レーザ素子に本発明を適用した例について説明する。図１は、本実施の形態の半導体レーザ素子を示す斜視図、図２は、図１に示す半導体レーザ素子の要部断面図である。

本実施の形態の半導体レーザ素子は、メサストライプ構造を有するリッジ導波路型半導体レーザ素子であり、第１の面およびこの面の反対側の面となる第２の面を有する第１導電型（例えばｎ型）のＧａＡｓからなる基板（ＧａＡｓ基板）１を有している。

上記ＧａＡｓ基板１の主面には、複数の半導体層が形成されている。これらの半導体層は、上記主面に垂直な方向に沿って順次積層されたｎ型クラッド層２、多重量子井戸構造(multi-quantum well)を備えた活性層３、ｐ型第１クラッド層４、メサストライプ部を構成するｐ型第２クラッド層５およびｐ型コンタクト層６からなる。

上記半導体層のうち、ｎ型クラッド層２は、厚さ２．０μｍのＡｌＧａＩｎＰで形成されている。活性層３は、厚さ５ｎｍのＡｌＧａＩｎＰからなる障壁層と厚さ６ｎｍのＧａＩｎＰ層からなる井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造を備えている。ｐ型第１クラッド層４は、厚さ０．３μｍのＡｌＧａＩｎＰで形成されており、ｐ型第２クラッド層５は、厚さ１．２μｍのＡｌＧａＩｎＰで形成されている。ｐ型コンタクト層６は、厚さ０．４μｍのＧａＡｓで形成されている。

また、上記半導体層の上部には、ｐ型コンタクト層６の表面（上面）を除き、酸化シリコンからなる絶縁層７が形成されている。この絶縁層７は、ＧａＡｓ基板１の上面全体を覆う構造になっている。ｐ型コンタクト層６の上面および絶縁層７の上面には、ｐ型アノード電極８が形成されている。ｐ型アノード電極８の一部は、ｐ型コンタクト層６に接続されており、このｐ型コンタクト層６に電圧を印加できるようになっている。ｐ型アノード電極８は、Ｔｉ、ＰｔおよびＡｕを順次積層した金属多層膜からなり、全体の厚さは、０．５μｍである。

図示はしないが、ｐ型アノード電極８の上部にはＡｕメッキ層を介してＣｕからなるサブマウントが接続されている。半導体レーザ素子の動作時に上記半導体層で発生した熱は、Ａｕメッキ層およびサブマウントを通じて外部に放散される。一方、ＧａＡｓ基板１の第２の面には、ｎ型カソード電極９が形成されている。ｎ型カソード電極９は、Ｔｉ、ＰｔおよびＡｕを順次積層した金属多層膜からなり、全体の厚さは、０．５μｍである。

このように構成された半導体レーザ素子においては、ｐ型アノード電極８とｎ型カソード電極９とに所定の電圧を印加することによって、ｐ型第２クラッド層（メサストライプ部）５の延在方向に直交する両端面から波長６３５ｎｍのレーザ光が出射される。このとき、ｐ型第２クラッド層５に対面するストライプ状の活性層部分がリッジ導波路（共振器）となり、このリッジ導波路の両端がレーザ光を出射する出射面を形成する。

図１、図２に示すように、本実施の形態の半導体レーザ素子は、半導体レーザ素子１個当たり３本のメサストライプ部を有している。これら３本のメサストライプ部のうち、真ん中に配置された主メサストライプ部（ＭＳ１）は、既存の半導体レーザ素子におけるメサストライプ部と同様、発振波長よりも広い幅を有している。一方、主メサストライプ部（ＭＳ１）の両側に配置された２本の副メサストライプ部（ＭＳ２）は、発振波長よりも狭い幅を有している。また、主メサストライプ部（ＭＳ１）と副メサストライプ部（ＭＳ２）の間隔も、発振波長より狭くなっている。主メサストライプ部（ＭＳ１）と副メサストライプ部（ＭＳ２）のそれぞれには、ｐ型コンタクト層６が形成されており、ｐ型アノード電極８を通じて同一の電圧が同時に印加されるようになっている。

特に限定はされないが、本実施の形態の半導体レーザ素子においては、主メサストライプ部（ＭＳ１）の幅を１．２μｍとし、副メサストライプ部（ＭＳ２）の幅を０．５μｍとしている。また、主メサストライプ部（ＭＳ１）と副メサストライプ部（ＭＳ２）の間隔を０．５μｍとしている。

図３（ｂ）は、本実施の形態の半導体レーザ素子におけるＮＦＰ(Near Field Pattern；近視野像)をシミュレーションしたグラフである。また、図３（ａ）は、主メサストライプ部のみを有する単一メサストライプ構造の半導体レーザ素子におけるＮＦＰをシミュレーションしたグラフである。さらに、図３（ｃ）は、主メサストライプ部（ＭＳ１）の両側に副メサストライプ部（ＭＳ２）を２本ずつ配置した半導体レーザ素子におけるＮＦＰをシミュレーションしたグラフである。

図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、主メサストライプ部（ＭＳ１）の両側に、発振波長よりも狭い幅を有する副メサストライプ部（ＭＳ２）を配置した場合、横モードのカットオフ幅は、単一メサストライプ構造の場合とほとんど変わらないことが分かる。これは、メサストライプ部の幅が発振波長以下になると、導波路の光はほとんどリッジ部分に染み出すことができないため、ＮＦＰにほとんど影響を与えないからである。一方、主メサストライプ部（ＭＳ１）の両側に副メサストライプ部（ＭＳ２）を配置したことにより、電流経路が増加するのでレーザ素子の電気抵抗が下がり、高温動作時の飽和出力が改善される。

このように、主メサストライプ部（ＭＳ１）の両側に、発振波長よりも狭い幅を有する副メサストライプ部（ＭＳ２）を配置することにより、横モードカットオフへの影響を最小限に止めながら電気抵抗を下げることができる。これにより、キンクレベルの改善と高温動作時の飽和出力の改善を両立させることが可能となるので、半導体レーザ素子を高出力化することが可能となる。

なお、本発明者のシミュレーションによると、副メサストライプ部（ＭＳ２）の幅を（発振波長×０．８）以下とした時に、ＮＦＰへの影響が小さくなることが判明した。また、主メサストライプ部（ＭＳ１）の両側に配置する副メサストライプ部（ＭＳ２）の数は、それぞれ１本ずつである必要はなく、図３（ｃ）に示すように、それぞれ複数本ずつ配置しても同様の効果が得られる。また、いずれの場合も、主メサストライプ部（ＭＳ１）と副メサストライプ部（ＭＳ２）の間隔は、発振波長よりも狭くする必要がある。すなわち、この間隔が発振波長以上になると、ＮＦＰに及ぼす影響が大きくなってしまうので、高温動作時の飽和出力が改善できない。

（実施の形態２）
図４は、本実施の形態の半導体レーザ素子を示す斜視図である。この半導体レーザ素子は、前記実施の形態１と同じく、主メサストライプ部（ＭＳ１）の両側に、発振波長よりも狭い幅を有する副メサストライプ部（ＭＳ２）を配置しているが、副メサストライプ部（ＭＳ２）の両端部は、リッジ導波路の両端面まで延在していない。

特に限定はされないが、本実施の形態の半導体レーザ素子においては、副メサストライプ部（ＭＳ２）の両端部がリッジ導波路の両端面からそれぞれ５μｍ以上離れている。

一般に、リッジ導波路型半導体レーザ素子の場合、リッジ導波路の端面部分の放熱性が低いため、中央部分よりも端面付近の温度が高くなる。従って、本実施の形態のように、リッジ導波路の両端に副メサストライプ部（ＭＳ２）を配置しない場合は、端面部分の電流密度が低下して発熱が抑制される。これにより、リッジ導波路の延在方向における温度分布が均一化されるので、飽和出力などの素子特性がさらに改善される。

（実施の形態３）
本実施の形態では、λ／４シフト回折格子を有するＤＦＢ(Distributed Feedback)レーザ素子に本発明を適用した例について説明する。図５は、本実施の形態の半導体レーザ素子を示す平面図である。

この半導体レーザ素子は、前記実施の形態１と同じく、主メサストライプ部（ＭＳ１）の両側に、発振波長よりも狭い幅を有する副メサストライプ部（ＭＳ２）を配置しているが、副メサストライプ部（ＭＳ２）は、位相シフト領域とその近傍のみに配置されている。この副メサストライプ部（ＭＳ２）は、前記実施の形態１と同じく、発振波長よりも狭い幅を有しており、また、主メサストライプ部（ＭＳ１）と副メサストライプ部（ＭＳ２）の間隔も、発振波長より狭くなっている。

一般に、λ／４シフト回折格子を有するＤＦＢレーザ素子の場合、位相シフト領域は、光子密度が非常に高いのでキャリアが減少する。キャリアの減少は、発振スペクトルのＳＭＳＲ（サイドモード抑圧比）を悪化させる要因となる。

そこで、本実施の形態のように、位相シフト領域とその近傍に副メサストライプ部（ＭＳ２）を配置し、副メサストライプ部（ＭＳ２）から位相シフト領域のみにキャリアを注入することにより、位相シフト領域のキャリア減少を補償することが可能となる。また、前述したように、発振波長よりも狭い幅を有する副メサストライプ部（ＭＳ２）は、横モードカットオフへの影響がほとんど無いので、副メサストライプ部（ＭＳ２）を配置したことによる副作用もほとんど無い。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

前記実施の形態では、赤色半導体レーザ素子に本発明を適用した例について説明したが、本発明は、赤色以外の発振波長を有する半導体レーザ素子に適用することもできる。また、シングルビーム半導体レーザのみならず、マルチビーム半導体レーザに適用することもできる。

本発明は、メサストライプ構造を有するリッジ導波路型半導体レーザ素子に適用して有効なものである。

本発明の一実施の形態である半導体レーザ素子を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態である半導体レーザ素子を示す要部断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、半導体レーザ素子におけるＮＦＰをシミュレーションしたグラフである。 本発明の他の実施の形態である半導体レーザ素子を示す斜視図である。 本発明の他の実施の形態である半導体レーザ素子を示す平面図である。

符号の説明

１ ＧａＡｓ基板（半導体基板）
２ ｎ型クラッド層
３ 活性層
４ ｐ型第１クラッド層
５ ｐ型第２クラッド層
６ ｐ型コンタクト層
７ 絶縁層
８ ｐ型アノード電極
９ ｎ型カソード電極
ＭＳ１ 主メサストライプ部
ＭＳ２ 副メサストライプ部

Claims (5)

1. 半導体基板と、前記半導体基板の第１の面に形成された第１導電型のカソード電極と、前記半導体基板の第２の面上に形成された第１導電型のクラッド層と、前記クラッド層の上部に形成された活性層と、前記活性層の上部に形成された第２導電型の第１クラッド層と、前記第１クラッド層の上部に形成され、かつ、メサストライプ部を構成する第２導電型の第２クラッド層と、前記第２クラッド層の上面に形成された第２導電型のコンタクト層と、前記コンタクト層の上部に形成され、かつ、前記コンタクト層に電気的に接続された第２導電型のアノード電極とを有するリッジ導波路型の半導体レーザ素子であって、
   前記メサストライプ部は、発振波長よりも広い幅を有する主メサストライプ部と、前記主メサストライプ部の両側に配置され、かつ、前記発振波長以下の幅を有する副メサストライプ部とで構成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記副メサストライプ部の幅は、前記発振波長×０．８以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
3. 前記主メサストライプ部の両側に前記副メサストライプ部を複数本ずつ配置したことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
4. 前記副メサストライプ部の両端部は、リッジ導波路の両端面まで延在していないことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
5. 前記半導体レーザ素子は、λ／４シフト回折格子を有するＤＦＢレーザ素子であり、
   前記副メサストライプ部は、位相シフト領域とその近傍のみに配置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。

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