JP2009277934A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

半導体レーザ装置 Download PDF

Info

Publication number
JP2009277934A
JP2009277934A JP2008128556A JP2008128556A JP2009277934A JP 2009277934 A JP2009277934 A JP 2009277934A JP 2008128556 A JP2008128556 A JP 2008128556A JP 2008128556 A JP2008128556 A JP 2008128556A JP 2009277934 A JP2009277934 A JP 2009277934A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor laser
cladding layer
red
infrared
type cladding
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2008128556A
Other languages
English (en)
Inventor
Toru Takayama
徹 高山
Hiroki Nagai
洋希 永井
Hitoshi Sato
仁 佐藤
Tomoya Sato
智也 佐藤
Isao Kidoguchi
勲 木戸口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp filed Critical Panasonic Corp
Priority to JP2008128556A priority Critical patent/JP2009277934A/ja
Priority to US12/392,452 priority patent/US7843984B2/en
Priority to CNA2009101390653A priority patent/CN101582564A/zh
Publication of JP2009277934A publication Critical patent/JP2009277934A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/323—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/32308—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm
    • H01S5/32325—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm red laser based on InGaP
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/024—Arrangements for thermal management
    • H01S5/02476—Heat spreaders, i.e. improving heat flow between laser chip and heat dissipating elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0425—Electrodes, e.g. characterised by the structure
    • H01S5/04254—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the shape
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0233—Mounting configuration of laser chips
    • H01S5/0234—Up-side down mountings, e.g. Flip-chip, epi-side down mountings or junction down mountings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/2205—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers
    • H01S5/2218—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers having special optical properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/3202—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures grown on specifically orientated substrates, or using orientation dependent growth
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/323—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/32308—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm
    • H01S5/32316—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm comprising only (Al)GaAs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4087—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar emitting more than one wavelength

Abstract

【課題】赤色及び赤外にて発光可能な半導体レーザ装置において、出力及び特性の劣化を避けて素子幅を縮小する。
【解決手段】半導体レーザ装置５０は、基板１０上に赤色レーザ素子１及び赤外レーザ素子２を有する。赤色レーザ素子１は、第１導電型クラッド層１２と、リッジ１４ａを有する第２導電型クラッド層１４とによりＩｎＧａＰ系又はＡｌＧａＩｎＰ系活性層１３が挟まれたダブルへテロ構造を備える。赤外レーザ素子２は、第１導電型クラッド層２２と、リッジ２４ａを有する第２導電型クラッド層２４とによりＧａＡｓ系又はＡｌＧａＡｓ系活性層２３が挟まれたダブルへテロ構造を備える。第２導電型クラッド層１４上に形成された第１電極３１の共振器長方向に垂直な方向の幅をＷ１とし、第２導電型クラッド層２４上に形成された第２電極３２の共振器長方向に垂直な方向の幅をＷ２とする時、Ｗ１＞Ｗ２及び８０μｍ≧Ｗ２≧６０μｍの関係を満たす。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ディスク装置のピックアップ用光源、その他の電子装置、情報処理装置などに必要な光源として用いられる赤色及び赤外域の半導体レーザに関する。
現在、高密度記録が可能であり大容量を有するディジタルビデオディスク（ＤＶＤ）及びその再生用のＤＶＤ装置が市販されており、今後需要が益々伸びていく商品として注目されている。ここで、ＤＶＤは高密度記録であるため、記録及び再生用のレーザ光源としては、発光波長６５０ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザが用いられている。このため、従来のＤＶＤ装置の光学ピックアップでは、発光波長が７８０ｎｍのＡｌＧａＡｓ系半導体レーザを用いて再生を行なうコンパクトディスク（ＣＤ）を再生することはできなかった。
そこで、発光波長が６５０ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザと、発光波長が７８０ｎｍ帯のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザとを別々のパッケージにレーザチップとして組み込むことにより、二つの波長のレーザを搭載した光学ピックアップが採用されている。これにより、ＤＶＤ及びＣＤをいずれも再生可能な装置が実現している。
しかしながら、上述のような光学ピックアップは、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザとＡｌＧａＡｓ系半導体レーザとの二つのパッケージを搭載していることにより、サイズが大きくなっている。このため、このような光学ピックアップを用いるＤＶＤ装置についてもサイズが大きくなってしまう。
これに対し、同一基板上に成長された半導体層により発光素子構造が形成され且つ互いに発光波長が異なる複数種類の半導体発光素子を有する集積型半導体発光装置が知られている。このような例としては、特許文献１の半導体装置がある。
このような、従来の集積型半導体発光装置の一例を図９に示す。図９に示すように、従来の集積型半導体レーザ装置１００において、同一のｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、発光波長が７００ｎｍ帯（例えば、７８０ｎｍ）であるＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ（赤外半導体レーザ）ＬＤ１と、発光波長が６００ｎｍ帯（例えば、６５０ｎｍ）であるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ（赤色半導体レーザ）ＬＤ２とが、互いに分離した状態で集積化されている。
ここで、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１としては、例えば、（１００）面方位を有するもの又は（１００）面から例えば５〜１５°オフした面を主面とするものが用いられる。
また、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザＬＤ１においては、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１１１、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１２、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造又は多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する活性層１１３、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１４及びｐ型ＧａＡｓキャップ層１１５がこの順に順次積層されている。
ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１４の上部及びｐ型ＧａＡｓキャップ層１１５は、一方向に延びるストライプ形状を構成している。このようなストライプ部の両側の部分には、ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１１６が設けられており、これによって電流狭窄構造が形成されている。ストライプ形状のｐ型ＧａＡｓキャップ層１１５及びｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１１６の上には、ｐ側電極１１７が設けられ、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１５とオーミックコンタクトしている。ｐ側電極１１７としては、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極が用いられる。
また、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザＬＤ２においては、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２１、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１２２、ＳＱＷ構造又はＭＱＷ構造の活性層１２３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１２４、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層１２５及びｐ型ＧａＡｓキャップ層１２６がこの順に順次積層されている。
ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１２４の上部、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層１２５及びｐ型ＧａＡｓキャップ層１２６は、一方向に延びるストライプ形状を構成している。このようなストライプ部の両側の部分には、ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１２７が設けられており、これによって電流狭窄構造が形成されている。ストライプ形状のｐ型ＧａＡｓキャップ層１２６及びｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１２７上にはｐ側電極１２８が設けられており、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１２６とオーミックコンタクトしている。ｐ側電極１２８としては、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極が用いられる。
更に、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、ｎ側電極１２９が、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１とオーミックコンタクトして設けられている。ｎ側電極１２９としては、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ電極やＩｎ電極が用いられる。
また、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザＬＤ１のｐ側電極１１７およびＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザＬＤ２のｐ側電極１２８は、パッケージベース１３０上に互いに電気的に分離した状態で設けられたヒートシンクＨ１及びヒートシンクＨ２上にそれぞれハンダ付けされている。
上述のように構成された従来の集積型半導体レーザ装置１００によると、ｐ側電極１１７とｎ側電極１２９との間に電流を流すことにより、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザＬＤ１を駆動することができる。これと共に、ｐ側電極１２８とｎ側電極１２９との間に電流を流すことにより、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザＬＤ２を駆動することができるようになっている。このとき、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザＬＤ１を駆動することにより波長７００ｎｍ帯（例えば、７８０ｎｍ）のレーザ光を取り出すことができると共に、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザＬＤ２を駆動することにより波長６００ｎｍ帯（例えば、６５０ｎｍ）のレーザ光を取り出すことができる。ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザＬＤ１を駆動するか、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザＬＤ２を駆動するかの選択は、外部スイッチの切り換えなどにより行うことができる。
以上のように、従来の集積型半導体レーザ装置１００によれば、発光波長が７００ｎｍ帯であるＡｌＧａＡｓ系半導体レーザＬＤ１と、発光波長が６００ｎｍ帯であるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザＬＤ２とを有することにより、ＤＶＤ用のレーザ光と、ＣＤ用のレーザ光とを互いに独立に取り出すことができる。このため、集積型半導体レーザ装置１００をＤＶＤ装置の光学ピックアップにレーザ光源として搭載することにより、ＤＶＤ及びＣＤのいずれの再生及び記録も可能となる。
これらのＡｌＧａＡｓ系半導体レーザＬＤ１及びＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザＬＤ２は、同一のｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に成長された半導体層によりレーザ構造が形成されているため、この集積型半導体レーザ装置のパッケージは一つで済む。このことから、光学ピックアップの小型化を図ることができ、したがってＤＶＤ装置の小型化を図ることができる。
以上のような従来の集積型半導体レーザ装置１００の場合、赤色半導体レーザであるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザＬＤ２のチップ幅と、赤外半導体レーザであるＡｌＧａＡｓ系半導体レーザＬＤ２のチップ幅とが同じになるように、分離溝１４０が設けられている。エッチング等によって形成される分離溝１４０により、同一基板上に結晶成長によって形成された赤色半導体レーザ部分と赤外半導体レーザ部分とが電気的に分離されている。
ところで、一般に半導体レーザは、温度上昇に伴って光出力が低下するという特性を有する。従って、半導体レーザの駆動時において半導体レーザ自身が発生する熱を十分に放熱させる必要があり、これを実現するために、熱伝導率の高いヒートシンクにジャンクションダウンに実装される。その際、ヒートシンクに接している半導体レーザの面積が大きいほど放熱が良くなることは明らかである。
しかし、２波長半導体レーザ装置の場合、２つの半導体レーザを単に接触して並べたとすると、２つの半導体レーザが電気的に接続されてしまう。よって、これを避けるため、２つの半導体レーザの間には分離溝を設ける必要がある。しかし、２つの半導体レーザを並べた場合と同じ寸法を有する２波長の半導体レーザ装置を作製すると、放熱に寄与できない分離溝の分だけ放熱する面積が低減し、放熱の効率が低下してしまう。
また、放熱を良くするために各々の半導体レーザの面積を大きくしてしまうと、小型化が可能であるという２波長半導体レーザ装置の特徴が失われてしまう。
特に、分離溝を設けて放熱面積を小さくすることによる放熱効率の低下は、赤色レーザにおいて顕著になる。これは、赤色半導体レーザは、赤外半導体レーザと比較すると、活性層とｐ型クラッド層との界面における伝導帯のバンドエネルギーのステップ（ΔＥｃ）が小さいためである。つまり、ΔＥｃが小さいことから、活性層に注入されたキャリアが熱的に励起されてｐ型クラッド層へ漏れ出す現象であるキャリアのオーバーフローによる影響が大きくなる。この結果、赤色半導体レーザは、赤外半導体レーザに比べて、高温動作させた場合に熱飽和による最高光出力の飽和が生じてしまいやすい。
１６倍速以上の高倍速をもってＤＶＤの記録を行うためには、８５℃以上の高温において３５０ｍＷ以上の高出力が必要であり、熱飽和による光出力の飽和が発生すると重大な支障をきたすことになる。
そこで、特許文献２に開示される発明では、分離溝の形成位置を工夫し、集積された複数の半導体レーザと他の装置との電気的接続部分について、その接続面積を半導体レーザ毎に異なるようにしている。これにより、低コスト、小型且つ放熱の良い２波長半導体レーザ装置を実現している。
このような従来の２波長レーザ装置の例を図１０に示す。図１０の半導体レーザ装置３０１は、同じｎ型のＧａＡｓからなる基板３０２上に、発振波長が６５０ｎｍ帯であるＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる赤色半導体レーザ（第１の半導体レーザ）３０３と、発振波長が７８０ｎｍ帯であるＧａＡｓ系材料かなる赤外半導体レーザ（第２の半導体レーザ）３０４とを備えている。ここで、赤色半導体レーザ３０３と赤外半導体レーザ３０４との間には、分離溝３０５が設けられている。
尚、赤色半導体レーザ３０３は、ｎ型のＧａＡｓからなる基板３０２上に、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層３０６、ＡｌＧａＩｎＰ及びＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造の活性層３０７及びｐ型のＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層３０８が順次積層された構造を有している。更に、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層３０８中には、ストライプ状の電流経路が形成されるようにｎ型のＡｌＩｎＰからなる電流ブロック層３０９が設けられ、活性層３０７に注入される電流を狭窄する構造が構成されている。
また、クラッド層３０８にはｐ型電極３１５が更に積層され、ｐ型電極３１５はヒートシンク（放熱材）に接続される。ここで、ヒートシンクに接する面積はＳ１（＝共振器長Ｌ１×幅Ｗ１）となっている。
この一方、赤外半導体レーザ３０４は、基板３０２上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなるクラッド層３１０、ＡｌＧａＡｓ及びＧａＡｓからなる多重量子井戸構造の活性層３１１及びｐ型のＡｌＧａＡｓからなるクラッド層３１２が順次積層された構造を有している。更に、ｐ型のＡｌＧａＡｓからなるクラッド層３１２中には、ストライプ状の電流経路が形成されるようにｎ型のＡｌＧａＡｓからなる電流ブロック層３１３が設けられ、活性層３１１に注入される電流を狭窄する構造が構成されている。
また、クラッド層３１２にはｐ型電極３１６が積層され、ｐ型電極３１６はヒートシンクに接続される。ここで、ヒートシンクに接する面積はＳ２（＝共振器長Ｌ２×幅Ｗ２）となっている。尚、Ｌ１＝Ｌ２である。
以上に説明した半導体レーザ装置３０１において、ｐ型クラッド層の熱伝導率が赤外半導体レーザ３０４の場合よりも小さく、ΔＥｃも小さい赤色半導体レーザ３０３のチップ幅Ｗ１を赤外半導体レーザ３０４のチップ幅Ｗ２よりも大きくする。それぞれ共振器長はＬ１とＬ２であって等しいから、ヒートシンクと接して放熱に寄与する面積はＳ１＞Ｓ２となり、赤色半導体レーザ３０３及び赤外半導体レーザ３０４の両方について良好な温度特性を実現することができる。
特開平１１−１８６６５１号公報 特開２００２−１９０６４９号公報
半導体レーザ素子について、当然ながらその製造コストを削減することが望まれる。このためには、素子一つあたりのサイズ（面積）を小さくすることが有効である。これは、素子のサイズが小さくなるほど一枚のウェハから製造することができる素子の数が増大するためである。
ここで、半導体レーザ素子のサイズは、素子の共振器長と幅（該共振器長方向に垂直で且つ基板に平行な方向の寸法）とによって決定されることになる。
このうちの共振器長は、活性層に注入されるキャリア密度、共振器損失等を決定する重要なパラメータであり、発振しきい電流値、外部微分量子効率、動作電流値等に直接影響を及ぼす。一般に、共振器長を長くするほど活性層における動作キャリア密度が小さくなるため、高温動作時においてキャリアオーバーフローを低減することができ、より高い温度におけるレーザ発振が可能となる。このように、共振器長は所望の高温高出力動作を実現するための影響が非常に大きく、素子の幅よりも優先して決定する必要がある。
この一方、素子の幅は、動作中の素子において生じた熱の放熱面積に関係するが、前記の共振器長に比べると、高温特性に及ぼす影響は小さい。動作中の素子の発熱領域は、電流注入域とその近傍領域であり、発熱領域において生じた熱は、電流注入ストライプの左右数十μｍの領域に広がっている。このような熱の広がっている領域よりも半導体レーザ素子の幅の方が広かったとすると、放熱性の観点からは、素子の面積は十分に広いことになる。このようなことから、素子の幅は共振器長に比べて高温特性に及ぼす影響が小さい。
従って、２波長レーザの製造コストを削減するためには、同一の共振器長において赤色レーザ及び赤外レーザ共に高温特性を保証可できる範囲において、可能な限り素子の幅を狭くすることが極めて有効である。
しかしながら、ジャンクションダウンにて２波長レーザ装置をヒートシンク材料に実装する場合、素子の幅をあまりに狭くすると、光出力が低下して信号量が小さくなり、このためにＳＮ比が低下することが明らかになった。このことは実用上重大な障害となるため、その解決が課題となっている。
尚、特許文献２に開示されている発明は、単に温度特性上有利な赤外レーザの幅を赤色レーザの幅に比べて狭くすることを開示するのみであり、レーザ素子の幅を狭くすることにより光出力が低下する点については何ら開示していない。
以上に鑑みて、本発明は、赤色レーザと赤外レーザとが同一基板上に集積化されてそれぞれの波長にて発光可能な波長レーザ装置において、その製造コストを削減すると共に、赤色レーザ、赤外レーザの両方について良好な高温特性を有し且つ高出力である半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するため、本願発明者等は、レーザ素子の幅を狭くすることにより光出力が低下する原因について検討した。その結果、レーザ素子の幅を狭くし過ぎると偏光比（ＴＥ（Transverse Electric ）モード強度とＴＭ（Transverse Magnetic ）モード強度との比）が低下することを見出した。一般に、光ピックアップを構成する光学系の素子には、偏光ビームスプリッタが用いられている。このため、偏光比が低下すると光出力が低下して信号量が小さくなり、更にはＳＮ比の低下が発生することになる。
更に、本願発明者等は、レーザ素子の幅を狭くし過ぎると、赤色レーザ及び赤外レーザそれぞれの電流注入のためのストライプ部に応力が生じ、これが原因となって偏光比の低下が発生することを見出した。該応力は、ジャンクションダウンにてレーザ装置をヒートシンク材料に実装する場合において、レーザ素子の材料とヒートシンク材料との熱膨張係数の差のために、実装時にハンダ材料を融かすために必要な高温状態から室温に降温する際に発生する。
このような新たな知見に基づき、本発明に係る半導体レーザ装置は、同一の基板上に、赤色半導体レーザ素子及び赤外半導体レーザ素子が集積化された半導体レーザ装置であって、赤色半導体レーザ素子は、赤色側第１導電型クラッド層と、電流注入のためのリッジを有する赤色側第２導電型クラッド層とによってＩｎＧａＰ系又はＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなる赤色側活性層が挟まれたダブルへテロ構造を備え、赤外半導体レーザ素子は、赤外側第１導電型クラッド層と、電流注入のためのリッジを有する赤外側第２導電型クラッド層とによってＧａＡｓ系又はＡｌＧａＡｓ系の材料からなる赤外側活性層が挟まれたダブルへテロ構造を備え、赤色側第２導電型クラッド層上に形成された第１電極の共振器長方向に垂直な方向の幅をＷ１とし、赤外側第２導電型クラッド層上に形成された第２電極の共振器長方向に垂直な方向の幅をＷ２とするとき、Ｗ１＞Ｗ２及び８０μｍ≧Ｗ２≧６０μｍの関係を満たす。
本発明の半導体レーザ装置において、ＩｎＧａＰ系又はＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなる赤色側活性層を備える赤色半導体レーザ素子の幅（第１電極の共振器長方向に垂直で且つ基板に平行な方向の寸法、Ｗ１）は、ＧａＡｓ系又はＡｌＧａＡｓ系の材料からなる赤外側活性層を備える赤外半導体レーザ素子の幅（第２電極の共振器長方向に垂直で且つ基板に平行な方向の寸法、Ｗ２）よりも大きい。
このため、該半導体レーザ装置をジャンクションダウンにてヒートシンクに実装した際、高温動作時に熱飽和による最高光出力の飽和が（赤外半導体レーザ素子よりも）生じやすい赤色半導体レーザ素子について、ヒートシンクに接する面積を大きくして（赤外半導体レーザ素子よりも）放熱の効率を高くすることができる。また、第２電極の幅Ｗ２を第１電極Ｗ１よりも小さくすることにより、半導体レーザ装置全体の幅の増大を抑制している。
更に、第２電極の幅Ｗ２の範囲（８０μｍ≧Ｗ２≧６０μｍ）を設定し、望ましいレーザ素子の偏光比を確保している。
尚、赤色側第１導電型クラッド層、赤色側第２導電型クラッド層、赤外側第１導電型クラッド層及び赤外側第２導電型クラッド層は、いずれもＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなるものであっても良い。
また、赤色側第１導電型クラッド層、赤色側第２導電型クラッド層及び赤外側第２導電型クラッド層は、いずれもＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなり、赤外側第１導電型クラッド層は、ＡｌＧａＡｓ系の材料からなるものであってもよ良い。
それぞれのクラッド層について、このような材料を用いることができる。
また、９０μｍ≧Ｗ１≧７０μｍの関係を更に満たすことが好ましい。
放熱性及び偏光特性の低下を招くことなく赤色半導体レーザ素子の素子面積を小さくするためには、第１電極の幅Ｗ１をこのような値とするのがよい。
また、ＡｌＮ、Ｓｉ又はＳｉＣからなるサブマウントに第１電極及び第２電極が接続されることにより実装が行なわれていることが好ましい。
つまり、赤色側活性層及び赤外側活性層に近い側の面がサブマウントに接着される形式、いわゆるジャンクションダウンにて半導体レーザ装置の実装が行なわれていることが好ましい。ここで、ヒートシンクのサブマウントは、ＡｌＮ、Ｓｉ又はＳｉＣを用いて形成されていても良い。
以上のような構成により、赤色半導体レーザ素子、赤外半導体レーザ素子共に、高い偏光比と良好な高温動作特性とを維持しつつ、半導体レーザ装置の素子の幅を狭めることが可能となる。
以上のように、本発明の半導体レーザ装置によると、赤色半導体レーザ素子及び赤外半導体レーザ素子それぞれの幅を設定することにより、それぞれ良好な温度特性及び高い偏光比を保ちつつ素子の面積を小さくすることが可能となり、小型、高出力の半導体レーザ装置を実現することができる。
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置について、図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）は、本実施形態に係る半導体レーザ装置５０の断面構造を示す模式図である。
半導体レーザ装置５０は複数波長（ここでは２波長）にて発光可能な半導体レーザ装置であり、（１００）面から［０１１］方向に１０度傾けた面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、異なる波長をもって発光する二つの発光部として、赤色レーザ１と赤外レーザ２とが集積化されている。尚、ｎ型ＧａＡｓ基板１０の裏面（赤色レーザ１等とは反対側の面）には電極３３が形成されている。
まず、赤色レーザ１の構造から説明する。赤色レーザ１は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、ｎ型ＧａＡｓからなるｎ型バッファ層１１（膜厚０．５μｍ）、ｎ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｎ型クラッド層１２（膜厚２．０μｍ）、歪量子井戸構造を有する活性層１３、ｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｐ型クラッド層１４、ｐ型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｐ型の保護層１５（膜厚５０ｎｍ）、ｐ型ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１６（膜厚０．４μｍ）が下からこの順に積層された構造を有する。
ここで、ｐ型クラッド層１４には二つの溝部１４ｂが形成され、その間の部分がリッジ部１４ａとなっている。ｐ型の保護層１５及びｐ型コンタクト層１６は、ｐ型クラッド層１４のうち溝部１４ｂ以外の部分（リッジ部１４ａ上を含む）上に形成されている。また、ｐ型コンタクト層１６上及び溝部１４ｂ内を覆うように、ＳｉＮからなる電流ブロック膜１７が形成されている。該電流ブロック膜１７はリッジ部１４ａの側面を覆い且つ上面には電流注入のために開口されている。
更に、電流ブロック膜１７及びリッジ部１４ａ上の電流ブロック膜１７の開口部上には、電極３１が形成されている。このため、赤色レーザ１を駆動するための電流は、電極３１と、ｎ型ＧａＡｓ基板１０裏面の電極３３とを通して流すことができる。
尚、ｐ型クラッド層１４は、リッジ部１４ａの上端から活性層１３に達するまでの距離を１．４μｍ、リッジ部１４ａの下端から活性層１３に達するまでの距離ｄｐ１を０．２μｍとする。また、電極３１の幅（赤色レーザ１の共振器長方向に対して垂直且つｎ型ＧａＡｓ基板１０の上面に平行な方向の幅）をＷ１としている。
また、活性層１３は、歪量子井戸活性層であり、図１（ｂ）に示すような構造を有する。つまり、ＧａＩｎＰからなる３層のウェル層１３ｗ１、１３ｗ２及び１３ｗ３と、その間に各々挟まれる（ＡｌＧａ）ＩｎＰからなる２層のバリア層１３ｂ１及び１３ｂ２（膜厚はそれぞれ５ｎｍ）と、これらの計５層を挟むように上下に位置し且ついずれも（ＡｌＧａ）ＩｎＰからなる第一ガイド層１３ｇ１及び第二ガイド層１３ｇ２（膜厚５０ｎｍ）とが積層された構造を有している。
この構造において、ｐ型コンタクト層１６から注入された電流は、電流ブロック膜１７によりリッジ部１４ａの部分のみに狭窄され、リッジ部１４ａ下方に位置する部分の活性層１３に集中して電流注入されることになる。この結果、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態が数十ｍＡ程度の小さい注入電流によって実現される。
このように活性層１３に注入されたキャリアの再結合により発光した光に対し、活性層１３に対して垂直な方向については、ｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層１４によって光閉じ込めが行なわれる。これと共に、活性層１３に対して水平な方向についての光閉じ込めは、電流ブロック膜１７がｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層１４よりも低い屈折率を有することによって行なわれる。
また、電流ブロック膜１７は、レーザ発振光に対して透明であるため光吸収が無く、低損失の導波路を実現することができる。更に、ストライプ内外の実効屈折率差Δｎについて、ｄｐ１の大きさを制御することによって１０-3のオーダーをもって精密に制御することができる。
このようなことから、赤色レーザ１は、光分布を精密に制御することが可能であると共に低動作電流である高出力半導体レーザとなっている。
次に、赤外レーザ２は、活性層の構造を除いて赤色レーザ１と同様の構成を有し、また、発光する波長を除いて同様に動作する。詳しくは以下に説明する。
赤外レーザ２は、赤色レーザ１と同じｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、ｎ型ＧａＡｓからなるｎ型バッファ層２１（膜厚０．５μｍ）、ｎ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｎ型クラッド層２２（膜厚２．０μｍ）、量子井戸構造を有する活性層２３、ｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｐ型クラッド層２４、ｐ型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる保護層２５（膜厚５０ｎｍ）、ｐ型ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層２６（膜厚０．４μｍ）が下からこの順に積層された構造を有する。
ここで、ｐ型クラッド層２４においても二つの溝部２４ｂが形成され、その間の部分がリッジ部２４ａとなっている。ｐ型の保護層２５及びｐ型コンタクト層２６は、ｐ型コンタクト層２６のうち溝部２４ｂ以外の部分上に形成されている。また、ｐ型コンタクト層２６上及び溝部２４ｂ内を覆うように、ＳｉＮからなる電流ブロック膜２７が形成されている。該電流ブロック膜２７はリッジ部２４ａの側面を覆い且つ上面には電流注入のために開口されている。
更に、電流ブロック膜２７及びリッジ部２４ａ上の電流ブロック膜２７の開口部上には、電極３２が形成されている。このため、赤外レーザ２を駆動するための電流は、電極３２と、ｎ型ＧａＡｓ基板１０裏面の電極３３とを通して流すことができる。
尚、ｐ型クラッド層２４において、リッジ部２４ａの上端から活性層２３に達するまでの距離を１．４μｍ、リッジ部２４ａの下端から活性層２３に達するまでの距離ｄｐ２を０．２４μｍとしている。また、電極３２の幅（赤外レーザ２の共振器長方向に対して垂直且つｎ型ＧａＡｓ基板１０の上面に平行な方向の幅）をＷ２としている。
また、活性層２３は、量子井戸活性層であり、図１（ｃ）に示す構造を有している。つまり、つまり、ＧａＡｓからなる２層のウェル層２３ｗ１及び２３ｗ２と、その間に挟まれＡｌＧａＡｓ）からなる１層のバリア層２３ｂ１と、これらの計３層を挟むように上下に位置し且ついずれもＡｌＧａＡｓからなる第一ガイド層２３ｇ１及び第二ガイド層２３ｇ２とが積層された構造を有している。
この構造においても、赤色レーザ１の場合と同様、ｐ型コンタクト層２６から注入された電流は、電流ブロック膜２７によりリッジ部２４ａの部分のみに狭窄される。このため、リッジ部２４ａ下方に位置する部分の活性層２３に集中して電流注入されることになり、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態が数十ｍＡ程度の小さい注入電流によって実現される。
また、活性層２３に注入されたキャリアの再結合によりこのとき生じた光の閉じ込めについても、赤色レーザ１と同様に行なわれる。つまり、活性層２３に垂直な方向に関して、ｎ型クラッド層２２及びｐ型クラッド層２４により行なわれる。これと共に、活性層２３に平行な方向に関し、電流ブロック膜２７がｎ型クラッド層２２及びｐ型クラッド層２４よりも低い屈折率を有することにより光閉じ込めが行なわれる。
また、電流ブロック膜２７は、やはりレーザ発振光に対して透明であるため光吸収が無く、低損失の導波路を実現することができる。また、赤色レーザ１と同様に、ストライプ内外の実効屈折率差Δｎを１０-3のオーダーをもって精密に制御することがｄｐ２の大きさの制御により実現できる。
このようなことから、赤外レーザ２は、光分布を精密に制御すると共に低動作電流である高出力半導体レーザとなっている。
また、例えば８０℃の高温動作時において、放熱性を向上するため、３５０ｍＷ以上の高出力レーザの場合、共振器長を１５００μｍ以上とすることにより動作電流密度を低減する。具体的には、本実施形態の場合、赤色レーザ１及び赤外レーザ２において共振器長を共に１５００μｍとしている。
また、赤色レーザ１及び赤外レーザ２のいずれにおいても、それぞれ赤色レーザ光及び赤外レーザ光に対し、共振器の前端面における反射率が７％、後端面における反射率が９４％となるように、誘電体膜によるコーティングが行なわれている。
次に、図２は、図１（ａ）〜（ｃ）に示す半導体レーザ装置５０をヒートシンクとなるサブマウント３８上にジャンクションダウンで実装した状態を示している。ここで、ジャンクションダウンとは、電極３３に比べて活性層１３及び２３に近い方の電極３１及び３２をヒートシンクの側に向けて実装する構成を言う。このために、電極３１及び３２は、それぞれサブマウント３８上に形成された電極３６及び３７上に、ハンダ層３４及び３５を介して実装される。このようにジャンクションダウンに実装すると、ヒートシンクとなるサブマウント３８と活性層１３及び２３との間隔を数ミクロンの距離まで近付けることができ、活性層１３及び２３における発熱を効率良くサブマウント３８に放熱することができる。
活性層１３及び２３における発熱は、リッジ部１４ａ及び２４ａ近傍の光分布領域にて発生し、電極３１及び３２を通じてサブマウント３８に放熱される。従って、赤色レーザ１及び赤外レーザ２の放熱性は、電極３１及び３２の幅Ｗ１及びｗ２に影響されることになる。電極の幅が狭いと、放熱性が低下するために素子の熱抵抗が大きくなり、高温動作時における動作電流値の増大に繋がる。
しかしながら、放熱性を向上させるために電極の幅を広くすると素子の面積が増大し、結果として半導体レーザ装置５０の製造コストが増大することになる。
これに関係して、図１（ａ）に示す電極３１及び３２の幅幅Ｗ１及びＷ２について、以下に説明する。尚、赤色レーザ１において、溝部１４ｂが設けられているため、幅Ｗ１のうち溝部１４ｂに相当する部分は電極３７（ハンダ層３５）には接していない。しかし、電極３１の幅Ｗ１に比べて溝部１４ｂの幅は十分に小さく、無視して考えることができる。赤外レーザ２においても、溝部２４ｂの幅を無視して電極３２の幅Ｗ２を考えて良い。
本実施形態において、赤色レーザ１のｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層１４としてはＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層を用い、活性層１３としてはＧａＩｎＰとＡｌＧａＩｎＰとからなる量子井戸活性層を用いている。また、赤外レーザ２のｎ型クラッド層２２及びｐ型クラッド層２４としてはＡｌＧａＩｎＰクラッド層を用い、活性層２３にはＡｌＧａＡｓとＧａＡｓとから成る量子井戸活性層を用いている。
ここで、活性層に注入したキャリアが熱により励起されてクラッド層に漏れだす現象であるキャリアオーバーフローの発生については、正孔よりも有効質量が軽いキャリアである電子のｐ型クラッド層へのオーバーフローが支配的である。このような電子のオーバーフローを抑制するためには、活性層とｐ型クラッド層との禁制帯幅のエネルギー差により生じる伝導帯ヘテロ障壁のエネルギー（ΔＥｃ）を大きくすることが有効である。
本実施形態では、赤色レーザ１及び赤外レーザ２において共に同じ材料系であるＡｌＧａＩｎＰクラッド層を用いているために、ＡｌＧａＡｓ系の材料からなる活性層２３を備える赤外レーザ２におけるΔＥｃは、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなる活性層１３を備える赤色レーザ１のΔＥｃに対して数百ｍｅＶ大きくなる。
このため、赤外レーザ２は、赤色レーザ１と比較して、高温動作においてもキャリアオーバーフローの発生を抑制でき、光出力の低下が生じにくくなる。前述のように放熱性は電極の幅に依存するため、半導体レーザ装置５０全体の幅を一定とする場合、高温特性を赤色レーザ１及び赤外レーザ２共に良好な状態とするためには、赤色レーザ１の電極の幅Ｗ１を赤外レーザ２の電極の幅Ｗ２よりも大きくすればよい。
まず、赤色レーザ１の電極の幅Ｗ１について説明を行う。図１（ａ）に示すように、電極３１の幅Ｗ１は、赤色レーザ１の幅に対して、素子作製プロセスに必要なマージンの分だけは少なくとも狭くする必要がある。例えば、マスク精度、エッチングの精度等について対応するためのマージンである。しかしながら、狭くし過ぎると放熱面積の減少につながるため、素子の熱抵抗の増大につながる。このため、図１（ａ）に示す半導体レーザ装置５０において、赤色レーザ１の端から電極３１の端までの距離ΔＷの大きさを５μｍ以上で且つ１５μｍ以下に設定する。本実施形態では、一例としてΔＷを１０μｍとしている。尚、両端にそれぞれΔＷのマージンを取るため、赤色レーザ１の幅は電極３１の幅Ｗ１よりもΔＷの２倍だけ長くなる。
赤色レーザ１の構造について、共振器長を１５００μｍの一定とし、ΔＷを１０μｍとしてＷ１を変化させた場合の８５℃、パルス５０ｎｓ、デューティ３３％、３００ｍＷ動作時における動作電流値を図３（ａ）に示す。図３（ａ）に示す様に、本実施形態の赤色レーザ１の場合、電極幅Ｗ１が７０μｍより狭くなると動作電流値が増大することが分かる。これは、電極幅Ｗ１を小さくすると放熱性が低下し、熱抵抗が増大する結果、高温特性が劣化し動作電流値の増大を招いていると考えられる。
このように、赤色レーザ１においては、熱抵抗の増大による高温特性の劣化を招かないためには、電極幅Ｗ１は７０μｍ以上必要であることが分かる。但し、電極幅Ｗ１を大きくし過ぎると半導体レーザ装置５０全体の面積が大きくなり、半導体レーザ装置５０の製造コストの増大につながる。従って、赤色レーザ１について、可能な限り素子面積を低減しながら放熱性を良好に保つためには、例えば、電極幅Ｗ１を７０μｍ以上で且つ９０μｍ以下の範囲で作製するのが良い。本実施形態に示す例においては、Ｗ１を８０μｍとしている。
次に、赤外レーザ２の電極の幅Ｗ２について説明を行う。図１（ａ）に示すように、電極３２の幅Ｗ２は、赤色レーザ１と同様に、赤外レーザ２幅に対して素子製造に必要なマージンの分だけは少なくとも狭くする必要がある。しかしながら、狭くしすぎると放熱面積の減少、更には素子の熱抵抗の増大につながる点も同様である。このため、図１（ａ）に示す半導体レーザ装置５０において、赤外レーザ２の幅と電極３２の幅Ｗ２との差ΔＷの大きさを５μｍ以上、１５μｍ以下に設定する。本実施形態では、一例としてΔＷを１０μｍとしている。
このような赤外レーザ２の構造について、共振器長を１５００μｍの一定とし、ΔＷを１０μｍとしてＷ２を変化させた場合の８５℃、パルス１００ｎｓ、デューティ５０％、３５０ｍＷ動作時の動作電流値を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）に示す様に、本実施形態の赤外レーザ２の場合、電極幅Ｗ２を１３０μｍから３０μｍまで狭くしても動作電流は増大しないことが分かった。これは、電極幅Ｗ２を小さくすることにより放熱性が低下して素子の動作温度は上昇するが、ｐ型クラッド層にＡｌＧａＩｎＰクラッド層を用いているためにΔＥｃが大きく、キャリアのオーバーフローが抑制されるためであると考えられる。従って、電極幅Ｗ２は、放熱性の低下による高温動作電流値の増大（高温特性の劣化）を招かずに３０μｍの狭い幅まで狭めることができると考えられる。
しかしながら、サブマウント３８とＧａＡｓ基板１０とは熱膨張係数が異なるため、ハンダ実装時における高温状態と実装後の室温状態との温度差により、半導体レーザ装置５０の装後に応力が発生する。このように応力が発生すると、半導体材料の屈折率が変化して屈折率に異方性が生じることになり、その結果として偏光比の低下につながる。
図４には、電極幅を３０μｍから１３０μｍの範囲において設定し、ＡｕＳｎハンダがパターニングされたＡｌＮサブマウントを用いて３５０℃にて実装した場合の活性層に生じる応力の分布の計算結果を示す。ここで、横軸は電極の幅方向の中心を０とし、幅方向に一方をプラス、他方をマイナスとしたときの位置を示している。
図４から、３０、５０、７０、９０、１１０及び１３０μｍのいずれの電極幅においても、応力が最も大きくなるのは電極の両端近傍の領域であることが分かる。これは、以下に説明する理由による。
図２に示すようにジャンクションダウンにて半導体レーザ装置５０を実装した場合、電極部（３１又は３２）は、ハンダ材料によりサブマウント（３４又は３５）と接着される。この場合、リッジ（１４ａ又は２４ａ）近傍領域にある活性層（１３又は２３）には、サブマウント（３４又は３５）の材料とレーザ素子の材料との熱膨張係数の差により、ハンダ材料の融点と室温との温度差分に相当する応力が生じる。
電極端の近傍は、電極がハンダにより固定された領域と固定されていない領域の境界領域となるため、レーザ素子が変形しやすく、活性層に生じる応力が最大となる。応力が生じるとレーザ素子を構成するクラッド層の屈折率に異方性が生じ、これは偏光比の低下につながる。電極幅を狭めると、図４に示すように、電極端近傍の応力が最大となる領域がリッジに近づくため、偏光比が低下すると考えられる。
次に、図５に、赤外レーザ２において、電極幅（Ｗ２）と偏光比との関係を示す。より詳しく述べると、サブマウントの材料をＳｉ、ＳｉＣ又はＡｌＮとし、ハンダ材料にＡｕＳｎを用い、３５０℃で実装して室温状態に戻した場合のリッジ中央部近傍の活性層における応力の大きさを計算した結果を示す。ＳｉＣサブマウントでは電極幅５５μｍ程度、Ｓｉサブマウント又はＡｌＮサブマウントでは電極幅６０μｍ程度よりも電極幅を狭くするとリッジ近傍の活性層に生じる応力が増大するということが分かる。ここで、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＡｌＮ及びＳｉＣの熱膨張係数は、順に、６×１０-6／Ｋ、２．６×１０-6／Ｋ、３×１０-6／Ｋ、４．７×１０-6／Ｋである。ＳｉＣの場合に、他のサブマウント材料の場合に比べて応力が増大する電極幅が狭いのは、ＳｉＣの熱膨張係数が最もＧａＡｓに近く、電極端近傍で発生する応力が他のサブマウント材料の場合と比較して相対的に小さいためと考えられる。
次に、図６に、サブマウント材料をＡｌＮとし、ハンダ材料にＡｕＳｎを用い、３５０℃で実装した場合について、室温、ＣＷ（Continuous Wave ）で且つ３ｍＷにおける赤外レーザの偏光比の電極幅依存性（実験結果）を示す。図６から、電極幅６０μｍ程度以下にまで電極を狭くすると偏光比が低下することが分かる。
以上より、本実施形態の赤外レーザ２について、可能な限り素子の幅を狭くすると共に良好な温度特性及び高い偏光特性を両立させるためには、サブマウント材料にＳｉ、ＳｉＣ又はＡｌＮを用いた場合、素子作製プロセスのマージンを考慮して、電極幅Ｗ２を７０±１０μｍとすればよい。具体例としては、７０μｍとしている。
また、前述の応力と電極の幅の関係は、赤外レーザ２のみならず、赤色レーザ１においても成立すると考えられる。これは、赤色レーザ１は、超薄膜層から構成される活性層を除いて赤外レーザ２と同一の材料により構成されているためである。つまり、応力は膜厚が厚い層の影響を受けやすく、本実施形態の例では、膜厚１００μｍ程度と相対的に厚いＧａＡｓ基板１０の影響が、数μｍ厚のＡｌＧａＩｎＰクラッド層や厚さ１０ｎｍ程度の超薄膜層から構成される活性層の影響に比べて非常に大きくなる。このため、赤色レーザ１と赤外レーザ２とは、活性層１３及び２３以外の構造が同じであることから、応力については同様であると考えられる。
従って、赤色レーザ１についてもサブマウント材料にＳｉ、ＳｉＣ又はＡｌＮを用いた場合、偏光比の低下を招かないためには、電極３１の幅Ｗ１を少なくとも６０μｍ程度以上とすればよいことが分かる。ただし、赤色レーザ１は赤外レーザ２よりもΔＥｃが小さく温度特性が劣る。このため、放熱性と偏光比の低下を招かずに素子面積を可能な限り狭くするためには、図３（ａ）に示すように電極幅Ｗ１を７０μｍ以上で且つ９０μｍ以下の範囲とするのが良い。本実施形態の例においては、Ｗ１を８０μｍとしている。
また、本実施形態の場合、溝部１４ｂ、２４ｂを設けることによりリッジ部１４ａ、２４ａを形成した構造である。しかし、これに代えて、従来技術として図９に示す半導体レーザ装置のように、リッジ部以外の部分ではクラッド層が薄くなっており、代わりに電流ブロック層が厚くなった構造であってもよい。このような構造の半導体レーザ装置においても、電極３１、３２の幅を設定することにより同様の効果を発揮することができる。
（第２の実施形態）
以下に、第２の実施形態に係る半導体レーザ装置について、図面を参照しながら説明する。図７に示す本実施形態の半導体レーザ装置５１は、図１（ａ）〜（ｃ）に示す第１の実施形態に係る半導体レーザ装置５０とは以下に述べる点を除いて同様の構造を有する。
つまり、本願の半導体レーザ装置も、図１（ａ）に示すようにｎ型ＧａＡｓ基板１０上に赤色レーザ１と赤外レーザ２とが集積化された半導体レーザ装置である。更に、赤色レーザ１については、第１の実施形態の場合と同じ構造を有する。
赤外レーザ２について、第１の実施形態の場合にはｎ型クラッド層２２は（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるものである。これに対し、図７に示す本実施形態の半導体レーザ装置において、ｎ型クラッド層４０はｎ型Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓからなるクラッド層を用いている。
また、赤外レーザ２のｐ型クラッド層２４において、第１の実施形態の場合にはリッジ部２４ａの下端から活性層２３に達するまでの距離ｄｐ２を０．２４μｍとしているのに対し、本実施形態の場合にはｄｐ２を０．２６μｍとしている。
以上の点の他は、本実施形態の半導体レーザ装置は第１の実施形態の半導体レーザ装置５０と同様であるため、詳しい説明を省略する。
尚、活性層１３及び２３についても、第１の実施形態においてそれぞれ図１（ｂ）及び（ｃ）に示したのと同じ量子井戸構造を有する。また、本実施形態においても、電極３１の幅Ｗ１を８０μｍ、電極３２の幅Ｗ２を７０μｍとしている。
赤外レーザ２の温度特性を決定するのは活性層２３からｐ型クラッド層２４への電子のオーバーフローであり、このような電子のオーバーフローは、ΔＥｃの大きさによって決定される。更に、ΔＥｃの大きさは、活性層２３とｐ型クラッド層２４とによって決定される。従って、ｎ型クラッド層４０としてＡｌＧａＩｎＰ系に代えてＡｌＧａＡｓ系のクラッド層を用いる場合にも、電子のオーバーフローに影響することはなく良好な温度特性を実現することができる。
このため、第１の実施形態の場合と同様に、赤外レーザ２における電極３２の幅Ｗ２を２０μｍ程度まで狭くしたとしても、良好な温度特性を実現することが可能である。また、偏光特性の低下を避けるためには、電極幅Ｗ２を６０μｍ以上とすれば良い。よって、良好な温度特性及び高い偏光比を保ちながら赤外レーザ２の面積をできるだけ小さくするためには、電極３２の幅Ｗ２を７０±１０μｍとすれば良い。
また、赤色レーザ１についても、第１の実施形態の場合と同様に、電極３１の幅Ｗ１を８０±１０μｍとすることにより良好な温度特性及び高い偏光比を保ちながら赤色レーザ１の面積をできるだけ小さくすることができる。
図８（ａ）及び（ｂ）に、赤色レーザ１及び赤外レーザ２についての８５℃、５０ｎｓ、パルスデューティ比３３％動作時における電流−光出力特性をそれぞれ示す。赤色レーザ１については、光出力４００ｍＷまでキンクが発生していない。赤外レーザ２については電流−光出力特性の線形が極めて良好であり、５００ｍＷ以上のキンクレベルであることがわかる。第１の実施形態及び第２の実施形態のいずれにおいても同様の特性が得られる。
本発明の半導体レーザ装置は、同一基板上に集積化された赤色レーザ及び赤外レーザを備え、それぞれ良好な温度特性及び高い偏光比を保ちながら面積を縮小することができるため、小型且つ高出力で複数波長にて発光可能な半導体レーザ装置として有用であり、特に光ディスク装置のピックアップ用光源、その他の電子装置、情報処理装置等に必要な光源としても有用である。
図１（ａ）は、本発明の第１及びの実施形態に係る半導体レーザ装置の断面を模式的に示す図であり、図１（ｂ）及び（ｃ）はその赤色レーザ及び赤外レーザにおける活性層の構造を示す図である。 図２は、本発明の第１及び第２の実施形態に係る半導体レーザ装置をジャンクションダウンにて実装した状態を示す図である。 図３（ａ）及び（ｂ）は、順に、第１の実施形態における赤色レーザ及び赤外レーザについての動作電流値の電極幅依存性測定結果を示す。 図４は、第１の実施形態において、活性層に生じる応力分布の電極幅依存性を示す計算結果である。 図５は、異なるサブマウントを用いる場合の活性層に生じる応力の電極幅依存性を示す計算結果である。 図６は本発明の第１の実施形態における赤外レーザの偏光比の電極幅依存性測定結果 図７は、本発明の第２の実施形態における半導体レーザの断面構造模式図 図８（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１及び第２の実施形態における赤色レーザ及び赤外レーザについて、８５℃、５０ｎｓ、パルスデューティ比３３％での電流‐光出力特性の測定結果である。 図９は、従来の２波長半導体レーザ装置の一例を示す図である。 図１０は、従来の２波長半導体レーザ装置の別の例を示す図である。
符号の説明
１ 赤色レーザ
２ 赤外レーザ
１０ ＧａＡｓ基板
１０ ｎ型ＧａＡｓ基板
１１ ｎ型バッファ層
１２ ｎ型クラッド層
１３ 活性層
１３ｂ１〜１３２ バリア層
１３ｇ 第一ガイド層
１３ｇ 第二ガイド層
１３ｗ１〜１３ｗ３ ウェル層
１４ ｐ型クラッド層
１４ａ リッジ部
１４ｂ 溝部
１５ 保護層
１６ ｐ型コンタクト層
１７ 電流ブロック膜
２１ ｎ型バッファ層
２２ ｎ型クラッド層
２３ 活性層
２３ｂ１ バリア層
２３ｇ 第一ガイド層
２３ｇ 第二ガイド層
２３ｗ１、２３ｗ２ ウェル層
２４ ｐ型クラッド層
２４ａ リッジ部
２４ｂ 溝部
２５ 保護層
２６ ｐ型コンタクト層
２７ 電流ブロック膜
３１、３２、３３ 電極
３４、３５ ハンダ層
３６、３７ 電極
３８ サブマウント
４０ ｎ型クラッド層
５０ 半導体レーザ装置
５１ 半導体レーザ装置
Ｗ１、Ｗ２ 電極幅

Claims (5)

  1. 同一の基板上に、赤色半導体レーザ素子及び赤外半導体レーザ素子が集積化された半導体レーザ装置であって、
    前記赤色半導体レーザ素子は、赤色側第１導電型クラッド層と、電流注入のためのリッジを有する赤色側第２導電型クラッド層とによってＩｎＧａＰ系又はＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなる赤色側活性層が挟まれたダブルへテロ構造を備え、
    前記赤外半導体レーザ素子は、赤外側第１導電型クラッド層と、電流注入のためのリッジを有する赤外側第２導電型クラッド層とによってＧａＡｓ系又はＡｌＧａＡｓ系の材料からなる赤外側活性層が挟まれたダブルへテロ構造を備え、
    前記赤色側第２導電型クラッド層上に形成された第１電極における共振器長方向に垂直な方向の幅をＷ１とし、
    前記赤外側第２導電型クラッド層上に形成された第２電極における共振器長方向に垂直な方向の幅をＷ２とするとき、
    Ｗ１＞Ｗ２及び８０μｍ≧Ｗ２≧６０μｍの関係を満たすことを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 請求項１において、
    前記赤色側第１導電型クラッド層、前記赤色側第２導電型クラッド層、前記赤外側第１導電型クラッド層及び前記赤外側第２導電型クラッド層は、いずれもＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなることを特徴とする半導体レーザ装置。
  3. 請求項１において、
    前記赤色側第１導電型クラッド層、前記赤色側第２導電型クラッド層及び前記赤外側第２導電型クラッド層は、いずれもＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなり、
    前記赤外側第１導電型クラッド層は、ＡｌＧａＡｓ系の材料からなることを特徴とする半導体レーザ装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか一つにおいて、
    ９０μｍ≧Ｗ１≧７０μｍの関係を更に満たすことを特徴とする半導体レーザ装置。
  5. 請求項１〜４のいずれか一つにおいて、
    ＡｌＮ、Ｓｉ又はＳｉＣからなるサブマウントに前記第１電極及び前記第２電極が接続されることにより実装が行なわれていることを特徴とする半導体レーザ装置。
JP2008128556A 2008-05-15 2008-05-15 半導体レーザ装置 Pending JP2009277934A (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008128556A JP2009277934A (ja) 2008-05-15 2008-05-15 半導体レーザ装置
US12/392,452 US7843984B2 (en) 2008-05-15 2009-02-25 Semiconductor laser device
CNA2009101390653A CN101582564A (zh) 2008-05-15 2009-05-15 半导体激光器装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008128556A JP2009277934A (ja) 2008-05-15 2008-05-15 半導体レーザ装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2009277934A true JP2009277934A (ja) 2009-11-26

Family

ID=41316123

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008128556A Pending JP2009277934A (ja) 2008-05-15 2008-05-15 半導体レーザ装置

Country Status (3)

Country Link
US (1) US7843984B2 (ja)
JP (1) JP2009277934A (ja)
CN (1) CN101582564A (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010245207A (ja) * 2009-04-03 2010-10-28 Opnext Japan Inc マルチビーム半導体レーザ装置

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104538844B (zh) * 2015-01-27 2018-10-26 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 太赫兹量子级联激光器器件结构及其制作方法
CN114883907B (zh) * 2022-07-05 2022-09-13 天津华慧芯科技集团有限公司 一种可实现端面低粗糙度的激光器结构及其制作方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002190649A (ja) * 2000-12-20 2002-07-05 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体レーザ装置及びその製造方法
JP2006303052A (ja) * 2005-04-19 2006-11-02 Nec Electronics Corp 半導体レーザ装置及び半導体レーザ装置の製造方法
JP2006313875A (ja) * 2005-04-08 2006-11-16 Mitsubishi Electric Corp 半導体レーザ装置
JP2007035854A (ja) * 2005-07-26 2007-02-08 Toshiba Corp 半導体レーザアレイ及び半導体レーザ装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11186651A (ja) 1997-12-19 1999-07-09 Sony Corp 集積型半導体発光装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002190649A (ja) * 2000-12-20 2002-07-05 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体レーザ装置及びその製造方法
JP2006313875A (ja) * 2005-04-08 2006-11-16 Mitsubishi Electric Corp 半導体レーザ装置
JP2006303052A (ja) * 2005-04-19 2006-11-02 Nec Electronics Corp 半導体レーザ装置及び半導体レーザ装置の製造方法
JP2007035854A (ja) * 2005-07-26 2007-02-08 Toshiba Corp 半導体レーザアレイ及び半導体レーザ装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010245207A (ja) * 2009-04-03 2010-10-28 Opnext Japan Inc マルチビーム半導体レーザ装置

Also Published As

Publication number Publication date
US7843984B2 (en) 2010-11-30
CN101582564A (zh) 2009-11-18
US20090285254A1 (en) 2009-11-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3862894B2 (ja) 半導体レーザ装置
JP5005300B2 (ja) 半導体レーザ装置
JP2008091713A (ja) 二波長半導体レーザ装置
JP4295776B2 (ja) 半導体レーザ装置及びその製造方法
JP4789558B2 (ja) 多波長半導体レーザ装置
US20090232178A1 (en) Two-wavelength semiconductor laser device
JP4126873B2 (ja) 半導体レーザ装置
JP2004335530A (ja) リッジ導波路型半導体レーザ
JP2011243831A (ja) 半導体レーザ装置
JP2004319987A (ja) 半導体レーザ素子
JP5385526B2 (ja) 半導体レーザ
JP4047358B2 (ja) 自励発振型半導体レーザ装置
JP2009277934A (ja) 半導体レーザ装置
JP2011192816A (ja) 半導体発光素子
JP5633670B2 (ja) 発光装置およびそれを用いた光装置
US7704759B2 (en) Semiconductor laser device and method for fabricating the same
JP2009302582A (ja) 二波長半導体レーザ装置
JP4535698B2 (ja) ２波長半導体レーザ装置
JP2008103771A (ja) リッジ導波路型半導体レーザ
JP2008028192A (ja) 半導体レーザ装置
JP4327690B2 (ja) 半導体レーザ装置
JP2000138419A (ja) 半導体レーザ素子及びその製造方法
JP2010272784A (ja) 半導体レーザ装置
JP2009224506A (ja) 半導体レーザ装置
JP2010272721A (ja) ２波長半導体レーザ装置

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20101201

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20120125

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120131

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20120605