JP4911957B2 - Semiconductor laser device and application system - Google Patents

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  • Semiconductor Lasers (AREA)

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。   The present invention relates to a semiconductor laser device and an application system including the same.

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。   High-power broad area type semiconductor laser elements can obtain a watt-class optical output and are used in the processing field and the medical field using laser light. On the other hand, in recent years, development of a semiconductor laser element that emits blue-violet laser light having a wavelength of about 400 nm for pickup of an optical disk has been advanced, and is approaching a practical stage. If the wavelength of blue-violet laser light is short and a watt-class light output can be obtained, it is expected that the range of use in the processing field and the medical field will be further expanded. Note that the broad area type semiconductor laser element described here refers to a semiconductor laser element that has a wide current confinement width and emits a laser beam in a first-order or higher-order horizontal transverse mode. The current confinement structure of the broad area type element includes an electrode stripe type and a wide ridge type.

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
For example, a broad area type semiconductor laser device using a GaInN multiple quantum well formed on a GaN substrate as an active layer has been reported (see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). According to this document, the current confinement width of the semiconductor laser element is 10 μm, 50 μm and 100 μm, and it is disclosed that a very high light output of about 1 watt can be obtained.
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。   A broad area type semiconductor laser oscillates with a large number of horizontal and transverse modes, and as the laser output increases, the number of modes changes and the position shifts. For this reason, there is a problem that the near-field image and the far-field image are deformed and the current-light output characteristic is likely to be kinked. If the near-field image / far-field image is deformed / shifted, the lens coupling efficiency of the output light may fluctuate, leading to a decrease in light utilization efficiency in a system using laser light. Further, if a kink occurs in the current-light output characteristic, the light output value cannot be controlled linearly by the current.

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。   An object of the present invention is to stabilize a light distribution in the horizontal direction of an active layer in a semiconductor laser element that emits laser light including a first-order or higher-order horizontal transverse mode. An object of the present invention is to provide an excellent semiconductor laser device in which an image does not fluctuate and does not cause kinking in current-light output characteristics. Another object of the present invention is to provide an application system including the semiconductor laser element.

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。   The semiconductor laser device of the present invention comprises an upper clad layer, a lower clad layer, an active layer between the upper clad layer and the lower clad layer, and a stripe-shaped current confinement structure on the substrate, and the longitudinal direction of the stripe A semiconductor laser element having a pair of end surface reflecting mirrors orthogonal to each other and generating laser oscillation in a first-order or higher-order horizontal transverse mode, and in the region where the laser beam exists in the semiconductor laser element, the length of the stripe The structure is characterized in that the refractive index varies in a direction perpendicular to the direction and parallel to the substrate.

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。   The structure in which the refractive index varies preferably has an aspect in which the shape varies periodically, and the variation pitch is preferably 0.5 μm or more and 6 μm or less. Moreover, the structure in which the refractive index varies is preferably provided in a layer other than the active layer and has a concavo-convex shape. It is preferable that the uneven shape is provided on the upper cladding layer, or between the active layer and the upper cladding layer, or the lower cladding layer, or between the active layer and the lower cladding layer, or on the surface of the substrate.

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。   As another preferred embodiment according to the semiconductor laser device of the present invention, a layer having a refractive index variation is provided in a layer other than the active layer, and a layer having a refractive index variation structure is included in the layer. There is an embodiment in which a layer made of a material having a refractive index different from that of the layer is discretely embedded. A structure in which layers made of materials having different refractive indexes are discretely embedded is an upper cladding layer, or between an active layer and an upper cladding layer, or between a lower cladding layer, or between an active layer and a lower cladding layer. A mode of providing is preferable. On the other hand, as another preferred embodiment according to the semiconductor laser device of the present invention, there is an embodiment in which the structure in which the refractive index varies has a slit-like groove provided in the upper cladding layer.

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、AlxGa1-x-yInyN(0≦x≦1,0≦y≦1)からなるものが好ましい。 The structure in which the refractive index fluctuates is desirably provided at least in the vicinity of the emitting end face reflecting mirror in front of the semiconductor laser element. In addition, the structure in which the refractive index fluctuates is a line that bisects the current confinement structure when viewed from the longitudinal direction of the stripe-shaped current confinement structure, and is a line having a line perpendicular to the substrate as an axis of symmetry. An embodiment that is symmetrical is preferred. The semiconductor laser element is preferably made of Al x Ga 1 -xy In y N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1).

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。   An application system of the present invention includes the above-described semiconductor laser element and a phosphor that absorbs at least a part of the laser light emitted from the semiconductor laser element and emits light having a wavelength different from that of the emitted laser light. It is characterized by that. As this system, a white illumination device including a semiconductor laser element and a phosphor that absorbs laser light having a wavelength shorter than 420 nm emitted from the semiconductor laser element and emits white light is preferable. In addition, a white illumination device including a semiconductor laser element and a phosphor that absorbs part of blue laser light emitted from the semiconductor laser element and emits light having at least red and green spectral components is preferable. In the present invention, “same” includes not only completely the same case but also substantially the same case.

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。   According to the present invention, in a semiconductor laser device that emits laser light of a first-order or higher-order horizontal transverse mode, fluctuations in the light distribution in the horizontal direction when the light output is increased are suppressed, and current-light output characteristics are reduced. There is no kink and the near-field and far-field images are stable. In particular, it is effective when the material of the semiconductor laser element is made of AlGaInN.

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。
Embodiment 1
FIG. 1 illustrates a perspective view of the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1A is an overall view of the semiconductor laser device, and a part of the semiconductor laser device is deleted to clarify the internal structure. FIG. 1B is a partially enlarged view. The semiconductor laser device 100 according to the first embodiment is an electrode stripe type broad area laser device that emits laser light of a first-order or higher-order horizontal transverse mode. This laser element has a periodic concavo-convex structure K at the boundary between the p-type optical waveguide layer 110 and the p-type upper cladding layer 111 above the active layer. The uneven structure is characterized in that it is provided in a direction (X direction) perpendicular to the longitudinal direction (Z direction) of the stripe-shaped current confinement structure and parallel to the substrate.

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Al0.05Ga0.95N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Al0.3Ga0.7N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Al0.05Ga0.95N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。 Here, the main semiconductor laminated portion of the semiconductor laser device 100 of the first embodiment is formed on the substrate 101 made of n-type GaN, the buffer layer 102 made of n-type GaN having a layer thickness of 0.5 μm, and n having a layer thickness of 2 μm. A lower cladding layer 103 made of type Al 0.05 Ga 0.95 N, a lower guide layer 104 made of non-doped GaN having a layer thickness of 0.05 μm, a well layer 105 made of InGaN having a thickness of 5 nm, a barrier layer 106 made of InGaN having a thickness of 10 nm, Well layer 107 made of InGaN with a layer thickness of 5 nm, upper guide layer 108 made of non-doped GaN with a layer thickness of 0.05 μm, carrier block layer 109 made of p-type Al 0.3 Ga 0.7 N with a layer thickness of 0.02 μm, average layer thickness 0 optical waveguide layer 110 made of p-type GaN of .05Myuemu, the average layer thickness 0.5 [mu] m p-type Al 0.05 Ga 0.95 on consisting of N cladding layer 11 , And it can be composed of the contact layer 112 made of p-type GaN having a thickness of 0.1 [mu] m.

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Al23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。 Except for the semiconductor laminated portion, a protective film 113 made of silicon nitride with a thickness of 50 nm, an ohmic electrode 114 made by laminating a Pd layer with a thickness of 15 nm and a Mo layer with a thickness of 15 nm in this order, and the n-type GaN substrate 101 An ohmic electrode 115 formed by laminating an Hf layer having a thickness of 5 nm and an Al layer having a thickness of 150 nm on the back surface in this order can be used. Here, Mg is doped as the p-type impurity, and Si is doped as the n-type impurity. The current confinement width w of the current confinement structure provided by the protective film 113 made of silicon nitride can be 10 μm. Further, both end surfaces of the semiconductor laser element 100 are cleaved to obtain a Fabry-Perot resonator, and the pair of end surface reflecting mirrors are positioned so as to be orthogonal to the longitudinal direction of the stripe-shaped current confinement structure. Here, a low reflection film (not shown) made of an Al 2 O 3 film having a thickness of 80 nm and a reflectivity of emitted laser light of 5% is formed on the cleaved front end face, and is formed on the rear end face. Is a highly reflective film comprising four pairs of SiO 2 film and TiO 2 film, having a thickness of ¼ of the wavelength of the emitted laser light, and a reflectivity of the emitted laser light of 95% (Not shown). The resonator length of the Fabry-Perot resonator (the shortest distance between the front end face and the rear end face) can be 1.5 mm.

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。   In the semiconductor laser device 100, the boundary portion between the p-type cladding layer 111 and the p-type guide layer 110, which is the region where the laser beam exists therein, is orthogonal to the longitudinal direction of the stripe (Z direction) and the substrate. A periodic uneven structure K having a pitch (period) of 2.5 μm is provided in a parallel direction (X direction), and the refractive index periodically varies in the same direction. This concavo-convex structure is parallel to the longitudinal direction (Z direction) of the stripe-shaped current confinement portion and has a structure that extends uniformly. In addition, the concave and convex structure is disposed in the central portion in the X direction of the stripe-shaped current confinement portion, and the concave and convex structure is viewed from the longitudinal direction (Z direction) of the stripe-shaped current confinement structure, It is a line that bisects the current confinement structure and is line-symmetric with a line perpendicular to the substrate (Y direction) as the axis of symmetry.

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ηiが90%を超える高い内部量子効率でレーザ光を出射する。 When the semiconductor laser device 100 is mounted on a copper heat sink by junction down, sealed in a package with excellent heat dissipation, and a current is passed through the semiconductor laser device 100, a laser beam is emitted with a threshold current of 0.3 A, and a maximum of 1 Continuous oscillation up to 5W can be obtained. The wavelength of this laser beam is 405 nm. The near-field image when the laser light is emitted emits light stably in a state where a plurality of longitudinal modes exist. Further, the laser beam is emitted with a high internal quantum efficiency in which the internal quantum efficiency η i exceeds 90%.

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。   The current-light output characteristics of the semiconductor laser element 100 are illustrated as A in FIG. For comparison, FIG. 5 differs only in that an uneven structure is not provided at the boundary between the p-type cladding layer 111 and the p-type optical waveguide layer 110, and the other points are the same as those of the laser element in the first embodiment. As for the semiconductor laser element, the current-light output characteristic is exemplified as B. As is clear from FIG. 5A, in the semiconductor laser device 100 of the present invention, the current-light output characteristics change linearly from the start of oscillation, and so-called kink does not occur. On the other hand, in the case of the semiconductor laser element not provided with the concavo-convex structure, as is apparent from FIG. 5B, kinks occur and the current-light output characteristics do not change linearly.

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。   FIG. 6 shows the number of emission intensity peaks (number of modes) in the horizontal direction of the near-field image for the light outputs indicated by P1 to P4 in the current-light output characteristics of FIG. In the case of A of the present invention, the number of peaks is four at any light output as shown in FIG. 6A, and the four peaks have the same intensity and the position is stable. is there. On the other hand, in the semiconductor laser shown as B, P1 has two as shown in FIG. 6B, P2 has four as shown in FIG. 6C, and P3 has five. The number of P4 and the number of P4 is 6 (none of which are shown), and changes according to the output, and at the time when the number of peaks of the near-field image changes, a kink occurs in the current-light output characteristics.

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。   In the case of a conventional broad area type semiconductor laser element in which the concavo-convex structure is not provided, since the horizontal transverse mode inside the laser resonator is not controlled, horizontal hole burning occurs as the laser output is increased. The peak position of the horizontal transverse mode and the number of modes change discontinuously, and when the injection current is increased due to the influence, the light output changes discontinuously and a kink occurs. According to the study of the present inventor, it has been found that such a change in the position of the horizontal transverse mode is noticeably caused particularly in a blue or blue-violet laser using an AlGaInN-based material and oscillating in a wavelength band of 400 nm. . This is presumably because the AlGaInN-based material has poor crystallinity and crystal surface flatness compared to other material systems, and thus the light intensity distribution in the current path is not stable.

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。   On the other hand, in the broad area type semiconductor laser device according to the present embodiment, the periodic unevenness is perpendicular to the longitudinal direction (Z direction) of the stripe-shaped current confinement portion and parallel to the substrate (X direction). Structure K is provided. For this reason, a periodic refractive index distribution is created in the horizontal direction in the current constriction. The horizontal and horizontal modes of laser oscillation in a broad area laser element are complicated including a number of higher-order modes. By creating a refractive index distribution in the horizontal direction, for example, horizontal and horizontal The mode peak is stably present, and the valley portion of the horizontal transverse mode is stably present in the portion where the refractive index is low. In other words, the light distribution is fixed so that the overlap between the spatial distribution of the refractive index in the horizontal direction and the light intensity distribution is maximized. It does not occur and the far-field and near-field images are not deformed. When the horizontal transverse mode light distribution is determined so that the overlap between the horizontal transverse mode light distribution and the refractive index distribution is the largest, it stabilizes the position and shape of the horizontal transverse mode most. It can be said. At this time, as in the first embodiment, the uneven structure is a line that bisects the current confinement structure when viewed from the longitudinal direction (Z direction) of the stripe-shaped current confinement structure, and is formed on the substrate. By making line symmetry with the orthogonal line (Y direction) as the axis of symmetry, the light distribution is arranged symmetrically with a good balance with respect to the current confinement structure, so that the stability of the mode shape is improved. In the first embodiment, the concave portion of the concavo-convex structure is arranged at the center portion in the X direction of the current confinement structure, but it goes without saying that the convex portion may be arranged.

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。   A structure in which the refractive index varies due to an uneven structure or the like does not necessarily have to be periodic in principle, but the mode shape has better stability if it is periodic. FIG. 7 shows the relationship between the period (pitch) when the concavo-convex structure is periodic and the output at which kinks appear. As shown in FIG. 7, when the period is in a certain range, the light output until the kink is generated can be increased. In particular, when the period (pitch) is 0.5 to 6 μm, a remarkable effect can be obtained. It can be seen.

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。   A structure in which the refractive index fluctuates, such as a concavo-convex structure, is formed in a region where laser light exists inside the laser element, and is formed in an upper cladding layer, or between an active layer and an upper cladding layer, or a lower cladding layer, or It is effective to form it between the active layer and the lower cladding layer. In Embodiment 1, the unevenness is provided in the layer provided above the active layer, but it is also possible to provide in an arbitrary layer below the active layer. For example, it can be provided between the lower cladding layer 103 and the lower guide layer 104. Further, it is also effective as a configuration in which unevenness is provided on the surface of the substrate or the buffer layer and a lower cladding layer is provided thereon. In particular, when unevenness is provided in the lower part of the active layer, in addition to the structure modulation by the uneven structure itself, the effect of slight periodic modulation of the composition inherent in the crystal grown on the uneven structure is largely due to the effect of most elements including the active layer. Therefore, the effect of stabilizing the horizontal and transverse modes is increased, which is more effective. In particular, when unevenness is provided on the surface of the substrate, the uneven layer can be formed by a single crystal growth, so that manufacture is easy and inexpensive.

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。
Embodiment 2
FIG. 2 illustrates a perspective view of the semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 2A is an overall view of the semiconductor laser device, in which a part is deleted to clarify the internal structure. FIG. 2B is a partially enlarged view. The semiconductor laser device 200 according to the second embodiment is a wide ridge stripe type broad area laser device that emits laser light of a first-order or higher-order horizontal transverse mode. In this laser element, a periodic different refractive index portion 211 is formed in a p-type upper cladding layer 210 above the active layer, and the length of the stripe-shaped current confinement portion is formed by forming the different refractive index portion 211. It is characterized in that the refractive index varies in a direction (X direction) orthogonal to the direction (Z direction) and parallel to the substrate 201.

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Al0.05Ga0.95N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Al0.3Ga0.7Nからなるキャリアブロック層209、層厚0.5μmのp型Al0.05Ga0.95N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。 The main semiconductor stacked portion of the semiconductor laser device 200 of the second embodiment is formed on a substrate 201 made of n-type GaN, a buffer layer 202 made of n-type GaN having a layer thickness of 0.5 μm, and an n-type Al 0.05 having a layer thickness of 2 μm. Lower cladding layer 203 made of Ga 0.95 N, lower guide layer 204 made of non-doped GaN with a thickness of 0.05 μm, well layer 205 made of InGaN with a thickness of 5 nm, barrier layer 206 made of InGaN with a thickness of 10 nm, layer thickness of 5 nm Well layer 207 made of InGaN, upper guide layer 208 made of non-doped GaN having a thickness of 0.05 μm, carrier block layer 209 made of p-type Al 0.3 Ga 0.7 N having a thickness of 0.02 μm, p having a thickness of 0.5 μm structure from the mold Al 0.05 Ga 0.95 upper cladding layer 210 composed of N contact layer 212 and a p-type GaN having a thickness of 0.1 [mu] m, It can be.

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。   In the upper clad layer 210, a different refractive index portion 211 made of p-type GaN with a layer thickness of 0.2 μm and a pitch of 4 μm is embedded. Except for the semiconductor stacked portion, a current confinement layer 213 made of polyimide, a Pd layer having a thickness of 15 nm and a Mo layer having a thickness of 15 nm are stacked in this order, and the thickness of the back surface of the n-type GaN substrate 201 is 5 nm. The ohmic electrode 215 is formed by stacking the Hf layer and the 150 nm thick Al layer in this order. Here, Mg is doped as the p-type impurity, and Si is doped as the n-type impurity.

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Al23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。 By providing the current confinement layer 213 of polyimide, a current confinement structure is formed, and the current confinement width w can be 20 μm. Further, both end faces of the semiconductor laser element 200 are cleaved to obtain a Fabry-Perot resonator, and the pair of end face reflecting mirrors are orthogonal to the longitudinal direction (Z direction) of the stripe-shaped current confinement structure. Here, a low reflection film (not shown) made of an Al 2 O 3 film having a thickness of 80 nm and a reflectivity of emitted laser light of 5% is formed on the cleaved front end face, and is formed on the rear end face. Is a highly reflective film comprising four pairs of SiO 2 film and TiO 2 film, having a thickness of ¼ of the wavelength of the emitted laser light, and a reflectivity of the emitted laser light of 95% (Not shown) is formed, and the resonator length (the shortest distance between the front end face and the rear end face) of the Fabry-Perot resonator can be 1.5 mm.

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。   In the semiconductor laser element 200, a periodic different refractive index portion 211 is formed in a p-type upper cladding layer 210, and this different refractive index portion 211 is formed along the longitudinal direction (Z direction) of the stripe-shaped current confinement portion. They are arranged in a direction (X direction) that is orthogonal and parallel to the substrate. Further, the different refractive index portion 211 has a structure that extends uniformly in parallel with the longitudinal direction (Z direction) of the stripe-shaped current confinement portion, but is not on the entire surface of the resonator, and is a front surface from which laser light is emitted. It is provided only within a certain range (can be set to 500 μm) from the end surface reflecting mirror. As described above, in this embodiment, the structure in which the refractive index varies is provided in a layer other than the active layer, and the layer provided with the structure in which the refractive index varies is included in the layer. In a direction (X direction) perpendicular to the longitudinal direction (Z direction) of the stripe-shaped current confining portion and parallel to the substrate 201 (layer X direction). The refractive index of fluctuates.

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ηiが90%以上の高い内部量子効率でレーザ光が出射する。 When the semiconductor laser element 200 is mounted on a copper heat sink by junction down, sealed in a package with excellent heat dissipation, and a current is passed through the semiconductor laser element 200, a laser beam is emitted with a threshold current of 0.6 A, and a maximum of 1 Continuous oscillation up to 5W can be obtained. The current-light output characteristic changes linearly from the start of oscillation to the light output of 1.5 W, and so-called kink is not seen. The only difference is that the different refractive index portion 211 is not provided. In other respects, the semiconductor laser device having the same configuration has kinks, and the current-light output characteristics do not change linearly. Effectiveness is demonstrated. The wavelength of the laser light emitted from the semiconductor laser element in the present embodiment is 405 nm, and the near-field image when the laser light is emitted is stable in the state where there are a plurality of longitudinal modes. Further, laser light is emitted with a high internal quantum efficiency of 90% or more of the internal quantum efficiency η i .

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。   In the first embodiment, an example in which periodic irregularities are formed inside the element is shown, whereas in the second embodiment, an example in which a periodic different refractive index portion is embedded in the element is shown. . In any configuration, the horizontal transverse mode is the same in that it is stabilized by a periodic refractive index variation in the horizontal direction, and the same effect can be obtained. In the first embodiment, the refractive index variation structure is provided in the entire resonator from the front end surface to the rear end surface, whereas in the second embodiment, the variation structure is provided only in the vicinity of the front end surface. Yes. As in Embodiment 2, if the horizontal transverse mode is stabilized at least in the vicinity of the front end face reflector where the laser light is emitted to the outside, unstable phenomena such as kinks do not appear outside, which is effective. is there. By providing the different refractive index portion, it is more preferable that the region where the refractive index fluctuates is 50 μm or more from the front exit end reflecting mirror. This point is the same in the configuration provided with the periodic unevenness shown in the first embodiment. In addition, the structure in which layers made of materials having different refractive indexes are discretely embedded is formed in a region where laser light exists inside the laser element. For example, the effect of the present invention is effectively exhibited by providing the upper cladding layer, or between the active layer and the upper cladding layer, or between the lower cladding layer or the active layer and the lower cladding layer.

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。
Embodiment 3
FIG. 3 illustrates a perspective view of the semiconductor laser device according to the third embodiment. FIG. 3A is an overall view of the semiconductor laser device, and FIG. 3B is a partially enlarged view. The semiconductor laser device 300 according to the third embodiment is a wide ridge stripe type broad area laser device that emits a laser beam of a first-order or higher order horizontal transverse mode. In this laser element, periodic slit-shaped grooves are provided in a p-type contact layer and a p-type upper clad layer above the active layer. Since this slit is arranged in parallel to the longitudinal direction (Z direction) of the stripe-shaped current confinement portion, it is a direction orthogonal to the longitudinal direction (Z direction) of the stripe and parallel to the substrate (X direction). ) Is characterized in that the refractive index fluctuates periodically.

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Al0.05Ga0.95N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Al0.3Ga0.7Nからなるキャリアブロック層309、層厚0.5μmのp型Al0.05Ga0.95N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。 Here, the main semiconductor stacked portion of the semiconductor laser device 300 of the third embodiment includes an n-type GaN buffer layer 302 and an n-type GaN buffer layer 302 on a substrate 301 made of n-type GaN. A lower cladding layer 303 made of type Al 0.05 Ga 0.95 N, a lower guide layer 304 made of non-doped GaN with a thickness of 0.05 μm, a well layer 305 made of InGaN with a thickness of 5 nm, a barrier layer 306 made of InGaN with a thickness of 10 nm, Well layer 307 made of InGaN with a layer thickness of 5 nm, upper guide layer 308 made of non-doped GaN with a layer thickness of 0.05 μm, carrier block layer 309 made of p-type Al 0.3 Ga 0.7 N with a layer thickness of 0.02 μm, upper cladding layer 310 made of 5μm of p-type Al 0.05 Ga 0.95 N contact layer 31 and made of p-type GaN having a thickness of 0.1 [mu] m, Consisting of. The contact layer and the upper clad layer are provided with slit grooves 314 having a depth of 0.4 μm and a pitch of 5 μm, and the slit grooves can be filled with polyimide. Except for the semiconductor laminated portion, an insulating layer 312 made of polyimide, an ohmic electrode 313 obtained by laminating a Pd layer having a thickness of 15 nm and a Mo layer having a thickness of 15 nm in this order, and a back surface of the n-type GaN substrate 301 having a thickness of 5 nm. An ohmic electrode 315 is formed by stacking an Hf layer and an Al layer having a thickness of 150 nm in this order. Here, Mg is doped as a p-type impurity, and Si is doped as an n-type impurity.

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Al23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。 The current confinement width w of the current confinement structure formed by the insulating layer 312 is 25 μm. Further, both end faces of the semiconductor laser element 300 are cleaved to obtain a Fabry-Perot resonator. Here, a low reflection film (not shown) made of an Al 2 O 3 film having a thickness of 80 nm and a reflectivity of the emitted laser light of 5% is formed on the cleaved front end face, and the rear end face is formed on the rear end face. A highly reflective film comprising four pairs of SiO 2 film and TiO 2 film, having a thickness of ¼ of the wavelength of the emitted laser light, and a reflectivity of the emitted laser light of 95% (see FIG. Not shown). The resonator length of the Fabry-Perot resonator (the shortest distance between the front end face and the rear end face) is 1.0 mm.

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ηiが90%を超える高い内部量子効率でレーザ光が出射する。 In the semiconductor laser device 300, the p-type upper cladding layer 310 is provided with slit-shaped grooves periodically in the direction (X direction) perpendicular to the longitudinal direction (Z direction) of the stripe-shaped current confinement portion and parallel to the substrate. 314 is arranged. The slit has a structure that extends uniformly in parallel to the longitudinal direction (Z direction) of the stripe-shaped current confinement portion, is orthogonal to the longitudinal direction (Z direction) of the stripe-shaped current confinement portion, and The refractive index in the parallel direction (X direction) varies. The semiconductor laser device 300 was mounted on a copper heat sink by junction down and sealed in a package with excellent heat dissipation. When a current was passed through the semiconductor laser element 300, a laser beam was emitted with a threshold current of 0.5A, and continuous oscillation was obtained up to a maximum of 1.5W. From the start of oscillation to the light output of 1.5 W, the current-light output characteristics changed linearly, and so-called kink was not observed. For comparison, in the case of a semiconductor laser device having the same configuration except that no slit-shaped groove is provided, kinks are observed and the current-light output characteristics do not change linearly. Wavelength of the laser light is 405 nm, was observed with near-field pattern when a laser beam emitted stably in a state in which a plurality of longitudinal modes were present, with a high internal quantum efficiency internal quantum efficiency eta i is more than 90% Laser light is emitted.

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。   In this embodiment, unlike Embodiments 1 and 2 in which periodic irregularities or different refractive index portions are provided inside the element, slit-like grooves extending from the contact layer to the middle of the upper cladding layer are periodically provided. Yes. In any configuration, the horizontal transverse mode is the same in that it is stabilized by a periodic refractive index variation in the horizontal direction (X direction), and the same effect can be obtained. However, the structure provided with the slit is excellent in that it can be manufactured relatively inexpensively and with good reproducibility because the element is completed if it is dug into a slit shape by etching without the need for crystal regrowth. In this embodiment, the digged slit portion is embedded with polyimide. However, in the embodiment in which the slit portion is left hollow, it is embedded in an arbitrary material having a refractive index different from that of the p-type cladding layer. The present invention is effective. The slit-shaped digging may be provided in the entire resonator from the front end face to the rear end face as in the present embodiment, or may be provided only in the vicinity of the front end face as in the second embodiment. It is.

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。   In the first to third embodiments, a semiconductor laser element having an electrode stripe structure or a wide ridge structure is shown as an example of a broad area type laser element. The present invention can be applied to any semiconductor laser element that emits laser light in the above high-order horizontal transverse mode.

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AlxGa1-x-yInyN(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、AlxGa1-x-yInyN(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。 In the semiconductor laser device of the present invention, the material of the p-type cladding layer, the n-type cladding layer and the active layer is not particularly limited as long as it is a semiconductor material, and among these, the p-type cladding layer, the n-type cladding layer and the active layer are not limited. When the material of the layer is made of a nitride semiconductor material represented by the composition formula of Al x Ga 1-xy In y N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1), the effect of the present invention is sufficiently obtained. Obtainable. In this composition formula, x represents a mixed crystal ratio of Al, y represents a mixed crystal ratio of In, and 1-xy represents a mixed crystal ratio of Ga. Further, for nitride semiconductor materials represented by the composition formula of Al x Ga 1 -xy In y N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1), group III elements (boron etc.) and group V elements ( Arsenic, phosphorus, bismuth, etc.) can be mixed as appropriate, and impurity elements (zinc, beryllium, tellurium, magnesium, sulfur, selenium, silicon, etc.) can be appropriately blended.

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。   In the semiconductor laser device of the present invention, each of the p-type cladding layer and the n-type cladding layer may be a single layer or a plurality of layers. In the present invention, the p-type layer is arranged above the active layer and the n-type layer is arranged below the active layer. However, the upper and lower arrangements can be reversed. The structure of the active layer is not particularly limited, and for example, a single quantum well structure (SQW) or a multiple quantum well structure (MQW) can be applied. Further, there is no limitation on the strain amount or the well layer thickness of the layer constituting the active layer, and compressive or tensile strain may be introduced into the barrier layer constituting the active layer.

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。   In the semiconductor laser device of the present invention, the wavelength of the emitted laser light is not particularly limited and can be appropriately adjusted according to the application. The substrate is not particularly limited, and for example, a single crystal substrate such as a sapphire substrate, a silicon carbide substrate, a silicon substrate, or a gallium arsenide substrate can be used. Note that when these substrates are manufactured by crystal growth, they can be manufactured by any crystal growth method using any raw material. In the present invention, “upper” indicates a direction away from the substrate, and “lower” indicates a direction approaching the substrate.

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(Y22S:Eu3+)、緑色(ZnS:Cu,Al)および青色((Sr、Ca、Ba、Mg)10(PO46Cl2: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。
Embodiment 4
The application system of the present invention includes the semiconductor laser element described above and a phosphor that absorbs at least a part of the laser light emitted from the semiconductor laser element and emits light having a wavelength different from the absorbed laser light. For example, a white illumination device including a semiconductor laser element and a phosphor that absorbs laser light having a wavelength shorter than 420 nm emitted from the semiconductor laser element and emits white light is exemplified. FIG. 4 shows a schematic principle diagram of a white illumination device as a preferred example of the application system of the present invention. As shown in FIG. 4, the basic configuration of the illumination device 400 includes a semiconductor laser element 401 having an oscillation wavelength of 405 nm, a lens system 402, and a phosphor 403 that converts laser light having a wavelength of 405 nm into white light. The semiconductor laser element 401 can be, for example, a semiconductor laser element having the same configuration as the semiconductor laser element 100 of the first embodiment. The phosphors 403 are red (Y 2 O 2 S: Eu 3+ ), green (ZnS: Cu, Al) and blue ((Sr, Ca, Ba, Mg) 10 (PO 4 ) 6 Cl 2 : Eu 2+. ) Phosphor. In this illuminating device, when laser light is emitted from the semiconductor laser element 401, laser light having an oscillation wavelength of 405 nm is condensed on the phosphor 403, and white fluorescence 404 is emitted.

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。   Since the illumination device 400 uses the semiconductor laser element of the first embodiment as an excitation element for the phosphor, the amount and luminance of white light can be controlled linearly in accordance with the injection current to the semiconductor laser. And a small and high-brightness point light source can be obtained. In addition, an illumination system using a semiconductor laser as a light source is superior in that the electro-optical conversion efficiency is extremely high as compared with conventional illumination, the lifetime is long, and no toxic substance such as mercury is contained. Therefore, it is useful as an alternative device for fluorescent lamps and incandescent lamps.

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。   The wavelength of the laser beam used as the excitation light source is not necessarily 405 nm and can be adjusted according to the absorption line of the phosphor. For example, by including a semiconductor laser element and a phosphor that absorbs a part of blue laser light emitted from the semiconductor laser element and emits light having at least red and green spectral components, It is possible to provide a white illumination device that uses a blue (for example, wavelength 445 nm) semiconductor laser as a light source and converts blue laser light into red and green fluorescence. This white illuminating device is an excellent illuminating device having a small size, high luminance, high electro-optical conversion efficiency, and a long lifetime.

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。   The application system provided with the semiconductor laser device of the present invention is not limited to the illumination device of the fourth embodiment, but can output high-power and high-efficiency laser light such as a laser knife and various processing lasers or various excitation light sources. It can be applied to various necessary application systems. The oscillation wavelength of the semiconductor laser used as the excitation light source is not necessarily 405 nm, and can be appropriately selected according to the application form.

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。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

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。   It is possible to provide an application system such as an excellent white lighting device that is small, has high luminance, has high electro-optical conversion efficiency, and has a long lifetime.

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。1 is a perspective view of a semiconductor laser element in Embodiment 1. FIG. 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。FIG. 6 is a perspective view of a semiconductor laser element in a second embodiment. 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。FIG. 10 is a perspective view of a semiconductor laser element in a third embodiment. 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。It is a typical principle figure of the white illuminating device in Embodiment 4. 半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示す図である。It is a figure which shows the electric current-light output characteristic of a semiconductor laser element. 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。It is a figure which shows the peak of the emitted light intensity in the horizontal direction of a near-field image. 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。It is a figure which shows the relationship between the period of an unevenness | corrugation, and the output from which a kink appears.

符号の説明Explanation of symbols

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。   100, 200, 300, 401 Semiconductor laser element 101, 201, 301 Substrate, 102, 202, 302 Buffer layer, 103, 203, 303 Lower cladding layer, 104, 204, 304 Lower guide layer, 105, 107, 205, 207, 305, 307 Well layer, 106, 206, 306 Barrier layer, 108, 208, 308 Upper guide layer, 109, 209, 309 Carrier block layer, 110 Optical waveguide layer, 111, 210, 310 Upper cladding layer, 112, 212, 311 Contact layer, 113 Protective film, 211 Different refractive index part, 213 Current confinement layer, 312 Insulating layer, 314 Slit groove, 400 Illumination device, 403 phosphor, 404 White fluorescence.

Claims (10)

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、リッジストライプ状の電流狭窄構造とを基板上に備え、前記リッジ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、前記リッジ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し、
前記リッジストライプ状の電流狭窄構造は、前記上クラッド層の一部と、その上に積層されたコンタクト層とを含み、
前記屈折率が変動する構造は、前記コンタクト層から前記電流狭窄構造を構成する上クラッド層の途中に達する深さであって、前記リッジストライプの高さよりも短い深さを有して前記電流狭窄構造に周期的に設けられた複数のスリット状の溝を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
An upper clad layer, a lower clad layer, an active layer between the upper clad layer and the lower clad layer, and a ridge stripe-shaped current confinement structure are provided on the substrate, and are orthogonal to the longitudinal direction of the ridge stripe. A semiconductor laser element having a pair of end surface reflecting mirrors and generating laser oscillation in a first-order or higher-order horizontal transverse mode, wherein a longitudinal direction of the ridge stripe is provided in a region where laser light is present inside the semiconductor laser element Having a structure in which the refractive index varies in a direction perpendicular to the substrate and parallel to the substrate,
The ridge stripe-shaped current confinement structure includes a part of the upper cladding layer and a contact layer laminated thereon,
The structure in which the refractive index varies has a depth that reaches from the contact layer to the middle of the upper cladding layer constituting the current confinement structure, and has a depth shorter than the height of the ridge stripe. A semiconductor laser device having a plurality of slit-like grooves periodically provided in the structure .
前記スリット状の溝に前記上クラッド層と屈折率が異なる材料が埋設されていることを特徴とする請求項に記載の半導体レーザ素子。 The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the upper cladding layer and the refractive index in the slit-like grooves are different materials embedded. 前記スリット状の溝は、その内部が中空であることを特徴とする請求項に記載の半導体レーザ素子。 2. The semiconductor laser device according to claim 1 , wherein the slit-shaped groove is hollow inside. 前記複数のスリット状の溝は、0.5μm以上6μm以下のピッチで設けられていることを特徴とする請求項に記載の半導体レーザ素子。 2. The semiconductor laser device according to claim 1 , wherein the plurality of slit-shaped grooves are provided at a pitch of 0.5 μm to 6 μm. 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。   2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the structure in which the refractive index fluctuates is provided at least in the vicinity of the emitting end surface reflecting mirror on the front surface of the semiconductor laser device. 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。   The structure in which the refractive index fluctuates is a line that bisects the current confinement structure when viewed from the longitudinal direction of the stripe-shaped current confinement structure, and is line symmetric with respect to a line perpendicular to the substrate as an axis of symmetry. The semiconductor laser device according to claim 1. 前記半導体レーザ素子は、AlxGa1-x-yInyN(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。 Said semiconductor laser device, a semiconductor laser device according to claim 1, characterized in that the Al x Ga 1-xy In y N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1) of material. 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。   2. An application system comprising: the semiconductor laser device according to claim 1; and a phosphor that absorbs at least part of laser light emitted from the semiconductor laser device and emits light having a wavelength different from that of the laser light. 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に記載の応用システム。 Said semiconductor laser device, the semiconductor wavelength emitted from the laser element absorbs the shorter laser beam than 420 nm, in claim 8, characterized in that a white illumination device comprising a phosphor that emits white light Application system described. 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に記載の応用システム。 A white illumination device comprising: the semiconductor laser element; and a phosphor that absorbs part of blue laser light emitted from the semiconductor laser element and emits light having at least red and green spectral components. The application system according to claim 8 .
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