JP5005300B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体レーザ装置に関するものであり、特に、赤色及び赤外域の２波長の半導体レーザ装置に関する。
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）と、その記録及び再生用の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。この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ＣＤ−Ｒ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た。これにより、ＤＶＤ、ＣＤ及びＭＤ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、特許文献１に示されているように、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、従来の集積型半導体発光装置の一例を図１２に示す。図１２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ＬＤ１と、発光波長が６００ｎｍ帯（例えば、６５０ｎｍ）であるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ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２００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及びＭＤ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、ＣＤ及びＭＤ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。
また、半導体レーザにおいて、高速に光ディスクを書き換えるためには高い光出力が要求される。例えば、４倍速以上の高速でＤＶＤの光ディスクを書き換えるためには、光出力として１００ｍＷ以上の高出力が必要とされる。このような高出力を得るためには、高出力時に半導体レーザの端面が自らの光出力により溶融破壊される現象であるＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage）を防ぐ必要がある。
ＣＯＤを防ぐためには、レーザの共振器端面内部における光密度を低減し、発熱を抑えることが有効である。このための方法としては、レーザ光を取り出す半導体レーザの前端面を、ＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 又はアモルファスＳｉといった誘電体によってコーティングすることにより、前端面の反射率を下げることが知られている。
一般的に、ＡｌＧａＩｎＰ系材料又はＡｌＧａＡｓ系材料からなる半導体レーザ装置における共振器端面の反射率は、端面コーティングされていない場合、約３０％となる。この場合、共振器端面において約３０％のレーザ光が反射されて共振器内部にフィードバックされ、残りの約７０％の光が前端面より取り出されることになる。
これに対し、例えば、前面の反射率が１０％となるように誘電体膜をコーティングすると、共振器端面において１０％のレーザ光が反射されて共振器内部にフィードバックされ、残りの９０％の光が前端面より取り出されることになる。
つまり、前端面から取り出される光出力が同じ場合、前端面の反射率を３分の１とすると、共振器端面の光密度も３分の１にすることができる。従って、前端面の反射率の低減はＣＯＤレベルの増大につながり、高出力レーザを得るための有効な手段である。更に、レーザ光を取り出す共振器面とは逆の側である後端面反射率を高く設定すれば、半導体レーザの前端面からの光の取り出し効率を更に高めることができる。
このように、高出力半導体レーザにおいては、前端面の反射率を低減し、後端面の反射率は逆に高反射率とする端面コート条件、例えば前端面は反射率１０％以下の低反射率、後端面は反射率８５％以上の高反射率とする端面コート条件が広く用いられている。このような低反射率（ＡＲ；Anti Reflection ）／高反射率（ＨＲ；High Reflection ）コーティングを行うことにより、電流−光出力特性における外部微分量子効率（スロープ効率）の向上を図り、少ない注入電流量で高い光出力を実現できる。該コーティングは、動作時における前端面のレーザ光のパワー密度を低減させることにより、ＣＯＤが発生するのを防いでいる。
同一基板上にそれぞれ赤色及び赤外域で発光する半導体レーザを集積化した２波長レーザにおいても、高出力動作を得るためには、前述の理由から、赤色及び赤外の発光部におけるそれぞれの前端面及び後端面に対し、低反射率及び高反射率を同時に得ることが可能な誘電体膜をレーザ共振器端面にコーティングにより形成している。
特開平１１−１８６６５１号公報 特開昭６４−６１０８４号公報
今後、再生のみならず記録機能を有する記録１６倍速対応のＤＶＤ及び記録４８倍速対応のＣＤ−Ｒ等、高速書き込み可能な光ディスクシステム用の光源の需要が益々高まっていくと予想される。このような目的に使用する場合、光源として用いられるレーザには、少なくとも２００ｍＷ以上の高出力動作が求められる。
上述のとおり、高出力レーザを得ようとする場合、前端面の反射率を低減し且つ後端面の反射率を高めるようにすることが、ＣＯＤレベルの向上と、光の取り出し効率の向上とに有効である。
しかしながら、前端面の反射率を低くし過ぎると、共振器内部でフィードバックされるレーザ光が低減されるため、発振しきい電流値の増大を招くことになる。また、半導体レーザを光ディスク装置において利用する場合、前端面の反射率を低くすると、光ディスクからの反射戻り光による雑音（戻り光誘起雑音）が発生しやすくなる。
そこで、通常、高出力レーザにおいては、高い光の取り出し効率を得ると共に、戻り光誘起雑音を低減するために、前端面の反射率が５〜１０％程度となるように端面コートされている。また、後端面の反射率はできるだけ高反射率となるようにコーティングされ、一般的には９５％から１００％程度の高反射率コートとなるように設定されている。
このように、高出力レーザにおいては、前端面の反射率と後端面の反射率とが大きく異なることになる。この場合、活性層を伝播する共振器方向の光分布強度は、共振器に対して前後対称ではなく、前端面側の光分布強度が高い前後非対称な光分布強度となっている。この場合、光分布強度が高い前端面側では、後端面側に比べてより強い誘導放出が生じるため、後端面側に比べてより多くの電子−正孔対を活性層に注入する必要がある。
特に、高出力動作状態において、前端面側では活性層中の電子−正孔対が不足することになり、発光効率の飽和の一因となる。このような発光効率の飽和が発生すると、２００〜３００ｍＷ以上の高出力レーザを得る場合、温度特性の劣化をもたらして重大な支障をきたすことになる。
温度特性を向上させ、最大光出力を向上させるためには、発光する活性層領域の面積の拡大が有効である。そこで、特許文献２（特開昭６４−６１０８４）では、少なくとも２つの端面を有する半導体レーザにおいて、一方の端面部又は内部の少なくとも一ヶ所に設けられ、基本横モードのみが通過可能な幅の狭い領域と、上記幅の狭い領域における光の回折角又はそれ以下の角度で上記幅の狭い領域から順次幅が広くなる領域と、少なくとも他方の端面部に設けられ、上記幅の広くなった領域の最大幅以上の一定の幅を所定の長さで有する領域とからなる活性領域を備えたレーザが開示されている。
この構造においては、光が幅の狭い領域から幅の広い領域へ出る際に回折効果に依って若干広がることを利用している。つまり、活性領域の幅をほぼこの回折角程度の角度で広げることにより、幅の狭い領域における横モードをほぼそのまま拡大する形で前端面及び後端面まで徐々に光の幅を広げることが可能となり、結果として前端面の光密度を低減することができる。このため動作キャリア密度の低減を行いつつ、前端面での最大光密度を低減することが可能となり、温度特性の改善と光出力の向上を図ることができる。
しかしながら、後端面から前端面に向かってストライプ幅を単純に広げていくだけでは、いくつかの課題を生じる。１つには、発光面積の拡大により動作電流値が増大し、高温動作時において光出力が熱飽和する最大光出力が低下してしまうことである。また、回折角以下の角度でストライプ幅を徐々に広げたとしても、ストライプ幅を広げると、ストライプを形成する導波路のわずかな左右非対称性から電流―光出力特性において非線形性（キンク）が生じ、発光ビームパターンが非対称になってしまうことも課題となる。
特に、赤色レーザは自然超格子の発生を抑制して所望の元素組成のＡｌＧａＩｎＰ層を得るために、１０°オフ基板等の傾斜基板上に作製する必要があり、素子作製時おけるエッチング工程時に導波路の左右非対称性が生じやすく、結果としてキンクが生じやすい。
また、ＣＤ−Ｒ用の赤外レーザとＤＶＤ用の赤色レーザとでは、活性層とクラッド層との伝導帯のバンドオフセット（ΔＥｃ）の大きさが異なり、ΔＥｃが相対的に大きな赤外レーザの方が、活性層に注入された電流が活性層から発熱によるエネルギーによりクラッド層に漏れ出すリーク電流が小さくなる。
従って、キンクを生じずに動作電流値を低減できるストライプ形状は、ＣＤ−Ｒ用の赤外レーザとＤＶＤ用の赤色レーザとでは異なり、精密に検討する必要がある。
また、赤外レーザと赤色レーザとを同一基板上に集積化したモノリシック２波長レーザを考えると、その共振器長が全く同一となってしまう。ここで、一般的に、赤外レーザと比較してΔＥｃが小さい赤色レーザの温度特性を考慮して共振器長が決定される。共振器長が長いと温度特性こそ良好となるが、電流−光出力における効率が小さくなり動作電流値が増大するのみならず、チップ面積が増大するためにチップコストが高くなってしまう。このため、共振器長はできうる限り短い方が良い。
このようなことから、赤色レーザの電流利用効率が最も高くなるようなストライプ形状として、できる限り短い共振器長を有し、高いキンクレベル、低動作電流値及び高い熱飽和光出力レベルを同時に満たす構造を見出さなければ、赤外レーザの動作電流値の増大を招いてしまう。
動作電流値の増大は、光ピックアップの発熱及びレーザ駆動用のＬＳＩの駆動電流容量の増大につながるため、ノートパソコン等の放熱性の悪い光ディスクシステムへの応用を考えると、電池寿命の観点からも重大な支障を来すことになる。従って、赤外レーザに対しても、動作電流値が最も低くなるようなストライプ形状を同時に見出す必要がある。
以上に鑑みて、本発明は、高出力動作状態における発光効率の飽和が抑制され、安定した基本横モード発振と低電流動作を行うことが可能な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、本発明の半導体レーザ装置は、基板上に、同じ共振器長Ｌを有する第１の発光部及び第２の発光部が設けられ、第１の発光部及び第２の発光部は、それぞれ、第１導電型の第１クラッド層と、第１クラッド層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた第２導電型の第２クラッド層とを有すると共に、キャリアを注入するためのストライプ構造を備え、第１の発光部のストライプ構造は、その共振器方向に沿って幅の変化する部分を有し且つ第１の前端面を備え、第１の前端面における幅をＷf1、第１の前端面から距離Ｌ1 の位置における幅をＷ1 第１の前端面から距離Ｌ1 ＋Ｌ2 （Ｌ1 ＋Ｌ2 ≦Ｌ）の位置における幅をＷ2 とするとき、Ｗf1≧Ｗ1 、Ｗ1 ＞Ｗ2 及び（Ｗf1−Ｗ1 ）／２Ｌ1 ＜（Ｗ1 −Ｗ2 ）／２Ｌ2 の関係が成立し、第２の発光部のストライプ構造は、その共振器方向に沿って幅の変化する部分を有し且つ第２の前端面を備え、第２の前端面における幅をＷf2、第２の前端面から距離Ｌ3 （Ｌ1 ≠Ｌ3 ）の位置における幅をＷ3 、第２の前端面から距離Ｌ3 ＋Ｌ4 （Ｌ3 ＋Ｌ4 ≦Ｌ）の位置における幅をＷ4 とするとき、Ｗf2≧Ｗ3 、Ｗ3 ＞Ｗ4 及び（Ｗf2−Ｗ3 ）／２Ｌ3 ＜（Ｗ3 −Ｗ4 ）／２Ｌ4 の関係が成立する。
つまり、第１の発光部のストライプ構造について、第１の前端面と、第１の前端面から距離Ｌ1 の位置と間の範囲におけるストライプ幅の減少率を表す（Ｗf1−Ｗ1 ）／２Ｌ1 の値は、これよりも後端面に近い、第１の前端面から距離Ｌ1 の位置と、第１の前端面からＬ1 ＋Ｌ2 の位置との間の範囲におけるストライプ幅の減少率を表す（Ｗ1 −Ｗ2 ）／２Ｌ2 の値に比べて小さいことが望ましい。
また、同様に、第２の発光部のストライプ構造について、第２の前端面と、第２の前端面から距離Ｌ3 の位置との間の範囲におけるストライプ幅の減少率を表す（Ｗf2−Ｗ3 ）／２Ｌ3 の値は、これよりも後端面に近い、第２の前端面から距離Ｌ3 の位置と、第２の前端面からＬ3 ＋Ｌ4 の位置との間の範囲におけるストライプ幅の減少率を表す（Ｗ3 −Ｗ4 ）／２Ｌ4 の値に比べて小さいことが望ましい。
このようにすると、第１の発光部及び第２の発光部において、それぞれ、直列抵抗を下げて動作電流を低減できると共に、発光効率を高めることができる。これは、次の理由による。
まず、共振器の前端面における光の反射率を後端面における光の反射率よりも低くする構成をとるとき、共振器内部の光密度は前端面に近いほど高くなる。このため、ストライプの幅を前端面側において広くすることにより、電流の注入量を高めることが望ましい。これにより、電流−光出力特性におけるスロープ効率が向上し、優れた温度特性を得ることができる。但し、ストライプの幅を変化させると、側壁における導波光の散乱損失が高くなるため、光密度が高い、前端面に近い側の領域における幅の変化は小さい方が良い。
また、ストライプの幅方向の中央付近では、誘導放出が強いためにキャリア密度が低下し、分布にくぼみが生じるという現象がある。これは、ストライプの幅が広いほど顕著に生じると共に、キンクを発生させる原因となる。
また、ストライプの幅を広くすると、素子の直列抵抗が小さくなるため、動作電圧を低減することができる。
以上から、ストライプの幅は、前端面側から後端面側に向かって狭くなるように変化する部分を有することが好ましく、これと共に、幅の変化の程度は後端面に近い側において前端面に近い側よりも大きくなっていることが好ましい。
尚、第１の発光部の発振波長は、第２の発光部の発振波長よりも長く、Ｌ1 ＞Ｌ3 の関係が成立することが好ましい。
このようにすると、第１の発光部及び第２の発光部が異なる発振波長を有する場合に、それぞれの発光部について発光効率を高めると共に電流−光出力特性におけるキンクの発生を抑制することができる。
また、第１の前端面及び第２の前端面の反射率をＲｆとすると共に、各ストライプ構造の後端面の反射率をＲｒとすると、Ｒｆ＜Ｒｒの関係が成立することが好ましい。
このようにすると、第１の発光部及び第２の発光部のいずれにおいても発光効率を高めると共に高いＣＯＤレベルを実現することができる。
また、第１クラッド層及び前記第２クラッド層は、いずれもＡｌＧａＩｎＰ系材料からなることが好ましい。
このようにすると、第１の発光部及び第２の発光部について、ストライプを構成するためのリッジの形成を同時に行なうことが可能となるため、製造工程の簡素化及び製造コストの低減を図ることができる。
また、第１の発光部における活性層は、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系又はＩｎＧａＡｓＰ系の材料からなり、第２の発光部における活性層は、ＩｎＧａＰ系又はＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなることが好ましい。
これにより、赤外域において発光する第１の発光部と、赤色域において発光する第２の発光部とを備える半導体レーザ装置を得ることができる。
また、第１の発光部及び第２の発光部の少なくとも一方における活性層は、量子井戸活性層であることが好ましい。
このようにすると、発振しきい電流値が小さく、発光効率の高い半導体レーザ装置を得ることができる。
また、第１の発光部及び第２の発光部におけるストライプ構造の少なくとも一方の端面部において、活性層が不純物の導入により無秩序化されていることが好ましい。
このようにすると、無秩序化によってバンドギャップエネルギーが大きくなった領域は発振されるレーザ光に対して透明となるため、高いＣＯＤレベルを有する半導体レーザ装置を得ることができる。
また、第１の発光部及び第２の発光部のそれぞれのストライプ構造は、メサ状のリッジからなり、各リッジの側壁には、同一の材料からなる層が形成されていることが好ましい。
この構成により、例えば電流ブロック層となる同一材料の層を第１の発光部及び第２の発光部に同時に形成することが可能となり、製造工程の簡素化及び製造コストの低減を実現することができる。
また、同一の材料は、ＡｌＩｎＰ系又はＡｌＧａＩｎＰ系材料であることが好ましい。このようにすると、形成される電流ブロック層は、レーザ発振光に対して透明となる。このため、少なくとも２つの発光部を有すると共に、導波路損失が低減され、発振しきい電流値が小さく、発光効率が高く且つ非点隔差の小さい、実屈折率導波型の半導体レーザ装置を得ることができる。
また、同一の材料は、誘電体材料であることが好ましい。このようにすることによっても、実屈折率導波機構を実現することができ、半導体レーザ装置の動作電流値及び発振しきい電流値の低減を行なうことができる。
また、誘電体材料は、アモルファスＳｉ、ＳｉＮ、ＳｉＯ2 、ＴｉＯ2 及びＡｌ2 Ｏ3 のうちの少なくとも１つを含むことが好ましい。また、これらの層のうち幾つかが積層された構造を含んでいても良い。誘電体材料の具体例として、このような材料を用いることができ、更に、同一の材料からなる層がレーザ発振光に対して透明になるため好ましい。
また、第１の発光部におけるストライプ構造の幅が最小値となる位置から第１の前端面までの距離をＬ5 とし、第２の発光部におけるストライプ構造の幅が最小値となる位置から第２の前端面までの距離をＬ6 とし、第１の前端面及び第２の前端面の反射率をＲｆとすると共に、各ストライプ構造の後端面の反射率をＲｒとすると、Ｒｆ＜Ｒｒであり、Ｌ5 及びＬ6 は、いずれも、Ｌ×ｌｎ（Ｒｆ）／ｌｎ（Ｒｆ×Ｒｒ）で表される距離との差が２００μｍ以下であることが好ましい（尚、ｌｎは自然対数のことである）。
一般的に、前端面及び後端面の反射率を順にＲｆ及びＲｒ、共振器長をＬとすると、共振器方向に対して最も光密度が小さくなる点は、前端面よりＬ×ｌｎ（Ｒｆ）／ｌｎ（Ｒｆ×Ｒｒ）の距離の点である。そこで、この光分布強度に応じて共振器方向のリッジの幅も変化させ、光密度が小さくなるのに合わせてリッジの幅も狭くなるように設定する。これにより、高出力動作時でも利得飽和が生じにくく、温度特性に優れた、高効率のレーザを得ることができる。特に、前端面からリッジ幅がもっとも狭くなる部分までの距離と、前端面よりＬ×ｌｎ（Ｒｆ）／ｌｎ（Ｒｆ×Ｒｒ）の距離との差が２００μｍ以下とすれば、電流の利用効率をより高くすることができる。
また、第１の発光部の発振波長は、第２の発光部の発振波長よりも長く、Ｗf1＞Ｗf2の関係が成立することが好ましい。
このようにすると、キンクレベル（電流−光出力特性におけるキンクが発生する電流値）が高く、低動作電流であり且つ低動作電圧でもある半導体レーザ装置を得ることができる。
また、活性層は、不純物の導入により無秩序化された窓領域を有し、窓領域には電流が注入されないことが好ましい。
このようにすると、窓領域におけるレーザ発振に寄与しない非発光再結合を低減することが可能となり、窓領域における素子の発熱を抑制することができる。この結果、ＣＯＤレベルの低下を防止することができる。
以上のように、本発明によると、同一基板上に集積化された赤色及び赤外等の複数の発光部を有する半導体レーザにおいて、リッジストライプ形状を、共振器長方向に対し、光密度が高い前端面部では後端面に向かって一定又は徐々に狭めるようにすると共に、その後、より急峻に狭めるようにする。更に、前端面部のストライプ幅が一定または徐々に狭まる領域の長さを、赤外発光部の方が、赤色発光部よりも、長くなるようにすることにより、赤色及び赤外発光部共に高いキンクレベル、低動作電流及び低動作電圧を有する半導体レーザ装置を得ることができる。
以下、本発明の一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を行う。
図１（ａ）は、本実施形態に係る半導体レーザ装置１の断面構造を示す模式図である。
半導体レーザ装置１において、（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Ａと赤外レーザＢとが集積化されている。まず、赤色レーザＡの構造から説明する。
赤色レーザＡ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型の中間層１６（膜厚５０ｎｍ）、ｐ型ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１７（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にはメサ状のリッジ部１４ａが設けられ、ｐ型の中間層１６及びｐ型コンタクト層１７についてはリッジ部１４ａ上に形成されている。更に、リッジ部１４ａの側壁及びｐ型クラッド層１４のリッジ部１４ａ以外の部分上を覆うように、ｎ型ＡｌＩｎＰからなる電流ブロック層１５（膜厚０．７μm）が形成されている。尚、リッジ部１４ａの幅をＷａと記している。
このとき、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をｄｐ（０．２μｍ）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、Ｇａ0.48Ｉｎ0.52Ｐ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（Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐ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層を上下から挟む（Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる第一ガイド層１３ｇ１及び（Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる第二ガイド層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１７から注入された電流は、電流ブロック層１５によりメサ状のリッジ部１４ａの部分のみに狭窄され、リッジ部１４ａ下方に位置するストライプ部分の活性層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は、電流ブロック層１５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から光閉じ込めが行なわれる。
また、電流ブロック層１５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。また、導波路を伝播する光の分布は電流ブロック層１５に大きくしみ出すことができるため、高出力動作に適した屈折率差である１０-3オーダーのΔｎを容易に得ることができる。更に、Δｎについて、ｄｐの大きさを制御することによって同じく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Ａ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Ｂは、活性層の構造を除いて赤色レーザＡ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Ｂは、赤色レーザＡ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からなる中間層２６（膜厚５０ｎｍ）、ｐ型ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層２７（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についてもメサ状のリッジ部２４ａが設けられ、ｐ型の中間層２６及びｐ型コンタクト層２７についてはリッジ部２４ａ上に形成されている。更に、リッジ部２４ａの側壁及びｐ型クラッド層２４のリッジ部２４ａ以外の部分上を覆うように、ｎ型ＡｌＩｎＰからなる電流ブロック層２５（膜厚０．７μm）が形成されている。尚、リッジ部２４ａの幅をＷｂとして記している。
このとき、ｐ型クラッド層２４は、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に達に達するまでの距離をｄｐ（０．２４μｍ）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、ＧａＡｓからなる３層のウェル層２３ｗ１、２３ｗ２及び２３ｗ３と、その間に各々挟まれＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ）からなる２層のバリア層２３ｂ１及び２３ｂ２と、これらの計５層を上下から挟むＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ第一ガイド層２３ｇ１及びＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ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Ａの場合と同様、ｐ型コンタクト層２７から注入された電流は、ｎ型の電流ブロック層２５によりメサ状のリッジ部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Ａ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、電流ブロック層２５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、電流ブロック層２５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Ａと同様に、導波路を伝播する光分布が電流ブロック層２５にしみ出すことができることから、高出力動作に適した１０-3オーダーのΔｎを容易に得ることと、同じ１０-3のオーダーをもって精密に制御することがｄｐ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Ｂ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、共振器長を１７５０μｍとしている。
また、赤色レーザＡ及び赤外レーザＢ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Ｂ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、半導体レーザ装置１の平面構成について、図２を参照して説明する。図２は、半導体レーザ装置１をリッジ部１４ａの側から見た際の赤色レーザＡにおけるメサ状のリッジ部１４ａ及び赤外レーザＢにおけるメサ状のリッジ部２４ａの形状を示しており、また、ｐ型クラッド層１４及び２４の形状を示している。ここで、Ｃとして示す側が光の出射する前端面、その反対側のＤとして示す側が後端面である。
図２に示されているように、リッジ部１４ａ及びリッジ部２４ａは、いずれも、前端面Ｃの側から後端面Ｄの側に向かって徐々に幅が狭くなる部分を有するストライプ形状となっている。尚、ここに言うリッジ幅とは、図１（ａ）においてＷａ及びＷｂとして示すような、リッジ部１４ａ及びリッジ部２４ａの下端部における幅のことである。
より具体的に、赤外レーザＢのリッジ部２４ａについて、まず、前端面Ｃにおけるリッジ幅は例えば３．８μｍである。また、前端面Ｃを基準として、後端面Ｄに向かって距離Ｌ1 までの範囲においてリッジ部２４ａの幅は一定（３．８μｍ）である。更に、距離Ｌ1 の位置から後端面Ｄに向かってリッジ幅は徐々に狭くなり、前端面Ｃを基準として距離Ｌ1 ＋Ｌ2 の位置において、リッジ幅は２．１μｍとなっている。この後、距離Ｌ1 ＋Ｌ2 の位置から後端面Ｄまでの範囲（リア直線部Ｒ）では、リッジ幅は再び一定となっている。
同様に、赤色レーザＡのリッジ部１４ａについて、まず、前端面Ｃにおけるリッジ幅は例えば３．５μｍである。また、前端面Ｃを基準として、後端面Ｄに向かって距離Ｌ3 までの範囲においてリッジ部２４ａの幅は一定（３．５μｍ）である。更に、距離Ｌ3 の位置から後端面Ｄに向かってリッジ幅は徐々に狭くなり、前端面Ｃを基準として距離Ｌ3 ＋Ｌ4 の位置において、リッジ幅は２．１μｍとなっている。この後、距離Ｌ3 ＋Ｌ4 の位置から後端面Ｄまでの範囲（リア直線部Ｒ）では、リッジ幅は再び一定となっている。
尚、Ｌ1 の長さは、Ｌ3 の長さに比べて長くなるように設定している。このようにする理由を含め、リッジ幅及びリッジ形状について、図３を用いて更に説明する。
図３には、リッジ部１４ａ及び２４ａと同様のリッジ部６０の形状を示している。ここで、リッジ部６０は、やはり、前端面Ｃの側から後端面Ｄの側に向かって徐々に幅が狭くなる形状となっている。
より詳しく見ると、前端面Ｃにおいてリッジ部６０の幅はＷｆである。また、後端面Ｄに向かって幅は徐々に狭くなり、前端面Ｃを基準として距離Ｌｆの位置において、リッジ幅はＷｍとなる。ここから後端面Ｄに向かって、これまでよりも大きな変化率をもってリッジ幅は狭くなり、後端面Ｄにおいて幅Ｗｒとなる。尚、前端面ＣからＬｆの位置と、後端面Ｄとの距離をＬｂとする。
一般に、高出力レーザにおいて、前端面Ｃ側の反射率（Ｒｆ）は１０％以下の低反射率となり且つ後端面Ｄ側の反射率（Ｒｒ）は７５％以上の高反射率となるように誘電体膜によるコーティングを行なう。これにより、前端面Ｃ側における光取り出し効率が向上し且つ前端面Ｃ付近における光密度が低減するため、レーザの端面が溶融破壊（ＣＯＤ）を起こす光出力レベルを向上させることができる。
このとき、導波路内における共振器方向の光密度は、前端面Ｃに近い側において後端面Ｄに近い側よりも高くなる。このため、レーザ発振のために消費される活性層のキャリアは、前端面Ｃに近い領域ほど多く必要となる。このことから、共振器内における光密度が相対的に高い前端面Ｃ側により多くの電流を注入すると、電流−光出力特性におけるスロープ効率を向上させることができ、結果として温度特性に優れた素子を得ることができる。このような電流の注入方法は、例えば図３に示すリッジ部６０のように、前端面Ｃの側から後端面Ｄの側に向かって徐々に幅が狭くなる形状のリッジ部を用いることにより実現できる。
尚、リッジ幅が変化する場合、リッジ側壁における導波光の散乱損失が大きくなり、効率が低下する原因となる。これは、光密度が高い場合に顕著に発生する現象であるから、リッジ幅の変化による導波路損失増大を抑制するためには、光密度の高い前端面Ｃに近い側ではリッジ幅の変化率を小さくする方が良い。このため、前端面Ｃから距離Ｌｆの範囲においては、距離Ｌｆの位置から後端面Ｄまでの範囲に比べて、リッジ幅が狭くなる変化率を小さくしている。更には、前端面Ｃに近い領域においてはリッジ幅を一定にしても良く、そのようにしている例が図２に示すリッジ部１４ａ及びリッジ部２４ａの場合である。
次に、赤色レーザＡと赤外レーザＢとの相違について検討する。活性層のバンドギャップエネルギーとクラッド層のバンドギャップエネルギーとの差を考えると、このような差は、赤外レーザＢの方が赤色レーザＡよりも大きい。このため、熱的に励起されたキャリアのオーバーフローは赤外レーザＢの方が赤色レーザＡよりも少ない。
また、赤外レーザＢにおける活性層２３の材料であるＡｌＧａＡｓ系材料の方が、赤色レーザＡにおける活性層１３の材料であるＧａＡｌＩｎＰ系材料よりも、同じ注入キャリア密度に対する利得が大きい。
このため、高温で且つ高出力の動作時、動作キャリア密度は赤外レーザＢの方が赤色レーザＡに比べて低くなる。
次に、活性層における動作キャリア密度の水平方向に関する分布を考える。リッジ部の幅方向の光分布強度は中心部において最も高く、中心部において強い誘導放出が生じる。このため、ストライプ中心部付近においてキャリア濃度が相対的に低下し、図４に示すように、くぼみを有する分布となる。この現象は、キャリアの空間的ホールバーニングと呼ばれている。
このようなキャリア濃度のくぼみの大きさを、図４のようにΔＮｃと表すことにする。このΔＮｃが大きいほど、活性層における水平方向の利得分布は、リッジ部中央付近において低く且つリッジ端部の下方において高い分布となる。このような分布となっている場合、リッジ部のわずかな左右（幅方向）非対称の為に光分布が左右に移動し、キンクが生じることになる。このような現象を抑制するためには、動作キャリア密度は低い方が良い。従って、同じリッジ幅であれば、より温度特性に優れる赤外レーザＢの方が、赤色レーザＡよりも動作キャリア密度が低いため、キンクは発生しにくい。
また、リッジの幅が広いほど、光分布がリッジ内部に閉じ込められやすくなり、ΔＮｃが大きくなる。このため、リッジ幅を大きくすると、キャリアの空間的ホールバーニングに起因してキンクレベルは低下してしまう。
この一方、リッジ幅は素子の直列抵抗に影響する。つまり、リッジ幅が広いと電流注入領域も広くなるため、素子の直列抵抗が小さくなると共に、動作電圧も低くなる。このことは消費電力の低減につながり、ひいては発熱量が低下するため、素子の温度特性の向上に貢献する。更に、レーザの駆動電圧が低減でき、このことは回路設計上、有利である。
以上から、リッジ幅は、キンクレベルの低下が発生しない範囲において、できるだけ広くする設計が良い。
リッジ形状についての以上の説明を整理すると、次のようなことが言える。（１）電流−光出力特性上、スロープ効率を向上させるためには、前端面側から後端面側に向かってリッジ幅を徐々に狭くするのが良い。（２）動作電圧を低減するためには、リッジ幅は広い方が良い。（３）キンク発生を抑制するためには、リッジ幅は狭い方が良い。更に、光密度の高い前端部に近い範囲においては、リッジ幅の変化は小さい方が良い。
このようなことから、動作電流値と動作電圧とが共に低く、キンクレベルが高いレーザ装置とするためには、図３に示すような形状のリッジを用いるのがよい。つまり、前端面Ｃから後端面Ｄに向かって幅が狭くなる部分を有すると共に、幅の狭くなる程度に変化があり、後端面Ｄに近い側において前端面Ｃに近い側に比べて変化が大きくなっている。
この関係は、次のように式に表すことができる。つまり、前端面Ｃにおけるストライプ幅をＷｆ、前端面Ｃから後端面Ｄに向かって距離Ｌｆの位置におけるストライプ幅をＷｍ、前端面Ｃから後端面Ｄに向かって距離Ｌｆ＋Ｌｂの位置におけるストライプ幅をＷｒとするとき、Ｗｆ≧Ｗｍ、Ｗｍ＞Ｗｒ及び（Ｗｆ―Ｗｍ）／（２Ｌｆ）＜（Ｗｍ―Ｗｒ）／（２Ｌｂ）の関係がいずれも成立するようにすればよい。（Ｗｆ―Ｗｍ）／（２Ｌｆ）は前端面Ｃに近い側の部分におけるリッジ幅の変化の程度を示し、（Ｗｍ―Ｗｒ）／（２Ｌｂ）は後端面Ｄに近い側の部分におけるリッジ幅の変化の程度を示している。尚、前端面Ｃに近い側の部分については、リッジ幅が一定であっても良い。
但し、素子をへき開によって分離する場合、へき開位置のズレによるリッジ幅の変動を抑えるために、端面近傍において１０μｍ程度以上の長さに亘ってリッジ幅が一定となる領域を形成しても良い。図２に示す本実施形態の例の場合、後端面Ｄ近傍において、リッジ幅が一定であるリア直線部Ｒを後端面Ｄから前端面Ｃに向かって２０μｍまでの範囲に設けている。
また、温度特性の違いから、赤外レーザＢにおける前端面のリッジ幅をＷf1、赤色レーザＡにおける前端面のリッジ幅をＷf2とするとき、Ｗf1≧Ｗf2と設定することにより、キンクレベルが高く、低動作電流であり且つ低電圧駆動が可能な半導体レーザ装置１を得ることができる。
本実施形態の半導体レーザ装置１の場合、具体的な寸法として、赤外レーザＢの前端面のリッジ幅Ｗf1は３．８μｍであり、赤色レーザＡにおける前端面のリッジ幅Ｗf2が３．５μｍであるのに対して０．３μｍ広く設定している。これにより、高出力動作時における動作電圧の増大を抑制している。
更に、赤外レーザＢにおいて、前端面Ｃから距離Ｌ1 の位置におけるリッジ幅をＷ1 、距離Ｌ1 ＋Ｌ2 の位置におけるリッジ幅をＷ2 とすると、先程の３つの関係は、Ｗf1≧Ｗ1 、Ｗ1 ＞Ｗ2 及び（Ｗf1−Ｗ1 ）／２Ｌ1 ＜（Ｗ1 −Ｗ2 ）／２Ｌ2 と表される。
同様に、赤色レーザＡにおいて、前端面Ｃから距離Ｌ3 の位置におけるリッジ幅をＷ3 、距離Ｌ3 ＋Ｌ4 の位置におけるリッジ幅をＷ4 とすると、先程の３つの関係は、Ｗf2≧Ｗ3 、Ｗ3 ＞Ｗ4 及び（Ｗf2−Ｗ3 ）／２Ｌ3 ＜（Ｗ3 −Ｗ4 ）／２Ｌ4 と表される。
以下、具体的な寸法を例示して更に説明する。
赤色レーザＡについて、Ｗf2を３．５μｍ、Ｗ3 を３．５μｍ且つＷ4 を２．１μｍとする。また、赤外レーザＢについて、Ｗf1を３．８μｍ、Ｗ1 を３．８μｍ且つＷ2 を２．１μｍとする。このような場合に、リッジ幅が等しい直線部分の長さ、つまり、前端面Ｃから距離Ｌ1 又は距離Ｌ3 の長さを０μｍから１０００μｍまで変化させて、各種の測定を行なった結果を以下に示す。
具体的には、赤色レーザＡ及び赤外レーザＢについて、それぞれ順に、動作電流値を図５（ａ）及び（ｂ）に、動作電圧を図６（ａ）及び（ｂ）に、キンクレベルを図７（ａ）及び（ｂ）に示す。尚、いずれも、８０℃、５０ｎｓ及びパルスデューティ比４０％の測定条件である。
まず、赤色レーザＡについて説明する。図５（ａ）及び図６（ａ）に示すように、前端面Ｃ側のリッジ部１４ａの幅が一定である直線部の長さであるＬ3 を長くすると、Ｌ3 が６００μｍまでの範囲では、動作電圧が低減すると共に動作電流値も減少している。しかし、Ｌ3 が６００μｍ以上となると、動作電流値及び動作電圧が共に増大している。これは、Ｌ３ が大きくなりすぎると、後端面Ｄ側の部分である距離Ｌ3 の位置から距離Ｌ3 ＋Ｌ4 の部分におけるリッジ幅の変化量が大きくなり、導波路損失が大きくなることが理由と考えられる。
このように、赤色レーザＡの場合、前端面Ｃ側のリッジ部１４ａの幅が一定である部分の長さは、６００μｍ以下とすることが求められる。つまり、本実施形態では共振器の長さを１７５０μｍとしているから、これに対して３４％以下となるように設定する。
また、図７（ａ）に示すように、Ｌ3 を長くすることにより、Ｌ3 が６００μｍまでの範囲ではキンクレベルの向上が見られる。しかし、Ｌ3 が６００μｍを超えると、キンクレベルは低下する。これは、Ｌ3 が６００μｍ以下と短い場合には、Ｌ3 の増加と共に動作電圧及び動作電流値の低下により動作キャリア密度が低減し、キャリア分布の空間的ホールバーニングが小さくなるためと考えられる。Ｌ3 を更に長くすると、動作電流値の増大に伴ってキンクレベルは低下していく。
以上から、本実施形態における赤色レーザＡについては、最もキンクレベルが高く且つ動作電圧及び動作電流値が低い６００μｍをＬ3 の値としている。
次に、同様に、赤外レーザＢについて説明する。前端面Ｃ側のリッジ部２４ａの幅が一定である領域の長さＬ1 を長くするにつれて、図６（ｂ）に示すように動作電圧は低減する。しかし、図５（ｂ）のように、動作電流値は、Ｌ1 が６００μｍ付近である場合を最小値としながら変化は小さく、ほぼ一定である。これは、赤外レーザＢの場合、赤色レーザＡに比べて漏れ電流が少なく、温度特性が良好であることによる。つまり、動作電圧が増大したとしても、それに伴う素子の発熱の増大を原因とする活性層からのキャリアのオーバーフローは生じにくいためである。
図７（ｂ）に示すように、赤外レーザＢのキンクレベルは、Ｌ1 が８００μｍ程度までの範囲において５００ｍＷ以上であった。Ｌ1 を更に長くするとキンクレベルは低下し、Ｌ１ が８００μｍとなるあたりでキンクレベルは４５０ｍＷ程度となっている。
このように、赤外レーザＢは、赤色レーザＡに比べてキンクレベルが高い。この理由は、赤外レーザＢの温度特性が赤色レーザＡに比べて優れ、動作キャリア密度が低いためにキャリア分布の空間的ホールバーニングが小さいからであると考えられる。
以上から、本実施形態における赤外レーザＢについては、５００ｍＷ以上のキンクレベルが得られ且つ低動作電圧特性が得られる８００μｍをＬ1 の値としている。つまり、赤外レーザＢの場合、Ｌ1 の長さは共振器全体の長さ（１７５０μｍ）に対して４６％以下となるように設定するのがよい。このように、Ｌ1 及びＬ3 をそれぞれ望ましい値に設定すると、Ｌ1 ＞Ｌ3 となる。
尚、図８（ａ）及び（ｂ）に、順に赤色レーザＡ及び赤外レーザＢについて、電流−光出力特性を示す。尚、ここでも８０℃、５０ｎｓ及びパルスデューティ比４０％の測定条件である。
赤色レーザＡについて、光出力４００ｍＷまでキンクは生じていない。また、赤外レーザＢについて、電流−光出力特性の線形性が極めて良好であり、キンクレベルは５００ｍＷ以上であることが示されている。
また、高出力レーザにおいては、前面側の反射率が低く、後面側の反射率が高くなるように端面に誘電体膜のコーティングを行い、発光効率を高めると共に高いＣＯＤレベルを実現する。このためには、共振器方向の光分布強度は、共振器内部で前後非対称となり、前端面側が後端面側に比べて高くなる。この結果、光密度の高い前端面部では、光密度の低い後端面部に比べてより多くの誘導放出が生じる。より多くの誘導放出光を生じさせるためには、より多数の電子−正孔対が活性層に必要となる。従って、前端面部の活性層では、後端面部の活性層中に比べてより多数の電子−正孔対が必要となる。
リッジ幅が共振器方向に対して一定の場合、共振器方向に対して電流は均一に注入される。この結果、高出力状態における低反射率コートされた前端面部の活性層では、光出力がある値以上になると電子−正孔対の供給が追いつかなくなり、利得が飽和することになる。
一般的に、前端面及び後端面の反射率を順にＲｆ及びＲｒ、共振器長をＬとすると、共振器方向に対して最も光密度が小さくなる点は、前端面よりＬ×ｌｎ（Ｒｆ）／ｌｎ（Ｒｆ×Ｒｒ）の距離の点である。そこで、この光分布強度に応じて共振器方向のリッジの幅も変化させ、光密度が小さくなるのに合わせてリッジの幅も狭くなるように設定する。具体的には、最もリッジ幅の狭くなる位置と、前端面よりＬ×ｌｎ（Ｒｆ）／ｌｎ（Ｒｆ×Ｒｒ）の距離との差が２００μｍ以下となるようにすると良い。
このように、リッジ幅を共振器方向に対して変化させ、より多くの電子−正孔対を必要とする部分のリッジ幅を広くし、より多くの電流が注入され易い構造とすると、高出力動作時でも利得飽和が生じにくく、温度特性に優れた、高効率のレーザを得ることができる。特に、前端面からリッジ幅がもっとも狭くなる部分までの距離と、前端面よりＬ×ｌｎ（Ｒｆ）／ｌｎ（Ｒｆ×Ｒｒ）の距離との差が２００μｍ以下とすれば、電流の利用効率をより高くすることができる。
次に、本実施形態に係る半導体レーザ装置１と同様の半導体レーザ装置の製造方法について、図面を参照して説明する。図９（ａ）〜（ｃ）、図１０（ａ）〜（ｃ）及び図１１（ａ）、（ｂ）は、半導体レーザ装置の製造方法を説明するための図である。
まず、図９（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０の上に、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からなる中間層１６（膜厚５０ｎｍ）、ｐ型ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１７（膜厚０．４μｍ）及びＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｐ型境界層１８（０．０５ｎｍ）を下からこの順に積層する。このためには、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metalorganic Chemical Vapor Deposition）法又はＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法を用いて、それぞれ結晶成長を行なえばよい。また、ここでは、（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を用いている。
尚、活性層１３は、より詳しくは、図１（ｂ）に示したような積層構造を有している。これについても、下から順に、第二ガイド層１３ｇ２、ウェル層１３ｗ３、バリア層１３ｂ２、ウェル層１３ｗ２、バリア層１３ｂ１、ウェル層１３ｗ１及び第一ガイド層１３ｇ１を形成すれば良い。また、本実施形態では歪量子井戸構造を有する活性層を用いているが、無歪の量子井戸層を用いても良いし、バルクの活性層であっても良い。また、活性層の導電型について、ｐ型及びｎ型のどちらでも良いし、アンドープであっても構わない。
次に、図９（ａ）の積層体に対し、ｐ型境界層１８上にフォトリソグラフィを用いてレジストパターン１９を形成した後、これをマスクとするエッチングを行なう。これにより、図９（ｂ）に示すように、レジストパターン１９の無い部分について、先の工程で積層したｎ型バッファ層１１からｐ型境界層１８までの積層膜を除去する。この際、エッチング液としては、硫酸系又は塩酸系のものを用いることができる。
この後、レジストパターン１９を除去した後、図９（ｃ）に示すように、再びＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法等を用いて、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からなる中間層２６（膜厚５０ｎｍ）、ｐ型ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層２７（膜厚０．４μｍ）を積層する。
活性層２３については、図１（ｃ）に示すような積層構造を有している。やはり、下から順に、第二ガイド層２３ｇ２、ウェル層２３ｗ３、バリア層２３ｂ２、ウェル層２３ｗ２、バリア層２３ｂ１、ウェル層２３ｗ１及び第一ガイド層２３ｇ１を形成すれば良い。
次に、図１０（ａ）に示すように、フォトリソグラフィによりレジストパターン２９を形成し、これをマスクとするエッチングにより、マスクの形成されていない部分についてｎ型バッファ層２１からｐ型コンタクト層２７までの積層構造を除去する。この後、レジストパターン２９を除去する。
次に、図１０（ｂ）に示すように、ｐ型コンタクト層１７及び２７の上に、熱ＣＶＤ法（３７０℃）等を用いて厚さ０．３μｍのＺｎ膜を堆積し、更に、フォトリソグラフィ及びエッチングによりＺｎ拡散源３０としてパターニングする。また、Ｚｎ拡散源３０とｐ型コンタクト層１７及び２７を覆うように、熱さ０．３μｍのＳｉＯ2 膜３０ａを堆積する。
この後、Ｚｎ拡散源３０からＺｎを熱拡散させることにより、Ｚｎ拡散領域３２を形成する。このとき、ＳｉＯ2 層により表面を覆っているため、Ｚｎ拡散の工程中に、ｐ型コンタクト層１７及び２７の表面における結晶性の低下と、Ｚｎ拡散源３０の熱による分解は抑制される。この結果、窓領域における導波路の結晶性低下を招くことなく、安定して窓領域を形成することができる。
拡散の後、Ｚｎ拡散源３０及びＳｉＯ2 層３０ａは除去する。尚、Ｚｎ拡散領域３２は、活性層１３及び活性層２３において窓領域となる領域である。Ｚｎ拡散源３０についても、これらに対応するように配置される。窓領域は、例えば、共振器端面部に形成される。
次に、図１０（ｃ）に示すように、熱ＣＶＤ法（３７０℃）を用いて、ｐ型コンタクト層１７及び２７上に厚さ０．３μｍの酸化シリコン膜を堆積させた後、更にフォトリソグラフィ及びエッチングによりパターニングして、ストライプマスク３１を形成する。
続いて、該ストライプマスク３１をマスクとして用いるエッチングにより、ｐ型コンタクト層１７及び２７、ｐ型の中間層１６及び２６、ｐ型クラッド層１４及び２４を順次選択的にエッチングし、ヘテロ構造の積層体にメサ状のリッジ部１４ａ及び２４ａを形成する。このとき、ｐ型クラッド層１４及び２４については、リッジ部１４ａ及び２４ａ以外にもエッチング前より薄い膜として残すようにする。この後、窓領域に対応する部分のストライプマスク３１を選択的に除去し、その他の部分のストライプマスク３１は残しておく。
次に、ＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法等により、ｎ型ＡｌＩｎＰからなる電流ブロック層１５及び２５を形成する。このとき、窓領域に対応する部分においては、図１１（ａ）に示すように、リッジ部１４ａ及び２４ａの側壁及びｐ型クラッド層１４及び２４の残存している部分等を覆うように、電流ブロック層１５及び２５を形成する。この結果、窓領域におけるリッジは電流ブロック層で覆われるため、リッジ上部より窓領域への電流注入を防止することができる。これは、窓領域に電流が注入されるとレーザ発振に寄与しない非発光再結合による発熱を増大させ、ＣＯＤレベルの低下につながることから、窓領域への電流注入を防止するために行なう。
また、窓領域が形成されていない部分においては、図１１（ｂ）に示すように、リッジ部１４ａ及び２４ａの側壁とｐ型クラッド層１４及び２４上とにのみ選択的にｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層１５及び２５の結晶成長が行われる。これは、リッジ部１４ａ及び２４ａのリッジ上面に形成されている酸化シリコンからなるストライプマスク３１により、この部分における結晶成長が抑制されるためである。
この後、図１１（ｃ）に示すように、フッ酸系エッチング液を用いるエッチングにより、ストライプマスク３１を除去する。この時、リッジ上端部に電流ブロック層の開口ができるため、リッジ上部より電流を注入することが可能となる。
尚、ｎ型の電流ブロック層１５及び２５を誘電体層からなるものとする場合には、図１０（ｃ）のようにリッジ部１４ａ及び２４ａを形成した後、電流ブロック層１５及び２５を形成することなくストライプマスク３１を除去する。この後、全面に誘電体層を形成し、フォトリソグラフィにより、窓領域でない部分のリッジ部１４ａ及び２４ａ上のｐ型コンタクト層１７及び２７上方のみを開口するようにレジストをパターニングする。更に、該レジストをマスクとして利用し、フッ酸系の薬液によりエッチングして、ｐ型コンタクト層１７及び２７上の誘電体層を除去する。この時、窓領域のリッジ部の上端部には誘電体層が形成され、窓領域でない部分のリッジ上端部には誘電体層が形成されない。この結果、リッジ上端部からの電流注入は窓領域には行われず、窓領域は電流非注入領域となる。
また、電流ブロック層２５及び１５を形成する前に、ストライプパターン３１をマスクとして、窓領域のｐ型ＧａＡｓコンタクト層２７及び１７を選択的に除去してもよい。この場合、Ｚｎ拡散工程により表面の結晶性が低下した窓領域のｐ型ＧａＡｓコンタクト層２７及び１７が除去されるため、窓領域でのリッジ上の電流ブロック層とｐ型ＧａＡｓコンタクト層界面を流れる界面リーク電流の発生を防止することが可能となり、ＣＯＤレベルの低下の防止をより安定して行なうことが可能となる。
尚、誘電体膜としては、クラッド層との屈折率差を得るため、ＳｉＮ、ＳｉＯ2 、ＴｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 及び水素化アモルファスＳｉの少なくとも１つを含むことが好ましい。これらの材料からなる膜の積層体であっても良い。
以上のようにして、本実施形態の半導体レーザ装置が製造される。但し、以上に説明した材料、形状及び寸法等は、いずれも例示するものであり、これらに限定されることはない。
また、窓構造を形成するにあたり、赤色レーザＡ及び赤外レーザＢ共に、同じ熱履歴をもって形成している。そのため、窓領域におけるクラッド層中のＺｎ拡散量は、赤色レーザＡ及び赤外レーザＢ共に同一にすることが可能であり、利得部との屈折率差の再現性が良好になる。これにより、設定した窓領域の長さに対してＦＦＰ波形が乱れないように、それぞれ最適な値を設計する事が可能である。
また、本実施形態では、赤外レーザ部の結晶成長を行った後、赤色レーザ部の結晶成長を行っているが、赤色レーザ部の結晶成長を行った後、赤外レーザ部の結晶成長を行ってもよい。
本発明の半導体レーザ装置は、発振波長が互いに異なり且ついずれも高いキンクレベル、低動作電流及び低動作電圧を有する複数の発光部を備え、例えば赤色レーザと赤外レーザとを備える光学ピックアップ用のレーザ装置としても有用である。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態における半導体レーザ装置１の断面構造を模式的に示す図であり、図１（ｂ）及び（ｃ）は、順に、活性層１３及び２３の積層構造を示す図である。 図２は、本発明の第１の実施形態における半導体レーザ装置１のリッジ形状を模式的に示す図である。 図３は、本発明の第１の実施形態におけるリッジ形状を説明するための図である。 図４は、活性層における動作キャリアの空間的ホールバーニングについて示す図である。 図５（ａ）及び（ｂ）は、順に赤色レーザ及び赤外レーザについて、動作電流値のＬ3 及びＬ1 に対する依存性を示す図である。 図６（ａ）及び（ｂ）は、順に赤色レーザ及び赤外レーザについて、動作電圧のＬ3 及びＬ1 に対する依存性を示す図である。 図７（ａ）及び（ｂ）は、順に赤色レーザ及び赤外レーザについて、キンクレベルのＬ3 及びＬ1 に対する依存性を示す図である。 図８（ａ）及び（ｂ）は、順に赤色レーザ及び赤外レーザについて、レーザの電流‐光出力特性を示す図である。 図９（ａ）〜（ｃ）は、半導体レーザ装置１の製造工程を示す図である。 図１０（ａ）〜（ｃ）は、半導体レーザ装置１の製造工程を示す図である。 図１１（ａ）〜（ｃ）は、半導体レーザ装置１の製造工程を示す図である。 図１２は、従来の半導体レーザ装置の一例を示す図である。
符号の説明
１ 半導体レーザ装置
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、２ バリア層
１３ｇ１ 第一ガイド層
１３ｇ２ 第二ガイド層
１３ｗ１〜３ ウェル層
１４ ｐ型クラッド層
１４ａ リッジ部
１５ 電流ブロック層
１６ 中間層
１７ ｐ型コンタクト層
１８ ｐ型境界層
１９ レジストパターン
２１ ｎ型バッファ層
２２ ｎ型クラッド層
２３ 活性層
２３ｂ１、２ バリア層
２３ｇ１ 第一ガイド層
２３ｇ２ 第二ガイド層
２３ｗ１〜３ ウェル層
２４ ｐ型クラッド層
２４ａ リッジ部
２５ 電流ブロック層
２６ 中間層
２７ ｐ型コンタクト層
２９ レジストパターン
３０ Ｚｎ拡散源
３０ａ ＳｉＯ2 層
３１ ストライプマスク
３２ Ｚｎ拡散領域
６０ リッジ部

Claims (13)

  1. 基板上に、同じ共振器長Ｌを有する第１の発光部及び第２の発光部が設けられ、
    前記第１の発光部及び前記第２の発光部は、それぞれ、第１導電型の第１クラッド層と、前記第１クラッド層上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられた第２導電型の第２クラッド層とを有すると共に、キャリアを注入するためのストライプ構造を備え、
    前記第１の発光部の前記ストライプ構造は、その共振器方向に沿って幅の変化する部分を有し且つ第１の前端面を備え、前記第１の前端面における幅をＷf1、前記第１の前端面から距離Ｌ1 の位置における幅をＷ1 、前記第１の前端面から距離Ｌ1 ＋Ｌ2 （Ｌ1 ＋Ｌ2 ≦Ｌ）の位置における幅をＷ2 とするとき、
    Ｗf1≧Ｗ1 、Ｗ1 ＞Ｗ2 及び（Ｗf1−Ｗ1 ）／２Ｌ1 ＜（Ｗ1 −Ｗ2 ）／２Ｌ2
    の関係が成立し、
    前記第２の発光部の前記ストライプ構造は、その共振器方向に沿って幅の変化する部分を有し且つ第２の前端面を備え、前記第２の前端面における幅をＷf2、前記第２の前端面から距離Ｌ3 （Ｌ1 ≠Ｌ3 ）の位置における幅をＷ3 、前記第２の前端面から距離Ｌ3 ＋Ｌ4 （Ｌ3 ＋Ｌ4 ≦Ｌ）の位置における幅をＷ4 とするとき、
    Ｗf2≧Ｗ3 、Ｗ3 ＞Ｗ4 及び（Ｗf2−Ｗ3 ）／２Ｌ3 ＜（Ｗ3 −Ｗ4 ）／２Ｌ4
    の関係が成立し、
    前記第１の発光部の発振波長は、前記第２の発光部の発振波長よりも長く、
    Ｌ 1 ＞Ｌ 3 の関係が成立する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、
    前記第１の前端面及び前記第２の前端面の反射率をＲｆとすると共に、前記各ストライプ構造の後端面の反射率をＲｒとすると、
    Ｒｆ＜Ｒｒの関係が成立することを特徴とする半導体レーザ装置。
  3. 請求項１又は２において、
    前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層は、いずれもＡｌＧａＩｎＰ系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１つにおいて、
    前記第１の発光部における前記活性層は、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系又はＩｎＧａＡｓＰ系の材料からなり、
    前記第２の発光部における前記活性層は、ＩｎＧａＰ系又は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。
  5. 請求項４において、
    前記第１の発光部及び前記第２の発光部の少なくとも一方における前記活性層は、量子井戸活性層であることを特徴とする半導体レーザ装置。
  6. 請求項５において、
    前記第１の発光部及び前記第２の発光部におけるストライプ構造の少なくとも一方の端面部において、前記活性層が不純物の導入により無秩序化されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
  7. 請求項６において、
    前記第１の発光部及び前記第２の発光部のそれぞれの前記ストライプ構造は、メサ状のリッジからなり、前記各リッジの側壁には、同一の材料からなる層が形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
  8. 請求項７において、
    前記同一の材料は、ＡｌＩｎＰ系又はＡｌＧａＩｎＰ系材料であることを特徴とする半導体レーザ装置。
  9. 請求項７において、
    前記同一の材料は、誘電体材料であることを特徴とする半導体レーザ装置。
  10. 請求項９において、
    前記誘電体材料は、アモルファスＳｉ、ＳｉＮ、ＳｉＯ2 、ＴｉＯ2 及びＡｌ2 Ｏ3 のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする半導体レーザ装置。
  11. 請求項１〜１０のいずれか１つにおいて、
    前記第１の発光部における前記ストライプ構造の幅が最小値となる位置から前記第１の前端面までの距離をＬ5 とし、
    前記第２の発光部における前記ストライプ構造の幅が最小値となる位置から前記第２の前端面までの距離をＬ6 とし、
    前記第１の前端面及び前記第２の前端面の反射率をＲｆとすると共に、前記各ストライプ構造の後端面の反射率をＲｒとすると、
    Ｒｆ＜Ｒｒであり、
    Ｌ5 及びＬ6 は、いずれも、Ｌ×ｌｎ（Ｒｆ）／ｌｎ（Ｒｆ×Ｒｒ）で表される距離との差が２００μｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ装置。
  12. 請求項１〜１１のいずれか１つにおいて、
    前記第１の発光部の発振波長は、前記第２の発光部の発振波長よりも長く、
    Ｗf1＞Ｗf2の関係が成立することを特徴とする半導体レーザ装置。
  13. 請求項１〜１２のいずれか１つにおいて、
    前記活性層は、不純物の導入により無秩序化された窓領域を有し、
    前記窓領域には電流が注入されないことを特徴とする半導体レーザ装置。
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