JP7137556B2 - 半導体レーザ装置、半導体レーザモジュール、溶接用レーザ光源システム、及び、半導体レーザ装置の製造方法 - Google Patents
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- H01S5/34353—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser characterised by the materials of the barrier layers based on (AI)GaAs
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Description
低電圧駆動で高出力(大出力)の半導体レーザ装置が要望されているが、1エミッタ当たり10W以上の高出力の半導体レーザ装置では、投入電流(注入電流)が非常に大きくなる。例えば、投入電流が1エミッタ当たり10A超と大きくなるマルチエミッタレーザにおいては、全投入電流は10A×エミッタ数(N)となり、N=20であれば全投入電流は200Aにもなる。低電圧駆動且つ高出力の半導体レーザ装置を実現するには、電力変換効率を向上させるとよいが、高い電力変換効率を実現するためには、個々の電気特性及び光学特性の改善の積み重ねが重要である。
[半導体レーザ装置の構成]
まず、実施の形態1に係る半導体レーザ装置1の構成について、図1、図2及び図3を用いて説明する。図1は、実施の形態1に係る半導体レーザ装置1の概略構成を示す断面図である。図2は、図1の破線で囲まれる領域IIの拡大図である。図3は、実施の形態1に係る半導体レーザ装置1の詳細な構成を示す断面図である。なお、図2において、誘電体膜106は省略している。
次に、図7A~図7Fを用いて、実施の形態1に係る半導体レーザ装置1の製造方法を説明する。図7A~図7Fは、実施の形態1に係る半導体レーザ装置1の製造方法における各工程を説明するための図である。
次に、半導体レーザ装置1の光特性について、比較例1の半導体レーザ装置1Xと比較して説明する。図8Aは、比較例1の半導体レーザ装置1Xの基板101の主面水平方向(横方向)における作り付けの屈折率分布と光学利得とを示す模式図である。図8Bは、図8AのA-A’線に沿った比較例1の半導体レーザ装置1Xの積層方向(縦方向)における作り付けの屈折率分布と光分布とドーパント濃度分布のプロファイルとを示す模式図である。
以上説明したように、本実施の形態における半導体レーザ装置1では、積層方向の光分布の最大強度を第1導電側半導体層100内(本実施の形態ではn側の第2半導体層120)に位置させるとともに、光分布の大部分を第1導電側半導体層100内(本実施の形態ではn側の第2半導体層120)に存在させて、活性層300が量子井戸構造で且つSQW構造による優位性を示しながら、半導体レーザ装置1で形成される電流ブロック層240の開口部241の開口幅に対する光分布(ニアフィールド)の大きさと、光分布から共振器長方向に直交し且つ基板101の主面に水平な方向(横方向)に漏れ出した漏洩光に対して、積層構造体の一対の側面105の傾斜角に対して詳細に検討し、本来発振させたくない漏洩光と積層構造体の一対の側面105と光分布内の活性層300とを介した導波モードを抑制し、本来発振させたい共振器長方向の安定したマルチ横モードで動作させるために、傾斜する一対の側面105の傾斜角と、一対の側面105から光分布までの距離等について詳細に検討した。このような検討は文献を含めて過去に例が無く、今回初めてこの点に注目して詳細に検討し、本開示の技術を構築した。
次に、実施の形態2に係る半導体レーザモジュールについて、図28A及び図28Bを用いて説明する。図28Aは、実施の形態2に係る半導体レーザモジュール4の平面図であり、図28Bは、同半導体レーザモジュール4の側面図である。
次に、実施の形態3に係る溶接用レーザ光源システム5について、図29を用いて説明する。図29は、実施の形態3に係る溶接用レーザ光源システム5の構成を示す図である。
以上、本開示に係る半導体レーザ装置等について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記の実施の形態に限定されるものではない。
1a 前端面
1b 後端面
4 半導体レーザモジュール
5 溶接用レーザ光源システム
41 金属基台
42 基台
43 第1光学素子
44 第2光学素子
46 樹脂
51 発振器
52 ヘッド
53 光路
54 駆動電源装置
55 冷却装置
56a 第1半導体レーザモジュール
56b 第2半導体レーザモジュール
56c 第3半導体レーザモジュール
57 光合波器
58a 第1光路
58b 第2光路
58c 第3光路
59 光学素子
100、100A 第1導電側半導体層
101、101A 基板
102、102A バッファ層
103、103A 第1電極
104、104A 第2電極
105 側面
105a 第1の側面
105b 第2の側面
106 誘電体膜
110、110A n側の第1半導体層
111 第1クラッド層
112 第2クラッド層
113 第3クラッド層
120、120A n側の第2半導体層
121、121A 第1光導波路層
122、122A 第2光導波路層
123、123A 第3光導波路層
124A 第4光導波路層
152 光分布
157 漏洩光
158 一次反射光
159 二次反射光
200、200A 第2導電側半導体層
210、210A 第1半導体層
211 p側の第1光導波路層
211A アンドープ光ガイド層
211Aa 第1光導波路層
211Ab 第2光導波路層
211Ac 第3光導波路層
212 第2光導波路層
212A キャリアオーバーフロー抑制層
212Aa 第1キャリアオーバーフロー抑制層
212Ab 第2キャリアオーバーフロー抑制層
212Ac 第3キャリアオーバーフロー抑制層
220、220A p側の第2半導体層
221、221A 第1クラッド層
222、222A 第2クラッド層
223 第3クラッド層
230、230A p側の第3半導体層
231 第1コンタクト層
232 第2コンタクト層
240、240A 電流ブロック層
241、241A 開口部
300、300A 活性層
310、310A 第1障壁層
320、320A 井戸層
330、330A 第2障壁層
410 第1反射膜
420 第2反射膜
510 第1空孔拡散領域
520 第2空孔拡散領域
601 マスク
602 マスク
650 分離溝
Claims (20)
- 基板の主面の上方に、第1導電側半導体層、活性層及び第2導電側半導体層が順次積層された積層構造体を備え、マルチ横モードでレーザ発振する半導体レーザ装置であって、
前記第2導電側半導体層は、電流注入領域を画定するための開口部を有し、
前記半導体レーザ装置の共振器長方向に直交し且つ前記基板の主面に平行な横方向において、前記積層構造体における前記第1導電側半導体層の一部から前記第2導電側半導体層までの部分には一対の側面が形成され、
前記横方向において、前記活性層は、前記開口部の第1の幅より広い第2の幅を有し、
前記第1導電側半導体層の少なくとも一部における前記一対の側面は、前記基板の主面に対して傾斜しており、
前記積層構造体を導波する光について、前記基板の主面の法線方向における光分布の最大強度位置は、前記第1導電側半導体層内にあり、
前記第1導電側半導体層は、前記基板の上に、第1導電側の第1半導体層及び第1導電側の第2半導体層をこの順で有し、
前記一対の側面の一方と前記基板の主面とのなす角度をθ[°]とし、
前記活性層から前記第1導電側の第1半導体層と前記第1導電側の第2半導体層との界面までの膜厚をd[μm]とし、
前記積層構造体を導波する光の光分布の幅をNw[μm]とし、
前記第1の幅である開口幅をWs[μm]とし、
前記一対の側面の前記一方と、前記活性層及び前記第1導電側の第2半導体層の界面との交点から前記開口部側面までの距離をX[μm]とすると、以下の関係式を満たす、
- 前記一対の側面は、誘電体膜で覆われている、
請求項1に記載の半導体レーザ装置。 - 前記一対の側面の各々は、前記基板に近い側に位置する第1の側面と、前記基板から遠い側に位置する第2の側面とを有し、
前記第1の側面の法線方向と前記基板の主面の法線方向とのなす角θ1は、90度より小さく、
前記第2の側面の法線方向と前記基板の主面の法線方向とのなす角θ2は、90度より大きい、
請求項1又は2に記載の半導体レーザ装置。 - 基板の主面の上方に、第1導電側半導体層、活性層及び第2導電側半導体層が順次積層された積層構造体を備え、マルチ横モードでレーザ発振する半導体レーザ装置であって、
前記第2導電側半導体層は、電流注入領域を画定するための開口部を有し、
前記半導体レーザ装置の共振器長方向に直交し且つ前記基板の主面に平行な横方向において、前記積層構造体における前記第1導電側半導体層の一部から前記第2導電側半導体層までの部分には一対の側面が形成され、
前記横方向において、前記活性層は、前記開口部の第1の幅より広い第2の幅を有し、
前記第1導電側半導体層の少なくとも一部における前記一対の側面は、前記基板の主面に対して傾斜しており、
前記積層構造体を導波する光について、前記基板の主面の法線方向における光分布の最大強度位置は、前記第1導電側半導体層内にあり、
前記一対の側面の各々は、前記基板に近い側に位置する第1の側面と、前記基板から遠い側に位置する第2の側面とを有し、
前記第1の側面の法線方向と前記基板の主面の法線方向とのなす角θ1は、90度より小さく、
前記第2の側面の法線方向と前記基板の主面の法線方向とのなす角θ2は、90度より大きく、
前記第1の側面及び前記第2の側面に接するように誘電体膜が前記第1の側面及び前記第2の側面を被覆している、
半導体レーザ装置。 - 前記第2の側面の法線方向と前記基板の主面の法線方向とのなす角θ2は、120°≦θ2≦150°である
請求項3又は4に記載の半導体レーザ装置。 - 前記積層構造体は、前記一対の側面に挟まれる前記第1導電側半導体層の一部から前記第2導電側半導体層までの間に最狭部を有し、
前記最狭部の幅は、前記第1の幅より大きい、
請求項3~5のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。 - 前記最狭部は、前記第2導電側半導体層内に形成されている、
請求項6に記載の半導体レーザ装置。 - 前記第2導電側半導体層は、前記基板の上に、第2導電側の第1半導体層、第2導電側の第2半導体層及び第2導電側のコンタクト層とをこの順で有し、
前記最狭部は、前記第2導電側の第2半導体層と前記第2導電側のコンタクト層との界面付近に形成されている、
請求項6又は7に記載の半導体レーザ装置。 - 前記第1導電側半導体層における第1導電側の第1半導体層及び前記第1導電側の第1半導体層の上の第1導電側の第2半導体層と、前記第2導電側半導体層における第2導電側の第1半導体層及び前記第2導電側の第1半導体層の上の第2導電側の第2半導体層との屈折率を、それぞれ、n11、n12、n21、n22とすると、
n22<n11<n12、
n12≧n21、
の関係式を満たす、
請求項1~8のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。 - 前記活性層は、単一又は複数の量子井戸層を含む量子井戸構造を有し、
前記活性層における前記量子井戸層の合計膜厚は、100オングストローム以下である、
請求項1~9のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。 - 前記開口部を複数備え、
複数の前記開口部の各々は、前記第1導電側半導体層の一部から前記第2導電側半導体層にわたって形成された分離溝により分離されている、
請求項1~10のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。 - 前記第2導電側半導体層は、前記開口部を有する電流ブロック層を有し、
前記電流ブロック層は、第1導電性半導体からなる、
請求項1~11のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。 - 前記開口部の前記第1の幅は、50μmから300μmである
請求項1~12のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。 - 前記基板の主面の水平方向における前記積層構造体を導波する光分布の幅は、前記開口部の前記第1の幅より大きい、
請求項1~13のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。 - 請求項1~14のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置を備える、
半導体レーザモジュール。 - 前記半導体レーザ装置を配置する基台を備え、
前記半導体レーザ装置は前記積層構造体側が前記基台に実装される
請求項15に記載の半導体レーザモジュール。 - 前記半導体レーザ装置の前記側面の側方に金属が埋め込まれている
請求項16に記載の半導体レーザモジュール。 - 請求項1~14のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置を備える、
溶接用レーザ光源システム。 - 半導体レーザ装置の製造方法であって、
基板の主面の上方に、第1導電側半導体層、活性層及び第2導電側半導体層を順次積層して積層構造体を形成する工程と、
前記第2導電側半導体層から前記第1導電側半導体層までエッチングして、分離溝を形成する工程とを含み、
前記第2導電側半導体層は、電流注入領域を画定するための開口部を有し、
前記半導体レーザ装置の共振器長方向に直交し且つ前記基板の主面に平行な横方向において、前記積層構造体における前記第1導電側半導体層の一部から前記第2導電側半導体層までの部分には、前記分離溝に起因する一対の側面が形成され、
前記横方向において、前記活性層は、前記開口部の第1の幅より広い第2の幅を有し、
前記第1導電側半導体層の少なくとも一部における前記一対の側面は、前記基板の主面に対して傾斜しており、
前記積層構造体を導波する光について、前記基板の主面の法線方向における光分布の最大強度位置は、前記第1導電側半導体層内にあり、
前記一対の側面の各々は、前記基板に近い側に位置する第1の側面と、前記基板から遠い側に位置する第2の側面とを有し、
前記第1の側面の法線方向と前記基板の主面の法線方向とのなす角θ1は、90度より小さく、
前記第2の側面の法線方向と前記基板の主面の法線方向とのなす角θ2は、90度より大きい、
半導体レーザ装置の製造方法。 - さらに、前記第1の側面と前記第2の側面とに誘電体膜を被覆する工程を含む、
請求項19に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
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