JPWO2018003335A1 - 半導体レーザ装置、半導体レーザモジュール及び溶接用レーザ光源システム - Google Patents

Abstract

第１導電側半導体層（１００）と、活性層（３００）と、第２導電側半導体層（２００）とが順に積層された積層構造体を備え、横モード多モード発振する半導体レーザ装置（１）であって、積層構造体は、前端面（１ａ）と、後端面（１ｂ）と、前端面（１ａ）と後端面（１ｂ）とを共振器反射ミラーとした光導波路とを備え、第２導電側半導体層（２００）は、活性層（３００）に近い側から順に第１半導体層（２１０）と第２半導体層（２２０）とを有し、光導波路への電流注入領域の幅は、第２半導体層（２２０）により画定され、電流注入領域の共振器長方向の端部は、前端面（１ａ）及び後端面（１ｂ）よりも内側に位置し、電流注入領域は、幅が変化する幅変化領域を有し、幅変化領域の前端面（１ａ）側の幅をＳ１とし、幅変化領域の後端面側（１ｂ）の幅をＳ２としたとき、Ｓ１＞Ｓ２である。

Description

本開示は、半導体レーザ装置、半導体レーザ装置を備える半導体レーザモジュール、及び、半導体レーザ装置を備える溶接用レーザ光源システムなどに関する。

半導体レーザ装置は、溶接用光源、プロジェクタ光源、ディスプレイ用光源、照明用光源、又は、その他の電子装置や情報処理装置などの光源に用いられている。

従来、この種の半導体レーザ装置として、特許文献１に開示された構成のものが知られている。以下、特許文献１に開示された従来の半導体レーザ装置について、図２２Ａ及び図２２Ｂを用いて説明する。図２２Ａは、特許文献１に開示された従来の半導体レーザ装置１０の断面図であり、図２２Ｂは、従来の半導体レーザ装置１０の各層の禁制帯幅の分布図である。

図２２Ａに示すように、従来の半導体レーザ装置１０は、基板１９と、基板１９の上方に設けられた下部クラッド層１５と、下部クラッド層１５の上方に設けられたガイド層１４と、ガイド層１４の上部に設けられた障壁層１３（ｎ型障壁層）と、障壁層１３の上部に設けられた活性層１１と、活性層１１の上方に設けられた上部クラッド層１２と、上部クラッド層１２の上方に設けられた第１コンタクト層１７と、ストライプ状の開口部を有し且つ第１コンタクト層１７の上部に設けられた電流ブロック層１６と、電流ブロック層１６の開口部を覆い且つ電流ブロック層１６の上部に設けられた第２コンタクト層１８とを有する。

図２２Ｂに示すように、活性層１１に隣接して設けられた障壁層１３の禁制帯幅を、活性層１１、ガイド層１４及び下部クラッド層１５の禁制帯幅よりも大きくしている。また、下部クラッド層１５の屈折率を上部クラッド層１２の屈折率よりも大きくしている。

このような構成にすることで、高駆動電流注入による活性層１１の温度上昇に伴うキャリアオーバーフローによる電子は、障壁層１３を通過して活性層１１へ効率よく注入される。また、ガイド層１４に拡がった光が導波モードとなり出射端面での光強度が低減するので、出射端面におけるＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage）の発生を抑制することができるとされている。

国際公開第２０１０／０５００７１号

低電圧駆動としつつさらに高出力の半導体レーザ装置が要望されている。しかしながら、上記従来の半導体レーザ装置１０のように、障壁層１３の禁制帯幅（バンドギャップ）を制御するだけでは、ＣＯＤの発生を抑制しつつ高出力且つ低電圧駆動が可能な半導体レーザ装置を実現することが難しい。

本開示は、ＣＯＤの発生を抑制しつつ高出力且つ低電圧駆動が可能な半導体レーザ装置、半導体レーザモジュール及び溶接用レーザ光源システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様は、第１導電側半導体層と、活性層と、第２導電側半導体層とが順に積層された積層構造体を備え、横モード多モード発振する半導体レーザ装置であって、前記積層構造体は、レーザ光の出射端面である前端面と、前記前端面と反対側の面である後端面と、前記前端面と前記後端面とを共振器反射ミラーとした光導波路とを備え、前記第２導電側半導体層は、前記活性層に近い側から順に第１半導体層と第２半導体層とを有し、前記光導波路への電流注入領域の幅は、前記第２半導体層により画定され、前記電流注入領域の共振器長方向の端部は、前記前端面及び前記後端面よりも内側に位置し、前記電流注入領域は、幅が変化する幅変化領域を有し、前記幅変化領域の前記前端面側の幅をＳ１とし、前記幅変化領域の前記後端面側の幅をＳ２としたとき、Ｓ１＞Ｓ２である。

このように、横モード多モード発振させることで、シングルモード発振する半導体レーザ装置では実現不可能な高出力でレーザ発振させることができるとともに注入キャリアの利用効率を高くして低電圧駆動を実現することができる。しかも、横モード多モード発振する半導体レーザ装置において、光導波路の長手方向（共振器長方向）における電流注入を一定幅の直線領域のみで行った場合では、光導波路内の共振器長方向において、特に前端面（光出射端面）近傍領域において高い光密度になって前端面にＣＯＤが発生してしまうが、本開示のように、電流注入領域にＳ１＞Ｓ２の幅変化領域を持たせることで、前端面に近づくにつれて光強度を横方向に拡散均一化させるとともに端面光密度を低減化させることができ、前端面にＣＯＤが発生することを抑制できる。したがって、ＣＯＤの発生を抑制しつつ高出力且つ低電圧駆動が可能な半導体レーザ装置を実現することができる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記第１半導体層の前記電流注入領域における膜厚と、前記第２半導体層の下方領域における膜厚とは同じであるとよい。

この構成により、レーザ構造がインナーストライプ型構造となるので、電流狭窄を第２半導体層のみで行うことができる。これにより、第２半導体層に積層されたその他の半導体層においては、電流注入領域を第２半導体層の電流注入領域（例えば開口部）よりも十分広くでき、電流狭窄されることを抑制できる。また、直列抵抗分の増加を、薄い第２半導体層で画定された電流注入阻止領域による電流狭窄で抑えることができるので、リッジ型ワイドストライプレーザでは実現し得ない低電圧駆動を実現することができる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記幅変化領域の前記前端面側の幅の一端と前記幅変化領域の前記後端面側の幅の一端とを結ぶ直線と、前記共振器長方向とのなす角をθとすると、０°＜θ≦０．５°であるとよい。

共振器長Ｌが３ｍｍ以上と長い超長共振器ワイドストライプ形状において、光導波路の長手方向の光強度分布形状は、前端面の反射率と後端面の反射率とにより決まり、前端面から後端面に向けて指数関数形状に強度分布の減少が生じる。つまり、光導波路内の活性層に注入されたキャリアは、光強度分布に応じて指数関数的に消費される。光導波路を伝播する光は、第２半導体層より画定された電流注入領域の幅変化領域における、前端面側の幅の一端と後端面側の幅の一端とを直線的に結んだ前端面側に向かって拡がった領域を主たる光導波領域として伝播する。光導波路の長手方向の光強度分布は、指数関数的に前端面側から後端面側に向かって減衰するため、活性層へのキャリアの注入は前端面側から後端面側に向かって指数関数的に注入されることが理想的である。共振器長Ｌが３ｍｍ以上の超長共振器長の場合、前端面近傍は指数関数形状よりも幅広になるが、光導波路の長手方向に沿って後端面側に向かうに従い、ほぼ第２半導体層の前端面側の幅の一端と後端面側の幅の一端とを結んだ直線状に漸近するため、光導波路内の活性層の長手方向の光強度分布に合わせた形で、キャリアの分配注入が可能になる。そのため、上記の角度（テーパ角）θによって簡易な角度定義を行うだけで光導波路内の長手方向の光強度分布に合わせて注入キャリアの割り振りを行うことが可能となる。

そして、そのテーパ角θが０°＜θ≦０．５°を満たすようにすることで、縦方向の空間的ホールバーニング及び横方向の空間的ホールバーニングを抑制することができ、且つ、注入キャリアの利用効率を最大限に向上させて低電圧駆動及び高出力を実現できるとともに、低閾値電流及び高いスロープ効率による低電流駆動動作を実現することができる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記幅変化領域は、前記前端面側の幅の両端の各々と前記後端面側の幅の両端の各々とを直線で結んだテーパ形状であるとよい。

この構成により、テーパ形状の幅変化領域のテーパ損失をテーパ角の角度制御で行うことができ、テーパ損失制御の高精度制御によって超低損失な光導波路設計を容易に行うことができる。

ここで、一般的には、光導波路をテーパ形状にすると、光導波路損失にテーパ損失が追加されるので光導波路損失が増加する。テーパ損失はテーパ角によりその損失量を制御することが可能ではあるが、テーパ角の角度制御は０．１°レベルの精度が求められる。一方、共振器長Ｌが３ｍｍ以上と長い場合には、幅変化領域の前端面側の幅の一端と幅変化領域の後端面側の幅の一端とを直線で結んだテーパ形状にすることで、テーパ角の角度制御の精度を向上させることができる。例えば、０．０１°の精度でテーパ角の角度制御を容易に行うことができる。これにより、テーパ損失制御の高精度制御による超低損失な光導波路設計が容易に可能となる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記第２半導体層は、前記電流注入領域に対応する開口部を有するとよい。

これにより、電流狭窄構造を第１半導体層の上部に独立して機能させることができるインナーストライプ型利得ガイドレーザとして構成することができる。これにより、レーザ光の横方向の光閉じ込め効果は、注入された電流値による発熱により弱くなり、第２半導体層により画定された電流注入領域の形状による発熱により決まった横方向の光閉じ込めによるセルフアラインメント（self-alignment）で横モードの高次次数が決定されるので、光導波路内に存在できる横モード高次モード数を過不足無く利用することができる。この結果、注入されたキャリアを効率よく利用することができる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記活性層は、単一量子井戸層構造であるとよい。

この構成により、活性層体積を小さくできる。これにより、幅変化領域の前端面側の幅Ｓ１が後端面側の幅Ｓ２よりも拡がっていることで、光導波路内の前端面側の光密度が低減し、活性層体積を小さくしたことによる利得の不均一性を抑制することができる。この結果、半導体レーザ装置の動作時における閾値電流を小さくすることができるので、駆動電流を一層低減することができる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記第１導電側半導体層は、第１光ガイド層を有し、前記半導体レーザ装置から出射するレーザ光の最大光強度は、前記第１光ガイド層に存在するとよい。

このように、光導波路内の積層方向における光分布の最大光強度を、活性層に存在させるのではなく、第１導電側半導体層内の第１光ガイド層に存在させることで、第１光ガイド層を主たる光導波層とすることができる。これにより、光導波路内の積層方向における光分布を第１導電側半導体層よりにすることができるので、活性層及び第２導電側半導体層での光吸収損失の影響を小さくすることができる。この結果、光導波路損失を超低損失化することができるので、閾値電流をさらに低減させることができる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記第２導電側半導体層は、前記活性層と前記第１半導体層との間に第２光ガイド層を有し、前記第１半導体層は、第２導電側のクラッド層であり、前記第２半導体層は、電流ブロック層であるとよい。

このように、光導波路内の積層方向における光分布の最大光強度を第１光ガイド層に存在させることで第１光ガイド層を主な光導波層とした低損失レーザ構造に、第２導電側の光ガイド層として第２ガイド層を導入することで、第１光ガイド層に寄った積層方向の光分布を第２導電側半導体層側に光分布の裾野を引き上げることができる。これにより、第１導電側半導体層側に伸びたもう一方の光分布の裾野と、不純物による光吸収による吸収ロスとの微調整が可能となり、超低損失及び超低閾値化が可能となる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記第２光ガイド層は、前記活性層側にアンドープ光ガイド層を有するとよい。

上記のように、光導波路内の積層方向における光分布の最大光強度を第１光ガイド層に存在させて第１光ガイド層を主な光導波層とした低損失レーザ構造に第２光ガイド層を導入することで、第１光ガイド層に寄った積層方向の光分布を第２導電側半導体層側に光分布の裾野を引き上げることが可能となるが、第２光ガイド層にはキャリア注入のために不純物がドーピングされる層がある。このため、不純物のドーピングによって光吸収ロスが発生する。これに対して、本開示のように、第２光ガイド層内にアンドープ光ガイド層を挿入することで、不純物のドーピングによる光吸収ロスを低減することができる。これにより、光吸収量をさらに低減した超低損失化が可能となり、超低閾値化が可能となる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記第１導電側半導体層は、第１導電側のクラッド層を有し、前記第１導電側のクラッド層及び前記第２導電側のクラッド層の組成は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）であるとよい。

この構成により、ＡｌＧａＡｓ系のクラッド層を有する半導体レーザ装置を実現することができる。

この場合、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記第１導電側のクラッド層及び前記第２導電側のクラッド層の少なくとも一方は、Ａｌ組成が異なる２層以上の積層膜からなり、前記２層以上の積層膜では、前記活性層から離れた側にＡｌ濃度の低い組成の膜が配置されているとよい。

上記のように、光導波路内の積層方向における光分布の最大光強度を第１光ガイド層に存在させて第１光ガイド層を主な光導波層とした低損失レーザ構造に第２光ガイド層を導入することで、第１光ガイド層に寄った積層方向の光分布を第２導電側半導体層側に光分布の裾野を引き上げることが可能となるが、第１導電側のクラッド層及び第２導電側のクラッド層の組成をＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）とし、且つ、第１導電側のクラッド層及び第２導電側のクラッド層の少なくとも一方を、Ａｌ組成の異なる２層以上の積層膜にすることで、光導波路内の積層方向における光分布を自由に微調整することが可能となり、さらに超低損失化することができる。しかも、この２層以上の積層膜において、活性層からより離れた側にＡｌ濃度の低い組成の膜を配置することで、積層方向の光分布への影響が少ない層のバンドギャップエネルギーを小さくすることができる。これにより、半導体レーザ装置の動作時における直列抵抗をできるだけ小さくできるので、温度特性が良く、低消費電力動作が可能となる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記第１光ガイド層の組成は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）であるとよい。

この構成により、ＡｌＧａＡｓ系の第１光ガイド層を有する半導体レーザ装置を実現することができる。

この場合、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記第１光ガイド層は、Ａｌ組成の異なる２層以上の積層膜からなり、前記第１光ガイド層における前記２層以上の積層膜では、前記活性層に近い側にＡｌ濃度の低い組成の膜が配置されているとよい。

上記のように、光導波路内の積層方向における光分布の最大光強度を第１光ガイド層に存在させることで、光分布の大部分が存在する第１光ガイド層中の光分布形状を直接的に調整できる。そして、第１光ガイド層を、Ａｌ組成の異なる２層以上の積層膜にすることで、高精度且つ直接的に光分布形状を調整することができ、より超低損失化してさらに低閾値化できるので、さらに低電流駆動させることができる。しかも、この２層以上の積層膜において、活性層からより離れた側にＡｌ濃度の低い組成の膜を配置することで、積層方向の光分布への影響が少ない層のバンドギャップエネルギーを小さくすることができる。これにより、半導体レーザ装置の動作時における直列抵抗をさらに小さくできるので、さらに温度特性を良くすることができるとともに、さらに低消費電力動作が可能となる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記活性層の組成は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ―ｙ}Ａｓ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）であるとよい。

この構成により、ＡｌＩｎＧａＡｓ系の活性層を有する半導体レーザ装置を実現することができる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記第１導電側のクラッド層、前記第２導電側のクラッド層及び前記活性層の組成は、Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）であるとよい。

この構成により、ＡｌＧａＩｎＮ系のクラッド層及び活性層を有する半導体レーザ装置を実現することができる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記積層構造体を複数備え、複数の積層構造体は、トンネル接合によって積層されているとよい。

これにより、高出力且つ低電圧駆動可能なレーザ構造が積層されるので、１エミッタ分の量の注入電流で複数のエミッタを同時にレーザ発振動作させることができる。したがって、スロープ効率を増加させることができ且つ積層されたエミッタを同時に光らせることが可能な半導体レーザ装置を実現でき、低消費電流で超大出力のレーザ光を取り出すことが可能となる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記幅変化領域の前記前端面側の幅は、前記電流注入領域の前記前端面側の幅であり、前記幅変化領域の前記後端面側の幅は、前記電流注入領域の前記後端面側の幅であるとよい。

これにより、電流注入領域の全体を幅変化領域とすることができる。

また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記電流注入領域は、さらに、幅が一定の幅一定領域を有するとよい。

これにより、幅変化領域と幅一定領域と含む電流注入領域を有する半導体レーザ装置を実現することができる。

この場合、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記幅一定領域は、前記幅変化領域の前記前端面側に位置するとよい。

これにより、前端面側に幅変化領域が形成され、後端面側に幅一定領域が形成された電流注入領域を有する半導体レーザ装置を実現することができる。

また、本開示に係る半導体レーザモジュールの一態様は、上記のいずれかの半導体レーザ装置を備える。

これにより、高出力且つ低電圧駆動可能な半導体レーザ装置を備える半導体レーザモジュールを実現することができる。

また、本開示に係る溶接用レーザ光源システムの一態様は、上記いずれかの半導体レーザ装置を備える。

これにより、高出力且つ低電圧駆動可能な半導体レーザ装置を備える溶接用レーザ光源システムの構築することができる。

ＣＯＤの発生を抑制しつつ高出力且つ低電圧駆動が可能な半導体レーザ装置、半導体レーザモジュール及び溶接用レーザ光源システムなどを実現できる。

図１は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の断面図である。 図２は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置をｐ側の第２半導体層（電流ブロック層）において水平方向に切断したときの断面図である。 図３は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１の活性層３００の周辺構造を模式的に示す図である。 図４Ａは、比較例の半導体レーザ装置における光導波路の長手方向の光強度分布の端面反射率依存性を示す図である。 図４Ｂは、比較例の半導体レーザ装置において、前端面の反射率を変化させたときの前端面と後端面との電界強度比を表した図である。 図５は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置における１エミッタ当たり１０Ｗ動作時のニアフィールドパターンの開口幅Ｓ１、Ｓ２の依存性を示す図である。 図６は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置において、光導波路の前端面と中央部と後端面とにおける活性層内の幅方向のキャリア濃度の分布と、第２半導体層の開口部の開口幅Ｓ２及び前端面の反射率Ｒ１との関係を示す図である。 図７は、実施の形態１の実施例に係る半導体レーザ装置の構成を示す平面図である。 図８Ａは、実施の形態１の実施例に係る半導体レーザ装置（Ｓ１＝Ｓ２＝１０５μｍ）の電流−光出力特性を示す図である。 図８Ｂは、実施の形態１の実施例に係る半導体レーザ装置（Ｓ１＝１０５μｍ、Ｓ２＝５０μｍ）の電流−光出力特性を示す図である。 図８Ｃは、実施の形態１の実施例に係る半導体レーザ装置（Ｓ１＝１０５μｍ、Ｓ２＝２５μｍ）の電流−光出力特性を示す図である。 図９は、実施の形態１の実施例に係る半導体レーザ装置において、第２半導体層の開口部のテーパ角θと、閾値電流密度又はスロープ効率との関係を示す図である。 図１０は、実施の形態１における半導体レーザ装置において、開口幅Ｓ１、Ｓ２、共振器長Ｌ及びテーパ角θの組み合わせを示す図である。 図１１は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置における縦方向の光閉じ込め構造における光分布とドーパント濃度分布のプロファイルを示す模式図である。 図１２は、実施の形態１の変形例に係る半導体レーザ装置の断面図である。 図１３は、図１２に示す半導体レーザ装置における光導波路内の積層方向の屈折率分布と光分布とを示す図である。 図１４は、実施の形態２に係る半導体レーザ装置の平面図である。 図１５は、実施の形態２の変形例１に係る半導体レーザ装置の平面図である。 図１６は、実施の形態２の変形例２に係る半導体レーザ装置の平面図である。 図１７は、実施の形態３に係る半導体レーザ装置の断面図である。 図１８は、実施の形態３に係る半導体レーザ装置に対して順バイアスを印加した時に注入されたキャリア（電子・正孔）の動きを模式的に示す図である。 図１９は、実施の形態３の実施例の半導体レーザ装置の構成を示す平面図である。 図２０Ａは、実施の形態４に係る半導体レーザモジュールの平面図である。 図２０Ｂは、実施の形態４に係る半導体レーザモジュールの側面図である。 図２１は、実施の形態５に係る溶接用レーザ光源システムの構成を示す図である。 図２２Ａは、従来の半導体レーザ装置の断面図である。 図２２Ｂは、従来の半導体レーザ装置の各層の禁制帯幅の分布図である。 図２３Ａは、一般的な半導体レーザ装置において、高出力によって熱飽和を起こす様子を示す図である。 図２３Ｂは、一般的な半導体レーザ装置における、共振器長Ｌの変化に対する電流−光出力特性を示す図である。 図２４Ａは、光導波路の長手方向における光強度の前端面反射率依存性を示す模式図である。 図２４Ｂは、光導波路の長手方向におけるキャリア濃度の前端面反射率依存性を示す模式図である。 図２５Ａは、光導波路の水平方向における光強度の分布形状の光横モード数依存性を示す模式図である。 図２５Ｂは、光導波路の水平方向におけるキャリア濃度の分布形状の光横モード数依存性を示す模式図である。 図２６は、一般的な端面出射型の半導体レーザ装置における縦方向の光閉じ込め構造における光分布とドーパント濃度分布のプロファイルを示す模式図である。

（本開示の一態様を得るに至った経緯）
低電圧駆動でさらなる高出力を可能とする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。その中でも、立ち上がり電圧（閾値電圧）の低減、内部抵抗の低減、注入キャリアの利用効率の向上による低閾値化やスロープ効率の向上、及び、熱飽和レベルの引き上げについては、特に考慮すべき特性である。

図２２Ａに示される従来の半導体レーザ装置１０では、高出力の半導体レーザ装置に対して、高い禁制帯幅の障壁層によって正孔のオーバーフローを低減することは可能であるが、伝導帯中の電子に対し活性層へのキャリアの注入が障壁層１３の高いエネルギー障壁を受けることになり、高いターンオン電圧を要しての駆動となる。そのため、高い立ち上がり電圧と直列抵抗とによって駆動電圧が高くなり、発熱が大きくなる。

このような構成でさらなる高出力化を目指して投入電流を１エミッタ当たり１０Ａ以上に上昇させて高注入状態にすると、高い立ち上がり電圧によって加速された活性層近傍のキャリアは、次のように振る舞うことになる。すなわち、有効質量が大きい正孔については、価電子帯に形成された高いＡｌ組成を持つ障壁層１３（Ａｌ組成６０％）にせき止められて効率よく活性層の価電子帯に注入される。しかしながら、有効質量が小さい電子については、高い立ち上がり電圧によって加速されて活性層の伝導帯を通過し、上部クラッド層１２へ向かう電子のオーバーフローの割合が増加し、無効電流として消費されて最終的に熱となってデバイス全体が発熱する。このため、光出力の電流依存性において線形性を失い熱飽和レベルが低下し、電子のオーバーフローがさらに加速し無効電流が増加して発熱するという負のフィードバックにより、温度特性は加速度的に著しく低下することになる。このような駆動状態に陥った半導体レーザ装置では、無効電流の増加に伴い活性層部分の接合温度が上昇し、緩慢劣化速度が加速する。緩慢劣化時間の接合温度依存性の関係は、公知として接合温度上昇と共に低下し、逆比例の関係である。そのため、接合温度が高い状態で長期信頼性を両立することが困難であることは自明である。

また、電流注入領域に対してチップ面積が著しく大きい場合であっても、電流注入領域で発生した熱はチップ全体へ拡散して放熱されるが、活性層の接合温度は高く、活性層への高い負荷は変わらないため、光出力の電流依存性は幾分改善されるものの線形性を失い、熱飽和状態（つまり無効電流が多い状態）でレーザ駆動するので、結果的に長期信頼性を実現することが困難であることには変わらない。

このように、高注入電流による超高出力の半導体レーザ装置では、立ち上がり電圧（閾値電圧）の低減、内部抵抗の低減、注入キャリアの利用効率の向上による低閾値化やスロープ効率の向上、及び、熱飽和レベルの引き上げについては、どれを犠牲にしても長期信頼性を実現することが難しい。

また、高出力の半導体レーザ装置を実現するためには、レーザ光の出射端面である前端面から大出力の光を取り出すことになるが、この場合、出射した光によって前端面近傍が溶融破壊されるＣＯＤの発生を抑制しなければならない。

ＣＯＤの発生を抑制するためには、前端面の光密度を下げればよい。この場合、例えば、前端面については、光反射率が１０％以下の低反射率となるような誘電体膜をコーティングし、後端面については、光反射率が９５％程度の高反射率となるような誘電体膜をコーティングすることが効果的である。この構成により、前端面より取り出されるレーザ光の取り出し効率が向上し、電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）におけるスロープ効率が向上し動作電流値が低減され、半導体レーザ装置の発熱量を小さくすることができる。また、前端面に低反射率の誘電体膜をコーティングすることで前端面での光密度を低下させることができるので、ＣＯＤが発生しうる光出力値を大きく引き上げることができる。つまり、ＣＯＤの発生を抑制することができる。しかしながら、ＣＯＤの発生を抑制しつつも、高出力且つ低電圧駆動が可能な半導体体レーザ装置を実現することは難しい。

また、ＡｌＧａＡｓ系の材料を用いた半導体レーザ装置では、通常数百ｍＷ以上の光出力が要求される高出力の半導体レーザ装置の長期安定動作を保証する信頼性確保のために、端面窓構造が広く用いられている。端面窓構造では、前端面近傍及び後端面近傍の量子井戸構造の活性層に不純物拡散を行ってバンドギャップエネルギーを大きくし、光導波路内を伝播する光に対して透明化されている。このため、前端面近傍及び後端面近傍での光吸収による発熱でバンドギャップエネルギーが縮小することを低減できる。さらに、ストライプ幅を５０μｍから１００μｍ程度に広くしたワイドストライプレーザ構造にすることで光導波路の横方向における光分布を大きく拡げることで、前端面での端面光密度が低減され、ＣＯＤの発生を抑制しつつ高出力の光を取り出すことが可能となる。この場合、一般的に高出力の光を取り出すためには、図２３Ａに示すように、レーザ発振動作が高出力で熱飽和を起こさないように、図２３Ｂのように共振器長Ｌを長くし、閾値電流の増加とスロープ効率の低下を犠牲にしながらミラー損失を低減し、動作キャリア密度を低下させてレーザ発振動作を行うことで高出力の光を取り出してきた。

しかしながら、本発明者らが検討した結果、以上の手法を施したレーザ構造を有する半導体レーザ装置であっても、１エミッタ当たり１０Ｗ以上の高出力を実現する場合には、さらなる課題の存在も顕在化した。

具体的には、電流ストライプ幅が共振器長方向に対して一定であるストレートストライプ構造の半導体レーザ装置の場合、前端面の反射率が小さくなるにつれて、光導波路の長手方向における光分布の強度差が大きくなることが分かった。このことについて、図２４Ａ及び図２４Ｂを用いて説明する。図２４Ａは、光導波路の長手方向における光強度の前端面反射率依存性を示す模式図であり、図２４Ｂは、光導波路の長手方向におけるキャリア濃度の前端面反射率依存性を示す模式図である。

図２４Ａに示すように、前端面の反射率が低下すると、光導波路内の光分布は、前端面側の光強度が後端面に比べて著しく増大し、光導波路の長手方向（共振器長方向）に対して偏った形に光強度が分布する。このため、光導波路内の活性層領域の長手方向に均一に注入されたキャリアの誘導放出におけるキャリアの消費も、前端面側で多くて後端面側で少なくなるので、キャリアの消費も長手方向に不均一が生じる。この結果、図２４Ｂに示すように、キャリア濃度についても、光導波路の長手方向に対して偏った形に分布する。

ここで、電流注入においては、電流注入領域の積層方向の直列抵抗により流れやすさが変わるが、ストレートストライプ構造の半導体レーザ装置の場合、投入電流は電流注入領域に均一に注入される。

このため、光導波路の長手方向においては、上記の不均一キャリアの消費に伴ってキャリアの偏りが生じ、縦方向（光導波路の長手方向）の空間的ホールバーニング（Spatial Hole Burning）が発生する。この結果、共振器長方向の利得の不均一性が生じて高出力で光を取り出すことができなくなる。

また、ストレートストライプ構造の半導体レーザ装置では、光導波路の横方向において、新たな課題が発生する。この点について、図２５Ａ及び図２５Ｂを用いて説明する。図２５Ａは、光導波路の水平方向における光強度の分布形状の光横モード数依存性を示す模式図であり、図２５Ｂは、光導波路の水平方向におけるキャリア濃度の分布形状の光横モード数依存性を示す模式図である。

図２５Ａに示すように、光横モード（水平光横モード）が０次モードから次数が増加するにつれ、光導波路内の横方向の光分布は、複数の凸形状が重なりあった形状となる。つまり、多モード化によって重なり度合いが増加している。また、図２５Ｂに示すように、光横モードが０次モードから次数が増加するにつれて、図２５Ａの光導波路内の光分布の変化に伴って光導波路内の活性層に注入されたキャリア濃度の分布は、光導波路内の中央部の凹みが小さくなり平坦化されて不均一性が解消され、さらに光横モードが多モード化されると、中央部のキャリア消費は均一化されるが、光導波路の横方向の端部では光分布が弱くなるために消費されないキャリアが多く存在し、この結果、光導波路の横方向の端部では急峻な凸形状が存在することになる。つまり、光導波路内の光横モードが多モード化しても、横方向の光分布の不均一性が生じ、横方向（光導波路の幅方向）の空間的ホールバーニングが発生する。このため、注入キャリアの利用効率の低下に加え、横方向の空間的ホールバーニングによる屈折率変化によって、出射ビームの対称性が悪くなり、一部に偏った光強度分布となる。

このように、ストレートストライプ構造の高出力の半導体レーザ装置では、高出力化及び高スロープ効率化のために前端面の反射率を下げすぎることで、前端面と後端面との反射率差が大きくなり、光導波路内部のキャリアの不均一性が増大し、光強度の不均一性が発生する。その結果、かえって光出力及びスロープ効率の低下を招くこととなり、出射ビームの対称性がよく高品質及び高信頼性で高い電力変換効率且つ高出力の半導体レーザ装置を実現することが難しい。

また、１エミッタ当たり数十ワット級の超高出力の半導体レーザ装置では、動作電流値が非常に大きく、動作時の自己発熱が非常に大きい。半導体レーザ装置の発熱を低減するためには、動作電流及び動作電圧を低減させることで、消費電力を極力低減する必要がある。

また、図２６は、一般的な端面出射型の半導体レーザ装置における縦方向の光閉じ込め構造における光分布とドーパント濃度分布のプロファイルを示す図である。このような構造における光損失αの値は、２ｃｍ−１程度である。なお、光損失αは、光損失α＝ミラー損失α_ｍ＋光導波路損失α_ｉ＋自由キャリア損失α_ｆｒｅｅで表される。

しかしながら、上記のとおり、１エミッタ当たり数十ワット級の超高出力の半導体レーザ装置では動作電流値が非常に大きいため、光損失が大きくなりすぎて半導体レーザ装置の発熱が非常に大きくなる。

本開示は、以上のような知見に基づいてなされたものであり、光導波路内の長手方向の光強度分布と活性層に注入されるキャリア濃度の分布に着目することで、ＣＯＤの発生を抑制しつつ、高い電力変換効率で数十ワット級の高出力且つ低電圧駆動が可能な半導体レーザ装置を実現するものである。

さらには、空間的ホールバーニングを抑制して注入キャリアの利用効率を高くすることで、さらに低電圧駆動及び高出力を実現できるとともに、低閾値電流及び高いスロープ効率による低電流駆動動作が可能な半導体レーザ装置を実現するものである。

以下、本開示の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、及び、構成要素の配置位置や接続形態などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺などは必ずしも一致していない。各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

（実施の形態１）
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の断面図である。

図１に示すように、実施の形態１における半導体レーザ装置１は、第１導電側半導体層１００と、活性層３００と、第２導電側半導体層２００とが順に積層された積層構造体を備える端面出射型のレーザ素子であり、横モード多モード発振することで、レーザ光を出射する。

具体的には、半導体レーザ装置１は、基板１０１と、基板１０１の上面に形成されたバッファ層１０２と、バッファ層１０２上に形成された第１導電側半導体層１００と、第１導電側半導体層１００上に形成された活性層３００と、活性層３００上に形成された第２導電側半導体層２００と、基板１０１の下面に形成された第１電極１０３と、第２導電側半導体層２００上に形成された第２電極１０４とを備える。なお、本実施の形態において、第１導電型は、ｎ型である。また、第２導電型は、第１導電型とは異なる導電型であり、ｐ型である。

本実施の形態において、基板１０１は、ｎ−ＧａＡｓ基板である。バッファ層１０２は、例えば、膜厚０．５μｍのｎ−ＧａＡｓ層であり、基板１０１に積層されている。

第１導電側半導体層１００は、例えばｎ側半導体層であり、複数の半導体層によって構成されている。具体的には、第１導電側半導体層１００は、ｎ側の第１半導体層１１０と、ｎ側の第２半導体層１２０とを有する。

ｎ側の第１半導体層１１０は、バッファ層１０２上に形成される。本実施の形態において、ｎ側の第１半導体層１１０は、総膜厚３．３９５μｍのｎ側クラッド層（第１導電側のクラッド層）であり、その組成は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）である。

ｎ側の第１半導体層１１０は、Ａｌ組成の異なる２層以上の積層膜からなる。具体的には、ｎ側の第１半導体層１１０は、ｎ−Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓからなるｎ型の第１クラッド層１１１（膜厚０．０５μｍ）と、ｎ−Ａｌ_{０．３３５}Ｇａ_{０．６６５}Ａｓからなるｎ型の第２クラッド層１１２（膜厚２．８５μｍ）と、ｎ−Ａｌ_{０．３３５}Ｇａ_{０．６６５}Ａｓからなるｎ型の第３クラッド層１１３（膜厚０．４６５μｍ）とが順に積層された積層膜である。ｎ側の第１半導体層１１０における積層膜では、活性層３００から離れた側にＡｌ濃度の低い組成の膜が配置されている。

また、ｎ側の第２半導体層１２０は、ｎ側の第１半導体層１１０上に形成される。ｎ側の第２半導体層１２０は、ｎ側の第１半導体層１１０と活性層３００との間に形成される。本実施の形態において、ｎ側の第２半導体層１２０は、ｎ側光ガイド層である第１光ガイド層（総膜厚０．６０５μｍ）であって、その組成は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）である。

ｎ側の第２半導体層１２０（第１光ガイド層）は、Ａｌ組成の異なる２層以上の積層膜からなる。具体的には、ｎ側の第２半導体層１２０は、ｎ−Ａｌ_０．２７Ｇａ_０．７３Ａｓからなるｎ型の第１光導波路層１２１（膜厚０．５６μｍ）と、ｎ−Ａｌ_０．２７Ｇａ_０．７３Ａｓからなるｎ型の第２光導波路層１２２（膜厚０．０４０μｍ）と、ｎ−Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ａｓからなるｎ型の第３光導波路層１２３（膜厚０．００５μｍ）とが順に積層された積層膜である。ｎ側の第２半導体層１２０における積層膜では、活性層３００に近い側にＡｌ濃度の低い組成の膜が配置されている。

活性層３００上の第２導電側半導体層２００は、例えばｐ側半導体層であり、複数の半導体層によって構成されている。具体的には、第２導電側半導体層２００は、活性層３００に近い側から順にｐ側の第１半導体層２１０とｐ側の第２半導体層２２０とを有する。より具体的には、第２導電側半導体層２００は、ｐ側の第１半導体層２１０と、ｐ側の第２半導体層２２０と、ｐ側の第３半導体層２３０と、ｐ側の第４半導体層２４０と、ｐ側の第５半導体層２５０とを有する。

ｐ側の第１半導体層２１０は、ｐ側の第３半導体層２３０上に形成される。ｐ側の第１半導体層２１０は、ｐ側の第３半導体層２３０とｐ側の第４半導体層２４０との間に形成される。本実施の形態において、ｐ側の第１半導体層２１０は、総膜厚０.７５μｍのｐ側クラッド層（第２導電側のクラッド層）であって、その組成は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）である。

ｐ側の第１半導体層２１０は、Ａｌ組成の異なる２層以上の積層膜からなる。具体的には、ｐ側の第１半導体層２１０は、ｐ−Ａｌ_０．６５Ｇａ_０．３５Ａｓからなるｐ型の第１クラッド層２１１（膜厚０．０５μｍ）と、ｐ−Ａｌ_０．６５Ｇａ_０．３５Ａｓからなるｐ型の第２クラッド層２１２（膜厚０．６５μｍ）と、ｐ−Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓからなるｐ型の第３クラッド層２１３（膜厚０．０５μｍ）とが順に積層された積層膜である。ｐ側の第１半導体層２１０における積層膜では、活性層３００から離れた側にＡｌ濃度の低い組成の膜が配置されている。

ｐ側の第２半導体層２２０は、ｐ側の第４半導体層２４０上に形成される。ｐ側の第２半導体層２２０は、ｐ側の第４半導体層２４０とｐ側の第５半導体層２５０との間に形成される。本実施の形態において、ｐ側の第２半導体層２２０は、膜厚０．４５μｍのｎ−ＧａＡｓからなるｎ型の電流ブロック層（第２導電側の電流ブロック層）である。第２半導体層２２０は、電流注入領域に対応する開口部２２１を有する。第２半導体層２２０の開口部２２１は、例えば、半導体レーザ装置１の共振器長方向（共振器の長手方向）に延在するストライプ状である。

ｐ側の第３半導体層２３０は、活性層３００上に形成される。ｐ側の第３半導体層２３０（第２光ガイド層）は、活性層３００とｐ側の第１半導体層２１０との間に形成されている。本実施の形態において、ｐ側の第３半導体層２３０は、ｐ側光ガイド層である第２光ガイド層であって、その組成は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）である。

ｐ側の第３半導体層２３０（第２光ガイド層）は、Ａｌ組成の異なる２層以上の積層膜からなる。具体的には、ｐ側の第３半導体層２３０は、ｕｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる第１光導波路層２３１（膜厚０．０３μｍ）と、ｐ−Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓからなるｐ型の第２光導波路層２３２（膜厚０．１３１μｍ）とが順に積層された積層膜である。ｐ側の第３半導体層２３０における積層膜では、活性層３００に近い側にＡｌ濃度の低い組成の膜が配置されている。

ｐ側の第３半導体層２３０において、第１光導波路層２３１は、不純物が意図的にドープされていないアンドープ光ガイド層である。このように、ｐ側の第３半導体層２３０（第２光ガイド層）は、活性層３００側にアンドープ光ガイド層（第１光導波路層２３１）を有する。

ｐ側の第４半導体層２４０は、ｐ側の第１半導体層２１０上に形成される。本実施の形態において、ｐ側の第４半導体層２４０は、ｐ−ＧａＡｓからなるｐ型の第１コンタクト層（膜厚０．４μｍ）である。

ｐ側の第５半導体層２５０は、ｐ側の第２半導体層２２０の開口部２２１を埋めるように、ｐ側の第２半導体層２２０上及びｐ側の第４半導体層２４０上に形成される。本実施の形態において、ｐ側の第５半導体層２５０は、ｐ−ＧａＡｓからなるｐ型の第２コンタクト層（膜厚１．７５μｍ）である。

活性層３００は、第１導電側半導体層１００上に形成される。具体的には、活性層３００は、第１導電側半導体層１００と第２導電側半導体層２００との間に形成される。本実施の形態において、活性層３００は、単一量子井戸構造である。また、活性層３００の組成は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ―ｙ}Ａｓ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）である。本実施の形態では、活性層３００は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）である。この場合、発光波長は、０＜ｘ＜１の場合は８３０ｎｍ〜１０００ｎｍであり、ｘ＝０（ＧａＡｓ）の場合は７８０ｎｍ〜８６０ｎｍである。

具体的には、活性層３００は、ｕｎ−Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ａｓからなる第１障壁層３１０（膜厚０．００５μｍ）と、ｕｎ−Ｉｎ_０．１７Ｇａ_０．８３Ａｓからなる井戸層３２０（膜厚０．００８μｍ）と、ｕｎ−Ａｌ_０．２５Ｇａ０．_７５Ａｓからなる第２障壁層３３０（膜厚０．０１μｍ）とが順に積層された積層膜である。第１障壁層３１０、井戸層３２０及び第２障壁層３３０は、いずれも不純物が意図的にドープされていないアンドープ層である。

また、第１電極１０３は、ｎ側電極であり、第２電極１０４は、ｐ側電極である。第１電極１０３及び第２電極１０４によって積層構造体への電流供給が行われる。

ここで、半導体レーザ装置１の共振器長方向の構造及びｐ側の第２半導体層２２０（電流ブロック層）の開口部２２１の形状について、図２を用いて説明する。図２は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１をｐ側の第２半導体層２２０（電流ブロック層）において水平方向に切断したときの断面図である。

半導体レーザ装置１を構成する積層構造体は、図２に示すように、レーザ光の出射端面である前端面１ａと、前端面１ａと反対側の面である後端面１ｂと有する。

また、半導体レーザ装置１を構成する積層構造体は、前端面１ａと後端面１ｂとを共振器反射ミラーとした光導波路とを備える。光導波路への電流注入領域の幅は、第２半導体層２２０（電流ブロック層）により画定される。具体的には、電流注入領域は、第２半導体層２２０の開口部２２１に対応しており、本実施の形態では、電流注入領域の幅は、第２半導体層２２０の開口部２２１の開口幅で画定される。

第２半導体層２２０（電流ブロック層）の開口部２２１は、開口幅が変化する開口幅変化領域２２１ａを有する。つまり、第２半導体層２２０の開口部２２１に対応する電流注入領域は、幅が変化する幅変化領域を有している。本実施の形態において、第２半導体層２２０（電流ブロック層）の開口部２２１は、全領域で開口幅が変化しており、第２半導体層２２０の開口部２２１が開口幅変化領域となっている。つまり、積層構造体において、電流注入領域の全体が幅変化領域となっている。

また、第２半導体層２２０（電流ブロック層）の開口部２２１は、共振器端面である前端面１ａ及び後端面１ｂよりも内側に形成されている。つまり、電流注入領域の共振器長方向（光導波路の長手方向）の端部は、前端面１ａ及び後端面１ｂよりも内側に位置している。

本実施の形態では、前端面１ａから長さｄｆだけ内側に後退したところに第２半導体層２２０（電流ブロック層）の開口部２２１の長手方向の一方の端部が形成されている。また、後端面１ｂから長さｄｒだけ内側に後退したところに第２半導体層２２０（電流ブロック層）の開口部２２１の長手方向の他方の端部が形成されている。一例として、半導体レーザ装置１の共振器長ＬがＬ＝６ｍｍの場合、後退量である長さｄｆ及びｄｒは５０μｍである。なお、後述するように、長さｄｒ及びｄｆは、端面窓構造が形成された領域に対応している。

電流注入領域において、幅変化領域の前端面側の幅をＳ１とし、幅変化領域の前記後端面側の幅をＳ２としたとき、Ｓ１＞Ｓ２である。本実施の形態では、電流注入領域の全体が幅変化領域となっているので、幅変化領域の前端面１ａ側の幅Ｓ１が電流注入領域の前端面１ａ側の幅で、幅変化領域の後端面１ｂ側の幅が電流注入領域の後端面１ｂ側の幅である。

また、本実施の形態では、電流注入領域の幅は、第２半導体層２２０の開口部２２１の開口幅に対応しているので、第２半導体層２２０（電流ブロック層）の開口部２２１の前端面１ａ側の端部の幅（開口幅）がＳ１で、第２半導体層２２０（電流ブロック層）の開口部２２１の後端面１ｂ側の端部の幅（開口幅）がＳ２であり、Ｓ１＞Ｓ２となっている。

第２半導体層２２０（電流ブロック層）の開口部２２１の開口形状は、前端面１ａ側の幅の両端の各々と後端面１ｂ側の幅の両端の各々とを直線で結んだテーパ形状であり、前端面１ａ側の開口幅Ｓ１が後端面１ｂ側の開口幅Ｓ２よりも広くなっている。第２半導体層２２０の開口部２２１において、前端面１ａ側の開口幅の一端と後端面１ｂ側の開口幅の一端とを結ぶ直線と共振器長方向とのなす角をθとすると、角度θは、第２半導体層２２０の開口部２２１のテーパ角を表している。

また、図２に示すように、前端面１ａには、誘電体多層膜で構成された第１反射膜４１０が形成されており、後端面１ｂには、誘電体多層膜で構成された第２反射膜４２０が形成されている。第１反射膜４１０は、例えば、結晶端面方向からＡｌ_２Ｏ_３とＴａ_２Ｏ_５との多層膜である。また、第２反射膜４２０は、例えば、結晶端面方向からＡｌ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５との多層膜である。第１反射膜４１０の反射率をＲ１とし、第２反射膜４２０の反射率をＲ２とすると、一例として、Ｒ１＝２％、Ｒ２＝９５％である。

次に、半導体レーザ装置１の活性層３００の周辺構造について、図３を用いて説明する。図３は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１の活性層３００の周辺構造を模式的に示す図である。なお、図３において、第１反射膜４１０及び第２反射膜４２０は省略している。

本実施の形態において、半導体レーザ装置１の積層構造体は、共振器長方向の両端部に端面窓構造を有する。具体的には、図３に示すように、活性層３００における光導波路の両端面近傍の電流非注入領域では、前端面１ａから長さｄｆの領域及び後端面１ｂから長さｄｒの領域に窓形成が行われている。

ここで、活性層３００の窓形成が行われていない領域のフォトルミネッセンスのピークエネルギーをＥｇ１とし、活性層３００の窓形成が行われた領域のフォトルミネッセンスのピークエネルギーＥｇ２とし、Ｅｇ１とＥｇ２との差をΔＥｇとすると、例えば、ΔＥｇ＝Ｅｇ２−Ｅｇ１＝１００ｍｅＶの関係になるように窓形成を行う。つまり、前端面１ａ近傍及び後端面１ｂ近傍の領域における活性層３００のバンドギャップを、前端面１ａ近傍及び後端面１ｂ近傍以外の領域における活性層３００のバンドギャップよりも大きくしている。

また、窓形成方法は、一般に不純物拡散方法と空孔拡散法とがあるが、本実施の形態では、空孔拡散法によって窓形成を行っている。これは、１エミッタ当たり１０Ｗを超えるような超高出力の半導体レーザ装置においては、低損失化による光吸収量の低減が重要であるからである。つまり、不純物拡散法で窓形成を行うと、不純物によって光吸収が大きくなってしまって光吸収ロスを低減することが難しくなるが、空孔拡散法は不純物フリーであるため、空孔拡散法で窓形成を行うことで、不純物導入に起因する光吸収ロスを無くすことができるからである。空孔拡散法によって窓形成を行うことで、図３に示すように、端面窓構造として、前端面１ａ側には第１空孔拡散領域５１０が形成され、後端面１ｂ側には第２空孔拡散領域５２０が形成される。なお、図３において、破線で示される領域が第１空孔拡散領域５１０及び第２空孔拡散領域５２０を示している。

なお、空孔拡散法は、急速高温処理を施すことで窓形成を行うことができる。例えば、結晶成長温度近傍の８００℃〜９５０℃の非常に高温な熱にさらしてＧａ空孔を拡散させて活性層３００を混晶化することで、活性層３００の量子井戸構造を無秩序化し、空孔とIII族元素との相互拡散によって窓化（透明化）することができる。

このように、半導体レーザ装置１の共振器長方向の両端部に窓形成を行うことで、半導体レーザ装置１の共振器端面を透明化して前端面１ａ近傍における光吸収を低減することができる。これにより、前端面１ａにおいてＣＯＤが発生することを抑制できる。

次に、このように構成される半導体レーザ装置１の特性について、比較例の半導体レーザ装置と比較しながら説明する。なお、比較例の半導体レーザ装置は、半導体レーザ装置１において、第２半導体層２２０（電流ブロック層）の開口部２２１のテーパ角θが０°のストレート状のストライプ構造を備えるものである。

まず、図４Ａ及び図４Ｂを用いて、比較例の半導体レーザ装置における、光導波路の長手方向の光強度分布（電界強度）の端面反射率依存性を説明する。なお、図４Ａ及び図４Ｂにおいて、半導体レーザ装置の共振器長Ｌは６ｍｍとし、後端面１ｂ側の反射率Ｒ２を９５％としている。また、図４Ａは、光導波路の中央部の強度を１として規格化した場合の相対強度を示しており、図４Ｂは、図４Ａの具体的な数値を示したものである。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、前端面１ａ側の反射率Ｒ１が低い場合には、前端面１ａでの光強度（電界強度）が著しく大きくなることが分かる。このため、活性層３００に注入されたキャリア（電子、正孔）については、誘導放出により単位時間当たりに消費される前端面１ａ側の動作キャリア量が著しく大きくなり、空間的ホールバーニングが発生する。

この場合、第２半導体層２２０（電流ブロック層）の開口部２２１のテーパ角θを０°から大きくしていくと、前端面１ａ側の開口部２２１の開口幅Ｓ１が大きくなり、水平方向の光分布の幅が広くなり、光密度が減少する。

このため、前端面１ａ側では、テーパ角θの増加に伴って、誘導放出により単位時間当たりに消費される電子・正孔の数は減少していく。一方、後端面１ｂ側では、テーパ角θの増加に伴って、光分布の水平方向の拡がりが狭くなるため、光密度が増大することになる。このため、後端面１ｂ側では、テーパ角θの増加に伴って、誘導放出により単位時間当たりに消費される電子・正孔の数は増加する。この結果、テーパ角θを大きくしすぎると、後端面１ｂ側で活性層３００中の動作キャリア密度が減少し、空間的ホールバーニングが発生する。

また、空間的ホールバーニングの程度が大きくなると、活性層３００中の動作キャリア濃度が大きい領域では、熱的に励起されて活性層３００からクラッド層（第１半導体層１１０、２１０）へ漏れ出すキャリアオーバーフローが増大し、光出力の熱飽和レベルが低下する。

さらに、縦方向（共振器長方向）に空間的ホールバーニングが発生すると、活性層３００内において最も大きく増幅される利得を得る波長にバラツキが発生し、発振閾値電流の増大につながる。発振閾値電流が増大すると、高温動作時のキャリアオーバーフローが増大し、温度特性の劣化が生じる。

次に、光導波路に伝播する光の高次の光横モード（水平光横モード）の次数に対するキャリア分布の影響について説明する。

本実施の形態における半導体レーザ装置１のように、第２半導体層２２０（電流ブロック層）の開口部２２１において、前端面１ａ側の開口幅Ｓ１よりも後端面１ｂ側の開口幅Ｓ２が狭くなると、高次の光横モードの光は光導波路を導波できなくなりカットオフされ、光横モード数は減少する。

光横モードの次数は、形成される光導波路、つまり第２半導体層２２０の開口部２２１で画定された開口幅により制限される。具体的には、光横モードの次数は、第２半導体層２２０の開口部２２１の開口幅のうち最も狭い開口幅Ｓ２によって制限されることになり、導波できる光横モードの次数が決定されることになる。

また、レーザ発振中に光横モード同士が結合する場合、光導波路の長手方向における光分布形状が相互に影響し、同時に発振できる光横モードの次数が少ないほど、光導波路の長手方向の光分布形状が変形し、電流−光出力特性に非線形性が生じると推測される。

この点について、後端面１ｂ側の開口幅Ｓ２と光横モードの次数との依存性に関するシミュレーションを行ったので、その結果を図５を用いて説明する。図５は、半導体レーザ装置１において、共振器長Ｌを６ｍｍとし、前端面１ａ側の反射率Ｒ１を０．２％とし、後端面１ｂ側の反射率Ｒ２を９５％とし、第２半導体層２２０の開口部２２１の前端面１ａ側の開口幅Ｓ１を１０５μｍに固定した場合に、第２半導体層２２０の開口部２２１の後端面１ｂ側の開口幅Ｓ２を２５μｍ、５０μ、７５μｍ、１０５μｍに変化させた場合における、１エミッタ当たり動作出力が１０Ｗのときのニアフィールドパターン（ＮＦＰ）の形状を示している。なお、Ｓ１＝Ｓ２＝１０５μｍは、テーパ角θが０°のストレートストライプ構造である。

図５の（ａ）に示すように、Ｓ２＝２５μｍの場合、高次の光横モード数は５次まで存在する。また、図５の（ｂ）に示すように、Ｓ２＝５０μｍの場合、高次の光横モード数は１０次まで存在する。また、図５の（ｃ）に示すように、Ｓ２＝７５μｍの場合、高次の光横モード数は１５次まで存在する。また、図５の（ｄ）に示すように、Ｓ２＝１０５μｍの場合（ストレートストライプ構造の場合）、高次の光横モード数は２１次まで存在する。

このように、開口幅Ｓ１を固定して開口幅Ｓ２を変化させた場合（つまり、テーパ角θを変化させた場合）、高次の光横モードは、開口幅Ｓ２に依存して大きく変化することが分かった。具体的には、図５に示すように、開口幅Ｓ２が小さくなると、前端面１ａのニアフィールドパターンの形状は、高次の光横モード数が減少した形状になることが分かった。

次に、光導波路の前端面１ａと中央部と後端面１ｂとにおける活性層３００内の幅方向のキャリア濃度の分布と、第２半導体層２２０の開口部２２１の開口幅Ｓ２及び前端面１ａの反射率Ｒ１との関係について、図６を用いて説明する。なお、図６では、第２半導体層２２０の開口部２２１の開口幅Ｓ１を１０５μｍとし、後端面１ｂの反射率Ｒ２を９５％とした場合に、開口幅Ｓ２及び前端面１ａの反射率Ｒ１を変化させている。

図６に示すように、前端面１ａの反射率Ｒ１が１０％の場合、Ｒ１が高いために、光導波路の前端面１ａと中央部と後端面１ｂとの平均的なキャリア濃度は、Ｒ２の値に寄らず大きく変わらない。つまり、この場合、第２半導体層２２０の開口部２２１の開口形状の効果は小さいことが分かる。

一方、前端面１ａの反射率Ｒ１が小さくなるにつれて、光導波路内の長手方向の光強度差が大きくなる。例えば、反射率Ｒ１が０．２％の場合、開口幅Ｓ２を１０５μｍ（ストレートストライプ）にすると、誘導放出により単位時間に消費される電子・正孔については光導波路の長手方向における不均一性が増加しているが、開口幅Ｓ２が小さくなるに従って、前端面１ａの方向に光分布が拡げられて光密度が低減するため、誘導放出により単位時間に消費される電子・正孔については、前端面１ａ、中央部及び後端面１ｂにおいて幅中央部近傍のキャリア濃度が均一化していくことが分かる。これは、光導波路を導波する光の水平横モードが高次多モードを含む場合、第２半導体層２２０の開口部２２１の開口形状をＳ１＞Ｓ２の関係にすることで、光導波路の長手方向において活性層３００に注入された電子・正孔が誘導放出により単位時間に消費される量の分布が均一になるからである。つまり、電子・正孔の活性層３００への注入効率を光導波路の長手方向において改善することが可能となる。これにより、レーザ発振に至る閾値電流を小さくできるので、駆動電流を低減することができる。このように、端面反射率差（Ｒ１／Ｒ２比）が大きくなる程、第２半導体層２２０の開口部２２１の開口形状（Ｓ１＞Ｓ２）の効果が大きくなる。

しかし、高次の光横モード数が少なくなり過ぎた場合、例えば図６において、開口幅Ｓ２が２５μｍで反射率Ｒ１が０．２％である場合、高次の光横モード数が開口幅Ｓ２（２５μｍ）によりカットオフされて減少し過ぎることにより、第２半導体層２２０の開口部２２１における幅方向の端側において消費されないキャリアによってキャリア分布に大きなピークが生じる。これは、横方向の空間的ホールバーニングが発生していることを意味する。つまり、第２半導体層２２０の開口部２２１の開口形状がＳ１＞Ｓ２の関係を満たすようにするだけでは、横方向の空間的ホールバーニングの発生を抑制することができないことが検証できた。

以上の検証結果により、Ｓ１＝１０５μｍの場合、Ｓ２を２５μｍ〜５０μｍにすることで、光導波路の長手方向において、前端面・中央・後端面のキャリア分布の強度差を小さくしてキャリアの注入効率を最大化することができ、より効果的に横方向の空間的ホールバーニングの発生を抑制することができる。開口幅Ｓ１とＳ２の比（開口幅比）であるＳ２／Ｓ１を用いて言い換えると、０．２３８≦Ｓ２／Ｓ１≦０．４７６程度にすることで、キャリアの注入効率を最大化することができる。このように、本発明者らの検討により、第２半導体層２２０の開口部２２１の開口形状を０．２３８≦Ｓ２／Ｓ１≦０．４７６にすることキャリアの注入効率を最大化できることを初めて検証することができた。

次に、上記検証結果を踏まえて、実施例として実際に半導体レーザ装置を作製し、その半導体レーザ装置の特性を評価した。その評価結果について、図７及び図８Ａ〜図８Ｃを用いて説明する。図７は、実施の形態１の実施例に係る半導体レーザ装置の構成を示す平面図である。図８Ａ〜図８Ｃは、実施の形態１の実施例に係る半導体レーザ装置の電流−光出力特性を示す図である。

図７に示すように、実施の形態１の実施例に係る半導体レーザ装置は、第２半導体層２２０の開口部２２１を光導波路の横方向に平行して２０本形成された複数のエミッタを有するマルチエミッタ構造の半導体レーザ素子である。図７に示される実施例の半導体レーザ装置において、１エミッタあたりの構造は、図１〜図３に示される半導体レーザ装置１と同様である。

図８Ａは、図７の実施例の半導体レーザ装置において、第２半導体層２２０の開口部２２１の形状をＳ１＝Ｓ２＝１０５μｍ（ストレートストライプ構造：Ｓ２／Ｓ１＝１）とした場合の電流−光出力特性を示している。この場合、閾値電流は２１．０Ａで、平均スロープ効率（Ｓｅ）は１．１４Ｗ／Ａであった。

図８Ｂは、図７の実施例の半導体レーザ装置において、第２半導体層２２０の開口部２２１の開口幅を、Ｓ１＝１０５μｍ、Ｓ２＝５０μｍ（テーパストライプ構造：Ｓ２／Ｓ１＝０．４７６）とした場合の電流−光出力特性を示している。この場合、閾値電流は１１．９Ａで、平均スロープ効率（Ｓｅ）は１．２１Ｗ／Ａであった。

図８Ｃは、図７の実施例の半導体レーザ装置において、第２半導体層２２０の開口部２２１の開口幅を、Ｓ１＝１０５μｍ、Ｓ２＝２５μｍ（テーパストライプ構造：Ｓ２／Ｓ１＝０．２３８）とした場合の電流−光出力特性を示している。この場合、閾値電流は１２．９Ａで、平均スロープ効率（Ｓｅ）は１．２４Ｗ／Ａであった。

図８Ａと図８Ｂ及び図８Ｃとの比較により、第２半導体層２２０の開口部２２１をストレート形状からテーパ形状にすることで、レーザ発振に達する閾値電流を低減できるとともに、平均スロープ効率が向上することが分かった。

また、図８Ｂと図８Ｃとの比較により、第２半導体層２２０の開口部２２１のＳ２／Ｓ１開口比が小さくなりすぎると、閾値電流の低減効果及び平均スロープ効率の向上効果が低下することが分かった。

このように、上記の検証結果のとおり、第２半導体層２２０の開口部２２１のＳ２／Ｓ１開口比が０．２３８≦Ｓ２／Ｓ１≦０．４７６の場合に、閾値電流を低減できるとともに、平均スロープ効率が向上することを確認できた。

これは、横方向の空間的ホールバーニングがさらに抑制されてキャリアの注入効率が第２半導体層２２０の開口部２２１の開口形状によって向上することを意味し、横モードを高次多モードレーザ発振する（つまり横モード多モード発振する）半導体レーザ装置において、第２半導体層２２０の開口部２２１の開口形状をテーパ形状にすることで、光導波路内の光強度（電界強度）に対して光導波路の長手方向におけるキャリア（電子・正孔）の注入効率を高められることを実証することができた。

ここで、第２半導体層２２０の開口部２２１のテーパ角θとキャリアの注入効率との関係について、第２半導体層２２０の開口部２２１におけるＳ１及びＳ２との関係比を、第２半導体層２２０の開口部２２１のテーパ角θで表した場合について検討する。

縦方向の空間的ホールバーニング及び横方向の空間的ホールバーニングを抑制してキャリアの注入効率を改善するには、光導波路内の光損失（光導波路損失）を低減すればよい。ここで、半導体レーザ装置の光損失αは、一般的に下記の式（ａ）及び式（ｂ）で表される。

光損失α＝ミラー損失α_ｍ＋光導波路損失α_ｉ＋自由キャリア損失α_ｆｒｅｅ・・・（ａ）

光導波路損失α_ｉ＝光吸収損失α’_ｉ＋テーパ損失α_{Ｔａｐｅｒ}・・・（ｂ）

式（ａ）及び式（ｂ）において、第２半導体層２２０の開口部２２１のテーパ角θは、テーパ損失α_{Ｔａｐｅｒ}に影響する。

テーパ角θが０°の場合、光導波路がストレート形状になるため、テーパ損失α_{Ｔａｐｅｒ}は最小となるが、テーパ角θが増大するにつれて、テーパ損失α_{Ｔａｐｅｒ}は増大していく。つまり、上記検証結果から、Ｓ２／Ｓ１≧０．２３８の関係を満たす角度θでないと、式（ｂ）のテーパ損失α_{Ｔａｐｅｒ}が増大し、閾値電流の増大が著しくなる。

上述のとおり、テーパ角θは、図２に示すように、第２半導体層２２０の開口部２２１において、前端面１ａ側の開口幅の一端と後端面１ｂ側の開口幅の一端とを結ぶ直線と、共振器長方向（光導波路の長手方向）とのなす角である。

したがって、半導体レーザ装置１の共振器長をＬとすると、テーパ角θと、共振器長Ｌと、第２半導体層２２０の開口幅Ｓ１及びＳ２との間には、式（ｃ）の関係が満たされる。

ｔａｎθ＝（Ｓ１−Ｓ２）／（２×Ｌ）・・・（ｃ）

したがって、図８Ａの場合（Ｓ１＝Ｓ２＝１０５μｍ）、テーパ角θは０°であり、図８Ｂの場合（Ｓ１＝１０５μｍ、Ｓ２＝５０μｍ）、テーパ角θは約０．２５°であり、図８Ｃの場合（Ｓ１＝１０５μｍ、Ｓ２＝２５μｍ）、テーパ角θは約０．３８°である。

このことをもとに、閾値電流及び平均スロープ効率に対するテーパ角θの依存性を求めると、図９に示す結果となる。図９は、実施例の半導体レーザ装置において、第２半導体層２２０の開口部２２１のテーパ角θと、閾値電流密度又はスロープ効率との関係を示す図である。

図９に示すように、テーパ角θが０°であるストレートストライプ構造に対し、テーパ角θが増加するに従って、閾値電流密度を低減できるとともに平均スロープ効率が向上することが分かる。このことは、第２半導体層２２０の開口部２２１をテーパ形状にすることで、キャリアの利用効率が向上したことを意味する。

さらにテーパ角θが増加すると、テーパ角θが約０．２２°〜約０．３２°の範囲では、閾値電流密度が最小値から緩やかに増加していくが、平均スロープ効率は増大する。これは、閾値電流密度については、テーパ角θの増大に伴って、光導波路損失の一つであるテーパ損失の増加により閾値電流密度が増加したものと考えられる。また、平均スロープ効率については、テーパ角θの増加に伴って光導波路内の光強度分布の均一化と活性層への注入キャリアの均一化が進み、単位時間あたりの誘導放出過程における光導波路の長手方向のキャリアの利用効率がさらに増大したためである。

さらにテーパ角θが増加してテーパ角θが約０．５°を超えると、閾値電流密度はさらに増加するとともに、平均スロープ効率が大幅に低減する。つまり、テーパ角θが大きくなりすぎると、閾値電流密度の低減効果及び平均スロープ効率の向上効果が低下する。これは、光導波路損失の一つであるテーパ損失の増大が非常に大きくなったことで、閾値電流密度の増加を引き起こし、光導波路の長手方向の活性層におけるキャリアの利用効率の改善よりもテーパ損失の増大の影響の方が大きくなったことにより、スロープ効率が低下したことが原因であると考えられる。

以上より、テーパ角θの適切な範囲は、テーパ損失α_{Ｔａｐｅｒ}の影響が極力小さい範囲、すなわち、以下の式（ｄ）で表される範囲となる。

０°＜θ≦０．５°・・・（ｄ）

このように、式（ｄ）を満たす範囲のテーパ角θで半導体レーザ装置を作製しなければ、テーパ損失α_{Ｔａｐｅｒ}による影響が顕著に現れることを初めて確認できた。

また、さらにテーパ角θを大きくすると、テーパ損失α_{Ｔａｐｅｒ}の増大によって、さらなる閾値電流の増大と及び平均スロープ効率の低下を引き起こす。したがって、キャリアである電子と正孔の注入を、光導波路内の長手方向の光強度分布に合わせて注入しても、光導波路損失α_ｉの増大による閾値電流の増加及び平均スロープ効率の低下によって電流−光出力特性の効率低下を招く。したがって、第２半導体層２２０の開口部２２１のテーパ角θは適切に設定する必要がある。

式（ｄ）の条件を満たすことで、縦方向の空間的ホールバーニング及び横方向の空間的ホールバーニングを抑制でき、且つ、テーパ損失α_{Ｔａｐｅｒ}の影響を最小限にすることができる。

そこで、水平横モードが多モード発振する本実施の形態の半導体レーザ装置において、開口幅Ｓ１、Ｓ２、共振器長Ｌ及びテーパ角θの組み合わせを図１０に示す。図１０の（ａ）〜（ｈ）は、Ｓ１＝３００μｍ、２００μｍ、１０５μｍ、９５μｍ、６０μｍ、４０μｍ、２０μｍ、１０μｍの場合において、共振器長Ｌを２０００μｍ、３０００μｍ、４０００μｍ、５０００μｍ、６０００μｍと変化させたときに、横軸を開口幅Ｓ２とし、縦軸をテーパ角θとして表したものである。なお、図１０の（ａ）〜（ｈ）において、テーパ角θが０．５°の境界線を破線で示している。

図１０の（ａ）〜（ｈ）に示すとおり、式（ｃ）の関係を維持し、式（ｄ）の条件を満たす範囲を選択することで、縦方向の空間的ホールバーニング及び横方向の空間的ホールバーニングを抑制することができ、且つ、テーパ損失α_{Ｔａｐｅｒ}の影響を最小限にすることができる。

なお、図１０に示す範囲以外においても、式（ｃ）の関係を維持し、式（ｄ）の条件を満たす範囲であれば、縦方向の空間的ホールバーニング及び横方向の空間的ホールバーニングを抑制することができ、且つ、テーパ損失α_{Ｔａｐｅｒ}の影響を最小限にすることが可能である。

以上、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１は、第１導電側半導体層１００と、活性層３００と、第２導電側半導体層２００とが順に積層された積層構造体を備え、横モード多モード発振する半導体レーザ装置であって、積層構造体は、レーザ光の出射端面である前端面１ａと、前端面１ａと反対側の面である後端面１ｂと、前端面１ａと後端面１ｂとを共振器反射ミラーとした光導波路とを備え、第２導電側半導体層２００は、活性層３００に近い側から順に第１半導体層２１０と、第２半導体層２２０とを有し、光導波路への電流注入領域の幅は、第２半導体層２２０により画定され、電流注入領域の共振器長方向の端部は、前端面１ａ及び後端面１ｂよりも内側に位置し、電流注入領域は、幅が変化する幅変化領域を有し、幅変化領域の前端面１ａ側の幅をＳ１とし、幅変化領域の後端面１ｂ側の幅をＳ２としたとき、Ｓ１＞Ｓ２である。

このように、横モード多モード発振させることで、シングルモード発振する半導体レーザ装置では実現不可能な高出力でレーザ発振させることができるとともに注入キャリアの利用効率を高くして低電圧駆動を実現することができる。しかも、電流注入領域にＳ１＞Ｓ２の幅変化領域を持たせることで、前端面１ａに近づくにつれて光強度を横方向に拡散均一化させるとともに端面光密度を低減化させることができるので、前端面１ａにＣＯＤが発生することを抑制できる。したがって、ＣＯＤの発生を抑制しつつ高出力且つ低電圧駆動が可能な半導体レーザ装置を実現することができる。

また、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１において、幅変化領域の前端面１ａ側の幅の一端と幅変化領域の後端面１ｂ側の幅の一端とを結ぶ直線と、共振器長方向とのなす角をθとすると、０°＜θ≦０．５°であるとよい。

これにより、縦方向の空間的ホールバーニング及び横方向の空間的ホールバーニングを抑制することができ、且つ、注入キャリアの利用効率を最大限に向上させて低電圧駆動及び高出力を実現できるとともに、低閾値電流及び高いスロープ効率による低電流駆動動作を実現することができる。

また、本実施の形態における半導体レーザ装置１では、図１１に示すように、半導体レーザ装置１から出射するレーザ光の最大光強度がｎ側の第２半導体層１２０（第１光ガイド層）に存在している。図１１は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１における縦方向の光閉じ込め構造における光分布とドーパント濃度分布のプロファイルを示す模式図である。

図１１に示すように、レーザ光の最大光強度をｎ側の第２半導体層１２０側に位置させて、縦方向の光分布の大部分をｎ側の第２半導体層１２０に位置させることで、光導波路損失α_ｉ＋自由キャリア損失α_ｆｒｅｅが最小化され、活性層３００への注入キャリアの利用効率を最大限に改善して向上させることができる。これにより、低電圧駆動にて、低閾値電流及び高いスロープ効率による低電流駆動が可能となり、高い電力変換効率が可能な数十ワット級の高出力の半導体レーザ装置を実現することができる。

また、本実施の形態における半導体レーザ装置１では、第１半導体層２１０の電流注入領域における膜厚と、第２半導体層２２０の下方領域における膜厚とは同じである。

この構成により、半導体レーザ装置１のレーザ構造をインナーストライプ型構造にすることができるので、電流狭窄を第２半導体層２２０のみで行うことができる。これにより、リッジ型ワイドストライプレーザでは実現し得ない低電圧駆動を実現することができる。

なお、本実施の形態に係る半導体レーザ装置では、光導波路の両端面近傍の長さｄｆ及びｄｒは、ｄｆ＝ｄｒ＝５０μｍとしたが、これに限らない。例えば、ｄｆ及びｄｒは、５０μｍより短くてもよいし、１００μｍ程度に長くてもよいし、ｄｆ≠ｄｒであってもよい。

また、本実施の形態における半導体レーザ装置１では、端面窓構造を有するためのパラメータであるΔＥｇを、ΔＥｇ＝１００ｍｅＶとしたが、これに限らない。一例として、０ｍｅＶ≦ΔＥｇ≦２００ｍｅＶであっても、同様の効果を奏することができる。

また、本実施の形態における半導体レーザ装置１では、端面窓構造を形成する方法としては、空孔拡散法を用いたが、これに限らない。例えば、不純拡散法によって、端面窓構造を形成してもよい。この場合、例えば、不純物としてＳｉを用いる場合は、Ｓｉをイオン注入法によって拡散して活性層を混晶化すればよい。また、不純物としてよしてＺｎを用いる場合は、窓形成したい領域のｐ側の半導体層上面部にＺｎＯを蒸着し、熱拡散によりＺｎを拡散させて活性層を混晶化すればよい。

また、本実施の形態における半導体レーザ装置１では、前端面１ａ及び後端面１ｂに形成した第１反射膜４１０及び第２反射膜４２０の反射率をＲ１／Ｒ２＝０．０２１として原理検証を行ったが、これに限らない。例えば、図６の検証結果より、Ｒ１＝１０％、Ｒ２＝９５％（Ｒ１／Ｒ２＝０．１）であってもよい。また、Ｒ１／Ｒ２＜０．１であれば、同様の効果を奏することができ、Ｒ１／Ｒ２の値が小さい程、より優れた効果を得ることができる。

また、第１反射膜４１０は、前端面１ａの反射率Ｒ１を低下させ、第２反射膜４２０は、後端面１ｂの反射率Ｒ２を増加させることができれば、第１反射膜４１０及び第２反射膜４２０の材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２及びＴａ_２Ｏ_５に組み合わせに限らず、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＮ、ＢＮ、ＡｌＮ及びＡｌ_ｘＯ_ｙＮ（ｘ＞ｙ）を任意に組み合わせたものであってもよい。

また、本実施の形態における半導体レーザ装置１において、ｎ側の第１半導体層１１０（ｎ側クラッド層）は、ｎ−Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓからなるｎ型の第１クラッド層１１１と、ｎ−Ａｌ_{０．３３５}Ｇａ_{０．６６５}Ａｓからなるｎ型の第２クラッド層１１２と、ｎ−Ａｌ_{０．３３５}Ｇａ_{０．６６５}Ａｓからなるｎ型の第３クラッド層１１３との三層構造とし、光閉じ込め構造と自由キャリア吸収の低減とを行うために、Ａｌ組成と不純物ドーピング濃度とを積層方向の光分布に合わせて増減させているが、ｎ側の第１半導体層１１０は、多層構造であっても単層構造であってもよい。ｎ側の第１半導体層１１０が単層構造であっても、同様の効果を奏することができる。

また、本実施の形態における半導体レーザ装置１において、ｎ側の第２半導体層１２０（ｎ側光ガイド層）は、ｎ−Ａｌ_０．２７Ｇａ_０．７３Ａｓからなるｎ型の第１光導波路層１２１と、ｎ−Ａｌ_０．２７Ｇａ_０．７３Ａｓからなるｎ型の第２光導波路層１２２と、ｎ−Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ａｓからなるｎ型の第３光導波路層１２３との三層構造として、積層方向における光分布中心が存在するガイド層構造にするとともに高精度で光分布を制御して自由キャリア吸収の低減を行うためにＡｌ組成と不純物ドーピング濃度とを積層方向の光分布に合わせて増減させているが、ｎ側の第２半導体層１２０は、多層構造であっても単層構造であってもよい。ｎ側の第２半導体層１２０が単層構造であっても、同様の効果を奏することができる。

また、本実施の形態における半導体レーザ装置１において、活性層３００は、ｕｎ−Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ａｓからなる第１障壁層３１０と、ｕｎ−Ｉｎ_０．１７Ｇａ_０．８３Ａｓからなる井戸層３２０と、ｕｎ−Ａｌ_０．２５Ｇａ０．_７５Ａｓからなる第２障壁層３３０とを積層した単一量子井戸構造として、効果が最大になるように形成したが、活性層３００は、２個以上量子井戸構造を含む多重量子井戸構造であっても同様の効果を奏することができる。

また、本実施の形態における半導体レーザ装置１では、ｐ側の第１半導体層２１０（ｐ側クラッド層）は、ｐ−Ａｌ_０．６５Ｇａ_０．３５Ａｓからなるｐ型の第１クラッド層２１１と、ｐ−Ａｌ_０．６５Ｇａ_０．３５Ａｓからなるｐ型の第２クラッド層２１２と、ｐ−Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓからなるｐ型の第３クラッド層２１３との三層構造として、屈折率の高精度制御によって積層方向の光最大強度と光分布の大部分をｎ側の第２半導体層１２０（ｎ側光ガイド層）に存在させることで超低損失化（光導波損失αｉ＝０．５ｃｍ^−１）された光導波路を実現したが、ｐ側の第１半導体層２１０は、多層構造であっても単層構造であってもよい。ｐ側の第１半導体層２１０が単層構造であっても、同様の効果を奏することができる。

また、本実施の形態における半導体レーザ装置１では、基板１０１としてＧａＡｓ基板を用いて、ＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓのＧａＡｓ系半導体材料によって積層構造体の各層を形成したが、半導体レーザ装置１を構成する積層構造体の材料は、これに限定されない。

例えば、基板１０１としてＧａＮ基板を用いて、ＧａＮ基板上に、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＩｎＮなどの窒化物系半導体材料によって積層構造体の各層を形成してもよい。

一例として、Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）系の材料を用いた半導体レーザ装置１Ａについて、図１２及び図１３を用いて説明する。図１２は、実施の形態１の変形例に係る半導体レーザ装置１Ａの断面図である。図１３は、図１２に示す半導体レーザ装置１Ａにおける光導波路内の積層方向の屈折率分布と光分布とを示す図である。

図１２に示すように、半導体レーザ装置１Ａは、第１導電側半導体層１００Ａと、活性層３００Ａと、第２導電側半導体層２００Ａとが順に積層された積層構造体を備える端面出射型のレーザ素子であり、横モード多モード発振することで、レーザ光を出射する。

具体的には、半導体レーザ装置１Ａは、基板１０１Ａと、基板１０１Ａの上面に形成されたバッファ層１０２Ａと、バッファ層１０２Ａ上に形成された第１導電側半導体層１００Ａと、第１導電側半導体層１００Ａ上に形成された活性層３００Ａと、活性層３００Ａ上に形成された第２導電側半導体層２００Ａと、基板１０１Ａの下面に形成された第１電極１０３Ａと、第２導電側半導体層２００Ａ上に形成された第２電極１０４Ａとを備える。

本変形例において、基板１０１Ａは、ｎ−ＧａＮ基板である。バッファ層１０２Ａは、例えば、膜厚１μｍのｎ−ＧａＮ層である。

第１導電側半導体層１００Ａ（ｎ側半導体層）は、バッファ層１０２Ａ上に形成されたｎ側の第１半導体層１１０Ａと、ｎ側の第１半導体層１１０Ａ上に形成されたｎ側の第２半導体層１２０Ａとを有する。

ｎ側の第１半導体層１１０Ａは、膜厚３．７μｍのｎ−Ａｌ_{０．０２６}Ｇａ_{０．９７４}Ｎからなるｎ型のクラッド層である。

ｎ側の第２半導体層１２０Ａは、ｎ側光ガイド層である第１光ガイド層（総膜厚１．０４μｍ）であって、ｕｎ−Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎからなるｎ型の第１光導波路層１２１Ａ（膜厚０．５μｍ）と、ｎ−Ａｌ_{０．０２６}Ｇａ_{０．９７４}Ｎからなるｎ型の第２光導波路層１２２Ａ（膜厚０．０３μｍ）と、ｎ−ＧａＮからなるｎ型の第３光導波路層１２３Ａ（膜厚０．２２μｍ）と、ｕｎ−Ｉｎ_{０．００８}Ｇａ_{０．９９２}Ｎからなる第４光導波路層１２４Ａ（膜厚０．０２μｍ）とが順に積層された積層膜である。

活性層３００Ａ上の第２導電側半導体層２００Ａ（ｐ側半導体層）は、ｐ側の第１半導体層２１０Ａと、ｐ側の第２半導体層２２０Ａと、ｐ側の第３半導体層２３０Ａと、ｐ側の第５半導体層２５０Ａとを有する。

ｐ側の第１半導体層２１０Ａは、ｐ型のクラッド層であり、ｐ側の第３半導体層２３０Ａ上に形成される。ｐ側の第１半導体層２１０Ａ（総膜厚０．５９５μｍ）は、ｐ−Ａｌ_{０．０２６}Ｇａ_{０．９７４}Ｎからなるｐ型の第１クラッド層２１１Ａ（膜厚０．５０５μｍ）と、高濃度ドーピングされたｐ−Ａｌ_{０．０２６}Ｇａ_{０．９７４}Ｎからなるｐ型の第２クラッド層２１２Ａ（膜厚０．０９μｍ）とが順に積層された積層膜である。

ｐ側の第２半導体層２２０Ａは、膜厚０．１５μｍのｎ−Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎからなるｎ型の電流ブロック層であり、ｐ側の第１半導体層２１０Ａ上に形成される。第２半導体層２２０Ａは、電流注入領域に対応する開口部２２１Ａを有する。第２半導体層２２０Ａの開口部２２１Ａは、例えば、図２に示される第２半導体層２２０と同様の形状である。

ｐ側の第３半導体層２３０Ａは、ｐ側光ガイド層である第２光ガイド層であって、活性層３００Ａ上に形成される。ｐ側の第３半導体層２３０Ａは、アンドープ光ガイド層２３１Ａ（膜厚０．０３５４μｍ）と、キャリアオーバーフロー抑制層２３２Ａ（膜厚０．０５３９μｍ）とを有する。アンドープ光ガイド層２３１Ａは、ｕｎ−Ｉｎ_{０．００８}Ｇａ_{０．９９２}Ｎからなる第１光導波路層２３１Ａａ（膜厚０．０１７μｍ）と、ｕｎ−Ｉｎ_{０．００３}Ｇａ_{０．９９７}Ｎからなるｐ型の第２光導波路層２３１Ａｂ（膜厚０．０１３５μｍ）と、ｕｎ−ＧａＮからなるｐ型の第３光導波路層２３１Ａｃ（膜厚０．００４９μｍ）とが順に積層された積層膜である。キャリアオーバーフロー抑制層２３２Ａは、ｐ−ＧａＮからなる第１キャリアオーバーフロー抑制層２３２Ａａ（膜厚０．００４９μｍ）と、ｐ−Ａｌ_０．３６Ｇａ_０．６４Ｎからなる第２キャリアオーバーフロー抑制層２３２Ａｂ（膜厚０．００５μｍ）と、ｐ−Ａｌ_{０．０２６}Ｇａ_{０．９７４}Ｎからなる第３キャリアオーバーフロー抑制層２３２Ａｃ（膜厚０．０４４μｍ）とが順に積層された積層膜である。

ｐ側の第５半導体層２５０Ａは、ｐ側の第２半導体層２２０Ａの開口部２２１Ａを埋めるように、ｐ側の第２半導体層２２０Ａ上及びｐ側の第１半導体層２１０Ａ上に形成される。ｐ側の第５半導体層２５０Ａは、ｐ−ＧａＮからなるｐ型のコンタクト層（膜厚０．０５μｍ）である。

活性層３００Ａは、ｕｎ−Ｉｎ_{０．００８}Ｇａ_{０．９９２}Ｎからなる第１障壁層３１０Ａ（膜厚０．０１９μｍ）と、ｕｎ−Ｉｎ_{０．０６６}Ｇａ_{０．９３４}Ｎからなる井戸層３２０Ａ（膜厚０．００７５μｍ）と、ｕｎ−Ｉｎ_{０．００８}Ｇａ_{０．９９２}Ｎからなる第１障壁層３１０Ａ（膜厚０．０１９μｍ）と、ｕｎ−Ｉｎ_{０．０６６}Ｇａ_{０．９３４}Ｎからなる井戸層３２０Ａ（膜厚０．００７５μｍ）と、ｎ−Ｉｎ_{０．００８}Ｇａ_{０．９９２}Ｎからなる第２障壁層３３０Ａ（膜厚０．０１９μｍ）とが順に積層された二重量子井戸構造の積層膜である。なお、活性層３００Ａの組成は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）であればよい。この場合、発光波長は、４００ｎｍ〜５５０ｎｍである。

また、第１電極１０３Ａ（ｎ側電極）及び第２電極１０４Ａ（ｐ側電極）は、図１に示される半導体レーザ装置１の第１電極１０３及び第２電極１０４と同様であり、第１電極１０３Ａ及び第２電極１０４Ａによって電流供給が行われる。

図示しないが、半導体レーザ装置１Ａを構成する積層構造体は、図２に示される半導体レーザ装置１と同様に、レーザ光の出射端面である前端面１ａと、前端面１ａと反対側の面である後端面１ｂと、前端面１ａと後端面１ｂとを共振器反射ミラーとした光導波路とを備える。

また、本変形例における半導体レーザ装置１Ａでも、図２に示される半導体レーザ装置１と同様に、光導波路への電流注入領域の幅は、第２半導体層２２０Ａ（電流ブロック層）により画定される。具体的には、電流注入領域は、第２半導体層２２０Ａの開口部２２１Ａに対応している。つまり、本変形例でも、電流注入領域の幅は第２半導体層２２０Ａの開口部２２１Ａの開口幅で画定され、第２半導体層２２０Ａの開口部２２１Ａの開口幅Ｓ１及びＳ２は、Ｓ１＞Ｓ２となっている。

図１３は、本変形例の半導体レーザ装置１Ａにおける光導波路内の積層方向の屈折率分布と光導波路に閉じ込められた光分布とのシミュレーション結果を示している。

図１３に示すように、本変形例における半導体レーザ装置１Ａでは、上記実施の形態１における半導体レーザ装置１と同様に、光最大強度及び光分布の大部分がｎ側の第２半導体層１２０Ａ（ｎ側光ガイド層）に存在している。これにより、低損失且つ安定した定在波となる光導波路を実現できる。

以上、本変形例に係る半導体レーザ装置１Ａによれば、上記実施の形態１に係る半導体レーザ装置１と同様の効果を奏することができる。

なお、半導体レーザ装置１、１Ａでは、基板１０１としてＧａＡｓ基板又はＧａＮ基板を用いたが、これに限らない。例えば、基板１０１としてＩｎＰ基板を用いて、ＩｎＰ基板上に、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓＰ、ＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＧａＰ及びＩｎＧａＡｓＰなどの半導体材料を任意に選択して積層構造体の各層を形成することで、半導体レーザ装置を構成しても同様の効果を奏することができる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係る半導体レーザ装置２について、図１４を用いて説明する。図１４は、実施の形態２に係る半導体レーザ装置２の平面図である。

本実施の形態における半導体レーザ装置２と上記実施の形態１における半導体レーザ装置１とは、第２半導体層２２０（電流ブロック層）により画定される電流注入領域の形状が異なり、本実施の形態における半導体レーザ装置２では、電流注入領域は、幅が異なる幅変化領域に加えて、幅が一定の幅一定領域を有する。

具体的には、本実施の形態における半導体レーザ装置２と上記実施の形態１における半導体レーザ装置１とは、第２半導体層２２０（電流ブロック層）の開口部２２１の開口形状が異なっており、それ以外の構成は同じである。

図１４に示すように、本実施の形態における半導体レーザ装置２では、第２半導体層２２０（電流ブロック層）の開口部２２１は、開口幅が変化する開口幅変化領域２２１ａと、開口幅が一定の開口幅一定領域２２１ｂとを有する。

開口幅変化領域２２１ａは、実施の形態１と同様に、開口幅変化領域２２１ａ（幅変化領域）の前端面１ａ側の開口幅Ｓ１と、開口幅変化領域２２１ａ（幅変化領域）の後端面１ｂ側の開口幅Ｓ２とが、Ｓ１＞Ｓ２となっている。

開口幅一定領域２２１ｂは、幅が一定の直線領域（ストレートストライプ領域）である。本実施の形態において、開口幅一定領域２２１ｂは、開口幅変化領域２２１ａの前端面１ａ側に位置しており、開口幅一定領域２２１ｂの開口幅は、開口幅変化領域２２１ａの前端面１ａ側の開口幅Ｓ１と同じ幅となっている。

このように、第２半導体層２２０の開口部２２１の一部に、開口幅一定領域２２１ｂの直線領域（ストレートストライプ領域）を形成することで、光導波路を伝播する光の高次の光横モードの次数に対する電子・正孔のキャリア分布に対して、次のような影響を与える。

すなわち、第２半導体層２２０では開口幅Ｓ１に対して開口幅Ｓ２が狭くなるため、より高次の光横モードは光導波路を導波できなくなり（カットオフされ）、光導波路を導波する光横モードは減少する。このことは、光導波路内の直線領域の有無にかかわらず、実施の形態１と同様であり、光導波路内に直線領域があったとしても、光横モードの次数は光導波路の幅により制限を受ける。

ここで、本実施の形態における半導体レーザ装置２の前端面１ａの反射率Ｒ１と後端面１ｂの反射率Ｒ２を、実施の形態１における半導体レーザ装置１の反射率Ｒ１及びＲ２と同様にすると、活性層３００において誘導放出により単位時間当たりに消費される電子・正孔（キャリア）については、光導波路の長手方向における不均一性が発生する。すなわち、縦方向の空間的ホールバーニングが発生する。この結果、利得の不均一性が引き起こされるが、この不均一性は、実施の形態１と同様に軽減される。つまり、第２半導体層２２０の開口部２２１に、Ｓ１＞Ｓ２の関係を満たす開口幅変化領域２２１ａを形成することで、前端面１ａ方向に光分布が拡げられて前端面１ａ領域における光密度が横方向に拡がって低減するため、光導波路内の縦方向及び横方向の光強度分布が均一化する。

そして、本実施の形態では、第２半導体層２２０の開口部２２１の前端面１ａ側には開口幅一定領域２２１ｂが形成されているので、縦方向の空間的ホールバーニングを発生させることなく、光導波路の長手方向において活性層３００に過不足なくキャリアを注入することができる。つまり、Ｒ１／Ｒ２比が極端に小さくなった場合などでは、光導波路の長手方向の光強度分布が著しく大きくなるため、実施の形態１のように、直線領域のないテーパ領域のみで第２半導体層２２０の開口部２２１を形成すると、縦方向の空間的ホールバーニングを完全に抑制することが難しいが、本実施の形態のように、テーパ領域と直線領域とを組み合わせて第２半導体層２２０の開口部２２１を形成することで、縦方向の空間的ホールバーニングを完全に防止することが可能となる。

また、本実施の形態でも、実施の形態１と同様に、第２半導体層２２０の開口部２２１における開口幅変化領域２２１ａのテーパ角θが大きくなりすぎると、テーパ損失α_{Ｔａｐｅｒ}が増大して閾値電流が増大し、さらにテーパ角θが大きくなると平均スロープ効率も低下する。したがって、本実施の形態でも、実施の形態１と同様に、テーパ角θは、０°＜θ≦０．５°であるとよい。テーパ角θがこの関係式を満たすことで、テーパ損失α_{Ｔａｐｅｒ}が閾値電流及びスロープ効率に影響を与えることがなくなる。

なお、本実施の形態において、第２半導体層２２０の開口部２２１の開口幅一定領域２２１ｂは、開口幅変化領域２２１ａの前端面１ａ側に形成したが、これに限らない。

例えば、図１５に示される半導体レーザ装置２Ａのように、第２半導体層２２０の開口部２２１の開口幅一定領域２２１ｂ（ストレートストライプ領域）を、開口幅変化領域２２１ａの後端面１ｂ側に形成してもよい。この場合、開口幅一定領域２２１ｂの開口幅を、開口幅変化領域２２１ａの後端面１ｂ側の開口幅Ｓ２と同じ幅とすることができる。

このように、第２半導体層２２０の開口部２２１の後端面１ｂ側に開口幅一定領域２２１ｂを形成することで、光導波路を伝播する高次の光横モードの光は、後端面１ｂ側の開口幅一定領域２２１ｂの開口幅Ｓ２により制限される。これにより、光導波路内の電界強度分布を示すＮＦＰの形状が安定し、高次の光横モードの光は光導波路を安定して伝播するため、レーザ光のＦＦＰの形状の単峰性を安定化させることができる。

また、図１６に示される半導体レーザ装置２Ｂのように、第２半導体層２２０の開口部２２１の開口幅一定領域２２１ｂ（ストレートストライプ領域）を、開口幅変化領域２２１ａの前端面１ａ側及び後端面１ｂ側の両方に形成してもよい。この場合、開口幅一定領域２２１ｂの前端面１ａ側の開口幅を、開口幅変化領域２２１ａの前端面１ａ側の開口幅Ｓ１と同じ幅とし、開口幅一定領域２２１ｂの前端面１ａ側の開口幅を、開口幅変化領域２２１ａの後端面１ｂ側の開口幅Ｓ２と同じ幅とすることができる。

このように、第２半導体層２２０の開口部２２１の前端面１ａ側及び後端面１ｂ側の両方に開口幅一定領域２２１ｂを形成することで、図１４の半導体レーザ装置２及び図１５の半導体レーザ装置２Ａの両方の効果を奏することができる。つまり、Ｒ１／Ｒ２比が極端に小さい場合などにおける縦方向の空間的ホールバーニングを低減することができ、且つ、出射するレーザ光のビーム形状を安定化させることができる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３に係る半導体レーザ装置３について、図１７を用いて説明する。図１７は、実施の形態３に係る半導体レーザ装置３の断面図である。

実施の形態３に係る半導体レーザ装置３は、実施の形態１又は実施の形態２における半導体レーザ装置１、２の積層構造体（レーザ構造）を複数備えており、その複数の積層構造体を積層方向にトンネル接合（トンネルジャンクション）によって積層した構造（スタックレーザ構造）を有する。

具体的には、本実施の形態に係る半導体レーザ装置３は、図１７に示すように、実施の形態１における半導体レーザ装置１の積層構造体を２つ積層した２段構造となっており、第１レーザ構造ＬＤ１と、第２レーザ構造ＬＤ２と、第１レーザ構造ＬＤ１及び第２レーザ構造ＬＤ２をトンネル接合するトンネル接合層６００とを有する。

より具体的には、半導体レーザ装置３は、ＧａＡｓ基板からなる基板１０１上に第１レーザ構造ＬＤ１とトンネル接合層６００と第２レーザ構造ＬＤ２が積層された積層構造体と、基板１０１の下面に形成された第１電極１０３と、第２レーザ構造ＬＤ２上に形成された第２電極１０４とを有する。

第１レーザ構造ＬＤ１及び第２レーザ構造ＬＤ１は、互いに同じ構造であって、それぞれ、実施の形態１における半導体レーザ装置１の積層構造体と同様に、バッファ層１０２と第１導電側半導体層１００と活性層３００と第２導電側半導体層２００との積層構造体である。

トンネル接合層６００は、ｐ型の高濃度ドーピング層である第１トンネル接合層６１０と、第１トンネル接合層６１０上に形成されたｎ型の高濃度ドーピング層である第２トンネル接合層６２０との積層膜である。

このように構成される半導体レーザ装置３では、図１８に示すようにして発光する。図１８は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置３に対して順バイアスを印加した時に注入されたキャリア（電子・正孔）の動きを模式的に示す図である。図１８に示すように、注入された電子は、第１レーザ構造ＬＤ１において発光再結合して光子生成が行われる。次に、トンネル接合層６００を介して第２レーザ構造ＬＤ２へ電子が注入される。次に、第２レーザ構造ＬＤ２において発光再結合して光子生成が行われる。つまり、２段構造の半導体レーザ装置３では、光子が２度発生するので発光効率は２倍になる。なお、図示しないが、３段構造の半導体レーザ装置では、光子が３度発生するので発光効率は３倍になる。

次に、実施の形態１と同様にして半導体レーザ装置３を実際に作製し、その半導体レーザ装置の特性を評価した。

この場合、第１レーザ構造ＬＤ１及び第２レーザ構造ＬＤ２の各々の第２半導体層２２０の開口部２２１については、図２に示されるテーパ形状とし、Ｓ１＝１０５μｍ、Ｓ２＝５０μｍとした。

また、トンネル接合層６００については、トンネル接合部にて動作させるために、第１トンネル接合層６１０と第２トンネル接合層６２０との界面が急峻に接合され、且つ、第１トンネル接合層６１０と第２トンネル接合層６２０との不純物ドーピングプロファイルが接合界面において急峻となるように形成する必要がある。

そこで、本実施の形態では、第１トンネル接合層６１０は、不純物としてカーボン（Ｃ）が１×１０^１９ｃｍ^３ドーピングされたｐ型ＧａＡｓ層（膜厚を２５ｎｍ）とし、第２トンネル接合層６２０は、不純物として珪素（Ｓｉ）が５×１０^１８ｃｍ^３ドーピングされたｎ型ＧａＡｓ層（膜厚を２５ｎｍ）とした。

これは、熱拡散を起こす材料として例えば亜鉛（Ｚｎ）を選ぶと、第１トンネル接合層６１０と第２トンネル接合層６２０との界面におけるドーピングプロファイルは、Ｚｎの熱拡散によって鈍り、トンネル接合部のトンネル電圧が非常に高くなるからである。一方、カーボン（Ｃ）及び珪素（Ｓｉ）は熱拡散が非常に少ない不純物であるので、第１トンネル接合層６１０の不純物材料としてカーボン（Ｃ）を用い、第２トンネル接合層６２０の不純物材料として珪素（Ｓｉ）を用いることで、第１トンネル接合層６１０と第２トンネル接合層６２０との界面におけるドーピングプロファイルの不純物の熱拡散による鈍化を抑制できる。

また、順バイアス印加時のトンネル電圧は、第１トンネル接合層６１０の不純物濃度及び膜厚と、第２トンネル接合層６２０の不純物濃度及び膜厚とで決まるトンネル接合部の空乏層のでき方により、トンネル接合層６００のトンネル接合部をキャリアがトンネルするために必要な電圧が変化する。そのため、上記のように、第１トンネル接合層６１０については、カーボン（Ｃ）の不純物濃度を１×１０^１９ｃｍ^３とし、膜厚を２５ｎｍとした。また、第２トンネル接合層６２０については、珪素（Ｓｉ）の不純物濃度を５×１０^１８ｃｍ^３とし、膜厚を２５ｎｍとした。この結果、トンネル電圧が最小である立ち上がり電圧０．５Ｖにて動作可能であることが分かった。

また、第１レーザ構造ＬＤ１及び第２レーザ構造ＬＤ２のそれぞれのｐｎ接合におけるＩ−Ｖ特性の立ち上がり電圧は１．２Ｖである。したがって、上記２段構造の半導体レーザ装置３のＩ−Ｖ特性における動作電圧は、第１レーザ構造ＬＤ１及び第２レーザ構造ＬＤ２の立ち上がり電圧（１．２Ｖ×２）とトンネル電圧（０．５Ｖ）とを足し合わせた電圧である２．９Ｖとなる。実際に作製した半導体レーザ装置３を動作させたところ２．９Ｖで動作し、最小のトンネル電圧にて動作することが確認できた。

次に、実際に作製した２段構造の半導体レーザ装置３の電流−光出力特性を確認した。この場合、電流−光出力特性を確認するために、実施の形態１と同様に、第２半導体層２２０の開口部２２１を光導波路の横方向に平行して２０本且つこれを２段形成したマルチエミッタ構造の半導体レーザ素子を作製した。図１９は、実施の形態３の実施例の半導体レーザ装置の構成を示す平面図であり、実際に作製したマルチエミッタ構造を模式的に示している。

図８Ｂと同様にして、実際に作製した２段構造の半導体レーザ装置３の電流−光出力特性を求めたところ、閾値電流は、図８Ｂと同一の１１．９Ａであり、平均スロープ効率は、２．４２Ｗ／Ａであった。つまり、２倍の平均スロープ効率（１．２１Ｗ／Ａ×２）により動作していることが確認できた。

この結果は、２段構造（スタックレーザ構造）の半導体レーザ装置においても、実施の形態１と同様に、縦方向及び横方向の空間的ホールバーニングが抑制されてキャリアの注入効率が第２半導体層２２０の開口部２２１によって向上することを意味し、横モード多モード発振する半導体レーザ装置において、光導波路内の光強度（電界強度）に対して光導波路の長手方向のキャリア（電子・正孔）の注入効率を高められることが確認できた。

以上、本実施の形態における半導体レーザ装置３によれば、実施の形態１における半導体レーザ装置１と同様の効果が得られる。すなわち、ＣＯＤの発生を抑制しつつ高出力且つ低電圧駆動が可能な半導体レーザ装置を実現することができる。

なお、本実施の形態では、レーザ構造の積層数は２段としたが、これに限るものではなく、３段以上積層しても同様の効果を得ることができる。

（実施の形態４）
次に、実施の形態４に係る半導体レーザモジュールについて、図２０Ａ及び図２０Ｂを用いて説明する。図２０Ａは、実施の形態４に係る半導体レーザモジュール４の平面図であり、図２０Ｂは、同半導体レーザモジュール４の側面図である。

本実施の形態における半導体レーザモジュール４は、上記実施の形態１における半導体レーザ装置１を備える。具体的には、図２０Ａ及び図２０Ｂに示すように、半導体レーザモジュール４は、金属基台４１と、金属基台４１上に配置された基台４２と、基台４２上に配置された半導体レーザ装置１と、半導体レーザ装置１から出射したレーザ光１Ｌの光路上に配置された第１光学素子４３及び第２光学素子４４とを備える。

半導体レーザ装置１は、発熱によって活性層からのキャリア漏れが生じて熱飽和レベルが低下してしまう。また、半導体レーザ装置１は、外部応力の影響を受けやすく、外部から過度な応力を受けると、半導体材料の結晶性が劣化し、長期信頼性が低下してしまう。また、半導体レーザ装置の実装には通常金錫半田が使用されるので、半導体レーザ装置は、金錫半田が溶融する程度の高温状態で実装される。そのため、半導体レーザ装置を、半導体レーザ装置と熱膨張係数が大きく異なる材料に実装すると、加熱−冷却プロセスにより半導体レーザ装置には熱膨張係数差による実装応力が生じてしまう。本実施の形態では、これらのことを考慮し、高い放熱性を有する金属基台４１上に、熱伝導率が高く且つ半導体レーザ装置１に用いられる半導体材料の格子定数に近い基台４２を配置した上で、この基台４２上に半導体レーザ装置１を実装している。

金属基台４１は、例えば銅によって構成されているとよい。また、基台４２は、半導体レーザ装置１の格子定数に近い材料、例えば、銅及びタングステンからなる材料、銅、タングステン及びダイヤモンドからなる材料、又は、窒化アルミニウムからな材料によって構成されているとよい。また、金属基台４１の内部に液体が循環するようなチャネルが形成されているとよい。これにより、チャネル内に冷却水を循環させることでさらに放熱性を高めることができるので、半導体レーザ装置１を高出力で動作させることができるとともに、半導体レーザ装置１への実装応力が低減されて長期信頼性を確保することができる。

第１光学素子４３は、半導体レーザ装置１から出射したレーザ光Ｌ１のうち縦方向の光のみを平行光に成形する。第２光学素子４４は、第１光学素子４３を通過して縦方向の光が平行光に成形されたレーザ光Ｌ１に対して横方向の光を平行光に成形する。この構成により、レーザ光Ｌ１の形状は半導体レーザ装置１からの距離に依存しなくなる。これにより、半導体レーザ装置１から出射するレーザ光Ｌ１を効率的に利用できる半導体レーザモジュール４を実現することができる。

以上、本実施の形態における半導体レーザモジュール４は、実施の形態１における半導体レーザ装置１を備えているので、低電力動作が可能で高出力の半導体レーザモジュールを実現することができる。

なお、本実施の形態では、実施の形態１における半導体レーザ装置１を用いたが、これに限らない。例えば、実施の形態２、３における半導体レーザ装置２、３を用いてもよい。この場合、複数のエミッタを有するマルチエミッタ構造の半導体レーザ装置としてもよい。マルチエミッタ構造の半導体レーザ装置を用いることで、半導体レーザモジュールの光出力をさらに高めることが可能となる。

（実施の形態５）
次に、実施の形態５に係る溶接用レーザ光源システム５について、図２１を用いて説明する。図２１は、実施の形態５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。

図２１に示すように、溶接用レーザ光源システム５は、発振器５１と、ヘッド５２と、発振器５１とヘッド５２との間に設けられた光路５３と、発振器５１を駆動するための駆動電源装置５４と、発振器５１を冷却するための冷却装置５５とを備えている。

発振器５１は、第１半導体レーザモジュール５６ａ、第２半導体レーザモジュール５６ｂ、第３半導体レーザモジュール５６ｃ、光合波器５７、及び、第１〜第３半導体レーザモジュール５６ａ〜５６ｃと光合波器５７との間に設けられた第１〜第３光路５８ａ〜５８ｃとを備える。第１〜第３半導体レーザモジュール５６ａ〜５６ｃは、例えば、実施の形態４における半導体レーザモジュール４である。したがって、溶接用レーザ光源システム５は、光源として、レーザ光を出射する半導体レーザ装置を備える。

ヘッド５２は、光学素子５９を備える。光学素子５９は、例えば集光作用を有する凸レンズなどである。

発振器５１の第１〜第３半導体レーザモジュール５６ａ〜５６ｃは、駆動電源装置５４により電力が供給され、平行光に成形されたレーザ光を出力する。

第１〜第３半導体レーザモジュール５６ａ〜５６ｃから出力された３本のレーザ光は、それぞれ第１光路５８ａ、第２光路５８ｂ及び第３光路５８ｃを通り、光合波器５７に導かれる。第１〜第３光路５８ａ〜５８ｃは、例えば、光ファイバや反射ミラーなどの光学素子で構成することができる。

光合波器５７は、第１〜第３光路５８ａ〜５８ｃによって導かれた３つのレーザ光を単一の光路となるように光を合波する機能を有する。光合波器５７は、例えば、合波プリズムや回折格子などで構成することができる。この光合波器５７によって、複数の半導体レーザモジュールを備えた場合においてもヘッド５２への光路５３を簡素化することができる。

光路５３は、第１〜第３光路５８ａ〜５８ｃと同様に、光ファイバや反射ミラーなどの光学素子で構成することができる。ヘッド５２を固定して溶接用レーザ光源システム５を構成する場合は、反射ミラーなどの光学素子で光路５３を構成するとよい。一方、ヘッド５２を可動させて溶接用レーザ光源システム５を構成する場合は、光ファイバなどで光路５３を構成するとよい。

ヘッド５２の光学素子５９は、光路５３を介して発振器５１から導かれたレーザ光を一点に集光させる。これにより、第１〜第３半導体レーザモジュール５６ａ〜５６ｃに搭載された半導体レーザ装置からのレーザ光を、直接溶接対象物に高い光密度で照射することができる。さらに、半導体レーザ装置のレーザ光を直接利用することができるため、半導体レーザ装置を変更することで、利用するレーザ光の波長を容易に変更することができる。したがって、溶接対象物の光の吸収率に合わせた波長を選択することができ、溶接加工の効率を向上させることができる。

以上、本実施の形態における溶接用レーザ光源システム５によれば、実施の形態１における半導体レーザ装置１が搭載された半導体レーザモジュールを備えているので、低電力動作が可能で高出力の溶接用レーザ光源システムを実現できる。

なお、本実施の形態で用いた第１〜第３半導体レーザモジュール５６ａ〜５６ｃでは、実施の形態１における半導体レーザ装置１を搭載していたが、これに限らない。例えば、第１〜第３半導体レーザモジュール５６ａ〜５６ｃは、実施の形態２、３における半導体レーザ装置２、３を搭載していてもよい。この場合、複数のエミッタを有するマルチエミッタ構造の半導体レーザ装置を搭載していてもよい。

また、本実施の形態における溶接用レーザ光源システムでは、半導体レーザモジュールを３つ搭載したが、これに限らない。この場合、半導体レーザモジュールの搭載数を増やすことで、より高い光出力を得ることが可能となる。

また、本実施の形態における溶接用レーザ光源システム５は、レーザ溶接設備などのレーザ溶接装置として実現することもできる。

また、本実施の形態において、光路５３を光ファイバのコアに希土類を添加した増幅用光ファイバとし、増幅用光ファイバの両端に、増幅用光ファイバに光を閉じ込めるための機能を有したＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）を設けることで、増幅用光ファイバで増幅した光を溶接用光源とするファイバレーザ溶接装置を実現することができる。

（変形例）
以上、本開示に係る半導体レーザ装置、半導体レーザモジュール及び溶接用レーザ光源システム等について、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１〜５に限定されるものではない。

例えば、上記実施の形態１及び２では、いずれも、第２半導体層２２０（電流ブロック層）により画定される電流注入領域の形状は、電流注入領域における光導波路の長手方向の中心線に対して対称な形状としたが、式（ｄ）を満たす範囲のテーパ角θの範囲であれば、非対称な形状であっても構わない。

その他に、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素および機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。

本開示に係る半導体レーザ装置は、低電力動作で高出力可能であるので、例えば溶接用光源、プロジェクタ光源、ディスプレイ用光源、照明用光源、又は、その他の電子装置や情報処理装置などに用いられる光源などとして有用である。

１、１Ａ、２、２Ａ、２Ｂ、３ 半導体レーザ装置
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
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
１１０、１１０Ａ 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 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
２００、２００Ａ 第２導電側半導体層
２１０、２１０Ａ 第１半導体層
２１１、２１１Ａ 第１クラッド層
２１２、２１２Ａ 第２クラッド層
２１３ 第３クラッド層
２２０、２２０Ａ 第２半導体層
２２１、２２１Ａ 開口部
２２１ａ 開口幅変化領域
２２１ｂ 開口幅一定領域
２３０、２３０Ａ 第３半導体層
２３１ 第１光導波路層
２３１Ａ アンドープ光ガイド層
２３１Ａａ 第１光導波路層
２３１Ａｂ 第２光導波路層
２３１Ａｃ 第３光導波路層
２３２ 第２光導波路層
２３２Ａ キャリアオーバーフロー抑制層
２３２Ａａ 第１キャリアオーバーフロー抑制層
２３２Ａｂ 第２キャリアオーバーフロー抑制層
２３２Ａｃ 第３キャリアオーバーフロー抑制層
２４０ 第４半導体層
２５０、２５０Ａ 第５半導体層
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
６００ トンネル接合層
６１０ 第１トンネル接合層
６２０ 第２トンネル接合層
ＬＤ１ 第１レーザ構造
ＬＤ２ 第２レーザ構造

また、本実施の形態における半導体レーザ装置１では、端面窓構造を形成する方法としては、空孔拡散法を用いたが、これに限らない。例えば、不純拡散法によって、端面窓構造を形成してもよい。この場合、例えば、不純物としてＳｉを用いる場合は、Ｓｉをイオン注入法によって拡散して活性層を混晶化すればよい。また、不純物としてＺｎを用いる場合は、窓形成したい領域のｐ側の半導体層上面部にＺｎＯを蒸着し、熱拡散によりＺｎを拡散させて活性層を混晶化すればよい。

Claims (21)

1. 第１導電側半導体層と、活性層と、第２導電側半導体層とが順に積層された積層構造体を備え、横モード多モード発振する半導体レーザ装置であって、
   前記積層構造体は、レーザ光の出射端面である前端面と、前記前端面と反対側の面である後端面と、前記前端面と前記後端面とを共振器反射ミラーとした光導波路とを備え、
   前記第２導電側半導体層は、前記活性層に近い側から順に第１半導体層と第２半導体層とを有し、
   前記光導波路への電流注入領域の幅は、前記第２半導体層により画定され、
   前記電流注入領域の共振器長方向の端部は、前記前端面及び前記後端面よりも内側に位置し、
   前記電流注入領域は、幅が変化する幅変化領域を有し、
   前記幅変化領域の前記前端面側の幅をＳ１とし、前記幅変化領域の前記後端面側の幅をＳ２としたとき、Ｓ１＞Ｓ２である、
   半導体レーザ装置。
2. 前記第１半導体層の前記電流注入領域における膜厚と、前記第２半導体層の下方領域における膜厚とは同じである、
   請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記幅変化領域の前記前端面側の幅の一端と前記幅変化領域の前記後端面側の幅の一端とを結ぶ直線と、前記共振器長方向とのなす角をθとすると、０°＜θ≦０．５°である、
   請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記幅変化領域は、前記前端面側の幅の両端の各々と前記後端面側の幅の両端の各々とを直線で結んだテーパ形状である、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
5. 前記第２半導体層は、前記電流注入領域に対応する開口部を有する、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
6. 前記活性層は、単一量子井戸層構造である、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
7. 前記第１導電側半導体層は、第１光ガイド層を有し、
   前記半導体レーザ装置から出射するレーザ光の最大光強度は、前記第１光ガイド層に存在する、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
8. 前記第２導電側半導体層は、前記活性層と前記第１半導体層との間に第２光ガイド層を有し、
   前記第１半導体層は、第２導電側のクラッド層であり、
   前記第２半導体層は、電流ブロック層である、
   請求項７に記載の半導体レーザ装置。
9. 前記第２光ガイド層は、前記活性層側にアンドープ光ガイド層を有する、
   請求項８に記載の半導体レーザ装置。
10. 前記第１導電側半導体層は、第１導電側のクラッド層を有し、
    前記第１導電側のクラッド層及び前記第２導電側のクラッド層の組成は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）である、
    請求項８又は９に記載の半導体レーザ装置。
11. 前記第１導電側のクラッド層及び前記第２導電側のクラッド層の少なくとも一方は、Ａｌ組成が異なる２層以上の積層膜からなり、
    前記２層以上の積層膜では、前記活性層から離れた側にＡｌ濃度の低い組成の膜が配置されている、
    請求項１０に記載の半導体レーザ装置。
12. 前記第１光ガイド層の組成は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）である、
    請求項７〜１１のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
13. 前記第１光ガイド層は、Ａｌ組成の異なる２層以上の積層膜からなり、
    前記第１光ガイド層における前記２層以上の積層膜では、前記活性層に近い側にＡｌ濃度の低い組成の膜が配置されている、
    請求項１２に記載の半導体レーザ装置。
14. 前記活性層の組成は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ―ｙ}Ａｓ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）である、
    請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
15. 前記第１導電側のクラッド層、前記第２導電側のクラッド層及び前記活性層の組成は、Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である、
    請求項１０に記載の半導体レーザ装置。
16. 前記積層構造体を複数備え、
    複数の積層構造体は、トンネル接合によって積層されている、
    請求項１〜１５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
17. 前記幅変化領域の前記前端面側の幅は、前記電流注入領域の前記前端面側の幅であり、
    前記幅変化領域の前記後端面側の幅は、前記電流注入領域の前記後端面側の幅である、
    請求項１〜１６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
18. 前記電流注入領域は、さらに、幅が一定の幅一定領域を有する、
    請求項１〜１６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
19. 前記幅一定領域は、前記幅変化領域の前記前端面側に位置する、
    請求項１８に記載の半導体レーザ装置。
20. 請求項１〜１９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。
21. 請求項１〜１９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。

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