JPWO2018003551A1 - 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

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 Download PDF

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Abstract

半導体レーザ装置（１００）は、第１導電側の第１半導体層（１３）と、第１導電側の第２半導体層（１４）と、活性層（１５）と、第１導電側とは異なる第２導電側の第３半導体層（１６）と、第２導電側の第４半導体層（１７）とを備え、第２半導体層（１４）及び第３半導体層（１６）のバンドギャップエネルギーの最大値をそれぞれＥｇ２及びＥｇ３としたときに、Ｅｇ２＜Ｅｇ３の関係式を満たし、第３半導体層（１６）は、第４半導体層（１７）に向かってバンドギャップエネルギーが単調減少する第１領域層を有し、第２半導体層（１４）の不純物濃度をＮ２、第３半導体層（１６）の不純物濃度をＮ３としたときに、Ｎ２＞Ｎ３の関係式を満たす。

Description

本開示は、半導体レーザ装置に関し、特に、溶接用光源、モーションセンサ用光源、ディスプレイ用光源、又は、その他の電子装置若しくは情報処理装置に必要な光源として用いられる半導体レーザ装置に関する。
近年、様々な分野において半導体レーザ装置の高出力化が要望されている。従来この種の半導体レーザ装置において、活性層の両側にバンドギャップエネルギーが大きく導波モードを乱さない程度に厚さの薄いキャリアブロック層を設け、キャリアブロック層の外側に独立した導波機構を設ける構成が提案されている。この構成により半導体レーザ装置の高出力化を実現しようとしている。例えば特許文献１に開示された半導体レーザ素子においては、図１２Ａに示すように、ｎ−ＧａＡｓからなる半導体基板４０の上に、順次、ｎ−Ａｌ０．４８Ｇａ０．５２Ａｓからなる第２ｎ型クラッド層３１、ｎ−Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓからなる第１ｎ型クラッド層３２、ｎ−Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０Ａｓからなるｎ型キャリアブロック層３３、ＧａＡｓ／Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓからなる二重量子井戸構造（ＤＱＷ）をもつ活性層３４、ｐ−Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０ＡｓからなりＡｌ組成比が台形型のｐ型キャリアブロック層３５、ｐ−Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓからなる第１ｐ型クラッド層３６、ｐ−Ａｌ０．４８Ｇａ０．５２Ａｓからなる第２ｐ型クラッド層３７、及びｐ−ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層３９がそれぞれ形成される。さらに、ｐ型コンタクト層３９にはｎ−ＧａＡｓからなる電流狭窄層３８が中央のストライプ部を両側から挟みこむように埋め込まれている。なお、ｐ型コンタクト層３９の上面及び半導体基板４０の下面には、それぞれオーミック電極４１及び４２が形成されている。ここで、ｐ型キャリアブロック層３５のＡｌ組成比は、厚さ方向の位置に対して図１２Ｂに示されるような分布を有する。
また、円周率をπとし、発振波長をλとし、導波層の最大屈折率をｎ１とし、クラッド層の屈折率をｎ２とし、クラッド層間の実効厚さをｄ１とし、規格化周波数Ｖを
Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（ｎ１２−ｎ２２）０．５
と定義した時、Ｖ＞π／３となる構成としている。
このような構成とすることで、半導体レーザ素子の温度が上昇したとき、量子井戸層内のキャリアが熱励起により活性層３４外に漏れ出すことを抑制することが可能となる。これによりレーザ発振可能な温度の上限が向上するため、連続発振状態での熱飽和出力を上昇させることが可能となる。また、キャリアブロック層と隣の層との接合面で形成されるスパイク状のポテンシャル障壁の形成を抑制することで動作電圧の上昇を抑制することができる。さらに、導波モードをガウス型に近づけることが可能となり、活性層領域内での導波モードのピーク強度を減少させることができる。したがって、出射端面での光密度を低減させることができるため端面の光学損傷を抑制することができる。
また、特許文献２に開示された半導体レーザ素子は、量子井戸層、バリア層及びサイドバリア層からなる活性層と、活性層の両側に設けられたキャリアブロック層とを備える。特許文献２に開示された半導体レーザ素子においては、サイドバリア層のエネルギーギャップをＥＧ２、キャリアブロック層のエネルギーギャップをＥＧ３、導波層のエネルギーギャップをＥＧ１として、ＥＧ３≧ＥＧ２＞ＥＧ１の関係式を満たす。これにより、より導波モードのピーク強度の低減が可能となり、端面の光学損傷を抑制することができるため、高い信頼性が得られる。さらに、クラッド層及び導波層のエネルギーギャップを大きくする必要がないため、半導体レーザ素子の熱抵抗及び電気抵抗の上昇が抑制され、素子内の発熱量が抑えられる。したがって、高い発光効率で高出力の半導体レーザ素子を得られる。
特開平９−９２９３６号公報 特許第３９８７１３８号公報
連続動作で数百Ｗの光出力を得る大出力用半導体レーザ装置は、一般的に共振器長方向に対して平行に複数エミッタを同一基板上に形成するようなマルチエミッタ型の素子で実現できる。しかしながら、このようなマルチエミッタ型の半導体レーザ装置からの出射された光を光学素子により一点に光を集光させる方式においては、エミッタ本数が多くなると各エミッタより出射された光を一点に集中させることが技術的に困難である。複数のエミッタから出射された光をより小さい領域に集中させるためには、エミッタ当たりの光出力を高出力化することによるエミッタ本数削減が有効となる。しかしながら、１エミッタに対して必要な光出力が高くなるため、出射端面での光密度の高密度化による端面溶融破壊（ＣＯＤ：Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ）、または、半導体レーザ素子の発熱により活性層内の注入キャリアの熱励起が起こるため、キャリアの閉じ込め機能が損なわれる。これによりキャリアが活性層内から漏れてしまうことで、キャリアがレーザ発振に寄与しなくなり、最大光出力が低下する。
また、従来の半導体レーザ装置では、キャリアブロック層のエネルギーギャップを高くし、活性層へのキャリア閉じ込めを実現するために、キャリアブロック層に不純物を多量に添加している。これは、以下の理由による。つまり、キャリアブロック層には高いバンドギャップエネルギーが必要となるため、必然的に隣接する層とのバンドギャップエネルギー差が大きくなる。バンドギャップエネルギーが異なる層を接合させると、ヘテロ界面にはフェルミ準位差に起因する不連続が発生する。このヘテロ界面での不連続が大きくなると、半導体レーザ素子の動作電圧の上昇を招き、さらには、活性層へのキャリア注入を阻害するため、発光効率も低下してしまう。そのため、バンドギャップエネルギーが大きいキャリアブロック層のフェルミ準位差をなくすために、不純物濃度を多量に添加する必要がある。
このキャリアブロック層に多量に添加された不純物により、活性層で生成した光との相互作用による吸収が発生するフリーキャリア損失が増大する。このため、半導体レーザ素子の内部損失が増大する。半導体レーザのスロープ効率ＳＥについて、共振器長をＬ、前端面反射率をＲｆ、後端面反射率をＲｒ、内部損失をαｉ、共振器損失をαｍとした時に、ＳＥ∝αｍ／（αｍ＋αｉ）の関係が成り立つ。ここで、共振器損失αｍについて、αｍ＝１／（２×Ｌ）×ｌｎ（１／Ｒｆ×１／Ｒｒ）の関係が成り立つことから、フリーキャリア損失などの内部損失がスロープ効率に与える影響度は、共振器長が長くなると大きくなる。高い不純物濃度による内部損失の増加は、所望の光出力を得るための電流値の増大を招き、所望の光出力を得る場合に発生する熱量が増加するため高い発光効率を得ることができなくなる。さらには、発熱により活性化されたキャリアはキャリアブロック層を越えやすくなるため、更なる発光効率の低下を引き起こす。
そこで本開示は、注入キャリアに対する活性層へのキャリア閉じ込めの効率化、キャリアブロック層のヘテロ界面で形成されるポテンシャルバリアの低減、及び不純物濃度の低減による低損失化を可能とする半導体レーザ装置などを提供することを目的とする。
本開示に係る半導体レーザ装置の一態様は、第１導電側の第１半導体層と、第１半導体層よりもバンドギャップエネルギーの大きい第１導電側の第２半導体層と、活性層と、第１導電側とは異なる第２導電側の第３半導体層と、第３半導体層よりもバンドギャップエネルギーの小さい第２導電側の第４半導体層とを備え、第２半導体層のバンドギャップエネルギーの最大値をＥｇ２、第３半導体層のバンドギャップエネルギーの最大値をＥｇ３としたときに、Ｅｇ２＜Ｅｇ３の関係式を満たし、第３半導体層は、第４半導体層に向かってバンドギャップエネルギーが単調減少する第１領域層を有し、第２半導体層の不純物濃度をＮ２、第３半導体層の不純物濃度をＮ３としたときに、Ｎ２＞Ｎ３の関係式を満たす。
この構成により、活性層内にキャリアを効率的に閉じ込めることができ、かつ、第２半導体層のバンドギャップエネルギーを低くすることができる。このため、半導体レーザ装置の電気抵抗の上昇、及び半導体レーザ装置の発熱を抑制することができる。さらに、第３半導体層に第４半導体層に向かってバンドギャップエネルギーが単調減少する第１領域層を設けることで、バンドギャップエネルギーが異なる層を接合することに伴うバンド構造の変化を、第３半導体層の組成変化による価電子帯構造の変化で打ち消している。このため、例えば、第２導電側がｐ側である場合には、正孔に対するエネルギー障壁の増大を抑制できる。これにより、半導体レーザ装置の動作電圧の増大を抑制でき、かつ、電子に対するエネルギー障壁を増大させることが可能となる。さらに、不純物濃度の関係を、第２半導体層の不純物濃度Ｎ２を第３半導体層の不純物濃度Ｎ３より大きくすることにより、第２導電側におけるフリーキャリア損失を低減できる。このような不純物濃度の構成は、第２導電側がフリーキャリア損失の影響がより大きくなるｐ型である場合に特に効果的である。その結果、半導体レーザ装置の電気抵抗の上昇及び発熱を抑え、かつスロープ効率を向上させることができる。したがって、高効率で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、フリーキャリア損失を低減することによって内部損失を低減できるため、共振器長を長くした場合においても、高出力動作かつ高効率動作が可能となる。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、第３半導体層は、第１領域層と活性層との間に、第１領域層に向かってバンドギャップエネルギーが単調増加する第２領域層を有してもよい。
この構成により、活性層と第３半導体層とのヘテロ界面で形成されるスパイク状のエネルギー障壁を抑制することができるため、動作電圧の上昇を抑制することができる。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、第３半導体層の第１領域層及び第２領域層が互いに接していてもよい。
この構成により、電子に対するエネルギー障壁の高さを高くした状態で、第３半導体層の膜厚を薄くすることができるため、第３半導体層の電気抵抗を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、第１領域層と第２領域層とはバンドギャップエネルギーの最大値が等しくてもよい。
この構成により、第１領域層と第２領域層とのヘテロ界面で形成されるスパイク状のエネルギー障壁の形成を抑制することができるため、動作電圧の上昇を抑制することができる。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、第１領域層は、２０ナノメートル以上の厚さを有してもよい。
この構成により、第３半導体層の組成変化を緩やかにすることができるため、第３半導体層の価電子帯構造の変化を、組成変化による価電子帯構造の変化で効果的に打ち消すことが可能となる。したがって、第３半導体層の不純物濃度を低くし、組成変化に対して価電子帯構造の変化が大きくなった場合においても、第３半導体層の価電子帯側のポテンシャル障壁を低く保つことができるため、動作電圧の上昇を抑制することができる。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、第２領域層は、２０ナノメートル以上の厚さを有してもよい。
この構成により、第３半導体層の組成変化を緩やかにすることができるため、第３半導体層の価電子帯構造の変化を、組成変化による価電子帯構造の変化で効果的に打ち消すことが可能となる。したがって、第３半導体層の不純物濃度を低くし、組成変化に対して価電子帯構造の変化が大きくなった場合においても、第３半導体層の価電子帯側のポテンシャル障壁を低く保つことができるため、動作電圧の上昇を抑制することができる。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、第３半導体層は、間接遷移型半導体層を含んでもよい。
III−Ｖ族化合物半導体は、一般的に直接遷移型半導体となるが、ＡｌＧａＡｓ系結晶又はＡｌＧａＩｎＰ系結晶はIII族元素の組成を変えることによってバンドギャップエネルギーを大きくしていくと、直接遷移型半導体から間接遷移型半導体へと変化する。よって、第３半導体層が間接遷移型半導体を含むことにより、第３半導体層のバンドギャップエネルギーは大きくなる。例えば、第２導電側がｐ側である場合には、熱励起により活性層への閉じ込めが弱くなる電子に対して、第２導電側の第３半導体層のバンドギャップを高くすることが可能となり、よりキャリアの閉じ込めを強くすることができる。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、第３半導体層は、Ａｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体であって、第１領域層においてＡｌは組成傾斜していてもよい。
この構成では、Ａｌの組成の制御により、第３半導体層のバンド構造の制御が可能となり、第３半導体層内の価電子帯構造を高精度で制御することができる。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、第１領域層は、ＡｌＧａＡｓ系結晶又はＡｌＧａＩｎＰ系結晶であってもよい。
この構成により、第１領域層の組成変化によるバンド構造の制御がより容易となる。また、ＡｌＧａＩｎＰ系結晶を用いることで、電子に対するポテンシャル高さをさらに高くすることが可能となり、注入したキャリアが活性層内から漏れるのを抑制できる。このため、熱飽和レベルが上昇し、高出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、第１領域層は、直接遷移型半導体層を含んでもよい。
直接遷移型と間接遷移型とでは遷移するバンド構造が異なる。よって、異なる遷移型の半導体を接合させると、接合界面でバンド不連続によりスパイクが発生し、動作電圧の上昇を招く。しかしながら、上記構成により、例えば、第１領域層内においてＡｌ組成を変化させることにより、第１領域層内で直接遷移型から間接遷移型に変化させることができる。これにより、第１領域層内におけるバンド構造を効果的に平滑化することができ、かつ、第１領域層と第４半導体層との間のヘテロ界面で形成されるスパイクの形成を抑制できるため、動作電圧を低減することが可能となる。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、第１半導体層の不純物濃度をＮ１、第２導電側の第４半導体層の不純物濃度をＮ４としたときに、Ｎ２−Ｎ１≧Ｎ３−Ｎ４の関係式を満たしてもよい。
この構成により、高い発光効率が得られ、かつ、動作電圧の上昇を抑制できる。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、第２半導体層の不純物濃度Ｎ２は、７×１０１７ｃｍ−３以下であってもよい。
この構成により、第２半導体層及び第３半導体層でのフリーキャリア損失を低減することができ、スロープ効率が向上し、高効率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、第１半導体層のバンドギャップエネルギーの最大値をＥｇ１、第１領域層における第４半導体層側のバンドギャップエネルギーをＥｇ３ｍｉｎとしたとき、Ｅｇ１≦Ｅｇ３ｍｉｎの関係を満たしてもよい。
この構成により、第３半導体層のバンドギャップエネルギーの最小値を第１半導体層のバンドギャップエネルギーより高くすることができる。このため、例えば第１領域層がｐ型半導体層である場合に、電子に対するポテンシャル障壁の高さを高くすることができる。よって、電子を活性層内に効率的に閉じ込めることが可能となり、高出力動作を実現できる。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、第１半導体層と第２半導体層とは、接して配置され、第３半導体層と第４半導体層とは接して配置され、第１半導体層のバンドギャップエネルギーの最大値をＥｇ１、第４半導体層のバンドギャップエネルギーの最大値をＥｇ４としたとき、Ｅｇ１＜Ｅｇ４の関係を満たしてもよい。
この構成により、一般的にバンドギャップエネルギーと屈折率との関係は反比例の関係にあることから、第１半導体層の屈折率は第４半導体層の屈折率より大きくなる。このため、導波モードの光強度の中心位置は、活性層に対して第１半導体層側に位置することになり、第２導電側におけるフリーキャリア損失をより効果的に低減させることができる。これにより、スロープ効率が高く低電流動作が可能で、かつ高出力動作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、第２半導体層は、ｎ型キャリアブロック層であり、第３半導体層は、ｐ型キャリアブロック層であってもよい。
この構成により、ｎ側及びｐ側に設けたキャリアブロック層が注入されたキャリアを効果的に活性層内に閉じ込めることにより、スロープ効率が高く低電流動作が可能で、かつ高出力動作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、活性層はバリア層を含み、ｐ型キャリアブロック層の平均Ａｌ組成からバリア層の平均Ａｌ組成を減じた値が０．３１以上であってもよい。
この構成により、実装応力の活性層への影響を低減することが可能となるため、偏光特性の低下を抑制することができる。
また、本開示に係る半導体レーザモジュールの一態様は、上記のいずれかに記載の半導体レーザ装置の一態様を備える。
この構成により、低電圧動作と低電流動作による低消費電力動作が可能で、かつ高出力動作が可能な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、上記半導体レーザモジュールを備える。
この構成により、低消費電力動作でかつ高出力特性を有する溶接用レーザ光源システムを実現することができる。
本開示によれば、注入キャリアに対する活性層へのキャリア閉じ込めの効率化、キャリアブロック層のヘテロ界面で形成されるポテンシャルバリアの低減、及び不純物濃度の低減による低損失化を可能とする半導体レーザ装置を提供できる。
図１は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の断面構造を示す模式図である。 図２は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置のバンドギャップエネルギー分布を示す概略図である。 図３は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）ＡｓにおいてＡｌ組成ｘを変数としたときの電子と正孔の有効質量を示すグラフである。 図４Ａは、実施の形態１に係る半導体レーザ装置における伝導帯及び価電子帯のバンド構造を示す概略図である。 図４Ｂは、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の第１領域層の膜厚Ｘ１に対する動作電圧の関係の計算結果を示すグラフである。 図５Ａは、実施の形態１の変形例１に係る半導体レーザ装置における伝導帯及び価電子帯のバンド構造を示す概略図である。 図５Ｂは、実施の形態１の変形例１に係る半導体レーザ装置の第１領域層及び第２領域層の膜厚Ｘ２に対する動作電圧の関係の計算結果を示すグラフである。 図６は、実施の形態１の変形例３に係る半導体レーザ装置のＡｌ組成分布の概要を示すグラフである。 図７Ａは、第１領域層及び第２領域層のＡｌ組成と半導体レーザ装置の動作電圧との関係を示すグラフである。 図７Ｂは、第１領域層及び第２領域層のＡｌ組成と伝導帯のポテンシャル障壁幅との関係を示すグラフである。 図８Ａは、実施の形態１の変形例２に係る半導体レーザ装置の電流に対する動作電圧の関係を示すグラフである。 図８Ｂは、実施の形態１の変形例２に係る半導体レーザ装置の電流に対する光出力の関係を示すグラフである。 図９は、実施の形態１の変形例３に係る半導体レーザ装置のｐ型キャリアブロック層とバリア層との平均Ａｌ組成差に対する偏光比の関係を示すグラフである。 図１０Ａは、実施の形態２に係る半導体レーザモジュールの平面図である。 図１０Ｂは、実施の形態２に係る半導体レーザモジュールの側面図である。 図１１は、実施の形態３に係る溶接用レーザ光源システムの模式図である。 図１２Ａは、従来技術の半導体レーザ装置の断面構造を示す模式図である。 図１２Ｂは、従来技術の半導体レーザ装置のｐ型キャリアブロック層におけるＡｌ組成分布を示す模式図である。
以下、本開示の実施の形態について、以下に図面を用いて説明する。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、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、並びに、工程（ステップ）および工程の順序等は、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、本明細書において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」及び「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔をあけて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに密着して配置されて２つの構成要素が接する場合にも適用される。
（実施の形態１）
以下、実施の形態１に係る半導体レーザ装置について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１００の断面構造を示す模式図である。
本実施の形態に係る半導体レーザ装置１００は、第１導電側の第１半導体層と、第１半導体層よりもバンドギャップエネルギーの大きい第１導電側の第２半導体層と、活性層１５と、第１導電側とは異なる第２導電側の第３半導体層と、第３半導体層よりもバンドギャップエネルギーの小さい第２導電側の第４半導体層とを備える。本実施の形態では、第１導電側及び第２導電側は、それぞれｎ側及びｐ側である。本実施の形態に係る半導体レーザ装置１００は、図１に示すように、第１半導体層の一例であるｎ型導波層１３と、第２半導体層の一例であるｎ型キャリアブロック層１４と、活性層１５と、第３半導体層の一例であるｐ型キャリアブロック層１６と、第４半導体層の一例であるｐ型導波層１７とを備える。半導体レーザ装置１００は、さらに、ｎ型バッファ層１１、ｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層１８を備える。
第１半導体層の一例であるｎ型導波層１３は、活性層１５で発生した光を導くための半導体層である。ｎ型導波層１３は、活性層１５に対して第２半導体層より遠い位置に配置される。半導体レーザ装置１００においては、ｎ型導波層１３の屈折率をｎ型クラッド層１２より高くすることによって、ｎ型導波層１３に光を導いている。
第２半導体層の一例であるｎ型キャリアブロック層１４は、キャリアを活性層１５に閉じ込めるための半導体層である。ｎ型キャリアブロック層１４は、活性層１５と第１半導体層との間に配置される。ｎ型キャリアブロック層１４は、キャリアを活性層１５に閉じ込めるためのポテンシャル障壁を形成する。
活性層１５は、半導体レーザ装置１００の発光層である。活性層１５は、第２半導体層と第３半導体層との間に配置される。
第３半導体層の一例であるｐ型キャリアブロック層１６は、キャリアを活性層１５に閉じ込めるための半導体層である。ｐ型キャリアブロック層１６は、活性層１５と第４半導体層との間に配置される。ｐ型キャリアブロック層１６は、キャリアを活性層１５に閉じ込めるためのポテンシャル障壁を形成する。
第４半導体層の一例であるｐ型導波層１７は、活性層１５で発生した光を導くための半導体層である。ｐ型導波層１７は、活性層１５に対して第３半導体層より遠い位置に配置される。半導体レーザ装置１００においては、ｐ型導波層１７の屈折率をｐ型クラッド層１８より高くすることによって、ｐ型導波層１７に光を導いている。
より具体的には、半導体レーザ装置１００は、ｎ型ＧａＡｓからなる基板１０と、基板１０の上方に順次積層されたｎ型ＧａＡｓからなるｎ型バッファ層１１（膜厚０．５μｍ）、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなるｎ型クラッド層１２（膜厚３．０８μｍ）、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなるｎ型導波層１３（膜厚０．５５μｍ）、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなるｎ型キャリアブロック層１４（膜厚０．０４５μｍ）、量子井戸構造を有する活性層１５、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなるｐ型キャリアブロック層１６（膜厚０．０５μｍ）、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなるｐ型導波層１７（膜厚０．１８μｍ）、及びｐ型ＡｌＧａＡｓからなるｐ型クラッド層１８（膜厚０．６５μｍ）を備える。
活性層１５は、図１に示すように、ｎ型キャリアブロック層１４の上方に順次積層されたＡｌＧａＡｓからなるバリア層１５ａ、ＩｎＧａＡｓからなる量子井戸層１５ｂ、及びＡｌＧａＡｓからなるバリア層１５ｃを備える。
ここで、本実施の形態においては、活性層１５の主面に対し垂直方向（つまり、基板法線方向）に光を閉じ込めるために、ｎ型クラッド層１２のＡｌ組成を０．２９２、ｐ型クラッド層１８のＡｌ組成を０．６５としている。III−Ｖ族化合物半導体では、Ａｌ組成が大きくなるほど屈折率が小さくなる。このようにｎ型クラッド層の屈折率をｐ型クラッド層の屈折率より大きくすることで、活性層１５で発生した光の導波モードの強度中心を活性層１５と基板１０と間のｎ側層に置くことが可能となる。このように導波モードの光強度中心をｎ側層に置くことで、活性層１５への光強度を弱めることができるため出射端面での端面溶融破壊（ＣＯＤ）を抑制できる。
また、本実施の形態においては、活性層１５で発生した光の導波モードをｎ側層に閉じ込めるために、ｎ型導波層１３のＡｌ組成を０．２２、ｐ型導波層１７のＡｌ組成を０．２５としている。これにより、活性層１５で発生した光の光強度の中心は、高屈折率であるｎ型導波層に存在する。すなわち、活性層１５内の光強度を低減させることができるため、出射端面におけるＣＯＤの発生をより効果的に抑制することができる。したがって、半導体レーザ装置１００の高出力動作が可能となる。
また、本実施の形態に係る活性層１５は、波長９７０ナノメートル（ｎｍ）のレーザ発振を得るために、図１に示すように、厚さ８ｎｍ、Ｉｎ組成０．１５のＩｎＧａＡｓからなる量子井戸層１５ｂを備えた単一量子井戸（ＳＱＷ）構造を有する。バリア層１５ａ及び１５ｃの厚さは、それぞれ、５ｎｍ及び１０ｎｍであり、バリア層１５ａ及び１５ｃのＡｌ組成は０．２である。
また、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１００は、電流狭窄層２０をさらに備える。電流狭窄層２０は、ｎ型ＧａＡｓからなり、ｐ型クラッド層１８上に形成される。電流狭窄層２０には、電流を通過させる開口が形成されている。電流狭窄層２０をｎ型ＧａＡｓで形成することで、レーザ発振波長９７０ｎｍに対して透明な電流狭窄層２０を実現できる。これにより、活性層１５で発生した光の電流狭窄層２０における吸収を低減できるため、半導体レーザ装置１００を高効率で動作させることができる。
また、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１００は、ｐ型ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１９をさらに備える。ｐ型コンタクト層１９は、電流狭窄層２０の開口された領域を埋めるようにｐ型クラッド層１８上に形成される。ｐ型コンタクト層１９を形成するＧａＡｓに不純物を高濃度に添加すると、電気抵抗が低減する一方、ＧａＡｓの結晶性が悪化する。そのため、本実施の形態では、活性層１５に近いｐ型コンタクト層１９の不純物濃度を下げ、ｐ側電極２２に接するｐ型コンタクト層１９の不純物濃度を高くすることでコンタクト抵抗を低減している。また、ｐ型コンタクト層１９の不純物濃度を調整することにより、電流狭窄層２０で狭窄された電流が活性層１５に注入される際の横方向電流拡がりを制御することができる。本実施の形態では、横方向の導波モードの制御と横方向漏れ電流低減とによる低しきい値動作を実現するために活性層１５側のｐ型コンタクト層１９の不純物濃度を低くしている。
なお、ｐ型コンタクト層１９の表面にはｐ側電極２２が、基板１０の裏面（図１の下側面）にはｎ側電極２１が形成されている。
このような構造を有する半導体レーザ装置は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ，Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ、Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などのエピタキシャル成長によって作製することが可能である。なお、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１００はＭＯＣＶＤで作製されている。
続いて、ｎ型キャリアブロック層１４及びｐ型キャリアブロック層１６について図２を用いて説明する。
図２は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１００のバンドギャップエネルギー分布を示す概略図である。
ｎ型キャリアブロック層１４及びｐ型キャリアブロック層１６は図２に示すようなバンドギャップエネルギーを有する。ｐ型キャリアブロック層１６は、活性層１５側から第４半導体層の一例であるｐ型導波層１７側に向かってバンドギャップエネルギーが単調減少する第１領域層を有する。具体的には、第１領域層においては、活性層１５側からｐ型導波層１７側に向かう方向にＡｌ組成を０．６５から０．４２に変化させている。ｎ型キャリアブロック層１４は、ｐ型キャリアブロック層１６よりも低い一定のバンドギャップエネルギーを有する。具体的には、ｎ型キャリアブロック層１４のＡｌ組成を０．２４とすることによって、上記バンドギャップエネルギーを実現している。本実施の形態では、半導体レーザ装置１００が第１領域層を備えることにより、バンド構造の変化をｐ型キャリアブロック層１６の組成変化による価電子帯構造の変化で打ち消し、正孔に対するエネルギー障壁の増大を抑制できる。これにより、半導体レーザ装置１００の動作電圧の増大を抑制でき、かつ、電子に対するエネルギー障壁を増大させることが可能となる。
また、ｎ型導波層１３のバンドギャップエネルギーの最大値をＥｇ１、第１領域層におけるｐ型導波層１７側のバンドギャップエネルギーをＥｇ３ｍｉｎとしたとき、Ｅｇ１≦Ｅｇ３ｍｉｎの関係を満たす。この構成により、ｐ型キャリアブロック層１６のバンドギャップエネルギーの最小値をｎ型導波層１３のバンドギャップエネルギーより高くすることができる。このため、電子に対するポテンシャル障壁の高さを高くすることができる。よって、電子を活性層１５内に効率的に閉じ込めることが可能となり、高出力動作を実現できる。なお、本発明において「単調減少」とは、値が減少する変化であればよく、直線状、曲線状またはステップ状等のいずれの変化も含むものとしている。
また、上述のとおりｐ型キャリアブロック層１６は、Ａｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体であって、第１領域層においてＡｌは組成傾斜している。この構成では、Ａｌの組成の制御により、ｐ型キャリアブロック層１６のバンド構造の制御が可能となり、ｐ型キャリアブロック層１６内における価電子帯構造を高精度で制御することができる。
また、上述のとおり第１領域層は、ＡｌＧａＡｓ系結晶である。この構成により、第１領域層の組成変化によるバンド構造の制御がより容易となる。また、第１領域層としてＡｌＧａＩｎＰ系結晶を用いることで、電子に対するポテンシャル高さをさらに高くすることが可能となり、注入したキャリアが活性層内から漏れるのを抑制できる。このため、熱飽和レベルが上昇し、高出力動作が可能となる。
また、ｎ型導波層１３とｎ型キャリアブロック層１４とは、接して配置され、ｐ型キャリアブロック層１６とｐ型導波層１７とは接して配置される。さらに、ｎ型導波層１３のバンドギャップエネルギーの最大値をＥｇ１、ｐ型導波層１７のバンドギャップエネルギーの最大値をＥｇ４としたとき、Ｅｇ１＜Ｅｇ４の関係を満たしている。この構成により、一般的にバンドギャップエネルギーと屈折率との関係は反比例の関係にあることから、ｎ型導波層１３の屈折率はｐ型導波層１７の屈折率より大きくなる。このため、導波モードの光強度の中心位置は、活性層１５に対してｎ型導波層１３側に位置することになり、ｐ側（第２導電側）におけるフリーキャリア損失をより効果的に低減させることができる。これにより、スロープ効率が高く低電流動作が可能で、かつ高出力動作が可能な半導体レーザ装置１００を実現することができる。
ｐ型キャリアブロック層１６は、バリア層１５ｃのバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有するように形成される。また、ｎ型キャリアブロック層１４は、バリア層１５ａのバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有するように形成される。このような構成にすることで注入されたキャリアを活性層１５に効率よく閉じ込めることができる。また、本実施の形態では、ｐ型キャリアブロック層１６のバンドギャップエネルギーの最大値がｎ型キャリアブロック層１４のバンドギャップエネルギーの最大値より大きくなるようにｎ型キャリアブロック層１４及びｐ型キャリアブロック層１６を形成する。つまり、第２半導体層の一例であるｎ型キャリアブロック層１４のバンドギャップエネルギーの最大値をＥｇ２、第３半導体層の一例であるｐ型キャリアブロック層１６のバンドギャップエネルギーの最大値をＥｇ３としたときに、Ｅｇ２＜Ｅｇ３の関係式を満たす。この構成により、半導体レーザ装置１００の発熱により注入されたキャリアが励起された場合においても、キャリアを活性層内に効率よく閉じ込めることができる。ここで、ｎ型キャリアブロック層１４のバンドギャップエネルギーをｐ型キャリアブロック層１６のバンドギャップエネルギーより小さくしているのは、半導体レーザ装置１００がＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ及びＡｌＧａＩｎＰのようなIII−Ｖ族化合物半導体で形成される場合には、有効質量は正孔よりも電子の方が小さくなるからである。ここで、III−Ｖ族化合物半導体における電子と正孔の有効質量について図３を用いて説明する。
図３は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）ＡｓにおいてＡｌ組成ｘを変数としたときの電子と正孔の有効質量を示すグラフである。
図３に示すように、電子は正孔に対して有効質量が小さいため、キャリア密度は正孔に対して電子の方が相対的に高くなる。よって、正孔のポテンシャル障壁を形成するｎ型キャリアブロック層１４のバンドギャップエネルギーをｐ型キャリアブロック層１６のバンドギャップエネルギーよりも小さくしても、活性層１５内へのキャリア閉じ込めは損なわれない。また、有効質量はＡｌ組成ｘに比例して大きくなるため、Ａｌ組成ｘが大きくなるにつれて、電子はポテンシャル障壁を突破しにくくなる。すなわち、ｎ型キャリアブロック層１４のバンドギャップエネルギーを低くし、ｐ型キャリアブロック層１６のバンドギャップエネルギーを高くすることで、活性層へのキャリア閉じ込め効率を高くすることができる。
また、ｎ型キャリアブロック層１４は、ｐ型キャリアブロック層１６よりエネルギーギャップを小さくすることができるため、ｎ型キャリアブロック層１４を形成する際のＡｌ組成を小さくでき、ｎ型キャリアブロック層１４の電気抵抗を低減できる。さらに、ｎ型キャリアブロック層１４のＡｌ組成を小さくすることで、ｎ型キャリアブロック層１４とｎ型導波層１３との屈折率差を小さくすることができるため、導波モードに対するｎ型キャリアブロック層１４の影響を小さくすることができる。その結果、活性層１５への光の閉じ込めを良好にでき、かつ、半導体レーザ装置１００の発熱を抑制できるため、高出力動作が可能となる。
また、ｎ型キャリアブロック層１４及びｐ型キャリアブロック層１６は、活性層１５に効率よくキャリアを閉じ込めるために設けられた層であり、図３を用いて上述したとおり、III−Ｖ族化合物半導体を用いて形成した半導体レーザ装置においては、正孔及び電子の有効質量が異なるため、有効質量の大きい正孔を閉じ込める層よりも、有効質量の小さい電子を閉じ込める層を厚くするとよい。例えば、ｎ型キャリアブロック層１４は５ｎｍ以上、ｐ型キャリアブロック層１６は１０ｎｍ以上の厚みとするとよい。このようにすることで、正孔及び電子に対するポテンシャル障壁に対して、トンネル効果に起因して閉じ込め機能が損なわれることを抑制できる。また、その機能を効果的に果たすためには、各キャリアブロック層は、活性層１５に近接して配置されているとよい。
活性層１５で発生した光は、各キャリアブロック層よりも活性層１５から遠い位置に備えられた各導波層及び各クラッド層で閉じ込められ導波モードを形成する。前述したように、一般的に半導体レーザ装置では、導波モードが受ける内部損失としてフリーキャリア損失がある。フリーキャリア損失は、ｎ型及びｐ型の半導体とするために添加する不純物の濃度、及び、その不純物種により決定される。また、フリーキャリア損失は、不純物濃度が高くなるにしたがって増大すること、及び、ｎ型半導体層よりもｐ型半導体層の方が大きいことが知られている。よって、半導体レーザ装置を高効率で動作させるためには、ｎ型キャリアブロック層１４及びｐ型キャリアブロック層１６の不純物濃度を低減させるとよい。特に、ｐ型半導体層におけるフリーキャリア損失を低減するために、第２半導体層の一例であるｎ型キャリアブロック層１４の不純物濃度をＮ２、第３半導体層の一例であるｐ型キャリアブロック層１６の不純物濃度をＮ３としたときに、Ｎ２＞Ｎ３の関係式を満たすとよい。
特許文献１に開示された従来技術に係る半導体レーザ装置の構造では、ｎ型及びｐ型キャリアブロック層は膜厚が２０ｎｍであり、不純物濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上である。この膜厚及び不純物濃度を本実施の形態の構造に適用すると動作電圧は１．５１Ｖとなる。不純物濃度を下げると、各キャリアブロック層と活性層との界面、及び、各キャリアブロック層と各導波層との界面で価電子帯構造の不連続に起因して価電子帯にスパイクが発生し動作電圧が上昇すると共に、キャリアブロック層の抵抗率が上昇するため動作電圧が上昇することになる。以下、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１００のバンド構造及び動作電圧について図面を用いて説明する。
図４Ａは、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１００における伝導帯及び価電子帯のバンド構造を示す概略図である。図４Ｂは、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１００の第１領域層の膜厚Ｘ１に対する動作電圧の関係の計算結果を示すグラフである。
図４Ａに示すような本実施の形態に基づくバンド構造において、ｎ型導波層１３の不純物濃度を５×１０１６ｃｍ−３、ｐ型導波層１７の不純物濃度を３×１０１７ｃｍ−３、ｎ型キャリアブロック層１４のＡｌ組成を０．２４、ｎ型キャリアブロック層１４の不純物濃度を７×１０１７ｃｍ−３、ｐ型キャリアブロック層１６のＡｌ組成の最大値を０．６５、第１領域層のバンドギャップエネルギーが最小なるＡｌ組成を０．４２としたときの第１領域層の膜厚Ｘ１に対する動作電圧の計算結果を図４Ｂに示す。なお、ｐ型キャリアブロック層１６の不純物濃度が３×１０１７ｃｍ−３、５×１０１７ｃｍ−３及び７×１０１７ｃｍ−３である三通りの条件で計算を行った。また、ｐ型キャリアブロック層１６のＡｌ組成を０．６５としたのは、Ａｌ組成を０．７以上とすると不純物を高濃度に添加できなくなり、さらに、ｐ型キャリアブロック層１６の抵抗率が上昇するため、低電圧駆動が困難になるからである。
図４Ｂに示すように、不純物濃度を低くすると動作電圧が上昇していくが、第１領域層の膜厚Ｘ１を厚くすることで、Ａｌ組成変化に伴う価電子帯構造の変化が緩和される。これに伴い、バンド構造が平滑化され、価電子帯側のエネルギー障壁が低くなることで、動作電圧が低減していくと考えられる。従来技術に係る構造においては、動作電圧が１．５１Ｖとなることから、本実施の形態に基づく構造によれば、ｐ型キャリアブロック層１６の不純物濃度を５×１０１７ｃｍ−３としても、第１領域層の膜厚Ｘ１を２０ｎｍ以上とすることで、動作電圧を従来技術と同等以下とすることができる。したがって、第１領域層は、２０ｎｍ以上の厚さを有するとよい。なお、膜厚Ｘ１は、例えば、１００ｎｍ以下であればよい。
さらに、第１領域層の膜厚Ｘ１を厚くすることで伝導帯の電子に対するポテンシャル障壁が高くなる。これは、前述したようにｐ型キャリアブロック層１６の組成変化に対する価電子帯構造の変化が効果的に緩和されるためである。したがって、第１領域層の膜厚Ｘ１が厚い方が組成変化に対するフェルミ準位の変化が小さくなり、価電子帯のスパイクが抑制されると共に、伝導帯のポテンシャル障壁が引き上げられる。したがって、活性層からのキャリア漏れが抑制され、熱飽和レベルが向上し、高出力動作が可能となる。
また、図４Ｂに示すように、ｎ型キャリアブロック層１４の不純物濃度をＮ２、ｐ型キャリアブロック層１６の不純物濃度をＮ３としたときに、Ｎ２＞Ｎ３の関係式を満たす場合においても、ｐ型半導体層におけるフリーキャリア損失を低減できるため、動作電圧を低減できる。本実施の形態では、Ｎ２が７×１０１７ｃｍ−３であるため、Ｎ３は、７×１０１７ｃｍ−３未満である。
また、ｎ型キャリアブロック層１４の不純物濃度Ｎ２は、７×１０１７ｃｍ−３以下であるとよい。この構成により、ｎ型キャリアブロック層１４及びｐ型キャリアブロック層１６でのフリーキャリア損失を低減することができ、スロープ効率が向上し、高効率な半導体レーザ装置を実現することができる。なお、不純物濃度Ｎ２は、例えば、５×１０１６ｃｍ−３以上であるとよい。
また、一般に、バンドギャップエネルギーが高いｐ型キャリアブロック層１６における不純物濃度をｎ型キャリアブロック層１４に対して高くすることでｐ型キャリアブロック層１６での価電子帯構造を平滑化し、電圧の上昇を抑制する必要がある。しかしながら本開示によれば、ｐ型キャリアブロック層１６内にＡｌ組成傾斜領域である第１領域層を設けることで、ｐ型キャリアブロック層１６の不純物濃度を低くすることが可能となる。これにより、例えば、ｎ型導波層１３の不純物濃度を５×１０１６ｃｍ−３、ｎ型キャリアブロック層１４の不純物濃度を５×１０１６ｃｍ−３、ｐ型キャリアブロック層１６の不純物濃度を３×１０１７ｃｍ−３、ｐ型導波層１７の不純物濃度を３×１０１７ｃｍ−３として各キャリアブロック層の不純物濃度を隣接する各導波層と同一とした場合においても、第１領域層の膜厚Ｘ１を２０ｎｍ以上とすることで、動作電圧の上昇を抑制することができる。つまり、ｐ型キャリアブロック層１６の不純物濃度とｐ型導波層１７の不純物濃度との差を、ｎ型キャリアブロック層１４の不純物濃度とｎ型導波層１３の不純物濃度との差と同等かそれ以下で形成することで、高い発光効率が得られると共に、各キャリアブロック層での電圧上昇を抑制できる。言い換えると、第１半導体層の一例であるｎ型導波層１３の不純物濃度をＮ１、第４半導体層の一例であるｐ型導波層１７の不純物濃度をＮ４としたときに、Ｎ２−Ｎ１≧Ｎ３−Ｎ４の関係式を満たすことによって、高い発光効率が得られ、かつ、動作電圧の上昇を抑制できる。
さらにｐ型キャリアブロック層１６の不純物濃度を低くすることで、ｐ型キャリアブロック層１６でのフリーキャリア損失が低減しスロープ効率が改善することから、動作電流を低減することができる。したがって、消費電力の低減が可能となり、半導体レーザ装置１００における発熱を抑制すると共に、熱励起によるキャリアの漏れを抑制して高い光出力で半導体レーザ装置１００を駆動することができる。
この結果、より効果的に活性層内に電子を閉じ込めることが可能で、動作電圧及び動作電流の低減ができると共に、半導体レーザ装置１００の発熱を低減することで活性層内からのキャリア漏れを抑制し、熱飽和レベルが向上し、高出力動作が可能となる。
（実施の形態１の変形例１）
実施の形態１の変形例１に係る半導体レーザ装置について説明する。本変形例に係る半導体レーザ装置は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１００において、第３半導体層の一例であるｐ型キャリアブロック層１６が、第１領域層と活性層１５との間に、第１領域層に向かってバンドギャップエネルギーが単調増加する第２領域層をさらに有する。以下、本変形例に係る半導体レーザ装置について、図面を用いて説明する。本発明において「単調増加」とは、値が増加する変化であればよく、直線状、曲線状またはステップ状等のいずれの変化も含むものとしている。
図５Ａは、本変形例に係る半導体レーザ装置における伝導帯及び価電子帯のバンド構造を示す概略図である。図５Ｂは、本変形例に係る半導体レーザ装置の第１領域層１６ｂ及び第２領域層１６ａの膜厚Ｘ２に対する動作電圧の関係の計算結果を示すグラフである。図５Ｂに示すように、ｐ型キャリアブロック層１６の不純物濃度が３×１０１７ｃｍ−３、５×１０１７ｃｍ−３及び７×１０１７ｃｍ−３である三通りの条件で計算を行った。
具体的には、図５Ａに示すようにｐ型キャリアブロック層１６は、活性層１５からｐ型導波層１７に近づくにしたがってＡｌ組成を０．４２から０．６５に組成変化させた第２領域層１６ａを備える。ｐ型キャリアブロック層１６は、さらに、第２領域層１６ａに接し、活性層１５からｐ型導波層１７に近づくにしたがってＡｌ組成を０．６５から０．４２に組成変化させた第１領域層１６ｂを備える。なお、本変形例に係る半導体レーザ装置のその他の構成は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１００と同様である。
前述したように、ｐ型キャリアブロック層１６は電子に対するポテンシャル障壁を形成し活性層１５内に電子を閉じ込める機能を有するため、隣接する層に対してＡｌ組成を高くすることによってポテンシャル障壁を形成している。実施の形態１では、ｐ型導波層１７側にＡｌ組成傾斜を有する第１領域層を設けることで、ヘテロ界面での価電子帯構造を効果的に平滑化して動作電圧を低減し、かつ、電子に対するポテンシャル障壁を高くすることで、半導体レーザ装置の低電圧動作及び高出力動作を実現できる。この第１領域層を設けることによる特性改善はｐ型キャリアブロック層１６内の活性層１５側においても同様に適用できる。すなわち、ｐ型キャリアブロック層１６が、第１領域層１６ｂから活性層１５側に向かう方向にバンドギャップエネルギーが単調に減少する第２領域層１６ａを備える構成とすることで、活性層１５とのヘテロ界面で形成されるスパイク状のエネルギー障壁を抑制している。これにより、ヘテロ界面でのバンド不連続を抑制し、動作電圧を低減することが可能となる。
さらに、本変形例では、第１領域層１６ｂ及び第２領域層１６ａが互いに接している。この構成により、電子に対するエネルギー障壁の高さを高くした状態で、ｐ型キャリアブロック層の膜厚を薄くすることができるため、ｐ型キャリアブロック層の電気抵抗を低減することができる。
また、本変形例では、第１領域層１６ｂと第２領域層１６ａとはバンドギャップエネルギーの最大値が等しい。この構成により、第１領域層１６ｂと第２領域層１６ａとのヘテロ界面で形成されるスパイク状のエネルギー障壁の形成を抑制することができるため、動作電圧の上昇を抑制することができる。
図５Ｂに示すように、第１領域層１６ｂ及び第２領域層１６ａの膜厚Ｘ２を厚くすることで、動作電圧が低下し、かつ、導電帯のエネルギー障壁が大きくなる。結果として、Ｘ２を２０ｎｍ以上とすることで、不純物濃度に依存せず低電圧動作が実現できることがわかる。したがって、第１領域層１６ｂ及び第２領域層１６ａはそれぞれ２０ｎｍ以上の厚さを有するとよい。なお、膜厚Ｘ２は、例えば、１００ｎｍ以下であればよい。
このように、ｐ型キャリアブロック層に３×１０１７ｃｍ−３の不純物を添加した場合においても、従来技術に係る半導体レーザ装置に対して、動作電圧を０．０２Ｖの低減できる。また、計算結果から、不純物濃度を低減することにより、内部損失を従来技術に係る半導体レーザ装置に対して０．１ｃｍ−１低減できることが分かった。これにより、本変形例に係る半導体レーザ装置においては動作電流を低減できる。したがって、半導体レーザ装置の消費電力を抑制することができる。その結果、半導体レーザ装置が発熱することによる活性層１５内からのキャリア漏れが抑制され、高出力動作が可能となる。
（実施の形態１の変形例２）
実施の形態１の変形例２に係る半導体レーザ装置について説明する。本変形例に係る半導体レーザ装置においては、実施の形態１の変形例１において開示した半導体レーザ装置において、ｎ型キャリアブロック層１４の不純物濃度をＮ２、ｐ型キャリアブロック層１６の不純物濃度をＮ３とした時に、Ｎ２＞Ｎ３の関係式を満たす構成としている。具体的には、ｎ型導波層１３の不純物濃度を５×１０１６ｃｍ−３、ｎ型キャリアブロック層１４の不純物濃度を５×１０１７ｃｍ−３、ｐ型キャリアブロック層１６の不純物濃度を３×１０１７ｃｍ−３、ｐ型導波層１７の不純物濃度を３×１０１７ｃｍ−３としている。図３を用いて上述したとおり、III−Ｖ族化合物半導体においては、有効質量は正孔よりも電子の方が小さくなるため、キャリア密度は正孔に対して電子の方が相対的に高くなる。一方、Ｎ２＞Ｎ３の関係式を満たす構成とすることで、ｎ型キャリアブロック層１４の不純物濃度を多くすることができるため、正孔のキャリア密度を高くすることができる。これにより、活性層での電子と正孔との発光再結合が改善でき、高出力状態においても活性層内のキャリアが枯渇しにくくなる。したがって、高出力時においても熱飽和レベルが低下せず、高出力動作が可能となる。
（実施の形態１の変形例３）
実施の形態１の変形例３に係る半導体レーザ装置について説明する。本変形例に係る半導体レーザ装置は、実施の形態１の変形例１に係る半導体レーザ装置において、第３半導体層の一例であるｐ型キャリアブロック層１６が直接遷移型半導体層を含むような構成を有する。以下、本変形例に係る半導体レーザ装置について、図６を用いて説明する。
図６は、本変形例に係る半導体レーザ装置のＡｌ組成分布の概要を示すグラフである。
具体的には図６に示すように、ｐ型キャリアブロック層１６の第１領域層１６ｂにおいて、ｐ型導波層１７側のＡｌ組成を０．４、第１領域層１６ｂと第２領域層１６ａとの接点のＡｌ組成を０．６５、第２領域層１６ａの活性層１５側のＡｌ組成を０．４となるように形成し、第１領域層１６ｂ及び第２領域層１６ａの膜厚をそれぞれ２５ｎｍとしている。III族元素としてＡｌとＧａを含むようなIII−Ｖ族化合物半導体では、Ａｌの組成を変化させると直接遷移型と間接遷移型との間で遷移特性が変化する。ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ系ではｘが０．４２となる組成を境界にして、ｘ＜０．４２では直接遷移型半導体、ｘ＞０．４２では間接遷移型半導体となる。（ＡｌｙＧａ（１−ｙ））ｚＩｎ（１−ｚ）Ｐ系ではｚが０．５１の場合、ｙが０．５８となる組成を境界にして、ｙ＜０．５８で直接遷移型半導体、ｙ＞０．５８では間接遷移型半導体となることが知られている。この直接遷移型半導体と間接遷移型半導体は半導体のバンド構造において伝導帯と価電子帯との間での遷移が異なり、直接遷移型ではΓバレーで遷移し、間接遷移型ではＸバレーで遷移する。このように直接遷移型と間接遷移型では遷移するエネルギーが異なるため、これらをヘテロ接合するとエネルギーギャップの不連続が大きくなる。以下、第１領域層１６ｂ及び第２領域層１６ａの遷移型と半導体レーザ装置の特性との関係について図７Ａを用いて説明する。
図７Ａは、第１領域層１６ｂ及び第２領域層１６ａのＡｌ組成と半導体レーザ装置の動作電圧との関係を示すグラフである。図７Ａには、第１領域層１６ｂ及び第２領域層１６ａの最小となるエネルギーギャップにおいて、直接遷移型半導体となるＡｌ組成０．３５とした場合、直接遷移型半導体となるＡｌ組成０．４０とした場合、及び、間接遷移型半導体となるＡｌ組成０．５とした場合の動作電圧計算結果が示されている。なお、第１領域層１６ｂ及び第２領域層１６ａの膜厚は２０ｎｍとしている。また、半導体レーザ装置のその他の構成は、上記実施の形態１の変形例１と同様である。
図７Ａに示すように、第１領域層１６ｂ及び第２領域層１６ａのＡｌ組成を０．５０とする場合、Ａｌ組成を０．４０以下とする場合より動作電圧が上昇している。これは隣接する層が直接遷移型半導体層であるため、ヘテロ界面でのバンド不連続性が大きくなった結果であるといえる。一方で、第１領域層１６ｂ及び第２領域層１６ａが直接遷移型となるようにＡｌ組成を十分低くする場合（Ａｌ組成０．３５とする場合）には、バンド不連続性が緩和されるものの、傾斜領域層の膜厚に対してＡｌ組成変化が急となるため、Ａｌ組成傾斜によるバンド構造の平滑化が効果的に機能しない。したがって、Ａｌ組成を十分に低くする場合には、価電子帯のスパイクは抑制されるものの動作電圧は、Ａｌ組成０．４０の場合より上昇してしまう。よって、動作電圧を低減するためには第１領域層１６ｂ及び第２領域層１６ａの膜厚を厚くすることが考えられる。しかしながらｐ型キャリアブロック層１６は不純物を添加している領域であるため、膜厚を厚くすることにより内部損失を増大させてしまう。
また、図７Ｂを用いて、伝導帯のポテンシャル障壁について説明する。
図７Ｂは、第１領域層１６ｂ及び第２領域層１６ａのＡｌ組成と伝導帯のポテンシャル障壁幅との関係を示すグラフである。
図７Ｂに示すように、Ａｌ組成を０．３５とした場合は、他の場合より伝導帯ポテンシャル障壁幅（厚さ）が減少していることがわかる。これは、第１領域層１６ｂ及び第２領域層１６ａを直接遷移型となるＡｌ組成０．３５より形成し、第１領域層１６ｂ及び第２領域層１６ａの膜厚を２０ｎｍとしていため、実効的にポテンシャル障壁が低い領域が形成されるためである。
以上のことより、ｐ型キャリアブロック層１６の第１領域層１６ｂ及び第２領域層１６ａのエネルギーギャップが最小となるＡｌ組成を直接遷移型及び間接遷移型の境界となるＡｌ組成点より０．５％以上５％以下程度直接遷移型方向に設定することで、動作電圧の上昇を抑制し、かつ、電子に対するポテンシャル障壁を十分に厚く形成することができる。また製造上のバラツキを含めて、安定して直接遷移型半導体層を形成できるため、確実に低電圧動作及び低電流動作をさせることが可能となり、半導体レーザ装置の発熱を抑制すると共に、活性層１５内への高いキャリア閉じ込め効果を実現できることで、高い光出力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、ｐ型キャリアブロック層１６は、間接遷移型半導体層を含む。これにより、ｐ型キャリアブロック層１６のバンドギャップエネルギーは大きくなる。熱励起により活性層１５への閉じ込めが弱くなる電子に対して、ｐ型キャリアブロック層１６のバンドギャップを高くすることが可能となり、よりキャリアの閉じ込めを強くすることができる。
（特性）
本実施の形態に係る半導体レーザ装置の特性について比較例に係る半導体レーザ装置と比較しながら図面を用いて説明する。
図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ本実施の形態の変形例２に係る半導体レーザ装置の電流に対する動作電圧及び光出力の関係を示すグラフである。図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ共振器長が６０００μｍ、ストライプ幅が９５μｍ、前端面反射率が２％、後端面反射率が９５％としたときの実施の形態１の変形例２に係る半導体レーザ装置の電流と動作電圧及び光出力との関係を示す。なお、図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ比較例に係る半導体レーザ装置の電流に対する動作電圧及び光出力の関係も併せて示している。
図８Ａに示すように、本実施の形態の変形例２に係る半導体レーザ装置の電流１０Ａ印加における動作電圧は、比較例に係る半導体レーザ装置と比べて０．０３Ｖ低減している。また、図８Ｂに示すように、本実施の形態の変形例２に係る半導体レーザ装置の電流１０Ａ印加における光出力は、比較例に係る半導体レーザ装置と比べて０．５Ｗ向上している。このときの熱抵抗値は約８．２Ｋ／Ｗであり、半導体レーザ装置の活性層１５の温度を約５．７℃低減できる。この活性層１５の温度低減により、活性層１５内からのキャリア漏れを抑制することができ、高出力時における熱飽和レベルが改善されていることがわかる。
（実施の形態１の変形例４）
実施の形態１の変形例４に係る半導体レーザ装置について説明する。本変形例に係る半導体レーザ装置は、実施の形態１の変形例２に係る半導体レーザ装置において、第３半導体層の一例であるｐ型キャリアブロック層１６の平均Ａｌ組成からバリア層１５ｃの平均Ａｌ組成を減じた値が０．３５以上となる構成を有する。
具体的には、バリア層１５ｃのＡｌ組成を０．２とし、ｐ型キャリアブロック層１６の第１領域層１６ｂにおいて、ｐ型導波層１７側のＡｌ組成を０．４２、第１領域層１６ｂと第２領域層１６ａとの接点のＡｌ組成を０．６９、第２領域層１６ａの活性層１５側のＡｌ組成を０．４２となるように形成し、第１領域層１６ｂ及び第２領域層１６ａの膜厚をそれぞれ３０ｎｍとしている。
第１領域層１６ｂと第２領域層１６ａとの接点のＡｌ組成を０．６９とし、電子に対するポテンシャル障壁を十分高くすることで活性層１５へのキャリアの閉じ込めを強くし、かつ、第１領域層１６ｂ及び第２領域層１６ａの膜厚を３０ｎｍと厚くすることでバンド構造を効果的に平滑化する。これにより本変形例に係る半導体レーザ装置の動作電圧を低減することができる。したがって、本変形例に係る半導体レーザ装置では、高出力時においても熱飽和レベルが低下しないため、高出力動作が可能となる。
さらに、通常活性層１５はＴＥ偏光又はＴＭ偏光のいずれかの偏光成分が優勢に発振するように構成されているが、実装等により外部からの応力を受けると偏光特性が変化し、本来必要としない偏光成分がレーザ発振する場合がある。一般的には偏光光学素子、又は、特定の偏光成分のみ必要とする光学回路で構成されたシステムの場合、不要な偏光成分の光はシステムとして利用できない光となる。このため、不要な偏光成分の光は、損失としてシステム全体の効率を低下させてしまうだけでなく、迷光としてシステム内に存在することで動作不良の原因となってしまう。したがって、例えばＴＥ偏光成分を利用するシステムにおいては、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光を含んだ全光量とＴＥ偏光との比で表されるＴＥ偏光割合（ＴＥ／（ＴＭ＋ＴＥ））が０．９以上、特に偏光特性が重要な特性とされる場合は、０．９５以上である必要がある。特に、共振器長が４０００μｍを超えるマルチエミッタ型の半導体レーザ装置は外形寸法が非常に大きくなる為、低応力で実装することが非常に困難であり、半導体レーザ装置にかかる実装応力は大きくなってしまう。ここで、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体においてはＡｌ組成が高くなると、ヤング率Ｅ及びポアソン比γで表される剛性率（Ｅ／（１＋γ））が低くなることが知られている。剛性率は、せん断力による変形のしにくさを決定する。そこで、実装する面と活性層１５との間に配置され、かつ活性層１５に隣接する層であるｐ型キャリアブロック層１６の剛性率と活性層１５の剛性率との差分を指標とし偏光特性との関係を調査した。この調査結果から、剛性率差と偏光特性とに密接な関係があり、剛性率差が大きいほど偏光特性が向上することを新たに見出した。
つまり、本変形例においては、平均Ａｌ組成はｐ型キャリアブロック層１６が０．５５５、バリア層１５ｃが０．２０であり、それぞれの剛性率は、ｐ型キャリアブロック層１６が３０．８７Ｇｐａ、バリア層１５ｃが３１．９３Ｇｐａとなる。このように活性層１５、及び、活性層１５に隣接する層の剛性率に変化をつけることで実装による応力が活性層１５に伝わりにくくなり、半導体レーザ装置１００において、偏光特性が良好で、かつ、安定した動作が可能となる。
なお、ヤング率及びポアソン比はそれぞれ、ヤング率＝８５．３−１．８×Ａｌ組成、ポアソン比＝０．３１＋０．１×Ａｌ組成、で算出している。
以下、ｐ型キャリアブロック層１６とバリア層１５ｃとの平均Ａｌ組成差と、ジャンクションダウン実装した半導体レーザ装置の偏光特性との関係について、ＴＥ偏光割合を指標として説明する。
なお、偏光特性評価においては、共振器長が６０００μｍ、ストライプ幅が９５μｍである半導体レーザを、同一基板上に間隔３００μｍでレーザ光出射方向と水平な方向に計２０本並べたマルチエミッタ型半導体レーザ装置を用いた。この半導体レーザ装置をサブマウント上にジャンクションダウンで実装し、さらにこのサブマウントを銅製のヒートシンク上に実装した状態で偏光特性の評価を行った。
本変形例に係るｐ型キャリアブロック層１６とバリア層１５ｃとの関係は前述したとおりである。すなわち、ｐ型キャリアブロック層１６とバリア層１５ｃとの剛性率差は１．０６Ｇｐａであり、このような構成を有する半導体レーザ装置のＴＥ偏光割合は０．９５であった。
これに対して、バリア層１５ｃのＡｌ組成は本変形例と同一組成とし、ｐ型キャリアブロック層１６の平均Ａｌ組成を０．５３５（剛性率：３０．９３Ｇｐａ、剛性率差：１．０Ｇｐａ）、０．５１（剛性率：３１．０Ｇｐａ、剛性率差：０．９３Ｇｐａ）、０．４（剛性率：３１．３３Ｇｐａ、剛性率差：０．６Ｇｐａ）と変化させた計３種類の構成を有する半導体レーザ装置の偏光特性と、本変形例に係る半導体レーザ装置の偏光特性との比較を行った。
図９は、本変形例に係る半導体レーザ装置のｐ型キャリアブロック層１６とバリア層１５ｃとの平均Ａｌ組成差に対する偏光比の関係を示すグラフである。図９には、本変形例に係る半導体レーザ装置と、上記３種類の構成の半導体レーザとの偏光特性が示されている。図９のグラフの横軸はｐ型キャリアブロック層１６とバリア層１５ｃの平均Ａｌ組成差を示し、縦軸はＴＥ偏光割合を示している。
図９に示すように、上記３種類の半導体レーザ装置のＴＥ偏光割合はそれぞれ、平均Ａｌ組成０．５３５（Ａｌ組成差：０．３２５）の場合には０．９２、平均Ａｌ組成０．５１（Ａｌ組成差：０．３１）の場合には０．９０、平均Ａｌ組成０．４（Ａｌ組成差：０．２）の場合には０．８５となった。
したがって、ｐ型キャリアブロック層１６の平均Ａｌ組成とバリア層１５ｃの平均Ａｌ組成差を０．３５以上となる構成とすることで、実装応力の活性層１５への影響を低減することが可能となるため、偏光特性の低下を抑制することができる。なお、平均Ａｌ組成差は０．３１以上であればよく、この構成とすることでＴＥ偏光割合を０．９以上とすることができる。
以上のことより、ｐ型キャリアブロック層１６の平均Ａｌ組成からバリア層１５ｃの平均Ａｌ組成を減じた値を０．３１以上とすることで、ジャンクションダウン実装時においても実装応力による活性層１５の偏光特性の悪化を抑制できる。これにより、良好な偏光特性を有すると共に、高出力時においても熱飽和レベルが低下せず、高出力動作が可能な半導体レーザ装置を得ることができる。
（実施の形態２）
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面を用いて説明する。
図１０Ａは、本実施の形態に係る半導体レーザモジュール２００の平面図であり、図１０Ｂは、同半導体レーザモジュール２００の側面図である。
本実施の形態に係る半導体レーザモジュール２００は、上記実施の形態１に係る半導体レーザ装置１００を備える。具体的には図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、半導体レーザモジュール２００は、金属基台２１０と、金属基台２１０上に配置された基台２１２と、基台２１２上に配置された半導体レーザ装置１００と、半導体レーザ装置１００から出射したレーザ光２２０の光路上に配置された第１光学素子２１６及び第２光学素子２１８とを備える。
半導体レーザ装置１００は、発熱により活性層１５内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１００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。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２１０上に、熱伝導率が高くかつ半導体レーザ装置１００に用いられる半導体材料の格子定数に近い基台２１２を配置した上で、この基台２１２に半導体レーザ装置１００を実装している。
金属基台２１０は、例えば銅によって構成されているとよい。また基台２１２は、半導体レーザ装置１００の格子定数に近い、銅及びタングステンから成る材料、銅、タングステン及びダイヤモンドから成る材料、又は、窒化アルミニウムから成る材料によって構成されているとよい。また、金属基台２１０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１００を高い光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１００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２１６は、半導体レーザ装置１００から出射したレーザ光２２０のうち、縦方向（図１０Ｂの上下方向）の光のみを平行光に成形する。第２光学素子２１８は第１光学素子２１６を通過し、縦方向の光が平行光に成形されたレーザ光２２０に対して横方向（図１０Ａの上下方向）の光を平行光に成形する。この構成により、レーザ光２２０の形状は半導体レーザ装置１００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１００から出射するレーザ光２２０を効率的に利用できる半導体レーザモジュール２００を実現することができる。
以上、本実施の形態に係る半導体レーザモジュール２００は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１００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できる。
なお、本実施の形態では、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１００を用いたが、これに限らない。例えば、実施の形態１の変形例１〜３に係る半導体レーザ装置を用いてもよい。
また、半導体レーザ装置１００は実施の形態１に係る半導体レーザ装置１００又は、実施の形態１の変形例１〜３に係る半導体レーザ装置を、同一基板上に複数備える、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３）
次に、実施の形態３に係る溶接用レーザ光源システムについて、図１１を用いて説明する。
図１１は、本実施の形態に係る溶接用レーザ光源システム３００の模式図である。
図１１に示すように、溶接用レーザ光源システム３００は、発振器３１０と、ヘッド３３０と、発振器３１０とヘッド３３０との間に設けられた光路３２０と、発振器３１０を駆動するための駆動電源装置３５０と、発振器３１０を冷却する冷却装置３４０とを備える。
発振器３１０は、第１半導体レーザモジュール２００ａ、第２半導体レーザモジュール２００ｂ、第３半導体レーザモジュール２００ｃ、光合波器３１６、及び、第１〜第３半導体レーザモジュール２００ａ〜２００ｃと光合波器３１６との間に設けられた第１〜第３光路３１４ａ〜３１４ｃを備える。第１〜第３半導体レーザモジュール２００ａ〜２００ｃは、例えば、実施の形態２における半導体レーザモジュール２００である。したがって、溶接用レーザ光源システム３００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３３０は、光学素子３３２を備える。光学素子３３２は、例えば集光作用を有する凸レンズなどである。
発振器３１０の第１〜第３半導体レーザモジュール２００ａ〜２００ｃは駆動電源装置３５０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２００ａ〜２００ｃから出力された三本のレーザ光は、それぞれ第１光路３１４ａ、第２光路３１４ｂ及び第３光路３１４ｃを通り、光合波器３１６に導かれる。第１〜第３光路３１４ａ〜３１４ｃは、例えば、光ファイバ、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３１６は、第１〜第３光路３１４ａ〜３１４ｃによって導かれた三本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３１６は、例えば、合波プリズム、回折格子などで構成することができる。この光合波器３１６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３３０への光路３２０を簡素化することができる。
光路３２０は、第１〜第３光路３１４ａ〜３１４ｃと同様に、光ファイバ、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３３０を固定して溶接用レーザ光源システム３００を構成する場合は、反射ミラーなどの光学素子で光路３２０を構成するとよい。一方、ヘッド３３０を可動させて溶接用レーザ光源システム３００を構成する場合は、光ファイバなどで光路３２０を構成するとよい。
ヘッド３３０の光学素子３３２は、光路３２０を介して発振器３１０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２００ａ〜２００ｃに内蔵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。
また、光路３２０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、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）を備えることで、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とすることができる。
以上、本実施の形態における溶接用レーザ光源システム３００によれば、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１００を内蔵する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２００ａ〜２００ｃでは、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１００を内蔵していたが、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２００ａ〜２００ｃは、実施の形態１の変形例１〜３に係る半導体レーザ装置を内蔵していてもよい。また、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装置を内蔵していてもよい。
また、本実施の形態に係る溶接用レーザ光源システム３００では、半導体レーザモジュールを三つ搭載したが、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３００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、本実施の形態における溶接用レーザ光源システム３００は、半導体レーザモジュールに内蔵されている、半導体レーザ装置をパルス駆動させることで、レーザ切断設備などのレーザ切断装置として実現することもできる。
（その他の変形例など）
以上、本開示に係る半導体レーザ装置などについて、実施の形態及びそれらの変形例に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態及び変形例に限定されるものではない。
例えば、実施の形態１及びそれらの変形例においては、活性層１５は単一量子井戸構造としたが、活性層１５の構造はこれに限定されない。活性層１５は、例えば複数の量子井戸層を有する多重量子井戸（ＭＱＷ，Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造を有してもよい。
また、実施の形態１及びそれらの変形例においては、活性層１５はＩｎＧａＡｓとしたが、活性層１５の構成はこれに限定されない。活性層１５は、例えばＧａＡｓ系、ＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＰ系などで構成されてもよい。
また、ｎ型バッファ層、ｎ型クラッド層、ｎ型導波層、ｐ型導波層及びｐ型クラッド層のＡｌ組成は一定とした。各層におけるＡｌ組成分布はこれに限定されない。例えば、ｎ型基板とｎ型バッファ層との間、ｎ型バッファ層とｎ型クラッド層との間、ｎ型クラッド層とｎ型導波層との間、ｐ型導波層とｐ型クラッド層との間、及び、ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層との間においてＡｌ組成を連続的に変化させてもよい。
その他、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、本発明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及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発明に含まれる。
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、その他の電子装置、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。
１０ 基板
１１ ｎ型バッファ層
１２ ｎ型クラッド層
１３ ｎ型導波層（第１半導体層）
１４ ｎ型キャリアブロック層（第２半導体層）
１５ 活性層
１５ａ バリア層
１５ｂ 量子井戸層
１５ｃ バリア層
１６ ｐ型キャリアブロック層（第３半導体層）
１６ａ 第２領域層
１６ｂ 第１領域層
１７ ｐ型導波層（第４半導体層）
１８ ｐ型クラッド層
１９ ｐ型コンタクト層
２０ 電流狭窄層
２１ ｎ側電極
２２ ｐ側電極
１００ 半導体レーザ装置
２００ 半導体レーザモジュール
２００ａ 第１半導体レーザモジュール
２００ｂ 第２半導体レーザモジュール
２００ｃ 第３半導体レーザモジュール
２１０ 金属基台
２１２ 基台
２１６ 第１光学素子
２１８ 第２光学素子
２２０ レーザ光
３００ 溶接用レーザ光源システム
３１０ 発振器
３１４ａ 第１光路
３１４ｂ 第２光路
３１４ｃ 第３光路
３１６ 光合波器
３２０ 光路
３３０ ヘッド
３３２ 光学素子
３４０ 冷却装置
３５０ 駆動電源装置

Claims (18)

  1. 第１導電側の第１半導体層と、前記第１半導体層よりもバンドギャップエネルギーの大きい前記第１導電側の第２半導体層と、活性層と、前記第１導電側とは異なる第２導電側の第３半導体層と、前記第３半導体層よりもバンドギャップエネルギーの小さい前記第２導電側の第４半導体層とを備え、
    前記第２半導体層のバンドギャップエネルギーの最大値をＥｇ２、前記第３半導体層のバンドギャップエネルギーの最大値をＥｇ３としたときに、Ｅｇ２＜Ｅｇ３の関係式を満たし、
    前記第３半導体層は、前記第４半導体層に向かってバンドギャップエネルギーが単調減少する第１領域層を有し、
    前記第２半導体層の不純物濃度をＮ２、前記第３半導体層の不純物濃度をＮ３としたときに、Ｎ２＞Ｎ３の関係式を満たす
    半導体レーザ装置。
  2. 前記第３半導体層は、前記第１領域層と前記活性層との間に、前記第１領域層に向かってバンドギャップエネルギーが単調増加する第２領域層を有する
    請求項１に記載の半導体レーザ装置。
  3. 前記第１領域層及び前記第２領域層が互いに接している
    請求項２に記載の半導体レーザ装置。
  4. 前記第１領域層と前記第２領域層とはバンドギャップエネルギーの最大値が等しい
    請求項２又は３に記載の半導体レーザ装置。
  5. 前記第１領域層は、２０ナノメートル以上の厚さを有する
    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. 前記第２領域層は、２０ナノメートル以上の厚さを有する
    請求項２〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  7. 前記第３半導体層は、間接遷移型半導体層を含む
    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３半導体層は、Ａｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体であって、前記第１領域層に
    おいて、Ａｌは組成傾斜している
    請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  9. 前記第１領域層は、ＡｌＧａＡｓ系結晶又はＡｌＧａＩｎＰ系結晶である
    請求項８に記載の半導体レーザ装置。
  10. 前記第１領域層は、直接遷移型半導体層を含む
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  11. 前記第１半導体層の不純物濃度をＮ１、前記第４半導体層の不純物濃度をＮ４としたときに、Ｎ２−Ｎ１≧Ｎ３−Ｎ４の関係式を満たす
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  12. 前記第２半導体層の不純物濃度Ｎ２は、７×１０１７ｃｍ−３以下である
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  13. 前記第１半導体層のバンドギャップエネルギーの最大値をＥｇ１、前記第１領域層における前記第４半導体層側のバンドギャップエネルギーをＥｇ３ｍｉｎとしたとき、Ｅｇ１≦Ｅｇ３ｍｉｎの関係式を満たす
    請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  14. 前記第１半導体層と前記第２半導体層とは、接して配置され、
    前記第３半導体層と前記第４半導体層とは、接して配置され、
    前記第１半導体層のバンドギャップエネルギーの最大値をＥｇ１、前記第４半導体層のバンドギャップエネルギーの最大値をＥｇ４としたとき、Ｅｇ１＜Ｅｇ４の関係式を満たす
    請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  15. 前記第２半導体層は、ｎ型キャリアブロック層であり、
    前記第３半導体層は、ｐ型キャリアブロック層である
    請求項１〜１４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  16. 前記活性層はバリア層を含み、
    前記ｐ型キャリアブロック層の平均Ａｌ組成から前記バリア層の平均Ａｌ組成を減じた値が０．３１以上である
    請求項１５に記載の半導体レーザ装置。
  17. 請求項１〜１６のいずれかに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。
  18. 請求項１７に記載の半導体レーザモジュールを備える
    溶接用レーザ光源システム。
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