JPWO2018168430A1 - 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

基板（１０１）の主面の上方に、第１導電側半導体層（１００）、活性層（３００）及び第２導電側半導体層（２００）が順次積層された積層構造体を備え、マルチモードでレーザ発振する半導体レーザ装置（１）であって、第２導電側半導体層（２００）は、電流注入領域を画定するための開口部（２４１）を有する電流ブロック層（２４０）を有し、積層構造体における第１導電側半導体層（１００）の一部から第２導電側半導体層（２００）までの部分には一対の側面（１０５）が形成され、活性層（３００）は、開口部（２４１）の第１の幅より広い第２の幅を有し、第１導電側半導体層（１００）の少なくとも一部における一対の側面（１０５）は、基板（１０１）の主面に対して傾斜しており、積層構造体を導波する光について、基板（１０１）の主面の法線方向における光分布の最大強度位置は、第１導電側半導体層（１００）内にある。

Description

本開示は、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に関し、特に、溶接用光源、ディスプレイ用光源、センシング用光源、又は、照明用光源、その他の電子装置や情報処理装置などの光源として用いられる半導体レーザ等に関する。
これまで、半導体レーザは、通信用又は光ピックアップ用などの光源として盛んに利用されていたが、近年、通信用又は光ピックアップ用以外の光応用分野の光源として広く活用できるものが求められている。中でも、１エミッタ当たり数十Ｗもの光出力が実現できる大出力の半導体レーザが切望されている。
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３０Ａ及び図３０Ｂを用いて説明する。図３０Ａ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３０Ｂは、特許文献１に開示された従来の半導体レーザ装置１０の各層の禁制帯幅の分布図である。
図３０Ａに示すように、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中に設けられた電流ブロック層１６と、第１コンタクト層１７の上部に設けられた第２コンタクト層１８とを有する。
図３０Ｂ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が障壁層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ＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ）の発生を抑制することができるとされている。
また、特許文献２には、リッジ幅（ストライプ幅）が広い利得導波型の半導体レーザ装置が開示されている。図３１は、特許文献２に開示された従来の半導体レーザ装置２０の断面図である。
図３１に示すように、従来の半導体レーザ装置２０は、半田材２９ａを介してヒートシンク２９ｂに接合されている。また、半導体レーザ装置２０の表面は、樹脂２８によって覆われている。
半導体レーザ装置２０は、Ｐ側電極２１ａ、Ｎ−キャップ層２２ａ及びＰ＋−キャップ層２２ｂによって電流狭窄するように構成されている。また、量子井戸層２４ｂがガイド層２４ａ及びガイド層２４ｃを介してＰ−クラッド層２３とＮ−クラッド層２５とで挟まれているとともに、Ｐ−キャップ層２２ｃとＮ−ＧａＡｓ基板２７（Ｎ−バッファ層２６）とで挟まれた構造である。なお、Ｎ−ＧａＡｓ基板２７のＮ−バッファ層２６側とは反対側の面にはＮ側電極２１ｂが形成されている。
このように構成される従来の半導体レーザ装置２０では、低反射特性をもつ樹脂２８を電流ストライプ幅の両側または片側の側面に被覆することで、リッジ幅の広い利得導波型の半導体レーザ装置において注入電流を増加させたとしても、側面を介した共振器長方向と垂直な方向の光のフィードバックを低減して誘導放出を抑制することができ、共振器長方向のレーザ発振の停止を抑制できるとされている。
また、利得導波型の他の半導体レーザ装置が特許文献３に開示されている。図３２は、特許文献３に開示された従来の半導体レーザ装置３０の断面図である。
図３２に示すように、半導体レーザ装置３０は、共振器長方向に延びる２本の溝３１ａが形成された半導体基板３１の上に、活性層３４と、活性層３４の上下両側に設けられた一対の光導波層３３及び３５と、一対のクラッド層３２及び３６とを備えている。半導体レーザ装置３０では、光導波層３３及び３５が電流注入領域の共振器長方向と直交する横方向の両側において曲がった構造となっている。また、電流注入領域が半導体基板３１の２本の溝３１ａに挟まれた位置に設けられ、各溝３１ａの深さが活性層３４と光導波層３３及び３５との厚さをそれぞれ加算した厚さ以上になっている。
このような構成にすることで、光導波層３３及び３５から横方向へ漏洩した光がチップ分離側面に伝搬しないようにできるとされている。
国際公開第２０１０／０５００７１号 特開２００１−３０８４４５号公報 特許第５３６７２６３号公報
しかしながら、特許文献１に開示された半導体レーザ装置１０では、利得導波型の特徴である横方向への光の閉じ込め構造が無いので、光導波路から横方向（共振器長方向に直交し且つ活性層の界面に平行な方向）に光が漏洩しやすい。しかも、電流注入を高注入化した場合には、共振器長方向に定在波として存在している導波モードからの光の漏洩光が増大する。
光導波路から横方向に漏洩する光は、半導体層の積層構造体の一対の側面を介して活性層にフィードバックすることになる。この光は、本来発振させたい共振器長方向にフィードバックする光とは導波モードが異なる。このため、これらの光の導波モードが競合し、共振器長方向のレーザ発振が停止するおそれがある。この点、特許文献１には、共振器長方向の導波モードを安定化させることについては何ら記載されておらず、特許文献１に開示された半導体レーザ装置１０では、大出力動作そのものが困難である。このように、横方向に光閉じ込め構造を持たない利得導波型の半導体レーザ装置においては、横方向への光の漏洩光の対策が重要である。
また、特許文献２に開示された半導体レーザ装置２０では、半導体層の積層構造体の一対の側面が、低反射特性をもつ樹脂４６で覆われているので、光導波路から横方向に漏洩する光が一対の側面を介してフィードバックすることを抑制できる。これにより、光導波路から横方向に漏洩する光が一対の側面を介してフィードバックする光と、本来発振させたい共振器長方向にフィードバックする光とが競合することを抑制できる。
しかしながら、特許文献２に開示された半導体レーザ装置２０では、一対の側面を被覆する樹脂４６が異質材料であるため屈折率差を無くすことができないので、電流注入量の増加に伴う光導波路内の光量増加に従って漏洩光が増大した場合に、光導波路から横方向に漏洩する光が、やがて一対の側面を介して活性層へフィードバックしてしまい、結局、導波モードの競合が生じてしまう。このため、共振器長方向のレーザ発振が停止してしまうことに変わりはない。したがって、根本的に光導波路から横方向に漏洩する光が一対の側面を介してフィードバックできないよう制御しなければ、本来発振させたい共振器長方向の導波モードを安定化させることができない。
また、特許文献３に開示された半導体レーザ装置３０では、予め、光導波路を形成する位置を挟み且つ共振器長方向に延在する一対の凹形状の深い溝を半導体基板上に形成しておき、この半導体基板上に半導体層を形成している。これにより、光導波路から横方向に漏洩する光は、半導体基板の一対の溝の上方にて活性層と活性層を挟むように曲がるように形成された光ガイド層とに折り曲げられて減衰する。そのため、半導体層の積層構造体の一対の側面に反射して漏洩光が活性層にフィードバックすることを抑制でき、安定した横モードのレーザ光を実現することができる。
しかしながら、特許文献３に開示された半導体レーザ装置３０では、半導体基板に溝を形成するための加工プロセス工程が必要になるため、加工プロセスによって半導体基板の表面が汚染したり加工によって傷が発生したりして半導体基板に欠陥が生じるおそれがある。この場合、この欠陥の上に半導体層を結晶成長させることになるため、転移の誘発及び異常成長による再成長ヒロック（結晶欠陥）を多数発生させるおそれがある。
１エミッタ当たり数十Ｗ級の大出力の半導体レーザ装置を実現するためには、低損失化のためミラー損失を低減すべく共振器長を数ｍｍから十ｍｍ程度にして長共振器化する必要があるとともに、利得飽和を抑制して光出射端面の光密度を低減すべくマルチ横モードで動作させるには電流注入幅を広くする必要がある。このため、共振器長を長くし且つ大面積で電流注入を行うために、チップが大型化する。大面積の電流注入領域に対しては、チップ内に誘発される転位及び結晶欠陥の密度を基板レベルにまで低減することは難しく、電流注入領域には転移及び結晶欠陥が含まれてしまう。このため、ウエハ内の均一性が低下して歩留まりの低下につながる。また、たとえ所望の初期特性が実現できたとしても、内在する転移及び結晶欠陥が注入電流により増殖し、大電流を要する１エミッタ当たり１０Ｗ級の半導体レーザ装置では長期信頼性を得ることができない。
さらに、マルチエミッタ構造の半導体レーザ装置では、歩留まりがエミッタ数の分に従ってべき乗で低下するので、長共振器長で大面積に電流注入を行う大型の半導体レーザ装置においては、半導体レーザ装置３０の構造は、あまりに歩留まりが悪く不向きである。
また、半導体レーザ装置３０では、１エミッタ当たりの利得導波型のレーザ発振に必要な領域を形成する他に、光導波路から横方向に漏洩する光を減衰させるための構造として凹領域が必要になるため、小型化が困難であり、また、１エミッタの幅当たりの活性層の利用面積が小さく非常に非効率である。
本開示は、以上を鑑みてなされたものであり、光導波路から横方向に漏れた光が活性層にフィードバックすることを抑制し、電流注入量を大きくしてもマルチ横モードでレーザ光を安定して出力させることができ、大出力で長期信頼性に優れた半導体レーザ装置等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、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する電流ブロック層を有し、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る。
光導波路から横方向に漏れた光が活性層にフィードバックすることを抑制し、電流注入量を大きくしてもマルチ横モードでレーザ光を安定して出力させることができるので、大出力で長期信頼性に優れた半導体レーザ装置を実現できる。
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、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の詳細な構成を示す断面図である。 図４は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置を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５は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の活性層の周辺構造を模式的に示す図である。 図６Ａは、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１を実際に作製したときの積層構造体の側面の傾斜部を含む領域を前端面（出射端面）側から観察したときのＳＥＭ写真である。 図６Ｂは、図６Ａにおいて積層構造体の側面の傾斜部の各部の傾斜角度を、積層界面とのなす角で示した図である。 図７Ａは、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法において、電流ブロック層までの積層構造体を形成する工程の断面図である。 図７Ｂは、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法において、電流ブロック層を加工する工程の断面図である。 図７Ｃは、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法において、第３半導体層の第２コンタクト層を形成する工程の断面図である。 図７Ｄは、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法において、積層構造体に分離溝を形成する工程の断面図である。 図７Ｅは、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法において、分離溝の壁面に誘電体膜を形成する工程の断面図である。 図７Ｆは、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法において、第２電極及び第１電極を形成する工程の断面図である。 図８Ａは、比較例１の半導体レーザ装置の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’線に沿った半導体レーザ装置の積層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。 図９Ａは、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の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９Ｂは、図９ＡのＡ−Ａ’線に沿った実施の形態１に係る半導体レーザ装置の積層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。 図１０は、光出力１０Ｗ時の半導体レーザ装置において、作り付けの屈折率差ΔＮ、電流ブロック層の開口部の開口幅Ｗｓ、及び、活性層の井戸層のウェル数をパラメータとして、活性層のモード損失及び動作電流値の計算結果を示す図である。 図１１は、図１０で示した活性層がＳＱＷ構造で光出力が１０Ｗの場合における、動作キャリア分布、光分布（ニアフィールド）、及び、モード利得損失分布の計算結果を示す図である。 図１２は、図１０で示した活性層がＤＱＷ構造で光出力が１０Ｗの場合における、動作キャリア分布、光分布（ニアフィールド）、及び、モード利得損失分布の計算結果を示す図である。 図１３は、図１３で示した活性層がＴＱＷ構造で光出力が１０Ｗの場合における、動作キャリア分布、光分布（ニアフィールド）、及び、モード利得損失分布の計算結果を示す図である。 図１４は、光出力１Ｗ時の半導体レーザ装置において、作り付けの屈折率差ΔＮ、電流ブロック層の開口部の開口幅Ｗｓ、及び、活性層の井戸層のウェル数をパラメータとして、活性層のモード損失及び動作電流値の計算結果を示す図である。 図１５は、図１４で示した活性層がＳＱＷ構造で光出力が１Ｗの場合における、動作キャリア分布、光分布（ニアフィールド）、及び、モード利得損失分布の計算結果を示す図である。 図１６は、図１４で示した活性層がＤＱＷ構造で光出力が１Ｗの場合における、動作キャリア分布、光分布（ニアフィールド）、及び、モード利得損失分布の計算結果を示す図である。 図１７は、図１４で示した活性層がＴＱＷ構造で光出力が１Ｗの場合における、動作キャリア分布、光分布（ニアフィールド）、及び、モード利得損失分布の計算結果を示す図である。 図１８は、図１に示される半導体レーザ装置と比較例２の半導体レーザ装置とにおいて、一対の側面の高さを変化させたときのレーザ発振状態を示す図である。 図１９Ａは、分離溝の深さが浅くて側面の高さが小さい場合において、レーザ発振動作が側面の高さに依存して停止してしまった比較例２の半導体レーザ装置における光分布状態を模式的に示す図である。 図１９Ｂは、分離溝の深さが深くて側面の高さが大きい場合において、レーザ発振動作が側面の高さに依存して停止してしまった比較例２の半導体レーザ装置における光分布状態を模式的に示す図である。 図２０は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置のレーザ発振動作状態における光分布状態を模式的に示す図である。 図２１Ａは、θ≦４５°の場合における実施の形態１に係る半導体レーザ装置の要部拡大図である。 図２１Ｂは、θ＞４５°の場合における実施の形態１に係る半導体レーザ装置の要部拡大図である。 図２２は、傾斜角θを変化させたときの内部反射距離を距離ｄで見積もった結果を示す図である。 図２３は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置と同じ積層構造体のうち、電流ブロック層の開口部について、基板の主面と水平な方向で且つ共振器長方向と垂直な方向における開口部の開口幅Ｗｓを変化させたときの光分布幅Ｎｗの変化を示す図である。 図２４は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の積層構造体における活性層より上部側において熱が拡散する様子を模式的に示す図である。 図２５Ａは、マルチエミッタ構造の半導体レーザ装置を示す図である。 図２５Ｂは、図２５ＡのＢ−Ｂ’線における半導体レーザ装置の断面図である。 図２６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２７は、図２６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２８Ａ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２８Ｂ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２９は、実施の形態３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３０Ａは、特許文献１に開示された従来の半導体レーザ装置の断面図である。 図３０Ｂは、特許文献１に開示された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３１は、特許文献２に開示された従来の半導体レーザ装置の断面図である。 図３２は、特許文献３に開示された従来の半導体レーザ装置の断面図である。
（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。
高出力の半導体レーザ装置を実現する上では、以下のことが重要である。
（i）まず、高出力化に伴う端面損傷（ＣＯＤ）を抑制する必要がある。この場合、例えば、レーザ発振状態の横モード数を増加させて光出射端面の光密度を低減することで、ＣＯＤを抑制することができる。さらに、半導体層の積層方向における光分布に占める活性層の割合を低減することで、高出力時の光出射端面の光密度を一層下げることができる。
（ii）また、高出力時の安定した光特性（電流−光出力特性）が望まれる。この場合、活性層へ注入される電子及び正孔を効率的に活性層へ閉じ込めることで、閾値電流及び動作電流を低減することができるとともに無効電流を低減することができる。これにより、発熱量が低減して高出力領域まで線形性を保った電流−光出力特性を実現できる。
（iii）また、１エミッタ当たり数十Ｗ級で高出力化するためには導波路内の発熱を低減する必要がある。このためには、光導波路内の光損失の一つであるミラー損失を低減する必要があり、例えば、共振器長を数ｍｍから１０ｍｍ程度まで長くして長共振器化を行う。また、エミッタ内の横モード数の多モード化を行うことで、１エミッタ当たりの導波モードが寄与する横方向への活性層の幅利用面積を最大限拡大して光密度を低減し、これにより、利得飽和を低減しつつ、微分利得が高い動作ポイントで半導体レーザ装置を駆動できるが、１エミッタ当たりのエミッタ幅は、レーザ発振に寄与している活性層領域から放射状に伝わる発熱に対して放熱性を確保した上で最小化する必要があるとともに、１チップ当たりの大きさを小型化して１ウエハ当たりのチップの取れ数を増やすことで低コスト化を図る必要がある。
（iv）また、ウエハから半導体レーザを小片化する際、スクライブ装置等により機械的にウエハに傷を入れて劈開によって個片化するが、ウエハに傷をつける際に欠陥も発生させてしまい、リーク電流の原因となる。このようなリーク電流を抑制するために、電流注入領域とチップ分離領域とを別々設け、個片化に伴う分離溝を形成することが提案されている。また、半導体レーザ装置をアレイ化した場合、隣接するエミッタから隣接チップ側へ漏洩する光及び熱の干渉を抑制する必要がある。漏洩光は、隣接する導波路内の光と相互作用して横モードの不安定性を引き起こす。熱干渉については、チップ端部のエミッタとチップ中央部のエミッタとでは、各チップから発生する熱がチップ全体に影響し、チップ中央部のエミッタの温度が上昇する一方チップ端部の温度が低くなって温度不均一性が発生し、各エミッタから出射する光の発振波長の均一性が低下することから、隣接するエミッタ間を光学的且つ熱的に分離する必要である。
このような観点をもとに高出力の半導体レーザ装置を実現するために、本発明者らは、横方向の光の閉じ込め構造が非常に弱い電流ブロック構造を有する半導体レーザ装置において、光導波路から漏洩した光のうち横方向に漏洩した光が積層構造体の側面で反射される光に着目した。具体的には、横方向に漏洩した光と、光導波路の横方に形成された一対の溝の形状と電流ブロック構造による電流狭窄幅とに着目した。
そして、本発明者らは、半導体層の積層構造体の側面を傾斜させて傾斜面にするという着想を得て、さらに、光導波路から横方向に漏洩した光がその側面（傾斜面）で反射して光導波路内の活性層に戻らないようにすることを見出した。具体的には、本発明者らは、光導波路から漏洩して側面で反射した反射光が光導波路内の活性層領域に戻る経路を詳細に検討し、側面の傾斜角に対する内部反射距離の見積もりを行った。このように、漏洩光が傾斜面で反射した反射点から活性層領域に戻るまでの距離（内部反射距離）を正確に見積もることで、光導波路内の活性層を内部反射距離以上の部分に配置することで、光導波路から横方向に漏洩した光が側面を介して活性層にフィードバックすることを根本的に抑制できることを新しく見出すことができた。
本開示は、以上を鑑みてなされたものであり、横方向の光の閉じ込め構造が非常に弱い利得導波型の半導体レーザ装置であっても、光導波路から漏洩した光のうち横方向に漏洩した光が、半導体層の積層構造体の一対の側面を介して活性層にフィードバックすることを抑制できるとともに、電流注入量を増加させたとしても共振器長方向の安定したマルチ横モードで動作可能で、積層構造体の一対の側面の距離を小さくしてエミッタ幅を最小化して高集積化すること目的としている。ひいては、大出力で長期信頼性に優れた半導体レーザ装置を提供することを目的としている。
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、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する電流ブロック層を有し、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る。
本開示に係る半導体レーザ装置では、１エミッタ当たり光出力が１０Ｗ級の高出力の半導体レーザ装置において、横モードをマルチモードでレーザ発振することで、シングルモードレーザでは実現不可能な１エミッタ当たりの光出力が高い高出力出射が可能である。また、第２導電側半導体層の中に電流ブロック層の開口部を設けることで電流注入領域が画定され、発振モードに寄与する活性層の面内領域を自由な形状で活性層にキャリアを注入することができるとともに、第２導電側半導体層内に電流ブロック層が埋め込まれているため、第２導電側半導体層の上部全体をコンタクト電極として利用できるため、接触面積が最大化でき、コンタクト抵抗の低減によって駆動電圧を低下できるとともに、放熱経路が拡大することで活性層の温度を低減して熱飽和特性を向上させることができる。
さらに、電流注入領域を電流ブロック層の開口部の形状によってマルチ横モードでレーザ発振させて光出射端面での光密度を低減することができ、ＣＯＤの発生を抑制することができる。
さらに、第１導電側半導体層の少なくとも一部における一対の側面が基板の主面に対して傾斜しているので、共振器長方向にマルチ横モードで発振している導波モードから、共振器長方向と直交し且つ基板の主面に平行な方向である横方向に漏れ出た漏洩光を一対の側面で反射させて減衰させることができる。これにより、本来発振させたくない共振器長方向と直交し且つ基板の主面に平行な方向に伝搬した漏洩光が一対の側面を介して活性層へフィードバックを起こす導波モードが抑制され、電流を高注入状態にしてもマルチ横モードで安定して動作させることができる。
さらに、基板の主面の法線方向である積層方向の光閉じ込め構造の光分布については、一般的に活性層に光分布の最大強度を持たせた構造では光導波損失量が２〜３ｃｍ-1程度であるが、１エミッタ当たり数十Ｗ級の高出力の半導体レーザ装置では動作電流が非常に大きくて光の導波損失も大きい。この点、本開示に係る半導体レーザ装置では、基板の主面の法線方向における光分布の最大強度位置が第１導電側半導体層内に存在するので、光導波路全体の損失のうち、導波損失αｉ＋自由キャリア損失αfreeの損失を低減させることができる。これにより、低損失の光導波路を実現することができるので、閾値電流及び動作電流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、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、とよい。
この構成により、第２導電側の積層構造体において、基板から遠くなればなるほど幅を拡大させることができる。これにより、第２導電側半導体層の上部を介して放熱を行う際に接触面積が増大するため、放熱経路が拡大して高出力時の排熱を効率的に行うことができる。さらに、第２導電側の積層構造体の各層間の接触面積を大きくできるので、上部に電極を配置する際に接触抵抗を低減することができ、動作電圧を低減できる。
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、とよい。
この構成により、電流ブロック層の開口部の幅（第１の幅）から活性層側に電流注入した際に発生する熱に対して、電流が流れた活性層領域の発熱及びその経路に存在する積層構造体の各層における抵抗成分による発熱分が第２導電側半導体層の上方へと排熱されるが、第２導電側半導体層の最狭部の幅が第１の幅より大きいことで、放射状に拡散する熱の放熱経路を狭めることなく第２導電側半導体層の上方へと放熱させることができる。これにより、高電流注入時の熱飽和レベルを下げることなくレーザ光を高出力で出射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、前記最狭部は、前記第２導電側半導体層内に形成されているとよい。
この構成により、電流ブロック層の開口部の開口幅から活性層側に電流注入した際に発生する熱に対して、電流が流れた活性層領域の発熱及びその経路に存在する積層構造体の各層における抵抗成分による発熱分が第２導電側半導体層の上方へと排熱されるが、最狭部が第２導電側半導体層内にあることで、発熱分が最狭部に到達する前に積層構造体の横方向に十分熱の拡散が放射状に行われるため、積層構造体全体に熱が拡散する。さらに、第２導電側半導体層の最狭部の上部から幅が広がって各層の面積が拡大して放熱経路が拡大するため、排熱効率が向上する。これにより、高電流注入時の熱飽和レベルを下げることなくさらに高出力でレーザ光を出射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、前記電流ブロック層は、前記第２導電側のコンタクト層内に設けられ、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とよい。
第２導電側半導体層内の第２導電側の第１半導体層に僅かながらに分布する光分布に対し、一対の側面を傾斜面にすることで、第２導電側の第１半導体層から横方向に漏れ出る漏洩光が一対の側面で反射する一次反射光が光分布にフィードバックすることを抑制できる。これにより、本来発振させたくない漏洩光と第２導電側の第１半導体層の一対の側面と光分布内の活性層領域とを介した導波モードを抑制することができるので、マルチ横モードで安定したレーザ発振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電流ブロック層の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。
Figure 2018168430
マルチ横モード発振状態の導波モードから共振器長方向と直交し且つ活性層の界面と平行な方向に漏れ出た漏洩光は一対の側面の方向に向かって伝搬するが、基板の主面に水平な方向と一対の側面とのなす角θが４５°以下である場合、光導波路から横方向に漏れ出た漏洩光は、一対の側面（傾斜面）で反射して斜め下方に伝搬するため顕著に減衰し、当該漏洩光が一対の側面で反射して活性層へフィードバックすることを抑制できる。これにより、電流を高注入状態にしても、マルチ横モードで安定して動作させることができる。また、基板の主面に水平な方向と一対の側面とのなす角θが４５°よりも大きい場合、光導波路から横方向に漏れ出た漏洩光は、第１導電側の第２半導体層の側面（傾斜面）で反射した一次反射光となって方向を変えて、さらに第１導電側の第１半導体層と第１導電側の第２半導体層との界面で反射して二次反射光となり、光の漏洩元である光分布の方向へ戻ることになるが、上記式を満たすように傾斜角θを設定することで、光分布から漏れ出た漏洩光によって漏洩元の光分布に影響を及ぼすことを抑制でき、半導体レーザ装置を安定して動作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、かつ、ｎ12≧ｎ21、の関係式を満たすとよい。
積層構造体の積層方向の光閉じ込め構造における光分布は、半導体材料の屈折率差により制御され、屈折率分布の平均的に高い方へと分布する。したがって、第２導電側の第２半導体層の屈折率（ｎ22）が最も低く、次に、第１導電側の第１半導体層の屈折率（ｎ11）を低くすることで、光分布は、第１導電側の第１半導体層と第２導電側の第２半導体層に挟まれた第１導電側の第２半導体層と活性層と第２導電側の第１半導体層とに分布することになり、第１導電側の第２半導体層側に寄ることになる。また、第１導電側の第２半導体層の屈折率（ｎ12）が第２導電側の第１半導体層の屈折率（ｎ21）以上であるので、積層方向の光分布は、第１導電側の第２半導体層に分布させることができる。これにより、導波路全体の損失のうち、導波損失αｉ＋自由キャリア損失αfreeの損失を低減させることができる。これにより、低損失導波路を実現することができ、閾値電流及び動作電流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、前記一対の側面は、誘電体膜で覆われているとよい。
この構成により、第２導電側半導体層の上部側をヒートシンク側として半導体レーザ装置を半田を介してヒートシンク（サブマウント）に実装する際、側面（傾斜面）の側方に入り込んだ半田が第１導電側半導体層の一部に接してリーク電流が流れることを防止することができる。また、第２電極を形成する際に、両側が傾斜面である一対の側面が誘電体膜で覆われていることで、第２電極が回り込んで積層構造体にリーク電流が流れることを防止することができる。さらに、放熱性を高めることができるので、側面の側方に放熱性の高いＡｕや半田材などの単層及び多層膜の金属を埋め込んだとしても、誘電体膜で一対の側面が覆われているため、リーク電流が流れることを防止することができる。
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とよい。
この構成により、活性層が薄膜化されるので、レーザ発振に寄与する活性層の体積が小さくなり、少ない電流注入量で閾値利得に到達して透明化する。電流ブロック層の開口部の直下及び開口部の周辺の電流ブロック層下部の活性層領域において、電流注入時の開口部より拡散した拡散電流により電流注入されるが、活性層構造が薄膜な量子井戸構造であるため、わずかな電流にて透明化する。このため、活性層のモード損失が非常に小さくなるので、光分布は活性層で吸収されにくくなり横方向へと大きく広がる。これにより、光出射端面の光密度が拡大されてＣＯＤが発生しにくくなり、また、活性層に占める光の割合が低下するため、利得飽和が起きにくく、低い閾値電流にて大出力化が可能となる。
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とよい。
この構成により、エミッタ毎の光軸の調整をする際に発光点位置が隣接するエミッタのエミッタピッチで精密に制御することができ、また、同一の基板に同一の膜厚でエミッタ毎の積層構造体が作られているため、各エミッタの発光点の高さを容易に同一の高さにすることができる。さらに、エミッタ数分だけ光出力を増大させることができるとともに、小型集積化された大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、前記電流ブロック層は、第１導電性半導体によって構成されているとよい。
電流ブロック層を半導体材料によって構成することで熱伝導率を高くすることができる。これにより、第１電極及び第２電極から注入された電子及び正孔が活性層で再結合して発光するが、その際生じた熱は電流注入領域から積層構造体内に放射状に伝播する。その際、第２導電側半導体層内の電流ブロック層の熱伝導率が高くなっているので、活性層から伝搬してきた熱を、電流ブロック層で熱だまりを起こすことなく放射状に放熱させることができる。特に、第２導電側半導体層側をヒートシンク（サブマウント）に実装するＰ側ダウン実装の場合、電流ブロック層の領域を介した放熱性を確保できるため、発熱部である活性層の位置をヒートシンク側に相対的に寄せることが可能となる。したがって、放熱特性が向上するので、高電流注入時の熱飽和レベルをさらに向上させて、より高出力でレーザ光を出射させることができる。
さらに、電流ブロック層の極性が第１導電型であることから、逆バイアス特性に優れている。これにより、電流ブロック層を挟んだ積層構造領域は、基板側より、第１導電型―活性層−第２導電型−第１導電型（電流ブロック層）−第２導電型の積層構造体となるため、サイリスタ構造となる。そのため、電流ブロック層の厚さを薄膜化しても順バイアス印加時に電流ブロック層が存在する積層構造体の領域においては、空乏層幅を確保することができ、電流ブロック機能を十分保持させることができる。例えば、電流ブロック層の厚さを０．５μｍから０．１μｍ程度まで薄膜化しても良好な電流ブロック機能を果たす。また、電流ブロック層の厚さを薄膜化することで、第２導電側半導体層の厚さが薄膜化されるため、低抵抗化する。
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、前記開口部の幅より大きい、とよい。
この構成により、マルチ横モードでレーザ発振できるように電流ブロック層の開口部の開口幅が十分広くなり、第１導電側半導体層の下部方向に放射状に電流が拡散する。また、横方向に光閉じ込め構造が弱い利得導波型のレーザ構造であるため、電流ブロック層の開口部から基板に向かって放射状に拡がった拡散電流により閾値利得に達する活性層の横方向の領域が拡大し、電流ブロック層の開口部の開口幅よりもマルチ横モード発振している光分布の幅を広げることができる。これにより、光出射端面の光密度を低減してＣＯＤレベルを向上させることができ、レーザ発振導波モードに寄与する活性層の面積が拡大することで、発熱領域が広がって発熱密度が低減し、活性層の温度を低減することができる。なお、実際の寸法は、電流ブロック層の開口部の開口幅は、５０μｍから３００μｍと非常に広いのに対して、積層方向の電流ブロック層から活性層までの距離は０．５μｍ程度で、厚くても１０μｍ以下であるため、電流ブロック層の開口部の境界から横方向に広がる電流の拡散距離が１０μｍ以下となり、電流ブロック層の開口部の開口幅に対する光分布幅の拡大はおおよそ１０μｍ前後となる。
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。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。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、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、ステップ（工程）及びステップの順序などは、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）
［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。
図１及び図２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、基板１０１の主面の上方に、第１導電側半導体層１００、活性層３００及び第２導電側半導体層２００が順に積層された積層構造体を備えている。半導体レーザ装置１は、さらに、第１導電側半導体層１００の下方に第１電極１０３を有するとともに、第２導電側半導体層２００の上方に第２電極１０４を有する。
具体的には、半導体レーザ装置１は、基板１０１と、基板１０１上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。本実施の形態において、第１導電型は、ｎ型であり、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。したがって、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。
以下、半導体レーザ装置１における積層構造体の各構成部材について、図１及び図２を参照しつつ、図３を用いて詳細に説明する。
基板１０１は、主面が一様に平面である平面状の基板である。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。具体的には、バッファ層１０２は、基板１０１の上面に形成されている。
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、基板１０１側から順にｎ側の第１半導体層１１０（第１導電側の第１半導体層）と、ｎ側の第２半導体層１２０（第２導電側の第２半導体層）とをこの順に有する。
ｎ側の第１半導体層１１０は、バッファ層１０２上に形成されたｎ側クラッド層である。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型クラッド層（第１導電型クラッド層）であり、その組成は、ＡｌxＧａ1-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−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓからなるｎ型の第１クラッド層１１１（膜厚０．０５μｍ、Ｓｉのドーピング濃度１×１０18／ｃｍ3）と、ｎ−Ａｌ0.335Ｇａ0.665Ａｓからなるｎ型の第２クラッド層１１２（膜厚２．８５μｍ、Ｓｉのドーピング濃度１×１０18／ｃｍ3）と、ｎ−Ａｌ0.335Ｇａ0.665Ａｓからなるｎ型の第３クラッド層１１３（膜厚０．４６５μｍ、Ｓｉのドーピング濃度４×１０16／ｃｍ3）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上に形成されたｎ側光ガイド層（第１光ガイド層）である。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、総膜厚０．６０５μｍのｎ型光ガイド層（第１導電型光ガイド層）であって、その組成は、ＡｌxＧａ1-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−Ａｌ0.27Ｇａ0.73Ａｓからなるｎ型の第１光導波路層１２１（膜厚０．５６μｍ、Ｓｉのドーピング濃度４×１０16／ｃｍ3）と、ｎ−Ａｌ0.27Ｇａ0.73Ａｓからなるｎ型の第２光導波路層１２２（膜厚０．０４０μｍ、Ｓｉのドーピング濃度８×１０16／ｃｍ3）と、ｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓからなるｎ型の第３光導波路層１２３（膜厚０．００５μｍ、Ｓｉのドーピング濃度５×１０17／ｃｍ3）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、ｐ側の第３半導体層２３０とを有する。さらに、ｐ側の第４半導体層として、電流ブロック層２４０を有する。
ｐ側の第１半導体層２１０は、活性層３００上に形成されたｐ側光ガイド層（第２光ガイド層）である。ｐ側の第１半導体層２１０（第２光ガイド層）は、活性層３００とｐ側の第２半導体層２２０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１半導体層２１０は、ｐ型光ガイド層（第２導電型光ガイド層）であって、その組成は、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ＜１）である。
ｐ側の第１半導体層２１０（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１半導体層２１０は、ｕｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなる第１光導波路層２１１（膜厚０．０３μｍ）と、ｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓからなるｐ型の第２光導波路層２１２（膜厚０．１３１μｍ、Ｃのドーピング濃度１．５×１０17／ｃｍ3）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１半導体層２１０において、第１光導波路層２１１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１半導体層２１０は、活性層３００側にアンドープ光ガイド層（第１光導波路層２１１）を有する。
ｐ側の第２半導体層２２０は、ｐ側の第１半導体層２１０上に形成されたｐ側クラッド層である。ｐ側の第２半導体層２２０は、ｐ側の第１半導体層２１０とｐ側の第３半導体層２３０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、総膜厚０.７５μｍのｐ型クラッド層（第２導電型クラッド層）であって、その組成は、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ＜１）である。
ｐ側の第２半導体層２２０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２半導体層２２０は、ｐ−Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓからなるｐ型の第１クラッド層２２１（膜厚０．０５μｍ、Ｃのドーピング濃度３×１０17／ｃｍ3）と、ｐ−Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓからなるｐ型の第２クラッド層２２２（膜厚０．６５μｍ、Ｃのドーピング濃度４×１０18／ｃｍ3）と、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓからなるｐ型の第３クラッド層２２３（膜厚０．０５μｍ、Ｃのドーピング濃度４×１０18／ｃｍ3）とが順に積層された積層膜である。ｐ側の第２半導体層２２０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３半導体層２３０は、ｐ側の第２半導体層２２０上に形成されたｐ側コンタクト層（第２導電側のコンタクト層）である。ｐ側の第３半導体層２３０は、ｐ側の第２半導体層２２０と第２電極１０４との間に形成される。本実施の形態において、ｐ側の第３半導体層２３０は、ｐ型コンタクト層（第２導電型コンタクト層）であって、その組成は、ＧａＡｓである。
ｐ側の第３半導体層２３０は、第１コンタクト層２３１と、第２コンタクト層２３２とを有する。第１コンタクト層２３１は、膜厚０．４μｍで、ドーピング濃度３×１０17／ｃｍ3でＣがドーピングされたｐ−ＧａＡｓからなり、ｐ側の第２半導体層２２０上に形成される。第２コンタクト層２３２は、膜厚１．７５μｍのｐ−ＧａＡｓからなりＣのドーピング濃度を段階的に１×１０18〜３×１０19／ｃｍ3の濃度へ増加させて作製している。更に、電流ブロック層２４０の開口部２４１を埋めるように、第１コンタクト層２３１上及び電流ブロック層２４０上に形成される。
電流ブロック層２４０は、ｐ側の第３半導体層２３０（第２導電側のコンタクト層）内に設けられている。電流ブロック層２４０は、ｐ側の第３半導体層２３０における第１コンタクト層２３１上に形成される。
本実施の形態において、電流ブロック層２４０は、第１導電性半導体からなる第１導電型の電流ブロック層である。具体的には、電流ブロック層２４０は、膜厚０．４５μｍ且つドーピング濃度２×１０18／ｃｍ3でＳｉがドーピングされたｎ−ＧａＡｓからなるｎ型の電流ブロック層である。電流ブロック層２４０は、電流注入領域を画定するための開口部２４１を有する。電流ブロック層２４０の開口部２４１は、開口幅（ストライプ幅）として第１の幅を有しており、半導体レーザ装置１の共振器長方向（共振器の長手方向）に直線状に延在している。
このように、本実施の形態では、電流ブロック層２４０の材料に関しては、ｎ−ＧａＡｓを用いている。これは、半導体レーザ装置１の断面を横方向に屈折率分布を付けた実屈折率型の課題の一つとして、作り付けの屈折率の影響により、光出射端面から出射されるレーザ光の横方向の拡がり角の角度が屈折率差による回折の影響で拡がってしまい、狭めることができないためである。
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。活性層３００は、電流ブロック層２４０の開口部２４１の幅（第１の幅）よりも広い第２の幅を有する。
本実施の形態において、活性層３００は、単一の量子井戸層を含む単一量子井戸構造である。また、活性層３００の組成は、ＩｎxＧａ1-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−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓからなる第１障壁層３１０（膜厚０．００５μｍ）と、ｕｎ−Ｉｎ0.17Ｇａ0.83Ａｓからなる井戸層３２０（膜厚０．００８μｍ）と、ｕｎ−Ａｌ0.25Ｇａ０．75Ａｓ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。
なお、活性層３００は、単一量子井戸構造に限らず、複数の量子井戸層を含む多重量子井戸構造であってもよい。活性層３００が単一量子井戸構造及び多重量子井戸構造のいずれであっても、活性層３００における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とよい。
このように構成される半導体レーザ装置１は、端面出射型の半導体レーザ素子であり、第１電極１０３及び第２電極１０４によって電流が注入されると、横モード多モード（マルチ横モード）で発振して、レーザ光が光出射端面から出射する。
また、半導体レーザ装置１は、積層構造体の側面に傾斜部を有している。具体的には、図１〜図３に示すように、半導体レーザ装置１は、積層構造体の側面として、第２導電側半導体層２００から第１導電側半導体層１００にかけて基板１０１の幅よりも内側にある一対の側面１０５を有する。一対の側面１０５は、第１導電側半導体層１００の一部から第２導電側半導体層２００までの部分に傾斜面として形成されている。
本実施の形態において、一対の側面１０５（傾斜面）は、第１導電側半導体層１００のｎ側の第２半導体層１２０の一部から形成されている。具体的には、図３に示すように、一対の側面１０５は、ｎ側の第２半導体層１２０のｎ型の第３光導波路層１２３から上側の部分に形成されているが、これに限らない。例えば、一対の側面１０５は、ｎ型の第１光導波路層１２１から上側の部分に形成されていてもよい。
一対の側面１０５は、ウエハ上に形成された複数の半導体レーザ装置を個々に分割するための分離溝に起因する側面である。したがって、一対の側面１０５の高さは、分離溝の深さに相当し、第２導電側半導体層２００の最表面から第１導電側半導体層１００中に形成された分離溝の下端（底）までの距離である。分離溝の下端の位置は、分離溝の底が基板１０１の主面と平行な面である場合はその面の位置（底面）であり、分離溝がＶ溝である場合は分離溝の頂点の位置である。
半導体レーザ装置１の積層構造体は、一対の側面１０５に挟まれる第１導電側半導体層１００の一部から第２導電側半導体層２００までの間に最狭部を有する。最狭部は、積層構造体の幅が最も小さくなる部分である。つまり、一対の側面１０５の互いの間隔は、最狭部で最小となる。
積層構造体の最狭部は、第２導電側半導体層２００内に形成されている。本実施の形態において、最狭部は、ｐ側の第２半導体層２２０とｐ側の第３半導体層２３０との界面付近に形成されている。具体的には、最狭部は、ｐ側の第２半導体層２２０と第１コンタクト層２３１との界面に形成されている。本実施の形態では、最狭部の幅は、電流ブロック層２４０の開口部２４１の開口幅（第１の幅）より大きい。
半導体レーザ装置１では、積層構造体の最狭部でくびれるように一対の側面１０５が傾斜している。一対の側面１０５は、互いの間隔が最狭部で最小となるように折れ曲がるように傾斜している。具体的には、第１導電側半導体層１００から活性層３００を通って最狭部までにかけては順メサ形状に傾斜しており、最狭部から第２導電側半導体層２００の上面までにかけては逆メサ形状に傾斜している。
本実施の形態において、基板１０１に［０１１］方向に０．２°オフした（１００）面基板を用いて積層構造体を作製している。そのため積層構造体は、ほぼ左右対称な形状である。したがって、一対の側面１０５もほぼ左右対称な形状となっている。
一対の側面１０５の各々は、最狭部を境界として、基板１０１に近い側に位置する第１の側面１０５ａと、基板１０１から遠い側に位置する第２の側面１０５ｂとを有する。
一対の側面１０５の各々において第１の側面１０５ａは、第１導電側半導体層１００の側面の少なくとも一部として形成された第１傾斜面と、活性層３００の側面として形成された第２傾斜面と、第２導電側半導体層２００の側面の一部として形成された第３傾斜面とによって構成されている。
第１の側面１０５ａは、基板１０１の主面の法線方向とは平行ではなく、基板１０１の主面に対して傾斜している。本実施の形態において、一対の側面１０５の２つの第１の側面１０５ａは、互いの間隔が基板１０１に向かうに従って漸次大きくなるように傾斜している。つまり、対向する２つの第１の側面１０５ａで挟まれる積層構造体は、基板１０１に向かって末広りの形状（順メサ形状）である。
また、一対の側面１０５の各々において第２の側面１０５ｂは、第２導電側半導体層２００の側面の一部として形成された傾斜面である。
第２の側面１０５ｂは、基板１０１の主面の法線方向とは平行ではなく、基板１０１の主面に対して傾斜している。本実施の形態において、一対の側面１０５の２つの第２の側面１０５ｂは、互いの間隔が基板１０１から離れるに従って漸次大きくなるように傾斜している。つまり、対向する２つの第２の側面１０５ｂで挟まれる積層構造体は、基板１０１から離れる方向に末広りの形状（逆メサ形状）である。
このように、第２導電側半導体層２００の対向する側面の各々は、最狭部を間にして第１の側面１０５ａの一部と第２の側面１０５ｂとによって構成されている。つまり、第２導電側半導体層２００の側面は、最狭部を境界にして、最狭部より下側の順メサ形状の一対の第１の側面１０５ａと、最狭部より上側の逆メサ形状の一対の第２の側面１０５ｂとによって構成されている。
ここで、図２に示すように、順メサ形状に傾斜する一対の第１の側面１０５ａの各々において、第１の側面１０５ａの法線方向Ｄ１と基板１０１の主面の法線方向Ｄ０とのなす角を第１の角θ１とすると、第１の角θ１は、９０度より小さい（θ１＜９０°）。
また、逆メサ形状に傾斜する一対の第２の側面１０５ｂの各々において、第２の側面１０５ｂの法線方向Ｄ２と基板１０１の主面の法線方向Ｄ０とのなす角を第２の角θ２とすると、第２の角θ２は、９０度より大きい（θ２＞９０°）。
図１及び図３に示すように、一対の側面１０５は、誘電体膜１０６で覆われている。本実施の形態では、誘電体膜１０６は、第１の側面１０５ａ及び第２の側面１０５ｂの全体を覆っている。具体的には、誘電体膜１０６は、第１導電側半導体層１００の上部の傾斜面及び平坦面（分離溝の底面）と、活性層３００の側面と、第２導電側半導体層２００の側面全体とを被覆している。誘電体膜１０６は、例えばＳｉＮ又はＳｉＯ2等によって構成されており、電流ブロック膜として機能する。
次に、半導体レーザ装置１の共振器長方向の構造及び電流ブロック層２４０の開口部２４１の形状について、図４を用いて説明する。図４は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１を電流ブロック層２４０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４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、電流ブロック層２４０の開口部２４１により画定される。具体的には、電流注入領域の幅は、電流ブロック層２４０の開口部２４１の開口幅Ｗｓ（第１の幅）で画定される。
また、電流ブロック層２４０の開口部２４１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電流ブロック層２４０の開口部２４１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電流ブロック層２４０の開口部２４１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。
また、図４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Ａｌ2Ｏ3とＴａ2Ｏ5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Ａｌ2Ｏ3とＳｉＯ2とＴａ2Ｏ5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５を用いて説明する。図５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５において、積層構造体の傾斜構造（側面１０５）、第１反射膜４１０及び第２反射膜４２０等の半導体レーザ装置１の一部の構成については省略されている。
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５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５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５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。
この半導体レーザ装置１を実際に作製したときの積層構造体の側面１０５の傾斜部を含む領域を前端面１ａ（出射端面）側から観察したときのＳＥＭ写真を図６Ａに示す。また、図６Ｂは、図６Ａにおいて積層構造体の側面１０５の傾斜部の各部の傾斜角度を、積層界面とのなす角で示した図である。
図６Ａにおいて、前端面１ａ側から半導体レーザ装置１を見たとき、側面１０５の傾斜部は、第１導電側半導体層１００のｎ型クラッド層途中から活性層３００の上方の第２導電側半導体層２００の一部にかけてメサ形状（基板１０１側に幅が拡がる形状）をしている。活性層３００の上方、具体的には、第２導電側半導体層２００において電流ブロック層２４０よりも活性層３００に近い側にて最狭部を持ち、その後、積層方向の第２電極１０４側に向かい角度を大きく変えて逆メサ形状（積層方向に拡がる形状）となる。積層構造体の側面１０５の傾斜部には、空気層との境界として、メサ形状部から逆メサ形状部にわたって全面に誘電体膜１０６としてＳｉＮ膜が形成されている。
側面１０５の傾斜部は、分離溝を形成する際の等方性のウェットエッチングにより形成したが、側面１０５の傾斜部の各部の傾斜角度は、積層構造体を構成する各層のＡｌＧａＡｓ材料のＡｌ組成の組成比を変えることで、変化させることができる。具体的には、ＡｌＧａＡｓ材料のＡｌ組成を高くするとエッチング速度を速めることができる。半導体レーザ装置１は積層構造体の活性層３００上方の第２導電側半導体層２００にＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層を含むため、第２導電側半導体層２００において最狭部を持つように傾斜角を制御した傾斜部を作製することができる。また、側面１０５の傾斜部の深さは、エッチング時間により調整することができ、例えば、ｎ側の第２半導体層１２０としてのｎ型ガイド層の途中、ｎ型ガイド層とｎ側の第１半導体層１１０としてのｎ型クラッド層との境界、ｎ型クラッド層の途中および基板１０１までの深さで自由に作製することができる。図６Ａ及び図６Ｂの半導体レーザ装置１のＳＥＭ写真は、ｎ型クラッド層途中の深さまでウェットエッチングを行って分離溝を形成して作製した積層構造体の側面１０５の傾斜部の形状を示す。
図６Ｂは、図６Ａにおいて、積層構造体の側面１０５の傾斜部の各部の傾斜角度の実測値を示している。まず、側面１０５の傾斜部は、ｎ型クラッド層途中から活性層上部までメサ形状（基板側に幅が拡がる形状）をしており、積層界面と傾斜部とのなす角ａは３３°であった。次に、活性層３００上部より最狭部にかけて傾斜角度が更に大きくなり、積層界面とのなす角ｂは７２°であった。最狭部は第２導電側半導体層２００に含まれるＡｌ組成の高いｐ型クラッド層に形成されている。これは、ウェットエッチングによる積層方向に対して横方向へのエッチング速度が上がったため、傾斜角度が大きくなったものである。更に最狭部を経て積層方向を第２電極１０４の方向に向かい、角度を大きく変えて逆メサ形状（積層方向に拡がる形状）に拡がる形状となり、積層界面とのなす角ｃは１３５°であった。
メサ形状（基板側に幅が拡がる形状）の傾斜部の角ａの好ましい範囲は、レーザ発振時に側面方向へ伝播した漏洩光が傾斜部で反射した一次光が漏洩元に戻らない角度であることが望ましい。具体的には、角ａの上限値は４５°、つまり、ａ≦４５°であることが望ましい。
また、ウエハ当たりの半導体レーザ装置１の取れ数の低下を考慮すると、角ａの下限値は、２０°、つまり、２０°≦ａであることが特に望ましい。
また、逆メサ形状（積層方向に拡がる形状）の傾斜部の角ｃは、電気的コンタクト面積の拡大と放熱面積の拡大との観点より第２電極１０４の十分な大きさを確保した方がよいため、大きい方が望ましいが、共振器端面をへき開にて作製する際、傾斜分離溝の側面の逆メサ形状の欠けを防ぐ場合には、１２０°≦ｃ≦１５０°の範囲が特に望ましい。
［半導体レーザ装置の製造方法］
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。
まず、図７Ａに示すように、基板１０１上にバッファ層１０２を形成し、その上に、第１導電側半導体層１００、活性層３００及び第２導電側半導体層２００を形成することによって、ＡｌＧａＡｓ材料によって構成された積層構造体を形成する。
具体的には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ；Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）による結晶成長技術により、ｎ型ＧａＡｓ基板のウエハである基板１０１上に、バッファ層１０２としてｎ型ＧａＡｓバッファ層、ｎ側の第１半導体層１１０としてｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、ｎ側の第２半導体層１２０としてｎ型ＡｌＧａＡｓガイド層、活性層３００としてＩｎＧａＡｓウェル層とＡｌＧａＡｓバリア層とからなる量子井戸活性層、ｐ側の第１半導体層２１０としてｐ型ＡｌＧａＡｓガイド層、ｐ側の第２半導体層２２０としてｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、ｐ側の第３半導体層２３０の第１コンタクト層２３１としてｐ型ＧａＡｓコンタクト層、及び、電流ブロック層２４０としてｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層を、順次結晶成長させる。
ｎ側の第１半導体層１１０及びｎ側の第２半導体層１２０のそれぞれの屈折率の大小関係については後述するが、ｎ側の第１半導体層１１０及びｎ側の第２半導体層１２０の各々は、図３に示すように複数の層によって構成された多層構造である。多層構造のｎ側の第１半導体層１１０及びｎ側の第２半導体層１２０の平均屈折率は、ｎ側の第１半導体層１１０よりもｎ側の第２半導体層１２０の方が大きい関係になっている。
次に、図７Ｂに示すように、電流注入領域を形成するために、第１コンタクト層２３１の上に、フォトリソグラフィー技術によってＳｉＯ2などからなるマスク６０１をパターン形成し、その後、ウェットエッチング技術によって電流ブロック層２４０をエッチングすることで、電流ブロック層２４０を所定形状にパターニングする。このとき、第１コンタクト層２３１を露出させるまでエッチングを行う。
このように、電流ブロック層２４０をパターニングすることで、電流ブロック層２４０に開口部２４１を形成することができる。なお、電流ブロック層２４０をエッチングするためのエッチング液は、硫酸系のエッチング液が好適に用いられる。例えば、硫酸：過酸化水素水：水＝１：１：４０のエッチング液などを用いることができる。
次に、図７Ｃに示すように、マスク６０１をフッ酸系のエッチング液で除去した後に、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長技術により、ｐ側の第３半導体層２３０の第２コンタクト層２３２としてｐ型ＧａＡｓコンタクト層を結晶成長させる。具体的には、電流ブロック層２４０の開口部２４１を埋めるようにして、電流ブロック層２４０及び第１コンタクト層２３１の上に第２コンタクト層２３２を結晶成長させる。
次に、図７Ｄに示すように、分離溝を形成するために、第２コンタクト層２３２の上に、フォトリソグラフィー技術を用いてＳｉＯ2などからなるマスク６０２をパターン形成し、その後、ウェットエッチング技術によって、第２コンタクト層２３２からｎ側の第１半導体層１１０（ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層）の途中までをエッチングすることで、傾斜する側壁面を有する分離溝６５０を形成する。これにより、分離溝６５０の側壁面（傾斜面）として、積層構造体に側面１０５を形成することができる。
分離溝６５０を形成する際のエッチング液は、硫酸系のエッチング液が好適に用いられる。例えば、硫酸：過酸化水素水：水＝１：１：１０のエッチング液などを用いることができる。また、エッチング液は、硫酸系のエッチング液に限らず、有機酸系のエッチング液又はアンモニア系のエッチング液を用いてもよい。
また、分離溝６５０は、等方性のウェットエッチングにより形成される。これにより、積層構造体に傾斜面（側面１０５）を形成して、積層構造体にくびれ構造を形成することができる。側面１０５の傾斜角度は、積層構造体を構成する各層のＡｌＧａＡｓ材料のＡｌ組成の組成比で変化する。この場合、ＡｌＧａＡｓ材料のＡｌ組成を高くすることで、エッチング速度を速めることができる。したがって、図１〜図３に示すような傾斜を有する側面１０５を積層構造体に形成するためには、第２導電側半導体層２００内のｐ側の第２半導体層２２０のＡｌ組成の組成比を最も高くすることで、第２導電側半導体層２００において横方向（水平方向）のエッチング速度を最も速くすることができる。これにより、ｐ側の第２半導体層２２０とｐ側の第３半導体層２３０との界面付近に、積層構造体の最狭部を形成することができる。
次に、図７Ｅに示すように、マスク６０２をフッ酸系のエッチング液で除去した後に、ウエハである基板１０１の上の全面に、誘電体膜１０６としてＳｉＮ膜を堆積し、その後、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、電流注入領域となる部分の誘電体膜１０６を除去する。
誘電体膜１０６のエッチングとしては、フッ酸系エッチング液を用いたウェットエッチング又は反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によるドライエッチングを用いることができる。また、誘電体膜１０６は、ＳｉＮ膜としたが、これに限らず、ＳｉＯ2膜等であってもよい。誘電体膜１０６は、電気導電性に対して絶縁特性の優れた材料で構成されているとよい。
次に、図７Ｆに示すように、フォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術を用いて、第２コンタクト層２３２の上面に第２電極１０４を形成する。例えば、電子ビーム蒸着法によって下地電極としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを形成し、その後、電解メッキ法によってＡｕメッキ電極を形成することで、第２電極１０４を形成する。その後、基板１０１の裏面に第１電極１０３を形成する。
その後、図示しないが、ブレードを用いたダイシング又は劈開等によってバー状に分離し、その後、さらに分離溝を切断部として切断することでチップ分離を行う。これにより、個片状の半導体レーザ装置１を作製することができる。
［半導体レーザ装置の特性］
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。
図８Ａに示すように、比較例１の半導体レーザ装置１Ｘは、横方向において屈折率分布差がない利得導波型の半導体レーザ素子である。比較例１の半導体レーザ装置１Ｘでは、第２電極１０４（ｐ側電極）から電流注入を行うと、第２電極１０４直下の活性層３００に電流が注入されるとともに、拡散電流によって横方向に電流注入幅が拡がる。しかし、活性層３００が透明化されるまでに必要な電流値が大きくなり、また、第２電極１０４直下以外に拡がった拡散電流で活性層３００が透明化されず光学利得の損失が非常に大きくなる。この結果、光分布を第２電極１０４の幅よりも顕著に広げることができず、光出射端面の光密度を下げることができない。そのため、光学ロスが大きくなり、発熱量の増大によって活性層３００の温度が上昇して熱飽和レベルが低下し、閾値電流が増加したりスロープ効率が低下したりして動作電流が増加する。
また、図８Ｂに示すように、比較例１の半導体レーザ装置１Ｘでは、ｎ側の第１半導体層１１０、ｎ側の第２半導体層１２０、ｐ側の第１半導体層２１０及びｐ側の第２半導体層２２０の屈折率を、それぞれ、ｎ11、ｎ12、ｎ21、ｎ22とすると、ｎ11＜ｎ12、ｎ22＜ｎ21、ｎ11＝ｎ22、ｎ12＝ｎ21となっている。
このように構成される比較例１の半導体レーザ装置１Ｘでは、縦方向の光分布においては、活性層３００に光分布（ニアフィールド）の最大強度が存在する。このため、光分布は、ｎ側の第２半導体層１２０（ｎ側光ガイド層）とｐ側の第１半導体層２１０（ｐ側光ガイド層）とにも分布し、ｎ側の第２半導体層１２０とｐ側の第１半導体層２１０との電気導電性を有するための不純物を介した自由キャリア損失αfreeが大きくなり、全体の光損失αが非常に大きくなる。
このように、横方向に作り付けの屈折率差を持たずに横方向の光閉じ込め構造がない単純な利得導波型の半導体レーザ装置１Ｘでは、横方向も縦方向も光の損失が大きいので、１エミッタ当たり数十Ｗ級の光出力を、高効率且つ低電流駆動で実現することが困難である。
これに対して、本実施の形態における半導体レーザ装置１は、横方向に作り付けの屈折率差を持たずに横方向の光閉じ込め構造がない利得導波型の半導体レーザ素子ではあるが、１エミッタ当たり数十Ｗ級の光出力を、高効率且つ低電流駆動で実現することが可能である。以下、この点について説明する。
図９Ａは、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１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９Ｂは、図９ＡのＡ−Ａ’線に沿った実施の形態１に係る半導体レーザ装置１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。
活性層３００は、井戸層３２０（図３）が非常に薄膜であるため、わずかな電流注入により透明化される。図９Ａに示すように、電流ブロック層２４０の開口部２４１（電流開口幅）の直下の活性層３００は閾値利得に達するが、本実施の形態では、ｐ側の第２半導体層２２０及びｐ側の第１半導体層２１０がメサ形状であるので、開口部２４１を通って注入された電流は、開口部２４１から活性層３００の方向に向かって末広型に拡散し、開口部２４１の開口幅よりも広く広がって活性層３００に注入される。
これにより、活性層３００における透明な領域は、横方向に広がり、開口部２４１の開口幅よりも広い幅となる。そのため、光分布は、開口部２４１の幅よりも大きく横に広がって拡大する。つまり、利得が大きく透明化しやすく、また、光損失が小さい。この結果、閾値電流を低減できるとともに光出射端面の光密度を低減でき、利得飽和が起きにくい。したがって、高出力時のスロープ効率の低下を抑制できるとともに動作電流を低減することができ、さらには光出射端面のＣＯＤを抑制できるので、容易に大出力化が可能となる。
また、図９Ｂに示すように、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１では、ｎ側の第１半導体層１１０、ｎ側の第２半導体層１２０、ｐ側の第１半導体層２１０及びｐ側の第２半導体層２２０の屈折率を、それぞれ、ｎ11、ｎ12、ｎ21、ｎ22とすると、ｎ22＜ｎ11＜ｎ12、且つ、ｎ12≧ｎ21の関係式を満たしている。本実施の形態では、ｎ22＜ｎ21＜ｎ11＜ｎ12となっている。
このように構成される半導体レーザ装置１では、積層構造体を導波する光については、基板１０１の主面の法線方向（縦方向）における光分布の最大強度位置が、第１導電側半導体層１００内にある。具体的には、積層構造体を導波するレーザ光の縦方向における光分布の最大強度位置が、ｎ側の第２半導体層１２０（ｎ側光ガイド層）に存在している。
さらに、本実施の形態では、図９Ｂに示すように、レーザ光の最大強度位置をｎ側の第２半導体層１２０に位置させるとともに、縦方向の光分布の大部分の領域をｎ側の第２半導体層１２０に位置させている。つまり、本実施の形態における半導体レーザ装置１は、ｎ側半導体領域で光を導波させるｎ側導波レーザである。
このように、本実施の形態における半導体レーザ装置１では、縦方向における光分布の最大強度をｎ側の第２半導体層１２０に位置するように積層構造体が構成されており、ｎ側半導体領域で光を導波させている。これにより、自由キャリア損失αfreeを最小化することができ、活性層３００への注入キャリアの利用効率を最大限に向上させることができる。この結果、低電圧駆動、低閾値電流及び高いスロープ効率で動作させることができ、１エミッタ当たり数十Ｗ級の光出力を、高効率且つ低電流駆動で実現することができる。
また、光学利得の観点から、活性層３００は量子井戸構造であるとよいが、中でも、活性層３００は、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）であるとよい。この点について、図１０〜図１７を用いて説明する。
図１０は、高出力である光出力１０Ｗ時の半導体レーザ装置１において、作り付けの屈折率差ΔＮ、電流ブロック層２４０の開口部２４１の開口幅Ｗｓ、及び、活性層３００の井戸層３２０のウェル数（ＳＱＷ、ＤＱＷ、ＴＱＷ）をパラメータとして、活性層３００のモード損失及び１０Ｗ動作電流値の計算結果のまとめたものである。なお、ＳＱＷ、ＤＱＷ、ＴＱＷは、それぞれ、活性層３００の井戸層３２０のウェル数が、１つ、２つ、３つの場合を示している。
図１１は、図１０で示した活性層３００がＳＱＷ構造（単一量子井戸構造）で光出力が１０Ｗの場合における、動作キャリア分布、光分布（ニアフィールド）、及び、モード利得損失分布の計算結果を示している。
図１２は、図１０で示した活性層３００がＤＱＷ構造（二重量子井戸構造）で光出力が１０Ｗの場合における、動作キャリア分布、光分布（ニアフィールド）、及び、モード利得損失分布の計算結果を示している。
図１３は、図１０で示した活性層３００がＴＱＷ構造（三重量子井戸構造）で光出力が１０Ｗの場合における、動作キャリア分布、光分布（ニアフィールド）、及び、モード利得損失分布の計算結果を示している。
光導波路における光損失は、大別して、光導波路における自由キャリア損失αfreeとミラー損失αmと導波損失αｉとに分けられる。これらの損失の合計を全導波路損失と呼ぶ。
半導体レーザ装置１では、電流注入により活性層３００で発生する利得に対して、活性層３００への光の閉じ込め係数を乗じたモード利得が、全導波路損失とつりあった状態でレーザ発振が生じる。この時、電流ブロック層２４０の開口部２４１の外側領域の活性層３００では、電流注入量が小さくなっており、開口部２４１の外側領域の活性層３００は、レーザ発振する光に対して吸収体として機能する。したがって、開口部２４１の外側領域の活性層３００にはモード損失が生じてしまう。
この場合、電流ブロック層２４０の開口部２４１の内側領域への電流注入量を大きくし、開口部２４１の内側領域に対応する活性層３００のモード利得を大きくすることで、開口部２４１の外側領域のモード損失が補われ、レーザ発振が生じる。
このように、活性層３００のモード損失の積分値が導波路損失とつりあった状態でレーザ発振が生じることになる。したがって、モード損失の大きい構造では、レーザ発振する閾値電流値の増大を招くことになる。
図１０〜図１３では、活性層３００におけるモード損失成分のみを積分したモード損失について、種々のΔＮの構造における開口部幅依存性の計算結果を示している。
図１０の（ａ）〜（ｅ）に示すように、ΔＮを大きくした方が、ウェル数が少ない活性層３００でのモード損失の低減に効果があることが分かる。
また、ＳＱＷ構造は、ＤＱＷ構造及びＴＱＷ構造と比較して、活性層３００での動作中のモード損失が小さい。特に、本実施の形態における半導体レーザ装置１は、ｎ側半導体領域に光を導波させた構造（ｎ側導波レーザ構造）であるが、ΔＮが１×１０-3以下であっても、活性層３００での動作中のモード損失が小さい。
しかも、ＳＱＷ構造は、動作電流値が小さいのみならず、動作電流値の開口幅依存性が小さく、開口幅Ｗｓが５０μｍ以上のワイドストライプ構造に有利となっている。特に、図１０（ｃ）に示すように、開口幅Ｗｓが７５μｍ以上では、ΔＮが１×１０-3以下である方が低動作電流が小さくなっている。
また、図１１に示すように、ΔＮが大きいと、キャリアホールバーニングが大きくなり、漏れ電流が増大するおそれがある。一方、ΔＮが小さいと、光分布が開口幅の外に広がって、キャリアホールバーニングが抑制される。これにより、漏れ電流を低減することができる。
また、図１４は、低出力である光出力１Ｗ時の半導体レーザ装置１において、図１０と同様に、作り付けの屈折率差ΔＮ、電流ブロック層２４０の開口部２４１の開口幅Ｗｓ、及び、活性層３００の井戸層３２０のウェル数（ＳＱＷ、ＤＱＷ、ＴＱＷ）をパラメータとして、活性層３００のモード損失及び１０Ｗ動作電流値の計算結果のまとめたものである。
図１５は、図１４で示した活性層３００がＳＱＷ構造（単一量子井戸構造）で光出力が１Ｗの場合における、動作キャリア分布、光分布（ニアフィールド）、及び、モード利得損失分布の計算結果を示している。
図１６は、図１４で示した活性層３００がＤＱＷ構造（二重量子井戸構造）で光出力が１Ｗの場合における、動作キャリア分布、光分布（ニアフィールド）、及び、モード利得損失分布の計算結果を示している。
図１７は、図１４で示した活性層３００がＴＱＷ構造（三重量子井戸構造）で光出力が１Ｗの場合における、動作キャリア分布、光分布（ニアフィールド）、及び、モード利得損失分布の計算結果を示している。
図１４〜図１５では、活性層３００におけるモード損失成分のみを積分したモード損失について、種々のΔＮの構造における開口部幅依存性の計算結果を示している。
図１４の（ａ）〜（ｅ）に示すように、１Ｗ動作時でも、ΔＮを大きくした方が、ウェル数が少ない活性層３００でのモード損失の低減に効果がある。また、１Ｗ動作時でも、ＳＱＷ構造は、ＤＱＷ構造及びＴＱＷ構造と比較して、活性層３００での動作中のモード損失が小さく、ΔＮが１×１０-3以下であっても、活性層３００での動作中のモード損失が相対的に小さい。
しかも、１Ｗ動作時でも、ＳＱＷ構造は、動作電流値が小さいのみならず、動作電流値の開口幅依存性が小さく、開口幅Ｗｓが５０μｍ以上のワイドストライプ構造に有利となっている。なお、１Ｗ動作時では、ΔＮが１×１０-4以上であれば、動作電流値はほぼ同一である。
また、図１５に示すように、ＳＱＷ構造で１Ｗ動作時の場合、ΔＮが小さいと、活性層３００でのモード損失が大きくなるが、図１６及び図１７に示すように、モード損失の大きさは、ＤＱＷ構造及びＴＱＷ構造と比べて小さい。
このように、図１０〜図１３及び図１４〜図１５に示すように、ＳＱＷ構造は、ＤＱＷ構造及びＴＱＷ構造と比較して、（i）活性層３００での動作中のモード損失が小さい、（ii）ｎ側導波レーザ構造の特徴における１×１０-3以下の非常に小さい作り付けの屈折率差ΔＮでも、活性層３００での動作中のモード損失が小さい、（iii）動作電流値が小さいのみならず、動作電流値の開口幅依存性が小さく、Ｗｓが５０μｍ以上のワイドストライプ構造に有利である、（iv）Ｗｓが７５μｍ以上では、ΔＮが１×１０-3以下である方が、動作電流値が小さい（つまり、光分布が開口部２４１の外に広がり、キャリアホールバーニング抑制による漏れ電流の低減効果ある）ことが確認された。
そこで、本実施の形態における半導体レーザ装置１では、このような効果を最大限に引き出すために、電流ブロック層２４０としては、ｎ型の半導体材料、具体的には、ｎ−ＧａＡｓを用いることにした。また、以上の結果を踏まえて、電流ブロック層２４０の開口部２４１の開口幅Ｗｓは１００μｍと決めて半導体レーザ装置１の試作を行なった。
次に、光導波路からの漏洩光に対する半導体レーザ装置１の特性について、以下説明する。
まず、本実施の形態において、漏洩光とは、マルチ横モードで発振して共振器長方向に導波している光の光分布において、共振器内を伝播する際に発生する散乱光又は活性層３００から漏れ出る自然放出光のことをいう。このような漏洩光は、１エミッタ当たり１０Ｗ級の光出力で動作をする際は、量が増大し、無視できなくなる。
さらに、半導体レーザ装置１のように、積層構造体の積層方向（縦方向）における光分布の最大強度位置を、ｎ側の第２半導体層１２０（ｎ側の光ガイド層）に位置させ、縦方向の光分布の大部分をｎ側の第２半導体層１２０が占める構造では、共振器長方向に直交し且つ基板１０１の主面水平方向に平行に（つまり横方向に）漏れ出る光を吸収する領域がなく、横方向に漏れ出る漏洩光は、積層構造体の側面に到達してしまう。このため、１エミッタ当たり１０Ｗ級の光出力で安定したレーザ発振動作を行う上で、漏洩光を抑制することが重要になる。
このとき、本実施の形態における半導体レーザ装置１では、ウエハ上に形成された複数の半導体レーザ装置を個々に分割するための分離溝に起因する側面１０５が傾斜面になっているので、安定してレーザ発振動作を行うことができる。この点について、比較例２の半導体レーザ装置と比較しながら説明する。比較例２の半導体レーザ装置は、図１に示される半導体レーザ装置１において、一対の側面１０５が基板１０１の主面の法線方向と平行になっている構造を有する。つまり、比較例２の半導体レーザ装置は、分離溝の側壁面が垂直面となって垂直分離溝構造となっている。
図１８は、図１に示される半導体レーザ装置１（本実施の形態）と、比較例２の半導体レーザ装置（比較例２）とにおいて、一対の側面１０５の高さを変化させたときのレーザ発振状態を示す図である。図１８では、各高さに対して、電流−光特性と電流−スロープ特性とが示されており、本実施の形態及び比較例２のいずれにおいても、半導体レーザ装置をアレイ化して多数並べたマルチエミッタ構造（エミッタ数は２０エミッタ）で評価を行った。なお、評価電流値としては、１２５Ａまで増加させて、レーザ発振動作の違いを比較した。
図１８に示すように、比較例２の半導体レーザ装置については、側面１０５の高さが４μｍまでは、レーザ発振動作が確認でき、また、レーザ特性である電流−光特性も、本実施の形態における半導体レーザ装置１とほぼ同等な結果であった。
しかしながら、比較例２の半導体レーザ装置は、側面１０５の高さが４．８μｍを超えると、突然レーザ発振動作が停止してしまった。また、光出射端面からは弱い自然放出光が漏れ出ており、電流注入量を１２５Ａまで上げてもレーザ発振動作をすることは無かった。
これに対して、本実施の形態における半導体レーザ装置１については、側面１０５の高さを変化させても、安定したレーザ発振動作が続いた。具体的には、比較例２の半導体レーザ装置でレーザ発振動作の停止が起きた４．８μｍにおいても安定してレーザ発振動作が続き、さらに、側面１０５の高さが７．５μｍになっても安定したレーザ発振動作が確認された。この側面１０５の高さが７．５μｍというのは、上述した図７Ｄの分離溝６５０の深さが、ｎ側の第１半導体層１１０とバッファ層１０２との界面にまで達する長さである。
このように、本実施の形態における半導体レーザ装置１の構造にすることで、横方向の光閉じ込めの非常に弱い（作り付けの屈折率差ΔＮが非常に小さい）レーザ構造であっても、共振器長方向に直交し且つ基板１０１の主面と水平な方向（横方向）に漏れ出る光が、本来発振させたい共振器長方向の光によって形成される導波モードに影響を及ぼすことを抑制することができる。
ここで、比較例２の半導体レーザ装置が側面１０５の高さによってレーザ発振動作が突然停止するメカニズムについて、図１９Ａ及び図１９Ｂを用いて説明する。図１９Ａ及び図１９Ｂは、レーザ発振動作が側面１０５の高さに依存して停止してしまった比較例２の半導体レーザ装置１Ｙにおける光分布状態を模式的に示す図である。図１９Ａは、分離溝の深さが浅くて側面１０５の高さが小さい場合を示しており、図１９Ｂは、分離溝の深さが深くて側面１０５の高さが大きい場合を示している。
図１９Ａに示すように、側面１０５の高さが小さくて分離溝の下端が第１導電側半導体層１００のｎ側の第２半導体層１２０の途中に形成されている場合、本来発振させたい共振器長方向の光分布を形成する導波モード１から漏れ出た漏洩光のうち、共振器長方向と直交し且つ基板１０１の主面と平行な方向（横方向）に漏洩した光（漏洩光）は、一対の側面１０５の方向に伝播していくが、積層方向の光分布の最大強度がｎ側の第２半導体層１２０に存在しているので、活性層３００への閉じ込めが弱い構造である。このため、基板１０１の法線方向と平行に形成された一対の側面１０５のうちｎ側の第２半導体層１２０の側面で反射される漏洩光が少ないため、図１９Ｂに示されるような、本来発振させたくない漏洩光と一対の側面１０５と活性層３００とを介した導波モード２が形成されない。このため、本来発振させたい共振器長方向に形成された光分布である導波モード１が優位になり、マルチ横モードで安定したレーザ発振動作となる。
しかし、図１９Ｂに示すように、側面１０５の高さが大きく、分離溝の下端が第２半導体層１２０と第１半導体層１１０との境界にまで達すると、比較例２の半導体レーザ装置１Ｙの積層方向の光分布の最大強度位置がｎ側の第２半導体層１２０に位置にあって活性層３００への閉じ込めが弱い構造であったとしても、一対の側面１０５で反射する反射光が多くなり、本来発振させたくない漏洩光と一対の側面１０５と活性層３００とを介した導波モード２が形成されてしまうことになる。これにより、本来発振させたい共振器長方向に形成された光分布である導波モード１と発振させたくない導波モード２とが競合し、本来発振させたい共振器長方向の導波モード１が安定化せず、安定した発振導波モードが形成できずにレーザ発振自体ができなくなる。
このように、光損失のうちの導波損失αｉを低損失化した積層方向の光分布の最大強度位置が第２半導体層１２０に存在する構造においては、漏洩光の減衰機構がなくなった時点で、発振させたくない漏洩光と一対の側面１０５と活性層３００とを介した導波モード２が発振しやすくなるため、漏洩光の減衰の手段が極めて重要にある。
次に、本実施の形態における半導体レーザ装置１の側面１０５の高さを変化させたときに、側面１０５の高さが小さい場合であっても、側面１０５の高さがバッファ層１０２まで到達する大きい場合であっても、安定したマルチ横モードで発振するメカニズムを、図２０を用いて説明する。図２０は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１のレーザ発振動作状態における光分布状態を模式的に示す図である。
図２０において、（ａ）は、側面１０５の高さが小さく、分離溝の下端が第１導電側半導体層１００のｎ側の第２半導体層１２０の途中に形成されている場合についてのレーザ発振動作状態を示しており、（ｂ）は、側面１０５の高さが大きく、側面１０５の下端がｎ側の第２半導体層１２０とｎ側の第１半導体層１１０との境界に形成されている場合についてのレーザ発振動作状態を示している。
図２０の（ａ）に示すように、一対の側面１０５の高さが小さい場合（つまり分離溝深さ１が浅い場合）、本来発振させたい共振器長方向の光分布１５２を形成する導波モードから漏れ出た光のうち、共振器長方向と直交し且つ基板１０１の主面と平行な方向に漏洩する漏洩光１５７は、一対の側面１０５を含む積層構造体の側面方向に伝播していく。
このとき、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位置がｎ側の第２半導体層１２０に存在しているため、活性層３００への閉じ込めが弱い構造になっているが、第１導電側半導体層１００の一部であるｎ側の第２半導体層１２０の一部には、活性層３００側の幅が狭くなる方向に傾斜した側面１０５（以下、傾斜面とも記載する）が形成されているので、漏洩光１５７は、ｎ側の第２半導体層１２０の傾斜面で反射した一次反射光１５８となって方向を変え、光の漏洩元である光分布１５２の方向とは逆方向に伝播するため、一次反射光１５８自体が減衰する。そのため、光の漏洩元である光分布１５２内の活性層３００領域へ帰還する成分が低下する。この結果、光分布１５２から横方向に漏れた漏洩光１５７が活性層３００にフィードバックすることを抑制されるので、本来発振させたくない漏洩光と一対の側面１０５と活性層３００とを介した導波モードが形成されずに、本来発振させたい共振器長方向に形成された光分布１５２における導波モードが優位となり、電流注入量を大きくしてもマルチ横モードで安定動作する。
また、図２０の（ｂ）に示すように、一対の側面１０５の高さが大きい場合（つまり分離溝深さ２が深い場合）、本来発振させたい共振器長方向の光分布１５２を形成する導波モードから漏れ出た光のうち、共振器長方向と直交し且つ基板１０１の主面と平行な方向に漏洩する漏洩光１５７は、一対の側面１０５の方向に伝播していく。
このとき、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位置がｎ側の第２半導体層１２０に存在しているため、活性層３００への閉じ込めが弱い構造になっているが、傾斜する側面１０５は、第１導電側半導体層１００のすべての層の側面を傾斜させるように高く形成されているので、漏洩光１５７は、ｎ側の第２半導体層１２０の傾斜面で反射した一次反射光１５８となって方向を変え、光の漏洩元である光分布１５２の方向へと戻ることになる。その際、一次反射光１５８は、第１半導体層１１０と第２半導体層１２０との界面にて、第１半導体層１１０と第２半導体層１２０との屈折率差により反射した二次反射光１５９となり、光の漏洩元である光分布１５２の方向へ戻る可能性がある。
このように、一対の側面１０５の高さが大きい場合でも、一対の側面１０５が傾斜面となっているので、光分布１５２から横方向に漏れた漏洩光１５７が活性層３００にフィードバックすることを抑制することはできるが、一部の漏洩光１５７は、光分布１５２にフィードバックする可能性がある。
そこで、側面１０５の傾斜角θ（側面１０５と基板１０１の主面とのなす角度）について、以下詳細に検討を行った。この点について、図２１Ａ及び図２１Ｂを用いて説明する。図２１Ａ及び図２１Ｂは、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１の要部拡大図である。なお、図２１Ａ及び図２１Ｂにおいて、誘電体膜１０６は省略している。
本来発振させたい共振器長方向の光分布１５２から横方向に漏れ出た漏洩光１５７が側面１０５（傾斜面）で反射して一次反射光１５８となって漏洩元の光分布１５２に戻ってくるときの側面１０５の傾斜角θの境界角度は、図２１Ａ及び図２１Ｂに示すように、傾斜角θが４５°を境界とし二通りに分けられる。
図２１Ａは、傾斜角θが４５°以下の場合（θ≦４５°）を示している。この場合、光分布１５２から横方向に漏れ出た漏洩光１５７は、第１導電側半導体層１００の一部が傾斜した側面１０５（傾斜面）で反射して一次反射光１５８となって方向を変えるが、この一次反射光１５８は、漏洩光１５７の元となった光分布１５２に対して遠ざかる方向に伝播し、やがて減衰していく。
図２１Ｂは、傾斜角θが４５°よりも大きい場合（θ＞４５°）を示している。この場合、光分布１５２から横方向に漏れ出た漏洩光１５７の一部は、第２半導体層１２０の側面１０５（傾斜面）で反射して一次反射光１５８となって方向を変える。そして、一次反射光１５８は、さらに、ｎ側の第１半導体層１１０とバッファ層１０２との界面にて、ｎ側の第１半導体層１１０とバッファ層１０２との屈折率差により反射して二次反射光１５９となり、光の漏洩元である光分布１５２の方向へ戻る。
そこで、図２１Ｂを用いて、漏洩光１５７が側面１０５で反射した点から二次反射光１５９が光分布１５２の活性層３００へ戻るまでの距離を内部反射距離として見積もりを行った。
内部反射距離は、傾斜角θ（°）を用いて表すと、内部反射距離が最大になる距離は、第１導電側半導体層１００の最上部にあるｎ側の第２半導体層１２０と活性層３００との界面において側面１０５の傾斜が開始している場合である。そこで、この傾斜が開始する点を傾斜開始点Ａとし、傾斜開始点Ａから下で反射した一次反射光１５８が、基板１０１の主面と平行な界面で反射する二次反射光１５９を作り出し、二次反射光１５９が活性層３００に到達したときの二次反射光１５９と活性層３００との交点Ｂ（不図示）とすると、傾斜開始点Ａから交点Ｂまでの距離が内部反射距離になる。
ここで、活性層３００から二次反射光１５９の開始点となる界面までの距離をｄとすると内部反射距離は、以下の（式１）で表される。
Figure 2018168430
傾斜角θを変化させたときの内部反射距離を、界面までの距離ｄで見積もった結果を図２２に示す。図２２では、傾斜角θが４５°以上のときの内部反射距離の見積もり結果を示している。また、図２２では、活性層３００から二次反射光１５９が発生する界面までの膜厚を変化させたとき（つまり、距離ｄを変化させたとき）に、横軸を傾斜角θとし、縦軸を内部反射距離としたときの活性層３００から二次反射光１５９が発生する界面までの膜厚の依存性を示している。
図２２に示すように、活性層３００から界面までの膜厚が大きくなるにしたがって、内部反射距離が長くなることが分かる。
図２２の結果をもとに検討したところ、内部反射距離内に漏洩元の光分布１５２内の活性層３００を配置しなければ、光分布１５２から漏洩した漏洩光１５７と側面１０５の傾斜面と光分布１５２の活性層３００とを介した本来発振させたくない導波モードを抑制できないのではないかと考え、さらに二次反射光１５９の詳細な検討を行った。
半導体レーザ装置１において、二次反射光１５９を発生させる界面は、第１導電側半導体層１００内のｎ側の第１半導体層１１０とｎ側の第２半導体層１２０との界面である。この場合、本実施の形態では、活性層３００からｎ側の第２半導体層１２０とｎ側の第１半導体層１１０との界面までの膜厚は、０．６μｍである。
活性層３００からｎ側の第２半導体層１２０とｎ側の第１半導体層１１０との界面までの膜厚が０．６μｍである場合、図２２の見積もり結果に当てはめると、二次反射光１５９による内部反射距離は、傾斜角θが５０°で１μｍ以下となり、傾斜角θが８７°で１１．４μｍ程度となり、傾斜角θが８９°で約３５μｍ程度に拡がることが分かる。
次に、光分布１５２は、光出射端面から観察されるニアフィールドの光強度分布のことであるが、積層構造体を導波する光における光分布１５２の光分布幅は、ニアフィールドの光分布強度の最大強度を１としたときに、１／ｅ2の強度の幅として定義される。つまり、１／ｅ2強度の幅は、光分布１５２の大部分を占める。ここで、基板１０１の主面の水平方向に拡がった光分布１５２の１／ｅ2強度の幅（光分布幅）をＮｗ［μｍ］とする。
図２３は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１と同じ積層構造体のうち、電流ブロック層２４０の開口部２４１について、基板１０１の主面と水平な方向で且つ共振器長方向と垂直な方向における開口部２４１の開口幅Ｗｓ（電流開口幅）を変化させたときの光分布幅Ｎｗの変化を示す図である。なお、図２３では、横軸を開口幅Ｗｓとし、縦軸を、光分布幅Ｎｗから開口幅Ｗｓを引いた差分（＝Ｎｗ−Ｗｓ）としている。この差分は、光分布１５２が開口部２４１の開口幅よりも外に広がった領域を表している。
図２３に示すように、開口幅Ｗｓが７５μｍ以上に広くなると、開口部２４１よりも外に広がった光分布１５２の長さが約１３μｍとなり、開口幅Ｗｓを変化させてもほぼ一定であることが分かる。これは、開口幅Ｗｓが十分に大きい場合、作り付けの屈折率分布が小さく積層方向の光分布の最大強度位置と光分布の大部分とがｎ側の第２半導体層１２０内にあり、活性層３００が薄膜である量子井戸構造から形成されているため、開口幅Ｗｓが十分に広くて電流ブロック層２４０の下部にある活性層３００まで電流が流れる際に、基板１０１の主面と水平な方向で且つ共振器長方向と垂直な方向に拡がる拡散電流の広がりが左右同じになり、光分布幅Ｎｗ−開口幅Ｗｓの差分は一定の値になるからであると考えられる。
図２３に示す結果から、開口幅Ｗｓと光分布幅Ｎｗと内部反射距離との関係は、半導体レーザ装置１が安定したマルチ横モードでレーザ発振する条件として、内部反射距離よりも光分布１５２を内側に入れることが必要であることが分かる。
具体的には、半導体レーザ装置１におけるｎ側の第２半導体層１２０の膜厚が０．６μｍであるため、図２２をもとに極端な場合として傾斜角θが８９°で内部反射距離が３５μｍのときよりも光分布１５２が内側にくるようにすればよく、二次反射光１５９が最も光分布１５２側に近づくｎ側の第２半導体層１２０の側面１０５（傾斜面）の積層方向の位置は、活性層３００と第２半導体層１２０との界面になる。
図２１Ｂのθ＞４５°の場合に、第１導電側半導体層１００の傾斜面とｎ側の第２半導体層１２０及び活性層３００の界面とが交わる点を傾斜開始点Ａとすると、電流ブロック層２４０の開口部２４１の境界から傾斜開始点Ａまでの距離をＸとすると、距離Ｘは「（内部反射距離）＋（光分布幅Ｎｗ−開口幅Ｗｓ）／２」よりも大きくなればよい。
以上より、内部反射距離を示す（式１）を含めて一般化すると、安定したマルチ横モードを実現するためには、距離Ｘは、以下の（式２）の関係を満たす必要がある。
Figure 2018168430
（式２）において、Ｎｗ［μｍ］は、光分布１５２の幅（光分布幅）を示しており、Ｗｓ［μｍ］は、電流ブロック層２４０の開口部２４１の開口幅を示している。ｄ［μｍ］は、活性層３００から二次反射光１５９の開始点となる界面までの距離を示している。また、半導体レーザ装置１において、二次反射光１５９を最も多く発生させる界面は、ｎ側の第１半導体層１１０とｎ側の第２半導体層１２０との界面である。
したがって、距離Ｘは、極端な場合として傾斜角θが８９°のときは、（式２）より、Ｘ＞４１．５μｍであれば、二次反射光１５９の影響を受けることなく、マルチ横モードでレーザ発振させることが可能である。この結果から、本実施の形態における半導体レーザ装置１では、Ｘ＞４１．５μｍとした。
以上より、図１８で示したように、本実施の形態における半導体レーザ装置１は、側面１０５の高さがいずれの大きさであっても、安定したマルチ横モードでレーザ発振し、光分布１５２からの漏洩光の影響を受けることなく安定動作することができる。
ここで、上記の（式２）を傾斜角θで一般式に変形する。傾斜角θは、角度であるため、ラジアン表記から角度表記にて式変形を行うと、下記式（３）が導出される。
Figure 2018168430
また、傾斜角θの取りうる範囲は、０°より大きいため、傾斜角θは、以下の（式４）の関係を満たす。
Figure 2018168430
ただし、（式４）は、以下の（式５）に示す通り逆三角関数の範囲をとるものとする。
Figure 2018168430
このように、Ｘ、ｄ、Ｎｗ、Ｗｓに対して、（式４）及び（式５）を満たす傾斜角θとなるように側面１０５を形成することで、光分布１５２から横方向に進行する漏洩光１５７の影響を受けることなく安定して動作させることができる。
次に、半導体レーザ装置１の積層構造体の側面１０５のうち活性層３００より上部側の第２の側面１０５ｂの形状について、再び図２を用いて説明する。
図２に示すように、第１の側面１０５ａの法線方向Ｄ１と基板１０１の主面の法線方向Ｄ０とのなす角を第１の角θ１とし、第２の側面１０５ｂの法線方向Ｄ２と基板１０１の主面の法線方向Ｄ０とのなす角を第２の角θ２とすると、θ２＞θ１、且つ、θ２＞９０°の関係を満たすとよい。
このような関係を満たすことで、第２電極１０４の横幅を拡大することができ、第２電極１０４とｐ側の第３半導体層２３０における第２コンタクト層２３２との接触面積を拡大させることができる。これにより、半導体レーザ装置１のレーザ動作時に発生する活性層３００の領域及び各層を電流が流れたときの抵抗成分に基づく発熱に対して、放熱経路を拡大することができる。この点について、図２４を用いて説明する。図２４は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１の積層構造体における活性層３００より上部側において熱が拡散の様子を模式的に示している。
図２４に示すように、θ２＞θ１、且つ、θ２＞９０°とすることで、積層構造体におけるｐ側の第３半導体層２３０よりも上部を逆メサ形状にできる。
これにより、レーザ動作時に発生する熱を斜め外方向に拡散させることができるので、積層構造体で発生した熱を効率良く放熱させることができる。さらに、逆メサ形状にすることで、ｐ側の第３半導体層２３０よりも上側の層間の接触面積を拡大させることができるので、コンタクト抵抗を低減することもできる。
なお、放熱性を上げるために、ｐ側の第１半導体層２１０よりも上側にある層は、熱伝導性に優れた材料によって構成されていることが望ましく、例えばＡｌＧａＡｓ系材料であれば、極力Ａｌ組成が低い方が望ましい。特に、Ａｌを含まない方がさらに好ましい。また、電気抵抗の観点からも、Ａｌ組成が低い方が低抵抗化できる。本実施の形態における半導体レーザ装置１では、以上のことを鑑みて、ｐ側の第２半導体層２２０よりも上側にある層は、Ａｌを含まないＧａＡｓ材料にて構成した。
［まとめ］
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。
また、１エミッタ当たり１０Ｗ級の光出力を実現するためには同時に放熱性を高める必要があるが、今回の検討と同時に、熱拡散経路を拡大する構造を新たに見出し、漏洩光の抑制と高い放熱性とを兼ね備えた技術を初めて構築し、実現した。
具体的には、本実施の形態における半導体レーザ装置１では、積層構造体における第１電側半導体層１００の一部から第２導電側半導体層２００までの部分に一対の側面１０５が形成され、活性層３００は、電流ブロック層２４０の開口部２４１の第１の幅より広い第２の幅を有し、第１導電側半導体層１００の少なくとも一部における一対の側面１０５は、基板１０１の主面に対して傾斜しており、積層構造体を導波する光について、基板１０１の主面の法線方向における光分布の最大強度位置は、第１導電側半導体層１００内にある。
これにより、光導波路（光分布）から横方向に漏れた光が活性層３００にフィードバックすることを抑制し、電流注入量を大きくしてもマルチ横モードでレーザ光を安定して出力させることができる。したがって、大出力で長期信頼性に優れた半導体レーザ装置１を実現できる。
なお、本実施の形態における半導体レーザ装置１において、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、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2及びＴａ2Ｏ5に組み合わせに限らず、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、ＳｉＮ、ＢＮ、ＡｌＮ及びＡｌxＯyＮ（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は、ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓからなるｎ型の第１クラッド層１１１と、ｎ−Ａｌ0.335Ｇａ0.665Ａｓからなるｎ型の第２クラッド層１１２と、ｎ−Ａｌ0.335Ｇａ0.665Ａｓ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は、ｎ−Ａｌ0.27Ｇａ0.73Ａｓからなるｎ型の第１光導波路層１２１と、ｎ−Ａｌ0.27Ｇａ0.73Ａｓからなるｎ型の第２光導波路層１２２と、ｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ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−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓからなる第１障壁層３１０と、ｕｎ−Ｉｎ0.17Ｇａ0.83Ａｓからなる井戸層３２０と、ｕｎ−Ａｌ0.25Ｇａ０．75Ａｓ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個以上の量子井戸層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は、基板１０１に［０１１］方向に０．２°オフした（１００）面基板を用いて図１に示すとおり一対の側面１０５（傾斜面）がほぼ対称形状にて作製したが、基板１０１の主面（１００）に対して［０１１］オフ方向に０．２°〜１０°オフした（１００）面の基板を用いることができる。この場合、一対の側面１０５（傾斜面）が左右非対称の形状になり、この場合オフ角度をφとすると、一対の側面１０５ａの（傾斜面）形状は［０１１］方向側の側面１０５ａの傾斜面は急斜面（０．２°オフ基板に対してオフ角度分プラスの傾斜：θ１＋φの傾斜角）になり、もう一方の側面１０５ａの（傾斜面）形状は緩斜面形状（０．２°オフ基板に対してオフ角度分マイナスの傾斜：θ１−φの傾斜角）になるが、（式４）及び（式５）の関係を満たす範囲であれば同様の効果を奏することができる。また、この場合一対の側面１０５ｂの（傾斜面）形状は［０１１］方向側の側面１０５ｂの傾斜面はθ２＋φの傾斜角になり、もう一方の側面１０５ｂの（傾斜面）形状はθ２−φの傾斜角になる。
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２半導体層２２０は、ｐ−Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓからなるｐ型の第１クラッド層２２１と、ｐ−Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓからなるｐ型の第２クラッド層２２２と、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓからなるｐ型の第３クラッド層２２３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２半導体層２２０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２半導体層２２０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は、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同様の効果を奏することができる。例えば、図２５Ａ及び図２５Ｂに示すように、半導体レーザ装置１を複数並べることで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することができる。この場合、マルチエミッタ構造の半導体レーザ装置は、電流ブロック層２４０の開口部２４１を複数有しており、複数の開口部２４１の各々は、第１導電側半導体層１００の一部から第２導電側半導体層２００にわたって形成された分離溝により分離されている。なお、図２５Ｂは、図２５ＡのＢ−Ｂ’線における断面図である。
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、ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（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２６及び図２７を用いて説明する。図２６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２７は、図２６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２６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、横モード多モードで発振して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−Ａｌ0.026Ｇａ0.974Ｎ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−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるアンドープの第１光導波路層１２１Ａ（膜厚０．５μｍ）と、ｎ−Ａｌ0.026Ｇａ0.974Ｎ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−Ｉｎ0.008Ｇａ0.992Ｎからなるアンドープの第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、電流ブロック層２４０Ａとを有する。
ｐ側の第１半導体層２１０Ａ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１半導体層２１０Ａは、アンドープ光ガイド層２１１Ａ（膜厚０．０３５４μｍ）と、キャリアオーバーフロー抑制層２１２Ａ（膜厚０．０５３９μｍ）とを有する。アンドープ光ガイド層２１１Ａは、ｕｎ−Ｉｎ0.008Ｇａ0.992Ｎからなる第１光導波路層２１１Ａａ（膜厚０．０１７μｍ）と、ｕｎ−Ｉｎ0.003Ｇａ0.997Ｎからなるｐ型の第２光導波路層２１１Ａｂ（膜厚０．０１３５μｍ）と、ｕｎ−ＧａＮからなるｐ型の第３光導波路層２１１Ａｃ（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２１２Ａは、ｐ−ＧａＮからなる第１キャリアオーバーフロー抑制層２１２Ａａ（膜厚０．００４９μｍ）と、ｐ−Ａｌ0.36Ｇａ0.64Ｎからなる第２キャリアオーバーフロー抑制層２１２Ａｂ（膜厚０．００５μｍ）と、ｐ−Ａｌ0.026Ｇａ0.974Ｎからなる第３キャリアオーバーフロー抑制層２１２Ａｃ（膜厚０．０４４μｍ）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、ｐ型のクラッド層であり、ｐ側の第１半導体層２１０Ａ上に形成される。ｐ側の第２半導体層２２０Ａ（総膜厚０．５９５μｍ）は、ｐ−Ａｌ0.026Ｇａ0.974Ｎからなるｐ型の第１クラッド層２２１Ａ（膜厚０．５０５μｍ）と、高濃度ドーピングされたｐ−Ａｌ0.026Ｇａ0.974Ｎからなるｐ型の第２クラッド層２２２Ａ（膜厚０．０９μｍ）とが順に積層された積層膜である。
ｐ側の第３半導体層２３０Ａは、電流ブロック層２４０Ａの開口部２４１Ａを埋めるように、電流ブロック層２４０Ａ上及びｐ側の第２半導体層２２０Ａ上に形成される。ｐ側の第３半導体層２３０Ａは、ｐ−ＧａＮからなるｐ型のコンタクト層（膜厚０．０５μｍ）である。
電流ブロック層２４０Ａは、膜厚０．１５μｍのｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐ側の半導体層であり、ｐ側の第２半導体層２２０Ａ上に形成される。本変形例において、電流ブロック層２４０Ａは、ｎ型の電流ブロック層である。電流ブロック層２４０Ａは、電流注入領域に対応する開口部２４１Ａを有する。電流ブロック層２４０Ａの開口部２４１Ａは、例えば、図２に示される電流ブロック層２４０の開口部２４１と同様の形状である。
活性層３００Ａは、ｕｎ−Ｉｎ0.008Ｇａ0.992Ｎからなる第１障壁層３１０Ａ（膜厚０．０１９μｍ）と、ｕｎ−Ｉｎ0.066Ｇａ0.934Ｎからなる井戸層３２０Ａ（膜厚０．００７５μｍ）と、ｕｎ−Ｉｎ0.008Ｇａ0.992Ｎからなる第１障壁層３１０Ａ（膜厚０．０１９μｍ）と、ｕｎ−Ｉｎ0.066Ｇａ0.934Ｎからなる井戸層３２０Ａ（膜厚０．００７５μｍ）と、ｎ−Ｉｎ0.008Ｇａ0.992Ｎ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、ＩｎxＧａ1-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。
また、本変形例でも、半導体レーザ装置１Ａの積層構造体には一対の側面１０５が形成されている。一対の側面１０５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、第１導電側半導体層１００Ａの一部から第２導電側半導体層２００Ａまでの部分に傾斜面として形成されている。
なお、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、電流ブロック層２４０Ａにより画定される。具体的には、電流注入領域は、電流ブロック層２４０Ａの開口部２４１Ａ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電流ブロック層２４０Ａの開口部２４１Ａの開口幅で画定される。
図２７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、積層構造体における第１電側半導体層１００Ａの一部から第２導電側半導体層２００Ａまでの部分に一対の側面１０５が形成され、光分布の最大強度位置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）に存在させている。
このような構造にすることで、本変形例における半導体レーザ装置１Ａにおいても、半導体レーザ装置１と同様のメカニズムで漏洩光等の影響を抑制することができる。これにより、低損失且つ安定したマルチ横モードで動作させることができる。
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。
また、本変形例の一つとして、半導体レーザ装置１をトンネルジャンクションを介して積層方向に複数積層した積層型レーザ構造にしてもよい。積層した下部又は上部に位置するそれぞれの半導体レーザ装置１における第１導電側半導体層１００の一部を傾斜させることで上記実施の形態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。
（実施の形態２）
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。
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２８Ａ及び図２８Ｂ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。
一般的に、半導体レーザ装置は、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、図２６に示される半導体レーザ装置１Ａを用いてもよいし、図２５Ａ及び図２５Ｂに示されるマルチエミッタ構造の半導体レーザ装置を用いてもよい。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。
図２９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２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１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、図２６に示される半導体レーザ装置１Ａを搭載してもよいし、図２５Ａ及び図２５Ｂに示されるマルチエミッタ構造の半導体レーザ装置を搭載してもよい。
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。
（その他変形例）
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。
例えば、上記実施の形態において、半導体レーザ装置は、積層方向の光分布におけるレーザ光の最大強度位置を第１導電側半導体層１００内（具体的にはｎ側の第２半導体層１２０）に位置させることでｎ側半導体領域で光を導波させるｎ側導波レーザとしたが、これに限らない。つまり、積層方向の光分布におけるレーザ光の最大強度位置は、活性層３００内又は第２導電側半導体層２００内に存在してもよい。
ただし、この場合、本来発振させたい共振器長方向の光分布を形成する導波モードから漏れ出た光のうち横方向の漏洩光が側面１０５で反射して光分布にフィードバックしないように、積層構造体の側面１０５を第１の側面１０５ａと第２の側面１０５ｂとによって構成し、さらに、θ１＜９０°、且つ、θ２＞９０°にするとよい。
また、上記実施の形態における半導体レーザ装置は、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に用いることができる。
この場合、半導体レーザモジュールは、例えば、金属基台と、金属基台上に配置された基台と、基台上に配置された半導体レーザ装置と、半導体レーザ装置から出射したレーザ光の光路上に配置された光学素子とによって構成することができる。このように、上記実施の形態における半導体レーザ装置を用いることで、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。
また、溶接用レーザ光源システムとしては、例えば、上記半導体レーザモジュールを有する発振器と、発振器から導かれたレーザ光を一点に集光させるヘッドと、発振器を冷却するための冷却装置とによって構成することができる。このように、上記実施の形態における半導体レーザ装置を有する半導体レーザモジュールを用いることで、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。
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、低電力動作且つ高出力でレーザ光を出射させることができるので、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、１Ｘ、１Ｙ 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
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 (14)

  1. 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する電流ブロック層を有し、
    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る、
    半導体レーザ装置。
  2. 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に記載の半導体レーザ装置。
  3. 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２に記載の半導体レーザ装置。
  4. 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３に記載の半導体レーザ装置。
  5. 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、
    前記電流ブロック層は、前記第２導電側のコンタクト層内に設けられ、
    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３又は４に記載の半導体レーザ装置。
  6. 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電流ブロック層の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、
    Figure 2018168430
     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１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  8. 前記一対の側面は、誘電体膜で覆われている、
    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１〜８のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  10. 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１〜９のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  11. 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１〜１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  12. 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、前記開口部の幅より大きい、
    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. 請求項１〜１２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。
  14. 請求項１〜１２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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