半導体レーザ装置およびその製造方法
【課題】偏光角を小さくできると共に、偏光比を大きくすることができて、製造の自由度が高い半導体レーザ装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】基板１上には、半導体層で構成されて赤外発振波長を有する第１半導体レーザ構造３と、半導体層で構成されて赤色振波長を有する第２半導体レーザ構造とを成長させている。この第１，第２半導体レーザ構造３，４は、活性層６，１１と、この活性層６，１１を下地結晶として活性層６，１１上に成長させたクラッド層７，１２とを有している。この活性層６，１１とクラッド層７，１２との格子不整合度が０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲内である。
【解決手段】基板１上には、半導体層で構成されて赤外発振波長を有する第１半導体レーザ構造３と、半導体層で構成されて赤色振波長を有する第２半導体レーザ構造とを成長させている。この第１，第２半導体レーザ構造３，４は、活性層６，１１と、この活性層６，１１を下地結晶として活性層６，１１上に成長させたクラッド層７，１２とを有している。この活性層６，１１とクラッド層７，１２との格子不整合度が０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲内である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の発光点を有する半導体レーザ装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現状の半導体レーザ装置においては、良好なレーザ発振を実現させるため、エピタキシャル層に異なる格子定数を有する半導体結晶を数層から数十層にわたって積層する。このため、上記半導体結晶で形成する活性層には必ず半導体結晶の格子定数差による歪が加わって、偏光角が大きくなり、偏光比(ＴＭ(Transverse Magnetic)モードとＴＥ(Transverse Electric)モードの強度比)が小さくなってしまう。その結果、直線偏光特性(ＴＥモード単一)を理想とする半導体レーザ装置としての特性を悪化させていた。
【０００３】
また、上記活性層には、半導体結晶の格子定数差による歪だけでなく、半導体レーザ装置自体の反り、半導体レーザ装置をサブマウントにはんだ接着する際の、半導体レーザ装置とサブマウトとの熱膨張係数差による圧縮歪または引っ張り歪が加わる。
【０００４】
また、半導体レーザ装置には、発光点が２つの２波長半導体レーザ装置がある。上記各発光点を有するリッジ部は２波長半導体レーザ装置の中心から離れているため、発光点が１つの単一波長半導体レーザ装置に比べて、２波長半導体レーザ装置の活性層は外部からの圧縮歪、引っ張り歪の影響を受けやすい。すなわち、上記２波長半導体レーザ装置は、単一波長半導体レーザ装置よりも、簡単に、偏光角が大きくなり、偏光比が小さくなってしまう。
【０００５】
また、上記２波長半導体レーザ装置には、赤色レーザ光を出射する第１構造と、赤外レーザ光を出射する第２構造とを、同一基板上に形成するものがある。この場合、上記第１構造の活性層は第２構造の活性層の構成とは異なる。このため、上記第１，第２構造は同時に形成することができず、必ず、第１，第２構造の一方を形成した後、第１，第２構造の他方を形成する。したがって、上記第１，第２構造の他方を形成する製造プロセスは、第１，第２構造の一方に悪影響を与えないことが要求される。
【０００６】
従来、半導体レーザ装置としては、特開２０１０−２７２７２１号公報(特許文献１)や特開２００８−１４０８８７号公報(特許文献２)に開示されたものがある。
【０００７】
特開２０１０−２７２７２１号公報の半導体レーザ装置では、同一基板上に、赤色レーザ光を出射する赤色半導体レーザ構造と、赤外レーザ光を出射する赤外半導体レーザ構造とを形成している。この赤色半導体レーザ構造の共振方向に垂直な方向の幅は、赤外半導体レーザ構造の共振方向に垂直な方向の幅よりも大きくしている。そして、上記赤色半導体レーザ構造よりも赤外半導体レーザ構造に圧縮歪みを大きく加えることにより、実装歪みによる悪影響の低減を図っている。
【０００８】
特開２００８−１４０８８７号公報の半導体レーザ装置では、７°以上のＧａＡｓオフ基板上に、下クラッド層、活性層および上クラッド層を順次形成している。この上クラッド層および下ｐ−クラッド層の組成比を調整して、上クラッド層および下ｐ−クラッド層に対する活性層の格子不整合度をほぼゼロに近づけることにより、活性層に加わる歪の低減を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−２７２７２１号公報
【特許文献２】特開２００８−１４０８８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特開２０１０−２７２７２１号公報の半導体レーザ装置では、赤色半導体レーザ構造の共振方向に垂直な方向の幅を、赤外半導体レーザ構造の共振方向に垂直な方向の幅よりも大きくすることを前提とするため、赤色半導体レーザ構造と赤外半導体レーザ構造との間で大小関係が制約され、製造の自由度が小さくなってしまうという問題がある。
【００１１】
特開２００８−１４０８８７号公報の半導体レーザ装置でも、上クラッド層および下ｐ−クラッド層に対する活性層の格子不整合度をほぼゼロに近づけるため、製造の自由度が小さくなってしまうという問題がある。
【００１２】
そこで、本発明の課題は、偏光角を小さくできると共に、偏光比を大きくすることができて、製造の自由度が高い半導体レーザ装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の半導体レーザ装置は、
基板と、
上記基板上に成長させた半導体層で構成され、第１発振波長を有する第１半導体レーザ構造と、
上記基板上に成長させた半導体層で構成され、上記第１発振波長とは異なる第２発振波長を有する第２半導体レーザ構造と
を備え、
上記第１，第２半導体レーザ構造は、活性層と、この活性層を下地結晶として上記活性層上に成長させたクラッド層とを備え、
上記活性層と上記クラッド層との格子不整合度が０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲内であることを特徴としている。
【００１４】
ここで、上記格子不整合度とは、下記式で求められる値の絶対値である。
【００１５】
(ａ−ａ０)／ａ０
ａ０：活性層のクラッド層側の表面の格子定数
ａ：クラッド層の活性層側の表面の格子定数
上記構成によれば、上記活性層とクラッド層との格子不整合度を０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲内にしているので、活性層に加わる歪みを低減できる。したがって、上記第１，第２半導体レーザ構造が出射するレーザ光の偏光角を小さくすることができると共に、そのレーザ光の偏光比を大きくすることができる。
【００１６】
また、上記第１，第２半導体レーザ構造の大きさを特開２０１０−２７２７２１号公報のように制限しなくてもよく、格子不整合度を特開２００８−１４０８８７号公報のようにほぼゼロに近づけなくもてよいので、製造の自由度を高くすることができる。
【００１７】
また、例えば、上記基板上に第１半導体レーザ構造を形成した後、第２半導体レーザ構造を形成する場合、第２半導体レーザ構造を得るための積層構造の一部が第１半導体レーザ構造上に形成されたとしても、その積層構造において、活性層にすべき層とクラッド層にすべき層との格子不整合度が、０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲内であるので、第１半導体レーザ構造に悪影響を及ぶのを防ぐことができる。
【００１８】
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記活性層は量子井戸を有する。
【００１９】
上記実施形態によれば、上記活性層とクラッド層との格子不整合度を０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲内であるので、量子井戸は、実用上問題なく、歪量子井戸の量子効果を奏することができる。
【００２０】
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記第１発振波長は赤外波長である。
【００２１】
上記実施形態によれば、上記第１発振波長は赤外波長であるので、赤外レーザ光の偏光角を小さくすることができると共に、赤外レーザ光の偏光比を大きくすることができる。
【００２２】
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記第２発振波長は赤色波長である。
【００２３】
上記実施形態によれば、上記第２発振波長は赤色波長であるので、赤色レーザ光の偏光角を小さくすることができると共に、赤色レーザ光の偏光比を大きくすることができる。
【００２４】
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記第１半導体レーザ構造が有する上記クラッド層はＡｌＧａＩｎＰで形成されている。
【００２５】
上記実施形態によれば、上記第１半導体レーザ構造が有するクラッド層はＡｌＧａＩｎＰで形成されているので、このクラッド層のＩｎの比率を適正化することにより、第１半導体レーザ構造が有する活性層と上記クラッド層との格子不整合度を調整できる。
【００２６】
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記第２半導体レーザ構造が有する上記クラッド層はＡｌＧａＩｎＰで形成されている。
【００２７】
上記実施形態によれば、上記第２半導体レーザ構造が有するクラッド層はＡｌＧａＩｎＰで形成されているので、このクラッド層のＩｎの比率を適正化することにより、第２半導体レーザ構造が有する活性層と上記クラッド層との格子不整合度を調整できる。
【００２８】
本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、
本発明の半導体レーザ装置を製造する半導体レーザ装置の製造方法であって、
上記第１半導体レーザ構造が有する上記クラッド層の組成うち、上記クラッド層の格子定数への影響が比較的大きい組成を調整して、上記クラッド層を形成することを特徴としている。
【００２９】
上記構成によれば、上記第１半導体レーザ構造が有するクラッド層の組成うち、このクラッド層の格子定数への影響が比較的大きい組成を調整して、クラッド層を形成するので、活性層に加わる格子歪を容易かつ確実に小さくすることができる。
【００３０】
一実施形態の半導体レーザ装置の製造方法は、
上記第２半導体レーザ構造が有する上記クラッド層の組成うち、上記クラッド層の格子定数への影響が比較的大きい組成を調整して、上記クラッド層を形成することを特徴としている。
【００３１】
上記実施形態によれば、上記第２半導体レーザ構造が有するクラッド層の組成うち、このクラッド層の格子定数への影響が比較的大きい組成を調整して、クラッド層を形成するので、活性層に加わる格子歪を容易かつ確実に小さくすることができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の半導体レーザ装置によれば、第１，第２半導体レーザ構造は、量子井戸を有する活性層と、この活性層を下地結晶として上記活性層上に成長させたクラッド層とを備え、活性層とクラッド層との格子不整合度を０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲内にしているので、活性層に加わる歪みを低減できる。したがって、上記第１，第２半導体レーザ構造が出射するレーザ光の偏光角を小さくすることができると共に、そのレーザ光の偏光比を大きくすることができる。
【００３３】
また、上記活性層とクラッド層との格子不整合度を０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲内にすることによって、第１，第２半導体レーザ構造が出射するレーザ光の偏光角を小さくすると共に、そのレーザ光の偏光比を大きくするので、製造の自由度が低くなるのを防ぐことができる。
【００３４】
また、上記活性層とクラッド層との格子不整合度を０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲内にするので、第１，第２半導体レーザ構造の一方の製造が第１，第２半導体レーザ構造の他方の製造に悪影響を及ぼすのを防ぐことができる。
【００３５】
本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、第１半導体レーザ構造が有するクラッド層の組成うち、このクラッド層の格子定数への影響が比較的大きい組成を調整して、クラッド層を形成するので、活性層に加わる格子歪を容易かつ確実に小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は本発明の一実施形態の２波長半導体レーザ装置の模式断面図である。
【図２】図２は格子不整合度を説明するための模式図である。
【図３】図３は偏光角と格子不整合度との関係を示すグラフである。
【図４】図４は偏光比と格子不整合度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の半導体レーザ装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３８】
図１は、本発明の一実施形態の２波長半導体レーザ装置を共振器方向に垂直な面で切った断面の模式図である。
【００３９】
上記２波長半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板１と、この基板１上に形成されたｎ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層２と、このｎ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層２の一方の側部上に形成された断面略台形状の第１半導体レーザ構造３と、ｎ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層２の他方の側部上に形成された断面略台形状の第２半導体レーザ構造４とを備えている。なお、上記基板１は基板の一例である。
【００４０】
上記第１半導体レーザ構造３は、ｎ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層２側から順にエピタキシャル成長させたｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５、ノンドープＡｌＧａＡｓ系活性層６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層８およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層９を有している。この第１半導体レーザ構造３の発振波長は赤外波長(７７０ｎｍ〜７９０ｎｍ)の範囲内である。また、上記活性層６とクラッド層７との間の格子不整合度Δａ／ａ０を最適化することで、活性層６に加わる歪を軽減させて、第１半導体レーザ構造３による赤外レーザ光に関して、偏光角を小さく、偏光比を大きくしている。ここで、上記Δａはクラッド層７の活性層６側の表面の格子定数から活性層６のクラッド層７側の表面の格子定数を引いた値であり、ａ０は活性層６のクラッド層７側の表面の格子定数である。なお、上記活性層６は活性層の一例で、クラッド層７の一例である。
【００４１】
より詳しくは、上記格子不整合度Δａ／ａ０の調整には、クラッド層７の材料である(ＡｌｘＧａ１−ｘ)ｙＩｎ１−ｙＰの組成のうち格子定数に影響の大きい組成ｙを調整する手法をとる。そして、上記格子不整合度Δａ／ａ０の値は０．０１１１９、０．０１８６５、０．０２６１１のいずれかとする。
【００４２】
上記活性層６は、３層のノンドープＡｌＧａＡｓ障壁層と２層のノンドープＧａＡｓ井戸層とによる多重量子井戸構造を有している。
【００４３】
上記第２半導体レーザ構造４は、ｎ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層２側から順にエピタキシャル成長させたｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０、ノンドープＡｌＧａＩｎＰ系活性層１１、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１２、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層１３およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４を有している。この第２半導体レーザ構造４の発振波長は赤色波長(６４０ｎｍ〜６６０ｎｍ)の範囲内である。また、上記活性層１１とクラッド層１２との間の格子不整合度Δａ／ａ０を最適化することで、活性層１１に加わる歪を軽減させて、第２半導体レーザ構造４による赤色レーザ光に関して、偏光角を小さく、偏光比を大きくしている。ここで、上記Δａはクラッド層１２の活性層１１側の表面の格子定数から活性層１１のクラッド層１２側の表面の格子定数を引いた値であり、ａ０は活性層１１のクラッド層７側の表面の格子定数である。なお、上記活性層１１は活性層の一例で、クラッド層１２の一例である。
【００４４】
より詳しくは、上記格子不整合度Δａ／ａ０の調整には、クラッド層１２の材料である(ＡｌｘＧａ１−ｘ)ｙＩｎ１−ｙＰの組成のうち格子定数に影響の大きい組成ｙを調整する手法をとる。そして、上記格子不整合度Δａ／ａ０の値は０．０１１１９、０．０１８６５、０．０２６１１のいずれかとする。
【００４５】
上記活性層１１は、３層のノンドープＡｌＧａＩｎＰ障壁層と２層のノンドープＧａＩｎＰ井戸層とによる多重量子井戸構造を有している。
【００４６】
また、図示しないが、基板１下、第１半導体レーザ構造３上、第２半導体レーザ構造４上には、電極を形成している。なお、上記第１，第２半導体レーザ構造３，４の側面は絶縁膜で覆ってもよい。
【００４７】
上記構成の２波長半導体レーザ装置によれば、活性層６，１１とクラッド層７，１２との格子不整合度を０．０１１１９、０．０１８６５、０．０２６１１のいずれかとしているので、活性層６，１１に加わる歪みを低減できる。したがって、上記第１，第２半導体レーザ構造３，４が出射する赤外レーザ光，赤色レーザ光の偏光角を小さくすることができると共に、その赤外レーザ光，赤色レーザ光の偏光比を大きくすることができる。
【００４８】
また、上記第１，第２半導体レーザ構造３，４の大きさを特開２０１０−２７２７２１号公報のように制限しなくてもよく、上記格子不整合度を特開２００８−１４０８８７号公報のようにほぼゼロに近づけなくもてよいので、製造の自由度を高くすることができる。
【００４９】
また、例えば、上記基板１上に第１半導体レーザ構造３を形成した後、第２半導体レーザ構造４を形成する場合、第２半導体レーザ構造４を得るための積層構造の一部が第１半導体レーザ構造３上に形成されたとしても、その積層構造において、活性層１１にすべき層とクラッド層１２にすべき層との格子不整合度が０．０１１１９、０．０１８６５、０．０２６１１のいずれかであるので、第１半導体レーザ構造３に悪影響を及ぶのを防ぐことができる。
【００５０】
図２は、格子不整合度を説明するための模式図である。
【００５１】
一般的に、格子定数がａ０である下地結晶上に、格子定数がａである成長結晶を成長させる場合、成長結晶は格子定数がａからａ０に近づくように成長する。このとき、上記成長結晶の格子定数ａから下地結晶の格子定数ａ０を引いた値をΔａに応じた歪みが、成長結晶および下地結晶のそれぞれに加わっており、例えばΔａが正ならば下地結晶には圧縮歪が加わることになる。ここで、上記Δａをａ０で割った値が格子不整合度となる。すなわち、上記格子不整合度はΔａ／ａ０で求めることができる。
【００５２】
図３は、上記偏光角と格子不整合度Δａ／ａ０との関係を示すグラフである。なお、図３において、赤外レーザとは第１半導体レーザ構造３を指し、赤色レーザとは第２半導体レーザ構造４を指している。
【００５３】
図３から、赤外レーザ、赤色レーザともに格子不整合度Δａ／ａ０が０.０１１１９〜０.０２６１の範囲で小さくするほど偏光角も０°に近づいていることが判る。これは、上記活性層６，１１を下地結晶として成長するクラッド層７，１２の格子定数を活性層６，１１の格子定数に近づけることにより、活性層６，１１に加わる引っ張り歪が低減される結果、偏光角の回転が抑制できるためである。
【００５４】
図４は、上記偏光比と格子不整合度Δａ／ａ０との関係を示すグラフである。なお、図４においても、赤外レーザとは第１半導体レーザ構造３を指し、赤色レーザとは第２半導体レーザ構造４を指している。
【００５５】
図４から赤外レーザ、赤色レーザともに格子不整合度Δａ／ａ０が０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲で小さくするほど偏光比が大きくなっていることがわかる。これは、上記活性層６，１１を下地結晶として成長するクラッド層７，１２の格子定数を活性層６，１１の格子定数に近づけることにより、活性層６，１１に加わる引っ張り歪が低減された結果、ＴＭモードが小さくなり、ＴＥモードが占有的になったためである。
【００５６】
しかしながら、上記格子不整合度Δａ／ａ０をゼロにすることは好ましくない。なぜならば、半導体結晶製造中の温度では熱膨張係数の違いにより、格子不整合度Δａ／ａ０が０.０３７３のとき、クラッド層７，１２と活性層６，１１の格子不整合度はゼロに近い。通常のエピタキシャル成長では製造中の温度で格子整合するような組成比で製造させることにより結晶欠陥の少ない良質な結晶を得ようとする。したがって、上記格子不整合度Δａ／ａ０をゼロに近づけることは半導体結晶製造中では格子不整合を伴う結晶成長になるため、結晶欠陥が生まれやすい。
【００５７】
上記結晶欠陥は非発光再結合中心となり、非発光再結合が増加することによって直接的には半導体レーザ装置の出力、効率等の半導体レーザ装置の出力特性を低下させ、間接的には非発光再結合過程における過度な温度上昇により、さらに結晶欠陥が増大し半導体レーザ装置の信頼性を低下させてしまう負のループに入りやすい。
【００５８】
以上の観点から実験的には、格子不整合度Δａ／ａ０は０.０１１１９以上の値を有するほうが好ましい。
【００５９】
上記実施形態において、活性層６，１１とクラッド層７，１２との格子不整合度を０．０１１１９、０．０１８６５、０．０２６１１のいずれかとしていたが、その格子不整合度は０．０１１１９、０．０１８６５、０．０２６１１に限定されない。すなわち、上記活性層６，１１とクラッド層７，１２との格子不整合度は、０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲内の値であれば、どのような値にしてもよい。
【００６０】
本発明の具体的な実施形態について説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、本発明の一実施形態においては、量子井戸構造を有さない活性層、単一量子井戸構造を有する活性層、多重量子井戸構造を有する活性層、半導体基板、または、絶縁基板を用いてもよい。また、本発明の一実施形態の半導体レーザ装置は、赤外レーザ光、赤色レーザ光、青色レーザ光、緑色レーザ光等のうちの少なくとも２つを出射するものであってもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１…ｎ型ＧａＡｓ基板
２…ｎ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層
３‥第１半導体レーザ構造
４…第２半導体レーザ構造
５，１０…ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
６…ノンドープＡｌＧａＡｓ系活性層
７，１３…ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
８，１３…ｐ型ＧａＩｎＰ中間層
９，１４…ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１１…ノンドープＡｌＧａＩｎＰ系活性層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の発光点を有する半導体レーザ装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現状の半導体レーザ装置においては、良好なレーザ発振を実現させるため、エピタキシャル層に異なる格子定数を有する半導体結晶を数層から数十層にわたって積層する。このため、上記半導体結晶で形成する活性層には必ず半導体結晶の格子定数差による歪が加わって、偏光角が大きくなり、偏光比(ＴＭ(Transverse Magnetic)モードとＴＥ(Transverse Electric)モードの強度比)が小さくなってしまう。その結果、直線偏光特性(ＴＥモード単一)を理想とする半導体レーザ装置としての特性を悪化させていた。
【０００３】
また、上記活性層には、半導体結晶の格子定数差による歪だけでなく、半導体レーザ装置自体の反り、半導体レーザ装置をサブマウントにはんだ接着する際の、半導体レーザ装置とサブマウトとの熱膨張係数差による圧縮歪または引っ張り歪が加わる。
【０００４】
また、半導体レーザ装置には、発光点が２つの２波長半導体レーザ装置がある。上記各発光点を有するリッジ部は２波長半導体レーザ装置の中心から離れているため、発光点が１つの単一波長半導体レーザ装置に比べて、２波長半導体レーザ装置の活性層は外部からの圧縮歪、引っ張り歪の影響を受けやすい。すなわち、上記２波長半導体レーザ装置は、単一波長半導体レーザ装置よりも、簡単に、偏光角が大きくなり、偏光比が小さくなってしまう。
【０００５】
また、上記２波長半導体レーザ装置には、赤色レーザ光を出射する第１構造と、赤外レーザ光を出射する第２構造とを、同一基板上に形成するものがある。この場合、上記第１構造の活性層は第２構造の活性層の構成とは異なる。このため、上記第１，第２構造は同時に形成することができず、必ず、第１，第２構造の一方を形成した後、第１，第２構造の他方を形成する。したがって、上記第１，第２構造の他方を形成する製造プロセスは、第１，第２構造の一方に悪影響を与えないことが要求される。
【０００６】
従来、半導体レーザ装置としては、特開２０１０−２７２７２１号公報(特許文献１)や特開２００８−１４０８８７号公報(特許文献２)に開示されたものがある。
【０００７】
特開２０１０−２７２７２１号公報の半導体レーザ装置では、同一基板上に、赤色レーザ光を出射する赤色半導体レーザ構造と、赤外レーザ光を出射する赤外半導体レーザ構造とを形成している。この赤色半導体レーザ構造の共振方向に垂直な方向の幅は、赤外半導体レーザ構造の共振方向に垂直な方向の幅よりも大きくしている。そして、上記赤色半導体レーザ構造よりも赤外半導体レーザ構造に圧縮歪みを大きく加えることにより、実装歪みによる悪影響の低減を図っている。
【０００８】
特開２００８−１４０８８７号公報の半導体レーザ装置では、７°以上のＧａＡｓオフ基板上に、下クラッド層、活性層および上クラッド層を順次形成している。この上クラッド層および下ｐ−クラッド層の組成比を調整して、上クラッド層および下ｐ−クラッド層に対する活性層の格子不整合度をほぼゼロに近づけることにより、活性層に加わる歪の低減を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−２７２７２１号公報
【特許文献２】特開２００８−１４０８８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特開２０１０−２７２７２１号公報の半導体レーザ装置では、赤色半導体レーザ構造の共振方向に垂直な方向の幅を、赤外半導体レーザ構造の共振方向に垂直な方向の幅よりも大きくすることを前提とするため、赤色半導体レーザ構造と赤外半導体レーザ構造との間で大小関係が制約され、製造の自由度が小さくなってしまうという問題がある。
【００１１】
特開２００８−１４０８８７号公報の半導体レーザ装置でも、上クラッド層および下ｐ−クラッド層に対する活性層の格子不整合度をほぼゼロに近づけるため、製造の自由度が小さくなってしまうという問題がある。
【００１２】
そこで、本発明の課題は、偏光角を小さくできると共に、偏光比を大きくすることができて、製造の自由度が高い半導体レーザ装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の半導体レーザ装置は、
基板と、
上記基板上に成長させた半導体層で構成され、第１発振波長を有する第１半導体レーザ構造と、
上記基板上に成長させた半導体層で構成され、上記第１発振波長とは異なる第２発振波長を有する第２半導体レーザ構造と
を備え、
上記第１，第２半導体レーザ構造は、活性層と、この活性層を下地結晶として上記活性層上に成長させたクラッド層とを備え、
上記活性層と上記クラッド層との格子不整合度が０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲内であることを特徴としている。
【００１４】
ここで、上記格子不整合度とは、下記式で求められる値の絶対値である。
【００１５】
(ａ−ａ０)／ａ０
ａ０：活性層のクラッド層側の表面の格子定数
ａ：クラッド層の活性層側の表面の格子定数
上記構成によれば、上記活性層とクラッド層との格子不整合度を０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲内にしているので、活性層に加わる歪みを低減できる。したがって、上記第１，第２半導体レーザ構造が出射するレーザ光の偏光角を小さくすることができると共に、そのレーザ光の偏光比を大きくすることができる。
【００１６】
また、上記第１，第２半導体レーザ構造の大きさを特開２０１０−２７２７２１号公報のように制限しなくてもよく、格子不整合度を特開２００８−１４０８８７号公報のようにほぼゼロに近づけなくもてよいので、製造の自由度を高くすることができる。
【００１７】
また、例えば、上記基板上に第１半導体レーザ構造を形成した後、第２半導体レーザ構造を形成する場合、第２半導体レーザ構造を得るための積層構造の一部が第１半導体レーザ構造上に形成されたとしても、その積層構造において、活性層にすべき層とクラッド層にすべき層との格子不整合度が、０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲内であるので、第１半導体レーザ構造に悪影響を及ぶのを防ぐことができる。
【００１８】
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記活性層は量子井戸を有する。
【００１９】
上記実施形態によれば、上記活性層とクラッド層との格子不整合度を０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲内であるので、量子井戸は、実用上問題なく、歪量子井戸の量子効果を奏することができる。
【００２０】
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記第１発振波長は赤外波長である。
【００２１】
上記実施形態によれば、上記第１発振波長は赤外波長であるので、赤外レーザ光の偏光角を小さくすることができると共に、赤外レーザ光の偏光比を大きくすることができる。
【００２２】
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記第２発振波長は赤色波長である。
【００２３】
上記実施形態によれば、上記第２発振波長は赤色波長であるので、赤色レーザ光の偏光角を小さくすることができると共に、赤色レーザ光の偏光比を大きくすることができる。
【００２４】
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記第１半導体レーザ構造が有する上記クラッド層はＡｌＧａＩｎＰで形成されている。
【００２５】
上記実施形態によれば、上記第１半導体レーザ構造が有するクラッド層はＡｌＧａＩｎＰで形成されているので、このクラッド層のＩｎの比率を適正化することにより、第１半導体レーザ構造が有する活性層と上記クラッド層との格子不整合度を調整できる。
【００２６】
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記第２半導体レーザ構造が有する上記クラッド層はＡｌＧａＩｎＰで形成されている。
【００２７】
上記実施形態によれば、上記第２半導体レーザ構造が有するクラッド層はＡｌＧａＩｎＰで形成されているので、このクラッド層のＩｎの比率を適正化することにより、第２半導体レーザ構造が有する活性層と上記クラッド層との格子不整合度を調整できる。
【００２８】
本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、
本発明の半導体レーザ装置を製造する半導体レーザ装置の製造方法であって、
上記第１半導体レーザ構造が有する上記クラッド層の組成うち、上記クラッド層の格子定数への影響が比較的大きい組成を調整して、上記クラッド層を形成することを特徴としている。
【００２９】
上記構成によれば、上記第１半導体レーザ構造が有するクラッド層の組成うち、このクラッド層の格子定数への影響が比較的大きい組成を調整して、クラッド層を形成するので、活性層に加わる格子歪を容易かつ確実に小さくすることができる。
【００３０】
一実施形態の半導体レーザ装置の製造方法は、
上記第２半導体レーザ構造が有する上記クラッド層の組成うち、上記クラッド層の格子定数への影響が比較的大きい組成を調整して、上記クラッド層を形成することを特徴としている。
【００３１】
上記実施形態によれば、上記第２半導体レーザ構造が有するクラッド層の組成うち、このクラッド層の格子定数への影響が比較的大きい組成を調整して、クラッド層を形成するので、活性層に加わる格子歪を容易かつ確実に小さくすることができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の半導体レーザ装置によれば、第１，第２半導体レーザ構造は、量子井戸を有する活性層と、この活性層を下地結晶として上記活性層上に成長させたクラッド層とを備え、活性層とクラッド層との格子不整合度を０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲内にしているので、活性層に加わる歪みを低減できる。したがって、上記第１，第２半導体レーザ構造が出射するレーザ光の偏光角を小さくすることができると共に、そのレーザ光の偏光比を大きくすることができる。
【００３３】
また、上記活性層とクラッド層との格子不整合度を０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲内にすることによって、第１，第２半導体レーザ構造が出射するレーザ光の偏光角を小さくすると共に、そのレーザ光の偏光比を大きくするので、製造の自由度が低くなるのを防ぐことができる。
【００３４】
また、上記活性層とクラッド層との格子不整合度を０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲内にするので、第１，第２半導体レーザ構造の一方の製造が第１，第２半導体レーザ構造の他方の製造に悪影響を及ぼすのを防ぐことができる。
【００３５】
本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、第１半導体レーザ構造が有するクラッド層の組成うち、このクラッド層の格子定数への影響が比較的大きい組成を調整して、クラッド層を形成するので、活性層に加わる格子歪を容易かつ確実に小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は本発明の一実施形態の２波長半導体レーザ装置の模式断面図である。
【図２】図２は格子不整合度を説明するための模式図である。
【図３】図３は偏光角と格子不整合度との関係を示すグラフである。
【図４】図４は偏光比と格子不整合度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の半導体レーザ装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３８】
図１は、本発明の一実施形態の２波長半導体レーザ装置を共振器方向に垂直な面で切った断面の模式図である。
【００３９】
上記２波長半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板１と、この基板１上に形成されたｎ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層２と、このｎ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層２の一方の側部上に形成された断面略台形状の第１半導体レーザ構造３と、ｎ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層２の他方の側部上に形成された断面略台形状の第２半導体レーザ構造４とを備えている。なお、上記基板１は基板の一例である。
【００４０】
上記第１半導体レーザ構造３は、ｎ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層２側から順にエピタキシャル成長させたｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５、ノンドープＡｌＧａＡｓ系活性層６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層８およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層９を有している。この第１半導体レーザ構造３の発振波長は赤外波長(７７０ｎｍ〜７９０ｎｍ)の範囲内である。また、上記活性層６とクラッド層７との間の格子不整合度Δａ／ａ０を最適化することで、活性層６に加わる歪を軽減させて、第１半導体レーザ構造３による赤外レーザ光に関して、偏光角を小さく、偏光比を大きくしている。ここで、上記Δａはクラッド層７の活性層６側の表面の格子定数から活性層６のクラッド層７側の表面の格子定数を引いた値であり、ａ０は活性層６のクラッド層７側の表面の格子定数である。なお、上記活性層６は活性層の一例で、クラッド層７の一例である。
【００４１】
より詳しくは、上記格子不整合度Δａ／ａ０の調整には、クラッド層７の材料である(ＡｌｘＧａ１−ｘ)ｙＩｎ１−ｙＰの組成のうち格子定数に影響の大きい組成ｙを調整する手法をとる。そして、上記格子不整合度Δａ／ａ０の値は０．０１１１９、０．０１８６５、０．０２６１１のいずれかとする。
【００４２】
上記活性層６は、３層のノンドープＡｌＧａＡｓ障壁層と２層のノンドープＧａＡｓ井戸層とによる多重量子井戸構造を有している。
【００４３】
上記第２半導体レーザ構造４は、ｎ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層２側から順にエピタキシャル成長させたｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０、ノンドープＡｌＧａＩｎＰ系活性層１１、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１２、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層１３およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４を有している。この第２半導体レーザ構造４の発振波長は赤色波長(６４０ｎｍ〜６６０ｎｍ)の範囲内である。また、上記活性層１１とクラッド層１２との間の格子不整合度Δａ／ａ０を最適化することで、活性層１１に加わる歪を軽減させて、第２半導体レーザ構造４による赤色レーザ光に関して、偏光角を小さく、偏光比を大きくしている。ここで、上記Δａはクラッド層１２の活性層１１側の表面の格子定数から活性層１１のクラッド層１２側の表面の格子定数を引いた値であり、ａ０は活性層１１のクラッド層７側の表面の格子定数である。なお、上記活性層１１は活性層の一例で、クラッド層１２の一例である。
【００４４】
より詳しくは、上記格子不整合度Δａ／ａ０の調整には、クラッド層１２の材料である(ＡｌｘＧａ１−ｘ)ｙＩｎ１−ｙＰの組成のうち格子定数に影響の大きい組成ｙを調整する手法をとる。そして、上記格子不整合度Δａ／ａ０の値は０．０１１１９、０．０１８６５、０．０２６１１のいずれかとする。
【００４５】
上記活性層１１は、３層のノンドープＡｌＧａＩｎＰ障壁層と２層のノンドープＧａＩｎＰ井戸層とによる多重量子井戸構造を有している。
【００４６】
また、図示しないが、基板１下、第１半導体レーザ構造３上、第２半導体レーザ構造４上には、電極を形成している。なお、上記第１，第２半導体レーザ構造３，４の側面は絶縁膜で覆ってもよい。
【００４７】
上記構成の２波長半導体レーザ装置によれば、活性層６，１１とクラッド層７，１２との格子不整合度を０．０１１１９、０．０１８６５、０．０２６１１のいずれかとしているので、活性層６，１１に加わる歪みを低減できる。したがって、上記第１，第２半導体レーザ構造３，４が出射する赤外レーザ光，赤色レーザ光の偏光角を小さくすることができると共に、その赤外レーザ光，赤色レーザ光の偏光比を大きくすることができる。
【００４８】
また、上記第１，第２半導体レーザ構造３，４の大きさを特開２０１０−２７２７２１号公報のように制限しなくてもよく、上記格子不整合度を特開２００８−１４０８８７号公報のようにほぼゼロに近づけなくもてよいので、製造の自由度を高くすることができる。
【００４９】
また、例えば、上記基板１上に第１半導体レーザ構造３を形成した後、第２半導体レーザ構造４を形成する場合、第２半導体レーザ構造４を得るための積層構造の一部が第１半導体レーザ構造３上に形成されたとしても、その積層構造において、活性層１１にすべき層とクラッド層１２にすべき層との格子不整合度が０．０１１１９、０．０１８６５、０．０２６１１のいずれかであるので、第１半導体レーザ構造３に悪影響を及ぶのを防ぐことができる。
【００５０】
図２は、格子不整合度を説明するための模式図である。
【００５１】
一般的に、格子定数がａ０である下地結晶上に、格子定数がａである成長結晶を成長させる場合、成長結晶は格子定数がａからａ０に近づくように成長する。このとき、上記成長結晶の格子定数ａから下地結晶の格子定数ａ０を引いた値をΔａに応じた歪みが、成長結晶および下地結晶のそれぞれに加わっており、例えばΔａが正ならば下地結晶には圧縮歪が加わることになる。ここで、上記Δａをａ０で割った値が格子不整合度となる。すなわち、上記格子不整合度はΔａ／ａ０で求めることができる。
【００５２】
図３は、上記偏光角と格子不整合度Δａ／ａ０との関係を示すグラフである。なお、図３において、赤外レーザとは第１半導体レーザ構造３を指し、赤色レーザとは第２半導体レーザ構造４を指している。
【００５３】
図３から、赤外レーザ、赤色レーザともに格子不整合度Δａ／ａ０が０.０１１１９〜０.０２６１の範囲で小さくするほど偏光角も０°に近づいていることが判る。これは、上記活性層６，１１を下地結晶として成長するクラッド層７，１２の格子定数を活性層６，１１の格子定数に近づけることにより、活性層６，１１に加わる引っ張り歪が低減される結果、偏光角の回転が抑制できるためである。
【００５４】
図４は、上記偏光比と格子不整合度Δａ／ａ０との関係を示すグラフである。なお、図４においても、赤外レーザとは第１半導体レーザ構造３を指し、赤色レーザとは第２半導体レーザ構造４を指している。
【００５５】
図４から赤外レーザ、赤色レーザともに格子不整合度Δａ／ａ０が０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲で小さくするほど偏光比が大きくなっていることがわかる。これは、上記活性層６，１１を下地結晶として成長するクラッド層７，１２の格子定数を活性層６，１１の格子定数に近づけることにより、活性層６，１１に加わる引っ張り歪が低減された結果、ＴＭモードが小さくなり、ＴＥモードが占有的になったためである。
【００５６】
しかしながら、上記格子不整合度Δａ／ａ０をゼロにすることは好ましくない。なぜならば、半導体結晶製造中の温度では熱膨張係数の違いにより、格子不整合度Δａ／ａ０が０.０３７３のとき、クラッド層７，１２と活性層６，１１の格子不整合度はゼロに近い。通常のエピタキシャル成長では製造中の温度で格子整合するような組成比で製造させることにより結晶欠陥の少ない良質な結晶を得ようとする。したがって、上記格子不整合度Δａ／ａ０をゼロに近づけることは半導体結晶製造中では格子不整合を伴う結晶成長になるため、結晶欠陥が生まれやすい。
【００５７】
上記結晶欠陥は非発光再結合中心となり、非発光再結合が増加することによって直接的には半導体レーザ装置の出力、効率等の半導体レーザ装置の出力特性を低下させ、間接的には非発光再結合過程における過度な温度上昇により、さらに結晶欠陥が増大し半導体レーザ装置の信頼性を低下させてしまう負のループに入りやすい。
【００５８】
以上の観点から実験的には、格子不整合度Δａ／ａ０は０.０１１１９以上の値を有するほうが好ましい。
【００５９】
上記実施形態において、活性層６，１１とクラッド層７，１２との格子不整合度を０．０１１１９、０．０１８６５、０．０２６１１のいずれかとしていたが、その格子不整合度は０．０１１１９、０．０１８６５、０．０２６１１に限定されない。すなわち、上記活性層６，１１とクラッド層７，１２との格子不整合度は、０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲内の値であれば、どのような値にしてもよい。
【００６０】
本発明の具体的な実施形態について説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、本発明の一実施形態においては、量子井戸構造を有さない活性層、単一量子井戸構造を有する活性層、多重量子井戸構造を有する活性層、半導体基板、または、絶縁基板を用いてもよい。また、本発明の一実施形態の半導体レーザ装置は、赤外レーザ光、赤色レーザ光、青色レーザ光、緑色レーザ光等のうちの少なくとも２つを出射するものであってもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１…ｎ型ＧａＡｓ基板
２…ｎ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層
３‥第１半導体レーザ構造
４…第２半導体レーザ構造
５，１０…ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
６…ノンドープＡｌＧａＡｓ系活性層
７，１３…ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
８，１３…ｐ型ＧａＩｎＰ中間層
９，１４…ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１１…ノンドープＡｌＧａＩｎＰ系活性層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
上記基板上に成長させた半導体層で構成され、第１発振波長を有する第１半導体レーザ構造と、
上記基板上に成長させた半導体層で構成され、上記第１発振波長とは異なる第２発振波長を有する第２半導体レーザ構造と
を備え、
上記第１，第２半導体レーザ構造は、活性層と、この活性層を下地結晶として上記活性層上に成長させたクラッド層とを備え、
上記活性層と上記クラッド層との格子不整合度が０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲内であることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
上記活性層は量子井戸を有することを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体レーザ装置において、
上記第１発振波長は赤外波長であることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか一項に記載の半導体レーザ装置において、
上記第２発振波長は赤色波長であることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項５】
請求項１から３までのいずれか一項に記載の半導体レーザ装置において、
上記第１半導体レーザ構造が有する上記クラッド層はＡｌＧａＩｎＰで形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか一項に記載の半導体レーザ装置において、
上記第２半導体レーザ構造が有する上記クラッド層はＡｌＧａＩｎＰで形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか一項に記載の半導体レーザ装置を製造する半導体レーザ装置の製造方法であって、
上記第１半導体レーザ構造が有する上記クラッド層の組成うち、上記クラッド層の格子定数への影響が比較的大きい組成を調整して、上記クラッド層を形成することを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体レーザ装置の製造方法において、
上記第２半導体レーザ構造が有する上記クラッド層の組成うち、上記クラッド層の格子定数への影響が比較的大きい組成を調整して、上記クラッド層を形成することを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１】
基板と、
上記基板上に成長させた半導体層で構成され、第１発振波長を有する第１半導体レーザ構造と、
上記基板上に成長させた半導体層で構成され、上記第１発振波長とは異なる第２発振波長を有する第２半導体レーザ構造と
を備え、
上記第１，第２半導体レーザ構造は、活性層と、この活性層を下地結晶として上記活性層上に成長させたクラッド層とを備え、
上記活性層と上記クラッド層との格子不整合度が０.０１１１９〜０.０２６１１の範囲内であることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
上記活性層は量子井戸を有することを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体レーザ装置において、
上記第１発振波長は赤外波長であることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか一項に記載の半導体レーザ装置において、
上記第２発振波長は赤色波長であることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項５】
請求項１から３までのいずれか一項に記載の半導体レーザ装置において、
上記第１半導体レーザ構造が有する上記クラッド層はＡｌＧａＩｎＰで形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか一項に記載の半導体レーザ装置において、
上記第２半導体レーザ構造が有する上記クラッド層はＡｌＧａＩｎＰで形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか一項に記載の半導体レーザ装置を製造する半導体レーザ装置の製造方法であって、
上記第１半導体レーザ構造が有する上記クラッド層の組成うち、上記クラッド層の格子定数への影響が比較的大きい組成を調整して、上記クラッド層を形成することを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体レーザ装置の製造方法において、
上記第２半導体レーザ構造が有する上記クラッド層の組成うち、上記クラッド層の格子定数への影響が比較的大きい組成を調整して、上記クラッド層を形成することを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−１０５８９９（Ｐ２０１３−１０５８９９Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４８８３２（Ｐ２０１１−２４８８３２）
【出願日】平成２３年１１月１４日（２０１１．１１．１４）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１４日（２０１１．１１．１４）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]