半導体レーザ装置
【課題】 屈折率導波構造を有し、横モードが高次モードもしくはマルチモードで発振するGaN系のストライプ型半導体レーザの複数の発光領域を高輝度に集光可能にするため、水平ビーム放射角度を小さく抑える。
【解決手段】 例えばp-GaNキャップ層２８およびp-Al0.1Ga0.9Nクラッド層２７に幅Ｗ2のリッジ構造が形成されてなる屈折率導波構造を有し、横モードが高次モードもしくはマルチモードで発振するGaN系のストライプ型半導体レーザにおいて、ストライプ中央部とストライプ外との実効屈折率差Δｎを1.5×10-2以下に設定する。
【解決手段】 例えばp-GaNキャップ層２８およびp-Al0.1Ga0.9Nクラッド層２７に幅Ｗ2のリッジ構造が形成されてなる屈折率導波構造を有し、横モードが高次モードもしくはマルチモードで発振するGaN系のストライプ型半導体レーザにおいて、ストライプ中央部とストライプ外との実効屈折率差Δｎを1.5×10-2以下に設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザ装置に関し、特に詳細には、横モードが高次モードもしくはマルチモードで発振するストライプ幅が３μｍ以上のGaN系半導体レーザチップから発せられたレーザビームを合波するようにした半導体レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、600ｎｍ以下の短波長領域で発光する光源として、III-Ｖ族窒化物であるAlInGaN系の半導体レーザが注目されている。このAlInGaN等のGaN系材料は非特許文献１に記載されているように、青・緑の波長領域の半導体発光素子を形成する上で極めて優れた特性を有しており、近時は、該材料を用いて360〜500ｎｍの短波長域で発振する半導体レーザの実用化および技術開発が進められている。
【０００３】
この種の半導体レーザは、発振波長が短くて、現在実用化されている最短波長の630ｎｍ半導体レーザより格段に小さい光スポットが得られることから、高記録密度タイプの光ディスクメモリ用光源への応用が最も期待されている。また、450ｎｍ以下の短波長光源は、短波長域に感度が高い感光材料を用いた印刷などの分野におけるデジタル画像形成機器の光源として重要であり、405ｎｍ域の半導体レーザはフォトポリマ材料を用いたCTP（computer to plate）用の露光光源として実用化されている。これらの応用には、光学的に高品質な単峰性のガウスビームが必要であるので、半導体レーザとしては高品位の基本横モードレーザを用いることが必須となる。
【０００４】
基本横モード発振を実現するためには、屈折率導波型の素子構造を用いて導波モードの安定化を図る必要がある。その要求を満たす上で、屈折率導波構造の屈折率差つまり、ストライプ中央部とストライプ外との実効屈折率差Δｎは、通常5×10-3〜1×10-2の範囲に設定されている。また基本横モード発振を実現するためにはそれと併せて、２μｍ以下の極めて狭いストライプ幅が必要となっている。このため、素子端面における光密度は極めて大きくなり、例えば光ディスクの記録用光源として用いられる50ｍＷタイプの半導体レーザにおいて、素子端面の光密度は約5ＭＷ/ｃｍ2程度まで達する。したがって、基本横モード発振するGaN系半導体レーザでは、100〜200ｍＷ程度が、数千〜10000時間以上の実用的な信頼性をもって１つのストライプから得られる連続光出力の限界と考えられる。
【０００５】
また、更に大きな光出力を得るためには、ストライプ幅を広く取って高次横モードあるいはマルチ横モード発振させる必要がある。そのような大出力の半導体レーザとして具体的には、ストライプ幅が50〜2000μｍ程度で0.5〜5Ｗ程度の大出力が得られる赤色や赤外領域のブロードストライプ半導体レーザが、固体レーザ励起、溶接、半田付け、医療用等の分野で広く用いられている。
【０００６】
前述したGaN系半導体レーザは、短波長の利点を活かして、上述のような応用分野において赤色や赤外領域の半導体レーザと置き換えられる可能性がある。またこのGaN系半導体レーザは、光子エネルギーが高いことから、光化学反応を活用した材料改質、産業に応用される可能性もある。そのような応用を実現する上では、高次横モードや横マルチモードで発振する素子の性能向上が重要となる。特に、大出力光源はエネルギーとしての光を用いるが、単に出力を上げるのでなく輝度を上げることが重要となる。また、GaN系半導体レーザでは、横方向成長を用いて部分的に結晶欠陥（転位）密度を下げて高信頼性を実現しているため、現状では、高品位の結晶性を維持してストライプ幅を広げるには限界がある。最近、全面低転位密度のGaN基板が作製されているが、一般のサファイア基板に比べて極めて高価であるため、一般的に使われるには一層の低コスト化が望まれている。
【０００７】
このような状況下で、大出力で高輝度、すなわち単位面積あたりのレーザパワーの大きいレーザ装置を実現するには、複数の発光領域からのレーザビームを合波集光することが有効となる。図４は、この合波集光系が適用された半導体レーザ装置の一般的なタイプを模式的に示すものである。この半導体レーザ装置においては、複数の半導体レーザチップＬＤ１〜５を集積し、それらから発せられたレーザビームＢ１〜５を各々焦点距離＝ｆ1、開口数＝ＮＡ1のコリメートレンズＣ１〜５により平行光とした後、焦点距離＝ｆ2、開口数＝ＮＡ2の集光レンズＤによって合波集光する。また図５には、１つの半導体チップに複数の発光領域を集積してなる半導体レーザアレイＬＡから発せられたレーザビームＢ１〜５を合波集光するようにした半導体レーザ装置を示す。
【非特許文献１】ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Japanese Journal of Applied Physics）1995年、第34巻、第7A号、第L797-799頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上例示した合波レーザ光源では、接合面に平行な方向に連なる複数の近視野像を合波している。この際の光学系の倍率ｍは、ｍ＝ｆ2／ｆ1で表される。また、半導体レーザの近視野像の幅をＷ1とすると、集光スポットの接合面に平行な方向の幅Ｗ2は、Ｗ2＝ｍ×Ｗ1となる。集光ビームの広がり角度をＮＡ2とすると、このＮＡ2に基づいて出力ビームの輝度（スポット径と広がり角度の積）を規定できる。他方、ｎ本のビームを合波したコリメート光が集光レンズで絞れるためには、（ｎ／ｍ）× ＮＡ1 ≦ＮＡ2、を満たす必要がある。したがって、与えられた光学系において、合波するビーム本数ｎを増やして高出力・高輝度化するためには、半導体レーザの出力ビームの放射角度ＮＡ1（＝コリメートレンズの開口数）を小さくする必要がある。
【０００９】
また、上に示したように合波ビーム本数ｎを増やすためのみならず、GaN系半導体レーザ装置の水平ビーム放射角度、つまり接合面に平行な方向の放射角度を小さくしたいという要求は広く存在するものである。
【００１０】
本発明は上記の事情に鑑み、水平ビーム放射角度を小さく抑えることができる半導体レーザチップから発せられたレーザビームをより多数合波可能で、高出力・高輝度の合波ビームを得ることができる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による半導体レーザ装置を構成するレーザチップは、前述したように屈折率導波構造を有し、横モードが高次モードもしくはマルチモードで発振するGaN系のストライプ型半導体レーザにおいて、ストライプ中央部とストライプ外との実効屈折率差Δｎが1.5×10-2以下となっていることを特徴とするものである。
【００１２】
なお上記の実効屈折率差Δｎは、より好ましくは5×10-3≦Δｎ≦1.5×10-2、さらに好ましくは5×10-3≦Δｎ≦１×10-2の範囲に設定される。
【００１３】
また上記構成の半導体レーザにおいて、ストライプの幅は５μｍ以上とされることが望ましい。
【００１４】
また上記屈折率導波構造としては、リッジ導波路構造あるいは内部ストライプ型導波路構造のいずれもが好適に採用され得る。
【００１５】
また上記構成を有する本発明の構成要件である半導体レーザは、１つの半導体チップにストライプ構造を１つ備えるものとして形成されてもよいし、あるいは１つの半導体チップに、各々の発光点が接合面に平行な方向にほぼ一線に並ぶ状態にして複数のストライプ構造が設けられて、半導体レーザアレイとして形成されてもよい。
【００１６】
一方、本発明による１つの半導体レーザ装置は、上に説明した１つの半導体チップにストライプ構造を１つ備えてなるタイプの半導体レーザを用いた合波レーザ装置であって、
各々の発光点が接合面に平行な方向にほぼ一線に並ぶ状態に配置された複数の上記半導体レーザチップと、
各半導体レーザチップから発せられたレーザビームを各々平行光化する複数のコリメートレンズと、
該コリメートレンズを通過した複数のレーザビームをほぼ共通の点に集光する集光レンズとからなることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明による別の半導体レーザ装置は、上記半導体レーザアレイとして形成された半導体レーザチップを用いた合波レーザ装置であって、
１つまたは複数の該半導体レーザチップと、
該半導体レーザチップから発せられたレーザビームを各々平行光化する複数のコリメートレンズと、
該コリメートレンズを通過した複数のレーザビームをほぼ共通の点に集光する集光レンズとからなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
導波路設計で放射角度が決められる基本横モード発振の半導体レーザと異なり、ストライプ幅を広げて高次横モードを含む横マルチモードで発振させる半導体レーザについては、従来、ビーム放射角度の制御ができないと考えられてきた。以下、この点について、実例を挙げて詳しく説明する。
【００１９】
本発明者は、図６に示す発振波長808ｎｍの幅広ストライプのマルチモード半導体レーザについて、多種のサンプル素子を作製して、ビーム放射角度を左右する条件を調べた。なおこの図６の半導体レーザは、n-GaAs基板１(Si＝２×1018 cm-3ドープ)、n-GaAsバッファ層２(Si＝１×1018 cm-3ドープ、0.5μｍ厚)、n-Al0.63Ga0.37Asクラッド層３(Si＝１×1018 cm-3ドープ、1μｍ厚)、アンドープSCH活性層４、p-Al0.63Ga0.37Asクラッド層５(Zn＝１×1018 cm-3ドープ、1μｍ厚)、p-GaAsキャップ層６(Zn＝２×1019 cm-3ドープ、0.3 μｍ厚)、SiO2絶縁膜７、p側電極８（Ti/Pt/Au）およびn側電極９を有する。ここで、アンドープSCH活性層４はIn0.48Ga0.52P光ガイド層(アンドープ、層厚Ｗg＝0.1μｍ)、In0.13Ga0.87As0.75P0.25量子井戸層(アンドープ、10 ｎｍ)、In0.48Ga0.52P光ガイド層(アンドープ、層厚Ｗg＝0.1μｍ)からなる。
【００２０】
本例の半導体レーザは、底の幅がＷ3のメサストライプ構造を有するものであるが、このストライプ幅Ｗ3の値を10、15、20、25、55μｍとした５種のサンプル素子を作製した。さらに、p-Al0.63Ga0.37Asクラッド層５のメサストライプ外のエッチング領域における残し厚みｔ1を変えることにより、ストライプ中央部とストライプ外との実効屈折率差Δｎを制御し、該Δｎの値を５×10-3、７×10-3、1.4×10-2とした３種のサンプル素子を作製した。なお、従来の赤外半導体レーザにおいては、安定な屈折率導波が得られるΔｎ＝９×10-7以上の範囲ではビーム放射角度が変化しないため、Δｎを例えば２×10-2以上と大きめに取るようにしてきた。この半導体レーザは、室温において波長約808ｎｍ、閾値電流約100ｍＡで発振した。
【００２１】
この半導体レーザについて、水平ビーム放射角度、つまり接合面と平行な面内のビーム放射角度（半値全幅）と前記実効屈折率差Δｎとの関係、同じく水平ビーム放射角度（半値全幅）と前記ストライプ幅Ｗ3との関係を求めた結果を、それぞれ図７、図８に示す。
【００２２】
図７に示されるように、この種の赤外域の幅広ストライプ横マルチモード半導体レーザにおいては、実効屈折率差Δｎが７×10-3以上の安定な屈折率導波領域において、ビーム放射角度はΔｎに依存せずほぼ一定となっている。これは、光導波路の境界条件に拘わらず、利得媒質である活性領域の特性により横モード、すなわち近視野像の基本空間周波数が支配されることを示している。なお同図でΔｎ＝５×10-3の場合、ビーム放射角度が小さくなっているが、横モードの光出力依存性から本例では横モードが不安定となっており、活性層への注入キャリア起因のプラズマ効果による屈折率低下のため、屈折率導波が不安定であって実用に適さないことが判明した。
【００２３】
一方、図８に示すビーム放射角度のストライプ幅依存性を見ると、ストライプ幅Ｗ3が約20μｍでビーム放射角度が極大となり、20μｍ以上ではほぼ一定となる。なお、ここには示していないストライプ幅Ｗ3＝200μｍの素子は、Ｗ3＝55μｍの素子とほぼ同じビーム放射角度となった。このように、従来の赤外域の幅広ストライプのマルチモード半導体レーザにおいては、屈折率導波構造を用いても、ビーム放射角度を制御することが困難であった。特に、高輝度化に必要な小さいビーム放射角度を実現することが困難であった。
【００２４】
ところが、本発明者の研究によると、同様に横モードが高次モードもしくはマルチモードで発振する半導体レーザであっても、GaN系のストライプ型半導体レーザにおける事情は全く異なることが分かった。すなわち、このGaN系のストライプ型半導体レーザの場合は、ストライプ中央部とストライプ外との実効屈折率差Δｎを小さくするほど水平ビーム放射角度が小さくなり、そして、そのようにしても広いΔｎの範囲において屈折率導波が安定して、十分実用に適することが判明した。
【００２５】
図２は、横モードが高次モードもしくはマルチモードで発振するGaN系のストライプ型半導体レーザ装置の典型例について、ストライプ中央部とストライプ外との実効屈折率差Δｎと、水平ビーム放射角度（半値全幅）との関係を調べた結果を示すものである。ここから、実効屈折率差Δｎが1.5×10-2以下の範囲にあれば、20°以下と十分に小さい水平ビーム放射角度が得られることが分かる。
【００２６】
また、一般には実効屈折率差Δｎが小さくなるほど屈折率導波が不安定になるが、この場合は、実効屈折率差Δｎの値を５×10-3と比較的小さくしても屈折率導波が安定し、安定な横モード制御が可能であることが確認された。よってこの点から、本発明を構成する半導体レーザにおいては、実効屈折率差Δｎの値を５×10-3≦Δｎ≦1.5×10-2の範囲内に設定することがより好ましい。
【００２７】
また、実効屈折率差Δｎを１×10-2以下とすれば、水平ビーム放射角度は15°以下程度とさらに小さくなり、更なる高輝度化を実現できることになる。よってこの点から、本発明を構成する半導体レーザにおいては、実効屈折率差Δｎの値を５×10-3≦Δｎ≦１×10-2の範囲内に設定することがさらに好ましい。
【００２８】
また図３には、横モードが高次モードもしくはマルチモードで発振するGaN系のストライプ型半導体レーザの典型例について、ストライプ幅Ｗ1と水平ビーム放射角度（半値全幅）との関係を調べた結果を示す。同図から、ここに示すストライプ幅Ｗ1の範囲内であれば、水平ビーム放射角度はストライプ幅Ｗ1に依存しないことが分かる。そうであれば、このストライプ幅Ｗ1を５μｍ以上と大きく設定して、高出力化を実現するのが好ましい。
【００２９】
なお図３には比較のために、ストライプ幅Ｗ1＝1.4μｍの基本横モード発振する半導体レーザにおける同様の関係を示す。ここから、幅広ストライプのマルチ横モード半導体レーザは、基本横モード素子と比較してビーム放射角度が顕著に大きく、ビーム放射特性が全く異なることが分かる。
【００３０】
他方、本発明による半導体レーザ装置はいずれも、接合面に平行な方向に連なる複数の近視野像を合波する構成となっているが、そこでは、上述のように水平ビーム放射角度を十分小さく設定できる半導体レーザチップが用いられているので、合波するビーム本数ｎを増やして高出力・高輝度化を実現可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３２】
図１は、本発明の一実施形態にを構成する半導体レーザを示す断面模式図である。図示の通りこの半導体レーザは、低欠陥GaN基板２０と、n-GaNバッファ層２１（Siドープ、5μｍ厚）と、該n-GaNバッファ層２１の上に順次形成されたn-In0.1Ga0.9Nバッファ層２２（Siドープ、0.1μｍ厚）、n-Al0.1Ga0.9Nクラッド層２３(Siドープ、0.45μｍ厚)、n-GaN光ガイド層２４(Siドープ、0.1μｍ厚)、アンドープ活性層２５、p-GaN光ガイド層２６(Mgドープ、0.3μｍ厚)、p-Al0.1Ga0.9Nクラッド層２７(Mgドープ、0.45μｍ厚)およびp-GaNキャップ層２８(Mgドープ、0.25 μｍ厚)を有する。
【００３３】
そして上記p-GaNキャップ層２８の周囲およびp-Al0.1Ga0.9Nクラッド層２７の上面はSiN膜２９によって覆われ、さらにその上にはNi/Auからなるｐ電極３０が形成され、またn-GaNバッファ層２１の上の、発光領域を含まない部分にはTi/Al/Ti/Auからなるｎ電極３１が形成されている。
【００３４】
以下、この半導体レーザの作製方法について説明する。まず、図示しないサファイアｃ面基板上に、例えばジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Japanese Journal of Applied Physics）2000年、第39巻、第7A号、第L647頁に記載されている方法により、低欠陥GaN基板20とする層を形成する。次に常圧MOCVD法を用いて、n-GaNバッファ層２１、n-In0.1Ga0.9Nバッファ層２２、n-Al0.1Ga0.9Nクラッド層２３、n-GaN光ガイド層２４、アンドープ活性層２５、p-GaN光ガイド層２６、p-Al0.1Ga0.9Nクラッド層２７およびp-GaNキャップ層２８(Mgドープ、0.25 μｍ)を成長させる。
【００３５】
ここで活性層２５は、アンドープIn0.1Ga0.9N量子井戸層（３ｎｍ厚）、アンドープAl0.04Ga0.96N障壁層（0.01μｍ厚）、アンドープIn0.1Ga0.9N量子井戸層（３ｎｍ厚）、p-Al0.1Ga0.9N障壁層（Mgドープ、0.01μｍ厚）の４層構造とする。
【００３６】
次にフォトリソグラフィと塩素イオンを用いたRIBE(reactive ion beam etching)によりp-GaNキャップ層２８およびp-Al0.1Ga0.9Nクラッド層２７の側部領域を、p-GaN光ガイド層２６からｔ2の距離の位置までエッチングして、幅Ｗ2のリッジストライプを形成する。
【００３７】
次にSiN膜２９をプラズマCVDにより全面に製膜した後、フォトリソグラフィとエッチングによりリッジ上の不要部分を除去する。その後窒素ガス雰囲気中で熱処理によりｐ型不純物を活性化する。次いで、塩素イオンを用いたRIBEにより発光領域を含む部分以外のエピ層をn-GaNバッファ層２１が露出するまでエッチング除去する。その後、ｎ電極材料としてTi/Al/Ti/Au、ｐ電極材料としてNi/Auを真空蒸着後、窒素中アニールして、オーミック電極であるｎ電極３１、ｐ電極３０を形成する。共振器端面は劈開により形成する。
【００３８】
以上により、本実施形態にを構成するGaN系ストライプ型半導体レーザが完成する。この半導体レーザは屈折率導波構造を有し、横モードが高次モードもしくはマルチモードで発振する。その発振波長は405ｎｍである。
【００３９】
先に説明した図２は、本実施形態を構成する半導体レーザについて、ストライプ中央部とストライプ外との実効屈折率差Δｎと、水平ビーム放射角度（半値全幅）との関係を調べた結果を示すものである。本例では、リッジストライプ幅Ｗ2を７μｍで一定とし、実効屈折率差Δｎを4.8×10-3、6.5×10-3、1.07×10-2、1.42×10-2とした４種のサンプル素子を作製し、それらについて上記関係を調べた。なおこの実効屈折率差Δｎの値は、上記p-Al0.1Ga0.9Nクラッド層２７のエッチング残し厚ｔ2を変えることにより変化させた。ここから、先に説明した通り、実効屈折率差Δｎが1.5×10-2以下の範囲にあれば、20°以下と十分に小さい水平ビーム放射角度が得られることが分かる。
【００４０】
また、一般には実効屈折率差Δｎが小さくなるほど屈折率導波が不安定になるが、この場合は、実効屈折率差Δｎの値を５×10-3と比較的小さくしても屈折率導波が安定し、安定な横モード制御が可能であることが確認された。よってこの点を考慮すると、実効屈折率差Δｎの値は５×10-3≦Δｎ≦1.5×10-2の範囲内に設定することがより好ましい。
【００４１】
また、実効屈折率差Δｎを１×10-2以下とすれば、水平ビーム放射角度は15°以下程度とさらに小さくなり、更なる高輝度化を実現できることになる。よってこの点からは、実効屈折率差Δｎの値を５×10-3≦Δｎ≦１×10-2の範囲内に設定することがさらに好ましい。
【００４２】
また図３には、本実施形態を構成する半導体レーザについて、ストライプ幅Ｗ1と水平ビーム放射角度（半値全幅）との関係を調べた結果を示す。なお本例では、実効屈折率差Δｎを９×10-3で一定とし、ストライプ幅Ｗ1＝５μｍ、10μｍ、15μｍとした３種のサンプル素子を作製し、それらについて上記関係を調べた。先に説明した通り、ストライプ幅Ｗ1が５μｍ〜15μｍの範囲内であれば、水平ビーム放射角度はストライプ幅Ｗ1に依存しないことが分かる。そうであれば、このストライプ幅Ｗ1を５μｍ以上と大きく設定して、高出力化を実現するのが好ましい。
【００４３】
なお、本実施形態と基本構造を同じくする半導体レーザは、本実施形態で使用した説明したGaN基板以外に、絶縁物のサファイア基板を用いても形成可能である。また、同様の構造をSiCのような導電性の基板上に作製することも可能である。更に、AlGaNの埋め込み構造や、その他の屈折率導波構造および電流狭窄構造を用いることも可能である。
【００４４】
さらに上記実施形態では、クラッド層がAl0.1Ga0.9N、光ガイド層がGaNからなるものであるが、クラッド層のAl組成としてはキャリア閉じ込め効果を得るため0.1以上とされる。これ以上のAl組成では、光閉じ込めはAl組成増加とともに向上するため、上記は十分条件となり、良好な光閉じ込めを薄いAlGaNクラッドを用いて実現することができる。またクラッド層としては、AlGaNを含む超格子構造等を適用することも可能である。
【００４５】
さらに上記実施形態を構成する半導体レーザは、１つの半導体チップに１ストライプ構造を有するように基板を劈開して作製されるが、１つの半導体チップに複数のストライプ構造を有するように基板を劈開することにより、半導体レーザアレイを作製することも可能である。
【００４６】
次に、上述のような半導体レーザチップを用いた合波半導体レーザ装置の実施形態について説明する。まず一つの実施形態として、図１に示したタイプの半導体レーザチップ、すなわち１つの半導体チップに１ストライプ構造を有する半導体レーザチップを複数適用する実施形態が挙げられる。その全体形状は、図４に示したものと基本的に同様であり、その場合は図示の複数の半導体レーザＬＤ１〜５に代えて、それぞれ図１の半導体レーザチップを用いればよい。
【００４７】
なおこの場合、複数の半導体レーザチップは、各々の発光点が接合面に平行な方向にほぼ一線に並ぶ状態に配置されて、接合面に平行な方向に並ぶ複数の近視野像が互いに重ねられる形となる。
【００４８】
次に別の実施形態として、１つの半導体チップに複数のストライプ構造を有してなる本発明の半導体レーザアレイを１つ適用する実施形態が挙げられる。その全体形状は、図５に示したものと基本的に同様であり、その場合は図示の半導体レーザアレイＬＡに代えて、上述の本発明による半導体レーザアレイを用いればよい。
【００４９】
この半導体レーザアレイにおいては、一般的な半導体レーザアレイと同様に、各々の発光点が接合面に平行な方向にほぼ一線に並ぶ状態にして複数のストライプ構造が形成される。本例においても、合波集光系により、接合面に平行な方向に並ぶ複数の近視野像が互いに重ねられる形となる。なお、上述のような半導体レーザアレイを複数並設して用いて、合波するビーム本数をより多くすることも可能である。
【００５０】
以上説明した半導体レーザ装置においては、いずれも、前述のように水平ビーム放射角度を十分小さく設定できる本発明の特徴である半導体レーザチップが用いられているので、合波するビーム本数ｎを増やして高出力・高輝度化を実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施形態を構成する半導体レーザチップの断面模式図
【図２】GaN系の幅広ストライプマルチ横モード半導体レーザにおける、水平ビーム放射角度とストライプ内外の実効屈折率差との関係を示す説明図
【図３】GaN系の幅広ストライプマルチ横モード半導体レーザにおける、水平ビーム放射角度とストライプ幅との関係を示す説明図
【図４】合波集光する半導体レーザ装置の一例を示す概略平面図
【図５】合波集光する半導体レーザ装置の別の例を示す概略平面図
【図６】従来の赤外域半導体レーザの一例を示す概略立断面図
【図７】従来の赤外域半導体レーザにおける、水平ビーム放射角度とストライプ内外の実効屈折率差との関係を示す説明図
【図８】従来の赤外域半導体レーザにおける、水平ビーム放射角度とストライプ幅との関係を示す説明図
【符号の説明】
【００５２】
２０ 低欠陥GaN基板層
２１ n-GaNバッファ層
２２ n-In0.1Ga0.9Nバッファ層
２３ n-Al0.1Ga0.9Nクラッド層
２４ n-GaN光ガイド層
２５ アンドープ活性層
２６ p-GaN光ガイド層
２７ p-Al0.1Ga0.9Nクラッド層
２８ p-GaNキャップ層
２９ SiN膜
３０ ｐ電極
３１ ｎ電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザ装置に関し、特に詳細には、横モードが高次モードもしくはマルチモードで発振するストライプ幅が３μｍ以上のGaN系半導体レーザチップから発せられたレーザビームを合波するようにした半導体レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、600ｎｍ以下の短波長領域で発光する光源として、III-Ｖ族窒化物であるAlInGaN系の半導体レーザが注目されている。このAlInGaN等のGaN系材料は非特許文献１に記載されているように、青・緑の波長領域の半導体発光素子を形成する上で極めて優れた特性を有しており、近時は、該材料を用いて360〜500ｎｍの短波長域で発振する半導体レーザの実用化および技術開発が進められている。
【０００３】
この種の半導体レーザは、発振波長が短くて、現在実用化されている最短波長の630ｎｍ半導体レーザより格段に小さい光スポットが得られることから、高記録密度タイプの光ディスクメモリ用光源への応用が最も期待されている。また、450ｎｍ以下の短波長光源は、短波長域に感度が高い感光材料を用いた印刷などの分野におけるデジタル画像形成機器の光源として重要であり、405ｎｍ域の半導体レーザはフォトポリマ材料を用いたCTP（computer to plate）用の露光光源として実用化されている。これらの応用には、光学的に高品質な単峰性のガウスビームが必要であるので、半導体レーザとしては高品位の基本横モードレーザを用いることが必須となる。
【０００４】
基本横モード発振を実現するためには、屈折率導波型の素子構造を用いて導波モードの安定化を図る必要がある。その要求を満たす上で、屈折率導波構造の屈折率差つまり、ストライプ中央部とストライプ外との実効屈折率差Δｎは、通常5×10-3〜1×10-2の範囲に設定されている。また基本横モード発振を実現するためにはそれと併せて、２μｍ以下の極めて狭いストライプ幅が必要となっている。このため、素子端面における光密度は極めて大きくなり、例えば光ディスクの記録用光源として用いられる50ｍＷタイプの半導体レーザにおいて、素子端面の光密度は約5ＭＷ/ｃｍ2程度まで達する。したがって、基本横モード発振するGaN系半導体レーザでは、100〜200ｍＷ程度が、数千〜10000時間以上の実用的な信頼性をもって１つのストライプから得られる連続光出力の限界と考えられる。
【０００５】
また、更に大きな光出力を得るためには、ストライプ幅を広く取って高次横モードあるいはマルチ横モード発振させる必要がある。そのような大出力の半導体レーザとして具体的には、ストライプ幅が50〜2000μｍ程度で0.5〜5Ｗ程度の大出力が得られる赤色や赤外領域のブロードストライプ半導体レーザが、固体レーザ励起、溶接、半田付け、医療用等の分野で広く用いられている。
【０００６】
前述したGaN系半導体レーザは、短波長の利点を活かして、上述のような応用分野において赤色や赤外領域の半導体レーザと置き換えられる可能性がある。またこのGaN系半導体レーザは、光子エネルギーが高いことから、光化学反応を活用した材料改質、産業に応用される可能性もある。そのような応用を実現する上では、高次横モードや横マルチモードで発振する素子の性能向上が重要となる。特に、大出力光源はエネルギーとしての光を用いるが、単に出力を上げるのでなく輝度を上げることが重要となる。また、GaN系半導体レーザでは、横方向成長を用いて部分的に結晶欠陥（転位）密度を下げて高信頼性を実現しているため、現状では、高品位の結晶性を維持してストライプ幅を広げるには限界がある。最近、全面低転位密度のGaN基板が作製されているが、一般のサファイア基板に比べて極めて高価であるため、一般的に使われるには一層の低コスト化が望まれている。
【０００７】
このような状況下で、大出力で高輝度、すなわち単位面積あたりのレーザパワーの大きいレーザ装置を実現するには、複数の発光領域からのレーザビームを合波集光することが有効となる。図４は、この合波集光系が適用された半導体レーザ装置の一般的なタイプを模式的に示すものである。この半導体レーザ装置においては、複数の半導体レーザチップＬＤ１〜５を集積し、それらから発せられたレーザビームＢ１〜５を各々焦点距離＝ｆ1、開口数＝ＮＡ1のコリメートレンズＣ１〜５により平行光とした後、焦点距離＝ｆ2、開口数＝ＮＡ2の集光レンズＤによって合波集光する。また図５には、１つの半導体チップに複数の発光領域を集積してなる半導体レーザアレイＬＡから発せられたレーザビームＢ１〜５を合波集光するようにした半導体レーザ装置を示す。
【非特許文献１】ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Japanese Journal of Applied Physics）1995年、第34巻、第7A号、第L797-799頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上例示した合波レーザ光源では、接合面に平行な方向に連なる複数の近視野像を合波している。この際の光学系の倍率ｍは、ｍ＝ｆ2／ｆ1で表される。また、半導体レーザの近視野像の幅をＷ1とすると、集光スポットの接合面に平行な方向の幅Ｗ2は、Ｗ2＝ｍ×Ｗ1となる。集光ビームの広がり角度をＮＡ2とすると、このＮＡ2に基づいて出力ビームの輝度（スポット径と広がり角度の積）を規定できる。他方、ｎ本のビームを合波したコリメート光が集光レンズで絞れるためには、（ｎ／ｍ）× ＮＡ1 ≦ＮＡ2、を満たす必要がある。したがって、与えられた光学系において、合波するビーム本数ｎを増やして高出力・高輝度化するためには、半導体レーザの出力ビームの放射角度ＮＡ1（＝コリメートレンズの開口数）を小さくする必要がある。
【０００９】
また、上に示したように合波ビーム本数ｎを増やすためのみならず、GaN系半導体レーザ装置の水平ビーム放射角度、つまり接合面に平行な方向の放射角度を小さくしたいという要求は広く存在するものである。
【００１０】
本発明は上記の事情に鑑み、水平ビーム放射角度を小さく抑えることができる半導体レーザチップから発せられたレーザビームをより多数合波可能で、高出力・高輝度の合波ビームを得ることができる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による半導体レーザ装置を構成するレーザチップは、前述したように屈折率導波構造を有し、横モードが高次モードもしくはマルチモードで発振するGaN系のストライプ型半導体レーザにおいて、ストライプ中央部とストライプ外との実効屈折率差Δｎが1.5×10-2以下となっていることを特徴とするものである。
【００１２】
なお上記の実効屈折率差Δｎは、より好ましくは5×10-3≦Δｎ≦1.5×10-2、さらに好ましくは5×10-3≦Δｎ≦１×10-2の範囲に設定される。
【００１３】
また上記構成の半導体レーザにおいて、ストライプの幅は５μｍ以上とされることが望ましい。
【００１４】
また上記屈折率導波構造としては、リッジ導波路構造あるいは内部ストライプ型導波路構造のいずれもが好適に採用され得る。
【００１５】
また上記構成を有する本発明の構成要件である半導体レーザは、１つの半導体チップにストライプ構造を１つ備えるものとして形成されてもよいし、あるいは１つの半導体チップに、各々の発光点が接合面に平行な方向にほぼ一線に並ぶ状態にして複数のストライプ構造が設けられて、半導体レーザアレイとして形成されてもよい。
【００１６】
一方、本発明による１つの半導体レーザ装置は、上に説明した１つの半導体チップにストライプ構造を１つ備えてなるタイプの半導体レーザを用いた合波レーザ装置であって、
各々の発光点が接合面に平行な方向にほぼ一線に並ぶ状態に配置された複数の上記半導体レーザチップと、
各半導体レーザチップから発せられたレーザビームを各々平行光化する複数のコリメートレンズと、
該コリメートレンズを通過した複数のレーザビームをほぼ共通の点に集光する集光レンズとからなることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明による別の半導体レーザ装置は、上記半導体レーザアレイとして形成された半導体レーザチップを用いた合波レーザ装置であって、
１つまたは複数の該半導体レーザチップと、
該半導体レーザチップから発せられたレーザビームを各々平行光化する複数のコリメートレンズと、
該コリメートレンズを通過した複数のレーザビームをほぼ共通の点に集光する集光レンズとからなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
導波路設計で放射角度が決められる基本横モード発振の半導体レーザと異なり、ストライプ幅を広げて高次横モードを含む横マルチモードで発振させる半導体レーザについては、従来、ビーム放射角度の制御ができないと考えられてきた。以下、この点について、実例を挙げて詳しく説明する。
【００１９】
本発明者は、図６に示す発振波長808ｎｍの幅広ストライプのマルチモード半導体レーザについて、多種のサンプル素子を作製して、ビーム放射角度を左右する条件を調べた。なおこの図６の半導体レーザは、n-GaAs基板１(Si＝２×1018 cm-3ドープ)、n-GaAsバッファ層２(Si＝１×1018 cm-3ドープ、0.5μｍ厚)、n-Al0.63Ga0.37Asクラッド層３(Si＝１×1018 cm-3ドープ、1μｍ厚)、アンドープSCH活性層４、p-Al0.63Ga0.37Asクラッド層５(Zn＝１×1018 cm-3ドープ、1μｍ厚)、p-GaAsキャップ層６(Zn＝２×1019 cm-3ドープ、0.3 μｍ厚)、SiO2絶縁膜７、p側電極８（Ti/Pt/Au）およびn側電極９を有する。ここで、アンドープSCH活性層４はIn0.48Ga0.52P光ガイド層(アンドープ、層厚Ｗg＝0.1μｍ)、In0.13Ga0.87As0.75P0.25量子井戸層(アンドープ、10 ｎｍ)、In0.48Ga0.52P光ガイド層(アンドープ、層厚Ｗg＝0.1μｍ)からなる。
【００２０】
本例の半導体レーザは、底の幅がＷ3のメサストライプ構造を有するものであるが、このストライプ幅Ｗ3の値を10、15、20、25、55μｍとした５種のサンプル素子を作製した。さらに、p-Al0.63Ga0.37Asクラッド層５のメサストライプ外のエッチング領域における残し厚みｔ1を変えることにより、ストライプ中央部とストライプ外との実効屈折率差Δｎを制御し、該Δｎの値を５×10-3、７×10-3、1.4×10-2とした３種のサンプル素子を作製した。なお、従来の赤外半導体レーザにおいては、安定な屈折率導波が得られるΔｎ＝９×10-7以上の範囲ではビーム放射角度が変化しないため、Δｎを例えば２×10-2以上と大きめに取るようにしてきた。この半導体レーザは、室温において波長約808ｎｍ、閾値電流約100ｍＡで発振した。
【００２１】
この半導体レーザについて、水平ビーム放射角度、つまり接合面と平行な面内のビーム放射角度（半値全幅）と前記実効屈折率差Δｎとの関係、同じく水平ビーム放射角度（半値全幅）と前記ストライプ幅Ｗ3との関係を求めた結果を、それぞれ図７、図８に示す。
【００２２】
図７に示されるように、この種の赤外域の幅広ストライプ横マルチモード半導体レーザにおいては、実効屈折率差Δｎが７×10-3以上の安定な屈折率導波領域において、ビーム放射角度はΔｎに依存せずほぼ一定となっている。これは、光導波路の境界条件に拘わらず、利得媒質である活性領域の特性により横モード、すなわち近視野像の基本空間周波数が支配されることを示している。なお同図でΔｎ＝５×10-3の場合、ビーム放射角度が小さくなっているが、横モードの光出力依存性から本例では横モードが不安定となっており、活性層への注入キャリア起因のプラズマ効果による屈折率低下のため、屈折率導波が不安定であって実用に適さないことが判明した。
【００２３】
一方、図８に示すビーム放射角度のストライプ幅依存性を見ると、ストライプ幅Ｗ3が約20μｍでビーム放射角度が極大となり、20μｍ以上ではほぼ一定となる。なお、ここには示していないストライプ幅Ｗ3＝200μｍの素子は、Ｗ3＝55μｍの素子とほぼ同じビーム放射角度となった。このように、従来の赤外域の幅広ストライプのマルチモード半導体レーザにおいては、屈折率導波構造を用いても、ビーム放射角度を制御することが困難であった。特に、高輝度化に必要な小さいビーム放射角度を実現することが困難であった。
【００２４】
ところが、本発明者の研究によると、同様に横モードが高次モードもしくはマルチモードで発振する半導体レーザであっても、GaN系のストライプ型半導体レーザにおける事情は全く異なることが分かった。すなわち、このGaN系のストライプ型半導体レーザの場合は、ストライプ中央部とストライプ外との実効屈折率差Δｎを小さくするほど水平ビーム放射角度が小さくなり、そして、そのようにしても広いΔｎの範囲において屈折率導波が安定して、十分実用に適することが判明した。
【００２５】
図２は、横モードが高次モードもしくはマルチモードで発振するGaN系のストライプ型半導体レーザ装置の典型例について、ストライプ中央部とストライプ外との実効屈折率差Δｎと、水平ビーム放射角度（半値全幅）との関係を調べた結果を示すものである。ここから、実効屈折率差Δｎが1.5×10-2以下の範囲にあれば、20°以下と十分に小さい水平ビーム放射角度が得られることが分かる。
【００２６】
また、一般には実効屈折率差Δｎが小さくなるほど屈折率導波が不安定になるが、この場合は、実効屈折率差Δｎの値を５×10-3と比較的小さくしても屈折率導波が安定し、安定な横モード制御が可能であることが確認された。よってこの点から、本発明を構成する半導体レーザにおいては、実効屈折率差Δｎの値を５×10-3≦Δｎ≦1.5×10-2の範囲内に設定することがより好ましい。
【００２７】
また、実効屈折率差Δｎを１×10-2以下とすれば、水平ビーム放射角度は15°以下程度とさらに小さくなり、更なる高輝度化を実現できることになる。よってこの点から、本発明を構成する半導体レーザにおいては、実効屈折率差Δｎの値を５×10-3≦Δｎ≦１×10-2の範囲内に設定することがさらに好ましい。
【００２８】
また図３には、横モードが高次モードもしくはマルチモードで発振するGaN系のストライプ型半導体レーザの典型例について、ストライプ幅Ｗ1と水平ビーム放射角度（半値全幅）との関係を調べた結果を示す。同図から、ここに示すストライプ幅Ｗ1の範囲内であれば、水平ビーム放射角度はストライプ幅Ｗ1に依存しないことが分かる。そうであれば、このストライプ幅Ｗ1を５μｍ以上と大きく設定して、高出力化を実現するのが好ましい。
【００２９】
なお図３には比較のために、ストライプ幅Ｗ1＝1.4μｍの基本横モード発振する半導体レーザにおける同様の関係を示す。ここから、幅広ストライプのマルチ横モード半導体レーザは、基本横モード素子と比較してビーム放射角度が顕著に大きく、ビーム放射特性が全く異なることが分かる。
【００３０】
他方、本発明による半導体レーザ装置はいずれも、接合面に平行な方向に連なる複数の近視野像を合波する構成となっているが、そこでは、上述のように水平ビーム放射角度を十分小さく設定できる半導体レーザチップが用いられているので、合波するビーム本数ｎを増やして高出力・高輝度化を実現可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３２】
図１は、本発明の一実施形態にを構成する半導体レーザを示す断面模式図である。図示の通りこの半導体レーザは、低欠陥GaN基板２０と、n-GaNバッファ層２１（Siドープ、5μｍ厚）と、該n-GaNバッファ層２１の上に順次形成されたn-In0.1Ga0.9Nバッファ層２２（Siドープ、0.1μｍ厚）、n-Al0.1Ga0.9Nクラッド層２３(Siドープ、0.45μｍ厚)、n-GaN光ガイド層２４(Siドープ、0.1μｍ厚)、アンドープ活性層２５、p-GaN光ガイド層２６(Mgドープ、0.3μｍ厚)、p-Al0.1Ga0.9Nクラッド層２７(Mgドープ、0.45μｍ厚)およびp-GaNキャップ層２８(Mgドープ、0.25 μｍ厚)を有する。
【００３３】
そして上記p-GaNキャップ層２８の周囲およびp-Al0.1Ga0.9Nクラッド層２７の上面はSiN膜２９によって覆われ、さらにその上にはNi/Auからなるｐ電極３０が形成され、またn-GaNバッファ層２１の上の、発光領域を含まない部分にはTi/Al/Ti/Auからなるｎ電極３１が形成されている。
【００３４】
以下、この半導体レーザの作製方法について説明する。まず、図示しないサファイアｃ面基板上に、例えばジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Japanese Journal of Applied Physics）2000年、第39巻、第7A号、第L647頁に記載されている方法により、低欠陥GaN基板20とする層を形成する。次に常圧MOCVD法を用いて、n-GaNバッファ層２１、n-In0.1Ga0.9Nバッファ層２２、n-Al0.1Ga0.9Nクラッド層２３、n-GaN光ガイド層２４、アンドープ活性層２５、p-GaN光ガイド層２６、p-Al0.1Ga0.9Nクラッド層２７およびp-GaNキャップ層２８(Mgドープ、0.25 μｍ)を成長させる。
【００３５】
ここで活性層２５は、アンドープIn0.1Ga0.9N量子井戸層（３ｎｍ厚）、アンドープAl0.04Ga0.96N障壁層（0.01μｍ厚）、アンドープIn0.1Ga0.9N量子井戸層（３ｎｍ厚）、p-Al0.1Ga0.9N障壁層（Mgドープ、0.01μｍ厚）の４層構造とする。
【００３６】
次にフォトリソグラフィと塩素イオンを用いたRIBE(reactive ion beam etching)によりp-GaNキャップ層２８およびp-Al0.1Ga0.9Nクラッド層２７の側部領域を、p-GaN光ガイド層２６からｔ2の距離の位置までエッチングして、幅Ｗ2のリッジストライプを形成する。
【００３７】
次にSiN膜２９をプラズマCVDにより全面に製膜した後、フォトリソグラフィとエッチングによりリッジ上の不要部分を除去する。その後窒素ガス雰囲気中で熱処理によりｐ型不純物を活性化する。次いで、塩素イオンを用いたRIBEにより発光領域を含む部分以外のエピ層をn-GaNバッファ層２１が露出するまでエッチング除去する。その後、ｎ電極材料としてTi/Al/Ti/Au、ｐ電極材料としてNi/Auを真空蒸着後、窒素中アニールして、オーミック電極であるｎ電極３１、ｐ電極３０を形成する。共振器端面は劈開により形成する。
【００３８】
以上により、本実施形態にを構成するGaN系ストライプ型半導体レーザが完成する。この半導体レーザは屈折率導波構造を有し、横モードが高次モードもしくはマルチモードで発振する。その発振波長は405ｎｍである。
【００３９】
先に説明した図２は、本実施形態を構成する半導体レーザについて、ストライプ中央部とストライプ外との実効屈折率差Δｎと、水平ビーム放射角度（半値全幅）との関係を調べた結果を示すものである。本例では、リッジストライプ幅Ｗ2を７μｍで一定とし、実効屈折率差Δｎを4.8×10-3、6.5×10-3、1.07×10-2、1.42×10-2とした４種のサンプル素子を作製し、それらについて上記関係を調べた。なおこの実効屈折率差Δｎの値は、上記p-Al0.1Ga0.9Nクラッド層２７のエッチング残し厚ｔ2を変えることにより変化させた。ここから、先に説明した通り、実効屈折率差Δｎが1.5×10-2以下の範囲にあれば、20°以下と十分に小さい水平ビーム放射角度が得られることが分かる。
【００４０】
また、一般には実効屈折率差Δｎが小さくなるほど屈折率導波が不安定になるが、この場合は、実効屈折率差Δｎの値を５×10-3と比較的小さくしても屈折率導波が安定し、安定な横モード制御が可能であることが確認された。よってこの点を考慮すると、実効屈折率差Δｎの値は５×10-3≦Δｎ≦1.5×10-2の範囲内に設定することがより好ましい。
【００４１】
また、実効屈折率差Δｎを１×10-2以下とすれば、水平ビーム放射角度は15°以下程度とさらに小さくなり、更なる高輝度化を実現できることになる。よってこの点からは、実効屈折率差Δｎの値を５×10-3≦Δｎ≦１×10-2の範囲内に設定することがさらに好ましい。
【００４２】
また図３には、本実施形態を構成する半導体レーザについて、ストライプ幅Ｗ1と水平ビーム放射角度（半値全幅）との関係を調べた結果を示す。なお本例では、実効屈折率差Δｎを９×10-3で一定とし、ストライプ幅Ｗ1＝５μｍ、10μｍ、15μｍとした３種のサンプル素子を作製し、それらについて上記関係を調べた。先に説明した通り、ストライプ幅Ｗ1が５μｍ〜15μｍの範囲内であれば、水平ビーム放射角度はストライプ幅Ｗ1に依存しないことが分かる。そうであれば、このストライプ幅Ｗ1を５μｍ以上と大きく設定して、高出力化を実現するのが好ましい。
【００４３】
なお、本実施形態と基本構造を同じくする半導体レーザは、本実施形態で使用した説明したGaN基板以外に、絶縁物のサファイア基板を用いても形成可能である。また、同様の構造をSiCのような導電性の基板上に作製することも可能である。更に、AlGaNの埋め込み構造や、その他の屈折率導波構造および電流狭窄構造を用いることも可能である。
【００４４】
さらに上記実施形態では、クラッド層がAl0.1Ga0.9N、光ガイド層がGaNからなるものであるが、クラッド層のAl組成としてはキャリア閉じ込め効果を得るため0.1以上とされる。これ以上のAl組成では、光閉じ込めはAl組成増加とともに向上するため、上記は十分条件となり、良好な光閉じ込めを薄いAlGaNクラッドを用いて実現することができる。またクラッド層としては、AlGaNを含む超格子構造等を適用することも可能である。
【００４５】
さらに上記実施形態を構成する半導体レーザは、１つの半導体チップに１ストライプ構造を有するように基板を劈開して作製されるが、１つの半導体チップに複数のストライプ構造を有するように基板を劈開することにより、半導体レーザアレイを作製することも可能である。
【００４６】
次に、上述のような半導体レーザチップを用いた合波半導体レーザ装置の実施形態について説明する。まず一つの実施形態として、図１に示したタイプの半導体レーザチップ、すなわち１つの半導体チップに１ストライプ構造を有する半導体レーザチップを複数適用する実施形態が挙げられる。その全体形状は、図４に示したものと基本的に同様であり、その場合は図示の複数の半導体レーザＬＤ１〜５に代えて、それぞれ図１の半導体レーザチップを用いればよい。
【００４７】
なおこの場合、複数の半導体レーザチップは、各々の発光点が接合面に平行な方向にほぼ一線に並ぶ状態に配置されて、接合面に平行な方向に並ぶ複数の近視野像が互いに重ねられる形となる。
【００４８】
次に別の実施形態として、１つの半導体チップに複数のストライプ構造を有してなる本発明の半導体レーザアレイを１つ適用する実施形態が挙げられる。その全体形状は、図５に示したものと基本的に同様であり、その場合は図示の半導体レーザアレイＬＡに代えて、上述の本発明による半導体レーザアレイを用いればよい。
【００４９】
この半導体レーザアレイにおいては、一般的な半導体レーザアレイと同様に、各々の発光点が接合面に平行な方向にほぼ一線に並ぶ状態にして複数のストライプ構造が形成される。本例においても、合波集光系により、接合面に平行な方向に並ぶ複数の近視野像が互いに重ねられる形となる。なお、上述のような半導体レーザアレイを複数並設して用いて、合波するビーム本数をより多くすることも可能である。
【００５０】
以上説明した半導体レーザ装置においては、いずれも、前述のように水平ビーム放射角度を十分小さく設定できる本発明の特徴である半導体レーザチップが用いられているので、合波するビーム本数ｎを増やして高出力・高輝度化を実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施形態を構成する半導体レーザチップの断面模式図
【図２】GaN系の幅広ストライプマルチ横モード半導体レーザにおける、水平ビーム放射角度とストライプ内外の実効屈折率差との関係を示す説明図
【図３】GaN系の幅広ストライプマルチ横モード半導体レーザにおける、水平ビーム放射角度とストライプ幅との関係を示す説明図
【図４】合波集光する半導体レーザ装置の一例を示す概略平面図
【図５】合波集光する半導体レーザ装置の別の例を示す概略平面図
【図６】従来の赤外域半導体レーザの一例を示す概略立断面図
【図７】従来の赤外域半導体レーザにおける、水平ビーム放射角度とストライプ内外の実効屈折率差との関係を示す説明図
【図８】従来の赤外域半導体レーザにおける、水平ビーム放射角度とストライプ幅との関係を示す説明図
【符号の説明】
【００５２】
２０ 低欠陥GaN基板層
２１ n-GaNバッファ層
２２ n-In0.1Ga0.9Nバッファ層
２３ n-Al0.1Ga0.9Nクラッド層
２４ n-GaN光ガイド層
２５ アンドープ活性層
２６ p-GaN光ガイド層
２７ p-Al0.1Ga0.9Nクラッド層
２８ p-GaNキャップ層
２９ SiN膜
３０ ｐ電極
３１ ｎ電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率導波構造を有し、横モードが高次モードもしくはマルチモードで発振するGaN系のストライプ型半導体レーザ装置において、ストライプ中央部とストライプ外との実効屈折率差Δｎが1.5×10-2以下となっていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記実効屈折率差Δｎが、５×10-3≦Δｎ≦1.5×10-2の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記実効屈折率差Δｎが、５×10-3≦Δｎ≦１×10-2の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記ストライプの幅が５μｍ以上であることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記屈折率導波構造が、リッジ導波路構造であることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記屈折率導波構造が、内部ストライプ型導波路構造であることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
１つの半導体チップにストライプ構造を１つ備えてなることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
１つの半導体チップに、各々の発光点が接合面に平行な方向にほぼ一線に並ぶ状態にして複数のストライプ構造が設けられて、半導体レーザアレイとして形成されたことを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
各々の発光点が接合面に平行な方向にほぼ一線に並ぶ状態に配置された請求項７記載の半導体レーザチップ複数と、
各半導体レーザチップから発せられたレーザビームを各々平行光化する複数のコリメートレンズと、
該コリメートレンズを通過した複数のレーザビームをほぼ共通の点に集光する集光レンズとからなる半導体レーザ装置。
【請求項１０】
１つまたは複数の請求項８記載の半導体レーザチップと、
該半導体レーザチップから発せられた複数のレーザビームを各々平行光化する複数のコリメートレンズと、
該コリメートレンズを通過した複数のレーザビームをほぼ共通の点に集光する集光レンズとからなる半導体レーザ装置。
【請求項１】
屈折率導波構造を有し、横モードが高次モードもしくはマルチモードで発振するGaN系のストライプ型半導体レーザ装置において、ストライプ中央部とストライプ外との実効屈折率差Δｎが1.5×10-2以下となっていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記実効屈折率差Δｎが、５×10-3≦Δｎ≦1.5×10-2の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記実効屈折率差Δｎが、５×10-3≦Δｎ≦１×10-2の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記ストライプの幅が５μｍ以上であることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記屈折率導波構造が、リッジ導波路構造であることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記屈折率導波構造が、内部ストライプ型導波路構造であることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
１つの半導体チップにストライプ構造を１つ備えてなることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
１つの半導体チップに、各々の発光点が接合面に平行な方向にほぼ一線に並ぶ状態にして複数のストライプ構造が設けられて、半導体レーザアレイとして形成されたことを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
各々の発光点が接合面に平行な方向にほぼ一線に並ぶ状態に配置された請求項７記載の半導体レーザチップ複数と、
各半導体レーザチップから発せられたレーザビームを各々平行光化する複数のコリメートレンズと、
該コリメートレンズを通過した複数のレーザビームをほぼ共通の点に集光する集光レンズとからなる半導体レーザ装置。
【請求項１０】
１つまたは複数の請求項８記載の半導体レーザチップと、
該半導体レーザチップから発せられた複数のレーザビームを各々平行光化する複数のコリメートレンズと、
該コリメートレンズを通過した複数のレーザビームをほぼ共通の点に集光する集光レンズとからなる半導体レーザ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−１２０９２３（Ｐ２００６−１２０９２３Ａ）
【公開日】平成１８年５月１１日（２００６．５．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３０８２８５（Ｐ２００４−３０８２８５）
【出願日】平成１６年１０月２２日（２００４．１０．２２）
【出願人】（０００００５２０１）富士写真フイルム株式会社 (7,609)
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月１１日（２００６．５．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月２２日（２００４．１０．２２）
【出願人】（０００００５２０１）富士写真フイルム株式会社 (7,609)
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【Ｆターム（参考）】
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