JP2001223429A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

半導体レーザ装置

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JP2001223429A JP2000031623A JP2000031623A JP2001223429A JP 2001223429 A JP2001223429 A JP 2001223429A JP 2000031623 A JP2000031623 A JP 2000031623A JP 2000031623 A JP2000031623 A JP 2000031623A JP 2001223429 A JP2001223429 A JP 2001223429A
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light
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利郎 早川
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光励起の面発光型半導体レーザ装置におい
て、低電流での直接変調を可能にする。 【解決手段】 励起用に発振波長が８１０ｎｍのブロー
ドエリア型半導体レーザ素子31を用い、面発光型半導体
素子23のＧａＡｓ基板11側が取り付けられた穴あきヒー
トシンク33と、外部ミラー35と、該外部ミラー35の凹面
と面発光型半導体素子23の多層光学フィルタ13とにより
構成される共振器内に波長選択素子34を設け、さらに面
発光型半導体素子23に直流バイアス回路95と、信号源96
と、変調回路97と、ミキサー98とからなる変調手段を設
けて半導体レーザ装置を構成する。半導体レーザ素子31
からの８１０ｎｍの励起光36は、集光レンズにより面発
光型半導体素子23に集光され、面発光型半導体素子23の
光閉じ込め層14、16および多重量子井戸活性層15により
効率よく吸収されて、波長約９８０ｎｍのレーザ光37が
出力される。面発光型半導体素子に設置した変調回路に
より面発光型半導体素子のｐｎ接合に電圧を印加し変調
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザー装
置に関し、特に面発光型の半導体素子を半導体レーザ素
子により励起し、レーザ発振を得る構成の半導体レーザ
装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】これまで、狭ストライプ幅のストライプ
型単一横モード半導体レーザ装置は、高速な情報・画像
処理および通信、計測、医療、印刷の分野での光源、あ
るいはレーザディスプレイ等の画像表示装置に用いられ
ており、高出力まで高品位なビームを有することが要求
されている。しかし、その半導体レーザ装置の実用出力
は２００〜３００ｍＷに限られているという問題があっ
た。この主な原因としては次の２つが挙げられる。一つ
は、高出力域ではレーザ光を発生するためのキャリアの
供給がキャリア自身の拡散過程に律速されるために、レ
ーザビーム強度の大きい箇所では、キャリア濃度が低下
し、空間的ホールバーニング現象が発生により、半導体
の屈折率が上昇し、導波モードに影響を及ぼしてビーム
品位の劣化や電流−光出力特性にキンクを生じることで
ある。他方は、狭ストライプレーザでは、例えば、スト
ライプ幅が４μｍであって、接合に垂直方向の等価的な
ビーム径が０．５μｍの場合、出力３００ｍＷでは、そ
の出力密度が１５ＭＷ／ｃｍ ２にもなるため、半導体レ
ーザに対する負荷が大きく様々な劣化を生じることであ
る。これらの問題により、高信頼性が得られず、実用出
力の向上を妨げている。
【０００３】そこで、前者に対しては導波構造の最適
化、後者に対しては端面保護膜の最適化や端面窓構造の
開発が行われている。しかしながら、これらの技術は限
界に近づいており、さらに大きな出力の高品位なビーム
を半導体レーザにおいて実現するためには、新たなモー
ド制御技術と発光面積の増大による光密度の低減が必須
である。
【０００４】このため、空間的にコヒーレントで数百ｍ
Ｗ以上の高出力を有する半導体レーザ装置を実現するた
めに、様々な試みが行われている。例えば1994年発行の
Cambridge University PressのBotez氏とD.R.Scifres氏
による“Diode Laser Arrays”に記載のレーザ装置が挙
げられる。しかしながら、これらのモノリシックに高品
位ビームを実現する構造は、その構造や作成プロセスが
複雑であるという欠点を有する。また、これらの高出力
半導体レーザは駆動電流が５００ｍＡあるいは１Ａ以上
と極めて大きいため、変調する際には変調電流の振幅が
０．５Ａあるいは１Ａ以上にもなり、駆動回路に大きな
負荷がかかったり、またコストの上昇を招く。さらには
このような大電流変調を用いると周囲への電磁波を遮蔽
するための特別の電磁シールドが必要となり煩雑になる
という問題がある。
【０００５】上記のような従来の電流注入型半導体レー
ザの欠点を克服する手段として、米国特許第5461637号
および米国特許第5627853号に光励起の面発光型の半導
体レーザ装置が提案されている。しかしながら、これら
に記載されている装置では半導体の熱レンズ効果、つま
り温度が上昇すると屈折率が上昇する効果を用いている
ため、基本的に温度上昇が必要なことと、温度分布に敏
感で空間的な発振モードが不安定になる欠点があった。
さらに、高出力においては半導体媒質特有のプラズマ効
果、いわゆるキャリアの増加により、屈折率が低下する
効果が、高出力のレーザ光を発生するための空間的なキ
ャリアの穴あき効果（空間的ホールバーニング）によっ
て生じるため空間モードが不安定となる欠点を有する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、光励起
の面発光型の半導体レーザ装置においては、大電流でも
って励起用の半導体レーザの励起光強度を変調しないと
変調が困難であり、直接変調による発振ビームの高速変
調ビームを得ることが非常に困難であった。
【０００７】本発明は上記事情に鑑みて、低電流にて直
接変調が可能な高出力かつ高品位な半導体レーザ装置を
提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ装
置は、半導体レーザ素子からなる励起光源と、該励起光
源により励起され、該励起光源が発する励起光の波長よ
り長波長の光を発する、基板上に活性領域と該活性領域
の前記基板側あるいは前記基板と反対側に形成されたミ
ラーを有する面発光型半導体素子と、該面発光型半導体
素子の外部に配置され、ミラーと外部共振器を形成する
少なくとも一つの外部ミラーとを備えた半導体レーザ装
置において、面発光型半導体素子に変調手段を備えたこ
とを特徴とするものである。
【０００９】変調手段は、面発光型半導体素子のｐｎ接
合に対して電圧変化を付与するものであることが望まし
い。
【００１０】また、変調手段は、面発光型半導体素子の
ショットキー接合に対して電圧変化を付与するものであ
ってもよい。
【００１１】また、本発明の半導体レーザ装置は、面発
光型半導体素子に、発振したレーザ光の空間モードを制
御する空間モード制御部を備えていてもよい。その場
合、空間モード制御部は、面発光型半導体素子の光出射
端面に形成されたレーザ光を透過する孔形状の光透過
部、あるいは、レーザ光が出射する面と平行な面に部分
的に形成された前記ミラー、あるいは、レーザ光が出射
する面と平行な面に部分的に形成された前記活性領域で
あることが望ましい。また、さらに、該空間モード制御
部の大きさは、該空間モード制御部が形成された場所に
おけるレーザ光の径の０．１倍以上１０倍以下であるこ
とが望ましい。
【００１２】また、外部共振器内に波長選択素子を設け
ていてよい。
【００１３】また、外部共振器内に偏光制御素子を設け
ていてもよい。
【００１４】さらに、半導体レーザ素子の活性層は、Ｉ
ｎｖ１Ｇａ１−ｖ１Ｎからなり、面発光型半導体素子の
活性層はＩｎｖ２Ｇａ１−ｖ２Ｎからなっていてもよ
く、組成比は0＜v1＜v2＜1であることが望ましい。
【００１５】また、半導体レーザ素子の活性層は、Ｉｎ
ＧａＮ系の組成からなり、面発光型半導体素子の活性層
はＡｌＧａＩｎＰ系またはＧａＩｎＰ系の組成からなっ
ていてもよい。
【００１６】また、半導体レーザ素子の活性層は、Ｉｎ
ｗ１Ｇａ１−ｗ１Ａｓからなり、面発光型半導体素子の
活性層は、Ｉｎｗ２Ｇａ１−ｗ２Ａｓからなっていても
よく、組成比は0＜w1＜w2＜1であることが望ましい。
【００１７】また、ＩｎＧａＮ系とは少なくともＩｎ元
素とＧａ元素とＮ元素を含む組成であることを示す。ま
た、ＡｌＧａＩｎＰ系およびＧａＩｎＰ系についても同
様である。
【００１８】
【発明の効果】本発明の半導体レーザ装置によれば、半
導体レーザ素子を励起光源とし、面発光型半導体素子を
励起しレーザ発振を得る半導体レーザ装置において、面
発光型半導体素子に変調手段を備えているので、従来の
ように、大電流で励起用の半導体レーザ素子を変調する
必要がなく、低電流で高速変調が可能である。
【００１９】特に、面発光型半導体素子のｐｎ接合に対
して電圧変化、例えば、逆バイアスを印加するとレーザ
利得を下げることができ、これにより消光比の高い変調
が可能である。
【００２０】また、面発光型半導体素子のショットキー
接合に対して電圧変化を付与することにより、活性層の
利得を制御して変調を行うことができる。
【００２１】また、本発明の半導体レーザ装置の面発光
型半導体素子に空間モード制御手段を設けることによ
り、高出力であっても基本横モード発振を得ることがで
きる。
【００２２】具体的には、空間モード制御部として、光
出射面に孔形状の光透過部あるいは部分的に活性層を形
成することにより、基本モードよりも高次モードの外部
共振器損失を増やすことができるので、高次横モードが
制御され、基本横モード発振を得ることができる。
【００２３】また、部分的に反射膜を形成することによ
って、基本モードを選択的に高反射することができ、基
本モードよりも高次モードの外部共振器損失を増やすこ
とができるので、発振光の高次横モードを制御すること
ができる。
【００２４】なお、空間モード制御部の大きさを、該空
間モード制御部が形成された場所におけるレーザ光の径
の０．１倍以上１０倍以下とすることにより、良好なビ
ーム形状および特性を得ることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
を用いて詳細に説明する。
【００２６】本発明の第１の実施の形態による半導体レ
ーザ装置について説明する。その半導体レーザ装置を構
成する面発光型半導体素子の断面図を図１に示し、半導
体レーザ装置の概略構成図を図２に示す。
【００２７】まず面発光型半導体素子について説明す
る。図１に示すように、有機金属気相成長法により、ｎ
−ＧａＡｓ（００１）11基板上にｎ−ＧａＡｓバッファ
層12を積層後、ｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ
からなる多層光学フィルタ層13（ただし、ｎ−ＧａＡｓ
バッファ層側の第１層はＡｌＧａＡｓである。）、ｎ−
ＧａＡｓ光閉じ込め層14、ノンドープＧａＡｓ／Ｉｎ
0.2Ｇａ0.8Ａｓ多重量子井戸活性層15、ｐ−ＧａＡｓ光
閉じ込め層16、ｐ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓキャリア閉じ込
め層17、ｐ−ＧａＡｓキャップ層18を積層する。その
後、電子ビーム蒸着法等により、ＳｉＯ2レーザ光反射
防止膜19を積層する。ＳｉＯ2膜19の一部をリング状に
除去し、リフトオフ法を用いて発振部以外のリング状の
ＳｉＯ2膜19が除去された領域を含む領域に、Ｔｉ／Ｐ
ｔ／Ａｕからなるｐ電極20を蒸着形成する。その後Ｇａ
Ａｓ基板11の研磨を行い、発振部に対応する領域より広
い領域のｎ−ＧａＡｓ基板11およびｎ−ＧａＡｓバッフ
ァ層12を選択的にエッチング除去して、励起光が透過す
る孔を形成する。その後、ｎ−ＧａＡｓ基板11の上にＡ
ｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ電極21を形成後、熱処理
を行う。最後に励起光である８１０ｎｍに対して反射防
止膜となるＳｉＯ2層22を形成して、最後に劈開等によ
りチップ化して面発光型半導体素子23を完成させる。
【００２８】ここで、多層光学フィルタ層13は、例えば
レーザ発振する９８０ｎｍの光に対して９０％以上の高
反射、励起光である８１０ｎｍの光に対して５％以下の
低反射率となっている。例えば発振波長より長波長に対
して、結晶内で１／４波長となる、ＧａＡｓ／Ａｌ0.7
Ｇａ0.3Ａｓ多層構造を２０ペア程度積層する構造を採
用する。
【００２９】次に、半導体レーザ装置について説明す
る。図２ａに示すように、本実施の形態による半導体レ
ーザ装置は、励起用に、活性層がＩｎＧａＡｓＰ、Ａｌ
ＧａＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓからなる、発振波長が
８１０ｎｍで幅１００μｍのブロードエリア型半導体レ
ーザ素子31を用い、上記面発光型半導体素子23のＧａＡ
ｓ基板11側を取り付けられた穴あきヒートシンク33と、
集光レンズ32と、外部ミラー35と、部分ミラー40とを備
えている。外部ミラー35の凹面と面発光型半導体素子23
のｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ多層光学フィ
ルタ13とにより共振器（共振器長Ｌ）が構成され、共振
器内に波長選択素子34が挿入されている。さらに面発光
型半導体素子23に変調手段が備えられている。該変調手
段は、直流バイアス回路42と、信号源43と、変調回路44
と、ミキサー45とからなるものである。ｎ−ＧａＡｓ／
ｎ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ多層光学フィルタ13はミラーの
役割を果たす。
【００３０】半導体レーザ素子31からの８１０ｎｍの励
起光36は、集光レンズ32により面発光型半導体素子23に
集光され、面発光型半導体素子23の光閉じ込め層14、16
および多重量子井戸活性層15により効率よく吸収され
て、外部ミラーより波長約９８０ｎｍのレーザ光37が出
力される。出力されたレーザ光は、例えば、光偏向器に
入力されて画像記録用の光源として用いられる。
【００３１】本発明の半導体レーザ装置は、発振光の一
部を部分ミラー40により取り出して、光検知器（図示せ
ず）により受けてＡＰＣ（Automatic Power Control）
回路41により励起用半導体レーザ31の駆動電流に帰還し
出力が一定となるように制御されている。
【００３２】本実施の形態における面発光型半導体素子
23はｐｎ接合を有しているため、変調手段により素子の
ｐｎ接合に対して電圧変化を与えることにより変調が可
能である。変調回路44は、信号源43から入力される、例
えば２値の画像信号に応じて正値あるいは負値をとる電
圧信号をミキサ45に送る。このミキサ45は電圧信号を直
流バイアス回路42から入力されるバイアス電圧に重畳す
る。つまり、面発光型半導体素子23のｐｎ接合にはこの
バイアス電圧を基準にして、画像信号に応じて上下する
波形の電圧が加えられる。これにより、面発光型半導体
素子23の活性層の利得が変化し（より詳しくは、面発光
型半導体素子にバイアス電圧を加えたことによる利得変
動の程度が変化し）、発光強度が画像信号に基づいて変
調される。
【００３３】また、信号源43から階調画像を担う画像信
号を入力した場合は、上記電圧波形のバイアス電圧から
の上下変動値が画像信号に応じて変化し、上記利得が段
階的あるいは連続的に変化する。これにより、発光強度
が画像信号に応じて段階的あるいは連続的に変化する。
本発明の半導体レーザ装置は、駆動電流の大きい励起用
の半導体レーザ素子を変調する場合に比べ、低電流で、
かつ高速な変調が可能である。また、図２に示すような
ヒートシンク33を構成することにより、高効率な放熱が
可能である。
【００３４】ここで、設計上、ビーム径は１／ｅ2直径
で０．３ｍｍ程度となっており、さらに空間的広がりの
大きい高次モード発振を抑制するためにｐ電極20に形成
した孔の径は直径０．６ｍｍとした。この孔径は大きく
すれば全く発振光に影響を及ぼさないが、小さくしすぎ
ると基本モード光の遮蔽量が増大して損失が大きくなる
ため最適化により所望の特性を得ることができるよう
に、ビーム径の０．１倍から１０倍の範囲が望ましい。
【００３５】さらに、本実施の形態による半導体レーザ
装置は、単一縦モードを得るために、波長選択素子とし
て、例えばリオフィルターあるいはエタロンあるいはこ
れらを複数枚挿入してもよい。また、ブリュースター板
を挿入することにより偏光制御が可能である。
【００３６】本実施の形態に示すように、励起光源には
ブロードエリア型半導体レーザ素子を用いることができ
るので高出力化、例えば１Ｗ〜１０Ｗ以上が可能であ
る。従って、得られる発振出力も数１００ｍＷ〜数Ｗ以
上の高出力が可能となる。前述のストライプ型単一モー
ドレーザの光出射端面におけるビーム面積は、一般的に
２μｍ２程度であるのに対し、（０．１５ｍｍ）２×π
＝７０６５０μｍ２と１０４倍以上の大きなビーム面積
となるため、高出力化が可能となる。
【００３７】また、本実施の形態の半導体レーザ装置
は、光励起であるために、通常の電流注入の半導体レー
ザとは異なり、半導体多層反射膜などにおける電気抵抗
増大による発熱や、効率低下の問題がなく、従来の面発
光レーザで用いられているような、多層光学フィルタを
構成する各層間の界面で組成傾斜層を設けたり、局部的
なドーピングにより、低抵抗化を図るなどの煩雑な構造
を用いる必要がなく、作成プロセスもより簡単である。
【００３８】また、図２ｂに示すように、励起用半導体
レーザ素子31からの励起光36は、面発光型半導体素子23
に対して、角度を付けて入射させてもよい。また、図２
ａに示す半導体レーザ装置と同様に、ＡＰＣ回路を備え
ていてもよい。
【００３９】次に本発明の第２の実施の形態による９８
０ｎｍにて発振する半導体レーザ装置について説明す
る。その半導体レーザ装置を構成する面発光型半導体素
子の積層方向の断面図を図３に示し、半導体レーザ装置
の概略構成図を図４に示す。
【００４０】まず面発光型半導体素子について説明す
る。以下に記載する、ｎＧａＡｓおよびｎ
Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓは、それぞれ発振波長λにお
けるＧａＡｓおよびＡｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓの屈折率
である。図３に示すように、有機金属気相成長法によ
り、ｎ−ＧａＡｓ（００１）基板51上に、ｎ−ＧａＡｓ
バッファ層52を積層し、２０ペアのｎ−ＧａＡｓ（厚
さ：λ／４ｎＧａＡｓ）／ｎ−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａ
ｓ（厚さ：λ／４ｎＡｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ）ブラッ
グ反射膜53（ただし、ｎ−ＧａＡｓバッファ層52側の第
１層はＡｌＧａＡｓである。）、ｎ−ＧａＡｓ光閉じ込
め層54、ノンドープＧａＡｓ／Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａ
ｓ多重量子井戸活性層55、ｎ−ＧａＡｓ光閉じ込め層5
6、ｎ− Ａｌ０．７Ｇａ０． ３Ａｓキャリア閉じ込め層
57を積層する。その後、ＧａＡｓ基板51の研磨を行い、
ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ電極60を形成、熱処理
によりオーミック電極を形成する。次に電子ビーム蒸着
法によりＴｉ／Ａｕショットキー電極58を発振部となる
窓部を除いて形成し、ＳｉＯ2反射防止膜59（厚さがλ/
４ｎＳｉＯ2）を積層する。その後、へき開によりチッ
プ化して面発光型半導体素子61を完成させる。前記第１
の実施の形態と異なり、ＧａＡｓ基板51およびＧａＡｓ
バッファ層52の一部の除去は行わない。
【００４１】次に半導体レーザ装置について説明する。
図４に示すように、本実施の形態による半導体レーザ装
置は、励起用に発振波長が８１０ｎｍ帯で、活性層がＩ
ｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓか
らなる幅広の半導体レーザ素子71を用い、上記面発光型
半導体素子61のＧａＡｓ基板51側を取り付けられたヒー
トシンク73と、集光レンズ72と、外部ミラー75とを備え
ている。外部ミラー75の凹面と面発光型半導体素子61の
２０ペアのｎ−ＧａＡｓ（厚さ：λ／４ｎＧａ Ａｓ）／
ｎ−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ（厚さ：λ／４ｎ
Ａｌ０．７Ｇａ０．３ Ａｓ）ブラッグ反射膜53とにより
共振器（共振器長Ｌ）が構成されており、共振器内に偏
光素子74とを備えられ、さらに面発光型半導体素子61に
変調手段が備えられている。該変調手段は、直流バイア
ス回路95と、信号源96と、変調回路97と、ミキサー98と
からなるものである。２０ペアのｎ−ＧａＡｓ（厚さ：
λ／４ｎ ＧａＡｓ）／ｎ−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ
（厚さ：λ／４ｎＡｌ０．７Ｇａ０ ．３Ａｓ）ブラッグ
反射膜53はミラーの役割を果たす。
【００４２】半導体レーザ素子71からの８１０ｎｍの励
起光76は、集光レンズ72により面発光型半導体素子61に
集光され、面発光型半導体素子61の光閉じ込め層54、56
および多重量子井戸活性層55により効率よく吸収され
て、外部ミラー75から、波長約９８０ｎｍのレーザ光77
が出力される。面発光型半導体素子61はＧａＡｓ基板51
の反対側には励起光を遮蔽する構造がないため、本実施
の形態の半導体レーザ装置は基板と反対側の前面より励
起を行う構成である。面発光型半導体素子61は基板全面
がヒートシンクに保持されているため、放熱が良く、よ
り高出力化が可能である。
【００４３】本実施の形態による半導体レーザ装置は、
ショットキー接合を有しており、該ショットキー接合に
対し、変調手段によって電圧変化を与えることによっ
て、活性層の利得を制御して変調を行うことができる。
変調回路97は、信号源96から入力される、例えば２値の
画像信号に応じて正値あるいは負値をとる電圧信号をミ
キサ98に送る。このミキサ98は電圧信号を直流バイアス
回路95から入力されるバイアス電圧に重畳する。つま
り、面発光型半導体素子61のショットキー接合にはバイ
アス電圧を基準にして、画像信号に応じて上下する波形
の電圧が加えられる。これにより、面発光型半導体素子
61の活性層の利得が変化し（より詳しくは、面発光型半
導体素子にバイアス電圧を加えたことによる利得変動の
程度が変化し）、発光強度が画像信号に基づいて変調さ
れる。本発明の半導体レーザ装置は、駆動電流の大きい
励起用の半導体レーザ素子を変調する場合に比べ、低電
流で、かつ高速な変調が可能である。また、階調画像を
担う画像信号を入力する場合も第１の実施の形態と同様
に行うことにより変調が可能である。
【００４４】また、上記第１の実施の形態に示すよう
に、本実施の形態による半導体レーザ装置は、外部ミラ
ーの出力側に部分ミラーを設置し、発振光の一部をこの
部分ミラーにより取り出して、光検知器により受けてＡ
ＰＣ（Automatic Power Control）回路により励起用半
導体レーザの駆動電流に帰還し出力が一定となるように
制御してもよい。
【００４５】上記第１と第２の実施の形態では、励起波
長が８１０ｎｍであり、発振波長が９８０ｎｍの場合に
ついて記載したが、一般に、励起波長が発振波長より短
波長であれば上記のような半導体レーザ装置を構成でき
る。従って、発振波長が７５０〜８８０ｎｍ程度では面
発光型半導体素子の活性層として、ＡｌＧａＡｓ、Ｉｎ
ＧａＡｓＰあるいはＡｌＧａＩｎＡｓ等を用いることが
できる。このときの励起用半導体レーザ素子の活性層と
しては、更に短波長の光を発する組成のＩｎＧａＰある
いはＡｌＩｎＧａＰ等を用いるか、あるいは組成比を前
記面発光型半導体素子より短波長となるように制御した
ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰあるいはＡｌＧａＩｎＡ
ｓ等を用いることができる。
【００４６】次に、本発明の第３の実施の形態による半
導体レーザ装置について説明し、その半導体レーザ装置
のを構成する面発光型半導体素子の断面図を図５に示
し、該面発光型半導体素子の上面図を図６に示す。図６
中のＡ−Ａ’断面図が図５である。また、半導体レーザ
装置の概略構成図を図７に示す。
【００４７】まず、面発光型半導体素子について説明す
る。以下に示すλは光励起により発振する波長であり、
ｎＡｌＮ、ｎＧａＮ、ｎＳｉＯ２、ｎＺｒＯ２はそれぞ
れＡｌＮ、ＧａＮ、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２の発振波長での
屈折率である。図５に示すように、有機金属気相成長法
により、サファイアＣ面基板81上に、ＧａＮ低温バッフ
ァ層82、ｎ−ＧａＮバッファ層83、２０ペアのｎ−Ｇａ
Ｎ（厚さ：λ／４ｎＧ ａＮ）／ｎ−ＡｌＮ（厚さ：λ／
４ｎＡｌＮ）ブラッグ反射膜84（ただし、ｎ−ＧａＮバ
ッファ層側の第１層はＡｌＮである。）、ｎ−ＧａＮ光
閉じ込め層85、Ｉｎｘ２Ｇａ１―ｘ２Ｎ／Ｉｎｘ３Ｇａ
１−ｘ３Ｎ多重量子井戸活性層86（0＜x2＜x3＜0.5）、
ｐ−ＧａＮ光閉じ込め層87、Ａｌz4Ｇａ1-z4Ｎキャリア
閉じ込め層88（z4＞0）、ｐ−ＧａＮキャップ層89を積
層する。
【００４８】ここで、図６に示す上面図を参照して、塩
素系のＲＩＢＥ（Reactive Ion Beam Etching）によ
り、発振部の周囲をｎ−ＧａＮバッファ層83まで除去す
る。図５に示すように、凸状に残された部分のｐ−Ｇａ
Ｎキャップ層89の上で、発振部以外の領域にｐ電極（Ｎ
ｉ／Ａｕ）90を形成し、ｎ−ＧａＮバッファ層83上にｎ
電極（Ｔｉ／Ａｌ）92を蒸着、熱処理によりオーミック
電極を形成する。次に、電子ビーム蒸着法等により、Ｚ
ｒＯ２（厚さ：λ／４ｎＺｒＯ2）無反射コート膜91を
積層し、基板の研磨を行い、サファイア基板81の裏面に
励起光３７０ｎｍに対して反射防止膜となる厚みのＺｒ
Ｏ2反射防止膜93を積層後、劈開によりチップ化して面
発光型半導体素子94を完成させる。
【００４９】次に、上記面発光型半導体素子94を用いた
半導体レーザ装置について説明する。図７に示すよう
に、本実施の形態による半導体レーザ装置は、励起用に
発振波長が３７０〜４２０ｎｍでブロードエリア型のＩ
ｎＧａＮ活性層を有する半導体レーザ素子101を用い、
上記面発光型半導体素子94のサファイア基板81側を取り
付けられた穴あきヒートシンク103と、集光レンズ102
と、外部ミラー105とを備えている。外部ミラー105の凹
面と面発光型半導体素子94の２０ペアのｎ−ＧａＮ（厚
さ：λ／４ｎＧａＮ）／ｎ−ＡｌＮ（厚さ：λ／４ｎ
ＡｌＮ）ブラッグ反射膜84とにより共振器が構成されて
おり、共振器内に波長選択素子104とを備え、面発光型
半導体素子94に変調手段を備えるものである。該変調手
段は、直流バイアス回路125と、信号源126と、変調回路
127と、ミキサー128とからなるものである。２０ペアの
ｎ−ＧａＮ（厚さ：λ／４ｎＧａＮ）／ｎ−ＡｌＮ（厚
さ：λ／４ｎＡｌＮ）ブラッグ反射膜84はミラーの役割
を果たす。
【００５０】半導体レーザ素子101からの３７０〜４２
０ｎｍの励起光106は、集光レンズ102により面発光型半
導体素子94に集光され、面発光型半導体素子94の光閉じ
込め層85、87および多重量子井戸活性層86により効率よ
く吸収されて、外部ミラー105から波長約４００〜５５
０ｎｍのレーザ光107が出力される。
【００５１】本実施の形態による半導体レーザ装置は、
面発光型半導体素子に変調手段を備えているため、上記
第１の実施の形態と同様に、面発光型半導体素子のｐｎ
接合に対して電圧変化を与えることによりレーザ光を変
調することが可能である。
【００５２】また、上記第１の実施の形態に示すよう
に、外部ミラー105の出力側に部分ミラーを設置し、発
振光の一部をこの部分ミラーにより取り出して、光検知
器により受けてＡＰＣ（Automatic Power Control）回
路により励起用半導体レーザの駆動電流に帰還し出力が
一定となるように制御してもよい。
【００５３】次に本発明の第４の実施の形態による半導
体レーザ装置について説明する。その半導体レーザ装置
を構成する面発光型半導体素子の断面図を図８に示し、
半導体レーザ装置の概略構成図を図９に示す。
【００５４】まず、面発光型半導体素子について説明す
る。1997年発行のJpn.J.Appl.phys.Lett.,Vol.37.pp.L1
020の中村氏らによるInGaN/GaN/AlGaN-Based Laser Dio
desGrown on GaN Substrates with a Fundamental Tran
sverse Modeに記載の方法により、ｎ−ＧａＮ（０００
１）基板111を形成する。λは光励起により発振する波
長であり、ｎＡｌＮ、ｎＧａＮ、ｎＳｉＯ２、ｎ
ＺｒＯ２はそれぞれＡｌＮ、ＧａＮ、ＳｉＯ２、ＺｒＯ
２の発振波長での屈折率である。図８に示すように、有
機金属気相成長法によりｎ−ＧａＮ（０００１）基板11
1上に、ｎ−ＧａＮバッファ層112、ｎ−Ａｌz4Ｇａ1-z4
Ｎキャリア閉じ込め層113（z4＞0）、ｎ−ＧａＮ光閉じ
込め層114、Ｉｎx2Ｇａ1-x2Ｎ／Ｉｎx3Ｇａ1-x3Ｎ多重
量子井戸活性層115（0＜x2＜x3＜0.5）、ｐ−ＧａＮ光
閉じ込め層116、２ペアのｐ−ＡｌＮ（λ/４ｎＡｌＮ）
／ｐ−ＧａＮ（λ/４ｎＧａＮ）層117（ただし、ｐ−Ｇ
ａＮ光閉じ込め層側の第１層はＡｌＮである。）、ｐ−
ＧａＮキャップ層118、ｐ電極（Ｎｉ／Ａｕ）119、１２
ペアのＳｉＯ2（λ/４ｎＳｉＯ2）／ＺｒＯ2（λ/４ｎ
ＺｒＯ2）層120を積層し、ＧａＮ基板の裏面には、中心
部が円形状に除去された（Ｔｉ／Ａｌ）ｎ電極121を形
成し、その後ＺｒＯ2反射防止膜122を積層し面発光型半
導体素子123を作製する。本実施の形態による面発光型
半導体素子123は、２ペアのｐ−ＡｌＮ（λ/４
ｎＡｌＮ）／ｐ−ＧａＮ（λ/４ｎＧａＮ）層117および
１２ペアのＳｉＯ2（λ/４ｎＳｉＯ2）／ＺｒＯ2（λ/
４ｎＺｒＯ2）層120によりブラッグ反射膜を形成してい
る。
【００５５】次に上記の面発光型半導体素子123を用い
た半導体レーザ装置について説明する。図９に示すよう
に、本実施の形態における半導体レーザ装置は、励起用
に発振波長が３７０〜４２０ｎｍでブロードエリア型の
ＩｎＧａＮ活性層を有する半導体レーザ素子131を用
い、上記面発光型半導体素子123の１２ペアのＳｉＯ
2（λ/４ｎＳｉＯ2）／ＺｒＯ2（λ/４ｎＺｒＯ2）層12
0側を取り付けられたヒートシンク133と、集光レンズ13
2と、外部ミラー135とを備えるものである。また、ミラ
ー135の凹面と面発光型半導体素子123の２ペアのｐ−Ａ
ｌＮ（λ/４ｎＡｌ Ｎ）／ｐ−ＧａＮ（λ/４ｎＧａＮ）
層117および１２ペアのＳｉＯ2（λ/４ｎＳ ｉＯ2）／Ｚ
ｒＯ2（λ/４ｎＺｒＯ2）層120とにより共振器が構成さ
れており、共振器内に波長選択素子134を備え、面発光
型半導体素子123に変調手段を備えるものである。該変
調手段は、直流バイアス回路155と、信号源156と、変調
回路157と、ミキサ158とからなるものである。
【００５６】半導体レーザ素子131からの３７０〜４２
０ｎｍの励起光136は、集光レンズ132により面発光型半
導体素子123に集光され、面発光型半導体素子123の光閉
じ込め層114、116および多重量子井戸活性層115に効率
よく吸収されて、外部ミラー135より波長約４００〜５
５０ｎｍレーザ光137が出力される。
【００５７】本実施の形態による半導体レーザ装置は、
面発光型半導体素子に変調手段を備えており、第１の実
施の形態と同様に、面発光型半導体素子のｐｎ接合に対
して電圧変化を与えることによりレーザ光の変調が可能
である。
【００５８】また、上記第１の実施の形態に示すよう
に、外部ミラー135の出力側に部分ミラーを設置し、発
振光の一部をこの部分ミラーにより取り出して、光検知
器により受けてＡＰＣ（Automatic Power Control）回
路により励起用半導体レーザの駆動電流に帰還し出力が
一定となるように制御してもよい。
【００５９】次に第５の実施の形態による発振波長が６
５０ｎｍの半導体レーザ装置について説明する。この半
導体レーザ装置の概略構成図を図１１に示し、その半導
体レーザ装置を構成する面発光型半導体素子の断面図を
図１０に示す。
【００６０】まず、面発光型半導体素子について説明す
る。図１０に示すように、ｎ−ＧａＡｓ（００１）基板
141上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層142、ｎ−Ｉｎ
0.5（Ｇａ1 -x5Ａｌx5）0.5Ｐキャリア閉じ込め層143、
ｎ−Ｉｎ0.5（Ｇａ1-x2Ａｌx2）0.5Ｐ光閉じ込め層14
4、Ｉｎ0.5（Ｇａ1-x3Ａｌx3）0.5Ｐ／Ｉｎ0.5（Ｇａ
1-x4Ａｌ x4）0.5Ｐ多重量子井戸活性層（0≦x3＜x4≦x2
＜x5≦１）145、ｐ−Ｉｎ0.5（Ｇａ1-x2Ａｌx2）0.5Ｐ
光閉じ込め層146、ｐ−Ｉｎ0.5（Ｇａ1-x5Ａｌx5）0.5
Ｐキャリア閉じ込め層147、ｐ−ＧａＡｓキャップ層148
を積層する。その後、発振部のｐ−ＧａＡｓキャップ層
148を化学エッチングにより除去し、ｐ電極（Ｔｉ／Ｐ
ｔ／Ａｕ）149を蒸着し、熱処理をする。続いて、電子
ビーム蒸着法により、ＳｉＯ2／ＴｉＯ2多層光学フィル
タ（x3＜x1＜１）150を積層する。基板141の研磨を行
い、硫酸系のエッチャントにて発光領域を含み該発光領
域より広い領域のｎ−ＧａＡｓ基板141およびｎ−Ｇａ
Ａｓバッファ層142を除去する。次に、ｎ電極（ＡｕＧ
ｅ／Ｎｉ／Ａｕ）151を蒸着、熱処理により形成し、最
後に励起光に対する反射防止膜152を形成して、面発光
型半導体素子153を作製する。
【００６１】次に、上記のように作製した面発光型半導
体素子153を用いた半導体レーザ装置について説明す
る。図１１に示すように、本実施の形態における半導体
レーザ装置は、励起用に、発振波長が４００ｎｍでブロ
ードエリア型のＩｎＧａＮ活性層を有する半導体レーザ
素子161を用い、上記面発光型半導体素子153のＳｉＯ2
／ＴｉＯ2多層光学フィルタ150側を取り付けられたヒー
トシンク163と、集光レンズ162と、外部ミラー165とを
備えるものである。外部ミラー165の凹面と面発光型半
導体素子153のＳｉＯ2／ＴｉＯ2多層光学フィルタ150と
により共振器（共振器長Ｌ）が構成されており、共振器
内に偏光制御素子（例えばブリュースター板）164とを
備え、面発光型半導体素子153に変調手段を備えるもの
である。該変調手段は、直流バイアス回路175と、信号
源176と、変調回路177と、ミキサー178とからなるもの
である。
【００６２】半導体レーザ素子161からの４００ｎｍの
励起光166は、集光レンズ162により、面発光型半導体素
子153に集光され、面発光型半導体素子153の光閉じ込め
層144、146および多重量子井戸活性層145により効率よ
く吸収されて、外部ミラー165より波長約６５０ｎｍの
レーザ光167が出力される。
【００６３】本実施の形態による半導体レーザ装置は、
面発光型半導体素子に変調手段を備えており、第１の実
施の形態と同様に、面発光型半導体素子のｐｎ接合に電
圧変化を与えることにより、面発光型半導体素子153か
ら発せられる光を変調することができる。
【００６４】ここで、多層光学フィルタ150は発振光に
対しては９０％以上の高反射率、励起光に対しては５％
以下、望ましくは１％以下の低反射率となるものであ
る。
【００６５】なお、上記全ての実施の形態において、ブ
ロードエリア型半導体レーザを励起光源として用いた
が、励起用の半導体レーザ素子はブロードエリア型半導
体レーザだけでなく、アレイ型半導体レーザ素子やテー
パー構造で高密度の集光が可能なＭＯＰＡ（Master Osc
illator Power Amplifire）やさらにはα−ＤＦＢ（ang
led grating-distributed feedback）構造を有するレー
ザでもよい。
【００６６】また、発振光および励起光に対する反射防
止膜として単層の誘電体膜を用いたが、多層構造として
低い反射率を得ることができる。また、励起光に対する
面発光型半導体素子の吸収係数が小さい場合において
は、発振光を取り出す側とは反対側からの裏面励起の場
合、発振光に対しては反射防止、励起光に対しては有限
の反射率を有する膜を形成して、一旦反射した励起光を
有効に利用することが可能である。
【００６７】本発明の半導体レーザ装置は、高速な情報
・画像処理および通信、計測、医療、印刷の分野での光
源として応用可能である。また、レーザディスプレイ等
の画像表示装置に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による半導体レーザ
装置の面発光型半導体素子を示す断面図
【図２】本発明の第１の実施の形態による半導体レーザ
装置を示す概略構成図
【図３】本発明の第２の実施の形態による半導体レーザ
装置を構成する面発光型半導体素子を示す断面図
【図４】本発明の第２の実施の形態による半導体レーザ
装置を示す概略構成図
【図５】本発明の第３の実施の形態による半導体レーザ
装置を構成する面発光型半導体素子を示す断面図
【図６】本発明の第３の実施の形態による半導体レーザ
装置を構成する面発光型半導体素子を示す上面図
【図７】本発明の第３の実施の形態による半導体レーザ
装置を示す概略構成図
【図８】本発明の第４の実施の形態による半導体レーザ
装置を構成する面発光型半導体素子を示す断面図
【図９】本発明の第４の実施の形態による半導体レーザ
装置を示す概略構成図
【図１０】本発明の第５の実施の形態による半導体レー
ザ装置を構成する面発光型半導体素子を示す断面図
【図１１】本発明の第５の実施の形態による半導体レー
ザ装置を示す概略構成図
【符号の説明】
11,51,141 ｎ−ＧａＡｓ（００１）基板 20 Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ電極 21 ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ電極 58 Ｔｉ／Ａｕショットキー電極 60 ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ電極 31,71,101,131,161 半導体レーザ素子 32,72,102,132,162 集光レンズ 33,73,103,133 ヒートシンク 34 波長選択素子 35,75,105,135,165 外部ミラー 42,95,125,155,175 直流バイアス回路 43,96,126,156,176 信号源 44,97,127,157,177 変調回路 45,98,128,158,178 ミキサ 74 偏光素子 81 サファイアＣ面基板 90,119 Ｎｉ／Ａｕからなるｐ電極 92,121 Ｔｉ／Ａｌからなるｎ電極 104 波長選択素子 111 ｎ−ＧａＮ（０００１）基板 134 波長選択素子 164 偏光制御素子 149 Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ電極 151 ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ電極

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体レーザ素子からなる励起光源と、 該励起光源により励起され、該励起光源が発する励起光
    の波長より長波長の光を発する、基板上に活性領域と該
    活性領域の前記基板側あるいは前記基板と反対側に形成
    されたミラーを有する面発光型半導体素子と、 該面発光型半導体素子の外部に配置され、前記ミラーと
    外部共振器を形成する少なくとも一つの外部ミラーとを
    備えた半導体レーザ装置において、 前記面発光型半導体素子に変調手段を備えたことを特徴
    とする半導体レーザ装置。
  2. 【請求項２】 前記変調手段が、前記面発光型半導体素
    子のｐｎ接合に対して電圧変化を付与するものであるこ
    とを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
  3. 【請求項３】 前記変調手段が、前記面発光型半導体素
    子のショットキー接合に対して電圧変化を付与するもの
    で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。
  4. 【請求項４】 前記面発光型半導体素子が、発振したレ
    ーザ光の空間モードを制御する空間モード制御部を備え
    たことを特徴とする請求項１、２または３記載の半導体
    レーザ装置。
  5. 【請求項５】 前記空間モード制御部が、前記面発光型
    半導体素子の光出射端面に形成された前記レーザ光を透
    過する孔形状の光透過部であることを特徴とする請求項
    ４記載の半導体レーザ装置。
  6. 【請求項６】 前記空間モード制御部が、前記レーザ光
    が出射する面と平行な面に部分的に形成された前記ミラ
    ーであることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ
    装置。
  7. 【請求項７】 前記空間モード制御部が、前記レーザ光
    が出射する面と平行な面に部分的に形成された前記活性
    領域であることを特徴とする請求項４記載の半導体レー
    ザ装置。
  8. 【請求項８】 前記空間モード制御部の大きさが、該空
    間モード制御部が形成された場所における前記レーザ光
    の径の０．１倍以上１０倍以下であることを特徴とする
    請求項４から７いずれか１項記載の半導体レーザ装置。
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