JP5307466B2 - 半導体レーザ及びその駆動方法、並びに、半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ及びその駆動方法、並びに、半導体レーザ装置に関する。

今日、パルス時間がアト秒台、フェムト秒台のレーザ光を利用した先端的科学領域の研究に、超短パルス・超高出力レーザが盛んに用いられている。超短パルス・超高出力レーザとして、例えば、チタン／サファイア・レーザが知られているが、係るチタン／サファイア・レーザは、高価で、大型の固体レーザ光源であり、この点が、技術の普及を阻害している主たる要因となっている。もしも超短パルス・超高出力レーザが半導体レーザによって実現できれば、大幅な小型化、低価格化、高安定性化がもたらされる。

一方、半導体レーザの短パルス化は、通信系の分野で、１９６０年台から活発に研究されてきた。半導体レーザにおいて短パルスを発生させる方法として、利得スイッチング法、損失スイッチング法（Ｑスイッチング法）、モード同期法が知られており、これらの方式にあっては、半導体レーザと半導体増幅器や非線形光学素子、光ファイバー等とを組み合わせて高出力化を目指している。

J. Ohya et al., Appl. Phys. Lett. 56 (1990) 56. J. AuYeung et al., Appl. Phys. Lett. 38 (1981) 308. N. Yamada et al., Appl. Phys. Lett. 63 (1993) 583. J.E. Ripper et al., Appl. Phys. Lett. 12 (1968) 365. "Ultrafast diode lasers", P. Vasil'ev, Artech House Inc., 1995

このうち、一番簡単な方法である利得スイッチング法においては、半導体レーザを短パルス電流で駆動することにより、２０ピコ秒〜１００ピコ秒程度のパルス幅を有する光パルスを発生させることができる（例えば、非特許文献１として J. Ohya et al., Appl. Phys. Lett. 56 (1990) 56.、非特許文献２として J. AuYeung et al., Appl. Phys. Lett. 38 (1981) 308.、非特許文献３として N. Yamada et al., Appl. Phys. Lett. 63 (1993) 583.、非特許文献４として J.E. Ripper et al., Appl. Phys. Lett. 12 (1968) 365.、非特許文献５として "Ultrafast diode lasers", P. Vasil'ev, Artech House Inc., 1995 を参照）。そして、この利得スイッチング法においては、市販の半導体レーザを短パルス電流で駆動するだけなので、極めて単純な装置構成でピコ秒クラスの短パルス光源を実現することが可能である。しかしながら、光パルスのピーク出力は、８５０ｎｍ帯のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザでは０．１ワット〜１ワット程度、また、１．５μｍ帯のＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザでは１０ミリワット〜１００ミリワット程度である。それ故、例えば２光子吸収に用いられる高いピーク出力が必要とされる光源としては、光出力が不十分である。従って、ピーク出力を増加させるために、例えば、モード同期法と半導体増幅器あるいは光ファイバーアンプとを組み合わせた複雑で難しい構成が必要とされる。

このように、究極的な小型化に必須の要件である「全半導体」に基づき高出力を目指した例、即ち、機械部品や光学部品を必要とせず、半導体レーザ、あるいは、半導体レーザと半導体デバイスとの組合せのみから構成された半導体レーザ装置は、特に、ＧａＮ系化合物半導体から構成された４０５ｎｍ帯の半導体レーザにおいては、殆ど報告例がない。然るに、４０５ｎｍ帯において、高いピーク出力を有する「全半導体」パルスレーザが実現できれば、ブルーレイ（Ｂｌｕ−ｒａｙ）光ディスクシステムの次の世代の光ディスクシステムとして期待されている体積型光ディスクシステムの光源として用いることができるだけでなく、可視光域の全波長帯をカバーした手軽な超短パルス・超高出力光源を実現することが可能となり、医療分野やバイオイメージング分野等で要求される光源を提供することが可能となる。

従って、本発明の目的は、簡素な構成、構造の超短パルス・超高出力の半導体レーザ及びその駆動方法、並びに、係る半導体レーザを組み込んだ半導体レーザ装置を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る半導体レーザの駆動方法は、閾値電流の値Ｉ_thの１０倍以上の値、好ましくは２０倍以上の値、より好ましくは５０倍以上の値を有するパルス電流で半導体レーザを駆動する。

ここで、閾値電流の値Ｉ_thとは、レーザ発振が開始されるときの半導体レーザに流れる電流を指し、次に述べる閾値電圧の値Ｖ_thは、そのときに半導体レーザに印加されている電圧を指し、半導体レーザの内部抵抗をＲ（Ω）としたとき、
Ｖ_th＝Ｒ×Ｉ_th＋Ｖ₀
の関係がある。ここで、Ｖ₀は、ｐ−ｎ接合のビルドインポテンシャルである。

上記の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る半導体レーザの駆動方法は、閾値電圧の値Ｖ_thの２倍以上の値、好ましくは４倍以上の値、より好ましくは１０倍以上の値を有するパルス電圧で半導体レーザを駆動する。

上記の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る半導体レーザは、閾値電流の値Ｉ_thの１０倍以上の値、好ましくは２０倍以上の値、より好ましくは５０倍以上の値を有するパルス電流で駆動される。

上記の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る半導体レーザは、閾値電圧の値Ｖ_thの２倍以上の値、好ましくは４倍以上の値、より好ましくは１０倍以上の値を有するパルス電圧で駆動される。

上記の目的を達成するための本発明の第３の態様に係る半導体レーザは、３ワット以上、好ましくは５ワット以上、より好ましくは１０ワット以上の光強度を有し、半値幅が２０ピコ秒以下、好ましくは１５ピコ秒以下、より好ましくは１０ピコ秒以下の第１光ピーク、及び、該第１光ピークに引き続き、１ナノ・ジュール以上、好ましくは２ナノ・ジュール以上、より好ましくは５ナノ・ジュール以上のエネルギーを有し、継続時間が、１ナノ秒以上、好ましくは２ナノ秒以上、より好ましくは５ナノ秒以上である第２光ピークを出射する。

上記の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る半導体レーザ装置は、パルス発生器、及び、該パルス発生器からの駆動パルスによって駆動される半導体レーザから構成されており、半導体レーザは、閾値電流の値Ｉ_thの１０倍以上の値、好ましくは２０倍以上の値、より好ましくは５０倍以上の値を有するパルス電流で駆動される。

上記の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る半導体レーザ装置は、パルス発生器、及び、該パルス発生器からの駆動パルスによって駆動される半導体レーザから構成されており、半導体レーザは、閾値電圧の値Ｖ_thの２倍以上の値、好ましくは４倍以上の値、より好ましくは１０倍以上の値を有するパルス電流で駆動される。

上記の目的を達成するための本発明の第３の態様に係る半導体レーザ装置は、パルス発生器、及び、該パルス発生器からの駆動パルスによって駆動される半導体レーザから構成されており、半導体レーザ素子は、３ワット以上、好ましくは５ワット以上、より好ましくは１０ワット以上の光強度を有し、半値幅が２０ピコ秒以下、好ましくは１５ピコ秒以下、より好ましくは１０ピコ秒以下の第１光ピーク、及び、該第１光ピークに引き続き、１ナノ・ジュール以上、好ましくは２ナノ・ジュール以上、より好ましくは５ナノ・ジュール以上のエネルギーを有し、継続時間が、１ナノ秒以上、好ましくは２ナノ秒以上、より好ましくは５ナノ秒以上である第２光ピークを出射する。

本発明の第３の態様に係る半導体レーザあるいは本発明の第３の態様に係る半導体レーザ装置（以下、これらを総称して、『本発明の第３の態様』と呼ぶ場合がある）において、第１光ピークの半値幅の下限値は、半導体レーザの特性や仕様、パルス発生器の仕様等に依存する。第２光ピークの継続時間の上限値としては、繰り返し周波数との兼ね合いで平均出力からの制限を受けるが、例えば、繰り返し周波数１００ＭＨｚのとき、１０ナノ秒（デューティ比１０％）を例示することができる。

本発明の第１の態様に係る半導体レーザあるいはその駆動方法、本発明の第１の態様に係る半導体レーザ装置（以下、これらを総称して、『本発明の第１の態様』と呼ぶ場合がある）において、パルス電流の幅は、１０ナノ秒以下、好ましくは２ナノ秒以下である形態とすることができる。更には、このような好ましい形態を含む本発明の第１の態様において、パルス電流の値は、０．４アンペア以上、好ましくは０．８アンペア以上である形態とすることができる。あるいは又、パルス電流の値は、活性層１ｃｍ²当たり（接合領域面積１ｃｍ²当たり）に換算したとき、即ち、電流密度（動作電流密度であり、単位はアンペア／ｃｍ²）にて換算したとき、３．５×１０⁴アンペア／ｃｍ²以上、好ましくは７×１０⁴アンペア／ｃｍ²以上である形態とすることができる。尚、パルス電流の幅の下限値は、パルス発生器の仕様等に依存する。パルス電流の値の上限は、使用する半導体レーザの仕様に基づき決定すればよい。

本発明の第２の態様に係る半導体レーザあるいはその駆動方法、本発明の第２の態様に係る半導体レーザ装置（以下、これらを総称して、『本発明の第２の態様』と呼ぶ場合がある）において、パルス電圧の幅は、１０ナノ秒以下、好ましくは２ナノ秒以下である形態とすることができる。更には、このような好ましい形態を含む本発明の第２の態様において、パルス電圧の値は、８ボルト以上、好ましくは１６ボルト以上である形態とすることができる。尚、パルス電圧の幅の下限値は、パルス発生器の仕様等に依存する。パルス電圧の値の上限は、使用する半導体レーザの仕様に基づき決定すればよい。

以上に説明した種々の好ましい形態を含む本発明の第１の態様、本発明の第２の態様、あるいは、本発明の第３の態様（以下、これらを総称して、単に、『本発明』と呼ぶ場合がある）において、半導体レーザは、リッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ構造、Separate Confinement Heterostructure）を有する半導体レーザである形態とすることができる。リッジ部は、次に述べる第２化合物半導体層を、厚さ方向に一部分、例えば、ＲＩＥ法にて除去することで、形成することができる。

また、上記の好ましい形態を含む本発明にあっては、
半導体レーザは、第１化合物半導体層、量子井戸構造を有する活性層、及び、第２化合物半導体層から成る積層構造体、第１化合物半導体層に電気的に接続された第１電極、並びに、第２化合物半導体層に電気的に接続された第２電極を備えており、
積層構造体は、ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体から成る構成、即ち、半導体レーザはＧａＮ系半導体レーザである構成とすることができる。

ここで、ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体として、具体的には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮを挙げることができる。更には、これらの化合物半導体に、所望に応じて、ホウ素（Ｂ）原子やタリウム（Ｔｌ）原子、ヒ素（Ａｓ）原子、リン（Ｐ）原子、アンチモン（Ｓｂ）原子が含まれていてもよい。また、量子井戸構造を有する活性層は、井戸層及び障壁層が、少なくとも１層、積層された構造を有するが、（井戸層を構成する化合物半導体，障壁層を構成する化合物半導体）の組合せとして、（Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ｎ，ＧａＮ）、（Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ｎ，Ｉｎ_zＧａ_(1-z)Ｎ）［但し、ｙ＞ｚ］、（Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ｎ，ＡｌＧａＮ）を例示することができる。尚、半導体レーザの積層構造体を構成するＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体を、以下、『ＧａＮ系化合物半導体』と呼ぶ場合があるし、ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体層を、以下、『ＧａＮ系化合物半導体層』と呼ぶ場合がある。

更には、上記の好ましい構成において、第２化合物半導体層は、ｐ型ＧａＮ層及びｐ型ＡｌＧａＮ層が交互に積層された超格子構造を有し；超格子構造の厚さは０．７μｍ以下である構造とすることができる。このような超格子構造の構造を採用することで、クラッド層として必要な高屈折率を維持しながら、半導体レーザ素子の直列抵抗成分Ｒを下げることができ、半導体レーザ素子の低動作電圧化につながる。尚、超格子構造の厚さの下限値として、限定するものではないが、例えば、０．３μｍを挙げることができるし、超格子構造を構成するｐ型ＧａＮ層の厚さとして１ｎｍ乃至５ｎｍを例示することができるし、超格子構造を構成するｐ型ＡｌＧａＮ層の厚さとして１ｎｍ乃至５ｎｍを例示することができるし、ｐ型ＧａＮ層及びｐ型ＡｌＧａＮ層の層数合計として、６０層乃至３００層を例示することができる。また、第２電極は第２化合物半導体層上に設けられており；活性層から第２電極までの距離は１μｍ以下、好ましくは、０．６μｍ以下である構成とすることができる。このように活性層から第２電極までの距離を規定することで、抵抗の高いｐ型の第２化合物半導体層の厚さを薄くし、半導体レーザ素子の動作電圧の低減化を達成することができる。尚、活性層から第２電極までの距離の下限値として、限定するものではないが、例えば、０．３μｍを挙げることができる。また、第２化合物半導体層には、Ｍｇが、１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上、ドーピングされており；活性層からの波長４０５ｎｍの光に対する第２化合物半導体層の吸収係数は、少なくとも５０ｃｍ^-1である構成とすることができる。このＭｇの原子濃度は、２×１０¹⁹ｃｍ^-3の値で最大の正孔濃度を示すという材料物性に由来しており、最大の正孔濃度、即ち、この第２化合物半導体層の比抵抗が最小になるように設計された結果である。第２化合物半導体層の吸収係数は、半導体レーザ素子の抵抗を出来るだけ下げるという観点で規定されているものであり、その結果、活性層の光の吸収係数が、５０ｃｍ^-1となるのが一般的である。しかし、この吸収係数を上げるために、Ｍｇドープ量を故意に２×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の濃度に設定することも可能である。この場合には、実用的な正孔濃度が得られる上での上限のＭｇドープ量は、例えば８×１０¹⁹ｃｍ^-3である。また、第２化合物半導体層は、活性層側から、ノンドープ化合物半導体層、及び、ｐ型化合物半導体層を有しており；活性層からｐ型化合物半導体層までの距離は、１．２×１０^-7ｍ以下である構成とすることができる。このように活性層からｐ型化合物半導体層までの距離を規定することで、内部量子効率が低下しない範囲で、内部損失を抑制することができ、これにより、レーザ発振が開始される閾値電流密度を低減化させることができる。尚、活性層からｐ型化合物半導体層までの距離の下限値として、限定するものではないが、例えば、５×１０^-8ｍを挙げることができる。また、半導体レーザは、リッジストライプ構造を有し；リッジストライプ構造におけるリッジ部の幅は２μｍ以下であり；リッジ部の両側面には、ＳｉＯ₂／Ｓｉ積層構造から成る積層絶縁膜が形成されており；リッジ部の有効屈折率と積層絶縁膜の有効屈折率との差は、５×１０^-3乃至１×１０^-2である構成とすることができる。このような積層絶縁膜を用いることで、１００ｍＷを超える高出力動作であっても、単一基本横モードを維持することができる。尚、リッジ部の幅の下限値として、限定するものではないが、例えば、０．８μｍを挙げることができる。また、第２化合物半導体層は、活性層側から、例えば、ノンドープＧａＩｎＮ層（ｐ側光ガイド層）、ノンドープＡｌＧａＮ層（ｐ側クラッド層）、ＭｇドープＡｌＧａＮ層（電子障壁層）、ＧａＮ層（Ｍｇドープ）／ＡｌＧａＮ層の超格子構造（超格子クラッド層）、及び、ＭｇドープＧａＮ層（ｐ側コンタクト層）が積層されて成る構造とすることができる。また、半導体レーザの端面から出射されるレーザ光の垂直方向のビーム放射半値角θ⊥は２５度以下、好ましくは２１度以下である構成とすることができる。尚、ビーム放射半値角θ⊥の下限値として、限定するものではないが、例えば、１７度を挙げることができる。また、共振長として、０．３ｍｍ乃至２ｍｍを例示することができる。また、活性層における井戸層を構成する化合物半導体のバンドギャップは、２．４ｅＶ以上であることが望ましい。また、活性層から出射されるレーザ光の波長は、３６０ｎｍ乃至５００ｎｍ、好ましくは４００ｎｍ乃至４１０ｎｍであることが望ましい。ここで、以上に説明した各種の構成を、適宜、組み合わせることができることは云うまでもない。

本発明にあっては、半導体レーザを構成する各種のＧａＮ系化合物半導体層を基板に、順次、形成するが、ここで、基板として、サファイア基板の他にも、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、アルミナ基板、ＺｎＳ基板、ＺｎＯ基板、ＡｌＮ基板、ＬｉＭｇＯ基板、ＬｉＧａＯ₂基板、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄基板、ＩｎＰ基板、Ｓｉ基板、これらの基板の表面（主面）に下地層やバッファ層が形成されたものを挙げることができる。また、半導体レーザを構成する各種のＧａＮ系化合物半導体層の形成方法として、有機金属化学的気相成長法（ＭＯＣＶＤ法，ＭＯＶＰＥ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハロゲンが輸送あるいは反応に寄与するハイドライド気相成長法等を挙げることができる。

ここで、ＭＯＣＶＤ法における有機ガリウム源ガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスやトリエチルガリウム（ＴＥＧ）ガスを挙げることができるし、窒素源ガスとして、アンモニアガスやヒドラジンガスを挙げることができる。また、ｎ型の導電型を有するＧａＮ系化合物半導体層の形成においては、例えば、ｎ型不純物（ｎ型ドーパント）としてケイ素（Ｓｉ）を添加すればよいし、ｐ型の導電型を有するＧａＮ系化合物半導体層の形成においては、例えば、ｐ型不純物（ｐ型ドーパント）としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加すればよい。また、ＧａＮ系化合物半導体層の構成原子としてアルミニウム（Ａｌ）あるいはインジウム（Ｉｎ）が含まれる場合、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを用いればよいし、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガスを用いればよい。更には、Ｓｉ源としてモノシランガス（ＳｉＨ₄ガス）を用いればよいし、Ｍｇ源としてシクロペンタジエニルマグネシウムガスやメチルシクロペンタジエニルマグネシウム、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いればよい。尚、ｎ型不純物（ｎ型ドーパント）として、Ｓｉ以外に、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓｎ、Ｃ、Ｔｅ、Ｓ、Ｏ、Ｐｄ、Ｐｏを挙げることができるし、ｐ型不純物（ｐ型ドーパント）として、Ｍｇ以外に、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａ、Ｃ、Ｈｇ、Ｓｒを挙げることができる。

ｐ型の導電型を有する第２化合物半導体層に電気的に接続された第２電極（あるいは、コンタクト層上に形成された第２電極）は、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、金（Ａｕ）及び銀（Ａｇ）から成る群から選択された少なくとも１種類の金属を含む、単層構成又は多層構成を有していることが好ましく、あるいは又、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透明導電材料を用いることもできる。一方、ｎ型の導電型を有する第１化合物半導体層に電気的に接続された第１電極は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、タングステン（Ｗ）、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）、錫（Ｓｎ）及びインジウム（Ｉｎ）から成る群から選択された少なくとも１種類の金属を含む、単層構成又は多層構成を有することが望ましく、例えば、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを例示することができる。第１電極や第２電極は、例えば、真空蒸着法やスパッタリング法等のＰＶＤ法にて形成することができる。第１電極は第１化合物半導体層に電気的に接続されているが、第１電極が第１化合物半導体層上に形成された形態、第１電極が導電材料層や導電性の基板を介して第１化合物半導体層に接続された形態が包含される。同様に、第２電極は第２化合物半導体層に電気的に接続されているが、第２電極が第２化合物半導体層上に形成された形態、第２電極が導電材料層を介して第２化合物半導体層に接続された形態が包含される。

第１電極や第２電極上に、外部の電極あるいは回路と電気的に接続するために、パッド電極を設けてもよい。パッド電極は、Ｔｉ（チタン）、アルミニウム（Ａｌ）、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）、Ｎｉ（ニッケル）から成る群から選択された少なくとも１種類の金属を含む、単層構成又は多層構成を有することが望ましい。あるいは又、パッド電極を、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの多層構成、Ｔｉ／Ａｕの多層構成に例示される多層構成とすることもできる。

本発明を、例えば、光ディスクシステム、通信分野、光情報分野、光電子集積回路、非線形光学現象を応用した分野、光スイッチ、レーザ計測分野や種々の分析分野、超高速分光分野、多光子励起分光分野、質量分析分野、多光子吸収を利用した顕微分光の分野、化学反応の量子制御、ナノ３次元加工分野、多光子吸収を応用した種々の加工分野、医療分野、バイオイメージング分野といった分野に適用することができる。

本発明の第１の態様にあっては、半導体レーザを閾値電流の値Ｉ_thの１０倍以上の値を有するパルス電流で駆動し、本発明の第２の態様にあっては、半導体レーザを閾値電圧Ｖ_thの値の２倍以上の値を有するパルス電圧で駆動する。その結果、３ワット以上の光強度を有し、半値幅が２０ピコ秒以下の尖頭ピークを有するレーザ光を出射する、超短パルス・超高出力の半導体レーザを提供することができる。また、本発明の第３の態様にあっては、３ワット以上の光強度を有し、半値幅が２０ピコ秒以下の尖頭ピークを有するレーザ光を第１光ピークとして出射する、超短パルス・超高出力の半導体レーザであって、しかも、この第１光ピークに引き続き、１ナノ・ジュール以上のエネルギーを有し、継続時間が１ナノ秒以上の、ブロードではあるが高いエネルギーを有する第２光ピークを出射する半導体レーザを提供することができる。即ち、高いピークパワーを有し、しかも、１光パルス当たりの高いエネルギーを有する光パルスを発生することができる。そして、市販の電気駆動系エレクトロニクスとの簡単な組合せで、容易にワット級あるいはそれ以上のピーク光強度を有する半導体レーザ光源を得ることができる。

以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明する。

実施例１は、本発明の第１の態様、本発明の第２の態様に係る半導体レーザ及びその駆動方法並びに半導体レーザ装置に関し、更には、本発明の第３の態様に係る半導体レーザ及び半導体レーザ装置に関する。

実施例１の超短パルス・超高出力の半導体レーザを備えた半導体レーザ装置は、図１の（Ａ）に示すように、パルス発生器１０、及び、このパルス発生器１０からの駆動パルスによって駆動される半導体レーザ２０から構成されている。具体的には、半導体レーザ装置は、発光波長４０５ｎｍ帯のＧａＮ系半導体レーザ２０と、このＧａＮ系半導体レーザ２０を利得スイッチング動作させる高出力のパルス発生器１０から構成されている。尚、直流定電流電源１１を備えているが、図１の（Ｂ）に示すように、直流定電流電源１１を備えていなくともよい。ここで、直流定電流電源１１は周知の回路構成であり、パルス発生器１０としては、低電圧のパルス発生器と高出力電圧増幅器を組み合わせた構成とすることができる。

半導体レーザ２０に印加される電圧（駆動パルス）は、図１の（Ｃ）に示すように、時間幅ｔ_pの矩形状のパルス電圧Ｖ₂である。尚、直流定電流電源１１を備えているので、直流電圧Ｖ₁に時間幅ｔ_pの矩形状のパルス電圧Ｖ₂を加えたものとなる。ここで、直流電圧Ｖ₁は、直流定電流電源１１から供給される電流（値：Ｉ₁）と半導体レーザ２０の内部抵抗Ｒとｐ−ｎ接合のビルドインポテンシャルＶ₀から、
Ｖ₁＝Ｒ×Ｉ₁＋Ｖ₀≒Ｖ₀＝３ボルト
で与えられる。但し、配線抵抗、配線と半導体レーザ２０との接触抵抗等は無視している。図１の（Ｂ）に示した回路構成にあっては、図１の（Ｄ）に示すように、半導体レーザ２０に印加される電圧は、時間幅ｔ_pの矩形状のパルス電圧Ｖ₂である。

半導体レーザ２０は、リッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ構造）を有する半導体レーザである。具体的には、この半導体レーザ２０は、ブルーレイ光ディスクシステム用に開発されたインデックスガイド型のＡｌＧａＩｎＮから成るＧａＮ系半導体レーザであり、リッジストライプ構造を有する。そして、その仕様は、絶対最大定格の光出力が、連続駆動時で８５ミリワット、パルス駆動時（パルス幅７．５ナノ秒、デューティ比５０％）で１７０ミリワットである。また、発光波長の標準値は４０５ｎｍ、閾値電流の値Ｉ_th（発振開始電流の標準値）は４０ミリアンペア、半導体レーザ２０の端面から出射されるレーザ光の活性層に平行な放射角（水平方向のビーム放射半値角θ//）及び垂直な放射角（垂直方向のビーム放射半値角θ⊥）の標準値は、それぞれ、８度及び２１度であり、後述する化合物半導体層の積層方向（縦方向）に光閉じ込めを弱くした高出力仕様の半導体レーザである。また、共振長は０．８ｍｍである。

半導体レーザ２０の模式的な断面図を図２に示す。この半導体レーザ２０は、ｎ型ＧａＮ基板２１の（０００１）面上に設けられており、第１化合物半導体層３０、量子井戸構造を有する活性層４０、及び、第２化合物半導体層５０から成る積層構造体、第１化合物半導体層３０に電気的に接続された第１電極６１、並びに、第２化合物半導体層５０に電気的に接続された第２電極６２を備えている。そして、第１化合物半導体層３０、活性層４０、及び、第２化合物半導体層５０は、ＧａＮ系化合物半導体、具体的には、ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体から成る。半導体レーザ２０は、より具体的には、以下の表１に示す層構成を有する。ここで、表１において、下方に記載した化合物半導体層ほど、ｎ型ＧａＮ基板２１に近い層である。尚、活性層４０における井戸層を構成する化合物半導体のバンドギャップは３．０６ｅＶである。

［表１］
第２化合物半導体層５０
ｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ）５５
ｐ型ＧａＮ（Ｍｇドープ）／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５４
ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層（Ｍｇドープ）５３
ノンドープＡｌＧａＮクラッド層５２
ノンドープＧａＩｎＮ光ガイド層５１
活性層４０
ＧａＩｎＮ量子井戸活性層
（井戸層：Ｇａ_0.92Ｉｎ_0.08Ｎ／障壁層：Ｇａ_0.98Ｉｎ_0.02Ｎ）
第１化合物半導体層３０
ｎ型ＧａＮクラッド層３２
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１

また、ｐ型ＧａＮコンタクト層５５及びｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５４の一部は、ＲＩＥ法にて除去されており、幅１．４μｍのリッジ部５６が形成されている。リッジ部５６の両側にはＳｉＯ₂／Ｓｉから成る積層絶縁膜５７が形成されている。尚、ＳｉＯ₂層が下層であり、Ｓｉ層が上層である。ここで、リッジ部５６の有効屈折率と積層絶縁膜５７の有効屈折率との差は、５×１０^-3乃至１×１０^-2、具体的には、７×１０^-3である。そして、リッジ部５６の頂面に相当するｐ型ＧａＮコンタクト層５５上には、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕから成る第２電極（ｐ型オーミック電極）６２が形成されている。一方、ｎ型ＧａＮ基板２１の裏面には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕから成る第１電極（ｎ型オーミック電極）６１が形成されている。

尚、ｐ型ＧａＮ層及びｐ型ＡｌＧａＮ層が交互に積層された超格子構造を有するｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５４の厚さは０．７μｍ以下、具体的には、０．４μｍであり、超格子構造を構成するｐ型ＧａＮ層の厚さは２．５ｎｍであり、超格子構造を構成するｐ型ＡｌＧａＮ層の厚さは２．５ｎｍであり、ｐ型ＧａＮ層及びｐ型ＡｌＧａＮ層の層数合計は１６０層である。また、活性層４０から第２電極６２までの距離は１μｍ以下、具体的には０．６μｍである。更には、第２化合物半導体層５０を構成するｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層５３、ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５４、ｐ型ＧａＮコンタクト層５５には、Ｍｇが、１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上（具体的には、２×１０¹⁹ｃｍ^-3）、ドーピングされており、波長４０５ｎｍの光に対する第２化合物半導体層５０の吸収係数は、少なくとも５０ｃｍ^-1、具体的には、６５ｃｍ^-1である。また、第２化合物半導体層５０は、活性層側から、ノンドープ化合物半導体層（ノンドープＧａＩｎＮ光ガイド層５１及びノンドープＡｌＧａＮクラッド層５２）、並びに、ｐ型化合物半導体層を有しているが、活性層からｐ型化合物半導体層（具体的には、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層５３）までの距離（ｄ）は１．２×１０^-7ｍ以下、具体的には１００ｎｍである。

実施例１の半導体レーザ２０にあっては、活性層４０及びその近傍から発生した光密度分布に、Ｍｇドープした化合物半導体層である、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層５３、ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５４及びｐ型ＧａＮコンタクト層５５が出来るだけ重ならないようにすることで、内部量子効率が低下しない範囲で、内部損失を抑制している。そして、これにより、レーザ発振が開始される閾値電流密度を低減化させている。実際に、活性層４０からｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層５３までの距離ｄを変えた半導体レーザを作製して、その内部損失α_iと内部量子効率η_iを求めた結果を、図３に示す。図３から、ｄの値を大きくすることで、内部損失α_iは低下するが、ｄの値が或る値以上になると、井戸層へのホールの注入効率が低下する結果、活性層における電子ホールの再結合確率が低下し、内部量子効率η_iが減少する。以上の結果から、ｄの値を上述のとおりに設計した。

実施例１の半導体レーザの駆動方法にあっては、閾値電流の値Ｉ_thの１０倍以上の値、好ましくは２０倍以上の値、より好ましくは５０倍以上の値を有するパルス電流で半導体レーザを駆動する。この電流値は、定格光出力を得るのに必要な電流値（定格電流）を遥かに超えた値である。あるいは又、実施例１の半導体レーザの駆動方法にあっては、閾値電圧の値Ｖ_thの２倍以上の値、好ましくは４倍以上の値、より好ましくは１０倍以上の値を有するパルス電圧で半導体レーザを駆動し、また、横モード不安定を誘起する電圧以上に高めた電圧で半導体レーザを駆動する。また、実施例１の半導体レーザ２０、あるいは、実施例１の半導体レーザ装置を構成する半導体レーザ２０は、閾値電流の値Ｉ_thの１０倍以上の値、好ましくは２０倍以上の値、より好ましくは５０倍以上の値を有するパルス電流で駆動され、また、定格電流を遙かに超えるパルス電流で駆動される。あるいは又、実施例１の半導体レーザ２０、あるいは、実施例１の半導体レーザ装置を構成する半導体レーザ２０は、閾値電圧の値Ｖ_thの２倍以上の値、好ましくは４倍以上の値、より好ましくは１０倍以上の値を有するパルス電圧で駆動され、また、横モード不安定を誘起する電圧以上に高めた電圧で駆動される。あるいは又、実施例１の半導体レーザ２０、あるいは、実施例１の半導体レーザ装置を構成する半導体レーザ２０は、３ワット以上、好ましくは５ワット以上、より好ましくは１０ワット以上の光強度を有し、半値幅が２０ピコ秒以下、好ましくは１５ピコ秒以下、より好ましくは１０ピコ秒以下の第１光ピーク、及び、該第１光ピークに引き続き、１ナノ・ジュール以上、好ましくは２ナノ・ジュール以上、より好ましくは５ナノ・ジュール以上のエネルギーを有し、継続時間が、１ナノ秒以上、好ましくは２ナノ秒以上、より好ましくは５ナノ秒以上である第２光ピークを出射する。

図１の（Ｃ）に示したパルス状の電圧を加えたとき、実施例１の半導体レーザ２０からは、図４の（Ａ）〜（Ｄ）に示す光波形が、高速光検出器とサンプリングオシロスコープを使って観察された。ここで、印加したパルス状の電圧の仕様は以下の表２に示すとおりである。尚、図４の（Ａ）〜（Ｄ）における縦軸は、高速光検出器から得られた信号電圧を表しており、５００ミリボルトの出力信号が光出力１０ワットに相当する。

［表２］
直流定電流Ｉ₁ ：０．１ミリアンペア
パルス幅ｔ_p ：２ナノ秒
パルスの繰り返し周波数ｆ：１００ｋＨｚ

図４の（Ａ）に示すように、パルス電圧Ｖ₂が４．６ボルトのときには、単一の光ピークが得られた。また、図４の（Ｂ）に示すように、パルス電圧Ｖ₂が８．１ボルトのとき、半導体レーザの緩和振動に起因した複数の光パルスが出現した。更には、図４の（Ｃ）に示すように、パルス電圧Ｖ₂を増加させていくと、パルス電圧Ｖ₂が１４．３ボルトでは、複数の半値幅５０ピコ秒以下の鋭い光パルスの発生後、継続時間が１ナノ秒程度の幅広い光パルスが重畳した。

更に、パルス電圧Ｖ₂を１６ボルトにすると、図４の（Ｄ）に示すように、半値幅２０ピコ秒以下の鋭い、しかも、高いピークエネルギー（約１０ワット）を有する単一の光パルス（Giant Pulse，ＧＰと呼び、第１光ピークに相当する）が出現し、第１光ピークに引き続き、強度の低い複数の光パルスと、継続時間が１ナノ秒以上の幅広い光ピーク（第２光ピークであり、継続時間は約１．５ナノ秒）とが重畳して観察された。このときのパルス電流の値は、０．４アンペア以上、具体的には、１．６アンペアであり、あるいは又、パルス電流の値は、活性層１ｃｍ²当たり（接合領域面積１ｃｍ²当たり）に換算したとき、即ち、電流密度（動作電流密度であり、単位はアンペア／ｃｍ²）にて換算したとき、１．４×１０⁵アンペア／ｃｍ²である。

同様の実験を、ＧａＡｓ系高出力半導体レーザに対して行った。その結果を、図５の（Ａ）〜（Ｄ）に示す。駆動条件は、実施例１の半導体レーザ２０と同じである。パルス電圧Ｖ₂を増加させると、緩和振動に起因した複数の光パルスと、それに引く続く、継続時間が１ナノ秒の幅広い光ピークが観察されたが、実施例１の半導体レーザ２０に見られた第１光ピークのような尖頭値の高い光パルスは、観察されなかった。第１光ピーク（ＧＰ）の出現は、ＧａＮ系の半導体レーザを利得スイッチング動作させることによって得られる、特有な現象と考えられる。

印加するパルス電圧Ｖ₂を変えたときに得られる第１光ピークあるいは尖頭ピークのピーク光出力を、図６に示す。ＧａＡｓ系高出力半導体レーザの場合、「Ｂ」で示すように、半値幅５０ナノ秒以下の狭い光パルスが現れるが、そのピーク光出力はパルス電圧に対して単純な増加関数となっている。一方、実施例１の半導体レーザ２０にあっては、「Ａ」で示すように、パルス電圧Ｖ₂が１５ボルトを超えると、ピーク光出力が飛躍的に上昇し、第１光ピーク（ＧＰ）が出現する。即ち、従来のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザよりも数倍以上高い、場合によっては１桁以上高い、光ピークパワーを発生させることができる。

高速光検出器とサンプリングオシロスコープで測定された光波形、及び、出現した第１光ピーク（ＧＰ）の典型例を、図７の（Ａ）に示す。１５ワットもの高いピーク光強度を有する第１光ピーク（ＧＰ）と、第１光ピークに引き続き、１ナノ・ジュール以上、具体的には、１．１ナノ・ジュールのエネルギーを有し、継続時間が１ナノ秒以上、具体的には、１．５ナノ秒である第２光ピークが出現した。尚、このときの駆動条件は、以下の表３に示すとおりである。また、第１光ピーク（ＧＰ）の半値幅をストリークカメラで測定すると、２０ピコ秒と、非常に狭いものであった（図７の（Ｂ）参照）。

［表３］
直流定電流Ｉ₁ ：０．１ミリアンペア
パルス幅ｔ_p ：２ナノ秒
パルスの繰り返し周波数ｆ：１００ｋＨｚ
パルス電圧Ｖ₂ ：４５ボルト

第１光ピーク（ＧＰ）の発生メカニズムを考察するために、第１光ピーク（ＧＰ）発生前後における、実施例１の半導体レーザ２０（図５に示した実験に用いた半導体レーザ素子とは異なる半導体レーザ素子を使用）に印加されたパルス電圧Ｖ₂と半導体レーザに流れた電流Ｉ_Opを測定した。半導体レーザに流れる電流Ｉ_Opは、半導体レーザに直列に０．５オームの抵抗器を挿入し、この抵抗器の両端の電圧を測定することにより求めた。印加したパルス波形は、直流定電流Ｉ₁＝０．１ミリアンペアに、図８の（Ａ）に示したようなパルス電圧（幅約２ナノ秒、電圧Ｖ₂）を加えたものである。尚、このときのパルスの繰り返し周波数ｆは１００ｋＨｚである。また、電流モニターに相当する０．５オームの抵抗器の両端に出現した電圧の波形を、図８の（Ｂ）及び（Ｃ）に示した。こうして得られたパルス電圧Ｖ₂と半導体レーザを流れる電流Ｉ_Opの関係を図８の（Ｄ）に示す。この実験では、Ｖ₂＝１１ボルト付近で第１光ピーク（ＧＰ）が出現したが、Ｖ₂＝１１ボルト前後における電流−電圧特性に大きな変化はなく、その傾きは一定である。従って、第１光ピーク（ＧＰ）の発生原因として、半導体レーザに流す電流Ｉ_Opは関与していないと考えられる。

第１光ピーク（ＧＰ）発生前後におけるスペクトル及びＮＦＰ（Near Field Pattern）を図９、及び、図１０の（Ａ）、（Ｂ）に示す。このときの駆動条件は、表１に示したと同様とした。この実験にあっては、図５及び図８に示した実験に用いた半導体レーザ素子とは異なる半導体レーザ素子を使用したため、パルス電圧Ｖ₂＝２０ボルトでは、第１光ピーク（ＧＰ）は出現しなかった。このときのスペクトルを観察すると、図９に示すように、４０２ｎｍの発振ピークと共に、更に長波長側に４０７ｎｍの発振ピークが観察された。ＮＦＰから、横モードにおいて、基本モードに加えて、その上下方向の両側に高次モード成分が生じていることが判る。パルス電圧を上げ、パルス電圧Ｖ₂＝２３ボルトとしたとき、第１光ピーク（ＧＰ）が出現した。このときのスペクトル及びＮＦＰを測定すると、図１０の（Ａ）に示すように、第１光ピーク（ＧＰ）の出現後には、前述の４０７ｎｍの長波長側の発振ピークが消滅し、新たに、短波長側、３９５ｎｍ近傍に発振ピークが現れた。尚、図１０の（Ａ）にあっては、係る３９５ｎｍ近傍の発振ピークは４０２ｎｍの発振ピークと重なっている。この３９５ｎｍの発振ピークの信号をバンドパスフィルターにより抜き出し、ＮＦＰを測定すると、図１０の（Ｂ）に示すように、第１光ピーク（ＧＰ）の出現により、横モードにおいて、縦方向に幅の広い基本モードが広がるといった変化が見られた。

従って、実施例１の半導体レーザ２０にあっては、横モードの不安定性に起因するエネルギー溜め込み機構を有することで第１光ピーク（ＧＰ）を発生させるような、Ｑスイッチング・レーザ的動作をしていると考えられる。云い換えれば、本発明の半導体レーザは、横モードの不安定性に起因するエネルギー溜め込み機構を有することによってＱスイッチング・レーザ的機能を内包した、利得スイッチング型半導体レーザであると表現することができる。そして、電流パルス増大に伴う実効的に内在するＱスイッチング機構により、従来の利得スイッチング型半導体レーザでは知られていなかった、２０ピコ秒以下の短い光パルス幅と３ワット以上（例えば、１０ワット以上）のピーク光出力が得られると考えられる。

尚、第１光ピーク（ＧＰ）が発生するパルス電圧Ｖ₂は、半導体レーザにより多少の違いが存在すると共に、直流定電流Ｉ₁の値が増加すると、第１光ピーク（ＧＰ）が発生するパルス電圧Ｖ₂の値も増加した。具体的には、Ｉ₁＝０．１ミリアンペアのとき、Ｉ₁＝３ミリアンペアのときでは、第１光ピーク（ＧＰ）が発生するパルス電圧Ｖ₂の値として、以下の表４に示すパルス電圧Ｖ₂が得られた。

［表４］
直流定電流Ｉ₁ ０．１ｍＡ ３ｍＡ
半導体レーザ−Ａ １９ボルト ４０ボルト
半導体レーザ−Ｂ １３ボルト ２６ボルト
半導体レーザ−Ｃ １０ボルト ２３ボルト

以上に説明したように、実施例１にあっては、半導体レーザ２０を閾値電流の値Ｉ_thの１０倍以上の値を有するパルス電流で駆動し、あるいは又、半導体レーザ２０を閾値電圧Ｖ_thの値の２倍以上の値を有するパルス電圧で駆動する。その結果、３ワット以上の光強度を有し、半値幅が２０ピコ秒以下の尖頭ピークを有するレーザ光を出射する、超短パルス・超高出力の半導体レーザを得ることができる。また、実施例１の半導体レーザにあっては、３ワット以上の光強度を有し、半値幅が２０ピコ秒以下の尖頭ピークを有するレーザ光を第１光ピーク（ＧＰ）として出射し、しかも、この第１光ピーク（ＧＰ）に引き続き、１ナノ・ジュール以上のエネルギーを有し、継続時間が１ナノ秒以上の、ブロードではあるが高いエネルギーを有する第２光ピークを出射する半導体レーザを得ることができる。

以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこの実施例に限定するものではない。実施例において説明した半導体レーザの構成、構造、半導体レーザ装置の構成は例示であり、適宜、変更することができる。また、実施例においては、種々の値を示したが、これらも例示であり、例えば、使用する半導体レーザの仕様が変われば、変わることは当然である。

図１の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１の半導体レーザ装置の回路図であり、図１の（Ｃ）及び（Ｄ）は、半導体レーザに印加される矩形状のパルス電圧を模式的に示す図である。 図２は、実施例１の半導体レーザの模式的な断面図である。 図３は、実施例１の半導体レーザにおいて、活性層からｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層までの距離ｄを変えた半導体レーザを作製して、その内部損失と内部量子効率を求めた結果を示すグラフである。 図４の（Ａ）〜（Ｄ）は、実施例１の半導体レーザから出射されるレーザ光の波形を示す図である。 図５の（Ａ）〜（Ｄ）は、ＧａＡｓ系半導体レーザから出射されるレーザ光の波形を示す図である。 図６は、実施例１の半導体レーザ及びＧａＡｓ系半導体レーザにおいて、印加するパルス電圧Ｖ₂を変えたときに得られる第１光ピーク及び尖頭ピークのピーク光出力を示すグラフである。 図７の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、実施例１の半導体レーザにおいて、高速光検出器とサンプリングオシロスコープで測定された光波形、及び、出現した第１光ピーク（ＧＰ）の典型例を示す図、並びに、第１光ピーク（ＧＰ）の半値幅をストリークカメラで測定した結果を示す図である。 図８の（Ａ）は、実施例１の半導体レーザにおいて、印加したパルス電圧の波形を示すグラフであり、図８の（Ｂ）及び（Ｃ）は、電流モニターに相当する０．５オームの抵抗器の両端に出現した電圧の波形を示すグラフであり、図８の（Ｄ）は、パルス電圧Ｖ₂と半導体レーザを流れる電流Ｉ_Opの関係を示すグラフである。 図９は、実施例１の半導体レーザにおいて、第１光ピーク（ＧＰ）発生前におけるスペクトル及びＮＦＰを示す図である。 図１０の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１の半導体レーザにおいて、第１光ピーク（ＧＰ）発生後におけるスペクトル及びＮＦＰを示す図である。

符号の説明

１０・・・パルス発生器、１１・・・直流定電流電源、２０・・・半導体レーザ、２１・・・ｎ型ＧａＮ基板、３０・・・第１化合物半導体層、３１・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、３２・・・ｎ型ＧａＮクラッド層、４０・・・活性層、５０・・・第２化合物半導体層、５１・・・ノンドープＧａＩｎＮ光ガイド層、５２・・・ノンドープＡｌＧａＮクラッド層、５３・・・ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層（Ｍｇドープ）、５４・・・ｐ型ＧａＮ（Ｍｇドープ）／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層、５５・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ）、５６・・・リッジ部、５７・・・積層絶縁膜、６１・・・第１電極、６２・・・第２電極

Claims (4)

1. 第１化合物半導体層、量子井戸構造を有する活性層、及び、第２化合物半導体層から成る積層構造体、第１化合物半導体層に電気的に接続された第１電極、並びに、第２化合物半導体層に電気的に接続された第２電極を備えており、
   積層構造体がＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体から成る半導体レーザを、閾値電流の値の１０倍以上の値を有するパルス電流で駆動し、以て、３ワット以上の光強度を有し、半値幅が２０ピコ秒以下の尖頭ピークを有するレーザ光を出射する半導体レーザの駆動方法。
2. パルス電流の幅は１０ナノ秒以下である請求項１に記載の半導体レーザの駆動方法。
3. 半導体レーザは、リッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造を有する半導体レーザである請求項１又は請求項２に記載の半導体レーザの駆動方法。
4. 第２化合物半導体層は、ｐ型ＧａＮ層及びｐ型ＡｌＧａＮ層が交互に積層された超格子構造を有し、
   超格子構造の厚さは０．７μｍ以下である請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体レーザの駆動方法。