JP2004103677A - 半導体発光素子およびモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】主たる層構成部分を比較的優れた放熱性を有する材料で構成しながら、高出力動作時の非常に高い光密度を緩和し、かつ、高出力動作時の非常に高い電流注入密度の低減をも実現する半導体発光素子を提供すること。
【解決手段】基板上に、Ａｌ_ｘｎＧａ_１−ｘｎＡｓ（０＜ｘｎ＜０．４０）第一導電型第一クラッド層（厚みｔ_ｘｎ）、Ａｌ_ｓｎＧａ_１−ｓｎＡｓ（０＜ｓｎ≦１）第一導電型第二クラッド層（厚みｔ_ｓｎ）、Ａｌ_ｇｎＧａ_１−ｇｎＡｓ（０≦ｇｎ＜０．４０）第一光ガイド層（厚みｔ_ｇｎ）、活性層構造、Ａｌ_ｇｐＧａ_１−ｇｐＡｓ（０≦ｇｐ＜０．４０）第二光ガイド層（厚みｔ_ｇｐ）、Ａｌ_ｓｐＧａ_１−ｓｐＡｓ（０＜ｓｐ≦１）第二導電型第二クラッド層（厚みｔ_ｓｐ）、Ａｌ_ｘｐＧａ_１−ｘｐＡｓ（０＜ｘｐ＜０．４０）第二導電型第一クラッド層（厚みｔ_ｘｐ）を有し、ｇｎ＜ｘｎ＜ｓｎ；ｇｐ＜ｘｐ＜ｓｐ；０．０８＜ｓｎ−ｘｎ；０．０８＜ｓｐ−ｘｐ；ｔ_ｓｎ／ｔ_ｇｎ＜１．０；ｔ_ｓｐ／ｔ_ｇｐ＜１．０を満たす半導体発光素子。
【選択図】　　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子、特に半導体レーザを含む半導体発光装置に関するものである。本発明は、光ファイバー増幅器用励起光源や光情報処理用の光源等のように、高出力かつ長寿命であることを要求される場合に好適に利用することができる。また本発明は、高効率な発光素子と光ファイバーの直接カップリングを実現したい場合などにも好適に利用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
近年における光情報処理技術、光通信技術の進展には枚挙に暇がない。
例えば、通信分野においては、今後の情報通信（ＩＴ）時代に本格的に対応する大容量の光ファイバー伝送路とともに、その伝送方式に対する柔軟性を持つ信号増幅用のアンプとして、Ｅｒ^３＋等の希土類をドープした光ファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）の研究が各方面で盛んに行なわれている。そして、ＥＤＦＡのコンポーネントとして不可欠な要素である、高効率な励起光源用の半導体レーザの開発が待たれている。
【０００３】
ＥＤＦＡ応用に供することのできる励起光源の発振波長は、原理的に８００ｎｍ、９８０ｎｍ、１４８０ｎｍの３種類存在する。このうち増幅器の特性から見れば９８０ｎｍでの励起が、利得やノイズ等を考慮すると最も望ましいことが知られている。このような９８０ｎｍの発振波長を有する半導体レーザ（ＬＤ）は、励起光源として高出力でありながら長寿命であるという相反する要求を満たすことが要求されている。さらに、光増幅器用の励起光源は光ファイバーと良好な結合を実現することも必須であるために、単一横モード発振することが望まれる。このため、高出力動作時においては、ＬＤ端面の光密度や、注入される電流密度はマルチモードＬＤなどと比較して非常に高くなるのが一般的であるが、励起光源用半導体レーザにはこの様な条件下での高い信頼性が求められる。
【０００４】
最近は、さらにＥＤＦＡが増幅できる波長である１５３０ｎｍ〜１６１０ｎｍ帯の信号光よりも短い１４５０ｎｍ〜１５３０ｎｍ帯の信号光を増幅するための光ファイバー増幅器として、Ｔｍ^３＋等の希土類をドープした光ファイバー増幅器（ＴＤＦＡ）の研究も盛んに行われている。このＴＤＦＡにおいても、１０４５ｎｍ近傍に発振波長を有し、高出力動作に耐える単一横モードＬＤの実現が望まれている。
【０００５】
一方通信分野への応用以外でも、半導体レーザには、ＳＨＧ光源、レーザプリンタ用の熱源としての利用があり、この分野でも高出力動作特性と信頼性の両立は非常に重要な研究テーマとなっている。また、情報処理分野では高密度記録、高速書き込みおよび読み出しを目的とした半導体レーザの高出力化、短波長化が進んでおり、従来の７８０ｎｍ発振波長のＬＤに関しても高出力化が強く望まれており、また、６３０ｎｍ〜６８０ｎｍ帯のＬＤの開発も各方面で精力的に行われている。
【０００６】
これまで９８０ｎｍ近傍の半導体レーザについては、その研究が進み、日米をつなぐ大容量光通信用海底ケーブルの中などで実用化が進んでいる。しかしながら、より高い光出力における動作では急速な劣化がおこり、信頼性は不十分である。これは７８０ｎｍ帯、６３０ｎｍ〜６８０ｎｍ帯のＬＤにおいても同様である。
【０００７】
高出力動作時に信頼性が十分でないことの原因の１つは、非常に高い電流注入密度とこれに伴う発熱、さらに非常に高い光密度に素子を構成する半導体材料が耐えられなくなるからである。ＬＤにおいては、効率の高い場合においても、入力した電力の５０％程度しか光に変換されず、残りの入力電力は熱となってしまうのが普通である。このため、特に高出力動作をさせた場合には、発熱の影響による素子の寿命特性の悪化が懸念されることとなる。さらに、高出力動作時の光密度は非常に高いため、光による悪影響も無視できない。
【０００８】
例えばこれまで報告されている９８０ｎｍ帯ＬＤの多くは、クラッド層、光ガイド層にＡｌＧａＡｓ系材料を使用し、また、活性層にはＩｎＧａＡｓ系材料を用いている。この際、多くのＬＤのＡｌＧａＡｓクラッド層のＡｌ組成は０．４０程度より大きいのが普通であった。例えば非特許文献１あるいは非特許文献２にはクラッド層のＡｌ組成が０．６である９８０ｎｍ帯ＬＤが記述されている。また非特許文献３には、クラッド層のＡｌ組成が０．４８である９８０ｎｍ帯ＬＤが記述されている。この様なクラッド層のＡｌ組成が選択されるのは、活性層とクラッド層との間で十分な光閉じ込めを実現し、かつ、光ガイド層とクラッド層の間のバンドオフセットも確保するためである。
【０００９】
しかし一方でこれらのＡｌＧａＡｓクラッドを有するＬＤには、以下の様な問題があった。
非特許文献４で指摘されている様に、ＡｌＧａＡｓ系材料の熱抵抗率はＡｌ組成が０．５近傍で約８ｃｍ・ｄｅｇ／ｗａｔｔと最大となる。これに対して、ＧａＡｓあるいはＡｌＡｓにおける熱抵抗率は約１／４から１／５である。この観点で前記のＬＤはその構成要素の中の最も厚いクラッド層に、ＡｌＧａＡｓ系材料の中でも最も熱抵抗率の高い材料を用いた構造となっていたと言える。すなわち、これら旧来のＬＤは必ずしも高出力動作に適した構造となっているとは言えない。
【非特許文献１】Ｍ．　Ｏｋａｙａｓｕ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ｌｅｔｔｅｒｓ，　ｖｏｌ．２５，　Ｎｏ．　２３　（１９８９）　ｐ．１５６３
【非特許文献２】Ｒ．　Ｊ．　Ｆｕ　ｅｔ　ａｌ．，　ＩＥＥＥ　ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｌｅｔｔｅｒｓ，　ｖｏｌ．３，　Ｎｏ．　４　（１９９１）　ｐ．３０８
【非特許文献３】Ａ．　Ｓｈｉｍａ　ｅｔ　ａｌ．，ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｅｄ　ｔｏｐｉｃｓ　ｉｎ　ｑｕａｎｔｕｍ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，　ｖｏｌ．１　Ｎｏ．２　（１９９５）　ｐ．１０２
【非特許文献４】Ｍ．　Ａ．　Ａｆｏｍｏｗｉｔｚ，　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｐｈｙｓｉｃｓ，　ｖｏｌ．４４，　Ｎｏ．３　（１９７３）　ｐ．１２９２
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記の従来技術の問題点を解決することを課題とした。
具体的には、半導体発光素子の主たる層構成部分を比較的優れた放熱性を有する材料で構成しながら、高出力動作時の非常に高い光密度を緩和した半導体発光素子を提供するものであって、かつ、高出力動作時の非常に高い電流注入密度の低減をも実現するものである。加えて、本発明は光ファイバー等との容易な光学的結合も可能な半導体発光素子を提供することを解決すべき課題とした。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、少なくとも、第一導電型を示す基板、第一導電型を示すＡｌ_ｘｎＧａ_１−ｘｎＡｓ（０＜ｘｎ＜０．４０）からなる厚みｔ_ｘｎ（ｎｍ）の第一クラッド層、第一導電型を示すＡｌ_ｓｎＧａ_１−ｓｎＡｓ（０＜ｓｎ≦１）からなる厚みｔ_ｓｎ（ｎｍ）の第二クラッド層、Ａｌ_ｇｎＧａ_１−ｇｎＡｓ（０≦ｇｎ＜０．４０）からなる厚みｔ_ｇｎ（ｎｍ）の第一光ガイド層、Ｉｎ、ＧａおよびＡｓを含み基板に格子整合しない歪み量子井戸層を含む活性層構造、Ａｌ_ｇｐＧａ_{１− ｇｐ}Ａｓ（０≦ｇｐ＜０．４０）からなる厚みｔ_ｇｐ（ｎｍ）の第二光ガイド層、第二導電型を示すＡｌ_ｓｐＧａ_１−ｓｐＡｓ（０＜ｓｐ≦１）からなる厚みｔ_ｓｐ（ｎｍ）の第二クラッド層、第二導電型を示すＡｌ_ｘｐＧａ_１−ｘｐＡｓ（０＜ｘｐ＜０．４０）からなる厚みｔ_ｘｐ（ｎｍ）の第一クラッド層を有する半導体発光素子において、以下の式を満たすことを特徴とする本発明の半導体発光素子によって課題を解決しうることを見出した。
【数１１】
ｇｎ　＜　ｘｎ　＜　ｓｎ　　　　ｇｐ　＜　ｘｐ　＜　ｓｐ
０．０８　＜　ｓｎ−ｘｎ　　　０．０８　＜　ｓｐ−ｘｐ
ｔ_ｓｎ／ｔ_ｇｎ＜　１．０　　　　ｔ_ｓｐ／ｔ_ｇｐ＜　１．０
【００１２】
本発明の半導体発光素子は、以下の（１）〜（７）の少なくとも１つの式を満たすことが好ましい。以下の式において、λは半導体発光素子の発光波長（ｎｍ）、ｎ_ｇｎは波長λ（ｎｍ）における第一光ガイド層の屈折率、ｎ_ｇｐは第二光ガイド層の屈折率である。
【数１２】

【００１３】
本発明の半導体発光素子の好ましい態様として、活性層構造内の障壁層がともに基板と同じ導電型である部分を含む態様；基板と同じ導電型である障壁層内の部分のドーパントがＳｉである態様；第一導電型第一クラッド層、第二導電型第一クラッド層の内の少なくとも一方のドーピングレベルが、それぞれの層内で一様でない態様；少なくとも一方の導電型を示す第一クラッド層と第二クラッド層の間に、Ａｌ_ｔＧａ_１−ｔＡｓからなる層を具備し、そのＡｌ組成ｔが、第一クラッド層側から第二クラッド層側に向けてｘｎからｓｎまで、あるいはｘｐからｓｐまで徐々に増加する態様；活性層への電流注入が共振器方向に対して一定の幅でなされない態様；少なくとも一方の素子の発光点近傍において電流注入路の幅が広がっている態様；以下の（８）および／または（９）を満たす態様を挙げることができる（以下の式において、Ｗ_ｅｘｐは素子の一方の発光点近傍における電流注入路の幅、Ｗ_ｓｔｄは素子中の最も狭い電流注入路の幅である）。
【数１３】

【００１４】
本発明の半導体発光素子の他の好ましい態様として、第二導電型第一クラッド層が第二導電型上側第一クラッド層と第二導電型下側第一クラッド層の二層に分かれ、第二導電型上側第一クラッド層と電流ブロック層とで電流注入領域を形成し、さらにコンタクト層を具備する態様；半導体発光素子が半導体レーザである態様；半導体発光素子が単一横モード発振する半導体レーザである態様；第一導電型側がｎ型で、第二導電型がｐ型である態様を挙げることができる。
【００１５】
本発明は、前記の半導体発光素子と、当該半導体発光素子の光の出射端側に光ファイバーを具備することを特徴とする半導体発光素子モジュールも提供する。当該光ファイバーの先端は、集光効果を有し、かつ、半導体発光素子の前端面と直接光学的に結合するように加工されていることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
まず、本明細書で使用しているいくつかの表記について説明する。
本明細書において「Ａ層の上に形成されたＢ層」という表現は、Ａ層の上面にＢ層の底面が接するようにＢ層が形成されている場合と、Ａ層の上面に１以上の層が形成されさらにその層の上にＢ層が形成されている場合の両方を含むものである。また、Ａ層の上面とＢ層の底面が部分的に接していて、その他の部分ではＡ層とＢ層の間に１以上の層が存在している場合も、前記表現に含まれる。具体的な態様については、以下の各層の説明と実施例の具体例から明らかである。
【００１７】
また、本明細書では、図１下側に図示されるように、基板に垂直な方向を縦方向と定義し、基板に水平な方向を横方向と定義する。
【００１８】
本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。また、本明細書に添付する図面は、本発明の構造を把握しやすくするために、敢えて寸法を変えている部分があるが、実際の寸法は本明細書に記載されているとおりである。
【００１９】
本発明の半導体発光素子は、少なくとも、第一導電型を示す基板、第一導電型を示すＡｌ_ｘｎＧａ_１−ｘｎＡｓ（０＜ｘｎ＜０．４０）からなる第一クラッド層、第一導電型を示すＡｌ_ｓｎＧａ_１−ｓｎＡｓ（０＜ｓｎ≦１）からなる第二クラッド層、Ａｌ_ｇｎＧａ_１−ｇｎＡｓ（０≦ｇｎ＜０．４０）からなる第一光ガイド層、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓを含み基板に格子整合しない歪み量子井戸層を含む活性層構造、Ａｌ_ｇｐＧａ_１−ｇｐＡｓ（０≦ｇｐ＜０．４０）からなる第二光ガイド層、第二導電型を示すＡｌ_ｓｐＧａ_１−ｓｐＡｓ（０＜ｓｐ≦１）からなる第二クラッド層、第二導電型を示すＡｌ_ｘｐＧａ_１−ｘｐＡｓ（０＜ｘｐ＜０．４０）からなる第一クラッド層を有する。
【００２０】
以下において、本発明の半導体発光素子の好ましい構成例およびその製造法について具体的に説明する。
先ず、本発明の半導体発光素子の主たる特徴を、図１に示すＬＤを参照しながら説明する。図１左には各層構造により実現される屈折率の縦方向の空間分布を示し、また図１下には本図中で使用する方向の呼び方を示した。
【００２１】
図１は、ｎ型基板（１０１）上に、Ａｌ_ｘｎＧａ_１−ｘｎＡｓからなる厚みｔ_ｘｎ（ｎｍ）のｎ型第一クラッド層（１０２）、Ａｌ_ｓｎＧａ_１−ｓｎＡｓからなる厚みｔ_ｓｎ（ｎｍ）のｎ型第二クラッド層（１０３）、アンドープＡｌ_ｇｎＧａ_１−ｇｎＡｓからなる厚みｔ_ｇｎ（ｎｍ）の第一光ガイド層（１０４）、活性層構造（１０５）、アンドープＡｌ_ｇｐＧａ_１−ｇｐＡｓからなる厚みｔ_ｇｐ（ｎｍ）の第二光ガイド層（１０６）、Ａｌ_ｓｐＧａ_１−ｓｐＡｓからなる厚みｔ_ｓｐ（ｎｍ）のｐ型第二クラッド層（１０７）、Ａｌ_ｘｐＧａ_１−ｘｐＡｓからなる厚みｔ_ｘｐ（ｎｍ）のｐ型第一クラッド層（１０８）を有しており、さらに電極との接触抵抗を下げるためのコンタクト層（１０９）、また横方向に対して電流注入領域を限定するためのＳｉＮ層（１１０）とｐ側電極（１１１）、ｎ側電極（１１２）より構成されているブロードエリア型ＬＤである。また、図１のＬＤでは、以下の式を満たす。
【数１４】
ｘｎ　＝　ｘｐ　＝　ｘ，　　ｔ_ｘｎ＝　ｔ_ｘｐ＝　ｔ_ｘ
ｓｎ　＝　ｓｐ　＝　ｓ，　　ｔ_ｓｎ＝　ｔ_ｓｐ＝　ｔ_ｓ
ｇｎ　＝　ｇｐ　＝　ｇ，　　ｔ_ｇｎ＝　ｔ_ｇｐ＝　ｔ_ｇ
また活性層構造（１０５）は、基板側から、厚み６ｎｍのＩｎ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ歪み量子井戸層（１２１）、厚み８ｎｍのＧａＡｓ障壁（バリア）層（１２２）、厚み６ｎｍのＩｎ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ歪み量子井戸層（１２３）が積層されている歪み二重量子井戸構造であり、その発振波長はλ（ｎｍ）である。
【００２２】
ＬＤの光閉じ込めの基本となる活性層構造（１０５）に対する縦方向の閉じ込めは、活性層の上下に位置する２つのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ第一クラッド層（１０２，１０８）と、活性層構造（１０５）を含む２つのＡｌ_ｇＧａ_１−ｇＡｓ光ガイド層（１０４，１０６）との間の屈折率差によって実現するものである。本発明においてはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓからなる第一クラッド層（１０２，１０８）のＡｌ組成ｘは０．４よりも小さいことが必要であり、０．３より小さいことが好ましく、０．２よりも小さいことがより好ましい。これは基板（１０１）とコントクト層（１０９）を除くＬＤ構成層の中で最も厚いクラッド層のＡｌ組成を下げることで素子全体の熱抵抗を下げることが可能であり、高出力動作に適した構造とすることができるからである。
【００２３】
第一クラッド層（１０２，１０８）の厚みは、その層の活性層側から離れる方向に対して光を十分に減衰させる必要があることから発振波長λ（ｎｍ）に対して以下の式を満たすことが好ましい。
【数１５】
λ　＜　ｔ_ｘ
特に９８０ｎｍ帯ＬＤなどの様に、基板（１０１）が発振波長に対して透明であり、かつｎ型第一クラッド層（１０２）およびｎ型第二クラッド層（１０３）よりも屈折率が大きい場合には、クラッド層（１０２，１０３）から基板（１０１）側にもれ出した光が基板中を伝播することから基板モードがＬＤ本来のモードに重畳することが知られているが、これを抑制するためには、ｎ型第一クラッド層（１０２）の厚みを波長に対して厚くしておくことが望ましい。
【００２４】
また、光閉じ込めを実現するためには、光ガイド層（１０４，１０６）は第一クラッド層（１０２，１０８）よりも屈折率の大きな、すなわち第一クラッド層（１０２，１０８）よりＡｌ組成の小さな材料で構成する必要がある。さらに光ガイド層（１０４，１０６）においてもそのＡｌ組成は０．４よりも小さいことが必要であり、０．２より小さいことが好ましく、０．１よりも小さいことがより好ましい。また最も望ましいのはＡｌを含まないＧａＡｓを用いる場合である。特に信頼性の観点から、Ａｌを含まない光ガイド層が望まれる。また光ガイド層（１０４，１０６）の厚みｔ_ｇ（ｎｍ）は、後述する第二クラッド層（１０３，１０７）にその機能を十分に発揮させるために、以下の式を満たすことが好ましい。
【数１６】
０．５×［λ／（４×ｎ_ｇ）］　ｎｍ　＜ｔ_ｇ＜　１．５×［λ／（４×ｎ_ｇ）］　ｎｍ
上式において、ｎ_ｇは光ガイド層（１０４，１０６）の屈折率である。光ガイド層（１０４，１０６）の厚みｔ_ｇを上式の上限未満にすることによって、特に後述する第二クラッド層（１０３，１０７）のキャリアのオーバーフロー抑制効果を十分に発揮させるとともに、キンクレベルの低下等を有効に回避することができる。また、光ガイド層（１０４，１０６）の厚みｔ_ｇを上式の下限より大きくすることによって、後述する第二クラッド層（１０３，１０７）の反導波的な特性が過度にならないようにすることができる。
【００２５】
通常のＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅｄ　Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ　Ｈｅｔｅｒｏ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造をＡｌＧａＡｓ系材料で構成した場合においては、前記第一クラッド層と光ガイド層は直接的に接しているが、本発明においてはこれらの層の間にＡｌ_ｓＧａ_１−ｓＡｓからなる厚みｔ_ｓの第二クラッド層（１０３，１０７）を有している点に特徴がある。この層は光ガイド層（１０４，１０６）、さらには第一クラッド層（１０２，１０８）よりもＡｌ組成が高く設定される必要があり、以下の式を満たす。
【数１７】
ｇ＜ｘ＜ｓ
【００２６】
この結果、図１左に示される通り、第二クラッド層（１０３，１０７）は、屈折率としては最も小さい値を有する層となる。ｎの下に記載される矢印の向きは屈折率が大きくなる方向を意味する。また、伝導帯側の電子に対しては（またここには示されていないが荷電子帯のホールに対しても）、第二クラッド層（１０３，１０７）は障壁となる機能を有する。Ｅｇの上に記載される矢印の向きは電子に対してポテンシャルが大きくなる方向を意味する。
【００２７】
すなわちこの第二クラッド層（１０３，１０７）は、高温でＬＤ駆動を駆動している場合、あるいは高出力動作中でＬＤの自己発熱によって活性層の温度が相当に上がってしまう場合などにＩｎ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ歪み量子井戸層（１２１，１２３）から第一クラッド層（１０２，１０８）中へのキャリアの熱的な漏れ出し（オーバーフロー）を抑制する機能を有している。本発明においては、素子全体の熱抵抗低減のために第一クラッド層（１０２，１０８）のＡｌ組成は、前述の通り、０．４よりも小さいことが先ず重要であり、０．３より小さいことが好ましく、０．２よりも小さいことがより好ましい。このためにＡｌ_ｓＧａ_１−ｓＡｓ第二クラッド層（１０３，１０７）は、活性層構造（１０５）側から光ガイド層（１０４，１０６）を通ってもれ出すキャリアから見て、光ガイド層（１０４，１０６）と第一クラッド層（１０２，１０８）の間の障壁の低さを補う様に、Ａｌ組成は０より大きく１以下となる範囲から選択される。しかし、第二クラッド層（１０３，１０７）においても熱抵抗の観点、あるいはさらに高いＡｌ組成のＡｌＧａＡｓ系材料一般に見られる酸化による劣化、ひいては素子の寿命の悪化等を避ける目的で、そのＡｌ組成ｓは０．５よりも低いことが望ましい。さらに、通常半導体レーザが使用される１００℃程度までの範囲で第二クラッド層（１０３，１０７）によって活性層構造（１０５）側から第一クラッド層（１０２，１０８）側にキャリアがオーバーフローするのを十分に抑制するためには、以下の式を満たすことが必要である。
【数１８】
０．０８　＜　ｓ−ｘ
しかし、極端に大きな障壁は第一クラッド層側から活性層構造側へ注入されるキャリアに対して、その注入を阻害してしまうことから、以下の式を満たすことが好ましい。
【数１９】
ｓ−ｘ　＜　０．４
【００２８】
さらに、この第二クラッド層（１０３，１０７）は以下の様に縦方向の光閉じ込めに関して非常に重要な機能を有している。前述の通りこの第二クラッド層（１０３，１０７）は光ガイド層（１０４，１０６）よりも、また、第一クラッド層（１０２，１０８）よりも屈折率の低いＡｌ_ｓＧａ_１−ｓＡｓが選択されるため、ＬＤ端面における縦方向の近視野像（Ｎｅａｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｐａｔｔｅｒｎ：　ＮＦＰ）が広がり、光密度が低減され、遠視野像（Ｆａｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｐａｔｔｅｒｎ：　ＦＦＰ）が狭くなり、ひいては高出力動作に適した素子にすることが可能であり、寿命特性等の改善も望める。
【００２９】
第二クラッド層（１０３，１０７）は、前記の様な相対的な屈折率の関係から、その層の外側に光の分布を押しやる機能を発現する。このため、ＬＤ端面における縦方向の近視野像は上下方向に広げられることとなり、結果として光密度は低減されるため、高出力動作上非常に望ましい。しかし、極端に第二クラッド層（１０３，１０７）の屈折率を下げること、あるいは厚みを増すことは、導波路が過度に反導波的になりＬＤ構造中の縦方向の光閉じ込めがあまりに弱くなり過ぎ、結果として極端な発振しきい値の増大、スロープ効率の低下、駆動電流の増大などを招く結果となり望ましくない。このため、第二クラッド層（１０３，１０７）の厚みｔ_ｓは、光ガイド層（１０４，１０６）の厚みｔ_ｇとの相対的な関係において、以下の式を満たさなければならない。
【数２０】
ｔ_ｓ／ｔ_ｇ　＜　１．０
また適切に縦方向のＮＦＰ拡大効果を得るためには、以下の式を満たさすことが好ましい。
【数２１】
０．３　＜　ｔ_ｓ／ｔ_ｇ
【００３０】
また第二クラッド層（１０３，１０７）においては、光ガイド層（１０４，１０６）との相対的な厚みの関係だけでなく、絶対値として以下の関係を満足することが望ましい。
１０ｎｍ　＜　ｔ_ｓ　＜　１００ｎｍ
これは、第二クラッド層（１０３，１０７）が極端に薄い場合には特に光学的な効果が薄れてしまい、また極端に厚い場合には光閉じ込めが極端に弱くなりＬＤが発振しなくなってしまうからである。
【００３１】
次に、本発明の半導体発光素子の一例である単一横モード動作可能な半導体レーザについて図２を参照しながら説明する。図２は、本発明の半導体レーザにおけるエピタキシャル構造の一例として埋め込みストライプ型の半導体レーザの構成を示した概略断面図である。
この半導体レーザは半導体基板（１）上に形成され、屈折率導波構造を有し、第二導電型第一クラッド層が第二導電型上側第一クラッド層（１０）と第二導電型下側第一クラッド層（９）の二層に分かれ、第二導電型上側第一クラッド層（１０）と電流ブロック層（１１）／キャップ層（１２）とで電流注入領域を形成し、さらに電極との接触抵抗を下げるためのコンタクト層（１３）を有する半導体レーザである。この例を始めとする様々なレーザの基本的エピタキシャル構造の製法については、例えば特開平８ー１３０３４４号公報を参考にすることができる。この種のレーザは光通信に用いられる光ファイバー増幅器用の光源や、情報処理用の大規模光磁気メモリーのピックアップ光源として用いられ、層構成や使用材料等を適宜選択することによってさらに様々な用途へ応用することもできる。
【００３２】
基板（１）には、本発明ではＧａＡｓ基板を使用するのが望ましい。基板（１）はいわゆるジャスト基板だけではなく、エピタキシャル成長の際の結晶性を向上させる観点から、いわゆるオフ基板（ｍｉｓｓ　ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）の使用も可能である。オフ基板は、ステップフローモードでの良好な結晶成長を促進する効果を有しており、広く使用されている。オフ基板は０．５度〜２度程度の傾斜を持つものが広く用いられるが、量子井戸構造を構成する材料系によっては傾斜を１０度前後にすることもある。
基板（１）は、ＭＢＥあるいはＭＯＣＶＤ等の結晶成長技術を利用して発光素子を製造するために、あらかじめ化学エッチングや熱処理等を施しておいてもよい。使用する基板（１）の厚みは通常３５０μｍ程度のものであり、素子作製のプロセス中の機械的強度が確保されるようにするのが普通であり、半導体発光素子の端面を形成するために、プロセス途中で１００μｍ程度に薄くポリッシングされるのが普通である。
【００３３】
バッファ層（２）は、基板バルク結晶の不完全性を緩和し、結晶軸を同一にしたエピタキシャル薄膜の形成を容易にするために設けることが好ましい。バッファ層（２）は、基板（１）と同一の化合物で構成するのが好ましく、基板（１）がＧａＡｓの場合は通常、バッファ層（２）にはＧａＡｓが使用される。しかし、超格子層をバッファ層（２）に使用することも広く行われており、同一の化合物で形成されない場合もある。一方、誘電体基板を用いた場合には必ずしも基板と同一の物質ではなく、その所望の発光波長、デバイス全体の構造から、適宜、基板と異なった材料が選ばれる場合もある。
【００３４】
第一導電型第一クラッド層（３）は、Ａｌ_ｘｎＧａ_１−ｘｎＡｓからなる。素子全体の熱抵抗を下げ、高出力動作に適した構造とするために、第一導電型第一クラッド層（３）のＡｌ組成ｘｎは０＜ｘｎ＜０．４０を満たす様に構成される。ｘｎは０．３以下であることが好ましく、０．２以下であることがより好ましい。また、第一導電型第一クラッド層（３）の厚みｔ_ｘｎ（ｎｍ）は、活性層構造（６）から離れる方向に対して光を十分に減衰させる必要があることから、発振波長λ（ｎｍ）よりも大きくすることが好ましい。
【００３５】
また前記の様に、本発明の第一導電型第一クラッド層（３）においてはＡｌ_ｘｎＧａ_１−ｘｎＡｓ層のＡｌ組成が、通常のＳＣＨ構造、あるいはＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造を有するＬＤよりも低いため、ドーパントの活性化率を高くできる効果も期待できる。特に第一導電型がｎ型でありＳｉをドーパントとする場合などにおいて、ＭＢＥ法によって結晶成長をすることを想定すると、Ｎ．　Ｃｈａｎｄ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｒｅｖｉｅｗ　Ｂ　ｖｏｌ．３０　（１９８４）　Ｐ．４４８１にある通り、Ｓｉドナーのイオン化エネルギーはＡｌ組成に大きく依存することが知られており、低Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓにおいてはドーピングレベルを比較的少なめに設定しても十分に抵抗の小さい層を形成することができるために非常に望ましい。よって、第一導電型第一クラッド層（３）のドーピングレベルは１．０ｘ１０^１７ｃｍ^−３〜１．０ｘ１０^１８ｃｍ^−３であることが望ましく、３．０ｘ１０^１７ｃｍ^−３〜７．５ｘ１０^１７ｃｍ^−３であることがより望ましい。
さらにドーピングは第一導電型第一クラッド層（３）内で一様に行われる必要はなく、基板（１）側ほど高く、また活性層構造（６）に近い側ほど低く設定されることが望ましい。これは光密度の高い部分において自由電子による吸収を抑制するために有効な方法である。
【００３６】
第一導電型第二クラッド層（４）は、Ａｌ_ｓｎＧａ_１−ｓｎＡｓ（０＜ｓｎ≦１）からなる。ｓｎは好ましくは０．５未満である。第一導電型第二クラッド層（４）のＡｌ組成ｓｎは、隣接する第一導電型第一クラッド層（３）のＡｌ組成ｘｎと第一光ガイド層（５）のＡｌ組成ｇｎよりも大きくなければならない。このような構成を採用することによって、第一導電型第二クラッド層（４）は最も屈折率が小さな層となり、伝導帯側の電子や荷電子帯のホールに対して障壁となる機能を持つことになる。また、第一導電型第二クラッド層（４）のＡｌ組成ｓｎと、第一導電型第一クラッド層（３）のＡｌ組成ｘｎとの差ｓｎ−ｘｎは、０．０８より大きくする。これによって、活性層構造（６）から第一導電型第一クラッド層（３）へキャリアがオーバーフローするのを第一導電型第二クラッド層（４）が十分に抑制することができる。ただし、第一導電型第一クラッド層（３）から活性層構造（６）へのキャリア注入を過度に阻害しないように、ｓｎ−ｘｎは０．４未満にしておくことが好ましい。
第一導電型第二クラッド層（４）の厚みｔ_ｓｎ（ｎｍ）は、第一光ガイド層（５）の厚みｔ_ｇｎ（ｎｍ）よりも小さい。このような構成を採用することによって、極端な発振しきい値の増大、スロープ効率の低下、駆動電流の増大を回避することができる。適度な縦方向のＮＦＰ拡大効果を得るためには、以下の式を満たすことが好ましい。
【数２２】
０．３　＜　ｔ_ｓｎ／ｔ_ｇｎ
また、第一導電型第二クラッド層（４）の厚みｔ_ｓｎは、１０ｎｍよりも厚く、１００ｎｍよりも薄いことが好ましい。第一導電型第二クラッド層（４）の厚みｔ_ｓｎが１０ｎｍ以下であると光学的な効果が薄れる場合があり、逆に１００ｎｍ以上であると光閉じ込めが極端に弱くなってＬＤが発振しなくなる場合がある。
【００３７】
また第一導電型第二クラッド層（４）においてはＡｌ_ｓｎＧａ_１−ｓｎＡｓ層のＡｌ組成ｓｎが、本発明のＬＤ構造の中で比較的高いために、ドーパントのドーピングレベルは第一導電型第一クラッド層（３）と比較して高く設定することが望ましい。特に第一導電型がｎ型でありＳｉをドーパントとする場合などにおいて、ＭＢＥ法によって結晶成長をすることを想定すると、そのドーピングレベルは３．０ｘ１０^１７ｃｍ^−３〜１．０ｘ１０^１８ｃｍ^−３であることが望ましく、４．０ｘ１０^１７ｃｍ^−３〜７．５ｘ１０^１７ｃｍ^−３であることがより望ましい。
【００３８】
図２には示されていないが、第一導電型第一クラッド層（３）と第一導電型第二クラッド層（４）の間には、Ａｌ_ｔＧａ_１−ｔＡｓ系材料からなり、その組成ｔが第一導電型第一クラッド層（３）側ではｔ＝ｘｎであり、また第一導電型第二クラッド層（４）側ではｔ＝ｓｎとなるように徐々にＡｌ組成を単調に変化させた層を挿入することも可能である。この様な遷移層は第一導電型第一クラッド層（３）側から第一導電型第二クラッド層（４）を通じて活性層構造（６）にキャリアを注入する際の電気抵抗を低減できるために非常に好ましい。また、遷移層には様々な組成変化をつけることが可能であり、例えばＡｌ組成ｔが第一導電型第一クラッド層（３）側から第一導電型第二クラッド層（４）側に向けて直線的に増加している態様や、曲線的に単調増加している態様などを採ることが可能である。
【００３９】
第一導電型第二クラッド層（４）上の第一光ガイド層（５）は、Ａｌ_ｇｎＧａ_１−ｇｎＡｓ（０≦ｇｎ＜０．４０）からなる。光閉じ込めを実現するためには、第一光ガイド層（５）は第一導電型第一クラッド層（３）よりも屈折率の大きな、すなわち第一導電型第一クラッド層（３）よりＡｌ組成の小さな材料で構成する必要がある。さらに第一光ガイド層（５）においてもそのＡｌ組成は０．４よりも小さいことが必要であり、０．２より小さいことが好ましく、０．１よりも小さいことがより好ましい。また最も望ましいのはＡｌを含まないＧａＡｓを用いる場合である。特に信頼性の観点から、Ａｌを含まない光ガイド層が望まれる。
【００４０】
また第一光ガイド層（５）の厚みｔ_ｇｎ（ｎｍ）は、第一導電型第二クラッド層（４）にその機能を十分に発揮させるために、以下の式を満たすことが好ましい。
【数２３】
０．５×［λ／（４×ｎ_ｇｎ）］　ｎｍ　＜ｔ_ｇｎ＜　１．５×［λ／（４×ｎ_ｇｎ）］　ｎｍ
上式において、ｎ_ｇｎは第一光ガイド層（５）の屈折率である。第一光ガイド層（５）の厚みｔ_ｇｎを上式の上限未満にすることによって、特に第一導電型第二クラッド層（４）のキャリアのオーバーフロー抑制効果を十分に発揮させるとともに、キンクレベルの低下等を有効に回避することができる。また、第一光ガイド層（５）の厚みｔ_ｇｎを上式の下限より大きくすることによって、第一導電型第二クラッド層（４）の反導波的な特性が過度にならないようにすることができる。
【００４１】
Ａｌ_ｇｎＧａ_１−ｇｎＡｓ（０≦ｇｎ＜０．４０）からなる厚みｔ_ｇｎの第一光ガイド層（５）は必ずしも単一のＡｌ組成を有する層である必要はなく、第一光ガイド層（５）の中でＡｌ組成を変化させることも可能である。このように第一光ガイド層（５）の中でＡｌ組成の異なる領域が存在する場合の屈折率は平均的な屈折率をもって第一光ガイド層の屈折率と考えることができる。
第一光ガイド層（５）の導電型はｐ型、ｎ型、あるいはアンドープであっても本発明の効果は変わらない。
【００４２】
本発明で言う活性層構造（６）とは、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓを含み基板に格子整合しない歪み量子井戸層を含むものであり、多くの場合においては当該歪み量子井戸層の両側には、量子井戸層よりも大きなバンドギャップを有する障壁層が具備される。
活性層構造（６）の構成としては光ガイド層（５，７）に障壁層としての役割を担わせた単層のＩｎＧａＡｓ歪み量子井戸層（Ｓｔｒａｉｎｅｄ　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ：　Ｓ−ＳＱＷ）である場合や、同じＳＱＷ構造でもＧａＡｓ障壁層、ＩｎＧａＡｓ歪み量子井戸層、ＧａＡｓ障壁層と積層された場合もあり得る。あるいは図２に示すように活性層構造（６）が、基板（１）側からＧａＡｓ障壁層（２１）、ＩｎＧａＡｓ歪み量子井戸層（２２）、ＧａＡｓ障壁層（２３）、ＩｎＧａＡｓ歪み量子井戸層（２４）、ＧａＡｓ障壁層（２５）と積層されたいわゆる歪み二重量子井戸構造（Ｓｔｒａｉｎｅｄ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ：　Ｓ−ＤＱＷ）であっても良い。さらに、量子井戸層を３層以上多重に用いた多重量子井戸構造が用いられる場合もある。さらにはＧａＡｓ障壁層、ＩｎＧａＡｓ歪み量子井戸層、ＩｎＧａＡｓＰ歪み補償障壁層、ＩｎＧａＡｓ歪み量子井戸層、ＧａＡｓ障壁層が積層され、歪み量子井戸層と障壁層の有する歪みが逆方向の歪みとなっている構造でも良い。
【００４３】
歪み量子井戸層の具体的な材料としては、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等を挙げることができる。歪みを有する量子井戸層は、その歪みの効果によって光学利得の増大等を期待することができる。このため低Ａｌ組成の第一クラッド層（３，９，１０）と活性層構造（６）の間で適度に弱い縦方向の光閉じ込めであっても、十分なＬＤ特性を実現できる。このため、歪み量子井戸層は本発明には欠かせない。
【００４４】
障壁層（２１，２３，２５）の導電型はｐ型、ｎ型、あるいはアンドープであっても本発明の効果は変わらないが、障壁層（２１，２３，２５）はｎ型の導電型を示す部分を有することが望ましい。この様な状況においては、障壁層（２１，２３，２５）から電子が活性層構造（６）内の量子井戸層（２２，２４）に供給されることからＬＤの利得特性を効果的に広帯域化することができて望ましい。このような素子は後述する様にグレーティングファイバー等の外部共振器によって効果的に発振波長を固定化することができる。また、この際にｎ型のドーパントはＳｉであることが望ましい。さらに、Ｓｉの様なｎ型のドーパントが障壁層（２１，２３，２５）内に一様にドーピングされているのではなく、歪み量子井戸層（２２，２４）等の他の層との界面近傍にはドーピングが施されず、障壁層（２１，２３，２５）の中心付近に選択的にドーピングされていることが最も望ましい。
【００４５】
第二光ガイド層（７）は、Ａｌ_ｇｐＧａ_１−ｇｐＡｓ（０≦ｇｐ＜０．４０）からなる。光閉じ込めを実現するためには、第二光ガイド層（７）は第二導電型第一クラッド層（９，１０）よりも屈折率の大きな、すなわち第二導電型第一クラッド層（９，１０）よりＡｌ組成の小さな材料で構成する必要がある。さらに第二光ガイド層（７）においてもそのＡｌ組成は０．４よりも小さいことが必要であり、０．２より小さいことが好ましく、０．１よりも小さいことがより好ましい。また最も望ましいのはＡｌを含まないＧａＡｓを用いる場合である。特に信頼性の観点から、Ａｌを含まない光ガイド層が望まれる。
【００４６】
また第二光ガイド層（７）の厚みｔ_ｇｐ（ｎｍ）は、第二導電型第二クラッド層（８）にその機能を十分に発揮させるために、以下の式を満たすことが好ましい。
【数２４】
０．５×［λ／（４×ｎ_ｇｐ）］　ｎｍ　＜ｔ_ｇｐ＜　１．５×［λ／（４×ｎ_ｇｐ）］　ｎｍ
上式において、ｎ_ｇｐは第二光ガイド層（７）の屈折率である。第二光ガイド層（７）の厚みｔ_ｇｐを上式の上限未満にすることによって、特に第二導電型第二クラッド層（８）のキャリアのオーバーフロー抑制効果を十分に発揮させるとともに、キンクレベルの低下等を有効に回避することができる。また、第二光ガイド層（７）の厚みｔ_ｇｐを上式の下限より大きくすることによって、第二導電型第二クラッド層（９，１０）の反導波的な特性が過度にならないようにすることができる。
【００４７】
第二光ガイド層（７）は必ずしも単一のＡｌ組成を有する層である必要はなく、第二光ガイド層（７）の中でＡｌ組成を変化させることも可能である。このように第二光ガイド層（７）の中でＡｌ組成の異なる領域が存在する場合の屈折率は平均的な屈折率をもって光ガイド層の屈折率と考えることができる。第二光ガイド層（７）の組成は、第一光ガイド層（５）の組成と同一であっても異なっていてもよい。本発明の好ましい実施態様では、第二光ガイド層（７）のＡｌ組成ｇｐと、第一光ガイド層（５）のＡｌ組成ｇｎがともに０である場合である。
第二光ガイド層（７）の導電型はｐ型、ｎ型、あるいはアンドープであっても本発明の効果は変わらない。
【００４８】
第二導電型第二クラッド層（８）は、Ａｌ_ｓｐＧａ_１−ｓｐＡｓ（０＜ｓｐ≦１）からなる。ｓｐは好ましくは０．５未満である。第二導電型第二クラッド層（８）のＡｌ組成ｓｐは、隣接する第二導電型下側第一クラッド層（９）のＡｌ組成ｘｐと第二光ガイド層（７）のＡｌ組成ｇｐよりも大きくなければならない。このような構成を採用することによって、第二導電型第二クラッド層（８）は最も屈折率が小さな層となり、伝導帯側の電子や荷電子帯のホールに対して障壁となる機能を持つことになる。また、第二導電型第二クラッド層（８）のＡｌ組成ｓｐと、第二導電型下側第一クラッド層（９）のＡｌ組成ｘｐとの差ｓｐ−ｘｐは、０．０８より大きくする。これによって、活性層構造（６）から第二導電型下側第一クラッド層（９）へキャリアがオーバーフローするのを第二導電型第二クラッド層（８）が十分に抑制することができる。ただし、第二導電型下側第一クラッド層（９）から活性層構造（６）へのキャリア注入を過度に阻害しないように、ｓｐ−ｘｐは０．４未満にしておくことが好ましい。
【００４９】
第二導電型第二クラッド層（８）の厚みｔ_ｓｐ（ｎｍ）は、第二光ガイド層（７）の厚みｔ_ｇｐ（ｎｍ）よりも小さい。このような構成を採用することによって、極端な発振しきい値の増大、スロープ効率の低下、駆動電流の増大を回避することができる。適度な縦方向のＮＦＰ拡大効果を得るためには、以下の式を満たすことが好ましい。
【数２５】
０．３　＜　ｔ_ｓｐ／ｔ_ｇｐ
また、第二導電型第二クラッド層（８）の厚みｔ_ｓｐは、１０ｎｍよりも厚く、１００ｎｍよりも薄いことが好ましい。第二導電型第二クラッド層（８）の厚みｔ_ｓｐが１０ｎｍ以下であると光学的な効果が薄れる場合があり、逆に１００ｎｍ以上であると光閉じ込めが極端に弱くなってＬＤが発振しなくなる場合がある。
【００５０】
第二導電型第二クラッド層（８）は、必ずしも第一導電型第二クラッド層（４）と同じＡｌ組成を有する必要はないが、縦方向のビームの対称性を確保する目的としてはＡｌ組成が同じであることが望ましい。
【００５１】
特に第二導電型がｐ型でありＢｅをドーパントとする場合などにおいて、ＭＢＥ法によって結晶成長をすることを想定すると、第二導電型第二クラッド層（８）のドーピングレベルは３．０ｘ１０^１７ｃｍ^−３〜１．０ｘ１０^１８ｃｍ^−３であることが望ましく、４．０ｘ１０^１７ｃｍ^−３〜７．５ｘ１０^１７ｃｍ^−３であることがより望ましい。
【００５２】
図２には示されていないが、第二導電型第二クラッド層（８）と第二導電型下側第一クラッド層（９）の間には、Ａｌ_ｔＧａ_１−ｔＡｓ系材料からなり、その組成ｔが第二導電型第二クラッド層（８）側ではｔ＝ｓｐで、第二導電型下側第一クラッド層（９）側ではｔ＝ｘｐであるように徐々にＡｌ組成を単調に変化させた層を挿入することも可能である。また、遷移層には様々な組成変化をつけることが可能であり、例えばＡｌ組成ｔが第二導電型第二クラッド層（８）側から第二導電型下側第一クラッド層（９）側に向けて直線的に増加している態様や、曲線的に単調増加している態様などを採ることが可能である。
【００５３】
第二導電型第一クラッド層は、図２では、第二導電型下側第一クラッド層（９）と第二導電型上側第一クラッド層（１０）の二層に分かれている。この場合には素子作製を容易にするために、これら二層の間にエッチング停止層を有していてもかまわない。
【００５４】
第二導電型第一クラッド層（９，１０）は、Ａｌ_ｘｐＧａ_１−ｘｐＡｓ（０＜ｘｐ＜０．４０）からなる。素子全体の熱抵抗を下げ、高出力動作に適した構造とするために、第二導電型第一クラッド層（９，１０）のＡｌ組成ｘｐは０＜ｘｐ＜０．４０を満たす様に構成される。ｘｐは０．３以下であることが好ましく、０．２以下であることがより好ましい。また、第二導電型第一クラッド層（９，１０）全体の厚みｔ_ｘｐは、活性層構造（６）から離れる方向に対して光を十分に減衰させる必要があることから、発振波長λよりも大きくすることが好ましい。
【００５５】
第二導電型下側第一クラッド層（９）の厚みは、活性層構造（６）への電流注入経路が、電流の横方向への広がりによって極端に広くならないようにするために、１０ｎｍ〜２００ｎｍ程度であることが望ましい。またより望ましくは２０ｎｍ〜７０ｎｍ程度であることが望ましい。
【００５６】
また、第二導電型下側第一クラッド層（９）と第二導電型上側第一クラッド層（１０）のドーピングレベルは、１．０ｘ１０^１７ｃｍ^−３〜１．０ｘ１０^１８ｃｍ^−３であることが望ましく、３．０ｘ１０^１７ｃｍ^−３〜７．５ｘ１０^１７ｃｍ^−３であることがより望ましい。
さらにドーピングは、第二導電型下側第一クラッド層（９）や第二導電型上側第一クラッド層（１０）内で一様に行われる必要はなく、コンタクト層（１３）側ほど高く、また活性層構造（６）に近い側ほど低く設定されることが望ましい。これは光密度の高い部分において自由電子による吸収を抑制するために有効な方法である。本発明では、第一導電型第一クラッド層（３）か第二導電型第一クラッド層（９，１０）の少なくとも一方のドーピングレベルが層内で一様でないことが好ましい。
【００５７】
第二導電型上側第一クラッド層（１０）は、その側壁に形成されている電流ブロック層（１１）とともに、電流閉じ込めと横方向の光閉じ込めの２つの機能を実現する。これは本発明を単一横モード動作するＬＤに適応する時に望ましい構成である。このために、横方向に対する電流閉じ込めの観点では、電流ブロック層（１１）の導電型は第一導電型かあるいはアンドープとすることが好ましい。また、横方向の光閉じ込めの観点、特に屈折率導波を基礎とした導波路としての特性を満足するためには、電流ブロック層（１１）は第二導電型第一クラッド層（９，１０）よりも小さな屈折率を有する材料で形成される。また、本発明ではＡｌＧａＡｓ系材料で電流ブロック層（１１）を形成することが望ましく、これをＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）とすると、そのＡｌ組成はｚ＞ｘｐになることが好ましい。また、本発明は、おもに単一横モード動作する半導体レーザに好適に利用されるが、この観点では、電流ブロック層（１１）と第二導電型上側第一クラッド層（１０）との屈折率差によって主に規定される横方向の有効屈折率差は１０^−３のオーダであることが望ましい。さらには電流注入路の幅であり、かつ、導波路の幅に相当する、第二導電型下側第一クラッド層（９）と第二導電型上側第一クラッド層（１０）が接する部分の横方向の幅Ｗは、ＬＤを単一横モード動作させる観点では、紙面に垂直な共振器方向に誤差の範囲で一様であって、その幅は６μｍ以下であることが望ましく、３μｍ以下であることがより望ましい。しかし、高出力動作と単一横モード動作の両立を目指すためには、必ずしも共振器方向に一様な導波路である必要はなく、半導体レーザの主たる光の出射方向である前端面側においては、その導波路の幅を相対的に広くして高出力動作に適する様にし、一方、後端面側においてはその導波路の幅を狭くして、単一横モード動作可能である様にすることが望ましい。また、この様な場合においては、一方の発光点近傍における電流注入路の幅をＷ_ｅｘｐ、素子中の最も狭い電流注入路の幅Ｗ_ｓｔｄとしたときに、以下の式を満たすことが望ましい。
【数２６】
１．５＜Ｗ_ｅｘｐ／Ｗ_ｓｔｄ＜５．０
さらに、以下の式を満たすことがより望ましい。
【数２７】
２．５＜Ｗ_ｅｘｐ／Ｗ_ｓｔｄ＜３．５
【００５８】
一方Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓからなる電流ブロック層（１１）は、光閉じ込めの観点だけからは、そのＡｌ組成はｚ＞ｘｐであれば良いが、他のＡｌＧａＡｓからなる層と同様の理由によって、そのＡｌ組成は０．５より小さいことが望ましく、さらには０．４より小さいことが望ましく、最も望ましいのはＡｌ組成が０．２５より小さい場合である。
【００５９】
キャップ層（１２）は、第１回目の成長において電流ブロック層の保護層として用いられると同時に第二導電型上側第一クラッド層（１０）の成長を容易にするために用いられ、素子構造を得る前に、一部または全て除去される。
【００６０】
第二導電型上側第一クラッド層（１０）の上には、電極（１４）との接触抵抗率を下げるため等の目的で、コンタクト層（１３）を設けるのが好ましい。コンタクト層（１３）は、通常、ＧａＡｓ材料にて構成される。この層は、通常電極（１４）との接触抵抗率を低くするためにキャリア濃度を他の層より高くする。また導電型は第二導電型である。
【００６１】
半導体レーザを構成する各層の厚みは、それぞれの層の機能を効果的に奏する範囲内で適宜選択される。
【００６２】
また本発明の半導体発光素子においては、第一導電型はｎ型であることが望ましく、第二導電型はｐ型であることが望ましい。これはｎ型の基板の方が良質である場合が多いからである。
【００６３】
図２に示す半導体レーザは、さらに電極（１４）および（１５）を形成することにより作製される。エピタキシャル層側電極（１４）は、例えば第二導電型がｐ型の場合、コンタクト層（１３）表面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを順次に蒸着した後、合金化処理することによって形成される。一方、基板側電極（１５）は基板（１）表面に形成され、第一導電型がｎ型の場合、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを基板（１）表面に順に蒸着した後、合金化処理することによって形成される。
【００６４】
製造した半導体ウエハーには、光の出射面である端面を形成する。端面は共振器を構成する鏡となる。好ましくは、劈開により端面を形成する。劈開は広く用いられる方法であり、劈開によって形成される端面は使用する基板の方位によって異なる。例えば、好適に利用されるｎｏｍｉｎａｌｌｙ（１００）と結晶学的に等価な面をもつ基板を使用して端面発光型レーザ等の素子を形成する際には、（１１０）もしくはこれと結晶学的に等価な面が共振器を形成する面となる。一方、オフ基板を使用するときには、傾斜させた方向と共振器方向の関係によっては端面が共振器方向と９０度にならない場合もある。例えば（１００）基板から、（１−１０）方向に向けて角度を２度傾けた基板を使用した場合には端面も２度傾くことになる。
【００６５】
劈開によって素子の共振器長も決定される。一般に共振器長は長い方が高出力動作に適するが、本発明が適応される半導体レーザにおいては、６００μｍ以上であることが望ましい。またさらに望ましくは９００μｍ〜３０００μｍであることが望ましい。このように共振器長の上限があるのは、極端に長い共振器長を有する半導体レーザは、逆に、しきい値電流の上昇、効率の低下等、特性劣化をきたす恐れがあるからである。
【００６６】
本発明では、露出した半導体端面上に、誘電体、または誘電体および半導体の組合せからなるコーティング層（１６，１７）を形成するのが好ましい（図３）。コーティング層（１６，１７）は、主に半導体レーザからの光の取り出し効率を上げる目的と、端面の保護という２つの目的のために形成される。また、素子からの光出力を片側の端面から効率良く取り出すためには、発振波長に対して反射率の低い（例えば反射率１０％以下）コーティング層を主たる光の出射方向である前端面に施し、また、発振波長に対して反射率の高い（例えば８０％以上）のコーティング層をもう一方の後端面に施す非対称コーティングを行うのが望ましい。これは、単に素子の高出力化を進めるだけではなく、波長安定化のために使用されるグレーティングファイバーなどの外部共振器から戻ってくる光を積極的にレーザ内部に取り込み、波長の安定化を促進する点でも非常に重要である。また、これらの目的のためには前端面の反射率は５％以下であることが好ましく、２．５％以下であることがより好ましい。
【００６７】
コーティング層（１６，１７）には、さまざまな材料を用いることができる。例えば、ＡｌＯｘ、ＴｉＯｘ、ＳｉＯｘ、ＳｉＮ、ＳｉおよびＺｎＳからなる群から選ばれる１種または２種以上の組合せを用いることが好ましい。低反射率のコーティング層としてはＡｌＯｘ、ＴｉＯｘ、ＳｉＯｘ等が、また高反射率のコーティング層としてはＡｌＯｘ／Ｓｉの多層膜、ＴｉＯｘ／ＳｉＯｘの多層膜等が用いられる。それぞれの膜厚を調節することによって、所望の反射率を実現することができる。しかし、一般に低反射率のコーティング層とするＡｌＯｘ、ＴｉＯｘ、ＳｉＯｘ等の膜厚は、その波長λでの屈折率の実数部分をｎとしてλ／４ｎ近傍になるように調整するのが一般的である。また、高反射多層膜の場合も、膜を構成する各材料がλ／４ｎ近傍になるように調整するのが一般的である。
【００６８】
コーティングが終了したレーザバーを再度劈開することによって、各素子を分離し、半導体レーザとすることができる。
【００６９】
このようにして製造した半導体レーザを始めとする本発明の半導体発光素子の光の出射端側に光ファイバーを設置して、半導体発光素子モジュールを形成することができる。光ファイバーの先端は、集光効果を示し、かつ、半導体発光素子の前端面と直接光学的に結合するように加工されていることが好ましい。
【００７０】
半導体レーザを始めとする本発明の半導体発光素子に対して波長の安定化を図るために、外部に波長選択性のある鏡を準備し、外部共振器と本発明の半導体発光素子を結合させることが望ましい。特にファイバーグレーティングを用いて外部共振器を形成させること望ましい。またこの場合には、半導体発光素子の他にファイバーグレーティング、温度安定化用のクーラ等を内臓した半導体発光素子モジュールを形成することも可能である。ファイバーグレーティングはその目的に応じて中心波長、反射あるいは透過帯域、ファイバーグレーティングが有する半導体発光素子側への光の反射率等を適宜選択可能である。特に前記ファイバーグレーティングの半導体発光素子側への光の反射率は、半導体発光素子の発光波長において２〜１５％であることが好ましく、５〜１０％であることがより好ましく、かつ、その反射帯域が中心波長に対して０．１〜５．０ｎｍであることが好ましく、０．５〜１．５ｎｍであることがより好ましい。
【００７１】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、濃度、厚み、操作手順等は、本発明の精神から逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下の実施例に示す具体例に制限されるものではない。
【００７２】
＜実施例１＞
図２にその光の出射方向からの断面図が示されている半導体レーザを以下の手順で作製した。
先ず、キャリア濃度１．０×１０^１８ｃｍ^−３のｎ型ＧａＡｓ基板（１）の（１００）面上に、ＭＢＥ法にて、バッファ層（２）として厚み０．５μｍでキャリア濃度１．０×１０^１８ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ層；第一導電型第一クラッド層（３）として厚み２．３μｍで、キャリア濃度が基板側から１．３μｍは７．５×１０^１７ｃｍ^−３であり、その上１μｍは３．０×１０^１７ｃｍ^−３であるＳｉドープｎ型Ａｌ_０．１９Ｇａ_０．８１Ａｓ層；第一導電型二クラッド層（４）として厚みが３５ｎｍでキャリア濃度が８．０×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型Ａｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ａｓ層；第一光ガイド層（５）として、厚みが７５ｎｍで、基板側から３５ｎｍはＳｉのドーピングレベルが２．０×１０^１７ｃｍ^−３であり、その上４０ｎｍはアンドープであるＧａＡｓ層（後述する発振波長９８０ｎｍにおける屈折率は３．５２５２４５）；活性層構造（６）として、厚み５ｎｍでキャリア濃度が７．５×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ障壁層（但し量子井戸層側１ｎｍはアンドープ）、厚み６ｎｍのアンドープＩｎ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ歪み量子井戸層、厚み７ｎｍでキャリア濃度が７．５×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ障壁層（但し両量子井戸層側１ｎｍはアンドープ）、厚み６ｎｍのアンドープＩｎ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ歪み量子井戸層、厚み５ｎｍで、キャリア濃度が７．５×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ障壁層（但し量子井戸層側１ｎｍはアンドープ）の５層からなる活性層構造；第二光ガイド層（７）として、厚みが７５ｎｍで、基板側から４０ｎｍはアンドープで、その上３５ｎｍはＢｅのドーピングレベルが３．０×１０^１７ｃｍ^−３であるＧａＡｓ層（後述する発振波長９８０ｎｍにおける屈折率は３．５２５２４５）；第二導電型二クラッド層（８）として厚みが３５ｎｍでキャリア濃度が７．５×１０^１７ｃｍ^−３のＢｅドープｐ型Ａｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ａｓ層；第二導電型下側第一クラッド層（９）として厚み２５ｎｍで、キャリア濃度が５．０×１０^１７ｃｍ^−３のＢｅドープｐ型Ａｌ_０．１９Ｇａ_０．８１Ａｓ層；電流ブロック層（１１）として厚み０．３μｍでキャリア濃度５．０×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型Ａｌ_０．２３Ｇａ_０．７８Ａｓ層；キャップ層（１２）として厚み１０ｎｍでキャリア濃度７．５×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ層を、順次積層した。
【００７３】
最上層の電流注入領域部分を除く部分に窒化シリコンのマスクを設けた。このとき、窒化シリコンマスクの開口部の幅は１．５μｍとした。これをマスクとして２０℃で１０５秒間エッチングを行い、電流注入領域部分のキャップ層と電流ブロック層を除去した。エッチング剤は、リン酸（８５重量％）、過酸化水素（３０重量％水溶液）および水を体積比１：１：３０で混合した混合液を使用した。
【００７４】
その後、ＭＯＣＶＤ法にて、第二導電型上側第一クラッド層（１０）として厚み２．３μｍで、キャリア濃度が基板側から１μｍは４．０×１０^１７ｃｍ^−３であり、その上の１．３μｍは７．５×１０^１７ｃｍ^−３であるＺｎドープｐ型Ａｌ_０．１９Ｇａ_０．８１Ａｓ層；コンタクト層（１３）として厚み３．０μｍで、キャリア濃度が基板側から２．７μｍは１．０×１０^１８ｃｍ^−３であり、その上の０．３μｍは６．０×１０^１８ｃｍ^−３であるＺｎドープＧａＡｓ層を再成長した。
さらに、エピタキシャル層側（ｐ側）電極（１４）としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを、それぞれ７０ｎｍ／７０ｎｍ／８０ｎｍだけ蒸着し、また、基板をポリッシングした後は、基板側（ｎ側）電極（１５）としてＡｕＧｅＮｉ／Ａｕをそれぞれ１５０ｎｍ／８０ｎｍだけ蒸着し、その後、４００℃で合金化を５分間行って半導体レーザ用のウエハーを完成させた。
なお、完成した半導体レーザの電流注入領域の幅Ｗは２．３μｍであった。
【００７５】
続いて、大気中で、共振器長１６００μｍのレーザバーの状態に劈開して（１１０）面を露出させ、ＡｌＯｘ膜を発振波長９８０ｎｍにおいて前端面の反射率が２．５％になるように１６５ｎｍ製膜し、コーティング層（１６）を形成した（図３）。さらに後端面側の処理を行うために、厚み１７０ｎｍのＡｌＯｘ層／厚み６０ｎｍのアモルファスＳｉ層／厚み１７０ｎｍのＡｌＯｘ層／厚み６０ｎｍのアモルファスＳｉ層の４層からなるコーティング層（１７）を形成し、反射率９２％の後端面を作製した。
【００７６】
作製した素子の２５℃における電流光出力特性を図４に示す。
しきい値電流は３２．６ｍＡ、スロープ効率は０．８７Ｗ／Ａ、キンクレベルは６５２ｍＷであった。また電流を１．５Ａまで注入した際の最大光出力は７５５ｍＷであり、１．５Ａの電流注入まで、素子の破壊は観測されなかった。
また４５０ｍＷ光出力時における縦方向ＦＦＰの半値全幅は２２．５度であり、横方向ＦＦＰの半値全幅は８．８度であった。また素子の発振波長は９８４ｎｍであった。
さらに図５には、素子を５０℃にて一定光出力状態（５００ｍＷ）で連続駆動した際の駆動電流の時間変化を示した。図中に示される様に１５００時間の安定駆動が確認された。
【００７７】
＜実施例２＞
実施例１において作製した素子を用いて、その素子の前端面側に先端が楔型をしたファイバーレンズを有するグレーティング付の光ファイバーを実装し、バタフライ型のパッケージを有する半導体レーザモジュールを作製した。このグレーティングファイバーの反射中心は９８２ｎｍであり、その反射率は３％であった。２５℃において、ファイバー端から出射される光に対して、しきい値電流２７．６ｍＡ、スロープ効率０．７１ｍＷ／ｍＡであった。結合効率は約８１．６％と良好であった。
【００７８】
＜実施例３＞
半導体レーザを以下の手順で作製した。
先ず、キャリア濃度１．０×１０^１８ｃｍ^−３のｎ型ＧａＡｓ基板の（１００）面上に、ＭＢＥ法にて、バッファ層として厚み１μｍでキャリア濃度１．０×１０^１８ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ層；第一導電型第一クラッド層として厚み２．５μｍで、キャリア濃度が基板側から１．５μｍは６．０×１０^１７ｃｍ^−３であり、その上１μｍは４．０×１０^１７ｃｍ^−３であるＳｉドープｎ型Ａｌ_{０．１７５}Ｇａ_{０．８２５}Ａｓ層；次いで、第一導電型遷移層として、厚みが３５ｎｍで、キャリア濃度が５．０×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型Ａｌ_ｔＧａ_１−ｔＡｓ層であり、このＡｌ組成が第一導電型第一クラッド層側でｔ＝０．１７５であり、ここから当該層内でＡｌ組成が第一導電型第二クラッド層側においてｔ＝０．３５まで直線的に増加している層；第一導電型二クラッド層として厚みが３５ｎｍでキャリア濃度が３．０×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型Ａｌ_０．３５Ｇａ_０．６５Ａｓ層；第一光ガイド層として、厚みが７５ｎｍでキャリア濃度が２．０×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ層（後述する発振波長９８０ｎｍにおける屈折率は３．５２５２４５）；活性層構造として、厚み５ｎｍでキャリア濃度が７．５×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ障壁層（但し量子井戸層側１ｎｍはアンドープ）、厚み６ｎｍのアンドープＩｎ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ歪み量子井戸層、厚み７ｎｍでキャリア濃度が７．５×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ障壁層（但し両量子井戸層側１ｎｍはアンドープ）、厚み６ｎｍのアンドープＩｎ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ歪み量子井戸層、厚み５ｎｍで、キャリア濃度が７．５×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ障壁層（但し量子井戸層側１ｎｍはアンドープ）の５層からなる活性層構造；第二光ガイド層として、厚みが７５ｎｍでキャリア濃度が３．０×１０^１７ｃｍ^−３のＢｅドープｐ型ＧａＡｓ層（後述する発振波長９８０ｎｍにおける屈折率は３．５２５２４５）；第二導電型二クラッド層として厚みが３５ｎｍでキャリア濃度が４．０×１０^１７ｃｍ^−３のＢｅドープｐ型Ａｌ_０．３５Ｇａ_０．６５Ａｓ層；次いで、第二導電型遷移層として、厚みが３５ｎｍで、キャリア濃度が５．０×１０^１７ｃｍ^−３のＢｅドープｐ型Ａｌ_ｔＧａ_１−ｔＡｓ層であり、このＡｌ組成が第二導電型第二クラッド層側でｔ＝０．３５であり、ここから当該層内でＡｌ組成が第二導電型第二クラッド層側においてｔ＝０．１７５まで直線的に減少している層；第二導電型下側第一クラッド層として厚み３０ｎｍで、キャリア濃度が５．０×１０^１７ｃｍ^−３のＢｅドープｐ型Ａｌ_{０．１７５}Ｇａ_{０．８２５}Ａｓ層；電流ブロック層として厚み０．５μｍでキャリア濃度５．０×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型Ａｌ_{０．２２５}Ｇａ_{０．７７５}Ａｓ層；キャップ層として厚み１０ｎｍでキャリア濃度７．５×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ層を順次積層した。
【００７９】
最上層の電流注入領域部分を除く部分に窒化シリコンのマスクを設けた。このとき、窒化シリコンマスクの開口部の幅は、以下の様に共振器長１６００μｍの半導体レーザにおいて、その共振器方向で変化させた。素子の後端面となる部分から前端面側に向かって１２００μｍは、開口部の幅を１．７μｍとし、素子の前端面となる部分から後端面側に向かって２５０μｍはこれを５．１μｍとした。また、これら異なる領域をつなぐ部分は１５０μｍの長さに渡って、幅を１．７μｍ〜５．１μｍの間で直線的に変化させた。これをマスクとして２０℃で１８５秒間エッチングを行い、電流注入領域部分のキャップ層と電流ブロック層を除去した。エッチング剤は、リン酸（８５重量％）、過酸化水素（３０重量％水溶液）および水を体積比１：１：３０で混合した混合液を使用した。
【００８０】
その後、ＭＯＣＶＤ法にて、第二導電型上側第一クラッド層として厚み２．４７μｍで、キャリア濃度が基板側から１μｍは４．０×１０^１７ｃｍ^−３であり、その上の１．４７μｍは６．０×１０^１７ｃｍ^−３であるＺｎドープｐ型Ａｌ_{０．１７５}Ｇａ_{０．８２５}Ａｓ層；コンタクト層として厚み３．５μｍで、キャリア濃度が基板側から３μｍは１．０×１０^１８ｃｍ^−３であり、その上の０．５μｍは５．０×１０^１８ｃｍ^−３であるＺｎドープＧａＡｓ層を再成長した。
さらに、エピタキシャル層側（ｐ側）電極としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを、それぞれ７０ｎｍ／７０ｎｍ／８０ｎｍだけ蒸着し、また、基板をポリッシングした後には、基板側（ｎ側）電極としてＡｕＧｅＮｉ／Ａｕをそれぞれ１５０ｎｍ／８０ｎｍだけ蒸着し、その後、４１０℃で合金化を５分間行って半導体レーザ用のウエハーを完成させた。
なお、完成した半導体レーザの電流注入領域の幅Ｗｂは素子の前端面側で２．３μｍ、後端面側で５．６μｍであった。
【００８１】
続いて、大気中で、共振器長１６００μｍのレーザバーの状態に劈開して（１１０）面を露出させ、ＡｌＯｘ膜を発振波長９８０ｎｍにおいて前端面の反射率が２．５％になるように１６５ｎｍ製膜し、コーティング層を形成した。さらに後端面側の処理を行うために、厚み１７０ｎｍのＡｌＯｘ層／厚み６０ｎｍのアモルファスＳｉ層／厚み１７０ｎｍのＡｌＯｘ層／厚み６０ｎｍのアモルファスＳｉ層の４層からなるコーティング層を形成し、反射率９２％の後端面を作製した。
【００８２】
コーティング終了後、半導体レーザバーを二次劈開し、半導体レーザを放熱板に搭載して半導体レーザを完成させた。
作製した素子の２５℃における電流光出力特性を図６に示す。
しきい値電流は３４．１ｍＡ、スロープ効率は０．８８Ｗ／Ａ、キンクレベルは６０８ｍＷであった。また電流を１．５Ａまで注入した際の最大光出力は８３０ｍＷであり、１．５Ａの電流注入までで、素子の破壊は観測されなかった。
また４５０ｍＷ光出力時における縦方向ＦＦＰの半値全幅は２１．８度であり、横方向ＦＦＰの半値全幅は７．２度であった。また素子の発振波長は９７８ｎｍであった。
【００８３】
＜比較例１＞
第一導電型第二クラッド層と第二導電型第二クラッド層とを積層しなかったこと以外は、実施例１と同様にして半導体レーザを作製した。
図４に示される通り、しきい値電流は２９．１ｍＡ、スロープ効率は０．９Ｗ／Ａと実施例１よりも良好であったが、キンクレベルは５４０ｍＷと低かった。また電流を１．５Ａまで注入した際の最大光出力も６７１．２ｍＷと実施例１と比較して低く、１．５Ａの電流注入を行ったところ、１．４Ａで素子が破壊した。
また４５０ｍＷ光出力時における縦方向ＦＦＰの半値全幅は２９．７度と実施例１よりも広く、活性層における光密度が高いことが疑われた。また、横方向ＦＦＰの半値全幅は９．０度と同程度であった。さらに図５には、素子を５０℃にて一定光出力状態（５００ｍＷ）で連続駆動した際の駆動電流の時間変化を示した。図中に示される様に１５００時間までで全ての素子が故障し、高出力動作には向かなかった。
【００８４】
＜比較例２＞
比較例１で作製した素子を用いたこと以外は、全て実施例２と同様の構成で半導体レーザモジュールを作製した。２５℃において、ファイバー端から出射される光に対して、しきい値電流２６．１ｍＡ、スロープ効率０．６４ｍＷ／ｍＡであった。結合効率は約７１．１％と実施例２に及ばなかった。
【００８５】
＜比較例３＞
第一光ガイド層と第二光ガイド層の厚みを４５ｎｍ、また、その中のアンドープ領域を１０ｎｍとし、かつ、第一導電型第二クラッド層と第二導電型第二クラッド層の厚みを共に５０ｎｍとし、ｔ_ｓｎ／ｔ_ｇｎ＝ｔ_ｓｐ／ｔ_ｇｐを約１．１とした以外は、実施例１と同様にして半導体レーザを作製した。
しきい値電流は３９．７ｍＡ、スロープ効率は０．６９Ｗ／Ａ、キンクレベルは４２２ｍＷと実施例１に及ばなかった。また電流を１．５Ａまで注入した際の最大光出力も５２９ｍＷと実施例１と比較して低く、１．５Ａの電流注入を行ったところ、１．４５Ａで素子が破壊した。
またキンクレベルが低いためにＦＦＰの測定は４００ｍＷで実施した。この際の光出力時における縦方向ＦＦＰの半値全幅は１６．５度であり、活性層近傍における光閉じ込めが十分でないことが疑われた。横方向ＦＦＰの半値全幅は８．５度であった。また素子の発振波長は９８５．５ｎｍであった。
【００８６】
【発明の効果】
本発明によって、半導体発光素子の主たる層構成部分を比較的優れた放熱性を有する材料で構成しながら、高出力動作時の非常に高い光密度を緩和し、かつ、高出力動作時の非常に高い電流注入密度の低減をも実現する半導体発光素子が提供される。本発明の半導体発光素子は、光ファイバー等との容易な光学的結合も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一態様を光の出射方向から見た断面図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の別の一態様を光の出射方向から見た断面図である。
【図３】本発明の半導体発光素子の一態様を示す斜視図である。
【図４】実施例１と比較例１の半導体発光装置の電流光出力特性を比較したグラフである。
【図５】実施例１と比較例１の半導体発光装置の駆動時間と駆動電流の関係を比較したグラフである。
【図６】実施例３の半導体発光装置の電流光出力特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０１　　ｎ型基板
１０２　　ｎ型第一クラッド層
１０３　　ｎ型第二クラッド層
１０４　　第一光ガイド層
１０５　　活性層構造
１０６　　第二光ガイド層
１０７　　ｐ型第二クラッド層
１０８　　ｐ型第一クラッド層
１０９　　コンタクト層
１１０　　ＳｉＮ層
１１１　　ｐ側電極
１１２　　ｎ側電極
１２１、１２３　　歪み量子井戸層
１２２　　障壁層
１　　第一導電型基板
２　　バッファ層
３　　第一導電型第一クラッド層
４　　第一導電型第二クラッド層
５　　第一光ガイド層
６　　活性層構造
７　　第二光ガイド層
８　　第二導電型第二クラッド層
９　　第二導電型下側第一クラッド層
１０　　第二導電型上側第一クラッド層
１１　　電流ブロック層
１２　　キャップ層
１３　　コンタクト層
１４　　エピタキシャル層側電極
１５　　基板側電極
１６、１７　　コーティング層
２１、２３、２５　　障壁層
２２、２４　　歪み量子井戸層

Claims (22)

1. 少なくとも、第一導電型を示す基板、第一導電型を示すＡｌ_ｘｎＧａ_１−ｘｎＡｓ（０＜ｘｎ＜０．４０）からなる厚みｔ_ｘｎ（ｎｍ）の第一クラッド層、第一導電型を示すＡｌ_ｓｎＧａ_１−ｓｎＡｓ（０＜ｓｎ≦１）からなる厚みｔ_ｓｎ（ｎｍ）の第二クラッド層、Ａｌ_ｇｎＧａ_１−ｇｎＡｓ（０≦ｇｎ＜０．４０）からなる厚みｔ_ｇｎ（ｎｍ）の第一光ガイド層、Ｉｎ、ＧａおよびＡｓを含み基板に格子整合しない歪み量子井戸層を含む活性層構造、Ａｌ_ｇｐＧａ_１−ｇｐＡｓ（０≦ｇｐ＜０．４０）からなる厚みｔ_ｇｐ（ｎｍ）の第二光ガイド層、第二導電型を示すＡｌ_ｓｐＧａ_１−ｓｐＡｓ（０＜ｓｐ≦１）からなる厚みｔ_ｓｐ（ｎｍ）の第二クラッド層、第二導電型を示すＡｌ_ｘｐＧａ_１−ｘｐＡｓ（０＜ｘｐ＜０．４０）からなる厚みｔ_ｘｐ（ｎｍ）の第一クラッド層を有する半導体発光素子において、以下の式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
   

   
2. 請求項１に記載の半導体発光素子であって、発光波長をλ（ｎｍ）としたとき、以下の式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
   

   
3. 請求項１または２に記載の半導体発光素子であって、波長λ（ｎｍ）における第一光ガイド層の屈折率をｎ_ｇｎまた、第二光ガイド層の屈折率をｎ_ｇｐとしたときに、以下の式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
   

   
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、以下の式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
   

   
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、以下の式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
   

   
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、以下の式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
   

   
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、以下の式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
   

   
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、以下の式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
   

   
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、活性層構造内の障壁層がともに基板と同じ導電型である部分を含むことを特徴とする半導体発光素子。
10. 請求項９に記載の半導体発光素子であって、基板と同じ導電型である障壁層内の部分のドーパントがＳｉであることを特徴とする半導体発光素子。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、第一導電型第一クラッド層、第二導電型第一クラッド層の内の少なくとも一方のドーピングレベルが、それぞれの層内で一様でないことを特徴とする半導体発光素子。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、少なくとも一方の導電型を示す第一クラッド層と第二クラッド層の間に、Ａｌ_ｔＧａ_１−ｔＡｓからなる層を具備し、そのＡｌ組成ｔが、第一クラッド層側から第二クラッド層側に向けてｘｎからｓｎまで、あるいはｘｐからｓｐまで徐々に増加することを特徴とする半導体発光素子。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、以下の式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
    

    
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、活性層への電流注入が共振器方向に対して一定の幅でなされないことを特徴とする半導体発光素子。
15. 請求項１４記載の半導体発光素子であって、少なくとも一方の素子の発光点近傍において電流注入路の幅が広がっていることを特徴とする半導体発光素子
16. 請求項１５記載の半導体発光素子であって、素子の一方の発光点近傍における電流注入路の幅Ｗ_ｅｘｐが、素子中の最も狭い電流注入路の幅Ｗ_ｓｔｄとの間で以下の式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
    

    
17. 請求項１〜１６のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、第二導電型第一クラッド層が第二導電型上側第一クラッド層と第二導電型下側第一クラッド層の二層に分かれ、第二導電型上側第一クラッド層と電流ブロック層とで電流注入領域を形成し、さらにコンタクト層を具備することを特徴とする半導体発光素子。
18. 請求項１〜１７のいずれか１項に記載の半導体発光素子において、半導体発光素子が半導体レーザであることを特徴とする半導体発光素子。
19. 請求項１８記載の半導体レーザが単一横モード発振する半導体レーザであることを特徴とする半導体発光素子。
20. 請求項１〜１９のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、第一導電型側がｎ型で、第二導電型がｐ型であることを特徴とする半導体発光素子。
21. 請求項１〜２０のいずれか１項に記載の半導体発光素子と、当該半導体発光素子の光の出射端側に光ファイバーを具備することを特徴とする半導体発光素子モジュール。
22. 請求項２１に記載の半導体発光素子モジュールであって、光ファイバーの先端が集光効果を有し、かつ、半導体発光素子の前端面と直接光学的に結合するように加工されていることを特徴とする半導体発光素子モジュール。

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