JP2004179209A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】キャリアのオーバーフローを抑制し、かつアスペクト比が小さくなる構成の長波長域の半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】本半導体レーザ素子１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１２上に、ｎ型下部クラッド層１４、光ガイド層１６、Ｇａ１−ｙ Ｉｎｙ Ｎｚ Ａｓ１−ｚ （０＜ｙ≦１、０＜ｚ≦１）活性層１８、光ガイド層２０、ｐ型上部クラッド層２２、及びｐ型で不純物濃度の高いＧａＡｓコンタクト層２４の積層構造を備える。下部クラッド層は屈折率がｎ３ のＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部下層クラッド層１４Ａ、屈折率がｎ２ のＧａＡｓ下部中間クラッド層１４Ｂ、及び屈折率がｎ１ のＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層クラッド層１４Ｃで構成されている。上部クラッド層も同じである。
下部中間クラッド層１４Ｂの屈折率：ｎ２
＞下部上層クラッド層１４Ｃの屈折率：ｎ３
＞下部下層クラッド層１４Ａの屈折率：ｎ１
の関係が成立している。上部クラッド層も同じである。
【選択図】 図１
【解決手段】本半導体レーザ素子１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１２上に、ｎ型下部クラッド層１４、光ガイド層１６、Ｇａ１−ｙ Ｉｎｙ Ｎｚ Ａｓ１−ｚ （０＜ｙ≦１、０＜ｚ≦１）活性層１８、光ガイド層２０、ｐ型上部クラッド層２２、及びｐ型で不純物濃度の高いＧａＡｓコンタクト層２４の積層構造を備える。下部クラッド層は屈折率がｎ３ のＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部下層クラッド層１４Ａ、屈折率がｎ２ のＧａＡｓ下部中間クラッド層１４Ｂ、及び屈折率がｎ１ のＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層クラッド層１４Ｃで構成されている。上部クラッド層も同じである。
下部中間クラッド層１４Ｂの屈折率：ｎ２
＞下部上層クラッド層１４Ｃの屈折率：ｎ３
＞下部下層クラッド層１４Ａの屈折率：ｎ１
の関係が成立している。上部クラッド層も同じである。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子に関し、更に詳細には、遠視野像（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ ： ＦＦＰ）のΘ⊥が小さく、従ってアスペクト比（Θ⊥／Θ／／）の小さい半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
長波長、例えば波長１．３μｍで発光する半導体レーザ素子は、主として、光通信用の光源として利用されており、今後の光通信技術の核となる発光デバイスである。
現在、長波長の半導体レーザ素子の発光層には、様々な材料が用いられているものの、その中で、ＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓ基板上に作製することが出来る材料系として、近年、注目されている。
ＧａＡｓを基板として用いる場合、クラッド層の材料として格子整合系であるＡｌＧａＡｓを用いたＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅｄ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）構造を半導体レーザ素子の光閉じ込め構造として適用することが多い。
【０００３】
ここで、図６を参照して、ＡｌＧａＡｓ系のＳＣＨ構造の半導体レーザ素子の一例の基本的構成を説明する。図６は従来のＡｌＧａＡｓ系ＳＣＨ構造半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。図６中、図１に示す部位と同じものには、同じ符号を付している。
従来のＳＣＨ構造半導体レーザ素子８０は、図６に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１２上に、ｎ型Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部クラッド層８２、Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓ（０≦ｘ＜１）光ガイド層１６、Ｇａ１−ｙ Ｉｎｙ Ｎｚ Ａｓ１−ｚ （０＜ｙ≦１、０＜ｚ≦１）活性層１８、Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓ（０≦ｘ＜１）光ガイド層２０、ｐ型Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ上部クラッド層８４、及びｐ型で不純物濃度の高いＧａＡｓコンタクト層２４の積層構造を備えている。
【０００４】
積層構造のうちコンタクト層２４、及び上部クラッド層８４の上層部は、ストライプ状のリッジ８６として形成されている。
リッジ８６を構成する上部クラッド層８４の上層部は、ＳｉＯ２ 膜２８で埋め込まれている。
ｐ側電極３０がＧａＡｓコンタクト層２４及びＳｉＯ２ 膜２８上に形成され、ｎ型電極３２がｎ型ＧａＡｓ基板１２の裏面に形成されている。
【０００５】
従来のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子では、キャリアのオーバーフローを抑制するために、上述のように、Ａｌ組成が０．３以上のＡｌＧａＡｓがクラッド層として用いられているが、Ｇａ１−ｙ Ｉｎｙ Ｎｚ Ａｓ１−ｚ （０＜ｙ≦１、０＜ｚ≦１）活性層とＡｌ組成が０．３以上のＡｌＧａＡｓクラッド層の屈折率差が大きすぎるためにレーザ特性のひとつであるＦＦＰ（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ ）であるΘ⊥が４０°以上になってしまう（Ｒｉｃｏｈ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｏ．２３ ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，１９９７，ｐ１１参照）。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｒｉｃｏｈ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｏ．２３ ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，１９９７，ｐ１１
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
仮に、ＦＦＰのΘ⊥が４０°以上であると、通常、Θ／／は１０°前後であるので、結果としてアスペクト比（Θ⊥／ Θ／／）の値は４以上になってしまう。
アスペクト比が大きくなりすぎると、半導体レーザ素子と光ファイバとを光結合する際の光結合損失が大きくなる。その結果、光ファイバの出力端で所要光強度を得るためには、半導体レーザ素子の発光強度を大きくして、大きな光結合損失を補うことが必要になるので、半導体レーザ素子の素子寿命が低下する可能性があり、光通信を発展させる上で、大きな問題となっていた。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、キャリアのオーバーフローを抑制し、かつアスペクト比が小さくなる構成の長波長域の半導体レーザ素子を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
ところで、活性層とクラッド層との屈折率差が大きいと、光閉じ込め効果が強くなって、Θ⊥が大きくなる。屈折率差が小さいと、Θ⊥は小さくなるものの、活性層とクラッド層との間のΔＥｇが小さくなって、キャリアがオーバーフローして電流効率が低下し、しきい値電流が上昇する。
本発明の課題は、キャリアのオーバーフローを抑制しつつ、Θ⊥が小さい半導体レーザ素子を実現することである。
【００１０】
そこで、本発明者は、キャリアのオーバーフローを抑制する層と、クラッド層の実効的屈折率を低下させてΔｎを小さくする層と、クラッド層の膜厚を維持する層の少なくとも３層の化合物半導体層でクラッド層を構成することを着想し、実験により着想の有効性を確認して、本発明を発明するに到った。
【００１１】
上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る半導体レーザ素子は、ＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅｄ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）構造の半導体レーザ素子において、
下部クラッド層及び上部クラッド層の少なくともいずれか一方のクラッド層（以下、特定クラッド層と言う）が、屈折率の相互に異なる少なくとも３層以上の化合物半導体多層膜で形成され、
特定クラッド層の実効的屈折率が、活性層の屈折率より少なくとも０．１５小さいことを特徴としている。
【００１２】
本発明で、特定クラッド層と活性層との屈折率差を０．１５以上と規定しているのは、クラッド層の役割として屈折率差を利用した光の閉じ込め効果と同時に、バンドギャップ差を利用したキャリアの閉じ込め効果を求めているからである。両者の効果を同時に成立させるためには、０．１５以上の屈折率差が必要であり、その屈折率差に相当するバンドギャップ差が必要であるからである。
好適には、特定クラッド層が、活性層側から順に、ｎ１ 、ｎ２ 、及びｎ３ の屈折率を有する３層の第１、第２、及び第３の化合物半導体層から構成されるとき、屈折率ｎ１ 、ｎ２ 、ｎ３ が、
ｎ２ ＞ｎ３ ＞ｎ１
の関係にある。
第１の化合物半導体層は、小さい屈折率ｎ１ により活性層に対する屈折率差を確保する。屈折率ｎ２ の第２の化合物半導体層は比較的大きな屈折率を有して、Θ⊥を小さくし、かつキャリアのオーバーフローを抑制する。屈折率ｎ３ の第３の化合物半導体層は第１の化合物半導体層と第２の化合物半導体層の中間の特性を有して、クラッド層の所望膜厚を確保する。第２の化合物半導体層は、キャリアのオーバーフローを抑制するために、活性層に近い位置に設けてある。
【００１３】
本発明の具体的な例では、特定クラッド層が、ＩＩＩ 族元素として少なくともＧａ、又は少なくともＡｌとＧａとを含み、Ｖ族元素として少なくともＡｓを含む。
更には、屈折率がｎ２ の第２の化合物半導体層はＧａＡｓ層であり、屈折率がｎ１ の第１の化合物半導体層、及び屈折率がｎ３ の第３の化合物半導体層は、それぞれ、ＡｌＧａＡｓ層である。屈折率がｎ１ 及びｎ３ の第１及び第３の化合物半導体層を構成するＡｌＧａＡｓ層は、Ａｌ組成が相互に異なっていることにより、屈折率を変えている。
【００１４】
本発明の変形例では、屈折率がｎ１ の第１の化合物半導体層は、屈折率の相互に異なる化合物半導体層を積層してなる、実効的屈折率ｎ１ ′の多層膜として構成され、
ｎ２ ＞ｎ３ ＞ｎ１ ′
の関係を満たす。
また、屈折率ｎ２ の化合物半導体層は、屈折率の相互に異なる化合物半導体層を積層してなる、実効的屈折率ｎ２ ′の多層膜として構成され、
ｎ２ ′＞ｎ３ ＞ｎ１
の関係を満たす。
【００１５】
本発明の好適な実施態様では、活性層が、ＩＩＩ 族元素としてＧａとＩｎとを、Ｖ族元素としてＡｓとＮとを含む。これにより、長波長の面発光半導体レーザ素子を実現することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示した導電型、膜種、膜厚、成膜方法、その他寸法等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、本発明はこれら例示に限定されるものではない。
実施形態例１
本実施形態例は本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の一例である。図１は本実施形態例の半導体レーザ素子の構成を示す断面図、図２（ａ）は本実施形態例の半導体レーザ素子の積層構造を示す層構造図、及び図２（ｂ）は図２（ａ）の積層構造を構成する各化合物半導体層の屈折率の大小を示す図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子１０は、図１に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１２上に、ｎ型下部クラッド層１４、膜厚１００ｎｍでＡｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓ（０≦ｘ＜１）からなる光ガイド層１６、Ｇａ１−ｙ Ｉｎｙ Ｎｚ Ａｓ１−ｚ （０＜ｙ≦１、０＜ｚ≦１）からなる活性層１８、膜厚１００ｎｍでＡｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓ（０≦ｘ＜１）からなる光ガイド層２０、ｐ型上部クラッド層２２、及びｐ型で不純物濃度の高いＧａＡｓコンタクト層２４の積層構造を備えている。
【００１７】
下部クラッド層１４は、膜厚が十分に厚い、例えば１．０μｍ以上の膜厚で屈折率がｎ３ のＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部下層クラッド層１４Ａ、膜厚が１００ｎｍで屈折率がｎ２ のＧａＡｓ下部中間クラッド層１４Ｂ、及び膜厚が２００ｎｍで屈折率がｎ１ のＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層クラッド層１４Ｃで構成されている。
上部クラッド層２２は、膜厚が２００ｎｍで屈折率がｎ１ のＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ上部下層クラッド層２２Ｄ、膜厚が１００ｎｍで屈折率がｎ２ のＧａＡｓ上部中間クラッド層２２Ｅ、及び膜厚が十分に厚い、例えば１．０μｍ以上の膜厚で屈折率がｎ３ のＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部上層クラッド層２２Ｆで構成されている。
【００１８】
積層構造のうち、コンタクト層２４、並びに上部クラッド層２２のＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部上層クラッド層２２Ｆ及びＧａＡｓ上部中間クラッド層２２Ｅは、ストライプ状のリッジ２６として形成されている。
リッジ２６を構成するＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部上層クラッド層２２Ｆ及びＧａＡｓ上部中間クラッド層２２Ｅは、ＳｉＯ２ 膜２８で埋め込まれている。
ｐ側電極３０がＧａＡｓコンタクト層２４及びＳｉＯ２ 膜２８上に形成され、ｎ型電極３２がｎ型ＧａＡｓ基板１２の裏面に形成されている。
【００１９】
本実施形態例では、下部クラッド層１４を構成するＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部下層クラッド層１４Ａ、ＧａＡｓ下部中間クラッド層１４Ｂ、及びＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層クラッド層１４ＣのＡｌ組成を、それぞれ、０．３０、０．０、及び０．４７と変えることにより、
下部中間クラッド層１４Ｂの屈折率：ｎ２
＞下部上層クラッド層１４Ｃの屈折率：ｎ３
＞下部下層クラッド層１４Ａの屈折率：ｎ１
の関係を成立させている。
本実施形態例では、活性層１８の屈折率と下部クラッド層１４の実効的屈折率との屈折率差、及び活性層１８の屈折率と上部クラッド層２２の実効的屈折率との屈折率差は、両者とも０．２９程度である。
【００２０】
ＧａＡｓ下部中間クラッド層１４Ｂは、ＧａＡｓで形成され、Ａｌを含まないので、屈折率が大きく、下部クラッド層１４の実効的屈折率を大きくして、活性層１８との屈折率差Δｎを小さくしている。また、ＧａＡｓ下部中間クラッド層１４Ｂは、バンドギャップ・エネルギーＥｇが大きいので、キャリアのオーバーフローを抑制するストッパ層の機能を果たしている。ＧａＡｓ下部中間クラッド層１４Ｂは、キャリアのオーバーフローを抑制するために、活性層１８に近い位置に設けてある。
Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層クラッド層１４Ｃは、Ａｌ組成が０．４７と大きく、従って屈折率が小さく、下部クラッド層１４の活性層１８に対する屈折率差を確保している。
また、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部下層クラッド層１４Ａは、ＧａＡｓ下部中間クラッド層１４ＢとＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層クラッド層１４Ｃとの中間の特性を有し、下部クラッド層１４の所要膜厚を確保する機能を果たしている。
【００２１】
上部クラッド層２２を構成するＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ上部下層クラッド層２２Ｆ、ＧａＡｓ上部中間クラッド層２２Ｅ、及びＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部上層クラッド層２２Ｄも、それぞれ、上述した下部クラッド層１４を構成するＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層クラッド層１４Ｃ、ＧａＡｓ下部中間クラッド層１４Ｂ、及びＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部下層クラッド層１４Ａと同様の構成であって、同様の機能を有する。
【００２２】
実施形態例１の半導体レーザ素子１０のΘ⊥を測定したところ、図３の黒点（１）に示すように、約３２°であった。一方、下部クラッド層及び上部クラッド層の全層をＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓで形成した図６に示す従来のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子８０のΘ⊥は、図３の黒点（２）に示すように、約４７°であって、実施形態例１の半導体レーザ素子１０のΘ⊥に比べて、著しく高かった。
本実施形態例では、以上のように、下部クラッド層１４及び上部クラッド層２２を構成することにより、Θ⊥を小さくして、アスペクト比（Θ⊥／Θ／／）を小さくすることができる。
【００２３】
実施形態例２
本実施形態例は本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の別の例であって、図４（ａ）は本実施形態例の半導体レーザ素子の積層構造を示す層構造図、及び図４（ｂ）は図４（ａ）の積層構造を構成する各化合物半導体層の屈折率の大小を示す図である。図４中、図１と同じ部位には同じ符号を付している。
本実施形態例の半導体レーザ素子の積層構造４０は、図４に示すように、下部クラッド層４２及び上部クラッド層４４の構成が異なることを除いて、実施形態例１の半導体レーザ素子１０と同じ積層構造を備え、同じリッジ構造を備えている。
【００２４】
本実施形態例では、下部クラッド層４２は、実施形態例１と同じＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部下層クラッド層４２Ａ及びＧａＡｓ下部中間クラッド層４２Ｂを有する。また、下部クラッド層４２は、下部上層クラッド層４２ＣとしてＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓからなる下部上層第１クラッド層４６と、下部上層第１クラッド層４６上に積層されたＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓからなる下部上層第２クラッド層４８とからなる多層膜を有する。
尚、下部上層クラッド層４２Ｃは、実施形態例１のＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層クラッド層１４Ｃとほぼ同じ実効的屈折率を有するように、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部上層第１クラッド層４６及びＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層第２クラッド層４８の膜厚が設定されている。
【００２５】
また、上部クラッド層４４は、上部下層クラッド層４４Ｄとして、Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓからなる上部下層第１クラッド層５０と、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓからなる上部下層第２クラッド層５２とからなる多層膜を有する。また、上部クラッド層４４は、上部下層クラッド層４４Ｄ上に、実施形態例１と同じＧａＡｓ上部中間クラッド層４４Ｅ、及びＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部上層クラッド層４４Ｆを有する。
尚、下層クラッド層４４Ｄは、実施形態例１の下層クラッド層１４Ｄとほぼ同じ実効的屈折率を有するように、Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ上部下層第１クラッド層５０及びＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部下層第２クラッド層５２の膜厚が設定されている。
【００２６】
実施形態例２の半導体レーザ素子４０のΘ⊥を測定したところ、図３の黒点（３）に示すように、約３３°であった。
本実施形態例では、以上のように、下部クラッド層４２及び上部クラッド層４４を構成することにより、Θ⊥を小さくして、アスペクト比（Θ⊥／Θ／／）を小さくすることができる。
【００２７】
実施形態例３
本実施形態例は本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の更に別の例であって、図５（ａ）は本実施形態例の半導体レーザ素子の積層構造を示す層構造図、及び図５（ｂ）は図５（ａ）の積層構造を構成する各化合物半導体層の屈折率の大小を示す図である。図５中、図１と同じ部位には同じ符号を付している。
本実施形態例の半導体レーザ素子の積層構造６０は、図５に示すように、下部クラッド層６２及び上部クラッド層６４の構成が異なることを除いて、実施形態例１の半導体レーザ素子１０と同じ積層構造を備え、同じリッジ構造を備えている。
【００２８】
本実施形態例では、下部クラッド層６２は、実施形態例１と同じＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部下層クラッド層６２Ａ及びＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層クラッド層６２Ｃを有する。
そして、下部クラッド層６２は、下部中間クラッド層６２Ｂとして、順次、積層された、ＧａＡｓからなる下部中間第１クラッド層６６、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓからなる下部中間第２クラッド層６８、及びＧａＡｓからなる下部中間第３クラッド層７０の多層膜を有する。
尚、下部中間クラッド層６２Ｂは、実施形態例１のＧａＡｓ下部中間クラッド層１４Ｂと同じ実効的屈折率を有するように、ＧａＡｓ下部中間第１クラッド層６６、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部中間第２クラッド層６８、及びＧａＡｓ下部中間第３クラッド層７０の膜厚が設定されている。
【００２９】
また、上部クラッド層６４は、実施形態例１と同じＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ上部下層クラッド層６４Ｄ及びＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部上層クラッド層６４Ｆを有する。
そして、上部クラッド層６４は、上部中間クラッド層６４Ｅとして、順次、積層された、ＧａＡｓからなる上部中間第１クラッド層７２、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓからなる上部中間第２クラッド層７４、及びＧａＡｓからなる上部中間第３クラッド層７６の多層膜を有する。
尚、上部中間クラッド層６４Ｅは、実施形態例１のＧａＡｓ上部中間クラッド層１４Ｅと同じ実効的屈折率を有するように、ＧａＡｓ上部中間第１クラッド層７２、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部中間第２クラッド層７４、及びＧａＡｓ上部中間第３クラッド層７６の膜厚が設定されている。
【００３０】
本実施形態例では、以上のように、下部クラッド層５２及び上部クラッド層５４を構成することにより、Θ⊥を小さくして、アスペクト比（Θ⊥／Θ／／）を小さくすることができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、下部クラッド層及び上部クラッド層の少なくともいずれか一方のクラッド層（以下、特定クラッド層と言う）を屈折率の相互に異なる少なくとも３層以上の化合物半導体多層膜で構成し、かつ特定クラッド層の実効的屈折率を活性層の屈折率より少なくとも０．１５小さく設定することにより、キャリアのオーバーフローを抑制し、かつΘ⊥を低下させて、アスペクト比を低くすることができる。
本発明に係る半導体レーザ素子を適用することにより、半導体レーザ素子と光ファイバとの光結合効率を高めることができ、半導体レーザ素子の光出力を低くすることができるので、光出力増加による半導体レーザ素子の素子寿命の低下を防ぐことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）は実施形態例１の半導体レーザ素子の積層構造を示す層構造図、及び図２（ｂ）は図２（ａ）の積層構造を構成する各化合物半導体層の屈折率の大小を示す図である。
【図３】実施形態例１及び２の半導体レーザ素子のΘ⊥と従来の半導体レーザ素子のΘ⊥とを比較するグラフである。
【図４】図４（ａ）は実施形態例２の半導体レーザ素子の積層構造を示す層構造図、及び図４（ｂ）は図４（ａ）の積層構造を構成する各化合物半導体層の屈折率の大小を示す図である。
【図５】図５（ａ）は実施形態例３の半導体レーザ素子の積層構造を示す層構造図、及び図５（ｂ）は図５（ａ）の積層構造を構成する各化合物半導体層の屈折率の大小を示す図である。
【図６】従来のＡｌＧａＡｓ系ＳＣＨ構造の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０……実施形態例１の半導体レーザ素子、１２……ｎ型ＧａＡｓ基板、１４……ｎ型下部クラッド層、１４Ａ……Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部下層クラッド層、１４Ｂ……ＧａＡｓ下部中間クラッド層、１４Ｃ……Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層クラッド層、１６……Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓ（０≦ｘ＜１）光ガイド層、１８……Ｇａ１−ｙ Ｉｎｙ Ｎｚ Ａｓ１−ｚ （０＜ｙ≦１、０＜ｚ≦１）活性層、２０……Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓ（０≦ｘ＜１）光ガイド層、２２……ｐ型上部クラッド層、２２Ｄ……Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ上部下層クラッド層、２２Ｅ……ＧａＡｓ上部中間クラッド層、２２Ｆ……Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部下層クラッド層、２４……ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、２６……リッジ、２８……ＳｉＯ２ 膜、３０……ｐ側電極、３２……ｎ側電極、４０……実施形態例２の半導体レーザ素子の積層構造、４２……下部クラッド層、４２Ａ……Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部下層クラッド層、４２Ｂ……ＧａＡｓ下部中間クラッド層、４２Ｃ……下部上層クラッド層、４４……上部クラッド層、４４Ｄ……上部下層クラッド層、４４Ｅ……ＧａＡｓ上部中間クラッド層、４４Ｆ……Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部上層クラッド層、４６……Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部上層第１クラッド層、４８……Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層第２クラッド層、５０……Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ上部下層第１クラッド層、５２……Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部下層第２クラッド層、６０……実施形態例３の半導体レーザ素子の積層構造、６２……下部クラッド層、６２Ａ……Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部下層クラッド層、６２Ｂ……下部中間クラッド層、６２Ｃ……Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層クラッド層、６４……上部クラッド層、６４Ｄ……Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ上部下層クラッド層、６４Ｅ……上部中間クラッド層、６４Ｆ……Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部上層クラッド層、６６……ＧａＡｓ下部中間第１クラッド層、６８……Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部中間第２クラッド層、７０……ＧａＡｓ下部中間第３クラッド層、７２……ＧａＡｓ上部中間第１クラッド層、７４……Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部中間第２クラッド層、７６……ＧａＡｓ上部中間第３クラッド層、８０……従来のＳＣＨ構造半導体レーザ素子、８２……ｎ型Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部クラッド層、８４……ｐ型Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ上部クラッド層、８６……リッジ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子に関し、更に詳細には、遠視野像（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ ： ＦＦＰ）のΘ⊥が小さく、従ってアスペクト比（Θ⊥／Θ／／）の小さい半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
長波長、例えば波長１．３μｍで発光する半導体レーザ素子は、主として、光通信用の光源として利用されており、今後の光通信技術の核となる発光デバイスである。
現在、長波長の半導体レーザ素子の発光層には、様々な材料が用いられているものの、その中で、ＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓ基板上に作製することが出来る材料系として、近年、注目されている。
ＧａＡｓを基板として用いる場合、クラッド層の材料として格子整合系であるＡｌＧａＡｓを用いたＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅｄ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）構造を半導体レーザ素子の光閉じ込め構造として適用することが多い。
【０００３】
ここで、図６を参照して、ＡｌＧａＡｓ系のＳＣＨ構造の半導体レーザ素子の一例の基本的構成を説明する。図６は従来のＡｌＧａＡｓ系ＳＣＨ構造半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。図６中、図１に示す部位と同じものには、同じ符号を付している。
従来のＳＣＨ構造半導体レーザ素子８０は、図６に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１２上に、ｎ型Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部クラッド層８２、Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓ（０≦ｘ＜１）光ガイド層１６、Ｇａ１−ｙ Ｉｎｙ Ｎｚ Ａｓ１−ｚ （０＜ｙ≦１、０＜ｚ≦１）活性層１８、Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓ（０≦ｘ＜１）光ガイド層２０、ｐ型Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ上部クラッド層８４、及びｐ型で不純物濃度の高いＧａＡｓコンタクト層２４の積層構造を備えている。
【０００４】
積層構造のうちコンタクト層２４、及び上部クラッド層８４の上層部は、ストライプ状のリッジ８６として形成されている。
リッジ８６を構成する上部クラッド層８４の上層部は、ＳｉＯ２ 膜２８で埋め込まれている。
ｐ側電極３０がＧａＡｓコンタクト層２４及びＳｉＯ２ 膜２８上に形成され、ｎ型電極３２がｎ型ＧａＡｓ基板１２の裏面に形成されている。
【０００５】
従来のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子では、キャリアのオーバーフローを抑制するために、上述のように、Ａｌ組成が０．３以上のＡｌＧａＡｓがクラッド層として用いられているが、Ｇａ１−ｙ Ｉｎｙ Ｎｚ Ａｓ１−ｚ （０＜ｙ≦１、０＜ｚ≦１）活性層とＡｌ組成が０．３以上のＡｌＧａＡｓクラッド層の屈折率差が大きすぎるためにレーザ特性のひとつであるＦＦＰ（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ ）であるΘ⊥が４０°以上になってしまう（Ｒｉｃｏｈ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｏ．２３ ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，１９９７，ｐ１１参照）。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｒｉｃｏｈ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｏ．２３ ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，１９９７，ｐ１１
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
仮に、ＦＦＰのΘ⊥が４０°以上であると、通常、Θ／／は１０°前後であるので、結果としてアスペクト比（Θ⊥／ Θ／／）の値は４以上になってしまう。
アスペクト比が大きくなりすぎると、半導体レーザ素子と光ファイバとを光結合する際の光結合損失が大きくなる。その結果、光ファイバの出力端で所要光強度を得るためには、半導体レーザ素子の発光強度を大きくして、大きな光結合損失を補うことが必要になるので、半導体レーザ素子の素子寿命が低下する可能性があり、光通信を発展させる上で、大きな問題となっていた。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、キャリアのオーバーフローを抑制し、かつアスペクト比が小さくなる構成の長波長域の半導体レーザ素子を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
ところで、活性層とクラッド層との屈折率差が大きいと、光閉じ込め効果が強くなって、Θ⊥が大きくなる。屈折率差が小さいと、Θ⊥は小さくなるものの、活性層とクラッド層との間のΔＥｇが小さくなって、キャリアがオーバーフローして電流効率が低下し、しきい値電流が上昇する。
本発明の課題は、キャリアのオーバーフローを抑制しつつ、Θ⊥が小さい半導体レーザ素子を実現することである。
【００１０】
そこで、本発明者は、キャリアのオーバーフローを抑制する層と、クラッド層の実効的屈折率を低下させてΔｎを小さくする層と、クラッド層の膜厚を維持する層の少なくとも３層の化合物半導体層でクラッド層を構成することを着想し、実験により着想の有効性を確認して、本発明を発明するに到った。
【００１１】
上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る半導体レーザ素子は、ＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅｄ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）構造の半導体レーザ素子において、
下部クラッド層及び上部クラッド層の少なくともいずれか一方のクラッド層（以下、特定クラッド層と言う）が、屈折率の相互に異なる少なくとも３層以上の化合物半導体多層膜で形成され、
特定クラッド層の実効的屈折率が、活性層の屈折率より少なくとも０．１５小さいことを特徴としている。
【００１２】
本発明で、特定クラッド層と活性層との屈折率差を０．１５以上と規定しているのは、クラッド層の役割として屈折率差を利用した光の閉じ込め効果と同時に、バンドギャップ差を利用したキャリアの閉じ込め効果を求めているからである。両者の効果を同時に成立させるためには、０．１５以上の屈折率差が必要であり、その屈折率差に相当するバンドギャップ差が必要であるからである。
好適には、特定クラッド層が、活性層側から順に、ｎ１ 、ｎ２ 、及びｎ３ の屈折率を有する３層の第１、第２、及び第３の化合物半導体層から構成されるとき、屈折率ｎ１ 、ｎ２ 、ｎ３ が、
ｎ２ ＞ｎ３ ＞ｎ１
の関係にある。
第１の化合物半導体層は、小さい屈折率ｎ１ により活性層に対する屈折率差を確保する。屈折率ｎ２ の第２の化合物半導体層は比較的大きな屈折率を有して、Θ⊥を小さくし、かつキャリアのオーバーフローを抑制する。屈折率ｎ３ の第３の化合物半導体層は第１の化合物半導体層と第２の化合物半導体層の中間の特性を有して、クラッド層の所望膜厚を確保する。第２の化合物半導体層は、キャリアのオーバーフローを抑制するために、活性層に近い位置に設けてある。
【００１３】
本発明の具体的な例では、特定クラッド層が、ＩＩＩ 族元素として少なくともＧａ、又は少なくともＡｌとＧａとを含み、Ｖ族元素として少なくともＡｓを含む。
更には、屈折率がｎ２ の第２の化合物半導体層はＧａＡｓ層であり、屈折率がｎ１ の第１の化合物半導体層、及び屈折率がｎ３ の第３の化合物半導体層は、それぞれ、ＡｌＧａＡｓ層である。屈折率がｎ１ 及びｎ３ の第１及び第３の化合物半導体層を構成するＡｌＧａＡｓ層は、Ａｌ組成が相互に異なっていることにより、屈折率を変えている。
【００１４】
本発明の変形例では、屈折率がｎ１ の第１の化合物半導体層は、屈折率の相互に異なる化合物半導体層を積層してなる、実効的屈折率ｎ１ ′の多層膜として構成され、
ｎ２ ＞ｎ３ ＞ｎ１ ′
の関係を満たす。
また、屈折率ｎ２ の化合物半導体層は、屈折率の相互に異なる化合物半導体層を積層してなる、実効的屈折率ｎ２ ′の多層膜として構成され、
ｎ２ ′＞ｎ３ ＞ｎ１
の関係を満たす。
【００１５】
本発明の好適な実施態様では、活性層が、ＩＩＩ 族元素としてＧａとＩｎとを、Ｖ族元素としてＡｓとＮとを含む。これにより、長波長の面発光半導体レーザ素子を実現することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示した導電型、膜種、膜厚、成膜方法、その他寸法等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、本発明はこれら例示に限定されるものではない。
実施形態例１
本実施形態例は本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の一例である。図１は本実施形態例の半導体レーザ素子の構成を示す断面図、図２（ａ）は本実施形態例の半導体レーザ素子の積層構造を示す層構造図、及び図２（ｂ）は図２（ａ）の積層構造を構成する各化合物半導体層の屈折率の大小を示す図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子１０は、図１に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１２上に、ｎ型下部クラッド層１４、膜厚１００ｎｍでＡｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓ（０≦ｘ＜１）からなる光ガイド層１６、Ｇａ１−ｙ Ｉｎｙ Ｎｚ Ａｓ１−ｚ （０＜ｙ≦１、０＜ｚ≦１）からなる活性層１８、膜厚１００ｎｍでＡｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓ（０≦ｘ＜１）からなる光ガイド層２０、ｐ型上部クラッド層２２、及びｐ型で不純物濃度の高いＧａＡｓコンタクト層２４の積層構造を備えている。
【００１７】
下部クラッド層１４は、膜厚が十分に厚い、例えば１．０μｍ以上の膜厚で屈折率がｎ３ のＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部下層クラッド層１４Ａ、膜厚が１００ｎｍで屈折率がｎ２ のＧａＡｓ下部中間クラッド層１４Ｂ、及び膜厚が２００ｎｍで屈折率がｎ１ のＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層クラッド層１４Ｃで構成されている。
上部クラッド層２２は、膜厚が２００ｎｍで屈折率がｎ１ のＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ上部下層クラッド層２２Ｄ、膜厚が１００ｎｍで屈折率がｎ２ のＧａＡｓ上部中間クラッド層２２Ｅ、及び膜厚が十分に厚い、例えば１．０μｍ以上の膜厚で屈折率がｎ３ のＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部上層クラッド層２２Ｆで構成されている。
【００１８】
積層構造のうち、コンタクト層２４、並びに上部クラッド層２２のＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部上層クラッド層２２Ｆ及びＧａＡｓ上部中間クラッド層２２Ｅは、ストライプ状のリッジ２６として形成されている。
リッジ２６を構成するＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部上層クラッド層２２Ｆ及びＧａＡｓ上部中間クラッド層２２Ｅは、ＳｉＯ２ 膜２８で埋め込まれている。
ｐ側電極３０がＧａＡｓコンタクト層２４及びＳｉＯ２ 膜２８上に形成され、ｎ型電極３２がｎ型ＧａＡｓ基板１２の裏面に形成されている。
【００１９】
本実施形態例では、下部クラッド層１４を構成するＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部下層クラッド層１４Ａ、ＧａＡｓ下部中間クラッド層１４Ｂ、及びＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層クラッド層１４ＣのＡｌ組成を、それぞれ、０．３０、０．０、及び０．４７と変えることにより、
下部中間クラッド層１４Ｂの屈折率：ｎ２
＞下部上層クラッド層１４Ｃの屈折率：ｎ３
＞下部下層クラッド層１４Ａの屈折率：ｎ１
の関係を成立させている。
本実施形態例では、活性層１８の屈折率と下部クラッド層１４の実効的屈折率との屈折率差、及び活性層１８の屈折率と上部クラッド層２２の実効的屈折率との屈折率差は、両者とも０．２９程度である。
【００２０】
ＧａＡｓ下部中間クラッド層１４Ｂは、ＧａＡｓで形成され、Ａｌを含まないので、屈折率が大きく、下部クラッド層１４の実効的屈折率を大きくして、活性層１８との屈折率差Δｎを小さくしている。また、ＧａＡｓ下部中間クラッド層１４Ｂは、バンドギャップ・エネルギーＥｇが大きいので、キャリアのオーバーフローを抑制するストッパ層の機能を果たしている。ＧａＡｓ下部中間クラッド層１４Ｂは、キャリアのオーバーフローを抑制するために、活性層１８に近い位置に設けてある。
Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層クラッド層１４Ｃは、Ａｌ組成が０．４７と大きく、従って屈折率が小さく、下部クラッド層１４の活性層１８に対する屈折率差を確保している。
また、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部下層クラッド層１４Ａは、ＧａＡｓ下部中間クラッド層１４ＢとＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層クラッド層１４Ｃとの中間の特性を有し、下部クラッド層１４の所要膜厚を確保する機能を果たしている。
【００２１】
上部クラッド層２２を構成するＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ上部下層クラッド層２２Ｆ、ＧａＡｓ上部中間クラッド層２２Ｅ、及びＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部上層クラッド層２２Ｄも、それぞれ、上述した下部クラッド層１４を構成するＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層クラッド層１４Ｃ、ＧａＡｓ下部中間クラッド層１４Ｂ、及びＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部下層クラッド層１４Ａと同様の構成であって、同様の機能を有する。
【００２２】
実施形態例１の半導体レーザ素子１０のΘ⊥を測定したところ、図３の黒点（１）に示すように、約３２°であった。一方、下部クラッド層及び上部クラッド層の全層をＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓで形成した図６に示す従来のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子８０のΘ⊥は、図３の黒点（２）に示すように、約４７°であって、実施形態例１の半導体レーザ素子１０のΘ⊥に比べて、著しく高かった。
本実施形態例では、以上のように、下部クラッド層１４及び上部クラッド層２２を構成することにより、Θ⊥を小さくして、アスペクト比（Θ⊥／Θ／／）を小さくすることができる。
【００２３】
実施形態例２
本実施形態例は本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の別の例であって、図４（ａ）は本実施形態例の半導体レーザ素子の積層構造を示す層構造図、及び図４（ｂ）は図４（ａ）の積層構造を構成する各化合物半導体層の屈折率の大小を示す図である。図４中、図１と同じ部位には同じ符号を付している。
本実施形態例の半導体レーザ素子の積層構造４０は、図４に示すように、下部クラッド層４２及び上部クラッド層４４の構成が異なることを除いて、実施形態例１の半導体レーザ素子１０と同じ積層構造を備え、同じリッジ構造を備えている。
【００２４】
本実施形態例では、下部クラッド層４２は、実施形態例１と同じＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部下層クラッド層４２Ａ及びＧａＡｓ下部中間クラッド層４２Ｂを有する。また、下部クラッド層４２は、下部上層クラッド層４２ＣとしてＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓからなる下部上層第１クラッド層４６と、下部上層第１クラッド層４６上に積層されたＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓからなる下部上層第２クラッド層４８とからなる多層膜を有する。
尚、下部上層クラッド層４２Ｃは、実施形態例１のＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層クラッド層１４Ｃとほぼ同じ実効的屈折率を有するように、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部上層第１クラッド層４６及びＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層第２クラッド層４８の膜厚が設定されている。
【００２５】
また、上部クラッド層４４は、上部下層クラッド層４４Ｄとして、Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓからなる上部下層第１クラッド層５０と、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓからなる上部下層第２クラッド層５２とからなる多層膜を有する。また、上部クラッド層４４は、上部下層クラッド層４４Ｄ上に、実施形態例１と同じＧａＡｓ上部中間クラッド層４４Ｅ、及びＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部上層クラッド層４４Ｆを有する。
尚、下層クラッド層４４Ｄは、実施形態例１の下層クラッド層１４Ｄとほぼ同じ実効的屈折率を有するように、Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ上部下層第１クラッド層５０及びＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部下層第２クラッド層５２の膜厚が設定されている。
【００２６】
実施形態例２の半導体レーザ素子４０のΘ⊥を測定したところ、図３の黒点（３）に示すように、約３３°であった。
本実施形態例では、以上のように、下部クラッド層４２及び上部クラッド層４４を構成することにより、Θ⊥を小さくして、アスペクト比（Θ⊥／Θ／／）を小さくすることができる。
【００２７】
実施形態例３
本実施形態例は本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の更に別の例であって、図５（ａ）は本実施形態例の半導体レーザ素子の積層構造を示す層構造図、及び図５（ｂ）は図５（ａ）の積層構造を構成する各化合物半導体層の屈折率の大小を示す図である。図５中、図１と同じ部位には同じ符号を付している。
本実施形態例の半導体レーザ素子の積層構造６０は、図５に示すように、下部クラッド層６２及び上部クラッド層６４の構成が異なることを除いて、実施形態例１の半導体レーザ素子１０と同じ積層構造を備え、同じリッジ構造を備えている。
【００２８】
本実施形態例では、下部クラッド層６２は、実施形態例１と同じＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部下層クラッド層６２Ａ及びＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層クラッド層６２Ｃを有する。
そして、下部クラッド層６２は、下部中間クラッド層６２Ｂとして、順次、積層された、ＧａＡｓからなる下部中間第１クラッド層６６、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓからなる下部中間第２クラッド層６８、及びＧａＡｓからなる下部中間第３クラッド層７０の多層膜を有する。
尚、下部中間クラッド層６２Ｂは、実施形態例１のＧａＡｓ下部中間クラッド層１４Ｂと同じ実効的屈折率を有するように、ＧａＡｓ下部中間第１クラッド層６６、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部中間第２クラッド層６８、及びＧａＡｓ下部中間第３クラッド層７０の膜厚が設定されている。
【００２９】
また、上部クラッド層６４は、実施形態例１と同じＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ上部下層クラッド層６４Ｄ及びＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部上層クラッド層６４Ｆを有する。
そして、上部クラッド層６４は、上部中間クラッド層６４Ｅとして、順次、積層された、ＧａＡｓからなる上部中間第１クラッド層７２、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓからなる上部中間第２クラッド層７４、及びＧａＡｓからなる上部中間第３クラッド層７６の多層膜を有する。
尚、上部中間クラッド層６４Ｅは、実施形態例１のＧａＡｓ上部中間クラッド層１４Ｅと同じ実効的屈折率を有するように、ＧａＡｓ上部中間第１クラッド層７２、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部中間第２クラッド層７４、及びＧａＡｓ上部中間第３クラッド層７６の膜厚が設定されている。
【００３０】
本実施形態例では、以上のように、下部クラッド層５２及び上部クラッド層５４を構成することにより、Θ⊥を小さくして、アスペクト比（Θ⊥／Θ／／）を小さくすることができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、下部クラッド層及び上部クラッド層の少なくともいずれか一方のクラッド層（以下、特定クラッド層と言う）を屈折率の相互に異なる少なくとも３層以上の化合物半導体多層膜で構成し、かつ特定クラッド層の実効的屈折率を活性層の屈折率より少なくとも０．１５小さく設定することにより、キャリアのオーバーフローを抑制し、かつΘ⊥を低下させて、アスペクト比を低くすることができる。
本発明に係る半導体レーザ素子を適用することにより、半導体レーザ素子と光ファイバとの光結合効率を高めることができ、半導体レーザ素子の光出力を低くすることができるので、光出力増加による半導体レーザ素子の素子寿命の低下を防ぐことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）は実施形態例１の半導体レーザ素子の積層構造を示す層構造図、及び図２（ｂ）は図２（ａ）の積層構造を構成する各化合物半導体層の屈折率の大小を示す図である。
【図３】実施形態例１及び２の半導体レーザ素子のΘ⊥と従来の半導体レーザ素子のΘ⊥とを比較するグラフである。
【図４】図４（ａ）は実施形態例２の半導体レーザ素子の積層構造を示す層構造図、及び図４（ｂ）は図４（ａ）の積層構造を構成する各化合物半導体層の屈折率の大小を示す図である。
【図５】図５（ａ）は実施形態例３の半導体レーザ素子の積層構造を示す層構造図、及び図５（ｂ）は図５（ａ）の積層構造を構成する各化合物半導体層の屈折率の大小を示す図である。
【図６】従来のＡｌＧａＡｓ系ＳＣＨ構造の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０……実施形態例１の半導体レーザ素子、１２……ｎ型ＧａＡｓ基板、１４……ｎ型下部クラッド層、１４Ａ……Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部下層クラッド層、１４Ｂ……ＧａＡｓ下部中間クラッド層、１４Ｃ……Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層クラッド層、１６……Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓ（０≦ｘ＜１）光ガイド層、１８……Ｇａ１−ｙ Ｉｎｙ Ｎｚ Ａｓ１−ｚ （０＜ｙ≦１、０＜ｚ≦１）活性層、２０……Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓ（０≦ｘ＜１）光ガイド層、２２……ｐ型上部クラッド層、２２Ｄ……Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ上部下層クラッド層、２２Ｅ……ＧａＡｓ上部中間クラッド層、２２Ｆ……Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部下層クラッド層、２４……ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、２６……リッジ、２８……ＳｉＯ２ 膜、３０……ｐ側電極、３２……ｎ側電極、４０……実施形態例２の半導体レーザ素子の積層構造、４２……下部クラッド層、４２Ａ……Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部下層クラッド層、４２Ｂ……ＧａＡｓ下部中間クラッド層、４２Ｃ……下部上層クラッド層、４４……上部クラッド層、４４Ｄ……上部下層クラッド層、４４Ｅ……ＧａＡｓ上部中間クラッド層、４４Ｆ……Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部上層クラッド層、４６……Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部上層第１クラッド層、４８……Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層第２クラッド層、５０……Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ上部下層第１クラッド層、５２……Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部下層第２クラッド層、６０……実施形態例３の半導体レーザ素子の積層構造、６２……下部クラッド層、６２Ａ……Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部下層クラッド層、６２Ｂ……下部中間クラッド層、６２Ｃ……Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部上層クラッド層、６４……上部クラッド層、６４Ｄ……Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ上部下層クラッド層、６４Ｅ……上部中間クラッド層、６４Ｆ……Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部上層クラッド層、６６……ＧａＡｓ下部中間第１クラッド層、６８……Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ下部中間第２クラッド層、７０……ＧａＡｓ下部中間第３クラッド層、７２……ＧａＡｓ上部中間第１クラッド層、７４……Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ上部中間第２クラッド層、７６……ＧａＡｓ上部中間第３クラッド層、８０……従来のＳＣＨ構造半導体レーザ素子、８２……ｎ型Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ下部クラッド層、８４……ｐ型Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ上部クラッド層、８６……リッジ。
Claims (10)
- ＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅｄ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）構造の半導体レーザ素子において、
下部クラッド層及び上部クラッド層の少なくともいずれか一方のクラッド層（以下、特定クラッド層と言う）が、屈折率の相互に異なる少なくとも３層以上の化合物半導体多層膜で形成され、
特定クラッド層の実効的屈折率が、活性層の屈折率より少なくとも０．１５小さいことを特徴とする半導体レーザ素子。 - 特定クラッド層が、活性層側から順に、ｎ１ 、ｎ２ 、及びｎ３ の屈折率を有する３層の第１、第２、及び第３の化合物半導体層から構成されるとき、屈折率ｎ１ 、ｎ２ 、ｎ３ が、
ｎ２ ＞ｎ３ ＞ｎ１
の関係にあることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。 - 特定クラッド層が、ＩＩＩ 族元素として少なくともＧａ、又は少なくともＡｌとＧａとを含み、Ｖ族元素として少なくともＡｓを含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
- 屈折率がｎ２ の第２の化合物半導体層は、ＧａＡｓ層であることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ素子。
- 屈折率がｎ１ の第１の化合物半導体層、及び屈折率がｎ３ の第３の化合物半導体層は、それぞれ、ＡｌＧａＡｓ層であることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ素子。
- 屈折率がｎ１ 及びｎ３ の第１及び第３の化合物半導体層をそれぞれ構成するＡｌＧａＡｓ層は、Ａｌ組成が相互に異なっていることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ素子。
- 屈折率がｎ１ の第１の化合物半導体層は、屈折率の相互に異なる化合物半導体層を積層してなる、実効的屈折率ｎ１ ′の多層膜として構成され、
ｎ２ ＞ｎ３ ＞ｎ１ ′
の関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。 - 屈折率ｎ２ の化合物半導体層は、屈折率の相互に異なる化合物半導体層を積層してなる、実効的屈折率ｎ２ ′の多層膜として構成され、
ｎ２ ′＞ｎ３ ＞ｎ１
の関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。 - ＧａＡｓ基板上に形成されていることを特徴とする請求項３から８のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子。
- 活性層が、ＩＩＩ 族元素としてＧａとＩｎとを、Ｖ族元素としてＡｓとＮとを含むことを特徴とする請求項３から９のうちのいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
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|---|---|---|---|---|
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| JP2007250896A (ja) * | 2006-03-16 | 2007-09-27 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体光素子 |
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-
2002
- 2002-11-25 JP JP2002340471A patent/JP2004179209A/ja active Pending
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