JP2004253776A - 半導体レーザ素子及び光学式情報記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｉ−Ｌ特性におけるキンクを抑制する新手法を提供し、パルス電流駆動時のピーク出力において６０〜１００ｍＷの高出力まで基本次水平横モードで発振する半導体レーザ素子を提供する。更に、ＦＦＰにおける楕円率を１に近づける方法を提供しスポット形状を円形に近づけた半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】半導体レーザ素子の構成を、クラッド層における基本次水平横モードの光と１次水平横モードの光に対する放射損失差が１０ｃｍ^-1以上である構成や、クラッド層の屈折率が基本次水平横モードに対する等価屈折率未満であり１次水平横モードの光に対する等価屈折率以上である構成や、上部クラッド層が一部の活性層上にのみ設けられてリッジストライプ構造の少なくとも一部を形成する構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子及びそれを用いて光学的に情報を記録及び／又は再生を行う装置に関する。特に、窒化物系半導体レーザ素子に好適な発明に関する。

従来より、種々の半導体材料を用いた半導体レーザ素子が研究されているが、現在実用化されている半導体レーザ素子としては、波長が比較的長い赤色領域から緑色領域であるレーザ光を射出する半導体レーザ素子（例えば、ヒ素化合物系半導体材料を活性層に用いたヒ素化合物系半導体レーザ）が主であった。このような半導体レーザは、主に、光学的に情報を記録及び／又は再生する装置の光源又は光学的に情報を伝達する装置の光源として用いられている。

光学式情報記録装置等においては、情報記録速度の高速化の要請に伴い、高出力であり安定したレーザ光を発生させる半導体レーザが熱望されており、更に、記録媒体における情報記録密度の高密度化の要請に伴い、レーザ波長の短いレーザ光を射出する半導体レーザ素子が熱望されている。

一般的な光学式情報記録装置では、記録方式として、記録媒体の記録層を構成する物質の結晶相変化又は磁気相転移を用いる方式が採用されており、レーザ光のエネルギーは情報記録時の熱源として利用されている。したがって、情報記録速度の高速化を実現するためには、レーザ光の出力を高出力にする必要があった。

しかし、レーザ光の出力を高出力にするために電流注入量を増加させた場合、半導体レーザ素子は、基本次水平横モードで発振するのみではなく、高次水平横モードでも発振することが知られている。高次水平横モードで発振したレーザ光と基本次水平横モードで発振したレーザ光はスポット内における強度分布が異なるために、スポット径を増大させると共にスポットの楕円率を１から離れる値に変化させる。また、複数の水平横モードが発振するため安定なレーザ光を射出させることが困難となる。その結果、レーザ光を小さく集光させることができなくなったり、収束したレーザ光のスポットが位置ずれを起こしやすくなったり、記録密度を低下させたりすることとなる。

なお、横モードには、水平横モードと垂直横モードが存在するが、問題となるのは水平横モードにおける高次水平横モードの発振である。なぜなら、製造過程における長さの加工精度は、レーザ構造を構成する半導体層の積層方向の方が、積層方向と垂直な方向より、高いため、膜厚の制御により高次垂直横モードを発振させずに基本垂直横モードのみを発振させる素子構造とすることができるからである。

波長の短いレーザ光を射出する半導体レーザ素子としては、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ及びそれらの混晶半導体に代表される窒化物系半導体材料を活性層に用いて青色領域から紫外領域のレーザ光を射出する窒化物系半導体レーザ素子が挙げられ、近年、その試作も行われるようになってきた。例えば、第４７回応用物理学関係連合講演会講演予稿集３１ｐ−ＹＱ−８（非特許文献１）に記載された３０ｍＷ程度まで基本次水平横モードで室温連続発振（室温ＣＷ）する窒化物系半導体レーザ素子や、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス３９号Ｌ６４７−Ｌ６５０ページ（Ｓｈｉｎ‐ｉｃｈｉ Ｎａｇａｈａｍａ ｅｔ ａｌ：Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３９（２０００）ｐｐ．Ｌ６４７‐Ｌ６５０）（非特許文献２）に記載された３０〜４０ｍＷまで基本次水平横モードで室温連続発振し、ファーフィールドパターン（ＦＦＰ）特性における垂直方向の半値全角が約２５度でありその水平方向の半値全角が約８度である窒化物系半導体レーザ素子が挙げられる。波長の短いレーザ光は、波長の長いレーザ光より小さく絞ること（スポット径を小さくすること）ができるため、窒化物系半導体レーザ素子を光源として用いた光学式情報記録装置は、記録媒体への記録密度を従来に比べて高密度化できる次世代高密度情報記録装置として注目されている。

以下においては、半導体レーザ素子を、高出力まで安定した発振状態を維持する具体的技術を説明する。

ストライプ領域内における水平方向キャリア分布及び水平方向光強度分布が非対称形状となることによる不安定状況を改善し、単一水平横モード（基本次水平横モードのみ）で高出力まで発振させるために、いわゆる実屈折率導波型（リッジストライプ構造）の光導波路が採用されたＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子が知られている。高出力まで基本次水平横モードで発振させるためには光導波路の幅（以下、ストライプ幅と称す）を狭くすることが有効である。但し、狭くしすぎると、基本次水平横モードの光に対する光閉じ込めが弱くなり、また、半導体レーザ素子の閾値電圧が上昇することが知られている。したがって、ストライプ幅には最適値が存在する。

ストライプ幅を最適化する技術は、窒化物系半導体レーザ素子に対しても適用できる技術であるが、このストライプ幅の最適値は、レーザ発振の波長にほぼ比例するため、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子に比べて、窒化物系半導体レーザ素子においては２．０μｍ以下という小さな値となる。したがって、半導体レーザ素子の特性に与える影響は、ストライプ幅の設計値が狭くなるほど顕著となる。その結果、窒化物系半導体レーザ素子においては、半導体レーザ素子の特性に与える影響を十分小さくするためには、ストライプ幅の設計値から±０．１μｍ以内に作製する技術が要求される。しかし、この作製誤差の範囲内に収めることは、プロセス技術上、極めて困難である。したがって、窒化物系半導体レーザ素子に対しては、ストライプ幅の調整のみにより単一水平横モード（基本次水平横モードのみ）で高出力まで発振させることは困難である。

図１１は、従来型の典型的な半導体レーザ素子の構造を表わす模式的な断面図であり、紙面の表裏が共振器方向（軸方向）である。本半導体レーザ素子は、基板１１０１と、下部クラッド層１１０３と、下部光導波層１１０４と、３重量子井戸構造の活性層１１０５と、キャリアストップ層１１０６と、上部光導波層１１０７と、上部クラッド層１１０８と、コンタクト層１１０９とが積層された構成である。上部クラッド層１１０８は、中央にストライプ状の突出部を有し、その断面形状は凸形状である。コンタクト層１１０９は、上部クラッド層１１０８の突出部の上面の略全面にのみ形成されている。本半導体レーザ素子のリッジストライプ構造は、上部クラッド層１１０８の突出部とコンタクト層１１０９とによって構成されている。リッジストライプ構造は、上部クラッド層１１０８を構成することとなる上部クラッド膜とコンタクト層１１０９を形成することとなるコンタクト膜を成膜後に、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて形成される。このとき、エッチングされる領域においては、コンタクト膜は完全にエッチングされ、かつ、上部クラッド膜は所定の膜厚を残すようにエッチングされる。本半導体レーザ素子では、活性層１１０５で発光した光は、この導波構造内に閉じ込められて、レーザ発振動作を生ずる。

さらに、本半導体レーザ素子は、エッチングされた領域の略全面に形成された、発振波長の光に対してほぼ透明な埋め込み層１１１０と、コンタクト層１１０９及び埋め込み層１１１０の略全面を覆うように形成された電極１１１２と、基板１１０１の２主面のうち、下部クラッド層１１０３が形成されている側と対向する面の略全面に形成された電極１１１１とを有する。リッジストライプ構造の両端面は、共振器のミラーとして機能する共振器面である。

図１２は、従来型の典型的な半導体レーザ素子の構造を表す概念的な断面図である。本半導体レーザ素子においては、基板としてサファイア基板１２０１を用いていること、負電極１２１１がフォトリソグラフィー技術とエッチング技術とを用いて下部クラッド層１２０３に達するまでエッチングされた領域の面上に形成されていること以外は図１１の半導体レーザ素子と同じである。

図１１に示された構成の半導体レーザ素子において、単一水平横モード（基本次水平横モードのみ）で高出力まで発振させるための改良方法としては、リッジストライプ領域外の下部クラッド層１１０８の層厚と上部光導波層１１０７の層厚との和（エッチング残し膜厚）を調整する方法が知られている。

エッチング残し膜厚が大きくなると、ストライプ領域内とストライプ領域外の局所的等価屈折率差が小さくなり、基本次水平横モードに対して１次水平横モードの水平方向光閉じ込め係数が小さくなる。しかし、エッチング残し膜厚が大きくなりすぎると、基本次水平横モードの光の水平方向閉じ込め係数が小さくなり、半導体レーザ素子の閾値電圧の上昇を招く。更に、エッチング残し膜厚が大きくなりすぎると、半導体レーザ構造内における発光の光強度分布が、水平方向に広がるため、射出されたレーザ光のファーフィールドパターン（ＦＦＰ）における水平方向の半値全角が狭くなる。これはレーザ光の楕円率（水平方向半値全角に対するＦＦＰの垂直方向半値全角の比率）の悪化を招く。このような半導体レーザ素子を光学式情報記録再生装置に搭載した場合、レーザ光の光学系への結合効率が低下する。したがって、エッチング残し膜厚には最適値が存在し、ほぼ一意に決まってしまう。通常、エッチング残し膜厚は、ｐ型ガイド層の層厚より０．００１〜０．１５μｍ厚い膜厚に設定される。

図１１に示した従来の窒化物系半導体レーザ素子における埋め込み層１１１０を活性層１１０５で発生する光に対して吸収性を有する材料で形成することにより、単一水平横モード（基本次水平横モードのみ）で高出力まで発振させる方法が知られている。例えば、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス４１号１８２９‐１８３３ページ（Ｔｓｕｙｏｓｈｉ Ｔｏｊｙｏ ｅｔ ａｌ：Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．４１（２００２）ｐｐ．１８２９‐１８３３）（非特許文献３）が挙げられる。非特許文献３に記載された窒化物系半導体レーザ素子は、図１１に示された従来の窒化物系半導体レーザ素子における埋め込み層１１１０を、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなる吸収層とした構成、及び、数十ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ₂）層とシリコン（Ｓｉ）層とを有する２層構造の吸収層とした構成が開示されている。

図１７は、従来の典型的な光学式情報記録再生装置の基本構成を示す模式図である。半導体レーザ素子１７０１、コリメータレンズ１７０２、ビームスプリッタ１７０３、対物レンズ１７０４、光ディスク１７０５、光を検出する光検出系１７０６、成形プリズム１７０７からなっている。ここに、半導体レーザ素子としては、従来の典型的な半導体レーザ素子を用いている。

記録動作時は、半導体レーザ素子から出射したレーザ光が、コリメータレンズで平行光もしくは平行に近い光に変換され、ビームスプリッタを経て、対物レンズにより集光されて、光ディスクの情報記録面に照射される。レーザ光の照射された光ディスクの情報記録面には、凹凸、磁気変調又は屈折率変調によりビット情報が書き込まれる。消去動作時は、上記記録動作時と同様の経路によって、レーザ光が光ディスクの情報記録面に照射され、記録されているビット情報を消去する。再生動作時は、半導体レーザ素子から射出されたレーザ光は、凹凸、磁気変調又は屈折率変調によりビット情報が記録されている光ディスクの情報記録面に、記録時及び消去時と同様の経路を経て照射される。その後、レーザ光は、光ディスクの反射面で反射され、対物レンズを通してビームスプリッタを透過し、光検出系に入射する。光検出系は、検出された光を電気的信号に変換して記録情報の読み取りを行う。

従来の半導体レーザ素子から射出されたレーザ光は楕円率が非常に大きく、光ディスクに照射する前に、成形プリズムによって楕円率を改善（楕円率を１に近づける）する必要があった。

第４７回応用物理学関係連合講演会講演予稿集３１ｐ−ＹＱ−８ Ｓｈｉｎ‐ｉｃｈｉ Ｎａｇａｈａｍａ ｅｔ ａｌ． ：Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３９（２０００）ｐｐ．Ｌ６４７‐Ｌ６５０ Ｔｓｕｙｏｓｈｉ Ｔｏｊｙｏ ｅｔ ａｌ． ：Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．４１（２００２）ｐｐ．１８２９‐１８３３

本発明者らは、図１１に示された従来の窒化物系半導体レーザ素子（以下、試験用レーザ素子Ａと称す）を１００個作製した。試験用半導体レーザ素子Ａは、基板１１０１としてｎ型ＧａＮ基板（厚さ３μｍ）、下部クラッド層１１０３としてｎ型Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ層（膜厚０．５μｍ）、光導波層１１０４としてｎ型ＧａＮ層（膜厚０．１μｍ）、３重量子井戸構造の活性層１１０５における量子井戸層としてＩｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ層（膜厚４ｎｍ）、活性層１１０５における障壁層としてｎ型Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層（膜厚８ｎｍ）、キャリアブロック層１１０６としてｐ型Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ層（膜厚２０ｎｍ）、上部光導波層１１０７としてｐ型ＧａＮ層（膜厚０．１μｍ）、上部クラッド層１１０８としてｐ型Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ層（膜厚０．５μｍ）、コンタクト層１１０９としてｐ型ＧａＮ層（膜厚０．１μｍ）を含む構成とした。また、リッジストライプ構造のストライプ幅は２μｍとした。

図１３は、半導体レーザ素子における電流−光出力特性（以下、Ｉ−Ｌ特性と略称する）を説明するための説明図である。細線は、直線的なＩ−Ｌ特性の一例であり、９０ｍＷまで直線的なＩ−Ｌ特性を示している。電流値が一定電流値（閾値電流Ｉ_th）を越えると基本次水平横モードでの発振が開始され、電流値を更に上げても光出力が９０ｍＷまで直線的に増加する理想的な場合を示している。これに対し、太線は、試験用レーザ素子Ａに対する典型的なＩ−Ｌ特性である。電流値が一定電流（閾値電流Ｉ_th）を越えると基本次水平横モードでの発振が開始されるが、電流値を更に上げていくと光出力が直線的に増加しない箇所を生じる。一般的に、このような箇所はキンクと呼ばれ、また、キンクを発生する際の光出力値はキンクレベル（Ｐ_k）と呼ばれている。

本発明者らが、Ｉ−Ｌ特性においてキンクを生じた上記９０個の試験用レーザ素子Ａについて更に調査したところ、キンクが発生する原因は、水平横モードの変化（基本次水平横モードから１次水平横モードへの変化）にあることが確認された。したがって、試験用レーザ素子ＡをＤＣ電流で駆動した際、６０ｍＷの光出力まで基本次水平横モードで発振した素子は１０個であり、Ｉ−Ｌ特性においてキンクを有する残りの素子は上記出力の範囲内で高次水平横モードの発振を生じていたことが確認されたこととなる。これは、製造上の観点で見れば、従来の半導体レーザ素子の歩留りが１０％と低い値であることを示しており、製造コストの増大を意味している。

また、Ｉ−Ｌ特性においてキンクを生じた上記９０個の試験用レーザ素子Ａの全てにおいて、Ｉ−Ｌ特性でキンクを生じた位置（キンクレベル）を境にして水平方向のファーフィールドパターン（ＦＦＰ）が変化することも確認された。

図１４（ａ）及び（ｂ）は、窒化物系半導体レーザ素子の水平方向ＦＦＰが光出力と共に変化する様子を説明するための説明図である。図１４（ａ）は、ある窒化物系半導体レーザ素子の水平方向ＦＦＰを表しており、１４０１、１４０２はキンクレベル以下の光出力における水平方向ＦＦＰ、１４０３、１４０４はキンクレベルを超える光出力における水平方向ＦＦＰである。この例では、キンクレベルの光出力を境にして、ピークを生ずる位置が移動することが観測された。また、図１４（ｂ）は、別の窒化物系半導体レーザ素子の水平方向ＦＦＰを表しており、１４０５、１４０６はキンクレベル以下の光出力における水平方向ＦＦＰ、１４０７、１４０８はキンクレベルを超える光出力における水平方向ＦＦＰである。

本願発明者らは、更に、上記の試験用レーザ素子Ａにおける透明な埋め込み層を活性層で発生する光を吸収する材料で形成した埋め込み層で置換した試験用レーザ素子Ｂを作製した。具体的には、試験用レーザ素子Ｂの埋め込み層を酸化シリコン（ＳｉＯ₂）で形成した。この試験用レーザ素子Ｂを用いて、酸化シリコン層の膜厚と埋め込み層の吸収による伝搬損失との相関及びエッチング残し膜厚と埋め込み層の吸収による伝搬損失との相関を調べた。

図１５は、ＳｉＯ₂層の層厚に対する埋め込み層の吸収による伝搬損失を、基本次水平横モード及び１次水平横モードのそれぞれについてプロットしたものであり、実線が基本次水平横モードに、破線が１次水平横モードに対応している。基本次水平横モードに比べて、１次水平横モードの方が、ストライプ領域の外側に染み出す電界強度分布の割合が大きいため、埋め込み層の吸収による影響を強く受ける。つまり、基本次水平横モードと１次水平横モードに対する伝搬損失の差を大きくすることができる。

高出力まで基本次水平横モードのレーザ光を維持し、１次水平横モードのレーザ光を十分カットするためには、この伝搬損失の差は少なくとも１０ｃｍ^-1以上は必要であり、大きいほどより望ましい。本構造では、ＳｉＯ₂層の厚さを薄くするほど基本次水平横モードの伝搬損失も１次水平横モードの伝搬損失も指数関数的に増加するので、伝搬損失の差を大きくしようとすれば、同時に基本次水平横モードの伝搬損失も大きくなる。基本次水平横モードの伝搬損失が、２ｃｍ^-1程度（この値は、他の原因による伝搬損失約１０ｃｍ^-1とミラー損失約１０ｃｍ^-1とを加えた値の１０分の１として算出した）を超えると、半導体レーザ素子の閾値電流の上昇及びスロープ効率（Ｉ−Ｌ特性におけるレーザ発振領域における特性直線の傾き）の減少が顕著となり、動作電流の上昇を招く。これらを考慮すると、ＳｉＯ₂層をある程度以上薄くすることはできないことになる。

図１６は、エッチング残し膜厚に対する、埋込み層の吸収による伝搬損失を、基本次水平横モードと１次水平横モードについてプロットしたものであり、実線が基本次水平横モードに対応し、破線が１次水平横モードに対応している。エッチング残し膜厚を大きくするほど、単調に増加するが、同時に基本次水平横モードに対する伝搬損失も大きくなり、２ｃｍ^-1程度を超えると、半導体レーザ素子の閾値電流の上昇、及びスロープ効率の減少が顕著となり、動作電流の上昇を招く点は、図１５と同じ傾向である。また、エッチング残し膜厚を大きくすると、基本次水平横モードの水平方向光閉じ込めが弱くなるため、しきい値電流密度の上昇を招く上、水平ＦＦＰの半値全角が減少する。これは、ＦＦＰの楕円率増加に繋がり、光情報記録再生装置に搭載した際、集光されたレーザ光のスポット形状がより扁平な楕円形となり、クロストークを発生させる原因となる。

以上のように、従来の窒化物系半導体レーザ素子においては、基本次水平横モードの伝搬損失を２ｃｍ^-1以下に抑えつつ、基本次水平横モードと１次水平横モードの伝搬損失の差を１０ｃｍ^-1以上に取ることは不可能であった。

以上の理由により、特に、窒化物系半導体レーザ素子が高出力まで基本次横モード発振させる方法として、ストライプ幅を最適値に設定する、エッチング残し膜厚を大きくするのみ又は埋め込み層に吸収材料を入れるのみでは不十分であり、新しい方法が必要とされる。

本発明は上記に鑑みなされたものであり、Ｉ−Ｌ特性におけるキンクを抑制する新手法を提供し、パルス電流で駆動した場合のピーク出力が６０〜１００ｍＷの高出力まで基本次水平横モードで発振する半導体レーザ素子を提供することを目的とする。また、ファーフィールドパターン（ＦＦＰ）の楕円率を１に近づける改良を行うことを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザ素子の第１の態様は、基板と、基板上に形成された第１導電型の下部クラッド層と、下部クラッド層上に設けられ、第１導電型と導電型が異なる第２導電型の上部クラッド層と、下部クラッド層と上部クラッド層との間に設けられた活性層とを含み、光を水平方向に閉じ込めるリッジストライプ構造を有する構成であって、下部クラッド層と上部クラッド層の少なくとも一方のクラッド層において、活性層で発生する基本次水平横モードの光に対する活性層と反対側の主面への放射損失と活性層で発生する１次水平横モードの光に対する活性層と反対側の主面への放射損失との放射損失差が１０ｃｍ^-1以上である構成とすることができる。

また、上記の課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザ素子の第２の態様は、基板と、基板上に形成された第１導電型である下部クラッド層と、第１導電型と導電型が異なる第２導電型である上部クラッド層と、下部クラッド層と上部クラッド層との間に設けられた活性層とを含み、光を水平方向に閉じ込めるリッジストライプ構造を有する構成において、活性層で発生する基本次水平横モードの光に対する等価屈折率をｎ₀とし、活性層で発生する１次水平横モードの光に対する１次等価屈折率をｎ₁としたとき、下部クラッド層及び上部クラッド層の少なくとも一方のクラッド層の屈折率がｎ₁以上ｎ₀未満である構成とすることができる。

また、上記の課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザ素子の第３の態様は、基板と、基板上に設けられた第１導電型の下部クラッド層と、下部クラッド層上に設けられた、第１導電型と導電型が異なる第２導電型の上部クラッド層と、下部クラッド層と上部クラッド層との間に設けられた活性層とを含み、光を水平方向に閉じ込めるリッジストライプ構造を有する構成において、上部クラッド層が、一部の活性層上に設けられてリッジストライプ構造の少なくとも一部である構成とすることができる。

また、上記の課題を解決するために、電気的信号で与えられる情報を光記録媒体に記録する本発明に係る光学式情報記録装置は、上記本発明に係る半導体レーザ素子と、電気的信号に応じて半導体レーザ素子から記録用のレーザ光を射出させる記録光射出制御手段と、半導体レーザ素子から射出したレーザ光を集光する集光手段と、集光手段で集光されたレーザ光を光記録媒体の所定の位置に照射して情報を記録する照射位置制御手段とを含む構成とすることができる。

基板と、下部クラッド層と、上部クラッド層と、活性層とを含み、リッジストライプ構造を有する構成において、下部クラッド層と上部クラッド層の少なくとも一方のクラッド層において、活性層で発生する基本次水平横モードの光に対する活性層と反対側の主面への放射損失と活性層で発生する１次水平横モードの光に対する活性層と反対側の主面への放射損失との放射損失差が１０ｃｍ^-1以上とする、本発明の第１の態様に係る半導体レーザ素子の構成であると、基本次水平横モードの光と比べて、１次水平横モードの光を、優位に、上記条件を満たすクラッド層側から放射させることができる。

また、基板と、下部クラッド層と、上部クラッド層と、活性層とを含み、リッジストライプ構造を有する構成において、下部クラッド層及び上部クラッド層の少なくとも一方のクラッド層の屈折率を、活性層で発生する基本次水平横モードの光に対する等価屈折率未満であり、かつ活性層で発生する１次水平横モードの光に対する１次等価屈折率以上とする、本発明の第２の態様に係る半導体レーザ素子であると、基本次水平横モードの光と比べて、１次水平横モードの光を、優位に、上記条件を満たすクラッド層側から放射させることができる。

また、基板と、下部クラッド層と、上部クラッド層と、活性層とを含み、リッジストライプ構造を有する構成において、上部クラッド層を、一部の活性層上に設けられてリッジストライプ構造の少なくとも一部を構成する、本発明の第３の態様に係る半導体レーザ素子であると、基本次水平横モードの光と比べて、１次水平横モードの光を、優位に、下部クラッド層側から放射させることができる。

また、本発明に係る半導体レーザ素子を光学式情報記録再生装置に搭載した場合、情報の記録及び／再生を高速かつ高精度で行うことができる。更に、成形プリズム無しで、集光スポット形状が円形に近くなるため、クロストークを減少させることができる。また、本発明に係る半導体レーザ素子を光学式情報記録再生装置に搭載した場合、情報の記録及び／再生を高記録密度、高速かつ高精度で行うことができる。

本発明の内容を説明すると共に、好ましい実施の形態を記述する。以下においては、まず、本発明に係る半導体レーザ素子と本発明に係る光学式情報記録装置について概観し、次に、より具体的な構成に関しては（実施の形態１）〜（実施の形態５）において詳細に説明する。

本発明に係る半導体レーザ素子について、図１に示された半導体レーザ素子を参考にしながら説明する。図１は、本発明に係る半導体レーザ素子の構造例を表わす模式的な断面図であり、半導体レーザ素子の共振器方向に垂直な断面を表わしている。

図１に示された半導体レーザ素子は、第１導電型の基板１０１と、基板１０１の下面に接する第１導電型用の電極１１１と、基板１０１の上面に接する第１導電型の下地層１０２と、下地層１０２の上面に接する第１導電型の下部クラッド層１０３と、下部クラッド層１０３の上面に接する第１導電型の下部光導波層１０４と、下部光導波層１０４の上面に接する活性層１０５と、活性層１０５の上面に接するキャリアブロック層１０６と、キャリアブロック層１０６の上面に接し、中央部にその他の部分より上方に突出したストライプ形状の突出部を有する第２導電型の上部光導波層１０７と、上部光導波層１０７の突出部の上面に接する第２導電型の上部クラッド層１０８と、上部クラッド層１０８の上面に接する第２導電型のコンタクト層１０９と、上部光導波層１０７の突出部、上部クラッド層１０８及びコンタクト層１０９で形成されるリッジストライプ構造体の両側に設けられた埋め込み層１１０と、コンタクト層１０９及び埋め込み層１１０の上面を覆う第２導電型用の電極１１２と含む構成（構成Ａ）である。

ここに、第１導電型及び第２導電型とはｐ型又はｎ型を意味し、第１導電型がｐ型である場合には第２導電型はｎ型であり、第１導電型がｎ型である場合には第２導電型はｐ型である。

本発明の半導体レーザ素子において、第１導電型用の電極１１１及び第２導電型用の電極１１２は必須要素ではない。しかし、半導体レーザ素子を駆動するための電圧印加（電流供給）手段との電気的接続を確実に行うために、通常は、第１導電型用の電極１１１と第２導電型用の電極１１２が半導体レーザ素子に形成される。第１導電型用の電極１１１及び第２導電型用の電極１１２は、単一の金属材料又は合金材料からなる単層電極であっても、互いに異なる金属材料又は合金材料からなる積層電極であってもよい。

本発明に係る半導体レーザ素子の第１の態様においては、下部クラッド層１０３と上部クラッド層１０８の少なくとも一方のクラッド層において、活性層１０５で発生する基本次水平横モードの光に対する活性層１０５と反対側の主面からの放射損失と活性層１０５で発生する１次水平横モードの光に対する活性層１０５と反対側の主面からの放射損失との放射損失差が１０ｃｍ^-1以上であるという条件を満たす限りにおいて、図１で示された構成（構成Ａ）ばかりでなく、上部光導波層１０７が突出部を有さず平坦な層である構成（構成Ｂ）や突出部を有さず平坦な上部光導波層と中央部にその他の部分より上方に突出したストライプ状の突出部を有するクラッド層とを備えた構成（構成Ｃ）とすることもできる。

なお、構成Ａの場合は、下地層１０２、下部光導波層１０４、キャリアブロック層１０６及びコンタクト層１０９は必須要素ではなく、構成Ｂ又は構成Ｃの場合は、下地層、下部光導波層、キャリアブロック層、上部光導波層及びコンタクト層は必須要素ではない。しかし、高性能な半導体レーザ素子を構成するためには、下部光導波層１０２、キャリアブロック層１０６、上部光導波層１０７及びコンタクト層１０９を備えることが好ましい。更に、窒化物系半導体レーザ素子の場合、ヒ素化合物系半導体レーザ素子に比べて、結晶性の良好な窒化物系半導体層を形成できる基板が知られていないため、下地層１０２を設けることが好ましい。

本発明に係る半導体レーザ素子の第２の態様においては、下部クラッド層１０３及び上部クラッド層１０８の少なくとも一方のクラッド層の屈折率が、活性層１０５で発生する基本次水平横モードの光に対する等価屈折率未満であり、かつ活性層１０５で発生する１次水平横モードの光に対する等価屈折率以上であるという条件を満たす限りにおいて、図１で示された構成（構成Ａ）ばかりでなく、上部光導波層１０７が突出部を有さず平坦な層である構成（構成Ｂ）や突出部を有さず平坦な上部光導波層と中央部にその他の部分より上方に突出したストライプ状の突出部を有するクラッド層とを備えた構成（構成Ｃ）とすることもできる。

第２の態様の構成であれば、下部クラッド層１０３又は上部クラッド層１０８側から外に、基本次水平横モードの光よりも、１次水平横モードの光を優位に放射できるため、Ｉ−Ｌ特性曲線におけるキンクを抑制し、高出力まで基本次水平横モードで発振させることができる。

なお、第２の態様の場合も、構成Ａにおいては、下地層１０２、下部光導波層１０４、キャリアブロック層１０６及びコンタクト層１０９は必須要素ではなく、また、構成Ｂ又は構成Ｃにおいては、下地層、下部光導波層、キャリアブロック層、上部光導波層及びコンタクト層は必須要素ではない。しかし、高性能な半導体レーザ素子を構成するためには、下部光導波層１０４、キャリアブロック層１０６、上部光導波層１０７及びコンタクト層１０９を備えることが好ましい。

本発明に係る半導体レーザ素子の第３の態様においては、図１で示された構成（構成Ａ）ばかりでなく、上部光導波層が突出部を有さず平坦な層である構成（構成Ｂ）とすることもできる。なお、半導体レーザ素子の第３の態様においては、下地層１０２、下部光導波層１０４、キャリアブロック層１０６及びコンタクト層１０９は必須要素ではないことに注意を要する。しかし、高性能な半導体レーザ素子を構成するためには、これらの層を備えることが好ましい。

構成Ａの半導体レーザ素子においては、第１導電型用の電極１１１を基板の下面に形成したが、図１２の如く、下部クラッド層の上面に第１の電極を形成した構成（構成Ｄ）であってもよい。構成Ｄにおける基板として、導電性を有さない基板を用いることができる。なお、半導体レーザ素子の第１の態様、第２の態様及び第３の態様のいずれにおいても構成Ｄを適用することができる。

本発明に係る半導体レーザ素子は、単一の材料からなる単層の活性層や異なる材料からなる複数の層が積層した活性層を備えた構成とすることができる。複数の層が積層した活性層としては、単一量子井戸構造の活性層や多重量子井戸構造の活性層が挙げられる。単一量子井戸構造の活性層は、１つの量子井戸層が障壁層で挟まれた構成ある。また、多重量子井戸構造は、量子井戸層と障壁層とが順次積層されており、かつ最下層と最上層に障壁層を備えた構成（障壁層／量子井戸層／障壁層／・・・／量子井戸層／障壁層）である。

本発明に係る半導体レーザ素子としては、例えば、窒化物系半導体レーザ素子、ヒ素化合物系半導体レーザ素子、セレン化合物系半導体レーザ素子、リン化合物系半導体レーザ素子が挙げられる。ここに、窒化物系半導体レーザ素子とは、窒化物系半導体からなる活性層を有する半導体レーザ素子である。他の半導体レーザ素子も同様に定義される。

ここに、窒化物系半導体とは、通常、Ａｌ_pＩｎ_qＧａ_1-p-qＮ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）からなる結晶を意味するが、本明細書における窒化物系半導体とは、Ａｌ_pＩｎ_qＧａ_1-p-qＮのみからなる結晶ばかりでなく、ＩＩＩ族原子（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）の一部（２０原子数％以下）を、Ｂ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｔｌ、Ｇｄ、Ｌａで置換した結晶や、ＶＩ族原子であるＮ原子の一部（２０原子数％以下）を、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂで置換した結晶や、それらの結晶に不純物としてＢ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｔｌ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｈ、Ｓｃ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、ランタノイド等が添加されていてもよい。また、本明細書において、ｎ型窒化物系半導体及びｐ型窒化物系半導体とは、窒化物系半導体に導電型を規定する不純物を含有していることを意味する。

構成Ａ及び構成Ｂの半導体レーザ素子の場合、基本次水平横モードに対する等価屈折率及び１次水平横モードに対する等価屈折率が構成Ｃに比べて小さくなるため、基本次水平横モードより１次水平横モードの光を優位に下部クラッド層１０３及び上部クラッド層１０８側に放射することができる。これにより、１次水平横モードの発振を抑制することができる。１次水平横モードに対する等価屈折率のみが下部クラッド層１０３（又は、上部クラッド層１０８）の屈折率を下回っており、基本次水平横モードに対する等価屈折率は下部クラッド層１０３（又は、上部クラッド層）の屈折率を上回っているという状態となるようにエッチング残し膜厚を設定することが好ましい。なお、これに関しては、具体的な半導体レーザ素子に基づき、実施の形態２において詳細に説明することとする。

また、本発明の半導体レーザ素子において、下部クラッド層１０３及び上部クラッド層１０８の少なくとも一方のクラッド層の屈折率が、活性層１０５で発生する基本次水平横モードの光に対する等価屈折率未満であり、かつ活性層１０５で発生する１次水平横モードの光に対する１次等価屈折率を以上であると、基本次水平横モードの光と比べて、１次水平横モードの光を優位に上記条件を満たすクラッド層から放射することができる。これにより、１次水平横モードの発振を抑制することができる。なお、これに関しては、具体的な半導体レーザ素子構造に基づき、実施の形態２において詳細に説明することとする。

また、本発明の半導体レーザ素子においては、下部クラッド層１０３の屈折率と上部クラッド層１０８の屈折率は、同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。下部クラッド層１０３の屈折率と上部クラッド層１０８の屈折率を異ならせた場合、屈折率の高い方のクラッド層側への放射損失を助長することができる。

一般的に、上部クラッド層１０８と第２導電型用の電極１１２との距離より、下部クラッド層１０３と第１導電型用の電極１１１との距離の方が長いため、下部クラッド層１０３側への放射損失を助長することが好ましい。なぜなら、第１導電型用の電極１１１と第２導電型用の電極１１２は良好な光反射性を有するため、上部クラッド層１０８側へ放射された場合より、下部クラッド層１０３側へ放射された場合のほうが、それらで反射した光が活性層１０５へ戻る可能性が低くなるからである。また、上部クラッド層１０８側への放射損失を助長するよりも、下部クラッド層１０３側への放射損失を助長する方が、ＦＦＰにおける楕円率を１に近づけることができる。

また、本発明の半導体レーザ素子において、基板１０１の屈折率が、１次水平横モードに対する等価屈折率以上の値であれば、基板１０１を透過させて光を放射させることもできる。したがって、この条件を満たす基板１０１を用い、かつ、下部クラッド層１０３の屈折率を上部クラッド層１０８の屈折率より大きい値に設定することが好ましい。

また、本発明の半導体レーザ素子においては、下部クラッド層１０３と上部クラッド層１０８のうち屈折率の大きい方のクラッド層の活性層側表面から０．１μｍ以下の距離を隔てて設けられ、発光層で発生する光に対して１００ｃｍ^-1以上の吸収を有する吸収層を更に備えた構成とすることができる。この構成であれば、放射損失の助長されたクラッド層側に吸収層を設けることとなり、この吸収層によって生ずる吸収損失が、基本次水平横モードと１次水平横モードの伝播損失差をさらに助長することが出来る。更に、屈折率の高い方のクラッド層を分割し、分割したクラッド層の間に吸収層を設ける構成とすることもできる。

また、本発明の半導体レーザ素子においては、発光層１０５で発生する光に対して吸収性を有する基板１０１を用いた構成であってもよい。この構成であれば、吸収層を設けずとも良好に下部クラッド層１０３側へ放射された光を吸収させることができる。

また、本発明の半導体レーザ素子においては、下部クラッド層１０３を、基板側から順に積層された、第１下部クラッド層と、第２下部クラッド層と、第３下部クラッド層とを含み、第２下部クラッド層の屈折率が、第１下部クラッド層の屈折率及び第３下部クラッド層の屈折率より小さい構造とすることができる。更に、第１下部クラッド層の屈折率及び第３下部クラッド層の屈折率を、活性層で発生する基本次水平横モードの光に対する等価屈折率より小さい構成とすることが好ましい。なお、これに関しては、具体的な半導体レーザ素子構造に基づき、実施の形態２において詳細に説明することとする。

本発明の半導体レーザ素子に対しては、埋め込み層１１０を発光層で発光する光に対して吸収性を有する吸収性埋め込み層とする従来の技術を併用することができる。この構成であれば、１次水平横モードの発振を更に抑制することができる。

以下に、本発明の理解に必要な語句について説明する。まず、本明細書において、「垂直方向」とは、半導体層の層厚方向を指す。また、「水平方向」とは、共振器面に平行でかつ、半導体層の層厚方向に対し垂直な方向を意味する。

また、本明細書において、「ストライプ幅」とは、共振器長さ方向に対し垂直な断面におけるリッジストライプ形状における、上辺（基板から遠い側）および下辺（基板に近い側）の幅の平均値とする。

また、本明細書において、「ストライプ内の局所的等価屈折率」とは、ストライプ内垂直方向の屈折率分布を有し、水平方向はこれと同じ屈折率分布を持つ仮想的なスラブ導波路を考え、このような構造において通常の電界分布計算により求まる等価屈折率とする。なお、本明細書において、「ストライプ外の局所的等価屈折率」の求め方については、後述する。

水平横モードとは、ストライプ幅Ｗに対し、下記数式１に示される局所的等価屈折率分布ｎ（ｙ）で決まる屈折率分布を有する仮想的なスラブ導波路を考え、このような構造において通常の電界分布計算により求まるモードを指すものとする。基本次水平横モード、１次水平横モードとは、水平横モードの基本次モード、１次モードをそれぞれ意味する。

また、水平方向閉じ込め係数Γ‖とは、水平横モードの水平方向光強度分布をI（ｙ）とし、半導体レーザ素子のストライプ幅内を下記数式２として、下記数式３で定義される量とする。

電界分布計算は、スラブ導波路における通常の電界分布計算を指す。手法は、例えば、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス８４号１１９６から１２０３ページ（Ｍ．Ｊ．Ｂｅｒｇｍａｎｎ ａｎｄ Ｈ．Ｃ．Ｃａｓｅｙ，Ｊｒ．：Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ． ｖｏｌ．８４（１９９８） ｐｐ．１１９６‐１２０３）を参照することができる。電界分布計算におけるパラメータである、発振波長λ［ｎｍ］における各材料の屈折率ｎは、次により、求められる。発振波長λは３００〜８００ｎｍの範囲とすることができる。例えば、窒化物系半導体材料のパラメータＥｇ［ｅＶ］は下記数式４で与えられる。

これにより、屈折率は、下記数式５に従って求められる。

本明細書において、「放射損失」とは、作製したレーザ構造について、有限差分法によるビーム伝搬法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ、ＦＤ−ＢＰＭ）により求まる計算値を指すものとする。ＦＤ−ＢＰＭについては、例えばＷ．Ｐ．Ｈｕａｎｇ，ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２９（１９９３）２６３９を参照することが出来る。まず、初期値として適切な光強度分布（基本次モードを求める場合は単峰な光強度分布を、１次モードを求める場合は双峰の光強度分布を与える）を作製したレーザの構造に入射させ、３００μｍ伝搬させた後の光強度分布を、ＦＤ−ＢＰＭにより計算すると、同計算構造における横モード成分のみが選択的に伝播し、他の成分は計算構造外に伝搬していき、３００μｍ伝搬する間に無視できる強度まで減少するため、伝搬後の光強度分布は同計算構造における横モードの光強度分布とみなすことが出来る。次に、求まった横モード光強度分布を改めて同じ計算構造内に入射させ、単位長さだけ伝搬させた後のパワー減衰割合から、同構造における放射損失を求めることができる。ここで、計算構造は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により求めた層厚と、Ｘ線から求めたＩｎ（インジウム）混晶比及びＡｌ（アルミニウム）混晶比とから、レーザ構造の共振器方向に垂直な断面における屈折率分布を求め、さらに活性層中央面とリッジ中央面と共振器方向に垂直な断面との交点を原点とした、垂直方向±４μｍ、水平方向±４μｍ以内の領域のみとした。この計算構造より外に放射した光は、放射損失として取り扱っている。また、上記計算構造の周囲は、透明境界条件を用いた。透明境界条件については、例えばＧ．Ｒ．Ｈａｄｌｅｙ，ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔ．１６（１９９１）６２４を参照することが出来る。また、差分化する際のセルの大きさは、計算構造内で一定とし、縦０．０４μｍ以下、横０．１μｍ以下とした。

本発明の光学的に情報を記録及び／又は再生を行う装置は、情報の記録するための記録光の光源又は情報を再生するための光源として、上記本発明に係る半導体レーザ素子を少なくとも１つ備えることを特徴とする。記録光の光源又は再生光の光源として本発明に係る半導体レーザ素子を備える限りにおいて、その他の構成には公知のいかなる構成を用いてもよい。

本発明に係る光学式情報記録装置は、本発明に係る半導体レーザ素子と、電気的信号に応じて半導体レーザ素子から記録用のレーザ光を射出させる記録光射出制御手段と、半導体レーザ素子から射出したレーザ光を集光する集光手段と、集光手段で集光されたレーザ光を光記録媒体の所定の位置に照射して情報を記録する照射位置制御手段と、を含む構成である。この構成の場合、光学的記録専用装置とも呼ばれる。高出力まで基本次水平横モードで発振するばかりでなく、ＦＦＰにおける楕円率を１に近づけた半導体レーザ素子を用いたことにより、楕円形のビームスポットを円形に近づけるための手段として、例えば、通常必ず使用していた形成プリズムを用いない構成とすることもできる。

本発明に係る光学式情報記録装置は、再生用の光を射出する再生用光源と、再生命令信号に応じて再生用光源から光を射出させる再生光射出制御手段と、再生用光源から射出された光を集光する再生用集光手段と、集光手段で集光された光を光記録媒体の所定の位置に照射する再生光照射位置制御手段と、光記録媒体で反射した光又は光記録媒体を透過した光を検出する光検出手段と、光検出手段で検出された光学的信号を電気的信号に変換して光記録媒体に記録された情報を再生する光電気変換手段と、を更に含む構成とすることもできる。この場合、情報の記録と共に記録された情報を再生することができる。この構成の場合、光学的情報記録再生装置とも呼ばれる。

本発明の光学的情報記録再生装置は、記録用光源と再生用光源として１つの本発明に係る半導体レーザ素子を有する構成であっても、本発明に係る半導体レーザ素子を含む２つの異なる光源であってもよい。１つの半導体レーザ素子で記録用光源と再生用光源を兼用する場合、異なる強度を射出できる構成が必要である。また、その他のいかなる手段においても記録用と再生用に兼用して、装置の構造を簡素化する構成であってもよい。

本発明に係る光学的情報記録装置及び光学的情報記録再生装置は、消去用の光を射出する消去用光源と、消去命令信号に応じて消去用光源から消去用の光を射出させる消去光射出制御手段と、消去用光源から射出された光を集光する消去用集光手段と、集光手段で集光された光を光記録媒体の所定の位置に照射して記録された情報を消去する消去光照射位置制御手段と、を更に含む構成とすることもできる。この構成の場合、消去可能型の光学的情報記録装置又は消去可能型の光学的情報記録再生装置とも呼ばれる。

本発明の消去可能型の光学的情報記録装置は、記録用光源と消去用光源として１つの本発明に係る半導体レーザ素子を有する構成であっても、本発明に係る半導体レーザ素子を含む２つの異なる光源であってもよい。また、本発明の消去可能型の光学的情報記録再生装置は、記録用光源と再生用光源と消去用として１つの本発明に係る半導体レーザ素子を有する構成であっても、本発明に係る半導体レーザ素子を含む２つ又は３つの異なる光源であってもよい。また、その他のいかなる手段においても記録用、再生用及び消去用のいずれか２つ以上に兼用して、装置の構造を簡素化する構成であってもよい。

また、再生用の光を射出する本発明に係る半導体素子と、再生命令信号に応じて再生用光源から光を射出させる再生光射出制御手段と、再生用光源から射出された光を集光する再生用集光手段と、集光手段で集光された光を光記録媒体の所定の位置に照射する再生光照射位置制御手段と、光記録媒体で反射した光又は光記録媒体を透過した光を検出する光検出手段と、光検出手段で検出された光学的信号を電気的信号に変換して光記録媒体に記録された情報を再生する光電気変換手段と、を含む構成の光学的再生装置であってもよい。この構成の場合、光学的再生専用装置とも呼ばれる。

更に、光ファイバー等の光学的に情報を伝達する媒体に光学的信号を射出する光学的情報伝達装置の光源として本発明に係る半導体レーザ素子を用いてもよい。光学的情報伝達装置としては、例えば、電気的信号で与えられる情報を光学的信号に変換して媒体に射出する装置や光学的信号を中継する装置が挙げられる。

（実施の形態１）
本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、リッジストライプ構造を有する窒化物系半導体レーザ素子である。本窒化物系半導体レーザ素子の構造は図１に示された半導体レーザ素子と同じ構造であるため、図１を参照しながらその構成を説明する。

本半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮからなる基板１０１（好ましくは、膜厚が３０〜５００μｍ）、ｎ型ＧａＮからなる下地層１０２（好ましくは、膜厚が０．１〜１０μｍ）、ｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（好ましくは、０．０４≦ｘ≦０．１５）からなる下部クラッド層１０３（好ましくは、膜厚が０．８μｍ以上）、ｎ型ＧａＮからなる下部光導波層１０４（好ましくは、膜厚が０〜０．１５μｍ）、Ｉｎ_wＧａ_1-wＮ（好ましくは、０＜ｗ≦０．２）からなる量子井戸層及びｎ型Ｉｎ_vＧａ_1-vＮ（０≦ｖ＜ｗ）からなる障壁層を交互に積層させた多重量子井戸構造の活性層１０５（好ましくは、総膜厚が５〜１００ｎｍ）、ｐ型Ａｌ_zＧａ_1-zＮからなるキャリアブロック層１０６（好ましくは、膜厚が０〜０．１μｍ）、中央部にその他の部分より上方に突出した突出部を有しｐ型ＧａＮからなる上部光導波層１０７（好ましくは、中央部の膜厚０．０５〜０．１５μｍ）、上部光導波層の突出部上に形成されたｐ型ＡｌyＧａ1-yＮ（好ましくは、０．０４≦ｙ≦０．１５）からなる上部クラッド層１０８（好ましくは、膜厚が０．４μｍ以上）、上部クラッド層上に形成されたｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１０９（好ましくは、膜厚が０．０１〜１０μｍ）と、上部光導波層の突出部、上部クラッド層及びコンタクト層で構成されるリッジストライプ構造体（幅１〜２μｍ）の両側に設けられた埋め込み層１１０と、正電極１１２と、負電極１１１とを備える。

本窒化物系半導体レーザ素子の発光波長は、３７０〜４３０ｎｍの範囲であり、活性層１０５における量子井戸層及び障壁層を形成するＩｎＧａＮ半導体の混晶比及び各層の膜厚によって調整される。

活性層１０５における量子井戸層の層数は、２〜６層が好ましく、特に２又は３層が好ましい。量子井戸層の半導体がノンドープの半導体である構成を示したが、Ｓｉ等を含むｎ型半導体を採用した構成とすることもできる。また、障壁層の半導体がｎ型半導体である構成を示したが、ノンドープの半導体を採用した構成とすることもできる。

また、下部光導波層１０４、上部光導波層１０７及びキャリアブロック層１０６としては、導電型不純物を含むことにより導電型が規定される半導体層の構成を示したが、これらの層をノンドープの半導体層とした構成とすることもできる。

ｐ型用の電極１１２（正電極）としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）膜上に金（Ａｕ）膜を積層してなるＡｕ／Ｎｉ電極やパラジウム（Ｐｄ）膜上に金（Ａｕ）膜を積層してなるＡｕ／Ｐｄ電極が挙げられる。また、ｎ型用の電極（負電極）としては、例えば、チタン（Ｔｉ）膜にアルミニウム（Ａｌ）膜を積層してなるＡｌ／Ｔｉ電極やタングステン（Ｗ）膜に金（Ａｕ）膜を積層してなるＡｕ／Ｗ電極が挙げられる。

次に、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
まず、（０００１）Ｃ面を結晶成長用面とするｎ型ＧａＮからなる基板１０１を洗浄した（洗浄工程）。洗浄したＧａＮ基板１０１をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、Ｈ₂雰囲気の中で、約１１００℃の高温でクリーニングを行った（清浄化工程）。

次に、約１０５０℃まで降温する。ＴＭＧ（トリメチルガリウム）を１００μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＳｉＨ₄（モノシラン）を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ導入して、下地層１０１としてｎ型ＧａＮ層を成長させた（下地層形成工程）。

下地層形成工程の完了後、ＴＭＧの流量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を一定量導入して、ＳｉＨ₄を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ流しながら、下部クラッド層１０３としてｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（例えばｘ＝０．０６）層を成長させた（下部クラッド層形成工程）。

下部クラッド層形成工程完了後、ＴＭＡの供給を停止し、かつＴＭＧを１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、下部光導波層１０４としてｎ型ＧａＮ層を成長させた（下部光導波層形成工程）。

下部光導波層形成工程の完了後、ＴＭＧの供給を停止して、キャリアガスを水素ガス（Ｈ₂ガス）から窒素ガス（Ｎ₂ガス）に代えて、７００℃まで降温し、インジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を一定量、ＴＭＧを１５μｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、活性層１０５を構成する障壁層としてのｎ型ＩｎｖＧａ_1-vＮ（例えば、ｖ＝０．００５）層を成長させた（障壁層形成工程）。次に、ＳｉＨ４の供給を停止し、かつＴＭＩの供給をある一定量にまで増加して、活性層１０５の量子井戸層としてＩｎ_wＧａ_1-wＮ（例えば、ｗ＝０．０９）層を成長させた（量子井戸層形成工程）。成長時に導入するＴＭＩの流量は、その設計値に等しいＩｎ組成の膜が得られるように調節した。障壁層形成工程と量子井戸層形成工程とを繰り返して所望の多重量子井戸構造を有する活性層１０５を形成した（活性層形成工程）。

活性層形成工程の完了後、ＴＭＩ、ＴＭＧ及びＳｉＨ₄の供給を停止して、１０５０℃まで昇温し、キャリアガスをＮ₂ガスからＨ₂ガスに代えて、ＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを適量、ｐ型不純物の原料であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、キャリアブロック層１０６としてのｐ型ＡｌｚＧａ_1-zＮ（例えば、ｚ＝０．３）層を成長させた（キャリアブロック層形成工程）。

キャリアブロック層形成工程の完了後、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧの供給量を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、上部光導波層１０７としてｐ型ＧａＮ層を成長させた（上部光導波層形成工程）。

上部光導波層形成工程の完了後、ＴＭＧの供給を５０μｍ／ｍｉｎに調整し、かつＴＭＡを一定量導入して、上部クラッド層１０８としてｐ型Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（例えば、ｙ＝０．０６）層を成長させた（上部クラッド層形成工程）。

上部クラッド層形成工程の完了後、ＴＭＧの供給を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、かつＴＭＡの供給を停止して、コンタクト層１０９としてｐ型ＧａＮ層を成長させた（コンタクト層形成工程）。

コンタクト層形成工程の完了後、ＴＭＧ及びＣｐ₂Ｍｇの供給を停止し、かつ室温まで降温して各種の半導体層の形成された基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出した。引き続き、フォトリソグラフィー技術及び反応性イオンエッチング技術を用い、中央領域に所定のストライプ幅のリッジストライプ構造を形成するように、中央領域の両側の側部領域下に積層されている半導体層を所定の深さまでエッチングした（リッジストライプ形成工程）。このとき、側部領域下においては、コンタクト層１０９及び上部クラッド層１０８は完全にエッチングされ、上部光導波層１０７は適切な厚さまでエッチングされる。適切な厚さ（エッチング残し膜厚）は、下部クラッド層１０３の屈折率を基本次水平横モードに対する等価屈折率と１次水平横モードに対する等価屈折率の間にする設計によって決定される値である。

リッジストライプ形成工程の完了後、埋め込み層１１０を形成することとなる埋め込み膜を成膜した後、フォトリソグラフィー技術を用いて、コンタクト層１０９の上面を露出させた（埋め込み層形成工程）。

埋め込み層形成工程の完了後、コンタクト層１０９の略全面上にｐ型用の電極（正電極）１１２を形成した（第２導電型用電極形成工程）。また、基板１０１の下面（裏面）の略全面にｎ型用の電極（負電極）１１１を形成した（第１導電型用電極形成工程）。なお、ｎ型用電極形成工程は、ｐ型用電極形成工程に先立って行ってもよいし、下地層形成工程前に行ってもよい。

第２導電型用電極形成工程及び第１導電型用電極形成工程の完了後、各半導体層の積層された基板１０１を劈開して、共振器ミラーとなる２つの共振器端面（図示せず）を形成した（共振器端面形成工程）。

最後に、２つの共振器端面のうちレーザ光を射出する側でない端面に、約９５％の高反射コーティングを施して、高反射膜（図示せず）を形成した（高反射膜形成工程）。上述の各工程を経て、図１に示された窒化物系半導体レーザ素子を完成させた。

本実施の形態１に係る窒化物系半導体レーザ素子は、上記本発明の第１の態様、第２の態様、第３の態様における特徴を全て満たす構成であり、本願の目的を良好に実現するものである。更に、基板の屈折率が基本次水平横モードの等価屈折率以上である条件も満たすものである。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る窒化物系半導体レーザ素子の構造例を模式的に表した断面図であり、半導体レーザ素子の導波路部分における共振器方向に垂直な断面を表している。本窒化物系半導体レーザ素子は、下部クラッド層が、基板側から第１下部クラッド層第２下部クラッド層及び第３下部クラッド層からなる３層積層構造を有していること以外は、実施の形態１に係る窒化物系半導体レーザ素子と同じ構造を有する。

本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮからなる基板５０１（好ましくは、膜厚３０〜５００μｍ）と、ｎ型ＧａＮからなる下地層５０２（好ましくは、０．１〜１０μｍ）と、ｎ型Ａｌ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０．０４≦ｘ１＜ｘ２≦０．１５）からなる第１下部クラッド層５１３（好ましくは、膜厚０．８μｍ以上）と、ｎ型Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ（０．０４≦ｘ１＜ｘ２≦０．１５）からなる第２下部クラッド層５２３（層厚０．０５μｍ以上０．３μｍ以下）と、ｎ型Ａｌ_x3Ｇａ_1-x3Ｎ（０．０４≦ｘ３＜ｘ２≦０．１５）からなる第３下部クラッド層５３３（好ましくは、層厚０．０１μｍ以上０．３μｍ以下）と、ｎ型ＧａＮからなる下部光導波層５０４（好ましくは、膜厚０〜０．１５μｍ）、Ｉｎ_wＧａ_1-wＮ（０＜ｗ≦０．２）からなる量子井戸層及びｎ型Ｉｎ_vＧａ_1-vＮ（０≦ｖ＜ｗ）からなる障壁層を交互に積層させた多重量子井戸構造の活性層５０５（好ましくは、総膜厚５〜１００ｎｍ）、ｐ型Ａｌ_zＧａ1_1-zＮからなるキャリアブロック層５０６（好ましくは、膜厚０〜０．１μｍ）、中央部にその他の部分より上方に突出したストライプ状の突出部を有しｐ型ＧａＮからなる上部光導波層５０７（好ましくは、中央部の膜厚０．０５〜０．１５μｍ）、上部光導波層５０７の突出部上に形成されたｐ型Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（好ましくは、０．０４≦ｙ≦０．１５）からなる上部クラッド層５０８（好ましくは、膜厚が０．４μｍ以上）、上部クラッド層５０８上に形成されたｐ型ＧａＮからなるコンタクト層５０９（好ましくは、膜厚が０．０１〜１０μｍ）と、上部光導波層５０７の突出部、上部クラッド層５０８及びコンタクト層５０９で構成されるリッジストライプ構造の両側に設けられた埋め込み層５１０と、正電極５１２と、負電極５１１とを備える。

本窒化物系半導体レーザ素子において、第２下部クラッド層５２３は、第１下部クラッド層５１３及び第３下部クラッド層５３３よりＡｌ含有率の高い半導体で構成されている。すなわち、第２下部クラッド層５２３の屈折率は、第１下部クラッド層５１３の屈折率及び第３下部クラッド層５３３の屈折率より低い構成である。また、第２下部クラッド層５２３は、上部光導波層５０７と０．０１μｍ以上０．０３μｍ以下の距離を隔てて形成されていることになる。

本実施の形態２に係る窒化物系半導体レーザ素子の構造について、本発明の効果及び作用を説明する。なお、実施の形態１に記載した構造についても本実施の形態２と程度の差はあるものの同質の作用及び同質の効果を奏する。

図２は、エッチング残し膜厚と、基本次水平横モード及び１次水平横モードそれぞれに対する基板５０１側（下部クラッド層側）への染み出しによる放射損失をプロットしたものである。曲線２０１及び曲線２０２は、それぞれ、基本次水平横モード及び１次水平横モードに対応する特性曲線である。ここで、本明細書においては、エッチング残し膜厚とは、水平方向光閉じ込めリッジストライプ構造体の形成後にエッチングにより露出されたエッチング露出底面と、キャリアブロック層の上面との距離を意味するものとする。

この図２で示されるように、エッチング残し膜厚が、上部光導波層１０７の中央部（ストライプ領域内）の厚さより小さくなると、１次水平横モードに対する下部クラッド層側への染み出しによる放射損失が、縦軸に平行なある漸近線に近づく形状を有する双曲線形状で急激に大きくなる傾向が見出された。

図３は、下部クラッド層のＡｌ混晶比と、基本次水平横モード及び１次水平横モードのそれぞれに対する下部クラッド層側への染み出しによる放射損失をプロットしたグラフ図である。曲線３０１、曲線３０２は、それぞれ、基本次水平横モード及び１次水平横モードに対応する特性曲線である。

この図３で示されるように、下部クラッド層のＡｌ混晶比がある程度小さくなると、１次水平横モードの下部クラッド層側への染み出しによる放射損失が、縦軸に平行なある漸近線に近づく形状を有する双曲線形状で急激に大きくなる傾向が見出された。

図２及び図３のような傾向を示す原因について、以下に述べる。
図６は、図５に示された実施の形態２に係る窒化物半導体レーザ素子の模式的な断面図に基づいて、屈折率が異なる境界線を簡略化して示したものである。図７及び図８は、実施の形態２に係る窒化物系半導体レーザ素子における、基本次水平横モード及び１次水平横モードの光強度分布を等高線表示したものであって、共振器方向に垂直な断面における光強度の対数値を表わしている。なお、図７及び図８は、図６に示された屈折率分布における横モード光強度分布を計算したものである。

図７及び図８を得るための計算手法として、有限差分法によるビーム伝搬法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ、ＦＤ−ＢＰＭ）を用いた。初期値として適切な光強度分布を図６に示された構造に入射させ、数百μｍ（本明細書における計算においては３００μｍとした）伝搬させた後の光強度分布を求めると、図６に示された計算構造における水平横モード成分のみが選択的に伝播し、他の成分は計算構造外に伝搬し、数百μｍ伝搬する間に無視できる強度にまで減少してしまう。初期値の光強度分布として、図６に示された計算構造における基本次水平横モード又は１次水平横モードの光強度分布に近いものを用いれば、所望の次数に対する水平横モードの光強度分布を得ることができる。以上の手続きにより、図７及び図８に示された光強度分布を求めた。

図７に示された基本次水平横モードの光強度分布から、図６に示された活性層付近に光強度分布のピークが位置しており、活性層１０５から遠ざかるにつれて光強度が指数関数的に減少していることが判った。つまり、基本次水平横モードで発光した光はレーザ素子構造内に閉じ込められていることが判った。これに対し、図８に示された１次水平横モードの光強度分布からは、図６に示された活性層１０５から下地層１０２のある方向に、１次水平横モードで発光した光が放射されていることが判った。すなわち、実施の形態２に係る窒化物系半導体レーザ素子においては、基本次水平横モードに比べ、１次水平横モードの方が、顕著に、ｎ型ＧａＮからなる下地層１０２の方向へ光が放射されていることが判った。

図４は、エッチング残し膜厚に対する基本次水平横モードの等価屈折率及び１次水平横モードの等価屈折率の変化を、それぞれ、プロットしたものである。曲線４０１及び曲線４０２は、それぞれ、基本次水平横モード及び１次水平横モードに対応する特性曲線である。図４における実線４０３は上部光導波層及び下部光導波層の屈折率の全層厚に渡る平均値（層厚で重みを付けた加重平均）を、実線４０４は下部クラッド層の屈折率の全層厚に渡る平均値（層厚で重みを付けた加重平均）を、それぞれ、等価屈折率の値としてプロットした直線である。

ここで、各モードの等価屈折率は、水平横モード計算から求まる値を用いた。水平横モード計算に用いたストライプ領域外の局所的等価屈折率の値Ｎ_outは、従来のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子においては、ストライプ内の局所的等価屈折率Ｎｉｎを求める方法と同様に、ストライプ領域外の垂直方向の屈折率分布を有し、水平方向はこれと同じ屈折率分布を有する仮想的なスラブ導波路を仮定した通常の電界分布計算により求まる等価屈折率である。また、従来の窒化物系半導体レーザ素子においても、エッチング残し膜厚が上部光導波層の層厚以上の値に設定されている場合は、この方法が十分適用できる。

しかし、本発明の窒化物系半導体レーザ素子において、エッチング残し膜厚が上部光導波層の層厚以下の値に設定（ストライプ領域外の上部クラッド層をエッチングにより完全に除去した場合）されると、ストライプ領域外における垂直方向の屈折率分布の上下非対称性が顕著な状態で、光の閉じ込められる領域（ここでは上部光導波層の上面から下部光導波層の下面までの領域を意味する）に、仮想的なスラブ導波路を仮定して通常の電界分布計算を行っても、導波モードが存在しないために、Ｎ_outを求めることができない。したがって、ストライプ領域外の上部クラッド層をエッチングにより完全に除去した構成の半導体レーザ素子の場合、ストライプ外の局所的等価屈折率は、以下の数式６により求まる値をＮ_outとした。なお、数式６における積分記号の積分範囲は、−∞＜ｘ＜＋∞である。

ここで、半導体レーザ素子の垂直方向をｘ軸にとり、Ｎ_inはストライプ領域内の局所的等価屈折率とし、ｎ_in（ｘ）はストライプ領域内における垂直方向の屈折率分布とし、ｎ_out（ｘ）はストライプ領域外における垂直方向の屈折率分布とし、Ｐ（ｘ）はストライプ領域内の局所的等価屈折率を計算する際に求まる下記数式７を満たすように規格化された垂直方向の電界強度分布とした。なお、数式７における積分記号の積分範囲は、−∞＜ｘ＜＋∞である。

なお、この方法で、従来の窒化物系半導体レーザ素子について計算を行っても、この計算で求まる水平横モードの等価屈折率及び光強度分布は従来の手法による結果とほとんど変わらない。

基本次水平横モード及び１次水平横モードは、上部光導波層及び下部光導波層を導波しているから、基本次水平横モードに対する等価屈折率４０１及び１次水平横モードに対する等価屈折率４０２が、直線４０３より上にくることはない。

エッチング残し膜厚が小さくなってくると、低屈折率層である埋め込み層と、レーザ光の閉じ込め領域との距離が縮まるため、モードの等価屈折率は、ストライプ領域外の屈折率分布の影響を受けて低下する。そして、下部クラッド層の屈折率を下回るようになると、光は垂直方向にはもはや閉じ込められなくなり、下部クラッド層側への放射が顕著となる。１次水平横モードに対する等価屈折率の方が基本次水平横モードに対する等価屈折率よりも必ず小さいため、エッチング残し膜厚が小さくなってゆくと、１次水平横モードに対する等価屈折率のみが下部クラッド層の屈折率を下回っており、基本次水平横モードに対する等価屈折率は下部クラッド層の屈折率を上回っているという状態が実現する。この状態にあるとき、ｎ型クラッド層側への染み出しによる放射損失が、１次横モードに対しては大きくなり、基本次横モードに対しては低く維持されたままという選択放射状態が実現する。

更に、エッチング残し膜厚が選択放射状態を実現するためのエッチング残し膜厚の許容範囲は、下部クラッド層の屈折率を上部光導波層及び下部光導波層の屈折率に近づけるほど、すなわち、下部クラッド層の構成材料であるＡｌＧａＮのＡｌ混晶比を小さくするほど、広くなることになる。

しかし、下部クラッド層の屈折率が大きくなりすぎると、基本次水平横モードの下部クラッド層側への放射損失が大きくなりすぎて良好な選択放射状態とならない。また、下部クラッド層の屈折率と上部光導波層及び下部光導波層の屈折率との差が小さくなりすぎると、基本次水平横モードの垂直方向の光閉じ込めが弱くなりすぎて良好な選択放射状態とならない。したがって、その最適範囲内に設定することが望ましい。

図１８は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子において、ストライプ幅とエッチング残し膜厚をそれぞれ横軸と縦軸にとり、それぞれを変化させたときの１次水平横モードの放射損失をプロットしたものである。曲線１８０１、１８０２、１８０３はそれぞれ、１次水平横モードの放射損失が１０ｃｍ^-1、５０ｃｍ^-1、１００ｃｍ^-1となるポイントを表している。図１８より、エッチング残し膜厚が小さくなると、１次水平横モードの放射損失が大きくなることが判った。これは図２と対応するものである。また、ストライプ幅が小さくなると、１次水平横モードの放射損失が急激に増加することが判った。なお、基本次水平横モードの伝播損失についてはプロットしていないが、図中に示した全範囲内で、Ｉ−Ｌ特性に顕著な影響を与えない程度の量であった。

これにより、１次水平横モードの放射損失が大きいほど、１次水平横モードの発生を抑制し、高出力まで基本次水平横モードで発振させるという本発明の効果が増大することが判った。したがって、ストライプ幅及びエッチング残し膜厚は、曲線１８０１より下の範囲内に作製することが望ましく、曲線１８０２より下の範囲内に作製することがより望ましく、曲線１８０３より下の範囲内に作製することがさらに望ましい。

ここで、ストライプ幅をＷ［μｍ］、エッチング残し膜厚をｄ［μｍ］とすると、
曲線１８０１は（２．１−Ｗ）×（０．１０７５−ｄ）＝０．０１２７、
曲線１８０２は（２．１−Ｗ）×（０．０８−ｄ）＝０．０１２９、
曲線１８０３は（２．１−Ｗ）×（０．０８−ｄ）＝０．０１６２
と近似できる。
したがって、本発明に係る効果を得るためには、Ｗ及びｄが以下の関係式
（２．１−Ｗ）×（０．１０７５−ｄ）≧０．０１２７
を満たす範囲内で作製することが望ましく、
（２．１−Ｗ）×（０．０８−ｄ）≧０．０１２９
を満たす範囲内で作製することがより望ましく、
（２．１−Ｗ）×（０．０８−ｄ）≧０．０１６２
を満たす範囲内で作製することがさらに望ましい。

また、本実施の形態においては、基板としてｎ型ＧａＮからなる基板を用いたが、基板の屈折率が基本次水平横モードに対する等価屈折率以上になっていればよく、例えばＳｉＣ基板などの他の材料からなる基板を用いることもできる。

上述のように、本発明の窒化物系半導体レーザ素子では、下部クラッド層の屈折率の変化やエッチング残し膜厚の変化に対する水平横モードの伝搬損失が、縦軸に漸近する双曲線関数のように急激に変化し、かつ基本次水平横モードの伝搬損失と１次水平横モードの伝搬損失に対する双曲線関数の漸近線がずれているために、基本次横モードの伝搬損失が２ｃｍ^-1以下と低く、かつ１次横モードの伝搬損失が基本次横モードのそれより１０ｃｍ^-1以上大きな選択放射状態を実現できる。

なお、上記においては、下部クラッド層側（基板側）への放射損失について説明したが、上部クラッド層側に対する放射損失についても同様の傾向を示すことに注意を要する。

更に、本発明の窒化物系半導体レーザ素子においては、従来の窒化物系半導体レーザ素子に比べて、下部クラッド層の屈折率が高く（Ａｌ混晶比が低く）設定されるため、基本次水平横モードの光強度分布が下部クラッド層側に広がり、出射光のＦＦＰにおける垂直方向の半値全角が狭くなる傾向を有する。更に、本発明の窒化物系半導体レーザ素子においては、従来の窒化物系半導体レーザ素子に比べて、エッチング残し膜厚が上部光導波層の層厚以下と薄めに設定されているため、基本次水平横モードの光強度分布が水平方向に広がり、射出光のＦＦＰにおける水平方向の半値全角が広くなる傾向がある。すなわち、本発明の窒化物系半導体レーザ素子は、従来の窒化物系半導体レーザ素子に比べ、ＦＦＰの楕円率が小さくなるという効果を奏する。これにより、窒化物系半導体レーザ素子を、光学式情報記録再生装置に搭載した際、成形プリズム無しで、集光スポット形状が円形に近くなるため、クロストークを減少させることができるという効果を奏する。

実施の形態１に係る窒化物系半導体素子では、ｎ型クラッド層のＡｌ混晶比を低くすると、基本次横モードの光強度分布が下部クラッド層側に広がるため、基本次水平横モードの垂直方向の光閉じ込めが小さくなる。これは閾値電流密度を上昇させ、半導体レーザの動作電力を上昇させることとなる。しかし、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子では、この問題を解消している。即ち、ｎ型クラッド層中に、ｎ型クラッド層よりも屈折率の低い、すなわちＡｌ混晶比の高い層５０４が、ｎ型ガイド層と０．０１μｍ以上０．０３μｍ以下の距離を隔てて設けられていることにより、ｎ型クラッド層側への放射を保ちつつ、またＦＦＰの垂直方向半値幅の増大を最小限に抑え、即ち本発明の効果を保ちつつ、垂直方向の光閉じ込め係数を増加させる効果がある。つまり、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子は、実施の形態１に係る窒化物系半導体レーザ素子に比べて、高性能な素子となる。

本実施の形態２に係る窒化物系半導体レーザ素子は、上述した本発明の第１の態様、第２の態様、第３の態様における特徴を全て満たす構成であり、本願の目的を良好に実現するものである。更に、基板の屈折率が基本次水平横モードの等価屈折率以上である条件も満たすものである。

本実施の形態２に係る窒化物系半導体レーザ素子を１００個作製したところ、９０個は平均３．０ｋＡ／ｃｍ²の低閾値電流密度で室温（２５℃）連続発振した。作製した窒化物半導体レーザのうち８０個はスロープ効率１．４Ｗ／ＡのＩ−Ｌ特性を示し、１００ｍＷまで基本次水平横モード発振を維持した。また、１００ｍＷにおける動作電圧は４．５Ｖで、発振波長は４０５ｎｍ、垂直及び水平ＦＦＰの半値幅はそれぞれ１６．２度、９．９度で、楕円率１．６を実現した。

（実施の形態３）
本実施の形態３に係る窒化物系半導体レーザ素子は、図１に示された窒化物半導体レーザ素子と同じ構造であるが、上部クラッド層のＡｌ混晶比が下部クラッド層のＡｌ混晶比よりも大きい構成、つまり、上部クラッド層の屈折率が下部クラッド層の屈折率よりも小さい構成を有する。例えば、下部クラッド層がｎ型Ａｌ_0.06Ｇａ_0.94Ｎからなり、上部クラッド層がｐ型Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなる構成である。

本実施の形態３に係る窒化物系半導体レーザ素子の製造方法は、クラッド層とｎ型クラッド層とのＡｌ混晶比を非対称とした他は、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法と同等であるため、省略する。

上部クラッド層の屈折率より下部クラッド層の屈折率が小さいことにより、レーザ発振モードの光分布全体を、下部クラッド層側へ寄せることができる。これにより、基本次水平横モードの下部クラッド層側への放射損失と１次水平横モードの下部クラッド層側への放射損失との差をより大きくさせることができる。すなわち、高出力まで基本次水平横モードを維持した半導体レーザ素子を歩留り良く作製できる。また、レーザ光の楕円率を１に近づけることができる。

図１９は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子において、上部クラッド層のアルミニウム（Ａｌ）原子の混晶比から下部クラッド層のアルミニウム（Ａｌ）原子の混晶比を減じた値を横軸に、ストライプ幅を縦軸にとり、それぞれを変化させたときの、１次水平横モードの放射損失をプロットしたものである。曲線１９０１、１９０２、１９０３はそれぞれ、１次水平横モードの放射損失が１０ｃｍ^-1、５０ｃｍ^-1、１００ｃｍ^-1となるポイントを表している。図１９より、上部クラッド層のアルミニウム（Ａｌ）原子の混晶比から下部クラッド層のアルミニウム（Ａｌ）原子の混晶比を減じた値が増加すると、１次水平横モードの放射損失が増加することが判った。また、ストライプ幅が小さくなると、１次水平横モードの放射損失が急激に増加することが判った。なお、基本次水平横モードの伝播損失についてはプロットしていないが、図中に示した全範囲内で、Ｉ−Ｌ特性に顕著な影響を与えない程度の量であった。

これにより、１次水平横モードの放射損失が大きいほど、１次水平横モードの発生を抑制し、高出力まで基本次水平横モードで発振させるという本発明の効果が増大することが判った。したがって、ストライプ幅及び上部クラッド層のアルミニウム（Ａｌ）原子の混晶比から下部クラッド層のアルミニウム（Ａｌ）原子の混晶比を減じた値は、曲線１９０１より下の範囲内に作製することが望ましく、曲線１９０２より下の範囲内に作製することがより望ましく、曲線１９０３より下の範囲内に作製することがさらに望ましい。

ここで、ストライプ幅をＷ［μｍ］、上部クラッド層のアルミニウム（Ａｌ）原子の混晶比から下部クラッド層のアルミニウム（Ａｌ）原子の混晶比を減じた値をΔｘ［μｍ］とすると、
曲線１９０１はＷ＝６．１５８６×Δｘ＋１．７６２５、
曲線１９０２はＷ＝７．４１８６×Δｘ＋１．６００９、
曲線１９０３はＷ＝７．９５８６×Δｘ＋１．４９５９と近似できる。
したがって、本発明に係る効果を得るためには、Ｗ及びΔｘが以下の関係式
Ｗ＜６．１５８６×Δｘ＋１．７６２５
を満たす範囲内で作製することが望ましく、
Ｗ＜７．４１８６×Δｘ＋１．６００９
を満たす範囲内で作製することがより望ましく、
Ｗ＜７．９５８６×Δｘ＋１．４９５９
を満たす範囲内で作製することがさらに望ましい。

なお、本実施の形態３においては、上部クラッド層と下部クラッド層のＡｌ混晶比を非対称としたが、クラッド層側への放射損失を助長する方向に、垂直構造の屈折率分布を非対称とした構造を有する素子であれば、本実施の形態３と同様の効果が得られる。すなわち、上部光導波層より下部光導波層の層厚を薄くした構成や、上部光導波層より下部光導波層の屈折率を高くした構成等を有する素子であると、本実施の形態３に係る窒化物半導体レーザ素子と同様の効果が得られる。

本実施の形態３に係る窒化物系半導体レーザ素子は、実施の形態１に係る窒化物系半導体レーザ素子の構造をベースにしたものであるが、実施の形態２に係る窒化物系半導体レーザ素子の構造をベースとすることもでき、その際にも上記と同様の効果が得られる。

（実施の形態４）
本実施の形態４は、図５に示された実施の形態２にかかる窒化物半導体レーザ素子の構造に、更に、下部クラッド層側に、下部光導波層と距離を隔てて、吸収層を設けた構成を有する素子である。本実施の形態４においては、基本次水平横モードに比べて１次水平横モードの方が光電界分布（光強度分布）が吸収層にかかる割合が大きいため、吸収層での光吸収による伝搬損失が、前者に比べ後者の方が大きくなる。

したがって、基本次水平横モードに対する下部クラッド層側への放射損失と１次水平横モードに対する下部クラッド層側への放射損失の差に、光吸収による伝搬損失のモード依存性による伝搬損失差が加わるため、モードに依存した損失の差を大きくとることができる。したがって、高出力まで基本次横モードを維持させるための、エッチング残し膜厚の許容範囲を広くとることができるようになる。

ここで、吸収層が下部光導波層より基板側に位置し、かつ吸収層と下部光導波層との距離が０より大きい構成を有する素子であると、上記の効果を得ることができる。ただし、吸収層と下部光導波層との距離が大きすぎると、吸収層にかかる基本次水平横モード及び１次横モードの光電界分布の割合が小さくなり、かつその割合の減少は１次水平横モードに対して大きくなる。つまり、光吸収による伝搬損失差は小さくなるため、本発明の効果も小さくなる。したがって、吸収層と下部光導波層との距離は、０．０１〜５．０μｍとすることが好ましい。より具体的には、吸収層を、第１下部クラッド層と第２下部クラッド層との間、第２クラッド層と第３クラッド層との間に設けることが好ましく、第２クラッド層と第３下部クラッド層との間に設けることが更に好ましい。

図９は、吸収層を有する窒化物系半導体レーザ素子の他の構造例を模式的に表す断面図である。図９に示された窒化物形半導体レーザ素子には、第２クラッド層９２３と第３下部クラッド層９３３との間に吸収層９１４が設けられている。

吸収層の吸収係数が少なくとも１００ｃｍ^-1以上の素子であると、上記効果を得ることができる。このような吸収層としては、例えば強ドープ層、コドープ層、ＩｎＧａＮ層等を用いることができる。

なお、吸収層を別途設けた構成に限らず、吸収係数が大きな基板を用いることにより、上記の効果が得られると共にレーザ素子の構造をより単純化させることができる。本実施の形態４に係る窒化物系半導体レーザ素子の構造は、実施の形態２をベースにしたものであるが、実施の形態１をベースとすることもでき、その際にも上記と同様の効果が得られる。

（実施の形態５）
本実施の形態５に係る消去可能型の光学式情報記録再生装置は、本発明に係る窒化物系半導体レーザ素子を記録光用の光源として用いた構成である。光源以外の構成については公知の構成を用いた。図１０は、本光学式情報記録再生装置での記録動作における記録用のレーザ光の伝搬経路、再生動作における再生用の光の伝搬経路及び消去動作における消去用の光の伝搬経路並びに光学系を説明するための模式図である。

本光学式情報記録再生装置は、本発明に係る窒化物系半導体レーザ素子１００１と、射出制御手段（図示せず）と、コリメータレンズ１００２と、ビームスプリッタ１００３と、対物レンズ（集光手段）１００４と、光ディスク（光記録媒体）１００５と、照射位置制御手段（図示せず）と、光を検出する光検出系（光検出手段）１００６とを含む構成である。なお、図１０では簡単のため、本発明の特徴を説明するのに不要な部品（手段）は省略している。

本光学式情報記録再生装置において、窒化物系半導体レーザ素子１００１は、記録用の光源、再生用の光源及び消去用の光源を兼ねるものである。また、射出制御手段は、異なる出力の光を射出させることができ、再生動作の際にはその出力を記録用の光及び消去用の光の出力より低い出力で光を射出できる手段である。

記録動作時及び消去動作時には、窒化物系半導体レーザ装置から出射したレーザ光が、コリメータレンズで平行光もしくは平行に近い光に変換され、ビームスプリッタを経て、対物レンズにより光ディスクの情報記録面に集光される。光ディスクの情報記録面には、磁気変調もしくは屈折率変調によりビット情報が書き込まれる。再生動作時には、記録時及び消去時と同様の過程を経て半導体レーザ装置から出射したレーザ光が、凹凸もしくは磁気変調もしくは屈折率変調により記録されている光ディスクの情報記録面に集光されるが、集光されたレーザ光は、そこで反射され、対物レンズを通してビームスプリッタを透過し、光検出系に入射して、光学的に検出された信号を電気的信号に変換して記録情報の読み取りが行われる。

本発明の半導体レーザ素子を備えた光学式情報記録再生装置であると、記録動作時において、１０^-6以下の欠陥発生率が達成された。また、再生動作時においては、ビット読み取りエラー率１０^-6で、書き込まれた情報を読み出すことができた。

これに対して、本発明に該当しない従来の窒化物系半導体レーザ素子を備えた光学式情報記録再生装置では、記録動作時の欠陥発生率、及び再生動作時のビット誤り率が、共に１０^-3のオーダーであった。この相違は、高出力まで基本次水平横モードの発振を維持し、高出力までキンクのないＩ−Ｌ特性を有する半導体レーザ素子を本光学式記録再生装置に用いたことにより、光ディスク上に集光されたレーザ光の出力が高くかつ安定したことによる。

また、本発明の半導体レーザ素子であると、ＦＦＰの楕円率が１に近いため、図１７に示された従来の光学式情報記録再生装置と異なり、成形プリズム１７０７を必要としない。このため、本発明の光学式情報記録再生装置においては、従来の光学式情報記録再生装置に比べて、部品点数を減らすことができるので、低コスト化・小型化を実現することができる。

以上説明したように、本発明によると、基本次水平横モードの光と比べて、１次水平横モードの光を、優位に、クラッド層側から放射させることができる。このような本発明の半導体レーザ素子は、光学式情報記録再生装置の光源にも利用できるので、その産業上の利用可能性は大きい。

図１は、半導体レーザ素子の構造例を模式的に表わす断面図である。 図２は、エッチング残し膜厚と、基本次水平横モード及び１次水平横モードそれぞれに対する基板側への染み出しによる放射損失をプロットしたグラフ図である。 図３は、下部クラッド層のＡｌ混晶比と、基本次水平横モード及び１次水平横モードのそれぞれに対する下部クラッド層側への染み出しによる放射損失をプロットしたグラフ図である。 図４は、エッチング残し膜厚に対する基本次水平横モードの等価屈折率及び１次水平横モードの等価屈折率の変化をプロットしたグラフ図である。 図５は、窒化物系半導体レーザ素子の他の構造例を模式的に表す断面図である。 図６は、実施の形態２の窒化物半導体レーザ素子に対して横モード光強度分布計算を行う際の計算構造を示した断面図である。 図７は、基本次水平横モードに対する光強度分布を計算した結果を示すグラフ図である。 図８は、基本次水平横モードに対する光強度分布を計算した結果を示すグラフ図である。 図９は、吸収層を備えた窒化物系半導体レーザ素子の他の構造例を模式的に表す断面図である。 図１０は、本発明に係る本光学式情報記録再生装置での記録動作における記録用のレーザ光の伝搬経路、再生動作における再生用の光の伝搬経路及び消去動作における消去用の光の伝搬経路並びに光学系を説明するための模式図である。 図１１は、従来型の典型的な半導体レーザ素子の構造を模式的に表わす断面図である。 図１２は、従来型の典型的な半導体レーザ素子の構造を模式的に表わす断面図である。 図１３は、従来の半導体レーザ素子における電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）を説明するための説明図である。 図１４は、従来の窒化物系半導体レーザ素子の水平方向ＦＦＰが光出力と共に変化する様子を説明するための説明図であり、図１４（ａ）が窒化物系半導体レーザ素子の水平方向ＦＦＰの第１例を表わし、図１４（ａ）は、窒化物系半導体レーザ素子の水平方向ＦＦＰの第２例を表わす。 図１５は、従来の半導体レーザ素子におけるＳｉＯ₂層の層厚に対する埋め込み層の吸収による伝搬損失を基本次水平横モード及び１次水平横モードのそれぞれについてプロットしたグラフ図である。 図１６は、従来の半導体レーザ素子におけるエッチング残し膜厚に対する埋込み層の吸収による伝搬損失を基本次水平横モードと１次水平横モードについてプロットしたグラフ図である。 図１７は、従来の典型的な光学式情報記録再生装置の基本構成を示す模式図である。 図１８は、本発明に係る半導体レーザ素子において、ストライプ幅とエッチング残し膜厚をそれぞれ横軸と縦軸にとり、それぞれを変化させたときの１次水平横モードの放射損失をプロットしたグラフ図である。 図１９は、本発明に係る半導体レーザ素子において、上部クラッド層のＡｌ混晶比から下部クラッド層のＡｌ混晶比を減じた値を横軸に、ストライプ幅を縦軸にとり、それぞれを変化させたときの、１次水平横モードの放射損失をプロットしたグラフ図である。

符号の説明

１０１、５０１、１１０１、１２０１ 基板
１０２、５０２、１１０２、１２０２ 下地層
１０３、１１０３、１２０３ 下部クラッド層
５１３ 第１下部クラッド層
５２３ 第２下部クラッド層
５３３ 第３下部クラッド層
１０４、５０４、１１０４、１２０４ 下部光導波層
１０５、５０５、１１０５、１２０５ 活性層
１０６、５０６、１１０６、１２０６ キャリアブロック層
１０７、５０７、１１０７、１２０７ 上部光導波層
１０８、５０８、１１０８、１２０８ 上部クラッド層
１０９、５０９、１１０９、１２０９ コンタクト層
１１０、５１０、１１１０、１２１０ 埋め込み層
１１１、５１１、１１１１、１２１１ 第１導電型用の電極
１１２、５１２、１１１２、１２１２ 第２導電型用の電極
９１４ 光吸収層
１００１、１７０１ 光源
１００２、１７０２ コリメータレンズ
１００３、１７０３ ビームスプリッタ
１００４、１７０４ 対物レンズ
１００５、１７０５ 光ディスク
１００６、１７０６ 光検出系
１７０７ 成形プリズム

Claims (17)

1. 基板と、前記基板上に形成された第１導電型の下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に設けられ、前記第１導電型と導電型が異なる第２導電型の上部クラッド層と、前記下部クラッド層と前記上部クラッド層の間に設けられた活性層とを含み、光を水平方向に閉じ込めるリッジストライプ構造を有する半導体レーザ素子において、
   前記下部クラッド層と前記上部クラッド層の少なくとも一方のクラッド層において、前記活性層で発生する基本次水平横モードの光に対する前記活性層と反対側の主面への放射損失と前記活性層で発生する１次水平横モードの光に対する前記活性層と反対側の主面への放射損失との放射損失差が、１０ｃｍ^-1以上であることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 基板と、前記基板上に形成された第１導電型である下部クラッド層と、前記第１導電型と導電型が異なる第２導電型の上部クラッド層と、前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に設けられた活性層とを含み、光を水平方向に閉じ込めるリッジストライプ構造を有する半導体レーザ素子において、
   前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の少なくとも一方のクラッド層の屈折率が、前記活性層で発生する基本次水平横モードの光に対する等価屈折率未満であり、かつ前記活性層で発生する１次水平横モードの光に対する等価屈折率以上であることを特徴とする半導体レーザ素子。
3. 前記上部クラッド層が、一部の前記活性層上に設けられ、前記リッジストライプ構造の少なくとも一部を構成することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
4. 基板と、前記基板上に設けられた第１導電型の下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に設けられ、前記第１導電型と導電型が異なる第２導電型の上部クラッド層と、前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に設けられた活性層とを含み、光を水平方向に閉じ込めるリッジストライプ構造を有する半導体レーザ素子において、
   前記上部クラッド層は、一部の前記活性層上に設けられ、前記リッジストライプ構造の少なくとも一部を構成することを特徴とする半導体レーザ素子。
5. 前記活性層と前記上部クラッド層との間に設けられた、ストライプ形状の突出部を有する第２導電型の上部光導波層を更に含み、
   前記上部光導波層の前記突出部は、前記リッジストライプ構造の一部を構成することを特徴とする請求項３又は４に記載の半導体レーザ素子。
6. 前記下部クラッド層、前記上部クラッド層及び前記活性層が窒化物系半導体からなることを特徴とする請求項１〜５に記載の半導体レーザ素子。
7. 前記下部クラッド層の屈折率と前記上部クラッド層の屈折率が異なることを特徴とする請求項１〜６に記載の半導体レーザ素子。
8. 前記下部クラッド層の屈折率が前記上部クラッド層の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ素子。
9. 前記下部クラッド層と前記上部クラッド層のうち屈折率の大きい方のクラッド層の前記活性層側表面から０．１μｍ以下の距離を隔てて設けられ、前記発光層で発生する光に対して１００ｃｍ^-1以上の吸収を有する吸収層を更に含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ素子。
10. 前記基板の屈折率が、前記活性層で発生する基本次水平横モードの光に対する等価屈折率より大きいことを特徴とする請求項２〜９に記載の半導体レーザ素子。
11. 前記リッジストライプ構造の上辺〜活性層間の距離からリッジストライプ構造の高さを引いた値をｄ［μｍ］とし、前記リッジストライプ構造のストライプ幅をＷ［μｍ］とすると、
    前記ｄと、前記Ｗとが以下の式
    （２．１−Ｗ）×（０．１０７５−ｄ）≧０．０１２７
    を満たすことを特徴とする請求項１〜１０に記載の半導体レーザ素子。
12. 前記上部クラッド層および前記下部クラッド層がアルミニウム原子を含む混晶層からなり、
    前記上部クラッド層のアルミニウム原子の混晶比から前記下部クラッド層のアルミニウム原子の混晶比を減じた値をΔｘとすると、
    前記Δｘと、前記Ｗとが以下の式
    Ｗ＜６．１５８６×Δｘ＋１．７６２５
    を満たすことを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザ素子。
13. 前記下部クラッド層は、前記基板側から順に積層された、第１導電型の第１下部クラッド層と、第１導電型の第２下部クラッド層と、第１導電型の第３下部クラッド層とを含み、
    前記下部クラッド層の屈折率は、第１下部クラッド層の屈折率、第２下部クラッド層の屈折率及び第３下部クラッド層の屈折率の各層厚で重みをつけた加重平均値であり、かつ、
    前記第２下部クラッド層の屈折率は、前記第１下部クラッド層の屈折率及び第３下部クラッド層の屈折率より小さく、かつ、
    前記第１下部クラッド層の屈折率及び前記第３下部クラッド層の屈折率が、前記活性層で発生する基本次水平横モードの光に対する等価屈折率より小さい、
    ことを特徴とする請求項１〜１２に記載の半導体レーザ素子。
14. 前記下部クラッド層と前記活性層の間に第１導電型の下部光導波層を更に含み、
    前記下部光導波層の屈折率が、前記第１下部クラッド層の屈折率よりも大きく、かつ前記第３下部クラッド層の屈折率より大きいことを特徴とする請求項１３に記載の半導体レーザ素子。
15. 電気的信号で与えられる情報を光記録媒体に記録する光学式情報記録装置において、
    請求項１〜１４のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子と、
    前記電気的信号に応じて前記半導体レーザ素子から記録用のレーザ光を射出させる記録光射出制御手段と、
    前記半導体レーザ素子から射出したレーザ光を集光する集光手段と、
    前記集光手段で集光されたレーザ光を前記光記録媒体の所定の位置に照射して前記情報を記録する照射位置制御手段と、
    を含むことを特徴とする光学式情報記録装置。
16. 再生用の光を射出する再生用光源と、
    再生命令信号に応じて前記再生用光源から前記再生用の光を射出させる再生光射出制御手段と、
    前記再生用光源から射出された光を集光する再生用集光手段と、
    前記集光手段で集光された光を前記光記録媒体の所定の位置に照射する再生光照射位置制御手段と、
    前記光記録媒体で反射した光又は前記光記録媒体を透過した光を検出する光検出手段と、
    前記光検出手段で検出された光学的信号を電気的信号に変換して前記光記録媒体に記録された情報を再生する光電気変換手段と、
    を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の光学式情報記録装置。
17. 消去用の光を射出する消去用光源と
    消去命令信号に応じて前記消去用光源から前記消去用の光を射出させる消去光射出制御手段と、
    前記消去用光源から射出された光を集光する消去用集光手段と、
    前記集光手段で集光された光を前記光記録媒体の所定の位置に照射して記録された前記情報を消去する消去光照射位置制御手段と、
    を更に含むことを特徴とする請求項１５又は１６に記載の光学式情報記録装置。
    
    

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