JP2004356608A - 高出力半導体レーザー素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】 本発明は、ＦＦＶ（Ｆａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ）が低く光出力効率の優れた高出力半導体レーザー素子に関する。
【解決手段】 半導体基板４０と、前記半導体基板４０上に形成された下部クラッド層３９ｂと、前記下部クラッド層３９ｂ上に形成された下部ガイド層３８ｂと、前記下部ガイド層３８ｂ上に形成された活性層３７と、前記活性層３７上に形成された上部ガイド層３６と、前記上部ガイド層３６上に形成された上部クラッド層３５とを含み、前記下部クラッド層３９ａと上部クラッド層３５は実質的に等しい屈折率を有し、前記下部クラッド層３９ａは前記下部ガイド層３６から所定距離で離隔した位置に前記上部クラッド層３５の屈折率より高い高屈折率層３９ｂを含むことを特徴とする半導体レーザー素子を提供するものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体レーザー素子に関するもので、より詳しくは遠視野垂直角（ｆａｒ−ｆｉｅｌｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ：ＦＦＶ）が低く光出力効率の優れた高出力半導体レーザー素子に関するものである。
一般的に、半導体レーザー素子はＣＤ（コンパクトディスク）やＤＶＤ（ディジタルビデオディスク）など光ディスクシステムにおける光ピックアップ装置などの情報処理及び光通信分野において光源として広く使用されている。とりわけ、情報処理分野においては記憶密度を向上させるべくビームサイズを縮めて光密度を高める技術が要求されている。例えば、従来のＣＤ用半導体レーザー素子の場合、ＦＦＶ値が３５°であるが、最近使用されるＣＤ−ＲＷにおいてはＦＦＶ値が約１４°〜１７°の半導体レーザー素子が要求される傾向にある。
こうした特性を満たす半導体レーザー素子を製造すべく、特開平１１−２３３８８３号公報には非対称屈折率分布を有する半導体レーザー素子が提案されている。前記半導体レーザー素子は、非対称構造の活性層を中心に上下非対称の屈折率分布によりリッジ構造側の光分布を減少させながら基板側に移動させてＦＦＶ値を向上し、より高い出力を保証する。
図５（Ａ）は前記半導体レーザー素子の断面図である。図５（Ａ）によると、半導体レーザー素子（１１０）は、ＧａＡｓ基板（１２０）上にｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（１０９）、第１ガイド層（１０８）、ＡｌＧａＡｓ活性層（活性化層：１０７）、第２ガイド層（１０６）及びｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（１０５）が順次積層された構造を有する。前記第１及び第２ガイド層（１０８、１０６）は各々前記活性層（１０７）に接し、活性層よりＡｌ組成の高いｉ（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）−ＡｌＧａＡｓガイド層とすることができる。
ここで、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（１０５）は電流狭窄が起こるようリッジ構造となっており、その周辺には電流の分散を遮断すべく電流ブロック層（１０４）が形成される。
前記リッジ構造の上面にはｐ型ＧａＡｓキャップ層（１０３）が形成され、ｐ型ＧａＡｓキャップ層（１０３）上にｐ型ＧａＡｓ層（１０２）を適宜な厚さで形成し、後続工程で発生し兼ねない活性層（１０７）に対する影響を減少させられる。また、ｐ型ＧａＡｓキャップ層（１０３）上にｐ側電極（１０１）が形成され、前記ＧａＡｓ基板（１１０）の下面にはｎ側電極（１２１）が形成される。
これと異なり、ｐ型ＧａＡｓ層（１０２）を形成せず、ｐ型キャップ層（１０３）が露出するよう電流ブロック層（１０４）上に絶縁層（１０２）を形成し、ｐ側電極を前記絶縁層（１０２）上にｐ型ＧａＡｓキャップ層（１０３）の露出部分と電気的に接続するよう形成してもよい。
図５（Ｂ）は図５（Ａ）に表す半導体レーザー素子（１１０）の積層方向、即ち厚さ方向での屈折率分布を表すグラフである。図５（Ｂ）のように、前記ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（１０９）は、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（１０５）より大きい屈折率を有するよう形成される。即ち、従来に活性層を中心に対称構造であった屈折率分布とは異なって、非対称構造の屈折率分布を有する。こうした非対称屈折率分布によって半導体レーザー素子（１１０）の光強度分布は図６のように改善されることができる。
図６によると、前記活性層（１０７）から発生するレーザー素子（１１０）の光分布は、矢印で記するようにｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（１０９）領域からＧａＡｓ基板（１２０）側へ移動する形態となる。従って、相対的に低い屈折率を有するｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（１０５）においては減少し、逆に基板側のｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（１０９）においては増加する。その結果、前記半導体レーザー素子のＦＦＶは狭くなり、レーザー素子ビームの縦横比（厚さ方向（ｘ）の角／幅方向（ｚ）の角）は小さくなる。
特開平１１−２３３８８３号公報
ところで、図６のように、光分布の中心、即ち光ピークの位置（ＣＬ）も前記ＧａＡｓ基板（１２０）側に移動し、活性層（１０７）の中心部分（Ｃａ）から外れて屈折率の大きいｎ型クラッド層（１０９）へ移動するようになる。このように、光ピークの位置（ＣＬ）が電子と正孔との再結合により光が発生する活性層（１０７）の中心（Ｃａ）から外れる場合、ゲインを得る効率が落ちて光出力が低下する問題がある。
こうした従来の半導体レーザー素子の非対称構造による問題を解決すべく、屈折率の高いｎ型クラッド層（１０９）の反対側にある第２ガイド層（１０６）の屈折率を高めるか、その厚さまたはバンドギャップを第１ガイド層（１０８）より大きくする方案が考えられる。
しかし、前記ガイド層の設計を調整する方案もレーザー素子ビームの全体分布形態を変化させ、リッジ構造とされるｐ型クラッド層（１０５）及びｎ型クラッド層（１０９）を通して活性層（１０７）に入り込む正孔と電子の比率においた均衡比を破りかねなく、むしろ再結合効率を落とす問題がある。従って、当技術分野においては、ＦＦＶを減少させるべく非対称構造を採用しながらも、屈折率分布の非対称構造による光強度分布のピークが活性層中心から外れるのを防止できる新たな半導体レーザー素子構造が要求されている。
本発明は前記従来の技術における問題を解決すべく案出されたもので、その目的は、光強度のピークが活性層中心に維持されながらも、屈折率の非対称構造を具現することにより、ＦＦＶ値が減少し、光効率の向上した高出力半導体レーザー素子を提供することにある。
前記技術的課題を成し遂げるべく、本発明は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された下部ガイド層と、前記下部ガイド層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成された上部ガイド層と、前記上部ガイド層上に形成された上部クラッド層とを含み、前記下部クラッド層と上部クラッド層は実質的に等しい屈折率を有し、前記下部クラッド層は前記下部ガイド層から所定距離で離隔した位置に前記上部クラッド層の屈折率より高い高屈折率層を含むことを特徴とする半導体レーザー素子を提供する。好ましくは、前記追加的なクラッド層は前記下部ガイド層から前記基板方向へ少なくとも前記上部及び下部ガイド層と活性層の厚さの０．５倍に当る距離ほど離隔した位置に形成されることができる。また、光分布の中心を活性領域中心に位置させるべく、前記上部ガイド層と前記下部ガイド層を実質的に等しい厚さで形成することが好ましく、前記上部ガイド層と前記下部ガイド層は実質的に等しい屈折率を有するよう形成するのが良い。本発明の一実施の形態において、前記活性層はｉ−ＧａＡｓ系物質から成り、前記上部及び下部ガイド層はｉ−ＡｌＧａＡｓ系物質から成り、前記上部及び下部クラッド層は各々ｐ型及びｎ型ＡｌＧａＡｓ系物質から成ることができる。
また、本発明の他の実施の形態において、 前記活性層はｉ−ＡｌＧａＡｓ系物質から成り、前記上部及び下部ガイド層はｉ−ＡｌＧａＡｓ系物質から成り、前記上部及び下部クラッド層は各々ｐ型及びｎ型ＡｌＧａＡｓ系物質から成ることができる。さらに、上下部ガイド層がｉ−ＡｌＧａＡｓ系物質から成る実施の形態においては、好ましい高屈折率層のＡｌ組成（ｗｔ％）を、前記下部クラッド層のＡｌ組成の約０．８５ないし約０．９７倍の範囲または前記下部ガイド層のＡｌ組成を基準に約１．３ないし２．５倍の範囲を満たす範囲に定義することができる。本発明は高屈折率層を含む下部クラッド層の構造に応じて大きく２種の形態で提供することができる。
本発明の第１実施の形態においては、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第１下部クラッド層と、前記第１下部クラッド層上に形成された第２下部クラッド層と、前記第２下部クラッド層上に形成された下部ガイド層と、前記下部ガイド層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成された上部ガイド層と、前記上部ガイド層上に形成された上部クラッド層とを含み、前記第２下部クラッド層と上部クラッド層は第１屈折率を有し、前記第１下部クラッド層は前記第１屈折率より高い第２屈折率を有する半導体レーザー素子が提供される。
さらに、本発明の第２実施の形態による半導体レーザー素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に順次形成された第１、第２及び第３下部クラッド層並びに前記第３下部クラッド層上に形成された下部ガイド層と、前記下部ガイド層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成された上部ガイド層と、前記上部ガイド層上に形成された上部クラッド層とを含み、前記第３下部クラッド層及び上部クラッド層は第１屈折率を有し、前記第２下部クラッド層は前記第１屈折率より高い第２屈折率を有することを特徴とする。本発明は、ＦＦＶ値を減少させるために、上部クラッド層の屈折率より下部クラッド層の屈折率の高い非対称構造を適用しながらも、活性層から発生する光強度のピークがその中心から外れないようにする方案を提供する。低いＦＦＶ値（約１４〜１７°）を有する半導体レーザー素子を得るためには、下部クラッド層（例えば、ｎ型クラッド層）の屈折率を上部クラッド層（例えば、ｐ型クラッド層）の屈折率より高くさせ基板側の光分布を相対的に増加させなければならない。この際、光強度の分布が全体的に基板側に移動し、結果として光強度のピークが活性層中心から外れる。こうした光強度ピーク部分の望まぬ移動は下部クラッド層（主に、ｎ型クラッド層）において全体的にその屈折率が増加し発生するが、本発明者はより本質的にはガイド層に隣接したクラッド層領域の屈折率変化が光強度ピーク部分の移動に大きく影響する事実に注目した。実験を繰り返した結果、光強度のピークに隣接した部分を含む下部クラッド層の全体領域の屈折率を調整せず、光強度分布の尾（ｔａｉｌ）部分に限らせ屈折率を変化させることにより、光強度のピーク部分を活性層を中心に維持しながら光強度分布を改善できる事を確認した。これを具現すべく、本発明の半導体レーザー素子においては、上下部クラッド層中ガイド層と隣接した領域が同一屈折率を有するよう形成しながら、下部クラッド層においてガイド層と所定間隔で離隔した領域に限って高屈折率を有する追加的なクラッド層を配置することにより、下部クラッド層の屈折率による光強度ピークへの影響を最小化させながら、下部クラッド層中高屈折率層に該当する領域においては基板側の光強度を増加させることができる。
本発明の半導体レーザー素子において、光強度ピークを活性層中心から外れないようにすべく、高屈折率を有する追加的なクラッド層を下部ガイド層と所定の間隔で分離配置することが重要になる。言い換えると、光強度ピークを移動させないためには、上下部クラッド層中両ガイド層に隣接した領域において最小の厚さを保証しなければならない。そのために、上部クラッド層と同一屈折率を有する下部クラッド層は少なくとも上下部ガイド層及び活性層の厚さの少なくとも０．５倍に該当する厚さとなるよう形成するのが好ましい。即ち、好ましき実施の形態においては、前記高屈折率を有する下部クラッド層（高屈折率層）は下部ガイド層から上部及び下部ガイド層と活性層の厚さの少なくとも０．５倍に当る距離ほど離隔するよう配置されることができる。
また、本発明をＧａＡｓ系半導体レーザー素子に具現する場合、追加的な下部クラッド層の屈折率はＡｌ組成比からでも定義できる。本発明に用いる追加的な下部クラッド層の屈折率は、高次元モードを許容しないためにはガイド層の屈折率より小さくなければならず、上部クラッド層の屈折率よりは大きい範囲で定義すればよいが、上部クラッド層（または下部ガイド層に接する下部クラッド層）のＡｌ組成比（ｗｔ％）の約８５％ないし９７％の範囲を有することが好ましい。追加的なクラッド層のＡｌ組成は、上部クラッド層のＡｌ組成の約９７％より多いと下部クラッド層の光強度分布を充分に増加させ難いかもしれず、約８７％より少ないと前記のように半導体レーザー素子が高次元モードで作動しかねないからである。このような追加的な下部クラッド層の好ましきＡｌ組成範囲は下部ガイド層のＡｌ組成から限定されることもできる。追加的な下部クラッド層のＡｌ組成範囲は、前記下部ガイド層のＡｌ組成を基準に約１．３ないし２．５倍となることができる。
本発明による半導体レーザー素子は多様な実施の形態に具現することができる。例えば、本発明は追加的な下部クラッド層の位置、即ち高屈折率層を含む下部クラッド層の構造に応じて相異して具現することができる。本発明の第１実施の形態においては、下部クラッド層を、基板上に形成され高屈折率を有する第１下部クラッド層と、前記第１下部クラッド層上に形成され上部クラッド層と実質的に等しい屈折率を有する第２下部クラッド層とで形成することができる。本発明の第２実施の形態においては、下部クラッド層を、基板上に形成された第１下部クラッド層と、前記第１下部クラッド層上に形成され高屈折率を有する第２下部クラッド層と、前記第２下部クラッド層に形成され上部クラッド層と等しい屈折率を有する第３下部クラッド層とで形成することができる。ここで、第１下部クラッド層は、前記第３下部クラッド層と同一屈折率を有することができるが、第２及び第３下部クラッド層と相異な屈折率を有することもできる。
上述したように、本発明の半導体レーザー素子によると、ＦＦＶを所望の範囲に減少させるべく非対称構造を採用しながらも、屈折率分布の非対称構造のため光強度分布のピークが活性領域を外れるのを防止でき、これにより屈折率分布を調整して光密度を改善するばかりでなく、光出力効率を向上させることができる。
以下、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態をより詳しく説明する。図１（Ａ）は本発明の第１実施の形態による半導体レーザー素子（３０）の断面図である。図１（Ａ）によると、前記半導体レーザー素子（３０）は、半導体基板（４０）上に第１下部クラッド層（３９ｂ）、第２下部クラッド層（３９ａ）、下部ガイド層（３８）、活性層（活性化層：３７）、上部ガイド層（３６）及び上部クラッド層（３５）が順次積層された構造を有する。図１（Ａ）に表す半導体レーザー素子のように、上部クラッド層（３５）は電流分布が集中すべくリッジ構造とすることができ、その周辺には電流の分散を遮断すべく電流ブロック層（３４）が形成されることができる。また、前記リッジ構造の上面にはｐ型ＧａＡｓキャップ層（３３）が形成され、前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層（３３）上にｐ型ＧａＡｓ層（３２）を適宜な厚さで形成し、ｐ型ＧａＡｓキャップ層（３３）上にｐ側電極（３１）が形成され、前記ＧａＡｓ（半導体）基板（４０）の下面にはｎ側電極（４１）が形成される。
本実施の形態において、前記第１下部クラッド層（３９ｂ）は約３μｍ厚のｎ型ＡｌＧａＡｓ層で、Ａｌ組成０．４９ｗｔ％、屈折率約３．３２２４を有し、前記第２下部クラッド層（３９ａ）は約０．１μｍ厚（ｄ１）のｎ型ＡｌＧａＡｓ層で、Ａｌ組成０．５１５ｗｔ％、屈折率約３．３０７０を有する。上部クラッド層（３５）は２．２μｍ厚のｐ型ＡｌＧａＡｓ層で、Ａｌ組成は第２下部クラッド層（３９ａ）と同じく０．５１５ｗｔ％、屈折率約３．３０７０を有する。
また、前記上部及び下部ガイド層（３６、３８）は前記活性層（３７）がＩｎＧａＡｓ層である場合はｉ−ＧａＡｓ層から成ることができるが、前記活性層（３７）がＡｌＧａＡｓ層（約２２ｎｍ厚）から成る本実施の形態においては、上部及び下部ガイド層（３６、３８）は各々約３０ｎｍのｉ−ＡｌＧａＡｓガイド層から成り、Ａｌ組成比０．３５ｗｔ％、屈折率３．４２を有するよう形成される。
本実施の形態のように、前記第２下部クラッド層（３９ａ）は、上部クラッド層（３５）と等しい屈折率（約３．３０７０）を有し、前記活性層（３７）と上下部ガイド層（３６、３８）の総厚さ（Ｗ）の０．５倍（４１ｎｍ）より大きい厚さ（ｄ１）の０．１μｍに形成される。また、前記第１下部クラッド層（３９ｂ）は、上下部ガイド層（３６、３８）の屈折率（３．４２０）より小さく且つ上部クラッド層（３５）と第２下部クラッド層（３９ａ）の屈折率（３．３０７）より大きい屈折率（３．３２２４）を有する。
結果として、図１（Ｂ）に厚さ方向での屈折率分布を表す。図１（Ｂ）のように、前記下部ガイド層から基板側に向って、第２下部クラッド層（３９ａ）までは上部クラッド層（３５）の屈折率分布と対称構造となるが、第１下部クラッド層（３９ｂ）は、上部クラッド層（３５）より大きい屈折率を有して非対称構造となる。
このような屈折率分布により半導体レーザー素子（３０）の光強度分布は図２に表すように改善することができる。図２によると、前記活性層（３７）から発生するレーザー素子（３０）の光分布は、活性層中心領域ではほぼ変化が無いのに比して、光強度分布曲線の基板（４０）側末端部分が上昇し光分布が増加していることがわかる。これは下部ガイド層（３８）に隣接した第２下部クラッド層（３９ａ）は上部クラッド層と等しい屈折率を有するのに比して、下部ガイド層（３８）から前記第２下部クラッド層（３９ａ）の厚さほど離隔した第１下部クラッド層（３９ｂ）は相対的に高い屈折率を有するからである。
このように、光分布曲線の末端部分に当る光強度を増加させる方式により、所望のＦＦＶを得ながら、光分布の中心（ＣＬ）を活性層の中心（Ｃａ）にほぼ一致させることができる。従って、光分布の中心が電子及び正孔の再結合中心に位置するようになり、光出力効率をより向上させられる。
図３（Ａ）は本発明の第２実施の形態による半導体レーザー素子（５０）の断面図である。図３（Ａ）によると、前記半導体レーザー素子（５０）は、半導体基板（６０）上に第１下部クラッド層（５９ｃ）、第２下部クラッド層（５９ｂ）、第３下部クラッド層（５９ａ）、下部ガイド層（５８）、活性層（５７）、上部ガイド層（５６）及び上部クラッド層（５５）が順次積層された構造を有する。上部クラッド層（５５）は電流分布が集中すべくリッジ構造とされることができ、周辺には電流の分散を遮断すべく電流ブロック層（５４）が形成されることができる。また、前記リッジ構造の上面にはｐ型ＧａＡｓキャップ層（５３）が形成され、ｐ型ＧａＡｓキャップ層（５３）上にｐ型ＧａＡｓ層（５２）が適宜な厚さで形成され、ｐ型ＧａＡｓキャップ層（５３）上にｐ側電極（５１）が形成され、前記ＧａＡｓ基板（６０）の下面にはｎ側電極（５１）が形成される。
本実施の形態においては、前記第１下部クラッド層（５９ｃ）は約３．３μｍ厚のｎ型ＡｌＧａＡｓ層で、Ａｌ組成０．５１ｗｔ％、屈折率約３．３０８を有し、前記第２下部クラッド層（５９ｂ）は約０．５μｍ厚のｎ型ＡｌＧａＡｓ層で、Ａｌ組成０．４７ｗｔ％、屈折率約３．３３５を有する。また、前記第３下部クラッド層（５９ａ）は約０．８μｍ厚（ｄ１）のｎ型ＡｌＧａＡｓ層で、前記第１下部クラッド層（５９ｃ）と等しくＡｌ組成０．５１ｗｔ％、屈折率約３．３０８を有する。
前記上部クラッド層（５５）は１．３５μｍ厚のｐ型ＡｌＧａＡｓ層で、Ａｌ組成は前記第３下部クラッド層（５９ａ）と等しく０．５１ｗｔ％、屈折率約３．３０８を有する。また、前記上部及び下部ガイド層（５６、５８）は各々前記活性層（５７）に接するｉ−ＡｌＧａＡｓガイド層から成り、より具体的に、上部及び下部ガイド層（５６、５８）は各々Ａｌ成分０．３５ｗｔ％、屈折率３．４２を有するよう約３０ｎｍ厚に形成され、前記活性層（５７）は約２２ｎｍ厚のＡｌＧａＡｓ層から成る。
本実施の形態による半導体レーザー素子において、前記第３下部クラッド層（５９ａ）は、上部クラッド層（５５）と等しい屈折率（約３．３０８）を有し、前記活性層（３７）と上下部ガイド層（５６、５８）の総厚さ（Ｗ）の０．５倍（４１ｎｍ）より大きい厚さ（ｄ１）である０．８μｍに形成される。
また、前記第２下部クラッド層（５９ｂ）は、上下部ガイド層（５６、５８）の屈折率（３．４２）より小さく且つ上部クラッド層（５５）と第３下部クラッド層（５９ａ）の屈折率（３．３０８）より大きい屈折率（３．３３５）を有する。
結果として、図３（Ｂ）に厚さ方向による屈折率分布を表す。図３（Ｂ）のように、図１に説明した第１実施の形態と同様、前記下部ガイド層から基板側に向って第２下部クラッド層（５９ｂ）までは上部クラッド層（５５）の屈折率分布と対称構造を有するが、第２下部クラッド層（５９ｂ）は上部クラッド層（５５）より大きい屈折率を有し非対称構造となり、光分布を調整するのに充分な厚さ（ｄ２）に形成される。本実施の形態のように、第１下部クラッド層（５９ｃ）において再び第３下部クラッド層（５９ａ）と等しい屈折率を有する場合、前記第２下部クラッド層（５９ｂ）は所望のＦＦＶを得るべく、前記活性層（５７）及び上下部ガイド層（５６、５８）の厚さの少なくとも２倍の厚さに形成するのが好ましい。
このような屈折率分布により半導体レーザー素子（５０）の光強度分布は図４のように改善することができる。図４によると、前記活性層（５７）から発生するレーザー素子（５０）の光分布は、活性層中心領域（Ｃａ）においてはほぼ変化が無いが、基板側に向かった光強度分布曲線の中央部分から上昇し光分布が増加することがわかる。このように高屈折率層（５９ｂ）を下部クラッド構造に帯状に挿入した場合、下部ガイド層（５８）に隣接した第３下部クラッド層（５９ａ）は上部クラッド層（５５）と等しい屈折率によって光分布の中心部分をほぼ対称に維持しながら、下部クラッド構造の中間に挿入された前記第２下部クラッド層（５９ｂ）の高い屈折率により該当部分の光強度を増加させるようになる。
結果として、前記第２下部クラッド層（５９ｂ）の厚さと屈折率を利用して光分布を調整することにより所望のＦＦＶを得ながら、光分布の中心（ＣＬ）を活性層中心（Ｃａ）にほぼ一致させることができる。従って、光分布の中心が電子及び正孔の再結合中心に位置するようになり、光出力効率をより向上させることができる。
前記第２実施の形態においては、第１下部クラッド層（５９ｃ）が第３下部クラッド層と同じ組成及び屈折率を有するものとして説明したが、本発明はこれに限られるわけではない。本発明においては、光分布の中心を活性層中心に位置させるために、上部クラッド層（５５）と第３下部クラッド層（５９ａ）のみを同一屈折率とさせる構成だけで充分なので、第１下部クラッド層（５９ｃ）を第３下部クラッド層（５９ｃ）の屈折率と同一にさせる必要はない。従って、前記第１下部クラッド層（５９ｃ）は第３下部クラッド層（５９ａ）の屈折率より高くすることができ、光強度分布を調整するための追加的な高屈折率層として作用することができる。
前述したように、本発明は２種の実施の形態に具現することができる。図１に表す第１実施の形態において、基板（４０）と第２下部クラッド層（３９ａ）との間に高屈折率を有する追加的な第１下部クラッド層（３９ｂ）を配置する場合は、その製造工程が簡単なばかりでなく、前記第１下部クラッド層（３９ｂ）の屈折率と第２下部クラッド層（３９ａ）の厚さ（ｄ１）のみを利用して光強度分布を調整できるので、所望のＦＦＶを得るための設計が容易になる。
本発明による半導体レーザー素子の特性の向上を説明すべく、同一ＦＦＶ値を有するよう具現した従来の半導体レーザー素子と光効率向上を比較する実験を行った。
下記表１の条件のように、本発明による半導体レーザー素子を図５で説明した半導体レーザー素子とほぼ同一条件でＦＦＶ値が１７°になるよう設計して製造した。
Figure 2004356608
 従来の半導体レーザー素子は下部クラッド層の屈折率を高め、上部ガイド層の厚さを全体的に高める方式で、下記表２の条件のようにＦＦＶ値が１７°になるよう設計して製造した。
Figure 2004356608
 両半導体レーザー素子の特性を、駆動電流（Ｉｔｈ）及び駆動電圧（Ｖｔｈ）、９０ｍＷ光出力での電流（Ｉｏｐ）及び電圧（Ｖｏｐ）に対して測定し、その結果を下記表３にあらわした。
Figure 2004356608
 前記表３のように、本発明による実施例の場合には、比較例と等しくＦＦＶ値が１７°になるよう具現しても比較例より低い電圧と電流で駆動することができる。とりわけ、９０ｍＡの光出力を得るのに必要な電流（Ｉｏｐ）及び電圧（Ｖｏｐ）が比較例による半導体レーザー素子より低いことがわかる。即ち、本実施例による半導体レーザー素子は比較例と同一な光出力を得るための電力消耗が少なく、光出力効率が約２０％ほど向上したものであることがわかる。これは本発明による半導体レーザー素子においてはＦＦＶを所望の範囲に調整しながらも光分布の中心を活性領域の中央に位置することができ、再結合効率が向上したからである。
上述した実施の形態及び添付の図面は好ましい実施の形態の例示に過ぎず、本発明は添付の請求の範囲により限定されるものである。さらに、本発明は請求の範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において多様な形態の置換え、変形及び変更が可能なことは当技術分野において通常の知識を有する者にとって自明なことである。
（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の一実施の形態による半導体レーザー素子の断面図及び屈折率分布図である。 図１（Ａ）の半導体レーザー素子の厚さ方向での光強度分布である。 （Ａ）及び（Ｂ）は本発明の他実施の形態による半導体レーザー素子の断面図及び屈折率分布図である。 図３（Ａ）の半導体レーザー素子の厚さ方向での光強度分布である。 （Ａ）及び（Ｂ）は従来の半導体レーザー素子の断面図及び屈折率分布図である。 図５（Ａ）の半導体レーザー素子の厚さ方向での光強度分布である。
符号の説明
３１、５１ ｐ側電極
３２、５２ ｐ型ＧａＡｓ層
３３、５３ キャップ層
３４、５４ 電流ブロック層
３５、５５ ｎ型クラッド層
３６、５６ 上部ガイド層
３７、５７ 活性層
３８、５８ 下部ガイド層
３９ａ、５９ａ ｐ型第１クラッド層
３９ｂ、５９ｂ ｐ型第２クラッド層
５９ｃ ｐ型第３クラッド層
４０、６０ ｎ型半導体基板
４１、６１ ｎ側電極

Claims (15)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成された下部クラッド層と、
    前記下部クラッド層上に形成された下部ガイド層と、
    前記下部ガイド層上に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成された上部ガイド層と、
    前記上部ガイド層上に形成された上部クラッド層とを含み、
    前記下部クラッド層と上部クラッド層は実質的に等しい所定の屈折率を有し、前記下部クラッド層は前記下部ガイド層から離隔するよう位置し、前記上部クラッド層の屈折率より高い高屈折率層を有することを特徴とする半導体レーザー素子。
  2. 前記追加的なクラッド層は前記下部ガイド層から前記基板の方向へ少なくとも前記上部及び下部ガイド層と活性層の厚さの０．５倍に相当する距離ほど離隔した位置に形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザー素子。
  3. 前記上部ガイド層と前記下部ガイド層は実質的に等しい厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザー素子。
  4. 前記上部ガイド層と前記下部ガイド層は実質的に等しい屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザー素子。
  5. 前記高屈折率層は前記下部クラッド層と前記半導体基板との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザー素子。
  6. 前記高屈折率層が前記下部ガイド層から前記半導体基板側に離隔する距離は、前記上部及び下部ガイド層と活性層の厚さの３倍以下であることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザー素子。
  7. 前記高屈折率層は前記下部クラッド層内に配置されることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザー素子。
  8. 前記活性層はｉ−ＧａＡｓ系物質から成り、前記上部及び下部ガイド層はｉ−ＡｌＧａＡｓ系物質から成り、前記上部及び下部クラッド層は各々ｐ型及びｎ型ＡｌＧａＡｓ系物質から成ることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザー素子。
  9. 前記活性層はｉ−ＡｌＧａＡｓ系物質から成り、前記上部及び下部ガイド層はｉ−ＡｌＧａＡｓ系物質から成り、前記上部及び下部クラッド層は各々ｐ型及びｎ型ＡｌＧａＡｓ系物質から成ることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザー素子。
  10. 前記高屈折率層のＡｌ組成（ｗｔ％）は前記下部クラッド層のＡｌ組成の約０．８５ないし約０．９７倍であることを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザー素子。
  11. 前記高屈折率層のＡｌ組成（ｗｔ％）は前記下部ガイド層のＡｌ組成の約１．３ないし２．５倍であることを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザー素子。
  12. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成された第１下部クラッド層と、
    前記第１下部クラッド層上に形成された第２下部クラッド層と、
    前記第２下部クラッド層上に形成された下部ガイド層と、
    前記下部ガイド層上に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成された上部ガイド層と、
    前記上部ガイド層上に形成された上部クラッド層とを含み、
    前記第２下部クラッド層と上部クラッド層は第１屈折率を有し、前記第１下部クラッド層は前記第１屈折率より高い第２屈折率を有することを特徴とする半導体レーザー素子。
  13. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に順次形成された第１、第２及び第３下部クラッド層と、
    前記第３下部クラッド層上に形成された下部ガイド層と、
    前記下部ガイド層上に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成された上部ガイド層と、
    前記上部ガイド層上に形成された上部クラッド層とを含み、
    前記第３下部クラッド層及び上部クラッド層は第１屈折率を有し、前記第２下部クラッド層は前記第１屈折率より高い第２屈折率を有することを特徴とする半導体レーザー素子。
  14. 前記第１下部クラッド層は前記第３下部クラッド層と同一の屈折率を有することを特徴とする請求項１３に記載の半導体レーザー素子。
  15. 前記第１下部クラッド層は前記第３下部クラッド層の屈折率より大きく、且つ前記第２下部クラッド層より小さい屈折率を有することを特徴とする請求項１３に記載の半導体レーザー素子。
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