JP2006229008A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】キンクの抑制、低損失化、偏光方向の安定化を同時に達成でき、かつ光分布が活性層から離れるに従って単調減少するような構造を持ち、その結晶組成制御が容易となる高出力動作可能な半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】半導体レーザの下側クラッド層に光を寄せ、かつ偏光方向を安定化させるために、複数の、クラッド層と組成の異なる屈折率の高い層をスポットサイズより広い範囲に分散させて導入する。光分布に関しては電界強度を活性層から離れるに従って単調減少させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体レーザ素子に関するものである。本発明の半導体レーザ素子は、特に、情報処理端末あるいは光通信等の光源として用いて有用である。

半導体レーザの高出力化の構造としては、活性層の上下のクラッド層の屈折率または膜厚を非対称にする構造が知られている。こうした例は、例えば、図５のように2004 IEEE 19th International Semiconductor Laser Conference Digestの47ページ（非特許文献１）や特開平11-233883号公報（特許文献１）に見られる。このような導波路構造において、下側クラッド層６の平均屈折率を上側クラッド層１０の屈折率より大きくすることにより、光を下側クラッド層６に寄せると、水平横モードの高次モードの発生を抑制してカットオフ幅は大きくできる。これにより、電流増加に対する光出力増加が非線形になる現象であるキンクを抑制することができる。導波路の幅に対してカットオフ幅が十分大きくできるため、光出力増大時に発光部の屈折率変動が生じてもキンク抑制ができ、安定した単一モードでの高出力化を実現できる。同時に、光を下側クラッド層６に寄せることで、上側クラッド層１０の上部にあるGaAsコンタクト層１３における光吸収を低減できるため、低損失化ができる。また、特開平5-243669号公報（特許文献２）のように光ガイド層の膜厚を非対称化して、下側クラッド層に高屈折率層を一層入れることでも同様の効果がある。

一方、電子情報通信学会技術研究報告Vol.103 No.523 (2003)の41ページ（非特許文献２）には、DVD記録用光源の高出力化と垂直放射角狭小化を同時に得る構造として、図６のようにAlGaInP n-クラッド層６内に二層のマイナス歪を持つGaInPからなる光ガイド層４３を導入することが開示されている。この二層の光ガイド層４３の膜厚と位置を変えることによりしきい電流値に影響を持つ活性層７での光閉じ込め係数、及び、スロープ効率に影響を持つ上下GaAs層１３、１、２での吸収損失の設計に自由度を持たせることが可能である。したがって、しきいキャリア密度上昇などの弊害をもたらすことなく、垂直放射角を狭小化できる。

特開平11-233883号公報（図５） 特開平5-243669号公報 特開平11-274635号公報 2004 IEEE 19th International Semiconductor Laser Conference Digest（47ページ） 電子情報通信学会技術研究報告Vol.103 No.523 (2003)（41ページ）

本発明の課題は、DVD記録用光源の特性向上のために、キンクの抑制、低損失化、偏光方向の安定化を満たし、かつ光分布が連続的になるような半導体レーザ素子を得ることである。

前記従来の技術として、図５にあげたクラッド層の屈折率非対称化による半導体レーザ素子では、キンク抑制のために下側クラッド層に光分布を寄せている。DVD記録用光源に使われるAlGaInP材料を用いたレーザの場合はクラッド層と活性層の屈折率差が非常に小さい屈折率導波構造であるため、キンク抑制のため下側クラッド層の屈折率が活性層の屈折率に近づくと、活性層への光閉じ込めが小さくなる。それに加えて、埋め込み層や絶縁膜や電極などにより光導波路部に生じる局所歪の作用により屈折率が異方性を持つため、偏光方向が不安定になり、例えばTEモードで発振していても電界の振動面が活性層面と異なってしまうことがある。偏光方向はDVD光学系において活性層面内に安定していることが必要であるが、活性層への光閉じ込めが大きいほど安定となるので、キンク抑制の条件とはトレードオフの関係にある。従って、これを同時に満足するための組成制御は難しく、作製プロセスマージンが小さくなる。又、検査工程で下側クラッド層と上側クラッド層の組成差を検出することは困難である。例えば、DVD記録用光源のクラッド層としてよく使われる(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5PのAl組成xは0.6から0.7付近で、伝導体のΓ点のエネルギー準位とX点のエネルギー準位が非常に近いため、キャリアが分散している可能性があり、Γ点からの直接遷移のみを捉えることのできるフォトルミネッセンスの強度は非常に小さい。しかも、xが0.01異なるとき、その二つの層のフォトルミネッセンスピーク波長の差は約1.2nmで、フォトルミネッセンスの測定誤差とほとんど変わらないため、その差を検出するのが難しい。

前記従来の技術の第２の例として掲げた図６のようなAlGaInP n-クラッド層内に2層の光ガイド層の導入による半導体レーザ素子では、トレードオフの関係にあったキンク抑制と偏光方向安定化を同時に満たす構造の設計には尤度ができる。しかし、DVD記録用光源の規格に合わせて、光ガイド層を1層から４層導入して設計すると、前記光ガイド層への光閉じ込めが大きく電界強度が集中しやすい。この場合の光分布形状を計算した一例を図７Ａ及び図７Ｂに示す。図７Ａは近視野の光分布で、縦軸は光強度、横軸は活性層を中心とした結晶積層方向の位置で、上側クラッド層に向かう方向を正にとっている。図７Ｂは遠視野の光分布で、縦軸は光強度、横軸は遠視野放射角である。図７Ａの近視野像には複数のピークが生じ、図７Ｂに示す遠視野像の形状にもすそ引きなどの悪影響を及ぼすことがわかる。光スポットが複数であると、DVD媒体上へレーザ光を導入して信号を読み書きするときに大きな誤差を生じる可能性がある。DVD媒体上でのスポットを考慮すると、図８Ａ及び図８Ｂに示すような活性層位置以外に極値を持たない連続的な光分布が望ましい。

こうした状況を背景に、本発明は、キンクの抑制、低損失化、偏光方向の安定化を同時に達成でき、且つ光分布が活性層から離れるに従って単調減少するような構造を持ち、その結晶組成制御が容易となる高出力動作可能な半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

本発明では、半導体レーザの結晶成長基板に近い下側クラッド層に光を寄せるために、複数の、クラッド層と組成の異なる屈折率の高い層をスポットサイズより広い範囲に分散させて導入する。偏光方向安定化のために、前記導入層は電界強度が最大値の約50パーセント以上の領域に少なくとも1つがかかるようにする。光分布に関しては電界強度を活性層から離れるに従って単調減少させるために、前記導入層の間隔は超格子といわれる層間隔よりも十分広く、垂直方向のスポットサイズ（半径を意味する）に対して四分の一未満の距離をもって、スポットサイズより広い範囲にわたって分散させる。尚、ここで、スポットサイズは、当該分野で用いられている、発光強度の極大点から、強度が１／ｅ^２になる点までの距離を示す。ここで、ｅは自然対数の底である。

本願発明では、各層の間隔を，電子や正孔の状態が重ならない程度に広くとるのが好ましい。従って超格子や多重量子井戸の場合の厚さとは異なる。もし、導入層が超格子や多重量子井戸なら、電子や正孔の状態が重なり合うことでキャリアや光の閉じ込めが大きくなる。従って、その位置で光密度が極大値を持つため、近視野の光出力の変化が連続的になることを妨げてしまう。そのため、導入層の間隔を十分広くしてキャリアや光閉じ込めが大きくなりすぎないようにしている。しかし、導入層の間隔が広くなりすぎると、活性層での屈折率異方性を防ぐ効果が小さくなってしまう。このため、本願発明の有効な形態では、スポットサイズの範囲に導入層をできるだけ離しながら少なくとも４層より多く入るように距離を決めている。近視野の光出力を連続にするためには、導入層を少なくとも４層より多くばらばらに入れることが必要いう条件設定から、垂直方向のスポットサイズの１／４未満が好ましい。

又、導入層の屈折率および膜厚を、活性層の屈折率或いは膜厚より小さくすることによっては、導入層の光閉じ込めが活性層より大きくなって近視野の光出力の変化が連続的でなくなるのを防ぐ効果がある。前記導入層の屈折率及び膜厚の両者を、各々前記活性層のそれより小さくすることも可能である。 尚、本願発明では、前記複数の層のすべてを等間隔にする必要はない。この点で、特開平11-274635号公報（特許文献３）に開示されたような半導体超格子周期薄膜層を活性層の下側に設けている構造とは異なる。

本願発明の半導体レーザ素子の別な観点で示せば、次の通りである。即ち、半導体基板と活性層との間に挟まれたクラッド層が、第１のクラッド層と、第２のクラッド層と、前記第１と第２のクラッド層の間に、挿入された積層体とを有し、且つ前記積層体が、前記第１と第２のクラッド層の屈折率より大きい屈折率を持ち且つ前記第１と第２のクラッド層とは異なる材料からなる電子のド・ブロイ波長程度以下の膜厚を持つ層と、前記第１または第２のクラッド層と略等しい屈折率を持つ層とが、交互に積層された積層体が、前記第１と第２のクラッド層の膜厚の合計以上の膜厚をもって挿入された構造である半導体レーザ素子ということが出来る。

こうした形態では、製造上、一番制御が容易なのは、第１と第２のクラッド層と挿入される積層体の一方の層の組成がすべて等しい組成である。実際には等しい設計でも結晶成長条件やドーピング量でわずかに異なるので、屈折率で0.001程度のずれが生じる可能性がある。又、設計に更なる自由度を増すため、第１と第２のクラッド層の屈折率が最大0.008程度異なる組み合わせもありうる。この時、挿入される積層体の一方の層の組成は、第１と第２のクラッド層の屈折率の中間の値を取るとすると、屈折率差で0.004程度(〜0.15％)と見積もられる。本願明細書において、前記略等しい屈折率とはこの程度の範囲を考慮するものである。

本願発明の半導体レーザ素子の製造において、組成制御性を上げ、検査工程での検出を容易にするためには、半導体レーザ素子の層構造を構成する結晶の組成の種類を最低限にするのがよい。最も容易なのは上側クラッド層と前記導入層を除いた下側クラッド層の屈折率を等しくし、前記導入層はクラッド層と略等しい格子定数を持ち、活性層よりは膜厚が薄く、活性層より小さな屈折率を持つ構造である。前記導入層の膜厚および屈折率の活性層のそれらとの関係は、活性層に最も光の閉じ込めが大きくなるように、且つ、光分布が連続的になるように決める。即ち、電界強度分布が活性層の位置で最大値を取り、前記導入層の位置で極大値を取らずに活性層から離れるに従って単調減少するように決める。そのためには垂直方向のスポットサイズより大きい範囲にわたって、前記導入層を複数個入れることが望ましい。DVD記録用光源に適した、動作温度において15度から19度の遠視野角を満たすように、前記導入層の挿入位置を４箇所以下に決めると、前記導入位置で電界強度が極大値を取る可能性が大きくなるので、前記導入層数を多くすることにより各層内における電界強度を小さくして、導入位置を離して4箇所より多くするのがよい。例えば、前記導入層を10箇所として近視野(ニアー・フィールド)及び遠視野(ファー・フィールド)の光分布を計算すると図８Ａ、図８Ｂのようになる。リッジ構造やリッジ埋込構造の半導体レーザでは、リッジ構造を作製するためのエッチング停止層の屈折率がクラッド層の屈折率より大きければ、前記導入層は、エッチング停止層の屈折率と等しくすると、容易に制御できる。例えば、クラッド層がAlGaInPで、エッチング停止層がGaInPとAlGaInPの超格子であれば、前記導入層はGaInPとすると組成制御がしやすく、電界強度が極大を取らないように設計しても、適度な光閉じ込めと電界方向の水平方向への固定がおこり、偏光方向を水平に安定化させることができる。

本願発明は、出力特性のキンクを抑制すると共に偏光方向の安定化を満たす半導体レーザ素子を提供することが出来る。更には、本願によれば、光分布が連続的な特性を得ることを可能とする。

本願の実施の形態を詳細説明するに先立って、本願発明に適した半導体材料系の組み合わせについて説明する。尚、以下に説明する材料形は、本願発明のいずれの構造にも用いることが出来る。
（１）発明に直接関わるクラッド層がInP、In_1-xGa_xAs_yP_1-yのいずれかで、前記クラッド層とは異なる材料からなる層がIn_1-z-wGa_zAl_wAs(0≦z≦0.47かつ0≦w≦0.48)又は前記In_1-xGa_xAs_yP_1-yと組成の異なるIn_1-x'Ga_x'As_y'P_1-y'(0＜x＜x'≦0.47かつ0＜y＜y'≦1)である半導体レーザ素子。
（２）発明に直接関わるクラッド層がInP、In_1-z-wGa_zAl_wAsのいずれかで、前記クラッド層とは異なる材料からなる層がIn_1-xGa_xAs_yP_1-y(0≦x≦0.47かつ0≦y≦1)または前記In_1-z-wGa_zAl_wAsと組成の異なるIn_1-z'-w'Ga_z'Al_w'As(0≦z＜z'≦0.47かつ0≦w'＜w≦0.48)である半導体レーザ素子。

これらの（１）及び（２）の半導体レーザ素子は、発振波長1.3μｍ〜1.55μｍの半導体レーザ素子である。これらは通例、光通信用に用いられている。挿入層の組成はレーザの層構造としてもともと含まれている層の組成のどれかを使うと制御が容易である。例えば、リッジ構造のエッチング停止層や、分布帰還形レーザの回折格子に使われる高屈折率の層と同じ組成である。
（３）発明に直接関わるクラッド層がAl_xGa_1-xAs(0＜x≦1)で、前記クラッド層とは異なる材料からなる層がGaAsである半導体レーザ素子。
（４）発明に直接関わるクラッド層がGa_0.52In_0.48Pで、前記クラッド層とは異なる材料からなる層がAl_xGa_1-xAs(0≦x＜0.4)である半導体レーザ素子。

これら（３）、（４）は発振波長0.9〜1.05μｍの素子、又は発振波長780〜870ｎｍの素子である。前者は光通信でファイバアンプなどに、後者は産業・医療用レーザに用いられる。挿入層の組成はレーザの層構造としてもともと含まれている層の組成のどれかを使うと制御が容易である。例えば、リッジ構造のエッチング停止層と同じ組成である。
（５）発明に直接関わるクラッド層がAl_xGa_yIn_1-x-yP(0≦x≦0.53かつ0≦y≦0.52)で、前記クラッド層とは異なる材料からなる層がGa_0.52In_0.48P、Al_zGa_1-zAs(0≦z≦1)のいずれかである半導体レーザ素子。

この材料系の半導体レーザ素子は、産業・医療用レーザに用いられる励起用発振波長630〜690ｎｍの素子である。挿入層の組成はレーザの層構造としてもともと含まれている層の組成のどれかを使うと制御が容易である。例えば、リッジ構造のエッチング停止層と同じ組成である。
（６）発明に直接関わるクラッド層の平均組成がAl_xGa_1-xNで、前記クラッド層とは異なる材料からなる層がAl_x'Ga_1-x'N(0≦x'＜x≦1)である半導体レーザ素子。

この材料系の半導体レーザ素子は、産業・医療用レーザに用いられる励起用発振波長280〜410ｎｍの素子である。挿入層の組成はレーザの層構造としてもともと含まれている層の組成のどれかを使うと制御が容易である。

次に、実施の形態の具体的な例を説明する。

＜実施例１＞
図１は本発明の第一の実施に係る半導体レーザの構造を示す断面図である。断面は光の進行方向と交差する面でのものである。(100)面方位から10°オフしたn型GaAs傾角基板１上に、膜厚0.5μmのn型GaAsバッファ層２、第１のクラッド層としてn型クラッド層６、多重量子井戸構造活性層７、膜厚0.2μmのp型AlGaInPクラッド層８、膜厚5nmのp型GaInPエッチング停止層９、膜厚1.3μmのp型AlGaInPクラッド層１０、膜厚0.05μmのp型GaInPコンタクト層１１を順次有機金属気相成長（MOVPE）法によりエピタキシャル成長させる。

尚、前記n型クラッド層６は、具体的には、膜厚1μmのn型AlGaInP層３、膜厚3nmのn型GaInP層が10層と膜厚120nmのn型AlGaInP層が9層の周期構造を持つ部分４、及び0.2μmのn型AlGaInP層５を有してなる。n型クラッド層６の骨子となる材料としてn型AlGaInP層が用いられ、このn型クラッド層６の中に、AlGaInPとは組成の異なるn型GaInP層の薄層が複数層挿入された構造となっている。このGaInPは、AlGaInPより大きい屈折率を有している。又、発振波長は、650nmから660nmで設定されている。

尚、前記多重量子井戸構造活性層７は、膜厚5nmのアンドープ圧縮歪GaInP量子井戸層３層と膜厚4nmの引張歪AlGaInP量子障壁層4層及びその上下の膜厚20nmの無歪AlGaInP光分離閉じ込め層からなる。又、上記クラッド層３、４、５、８、１０に含まれるAlGaInPの組成はすべて同じ、(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5Pとする。こうした各層を構成する組成を同じものとすることで、製造工程における組成の制御性を高くすることが出来る。

次に、ホトリソグラフィー工程を用いて、所望の拡散マスクを形成後、ZnO固体拡散源を蒸着する。そして、温度５００℃〜６００℃で熱処理を行うことにより、共振器両端面部に相当する領域にZn不純物拡散領域を設ける。不純物拡散領域を形成した後、拡散源を除去する。この後、通例の方法によって、リッジストライプ構造を形成する。ホトリソグラフィー工程とエッチング工程を経ることにより、層９に到るまで層１０と層１１をエッチング除去して、ストライプを形成する。

次に、膜厚1.0μmのn型AlInP電流狭窄層１２を、MOVPE法により選択成長させる。次に、MOVPE法により膜厚3μmのp型GaAsコンタクト層１３によって埋め込んだ後、ホトリソグラフィー工程とエッチング工程により、ストライプ両側に素子容量を低減するための溝を形成する（図示せず）。その後、絶縁膜マスク１４を形成し、p側電極１５とn側電極１６を蒸着して、この後、劈開スクライブによって素子を切り出す。本素子は波長650nmから660nmで発振し、温度80℃においてキンクフリーの最大光出力は300mWを達成し、偏光方向のばらつきは±3度以内に安定した。

図１において、符号５０は、当該レーザ素子の発光スポットである。又、符号５１はスポットの垂直方向のスポットサイズを示す。本例では、このレーザの垂直方向のスポットサイズは0.88μmである。n型クラッド層６の中に挿入したn型GaInP層の薄層の間隔は、n型AlGaInP層の膜厚120nmで規定される。従って、その厚さは120nmである。この120nmの値は、当該レーザの垂直方向のスポットサイズは0.88μmの１／４の220nm未満である。

更に、実施例１では、nクラッド層に挿入している膜厚3nmのn型GaInP層の中で、活性層からもっとも離れた層は、活性層の下1.307μm(＝0.2＋0.123×9)の位置にあり、スポットサイズより大きい範囲にわたっていることが理解される。このときの近視野の光分布は、後述の図８Ａのように活性層から離れるに従って単調減少する。

＜実施例２＞
図２は本発明の第二の実施に係る半導体レーザの構造を示す断面図である。本例は、光閉じ込めに関する構造が相違するが、半導体レーザに関わる半導体積層構造に関しては、前述の実施例１と同様である。

図２の断面図は光の進行方向と交差する面でのものである。(100)面方位から10°オフしたn型GaAs傾角基板１上に、膜厚0.5μmのn型GaAsバッファ層２、n型クラッド層６、多重量子井戸構造活性層７、膜厚0.2μmのp型AlGaInPクラッド層８、膜厚5nmのp型GaInPエッチング停止層９、膜厚1.3μmのp型AlGaInPクラッド層１０、膜厚0.05μmのp型GaInPコンタクト層１１を順次MOVPE法によりエピタキシャル成長させる。ここで、n型クラッド層６は、膜厚1.5μmのn型AlGaInP層３、膜厚2nmのn型GaInP層8層と膜厚100nmのn型AlGaInP層7層の周期構造を持つ部分４、0.2μmのn型AlGaInP層５を有してなる。

本例では、スポットサイズは0.91μmである。n型クラッド層６の中に挿入したn型GaInP層の薄層の間隔は、n型AlGaInP層の膜厚によって規定される。n型AlGaInP層の膜厚100nmである。この値は、垂直方向のスポットサイズである0.91μmの１／４の227.5nm未満となっている。又、nクラッド層に挿入している膜厚2nmのn型GaInP層で、活性層からもっとも離れた層は、活性層の下0.914μm(＝0.2＋0.102×7)の位置にあり、スポットサイズより大きい範囲にわたっていることが理解される。このときの光分布は，図８Ａのように活性層から離れるに従って単調減少する。

尚、前記多重量子井戸構造活性層７は、膜厚5nmのアンドープ圧縮歪GaInP量子井戸層3層と膜厚4nmの引張歪AlGaInP量子障壁層4層及びその上下の膜厚10nmの無歪AlGaInP光分離閉じ込め層からなる。前記クラッド層３、４、５、８、１０に含まれるAlGaInPの組成はすべて同じ、(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5Pとする。こうした各層を構成する組成を同じものとすることで、製造工程における組成の制御性を高くすることが出来る。

次に、ホトリソグラフィー工程を用いて、所望の拡散マスクを形成後、ZnO固体拡散源を蒸着する。そして、温度５００℃〜６００℃で熱処理を行うことにより、共振器両端面部に相当する領域にZn不純物拡散領域を設ける。不純物拡散領域を形成した後、拡散源を除去する。この後、通例の方法によって、リッジストライプ構造を形成する。ホトリソグラフィー工程とエッチング工程を経ることにより、層９に到るまで層１０と１１をエッチング除去して、ストライプを形成する。

次に、ホトリソグラフィー工程とエッチング工程により、ストライプ両側に素子容量を低減するための溝を形成する（図示せず）。その後、絶縁膜１４を形成し、p側電極１５とn側電極１６を蒸着して劈開スクライブによって素子を切り出す。本素子は波長650nmから660nmで発振し、温度80℃においてキンクフリーの最大光出力は300mWを達成し、偏光方向のばらつきは±2度以内に安定した。

＜実施例３＞
図３は本発明の第三の実施に係る半導体レーザの構造を示す断面図である。本例は、材料の変更を行い、半導体積層の構造はこれまでと同等である。

図３の断面図は光の進行方向と交差する面でのものである。n型GaAs基板１上に、膜厚0.5μmのn型GaAsバッファ層２、膜厚1μmのn型AlGaAs層１７、膜厚7nmのn型GaAs層10層と膜厚100nmのn型AlGaAs層9層の周期構造を持つ部分１８、0.2μmのn型AlGaAs層１９からなるn型クラッド層２０、膜厚30nmのGaAs光分離閉じ込め層２１、膜厚10nmのアンドープ圧縮歪In_0.16Ga_0.84As量子井戸活性層２２と膜厚30nmのGaAs光分離閉じ込め層２３、膜厚1.5μmのp型AlGaAsクラッド層２４、膜厚0.05μmのp型GaAsコンタクト層２５を順次MOVPE法によりエピタキシャル成長させる。ここで、n型クラッド層２０は、膜厚1μmのn型AlGaAs層１７、膜厚7nmのn型GaAs層10層と膜厚100nmのn型AlGaAs層9層の周期構造を持つ部分１８、0.2μmのn型AlGaAs層１９を有してなる。

又、上記クラッド層１７、１８、１９、２４に含まれるAlGaAsの組成はすべて同じ、Al_0.3Ga_0.7Asとする。こうした各層を構成する組成を同じものとすることで、製造工程における組成の制御性を高くすることが出来る。

ホトリソグラフィー工程とエッチング工程を経ることにより、層２４を途中までエッチング除去して、ストライプを形成する。その後、絶縁膜２６を形成し、p側電極２７とn側電極２８を蒸着して劈開スクライブによって素子を切り出す。本素子は波長980nmから1080nmで発振し、温度80℃においてキンクフリーの最大光出力は800mWを達成し、偏光方向のばらつきは±2度以内に安定した。

本例で、垂直方向のスポットサイズは1.1μｍである。n型クラッド層２０の中に挿入したn型GaAs層の薄層の間隔は、n型AlGaAs層の膜厚に規定される。このn型AlGaAs層の膜厚は100nmである。この値は、垂直方向のスポットサイズである1.1μmの１／４の275nm未満となっている。又、nクラッド層に挿入している膜厚7nmのn型GaAs層の中で、活性層からもっとも離れた層は、活性層の下1.163μm(＝0.2＋0.107×9)の位置にあり、スポットサイズより大きい範囲にわたっていることがわかる。このときの近視野の光分布は、図８Ａのように活性層から離れるに従って単調減少する。

＜実施例４＞
図４は本発明の第四の実施に係る半導体レーザの構造を示す断面図である。断面は光の進行方向と交差する面でのものである。n型InP基板２９上に、膜厚0.5μmのn型InPバッファ層３０、n型クラッド層３３、膜厚100nmのInGaAsP光分離閉じ込め層３４、合計膜厚50nmのアンドープ歪補償InGaAsP量子井戸活性層３５と膜厚100nmのInGaAsP光分離閉じ込め層３６、膜厚1.5μmのp型InPクラッド層３７、膜厚0.05μmのp型InGaAsコンタクト層３８を順次MOVPE法によりエピタキシャル成長させる。

ここで、本例のn型クラッド層３３は、膜厚が活性層に近づくに従って5、6、7、8、9、10nmと増加するn型InGaAsP層6層と膜厚200nmのn型InP層5層を交互に積層した構造を持つ部分３１、0.2μmのn型InP層３２を有してなる。

本例は、第１導電型のクラッド層の構成を、当該半導体レーザ素子の近視野の光出力の変化が連続的になるように設定した例である。近視野の光分布は図８Ａとほぼ同じになる。即ち、ニアー・フィールドの光出力の変化が連続的となっている。スポットサイズは1.8μm、挿入領域３１は厚さ1.6μmである。

尚、本例では、基板がクラッド層(＝バッファ層３０)と同じ材質を用いている。

又、作りやすさの点から、積層構造３１の中のInGaAsPの組成波長は、活性層３５の量子井戸を構成する障壁層と同じとしておく。

ホトリソグラフィー工程とエッチング工程を経ることにより、層３０の途中までエッチング除去して、ストライプを形成する。次に、半絶縁InP電流狭窄層３９をMOVPE法により選択成長させストライプを埋め込む。その後、絶縁膜４０を形成し、p側電極４１とn側電極４２を蒸着して劈開スクライブによって素子を切り出す。本素子は波長1400nmから1480nmで発振し、温度25℃においてキンクフリーの最大光出力は1Wを達成し、偏光方向のばらつきは±2度以内に安定した。

＜実施例５＞
次に、第五の実施例を説明する。基本的構造は前述の実施例１と同様であるが、その変更点はn型クラッド層の構造を次のようになすことである。

膜厚0.46μmのn型AlGaInP層３、膜厚3nmのn型GaInP層が10層と膜厚180nmのn型AlGaInP層が9層の周期構造を持つ部分４、及び0.2μmのn型AlGaInP層５とする。更に、これらのn型AlGaInP層３、半導体層の積層部分４、及びn型AlGaInP層５の合計の厚さを実施例１におけるn型クラッド層６の膜厚と同じとする。即ち、第１のクラッド層である膜厚0.46μmのn型AlGaInP層３と第２のクラッド層である0.2μmのn型AlGaInP層５との間に、膜厚3nmのn型GaInP層10層と膜厚180nmのn型AlGaInP層9層とが交互に積層された膜厚1.65μmの積層体４が入っている。積層体４は前記第１と第２のクラッド層の膜厚の合計0.66μmより大きな膜厚を持っている。このときの、垂直方向のスポットサイズは0.88μmである。

以下、本願発明の主な形態を列挙する。
（１）第１導電型の半導体基板と、前記基板上に形成された第１導電型のクラッド層と、前記クラッ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第２導電型のクラッド層と、を備えた半導体レーザ素子の発振波長において、前記第１導電型のクラッド層の屈折率より大きい屈折率を持ち前記第１導電型クラッド層とは異なる材料からなる層が、前記第１導電型のクラッド層の中に、垂直方向のスポットサイズに対して四分の一未満の間隔で、前記垂直方向のスポットサイズより大きい範囲にわたって複数個入っている事を特徴とした半導体レーザ素子。
（２）第１導電型の半導体基板と、前記基板上に形成された第１導電型のクラッド層と、前記クラッ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第２導電型のクラッド層と、を備えた半導体レーザ素子の発振波長において、前記第１導電型のクラッド層の屈折率より大きい屈折率を持ち前記第１導電型クラッド層とは異なる材料からなる層が、前記第１導電型のクラッド層の中に、前記垂直方向のスポットサイズより大きい範囲にわたって複数個入り、光分布が活性層から離れるに従って単調減少するように層間隔を配置する事を特徴とした半導体レーザ素子。
（３）前記クラッド層とは異なる材料からなる層を含む前記第１導電型のクラッド層の平均屈折率が前記第２導電型のクラッド層の平均屈折率より大きい前項１または２記載の半導体レーザ素子。
（４）前記クラッド層とは異なる材料からなる層を含まない前記第１導電型のクラッド層と前記第２導電型のクラッド層との平均屈折率が略等しい前項３記載の半導体レーザ素子。
（５）前記クラッド層とは異なる材料からなる層の屈折率は前記活性層を構成する最も屈折率の大きい層の屈折率以下である前項１−４記載の半導体レーザ素子。
（６）前記クラッド層とは異なる材料からなる層の膜厚は前記活性層を構成する最も屈折率の大きい層の膜厚以下である前項１−４記載の半導体レーザ素子。
（７）前記第２導電型のクラッド層はリッジ形状を有し、前記活性層の上に第２導電型の下側クラッド層と、前記リッジ形状をなす第２導電型の上側クラッド層から構成され、前記第２導電型の上側クラッド層を前記リッジ形状に加工するためのエッチング停止層を前記第２導電型の下側クラッド層の直上に設けた前項１−６記載の半導体レーザ素子。
（８）前記クラッド層とは異なる材料からなる層の屈折率はエッチング停止層を構成する最も屈折率の大きい層の屈折率と略等しい前項７記載の半導体レーザ素子。
（９）前記クラッド層とは異なる材料からなる層の膜厚はエッチング停止層を構成する最も屈折率の大きい層の膜厚と略等しい前項７記載の半導体レーザ素子。
（１０）半導体基板と活性層との間に挟まれた第１と第２のクラッド層の間に、前記第１と第２のクラッド層の屈折率より大きい屈折率を持ち前記第１と第２のクラッド層とは異なる材料からなる数十原子層程度以下の膜厚を持つ層と前記第１または第２のクラッド層と略等しい屈折率を持つ層とが、交互に積層された構造が、前記第１と第２のクラッド層の膜厚の合計以上の膜厚をもって入っている事を特徴とした半導体レーザ素子。
（１１）前記クラッド層とは異なる材料からなる層が４個より多い前項１０記載の半導体レーザ素子。
（１２）前記クラッド層がInP、In_1-xGa_xAs_yP_1-yのいずれかで、前記クラッド層とは異なる材料からなる層がIn_1-z-wGa_zAl_wAs(0≦z≦0.47かつ0≦w≦0.48)または前記In_1-xGa_xAs_yP_1-yと組成の異なるIn_1-x'Ga_x'As_y'P_1-y'(0＜x＜x'≦0.47かつ0＜y＜y'≦1)である前項１−１１記載の半導体レーザ素子。
（１３）前記クラッド層がInP、In_1-z-wGa_zAl_wAsのいずれかで、前記クラッド層とは異なる材料からなる層がIn_1-xGa_xAs_yP_1-y(0≦x≦0.47かつ0≦y≦1)または前記In_1-z-wGa_zAl_wAsと組成の異なるIn_1-z'-w'Ga_z'Al_w'As(0≦z＜z'≦0.47かつ0≦w'＜w≦0.48)である前項１−１１記載の半導体レーザ素子。
（１４）前記クラッド層がAl_xGa_1-xAs(0＜x≦1)で、前記クラッド層とは異なる材料からなる層がGaAsである前項１−１１記載の半導体レーザ素子。
（１５）前記クラッド層がGa_0.52In_0.48Pで、前記クラッド層とは異なる材料からなる層がAl_xGa_1-xAs(0≦x＜0.4)である前項１−１１記載の半導体レーザ素子。
（１６）前記クラッド層がAl_xGa_yIn_1-x-yP(0≦x≦0.53かつ0≦y≦0.52)で、前記クラッド層とは異なる材料からなる層がGa_0.52In_0.48P、Al_zGa_1-zAs(0≦z≦1)のいずれかである前項１−１１記載の半導体レーザ素子。
（１７）前記クラッド層の平均組成がAl_xGa_1-xNで、前記クラッド層とは異なる材料からなる層がAl_x'Ga_1-x'N(0≦x'＜x≦1)である前項１−１１記載の半導体レーザ素子。

本発明によると、複数の、クラッド層と組成の異なる屈折率の高い層をスポットサイズより広い範囲に分散させて導入することにより、下側クラッド層に光を寄せることによりカットオフ幅を広げ、上側クラッド層上部のコンタクト層における光吸収を低減できた。これと同時に、導入した屈折率の高い層による電界方向の固定効果により、偏光方向の安定化が可能になった。また、半導体レーザ作製工程における検査において、検出可能な組成を利用し、設計尤度を高めることができた。このため、光分布が活性層から離れるに従って単調減少するような構造を選ぶことができるようになり、光ディスク読み取りに必要な単峰の光スポットが可能になった。

図１は、本発明の第一の実施例であるAlGaInP系リッジ埋込み型半導体レーザの断面図である。 図２は、本発明の第二の実施例であるAlGaInP系リッジ型半導体レーザの断面図である。 図３は、本発明の第三の実施例であるAlGaAs/InGaAs系リッジ型半導体レーザの断面図である。 図４は、本発明の第四の実施例であるInGaAsP系埋込みヘテロ型半導体レーザの断面図である。 図５は、従来の技術による非対称クラッド層を用いたリッジ型半導体レーザの断面図である。 図６は、従来の技術による下側クラッド層に光ガイド層を挿入したリッジ型半導体レーザの断面図である。 図７Ａは、下側クラッド層に光ガイド層を挿入した半導体レーザにおける、近視野の光分布である。 図７Ｂは、下側クラッド層に光ガイド層を挿入した半導体レーザにおける遠視野の光分布である。 図８Ａは、本発明による半導体レーザにおける近視野の光分布である。 図８Ｂは、本発明による半導体レーザにおける遠視野の光分布である。

符号の説明

１…n型GaAs基板、２…n型GaAsバッファ層、３…n型AlGaInP層３、４…n型GaInP層10層とn型AlGaInP層9層の周期構造を持つ部分、５…n型AlGaInP層、６…n型クラッド層、７…多重量子井戸構造活性層、８…p型AlGaInPクラッド層、 ９…p型GaInPエッチング停止層、１０…p型AlGaInPクラッド層、１１…p型GaInPコンタクト層、１２…n型AlInP電流狭窄層、１３…p型GaAsコンタクト層、１４…絶縁膜マスク、１５…p側電極、１６…n側電極、１７…n型AlGaAs層、１８…n型GaAs層10層とn型AlGaAs9層の周期構造を持つ部分、１９…n型AlGaAs層、２０…n型クラッド層、２１…GaAs光分離閉じ込め層、２２…アンドープ圧縮歪InGaAs量子井戸活性層、２３…GaAs光分離閉じ込め層、２４…p型AlGaAsクラッド層、２５…p型GaAsコンタクト層、２６…絶縁膜、２７…p側電極、２８…n側電極、２９…n型InP基板、３０…n型InPバッファ層、３１…n型InGaAsP層6層とn型InP層5層を交互に積層した構造を持つ部分、３２…n型InP層、３３…n型クラッド層、３４…InGaAsP光分離閉じ込め層、３５…アンドープ歪補償InGaAsP量子井戸活性層、３６…InGaAsP光分離閉じ込め層、３７…p型InPクラッド層、３８…p型InGaAsコンタクト層、３９…半絶縁InP電流狭窄層、４０…絶縁膜、４１…p側電極、４２…n側電極、４３…光ガイド層、４４…GaAsキャップ層、５０…発光スポット、５１…発光スポットの垂直方向のスポットサイズ。

Claims (16)

1. 第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第１導電型のクラッド層と、前記第１導電型のクラッ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第２導電型のクラッド層と、を有し、
   当該半導体レーザ素子の発振波長において、前記第１導電型のクラッド層の屈折率より大きい屈折率を持ち且つ前記第１導電型クラッド層とは異なる材料からなる層が、前記第１導電型のクラッド層の中に、当該半導体レーザ素子発光の、前記半導体基板に対して垂直方向のスポットサイズに対して四分の一未満の間隔で、前記垂直方向のスポットサイズより大きい範囲にわたって複数層入っている事を特徴とした半導体レーザ素子。
2. 第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第１導電型のクラッド層と、前記第１導電型のクラッ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第２導電型のクラッド層と、を有し、
   当該半導体レーザ素子の発振波長において、前記第１導電型のクラッド層の屈折率より大きい屈折率を持ち且つ前記第１導電型クラッド層とは異なる材料からなる層が、複数層挿入され、且つそれらの間隔が、前記第１導電型のクラッド層の中に、当該半導体レーザ素子の近視野の光出力の変化が連続的になるようになされている事を特徴とした半導体レーザ素子。
3. 当該半導体レーザ素子の発振波長において、前記第１導電型のクラッド層の屈折率より大きい屈折率を持ち且つ前記第１導電型クラッド層とは異なる材料からなる層が、前記第１導電型のクラッド層の中に、当該半導体レーザ素子発光の、前記半導体基板に対して垂直方向のスポットサイズより大きい範囲にわたって複数層入り、光分布が活性層から離れるに従って単調減少するように層間隔を配置する事を特徴とした請求項２に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記クラッド層とは異なる材料からなる層を含む前記第１導電型のクラッド層の平均屈折率が、前記第２導電型のクラッド層の平均屈折率より大きい事を特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
5. 前記クラッド層とは異なる材料からなる層を含む前記第１導電型のクラッド層の平均屈折率が、前記第２導電型のクラッド層の平均屈折率より大きい事を特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
6. 前記クラッド層とは異なる材料からなる層を含まない前記第１導電型のクラッド層と前記第２導電型のクラッド層との平均屈折率が略等しい事を特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
7. 前記クラッド層とは異なる材料からなる層を含まない前記第１導電型のクラッド層と前記第２導電型のクラッド層との平均屈折率が略等しい事を特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
8. 前記クラッド層とは異なる材料からなる層の屈折率は、前記活性層を構成する最も屈折率の大きい層の屈折率以下である事を特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
9. 前記クラッド層とは異なる材料からなる層の屈折率は、前記活性層を構成する最も屈折率の大きい層の屈折率以下である事を特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
10. 前記クラッド層とは異なる材料からなる層の膜厚は、前記活性層を構成する最も屈折率の大きい層の膜厚以下である事を特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
11. 前記クラッド層とは異なる材料からなる層の膜厚は、前記活性層を構成する最も屈折率の大きい層の膜厚以下である事を特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
12. 前記第２導電型のクラッド層はリッジ形状を有し、前記活性層の上に第２導電型の下側クラッド層と、前記リッジ形状をなす第２導電型の上側クラッド層から構成され、前記第２導電型の上側クラッド層を前記リッジ形状に加工するためのエッチング停止層を前記第２導電型の下側クラッド層の直上に設けた事を特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
13. 前記クラッド層とは異なる材料からなる層の屈折率は、エッチング停止層を構成する最も屈折率の大きい層の屈折率と略等しい事を特徴とする請求項１２に記載の半導体レーザ素子。
14. 前記クラッド層とは異なる材料からなる層の膜厚は、エッチング停止層を構成する最も屈折率の大きい層の膜厚と略等しい事を特徴とする請求項１２に記載の半導体レーザ素子。
15. 半導体基板と活性層との間に挟まれたクラッド層が、第１のクラッド層と、第２のクラッド層と、前記第１と第２のクラッド層の間に、挿入された積層体とを有し、且つ
    前記積層体が、前記第１と第２のクラッド層の屈折率より大きい屈折率を持ち且つ前記第１と第２のクラッド層とは異なる材料からなる電子のド・ブロイ波長以下の膜厚を持つ層と、前記第１または第２のクラッド層と略等しい屈折率を持つ層とが、交互に積層された積層体が、前記第１と第２のクラッド層の膜厚の合計以上の膜厚をもって挿入された構造であることを特徴とする半導体レーザ素子。
16. 前記積層体の前記第１と第２のクラッド層とは異なる材料からなる層が４個より多い事を特徴とする請求項１５に記載の半導体レーザ素子。

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