JP7458134B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

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Description

本開示は、半導体レーザ素子に関する。
従来、小型かつ高出力の光源として半導体レーザ素子が知られている。このような半導体レーザ素子の信頼性を確保するために、光出射端面付近に不純物拡散によりエネルギーバンドギャップが増大した窓領域を形成する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
国際公開第２０１９／０２６９５３号
特許文献１に開示された半導体レーザ素子においては、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層との屈折率の関係から、光強度分布をｎ型クラッド層の方へ偏らせることで、導波路損失の低減を図っている。しかしながら、特許文献１に開示された半導体レーザ素子においては、垂直拡がり角（半導体層の積層方向におけるレーザ光の拡がり角）の変化量に影響する高次モードの導波路損失も低減されるため、高次モードが混ざり合うことで垂直拡がり角の変化量が大きくなってしまうという問題がある。
本開示は、このような課題を解決するためになされたものであり、窓構造を有する半導体レーザ素子であって、垂直拡がり角特性の安定化を実現する半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様は、フロント側の端面及びリア側の端面との間で第１の方向においてレーザ光が共振する共振器を有する半導体レーザ素子であって、第１導電型半導体基板の上方に配置された第１導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層の上方に配置された第１ガイド層と、前記第１ガイド層の上方に配置された活性層と、前記活性層の上方に配置された第２導電型クラッド層とを備え、前記活性層の前記フロント側の端面及び前記リア側の端面の少なくとも一方を含む領域に窓領域が形成されており、前記第１導電型クラッド層は、Ａｌ組成比ｘの（ＡｌｘＧａ１－ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなり、前記第１ガイド層は、Ａｌ組成比ｙの（ＡｌｙＧａ１－ｙ）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなり、前記第２導電型クラッド層は、Ａｌ組成比ｚの（ＡｌｚＧａ１－ｚ）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなり、０＜ｘ－ｙ＜ｚ－ｙの関係が成り立ち、前記共振器の長さをＬとし、前記第１の方向における前記窓領域の長さをＤとすると、Ｄ／Ｌ＞０．０３の関係が成り立つ。
また本開示に係る半導体レーザ素子の一態様は、フロント側の端面及びリア側の端面との間で第１の方向においてレーザ光が共振する共振器を有する半導体レーザ素子であって、第１導電型半導体基板の上方に配置された第１導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層の上方に配置された第１ガイド層と、前記第１ガイド層の上方に配置された活性層と、前記活性層の上方に配置された第２導電型クラッド層とを備え、前記活性層の前記フロント側の端面及び前記リア側の端面の少なくとも一方を含む領域に窓領域が形成されており、前記第１導電型クラッド層は、Ａｌ組成比ｘの（ＡｌｘＧａ１－ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなり、前記第１ガイド層は、Ａｌ組成比ｙの（ＡｌｙＧａ１－ｙ）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなり、前記第２導電型クラッド層は、Ａｌ組成比ｚの（ＡｌｚＧａ１－ｚ）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなり、０＜ｘ－ｙ＜ｚ－ｙの関係が成り立ち、前記活性層に形成された前記窓領域は、前記窓領域以外における前記活性層のエネルギーバンドギャップより３０ｍｅＶ以上大きいエネルギーバンドギャップを有する安定窓領域を有し、前記共振器の長さをＬとし、前記第１の方向における前記安定窓領域の長さをＤ１とすると、Ｄ１／Ｌ＞０．０１の関係が成り立つ。
また本開示に係る半導体レーザ素子の一態様は、フロント側の端面及びリア側の端面との間で第１の方向においてレーザ光が共振する共振器を有する半導体レーザ素子であって、第１導電型半導体基板の上方に配置された第１導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層の上方に配置された第１ガイド層と、前記第１ガイド層の上方に配置された活性層と、前記活性層の上方に配置された第２導電型クラッド層とを備え、前記活性層の前記フロント側の端面及び前記リア側の端面の少なくとも一方を含む領域に窓領域が形成されており、前記第１ガイド層の屈折率は前記第１導電型クラッド層の屈折率より大きく、かつ、前記第１ガイド層の屈折率と前記第１導電型クラッド層の屈折率との差は、前記第１導電型クラッド層の屈折率と前記第２導電型クラッド層の屈折率との差より小さく、前記共振器の長さをＬとし、前記第１の方向における前記窓領域の長さをＤとすると、Ｄ／Ｌ＞０．０３の関係が成り立つ。
また本開示に係る半導体レーザ素子の一態様は、フロント側の端面及びリア側の端面との間で第１の方向においてレーザ光が共振する共振器を有する半導体レーザ素子であって、第１導電型半導体基板の上方に配置された第１導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層の上方に配置された第１ガイド層と、前記第１ガイド層の上方に配置された活性層と、前記活性層の上方に配置された第２導電型クラッド層とを備え、前記活性層の前記フロント側の端面及び前記リア側の端面の少なくとも一方を含む領域に窓領域が形成されており、前記第１ガイド層の屈折率は前記第１導電型クラッド層の屈折率より大きく、かつ、前記第１ガイド層の屈折率と前記第１導電型クラッド層の屈折率との差は、前記第１導電型クラッド層の屈折率と前記第２導電型クラッド層の屈折率との差より小さく、前記活性層に形成された前記窓領域は、前記窓領域以外における前記活性層のエネルギーバンドギャップより３０ｍｅＶ以上大きいエネルギーバンドギャップを有する安定窓領域を有し、前記共振器の長さをＬとし、前記第１の方向における前記安定窓領域の長さをＤ１とすると、Ｄ１／Ｌ＞０．０１の関係が成り立つ。
本開示によれば、窓構造を有する半導体レーザ素子であって、垂直拡がり角特性の光出力依存性が安定した半導体レーザ素子を提供できる。
図１は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の外観を模式的に示す斜視図である。 図２は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の構成を模式的に示す第１の断面図である。 図３は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の構成を模式的に示す第２の断面図である。 図４は、図３の一部拡大図である。 図５は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の半導体層形成工程の概要を示す基板の模式的な断面図である。 図６は、実施の形態１に係る窓領域の形成方法を示す基板及び半導体層の模式的な断面図である。 図７は、実施の形態１に係る導波路形成工程の概要を示す基板及び半導体層の模式的な断面図である。 図８は、実施の形態１に係る第１の保護膜形成工程の概要を示す基板及び半導体層の模式的な断面図である。 図９は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の層構造を示す表である。 図１０は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の積層方向に対する屈折率分布を示す図である。 図１１は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の積層方向に対する屈折率分布と光強度分布を示す図である。 図１２Ａは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の基本モードに対するｎ型クラッド層の膜厚と導波路損失の関係を示す図である。 図１２Ｂは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の高次モードに対するｎ型クラッド層の膜厚と導波路損失の関係を示す図である。 図１２Ｃは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子のｎ型クラッド層の膜厚と高次モードに対する基本モードの導波路損失の比の関係を示す図である。 図１３Ａは、比較例の半導体レーザ素子の水平拡がり角特性の光出力依存性を示す図である。 図１３Ｂは、比較例の半導体レーザ素子の垂直拡がり角特性の光出力依存性を示す図である。 図１４Ａは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の水平拡がり角特性の光出力依存性を示す図である。 図１４Ｂは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の垂直拡がり角特性の光出力依存性を示す図である。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、ステップ（工程）及びステップの順序などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺などは必ずしも一致していない。各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
また、本明細書において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」及び「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔をあけて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに接する状態で配置される場合にも適用される。
（実施の形態１）
［１－１．全体構成］
まず、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の全体構成について図１～図４を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１４の外観を模式的に示す斜視図である。図２は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１４の構成を模式的に示す第１の断面図である。図２には、図１のＩＩ－ＩＩ断面の導波路ＷＧ付近の拡大図が示される。図３は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１４の構成を模式的に示す第２の断面図である。図３には、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ断面が示される。図４は、図３の一部拡大図である。図４には、図３の破線枠ＩＶ部分の拡大図が示される。
図２に示されるように、半導体レーザ素子１４は、フロント側の端面及びリア側の端面との間で第１の方向においてレーザ光が共振する共振器を有する素子である。本実施の形態では、半導体レーザ素子１４は、基板２４と、基板２４の第１の面Ｐ１上に配置された、半導体層１００とを備える。半導体レーザ素子１４は、第１の保護膜１３１をさらに備える。
基板２４は、半導体レーザ素子１４の半導体層１００が積層される第１導電型半導体基板である。本実施の形態では、基板２４は、ＧａＡｓを含むｎ型半導体基板であり、より詳しくは、面方位が（１００）面から（０１１）面方向に向かって１０度傾斜しているｎ－ＧａＡｓ基板である。第１の面Ｐ１の面方位は、（０１１）面方向に向かって１０度傾斜した１０度オフされた（１００）面である。
半導体層１００は、基板２４側から順に積層されたｎ型層を含む第１半導体層３０、活性層４０、及び、ｐ型層を含む第２半導体層５０を有する。本実施の形態では、半導体層１００は、主に、基板２４の上方に配置された第１導電型クラッド層であるｎ型クラッド層３３と、ｎ型クラッド層３３の上方に配置された第１ガイド層であるｎ側光ガイド層３４と、ｎ側光ガイド層３４の上方に配置された活性層４０と、活性層４０の上方に配置された第２光ガイド層であるｐ側光ガイド層５１と、ｐ側光ガイド層５１の上方に配置された第２導電型クラッド層とを有する。本実施の形態では、第２導電型クラッド層は、活性層４０側から順に配置された下層であるｐ型第１クラッド層５２、及び、上層であるｐ型第２クラッド層５３及びｐ型第３クラッド層５４を含む。以下、第２導電型クラッド層をｐ型クラッド層とも称する。
図３に示されるように、半導体レーザ素子１４は、半導体層１００上に配置されたｐ側下部電極１５１及びｐ側上部電極１５２と、基板２４の半導体層１００が配置されていない側の面に配置されたｎ側電極１６０とを備える。
また、半導体レーザ素子１４の半導体層１００は、半導体層１００の層内方向に形成された導波路ＷＧを有する。つまり、導波路ＷＧは、半導体層１００の主面に平行な方向（つまり、基板２４の第１の面Ｐ１に平行な方向）に沿って形成される。本実施の形態では、半導体層１００には、リッジ構造を用いた導波路ＷＧが形成されている。導波路ＷＧは、図１に示されるように、第１の方向に延びる。
また、本実施の形態では、導波路ＷＧの幅は、例えば、２．５μｍ以上３．５μｍ以下程度である。導波路ＷＧの幅が広すぎると横モードが安定せず、キンク（つまり、半導体レーザ素子１４の供給電流の微小な変動に対して光出力が大幅に変動すること）が発生しやすくなる。一方、導波路ＷＧの幅が狭すぎると動作電圧が増大してしまい、発熱の影響で光出力が低下してしまう。
また、図３に示されるように、半導体レーザ素子１４の第１の方向の両端面は、劈開端面１２１である。二つの劈開端面１２１は、半導体レーザ素子１４の共振器面として機能する。つまり、二つの劈開端面１２１のうち、一方がフロント側の端面（つまり、レーザ光の主たる出射面である端面）として機能し、他方がリア側の端面（つまり、フロント側の端面よりレーザ光の出射量が少ない端面）として機能する。二つの劈開端面１２１には、反射率制御膜として機能する第２の保護膜１３２Ｆ及び１３２Ｒが形成されている。第２の保護膜１３２Ｆ及び１３２Ｒは、それぞれ共振器のフロント側及びリア側の反射率制御膜として機能するだけでなく、劈開端面１２１を保護する機能も有する。
また、図３及び図４に示されるように、半導体層１００は、導波路ＷＧの両端に形成された窓領域８０を有する。本実施の形態では、共振器面として機能する二つの劈開端面１２１の各々の近傍に、活性層４０における光吸収が抑制される窓領域８０が形成されている。
また、本実施の形態では、共振器の長さ（つまり、二つの劈開端面１２１間の距離）Ｌは、３００μｍ以下程度である。なお、共振器の長さＬの範囲は、２００μｍ以上であってもよい。
以下、半導体レーザ素子１４の各構成要素について説明する。
基板２４には、半導体層１００が積層される。基板２４の構成は、特に限定されない。本実施の形態では、上述のとおり基板２４は、ｎ－ＧａＡｓ基板である。また、基板２４のｎ型の不純物濃度は、後述するｎ型クラッド層３３のｎ型の不純物濃度より高い。
第１半導体層３０は、第１導電型層を含む半導体層である。第１半導体層３０の構成は、特に限定されない。本実施の形態では、図２に示されるように、第１半導体層３０は、ｎ型バッファ層３１と、ｎ型グレーディッドバッファ層３２と、ｎ型クラッド層３３と、ｎ側光ガイド層３４とを含む。
ｎ型バッファ層３１は、膜厚０．４μｍのｎ－ＧａＡｓ層である。
ｎ型グレーディッドバッファ層３２は、膜厚０．０７５μｍのＡｌｑＧａ１－ｑＡｓ層であり、Ａｌ組成比が積層方向において徐々に変化する。具体的には、ｎ型バッファ層３１との境界面からｎ型クラッド層３３との境界面にかけて、ｑ＝０．０５からｑ＝０．３５までｎ型グレーディッドバッファ層３２のＡｌ組成比が徐々に変化する。これにより、基板２４とｎ型クラッド層３３との間に生じるスパイク状のヘテロ障壁を平滑化できる。
ｎ型クラッド層３３は、Ａｌ組成比ｘの（ＡｌｘＧａ１－ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる。本実施の形態では、ｎ型クラッド層３３は、膜厚３．２μｍのｎ－（Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層である。
ｎ側光ガイド層３４は、Ａｌ組成比ｙの（ＡｌｙＧａ１－ｙ）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる。本実施の形態では、ｎ側光ガイド層３４は、膜厚０．０５μｍの（Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層である。
活性層４０は、半導体レーザ素子１４の発光部を形成する層である。活性層４０のフロント側の端面及びリア側の端面の少なくとも一方を含む領域に窓領域８０が形成されている。本実施の形態では、活性層４０のフロント側の端面及びリア側の端面の各々を含む領域に窓領域８０が形成されている。活性層４０の構成は、特に限定されない。本実施の形態では、活性層４０は、井戸層と障壁層とを有し、量子井戸構造を有する。量子井戸構造は、後述するｐ側光ガイド層５１とｎ側光ガイド層３４とに挟まれ、ＧａＡｓを含む１以上の井戸層と、ＡｌＧａＡｓを含む複数の障壁層とで形成される。活性層４０は、例えば、ｎ側光ガイド層３４側より、膜厚０．０２μｍのＡｌ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ障壁層４１と、膜厚０．００６５μｍのＧａＡｓ井戸層４２と、膜厚０．００４μｍのＡｌ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ障壁層４３と、膜厚０．００６５μｍのＧａＡｓ井戸層４４と、膜厚０．０２１μｍのＡｌ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ障壁層４５とを含む多重量子井戸活性層である（後述する図９参照）。なお、活性層４０は、ＧａＡｓ井戸層以外の井戸層を含んでもよい。
第２半導体層５０は、第１導電型層と異なる導電型の第２導電型層を含む半導体層である。第２半導体層５０の構成は、特に限定されない。本実施の形態では、図２に示されるように、第２半導体層５０は、ｐ側光ガイド層５１と、ｐ型第１クラッド層５２と、ｐ型第２クラッド層５３と、ｐ型第３クラッド層５４と、ｐ型中間層５５と、ｐ型グレーディッド中間層５６、ｐ型コンタクト層５７とを含む。
ｐ側光ガイド層５１は、ｐ型クラッド層と活性層４０との間に配置される第２ガイド層である。本実施の形態では、ｐ側光ガイド層５１は、膜厚０．１３μｍの（Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層である。
ｐ型第１クラッド層５２は、膜厚０．１７μｍのｐ－（Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層である。ｐ型第２クラッド層５３は、膜厚０．４μｍのｐ－（Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層である。ｐ型第３クラッド層５４は、膜厚０．６μｍのｐ－（Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層である。なお、ｐ型第１クラッド層５２、ｐ型第２クラッド層５３及びｐ型第３クラッド層５４は、それぞれ本実施の形態に係る第２導電型クラッド層（以下、ｐ型クラッド層とも称する）に含まれる層の一例である。
ｐ型中間層５５は、膜厚０．１０６μｍのｐ－（Ａｌ０．１Ｇａ０．９）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層である。ｐ型中間層５５のＡｌ組成比は、ｐ型第３クラッド層５４よりも低い。ｐ型グレーディッド中間層５６は、膜厚０．０５μｍのｐ－ＡｌｒＧａ１－ｒＡｓ層であり、Ａｌ組成比が積層方向において徐々に変化する。具体的には、ｐ型中間層５５との境界面からｐ型コンタクト層５７との境界面にかけて、ｒ＝０．５５からｒ＝０．０５までｐ型グレーディッド中間層５６のＡｌ組成比が徐々に変化する。ｐ型コンタクト層５７は、膜厚０．２３μｍのｐ－ＧａＡｓ層である。これにより、ｐ型中間層５５とｐ型コンタクト層５７との間に生じるスパイク状のヘテロ障壁を平滑化できる。
本実施の形態では、ｐ型クラッド層（つまり、ｐ型第１クラッド層５２、ｐ型第２クラッド層５３、及びｐ型第３クラッド層５４）は、上方の端面である上面５０ｔと、上面５０ｔから上方に突出し、第１の方向に延びるリッジ部５０ｒとを有する。リッジ部５０ｒは、第２半導体層５０の上面から二つの溝ＴＲを形成することによって形成される。つまり、二つの溝ＴＲの間にリッジ部５０ｒが形成される。溝ＴＲの底面が上面５０ｔである。
上面５０ｔにおいて、ｐ型クラッド層の下層であるｐ型第１クラッド層５２は、上層であるｐ型第２クラッド層５３及びｐ型第３クラッド層５４から露出する。
なお、上述したｎ型クラッド層３３及びｐ型クラッド層を含むクラッド層とは、半導体層１００の積層方向（つまり、基板２４の主面の法線方向）に光を閉じ込める機能を有する層であり、積層方向に閉じ込められる光に対する半導体レーザ素子１４の実効屈折率より低い屈折率を有し、かつ、０．１μｍより厚い膜厚を有する層である。なお、上述したｎ型バッファ層３１、ｎ型グレーディッドバッファ層３２及びｎ型クラッド層３３にドーピングされる材料（つまり、ｎ型の不純物）は、特に限定されず、Ｓｉ、Ｓｅ、Ｔｅなどを用いることができる。本実施の形態では、Ｓｉが用いられる。ｐ型第１クラッド層５２、ｐ型第２クラッド層５３、ｐ型第３クラッド層５４、ｐ型中間層５５、ｐ型グレーディッド中間層５６及びｐ型コンタクト層５７にドーピングされる材料（つまり、ｐ型の不純物）は、特に限定されず、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃを用いることができる。本実施の形態では、Ｚｎが用いられる。また、ｐ型コンタクト層５７においてのみＣが用いられてもよい。半導体レーザ素子１４の共振器の長さＬが短い場合には、動作電圧が増加するため、より高い不純物濃度でドーピング可能なＣを利用してもよい。これにより、動作電圧を低減できる。
第１の保護膜１３１は、上面５０ｔに配置された誘電体膜である。第１の保護膜１３１は、図２に示されるように導波路ＷＧを形成するリッジ部５０ｒの上部の一部及び側面、溝ＴＲ、両脇の平坦部とに形成される。リッジ部５０ｒの上部において、第１の保護膜１３１はリッジ部５０ｒを露出する開口部を有しており、図４に示されるように、窓領域８０を含む劈開端面１２１付近は第１の保護膜１３１に覆われている。第１の保護膜１３１は、誘電体膜であれば、特に限定されず、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５などを用いることができる。本実施の形態では、第１の保護膜１３１は、膜厚約１８０ｎｍのＳｉＮ膜である。この場合、上面５０ｔにおいて露出している下層であるｐ型第１クラッド層５２の屈折率より、第１の保護膜１３１の屈折率の方が低い。これにより、レーザ光を下層に閉じ込めることができる。
図２～図４に示されるｐ側下部電極１５１は、パターニングされた金属膜であり、本実施の形態では、半導体層１００側から順に積層された膜厚約５０ｎｍのＴｉ膜、膜厚約１５０ｎｍのＰｔ膜、及び、膜厚約５０ｎｍのＡｕ膜を含む。ｐ側下部電極１５１は、第１の保護膜１３１の開口部内でｐ型コンタクト層５７と接続される。
図３に示されるｐ側上部電極１５２は、本実施の形態では、２．０μｍ以上５．０μｍ以下の膜厚のＡｕ膜である。
図３に示されるｎ側電極１６０は、本実施の形態では、基板２４側から順に積層された膜厚９０ｎｍのＡｕＧｅ膜、膜厚２０ｎｍのＮｉ膜、膜厚５０ｎｍのＡｕ膜、膜厚１００ｎｍのＴｉ膜、膜厚５０ｎｍのＰｔ膜、膜厚５０ｎｍのＴｉ膜、膜厚１００ｎｍのＰｔ膜、及び、膜厚５００ｎｍのＡｕ膜を含む。
本実施の形態では、フロント側の劈開端面１２１に用いられる第２の保護膜１３２Ｆは、劈開端面１２１側から、膜厚５０ｎｍのＡｌ２Ｏ３膜及び膜厚５５ｎｍのＴａ２Ｏ５膜の組み合わせを１回又は複数回積層した誘電体多層膜である。また、リア側の劈開端面１２１に用いられる第２の保護膜１３２Ｒは、劈開端面１２１側から、膜厚λ／８ｎＡのＡｌ２Ｏ３膜、膜厚λ／８ｎＳのＳｉＯ２膜、膜厚λ／４ｎＴのＴａ２Ｏ５膜を順次積層した後、さらに、膜厚λ／４ｎＳのＳｉＯ２膜と膜厚λ／４ｎＴのＴａ２Ｏ５膜との組み合わせを複数回積層した誘電体多層膜である。なお、λは、半導体レーザ素子１４の発振波長を示し、ｎＡ、ｎＴ、ｎＳはそれぞれ、Ａｌ２Ｏ３膜、Ｔａ２Ｏ５膜、ＳｉＯ２膜の波長λの光に対する屈折率を示す。本実施の形態では、λは、約８６０ｎｍであり、劈開端面１２１側から膜厚６５ｎｍのＡｌ２Ｏ３膜、膜厚７４ｎｍのＳｉＯ２膜、膜厚１０２ｎｍのＴａ２Ｏ５膜を順次積層した後、さらに、膜厚１４７ｎｍのＳｉＯ２膜と膜厚１０２ｎｍのＴａ２Ｏ５膜との組み合わせを複数回積層している。
窓領域８０は、Ｚｎなどの窓領域形成用不純物の拡散によって形成される。窓領域８０は、窓領域形成用不純物を半導体レーザ素子１４の劈開端面１２１近傍の半導体層１００に拡散させることにより、活性層４０のエネルギーバンドギャップを拡大させた領域である。
窓領域８０は、活性層４０の量子井戸構造が無秩序化されたことにより形成されている。つまり、量子井戸構造のうち、劈開端面１２１近傍の一部は無秩序化された領域である。量子井戸構造が無秩序化された窓領域の例として、窓領域以外の活性層４０が、組成がＡｌｈ１Ｇａ（１－ｈ１－ｉ１）Ｉｎｉ１Ａｓである井戸層と組成がＡｌｊ１Ｇａ（１－ｉ１－ｋ１）Ｉｎｋ１Ａｓである障壁層とからなり、窓領域の活性層４０が、組成がＡｌｈ２Ｇａ（１－ｈ２－ｉ２）Ｉｎｉ２Ａｓである井戸層と組成がＡｌｊ２Ｇａ（１－ｊ２－ｋ２）Ｉｎｋ２Ａｓである障壁層とからなる場合、窓領域以外における井戸層と障壁層との組成比差ｊ１－ｈ１及びｉ１－ｋ１より、窓領域における井戸層と障壁層との組成比差ｊ２－ｈ２及びｉ２－ｋ２の方が小さい。すなわちｊ１－ｈ１＞ｊ２－ｈ２又はｉ１－ｋ１＞ｉ２－ｋ２の関係が成り立つ。あるいは、量子井戸構造が無秩序化された窓領域の他の例として、窓領域の組成が、窓領域以外の井戸層と障壁層の平均組成となっている場合であってもよい。
本実施の形態では、共振器のフロント側及びリア側で、窓領域８０の長さ（窓領域８０の第１の方向における長さ）が異なる。例えば、フロント側の窓領域の長さＤは１０μｍ以上２０μｍ以下であり、リア側の窓領域の長さは７μｍ以上１７μｍ以下である。このように、光密度の高いフロント側の方が窓領域の長さが大きい。これにより、半導体レーザ素子１４の端面破壊を低減できる。窓領域の長さＤは、第１の方向における劈開端面１２１からＺｎが拡散した領域端部までの距離である。なお、共振器の長さＬに対するフロント側の窓領域の長さＤの比Ｄ／Ｌは、０．０３より大きい。なお、比Ｄ／Ｌは、０．１より小さくてもよい。なお、活性層４０に形成された窓領域８０（つまり、活性層４０と同一層内における窓領域８０）は、活性層４０のエネルギーバンドギャップより３０ｍｅＶ以上大きいエネルギーバンドギャップを有する安定窓領域と、エネルギーバンドギャップが連続的に変化する遷移領域とを有する。劈開端面１２１側から、第１の方向に沿って安定窓領域及び遷移領域が順に配置される。安定窓領域の長さＤ１は、第１の方向における、劈開端面１２１から、安定窓領域の端部までの距離であり、おおよそ、活性層４０と同一層内においてＺｎが拡散した領域の長さに等しい。遷移領域の長さＤ２は、第１の方向における安定窓領域と遷移領域との境界からＺｎが拡散した領域端部までの距離である。なお、フロント側の安定窓領域の長さＤ１の遷移領域の長さＤ２に対する比Ｄ１／Ｄ２は、３．０より小さい。なお、比Ｄ１／Ｄ２は、１．０より大きくてもよい。また、共振器の長さＬに対するフロント側の安定窓領域の長さＤ１の比Ｄ１／Ｌは、０．０１より大きい。なお、比Ｄ１／Ｌは、０．０８より小さくてもよい。本実施の形態では、フロント側の安定窓領域の長さＤ１は１０μｍであり、遷移領域の長さＤ２は５μｍであり、リア側の安定窓領域の長さＤ１は７μｍであり、遷移領域の長さＤ２は５μｍである。
不純物拡散により形成する窓構造において、不純物拡散は等方的に進行するため、不純物拡散領域を１０μｍ以下の狭小領域に収めようとすると（つまり、窓領域の長さＤを１０μｍ以下に収めようとすると）、エネルギーバンドギャップを十分に拡大できず、端面劣化の抑制効果が得られない。このため、半導体レーザ素子の駆動中に端面の劣化が進行してしまうという問題がある。
以上のように、本実施の形態では、半導体レーザ素子１４は、半導体層１００が積層され、ＧａＡｓを含む基板を備える。また、半導体層１００は、基板２４上に順次形成されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰを含むｎ型クラッド層３３と、ｎ側光ガイド層３４と、量子井戸構造を有する活性層４０と、ｐ側光ガイド層５１と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰを含むｐ型クラッド層とを有する。窓領域８０は、活性層４０の量子井戸構造の一部が無秩序化された領域を含む。
［１－２．半導体レーザ素子の製造方法］
次に、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法について説明する。本実施の形態では、半導体レーザ素子の一例として上述した半導体レーザ素子の製造方法の各工程について説明する。
［１－２－１．半導体層形成工程］
本実施の形態に係る半導体層形成工程について図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１４の半導体層形成工程の概要を示す基板２４の模式的な断面図である。後述する劈開工程までは、ウエハ基板上に複数の半導体レーザ素子の各要素を形成することになるが、個片化前のウエハ基板には個片化後の基板２４と同じ符号を付して説明する。
図５に示されるように、まず、第１の面Ｐ１及び第２の面Ｐ２を有する基板２４を用意し、基板２４の第１の面Ｐ１に、活性層４０を含む半導体層１００を形成する。半導体層１００を構成する各層は、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって積層される。本実施の形態では、半導体層１００として、基板２４側から順に、第１導電型層を含む第１半導体層３０、活性層４０、及び、第２導電型層を含む第２半導体層５０が形成される。
続いて、本実施の形態では、半導体レーザ素子の共振器面近傍の領域にいわゆる窓領域を形成する。以下、窓領域の形成方法について、図６を用いて説明する。図６は、本実施の形態に係る窓領域８０の形成方法を示す基板２４及び半導体層１００の模式的な断面図である。図６には、基板２４及び半導体層１００の第１の方向及び積層方向に沿った断面が示されている。
例えば、図６に示されるように、第２半導体層５０に含まれるｐ型コンタクト層上にＺｎを熱拡散させることによって窓領域８０を形成してもよい。具体的には、ｐ型コンタクト層５７の上方に、拡散源となるＺｎＯ膜、及び、Ｚｎが蒸発するのを抑制するＳｉＮ膜やＳｉＯ膜を順次形成し、熱処理によりＺｎを半導体層１００の共振器面近傍に拡散させることにより、活性層４０のエネルギーバンドギャップを拡大させる。これにより、活性層４０における光吸収が抑制される窓領域８０を形成できる。このような窓領域８０を形成することで、半導体レーザ素子１４の共振器面近傍における劣化を抑制できる。
［１－２－２．導波路形成工程］
次に、導波路形成工程について図７を用いて説明する。図７は、本実施の形態に係る導波路形成工程の概要を示す基板２４及び半導体層１００の模式的な断面図である。図７には、基板２４及び半導体層１００の第１の方向に垂直な断面が示されている。
図７に示されるように、基板２４に形成された第２半導体層５０に、図７の紙面に垂直な方向に延びる複数対の溝ＴＲを形成することにより、一対の溝ＴＲの間に形成されたリッジ部５０ｒ（図２参照）を用いた導波路ＷＧを形成する。このように、半導体層１００には、第１の方向に延びる複数の導波路ＷＧが形成される。溝ＴＲの幅は、例えば、１３μｍ程度であり、導波路ＷＧの幅（つまり、リッジ部５０ｒの幅）は、例えば、３μｍ程度である。この構造においてｐ型コンタクト層５７から注入された電流はリッジ部５０ｒにのみ流れ、活性層４０のうちリッジ部５０ｒの下方に位置する部分に集中して電流注入され、レーザ発振に必要な反転分布が少ない注入電流により実現される。
導波路ＷＧの形成方法は、特に限定されない。本実施の形態では、リッジ部５０ｒを形成するために、フォトリソグラフィー技術を用いてＳｉＯ２などでマスクを形成する。続いて、ドライエッチングなどの非選択的エッチングにより溝ＴＲの形成、つまり、リッジ部５０ｒの形成を行う。このとき、ドライエッチングは、ｐ型コンタクト層５７、ｐ型グレーディッド中間層５６、ｐ型中間層５５、ｐ型第３クラッド層５４、及びｐ型第２クラッド層５３に対して行い、ｐ型第２クラッド層５３は完全に除去せずに途中まで除去する。
次に、ＳｉＯ２などからなる保護膜をリッジ部５０ｒが形成された半導体層１００の上面全体に形成する。なお、このＳｉＯ２保護膜は導波路ＷＧ形成時にマスクとして使用される膜である。
次に、ドライエッチングにより、溝ＴＲの底部のみＳｉＯ２保護膜を除去する。このとき、リッジ部５０ｒの側壁及び上部はＳｉＯ２保護膜によって覆われている。
続いて、ウェットエッチングなどの選択的エッチングにより、ＳｉＯ２保護膜に覆われていない溝ＴＲの底部のみｐ型第２クラッド層５３を完全に除去する。これにより、溝ＴＲの底部にはｐ型第１クラッド層５２が露出することになる。その後、ＳｉＯ２保護膜はウェットエッチングなどで除去する。以上のように、半導体層１００に導波路ＷＧを形成することができる。
ここで、本実施の形態で採用し得る上記ドライエッチング技術は、異方性のプラズマエッチングであればよい。ドライエッチングとして、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）又はエレクトロン・サイクロトロン・レゾナンス（ＥＣＲ）プラズマを用いた方法などが挙げられる。
また、エッチングガスとしては、ＳｉＣｌ４とＡｒとの混合ガスなどが用いられるが、ＳｉＣｌ４の代わりに、塩素ガス、三塩化ホウ素ガスなどを用いてもよい。
本実施の形態では、ドライエッチング技術はＩＣＰ法で、エッチングガスとしてＳｉＣｌ４とＡｒとの混合ガスを用いている。エッチング条件として、混合ガス中のＳｉＣｌ４の体積含有率は５％以上１２％以下、半導体基板を設置する下部電極の温度は１５０℃以上２００℃以下、チャンバー内圧力は０．１Ｐａ以上１Ｐａ以下、下部電極のバイアスパワーは５０Ｗ以上１５０Ｗ以下、ＩＣＰパワーは２００Ｗ以上３００Ｗ以下とすることができるが、これに限るものではなく、適宜選定すればよい。
［１－２－３．第１の保護膜形成工程］
次に、第１の保護膜形成工程について図８を用いて説明する。
図８は、本実施の形態に係る第１の保護膜形成工程の概要を示す基板２４及び半導体層１００の模式的な断面図である。図８は、図７に示される破線枠ＶＩＩＩ内の領域における第１の保護膜形成工程を示す拡大図である。図８に示されるように、第１の保護膜１３１は、リッジ部５０ｒの上部の一部以外の半導体層１００に形成される。第１の保護膜１３１が形成されないリッジ部５０ｒの上部の一部は後に形成されるｐ側下部電極１５１と接続される領域となる。
第１の保護膜１３１の形成方法は、特に限定されない。本実施の形態では、リッジ部５０ｒの上部の一部及び側面、溝ＴＲ、上面５０ｔ（つまり、リッジ部５０ｒの両脇の平坦部）に、ＳｉＮからなる第１の保護膜１３１を約１８０ｎｍ成膜する。
第１の保護膜１３１は、ｐ型クラッド層よりも屈折率が低いため、水平方向にレーザ光を閉じ込めることができる。また、第１の保護膜１３１は、レーザ光に対して透明であるため、光吸収を低減できる。したがって、低損失の導波路ＷＧを実現できる。
［１－２－４．電極形成工程］
次に、電極形成工程について説明する。本工程で形成される電極は、本実施の形態に係る製造方法によって製造される半導体レーザ素子に電力を供給するためのｐ側電極、及びｎ側電極である。
ｐ側下部電極１５１は、リッジ部５０ｒの上部、及び溝ＴＲを含む半導体層１００の上部に形成される。また、ｐ側下部電極１５１の上にｐ側上部電極１５２が形成される。ｐ側下部電極１５１は、リッジ部５０ｒ上に設けられた第１の保護膜１３１の開口部を介して第２半導体層５０と接続される。
ｐ側下部電極１５１及びｐ側上部電極１５２の構成及び形成方法は、特に限定されない。本実施の形態では、フォトリソグラフィーによりレジストでマスクし、ウェットエッチングによる前処理の後、蒸着法にてＴｉ膜、Ｐｔ膜、及び、Ａｕ膜を順次成膜することでｐ側下部電極１５１を形成する。
次に、フォトリソグラフィーによりｐ側上部電極１５２用のパターンをレジストマスクで形成し、電界めっき法により２．０μｍ以上５．０μｍ以下の膜厚のＡｕ膜を成膜する。次にリフトオフ法によりレジストを除去することによって、パターニングされたｐ側上部電極１５２を形成する。
次に、基板２４の第２の面Ｐ２からｐ側上部電極１５２までの厚みが約１００μｍになるまで基板２４を研磨する。続いて、フォトリソグラフィーにより第２の面Ｐ２（つまり、基板２４の研磨された面）にレジストマスクを形成し、ウェットエッチングによる前処理の後、蒸着法にて、ＡｕＧｅ膜、Ｎｉ膜、Ａｕ膜、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜、及び、Ａｕ膜を順次成膜する。続いてリフトオフ法によりレジストを除去することによってパターニングされたｎ側電極１６０を形成する。
以上の工程により、半導体層１００、ｐ側下部電極１５１、ｐ側上部電極１５２、及びｎ側電極１６０が積層された基板２４が形成される。
［１－２－５．劈開工程］
次に、劈開工程について説明する。本工程では、上述した工程によって形成された半導体層１００が積層された基板２４を、半導体レーザ素子１４の共振器面に相当する面で劈開する。つまり、図３に示されるように、窓領域８０が共振器面に配置されるように、基板２４を劈開する。これにより、半導体層１００が形成されたウエハ基板から半導体層１００が形成されたバー状の基板を形成できる。
［１－２－６．第２の保護膜形成工程］
次に、第２の保護膜形成工程について説明する。本工程では、上記劈開工程において形成した劈開端面１２１に、ＥＣＲ化学気相蒸着法などで、第２の保護膜１３２Ｆ及び１３２Ｒを形成する。なお第２の保護膜１３２Ｆ及び１３２Ｒの構成及び形成方法は、特に限定されない。
第２の保護膜１３２Ｆ及び１３２Ｒにおけるレーザ光の反射率は、フロント側の第２の保護膜１３２Ｆで３０％程度、リア側の第２の保護膜１３２Ｒで９０％以上である。さらに、上記工程で形成されたバー状の基板をチップ状に分割することで、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１４を形成できる。
［１－３．半導体レーザ素子の作用及び効果］
次に、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１４の作用及び効果について図９～図１４Ｂを用いて説明する。
図９は本実施の形態に係る半導体レーザ素子１４の層構造を示す表である。図１０は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１４の積層方向に対する屈折率分布を示す図である。図９に示されるように本実施の形態に係る半導体レーザ素子において、ｎ型クラッド層３３は（ＡｌｘＧａ１－ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなり、ｎ側光ガイド層３４は（ＡｌｙＧａ１－ｙ）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなり、ｐ型クラッド層のＡｌ組成比ｚが（ＡｌｚＧａ１－ｚ）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるとき、０＜ｘ－ｙ＜ｚ－ｙの関係が成り立つ。これにより、半導体レーザ素子１４の積層方向に対する屈折率分布は図１０に示されるようになる。すなわち、ｎ側光ガイド層３４の屈折率（３．２４７６）はｎ型クラッド層３３の屈折率（３．２１４１）より大きく、かつ、ｎ側光ガイド層３４の屈折率とｎ型クラッド層３３の屈折率との差は、ｎ型クラッド層３３の屈折率とｐ型クラッド層の屈折率（３．１４１６）との差より小さくなる。なお、ここで、ｐ型クラッド層のＡｌ組成比及び屈折率は、それぞれ、ｐ型第１クラッド層５２、ｐ型第２クラッド層５３、及びｐ型第３クラッド層５４の平均Ａｌ組成比及び平均屈折率で定義できる。
図１１は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１４の積層方向に対する屈折率分布と光強度分布の関係を示す図である。半導体層１００各層のＡｌ組成比の関係に対応する屈折率の関係から、光強度分布は活性層４０より基板２４側に偏る。光強度分布には基本モードと高次モードとが含まれ、基本モードより高次モードの方が光強度分布の寸法が大きい。また、基板２４の不純物濃度は、ｎ型クラッド層３３の不純物濃度より高いため、基板２４において、ｎ型クラッド層３３より光の吸収が大きくなる。したがって、基板２４で基本モードより高次モードの方が導波路損失が大きくなる。この結果、高次モードの発振を低減できる。このように、レーザ光の垂直拡がり角に影響を与える高次モードの発振を低減できるため、垂直拡がり角の変動を抑制できる。
さらに、ｐ型第１クラッド層５２のＡｌ組成比が（ＡｌｗＧａ１－ｗ）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなり、ｘ－ｙ＜ｗ－ｘかつｗ＜ｚの関係が成り立つ場合、ｎ側光ガイド層３４の屈折率とｎ型クラッド層３３の屈折率との差は、ｎ型クラッド層３３の屈折率とｐ型第１クラッド層５２の屈折率（３．１７９９）との差より小さく、かつ、ｐ型第１クラッド層５２の屈折率は、ｐ型クラッド層の屈折率より大きい。これにより、光強度分布の中心を活性層４０に寄せ、光の閉じ込め率を上げることができるため、基本モード及び高次モードの導波路損失の増大による動作電流の増加及び光出力の低下を抑制することができる。
図１２Ａ～図１２Ｃは、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１４のｎ型クラッド層３３の膜厚と導波路損失との関係を示す図である。図１２Ａ及び図１２Ｂには、それぞれ、基本モード及び高次モードの導波路損失のシミュレーション結果が示されている。図１２Ｃには、高次モードの導波路損失に対する基本モードの導波路損失の比のシミュレーション結果が示されている。本実施の形態に係る半導体レーザ素子１４においては共振器の長さＬが３００μｍ以下であるため、高次モードをカットオフするためにリッジ幅（言い換えると、ストライプ幅）を縮小すると、動作電圧が上昇し発熱量が増大する。これにより光出力が低下するため、リッジ幅の縮小による高次モードの低減は困難である。図１２Ａ、及び図１２Ｂに示すように、ｎ型クラッド層３３の膜厚を薄くすると基本モードも高次モードも導波路損失が増大するが、図１２Ｃに示すように基本モードの高次モードに対する導波路損失の比はｎ型クラッド層３３の膜厚が１．５μｍ以上４．０μｍ以下の範囲において、１未満になる。つまり、高次モードの方が基本モードより導波路損失が大きくなる。したがって、ｎ型クラッド層３３の膜厚を薄くすることで、高次モードの発振を低減し、垂直拡がり角の変動を抑制できる。
ｎ型クラッド層３３の膜厚を薄くしていくことで、光強度分布の基板２４側への偏りが更に大きくなり、ｎ型クラッド層３３よりも高い不純物濃度を有する基板２４での光の吸収が大きくなるため、導波路損失は大きくなる。光出力の低下を極力抑えたうえで、垂直拡がり角特性の安定化を図るため、ｎ型クラッド層３３の厚さは、ｐ型クラッド層の厚さより厚く、４．０μｍ以下としてもよい。本実施の形態ではｎ型クラッド層３３の膜厚は３．２μｍ、最大不純物濃度は７．５×１０１７ｃｍ－３であり、基板２４の不純物濃度は、８．０×１０１７ｃｍ－３以上２×１０１８ｃｍ－３以下の範囲とした。また、第１の保護膜１３１は、ｐ型第１クラッド層５２及びｐ型第２クラッド層５３よりも屈折率が低いため、ｐ型第２クラッド層５３からｐ型第１クラッド層５２が露出しているリッジ脇の溝ＴＲの部分においては、基板２４側への光強度分布の拡がりがリッジ直下よりも大きくなり、リッジ部５０ｒの直下における高次モードの導波路損失よりもリッジ脇における高次モードの導波路損失の方が増大される。この結果、高次モードの発振を低減し、垂直拡がり角の変動をさらに抑制できる。
また、障壁層の屈折率（３．２１０７）より、ｎ型クラッド層３３の屈折率（３．２１４１）の方が大きい。この結果、光強度分布の基板２４側への偏りがさらに大きくなり、高次モードの発振を低減し、垂直拡がり角の変動をさらに抑制できる。
なお、同じＧａＡｓで構成された活性層４０内の井戸層では注入電流により反転分布が形成されており、吸収より誘導放出の方が優先される。
図１３Ａ及び図１３Ｂは、それぞれ、比較例の半導体レーザ素子の水平拡がり角特性及び垂直拡がり角特性の光出力依存性を示す図である。比較例の半導体レーザ素子は、ｎ型クラッド層の膜厚が４．０μｍより大きい点において、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１４と相違し、その他の点において一致する。図１３Ａ及び図１３Ｂに示されるように、比較例の半導体レーザ素子においては、水平拡がり角特性は単調増加傾向にあるが、垂直拡がり角特性は２０ｍＷから４０ｍＷまでの間で減少し、その後増加する。また垂直拡がり角の変化量は３．０°より大きい。
図１４Ａ及び図１４Ｂは、それぞれ、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１４の水平拡がり角特性及び垂直拡がり角特性の光出力依存性を示す図である。本実施の形態に係る半導体レーザ素子１４においては、水平拡がり角特性は、比較例と同じく単調増加の傾向を示している。また、レーザ光の出力が１から６５ｍＷまで連続的に変化する間において、垂直拡がり角特性の変化量は、１．０°以下にまで抑制されている。
（実施の形態２）
実施の形態２に係る半導体レーザ素子について説明する。本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、ｎ型クラッド層３３の構成において、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１４と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体レーザ素子について実施の形態１に係る半導体レーザ素子１４との相違点を中心に説明する。
本開示に係る半導体レーザ素子において、ｎ型クラッド層３３のＡｌ組成比は、実施の形態１に係るｎ型クラッド層３３のＡｌ組成比に限定されない。ｎ型クラッド層３３のＡｌ組成比を、変化させることで、垂直拡がり角の大きさを調整することが可能である。例えば、ｎ型クラッド層３３のＡｌ組成比を０．１以上０．２以下の範囲で変化させることができる。本実施の形態では、ｎ型クラッド層３３を、ｎ－（Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層（屈折率３．２１０８）で構成した。
このような構成を有する半導体レーザ素子においても、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１４と同様の効果が得られる。
（変形例など）
以上、本開示に係る半導体レーザ素子について、各実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記各実施の形態に限定されるものではない。
例えば、上記各実施の形態では、ｎ型クラッド層３３、ｎ側光ガイド層３４、ｐ側光ガイド層５１のそれぞれにおいて、Ａｌ組成比及び屈折率は、実質的に一様であるが、一様でなくてもよい。例えば、上記各層は、組成が互いに異なる複数の層で構成されてもよい。この場合、上記各層のＡｌ組成比及び屈折率は、それぞれ、層内全体の平均Ａｌ組成比及び平均屈折率で定義されてもよい。
また、上記各実施の形態では、ｐ型クラッド層は、複数の層で構成されたが、ｐ型クラッド層は、組成が一様な単一の層で構成されてもよい。
また、上記各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で上記各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
本開示に係る半導体レーザ素子は、垂直拡がり角特性の光出力による変動を抑制できるため、レーザ素子を光源とした光学系の設計を必要とする各種光源において特に利用可能である。
１４ 半導体レーザ素子
２４ 基板
３０ 第１半導体層
３１ ｎ型バッファ層
３２ ｎ型グレーディッドバッファ層
３３ ｎ型クラッド層
３４ ｎ側光ガイド層
４０ 活性層
４１、４３、４５ 障壁層
４２、４４ 井戸層
５０ 第２半導体層
５０ｒ リッジ部
５０ｔ 上面
５１ ｐ側光ガイド層
５２ ｐ型第１クラッド層
５３ ｐ型第２クラッド層
５４ ｐ型第３クラッド層
５５ ｐ型中間層
５６ ｐ型グレーディッド中間層
５７ ｐ型コンタクト層
８０ 窓領域
１００ 半導体層
１２１ 劈開端面
１３１ 第１の保護膜
１３２Ｆ、１３２Ｒ 第２の保護膜
１５１ ｐ側下部電極
１５２ ｐ側上部電極
１６０ ｎ側電極
Ｐ１ 第１の面
Ｐ２ 第２の面
ＴＲ 溝
ＷＧ 導波路

Claims (16)

  1. フロント側の端面及びリア側の端面との間で第１の方向においてレーザ光が共振する共振器を有する半導体レーザ素子であって、
    第１導電型半導体基板の上方に配置された第１導電型クラッド層と、
    前記第１導電型クラッド層の上方に配置された第１ガイド層と、
    前記第１ガイド層の上方に配置された活性層と、
    前記活性層の上方に配置された第２導電型クラッド層とを備え、
    前記活性層の前記フロント側の端面及び前記リア側の端面の少なくとも一方を含む領域に窓領域が形成されており、
    前記第１導電型クラッド層は、Ａｌ組成比ｘの（ＡｌｘＧａ１－ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなり、
    前記第１ガイド層は、Ａｌ組成比ｙの（ＡｌｙＧａ１－ｙ）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなり、
    前記第２導電型クラッド層は、Ａｌ組成比ｚの（ＡｌｚＧａ１－ｚ）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなり、
    ０＜ｘ－ｙ＜ｚ－ｙの関係が成り立ち、
    前記共振器の長さをＬとし、前記第１の方向における前記窓領域の長さをＤとすると、Ｄ／Ｌ＞０．０３の関係が成り立ち、
    前記第２導電型クラッド層は、前記活性層側から順に配置された下層及び上層を含み、
    前記下層は、Ａｌ組成比ｗの（Ａｌ ｗ Ｇａ １－ｗ ） ０．５ Ｉｎ ０．５ Ｐからなり、
    ｘ－ｙ＜ｗ－ｘかつｗ＜ｚの関係が成り立つ
    半導体レーザ素子。
  2. フロント側の端面及びリア側の端面との間で第１の方向においてレーザ光が共振する共振器を有する半導体レーザ素子であって、
    第１導電型半導体基板の上方に配置された第１導電型クラッド層と、
    前記第１導電型クラッド層の上方に配置された第１ガイド層と、
    前記第１ガイド層の上方に配置された活性層と、
    前記活性層の上方に配置された第２導電型クラッド層とを備え、
    前記活性層の前記フロント側の端面及び前記リア側の端面の少なくとも一方を含む領域に窓領域が形成されており、
    前記第１導電型クラッド層は、Ａｌ組成比ｘの（ＡｌｘＧａ１－ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなり、
    前記第１ガイド層は、Ａｌ組成比ｙの（ＡｌｙＧａ１－ｙ）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなり、
    前記第２導電型クラッド層は、Ａｌ組成比ｚの（ＡｌｚＧａ１－ｚ）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなり、
    ０＜ｘ－ｙ＜ｚ－ｙの関係が成り立ち、
    前記窓領域は、前記窓領域以外における前記活性層のエネルギーバンドギャップより３０ｍｅＶ以上大きいエネルギーバンドギャップを有する安定窓領域を有し、
    前記共振器の長さをＬとし、前記第１の方向における前記安定窓領域の長さをＤ１とすると、Ｄ１／Ｌ＞０．０１の関係が成り立ち、
    前記第２導電型クラッド層は、前記活性層側から順に配置された下層及び上層を含み、
    前記下層は、Ａｌ組成比ｗの（Ａｌ ｗ Ｇａ １－ｗ ） ０．５ Ｉｎ ０．５ Ｐからなり、
    ｘ－ｙ＜ｗ－ｘかつｗ＜ｚの関係が成り立つ
    半導体レーザ素子。
  3. フロント側の端面及びリア側の端面との間で第１の方向においてレーザ光が共振する共振器を有する半導体レーザ素子であって、
    第１導電型半導体基板の上方に配置された第１導電型クラッド層と、
    前記第１導電型クラッド層の上方に配置された第１ガイド層と、
    前記第１ガイド層の上方に配置された活性層と、
    前記活性層の上方に配置された第２導電型クラッド層とを備え、
    前記活性層の前記フロント側の端面及び前記リア側の端面の少なくとも一方を含む領域に窓領域が形成されており、
    前記第１ガイド層の屈折率は前記第１導電型クラッド層の屈折率より大きく、かつ、前記第１ガイド層の屈折率と前記第１導電型クラッド層の屈折率との差は、前記第１導電型クラッド層の屈折率と前記第２導電型クラッド層の屈折率との差より小さく、
    前記共振器の長さをＬとし、前記第１の方向における前記窓領域の長さをＤとすると、Ｄ／Ｌ＞０．０３の関係が成り立ち、
    前記第２導電型クラッド層は、前記活性層側から順に配置された下層及び上層を含み、
    前記第１ガイド層の屈折率と前記第１導電型クラッド層の屈折率との差は、前記第１導電型クラッド層の屈折率と前記下層の屈折率との差より小さく、かつ、前記下層の屈折率は、前記第２導電型クラッド層の屈折率より大きい
    半導体レーザ素子。
  4. フロント側の端面及びリア側の端面との間で第１の方向においてレーザ光が共振する共振器を有する半導体レーザ素子であって、
    第１導電型半導体基板の上方に配置された第１導電型クラッド層と、
    前記第１導電型クラッド層の上方に配置された第１ガイド層と、
    前記第１ガイド層の上方に配置された活性層と、
    前記活性層の上方に配置された第２導電型クラッド層とを備え、
    前記活性層の前記フロント側の端面及び前記リア側の端面の少なくとも一方を含む領域に窓領域が形成されており、
    前記第１ガイド層の屈折率は前記第１導電型クラッド層の屈折率より大きく、かつ、前記第１ガイド層の屈折率と前記第１導電型クラッド層の屈折率との差は、前記第１導電型クラッド層の屈折率と前記第２導電型クラッド層の屈折率との差より小さく、
    前記窓領域は、前記窓領域以外における前記活性層のエネルギーバンドギャップより３０ｍｅＶ以上大きいエネルギーバンドギャップを有する安定窓領域を有し、
    前記共振器の長さをＬとし、前記第１の方向における前記安定窓領域の長さをＤ１とすると、Ｄ１／Ｌ＞０．０１の関係が成り立ち、
    前記第２導電型クラッド層は、前記活性層側から順に配置された下層及び上層を含み、
    前記第１ガイド層の屈折率と前記第１導電型クラッド層の屈折率との差は、前記第１導電型クラッド層の屈折率と前記下層の屈折率との差より小さく、かつ、前記下層の屈折率は、前記第２導電型クラッド層の屈折率より大きい
    半導体レーザ素子。
  5. 前記第２導電型クラッド層は、上方の端面である上面と、前記上面から上方に突出し、前記第１の方向に延びるリッジ部とを有する
    請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  6. 前記上面において、前記下層は前記上層から露出する
    請求項５に記載の半導体レーザ素子。
  7. 前記上面に配置された誘電体膜をさらに備え、
    前記下層の屈折率より、前記誘電体膜の屈折率の方が低い
    請求項６に記載の半導体レーザ素子。
  8. 前記活性層は、井戸層と障壁層とを有し、
    前記窓領域以外における前記井戸層と前記障壁層との組成比差より、前記窓領域における前記井戸層と前記障壁層の組成比差の方が小さい
    請求項１～７のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  9. 前記障壁層の屈折率より、前記第１導電型クラッド層の屈折率の方が大きい
    請求項８に記載の半導体レーザ素子。
  10. 前記活性層の前記フロント側の端面及び前記リア側の端面の他方を含む領域に前記窓領域が形成されている
    請求項１～９のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  11. 前記フロント側の端面から前記レーザ光が出射され、
    前記窓領域は、前記フロント側の端面を含む領域に形成され、
    前記レーザ光の出力が１ｍＷから６５ｍＷまで連続的に変化する間において、前記活性層の積層方向における前記レーザ光の垂直拡がり角の変化量は、１°以下である
    請求項１～１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  12. 前記第１導電型クラッド層の厚さは、前記第２導電型クラッド層の厚さより厚く、４．０μｍ以下である
    請求項１～１１のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  13. 前記共振器の長さは、３００μｍ以下である
    請求項１～１２のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  14. 前記第１導電型半導体基板は、ＧａＡｓを含む
    請求項１～１３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  15. 前記第１導電型半導体基板の不純物濃度は、前記第１導電型クラッド層の不純物濃度より高い
    請求項１～１４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  16. 前記第２導電型クラッド層と前記活性層との間に配置される第２ガイド層を備える
    請求項１～１５のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
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