JP3998492B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体レーザ素子に関し、特に、ＡｌＧａＩｎＰ系高出力赤色半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、記録可能なＤＶＤシステムなどに応用可能な半導体レーザ素子として、ＡｌＧａＩｎＰ系高出力赤色半導体レーザ素子が知られている。記録可能なＤＶＤシステムにおいて、記録速度を向上させるためには、ディスク上に照射されるレーザ光の強度を向上させる必要がある。このようにディスク上に照射されるレーザ光の強度を向上させるためには、ディスクへビームを絞り込むための対物レンズとレーザ光との結合効率を向上させるとともに、光源である半導体レーザの高出力化を図る必要がある。
【０００３】
このうち、まず、対物レンズとレーザ光との結合効率の向上について検討する。一般に、対物レンズは、レーザ光の水平方向の広がり角度に合わせて設けられているので、水平方向の広がり角度より大きな角度を有する垂直方向のレーザ光は、対物レンズからはみ出して照射される。この場合には、対物レンズとレーザ光との結合効率が低下する。したがって、対物レンズとレーザ光との結合効率を向上させるためには、垂直方向のビーム広がり角度を低減する必要がある。すなわち、半導体レーザの活性層に対して、水平方向のビーム広がり角度に対する垂直方向のビーム広がり角度の比（アスペクト比：垂直方向のビーム広がり角度／水平方向の広がり角度）を１．０に近づける必要がある。
【０００４】
また、半導体レーザの高出力化には、ＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ：レーザ光出射端面劣化）のレベルの向上が不可欠である。ここで、ＣＯＤは、以下に示すサイクルで発生することが知られている。まず、高密度に表面準位が存在するレーザ端面に電流が注入すると、この準位を介して非発光再結合が生じる。このため、レーザ端面が発熱する。この発熱により、レーザ端面部の活性層のエネルギーギャップが減少するので、光吸収が拡大する。これにより、さらに発熱が増大する。このようなサイクルによって、レーザ端面の温度が上昇するので、結晶が融解し、その結果、レーザ端面が破壊される。
【０００５】
このようなＣＯＤを抑制する方法としては、従来、Ｚｎ拡散による窓構造を用いる方法が知られている。この方法は、たとえば、ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，ＶＯＬ．２９，ＮＯ．６，ｐ１８７４−１８７７，１９９３などに開示されている。この従来の窓構造を用いる方法では、レーザ素子の活性層の共振器端面の近傍領域に、不純物を導入することにより、活性層の量子井戸構造を無秩序化する。それによって、活性層の共振器端面近傍のバンドギャップが他の領域よりも広がるので、共振器端面における光吸収が低減される。これにより、レーザ端面の温度上昇を抑制することができるので、ＣＯＤが低減される。
【０００６】
また、ＣＯＤを抑制する他の方法として、発光スポットの面積を拡大することにより、端面の活性層での光密度を低減させる方法が知られている。この場合、発光スポットの面積を拡大することによって、垂直方向のビーム広がり角度が低減される。
【０００７】
また、垂直方向のビーム広がり角度を低減することによって、横方向の高次モード発振により生じるキンク（電流−光出力特性の曲がり）が発生しにくくなる。このため、垂直広がり角度の低減は、上記したＣＯＤの抑制のみならず、光出力の向上も図ることができる。
【０００８】
上述したように、従来では、ディスク上に照射されるレーザ光の強度を向上させるために、対物レンズとレーザ光との結合効率を向上させるとともに、半導体レーザの高出力化を図る必要があった。このうち、対物レンズとレーザ光との結合効率の向上には、水平方向のビーム広がり角度に対する垂直方向のビーム広がり角度の比であるアスペクト比を低減する必要がある。また、半導体レーザの高出力化には、ＣＯＤレベルやキンクレベルを向上させる必要がある。そして、従来では、垂直方向のビーム広がり角度を小さくすることによって、アスペクト比の低減が可能であるとともに、ＣＯＤレベルやキンクレベルの向上が可能であることが知られている。また、垂直方向のビーム広がり角度を小さくするためには、発光スポットを拡大すればよい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ブロック層で光吸収することにより横方向の光を閉じ込める従来の損失導波構造において、垂直方向のビーム広がり角度を低減させるために発光スポットを拡大すると、ブロック層での光吸収が増大して、電流−光出力特性の傾き（スロープ効率）が低下する。このため、一定の光出力を得るための動作電流が増加するという不都合が生じる。このように動作電流が増加すると、光出力が発熱によって制限される光出力熱飽和が生じやすくなるので、光出力を向上させるのは困難であった。このように、従来の損失導波構造では、垂直方向のビーム広がり角度を低減させることにより高出力化を図ることは困難であった。
【００１０】
そこで、従来、ブロック層をレーザ光に対して透明化した実屈折率導波構造を用いて、ブロック層での光吸収を低減する方法が知られている。この実屈折率導波構造では、リッジ部のクラッド層の側面を覆うように、クラッド層よりも屈折率の小さい材料からなる光閉じ込め層を設けることによって、屈折率の違いを利用して横方向の光を閉じ込める。これにより、ブロック層での光吸収がないので、ブロック層での光吸収に起因する光出力熱飽和は発生しにくくなる。
【００１１】
しかしながら、従来の実屈折率導波構造では、垂直方向のビーム広がり角度を小さくするために発光スポットの面積を拡大すると、光の面積全体に対する活性層の部分に存在している光の割合（光閉じ込め係数）が低くなる。このため、光がゲインを得にくくなるので、レーザが発振しにくくなる。これにより、しきい値電流が増加するので、動作電流が増加し、その結果、光出力熱飽和が生じやすくなることが知られている。
【００１２】
このように、従来の実屈折率導波構造を有するレーザ素子では、発光スポットを拡大して垂直方向のビーム広がり角度を小さくした場合に、ブロック層での光吸収に起因する光出力熱飽和は発生しにくくなるが、光閉じ込め係数の低下に起因する光出力熱飽和が生じやすくなるので、キンク光出力の向上や高い最大光出力を得ることは困難であると考えられていた。その結果、従来では、垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°以下の低アスペクト比を有する実屈折率導波構造の赤色レーザ素子は開発されていなかった。
【００１３】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、
この発明の１つの目的は、垂直方向のビーム広がり角度を小さくした場合にも、高いキンク光出力と高い最大光出力とを得ることが可能な実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子を提供することである。
【００１４】
この発明のもう１つの目的は、上記の半導体レーザ素子において、低アスペクト比を実現することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは、上記の点に着目して種々の実験を行うとともに、鋭意検討した結果、実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子において、垂直方向のビーム広がり角度が、１２．５°以上２０．０°以下と小さい場合にも、高いキンク光出力と高い最大光出力とが得られることを見いだした。以下、本発明の内容を説明する。
【００１６】
この発明の第１の局面による半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰ層を有する活性層と、活性層上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型クラッド層と、ｐ型クラッド層の一部を覆うように形成された光閉じ込め層とを備えた実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子であって、垂直方向のビーム広がり角度が、１２．５°以上２０．０°以下である。
【００１７】
この第１の局面による半導体レーザ素子では、上記のように、実屈折率型の半導体レーザ素子において、垂直方向のビーム広がり角度が、１２．５°以上２０．０°以下になるように構成することによって、従来の垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°を超える半導体レーザ素子に比べて高いキンク光出力と高い最大光出力とを得ることができる。
【００１８】
上記第１の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、垂直方向のビーム広がり角度は、レーザ光出射端面劣化が起こる前に熱飽和を示す角度である。このような角度に垂直方向のビーム広がり角度を設定すれば、レーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）が起こるのを防止することができる。この場合、好ましくは、垂直方向のビーム広がり角度は、１２．５°以上１７．０°以下である。この１２．５°以上１７．０°以下の範囲は、実際にレーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）が起こらない角度として実験により確認できた角度であるので、この範囲に角度を設定すれば、確実にレーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）が起こるのを防止することができる。
【００１９】
上記第１の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層のうち膜厚の小さい方の膜厚は、１．５μｍ以上２．５μｍ以下である。このように構成すれば、容易に、１２．５°以上１５．０°以下の垂直方向のビーム広がり角度を有する半導体レーザ素子を得ることができる。
【００２０】
上記第１の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、活性層は、光ガイド層および障壁層を含み、光ガイド層および障壁層のＡｌ／（Ａｌ＋Ｇａ）の組成比は、０．３９以上０．６７以下であり、光ガイド層の膜厚は、１５ｎｍ以上２５ｎｍ以下である。このように構成すれば、容易に、１２．５°以上２０．０°以下の垂直方向のビーム広がり角度を有する半導体レーザ素子を得ることができる。
【００２１】
この発明の第２の局面による半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰ層を有する活性層と、活性層上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型クラッド層と、ｐ型クラッド層の一部を覆うように形成された光閉じ込め層とを備えた実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子であって、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層のうち膜厚の小さい方の膜厚は、１．５μｍ以上２．５μｍ以下であり、垂直方向のビーム広がり角度は、１２．５°以上１５．０°以下である。
【００２２】
この第２の局面による半導体レーザ素子では、上記のように、実屈折率型の半導体レーザ素子において、垂直方向のビーム広がり角度が、１２．５°以上１５．０°以下になるように構成することによって、従来の垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°を超える半導体レーザ素子に比べて高い最大光出力を得ることができ、かつ、低アスペクト比を実現することができる。
【００２３】
この発明の第３の局面による半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰ層を有する活性層と、活性層上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型クラッド層と、ｐ型クラッド層の一部を覆うように形成された光閉じ込め層とを備えた実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子であって、垂直方向のビーム広がり角度が、１５．０°以上２０．０°以下である。
【００２４】
この第３の局面による半導体レーザ素子では、上記のように、実屈折率型の半導体レーザ素子において、垂直方向のビーム広がり角度が、１５．０°以上２０．０°以下になるように構成することによって、従来の垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°を超える半導体レーザ素子に比べて高いキンク光出力と高い最大光出力とを得ることができる。
【００２５】
また、上記第３の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、垂直方向のビーム広がり角度は、１８．０°よりも小さく、かつ、レーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）が起こる前に熱飽和を示す角度である。このような角度に垂直方向のビーム広がり角度を設定すれば、レーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）が起こるのを防止することができる。また、この場合、好ましくは、垂直方向のビーム広がり角度は、１５．０°以上１７．０°以下である。この１５．０°以上１７．０°以下の範囲は、実際にレーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）が起こらない角度として実験により確認できた角度であるので、この範囲に角度を設定すれば、確実にレーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）が起こるのを防止することができる。
【００２６】
上記の場合、好ましくは、垂直方向のビーム広がり角度は、１５．５°以上である。この下限の角度１５．５°は、最も高い光出力でレーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）が現れた角度である１８．０°とほぼ同程度の光出力をレーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）およびキンクなしで得ることができる角度であるので、１５．５°以上に設定すれば、より高い光出力を得ることができる。
【００２７】
また、上記第１〜第３の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、活性層は、光ガイド層および障壁層を含み、光ガイド層および障壁層のＡｌ組成と、光ガイド層の膜厚との少なくとも一方を変化させることによって、垂直方向のビーム広がり角度を調節する。このように構成すれば、活性層へのキャリアの閉じ込め度合いを変化させることなく、かつ、発振波長を大きく変化させることなく、容易に垂直方向のビーム広がり角度を調節することができる。
【００２８】
また、上記第１〜第３の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、活性層は、量子井戸構造を有し、活性層の共振器端面の近傍領域では、不純物を導入することにより前記量子井戸構造が無秩序化されて他の領域よりもバンドギャップが広がっている。このように構成すれば、端面近傍におけるレーザ光の吸収が抑制されるので、端面の発熱を抑制することができる。これにより、レーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）を有効に防止することができるので、高い最大光出力を得ることができる。
【００２９】
【発明の実施形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の構造を示した斜視図である。図２は、本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の活性層の構造を示した断面図である。
【００３１】
まず、図１を参照して、第１実施形態による半導体レーザ素子の構造について説明する。この第１実施形態による半導体レーザ素子では、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、Ｓｉがドープされたｎ型ＧａＩｎＰからなるバッファ層２、約２．０μｍの膜厚を有するＳｉがドープされた（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）ＩｎＰからなるｎ型クラッド層３が形成されている。なお、ｎ型クラッド層３にドープされたＳｉのドーズ量は、３×１０17ｃｍ-3である。ｎ型クラッド層３上には、量子井戸構造を有する活性層４が形成されている。活性層４は、図２に示すように、（ＡｌxＧａ1-x）ＩｎＰからなるｔｎｍの厚みを有する２つの光ガイド層４ａの間に、約８ｎｍの厚みを有する３つのＧａ0.43Ｉｎ0.57Ｐからなる井戸層４ｂと、約５ｎｍの厚みを有する２つの（ＡｌxＧａ1-x）0.58Ｉｎ0.42Ｐからなる障壁層４ｃとが交互に積層された歪補償多重量子井戸構造を有する。この井戸層４ｂの圧縮歪は、約０．５％であるとともに、障壁層４ｃの引張り歪は、約０．５％である。
【００３２】
この活性層４上には、Ｚｎがドープされた（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）ＩｎＰからなるｐ型第１クラッド層５およびＺｎがドープされた（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）ＩｎＰからなるｐ型第２クラッド層６が形成されている。ｐ型第２クラッド層６は、約１．３μｍの膜厚を有する台形状に形成されている。ｐ型第２クラッド層６の上面上の全面に接触するように、約０．１μｍの膜厚を有するＺｎドープされたＧａＩｎＰからなるｐ型コンタクト層７が形成されている。これらのｐ型第１クラッド層５、ｐ型第２クラッド層６およびｐ型コンタクト層７にドープされたＺｎのドーズ量は、１×１０18ｃｍ-3である。また、ｐ型第２クラッド層６とｐ型コンタクト層７とによって、約２．５μｍ〜約３．５μｍの幅を有するリッジ部が構成されている。なお、ｐ型第１クラッド層５およびｐ型第２クラッド層６は、本発明の「ｐ型クラッド層」の一例である。
【００３３】
ｐ型第１クラッド層５の上面と、ｐ型第２クラッド層６の側面と、ｐ型コンタクト層７の側面とを覆うように、約０．５μｍの膜厚を有するＳｅがドープされたＡｌＩｎＰからなるｎ型光閉じ込め層８、および、約０．３μｍの膜厚を有するＳｅがドープされたＧａＡｓからなるｎ型電流ブロック層９が形成されている。ｎ型光閉じ込め層８は、レーザ光を横方向制御するために設けられており、ｐ型第２クラッド層（（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）ＩｎＰ）６よりも屈折率の小さい材料（ＡｌＩｎＰ）からなる。これにより、第１実施形態の半導体レーザ素子は、実屈折率導波構造を有するように形成されている。また、ｎ型電流ブロック層９は、リッジ部への電流を阻止するために設けられている。なお、ｎ型光閉じ込め層８は、本発明の「光閉じ込め層」の一例である。
【００３４】
また、ｎ型クラッド層３、活性層４、ｐ型第１クラッド層５、ｐ型第２クラッド層６およびｐ型コンタクト層７の端面近傍には、不純物としてＺｎを導入することによって、Ｚｎ拡散領域１３が形成されている。これにより、活性層４の共振器端面の近傍領域（Ｚｎ拡散領域１３）は、Ｚｎ拡散により量子井戸構造が無秩序化されている。それによって、活性層４の共振器端面の近傍領域のバンドギャップが他の部分のバンドギャップに比べて拡大された窓構造が形成されている。このＺｎ拡散領域１３のリッジ部の上面上には、窓領域への不要な電流注入を抑制するために、ｎ型光閉じ込め層８およびｎ型電流ブロック層９が形成されている。
【００３５】
ｎ型電流ブロック層９上には、端面近傍以外の領域のリッジ部の上面（ｎ型コンタクト層７）と接触するように、約３．０μｍの膜厚を有するＺｎがドープされたＧａＡｓからなるｐ型キャップ層１０が形成されている。このｐ型キャップ層１０にドープされたＺｎのドーズ量は、１×１０19ｃｍ-3である。ｐ型キャップ層１０上には、ｐ側電極１１が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面には、ｎ側電極１２が形成されている。
【００３６】
ここで、表１に、光ガイド層４ａおよび障壁層４ｃのＡｌ組成（ｘ）および光ガイド層４ａの膜厚（ｔ）と、それらのＡｌ組成および膜厚によって得られる垂直方向のビーム広がり角度の値とを示す。
【００３７】
【表１】
上記表１を参照して、第１実施形態では、光ガイド層４ａおよび障壁層４ｃのＡｌ組成（ｘ）と、光ガイド層４ａの膜厚との少なくとも一方を変化させることによって、垂直方向のビーム広がり角度を調節した。それによって、垂直方向のビーム広がり角度が１５．０°〜２０．０°の第１実施形態による半導体レーザ素子と、垂直方向のビーム広がり角度が２２．０°の従来（比較例）の半導体レーザ素子とを作製して、半導体レーザ素子の電流−光出力特性と素子の信頼性とを調べた。
【００３８】
図３は、本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子および従来（比較例）の半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示した特性図である。図４は、本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子および従来（比較例）の半導体レーザ素子の信頼性試験の結果を示した特性図である。
【００３９】
まず、図３を参照して、第１実施形態の半導体レーザ素子と、従来（比較例）の半導体レーザ素子との光出力特性について説明する。なお、垂直方向のビーム広がり角度に関わらず、横方向の屈折率差が一定となるように、ｐ型第１クラッド層５の膜厚を変化させることによって、すべての素子の水平方向のビーム広がり角度を約１０°に調節した。具体的には、ｐ型第１クラッド層５の膜厚を約０．２μｍとした。また、図３に示した電流−光出力特性の測定条件は、動作パルスの幅（パルス幅）：１００ｎｓ、動作パルスの比（デューティ）：５０％、チップ長さ（Ｌ）：９００μｍ、および、発光面の前面側の反射率５％，発光面の後面側の反射率９５％とした。
【００４０】
図３に示すように、垂直方向のビーム広がり角度が２２．０°の従来（比較例）の半導体レーザ素子の最大光出力は、ＣＯＤによって約１３０ｍＷ程度に制限されている。一方、垂直方向のビーム広がり角度が１５．０°〜２０．０°の第１実施形態による半導体レーザ素子のうち、垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°および１８．０°のＣＯＤレベルは、従来の２２．０°のＣＯＤレベルに比べて向上されていることが判明した。具体的には、垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°および１８．０°では、約１５０ｍＷ以上のＣＯＤレベルを得ることができた。したがって、垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°および１８．０°の第１実施形態による半導体レーザ素子では、従来（比較例）の２２．０°の半導体レーザ素子に比べて、高い最大光出力が得られることを見出した。
【００４１】
また、垂直方向のビーム広がり角度が１５．０°以上１７．０°以下の場合には、ＣＯＤが起こる前に熱飽和が起こっている。この場合、垂直方向のビーム広がり角度が１５．０°〜１７．０°では、従来の２２．０°よりも高い最大光出力（約１５０ｍＷ〜約１７５ｍＷ）が得られることが判明した。また、垂直方向のビーム広がり角度が１７．０°の半導体レーザ素子では、熱飽和が起こる前にキンクが見られるが、従来の２２．０°の最大光出力に比べて、高いキンク光出力と高い最大光出力とが得られた。また、垂直方向のビーム広がり角度が１６．５°の半導体レーザ素子では、１７．０°の半導体レーザ素子に比べて、さらに高いキンク光出力が得られる。垂直方向のビーム広がり角度が１５．０°および１５．５°の半導体レーザ素子では、ＣＯＤおよびキンクなしで、最大光出力が得られる。特に、１５．５°の場合、最も高い光出力でＣＯＤが現れた１８．０°とほぼ同等の最大光出力が得られる。
【００４２】
以上のように、垂直方向のビーム広がり角度が１５．０°以上２０．０°以下の第１実施形態による半導体レーザ素子において、従来の垂直方向のビーム広がり角度が２２．０°の半導体レーザ素子に比べて、高いキンク光出力と高い最大光出力とが得られることが判明した。
【００４３】
次に、図３に示した電流−光出力特性において、高いキンク光出力と最大光出力とが得られた第１実施形態による垂直方向のビーム広がり角度が１６．５°の半導体レーザ素子と、従来（比較例）の垂直方向のビーム広がり角度が２２．０°の半導体レーザ素子との信頼性を比較した結果を図４を参照して説明する。なお、信頼性試験の測定条件は、温度：６０℃，パルス：９０ｍＷ，パルス幅：１００ｎｓ，デューティ：５０％である。
【００４４】
図４に示すように、従来（比較例）の２２．０°の半導体レーザ素子では、約５００時間程度の動作時間で故障するのに対し、第１実施形態による１６．５°の半導体レーザ素子では、ほぼ一定の動作電流で１７００時間以上安定に動作することがわかった。これにより、第１実施形態の半導体レーザ素子は、従来に比べて高い信頼性を有することが判明した。
【００４５】
第１実施形態では、上記のように、実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子において、垂直方向の広がり角度が、１５．０°以上２０．０°以下になるように構成することによって、従来の垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°を超える半導体レーザ素子に比べて、高いキンク光出力と高い最大光出力とを得ることができる。
【００４６】
また、第１実施形態では、上記のように、実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子において、垂直方向の広がり角度を、１８．０°よりも小さく、かつ、ＣＯＤが起こる前に熱飽和が起こる角度に設定すれば、ＣＯＤが起こるのを防止することができる。また、１５．０°以上１７．０°以下の垂直方向の広がり角度を有するように構成された半導体レーザ素子において、ＣＯＤが起こらないことが実験により確認されたので、この範囲に角度を設定すれば、確実にＣＯＤが起こるのを防止することができる。
【００４７】
また、第１実施形態では、上記のように、光ガイド層４ａおよび障壁層４ｃのＡｌ組成（ｘ）と、光ガイド層４ａの膜厚（ｔ）との少なくともいずれかを変化させることにより、垂直方向のビーム広がり角度を調節することによって、活性層４へのキャリアの閉じ込め度合いを変化させることなく、かつ、発振波長を大きく変化させることなく、容易に垂直方向のビーム広がり角度を調節することができる。
【００４８】
（第２実施形態）
この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、ｐ型クラッド層（ｐ型第１クラッド層５およびｐ型第２クラッド層６）の合計膜厚を約２．０μｍにしている。すなわち、上記第１実施形態では、約２．０μｍの厚みを有するｎ型クラッド層３と、約１．５μｍの合計厚みを有するｐ型クラッド層（約０．２μｍの厚みのｐ型第１クラッド層５および約１．３μｍの厚みのｐ型第２クラッド層６）とを作製した。これに対して、第２実施形態では、約２．０μｍの厚みを有するｎ型クラッド層３と、約２．０μｍの合計厚みを有するｐ型クラッド層（約０．２μｍの厚みのｐ型第１クラッド層５および約１．８μｍの厚みのｐ型第２クラッド層６）とを作製した。そして、この第２実施形態では、以下の表２に示す作製条件で４種類の垂直広がり角度（１３．０°、１４．０°、１５．０°および２０．０°）の素子を作製した。
【００４９】
【表２】
上記表２を参照して、第２実施形態では、上記第１実施形態と同様、光ガイド層４ａおよび障壁層４ｃのＡｌ組成（ｘ）と、光ガイド層４ａの膜厚との少なくとも一方を変化させることによって、垂直方向のビーム広がり角度を調節した。これにより、垂直方向のビーム広がり角度が１３．０°〜２０．０°の第２実施形態による半導体レーザ素子と、垂直方向のビーム広がり角度が２２．０°の従来（比較例）の半導体レーザ素子とを作製して、半導体レーザ素子の電流−光出力特性を調べた。図５は、本発明の第２実施形態による半導体レーザ素子および従来（比較例）の半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示した特性図である。
【００５０】
図５を参照して、第２実施形態による半導体レーザ素子と、従来（比較例）の半導体レーザ素子との光出力特性について説明する。なお、第１実施形態の場合と同様、ｐ型第１クラッド層５の膜厚を約０．２μｍに設定することによって、全ての素子の水平方向の広がり角度を約１０°に調節した。また、図５に示した電流−光出力特性の測定条件は、動作パルスの幅（パルス幅）：１００ｎｓ、動作パルスの比（デューティ）：５０％、チップ長さ（Ｌ）：９００μｍ、および、発光面の前面側の反射率５％，発光面の後面側の反射率９５％とした。
【００５１】
図５に示すように、垂直方向のビーム広がり角度が２２．０°の従来（比較例）の半導体レーザ素子の最大光出力は、図３に示した第１実施形態の場合と同様、ＣＯＤによって約１３０ｍＷ程度に制限されている。その一方、垂直方向のビーム広がり角度が１３．０°〜２０．０°の第２実施形態による半導体レーザ素子のうち、垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°のＣＯＤレベルは、従来の２２．０°のＣＯＤレベルに比べて向上されていることが判明した。具体的には、垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°では、約１５０ｍＷ以上のＣＯＤレベルを得ることができた。
【００５２】
また、垂直方向のビーム広がり角度が１３．０°以上１５．０°以下の場合には、ＣＯＤが起こる前に熱飽和が起こっている。この場合、垂直方向のビーム広がり角度が１３．０°〜１５．０°では、従来の２２．０°よりも高い最大光出力（約１５０ｍＷ〜約２００ｍＷ）が得られることが判明した。また、垂直方向のビーム広がり角度が１５．０°の半導体レーザ素子では、熱飽和が起こる前にキンクが見られるが、従来の２２．０°の最大光出力に比べて、高いキンク光出力と高い最大光出力とが得られた。
【００５３】
以上のように、垂直方向のビーム広がり角度が１３．０°以上２０．０°以下の第２実施形態による半導体レーザ素子では、従来の垂直方向のビーム広がり角度が２２．０°の半導体レーザ素子に比べて高い約１５０ｍＷ以上のキンク光出力および最大光出力とが得られることが判明した。
【００５４】
（第３実施形態）
この第３実施形態では、上記第１および第２実施形態と異なり、ｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層（ｐ型第１クラッド層５およびｐ型第２クラッド層６）とを、共に、２．５μｍまで厚膜化した。
【００５５】
なお、安定な高出力動作を得るためには、ｐ型第２クラッド層６からなるリッジ部の下部の幅を約３．０μｍに設定する必要がある。そのリッジ形状が台形状になっているという制約から、ｐ型クラッド層の厚みは、第３実施形態で用いる約２．５μｍが上限値となる。
【００５６】
この第３実施形態においても、以下の表３に示す作製条件で４種類の垂直角度（１２．５°、１３．５°、１４．５°および２０．０°）の素子を作製した。
【００５７】
【表３】
上記表３を参照して、この第３実施形態においても、上記第１および第２実施形態と同様、光ガイド層４ａおよび障壁層４ｃのＡｌ組成（ｘ）と、光ガイド層４ａの膜厚との少なくとも一方を変化させることによって、垂直方向のビーム広がり角度を調節した。これにより、垂直方向のビーム広がり角度が１２．５°〜２０．０°の第３実施形態による半導体レーザ素子と、垂直方向のビーム広がり角度が２２．０°の従来（比較例）の半導体レーザ素子とを作製して、半導体レーザ素子の電流−光出力特性を調べた。図６は、本発明の第３実施形態による半導体レーザ素子および従来（比較例）の半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示した特性図である。
【００５８】
図６を参照して、第３実施形態の半導体レーザ素子と、従来（比較例）の半導体レーザ素子との光出力特性について説明する。なお、この第３実施形態においても、ｐ型第１クラッド層５の膜厚を約０．２μｍに設定することによって、全ての素子の水平方向のビーム広がり角度を約１０°に調節した。また、図６に示した電流−光出力特性の測定条件は、動作パルスの幅（パルス幅）：１００ｎｓ、動作パルスの比（デューティ）：５０％、チップ長さ（Ｌ）：９００μｍ、および、発光面の前面側の反射率５％，発光面の後面側の反射率９５％とした。
【００５９】
図６に示すように、垂直方向のビーム広がり角度が２２．０°の従来（比較例）の半導体レーザ素子の最大光出力は、ＣＯＤによって約１３０ｍＷ程度に制限されている。その一方、垂直方向のビーム広がり角度が１２．５°〜２０．０°の第３実施形態による半導体レーザ素子のうち、垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°のＣＯＤレベルは、従来の２２．０°のＣＯＤレベルに比べて向上されていることが判明した。具体的には、垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°では、約１５０ｍＷ以上のＣＯＤレベルを得ることができた。
【００６０】
また、垂直方向のビーム広がり角度が１２．５°以上１４．５°以下の場合には、ＣＯＤが起こる前に熱飽和が起こっている。この場合、垂直方向のビーム広がり角度が１２．５°〜１４．５°では、従来の２２．０°よりも高い最大光出力（約１５０ｍＷ〜約２００ｍＷ）が得られることが判明した。また、垂直方向のビーム広がり角度が１４．５°の半導体レーザ素子では、熱飽和が起こる前にキンクが見られるが、従来の２２．０°の最大光出力に比べて、高いキンク光出力と高い最大光出力とが得られた。
【００６１】
以上のように、垂直方向のビーム広がり角度が１２．５°以上２０．０°以下の第３実施形態による半導体レーザ素子では、従来の垂直方向のビーム広がり角度が２２．０°の半導体レーザ素子に比べて高い約１５０ｍＷ以上のキンク光出力および最大光出力が得られることが判明した。
【００６２】
図７は、本発明の第１〜第３実施形態による半導体レーザ素子におけるクラッド層の膜厚と垂直方向のビーム広がり角度との関係を示した特性図である。次に、図７を参照して、上記第１実施形態〜第３実施形態におけるクラッド層の厚みと、垂直方向のビーム広がり角度が２２．０°の従来の半導体レーザ素子よりも高い約１５０ｍＷ以上の最大光出力が得られる最小垂直広がり角度との関係について説明する。図７に示す横軸には、ｎ型クラッド層３と、ｐ型クラッド層（ｐ型第１クラッド層５およびｐ型第２クラッド層６）とのうちの膜厚の小さい方の膜厚がとられている。図７に示すように、クラッド層の厚みを大きくしていくにしたがって、最小垂直広がり角度は小さくなることがわかる。この場合、最小垂直広がり角度は、１２．０°程度で下げ止まる傾向にあることがわかる。
【００６３】
また、クラッド層の厚みを１．５μｍ以上２．５μｍ以下にすることによって、垂直方向のビーム広がり角度が２２．０°の従来の半導体レーザ素子よりも高い約１５０ｍＷ以上の最大光出力が得られる最小垂直広がり角度は、１２．５°以上１５．０°以下になることがわかる。このように、クラッド層の厚みを１．５μｍ以上２．５μｍ以下にするとともに、垂直広がり角度を１２．５°以上１５．０°以下にすることによって、従来の素子以上の最大光出力を維持しつつ、低アスペクト比を実現することができる。
【００６４】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００６５】
たとえば、上記実施形態では、ｐ型第１クラッド層５上に、ｐ型第２クラッド層６を形成したが、本発明はこれに限らず、ｐ型第１クラッド層５とｐ型第２クラッド層６との間に、リッジ部形成時のエッチング制御性を向上させるために、ＧａＩｎＰからなるエッチングストップ層を設けてもよい。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、垂直方向のビーム広がり角度が、１２．５°以上２０．０°以下と小さい場合にも、高いキンク光出力と高い最大光出力とを得ることが可能な実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の構造を示した斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の活性層の構造を示した断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子および従来（比較例）の半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示した特性図である。
【図４】本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子および従来（比較例）の半導体レーザ素子の信頼性試験の結果を示した特性図である。
【図５】本発明の第２実施形態による半導体レーザ素子および従来（比較例）の半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示した特性図である。
【図６】本発明の第３実施形態による半導体レーザ素子および従来（比較例）の半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示した特性図である。
【図７】本発明の第１〜第３実施形態による半導体レーザ素子におけるクラッド層の膜厚と垂直方向のビーム広がり角度との関係を示した特性図である。
【符号の説明】
１ ｎ型ＧａＡｓ基板
３ ｎ型クラッド層
４ 活性層
４ａ 光ガイド層
４ｃ 障壁層
５ ｐ型第１クラッド層（ｐ型クラッド層）
６ ｐ型第２クラッド層（ｐ型クラッド層）
８ ｎ型光閉じ込め層８（光閉じ込め層）
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体レーザ素子に関し、特に、ＡｌＧａＩｎＰ系高出力赤色半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、記録可能なＤＶＤシステムなどに応用可能な半導体レーザ素子として、ＡｌＧａＩｎＰ系高出力赤色半導体レーザ素子が知られている。記録可能なＤＶＤシステムにおいて、記録速度を向上させるためには、ディスク上に照射されるレーザ光の強度を向上させる必要がある。このようにディスク上に照射されるレーザ光の強度を向上させるためには、ディスクへビームを絞り込むための対物レンズとレーザ光との結合効率を向上させるとともに、光源である半導体レーザの高出力化を図る必要がある。
【０００３】
このうち、まず、対物レンズとレーザ光との結合効率の向上について検討する。一般に、対物レンズは、レーザ光の水平方向の広がり角度に合わせて設けられているので、水平方向の広がり角度より大きな角度を有する垂直方向のレーザ光は、対物レンズからはみ出して照射される。この場合には、対物レンズとレーザ光との結合効率が低下する。したがって、対物レンズとレーザ光との結合効率を向上させるためには、垂直方向のビーム広がり角度を低減する必要がある。すなわち、半導体レーザの活性層に対して、水平方向のビーム広がり角度に対する垂直方向のビーム広がり角度の比（アスペクト比：垂直方向のビーム広がり角度／水平方向の広がり角度）を１．０に近づける必要がある。
【０００４】
また、半導体レーザの高出力化には、ＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ：レーザ光出射端面劣化）のレベルの向上が不可欠である。ここで、ＣＯＤは、以下に示すサイクルで発生することが知られている。まず、高密度に表面準位が存在するレーザ端面に電流が注入すると、この準位を介して非発光再結合が生じる。このため、レーザ端面が発熱する。この発熱により、レーザ端面部の活性層のエネルギーギャップが減少するので、光吸収が拡大する。これにより、さらに発熱が増大する。このようなサイクルによって、レーザ端面の温度が上昇するので、結晶が融解し、その結果、レーザ端面が破壊される。
【０００５】
このようなＣＯＤを抑制する方法としては、従来、Ｚｎ拡散による窓構造を用いる方法が知られている。この方法は、たとえば、ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，ＶＯＬ．２９，ＮＯ．６，ｐ１８７４−１８７７，１９９３などに開示されている。この従来の窓構造を用いる方法では、レーザ素子の活性層の共振器端面の近傍領域に、不純物を導入することにより、活性層の量子井戸構造を無秩序化する。それによって、活性層の共振器端面近傍のバンドギャップが他の領域よりも広がるので、共振器端面における光吸収が低減される。これにより、レーザ端面の温度上昇を抑制することができるので、ＣＯＤが低減される。
【０００６】
また、ＣＯＤを抑制する他の方法として、発光スポットの面積を拡大することにより、端面の活性層での光密度を低減させる方法が知られている。この場合、発光スポットの面積を拡大することによって、垂直方向のビーム広がり角度が低減される。
【０００７】
また、垂直方向のビーム広がり角度を低減することによって、横方向の高次モード発振により生じるキンク（電流−光出力特性の曲がり）が発生しにくくなる。このため、垂直広がり角度の低減は、上記したＣＯＤの抑制のみならず、光出力の向上も図ることができる。
【０００８】
上述したように、従来では、ディスク上に照射されるレーザ光の強度を向上させるために、対物レンズとレーザ光との結合効率を向上させるとともに、半導体レーザの高出力化を図る必要があった。このうち、対物レンズとレーザ光との結合効率の向上には、水平方向のビーム広がり角度に対する垂直方向のビーム広がり角度の比であるアスペクト比を低減する必要がある。また、半導体レーザの高出力化には、ＣＯＤレベルやキンクレベルを向上させる必要がある。そして、従来では、垂直方向のビーム広がり角度を小さくすることによって、アスペクト比の低減が可能であるとともに、ＣＯＤレベルやキンクレベルの向上が可能であることが知られている。また、垂直方向のビーム広がり角度を小さくするためには、発光スポットを拡大すればよい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ブロック層で光吸収することにより横方向の光を閉じ込める従来の損失導波構造において、垂直方向のビーム広がり角度を低減させるために発光スポットを拡大すると、ブロック層での光吸収が増大して、電流−光出力特性の傾き（スロープ効率）が低下する。このため、一定の光出力を得るための動作電流が増加するという不都合が生じる。このように動作電流が増加すると、光出力が発熱によって制限される光出力熱飽和が生じやすくなるので、光出力を向上させるのは困難であった。このように、従来の損失導波構造では、垂直方向のビーム広がり角度を低減させることにより高出力化を図ることは困難であった。
【００１０】
そこで、従来、ブロック層をレーザ光に対して透明化した実屈折率導波構造を用いて、ブロック層での光吸収を低減する方法が知られている。この実屈折率導波構造では、リッジ部のクラッド層の側面を覆うように、クラッド層よりも屈折率の小さい材料からなる光閉じ込め層を設けることによって、屈折率の違いを利用して横方向の光を閉じ込める。これにより、ブロック層での光吸収がないので、ブロック層での光吸収に起因する光出力熱飽和は発生しにくくなる。
【００１１】
しかしながら、従来の実屈折率導波構造では、垂直方向のビーム広がり角度を小さくするために発光スポットの面積を拡大すると、光の面積全体に対する活性層の部分に存在している光の割合（光閉じ込め係数）が低くなる。このため、光がゲインを得にくくなるので、レーザが発振しにくくなる。これにより、しきい値電流が増加するので、動作電流が増加し、その結果、光出力熱飽和が生じやすくなることが知られている。
【００１２】
このように、従来の実屈折率導波構造を有するレーザ素子では、発光スポットを拡大して垂直方向のビーム広がり角度を小さくした場合に、ブロック層での光吸収に起因する光出力熱飽和は発生しにくくなるが、光閉じ込め係数の低下に起因する光出力熱飽和が生じやすくなるので、キンク光出力の向上や高い最大光出力を得ることは困難であると考えられていた。その結果、従来では、垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°以下の低アスペクト比を有する実屈折率導波構造の赤色レーザ素子は開発されていなかった。
【００１３】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、
この発明の１つの目的は、垂直方向のビーム広がり角度を小さくした場合にも、高いキンク光出力と高い最大光出力とを得ることが可能な実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子を提供することである。
【００１４】
この発明のもう１つの目的は、上記の半導体レーザ素子において、低アスペクト比を実現することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは、上記の点に着目して種々の実験を行うとともに、鋭意検討した結果、実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子において、垂直方向のビーム広がり角度が、１２．５°以上２０．０°以下と小さい場合にも、高いキンク光出力と高い最大光出力とが得られることを見いだした。以下、本発明の内容を説明する。
【００１６】
この発明の第１の局面による半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰ層を有する活性層と、活性層上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型クラッド層と、ｐ型クラッド層の一部を覆うように形成された光閉じ込め層とを備えた実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子であって、垂直方向のビーム広がり角度が、１２．５°以上２０．０°以下である。
【００１７】
この第１の局面による半導体レーザ素子では、上記のように、実屈折率型の半導体レーザ素子において、垂直方向のビーム広がり角度が、１２．５°以上２０．０°以下になるように構成することによって、従来の垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°を超える半導体レーザ素子に比べて高いキンク光出力と高い最大光出力とを得ることができる。
【００１８】
上記第１の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、垂直方向のビーム広がり角度は、レーザ光出射端面劣化が起こる前に熱飽和を示す角度である。このような角度に垂直方向のビーム広がり角度を設定すれば、レーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）が起こるのを防止することができる。この場合、好ましくは、垂直方向のビーム広がり角度は、１２．５°以上１７．０°以下である。この１２．５°以上１７．０°以下の範囲は、実際にレーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）が起こらない角度として実験により確認できた角度であるので、この範囲に角度を設定すれば、確実にレーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）が起こるのを防止することができる。
【００１９】
上記第１の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層のうち膜厚の小さい方の膜厚は、１．５μｍ以上２．５μｍ以下である。このように構成すれば、容易に、１２．５°以上１５．０°以下の垂直方向のビーム広がり角度を有する半導体レーザ素子を得ることができる。
【００２０】
上記第１の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、活性層は、光ガイド層および障壁層を含み、光ガイド層および障壁層のＡｌ／（Ａｌ＋Ｇａ）の組成比は、０．３９以上０．６７以下であり、光ガイド層の膜厚は、１５ｎｍ以上２５ｎｍ以下である。このように構成すれば、容易に、１２．５°以上２０．０°以下の垂直方向のビーム広がり角度を有する半導体レーザ素子を得ることができる。
【００２１】
この発明の第２の局面による半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰ層を有する活性層と、活性層上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型クラッド層と、ｐ型クラッド層の一部を覆うように形成された光閉じ込め層とを備えた実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子であって、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層のうち膜厚の小さい方の膜厚は、１．５μｍ以上２．５μｍ以下であり、垂直方向のビーム広がり角度は、１２．５°以上１５．０°以下である。
【００２２】
この第２の局面による半導体レーザ素子では、上記のように、実屈折率型の半導体レーザ素子において、垂直方向のビーム広がり角度が、１２．５°以上１５．０°以下になるように構成することによって、従来の垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°を超える半導体レーザ素子に比べて高い最大光出力を得ることができ、かつ、低アスペクト比を実現することができる。
【００２３】
この発明の第３の局面による半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰ層を有する活性層と、活性層上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型クラッド層と、ｐ型クラッド層の一部を覆うように形成された光閉じ込め層とを備えた実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子であって、垂直方向のビーム広がり角度が、１５．０°以上２０．０°以下である。
【００２４】
この第３の局面による半導体レーザ素子では、上記のように、実屈折率型の半導体レーザ素子において、垂直方向のビーム広がり角度が、１５．０°以上２０．０°以下になるように構成することによって、従来の垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°を超える半導体レーザ素子に比べて高いキンク光出力と高い最大光出力とを得ることができる。
【００２５】
また、上記第３の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、垂直方向のビーム広がり角度は、１８．０°よりも小さく、かつ、レーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）が起こる前に熱飽和を示す角度である。このような角度に垂直方向のビーム広がり角度を設定すれば、レーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）が起こるのを防止することができる。また、この場合、好ましくは、垂直方向のビーム広がり角度は、１５．０°以上１７．０°以下である。この１５．０°以上１７．０°以下の範囲は、実際にレーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）が起こらない角度として実験により確認できた角度であるので、この範囲に角度を設定すれば、確実にレーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）が起こるのを防止することができる。
【００２６】
上記の場合、好ましくは、垂直方向のビーム広がり角度は、１５．５°以上である。この下限の角度１５．５°は、最も高い光出力でレーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）が現れた角度である１８．０°とほぼ同程度の光出力をレーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）およびキンクなしで得ることができる角度であるので、１５．５°以上に設定すれば、より高い光出力を得ることができる。
【００２７】
また、上記第１〜第３の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、活性層は、光ガイド層および障壁層を含み、光ガイド層および障壁層のＡｌ組成と、光ガイド層の膜厚との少なくとも一方を変化させることによって、垂直方向のビーム広がり角度を調節する。このように構成すれば、活性層へのキャリアの閉じ込め度合いを変化させることなく、かつ、発振波長を大きく変化させることなく、容易に垂直方向のビーム広がり角度を調節することができる。
【００２８】
また、上記第１〜第３の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、活性層は、量子井戸構造を有し、活性層の共振器端面の近傍領域では、不純物を導入することにより前記量子井戸構造が無秩序化されて他の領域よりもバンドギャップが広がっている。このように構成すれば、端面近傍におけるレーザ光の吸収が抑制されるので、端面の発熱を抑制することができる。これにより、レーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）を有効に防止することができるので、高い最大光出力を得ることができる。
【００２９】
【発明の実施形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の構造を示した斜視図である。図２は、本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の活性層の構造を示した断面図である。
【００３１】
まず、図１を参照して、第１実施形態による半導体レーザ素子の構造について説明する。この第１実施形態による半導体レーザ素子では、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、Ｓｉがドープされたｎ型ＧａＩｎＰからなるバッファ層２、約２．０μｍの膜厚を有するＳｉがドープされた（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）ＩｎＰからなるｎ型クラッド層３が形成されている。なお、ｎ型クラッド層３にドープされたＳｉのドーズ量は、３×１０17ｃｍ-3である。ｎ型クラッド層３上には、量子井戸構造を有する活性層４が形成されている。活性層４は、図２に示すように、（ＡｌxＧａ1-x）ＩｎＰからなるｔｎｍの厚みを有する２つの光ガイド層４ａの間に、約８ｎｍの厚みを有する３つのＧａ0.43Ｉｎ0.57Ｐからなる井戸層４ｂと、約５ｎｍの厚みを有する２つの（ＡｌxＧａ1-x）0.58Ｉｎ0.42Ｐからなる障壁層４ｃとが交互に積層された歪補償多重量子井戸構造を有する。この井戸層４ｂの圧縮歪は、約０．５％であるとともに、障壁層４ｃの引張り歪は、約０．５％である。
【００３２】
この活性層４上には、Ｚｎがドープされた（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）ＩｎＰからなるｐ型第１クラッド層５およびＺｎがドープされた（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）ＩｎＰからなるｐ型第２クラッド層６が形成されている。ｐ型第２クラッド層６は、約１．３μｍの膜厚を有する台形状に形成されている。ｐ型第２クラッド層６の上面上の全面に接触するように、約０．１μｍの膜厚を有するＺｎドープされたＧａＩｎＰからなるｐ型コンタクト層７が形成されている。これらのｐ型第１クラッド層５、ｐ型第２クラッド層６およびｐ型コンタクト層７にドープされたＺｎのドーズ量は、１×１０18ｃｍ-3である。また、ｐ型第２クラッド層６とｐ型コンタクト層７とによって、約２．５μｍ〜約３．５μｍの幅を有するリッジ部が構成されている。なお、ｐ型第１クラッド層５およびｐ型第２クラッド層６は、本発明の「ｐ型クラッド層」の一例である。
【００３３】
ｐ型第１クラッド層５の上面と、ｐ型第２クラッド層６の側面と、ｐ型コンタクト層７の側面とを覆うように、約０．５μｍの膜厚を有するＳｅがドープされたＡｌＩｎＰからなるｎ型光閉じ込め層８、および、約０．３μｍの膜厚を有するＳｅがドープされたＧａＡｓからなるｎ型電流ブロック層９が形成されている。ｎ型光閉じ込め層８は、レーザ光を横方向制御するために設けられており、ｐ型第２クラッド層（（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）ＩｎＰ）６よりも屈折率の小さい材料（ＡｌＩｎＰ）からなる。これにより、第１実施形態の半導体レーザ素子は、実屈折率導波構造を有するように形成されている。また、ｎ型電流ブロック層９は、リッジ部への電流を阻止するために設けられている。なお、ｎ型光閉じ込め層８は、本発明の「光閉じ込め層」の一例である。
【００３４】
また、ｎ型クラッド層３、活性層４、ｐ型第１クラッド層５、ｐ型第２クラッド層６およびｐ型コンタクト層７の端面近傍には、不純物としてＺｎを導入することによって、Ｚｎ拡散領域１３が形成されている。これにより、活性層４の共振器端面の近傍領域（Ｚｎ拡散領域１３）は、Ｚｎ拡散により量子井戸構造が無秩序化されている。それによって、活性層４の共振器端面の近傍領域のバンドギャップが他の部分のバンドギャップに比べて拡大された窓構造が形成されている。このＺｎ拡散領域１３のリッジ部の上面上には、窓領域への不要な電流注入を抑制するために、ｎ型光閉じ込め層８およびｎ型電流ブロック層９が形成されている。
【００３５】
ｎ型電流ブロック層９上には、端面近傍以外の領域のリッジ部の上面（ｎ型コンタクト層７）と接触するように、約３．０μｍの膜厚を有するＺｎがドープされたＧａＡｓからなるｐ型キャップ層１０が形成されている。このｐ型キャップ層１０にドープされたＺｎのドーズ量は、１×１０19ｃｍ-3である。ｐ型キャップ層１０上には、ｐ側電極１１が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面には、ｎ側電極１２が形成されている。
【００３６】
ここで、表１に、光ガイド層４ａおよび障壁層４ｃのＡｌ組成（ｘ）および光ガイド層４ａの膜厚（ｔ）と、それらのＡｌ組成および膜厚によって得られる垂直方向のビーム広がり角度の値とを示す。
【００３７】
【表１】
【００３８】
図３は、本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子および従来（比較例）の半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示した特性図である。図４は、本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子および従来（比較例）の半導体レーザ素子の信頼性試験の結果を示した特性図である。
【００３９】
まず、図３を参照して、第１実施形態の半導体レーザ素子と、従来（比較例）の半導体レーザ素子との光出力特性について説明する。なお、垂直方向のビーム広がり角度に関わらず、横方向の屈折率差が一定となるように、ｐ型第１クラッド層５の膜厚を変化させることによって、すべての素子の水平方向のビーム広がり角度を約１０°に調節した。具体的には、ｐ型第１クラッド層５の膜厚を約０．２μｍとした。また、図３に示した電流−光出力特性の測定条件は、動作パルスの幅（パルス幅）：１００ｎｓ、動作パルスの比（デューティ）：５０％、チップ長さ（Ｌ）：９００μｍ、および、発光面の前面側の反射率５％，発光面の後面側の反射率９５％とした。
【００４０】
図３に示すように、垂直方向のビーム広がり角度が２２．０°の従来（比較例）の半導体レーザ素子の最大光出力は、ＣＯＤによって約１３０ｍＷ程度に制限されている。一方、垂直方向のビーム広がり角度が１５．０°〜２０．０°の第１実施形態による半導体レーザ素子のうち、垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°および１８．０°のＣＯＤレベルは、従来の２２．０°のＣＯＤレベルに比べて向上されていることが判明した。具体的には、垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°および１８．０°では、約１５０ｍＷ以上のＣＯＤレベルを得ることができた。したがって、垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°および１８．０°の第１実施形態による半導体レーザ素子では、従来（比較例）の２２．０°の半導体レーザ素子に比べて、高い最大光出力が得られることを見出した。
【００４１】
また、垂直方向のビーム広がり角度が１５．０°以上１７．０°以下の場合には、ＣＯＤが起こる前に熱飽和が起こっている。この場合、垂直方向のビーム広がり角度が１５．０°〜１７．０°では、従来の２２．０°よりも高い最大光出力（約１５０ｍＷ〜約１７５ｍＷ）が得られることが判明した。また、垂直方向のビーム広がり角度が１７．０°の半導体レーザ素子では、熱飽和が起こる前にキンクが見られるが、従来の２２．０°の最大光出力に比べて、高いキンク光出力と高い最大光出力とが得られた。また、垂直方向のビーム広がり角度が１６．５°の半導体レーザ素子では、１７．０°の半導体レーザ素子に比べて、さらに高いキンク光出力が得られる。垂直方向のビーム広がり角度が１５．０°および１５．５°の半導体レーザ素子では、ＣＯＤおよびキンクなしで、最大光出力が得られる。特に、１５．５°の場合、最も高い光出力でＣＯＤが現れた１８．０°とほぼ同等の最大光出力が得られる。
【００４２】
以上のように、垂直方向のビーム広がり角度が１５．０°以上２０．０°以下の第１実施形態による半導体レーザ素子において、従来の垂直方向のビーム広がり角度が２２．０°の半導体レーザ素子に比べて、高いキンク光出力と高い最大光出力とが得られることが判明した。
【００４３】
次に、図３に示した電流−光出力特性において、高いキンク光出力と最大光出力とが得られた第１実施形態による垂直方向のビーム広がり角度が１６．５°の半導体レーザ素子と、従来（比較例）の垂直方向のビーム広がり角度が２２．０°の半導体レーザ素子との信頼性を比較した結果を図４を参照して説明する。なお、信頼性試験の測定条件は、温度：６０℃，パルス：９０ｍＷ，パルス幅：１００ｎｓ，デューティ：５０％である。
【００４４】
図４に示すように、従来（比較例）の２２．０°の半導体レーザ素子では、約５００時間程度の動作時間で故障するのに対し、第１実施形態による１６．５°の半導体レーザ素子では、ほぼ一定の動作電流で１７００時間以上安定に動作することがわかった。これにより、第１実施形態の半導体レーザ素子は、従来に比べて高い信頼性を有することが判明した。
【００４５】
第１実施形態では、上記のように、実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子において、垂直方向の広がり角度が、１５．０°以上２０．０°以下になるように構成することによって、従来の垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°を超える半導体レーザ素子に比べて、高いキンク光出力と高い最大光出力とを得ることができる。
【００４６】
また、第１実施形態では、上記のように、実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子において、垂直方向の広がり角度を、１８．０°よりも小さく、かつ、ＣＯＤが起こる前に熱飽和が起こる角度に設定すれば、ＣＯＤが起こるのを防止することができる。また、１５．０°以上１７．０°以下の垂直方向の広がり角度を有するように構成された半導体レーザ素子において、ＣＯＤが起こらないことが実験により確認されたので、この範囲に角度を設定すれば、確実にＣＯＤが起こるのを防止することができる。
【００４７】
また、第１実施形態では、上記のように、光ガイド層４ａおよび障壁層４ｃのＡｌ組成（ｘ）と、光ガイド層４ａの膜厚（ｔ）との少なくともいずれかを変化させることにより、垂直方向のビーム広がり角度を調節することによって、活性層４へのキャリアの閉じ込め度合いを変化させることなく、かつ、発振波長を大きく変化させることなく、容易に垂直方向のビーム広がり角度を調節することができる。
【００４８】
（第２実施形態）
この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、ｐ型クラッド層（ｐ型第１クラッド層５およびｐ型第２クラッド層６）の合計膜厚を約２．０μｍにしている。すなわち、上記第１実施形態では、約２．０μｍの厚みを有するｎ型クラッド層３と、約１．５μｍの合計厚みを有するｐ型クラッド層（約０．２μｍの厚みのｐ型第１クラッド層５および約１．３μｍの厚みのｐ型第２クラッド層６）とを作製した。これに対して、第２実施形態では、約２．０μｍの厚みを有するｎ型クラッド層３と、約２．０μｍの合計厚みを有するｐ型クラッド層（約０．２μｍの厚みのｐ型第１クラッド層５および約１．８μｍの厚みのｐ型第２クラッド層６）とを作製した。そして、この第２実施形態では、以下の表２に示す作製条件で４種類の垂直広がり角度（１３．０°、１４．０°、１５．０°および２０．０°）の素子を作製した。
【００４９】
【表２】
【００５０】
図５を参照して、第２実施形態による半導体レーザ素子と、従来（比較例）の半導体レーザ素子との光出力特性について説明する。なお、第１実施形態の場合と同様、ｐ型第１クラッド層５の膜厚を約０．２μｍに設定することによって、全ての素子の水平方向の広がり角度を約１０°に調節した。また、図５に示した電流−光出力特性の測定条件は、動作パルスの幅（パルス幅）：１００ｎｓ、動作パルスの比（デューティ）：５０％、チップ長さ（Ｌ）：９００μｍ、および、発光面の前面側の反射率５％，発光面の後面側の反射率９５％とした。
【００５１】
図５に示すように、垂直方向のビーム広がり角度が２２．０°の従来（比較例）の半導体レーザ素子の最大光出力は、図３に示した第１実施形態の場合と同様、ＣＯＤによって約１３０ｍＷ程度に制限されている。その一方、垂直方向のビーム広がり角度が１３．０°〜２０．０°の第２実施形態による半導体レーザ素子のうち、垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°のＣＯＤレベルは、従来の２２．０°のＣＯＤレベルに比べて向上されていることが判明した。具体的には、垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°では、約１５０ｍＷ以上のＣＯＤレベルを得ることができた。
【００５２】
また、垂直方向のビーム広がり角度が１３．０°以上１５．０°以下の場合には、ＣＯＤが起こる前に熱飽和が起こっている。この場合、垂直方向のビーム広がり角度が１３．０°〜１５．０°では、従来の２２．０°よりも高い最大光出力（約１５０ｍＷ〜約２００ｍＷ）が得られることが判明した。また、垂直方向のビーム広がり角度が１５．０°の半導体レーザ素子では、熱飽和が起こる前にキンクが見られるが、従来の２２．０°の最大光出力に比べて、高いキンク光出力と高い最大光出力とが得られた。
【００５３】
以上のように、垂直方向のビーム広がり角度が１３．０°以上２０．０°以下の第２実施形態による半導体レーザ素子では、従来の垂直方向のビーム広がり角度が２２．０°の半導体レーザ素子に比べて高い約１５０ｍＷ以上のキンク光出力および最大光出力とが得られることが判明した。
【００５４】
（第３実施形態）
この第３実施形態では、上記第１および第２実施形態と異なり、ｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層（ｐ型第１クラッド層５およびｐ型第２クラッド層６）とを、共に、２．５μｍまで厚膜化した。
【００５５】
なお、安定な高出力動作を得るためには、ｐ型第２クラッド層６からなるリッジ部の下部の幅を約３．０μｍに設定する必要がある。そのリッジ形状が台形状になっているという制約から、ｐ型クラッド層の厚みは、第３実施形態で用いる約２．５μｍが上限値となる。
【００５６】
この第３実施形態においても、以下の表３に示す作製条件で４種類の垂直角度（１２．５°、１３．５°、１４．５°および２０．０°）の素子を作製した。
【００５７】
【表３】
【００５８】
図６を参照して、第３実施形態の半導体レーザ素子と、従来（比較例）の半導体レーザ素子との光出力特性について説明する。なお、この第３実施形態においても、ｐ型第１クラッド層５の膜厚を約０．２μｍに設定することによって、全ての素子の水平方向のビーム広がり角度を約１０°に調節した。また、図６に示した電流−光出力特性の測定条件は、動作パルスの幅（パルス幅）：１００ｎｓ、動作パルスの比（デューティ）：５０％、チップ長さ（Ｌ）：９００μｍ、および、発光面の前面側の反射率５％，発光面の後面側の反射率９５％とした。
【００５９】
図６に示すように、垂直方向のビーム広がり角度が２２．０°の従来（比較例）の半導体レーザ素子の最大光出力は、ＣＯＤによって約１３０ｍＷ程度に制限されている。その一方、垂直方向のビーム広がり角度が１２．５°〜２０．０°の第３実施形態による半導体レーザ素子のうち、垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°のＣＯＤレベルは、従来の２２．０°のＣＯＤレベルに比べて向上されていることが判明した。具体的には、垂直方向のビーム広がり角度が２０．０°では、約１５０ｍＷ以上のＣＯＤレベルを得ることができた。
【００６０】
また、垂直方向のビーム広がり角度が１２．５°以上１４．５°以下の場合には、ＣＯＤが起こる前に熱飽和が起こっている。この場合、垂直方向のビーム広がり角度が１２．５°〜１４．５°では、従来の２２．０°よりも高い最大光出力（約１５０ｍＷ〜約２００ｍＷ）が得られることが判明した。また、垂直方向のビーム広がり角度が１４．５°の半導体レーザ素子では、熱飽和が起こる前にキンクが見られるが、従来の２２．０°の最大光出力に比べて、高いキンク光出力と高い最大光出力とが得られた。
【００６１】
以上のように、垂直方向のビーム広がり角度が１２．５°以上２０．０°以下の第３実施形態による半導体レーザ素子では、従来の垂直方向のビーム広がり角度が２２．０°の半導体レーザ素子に比べて高い約１５０ｍＷ以上のキンク光出力および最大光出力が得られることが判明した。
【００６２】
図７は、本発明の第１〜第３実施形態による半導体レーザ素子におけるクラッド層の膜厚と垂直方向のビーム広がり角度との関係を示した特性図である。次に、図７を参照して、上記第１実施形態〜第３実施形態におけるクラッド層の厚みと、垂直方向のビーム広がり角度が２２．０°の従来の半導体レーザ素子よりも高い約１５０ｍＷ以上の最大光出力が得られる最小垂直広がり角度との関係について説明する。図７に示す横軸には、ｎ型クラッド層３と、ｐ型クラッド層（ｐ型第１クラッド層５およびｐ型第２クラッド層６）とのうちの膜厚の小さい方の膜厚がとられている。図７に示すように、クラッド層の厚みを大きくしていくにしたがって、最小垂直広がり角度は小さくなることがわかる。この場合、最小垂直広がり角度は、１２．０°程度で下げ止まる傾向にあることがわかる。
【００６３】
また、クラッド層の厚みを１．５μｍ以上２．５μｍ以下にすることによって、垂直方向のビーム広がり角度が２２．０°の従来の半導体レーザ素子よりも高い約１５０ｍＷ以上の最大光出力が得られる最小垂直広がり角度は、１２．５°以上１５．０°以下になることがわかる。このように、クラッド層の厚みを１．５μｍ以上２．５μｍ以下にするとともに、垂直広がり角度を１２．５°以上１５．０°以下にすることによって、従来の素子以上の最大光出力を維持しつつ、低アスペクト比を実現することができる。
【００６４】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００６５】
たとえば、上記実施形態では、ｐ型第１クラッド層５上に、ｐ型第２クラッド層６を形成したが、本発明はこれに限らず、ｐ型第１クラッド層５とｐ型第２クラッド層６との間に、リッジ部形成時のエッチング制御性を向上させるために、ＧａＩｎＰからなるエッチングストップ層を設けてもよい。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、垂直方向のビーム広がり角度が、１２．５°以上２０．０°以下と小さい場合にも、高いキンク光出力と高い最大光出力とを得ることが可能な実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の構造を示した斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の活性層の構造を示した断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子および従来（比較例）の半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示した特性図である。
【図４】本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子および従来（比較例）の半導体レーザ素子の信頼性試験の結果を示した特性図である。
【図５】本発明の第２実施形態による半導体レーザ素子および従来（比較例）の半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示した特性図である。
【図６】本発明の第３実施形態による半導体レーザ素子および従来（比較例）の半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示した特性図である。
【図７】本発明の第１〜第３実施形態による半導体レーザ素子におけるクラッド層の膜厚と垂直方向のビーム広がり角度との関係を示した特性図である。
【符号の説明】
１ ｎ型ＧａＡｓ基板
３ ｎ型クラッド層
４ 活性層
４ａ 光ガイド層
４ｃ 障壁層
５ ｐ型第１クラッド層（ｐ型クラッド層）
６ ｐ型第２クラッド層（ｐ型クラッド層）
８ ｎ型光閉じ込め層８（光閉じ込め層）
Claims (8)
- ｎ型ＧａＡｓ基板上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰ層を有する活性層と、
前記活性層上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層の一部を覆うように形成された光閉じ込め層とを備えた実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子であって、
前記ｎ型クラッド層および前記ｐ型クラッド層のうち膜厚の小さい方の膜厚は、１．５μｍ以上２．５μｍ以下であり、
前記活性層は、光ガイド層および障壁層を含み、
前記光ガイド層および前記障壁層のＡｌ／（Ａｌ＋Ｇａ）の組成比は、０．３９以上０．６７以下であり、
前記光ガイド層の膜厚は、１５ｎｍ以上２５ｎｍ以下であり、
垂直方向のビーム広がり角度が、１２．５°以上２０．０°以下である、半導体レーザ素子。 - 前記垂直方向のビーム広がり角度は、１２．５°以上１７．０°以下である、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
- 垂直方向のビーム広がり角度が、１２．５°以上１５．０°以下である、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
- 前記垂直方向のビーム広がり角度は、１５．０°以上２０．０°以下である、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
- 前記垂直方向のビーム広がり角度は、１８．０°よりも小さい、請求項４に記載の半導体レーザ素子。
- 前記垂直方向のビーム広がり角度は、１５．０°以上１７．０°以下である、請求項５に記載の半導体レーザ素子。
- 前記垂直方向のビーム広がり角度は、１５．５°以上である、請求項５または６に記載の半導体レーザ素子。
- 前記活性層は、量子井戸構造を有し、
前記活性層の共振器端面の近傍領域では、不純物を導入することにより前記量子井戸構造が無秩序化されて他の領域よりもバンドギャップが広がっている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
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