JP7406487B2 - 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（例えば、特許文献１など参照）。このような半導体レーザ素子の設計においては、消費電力低減などのために、動作電圧の低減が求められている。特許文献１に記載された半導体レーザ素子においては、動作電圧低減のために、活性層を構成する障壁層の方がｎ型クラッド層よりエネルギーバンドギャップが大きくなるように設定している。これにより、活性層とｎ型クラッド層との界面で発生し得るスパイク状のヘテロ障壁を低減することで、動作電圧の上昇を抑制しようとしている。
国際公開第２００２／２１５７８号
ここで、ＡｌＧａＡｓ系半導体では、エネルギーバンドギャップを大きくすると屈折率は小さくなり、逆にエネルギーバンドギャップを小さくすると屈折率は大きくなるという関係が知られている。
したがって、活性層とｎ型クラッド層との界面のスパイク状のヘテロ障壁を低減するために、活性層のエネルギーバンドギャップをｎ型クラッド層のエネルギーバンドギャップより大きくすると、ｎ型クラッド層の屈折率が活性層の屈折率より大きくなる。これにより、活性層への光閉じ込め効果が低下するため、発光特性が悪化する。
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、低動作電圧と、高い光閉じ込め効果とを両立でき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は、ｎ型半導体基板の上方に配置されたｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッ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ｐ型クラッド層とを備え、前記活性層は、井戸層と障壁層とを有し、前記障壁層のエネルギーバンドギャップは、前記ｎ型クラッド層のエネルギーバンドギャップより大きく、前記障壁層の屈折率は、前記ｎ型クラッド層の屈折率より大きい。
また、本開示に係る半導体レーザ素子において、前記ｎ型クラッド層はＡｌｘ１Ｇａ１－ｘ１－ｙ１Ｉｎｙ１Ａｓ１－ｚ１Ｐｚ１を含み、前記障壁層はＡｌｘ２Ｇａ１－ｘ２－ｙ２Ｉｎｙ２Ａｓ１－ｚ２Ｐｚ２を含み、ｚ１＞ｚ２であってもよい。
また、本開示に係る半導体レーザ素子において、前記ｎ型クラッド層はＡｌｘ１Ｇａ１－ｘ１－ｙ１Ｉｎｙ１Ｐを含み、前記障壁層はＡｌｘ２Ｇａ１－ｘ２－ｙ２Ｉｎｙ２Ａｓを含んでもよい。
また、本開示に係る半導体レーザ素子において、ｘ１＜ｘ２であってもよい。
また、本開示に係る半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体基板はＧａＡｓを含んでもよい。
また、本開示に係る半導体レーザ素子において、前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に配置され、前記ｎ型クラッド層より屈折率が大きいｎ側光ガイド層を備えてもよい。
また、本開示に係る半導体レーザ素子において、前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に配置され、前記ｎ型クラッド層よりエネルギーバンドギャップが大きい正孔障壁層を備えてもよい。
また、本開示に係る半導体レーザ素子において、前記ｐ型クラッド層のエネルギーバンドギャップは、前記障壁層のエネルギーバンドギャップより大きくてもよい。
また、本開示に係る半導体レーザ素子において、前記ｎ型クラッド層のエネルギーバンドギャップは、前記ｎ型半導体基板のエネルギーバンドギャップより大きくてもよい。
本開示によれば、低動作電圧と、高い光閉じ込め効果とを両立できる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６Ａは、実施の形態１に係る基板及び半導体層の模式的な断面図である。 図６Ｂ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の模式的な断面図である。 図９は、ＡｌＧａＩｎＰ系及びＡｌＧａＡｓ系の半導体の屈折率とＡｌ組成との関係を示すグラフである。 図１０は、ＡｌＧａＩｎＰ系及びＡｌＧａＡｓ系の半導体のエネルギーバンドギャップとＡｌ組成との関係を示すグラフである。 図１１は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子のエネルギーバンド構造（バンドダイアグラム）及び屈折率分布を示す図である。 図１２は、実施の形態１の変形例１に係る半導体レーザ素子のエネルギーバンド構造及び屈折率分布を示す図である。 図１３は、実施の形態１の変形例２に係る半導体レーザ素子のエネルギーバンド構造及び屈折率分布を示す図である。 図１４は、実施の形態２に係る半導体レーザ素子の層構造を示す表である。 図１５は、実施の形態２に係る半導体レーザ素子のエネルギーバンド構造及び屈折率分布を示す図である。 図１６は、実施の形態３に係る半導体レーザ素子の層構造を示す表である。 図１７は、実施の形態３に係る半導体レーザ素子のエネルギーバンド構造及び屈折率分布を示す図である。 図１８は、実施の形態４に係る半導体レーザ素子の層構造を示す表である。 図１９は、実施の形態４に係る半導体レーザ素子のエネルギーバンド構造及び屈折率分布を示す図である。 図２０は、実施の形態５に係る半導体レーザ素子の導波路形状を示す上面図である。 図２１は、実施の形態５に係る半導体レーザ素子の層構造を示す表である。 図２２は、実施の形態５に係る半導体レーザ素子のエネルギーバンド構造及び屈折率分布を示す図である。 図２３は、実施の形態６に係る半導体レーザ素子の層構造を示す表である。 図２４は、実施の形態６に係る半導体レーザ素子のエネルギーバンド構造及び屈折率分布を示す図である。
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。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
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）
実施の形態１に係る半導体レーザ素子について説明する。
［１－１．全体構成］
まず、本実施の形態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、チップ状基板２４と、チップ状基板２４の第１の面Ｐ１上に配置された、半導体層１００とを備える素子である。
チップ状基板２４は、半導体レーザ素子１４の半導体層１００が積層される基板である。本実施の形態では、チップ状基板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、チップ状基板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、チップ状基板２４の上方に配置されたｎ型クラッド層３２と、ｎ型クラッド層３２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ｐ型クラッド層とを有する。
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、チップ状基板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とを有する。
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。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、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し、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（レーザ光が主として出射する端面側）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、共振器長は、２８０μｍである。ここで、半導体レーザ素子１４の共振器長を３００μｍ以下とすることで、導波路ＷＧの窓領域８０以外の領域の割合を低減できるため、飽和光出力を低減できる。したがって、半導体レーザ素子１４における端面破壊を抑制できる。
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。
チップ状基板２４は、チップ状に分断された基板であり、半導体層１００が積層される。チップ状基板２４の構成は、ｎ型半導体基板であれば特に限定されない。本実施の形態では、上述のとおりチップ状基板２４は、ｎ－ＧａＡｓ基板である。
第１半導体層３０は、ｎ型層を含む半導体層である。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型クラッド層３２と、ｎ側光ガイド層３３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型クラッド層３２はＡｌｘ１Ｇａ１－ｘ１－ｙ１Ｉｎｙ１Ａｓ１－ｚ１Ｐｚ１を含む。本実施の形態では、ｎ型クラッド層３２は、膜厚４．７μｍのｎ－（Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層である。ｎ側光ガイド層３３は、膜厚０．０９μｍのＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ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は、井戸層と障壁層とを有する。障壁層はＡｌｘ２Ｇａ１－ｘ２－ｙ２Ｉｎｙ２Ａｓ１－ｚ２Ｐｚ２を含む。
本実施の形態では、活性層４０は、ｎ側光ガイド層３３側より、膜厚０．０３μｍのＡｌ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓを含む障壁層と、膜厚０．００６５μｍのＧａＡｓを含む井戸層と、膜厚０．００４μｍのＡｌ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓを含む障壁層と、膜厚０．００６５μｍのＧａＡｓを含む井戸層と、膜厚０．０２１μｍのＡｌ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓを含む障壁層とを含む多重量子井戸活性層である。
第２半導体層５０は、ｐ型層を含む半導体層である。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型コンタクト層５６とを含む。
ｐ側光ガイド層５１は、膜厚０．０７μｍのＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ層である。
ｐ型第１クラッド層５２は、膜厚０．１７μｍのｐ－（Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０）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ｐ型クラッド層の一例である。
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組成は、ｐ型第３クラッド層５４よりも低い。ｐ型コンタクト層５６は、膜厚０．２３μｍのｐ－ＧａＡｓ層である。
なお、上述したｎ型クラッド層３２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。
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。リッジの上部において、第１の保護膜１３１はリッジ上部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、誘電膜であれば、特に限定されず、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、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。
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５６と接続する。
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、チップ状基板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の共振器面近傍に拡散させることにより、活性層４０の量子井戸構造を無秩序化させ、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。エネルギーバンドギャップを拡大させることで、レーザ発振した光に対する吸収の少ない窓領域８０を形成できる。これにより、半導体レーザ素子１４の端面での溶融破壊を低減できるため、高い信頼性を有する半導体レーザ素子１４を実現できる。
［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面を用いて説明する。図５は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の半導体層形成工程の概要を示す基板２０の模式的な断面図である。
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２０を用意し、基板２０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、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）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２０側から順に、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６Ａ及び図６Ｂを用いて説明する。図６Ａは、本実施の形態に係る基板２０及び半導体層１００の模式的な断面図である。図６Ｂは、本実施の形態に係る窓領域８０の形成方法を示す基板２０及び半導体層１００の模式的な断面図である。図６Ａ及び図６Ｂには、基板２０及び半導体層１００の第１の方向に沿った断面が示されている。
例えば、図６Ｂ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を半導体レーザ素子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面を用いて説明する。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２０の模式的な断面図である。
図７に示されるように、基板２０に形成された第２半導体層５０に複数対の溝ＴＲを図７の紙面に垂直な方向に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。導波路ＷＧの幅は、例えば、３μｍ程度である。
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、ｐ型中間層、ｐ型第３クラッド層、ｐ型第２クラッド層に対して行い、ｐ型第２クラッド層は完全に除去せずに途中まで除去する。
次に、ＳｉＯ２などの保護膜をリッジが形成された半導体層１００の上面全体に形成する。
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、リッジ側壁とリッジ上部は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、ｐ型第２クラッド層を完全に除去する。これにより、溝ＴＲの底部にはｐ型第１クラッド層が露出することになる。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（以下ＩＣＰ）又はエレクトロン・サイクロトロン・レソナンス（以下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５～１２％、半導体基板を設置する下部電極の温度は１５０℃～２００℃、チャンバー内圧力は０．１Ｐａ～１Ｐａ、下部電極のバイアスパワーは５０Ｗ～１５０Ｗ、ＩＣＰパワーは２００Ｗ～３００Ｗ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２０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の内部における第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の上部の一部は後に形成されるｐ側下部電極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、リッジの上部の一部及び側面、溝ＴＲ、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。
［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、ｎ側電極などである。
ｐ側下部電極１５１は、リッジの上部、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。
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２０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２０を研磨する（研磨工程は不図示）。続いて、フォトリソグラフィーにより第２の面Ｐ２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積層された基板２０が形成される。
［１－２－５．劈開工程］
次に、劈開工程について図面を用いて説明する。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２０を、半導体レーザ素子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２０を劈開する。本実施の形態では、半導体レーザ素子１４の共振器長が３００μｍ以下となるように劈開する。これにより、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の保護膜における光の反射率は、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説明する。
ＡｌＧａＩｎＰ系及びＡｌＧａＡｓ系の半導体の屈折率及びエネルギーバンドギャップについて図９及び図１０を用いて説明する。図９は、（ＡｌｘＧａ１－ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ系及びＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ系の半導体の屈折率とＡｌ組成ｘとの関係を示すグラフである。図１０は、（ＡｌｘＧａ１－ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ系及びＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ系の半導体のエネルギーバンドギャップとＡｌ組成ｘとの関係を示すグラフである。図９及び図１０に示されるように、ＡｌＧａＩｎＰ系及びＡｌＧａＡｓ系のいずれの半導体においても、屈折率が増大するほど、エネルギーバンドギャップが減少することがわかる。したがって、クラッド層及び障壁層を共にＡｌＧａＩｎＰ系で形成した場合や、クラッド層及び障壁層を共にＡｌＧａＡｓ系で形成した場合には、障壁層のエネルギーバンドギャップをクラッド層のエネルギーバンドギャップより大きくすると、いずれの場合にも、障壁層の屈折率がクラッド層の屈折率より小さくなる。一方、障壁層をＡｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ａｓで形成し、クラッド層を（Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１）０．５Ｉｎ０．５Ｐで形成することで、障壁層のエネルギーバンドギャップを、クラッド層のエネルギーバンドギャップより大きく、かつ、障壁層の屈折率を、ｎ型クラッド層の屈折率より大きくできる場合があることがわかる。
本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、ＡｌＧａＩｎＰ系及びＡｌＧａＡｓ系の半導体層を含む。本実施の形態に係る半導体レーザ素子１４のエネルギーバンド構造及び屈折率分布について、図１１を用いて説明する。図１１は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１４のエネルギーバンド構造（バンドダイアグラム）及び屈折率分布を示す図である。
本実施の形態の半導体レーザ素子１４の構造とすることで、障壁層４１、４３及び４５のエネルギーバンドギャップを、ｎ型クラッド層３２のエネルギーバンドギャップより大きく、かつ、障壁層４１、４３及び４５の屈折率を、ｎ型クラッド層３２の屈折率より大きくすることが可能となる。このとき、ｎ型クラッド層３２はＡｌｘ１Ｇａ１－ｘ１－ｙ１Ｉｎｙ１Ａｓ１－ｚ１Ｐｚ１を含み、障壁層４１、４３及び４５はＡｌｘ２Ｇａ１－ｘ２－ｙ２Ｉｎｙ２Ａｓ１－ｚ２Ｐｚ２を含み、ｚ１＞ｚ２である。また、ｚ１＝１、ｚ２＝０であってもよいし、ｚ１＝１、ｚ２＝０であり、かつ、ｘ１＜ｘ２であってもよい。
本実施の形態に係る半導体レーザ素子１４の層構造によれば、ＡｌＧａＡｓを含む障壁層４１、４３及び４５のエネルギーバンドギャップ（２．０４２ｅＶ）は、ｎ型クラッド層３２のエネルギーバンドギャップ（１．９７０ｅＶ）より大きい。また、ｎ型クラッド層３２の伝導帯の位置が、障壁層４１、４３及び４５の伝導帯の位置より低い。したがって、半導体レーザ素子１４の伝導帯のエネルギーは、障壁層４１、４３及び４５で最も高くなり、ｎ型クラッド層３２、チップ状基板２４の順に低くなる。このようなバンド構造により、チップ状基板２４から注入された電子は、最小の電圧で活性層４０に到達することが可能となる。したがって、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１４によれば、動作電圧を低減できる。また、図１１に示されるように、障壁層４１、４３及び４５の屈折率（３．２１１）は、ｎ型クラッド層３２の屈折率（３．２０８）より大きい。これにより、井戸層４２及び４４で生成した光を効率よく活性層４０に閉じ込めることが可能となるため、発光効率を高めることができる。
また、本実施の形態では、チップ状基板２４は、ＧａＡｓを含む。このため、Ａｌ ｘ１ Ｇａ １－ｘ１－ｙ１ Ｉｎ ｙ１ Ａｓ １－ｚ１ Ｐ ｚ１ を含むｎ型クラッド層３２のエネルギーバンドギャップは、チップ状基板２４のエネルギーバンドギャップより大きい。これにより、チップ状基板２４の伝導帯のエネルギーを低減できるため、チップ状基板２４とｎ型クラッド層３２と間のヘテロ障壁を抑制できる。したがって、より確実に半導体レーザ素子１４の動作電圧を低減できる。
また、本実施の形態では、ｐ型クラッド層（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）のエネルギーバンドギャップは、障壁層のエネルギーバンドギャップより大きい。これにより、活性層４０からのｐ型クラッド層への電子の漏れを抑制できるため、活性層４０への電子の閉じ込め効果を高めることができる。したがって、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１４では、高温動作時においても高い発光効率を得られる。
また、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１４は、ｎ型クラッド層３２と活性層４０との間に配置され、ｎ型クラッド層３２より屈折率が大きいｎ側光ガイド層３３を備える。これにより、活性層４０への光閉じ込め効果を高めることができる。
以上のように、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１４によれば、低動作電圧と、高い光閉じ込め効果とを両立できる。
［１－４．変形例１］
次に、実施の形態１の変形例１に係る半導体レーザ素子について説明する。本変形例に係る半導体レーザ素子は、正孔障壁層及び電子障壁層を備える点において、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１４と相違し、その他の点において一致する。以下、本変形例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図１２を用いて説明する。
図１２は、本変形例に係る半導体レーザ素子のエネルギーバンド構造及び屈折率分布を示す図である。本変形例に係る半導体レーザ素子は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１４に加えて、さらに、正孔障壁層９１及び電子障壁層９２を備える。
本変形例に係る半導体レーザ素子は、ｎ型クラッド層３２と活性層４０との間に配置され、ｎ型クラッド層３２よりエネルギーバンドギャップが大きい正孔障壁層９１を備える。図１２に示される例では、半導体レーザ素子は、ｎ側光ガイド層３３と活性層４０との間に正孔障壁層９１を備える。正孔障壁層９１は、膜厚０．０５μｍのｎ－（Ａｌ０．４Ｇａ０．６）０．５Ｉｎ０．５Ｐを含む。正孔障壁層９１は、第１半導体層３０に含まれる。正孔障壁層９１はＡｌ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓからなる障壁層４１、４３及び４５よりエネルギーバンドギャップが大きく、かつ、積層方向に閉じ込められる光分布に影響を与えない程度の膜厚を有する。正孔障壁層９１の膜厚は、例えば０．１μｍ以下であり、ｎ側光ガイド層３３より薄くてもよい。
このように、ｎ側光ガイド層３３と活性層４０との間にエネルギーバンドギャップの大きい正孔障壁層９１を設けることで、活性層４０からｎ側光ガイド層３３への正孔の漏れを抑制し、活性層４０への正孔閉じ込め効果を高めることができる。その結果、高温動作時においても高い発光効率を得ることができる。
本変形例に係る半導体レーザ素子は、ｐ型クラッド層と活性層４０との間に配置され、ｐ型クラッド層よりエネルギーバンドギャップが大きい電子障壁層９２を備える。図１２に示される例では、半導体レーザ素子は、ｐ側光ガイド層５１と活性層４０との間に電子障壁層９２を備える。電子障壁層９２は、膜厚０．０５μｍのｐ－（Ａｌ０．６Ｇａ０．４）０．５Ｉｎ０．５Ｐを含む。電子障壁層９２は、第２半導体層５０に含まれる。電子障壁層９２はＡｌ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓからなる障壁層４１、４３及び４５よりエネルギーバンドギャップが大きく、かつ、積層方向に閉じ込められる光分布に影響を与えない程度の膜厚を有する。電子障壁層９２の膜厚は、例えば０．１μｍ以下であり、ｐ側光ガイド層５１より薄くてもよい。
このように、ｐ側光ガイド層５１と活性層４０との間にエネルギーバンドギャップの大きい電子障壁層９２を設けることで、活性層４０からｐ側光ガイド層５１への電子の漏れを抑制し、活性層４０へのキャリア閉じ込め効果を高めることができる。その結果、高温動作時においても高い発光効率を得ることができる。
なお、本変形例に係る半導体レーザ素子において、ｐ型クラッド層、電子障壁層９２、ｐ側光ガイド層５１及びｎ側光ガイド層３３は、ＡｌＧａＡｓを含んでもよい。
［１－５．変形例２］
次に、実施の形態１の変形例２に係る半導体レーザ素子について説明する。本変形例に係る半導体レーザ素子は、正孔障壁層の配置において、実施の形態１の変形例１に係る半導体レーザ素子と相違し、その他の点において一致する。以下、本変形例に係る半導体レーザ素子について、実施の形態１の変形例１に係る半導体レーザ素子との相違点を中心に図１３を用いて説明する。
図１３は、本変形例に係る半導体レーザ素子のエネルギーバンド構造及び屈折率分布を示す図である。図１３に示されるように、本変形例に係る半導体レーザ素子においては、正孔障壁層９１は、ｎ型クラッド層３２とｎ側光ガイド層３３との間に配置される。
本変形例に係る正孔障壁層９１は、ｎ型クラッド層３２よりエネルギーバンドギャップが大きく、かつ、電子が容易にトンネルできる程度の膜厚を有してもよい。正孔障壁層９１の膜厚は、例えば、０．１μｍ以下であり、ｎ側光ガイド層３３より薄くてもよい。
このように、ｎ型クラッド層３２とｎ側光ガイド層３３との間にエネルギーバンドギャップの大きい正孔障壁層９１を設けることで、ｎ側光ガイド層３３からｎ型クラッド層３２への正孔の漏れを抑制し、活性層４０への正孔の閉じ込め効果を高めることができる。
変形例１、２に係る半導体レーザ素子において、正孔障壁層がＡｌＧａＡｓを含んでもよいが、変形例１、２のように、正孔障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなることによって、荷電子帯の障壁を高くし、伝導帯の障壁を低くすることができる。これにより、活性層４０への正孔の閉じ込め効果をより高めると同時に、活性層４０への電子の注入を容易にすることができる。
なお、変形例１、２に係る半導体レーザ素子において、ｐ型クラッド層、電子障壁層９２、ｐ側光ガイド層５１及びｎ側光ガイド層３３は、ＡｌＧａＡｓを含んでもよい。
（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、主に活性層の構成において、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図１４及び図１５を用いて説明する。
図１４は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の層構造を示す表である。図１５は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子のエネルギーバンド構造及び屈折率分布を示す図である。図１５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は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１４と同様に、チップ状基板２２４と、第１半導体層２３０と、活性層２４０と、第２半導体層２５０とを備える。第１半導体層２３０は、ｎ型バッファ層２３１と、ｎ型クラッド層２３２と、ｎ側光ガイド層２３３とを有する。活性層２４０は、井戸層２４２及び２４４と、障壁層２４１、２４３及び２４５とを有する。第２半導体層２５０は、ｐ側光ガイド層２５１と、ｐ型第１クラッド層２５２と、ｐ型第２クラッド層２５３と、ｐ型第３クラッド層２５４と、ｐ型中間層２５５と、ｐ型コンタクト層２５６とを有する。
また本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、障壁層２４１、井戸層２４２及び２４４、並びに、ｎ型クラッド層２３２の構成において、実施の形態１に係る半導体レーザ素子と相違する。
本実施の形態に係る障壁層２４１は、膜厚０．０２４μｍのＡｌ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ層である。井戸層２４２及び２４４は、膜厚０．００５５μｍのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ａｓ層である。ｎ型クラッド層２３２は、膜厚４．７μｍのｎ－（Ａｌ０．１７Ｇａ０．８３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層である。
本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、このような活性層２４０を備えることにより、発振波長８３０ｎｍ以上８６０ｎｍ以下でのＴＥモード発振を実現できる。
また、本実施の形態に係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と同様に、障壁層２４１、２４３及び２４５のエネルギーバンドギャップ（２．０４２ｅＶ）は、ｎ型クラッド層２３２のエネルギーバンドギャップ（１．９７６ｅＶ）より大きく、障壁層２４１、２４３及び２４５の屈折率（３．２１１）は、ｎ型クラッド層２３２の屈折率（３．２０４）より大きい。このため、本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１４と同様の効果を奏することができる。
（実施の形態３）
実施の形態３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、主に活性層の構成において、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１４と相違する。本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、ＴＭモード発振を実現できる。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図１６及び図１７を用いて説明する。
図１６は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の層構造を示す表である。図１７は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子のエネルギーバンド構造及び屈折率分布を示す図である。図１７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は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１４と同様に、チップ状基板３２４と、第１半導体層３３０と、活性層３４０と、第２半導体層３５０とを備える。第１半導体層３３０は、ｎ型バッファ層３３１と、ｎ型クラッド層３３２と、ｎ側光ガイド層３３３とを有する。活性層３４０は、井戸層３４２、３４４及び３４６と、障壁層３４１、３４３、３４５及び３４７とを有する。第２半導体層３５０は、ｐ側光ガイド層３５１と、ｐ型第１クラッド層３５２と、ｐ型第２クラッド層３５３と、ｐ型第３クラッド層３５４と、ｐ型中間層３５５と、ｐ型コンタクト層３５６とを有する。
以上のように、本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、障壁層３４１、３４３、３４５及び３４７及び井戸層３４２、３４４及び３４６の構成と、ｎ型クラッド層３３２及びｐ型第１クラッド層３５２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。
本実施の形態に係る活性層３４０においては、障壁層３４１、３４３、３４５及び３４７及び井戸層３４２、３４４及び３４６の層数が、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１４より多い。また、各井戸層を形成する材料が、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１４と相違する。本実施の形態に係る障壁層３４１は、膜厚０．０４μｍのＡｌ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ層である。障壁層３４３は、膜厚０．００８μｍのＡｌ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ層である。障壁層３４３及び障壁層３４５は、膜厚０．００８μｍのＡｌ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ層である。障壁層３４７は、膜厚０．０２１μｍのＡｌ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ層である。井戸層３４２、３４４及び３４６は、膜厚０．００６５μｍのＧａＡｓ０．８４Ｐ０．１６層である。
ｎ型クラッド層３３２は、膜厚４．７μｍのｎ－（Ａｌ０．１９Ｇａ０．８１）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層である。ｐ型第１クラッド層３５２は、膜厚０．１６μｍのｎ－（Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層である。
本実施の形態に係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と同様に、障壁層３４１、３４３、３４５及び３４７のエネルギーバンドギャップ（２．０４２ｅＶ）は、ｎ型クラッド層３３２のエネルギーバンドギャップ（１．９８６ｅＶ）より大きく、障壁層３４１、３４３、３４５及び３４７の屈折率（３．２１１）は、ｎ型クラッド層３３２の屈折率（３．１９８）より大きい。このため、本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１４と同様の効果を奏することができる。
（実施の形態４）
実施の形態４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、グレーディッドバッファ層及びグレーディッド中間層を有する点において、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図１８及び図１９を用いて説明する。
また、本実施の形態４では、共振器長は、２６０μｍである。ここで、半導体レーザ素子１４の共振器長を２６０μｍとすることで、導波路ＷＧの窓領域８０以外の領域の割合を低減できるため、飽和光出力を低減できる。したがって、半導体レーザ素子１４における端面破壊を抑制できる。
図１８は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の層構造を示す表である。図１９は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子のエネルギーバンド構造及び屈折率分布を示す図である。図１９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は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１４と同様に、チップ状基板４２４と、第１半導体層４３０と、活性層４４０と、第２半導体層４５０とを備える。第１半導体層４３０は、ｎ型バッファ層４３１と、グレーディッドバッファ層４３４と、ｎ型クラッド層４３２と、ｎ側光ガイド層４３３とを有する。活性層４４０は、井戸層４４２及び４４４と、障壁層４４１、４４３及び４４５とを有する。第２半導体層４５０は、ｐ側光ガイド層４５１と、ｐ型第１クラッド層４５２と、ｐ型第２クラッド層４５３と、ｐ型第３クラッド層４５４と、ｐ型中間層４５５と、グレーディッド中間層４５７と、ｐ型コンタクト層４５６とを有する。
本実施の形態に係るグレーディッドバッファ層４３４は、膜厚０．０７５μｍのＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ層であり、Ａｌ組成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４３１との境界面からｎ型クラッド層４３２との境界面にかけて、ｘ＝０．０５からｘ＝０．３５までグレーディッドバッファ層４３４のＡｌ組成が徐々に変化する。これにより、チップ状基板４２４とｎ型クラッド層４３２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。したがって、半導体レーザ素子の動作電圧を低減できる。
また、本実施の形態に係るグレーディッド中間層４５７は、膜厚０．０５μｍのｐ－ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ層であり、Ａｌ組成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４５５との境界面からｐ型コンタクト層４５６との境界面にかけて、ｘ＝０．５５からｘ＝０．０５までグレーディッド中間層４５７のＡｌ組成が徐々に変化する。これにより、ｐ型中間層４５５とｐ型コンタクト層４５６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。したがって、半導体レーザ素子の動作電圧を低減できる。
本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、ｎ側光ガイド層４３３及びｐ側光ガイド層４５１の構成においても、実施の形態１に係る半導体レーザ素子と相違する。本実施の形態に係るｎ側光ガイド層４３３は、膜厚０．０９μｍの（Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６）０．５Ｉｎ０．５Ｐである。なお、ｎ側光ガイド層４３３のＡｌ組成は、積層方向において徐々に変化してもよい。例えば、ｎ側光ガイド層４３３は、（ＡｌｘＧａ１－ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層であって、ｎ型クラッド層４３２との境界面から活性層４４０との境界面にかけて、ｘ＝０．１８からｘ＝０．０２までＡｌ組成が徐々に変化してもよい。
本実施の形態に係るｐ側光ガイド層４５１は、膜厚０．０７μｍの（Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層である。なお、ｐ側光ガイド層４５１のＡｌ組成は、積層方向において徐々に変化してもよい。例えば、ｐ側光ガイド層４５１は、（ＡｌｘＧａ１－ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層であって、活性層４４０との境界面からｐ型第１クラッド層４５２との境界面にかけて、ｘ＝０．０２からｘ＝０．３０までＡｌ組成が徐々に変化してもよい。
本実施の形態に係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と同様に、障壁層４４１、４４３及び４４５のエネルギーバンドギャップ（２．０４２ｅＶ）は、ｎ型クラッド層４３２のエネルギーバンドギャップ（１．９８１ｅＶ）より大きく、障壁層４４１、４４３及び４４５の屈折率（３．２１１）は、ｎ型クラッド層４３２の屈折率（３．２０１）より大きい。このため、本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１４と同様の効果を奏することができる。
（実施の形態５）
実施の形態５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、主に導波路形状と活性層の構成とにおいて、実施の形態４に係る半導体レーザ素子と相違する。本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、発振波長９８０ｎｍを実現する。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４に係る半導体レーザ素子との相違点を中心に説明する。
まず、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の導波路形状について図２０を用いて説明する。図２０は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の導波路形状を示す上面図である。図２０は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子のｐ側上部電極側から見た導波路ＷＧを示す。なお、本実施の形態では、共振器長は、２５００μｍである。
図２０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の導波路ＷＧは、フロント側（出射側）からリア側に向かって、第一の領域Ｒ１から第五の領域Ｒ５により構成される。まず、第一の領域Ｒ１は、長さ（つまり、共振方向における長さ）が１０００μｍであって、導波路幅（つまり、共振方向と垂直であって、チップ状基板５２４の主面に平行な方向の寸法）は４．５μｍで一定である。第二の領域Ｒ２は、長さが３２０μｍで、導波路幅は第一の領域Ｒ１側から第三の領域Ｒ３側に向かって（つまり、フロント側からリア側に向かって）４．５μｍから２．０μｍに連続的に狭くなる。第三の領域Ｒ３は、長さが８００μｍで、導波路幅は２．０μｍで一定である。第四の領域Ｒ４は、長さが３２０μｍで、導波路幅は第三の領域Ｒ３側から第五の領域Ｒ５側に向かって（つまり、フロント側からリア側に向かって）２．０μｍから４．５μｍに連続的に広くなる。第五の領域Ｒ５は、長さが６０μｍで、導波路幅は４．５μｍで一定である。
このように導波路ＷＧのフロント側の導波路幅を広くすることで、電流注入量を増やすことができるため、高い光出力を得ることができる。さらに、フロント側とリア側との間に、横高次モード光をカットオフできる導波路幅の領域（第三の領域Ｒ３）を設けることでシングルモード動作が可能となる。さらに導波路幅４．５μｍの領域と導波路幅２．０μｍの領域とを、３２０μｍの長さの導波路幅が連続的に変化する領域によって接続することで、導波路幅が変化することによるレーザ光の伝播損失を低減することが可能となる。
従って、高出力動作可能な、シングルモード半導体レーザ素子を得ることができる。
次に、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の活性層の構成について、図２１及び図２２を用いて説明する。図２１は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の層構造を示す表である。図２２は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子のエネルギーバンド構造及び屈折率分布を示す図である。図２２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は、実施の形態４に係る半導体レーザ素子と同様に、チップ状基板５２４と、第１半導体層５３０と、活性層５４０と、第２半導体層５５０とを備える。第１半導体層５３０は、ｎ型バッファ層５３１と、グレーディッドバッファ層５３４と、ｎ型クラッド層５３２と、ｎ側光ガイド層５３３とを有する。活性層５４０は、井戸層５４２及び５４４と、障壁層５４１、５４３及び５４５とを有する。第２半導体層５５０は、ｐ側光ガイド層５５１と、ｐ型第１クラッド層５５２と、ｐ型第２クラッド層５５３と、ｐ型第３クラッド層５５４と、ｐ型中間層５５５と、グレーディッド中間層５５７と、ｐ型コンタクト層５５６とを有する。
また本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、活性層５４０、ｎ側光ガイド層５３３、ｐ側光ガイド層５５１及びｐ型第１クラッド層５５２の構成において、実施の形態４に係る半導体レーザ素子と相違する。
本実施の形態に係る活性層５４０の井戸層５４２及び５４４は、膜厚０．００８μｍのＩｎ０．１７Ｇａ０．８３Ａｓ層である。障壁層５４１は、膜厚０．０３μｍのＡｌ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ層である。障壁層５４３は、膜厚０．００７μｍのＡｌ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ層である。障壁層５４５は、膜厚０．０２１μｍのＡｌ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ層である。本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、このような活性層５４０を備えることにより、発振波長９８０ｎｍを実現できる。
本実施の形態に係るｎ側光ガイド層５３３は、膜厚０．０８５μｍの（Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層である。なお、ｎ側光ガイド層５３３のＡｌ組成は、実施の形態４に係るｎ側光ガイド層４３３と同様に積層方向において徐々に変化してもよい。
本実施の形態に係るｐ側光ガイド層５５１は、膜厚０．１３μｍの（Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層である。なお、ｐ側光ガイド層４５１のＡｌ組成は、実施の形態４に係るｐ側光ガイド層４５１と同様に積層方向において徐々に変化してもよい。
本実施の形態に係るｐ型第１クラッド層５５２は、膜厚０．２０μｍのｐ－（Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層である。
本実施の形態に係る半導体レーザ素子においても、実施の形態４に係る半導体レーザ素子と同様に、障壁層５４１、５４３及び５４５のエネルギーバンドギャップ（２．０４２ｅＶ）は、ｎ型クラッド層５３２のエネルギーバンドギャップ（１．９７３ｅＶ）より大きく、障壁層５４１、５４３及び５４５の屈折率（３．２１１）は、ｎ型クラッド層５３２の屈折率（３．２０６）より大きい。このため、本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、実施の形態４に係る半導体レーザ素子と同様の効果を奏することができる。
（実施の形態６）
実施の形態６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、ｐ型第１クラッド層、ｐ側光ガイド層、障壁層、ｎ側光ガイド層及びｎ型クラッド層の構成において、実施の形態４に係る半導体レーザ素子と相違し、その他の構成において一致する。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４に係る半導体レーザ素子との相違点を中心に図２３及び図２４を用いて説明する。
図２３は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の層構造を示す表である。図２４は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子のエネルギーバンド構造及び屈折率分布を示す図である。図２４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は、実施の形態４に係る半導体レーザ素子と同様に、チップ状基板６２４と、第１半導体層６３０と、活性層６４０と、第２半導体層６５０とを備える。第１半導体層６３０は、ｎ型バッファ層６３１と、グレーディッドバッファ層６３４と、ｎ型クラッド層６３２と、ｎ側光ガイド層６３３とを有する。活性層６４０は、井戸層６４２及び６４４と、障壁層６４１、６４３及び６４５とを有する。第２半導体層６５０は、ｐ側光ガイド層６５１と、ｐ型第１クラッド層６５２と、ｐ型第２クラッド層６５３と、ｐ型第３クラッド層６５４と、ｐ型中間層６５５と、グレーディッド中間層６５７と、ｐ型コンタクト層６５６とを有する。
図２３に示されるように、本実施の形態に係るｐ型第１クラッド層６５２は、ｐ－（Ａｌ０．２９Ｇａ０．７１）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層であり、実施の形態４に係るｐ型第１クラッド層４５２より、Ａｌ組成が低い。これにより、ｐ型第１クラッド層６５２の屈折率を実施の形態４に係るｐ型第１クラッド層４５２の屈折率より高くすることができるため、活性層６４０への光閉じ込め効果を高めることができる。ｐ型第１クラッド層６５２のＡｌ組成は、例えば、ｐ型第２クラッド層６５３及びｐ型第３クラッド層６５４のＡｌ組成より低くてもよい。これにより、上記光閉じ込め効果が奏される。
本実施の形態に係るｐ側光ガイド層６５１の膜厚は、０．１３μｍであり、実施の形態４に係るｐ側光ガイド層４５１の膜厚より大きい。これにより、光分布の積層方向における中央部を活性層６４０に近づけることができるため、活性層６４０への光閉じ込め効果をさらに高めることができる。
本実施の形態に係る活性層６４０の障壁層のうち、最も第１半導体層６３０に近い障壁層６４１の膜厚は、０．０２μｍであり、実施の形態４に係る障壁層４４１の膜厚より小さい。また、本実施の形態に係るｎ側光ガイド層６３３の膜厚は、０．０５μｍであり、実施の形態４に係るｎ側光ガイド層４３３の膜厚より小さい。また、本実施の形態に係るｎ型クラッド層６３２の膜厚は、３．２μｍであり、実施の形態４に係るｎ型クラッド層４３２の膜厚より小さい。以上のように、活性層６４０の第１半導体層６３０側の障壁層６４１及び第１半導体層６３０の各層の膜厚を小さくすることにより、活性層６４０の積層方向における中央部とチップ状基板６２４との距離と低減できるため、光分布の裾野部分のうちチップ状基板６２４に位置する部分を増大させることができる。ここで、チップ状基板６２４の不純物濃度は、ｎ型クラッド層６３２などより高いため、チップ状基板６２４における光損失は大きい。ここで、この光分布には横基本モード光のほか、横高次モード光が含まれる場合がある。横高次モード光は横基本モード光より実効屈折率が小さいため、光分布はチップ状基板６２４方向に拡がる。したがって、本実施の形態に係る半導体レーザ素子では、実施の形態４に係る半導体レーザ素子より、横高次モード光のチップ状基板６２４における損失が増大するため、横高次モード光を減衰させることができる。これにより、横高次モード光に起因する光出力の不安定性、及び、光放射分布形状の不安定性を抑制できる。
また、本実施の形態に係るｎ型クラッド層６３２は、ｎ－（Ａｌ０．１５５Ｇａ０．８４５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層であり、実施の形態４に係るｎ型クラッド層４３２より、Ａｌ組成が低い。これにより、ｎ型クラッド層６３２の屈折率を実施の形態４に係るｎ型クラッド層４３２の屈折率より高くすることができるため、活性層６４０への光閉じ込め効果をより一層高めることができる。
以上のように、本実施の形態に係る半導体レーザ素子によれば、実施の形態４に係る半導体レーザ素子より、活性層６４０への光閉じ込め効果が高め、かつ、横高次モード光を低減することができる。
（変形例など）
以上、本開示に係る半導体レーザ素子等について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記の実施の形態に限定されるものではない。
例えば、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。
また、上記各実施の形態及びその変形例に係る半導体レーザ素子においては、リッジ構造を用いて導波路を形成したが、導波路を形成するための手段は、これに限定されず、埋め込み型構造などを使用してもよい。
本開示に係る半導体レーザ素子は、消費電力の抑制が求められ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
２０ 基板
２４、２２４、３２４、４２４、５２４、６２４ チップ状基板
３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０ 第１半導体層
３１、２３１、３３１、４３１、５３１、６３１ ｎ型バッファ層
３２、２３２、３３２、４３２、５３２、６３２ ｎ型クラッド層
３３、２３３、３３３、４３３、５３３、６３３ ｎ側光ガイド層
４０、２４０、３４０、４４０、５４０、６４０ 活性層
４１、４３、４５、２４１、２４３、２４５、３４１、３４３、３４５、３４７、４４１、４４３、４４５、５４１、５４３、５４５、６４１、６４３、６４５ 障壁層
４２、４４、２４２、２４４、３４２、３４４、３４６、４４２、４４４、５４２、５４４、６４２、６４４ 井戸層
５０、２５０、３５０、４５０、５５０、６５０ 第２半導体層
５１、２５１、３５１、４５１、５５１、６５１ ｐ側光ガイド層
５２、２５２、３５２、４５２、５５２、６５２ ｐ型第１クラッド層
５３、２５３、３５３、４５３、５５３、６５３ ｐ型第２クラッド層
５４、２５４、３５４、４５４、５５４、６５４ ｐ型第３クラッド層
５５、２５５、３５５、４５５、５５５、６５５ ｐ型中間層
５６、２５６、３５６、４５６、５５６、６５６ ｐ型コンタクト層
８０ 窓領域
９１ 正孔障壁層
９２ 電子障壁層
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
４３４、５３４、６３４ グレーディッドバッファ層
４５７、５５７、６５７ グレーディッド中間層
Ｐ１ 第１の面
Ｐ２ 第２の面
Ｒ１ 第一の領域
Ｒ２ 第二の領域
Ｒ３ 第三の領域
Ｒ４ 第四の領域
Ｒ５ 第五の領域
ＴＲ 溝
ＷＧ 導波路

Claims (22)

  1. ｎ型半導体基板の上方に配置されたｎ型クラッド層と、
    前記ｎ型クラッ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ｐ型クラッド層とを備え、
    前記活性層は、井戸層と障壁層とを有し、
    前記障壁層のエネルギーバンドギャップは、前記ｎ型クラッド層のエネルギーバンドギャップより大きく、
    前記障壁層の屈折率は、前記ｎ型クラッド層の屈折率より大きく、
    前記ｎ型クラッド層はＡｌ ｘ１ Ｇａ １－ｘ１－ｙ１ Ｉｎ ｙ１ Ａｓ １－ｚ１ Ｐ ｚ１ を含み、
    前記障壁層はＡｌ ｘ２ Ｇａ １－ｘ２－ｙ２ Ｉｎ ｙ２ Ａｓ １－ｚ２ Ｐ ｚ２ を含み、
    ｚ１＞ｚ２である
    半導体レーザ素子。
  2. 前記ｎ型クラッド層はＡｌｘ１Ｇａ１－ｘ１－ｙ１Ｉｎｙ１Ｐを含み、
    前記障壁層はＡｌｘ２Ｇａ１－ｘ２－ｙ２Ｉｎｙ２Ａｓを含む
    請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  3. ｘ１＜ｘ２である
    請求項２に記載の半導体レーザ素子。
  4. 前記ｎ型半導体基板はＧａＡｓを含む
    請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  5. 前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に配置され、前記ｎ型クラッド層より屈折率が大きいｎ側光ガイド層を備える
    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ｎ側光ガイド層は、（ＡｌｘＧａ１－ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を含む
    請求項５に記載の半導体レーザ素子。
  7. 前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に配置され、前記ｎ型クラッド層よりエネルギーバンドギャップが大きい正孔障壁層を備える
    請求項１～６のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  8. 前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に配置され、前記ｎ型クラッド層より屈折率が大きいｎ側光ガイド層を備える
    請求項７に記載の半導体レーザ素子。
  9. 前記正孔障壁層の膜厚は、前記ｎ側光ガイド層の膜厚より薄い
    請求項８に記載の半導体レーザ素子。
  10. 前記正孔障壁層は、前記ｎ側光ガイド層と前記活性層との間に配置される
    請求項８又は９に記載の半導体レーザ素子。
  11. 前記正孔障壁層は、前記ｎ型クラッド層と前記ｎ側光ガイド層との間に配置される
    請求項８又は９に記載の半導体レーザ素子。
  12. 前記正孔障壁層は、前記障壁層よりエネルギーバンドギャップが大きい
    請求項８～１１のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  13. 前記正孔障壁層は、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体からなる
    請求項８～１２のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  14. 前記ｐ型クラッド層のエネルギーバンドギャップは、前記障壁層のエネルギーバンドギャップより大きい
    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ｐ型クラッド層は、前記活性層に近い側から、ｐ型第１クラッド層とｐ型第２クラッド層とを順次備え、
    前記ｐ型第１クラッド層のＡｌ組成は、前記ｐ型第２クラッド層のＡｌ組成より低い
    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ｎ型クラッド層のエネルギーバンドギャップは、前記ｎ型半導体基板のエネルギーバンドギャップより大きい
    請求項１～１５のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  17. 前記ｐ型クラッド層の上方に配置されるｐ型コンタクト層と、
    前記ｐ型クラッド層と、前記ｐ型コンタクト層との間に配置され、Ａｌ組成が積層方向において徐々に変化するグレーディッド中間層とを備える
    請求項１～１６のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  18. 前記ｎ型半導体基板と前記ｎ型クラッド層との間に配置されるバッファ層を備え、
    前記バッファ層は、ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓを含む
    請求項１～１７のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  19. 前記バッファ層は、Ａｌ組成が積層方向において徐々に変化するグレーディッドバッファ層を含む
    請求項１８に記載の半導体レーザ素子。
  20. 前記ｐ型クラッド層と前記活性層との間に配置され、前記ｐ型クラッド層よりエネルギーバンドギャップが大きい電子障壁層を備える
    請求項１～１９のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  21. 前記井戸層はＩｎＧａＡｓ系の半導体からなる
    請求項１～２０のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  22. 前記ｎ型クラッド層と前記障壁層とのエネルギーバンドギャップ差は、０．０５６ｅＶ以上０．０７２ｅＶ以下である
    請求項１～２１のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
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