WO2004073125A1 - 半導体レーザ素子、光学ヘッド、及び情報記録装置 - Google Patents

半導体レーザ素子、光学ヘッド、及び情報記録装置 Download PDF

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WO2004073125A1
WO2004073125A1 PCT/JP2004/001037 JP2004001037W WO2004073125A1 WO 2004073125 A1 WO2004073125 A1 WO 2004073125A1 JP 2004001037 W JP2004001037 W JP 2004001037W WO 2004073125 A1 WO2004073125 A1 WO 2004073125A1
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semiconductor laser
laser device
refractive index
index portion
high refractive
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PCT/JP2004/001037
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French (fr)
Inventor
Koji Takahashi
Hidenori Kawanishi
Original Assignee
Sharp Kabushiki Kaisha
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/227—Buried mesa structure ; Striped active layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/341—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser device. Further, the present invention relates to an optical head and an information recording device equipped with a semiconductor laser element.
  • an A1GaAs-based infrared semiconductor laser device which is used as a pickup light source for an optical head for a compact disk (CD), has a horizontal transverse mode stability.
  • those having a buried hetero type waveguide structure are known (for example, KAZUTOSHI SAIT0 et al., “Buried-Heterostructure AlGaAs Lasers) J, (USA), I ⁇ Trifino Rei-Janano Reservoir 'Electronitas (IEEE Journal of
  • this semiconductor laser device generated laser oscillation at a wavelength of 0.812 ⁇ m.
  • the full width at half maximum of the light intensity distribution of the near-field image of the laser element 900 during laser oscillation is 0.78 / im in the parallel direction, 0.25 m in the vertical direction, and The shape is elliptical.
  • the spread angle of the far-field image is 24 degrees in the parallel direction and 37 degrees in the vertical direction.
  • the laser light emitted from the semiconductor laser element spreads in space at a certain angle (far-field image), so that in a normal pickup, the laser light emitted from the semiconductor laser element is transmitted to a recording medium via a lens system. It is focused.
  • blue semiconductor laser devices that can reduce the spot size compared to infrared semiconductor laser devices are being developed, and a blue semiconductor laser device with a wavelength of 405 nm and NA (numerical aperture) are being developed.
  • technology for mass production of GaN-based materials for blue semiconductor laser devices has not been established, and the reliability of blue semiconductor laser devices cannot be said to be sufficient. .
  • the distance between the light source and the recording medium is set to a very small distance (several tens to several hundreds of nm), and the near-field is not passed through the lens system.
  • An optical memory that performs recording using light has been proposed (for example, Fumio Koyama et al., "Near-field light generation by surface emitting laser", Japan Society of Applied Physics, Japan Society of Applied Physics, Vol. 68, No. 12) No., 1989, pp. 138 0—1383. In this way, the distance between the light source and the recording medium is less than 1 am, not through the lens system.
  • the method is called “proximity recording method.”)
  • a surface emitting laser having a metal aperture having a small aperture of about several tens to several hundreds of nm at an emission end is used.
  • Such a proximity recording method can obtain a light spot of a minute size exceeding the diffraction limit of light, and can obtain a light spot smaller than a high-density optical disk using a blue semiconductor laser device. It has the potential to realize higher density optical memory. However, there is a problem that the light output is very weak because the light use efficiency is extremely low. Disclosure of the invention
  • an object of the present invention is to obtain a light spot smaller than that of a blue semiconductor laser device while using an existing compound semiconductor material, and to provide a light spot smaller than a semiconductor laser device having a metal aperture used for a proximity recording method.
  • Another object of the present invention is to provide a semiconductor laser device which can obtain a minute light spot (near-field image) with a light output sufficient for practical use and is easily configured.
  • a semiconductor laser device has a resonator having a high refractive index portion extending in one direction with a cross section of a certain shape, and a low refractive index portion surrounding the high refractive index portion.
  • the dimension of the cross section of the high refractive index portion is set to a value such that the area of the near-field image of the laser beam emitted from the resonator is minimized or is set to a value close to the value. I do.
  • One direction in which the high refractive index portion extends means the direction of the cavity length of the semiconductor laser device.
  • the dimension of the cross section of the high refractive index portion is set to a value such that the area of the near-field image of the laser light emitted from the resonator is minimized, or to a value close to the value.
  • the semiconductor laser device of the present invention is preferably applied to an optical system using a small spot, for example, an optical system of a proximity recording system. Further, the semiconductor laser device of the present invention can be easily configured simply by appropriately setting the cross-sectional dimensions of the high refractive index portion with respect to the conventional semiconductor laser device.
  • Each of the high refractive index portion and the low refractive index portion may be made of a plurality of types of materials.
  • the cross-sectional shape of the high refractive index portion is desirably triangular, rectangular, trapezoidal, regular polygonal, or circular. If the cross section of the high refractive index portion has a triangular, rectangular, or trapezoidal shape, it can be easily manufactured using a known manufacturing process.
  • the area of the near-field image is smaller if it is a regular polygon, and the area of the near-field image is smallest if it is circular.
  • the thickness D and the lateral width W of the cross section of the high refractive index portion are such that the dimensions of the myopic field image of the laser light emitted from the resonator in the thickness direction and the lateral direction are respectively It is desirable that the value be set to a value at which the minimum value is obtained or in the vicinity of the value.
  • this semiconductor laser device has a resonator having a high refractive index portion extending in one direction with a cross section of a certain shape, and a low refractive index portion surrounding the high refractive index portion.
  • the thickness D and the width W of the cross section of the high refractive index portion are such that the dimensions of the near-field image of the laser beam emitted from the resonator are minimized in the thickness direction and the lateral direction, respectively. It is characterized in that it is set at or near the value.
  • the “thickness” D of the cross section of the high refractive index portion refers to the dimension in the laminating (deposition) direction of the semiconductor layer constituting the high refractive index portion within the cross section.
  • the “width” W of the cross section of the high refractive index portion indicates a dimension in a direction perpendicular to the laminating direction in the cross section.
  • the “thickness direction” and “lateral direction” refer to directions along the “thickness” D and the “width” W of the high refractive index portion, respectively.
  • the thickness D and the lateral width W of the cross section of the high refractive index portion are such that the dimensions of the near-field image of the laser light emitted from the resonator are minimized in the thickness direction and the lateral direction. Is set at or near such a value.
  • a minute light spot can be obtained with a light output sufficient for practical use as compared with a conventional semiconductor laser device having a metal aperture used for the proximity recording method (described later).
  • the semiconductor laser device of the present invention is preferably applied to an optical system using a minute spot, for example, an optical system of a proximity recording system. Further, the semiconductor laser device of the present invention can be easily configured simply by appropriately setting the cross-sectional dimensions of the high refractive index portion with respect to the conventional semiconductor laser device.
  • the high refractive index portion respectively the refractive index of the low refractive index portion n a, represents a n c, the difference delta n r of their refractive index
  • the thickness D and width W of the cross section of the high refractive index portion are respectively
  • the unit of D and IW is ⁇ , and the unit of ⁇ is nm. It is desirable to satisfy the following relationship.
  • An r is a representation of a percentage ratio against the n c of the (n a -n c), it is dimensionless.
  • a resonator having a high refractive index portion extending in one direction with a cross section of a certain shape, and a low refractive index portion surrounding the high refractive index portion;
  • the thickness D and width W of the cross section of the high refractive index portion are respectively
  • the thickness D and the width W of the high refractive index portion have the same value. It is desirable that the high refractive index portion is a light emitting layer.
  • the “quantum well structure” may be made of parc, or may have quantum wires or quantum boxes.
  • the low refractive index portion be made of Al x Ga 1 -x As (where 0 ⁇ x ⁇ 1).
  • the high refractive index portion contains nitrogen and a group V element other than nitrogen in its composition.
  • a semiconductor laser device of the present invention includes a resonator that extends in one direction parallel to a surface of a substrate and emits laser light from an end face, on the substrate, and a laser light near the laser light.
  • the full width at half maximum of the light intensity distribution of the visual field image in the vertical direction and the parallel direction to the substrate surface is 0.28 / im or less.
  • the full width at half maximum of the light intensity distribution in the vertical direction and the full width at half maximum of the light intensity distribution in the parallel direction of the near-field image have the same value.
  • the low-refractive-index portion includes a p-type region and an n-type region separated from each other by a boundary surface extending along the one direction, and the high-refractive-index portion includes the low-refractive-index portion. It is desirable that it is sandwiched between the above-mentioned!) Type region and the n-type region.
  • Type region means a region showing a p-type conductivity type
  • n-type region means a region showing an n-type conductivity type.
  • the semiconductor laser device of this embodiment by applying a positive potential and a negative potential to the p-type region and the n-type region, respectively, a current can easily flow through the high refractive index portion. Therefore, laser oscillation can be performed with the high refractive index portion functioning as an active layer.
  • an insulator layer is interposed along the boundary between the p-type region and the n-type region of the low refractive index portion around the high refractive index portion. Is desirable.
  • an insulator layer is provided along a boundary surface between the p-type region and the n-type region of the low refractive index portion, which corresponds to both sides of the high refractive index portion. Since it is inserted, the current flow is interrupted by the insulator layer. Therefore, the current flows intensively through the high refractive index portion, and the efficiency of current injection into the high refractive index portion is improved. Therefore, the electrical characteristics of the semiconductor laser device are improved.
  • the insulator layer is made of aluminum oxide.
  • the resistance of the aluminum oxide is high, current injection into the high refractive index portion can be performed very efficiently.
  • oxide Arumyeu beam includes not only A l 2 ⁇ 3, A 1 0 x (X is O composition ratio of for A 1) widely includes those represented by.
  • the aluminum oxide It is desirable that the aluminum be formed by thermally oxidizing aluminum. In such a case, aluminum oxide aluminum is easily manufactured.
  • "hidani aluminum” is represented by A1As.
  • An optical head according to the present invention is an optical head for recording or reproducing information on or from a recording medium by using the laser light emitted from the semiconductor laser element, in cooperation with the above-described semiconductor laser element.
  • an optical spot (near-field image) smaller than that obtained by a conventional blue semiconductor laser element can be obtained on a recording medium by the laser light emitted from the semiconductor laser element. it can.
  • information can be recorded or reproduced with a light output larger than that of a semiconductor laser device having a metal aperture used in the proximity recording method.
  • the distance between the light emitting end face of the semiconductor laser device and the recording medium is close to less than 1.am.
  • the semiconductor laser element and the recording medium are arranged such that a distance between the light emitting end face of the semiconductor laser element and the recording medium is close to less than 1 ⁇ m. It is characterized by having a control mechanism for controlling the distance between.
  • An information recording device is an information recording device including the above-described semiconductor laser device.
  • the above-described semiconductor laser device is used not only for recording or reproducing information on a magneto-optical disk, a phase change type disk, or the like, but also for various information recording such as a magnetic recording device for recording or reproducing information by a heat assist method. It is preferably used for equipment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor laser device according to the first to sixth embodiments as viewed from a laser emitting end face direction.
  • FIGS. 2A, 2B, and 2C are diagrams schematically showing a near-field image of the semiconductor laser device according to the first embodiment.
  • Figure 3 shows the relationship between the spot size in the horizontal direction and the width W of the high refractive index part. is there.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the spot size in the thickness direction and the thickness D of the high refractive index portion.
  • FIG. 6 is a diagram showing a relationship with W.
  • 6A to 6E are diagrams showing the steps of manufacturing the semiconductor laser device according to the first embodiment.
  • FIG. 7A to 7C are cross-sectional views of the semiconductor laser devices according to the ninth and tenth embodiments, as viewed from the laser emitting end face direction.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the semiconductor laser device according to the eleventh embodiment as viewed from a laser emitting end face direction.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the semiconductor laser device according to the 12th embodiment as viewed from a laser emission end face direction.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the semiconductor laser device according to the thirteenth embodiment as viewed from a laser emission end face direction.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the semiconductor laser device according to the fourteenth embodiment as viewed from a laser emission end face direction.
  • FIG. 6 is a diagram showing a relationship between D and width W.
  • FIG. 6 is a diagram showing a relationship between D and width W.
  • FIG. 14 is a diagram showing a range of structural parameters in which the spot size is smaller than 0.28 ⁇ m in the first to fifth embodiments.
  • FIG. 15 is a diagram showing a range of structural parameters in which the spot size becomes smaller than 0.28 ⁇ in the sixth embodiment.
  • FIG. 16 shows that the spot size is smaller than 0.28 / zm in the seventh embodiment. It is a figure which shows the range of the structural parameter which becomes.
  • FIG. 17 is a diagram showing a semiconductor laser element mounting portion in an optical head of a magneto-optical disk recording / reproducing apparatus.
  • Fig. 18 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor laser device viewed from the direction of a laser emitting end face.
  • FIG. 1 shows a cross section of the semiconductor laser device of the first embodiment of the present invention (entirely denoted by the reference numeral 100), which is perpendicular to the direction of the cavity length, that is, a cross section viewed from the laser emitting end face direction.
  • the semiconductor laser device 100 includes an n-type substrate 101, a flat surface 101a, an 11-type cladding layer 102, a current blocking layer 103 as an insulator layer, an active layer 104 as a high refractive index portion, and a p-type A cladding layer 105, a contact layer 106 and a p-type electrode 107 are provided, and an n-type electrode 108 is provided on the back surface 101 b of the substrate 101.
  • the active layer 104 has a rectangular cross section in this example, and extends in a stripe shape in one direction perpendicular to the paper surface.
  • the n-type cladding layer 102 and the p-type cladding layer 105 surround the active layer 104 as a low refractive index portion.
  • the crystal growth of each layer is performed in a direction away from the substrate surface 501a from “below” to “above” in FIG.
  • the conductivity type, material, and thickness of each part of the semiconductor laser device 100 are shown in Table 1 below.
  • Substrate 101 n-type GaAs, thickness 100 ⁇
  • ⁇ -type cladding layer 102 ⁇ -type Al. 8 Ga. . 2 As,
  • Thickness (thickest part) 0.8 / zm
  • the current confinement layer 103 A1 2 0 3, 20 nm thick
  • Electrode for n-type 108 AuG e
  • the width W of the active layer 104 was 0.25 ⁇ m.
  • the region from the substrate 101 to the n-type cladding layer 102 corresponds to the n-type region
  • the region from the p-type cladding layer 105 to the contact layer 106 corresponds to the p-type region.
  • FIG. 2A schematically shows a near-field image 190 of a laser beam emitted from the end face of the semiconductor laser element 100
  • FIGS. 2B and 2C show the thickness direction (perpendicular to the substrate surface) and the horizontal direction, respectively.
  • the light intensity distribution of the near-field image 190 in the direction (parallel to the substrate surface) is shown.
  • the full width at half maximum (spot size) of the light intensity distribution of the near-field image 190 in both the thickness direction and the lateral direction was 0.23 / m. In this way, a light distribution of a perfect circle with a very small spot size 1 was obtained.
  • the A1 mixed crystal ratio of the n-type cladding layer 102, the thickness of the active layer 104, and the A1 mixed crystal ratio of the p-type cladding layer 105 was configured by changing the width of the active layer 104 as follows (these changed items are the same from the third embodiment to the fifth embodiment described later).
  • the crystal ratio X was 1.0, and the width W of the active layer 104 was 0.2 m.
  • the full width at half maximum (spot size) of the light intensity distribution of the near-field image in both the thickness direction and the lateral direction was 0.2.
  • spot size spot size
  • the full width at half maximum (spot size) of the light intensity distribution of the near-field image in both the thickness direction and the lateral direction was 0.28 im.
  • spot size spot size
  • the full width at half maximum (spot size) of the light intensity distribution of the near-field image in both the thickness direction and the lateral direction was 0.28 / im.
  • spot size spot size
  • the A1 mixed crystal ratio x of the n-type cladding layer 102 0.5
  • the thickness of the active layer 104 0 0.28 m
  • the A1 mixed crystal ratio x of the p-type cladding layer 105 0.5
  • the width W of the active layer 104 was set to 0.28 ⁇ m.
  • the full width at half maximum (spot size) of the light intensity distribution of the near-field image in both the thickness direction and the lateral direction is 0.
  • spot size spot size
  • the full width at half maximum (spot size) of the light intensity distribution of the near-field image in the thickness direction and the lateral direction is 0.78, respectively. / m, 0.25 / m.
  • the near-field image has such an elliptical shape and a large spot area, it cannot be used as a light source mounted on an optical system of the proximity recording system, which is the object of the present application.
  • the conventional semiconductor laser device has no intention to obtain a minute spot which is the object of the present invention, and does not devise a configuration and a device therefor.
  • the semiconductor laser device of the present invention is obtained as a result of reviewing the configuration of the semiconductor laser device from a new viewpoint of obtaining a minute spot, and the width W and thickness D of the active layer are usually By setting it to be much smaller and optimally than the semiconductor laser device of the above (manufacturing process is strictly controlled in accordance with it), a minute spot is realized. Therefore, it can be suitably used as a light source for an optical system using a minute spot. This will be described more specifically with reference to FIGS.
  • the graph also shows the dependence of the spot size in the lateral direction on the width W of the active layer 104 in a semiconductor laser device in which the active layer 104 is GaAs. It was found that the spot size in the horizontal direction became extremely small near the width W of the active layer of about 0.2 m.
  • FIG. 4 shows the dependence of the spot size in the thickness direction on the thickness D of the active layer 104. It was found that the spot size in the thickness direction became extremely small when the thickness D of the active layer was about 0.2 m. From these results, it is suggested that the semiconductor laser device is configured using W and D that give the minimum spot size in both the thickness direction and the lateral direction.
  • Fig. 5 shows the spot size in the thickness and lateral directions (full width at half maximum of the light intensity distribution of the near-field image) when the width W and the thickness D of the active layer 104 are simultaneously changed with the same value. Is shown.
  • the range in which the width W is varied is characterized in that the value is significantly smaller than the width (about 1 ⁇ m) of the conventional semiconductor laser device.
  • the n-type A 1 x G ai x As clad layer 102 and the p-type Al x G a to X As clad layer 10 as low refractive index portions are used.
  • the A1 mixed crystal ratio X of 5 was set to 0.8, 1.0, and 0.5, in FIG.
  • this X was changed as a parameter in the range of 0.3 to 1.0 in steps of 0.1. ing.
  • Arrow A in FIG. 5 is drawn on a line connecting the points where the spot size becomes minimum for each value of X. From FIG. 5, it can be seen that as the A 1 mixed crystal ratio X in the low refractive index portion increases (this corresponds to increasing the refractive index difference ⁇ n between the low refractive index portion and the high refractive index portion). It is found that the minimum spot size ⁇ S becomes significantly smaller.
  • the present invention It is created from the results, and assuming that there is a refractive index difference ⁇ n between the high refractive index part and the low refractive index part forming the waveguide of the resonator, W and D are used as conventional semiconductor lasers.
  • W and D are used as conventional semiconductor lasers.
  • the difference in the refractive index between the active layer 104 as the high refractive index portion and the cladding layers 102 and 105 as the low refractive index portions is sufficiently large, and The width W and thickness D of the high refractive index portion are both narrow and optimally set to 0.25 im.
  • a small-spot semiconductor laser device that oscillates with a very small spot size of 0.23 zm in both the thickness direction and the lateral direction was obtained.
  • the obtained light spot is half the light intensity distribution.
  • the total width is 0.28 ⁇ m and the l / e 2 diameter is 0.48 im.
  • the semiconductor laser device of the present invention emits light with a smaller spot size while using a material having a long wavelength of 900 nm and a material whose mass production technology has been established. Therefore, by performing proximity recording using the semiconductor laser device of the present invention as a light source, it is possible to obtain an optical memory having a higher density than that of the B1 u-ray Disccj standard. Then, a well-known document (Fumio Koyama et al., "Near-field light generation by surface emitting laser", Applied Physics, Japan Society of Applied Physics, Vol. 68, No. 12, 1999, pp. 1380-1383) Since the kind of metal varnish as shown is not required, high output of several mW class is possible.
  • This A 1 mixed crystal ratio X 0.5 means that the refractive index of the active layer 104 which is a high refractive index portion is n a , and the refractive index of the cladding layers 102 and 105 which are low refractive index portions is n c ,
  • the thickness D and the width W of the high refractive index portion have the same value
  • D and W need not necessarily be the same value. If W satisfies the conditions described above, the spot size in the horizontal direction will be sufficiently small, and if D satisfies the conditions described so far, the spot size in the thickness direction will be sufficiently small. However, it is more desirable that D and W have the same value or a value close to the value, since a spot shape that is a perfect circle or a shape close thereto can be obtained.
  • FIG. 6A to 6E show a process of manufacturing the semiconductor laser device 100 according to the first embodiment.
  • an n-type cladding layer 102a made of n-type A 1 GaAs and a current confinement layer made of A 1 As are first formed on a surface 101a of an n-type GaAs substrate 101 by a reduced pressure MO-CVD method.
  • a p-type cladding layer 105a made of p-type A1GaAs is crystal-grown in this order.
  • a mask 109 made of SiO 2 is vapor-deposited thereon, and electron beam exposure and jet etching are performed thereon.
  • a stripe-shaped groove 110 having a width of 0.25 m is formed.
  • an n-type cladding layer 102 b of n-type A 1 GaAs, an active layer 104 of non-doped GaAs, a p-type A p-type cladding layer 105 b of 1 GaAs is selectively grown in the trench 110.
  • the shape of the laminated structure including the selectively grown layers 102b, 104, and 105b is drawn in a rectangular shape for simplicity, but is not necessarily required to be rectangular. Inclined facets may appear on the sides of the selectively grown layer.
  • the mask 109 is removed and is made of p-type AlGaAs! )
  • a crystal cladding layer 105c and a contact layer 106 made of p-type GaAs are crystal-grown on the entire surface.
  • a 1 As which is the current confinement layer 103 is oxidized by thermal oxidation to be transformed into high-resistance A 1 O x .
  • electrode 107 on contact layer 106 and electrode on back surface 101b of substrate 101 108 were each deposited to complete the device.
  • the width of the active layer 104 is very narrow, but along the boundary between the p-type cladding layer 105 and the n-type cladding layer 102 around the active layer 104, the high-resistance A 1 O x (since a 1 O x is a generic term including a 1 2 0 3. consists of) current confinement layer 103 is Kai ⁇ , energizing current is interrupted by the current confinement layer 103. Therefore, current injection into the active layer 104 can be performed very efficiently.
  • the active layer 104 having a narrow lateral width be p-type as shown with reference to FIGS. 6A to 6E.
  • the insulating layer Sandwiched between the p-type cladding layer 105 and the n-type cladding layer 102, and along the interface between the p-type cladding layer 105 and the n-type cladding layer 102 corresponding to both sides of the active layer 104, the insulating layer (current constriction) It has been found that a configuration in which the layer 103) is interposed is desirable. Also, examples of the insulating layer, a high-resistance aluminum oxide (A10J is desirable. Part A 1 O x is your previously placed in the boundary portion minutes between the p-type cladding layer 105 and the n-type cladding layer 102 By thermally oxidizing the A 1 As layer that has been used, it can be easily manufactured.
  • a semiconductor that emits light at a wavelength of 900 nm, using GaAs as the active layer (high-refractive-index portion) and using A 1 GaAs as the cladding layer (low-refractive-index portion) The case where the present invention was implemented with a laser is shown.
  • the sixth embodiment a case will be described in which the present invention is implemented in a material system that emits light at a shorter wavelength of 650 nm.
  • the conductivity type, material, and thickness of each part were set as shown in Table 2 below (for simplicity, FIG. The same reference numerals are used for the components corresponding to the components.)
  • Substrate 101 n-type G a As, thickness 100 / im
  • n-type cladding layer 102 (A 1 x Ga 5 I n 0 5 P,
  • Thickness (thickest part) 0.
  • the current confinement layer 103 A1 2 0 3, the thickness of 20nm Active layer 104: a non-doped G a 0. 5 I n 0. 5 P p -type cladding layer 105:.. P-type (A 1 x G ai _ x ) 0 5 I n 0 5 P,
  • Contact layer 106 ⁇ -type GaAs, thickness 0.5 ⁇ m
  • Electrode for p-type 107 Au Zn
  • Electrode for n-type 108 AuG e
  • the thickness of the active layer 104 is D, and the width is W.
  • FIG. 12 shows a spot size in the thickness direction and the lateral direction when the lateral width W and the thickness D of the active layer 104 are simultaneously changed with the same value for this semiconductor laser device.
  • 0.3, 0.6, and 1.0 are selected as the A1 mixed crystal ratio x of the cladding layers 102 and 105.
  • the arrow A in FIG. 12 is drawn on a line connecting the points where the spot size becomes minimum for each value of X.
  • the spot size is minimized by setting W and D significantly smaller and optimally than the conventional semiconductor laser device. I have. With such a configuration, the area of the near-field image can actually be minimized, and a semiconductor laser device suitable for use in an optical recording system of the proximity recording system was obtained.
  • the present invention is implemented using a material system that emits light in the 405 nm band having a shorter wavelength.
  • the conductivity type, material, and thickness of each part were set as summarized in Table 3 below (for simplicity, FIG. The same reference numerals are used for components corresponding to the components in the figure.)
  • Substrate 101 n-type G a N, thickness 100 / im
  • n-type cladding layer 102 A 1 X G X N , the thickness (thickest portion) 0. 8 ⁇ m current constricting layer 103: A 1 2 0 3, 20 nm thick
  • Active layer 104 non-doped G a N
  • ⁇ -type cladding layer 105 p-type A 1 X G a ⁇ N, thickness 0.8 ⁇ m
  • Contact layer 106 p-type GaN, thickness 0.5 m
  • the thickness of the active layer 104 is D, and the width is W.
  • emission in the 405 nm wavelength band is obtained by using GaN as the material of the active layer (high refractive index portion) 104. Also, by using the A 1 X G a as the material of the cladding layer (low refractive Oriritsu unit) 102, 105. Thus, a semiconductor laser device is configured.
  • FIG. 13 shows the spot size in the thickness direction and the lateral direction (near field) when the width W and the thickness D of the active layer 104 are simultaneously changed with the same value for this semiconductor laser device, as in FIG. (Full width at half maximum of the light intensity distribution of the image).
  • 0.3, 0.6, and 1.0 are selected as the A1 mixed crystal ratio x of the cladding layers 102 and 105.
  • the arrow A in FIG. 12 is drawn on a line connecting the points where the spot size becomes minimum for each value of X.
  • the spot size is minimized by setting W and D significantly smaller and optimally than the conventional semiconductor laser device. I have. With such a configuration, the area of the near-field image can actually be minimized, and a semiconductor laser device suitable for use in an optical recording system of the proximity recording system was obtained.
  • FIG. 14 shows the 900 nm band semiconductor laser device shown in the first to fifth embodiments
  • FIG. 15 shows the 650 nm band semiconductor laser device shown in the sixth embodiment
  • FIG. For the 405 nm wavelength band shown in the seventh embodiment, the ranges of the structural parameters ( ⁇ , D, W) where the spot size is smaller than 0.28 xm are shown.
  • the range of such structural parameters ( ⁇ , D, W) is hatched with a broken line, and the boundaries of each range are denoted by LA, LB, and LC. .
  • D W.
  • ⁇ n (n a -n c ) (where n a is the refractive index of the active layer (high refractive index portion) 104 and nc is the refractive index of the cladding layers (low refractive index portions) 102 and 105). From FIGS. 14, 15 and 16, it can be seen that the larger the ⁇ n, the greater the structural tolerance for D and W. It can also be seen that the longer the wavelength, the greater the ⁇ is required. That is, to implement the present invention, a combination of materials having a short wavelength and a large ⁇ is desirable.
  • ⁇ is the oscillation wavelength of this semiconductor laser device.
  • the unit of D and W is ⁇ m, and the unit of ⁇ is nm. ).
  • the thickness D and the width W of the cross-section of the active layer (high refractive index portions) 104 are each C - ⁇ (An r -A) / B ⁇ 1/2 ⁇ D ⁇ 0 + ⁇ ( ⁇ 1- ⁇ . ) / ⁇ 1 ' 2 C- ⁇ (An r -A) / B ⁇ 1/2 ⁇ W ⁇ C + ⁇ (An r -A) / B ⁇ 1/2
  • the material of the active layer 104 is G a 0.93 In. .. 7 N. .. 25 As. , 975 to form a semiconductor laser device.
  • the full width at half maximum of the light intensity distribution of the near-field image in the thickness direction and the lateral direction is G a 0.93 In. .. 7 N. .. 25 As. , 975 to form a semiconductor laser device.
  • spot size was 0.27 / im. In this way, a perfect circle light distribution with a very small spot size was obtained. Optical output of 10mW or more could be obtained.
  • a 1 Ga As is selected as the material system, and the refractive index is controlled by changing the A 1 mixture ratio to set the high refractive index portion and the low refractive index portion.
  • All the layers are A
  • the refractive index difference between the high refractive index part and the low refractive index part there is a limit to increasing the refractive index difference between the high refractive index part and the low refractive index part.
  • the larger the difference in refractive index between the high refractive index portion and the low refractive index portion is, the more advantageous it is. Therefore, it is preferable to use a material that can further expect a difference in refractive index.
  • the present invention especially when the refractive index of nitrogen (N) is mixed with GaAs or GaInAs. Since the rate of increase is significantly higher than that of other material systems, it is particularly advantageous for the present invention to use a material in which N 2 is mixed and crystallized in the high refractive index portion of the present invention.
  • the material of the active layer 104 is GaInNAs, but the same effect can be obtained by using GaSbNAs or GaInNAsSb.
  • FIG. 7A shows a cross section of the semiconductor laser device 200 according to the ninth and tenth embodiments.
  • the components 201-203 and 205-208 of the semiconductor laser device 200 except for the refractive index portion 204 are the same as the semiconductor laser device 100 of the first embodiment (FIG.
  • the respective parts 101-: L03, 105-; correspond to L08, respectively, and have the same material and thickness. Only the high refractive index portion 204 is different from that of the first embodiment.
  • Quantum well layers 204 a and barrier layers 204 b are alternately stacked, and optical guide layers 204 c and 204 c are provided above and below the stack. Layer structure).
  • the quantum well 204 a is In with a thickness of 7 OA. 2 G a. 8
  • the barrier layer 204b is made of GaAs with a thickness of 20 OA
  • the light guide layer is made of GaAs.
  • the total thickness D of the high refractive index portion 204 was 0.25 ⁇ m.
  • the high-refractive-index portion 204 is formed by arranging quantum dots 204 d in a discrete layer shape in a barrier layer 204 e.
  • the quantum dot 204 d is composed of self-aligned InAs dots having a diameter of about 10 nm
  • the barrier layer 204 e is composed of GaAs.
  • the total layer thickness D of the high refractive index portion 204 was 0.25 ⁇ m.
  • the semiconductor laser device of the ninth embodiment emitted laser light at a wavelength of 1 ⁇ m
  • the semiconductor laser device of the tenth embodiment emitted laser light at a wavelength of 1-3 ⁇ m.
  • the spot sizes in the horizontal direction and the thickness direction are 0.26 ⁇ and 0.26 / 1 m, respectively.
  • the spot size in the horizontal and thickness directions was 0.28 ⁇ and 0.28 ⁇ m, respectively.
  • an optical output of 1 O mW or more could be obtained.
  • the entire high refractive index portion emits light as the active layer.
  • the entire high refractive index portion 204 is formed. May not necessarily emit light, and may have a configuration in which a light emitting region (here, quantum well 204 a or quantum dot 204 d) is included in the high refractive index portion.
  • the structure of the light emitting region is not limited to a quantum well or a quantum dot, but may be a quantum wire or GRIN-SH (Graded Index-Separate).
  • the high refractive index portion is made of a single material, whereas in the ninth and tenth embodiments, a plurality of quantum wells or quantum dots including a quantum dot are used. It consists of a stack or combination of materials.
  • the value of ⁇ n defined as the refractive index difference between the low refractive index portion and the high refractive index portion is calculated as follows.
  • the thickness D and the width W of the cross section of the entire high-refractive-index portion 204 are smaller than the spot size in the horizontal direction and the thickness direction (full width at half maximum of the light intensity distribution of the near-field image). If the value is set to be substantially a minimum value, it can be considered that the value is included in the present invention. If the volume of the quantum well or quantum dot inside the high-refractive-index portion 204 is smaller than the entire high-refractive-index portion 204, the refractive index of the high-refractive-index portion 204 becomes almost equal to the optical guide layer 204c or It is determined by the refractive index of the barrier layers 204b and 204e.
  • the difference between the refractive index of the light guide layer or the barrier layer and the refractive index of the cladding layer may be treated as ⁇ n.
  • the difference between the effective refractive index of the high refractive index portion 204 (average refractive index taking into account the structure of the quantum wells and quantum dots contained therein) and the refractive index of the cladding layer is treated as ⁇ n. May be.
  • FIG. 8 shows a cross section of the semiconductor laser device of the eleventh embodiment of the present invention (entirely denoted by reference numeral 300), which is a cross section perpendicular to the direction of the cavity length, that is, a cross section viewed from the laser emitting end face direction.
  • the semiconductor laser device 300 includes an n-type substrate 301, a flat surface 301a, n-type cladding layers 302a and 302b, a current confinement layer 303 as an insulator layer, and an active layer 304 as a high refractive index portion.
  • the active layer 304 has a rectangular cross section in this example, and extends in a stripe shape in one direction perpendicular to the paper surface.
  • the n-type cladding layers 302a and 302b and the p-type cladding layers 305b and 305a surround the active layer 304 as a low refractive index portion.
  • Table 4 summarizes the conductivity type, material, and thickness of each part of the semiconductor laser device 300.
  • Substrate 301 n-type GaAs, thickness 10 O / zm
  • n-type cladding layer 302 a 0 51 I n. , 49 P,
  • n-type cladding layer 302b n-type Ga. . 51 I n. . 49 P,
  • Thickness (thickest part) 0.3 / m
  • the current confinement layer 303 A 1 2 0 3, the thickness of 20nm Active layer 3 04:.. Non-doped I n 0 02 G a 0 98 A s,
  • Thickness D 0.25 ⁇ ⁇
  • ⁇ -type cladding layer 30 5 b p-type Ga. , 51 I n 0. 49 P ,
  • p-type cladding layer 30 5 a ::.. p-type (.. A l 0 8 G a 0 2) 0 51 I n 0 49 P,
  • Contact layer 306 ; type G aA s, thickness 0.5 ⁇
  • ⁇ -type electrode 30 7 A u ⁇ ⁇
  • Electrode for n-type 308 AuG e
  • the semiconductor laser device of the eleventh embodiment oscillated at a wavelength of 920 nm .
  • the full width at half maximum (spot size) of the light intensity distribution of the near-field image was 0.28 Aim in both the thickness direction and the lateral direction.
  • spot size 0.28 Aim in both the thickness direction and the lateral direction.
  • an optical output of 2 OmW or more was obtained.
  • the active layer 304 is InGaAs
  • the cladding layers 302b and 305b directly surrounding it are GaInP
  • the cladding layer 30 surrounding the outside is GaInP. 2a and 305a were defined as A1GaInP.
  • the material of the active layer 304 and the cladding layers 302 and 305b directly surrounding the layer 304 is made of aluminum.
  • the feature is that (A 1) is not included. That is, when the spot size of the near-field image is reduced as in the semiconductor laser device of the present invention, the light density in the active layer is significantly increased, and the high light density causes the laser emission end face or the inside of the laser resonator to be invisible. Damage is more likely to occur. In particular, when A1 is contained in the crystal, oxidation of A1 at the end face of the cavity and induction of defects involving A1 inside the cavity are liable to occur, thereby causing deterioration of the semiconductor laser device. .
  • the active layer (high-refractive-index portion) 304 having the highest light density and directly surrounding the active layer 304 It is assumed that the material of the cladding layers 302b and 305b does not contain aluminum (A1). As a result, such deterioration can be prevented, and stable operation up to high output can be performed.
  • this embodiment shows an example using the I n G a A s and G a I n P as mixed crystals crystals does not include A 1, G a x I n It can be composed of any mixed crystal system described by y (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1).
  • the active layer (high-refractive-index portion) 304 and the cladding layer (part of the low-refractive-index portion) directly surrounding the active layer (a portion of the low-refractive-index portion) 302 b and 300 b are made of aluminum.
  • a GaInAsP-based material InGaAs and GaInP
  • the refractive index difference between the two may be large in this material system. Can not. Therefore, in the present embodiment, outside the cladding layers 302 b and 305 b (regions where the optical density is low), the cladding layers 302 a and 252 a made of A 1 G a In P having a lower refractive index are further provided.
  • the low-refractive-index portion is made of one type of material, whereas in the present embodiment, the low-refractive-index portion is made of two types of materials having different refractive indexes. It has a configuration. In the case where the structure of the low refractive index portion is not a single structure but is made of a plurality of materials, it is possible to specify the value of the refractive index difference ⁇ n between the high refractive index portion and the low refractive index portion.
  • the thickness D and the width W of the cross section of the high refractive index portion are at or near the value at which the spot size of the near-field image in the thickness direction and the horizontal direction is minimized, respectively. If set to, it is included in the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the semiconductor laser device according to the 12th embodiment of the present invention (entirely denoted by reference numeral 400), which is a cross-section perpendicular to the cavity length direction, that is, a cross-section viewed from the laser emission end face direction. Is shown.
  • This semiconductor laser device 400 has an n-type cladding layer 402, a current confinement layer 4003a, 4003b, and 4003c on a flat surface 401a of a substrate 401.
  • An active layer 404 as a high-refractive-index portion, a p-type cladding layer 405, a contact layer 406a, 406b, and a p-type electrode 407, and the back of the substrate 401.
  • the surface 410b is provided with an n-type electrode 408.
  • Active layer 104, p-type cladding layer 4 05 and the contact layer 406a have a rectangular cross section of the same width in this example, and extend in a stripe shape in one direction perpendicular to the paper surface.
  • Portions of the n-type cladding layer 402 corresponding to both sides of the active layer 404 are processed so as to form a curved slope (convex downward).
  • the flow constriction layers 403a, 403b, 403c are provided so as to fill both sides of the n-type cladding layer 402, the active layer 404, and the type cladding layer 405 and the contact layer 406a.
  • the n-type cladding layer 402, the p-type cladding layer 405, and the current confinement layers 403a, 403b, 403c surround the active layer 404 as low refractive index portions.
  • the conductivity type, material, and thickness of each part of the semiconductor laser device 400 are summarized in Table 5 below.
  • Substrate 40 1 n-type G a As, thickness 10 1 ⁇
  • n-type cladding layer 40 2 .. n-type A 1 0 6 G a 0 4 A s,
  • Thickness (thickest part) 0.8 / im
  • the current confinement layer 40 3 a :.. N-type A 1 0 8 G a 0 2 A s
  • the current confinement layer 40 3 b ::.. Type A 1 0 8 G a 0 2 A s
  • the current confinement layer 40 3 c :.. N-type A 1 0 8 G a 0 2 A s
  • Type cladding layer 40 5 type A 10. 6 G a 0 .4 A s, a thickness of 0. 8 ⁇ contactor coat layer 40 6 a, 406 b: ⁇ type G a A s, a thickness of 0. 5 m
  • Electrode for p-type 40 7 Au Zn
  • Electrode for n-type 40 8 AuG e
  • the width W of the active layer 404 was set to 0.33 m.
  • the mixed crystal ratio of the low refractive index portion was uniform around the high refractive index portion.
  • the active layer 4 as a high refractive index portion is used.
  • the mixed crystal ratios of the AI GaAs cladding layers 402 and 405, which are vertically in contact with 04, and the A 1 GaAs current confinement layers 403a, 403b, 403c, which are right and left, are different from each other.
  • the mixed crystal ratio of the low refractive index portion is different around the portion.
  • the thickness D and the width W of the cross section of the high refractive index portion are in the thickness direction and the horizontal direction.
  • the present invention is included in the present invention if the spot size of the near-field image is set to a value at which the spot size of the near-field image is minimized or a value close to the value.
  • the width W of the active layer forming the high refractive index portion is significantly smaller than that of the conventional semiconductor laser device as in the present invention, a structure capable of efficiently injecting current into the active layer is provided. It is important to do.
  • Current constriction may be performed using an insulator (A 1 OJ) as in the first embodiment, or current constriction may be performed using a pn reverse junction as in the twelfth embodiment.
  • the current confinement may be performed using a high-resistance semiconductor material such as a Cr-0 doped crystal or an AND crystal.
  • the semiconductor laser device of the twelfth embodiment is manufactured as follows, unlike the semiconductor laser device of the first embodiment or the like in which the active layer is crystal-grown using selective growth. That is, after the n-type cladding layer 402, the active layer 404, the p-type cladding layer 405, and the contact layer 406a are continuously crystal-grown on the surface 401a of the substrate 401 in a single step, a stripe-shaped mask is used. Mesetsuting is performed until these layers have a stripe shape and portions corresponding to both sides of the n-type cladding layer 402 have curved slopes.
  • current constriction layers 403a, 403b, and 404c are selectively stacked so as to fill both sides of the layers 402, 404, 405, and 406a. Then, after a contact layer 406b is laminated on the entire surface, an electrode 407 is deposited on the contact layer 406b and an electrode 408 is deposited on the back surface 401b of the substrate 401, thereby completing the device.
  • FIG. 10 shows a cross section of a semiconductor laser device (entirely denoted by reference numeral 500) of a thirteenth embodiment of the present invention, the cross section being perpendicular to the direction of the cavity length, that is, the cross section viewed from the laser emitting end face direction.
  • This semiconductor laser device 500 has an n-type cladding layer 502 on a surface 501 a of a substrate 501 on which a V-shaped groove (width W1) is formed.
  • An active layer 504 as a refractive index portion, a p-type cladding layer 505, a contact layer 506, a current confinement layer 503, and a p-type electrode 507 are provided, and the back surface 501b of the substrate 501 is provided.
  • the n-type cladding layer 502, the p-type cladding layer 505, and the like are each formed to be approximately V-shaped in cross-section, reflecting the V-shape of the substrate surface 501a, and the cladding layers 502, 50
  • An active layer 504 is provided between the bent portions 5.
  • the active layer 504 has an inverted triangular cross section (consisting of three surfaces 504a, 504b, and 504c), and extends in a stripe shape in one direction perpendicular to the paper surface.
  • the n-type cladding layer 502 and the p-type cladding layer 505 surround the active layer 504 as low refractive index portions. Table 6 below summarizes the conductivity type, material, and thickness of each part of the semiconductor laser device 500.
  • Substrate 50 1 n-type G a A s, thickness 100 / xm
  • n-type cladding layer 5 0 2 0 2:. n-type (.. A l 0 s G a 0 2) 0 5 I ⁇ . . 5 mm,
  • Active layer 5 04 Undoped G a 0 5 I n 0 5 P,
  • Thickness (thickest part) D 0.3 ⁇
  • ⁇ -type cladding layer 5 0 5:.. (. . A l 0 8 G a 0 2) 0 5 I n 0 5 P,
  • Contact layer 506 p-type G a A s, thickness 0.5 ⁇ ⁇
  • ⁇ -type electrode 5 0 7 Au ⁇ ⁇
  • Electrode for ⁇ type 508 AuG e
  • the width W of the inverted triangular active layer 504 was 0.35 X m.
  • the semiconductor laser device 500 When a current was injected into the semiconductor laser device 500 through the electrodes 507 and 508, laser oscillation was generated at a wavelength of about 600 nm.
  • the full width at half maximum (spot size) of the light intensity distribution of the near-field image in both the thickness direction and the lateral direction was 0.3 ⁇ .
  • spot size the full width at half maximum (spot size) of the light intensity distribution of the near-field image in both the thickness direction and the lateral direction was 0.3 ⁇ .
  • spot size spot size
  • an optical output of 1 OmW or more was obtained.
  • the semiconductor laser device having a narrow and active layer formed by selective growth using a narrow mask or mesa etching using a narrow mask is described. The configuration and manufacturing method are shown. However, in order to manufacture them, a mask having a width as small as submicron is required.
  • a V-groove having a relatively wide width W1 is formed on the substrate surface 5Ola, and each layer is formed by crystal growth on the V-groove.
  • An active layer 504 having an extremely narrow width W can be easily obtained without using it.
  • a V groove having a relatively wide width W1 is formed on the surface 501 of the GaAs substrate 501, and the MOC VD is formed on the substrate surface 501a having the V groove.
  • an A1GaAs cladding layer 502 is formed by a method (organic metal vapor phase epitaxy).
  • the GaAs active layer 504 is crystal-grown. By remarkably reducing the growth rate during this crystal growth, it is possible to grow the crystal thicker at the portion (bent portion) corresponding to the bottom of the V-groove and thinner at the portion (slope) corresponding to the side surface of the V-groove.
  • an active layer 504 having an inverted triangular cross section can be manufactured.
  • a small-volume active layer 504 having a desired narrow width W and thickness D can be manufactured with good controllability without using a narrow mask.
  • the same material as the active layer, G a As, which is thinner at the portion (slope) corresponding to the side surface of the V-groove, has a small volume, so the effect on the formed waveguide structure is small. V, very small.
  • the shape of the active layer 504 is an inverted triangle, but by setting W and D optimally, it is possible to set the spot size of the near-field image in the thickness direction and the lateral direction to be extremely small. Was.
  • the configuration example of the semiconductor laser device that emits infrared light has been described.
  • the semiconductor laser device that emits visible light can be configured as in the present embodiment. It is also possible to configure a semiconductor laser device using a nitride-based semiconductor material using a sapphire substrate or the like, and to configure a semiconductor laser device that oscillates in green, blue, and ultraviolet.
  • FIG. 11 shows a cross section perpendicular to the cavity length direction, that is, a cross section viewed from the laser emission end face direction, of a semiconductor laser device (entirely denoted by reference numeral 600) of the fourteenth embodiment of the present invention.
  • This semiconductor laser device 600 has an n-type cladding layer 602, an active layer 604 as a high-refractive-index portion, and a p-type cladding on a surface 601a of a substrate 601, on which a trapezoidal mesa (width W2) is formed.
  • the substrate 601 includes a layer 605, a contact layer 606, a current confinement layer 603, and a p-type electrode 607, and an n-type electrode 608 on the back surface 601b of the substrate 601.
  • the n-type cladding layer 602, the p-type cladding layer 605, and the like are each formed to have a substantially inverted V-shaped cross section, reflecting the trapezoidal shape of the substrate surface 6 O la, between the bent portions of the cladding layers 602, 605.
  • the active layer is provided with 604 force S.
  • the active layer 604 has a trapezoidal shape (consisting of a lower surface 604a, a slope 604b, 604c, and an upper surface 604d), and extends in a stripe shape in one direction perpendicular to the paper surface. I have.
  • the n-type cladding layer 602 and the p-type cladding layer 605 surround the active layer 604 as low refractive index portions.
  • the conductivity type, material, and thickness of each part of the semiconductor laser device 600 are summarized in Table 7 below.
  • Substrate 601 n-type G a A s, thickness 100 / xm
  • n-type cladding layer 602 .. n-type A 1 0 9 G a 0 x A s, a thickness of 0. 8 mu m
  • Active layer 604 Non-doped G a As,
  • Thickness (thickest part) D 0.15 ⁇
  • Type cladding layer 605 Type A 10. 8 G a 0 2 A s, a thickness of 0. 8 ⁇
  • Contact layer 606 ⁇ -type G a As, thickness (thinest part) 0.5
  • P-type electrode 607 AZn
  • Electrode for n-type 608 AuGe
  • width W (width of the widest surface 504a) of the trapezoidal active layer 604 was set to 0.25 ⁇ m.
  • the thickness direction In the horizontal direction, the full width at half maximum (spot size) of the light intensity distribution of the near-field image was 0.25 ⁇ .
  • spot size In the horizontal direction, the full width at half maximum (spot size) of the light intensity distribution of the near-field image was 0.25 ⁇ .
  • a V-groove having a relatively wide width W2 is formed on the substrate surface 61a, and each layer is formed by crystal growth on the V-groove.
  • An active layer 604 having an extremely narrow width W can be easily obtained without using a narrow mask.
  • a trapezoidal mesa having a relatively wide width W2 is formed on the surface 601a of the GaAs substrate 601, and the MOC is formed on the substrate surface 61a having the trapezoidal mesa.
  • an A 1 GaAs cladding layer 602 is formed by (metal organic chemical vapor deposition).
  • the GaAs active layer 604 is crystal-grown. By significantly lowering the growth rate during this crystal growth, it is possible to grow the crystal thicker at the portion (bent portion) corresponding to the top of the trapezoid and thinner at the portion (slope) corresponding to the side surface of the trapezoid. Active layer 604 can be produced. Subsequently, the remaining layers 605, 606, ... are crystal-grown thereon. By manufacturing in this manner, a small-volume active layer 604 having a desired narrow width W and thickness D can be manufactured with good controllability without using a narrow mask.
  • the shape of the active layer 604 is trapezoidal, by setting W and D optimally, it was possible to set the spot size of the near-field image in the thickness direction and the lateral direction to be minimized.
  • the semiconductor laser device of each of the embodiments described above has characteristics that can be preferably applied to an optical head for performing recording and reproduction on an optical disk or a magneto-optical disk by the proximity recording method.
  • a sufficiently large light output can be obtained even with a small spot, so that it has sufficient characteristics to perform high-speed writing on a magneto-optical disk, etc.
  • the cross-sectional shape of the active layer is not limited to those described in the above embodiments. If the cross-sectional shape of the active layer is circular, a circular spot with the smallest spot size This is more preferable.
  • the shape may not be a perfect circle but may be a polygonal cross section such as a hexagon.
  • the method of manufacturing the semiconductor laser device, the configuration, the material, the composition of the mixed crystal, and the like are not limited to the methods illustrated in the above embodiments.
  • the present invention requires an active layer having a small width, and various means can be applied to a method for obtaining an active layer having a small width.
  • “in situ” selective growth in which selective growth is performed while performing focused ion beam electron beam lithography in a crystal growth chamber, is an effective means for obtaining a narrow active layer.
  • known means such as near-field lithography X-ray lithography, electron beam lithography, and exposure using a phase shift mask can be applied.
  • the crystal growth method, the growth conditions, and the raw materials of the respective constituent elements are not limited to the specific methods, conditions, raw materials, or the specific combinations described in the embodiments.
  • a mixed crystal system described by A 1 Ga As, Ga in NA s S b and the like is taken as an example of the III-V compound semiconductor, but a group III element other than that described in the embodiment ( B, T1, etc.) and Group V elements (P, Bi) may be appropriately mixed and crystallized, or impurity elements (Zn, Be, Mg, Te'S, Se, Si, etc.) ) May be included as appropriate.
  • the substrate is not limited to those described in the embodiment, and similar effects can be obtained by using another substrate.
  • III-V compound semiconductor substrates such as InP, InGaAs, GaSb, and GaN substrates
  • 11-VI compound semiconductor substrates such as ZnSe and ZnS substrates
  • Ge Group IV semiconductor substrates
  • Si and SiC substrates glass, plastic, ceramics, sapphire spinel, etc.
  • the oscillation wavelength of the laser is not limited to infrared, and any wavelength such as red, blue, violet, or ultraviolet can be selected.
  • FIG. 17 shows an optical head of a magneto-optical disk recording / reproducing apparatus equipped with the same semiconductor laser device 2501 as that of the first embodiment as viewed obliquely.
  • the optical head has a suspension 250 attached to the actuator 250, a slider 250 attached to the suspension 250, and an end face of the slider 250, A semiconductor laser element 2501 mounted so that the laser light emitting end face faces the disk-shaped recording medium 2502. The distance from the laser light emitting end face of the semiconductor laser 2501 to the recording medium 2502 is
  • the slider 2503 is supported by a suspension 2504, and follows or accesses a desired recording track on the recording medium 2502 by the actuator 2505.
  • the laser beam emitting end face of the semiconductor laser 2501 is close to the recording medium 2502, and the near-field image (the near-field pattern) of the semiconductor laser element 2501 is transferred to the recording medium 2502. Is done.
  • the actuator 250 and the suspension 250 are arranged such that the distance between the light emitting end face of the semiconductor laser element 2501 and the recording medium 2502 is less than 1 / m. It acts as a control mechanism for controlling the interval.
  • a minute spot could actually be formed on the recording medium 2502. Further, as compared with the conventional case where near-field light is used as a light source, the output of the semiconductor laser of the present invention can be remarkably increased, so that the time required for recording can be greatly reduced.
  • the recording medium a magneto-optical disk, a phase change disk, or the like can be used.
  • a magneto-optical disk recording / reproducing device is illustrated as an example of an information recording device equipped with the semiconductor laser device of the present invention.
  • the semiconductor laser device of the present invention may be mounted on various other information recording devices. Needless to say, this is possible.
  • the semiconductor laser device of the present invention can be mounted on a magnetic recording device or the like that records or reproduces information by a heat assist method.
  • the semiconductor laser device of the present invention can obtain a light spot smaller than that of a blue semiconductor laser device using an existing compound semiconductor material, and has a metal aperture used for a proximity recording method.
  • the optical head of the present invention includes such a semiconductor laser element, that is, a semiconductor laser element capable of obtaining a sufficiently large optical output despite being a small spot, thereby providing an optical disk or a magneto-optical disk with a proximity recording method. Can be used for recording playback.

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Abstract

　この発明の半導体レーザ素子（１００）は、或る形状の断面をもって一方向に延びる高屈折率部（１０４）と、この高屈折率部（１０４）の周りを囲む低屈折率部（１０２，１０５）とを有する共振器を備える。高屈折率部（１０４）の断面の寸法（Ｄ，Ｗ）は、共振器が出射するレーザ光の近視野像の面積が極小となるような値またはその値の近傍に設定されている。これにより、既存の化合物半導体材料を用いつつ青色半導体レーザ素子よりも小さな光スポットを得ることができる。また、近接記録方式に用いられる金属アパーチャを備えた半導体レーザ素子よりも実用上十分な光出力で微小な光スポット（近視野像）を得ることができる。また、この発明の半導体レーザ素子は簡単に構成される。

Description

半導体レーザ素子、 光学ヘッド、 及び情報記録装置 技術分野
本発明は半導体レーザ素子に関する。 また、 本発明は半導体レーザ素子を搭載 した光学へッド及び情報記録装置に関する。
明
背景技術
田 1
図 1 8に示すように、 コンパクトディスク (CD) 用光学ヘッドのピックアツ プの光源として実用されている A 1 G a A s系赤外半導体レーザ素子であって、 水平横モードの安定ィ匕のために埋め込みヘテロ型の導波路構造を備えたものが知 られている （例えば、 KAZUTOSHI SAIT0ら著、 「埋め込みヘテロ構造 A 1 G a A s レーサ (Buried-Heterostructure AlGaAs Lasers) J, (米国) ， アイ ■ ト リフノレ ィ一 ·ジャーナノレ■ォブ■クヮアンタム 'エレクトロ二タス （IEEE Journal of
Quantum Electronics) , Vo l . QE— 1 6， No. 2 , 1 980年 2月, p p. 205-21 5を参照。 ） 。 この半導体レーザ素子 900は、 n型 G a A s基板 90 1、 n型 A l0.3Ga。.7A s n型クラッド層 902、 A l0,3Ga0.7A s埋 め込み層 903、 ノンドープ A 10.07G a。.93 A s活性層 （層厚 D 9 = 0. 1 2 im) 904、 ρ型 A 10.3 G a 0.7 A sクラッド層 905、 n型用電極 908お よび P型用電極 907を備えている。 活性層の横幅は W9= 1 /zmである。 この 半導体レーザ素子は波長 0. 8 1 2 μ mでレーザ発振を生じたと報告されている。 本発明者の解析によると、 このレーザ素子 900のレーザ発振時の近視野像の光 強度分布の半値全幅は、 平行方向が 0. 78 /i m、 垂直方向が 0. 25 mであ り、 スポット形状は楕円形となる。 また、 遠視野像の広がり角度は、 平行方向が 24度、 垂直方向が 37度となる。 このように半導体レーザ素子から出射される レーザ光は或る角度で空間に広がる （遠視野像） ため、 通常のピックアップでは、 半導体レーザ素子から出射されるレーザ光はレンズ系を介して記録媒体に集光さ れる。 光ディスクの記録密度を高めるために、 赤外半導体レーザ素子に比してスポッ トサイズを小さくできる青色半導体レーザ素子の開発が進められており、 波長 4 0 5 n mの青色半導体レーザ素子と NA (開口数） = 0 . 8 5のレンズ系を用い た 「B l u _ r a y D i s c」 なる規格が提案されている。 ただし、 青色半導 体レーザ素子の G a N系材料の量産化技術が確立されておらず、 また、 青色半導 体レーザ素子の信頼性が十分とは言えず、 実用化には問題がある。
これに対して、 光ディスクの記録密度を高めるために、 光源と記録媒体との間 の距離を非常に小さな距離 (数十 n m〜数百 n m) に設定して、 レンズ系を介さ ず、 近接場光を用いて記録を行うようにした光メモリが提案されている (例えば、 小山二三夫ら著、 「面発光レーザーによる近接場光生成」 ， 応用物理, 応用物理 学会， 第 6 8巻， 第 1 2号， 1 9 9 9年， p p . 1 3 8 0— 1 3 8 3を参照。 こ のように、 レンズ系を介さず、 光源と記録媒体との間の距離が 1 a m未満になる ような方式を 「近接記録方式」 と呼ぶ。 ) 。 この光メモリでは、 光源の一例とし て、 数十から数百 n m程度の微小な開口を有する金属アパーチャを出射端に備え た面発光レーザなどが用いられている。 このような近接記録方式は、 光の回折限 界を超えた微小なサイズの光スポットを得ることができ、 青色半導体レーザ素子 を用いた高密度光ディスクよりも更に小さな光スポットを得ることができること から、 より高密度な光メモリを実現できる可能性を持つ。 しかしながら、 光の利 用効率が著しく低いために光出力が非常に弱いという問題がある。 発明の開示
そこで、 本発明の課題は、 既存の化合物半導体材料を用いつつ青色半導体レ一 ザ素子よりも小さな光スポットを得ることができ、 かつ近接記録方式に用いられ る金属アパーチャを備えた半導体レーザ素子よりも実用上十分な光出力で微小な 光スポット （近視野像） を得ることができ、 かつ簡単に構成される半導体レーザ 素子を提供することにある。
また、 本発明の課題は、 そのような半導体レーザ素子を備えた、 光ディスクま たは光磁気ディスクに記録再生を行うための光学へッド及ぴ情報記録装置を提供 することにある。 上記課題を解決するため、 この発明の半導体レーザ素子は、 或る形状の断面を もって一方向に延びる高屈折率部と、 この高屈折率部の周りを囲む低屈折率部と を有する共振器を備え、 上記高屈折率部の上記断面の寸法は、 上記共振器が出射 するレーザ光の近視野像の面積が極小となるような値またはその値の近傍に設定 されていることを特徴とする。
高屈折率部が延びる 「一方向」 は、 この半導体レーザ素子の共振器長の方向を 意味する。
この発明の半導体レーザ素子では、 高屈折率部の断面の寸法は、 上記共振器が 出射するレーザ光の近視野像の面積が極小となるような値またはその値の近傍に 設定されている。 この結果、 既存の化合物半導体材料を用いつつ青色半導体レー ザを用いた非近接記録方式によって得られるよりも小さな光スポットを得ること ができる。 また、 近接記録方式に用いられる金属アパーチャを備えた従来の半導 体レーザ素子よりも実用上十分な光出力で微小な光スポット (近視野像） を得る ことができる （後述） 。 したがって、 この発明の半導体レーザ素子は、 ί敫小スポ ットを利用する光学システム、 例えば近接記録方式の光学システムへ好ましく適 用される。 また、 この発明の半導体レーザ素子は、 従来の半導体レーザ素子に対 して上記高屈折率部の断面の寸法を適切に設定するだけで、 簡単に構成される。 上記高屈折率部や低屈折率部はそれぞれ複数種類の材料からなっていても良 、。 上記高屈折率部の断面の形状は、 三角形、 矩形、 台形、 正多角形または円形で あるのが望ましい。 上記高屈折率部の断面の形状が三角形、 矩形、 台形であれば 公知の製造プ口セスを用いて容易に作製できる。 また、 正多角形であれば近視野 像の面積がより小さくなり、 また、 円形であれば近視野像の面積が最も小さくな る。
—実施形態の半導体レーザ素子では、 上記高屈折率部の上記断面の厚さ D及び 横幅 Wは、 厚さ方向及び横方向に関して、 上記共振器が出射するレーザ光の近視 野像の寸法がそれぞれ極小となるようなィ直またはその値の近傍に設定されている のが望ましい。
言い換えれば、 この半導体レーザ素子は、 或る形状の断面をもって一方向に延 びる高屈折率部と、 この高屈折率部の周りを囲む低屈折率部とを有する共振器を 備え、 上記高屈折率部の上記断面の厚さ D及び横幅 Wは、 厚さ方向及び横方向に 関して、 上記共振器が出射するレーザ光の近視野像の寸法がそれぞれ極小となる ような値またはその値の近傍に設定されていることを特徴とする。
上記高屈折率部の断面の 「厚さ」 Dとは、 その断面内で、 その高屈折率部を構 成する半導体層の積層 （堆積） 方向の寸法を指す。 上記高屈折率部の断面の 「横 幅」 Wとは、 その断面内で、 上記積層方向に対して垂直な方向の寸法を指す。 上記 「厚さ方向」 、 「横方向」 とは、 それぞれ上記高屈折率部の 「厚さ」 D、 「横幅」 Wに沿った方向を指す。
この発明の半導体レーザ素子では、 高屈折率部の断面の厚さ D及び横幅 Wは、 厚さ方向及び横方向に関して、 上記共振器が出射するレーザ光の近視野像の寸法 がそれぞれ極小となるような値またはその値の近傍に設定されている。 この結果、 既存の化合物半導体材料を用いつつ青色半導体レーザ素子を用いた非近接記録方 式によって得られる光スポットよりも小さな光スポットを得ることができる。 ま た、 近接記録方式に用いられる金属アパーチャを備えた従来の半導体レーザ素子 よりも実用上十分な光出力で微小な光スポット (近視野像) を得ることができる (後述) 。 したがって、 この発明の半導体レーザ素子は、 微小スポットを利用す る光学システム、 例えば近接記録方式の光学システムへ好ましく適用される。 ま た、 この発明の半導体レーザ素子は、 従来の半導体レーザ素子に対して上記高屈 折率部の断面の寸法を適切に設定するだけで、 簡単に構成される。
一実施形態の半導体レーザ素子では、 上記高屈折率部、 低屈折率部の屈折率を それぞれ na、 ncと表し、 それらの屈折率の差 Δ nrを
Δ n r= (na -nc ) /nc X 100 = Δ n/n c X 100
で定義したとき、
上記高屈折率部の上記断面の厚さ Dおよび横幅 Wは、 それぞれ
C-{(Anr-A)/B}}1/2 ≤ D ≤ C + { ( Δ n r - A)/B } } 1/2
C-{(Anr-A)/B}}1/2 ≤ W ≤ C + {(Anr-A)/B}}1/2 (ただし、 A= 18025 X λ-1· 26であり、
B = 820367 X λ-1· 26であり、
C = 0. 6628 X λ— 0· 14であり、 λはこの半導体レーザ素子の発振波長である。
また、 Dおよ I Wの単位はそれぞれ μπιであり、 λの単位は nmである。 ） なる関係を満たすのが望ましい。 なお、 Anrは、 (na -nc ) の ncに対す る比を％で表したものであり、 無次元である。
言い換えれば、 この半導体レーザ素子は、
或る形状の断面をもって一方向に延びる高屈折率部と、 この高屈折率部の周り を囲む低屈折率部とを有する共振器を備え、
上記高屈折率部、 低屈折率部の屈折率をそれぞれ na、 ncと表し、 それらの屈 折率の差 Anrを
Δ n r= (na -n c ) /n c X 100 = Δ n/n c X 100
で定義したとき、
上記高屈折率部の上記断面の厚さ Dおよび横幅 Wは、 それぞれ
C-{(Anr-A)/B}}1/2 ≤ D ≤ C + {(A n r-A)/B}} 1/2 C-{(Anr-A)/B}}1/2 ≤ W ≤ C + {(Anr-A)/B}}1/2 なる関係を満たすことを特徴とする。 なお、 各符号の定義や単位は上記と同じで め 。
また、 上記高屈折率部の厚さ Dと横幅 Wとが同じ値であるのが望ましい。 また、 上記高屈折率部が発光層であるのが望ましい。
また、 上記高屈折率部の内部に量子井戸構造を有するのが望ましい。 「量子井 戸構造」 は、 パルクからなるものでも良く、 量子細線若しくは量子箱を備えたも のでも良い。
また、 上記低屈折率部が A lxGa1-xA s (ただし、 0< x≤ 1である。 ) か らなるのが望ましい。
また、 上記高屈折率部は、 窒素と窒素以外の V族元素とを糸且成に含むのが望ま しい。
また、 上記高屈折率部または上記高屈折率部及びこの高屈折率部に隣接する部 分の材料は、 アルミニウムを組成として含まない化合物半導体からなるのが望ま しい。 上記アルミニウムを組成として含まない化合物半導体は例えば Gax I n !_XA sy Px.y (ただし、 0≤x≤l、 O y^lである。 ） である。 また、 別の局面では、 この発明の半導体レーザ素子は、 基板上に、 基板表面に 対して平行な一方向に延び、 端面からレーザ光を出射する共振器を備え、 上記レ 一ザ光の近視野像の上記基板表面に対する垂直方向及び平行方向の光強度分布の 半値全幅が、 いずれも 0 . 2 8 /i m以下であることを特徴とする。
また、 上記近視野像の上記垂直方向の光強度分布の半値全幅と上記平行方向の 光強度分布の半値全幅とが同じ値であるのが望ましい。
一実施形態の半導体レーザ素子では、 上記低屈折率部は、 上記一方向に沿って 延びる境界面で互いに分けられた p型領域と n型領域とを含み、 上記高屈折率部 は上記低屈折率部の上記!)型領域と n型領域との間に挟まれているのが望ましい。 ここで 「p型領域」 とは p型の伝導型を示す領域を意味し、 「n型領域」 とは n型の伝導型を示す領域を意味する。
この一実施形態の半導体レーザ素子では、 上記 p型領域と n型領域にそれぞれ 正電位、 負電位を与えることによって、 上記高屈折率部に容易に電流を流すこと ができる。 したがって、 上記高屈折率部を、 活性層として機能させて、 レーザ発 振を行うことができる。
さらに一実施形態の半導体レーザ素子では、 上記高屈折率部の周りの、 上記低 屈折率部の上記 p型領域と n型領域との間の境界面に沿って、 絶縁体層が介挿さ れているのが望ましい。
この一実施形態の半導体レーザ素子では、 上記高屈折率部の両側に相当する、 上記低屈折率部の上記 p型領域と n型領域との間の境界面に沿って、 絶縁体層が 介挿されているので、 その絶縁体層によって通電電流が遮断される。 したがって、 通電電流は高屈折率部を通して集中して流れ、 高屈折率部への電流の注入効率が 良くなる。 したがって、 この半導体レーザ素子の電気的特性が向上する。
さらに一実施形態の半導体レーザ素子では、 上記絶縁体層は酸ィヒアルミニゥム からなるのが望ましい。 その場合、 酸ィ匕アルミニウムは高抵抗なので、 高屈折率 部への電流注入を非常に効率的に行うことができる。 なお、 「酸化アルミェゥ ム」 は、 A l 2〇3だけでなく、 A 1 0 x ( Xは A 1に対する Oの組成比） で表さ れるものを広く含む。
さらに一実施形態の半導体レーザ素子では、 上記絶縁体層をなす酸化アルミ二 ゥムは、 砒ィ匕アルミニウムを熱酸化して形成されているのが望ましい。 そのよう にした場合、 酸ィ匕アルミエゥムが容易に作製される。 なお、 「砒ィ匕アルミニゥ ム」 は A 1 A sで表される。
この発明の光学へッドは、 上述の半導体レーザ素子を儕え、 この半導体レーザ 素子が出射するレーザ光によって記録媒体に対する情報の記録または再生を行う 光学へッドである。
この発明の光学へッドによれば、 上記半導体レーザ素子が出射するレーザ光に よって記録媒体上に、 従来の青色半導体レーザ素子によるものよりも小さな光ス ポット （近視野像） を得ることができる。 しかも、 この発明の光学へッドによれ ば、 近接記録方式に用いられる金属アパーチャを備えた半導体レーザ素子よりも 大きい光出力で情報の記録または再生を行うことができる。
一実施形態の光学へッドでは、 上記半導体レーザ素子の光出射端面と上記記録 媒体との間の距離が 1 .a m未満に近接して配置されることを特徴とする。
また、 一実施形態の光学ヘッドでは、 上記半導体レーザ素子の光出射端面と上 記記録媒体との間の距離が 1 μ m未満に近接して配置されるように、 上記半導体 レーザ素子と記録媒体との間の距離を制御するための制御機構を有することを特 ί敫とする。
この発明の情報記録装置は、 上述の半導体レーザ素子を備えた情報記録装置で ある。 上述の半導体レーザ素子は、 光磁気ディスク、 相変化型ディスク等に対す る情報の記録または再生に用いられるだけでなく、 熱アシスト方式により情報を 記録または再生する磁気記録装置など、 様々な情報記録装置に好ましく用いられ る。 図面の簡単な説明
図 1は、 第 1実施形態から第 6実施形態の半導体レーザ素子の、 レーザ出射端 面方向から見た断面図である。
図 2 Α, 図 2 Βおよび図 2 Cは、 第 1実施形態における半導体レーザ素子の、 近視野像を模式的に示す図である。
図 3は、 横方向のスポットサイズと、 高屈折率部の横幅 Wとの関係を示す図で ある。
図 4は、 厚さ方向のスポットサイズと、 高屈折率部の厚さ Dとの関係を示す図 である。
図 5は、 低屈折率部の A 1混晶比 X (x = 0から 1. 0まで 0. 1刻み） をパ ラメータとしたときの、 スポットサイズと高屈折率部の厚さ Dおよび横幅 Wとの 関係を示す図である。
図 6 A乃至図 6 Eは、 第 1実施形態における半導体レーザ素子の製造工程を示 す図である。
図 7 A乃至図 7Cは、 第 9, 10実施形態における半導体レーザ素子の、 レー ザ出射端面方向から見た断面図である。
図 8は、 第 1 1実施形態における半導体レーザ素子の、 レーザ出射端面方向か ら見た断面図である。
図 9は、 第 1 2実施形態における半導体レーザ素子の、 レーザ出射端面方向か ら見た断面図である。
図 10は、 第 13実施形態における半導体レーザ素子の、 レーザ出射端面方向 から見た断面図である。
図 11は、 第 14実施形態における半導体レーザ素子の、 レーザ出射端面方向 から見た断面図である。
図 12は、 第 6実施形態における、 低屈折率部の A 1混晶比 X (X = 0力、ら 1. 0まで) をパラメータとしたときの、 スポットサイズと高屈折率部の厚さ Dおよ び横幅 Wとの関係を示す図である。
図 13は、 第 7実施形態における、 低屈折率部の A 1混晶比 X ( X = 0カゝら 1. 0まで) をパラメータとしたときの、 スポットサイズと高屈折率部の厚さ Dおよ び横幅 Wとの関係を示す図である。
図 14は、 第 1実施形態〜第 5実施形態において、 スポットサイズが 0. 28 μ mよりも小さくなる構造パラメータの範囲を示す図である。
図 15は、 第 6実施形態において、 スポットサイズが 0. 28 μΐηよりも小さ くなる構造パラメータの範囲を示す図である。
図 16は、 第 7実施形態において、 スポットサイズが 0. 28/zmよりも小さ くなる構造パラメータの範囲を示す図である。
図 17は、 光磁気ディスク記録再生装置の光学へッドにおける半導体レーザ素 子搭載部を示した図である。
図 18は、 従来の半導体レーザ素子の、 レーザ出射端面方向から見た断面図で
発明を実施するための最良の形態
以下、 この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
(第 1実施形態)
図 1は、 本発明の第 1実施形態の半導体レーザ素子 (全体を符号 100で表 す） の、 共振器長の方向に対して垂直な断面、 すなわちレーザ出射端面方向から 見た断面を示している。 この半導体レーザ素子 100は、 n型基板 101の平坦 な表面 101 a上に、 11型クラッド層 102、 絶縁体層としての電流夹窄層 10 3、 高屈折率部としての活性層 104、 p型クラッド層 105、 コンタクト層 1 06および p型用電極 107を備えるとともに、 基板 101の裏面 101 bに n 型用電極 108を備えている。 活性層 104は、 この例では矩形の断面をもち、 紙面に対して垂直な一方向にストライプ状に延びている。 n型クラッド層 102 と p型クラッド層 105は、 低屈折率部として、 活性層 104の周りを囲んでい る。 なお、 各層の結晶成長は、 図 1中の 「下」 から 「上」 へ向かって、 基板表面 501 aから離れる向きに行われる。 この半導体レーザ素子 100の各部の導電 型、 材料、 厚さを次の表 1にまとめて示す。
(表 1)
基板 101 ： n型 G a A s， 厚さ 100 μαι
η型クラッド層 102 ： η型 A l。.8Ga。.2As，
厚さ （最厚部） 0. 8 /zm
電流狭窄層 103 ： A1203， 厚さ 20 nm
活性層 104 ：ノンドープ Ga As， 厚さ D=0. 25 t m p型クラッド層 105 ： p型 A l。.8Ga。.2As， 厚さ 0. 8 m コンタクト層 106 ： : 型 GaAs， 厚さ 0. 5 μ m p型用電極 107 ： AuZn
n型用電極 108 ： AuG e
さらに、 活性層 104の横幅 Wを 0. 25 μ mとした。
分かるように、 基板 101から n型クラッド層 102までが n型領域に相当し、 p型クラッド層 105からコンタクト層 106までが; p型領域に相当する。
この半導体レーザ素子 100の電極 107, 108にそれぞれ正電位、 負電位 を与えて活性層 104を通して電流を注入すると、 波長約 900 n mにてレーザ 発振を生じた。 レーザ発振のしきい値電流は 2 m Aであり、 片側端面からの光出 力 1 OmWまでキンクフリー (キンクなし) であった。 図 2 Aはこの半導体レー ザ素子 100の端面から出射するレーザ光の近視野像 190を模式的に示し、 図 2B, 図 2 Cはそれぞれ厚さ方向 (基板表面に対して垂直方向) 、 横方向 （基板 表面に対して平行方向) についての近視野像 190の光強度分布を示している。 この第 1実施形態では、 厚さ方向、 横方向に関して、 近視野像 190の光強度分 布の半値全幅 (スポットサイズ) はいずれも 0. 23 / mとなった。 このように、 非常に小さなスポッ 1、サイズをもつ真円の光分布が得られた。
(第 2実施形態）
第 2実施形態では、 図 1に示した半導体レーザ素子 100の構成において、 n 型クラッド層 102の A 1混晶比、 活性層 104の厚さ、 ； p型クラッド層 105 の A 1混晶比、 活性層 104の幅を、 それぞれ次のように変更して半導体レーザ 素子を構成した (後述する第 3実施形態から第 5実施形態まで、 これらの変更項 目は同様。 ) 。
すなわち、 この第 2実施形態においては、 n型クラッド層 102の A 1混晶比 x= 1. 0、 活性層 104の厚さ D = 0. 2 /xm、 p型クラッド層 105の A 1 混晶比 X = 1. 0、 活性層 104の横幅 W= 0. 2 mとした。 この第 2実施形 態では、 厚さ方向、 横方向に関して、 近視野像の光強度分布の半値全幅 （スポッ トサイズ） はいずれも 0. 2 となった。 このように、 非常に小さなスポッ トサイズをもつ真円の光分布が得られた。 また、 1 OmW以上の光出力を得るこ とができた。
(第 3実施形態） 第 3実施形態では、 n型クラッド層 102の A 1混晶比 x = 1. 0、 活性層 1 04の厚さ13=0. 13μπι、 ρ型クラッド層 105の A 1混晶比 χ= 1. 0、 活性層 104の横幅 W= 0. 13 μ mとした。 この第 3実施形態では、 厚さ方向、 横方向に関して、 近視野像の光強度分布の半値全幅 （スポットサイズ） はいずれ も 0. 28 imとなった。 このように、 非常に小さなスポットサイズをもつ真円 の光分布が得られた。 また、 1 OmW以上の光出力を得ることができた。
(第 4実施形態）
第 4実施形態では、 n型クラッド層 102の A 1混晶比 x = 1. 0、 活性層 1 04の厚さ D=0. 43/im、 ρ型クラッド層 105の A 1混晶比 x = 1. 0、 活性層 104の横幅 W= 0. 43 μ mとした。 この第 4実施形態では、 厚さ方向、 横方向に関して、 近視野像の光強度分布の半値全幅 (スポットサイズ) はいずれ も 0. 28/imとなった。 このように、 非常に小さなスポットサイズをもつ真円 の光分布が得られた。 また、 1 OmW以上の光出力を得ることができた。
(第 5実施形態）
第 5実施形態では、 n型クラッド層 102の A 1混晶比 x = 0. 5、 活性層 1 04の厚さ0=0. 28 m、 p型クラッド層 105の A 1混晶比 x = 0. 5、 活性層 104の横幅 W= 0. 28 μ mとした。 この第 5実施形態では、 厚さ方向、 横方向に関して、 近視野像の光強度分布の半値全幅 （スポットサイズ） はいずれ も 0. となった。 このように、 非常に小さなスポットサイズをもつ真円 の光分布が得られた。 また、 1 OmW以上の光出力を得ることができた。
次に、 第 1実施形態から第 5実施形態で得られた結果に基づいて、 本発明につ いて考察する。
図 18に示した従来の半導体レーザ素子の構成 (埋め込みヘテロ構造) によれ ば、 厚さ方向、 横方向に関して、 近視野像の光強度分布の半値全幅 （スポットサ ィズ） はそれぞれ 0. 78 / m、 0. 25 / mとなる。 近視野像がこのように楕 円形状でかつ大きなスポット面積をもつものであれば、 本願の目的である近接記 録方式の光学システムに搭載する光源として利用することはできない。 つまり、 従来の半導体レーザ素子には、 本発明の目的とする微小スポットを得る意図がな く、 そのための構成■工夫が施されていない。 これに対して本発明の半導体レーザ素子は、 微小スポットを得るという新たな 観点から半導体レーザ素子の構成を見直した結果として得られたものであり、 活 性層の横幅 W及び厚さ Dを通常の半導体レーザ素子よりも著しく小さくかつ最適 に設定する （製造プロセスもそれに合わせて厳密に管理する） ことにより、 微小 スポットを実現している。 したがって、 微小スポット利用する光学システムのた めの光源、として好適に利用することができる。 このことを図 3〜図 5を用いてよ り具体的に説明する。
図 3は、 第 2実施形態に示したような n型クラッド層 1 0 2の A 1混晶比 x = 1 . 0、 p型クラッド層 1 0 5の A 1混晶比 x = 1 . 0、 活性層 1 0 4を G a A sとした半導体レーザ素子における、 横方向のスポットサイズの、 活性層 1 0 4 の横幅 Wに対する依存性を示している。 活性層の横幅 Wが約 0 . 2 mとなる付 近で横方向のスポットサイズが極小となることがわかつた。 同様に、 図 4は、 厚 さ方向のスポットサイズの、 活性層 1 0 4の厚さ Dに対する依存性を示している。 活性層の厚さ Dが約 0 . 2 mとなる付近で厚さ方向のスポットサイズが極小と なることがわかった。 これらの結果から、 厚さ方向、 横方向共にスポットサイズ の極小を与えるような Wおよび Dを用いて半導体レーザ素子を構成することが示 唆される。
図 5は、 活性層 1 0 4の横幅 W及ぴ厚さ Dを同じ値として同時に変化させた場 合の、 厚さ方向、 横方向のスポットサイズ (近視野像の光強度分布の半値全幅) を示している。 ここで、 横幅 Wを変化させた範囲は、 従来の半導体レーザ素子の 横幅 ( 1 μ m程度) よりも著しく値が小さレ、範囲になっている点に特徴がある。 なお、 第 1実施形態から第 5実施形態では、 低屈折率部としての n型 A 1 x G a i x A sクラッド層 1 0 2と p型 A l x G aト X A sクラッド層 1 0 5の A 1混晶 比 Xを 0 . 8 , 1 . 0， 0 . 5としていたが、 図 5では、 この Xを 0 . 3〜1 . 0の範囲でパラメータとして 0 . 1刻みで変化させている。 また、 図 5中の矢印 Aは、 Xの各値に対してスポットサイズが極小となる点を結んだライン上に描か れている。 この図 5から、 低屈折率部の A 1混晶比 Xを大きくする （これは、 低 屈折率部と高屈折率部との間の屈折率差 Δ nを大きくすることに相当） につれて、 スポットサイズの極小^ Sが著しく小さくなることが見出される。 本発明は、 この 結果から創出されたものであり、 共振器の導波路をなす高屈折率部と低屈折率部 との間に屈折率差 Δ nが存在することを前提として、 Wおよび Dを従来の半導体 レーザ素子よりも著しく小さく力 最適に設定することにより、 厚さ方向、 横方 向共にスポットサイズが極小値またはその値の近傍となるような構成をとる。 そ のような構成とすることにより、 実際に近視野像の面積を極小とすることができ、 近接記録方式の光記録システムに用いるのに適した半導体レーザ素子が得られる ようになった。 例えば、 上述の第 1実施形態の半導体レーザ素子 100において は、 高屈折率部である活性層 104と低屈折率部であるクラッド層 102 , 10 5との屈折率の差が十分に大きく、 かつ高屈折率部の横幅 W, 厚さ Dが共に 0. 25 imと狭くかつ最適に設定されている。 このような構成とすることにより、 従来の半導体レーザ素子とは異なり、 厚さ方向、 横方向共に 0. 23 zmという 非常に小さなスポットサイズで発振する微小スポット半導体レーザ素子が得られ た。 なお、 「B l u_r a y D i s c」 規格で定められた波長 405 nmの青 色半導体レーザ素子と NA=0. 85の光学系を用いた場合、 得られる光スポッ トは、 光強度分布の半値全幅が 0. 28 μ m、 l/e2直径が 0. 48 imのも のとなる。 本発明の半導体レーザ素子は、 波長が 900 nmと長く、 かつ量産化 技術が確立された材料を用 V、つつ、 これよりも小さなスポットサイズで発光する。 したがって、 本発明の半導体レーザ素子を光源として近接記録を行えば、 「B 1 u- r a y D i s cj 規格によるものよりも高密度な光メモリを得ることがで きる。 また、 本発明の半導体レーザ素子では、 既述の公知文献 (小山二三夫ら著、 「面発光レーザーによる近接場光生成」 ， 応用物理, 応用物理学会, 第 68卷， 第 12号, 1999年， p p. 1380— 1383) に示されたような金属アバ 一チヤの類を必要としないため、 数 +mW級の高出力も可能である。
ここで、 低屈折率部の A 1混晶比 Xについては、 x = l. 0とした場合に最も 小さなスポッ トサイズが得られるが、 x≥0. 5であれば、 「B l u— r a y
D i s c」 規格に相当するスポットサイズ 0. 28 / mよりも小さなスポットサ ィズ （図 5中に Bで示した領域） を得ることができる。 この A 1混晶比 X 0. 5は、 すなわち高屈折率部である活性層 104の屈折率を na、 低屈折率部であ るクラッド層 102, 105の屈折率を ncとし、 それらの屈折率の差 Δ nrを (na -nc ) の ncに対する比 （単位は0 /0) で表して、
Δ n r= (na -nc ) /n0 X 100 =厶 nZnc X 100
で定義したとき、 Anr 10 [%] に相当する。
なお、 第 1実施形態から第 5実施形態では、 高屈折率部の厚さ Dと横幅 Wが同 じ値である場合について説明してきたが、 必ずしも Dと Wは同じ値である必要は ない。 Wがこれまでに示してきた条件を満たせば横方向のスポットサイズが、 D がこれまでに示してきた条件を満たせば厚さ方向のスポットサイズが、 それぞれ 十分に小さくなる。 ただし、 Dと Wが同じ値またはその値の近傍であれば、 真円 またはそれに近いスポット形状が得られることから、 より望ましい。
図 6 A〜図 6 Eは、 第 1実施形態の半導体レーザ素子 100の製造工程を示し ている。 図 6 Aに示すように、 まず n型 GaAs基板 101の表面 10 1 a上に、 減圧 MO— CVD法により n型 A 1 GaAsからなる n型クラッド層 102 a、 A 1 Asからなる電流狭窄層 103、 p型 A 1 G a A sからなる p型クラッド層 105 aをこの順に結晶成長する。 次に図 6 Bに示すように、 この上に S i 02 からなるマスク 109を蒸着し、 電子ビーム露光とゥエツトエッチングを行って、 そのマスク 109の表面から n型クラッド層 102 aの上部 (途中) まで達する 幅 0. 25 mのストライプ状の溝 1 10を形成する。 次に図 6 Cに示すように、 MO— CVD法を用い、 n型 A 1 G a A sからなる n型クラッド層 102 b、 ノ ン'ドープ Ga A sからなる活性層 104、 p型 A 1 G a A sからなる p型クラッ ド層 105 bを溝 110に選択的に結晶成長する。 なお、 これらの選択成長され た層 102 b， 104, 105 bがっくる積層構造の形状は、 簡略化のために矩 形に描かれているが、 必ずしも矩形である必要はなレヽ。 選択成長された層の側面 に、 傾斜したファセットが現れていてもよい。 また、 最上部に結晶成長した p型 クラッド層 105 bを結晶成長する際に、 活性層 104の側面にも結晶成長が生 じることがあっても問題ない。 次に図 6 Dに示すようにマスク 109を除去し、 p型 Al GaAsからなる！)型クラッド層 105 c、 p型 GaAsからなるコン タクト層 106を全面に結晶成長する。 次に図 6 Eに示すように、 熱酸化法によ つて電流狭窄層 103である A 1 A sを酸化して高抵抗な A 1 Oxに変質させる。 最後に、 コンタクト層 106上に電極 107、 基板 101の裏面 101 bに電極 108をそれぞれ蒸着して素子を完成させた。
この素子では活性層 104の横幅が非常に狭いが、 活性層 104の周りの、 p 型クラッド層 105と n型クラッド層 102との間の境界面に沿って、 高抵抗な A 1 Ox (A 1 Oxは A 1203を含む総称である。 ） からなる電流狭窄層 103 が介揷されているので、 その電流狭窄層 103によって通電電流が遮断される。 したがって、 活性層 104への電流注入を非常に効率的に行うことができる。 本 発明者は、 本願に示したような微小な活性層への電流の注入を効率良く行うため には、 図 6A〜図 6Eを参照しながら示したように、 横幅が狭い活性層 104を p型クラッド層 105と n型クラッド層 102との間に挟み、 活性層 104の両 側に相当する p型クラッド層 105と n型クラッド層 102との間の境界面に沿 つて絶縁層 （電流狭窄層 103) を介挿する構成が望ましいことを見出した。 ま た、 その絶縁層としては、 高抵抗な酸化アルミニウム （A10J が望ましい。 その A 1 Oxは、 p型クラッド層 105と n型クラッド層 102との間の境界部 分にあらかじめ配しておいた A 1 A s層を熱酸化することによって、 容易に作製 することが可能となる。
(第 6実施形態）
第 1〜第 5実施形態においては、 活性層 (高屈折率部) として G a A sを用い、 クラッド層 (低屈折率部) として A 1 Ga Asを用いた、 波長 900 n mで発光 する半導体レーザで本楽明を実施した場合について示した。 それに対し、 この第 6実施形態では、 波長がより短い 650 nmで発光する材料系で本発明を実施し た場合について示す。 ここでは、 図 1に示す本発明の半導体レーザ素子 100の 基本構成において、 次の表 2にまとめて示すように各部の導電型、 材料、 厚さを 設定した （簡単のため、 図 1中の構成要素と対応する構成要素には同じ符号を用 いている。 ) 。
(表 2)
基板 101 ： n型 G a A s， 厚さ 100 /im
n型クラッド層 102 ： (A 1 xGa 5 I n0.5P,
厚さ （最厚部） 0.
電流狭窄層 103 ： A12 03 ， 厚さ 20nm 活性層 104 ：ノンドープ G a 0. 5 I n 0. 5 P p型クラッド層 105 ： p型 （A 1 xGa i_x)0. 5 I n0.5P，
厚さ 0. 8 μιη
コンタクト層 106 ： ρ型 GaAs， 厚さ 0. 5 μ m
p型用電極 107 ： Au Z n
n型用電極 108 ： AuG e
ここで、 活性層 104の厚さを D、 横幅を Wとする。
この第 6実施形態では、 活性層 （高屈折率部） 104の材料として G a 0. 5 I n0.5Pを用いることによって波長 650 nmの発光を得ている。 また、 クラッ ド層 （低屈折率部） 102, 105の材料として （A 1 x G a 一 J 0. 5 I n 0. 5 Pを用いている。 このようにして半導体レーザ素子を構成している。
図 12は、 図 5に対応して、 この半導体レーザ素子に関して活性層 104の横 幅 W及び厚さ Dを同じ値として同時に変化させた場合の、 厚さ方向、 横方向のス ポットサイズ (近視野像の光強度分布の半値全幅) を示している。 ここで、 クラ ッド層 102, 105の A 1混晶比 xとして 0. 3、 0. 6、 1. 0を選んでい る。 また、 図 1 2中の矢印 Aは、 Xの各値に対してスポットサイズが極小となる 点を結んだライン上に描かれている。 これから分かるように、 第 1〜第 5実施形 態の場合と同様、 Wおよび Dを従来の半導体レーザ素子よりも著しく小さくかつ 最適に設定することにより、 スポットサイズを極小にする構成が存在している。 そのような構成とすることにより、 実際に近視野像の面積を極小とすることがで き、 近接記録方式の光記録システムに用いるのに適した半導体レーザ素子が得ら れた。
(第 7実施形態）
この第 7実施形態では、 波長がより短い 405 n m帯で発光する材料系で本発 明を実施した場合について示す。 ここでは、 図 1に示す本発明の半導体レーザ素 子 100の基本構成において、 次の表 3にまとめて示すように各部の導電型、 材 料、 厚さを設定した （簡単のため、 図 1中の構成要素と対応する構成要素には同 じ符号を用いている。 ） 。
(表 3) 基板 101 ： n型 G a N， 厚さ 100 /im
n型クラッド層 102 : A 1XG XN, 厚さ （最厚部） 0. 8 μ m 電流狭窄層 103 ： A 1203， 厚さ 20 nm
活性層 104 ：ノンドープ G a N
ρ型クラッド層 105 ： p型 A 1 XG a^N， 厚さ 0. 8 μ m
コンタクト層 106 : p型 GaN， 厚さ 0. 5 m
ここで、 活性層 104の厚さを D、 横幅を Wとする。
この第 7実施形態では、 活性層 （高屈折率部） 104の材料として G a Nを用 いることによって波長 405 nm帯の発光を得ている。 また、 クラッド層 （低屈 折率部) 102, 105の材料として A 1 XG a を用いている。 このよう にして半導体レーザ素子を構成している。
図 13は、 図 12と同様に、 この半導体レーザ素子に関して活性層 104の横 幅 W及び厚さ Dを同じ値として同時に変化させた場合の、 厚さ方向、 横方向のス ポットサイズ (近視野像の光強度分布の半値全幅) を示している。 ここで、 クラ ッド層 102 , 105の A 1混晶比 xとして 0. 3、 0. 6、 1. 0を選んでい る。 また、 図 1 2中の矢印 Aは、 Xの各値に対してスポットサイズが極小となる 点を結んだライン上に描かれている。 これから分かるように、 第 1〜第 6実施形 態の場合と同様、 Wおよび Dを従来の半導体レーザ素子よりも著しく小さくかつ 最適に設定することにより、 スポットサイズを極小にする構成が存在している。 そのような構成とすることにより、 実際に近視野像の面積を極小とすることがで き、 近接記録方式の光記録システムに用いるのに適した半導体レーザ素子が得ら れた。
図 14は第 1〜第 5実施形態で示した波長 900 n m帯の半導体レーザ素子に ついて、 図 15は第 6実施形態で示した波長 650 nm帯の半導体レーザ素子に ついて、 図 16は第 7実施形態で示した波長 405 nm帯について、 それぞれス ポットサイズが 0. 28 xmよりも小さくなる構造パラメータ （Δη， D, W) の範囲を示している。 なお、 図 14, 図 15， 図 16では、 それぞれそのような 構造パラメータ （Δη, D， W) の範囲に破線で斜線を施し、 それぞれの範囲の 境界線を LA， LB, LCと表している。 ここで、 D=Wとしている。 また、 Δ n= (na -nc ) である （na は活性層 （高屈折率部） 104の屈折率、 n c はクラッド層 （低屈折率部） 102, 105の屈折率である。 ） 。 これらの 図 14, 図 15, 図 16から、 Δ nが大きい場合ほど D及び Wに対する構造許容 度が大きくなることがわかる。 また、 波長が長いほど大きな Δηが要求されるこ とがわかる。 つまり、 本発明を実施するには、 短い波長、 大きな Δηとなる材料 の組み合わせが望ましい。
図 14， 図 15, 図 16中に示した境界線 LA， LB, LCは、 屈折率の差 Δ n rを
Δ n r= (n a -nc ) / n c X 100 = Δ n/nc X 100
で定義したとき、
D = C土 {(Anr— A)/B}}1/2
W = C土 {(Anr— A)/B}}1/2
(ただし、 A= 18025 XI"1· 26であり、
Β = 820367Χ/1-1· 26であり、
C = 0. 6628 X λ~°· 14であり、
λはこの半導体レーザ素子の発振波長である。
また、 Dおよび Wの単位はそれぞれ μ mであり、 λの単位は nmである。 ) なる関係式で表される。
つまり、 活性層 （高屈折率部） 104の断面の厚さ Dおよび横幅 Wがそれぞれ C-{(Anr-A)/B}}1/2 ≤ D ≤ 0 + {(Δη1.-Α)/Β}}1 '2 C-{(Anr-A)/B}}1/2 ≤ W ≤ C + {(Anr-A)/B}}1/2 なる関係を満たすことが、 0. 28 mよりも小さレ、微小スポットでレーザ発振 するための構造条件ということになる。
(第 8実施形態）
第 8実施形態では、 図 1に示した構成において、 活性層 104の材料を G a 0. 93 I n。.。7N。.。25As。，975に変更して半導体レーザ素子を構成した。 この第 6実施形態では、 厚さ方向、 横方向に関して、 近視野像の光強度分布の半値全幅
(スポットサイズ） はいずれも 0. 27 /imとなった。 このように、 非常に小さ なスポットサイズをもつ真円の光分布が得られた。 また、 10mW以上の光出力 を得ることができた。
第 1実施形態から第 5実施形態では材料系として A 1 Ga Asを選び、 A 1混 晶比を変えることで屈折率を制御して、 高屈折率部と低屈折率部とを設定してい た。 し力 し、 そのように全ての層を A
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だけで構成した場合には、 A1混晶比 Xを 0から 1. 0までの範囲で変更しても、 高屈折率部と低屈折率部 との間の屈折率差を大きくするのに限界がある。 本発明では、 上述のように高屈 折率部と低屈折率部との間の屈折率差が大きいほど有利であるから、 更に屈折率 差が見込める材料を用いる方が望ましい。 ここで高屈折率部に I nや S bを混晶 化して Ga I nAsや GaAs S bとすることは高屈折率部の屈折率をより高く することから得策となるが、 G aAsとの格子定数の違いから I nあるいは S b 混晶比に上限が生じる。 一方、 本実施形態のように活性層 104の材料を G a I nNA sとした場合、 I nによる格子定数の変化を Nの混晶化によりキャンセル することができる。 したがって、 格子不整合の影響を受けることなく、 高屈折率 部と低屈折率部との間の屈折率差を大きくすることができる。 また、 「ジャパニ ーズ ·ジャーナル■ォブ ·アプライド ·フイジタス (Japanese Journal of
Applied Physics) Vo l . 37, No. 3 A, 1998年， 753頁」 に述 ベられているように、 特に GaAsあるいは G a I nAsに窒素 （N) を混晶化 した場合の屈折率の増加率は他の材料系よりも著しく大きくなることからも、 N を混晶化した材料を本願の高屈折率部に用いることは、 本発明にとって特に有利 になる。 なお、 本実施形態では活性層 104の材料を G a I nNA sとしたが、 G a S bNA sや G a I nNA s S bとしても同様の効果が得られる。
(第 9実施形態および第 10実施形態)
図 7 Aは、 第 9実施形態および第 10実施形態の半導体レーザ素子 200の断 面を示している。 この半導体レーザ素子 200の髙屈折率部 204を除く各部 2 01〜203、 205〜208は、 第 1実施形態の半導体レーザ素子 100 (図
1 ) の活性層 104を除く各部 101〜： L 03、 105〜； L 08にそれぞれ対応 し、 材料 ·厚さ等は同一である。 高屈折率部 204のみが第 1実施形態のものと は異なる。
第 9実施形態では、 図 7 Bに拡大して詳細に示すように、 高屈折率部 204は、 量子井戸層 2 0 4 aと障壁層 2 0 4 bとを交互に積層し、 その積層の上下に光ガ イド層 2 0 4 c , 2 0 4 cを設けて構成されている （量子井戸活性層構造） 。 こ こで、 量子井戸 2 0 4 aは厚さ 7 O Aの I n。. 2 G a。. 8 A s、 障壁層 2 0 4 bは 厚さ 2 0 O Aの G a A s、 光ガイド層は G a A sからなる。 この第 7実施形態で は、 高屈折率部 2 0 4の全層厚 Dを 0 . 2 5 μ mとした。
また第 1 0実施形態では、 図 7 Cに示すように、 高屈折率部 2 0 4は、 障壁層 2 0 4 e中に量子ドット 2 0 4 dを離散した層状に配列して構成されている （量 子ドット活性層構造）。 ここで、 量子ドット 2 0 4 dは約 1 0 n m径の自己整合 した I n A s ドット、 障壁層 2 0 4 eは G a A sからなる。 この第 8実施形態で は、 高屈折率部 2 0 4の全層厚 Dを 0 . 2 5 μ mとした。
第 9実施形態の半導体レーザ素子は波長 1 μ mで、 第 1 0実施形態の半導体レ 一ザ素子は波長 1 - 3 μ mで、 それぞれレーザ発振を生じた。 また、 第 7実施形 態の半導体レーザ素子では、 水平方向、 厚さ方向のスポットサイズがそれぞれ 0 . 2 6 μ χη, 0 . 2 6 /1 mであり、 第 8実施形態の半導体レーザ素子では、 水平方 向、 厚さ方向のスポットサイズがそれぞれ 0 . 2 8 ιη, 0 . 2 8 μ mであった。 このように、 いずれも十分に小さなスポットサイズが得られた。 また、 それぞれ、 1 O mW以上の光出力を得ることができた。
第 1実施形態から第 8実施形態では高屈折率部の全体が活性層として発光する 態様であつたが、 第 9実施形態及び第 1 0実施形態のように高屈折率部 2 0 4の 全体が必ずしも発光しなくてもよく、 高屈折率部に発光領域 （ここでは量子井戸 2 0 4 aまたは量子ドット 2 0 4 d ) が内包された構成であっても良い。 また、 発光領域の構造は量子井戸あるいは量子ドットに限られるものではなく、 量子細 線であっても良いし、 G R I N—S C H (Graded Index - Separate
Confinement Heterostracture) 構造でめって 良い。
なお、 第 1実施形態から第 8実施形態では高屈折率部が単一の材料であつたの に対し、 この第 9実施形態及び第 1 0実施形態では量子井戸あるいは量子ドット を内包した複数の材料の積層あるいは組み合わせから成っている。 このように高 屈折率部の構造が単一でなく、 複数の材料の積層あるいは組み合わせからなる場 合には低屈折率部と高屈折率部との屈折率差として定義した Δ nの値を特定する ことが困難となるが、 この場合でも、 高屈折率部 204全体の断面の厚さ D及び 横幅 Wが、 水平方向、 厚さ方向のスポットサイズ （近視野像の光強度分布の半値 全幅） が概ね極小値となるように設定されていれば、 本発明に包含されていると 考えることができる。 なお、 高屈折率部 204の内部の量子井戸あるいは量子ド ットの体積が、 高屈折率部 204の全体に対して小さければ、 高屈折率部 204 の屈折率はほぼ光ガイド層 204 cあるいは障壁層 204 b、 204 eの屈折率 で決定される。 したがって、 光ガイド層あるいは障壁層の屈折率とクラッド層の 屈折率との差を Δ nとして扱えばよい。 また、 高屈折率部 204の実効的な屈折 率 （内包されている量子井戸や量子ドットの構成を考慮に入れた平均的な屈折 率） とクラッド層の屈折率との差を Δ nとして扱ってもよい。
(第 11実施形態)
図 8は、 本発明の第 1 1実施形態の半導体レーザ素子 (全体を符号 300で表 す） の、 共振器長の方向に対して垂直な断面、 すなわちレーザ出射端面方向から 見た断面を示している。 この半導体レーザ素子 300は、 n型基板 301の平坦 な表面 301 a上に、 n型クラッド層 302 a , 302 b, 絶縁体層としての電 流狭窄層 303、 高屈折率部としての活性層 304、 p型クラッド層 305 b , 305 a, コンタクト層 306および p型用電極 307を備えるとともに、 基板 301の裏面 301 bに 11型用電極 308を備えている。 活性層 304は、 この 例では矩形の断面をもち、 紙面に対して垂直な一方向にストライプ状に延びてい る。 n型クラッド層 302 a， 302 bと p型クラッド層 305 b , 305 aは、 低屈折率部として、 活性層 304の周りを囲んでいる。 この半導体レーザ素子 3 00の各部の導電型、 材料、 厚さを次の表 4にまとめて示す。
(表 4)
基板 301 ： n型 GaAs, 厚さ 10 O/zm
n型クラッド層 302 a ： n型 （A l0.8Ga。.2) 0.51 I n。， 49 P,
厚さ 0. 5 /zm
n型クラッド層 302 b ： n 型 G a。.51 I n。.49 P,
厚さ （最厚部） 0. 3 / m
電流狭窄層 303 ： A 1203， 厚さ 20nm 活性層 3 04 ： ノンドープ I n0.02G a0.98A s，
厚さ D = 0. 2 5 μ ΐίί
ρ型クラッド層 30 5 b ： p型 G a。，51 I n0.49 P，
厚さ （最薄部） 0. 3
p型クラッド層 30 5 a ： : p型 （A l 0.8 G a0.2) 0.51 I n0.49 P，
厚さ 0. 5 μπι
コンタクト層 306 ： ； 型 G aA s， 厚さ 0. 5 μΐη
ρ型用電極 30 7 ： A u Ζ η
n型用電極 308 ： AuG e
すなわち、 第 1 1実施形態では、 高屈折率部 3 04に近い低屈折率部 30 2 b 及び 30 5 bを厚さ 0. 3 mの G a0.51 I n0.49 Pとし、 高屈折率部 304か ら遠い低屈折率部 30 2 a及び 3 0 5 aを厚さ 0. 5 μ mの (A 10.8 G a0.2) 0. 51 I n0.49 Pとした。
この第 1 1実施形態の半導体レーザ素子は波長 9 20 nmでレーザ発振を生じ た。 また、 厚さ方向、 横方向に関して、 近視野像の光強度分布の半値全幅 （スポ ットサイズ) はいずれも 0. 28 Aimとなった。 このように、 十分に小さなスポ ットサイズをもつ真円の光分布が得られた。 また、 2 OmW以上の光出力を得る ことができた。
本実施形態では、 活性層 304を I n G a A sとし、 それを直接取り囲むクラ ッド層 3 0 2 b， 30 5 bを G a I n Pとし、 更にその外側を取り囲むクラッド 層 3 0 2 a， 3 0 5 aを A 1 G a I n Pとした。 この構成では、 活'|"生層 3 04お よびそれを直接取り囲むクラッド層 3 0 2 b， 3 0 5 bの材料にアルミニゥム
(A 1 ) が含まれていない点に特徴がある。 すなわち、 本発明の半導体レーザ素 子のように近視野像のスポットサイズが小さくなる場合には、 活性層での光密度 が著しく高くなり、 高い光密度によってレーザ出射端面あるいはレーザ共振器内 部の損傷が起こりやすくなる。 特に結晶に A 1が含まれる場合、 共振器端面での A 1の酸化、 共振器内部での A 1が関与する欠陥の誘発が生じ易く、 それによつ て半導体レーザ素子の劣化が生じ易くなる。 そこで本実施形態では、 上述のよう に、 最も光密度が高くなる活性層 （高屈折率部） 304およびそれを直接取り囲 むクラッド層 3 0 2 b， 3 0 5 bの材料にアルミニウム （A 1 ) が含まれないも のとしている。 この結果、 そのような劣化が生じるのを防止でき、 高出力まで安 定した動作ができるようになる。 なお、 本実施形態では A 1が含まれていない混 晶結晶として I n G a A sおよび G a I n Pを用いた例を示したが、 G a x I n
Figure imgf000025_0001
y ( 0≤x≤ 1 , 0≤y≤ 1 ) で記述される任意の混晶系で構成す ることができる。
また、 本実施形態では、 活性層 （高屈折率部） 3 0 4およびそれを直接取り囲 むクラッド層 （低屈折率部の一部） 3 0 2 b， 3 0 5 bの材料としてアルミ二ゥ ムを含まない G a I n A s P系材料 ( I n G a A s及び G a I n P ) を用いてい るが、 この材料系では両者の間の屈折率差を大きくとることができない。 そこで 本実施形態では、 クラッド層 3 0 2 b , 3 0 5 bの外側 (光密度が低くなる領 域） にさらに低屈折率の A 1 G a I n Pからなるクラッド層 3 0 2 a， 3 0 5 a を設けて、 高屈折率部と低屈折率部との間の屈折率差を実効的に大きくとること により、 近視野像のスポットサイズがより小さくなる構成としている。 すなわち、 第 1実施形態から第 1 0実施形態では低屈折率部が 1種類の材料で構成されてい たのに対し、 本実施形態では低屈折率部は屈折率が異なる 2種類の材料からなる 構成となっている。 このように低屈折率部の構造が単一でなく、 複数の材料から なる場合には、 高屈折率部と低屈折率部との間の屈折率差 Δ nの値を特定するこ とが困難となるが、 この場合でも、 高屈折率部の断面の厚さ D及び横幅 Wが、 厚 さ方向、 水平方向に関して近視野像のスポットサイズがそれぞれ極小となるよう な値またはその値の近傍に設定されて ヽれば、 本発明に包含される。
(第 1 2実施形態)
図 9は、 本発明の第 1 2実施形態の半導体レーザ素子 (全体を符号 4 0 0で表 す） の、 共振器長の方向に対して垂直な断面、 すなわちレーザ出射端面方向から 見た断面を示している。 この半導体レーザ素子 4 0 0は、 基板 4 0 1の平坦な表 面 4 0 1 a上に、 n型クラッド層 4 0 2、 電流狭窄層 4 0 3 a， 4 0 3 b , 4 0 3 c、 高屈折率部としての活性層 4 0 4、 p型クラッド層 4 0 5、 コンタクト層 4 0 6 a , 4 0 6 bおよび p型用電極 4 0 7を備えるとともに、 基板 4 0 1の裏 面 4 0 1 bに n型用電極 4 0 8を備えている。 活性層 4 0 4、 p型クラッド層 4 0 5およびコンタクト層 406 aは、 この例では同じ横幅の矩形の断面をもち、 紙面に対して垂直な一方向にストライプ状に延びている。 n型クラッド層 40 2 のうち活性層 404の両側に相当する部分は、 湾曲した斜面 （下に凸） をなすよ うに加工されている。 ¾流狭窄層 40 3 a， 40 3 b, 40 3 cは、 n型クラッ ド層 402活性層 404、 ； 型クラッド層 40 5およびコンタクト層 40 6 aの 両側を埋めるように設けられている。 この結果、 n型クラッド層 40 2、 p型ク ラッド層 40 5、 電流狭窄層 40 3 a， 40 3 b， 40 3 cは、 低屈折率部とし て、 活性層 404の周りを囲んでいる。 この半導体レーザ素子 400の各部の導 電型、 材料、 厚さを次の表 5にまとめて示す。
(表 5)
基板 40 1 ： n型 G a A s， 厚さ 1 0 Ο μηι
n型クラッド層 40 2 ： n型 A 10.6G a0.4 A s ,
厚さ （最厚部） 0. 8 /im
電流狭窄層 40 3 a ： n型 A 10.8 G a0.2 A s
電流狭窄層 40 3 b ： : 型 A 10.8G a0.2 A s
電流狭窄層 40 3 c ： n型 A 10.8G a0.2 A s
活性層 404 ： ノンドープ G a A s , 厚さ D= 0. 3 x m
型クラッド層 40 5 ： 型 A 10. 6 G a0.4 A s , 厚さ 0. 8 μτη コンタク ト層 40 6 a , 406 b ： ρ型 G a A s， 厚さ 0. 5 m
p型用電極 40 7 ： Au Z n
n型用電極 40 8 ： AuG e
さら.に、 活性層 404の横幅 Wを 0. 3 3 mとした。
この半導体レーザ素子 400に電極 40 7， 40 8を通して電流を注入すると、 波長約 900 nmにてレーザ発振を生じた。 この第 1 0実施形態では、 厚さ方向、 横方向に関して、 近視野像の光強度分布の半値全幅 （スポットサイズ） はいずれ も 0. となった。 このように、 非常に小さなスポットサイズをもつ真円の 光分布が得られた。 また、 1 OmW以上の光出力を得ることができた。
第 1から第 1 1実施形態では、 高屈折率部の周りに関して低屈折率部の混晶比 が均一であった。 これに対して、 本実施形態では、 高屈折率部としての活性層 4 04に対して上下に接する A I GaAsクラッド層 402, 405の混晶比と左 右に接する A 1 GaAs電流狭窄層 403 a， 403 b, 403 cの混晶比とが 異なっており、 高屈折率部の周りに関して低屈折率部の混晶比が異なっている。 このように高屈折率部の周りに関して低屈折率部が均一ではなく、 複数種類の材 料からなる場合にも、 高屈折率部の断面の厚さ D及び横幅 Wが、 厚さ方向及び横 方向に関して、 近視野像のスポットサイズがそれぞれ極小となるような値または その値の近傍に設定されていれば、 本発明に包含される。
また、 本発明のように高屈折率部をなす活性層の横幅 Wが従来の半導体レーザ 素子のものに比べて著しく小さレ、場合、 活性層へ効率的な電流注入を行うことが できる構造とすることが重要となる。 第 1実施形態などのように絶縁体 (A 1 O J を用いて電流狭窄を行っても良いし、 第 12実施形態のように p n逆接合を 用レ、て電流狭窄を行ってもよい。 また、 C r -0ドープ結晶あるいはアンド一プ 結晶などの高抵抗半導体材料を用いて電流狭窄を行つてもよい。
なお、 第 12実施形態の半導体レーザ素子は、 選択成長を用いて活性層が結晶 成長された第 1実施形態などの半導体レーザ素子と異なり、 次のようにして作製 される。 すなわち、 基板 401の表面 401 a上に n型クラッド層 402、 活性 層 404、 p型クラッド層 405、 コンタクト層 406 aまでを連続的に 1回で 結晶成長した後、 ストライプ状のマスクを用いてこれらの層がストライプ状にな り n型クラッド層 402の両側に相当する部分が湾曲した斜面になるまでメサェ ツチングを施す。 そして、 それらの層 402, 404, 405, 406 aの両側 を埋めるように電流狭窄層 403 a, 403 b， 404 cを選択的に積層する。 その後、 コンタクト層 406 bを全面に積層した後、 コンタクト層 406 b上に 電極 407、 基板 401の裏面 401 bに電極 408をそれぞれ蒸着して素子を 完成する。
(第 13実施形態）
図 10は、 本発明の第 13実施形態の半導体レーザ素子 （全体を符号 500で 表す） の、 共振器長の方向に対して垂直な断面、 すなわちレーザ出射端面方向か ら見た断面を示している。 この半導体レーザ素子 500は、 基板 501の、 V字 状の溝 （横幅 W1) が形成された表面 501 a上に、 n型クラッド層 502、 高 屈折率部としての活性層 5 04、 p型クラッド層 50 5、 コンタクト層 50 6、 電流狭窄層 5 0 3および p型用電極 5 0 7を備えるとともに、 基板 5 0 1の裏面 5 0 1 bに n型用電極 5 0 8を備えている。 n型クラッド層 5 0 2、 p型クラッ ド層 50 5等は、 基板表面 5 0 1 aの V形状を反映してそれぞれ断面略 V字状に 屈曲して形成され、 クラッド層 50 2 , 50 5の屈曲部の間に活性層 5 04が設 けられている。 活性層 5 04は、 この例では逆三角形 （3面 504 a , 5 04 b, 5 04 cからなる） の断面をもち、 紙面に対して垂直な一方向にストライプ状に 延びている。 この結果、 n型クラッド層 5 0 2、 p型クラッド層 50 5は、 低屈 折率部として、 活性層 504の周りを囲んでいる。 この半導体レーザ素子 5 00 の各部の導電型、 材料、 厚さを次の表 6にまとめて示す。
(表 6)
基板 50 1 ： n型 G a A s , 厚さ 1 00 /xm
n型クラッド層 5 0 2 ： n型 (A l 0. s G a0.2) 0.5 I ιι。.5 Ρ，
厚さ 0. 8 m
活性層 5 04 ： ノンドープ G a0.5 I n0.5 P，
厚さ （最厚部） D= 0. 3 μτα
ρ型クラッド層 5 0 5 ： (A l 0.8G a0.2) 0.5 I n0.5 P，
さ 0. 8 i m
電流狭窄層 5 0 3 ： S i Nx
コンタクト層 5 06 ： p型 G a A s , 厚さ 0. 5 μ τη
ρ型用電極 5 0 7 ： Au Ζ η
η型用電極 508 ： AuG e
逆三角形形状の活性層 5 04の横幅 W (最も広い面 504 cの横幅） は 0. 3 5 X mとした。
この半導体レーザ素子 5 00に電極 5 0 7, 5 08を通して電流を注入すると、 波長約 6 5 0 nmにてレーザ発振を生じた。 この第 1 3実施形態では、 厚さ方向、 横方向に関して、 近視野像の光強度分布の半値全幅 （スポットサイズ） はいずれ も 0. 3 μπιとなった。 このように、 非常に小さなスポットサイズをもつ真円の 光分布が得られた。 また、 1 OmW以上の光出力を得ることができた。 第 1実施形態から第 1 2実施形態では、 幅の狭いマスクを使った選択成長、 あ るいは幅の狭いマスクによるメサエッチングを用いて作製した幅の狭 、活性層を 有する半導体レーザ素子について、 その構成と製造方法を示した。 し力 し、 それ らを製造するためには幅がサブミクロン程度の狭いマスクが要求される。 それに 対して本実施形態では、 基板表面 5 O l aに比較的広い横幅 W 1をもつ V溝を形 成しておき、 その上に各層を結晶成長して形成することにより、 幅の狭いマスク を用いることなく、 著しく幅の狭い横幅 Wを有する活性層 5 0 4を容易に得るこ とができる。
詳しくは、 G a A s基板 5 0 1の表面 5 0 1 aに比較的広い横幅 W 1をもつ V 溝を形成し、 その V溝を有する基板表面 5 0 1 aの上に、 MO C VD法 (有機金 属気相成長法) によって、 まず A 1 G a A sクラッド層 5 0 2を形成する。 続い て G a A s活性層 5 0 4を結晶成長する。 この結晶成長を行う際に成長速度を著 しく下げることにより、 V溝の底部に相当する箇所 (屈曲部) に厚く、 V溝の側 面に相当する箇所 (斜面) に薄く結晶成長させることができ、 断面逆三角形状の 活性層 5 0 4を作製できる。 続いて、 その上に残りの各層 5 0 5， 5 0 6 , …を 結晶成長してゆく。 このように作製することにより、 所望の狭い横幅 W、 厚さ D を有する小さな体積の活性層 5 0 4を、 幅の狭いマスクを用いることなく制御性 良く作製することができる。 なお、 V溝の側面に相当する箇所 （斜面） にも薄く 活性層と同じ材料である G a A sが体積するが、 この部分は体積が少ないため、 形成された導波路構造への影響は非常に小さ V、。
活性層 5 0 4の形状は逆三角形となるが、 W及び Dを最適に設定することによ り、 厚さ方向及び横方向に関して、 近視野像のスポットサイズがそれぞれ極小と なるように設定できた。
また、 これまでの実施形態では赤外光を発する半導体レーザ素子の構成例につ いて説明してきたが、 本実施形態のように可視光を発する半導体レーザ素子で構 成することもできる。 また、 サファイア基板などを用いて窒化物系半導体材料に よって半導体レーザ素子を構成し、 緑色 ·青色 ·紫外で発振する半導体レーザ素 子で構成することも可能である。
(第 1 4実施形態） 図 1 1は、 本発明の第 14実施形態の半導体レーザ素子 （全体を符号 600で 表す） の、 共振器長の方向に対して垂直な断面、 すなわちレーザ出射端面方向か ら見た断面を示している。 この半導体レーザ素子 600は、 基板 60 1の、 台形 状のメサ （横幅 W2) が形成された表面 60 1 a上に、 n型クラッド層 602、 高屈折率部としての活性層 604、 p型クラッド層 605、 コンタクト層 606、 電流狭窄層 603および p型用電極 607を備えるとともに、 基板 60 1の裏面 60 1 bに n型用電極 608を備えている。 n型クラッド層 602、 p型クラッ ド層 605等は、 基板表面 6 O l aの台形形状を反映してそれぞれ断面略逆 V状 に屈曲して形成され、 クラッド層 602， 605の屈曲部の間に活性層 604力 S 設けられている。 活性層 604は、 この例では台形 （下底面 604 a， 斜面 60 4 b， 604 cおよび上底面 604 dからなる） の断面をもち、 紙面に対して垂 直な一方向にストライプ状に延びている。 この結果、 n型クラッド層 602、 p 型クラッド層 605は、 低屈折率部として、 活性層 604の周りを囲んでいる。 この半導体レーザ素子 600の各部の導電型、 材料、 厚さを次の表 7にまとめて 示す。
(表 7)
基板 601 ： n型 G a A s , 厚さ 100 /xm
n型クラッド層 602 ： n型 A 10.9G a0. x A s , 厚さ 0. 8 μ m
活性層 604 ：ノンドープ G a As ,
厚さ （最厚部） D=0. 1 5 μτη
型クラッド層 605 ： 型 A 10.8G a0.2 A s , 厚さ 0. 8 πι
コンタクト層 606 ： ρ型 G a A s , 厚さ （最薄部） 0. 5
電流狭窄層 603 ： S i Nx
P型用電極 607 ： A Z n
n型用電極 608 ： AuGe
さらに、 台形形状の活性層 604の横幅 W (最も広い面 5 04 aの横幅） を 0. 25 μ mとした。
この半導体レーザ素子 500に電極 607, 608を通して電流を注入すると、 波長約 900 nmにてレーザ発振を生じた。 この第 1 2実施形態では、 厚さ方向、 横方向に関して、 近視野像の光強度分布の半値全幅 （スポットサイズ） はいずれ も 0 . 2 5 μ πιとなった。 このように、 非常に小さなスポットサイズをもつ真円 の光分布が得られた。 また、 1 O mW以上の光出力を得ることができた。
他の実施形態と異なり、 本実施形態では、 基板表面 6 0 1 aに比較的広い横幅 W 2をもつ V溝を形成しておき、 その上に各層を結晶成長して形成することによ り、 幅の狭いマスクを用いることなく、 著しく幅の狭い横幅 Wを有する活性層 6 0 4を容易に得ることができる。
詳しくは、 G a A s基板 6 0 1の表面 6 0 1 aに比較的広い横幅 W 2をもつ台 形メサを形成し、 その台形メサを有する基板表面 6 0 1 aの上に、 MO C VD法
(有機金属気相成長法) によって、 まず A 1 G a A sクラッド層 6 0 2を形成す る。 続いて G a A s活性層 6 0 4を結晶成長する。 この結晶成長を行う際に成長 速度を著しく下げることにより、 台形の頂部に相当する箇所 （屈曲部） に厚く、 台形の側面に相当する箇所 (斜面) に薄く結晶成長させることができ、 断面台形 状の活性層 6 0 4を作製できる。 続いて、 その上に残りの各層 6 0 5 , 6 0 6 , …を結晶成長してゆく。 このように作製することにより、 所望の狭い横幅 W、 厚 さ Dを有する小さな体積の活性層 6 0 4を、 幅の狭いマスクを用いることなく制 御性良く作製することができる。 なお、 台形の側面に相当する箇所 (斜面) にも 薄く活性層と同じ材料である G a A sが体積するが、 この部分は体積が少ないた め、 形成された導波路構造への影響は非常に小さ V、。
活性層 6 0 4の形状は台形となるが、 W及ぴ Dを最適に設定することにより、 厚さ方向及び横方向に関して、 近視野像のスポットサイズがそれぞれ極小となる ように設定できた。
これまでに示した各実施形態の半導体レーザ素子は、 近接記録方式で光ディス クまたは光磁気デイスクに記録再生を行うための光学へッドに好ましく適用でき る特性を示している。 特に微小スポットでありながら十分に大きな光出力を得る ことができるので、 光磁気ディスク等への高速書き込みを行うのに十分な特性で める
なお、 活性層の断面形状は上記の各実施形態に示したものに限られることはな い。 活性層の断面形状を円形とすれば、 最も小さなスポットサイズの円形のスポ ットが得られ、 より好ましい。 完全な円形でなくとも、 六角形などの多角形の断 面形状としてもよい。
なお、 半導体レーザ素子の作製方法■構成 ·材料■混晶の組成などについては、 上述の各実施形態に例示した方法に限られるものではない。 特に、 本発明では横 幅の狭い活性層が要求されるが、 その幅の狭い活性層を得るための方法には様々 な手段を適用することができる。 例えば、 結晶成長室内で収束イオンビームゃ電 子線描画を行いながら選択成長を行う 「その場」 での選択成長は、 幅の狭い活性 層を得るための有効な手段である。 また、 近接場リソグラフィゃ X線リソグラフ ィ、 電子線リソグラフィ、 位相シフトマスクを利用した露光などの公知の手段を 適用することが可能である。 結晶成長方法、 成長条件、 各構成元素の原料につい ても、 実施形態に記述した特定の方法、 条件、 原料、 あるいは例示された特定の 組み合わせに限定されるものではない。
本願の実施形態では、 III- V族化合物半導体として A 1 Ga As, Ga i n NA s S bなどで記述される混晶系を一例として取り上げたが、 実施形態として 説明した以外の III族元素 （B, T 1等) や V族元素 (P, B i) が適宜混晶化 されていてもよいし、 不純物元素 （Z n， B e, Mg, T e ' S, S e， S i 等） が適宜含まれていてもよい。 また、 基板についても実施形態に示したものに 限定されるものではなく、 別の基板を用いても同様の効果が得られる。 例えば I n P, I nGaAs, Ga S b, G a N基板などのその他の III— V族化合物半 導体基板、 Z n S e, Zn S基板などの 11一 VI族化合物半導体基板、 G e , S i， S i C基板などの IV族半導体基板、 ガラス ·プラスチック ·セラミックス ·サフ アイァ 'スピネル等を用いることができる。 また、 レーザの発振波長についても、 赤外に限らず、 赤色、 青色、 紫色、 紫外など、 任意の波長を選択することができ る。
(第 15実施形態）
本実施形態では、 上述してきた半導体レーザ素子を搭載した情報記録装置の一 つである光磁気ディスク記録再生装置における光学へッドについて説明する。 図 17は、 第 1実施形態のものと同じ半導体レーザ素子 2501を搭載した光 磁気ディスク記録再生装置の光学へッドを斜めから見たところを示している。 こ の光学へッドは、 ァクチユエータ 2 5 0 5に取り付けられたサスペンション 2 5 0 4と、 サスペンション 2 5 0 4に取り付けられたスライダ 2 5 0 3と、 このス ライダ 2 5 0 3の端面に、 レーザ光出射端面がディスク状の記録媒体 2 5 0 2に 対向するように取り付けられた半導体レーザ素子 2 5 0 1とを備えている。 半導体レーザ 2 5 0 1のレーザ光出射端面から記録媒体 2 5 0 2までの距離は
1 μ m未満、 この例では数十ナノメ一トルに保たれて、 回転するディスク状の記 録媒体 2 5 0 2の上を滑走する。 また、 スライダ 2 5 0 3はサスペンシヨン 2 5 0 4によって支持され、 ァクチユエータ 2 5 0 5によって、 記録媒体 2 5 0 2の 上の所望の記録トラックに追従したり、 アクセスを行う。 半導体レーザ 2 5 0 1 のレーザ光出射端面は記録媒体 2 5 0 2に近接しており、 記録媒体 2 5 0 2には 半導体レーザ素子 2 5 0 1の近視野像（ユアフィールドパターン）が転写される。 そのために、 ァクチユエータ 2 5 0 5とサスペンション 2 5 0 4は、 半導体レー ザ素子 2 5 0 1の光出射端面と記録媒体 2 5 0 2との間の距離が 1 / m未満に近 接した一定間隔となるように制御するための制御機構として働く。
半導体レーザ素子 2 5 0 1として第 1実施形態で述べたのと同じ物を用いるこ とによって、 実際に微小なスポットを記録媒体 2 5 0 2上に形成することができ た。 また、 従来の近接場光を光源に用いた場合と比較して、 本発明の半導体レー ザは出力を格段に大きくすることができたため、 記録に要する時間を大幅に短縮 することができた。 なお、 記録媒体としては、 光磁気ディスク、 相変化型ディス ク等を用いることができる。
ここでは、 本発明の半導体レーザ素子を搭載した情報記録装置の一例としてと して光磁気ディスク記録再生装置を例示したが、 本発明の半導体レーザ素子は他 の種々の情報記録装置に搭載することが可能であることは言うまでもない。 例え ば、 本発明の半導体レーザ素子は、 熱アシスト方式により情報を記録または再生 する磁気記録装置などに搭載することができる。
以上に述べたように、 この発明の半導体レーザ素子は、 既存の化合物半導体材 料を用いつつ青色半導体レーザ素子よりも小さな光スポットを得ることができ、 かつ近接記録方式に用いられる金属アパーチャを備えた半導体レーザ素子よりも 実用上十分な光出力で微小な光スポット （近視野像） を得ることができ、 力っ簡 単に構成される。
また、 この発明の光学ヘッドは、 そのような半導体レーザ素子、 つまり微小ス ポットでありながら十分に大きな光出力を得ることができる半導体レーザ素子を 備えることによって、 光ディスクまたは光磁気デイスクに近接記録方式で記録再 生を行うことができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1. 或る形状の断面をもって一方向に延びる高屈折率部と、 この高屈折率部の 周りを囲む低屈折率部とを有する共振器を備え、
上記高屈折率部の上記断面の寸法は、 上記共振器が出射するレーザ光の近視野 像の面積が極小となるような値またはその値の近傍に設定されていることを特徴 ¾とする半導体レーザ素子。
2. 請求項 1に記載の半導体レーザ素子において、
上記高屈折率部の上記断面の厚さ D及び横幅 Wは、 厚さ方向及び横方向に関し て、 上記共振器が出射するレーザ光の近視野像の寸法がそれぞれ極小となるよう な値またはその値の近傍に設定されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
3. 請求項 1に記載の半導体レーザ素子において、
上記高屈折率部、 低屈折率部の屈折率をそれぞれ na、 ii。と表し、 それらの屈 折率の差 Δ nrを .
Δ n r= (n a -nc ) / n c X 1 00 = Δ n/nc X 1 00
で定義したとき、
上記高屈折率部の上記断面の厚さ Dおよぴ横幅 Wは、 それぞれ
C一 {(厶 nr— AJ/'B}}1 2 ≤ Ό ≤ C + ΚΔ n r-A)/B}}1/2 C-{(A nr-A)/B}}1/2 ≤ W ≤ C + {(A nr-A)/B}}1 '2 (ただし、 A= 1 8025 X λ-1· 26であり、
B = 8 20367 X I"1' 26であり、
C= 0. 66 28 X 1"°' 14であり、
λはこの半導体レーザ素子の発振波長である。
また、 Dおよひ の単位はそれぞれ μ mであり、
えの単位は nmである。 ）
なる関係を満たすことを特徴とする半導体レーザ素子。
4. 請求項 1に記載の半導体レーザ素子において、
上記高屈折率部の厚さ Dと横幅 Wとが同じ値であることを特徴とする半導体レ 一ザ素子。
5. 請求項 1に記載の半導体レーザ素子において、
上記高屈折率部が発光層であることを特徴とする半導体レーザ素子。
6. 請求項 1に記載の半導体レーザ素子において、
上記高屈折率部の内部に量子井戸構造を有することを特徴とする半導体レーザ 素子。
7. 請求項 1に記載の半導体レーザ素子において、
上記低屈折率部が A lxGai— xAs (ただし、 0<χ≤1である。 ） からなる ことを特徴とする半導体レーザ素子。
8. 請求項 1に記載の半導体レーザ素子において、
上記高屈折率部は、 窒素と窒素以外の V族元素とを糸且成に含むことを特徴とす る半導体レーザ素子。
9. 請求項 1に記載の半導体レーザ素子において、
上記高屈折率部または上記高屈折率部及びこの高屈折率部に隣接する部分の材 料は、 アルミエゥムを組成として含まない化合物半導体からなることを特徴とす る半導体レーザ素子。
10. 請求項 9に記載の半導体レーザ素子において、
上記アルミニウムを組成として含まなレ、化合物半導体は G a x I ni_xA sy P !-y (ただし、 0 x l、 0≤y lである。 ） であることを特徴とする半導 体レーザ素子。
11. 基板上に、 基板表面に対して平行な一方向に延び、 端面からレーザ光を 出射する共振器を備え、
上記レーザ光の近視野像の上記基板表面に対する垂直方向及び平行方向の光強 度分布の半値全幅が、 いずれも 0. 28 μ m以下であることを特徴とする半導体 レーザ素子。
12. 請求項 11に記載の半導体レーザ素子において、
上記近視野像の上記垂直方向の光強度分布の半値全幅と上記平行方向の光強度 分布の半値全幅とが同じ値であることを特徴とする半導体レーザ素子。
13. 請求項 1に記載の半導体レーザ素子において、
上記低屈折率部は、 上記一方向に沿って延びる境界面で互いに分けられた p型 領域と n型領域とを含み、
上記高屈折率部は上記低屈折率部の上記 p型領域と n型領域との間に挟まれて いることを特徴とする半導体レーザ素子。
1 4 · 請求項 1 3に記載の半導体レーザ素子において、
上記高屈折率部の両側に相当する、 上記低屈折率部の上記 型領域と n型領域と の間の境界面に沿って、 絶縁体層が介挿されていることを特徴とする半導体レー ザ素子。
1 5 . 請求項 1 4に記載の半導体レーザ素子において、
上記絶縁体層は酸化アルミニゥムからなることを特徴とする半導体レーザ素子。 1 6 . 請求項 1 5に記載の半導体レーザ素子において、
上記絶縁体層をなす酸化アルミエゥムは、 砒化アルミニゥムを熱酸化して形成 されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
1 7 . 請求項 1に記載の半導体レーザ素子を備え、 この半導体レーザ素子が出 射するレーザ光によつて記録媒体に対する情報の記録または再生を行う光学へッ ド。
1 8 · 請求項 1 7に記載の光学へッドにおいて、
上記半導体レーザ素子の光出射端面と上記記録媒体との間の距離が 1 μ ni未満 に近接して配置されることを特徴とする光学へッド。
1 9 . 請求項 1 7に記載の光学へッドにおいて、
上記半導体レーザ素子の光出射端面と上記記録媒体との間の距離が 1 n m未満 に近接して配置されるように、 上記半導体レーザ素子と記録媒体との間の距離を 制御するための制御機構を有することを特徴とする光学へッド。
2 0 . 請求項 1に記載の半導体レーザ素子を備えた情報記録装置。
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