(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともＡｌを含む複数の量子井戸層のそれぞれと、禁制帯幅が等しく少なくともＡｌを含む複数の量子障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造の活性層を挟んで、少なくともＡｌを含む第１ガイド層及び少なくともＡｌを含む第２ガイド層が設けられた半導体レーザ素子であって、
該第１ガイド層及び該第２ガイド層を該量子井戸層に隣接させると共に該第１ガイド層及び該第２ガイド層の禁制帯幅を該量子井戸層の禁制帯幅より大きくし、且つ、該第１ガイド層及び該第２ガイド層のＡｌ組成比を該量子障壁層のＡｌ組成比よりも小さくして、該第１ガイド層及び該第２ガイド層の禁制帯幅を該量子障壁層の禁制帯幅よりも小さくし、
前記第１ガイド層及び前記第２ガイド層を挟むように第１導電型の第１クラッド層と第２導電型の第２クラッド層が設けられ、該第２クラッド層の外側であって該第１クラッド層と反対側の位置に第２導電型の第３クラッド層が設けられ、該第１クラッド層と該第３クラッド層との間に前記活性層のレーザ発振光のエネルギーと略等しい発光エネルギーを有する可飽和吸収層を設けた、半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記第１ガイド層及び前記第２ガイド層を挟むように第１導電型の第１クラッド層と第２導電型の第２クラッド層が設けられ、該第２クラッド層の外側であって該第１クラッド層と反対側の位置に第２導電型の第３クラッド層がストライプ状に形成され、ストライプ内部の活性層に閉じ込められた光の屈折率ｎaとストライプ外部の活性層に閉じ込められた光の屈折率ｎbとの差Δｎが下記（１）式の条件を満たす
２×１０-3≦Δｎ≦７×１０-3・・・・（１）
請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記第１ガイド層又は前記第２ガイド層の禁制帯幅が異なる場合に、小さい方の禁制帯幅を前記活性層のレーザ発振光のエネルギーに相当する禁制帯幅より大きくした請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記第１ガイド層又は前記第２ガイド層の禁制帯幅の内、小さい方の禁制帯幅をＥｇ、前記量子障壁層の禁制帯幅をＥｂ、前記活性層のレーザ発振光のエネルギーに相当する禁制帯幅をＥλとした場合に、Ｅｇ、Ｅｂ及びＥλが下記（２）式の条件を満たす
Ｅλ＋１００ｍｅＶ≦Ｅｇ≦Ｅｂ−５０ｍｅＶ・・・・（２）
請求項３記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク、レーザビームプリンタ及び光伝送等の分野において光源として用いられる半導体レーザ素子に関し、特に多重量子井戸構造の活性層を有する半導体レーザ素子の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子の低電流化のために、例えば、特公平４−６７３５４号公報には、活性層に電子のドブロイ波長以下の層厚、即ち、約２０ｎｍ以下の量子井戸層を多重に設けた多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ
Ｗｅｌｌ）活性層を用いることが記載されている。
【０００３】
図１３に示すように、この半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板７０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層７０２、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層７０３、ｎ−ＡｌＧａＡｓガイド層７０４、ＭＱＷ活性層７０５、ｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層７０６、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層７０７及びｐ−ＧａＡｓキャップ層７０８が順次積層された構造を有する。
【０００４】
ここで、ＭＱＷ活性層７０５は、複数のＧａＡｓ量子井戸層７１０と、量子井戸層７１０で挟まれたＡｌＧａＡｓ量子障壁層７１１とからなり、この量子井戸層３層と量子障壁層２層による交互の繰り返しにより構成されている。
【０００５】
図１４は、このＭＱＷ活性層７０５付近における各層のエネルギーバンドダイヤグラムである。ｎ−ＡｌＧａＡｓガイド層７０４及びｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層７０６の禁制帯幅は共に量子障壁層７１１の禁制帯幅と等しく設定されている。ガイド層７０４、７０６の禁制帯幅と量子障壁層７１１の禁制帯幅を等しくすることにより、量子井戸層７１０は全て同じ禁制帯幅の半導体層で挟まれるので、量子井戸層７１０間で量子化準位の拡がりは小さくなり、発光スペクトルが狭くなることにより、閾値電流の低減が可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近の半導体レーザ素子においては、閾値電流のさらなる低減が要求されており、上記の従来例で閾値電流をさらに低減せんとすれば、ＭＱＷ活性層の量子井戸層への光の閉じ込め率を増大させる必要がある。従って、従来例ではガイド層の層厚を厚くしていた。
【０００７】
しかし、ガイド層の層厚を厚くすると次に述べる問題が発生する。
【０００８】
一般に、ガイド層のドーパント濃度は、ガイド層からＭＱＷ活性層へのドーパント拡散を抑制するために、通常、クラッド層のドーパント濃度よりかなり低く設定するか、又はノンドープに設定する。そのために、ガイド層を厚くすると、ガイド層における素子抵抗の増大の影響で、動作電圧が増大する。従って、従来例では、閾値電流を低減できるものの、動作電圧の増大による特性悪化という新たな問題が生じていた。
【０００９】
また、この従来例では、ガイド層の禁制帯幅を量子障壁層の禁制帯幅と等しく設定している。このことは、ガイド層のＡｌ組成比を量子障壁層のＡｌ組成比と同じまで高く設定することに相当する。従って、この場合には、クラッド層からのドーパントが活性層まで拡散して量子井戸層のＡｌ組成比が変化し易くなって、発振波長が設定値からずれてしまい、波長制御が困難になるといった問題が生じていた。
【００１０】
本発明は、こうした従来技術の課題を解決するものであり、動作電圧の増大を伴わずに閾値電流を低減することが可能な半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、併せて発振波長ずれを防止することが可能な半導体レーザ素子を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザ素子は、少なくともＡｌを含む複数の量子井戸層のそれぞれと、禁制帯幅が等しく少なくともＡｌを含む複数の量子障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造の活性層を挟んで、少なくともＡｌを含む第１ガイド層及び少なくともＡｌを含む第２ガイド層が設けられた半導体レーザ素子であって、該第１ガイド層及び該第２ガイド層を該量子井戸層に隣接させると共に該第１ガイド層及び該第２ガイド層の禁制帯幅を該量子井戸層の禁制帯幅より大きくし、且つ、該第１ガイド層及び該第２ガイド層のＡｌ組成比を該量子障壁層のＡｌ組成比よりも小さくして、該第１ガイド層及び該第２ガイド層の禁制帯幅を該量子障壁層の禁制帯幅よりも小さくし、前記第１ガイド層及び前記第２ガイド層を挟むように第１導電型の第１クラッド層と第２導電型の第２クラッド層が設けられ、該第２クラッド層の外側であって該第１クラッド層と反対側の位置に第２導電型の第３クラッド層が設けられ、該第１クラッド層と該第３クラッド層との間に前記活性層のレーザ発振光のエネルギーと略等しい発光エネルギーを有する可飽和吸収層を設けており、そのことにより上記目的が達成される。
【００１５】
また、好ましくは、前記第１ガイド層及び前記第２ガイド層を挟むように第１導電型の第１クラッド層と第２導電型の第２クラッド層が設けられ、該第２クラッド層の外側であって該第１クラッド層と反対側の位置に第２導電型の第３クラッド層がストライプ状に形成され、ストライプ内部の活性層に閉じ込められた光の屈折率ｎａとストライプ外部の活性層に閉じ込められた光の屈折率ｎｂとの差Δｎが下記（１）式の条件
２×１０−３≦Δｎ≦７×１０−３・・・・（１）
を満たす構成とする。
【００１７】
また、好ましくは、前記第１ガイド層又は前記第２ガイド層の禁制帯幅が異なる場合に、小さい方の禁制帯幅を前記活性層のレーザ発振光のエネルギーに相当する禁制帯幅より大きくした構成とする。
【００１８】
また、好ましくは、前記第１ガイド層又は前記第２ガイド層の禁制帯幅の内、小さい方の禁制帯幅をＥｇ、前記量子障壁層の禁制帯幅をＥｂ、前記活性層のレーザ発振光のエネルギーに相当する禁制帯幅をＥλとした場合に、Ｅｇ、Ｅｂ及びＥλが下記（２）式の条件
Ｅλ＋１００ｍｅＶ≦Ｅｇ≦Ｅｂ−５０ｍｅＶ・・・・（２）
を満たす構成とする。
【００１９】
以下に、本発明の作用について説明する。
【００２０】
上記構成において、ガイド層の禁制帯幅を量子障壁層の禁制帯幅より小さくすることは、ガイド層の屈折率を量子障壁層の屈折率より大きく設定することに相当する。従って、ＭＱＷ活性層の量子井戸層への光の閉じ込め率が増大し、閾値電流が低減する。しかも、上記従来例のように閾値電流の低減のためにガイド層の層厚を厚くする必要もないので、素子抵抗の増大に伴う動作電圧の増大も抑制される。
【００２１】
また、ガイド層の禁制帯幅を量子障壁層の禁制帯幅より小さくすることは、例えば、Ａｌ系半導体層の場合は、ガイド層のＡｌ組成比を量子障壁層のＡｌ組成比より小さく設定することに相当する。このため、クラッド層からガイド層へのドーパント拡散が抑制される。従って、ＭＱＷ活性層へのドーパント拡散が抑制されるので、ＭＱＷ活性層の量子井戸層のＡｌ組成比の変化が抑制され発振波長ずれが防止される。
【００２２】
また、ガイド層の禁制帯幅を制御することは屈折率を制御することに相当する。従って、２つのガイド層の屈折率をそれぞれ適当な値に設定して、垂直放射角を調整することが可能となる。
【００２３】
さらに、ガイド層のＡｌ組成比を量子障壁層のＡｌ組成比より小さく設定することにより、ガイド層の非発光再結合準位の数が低減する。このため、量子井戸層からガイド層に漏れだしたキャリヤに対して、非発光再結合が抑制される。その結果、キャリヤが発光に有効に利用され、閾値電流の低減が可能となる。
【００２４】
加えて、ＭＱＷ活性層のレーザ発振光の禁制帯幅と略等しい発光エネルギーの禁制帯幅を有する可飽和吸収層を、２つのクラッド層の間、例えば、上記第１クラッド層と上記第２クラッド層の間又は上記第１クラッド層と上記第３クラッド層の間に設ける構成による場合には、可飽和吸収効果によりレーザ発振光がパルス状に発振する自励発振が起こる。自励発振状態ではレーザの縦モードがマルチモードになり、各縦モードのスペクトル線幅が広がる。このため、レーザのコヒーレンシーが低下して、戻り光による影響を受け難くなり、雑音が低減される。
【００２５】
尚、この可飽和吸収層を設ける構成による場合には、ＭＱＷ活性層と可飽和吸収層の間のクラッド層のドーパントが可飽和吸収層で拡散が抑制され、ＭＱＷ活性層側への拡散が増大することが考えられる。しかしながら、ガイド層のＡｌ組成比を量子障壁層のＡｌ組成比より小さく設定しているため、クラッド層からガイド層へのドーパント拡散が抑制される。従って、ＭＱＷ活性層へのドーパント拡散が抑制されるので、ＭＱＷ活性層の量子井戸層のＡｌ組成比の変化が抑制され発振波長ずれが防止される。
【００２６】
さらに、ストライプ状の第３クラッド層を設け、上記屈折率差Δｎを上記（１）式の範囲内で設定すると、ストライプ外部の活性層における可飽和吸収量が増大し、ストライプ内部に光を閉じ込めたまま自励発振が起きる。その結果、ストライプ外部の可飽和吸収効果による波面の影響を受け難くなって、活性層に水平方向の放射光のスポット位置のずれが小さくなる。即ち、非点隔差が低減し、光学特性が改善する。
【００２７】
また、クラッド層の種類によっては、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層では、特にＡｌＧａＡｓ系クラッド層に比べてｐ型クラッド層のドーパントがより拡散しやすい傾向にある。従って、このようなクラッド層にあっては、ｐ型クラッド層側の第２ガイド層の禁制帯幅を量子障壁層の禁制帯幅より小さくすることにより、ドーパントの活性層への拡散が抑制され、上記の波長ずれが一層効果的に防止される。
【００２８】
また、２つのガイド層の内、禁制帯幅の小さい方のガイド層の禁制帯幅を活性層のレーザ発振光のエネルギーに相当する禁制帯幅より大きく設定すると、図３に示すように閾値電流を一層効果的に低減することが可能となる。
【００２９】
特に、２つのガイド層の内、禁制帯幅の小さい方のガイド層の禁制帯幅Ｅｇを上記（２）式の関係を満たすように設定すると、図３に示すように閾値電流をより一層効果的に低減することが可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
【００３１】
（実施形態１）
図１及び図２は本発明の半導体レーザ素子の実施形態１を示す。
【００３２】
図１に示すように、この半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、層厚０．５μｍのｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２、層厚１．５μｍのｎ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第１クラッド層１０３、層厚１５ｎｍのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ第１ガイド層１０４、ノンドープＭＱＷ活性層１０５、層厚１５ｎｍのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ第２ガイド層１０６、層厚０．２μｍのｐ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第２クラッド層１０７、層厚０．００３μｍのｐ−ＧａＡｓエッチングストッパ層１０８、層厚１．２μｍのｐ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第３クラッド層１０９及び層厚０．８μｍのｐ−ＧａＡｓキャップ層１１０を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により順次積層した構造を有する。
【００３３】
ここで、ＭＱＷ活性層１０５は、図２に示すように層厚８ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ量子井戸層１２０と、層厚５ｎｍのＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ量子障壁層１２１とからなり、この量子井戸層３層と量子障壁層２層による交互の繰り返しにより構成されている。尚、各半導体層の禁制帯幅はＡｌ組成比によって決まる。
【００３４】
尚、Ｐ−ＧａＡｓエッチングストッパ層１０８の層厚は０．００３μｍと非常に薄いために、エッチングストッパ層は光の閉じ込め作用又は内部の光吸収に影響を及ぼさない。また、エッチングストッパ層は次に述べるリッジストライプをエッチングにより制御よく形成するのに有用である。但し、エッチングストッパ層がない場合にも、リッジストライプ形成に対して時間でエッチングを制御することは可能である。
【００３５】
次に、上記の積層体の表面にフォトレジストからなるストライプマスクを形成し、選択エッチングによりｐ−ＧａＡｓエッチングストッパ層１０８の表面でエッチングを停止させて、底部のストライプ幅２．２μｍのリッジストライプ１１１を形成する。
【００３６】
リッジストライプ１１１の両側を埋め込むように、層厚０．６μｍのｎ−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ第１電流光閉じ込め層１１２、層厚０．３μｍのｎ−ＧａＡｓ第２電流閉じ込め層１１３及び層厚０．３μｍのｐ−ＧａＡｓ平坦化層１１４をＭＯＣＶＤ法により順次成長させる。
【００３７】
次に、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１１０及びｐ−ＧａＡｓ平坦化層１１４の表面を覆うように、層厚３μｍのｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１５をＭＯＣＶＤの法により成長させる。ｎ−ＧａＡｓ基板１０１表面及びｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１５表面にそれぞれｎ型電極１１６及びｐ型電極１１７を形成する。劈開法により共振器長を３７５μｍに調整し、共振器端面の光出射側の端面反射率が１０％、後側の端面反射率が７５％となるように、各端面にＡｌ２０３膜とＳｉ膜を形成する。
【００３８】
本実施形態１の半導体レーザ素子において、ｎ型電極１１６とｐ型電極１１７の間に順方向電圧を印加した場合、発振波長０．７８μｍ、閾値電流１５ｍＡ、電流−光出力特性のスロープ効率１．０Ｗ／Ａ、光出力３５ｍＷにおける動作電流５０ｍＡ、動作電圧１．８Ｖが得られた。
【００３９】
これに対して、従来例の第１ガイド層７０４と第２ガイド層７０６の禁制帯幅を量子障壁層７１１の禁制帯幅に等しくした場合（従来形態１）、即ち、第１ガイド層７０４と第２ガイド層７０６のＡｌ組成比を０．３５とした場合は、閾値電流２５ｍＡ、動作電流６０ｍＡ、動作電圧１．８Ｖとなる。
【００４０】
このように、本実施形態１の半導体レーザ素子では、動作電圧の増大を伴わずに閾値電流を２５ｍＡから１５ｍＡまで低減することができた。その結果を表１に示す。
【００４１】
【表１】
0003555727.tif 000002
【００４２】
また、第１ガイド層７０４及び第２ガイド層７０６の層厚を５０ｎｍまで厚く設定した場合（従来形態２）には、閾値電流を本実施形態と同じ１５ｍＡまで低減することができる。しかし、その場合にはガイド層７０４、７０６の層厚の増大による素子抵抗の増大のために、動作電圧は２．１Ｖに増大するという問題が発生する。その結果を表２に示す。
【００４３】
【表２】
0003555727.tif 000003
【００４４】
本実施形態１では、発振波長の設定値０．７８μｍに対して、作製した半導体レーザ素子の発振波長も０．７８μｍとなり、発振波長の制御ができる。これに対して、上記従来形態１の場合には、発振波長の設定値０．７８μｍに対して、発振波長が０．７７５μｍまで波長ずれが起こり、発振波長の制御が困難となる。
【００４５】
本実施形態１の半導体レーザ素子では、図２に示すように、第１ガイド層１０４及び第２ガイド層１０６を量子井戸層１２０に隣接させると共に第１ガイド層１０４及び第２ガイド層１０６の禁制帯幅を量子井戸層１２０の禁制帯幅より大きくし、且つ、第１ガイド層１０４及び第２ガイド層１０６の禁制帯幅を量子障壁層１２１の禁制帯幅よりも小さくしている。
【００４６】
ここで、第１ガイド層１０４及び第２ガイド層１０６の禁制帯幅を量子障壁層１２１の禁制帯幅よりも小さくすることは、ガイド層１０４、１０６のＡｌ組成比を量子障壁層１２１のＡｌ組成比より小さく設定することに相当する。このため、クラッド層１０３、１０７からガイド層１０４、１０６へのドーパント拡散が抑制される。従って、ＭＱＷ活性層１０５へのドーパント拡散が抑制されるので、ＭＱＷ活性層１０５の量子井戸層１２０のＡｌ組成比の変化が抑制され発振波長ずれが防止される。
【００４７】
また、第１ガイド層１０４又は第２ガイド層１０６の禁制帯幅を制御することは屈折率を制御することに相当する。従って、２つのガイド層１０４、１０６の屈折率をそれぞれ適当な値に設定して、垂直放射角を調整することが可能となる。
【００４８】
さらに、ガイド層１０４、１０６のＡｌ組成比を量子障壁層１２１のＡｌ組成比より小さく設定することにより、ガイド層１０４、１０６の非発光再結合準位の数を低減できる。このため、量子井戸層１２０からガイド層１０４、１０６に漏れだしたキャリヤに対して、非発光再結合を抑制できる。従って、キャリヤを発光に有効に利用でき、閾値電流の低減が可能となる。
【００４９】
本実施形態１の半導体レーザ素子において、第１ガイド層１０４及び第２ガイド層１０６のＡｌ組成比を変化させた場合、即ち、禁制帯幅を変化させた場合の閾値電流の変化を調べた。図３に、その結果をガイド層１０４、１０６の禁制帯幅と閾値電流との関係で示す。ここで、Ｅｇは第１ガイド層１０４及び第２ガイド層１０６の禁制帯幅を、Ｅｂは量子障壁層１２１の禁制帯幅を、ＥλはＭＱＷ活性層１０５のレーザ発振光のエネルギーに相当する禁制帯幅をそれぞれ表す。この結果から、ＥｇがＥｂより小さくなると閾値電流は減少し、ＥｇがＥλ以下ではＥｇ＝Ｅｂのときよりも逆に閾値電流は増大することがわかる。特に、Ｅｇが下記（２）式の条件を満たすときに閾値電流は最小になる。
【００５０】
Ｅλ＋１００ｍｅＶ≦Ｅｇ≦Ｅｂ−５０ｍｅＶ・・・・（２）
このように、閾値電流はガイド層１０４、１０６の禁制帯幅に大きく依存する。ここで、ＥｇがＥλ＋１００ｍｅＶより小さくなると閾値電流が増大するのは、ＭＱＷ活性層１０５の量子井戸層１２０に注入されたキャリヤが、第１ガイド層１０４及び第２ガイド層１０６に隣接する量子井戸層１２０から第１ガイド層１０４及び第２ガイド層１０６にキャリヤが漏れだして、量子井戸層１２０内のキャリヤの閉じ込め率が低下するために、発振に必要なキャリヤが増大して、閾値電流が増加するためである。
【００５１】
また、ＥｇがＥｂ−５０ｍｅＶより大きいときに閾値電流が増大するのは、ＥｇがＥｂ−５０ｍｅＶより大きいと第１ガイド層１０４及び第２ガイド層１０６の屈折率が低下するので、ＭＱＷ活性層１０５への光の閉じ込め率が減少し、発振に多くの電流を必要とするためである。
【００５２】
（実施形態２）
図４及び図５は、本発明の半導体レーザ素子の実施形態２を示す。
【００５３】
図４に示すように、この半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に、層厚０．５μｍのｎ−ＧａＡｓバッファ層２０２、層厚１．５μｍのｎ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第１クラッド層２０３、層厚１０ｎｍのＡｌ０．２７Ｇａ０．７３Ａｓ第１ガイド層２０４、ノンドープＭＱＷ活性層２０５、層厚１０ｎｍのＡｌ０．２７Ｇａ０．７３Ａｓ第２ガイド層２０６、層厚０．２μｍのｐ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第２クラッド層２０７、層厚０．２μｍのｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓエッチングブロック層２０８、層厚０．００３μｍのｐ−ＧａＡｓエッチングストッパ層２０９、層厚１．２μｍのｐ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第３クラッド層２１０及び層厚０．８μｍのｐ−ＧａＡｓキャップ層２１１をＭＯＣＶＤ法により順次積層した構造を有する。
【００５４】
ここで、ＭＱＷ活性層２０５は、図５に示すように層厚１０ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ量子井戸層２２０と、層厚５ｎｍのＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ量子障壁層２２１とからなり、この量子井戸層３層と量子障壁層２層による交互の繰り返しにより構成されている。
【００５５】
次に、上記の積層体の表面にフォトレジストからなるストライプマスクを形成し、選択エッチングによりｐ−ＧａＡｓエッチングストッパ層２０９表面でエッチングを停止させて、底部のストライプ幅２．２μｍのリッジストライプ２１２を形成する。
【００５６】
リッジストライプ２１２の両側を埋め込むように、層厚０．６μｍのｎ−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ第１電流光閉じ込め層２１３、層厚０．３μｍのｎ−ＧａＡｓ第２電流閉じ込め層２１４及び層厚０．３μｍのｐ−ＧａＡｓ平坦化層２１５を順次ＭＯＣＶＤ法により成長させる。
【００５７】
次に、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２１１及びｐ−ＧａＡｓ平坦化層２１５の表面を覆うように、層厚３μｍのｐ−ＧａＡｓコンタクト層２１６をＭＯＣＶＤ法により成長させる。ｎ−ＧａＡｓ基板２０１表面及びｐ−ＧａＡｓコンタクト層２１６表面にそれぞれｎ型電極２１７及びｐ型電極２１８を形成する。劈開法により共振器長を３７５μｍに調整し、共振器端面の光出射側の端面反射率が１２％、後側の端面反射率が９５％となるように、各端面にＡｌ２Ｏ３膜とＳｉ膜を形成する。
【００５８】
本実施形態２の半導体レーザ素子において、ｎ型電極２１７とｐ型電極２１８の間に順方向電圧を印加した場合、発振波長０．７８μｍ、閾値電流３０ｍＡ、電流−光出力特性のスロープ効率０．７５Ｗ／Ａ、光出力３０ｍＷにおける動作電流７０ｍＡ、動作電圧１．８Ｖが得られた。
【００５９】
本実施形態２の半導体レーザ素子では、図５に示すように、第１ガイド層２０４及び第２ガイド層２０６を量子井戸層２２０に隣接させると共に第１ガイド層２０４及び第２ガイド層２０６の禁制帯幅を量子井戸層２２０の禁制帯幅より大きくし、且つ、第１ガイド層２０４及び第２ガイド層２０６の禁制帯幅を量子障壁層２２１の禁制帯幅よりも小さくしている。また、第１クラッド層２０３と第３クラッド層２１０との間にＭＱＷ活性層２０５のレーザ発振光のエネルギーと略等しい発光エネルギーを有するｐ−ＧａＡｓエッチングストッパ層２０９を設けている。
【００６０】
ここで、層厚０．２μｍのｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓエッチングブロック層２０８に隣接する層厚０．００３μｍのｐ−ＧａＡｓエッチングストッパ層２０９の発光エネルギーを、ＭＱＷ活性層２０５のレーザ発振光のエネルギーに略等しくしているため、このエッチングストッパ層２０９が可飽和吸収層として機能する。このエッチングストッパ層２０９の可飽和吸収効果により、レーザ発振光がパルス状に発振する自励発振が起こる。自励発振状態ではレーザの縦モードがマルチモードになり、各縦モードのスペクトル線幅が広がる。このため、レーザのコヒーレンシーが低下して、戻り光による影響を受け難くなり、雑音を低減させることができる。
【００６１】
本実施形態２では、発振波長の設定値０．７８μｍに対して、作製した半導体レーザ素子の発振波長も０．７８μｍとなり、発振波長の制御ができる。
【００６２】
これに対して、従来例の第１ガイド層７０４と第２ガイド層７０６の禁制帯幅を量子障壁層７１１の禁制帯幅に等しくした場合（従来形態１）、即ち、第１ガイド層７０４と第２ガイド層７０６のＡｌ組成比を０．３５とした場合には、発振波長の設定値０．７８μｍに対して、発振波長が０．７７μｍまで波長ずれが起こり、発振波長の制御が困難となる。
【００６３】
これは、本実施形態２では、可飽和吸収用に低Ａｌ組成比からなるｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓエッチングブロック層２０８及びｐ−ＧａＡｓエッチングストッパ層２０９をｐ型第２クラッド層２０７に隣接して配置したために、ｐ型第２クラッド層２０７のドーパントがこれらの低Ａｌ組成比の層で拡散が抑制され、逆に反対側のＭＱＷ活性層２０５側への拡散が増大したことに起因する。
【００６４】
これに対し、上記従来形態１では、ガイド層７０４、７０６のＡｌ組成比が量子障壁層７１１のＡｌ組成比と同じになるために、ｐ型第２クラッド層７０７のドーパントがＭＱＷ活性層７０５の量子井戸層７１０まで拡散し易くなり、拡散により量子井戸層７１０のＡｌ組成比の変化が生じて、発振波長が短波長側にシフトしてしまう。
【００６５】
このように、本実施形態２は波長ずれを防止するのに有効である。また、ドーパント拡散によるＭＱＷ活性層２０５の量子井戸層２２０のＡｌ組成比の変化は、量子井戸層２２０の層厚、量子障壁層２２１の層厚にも影響を及ぼす。このため、波長ずれ以外にも、電気的特性及び光学的特性においても設計値とのずれが生じる。本実施形態２によれば、このような問題を解決することも可能となる。
【００６６】
尚、上記の実施形態２では、可飽和吸収層として、ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓエッチングブロック層２０８に隣接してｐ−ＧａＡｓエッチングストッパ層２０９を設ける例を示したが、それ以外に、ｐ型クラッド層中に、ＭＱＷ活性層の量子準位と略等しい量子準位の単一量子井戸層を設ける形態、ＭＱＷ活性層の量子準位と略等しい量子準位の多重量子井戸層を設ける形態及びＭＱＷ活性層の量子準位と略等しい禁制帯幅の２０ｎｍよりも厚いバルク型半導体層を設ける形態とすることも可能である。上記いずれの形態においても同様の効果が得られる。
【００６７】
さらに、上記の実施形態２では、ｐ型クラッド層中に可飽和吸収層を設ける形態を示しているが、それ以外にｎ型クラッド層中に可飽和吸収層を設ける形態とすることも可能である。即ち、可飽和吸収層は、ＭＱＷ活性層を挟むｐ型クラッド層とｎ型クラッド層との間に適宜設ければ良い。
【００６８】
（実施形態３）
図６は、本発明の半導体レーザ素子の実施形態３を示す。
【００６９】
図６に示すように、この半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に、ｎ−Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐバッファ層３０２、層厚１．５μｍのｎ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５ｐ第１クラッド層３０３、層厚３５ｎｍの（Ａｌ０．４Ｇａ０．６）０．５Ｉｎ０．５Ｐ第１ガイド層３０４、ノンドープＭＱＷ活性層３０５、層厚３５ｎｍの（Ａｌ０．４Ｇａ０．６）０．５Ｉｎ０．５Ｐ第２ガイド層３０６、層厚１．５μｍのｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５ｐ第２クラッド層３０７及び層厚０．３μｍのｐ−Ｇａ０．５Ｉｎ０．５ｐキャップ層３０８を分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）により順次積層した構造を有する。
【００７０】
ここで、ＭＱＷ活性層３０５は、層厚８ｎｍのＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ量子井戸層と、層厚５ｎｍの（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ量子障壁層とからなり、この量子井戸層４層と量子障壁層３層による交互の繰り返しにより構成されている。
【００７１】
次に、上記の積層体の表面にフォトレジストからなるストライプマスクを形成し、選択エッチングを行い、ｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ第２クラッド層３０７の平坦部の残し厚さが０．３μｍとなるようにエッチングを停止させて、幅５μｍのリッジストライプ３０９を形成する。
【００７２】
次に、リッジストライプ３０９の外側を埋め込むように、層厚１．２μｍのｎ−ＧａＡｓ電流光閉じ込め層３１０をＭＢＥ法により成長させる。
【００７３】
次に、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１表面及びｐ−ＧａＡキャップ層３０８表面にそれぞれｎ型電極３１１及びｐ型電極３１２を形成する。劈開法により共振器長を５００μｍに調整し、共振器端面の光出射側端面の反射率が５０％、後側の反射率が８５％となるように、各端面にＡｌ２Ｏ３膜とＳｉ膜を形成する。
【００７４】
本実施形態３の半導体レーザ素子で、ｎ型電極３１１とｐ型電極３１２の間に順方向電圧を印加した場合、発振波長０．６５μｍ、閾値電流３０ｍＡ、電流−光出力特性のスロープ効率０．６Ｗ／Ａ、光出力３ｍＷにおける動作電流３５ｍＡ、動作電圧２Ｖが得られた。このように、本実施形態３では、動作電圧の増大を抑制して閾値電流を低減できる。
【００７５】
また、本実施形態３では、発振波長の設定値０．６５μｍに対して、作製した半導体レーザ素子の発振波長も０．６５μｍとなり、発振波長の制御ができる。
【００７６】
これに対して、第１ガイド層７０４及び第２ガイド層７０６の禁制帯幅を量子障壁層７１１の禁制帯幅に等しくした場合（従来形態１）、即ち、第１ガイド層７０４及び第２ガイド層７０６のＡｌ組成比を０．５とした場合には、発振波長の設定値０．６５μｍに対して、発振波長が０．６４μｍまで波長ずれが起こり、発振波長の制御が困難となる。これは、ｐ型クラッド層７０７のドーパントが拡散しやすい傾向にあるため、ｐ型クラッド層７０７のドーパントがＭＱＷ活性層７０５へ拡散し、量子井戸層７１０のＡｌ組成比が変化するために波長ずれを起こすためである。
【００７７】
このように、クラッド層の種類によっては、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層では、特にＡｌＧａＡｓ系クラッド層に比べてｐ型クラッド層のドーパントがより拡散しやすい傾向にある。従って、このようなクラッド層にあっては、ｐ型クラッド層側の第２ガイド層の禁制帯幅を量子障壁層の禁制帯幅より小さくすることにより、ドーパントの活性層への拡散を抑制して、波長ずれを一層効果的に防止できる。
【００７８】
（実施形態４）
図７は、本発明の半導体レーザ素子の実施形態４を示す。
【００７９】
図７に示すように、この半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板４０１上に、層厚０．５μｍのｎ−ＧａＡｓバッファ層４０２、層厚１．２μｍのｎ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第１クラッド層４０３、層厚０．２μｍのｎ−Ａｌ０．４８Ｇａ０．５２Ａｓ第２クラッド層４０４、層厚５ｎｍのＡｌ０．２７Ｇａ０．７３Ａｓ第１ガイド層４０５、ノンドープＭＱＷ活性層４０６、層厚５ｎｍのＡｌ０．２７Ｇａ０．７３Ａｓ第２ガイド層４０７、層厚０．１５μｍのｐ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第２クラッド層４０８、層厚０．００２μｍのｐ−ＧａＡｓエッチングストッパ層４０９、層厚１．０μｍのｐ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第３クラッド層４１０及び層厚０．８μｍのｐ−ＧａＡｓキャップ層４１１をＭＯＣＶＤ法により順次積層した構造を有する。
【００８０】
ここで、ＭＱＷ活性層４０６は、層厚１０ｎｍのＡｌ０．１３Ｇａ０．８７Ａｓ量子井戸層と、層厚５ｎｍのＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ量子障壁層とからなり、この量子井戸層８層と量子障壁層７層による交互の繰り返しにより構成されている。
【００８１】
尚、ｎ型第２クラッド層４０４は、垂直方向の放射角の制御用に用いられるものであり、本発明の効果には影響を及ぼさない。
【００８２】
次に、上記の積層体の表面にフォトレジストからなるストライプマスクを形成し、選択エッチングによりｐ−ＧａＡｓエッチングストッパ層４０９表面でエッチングを停止させて、底部のストライプ幅２．２μｍのリッジストライプ４１２を形成する。
【００８３】
リッジストライプ４１２の両側を埋め込むように、層厚０．６μｍのｎ−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ第１電流光閉じ込め層４１３、層厚０．３μｍのｎ−ＧａＡｓ第２電流閉じ込め層４１４及び層厚０．３μｍのｐ−ＧａＡｓ平坦化層４１５をＭＯＣＶＤ法により順次成長させる。
【００８４】
次に、ｐ−ＧａＡｓキャップ層４１１及びｐ−ＧａＡｓ平坦化層４１５の表面を覆うように、層厚３μｍのｐ−ＧａＡｓコンタクト層４１６をＭＯＣＶＤ法により成長させる。ｎ−ＧａＡｓ基板４０１表面及びｐ−ＧａＡｓコンタクト層４１６表面にそれぞれｎ型電極４１７及びｐ型電極４１８を形成する。劈開法により共振器長を２００μｍに調整し、共振器端面の光出射側の端面反射率が３０％、後側の端面反射率が７５％となるように、各端面にＡｌ２Ｏ３膜とＳｉ膜を形成する。
【００８５】
本実施形態４の半導体レーザ素子において、ｎ型電極４１７とｐ型電極４１８の間に順方向電圧を印加した場合、発振波長０．７８μｍ、閾値電流１５ｍＡ、電流−光出力スロープ効率０．７５Ｗ／Ａ、光出力３ｍＷの動作電流１９ｍＡ、動作電圧１．８Ｖが得られた。
【００８６】
本実施形態４の半導体レーザ素子では、ストライプ外部のＭＱＷ活性層での可飽和吸収効果を利用して、レーザ発振光がパルス状に発振する自励発振が起こる。自励発振状態ではレーザの縦モードがマルチモードになり、各縦モードのスペクトル線幅が広がる。このため、レーザのコヒーレンシーが低下して、戻り光による影響を受け難くなり、雑音を低減させることができる。
【００８７】
本実施形態４の半導体レーザ素子においては、活性層に水平方向と垂直方向の放射光の最小スポット位置の差、即ち、非点隔差は５μｍとなる。
【００８８】
これに対して、従来例の第１ガイド層７０４及び第２ガイド層７０６の禁制帯幅を量子障壁層７１１の禁制帯幅に等しくした場合（従来形態１）、即ち、第１ガイド層７０４及び第２ガイド層７０６のＡｌ組成比を０．３５とした場合には、放射角の非点隔差は１５μｍに増大する。非点隔差が増大すると、放射光をレンズで集光するとき、集光スポットサイズの増大を生じ、光デイスク等のシステムで使用することが困難となる。
【００８９】
即ち、本実施形態４の半導体レーザ素子によれば、ガイド層４０５、４０７に隣接する量子井戸層のストライプ外部における可飽和吸収量を増大することができ、ストライプ内部に光を閉じ込めたまま自励発振を起こすことができる。その結果、ストライプ外部の可飽和吸収効果による波面の影響を受け難くなって、活性層に水平方向の放射光のスポット位置のずれが小さくなって、非点隔差が改善される。従って、放射光の非点隔差を低減して、光学特性を改善することが可能となる。
【００９０】
図８は、本実施形態４と従来形態１についての半導体レーザ素子の屈折率差Δｎと非点隔差ΔＺとの関係を示す。ここで、屈折率差Δｎは、ストライプ内部の活性層に閉じこめられた光の屈折率ｎａと、ストライプ外部の活性層に閉じこめられた光の屈折率ｎｂとの差を表す。この結果から屈折率差が非点隔差に依存することが認められ、しかも本実施形態４は従来形態１に比べ非点隔差ΔＺが低く抑えられていることがわかる。
【００９１】
自励発振を起こすには、ストライプ外部に光を滲みださせるために、屈折率差Δｎを７×１０−３以下にする必要がある。非点隔差ΔＺは屈折率差Δｎを減少するにしたがい増大する傾向にある。本実施形態４の半導体レーザ素子で、非点隔差ΔＺを１０μｍ以下にするには屈折率差Δｎを２×１０−３以上にする必要がある。そこで、本実施形態４では、屈折率差Δｎを下記（１）式の条件を満たす範囲に設定することにより、非点隔差１０μｍ以下の良好な光学特性を有する自励発振型の低雑音半導体レーザ素子を構成している。
【００９２】
２×１０−３≦Δｎ≦７×１０−３・・・・（１）
これに対して、従来形態１では自励発振を起こすのに必要な屈折率差７×１０−３以下において、非点隔差ΔＺは１０μｍより大きくなる。従って、従来形態１では非点隔差を低減して、自励発振を起こすことはできない。
【００９３】
（実施形態５）
図９及び図１０は、本発明の半導体レーザ素子の実施形態５を示す。
【００９４】
図９に示すように、この半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板５０１上に、層厚０．５μｍのｎ−ＧａＡｓバッファ層５０２、層厚１．５μｍのｎ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第１クラッド層５０３、層厚１５ｎｍのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第１ガイド層５０４、ノンドープＭＱＷ活性層５０５、層厚１５ｎｍのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ第２ガイド層５０６、層厚０．２μｍのｐ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第２クラッド層５０７、層厚０．００３μｍのｐ−ＧａＡｓ第１エッチングストッパ層５０８、層厚０．０１μｍのｐ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ第２エッチングストッパ層５０９、層厚１．０μｍのｎ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ電流光閉じ込め層５１０及び層厚０．８μｍのｎ−ＧａＡｓキャップ層５１１をＭＯＣＶＤ法により順次積層した構造を有する。
【００９５】
ここで、ＭＱＷ活性層５０５は、図１０に示すように層厚８ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ量子井戸層５２０と、層厚５ｎｍのＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ量子障壁層５２１からなり、この量子井戸層２層と量子障壁層１層による交互の繰り返しにより構成されている。
【００９６】
尚、ｐ−ＧａＡｓ第１エッチングストッパ層５０８及びｐ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ第２エッチングストッパ層５０９の各層厚は非常に薄いために、エッチングストッパ層は光の閉じ込め作用又は内部の光吸収に影響を及ぼさない。
【００９７】
次に、上記積層体の表面にフォトレジストからなるストライプ窓を形成し、選択エッチングによりｐ−ＧａＡｓ第１エッチングストッパ層表面に到達する幅２．５μｍのストライプ溝５１２を形成する。
【００９８】
次に、ストライプ溝５１２を埋め込むように、層厚１．５μｍのｐ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第３クラッド層５１３及び層厚２μｍのｐ−ＧａＡｓコンタクト層５１４をＭＯＣＶＤ法により順次成長させる。
【００９９】
ｎ−ＧａＡｓ基板５０１表面及びｐ−ＧａＡｓコンタクト層５１４表面にそれぞれｎ型電極５１５及びｐ型電極５１６を形成する。劈開法により共振器長を３７５μｍに調整し、共振器端面の光出射側の端面反射率が３０％、後側の端面反射率が９５％となるように、各端面にＡｌ２Ｏ３膜を形成する。
【０１００】
本実施形態５の半導体レーザ素子において、ｎ型電極５１５とｐ型電極５１６の間に順方向電圧を印加した場合、発振波長０．７８μｍ、閾値電流１０ｍＡ、電流−光出力特性のスロープ効率０．７５Ｗ／Ａ、光出力３ｍＷの動作電流１４ｍＡ、動作電圧１．７Ｖが得られた。
【０１０１】
本実施形態５の半導体レーザ素子では、図１０に示すように、第１ガイド層５０４及び第２ガイド層５０６を量子井戸層５２０に隣接させると共に第１ガイド層５０４及び第２ガイド層５０６の禁制帯幅を量子井戸層５２０の禁制帯幅より大きくし、且つ、第１ガイド層５０４及び第２ガイド層５０６の禁制帯幅を量子障壁層５２１の禁制帯幅よりも小さくしている。さらに、第１ガイド層５０４と第２ガイド層５０６の禁制帯幅を異ならせている。
【０１０２】
本実施形態５では、第１ガイド層５０４と第２ガイド層５０６の禁制帯幅が異なる、即ち、Ａｌ組成比が異なる。このとき、垂直方向の放射角度は２５度である。これに対して、第１ガイド層５０４と第２ガイド層５０６の禁制帯幅を等しくした場合、即ち、Ａｌ組成比を共に０．２５とした場合には、垂直方向の放射角度は３０度になる。このように、両ガイド層５０４、５０６のＡｌ組成比を適当な値に設定することによって、レーザの放射光特性を制御することが可能となる。
【０１０３】
（実施形態６）
図１１及び図１２は、本発明の半導体レーザ素子の実施形態６を示す。
【０１０４】
図１１に示すように、この半導体レーザ素子は、サファイア基板６０１上に、層厚０．０５μｍのＧａＮバッファ層６０２、層厚３μｍのｎ−ＧａＮ第１クラッド層６０３、層厚０．１μｍのｎ−Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ第２クラッド層６０４、層厚０．５μｍのｎ−Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ第３クラッド層６０５、層厚２０ｎｍのノンドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ第１ガイド層６０６、ノンドープＭＱＷ活性層６０７、層厚２０ｎｍのノンドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ第２ガイド層６０８、層厚２０ｎｍのｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ第４クラッド層６０９、層厚０．１μｍのｐ−ＧａＮ第５クラッド層６１０、層厚０．５μｍのｐ−Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ第６クラッド層６１１及び層厚０．２μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層６１２をＭＯＣＶＤ法により順次積層した構造を有する。
【０１０５】
ここで、ＭＱＷ活性層６０７は、図１２に示すように層厚４ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ量子井戸層６２０と、層厚８ｎｍのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ量子障壁６２１とからなり、この量子井戸層３層と量子障壁層２層による交互の繰り返しにより構成されている。
【０１０６】
次に、上記積層体の表面にストライプ状のレジストマスクを形成し、ドライエッチングにより幅２μｍのリッジストライプ６３０を形成し、ｎ−ＧａＮ第１クラッド層６０３及びｐ−ＧａＮコンタクト層６１２にそれぞれｎ型電極６４０及びｐ型電極６４１を形成する。劈開法により共振器長は７００μｍ、共振器端面の光出射側の端面反射率と後側の端面反射率３０％となるように誘電体膜のコーティングにより調整する。
【０１０７】
本実施形態６の半導体レーザ素子において、ｎ型電極６４０とｐ型電極６４１の間に順方向電圧を印加した場合、発振波長０．４１μｍ、閾値電流１００ｍＡ、電流−光出力特性のスロープ効率０．２Ｗ／Ａ、閾値電流時の動作電圧６Ｖが得られた。このように、本実施形態６では、動作電圧の増大を抑制して閾値電流を低減できる。
【０１０８】
本実施形態６の半導体レーザ素子では、図１２に示すように、第１ガイド層６０６及び第２ガイド層６０８を量子井戸層６２０に隣接させると共に第１ガイド層６０６及び第２ガイド層６０８の禁制帯幅を量子井戸層６２０の禁制帯幅より大きくし、且つ、第１ガイド層６０６及び第２ガイド層６０８の禁制帯幅を量子障壁層６２１の禁制帯幅よりも小さくしている。さらに、ガイド層６０６、６０８の禁制帯幅を量子井戸層６２０と量子障壁層６２１の中間に設定している。
【０１０９】
ここで、各半導体層の組成比と禁制帯幅との関係については、各半導体層のＩｎ組成比が増大すると、禁制帯幅は減少し屈折率は増大する関係にある。また、各半導体層のＡｌ組成比が増大すると、禁制帯幅は増大し屈折率は減少する関係にある。
【０１１０】
本実施形態６では、ガイド層６０６、６０８にノンドープのＩｎＧａＮ層を用いているので、ｎ−第３クラッド層６０５及びｐ−第４クラッド層６０９からのドーパントがＭＱＷ活性層６０７に拡散するのが、ガイド層６０６、６０８によって抑制されるので、組成比の変動にともなう発振波長ずれを防止することができる。
【０１１１】
さらに、ガイド層６０６、６０８にＩｎＧａＮを適用し、その禁制帯幅を量子井戸層６２０と量子障壁層６２１の中間に設定しているので、ガイド層６０６、６０８の屈折率を増大させることができる。このため、動作電圧の増大を抑制しつつＭＱＷ活性層６０７への光の閉じ込め率を増大させ、閾値電流を低減することが可能となる。
【０１１２】
これに対して、従来例では、ガイド層７０４、７０６にｎ型又はｐ型のＧａＮ層を用いるために、ドーパントがＭＱＷ活性層７０５に拡散して発振波長ずれを引き起こすという問題が生じる。それを防止するために、ガイド層７０４、７０６をノンドープにすると、動作電圧が増大するという別の問題が生じる。
【０１１３】
尚、上記の各実施形態では、第１ガイド層及び第２ガイド層の禁制帯幅を量子障壁層の禁制帯幅より小さくした場合について述べたが、第１ガイド層又は第２ガイド層のいずれか一方の禁制帯幅を量子障壁層の禁制帯幅より小さくすることも可能である。
【０１１４】
また、本発明は、上述の各実施形態で示した層厚、Ａｌ、Ｉｎ等の組成比、キャリヤ濃度に限定されるものではなく、それ以外の条件とすることも可能である。
【０１１５】
また、成長法については、ＭＯＣＶＤ法及びＭＢＥ法以外に、ＬＰＥ法、ガスソースＭＢＥ法、ＡＬＥ（原子線エピタキシー）法を適用することも可能である。
【０１１６】
【発明の効果】
上記の本発明の半導体レーザ素子によれば、ガイド層の禁制帯幅を量子障壁層の禁制帯幅より小さくし、即ち、ガイド層の屈折率を量子障壁層の屈折率より大きく設定しているので、ＭＱＷ活性層の量子井戸層への光の閉じ込め率を増大することができ、閾値電流を低減できる。加えて、従来例のようにガイド層の層厚を厚くする必要もないので、素子抵抗の増大に伴う動作電圧の増大も抑制することができ、閾値電流を低減できる。
【０１１７】
また、ガイド層の禁制帯幅を量子障壁層の禁制帯幅より小さくし、例えば、Ａｌ系半導体層の場合は、ガイド層のＡｌ組成比を量子障壁層のＡｌ組成比より小さく設定しているので、クラッド層からガイド層へのドーパント拡散を抑制することができる。その結果、ＭＱＷ活性層へのドーパント拡散を抑制することができるので、ＭＱＷ活性層の量子井戸層のＡｌ組成比の変化を抑制することができ発振波長ずれを防止できる。
【０１１８】
また、ガイド層の禁制帯幅を制御することは屈折率を制御することに相当し、２つのガイド層の屈折率をそれぞれ適当な値に設定して、垂直放射角を調整することができる。
【０１１９】
さらに、ガイド層のＡｌ組成比を量子障壁層のＡｌ組成比より小さく設定することにより、ガイド層の非発光再結合準位の数を低減することができるので、量子井戸層からガイド層に漏れだしたキャリヤに対して、非発光再結合を抑制することができる。その結果、キャリヤを発光に有効に利用でき、閾値電流を低減できる。
【０１２０】
また、特に請求項２及び請求項３記載の半導体レーザ素子によれば、ＭＱＷ活性層のレーザ発振光の禁制帯幅と略等しい発光エネルギーの禁制帯幅を有する可飽和吸収層を、２つのクラッド層の間に設ける構成をとるので、可飽和吸収効果によりレーザ発振光がパルス状に発振する自励発振が起こる。自励発振状態ではレーザの縦モードがマルチモードになり、各縦モードのスペクトル線幅が広がる。このため、レーザのコヒーレンシーが低下して、戻り光による影響を受け難くなり、雑音を低減することができる。
【０１２１】
尚、この可飽和吸収層を設ける構成による場合には、ＭＱＷ活性層と可飽和吸収層の間のクラッド層のドーパントが可飽和吸収層で拡散が抑制され、ＭＱＷ活性層側への拡散が増大することが考えられるが、ガイド層のＡｌ組成比を量子障壁層のＡｌ組成比より小さく設定しているため、クラッド層からガイド層へのドーパント拡散を抑制することができる。従って、ＭＱＷ活性層へのドーパント拡散を抑制することができるので、ＭＱＷ活性層の量子井戸層のＡｌ組成比の変化を抑制して発振波長ずれを防止することができる。
【０１２２】
また、特に請求項４記載の半導体レーザ素子によれば、ストライプ状の第３クラッド層を設け、上記屈折率差Δｎを上記（１）式の範囲内で設定するので、ストライプ外部の活性層における可飽和吸収量を増大させて、ストライプ内部に光を閉じ込めたまま自励発振を起こすことができる。その結果、ストライプ外部の可飽和吸収効果による波面の影響を受け難くなって、活性層に水平方向の放射光のスポット位置のずれを小さくでき、即ち、非点隔差を低減し、光学特性を改善できる。
【０１２３】
また、特に請求項５記載の半導体レーザ素子によれば、ｐ型クラッド層側の第２ガイド層の禁制帯幅を量子障壁層の禁制帯幅より小さくするので、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層のようにｐ型クラッド層のドーパントが拡散しやすい傾向にあるクラッド層に対し、ドーパントの活性層への拡散を抑制して波長ずれを一層効果的に防止できる。
【０１２４】
また、特に請求項６記載の半導体レーザ素子によれば、２つのガイド層の禁制帯幅の内小さい方のガイド層の禁制帯幅を、活性層のレーザ発振光のエネルギーに相当する禁制帯幅より大きく設定するので、図３に示すように閾値電流を一層効果的に低減できる。
【０１２５】
また、特に請求項７記載の半導体レーザ素子によれば、２つのガイド層の禁制帯幅の内小さい方のガイド層の禁制帯幅Ｅｇを上記（２）式の関係を満たすように設定するので、図３に示すように閾値電流を一層効果的に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。
【図２】本発明の実施形態１の活性層付近のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図３】本発明のガイド層の禁制帯幅と閾値電流との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施形態２の半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。
【図５】本発明の実施形態２の活性層付近のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図６】本発明の実施形態３の半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。
【図７】本発明の実施形態４の半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。
【図８】半導体レーザ素子の屈折率差と非点隔差との関係を示す図である。
【図９】本発明の実施形態５の半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態５の活性層付近のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図１１】本発明の実施形態６の半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態６の活性層付近のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図１３】従来の半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。
【図１４】従来の活性層付近のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【符号の説明】
１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１  ｎ−ＧａＡｓ基板１０２，２０２，３０２，４０２，５０２，６０２，７０２  ｎ−ＧａＡｓバッファ層
１０３，２０３，３０３，４０３，５０３，６０３，７０３  ｎ−第１クラッド層
４０４，６０４  ｎ−第２クラッド層
６０５  ｎ−第３クラッド層
１０４，２０４，３０４，４０５，５０４，６０６，７０４  第１ガイド層
１０５，２０５，３０５，４０６，５０５，６０７，７０５  ＭＱＷ活性層
１２０，２２０，５２０，６２０，７１０  量子井戸層
１２１，２２１，５２１，６２１，７１１  量子障壁層
１０６，２０６，３０６，４０７，５０６，６０８，７０６  第２ガイド層
１０７，２０７，３０７，５０７，７０７  ｐ−第２クラッド層
４０８  ｐ−第３クラッド層
６０９  ｐ−第４クラッド層
６１０  ｐ−第５クラッド層
６１１  ｐ−第６クラッド層
２０８  ｐ−エッチングブロック層
１０８，２０９，４０９，５０８，５０９  ｐ−エッチングストッパ層
１０９，２１０，４１０，５１３  ｐ−第３クラッド層
１１０，２１１，３０８，４１１  ｐ−キャップ層
１１１，２１２，３０９，４１２，５１２  ストライプ
１１２，２１３，３１０，４１３，５１０  ｎ−第１電流光閉じ込め層
１１３，２１４，４１４  ｎ−第２電流閉じ込め層
１１４，２１５，４１５  ｐ−平坦化層
１１５，２１６，４１６，５１４，６１２，７０８  ｐ−コンタクト層
１１６，１１７，２１７，２１８，３１１，３１２，４１７，４１８，５１５，５１６，６４０，６４１  電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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