(57)【要約】【課題】  ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体を材料として、高い光効率を得ると共に出力を向上することのできる半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】  基板１１上に、ｎ側コンタクト層１２ないしｐ側コンタクト層２０が順に積層されている。活性層１５は、ＧａＮよりなる障壁層と、Ｇａ0.9 Ｉｎ0.1 Ｎ混晶よりなる井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有し、発振波長は４００ｎｍないし５００ｎｍの範囲である。活性層１５は帯状の発光領域１５Ａを有し、その幅Ｗは５μｍ以上３０μｍ以下、長さＬは３００μｍ以上８００μｍ以下であり、且つ活性層１５からのレーザ光の出力は２００ｍＷ以上である。発光領域１５Ａの幅Ｗと長さＬとを、所望の大きさの出力に応じて、上記最適な範囲のうちのより好適な範囲を選択する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層を含むと共に、３Ｂ族元素のうちアルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）のうちの少なくとも１種と、５Ｂ族元素のうち窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により構成された半導体層を備え、
前記活性層は帯状の発光領域を有し、その幅Ｗは５μｍ以上３０μｍ以下、長さＬは３００μｍ以上８００μｍ以下であり、且つ前記活性層からのレーザ光の出力が２００ｍＷ以上である
ことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記発光領域のＷ，Ｌのとり得る範囲（Ｗ，Ｌ）は、（５μｍ，３００μｍ），（５μｍ，８００μｍ），（１５μｍ，４００μｍ），（１５μｍ，３００μｍ）の４点で囲まれる領域内にあり、レーザ光の出力が２００ｍＷ以上３００ｍＷ未満である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記発光領域のＷ，Ｌのとり得る範囲（Ｗ，Ｌ）は、（５μｍ，３００μｍ），（５μｍ，８００μｍ），（１０μｍ，８００μｍ），（２０μｍ，４００μｍ），（２０μｍ，３００μｍ）の５点で囲まれる領域内にあり、レーザ光の出力が３００ｍＷ以上４００ｍＷ未満である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記発光領域のＷ，Ｌのとり得る範囲（（Ｗ，Ｌ）は、（５μｍ，６００μｍ），（５μｍ，８００μｍ），（１０μｍ，８００μｍ），（３０μｍ，４００μｍ），（２０μｍ，３００μｍ），（１０μｍ，４００μｍ）の６点で囲まれる領域内にあり、レーザ光の出力が４００ｍＷ以上５００ｍＷ未満である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記発光領域のＷ，Ｌのとり得る範囲（Ｗ，Ｌ）は、（１０μｍ，５００μｍ），（１０μｍ，８００μｍ），（３０μｍ，４００μｍ），（２０μｍ，４００μｍ）の４点で囲まれる領域内にあり、レーザ光の出力が５００ｍＷ以上７００ｍＷ未満である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記発光領域のＷ，Ｌのとり得る範囲（Ｗ，Ｌ）は、（２０μｍ，４００μｍ），（２０μｍ，５５０μｍ），（３０μｍ，４００μｍ）の３点で囲まれる領域内にあり、レーザ光の出力が７００ｍＷ以上９００ｍＷ未満である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記発光領域のＷ，Ｌのとり得る範囲（Ｗ，Ｌ）は、（２０μｍ，４００μｍ），（２０μｍ，５００μｍ），（３０μｍ，４００μｍ）の３点で囲まれる領域内にあり、レーザ光の出力が９００ｍＷ以上である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記活性層は、ＧａＮよりなる障壁層とＩｎx Ｇａ1-x Ｎ混晶（０＜ｘ＜１）よりなる井戸層とが交互に積層された量子井戸構造を有する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３Ｂ族元素のうちアルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）のうちの少なくとも１種と、５Ｂ族元素のうち窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（以下、「ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体」という。）により構成された半導体層を備え、青色の波長領域で２００ｍＷ以上の高出力を可能とした半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体は、３５０ｎｍないし６００ｎｍの範囲の発光を得ることができ、特に青色の波長領域（４００ｎｍないし５００ｎｍ）で良質な半導体レーザを実現できるほぼ唯一の材料と考えられている。既に、このＡｌＧａＩｎＮ系材料を用いて、単一横モードを実現したナロウストライプ型の高密度光ディスク用レーザが実用化され、高い信頼性を示している（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００２−２９９７６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ＡｌＧａＩｎＮ系材料でより高出力を得るため、発光領域の幅を広げたいわゆるブロードエリア型レーザを実現しようとすると、従来のＡｌＧａＡｓ系材料やＡｌＧａＩｎＰ系材料で有効とされているような、高出力化のためには発光領域の幅をより広くし、共振器長を長くすればよい、という指針が有効ではない。例えば、１ワット級の半導体レーザを実用化するためには、発光領域の幅を５０μｍ、共振器長を１０００μｍ程度とした構成がよく利用される。しかし、このような構成をＡｌＧａＩｎＮ系材料に適用すると、特性が非常に劣化してしまい、希望する高出力が得られなかった。
【０００４】
そのため、従来では、発光領域の幅を比較的細くしたレーザを複数本アレイ化して高出力を得るという方法をとらざるを得なかった。この手法は有効ではあるが、製造工程の複雑化、歩留まりの低下、実装の際のマイクロレンズアレイ等との精密な位置あわせの必要性など、簡便に利用することができにくいという問題を有していた。
【０００５】
高出力の青色半導体レーザは、微細加工、ディスプレイ、医療などの分野で大きな期待を寄せられており、従来の赤外または赤色半導体レーザ同様に安定した高出力青色レーザの実現が強く望まれている。にもかかわらず、従来では、青色半導体レーザの高出力化すなわちブロードエリア化に関する有効な指針は全く確立されていなかった。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体を材料として、高い光効率で、高出力を得ることのできる半導体レーザ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による半導体レーザ素子は、活性層を含むと共に、３Ｂ族元素のうちアルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）のうちの少なくとも１種と、５Ｂ族元素のうち窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により構成された半導体層を備え、活性層は帯状の発光領域を有し、その幅Ｗは５μｍ以上３０μｍ以下、長さＬは３００μｍ以上８００μｍ以下であり、且つ活性層からのレーザ光の出力が２００ｍＷ以上であるものである。ここで「幅」とは共振器方向と半導体層の積層方向との両方に対して垂直な方向における寸法をいい、「長さ」とは共振器方向における寸法をいう。
【０００８】
レーザ光の出力は、上記発光領域のＷ，Ｌのとり得る範囲（Ｗ，Ｌ）に応じて、以下のように異なる。
（ａ）発光領域（Ｗ，Ｌ）：（５μｍ，３００μｍ），（５μｍ，８００μｍ），（１５μｍ，４００μｍ），（１５μｍ，３００μｍ）の４点で囲まれる領域内
出力：２００ｍＷ以上３００ｍＷ未満
（ｂ）発光領域（Ｗ，Ｌ）：（５μｍ，３００μｍ），（５μｍ，８００μｍ），（１０μｍ，８００μｍ），（２０μｍ，４００μｍ），（２０μｍ，３００μｍ）の５点で囲まれる領域内
出力：３００ｍＷ以上４００ｍＷ未満
（ｃ）発光領域（Ｗ，Ｌ）：（５μｍ，６００μｍ），（５μｍ，８００μｍ），（１０μｍ，８００μｍ），（３０μｍ，４００μｍ），（２０μｍ，３００μｍ），（１０μｍ，４００μｍ）の６点で囲まれる領域内
出力：４００ｍＷ以上５００ｍＷ未満
（ｄ）発光領域（Ｗ，Ｌ）：（１０μｍ，５００μｍ），（１０μｍ，８００μｍ），（３０μｍ，４００μｍ），（２０μｍ，４００μｍ）の４点で囲まれる領域内
出力：５００ｍＷ以上７００ｍＷ未満
（ｅ）発光領域（Ｗ，Ｌ）：（２０μｍ，４００μｍ），（２０μｍ，５５０μｍ），（３０μｍ，４００μｍ）の３点で囲まれる領域内
出力：７００ｍＷ以上９００ｍＷ未満
（ｆ）発光領域（Ｗ，Ｌ）：（２０μｍ，４００μｍ），（２０μｍ，５００μｍ），（３０μｍ，４００μｍ）の３点で囲まれる領域内
出力：９００ｍＷ以上
【発明の効果】
【０００９】
本発明の半導体レーザ素子によれば、発光領域の幅と長さとを最適な範囲の値に設定するようにしたので、高い光効率を得ると共に出力を向上させることができる。よって、単一の半導体レーザ素子により最大１Ｗ近くの高出力を得ることも可能となり、従来に比べて小型な高出力青色レーザを構成することができる。更にアレイ化すれば１０Ｗ超、スタック化により１００Ｗ以上の出力を得ることも不可能ではなくなる。また、効率や信頼性を向上させることができ、駆動電流の低下にも有効であると共に製造コストの低減も期待できる。更に、発光領域の幅と長さとを（ａ）〜（ｆ）のように、所望の大きさの出力に応じて、上記最適な範囲のうちのより好適な範囲を選択することにより、より高い効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１は本発明が適用される半導体レーザ素子の一例の断面構成を表すものであり、図２はこの半導体レーザ素子のバンドギャップ構造を価電子帯端のエネルギー準位について模式的に表したものである。この半導体レーザ素子１０は、例えば、基板１１上に、ｎ側コンタクト層１２，ｎ型クラッド層１３，第１ガイド層１４，活性層１５，第２ガイド層１６，キャリアブロック層１７，第３ガイド層１８，ｐ型クラッド層１９およびｐ側コンタクト層２０が順に積層された構成を有している。このうちｐ型クラッド層１９およびｐ側コンタクト層２０は、帯状（図１においては紙面に対して垂直な方向に延長された帯状）の突条部２１となっている。この突条部２１は、活性層１５の発光領域１５Ａを制限するためのものであり、活性層１５のうち突条部２１に対応する部分が帯状の発光領域１５Ａとなる。
【００１２】
基板１１は、例えば、積層方向の厚さ（以下、単に厚さという。）が８０μｍのサファイアにより構成されており、ｎ側コンタクト層１２などは、基板１１のｃ面に形成されている。
【００１３】
ｎ側コンタクト層１２は、例えば、厚さが４μｍないし５μｍ程度であり、ＧａＮにより構成されている。ｎ型クラッド層１３は、例えば、厚さが１．３μｍであり、ｎ型不純物としてケイ素を添加したｎ型Ａｌ0.07ＧａＮ混晶により構成されている。第１ガイド層１４は、例えば、厚さが５０ｎｍであり、ｎ型不純物としてケイ素を添加したｎ型ＧａＮにより構成されている。
【００１４】
活性層１５は、例えば、ＧａＮよりなる障壁層と、Ｇａ0.9 Ｉｎ0.1 Ｎ混晶よりなる井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有し、その発振波長は４００ｎｍないし５００ｎｍの範囲である。更に、活性層１５は、一つの井戸層あたりの厚さが２ｎｍないし３．５ｎｍ程度であり、井戸層の数が２または３であることが好ましい。井戸層の数が多いと閾値が上昇して出力や効率が低下し、少ないと薄膜としての耐性に乏しくなるからである。具体的には、活性層１５は、厚さが３０ｎｍであり、ＧａＮよりなる厚さ７ｎｍの障壁層と、Ｇａ0.9 Ｉｎ0.1 Ｎ混晶よりなる厚さ３ｎｍの井戸層とを交互に３対積層した多重量子井戸構造を有する。
【００１５】
第２ガイド層１６は、結晶の歪みを緩和する機能も有しており、例えば、厚さが５０ｎｍであり、ＩｎＧａＮ混晶により構成されている。キャリアブロック層１７は、電子のオーバーフローを抑制するためのものであり、例えば、厚さが１０ｎｍであり、Ａｌ0.17ＧａＮ混晶により構成されている。第３ガイド層１８は、例えば、厚さが５０ｎｍであり、ＧａＮにより構成されている。ｐ型クラッド層１９は、例えば、ｐ型不純物としてマグネシウムを添加したＡｌ0.12ＧａＮ混晶よりなる厚さ２．５ｎｍのＡｌＧａＮ混晶層と、ｐ型不純物としてマグネシウムを添加したＧａＮよりなる厚さ２．５ｎｍのＧａＮ層とを交互に１００対積層した超格子構造を有している。ｐ側コンタクト層２０は、例えば、厚さが１００ｎｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウムを添加したｐ型ＧａＮにより構成されている。
【００１６】
ｐ側コンタクト層２０の上にはｐ側電極４１が設けられている。このｐ側電極４１は、例えば、ｐ側コンタクト層２０の側からパラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）が順次積層された構造を有する。一方、ｎ側コンタクト層１２の表面にはｎ側電極４２が設けられている。ｎ側電極４２は、例えば、チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）が順次積層された構造を有している。ｐ側電極４１とｐ側コンタクト層２０とが接している領域以外の領域は、例えば二酸化ケイ素よりなる絶縁膜２２で覆われている。
【００１７】
更に、この半導体レーザでは、突条部２１の長さ方向において対向する一対の側面それぞれに反射率Ｒｆ，Ｒｒの異なる反射鏡膜（図示せず）が形成され、共振器端面を構成している。これにより、活性層１５において発生した光は対向する反射鏡膜の間を往復して増幅され、反射率の低い反射鏡膜からレーザビームとして出射されるようになっている。  
【００１８】
以上、本発明が適用される半導体レーザの基本的な構成を説明したが、本発明は、高出力の青色発振を得るために、上記活性層１５における発光領域１５Ａの寸法（幅Ｗおよび長さＬ）を最適値に設定することを特徴とする。具体的には、発光領域１５Ａの幅Ｗを５μｍ以上３０μｍ以下、長さＬを３００μｍ以上８００μｍ以下の範囲とし、これにより２００ｍＷ以上の高出力を得ることができるものである。そして、この出力値は、以下のシミュレーションの結果に基づいて、ＷおよびＬの範囲を細かく設定することによって具体的に定まる。以下、その結果について詳細に説明する。
【００１９】
図３ないし図８は、発光領域の幅Ｗを２μｍ、５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、４０μｍおよび８０μｍと変化させた場合の、主出射側端面からの光出力Ｐｆ、光効率Ｋｆおよび素子温度Ｔｃのシミュレーション結果を表すものである。なお、Ｌは６００μｍとした。
【００２０】
シミュレーションは、図９に示したような、上述の半導体レーザ素子１０がはんだ層３１を間にしてヒートシンク３０に配設された典型的な実装構成を想定したものであり、以下のような特性計算方法により、表１に示したパラメータ値を用いて行った。その際、半導体レーザ素子１０は、ｐ側コンタクト層２０側をヒートシンク３０に対向させて実装（ジャンクションダウンマウント）されたものとし、熱抵抗Ｒｔは２０℃／Ｗ以上３０℃／Ｗ以下の範囲とした。また、ｐ型クラッド層１９は、ｐ型不純物としてマグネシウムを添加したＡｌ0.12ＧａＮ混晶よりなるＡｌＧａＮ混晶層と、ｐ型不純物としてマグネシウムを添加したＧａＮよりなるＧａＮ層とを交互に積層した超格子構造とし、その合計厚さは５００ｎｍを超えず、直列抵抗Ｒｓは１Ω以上２Ω以下の範囲とした。なお、表１に示したように、ＡｌＧａＩｎＮ系青色レーザの大きな特徴は、透明化電流密度Ｊｏが極めて高いこと、および電圧上昇成分Ｖｇが大きく、数ボルトに達することである。
【００２１】
【表１】
2006179565.tif 000003
【００２２】
光出力Ｐｆ、光効率Ｋｆおよび素子温度Ｔｃの計算は、次のようにして行った。
（１）しきい電流Ｉｔｈを数１および数２により、内部量子効率ηｆを数３ないし数５により計算する。
（２）Ｉｏｐ＝Ｉｔｈ＋ΔＩ（ΔＩは自由に選ぶ）により駆動電流Ｉｏｐを求め、数６によりＨを計算する。
（３）ΔＴ＝Ｒｔ・Ｈで温度上昇分を計算し、素子温度Ｔｃ＝ΔＴ＋Ｔｓを求める。
（４）数７および数８によりＩｔｈ（Ｔ），ηｆ（Ｔ）を求める。数７および数８は、温度の閾値および微分効率に対する影響を表すものである。
（５）数９によりＰｆを求める。
（６）数１０によりＫｆを求める。
【００２３】
【数１】
2006179565.tif 000004
【数２】
2006179565.tif 000005
【数３】
2006179565.tif 000006
【数４】
2006179565.tif 000007
【数５】
2006179565.tif 000008
【数６】
2006179565.tif 000009
【数７】
2006179565.tif 000010
【数８】
2006179565.tif 000011
【数９】
2006179565.tif 000012
【数１０】
2006179565.tif 000013
【００２４】
なお、直列抵抗値Ｒｓについては数１１、熱抵抗については数１２を用いて評価した。。なお、数１１および数１２は経験式である。
【００２５】
【数１１】
2006179565.tif 000014
【数１２】
2006179565.tif 000015
（数１２においてＲｈｓはヒートシンク３０の熱抵抗、ｒｔｈはＷ＝１０μｍ、Ｌ＝１００μｍ、ｄｃ＝１μｍあたりの単位チップ熱抵抗をそれぞれ表す。）
【００２６】
なお、ヒートシンク３０の熱抵抗Ｒｈｓは、ヒートシンク３０の構成材料により決まる値である。
【００２７】
図３ないし図８から分かるように、Ｗ＝２μｍの所謂ナロウストライプでは最高２００ｍＷの出力であるが、Ｗを５μｍ、１０μｍと増やしていくと最高出力も３５０ｍＷ，５００Ｗと増加する。しかし、Ｗを２０μｍから４０μｍに倍増させても最高出力の伸びは鈍化し、かえって最高出力を出すための駆動電流Ｉｏｐは急激に増加し、効率は８％以下に悪化してしまう。このような効率悪化は、ＡｌＧａＡｓ系赤外レーザ（約５０％）やＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザ（約２０％）ではみられないものであり、青色レーザ特有の課題であるといえる。更に、そのときの素子温度は８０℃を超え、信頼性の高い動作は困難であると考えられる。すなわち、Ｗを５μｍ以上３０μｍ以下の範囲とすることにより、光出力、効率および素子温度のいずれも良好な特性を得ることができることが分かる。
【００２８】
図１０ないし図１３は、Ｌを３００μｍ、６００μｍ、９００μｍおよび１２００μｍと変化させた場合において、図３および図４と同様の条件で光出力Ｐｆ、効率Ｋｆおよび素子温度Ｔｃのシミュレーションを行った結果を表すものである。なお、Ｗは１０μｍとした。図１０ないし図１３から分かるように、Ｌを長くしても出力はそれほど増えず、効率は急速に悪化している。この点でも、青色レーザは、Ｌを長くするほど出力も比例的に増加する赤外レーザや赤色レーザとは異なっている。
【００２９】
図１４は、図１０ないし図１３に基づいて、４００ｍＷ駆動時の素子温度のＬ依存性を表したものである。従来の赤色レーザなどではＬを長くするほど素子温度を急低下させることができるが、青色レーザでは、図１４から分かるように、Ｌを長くすると素子温度は少し低下したのち再上昇している。
【００３０】
すなわち、Ｌを３００μｍ以上８００μｍ以下の範囲とすることにより、光出力、効率および素子温度のいずれも良好な特性を得ることができることが分かる。
【００３１】
このように、ＡｌＧａＩｎＮ系青色レーザは、透明化電流密度Ｊｏが高いことおよび電圧上昇成分Ｖｇが大きいこと（表１参照。）が特徴であり、これが従来のＡｌＧａＡｓ系赤外レーザやＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザとの差異を生じさせている。このため、活性層１５の体積を大きくすることは閾値を上昇させてしまうことにつながり、従来の常套手法であったＷ，Ｌの増大による高出力化という設計指針が単純に適用できず、光出力や効率などの複数の要素の均衡により（Ｗ，Ｌ）の適正値を見出すことが重要になる。よって、以下では（Ｗ，Ｌ）の適正値の更に詳細な設定範囲について説明する。
【００３２】
図１５（Ａ）は、図３ないし図１４の結果に基づいて、得られる最高出力ＰｍａｘのＬ依存性、図１５（Ｂ）はその最高出力Ｐｍａｘ時での効率のＬ依存性を、Ｗをパラメータとしてそれぞれ表したものである。図１５（Ａ）に示したように、Ｌを増すと、得られる最高出力Ｐｍａｘは減る傾向があり、この傾向はＷが広いほど激しくなる。また、同一のＬでは、Ｗが２０μｍを超えると最高出力Ｐｍａｘは落ちるが、Ｗが２０μｍ以下の範囲ではＷが広いほど最高出力Ｐｍａｘも大きくなる。しかし、効率の点からは、図１５（Ｂ）から分かるように、ＷもＬも小さいほうが効率は良くなる。したがって、高効率且つ高出力を得るためには、常にＷ＝２０μｍ程度とすることが好ましいというわけではない。
【００３３】
図１６（Ａ）は、得られる最高効率ＫｍａｘのＬ依存性、図１６（Ｂ）は、最高出力Ｐｍａｘを得るためのＷに対するＬの最適値をそれぞれ表したものである。図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）から分かるように、最高効率Ｋｍａｘは、最高出力Ｐｍａｘ時の効率よりも概して低めの出力で得られ、その値は数％ほど高い。また、図１６（Ｂ）に示したように、最高出力Ｐｍａｘを得るための（Ｗ，Ｌ）の適正値は、Ｗが広いほどＬが短くなる傾向があり、また、Ｌは従来のいわゆるブロードエリア型半導体レーザに比べてかなり短めであることが分かる。
【００３４】
図１７ないし図２１は、出力を２００ｍＷ，３００ｍＷ，５００ｍＷ，７００ｍＷおよび１０００ｍＷとしたときの駆動電流Ｉｏｐ、効率、素子温度のＬ依存性を、Ｗをパラメータとしてそれぞれ表したものである。図１７ないし図２１に示したように、Ｌが伸びるに伴って、Ｉｏｐは２次関数的に増加する。これは、導波ロスが増えることにより閾値が１次関数的に増え、微分効率が減ることが相乗的に効くためであると考えられ、Ｗが広いほど、また出力が大きいほど増加割合が高い。また、これに対応して、効率はＩｏｐが高いほど低下する。効率は、図１５および図１６にも示したように、Ｗ，Ｌが大きくなるほど低下する。よって、効率を高くするためだけであれば、（Ｗ，Ｌ）は実用的な範囲内でできるだけ小さくするほうが有利である。更に、素子温度については、低出力時にはＷが狭く、Ｌが長めのほうが低温になるが、高出力時にはＷをやや広めにするほうが良好になる。なお、素子温度は発熱や排熱の影響も大きいので、Ｉｏｐの低さや効率だけで判断することは難しい。
【００３５】
図２２は（Ｗ，Ｌ）に対する最高出力Ｐｍａｘを等高線で表したものであり、図２３は図２２を平面的に表したものである。なお、図２２のＷ＝５μｍ，１０μｍ，２０μｍ，３０μｍ，４０μｍ，５０μｍおよび７０μｍにおける断面は、上述した図１５に相当する。図２２および図２３から分かるように、最高出力Ｐｍａｘは、効率を無視すれば、Ｗ＝２０μｍ〜３０μｍ且つＬ＝３５０μｍ〜４５０μｍあたりで得られ、約１．１Ｗ程度となることが分かる。一方、効率は上述したようにＷ，Ｌ共に小さいほうが高くなるので、この座標の左下方向にいくほど良好である。よって、図２３の境界線Ａよりも右上側の領域はほとんど意味をもたない。また、素子温度を加味すると、素子温度が高くなるほど信頼性は悪化するので、Ｌ＝３００μｍすなわち境界線Ｂよりも下側の領域も好ましくない。以上より、概して（Ｗ，Ｌ）を境界線Ａよりも左下側、且つ境界線Ｂよりも上側の領域内にとれば、最高出力Ｐｍａｘおよび効率ともに向上させることができることが分かる。
【００３６】
図２４ないし図２９は、図２３に基づいて、出力が２００ｍＷ以上３００ｍＷ未満、３００ｍＷ以上４００ｍＷ未満、４００ｍＷ以上５００ｍＷ未満、５００ｍＷ以上７００ｍＷ未満、７００ｍＷ以上９００ｍＷ未満および９００ｍＷ以上のそれぞれの場合について、Ｗ，Ｌのとりうる範囲（Ｗ，Ｌ）をそれぞれ示したものである。（Ｗ，Ｌ）は、半導体レーザ素子１０から得たい光出力をＰ０としたとき、図２３においてＰｍａｘ＞Ｐ０＋２００ｍＷを満たす領域内にあることが好ましい。
【００３７】
更に、（Ｗ，Ｌ）は、以下の条件（イ），（ロ）を満たしていれば、より好ましい。
（イ）Ｌは、図１７ないし図２１においてＷに対する最小温度との温度差が５℃以内の範囲内にある。
（ロ）効率が１５％以上である。
なお、上述した計算結果には現れていないＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage ）レベルについてはＷが広いほど高く良好なので、ＣＯＤレベルを考慮して、（イ）または（ロ）を必ずしも満たさない（Ｗ，Ｌ）を選択することも可能である。
【００３８】
具体的には、出力が２００ｍＷ以上３００ｍＷ未満の場合には、図２４に示したように、（Ｗ，Ｌ）は（５μｍ，３００μｍ），（５μｍ，８００μｍ），（１５μｍ，４００μｍ），（１５μｍ，３００μｍ）の４点で囲まれる領域内である。
【００３９】
出力が３００ｍＷ以上４００ｍＷ未満の場合には、図２５に示したように、（Ｗ，Ｌ）は（５μｍ，３００μｍ），（５μｍ，８００μｍ），（１０μｍ，８００μｍ），（２０μｍ，４００μｍ），（２０μｍ，３００μｍ）の５点で囲まれる領域内である。
【００４０】
出力が４００ｍＷ以上５００ｍＷ未満の場合には、図２６に示したように、（Ｗ，Ｌ）は（５μｍ，６００μｍ），（５μｍ，８００μｍ），（１０μｍ，８００μｍ），（３０μｍ，４００μｍ），（２０μｍ，３００μｍ），（１０μｍ，４００μｍ）の６点で囲まれる領域内である。
【００４１】
出力が５００ｍＷ以上７００ｍＷ未満の場合には、図２７に示したように、（Ｗ，Ｌ）は（１０μｍ，５００μｍ），（１０μｍ，８００μｍ），（３０μｍ，４００μｍ），（２０μｍ，４００μｍ）の４点で囲まれる領域内である。
【００４２】
出力が７００ｍＷ以上９００ｍＷ未満の場合には、図２８に示したように、（Ｗ，Ｌ）は（２０μｍ，４００μｍ），（２０μｍ，５５０μｍ），（３０μｍ，４００μｍ）の３点で囲まれる領域内である。
【００４３】
また、出力が９００ｍＷ以上の場合には、図２９に示したように、（Ｗ，Ｌ）は（２０μｍ，４００μｍ），（２０μｍ，５００μｍ），（３０μｍ，４００μｍ）の３点で囲まれる領域内である。
【００４４】
この半導体レーザは、例えば次のようにして製造することができる。
【００４５】
まず、例えば、厚さ４００μｍ程度のサファイアよりなる基板１１を用意し、基板１１の例えばｃ面に、例えばＥＬＯ（epitaxial lateral overgrowth）法により、上述した厚みおよび材料よりなるｎ側コンタクト層１２を形成する。
【００４６】
次いで、ｎ側コンタクト層１２上に、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により、ｎ型クラッド層１３，第１ガイド層１４，活性層１５，第２ガイド層１６，キャリアブロック層１７，第３ガイド層１８，ｐ型クラッド層１９およびｐ側コンタクト層２０を順次成長させる。
【００４７】
続いて、ｐ側コンタクト層２０上に図示しないマスクを形成し、このマスクを利用して例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）法によりｐ側コンタクト層２０およびｐ型クラッド層１９の一部を選択的にエッチングして、ｐ型クラッド層１９の上部およびｐ側コンタクト層２０を帯状の突条部２１とする。その際、突条部２１の幅は、上述の出力と活性層１５の発光領域１５Ａの寸法との関係に基づき、所望の出力に応じて、発光領域１５Ａの幅Ｗが５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内の値となるように決定する。また、突条部２１を、ＥＬＯにより形成したｎ側コンタクト層１２のうち転位密度の低い領域に対応して形成し、発光領域１５Ａをその領域に形成するようにすれば、半導体レーザ素子１０の素子特性を向上させることができる。
【００４８】
そののち、ｐ側コンタクト層２０，ｐ型クラッド層１９，第３ガイド層１８，キャリアブロック層１７，第２ガイド層１６，活性層１５，第１ガイド層１４，ｎ型クラッド層１３およびｎ側コンタクト層１２の一部を順次エッチングして、ｎ側コンタクト層１２を表面に露出させる。なお、ｐ側コンタクト層２０を成長させたのち、ｎ側コンタクト層１２を表面に露出させ、次いで、突条部２１を形成するようにしてもよい。
【００４９】
ｎ側コンタクト層１２を表面に露出させたのち、露出面全体に、例えば蒸着法により絶縁膜２２を形成する。そののち、例えばＲＩＥ法により、ｐ側コンタクト層２０に対応して絶縁層２２に開口を設け、例えばパラジウム，白金および金を順次蒸着し、ｐ側電極４１を形成する。また、ｎ側コンタクト層１２に対応して絶縁膜２２に開口を設け、例えば、チタン，白金および金を順次蒸着し、ｎ側電極４２を形成する。
【００５０】
ｐ側電極４１およびｎ側電極４２を形成したのち、基板１１を裏面側から例えば８０μｍ程度の厚さとなるように研削する。基板１１を研削したのち、所望の出力に応じて、発光領域１５の長さＬを３００μｍ以上８００μｍ以下の範囲内となるように所定の大きさに整え、次いで突条部２１の長さ方向の共振器端面に反射鏡膜を形成する。これにより、図１に示した半導体レーザが完成する。
【００５１】
この半導体レーザでは、ｎ側電極４２とｐ側電極４１との間に所定の電圧が印加されると、活性層１５の発光領域１５Ａに電流が注入されて、電子−正孔再結合により発光が起こる。この光は、共振器端面の反射鏡膜により反射され、その間を往復してレーザ発振を生じ、レーザビームとして外部に射出される。ここでは、発光領域１５Ａの幅Ｗと長さＬとを上述のような最適の範囲の値に設定することにより、高い光効率で高出力が得られる。
【００５２】
このように本実施の形態では、発光領域１５Ａの幅Ｗと長さＬとを最適な範囲の値に設定することにより、高い光効率を得ると共に高出力の青色発振を実現することができる。よって、単一の半導体レーザ素子１０により最大１Ｗ近くの出力を得ることも可能となり、従来に比べて小型な高出力青色レーザを構成することができる。更にアレイ化すれば１０Ｗ超、スタック化により１００Ｗ以上の出力を得ることも不可能ではなくなる。また、効率や信頼性を向上させることができ、駆動電流の低下にも有効であると共に製造コストの低減も期待できる。更に、発光領域１５Ａの幅Ｗと長さＬとをより細かく設定することにより、所望の大きさの出力を得ることが可能になる。
【００５３】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、サファイアよりなる基板１１上にＥＬＯ法によりｎ側コンタクト層１２を形成し、その上にｎ型クラッド層１３などを形成する場合について説明したが、ＧａＮよりなる基板１１を用いてもよい。ＧａＮよりなる基板１１は欠陥が少なく結晶品質が良好であることに加えて、ＥＬＯ法を用いずに直接に半導体レーザ素子１０を形成することができるので、ＥＬＯにより形成したｎ側コンタクト層１２の転位密度分布によって発光領域１５Ａの幅Ｗが制限されてしまうことがない。よって、本発明のように幅Ｗを５μｍ以上３０μｍ以下と広くするのに有利である。
【００５４】
加えてまた、例えば、上記実施の形態では、シミュレーションに用いたパラメータ値を具体的に挙げて説明した（表１参照。）が、パラメータ値が表１とは多少変化したとしても、本発明の（Ｗ，Ｌ）の適正範囲と出力との関係は維持される。
【００５５】
また、上記実施の形態において説明した各層の材料および厚さ、または成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚さとしてもよく、または他の成膜方法および成膜条件としてもよい。例えば、上記実施の形態では、ｎ側コンタクト層１２ないしｐ側コンタクト層２０の構成材料を具体的に挙げて説明したが、ｎ側コンタクト層１２ないしｐ側コンタクト層２０は、３Ｂ族元素のうちアルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）のうちの少なくとも１種と、５Ｂ族元素のうち窒素（Ｎ）とを含む他の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により構成されていてもよい。
【００５６】
更に、例えば、上記実施の形態では、ｎ側コンタクト層１２ないしｐ側コンタクト層２０をＭＯＣＶＤ法により形成する場合について説明したが、ＭＯＶＰＥ法等の他の有機金属気相成長法により形成してもよく、あるいは、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；分子線エピタキシー）法等を用いてもよい。
【００５７】
加えて、例えば、上記実施の形態では、半導体レーザ素子１０の構成を具体的に挙げて説明したが、全ての層を備える必要はなく、また他の層を更に備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ素子の構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した半導体レーザ素子のバンドギャップ構造を価電子帯端のエネルギー準位について模式的に表した図である。
【図３】図１に示した半導体レーザ素子の発光領域の幅Ｗを２μｍとした場合のシミュレーション結果を表す特性図である。
【図４】Ｗを５μｍとした場合のシミュレーション結果を表す特性図である。
【図５】Ｗを１０μｍとした場合のシミュレーション結果を表す特性図である。
【図６】Ｗを２０μｍとした場合のシミュレーション結果を表す特性図である。
【図７】Ｗを４０μｍとした場合のシミュレーション結果を表す特性図である。
【図８】Ｗを８０μｍとした場合のシミュレーション結果を表す特性図である。
【図９】半導体レーザ素子の実装構成の一例を表す断面図および上面図である。
【図１０】半導体レーザ素子の発光領域の長さＬを３００μｍとした場合のシミュレーション結果を表す特性図である。
【図１１】Ｌを６００μｍとした場合のシミュレーション結果を表す特性図である。
【図１２】Ｌを９００μｍとした場合のシミュレーション結果を表す特性図である。
【図１３】Ｌを１２００μｍとした場合のシミュレーション結果を表す特性図である。
【図１４】図１０ないし図１３に基づいて、４００ｍＷ駆動時の素子温度のＬ依存性を表す特性図である。
【図１５】図１５（Ａ）は、図３ないし図１４の結果に基づいて、得られる最高出力ＰｍａｘのＬ依存性、図１５（Ｂ）はその最高出力Ｐｍａｘ時での効率のＬ依存性を、Ｗをパラメータとしてそれぞれ表す図である。
【図１６】図１６（Ａ）は、得られる最高効率ＫｍａｘのＬ依存性、図１６（Ｂ）は、最高出力Ｐｍａｘを得るためのＷに対するＬの最適値をそれぞれ表す図である。
【図１７】出力を２００ｍＷとしたときの駆動電流Ｉｏｐ、効率、素子温度のＬ依存性を、Ｗをパラメータとして表す図である。
【図１８】出力を３００ｍＷとしたときの駆動電流Ｉｏｐ、効率、素子温度のＬ依存性を、Ｗをパラメータとして表す図である。
【図１９】出力を５００ｍＷとしたときの駆動電流Ｉｏｐ、効率、素子温度のＬ依存性を、Ｗをパラメータとして表す図である。
【図２０】出力を７００ｍＷとしたときの駆動電流Ｉｏｐ、効率、素子温度のＬ依存性を、Ｗをパラメータとして表す図である。
【図２１】出力を１０００ｍＷとしたときの駆動電流Ｉｏｐ、効率、素子温度のＬ依存性を、Ｗをパラメータとして表す図である。
【図２２】（Ｗ，Ｌ）に対する最高出力Ｐｍａｘを等高線で表す図である。
【図２３】図２２を平面的に表した図である。
【図２４】出力が２００ｍＷ以上３００ｍＷ未満の場合について、Ｗ，Ｌのとりうる範囲（Ｗ，Ｌ）を表す図である。
【図２５】３００ｍＷ以上４００ｍＷ未満の場合について、Ｗ，Ｌのとりうる範囲（Ｗ，Ｌ）を表す図である。
【図２６】４００ｍＷ以上５００ｍＷ未満の場合について、Ｗ，Ｌのとりうる範囲（Ｗ，Ｌ）を表す図である。
【図２７】５００ｍＷ以上７００ｍＷ未満の場合について、Ｗ，Ｌのとりうる範囲（Ｗ，Ｌ）を表す図である。
【図２８】７００ｍＷ以上９００ｍＷ未満の場合について、Ｗ，Ｌのとりうる範囲（Ｗ，Ｌ）を表す図である。
【図２９】９００ｍＷ以上の場合について、Ｗ，Ｌのとりうる範囲（Ｗ，Ｌ）を表す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０…半導体レーザ素子、１１…基板、１２…ｎ側コンタクト層、１３…ｎ型クラッド層、１４…第１ガイド層、１５…活性層、１５Ａ…発光領域、１６…第２ガイド層、１７…キャリアブロック層、１８…第３ガイド層、１９…ｐ型クラッド層、２０…ｐ側コンタクト層、２１…突条部、２２…絶縁膜、３０…ヒートシンク、３１…はんだ層、４１…ｐ側電極、４２…ｎ側電極                                                                                                                                          
【図１】
2006179565.tif 000016
【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】
2006179565.tif 000022
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2006179565.tif 000034
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
2006179565.tif 000039
【図２５】
2006179565.tif 000040
【図２６】
2006179565.tif 000041
【図２７】
2006179565.tif 000042
【図２８】
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【図２９】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年12月20日(2005.12.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項４】
前記発光領域のＷ，Ｌのとり得る範囲（Ｗ，Ｌ）は、（５μｍ，６００μｍ），（５μｍ，８００μｍ），（１０μｍ，８００μｍ），（３０μｍ，４００μｍ），（２０μｍ，３００μｍ），（１０μｍ，４００μｍ）の６点で囲まれる領域内にあり、レーザ光の出力が４００ｍＷ以上５００ｍＷ未満である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
光出力Ｐｆ、光効率Ｋｆおよび素子温度Ｔｃの計算は、次のようにして行った。
（１）しきい電流Ｉｔｈを数１および数２により、内部量子効率ηｆを数３ないし数５により計算する。
（２）Ｉｏｐ＝Ｉｔｈ＋ΔＩ（ΔＩは自由に選ぶ）により駆動電流Ｉｏｐを求め、数６によりＨを計算する。
（３）ΔＴ＝Ｒｔ・Ｈで温度上昇成分を計算し、素子温度Ｔｃ＝ΔＴ＋Ｔｓを求める。
（４）数７および数８によりＩｔｈ（Ｔ），ηｆ（Ｔ）を求める。数７および数８は、温度の閾値および微分効率に対する影響を表すものである。
（５）数９によりＰｆを求める。
（６）数１０によりＫｆを求める。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
図３ないし図８から分かるように、Ｗ＝２μｍの所謂ナロウストライプでは最高２００ｍＷの出力であるが、Ｗを５μｍ、１０μｍと増やしていくと最高出力も３５０ｍＷ，５００ｍＷと増加する。しかし、Ｗを２０μｍから４０μｍに倍増させても最高出力の伸びは鈍化し、かえって最高出力を出すための駆動電流Ｉｏｐは急激に増加し、効率は８％以下に悪化してしまう。このような効率悪化は、ＡｌＧａＡｓ系赤外レーザ（約５０％）やＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザ（約２０％）ではみられないものであり、青色レーザ特有の課題であるといえる。更に、そのときの素子温度は８０℃を超え、信頼性の高い動作は困難であると考えられる。すなわち、Ｗを５μｍ以上３０μｍ以下の範囲とすることにより、光出力、効率および素子温度のいずれも良好な特性を得ることができることが分かる。