(57)【要約】【課題】  発振波長１．０μｍ以下の近赤外波長帯半導体レーザ素子において、自由電子吸収の抑制と、それとトレードオフの関係にある温度特性、素子抵抗、発振横モードの安定性を両立させる。【解決手段】  基板上101に、ｎ型クラッド層103と、ｐ型クラッド層107,109を含む複数のｐ型導電型層ｍ（ｍ＝１、２…ｋ）（ｋは自然数）と、活性層105とを備えた発振波長が１．０μｍ以下の半導体レーザ素子において、基板上の全ての層に存在する光量の総和に対するｐ型導電型層ｍに存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(ｍ)とし、ｐ型導電型層ｍのドーピング濃度をＰ(ｍ) （ｃｍ−３）としたとき、Γ(ｍ)とＰ(ｍ)の積の総和2006073746.tif 000006を８．０×１０１７ｃｍ−３ 以下とする。【選択図】図１
2006073746.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、ｎ型クラッド層と、ｐ型クラッド層を含む複数のｐ型導電型層ｍ（ここで、ｍ＝１、２…ｋ、但し、ｋは自然数）と、上記ｎ型クラッド層と上記ｐ型クラッド層との間に位置する活性層とを備え、
発振波長が１．０μｍ以下であり、
上記基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記ｐ型導電型層ｍに存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(ｍ)とし、該ｐ型導電型層ｍのドーピング濃度をＰ(ｍ)（ｃｍ−３）としたとき、Γ(ｍ)とＰ(ｍ)の積の総和
2006073746.tif 000005
が８．０×１０１７ｃｍ−３ 以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
ドーピング濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３以上であるｐ型導電型層の層厚の合計が、ｐ型導電型層全体の層厚の合計の８０％以上を占めることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
発振波長が９５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
発振波長が７００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
上記活性層に平行な方向に光を閉じ込める光閉じ込め構造を有し、
上記活性層に関して、該光閉じ込め構造のある側の層の光閉じ込め係数の総和が、上記光閉じ込め構造のない側の層の光閉じ込め係数の総和よりも小さく、
上記光閉じ込め構造のうち光が閉じ込められる領域は上記ｐ型導電型層の少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
電流注入領域と非電流注入領域からなり、上記活性層と平行な方向に電流を狭窄する電流狭窄構造を有し、
上記電流注入領域は上記ｐ型導電型層の少なくとも１つからなり、該電流注入領域のｐ型導電型層のドーピング濃度は１．０×１０１８ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項１または５に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
電流注入領域と非電流注入領域からなり、上記活性層と平行な方向に電流を狭窄する電流狭窄構造と、
上記電流狭窄構造の一部からなり、上記活性層と平行な方向に光を閉じ込める光閉じ込め構造とを備え、
上記光閉じ込め構造のうち光が閉じ込められる領域を画定する２つの境界面は、上記電流狭窄構造内の電流注入領域を画定する２つの境界面と一致しており、上記２つの境界面間の距離は、上記活性層に最も近い部分で２．２μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
上記ｐ型導電型層のうち上記活性層に最も近い層のドーピング濃度が２．０×１０１７ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
上記ｐ型導電型層は、上記活性層と上記ｐ型クラッド層との間に位置するｐ型光ガイド層を含んでおり、
上記ｐ型光ガイド層は積層方向に異なるドーピング濃度を有する２層以上からなり、これら２層以上のｐ型光ガイド層のうち、上記活性層に最も近い層のドーピング濃度が他のｐ型光ガイド層のドーピング濃度よりも小さいこと特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
光閉じ込め係数Γが１．０×１０−４以上となるｐ型導電型層のドーピング濃度が８．０×１０−１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１１】
上記ｐ型導電型層は、上記ｐ型クラッド層の上部に位置するｐ型キャップ層を含んでおり、
上記キャップ層の光閉じ込め係数Γが５．０×１０−５以下であることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子の製造方法であって、
有機金属化学気相成長法を用いて上記活性層およびその活性層に隣接する層を成長すると共に、上記活性層の成長温度を上記隣接する層の成長温度よりも低くし、かつ成長温度が変化する境界面で成長を一旦中断することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子を搭載した光無線通信用送信装置。
【請求項１４】
請求項１〜１１のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子を搭載した光ディスク装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力低駆動電力が要求される半導体レーザ素子とその製造方法、およびそのような半導体レーザ素子を備えた光無線通信用送信装置と光ディスク装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＩＴ技術の発達やブロードバンドの普及に従い、音声や映像といった大容量データを、時や場所によらずに扱う機会が増加している。中でも、高速有線インフラと接続された屋内外の固定端末と移動型携帯端末との間で空間を介して大容量データ通信を行うという市場は、今後ますます拡大するものと考えられる。このような無線通信に用いられるキャリアには電波と光があり、後者の信号源には価格面や取り扱いの容易さから現状ＬＥＤが使用されている。しかしデータの秘匿性やデータ量の増大による高速化への要請から、半導体レーザ素子を用いた光無線通信技術への期待は高い。このような状況を踏まえ、現在、半導体レーザ素子を用いた新たな高速光無線通信規格の標準化作業が進められている。
【０００３】
この新たな光無線通信規格で用いられる光の波長は、８５０〜９５０ｎｍを中心とする波長１．０μｍ以下の近赤外波長帯である。これは空間へ光を放射するという使用法に由来する、人体とりわけ目に対する安全性や受光素子の波長依存性によって決まるもので、この波長帯で安定に動作する新たな半導体レーザ素子の開発が必要となる。
【０００４】
しかしながらこの１．０μｍ以下の近赤外波長帯は、短波長帯光ディスク装置や現状の長波長帯光ファイバ通信で用いられる波長帯のちょうど中間にあたるため、これら従来の波長帯では問題とならなかった半導体レーザ素子の構造パラメータがレーザの特性に大きな影響を与える可能性がある。
【０００５】
そのような構造パラメータのうち、特に半導体レーザ素子の効率に大きな影響を与えるパラメータの一つに、不純物がドーピングされた半導体層内での自由電子吸収αfcがある。
【０００６】
これは、自由電子が価電子帯や伝導帯のエネルギーバンド内の同じ谷の中で光を吸収してより高エネルギー側に遷移する現象で、ドーピング濃度をパラメータとして波長と自由電子吸収αfcとの関係を表した図９の線（ａ）〜（ｃ）のように、光の波長が長くドーピング濃度が大きいほど、自由電子吸収αfcの値は大きくなる。その関係は理論的に求められており、
αfc ∝ ｛Ｎ×(aλ1.5＋bλ2.5＋cλ3.5）｝／τ≒（Ｎ×λｐ）／τ  （１）
と表される。この式（１）で、Ｎはドーピング濃度、λは光の波長、ａ〜ｃは指数の異なる波長λの係数、τはキャリア緩和時間を表す。最右辺のλの指数であるｐは音響／光学フォノンやイオン化不純物による各種の散乱の程度によって異なる値をとり、一般にIII−V系化合物半導体の場合は３〜３．５程度の値となる。
【０００７】
このように、自由電子による吸収は波長の３乗程度に比例するため、従来から光ファイバ通信で使用されてきた波長１．３μｍ以上の長波長帯半導体レーザ素子では非常に問題視されてきた。この問題に対する解決策の一つが特許文献１（特許２６９９８４８号公報）に開示されている。この例では、ＩｎＰ系レーザにおいて、キャップ層を除くｐ型導電型層全層のドーピング濃度を３×１０１７ｃｍ−３〜７×１０１７ｃｍ−３程度という比較的低い値に設定することで自由電子吸収を抑制している。ここで特にｐ型のドーピング濃度を規定したのは、同じドーピング濃度で比較した場合、ｐ型ドーパントによる自由電子吸収のほうがｎ型ドーパントによるものより影響が大きいことによる。
【０００８】
これに対して、光ディスク装置に用いられる短波長帯半導体レーザ素子では、長波長帯半導体レーザ素子とは異なり自由電子吸収の影響がごく小さいため、ｐ型導電型層のドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３程度以下であればあまり問題とされてこなかった。
【０００９】
なお、これらの短波長帯と長波長帯の中間に位置する波長帯の半導体レーザ素子の、自由電子吸収に関する報告もなされている。例えば、非特許文献１（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．６９  Ｎｏ．２０，１９９６）には、ｎ−ＧａＡｓ基板上にｎ−ＩｎＧａＰクラッド層、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ下部光ガイド層、アンドープ量子井戸活性層、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ上部光ガイド層、ｐ−ＩｎＧａＰクラッド層、ｎ−ＧａＡｓキャップ層が基板側から順に積層され、その活性層は波長８０８ｎｍ（ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層）もしくは９８０ｎｍ（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活性層）で発振するよう設定された数種のブロードエリア型半導体レーザ素子の記載がある。これらの半導体レーザ素子では、実験的に内部吸収αi＝４〜５ｃｍ−１程度の値が得られているが、各種の検討により、この内部吸収の値を構成する要因の中に自由電子吸収αfcの影響はほとんど無いと結論づけている。
【特許文献１】特許２６９９８４８号公報
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．６９  Ｎｏ．２０，１９９６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし上で述べた近赤外波長帯半導体レーザ素子の例では、キャップ層を除くｐ型ドーピング濃度が５×１０１７ｃｍ−３程度と先に述べた長波長帯半導体レーザ素子と同様、比較的低い値に設定されているため、当該波長帯での自由電子吸収の影響については、記載通り根本的に影響がないのか、それともドーピング濃度が低いため自由電子吸収の影響が顕在化していないのか、この例からは確定することができない。
【００１１】
ところで、この近赤外波長帯半導体レーザ素子の例や先述の長波長帯半導体レーザ素子のようにそのｐ型導電型層のドーピング濃度が５×１０１７ｃｍ−３程度という比較的低い値に設定された半導体レーザ素子では、自由電子吸収の影響が小さくなるのとは逆に、温度特性、素子抵抗、横基本モード発振といった効率以外のレーザの特性に様々な悪影響が生じる。例えば光ガイド層、クラッド層ともにそのｐ型ドーピング濃度を４×１０１７ｃｍ−３〜６×１０１７ｃｍ−３程度に設定した半導体レーザ素子では、該ｐ型導電型層のキャリアに対する障壁レベルがより高いドーピングがなされた層の障壁レベルよりも低くなるため、レーザの温度特性が悪化する。特に長波長帯に比べ井戸層のエネルギーギャップが大きくキャリアリークが起こり易い近赤外波長帯の半導体レーザ素子の場合、光ガイド層、クラッド層といった活性層以外の層でのキャリアブロック効果の良悪が、より重大な課題となる。
【００１２】
素子抵抗についても、４×１０１７ｃｍ−３〜６×１０１７ｃｍ−３程度という低いドーピング濃度の半導体レーザ素子では、抵抗値の上昇に伴い高駆動電力化するため、特にそのような半導体レーザ素子を発光部品として光無線通信用装置に導入すると、レーザドライバなど装置内の他の構成部品に負荷がかかったり、許容電力の上限が下がり他の回路部品の選択の幅が狭くなりかねない。
【００１３】
また、このような低ｐ型ドーピング濃度下では、キャリアの拡散速度が遅くなるため空間的ホールバーニングが誘発され発振横モードが不安定化する。このことで半導体レーザ素子の相対雑音強度が上昇し通信時の符号誤り率が増大するため、通信用半導体レーザ素子にとっては大きな問題となる。
【００１４】
以上のことから、波長１．０μｍ以下の近赤外波長帯で特にｐ型導電型層のドーピング構造を決定するには、自由電子吸収の抑制と、それとトレードオフの関係にある温度特性、素子抵抗、発振横モードの安定性を両立させることが必要となる。特に波長１．０μｍ以下の近赤外波長帯での自由電子吸収の影響の有無とその程度が不明確であるため、自由電子吸収の影響を受けずに高効率を保ち得る上限のｐ型ドーパンド濃度を定めることが、該当波長帯のレ−ザ素子を開発する上で必須の課題となる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明はこれらの問題を解決することを目的にしたもので、特に波長１．０μｍ以下の近赤外波長帯で発振する半導体レーザ素子のｐ型導電型半導体各層のドーピング濃度を光閉じ込め係数との積の値と共に規定したものであり、効率の向上と温度特性／抵抗値などの向上というドーピング濃度に対してトレードオフの関係にある諸特性の両立をはかることで、低駆動電力かつ高い信頼性を保つ該波長帯半導体レーザ素子とその製造方法を提供するものである。さらに発光素子として該波長帯でこのような利点をもつ半導体レーザ素子を搭載することで、従来、実現し得なかった新たな規格の高速光無線通信用送信装置を提供し、また高速化競争の続く光ディスク分野で高速読み書きを可能にした光ディスク装置を提供するものである。
【００１６】
本発明の第１の側面に係る半導体レーザ素子は、基板上に、ｎ型クラッド層と、ｐ型クラッド層を含む複数のｐ型導電型層ｍ（ここで、ｍ＝１、２…ｋ、但し、ｋは自然数）と、上記ｎ型クラッド層と上記ｐ型クラッド層との間に位置する活性層とを備え、
発振波長が１．０μｍ以下であり、上記基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記ｐ型導電型層ｍに存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(ｍ)とし、該ｐ型導電型層ｍのドーピング濃度をＰ(ｍ)（ｃｍ−３）としたとき、Γ(ｍ)とＰ(ｍ)の積の総和
2006073746.tif 000003
が８．０×１０１７ｃｍ−３ 以下であることを特徴としている。
【００１７】
この半導体レーザ素子は、従来自由電子吸収の影響が不明確だった波長１．０μｍ以下の近赤外波長帯で自由電子吸収の影響による一部静特性の悪化、具体的には発振しきい値電流と効率の悪化を回避することで、必要とされる光出力での駆動電流の値を低減することができる。なお本明細書中でいう『効率』とは、半導体レーザ素子の静特性の一つであり、発振しきい値電流をＩｔｈ（Ａ），ある光出力Ｐｏｐ（Ｗ）を得る為に必要な駆動電流値をＩｏｐ（Ａ）とすると、Ｐｏｐ／（Ｉｏｐ−Ｉｔｈ）で定義される、半導体レーザ素子の基本的な静特性の一つである。
【００１８】
本発明者らは、波長１．０μｍ以下の近赤外波長帯で自由電子吸収を回避できるｐ型ドーピング構造の“上限の値”を決定するため、実際に波長９００ｎｍ程度で発振する半導体レーザ素子でｐ型ドーピング濃度Ｐや同じ層の光閉じ込め係数Γの組み合わせが異なる数種類の素子を作製し、効率の値と、効率に直接影響を与える内部吸収αiの値を算出した。
【００１９】
その結果、ｐ型ド−ピング各層ｍ（ｍ＝１、２…ｋ、但し、ｋは自然数）の光閉じ込め係数Γ（ｍ）とそのドーピング濃度Ｐ（ｍ）（ｃｍ−３、以下省略）との積の総和
2006073746.tif 000004
（以下、単にΣ｛Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）｝とも表す。）と、半導体レーザ素子の効率の値を決定する内部吸収αiとの間に図８のような関係があることがわかった。この結果では、内部吸収αiの値は、ｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ（ｍ）と該ｐ型層ドーピング濃度Ｐ（ｍ）との積の総和Σ｛Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）｝の値が８．０×１０１７ｃｍ−３を越えると急激に増加している。半導体レーザ素子の内部吸収αiは自由電子吸収αｆｃとその他の吸収αoからなるが、その他の吸収αoの値は一般にドーピング濃度に依存せず、また通常４〜５ｃｍ−１未満であり、半導体レーザ素子への影響が小さい。図８では、ｐ型ドーピング濃度に依存しないその他の吸収αoが３ｃｍ−１程度あり、これにｐ型ドーピングに由来する自由電子吸収αｆｃが加わり、半導体レーザ素子の内部吸収αiとなることがわかる。これらのことから、ｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ（ｍ）と該ｐ型層ドーピング濃度Ｐ（ｍ）との積の総和Σ｛Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）｝の値を８．０×１０１７ｃｍ−３以下の範囲に設定すれば、内部吸収αiのうち、ドーピング濃度に依存する自由電子吸収αｆｃの急激な増加を抑制できることがわかる。
【００２０】
さらに、図８から、総和Σ｛Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）｝の値が６．０×１０１７ｃｍ−３以下では内部吸収αiの値がほとんど変化しないことから、この総和の値が６．０×１０１７ｃｍ−３以下となるようなｐ型ドーピング層構造では内部吸収αiに対する自由電子吸収αfcの影響をほとんど排除できることもわかる。
【００２１】
これらの事実は、１．０μｍ以下の近赤外波長帯では自由電子吸収の影響はないとする従来の認識を覆すものであり、該波長帯でも構造によっては自由電子吸収による静特性、特に効率の悪化という影響を被り得ることがわかった。また、ｐ型ドーピング濃度に加えｐ型導電型層の光閉じ込め係数も同時に考慮することで、自由電子吸収の増大につながる比較的高いｐ型ドーピング濃度でも良好な特性を確保できることもわかった。その結果、自由電子吸収の抑制による効率の改善とはトレードオフの関係にある温度特性や抵抗値の改善を目的に、ｐ型ドーピング濃度を従来の近赤外波長帯の半導体レーザ素子よりも高い値に設定することが可能となった。
【００２２】
なお、半導体レーザ素子の内部吸収αiの値は小さいほどよいが、一般的に１０ｃｍ−１を越えるとレーザの効率に顕著な影響があり、効率０．９６Ｗ／Ａ以上という高速無線通信で必要とされる効率値を得られなくなるため、半導体レーザ素子がこのような光無線通信用送信装置に搭載される場合には、内部吸収の値は１０ｃｍ−１以下、より好ましくは５ｃｍ−１以下であることが望ましい。
【００２３】
一実施形態では、ｐ型ドーピング濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３以上であるｐ型導電型層の層厚の合計がｐ型導電型層全体の層厚の合計の８０％以上を占めている。
【００２４】
なお、ここで規定するｐ型導電型層とは、半導体レーザ素子がリッジ埋め込み型の場合には、リッジおよびリッジの上下に連なる箇所に存在するｐ型導電型層であって、埋め込み部のみに存在するｐ型導電型層は含まないものとする。
【００２５】
上記構成による作用は次の通りである。主なｐ型導電型層のドーピング濃度を１０１７ｃｍ−３台という比較的低い値に設定した場合、温度特性、素子抵抗、発振横モードといった、効率以外のレーザ特性に好ましくない影響が現れる。この影響は、自由電子吸収の場合とは逆で、ｐ型ドーピング濃度が低いほど半導体レーザ素子にとって悪影響となってあらわれる。これら３種のレーザ特性についてｐ型ドーピングの影響を調べるため、該当波長帯で半導体レーザ素子を作製し、その影響を確認したところ、ｐ型ドーピング濃度をｐ型導電型層全体の８０％以上の厚さの層で１×１０１８ｃｍ−３以上とすることで回避できることがわかった。以上のことから、ｐ型ドーピング濃度を従来の近赤外波長帯の半導体レーザ素子での値よりも高く設定することで、自由電子吸収の回避とはトレードオフの関係にある高温度特性、低消費電力、安定した発振横モードを保った波長１．０μｍ以下の近赤外帯半導体レーザ素子を得ることができる。
【００２６】
一実施形態では、上記半導体レーザ素子の発振波長が９００ｎｍ以下である。
【００２７】
発振波長が９００ｎｍ以下の領域では、自由電子吸収を表した上記式（１）において波長λの指数ｐの値が小さくなるため、図９に示すように、自由電子吸収による効率の悪化をより効果的に回避することができる。
【００２８】
一実施形態においては、発振波長が７００ｎｍ以上である。
【００２９】
短波長帯では自由電子吸収のうちエネルギーバンド内の谷間遷移による吸収の影響が大きくなると言われている。これは波長に反比例する成分を含む現象だが、特に発明者らは７００ｎｍ未満の波長領域で自由電子吸収αfcの値が１０ｃｍ−１を越えることを見出した。本実施形態では、７００ｎｍ以上になるよう発振波長を設定しているため、波長に反比例する自由電子吸収成分の影響を被ることなく、高効率の半導体レーザ素子を得ることができる。
【００３０】
一実施形態では、上記活性層と平行な方向に光を閉じ込める光閉じ込め構造を有し、上記活性層に関して、該光閉じ込め構造のある側の層の光閉じ込め係数の総和が、上記光閉じ込め構造のない側の層の光閉じ込め係数の総和よりも小さく、上記光閉じ込め構造のうち光が閉じ込められる領域は上記ｐ型導電型層の少なくとも１つからなる。
【００３１】
この実施形態では、水平方向つまり活性層と平行な方向の光のモードを安定化するために、特に活性層を挟んで光閉じ込め構造を含む側の層の光閉じ込め係数を逆側よりも低くしている。一般に同じドーピング濃度で比較すると、ｐ型ドーパントの自由電子吸収係数のほうがｎ型ドーパントでの値よりも大きいため、光閉じ込め構造を含む側の層をｐ型としたほうが逆の場合よりも自由電子吸収の影響が小さくなり、効率の値の改善につながる。
【００３２】
一実施形態では、上記半導体レーザ素子は、電流注入領域と非電流注入領域からなり、上記活性層と平行な方向に電流を狭窄する電流狭窄構造を有し、上記電流注入領域は上記ｐ型導電型層の少なくとも１つからなり、該電流注入領域のｐ型導電型層のドーピング濃度は１．０×１０１８ｃｍ−３以上である。
【００３３】
発振横モードを安定させるため、電流狭窄構造の電流注入領域は、一般的に、数μｍ程度という狭い幅に設定されており、さらにその層厚はｐ型導電型層の大半を占める。したがって、電流注入領域を形成するｐ型導電型層の素子抵抗への寄与は極めて大きい。このため、この実施形態では、これらの層のドーピング濃度を１．０×１０１８ｃｍ−３以上となるよう設定することにより、より効果的に自由電子吸収による特性の悪化を回避した上で、素子の低抵抗化をも実現することができる。
【００３４】
本発明の半導体レーザ素子は、上記光閉じ込め構造と上記電流狭窄構造を同時に備えていてもよい。この場合、電流狭窄構造の電流注入領域は、一般的に、光閉じ込め構造の光が閉じ込められる領域に合致するように形成される。
【００３５】
一実施形態では、上記半導体レーザ素子は、電流注入領域と非電流注入領域からなり上記活性層と平行な方向に電流を狭窄する電流狭窄構造と、上記電流狭窄構造の一部からなり上記活性層と平行な方向に光を閉じ込める光閉じ込め構造とを備え、上記光閉じ込め構造のうち光が閉じ込められる領域を画定する２つの境界面は、上記電流狭窄構造内の電流注入領域を画定する２つの境界面と一致しており、上記２つの境界面間の距離は、上記活性層に最も近い部分で２．２μｍ以上である。
【００３６】
この構成による作用は次の通りである。一般に電流狭窄構造／光閉じ込め構造の水平方向に離間した２つの境界面間の距離、すなわち電流狭窄構造のうち電流注入領域（光閉じ込め構造においては、光が閉じ込められる領域）の幅（リッジ構造の場合には、リッジ幅）が数μｍで、横基本モード発振する半導体レーザ素子では、その幅を少し変えると、ニアフィールドパターン（ＮＦＰ）径はその変化以上に急激に変化する。このため、この幅が狭いほど、この幅に対するＮＦＰ径が大きくなり、電流狭窄構造の非電流注入領域内の層への光の漏れが大きくなる。非電流注入領域内の層は高濃度にドーピングされており、漏れた光はその量に応じて、非電流注入領域内の層での自由電子吸収の増加に直結する。これに対して、この実施形態では、上記境界面間の距離つまり電流注入領域の幅が２．２μｍ以上であるから、この幅よりもＮＦＰ径の方が狭くなる。したがって、非電流注入領域内の層への光の漏れによる自由電子吸収の増加を抑制することができる。
【００３７】
一実施形態では、上記ｐ型導電型層のうち上記活性層に最も近い層のドーピング濃度が２．０×１０１７ｃｍ−３以上である。
【００３８】
１．０μｍ以下の近赤外波長帯の半導体レーザ素子は、長波長帯半導体レーザ素子に比べ活性層における井戸層−障壁層間の伝導体側エネルギーギャップΔＥｃが小さいため、活性層からのキャリアリークが生じ易い。しかし、この実施形態では、活性層に最も近いｐ型導電型層のドーピング濃度を２．０×１０１７ｃｍ−３以上に設定することで、活性層からのキャリアリークに対する障壁層として十分にその役割を果たし、高い温度特性を確保することができる。なお、活性層に最も近いｐ型導電型層とは、意図的にｐ型ドーパントが添加されたｐ型導電型層であり、元々はアンドープ層であったものが、隣接したｐ型導電型層からドーパントが拡散した結果としてｐ型導電型層となった層は除く。
【００３９】
一実施形態では、上記ｐ型導電型層は、上記活性層と上記ｐ型クラッド層との間に位置するｐ型光ガイド層を含んでおり、上記ｐ型光ガイド層は積層方向に異なるドーピング濃度を有する２層以上からなり、これら２層以上のｐ型光ガイド層のうち、上記活性層に最も近い層のドーピング濃度が他のｐ型光ガイド層のドーピング濃度よりも小さい。
【００４０】
この実施形態では、自由電子吸収の回避と温度特性の改善を極めて効果的に行うことができる。例えば活性層に近い側の光ガイド層のｐ型ドーピング濃度をＰ１、遠い側の光ガイド層のｐ型ドーピング濃度をＰ２とし、近い側の光ガイド層の光閉じ込め係数をΓ１、遠い側の光ガイド層の光閉じ込め係数をΓ２とすると、一般に活性層に近い側のガ光イド層の光閉じ込め係数のほうが遠い側での値よりも大きいため（Γ１＞Γ２）、本実施形態のように活性層に近い側の光ガイド層のドーピング濃度を遠い側の光ガイド層での値よりも小さく設定（Ｐ１＜Ｐ２）とすることで、本発明を構成するパラメータであるｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ（ｍ）と該ｐ型層ドーピング濃度Ｐ（ｍ）との積の総和Σ｛Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）｝の値のうち、光ガイド層に関する部分（Γ１×Ｐ１＋Γ２×Ｐ２）を、逆に設定した場合（Ｐ１＞Ｐ２）に比べて小さくすることができる。したがって、他のｐ型導電型層の層構造が同じなら、より総和Σ｛Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）｝の値を小さくできるため、自由電子吸収の影響を抑制することができる。または、総和Σ｛Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）｝の値を一定に設定した場合には、他のｐ型導電型層のドーピング濃度や光閉じ込め係数に対する設定の自由を増すことができる。
【００４１】
また、活性層に近い部分のドーピング濃度を低くしたため、ドーピング濃度に比例する拡散速度を小さくすることができ、活性層へのドーパントの拡散を抑制し信頼性の高い半導体レーザ素子を得ることができる。
【００４２】
一実施形態では、光閉じ込め係数Γが１．０×１０−４以上となるｐ型導電型層のドーピング濃度が８．０×１０−１８ｃｍ−３以下である。
【００４３】
一般に半導体に高濃度ドーピングを行うと層の屈折率が大きくなるが、ＡｌＧａＡｓ系材料では８．０×１０１８ｃｍ−３を越えるとこの傾向が顕著となり、該当層の光閉じ込め係数Γが設定値よりも大きくなる。この場合、上記総和Σ｛Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）｝を本発明に従って８．０×１０１７ｃｍ−３ 以下としたとしても、８．０×１０１８ｃｍ−３以上と高ドーピング濃度である該当層での自由電子吸収の影響は大きく、狙い通りの効率の低下という効果を得ることができない。また設計の自由度も低下する。この実施形態は、このような不都合を回避するものである。
【００４４】
一実施形態では、上記ｐ型導電型層は、上記ｐ型クラッド層の上部に位置するｐ型キャップ層を含んでおり、上記キャップ層の光閉じ込め係数Γが５．０×１０−５以下である。
【００４５】
一般的に、キャップ層は低オーミック抵抗とするために、１０１８ｃｍ−３から１０２０ｃｍ−３台という非常に高濃度のドーピングがなされており、このような層に光が存在すると多大な吸収を被る。また、キャップ層には、コンタクト抵抗を低減するために、小さなエネルギーギャップをもつ半導体材料が用いられるので、キャップ層は、周囲の層に比べて屈折率が高くまた発振波長に対して透明な層となる。このため、光閉じ込め係数の値で５．０×１０−５を越える光が存在すると、キャップ層が導波層となり、活性層を通る本来の導波光と干渉を起こす。この干渉は電流−光出力特性にキンクを誘発するため、通信用半導体レーザ素子として用いた場合、符号誤り率などの通信品質を劣化させることとなる。本実施形態ではこれらの影響を回避し、高効率かつ安定に通信動作させ得る半導体レーザ素子を得ることができる。
【００４６】
本発明の第２の側面に係る半導体レーザ素子の製造方法は、上記いずれかの構成を有する半導体レーザ素子の製造方法であって、有機金属化学気相成長法を用いて上記活性層およびその活性層に隣接する層を成長すると共に、上記活性層の成長温度を上記隣接する層の成長温度よりも低くし、かつ成長温度が変化する境界面で成長を一旦中断することを特徴としている。
【００４７】
もし、上記成長温度が変化する境界面で一旦中断せずに連続成長した場合、温度が変化した直後に雰囲気温度のオーバーシュートが生じる。ドーピング量はドーパント材料ガスの濃度とドープされる導電型層の材料、成長時の温度で決まるため、雰囲気温度のオーバーシュートにより当初設定の温度とは異なる温度で成長を行った層では、設定通りのドーピング濃度の素子が得られないことになる。本発明ではこの温度変更界面で一旦成長を中断して再開するという方法を用いたため、このようなオーバーシュートを起こすことなく、設定通りのｐ型ドーピング構造を得ることができ、高効率と高温度特性／低消費電力を両立した半導体レーザ素子を製造することができる。
【００４８】
本発明の第３の側面に係る光無線通信用送信装置は、本発明の上記いずれかの構成を有する半導体レーザ素子を搭載している。
【００４９】
本発明の半導体レーザ素子は、先に説明したように、１．０μｍ以下の近赤外波長における自由電子吸収の影響を考慮して、高効率かつ高温度特性、低消費電力を実現した半導体レーザ素子である。このような特性の半導体レーザ素子を用いることで、今後の高速光無線通信で必要とされる１．０μｍ以下の波長の光を低駆動電力／電圧で発生させることができるため、レーザドライバの設計の自由度を上げることができる。また半導体レーザ素子自体の寿命が延びるため、装置の信頼性が向上する。
【００５０】
本発明の第４の側面に係る光ディスク装置は、本発明の上記いずれかの構成を有する半導体レーザ素子を搭載している。
【００５１】
この発明によると、搭載している半導体レーザ素子が高効率かつ高温度特性、低消費電力を実現したものであるので、高出力化競争が続いている１．０μｍ以下の近赤外波長帯の光ディスク装置において、ディスク回転数を従来よりも高速化することができる。特にＣＤ−Ｒ／ＲＷなどへの書き込み時に問題となっていたディスクへのアクセス時間が従来の半導体レーザ素子を用いた装置よりも格段に短くなり、より快適な操作を実現した光ディスク装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００５２】
本発明の第１の側面によると、波長１．０μｍ以下の近赤外波長帯で自由電子吸収の影響による静特性の悪化を回避しながら高い濃度のｐ型ドーピングを行うことができるため、該波長帯で、高い効率と、それとトレードオフの関係にある高温度特性、低消費電力化を両立した半導体レーザ素子を実現することができる。
【００５３】
また、本発明の第２の側面によると、ｐ型ドーピング濃度を所望の値に設定した半導体レーザ素子を製造する際、有機金属化学気相成長法において起こりうる製造時の雰囲気温度のオーバーシュートを回避することができ、成長時の温度に従って変動する各導電型層のドーピング濃度を設定通りの値になるよう半導体レーザ素子を作製することができ、高効率と高温度特性／低消費電力を両立した半導体レーザ素子を現実に製造することができる。
【００５４】
また、本発明の第３の側面によると、１．０μｍ以下の近赤外波長帯の波長を用いた光無線通信用装置の信頼性を向上させることができ、またレーザドライバの設計の自由度も上げることができる。
【００５５】
また、本発明の第４の側面によると、光ディスク装置において、ディスクの回転数を従来よりも高速化することができ、デ−タの読み書き速度を上げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
〈第１実施形態〉
図１、図２を用いて、本発明の第１の実施形態について説明する。図１、図２はそれぞれ本実施形態の構造、製造方法を示す模式的断面図である。初めに図１を用いて本実施形態の構造を説明する。なおこの後の全実施形態において、ｎ型の導電型層を「ｎ−」と表し、ｐ型の導電型層を「ｐ−」で表す。また層の名称中の「下部」「上部」とは、活性層を挟んでそれぞれ「基板側」、「基板とは逆側」、に位置することを意味する。
【００５７】
層構造は、基板１０１上に、バッファ層１０２、下部クラッド層１０３、下部光ガイド層１０４、量子井戸層と障壁層からなる多重量子井戸活性層１０５、上部光ガイド層１０６、上部第一クラッド層１０７、エッチングストップ層１０８、上部第二クラッド層１０９、第一キャップ層１１０がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層１０９と第一キャップ層１１０とでリッジの最下部がエッチングストップ層直上となるリッジストライプ構造（リッジストライプ部Ｒ）を形成している。さらに、リッジストライプ部Ｒの両側にはその側面を埋め込む形で第一埋め込み層１１１、第二埋め込み層１１２、第三埋め込み層１１３（これらをまとめて埋め込み部Ｆと言う。）が積層され、この埋め込み部Ｆとリッジストライプ部Ｒとで、主にリッジストライプ部Ｒ直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。さらに、リッジストライプ部Ｒと埋め込み部Ｆの上全面に第二キャップ層１１４、第三キャップ層１１５が積層されている。
【００５８】
第１実施形態の一具体例では、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２(０．５μｍ厚)、ｎ−Ａl０.４５２Ｇａ０.５４８Ａｓ下部クラッド層１０３(１．８μｍ厚)、ｎ−Ａl０.４Ｇａ０.６Ａｓ下部光ガイド層１０４(９５ｎｍ厚)、２層の０.０８％圧縮歪Iｎ０.０６Ｇａ０.９４Ａｓ量子井戸層(４．５ｎｍ厚)と３層の無歪Ａl０.１５Ｇａ０.８５Ａｓ障壁層(３層のうち基板側から第１、第３番目の障壁層の層厚２１．５ｎｍ、第２番目は８ｎｍ厚)を交互に積層したアンドープ多重量子井戸活性層１０５(発振波長０．８７μｍ)、ｐ−Ａl０.４Ｇａ０.６Ａｓ上部光ガイド層１０６(９０ｎｍ厚)、ｐ−Ａl０.５Ｇａ０.５Ａｓ上部第一クラッド層１０７(０．１５μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓエッチングストップ層１０８(４ｎｍ厚) ｐ−Ａl０.５３Ｇａ０.４７Ａｓ上部第二クラッド層１０９(１．２８μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第一キャップ層１１０(０．７５μｍ厚)がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層１０９と第一キャップ層１１０とでリッジの最下部がエッチングストップ層直上となるリッジストライプ部Ｒを形成している。
【００５９】
リッジストライプ部Ｒは高さが約２μｍ、幅（つまり、リッジストライプ部Ｒを画定している２つの境界面間の距離）がエッチングストップ層１０８層直上の最も広いところで約３．１μｍである。ここでリッジストライプ部Ｒの高さとは、後に述べるエッチング法を用いて削除される、上部第二クラッド層１０９と第一キャップ層１１０の層厚の和をいう。
【００６０】
さらに、リッジストライプ部Ｒの両側にはその側面を埋め込む形でｎ−Ａl０.７Ｇａ０.３Ａｓ第一埋め込み層１１１(０．６μｍ厚)、ｎ−ＧａＡｓ第二埋め込み層１１２(０．７μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第三埋め込み層１１３(０．７μｍ厚)が積層され、この埋め込み部Ｆとリッジストライプ部Ｒとで、主にリッジストライプ部Ｒ直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。さらに リッジストライプ部Ｒと埋め込み部Ｆの上全面にｐ−ＧａＡｓ第二キャップ層１１４(０．９５μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第三キャップ層１１５(０．３μｍ厚)が積層されている。
【００６１】
次に、図２Ａ−２Ｃを用いて本実施形態の製造方法を説明する。層の構成材料や層厚は上で示しているので、ここでは省略している。
【００６２】
まず、図２Ａに示すように、ｎ−基板１０１上にｎ−バッファ層１０２、ｎ−下部クラッド層１０３、ｎ−下部光ガイド層１０４、２層の井戸層と３層の障壁層からなる量子井戸活性層１０５、ｐ−上部光ガイド層１０６、ｐ−上部第一クラッド層１０７、ｐ−エッチングストップ層１０８、ｐ−上部第二クラッド層１０９、ｐ−第一キャップ層１１０を有機金属化学気相成長法(ＭＯＣＶＤ法)を用いてこの順に積層する。成長温度については、量子井戸活性層で６９０℃、それ以外の層では７１３℃としており、両温度の境界では一旦成長を止めて温度を変えそれが安定した後、再度成長を行った。
【００６３】
その後、図２Ｂに示すように、一例としてＳｉＯ２からなる絶縁膜１２１をマスクとしたエッチング法を用いて、高さが約２μｍ、幅が最下部で約３．１μｍとなるようリッジストライプ部Ｒを作製する。エッチングは、硫酸と過酸化水素水の混合水溶液及びフッ酸を用いて、ｐ−ＧａＡｓエッチングストップ層１０８の直上まで行う。
【００６４】
次に、図２Ｃに示すように、再度ＭＯＣＶＤ法を用いて、リッジストライプ部Ｒの両側にその側面を埋め込む形でｎ−第一埋め込み層１１１、ｎ−第二埋め込み層１１２、ｐ−第三埋め込み層１１３を順次積層する。このとき、リッジストライプ部Ｒの上面には絶縁膜１２１があるため、リッジストライプ部Ｒ上には各埋め込み層の成長は起こらず、リッジストライプ部Ｒの両側部のみに埋め込み層１１１〜１１３を積層することができる。その後、絶縁膜１２１を除去し、再びＭＯＣＶＤ法を用いてｐ−第二キャップ層１１４、ｐ−第三キャップ層１１５を積層する。
【００６５】
以後、ｐ側、ｎ側の両表面に、それぞれ、一例としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ、ＡｕＧｅ／Ｎｉで構成されるオーミック電極を蒸着した後、通常のウエハプロセス（劈開によるウェハーのバー分割、端面コーティングによる反射膜形成、チップ分割）を経ることで、ストライプ方向に光を出射する共振器長５００μｍの埋め込みリッジ型半導体レーザ素子を得る。本実施形態ではドーパント用不純物材料として、ｎ型にシリコンＳi、ｐ型に亜鉛Ｚｎを用いている。
【００６６】
本実施形態では、第三キャップ層側である図１の上方から基板側である図１の下方へ向かって電流が流れるが、このとき各層の導電型が上に述べたような構造となっているため、第一、第二、第三埋め込み層１１１，１１２，１１３が非電流注入領域となり、電流は、第三キャップ層１１５から電流注入領域であるリッジストライプ部Ｒを通って、活性層１０５を含むエッチングストップ層１０８より下方の層へと流れる電流狭窄構造を形成している。
【００６７】
また、本実施形態における活性層と平行な方向に光を閉じ込めるための光閉じ込め構造は、リッジストライプ部Ｒを構成する層の一つである上部第二クラッド層１０９と、非電流注入領域を構成する層の一つである第一埋め込み層１１１との屈折率の違いにより形成されている。つまり、光閉じ込め構造は、これらの層１０９、１１１を電流狭窄構造と共有していることになる。
【００６８】
本実施形態の半導体レーザ素子のｐ型導電型層のドーピング濃度Ｐと光閉じ込め係数Γの値はそれぞれ、上部光ガイド層１０６で１．３５×１０１８ｃｍ−３、０．１６７、上部第一クラッド層１０７で１．３５×１０１８ｃｍ−３、０．１１８、上部第二クラッド層１０９で２．４×１０１８ｃｍ−３、０．０４９、ＧａＡｓキャップ層については、第一キャップ層１１０で３．０×１０１８ｃｍ−３、１．０×１０−６、第二キャップ層１１４で３．０×１０１８ｃｍ−３、１．０×１０−７未満、第三キャップ層１１５で１．０×１０２０ｃｍ−３、１．０×１０−７未満とし、活性層１０５に隣接する上部光ガイド層１０６からリッジストライプ部Ｒを通って第三キャップ層１１５までのｐ型導電型層ｍ（本実施形態では、ｍ＝１、２…７）の光閉じ込め係数Γ（ｍ）とドーピング濃度Ｐ（ｍ）の積の総和Σ｛Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）｝の値が略５．０２×１０１７ｃｍ−３となるように設定している。ここで、ｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ（ｍ）とは、前述したように、基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する層ｍ内に存在する光量の割合のことを言う。
【００６９】
なお、ｐ−エッチングストップ層１０８については、その層厚が他のｐ型導電型層に比して極端に小さく、したがってその光量、より詳しくは光閉じ込め係数は上記総和値に影響を与えることのない無視可能な値であるため、考慮の対象から外している。以降に述べる実施形態でもｐ−エッチングストップ層は同様に取り扱われている。
【００７０】
また、電流狭窄構造のうち非電流注入部となる埋め込み層のドーピング濃度は、ｎ−第一埋め込み層１１１で２．０×１０１８ｃｍ−３、ｎ−第二埋め込み層１１２で３．０×１０１８ｃｍ−３、ｐ−第三埋め込み層１１３で２．０×１０１８ｃｍ−３とした。
【００７１】
本実施形態の半導体レーザ素子の特性は、効率の値で０．９９Ｗ／Ａ、内部吸収αiの値として４．０ｃｍ−１が得られた。また温度特性も１２０Ｋ以上と良好な値が得られ、ｐ型ドーピング濃度減少による抵抗値の上昇もみられなかった。横モードの不安定化によるキンクの発生もなく、直線的な電流−光出力特性が得られた。
【００７２】
上述の如く、本実施形態では、波長８７０ｎｍという波長１．０μｍ以下の近赤外の波長帯で発振する半導体レーザ素子において、特にｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ（ｍ）とドーピング濃度Ｐ（ｍ）の積の総和Σ｛Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）｝の値を５．０２×１０１７ｃｍ−３という、８．０×１０１７ｃｍ−３以下の値に設定することで、該当波長帯で自由電子吸収の影響による静特性の悪化を回避することができ、効率０．９９Ｗ／Ａという高い値を得ることができた。
【００７３】
また、ｐ型ドーピング濃度と光閉じ込め係数の積の総和を定めると同時に、全ｐ型導電型層のうち、層厚でこれらのｐ型導電型層の８０％以上にあたる層でドーピング濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３となるように設定している。具体的には、層厚とドーピング濃度をそれぞれ、上部光ガイド層１０６で９０ｎｍ、１．３５×１０１８ｃｍ−３、上部第一クラッド層１０７で０．１５μｍ、１．３５×１０１８ｃｍ−３、エッチングストップ層１０８で４ｎｍ、８．２×１０１７ｃｍ−３、上部第二クラッド層１０９で１．２８μｍ、２．４×１０１８ｃｍ−３、第一キャップ層１１０で０．７５μｍ、３．０×１０１８ｃｍ−３、第二キャップ層１１４で０．９５μｍ、３．０×１０１８ｃｍ−３、第三キャップ層１１５で０．３μｍ、１．０×１０２０ｃｍ−３として、これらのｐ型導電型層のうち層厚で実質的に１００パーセントにあたる層でドーピング濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３となるように設定している。
【００７４】
従来技術の項で述べたように、主なｐ型導電型層のドーピング濃度を１０１７ｃｍ−３台という比較的低い値に設定した場合、温度特性、素子抵抗、発振横モードといった効率以外のレーザ特性に好ましくない影響が現れる。この影響は、自由電子吸収の場合とは逆に、ｐ型ドーピング濃度が低いほどレーザ特性にとっては悪影響となる。このことを踏まえて実際に近赤外波長帯の半導体レーザ素子を作製し、これらのレーザ特性について調べたところ、ｐ型導電型層の全層厚に対し８０％以上の厚さの層でｐ型ドーピング濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上と設定することで、この影響を回避できることがわかった。本実施形態では、この条件に合うようｐ型導電型層のドーピング濃度と層厚を定めたことで、該当波長帯で自由電子吸収の影響による静特性の悪化を回避しながら、温度特性１２０Ｋ以上など、その他の特性も良好な値を確保することができた。そして高効率と高温度特性／低消費電力を両立した半導体レーザ素子を得ることができた。
【００７５】
また本実施形態では、光閉じ込め構造を形成するリッジストライプ部Ｒ（上部第二クラッド層１０９および第一キャップ層１１０）の導電型をｐ型としたため、これをｎ型にした場合に比べて自由電子吸収を抑制でき、より高い効率で発振する半導体レーザ素子を得ることができた。本実施形態の半導体レーザ素子では活性層と平行な方向の発振横モードを安定化するために、リッジストライプ部にエネルギーギャップの小さい材料を用いて、エッチングストップ層１０８より上方の層の光閉じ込め係数を低くしている。その結果、活性層１０５より下部のｎ型導電型層の光閉じ込め係数は、活性層１０５を挟んで等距離にあるｐ型導電型層のそれよりも大きな値となる。一般に同じドーピング濃度で比較すると、ｐ型ドーパントの自由電子吸収係数はｎ型ドーパントの値よりも大きいため、光閉じ込め構造を含む側の層をｐ型とした方が、逆の場合よりも自由電子吸収の影響が小さくでき、効率の向上につながる。
【００７６】
さらに本実施形態では、上部第二クラッド層１０９、第一〜第三キャップ層１１０、１１４、１１５のドーピング濃度を各々２．４×１０１８ｃｍ−３、３．０×１０１８ｃｍ−３、３．０×１０１８ｃｍ−３、１．０×１０２０ｃｍ−３と、全て１．０×１０１８ｃｍ−３以上となるよう設定している。これらの層は電流狭窄構造のうち数μｍという狭いリッジ幅でその幅が決まる電流注入領域を構成する層であり、またその層厚の合計が３．２８μｍとｐ型導電型層全体の約９０％という８０％以上の値を占めるため、これらの層の素子抵抗への寄与は極めて大きい。このため、これらの層のドーピング濃度を１．０×１０１８ｃｍ−３以上となるよう設定することにより、自由電子吸収による特性の悪化を回避すると同時に素子の低抵抗化をも実現することができた。
【００７７】
また本実施形態では、第一〜第三キャップ層１１０、１１４、１１５の光閉じ込め係数を合わせて５．０×１０−６程度と非常に小さな値になるよう設定している。一般にキャップ層は低オーミック抵抗とするために１．０×１０１８ｃｍ−３〜１．０×１０２０ｃｍ−３という非常に高濃度のドーピングがなされており、ここに光が存在すると多大な吸収を被る。また、キャップ層には、コンタクト抵抗を低減するために、小さなエネルギーギャップをもつ半導体材料が用いられる。本実施形態ではＧａＡｓを用いているが、この場合、周囲の層に比べて屈折率が高く、また発振波長に対して透明な層となる。このため、光閉じ込め係数で５．０×１０−５を越える光が存在すると、このキャップ層が導波層となり、活性層を通る本来の導波光と干渉を起こす。この干渉は電流−光出力特性に複数のキンクを引き起こすため、符号誤り率などの通信品質を劣化させることとなる。本実施形態ではキャップ層の光閉じ込め係数を５．０×１０−６程度と５．０×１０−５以下になるように設定したため、これらの影響を受けることなく、高効率かつ安定に通信動作させ得る半導体レーザ素子を得ることができた。
【００７８】
さらに本実施形態では、光閉じ込め構造と電流狭窄構造の活性層と平行な方向の幅を規定するリッジ幅（リッジ最下部の幅を言う。）を２．２μｍ以上の値となるようにしており、埋め込み層１１１〜１１３での自由電子吸収を抑制することができた。リッジ幅数μｍで横基本モード発振する半導体レーザ素子の、リッジ幅に対するニアフィールドパターン（ＮＦＰ）径の変化を調べると、図３に実線で示す結果が得られた。図３中、破線は比較のために示したＮＦＰ径が等しい場合の線である。この図から、リッジ幅の変化を１とすると、ＮＦＰ径の変化は０．１１程度と非常に小さいことがわかる。このため、リッジ幅が狭いほど、リッジ幅に対するＮＦＰ径は大きくなり、結果として、埋め込み層１１１〜１１３への光の漏れが大きくなる。埋め込み層１１１〜１１３は非電流注入部とするために高濃度にドーピングされているため、埋め込み層１１１〜１１３に漏れた光はその量に応じた自由電子吸収の増加に直結することとなる。しかし、リッジ幅が２．２μｍ以上の場合、図３に示すようにＮＦＰ径がリッジ幅より狭くなるため、埋め込み層への光の漏れによる自由電子吸収の増加を抑制することができる。
【００７９】
但し、リッジ幅が４．０μｍ以上となると、いわゆる横高次カットオフ周波数を越えて横モードが不安定化する場合が多く、また、たとえ基本モードを維持できたとしてもスペクトルホールバーニングにより、キンクの発生原因となる。本実施形態ではリッジ幅を４．０μｍよりも狭い幅に設定したため、安定して横基本モード発振する半導体レーザ素子を得ることができた。
【００８０】
ところで、本実施形態では、このような構造を有する半導体レーザ素子を有機金属化学気相成長法を用いて作製するにあたり、特に下部光ガイド層１０４から量子井戸活性層１０５、さらに量子井戸活性層１０５から上部光ガイド層１０６を成長する際、量子井戸活性層成長温度の６９０℃と活性層以外の層の成長温度７１３℃の間の温度不連続界面でガスの流入を一旦中断し、温度が安定した後に再開するという成長方法を用いている。もしこの界面で一旦中断せず連続して成長した場合、温度が変化した直後に温度のオーバーシュートが起こる。ドーピング量はドーパント材料ガスの濃度やドープされる導電型層の材料、成長時の温度で決まるため、温度のオーバーシュートにより設定した温度とは異なる温度で成長された層のドーピング濃度は、現実には設定とは異なる値となる。本実施形態では、該当界面で一旦成長を中断して再開するという方法を用いたため、このようなオーバーシュートが起こらず、各導電型層とも、設定通りのドーピングプロファイルを得ることができ、高効率と高温度特性／低消費電力を両立した半導体レーザ素子を得ることができた。
【００８１】
なお、量子井戸活性層１０５を構成する井戸／障壁層の歪の定義については、ＧａＡｓ基板の格子定数をａ（ＧａＡｓ）、井戸層または障壁層の格子定数をａとして、｛ａ−ａ（ＧａＡｓ）｝／ａ（ＧａＡｓ）で定義され、その符号が正の場合を圧縮歪、負の場合を引っ張り歪としている。また、歪の大きさは圧縮／引っ張り歪とも絶対値で表現している。
【００８２】
〈第２実施形態〉
本発明の第２実施形態の半導体レーザ素子について、図４を用いてその構造を説明する。
【００８３】
層構造は、基板２０１上に、バッファ層２０２、下部第一クラッド層２０３a、下部第二クラッド層２０３ｂ、下部光ガイド層２０４、量子井戸層と障壁層からなる多重量子井戸活性層２０５、上部光ガイド層２０６、上部第一クラッド層２０７、エッチングストップ層２０８、上部第二クラッド層２０９、第一キャップ層２１０がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層２０９と第一キャップ層２１０とでリッジの最下部がエッチングストップ層直上となるリッジストライプ構造（リッジストライプ部Ｒ）を形成している。リッジストライプ部Ｒの両側にはその側面を埋め込む形で第一埋め込み層２１１、第二埋め込み層２１２、第三埋め込み層２１３（これらをまとめて埋め込め部Ｆ）が積層され、この埋め込み部Ｆとリッジストライプ部Ｒとで、主にリッジストライプ部Ｒ直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。さらに リッジストライプ部Ｒと埋め込み部Ｆの上全面に第二キャップ層２１４、第三キャップ層２１５が積層されている。なお、２１６，２１７はそれぞれｐ型電極、ｎ型電極である。
【００８４】
第２実施形態の一具体例では、ｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２０２(０．５μｍ厚)、ｎ−Ａl０.４５Ｇａ０.５５Ａｓ下部第一クラッド層２０３a(３．０μｍ厚)、ｎ−Ａl０.４７Ｇａ０.５３Ａｓ下部第二クラッド層２０３ｂ(０．２４μｍ厚)、ｎ−Ａl０.４３Ｇａ０.５７Ａｓ下部光ガイド層２０４(１０３ｎｍ厚)、２層の０.４％圧縮歪Iｎ０.２１Ｇａ０.７９Ａｓ０.６２Ｐ０.３８量子井戸層(７．５ｎｍ厚)と３層の０．８％引っ張り歪Iｎ０.０９Ｇａ０.９１Ａｓ０.４Ｐ０.６障壁層(３層のうち基板側から第１、第３番目の障壁層の層厚１０ｎｍ、第２番目は５ｎｍ厚)を交互に積層したアンドープ多重量子井戸活性層２０５(発振波長０．７５μｍ)、ｐ−Ａl０.４３Ｇａ０.５７Ａｓ上部光ガイド層２０６ (５３ｎｍ厚)、ｐ−Ａl０.４９Ｇａ０.５１Ａｓ上部第一クラッド層２０７(０．１７７μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓエッチングストップ層２０８(３ｎｍ厚)、ｐ−Ａl０.４９Ｇａ０.５１Ａｓ上部第二クラッド層２０９(１．２８μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第一キャップ層 ２１０(０．７５μｍ厚)がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層２０９と第一キャップ層２１０とでリッジの最下部がエッチングストップ層直上となるリッジストライプ部Ｒを形成している。このリッジストライプ部Ｒは高さが約２μｍ、幅がエッチングストップ層２０８層直上の最も広いところで約２．８μｍである。
【００８５】
リッジストライプ部Ｒの両側にはその側面を埋め込む形でｎ−Ａl０.７Ｇａ０.３Ａｓ第一埋め込み層２１１(０．６μｍ厚)、ｎ−ＧａＡｓ第二埋め込み層２１２(０．７μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第三埋め込み層２１３(０．７μｍ厚)が積層され、埋め込み部Ｆとリッジストライプ部Ｒとで、主にリッジストライプ部Ｒ直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。さらに リッジストライプ部Ｒと埋め込み部Ｆの上全面にｐ−ＧａＡｓ第二キャップ層２１４(０．９５μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第三キャップ層２１５(０．３μｍ厚)が積層されている。
【００８６】
本実施形態の半導体レーザ素子を有機金属化学気相成長法を用いて作製する際の成長温度や中断といった成長プロファイルは、先の第１実施形態に準ずる。また端面出射型半導体レーザ素子とするまでのプロセスについても、第１実施形態と同じである。
【００８７】
本実施形態の半導体レーザ素子の、ｐ型導電型層のドーピング濃度Ｐと光閉じ込め係数Γの値はそれぞれ、上部光ガイド層２０６で２．０×１０１８ｃｍ−３、０．０８６、上部第一クラッド層２０７で２．０×１０１８ｃｍ−３、０．１４６、上部第二クラッド層２０９で５．０×１０１８ｃｍ−３、０．０６２、ＧａＡｓキャップ層については、第一キャップ層２１０で３．０×１０１８ｃｍ−３、５．０×１０−６、第二キャップ層２１４で３．０×１０１８ｃｍ−３、１．０×１０−７未満、第三キャップ層２１５で１．０×１０２０ｃｍ−３、１．０×１０−７未満とし、活性層２０５に隣接する上部光ガイド層２０６からリッジストライプ部Ｒを通って第３キャップ層２１５までのｐ型導電型層ｍ（本実施形態では、ｍ＝１、２…７）の光閉じ込め係数Γ（ｍ）とドーピング濃度Ｐ（ｍ）の積の総和Σ｛Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）｝の値が略７．７７×１０１７ｃｍ−３となるように設定している。
【００８８】
また電流狭窄構造のうち非電流注入部となる埋め込み層のドーピング濃度は、ｎ−第一埋め込み層２１１で３．０×１０１８ｃｍ−３、ｎ−第二埋め込み層２１２で３．０×１０１８ｃｍ−３、ｐ−第三埋め込み層２１３で５．０×１０１８ｃｍ−３とした。
【００８９】
本実施形態の半導体レーザ素子の特性は、効率の値で０．９７Ｗ／Ａ、内部吸収αiの値として５ｃｍ−１が得られた。また温度特性も１２０Ｋ以上と良好な値が得られ、ｐ型ドーピング濃度減少による抵抗値の上昇もみられなかった。横モードの不安定化によるキンクの発生もなく、直線的な電流−光出力特性が得られた。
【００９０】
このように、本実施形態においても、第１実施形態と同じように、自由電子吸収の影響を受けることなく、高効率と高温度特性／低消費電力を両立した、波長１．０μｍ以下の近赤外の波長帯で発振する半導体レーザ素子を得ることができた。本第２実施形態では、ｐ型導電型層の各個別の層の光閉じ込め係数やドーピング濃度の値も第１実施形態と同様、高効率と高温度特性／低消費電力を両立すべき値の範囲となるよう設定している。
【００９１】
また本実施形態では、特に発振波長を７５０ｎｍという第１実施形態よりも短い波長で発振する半導体レーザ素子に本発明を適用している。前述したように、短波長帯では自由電子吸収のうちエネルギーバンド内の谷の間での遷移による吸収の影響が大きくなると言われる。これは波長に反比例する成分を持つが、特に７００ｎｍ以下の波長では、自由電子吸収αfcの値で１０ｃｍ−１を越えることを本発明者は見出した。これを踏まえて、本実施形態ではレーザ発振波長を７５０ｎｍとしたため、上述の波長に反比例する自由電子吸収成分による吸収の影響を被ることなく、０．９７Ｗ／Ａという比較的高い効率の半導体レーザ素子を得ることができた。
【００９２】
さらに、本実施形態では、第１実施形態と同様、第一〜第三キャップ層２１０、２１４、２１５の光閉じ込め係数を合わせて１．０×１０−５程度と、１．０×１０−５以下となるよう設定した上で、上部光ガイド層２０６からリッジストライプ部Ｒを通って第三キャップ層２１５までのｐ型導電型全層のうち層の光閉じ込め係数が１．０×１０−４以上の層のドーピング濃度を、上部光ガイド層で２．０×１０１８ｃｍ−３、上部第一クラッド層で２．０×１０１８ｃｍ−３、上部第二クラッド層で５．０×１０１８ｃｍ−３と全て８．０×１０１８ｃｍ−３以下となるように設定している。一般に半導体に高濃度ドーピングを行うと層の屈折率が大きくなるが、ＡｌＧａＡｓ系材料ではドーピング濃度が８．０×１０１８ｃｍ−３を越えるとこの傾向が顕著となり、この影響で該当層の光閉じ込め係数Γが設定値よりも大きくなる。このため、光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の総和Σが増大し、効率が低下することになる。但し、光閉じ込め係数が１．０×１０−４より小さい層では存在する光の量が極めて小さいため、該当層の屈折率が増大したとしてもレーザ素子全体の光の形状を変えるまでには至らない。本実施形態では、ｐ型導電型層全層のうち光閉じ込め係数が１．０×１０−４以上の層のドーピング濃度の上限を５．０×１０１８ｃｍ−３と、８．０×１０１８ｃｍ−３以下になるよう設定したため、設定の光分布形状を維持することができ、目的の通りの高効率と高温度特性／低消費電力を両立した半導体レーザ素子が得られた。
【００９３】
〈第３実施形態〉
本発明の第３の実施形態の半導体レーザ素子について、図５を用いてその構造を説明する。
【００９４】
その層構造は、基板３０１上に、バッファ層３０２、下部第一クラッド層３０３a、下部第二クラッド層３０３b、下部光ガイド層３０４、量子井戸層と障壁層からなる多重量子井戸活性層３０５、上部第一光ガイド層３０６a、上部第二光ガイド層３０６b、上部第一クラッド層３０７、エッチングストップ層３０８、上部第二クラッド層３０９、第一キャップ層３１０、第二キャップ層３１１がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層３０９と第一、第二キャップ層３１０、３１１とでリッジの最下部がエッチングストップ層３０８直上であるリッジストライプ構造（リッジストライプ部Ｒ）を形成している。リッジストライプ部Ｒの側面及びその両側には絶縁膜３２２が積層され、この絶縁膜３２２とリッジストライプ部Ｒとで、リッジストライプ部直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。
【００９５】
第３実施形態の一具体例では、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層３０２(０．５μｍ厚)、ｎ−Ａl０.５６Ｇａ０.４４Ａｓ下部第一クラッド層３０３a(２μｍ厚)、ｎ−Ａl０.３Ｇａ０.７Ａｓ下部第二クラッド層３０３b(０．０５μｍ厚)、ｎ−Ａl０.４１Ｇａ０.５９Ａｓ下部光ガイド層３０４(１００ｎｍ厚)、２層の０.１４％圧縮歪 Iｎ０.１２Ｇａ０.８８Ａｓ量子井戸層(４．８ｎｍ厚)と３層の無歪Ａl０.１５Ｇａ０.８５Ａｓ障壁層(３層のうち基板側から第１、第３番目の障壁層の層厚２２ｎｍ、第２番目は８ｎｍ厚)を交互に積層したアンドープ多重量子井戸活性層３０５(発振波長０．８９μｍ)、ｐ−Ａl０.４Ｇａ０.６Ａｓ上部第一光ガイド層３０６a(５０ｎｍ厚)、ｐ−Ａl０.４Ｇａ０.６Ａｓ上部第二光ガイド層３０６b(５０ｎｍ厚)、ｐ−Ａl０.４７Ｇａ０.５３Ａｓ上部第一クラッド層３０７(０．４μｍ厚)、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストップ層３０８(１５ｎｍ厚)、ｐ−Ａl０.５Ｇａ０.５Ａｓ上部第二クラッド層３０９(１．２８μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第一キャップ層３１０(１．７μｍ厚)、 ｐ−ＧａＡｓ第二キャップ層３１１(０．３μｍ厚)がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層３０９と第一、第二キャップ層３１０、３１１とでリッジの最下部がエッチングストップ層３０８直上であるリッジストライプ構造（リッジストライプ部Ｒ）を形成している。
【００９６】
このリッジストライプ部Ｒは、高さが約３μｍ、幅がエッチングストップ層３０８直上の最も広いところで約２．５μｍである。リッジストライプ部Ｒの側面及びその両側には絶縁膜３２２としてＳiＯ２膜が積層され、リッジストライプ部直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。
【００９７】
また、絶縁膜３２２と第二キャップ層３１１上にはｐ型電極３１６が、そして基板３０１の裏面にはｎ型電極３１７が形成されている。
【００９８】
先の第１および第２実施形態の半導体レーザ素子がリッジ埋め込み型半導体レーザ素子であったのに対して、本実施形態の半導体レーザ素子は、リッジ導波型半導体レーザ素子である。
【００９９】
本実施形態の半導体レーザ素子の製造工程では、リッジストライプ部Ｒを形成した後、絶縁膜３２２をウェハ全面に形成し、その後、第２キャップ層３２２上の絶縁膜部分をフォトリソグラフィー技術を用いて除去して電流通路を形成している。この点を除いては、本実施形態の半導体レーザ素子の製造工程は先の２つの実施形態における製造工程と略同様であり、有機金属化学気相成長法を用いて結晶を成長する際の成長温度や中断といった成長プロファイルは、先の第１、第２実施形態に準ずる。また、電極形成後の端面出射型半導体レーザ素子とするまでのプロセスについても、先の実施形態と同じである。
【０１００】
本実施形態の半導体レーザ素子のｐ型導電型層のドーピング濃度Ｐと光閉じ込め係数Γの値はそれぞれ、上部第一光ガイド層３０６aで３．０×１０１７ｃｍ−３、０．１３５、上部第二光ガイド層３０６bで８×１０１７ｃｍ−３、０．０６、上部第一クラッド層３０７で１．３５×１０１８ｃｍ−３、０．２１９、上部第二クラッド層３０９で３．０×１０１８ｃｍ−３、０．０１１、ＧａＡｓキャップ層については、ｐ−第一キャップ層３１０を５．０×１０１８ｃｍ−３、１．０×１０−６、ｐ−第二キャップ層３１１を１．０×１０２０ｃｍ−３、１．０×１０−７未満とし、活性層３０５に隣接する上部第一光ガイド層３０６ａからリッジストライプ部Ｒを通って第二キャップ層３１１までのｐ型導電型層ｍ（本実施形態では、ｍ＝１、２…７）の光閉じ込め係数Γ（ｍ）とドーピング濃度Ｐ（ｍ）の積の総和Σ｛Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）｝の値が４．１７×１０１７ｃｍ−３となるように設定している。
【０１０１】
本実施形態の半導体レーザ素子の静特性は、効率の値で１．０Ｗ／Ａ、内部吸収αiの値として３．５ｃｍ−１が得られた。また温度特性も１３０Ｋ以上と良好な値が得られ、ｐ型ドーピング濃度減少による抵抗値の上昇も見られなかった。横モードの不安定化によるキンクの発生もなく、直線的な電流−光出力特性が得られた。
【０１０２】
本実施形態でも、自由電子吸収の影響を受けることなく、高効率と高温度特性／低消費電力を両立した、波長１．０μｍ以下の近赤外の波長帯で発振する半導体レーザ素子を得ることができた。
【０１０３】
特に本実施形態では、ｐ型導電型各層の光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の総和Σ｛Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）｝を実施形態１、２よりも小さくなるよう設定している。図８はΣ｛Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）｝と内部吸収αｉの関係を示したグラフを示しているが、この図から、特に上記の総和Σ｛Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）｝の値を６．０×１０１７ｃｍ−３以下に設定すると、ｐ型導電型層での自由電子吸収による特性の悪化をほぼ完全に防ぐことができることがわかる。
【０１０４】
また、特に本実施形態の半導体レーザ素子では、波長８９０ｎｍという、波長９００ｎｍを越えない波長となるよう、発振波長を設定している。発振波長９００ｎｍ以下では、自由電子吸収を求める上記式（１）において波長λの指数ｐの値が小さくなるため、図９に示すように、特に自由電子吸収による効率の悪化を抑制することができる。
【０１０５】
さらに本実施形態では、第1第２実施形態と同様、ｐ型導電型各層の光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の総和の値を規定するとともに、活性層を含むアンドープ層に隣接するｐ型導電型層のドーピング濃度を２．０×１０１７ｃｍ−３以上となるように設定した。本実施形態の半導体レーザ素子は、長波長帯半導体レーザ素子に比べ、井戸層のエネルギーギャップが大きい分、井戸層−障壁層間の伝導体側エネルギーギャップΔＥｃが小さく、活性層直近のドーピング濃度を２．０×１０１７ｃｍ−３未満とした場合、活性層を含むアンドープ層からのキャリアリークが急激に増加して半導体レーザ素子の温度特性が悪化する。本実施形態では、活性層直近のドーピング濃度を３．０×１０１７ｃｍ−３に設定したため、上記キャリアリークに対する障壁層としての役割を十分果たすことができ、１３０Ｋ以上という第１、第２実施形態と同等以上の温度特性を確保することができた。
【０１０６】
そして、本実施形態では、ｐ型導電型各層の光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の総和Σの値などを規定するとともに、ｐ型上部光ガイド層を層の積層方向に２層３０６ａ，３０６ｂに分け、活性層に近い側すなわち光閉じ込め係数の大きい側の層である上部第一光ガイド層３０６ａのドーピング濃度を３．０×１０１７ｃｍ−３と、遠い側のｐ型上部第二光ガイド層３０６ｂの値８．０×１０１７ｃｍ−３よりも小さく設定している。このことにより自由電子吸収の抑制と温度特性の改善をより効果的に行うことができた。同時に活性層へのドーパントの拡散も抑制することができ、信頼性の高い半導体レーザ素子を得ることができた。
【０１０７】
以上３種の実施形態では、波長７５０ｎｍ、９００ｎｍ弱程度の半導体レーザ素子について記述したが、本発明の骨子は、従来自由電子吸収を問題としていなかった波長１．０μｍ以下の近赤外波長帯で自由電子吸収の影響の程度を把握し、電流注入領域にあるｐ型導電型層のドーピング濃度と光閉じ込め係数との積の総和を規定することで、当該波長帯での自由電子吸収の影響の回避と温度特性や素子抵抗の値の維持もしくは改善との両立をはかるものであるため、ｐ型導電型層をもつ波長１．０μｍ以下、そして好ましくは７００ｎｍ以上で発振する近赤外波長帯半導体レーザ素子全てに適用され得るものである。
【０１０８】
また、上記全実施形態ではｐ型クラッド層がエッチングストップ層によって二分される構造となっているが、先に述べた本特許の骨子からすると、層を構成する材料の混晶比で規定されるクラッド層の分類については、本発明の本質とは直接の関係はない。例えばエッチングストップ層がなくクラッド層1層で構成されるＢＨ（埋め込みヘテロ）構造型の半導体レーザ素子や、他の目的のためクラッド層が３層以上の複数層で構成された半導体レーザ素子に対しても、本特許の内容は適用され得るものである。
【０１０９】
さらに、上記全実施形態において、ＧａＡｓ基板を用い、かつ被ドーピング層の層材料を全てＡｌＧａＡｓ系の材料としているが、ＩＩＩ−Ｖ族系の化合物半導体であればｐ型ドーピング濃度と光閉じ込め係数の積の総和の自由電子吸収αｆｃへの寄与はほとんど同じであるため、本発明を構成する要件を満たせば、他のＩＩＩ−Ｖ族系の化合物半導体材料、例えばＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｌＰなどで構成された半導体レーザ素子全てに適用され得るものである。
【０１１０】
また導電型についても、全実施形態で活性層より基板に近い側をｎ型、遠い側をｐ型としているが、上記実施形態と逆の導電型すなわち活性層より基板に近い側がｐ型、遠い側がｎ型という構成に対しても、本発明は適用し得るものである。
【０１１１】
〈第４実施形態〉
図６を用いて本発明の第４の実施形態である光無線通信用送信装置について説明する。これは、第１実施形態の半導体レーザ素子４０１を用いて空間的に離れた場所にある受信装置に信号光を送信するための装置である。
【０１１２】
具体的には、信号発生源４０２と送信用回路４０３とレーザドライバ４０４と電気信号を光に変えて空間に放射する半導体レーザ素子４０１を備えており、信号発生源４０２から発せられる電気信号を送信用回路４０３を通じてレーザドライバ４０４に入力し、この電気信号を半導体レーザ素子４０１を用いてＥ／Ｏ（電気／光）変換し、外部空間への放射光４０５とする。このとき半導体レーザ素子外部には、人体、特に眼への安全基準を満たすよう光を拡散する樹脂モールドが備えつけられており、半導体レーザ素子４０１から出た光は安全基準を満たす程度に非コヒーレント化され、外部放射光４０５とされている。
【０１１３】
このように、第１実施形態の高効率かつ高温度特性／低消費電力の半導体レーザ素子を用いることで、今後の高速光無線通信で必要とされる１．０μｍ以下の近赤外波長帯の光を低い駆動電力／電圧で発生させることができるため、レーザドライバや他の回路構成部品の消費電力に余裕ができ、ドライバや回路を設計する際の自由度を上げることができる。また高効率、高温度特性から駆動電流を低くすることができるため、半導体レーザ素子の寿命が延び、装置の信頼性が向上する。
【０１１４】
〈第５実施形態〉
図７を用いて本発明の第５の実施形態である光ディスク記録再生装置について説明する。これは光ディスク５０１にデ−タを書き込んだり、書き込まれたデ−タを再生するための装置であり、発光素子５０２，コリメ−トレンズ５０３，ビ−ムスプリッタ５０４，λ/４偏光板５０４，レ−ザ光照射用対物レンズ５０６、再生光用対物レンズ５０７、信号光検出用受光素子５０８、信号再生回路５０９を備えている。そして、発光素子５０２として、先に説明した本発明第２の実施形態の半導体レーザ素子が用いられている。この光ディスク記録再生装置についてその作用を以下に説明する。
【０１１５】
まず書き込みの際には、半導体レーザ素子５０２から出射された信号光がコリメ−トレンズ５０３により平行光とされ、ビ−ムスプリッタ５０４を透過しλ/４偏光板５０５で偏光状態が調節された後、対物レンズ５０６で集光されて光ディスク５０１に照射される。これに対して、読み出しの際には、デ−タ信号がのっていないレ−ザ光が書き込み時と同じ経路をたどって光ディスク５０１に照射される。このレ−ザ光がデ−タが記録された光ディスク５０１の表面で反射され、レ−ザ光照射用対物レンズ５０６、λ/４波長板５０５を経た後、ビ−ムスプリッタ５０４で反射されて９０度角度を変えた後、再生光用対物レンズ５０７で集光され、信号検出用受光素子５０８に入射する。信号検出用受光素子５０８内で、入射したレ−ザ光の強弱によって、記録されたデ−タ信号が電気信号に変換され、信号光再生回路５０９において元の信号に再生される。
【０１１６】
本実施形態の光ディスク装置は従来よりも高い光出力で動作する半導体レーザ素子を用いているため、ディスクの回転数を従来よりも高速化してもデ−タの読み書きが可能となった。したがって、特にＣＤ−Ｒ／ＲＷなどへの書き込み時に問題となっていたディスクへのアクセス時間が従来の半導体レーザ素子を用いた装置よりも格段に短くなり、より快適な操作を実現した光ディスク装置を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子の構造を示す模式的断面図である。
【図２Ａ】本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子の製造過程において、基板から第一キャップ層まで積層した状態を表す模式的断面図である。
【図２Ｂ】本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子の製造過程において、エッチング工程が終了した状態を表す模式的断面図である。
【図２Ｃ】本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子の製造過程において、第三キャップ層まで積層した状態を表す模式的断面図である。
【図３】実験で得られた、リッジ幅と半導体レーザ素子のニアフィールドパターン（ＮＦＰ）径の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第２実施形態の半導体レーザ素子の構造を示す模式的断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態の半導体レーザ素子の構造を示す模式的断面図である。
【図６】本発明の第４実施形態の光無線通信用装置の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第５実施形態の光ディスク記録再生装置を示す模式的構成図である。
【図８】実験で得られた、半導体レーザ素子の内部吸収αiの値と、ｐ型半導体層のドーピング濃度と光密度の積の総和との関係を表したグラフである。
【図９】自由電子吸収と波長との関係をドーピング濃度をパラメータとして表した模式図である。
【符号の説明】
【０１１８】
１０１、２０１、３０１  基板
１０２、２０２、３０２  バッファ層
１０３、２０３a、２０３b、３０３a、３０３b  下部クラッド層
１０４a、１０４b、２０４、３０４a、３０４b  下部光ガイド層
１０５、２０５、３０５  活性層
１０６、２０６、３０６a、３０６b  上部光ガイド層
１０７、２０７、３０７  上部第一クラッド層
１０８、２０８、３０８  エッチングストップ層
１０９、２０９、３０９  上部第二クラッド層
１１０、２１０、３１０  第一キャップ層 
１１４、２１４、３１１  第二キャップ層
１１５、２１５    第三キャップ層
１１１、２１１    第一埋め込み層
１１２、２１２    第二埋め込み層
１１３、２１３    第三埋め込み層
１１６、２１６、３１６  ｐ型電極
１１７、２１７、３１７  ｎ型電極
１２１  選択エッチング用絶縁膜
３２２  電流狭窄用絶縁膜
４０１  第１実施形態の半導体レーザ素子
４０２  信号発生源
４０３  送信用回路
４０４  レーザドライバ
４０５  外部空間への放射光
５０１  光ディスク
５０２  第２実施形態の半導体レーザ素子
５０３  コリメ−トレンズ
５０４  ビ−ムスプリッタ
５０５  λ/４偏光板
５０６  レ−ザ光照射用対物レンズ
５０７  再生光用対物レンズ
５０８  信号光検出用受光素子
５０９  信号再生回路
Ｒ  リッジストライプ部
Ｆ  埋め込み部
【図１】
2006073746.tif 000007
【図２Ａ】
2006073746.tif 000008
【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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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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