(57)【要約】【課題】垂直方向ＦＦＰ形状とガウシアン形状との相違量を劇的に小さくすることによりピックアップ光学系への結合効率を高め、必要な動作電力を低く抑えることにより低コストを実現する半導体レーザ素子を提供することである。【解決手段】半導体レーザ素子１００は、負電極１１３、ＧａＮ基板１０１、第１のｎ型クラッド層１０２、光を遮断するｎ型の光進入禁止層１０３、第２のｎ型クラッド層１０４、ｎ型光導波層１０５、第１のキャリアストップ層１０６、活性層１０７、第２のキャリアストップ層１０８、ｐ型光導波層１０９、ｐ型クラッド層１１０、ｐ型コンタクト層１１１、正電極１１２が、この順に積層されて構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板側から順に、光進入禁止層と、第１導電型クラッド層と、活性層と、第２導電型クラッド層とを積層した半導体レーザ素子。
【請求項２】
基板側から順に、第１導電型クラッド層と、活性層と、第２導電型クラッド層と、光進入禁止層とを積層した半導体レーザ素子。
【請求項３】
基板側から順に、第１の光進入禁止層と、第１導電型クラッド層と、活性層と、第２導電型クラッド層と、第２の光進入禁止層とを積層した半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記第１導電型クラッド層及び前記第２導電型クラッド層はＡｌを含み、前記活性層はＩｎを含むことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記第１導電型クラッド層のＡｌ混晶比と、前記第２導電型クラッド層のＡｌ混晶比との差が１％以内であることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記第１導電型クラッド層の前記活性層側と異なる主面側に存在する前記光進入禁止層の光屈折率は、前記第１導電型クラッド層の光屈折率よりも０．０１以上小さいことを特徴とする請求項１又は３記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記第２導電型クラッド層の前記活性層側と異なる主面側に存在する前記光進入禁止層の光屈折率は、前記第２導電型クラッド層の光屈折率よりも０．０１以上小さいことを特徴とする請求項２又は３記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記第１導電型クラッド層の前記活性層側と異なる主面側に存在する前記光進入禁止層の光吸収係数が１００００ｃｍ-1以上であることを特徴とする請求項１又は３記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記第２導電型クラッド層の前記活性層側と異なる主面側に存在する前記光進入禁止層の光吸収係数が１００００ｃｍ-1以上であることを特徴とする請求項２又は３記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記第１導電型クラッド層の前記活性層側と異なる主面側に存在する前記光進入禁止層と、第１導電型クラッド層の前記活性層側主面との間隔が０．０１μｍ以上１．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は３記載の半導体レーザ素子。
【請求項１１】
前記第２導電型クラッド層の前記活性層側と異なる主面側に存在する前記光進入禁止層と、第２導電型クラッド層の活性層側主面との間隔が０．０１μｍ以上１．５μｍ以下であることを特徴とする請求項２又は３記載の半導体レーザ素子。
【請求項１２】
前記第１導電型クラッド層の前記活性層側と異なる主面側に存在する前記光進入禁止層の層厚が０．０１μｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は３記載の半導体レーザ素子。
【請求項１３】
前記第２導電型クラッド層の前記活性層側と異なる主面側に存在する前記光進入禁止層の層厚が０．０１μｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする請求項２又は３記載の半導体レーザ素子。
【請求項１４】
前記第１導電型クラッド層の前記活性層側と異なる主面側に存在する前記光進入禁止層が絶縁層であることを特徴とする請求項１又は３記載の半導体レーザ素子。
【請求項１５】
前記第２導電型クラッド層の前記活性層側と異なる主面側に存在する前記光進入禁止層が絶縁層であることを特徴とする請求項２又は３記載の半導体レーザ素子。
【請求項１６】
前記第１導電型クラッド層の前記活性層側と異なる主面側に存在する前記光進入禁止層が、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＮ、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）、ＡｌyＧａ1-yＡｓ（０＜ｙ≦１）、ＡｌzＧａ1-zＰ（０＜ｚ≦１）の何れかであることを特徴とする請求項１又は３記載の半導体レーザ素子。
【請求項１７】
前記第２導電型クラッド層の前記活性層側と異なる主面側に存在する前記光進入禁止層が、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＮ、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）、ＡｌyＧａ1-yＡｓ（０＜ｙ≦１）、ＡｌzＧａ1-zＰ（０＜ｚ≦１）の何れかであることを特徴とする請求項２又は３記載の半導体レーザ素子。
【請求項１８】
前記第１導電型クラッド層の前記活性層側と異なる主面側に存在する前記光進入禁止層が金属層であることを特徴とする請求項１又は３記載の半導体レーザ素子。
【請求項１９】
前記第２導電型クラッド層の前記活性層側と異なる主面側に存在する前記光進入禁止層が金属層であることを特徴とする請求項２又は３記載の半導体レーザ素子。
【請求項２０】
前記第１導電型クラッド層の前記活性層側と異なる主面側に存在する前記光進入禁止層が空気層であることを特徴とする請求項１又は３記載の半導体レーザ素子。
【請求項２１】
前記第２導電型クラッド層の前記活性層側と異なる主面側に存在する前記光進入禁止層が空気層であることを特徴とする請求項２又は３記載の半導体レーザ素子。
【請求項２２】
前記第２導電型クラッド層の前記活性層側と異なる主面側に存在する前記光進入禁止層が、第２導電型電極であることを特徴とする請求項２又は３記載の半導体レーザ素子。
【請求項２３】
前記第１導電型クラッド層と前記活性層との間にＡｌを含む第１のキャリアストップ層を設け、前記第２導電型クラッド層と前記活性層との間にＡｌを含む第２のキャリアストップ層を設けることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項２４】
前記第１導電型クラッド層から前記第２導電型クラッド層までの領域内における屈折率分布が、活性層中心面を中心とした対称構造となっていることを特徴とする請求項１〜２３の何れかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項２５】
請求項１〜２４の何れかに記載の半導体レーザ素子を備えた光学式情報記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子及びそれを備えた光学式情報記録装置に関し、特に、ガウシアン形状に近い垂直方向のファーフィールドパターンを有する半導体レーザ素子及びそれを備えた光学式情報記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ及びそれらの混晶半導体に代表される窒化物系半導体材料により、青色から紫外領域で発光する半導体レーザ素子が試作されている（非特許文献１参照）。この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ層（膜厚３μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎバッファ層、ｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層（膜厚０．５μｍ）、ｎ型ＧａＮ光導波層（膜厚０．１μｍ）、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／ｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ３重量子井戸活性層（膜厚各４０Å／８０Å×３ＭＱＷ）、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層（膜厚２００Å）、ｐ型ＧａＮ光導波層（膜厚０．１μｍ）、ｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層（膜厚０．５μｍ）、ｐ型ＧａＮコンタクト層（膜厚０．２μｍ）が順次積層形成されて構成される。さらに、活性層の上部構造の一部がｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層に到達するまでエッチングされ、幅２μｍのリッジ形状のストライプが形成されている。また、これらの上には電極が形成されている。この半導体レーザ素子では、活性層及び光導波層がクラッド層に挟まれた光導波構造を有しており、活性層で発光した光はこの光導波構造内に閉じ込められてレーザ発振動作を生じる。
【非特許文献１】アプライド＝フィジックス＝レターズ６９号（ｐｐ．４０５６−４０５８）
【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、上記従来の半導体レーザ素子では、以下のような問題が生じる。本発明者らが上記の半導体レーザ素子を作製し、得られた垂直方向ＦＦＰ（ファーフィールドパターン）の形状を見ると、ガウシアンフィッティング曲線と比較して、裾部分の強度が強くなっていた。半導体レーザ素子からの出射光をピックアップ光学系に結合させる際、ＦＦＰのピーク強度から数十％以上の角度内の光のみを使用し、それ以下の強度にある角度の光は使用しないため、上記のようなＦＦＰを有する半導体レーザ素子においては、ピックアップ光学系への結合効率が低下することになる。これは、半導体レーザ素子に求められる動作光出力の増大に繋がり、スペックが厳しくなる為、歩留まり低下・コスト増大に繋がる。従って、ＦＦＰにおける裾付近の光強度を低下させることが求められる。換言すれば、ＦＦＰ形状をガウシアン形状に近づけることが求められる。
【０００４】
垂直方向ＦＦＰをガウシアン形状に近づけるために、従来の半導体レーザ素子の他の例では、クラッド層から活性層に近づくにつれて、屈折率を連続的に変化させた構造、いわゆるグレーディッド構造が提案されている。このグレーディッド構造は、半導体の混晶比をほぼ連続的に変化させながら結晶成長することにより作製できる。
【０００５】
また従来の半導体レーザ素子の他の例では、クラッド層や光導波層が屈折率の異なる２層以上からなり、活性層に近い側の屈折率が高くなるような屈折率分布を構成している構造が提案されている。本構造も、上記グレーディッド構造と同じ作用により、垂直方向ＦＦＰをガウシアン形状に近づける効果を有している。
【０００６】
しかし、我々が上記２構造について検討したところ、垂直方向ＦＦＰをガウシアン形状に近づける効果は僅かであり、劇的な効果は得られていないことが判明した。
【０００７】
以上のように、従来の半導体レーザ素子によると、垂直方向ＦＦＰ形状はガウシアン形状からのずれが大きく、ピックアップ光学系への結合効率が低い為、必要な動作光出力の増大を招いており、スペックが厳しいことによる歩留まり低下・コスト増大を招いていた。
【０００８】
本発明は、垂直方向ＦＦＰ形状とガウシアン形状との相違量を劇的に小さくすることによりピックアップ光学系への結合効率を高め、必要な動作電力を低く抑えることにより低コストを実現する半導体レーザ素子を提供することを目的とする。また、その半導体レーザ素子を用い、より安価な光学式情報再生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明の半導体レーザ素子は、基板側から順に、光進入禁止層と、第１導電型クラッド層と、活性層と、第２導電型クラッド層とを積層した構成とする。
【００１０】
また、基板側から順に、第１導電型クラッド層と、活性層と、第２導電型クラッド層と、光進入禁止層とを積層した構成としてもよい。
【００１１】
また、上記の２つの構成を合わせて、基板側から順に、第１の光進入禁止層と、第１導電型クラッド層と、活性層と、第２導電型クラッド層と、第２の光進入禁止層とを積層した構成としてもよい。
【００１２】
これらの構成によると、垂直方向ＦＦＰ形状とガウシアン形状との相違量が劇的に小さくなる。
【００１３】
なお、前記第１導電型クラッド層及び前記第２導電型クラッド層はＡｌを含み、前記活性層はＩｎを含むことが望ましい。
【００１４】
また、前記第１導電型クラッド層のＡｌ混晶比と、前記第２導電型クラッド層のＡｌ混晶比との差が１％以内であることが望ましい。
【００１５】
また、前記光進入禁止層の光屈折率は、前記第１導電型クラッド層や前記第２導電型クラッド層の光屈折率よりも０．０１以上小さいことが望ましい。
【００１６】
また、前記光進入禁止層の光吸収係数が１００００ｃｍ-1以上であることが望ましい。
【００１７】
また、前記第１導電型クラッド層の前記活性層側と異なる主面側に存在する前記光進入禁止層と、第１導電型クラッド層の活性層側主面との間隔、及び前記第２導電型クラッド層の前記活性層側と異なる主面側に存在する前記光進入禁止層と、第２導電型クラッド層の活性層側主面との間隔が０．０１μｍ以上１．５μｍ以下であることが望ましい。
【００１８】
上記範囲の下限は、θ⊥が大きくなり過ぎないように制限される。また上記範囲の上限は、光進入禁止層の役割を果たす為に必要な最低限の距離を保つ為に制限される。
【００１９】
また、前記光進入禁止層の層厚が０．０１μｍ以上３μｍ以下であることが望ましい。
【００２０】
層厚が０．０１μｍ以上であれば光進入禁止層の役割を果たすことができ、また３μｍ以下であれば成長可能な層厚である。
【００２１】
また、前記光進入禁止層が絶縁層、金属層、又は空気層であることが望ましい。
【００２２】
また、前記光進入禁止層が、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＮ、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）、ＡｌyＧａ1-yＡｓ（０＜ｙ≦１）、ＡｌzＧａ1-zＰ（０＜ｚ≦１）の何れかであることが望ましい。
【００２３】
また、前記第２導電型クラッド層の前記活性層側と異なる主面側に存在する光進入禁止層は第２導電型電極で兼用してもよい。
【００２４】
また、前記第１導電型クラッド層と前記活性層との間にＡｌを含む第１のキャリアストップ層を設け、前記第２導電型クラッド層と前記活性層との間にＡｌを含む第２のキャリアストップ層を設けることが望ましい。
【００２５】
また、前記第１導電型クラッド層から前記第２導電型クラッド層までの領域内における屈折率分布が、活性層中心面を中心とした対称構造となっていることが望ましい。
【００２６】
また本発明の光学式情報記録装置は、上記の半導体レーザ素子を備えた構成とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によると、適切な層間に光進入禁止層を設けることにより、垂直方向ＦＦＰ形状とガウシアン形状との相違量が劇的に小さくなり、ピックアップ光学系への結合効率が高くなり、必要な動作電力を低く抑えることができ、低コストな半導体レーザ素子を実現することができる。
【００２８】
また本発明によると、上記の半導体レーザ素子を用いることにより、より安価な光学式情報再生装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本明細書において、「垂直方向」とは、半導体層の積層方向を指すものとする。また本明細書において、「ガウシアンからの相違量」とは、ＦＦＰ形状のガウシアン形状からのずれの度合いを表す数値を指し、ＦＦＰをＦＦＰ（θ）、このＦＦＰ（θ）のピーク強度４０％以上のデータをガウシアン関数でフィッティングした関数をＦＩＴ（θ）とおいて、次式で表されるものとする。
（ガウシアンからの相違量）＝｛∫｜ＦＦＰ（θ）−ＦＩＴ（θ）｜ｄθ｝／｛∫ＦＦＰ（θ）ｄθ｝
【００３０】
ここで、ＦＩＴ（θ）の算出方法は、以下の通り行うものとする。０．１°間隔で、少なくとも−４０°≦θ≦４０°を含む範囲以上に渡って取得したデータの集合｛θ，ＦＦＰ（θ）｝に対し、ＦＦＰ（θ）のピーク強度の６５％以上の値を有する集合のみを取り出し、改めて集合｛θ，ｌｎ［ＦＦＰ（θ）］｝を作成する。作成したデータ列を２次関数ｙ＝ａ．θ^2＋ｂ・θ＋ｃで最小自乗法近似によりフィッティングする。得られた係数ａ，ｂ，ｃを用いてＦＩＴ（θ）は以下の形で得られる。
ＦＩＴ（θ）＝ｅｘｐ［y］
【００３１】
図１は、本発明の半導体レーザ素子１００の構成を示す模式断面図である。図１では半導体レーザ素子１００の共振器方向に垂直な断面を表している。
【００３２】
半導体レーザ素子１００は、ＧａＮ基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＮから成る第１のｎ型クラッド層１０２、光を遮断するｎ型の光進入禁止層（第１導電型光進入禁止層）１０３、ｎ型ＡｌＧａＮから成る第２のｎ型クラッド層（第１導電型クラッド層）１０４、ｎ型ＧａＮから成るｎ型光導波層１０５、ｎ型ＡｌＧａＮから成る第１のキャリアストップ層１０６、ＡｌＩｎＧａＮから成る活性層１０７、ｐ型ＡｌＧａＮから成る第２のキャリアストップ層１０８、ｐ型ＧａＮから成るｐ型光導波層１０９、ｐ型ＡｌＧａＮから成るｐ型クラッド層（第２導電型クラッド層）１１０、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１１１、正電極１１２が、この順に積層されて構成される。またＧａＮ基板１０１の第１のｎ型クラッド層１０２とは反対面に、負電極１１３が形成されている。
【００３３】
例えば、第１のｎ型クラッド層１０２はｎ型Ａｌ0.061ＧａＮ、光進入禁止層１０３はｎ型Ａｌ0.2ＧａＮ、第２のｎ型クラッド層１０４はｎ型Ａｌ0.061ＧａＮ、ｎ型光導波層１０５はｎ型ＧａＮ、第１のキャリアストップ層１０６はｎ型Ａｌ0.3ＧａＮ、活性層１０７はＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮから成る多重量子井戸活性層、第２のキャリアストップ層１０８はｐ型Ａｌ0.3ＧａＮ、ｐ型光導波層１０９はｐ型ＧａＮ、ｐ型クラッド層１１０はｐ型Ａｌ0.061ＧａＮ、ｐ型コンタクト層１１１はｐ型ＧａＮとすることができる。
【００３４】
ここで、正電極（第２導電型電極）１１２は、ｐ型の光進入禁止層（第２導電型光進入禁止層）の役割も果たしている。なお、ｐ型クラッド層（第２導電型クラッド層）１１０とｐ型コンタクト層１１１の間、又はｐ型コンタクト層１１１と正電極１１２の間に、ｐ型の光進入禁止層（第２導電型光進入禁止層）を設けてもよい。
【００３５】
また、第１のキャリアストップ層１０６と第２のキャリアストップ層１０８は、少なくともＡｌを含む組成とする。第２のキャリアストップ層１０８を設ける理由は、ｎ型半導体層側から活性層１０７に注入された電子が、ｐ型半導体層側にオーバーフローするのを防止するためである。第２のキャリアストップ層１０８にＡｌを含めることにより、電子にとっては障壁となるように作用する。第１のキャリアストップ層１０６にＡｌを設ける理由は、第１導電型クラッド層から第２導電型クラッド層までの領域内における屈折率分布が、活性層中心面を中心とした対称構造とするためであり、これはガウシアンからの相違量を小さくするためである。
【００３６】
また、第２のｎ型クラッド層１０４及びｐ型クラッド層１１０はＡｌを含み、活性層１０７はＩｎを含む組成とする。なぜなら、これを含ませることで、層厚方向に屈折率分布を設けることが出来、活性層１０７における光密度を上げることが出来て、効率よくレーザ発振を行うことが出来るからである。
【００３７】
なお、本発明においては、基板とｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド層と光進入禁止層があればよい。例えばｐ型／ｎ型光導波層、第１／第２のキャリアストップ層などは本発明に必須の構造ではないため、必要に応じて除いても良い。また上記の実施形態においては、基板にＧａＮを用いているが、例えばサファイアなどを用いても良い。また活性層はＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮで構成された多重量子井戸構造を用いているが、例えばＩｎＧａＮ／ＧａＮで構成された多重量子井戸構造や、ＧａＮ／ＡｌＧａＮで構成された多重量子井戸構造や、単一量子井戸構造を用いても良い。
【００３８】
図２は、垂直方向ＦＦＰのガウシアンからの相違量の構造パラメータ依存性を示している。点Ａは、従来の半導体レーザ素子における、垂直方向ＦＦＰとガウシアンからの相違量を示し、点Ｂは、本発明の半導体レーザ素子１００における、垂直方向ＦＦＰとガウシアンからの相違量を示している。実線は、従来の半導体レーザ素子において、光導波層の総層厚を変化させたときの様子を示しており、破線は、従来の半導体レーザ素子において、光導波層の屈折率を変化させたときの様子を示している。実線及び破線を見れば明らかな通り、垂直方向ＦＦＰの半値全角θ⊥が広くなる程、ガウシアンからの相違量が減少する傾向が見られる。
【００３９】
従来の半導体レーザ素子において、光導波層の屈折率を増加させても、ガウシアンからの相違量は０．０６付近の値で収束傾向を示し、それ以下の値にはならない。さらにθ⊥が増大していく為、θ⊥／θ‖で定義される楕円率を低下させることになり、ピックアップ光学系への結合効率の低下を招き実用上望ましくない。
【００４０】
また従来の半導体レーザ素子において、光導波層の総膜厚を増大させると、ガウシアンからの相違量は減少傾向を示すが、点Ａより光導波層の総膜厚を増大させると、活性層光閉じ込め係数が減少傾向を示す。これは閾値電流の増大を招き、即ち動作電流の増大を招くことになり、実用上望ましくない。
【００４１】
これに対して半導体レーザ素子１００においては、点Ｂが示す通り、ガウシアンからの相違量が０．０１付近と劇的に小さくなっており、かつ点Ａと同じ活性層光閉じ込め係数を実現している。
【００４２】
図３（ａ）は、従来の半導体レーザ素子の垂直方向ＦＦＰとガウシアンフィッティング曲線を示す図である。従来の半導体レーザ素子における垂直方向ＦＦＰを実線で、ガウシアンフィッティング曲線を破線で示している。垂直方向ＦＦＰは、ガウシアンフィッティング曲線に比べ、裾付近における光強度が強くなっている。図３（ｂ）は、半導体レーザ素子１００の垂直方向ＦＦＰとガウシアンフィッティング曲線を示す図である。半導体レーザ素子１００における垂直方向ＦＦＰを実線で、ガウシアンフィッティング曲線を破線で示している。従来の半導体レーザ素子に比べ、裾付近の光強度が劇的に抑えられていることがわかる。
【００４３】
次に、本発明の光進入禁止層の効果について、図４を用いて説明する。ある屈折率を有する薄膜を、これより屈折率の低い層で挟んだ構造により形成される、３層薄膜構造を想定する。このような最も単純な光導波路における光電界分布をシミュレーション計算すると、図４（ｃ）に示すようなガウシアン形状ではなく、図４（ａ）に示すように、裾の光電界強度が盛り上がった形状となる。図４（ｂ）は、図４（ａ）を実際の光電界分布に近づけるために図４（ｃ）に加えた関数である。このようにして形成した光電界分布（図４（ａ））をフーリエ変換すると、図４（ｄ）のＦＦＰ形状ように、ガウシアン形状と比べ中腹から裾にかけて盛り上がった形状となる。これは３層薄膜構造におけるＦＦＰ形状がガウシアン形状と異なる形状になることを意味している。
【００４４】
図５は、従来型の半導体レーザ素子における、垂直方向ＦＦＰの測定値を示したものである。分布Ｃは測定値を表し、分布Ｄはピーク強度の６５％以上の値を有する点集合のみを取り出して最小二乗法を用いてガウシアン関数にフィッティングしたものである。図４（ｄ）で示したシミュレーションの通り、ガウシアン形状と比べ中腹から裾にかけて盛り上がった形状となっている。
【００４５】
本発明における光進入禁止層は、その存在により、図４（ａ）における光電界分布を、図４（ｃ）の形状に近づける役割を果たしている。即ち、半導体レーザ素子においては、光進入禁止領域を設けることにより、ｐ側ｎ側両側又は片側において、裾の光電界分布強度を抑えることができる。これにより、垂直方向ＦＦＰにおける形状の、中腹から裾にかけて盛り上がった部分の強度を抑えることができ、ガウシアン形状に近づけることができるという効果を奏する。
【００４６】
図６は、３層薄膜構造に光進入禁止層が挿入されたと想定した場合の光分布シミュレーションを行った結果である。横軸は光進入禁止層の層厚を、縦軸はガウシアンからの相違量を表しており、曲線Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉはクラッド層と光進入禁止層との屈折率差がそれぞれ０．０１，０．０２、０．０５、０．０９、０．２３である場合を表している。
【００４７】
図６より、光進入禁止層とクラッド層との屈折率差が０．０１以上あれば、光進入禁止層の存在により、ガウシアンからの相違量が減少する効果を奏する。前記屈折率差が大きいほど前記効果は大きくなるが、窒化物半導体の屈折率は２．５５なので、前記屈折率差が最も大きい場合は光進入禁止層の構成材料を空気とした場合である。従って、屈折率差は１．５５以下となる。より望ましくは、Ａｌ混晶比０．１以上のＡｌＧａＮを用いた場合、即ち前記屈折率差が０．０５以上の場合であり、さらに望ましくはＡｌ混晶比０．２以上のＡｌＧａＮを用いた場合、即ち前記屈折率差が０．０９以上の場合であり、さらに望ましくはＡｌ混晶比１のＡｌＧａＮを用いた場合、即ち前記屈折率差が０．２３以上の場合である。
【００４８】
また図６より、光進入禁止層の層厚は、少なくとも０．０１μｍ以上あれば、本発明の効果は発生し、厚いほど効果は大きくなるが、ある程度以上の層厚があれば、ガウシアンからの相違量は一定値に近づくため、１．５μｍ以下で十分であることが判る。しかしクラッド層内にＡｌＧａＮからなる光進入禁止層を挿入した構造を用いた場合は、厚くし過ぎると結晶の格子定数差のため結晶内にクラックを生じやすくなり、半導体レーザ素子の信頼性に悪影響を与える。このため、層厚は０．１μｍ以上１．０μｍ以下が望ましく、さらに望ましくは０．３μｍ以上０．８μｍ以下である。
【００４９】
なお本発明において、ｎ型の光進入禁止層１０３の光屈折率が、第２のｎ型クラッド層１０４の光屈折率より０．０１以上小さいとき、ｎ型の光進入禁止層１０３の役割が顕著となる。同様に、ｐ型の光進入禁止層の光屈折率が、ｐ型クラッド層１１０の光屈折率より０．０１以上小さいとき、ｐ型の光進入禁止層の役割が顕著となる。なぜなら、各導電型クラッド層と光進入禁止層の屈折率差をΔｎ0、層厚方向の座標をｘ（光進入禁止層側を正方向とする）とすると、光強度はほぼｅｘｐ（−ａ・Δｎ0・ｘ）に比例して減衰していくからである（ここでａは定数）。この減衰が顕著になり始めるのは、Δｎ0が０．１のときである。ここで、ｎ型の光進入禁止層１０３の光屈折率は、第２のｎ型クラッド層１０４の光屈折率より０．０３以上小さいことが望ましく、さらに望ましくは０．０５以上、さらに望ましくは０．１以上が望ましい。
【００５０】
またｎ型の光進入禁止層１０３と第２のｎ型クラッド層１０４の活性層側主面との間隔が０．０１μｍ以上１．５μｍ以下であることが望ましい。同様に、ｐ型の光進入禁止層とｐ型クラッド層１１０の活性層側主面との間隔が０．０１μｍ以上１．５μｍ以下であることが望ましい。上記範囲の下限は、θ⊥が大きくなり過ぎないように制限される。また上記範囲の上限は、光進入禁止層の役割を果たす為に必要な最低限の距離を保つ為に制限される。なお上記層間隔は、望ましくは０．２μｍ以上１．０μｍ以下であり、さらに望ましくは０．４μｍ以上０．８μｍ以下である。
【００５１】
またｎ型の光進入禁止層１０３やｐ型の光進入禁止層の層厚は、その役割を果たす為に０．０１μｍ以上あることが望ましく、また成長可能な層厚として３μｍ以下が望ましい。
【００５２】
またｎ型の光進入禁止層１０３やｐ型の光進入禁止層は、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＮなどの絶縁材料や、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）、ＡｌyＧａ1-yＡｓ（０＜ｙ≦１）、ＡｌzＧａ1-zＰ（０＜ｚ≦１）などの半導体材料や、金属材料、あるいはＥＬＯＧ成長などにより形成されるボイドなどからなる空気層で形成してもよい。
【００５３】
またｎ型の光進入禁止層１０３やｐ型の光進入禁止層の光吸収係数が１００００ｃｍ-1以上であることが望ましい。なぜなら、光進入禁止層の光吸収係数をα［ｃｍ-1］、層厚方向の位置をｘとする（但し基板表面から積層方向を正とする）と、光強度はｅｘｐ（＋αｘ）で、光が活性層から遠ざかるにつれ指数関数的に減衰し、その減衰度合はαが大きいほど顕著となるからである。この減衰度合いが顕著となり始める境目が１００００ｃｍ-1であることから、この値以上が望ましいとした。なお、上記光吸収係数は、５００００ｃｍ-1以上あることが望ましく、さらに望ましくは１００，０００ｃｍ-1以上、さらには５００，０００ｃｍ-1以上あることが望ましい。
【００５４】
また第２のｎ型クラッド層１０４のＡｌ混晶比と、ｐ型クラッド層１１０のＡｌ混晶比との差が１％以内であることが望ましい。なぜなら、これを満たすとき、ｎ型クラッド層からｐ型クラッド層までの領域内における屈折率分布が、活性層中心面を中心とした対称構造に近づくからである。なお、１％以内であれば、対称であると見なすことが出来るため、この値に設定した。
【００５５】
さらに、ｎ型クラッド層１０４からｐ型クラッド層１１０までの垂直方向の光屈折率の分布が、活性層１０７を中心として対称構造になっていると、ガウシアンからの相違量が小さくなるため好ましい。さらに望ましくは、光進入禁止層１０３から正電極１１２までの垂直方向の光屈折率の分布が、活性層１０７を中心として対称構造になっていると、ガウシアンからの相違量が小さくなるため好ましい。
【００５６】
図７は、本発明の他の半導体レーザ素子の構成を示す模式断面図である。ＧａＮ基板１０１上に、絶縁材料又は金属材料からなるマスク層１１４、ｎ型Ａｌ0.061ＧａＮから成る第１のｎ型クラッド層１０２、ｎ型ＧａＮから成るｎ型光導波層１０５、ｎ型Ａｌ0.3ＧａＮから成る第１のキャリアストップ層１０６、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮから成る多重量子井戸活性層１０７、ｐ型Ａｌ0.3ＧａＮから成る第２のキャリアストップ層１０８、ｐ型ＧａＮから成るｐ型光導波層１０９、ｐ型Ａｌ0.061ＧａＮから成るｐ型クラッド層１１０、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１１１、ｐ型コンタクト電極１１５、正電極１１２がこの順に形成されている。ｐ型クラッド層１１０及びｐ型コンタクト層１１１は、一部を除いてｐ型クラッド層１１０の途中までエッチングされており、ストライプ状のリッジ形状を形成している。またエッチングされた領域の概略全面に、電流をリッジ領域のみに狭窄するための絶縁層１１６が形成されている。またＧａＮ基板１０１の第１のｎ型クラッド層１０２とは反対面に、負電極１１３が形成されている。また、マスク層１１４の直上には、空隙１１７が形成されている。
【００５７】
本素子において、空隙１１７が空気層となり、光進入禁止領域の役割を果たしている。また空隙１１７は、結晶成長条件により殆ど形成されないことがあるが、その場合にはマスク層１１４が光進入禁止領域の役割を果たす。マスク層がＳｉＯ2，ＺｒＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＦなどの絶縁材料で形成されている場合は、窒化物半導体層との屈折率差が０．１以上となるので、光進入禁止領域となる。またマスク層１１４がＴｉ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｗ，Ａｌなどの金属で形成されている場合においては、材料が１００００ｃｍ-1以上の吸収係数を有しているので、光進入禁止領域の役割を果たす。
【００５８】
光進入禁止領域とｎ型クラッド層１０２の活性層１０７側面との距離は、０．０１μｍ以上１．５μｍ以下であることが望ましい。上記範囲の下限は、θ⊥が大きくなり過ぎないように制限される。また上記範囲の上限は、光進入禁止領域の役割を果たす為に必要な最低限の距離を保つ為に制限される。上記距離は、望ましくは０．２μｍ以上１．０μｍ以下であり、さらに望ましくは０．４μｍ以上０．８μｍ以下である。
【００５９】
また光進入禁止領域の層厚は、その役割を果たす為に０．０１μｍ以上あることが望ましく、また成長可能な層厚として３μｍ以下が望ましい。
【００６０】
さらに、ｎ型の光進入禁止領域から正電極１１２までの垂直方向屈折率分布が、活性層１０７を中心として対称構造になっていると、ガウシアンからの相違量が小さくなるため好ましい。
【００６１】
本発明の半導体レーザ素子は、電気信号で与えられる情報を光記録媒体に記録する光学式情報記録装置に搭載することができる。この光学式情報記録装置は、電気信号に応じて半導体レーザ素子から記録用のレーザ光を射出させる記録光射出制御手段と、半導体レーザ素子から射出されたレーザ光を集光する集光手段と、集光手段で集光されたレーザ光を光記録媒体の所定の位置に照射して情報を記録する照射位置制御手段とを備える。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明の半導体レーザ素子は、ＣＤやＤＶＤ等の光学記録媒体に記録する光学式情報記録装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】は、半導体レーザ素子の構成を示す模式断面図である。
【図２】は、垂直方向ＦＦＰのガウシアンからの相違量の構造パラメータ依存性を示す図である。
【図３】（ａ）は、従来の半導体レーザ素子の垂直方向ＦＦＰとガウシアンフィッティング曲線を示す図であり、（ｂ）は、本発明の半導体レーザ素子の垂直方向ＦＦＰとガウシアンフィッティング曲線を示す図である。
【図４】は、光導波路における光電界分布をシミュレーション計算した図である。
【図５】は、従来型の半導体レーザ素子における、垂直方向ＦＦＰの測定値を示した図である。
【図６】は、３層薄膜構造に光進入禁止層が挿入されたと想定した場合の光分布シミュレーションを行った結果を示す図である。
【図７】は、本発明の他の半導体レーザ素子の構成を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１００    半導体レーザ素子
１０１    ＧａＮ基板
１０２    第１のｎ型クラッド層
１０３    ｎ型の光進入禁止層（第１導電型光進入禁止層）
１０４    第２のｎ型クラッド層（第１導電型クラッド層）
１０５    ｎ型光導波層
１０６    第１のキャリアストップ層
１０７    活性層
１０８    第２のキャリアストップ層
１０９    ｐ型光導波層
１１０    ｐ型クラッド層（第２導電型クラッド層）
１１１    ｐ型コンタクト層
１１２    正電極
１１３    負電極
１１４    マスク層
１１５    ｐ型コンタクト電極
１１６    絶縁層
１１７    空隙
【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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