(57)【要約】【課題】幅広い温度範囲において、縦モードがマルチモード発振特性及び温度特性を安定に維持し且つ温度特性が良好な半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】半導体レーザ素子は、基板１０１上に、第１のクラッド層１０３と、第１のクラッド層１０３上に形成された活性層１０４と、活性層１０４上に形成され、活性層１０４に電流を注入するためのリッジストライプ１１１を有する第２のクラッド層１０５と、リッジストライプ１１１の両側に形成され、電流がリッジストライプ１１１に狭窄されるようにするための電流狭窄層１０９とを有する発光部を備える。ここで、電流狭窄層１０９の下面から活性層１０４の上面までの距離ｄ１が所定の範囲の値である。また、電流は、リッジストライプ１１１を通過した後、活性層１０４に到達するまでにリッジストライプ１１１の幅以上に広がっている。【選択図】図８
2011181974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくとも第１の発光部及び第２の発光部を備え、
前記第１の発光部及び前記第２の発光部は、それぞれ、第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成され、前記活性層に電流を注入するためのリッジストライプを有する第２のクラッド層と、前記リッジストライプの両側に形成され、前記電流が前記リッジストライプに狭窄されるようにするための電流狭窄層とを有し、
前記第１の発光部が有する前記リッジストライプと前記第２の発光部が有する前記リッジストライプは同時に形成され、
前記リッジストライプの断面形状は垂直リッジであり、
前記第１の発光部及び前記第２の発光部がそれぞれ有する前記リッジストライプは、幅に変化のあるテーパストライプ構造を有しており、
前記第１の発光部及び前記第２の発光部の両方において、前記電流狭窄層の下面から前記活性層の上面までの距離がそれぞれ所定の範囲の値であると共に、前記電流は、前記リッジストライプを通過した後、前記活性層に到達するまでに当該リッジストライプの幅以上に広がり、
前記第１の発光部における所定の距離が０．６５μｍ以上で且つ１．２μｍ以下であると共に、
前記第２の発光部における所定の距離が０．４μｍ以上で且つ０．７μｍ以下であり、
前記第１の発光部が有する前記リッジストライプの幅が１．０μｍ以上で且つ４．０μｍ以下であると共に、
前記第２の発光部が有する前記リッジストライプの幅が２．５μｍ以上で且つ５．５μｍ以下であり、
前記第１の発光部における所定の距離は、前記第２の発光部における所定の距離よりも大きく、
前記第１の発光部が有する前記リッジストライプの幅は、前記第２の発光部が有する前記リッジストライプの幅よりも小さく、
前記第１の発光部が有する前記活性層は、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）により形成され、
前記第２の発光部が有する前記活性層は、Ｇａy Ｉｎ1-y Ｐ（０＜ｙ＜１）により形成され、
前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層は、いずれもＡｌＧａＩｎＰ系の材料および同一組成から形成されており、
自励発振型であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記テーパストライプ構造は、中央部から、光が出射される光出射端面の側と、前記光出射端面に対向する後端面の側とに向かってそれぞれ徐々に幅が狭くなる構造であることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項３】
請求項１において、
前記テーパストライプ構造は、光が出射される光出射端面の側から、前記光出射端面に対向する後端面の側に向かって徐々に幅が広くなる構造であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子に関し、特に縦モードがマルチモードである自励発振型を含む半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ディスク及び光磁気記録ディスク等の記録媒体に対する光学的記録装置及び読み出し装置等に用いる光ピックアップ光源として、半導体レーザ素子が多用されている。その用途としては、レコーダー用、ＰＣ用及び車載用等の多岐にわたり、光ディスク市場は拡大し続けている。特に、カーナビゲーションに代表される車載用の要望は高く、ＣＤ及びＤＶＤ全ディスクの再生が可能な光ピックアップ装置の需要が拡大している。
【０００３】
車載用光ピックアップ装置に強く求められることとして、（１）光ピックアップ装置の小型化、（２）低温から高温まで動作し得る幅広い動作温度保証、及び（３）信号劣化抑制（低雑音化）が挙げられる。
【０００４】
まず、（１）光ピックアップ装置の小型化のためには、光学部品を低減して装置を簡略化することが有効であり、その一つの方法として、ＤＶＤ用の６５０ｎｍ帯の赤色半導体レーザとＣＤ用の７８０ｎｍ帯の赤外半導体レーザを同一の半導体基板上に集積化したモノリシック半導体レーザにすることが挙げられる。これにより、半導体レーザ自体を一つの部品に集約できるだけでなく、コリメータレンズやビームスプリッタ等の光学部品を赤色半導体レーザと赤外半導体レーザで共用化でき、装置の小型化に有効である。
【０００５】
また、（２）幅広い動作温度保証としては、半導体レーザ素子自体の温度特性を向上させる必要がある。そのための一つの方法として、特許文献１が知られている。特許文献１には、光路方向にリッジの幅が変化するテーパストライプ構造とすることにより、通常のストレートストライプ構造に比べ低電流密度になること、及び、リッジ幅が広いことによる微分抵抗の低下により素子の発熱を抑制し、温度特性を向上できることが記されている。
【０００６】
次に、（３）信号劣化抑制（低雑音化）について、まず、雑音の発生要因を考える。
【０００７】
半導体レーザ素子に対して、光ディスク、光記録媒体及び光学系等からの戻り光がわずかに存在する。このため、レーザ光の可干渉性が高い場合には、共振器内の光と戻り光とが互いに作用を及ぼし合い、結果的に半導体レーザ素子の出力に雑音が生じてしまうことが判っている。
【０００８】
このような、戻り光に起因する雑音の解決法としては、半導体レーザ素子を高速変調する、半導体レーザ素子の発振モードを多モード化する又は半導体レーザ素子それ自体をパルス発振状態にする等の方法が取られている。
【０００９】
しかしながら、半導体レーザ素子を高速変調する方法は、高周波重畳モジュールを使用することになり、部品点数が増大するため光ピックアップの小型化又はコストの面で不利である。また、最近の車には半導体レーザ素子を高速変調する高周波重畳モジュール以外に高周波を用いた装備品（例えば、ＥＴＣ機器：Electronic Toll Collection system）が多く搭載されている。このため、機器同士の周波数が共鳴し、機器の誤動作等の問題が発生する可能性がある。したがって、半導体レーザ素子を高速変調する方法は最善の方法とは言い難い。
【００１０】
一方、発振モードを多モード化する方法としては、その光導波機構を利得ガイド構造とすることはよく知られているが、反面この利得ガイド構造では発振閾値が高くなるため、動作電力が大きくなり、温度特性に不利である。
【００１１】
また、パルス発振させる方法としては、電流の広がりを光の広がりよりも狭くし、活性層に可飽和吸収体を形成させる方法がある。その一つの手段として、特許文献２が知られている。特許文献２には、電流狭窄層と活性層との間にある半導体層を活性層よりも高抵抗化することにより、電流の広がりをリッジストライプの幅と同程度にして電流を活性層まで到達させる一方、ストライプ幅以外のところでは電流が存在しないため光の供給はなくなり、その部分にレーザ光が吸収され可飽和吸収体が形成、自励発振が可能であることが記されている。
【００１２】
尚、このような半導体レーザ素子において、電流狭窄層と活性層との間にある半導体層の膜厚は、赤外レーザ素子において０．４５μｍ〜０．６５μｍ程度、赤色レーザ素子において０．２５μｍ〜０．４μｍである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０００−１７４３８５号公報
【特許文献２】特許第３１８３６９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記の構造によると、ストライプ幅と同等の電流広がりであるため、室温では安定した自励発振が可能である。しかしながら、高温では、電流広がりが抑制されていることから活性層に注入される電流がストライプ直下の部分に集中し、動作電流密度が増大する。これにより、漏れ電流が増加して素子の発熱量が増加し、発光効率の低下をもたらすことになる。そのため高温では、電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）において、素子の発熱により光出力が熱飽和するという問題が発生し、幅広い動作温度保証を必要とする車載用のレーザに対しては多大な影響を与える。よって、この解決が課題となっている。
【００１５】
以上の課題に鑑み、本発明の目的は、低温から高温までの幅広い温度範囲において、縦モードがマルチモード発振（自励発振を含む）特性及び温度特性を安定に維持することができる半導体レーザ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記の目的を達成するために、本発明に係る第１の半導体レーザ素子は、基板上に、第１のクラッド層と、第１のクラッド層上に形成された活性層と、活性層上に形成され且つ活性層に電流を注入するためのリッジストライプを有する第２のクラッド層と、リッジストライプの両側に形成され且つ電流がリッジストライプに狭窄されるようにするための電流狭窄層とを有する発光部を備え、電流狭窄層の下面から活性層の上面までの距離が所定の範囲の値であり、電流は、リッジストライプを通過した後、活性層に到達するまでにリッジストライプの幅以上に広がっている。
【００１７】
ここで、電流の広がりとして、電流分布の半値全幅を考えるものとする。つまり、第１の半導体レーザ素子において、リッジストライプを通過した電流の活性層上面における電流分布の半値全幅は、リッジストライプの幅以上に拡がっている。また、幅及び横広がりとの表現は、平行方向の距離について言っているものとする。
【００１８】
第１の半導体レーザ素子によると、電流狭窄層の下面から活性層の上面までの距離（残し厚）を所定の値以上としていることにより、リッジストライプを通過した電流は活性層上面に到達するまでに横方向（平行方向）に拡がり、電流分布の半値全幅がリッジストライプの幅以上に拡がる。しかし、光分布はこのような電流広がり以上に横に拡がるため、結果として十分な可飽和吸収体が形成され、マルチモード発振が安定して発生する。また、残し厚に上限を設けることにより、高次横モードの発振を抑制して基本横モードのみで発振するようにしている。
【００１９】
尚、所定の範囲は、距離（電流狭窄層の下面から活性層の上面までの距離、つまり残し厚）の増加に対する電流の横広がりの増加が緩やかになる点における距離を下限とすると共に、該距離の増加に対するＮＦＰの半値全幅の増加が緩やかになる点における距離を上限とする範囲であることが好ましい。
【００２０】
このよう所定の範囲を定めることにより、マルチモード発振の安定及び基本横モードによる発振等の効果が確実に得られる。尚、電流の横広がり及びＮＦＰの半値全幅について、残し厚の増加に対する増加が緩やかになる点は、実験的に求めることができる。
【００２１】
具体的には、所定の範囲は、０．６５μｍ以上で且つ１．２μｍ以下であるのが好ましい。残し厚をこの範囲とすることにより、基本横モードで且つマルチ縦モードの発振を実現することができる。
【００２２】
また、第１の半導体レーザ素子によると、電流狭窄層を通過した電流は横方向に拡がるため、活性層においても電流が集中して電流密度が上昇することは避けられている。このため、半導体レーザ素子における漏れ電流の発生及び発熱が抑制され、高温においても安定に動作する。
【００２３】
以上にように、第１の半導体レーザ素子によると、幅広い動作温度保証と基本横モードで且つマルチ縦モードの発振とを両立することができる。
【００２４】
尚、活性層は、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）により形成されていると共に、第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層は、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料により形成されていることが望ましい。
【００２５】
このような構成の半導体レーザ素子とすると、幅広い動作温度保証と基本横モードで且つマルチ縦モードの発振とを両立することが確実にできる。
【００２６】
尚、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料とは、（Ａｌw Ｇａ1-w ）z Ｉｎ1-z Ｐ（０＜ｗ＜１、０＜ｚ＜１）と表される組成の材料を意味する。
【００２７】
また、リッジストライプの幅が、１μｍ以上で且つ４μｍ以下であることが好ましい。
【００２８】
このようにすると、４μｍ以下であることにより水平方向のファー・フィールド・パターン（Far Field Pattern ：ＦＦＰ）が双峰性となるのを防ぐことができる。また、リッジストライプの幅が小さすぎると抵抗が高くなるために発熱を生じることになり、結果として温度特性が劣化する。これを避けるために、リッジストライプの幅は１μｍ以上であることが好ましい。また、１μｍ以上であることは、リッジストライプを形成するためのプロセス上、実現できる最細幅の一例を示すものでもある。
【００２９】
また、所定の範囲は、０．４μｍ以上で且つ０．７μｍ以下であることも好ましい。また、活性層は、Ｇａy Ｉｎ1-y Ｐ（０＜ｙ＜１）により形成されていると共に、第１のクラッド層及び第２のクラッド層は、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料により形成されていることも好ましい。更に、リッジストライプの幅が、２．５μｍ以上で且つ５．５μｍ以下であることも好ましい。
【００３０】
これらの場合にも、同様に本発明の半導体レーザ素子の効果が確実に得られる。
【００３１】
また、リッジストライプの側面が、いずれも前記基板の主面に対して垂直であることが好ましい。
【００３２】
このように垂直リッジとなっていると、リッジストライプの上面の幅が下面の幅より小さいようなリッジストライプに比べ、微分抵抗Ｒｓを低減することができるため、素子の発熱が抑制される。この結果、半導体レーザ素子のより広い動作温度保証を実現することができる。
【００３３】
前記の目的を達成するため、本発明の第２の半導体レーザ素子は、基板上に、少なくとも第１の発光部及び第２の発光部を備え、第１の発光部及び第２の発光部は、それぞれ、第１のクラッド層と、第１のクラッド層上に形成された活性層と、活性層上に形成され、活性層に電流を注入するためのリッジストライプを有する第２のクラッド層と、リッジストライプの両側に形成され、電流がリッジストライプに狭窄されるようにするための電流狭窄層とを有し、第１の発光部及び第２の発光部の両方において、電流狭窄層の下面から活性層の上面までの距離がそれぞれ所定の範囲の値であると共に、電流は、リッジストライプを通過した後、活性層に到達するまでに当該リッジストライプの幅以上に広がっている。
【００３４】
ここでも、第１の半導体レーザ素子の場合と同様に、電流の広がりとしては半値全幅を考えるものとする。
【００３５】
第２の半導体レーザ素子によると、第１及び第２の発光部において、それぞれ電流狭窄層の下面から活性層の上面までの距離（残し厚）を規定することにより、基本横モードで且つマルチ縦モードの発振を安定して生じさせることができる。これと共に、活性層において電流が拡がっていることにより電流密度の上昇が避けられており、高温においても安定動作するモノシリック２波長レーザ素子となっている。
【００３６】
具体的には、第１の発光部における所定の距離が０．６５μｍ以上で且つ１．２μｍ以下であると共に、第２の発光部における所定の距離が０．４μｍ以上で且つ０．７μｍ以下であることが好ましい。
【００３７】
残し厚をそれぞれこのような範囲の値とすることにより、異なる種類のレーザを発光するそれぞれの発光部において、幅広い動作温度保証と発振モードの安定性とを実現することができる。
【００３８】
尚、第１の発光部及び第２の発光部がそれぞれ有するリッジストライプは、同時に形成されていることが好ましい。
【００３９】
このようにすると、第１の発光部と第２の発光部との発光点間隔（それぞれが有するリッジストライプ同士の間隔）が、それぞれのリッジストライプを別個に形成する場合よりも高精度となる。このことは、光ピックアップ装置等においてレーザ素子と光学部品とを実装する際に非常に有利である。つまり、発光点間隔にバラツキがあると、バラツキに対応して光学部品を実装することが必要となり、組み立て工程の難度増加及びレーザ光の取り込み効率低下等の特性劣化を起こす。しかし、複数のリッジストライプが同時に形成されることにより、このような問題は回避されている。尚、別個に形成する場合に比べて製造工程における工数が削減されるという効果も存在する。
【００４０】
また、第１の発光部及び第２の発光部の少なくとも一方におけるリッジストライプの側面が、基板の主面に対して垂直であることが好ましい。
【００４１】
このようにすると、リッジストライプの上面の幅が下面の幅より小さいようなリッジストライプに比べ、微分抵抗Ｒｓを低減することができるため、素子の発熱が抑制される。この結果、半導体レーザ素子のより広い動作温度保証を実現することができる。
【００４２】
また、第１の発光部が有する活性層は、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）により形成され、第２の発光部が有する活性層は、Ｇａy Ｉｎ1-y Ｐ（０＜ｙ＜１）により形成され、第１のクラッド層及び第２のクラッド層は、いずれもＡｌＧａＩｎＰ系の材料により形成されていることが好ましい。
【００４３】
このようにすると、それぞれの発光部において、幅広い動作温度保証と発振モードの安定性とを実現することが確実にできる。
【００４４】
また、第１の発光部が有するリッジストライプの幅が１．０μｍ以上で且つ４．０μｍ以下であると共に、第２の発光部が有するリッジストライプの幅が２．５μｍ以上で且つ５．５μｍ以下であることが好ましい。
【００４５】
このようにすると、リッジストライプの幅が、第１の発光部においては４μｍ以下であること、第２の発光部においては５．５μｍ以下であることにより、水平方向のＦＦＰが双峰性となるのを防ぐことができる。また、第１の発光部における幅の下限（１μｍ）は、プロセス上の最細幅を例示するものであり、第２の発光部における幅の下限（２．５μｍ）は、Ｉ−Ｌ特性において外部微分効率Ｓｅに非線形性が生じるのを避けることのできる値として得られている。
【００４６】
また、第１の発光部及び前記第２の発光部がそれぞれ有するリッジストライプの少なくとも一方は、幅に変化のあるテーパストライプ構造を有していることが好ましい。
【００４７】
このようなテーパストライプ構造とすると、ストレートストライプよりもストライプ幅を広くすることができるため、微分抵抗Ｒｓを低減して素子の発熱を抑制し、温度特性を向上することができる。
【００４８】
更に、テーパストライプ構造は、光が出射される光出射端面の側から、前記光出射端面に対向する後端面の側に向かって徐々に幅が広くなる構造であることが好ましい。
【００４９】
また、テーパストライプ構造は、中央部から、光が出射される光出射端面の側と、前記光出射端面に対向する後端面の側とに向かってそれぞれ徐々に幅が狭くなる構造であることも好ましい。
【００５０】
テーパストライプ構造の具体的な構造として、このようになっていても良い。尚、このようなテーパストライプ構造の場合、リッジストライプの幅とは、テーパストライプ構造をストレートとして換算した平均幅を考える。
【発明の効果】
【００５１】
本発明の半導体レーザ素子によると、電流狭窄層の下面から活性層の上面までの距離を所定の範囲に規定することにより、活性層における横方向の電流広がりを制御する。これにより、基本横モードで且つマルチ縦モードの発振を実現すると共に、活性層における電流密度の上昇が抑制されていることから漏れ電流の発生及び発熱が抑制され、高温においても安定動作するようになっている。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を示す図であり、図１（ａ）は断面、図１（ｂ）は活性層の詳しい構造、図１（ｃ）はストライプ部分の平面形状を示す。
【図２】図２（ａ）は、第１の実施形態において、電流狭窄層下面から活性層の上面までの距離（残し厚）ｄ１と、発振スペクトルの半値全幅との関係を示し、図２（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれのｄ１に対するスペクトルを示す。
【図３】図３（ａ）は、第１の実施形態の半導体レーザ素子における発振閾値状態のＮＦＰ像であり、図３（ｂ）は、残し厚ｄ１に対する横方向拡がり電流とＮＦＰの半値全幅を示す。
【図４】図４（ａ）は、第１の実施形態の半導体レーザ素子に電流を１０ｍＡ流した場合のＮＦＰ像を示し、図４（ｂ）は、ストライプ幅とＮＦＰの半値全幅との関係を示す図である。
【図５】図５（ａ）は、第１の実施形態の半導体レーザ素子におけるストライプ幅と発振スペクトルの半値全幅との関係を示す図であり、図５（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれのストライプ幅に対する発振スペクトルを示す図である。
【図６】図６（ａ）は、第１の実施形態及び従来技術についてそれぞれＩ−Ｌ特性を示す図であり、図６（ｂ）は、第１の実施形態における２５℃及び８５℃の発振スペクトルを示す図であり、図６（ｃ）は、従来技術の２５℃、８５℃の発振スペクトルを示す図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態の半導体レーザ素子において垂直リッジを形成している場合の構造を示す図である。
【図８】図８（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を示す図であり、図８（ａ）は断面、図８（ｂ）は赤色レーザ部における活性層の詳しい構造、図８（ｃ）はストライプ部分の平面形状を示す。
【図９】図９（ａ）は、第２の実施形態の赤色レーザ部において、電流狭窄層下面から活性層の上面までの距離（残し厚）ｄ２と、発振スペクトルの半値全幅との関係を示し、図９（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれのｄ２に対するスペクトルを示す。
【図１０】図１０（ａ）は、第２の実施形態の半導体レーザ素子における赤色レーザ部の発振閾値状態のＮＦＰ像であり、図１０（ｂ）は、残し厚ｄ２に対する横方向拡がり電流及びＮＦＰの半値全幅を示す。
【図１１】図１１（ａ）は、第２の実施形態の半導体レーザ素子における赤色レーザ部に電流を１０ｍＡ流した場合のＮＦＰ像を示し、図１１（ｂ）は、ストライプ幅とＮＦＰの半値全幅との関係を示す図である。
【図１２】図１２（ａ）は、第２の実施形態の半導体レーザ素子における赤色レーザ部のストライプ幅と発振スペクトルの半値全幅との関係を示す図であり、図１２（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれのストライプ幅に対する発振スペクトルを示す図である。
【図１３】図１３（ａ）は、第２の実施形態における赤色レーザ部及び従来技術についてそれぞれＩ−Ｌ特性を示す図であり、図１３（ｂ）は、第２の実施形態の赤色レーザ部における２５℃及び８５℃の発振スペクトルを示す図であり、図１３（ｃ）は、従来技術の２５℃、８５℃の発振スペクトルを示す図である。
【図１４】図１４（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施形態の半導体レーザ素子において垂直リッジを形成している場合の構造を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を示す図であり、図１５（ａ）は断面、図１５（ｂ）は活性層の詳しい構造、図１５（ｃ）はストライプ部分の平面形状を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００５４】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子について説明する。図１（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、本発明の半導体レーザ素子の一例を示す図である。まず、図１（ａ）には、断面図を示している。
【００５５】
半導体レーザ素子は、ｎ形ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ形ＧａＡｓバッファ層１０２、ｎ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰクラッド層１０３、活性層１０４、ｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層１０５、ｐ形ＧａＩｎＰエッチングストップ層１０６、ｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層１０７、ｐ形ＧａＩｎＰ中間層１０８及びｐ形ＧａＡｓコンタクト層１１０が、下からこの順に積層された構造を有する。これにより、半導体レーザ素子は、活性層１０４が、ｎ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰクラッド層１０３とｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層１０５との二つのクラッド層によって挟持されたダブルへテロ構造を備える。
【００５６】
ここで、活性層１０４は、図１（ｂ）に示すように、井戸数が三層である量子井戸活性層となっている。つまり、下から順に３つのＧａＡｓ井戸層１０４５ｗ、１０４３ｗ及び１０４１ｗが、２つの（ＡｌＧａ）ＩｎＰバリア層１０４４ｂ及び１０４２ｂをそれぞれ間に挟んで形成され、これら五層の積層構造が、２つの（ＡｌＧａ）ＩｎＰガイド層１０４０ｇ及び１０４６ｇに挟まれた構造となっている。結果として、下側（ｎ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰクラッド層１０３の側）から順に、１０４６ｇ、１０４５ｗ、１０４４ｂ、１０４３ｗ、１０４２ｂ、１０４１ｗ及び１０４０ｇの順に積層されている。尚、最も上に位置する（ＡｌＧａ）ＩｎＰガイド層１０４０ｇの上に、ｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層１０５が位置する。
【００５７】
また、図１（ａ）に示すように、ｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層１０７、ｐ形ＧａＩｎＰ中間層１０８及びｐ形ＧａＡｓコンタクト層１１０は、リッジストライプとしてメサ型のストライプ形状に加工され、下面における幅が上面における幅よりも広い形状のストライプ部分１１１を構成している。更に、該ストライプ部分１１１の両側にはｎ形ＧａＡｓ電流狭窄層１０９が埋め込むように形成されている。このようにｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層１０５上に構成されたストライプ部分１１１及びｎ形ＧａＡｓ電流狭窄層１０９により、活性層１０４に注入される電流の領域を狭窄する電流狭窄構造が構成されている。
【００５８】
ここで、図１（ａ）において、ｎ形電流狭窄層１０９の下面（言い換えると、リッジストライプの下面）から活性層１０４の上面までの距離（残し厚）をｄ１として示している。
【００５９】
このような電流狭窄構造の平面構成を図１（ｃ）に模式的に示す。ここでは、ストライプ部分１１１の下面の形状１１１ａを示しており、光出射端面Ａから後端面Ｂまでに亘って同じ幅となっている。このようなストライプ部分１１１の下面における幅を、ストライプ幅Ｗｓとする。平面形状の残りの部分は、ｎ形電流狭窄層１０９の下面の形状１０９ａである。
【００６０】
更に、いずれも図示は省略しているが、ｐ形ＧａＡｓコンタクト層１１０及びｎ形電流狭窄層１０９の上にはｐ形電極が形成されていると共に、ｎ形ＧａＡｓ基板１０１の裏面にはｎ形電極が形成されている。以上により、半導体レーザ素子が構成されており、これは赤外レーザを発光するレーザ素子である。
【００６１】
ここで、各層を構成する材料の組成比について一例を示すと、ｎ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰクラッド層１０３、ｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層１０５及びｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層１０７は、（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐである。また、（ＡｌＧａ）ＩｎＰガイド層１０４０ｇ及び１０４６ｇと、（ＡｌＧａ）ＩｎＰバリア層１０４２ｂ及び１０４４ｂとに関しては、（Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐとしている。
【００６２】
以上のような構成を有する半導体レーザ素子について、残し厚ｄ１の変化に対するマルチモード性（発振スペクトルの半値全幅）の挙動を図２（ａ）に示す。ここで、ストライプ幅Ｗｓは１．５μｍで一定、測定条件は室温で且つ４ｍＷ時とする。
【００６３】
図２（ａ）に示すように、残し厚ｄ１が増加すると、これに伴って当初は発振スペクトルの半値全幅が増加し、残し厚ｄ１が１μｍ以上となると発振スペクトルの半値全幅は概ね一定となる。図２（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）には、順に残し厚ｄ１が０．６μｍ、０．９５μｍ、１．４５μｍの場合の実際のスペクトル波形を示す。発振スペクトルは、図２（ｂ）に示す残し厚が０．６μｍの場合にはシングルピークに近く、図２（ｃ）に示す０．９５μｍの場合には半値全幅の広いマルチモードであり、図２（ｄ）に示す１．４５μｍの場合には双峰性を示し始めている。
【００６４】
このことは、ストライプ部１１１に対応する部分とその両側に対応する部分との実効屈折率差（Δｎ）により説明できる。
【００６５】
残し厚ｄ１が０．６μｍの場合は、Δｎ＝１×１０-3程度であり、この比較的大きいΔｎのために光がリッジの横に染み出すことができず、可飽和吸収体が形成され難い状況になる。この結果として、発振スペクトルの半値全幅が小さくなる。
【００６６】
これに対し、残し厚が１．４５μｍの場合は、Δｎ＝１×１０-5程度と小さいために光がリッジの横に染み出すことができるが、同時に残し厚が厚過ぎるために電流も広がり過ぎる。この結果、広い波長範囲に対しゲインを持ち、マルチモード発振を生じやすくなると共に、高次横モードの発振も可能となる。高次横モードと基本横モードとでは伝播定数が異なるため、発振スペクトルについても、高次横モードに対応するものと基本横モードに対応するものとの２つの発振スペクトルを発生する。このことが、図２（ｄ）に示すような双峰性のスペクトルとなる原因と考えられる。
【００６７】
以上のようなことから、図２（ｃ）に代表されるような安定な基本横モードを保ち且つマルチモード発振が可能となる残し厚ｄ１の範囲は、０．６５μｍ〜１．２μｍ程度であることが確認された。
【００６８】
ここで、従来一般に用いられている半導体レーザ素子による、赤外レーザの自励発振のための残し厚ｄ１は、０．４５μｍ〜０．６５μｍ（Δｎ：３×１０-3〜１×１０-3）である。これに対し、本実施形態の場合には、前記のように残し厚ｄ１の範囲が０．６５μｍ〜１．２μｍ（Δｎ：１×１０-3〜５×１０-5）と厚いにもかかわらずマルチモード発振（自励発振を含む）が可能である。この理由を以下に説明する。
【００６９】
図３（ａ）は、ストライプ幅Ｗｓが１．５μｍの一定であり且つ残し厚ｄ１が０．９μｍである試料における発振閾値状態のニア・フィールド・パターン（Near Field Pattern：ＮＦＰ）像である。ＮＦＰ像は、光分布（光強度の分布）を示しており、この光分布から得られる半値全幅を用いて光の広がりの程度を示すことが出来る。
【００７０】
図３（ｂ）に、残し厚ｄ１＝０．６μｍを基準として規格化したときの発振閾値状態のＮＦＰの半値全幅（点線で記載）と、残し厚ｄ１＝０μｍを基準として規格化したときの横方向拡がり電流（計算値：実線で記載）とを示している。つまり、それぞれ基準とした値に対する比をもって示している。ＮＦＰの半値全幅は、当初は残し厚ｄ１が厚くなるほど大きくなり、残し厚ｄ１が１．２μｍ程度を超えると増加が緩やかになって概ね一定の値となる。一方、横方向拡がり電流は、残し厚ｄ１が０．６５μｍ程度までは増加し、それ以後は概ね飽和傾向にある（つまり、増加が緩やかになる）。
【００７１】
このように、残し厚ｄ１が０．６５〜１．２μｍの範囲において、横方向の電流広がりは概ね飽和傾向にあると共に光分布（広がり）は増加しているため、この範囲は可飽和吸収体が増加する領域であると言える。これに対し、残し厚ｄ１が１．２μｍ以上では、光分布（広がり）及び横方向電流が共に概ね一定であるため、可飽和吸収体に増加は見られず、この結果として発振スペクトルの半値全幅も概ね一定になったと考えられる。これらのことから、可飽和吸収体を形成しやすい領域は、残し厚ｄ１が０．６５μｍ以上の領域である。前述した発振スペクトルが双峰性にならないための領域は残し厚ｄ１が１．２μｍ以下の領域であるから、安定したマルチモード発振が可能な残し厚ｄ１の望ましい範囲は、０．６５μｍ〜１．２μｍとなる。
【００７２】
以上のように、本実施形態の半導体レーザ素子においては、従来技術の場合よりも残し厚が厚いために電流の横方向の広がりが大きくなるが、発光する範囲がそれ以上に拡がる。この結果として可飽和吸収体は十分に形成され、安定な基本横モードを保ち且つマルチモード発振が可能となる。
【００７３】
次に、ストライプ幅Ｗｓに対する電流の広がりの程度を、レーザ発振前のＮＦＰ像を用いて示す。発振前のＮＦＰ像は、活性層に注入される電流密度分布と強い相関があるため、これによって電流の広がりを検証することができる。
【００７４】
図４（ａ）は、ストライプ幅Ｗｓが１．７μｍで且つ残し厚ｄ１が０．９μｍの場合に電流を１０ｍＡ流したときのＮＦＰ像であり、前記の強い相関のため電流分布とも考えることができる。図４（ａ）に示すように、残し厚ｄ１が０．９μｍと比較的厚いため、電流は横方向に広く拡がっており、半値全幅によって表すと５．８μｍである。ストライプ幅Ｗｓは１．７μｍであるから、これに比べて三倍以上と大きく拡がっていることになる。
【００７５】
これと同様にして、ストライプ幅Ｗｓを変化させたときの電流の広がり幅の挙動を半値全幅によって表したものが図４（ｂ）である。図４（ｂ）によると、ストライプ幅Ｗｓが１μｍの時に半値全幅は５．７μｍであり、ストライプ幅Ｗｓの増加に従って電流広がりも増加し、ストライプ幅Ｗｓが５μｍの時には半値全幅で８μｍ以上となっている。
【００７６】
このように、従来の半導体レーザ素子の場合には電流の横広がりがストライプ幅と同等であったのに対し、本実施形態の半導体レーザ素子の場合、残し厚ｄ１が厚いことにより電流広がりがストライプ幅以上になることが確認された。
【００７７】
更に、残し厚ｄ１を０．８５μｍの一定とし、ストライプ幅を変化させたときのマルチモード性（発振スペクトルの半値全幅）の挙動を図５（ａ）に示す。ここで、ストライプ幅Ｗｓがそれぞれ１．３μｍ、２．３μｍ及び４．２μｍのときの発振スペクトルを、順に図５（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）に示す。図５（ｂ）〜（ｄ）に示されたように、ストライプ幅Ｗｓが広くなるほど発振スペクトルの半値全幅が減少することが確認できる。
【００７８】
これは、次のような理由によると考えられる。まず、ストライプ幅Ｗｓが広いほど、電流のリッジストライプ部分下方における横方向の拡散距離が大きくなる。このため、リッジストライプ部分下方において電流注入される活性層の体積が大きくなる。この結果、電流狭窄層の下方において活性層に形成される可飽和吸収体の体積が、前記の電流注入される活性層の体積に対して相対的に小さくなる。このことから、自励発振が生じにくくなったものと考えられる。
【００７９】
また、ストライプ幅Ｗｓが４．２μｍの場合には、水平方向のファー・フィールド・パターン（Far Field Pattern ：ＦＦＰ）が双峰性となり、９ｍＷ付近においてキンクが発生するといった現象が確認された。このことより、特性上、ストライプ幅Ｗｓの上限は４μｍ程度であると考えられる。また、ストライプ幅１μｍがストライプを形成する際のプロセス上の限界であるため、下限については１μｍとする。ストライプ幅が該下限よりも更に狭くなると、微分抵抗が高くなるために発熱を起こし、温度特性に悪影響を与えることになる。
【００８０】
以上の結果を基に、本実施形態に係る半導体レーザ素子の構造と、従来技術の構造とについて、温度特性の比較を行なった。この結果として、図６（ａ）はＩ−Ｌ特性の温度依存性、図６（ｂ）及び（ｃ）は、順に本実施形態及び従来技術における発振スペクトルの温度依存性を示している。ここで、本実施形態の構造においては残し厚ｄ１が０．８３μｍ、従来技術の構造においては残し厚が０．５μｍである。この残し厚ｄ１をΔｎに換算すると、本実施形態の構造においてはΔｎ＝４×１０-4、従来技術の構造においてはΔｎ＝２．５×１０-3である。尚、ストライプ幅Ｗｓは両構造とも２．７μｍであり、組成比は先に記したような値としている。
【００８１】
図６（ａ）に示されたように、２５℃におけるＩ−Ｌ特性としては、従来技術構造の方が低い発振閾値を有する。しかし、８５℃においては、本実施形態構造の方が発振閾値が低くなっている。これは、２５℃の場合には、従来技術構造の方が本実施形態よりも残し厚が薄いことより、電流の横方向の広がりが小さくなるため発振に寄与しない無効電流が小さくなり、効率的に光に変換されるためと考えられる。また、Δｎが比較的大きいため、活性層における導波路損失が減少するのもＩ−Ｌ特性が良好な一因であると考えられる。一方、８５℃の場合、従来技術構造によると活性層に注入される電流がストライプ直下の部分に集中して電流密度が増加するため、素子に漏れ電流が発生し発熱につながる結果、温度特性が劣化してしまうものと考えられる。このように、本実施形態の半導体レーザ素子は、従来のものよりも幅広い動作温度保証を有する。
【００８２】
また、図６（ｂ）及び（ｃ）に示すように、発振スペクトルの半値全幅は２５℃及び８５℃の何れにおいても従来技術構造よりも本実施形態構造の場合に大きく、良好な自励発振を生じていると考えられる。
【００８３】
以上に説明したように、残し厚ｄ１の範囲を規定することにより、発振スペクトルの半値全幅が広いマルチモード特性を安定に維持しながら、温度特性も良好な半導体レーザ素子を実現できる。つまり、残し厚ｄ１を、残し厚ｄ１の増加に対して電流の広がりが概ね一定であると共に、残し厚ｄ１の増加に伴って活性層における横方向の光の広がりが顕著に増加する範囲とする。
【００８４】
このためには、残し厚ｄ１の増加に関わらず電流の広がりが概ね一定になり始める残し厚を基準とし、光分布（ＮＦＰの半値全幅）がストライプ幅に対して３倍以下程度になる領域に設定すればよい。
【００８５】
具体的な寸法としては、既に説明したように、ｎ形電流狭窄層１０９の下面から活性層１０４の上面までの距離（残し厚）ｄ１を０．６５〜１．２μｍ（Δｎ＝１×１０-3〜５×１０-5）とすると共に、ストライプ幅Ｗｓを１．０〜４．０μｍとすればよい。
【００８６】
尚、各クラッド層の材料は、０．１Ωｃｍ以上の抵抗を有することが望ましく、具体例としては、ＡｌＧａＩｎＰを用いることが望ましい。クラッド層の抵抗が小さすぎる（例えば、ＡｌＧａＡｓを用いて０．１Ωｃｍ未満となっている）場合、電流が横方向に拡がり過ぎて可飽和吸収体が形成されなくなる。そこで、確実に可飽和吸収体が形成されるためには、前記のような抵抗値であることが望ましい。
【００８７】
また、本実施形態において、リッジストライプとしては、傾斜リッジ、つまり、図１（ａ）に示すように下面における幅が上面における幅よりも広い形状のストライプ部分１１１を用いている。しかし、これに代えて、下面における幅が上面における幅と等しい垂直リッジとしてもよい。このような場合について、図７（ａ）〜（ｃ）に示す。これらは、それぞれ図１（ａ）〜（ｃ）に対応するものであり、図７（ａ）に示すように、ｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層１０７、ｐ形ＧａＩｎＰ中間層１０８及びｐ形ＧａＡｓコンタクト層１１０により、下面における幅が上面における幅と等しいストライプ部分２１１を構成している。この場合にも、ストライプ部分２１１の側面を覆うように電流狭窄層２０９が形成されている。
【００８８】
その他の点については、図１（ａ）〜（ｃ）に示した半導体レーザ素子と同様である。例えば、図７（ｂ）に示す活性層１０４の構成は、図１（ｂ）に示すものと同様である。また、図７（ｃ）にはストライプ部分２１１の平面構成を模式的に示しており、具体的には、ストライプ部分２１１の下面の形状２１１ａ及びｎ形電流狭窄層２０９の下面の形状２０９ａが示されている。その他、同じ構成要素には同じ符号を付し、詳しい説明は省略する。
【００８９】
このように垂直リッジを用いる場合、図１（ａ）に示す傾斜リッジの場合に比べてストライプ部分２１１の上面の幅が広いため、微分抵抗Ｒｓを低減することができる。この結果として素子の発熱が抑制され、温度特性が向上する。
【００９０】
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態に係る半導体レーザ素子について説明する。
【００９１】
図８（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、本発明の半導体レーザ素子の一例を示す図である。まず、図８（ａ）には、断面図を示している。半導体レーザ素子は、赤外レーザ部７００と、赤色レーザ部７３０とを同一のｎ形ＧａＡｓ基板７０１に搭載したモノリシック２波長レーザ素子である。
【００９２】
まず、赤外レーザ部７００は、第１の実施形態の半導体レーザ素子と同様の構造を有している。つまり、赤色レーザ部７３０と共通のｎ形ＧａＡｓ基板７０１上に、赤色レーザ部７３０とは独立して、ｎ形ＧａＡｓバッファ層７０２、ｎ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰクラッド層７０３、活性層７０４、ｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層７０５、ｐ形ＧａＩｎＰエッチングストップ層７０６、ｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層７０７、ｐ形ＧａＩｎＰ中間層７０８及びｐ形ＧａＡｓコンタクト層７１０が、下からこの順に積層されている。これにより、活性層が２つのクラッド層に挟持されたダブルへテロ構造となっている。
【００９３】
また、活性層７０４は、図１（ｂ）に示した第１の実施形態の半導体レーザ素子における活性層１０４と同様に、井戸数が３層である量子井戸活性層となっている。
【００９４】
また、図８（ａ）に示すように、ｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層７０７、ｐ形ＧａＩｎＰ中間層７０８、ｐ形ＧａＡｓコンタクト層７１０は、リッジストライプとしてメサ型のストライプ形状に加工され、下面における幅が上面における幅よりも広いストライプ部分７１１を構成している。該ストライプ部分７１１の両側には、ｎ形ＧａＡｓ電流狭窄層７０９が形成されており、これによって、活性層７０４に注入される電流の領域を狭窄する電流狭窄構造が構成されている。このような構造についても、図１（ａ）に示したものと同様である。
【００９５】
また、電流狭窄層７０９の下面から活性層７０４までの距離（残し厚）をｄ１として記している。
【００９６】
ここで、赤外レーザ部７００の各層を構成する材料の組成比について、ｎ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰクラッド層７０３、ｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層７０５及びｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層７０７は、（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐである。また、活性層７０４を構成する（ＡｌＧａ）ＩｎＰバリア層１０４２ｂ及び１０４４ｂに関しては、（Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐとしている（図１（ｂ）を参照）。
【００９７】
次に、赤色レーザ部７３０について、その基本的な構成は赤外レーザ部７００と同様である。つまり、赤外レーザ部７００と共通のｎ形ＧａＡｓ基板７０１上に、赤外レーザ部７００とは独立して、ｎ形ＧａＡｓバッファ層７３２、ｎ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰクラッド層７３３、活性層７３４、ｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層７３５、ｐ形ＧａＩｎＰエッチングストップ層７３６、ｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層７３７、ｐ形ＧａＩｎＰ中間層７３８およびｐ形ＧａＡｓコンタクト層７４０が下からこの順に積層されている。これにより、活性層が２つのクラッド層に挟持されたダブルへテロ構造となっている。
【００９８】
但し、活性層７３４は、図８（ｂ）に示すように、井戸数が五層である量子井戸活性層となっている。つまり、下から順に５つのＧａＩｎＰ井戸層７３４９ｗ、７３４７ｗ、７３４５ｗ、７３４３ｗ及び７３４１ｗが、４つの（ＡｌＧａ）ＩｎＰバリア層、７３４８ｂ、７３４６ｂ、７３４４ｂ及び７３４２ｂをそれぞれ間に挟んで形成され、これら九層の積層構造が、２つの（ＡｌＧａ）ＩｎＰガイド層７３５０ｇ及び７３４０ｇにより下と上から挟まれた構造となっている。結果として、下側（ｎ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰクラッド層７３３の側）から順に、７３５０ｇ、７３４９ｗ、７３４８ｂ、７３４７ｗ、７３４６ｂ、７３４５ｗ、７３４４ｂ、７３４３ｗ、７３４２ｂ、７３４１ｗ及び７３４０ｇの順に積層されている。
【００９９】
また、図８（ａ）に示すように、赤外レーザ部７００と同様に、ｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層７３７、ｐ形ＧａＩｎＰ中間層７３８及びｐ形ＧａＡｓコンタクト層７４０によりメサ型のストライプ形状（ストライプ部分７４１）が形成されると共に、その両側にはｎ形ＧａＡｓ電流狭窄層７０９が埋め込まれ、これにより、電流狭窄構造が形成されている。
【０１００】
更に、電流狭窄層７０９の下面（言い換えるとリッジストライプの下面）から活性層７３４までの距離（残し厚）を、ｄ２として記している。
【０１０１】
また、赤色レーザ部７３０の各層を構成する材料の組成比について、ｎ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰクラッド層７３３、ｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層７３５及びｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層７３７は、（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐである。また、（ＡｌＧａ）ＩｎＰガイド層７３４０ｇ及び７３５０ｇと、（ＡｌＧａ）ＩｎＰバリア層７３４２ｂ、７３４４ｂ、７３４６ｂ及び７３４８ｂとに関しては、（Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐとしている。更に、ＧａＩｎＰ井戸層７３４９ｗ、７３４７ｗ、７３４５ｗ、７３４３ｗ及び７３４１ｗについては、Ｇａ0.43Ｉｎ0.57Ｐとしている。
【０１０２】
次に、図８（ｃ）には、赤外レーザ部７００におけるストライプ部分７１１及び赤色レーザ部７３０におけるストライプ部分７４１の平面形状を示している。ここで、ストライプ部分７１１の下面の形状は、図１（ｃ）と同様に、光出射端面Ａから後端面Ｂまで同じ幅の形状７１１ａとなっている。これに対し、赤色レーザ部７３０におけるストライプ部分７４１の平面形状は、光出射端面Ａから後端面Ｂに向かって次第に幅が広くなるテーパストライプ構造の形状７４１ａとなっている。ここで、赤色レーザ部７３０においては、光出射端面Ａ側のストライプ幅をＷｓと表すことにする。
【０１０３】
尚、赤外レーザ部７００におけるストライプ部分７１１と、赤色レーザ部７３０におけるストライプ部分７４１とは同時に形成される。また、電流狭窄層７０９についても、赤外レーザ部７００及び赤色レーザ部７３０において同時に形成される。更に、いずれも図示は省略しているが、ｐ形ＧａＡｓコンタクト層７１０及び７４０と、ｎ形電流狭窄層７０９との上にはｐ形電極が形成されていると共に、ｎ形ＧａＡｓ基板７０１の裏面にはｎ形電極が形成されている。これらのｐ型電極及びｎ型電極についても、やはり、赤外レーザ部７００及び赤色レーザ部７３０において、同時に形成される。
【０１０４】
以上のように、本実施形態の半導体レーザ素子は、赤外レーザ部７００と赤色レーザ部７３０とを備えるモノリシック２波長レーザ素子となってる。該半導体レーザ素子について、第１の実施形態と同様に、残し厚を変化させた際のマルチモード性（発振スペクトルの半値全幅）の挙動を図９（ａ）に示す。但し、赤外レーザ部７００については第１の実施形態の半導体レーザ素子と同じであるから省略し、赤色レーザ部７３０についてのみ示す。
【０１０５】
ここで、ストライプ幅は、光出射端面Ａにおいて３μｍで且つ後端面Ｂにおいて５μｍとし、測定条件としては、室温及び３．５ｍＷ時である。
【０１０６】
図９（ａ）に示すように、残し厚ｄ２が増加すると、当初はこれに伴って発振スペクトルの半値全幅が増加し、残し厚ｄ２が０．４５μｍ以上となると発振スペクトルの半値全幅は概ね一定となる。図９（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）に、順には、残し厚ｄ２が０．３９μｍ、０．４７μｍ、０．７２μｍの場合の実際のスペクトル波形を示した。発振スペクトルは、図９（ｂ）に示す残し厚が０．３９μｍの場合にはシングルピークに近く、図９（ｂ）に示す０．４７μｍの場合及び図９（ｄ）に示す０．７２μｍの場合には半値全幅の広いマルチモードスペクトルが得られている。
【０１０７】
このことは、ストライプ部分７４１に対応する部分と、その両側に対応する部分との実効屈折率差（Δｎ）により説明できる。
【０１０８】
残し厚ｄ２が０．３９μｍの場合は、Δｎ＝１．２×１０-3程度であり、この比較的大きいΔｎのために光がリッジの横に染み出すことができず、可飽和吸収体が形成され難い状況になる。この結果として、発振スペクトルの半値全幅が小さくなる。
【０１０９】
これに対し、残し厚ｄ２が０．４７μｍ及び０．７２μｍである場合には、それぞれΔｎがΔｎ＝３．８×１０-4及び３．６×１０-5程度と小さいために光がリッジの横に染み出すことができ、可飽和吸収体が十分に形成され、マルチモード発振したものと考えられる。但し、残し厚ｄ２が０．７２μｍの場合、図示は省略するが、水平方向に関するＦＦＰが双峰性になるという現象が発生した。このため、安定したマルチモード性と基本横モード発振とを共に実現できる残し厚ｄ２は、０．４〜０．７μｍであることが確認された。
【０１１０】
ここで、一般に、従来の半導体レーザ素子による赤色レーザの自励発振のための残し厚ｄ２は、０．２５μｍ〜０．４μｍ（Δｎ：３×１０-3〜１×１０-3）である。これに対し、本実施形態の場合には、前記のように残し厚ｄ２の範囲が０．４μｍ〜０．７μｍ（Δｎ：１×１０-3〜５×１０-5）と厚いにもかかわらずマルチモード発振（自励発振を含む）が可能である。この理由を以下に説明する。
【０１１１】
図１０（ａ）は、ストライプ幅が光出射端面Ａにおいて３μｍ、後端面において５μｍであり、残し厚ｄ２が０．４７μｍである場合の発振閾値状態におけるＮＦＰ像を示している。第１の実施形態の場合と同様、ＮＦＰ像が示す光分布から得られる半値全幅を用いて、光の広がりの程度を示すことができる。
【０１１２】
図１０（ｂ）に、残し厚ｄ２＝０．３９μｍを基準として規格化したときの発振閾値状態のＮＦＰの半値全幅（点線で記載）と、残し厚ｄ２＝０μｍを基準として規格化したときの横方向拡がり電流（計算値：実線で記載）とを示している。ＮＦＰの半値全幅は、当初は残し厚ｄ２が厚くなるほど大きくなり、残し厚ｄ２が０．７μｍ程度を超えるとほぼ一定になる。一方、横方向拡がり電流は、残し厚ｄ２が０．４μｍ程度までは増加し、それ以後は概ね飽和傾向にある。
【０１１３】
このように、残し厚ｄ２が０．４μｍ〜０．７μｍの範囲において、横方向の電流広がりは概ね飽和傾向にあると共に光分布（広がり）は増加しているため、この範囲は可飽和吸収体が増加する領域であると言える。これに対し、残し厚ｄ２が０．７μｍ以上では、光分布（広がり）及び横方向電流が共に概ね一定であるため、可飽和吸収体に顕著な増加は見られず、この結果として発振スペクトルの半値全幅も概ね一定になったと考えられる。これらのことから、可飽和吸収体を形成しやすい領域は、残し厚ｄ２が０．４μｍ以上の領域である。前述したＦＦＰが双峰性にならないための領域は残し厚ｄ１が０．７μｍ以下の領域であるから、安定したマルチモード発振が可能な残し厚ｄ１の範囲は、０．４μｍ〜０．７μｍとなる。
【０１１４】
次に、ストライプ幅に対する電流の広がりの程度を、レーザ発振前のＮＦＰ像を用いて示す。図１１（ａ）は、ストライプ幅が光出射端面Ａで３．３μｍ、後端面Ｂで６μｍとなっており、残し厚ｄ２が０．４３μｍ、電流が１０ｍＡ流されたときのＮＦＰ像である。これは、活性層に注入される電流密度分布と強い相関があるため、電流分布として見ることができる。図１１（ａ）に示すように、残し厚ｄ２が０．４３μｍと比較的厚いため、電流は横方向に広く拡がっており、半値全幅によって表すと５．９μｍである。この値は、光出射端面Ａにおけるストライプ幅Ｗｓの３．３μｍと比べて２倍近くのかなり大きな広がりをもっていることになる。
【０１１５】
これと同様にして、後端面Ｂ側のストライプ幅を６μｍで一定とし、光出射端Ａ側のストライプ幅Ｗｓを変化させたときのＮＦＰによる電流分布の半値全幅の挙動を示したのが図１１（ｂ）である。図１１（ｂ）によると、光出射端Ａ側のストライプ幅Ｗｓが２．９μｍの時に電流広がり（半値全幅）は５．３μｍであり、ストライプ幅の増加に従って電流広がりも増加し、ストライプ幅が５μｍの時には半値全幅で８μｍ以上となっている。このように、従来よりも残し厚ｄ２を大きくすると、電流広がりがストライプ幅よりも大きくなることが確認された。
【０１１６】
次に、残し厚ｄ２を０．４５μｍで一定、後端面Ｂのストライプ幅を６μｍで一定とし、光出射端面Ａのストライプ幅Ｗｓを変化させたときのマルチモード性（発振スペクトルの半値全幅）の挙動を図１２（ａ）に示す。ここで、光出射端面Ａのストライプ幅Ｗｓがそれぞれ２．２μｍ、４．２μｍ及び５．８μｍのときの発振スペクトルを、順に図１２（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）に示す。図１２（ｂ）〜（ｄ）に示されたように、光出射端面Ａのストライプ幅Ｗｓが広くなるほど発振スペクトルの半値全幅が減少することが確認できる。これは、第１の実施形態の場合と同様の理由によると考えられる。つまり、光出射端面Ａのストライプ幅Ｗｓの増加に伴ってリッジストライプ部分下方において電流注入される活性層の体積が大きくなるため、電流狭窄層の下方において活性層に形成される可飽和吸収体の体積が相対的に小さくなることから、自励発振が生じにくくなったものと考えられる。
【０１１７】
また、ストライプ幅が５．８μｍの場合は、水平方向のＦＦＰが双峰性の高次横モード発振を生じ、７ｍＷ付近でキンクが発生するといった現象が確認された。このことより、特性上、ストライプ幅の上限は５．５μｍ程度であると考えられる。
【０１１８】
また、ストライプ幅２．２μｍのときは、Ｉ−Ｌ特性において、外部微分効率Ｓｅに非線形性が生じた。これは、可飽和吸収体の体積が大きくなり、可飽和吸収体が透明になると、導波路損失が急激に小さくなることに起因する。このようなＩ−Ｌ特性は、実用上、ＡＰＣ（Auto Power Control）動作させにくいため好ましくない。このことより、ストライプ幅の下限は２．５μｍ程度となる。
【０１１９】
以上の結果を基に、実際に本実施形態に係る半導体レーザ素子の構造と、従来技術の構造とについて、温度特性の比較を行なった。この結果として、図１３（ａ）はＩ−Ｌ特性の温度依存性、（ｂ）及び（ｃ）は順に本実施形態及び従来技術における発振スペクトルの温度依存性を示している。ここで、本実施形態の構造においては残し厚ｄ２が０．４２μｍ、従来技術構造においては残し厚が０．３３μｍである。この残し厚ｄ２をΔｎに換算すると、本発明構造ではΔｎ＝５×１０-4、従来技術構造ではΔｎ＝１．４×１０-3である。尚、ストライプ幅は両構造とも光出射端面Ａ側は３．２μｍ、後端面Ｂ側は５．２μｍであり、組成比は先に記したような値としている。
【０１２０】
図１３（ａ）に示されたように、２５℃におけるＩ−Ｌ特性としては、従来技術構造の方が低い発振閾値を有する。しかし、８５℃では、本実施形態の構造の方が発振閾値が低くなっている。この理由も、第１の実施形態の場合と同様と考えられる。つまり、まず、２５℃では、従来技術の構造は残し厚が薄いことより電流が横方向に大きく広がることがなく、このため発振に寄与しない無効電流が小さくなって効率的に光に変換されるためと考えられる。また、Δｎが比較的大きいため、活性層での導波路損失が減少するのもＩ−Ｌ特性が良好な一因であると考えられる。一方、８５℃の場合、従来技術の構造によると活性層に注入される電流がストライプ直下の部分に集中して電流密度が増加するため、素子に漏れ電流が発生して発熱につながり、これが原因となって温度特性が劣化してしまうものと考えられる。本実施形態の半導体レーザ素子の場合、電流の横広がりが従来技術よりも大きくなるため、電流密度も従来よりも低くなっており、漏れ電流の発生が抑制されている結果、幅広い動作温度保証を有している。
【０１２１】
また、図１３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、発振スペクトルの半値全幅は２５℃及び８５℃の何れにおいても従来技術構造よりも本実施形態構造の場合に大きく、良好なマルチモード特性が得られている。
【０１２２】
以上に説明したように、第１の実施形態の場合と同様に、本実施形態によると、残し厚ｄ２の範囲を規定することにより、発振スペクトルの半値全幅が広いマルチモード特性を安定に維持しながら、温度特性も良好な半導体レーザ素子を実現できる。つまり、残し厚ｄ２を、残し厚ｄ２の増加に対して電流の広がりが概ね一定であると共に、残し厚ｄ２の増加に伴って活性層における横方向の光の広がりが増加する範囲とする。このためには、残し厚ｄ２の増加に関わらず電流の広がりが概ね一定になり始める残し厚を基準とし、光分布（ＮＦＰの半値全幅）がストライプ幅に対して２倍以下程度になる領域に設定すればよい。
【０１２３】
具体的な寸法としては、既に示したように、ｎ形電流狭窄層７０９の下面から活性層７３４の上面までの距離（残し厚）ｄ２を０．４〜０．７μｍ（Δｎ＝１×１０-3〜５×１０-5）とすると共に、平均のストライプ幅（テーパストライプ構造をストレートなストライプとして換算した場合の平均幅）を２．５〜５．５μｍとすればよい。このようにすると共に、赤外レーザ部７００については第１の実施形態の半導体レーザ素子と同様に構成されていると、モノリシック２波長レーザとして、安定した特性を得ることができる。
【０１２４】
尚、各クラッド層の材料は、０．１Ωｃｍ以上の抵抗を有することが望ましく、具体例としては、ＡｌＧａＩｎＰを用いることが望ましい。
【０１２５】
また、本実施形態において、リッジストライプとしては、傾斜リッジ、つまり、図８（ａ）に示すように下面における幅が上面における幅よりも広い形状のストライプ部分７１１を用いている。しかし、第１の実施形態の場合と同様に、これに代えて、下面における幅が上面における幅と等しい垂直リッジとしてもよい。具体的な構造の一例を、図１４（ａ）〜（ｃ）に示す。これは、図８（ａ）〜（ｃ）に順に対応し、図１４（ａ）に示すように、ｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層７０７、ｐ形ＧａＩｎＰ中間層７０８及びｐ形ＧａＡｓコンタクト層７１０により、下面における幅が上面における幅と等しいストライプ部分８１１を構成している。また、ｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層７３７、ｐ形ＧａＩｎＰ中間層７３８及びｐ形ＧａＡｓコンタクト層７４０により、下面における幅が上面における幅と等しいストライプ部分８４１を構成している。尚、ストライプ部分８１１及び８４１の側面を覆うように、電流狭窄層８０９が形成されている。
【０１２６】
この他の点については、図８（ａ）〜（ｃ）に示した半導体レーザ素子と同様であるから、同様の符号を付すことによって詳しい説明は省略する。
【０１２７】
このように、垂直リッジを用いる場合、図８（ａ）に示す傾斜リッジの場合に比べてストライプ部分８１１及び８４１の上面の幅が広いため、微分抵抗Ｒｓを低減することができる。この結果として素子の発熱が抑制され、温度特性が向上する。
【０１２８】
また、本実施形態においては、第１の実施形態と同様の赤外レーザ部７００と、赤色レーザ部７３０とが共通のｎ形ＧａＡｓ基板７０１上に形成されたモノリシック２波長レーザ素子を説明した。しかし、レーザを発振する発光部としては赤色レーザ部７３０だけが搭載されたレーザ素子を形成することは、当然可能である。この場合にも、言うまでもなく、本実施形態において説明したような残し厚を有する赤色レーザ部とすることにより、従来よりも幅広い温度範囲において安定に動作するレーザ素子を得ることができる。
【０１２９】
（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態に係る半導体レーザ素子について説明する。
【０１３０】
図１５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、本発明の半導体レーザ素子の一例を示す図である。ここで、半導体レーザ素子は、第２の実施形態の半導体レーザ素子とは一部を除いて同じ構造を有している。このため、構造の相違点についてのみ詳しく説明することにする。半導体レーザ素子と同じ構成要素について、図１３（ａ）〜（ｃ）において、図８（ａ）〜（ｃ）と同じ符号を付している。
【０１３１】
本実施形態の半導体レーザ素子は、ｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層７０７、ｐ形ＧａＩｎＰ中間層７０８及びｐ形ＧａＡｓコンタクト層７１０からなるストライプ部分９１１と、ｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層７３７、ｐ形ＧａＩｎＰ中間層７３８及びｐ形ＧａＡｓコンタクト層７４０からなるストライプ部分９４１とについて、第２の実施形態の半導体レーザ素子とは平面形状が異なっている。
【０１３２】
具体的には、ストライプ部分９１１及び９４１について、いずれも、図１５（ｃ）に示すように、光出射端面Ａから内側に向かって徐々にストライプ幅が広くなり、中央部分は均一な幅のストレートストライプとなっており、その後、後端面Ｂに向かって徐々に幅の狭くなる形状となっている。言い換えると、ストライプ幅が一定の部分が内側に存在し、その両端から、それぞれ光出射端面Ａ及び後端面Ｂに向かってテーパ状に細くなる部分が連続して形成されている。
【０１３３】
このような、テーパストライプ構造は、ストレートストライプよりもストライプ幅を広くすることができるため、微分抵抗Ｒｓを低減して素子の発熱を抑制し、温度特性を向上することができる。
【０１３４】
ただし、赤外レーザ部７００におけるストライプ部分９１１の幅の平均（テーパストライプ構造をストレートとして換算した平均幅）は１〜４μｍ、赤色レーザ部７３０におけるストライプ部分７３０の幅の平均は２．５〜５．５μｍとする必要がある。これは、第１及び第２の実施形態において説明したのと同じ寸法の範囲である。この範囲から外れると、キンクが発生する、発振スペクトルやＦＦＰが双峰性を示す、レーザ素子の製造歩留りが低下する等の問題が発生する。
【０１３５】
尚、以上の第１、第２及び第３の実施形態においては、電流狭窄層としてｎ形ＧａＡｓ層を用いた。しかし、これに代えて、Ｔｉ／Ａｕのような金属、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＰやα−Ｓｉのような半導体、ＳｉＮx 、ＳｉＯx のような絶縁膜を用いることにはなんら問題は無い。更に、（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.51Ｉｎ0.49Ｐ等の組成比も、特にこれに限るものではない。
【０１３６】
また、活性層における井戸数を赤外側３層、赤色側５層としたが、赤外側３〜５層、赤色側４〜７層の範囲であれば良好な特性を得られる。
【０１３７】
更に、ストライプ構造は、ストレートストライプ構造、光出射端面Ａ側が狭く後端面Ｂ側が広くしたテーパストライプ構造、及び、中央部が広く両端面にしたがって狭くなる構造の３つを説明した、しかし、これらに限らず、後端面Ｂ側が狭く光出射端面Ａ側が広い構造、中央部が狭く両端面側に向かって広くなる構造等であっても良い。但し、平均ストライプ幅（テーパストライプ構造をストレートとして換算した平均幅）として、赤外レーザ部において１〜４μｍ、赤色レーザ部において２．５〜５．５μｍとすることが要求される。
【０１３８】
更に、本発明がＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ系、ＺｎＭｇＳＳｅ／ＺｎＳ系など、種々のレーザに適用できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１３９】
本発明の半導体レーザ素子は、高温動作時にも安定して基本横モードで且つマルチ縦モードの発振を行ない且つ温度特性が良好であるため、幅広い動作温度保証が要求される半導体レーザ素子として有用であり、特に、光ディスクシステムの分野におけるレーザ光源等として有用である。
【符号の説明】
【０１４０】
１０１            ｎ形ＧａＡｓ基板
１０２            ｎ形ＧａＡｓバッファ層
１０３            ｎ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層
１０４            活性層
１０４０ｇ        （ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１ガイド層
１０４１ｗ        ＧａＡｓ第１ウェル層
１０４２ｂ        （ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１バリア層
１０４３ｗ        ＧａＡｓ第２ウェル層
１０４４ｂ        （ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２バリア層
１０４５ｗ        ＧａＡｓ第３ウェル層
１０４６ｇ        （ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２ガイド層
１０５            ｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層
１０６            ｐ形エッチングストップ層
１０７            ｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層
１０８            ｐ形ＧａＩｎＰ中間層
１０９            ｎ形ＧａＡｓ電流狭窄層
１０９ａ          ｎ形ＧａＡｓ電流狭窄層下面の形状
１１０            ｐ形ＧａＡｓコンタクト層
１１１            ストライプ部分
１１１ａ          ストライプ部分下面の形状
ｄ１              残し厚
２１１            ストライプ部分
７００            赤外レーザ部
７０１            ｎ形ＧａＡｓ基板
７０２            ｎ形ＧａＡｓバッファ層
７０３            ｎ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層
７０４            活性層
７０５            ｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層
７０６            ｐ形エッチングストップ層
７０７            ｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層
７０８            ｐ形ＧａＩｎＰ中間層
７０９            ｎ形ＧａＡｓ電流狭窄層
７０９ａ          ｎ形ＧａＡｓ電流狭窄層下面の形状
７１０            ｐ形ＧａＡｓコンタクト層
７１１            ストライプ部分
７１１ａ          ストライプ部分下面の形状
ｄ１              残し厚
７３０            赤色レーザ部
７３２            ｎ形ＧａＡｓバッファ層
７３３            ｎ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層
７３４            活性層
７３４０ｇ        （ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１ガイド層
７３４１ｗ        ＧａＡｓ第１ウェル層
７３４２ｂ        （ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１バリア層
７３４２ｗ        ＧａＡｓ第２ウェル層
７３４３ｂ        （ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２バリア層
７３４５ｗ        ＧａＡｓ第３ウェル層
７３４６ｂ        （ＡｌＧａ）ＩｎＰ第３バリア層
７３４７ｗ        ＧａＡｓ第４ウェル層
７３４８ｂ        （ＡｌＧａ）ＩｎＰ第４バリア層
７３４９ｗ        ＧａＡｓ第５ウェル層
７３５０ｇ        （ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２ガイド層
７３５            ｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層
７３６            ｐ形エッチングストップ層
７３７            ｐ形（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層
７３８            ｐ形ＧａＩｎＰ中間層
７４０            ｐ形ＧａＡｓコンタクト層
７４１            ストライプ部分
７４１ａ          ストライプ部分下面の形状
ｄ２              残し厚
８１１、８４１、９１１、９４１  ストライプ部分
【図１】
2011181974.tif 000003
【図２】
2011181974.tif 000004
【図３】
2011181974.tif 000005
【図４】
2011181974.tif 000006
【図５】
2011181974.tif 000007
【図６】
2011181974.tif 000008
【図７】
2011181974.tif 000009
【図８】
2011181974.tif 000010
【図９】
2011181974.tif 000011
【図１０】
2011181974.tif 000012
【図１１】
2011181974.tif 000013
【図１２】
2011181974.tif 000014
【図１３】
2011181974.tif 000015
【図１４】
2011181974.tif 000016
【図１５】
2011181974.tif 000017