(57)【要約】【課題】高温動作時および大出力動作時における電力変換効率を向上させた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１は、ｎ型基板１２にｎ型クラッド層２、多重量子井戸活性層３およびｐ型クラッド層４１が順次積層され、この半導体積層部の上部にストライプ構造を備える。ｎ型クラッド層２は、Ａｌx1Ｇａ1-x1Ａｓ（０．４＜ｘ１≦１）からなる第１ｎ型クラッド層２１と、（Ａｌx2Ｇａ1-x2）1-y2Ｉｎy2Ｐ（０≦ｘ２≦１，０．４５≦ｙ２≦０．５５）からなる第２ｎ型クラッド層２２とを有する。ｐ型クラッド層４１は、（Ａｌx3Ｇａ1-x3）1-y3Ｉｎy3Ｐ（０≦ｘ３≦１，０．４５≦ｙ３≦０．５５）からなる。ストライプ構造の幅は１０μｍ以上とされ、第１ｎ型クラッド層２１のレーザ発振波長に対する屈折率が第２ｎ型クラッド層２２のレーザ発振波長に対する屈折率以下となされる。【選択図】図１
2019079911.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型基板と、前記ｎ型基板上にｎ型クラッド層、活性層、およびｐ型クラッド層が順次積層された半導体積層部とを有し、前記半導体積層部の上部にストライプ構造を備えた半導体レーザ素子であって、
前記ｎ型クラッド層は、
前記活性層から遠い側に、Ａｌx1Ｇａ1-x1Ａｓ層（０．４＜ｘ１≦１）からなる第１ｎ型クラッド層と、
前記活性層に近い側に（Ａｌx2Ｇａ1-x2）1-y2Ｉｎy2Ｐ層（０≦ｘ２≦１，０．４５≦ｙ２≦０．５５）からなる第２ｎ型クラッド層と
の２層を少なくとも有し、
前記ｐ型クラッド層は、
（Ａｌx3Ｇａ1-x3）1-y3Ｉｎy3Ｐ層（０≦ｘ３≦１，０．４５≦ｙ３≦０．５５）からなり、
前記ストライプ構造の幅は１０μｍ以上とされるとともに、前記第１ｎ型クラッド層のレーザ発振波長に対する屈折率が、前記第２ｎ型クラッド層のレーザ発振波長に対する屈折率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】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
前記第１ｎ型クラッド層の層厚をｔn1、前記第２ｎ型クラッド層の層厚をｔn2とするとき、
ｔn1＞ｔn2
の関係式を満たすことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体レーザ素子において、
前記ｐ型クラッド層の発振波長に対する屈折率をｎp、前記第１ｎ型クラッド層の発振波長に対する屈折率をｎn1、層厚をｔn1、前記第２ｎ型クラッド層の発振波長に対する屈折率をｎn2、層厚をｔn2とするとき、
ｎp＜［｛（ｎn1×ｔn1）＋（ｎn2×ｔn2）｝／（ｔn1＋ｔn2）］
の関係式を満たすことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の半導体レーザ素子において、
前記活性層は少なくとも一の量子井戸を含み、発振波長が６００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の半導体レーザ素子において、
前記半導体積層部は、
ｎ型クラッド層と、
活性層と、
（Ａｌx3Ｇａ1-x3）1-y3Ｉｎy3Ｐ層（０≦ｘ３≦１、０．４５≦ｙ３≦０．５５）からなるｐ型クラッド層とをこの順に備え、
前記ｎ型クラッド層は、
前記活性層から遠い側に、Ａｌx1Ｇａ1-x1Ａｓ層（０．４＜ｘ１≦１）からなる第１ｎ型クラッド層と、
前記活性層に近い側に（Ａｌx2Ｇａ1-x2）1-y2Ｉｎy2Ｐ層（０≦ｘ２≦１，０．４５≦ｙ２≦０．５５）からなる第２ｎ型クラッド層と
の積層体を備え、
前記積層体がトンネル接合層を介して複数積層されてな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、マルチモードのレーザ光を出射する半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子は産業用では光通信、製造、医療など、民生用では光ディスクなど、さまざまな用途で使用されている。加工用ファイバレーザの励起光源や、レーザ投光器の光源など、大きな光出力を要するレーザ光源としては、１次以上の高次水平横マルチモード光を発振する端面出射型半導体レーザ素子が使用されることが多い。この種の半導体レーザ素子は一般的には幅１０μｍから数１００μｍのストライプ幅を有し、数１００ｍＷ以上の光を出射することができ、ワイドストライプレーザ、ブロードエリアレーザなどと称されている（以下、単にワイドストライプレーザと称する。）。
【０００３】
ワイドストライプレーザはパルス大電流で駆動させることにより、ピーク光出力数１０Ｗ以上の大出力の短パルスレーザ光を出射することができる。パルス駆動により、連続駆動の場合より熱の蓄積を抑え、瞬時に大出力の光を出射することができるためである。このようなパルス大出力レーザは、例えばＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  Ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ）のような測距センサなど、センシングシステムの光源として用いることができる。
【０００４】
大出力のレーザ光を出射するワイドストライプレーザは、瞬時ではあるが、数１００ｍＡから数１０Ａの大電流の注入によって駆動する。この場合、注入電流が大きいため、エピタキシャル層の電気抵抗が大きいと電力損失が大きくなる。また、電力変換効率（Ｗａｌｌ−Ｐｌｕｇ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ：ＷＰＥ）が低下したり、発熱により高温となって光出力が飽和し、素子寿命が短くなったりするなどの問題が懸念されている。
【０００５】
半導体レーザ素子における高温動作時の効率の低下を抑える構造として、従来、例えば特許文献１に開示されるように、活性層を挟むクラッド層の材料をＡｌＧａＡｓに代えてＡｌＧａＩｎＰを用いることが提案されている。ＡｌＧａＩｎＰは、ＡｌＧａＡｓに比べてバンドギャップが大きい材料であるため、活性層とクラッド層のバンドギャップ差を大きくとることができ、キャリアのオーバーフローを抑制し得る。これにより、高温動作時および大出力駆動時の電力変換効率を向上させるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１８２７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＡｌＧａＩｎＰは、材料物性に起因して、ＡｌＧａＡｓに比べ電気抵抗率が高い。クラッド層の抵抗は活性層の抵抗に付加的に加わる直列抵抗であり、特に半導体レーザを大電流駆動するときに大きな電力損失の原因となる。したがって、前記大出力レーザにおいて、良好な高温特性を得るべくＡｌＧａＩｎＰクラッド層を使用する場合、低電圧動作と両立させることが難しくなるという課題があった。
【０００８】
図８は、従来のこの種の端面出射型の半導体レーザ素子８０を模式的に示す斜視図である。この半導体レーザ素子８０は、ｎ型電極８０１とｐ型電極８１０とを備え、ｎ型ＧａＡｓ基板８０２上に、ｎ型クラッド層８０３、量子井戸活性層８０４、ｐ型クラッド層８０６、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層８０７が順に積層されている。ｐ型半導体層８０５の一部にはリッジ部８０８が形成され、リッジ部８０８の外側に絶縁膜８０９が設けられている。絶縁膜８０９の上には、ｐ型半導体層８０５と電気的コンタクトをとるためのｐ型電極８１０が設けられている。
【０００９】
注入された電流は、ストライプ幅ｗであるストライプ状の開口部のみに狭窄され、発振に必要なキャリア密度を得ることができる。かかる構造では、リッジ部８０８の屈折率がリッジ部外よりも実効的に高くなるため、実屈折率差による水平方向の光閉じ込めが達成される（実屈折率導波構造）。大出力半導体レーザにおいては、同じ電流密度でも大きな電流を流すことができ、また、単位断面積あたりの光密度を下げることができる。そのため、ストライプ幅ｗを広くとることが多く、目的とする光出力に応じて１０μｍ〜数１００μｍで設定される。
【００１０】
図９は、従来の端面出射型の他の半導体レーザ素子９０を模式的に示す斜視図である。図９に示す例では、ｎ型電極９０１、ｎ型ＧａＡｓ基板９０２上に、ｎ型クラッド層９０３、量子井戸活性層９０４、ｐ型半導体層９０５（ｐ型クラッド層９０６、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９０７）が順に積層されている。ｐ型半導体層９０５にはリッジ部が備えられず、ｐ型半導体層９０５の上面に形成された絶縁膜９０８の一部がストライプ状に除去された構成を有している。
【００１１】
この場合、電流は、ストライプ領域に残されたｐ型半導体層９０５とｐ型電極９０９とが接触する領域のみに制限されて注入される。リッジ部が存在しないため、実屈折率差による水平方向の光閉じ込めは行われないが、電流が注入されるストライプ領域のみが高い光学利得を持つ。そのため、ストライプ領域に沿って選択的に光が導波し、水平方向の光閉じ込めが達成される（利得導波構造）。
【００１２】
このような従来の半導体レーザ素子において、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を有してストライプ幅ｗが１０μｍ以上の場合には、高い温度安定性と動作電圧の低減とを両立させ、特に、高温動作時および大出力動作時における電力変換効率を向上させることが大きな課題であった。
【００１３】
本発明は、前記課題点にかんがみてなされたものであり、その目的とするところは、高い温度安定性と動作電圧の低減を両立し、特に、高温動作時および大出力動作時における電力変換効率を向上させた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】
【００１４】
本発明者は、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を有するワイドストライプレーザの動作電圧の低減について鋭意検討し、以下に記載するような構造によって前述の課題が解決できることを見出した。
【００１５】
すなわち、前記課題を解決するための本発明の手段は、ｎ型基板と、前記ｎ型基板上にｎ型クラッド層、活性層、およびｐ型クラッド層が順次積層された半導体積層部とを有し、前記半導体積層部の上部にストライプ構造を備えた半導体レーザ素子を前提とする。この半導体レーザ素子に対し、前記ｎ型クラッド層として、前記活性層から遠い側に、Ａｌx1Ｇａ1-x1Ａｓ層（０．４＜ｘ１≦１）からなる第１ｎ型クラッド層と、  前記活性層に近い側に（Ａｌx2Ｇａ1-x2）1-y2Ｉｎy2Ｐ層（０≦ｘ２≦１，０．４５≦ｙ２≦０．５５）からなる第２ｎ型クラッド層とを備えさせる。また、前記ｐ型クラッド層を、（Ａｌx3Ｇａ1-x3）1-y3Ｉｎy3Ｐ層（０≦ｘ３≦１，０．４５≦ｙ３≦０．５５）とする。また、前記ストライプ構造の幅を１０μｍ以上とするとともに、前記第１ｎ型クラッド層のレーザ発振波長に対する屈折率を、前記第２ｎ型クラッド層のレーザ発振波長に対する屈折率以下とした構成としている。
【００１６】
この特定事項により、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を有する構成である半導体積層部の第１ｎ型クラッド層には、動作電圧を低減する効果を備えさせ、第２ｎ型クラッド層には、活性層からのキャリアのオーバーフローを防ぎ、高温動作時の効率を向上させる効果を備えさせることが可能となる。これにより、室温から高温まで、高い電力変換効率で大出力のレーザ光を出射することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高い温度安定性と動作電圧の低減性とを両立させ、特に、高温動作時および大出力動作時における電力変換効率を向上させた半導体レーザ素子とすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる半導体レーザ素子の層構造を模式的に示す斜視図である。
【図２】従来のＡｌＧａＩｎＰクラッド層を有するワイドストライプレーザの素子抵抗の実験結果を示すグラフである。
【図３】第１の実施形態にかかる半導体レーザ素子における垂直横モード光のニアフィールドパターンである。
【図４】本発明の第２の実施形態にかかる半導体レーザ素子の層構造を模式的に示す斜視図である。
【図５】実施例１にかかる半導体レーザ素子の断面構造図である。
【図６】実施例１、比較例１、比較例２、および比較例３について、ストライプ幅を異ならせて測定した素子抵抗を示すグラフである。
【図７】実施例２にかかる半導体レーザ素子の断面構造図である。
【図８】従来の端面出射型半導体レーザ素子の層構造を模式的に示す斜視図である。
【図９】従来の端面出射型半導体レーザ素子の他の層構造を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態にかかる半導体レーザ素子について、図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる半導体レーザ素子１の層構造を模式的に示す斜視図である。なお、以下の説明では、半導体レーザ素子１における方向性を、図１に示されるＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を基準として説明する。また、以下に示す図面においては見やすさを考慮し断面を示すハッチングを省略して示している。
【００２１】
半導体レーザ素子１は、平板状のウエハを劈開することで形成されるものであり、ｎ型電極１１およびｐ型電極１３を有し、Ｙ方向の端面に共振器が設けられてなる。この半導体レーザ素子１は、ｎ型ＧａＡｓからなるｎ型基板１２上に、ｎ型クラッド層２、多重量子井戸活性層３、およびｐ型半導体層４が順次、エピタキシャル成長されてなる。
【００２２】
ｎ型クラッド層２は、多重量子井戸活性層３から遠い側に、ｎ型Ａｌx1Ｇａ(1-x1)Ａｓからなる第１ｎ型クラッド層２１を備え、多重量子井戸活性層３に近い側に、ｎ型（Ａｌx2Ｇａ(1-x2)）(1-y2)Ｉｎy2Ｐからなる第２ｎ型クラッド層２２を備える。
【００２３】
ｐ型半導体層４として、ｐ型クラッド層４１と、電気的コンタクトをとるためのｐ型ＧａＡｓコンタクト層４２とを備える。ｐ型クラッド層４１は、ｐ型（Ａｌx3Ｇａ(1-x3)）(1-y3)Ｉｎy3Ｐにより形成される。
【００２４】
多重量子井戸活性層３は、量子井戸層とバリア層とを交互に積層し、量子井戸層間をバリア層により分離して構成された発光層であり、詳細には図示しないが、多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）構造を有している。
【００２５】
半導体レーザ素子１において、多重量子井戸活性層３は、量子井戸層およびバリア層の層厚や組成を適宜変更することにより、例えば、赤色（波長６００ｎｍ）〜赤外（波長１１００ｎｍ）のレーザ光を出射することができる。
【００２６】
一例として、量子井戸層にＧａＡｓを用い、バリア層にＡｌＧａＡｓを用いた多重量子井戸活性層の構成とすることが挙げられる。この場合、多重量子井戸活性層３は、波長８３０ｎｍの赤外光を出射することができる。
【００２７】
また、例えば、量子井戸層にＧａＩｎＰを用い、バリア層にＡｌＧａＩｎＰを用いて量子井戸活性層を構成することにより、多重量子井戸活性層３は、波長６６０ｎｍの赤色光を出射することができる。
【００２８】
さらに、例えば、量子井戸層にＩｎＧａＡｓを用い、バリア層にＡｌＧａＡｓを用いて構成した場合には、多重量子井戸活性層３は、波長９０５ｎｍの赤外光を出射することができる。
【００２９】
図２は、本発明者の検討による、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を有する従来のワイドストライプレーザの素子抵抗の実験結果を示したグラフである。図中、横軸にはストライプ幅ｗを示し、縦軸には直列抵抗（オン抵抗）の抵抗値（Ω）を示している。
【００３０】
図中実線で示すように、理想的には、抵抗値は面積に反比例することから、ストライプ幅ｗを広くすることで動作電圧の低減作用が期待される。ところが、本発明者が検討したところによると、ストライプ幅ｗが１０μｍより広くなると、図中破線で示すように徐々に抵抗値の減少が飽和するという問題点が確認された。
【００３１】
このことは、電力変換効率を低下させるだけでなく、直列抵抗による素子自身の発熱で活性層近傍の温度上昇を招くおそれがある。すなわち、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層に期待するオーバーフロー抑制効果が打ち消されており、ワイドストライプレーザの高効率化を阻害する要因になっていると考えられた。
【００３２】
かかる実験結果に基づき、本発明者は、鋭意検討の結果、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を有するストライプ幅ｗが１０μｍ以上のワイドストライプレーザにおいて、以下のような原因により電気抵抗が理想的な値から高くなることを明らかにした。
【００３３】
すなわち、ｎ型ＧａＡｓ基板上に作製する単一横モードの端面出射型半導体レーザ素子では、ｐ型クラッド層を含むｐ型半導体層の少なくとも一部に幅数μｍ程度のストライプを形成する。ｎ型半導体層は、ストライプを形成せず、１００μｍから数１００μｍの幅を有することが一般的である。ｐ型半導体層の幅は、ｎ型半導体層の幅に対して数１０倍〜数１００倍と広いため、素子抵抗は、ほぼｐ型半導体層の抵抗に支配される。したがって、ｐ型半導体層の抵抗率が同じ場合は、ストライプ幅ｗに反比例して素子抵抗が低下する理想的な特性が得られる。
【００３４】
一方、ワイドストライプレーザにおいては幅１０μｍ以上のストライプ幅ｗが用いられるため、ｐ型半導体層の幅がｎ型半導体層の幅に近い値となる。この結果、全体の抵抗値に対して、ｎ型半導体層の寄与の割合が大きいものになる。つまり、ストライプ幅ｗが１０μｍ未満の単一横モードレーザでは無視できていたｎ型半導体層の抵抗がワイドストライプレーザにおいては無視できず、前述の理想的な値から外れた高い値となったと考えられた。
【００３５】
特に、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を備える場合には前記の問題が顕著となる。ＡｌＧａＩｎＰは材料物性に起因して抵抗率が高く、加えてｎ型ＡｌＧａＩｎＰとｐ型ＡｌＧａＩｎＰの抵抗率が近いという特徴がある。そのため、ｎ型半導体層の抵抗値の寄与の割合は、ＡｌＧａＡｓクラッド層を備える半導体レーザ素子よりも顕著であるといえる。
【００３６】
以上のような検討から、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を有するワイドストライプレーザの抵抗値は、理想的な値よりも高くなると考えられた。かかる抵抗値を低減するためには、ｎ型半導体層のキャリア密度を上げるか、層厚を低減する必要があるが、トレードオフとして、クラッド層での光吸収の増大による内部損失の増加や、活性層への光閉じ込め係数の低下による閾値電流が増大などの特性悪化が起こる。その結果、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を有するワイドストライプの半導体レーザ素子においては、高温動作時の高い効率と動作電圧の低減を両立することが困難となる。
【００３７】
そこで、第１の実施形態にかかる半導体レーザ素子１においては、ｎ型クラッド層２は、多重量子井戸活性層３への光閉じ込めを制御するために、その組成および層厚等を以下のように調整することとした。
【００３８】
まず、多重量子井戸活性層３において、量子井戸層にはＧａＡｓを用い、バリア層にはＡｌＧａＡｓを用い、発振波長Ｌpｎｍの赤外光を出射する場合を例に挙げて説明する。
【００３９】
第１ｎ型クラッド層２１は、その屈折率がｎn1、層厚がｔn1とされ、第２ｎ型クラッド層２２は、その屈折率がｎn2、層厚がｔn2とされ、ｐ型クラッド層４１は、その屈折率がｎpとされる。ここで、屈折率ｎn1、ｎn2、ｎpは、それぞれ発振波長Ｌpｎｍの赤外光に対する屈折率の値を表すものとする。
【００４０】
第１ｎ型クラッド層２１を構成するｎ型Ａｌx1Ｇａ(1-x1)Ａｓにおいて、Ａｌ組成比はｘ1とされる。第２ｎ型クラッド層２２を構成するｎ型（Ａｌx2Ｇａ(1-x2)）(1-y2)Ｉｎy2Ｐにおいて、Ａｌ組成比はｘ2とされる。ｐ型クラッド層４１を構成するｐ型（Ａｌx3Ｇａ(1-x3)）(1-y3)Ｉｎy3Ｐにおいて、Ａｌ組成比はｘ3とされる。そして、これらの各層における屈折率、Ａｌ組成比および層厚は、次のように構成される。
【００４１】
ｐ型クラッド層４１の屈折率ｎpと第２ｎ型クラッド層２２の屈折率ｎn2との関係については、Ａｌ組成比ｘ3およびＡｌ組成比ｘ2の値を任意に設定することにより、所望のレーザ特性を得ることができる。
【００４２】
第２ｎ型クラッド層２２の屈折率ｎn2と第１ｎ型クラッド層２１の屈折率ｎn1の関係については、ｎn2≧ｎn1となるように、Ａｌ組成比ｘ1およびＡｌ組成比ｘ2の値が選択される。
【００４３】
図３は、第１の実施形態にかかる半導体レーザ素子１における垂直横モード光（活性層に垂直なＹ方向光）のニアフィールドパターン（Ｎｅａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ：ＮＦＰ）を示す。図中、第２ｎ型クラッド層２２の屈折率ｎn2と第１ｎ型クラッド層の屈折率ｎn1が等しい場合を実線で示し、屈折率ｎn2を屈折率ｎn1より大きくした場合を長破線で示している。これらの場合、ニアフィールドパターンは、単一のピークをもつ単峰型の形状となり安定したモードが得られる。
【００４４】
図３において、第２ｎ型クラッド層２２の屈折率ｎn2を第１ｎ型クラッド層の屈折率ｎn1より小さくした場合（ｎn2＜ｎn1の場合）は、短破線で示される。この場合、ニアフィールドパターンは、単一のピークをもつ単峰型の形状とはならない。第１ｎ型クラッド層２１の領域に、垂直横モード光の一部が閉じ込められて導波するためである。これに伴い、ファーフィールドパターン（Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ：ＦＦＰ）においても複数のピークをもったり、出射角が広くなったりするので、所望のレーザ特性が得られないこととなる。
【００４５】
ここで、ｐ型クラッド層４１の屈折率ｎpは、厚みを加味したｎ型クラッド層２の平均屈折率よりも小さい方が好ましい。すなわち、ｎ型クラッド層２の平均屈折率は、
｛（ｎn1×ｔn1）＋（ｎn2×ｔn2）｝／（ｔn1＋ｔn2）
により表される。
【００４６】
したがって、ｐ型クラッド層４１の屈折率ｎpは、次式（１）
ｎp＜［｛（ｎn1×ｔn1）＋（ｎn2×ｔn2）｝／（ｔn1＋ｔn2）］…（１）
の関係を満たすことが好ましい。
【００４７】
ｐ型クラッド層４１は、光吸収による損失が大きいものである。しかし、例示の形態では、ｎ型クラッド層２側へ導波光が偏って分布する非対称クラッド設計となるので、ｐ型クラッド層４１への導波光の浸み出しを小さくすることができる。そのため、半導体レーザ素子１における微分効率が高められ、光出力特性が格段に向上する。
【００４８】
さらに、第１ｎ型クラッド層２１の層厚ｔn1と第２ｎ型クラッド層２２の層厚ｔn2については、
ｔn2＜ｔn1
の関係により構成されることが好ましい。
【００４９】
第１ｎ型クラッド層２１は抵抗率の小さいｎ型ＡｌＧａＡｓにより構成されるが、第１ｎ型クラッド層２１と第２ｎ型クラッド層２２とがかかる層厚の関係を有することによって、ｎ型クラッド層２全体に占める第１ｎ型クラッド層２１の割合が大きくなり、抵抗値の低減効果を得ることが可能となる。
【００５０】
また、ｎ型クラッド層２のうち、第２ｎ型クラッド層２２は、ｎ型（Ａｌx2Ｇａ(1-x2)）(1-y2)Ｉｎy2Ｐにより構成され、ｙ2の値は、０．４５以上０．５５以下の範囲とされる。ｐ型クラッド層４１を構成する、ｐ型（Ａｌx3Ｇａ(1-x3)）(1-y3)Ｉｎy3Ｐにおいて、ｙ3の値も、０．４５以上０．５５以下の範囲とされる。
【００５１】
Ｉｎ組成比ｙ2およびｙ3の値がこのように構成されることにより、ｎ型基板（ＧａＡｓ基板）１２に対する格子不整合が大きくならないようにすることができる。本実施の形態においては、Ｉｎ組成比ｙ2およびｙ3の値について、格子整合条件である０．５とすることが好ましい。
【００５２】
第１の実施形態にかかる半導体レーザ素子１において、第１ｎ型クラッド層２１、第２ｎ型クラッド層２２、およびｐ型クラッド層４１の各層のＡｌ組成比、屈折率、および層厚の構成例を表１に示す。
【００５３】
【表１】
2019079911.tif 000003
【００５４】
この例では、半導体レーザ素子１は、発振波長８３０ｎｍの赤外光を出射する、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸活性層３を備えている。
【００５５】
また、半導体レーザ素子１の他の例における前記各層のＡｌ組成比、屈折率、および層厚の構成例を表２に示す。この例では、半導体レーザ素子１は、発振波長９０５ｎｍの赤外光を出射する、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸活性層３を備えている。
【００５６】
【表２】
2019079911.tif 000004
【００５７】
なお、表１および表２には、発振波長が８３０ｎｍまたは９０５ｎｍである場合示したが、発振波長が異なる場合においても同様に、各々適切なＡｌ組成比ｘ1、ｘ2、ｘ3、層厚ｔ1、ｔ2の値を選択することで、それぞれ所望の波長に対して最適化することが可能である
かかる半導体レーザ素子１は、有機金属気相堆積法（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）などの手法により各層を成長させて製造される（エピタキシャル成長プロセス）。
【００５８】
例えば、エピタキシャル成長プロセスの後、各層積層体とｎ型基板１２とを有するウエハ上に、フォトリソグラフィによるパターニングやドライエッチング等のエッチング工程を施す。これにより、図１におけるＺ方向にストライプ状（細長状）となるリッジ構造を形成する（リッジ構造形成プロセス）。半導体レーザ素子１のリッジ構造は、フォトリソグラフィのパターニング幅を変えることによって、Ｘ方向の幅であるリッジ幅を適宜調整することができる。
【００５９】
半導体レーザ素子１において、ストライプ幅ｗは１０μｍ以上であり、２０μｍ以上であるとさらに好ましい。これにより、動作電圧の低減効果を得ることができる。
【００６０】
前記リッジ構造形成プロセスに引き続き、エピタキシャル表面側に露出したｐ型半導体層４のうち、リッジ構造上にのみｐ型半導体層４が露出するよう、フォトリソグラフィなどでパターニングを施したのち、絶縁膜１４を堆積させる。この後、ｎ型基板１２側にｎ型電極１１を形成し、エピタキシャル表面（成長主面）側にＡｕなどによるｐ型電極１３を形成する。これにより、実屈折率導波型のストライプ構造を形成する（ストライプ構造形成プロセス）。
【００６１】
エピタキシャル成長プロセス、リッジ構造形成プロセス、ストライプ構造形成プロセス等の各プロセスの後、ウエハのｚ方向端面に、一対の反射面を有する共振器を一定の長さで劈開して形成する。詳細には図示しないが、かかる端面には、端面保護と反射率調整のために、誘電体膜を積層した端面コート膜を形成する。
【００６２】
ここで、半導体レーザ素子１において行う劈開とは、結晶の特定方向への割れやすさを利用し、特定結晶面に亀裂を発生させ、さらにその亀裂を進展させて分割する分割方法によるものである。そのため半導体レーザ素子１を製造する場合に、エピタキシャル表面（成長主面）に分割補助溝（ストライプ状の溝）等を形成することで、結晶特定面に亀裂を生じさせることができる。各々のストライプ構造の間を劈開によりチップ分割することで、個々の半導体レーザ素子１に個片化する。
【００６３】
このようにして、半導体レーザ素子１が製造される。なお、上述の各製造プロセスでは、半導体レーザ素子１として、リッジ構造を有する例を示しているが、これに限定されるものではなく、前記（１）式の条件等を満たすことにより、前記効果を得られる半導体レーザ素子も同様に形成することが可能である。特に、発振波長が６００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の赤色から赤外光を出射する半導体レーザ素子に好適なものとなる。
【００６４】
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態にかかる半導体レーザ素子１の層構造を模式的に示す斜視図である。
【００６５】
この半導体レーザ素子１において、ｎ型ＧａＡｓからなるｎ型基板１２上に、ｎ型クラッド層２、多重量子井戸活性層３、およびｐ型クラッド層４１を順に備える構成は第１の実施形態と同様である。ｎ型クラッド層２は、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなる第１ｎ型クラッド層２１と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰからなる第２ｎ型クラッド層２２とを備えている。これらの各層の組成は前記第１の実施形態と同様の特徴を有する。
【００６６】
さらに本実施形態では、ｎ型クラッド層２、多重量子井戸活性層３およびｐ型クラッド層４１を順に積層した単位レーザ構造５０を複数備えて構成されるとともに、単位レーザ構造５０間の境界領域にトンネル接合層６を備えている。半導体レーザ素子１は、単位レーザ構造５０をｎ型基板１２の成長面に対して垂直方向に複数積層して形成されている。複数の単位レーザ構造５０の最上部には、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層４２が積層されている。
【００６７】
例示の形態では、半導体レーザ素子１は、トンネル接合層６を介して、単位レーザ構造５０を３組積層させて構成されている。複数の単位レーザ構造５０を、トンネル接合層６を介して積層することにより、レーザ出射出力が各層の出力の和となるので、かかる単位レーザ構造５０を積層しない単一構成である場合に比べて、より一層高い光出力を得ることができる。
【００６８】
エピタキシャル成長プロセス後のウエハにはリッジ構造を形成せず、ストライプ状の領域を残してパターニングを施すことにより、絶縁膜１４およびｐ型電極１３を形成する。これにより、利得導波型のストライプ構造を形成する。ストライプ構造は図４に示した構造であるに限られず、他のどのようなストライプ構造が採用されてもよい。
【００６９】
かかるストライプ構造形成プロセスの後、第１の実施形態と同様の方法によって、劈開、端面コート膜の形成、およびチップ分割を行うことで、半導体レーザ素子１を作製する。
【００７０】
以上のように構成される半導体レーザ素子１では、室温から高温まで、高い電力変換効率で大出力のレーザ光を出射することが可能となる。ＡｌＧａＩｎＰからなる第２ｎ型クラッド層２２は、多重量子井戸活性層３からのキャリアのオーバーフローを防ぎ、高温動作時の効率を向上させる効果がある。ＡｌＧａＡｓからなる第１ｎ型クラッド層２１は、動作電圧を低減する効果を有する。したがって、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を有するワイドストライプレーザである半導体レーザ素子１の動作電圧を低減することができる。
【００７１】
ｎ型ＡｌＧａＡｓの抵抗率は、同じキャリア密度のｐ型ＡｌＧａＡｓに対して１桁程度低いので、層厚が厚い場合でも抵抗値を低くすることが可能となる。また、第２ｎ型クラッド層２２の層厚を第１ｎ型クラッド層２１よりも小さくすることによって、抵抗率の低いｎ型ＡｌＧａＡｓの層厚のｎ型クラッド層２全体の層厚に占める割合が大きくなり、より効果的に抵抗値の低減の効果を得ることが可能となる。
【００７２】
第２の実施形態にかかる半導体レーザ素子１は、ｐ型クラッド層４１、多重量子井戸活性層３、およびｎ型クラッド層２を含む単位レーザ構造５０が、トンネル接合層６を介して複数積層されたスタック型の端面出射型の半導体レーザ素子として好適である。
【００７３】
なお、発振波長に対する第１ｎ型クラッド層２１の屈折率は、第２ｎ型クラッド層２２の屈折率よりも小さく調整されている。これにより、半導体レーザ素子１は、単峰性の垂直ファーフィールドパターンを有するレーザ光を出射することが可能とされる。
【００７４】
（実施例１）
図５は、実施例１にかかる半導体レーザ素子１ａの断面構造図である。
【００７５】
この実施例では、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型電極１３３およびｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１０３、ｎ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓバッファ層１０５を堆積させた。さらに、ｎ型クラッド層１０７として、厚さ３μｍのｎ型Ａｌ0.59Ｇａ0.41Ａｓからなる第１ｎ型クラッド層１０９、厚さ２μｍのｎ型（Ａｌ0.40Ｇａ0.60）0.50Ｉｎ0.50Ｐからなる第２ｎ型クラッド層１１１、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸活性層１１３、厚さ１５０ｎｍのｐ型（Ａｌ0.70Ｇａ0.30）0.50Ｉｎ0.50Ｐからなる第１ｐ型クラッド層１１９、アンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるエッチングストップ層１２１、厚さ８００ｎｍのｐ型（Ａｌ0.70Ｇａ0.30）0.50Ｉｎ0.50Ｐからなる第２ｐ型クラッド層１２３、ｐ型Ｇａ0.50Ｉｎ0.50Ｐ中間層１２５、およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２７を堆積させた。
【００７６】
また、ストライプ幅ｗのストライプ領域を残してパターニングを施し、絶縁膜１２９およびｐ型電極１３１を形成した。
【００７７】
ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸活性層１１３は、各々アンドープのＡｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ光ガイド層４０ｎｍ、ＧａＡｓ量子井戸層５ｎｍ、Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓバリア層５ｎｍ、ＧａＡｓ量子井戸層５ｎｍ、およびＡｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ光ガイド層９ｎｍを順次堆積して作製した二重量子井戸構造を有し、発振波長８３０ｎｍの赤外光を出射するよう設計した。
【００７８】
また、実施例１においては、第１ｐ型クラッド層１１９と第２ｐ型クラッド層１２３との間に、リッジ形成時のエッチングを停止させるためのＧａＩｎＰエッチングストップ層１２１を設けている。このＧａＩｎＰエッチングストップ層１２１は、ｐ型クラッド層１１７全体に占める層厚の割合が小さいため、光分布や電流注入に及ぼす影響は軽微であり、第１ｐ型クラッド層１１９と第２ｐ型クラッド層１２３とを合わせて、ｐ型クラッド層１１７として機能させることができる。
【００７９】
結晶成長後のウエハには、前記第１の実施形態に記載の方法により、ストライプ幅ｗが１０μｍ、２０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍであるストライプ構造をそれぞれ形成し、共振器長１１００μｍに劈開して端面保護膜を形成し、半導体レーザ素子１ａを作製した。
【００８０】
図６は、実施例１、比較例１、比較例２、および比較例３について、ストライプ幅ｗ（μｍ）を異ならせて測定した素子抵抗（抵抗値Ω）を示すグラフである。
【００８１】
実施例１に対する比較例１として、ストライプ幅ｗが１μｍ、２μｍであって、その他の構成は実施例１と同様にした、水平横シングルモードで動作する半導体レーザ素子を作製した。
【００８２】
また、比較例２として、第１ｎ型クラッド層の組成を、第２ｎ型クラッド層と同じ（Ａｌ0.40Ｇａ0.60）0.50Ｉｎ0.50Ｐとし、その他の構成は実施例１と同様にした半導体レーザ素子を作製した。
【００８３】
また、比較例３として、第１ｎ型クラッド層の組成が比較例２と同じ（Ａｌ0.40Ｇａ0.60）0.50Ｉｎ0.50Ｐであって、ストライプ幅ｗが１μｍ、２μｍの水平横シングルモードで動作する半導体レーザ素子を作製した。
【００８４】
ストライプ幅ｗが１０μｍ以上である場合、実施例１（第１ｎ型クラッド層の組成がＡｌＧａＡｓ）が、比較例２（第１ｎ型クラッド層の組成がＡｌＧａＩｎＰ）比して抵抗値が小さいものであった。
【００８５】
ストライプ幅ｗが２００μｍである場合にあっては、第１ｎ型クラッド層がＡｌＧａＩｎＰである場合と比較して約６０％まで素子抵抗が低減した。一方で、ストライプ幅ｗが１μｍ、２μｍである場合は、比較例１および比較例３において抵抗値が同等であり、第１ｎ型クラッド層の組成がＡｌＧａＩｎＰ（比較例１）であるかＡｌＧａＡｓ（比較例３）であるかによらないものとなった。
【００８６】
したがって、実施例１に例示されるワイドストライプ構造の半導体レーザ素子において、効果的な動作電圧の低減化を図ることが可能となる。
【００８７】
（実施例２）
図７は、実施例２にかかる半導体レーザ素子１ｂの断面構造図である。
【００８８】
実施例２にかかる半導体レーザ素子１ｂは、多重量子井戸活性層２１３を、発振波長９０５ｎｍの赤外光を出射するＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓからなる二重量子井戸構造としている。また、半導体レーザ素子１ｂは、３組の単位レーザ構造２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃを積層した構造を有しており、前記第２の実施形態と同様の方法により作製した。
【００８９】
具体的には、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型電極２３３およびｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２０３、ｎ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓバッファ層２０５を積層した。次いで、厚さ１．５μｍのｎ型Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓからなる第１ｎ型クラッド層２０９、厚さ１．０μｍのｎ型（Ａｌ0.50Ｇａ0.50）0.50Ｉｎ0.50Ｐからなる第２ｎ型クラッド層２１１、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸活性層２１３、厚さ２．５μｍのｐ型（Ａｌ0.50Ｇａ0.50）0.50Ｉｎ0.50Ｐからなるｐ型クラッド層２１７からなる単位レーザ構造２００Ａを積層した。
【００９０】
次いで、トンネル接合層２３５Ａを積層した。このトンネル接合層２３５Ａは、高濃度にｐ型ドープされたＧａＡｓと、高濃度にｎ型ドープされたＧａＡｓとを順次積層した層構造を有している。
【００９１】
トンネル接合層２３５Ａに引き続き、単位レーザ構造２００Ａと同一の積層構造からなる単位レーザ構造２００Ｂを積層し、トンネル接合層２３５Ｂを介して、単位レーザ構造２００Ｃを積層した。
【００９２】
その後、ｐ型Ｇａ0.50Ｉｎ0.50Ｐ中間層２２５、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２２７を積層した。また、ストライプ幅ｗのストライプ領域を残してパターニングを施し、絶縁膜２２９およびｐ型電極２３１を形成した。
【００９３】
多重量子井戸活性層２１３はＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓからなり、アンドープのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ光ガイド層２５ｎｍ、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層５ｎｍ、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓバリア層５ｎｍ、Ｉｎ0.12Ｇａ0.88Ａｓ量子井戸層５ｎｍ、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ光ガイド層２５ｎｍを順次堆積して作製した二重量子井戸構造を有する。多重量子井戸活性層２１３は、発振波長９０５ｎｍの赤外光を出射するものとされる。
【００９４】
結晶成長後のウエハには、第２の実施形態と同様の方法にて、ストライプ幅ｗ１０μｍ、２０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍの利得導波型のストライプ構造をそれぞれ形成し、共振器長６００μｍに劈開して端面保護膜を形成し、半導体レーザ素子１ｂを作製した。
【００９５】
なお、実施例２では、エッチングによるリッジストライプ構造の形成を行わないので、ｐ型クラッド層中に、ＧａＩｎＰエッチングストップ層は積層されない。
【００９６】
この実施例２に対する比較例４として、ストライプ幅ｗが１μｍ、２μｍであり、その他の構成は実施例２と同様とした半導体レーザ素子を作製した。
【００９７】
また、比較例５として、第１ｎ型クラッド層の組成を（Ａｌ0.50Ｇａ0.50）0.50Ｉｎ0.50Ｐとし、その他の構成は実施例２と同様にした半導体レーザ素子を作製した。
【００９８】
また、比較例６として、第１ｎ型クラッド層の組成が比較例５と同じ（Ａｌ0.50Ｇａ0.50）0.50Ｉｎ0.50Ｐであって、ストライプ幅ｗが１μｍ、２μｍの水平横シングルモードで動作する半導体レーザ素子を作製した。
【００９９】
実施例２、比較例４、比較例５、および比較例６の素子抵抗を測定したところ、実施例１の場合と同様、ストライプ幅ｗが１０μｍ以上の場合において、第１ｎ型クラッド層がＡｌＧａＡｓである実施例２の抵抗値が、比較例１〜３の抵抗値よりも小さいという結果を得た。
【０１００】
なお、実施例２では同一構成である単位レーザ構造２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃを３組積層した構造を示したが、各々の単位レーザ構造において所望のレーザ特性が得られるように適宜その構成が調整されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明は、大出力のレーザ光を出射する半導体レーザ素子を用いる機器等に好適に利用可能である。一例として、ＬｉＤＡＲやＴｏＦ（Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ）など測距システムの光源、加工用のファイバレーザ用の励起光源、レーザ投光器やバックライトなどの光源としての用途等に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【０１０２】
１、１ａ、１ｂ  半導体レーザ素子
１１  ｎ型電極
１２  ｎ型基板
１３  ｐ型電極
１４  絶縁膜
２    ｎ型クラッド層
２１  第１ｎ型クラッド層
２２  第２ｎ型クラッド層
３    多重量子井戸活性層
４    ｐ型半導体層
４１  ｐ型クラッド層
４２  ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
５０  単位レーザ構造
６    トンネル接合層
【図１】
2019079911.tif 000005
【図２】
2019079911.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2019079911.tif 000010
【図７】
2019079911.tif 000011
【図８】
2019079911.tif 000012
【図９】
2019079911.tif 000013