(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌＧａＡｓからなる一対のクラッド層と、
前記クラッド層間に配置され、前記クラッド層よりも屈折率が高い光ガイド層と、
キャリアの再結合により発光するＩｎＧａＡｓの量子井戸層からなる活性層と、
を備えた半導体レーザ素子において、
前記活性層は、一方の前記クラッド層内に埋め込まれており、且つ、
前記活性層と前記光ガイド層とは、光学的に結合している、
ことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記一方のクラッド層内において、このクラッド層よりもエネルギーバンドギャップが大きいキャリアブロック層が埋め込まれており、
前記キャリアブロック層は、前記活性層よりも素子表面に近い側に位置する、
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】
前記光ガイド層の屈折率をｎ１、
前記一方のクラッド層の屈折率をｎ０、
前記光ガイド層の厚さを２ａ、
前記活性層で発生する光の波長をλ、
波数ｋ＝２π／λ、とする場合に、以下の関係式、
ａ２＜π２／４ｋ２（ｎ１２−ｎ０２）を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記活性層の厚さをｄ、
前記光ガイド層から前記活性層までの最短距離をｃ、
パラメータｖ＝ｋ×ａ（ｎ１２−ｎ０２）１／２、
パラメータＦ１＝−２．３８×１０−１×ｖ４＋１．２０×ｖ３−２．３４×ｖ２＋３．１４×１０−２×ｖ−４．５９×１０−４、
パラメータＦ２＝３．４２×１０−１×ｖ４−１．５３×ｖ３＋２．３２×ｖ２−８．５９×１０−３×ｖ＋６．９３×１０−１、とした場合に、以下の関係式、
ｃ／ａ＜［Ｆ２＋ｌｎ（０．００１）−ｌｎ｛１−ｅｘｐ（Ｆ１×（ｄ／ａ））｝］／Ｆ１を満たすことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
温度３００Ｋにおける前記活性層で発生する光のドブロイ波長をλｄとすると、前記光ガイド層から前記活性層までの最短距離ｃは、
ｃ＞λｄ、を満たすことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体レーザ素子は、例えば、特許文献１〜３に記載されている。これらの半導体レーザ素子においては、一対のクラッド層間に、一対の光ガイド層を備え、光ガイド層内に量子井戸層からなる活性層を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１９６７０１号公報
【特許文献２】特表２００３−５２４８９０号公報
【特許文献３】特許第４８８６９４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の半導体レーザ素子においては、発光出力を増加させると、量子井戸層からなる活性層の光出射端面が、損傷していた。すなわち、光出射端面では、表面準位が内部と異なり、この領域において、光の再吸収・発熱が生じて、端面損傷が生じる。また、発光出力を増加させようとすると、出力が飽和する傾向があり、結果的に、発光出力を増加させることができない。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、発光出力を増加させることが可能な半導体レーザ素子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】
【０００６】
上述の課題を解決するため、本発明の態様に係る半導体レーザ素子は、以下の特徴を備えている。
【０００７】
第１の半導体レーザ素子は、ＡｌＧａＡｓからなる一対のクラッド層と、前記クラッド層間に配置され、前記クラッド層よりも屈折率が高い光ガイド層と、キャリアの再結合により発光するＩｎＧａＡｓの量子井戸層からなる活性層と、を備えた半導体レーザ素子において、前記活性層は、一方の前記クラッド層内に埋め込まれており、且つ、前記活性層と前記光ガイド層とは、光学的に結合していることを特徴とする。
【０００８】
この半導体レーザ素子においては、クラッド層内に活性層を配置したことにより、これにより、光閉じ込め係数を小さくすることができる。活性層で発生した光は、光ガイド層内に大部分が分布しているモードで端面間を往復して共振し、レーザ光が発生する。これにより、レーザ光と活性層の重なりを小さくすることができ、量子井戸層の光出射端面における損傷は抑制することができる。
【０００９】
また、光出力を増加させようと、駆動電流を増加させると、出力が飽和する傾向があるが、クラッド層と活性層とは、クラッド層とガイド層に比べてエネルギーバンドギャップ差が大きいため、同じ組成のクラッド層とキャリア層を持つ従来構造に比べてキャリアが活性層からオーバーフローしにくくなり、活性層内において、キャリアが有効に再結合し、発光出力を増加させることができる。
【００１０】
また、クラッド層内の活性層において、キャリア再結合が行われるため、光ガイド層内に、正孔が流れ込みにくくすることができ、かかる正孔による自由キャリア吸収を抑制することができ、光学損失も抑制することができる。
【００１１】
このように、クラッド層内に、活性層を配置した場合、上述の相乗的効果により、発光出力を増加させることができる。
【００１２】
第２の半導体レーザ素子は、前記一方のクラッド層内において、このクラッド層よりもエネルギーバンドギャップが大きいキャリアブロック層が埋め込まれており、前記キャリアブロック層は、前記活性層よりも素子表面に近い側に位置することを特徴とする。
【００１３】
これにより、活性層内に流入したキャリアが、再結合することなく、キャリアブロック層を超えて、素子表面に逃げることを抑制し、さらに高出力化を達成することができる。
【００１４】
第３の半導体レーザ素子は、前記光ガイド層の屈折率をｎ１、前記一方のクラッド層の屈折率をｎ０、前記光ガイド層の厚さを２ａ、前記活性層で発生する光の波長をλ、波数ｋ＝２π／λ、とする場合に、以下の関係式を満たすことを特徴とする。
【００１５】
ａ２＜π２／４ｋ２（ｎ１２−ｎ０２）
【００１６】
この条件の場合、０次のＴＥモードを発生させ、１次以上のＴＥモードを抑制することができる。
【００１７】
第４の半導体レーザ素子は、前記記活性層の厚さをｄ、前記光ガイド層から前記活性層までの最短距離をｃ、各種の媒介パラメータを設定した場合、以下の関係式を満たすことを特徴とする。
【００１８】
ｃ／ａ＜［Ｆ２＋ｌｎ（０．００１）−ｌｎ｛１−ｅｘｐ（Ｆ１×（ｄ／ａ））｝］／Ｆ１
【００１９】
なお、媒介パラメータは、以下の通りである。
【００２０】
パラメータｖ＝ｋ×ａ（ｎ１２−ｎ０２）１／２、
【００２１】
パラメータＦ１＝−２．３８×１０−１×ｖ４＋１．２０×ｖ３−２．３４×ｖ２＋３．１４×１０−２×ｖ−４．５９×１０−４、
【００２２】
パラメータＦ２＝３．４２×１０−１×ｖ４−１．５３×ｖ３＋２．３２×ｖ２−８．５９×１０−３×ｖ＋６．９３×１０−１
【００２３】
この条件の場合、活性層と光ガイド層とは、光学的に有効に結合することができる。
【００２４】
第５の半導体レーザ素子においては、温度３００Ｋにおける前記活性層での電子のドブロイ波長をλｄとすると、前記光ガイド層から前記活性層までの最短距離ｃは、ｃ＞λｄ、を満たすことを特徴とする。
【００２５】
量子井戸構造では、電子および正孔は、中央の井戸層と両側の障壁層となるクラッド層とのエネルギーギャップ差のために、井戸層内に閉じこめられ、その結果、井戸内には離散的な量子準位が形成される。上式のｃ＞λｄを満たす場合、量子井戸の活性層において閉じ込められたキャリアの波動関数が、光ガイド層に広がり出てしまうのを抑制し、活性層内における量子準位の形成を有効に維持することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の半導体レーザ素子によれば、発光出力を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】半導体レーザ素子の斜視図である。
【図２】各半導体層の物性を示す図表である。
【図３】第１実施形態に係る半導体レーザ素子内のエネルギーバンド図（Ａ）と、半導体レーザ素子内の縦断面構造を示す図（Ｂ）である。
【図４】第２実施形態に係る半導体レーザ素子内のエネルギーバンド図（Ａ）と、半導体レーザ素子内の縦断面構造を示す図（Ｂ）である。
【図５】第３実施形態に係る半導体レーザ素子内のエネルギーバンド図（Ａ）と、半導体レーザ素子内の縦断面構造を示す図（Ｂ）である。
【図６】第１比較例に係る半導体レーザ素子内のエネルギーバンド図（Ａ）と、半導体レーザ素子内の縦断面構造を示す図（Ｂ）である。
【図７】第２比較例に係る半導体レーザ素子内のエネルギーバンド図（Ａ）と、半導体レーザ素子内の縦断面構造を示す図（Ｂ）である。
【図８】第３比較例に係る半導体レーザ素子内のエネルギーバンド図（Ａ）と、半導体レーザ素子内の縦断面構造を示す図（Ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、実施の形態に係る半導体レーザ素子について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２９】
図１は、半導体レーザ素子の斜視図である。
【００３０】
なお、ＸＹＺ三次元直交座標系を設定し、半導体レーザ素子１０の厚み方向をＺ軸、Ｚ軸に垂直な２軸をＸ軸及びＹ軸に設定する。レーザ光が、端面から出射する場合は、レーザ光の出射方向は、Ｘ軸に平行となるように設定されている。
【００３１】
半導体レーザ素子１０は、基板１と、基板１上に形成された下部クラッド層２と、下部クラッド層２上に形成された光ガイド層３と、光ガイド層３上に形成された第１上部クラッド層７Ａと、第１上部クラッド層７Ａに形成された量子井戸層からなる活性層４と、活性層４上に形成された第２上部クラッド層７Ｂと、第２上部クラッド層７Ｂ上に形成されたコンタクト層８とを備えている。
【００３２】
なお、活性層４はアンドープ（不純物濃度７×１０１６以下）である。第１上部クラッド層と第２上部クラッド層とでは、導電型が異なる。第１上部クラッド層７Ａ、光ガイド層３の導電型は、アンドープ（不純物濃度７×１０１６以下）またはＮ型である。
【００３３】
基板１の下面には、蒸着などの技術により金など金属の薄膜層を堆積する事で下部電極Ｅ１が形成され、コンタクト層８上には、上部電極Ｅ２が形成されている。
【００３４】
図２は、各半導体層の物性を示す図表であり、各層の材料、化合物半導体がＡｌＸＧａ１−ＸＡｓからなる場合のＡｌ組成比Ｘ、導電型、不純物濃度、厚みを示している。
【００３５】
なお、不純物濃度の好適範囲は、図２に記載の濃度の１／１０倍〜１０倍であり、各層の厚みは、例示的には、±５０％程度の誤差を含んだ場合においても、動作し、この場合にも、レーザ光が十分に発光する。コンタクト層、上部クラッド層のＰ型不純物はＺｎもしくはＣ、基板、下部クラッド層のＮ型不純物はＳｉを用いることができる。また、Ｐ型とＮ型の導電型を入れ替えても、レーザ素子は動作する。
【００３６】
なお、形成方法は、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いることができる。Ａｌを含む場合はＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｇａを含む場合はＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｓを含む場合にはアルシンを原料として用いることができる。ＡｌＧａＡｓの成長温度は７００℃前後であり、これらの材料の成長方法は良く知られている。
【００３７】
上述の構造の製法の一例としては、Ｎ型ＧａＡｓ基板上に、Ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ系光ガイド層、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ第１上部クラッド層、アンドープＩｎＧａＡｓ活性層、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２上部クラッド層、Ｐ型ＧａＡｓコンタクト層を順次成長させる。
【００３８】
完成したレーザ結晶には、共振器長方向に延びた上部電極と、下部電極を形成する。共振器長方向の両端に位置する光出射面と光反射面には、それぞれ所望の反射率を有する誘電体多層膜を形成する。
【００３９】
上述の構造の半導体レーザ素子においては、一対のクラッド層（２，７）と、クラッド層（２，７）間に配置され、クラッド層（２，７）よりも屈折率が高い光ガイド層３と、キャリアの再結合により発光する量子井戸層からなる活性層４と、を備えた半導体レーザ素子において、活性層４は、一方の第２上部クラッド層７Ｂ内に埋め込まれており、且つ、活性層４と光ガイド層３とは、光学的に結合していることを特徴とする。
【００４０】
なお、活性層４は、下部クラッド層２に埋め込んだり、後述のように、適当なキャリアブロック層を活性層よりも素子表面側に配置することもできる。
【００４１】
この半導体レーザ素子においては、クラッド層内に活性層４を配置したことにより、これにより、光閉じ込め係数Γを小さくすることができる。活性層で発生した光は、光ガイド層内に大部分が分布しているモードで端面間を往復して共振し、レーザ光が発生する。これにより、レーザ光と活性層の重なりを小さくすることができ、活性層４を構成する量子井戸層の光出射端面における損傷は抑制することができる。
【００４２】
また、光出力を増加させようと、駆動電流を増加させると、出力が飽和する傾向があるが、クラッド層と活性層とは、エネルギーバンドギャップ差が大きいため、キャリアが活性層からオーバーフローしにくくなり、活性層４内において、キャリアが有効に再結合し、発光出力を増加させることができる。
【００４３】
活性層とクラッド層との間のエネルギーバンドギャップ差ΔＥＡＣは、クラッド層とガイド層の間のＡｌ組成比差が０．０５と仮定すると、活性層と光ガイド層との間のエネルギーバンドギャップ差ΔＥＡＧよりも約６０ｍｅＶ大きい。この場合には、ボルツマン分布を仮定して計算した量子井戸層の非閉じ込め状態の占有率に約１０倍の差が生じるため、オーバーフローするキャリア量に関しても１０倍以上の差が生じると期待できる。
【００４４】
また、上部クラッド層７（７Ａ，７Ｂ）内の活性層４において、キャリア再結合が行われるため、光ガイド層３内に、正孔が流れ込みにくくすることができ、かかる正孔よる自由キャリア吸収を抑制することができ、光学損失も抑制することができる。
【００４５】
このように、クラッド層内に、活性層を配置した場合、上述の相乗的効果により、発光出力を増加させることができる。
【００４６】
図３は、第１実施形態に係る半導体レーザ素子内のＺ軸方向に沿ったエネルギーバンド図（Ａ）と、半導体レーザ素子内の縦断面構造を示す図（Ｂ）である。（Ａ）には、Ｚ軸方向に沿った伝導帯下端のエネルギーＥｃと、価電子帯上端のエネルギーＥｖが示されている。
【００４７】
光ガイド層３は、活性層４よりもエネルギーバンドギャップが大きく設定され、上部クラッド層７は光ガイド層３よりもエネルギーバンドギャップが大きく設定される。なお、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ系の半導体層においては、Ａｌの組成比Ｘが高いほど、エネルギーバンドギャップは大きくなり、屈折率は小さくなる。クラッド層におけるＡｌ組成は、例えば、Ｐ側の上部クラッド層においてＸ＝０．３０、Ｎ側の下部クラッド層においてＸ＝０．３０に設定される。各層間のＡｌ組成比の大小関係が維持されている場合、Ａｌ組成比Ｘは、±０．０３（＝３％）の誤差を含んでも動作することができる。
【００４８】
なお、エネルギーと屈折率は、反対の関係にあり、一方が増加すれば、他方が減少する。したがって、同グラフのＥｃは、エネルギーとは軸の正負を逆にした屈折率の関係も示している。
【００４９】
活性層４のＺ軸方向の中心位置は、光ガイド層３のＺ軸方向の中心位置Ｚ０から、ΔＺだけずれているものとする。また、光ガイド層３から活性層４までの最短距離をｃとする。高次モードのレーザ光を発生させないためには、ガイド層３の厚みは小さいほどよく、ガイド層３と活性層４との間の最短距離ｃには、好適な値がある。
【００５０】
光ガイド層３の屈折率をｎ１、上部クラッド層７の屈折率をｎ０、光ガイド層３の厚さを２ａ、活性層４で発生する光の波長をλ、波数ｋ＝２π／λ、とする場合に、以下の関係式を満たしている。
【００５１】
ａ２＜π２／４ｋ２（ｎ１２−ｎ０２）
【００５２】
この条件の場合、０次のＴＥモードを発生させ、１次以上のＴＥモードを抑制することができる。
【００５３】
また、活性層４の厚さをｄ、光ガイド層３から活性層４までの最短距離をｃ、各種の媒介パラメータを設定した場合、以下の関係式を満たす。
【００５４】
ｃ／ａ＜［Ｆ２＋ｌｎ（０．００１）−ｌｎ｛１−ｅｘｐ（Ｆ１×（ｄ／ａ））｝］／Ｆ１
【００５５】
なお、媒介パラメータは、以下の通りである。
【００５６】
パラメータｖ＝ｋ×ａ（ｎ１２−ｎ０２）１／２、
【００５７】
パラメータＦ１＝−２．３８×１０−１×ｖ４＋１．２０×ｖ３−２．３４×ｖ２＋３．１４×１０−２×ｖ−４．５９×１０−４、
【００５８】
パラメータＦ２＝３．４２×１０−１×ｖ４−１．５３×ｖ３＋２．３２×ｖ２−８．５９×１０−３×ｖ＋６．９３×１０−１
【００５９】
この条件の場合、活性層と光ガイド層とは、光学的に有効に結合することができる。なお、これらの式は、レーザ発振可能な光閉じ込め係数Γの下限として０．１％を想定して求めたものである。また、この数式は、上下のクラッド層が、同一のエネルギーバンドギャップを有する場合において成立するが、概ね異なっても成立すると考えられる。
【００６０】
また、温度３００Ｋにおける活性層４での電子のドブロイ波長をλｄとすると、光ガイド層３から活性層４までの最短距離ｃは、ｃ＞λｄ、を満たす。
【００６１】
量子井戸構造では、電子および正孔は、中央の井戸層と、両側の障壁層となるクラッド層とのエネルギーギャップ差のために、井戸層内に閉じこめられ、その結果、井戸内には離散的な量子準位が形成される。上式のｃ＞λｄを満たす場合、量子井戸の活性層において閉じ込められたキャリアの波動関数が、光ガイド層に広がり出てしまうのを抑制し、活性層内における量子準位の形成を有効に維持することができる。
【００６２】
なお、半導体中の電子の有効質量をｍとすると、ドブロイ波長はプランク定数ｈ、ボルツマン定数ｋＢ、温度Ｔを用いて、λｄ＝ｈ／（３ｍｋＢＴ）１／２で与えられる。
【００６３】
図４は、第２実施形態に係る半導体レーザ素子内のＺ軸方向に沿ったエネルギーバンド図（Ａ）と、半導体レーザ素子内の縦断面構造を示す図（Ｂ）である。
【００６４】
第２実施形態では、第１実施形態と比較して、上部クラッド層７内に、キャリアブロック層を配置したものであり、その他の点は、第１実施形態と同一である。この場合、キャリアブロック層ＣＢは、第２上部クラッド層７Ｂ（１）と、第２上部クラッド層７Ｂ（２）との間に挟まれることになる。
【００６５】
本例では、上部クラッド層７内において、この上部クラッド層７よりもエネルギーバンドギャップが大きいキャリアブロック層ＣＢが埋め込まれており、キャリアブロック層ＣＢは、活性層４よりも素子表面に近い側に位置している。
【００６６】
これにより、活性層４内に流入したキャリアが、再結合することなく、キャリアブロック層ＣＢを超えて、素子表面に逃げることを抑制し、さらに高出力化を達成することができる。なお、キャリアブロック層ＣＢは、十分なキャリアのブロックが必要であるため、厚みの下限は５λｄとすることができるが、十分に厚くてもよい。活性層４とキャリアブロック層ＣＢの間の距離（第２上部クラッド層７Ｂ（１）の厚み）は近いほどブロック効果が期待できる。距離の上限としては、経験的に２０λｄとすることができる。
【００６７】
キャリアブロック層ＣＢのアルミニウム組成Ｘは０．５０、厚みは０．８μｍである。また、この時、第２上部クラッド層７Ｂ（１）の厚みは２６０ｎｍ、第２上部クラッド層７Ｂ（２）の厚みは４００ｎｍである。
【００６８】
図５は、第３実施形態に係る半導体レーザ素子内のＺ軸方向に沿ったエネルギーバンド図（Ａ）と、半導体レーザ素子内の縦断面構造を示す図（Ｂ）である。
【００６９】
第３実施形態では、第２実施形態と比較して、活性層４以外のＡｌの組成比Ｘを０．０５減少させたものである。これにより、エネルギーバンドギャップは小さくなり、屈折率は大きくなる。この場合、Ａｌ組成比が小さいため、電気伝導率及び熱伝導性が向上し、また、半導体ウエハ反りも抑制することができる。第３実施形態では、クラッド層のＡｌの組成比Ｘは、０．２５とすることができる。
【００７０】
これは全体にＡｌ組成比が小さい結晶で作成出来るという事になる。ＡｌＧａＡｓではＡｌ組成比Ｘが０．５より小さい領域では、Ａｌ組成比が小さいほど電気伝導、熱伝導が良くなる。またＮ型ドープを行う時もＡｌ組成比が小さいほど高ドープが可能となるため、より抵抗の低いまた動作時の温度上昇の小さいＬＤが実現出来るという事になる。また温度上昇抑制の結果として、高出力時の出力の飽和傾向も抑制できると期待される。さらにＧａＡｓ基板上にレーザ素子を作製する場合、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとの格子定数の違いによりウェハが反る事が知られているが、全体のＡｌ組成比を小さく抑えられる事は、この反りを抑制する事に繋がる。これにより組み立て時の歩留まり向上も期待出来る。
【００７１】
図６は、第１比較例に係る半導体レーザ素子内のＺ軸方向に沿ったエネルギーバンド図（Ａ）と、半導体レーザ素子内の縦断面構造を示す図（Ｂ）、図７は、第２比較例に係る半導体レーザ素子内のＺ軸方向に沿ったエネルギーバンド図（Ａ）と、半導体レーザ素子内の縦断面構造を示す図（Ｂ）である。比較例では、活性層は、光ガイド層３Ａ，３Ｂ内に位置しており、エネルギーバンド構造は、図示の通りである。Ｎ側クラッド層のＡｌ組成比は０．３、厚みは１．４μｍ、Ｎ側光ガイド層３ＡとＰ側光ガイド層３ＢのＡｌ組成比は０．２５、厚みの合計は２μｍ、Ｐ側クラッド層のＡｌ組成比は０．３、厚みは１．４μｍであり、第１比較例ではＮ側光ガイド層３ＡとＰ側光ガイド層３Ｂの厚さは等しく、第２比較例ではＮ側光ガイド層３Ａの厚みがＰ側光ガイド層３Ｂの厚みよりも大きい。第２比較例は、第１比較例に対して活性層位置を変えて光閉じ込め係数Γを減少させる構造となっている。また、第１比較例、第２比較例とも、第３実施形態と同程度の遠視野広がり角となるよう設計している。
【００７２】
第１比較例に対する設計例を元に、量子井戸活性層の位置を変えて、第２比較例にしていくと、最初０．５１％であった光閉じ込め係数Γは次第に減少して行くが、中心から０．５μｍ程度、Ｐ側に移動させた所を境にして１次のモードに対する光閉じ込め係数Γの方が０次に対するΓよりも大きくなってしまう。この時の０次のモードに対する光閉じ込め係数Γの値は０．３７％程度であり、これがΓの下限となる。これに対し、上述の第３実施形態においては、高次のモードは存在せず、第３実施形態の光閉じ込め係数Γは０．０９９％となっており、第１比較例及び第２比較例に比べて低い光閉じ込め係数Γを実現出来ている。
【００７３】
図８は、第３比較例に係る半導体レーザ素子内のＺ軸方向に沿ったエネルギーバンド図（Ａ）と、半導体レーザ素子内の縦断面構造を示す図（Ｂ）である。比較例では、活性層は、光ガイド層内に位置しており、エネルギーバンド構造は、図示の通りである。Ｎ側クラッド層のＡｌ組成は０．２７、厚みは３．３μｍ、Ｎ側光ガイド層３ＡのＡｌ組成比Ｘは０．２５，厚みは１．３７μｍ、量子井戸活性層４はＩｎＧａＡｓで厚みが６．０ｎｍ、Ｐ側光ガイド層３ＢのＡｌ組成比Ｘは０．２５、厚みは０．１３μｍ、Ｐ側クラッド層７のＡｌ組成比Ｘは０．４５、厚みは１．２μｍである。第３比較例は、特許文献２にあるように、クラッド層を非対称とし、第２比較例に対して高次モードの出現を抑制をした構造である。また遠視野広がり角および光閉じ込め係数Γが第３実施形態と同程度となるよう設計している。
【００７４】
第３比較例の場合、まず、Ｎ側クラッド層（本発明構造では両側クラッド層）のＡｌ組成比が変化した時の特性変化を比較する。クラッド層のＡｌ組成比が０．００５大きくなると、第３比較例では抑制されていた１次のモードが出現し、それへの光閉じ込め係数Γが０次モードへのΓと同程度となり正常な動作が望めなくなる。一方で第３実施形態の構造では高次モードが出現する事は無い。クラッド層のＡｌ組成比が０．００５、０．０１小さくなった時、第３比較例の遠視野広がり角は、１９．９５度から、１７．９５度、１５．１９度と変化するのに対し、第３実施形態では１９．９７度から、１８．４６度、１７．２９度と変化し、第３比較例に比べて変化の大きさは小さい。
【００７５】
また光閉じ込め係数Γについては、第３比較例では、０．１０１％が、０．０９０％，０．０７２％と変化するのに対し、第３実施形態の構造では０．０９９％が０．１０３％、０．１０５％と変化し、第３比較例に比べて変化の大きさは大幅に小さい。従って、第３実施形態の方が第３比較例に比べて結晶成長時のＡｌ組成比の変動に対して堅牢である。
【００７６】
第３比較例と本発明構造で極小の光閉じ込め係数Γの実現可能性を比較する。第３比較例で量子井戸活性層をＰ側クラッド層に隣接する所まで持って行った場合、光閉じ込め係数Γは０．０２５％程度となり、これが最小となる。これに対し、第３実施形態ではキャリアブロック層に隣接する所まで電子ブロック層を移動させた場合、光閉じ込め係数Γは０．００９３％となる。第３比較例ではＰ側クラッド層を動かす事は電界強度分布に大きな影響を与えるため難しいが、本発明構造ではキャリアブロック層（電子ブロック層）をガイド層からさらに遠ざける事は容易であり、その場合はさらに小さい光閉じ込め係数Γを実現する事も可能である。
【００７７】
本発明構造の比較例に対しての利点として、下の効果が期待出来る。
【００７８】
まず、比較例と同じ結晶組成によって、クラッド層およびガイド層を作った場合、比較例に対してより量子井戸と障壁層の間のバンドギャップ差を大きく取る事が可能となる。これにより井戸層内キャリアの閉じ込めが大きくなるため、キャリアオーバーフローによる効率低下を抑制出来ると期待される。また、量子井戸層と障壁層の間のバンドギャップ差が同じになるよう、全体のＡｌ組成比を下げた結晶組成によってクラッド層とガイド層を作った場合、電気抵抗および熱抵抗を低減する事が可能となり、光出力および電気光変換効率を上げる事が出来ると期待される。さらにこの場合、ウェハの反りを軽減出来る事から、組み立ての歩留まり向上が期待出来る。
【００７９】
また、比較例では、より自由キャリア吸収が大きいと言われる正孔がガイド層に流入するのに対し、本発明構造ではガイド層は電子のみが流入するため、自由キャリア吸収による光学損失が低く抑えられると期待される。
【００８０】
第１比較例および第２比較例に比べ、高次モードの出現を抑制し、より小さい光閉じ込め係数Γを実現する事が可能であり、これにより端面における損傷を抑制する事が出来る。
【００８１】
第３比較例に比べ、結晶成長時のＡｌ組成比のゆらぎに対して堅牢であり、生産時の歩留まり向上が期待できる。
【符号の説明】
【００８２】
２，７…クラッド層、３…光ガイド層、４…活性層。
【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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【図８】
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