(57)【要約】【課題】高出力まで基本横モードで発振する窒化物半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】対向する２つの共振器面（１１，１２）に対してほぼ垂直な水平方向光閉じ込めリッジストライプ構造（１３）を有する窒化物半導体レーザ素子（１０）において、リッジストライプ構造（１３）に、前面側の共振器面近傍における幅（Ｗ１）よりも０．１μｍ以上幅（Ｗ２）の狭いまたは広い領域を１以上設ける。Ｉ−Ｌ特性のキンクが抑えられて、高出力まで基本横モードで発振する窒化物半導体レーザ素子が歩留まり良く得られる。【選択図】  図１
2004158800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する２つの共振器面に対してほぼ垂直な水平方向光閉じ込めリッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前面側の共振器面近傍におけるリッジストライプ構造の幅Ｗ１に対し、｜Ｗ１−Ｗ２｜≧０．１μｍを満たす幅Ｗ２を有する領域が、リッジストライプ構造内に存在することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前面側の共振器面近傍におけるリッジストライプ構造の幅Ｗ１に対し、Ｗ１−Ｗ２’≧０．１μｍを満たす幅Ｗ２’を有する領域が、リッジストライプ構造内に存在することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
リッジストライプ構造内の幅Ｗ２を有する領域の長さの、リッジストライプ全体の長さに対する割合が、２％以上かつ８０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
リッジストライプ構造内の幅Ｗ２’を有する領域の長さの、リッジストライプ全体の長さに対する割合が、２％以上かつ８０％以下であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前面側の共振器面近傍におけるリッジストライプ構造の側面が、前面側の共振器面に対してほぼ垂直であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項６】
後面側の共振器面の近傍におけるリッジストライプ構造の側面が、後面側の共振器面に対してほぼ垂直であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項７】
リッジストライプ構造内の幅が変化している領域において、層厚方向から見たときの、リッジストライプ構造の側面とリッジストライプ中心面のなす角が、１００ｍｒａｄ以下であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項８】
基板上に、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をこの順に有し、リッジストライプ構造が、第２導電型クラッド層に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項９】
２つの共振器面の少なくとも一方に、反射率を変化させるためのコーティングが成されており、前面側の共振器面の反射率をＲｆ［％］、後面側の共振器面の反射率をＲｒ［％］で表すとき、Ｒｆ・Ｒｒ＜２２００を満たすことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１０】
２つの共振器面の少なくとも一方に、反射率を変化させるためのコーティングが成されており、前面側の共振器面の反射率をＲｆ［％］、後面側の共振器面の反射率をＲｒ［％］で表すとき、１≦Ｒｆ≦２０およびＲｒ≧２０のうち少なくとも一方を満たすことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１１】
２つの共振器面の少なくとも一方に、反射率を変化させるためのコーティングが成されており、前面側の共振器面の反射率をＲｆ［％］、後面側の共振器面の反射率をＲｒ［％］で表すとき、Ｒｆ・Ｒｒ＞８０を満たすことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１２】
光ディスクに集光するレーザ光を用いて、光ディスクに情報を記録する手段と、光ディスクよって反射されたレーザ光を光電変換することにより、光ディスクに記録された情報を再生する手段とを有する光学式情報記録再生装置において、
レーザ光の光源として請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子を備えることを特徴とする光学式情報記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子と、これを搭載した光学式情報記録再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮおよ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おり、これを光源として用いた光学式情報記録再生装置は、次世代高密度情報記録再生装置として注目されている。光学式情報記録再生装置には、読み出し専用型と書き込み可能型とがある。書き込み可能型の記録方式としては、結晶相変化を用いる方式や、磁気相転移を用いる方法があるが、いずれの方式にせよ、レーザ光のエネルギーを書き込み時の熱源として用いる為、半導体レーザ素子には高出力動作が要求される。また、記録密度を高めるには、レーザ光が一点に小さく絞りうる事、及び小さく絞られたレーザスポットが書き込み中に位置ズレを起こさない事が必要である為、半導体レーザ素子には高出力まで基本横モードで発振する事が要求される。
【０００３】
例えば、下記の非特許文献１や非特許文献２において、３０〜４０ｍＷまで基本横モードで室温連続発振する窒化物系半導体レーザ素子が報告されている。
【０００４】
図１６は、従来の半導体レーザ素子を表す一例であり、波長４１０ｎｍで発振する窒化物半導体レーザ素子の構造を表す模式的な要部断面図である。本半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ層１００１（膜厚３μｍ）、ｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層１００２（膜厚０．５μｍ）、ｎ型ＧａＮ光導波層１００３（膜厚０．１μｍ）、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ／ｎ型Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ３重量子井戸活性層１００４（膜厚各４０Å／８０Å×３ＭＱＷ）、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１００５（膜厚２００Å）、ｐ型ＧａＮ光導波層１００６（膜厚０．１μｍ）、ｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層１００７（膜厚０．５μｍ）、ｐ型ＧａＮコンタクト層１００８（膜厚０．２μｍ）が順次積層形成されている。
【０００５】
また、活性層１００４の上部構造の一部に、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１００７に到達するまでエッチングすることにより、幅２μｍのリッジ形状のストライプが形成されている。本レーザ素子では、活性層及び光導波層がクラッド層に挟まれた導波構造を有しており、活性層で発光した光は、この導波構造内に閉じ込められて、レーザ発振動作を生じる。
【０００６】
さらに、エッチングされた領域の概略全面に、発振波長に対してほぼ透明な絶縁膜１００９が形成されている。正電極１０１０は、ｐ型ＧａＮコンタクト層の一部露出した面状の全面を含む、絶縁膜の概略全面に形成されている。負電極１０１１は、ｎ型ＧａＮ基板の２主面のうち、窒化物半導体層が形成されている側と対向する面側に、概略全面に形成されている。ストライプの両端面はミラーとして働き、光共振器を構成している共振器面である。
【０００７】
図１７は、従来の他の半導体レーザ素子の例であり、サファイア基板１０１２を用いている。負電極１０１１は、ｎ型ＧａＮ層１００１に達するまでエッチングされた面上に、フォトリソグラフィー技術によって形成されている。それ以外の構造は図１６の半導体レーザ素子と同じである。
【０００８】
【非特許文献１】
第４７回応用物理学関係連合講演会講演予稿集３１ｐ−ＹＱ−８
【非特許文献２】
ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス３９号Ｌ６４７−Ｌ６５０ページ（Ｓｈｉｎ−ｉｃｈｉ  Ｎａｇａｈａｍａ  ｅｔ  ａｌ：Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３９（２０００）ｐｐ．Ｌ６４７−Ｌ６５０）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らが従来の半導体レーザ素子を１００個作製した所、デューティが３０％のパルス電流で駆動した際、パルス幅時間内のピーク出力が０ｍＷから６０ｍＷまで、基本横モードで発振した半導体レーザ素子は１０個であり、残りの素子は上記出力の範囲内で高次横モード発振を生じていたことが確認された。これは、半導体レーザ素子の歩留りが１０％と低い値であることを示しており、コストの増大を意味している。
【００１０】
図１８は、従来の半導体レーザ素子におけるパルス幅時間内におけるピーク電流−ピーク出力特性（以下、単にＩ−Ｌ特性）の例を示している。細線は、直線的なＩ−Ｌ特性の一例であり、デューティ３０％のパルス電流で、一定電流パルス幅時間内のピーク出力が９０ｍＷまで直線的なＩ−Ｌ特性を示している。パルス電流のピーク値を上げていくと、一定電流（閾値電流Ｉｔｈ）を越えた所で基本横モードでの発振が開始しており、さらに上げてピーク出力が９０ｍＷまで直線的にピーク出力が増加している。
【００１１】
これに対し、太線は直線的でない箇所、すなわちいわゆるキンクを生ずるＩ−Ｌ特性の一例である。パルス電流のピーク値を上げていくと、一定電流（閾値電流Ｉｔｈ）を越えた所で基本横モードでの発振が開始している。さらにパルス電流のピーク値を上げていき、光出力が一定値（キンクレベル、Ｐｋ）を越えるとキンクを生じている。
【００１２】
本発明者らが、上記９０個のキンクを生じた窒化物半導体レーザ素子について調査したところ、キンクが発生する原因は、水平横モードの変化にあることが確認された。換言すれば、上記９０個のキンクを生じた半導体レーザ素子の全てにおいて、Ｉ−Ｌ特性でキンクを生じた位置の前後で水平方向のファーフィールドパターン（ＦＦＰ）が変化することが確認された。
【００１３】
図１９は、窒化物半導体レーザ素子の水平方向ＦＦＰが、光出力と共に変化する様子を示したものである。図１９において、（ａ）は、ある窒化物半導体レーザ素子の水平方向ＦＦＰを表しており、２００１、２００２はキンクレベル以下の光出力における水平方向ＦＦＰ、２００３、２００４はキンクレベルを超える光出力における水平方向ＦＦＰである。この例では、キンクレベルの前後で、ピークを生ずる位置が移動しているのが観測された。また、（ｂ）は、別の窒化物半導体レーザ素子の水平方向ＦＦＰを表しており、２００５、２００６はキンクレベル以下の光出力における水平方向ＦＦＰ、２００７、２００８はキンクレベルを超える光出力における水平方向ＦＦＰである。
【００１４】
ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザ素子においては、ストライプ内部における水平方向キャリア分布及び水平方向光強度分布が非対称形状となることによる不安定状況が言われている。そこで、従来より単一横モードで高出力まで発振させる為には、いわゆる実屈折率導波型の光導波路が採用されており、高出力まで基本横モードを保たせる為には光導波路の幅を狭くする事が有効であると言われている。但し、狭くしすぎると、基本次横モードの水平方向閉じ込めが弱くなり、また半導体レーザ素子の駆動電圧が上昇する為、ストライプ幅には最適値が存在する。
【００１５】
この最適ストライプ幅は、レーザ発振波長にほぼ比例する為、窒化物系半導体レーザ素子においては、２．０μｍ以下と比較的小さな値となる。さらに、ストライプ幅の設計値からの作製誤差が、半導体レーザ素子の特性に与える影響は、ストライプ幅の設計値が狭くなるほど顕著となる。窒化物系半導体レーザ素子においては、半導体レーザ素子の特性に与える影響を十分小さくする為には、最適ストライプ幅から±０．１μｍ以内に作製する必要がある為、プロセス上極めて困難である。
【００１６】
さらに、窒化物系半導体レーザ素子においては、活性層材料に一般的に用いられているＩｎＧａＮが、相分離を起こし易い性質を有している。活性層の下地にわずかな欠陥が存在すると、これを核としてＩｎが偏析して成層する性質を有している。現在の技術レベルで得られるｎ型ＧａＮ基板は、既に製品として市販されている半導体レーザ素子に用いられている基板（ＧａＡｓ基板など）と比べ、未だ欠陥密度が十分小さな品質のものが得られていない。この基板上に活性層が形成される為、活性層を均一組成で作製する事が困難である。しかも、このような活性層の状態は、ストライプ内におけるキャリア分布・光強度分布の水平方向非対称を生じさせ易く、上記不安定状況を生じ易くなる要因となる。
【００１７】
さらに、窒化物系半導体レーザ素子においては、活性層内におけるキャリアの有効質量が、ＡｌＧａＡｓ系など他材料からなるレーザ素子に比べ、大きい。この為、キャリアの拡散長は小さくなり、水平方向キャリア分布の不均一が大きくなり易い。これは、ストライプ内におけるキャリア分布の水平方向非対称を生じ易く、上記不安定状況を生じ易くなる要因となる。
【００１８】
さらに、図１７に示した、サファイア基板を用いた従来の窒化物系半導体レーザ素子においては、レーザ光の出射端面を平坦に作製する事が困難である。通常、窒化物系半導体レーザ素子に用いられる基板としては、サファイアが最も広く用いられている。サファイア基板上に窒化物系半導体材料からなる多層構造をエピタキシャル成長した場合、サファイア基板の劈開面である（１１−２０）面と、窒化物系半導体の（１１−２０）面が、ちょうど３０度の角を成すように、成長する。即ち、サファイア基板と、窒化物系半導体材料から成る多層構造との劈開面が、平行でないため、平坦な劈開端面を作製する事が非常に困難となる。これは、端面反射率の水平方向不均一を生ずる為、ストライプ内における光強度分布の水平方向非対称を生じ易く、上記不安定状況を生じ易くなる要因となる。
【００１９】
以上の理由により、窒化ガリウム系半導体レーザ素子は、ＡｌＧａＡｓ系レーザなど他材料の半導体レーザに比べ、低い光出力でキンクを生じ易く、図１８の太線で示したような、キンクを生じ易い。従って、窒化物半導体レーザ素子が高出力まで基本横モード発振させる方法として、ストライプ幅を最適値に設定するのみでは不十分であり、新しい方法が必要とされる。
【００２０】
本発明は、上記課題を解決するものであり、窒化物半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性におけるキンクを抑制する新手法を提供し、パルス電流で駆動した場合のピーク出力が６０〜１００ｍＷの高出力まで基本横モードで発振する窒化物半導体レーザ素子を歩留りよく提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、対向する２つの共振器面に対してほぼ垂直な水平方向光閉じ込めリッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、前面側の共振器面近傍におけるリッジストライプ構造の幅Ｗ１に対し、｜Ｗ１−Ｗ２｜≧０．１μｍを満たす幅Ｗ２を有する領域が、リッジストライプ構造内に存在するものとする。
【００２２】
この窒化物半導体レーザ素子では、リッジストライプ構造の幅が一定ではなく、前面側の共振器面の近傍における幅よりも０．１μｍ以上幅の狭い領域または広い領域が、１つ以上存在する。リッジストライプ構造の幅にこのような変化をもたせることで、Ｉ−Ｌ特性のキンクを抑えて、高出力まで基本横モードで発振させることができる。
【００２３】
ここで、前面側の共振器面近傍におけるリッジストライプ構造の幅Ｗ１に対し、Ｗ１−Ｗ２’≧０．１μｍを満たす幅Ｗ２’を有する領域が、リッジストライプ構造内に存在するようにするとよい。つまり、前面側の共振器面の近傍における幅よりも０．１μｍ以上幅の狭い領域を、リッジストライプ構造に設ける。このようにすると、水平ＦＦＰのピーク位置の変化を高出力まで抑えることができる。
【００２４】
リッジストライプ構造内の幅Ｗ２または幅Ｗ２’を有する領域の長さの、リッジストライプ全体の長さに対する割合は、２％以上かつ８０％以下とするとよい。水平方向ＦＦＰ形状やその他の特性のバラツキが低減する。
【００２５】
また、前面側の共振器面近傍におけるリッジストライプ構造の側面は、前面側の共振器面に対してほぼ垂直にするとよい。後面側の共振器面の近傍におけるリッジストライプ構造の側面も、後面側の共振器面に対してほぼ垂直にするとよい。また、リッジストライプ構造内の幅が変化している領域において、層厚方向から見たときの、リッジストライプ構造の側面とリッジストライプ中心面のなす角は、１００ｍｒａｄ以下とするとよい。レーザ光の伝播損失を小さくし、閾値電流密度を低く保つことができる。
【００２６】
本発明ではまた、光ディスクに集光するレーザ光を用いて、光ディスクに情報を記録する手段と、光ディスクよって反射されたレーザ光を光電変換することにより、光ディスクに記録された情報を再生する手段とを有する光学式情報記録再生装置において、レーザ光の光源として上記の窒化物半導体レーザ素子を備える。
【００２７】
なお、本明細書において、「共振器面の近傍におけるリッジストライプ構造の幅」とは、以下の部分を指す。まず、リッジストライプが共振器面まで達している通常の場合は、共振器面によるリッジストライプ断面形状において、最も活性層に近い部分の幅を指すものとする。また、リッジストライプが共振器面まで達していない場合、具体的例として、高出力を目的とした低反射コーティングを端面に施した場合や、端面破壊防止を目的とした端面無秩序化を施した場合は、共振器面に平行で共振器面に最も近い面によるリッジストライプ断面形状において、最も活性層に近い部分の幅を指すものとする。
【００２８】
また、本明細書において、「水平方向」とは、共振器面に平行でかつ、半導体層の層厚方向に対し垂直な方向を指すものとする。
【００２９】
また、本明細書において、「ＦＦＰコンプレキシティ」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。
ＦＦＰコンプレキシティ＝∫｜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度間隔で、少なくとも−５０°≦θ≦５０°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４０％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・θ２＋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を用いて以下の係数Ａ、ｍ、Ｖを作成する。
Ａ＝ｅｘｐ［ｃ−ｂ２／（４ａ）］
ｍ＝−ｂ／（２ａ）
Ｖ＝−１／ａ
【００３１】
これにより、ＦＩＴ（θ）は以下の形で得られる。
ＦＩＴ（θ）＝Ａ・ｅｘｐ［−（θ−ｍ）２／Ｖ］
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の窒化物半導体レーザ素子の構造的特徴を示す模式図であり、説明に不要な部分は煩雑の為省略している。図１において、窒化物半導体レーザ素子１０は、対向する２つの共振器面１１、１２を備えており、これらは互いにほぼ平行に形成されている。１１は前面側の共振器面である。１２は後面側の共振器面である。さらに、これらにほぼ垂直な方向に、水平方向にレーザ発振光を閉じ込めることを目的としたリッジストライプ構造１３が形成されている。
【００３３】
前面側の共振器面には、低反射率（５％程度）を目的とした多層誘電体膜からなるコーティング（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇコーティング、又は単にＡＲコーティング）が施されている。後面側の共振器面には、高反射率（９５％程度）を目的とした多層誘電体膜からなるコーティング（Ｈｉｇｈ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇコーティング、又は単にＨＲコーティング）が施されている。さらに、前面側の共振器面におけるリッジストライプ構造の幅Ｗ１とは異なる幅Ｗ２の領域が、リッジストライプ構造内に１又は複数存在している。
【００３４】
図１２は、本発明の窒化物半導体レーザ素子を、市販のステムに搭載した様子を表す模式図である。但し本図では、煩雑を避けるため、結線のためのワイヤ及び、レーザをＡＰＣ駆動させるために必要なフォトディテクタは省略してある。ステム１２１に、本発明の窒化物半導体レーザ素子が搭載されている。同図において、紙面手前側に出射したレーザ光を取り出す面側を、本明細書においては「前面側の共振器面」１１と呼んでいる。なお、本図においては、４ピンタイプの５．６φステムを用いているが、用途に合わせて他の型のステムを用いても良い。
【００３５】
図２は、図１における窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ構造の形状例を示したものである。図１に示す窒化物半導体レーザ素子を、半導体層の層厚方向から見た模式図であり、リッジストライプ構造の形状と共振器面のみを示しており、電極など説明に不要な部分は省略している。図２において、Ｗ１は前面側の共振器面におけるリッジストライプの幅を表しており、リッジストライプ構造のうち、幅Ｗ１を有する領域をＲ１としている。また、リッジストライプ構造のうち、幅Ｗ１と異なる一定幅Ｗ２（、Ｗ３、Ｗ４、・・・、０．１μｍ以上異なる幅があるときは、その都度新しい下付き文字をもつ符号を付すものとする）を有する領域をＲ２（、Ｒ３、Ｒ４、・・・）としている。また、幅が共振器長さ方向に変化している領域をＲ０としている。
【００３６】
図３は、リッジストライプ構造の幅と、窒化物半導体レーザ素子のキンクレベルの関係を示したものである。横軸は、リッジストライプ構造のうち、最も狭い領域における幅を取り、縦軸は、作製した窒化物半導体レーザ素子１０個のキンクレベルＰｋ平均値を表している。横軸の値は、例えば図２に示したストライプ構造の例においては、Ｗ１、Ｗ２のうち、小さい方の値を取る。リッジストライプ構造中最も狭い領域における幅を０．５、１．０、１．５、２．０、２．５、３．０μｍに設定して窒化物半導体レーザ素子をそれぞれ１０個ずつ作製し、評価によって得られたキンクレベルＰｋのバラツキ範囲をエラーバーとして図３中にプロットしている。曲線３１は、エラーバーの上端を結んだものであり、曲線３２は、バラツキの平均値をプロットしたものであり、曲線３３は、エラーバーの下端を結んだものである。
【００３７】
曲線３１、３２を見ると、ストライプ幅が狭くなるほどキンクレベルが上昇している効果が現れている。一般に、電流注入により基本横モードが変化する原因について、ストライプ内部における水平方向キャリア分布の不安定状況が言われており、リッジストライプ構造中最も狭い領域における幅が狭くなると、上記水平方向キャリア分布の非対称が生じにくくなった為と考えられる。
【００３８】
しかし、曲線３３を見ると、リッジストライプ構造中ストライプ幅が狭くなっているにも関わらずキンクレベルの大きな上昇が見られていない。これは、リッジストライプ構造中ストライプ幅が最も狭くなっている領域が狭くなるほど、キンクレベルＰｋのバラツキ範囲が大きくなっており、同一ロット内のキンクレベルのバラツキ下限値が、ストライプ幅が減少しても大きく改善していないことを表している。これは、リッジストライプ構造形成時のプロセス上外乱により生ずるリッジストライプ構造の損傷が、ストライプ幅が狭くなるほど、キンクレベルに与える影響が大きくなり、水平方向キャリア分布の非対称を生ずる状況を助長する方向に働く為であると考えられる。
【００３９】
図４は、窒化物半導体レーザ素子の水平方向のＦＦＰが、光出力と共に変化する様子を示している。（ａ）は、本発明の窒化物半導体レーザ素子において、リッジストライプ構造中最も狭いところでない幅を有する領域にある共振器面から出射した光の水平方向ＦＦＰである。４１、４２はキンクレベル以下の光出力における水平方向ＦＦＰ、４３、４４はキンクレベルを超える光出力における水平方向ＦＦＰである。本図では、キンクレベルが２５ｍＷ付近にあるレーザを例にとっており、４１、４２、４３、４４はそれぞれ出力が１０、２０、３０、４０ｍＷ時の水平方向ＦＦＰの測定結果を示している。
【００４０】
（ｂ）は、本発明の窒化物半導体レーザ素子において、リッジストライプ構造中最も狭い幅を有する領域にある共振器面から出射した光の水平方向ＦＦＰである。４５、４６はキンクレベル以下の光出力における水平方向ＦＦＰ、４７、４８はキンクレベルを超える光出力における水平方向ＦＦＰであり、４５、４６、４７、４８はそれぞれ４１、４２、４３、４４の水平方向ＦＦＰを得たときと同じ電流値を注入して得られた水平方向ＦＦＰである。キンクレベルの前後で、ピークを生ずる位置が移動しているのが観測された。
【００４１】
これに対し、リッジストライプ構造中最も狭い幅を有する領域以外の領域にある共振器面から出射した光の水平方向ＦＦＰ（図４（ａ））においては、キンクレベルの前後で、ピークを生ずる位置の移動はほとんど見られなかった。また、４１から４４のＦＦＰコンプレキシティは全て５％以下で、ガウシアン形状に近い形状をしていたのに対し、４５から４８のＦＦＰコンプレキシティは全て５〜５０％程度の値を示しており、ガウシアン形状と異なる、非対称形状もしくは多峰形状を示していた。さらにこの効果は、リッジストライプ構造中最も狭い幅に比べて、０．１μｍ以上広い幅を有する領域にある共振器面であれば、上記と同様の効果が確認された。
【００４２】
このような効果を奏する原因について、本発明者らは次のように考えている。まず、リッジストライプ構造中最も狭い幅を有する領域をレーザ光が伝播するときは、リッジストライプ構造形成時のプロセス上外乱により生ずるリッジストライプ構造の損傷により、水平方向に非対称な複素屈折率分布をレーザ光は感ずる。したがって、リッジストライプ構造中最も狭い幅を有する領域にある共振器面から出射した光は、左右非対称となり、またキンク前後で水平方向ＦＦＰは、大きく変化する。
【００４３】
しかし、リッジストライプ構造中最も狭い領域でない幅を有する領域をレーザ光が伝播するときは、その領域における水平方向０次モードと、水平方向２次モードの結合モードが励振される。このモードは、キンクの前後でプロファイルに大きな変化を生じない状況になっており、その結果、水平方向ＦＦＰのピーク位置は、ほとんど変化しないのである。
【００４４】
以上を鑑みると、リッジストライプ構造中最も狭いところでない幅を有する領域にある共振面を前面側の共振器面として、ここから出射したレーザ光を、光学式情報記録再生装置の光源から出射した光として応用するのが、最も望ましい。
【００４５】
図５は、本発明の窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ構造の他の形状例を示したものである。これは、図２と同様、窒化物半導体レーザ素子を半導体層の層厚方向から見た模式図であり、リッジストライプ構造の形状と共振器面のみを示しており、電極など説明に不要な部分は省略している。図５中のリッジストライプ構造の幅、及び領域の符号の付け方は、図２と同様である。
【００４６】
図５においては、幅が共振器長さ方向に変化している領域Ｒ０が、前面側の共振器面及び後面側の共振器面のうち少なくとも一方に接している。このようなリッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子も、前面側のリッジストライプ構造の幅Ｗ１と比べて０．１μｍ以上異なる幅を有する領域があれば、本発明に含まれ、本発明の効果は発生する。
【００４７】
しかし、このような実施形態の窒化物半導体レーザ素子では、共振器面を形成する位置が、作製プロセスのバラツキにより、共振器長さ方向にずれると、共振器面近傍におけるリッジストライプ構造の幅が変化する。これは、作製した窒化物半導体レーザ素子の水平方向ファーフィールド形状のバラツキを発生させる要因となり、望ましいことではない。また、共振器内部を伝搬するレーザ光の、共振器面における反射率のバラツキを発生させる要因となり、これは窒化物半導体レーザ素子の諸特性にバラツキを生ずる原因となる。これは、生産上大きなデメリットとなりうる。
【００４８】
従って、前面側及び後面側のうち少なくとも一方の共振器面近傍における、リッジストライプ構造の側面は、共振器面に対してほぼ垂直になっていることが望ましい。より望ましくは、前面側及び後面側の両方の共振器面近傍における、リッジストライプ構造の側面が、共振器面に対してほぼ垂直になっていることが望ましい。
【００４９】
図６は、本発明の窒化物半導体レーザ素子における、狭い領域の長さとキンクレベルの関係を示したものである。横軸は、前面側の共振器面におけるリッジストライプ構造のストライプ幅Ｗ１に対して｜Ｗ１−Ｗ２｜≧０．１μｍを満たす幅Ｗ２を有するリッジストライプ構造の長さをとり、縦軸はキンクレベルを表している。全共振器長を５００μｍとし、これに対して、Ｗ２を有するリッジストライプ構造の長さを１０、５０、１００、３００、４００、４９０μｍに設定した窒化物半導体レーザ素子をそれぞれ１０個ずつ作製し、評価によって得られたキンクレベルＰｋのバラツキ範囲をエラーバーとして図６中にプロットしている。曲線６１は、エラーバーの上端を結んだものであり、曲線６２は、バラツキの平均値をプロットしたものであり、曲線６３は、エラーバーの下端を結んだものである。
【００５０】
曲線６１、６２を見ると、｜Ｗ１−Ｗ２｜≧０．１μｍを満たす幅Ｗ２を有するリッジストライプ構造の長さが、１０μｍ以上あれば、キンクレベル向上の効果は生じている。さらに望ましくは、５０μｍ以上あるのがよく、さらに望ましくは１００μｍ以上あるのが良い。
【００５１】
なお、図６の関係は、図２（ａ）乃至（ｅ）に示したどのストライプ構造であっても、同様の傾向を示した。
【００５２】
図１３は、本発明の窒化物半導体レーザ素子における、狭い領域の全共振器長に対する割合と、キンクレベルの関係を表したものである。横軸は、前面側の共振器面におけるリッジストライプ構造のストライプ幅Ｗ１に対して｜Ｗ１−Ｗ２｜≧０．１μｍを満たす幅Ｗ２を有する領域の長さの、全共振器長に対する割合をとり、縦軸はキンクレベルを表している。全共振器長を５００μｍとし、これに対して、Ｗ２を有するリッジストライプ構造の長さを１０、５０、１００、３００、４００、４９０μｍに設定した本発明の窒化物半導体レーザ素子をそれぞれ１０個ずつ作製し、さらに共振器長４００μｍに対してＷ２を有するリッジストライプ構造の長さを４０、８０、２４０、３２０μｍに設定した本発明の窒化物半導体レーザ素子をそれぞれ１０個ずつ作成し、これらを評価することによって得られたキンクレベルＰｋのバラツキ範囲をエラーバーとして図中にプロットしている。
【００５３】
曲線１３１は、エラーバーの上端を結んだものであり、曲線１３２は、バラツキの平均値をプロットしたものであり、曲線１３３は、エラーバーの下端を結んだものである。曲線１３１、１３２を見ると、幅Ｗ２を有するリッジストライプ構造の割合が、２％以上あれば、キンクレベル向上の効果は生じている。さらに望ましくは１０％以上がよく、さらに望ましくは２０％以上が良い。
【００５４】
図１４は、本発明の窒化物半導体レーザ素子において、前面側の共振器面から出射した光の水平方向ＦＦＰのコンプレキシティを縦軸にとり、横軸は、前面側の共振器面におけるリッジストライプ構造のストライプ幅Ｗ１に対して｜Ｗ１−Ｗ２｜≧０．１μｍを満たす幅Ｗ２を有する領域の長さの、全共振器長に対する割合をとり、プロットしたものである。サンプルは、図１３に示したものと同じものを使用し、これらを評価することによって得られたＦＦＰコンプレキシティのバラツキ範囲をエラーバーとして図中にプロットしている。
【００５５】
曲線１４１は、エラーバーの上端を結んだものであり、曲線１４２は、バラツキの平均値をプロットしたものであり、曲線１４３は、エラーバーの下端を結んだものである。曲線１４１〜１４３が示す通り、リッジストライプ構造のストライプ幅Ｗ２を有する領域の全共振器長に対する割合が８０％を超えると、前面側の共振器面から出射した光の水平方向ＦＦＰのコンプレキシティが上昇しており、即ち前面側の共振器面から出射した光の水平方向ＦＦＰの形状がガウシアン形状と異なる、非対称形状もしくは多峰形状を示していた。これは、本発明の効果が低くなることを意味している。従って、リッジストライプ構造のストライプ幅Ｗ２を有する領域の全共振器長に対する割合は、８０％以下が望ましい。さらに望ましくは６０％以下が良い。
【００５６】
図７は、リッジストライプ構造の幅が変化している領域の、側面傾きと、閾値電流密度の関係を示したものである。横軸は、層厚方向から見た、領域Ｒ０の側面と、リッジストライプ中心面のなす角で、リッジストライプが有する両側面分の平均値を表している。縦軸は、窒化物半導体レーザ素子の閾値電流密度Ｊｔｈを表している。
【００５７】
図７を見ると、前述の角が０からπ／２［ｒａｄ］まで変化すると、Ｊｔｈは緩やかに上昇を続ける。これは、角度が大きくなると、レーザ光の伝播損失が増大するためである。駆動電力を小さくしたいという需要から、レーザ光の伝播損失が小さいほど望ましい、即ちＪｔｈが小さいほど望ましいことを鑑みると、前述の角は小さいほど望ましい。具体的には、１００ｍｒａｄ以下が望ましく、より望ましくは１０ｍｒａｄ以下が良い。なお、前述の角度が１００ｍｒａｄより大きい領域がリッジストライプ全体の長さの２％以下の領域に渡って存在していても、レーザ光にはほとんど影響を与えない為、問題ないが、存在しないことが望ましい。
【００５８】
図１５は、本発明の窒化物半導体レーザ素子における、前面側共振器面の反射率と、後面側共振器面の反射率が満たすべき範囲を示したものである。窒化物半導体レーザ素子は、用途に応じて、前面側共振器面と後面側共振器面のいずれかもしくは両側にコーティングを施すことがある。高出力まで基本横モード発振する窒化物半導体レーザ素子を歩留り良く提供するという本発明の目的を維持する為には、共振器内の光子密度が高くなり過ぎないようにすること、スロープ効率を高くすること、及び閾値電流密度の上昇を抑えることが必要である。
【００５９】
共振器内の光子密度が増加すると、ストライプ内部における誘導放出による、水平方向キャリア分布及び水平方向光強度分布が非対称形状となる不安定状況になりやすくなるため、これの増加を抑えることが必要となる。また、スロープ効率を高くすること、及び閾値電流密度の上昇を抑えることは、窒化物半導体レーザ素子の駆動電力を一定のまま、高出力を得る為に必要である。これらの条件を満たす為、前面側共振器面及び後面側共振器面それぞれの反射率は、以下に述べるように、ある特定の範囲内に設定することが望まれる。
【００６０】
まず、共振器内の光子密度が高くなり過ぎないようにする条件を述べる。レーザ発振時の光子密度は、光子寿命τｐｈに比例する。ここで、τｐｈは次式
１／τｐｈ＝ｖｇ・［αｉ＋（１／２Ｌ）ｌｎ（１／Ｒｆ・Ｒｒ）］
ｖｇ（＝ｃ／ｎｇ）：群速度（ｃは光速［ｍ／ｓ］、ｎｇは群屈折率）
αｉ：共振器内の伝搬損失
Ｌ：共振器長
Ｒｆ：前面側共振器面の反射率
Ｒｒ：後面側共振器面の反射率
で示される。
【００６１】
前面側共振器面と後面側共振器面のいずれかもしくは両側にコーティングを施した後の、共振器内の光子密度が、コーティング無しの場合の２倍以下と抑えることが望ましい。コーティングを施した後の、前面側共振器面の反射率及び後面側共振器面の反射率をそれぞれＲｆ’、Ｒｒ’とすれば、上記条件は次式で表せる。
１／［αｉ＋（１／２Ｌ）・ｌｎ（１／Ｒｆ’・Ｒｒ’）］＜２／［αｉ＋（１／２Ｌ）・ｌｎ（１／Ｒｆ・Ｒｒ）］⇔Ｒｆ’・Ｒｒ’＜（Ｒｆ・Ｒｒ）１／２・ｅｘｐ（αｉ・Ｌ）
【００６２】
窒化物半導体レーザ素子においては、Ｒｆ＝Ｒｒ〜０．２（＝２０％）、αｉ〜１０［／ｃｍ］、Ｌ〜５００［μｍ］となるから、これを代入して、
Ｒｆ’・Ｒｒ’＜０．２２  （＝２２００［％２］）      …  ▲１▼
を満たすことが望ましい。図１５において、線１５２は、Ｒｆ’・Ｒｒ’＝２２００［％２］を示しており、曲線１５２より下側の範囲内にあることが望ましい。
【００６３】
次に、スロープ効率を高くする条件について述べる。これは、次式で表される。
Ｒｆ’≦Ｒｆ    又は  Ｒｒ’≧Ｒｒ
さらに前面側は、反射率が１％未満になると、レーザ発振が困難となるため、１％以上が望ましい。
【００６４】
窒化物半導体レーザ素子においては、Ｒｆ＝Ｒｒ〜２０％となるから、これを代入して、
０．０１≦Ｒｆ’≦０．２  又は  Ｒｒ’≧０．２      …  ▲２▼
（１％≦Ｒｆ’≦２０％  又は  Ｒｒ’≧２０％）
を満たすことが望ましい。図１５において、線１５４はＲｆ’＝１％を、線１５５はＲｆ’＝２０％を、線１５３はＲｒ’＝２０％を示しており、（Ｒｆ’，Ｒｒ’）は、線１５４から右側かつ線１５５より左側の領域、又は線１５３より上側の領域にあることが望ましい。
【００６５】
最後に、閾値電流密度の上昇を抑える条件を述べる。コーティングありと無しの閾値電流密度の差ΔＪｔｈは、次式で表される。
ΔＪｔｈ＝ｄ／（Γ・β・ηｓｐｏｎ）・（１／２Ｌ）・［ｌｎ（１／Ｒｆ’・Ｒｒ’）−ｌｎ（１／Ｒｆ・Ｒｒ）］
ｄ：活性層の層膜厚
Γ：活性層閉じ込め係数
β：微分利得
ηｓｐｏｎ：自然放出時の内部量子効率
Ｌ：共振器長
Ｒｆ：コーティング無しの前面側共振器面の反射率
Ｒｒ：コーティング無しの後面側共振器面の反射率
Ｒｆ’：コーティング有りの前面側共振器面の反射率
Ｒｒ’：コーティング有りの後面側共振器面の反射率
【００６６】
コーティングを施した後の閾値電流密度が、コーティング無しの場合と比べて、１［ｋＡ／ｃｍ２］以下の上昇に抑えることが望ましい。この条件を式で表すと、
ΔＪｔｈ＜１［ｋＡ／ｃｍ２］⇔ｄ／（２・Γ・β・ηｓｐｏｎ・Ｌ）・ｌｎ［（Ｒｆ・Ｒｒ）／（Ｒｆ’・Ｒｒ’）］＜１
となる。
【００６７】
窒化物半導体レーザ素子においては、Γ・β・ηｓｐｏｎ／ｄ〜３０［ｃｍ／ｋＡ］、Ｒｆ＝Ｒｒ〜０．２（＝２０％）、Ｌ〜５００［μｍ］となるから、これを代入して、
Ｒｆ’・Ｒｒ’＞０．００８  （＝８０［％２］）        …  ▲３▼
を満たすことが望ましい。図１５において、線１５１は、Ｒｆ’・Ｒｒ’＝８０［％２］を示しており、曲線１５１より上側の範囲内にあることが望ましい。
【００６８】
以上、前面側共振器面の反射率及び、後面側共振器面の反射率の望ましい条件について述べたが、これらは必ずしも全てを満たす必要はなく、それでも本発明の効果は発生する。しかし、全ての条件を満たすことが望ましい。▲１▼〜▲３▼全ての条件を満たす範囲を、図１５に斜線部で示しており、この範囲内に設定されてなることが最も望ましい。本実施形態の窒化物半導体レーザ素子においては、前面側共振器面の反射率は５％程度となるように、後面側共振器面の反射率は９５％程度となるように、それぞれ多層誘電体膜からなるコーティングが施されているが、これは図１５の斜線部で示した範囲内の設定に該当する。
【００６９】
以下、より具体的な実施例について詳説するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００７０】
＜実施例１＞
図８は、本発明の実施例１の窒化物半導体レーザ素子を示す模式図である。図において、８１は（０００１）面を結晶成長用表面としたｎ−ＧａＮ基板であり、その上に窒化物半導体層８２が形成されている。その上面は、水平方向に光を閉じ込めることを目的とした、リッジストライプ構造８３を形成するように、エッチングされている。エッチングされた面の概略全面に、高抵抗若しくはｎ型の導電型を有する埋込み層８４が形成されている。また、リッジストライプ構造・埋込み層の概略全面に渡って、正電極８５が形成されている。また、ｎ−ＧａＮ基板の裏面側概略全面に渡って負電極８６が形成されている。前面側の共振器面８７及び後面側の共振器面８８は、リッジストライプ構造にほぼ垂直に形成されている。
【００７１】
図９は実施例１の窒化物半導体レーザ素子の前面側の共振器面を示した図であり、特に、窒化物系半導体層１２の構造を詳細に示している。図において、窒化物系半導体層は、ｎ−ＧａＮ基板９１側から順に、ｎ−ＧａＮ層（膜厚約４μｍ）９２、ｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層（膜厚１μｍ）９３、ｎ−ＧａＮ光ガイド層９４（膜厚１００ｎｍ）、ｎ−ＩｎＧａＡｌＮ多重量子井戸活性層９５（発光波長４０５ｎｍ）、ｐ−ＡｌＧａＮ蒸発防止層９６（膜厚１８ｎｍ）、ｐ−ＧａＮ光ガイド層９７（膜厚１００ｎｍ）、ｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層９８（膜厚８００ｎｍ）、ｐ−ＧａＮコンタクト層９９（膜厚１００ｎｍ）が積層されて構成されている。本実施例において、窒化物半導体層８２は、９２から９９までの層構造を指している。
【００７２】
次に、本実施例の半導体レーザー素子の作製方法について説明する。初めに、（０００１）Ｃ面を結晶成長用面とするｎ−ＧａＮ基板（膜厚１００〜５００μｍ）を洗浄する。洗浄した（０００１）Ｃ面ｎ−ＧａＮ基板をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、Ｈ２雰囲気の中で、約１１００℃の高温でクリーニングを行う。
【００７３】
その後、Ｎ２とＮＨ３をそれぞれ５ｌ／ｍｉｎ流しながら約１０５０℃まで昇温する。温度が上がれば、キャリアガスをＮ２からＨ２に代えて、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を１００μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＳｉＨ４を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ導入して、ｎ型ＧａＮコンタクト層を０．１〜１０μｍ（例えば約４μｍ）成長する。
【００７４】
次に、ＴＭＧの流量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を一定量導入して、ｎ型Ａｌｘ１１Ｇａ１−ｘ１１Ｎ層（例えばｘ１１＝０．２）を２０〜５００Å（例えば２０Å）の厚さで成長する。次にＴＭＡの供給を停止し、ｎ型ＧａＮ層を２０〜５００Å（例えば２０Å）成長する。このようにして、ｎ型ＡｌＧａＮ層とｎ型ＧａＮ層の交互積層構造（ｎ型ＡｌＧａＮ層／ｎ型ＧａＮ層／・・・／ｎ型ＧａＮ層／ｎ型ＡｌＧａＮ層）からなるｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層（例えばＡｌの平均組成ｘ１＝０．１、例えば総膜厚１μｍ）を成長する。ｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層は、ｎ型ガイド層に比べて平均屈折率が小さく、平均バンドギャップが大きな材料であれば他材料からなる膜でもよく、例えばｎ型ＡｌＧａＮ層でもよい。
【００７５】
ｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層の成長が終了すると、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧを１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ｎ型ＧａＮガイド層を５０〜２００ｎｍ（例えば１００ｎｍ）の厚さになるように成長する。その後、ＴＭＧの供給を停止して、キャリアガスをＨ２からＮ２に再び代えて、７００℃まで降温し、インジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を一定量、ＴＭＧを１５μｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、ＩｎｖＧａ１−ｖＮよりなる障壁層を成長する。
【００７６】
その後、ＴＭＩの供給をある一定量にまで増加し、ＩｎｗＧａ１−ｗＮよりなる井戸層を成長する。このＩｎＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層との交互多層構造（障壁層／井戸層／・・・／井戸層／障壁層）からなる多重量子井戸活性層を成長する。障壁層及び井戸層を形成するＩｎＧａＮの混晶比及び膜厚は、発光波長が３７０〜４３０ｎｍの範囲になるように設計し、成長時に導入するＴＭＩの流量は、その設計値に等しいＩｎ組成の膜が得られるように調節する。井戸層の層数は、２〜６が望ましく、特に３が望ましい。
【００７７】
多重量子井戸活性層の成長が終了すると、ＴＭＩ及びＴＭＧの供給を停止して、再び１０５０℃まで昇温し、キャリアガスを再びＮ２からＨ２に代えて、ＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを適量、ｐ型ドーピング原料であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ流し、０〜２０ｎｍ厚のｐ−ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０≦ｚ≦０．３）キャリアブロック層を成長する。キャリアブロック層の成長が終了すると、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧの供給量を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、５０〜２００ｎｍ（例えば１００ｎｍ）の厚さのｐ型ＧａＮ光ガイド層を成長する。
【００７８】
その後、Ｃｐ２Ｍｇを一定量導入し、ＴＭＧの供給を５０μｍ／ｍｉｎに調整し、ＴＭＡを一定量導入し、ｐ型ＡｌＧａＮ層を２０〜５００Å（例えば２０Å）成長する。次にＴＭＡの供給を停止し、ｎ型ＧａＮ層を２０〜５００Å（例えば２０Å）成長する。このようにして、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層の交互積層構造（ｐ型ＡｌＧａＮ層／ｐ型ＧａＮ層／・・・／ｐ型ＧａＮ層／ｐ型ＡｌＧａＮ層）からなるｐ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦０．３）／ＧａＮ超格子クラッド層を０．４μｍ以上１０μｍ以下（例えば０．５μｍ）成長する。ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層は、平均屈折率がｐ型ＧａＮガイド層とｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層より小さく、平均バンドギャップがｐ型ＧａＮガイド層より大きければよく、例えばｐ型ＡｌＧａＮクラッド層でもよい。
【００７９】
最後に、ＴＭＧの供給を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ＴＭＡの供給を停止し、０．０１〜１０μｍ厚（例えば０．１μｍ厚）のｐ型ＧａＮコンタクト層の成長を行い発光素子構造の成長を終了する。成長が終了すると、ＴＭＧ及びＣｐ２Ｍｇの供給を停止して降温し、室温でＭＯＣＶＤ装置より取り出す。
【００８０】
次に、従来のフォトリソグラフィー技術・ＲＩＥ技術を用いて、図２（ａ）に示すようなリッジストライプ構造を形成する。寸法は、Ｗ１＝１．７〜５μｍ（例えば２．５μｍ）、Ｗ２＝１．０〜２．０μｍ（例えば１．７μｍ）、１０＜（領域Ｒ１の長さ）＜共振器長Ｌ（例えば領域Ｒ１長さ＝２００μｍ）、１０＜（領域Ｒ２の長さ）＜共振器長Ｌ（例えば領域Ｒ２長さ＝２００μｍ）、０≦（領域Ｒ０の長さ）＜共振器長Ｌ（例えば領域Ｒ０長さ＝５０μｍ）を満たすように作製する。
【００８１】
その後、従来のフォトリソグラフィー技術・蒸着技術を用いて、埋込み層を形成する。埋込み層材料は、例えばＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＯ、ＳｉＮなどの高抵抗若しくは絶縁体材料を用いるか、或いはｎ型ＡｌＧａＮ層などのｎ型導電型を有する材料を埋め込んでも良い。
【００８２】
ｐ型ＧａＮコンタクト層上の概略全面に、正電極を形成する。電極材料としては、例えばＡｕ／ＮｉあるいはＡｕ／Ｐｄを用いれば良い。また、ｎ−ＧａＮ基板裏面の概略全面に、負電極を形成する。負電極材料としては、例えばＡｌ／ＴｉあるいはＡｕ／Ｗを用いれば良い。
【００８３】
次に、本ウェハーを劈開法等によりバー状に分割して、前面側・後面側の共振器面を作製する。リッジストライプ形状を除いて、上述の半導体レーザー構造の形成方法は定法と同様である。
【００８４】
本実施例の窒化物半導体レーザ素子のベストモードにおいては、前面側の共振器面におけるリッジストライプ構造の幅Ｗ１＝２．５μｍに対し、Ｗ２＝１．７μｍであり、Ｗ１−Ｗ２≧０．１μｍを満たす幅Ｗ２（Ｗ２’）を有する領域が、前記リッジストライプ構造内に２４４μｍ存在している。ここで、２４４μｍは、２００＋５０×（２．５−１．７−０．１）／（２．５−１．７）から求めた値である。さらに、本実施例においては、前面側の共振器面近傍におけるリッジストライプ構造の側面が、前記前面側の共振器面に対してほぼ垂直になっており、さらに、後面側の共振器面近傍におけるリッジストライプ構造の側面が、前記後面側の共振器面に対してほぼ垂直になっている。さらに、リッジストライプ構造の幅が変化している領域Ｒ０の側面傾きは、ｔａｎ−１［（２．５−１．７）／２／５０］＝８ｍｒａｄと十分小さな値になっている。
【００８５】
本実施例の窒化物半導体レーザ素子は、閾値電流密度が１．２ｋＡ／ｃｍ２でレーザ発振を生じ、水平方向のＦＦＰ半値全角は、Θ‖＝８．０であった。また、Ｉ−Ｌ特性は図１８の細線と同様の傾向を示し、パルス幅内のピーク出力が０ｍＷから１００ｍＷに達するまでＩ−Ｌ特性においてキンクを生じなかった素子は、１００個中７０個程度得られ、従来の半導体レーザ装置に比べ、歩留りが大幅に向上した。これは、本発明の効果に他ならない。また、パルス幅内のピーク出力が０ｍＷから１００ｍＷに達するまでＩ−Ｌ特性においてキンクを生じた素子は、１００個中３０個程度得られたが、この内２０個程度の素子は、パルス幅内のピーク出力が０ｍＷから１００ｍＷに達するまで、水平方向ＦＦＰのピーク位置が変化しなかった。これは、本発明の効果に他ならない。
【００８６】
なお、本実施例の半導体レーザ素子においては、リッジストライプ構造の幅が広い側の共振器面を前面側の共振器面としたが、リッジストライプ構造の幅が狭い側の共振器面を前面側の共振器面としても、パルス幅内のピーク出力が０ｍＷから１００ｍＷに達するまでＩ−Ｌ特性においてキンクを生じない素子の歩留りが向上するという効果は得られる。但し、この場合、水平方向ＦＦＰのピーク位置がキンクレベルの前後で変化しないという効果は得られない。
【００８７】
＜実施例２＞
図１０は、本発明の実施例２の窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ構造の形状例を示したものである。これは、図２と同様、窒化物半導体レーザ素子を、半導体層の層厚方向から見た模式図であり、リッジストライプ構造の形状と共振器面のみを示しており、電極など説明に不要な部分は省略している。図１０中のリッジストライプ構造の幅、及び領域の符号の付け方は、図２と同様である。
【００８８】
図１０において、（ａ）は、リッジストライプ構造の後面側終端位置が、後面側の共振器面より奥の位置にあることが特徴である。（ｂ）は、リッジストライプ構造の前面側及び後面側の終端位置が、共振器面より奥の位置にあることが特徴となっている。このような共振器面は、エッチングにより作製することが可能である。
【００８９】
本実施例の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、リッジストライプ構造のマスク形状を図１０のものを用いるほかは、実施例１と同様であるので省略する。
【００９０】
本実施例の窒化物半導体レーザ素子においても、前面側の共振器面近傍のリッジストライプ構造の幅Ｗ１と０．１μｍ以上異なる幅Ｗ２を有する領域が、リッジストライプ構造内に存在すれば、本発明の効果は発生する。ここで、前面の共振器面近傍のリッジストライプ構造とは、図１０でＷ１を示している領域である。
【００９１】
本実施例の窒化物半導体レーザ素子は、閾値電流密度１．２ｋＡ／ｃｍ２でレーザ発振し、水平方向のＦＦＰ半値全角は、Θ‖＝８．０であった。また、Ｉ−Ｌ特性は図１８の細線と同様の傾向を示し、パルス幅内のピーク出力が０ｍＷから１００ｍＷに達するまでＩ−Ｌ特性においてキンクを生じなかった素子は、実施例１と同程度であった。
【００９２】
さらに、本実施例の窒化物半導体レーザ素子においては、正電極が共振器面より奥の位置にあることから、素子の作製プロセス中における劈開による共振器面形成時、正電極のダレが共振器面でｎ型半導体層と短絡することにより生ずる素子の不良を防止することができるという効果を奏する。
【００９３】
＜実施例３＞
図１１は、本発明の実施例３の光学式情報記録再生装置の基本構成を示す図である。半導体レーザ装置１００１、コリメータレンズ１００２、ビームスプリッタ１００３、対物レンズ１００４、光ディスク１００５、光を検出する光検出系１００６からなっている。なお、図１１では、簡単の為、本発明の効果を説明するのに不要な部品は省略している。本実施例の半導体レーザ装置としては、実施例１または２に示したものを用いている。
【００９４】
記録動作時及び消去動作時は、半導体レーザ装置から出射したレーザ光が、コリメータレンズで平行光もしくは平行に近い光に変換され、ビームスプリッタを経て、対物レンズにより光ディスクの情報記録面に集光される。光ディスクの情報記録面には、磁気変調もしくは屈折率変調によりビット情報が書き込まれる。再生動作時は、記録時及び消去時と同様の過程を経て半導体レーザ装置から出射したレーザ光が、凹凸もしくは磁気変調もしくは屈折率変調により記録されている光ディスクの情報記録面に集光されるが、集光されたレーザ光は、そこで反射され、対物レンズを通してビームスプリッタを透過し、光検出系に入射して、光学的に検出された信号を電気的信号に変換して記録情報の読み取りが行われる。
【００９５】
本発明の半導体レーザ装置を備えた光学式情報記録再生装置においては、記録動作時は、１０−６以下の欠陥発生率が達成された。また、再生動作時においては、ビット読み取りエラー率１０−６で、書き込まれた情報を読み出すことが出来た。これに対し、本発明に該当しない半導体レーザ装置を備えた光学式情報記録再生装置においては、記録動作時の欠陥発生率、及び再生動作時のビット誤り率が、共に１０−３オーダーであった。この相違は、本発明の光学式情報記録再生装置では、高出力まで基本横モード発振を維持し、高出力までキンクのないＩ−Ｌ特性を有する半導体レーザ装置を用いた事で、光ディスク上に集光されたレーザ光のパワーが安定し、欠陥発生率及びビット読み取りエラーが減少した事によるものであり、本発明の効果にほかならない。
【００９６】
以上、本発明の実施例について述べてきたが、本発明の半導体レーザ素子はこれらに限られるものではない。実施例において、基板はｎ型ＧａＮからなる基板を用いたが、他の基板でも良く、例えばサファイア（Ａｌ２Ｏ３）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＺｎＯＭｇＧａ２Ｏ４、ＬｉＧａＯ２、ＬｉＡｌＯ２、ルビー等の単結晶よりなる基板でも良い。
【００９７】
また、実施例においては、リッジ形状の水平方向光閉じ込めストライプ構造を形成する際、第１のｐ型クラッド層までエッチングを行ったが、半導体レーザ素子を構成する各窒化物半導体層の組成の組み合わせによっては、第２のｐ型クラッド層あるいはｐ側光導波層までエッチングをすることによりリッジ形状を形成した構造でもよい。
【００９８】
また、実施例において、埋め込み層の材料は、第１のｐ型クラッド層と同じＡｌ組成を持つｎ型Ａｌｙ３Ｇａ１−ｙ３Ｎを用いたが、ノンドープでも良く、また或いは第１のｐ型クラッド層と概略同じＡｌ組成を持つｎ型／ノンドープＡｌｙ３Ｇａ１−ｙ３Ｎでもよく、また或いは第１のｐ型クラッド層と概略同じ屈折率を有する絶縁体（例えばＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＣｅＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＺｎＯ、ＺｎＭｇＣｄＳＳｅ化合物半導体）でも良い。また或いは、単一組成の物質でなくても良く、例えば組成の異なる２層以上の交互積層構造（但し各層厚は０．０２μｍ以下）からなる埋め込み層でもよい。
【００９９】
また、前面側の共振器面にはＡＲコーティングを、後面側の共振器面にはＨＲコーティングを施したが、いずれも本発明には必須の要件ではないので、一方もしくは両方が無くても良く、本発明の効果は発生する。
【０１００】
さらに、本発明が適用される半導体レーザの光導波路構造は、上述の例に限られるものではない。実屈折率導波型構造であり、Γ‖が０．８５以上０．９９以下であるか、又はΘ‖が５度以上１１度以下であることを満たしていればよく、セルフ・アラインド・ストラクチャ（ＳＡＳ）構造（実施例１）、リッジ構造（実施例２）を始めとして、電極ストライプ構造、埋め込みヘテロ（ＢＨ）構造、チャネルド・サブストレイト・プレイナ（ＣＳＰ）構造等の他のものとしても、上述と同様の効果が得られる。
【０１０１】
またさらに、各実施例における各半導体層は、上述の材料に限定されるわけではなく、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）の他、そのＩＩＩ族元素の一部（２０％程度以下）を、Ｂ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｔｌ、Ｇｄ、Ｌａ等の他の元素で置換した六方晶構造結晶や、そのＮ元素の一部（２０％程度以下）を、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等の他の元素で置換した六方晶構造結晶に置換してもよく、また、さらには六方晶構造結晶の多層構造中に一部、異なる結晶材料層が混入していても、本発明の趣旨を逸脱するものではない。さらには、各半導体層中に、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｔｌ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｈ、Ｓｃ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、ランタノイド等が添加されていてもよい。
【０１０２】
【発明の効果】
対向する２つの共振器面に対してほぼ垂直な水平方向光閉じ込めリッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、本発明のように、前面側の共振器面近傍におけるリッジストライプ構造の幅Ｗ１に対し、｜Ｗ１−Ｗ２｜≧０．１μｍを満たす幅Ｗ２を有する領域が、リッジストライプ構造内に存在するようにすると、Ｉ−Ｌ特性のキンクを抑えて、高出力まで基本横モードで発振させることが容易になる。これにより、高出力まで直線的なＩ−Ｌ特性を有する窒化物半導体レーザ素子を歩留まり良く製造することが可能になる。
【０１０３】
前面側の共振器面近傍におけるリッジストライプ構造の幅Ｗ１に対し、Ｗ１−Ｗ２’≧０．１μｍを満たす幅Ｗ２’を有する領域が、リッジストライプ構造内に存在するようにすると、水平ＦＦＰのピーク位置の変化を高出力まで抑えることができる。
【０１０４】
リッジストライプ構造内の幅Ｗ２または幅Ｗ２’を有する領域の長さの、リッジストライプ全体の長さに対する割合を、２％以上かつ８０％以下にすると、水平方向ＦＦＰ形状や他の諸特性のバラツキを低減することができる。
【０１０５】
前面側の共振器面近傍におけるリッジストライプ構造の側面を、前面側の共振器面に対してほぼ垂直にすると、レーザ光の伝播損失を小さくすることができて、閾値電流密度を低く保つことができる。
【０１０６】
後面側の共振器面の近傍におけるリッジストライプ構造の側面を、後面側の共振器面に対してほぼ垂直にすると、高出力まで直線的なＩ−Ｌ特性を有する窒化物半導体レーザ素子を、通常の窒化物半導体レーザ素子作製プロセスによって、容易に作製することができる。
【０１０７】
光ディスクに集光するレーザ光を用いて、光ディスクに情報を記録する手段と、光ディスクよって反射されたレーザ光を光電変換することにより、光ディスクに記録された情報を再生する手段とを有する光学式情報記録再生装置において、レーザ光の光源として本発明の窒化物半導体レーザ素子を備えるようにすると、記録動作時は欠陥発生率を低下させ、再生動作時においては、ビット読み取りエラー率を低下させることができて、信頼性が大きく向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化物半導体レーザ素子の構造的特徴を示す模式図である。
【図２】図１における窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ構造の形状例を示す図である。
【図３】リッジストライプ構造の幅と、窒化物半導体レーザ素子のキンクレベルの関係を示す図である。
【図４】窒化物半導体レーザ素子の水平方向のＦＦＰが、光出力と共に変化する様子を示す図であり、（ａ）は、リッジストライプ構造中最も狭い所でない幅を有する領域にある共振器面から出射した光の水平方向ＦＦＰ、（ｂ）は、リッジストライプ構造中最も狭い幅を有する領域にある共振器面から出射した光の水平方向ＦＦＰである。
【図５】本発明の窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ構造の他の形状例を示す図である。
【図６】本発明の窒化物半導体レーザ素子における、狭い領域の長さとキンクレベルの関係を示す図である。
【図７】リッジストライプ構造の幅が変化している領域の側面傾きと、閾値電流密度の関係を示す図である。
【図８】本発明の実施例１の窒化物半導体レーザ素子を示す模式図である。
【図９】実施例１の窒化物半導体レーザ素子の前面側の共振器面を示す図であり、特に、窒化物半導体層の構造を詳細に示す。
【図１０】実施例２の窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ構造の形状例を示す図である。
【図１１】実施例３の光学式情報記録再生装置の基本構成を示す図である。
【図１２】本発明の窒化物半導体レーザ素子を、市販のステムに搭載した様子を表す模式図である。
【図１３】本発明の窒化物半導体レーザ素子における、狭い領域長の全共振器長に対する割合とキンクレベルの関係を示す図である。
【図１４】本発明の窒化物半導体レーザ素子における、狭い領域長の全共振器長に対する割合と前面側の共振器面から出射した光の水平方向ＦＦＰのコンプレキシティの関係を示す図。
【図１５】本発明の窒化物半導体レーザ素子における、前面側共振器面の反射率と、後面側共振器面の反射率が満たすべき範囲を示す図である。
【図１６】従来の半導体レーザ素子の構造を表す模式的な要部断面図である。
【図１７】従来の半導体レーザ素子の他の例を示す図である。
【図１８】従来の半導体レーザ素子におけるＩ−Ｌ特性の例を示す図である。
【図１９】水平方向のファーフィールドパターンが変化する様子の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０        窒化物半導体レーザ素子
１１、８７  前面側の共振器面
１２、８８  後面側の共振器面
１３、８３  リッジストライプ構造
３１、６１、１３１、１４１  エラーバーの上端を結んだ曲線
３２、６２、１３２、１４２  バラツキの平均値を結んだ曲線
３３、６３、１３３、１４３  エラーバーの下端を結んだ曲線
４１、４２  キンクレベル以下の光出力における水平方向ＦＦＰ
４３、４４  キンクレベルを超える光出力における水平方向ＦＦＰ
８１、９１  ｎ−ＧａＮ基板
８２        窒化物半導体層
９２        ｎ−ＧａＮ層
９３        ｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層
９４        ｎ−ＧａＮ光ガイド層
９５        ｎ−ＩｎＧａＡｌＮ多重量子井戸活性層
９６        ｐ−ＡｌＧａＮ蒸発防止層
９７        ｐ−ＧａＮ光ガイド層
９８        ｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層
９９        ｐ−ＧａＮコンタクト層
８４、１００  埋込み層
８５、１０１  正電極
８６、１０２  負電極
１２１        ステム
１５１        Ｒｆ・Ｒｒ＝８０を表す線
１５２        Ｒｆ・Ｒｒ＝２２００を表す線
１５３        Ｒｒ＝２０を表す線
１５４        Ｒｆ＝１を表す線
１５５        Ｒｆ＝２０を表す線
１００１        窒化物半導体レーザ素子
１００２        コリメータレンズ
１００３        ビームスプリッタ
１００４        対物レンズ
１００５        光ディスク
１００６        光検出系
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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