(57)【要約】【課題】半導体レーザの主要な特性を極端に悪化させることなくＦＦＰＶの半値全幅を実効的に低減させ、光ファイバー、レンズで構成された光学系などと半導体レーザの良好な結合を実現し、かつ、半導体レーザそのものの高出力動作特性も向上させること。【解決手段】第一導電型である基板上に、第一導電型第一クラッド層、第一導電型第二クラッド層、第一光ガイド層、活性層構造、第二光ガイド層、第二導電型第二クラッド層、第二導電型第一クラッド層の順に積層された構造（各層の平均屈折率は順にｎｎ１、ｎｎ２、ｎｎｇ、ｎａ、ｎｐｇ、ｎｐ２、ｎｐ１）を有しており、ｎｎ２　＜　ｎｎ１　＜　ｎｎｇ　＜　ｎａかつｎｐ２　＜　ｎｐ１　＜　ｎｐｇ　＜　ｎａなどの特定の条件を満たすように設計した半導体発光素子。【選択図】　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一導電型である基板上に、平均屈折率がｎｎ１で厚みがｔｎ１（ｎｍ）である第一導電型第一クラッド層、平均屈折率がｎｎ２で厚みがｔｎ２（ｎｍ）である第一導電型第二クラッド層、平均屈折率がｎｎｇで厚みがｔｎｇ（ｎｍ）である第一光ガイド層、平均屈折率がｎａで総厚がｔａ（ｎｍ）である活性層構造、平均屈折率がｎｐｇで厚みがｔｐｇ（ｎｍ）である第二光ガイド層、平均屈折率がｎｐ２で厚みがｔｐ２（ｎｍ）である第二導電型第二クラッド層、平均屈折率がｎｐ１で厚みがｔｐ１（ｎｍ）である第二導電型第一クラッド層の順に積層された構造を有する発光波長λ（ｎｍ）の半導体発光素子において、
波数ｋ、Ｖｎ、Ｖｐ、ＲｎおよびＲｐを（式１）のように定義するとき、（式２）の各関係を満足することを特徴とする半導体発光素子。
【数１】
2004103679.tif 000003
【数２】
2004103679.tif 000004
【請求項２】
請求項１に記載の半導体発光素子において、以下の式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
【数３】
2004103679.tif 000005
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体発光素子において、以下の式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
【数４】
2004103679.tif 000006
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子において、以下の式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
【数５】
2004103679.tif 000007
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子において、以下の式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
【数６】
2004103679.tif 000008
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子において、以下の式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
【数７】
2004103679.tif 000009
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体発光素子において、以下の式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
【数８】
2004103679.tif 000010
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体発光素子において、以下の式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
【数９】
2004103679.tif 000011
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、基板がＧａＡｓからなり、第一導電型第一クラッド層、第一導電型第二クラッド層、第二導電型第二クラッド層、第二導電型第一クラッド層の少なくとも一部がＡｌ、ＧａおよびＡｓを含むことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、基板がＧａＡｓからなり、第一導電型第一クラッド層、第一導電型第二クラッド層、第二導電型第二クラッド層、第二導電型第一クラッド層の少なくとも一部がＩｎ、ＧａおよびＰを含むことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、第一導電型第一クラッド層および第二導電型第一クラッド層が共にＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ系材料からなり、当該２層のＡｌ組成ｘが以下の式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
【数１０】
2004103679.tif 000012
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、第一導電型第二クラッド層および第二導電型第二クラッド層がともに、ＡｌｓＧａ１−ｓＡｓ系材料からなり、当該２層のＡｌ組成ｓが以下の式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
【数１１】
2004103679.tif 000013
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、少なくとも一方の導電型を示す第一クラッド層と第二クラッド層の間に、そのバンドギャップが第一クラッド層側では第一クラッド層に接近しており、また第二クラッド層側では第二クラッド層に接近している遷移層を有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、第一光ガイド層および第二光ガイド層がともにＧａＡｓであることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、活性層構造が歪み量子井戸層を含み、当該量子井戸層がＩｎ、ＧａおよびＡｓを含むことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、活性層構造内の障壁層が基板と同じ第一導電型である部分を含むことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１７】
請求項１６に記載の半導体発光素子であって、障壁層内のドーパントがＳｉであることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、第一導電型第一クラッド層と第二導電型第一クラッド層の内の少なくとも一方のドーピングレベルが、それぞれの層内で一様でないことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、第一の導電型がｎ型で、第二の導電型がｐ型であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、第二導電型第一クラッド層が第二導電型上側第一クラッド層と第二導電型下側第一クラッド層の二層に分かれ、第二導電型上側第一クラッド層と電流ブロック層とで電流注入領域を形成し、さらにコンタクト層を具備することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２１】
請求項１〜２０のいずれか１項に記載の半導体発光素子において、半導体発光素子が半導体レーザであることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２２】
請求項２１記載の半導体レーザが単一横モード発振する半導体レーザであることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２３】
請求項１〜２２のいずれか１項に記載の半導体発光素子と、当該半導体発光素子の光の出射端側に光ファイバーを具備することを特徴とする半導体発光素子モジュール。
【請求項２４】
請求項２３に記載の半導体発光素子モジュールであって、光ファイバーの先端が集光効果を有し、かつ、半導体発酵素子の前端面と直接光学的に結合する様に加工されていることを特徴とする半導体発光素子モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子に関するものである。本発明は、光ファイバー増幅器用励起光源や光情報処理用の光源、医療用半導体レーザ等のように、光学系との高い結合効率が望まれる場合に好適に利用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
近年における光情報処理技術、光通信技術の進展には枚挙に暇がない。
例えば、通信分野においては、今後の情報通信（ＩＴ）時代に本格的に対応する大容量の光ファイバー伝送路とともに、その伝送方式に対する柔軟性を持つ信号増幅用のアンプとして、Ｅｒ３＋等の希土類をドープした光ファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）の研究が各方面で盛んに行なわれている。そして、ＥＤＦＡのコンポーネントとして不可欠な要素である、高効率な励起光源用の半導体レーザの開発が待たれている。
【０００３】
ＥＤＦＡ応用に供することのできる励起光源の発振波長は、原理的に８００ｎｍ、９８０ｎｍ、１４８０ｎｍの３種類存在する。このうち増幅器の特性から見れば９８０ｎｍでの励起が、利得やノイズ等を考慮すると最も望ましいことが知られている。このような９８０ｎｍの発振波長を有する半導体レーザ（ＬＤ）は、励起光源として高出力でありながら長寿命であるという相反する特性を満たすことが要求されている。さらに、光増幅器用の励起光源は光ファイバーと良好な結合を実現することも必須であるために、一般に、単一横モード発振することが望まれ、半導体レーザから出射される光の遠視野像（ｆａｒ　ｆｉｅｌｄ　ｐａｔｔｅｒｎ：ＦＦＰ）は基板に垂直な方向（縦方向）と基板に平行な方向（横方向）の縦横比が１に近く、さらに放射角の絶対値も狭いことが望まれる。
【０００４】
一方通信分野への応用以外でも、半導体レーザには、ＳＨＧ光源、レーザプリンタ用の熱源としての応用、医療分野における各種応用があり、これらの分野でも多くの場合半導体レーザから出射された光は各種光学系と結合される場合が多く、その縦方向、横方向のＦＦＰの絶対値が狭いことと、その縦横比が１に近いことは非常に重要な特性となっている。
【０００５】
縦方向に関して基本モードのみの伝播が許容されている設計を有する半導体レーザにおいて、その光閉じ込めは縦方向と横方向では極端に異なっている。横方向の光閉じ込めはその電流注入領域の幅が数μｍから数百μｍであり、また、導波路構造も同程度の寸法であって、発振波長に比べて比較的広いため、端面近傍の発光パターン（近視野像：ｎｅａｒ　ｆｉｅｌｄ　ｐａｔｔｅｒｎ：　ＮＦＰ）に対して、出射される光の横方向のＦＦＰ（ＦＦＰＨ）には回折の効果が比較的少ないのが一般的である。これに対して、縦方向の光閉じ込めは発振波長よりも極端に薄い活性層構造により実現されるため、出射される光の縦方向のＦＦＰ（ＦＦＰＶ）には極端な回折の効果が現れ、その半値全幅はＦＦＰＨよりも広くなるのが普通である。このため、外部の光学系との結合特性を向上させるためには、ＦＦＰＶの実効的な半値全幅を狭くすることが望まれる。
【０００６】
また、この様な半導体レーザが実現されれば、結果として縦方向のＮＦＰ（ＮＦＰＶ）のサイズが拡大することとなるため、端面における光密度が低下し、半導体レーザの高出力動作特性も改善できることが期待される。
非特許文献１で議論されている通り、ＦＦＰＶは活性層あるいは光ガイド層の厚みに依存することが知られている。しかし、これらの厚みを単に薄くする方法でＦＦＰＶが狭い半導体レーザを実現しても、その他の素子特性が悪化してしまう等の問題があった。
【非特許文献１】Ｈ．Ｃ．　Ｃａｓｅｙ，Ｊｒ．，　Ｍ．　Ｂ．　Ｐａｎｉｓｈ著Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｌａｓｅｒｓ　（Ａｃａｄｅｍｉｃ　ｐｒｅｓｓ，　１９７８）　のＣｈａｐｔｅｒ　２
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記の従来技術の問題点を解決することを課題とした。
具体的には、本発明は、半導体レーザの主要な特性を極端に悪化させることなくＦＦＰＶの半値全幅を実効的に低減させ、光ファイバー、レンズで構成された光学系などと半導体レーザの良好な結合を実現し、かつ、半導体レーザそのものの高出力動作特性も向上させることを解決すべき課題とした。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは前記課題を解決するために鋭意検討を進めた結果、特定の条件を満たす半導体発光素子が非常にすぐれた光学系との結合を実現でき、また、高出力動作に適していることを見出し、本発明に到達した。
【０００９】
すなわち本発明は、第一導電型である基板上に、平均屈折率がｎｎ１で厚みがｔｎ１（ｎｍ）である第一導電型第一クラッド層、平均屈折率がｎｎ２で厚みがｔｎ２（ｎｍ）である第一導電型第二クラッド層、平均屈折率がｎｎｇで厚みがｔｎｇ（ｎｍ）である第一光ガイド層、平均屈折率がｎａで総厚がｔａ（ｎｍ）である活性層構造、平均屈折率がｎｐｇで厚みがｔｐｇ（ｎｍ）である第二光ガイド層、平均屈折率がｎｐ２で厚みがｔｐ２（ｎｍ）である第二導電型第二クラッド層、平均屈折率がｎｐ１で厚みがｔｐ１（ｎｍ）である第二導電型第一クラッド層の順に積層された構造を有する発光波長λ（ｎｍ）の半導体発光素子において、波数ｋ、Ｖｎ、Ｖｐ、ＲｎおよびＲｐを（式１）のように定義するとき、（式２）の各関係を満足することを特徴とする半導体発光素子を提供する。
【数１２】
ｋ　　＝　２π／λ
Ｖｎ　＝　ｋ／２　×（ｔａ＋ｔｎｇ＋ｔｐｇ）×（ｎｎｇ２−ｎｎ１２）１／２
Ｖｐ　＝　ｋ／２　×（ｔａ＋ｔｎｇ＋ｔｐｇ）×（ｎｐｇ２−ｎｐ１２）１／２
Ｒｎ　＝　ｔｎ２／ｔｎｇ
Ｒｐ　＝　ｔｐ２／ｔｐｇ　　　　　　　　　　　　　　　　　（式１）
【数１３】
ｎｎ２　＜　ｎｎ１　＜　ｎｎｇ　＜　ｎａ
ｎｐ２　＜　ｎｐ１　＜　ｎｐｇ　＜　ｎａ
０．３５　＜　Ｖｎ　＜　０．７５
０．３５　＜　Ｖｐ　＜　０．７５
０．３　＜　Ｒｎ　＜　０．７
０．３　＜　Ｒｐ　＜　０．７　　　　　　　　　　　　　　　（式２）
【００１０】
本発明の半導体発光素子は、以下の少なくとも１つの式を満たすことが好ましい。
【数１４】
０．４　＜　Ｖｎ　＜　０．６
０．４　＜　Ｖｐ　＜　０．６
０．３５　＜　Ｒｎ　＜　０．５５
０．３５　＜　Ｒｐ　＜　０．５５
４０ｎｍ　＜　ｔｎｇ　＜　１００ｎｍ
４０ｎｍ　＜　ｔｐｇ　＜　１００ｎｍ
【００１１】
また、本発明の半導体発光素子は、以下の式をすべて満たすことが好ましい。
【数１５】
ｎｎ１　＝　ｎｐ１
ｎｎ２　＝　ｎｐ２
ｎｎｇ　＝　ｎｐｇ
Ｖｐ　＝　Ｖｎ
Ｒｎ　＝　Ｒｐ
【００１２】
本発明の半導体発光素子の好ましい態様として、基板がＧａＡｓからなり、第一導電型第一クラッド層、第一導電型第二クラッド層、第二導電型第二クラッド層、第二導電型第一クラッド層の少なくとも一部がＡｌ、ＧａおよびＡｓを含む態様；基板がＧａＡｓからなり、第一導電型第一クラッド層、第一導電型第二クラッド層、第二導電型第二クラッド層、第二導電型第一クラッド層の少なくとも一部がＩｎ、ＧａおよびＰを含む態様；第一導電型第一クラッド層および第二導電型第一クラッド層が共にＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ系材料からなり、当該２層のＡｌ組成ｘが０．１５＜ｘ＜０．２５を満たす態様；第一導電型第二クラッド層および第二導電型第二クラッド層がともに、ＡｌｓＧａ１−ｓＡｓ系材料からなり、当該２層のＡｌ組成ｓが０．３＜ｓ＜０．４５を満たす態様；少なくとも一方の導電型を示す第一クラッド層と第二クラッド層の間に、そのバンドギャップが第一クラッド層側では第一クラッド層に接近しており、また第二クラッド層側では第二クラッド層に接近している遷移層を有する態様；第一光ガイド層および第二光ガイド層がともにＧａＡｓである態様；活性層構造が歪み量子井戸層を含み、当該量子井戸層がＩｎ、ＧａおよびＡｓを含む態様；活性層構造内の障壁層が基板と同じ第一導電型である部分を含む態様；障壁層内のドーパントがＳｉである態様；第一導電型第一クラッド層と第二導電型第一クラッド層の内の少なくとも一方のドーピングレベルが、それぞれの層内で一様でない態様；第一の導電型がｎ型で、第二の導電型がｐ型である態様；第二導電型第一クラッド層が第二導電型上側第一クラッド層と第二導電型下側第一クラッド層の二層に分かれ、第二導電型上側第一クラッド層と電流ブロック層とで電流注入領域を形成し、さらにコンタクト層を具備する態様；半導体発光素子が半導体レーザである態様；単一横モード発振する半導体レーザである態様を挙げることができる。
【００１３】
本発明は、前記の半導体発光素子と、当該半導体発光素子の光の出射端側に光ファイバーを具備することを特徴とする半導体発光素子モジュールも提供する。当該光ファイバーの先端は、集光効果を有し、かつ、半導体発光素子の前端面と直接光学的に結合するように加工されていることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
まず、本明細書で使用しているいくつかの表記について説明する。
本明細書において「Ａ層の上に形成されたＢ層」という表現は、Ａ層の上面にＢ層の底面が接するようにＢ層が形成されている場合と、Ａ層の上面に１以上の層が形成されさらにその層の上にＢ層が形成されている場合の両方を含むものである。また、Ａ層の上面とＢ層の底面が部分的に接していて、その他の部分ではＡ層とＢ層の間に１以上の層が存在している場合も、前記表現に含まれる。具体的な態様については、以下の各層の説明と実施例の具体例から明らかである。
【００１５】
また、単一の機能を複数の層で発現させる場合などにおいては、これを単一の名称で示すことがあるが、この場合における屈折率などは平均の屈折率をもってこれを定義することとする。例えば、クラッド層がｍ個の層からなり、そのｎ番目の層の屈折率がｎｎ、厚みをｔｎ（ｎｍ）とすると、このクラッド層の平均屈折率ｎｍｅａｎは以下の式により定義されるものとする。
【数１６】
2004103679.tif 000002
【００１６】
また、本明細書では、図１下側に図示されるように、基板に垂直な方向を縦方向と定義し、基板に水平な方向を横方向と定義する。
【００１７】
本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。また、本明細書に添付する図面は、本発明の構造を把握しやすくするために、敢えて寸法を変えている部分があるが、実際の寸法は本明細書に記載されているとおりである。
【００１８】
本発明の半導体発光素子は、第一導電型である基板上に、第一導電型第一クラッド層、第一導電型第二クラッド層、第一光ガイド層、活性層構造、第二光ガイド層、第二導電型第二クラッド層、第二導電型第一クラッド層の順に積層された構造を有する。
【００１９】
以下において、本発明の半導体発光素子の好ましい構成例およびその製造法について具体的に説明する。
先ず、本発明の半導体発光素子の主たる特徴を、図１に示すＬＤを参照しながら説明する。図１左には各層構造により実現される屈折率の縦方向の空間分布を示し、また図１下には本図中で使用する方向の呼び方を示した。
【００２０】
図１は、ｎ型基板（１０１）上に、Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓからなる厚みｔｎ１（ｎｍ）のｎ型第一クラッド層（１０２）、Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐからなる厚みｔｎ２（ｎｍ）のｎ型第二クラッド層（１０３）、アンドープＧａＡｓからなる厚みｔｎｇ（ｎｍ）の第一光ガイド層（１０４）、厚みｔａ（ｎｍ）の活性層構造（１０５）、アンドープＧａＡｓからなる厚みｔｐｇ（ｎｍ）の第二光ガイド層（１０６）、Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓからなる厚みｔｐ２（ｎｍ）のｐ型第二クラッド層（１０７）、Ａｌ０．２３Ｇａ０．７７Ａｓからなる厚みｔｐ１（ｎｍ）のｐ型第一クラッド層（１０８）を有しており、さらに電極（１１１）との接触抵抗を下げるためのコンタクト層（１０９）、また横方向に対して電流注入領域を限定するためのＳｉＮ層（１１０）と、さらに、ｐ側電極（１１１）、ｎ側電極（１１２）より構成されているブロードエリア型ＬＤである。本発明の半導体発光素子は、ｎ型第一クラッド層（１０２）とｐ型第一クラッド層（１０８）などの対をなす層が対称であってもかまわないが、ここでは非対称の場合について説明する。
【００２１】
また活性層構造（１０５）は、基板（１０１）側から、厚み５ｎｍのＧａＡｓ障壁（バリア）層（１２１）、厚み６ｎｍのＩｎ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ歪み量子井戸層（１２２）、厚み８ｎｍのＧａＡｓ障壁層（１２３）、厚み６ｎｍのＩｎ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ歪み量子井戸層（１２４）、厚み５ｎｍのＧａＡｓ障壁層（１２５）が積層された構造を有している歪み二重量子井戸構造であり、その発振波長はλ（ｎｍ）である。
【００２２】
本発明においては、半導体レーザの素子内の導波機構の基礎となる活性層構造（１０５）に対する縦方向の閉じ込めは、活性層構造（１０５）の上下に位置するＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓのｎ型第一クラッド層（１０２）、Ａｌ０．２３Ｇａ０．７７Ａｓのｐ型第一クラッド層（１０８）と、活性層構造（１０５）を含む２つのＧａＡｓ光ガイド層（１０４，１０６）との間の屈折率差によって実現するものである。ＧａＡｓの基板（１０１）を採用し、格子整合性の観点から第一クラッド層（１０２）をＡｌｘＧａ１−ｘＡｓで構成する場合には、Ａｌ組成ｘは０．４よりも小さいことが好ましく、０．３より小さいことがより好ましく、０．２よりも小さいことがさらに好ましい。このようにして、半導体レーザ全体を構成する層の中で基板（１０１）とコンタクト層（１０９）を除いて最も厚いクラッド層のＡｌ組成を下げることによって、素子全体の熱抵抗を下げることが可能であり、高出力動作に適した構造とすることができる。また、ＧａＡｓの基板（１０１）を採用する場合には、格子整合性の観点からは、ｎ型第一クラッド層（１０２）にＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐを適応することも可能である。さらに、第一クラッド層（１０２，１０８）は単一の材料から構成される必要はなく、光に対しては単一の層と等価に作用するような、複数の層から構成されてもかまわない。この場合、光はこれら複数の層の平均的な屈折率によって制御されることとなる。
【００２３】
第一クラッド層（１０２，１０８）の厚みｔｎ１（ｎｍ），ｔｐ１（ｎｍ）は、その層の活性層構造（１０５）側から離れる方向に対して光を十分に減衰させる必要があることから、発振波長λ（ｎｍ）に対して以下の式を満たすことが好ましい。
【数１７】
λ　＜　ｔｎ１　　　　　λ　＜　ｔｐ１
特に９８０ｎｍ帯ＬＤなどの様に、基板（１０１）が発振波長に対して透明であり、かつｎ型第一クラッド層（１０２）およびｎ型第二クラッド層（１０３）よりも屈折率が大きい場合には、クラッド層（１０２，１０３）から基板（１０１）側にもれ出した光が基板中を伝播することから、基板モードがＬＤ本来のモードに重畳することが知られている。これを抑制するためには、ｎ型第一クラッド層（１０２）の厚みを波長に対して厚くしておくことが望ましい。
【００２４】
また、活性層構造（１０５）近傍において縦方向の導波構造を実現するためには、第二光ガイド層（１０６）、第一光ガイド層（１０４）とも第一クラッド層（１０２，１０８）よりも屈折率の大きな材料で構成される必要がある。基板（１０１）がＧａＡｓであって、クラッド層（１０２，１０３，１０７，１０８）をＡｌＧａＡｓ系材料で構成する場合には、光ガイド層（１０４，１０６）もＡｌＧａＡｓ系材料で構成することが望ましい。また、そのＡｌ組成は０．４よりも小さいことが好ましく、０．２より小さいことがより好ましく、０．１よりも小さいことがさらに好ましい。また最も望ましいのはＡｌを含まないＧａＡｓを用いる場合である。特に信頼性の観点から、Ａｌを含まない光ガイド層（１０４，１０６）が望まれる。一方基板（１０１）がＧａＡｓである場合には、格子整合性の観点とＡｌを構成元素として含まない観点からＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐを選択することもできる。
【００２５】
本発明で言う活性層構造（１０５）とは、量子効果が顕著になるほどに薄い薄膜からなる量子井戸を含む活性層構造を指し、例えば、光ガイド層に障壁層としての役割を担わせた単層の量子井戸活性層（Ｓｉｎｇｌｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ：　ＳＱＷ）である場合がある。また、多くの場合においては当該量子井戸層の両側には、量子井戸層よりも大きなバンドギャップを有する障壁層が具備されることから、同じＳＱＷ構造でも障壁層、量子井戸層、障壁層と積層された場合もあり得る。さらに、図１に示すように、活性層構造が、基板（１０１）側から障壁層（１２１）、量子井戸層（１２２）、障壁層（１２３）、量子井戸層（１２４）、障壁層（１２５）と積層されたいわゆる二重量子井戸構造（Ｓｔｒａｉｎｅｄ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ：　Ｓ−ＤＱＷ）であっても良い。さらに、量子井戸層を３層以上多重に用いた多重量子井戸構造が用いられる場合もある。また、量子井戸層には意図的に歪みが導入される場合もあり、例えば、しきい値を低下させるために圧縮性の応力を内在させることなどが広く行われている。また、本発明で好ましく応用される９００ｎｍ〜１３５０ｎｍ程度の波長を有する半導体レーザにあっては、ＧａＡｓ基板上にＩｎ、ＧａおよびＡｓを含み基板に格子整合しない歪み量子井戸層を含むことで実現させるのが望ましい。
【００２６】
本発明においては第一クラッド層（１０２，１０８）と光ガイド層（１０４，１０６）、活性層構造（１０５）から計算される以下の２つの値が、所望の範囲となっていることが必須である。具体的には本説明の半導体発光素子においては、ｎ側第一クラッド層（１０２）が、実際に存在するｎ側にだけではなく、ｐ側第一クラッド層（１０８）に変わってｐ側においても存在するものとして計算されるＶｎが、０．３５＜Ｖｎ＜０．７５を満たし、かつ、これとは独立に、ｐ側第一クラッド層（１０８）が、実際に存在するｐ側にだけではなく、ｎ側第一クラッド層（１０２）に変わってｎ側においても存在すると仮定して計算されるＶｐが０．３５＜Ｖｎ＜０．７５を満たすことに特徴がある。ここで、ＶｎとＶｐはそれぞれ以下の式により定義され（ｋは波数で２π／λ）、以下に説明する物理的な意味を持たせるものである。
【数１８】
Ｖｎ＝ｋ／２　×（ｔａ＋ｔｎｇ＋ｔｐｇ）×（ｎｎｇ２−ｎｎ１２）１／２
Ｖｐ＝ｋ／２　×（ｔａ＋ｔｎｇ＋ｔｐｇ）×（ｎｐｇ２−ｎｐ１２）１／２
【００２７】
活性層構造（１０５）と光ガイド層（１０４，１０６）などは、クラッド層（１０２，１０３，１０７，１０８）に対して屈折率が相対的に高いことから導波機能を発現する。ここで、ＶｎとＶｐは、第一クラッド層（１０２，１０８）と光ガイド層（１０４，１０６）の屈折率差も考慮した上で、導波機能を有する層の全ての厚みを、素子の発振波長で一種規格化したものである。すなわち、ＶｎとＶｐは活性層近傍における光の閉じ込めを規定する指標であるとも言える。ここで、前記のＶｎとＶｐの定義において、活性層構造の平均的屈折率が含まれていないのは、本発明の活性層構造（１０５）が基本的に量子井戸構造を有するためにその厚みが発振波長に対して十分に薄く、導波機能を記述する上では光ガイド層（１０４，１０６）と第一クラッド層（１０２，１０８）の屈折率の差が主たる要素となるからである。この観点で活性層構造を構成する障壁層、特に活性層構造の最外層となる障壁層（１２１、１２５）の厚みが極端に厚く設定され、導波機能が無視できない場合には、これを光ガイド層の厚みと考えるものとする。
【００２８】
発光素子の構造が縦方向に非対称である場合には、ＶｎとＶｐはそれぞれ異なる値となるが、共に０．３５よりも大きく、かつ０．７５よりも小さいことが必須である。また縦方向に対称な構造である場合にはＶｎ＝Ｖｐであるが、この場合においてもＶｎとＶｐは共に０．３５よりも大きく、かつ０．７５よりも小さいことが必須である。
また、Ｖｎは０．４＜Ｖｎ＜０．６である場合がさらに望ましく、同様にＶｐは０．４＜Ｖｐ＜０．６である場合がさらに望ましい。これら範囲は、後述する第二クラッド層（１０３，１０７）による反導波的な要素とのバランスの上で、半導体発光素子の特性を悪化させることなく、素子のＦＦＰＶを狭めるため必要な要件である。
【００２９】
通常のＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅｄ　Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ　Ｈｅｔｅｒｏ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造においては、前記第一クラッド層（１０２，１０８）と光ガイド層（１０４，１０６）は直接的に接しているが、本発明においてはこれらの層の間に第二クラッド層（１０３，１０７）を有しているという特徴がある。この層は光ガイド層（１０４，１０６）、さらには第一クラッド層（１０２，１０８）よりも屈折率が低く設定されなければならない。
この結果、図１左に示される通り、第二クラッド層（１０３，１０７）は、屈折率としては最も小さい値を有する層となる。図１左では、ｎの下に記載される矢印の向きは屈折率が大きくなる方向を意味する。また、伝導帯側の電子に対しては（またここには示されていないが荷電子帯のホールに対しても）、第二クラッド層（１０３，１０７）は障壁となる機能を有する。図１左のＥｇの上に記載される矢印の向きは電子に対してポテンシャルが大きくなる方向を意味する。
【００３０】
第二クラッド層（１０３，１０７）は、このため、次に述べる通り、縦方向の光閉じ込めに関して非常に重要な機能を有している。この第二クラッド層（１０３，１０７）は光ガイド層（１０４，１０６）よりも、また、第一クラッド層（１０２，１０８）よりも屈折率が低くなる様に選択されるため、この相対的な屈折率の関係から、第二クラッド層（１０３，１０７）は、その外側、すなわち第一クラッド層（１０２，１０８）側とまた光ガイド層（１０４，１０６）側の両側に光の分布を押しやる機能を発現する。このため、第一クラッド層（１０２，１０８）側に適度に分布が広げられたＮＦＰＶの成分は、比較的狭いＦＦＰＶを実現することに寄与する。すなわち、第二クラッド層（１０３，１０７）の反導波的な特性が適度に作用する場合には、半導体レーザの特性を悪化させることなく比較的狭いＦＦＰを実現することが可能となる。
【００３１】
ここで、本発明において重要な点は、活性層近傍における導波的な機能が０．３５＜Ｖｎ＜０．７５と０．３５＜Ｖｐ＜０．７５を満たす様に選択され、かつ、第二クラッド層（１０３，１０７）によって発現される反導波的な機能が次に示す２つの要件を満たすことである。１つは、ｎ側第二クラッド層（１０３）の第一ガイド層（１０４）に対する相対的な厚みｔｎ２／ｔｎｇが０．３＜Ｒｎ＜０．７であることであり、もうひとつはｐ側第二クラッド層（１０７）の第二ガイド層（１０６）に対する相対的な厚みｔｐ２／ｔｐｇが０．３＜Ｒｐ＜０．７であることである。すなわち、これら後者２つの要件の上限は半導体レーザ内に作り付けられる縦方向の導波構造が、全体として反導波とならないために必須であり、下限は実効的にＦＦＰＶの幅を狭くするために必要な厚みを示すものである。
さらに、これら第二クラッド層（１０３，１０７）の光ガイド層（１０４，１０６）に対する相対的な厚みは０．３５＜Ｒｎ＜０．５５を満たし、また、０．３５＜Ｒｐ＜０．５５を満たす様に選択することがより望ましい。
【００３２】
第二クラッド層（１０３，１０７）が有するもう一つの機能は、高温でＬＤ駆動を駆動している場合、あるいは高出力動作中でＬＤの自己発熱によって活性層の温度が相当に上がってしまう場合などにＩｎ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ歪み量子井戸層（１２２，１２４）から第一クラッド層（１０２，１０８）中へキャリアが熱的な漏れ出し（オーバーフロー）をするのを抑制することである。本構造においては、図１に示される様に活性層構造（１０５）側から光ガイド層（１０４、１０６）を通って第一クラッド層（１０２，１０８）側にもれ出すキャリアから見て、光ガイド層（１０４，１０６）と第一クラッド層（１０２，１０８）の間の障壁の高さよりも第二クラッド層（１０３，１０７）の障壁が高いために、キャリアのオーバーフローを抑制する観点でも望ましい。しかし、極端に大きな障壁は第一クラッド層（１０２，１０８）側から活性層構造（１０５）側へ注入されるキャリアに対して、その注入を阻害してしまうことから第一クラッド層（１０２，１０８）と第二クラッド層（１０３，１０７）のバンドギャップの差は０．０５ｅＶ〜０．４５ｅＶ程度であることが望ましく、０．１ｅＶ〜０．３ｅＶ程度であることがより望ましい。
【００３３】
また、この観点ではｎ側第二クラッド層（１０３）、ｐ側第二クラッド層（１０７）を、屈折率は同程度である異種材料で構成することも望ましい。ここで例示した様にｎ側第二クラッド層（１０３）に用いたＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐと、ｐ側第二クラッド層（１０７）に用いたＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓは、９８０ｎｍにおいてほぼ同程度の屈折率（それぞれ、３．２５９と３．２６８）であるが、活性層構造（１０５）の最外層であるＧａＡｓ障壁層（１２１，１２５）または光ガイド層（１０４，１０６）であるＧａＡｓに対してバンドオフセットが形成される状態は大きく異なっている。Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３ＡｓにおいてはＧａＡｓに対して伝導帯側に障壁の７０〜８０％程度が配分されると考えられているが、Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐにおいては逆に荷電子帯側に６０％程度の障壁が配分されると考えられている。このため、キャリアのオーバーフローを抑制するためには、第二クラッド層（１０３，１０７）として、ｎ側にはＩｎＧａＰ系材料を、ｐ側にはＡｌＧａＡｓ系材料を用いることが望ましい。
【００３４】
さらに第二クラッド層（１０３，１０７）によってキャリアオーバーフローを抑制するためには、第二クラッド層（１０３，１０７）は活性層構造（１０５）から極端に離れて位置することは望ましくなく、この結果として光ガイド層（１０４，１０６）の厚みｔｎｇとｔｐｇは、その絶対値として４０ｎｍ＜ｔｎｇ＜１００ｎｍ、４０ｎｍ＜ｔｐｇ＜１００ｎｍであることが望ましい。
【００３５】
次に、本発明の半導体発光素子の一例である単一横モード動作可能な半導体レーザに関して図２を参照しながら説明する。図２は、本発明の半導体レーザにおけるエピタキシャル構造の一例として埋め込みストライプ型の半導体レーザの構成を示した概略断面図である。
【００３６】
この半導体レーザは第一導電型基板（１）上に形成され、屈折率導波構造を有し、第二導電型第一クラッド層が第二導電型上側第一クラッド（１０）と第二導電型下側第一クラッド（９）の二層に分かれ、この第二導電型上側第一クラッド層（１０）と電流ブロック層（１１）／キャップ層（１２）とで電流閉じ込めと光閉じ込めを共に実現し、さらに電極（１４）との接触抵抗を下げるためのコンタクト層（１３）を有する半導体レーザである。この種のレーザは光通信に用いられる光ファイバー増幅器用の光源や、情報処理用の大規模光磁気メモリーのピックアップ光源、医療用高出力半導体レーザとして用いられ、層構成や使用材料等を適宜選択することによって、さらに様々な用途へ応用することもできる。
【００３７】
基板（１）としては、半導体基板であればＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＮ等、また誘電体基板であればＡｌＯｘ等を使用することができる。基板（１）はいわゆるジャスト基板だけではなく、エピタキシャル成長の際の結晶性を向上させる観点から、いわゆるオフ基板（ｍｉｓｓ　ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）の使用も可能である。オフ基板は、ステップフローモードでの良好な結晶成長を促進する効果を有しており、広く使用されている。オフ基板は０．５度から２度程度の傾斜を持つものが広く用いられるが、後述する量子井戸構造を構成する材料系によっては傾斜を１０度前後にすることもある。
【００３８】
基板（１）は、ＭＢＥあるいはＭＯＣＶＤ等の結晶成長技術を利用して半導体レーザを製造するために、あらかじめ化学エッチングや熱処理等を施しておいてもよい。使用する基板（１）の厚みは通常３５０μｍ程度のものであり、素子作製のプロセス中の機械的強度が確保されるようにするのが普通であり、半導体発光素子の端面を形成するために、プロセス途中で１００μｍ程度に薄くポリッシングされるのが普通である。
【００３９】
バッファ層（２）は、基板バルク結晶の不完全性を緩和し、結晶軸を同一にしたエピタキシャル薄膜の形成を容易にするために設けることが好ましい。バッファ層（２）は、基板（１）と同一の化合物で構成するのが好ましく、基板（１）がＧａＡｓの場合は通常、ＧａＡｓが使用され、基板（１）がＩｎＰである場合にはＩｎＰが使用される。しかし、超格子層をバッファ層（２）に使用することも広く行われており、同一の化合物で形成されずＧａＡｓ基板上では、例えば、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの超格子構造が使用される場合もある。またバッファ層（２）の組成を徐々に層内で変化させることもできる。一方、誘電体基板を用いた場合には必ずしも基板と同一の物質ではなく、その所望の発振波長、デバイス全体の構造から、適宜、基板と異なった材料が選ばれる場合もある。
【００４０】
第一導電型第一クラッド層（３）は各種材料によって構成することが可能であって、実現したい発振波長によって選択される活性層構造（６）、あるいは基板（１）等に合わせて適宜選択される。例えば本発明をＧａＡｓ基板（１）上で実現した場合には、ＡｌＧａＡｓ系材料、ＩｎＧａＰ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ系材料などを使用することが可能であって、また、例えばＩｎＰ基板上で実現した場合にはＩｎＧａＡｓＰ系材料などを使用することができる。
【００４１】
また、特にＡｌＧａＡｓ系材料を用いた場合には、素子全体の熱抵抗を下げ、高出力動作に適した構造とするために、第一導電型第一クラッド層（３）のＡｌ組成は０．４０未満であることが好ましく、０．３以下であることがより好ましく、０．２以下であることがさらに好ましい。また、第一導電型第一クラッド層（３）の厚みｔｎ１（ｎｍ）は、活性層構造（６）から離れる方向に対して光を十分に減衰させる必要があることから、発振波長λ（ｎｍ）よりも大きくすることが好ましい。
【００４２】
また前記の様に、第一導電型第一クラッド層（３）にＡｌＧａＡｓを用い、かつＡｌ組成を低く設定した場合においてはドーパントの活性化率を高くできる効果も期待できる。特に第一導電型がｎ型でありＳｉをドーパントとする場合などにおいて、ＭＢＥ法によって結晶成長をすることを想定すると、Ｎ．　Ｃｈａｎｄ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｒｅｖｉｅｗ　Ｂ　ｖｏｌ．３０　（１９８４）　Ｐ．４４８１にある通り、Ｓｉドナーのイオン化エネルギーはＡｌ組成に大きく依存することが知られており、低Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓにおいてはドーピングレベルを比較的少なめに設定しても十分に抵抗の小さい層を形成することができるために非常に望ましい。よって、第一導電型第一クラッド層（３）のドーピングレベルは１．０ｘ１０１７ｃｍ−３〜１．０ｘ１０１８ｃｍ−３であることが望ましい。また、より望ましくは３．０ｘ１０１７ｃｍ−３〜７．５ｘ１０１７ｃｍ−３であることが望ましい。
さらにドーピングは第一導電型第一クラッド層（３）内で一様に行われる必要はなく、基板（１）側ほど高く、また活性層構造（６）に近い側ほど低く設定されることが望ましい。これは光密度の高い部分において自由電子による吸収を抑制するために有効な方法である。
【００４３】
第一導電型第二クラッド層（４）は各種材料によって構成することが可能であって、実現したい発振波長によって選択される活性層構造（６）、あるいは基板（１）等に合わせて適宜選択される。例えば本発明をＧａＡｓ基板上で実現した場合には、ＡｌＧａＡｓ系材料、ＩｎＧａＰ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ系材料などを使用することが可能であって、また、例えばＩｎＰ基板上で実現した場合にはＩｎＧａＡｓＰ系材料などを使用することができる。
【００４４】
また、第一導電型第二クラッド層（４）をＡｌＧａＡｓ系材料で構成した場合は、そのＡｌ組成は０．５未満であることが好ましい。また、第一導電型第二クラッド層（４）のＡｌ組成は、隣接する第一導電型第一クラッド層（３）のＡｌ組成と第一光ガイド層（５）のＡｌ組成よりも大きくする。このような構成を採用することによって、第一導電型第二クラッド層（４）は最も屈折率が小さな層となり、伝導帯側の電子や荷電子帯のホールに対して障壁となる機能を持つことになる。また、第一導電型第二クラッド層（４）のＡｌ組成と、第一導電型第一クラッド層（３）のＡｌ組成との差は、０．０８より大きくすることが望ましい。これによって、活性層構造（６）から第一導電型第一クラッド層（３）へキャリアがオーバーフローするのを第一導電型第二クラッド層（４）が十分に抑制することができる。ただし、第一導電型第一クラッド層（３）から活性層構造（６）へのキャリア注入を過度に阻害しないように、これら２つの層のＡｌ組成の差は０．４未満にしておくことが好ましい。
【００４５】
第一導電型第二クラッド層（４）の厚みｔｎ２（ｎｍ）は、第一光ガイド層（５）の厚みｔｎｇ（ｎｍ）よりも小さい。このような構成を採用することによって、極端な発振しきい値の増大、スロープ効率の低下、駆動電流の増大を回避することができる。本発明ではｔｎ２／ｔｎｇを０．３より大きくするため、適度な縦方向のＮＦＰ拡大効果を得ることができる。また、第一導電型第二クラッド層（４）の厚みｔｎ２は、１０ｎｍよりも厚く、１００ｎｍよりも薄いことが好ましい。第一導電型第二クラッド層（４）の厚みｔｎ２が１０ｎｍ以下であると光学的な効果が薄れる場合があり、逆に１００ｎｍ以上であると光閉じ込めが極端に弱くなってＬＤが発振しなくなる場合がある。
【００４６】
また第一導電型第二クラッド層（４）をＡｌＧａＡｓ系材料で構成した場合においては、本発明のＬＤ構造の中でＡｌ組成が比較的高くなるために、ドーパントのドーピングレベルは第一導電型第一クラッド層（３）と比較して高く設定することが望ましい。特に第一導電型がｎ型でありＳｉをドーパントとする場合などにおいて、ＭＢＥ法によって結晶成長をすることを想定すると、そのドーピングレベルは３．０ｘ１０１７ｃｍ−３〜１．０ｘ１０１８ｃｍ−３であることが望ましく、４．０ｘ１０１７ｃｍ−３〜７．５ｘ１０１７ｃｍ−３であることがより望ましい。第一導電型第一クラッド層（３）と第一導電型第二クラッド層（４）のバンドギャップの差は０．０５ｅＶ〜０．４５ｅＶ程度であることが望ましく、０．１ｅＶ〜０．３ｅＶ程度であることがより望ましい。
【００４７】
本発明においては、第一導電型第二クラッド層（４）と第二導電型第二クラッド層（８）とを、互いに屈折率が同程度である異種材料で構成することも好ましい。キャリアのオーバーフローを抑制するためには、第一導電型第二クラッド層（４）をＩｎＧａＰ系材料で構成し、第二導電型第二クラッド層（８）をＡｌＧａＡｓ系材料で構成することが望ましい。例えば、前記のＩｎ０．４９Ｇａ０．５１ＰとＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓの組み合わせを例示することができる。
【００４８】
本発明では、上で定義されるＶｎが、０．３５＜Ｖｎ＜０．７５を満たすように選択される。また、第一導電型第二クラッド層（４）の第一ガイド層（５）に対する相対的な厚みｔｎ２／ｔｎｇであるＲｎが０．３＜Ｒｎ＜０．７を満たすように選択され、０．３５＜Ｒｎ＜０．５５を満たすように選択されることが好ましい。上限は半導体レーザ内に作り付けられる縦方向の導波構造が、全体として反導波とならないために必須であり、下限は実効的にＦＦＰＶの幅を狭くするために必要な厚みを示すものである。
【００４９】
図２には示されていないが、第一導電型第一クラッド層（３）と第一導電型第二クラッド層（４）の間には、基板（１）との格子整合性等の観点、あるいは逆に意図的に導入する歪みの観点などから適宜選択されたＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＰ系等の材料からなり、そのバンドギャップが第一導電型第一クラッド層（３）側では、第一導電型第一クラッド層（３）に接近しており、また第一導電型第二クラッド層（４）側では第一導電型第二クラッド層（４）に接近している様な層を挿入することも可能である。この様な遷移層は第一導電型第一クラッド層（３）側から第一導電型第二クラッド層（４）を通じて活性層構造（６）にキャリアを注入する際の電気抵抗を低減できるために非常に好ましい。
【００５０】
第一導電型第二クラッド層（４）上の第一光ガイド層（５）は、各種材料によって構成することが可能であって、実現したい発振波長によって選択される活性層構造（６）、あるいは基板（１）等に合わせて適宜選択される。例えば本発明をＧａＡｓ基板上で実現した場合には、ＡｌＧａＡｓ系材料、ＩｎＧａＰ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ系材料などを使用することが可能であって、また、例えばＩｎＰ基板上で実現した場合にはＩｎＧａＡｓＰ系材料などを使用することができる。
【００５１】
第一光ガイド層（５）をＡｌＧａＡｓ系材料で構成する場合、光閉じ込めを実現するために、第一光ガイド層（５）は第一導電型第一クラッド層（３）よりＡｌ組成の小さな材料で構成する必要がある。具体的には、第一光ガイド層（５）のＡｌ組成は０．４よりも小さいことが好ましく、０．２より小さいことがより好ましく、０．１よりも小さいことがさらに好ましい。また最も望ましいのはＡｌを含まないＧａＡｓを用いる場合である。特に信頼性の観点から、Ａｌを含まない光ガイド層が望まれる。
【００５２】
また第一光ガイド層（５）の厚みｔｎｇ（ｎｍ）は、第一導電型第二クラッド層（４）にその機能を十分に発揮させるために、以下の式を満たすことが好ましい。
【数１９】
０．５×［λ／（４×ｎｎｇ）］　ｎｍ　＜ｔｎｇ＜　１．５×［λ／（４×ｎｎｇ）］　ｎｍ
上式において、ｎｎｇは第一光ガイド層（５）の屈折率である。第一光ガイド層（５）の厚みｔｎｇを上式の上限未満にすることによって、特に第一導電型第二クラッド層（４）のキャリアのオーバーフロー抑制効果を十分に発揮させるとともに、キンクレベルの低下等を有効に回避することができる。また、第一光ガイド層（５）の厚みｔｎｇを上式の下限より大きくすることによって、第一導電型第二クラッド層（４）の反導波的な特性が過度にならないようにすることができる。
【００５３】
特にＡｌＧａＡｓ系材料によって第一光ガイド層（５）を構成した場合においては、ＡｌＧａＡｓからなる厚みｔｎｇの第一光ガイド層（５）はかならずしも単一のＡｌ組成を有する層である必要はなく、第一光ガイド層（５）の中でＡｌ組成を変化させることも可能である。このように第一光ガイド層（５）の中でＡｌ組成の異なる領域が存在する場合の屈折率は平均的な屈折率をもって第一光ガイド層（５）の屈折率と考えることができる。
【００５４】
第一光ガイド層（５）の導電型はｐ型、ｎ型、あるいはアンドープであっても本発明の効果は変わらない。
【００５５】
上記の事情は活性層構造（６）の上に位置する第二光ガイド層（７）においても同様である。
【００５６】
本発明における活性層構造（６）とは、量子効果が顕著になるほどに薄い薄膜からなる量子井戸を含む構造を指し、例えば、単層の量子井戸活性層（Ｓｉｎｇｌｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ：　ＳＱＷ）である場合、あるいは、２つの量子井戸間の分離、結合のために具備される障壁層を具備し、量子井戸層、障壁層、量子井戸層と積層された二重量子井戸構造（Ｄｏｕｂｌｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ：　ＤＱＷ）、さらに３つ以上の量子井戸層とそれぞれの量子井戸を適度に分離する障壁層からなる構造を有する多重量子井戸構造であっても良い。量子井戸層には意図的に歪みが導入される場合もあり、例えば、しきい値を低下させるために圧縮性の応力を内在させることなどが広く行われている。また、本発明で好ましく応用される９００ｎｍ〜１３５０ｎｍ程度の波長を有する半導体レーザにあっては、ＧａＡｓ基板上にＩｎ、ＧａおよびＡｓを含み基板に格子整合しない歪み量子井戸層を含むことで実現されるのが望ましい。
【００５７】
歪み量子井戸層の具体的な材料としては、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等を挙げることができる。歪みを有する量子井戸層は、その歪みの効果によって光学利得の増大等を期待することができる。このため第一クラッド層（３，９，１０）と活性層構造（６）の間が、適度に弱い縦方向の光閉じ込めであっても、十分なＬＤ特性を実現できる。このため、歪み量子井戸層は本発明においては望ましい。
【００５８】
障壁層（２１，２３，２５）の導電型はｐ型、ｎ型、あるいはアンドープであっても本発明の効果は変わらないが、障壁層（２１，２３，２５）はｎ型の導電型を示す部分を有することが望ましい。この様な状況においては、障壁層（２１，２３，２５）から電子が活性層構造（６）内の量子井戸層（２２，２４）に供給されることからＬＤの利得特性を効果的に広帯域化することができて望ましい。このような素子は後述する様にグレーティングファイバー等の外部共振器によって効果的に発振波長を固定化することができる。また、この際にｎ型のドーパントはＳｉであることが望ましい。さらに、Ｓｉの様なｎ型のドーパントが障壁層内に一様にドーピングされているのではなく、歪み量子井戸層（２２，２４）等の他の層との界面近傍にはドーピングが施されず、障壁層（２１，２３，２５）の中心付近に選択的にドーピングされていることが最も望ましい。
【００５９】
第二導電型第二クラッド層（８）は、各種材料によって構成することが可能であって、実現したい発振波長によって選択される活性層構造（６）、あるいは基板（１）等に合わせて適宜選択される。例えば本発明をＧａＡｓ基板上で実現した場合には、ＡｌＧａＡｓ系材料、ＩｎＧａＰ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ系材料などを使用することが可能であって、また、例えばＩｎＰ基板上で実現した場合にはＩｎＧａＡｓＰ系材料などを使用することができる。
【００６０】
第二導電型第二クラッド層（８）をＡｌＧａＡｓ系材料を用いて構成する場合には、そのＡｌ組成は０．５未満であることが好ましい。第二導電型第二クラッド層（８）のＡｌ組成は、隣接する第二導電型下側第一クラッド層（９）のＡｌ組成と第二光ガイド層（７）のＡｌ組成よりも大きくなければならない。このような構成を採用することによって、第二導電型第二クラッド層（８）は最も屈折率が小さな層となり、伝導帯側の電子や荷電子帯のホールに対して障壁となる機能を持つことになる。また、第二導電型第二クラッド層（８）のＡｌ組成と、第二導電型下側第一クラッド層（９）のＡｌ組成との差は、０．０８より大きくすることが好ましい。これによって、活性層構造（６）から第二導電型下側第一クラッド層（９）へキャリアがオーバーフローするのを第二導電型第二クラッド層（８）が十分に抑制することができる。ただし、第二導電型下側第一クラッド層（９）から活性層構造（６）へのキャリア注入を過度に阻害しないように、Ａｌ組成の差は０．４未満にしておくことが好ましい。
【００６１】
第二導電型第二クラッド層（８）の厚みｔｐ２（ｎｍ）は、第二光ガイド層（７）の厚みｔｐｇ（ｎｍ）よりも薄くする。このような構成を採用することによって、極端な発振しきい値の増大、スロープ効率の低下、駆動電流の増大を回避することができる。本発明ではｔｐ２／ｔｐｇを０．３より大きく設定することによって、適度な縦方向のＮＦＰ拡大効果を得ることができる。また、第二導電型第二クラッド層（８）の厚みｔｐ２は、１０ｎｍよりも厚く、１００ｎｍよりも薄いことが好ましい。第二導電型第二クラッド層（８）の厚みｔｐ２が１０ｎｍ以下であると光学的な効果が薄れる場合があり、逆に１００ｎｍ以上であると光閉じ込めが極端に弱くなってＬＤが発振しなくなる場合がある。
【００６２】
第二導電型第二クラッド層（８）は、必ずしも第一導電型第二クラッド層（４）と同じ屈折率、同じ厚み、同じ材料で構成される必要はないが、縦方向のビームの対称性を確保するためには、光学的に等価である屈折率を有し、かつ同じ厚みであることが望ましい。ただし、前記のように、第一導電型第二クラッド層（４）と第二導電型第二クラッド層（８）とを、互いに屈折率が同程度である異種材料で構成することも好ましい。
【００６３】
特に第二導電型がｐ型でありＢｅをドーパントとする場合などにおいて、ＭＢＥ法によって結晶成長をすることを想定すると、そのドーピングレベルは３．０ｘ１０１７ｃｍ−３〜１．０ｘ１０１８ｃｍ−３であることが望ましく、４．０ｘ１０１７ｃｍ−３〜７．５ｘ１０１７ｃｍ−３であることがより望ましい。
【００６４】
本発明では、上で定義されるＶｐが、０．３５＜Ｖｐ＜０．７５を満たすように選択される。また、第二導電型第二クラッド層（８）の第二ガイド層（７）に対する相対的な厚みｔｐ２／ｔｐｇであるＲｐが０．３＜Ｒｐ＜０．７を満たすように選択され、０．３５＜Ｒｐ＜０．５５を満たすように選択されることが好ましい。上限は半導体レーザ内に作り付けられる縦方向の導波構造が、全体として反導波とならないために必須であり、下限は実効的にＦＦＰＶの幅を狭くするために必要な厚みを示すものである。
【００６５】
図２には示されていないが、第二導電型第二クラッド層（８）と第二導電型下側第一クラッド層（９）の間には、基板との格子整合性等の観点、あるいは逆に意図的に導入する歪みの観点などから適宜選択されたＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＰ系等の材料からなり、そのバンドギャップが第二導電型第二クラッド層（８）側では、第二導電型第二クラッド層（８）に接近しており、また第二導電型下側第一クラッド層（９）側では第二導電型下側第一クラッド層（９）に接近している様な層を挿入することも可能である。この様な遷移層は第二導電型第一クラッド層（９，１０）側から第二導電型第二クラッド層（８）を通じて活性層構造（６）にキャリアを注入する際の電気抵抗を低減できるために非常に好ましい。
【００６６】
第二導電型第一クラッド層は、図２の態様では、第二導電型下側第一クラッド層（９）と第二導電型上側第一クラッド層（１０）の二層に別れている。この場合には素子作製を容易にするために、これら二層の間にエッチング停止層を有していてもかまわない。
【００６７】
第二導電型第一クラッド層（９，１０）の材料は、前記の第二導電型第二クラッド層（８）と同様に選択することができる。特に第二導電型第一クラッド層（９，１０）の材料としてＡｌＧａＡｓ系材料を用いた場合には、素子全体の熱抵抗を下げ、高出力動作に適した構造とするために、第二導電型第一クラッド層（９，１０）のＡｌ組成は０．４０未満であることが好ましく、０．３以下であることがより好ましく、０．２以下であることがさらに好ましい。また、第二導電型下側第一クラッド層（９）と第二導電型上側第一クラッド層（１０）の総厚みは、活性層構造（６）から離れる方向に対して光を十分に減衰させる必要があることから、発振波長λよりも大きくすることが好ましい。
【００６８】
第二導電型下側第一クラッド層（９）の厚みは、活性層構造（６）への電流注入経路が、電流の横方向への広がりによって極端に広くならないようにするために、１０ｎｍ〜２００ｎｍ程度であることが望ましい。またより望ましくは２０ｎｍ〜７０ｎｍ程度であることが望ましい。
【００６９】
また、第二導電型下側第一クラッド層（９）また第二導電型上側第一クラッド層（１０）のドーピングレベルは１．０ｘ１０１７ｃｍ−３〜１．０ｘ１０１８ｃｍ−３であることが望ましく、３．０ｘ１０１７ｃｍ−３〜７．５ｘ１０１７ｃｍ−３であることがより望ましい。
さらにドーピングは第二導電型下側第一クラッド層（９）また第二導電型上側第一クラッド層（１０）内で一様に行われる必要はなく、活性層構造（６）から離れるほど高く、また活性層構造（６）に近づくほど低く設定されることが望ましい。これは光密度の高い部分において自由電子による吸収を抑制するために有効な方法である。
【００７０】
第二導電型上側第一クラッド層（１０）はその側面に形成されている電流ブロック層（１１）とともに、電流閉じ込めと横方向の光閉じ込めの２つの機能を実現する。これは本発明を単一横モード動作するＬＤに適応する時に望ましい構成である。このために、横方向に対する電流閉じ込めの観点では、電流ブロック層（１１）の導電型は第一導電型かあるいはアンドープとすることが好ましい。また、横方向の光閉じ込めの観点、特に屈折率導波を基礎とした導波路としての特性を満足するためには、電流ブロック層（１１）は第二導電型第一クラッド層（９，１０）よりも小さな屈折率を有する材料で形成される。また、横方向の光閉じ込めを、いわゆるロスガイド型にすることも可能であって、この場合には、電流ブロック層（１１）を構成する材料の実効的なバンドギャップが発振波長を吸収する様にすることで、横方向の光閉じ込めが実現可能である。
【００７１】
また、本発明では電流ブロック層を構成する材料は、基板（１）、活性層構造（６）、あるいはどのような横方向の導波構造とするかによって適宜選択することが可能である。例えば、第二導電型第一クラッド層（９，１０）とともに、電流ブロック層（１０）もＡｌＧａＡｓ系材料で形成し、それぞれＡｌｘｐＧａ１−ｘｐＡｓ、ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓとした場合には、そのＡｌ組成をｚ＞ｘｐにすることで実屈折率導波構造が実現できる。実屈折率導波型であり、単一横モード動作する半導体レーザを作製する場合においては、電流ブロック層（１１）と第二導電型上側第一クラッド層（１０）との屈折率差によって主に規定される横方向の有効屈折率差は１０−３のオーダであることが望ましい。さらには電流注入路の幅であって、かつ、導波路の幅に相当する、第二導電型上側第一クラッド層（１０）と第二導電型下側第一クラッド層（９）が接する部分の横方向の幅Ｗは、ＬＤを単一横モード動作させる観点では、紙面に垂直な共振器方向に誤差の範囲で一様であって、その幅は６μｍ以下であることが望ましく、より望ましくは３μｍ以下であることが望ましい。しかし、高出力動作と単一横モード動作の両立を目指すためには、必ずしも共振器方向に一様な導波路である必要はなく、半導体レーザの主たる光の出射方向である前端面側においては、その導波路の幅を相対的に広くして高出力動作に適する様にし、一方、後端面側においてはその導波路の幅を狭くして、単一横モード動作可能である様にすることが望ましい。また、この様な場合においては、一方の発光点近傍における電流注入路の幅をＷｅｘｐ、素子中の最も狭い電流注入路の幅Ｗｓｔｄとした場合に以下の式を満たすことが好ましい。
【数２０】
１．５　＜　Ｗｅｘｐ／Ｗｓｔｄ　＜　５．０
さらに、以下の式を満たすことがより好ましい。
【数２１】
２．５　＜　Ｗｅｘｐ／Ｗｓｔｄ　＜　３．５
【００７２】
本発明の半導体発光素子は、前記の（式２）で示した条件を満たすことを特徴とする。これら条件を逸脱した場合においては半導体レーザの各種特性を悪化させることなくＦＦＰＶの半値全幅を狭めることができなくなってしまう。例えば、ＶｎおよびＶｐが０．３５以下であって、かつＲｎおよびＲｐが０．７以上である場合においては、半導体レーザ全体の縦方向の導波機能が弱くなりすぎるため、素子の発振しきい値電流の上昇、スロープ効率の低下等が発生する。また極端な場合においては導波機能そのものが失われてしまい、素子が発振しないこともある。一方、ＶｎおよびＶｐが０．７５以上であって、かつ、ＲｎおよびＲｐが０．３以下である場合には、素子の縦方向の導波機能そのものが過度になり、ＦＦＰＶが非常に広いものとなり、外部の光学系との良好な結合が実現できなくなってしまう。またこの様な状況においては、端面における光密度も過度に高くなるため、高出力動作にも適さないなどの弊害が発生することとなり、望ましくない。
【００７３】
キャップ層（１２）は、第１回目の成長において電流ブロック層（１１）の保護層として用いられると同時に第二導電型上側第一クラッド層（１０）の成長を容易にするために用いられ、素子構造を得る前に、一部または全て除去される。
【００７４】
第二導電型上側第一クラッド層（１０）の上には、電極（１４）との接触抵抗率を下げるため等の目的で、コンタクト層（１３）を設けるのが好ましい。コンタクト層（１３）は、通常、ＧａＡｓ材料にて構成される。この層は、通常電極（１４）との接触抵抗率を低くするためにキャリア濃度を他の層より高くする。また導電型は第二導電型である
【００７５】
半導体レーザを構成する各層の厚みは、それぞれの層の機能を効果的に奏する範囲内で適宜選択される。
【００７６】
また本発明の半導体発光素子においては、第一導電型はｎ型であることが望ましく、第二導電型はｐ型であることが望ましい。これはｎ型の基板の方が良質である場合が多いからである。
【００７７】
図５に示す半導体レーザは、さらに電極（１４）および（１５）を形成することにより作製される。エピタキシャル層側電極（１４）は、例えば第二導電型がｐ型の場合、コンタクト層（１２）表面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを順次に蒸着した後、合金化処理することによって形成される。一方、基板側電極（１５）は基板（１）表面に形成され、第一導電型がｎ型の場合、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを基板（１）表面に順に蒸着した後、合金化処理することによって形成される。
【００７８】
製造した半導体ウエハーには、光の出射面である端面を形成する。端面は共振器を構成する鏡となる。好ましくは、劈開により端面を形成する。劈開は広く用いられる方法であり、劈開によって形成される端面は使用する基板の方位によって異なる。例えば、好適に利用されるｎｏｍｉｎａｌｌｙ（１００）と結晶学的に等価な面をもつ基板を使用して端面発光型レーザ等の素子を形成する際には、（１１０）もしくはこれと結晶学的に等価な面が共振器を形成する面となる。一方、オフ基板を使用するときには、傾斜させた方向と共振器方向の関係によっては端面が共振器方向と９０度にならない場合もある。例えば（１００）基板から、（１−１０）方向に向けて角度を２度傾けた基板（１）を使用した場合には端面も２度傾くことになる。
【００７９】
劈開によって素子の共振器長も決定される。一般に共振器長は長い方が高出力動作に適するが、本発明が適応される半導体レーザにおいては、これは６００μｍ以上あることが望ましい。またさらに望ましくは９００μｍ〜３０００μｍであることが望ましい。このように共振器長の上限があるのは、極端に長い共振器長を有する半導体レーザは、逆に、しきい値電流の上昇、効率の低下等、特性劣化をきたす恐れがあるからである。
【００８０】
本発明では、露出した半導体端面上に、誘電体、または誘電体および半導体の組合せからなるコーティング層（１６，１７）を形成するのが好ましい。コーティング層（１６，１７）は、主に半導体レーザからの光の取り出し効率を上げる目的と、端面の保護という２つの目的のために形成される。また、素子からの光出力を片側の端面から効率良く取り出すためには、発振波長に対して反射率の低い（例えば反射率１０％以下）コーティング層（１６）を主たる光の出射方向である前端面に施し、また、発振波長に対して反射率の高い（例えば８０％以上）のコーティング層（１７）をもう一方の後端面に施す非対称コーティングを行うのが望ましい。これは、単に素子の高出力化を進めるだけでは無く、波長安定化のために使用されるグレーティングファイバーなどの外部共振器から戻ってくる光を積極的にレーザ内部に取り込み、波長の安定化を促進する点でも非常に重要である。また、これらの目的のためには前端面の反射率は５％、より望ましくは２．５％以下であることが好ましい。
【００８１】
コーティング層（１６，１７）には、さまざまな材料を用いることができる。例えば、ＡｌＯｘ、ＴｉＯｘ、ＳｉＯｘ、ＳｉＮ、ＳｉおよびＺｎＳからなる群から選ばれる１種または２種以上の組合せを用いることが好ましい。低反射率のコーティング層としてはＡｌＯｘ、ＴｉＯｘ、ＳｉＯｘ等が、また高反射率のコーティング層としてはＡｌＯｘ／Ｓｉの多層膜、ＴｉＯｘ／ＳｉＯｘの多層膜等が用いられる。それぞれの膜厚を調節することによって、所望の反射率を実現することができる。しかし、一般に低反射率のコーティング層とするＡｌＯｘ、ＴｉＯｘ、ＳｉＯｘ等の膜厚は、その波長λでの屈折率の実数部分をｎとしてλ／４ｎ近傍になるように調整するのが一般的である。また、高反射多層膜の場合も、膜を構成する各材料がλ／４ｎ近傍になるように調整するのが一般的である。
【００８２】
コーティングが終了したレーザバーを再度劈開することによって、各素子を分離し、半導体レーザとすることができる。
【００８３】
このようにして製造した半導体レーザを始めとする本発明の半導体発光素子の光の出射端側に光ファイバーを設置して、半導体発光素子モジュールを形成することができる。光ファイバーの先端は、集光効果を示し、かつ、半導体発光素子の前端面と直接光学的に結合するように加工されていることが好ましい。
【００８４】
半導体レーザを始めとする本発明の半導体発光素子に対して波長の安定化を図るために、外部に波長選択性のある鏡を準備し、外部共振器と本発明の半導体発光素子を結合させることが望ましい。特にファイバーグレーティングを用いて外部共振器を形成させること望ましい。またこの場合には、半導体レーザの他にファイバーグレーティング、温度安定化用のクーラ等を内臓した半導体発光素子モジュールを形成することも可能である。ファイバーグレーティングはその目的に応じて中心波長、反射あるいは透過帯域、ファイバーグレーティングが有する半導体発光素子側への光の反射率等を適宜選択可能である。特に前記ファイバーグレーティングの半導体発光素子側への光の反射率が半導体発光素子の発光波長において２〜１５％、好ましくは５〜１０％であり、かつ、その反射帯域が中心波長に対して０．１〜５．０ｎｍ、好ましくは０．５〜１．５ｎｍであることが望ましい。
【００８５】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、濃度、厚み、操作手順等は、本発明の精神から逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下の実施例に示す具体例に制限されるものではない。
【００８６】
＜実施例１＞
図２にその光の出射方向からの断面図が示されている半導体レーザを以下の手順で作製した。
先ず、キャリア濃度１．０×１０１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＡｓ基板（１）の（１００）面上に、ＭＢＥ法にて、バッファ層（２）として厚み０．５μｍでキャリア濃度１．０×１０１８ｃｍ−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．５２５）；第一導電型第一クラッド層（３）として厚み２．３μｍで、キャリア濃度が基板側から１．３μｍは７．５×１０１７ｃｍ−３であり、その上１μｍは３．０×１０１７ｃｍ−３であるＳｉドープｎ型Ａｌ０．１９Ｇａ０．８１Ａｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．４２２）；第一導電型二クラッド層（４）として厚みが３５ｎｍでキャリア濃度が８．０×１０１７ｃｍ−３のＳｉドープｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．３０７）；第一光ガイド層（５）として、厚みが８０ｎｍで、基板側から４０ｎｍはＳｉのドーピングレベルが２．０×１０１７ｃｍ−３であり、その上４０ｎｍはアンドープであるＧａＡｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．５２５）；活性層構造（６）として、厚み５ｎｍでキャリア濃度が７．５×１０１７ｃｍ−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ障壁層（但し量子井戸層側１ｎｍはアンドープ）、厚み６ｎｍのアンドープＩｎ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ歪み量子井戸層、厚み８ｎｍでキャリア濃度が７．５×１０１７ｃｍ−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ障壁層（但し両量子井戸層側１ｎｍはアンドープ）、厚み６ｎｍのアンドープＩｎ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ歪み量子井戸層、厚み５ｎｍで、キャリア濃度が７．５×１０１７ｃｍ−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ障壁層（但し量子井戸層側１ｎｍはアンドープ）の５層からなる活性層構造；第二光ガイド層（７）として、厚みが８０ｎｍで、基板側から４０ｎｍはアンドープで、その上４０ｎｍはＢｅのドーピングレベルが３．０×１０１７ｃｍ−３であるＧａＡｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．５２５）；第二導電型二クラッド層（８）として厚みが３５ｎｍでキャリア濃度が７．５×１０１７ｃｍ−３のＢｅドープｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．３０７）；第二導電型下側第一クラッド層（９）として厚み２５ｎｍで、キャリア濃度が５．０×１０１７ｃｍ−３のＢｅドープｐ型Ａｌ０．１９Ｇａ０．８１Ａｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．４２２）；電流ブロック層（１１）として厚み０．３μｍでキャリア濃度４．０×１０１７ｃｍ−３のＳｉドープｎ型Ａｌ０．２３Ｇａ０．７８Ａｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．４０１）；キャップ層（１２）として厚み１０ｎｍでキャリア濃度７．５×１０１７ｃｍ−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ層を順次積層した。
【００８７】
最上層の電流注入領域部分を除く部分に窒化シリコンのマスクを設けた。このとき、窒化シリコンマスクの開口部の幅は１．５μｍとした。これをマスクとして２０℃で１０５秒間エッチングを行い、電流注入領域部分のキャップ層（１２）と電流ブロック層（１１）を除去した。エッチング剤は、リン酸（８５重量％）、過酸化水素（３０重量％水溶液）および水を体積比１：１：３０で混合した混合液を使用した。
【００８８】
その後、ＭＯＣＶＤ法にて、第二導電型上側第一クラッド層（１０）として厚み２．３μｍで、キャリア濃度が基板（１）側から１μｍは４．０×１０１７ｃｍ−３であり、その上の１．３μｍは７．５×１０１７ｃｍ−３であるＺｎドープｐ型Ａｌ０．１９Ｇａ０．８１Ａｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．４２２）；コンタクト層（１３）として厚み３．０μｍで、キャリア濃度が基板（１）側から２．７μｍは１．０×１０１８ｃｍ−３であり、その上の０．３μｍは７．０×１０１８ｃｍ−３であるＺｎドープＧａＡｓ層を再成長した。
【００８９】
この素子におけるＶｎは０．５１５２２２であり、Ｖｐは０．５１５２２２であった。また、Ｒｎは０．４３７５であり、Ｒｐも０．４３７５であった。
【００９０】
素子作製においては、さらに、エピタキシャル層側（ｐ側）電極（１４）としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを、それぞれ７０ｎｍ／７０ｎｍ／８０ｎｍだけ蒸着し、また、基板（１）をポリッシングした後には、基板側（ｎ側）電極（１５）としてＡｕＧｅＮｉ／Ａｕをそれぞれ１５０ｎｍ／８０ｎｍだけ蒸着し、その後、４００℃で合金化を５分間行って半導体レーザ用のウエハーを完成させた。
なお、完成した半導体レーザの電流注入領域の幅Ｗは２．２μｍであった。
【００９１】
続いて、大気中で、共振器長１６００μｍのレーザバーの状態に劈開して（１１０）面を露出させ、ＡｌＯｘ膜を発振波長９８０ｎｍにおいて前端面の反射率が２．５％になるように１６５ｎｍ製膜し、コーティング層（１６）を形成した。さらに後端面側の処理を行うために、厚み１７０ｎｍのＡｌＯｘ層／厚み６０ｎｍのアモルファスＳｉ層／厚み１７０ｎｍのＡｌＯｘ層／厚み６０ｎｍのアモルファスＳｉ層の４層からなるコーティング層（１７）を形成し、反射率９２％の後端面を作製した。
【００９２】
作製した素子の２５℃における電流光出力特性においては、しきい値電流は２９．８ｍＡ、スロープ効率は０．９２Ｗ／Ａ、キンクレベルは６２２ｍＷであった。また素子の最大光出力７７３ｍＷであった。
また４５０ｍＷ光出力時におけるＦＦＰＶの半値全幅は２４．１度であり、ＦＦＰＨの半値全幅は８．５度であった。なお、４５０ｍＷ出力時における素子の発振波長は９８４ｎｍであった。
【００９３】
この素子を用いて、その素子の前端面側に先端が楔型をしたファイバーレンズを有するグレーティング付の光ファイバーを実装し、バタフライ型のパッケージを有する半導体レーザモジュールを作製した。このグレーティングファイバーの反射中心は９８２ｎｍであり、その反射率は３％であった。２５℃において、ファイバー端から出射される光に対して、しきい値電流２５．３ｍＡ、スロープ効率０．７６ｍＷ／ｍＡであった。結合効率は約８２．６％と良好であった。
【００９４】
＜実施例２＞
図２にその光の出射方向からの断面図が示されている半導体レーザを以下の手順で作製した。
先ず、キャリア濃度１．０×１０１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＡｓ基板（１）の（１００）面上に、ＭＯＣＶＤ法にて、バッファ層（２）として厚み０．５μｍでキャリア濃度１．０×１０１８ｃｍ−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．５２５）；第一導電型第一クラッド層（３）として厚み２．３μｍで、キャリア濃度が基板側から１．３μｍは７．５×１０１７ｃｍ−３であり、その上１μｍは３．０×１０１７ｃｍ−３であるＳｉドープｎ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．３９０）；第一導電型二クラッド層（４）として厚みが４０ｎｍでキャリア濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３のＳｉドープｎ型Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓ（９８０ｎｍにおける屈折率は３．２７９）；第一光ガイド層（５）として、厚みが８０ｎｍで、基板側から４０ｎｍはＳｉのドーピングレベルが２．０×１０１７ｃｍ−３であり、その上４０ｎｍはアンドープであるＧａＡｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．５２５）；活性層構造（６）として、厚み５ｎｍでキャリア濃度が７．５×１０１７ｃｍ−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ障壁層（但し量子井戸層側１ｎｍはアンドープ）、厚み６ｎｍのアンドープＩｎ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ歪み量子井戸層、厚み８ｎｍでキャリア濃度が７．５×１０１７ｃｍ−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ障壁層（但し両量子井戸層側１ｎｍはアンドープ）、厚み６ｎｍのアンドープＩｎ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ歪み量子井戸層、厚み５ｎｍで、キャリア濃度が７．５×１０１７ｃｍ−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ障壁層（但し量子井戸層側１ｎｍはアンドープ）の５層からなる活性層構造；第二光ガイド層（７）として、厚みが８０ｎｍで、基板側から４０ｎｍはアンドープで、その上４０ｎｍはＢｅのドーピングレベルが３．０×１０１７ｃｍ−３であるＧａＡｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．５２５）；第二導電型二クラッド層（８）として厚みが４０ｎｍでキャリア濃度が７．５×１０１７ｃｍ−３のＺｎドープｐ型Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓ（９８０ｎｍにおける屈折率は３．２７９）；第二導電型下側第一クラッド層（９）として厚み２５ｎｍで、キャリア濃度が５．０×１０１７ｃｍ−３のＺｎドープｐ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．３９０）；電流ブロック層（１１）として厚み０．３μｍでキャリア濃度５．０×１０１７ｃｍ−３のＳｉドープｎ型Ａｌ０．２７５Ｇａ０．７２５Ａｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．３７６）；キャップ層（１２）として厚み１０ｎｍでキャリア濃度７．５×１０１７ｃｍ−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ層を順次積層した。
【００９５】
最上層の電流注入領域部分を除く部分に窒化シリコンのマスクを設けた。このとき、窒化シリコンマスクの開口部の幅は１．５μｍとした。これをマスクとして２０℃で９７秒間エッチングを行い、電流注入領域部分のキャップ層と電流ブロック層を除去した。エッチング剤は、リン酸（８５重量％）、過酸化水素（３０重量％水溶液）および水を体積比１：１：３０で混合した混合液を使用した。
【００９６】
その後、引き続きＭＯＣＶＤ法にて、第二導電型上側第一クラッド層（１０）として厚み２．３μｍで、キャリア濃度が基板（１）側から１μｍは４．０×１０１７ｃｍ−３であり、その上の１．３μｍは７．５×１０１７ｃｍ−３であるＺｎドープｐ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．３９０）；コンタクト層（１３）として厚み３．０μｍで、キャリア濃度が基板（１）側から２．７μｍは１．０×１０１８ｃｍ−３であり、その上の０．３μｍは６．０×１０１８ｃｍ−３であるＺｎドープＧａＡｓ層を再成長した。
【００９７】
この素子におけるＶｎは０．５８８４９２であり、Ｖｐは０．５８８４９２であった。また、Ｒｎは０．５であり、Ｒｐも０．５であった。
【００９８】
さらに、エピタキシャル層側（ｐ側）電極（１４）としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを、それぞれ７０ｎｍ／７０ｎｍ／８０ｎｍだけ蒸着し、また、基板（１）をポリッシングした後には、基板側（ｎ側）電極（１５）としてＡｕＧｅＮｉ／Ａｕをそれぞれ１５０ｎｍ／８０ｎｍだけ蒸着し、その後、４００℃で合金化を５分間行って半導体レーザ用のウエハーを完成させた。
なお、完成した半導体レーザの電流注入領域の幅Ｗは２．３μｍであった。
【００９９】
続いて、大気中で、共振器長１６００μｍのレーザバーの状態に劈開して（１１０）面を露出させ、ＡｌＯｘ膜を発振波長９８０ｎｍにおいて前端面の反射率が２．５％になるように１６５ｎｍ製膜し、コーティング層（１６）を形成した。さらに後端面側の処理を行うために、厚み１７０ｎｍのＡｌＯｘ層／厚み６０ｎｍのアモルファスＳｉ層／厚み１７０ｎｍのＡｌＯｘ層／厚み６０ｎｍのアモルファスＳｉ層の４層からなるコーティング層（１７）を形成し、反射率９２％の後端面を作製した。
【０１００】
作製した素子の２５℃における電流光出力特性においては、しきい値電流は２７．３ｍＡ、スロープ効率は０．９３Ｗ／Ａ、キンクレベルは６０３ｍＷであった。また素子の最大光出力は７２８ｍＷであった。
また４５０ｍＷ光出力時における縦方向ＦＦＰの半値全幅は２３．１度であり、横方向ＦＦＰの半値全幅は８．７度であった。なお、４５０ｍＷ出力時における素子の発振波長は９８３ｎｍであった。
【０１０１】
この素子を用いて、その素子の前端面側に先端が楔型をしたファイバーレンズを有するグレーティング付の光ファイバーを実装し、バタフライ型のパッケージを有する半導体レーザモジュールを作製した。このグレーティングファイバーの反射中心は９８２ｎｍであり、その反射率は３％であった。２５℃において、ファイバー端から出射される光に対して、しきい値電流２１．６ｍＡ、スロープ効率０．７８ｍＷ／ｍＡであった。結合効率は約８３．８％と良好であった。
【０１０２】
＜実施例３＞
実施例２に記載の半導体レーザにおいて、第一導電型二クラッド層（４）を厚みが３０ｎｍであるＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ（９８０ｎｍにおける屈折率は３．２５９）に変更した以外は、実施例１と同様に半導体レーザを作製した。
この素子におけるＶｎは０．５８８４９２であり、Ｖｐは０．５８８４９２であった。また、Ｒｎは０．３７５であり、Ｒｐは０．５であった。
【０１０３】
作製した素子の２５℃における電流光出力特性においては、しきい値電流は２６．５ｍＡ、スロープ効率は０．９４Ｗ／Ａ、キンクレベルは５８２ｍＷであった。また、素子の最大光出力は６９９ｍＷであった
また４５０ｍＷ光出力時における縦方向ＦＦＰの半値全幅は２３．８度であり、横方向ＦＦＰの半値全幅は８．８度であった。４５０ｍＷ出力時における素子の発振波長は９８３ｎｍであった。
【０１０４】
＜実施例４＞
第一導電型第一クラッド層（３）、第二導電型下側第一クラッド層（９）、第二導電型上側第一クラッド層（１０）をＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐに変更し、また、両光ガイド層（５，７）を厚み３４ｎｍのアンドープＧａＡｓに変更し、また、第一導電型二クラッド層（４）、第二導電型二クラッド層（８）を厚み２３ｎｍのＡｌ０．５８Ｇａ０．４２Ａｓ層に変更し、また、電流ブロック層（１１）をＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層に変更し、また、電流ブロック層（１１）のエッチング時間を１００秒に変更した以外は、実施例１と同様に半導体レーザを作製した。
この素子におけるＶｎは０．４２２０８９であり、Ｖｐは０．４２２０８９であった。また、Ｒｎは０．６７６４７であり、Ｒｐも０．６７６４７であった。
【０１０５】
作製した素子の２５℃における電流光出力特性においては、しきい値電流は２８．３ｍＡ、スロープ効率は０．９２Ｗ／Ａ、キンクレベルは５８０ｍＷであった。また、素子の最大光出力は６８５ｍＷであった
また４５０ｍＷ光出力時における縦方向ＦＦＰの半値全幅は２４．１度であり、横方向ＦＦＰの半値全幅は９．０度であった。なお、４５０ｍＷ出力時における素子の発振波長は９８５ｎｍであった。
【０１０６】
この素子を用いて、実施例１と同様のバタフライ型のパッケージを有する半導体レーザモジュールを作製した。２５℃において、ファイバー端から出射される光に対して、しきい値電流２３．９ｍＡ、スロープ効率０．７４　ｍＷ／ｍＡであった。結合効率は約８０．４％であった。
【０１０７】
＜比較例１＞
実施例１記載の半導体レーザにおいて、第一光ガイド層（５）、第二光ガイド層（７）ともその厚みを３２．５ｎｍとし、すべてアンドープとした以外は実施例１記載の半導体レーザと同様に素子を作製した。
この素子におけるＶｎは０．２５７０１５であり、Ｖｐも０．２５７０１５であった。また、Ｒｎは１．０７７０であり、Ｒｐも１．０７７０であった。
作製した素子のしきい値電流は４５．７ｍＡ、スロープ効率は０．６２Ｗ／Ａ、キンクレベルは４０３ｍＷと実施例１に及ばなかった。また素子の最大光出力も４９５ｍＷと実施例１と比較して低かった。４５０ｍＷで測定した縦方向ＦＦＰの半値全幅は１５．１度であり、活性層近傍における光閉じ込めが十分でないことが疑われた。横方向ＦＦＰの半値全幅は８．２度であった。また素子の発振波長は９８５．５ｎｍであった。
【０１０８】
＜比較例２＞
第一光ガイド層（５）、第二光ガイド層（７）ともその厚みを８５ｎｍとし、全てＳｉのドーピングレベルを１．０×１０１７ｃｍ−３とし、また第一導電型第一クラッド層（３）、第二導電型下側第一クラッド層（９）、第二導電型上側第一クラッド層（１０）ともＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ（９８０ｎｍにおける屈折率は３．３０７）とし、また、第一導電型第二クラッド層（４）、第二導電型第二クラッド層（８）ともその厚みが２５ｎｍであるＡｌ０．６５Ｇａ０．３５Ａｓ（９８０ｎｍにおける屈折率は３．１６７）とした以外は、実施例１記載の半導体レーザと同様に素子を作製した。
【０１０９】
この素子におけるＶｎは０．７８２４４９であり、Ｖｐも０．７８２４４９であった。また、Ｒｎは０．２９４１であり、Ｒｐも０．２９４１であった。
作製した素子のしきい値電流は２３．６ｍＡ、スロープ効率は０．９８　Ｗ／Ａと良好であったが、素子は電流を注入していくと光出力が５８０ｍＷに達した時点で破壊し、活性層近傍における光閉じ込めが過度であったことが疑われた。
【０１１０】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体レーザの主要な特性を極端に悪化させることなくＦＦＰＶの半値全幅を実効的に低減させ、光ファイバー、レンズで構成された光学系などと半導体レーザの良好な結合を実現し、かつ、半導体レーザそのものの高出力動作特性も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一態様を光の出射方向から見た断面図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の別の一態様を光の出射方向から見た断面図である。
【図３】本発明の半導体発光素子の一態様を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０１　　ｎ型基板
１０２　　ｎ型第一クラッド層
１０３　　ｎ型第二クラッド層
１０４　　第一光ガイド層
１０５　　活性層構造
１０６　　第二光ガイド層
１０７　　ｐ型第二クラッド層
１０８　　ｐ型第一クラッド層
１０９　　コンタクト層
１１０　　ＳｉＮ層
１１１　　ｐ側電極
１１２　　ｎ側電極
１２１、１２３、１２５　　障壁層
１２２、１２４　　歪み量子井戸層
１　　第一導電型基板
２　　バッファ層
３　　第一導電型第一クラッド層
４　　第一導電型第二クラッド層
５　　第一光ガイド層
６　　活性層構造
７　　第二光ガイド層
８　　第二導電型第二クラッド層
９　　第二導電型下側第一クラッド層
１０　　第二導電型上側第一クラッド層
１１　　電流ブロック層
１２　　キャップ層
１３　　コンタクト層
１４　　エピタキシャル層側電極
１５　　基板側電極
１６、１７　　コーティング層
２１、２３、２５　　障壁層
２２、２４　　歪み量子井戸層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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