(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、
複数のｎ型導電型層ｌ（ここで、ｌ＝１、２…ｋ、但し、ｋは自然数）と、
ｐ型クラッド層を含む複数のｐ型導電型層ｍ（ここで、ｍ＝１、２…ｋ’、但し、ｋ’は自然数）と、
上記ｎ型導電型層ｌと上記ｐ型導電型層ｍとの間に位置する活性層とを備え、
発振波長が７００ｎｍ以上かつ１．０μｍ以下であり、
上記基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記ｎ型導電型層ｌに存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(ｌ)、上記基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記ｐ型導電型層ｍに存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(ｍ)とすると、Γ(ｌ)の総和とΓ(ｍ)の総和との関係が、
0004842668.tif 000009
であり、
上記ｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ(ｍ)と上記ｐ型導電型層ｍのドーピング濃度Ｐ(ｍ)（単位：ｃｍ−３）の積の総和
0004842668.tif 000010
が８．０×１０１７ｃｍ−３ 以下であり、
上記複数のｐ型導電型層のうちドーピング濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３以上であるｐ型導電型層の層厚の合計が上記複数のｐ型導電型層全体の層厚の合計の８０％以上を占めており、
上記ｐ型クラッド層の平均ドーピング濃度が２．０×１０１８ｃｍ−３以上であり、
上記ｎ型導電型層ｌの光閉じ込め係数Γ(ｌ)と上記ｎ型導電型層ｌのドーピング濃度Ｎ(ｌ)（単位：ｃｍ−３）の積の総和
0004842668.tif 000011
が４．０×１０１８ｃｍ−３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】
上記ｎ型導電型層ｌの光閉じ込め係数Γ(ｌ)と上記ｎ型導電型層ｌのドーピング濃度Ｎ(ｌ)（単位：ｃｍ−３）の積の総和と、上記ｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ(ｍ)と上記ｐ型導電型層ｍのドーピング濃度Ｐ(ｍ)の積の総和との関係が、
0004842668.tif 000012
であ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】
上記ｎ型導電型層ｌの光閉じ込め係数Γ(ｌ)と上記ｎ型導電型層ｌのドーピング濃度Ｎ(ｌ)（単位：ｃｍ−３）の積の総和と、上記ｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ(ｍ)と上記ｐ型導電型層ｍのドーピング濃度Ｐ(ｍ)の積の総和との関係が、
0004842668.tif 000013
であ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４】
上記ｎ型導電型層ｌの光閉じ込め係数Γ(ｌ)の総和と、上記ｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ(ｍ)の総和との関係が、
0004842668.tif 000014
であることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
上記ｎ型導電型層のうち最も厚い層の層厚をｄ１、その層を構成する材料の屈折率をｎ１とし、
上記ｐ型導電型層のうち最も厚い層の層厚をｄ２、その層を構成する材料の屈折率をｎ２とすると、
（ｄ１×ｎ１）＞（ｄ２×ｎ２）
であ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６】
上記活性層は、光を発する発光層を１層以上備え、
上記基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する全ての上記発光層に存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(act)とし、上記全ての発光層の層厚の合計をｄ(act)（単位：ｃｍ）としたとき、
Γ(act)／ｄ(act)≦３．０×１０４ｃｍ−１
であ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７】
ｐ型、ｎ型導電型層ｍ、ｌそれぞれの光閉じ込め係数Γ（ｍ）、Γ（ｌ）が１．０×１０−４以上であるとき、このｐ型、ｎ型導電型層ｍ、ｌのドーピング濃度Ｐ(ｍ)、Ｎ（ｌ）が８．０×１０１８ｃｍ−３以下であ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８】
発振波長が９００ｎｍ以下であ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９】
上記活性層に平行な方向に光を閉じ込める光閉じ込め構造を有し、
上記活性層を間にして、上記光閉じ込め構造が存在する側に上記複数のｐ型導電型層が設けられ、上記光閉じ込め構造が存在しない側に上記複数のｎ型導電型層が設けられてい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１０】
電流注入領域と非電流注入領域からなり、上記活性層と平行な方向に電流を狭窄する電流狭窄構造を有し、
上記電流注入領域は上記ｐ型導電型層の少なくとも１つからなり、
上記電流注入領域のｐ型導電型層のドーピング濃度は１．０×１０１８ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項１または９に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１１】
上記ｎ型導電型層は、ｎ型クラッド層と、上記基板と上記ｎ型クラッド層との間に位置するｎ型バッファ層とを含み、
上記基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記ｎ型バッファ層に存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(buf)とし、上記基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記基板内に存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(sub）すると、
Γ(buf)＋Γ(sub)≦５．０×１０−５
であ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１２】
請求項１〜１１のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子を搭載した光無線通信用送信装置。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子を搭載した光ディスク装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力低駆動電力が要求される半導体レーザ素子とその製造方法、およびそのような半導体レーザ素子を備えた光無線通信用送信装置と光ディスク装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＩＴ技術の発達やブロードバンドの普及に従い、音声や映像といった大容量データを扱う機会が増加している。中でも高速有線インフラに接続された固定端末と移動型携帯端末との間で空間を介して大容量データ通信を行う機会は、今後急激に拡大するものと考えられる。このような無線通信に用いられるキャリアには電波と光の二種類があるが、データの秘匿性、指向性などから光を用いる場面は多い。現在、光キャリアの信号源には低価格性や取り扱いの容易さから一般に発光ダイオード（ＬＥＤ）が使用されているが、近年の取り扱いデータ量の増大による高速化への要請から、半導体レーザ素子を用いた光無線通信技術への期待は高い。このような状況を踏まえ、現在、新たな高速光無線通信用半導体レーザの開発とその規格の標準化作業が進められている。
【０００３】
この新たな光無線通信規格で使用される光の波長は、８５０〜９５０ｎｍを中心とする１．０μｍ以下の近赤外波長帯である。これは人体とりわけ目に対する安全性や受光素子の波長依存性によって決まる値であり、無線通信用光源としてこの波長帯で安定に動作する新たな半導体レーザ素子の開発が必要となる。
【０００４】
しかしながらこの１．０μｍ以下の近赤外波長帯は、現存する短波長帯光ディスク装置や長波長帯光ファイバ通信で用いられる波長帯のちょうど中間にあたるため、これら従来の波長帯では問題とされなかったレーザの層構造パラメータがレーザの特性に大きな影響を与える可能性がある。
【０００５】
そのような構造パラメータのうち、特に半導体レーザ素子の効率に大きな影響を与えるパラメータに、不純物がドーピングされた半導体層内での自由電子吸収αfcがある。
【０００６】
これは、自由電子が価電子帯や伝導帯のエネルギーバンド内の同じ谷の中で光を吸収してより高エネルギー側に遷移する現象で、ドーピング濃度をパラメータとして波長と自由電子吸収αfcとの関係を表した図１０の線（ａ）〜（ｃ）のように、光の波長が長くドーピング濃度が高いほど、自由電子吸収αfcの値は大きくなる。その関係は理論的に求められており、
αfc ∝ {Ｎ×(aλ1.5＋bλ2.5＋cλ3.5)}／τ  ∝（Ｎ×λx）／τ      （１）
と表される。この式（１）で、Ｎはドーピング濃度、λは光の波長、ａ〜ｃは指数の異なる波長λの係数、τはキャリア緩和時間を表す。最右辺のλの指数であるｘは音響／光学フォノンやイオン化不純物による各種の散乱の程度によって異なる値をとり、一般にIII−Ｖ族系化合物半導体の場合は３．０から３．５程度の値となる。
【０００７】
このように、自由電子による吸収は波長の３乗程度に比例するため、光ファイバ通信で使用されてきた波長１．３μｍ以上の長波長帯半導体レーザ素子では、以前から非常に問題視されてきた。中でもｐ型導電型層での自由電子吸収が特に問題とされた。というのも、ドーピングされた半導体層内でのキャリア濃度あたりの自由電子吸収の値は当該ドーピングキャリアの緩和時間で決まるためで、同じキャリア濃度でも導電型の違いで差が生じる。実際、非特許文献１（Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  Ｌａｓｅｒ，１９７３）によれば、波長７８０ｎｍでのｐ型導電型層とｎ型導電型層でのキャリア濃度あたりの自由電子吸収の値の比は７：３程度とされている。このようにｐ型ドーパントによる自由電子吸収のほうがｎ型ドーパントによるものより７／３倍程度影響が大きいとされてきたため、特にｐ型導電型層での自由電子吸収が問題とされてきた。
【０００８】
この問題に対する解決策の一つが特許文献１（特許第２６９９８４８号公報）に開示されている。この例では、ＩｎＰ系レーザにおいてキャップ層を除くｐ型導電型層全層のドーピング濃度を３×１０１７ｃｍ−３〜７×１０１７ｃｍ−３程度という比較的低い値に設定することで、ｐ型導電型層での自由電子吸収を抑制し、半導体レーザの効率の改善を図っている。
【０００９】
これに対して、光ディスク装置に用いられる短波長帯半導体レーザ素子では、長波長帯半導体レーザ素子とは異なり自由電子吸収の影響が極めて小さいため、ｐ型導電型層のドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３程度以下であれば、自由電子吸収はあまり問題とされてこなかった。
【００１０】
そして、これら短波長帯と長波長帯の中間にあたる１．０μｍ以下の近赤外波長帯の半導体レーザ素子についても、同じようにｐ型導電型層での自由電子吸収の影響を検討した報告が存在する。例えば非特許文献２（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．６９  Ｎｏ．２０，１９９６）には、ｎ−ＧａＡｓ基板上にｎ−ＩｎＧａＰクラッド層、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ下部光ガイド層、アンドープ量子井戸活性層、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ上部光ガイド層、ｐ−ＩｎＧａＰクラッド層、ｐ−ＧａＡｓキャップ層が基板側から順に積層され、その活性層は波長８０８ｎｍ（ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層）もしくは９８０ｎｍ（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活性層）で発振するよう設定された数種の半導体レーザ素子に関する記載がある。これらの半導体レーザ素子の内部吸収αiの値は４〜５ｃｍ−１程度とあるが、この報告では４〜５ｃｍ−１程度という内部吸収の値を決定する要因の中にｐ型導電型層での自由電子吸収αfcの影響はほとんど無いと結論づけている。
【００１１】
なお、これらの例では、一般的な半導体レーザ素子の層構造に倣い、ｐ型導電型層各層とｎ型導電型層各層の層構造が、ｐ型導電型層内に存在するエッチングストップ層を除き、活性層を挟んで対称な層構造となっている。ここでいう対称な層構造を決定するパラメータは、各層を構成する材料、層厚、ドーピング濃度である。この層構造の対称性のため、これらの半導体レーザ素子におけるｐ型導電型層各層とｎ型導電型層各層の自由電子吸収量の比は両キャリアの緩和時間の違いだけで決まり、先の文献によれば前者の自由電子吸収の値は後者の値より７／３倍程度大きいと考えられる。ゆえに半導体レーザの効率向上のため、ｐ型導電型層のドーピング濃度のみ問題視されてきた。
【００１２】
ところで、この近赤外波長帯半導体レーザ素子の例では、基板、バッファ層、キャップ層以外のｐ型、ｎ型両ドーピング濃度が５×１０１７ｃｍ−３程度と比較的低い値に設定されている。この値は、先述のｐ型導電型層に対して自由電子吸収抑制対策を施した長波長帯半導体レーザ素子のｐ型ドーピング濃度と同程度に低い値である。それ故、この近赤外波長帯での半導体レーザを例にとり当該波長帯での自由電子吸収の影響を考える場合、文献に記載の通り根本的に影響がないのか、それともこのドーピング濃度ではｐ型導電型層での自由電子吸収の影響が顕在化していないのか、確定することができない。
【００１３】
また、これまで注目されなかったｎ型導電型層のキャリア濃度あたりの自由電子吸収の値に関しても、未確定な点が多い。確かに、先の文献では、ｐ型、ｎ型各導電型層のキャリア濃度あたりの自由電子吸収の値は波長７８０ｎｍで７：３とされているが、この数値はキャリア緩和時間から理論的に推測される値であり、実際の半導体レーザ素子の内部吸収への影響の程度については定かではない。また、特に８００ｎｍ以上の近赤外波長帯では資料が存在しないため、ｐ型ドーパントの寄与に対するｎ型ドーパントの寄与の程度は全く不明である。このため、条件によっては、ｎ型ドーパントについても、自由電子吸収の値が問題となる程度に高くなり、効率が低下する可能性も否定できない。
【００１４】
さらに、この近赤外波長帯半導体レーザ素子の例や先述の長波長帯半導体レーザ素子のように、特にｐ型導電型層のドーピング濃度を５×１０１７ｃｍ−３程度という比較的低い値に設定した場合、自由電子吸収が抑制されレーザの効率が改善する一方で、温度特性、素子抵抗という別のレーザ特性が悪化し、特にレーザ素子の消費電力の増大を招いてしまう。例えば光ガイド層やクラッド層のｐ型ドーピング濃度を４×１０１７ｃｍ−３〜６×１０１７ｃｍ−３程度に設定した半導体レーザ素子では、１×１０１８ｃｍ−３程度にドーピングされた素子に比べて該当層の伝導帯エネルギーレベルが低くなるため、井戸層内のキャリアとりわけ電子からみたエネルギー障壁レベルが低くなる。そのためキャリアが井戸層外に漏れ易くなり、半導体レーザ素子の温度特性が悪化する。これは特に高温での消費電力の増大に繋がる。特に近赤外波長帯半導体レーザ素子の場合、長波長帯に比べて井戸層のエネルギーギャップが大きいため、井戸層外の層に同じ材料を用いた場合、井戸層とその外側の層との間のエネルギーギャップ差が長波長帯半導体レーザでの差よりも小さくなり、キャリアの漏れがより起こり易い。このため、長波長帯半導体レーザ素子では問題とならなかったドーピング濃度でも、消費電力が増加することになる。
【００１５】
また、素子抵抗についても、ｐ型ドーピング濃度が４×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１７ｃｍ−３程度と低い半導体レーザ素子では、１×１０１８ｃｍ−３程度にドーピングされた半導体レーザ素子よりも抵抗の値が高くなり、これも消費電力の増大に繋がる。そして、このような半導体レーザ素子を発光源として光無線通信用装置に用いた場合、装置内の他の構成部品に負荷がかかったり、他の部品の選択の幅を狭くしかねない。
【００１６】
ところで、半導体レーザ素子の重要な特性の一つに信頼性がある。信頼性に影響を与えるレーザパラメータは多数あるが、最も影響が大きいのは活性層内の発光層の光密度である。これは半導体レーザ素子の層構造によって決まり、例えばｐ型、ｎ型両クラッド層の材料を材料屈折率が大きくなる方向に変化させると、上記活性層内の発光層である井戸層の光密度が上昇し、信頼性レベルが低下する。また、発光層に光が強く閉じ込められると垂直放射角の値が大きくなるが、この値が４０度以上となると、無線通信用発光源として用いた際に通信に寄与しない光が増加し、駆動電流の増加につながることにもなる。特に先述の例のようにｐ型、ｎ型両導電型層を活性層を挟んで対称的な構造を保ったまま層構造を変化させると、この影響がより顕著となる。
【特許文献１】特許第２６９９８４８号公報
【非特許文献１】Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  Ｌａｓｅｒ，１９７３
【非特許文献２】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．６９  Ｎｏ．２０，１９９６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
以上のことから本発明の課題は、１．０μｍ以下の近赤外波長帯で高効率化と低消費電力化、高信頼性という従来両立できなかった３種の特性を全て満たした半導体レーザ素子を提供することにある。
【００１８】
さらに、発光源としてこのような利点をもつ半導体レーザ素子を搭載することで、従来実現し得なかった新たな規格の高速光無線通信用送信装置を実現し、また高速化競争の続く光ディスク分野でより高速の読み書きを可能にする光ディスク装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の第１の側面に係る半導体レーザ素子は、基板上に、
複数のｎ型導電型層ｌ（ここで、ｌ＝１、２…ｋ、但し、ｋは自然数）と、
ｐ型クラッド層を含む複数のｐ型導電型層ｍ（ここで、ｍ＝１、２…ｋ’、但し、ｋ’は自然数）と、
上記ｎ型導電型層ｌと上記ｐ型導電型層ｍとの間に位置する活性層とを備え、
発振波長が７００ｎｍ以上かつ１．０μｍ以下であり、
上記基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記ｎ型導電型層ｌに存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(ｌ)、上記基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記ｐ型導電型層ｍに存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(ｍ)とすると、Γ(ｌ)の総和とΓ(ｍ)の総和との関係が、
0004842668.tif 000002
であり、
上記ｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ(ｍ)と上記ｐ型導電型層ｍのドーピング濃度Ｐ(ｍ)（単位：ｃｍ−３）の積の総和
0004842668.tif 000003
が８．０×１０１７ｃｍ−３ 以下であり、
上記複数のｐ型導電型層のうちドーピング濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３以上であるｐ型導電型層の層厚の合計が上記複数のｐ型導電型層全体の層厚の合計の８０％以上を占めており、
上記ｐ型クラッド層の平均ドーピング濃度が２．０×１０１８ｃｍ−３以上であり、
上記ｎ型導電型層ｌの光閉じ込め係数Γ(ｌ)と上記ｎ型導電型層ｌのドーピング濃度Ｎ(ｌ)（単位：ｃｍ−３）の積の総和
0004842668.tif 000004
が４．０×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴としている。
【００２０】
なお、Γ(ｌ)の総和、Γ(ｍ)の総和、Γ(ｍ)とＰ(ｍ)の積の総和はそれぞれ、以下、単に、Σ｛Γ（ｌ）｝、Σ｛Γ（ｍ）｝、Σ｛Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）｝とも表す。
【００２１】
本発明者らは、まず波長１．０μｍ以下の近赤外波長帯で自由電子吸収を回避できるｐ型ドーピング構造の「上限値」を決定するため、波長９００ｎｍ程度で発振する半導体レーザ素子でｐ型導電型層ｍのｐ型ドーピング濃度Ｐ（ｍ）や同層の光閉じ込め係数Γ（ｍ）の値の組み合わせを変えた数種類の素子を実際に作製し、効率の値と効率に直接影響を与える内部吸収αiの値を算出した。層構造の対称性については、層厚や層を構成する材料については、過去の例と同じくｐ型エッチングストップ層を除き、ｐ型、ｎ型両導電型層で対称な構造とした。ドーピング濃度については、ｐ型導電型層での自由電子吸収の影響だけを確認できるよう、ｎ型導電型層側は平均１．０×１０１７ｃｍ−３以下という一般の半導体レーザ素子としては低い値に設定した。
【００２２】
その結果、ｐ型ド−ピング各層ｍ（ｍ＝１、２…ｋ’、但し、ｋは自然数）の光閉じ込め係数Γ（ｍ）とそのドーピング濃度Ｐ（ｍ）（ｃｍ−３、以下省略）との積の総和Σ｛Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）｝と、半導体レーザ素子の効率の値を決定する内部吸収αiとの間に図７のような関係があることがわかった。図７によると、ｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ（ｍ）と上記ｐ型層のドーピング濃度Ｐ（ｍ）との積の総和Σ{Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）}の値が８．０×１０１７ｃｍ−３を越えると、内部吸収αiの値が急激に増加することがわかる。半導体レーザ素子の内部吸収αiは自由電子吸収αｆｃとその他の吸収αoからなるが、一般にドーピング濃度に依存しないその他の吸収αoの値は４〜５ｃｍ−１未満と小さく、半導体レーザ素子への影響はあまりない。また、先に述べたように、本実験で作製した半導体レーザ素子ではｎ型ドーピング濃度をごく小さい値に設定したため、図７の自由電子吸収αｆｃの変化はほぼｐ型ドーパントの寄与によるものとみてよい。つまり、図７からは、ｐ型ドーピング濃度に依存しない吸収αoが３ｃｍ−１程度あり、これにｐ型ドーパントに由来する自由電子吸収αｆｃが加わり、半導体レーザ素子の内部吸収αiとなっていることがわかる。以上のことからｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ（ｍ）と上記ｐ型層ドーピング濃度Ｐ（ｍ）との積の総和Σ{Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）}の値を８．０×１０１７ｃｍ−３以下の範囲に設定すれば、内部吸収αiのうちｐ型ドーパントに由来する自由電子吸収αｆｃの急激な増加を抑制できることがわかる。そして自由電子吸収αｆｃさえ抑制すれば高い効率を得ることができるともいえる。
【００２３】
さらに図７では、総和Σ{Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）}の値が６．０×１０１７ｃｍ−３以下では、内部吸収αiの値はほとんど変化していない。ゆえに、この総和の値を６．０×１０１７ｃｍ−３以下となるようｐ型ドーピング層構造を設定すると、内部吸収αiに対する自由電子吸収αfcの影響をほとんど排除できることもわかる。
【００２４】
これらの事実は１．０μｍ以下の近赤外波長帯では自由電子吸収の影響はないとする従来の認識とは異なるものであり、上記波長帯でも構造によってはｐ型ドーパントによる自由電子吸収の影響を受け、半導体レーザ素子の効率が悪化することがわかった。また同時に、ｐ型ドーピング濃度だけではなくｐ型導電型層の光閉じ込め係数も同時に考慮することで、自由電子吸収の増大につながりかねない比較的高いｐ型ドーピング濃度でも良好な効率を維持することができることもわかった。
【００２５】
ところで、実際にｐ型導電型層での光閉じ込め係数とｐ型ドーピング濃度の積の総和Σ{Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）}の値が上述の範囲となるように設定する際、発光層を含む活性層を中心とする対称構造を維持したまま光閉じ込め係数を小さくすると、先述のように発光層の光密度が増大し、信頼性の低下につながる。実際、ｐ型、ｎ型両導電型層の光閉じ込め係数を同一に保ったままその値を減少させると、図１１の曲線Ａのように、両者の光閉じ込め係数の値が小さくなるに従い、発光層の光密度が指数関数的に増大する。
【００２６】
本発明で目的とする近赤外波長帯の発光層に用いられる半導体材料では、発光層の光密度が３．０×１０４ｃｍ−１を超えると半導体レーザ素子の信頼性の低下が顕著となることがわかっている。したがって、この値を半導体レーザ素子で信頼性を確保するための発光層光密度の上限とすると、ｐ型、ｎ型両導電型層が対称構造をとる半導体レーザ素子で信頼性を確保するのに必要なｐ型、ｎ型各導電型層の光閉じ込め係数の値は、図１１からＡ１以上となる。この条件を満たしながらｐ型導電型層の光閉じ込め係数とｐ型ドーピング濃度の総和Σ{Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）}を８．０×１０１７ｃｍ−３以下となるようにｐ型ドーピング濃度を設定した場合、図１０のように、ｐ型ドーピング濃度の平均値が１．０×１０１８ｃｍ−３を下回ることになる。温度特性や素子抵抗の改善には、平均値として１．０×１０１８ｃｍ−３以上の濃度になるようｐ型ドーピング濃度を設定する必要があるため、対称構造のままでは、高効率と低消費電力、高信頼性を全て満たすことができない。なお、ここで言う「ｐ型ドーピング濃度の平均値」とは、半導体レーザ素子に含まれる全ｐ型導電型層のうち、高濃度にドーピングされてはいるが光閉じ込め係数が小さいため自由電子や素子抵抗を考える上で無視してよい最外部の層を除いた層の中で平均をとったものである。
【００２７】
この点を考慮し、本発明では、ｎ型導電型層ｌの光閉じ込め係数Γ(ｌ)の総和Σ{Γ(ｌ)}と上記ｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ(ｍ)の総和Σ{Γ(ｍ)}の関係をΣ{Γ(ｌ)}÷ Σ{Γ(ｍ)}＞１．０となるよう、つまり、ｎ型導電型層ｌの光閉じ込め係数Γ(ｌ)の総和の方がｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ(ｍ)の総和よりも大きくなるよう設定した上で、さらにｐ型導電型層の光閉じ込め係数とｐ型ドーピング濃度の総和Σ{Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）}が８．０×１０１７ｃｍ−３以下となり、かつ、ｐ型ドーピング濃度をｐ型導電型層全体の８０％以上の厚さの層で１×１０１８ｃｍ−３以上となるようにｐ型ドーピング濃度を設定した。
【００２８】
このとき先の図１１中の曲線Ａは下方へ下がり例えば曲線Ａ’となるため、先と同じ発光層光密度の上限値に対してｐ型導電型層の光閉じ込め係数の和Σ{Γ(ｍ)}を対称構造の場合より小さく設定することができる。その結果、発光層光密度の増大による信頼性の低下とｐ型導電型層での自由電子吸収の増大による効率の低下を同時に回避しながら、温度特性や抵抗値を改善して低消費電力化を図るという、従来両立しなかった３種の特性を全て満たした１．０μｍ以下の近赤外高速光無線通信用半導体レーザ素子を実現することができた。
【００２９】
なお、本明細書中でいう「効率」とは、半導体レーザ素子の静特性の一つであり、発振しきい値電流をＩｔｈ（Ａ）、ある光出力Ｐｏｐ（Ｗ）を得る為に必要な駆動電流値をＩｏｐ（Ａ）とすると、Ｐｏｐ／（Ｉｏｐ−Ｉｔｈ）で定義される、半導体レーザ素子の基本的な静特性の一つである。
【００３０】
また、半導体レーザ素子の内部吸収αiの値は小さいほどよいが、一般的に１０ｃｍ−１を越えると効率の値に顕著な影響があり、０．９５Ｗ／Ａ以上という高速光無線通信で必要とされる高効率値を得られなくなる。このため、半導体レーザ素子がこのような光無線通信用送信装置に搭載される場合には、内部吸収の値は１０ｃｍ−１以下、より好ましくは５ｃｍ−１以下であることが望ましい。
【００３１】
さらに、特に記載がない限り、本明細書内で規定するｐ型、ｎ型導電型層とは、半導体レーザ素子がリッジ埋め込み型の場合には、リッジおよびリッジの上下に連なる箇所に存在するｐ型またはｎ型導電型層であって、埋め込み部のみに存在するｐ型またはｎ型導電型層は含まないものとする。
【００３２】
さらに、本発明は、上記ｎ型導電型層ｌの光閉じ込め係数Γ(ｌ)と上記ｎ型導電型層ｌのドーピング濃度Ｎ(ｌ)（単位：ｃｍ−３）の積の総和
0004842668.tif 000005
が４．０×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴としている。
【００３３】
先述のように、従来半導体レーザ素子におけるｎ型ドーパントの自由電子吸収への寄与は、ｐ型ドーパントの寄与よりも小さいとされてきたこともあり、ほとんど問題とされてこなかった。しかし、上述のように本発明の半導体レーザ素子では、ｐ型導電型層内での自由電子吸収の増加と発光層光密度の増大を同時に抑制するため、ｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ（ｍ）の値に比べて、ｎ型導電型層ｌの光閉じ込め係数Γ（ｌ）の値を敢えて大きくなるよう設定している。このため、Σ{Γ（ｌ）×Ｎ（ｌ）}の値で決まるｎ型導電型層での自由電子吸収についても、本発明の半導体レーザ素子では問題となる可能性がある。
【００３４】
そこで、発明者らは、先のｐ型導電型層に対する実験とは逆に、ｐ型ドーパントによる自由電子吸収の影響がないようｐ型導電型層構造を設定した上で、ｎ型導電型層ｌのｎ型ドーピング濃度Ｎ（ｌ）や同層の光閉じ込め係数Γ（ｌ）の値の組み合わせが異なる数種類の素子を作製し、効率の値と、効率に直接影響を与える内部吸収αiの値とを算出した。その結果、Σ{Γ（ｌ）×Ｎ（ｌ）}の値が４．０×１０１８ｃｍ−３を超えたときに半導体レーザ素子の内部吸収αiの値が急激に増加することが新たにわかった。
【００３５】
これを受けて、本発明では、ｎ型導電型層の光閉じ込め係数とそのドーピング濃度の積の和であるΣ{Γ（ｌ）×Ｎ（ｌ）}の値を４．０×１０１８ｃｍ−３以下となるように層構造を規定しているのである。これにより、これまで自由電子吸収への寄与の程度が不明だったｎ型ドーパントによる自由電子吸収の影響を確実に回避する構造を規定することが可能となった。
【００３６】
そして、この範囲内でｎ型導電型層の光閉じ込め係数の総和Σ{Γ（ｌ）}の値を大きく設定できるようになるため、その分、発光層の光密度を増加させない範囲でｐ型導電型層の光閉じ込め係数をより小さく設定することが可能となる。
【００３７】
つまり、ｐ型導電型層での自由電子吸収の抑制による効率の改善と、それとはトレードオフの関係にある温度特性や抵抗値の改善を目的にｐ型ドーピング濃度をより高い値に設定するにあたり、信頼性の低下や放射角の過度の増大を招くことなく、かつｎ型導電型層での自由電子吸収の影響も回避しながらｐ型ドーピング濃度をより高い値に設定することができる。
【００３８】
一実施形態では、上記ｎ型導電型層ｌの光閉じ込め係数Γ(ｌ)と上記ｎ型導電型層ｌのドーピング濃度Ｎ(ｌ)（単位：ｃｍ−３）の積の総和と、上記ｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ(ｍ)と上記ｐ型導電型層ｍのドーピング濃度Ｐ(ｍ)の積の総和との関係が、
0004842668.tif 000006
であることを特徴としている。
【００３９】
従来、ｎ型ドーパントの自由電子吸収への寄与はｐ型ドーパントのそれの３／７倍程度だと考えられてきた。しかし、先に述べた２種の実験により、ｎ型ドーパントの自由電子吸収への寄与は、光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の和の値で、ｐ型導電型層での上限８．０×１０１７ｃｍ−３に対して上限４．０×１０１８ｃｍ−３と１／５程度の値をとることがわかった。つまり、光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の和の値で、最大５倍程度までｐ型導電型層に対してｎ型導電型層構造での値を大きくすることができるため、先の実施形態と同様、ｐ型、ｎ型両導電型層での自由電子吸収の増加や信頼性の低下、放射角の増大を回避しながら、ｐ型ドーピング濃度をより高い値に設定することができる。
【００４０】
一実施形態では、上記ｎ型導電型層ｌの光閉じ込め係数Γ(ｌ)と上記ｎ型導電型層ｌのドーピング濃度Ｎ(ｌ)（単位：ｃｍ−３）の積の総和と、上記ｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ(ｍ)と上記ｐ型導電型層ｍのドーピング濃度Ｐ(ｍ)の積の総和との関係が、
0004842668.tif 000007
であることを特徴としている。
【００４１】
先に説明したように、従来、ｎ型ドーパントの自由電子吸収への寄与はｐ型ドーパントの寄与の３／７倍程度だとされてきたが、先の発明者らの実験により、光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の和の値でたとえ７／３倍を超えても、５倍程度までは大きな影響がないことがわかった。
【００４２】
Σ{Γ(ｌ)}＝{（３／７）×  Σ{Γ(ｍ)}を維持しつつｐ型、ｎ型導電型層の層構造を変更すると、発光層の光密度とｐ型導電型層の光閉じ込め係数との関係は図１１の直線Ｂのようになる。このとき、発光層光密度を抑制する観点から、信頼性を維持するためのｐ型導電型層の光閉じ込め係数の総和の下限値は図中Ｂ１となる。このとき図１０を用いてｐ型導電型層の光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の総和Σ{Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）}の値が８．０×１０１７ｃｍ−３以下を保ち得るｐ型ドーピング濃度の上限値を算出すると、その値Ｂ２は２．２×１０１８ｃｍ−３となる。ｐ型導電型層のうち、最外層の低光閉じ込め係数／高ｐ型ドーピング濃度の層と最も発光層に近くごく薄い高光閉じ込め係数／低ｐ型ドーピング濃度の層とを除く層、いわゆるクラッド層については、特に素子抵抗の低減を考えると、一般的に平均２．０〜３．０×１０１８ｃｍ−３程度以上のｐ型ドーピング濃度に設定することが望ましい。本実施形態では、Σ{Γ(ｌ)}の値をΣ{Γ(ｍ)}の７／３以上となるよう設定したため、ｐ型、ｎ型両導電型層による自由電子吸収の抑制と信頼性の確保に加え、高濃度にドーピングされてはいるが光閉じ込め係数が小さいため自由電子や素子抵抗を考える上で無視してよい最外部の層を除くｐ型導電型層のドーピング濃度の平均値を２．０〜３．０×１０１８ｃｍ−３程度という、素子抵抗の低減とってより有効な範囲の値に引き上げることが可能となり、近赤外波長帯半導体レーザ素子の消費電力を有効に低減できる。
【００４３】
一実施形態では、上記ｎ型導電型層ｌの光閉じ込め係数Γ(ｌ)の総和と、上記ｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ(ｍ)の総和との関係が、
0004842668.tif 000008
であることを特徴としている。
【００４４】
ｎ型導電型層とｐ型導電型層の抵抗を同じドーピング濃度で比較した場合、前者のほうが後者に較べて小さいため、素子抵抗の観点から、半導体レーザ素子のｎ型ドーピング濃度は一般的に４×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３程度という比較的低い値に設定される。先に示した光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の総和の値で、ｎ型導電型層Σ{Γ(ｌ)×Ｎ（ｌ）}の値がｐ型導電型層Σ{Γ(ｍ)×Ｐ（ｍ）}の値の５倍以下という結果を合わせて考えると、ｎ型導電型層の光閉じ込め係数の総和Σ{Γ(ｌ)}の値はｐ型導電型層の総和の値の最大１２．５倍までに設定することが可能となる。このため、ｐ型導電型層での光閉じ込め係数をより小さく、すなわち同層のドーピング濃度をより大きく設定することができる。
【００４５】
一実施形態では、上記ｎ型導電型層のうち最も厚い層の層厚をｄ１、その層を構成する材料の屈折率をｎ１とし、上記ｐ型導電型層のうち最も厚い層の層厚をｄ２、その層を構成する材料の屈折率をｎ２とすると、（ｄ１×ｎ１）＞（ｄ２×ｎ２）であることを特徴としている。
【００４６】
ｐ型、ｎ型導電型層のうち、光閉じ込め係数の非対称性に最も寄与するこれら両層の層厚をこのように規定することにより、実際にｎ型導電型層の光閉じ込め係数の和をｐ型導電型層の光閉じ込め係数の和よりも大きくすることができる。
【００４７】
一実施形態では、上記活性層は、光を発する発光層を１層以上備え、上記基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する全ての上記発光層に存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(act)とし、上記全ての発光層の層厚の合計をｄ(act)（単位：ｃｍ）としたとき、Γ(act)／ｄ(act)≦３．０×１０４ｃｍ−１である。
【００４８】
この実施形態の層構造は、発光層の光密度を３．０×１０４ｃｍ−１以下に抑えることを意図したものである。先に述べたように、近赤外波長帯の発光層に用いられる半導体材料では、発光層の光密度が３．０×１０４ｃｍ−１を超えると半導体レーザ素子の信頼性の低下が顕著となることがわかっているからである。Γ(act)／ｄ(act)≦３．０×１０４ｃｍ−１となるように層構造を設定することにより、半導体レーザ素子の信頼性の低下を良好に防止できる。
【００４９】
一実施形態では、上記ｐ型、ｎ型導電型層ｍ、ｌそれぞれの光閉じ込め係数Γ（ｍ）、Γ（ｌ）が１．０×１０−４以上であるとき、このｐ型、ｎ型導電型層ｍ、ｌのドーピング濃度Ｐ(ｍ)、Ｎ（ｌ）が８．０×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴としている。
【００５０】
半導体内に１０１７〜１０１８ｃｍ−３程度のドーピングを行った場合、一般に、ドーピング濃度が大きくなるに従い半導体層の屈折率が大きくなる。ＡｌＧａＡｓ系の半導体材料では８．０×１０１８ｃｍ−３を越えるとこの傾向が顕著となり、その結果、該当する層の光閉じ込め係数Γの値が設定値よりも大きくなる。この場合、ｐ型、ｎ型各導電型層の光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の総和Σ{Γ（ｌ）×Ｎ（ｌ）}、Σ{Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）}の値を本発明に従い上限値以下に設定したとしても、実際には、屈折率が増加することによって両層での光閉じ込め係数が増大し、この設定上限値を超える可能性がでてくる。この実施形態ではこのような不都合を回避し、上述の作用効果を有する１．０μｍ以下の近赤外波長帯半導体レーザ素子を設計通りに高い歩留りで作製することを可能にする。
【００５１】
本発明においては、上述したように、その発振波長が７００ｎｍ以上である。
【００５２】
短波長帯では自由電子吸収のうちエネルギーバンド内の谷間遷移による吸収の影響が大きくなるとされている。これは波長に反比例する成分を含む現象だが、特に７００ｎｍ未満の波長領域でｐ型導電型層の自由電子吸収αfcの値が１０ｃｍ−１を越えることを、発明者は見出した。本発明では、７００ｎｍ以上になるよう発振波長を設定しているため、波長に反比例する自由電子吸収成分の影響を被ることなく、高効率の半導体レーザ素子を実現することができる。
【００５３】
一実施形態では、上記活性層に平行な方向に光を閉じ込める光閉じ込め構造を有し、上記活性層を間にして、上記光閉じ込め構造が存在する側に上記複数のｐ型導電型層が設けられ、上記光閉じ込め構造が存在しない側に上記複数のｎ型導電型層が設けられていることを特徴としている。換言すれば、上記活性層を間にして上記光閉じ込め構造のある側の層の光閉じ込め係数の総和が、上記光閉じ込め構造のない側の層の光閉じ込め係数の総和よりも小さい。
【００５４】
先に述べたように本発明の半導体レーザ素子では、ｐ型導電型層の光閉じ込め係数の和をｎ型導電型層のそれよりも小さくなるように設定している。そのため、この実施形態のように上記光閉じ込め構造が存在する側をｐ型導電型層とすることで、光閉じ込め構造側に存在する光の量が活性層を挟んで逆側よりも少なくなり、光が感じる活性層と平行な方向の屈折率差が小さくなる。その結果、活性層と平行な方向すなわち横モードを安定化させることができ、横モード不安定に起因する半導体レーザ素子の相対雑音強度の悪化を防ぐことができるため、通信時の符号誤り率の値が仕様範囲を満たす半導体レーザ素子を実現することができる。
【００５５】
なお、上記光閉じ込め構造のうち、光が閉じ込められる領域は上記ｐ型導電型層の少なくとも１つから形成することができる。
【００５６】
一実施形態では、電流注入領域と非電流注入領域からなり、上記活性層と平行な方向に電流を狭窄する電流狭窄構造を有し、上記電流注入領域は上記ｐ型導電型層の少なくとも１つからなり、上記電流注入領域のｐ型導電型層のドーピング濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３以上であることを特徴としている。
【００５７】
発振横モードを安定させるため、一般的に電流狭窄構造の電流注入領域は数μｍ程度という狭い値に設定されており、さらにその構造の層積層方向の層厚はｐ型導電型層の大半を占める。したがって、ｐ型導電型層の中でもこれら電流注入領域を形成するｐ型導電型層の素子抵抗への寄与は特に大きい。このため、この実施形態では、これらの層のドーピング濃度を１．０×１０１８ｃｍ−３以上となるよう設定することにより、より効果的に自由電子吸収による効率の悪化を回避し、かつ低消費電力化も実現した半導体レーザ素子を得ることができた。
【００５８】
本発明の半導体レーザ素子は、上記光閉じ込め構造と上記電流狭窄構造を同時に備えていてもよい。この場合、電流狭窄構造の電流注入領域は、一般的に、光閉じ込め構造の光が閉じ込められる領域に合致するように形成される。
【００５９】
一実施形態では、上記ｎ型導電型層は、ｎ型クラッド層と、上記基板と上記ｎ型クラッド層との間に位置するｎ型バッファ層とを含み、上記基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記ｎ型バッファ層に存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(buf)とし、上記基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記基板内に存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(sub）すると、Γ(buf)＋Γ(sub)≦５．０×１０−５であることを特徴としている。
【００６０】
本発明の半導体レーザ素子の発振波長は１．０μｍ以下の近赤外波長帯であるため、一般にＧａＡｓが用いられる基板やその直上のバッファ層にある値以上の光が存在した場合、ＧａＡｓ結晶のバンド端による吸収を受けるかＧａＡｓが光導波路として作用してしまい、半導体レーザ素子の効率や発振スペクトルに悪影響を及ぼす。この影響は上記ｎ型バッファ層と基板の光閉じ込め係数の和｛Γ(buf)＋Γ(sub)｝が１．０×１０−４以上で特に顕著になる。本実施形態では、５．０×１０−５以下に設定したため、このバッファ層や基板のＧａＡｓに由来する半導体レーザ素子特性の悪化を回避し、高い信頼性を保持した半導体レーザを実現することができる。
【００６１】
本発明の第２の側面に係る高速光無線通信用送信装置は、本発明の上記いずれかの構成を有する半導体レーザ素子を搭載していることを特徴としている。
【００６２】
本発明に使用する半導体レーザ素子は、先に説明したように、１．０μｍ以下の近赤外波長における自由電子吸収の影響を考慮して、高効率かつ低消費電力、高信頼性を実現した半導体レーザ素子である。このような特性の半導体レーザ素子を用いることで、今後の高速光無線通信で必要とされる１．０μｍ以下の波長の光をより低消費電力で実現できるため、本発明の高速光無線通信用送信装置は、レーザドライバの設計の自由度が高く、また信頼性の高いものとなる。
【００６３】
本発明の第３の側面に係る光ディスク装置は、本発明の上記いずれかの構成を有する半導体レーザ素子を搭載していることを特徴としている。
【００６４】
この発明によると、搭載している半導体レーザ素子が高効率かつ高温度特性、低消費電力を実現したものであるので、高出力化競争が続いている１．０μｍ以下の近赤外波長帯の光ディスク装置において、ディスク回転数を従来よりも高速化することができる。本発明の光ディスク装置は、特にＣＤ−Ｒ／ＲＷなどへの書き込み時に問題となっていたディスクへのアクセス時間が従来の半導体レーザ素子を用いた装置よりも格段に短くなるので、より快適な操作を実現できる。
【発明の効果】
【００６５】
本発明の第１の側面によると、波長１．０μｍ以下の近赤外波長帯でｐ型、ｎ型両導電型層での自由電子吸収の影響による静特性の悪化を回避し、かつ、発光層の光密度の上昇を抑制しながらできるだけ高い濃度でｐ型ドーピングを行うことができる範囲で層構造を規定することで、ドーピング濃度に対してトレードオフの関係にある高効率化と低消費電力化を両立し、かつ信頼性も向上させた波長１．０μｍ以下の近赤外無線通信用半導体レーザ素子を提供することができる。
【００６６】
また、本発明の第２の側面によると、高い信頼性を保ち、装置内のレーザドライバ回路の設計の自由度が高い１．０μｍ以下の近赤外波長帯の波長で駆動する高速光無線通信用送信装置を提供することができる。
【００６７】
また、本発明の第３の側面によると、従来よりもデ−タの読み書き速度が高速化した光ディスク装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６８】
〈第１実施形態〉
図１、図２を用いて、本発明の第１の実施形態について説明する。図１、図２はそれぞれ本実施形態の構造、製造方法を示す模式的断面図である。初めに図１を用いて本実施形態の構造を説明する。なおこの後の全実施形態において、ｎ型の導電型層を「ｎ−」と表し、ｐ型の導電型層を「ｐ−」で表す。また層の名称中の「下部」「上部」とは、活性層を挟んでそれぞれ「基板側」、「基板とは逆側」、に位置することを意味する。
【００６９】
層構造は、基板１０１上に、バッファ層１０２、下部クラッド層１０３、下部光ガイド層１０４、量子井戸層と障壁層からなる多重量子井戸活性層１０５、上部光ガイド層１０６、上部第一クラッド層１０７、エッチングストップ層１０８、上部第二クラッド層１０９、第一キャップ層１１０がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層１０９と第一キャップ層１１０とでリッジの最下部がエッチングストップ層直上となるリッジストライプ構造（リッジストライプ部Ｒ）を形成している。さらに、リッジストライプ部Ｒの両側にはその側面を埋め込む形で第一埋め込み層１１１、第二埋め込み層１１２、第三埋め込み層１１３（これらをまとめて埋め込み部Ｆと言う。）が積層され、この埋め込み部Ｆとリッジストライプ部Ｒとで、主にリッジストライプ部Ｒ直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。さらに、リッジストライプ部Ｒと埋め込み部Ｆの上全面に第二キャップ層１１４、第三キャップ層１１５が積層されている。そして、第三キャップ層１１５上および基板１０１の裏面には、電極１１６，１１７がそれぞれ設けられている。
【００７０】
第１実施形態の一具体例では、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２(０．５μｍ厚)、ｎ−Ａl０.４５２Ｇａ０.５４８Ａｓ下部クラッド層１０３(１．８μｍ厚)、ｎ−Ａl０.４Ｇａ０.６Ａｓ下部光ガイド層１０４(９５ｎｍ厚)、２層の０.０８％圧縮歪Iｎ０.０６Ｇａ０.９４Ａｓ量子井戸層(４．５ｎｍ厚)と３層の無歪Ａl０.１５Ｇａ０.８５Ａｓ障壁層(３層のうち基板側から第１、第３番目の障壁層の層厚２１．５ｎｍ、第２番目は８ｎｍ厚)を交互に積層したアンドープ多重量子井戸活性層１０５(発振波長０．８７μｍ)、ｐ−Ａl０.４Ｇａ０.６Ａｓ上部光ガイド層１０６(９０ｎｍ厚)、ｐ−Ａl０.５Ｇａ０.５Ａｓ上部第一クラッド層１０７(０．１５μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓエッチングストップ層１０８(４ｎｍ厚) Ｐ−Ａl０.５３Ｇａ０.４８Ａｓ上部第二クラッド層１０９(１．２８μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第一キャップ層１１０(０．７５μｍ厚)がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層１０９と第一キャップ層１１０とでリッジの最下部がエッチングストップ層直上となるリッジストライプ部Ｒを形成している。
【００７１】
リッジストライプ部Ｒは高さが約２μｍ、幅（つまり、リッジストライプ部Ｒを画定している２つの境界面間の距離）がエッチングストップ層１０８層直上の最も広いところで約３．１μｍである。ここでリッジストライプ部Ｒの高さとは、後に述べるエッチング法を用いて削除される、上部第二クラッド層１０９と第一キャップ層１１０の層厚の和をいう。
【００７２】
さらに、リッジストライプ部Ｒの両側にはその側面を埋め込む形でｎ−Ａl０.７Ｇａ０.３Ａｓ第一埋め込み層１１１(０．６μｍ厚)、ｎ−ＧａＡｓ第二埋め込み層１１２(０．７μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第三埋め込み層１１３(０．７μｍ厚)が積層され、この埋め込み部Ｆとリッジストライプ部Ｒとで、主にリッジストライプ部Ｒ直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。さらに リッジストライプ部Ｒと埋め込み部Ｆの上全面にｐ−ＧａＡｓ第二キャップ層１１４(０．９５μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第三キャップ層１１５(０．３μｍ厚)が積層されている。
【００７３】
また、ｐ−ＧａＡｓ第三キャップ層１１５上には、金属薄膜からなるｐ側電極１１６が、そして、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、やはり金属薄膜からなるｎ側電極１１７が形成されている。
【００７４】
次に、図２Ａ−２Ｃを用いて本実施形態の製造方法を説明する。層の構成材料や層厚は上で示しているので、ここでは省略している。
【００７５】
まず、図２Ａに示すように、ｎ−基板１０１上にｎ−バッファ層１０２、ｎ−下部クラッド層１０３、ｎ−下部光ガイド層１０４、２層の井戸層と３層の障壁層からなる量子井戸活性層１０５、ｐ−上部光ガイド層１０６、ｐ−上部第一クラッド層１０７、ｐ−エッチングストップ層１０８、ｐ−上部第二クラッド層１０９、ｐ−第一キャップ層１１０を有機金属化学気相成長法(ＭＯＣＶＤ法)を用いてこの順に積層する。成長温度については、量子井戸活性層で６９０℃、それ以外の層では７１３℃に設定し、各々、実際の基板温度がそれらの設定温度になった後、成長を開始している。
【００７６】
その後、図２Ｂに示すように、一例としてＳｉＯ２からなる絶縁膜１２１をマスクとしたエッチング法を用いて、高さが約２μｍ、幅が最下部で約３．１μｍとなるようリッジストライプ部Ｒを作製する。エッチングは、硫酸と過酸化水素水の混合水溶液及びフッ酸を用いて、ｐ−ＧａＡｓエッチングストップ層１０８の直上まで行う。
【００７７】
次に、図２Ｃに示すように、再度ＭＯＣＶＤ法を用いて、リッジストライプ部Ｒの両側にその側面を埋め込む形でｎ−第一埋め込み層１１１、ｎ−第二埋め込み層１１２、ｐ−第三埋め込み層１１３を順次積層する。このとき、リッジストライプ部Ｒの上面には絶縁膜１２１があるため、リッジストライプ部Ｒ上には各埋め込み層の成長は起こらず、リッジストライプ部Ｒの両側部のみに埋め込み層１１１〜１１３を積層することができる。その後、絶縁膜１２１を除去し、再びＭＯＣＶＤ法を用いて、ｐ−第二キャップ層１１４、ｐ−第三キャップ層１１５を積層する。
【００７８】
以後、ｐ側、ｎ側の両表面に、それぞれ、一例としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ、ＡｕＧｅ／Ｎｉで構成されるｐ側、ｎ側オーミック電極１１６，１１７（図１参照）を蒸着した後、通常のウエハプロセス（劈開によるウェハのバー分割、端面コーティングによる反射膜形成、チップ分割）を経ることで、ストライプ方向に光を出射する共振器長５００μｍの埋め込みリッジ型半導体レーザ素子を得る。本実施形態ではドーパント用不純物材料として、ｎ型にシリコンＳi、ｐ型に亜鉛Ｚｎを用いている。
【００７９】
本実施形態では、第三キャップ層側である図１の上方から基板側である図１の下方へ向かって電流が流れるが、このとき各層の導電型が上に述べたような構造となっているため、第一、第二、第三埋め込み層１１１，１１２，１１３が非電流注入領域となり、電流は、第三キャップ層１１５から電流注入領域であるリッジストライプ部Ｒを通って、活性層１０５を含むエッチングストップ層１０８より下方の層へと流れる電流狭窄構造を形成している。
【００８０】
また、本実施形態における活性層と平行な方向に光を閉じ込めるための光閉じ込め構造は、リッジストライプ部Ｒを構成する層の一つである上部第二クラッド層１０９と、非電流注入領域を構成する層の一つである第一埋め込み層１１１との屈折率の違いにより形成されている。つまり、光閉じ込め構造は、これらの層１０９、１１１を電流狭窄構造と共有していることになる。
【００８１】
本実施形態の半導体レーザ素子のｎ型導電型層のドーピング濃度Ｎと光閉じ込め係数Γの値はそれぞれ、バッファ層１０２で８．０×１０１７ｃｍ−３、１．０×１０−５未満、下部クラッド層１０３で５．０×１０１７ｃｍ−３、０．２００、下部光ガイド層１０４で５．０×１０１７ｃｍ−３、０．３０８とし、また、ＧａＡｓ基板１０１の光閉じ込め係数はバッファ層同様１．０×１０−５未満として、ＧａＡｓ基板１０１上のバッファ層１０２から下部光ガイド層１０４までのｎ型導電型層ｌ（本実施形態では、ｌ＝１、２、３）の光閉じ込め係数Γ（ｌ）とドーピング濃度Ｎ（ｌ）の積の総和Σ{Γ（ｌ）×Ｎ（ｌ）}の値が２．５４×１０１７ｃｍ−３となるように、また、ｎ型導電型層ｌの光閉じ込め係数Γ（ｌ）の総和Σ{Γ（ｌ）}の値が０．５０９となるよう設定している。
【００８２】
また、本実施形態の半導体レーザ素子のｐ型導電型層のドーピング濃度Ｐと光閉じ込め係数Γの値はそれぞれ、上部光ガイド層１０６で１．３５×１０１８ｃｍ−３、０．１６７、上部第一クラッド層１０７で１．３５×１０１８ｃｍ−３、０．１１８、上部第二クラッド層１０９で２．４×１０１８ｃｍ−３、０．０４９、ＧａＡｓキャップ層については、第一キャップ層１１０で３．０×１０１８ｃｍ−３、１．０×１０−６、第二キャップ層１１４で３．０×１０１８ｃｍ−３、１．０×１０−７未満、第三キャップ層１１５で１．０×１０２０ｃｍ−３、１．０×１０−７未満とし、活性層１０５に隣接する上部光ガイド層１０６からリッジストライプ部Ｒを通って第三キャップ層１１５までのｐ型導電型層ｍ（本実施形態では、ｍ＝１、２…７）の光閉じ込め係数Γ（ｍ）とドーピング濃度Ｐ（ｍ）の積の総和Σ{Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）}の値が５．０２×１０１７ｃｍ−３となるように，またｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ（ｍ）の総和Σ{Γ（ｍ）}の値が、ｎ型導電型層ｌのΣ{Γ（ｌ）}の値よりも小さい０．３３４となるよう設定している。
【００８３】
上述のｎ型導電型層およびｐ型導電型層のドーピング濃度および光閉じ込め係数の設定により、ｐ型、ｎ型各導電型層の光閉じ込め係数の総和の比Σ{Γ（ｌ）}／Σ{Γ（ｍ）}の値は１．５２となり、またｐ型、ｎ型各導電型層の光閉じ込め係数と同層のドーピング濃度の積の総和の比{Σ{Γ（ｌ）×Ｎ（ｌ）}}／{Σ{Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）}}の値は０．５１となる。
【００８４】
さらに、上記２層の量子井戸層（以下、単に「井戸層」とも言う）の光閉じ込め係数Γ(acｔ)をこれら２層の井戸層の合計層厚ｄ（act）（本実施形態では、約９ｎｍ）で割ったいわゆる発光層光密度{Γ(acｔ) }／{ｄ（act）}の値が１．３６×１０−４ｃｍ−１となるよう、層構造を設定している。
【００８５】
ここで、例えばｎ型導電型層ｌの光閉じ込め係数Γ（ｌ）とは、前述したように、基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する層ｌ内に存在する光量の割合のことをいう。
【００８６】
なお、ｐ−エッチングストップ層１０８については、その層厚が他のｐ型導電型層に比して極端に小さく、したがってその光量、より詳しくは光閉じ込め係数は上記総和値に影響を与えることのない無視可能な値であるため、考慮の対象から外している。このあと述べる実施形態でもｐ−エッチングストップ層は同様に取り扱われている。
【００８７】
また、電流狭窄構造のうち非電流注入部となる埋め込み層のドーピング濃度は、ｎ−第一埋め込み層１１１で２．０×１０１８ｃｍ−３、ｎ−第二埋め込み層１１２で３．０×１０１８ｃｍ−３、ｐ−第三埋め込み層１１３で２．０×１０１８ｃｍ−３とした。
【００８８】
本実施形態の半導体レーザ素子の特性は、効率の値で０．９９Ｗ／Ａ、内部吸収αiの値として４．０ｃｍ−１が得られた。また温度特性も１２０Ｋ以上と良好な値が得られ、ｐ型ドーピング濃度減少による抵抗値の上昇もみられなかった。横モードの不安定化によるキンクの発生もなく、直線的な電流−光出力特性が得られた。そして信頼性試験に関しても、端面劣化や長期寿命試験によるレーザ特性の緩慢劣化などは発生しなかった。垂直方向の放射角も３４度という４０度未満の値が得られた。
【００８９】
本実施形態では、波長８７０ｎｍという波長１．０μｍ以下の近赤外波長帯で発振する半導体レーザ素子において、特にｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ（ｍ）とドーピング濃度Ｐ（ｍ）の積の総和Σ{Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）}の値を５．０２×１０１７ｃｍ−３という８．０×１０１７ｃｍ−３以下の値に設定し、ｎ型導電型層の光閉じ込め係数の総和Σ{Γ（ｌ）}の値を０．５０９とｐ型導電型層の光閉じ込め係数の総和Σ{Γ（ｍ）}の値０．３３４よりも大きくした上で、さらに全ｐ型導電型層のうち、層厚でこれらのｐ型導電型層の８０％以上にあたる層でドーピング濃度を１．０×１０１８ｃｍ−３となるように設定している。具体的には、層厚とドーピング濃度をそれぞれ、上部光ガイド層１０６で９０ｎｍ、１．３５×１０１８ｃｍ−３、上部第一クラッド層１０７で０．１５μｍ、１．３５×１０１８ｃｍ−３、エッチングストップ層１０８で４ｎｍ、８．２×１０１７ｃｍ−３、上部第二クラッド層１０９で１．２８μｍ、２．４×１０１８ｃｍ−３、第一キャップ層１１０で０．７５μｍ、３．０×１０１８ｃｍ−３、第二キャップ層１１４で０．９５μｍ、３．０×１０１８ｃｍ−３、第三キャップ層１１５で０．３μｍ、１．０×１０２０ｃｍ−３として、これらのｐ型導電型層のうち層厚で実質的に１００パーセントにあたる層でドーピング濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３となるように設定している。これにより、ｐ型導電型層での自由電子吸収の増加による効率の低下と発光層光密度の増加による信頼性の低下を回避しつつｐ型導電型層のドーピング濃度を高く設定することで消費電力を低下させることができるため、従来不可能だった高効率化と低消費電力化、高信頼性という３種の特性を同時に満たした近赤外帯半導体レーザ素子を実現することができた。
【００９０】
さらに本実施形態では、ｎ型導電型層ｌの光閉じ込め係数Γ(ｌ)と上記ｎ型導電型層ｌのドーピング濃度Ｎ(ｌ)の積の総和Σ{Γ（ｌ）×Ｎ(ｌ)}の値を２．５４×１０１７ｃｍ−３と４．０×１０１８ｃｍ−３以下となるよう設定している。これにより、これまで自由電子吸収への寄与の程度が不明だったｎ型ドーパントによる自由電子吸収の影響を確実に回避しながら、ｎ型導電型層の光閉じ込め係数の総和Σ{Γ（ｌ）}をｐ型導電型層の光閉じ込め係数の総和Σ{Γ（ｍ）}よりも大きくすることができるため、高い信頼性と低消費電力を保持したまま、０．９９Ｗ／Ａという高効率の半導体レーザ素子を得ることができた。
【００９１】
また、本実施形態ではｎ型クラッド層のうち最も厚いｎ−下部クラッド層１０３の層厚１．８μｍとその層を構成する材料の屈折率３．２９３の積の値５．９３×１０−４ｃｍが、ｐ型クラッド層のうち最も厚いｐ−上部第二クラッド層１０９の層厚１．２８μｍとその層を構成する材料の屈折率３．２４５の積の値４．１５×１０−４ｃｍよりも大きくなるよう層構造を設定している。
【００９２】
ｎ型、ｐ型導電型層のうち各導電型層の光閉じ込め係数の和Σ{Γ（ｌ）}、Σ{Γ（ｍ）}の大小に最も寄与するのが上記の２層１０３，１０９であるが、両者の光閉じ込め係数の大小関係を実際に所望の関係にすることができるため、自由電子吸収の増加や信頼性の低下、放射角の増大を回避しながらｐ型ドーピング濃度を１．３５×１０１８ｃｍ−３〜３．０×１０１８ｃｍ−３という、温度特性維持、抵抗低減に有効な程度に高い値に設定することができ、消費電力の低い半導体レーザ素子を得ることができた。
【００９３】
さらに本実施形態では、基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記活性層内の発光層に存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(act)とし、上記発光層の層厚の合計をｄ(act)（単位：ｃｍ）としたとき、後者に対する前者の割合Γ(act)／ｄ(act)を１．３６×１０４ｃｍ−１と３．０×１０４ｃｍ−１以下となるように層構造を決定している。このことにより、自由電子吸収や素子抵抗の増大による特性の悪化を回避しつつ、発光層の劣化による信頼性の低下を回避することができ、該当波長帯で高効率と低消費電力を維持しながら高い信頼性をもつ半導体レーザを得ることができた。
【００９４】
さらに本実施形態では、上部第二クラッド層１０９、第一〜第三キャップ層１１０、１１４、１１５のドーピング濃度を各々２．４×１０１８ｃｍ−３、３．０×１０１８ｃｍ−３、３．０×１０１８ｃｍ−３、１．０×１０２０ｃｍ−３と、全て１．０×１０１８ｃｍ−３以上となるよう設定している。これらの層は電流狭窄構造のうち、数μｍという狭いリッジ幅でその幅が決まる電流注入領域を構成する層であり、またその層厚の合計が３．２８μｍとｐ型導電型層全体の約９０％という８０％以上の値を占めるため、これらの層の素子抵抗への寄与は極めて大きい。このため、これらの層のドーピング濃度を１．０×１０１８ｃｍ−３以上となるよう設定することにより、自由電子吸収による特性の悪化を回避すると同時に素子の低抵抗化をも実現することができた。
【００９５】
本実施形態では、基板１０１、バッファ層１０２の光閉じ込め係数Γ(sub)、Γ(buf)の和を２．０×１０−６程度以下と非常に小さな値となるよう設定している。
【００９６】
一般に０．７〜１．０μｍの近赤外波長帯では基板にはＧａＡｓ基板が用いられ、またバッファ層も主に同材料が用いられる。そのため、基板およびバッファ層では他の層に比べて屈折率が高く、また発振波長に対して透明な層となる。このため光閉じ込め係数で５．０×１０−５を越える光が基板及びバッファ層に存在すると、これらの層が導波層となり活性層を通る本来の導波光と干渉を起こす。この干渉は電流−光出力特性に複数のキンクを引き起こすため、符号誤り率などの通信品質を劣化させることとなる。本実施形態では基板およびバッファ層の光閉じ込め係数Γ(sub)、Γ(buf)の和を２．０×１０−６程度以下と、５．０×１０−５以下になるように設定したため、これらの影響を受けることなく、高効率かつ安定に通信動作し得る半導体レーザ素子を得ることができた。
【００９７】
なお、量子井戸活性層１０５を構成する井戸／障壁層の歪の定義については、ＧａＡｓ基板の格子定数をａ（ＧａＡｓ）、井戸層または障壁層の格子定数をａとして、{ａ−ａ（ＧａＡｓ）}／ａ（ＧａＡｓ）で定義され、その符号が正の場合を圧縮歪、負の場合を引っ張り歪としている。また、歪の大きさは、圧縮／引っ張り歪とも絶対値で表現している。
【００９８】
〈第２実施形態〉
本発明の第２実施形態の半導体レーザ素子について図３を用いてその構造を説明する。
【００９９】
層構造は、基板２０１上に、バッファ層２０２、下部第一クラッド層２０３a、下部第二クラッド層２０３ｂ、下部光ガイド層２０４、量子井戸層と障壁層からなる多重量子井戸活性層２０５、上部光ガイド層２０６、上部第一クラッド層２０７、エッチングストップ層２０８、上部第二クラッド層２０９、第一キャップ層２１０がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層２０９と第一キャップ層２１０とでリッジの最下部がエッチングストップ層直上となるリッジストライプ構造（リッジストライプ部Ｒ）を形成している。リッジストライプ部Ｒの両側にはその側面を埋め込む形で第一埋め込み層２１１、第二埋め込み層２１２、第三埋め込み層２１３（これらをまとめて埋め込め部Ｆ）が積層され、この埋め込み部Ｆとリッジストライプ部Ｒとで、主にリッジストライプ部Ｒ直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。さらに リッジストライプ部Ｒと埋め込み部Ｆの上全面に第二キャップ層２１４、第三キャップ層２１５が積層されている。
【０１００】
第２実施形態の一具体例では、ｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２０２(０．５μｍ厚)、ｎ−Ａl０.４５Ｇａ０.５５Ａｓ下部第一クラッド層２０３a(３．０μｍ厚)、ｎ−Ａl０.４７Ｇａ０.５３Ａｓ下部第二クラッド層２０３ｂ(０．２４μｍ厚)、ｎ−Ａl０.４３Ｇａ０.５７Ａｓ下部光ガイド層２０４(１０３ｎｍ厚)、２層の０.４％圧縮歪Iｎ０.２１Ｇａ０.７９Ａｓ０.６２Ｐ０.３８量子井戸層(７．５ｎｍ厚)と３層の０．８％引っ張り歪Iｎ０.０９Ｇａ０.９１Ａｓ０.４Ｐ０.６障壁層(３層のうち基板側から第１、第３番目の障壁層の層厚１０ｎｍ、第２番目は５ｎｍ厚)を交互に積層したアンドープ多重量子井戸活性層２０５(発振波長０．７５μｍ)、ｐ−Ａl０.４３Ｇａ０.５７Ａｓ上部光ガイド層２０６ (５３ｎｍ厚)、ｐ−Ａl０.４９Ｇａ０.５１Ａｓ上部第一クラッド層２０７(０．１７７μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓエッチングストップ層２０８(３ｎｍ厚)、ｐ−Ａl０.４９Ｇａ０.５１Ａｓ上部第二クラッド層２０９(１．２８μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第一キャップ層 ２１０(０．７５μｍ厚)がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層２０９と第一キャップ層２１０とでリッジの最下部がエッチングストップ層直上となるリッジストライプ部Ｒを形成している。このリッジストライプ部Ｒは高さが約２μｍ、幅がエッチングストップ層２０８層直上の最も広いところで約２．１μｍである。
【０１０１】
リッジストライプ部Ｒの両側にはその側面を埋め込む形でｎ−Ａl０.７Ｇａ０.３Ａｓ第一埋め込み層２１１(０．６μｍ厚)、ｎ−ＧａＡｓ第二埋め込み層２１２(０．７μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第三埋め込み層２１３(０．７μｍ厚)が積層され、埋め込み部Ｆとリッジストライプ部Ｒとで、主にリッジストライプ部Ｒ直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。さらに リッジストライプ部Ｒと埋め込み部Ｆの上全面にｐ−ＧａＡｓ第二キャップ層２１４(０．９５μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第三キャップ層２１５(０．３μｍ厚)が積層されている。
【０１０２】
また、ｐ−ＧａＡｓ第三キャップ層２１５上には、金属薄膜からなるｐ側電極２１６が、そして、ｎ−ＧａＡｓ基板２０１の裏面には、やはり金属薄膜からなるｎ側電極１１７が形成されている。
【０１０３】
本実施形態の半導体レーザ素子を有機金属化学気相成長法を用いて作製する際の成長温度や中断といった成長プロファイルは、先の第１実施形態に準ずる。また端面出射型半導体レーザ素子とするまでのプロセスについても、第１実施形態と同じである。
【０１０４】
本実施形態の半導体レーザ素子のｎ型導電型層のドーピング濃度Ｎと光閉じ込め係数Γの値はそれぞれ、バッファ層２０２で７．０×１０１７ｃｍ−３、１．０×１０−５未満、下部第一クラッド層２０３aで３．０×１０１８ｃｍ−３、０．３３７、下部第二クラッド層２０３ｂで３．０×１０１８ｃｍ−３、０．２４０、下部光ガイド層２０４で１．０×１０１８ｃｍ−３、０．１７６とし、また、ＧａＡｓ基板２０１の光閉じ込め係数をバッファ層２０２同様１．０×１０−５未満として、ＧａＡｓ基板２０１上のバッファ層２０２から下部光ガイド層２０４までのｎ型導電型層ｌ（本実施形態では、ｌ＝１、２…４）の光閉じ込め係数Γ（ｌ）とドーピング濃度Ｎ（ｌ）の積の総和Σ{Γ（ｌ）×Ｎ（ｌ）}の値が１．８３×１０１８ｃｍ−８となるよう、また、ｎ型導電型層ｌの光閉じ込め係数Γ（ｌ）の総和Σ{Γ（ｌ）}の値が０．７２８となるよう設定している。
【０１０５】
また本実施形態の半導体レーザ素子のｐ型導電型層のドーピング濃度Ｐと光閉じ込め係数Γの値はそれぞれ、上部光ガイド層２０６で１．０×１０１８ｃｍ−３、０．０８６、上部第一クラッド層２０７で１．３５×１０１８ｃｍ−３、０．１３３、上部第二クラッド層２０９で４．０×１０１８ｃｍ−３、０．０６２、ＧａＡｓキャップ層については、第一キャップ層２１０で４．０×１０１８ｃｍ−３、５．０×１０−６、第二キャップ層２１４で３．０×１０１８ｃｍ−３、１．０×１０−７未満、第三キャップ層２１５で１．０×１０２０ｃｍ−３、１．０×１０−７未満とし、活性層２０５に隣接する上部光ガイド層２０６からリッジストライプ部Ｒを通って第３キャップ層２１５までのｐ型導電型層ｍ（本実施形態では、ｍ＝１、２…７）の光閉じ込め係数Γ（ｍ）とドーピング濃度Ｐ（ｍ）の積の総和Σ{Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）}の値が略５．１６×１０１７ｃｍ−３となるよう、さらに光閉じ込め係数Γ（ｍ）の総和Σ{Γ（ｍ）}の値が、０．２８２となるよう設定している。
【０１０６】
上述のｎ型導電型層およびｐ型導電型層のドーピング濃度および光閉じ込め係数の設定により、ｐ型、ｎ型各導電型層の光閉じ込め係数の総和の比Σ{Γ（ｌ）}／Σ{Γ（ｍ）}の値は２．５８となり、またｐ型、ｎ型各導電型層の光閉じ込め係数とこの層のドーピング濃度の積の総和の比{Σ{Γ（ｌ）×Ｎ（ｌ）}}／{Σ{Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）}}の値は３．５６となる。
【０１０７】
さらに、上記２層の井戸層の光閉じ込め係数Γ(acｔ)をこれらの井戸層の合計層厚ｄ（act）（本実施形態では、約１５ｎｍ）で割ったいわゆる発光層光密度{Γ(acｔ) }／{ｄ（act）}の値が２．４５×１０４ｃｍ−１となるよう、層構造を設定している。
【０１０８】
また、電流狭窄構造のうち非電流注入部となる埋め込み層のドーピング濃度は、ｎ−第一埋め込み層２１１で３．０×１０１８ｃｍ−３、ｎ−第二埋め込み層２１２で３．０×１０１８ｃｍ−３、ｐ−第三埋め込み層２１３で５．０×１０１８ｃｍ−３とした。
【０１０９】
本実施形態の半導体レーザ素子の特性は、効率の値で０．９７Ｗ／Ａ、内部吸収αiの値として５ｃｍ−１という小さな値が得られた。また温度特性も１２０Ｋ以上と良好な値が得られ、Ｐ型ドーピング濃度減少による抵抗値の上昇もみられなかった。横モードの不安定化によるキンクの発生もなく、直線的な電流−光出力特性が得られた。そして信頼性においても端面劣化や長期寿命試験によるレーザ特性の緩慢劣化などは発生しなかった。垂直方向の放射角については１７度という第１実施形態よりもさらに小さな値を得ることができた。
【０１１０】
このように、本第２実施形態においても、第１実施形態と同じように、信頼性を維持した上で、ｐ型、ｎ型両導電型層での自由電子吸収の影響を受けることなく、高効率と高温度特性／低消費電力を両立した波長１．０μｍ以下の近赤外の波長帯で発振する半導体レーザ素子を得ることができた。
【０１１１】
さらに本実施形態では、ｎ型導電型層ｌの光閉じ込め係数Γ(ｌ)と上記ｎ型導電型層ｌのドーピング濃度Ｎ(ｌ)の積の総和Σ{Γ(ｌ)×Ｎ（ｌ）}の値を１．８３×１０１８ｃｍ−３、ｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ(ｍ)と上記ｐ型導電型層ｍのドーピング濃度Ｐ(ｍ)の積の総和Σ{Γ(ｍ)×Ｐ（ｍ）}の値を５．１６×１０１７ｃｍ−３として、前者の値が後者の値の３．５６倍と、７／３以上になるように層構造を設定している。
【０１１２】
前述の「課題を解決するための手段」の欄で説明したように、従来、ｎ型ドーパントの自由電子吸収への寄与はｐ型ドーパントの寄与の３／７倍程度はあるとされてきたが、先の発明者らの実験により、光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の和の値で、ｎ型導電型層がｐ型導電型層のたとえ７／３倍を超えても、５倍程度までは大きな影響がないことがわかった。
【０１１３】
本実施形態では、上記実験結果を踏まえて、第１実施形態の構成に加えて、Σ{Γ(ｌ)}の値がΣ{Γ(ｍ)}の７／３以上となるように、自由電子や素子抵抗を考える上で無視してよい最外部の層を除くｐ型導電型層の光閉じ込め係数を小さく設定することにより、それらのｐ型導電型層のドーピング濃度を、２．０〜４．０×１０１８ｃｍ−３程度という、特に素子抵抗の低減にとって有効な高い値に設定することができた。したがって、本実施形態では、ｐ型、ｎ型両導電型層による自由電子吸収の抑制と信頼性の確保に加え、第１実施形態よりも、半導体レーザ素子の消費電力を下げることができた。
【０１１４】
さらに、本実施形態では、ｎ型導電型層ｌの光閉じ込め係数Γ(ｌ)の総和Σ{Γ(ｌ)}の値を０．７２８、ｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ(ｍ)の総和Σ{Γ(ｍ)}の値を０．２８２として前者の値が後者の値の２．５８倍と、最大１２．５倍まで大きくなるように設定している。このため、ｐ型、ｎ型両導電型層での自由電子吸収の影響を受けることなくｐ型導電型層での光閉じ込め係数を第１実施形態より小さくすることができ、同層のドーピング濃度をより大きく設定することができたため、同じく半導体レーザ素子の消費電力を下げることができた。
【０１１５】
また本実施形態では、特に発振波長が７５０ｎｍという第１実施形態よりも短い波長で発振する半導体レーザ素子に本発明を適用している。前述したように、短波長帯では自由電子吸収のうちエネルギーバンド内の谷の間での遷移による吸収の影響が大きくなると言われる。これは波長に反比例する成分を持つが、特に７００ｎｍ以下の波長では、自由電子吸収αfcの値で１０ｃｍ−１を越えることを本発明者は見出した。これを踏まえて、本実施形態ではレーザ発振波長を７５０ｎｍとしたため、上述の波長に反比例する自由電子吸収成分による吸収の影響を被ることなく、０．９７Ｗ／Ａという高い効率の半導体レーザ素子を得ることができた。
【０１１６】
ところで本実施形態の半導体レーザ素子では、発振波長（７５０ｎｍ）を基板などに使われるＧａＡｓ材料のバンド端で吸収され得る波長帯に設定している。しかし、本実施形態では、基板２０１、バッファ層２０２の光閉じ込め係数の和を２．０×１０−６程度というごく小さい値に設定したため、基板およびバッファ層でのバンド端吸収の影響を受けることなく、高効率の半導体レーザ素子を得ることができた。
【０１１７】
〈第３実施形態〉
本発明の第３実施形態の半導体レーザ素子について図４を用いてその構造を説明する。
【０１１８】
この半導体レーザ素子の層構造は、基板３０１上に、バッファ層３０２、下部第一クラッド層３０３a、下部第二クラッド層３０３b、下部光ガイド層３０４、量子井戸層と障壁層からなる多重量子井戸活性層３０５、上部第一光ガイド層３０６a、上部第二光ガイド層３０６b（図面では、図を簡単にするため、これらの光ガイド層３０６ａ，３０６ｂは１層にまとめて表されている。）、上部第一クラッド層３０７、エッチングストップ層３０８、上部第二クラッド層３０９、第一キャップ層３１０、第二キャップ層３１１がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層３０９と第一、第二キャップ層３１０、３１１とでリッジの最下部がエッチングストップ層３０８直上であるリッジストライプ構造（リッジストライプ部Ｒ）を形成している。リッジストライプ部Ｒの側面及びその両側には絶縁膜３２２が積層され、この絶縁膜３２２とリッジストライプ部Ｒとで、リッジストライプ部直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。
【０１１９】
第３実施形態の一具体例では、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層３０２(０．５μｍ厚)、ｎ−Ａl０.５６Ｇａ０.４４Ａｓ下部第一クラッド層３０３a(２．５μｍ厚)、ｎ−Ａl０.３Ｇａ０.７Ａｓ下部第二クラッド層３０３b(０．０５μｍ厚)、ｎ−Ａl０.４１Ｇａ０.５９Ａｓ下部光ガイド層３０４(１００ｎｍ厚)、２層の０.１４％圧縮歪 Iｎ０.１２Ｇａ０.８８Ａｓ量子井戸層(４．８ｎｍ厚)と３層の無歪Ａl０.１５Ｇａ０.８５Ａｓ障壁層(３層のうち基板側から第１、第３番目の障壁層の層厚２２ｎｍ、第２番目は８ｎｍ厚)を交互に積層したアンドープ多重量子井戸活性層３０５(発振波長０．８９５μｍ)、ｐ−Ａl０.４Ｇａ０.６Ａｓ上部第一光ガイド層３０６a(５０ｎｍ厚)、ｐ−Ａl０.４Ｇａ０.６Ａｓ上部第二光ガイド層３０６b(５０ｎｍ厚)、ｐ−Ａl０.４７Ｇａ０.５３Ａｓ上部第一クラッド層３０７(０．４μｍ厚)、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストップ層３０８(１５ｎｍ厚)、ｐ−Ａl０.５Ｇａ０.５Ａｓ上部第二クラッド層３０９(１．２８μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第一キャップ層３１０(１．７μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第二キャップ層３１１(０．３μｍ厚)がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層３０９と第一、第二キャップ層３１０、３１１とでリッジの最下部がエッチングストップ層３０８直上であるリッジストライプ構造（リッジストライプ部Ｒ）を形成している。
【０１２０】
このリッジストライプ部Ｒは、高さが約３μｍ、幅がエッチングストップ層３０８直上の最も広いところで約２．７μｍである。リッジストライプ部Ｒの側面及びその両側には絶縁膜３２２としてＳiＯ２膜が積層され、リッジストライプ部直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。
【０１２１】
また、絶縁膜３２２と第二キャップ層３１１上には金属薄膜からなるｐ側電極３１６が、そして基板３０１の裏面には、やはり金属薄膜からなるｎ側電極３１７が形成されている。
【０１２２】
先の第１、第２実施形態の半導体レーザ素子がリッジ埋め込み型半導体レーザ素子であったのに対して、本実施形態の半導体レーザ素子は、リッジ導波型半導体レーザ素子である。
【０１２３】
本実施形態の半導体レーザ素子の製造工程では、リッジストライプ部Ｒを形成した後、絶縁膜３２２をウェハ全面に形成し、その後、第２キャップ層３２２上の絶縁膜部分をフォトリソグラフィー技術を用いて除去して電流通路を形成している。この点を除いては、本実施形態の半導体レーザ素子の製造工程は先の２つの実施形態における製造工程と略同様であり、有機金属化学気相成長法を用いて結晶を成長する際の成長温度や中断といった成長プロファイルは、先の第１、第２実施形態に準ずる。また、電極形成後の端面出射型半導体レーザ素子とするまでのプロセスについても、先の実施形態と同じである。
【０１２４】
本実施形態の半導体レーザ素子の、ｎ型導電型層のドーピング濃度Ｎと光閉じ込め係数Γの値はそれぞれ、バッファ層２０２で７．０×１０１７ｃｍ−３、１．０×１０−５未満、下部第一クラッド層３０３aで２．４×１０１８ｃｍ−３、０．２５１、下部第二クラッド層２０３ｂで５．０×１０１７ｃｍ−３、０．０７２、下部光ガイド層３０４で５．０×１０１７ｃｍ−３、０．２１９とし、また、ＧａＡｓ基板３０１の光閉じ込め係数をバッファ層３０２同様１．０×１０−５未満として、ＧａＡｓ基板３０１上のバッファ層３０２から下部光ガイド層３０４までのｎ型導電型層ｌ（本実施形態では、ｌ＝１、２…４）の光閉じ込め係数Γ（ｌ）とドーピング濃度Ｎ（ｌ）の積の総和Σ{Γ（ｌ）×Ｎ（ｌ）}の値が７．４８×１０１７ｃｍ−８となるよう、また、ｎ型導電型層ｌの光閉じ込め係数Γ（ｌ）の総和Σ{Γ（ｌ）}の値が０．５４２となるように設定している。
【０１２５】
また本実施形態の半導体レーザ素子のｐ型導電型層のドーピング濃度Ｐと光閉じ込め係数Γの値はそれぞれ、上部第一光ガイド層３０６aで３．０×１０１７ｃｍ−３、０．１３５、上部第二光ガイド層３０６bで８×１０１７ｃｍ−３、０．０６、上部第一クラッド層３０７で１．３５×１０１８ｃｍ−３、０．１１９、上部第二クラッド層３０９で３．０×１０１８ｃｍ−３、０．０１１、ＧａＡｓキャップ層については、ｐ−第一キャップ層３１０を５．０×１０１８ｃｍ−３、１．０×１０−６、ｐ−第二キャップ層３１１を１．０×１０２０ｃｍ−３、１．０×１０−７未満とし、活性層３０５に隣接する上部第一光ガイド層３０６ａからリッジストライプ部Ｒを通って第二キャップ層３１１までのｐ型導電型層ｍ（本実施形態では、ｍ＝１、２…７）の光閉じ込め係数Γ（ｍ）とドーピング濃度Ｐ（ｍ）の積の総和Σ{Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）}の値が２．８１×１０１７ｃｍ−３となるよう、さらにｐ型導電型層ｍの光閉じ込め係数Γ（ｍ）の総和Σ{Γ（ｍ）}の値が、０．３２５となるよう設定している。
【０１２６】
上述のｎ型導電型層およびｐ型導電型層のドーピング濃度および光閉じ込め係数の設定により、ｐ型、ｎ型各導電型層の光閉じ込め係数の総和の比Σ{Γ（ｌ）}／Σ{Γ（ｍ）}の値は１．６７となり、またｐ型、ｎ型各導電型層の光閉じ込め係数と該当層のドーピング濃度の積の総和の比{Σ{Γ（ｌ）×Ｎ（ｌ）}}／{Σ{Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）}}の値は２．６６となる。
【０１２７】
さらに、上記２層の井戸層の光閉じ込め係数Γ(acｔ)をこれらの井戸層の合計層厚ｄ（act）（本実施形態では、約９．６ｎｍ）で割ったいわゆる発光層光密度{Γ(acｔ) }／{ｄ（act）}の値が１．２８×１０４ｃｍ−１となるよう、層構造を設定している。
【０１２８】
本実施形態の半導体レーザ素子の特性は、効率の値で０．９７Ｗ／Ａ、内部吸収αiの値として５ｃｍ−１という小さな値が得られた。また温度特性も１２０Ｋ以上と良好な値が得られ、ｐ型ドーピング濃度減少による抵抗値の上昇もみられなかった。横モードの不安定化によるキンクの発生もなく、直線的な電流−光出力特性が得られた。そして信頼性においても端面劣化や長期寿命試験によるレーザ特性の緩慢劣化などは発生しなかった。垂直方向の放射角についても３６度という第１，２実施形態同様、４０度未満の値を得ることができた。
【０１２９】
このように本実施形態においても、第１、２実施形態と同じように、信頼性を維持した上で、ｐ型、ｎ型両導電型層での自由電子吸収の影響を受けることなく高効率と高温度特性／低消費電力を両立した波長１．０μｍ以下の近赤外の波長帯で発振する半導体レーザ素子を得ることができた。
【０１３０】
さらに、第２実施形態同様、本実施形態においても、ｎ型導電型層ｌの光閉じ込め係数Γ(ｌ)と該ｎ型導電型層ｌのドーピング濃度Ｎ(ｌ)の積の総和Σ{Γ（ｌ）×Ｎ(ｌ)}の値（７．４８×１０１７ｃｍ−３）を、ｐ型導電型層ｌの光閉じ込め係数Γ(ｍ)とｐ型導電型層ｍのドーピング濃度Ｐ(ｍ)の積の総和Σ{Γ（ｍ）×Ｐ(ｍ)}の値（２．８１×１０１７ｃｍ−３）に比べて、最大５倍を超えない範囲で、７／３以上になるように設定している。
【０１３１】
したがって、ｐ型導電型層での自由電子吸収を抑制するよう設定された層構造の下で、ｎ型導電型層での自由電子吸収の寄与をｐ型導電型層での自由電子吸収の寄与よりも小さくすることができ、１．０Ｗ／Ａという高い効率の値を得ることができた。
【０１３２】
また、特に本実施形態の半導体レーザ素子では、波長８９０ｎｍという、波長９００ｎｍを越えない波長となるよう、発振波長を設定している。発振波長９００ｎｍ以下では、自由電子吸収を求める先述の式（１）において波長λの指数ｘの値が小さくなるため、図９に示すように、特に自由電子吸収による効率の悪化を抑制することができる。そして半導体レーザ素子の相対雑音強度が上昇して通信時の符号誤り率が悪化するのを防ぐことができる。
【０１３３】
さらに本実施形態では、光閉じ込め構造を形成するリッジストライプ部Ｒ（上部第二クラッド層３０９および第一キャップ層３１０）の導電型をｐ型としたため、これをｎ型にした場合に比べて自由電子吸収を抑制でき、より高い効率で発振する半導体レーザ素子を得ることができた。先に述べたように本実施形態の半導体レーザ素子では、ｐ型導電型層の光閉じ込め係数の和をｎ型導電型層のそれよりも小さくなるように設定している。そのため本実施形態のように活性層に対し光閉じ込め構造が存在する側すなわちリッジを形成する層が存在する側をｐ型導電型層とすると、光閉じ込め構造のある側に存在する光の量が少なくなり、光が感じる活性層に平行な方向の屈折率の差が小さくなる。その結果、活性層と平行な方向の光のモードである横モードを安定化させることができ、半導体レーザ素子の相対雑音強度が上昇して通信時の符号誤り率が悪化するのを防ぐことができた。これは本実施形態のようにリッジの外側が空気であるため活性層と平行な方向で屈折率差がより大きくなる傾向を持つ構造にとり、特に有効な手段である。
【０１３４】
特に本実施形態では、ｐ型導電型各層の光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の総和Σ{Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）}を実施形態１、２よりも小さくなるよう設定している。図７はΣ{Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）}と内部吸収αｉの関係を示したグラフを示しているが、この図から、特に上記の総和Σ{Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）}の値を６．０×１０１７ｃｍ−３以下に設定すると、ｐ型導電型層での自由電子吸収による特性の悪化をほぼ完全に防ぐことができることがわかる。
【０１３５】
以上３種の実施形態では、波長７５０ｎｍから９００ｎｍ程度の半導体レーザ素子について記述したが、本発明の骨子は、従来自由電子吸収を問題としていなかった波長１．０μｍ以下の近赤外波長帯で自由電子吸収の影響の程度を把握し、電流注入領域にあたるｐ型導電型層のドーピング濃度と光閉じ込め係数との積の総和を規定することで、対象波長帯での自由電子吸収の影響の回避と温度特性や素子抵抗の値の改善との両立を、発光層の劣化による信頼性の低下を回避しつつ実現するものであり、波長１．０μｍ以下、そして好ましくは７００ｎｍ以上で発振する近赤外波長帯半導体レーザ素子全てに適用され得るものである。
【０１３６】
また、上記全実施形態ではｐ型クラッド層がエッチングストップ層によって二分される構造となっているが、先に述べた本発明の骨子からすると、層を構成する材料の混晶比で規定されるクラッド層の分類については、本発明の本質とは直接の関係はない。例えばエッチングストップ層がなくクラッド層１層で構成されるＢＨ（埋め込みヘテロ）構造型の半導体レーザ素子や、他の目的のためクラッド層が３層以上の複数層で構成された半導体レーザ素子に対しても、本特許の内容は適用され得るものである。
【０１３７】
さらに、上記全実施形態において、ＧａＡｓ基板を用い、かつ被ドーピング層の層材料を全てＡｌＧａＡｓ系の材料としているが、ＩＩＩ−Ｖ族系の化合物半導体であればｐ型、ｎ型ドーピング濃度と光閉じ込め係数の積の総和の自由電子吸収αｆｃへの寄与はほとんど同じであり、また近赤外帯波長を実現する各活性層材料の信頼性耐性への発光層光密度依存性も、発光層自体にＡｌを含む材料を除けば同程度であるため、本発明を構成する要件を満たせば、他のＩＩＩ−Ｖ族系の化合物半導体材料、例えばＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｌＰなどで構成された半導体レーザ素子全てに適用され得るものである。また発光層自体にＡｌを含む発光層の光密度に対する信頼性耐性はＡｌを含まない活性層のそれよりもさらに厳しいため、光閉じ込め係数Γ（ｍ）とドーピング濃度Ｐ（ｍ）の積の総和Σ{Γ（ｍ）×Ｐ（ｍ）}の値を８．０×１０１７ｃｍ−３以下に保ったまま高い信頼性を維持するには、本特許の層構造の非対称性がより重要な要素となる。
【０１３８】
また導電型については、両実施形態で活性層より基板に近い側をｎ型、遠い側をｐ型としているが、上記実施形態と逆の導電型すなわち活性層より基板に近い側がｐ型、遠い側がｎ型という構成に対しても本発明は適用し得るものである。
【０１３９】
〈第４実施形態〉
図５を用いて本発明の第４の実施形態である光無線通信用送信装置について説明する。これは、第１実施形態の半導体レーザ素子４０１を用いて空間的に離れた場所にある受信装置に信号光を送信するための装置である。
【０１４０】
具体的には信号発生源４０２と送信用回路４０３とレーザドライバ４０４と電気信号を光に変えて空間に放射する半導体レーザ素子４０１を備えており、信号発生源４０２から発せられる電気信号を送信用回路４０３を通じてレーザドライバ４０４に入力し、この電気信号を半導体レーザ素子４０１を用いてＥ／Ｏ（電気／光）変換し、外部空間への放射光４０５とする。このとき半導体レーザ素子外部には、人体、特に眼への安全基準を満たすよう光を拡散する樹脂モールドが備えつけられており、半導体レーザ素子４０１から出た光は安全基準を満たす程度に非コヒーレント化され、外部放射光４０５とされている。
【０１４１】
このように第１実施形態の高効率かつ低消費電力で光密度の点から発光層が劣化する可能性が極めて低い半導体レーザ素子を用いることで、今後の高速光無線通信で必要とされる１．０μｍ以下の近赤外波長帯の光を低い駆動電力／電圧で発生させることができる。
この駆動電力／電圧の低下分、レーザドライバや他の回路構成部品の消費電力を上げることができ、回路設計の際の設計自由度を上げることができる。また、高効率、高温度特性、小放射角という使用半導体レーザ素子の特徴から半導体レーザ素子の駆動電流を低下させることができるため、半導体レーザ素子の寿命が延び、装置の信頼性が向上する。また半導体レーザ素子の活性層の光密度も劣化が抑制される値に設定されているため、同じく装置の長期信頼性が保障されることとなる。
【０１４２】
〈第５実施形態〉
図６を用いて本発明の第５の実施形態である光ディスク記録再生装置について説明する。これは光ディスク５０１にデ−タを書き込んだり、書き込まれたデ−タを再生するための装置であり、発光素子５０２，コリメ−トレンズ５０３，ビ−ムスプリッタ５０４，λ/４偏光板５０４，レ−ザ光照射用対物レンズ５０６、再生光用対物レンズ５０７、信号光検出用受光素子５０８、信号再生回路５０９を備えている。そして、発光素子５０２として、先に説明した本発明第２の実施形態の半導体レーザ素子を用いている。この光ディスク記録再生装置についてその作用を以下に説明する。
【０１４３】
まず書き込みの際には、半導体レーザ素子５０２から出射された信号光がコリメ−トレンズ５０３により平行光とされ、ビ−ムスプリッタ５０４を透過しλ/４偏光板５０５で偏光状態が調節された後、対物レンズ５０６で集光されて光ディスク５０１に照射される。これに対して、読み出しの際には、デ−タ信号がのっていないレ−ザ光が書き込み時と同じ経路をたどって光ディスク５０１に照射される。このレ−ザ光がデ−タが記録された光ディスク５０１の表面で反射され、レ−ザ光照射用対物レンズ５０６、λ/４波長板５０５を経た後、ビ−ムスプリッタ５０４で反射されて９０度角度を変えた後、再生光用対物レンズ５０７で集光され、信号検出用受光素子５０８に入射する。信号検出用受光素子５０８内で、入射したレ−ザ光の強弱によって、記録されたデ−タ信号が電気信号に変換され、信号光再生回路５０９において元の信号に再生される。
【０１４４】
本実施形態の光ディスク装置は従来よりも高い光出力で動作する半導体レーザ素子を用いているため、ディスクの回転数を従来よりも高速化してもデ−タの読み書きが可能となった。したがって、特にＣＤ−Ｒ／ＲＷなどへの書き込み時に問題となっていたディスクへのアクセス時間が従来の半導体レーザ素子を用いた装置よりも格段に短くなり、より快適な操作を実現した光ディスク装置を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【０１４５】
【図１】本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子の構造を示す模式的断面図である。
【図２Ａ】本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子の製造過程において、基板から第一キャップ層まで積層した状態を表す模式的断面図である。
【図２Ｂ】本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子の製造過程において、エッチング工程が終了した状態を表す模式的断面図である。
【図２Ｃ】本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子の製造過程において、第三キャップ層まで積層した状態を表す模式的断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態の半導体レーザ素子の構造を示す模式的断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態の半導体レーザ素子の構造を示す模式的断面図である。
【図５】本発明の第４実施形態の高速光無線通信用送信装置の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第５実施形態の光ディスク記録再生装置を示す模式的構成図である。
【図７】実験で得られた、半導体レーザ素子の内部吸収αiの値と、ｐ型半導体層のドーピング濃度と光密度の積の総和との関係を表したグラフである。
【図８】実験で得られた、半導体レーザ素子の内部吸収αiの値と、ｎ型半導体層のドーピング濃度と光密度の積の総和との関係を表したグラフである。
【図９】自由電子吸収と波長との関係を、ドーピング濃度をパラメータとして表した模式図である。
【図１０】ｐ型導電型層による自由電子吸収の影響がない光閉じ込め係数Γ（ｍ）とドーピング濃度Ｐ（ｍ）の組み合わせの範囲を示す模式図である。
【図１１】両導電型層の光閉じ込め係数の総和と発光層（井戸層）の光密度（光閉じ込め係数）の関係を示す計算結果の図である。
【符号の説明】
【０１４６】
１０１、２０１、３０１  基板
１０２、２０２、３０２  バッファ層
１０３、２０３a、２０３b、３０３a、３０３b  下部クラッド層
１０４a、１０４b、２０４、３０４a、３０４b  下部光ガイド層
１０５、２０５、３０５  活性層
１０６、２０６、３０６a、３０６b  上部光ガイド層
１０７、２０７、３０７  上部第一クラッド層
１０８、２０８、３０８  エッチングストップ層
１０９、２０９、３０９  上部第二クラッド層
１１０、２１０、３１０  第一キャップ層 
１１４、２１４、３１１  第二キャップ層
１１５、２１５    第三キャップ層
１１１、２１１    第一埋め込み層
１１２、２１２    第二埋め込み層
１１３、２１３    第三埋め込み層
１１６、２１６、３１６  ｐ型電極
１１７、２１７、３１７  ｎ型電極
１２１  選択エッチング用絶縁膜
３２２  電流狭窄用絶縁膜
４０１  第１実施形態の半導体レーザ素子
４０２  信号発生源
４０３  送信用回路
４０４  レーザドライバ
４０５  外部空間への放射光
５０１  光ディスク
５０２  第２実施形態の半導体レーザ素子
５０３  コリメ−トレンズ
５０４  ビ−ムスプリッタ
５０５  λ/４偏光板
５０６  レ−ザ光照射用対物レンズ
５０７  再生光用対物レンズ
５０８  信号光検出用受光素子
５０９  信号再生回路
Ｒ  リッジストライプ部
Ｆ  埋め込み部
【図１】
0004842668.tif 000015
【図２Ａ】
0004842668.tif 000016
【図２Ｂ】
0004842668.tif 000017
【図２Ｃ】
0004842668.tif 000018
【図３】
0004842668.tif 000019
【図４】
0004842668.tif 000020
【図５】
0004842668.tif 000021
【図６】
0004842668.tif 000022
【図７】
0004842668.tif 000023
【図８】
0004842668.tif 000024
【図９】
0004842668.tif 000025
【図１０】
0004842668.tif 000026
【図１１】
0004842668.tif 000027