(57)【要約】【課題】  動作電流の増大を抑制しつつ高出力まで安定な横モード発振を実現し得る半導体レーザ素子を高い歩留りで提供する。【解決手段】  窒化物系半導体レーザ素子は、基板（１０１）上において、窒化物系半導体からなる活性層（１０４）と、水平方向において光を閉じ込めるためのリッジストライプ構造と、そのリッジストライプの両側に接して形成された埋込み層（１１０）とを含み、その埋込み層は可視波長の光に対して吸収作用を有することを特徴としている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上において、
窒化物系半導体からなる活性層と、
水平方向おいて光を閉じ込めるためのリッジストライプ構造と、
前記リッジストライプの両側に接して形成された埋込み層とを含み、
前記埋込み層は可視波長の光に対して吸収作用を有することを特徴とする窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記埋込み層は、前記ッジストライプの各側面からの距離が少なくとも０．５μｍまでの範囲内に渡って０．１μｍ以上の層厚を有していることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記埋込み層上にその埋込み層と異なる材料からなる第２の埋込み層を備え、
さらに前記第２の埋込み層上に電極を有することを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記埋込み層の吸収係数は３×１０4［ｃｍ-1］以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記リッジストライプの幅は１．０μｍ以上２．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記埋込み層による水平方向基本次横モードと水平方向１次横モードのモード吸収係数の差が５［ｃｍ-1］以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記埋込み層による水平方向基本次横モードのモード吸収係数が２０［ｃｍ-1］以下であることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記リッジストライプの幅をＷ［μｍ］、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角をθ‖［°］、前記埋込み層の屈折率実数部がＲで吸収係数がα［ｃｍ-1］である場合に、Ｒおよびαが
｛（Ｒ−Ｒ０）／ａ｝2＋｛（α−α０）／ｂ｝2≦１；
｛（Ｒ−Ｒ０’）／ａ’｝2＋｛（α−α０’）／ｂ’｝2≧１；
Ｒ＞０；およびα＞０
の条件を満たし、ただし
Ｒ０＝２８．１８２×αｏｕｔ-0.3945；
ａ＝３９４８×αｏｕｔ-1.6089；
α０＝１２３８１×αｏｕｔ-1.828；
ｂ＝１９９５９×αｏｕｔ-1.7896；
Ｒ０’＝２８．１８２×αｏｕｔ２-0.3945；
ａ’＝３９４８×αｏｕｔ２-1.6089；
α０’＝１２３８１×αｏｕｔ２-1.828；
ｂ’＝１９９５９×αｏｕｔ２-1.7896；
αｏｕｔ＝１０／１０×ｅｘｐ［−０．２２６８３４−０．７３４３５Ｗ−０．０９２１４０２θ‖＋０．３９３３２５Ｗ・θ‖］；および
αｏｕｔ２＝５／５×ｅｘｐ［４．２６７０５−２．３１０１８Ｗ−０．３５１３８θ‖＋０．４８５６７Ｗ・θ‖］
であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記リッジストライプ構造の幅が１．９μｍ以上２．０μｍ未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が９°以上１０°以下の値を有し、
前記埋込み層はＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、およびＩｎＡｓのいずれかの材料で形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記リッジストライプ構造の幅が１．８μｍ以上１．９μｍ未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が９°以上１０°以下の値を有し、
前記埋込み層はＳｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＯ、ＩｎＰ、Ｇｅ、ＩｎＡｓ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｍｏ、およびＷのいずれかの材料で形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項１１】
前記リッジストライプ構造の幅が１．７μｍ以上１．８μｍ未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が９°以上１０°以下の値を有し、
前記埋込み層はＳｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＯ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｍｏ、およびＷのいずれかの材料で形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項１２】
前記リッジストライプ構造の幅が１．６μｍ以上１．７μｍ未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が９°以上１０°以下の値を有し、
前記埋込み層はＳｉＯ、アモルファスＳｉ、ＳｉＯ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｍｏ、およびＷのいずれかの材料で形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項１３】
前記リッジストライプ構造の幅が１．５μｍ以上１．６μｍ未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が９°以上１０°以下の値を有し、
前記埋込み層はＧｅ、ＳｉＯ、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｍｏ、およびＷのいずれかの材料で形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項１４】
前記リッジストライプ構造の幅が１．４μｍ以上１．５μｍ未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が９°以上１０°以下の値を有し、
前記埋込み層はＡｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、およびＡｕのいずれかの材料で形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項１５】
前記リッジストライプ構造の幅が１．０μｍ以上１．４μｍ未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が９°以上１０°以下の値を有し、
前記埋込み層はＡｌ、Ａｇ、およびＲｈのいずれかの材料で形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項１６】
前記リッジストライプ構造の幅が１．６μｍ以上１．７μｍ以下であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が１０°より大きく１１°以下の値を有し、
前記埋込み層はＳｉ、ＳｉＯ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、ＩｎＡｓ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｍｏ、およびＷのいずれかの材料で形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項１７】
前記リッジストライプ構造の幅が１．５μｍ以上１．６μｍ以下であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が１０°より大きく１１°以下の値を有し、
前記埋込み層はＳｉ、ＳｉＯ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、ＩｎＡｓ、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｍｏ、およびＷのいずれかの材料で形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項１８】
前記リッジストライプ構造の幅が１．４μｍ以上１．５μｍ未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が１０°より大きく１１°以下の値を有し、
前記埋込み層はアモルファスＳｉ、ＳｉＯ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、ＩｎＡｓ、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｍｏ、およびＷのいずれかの材料で形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項１９】
前記リッジストライプ構造の幅が１．６μｍ以上１．７μｍ以下であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が１１°より大きく１２°以下の値を有し、
前記埋込み層はＧａＰ、ＩｎＰ、およびＳｉのいずれかの材料で形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項２０】
前記リッジストライプ構造の幅が１．５μｍ以上１．６μｍ未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が１１°より大きく１２°以下の値を有し、
前記埋込み層はＳｉ、ＳｉＯ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、ＩｎＡｓ、およびＷのいずれかの材料で形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項２１】
前記リッジストライプ構造の幅が１．４μｍ以上１．５μｍ未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が１１°より大きく１２°以下の値を有し、
前記埋込み層はＳｉ、ＳｉＯ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｍｏ、およびＷのいずれかの材料で形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項２２】
光記録媒体に関して情報の記録、再生、および消去の少なくとも１の処理を行い得る光学式情報処理装置であって、
前記記録、前記再生、および前記消去の１以上の処理のための光源として請求項１から２１のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子を１以上含み、
前記レーザ素子からのレーザ光を所定の出力で射出させる光射出制御手段と、
前記レーザ素子から射出されたレーザ光を集光する集光手段と、
前記記録、前記再生、または前記消去の処理のために、前記集光手段で集光されたレーザ光を前記光記録媒体の所定の位置に照射する照射位置制御手段とをさらに含むことを特徴とする光学式情報処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系半導体レーザ素子とそれを含む光学式情報処理装置との改善に関する。なお、本願明細書において、光学式情報処理装置とは、光学式記録媒体に関して情報を記録、再生、および消去の少なくとも１の処理を行い得る装置を意味する。
【背景技術】
【０００２】
光学式情報処理装置においては、情報記録速度の高速化の要請に伴って、高出力で安定したレーザ光を発生させ得る半導体レーザ素子が熱望されている。さらに、記録媒体における情報記録密度の高密度化の要請に伴って、波長の短いレーザ光を射出し得る半導体レーザ素子が熱望されている。
【０００３】
一般的な光学式情報処理装置では、記録媒体の記録層を構成する物質の結晶相変化または磁気相転移を利用する記録方式が採用されており、レーザ光のエネルギーは情報記録時の熱源として利用されている。したがって、情報記録速度の高速化を実現するためには、レーザ素子の光出力を高める必要がある。
【０００４】
しかし、半導体レーザ素子の光出力を高めるために電流注入量を増加させた場合、半導体レーザ素子は基本次水平横モードで発振するのみならず高次水平横モードでも発振することが知られている。その結果、レーザ光を小さいスポットに集光させることが困難になり、収束したレーザ光のスポットが位置ずれを起こしやすくなり、そして記録密度を低下させることとなる。
【０００５】
なお、横モードには水平横モードと垂直横モードが存在するが、問題となるのは水平横モードにおける高次モードの発振である。なぜならば、レーザ素子の製造過程における加工寸法精度はレーザ構造を構成する半導体層の積層方向（垂直方向）の方がそれに直交する方向（水平方向）に比べて高く、精度の高い層厚の制御によって高次垂直横モードを発振させることなく基本垂直横モードのみを発振させ得る素子構造を形成することが可能だからである。
【０００６】
波長の短いレーザ光を射出する半導体レーザ素子としては、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を活性層に用いて青色領域から紫外領域のレーザ光を射出し得る窒化物系半導体レーザ素子が挙げられ、近年、その試作も行われるようになっている。波長の短いレーザ光は波長の長いレーザ光に比べて小さいスポットに絞ることができる。したがって、窒化物系半導体レーザ素子を光源として用いた光学式情報処理装置は、記録媒体への記録密度を従来に比べて高めることができる次世代高密度情報処理装置として注目されている。
【０００７】
公知技術では、ストライプ領域内における水平方向キャリア分布および水平方向光強度分布が非対称形状になることによる不安定状態を改善して単一水平横モード（基本次水平横モードのみ）で高出力まで発振させることを目的として、いわゆる実屈折率導波型（リッジストライプ構造）の光導波路が採用されたＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子が知られている。高出力まで基本次水平横モードのみで発振させるためには、光導波路の幅（以下、ストライプ幅と称す）を狭くすることが有効である。ただし、狭くし過ぎれば、基本次水平横モードの光に対する導波路の光閉じ込め作用が弱くなり、また半導体レーザ素子の閾値電圧が上昇することが知られている。したがって、ストライプ幅には好ましい範囲が存在する。
【０００８】
ストライプ幅を最適化する技術は、窒化物系半導体レーザ素子に対しても適用することができる。しかし、このストライプ幅の最適値はレーザ発振の波長にほぼ比例するので、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子に比べて、窒化物系半導体レーザ素子においては２．０μｍ以下という小さな値となる。そして、ストライプ幅が窒化物系半導体レーザ素子の特性に与える影響は、その設計値幅が狭くなるほど顕著となる。その結果、窒化物系半導体レーザ素子においては、その特性に与える影響を十分小さくするためには、ストライプ幅を設計値から±０．１μｍ以内の精度で形成する技術が要求される。しかし、この精度の範囲内に収めることは、プロセス技術上から極めて困難である。したがって、窒化物系半導体レーザ素子においては、ストライプ幅の調整のみによって単一水平横モード（基本次水平横モードのみ）で高出力まで発振させることは困難である。
【０００９】
図１１は、従来の典型的な窒化物系半導体レーザ素子の積層構造を示す模式的な断面図であり、図面に直交する方向が共振器方向（軸方向）である。この窒化物系半導体レーザ素子においては、基板３００１上に、下部クラッド層３００２と、下部光導波層３００３と、３重量子井戸構造の活性層３００４と、キャリアストップ層３００５と、上部光導波層３００６と、上部クラッド層３００７と、コンタクト層３００８とが順次積層されている。
【００１０】
上部クラッド層３００７は中央にストライプ状の突出部を有し、その断面形状は凸形状である。コンタクト層３００８は、上部クラッド層３００７の突出部上のみに形成されている。すなわち、図１１の窒化物系半導体レーザ素子のリッジストライプ構造は、上部クラッド層３００７の突出部とコンタクト層３００８とによって構成されている。このリッジストライプ構造は、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて形成され得る。そして、活性層３００４で発生した光は、このストライプ状導波路構造内に閉じ込められて、レーザ発振動作を生ずる。
【００１１】
さらに、図１１の窒化物系半導体レーザ素子は、リッジストライプの両側に形成されていて発振波長の光に対してほぼ透明な埋込み層３００９と、コンタクト層および埋込み層を覆うように形成された電極３０１０と、基板の下面を覆うように形成された電極３０１１とを有している。リッジストライプ構造における長手方向の両端面は、共振器のミラーとして機能する共振器端面である。
【００１２】
図１１に示した従来の窒化物系半導体レーザ素子において、活性層３００４で発生する光に対して吸収性を有する材料で埋込み層３００９を形成することにより、単一水平横モード（基本次水平横モードのみ）で高出力まで発振させる方法が知られている。この方法は、例えばTsuyoshi Tojyo et al：Jpn.J.Appl.Phys.Vol.41(2002)pp.1829-1833の文献に述べられている。この文献に記載された窒化物系半導体レーザ素子では、図１１中の埋込み層３００９が、レーザ発振波長の光に対して透明な酸化シリコン（ＳｉＯ2）層と吸収を示すシリコン（Ｓｉ）層とを含む２層構造で形成されている。
【００１３】
Tsuyoshi Tojyo et alの文献に記された窒化物系半導体レーザ素子では、レーザ発振波長の光に対して透明なＳｉＯ2層の厚さを調節することにより、レーザ発振波長の光に対して吸収を示すＳｉ層と半導体層との距離を調節している。Ｓｉ層と半導体層との距離が小さくなれば、レーザ光の吸収が大きくなるので、一定の光出力を得るために必要な窒化物系半導体レーザ素子の動作電流が増大する。またＳｉ層と半導体層の距離が大きくなれば、高出力まで直線的なＩ−Ｌ（電流・光出力）特性を維持できなくなる。したがって、Ｓｉ層と半導体層との距離、すなわちＳｉＯ2層の厚さには好ましい値が存在し、それは数十ｎｍのオーダとなる。
【非特許文献１】Tsuyoshi Tojyo et al：Jpn.J.Appl.Phys.Vol.41(2002)pp.1829-1833
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述のように、埋込み層がＳｉＯ2層とＳｉ層の２層で構成された窒化物系半導体レーザ素子では、ＳｉＯ2層の厚さを厳密に調整する必要がある。すなわち、ＳｉＯ2層は数十ｎｍのオーダの厚さで成膜する必要があり、±５ｎｍ以上の膜厚誤差が生じれば、窒化物系半導体レーザ素子の特性、特に動作電流と光出力の上限値に悪影響を与える。しかし、レーザ素子の作製ロット毎にＳｉＯ2層の厚さを±５ｎｍ以内の誤差に抑えることは困難であり、作製歩留りを低下させるという課題がある。
【００１５】
かかる課題に鑑み、本発明は、動作電流の増大を抑制しつつ高出力まで安定な横モード発振を実現し得る半導体レーザ素子を高い歩留りで提供することを目的とし、ひいては高速かつ高密度で情報の記録、再生、および消去が可能な光学式情報処理装置を提供することをも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
まず、一般に窒化物系半導体とはＡｌpＩｎqＧａ1-ｐ型qＮ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）からなる結晶を意味するが、本発明に関する窒化物系半導体はＡｌpＩｎqＧａ1-ｐ型qＮのみからなる結晶だけを意味するのではなくて、ＩＩＩ族原子（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）の一部（２０原子数％以下）をＢ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｔｌ、Ｇｄ、Ｌａなどで置換した結晶や、Ｖ族原子であるＮ原子の一部（２０原子数％以下）をＰ、Ａｓ、Ｓｂなどで置換した結晶をも含み、それらの結晶に不純物として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、ランタノイドなどが添加されていてもよい。また、ｎ型窒化物系半導体およびｐ型窒化物系半導体とは、窒化物系半導体に導電型を規定する不純物を含有していることを意味する。
【００１７】
また、本明細書において、「リッジストライプ構造の幅」および「ストライプ幅」とは、リッジストライプ断面の概略台形形状の上辺幅と下辺幅の平均値を表す。共振器方向においてリッジストライプ幅が局所的に変化している場合は、全共振器長に渡る上辺幅の平均値と下辺幅の平均値との平均値を指すものとする。
【００１８】
「垂直方向」とは、半導体層の厚さ方向を指す。また、「水平方向」とは、共振器の長手方向に直行しかつ半導体層の厚さ方向に直交する方向を意味する。
【００１９】
「ストライプ内の局所的等価屈折率Ｎｉｎ」とは、ストライプ内で垂直方向の屈折率分布を有する仮想的なスラブ導波路を考え、その構造において通常の電界分布計算により求まる等価屈折率を意味する。同様に、「ストライプ外の局所的等価屈折率Ｎｏｕｔ」とは、ストライプ外の垂直方向の屈折率分布を有する仮想的なスラブ導波路を考え、その構造において通常の電界分布計算により求まる等価屈折率を意味する。また、「ストライプ外の局所吸収係数αｏｕｔ」とは、（ストライプ外の局所的等価屈折率の虚数部Ｉｍ［Ｎｏｕｔ］）×２×２π／（レーザ発振波長［ｃｍ］）により求まる値とする。
【００２０】
「水平横モード」とは、ストライプ幅Ｗに対して、次式（１）に示される局所的等価屈折率分布ｎ（ｙ）を有する仮想的なスラブ導波路を考え、その構造において通常の電界分布計算により求まるモードを意味するものとする。
【００２１】
ｎ（ｙ）＝Ｎｉｎ（｜ｙ｜≦Ｗ）；ｎ（ｙ）＝Ｎｏｕｔ（｜ｙ｜＞Ｗ）・・・（１）
「基本次水平横モード」および「１次水平横モード」とは、水平横モードの基本次モードおよび１次モードをそれぞれ意味する。「基本次モード吸収係数」とは（基本次水平横モードの等価屈折率の虚数部）×２×２π／（レーザ発振波長［ｃｍ］）により求まる値とし、「１次モード吸収係数」とは（１次水平横モードの等価屈折率の虚数部）×２×２π／（レーザ発振波長［ｃｍ］）により求まる値とする。
【００２２】
また、「水平方向閉じ込め係数Γ‖」とは、水平横モードの水平方向光強度分布をＩ（ｙ）とし、かつレーザ素子のストライプ幅内を次式（２）で規定して、次式（３）で定義される量とする。
【００２３】
【数１】
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【００２４】
電界分布計算とは、スラブ導波路における通常の電界分布計算を意味する。その計算方法については、例えば、M.J.Bergmann and H.C.Casey,Jr.:J.Appl.Phys., vol.84, 1998, pp.1196-1203を参照することができる。電界分布計算におけるパラメータである発振波長λ［ｎｍ］に関する各材料の屈折率ｎは、計算により求められる。その際に、発振波長λは３００〜８００ｎｍの範囲内とすることができる。例えば、窒化物系半導体材料のパラメタ（エネルギバンドギャップ）Eg［ｅＶ］は次式で与えられる。
【００２５】
ＩｎsＧａ1-sＮ（0≦s≦1）に対しては、
Eg=Eg1［s］=3.42（1-s）+2.65s-3.94s（1-s）
ＡｌtＧａ1-tＮ（0≦t≦1）に対しては、
Eg=Eg2［t］=3.42（1-t）+6.2t-1.057t（1-t）
ＩｎsＡｌtＧａ1-s-tＮ（0＜s＜1; 0＜t＜1）に対しては、
Eg=｛s・Eg1［s+t］+t・Eg2［s+t］｝/（s+t）
これにより、屈折率は、次式に従がって求められる。
【００２６】
p［λ］=1/［1/λ-（Eg-3.42）/1239.852］
とおいて、
p［λ］＞360.7  のとき、
ｎ（p［λ］）=［4.3663801+ｐ型2/（ｐ型2-295.9-2）］-0.5
p［λ］≦360.7  のとき、
ｎ（p［λ］）=c0+c1・q+c2・q-2+c3・q-3+c4・q-4
q = p［λ］-360
c0= 2.718
c1= 9.976e-3
c2= 3.005e-4
c3= 4.584e-6
c4= 2.596e-8
また本明細書における電界分布計算では、可視波長の光に対し吸収を示す埋込み層の吸収係数以外は、全て吸収はないものとして計算を行う。
【００２７】
以上のような前提および条件の下において、本発明の窒化物系半導体レーザ素子は、基板上において、窒化物系半導体からなる活性層と、水平方向おいて光を閉じ込めるためのリッジストライプ構造と、そのリッジストライプの両側に接して形成された埋込み層とを含み、その埋込み層は可視波長の光に対して吸収作用を有することを特徴としている。
【００２８】
なお、埋込み層は、リッジストライプの各側面からの距離が少なくとも０．５μｍまでの範囲内に渡って０．１μｍ以上の層厚を有していることが好ましい。埋込み層上にその埋込み層と異なる材料からなる第２の埋込み層を備え、さらにその第２の埋込み層上に電極を有することもできる。埋込み層の吸収係数は、３×１０4［ｃｍ-1］以上であることが好ましい。
【００２９】
リッジストライプの幅は、１．０μｍ以上２．０μｍ以下であることが好ましい。埋込み層による水平方向基本次横モードと水平方向１次横モードのモード吸収係数の差は、５［ｃｍ-1］以上であることが好ましい。また、埋込み層による水平方向基本次横モードのモード吸収係数は、２０［ｃｍ-1］以下であることが好ましい。
【００３０】
リッジストライプの幅をＷ［μｍ］、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角をθ‖［°］、前記埋込み層の屈折率実数部がＲで吸収係数がα［ｃｍ-1］である場合に、Ｒおよびαが
｛（Ｒ−Ｒ０）／ａ｝2＋｛（α−α０）／ｂ｝2≦１；
｛（Ｒ−Ｒ０’）／ａ’｝2＋｛（α−α０’）／ｂ’｝2≧１；
Ｒ＞０；およびα＞０
の条件を満たすことが好ましく、ただし
Ｒ０＝２８．１８２×αｏｕｔ-0.3945；
ａ＝３９４８×αｏｕｔ-1.6089；
α０＝１２３８１×αｏｕｔ-1.828；
ｂ＝１９９５９×αｏｕｔ-1.7896；
Ｒ０’＝２８．１８２×αｏｕｔ２-0.3945；
ａ’＝３９４８×αｏｕｔ２-1.6089；
α０’＝１２３８１×αｏｕｔ２-1.828；
ｂ’＝１９９５９×αｏｕｔ２-1.7896；
αｏｕｔ＝１０／１０×ｅｘｐ［−０．２２６８３４−０．７３４３５Ｗ−０．０９２１４０２θ‖＋０．３９３３２５Ｗ・θ‖］；および
αｏｕｔ２＝５／５×ｅｘｐ［４．２６７０５−２．３１０１８Ｗ−０．３５１３８θ‖＋０．４８５６７Ｗ・θ‖］
である。
【００３１】
リッジストライプ構造の幅が１．９μｍ以上２．０μｍ未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が９°以上１０°以下の値を有し、埋込み層がＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、およびＩｎＡｓのいずれかの材料で形成され得る。
【００３２】
また、リッジストライプ構造の幅が１．８μｍ以上１．９μｍ未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が９°以上１０°以下の値を有し、埋込み層がＳｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＯ、ＩｎＰ、Ｇｅ、ＩｎＡｓ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｍｏ、およびＷのいずれかの材料で形成され得る。
【００３３】
さらに、リッジストライプ構造の幅が１．７μｍ以上１．８μｍ未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が９°以上１０°以下の値を有し、埋込み層がＳｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＯ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｍｏ、およびＷのいずれかの材料で形成され得る。
【００３４】
さらに、リッジストライプ構造の幅が１．６μｍ以上１．７μｍ未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が９°以上１０°以下の値を有し、埋込み層がＳｉＯ、アモルファスＳｉ、ＳｉＯ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｍｏ、およびＷのいずれかの材料で形成され得る。
【００３５】
さらに、リッジストライプ構造の幅が１．５μｍ以上１．６μｍ未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が９°以上１０°以下の値を有し、埋込み層がＧｅ、ＳｉＯ、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｍｏ、およびＷのいずれかの材料で形成され得る。
【００３６】
さらに、リッジストライプ構造の幅が１．４μｍ以上１．５μｍ未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が９°以上１０°以下の値を有し、埋込み層がＡｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、およびＡｕのいずれかの材料で形成され得る。
【００３７】
さらに、リッジストライプ構造の幅が１．０μｍ以上１．４μｍ未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が９°以上１０°以下の値を有し、埋込み層がＡｌ、Ａｇ、およびＲｈのいずれかの材料で形成され得る。
【００３８】
さらに、リッジストライプ構造の幅が１．６μｍ以上１．７μｍ以下であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が１０°より大きく１１°以下の値を有し、埋込み層はＳｉ、ＳｉＯ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、ＩｎＡｓ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｍｏ、およびＷのいずれかの材料で形成され得る。
【００３９】
さらに、リッジストライプ構造の幅が１．５μｍ以上１．６μｍ以下であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が１０°より大きく１１°以下の値を有し、埋込み層はＳｉ、ＳｉＯ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、ＩｎＡｓ、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｍｏ、およびＷのいずれかの材料で形成され得る。
【００４０】
さらに、リッジストライプ構造の幅が１．４μｍ以上１．５μｍ未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が１０°より大きく１１°以下の値を有し、埋込み層がアモルファスＳｉ、ＳｉＯ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、ＩｎＡｓ、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｍｏ、およびＷのいずれかの材料で形成され得る。
【００４１】
さらに、リッジストライプ構造の幅が１．６μｍ以上１．７μｍ以下であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が１１°より大きく１２°以下の値を有し、埋込み層がＧａＰ、ＩｎＰ、およびＳｉのいずれかの材料で形成され得る。
【００４２】
さらに、リッジストライプ構造の幅が１．５μｍ以上１．６μｍ未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が１１°より大きく１２°以下の値を有し、埋込み層がＳｉ、ＳｉＯ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、ＩｎＡｓ、およびＷのいずれかの材料で形成され得る。
【００４３】
さらに、リッジストライプ構造の幅が１．４μｍ以上１．５μｍ未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が１１°より大きく１２°以下の値を有し、埋込み層がＳｉ、ＳｉＯ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｍｏ、およびＷのいずれかの材料で形成され得る。
【００４４】
さらに、本発明に係る光学式情報処理装置は、光記録媒体に関して情報を記録、再生、および消去する少なくとも１の機能を有し、それらの記録、再生、および消去の１以上の機能のための光源として本発明による窒化物系半導体レーザ素子を１以上含み、そのレーザ素子からのレーザ光を所定の出力で射出させる光射出制御手段と、レーザ素子から射出されたレーザ光を集光する集光手段と、情報の記録、再生、または消去の処理のために、集光手段で集光されたレーザ光を光記録媒体の所定の位置に照射する照射位置制御手段とをさらに含むことを特徴としている。
【００４５】
また、光ファイバー等の光学的に情報を伝達する媒体に光学的信号を射出する光学的情報伝達装置の光源としても、本発明に係る窒化物系半導体レーザ素子を用いることができる。そのような光学的情報伝達装置としては、例えば、電気的信号で与えられる情報を光学的信号に変換して媒体に射出する装置や光学的信号を中継する装置が挙げられる。
【発明の効果】
【００４６】
本発明によれば、窒化物系半導体レーザ素子のリッジストライプの両側に所定の材料からなる埋込み層を設けることによって、動作電流の増大を抑制しつつ高出力まで安定な横モード発振を実現し得る半導体レーザ素子を高い歩留りで作製することができる。特に、その埋込み層の厚さは０．１μｍ以上であればよく、高精度の層厚制御をする必要がなくなるという効果も得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
図１は、本発明に係る窒化物系半導体レーザ素子の構造の一例を示す模式的な断面図であり、そのレーザ素子の共振器方向に垂直な断面を表わしている。この窒化物系半導体レーザ素子は、第１導電型の基板１０１上に、少なくとも活性層１０５を含む複数の窒化物系半導体層１０２−１０９が形成されている。また、窒化物系半導体層の第２導電型側（上方側）からエッチングを施すことによってリッジストライプが形成されており、それによって窒化物系半導体レーザ素子の水平方向光閉じ込めの役割を有するストライプ状導波路を構成している。さらに、リッジストライプの両側でエッチングされた領域１１３の全面上に、単層または複数層からなる埋込み層１１０が形成されている。ストライプの長手方向の両端面はミラーとして働き、光共振器を構成している。なお、第１導電型および第２導電型とはｐ型またはｎ型を意味し、第１導電型がｐ型である場合には第２導電型はｎ型であり、第１導電型がｎ型である場合には第２導電型はｐ型である。
【００４８】
［実施形態１］
本発明の実施形態１による窒化物系半導体レーザ素子の構造が、図１を参照して説明される。この窒化物系半導体レーザ素子では、ｎ型ＧａＮ基板１０１（膜厚３０〜３００μｍ）上に、ｎ型ＧａＮ下地層１０２（膜厚０．１〜１０μｍ）、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２）下部クラッド層１０３（膜厚０．４μｍ以上）、ｎ型ＧａＮ下部光導波層１０４（膜厚０〜０．１５μｍ）、交互に積層されたｎ型ＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｗ）障壁層とＩｎwＧａ1-wＮ（ｖ＜ｗ≦０．２）井戸層を含む多重量子井戸構造からなる活性層１０５（発振波長３７０〜４３０ｎｍ、総膜厚５〜６０ｎｍ）、ｐ型ＡｌzＧａ1-zＮキャリアブロック層１０６（膜厚０〜０．０２μｍ）、ｐ型ＧａＮ上部光導波層１０７（膜厚０．０５〜０．１５μｍ）、ｐ型ＡｌyＧａ1-yＮ（０．０５＜ｙ＜０．２）上部クラッド層１０８（膜厚０．０２〜１０μｍ）、およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０９（膜厚０．０１〜１０μｍ）が順次積層されている。
【００４９】
また、窒化物系半導体層のｐ側（上側）から、ｐ型上部クラッド層またはｐ型上部光導波層またはキャリアブロック層または活性層までエッチングを施すことにより、リッジストライプ構造が形成されており、窒化物系半導体レーザ素子の導波路部分の水平方向光閉じ込めを行っている。
【００５０】
さらに、エッチングされた領域１１３の概略全面上に、埋込み層１１０が形成されている。正電極１１１は、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９の露出面および埋込み層１１０を覆うように形成されている。負電極１１２は、ｎ型ＧａＮ基板１０１下面を覆うように形成されている。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。
【００５１】
次に、本実施形態における窒化物系半導体レーザ素子の製造方法の一例が、以下において説明される。
【００５２】
（基板）
まず、結晶成長用主面として（０００１）Ｃ面を有するｎ型ＧａＮ基板１０１（膜厚１００〜５００μｍ）を洗浄する。洗浄したＧａＮ基板１０１をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、Ｈ2雰囲気中で約１１００℃の高温でクリーニングを行う。
【００５３】
（低温成長バッファ層）
その後、基板を降温して、キャリアガスとして水素（Ｈ2）を１０ｌ／ｍｉｎで流しながらＳｉＨ4を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎで導入し、基板温度６００℃でＮＨ3とトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をそれぞれ５ｌ／ｍｉｎと２０ｍｏｌ／ｍｉｎで導入して、０〜１０μｍの範囲内の厚み（例えば１００ｎｍ）のｎ型ＧａＮからなる低温成長バッファ層を堆積させる。ここで、０μｍの厚みは、場合によっては低温成長バッファ層が省略可能であることを意味している。また、ｎ型ＧａＮからなる低温成長バッファ層の形成法について説明したが、ｎ型ＧａＮに限られず、ＳｉＨ4の導入量を０ｍｏｌ／ｍｉｎとしたＧａＮでもよく、さらにＡｌやＩｎを含むＡｌＧａＩｎＮで形成されてもよい。Ａｌを含めるときにはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を成膜時に適量導入し、Ｉｎを含めるときにはトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を成膜時に適量導入すればよい。
【００５４】
（ｎ型ＧａＮ層）
次に、Ｎ2とＮＨ3をそれぞれ５ｌ／ｍｉｎで流しながら基板を約１０５０℃まで昇温する。その昇温後に、キャリアガスをＮ2からＨ2に代えて、ＴＭＧを１００μｍｏｌ／ｍｉｎで導入しながらＳｉＨ4を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎで導入して、ｎ型ＧａＮ層１０２を厚さ０．１〜１０μｍ（例えば約４μｍ）に成長させる。
【００５５】
（ｎ型バッファ層）
次に、ＴＭＧおよびＳｉＨ4の供給を停止して、キャリアガスをＨ2からＮ2に変えて、基板温度を約８００℃まで降温後、ＴＭＧを１５μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、ＳｉＨ4を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎで導入しながらＴＭＩを一定量で流し、ｎ型ＩｎrＧａ1-rＮ（例えばｒ＝０．０７）からなるｎ型バッファ層を厚さ０〜２００ｎｍに成長させる。この場合の厚さ０ｎｍも、ｎ型バッファ層が場合によって省略可能であることを意味している。
【００５６】
（ｎ型クラッド層）
次に、ＴＭＩ、ＴＭＧ、およびＳｉＨ4の供給を停止して、再び１０５０℃まで基板を昇温し、キャリアガスを再びＮ2からＨ2に代えて、ＴＭＧの流量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、ＴＭＡを一定量導入して、ＳｉＨ4を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎで流しながら、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（例えばｘ＝０．１）からなるｎ型クラッド層１０３を０．４μｍ以上（例えば１μｍ）の厚さに成長させる。
【００５７】
（ｎ側光導波層）
ｎ型クラッド層１０３の成長が終了すれば、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧを１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ｎ型ＧａＮ光導波層１０４を０〜０．１５μｍ（例えば１００ｎｍ）の厚さになるように成長させる。なお、ｎ側光導波層１０４は、ノンドープ光導波層であってもよい。
【００５８】
（活性層）
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℃まで基板を降温し、インジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を一定量で導入しながら、ＴＭＧを１５μｍｏｌ／ｍｉｎで導入し、ＩｎvＧａ1-vＮ（例えばｖ＝０．０２３）よりなる障壁層を成長させる。その後、ＴＭＩの供給を或る一定量にまで増加し、ＩｎwＧａ1-wＮ（例えばｗ＝０．０７０）よりなる井戸層を成長させる。これらのＩｎＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層との成長を繰り返すことによって、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１０５を形成する。障壁層および井戸層のＩｎＧａＮ混晶比および膜厚は、発光波長が３７０〜４３０ｎｍの範囲になるように設計し、膜成長時に導入する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の範囲内にあることが望ましく、特に３が望ましい。なお、障壁層かつ／または井戸層は、ノンドープであってもよく、Ｓｉなどのドーパントを含むｎ型であってもよい。
【００５９】
（ｐ型キャリアブロック層）
多重量子井戸活性層１０５の成長が終了すれば、ＴＭＩおよびＴＭＧの供給を停止して、再び１０５０℃まで基板を昇温し、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メシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎで流し、０〜２０ｎｍ厚の蒸発防止層を兼ねるｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ（例えばｚ＝０．２）キャリアブロック層１０６を成長させる。なお、ｐ型キャリアブロック層は、ノンドープキャリアブロック層で置き換えてもよい。
【００６０】
（ｐ側光導波層）
蒸発防止層１０６の成長が終了すれば、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧの供給量を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ｐ型ＧａＮからなる光導波層１０７を０．０５〜０．１５μｍ（例えば０．１μｍ）の厚さに成長させる。なお、そのｐ側光導波層は、ノンドープ光導波層で置き換えてもよい。
【００６１】
（ｐ型クラッド層）
その後、ＴＭＧの供給を５０μｍ／ｍｉｎに調整し、ＴＭＡを一定量導入し、ｐ型ＡｌyＧａ1-yＮ（例えばｙ＝０．０７）からなる第１のｐ型クラッド層１０８を、０．０２〜１０μｍ（例えば０．５μｍ）の厚さに成長させる。
【００６２】
（ｐ型コンタクト層）
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からなるｐ型コンタクト層１０９を形成して発光素子構造の結晶成長を終了させる。結晶成長が終了すれば、ＴＭＧおよびＣｐ2Ｍｇの供給を停止して基板を降温し、得られたウエハが室温でＭＯＣＶＤ装置から取り出される。
【００６３】
その後、フォトリソグラフィ技術および反応性イオンエッチング技術を用い、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９を１〜４μｍ（例えば２μｍ）幅のストライプ状に残して、第１のｐ型クラッド層１０８までエッチングを行い、光導波路を構成するためのリッジストライプを形成する。この時、エッチングされた領域における、第１のｐ型クラッド層１０８の残し膜厚は、水平方向ＦＦＰ（ファーフィールドパターン）の半値全角θ‖＝７°〜１２°の範囲内（例えば９．５°）となるように、調節する。その後、フォトリソグラフィ技術を用いて、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９が電極と接触する部分を除いて埋込み層を形成する。
【００６４】
その後、ｐ型コンタクト層１０９の露出面を覆うように正電極を形成する。電極材料としては、例えばＡｕ／Ｎｉ、Ａｕ／Ｐｄ、Ａｕ／Ｍｏ／Ｐｄなどを用いればよい。また、ｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面上に負電極１１２を形成する。負電極材料としては、例えばＡｌ／ＴｉまたはＡｕ／Ｗを用いればよい。
【００６５】
その後、ウエハを複数のバー状に劈開して共振器ミラーとなる端面を形成し、さらにそれらのバーを複数のチップに分割して、図１に示す窒化物系半導体レーザ素子が得られる。
【００６６】
図２（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）のグラフにおいて、横軸はストライプ外局所吸収係数［ｃｍ-1］を表し、縦軸はモード吸収係数［ｃｍ-1］を表し、そしてグラフ中の実線と破線は基本次水平横モードと１次水平横モードの吸収係数を電界分布計算により求めた結果を表している。すなわち、図２（ａ）において、実線２０１と破線２０２は、ストライプ幅が２．０μｍのときの基本次水平横モードと１次水平横モードの吸収係数をそれぞれ表している。また図２（ｂ）において、実線２０３と破線２０４は、ストライプ幅が１．５μｍのときの基本次水平横モードと１次水平横モードの吸収係数を表している。ここで、ストライプ外局所等価屈折率の実数部は、それぞれのストライプ幅におけるＦＦＰの水平方向半値全角が９．５°となるように定められている。また、図２（ｃ）において、実線２０５と破線２０６は、ストライプ幅が２．０μｍのときの基本次水平横モードと１次水平横モードの吸収係数をそれぞれ表しているが、ＦＦＰの水平方向半値全角が１２．０°となるようにストライプ外局所等価屈折率の実数部を定めて計算されている。
【００６７】
図２から明らかなように、ストライプ外局所吸収係数が増加すれば、基本次水平横モードと１次水平横モードの吸収係数は単調増加傾向を示す。また、基本次水平横モードに比べて１次水平横モードの方が吸収係数は大きくなるが、これは１次水平横モードの電界分布の方が基本次水平横モードに比べてストライプ外領域へ多く染み出すので、よりストライプ外局所吸収係数の影響を受けるからである。さらに、ストライプ幅が狭いほど吸収係数は大きくなるが、これはストライプ幅が狭くなるほど、各水平横モードの電界分布がストライプ外領域へ染み出すようになるので、よりストライプ外局所吸収係数の影響を受けるからである。さらにまた、ＦＦＰの水平方向半値全角が小さくなるほど吸収係数は大きくなるが、これはＦＦＰの水平方向半値全角が小さいということは水平方向の閉じ込めが悪くなることと等価であり、各水平横モードの電界分布がストライプ外領域へ染み出すようになるので、よりストライプ外局所吸収係数の影響を受けるからである。
【００６８】
ストライプ幅が１．０μｍ、１．５μｍ、および２．０μｍのそれぞれの場合において、ＦＦＰ水平方向半値全角が７．０°、９．５°、および１２．０°の場合を考える。個々の場合において、基本次水平横モードと１次水平横モードの吸収係数の差が１０ｃｍ-1以上となるストライプ外局所吸収係数、および基本次モード吸収係数が５ｃｍ-1となるストライプ外局所吸収係数の値を図２（ａ）〜（ｃ）の要領で計算すれば、表１のような結果が得られる。
【００６９】
【表１】
2005223148.tif 000004
【００７０】
表１より、ストライプ幅Ｗ［μｍ]およびＦＦＰ水平方向半値全角θ‖［°］を用いて、基本次水平横モードと１次水平横モードの吸収係数の差がｘｃｍ-1となるストライプ外局所吸収係数［ｃｍ-1］の値は次式（４）で近似できる。
【００７１】
ｘ／１０ｅｘｐ(−０．２２６８３４−０．７３４３５Ｗ−０．０９２１４０２θ‖＋０．３９３３２５Ｗ・θ‖) ・・・（４）
また、基本次モード吸収係数の値がｙ［ｃｍ-1］となるストライプ外局所吸収係数［ｃｍ-1］の値は次式（５）で近似できる。
【００７２】
ｙ／５ｅｘｐ(４．２６７０５−２．３１０１８Ｗ−０．３５１３８θ‖＋０．４８５６７Ｗ・θ‖)             ・・・（５）
高出力まで基本次水平横モードを維持するためには、最適なストライプ外局所吸収係数αｏｕｔ［ｃｍ-1］に関しては、基本次水平横モード吸収係数をｙ［ｃｍ-1］程度以下に保ちつつ、基本次水平横モードと１次水平横モードの吸収係数差をｘ［ｃｍ-1］程度以上に取る必要があるので、αｏｕｔ［ｃｍ-1］が満たすべき範囲は、ストライプ幅Ｗ［μｍ］およびＦＦＰ水平方向半値全角θ‖［°］を用いて次式のように書くことができる。
【００７３】
ｘ／１０ｅｘｐ(−０．２２６８３４−０．７３４３５Ｗ−０．０９２１４０２θ‖＋０．３９３３２５Ｗ・θ‖) ≦ αｏｕｔ ≦ ｙ／５ｅｘｐ(４．２６７０５−２．３１０１８Ｗ−０．３５１３８θ‖＋０．４８５６７Ｗ・θ‖)
例えば基本次水平横モードと１次水平横モードの吸収係数差を１０［ｃｍ-1］以上にして、基本次モードの吸収係数を５［ｃｍ-1］以下にするためには、ストライプ幅Ｗ＝２．０μｍでθ‖＝９．５°とする窒化物系半導体レーザ素子においては、上式よりストライプ外局所吸収係数は１３５≦αｏｕｔ≦２５４の範囲内とすればよく、また他の例として、ストライプ幅Ｗ＝１．５μｍでθ‖＝９．５°とする窒化物系半導体レーザ素子においては、上式よりストライプ外局所吸収係数は３０≦αｏｕｔ≦８０の範囲内とすればよい。
【００７４】
図３のグラフにおいて、横軸は埋込み層の屈折率の実数部を表し、縦軸はストライプ外局所吸収係数［ａ．ｕ．：任意単位］を表し、そして曲線は計算による結果を示している。すなわち、実線の曲線３０１は埋込み層の吸収係数が１００，０００［ｃｍ-1］で層厚が無限大の場合を表しており、点線の曲線３０２は埋込み層の吸収係数が１００，０００［ｃｍ-1］で層厚が０．１μｍの場合を表している。
【００７５】
図３中の実線の曲線３０１の形状から明らかなように、埋込み層の屈折率実数部を０から増加させていけば、２．５付近までストライプ外局所吸収係数は単調に増加するが、２．５付近で極大を示し、その後は単調に減少する傾向を示している。この傾向の理由は、以下のようである。すなわち、埋込み層の屈折率実数部が２．５以下に小さいときは、ストライプ外における垂直方向電界分布が埋込み層内にほとんど進入せず、その結果としてレーザ光が埋込み層の吸収を感じないので、ストライプ外局所吸収係数は小さくなる。しかし埋込み層の屈折率実数部が２．５〜３．０付近になれば、レーザ発振光の等価屈折率に近くなるので、レーザ光が埋込み層を伝播するようになり、その結果としてストライプ外局所吸収係数は急激に大きくなる。さらに、埋込み層の屈折率実数部が３以上になれば、再びストライプ外局所吸収係数は減少傾向を示すようになる。
【００７６】
図３中の点線の曲線３０２は層厚が０．１μｍの場合を表しており、層厚が無限大のときの実線の曲線３０１を中心として振動する傾向を示している。これは、埋込み層の下面と上面との間でレーザ光が干渉することに起因しており、この振幅は、埋込み層の吸収係数が大きいほどまたは埋込み層が厚いほど小さくなる。このような振動特性を示すことは、窒化物系半導体レーザ素子を多数個作製したときに、素子特性のばらつきの原因となるので好ましくない。この状況を避けるためには、埋込み層の吸収係数は３０，０００［ｃｍ-1］以上であることが望ましく、１００，０００［ｃｍ-1］以上であることがさらに好ましい。また、埋込み層の厚さは０．１μｍ以上であることが望ましく、０．２μｍ以上であることがさらに好ましい。埋込み層吸収係数が３０，０００［ｃｍ-1］以上であってかつ埋込み層厚が０．１μｍ以上であれば、埋込み層厚のばらつきが素子特性に与える影響は事実上無視できるようになり、本発明の効果が得られる。
【００７７】
図４のグラフにおいて、横軸は埋込み層の屈折率の実数部を表し、縦軸は埋込み層の吸収係数［１ｅ５／ｃｍ-1］を表している。なお、１ｅ５は１×１０5を表している。そして、グラフ中の曲線は、ストライプ外局所吸収係数の等高線を示している。すなわち、等高線４０１、４０２、４０３、４０４、および４０５は、それぞれ３０［ｃｍ-1］、７０［ｃｍ-1］、１００［ｃｍ-1］、１５０［ｃｍ-1］、および４００［ｃｍ-1］のトライプ外局所吸収係数を表している。
【００７８】
ここで、埋込み層の屈折率実数部をＲ、吸収係数をα［×１０5ｃｍ-1］とすれば、曲線４０１は次式で近似できる。
【００７９】
｛（Ｒ−８）／７．２｝2＋｛（α−６）／１２｝2＝１；Ｒ＞０；α＞０
同様に、曲線４０２は次式で近似できる。
【００８０】
｛（Ｒ−５．７）／４｝2＋｛（α−４．５）／８．６｝2＝１；Ｒ＞０；α＞０
同様に、曲線４０３は次式で近似できる。
【００８１】
｛（Ｒ−４．４）／２．５｝2＋｛（α−３）／５．５｝2＝１；Ｒ＞０；α＞０
同様に、曲線４０４は次式で近似できる。
【００８２】
｛（Ｒ−３．６）／１．３｝2＋｛（α−１．５）／３．１｝2＝１；Ｒ＞０；α＞０
同様に、曲線４０５は次式で近似できる。
【００８３】
｛（Ｒ−２．７７）／０．２５｝2＋｛（α−０．２）／０．４｝2＝１；Ｒ＞０；α＞０
以上の結果より、ストライプ外局所吸収係数がαｏｕｔ［ｃｍ-1］の等高線は、次式（６）のように表すことができる。
【００８４】
｛（Ｒ−Ｒ０）／ａ｝２＋｛（α−α０）／ｂ｝２＝１，Ｒ＞０，α＞０・・・（６）
ただしＲ０＝２８．１８２×αｏｕｔ−０．３９４５
ａ＝３９４８×αｏｕｔ−１．６０８９
α０＝１２３８１×αｏｕｔ−１．８２８
ｂ＝１９９５９×αｏｕｔ−１．７８９６
図５のフロー図に示されているように、上述の式（４）〜（６）を用いて、窒化物系半導体レーザ素子に用いる埋込み層材料が満たすべき屈折率を求めることができる。まず初めに、窒化物系半導体レーザ素子のストライプ幅Ｗ［μｍ］とＦＦＰ水平方向半値全角θ‖［°］を決定する。前述のようにストライプ幅Ｗ［μｍ］には好ましい範囲が存在し、その値は窒化物系半導体レーザ素子を構成する半導体多層膜の結晶の質に依存するが、ほぼ１．０μｍ以上２．０μｍ以下が好ましく、１．３μｍ以上１．７μｍ以下がより好ましく、１．４５μｍ以上１．６５μｍ以下が最も好ましい。ＦＦＰ水平方向半値全角θ‖［°］は、窒化物系半導体レーザ素子を含む光学式情報処理装置からの要請によって決定されるが、ほぼ７°以上１２°以下が好ましく、８°以上１１°以下がより好ましく、９°以上１０°以下が最も好ましい。
【００８５】
また、基本次水平横モードと１次水平横モードの吸収係数差の下限値ｘ［ｃｍ-1］、および基本次水平横モード吸収係数の上限値ｙ［ｃｍ-1］が決定される。ｘは高出力まで基本次水平横モード発振を維持するという効果が得られる範囲の下限値とすればよく、例えば５［ｃｍ-1］とするのができ、１０［ｃｍ-1］とするのがより好ましい。ｙは動作電流の増加が実使用上問題ない範囲の上限値にすればよく、例えば２０［ｃｍ-1］とすることができ、１０［ｃｍ-1］とするのがより好ましく、５［ｃｍ-1］とするのが最も好ましい。
【００８６】
Ｗ、θ‖、ｘ、およびｙを決定したら、図５に示す手順に従って、ストライプ外吸収係数αｏｕｔの下限値が式（４）から決定され、その上限値が式（５）から決定される。さらに求まったαｏｕｔの範囲を用いて、式（６）によって、埋込み層の屈折率実数部Ｒおよび吸収係数α［ｃｍ-1］が決定される。
【００８７】
図６は、例えばＷ＝２．０μｍ、θ‖＝９．５°、ｘ＝１０［ｃｍ−１］、およびｙ＝５［ｃｍ-1］の場合において、埋込み層の屈折率実数部Ｒおよび吸収係数α［×１０5ｃｍ-1］を決定する手続きを説明するためのグラフである。図６（ａ）においては、図２（ａ）中の曲線２０１および２０２と全く等価な曲線６０１および６０２が描かれている。この図において、ｘおよびｙの値が図中に矢印ｘおよびｙでそれぞれ示されている。また、曲線６０１と曲線６０２の距離がｘ＝１０ｃｍ-1になるストライプ外局所吸収係数αｏｕｔの値、および曲線６０１の値がｙ＝５ｃｍ-1になるストライプ外局所吸収係数αｏｕｔの値が、図６（ａ）中に矢印６０３および６０４でそれぞれ示されている。値６０３は式（４）から求めることができ、また値６０４は式（５）から求めることができ、それらの値はそれぞれ１３５ｃｍ-1および２５４ｃｍ-1となる。式（６）から、αｏｕｔ＝１３５ｃｍ-1を満たす曲線は図６（ｂ）に示す曲線６０５となり、αｏｕｔ＝２５４ｃｍ-1を満たす曲線は図６（ｂ）に示す曲線６０６となる。すなわち、次式（７）を満たす範囲内にあるＲおよびαを有する材料を埋込み層材料とするのがよい。
【００８８】
｛（Ｒ−４．０７）／１．４８｝2＋｛（α−１．５９）／３．０９｝2≦１；
｛（Ｒ−３．１７）／０．５３｝2＋｛（α−０．５０）／０．９９｝2≧１；
Ｒ＞０；かつα＞０                      ・・・（７）
そのような範囲が、図６（ｂ）中に斜線領域で示されている。この範囲内に相当する材料としては、ＧａＰ（Ｒ＝４．１；α＝８０，０００ｃｍ-1）、Ｓｉ（Ｒ＝５．４２；α＝１２９，０００ｃｍ−１）などが該当する。
【００８９】
また図７は、他の例としてＷ＝１．５μｍ、θ‖＝９．５°、ｘ＝１０［ｃｍ-1］、およびｙ＝１０［ｃｍ-1］の場合において、埋込み層の屈折率実数部Ｒおよび吸収係数α［ｃｍ-1］を決定する手続きを説明するためのグラフである。図７（ａ）においては、図２（ｂ）の曲線２０３および２０４と全く等価な曲線７０１および７０２が描かれている。この図中において、ｘおよびｙの値が示されている。また、曲線７０１と曲線７０２の距離がｘ＝１０ｃｍ-1となるストライプ外局所吸収係数αｏｕｔの値、および曲線７０１の値がｙ＝１０ｃｍ-1となるストライプ外局所吸収係数αｏｕｔの値が、図中の矢印７０３および７０４で示されている。値７０３は式（４）より求めることができ、値７０４は式（５）より求めることができ、それらの値はそれぞれ３０ｃｍ-1および１６０ｃｍ-1となる。また、式（６）より、αｏｕｔ＝３０ｃｍ-1を満たす曲線は図７（ｂ）に示す曲線７０５となり、αｏｕｔ＝１６０ｃｍ-1を満たす曲線は図７（ｂ）に示す曲線７０６となる。すなわち、次式（８）を満たす範囲内にあるＲおよびα［×１０5ｃｍ-1］を有する材料を埋込み層材料とするのがよい。
【００９０】
｛（Ｒ−０．７３７）／１６．６｝2＋｛（α−２４．７）／４５．４｝2≦１；
｛（Ｒ−５．００）／３．４１｝２＋｛（α−４．０９）／７．８１｝２≧１；
Ｒ＞０；かつα＞０               ・・・（８）
その範囲は、図７（ｂ）中の斜線領域で示されている。この範囲内に相当して、本実施形態１の窒化物系半導体レーザ素子に適用可能な材料としては、ＳｉＯ（Ｒ＝２．１；α＝３１，０００ｃｍ-1）などがある。
【００９１】
本発明の窒化物系半導体レーザ素子において、第１導電型用の電極および第２導電型用の電極は特徴的要素ではない。しかし、窒化物系半導体レーザ素子を駆動するための電圧印加（電流供給）手段との電気的接続を確実に行うために、通常は、第１導電型用の電極と第２導電型用の電極が窒化物系半導体レーザ素子に形成される。第１導電型用の電極および第２導電型用の電極は、単一の金属材料または合金材料からなる単層電極であってもよく、互いに異なる金属材料または合金材料からなる積層電極であってもよい。
【００９２】
また本実施形態においては可視波長に対して吸収を示す埋込み層１１０は、リッジストライプの両側面に接するように形成されるが、リッジストライプの両側の底面にも接しかつ少なくともそのリッジストライプから０．５μｍまでの範囲内に渡って０．１μｍ以上の層厚が存在していれば、本発明の効果が得られる。すなわち、例えばリッジストライプの両側面に近接して透明な埋込み層が存在していても、リッジストライプからの距離が０．５μｍ以内の領域に可視波長に対して吸収を有する埋込み層が厚さ０．１μｍ以上で存在していれば、本発明の効果が得られる。また、例えばリッジストライプ構造から０．５μｍより離れた領域において可視波長に対して吸収を有する埋込み層が存在しないかまたはその層厚が０．１μｍ未満の領域があっても、本発明の効果が得られる。
【００９３】
［実施形態２］
図８において、本発明の実施形態２による窒化物系半導体レーザ素子がその共振器に垂直な模式的断面図で示されている。この窒化物系半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板８０１（膜厚３０〜３００μｍ）上に順次積層された、ｎ型ＧａＮ下地層８０２（膜厚０．１〜１０μｍ）、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２）下部クラッド層８０３（膜厚０．４μｍ以上）、ｎ型ＧａＮ下部光導波層８０４（膜厚０〜０．１５μｍ）、交互に積層されたＩｎwＧａ1-wＮ（ｖ＜ｗ≦０．２）井戸層とｎ型ＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｗ）障壁層とを含む多重量子井戸構造からなる活性層８０５（発振波長３７０〜４３０ｎｍ、総膜厚５〜６０ｎｍ）、ｐ型ＡｌzＧａ1-zＮキャリアブロック層８０６（膜厚０〜０．０２μｍ）、ｐ型ＧａＮ上部光導波層８０７（膜厚０．０５〜０．１５μｍ）、ｐ型ＡｌyＧａ1-yＮ（０．０５＜ｙ＜０．２）上部クラッド層８０８（膜厚０．０２〜１０μｍ）、およびｐ型ＧａＮコンタクト層８０９（膜厚０．０１〜１０μｍ）を含んでいる。
【００９４】
窒化物系半導体多層膜のｐ側（上方）からｐ型上部クラッド層またはｐ型上部光導波層またはキャリアブロック層または活性層８０５までエッチングを施すことにより、リッジストライプ構造が形成されており、これによって窒化物系半導体レーザ素子の導波路部分の水平方向光閉じ込めが行なわれている。
【００９５】
さらに、リッジストライプの両側のエッチングされた領域の概略全面８１４上に、埋込み層８１０、８１１が形成されている。正電極８１２は、ｐ型ＧａＮコンタクト層の露出面上および埋込み層８１１を覆うように形成されている。負電極８１３は、ｎ型ＧａＮ基板の下面を覆うように形成されている。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。
【００９６】
本実施形態２の窒化物系半導体レーザ素子の製造方法については、埋込み層が２層からなることを除けば、実施形態１の窒化物系半導体レーザ素子の製造方法と同様であるので、重複する説明は省略される。
【００９７】
本実施形態２の窒化物系半導体レーザ素子では、エッチングされた領域の概略全面８１４上に形成された埋込み層として、可視波長の光を吸収し得る材料からなる埋込み層８１０と絶縁性を示す埋込み層８１１とが形成されている。
【００９８】
実施形態１の窒化物系半導体レーザ素子では、埋込み層が１層で構成されているので、埋込み層材料と正電極材料との組み合わせに依存して両者の密着性が悪い場合が生じ得る。この場合には、電極と埋込み層との間で剥がれが生じやすくなり、動作電圧の上昇や、レーザ発振しない素子の割合が増加するという問題を生じる。本実施形態２の窒化物系半導体レーザ素子では、埋込み層と正電極の間に、両者に良好な密着性を有する材料を１層挿入することによって、このような問題を解消することができる。
【００９９】
具体的に例を挙げれば、可視波長の光に対して吸収を示す埋込み層材料としてＳｉＯを用い、埋込み層上に存在する正電極材料としてＰｄ、Ｎｉ、Ｍｏ、またはＡｕを用いる場合には、埋込み層と正電極材料の間の密着性が十分でない。そこで、本実施形態の窒化物系半導体レーザ素子のように、両者の間に例えばスパッタリングなどの方法でＴｉＯ2膜を例えば厚さ５０ｎｍに形成すれば、ＳｉＯとＴｉＯ2との間およびＴｉＯ2と正電極と間の密着性が良好なので、ＳｉＯと正電極との間の剥がれの問題を解消することができる。
【０１００】
また、実施形態１の窒化物系半導体レーザ素子では、埋込み層が１層で構成されているので、埋込み層が金属などの電気伝導体の場合は、電流が活性層全体に広がってしまう。そして、リッジストライプ直下における電流密度を上げることができず、動作電流の大幅な増加を招いてしまう。そこで、本実施形態２の窒化物系半導体レーザ素子のように、絶縁性を示す材料からなる埋込み層を挿入することにより、そのような問題を解消することができ、すなわちリッジストライプ直下のみに電流を狭窄させることができるようになる。
【０１０１】
なお、本実施形態２の窒化物系半導体レーザ素子において吸収性を有する埋込み層８１０の厚さが実施形態１の窒化物系半導体レーザ素子の場合と同様に０．１μｍ以上あれば、その埋込み層の厚さのばらつきが素子特性に与える影響は事実上無視でき、本発明の効果が得られる。また、本実施形態２において、埋込み層の屈折率および吸収係数が満たすべき範囲は、実施形態１の場合と全く同じである。
【０１０２】
本実施形態２の窒化物系半導体レーザ素子において、Ｗ＝１．５μｍ、θ‖＝９．５°、ｘ＝１０［ｃｍ-1］、およびｙ＝１０［ｃｍ-1］の場合、埋込み層材料の屈折率実数部Ｒおよび吸収係数α［×１０5ｃｍ-1］が満たすべき条件は式（８）の通りであるが、この範囲内に相当して本実施形態２の窒化物系半導体レーザ素子に適用可能な材料としては、実施形態１で挙げた材料以外に、Ａｌ（Ｒ＝０．４９；α＝１，５００，０００ｃｍ-1）、Ｒｈ（Ｒ＝１．４１；α＝１，３００，０００ｃｍ-1）、Ｐｔ（Ｒ＝１．７２；α＝８９０，０００ｃｍ-1）、Ｔｉ（Ｒ＝１．５５；α＝６８０，０００ｃｍ-1）、Ａｕ（Ｒ＝１．６５８；α＝６１０，０００ｃｍ-1）、Ｎｉ（Ｒ＝１．６１；α＝７４０，０００ｃｍ-1）、Ｃｕ（Ｒ＝１．１８；α＝６７０，０００ｃｍ-1）、Ｍｏ（Ｒ＝３．０３；α＝１，０００，０００ｃｍ-1）などの金属がある。
【０１０３】
このように、実施形態１の窒化物系半導体レーザ素子では電気伝導体であるかまたは正電極との密着性が良好でないことの理由で埋込み層材料として適用できなかった材料が、本実施形態２の窒化物系半導体レーザ素子においては適用可能になり、選択の幅が広がるという効果を奏する。
【０１０４】
なお、本実施形態２において、可視波長の光に対して吸収を示す埋込み層８１０、絶縁性を示す埋込み層８１１はそれぞれ１層ずつで構成されたものを示したが、それぞれが複数層で形成されていてもよく、可視波長に対して吸収を示す埋込み層８１０が、リッジストライプの両側に位置するリッジ底面上に接するように形成されていれば、本発明の効果が得られる。
【０１０５】
［実施形態３］
実施形態３の窒化物系半導体レーザ素子では、実施形態１または２の形態を有する窒化物系半導体レーザ素子のうちで特に９°≦θ‖≦１０°、基本次水平横モードと１次水平横モードの吸収係数差の下限がｘ＝１０［ｃｍ-1］、および基本次水平横モード吸収係数の上限がｙ＝５［ｃｍ-1］である場合に好ましい埋込み層材料が開示される。ここで、埋込み層材料として使用できる材料の例が図９のグラフに示されているが、埋込み層材料の候補としてはここに表示されたものに限定されはしない。なお、図９のグラフにおいて、横軸は埋込み層に用いられる材料の屈折率実数部を表し、縦軸はその吸収係数［×１０5ｃｍ-1］を表している。
【０１０６】
例えばストライプ幅Ｗが１．９μｍ以上２．０μｍ以下の場合、埋込み層の材料としては、絶縁体または半導体ではＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、またはＩｎＡｓが好ましい。
【０１０７】
Ｗが１．８μｍ以上１．９μｍ未満の場合、絶縁体または半導体ではＳｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＯ、ＩｎＰ、Ｇｅ、またはＩｎＡｓが好ましく、金属ではＡｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｗが好ましい。
【０１０８】
Ｗが１．７μｍ以上１．８μｍ未満の場合、絶縁体または半導体ではＳｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＯ、ＩｎＰ、またはＩｎＡｓが好ましく、金属ではＡｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｍｏ、またはＷが好ましい。
【０１０９】
Ｗが１．６μｍ以上１．７μｍ未満の場合、絶縁体または半導体ではＳｉＯ、アモルファスＳｉ、ＳｉＯ、ＧａＡｓ、またはＩｎＰが好ましく、金属ではＡｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｍｏ、またはＷが好ましい。
【０１１０】
Ｗが１．５μｍ以上１．６μｍ未満の場合、絶縁体または半導体ではＧｅまたはＳｉＯが好ましく、金属ではＡｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｍｏ、またはＷが好ましい。
【０１１１】
Ｗが１．４μｍ以上１．５μｍ未満の場合、金属ではＡｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、またはＡｕが好ましい。
【０１１２】
Ｗが１．０μｍ以上１．４μｍ未満の場合、金属ではＡｌ、Ａｇ、またはＲｈが好ましい。
【０１１３】
ただし、これらの場合において、埋込み層が絶縁体または半導体の場合は実施形態１または２のいずれの形態の窒化物系半導体レーザ素子でもよいが、埋込み層が金属の場合は実施形態２の形態の窒化物系半導体レーザ素子を作製する必要がある。
【０１１４】
［実施形態４］
実施形態４の窒化物系半導体レーザ素子では、実施形態１または２の形態を有する窒化物系半導体レーザ素子のうちで、特にＷが１．４μｍ以上１．７μｍ以下、１０°＜θ‖≦１１°、基本次水平横モードと１次水平横モードの吸収係数差の下限がｘ＝１０［ｃｍ-1］、および基本次水平横モード吸収係数の上限がｙ＝５［ｃｍ-1］である場合に好ましい埋込み層材料が開示される。
【０１１５】
例えばストライプ幅Ｗが１．６μｍ以上１．７μｍ以下の場合、埋込み層の材料としては、絶縁体または半導体ではＳｉ、ＳｉＯ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、またはＩｎＡｓが好ましく、金属ではＡｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｍｏ、またはＷが好ましい。
【０１１６】
Ｗが１．５μｍ以上１．６μｍ未満の場合、絶縁体または半導体ではＳｉ、ＳｉＯ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、またはＩｎＡｓが好ましく、金属ではＡｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｍｏ、またはＷが好ましい。
【０１１７】
Ｗが１．４μｍ以上１．５μｍ未満の場合、絶縁体または半導体ではアモルファスＳｉ、ＳｉＯ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、またはＩｎＡｓが好ましく、金属ではＡｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｍｏ、またはＷが好ましい。
【０１１８】
ただし、これらの場合においても、埋込み層が絶縁体または半導体の場合は実施形態１または２のいずれの形態の窒化物系半導体レーザ素子でもよいが、埋込み層が金属の場合は実施形態２の形態の窒化物系半導体レーザ素子を作製する必要がある。
【０１１９】
［実施形態５］
実施形態５の窒化物系半導体レーザ素子では、実施形態１または２の形態を有する窒化物系半導体レーザ素子のうちで、特にＷが１．４μｍ以上１．７μｍ以下、１１°＜θ‖≦１２°、基本次水平横モードと１次水平横モードの吸収係数差の下限がｘ＝１０［ｃｍ-1］、および基本次水平横モード吸収係数の上限がｙ＝５［ｃｍ-1］である場合に好ましい埋込み層材料が開示される。
【０１２０】
例えばストライプ幅Ｗが１．６μｍ以上１．７μｍ以下の場合、埋込み層の材料としては、絶縁体または半導体ではＧａＰ、ＩｎＰ、またはＳｉ結晶が好ましい。
【０１２１】
Ｗが１．５μｍ以上１．６μｍ未満の場合、絶縁体または半導体ではＳｉ、ＳｉＯ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、またはＩｎＡｓが好ましく、金属ではＷが好ましい。
【０１２２】
Ｗが１．４μｍ以上１．５μｍ未満の場合、絶縁体または半導体ではＳｉ、ＳｉＯ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、ＩｎＡｓ、またはＩｎＰが好ましく、金属ではＡｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｍｏ、またはＷが好ましい。
【０１２３】
ただし、これらの場合においても、埋込み層が絶縁体または半導体の場合は実施形態１または２のいずれの形態の窒化物系半導体レーザ素子でもよいが、埋込み層が金属の場合は実施形態２の形態の窒化物系半導体レーザ素子を作製する必要がある。
【０１２４】
［実施形態６］
図１０は、実施形態６に係る光学式情報処理装置の一例を模式的なブロック図で示している。この光学式情報処理装置は、本発明による窒化物系系半導体レーザ素子を記録光用の光源として含んでおり、光源以外には公知の構成が用いられている。
【０１２５】
図１０の光学式情報処理装置は、本発明による窒化物系半導体レーザ素子１００１と、ビーム射出制御手段（図示せず）と、コリメータレンズ１００２と、ビーム成形プリズム１００３と、ビームスプリッタ１００４と、対物レンズ（集光手段）１００５と、光ディスク（光記録媒体）１００６と、照射位置制御手段（図示せず）と、光を検出する光検出系（光検出手段）１００７とを含んでいる。なお、図１０において、図面の簡略化と明瞭化のために、本発明の特徴を説明するのに不要な部品（手段）は図示が省略されている。
【０１２６】
図１０の光学式情報処理装置においては、窒化物系半導体レーザ素子１００１は、記録用の光源、再生用の光源、および消去用の光源を兼ねることができる。また、ビーム射出制御手段は、異なる出力の光を射出させることができ、記録用の光および消去用の光の出力に比べて再生動作の際には低い出力で光を射出するように制御し得る。
【０１２７】
記録動作時および消去動作時には、窒化物系半導体レーザ装置１００１から出射したレーザ光は、コリメータレンズ１００２で平行光もしくは平行に近い光ビームに変換され、ビーム成形プリズム１００３とビームスプリッタ１００４を経て、対物レンズ１００５によって光ディスク１００６の情報記録面上に集光される。光ディスク１００６の情報記録面には、磁気変調または屈折率変調によりビット情報が書き込まれる。再生動作時には、記録時およ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、凹凸または磁気変調または屈折率変調により記録されている光ディスク１００６の情報記録面に集光される。その集光されたレーザ光は情報記録面で反射されて、対物レンズ１００５を通してビームスプリッタ１００４を透過し、光検出系１００７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。
【０１２８】
本発明の窒化物系半導体レーザ素子を備えた光学式情報処理装置においては、記録動作時は、１０-6以下の欠陥発生率が達成され得る。また、再生動作時においては、書き込まれた情報がビット読み取りエラー率１０-6で読み出され得る。
【０１２９】
これに対して、従来の窒化物系半導体レーザ素子を備えた光学式情報処理装置においては、記録動作時の欠陥発生率および再生動作時のビット誤り率が、共に１０-3のオーダである。この相違は、高出力まで基本次水平横モードの発振を維持し、高出力までキンクのないＩ−Ｌ特性を有する窒化物系半導体レーザ素子を本光学式情報処理装置に用いることによって、光ディスク上に集光されるレーザ光の出力が高くかつ安定し得るからである。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本発明によれば、所定の材料からなる埋込み層を用いることで、動作電流の増大を抑制しつつ、高出力まで安定な横モード発振を高い歩留りで実現する半導体レーザを提供することができる。そして、そのような半導体レーザを利用することによって、高速かつ高密度で情報を記録、再生、または消去し得る光学式情報処理装置を提供することができる。この場合、高出力まで基本次水平横モードで発振し得てＦＦＰにおける楕円率が１に近づけられた本発明の窒化物系半導体レーザ素子を用いるので、楕円形のビームスポットを円形に近づけるための手段、例えば従来必ず使用されていた形成プリズムを省略することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【図２】レーザ素子におけるストライプ外局所吸収係数と横モード吸収係数との関係を示すグラフである。
【図３】埋込み層の屈折率の実数部とストライプ外局所吸収係数との関係を示すグラフである。
【図４】埋込み層の屈折率の実数部と埋込み層の吸収係数との関係を示すグラフである。
【図５】埋込み層の材料が満たすべき屈折率を求める過程を示すフロー図である。
【図６】埋込み層の屈折率実数部Ｒおよび吸収係数αを決定する手続きの一例を説明するためのグラフである。
【図７】埋込み層の屈折率実数部Ｒおよび吸収係数αを決定する手続きの他の例を説明するためのグラフである。
【図８】本発明の他の実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【図９】埋込み層に使用し得る材料の例を示すグラフである。
【図１０】本発明による消去可能型の光学式情報処理装置の一例を示す模式的ブロック図である。
【図１１】従来の典型的な窒化物系半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
【０１３２】
１０１、８０１  ｎ型ＧａＮ基板、１０２、８０２  ｎ型ＧａＮ下地層、１０３、８０３  ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ下部クラッド層、１０４、８０４  ｎ型ＧａＮ下部光導波層、１０５、８０５  交互に積層されたｎ型ＩｎvＧａ1-vＮ障壁層とＩｎwＧａ1-wＮ井戸層を含む多重量子井戸構造からなる活性層、１０６、８０６  ｐ型ＡｌzＧａ1-zＮキャリアブロック層、１０７、８０７  ｐ型ＧａＮ上部光導波層、１０８、８０８  ｐ型Ａｌy1Ｇａ1-y1Ｎ上部クラッド層、１０９、８０９  ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１０、８１０、８１１  埋込み層、１１１、８１２  正電極、１１２、８１３  負電極、１１３、８１４  エッチングされた領域。
【図１】
2005223148.tif 000005
【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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