(57)【要約】【課題】高出力でも安定して単一横モードを維持可能な窒化物系半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】レーザ素子１ＡのＮ電極１０とＰ電極２２の間には一方の電極から他方の電極に至る電流路が形成され、この電流路中にはｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１４とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９に挟まれたｎ−ＩｎＧａＮ活性層１６が存在する。電流路にはＰ電極２２とｎ−ＩｎＧａＮ活性層１６の間の部分に電流狭窄領域３３を形成する中央リッジ構造３０が形成される。中央リッジ構造３０の外側には離間領域３２が設けられ、離間領域３２の外側には外側リッジ構造３１が設けられる。中央リッジ構造３０の等価屈折率は離間領域３２の等価屈折率よりも大きく、離間領域３２の等価屈折率は外側リッジ構造３１の等価屈折率よりも小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にｎ型窒化物半導体層、活性層及びｐ型窒化物半導体層を少なくとも有し、ストライプ状の導波路となる中央リッジ構造が設けられた窒化物系半導体レーザ素子であって、
前記中央リッジ構造の外側には離間領域を備え、
前記離間領域の外側には外側リッジ構造を備え、
前記中央リッジ構造の等価屈折率は前記離間領域の等価屈折率よりも大きく、
前記離間領域の等価屈折率は前記外側リッジ構造の等価屈折率よりも小さいことを特徴とする窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記中央リッジ構造と前記外側リッジ構造との距離は前記離間領域を隔てて１．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
【請求項３】
前記離間領域及び前記外側リッジ構造を構成する材料は、電極材料の金属および活性層内の材料を除いて、レーザ発光波長に対する吸収係数が０．１以下の材料で構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ素子。
【請求項４】
前記離間領域は、金属、半導体、誘電体、絶縁体、または空間のいずれかで構成され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レーザ素子。
【請求項５】
前記離間領域が絶縁体で構成される場合、当該絶縁体にはＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、ＣｅＯ2、ＺｎＳ、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、Ｓｉ3Ｎ4及びＢｉ2Ｏ3のいずれかが選択されることを特徴とする請求項４に記載のレーザ素子。
【請求項６】
前記離間領域及び前記外側リッジ構造は等価屈折率が前記中央リッジ構造から遠ざかるにつれ漸増す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レーザ素子。
【請求項７】
前記離間領域は前記ｐ型窒化物半導体層の上部に離間領域第１層と離間領域第２層を少なくとも含み、前記離間領域第１層は前記活性層に近い側に配置され、前記離間領域第２層は前記活性層から遠い側に配置され、前記離間領域の外側には外側リッジ構造をなす層が配置され、レーザ発光波長に対する屈折率は前記外側リッジ構造をなす層の方が前記離間領域第１層よりも大きいことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレーザ素子。
【請求項８】
前記中央リッジ構造の幅は０．５μｍ以上５μｍ以下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レーザ素子。
【請求項９】
光源からの光を光記録媒体に導いて情報の記録と再生を行う光記録再生装置において、請求項１から８までのいずれかに記載のレーザ素子を光源として備えることを特徴とする光記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系半導体よりなるレーザ素子及びそれを光源に用いる光記録再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光記録再生装置にあっては、記録の高密度化のため、光源の短波長化が課題となっている。レンズや記録媒体である光ディスクがプラスチック材料で形成されている場合、光源の波長を４００ｎｍ前後とすることが求められる。このような短波長の光源としては窒化ガリウムに代表される窒化物から成る半導体レーザ素子が適している。特許文献１〜３に窒化物系半導体レーザ素子の例を見ることができる。
【０００３】
特許文献１に記載された窒化物系半導体レーザ素子はリッジ構造を備える。このレーザ素子はリッジ構造の下部から０．３μｍ以上離間して活性層における光の共振方向に延びる光吸収部を備え、この光吸収部により、レーザ光の利用に際して悪影響を及ぼし易い自然放出光の低減が図られている。
【０００４】
特許文献２に記載された窒化物系半導体レーザ素子はストライプ状のリッジ構造を備える。このレーザ素子には出射端面と接するように凹部が設けられ、この凹部の側面は粗面とされている。リッジストライプからの漏れ光は凹部の側面では反射しないため、高反射面との間で多重反射せず、電流−光出力特性に雑音が生じることが防がれている。
【０００５】
特許文献３に記載された窒化物系半導体レーザ素子はリッジストライプを備える。リッジストライプが形成されて露出した露出面の少なくとも一部に、不純物を添加したＧａＮ層が形成され、このＧａＮ層を吸収層としてはたらかせて、遠視野像がリップルなしの単峰ガウシアン形状となるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３９８９２４４号公報
【特許文献２】特開２００６−２８７１３７号公報
【特許文献３】特開２００６−２１６７３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光記録再生装置の光源として用いられる窒化物系半導体レーザ素子は、レンズで集光するため単一横モードで動作する必要がある。しかしながら出力が増加すると単一横モードが崩れ、多横モード化する傾向がある。これは電流−光出力特性で折れ曲がりとして現れ、その折れ曲がりはＩ−Ｌ特性のキンクと呼ばれる。レンズによる集光が困難になる多横モード化は極力避ける必要がある。
【０００８】
単一横モードを維持する手段の一つは、光を導波する導波路層の厚さを狭くすることである。しかしながらリッジ構造を持つ半導体レーザ素子において導波路層厚を狭くするということは電流狭窄領域を狭くすることと同義であり、より高い駆動電圧が必要になる。
【０００９】
単一横モードの維持は、発振波長が短くなるほど、また材料屈折率が小さくなるほど難しくなる。光記録再生装置の光源として現在多く用いられているＧａＡｓ等の半導体レーザ素子は発振波長が６６０ｎｍ、７８０ｎｍ程度であり、材料屈折率が３．５程度であるのに対し、窒化物系半導体レーザ素子は発振波長は４０５ｎｍであり、材料屈折率は２．５程度である。すなわち窒化物系半導体レーザ素子はＧａＡｓ等の半導体レーザ素子に比べ単一横モードの維持が困難である。
【００１０】
導波層厚を狭くするという手法を窒化物系半導体レーザ素子に適用すると、ＧａＡｓ等の半導体レーザ素子以上に電流狭窄領域を狭くする必要があり、より高い動作電圧が必要になる。レーザ素子の動作電圧は低い方が良いので、この手法の導入は困難である。
【００１１】
特許文献１に記載された窒化物系半導体レーザ素子の構造によれば、リッジ構造の外側に光吸収部が設けられているため、多横モードの原因である高次横モードの発振が抑制される。しかしながら単一横モード動作しているレーザ光も少なからず光吸収部に吸収されるため、光取り出し効率が低下し、発振しきい電流値が増大する。光吸収部を備える窒化物系半導体レーザ素子において、単一横モード動作しているレーザ光の吸収をできる限り小さくするには、１×１０-1μｍオーダーのプロセス精度が必要になり、量産性の低下を招く。
【００１２】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、光取り出し効率の低下、発振しきい電流値の増大、駆動電圧の上昇といった問題を招くことなく、高出力でも安定して単一横モードを維持可能な窒化物系半導体レーザ素子を提供することを目的とする。また、そのような窒化物系半導体レーザ素子を光源として備える高性能の光記録再生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明に係るレーザ素子は、基板上にｎ型窒化物半導体層、活性層及びｐ型窒化物半導体層を少なくとも有し、ストライプ状の導波路となる中央リッジ構造が設けられた窒化物系半導体レーザ素子であって、前記中央リッジ構造の外側には離間領域を備え、前記離間領域の外側には外側リッジ構造を備え、前記中央リッジ構造の等価屈折率は前記離間領域の等価屈折率よりも大きく、前記離間領域の等価屈折率は前記外側リッジ構造の等価屈折率よりも小さいことを特徴としている。
【００１４】
上記構成のレーザ素子において、前記中央リッジ構造と前記外側リッジ構造との距離は前記離間領域を隔てて１．０μｍ以下であることが好ましい。
【００１５】
上記構成のレーザ素子において、前記離間領域及び前記外側リッジ構造を構成する材料は、電極材料の金属および活性層内の材料を除いて、レーザ発光波長に対する吸収係数が０．１以下の材料で構成されることが好ましい。
【００１６】
上記構成のレーザ素子において、前記離間領域は、金属、半導体、誘電体、絶縁体、または空間のいずれかで構成されることが好ましい。
【００１７】
上記構成のレーザ素子において、前記離間領域が絶縁体で構成される場合、当該絶縁体にはＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、ＣｅＯ2、ＺｎＳ、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、Ｓｉ3Ｎ4及びＢｉ2Ｏ3のいずれかが選択されることが好ましい。
【００１８】
上記構成のレーザ素子において、前記離間領域及び前記外側リッジ構造は等価屈折率が前記中央リッジ構造から遠ざかるにつれ漸増することが好ましい。
【００１９】
上記構成のレーザ素子において、前記離間領域は前記ｐ型窒化物半導体層の上部に離間領域第１層と離間領域第２層を少なくとも含み、前記離間領域第１層は前記活性層に近い側に配置され、前記離間領域第２層は前記活性層から遠い側に配置され、前記離間領域の外側には外側リッジ構造をなす層が配置され、レーザ発光波長に対する屈折率は前記外側リッジ構造をなす層の方が前記離間領域第１層よりも大きいことが好ましい。
【００２０】
上記構成のレーザ素子において、前記中央リッジ構造の幅は０．５μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。
【００２１】
また本発明は、上記構成のレーザ素子を光源として備える光記録再生装置であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の構成によると、中央リッジ構造に挟まれた電流狭窄領域の直下では単峰性の光出力分布を持つ基本横モードを発振させ、利得もレーザ発振に十分なものとすることができるが、双峰性の光出力分布を持つ高次横モードは、峰の位置が電流狭窄領域の外側方向にシフトし、光が電流狭窄領域の外側方向に放射してしまい、レーザ発振に至るほどの利得を得ることができない。このため、高出力領域でも高次横モードに移行せず、安定した単一横モード動作を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態に係るレーザ素子の模式的断面図及び当該レーザ素子における等価屈折率のグラフである。
【図２】本発明の第２実施形態に係るレーザ素子の模式的断面図及び当該レーザ素子における等価屈折率のグラフである。
【図３】本発明の第３実施形態に係るレーザ素子の模式的断面図及び当該レーザ素子における等価屈折率のグラフである。
【図４】本発明の第４実施形態に係るレーザ素子の模式的断面図及び当該レーザ素子における等価屈折率のグラフである。
【図５】本発明の第５実施形態に係るレーザ素子の模式的断面図及び当該レーザ素子における等価屈折率のグラフである。
【図６】本発明の第６実施形態に係るレーザ素子の模式的断面図及び当該レーザ素子における等価屈折率のグラフである。
【図７】本発明の第７実施形態に係るレーザ素子の模式的断面図及び当該レーザ素子における等価屈折率のグラフである。
【図８】本発明の第８実施形態に係るレーザ素子の模式的断面図及び当該レーザ素子における等価屈折率のグラフである。
【図９】本発明の動作原理図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１に示すのは第１実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子（以下単に「レーザ素子」という）１Ａである。レーザ素子１Ａは、下から順に、Ｎ電極１０、ｎ−ＧａＮ基板１１、ｎ−ＧａＮ層１２、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層１３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１４、ｎ−ＧａＮガイド層１５、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層１６、ｐ−ＡｌＧａＮバリア層１７、ｐ−ＧａＮガイド層１８、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０、絶縁膜２１、及びＰ電極２２を積層した構造を備える。
【００２５】
ｎ−ＧａＮ層１２からｐ−ＧａＮコンタクト層２０までが窒化物系半導体である。その中で、ｎ−ＧａＮ層１２からｎ−ＩｎＧａＮ活性層１６までがｎ型窒化物半導体層及び活性層であり、ｐ−ＡｌＧａＮバリア層１７からｐ−ＧａＮコンタクト層２０までがｐ型窒化物半導体層である。
【００２６】
ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９の上部からｐ−ＧａＮコンタクト層２０にかけて、ストライプ状のリッジ構造が３対形成されている。すなわち対をなすリッジ構造３０が中央に形成され、その左右両側には、それぞれ対をなすリッジ構造３１が形成されている。以後、リッジ構造３０のことを中央リッジ構造３０と称し、リッジ構造３１のことを外側リッジ構造と称する。中央リッジ構造３０と外側リッジ構造３１は、対をなすリッジ構造のうち図において左側に位置するもののみに符号が付されている。
【００２７】
中央リッジ構造３０の端と外側リッジ構造３１の端とは離間領域３２の幅Ｄだけ離間している。「リッジ構造の端」は「リッジ構造領域の外側で、限りなくリッジ構造の側面に近接する位置」と定義する。離間領域３２の幅Ｄの値は１．０μｍ以下とされており、中央リッジ構造３０と外側リッジ構造３１は、離間しているとはいえ近接した位置関係にある。
【００２８】
絶縁膜２１は、中央リッジ構造３０の側面と、外側リッジ構造３１の側面及び上部、及び外側リッジ構造３１の側方に位置するｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９の上面を覆う。ｐ−ＧａＮコンタクト層２０の中で、中央リッジ構造３０に挟まれた部分が上方に露出する。Ｎ電極１０は基板１１の下面のほぼ全体を覆い、Ｐ電極２２はｐ−ＧａＮコンタクト層２０の露出部分と絶縁膜２１を覆う。
【００２９】
レーザ素子１Ａは次のようにして作製される。先ず、ｎ−ＧａＮ基板１１に、通常用いられるＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）法などの結晶成長方法を用いて、ｎ−ＧａＮ層１２、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層１３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１４、ｎ−ＧａＮガイド層１５、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層１６、ｐ−ＡｌＧａＮバリア層１７、ｐ−ＧａＮガイド層１８、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９、及びｐ−ＧａＮコンタクト層２０を積層する。
【００３０】
続いて中央リッジ構造３０と外側リッジ構造３１を形成する。中央リッジ構造と外側リッジ構造３１は、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９の途中までが一部除去されることにより形成される。ｐ−ＧａＮコンタクト層２０とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９の除去は、フォトリソグラフィーを用いて、ＩＣＰ（inductively   coupled plasma）エッチング装置で行うことができる。
【００３１】
ＩＣＰエッチング装置で処理することにより、離間領域３２の幅Ｄが１．０μｍ以下となるように中央リッジ構造３０と外側リッジ構造３１を、１回の処理で同時に精度良く形成することができる。中央リッジ構造の幅は０．５μｍ以上５μｍ以下であるものとする。なお外側リッジ構造３１は中央リッジ構造３０の両側に１対ずつ設けられているが、中央リッジ構造３０に対面する位置に１個だけ設けられる構成であっても構わない。
【００３２】
続いてＳｉＯ2からなる絶縁膜２１を形成する。絶縁膜２１は通常のスパッタ法などにより形成される。図１では中央リッジ構造３０と外側リッジ構造３１の離間領域３２でｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９の上部を完全に埋める形で絶縁膜２１が形成されている。
【００３３】
絶縁膜２１の形成後、１対の中央リッジ構造３０により挟まれた箇所の上部をフォトリソグラフィーで開口し、ウェットエッチングによりその箇所の絶縁膜２１を除去する。その後、通常の方法によりＮ電極１０とＰ電極２２を形成し、ウェハを劈開及び分割して、半導体レーザ素子１Ａのチップとする。リッジ構造のリッジストライプに直交する劈開端面には必要に応じて反射膜や保護膜が形成される。
【００３４】
電流はＰ電極２２とＮ電極１０の間を流れる。電流が流れる箇所が電流路となる。絶縁膜２１によって電流路は規制され、絶縁膜２１が存在しない、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０の露出部分からのみ電流が注入される。ｎ−ＩｎＧａＮ活性層１６への電流注入幅は、中央リッジ構造３０の下端同士の間隔にほぼ等しい幅となる。すなわち、電流路のうち中央リッジ構造３０によって挟まれる部分が電流狭窄領域３３となる。電流狭窄領域３３の幅は０．５μｍ以上５μｍ以下とされる。
【００３５】
ｎ−ＩｎＧａＮ活性層１６のうち、電流狭窄領域３３の直下に位置する部分がレーザ光の生成に関与する部分となる。光はｎ−ＩｎＧａＮ活性層１６の内部で共振し、生成されたレーザ光は紙面の手前側の端面、もしくは手前側と奥側の両端面から出射する。電流狭窄領域３３が形成されていることにより、レーザ光の幅が狭くなるとともにｎ−ＩｎＧａＮ活性層１６を流れる電流の密度が増大し、レーザ発振に必要な駆動電力が少なくて済む。なお離間領域３２及び外側リッジ構造３１は、レーザ発光波長に対する吸収係数が０．１以下の材料から構成されるものとする。ただし、電極および活性層は、レーザ発光波長に対する吸収係数が０．１以上の材料（電極にあっては金属）から構成されてもよい。
【００３６】
レーザ発振の基本モードは単一横モードである。単一横モードとなるよう中央リッジ構造３０が最適化されていなくても、基本的には単一横モードで発振する。しかしながら、
注入される電流（以下「注入電流」と称する）の量が増大すると、横モードが双峰化、マルチモード（多横モード）化する。これは電流−光出力特性におけるキンク現象として知られている。このような現象の発生機構を以下に説明する。
【００３７】
注入電流量が小さい領域では、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層１６における単峰性のキャリア密度分布と単峰性の基本横モードの光強度分布がよく一致しているために、双峰性の光強度分布を持つ高次横モードよりも基本横モードの方が利得大となり、基本横モードで動作する。
【００３８】
注入電流量が大きくなると、電流狭窄領域３３の直下のｎ−ＩｎＧａＮ活性層１６の中央部分では、外側に比べ光強度が強いため、キャリアの消費量が多く、キャリア密度分布が凹状になる。この現象は空間的ホールバーニングと呼ばれる。このようにキャリア密度分布が凹状になると基本横モードは利得を得にくくなる。他方、双峰性の光強度分布を持つ高次横モードは、基本横モードに比べ利得が減少しにくい。この傾向が進むと高次横モードの利得が基本横モードの利得を上回ることになり、高次横モードの発振が生じ、キンク現象が発生する。
【００３９】
上記の通り、キンク現象の発生は高次横モードでの発振に起因する。従って、キンク現象の発生を回避しようと思えば、高次横モードの利得を減少させれば良い、ということになる。そこで本発明では、電流狭窄領域３３の外側に、単峰性の光強度分布となる基本横モードでの発振に対しては利得を減少させるように作用せず、双峰性の光強度分布となる高次横モードでの発振に対しては利得を減少させるように作用する構造を形成して、高次横モードの利得を減少させる。
【００４０】
レーザ素子１Ａでは、中央リッジ構造３０の外側に形成された離間領域３２と外側リッジ構造３１が高次横モードの利得を減少させる構造を構成する。
【００４１】
電流狭窄領域３３の直下に単峰性の強い光強度分布を持つ基本横モードは、Ｐ電極２２より電流狭窄領域３３を通じての注入電流により、安定して利得を得る。電流路が狭窄されていることにより、生成されたレーザ光の幅が狭くなると共に、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層１６を流れる電流の密度が増大して、レーザ発振に必要な駆動電力が少なくて済む。
【００４２】
他方、双峰性の光出力分布を持つ高次横モードは、中央リッジ構造３０の両側に外側リッジ構造３１が、離間領域３２の幅Ｄを隔てて１．０μｍ以下という近接した位置関係で設けられていることにより、双峰性の光強度分布はｎ−ＩｎＧａＮ活性層１６の広がりと平行な方向に広がる。前述の通り、電流狭窄領域３３の直下に単峰性の強い光強度分布を持つ基本横モードは中央リッジ構造３０の上部からの注入電流により安定して利得が得られるのに対し、中央リッジ構造３０の外側に強い光強度分布を持つ高次横モードは、外側リッジ構造３１の上部から電流が注入されるということがないため、利得が得られにくい。このため、注入電流量が増大しても高次横モードの利得が基本横モードの利得を上回ることはなく、高次横モードの発振が生じない。すなわち注入電流量が高レベルに達しても基本横モード動作が維持される。
【００４３】
離間領域３２の幅Ｄが大きくなるとキンク現象回避の効果がなくなる。高次横モードの双峰性光強度分布に影響が及ばなくなる、すなわちキンク抑制の効果が得られなくなる離間領域３２の幅Ｄの値は１．０μｍ超であることが、実験及び計算から判明している。
【００４４】
図１の上方には等価屈折率のグラフが添えられている。本願発明の窒化物系半導体レーザ素子は窒化物系半導体層の積層面とは垂直な平面で仕切られた仮想的な領域Iから領域 VIIを有する。領域Iから領域VIIは中央リッジ構造３０、離間領域３２、外側リッジ構造３１など、それぞれの構造の界面で仮想的に仕切られている。等価屈折率は領域Iから領域VIIで、領域毎に次のようにして算出する。
【００４５】
ｎ−ＩｎＧａＮ活性層１６の面に垂直な方向の層構造が同じになるよう、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層１６の面に平行な方向、すなわち水平方向で領域を多数に分割する。垂直方向の層構造が同じ各々の領域を単純な多層スラブ導波路として、波動方程式から導出される固有値方程式より基本横モードの伝播係数βを得る。伝播係数βを真空中の波数ｋ０で除した値が、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層１６の面に対し垂直な方向の導波モードの等価屈折率である。つまり、本願発明の等価屈折率は例えば、図１の領域Iから領域VIIにおいて窒化物系半導体層の積層面に対し垂直方向の半導体層、絶縁層、金属層、及び空間などの層厚、屈折率から導き出されたそれぞれの領域毎の屈折率とする。
【００４６】
水平方向において層構造が連続的に変化している場合には、領域を水平方向に０．１μｍ単位で分割し、各々の分割領域における屈折率、層厚の最大値、最小値の平均値をその分割領域の屈折率、層厚として計算することになる。
【００４７】
図１において、レーザ素子１Ａの等価屈折率のグラフを見ると、中央リッジ構造３０と外側リッジ構造３１の等価屈折率に対し、離間領域３２の等価屈折率は小さくなっている。このような等価屈折率の分布は、単一横モードのレーザ発振と高次横モードのレーザ発振に次のような影響を及ぼす。
【００４８】
図９には図１のグラフ形状とともに３個の横長楕円が描かれている。上方に描かれた、１個の楕円（網掛けが施されている）は単一横モードを象徴する。下方に描かれた２個の楕円（水平なハッチングが施されている）は高次横モードを象徴する。
【００４９】
基本モードである単一横モードは等価屈折率が下がった箇所の間に単峰性光出力分布の峰を有する。単一横モードに関しては利得をレーザ発振に十分なものとすることができる
が、双峰性の光出力分布を持つ高次横モードは、等価屈折率が下がった箇所の外側方向に峰の位置がシフトし、光が外側方向に放射してしまい、レーザ発振に至るほどの利得を得ることができない。このため、高出力領域でも高次横モードに移行せず、安定した単一横モード動作を維持することができる。
【００５０】
続いて、第２実施形態以降のレーザ素子の構造を図２から図８までの図に基づき説明する。いずれの実施形態においても、第１実施形態と同一または機能的に共通する構成要素には第１実施形態で用いたのと同じ符号を付し、説明は省略する。
【００５１】
図２に示す第２実施形態のレーザ素子１Ｂは、第１実施形態のレーザ素子１Ａの変形態様である。すなわちレーザ素子１Ａでは中央リッジ構造３０の両側の外側リッジ構造３１はいずれも１対の側面を持つリッジ構造であったが、レーザ素子１Ｂでは外側リッジ構造３１のうち中央リッジ構造３０に対面する側面のみを残し、中央リッジ構造３０に対面しない側面は廃止されている。
【００５２】
第２実施形態のレーザ素子１Ｂの外側リッジ構造３１は、第１実施形態とは異なる、フォトリソグラフのマスクパターンを使用し、エッチングすることで形成される。第２実施形態のレーザ素子１Ｂでは、外側リッジ構造３１の両側側面内の限られた領域で双峰性の光を制御することは難しくなるものの、第１実施形態のレーザ素子１Ａに比べ、リッジ構造形成の手間が軽減されるという利点がある。つまり、外側リッジ構造３１のうち中央リッジ構造３０に対面する側面のみでも高次横モードの双峰は光が外側リッジ構造３１に放射する効果を有する。
【００５３】
図３に示す第３実施形態のレーザ素子１Ｃは、第１実施形態のレーザ素子１Ａと次の点が異なっている。すなわちレーザ素子１Ｃでは、電流狭窄領域３３の外側、中央リッジ構造３０と外側リッジ構造３１の間の箇所に離間領域第１層３４が形成されている。離間領域第１層３４は中央リッジ構造３０の端から始まり、その幅は１．０μｍ以下である。離間領域第１層３４はｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９もしくは、ｐ−ＡｌＧａＮガイド層１８の内部にのみ存在するものであり、ｐ−ＡｌＧａＮバリア層１７にまで達する深さは有していない。
【００５４】
離間領域第１層３４はリッジエッチング工程の後、再度フォトリソグラフィ法を用いて、離間領域３２でかつｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９の露出部分にスパッタリングなどにより材料を積層させて形成することができる。また離間領域第１層３４を空間もしくは真空とする場合は、絶縁膜２１の製膜条件を調整することにより、完全に離間領域３２を埋め込まない事で形成することができる。
【００５５】
離間領域第１層３４を形成する事により、中央リッジ構造３０と外側リッジ構造３１に対する離間領域３２の等価屈折率差を、実施形態１および実施形態２よりも精度の高い、もしくは自由度の高いものにすることができる。
【００５６】
離間領域第１層３４は、半導体、誘電体、絶縁体、または空間のいずれかで構成される。
【００５７】
離間領域第１層３４が空間で構成される場合、その空間は真空であってもよく、空気等の気体で満たされる構成であってもよい。空気層により離間領域第１層３４が形成されると、誘電体で離間領域第１層３４が形成された場合に比べ等価屈折率段差をより大きくすることができるので、高次横モードの発振抑制という観点ではより望ましいものとなる。
【００５８】
離間領域第１層３４が誘電体で構成される場合、その誘電体の屈折率は、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９の屈折率より極力小さい方が望ましい。
【００５９】
離間領域第１層３４が絶縁体で構成される場合、当該絶縁体にはＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、ＣｅＯ2、ＺｎＳ、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、Ｓｉ3Ｎ4及びＢｉ2Ｏ3のいずれかが選択される。
【００６０】
図４に示す第４実施形態のレーザ素子１Ｄは、離間領域３２と外側リッジ構造３１の境界が明確になっていない。その代わり、中央リッジ構造３０の端から外側に向かうに従いｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９の厚さが漸増する。中央リッジ構造３０の端から外側、すなわち電流狭窄領域３３の外側の領域３５が双峰性の光出力分布を持つ高次横モードの光が外側方向に放射される構造体となる。
【００６１】
領域３５はリッジエッチング工程において、フォトマスクの形状、レジスト種、レジスト形成条件、露光条件を実施形態１とは異なるものとしたり、エッチング速度条件を変化させ、中央リッジ構造３０に近い部分を優先的にエッチングすることでｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９の厚みが漸増するように形成される。
【００６２】
領域３５の等価屈折率は中央リッジ構造３０から遠ざかるにつれ漸増する。このような等価屈折率の勾配により、図９の動作原理図の現象が生じ、領域３５は高次横モードの利得を減少させることとなる。
【００６３】
図５に示す第５実施形態のレーザ素子１Ｅは、第４実施形態のレーザ素子１Ｄの変形態様である。すなわちレーザ素子１Ｄではｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９の厚さの増え方は直線的であったが、レーザ素子１Ｅではそれが曲線的になる。すなわち中央リッジ構造３０の近くでは厚さの増え方の勾配が急で、中央リッジ構造３０から遠ざかるに従い厚さの増え方の勾配が緩やかになっている。
【００６４】
領域３５はリッジエッチング工程において、フォトマスクの形状、レジスト種、レジスト形成条件、露光条件を第１実施形態とは異なるものとしたり、エッチング速度条件を変化させ、中央リッジ構造３０に近い部分を優先的にエッチングすることでｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９の厚さが漸増するよう形成される。この構成により距離Ｄをより小さくすることができる。
【００６５】
図６に示す第６実施形態のレーザ素子１Ｆも外側リッジ構造３１をｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９、及びｐ−ＧａＮコンタクト層２０とは異なる物質にて形成する。外側リッジ構造３１を構成する層３６はＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、ＣｅＯ2、ＺｎＳ、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4及びＢｉ2Ｏ3のいずれかであることが望ましい。外側リッジ構造体を形成する層３６はリッジエッチング工程の後、フォトリソグラフィ法などを用いてスパッタリングなどで形成できる。
【００６６】
中央リッジ構造３０と外側リッジ構造３１の等価屈折率差は、第１実施形態においては同じ値となるが、外側リッジ構造３１をなす層３６を形成する事により、中央リッジ構造３０と外側リッジ構造３１に対する離間領域の等価屈折率差を第１実施形態および第２実施形態よりも精度の高い、もしくは自由度の高いものとして形成できる。また、中央リッジ構造３０と外側リッジ構造３１の等価屈折率差も任意に設定することができる。
【００６７】
外側リッジ構造３１をなす層３６は、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、ＣｅＯ2、ＺｎＳ、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4及びＢｉ2Ｏ3のいずれかの絶縁体、もしくはＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの半導体であることが望ましい。
【００６８】
図７に示す第７実施形態のレーザ素子１Ｇは第６実施形態のレーザ素子１Ｆの変形態様である。レーザ素子１Ｇでは、中央リッジ構造３０と外側リッジ構造３１をなす層３６の間に離間領域をなす層３７が設けられている。外側リッジ構造３１をなす層３６および離間領域３７をなす層３７はリッジエッチング工程の後、フォトリソグラフィ法などによりエッチングされたｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９の露出面上に選択的に形成される。外側リッジ構造体を形成する層３６と離間領域をなす層３７とは異種の材料とする。
【００６９】
離間距離をなす層３７は、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、ＣｅＯ2、ＺｎＳ、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4及びＢｉ2Ｏ3のいずれかの絶縁体、もしくは空間であることが望ましい。
【００７０】
上記構成により、中央リッジ構造３０と外側リッジ構造３１の等価屈折率差は第１実施形態においては同じ値となるが、外側リッジ構造３１をなす層３６および離間領域をなす層３７を形成することにより、中央リッジ構造３０と外側リッジ構造３１に対する離間領域の等価屈折率差を第１実施形態および第２実施形態よりも精度の高い、もしくは自由度の高いものとして形成できる。また、中央リッジ構造３０と外側リッジ構造３１の等価屈折率差も任意に設定することができる。
【００７１】
図８に示す第８実施形態のレーザ素子１Ｈは第７実施形態のレーザ素子１Ｇの変形態様である。レーザ素子１Ｈでは、中央リッジ構造３０とＰ電極２２の間に離間領域をなす層３８が設けられている。離間領域をなす層３８は離間領域をなす層３７とは異種の材料とされる。離間領域をなす層３７を「離間領域第１層３７」とし、離間領域をなす層３８を「離間領域第２層３８」とする。離間領域第２層３８と外側リッジ構造３１をなす層３６は異種の材料でもよいが、プロセスの容易さから同一の材料である方が望ましい。
【００７２】
上記構成により、中央リッジ構造３０と外側リッジ構造３１の等価屈折率差は第１実施形態においては同じ値となるが、外側リッジ構造３１をなす層３６、離間領域第１層３７、および離間領域第２層３８を形成することにより、中央リッジ構造３０と外側リッジ構造３１に対する離間領域の等価屈折率差を第１実施形態および第２実施形態よりも精度の高い、もしくは自由度の高いものとして形成できる。レーザ発光波長に対する屈折率は、外側リッジ構造３１をなす層３６の方が離間領域第１層３７よりも大であるように形成する。中央リッジ構造３０と外側リッジ構造３１の等価屈折率差も任意に設定することができる。
【００７３】
レーザ素子１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、及び１Ｈは、光源からの光を光記録媒体に導いて情報の記録と再生を行う光記録再生装置の光源として用いることができる。
【００７４】
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、窒化物半導体よりなるレーザ素子及びそれを光源に用いる光記録再生装置に広く利用可能である。
【符号の説明】
【００７６】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ  窒化物半導体レーザ素子
１０  Ｎ電極
１１  ｎ−ＧａＮ基板
１２  ｎ−ＧａＮ層
１３  ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層
１４  ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
１５  ｎ−ＧａＮガイド層
１６  ｎ−ＩｎＧａＮ活性層
１７  ｐ−ＡｌＧａＮバリア層
１８  ｐ−ＧａＮガイド層
１９  ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
２０  ｐ−ＧａＮコンタクト層
２１  絶縁膜
２２  Ｐ電極
３０  中央リッジ構造
３１  外側リッジ構造
３２  離間領域
３３  電流狭窄領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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