(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層の両側に光導波層を設け、
該光導波層の両外側に、光導波層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するクラッド層を設け、
前記活性層に近接して、活性層、光導波層およびクラッド層の各禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するキャリアブロック層を設けた半導体レーザ素子において、
前記活性層が（Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１）ｙ１Ｉｎ１−ｙ１Ｐで形成され、
前記キャリアブロック層が（Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２）ｙ２Ｉｎ１−ｙ２Ｐで形成され、
組成比ｘ１、ｙ１、ｘ２、ｙ２に関して、
ｘ１＜ｘ２
０．２＜ｙ１＜０．８
０．２＜ｙ２＜０．８
の関係式が成立し、
前記キャリアブロック層は、活性層に対してｐ型光導波層と同じ側がｐ型であり、ｎ型光導波層と同じ側がｎ型であり、
前記光導波層がＡｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ａｓで形成され、
前記クラッド層がＡｌｚ２Ｇａ１−ｚ２Ａｓで形成され、
組成比ｚ１、ｚ２に関して、ｚ１＜ｚ２≦０．７１の関係式が成立し、
前記光導波層およびクラッド層のうちの、前記ｐ型光導波層およびｐ型クラッド層が示す電気抵抗は、半導体レーザ素子の電気抵抗の９割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】
πを円周率とし、λを発振波長とし、光導波層の最大屈折率をＮ１とし、クラッド層の屈折率をＮ２とし、クラッド層間の実効厚みをｄ１とし、規格化周波数Ｖを
Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１２−Ｎ２２）０．５
と定義したとき、
Ｖ＞π／３
とな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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク等の光記録、光通信、光情報処理、レーザプリンタ、レーザ加工、レーザ医療などに好適に用いられ、高効率で高出力の動作が可能な半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスク記録システムなどの多くの応用分野で、記録密度および記録速度の向上のために、ＡｌＧａＩｎＰ系等の可視光半導体レーザの高出力化が望まれている。
【０００３】
この系の半導体レーザの高出力化を妨げる主要因は、瞬時光学損傷（ＣＯＤ）といわれている（Proc.of SPIE、Los Angels、Vol.898、pp.84-88(1988)）。これは半導体レーザの端面での光吸収が引き金となって、端面温度の上昇とともに光吸収率が増加する熱暴走を開始し、最終的に自らのレーザビームによって端面が溶融してレーザ発振が停止する現象である。こうしたＣＯＤの発生レベルを上げるために、導波モードを拡げて出射端面での光ピーク強度を抑制することによって高出力化を図った分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）が従来から検討されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の分離閉じ込めヘテロ構造を持つ半導体レーザ素子では、光の閉じ込めとキャリアの閉じ込めが完全には分離されていない。そのため光ピーク強度を低減化するために光導波層を広げるとキャリアが光導波層に漏れだし、活性層のキャリア密度が減少して発振効率が低下するという問題があった。
【０００５】
また、分離閉じ込め構造をＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザに適用した場合、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層のＡｌ組成比が高くなるため、素子全体の電気抵抗を低減化するのが困難になる。
【０００６】
一方、瞬時光学損傷（ＣＯＤ）を回避するために、光出射端面付近をレーザ光に対して吸収の無い透明部を形成する、いわゆるウインドウ構造（Japanese Journal of Applied Physics、Vol.29、No.9、pp.L1666-1668(1990)) や、端面を化学的に処理したレーザ（Applied Physics Letter、Vol.58、No.23、pp.2595-2597(1991)）などが検討されている。しかしながら、端面部分に別の処理工程が必要になるため、素子の製造プロセスが複雑になって、製造歩留まりの低下を招く要因となる。
【０００７】
本発明の目的は、比較的簡単な構造で、ＡｌＧａＩｎＰ系可視光半導体レーザの高出力化、高効率化を図ることができる半導体レーザ素子を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、活性層の両側に光導波層を設け、
該光導波層の両外側に、光導波層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するクラッド層を設け、
前記活性層に近接して、活性層、光導波層およびクラッド層の各禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するキャリアブロック層を設けた半導体レーザ素子において、
前記活性層が（Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１）ｙ１Ｉｎ１−ｙ１Ｐで形成され、
前記キャリアブロック層が（Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２）ｙ２Ｉｎ１−ｙ２Ｐで形成され、
組成比ｘ１、ｙ１、ｘ２、ｙ２に関して、
ｘ１＜ｘ２
０．２＜ｙ１＜０．８
０．２＜ｙ２＜０．８
の関係式が成立し、
前記キャリアブロック層は、活性層に対してｐ型光導波層と同じ側がｐ型であり、ｎ型光導波層と同じ側がｎ型であり、
前記光導波層がＡｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ａｓで形成され、
前記クラッド層がＡｌｚ２Ｇａ１−ｚ２Ａｓで形成され、
組成比ｚ１、ｚ２に関して、ｚ１＜ｚ２≦０．７１の関係式が成立し、
前記光導波層およびクラッド層のうちの、前記ｐ型光導波層およびｐ型クラッド層が示す電気抵抗は、半導体レーザ素子の電気抵抗の９割以下であることを特徴とする半導体レーザ素子である。
本発明に従えば、注入されたキャリアは活性層の直近にあり、光導波層と同じ導電型で禁制帯幅の大きいキャリアブロック層によって活性層に閉じ込められ、光はクラッド層によって光導波層内に閉じ込められるため、キャリアの閉じ込めと光の閉じ込めを完全に独立に制御することができる。そのため、キャリアを活性層内に閉じ込めると同時に、広い光導波層により導波モードを拡大し、光ピーク強度を低減し、光出射端面での局所的な光吸収を防止できる。その結果、ＣＯＤレベルが向上して高出力動作を実現できる。
また、活性層およびキャリアブロック層がＡｌＧａＩｎＰ系半導体で形成され、キャリアブロック層のＡｌ組成比ｘ２を活性層のＡｌ組成比ｘ１より大きくすることによって、キャリアブロック層の禁制帯幅を活性層のものより大きく形成でき、キャリア閉じ込めを容易に実現できる。
さらに、組成比ｙ１、ｙ２を０．２〜０．８の範囲内に設定することによって、活性層およびキャリアブロック層の歪みを±２％の範囲に抑制できるため、高出力動作および長寿命化が可能になる。
なお、格子定数ａ、ｂの二種の結晶をヘテロ接合する場合、歪みｅは一般にｅ（％）＝（ａ−ｂ）／ｂ×１００で表される。ＡｌＧａＩｎＰ系半導体の格子定数ａは（ＡｌＧａ）組成比ｖに依存して、ａ（Å）＝５．８６８６−０．４１７４×ｖで表される。一方、基板としてＧａＡｓを使用した場合、ＧａＡｓの格子定数ｂは５．６５３３（Å）であるから、各格子定数ａ、ｂの数値を上記歪みの式に代入することによって、活性層およびキャリアブロック層の歪みｅを算出することができる。
【００１１】
また、活性層およびキャリアブロック層をＡｌＧａＩｎＰ系半導体で形成し、光導波層およびクラッド層をＡｌＧａＡｓ系半導体で形成することによって、素子の電気抵抗を低減化できるため、発熱がさらに抑制され、高出力動作が容易になる。
また、ｐ型光導波層およびｐ型クラッド層が示す電気抵抗は、半導体レーザ素子の電気抵抗の９割以下であるので、Ａｌ組成比を少なく、かつ層厚を薄くでき、従来技術に比べて半導体レーザ素子全体の電気抵抗を低減することができる。
【００１２】
また本発明は、πを円周率とし、λを発振波長とし、光導波層の最大屈折率をＮ１とし、クラッド層の屈折率をＮ２とし、クラッド層間の実効厚みをｄ１とし、規格化周波数Ｖを
Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１2 −Ｎ２2 ）0.5
と定義したとき、
Ｖ＞π／３
となることを特徴とする。
なお、光導波層の屈折率が一定の場合は最大屈折率Ｎ１はその一定値をとるが、光導波層の中で屈折率が分布を持つ場合はその最大値を意味する。また実効厚みｄ１は、前記両クラッド層間の任意の位置（ｔ）における屈折率をＮｗ（ｔ）とし、ｎ型クラッド層の活性層に近い界面の位置をｔ１、およびｐ型クラッド層の活性層に近い界面の位置をｔ２とすると、次式で求められる。
【００１３】
【数１】
0004198209.tif 000002
【００１４】
本発明に従えば、上下のクラッド層に挟まれる活性層、キャリアブロック層、光導波層から成る光導波路の規格化周波数Ｖをπ／３より大きく設定することによって、導波モードを理想的なガウス型に近付けることが可能となる。また、活性層領域での導波モードの光ピーク強度が減少して、半導体レーザ素子の出射端面でのＣＯＤレベルをより高くすることが可能になる。また横モードがマルチモード化しないためには、規格化周波数Ｖは２π以下であることが望ましい。
次に本発明の原理について詳説する。図１（ａ）は本発明に係る半導体レーザ素子の禁制帯幅分布を示すグラフであり、図１（ｂ）はその実効的な屈折率分布を示すグラフであり、図１（ｃ）は光出射端面での光強度分布を示すグラフである。
まず導波モードに関して、キャリアブロック層３および活性層４は十分に薄く、導波モードへの影響は無視できるので、図１（ｂ）に示すように、ｎ型光導波層２からｐ型光導波層５までの各層が高屈折率部となり、ｎ型クラッド層１およびｐ型クラッド層６が低屈折率部となる。このため、活性層４で発生した光は高屈折率部内に広がって伝搬する。
次にキャリアに関して、活性層４の直近にある禁制帯幅の大きいキャリアブロック層３によって、キャリアは禁制帯幅の小さい活性層４内に閉じ込められるので、ｎ型光導波層２およびｐ型光導波層５の厚さを拡げても、注入されたキャリアが活性層４内からあふれ出すことはない。そのため、ｎ型光導波層２およびｐ型光導波層５を厚く形成することによって、導波モードを拡げることができる。導波モードが拡がれば、光ピーク強度が減少し、それに応じて光出射端面での光吸収も減少するので、ＣＯＤレベルが向上して、高出力動作が実現できる。
図２は、Ａｌ組成比に対するＡｌＧａＩｎＰの電気抵抗率を示すグラフであり、文献（Journal of Crystal Growth 77(1986)pp.374-379）をもとに算出したものである。グラフの横軸はＡｌ組成比であり、縦軸はＡｌＧａＩｎＰの電気抵抗率（単位はｏｈｍ・ｃｍ）である。
図２に示すように、Ａｌ組成比が低いほど、ＡｌＧａＩｎＰの電気抵抗率は低くなる傾向があり、その傾向はｎ型よりもｐ型で顕著に現われる。したがって、素子厚の大部分を占める光導波層およびクラッド層において、可及的にＡｌ組成比を低くすることが好ましく、これによって素子全体の電気抵抗を低減できる。
図３は、Ａｌ組成比に対するＡｌＧａＡｓの電気抵抗率を示すグラフである。グラフの横軸はＡｌ組成比であり、縦軸はＡｌＧａＡｓの電気抵抗率（単位はｏｈｍ・ｃｍ）である。なお、このグラフは文献（"Properties of Aluminium Garium Arsernide" edited by Adachi pp.168-170）をもとに算出した。
グラフを見ると、ＡｌＧａＡｓの電気抵抗率は、ＡｌＧａＩｎＰの電気抵抗率に比べて一桁近く低い。したがって、光導波層およびクラッド層をＡｌＧａＡｓで形成すれば、素子の電気抵抗をさらに低減化でき、発振効率が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
図４（ａ）は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、図４（ｂ）は全体断面図である。図４（ａ）の横軸は各層の深さ（単位μｍ）について活性層を原点として示したものであり、縦軸はＡｌ組成比である。
【００１６】
この半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓから成る基板１０の上に、順次、ｎ−（Ａｌ0.61Ｇａ0.39）0.5Ｉｎ0.5Ｐから成るｎ型クラッド層（厚み１．１８μｍ、屈折率３．２５３）１１、ｎ−（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐから成るｎ型光導波層（厚み０．２９μｍ、屈折率３．３０４）１２、ｎ−Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐから成るｎ型キャリアブロック層（厚み０．０１５μｍ、屈折率３．０６４）１３、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ（屈折率３．５５３）／（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（屈折率３．３０４）から成る二重量子井戸構造（ＤＱＷ）を持つ活性層１４、ｐ−Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐから成るｐ型キャリアブロック層（厚み０．０１５μｍ、屈折率３．０６４）１５、ｐ−（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐから成るｐ型光導波層（厚み０．２９μｍ、屈折率３．３０４）１６、ｐ−（Ａｌ0.61Ｇａ0.39）0.5Ｉｎ0.5Ｐから成るｐ型クラッド層（厚み１．１８μｍ、屈折率３．２５３）１７およびｐ−ＧａＡｓから成るｐ型コンタクト層（厚み２μｍ）１８が、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）を用いてそれぞれ形成されている。
【００１７】
なお、ｐ型コンタクト層１８には、ｎ−ＧａＡｓから成る電流狭搾層（厚み０．３μｍ）１９が中央のストライプ部を両側から挟むように埋め込まれている。ｐ型コンタクト層１８の上面および基板１０の下面には、オーミック電極２０、２１がそれぞれ形成されている。
【００１８】
図５は、第１比較例を示す構成図であり、分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）を持つ半導体レーザ素子を示し、第１実施形態のものと同一の放射角を持つように設計されている。横軸は半導体レーザ素子を構成する各層の深さ（単位μｍ）であり、縦軸はＡｌ組成比である
この半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓから成る半導体基板（不図示）の上に、順次、ｎ−（Ａｌ0.69Ｇａ0.31）0.5Ｉｎ0.5Ｐから成るｎ型クラッド層（厚み１．８２μｍ、屈折率３．２１５）２４、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ（屈折率３．５５３）／（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（屈折率３．３０４）から成る二重量子井戸構造（ＤＱＷ）を持つ活性層２２、ｐ−（Ａｌ0.69Ｇａ0.31）0.5Ｉｎ0.5Ｐから成るｐ型クラッド層（厚み１．８２μｍ、屈折率３．２１５）２３、およびｐ−ＧａＡｓから成るｐ型コンタクト層（厚み２μｍ）（不図示）が、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）でそれぞれ形成されている。
【００１９】
なお、ｐ型コンタクト層には、第１実施形態と同様に、ｎ−ＧａＡｓから成る電流狭搾層（厚み０．３μｍ）が中央のストライプ部を両側から挟むように埋め込まれている。ｐ型コンタクト層の上面および半導体基板の下面には、オーミック電極がそれぞれ形成されている。
【００２０】
図６（ａ）は第１実施形態および第１比較例の遠視野像を示すグラフである。グラフの横軸は放射角（単位は度）であり、縦軸は光強度をピーク値で規格化したものである。図６（ａ）のグラフによると、両者の光強度分布はほぼ一致することが判る。
【００２１】
図６（ｂ）は第１実施形態および第１比較例の導波モードを示すグラフであり、素子の光出射端面における光強度分布、すなわち近視野像を示す。グラフの横軸は活性層を原点にした深さ位置（単位μｍ）であり、縦軸は光強度である。第１比較例（破線）では、両側に指数関数で拡がるテールを持ち、中心で尖った特性曲線になっている。これに対して第１実施形態（実線）では、釣り鐘状のガウス型ビームに近い特性曲線になっており、光ピーク強度は約４０％低下している。その結果、光出射端面での光吸収も減少し、瞬時光学損傷（ＣＯＤ）レベルが向上することになる。
【００２２】
図７は、第１実施形態および第１比較例の電気抵抗を示すグラフである。縦軸は電気抵抗（単位ｏｈｍ）であり、左の棒グラフは第１実施形態を示し、ｐ型光導波層１６およびｐ型クラッド層１７が素子の電気抵抗の約９割を占める。一方、右の棒グラフは第１比較例を示し、ｐ型クラッド層２３およびｎ型クラッド層２４が素子の電気抵抗の約９割を占める。このように第１実施形態では、第１比較例に比べて、Ａｌ組成比を少なく、かつ層厚も薄くできるため、素子全体の電気抵抗を約２０％程度低減できることが判る。
【００２３】
このようにｐ型ＡｌＧａＩｎＰの電気抵抗は、ＡｌＧａＡｓなど他の材料系と比較して非常に高く、従来のＳＣＨ構造を持つ半導体レーザにおいては大きな問題であり、電気抵抗が低減できることはＡｌＧａＩｎＰ系において大きな意味を持っている。本発明によれば、光導波層およびクラッド層のＡｌ組成比が減少して、膜厚も低減できるため、素子の電気抵抗を低減することが可能となる。
【００２４】
なお、第１実施形態において、活性層１４は、（Ａｌx1Ｇａ1-x1）y1Ｉｎ1-y1Ｐにおいてｘ１＝０（量子井戸層）およびｘ１＝０．５（バリア層）、ならびにｙ１＝０．５としたものであり、キャリアブロック層１３、１５は（Ａｌx2Ｇａ1-x2）y2Ｉｎ1-y2Ｐにおいてｘ２＝１、ｙ２＝０．５としたものであるが、これに限らずｘ１＜ｘ２、０．２＜ｙ１＜０．８、０．２＜ｙ２＜０．８を満たすような組成であればよい。
【００２５】
このような活性層１４およびキャリアブロック層１３、１５の構成によれば、Ａｌ組成比ｘ２はｘ１より大きいので、キャリアブロック層１３、１５の禁制帯幅は活性層１４のものより大きく、キャリア閉じ込めを容易に実現できる。また、キャリアブロック層１３、１５は充分に薄いので、活性層１４で発生した光はキャリアブロック層１３、１５を超えて、比較的厚い光導波層１２、１６で伝搬される。
【００２６】
さらに、組成比ｙ１、ｙ２は０．２〜０．８の範囲内にあるので、活性層１４およびキャリアブロック層１３、１５の歪みを±２％の範囲に抑制できる。一般にＡｌＧａＩｎＡｓ系を導波層およびクラッド層に使用する場合、基板に用いるＧａＡｓとの格子整合が困難になるが、本発明では素子構造全体の膜厚が薄くなるため、格子不整合の影響を受けにくい。
【００２７】
ＡｌＧａＡｓ系の格子定数はＡｌ組成比に関してほとんど変化しないが、ＡｌＧａＩｎＰ系の格子定数は、上述したように、（ＡｌＧａ）組成比ｖに関して大きく変化し、ａ（Å）＝５．８６８６−０．４１７４×ｖで表される。（ＡｌＧａ）組成比ｖ＝０．５のとき基板に用いるＧａＡｓの格子定数とほぼ等しくなるが、ｖ＝０．５からずれると０．４１７４の割合で変化して基板とＡｌＧａＩｎＰ層との間で格子不整合が生じ、そうするとＡｌＧａＩｎＰ層中に格子欠陥が生じ、結晶性および素子特性が劣化する。そのため、良好な結晶性を得るには組成比ｖを正確に制御する必要がある。製造上は組成比ｖを完全に制御することは困難であり、そのため素子特性のばらつきが大きくなる。しかしながら、本発明ではＡｌＧａＩｎＰ層を薄く形成できるため、万が一格子不整合が生じても結晶性の劣化を極力抑制することができ、高信頼性で再現性の良い半導体レーザ素子を得ることができる。
【００２８】
また、第１実施形態において、光導波層１２、１６は（Ａｌx3Ｇａ1-x3）0.5Ｉｎ0.5Ｐにおいてｘ３＝０．５としたものであり、クラッド層１１、１７は（Ａｌx4Ｇａ1-x4）0.5Ｉｎ0.5Ｐにおいてｘ４＝０．６１としたものであるが、これに限らずｘ３＜ｘ４を満たすような組成であればよい。
【００２９】
このような光導波層１２、１６およびクラッド層１１、１７の構成によれば、Ａｌ組成比ｘ３はｘ４より小さいので、光導波層１２、１６の屈折率はクラッド層１１、１７のものより大きく、クラッド層による光導波層１２、１６での光閉じ込めを容易に実現できる。
【００３０】
さらに、組成比ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４がｘ１＜ｘ３＜ｘ４＜ｘ２の関係を満たすとき、禁制帯幅は、活性層１４で極小となり、キャリアブロック層１３、１５で極大となるため、注入キャリアが活性層１４に集中する確率が増加する。一方、屈折率分布は、活性層１４を含む光導波層１２、１６で高屈折率となり、クラッド層１１、１７で低屈折率となるため、導波モードが光導波層に拡がる。
【００３１】
次に第２比較例について説明する。第２比較例は、活性層の両側にｐ型およびｎ型のクラッド層が形成され、活性層とｐ型クラッド層との間にｐ型キャリアブロック層が介在しており、特開平４−１８０６８４の構成に相当する。
【００３２】
第２比較例は、ｎ−ＧａＡｓから成る半導体基板上に、順次、ｎ−（Ａｌ0.6 Ｇａ0.4）0.5Ｉｎ0.5Ｐから成るｎ型クラッド層（厚み１．０μｍ、屈折率３．２７８）、（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐから成る活性層（厚み０．０７μｍ、屈折率３．５３２）、ｐ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.6Ｉｎ0.4Ｐから成るｐ型キャリアブロック層（厚み０．００５μｍ、屈折率３．２３０）、ｐ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.5Ｉｎ0.5Ｐから成るｐ型クラッド層（厚み１．０μｍ、屈折率３．２７８）、およびｐ−ＧａＡｓから成るｐ型コンタクト層がそれぞれ形成されている。
【００３３】
図８（ａ）は第１実施形態および第２比較例の遠視野像を示すグラフである。グラフの横軸は放射角（単位は度）であり、縦軸は光強度をピーク値で規格化したものである。図８（ａ）のグラフによると、第１実施形態（実線）の放射角は約２５度であるのに対して、第２比較例（１点鎖線）の放射角は約３０度であり、半導体レーザからの出力光を集光する場合に第２比較例の方が大きな受光角を持つ光学系が必要となる。
【００３４】
図８（ｂ）は第１実施形態および第２比較例の導波モードを示すグラフであり、素子の光出射端面における光強度分布、すなわち近視野像を示す。グラフの横軸は活性層を原点にした深さ位置（単位μｍ）であり、縦軸は光強度である。第２比較例（１点鎖線）では、光を導波するための層が狭いため、中心に鋭いピークを有する導波モードを示し、素子端面での光ピーク強度が第１実施形態（実線）より２倍以上高く、その分ＣＯＤレベルが低くなって高出力化が困難であることが判る。
【００３５】
［第２実施形態］
図９は、本発明の第２実施形態を示す構成図であり、横軸は各層の深さ（単位はμｍ）について活性層の位置を原点として示したものあり、縦軸はＡｌ組成比である。なお、素子の断面構成は、図４（ｂ）と同様である。
【００３６】
この半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓから成る半導体基板（不図示）の上に、順次、ｎ−Ａｌ0.71Ｇａ0.29Ａｓから成るｎ型クラッド層（厚み０．６４μｍ、屈折率３．３４０）３１、ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓから成るｎ型光導波層（厚み０．３５μｍ、屈折率３．５８２）３２、ｎ−Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐから成るｎ型キャリアブロック層（厚み０．０１５μｍ、屈折率３．０６４）３３、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ（屈折率３．５５３）／（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（屈折率３．３０４）から成る二重量子井戸構造（ＤＱＷ）を持つ活性層３４、ｐ−Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐから成るｐ型キャリアブロック層（厚み０．０１５μｍ、屈折率３．０６４）３５、ｐ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓから成るｐ型光導波層（厚み０．３５μｍ、屈折率３．５８２）３６、ｐ−（Ａｌ0.71Ｇａ0.29）Ａｓから成るｐ型クラッド層（厚み０．６４μｍ、屈折率３．３４０）３７およびｐ−ＧａＡｓから成るｐ型コンタクト層（厚み２μｍ）（不図示）が、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）でそれぞれ形成されている。
【００３７】
なお、ｐ型コンタクト層には、ｎ−ＧａＡｓから成る電流狭搾層（厚み０．３μｍ）が中央のストライプ部を両側から挟むように埋め込まれている。ｐ型コンタクト層の上面および半導体基板の下面には、オーミック電極がそれぞれ形成されている。
【００３８】
図１０は、第３比較例を示す構成図であり、分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）を持つ半導体レーザ素子を示し、第１実施形態のものと同一の放射角を持つように設計されている。横軸は半導体レーザ素子を構成する各層の深さ（単位μｍ）であり、縦軸はＡｌ組成比である。
【００３９】
この半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓから成る半導体基板（不図示）の上に、順次、ｎ−（Ａｌ0.81Ｇａ0.19）0.5Ｉｎ0.5Ｐから成るｎ型クラッド層（厚み１．１５μｍ、屈折率３．１５８）４４、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ（屈折率３．５５３）／（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（屈折率３．３０４）から成る二重量子井戸構造（ＤＱＷ）を持つ活性層４２、ｐ−（Ａｌ0.81Ｇａ0.19）0.5Ｉｎ0.5Ｐから成るｐ型クラッド層（厚み１．１５μｍ、屈折率３．１５８）４３およびｐ−ＧａＡｓから成るｐ型コンタクト層（厚み２μｍ）（不図示）が、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）でそれぞれ形成されている。
【００４０】
なお、ｐ型コンタクト層には、ｎ−ＧａＡｓから成る電流狭搾層（厚み０．３μｍ）が中央のストライプ部を両側から挟むように埋め込まれている。ｐ型コンタクト層の上面および半導体基板の下面には、オーミック電極がそれぞれ形成されている。
【００４１】
図１１（ａ）は第２実施形態および第３比較例の遠視野像を示すグラフである。グラフの横軸は放射角（単位は度）であり、縦軸は光強度をピーク値で規格化したものである。図１１（ａ）のグラフによると、両者の遠視野像はほぼ一致することが判る。
【００４２】
図１１（ｂ）は第２実施形態および第３比較例の導波モードを示すグラフであり、素子の光出射端面における光強度分布、すなわち近視野像を示す。グラフの横軸は活性層を原点にした深さ位置（単位μｍ）であり、縦軸は光強度である。第３比較例（破線）では、両側に指数関数で拡がるテールを持ち、中心で尖った特性曲線になっている。これに対して第２実施形態（実線）では、釣り鐘状のガウス型ビームに近い特性曲線になっており、光ピーク強度は半分以下に低下している。その結果、光出射端面での光吸収も減少し、瞬時光学損傷（ＣＯＤ）レベルが向上することになる。
【００４３】
図１２は、第２実施形態および第３比較例の電気抵抗を示すグラフである。縦軸は電気抵抗（単位ｏｈｍ）であり、左の棒グラフは第２実施形態を示し、ｐ型光導波層３７およびｐ型クラッド層１７が素子の電気抵抗の約６割を占める。一方、右の棒グラフは第３比較例を示し、ｐ型クラッド層４３だけで素子の電気抵抗の約９割を占める。このように第２実施形態では、各クラッド層３１、３７および各光導波層３２、３６を電気抵抗の低いＡｌＧａＡｓ系材料で形成することによって、素子全体の電気抵抗は第２比較例と比べて約４分の１に低減できることが判る。
【００４４】
このように従来のＳＣＨ構造では、クラッド層でキャリアを閉じ込めるため、大きなバンドギャップを持つクラッド層が必要となり、クラッド層をＡｌＧａＡｓで構成することは不可能である。本発明によれば、キャリアブロック層はバンドギャップの大きなＡｌＧａＩｎＰで構成し、光導波層およびクラッド層はＡｌＧａＩｎＰに比べて一桁近く電気抵抗率の小さいＡｌＧａＡｓで構成することができる。その結果、素子の電気抵抗を大幅に低減することができる。
【００４５】
また、格子整合に関して、ＡｌＧａＡｓの格子定数はＡｌ組成比に関してほとんど変化せず、Ａｌ組成比が０から１の範囲に渡ってＧａＡｓの格子定数とほぼ等しい。本発明によれば、光導波層およびクラッド層をＡｌＧａＡｓで構成することによって、Ａｌ組成比に依存せずに格子整合がとれるため、結晶性の劣化は無く、素子の信頼性および製造歩留まりが格段に向上する。
【００４６】
なお、第２実施形態において、各光導波層３２、３６はＡｌz1Ｇａ1-z1Ａｓにおいてｚ１＝０．４８としたものであり、各クラッド層３１、３７はＡｌz2Ｇａ1-z2Ａｓにおいてｚ２＝０．７１としたものであるが、ｚ１＜ｚ２の関係を満たす組成比ｚ１、ｚ２を適宜選択することが可能である。
【００４７】
次に第４比較例について説明する。第４比較例は、活性層の両側にｐ型およびｎ型のクラッド層が形成され、活性層と各クラッド層との間にｐ型およびｎ型キャリアブロック層が介在しており、特開昭６１−２８０６９４の構成に相当する。なお、本発明のような光導波層は存在しない。
【００４８】
第４比較例は、ｎ−ＧａＡｓから成る半導体基板上に、順次、ｎ−Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓから成るｎ型クラッド層（厚み１．０μｍ、屈折率３．３１５）、ｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐから成るｎ型キャリアブロック層（厚み０．１０μｍ、屈折率３．２６０）、（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐから成る活性層（厚み０．２０μｍ、屈折率３．５２９）、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐから成るｐ型キャリアブロック層（厚み０．１０μｍ、屈折率３．２６０）、ｐ−Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓから成るｐ型クラッド層（厚み１．０μｍ、屈折率３．３１５）、およびｐ−ＧａＡｓから成るｐ型コンタクト層がそれぞれ形成されている。
【００４９】
図１３（ａ）は第２実施形態および第４比較例の遠視野像を示すグラフである。グラフの横軸は放射角（単位は度）であり、縦軸は光強度をピーク値で規格化したものである。図１３（ａ）のグラフによると、第２実施形態（実線）の放射角は約３３度であるのに対して、第４比較例（１点鎖線）の放射角は約５０度であり、半導体レーザからの出力光を集光する場合に第２比較例の方が大きな受光角を持つ光学系が必要となる。
【００５０】
図１３（ｂ）は第２実施形態および第４比較例の導波モードを示すグラフであり、素子の光出射端面における光強度分布、すなわち近視野像を示す。グラフの横軸は活性層を原点にした深さ位置（単位μｍ）であり、縦軸は光強度である。第４比較例（１点鎖線）では、光を導波するための層が狭いため、中心に鋭いピークを有する導波モードを示し、素子端面での光ピーク強度が第２実施形態（実線）より２倍以上高く、その分ＣＯＤレベルが低くなって高出力化が困難であることが判る。なお上述の実施態様で活性層の厚さは０．１０〜０．１５μｍの範囲で最適化した。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、レーザ最大出力が瞬時光学損傷（ＣＯＤ）によって制限されているＡｌＧａＩｎＰ系可視光半導体レーザにおいて、導波モードのピーク強度を抑制することが可能となり、これによってＣＯＤレベルを大幅に向上することができ、高出力化を図ることができる。
【００５２】
また、素子の電気抵抗を低減化できるため、発熱による劣化を防止でき、しかもレーザ発振効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明による半導体レーザ素子の禁制帯幅分布を示すグラフであり、図１（ｂ）は実効的な屈折率分布を示すグラフであり、図１（ｃ）は光強度分布を示すグラフである。
【図２】Ａｌ組成比に対するＡｌＧａＩｎＰの電気抵抗率を示すグラフである。
【図３】Ａｌ組成比に対するＡｌＧａＡｓの電気抵抗率を示すグラフである。
【図４】図４（ａ）は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、図４（ｂ）は全体断面図である。
【図５】第１比較例を示す構成図である。
【図６】図６（ａ）（ｂ）は、第１実施形態および第１比較例の遠視野像および導波モードを示すグラフである。
【図７】第１実施形態および第１比較例の電気抵抗を示すグラフである。
【図８】図８（ａ）（ｂ）は、第１実施形態および第２比較例の遠視野像および導波モードを示すグラフである。
【図９】本発明の第２実施形態を示す構成図である。
【図１０】第３比較例を示す構成図である。
【図１１】図１１（ａ）（ｂ）は、第２実施形態および第３比較例の遠視野像および導波モードを示すグラフである。
【図１２】第２実施形態および第３比較例の電気抵抗を示すグラフである。
【図１３】図１３（ａ）（ｂ）は、第２実施形態および第４比較例の遠視野像および導波モードを示すグラフである。
【符号の説明】
１、１１、３１  ｎ型クラッド層
２、１２、３２  ｎ型光導波層
３  キャリアブロック層
１３、３３  ｎ型キャリアブロック層
４、１４、３４  活性層
１５、３５  ｐ型キャリアブロック層
５、１６、３６  ｐ型光導波層
６、１７、３７  ｐ型クラッド層
１０  基板
１８  ｐ型コンタクト層
１９  電流狭窄層
２０、２１  電極
【図１】
0004198209.tif 000003
【図２】
0004198209.tif 000004
【図３】
0004198209.tif 000005
【図４】
0004198209.tif 000006
【図５】
0004198209.tif 000007
【図６】
0004198209.tif 000008
【図７】
0004198209.tif 000009
【図８】
0004198209.tif 000010
【図９】
0004198209.tif 000011
【図１０】
0004198209.tif 000012
【図１１】
0004198209.tif 000013
【図１２】
0004198209.tif 000014
【図１３】
0004198209.tif 000015