(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層上に形成され、リッジ部を含む第１導電型のクラッド層と、
前記リッジ部の側面を覆うように形成された光閉じ込め層と、
少なくとも前記リッジ部の上面上に形成され、前記リッジ部を含むクラッド層よりも屈折率の小さい材料を含む第１導電型の第１キャップ層とを備え、
前記第１キャップ層は、レーザ光よりもバンドギャップが広い材料を含み、
前記リッジ部を含むクラッド層は、ＡｌＧａＩｎＰを含み、
前記第１キャップ層は、ＡｌＧａＡｓを含む、半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記第１キャップ層上に形成され、ＧａＡｓを含む第１導電型の第２キャップ層をさらに備える、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記光閉じ込め層は、レーザ光よりもバンドギャップが広く、かつ、前記リッジ部を含むクラッド層よりも屈折率の小さい材料を含む、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
垂直方向のビーム広がり角度が１８°以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
垂直方向のビーム広がり角度が１６°以下である、請求項４に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記活性層は、量子井戸構造を有し、
前記活性層の共振器端面の近傍領域では、不純物を導入することにより前記量子井戸構造が無秩序化されて他の領域よりもバンドギャップが広がっている、請求項１〜５のいずれか１項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】
この発明は、半導体レーザ素子に関し、特に、実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ素子を用いた記録可能なＤＶＤシステムが知られている。記録可能なＤＶＤシステムにおいて、記録速度を向上させるためには、ディスク上に照射されるレーザ光の強度を向上させる必要がある。このようにディスク上に照射されるレーザ光の強度を向上させるためには、ディスクへビームを絞り込むための対物レンズとレーザ光との結合効率を向上させるとともに、光源である半導体レーザの高出力化を図る必要がある。
【０００３】
このうち、まず、対物レンズとレーザ光との結合効率の向上について検討する。一般に、対物レンズは、レーザ光の水平方向の広がり角度に合わせて設けられているとともに、レーザ光の垂直方向の広がり角度は水平方向の広がり角度よりも大きい場合が多いので、垂直方向のレーザ光は、対物レンズからはみ出して照射される。この場合には、対物レンズとレーザ光との結合効率が低下する。したがって、対物レンズとレーザ光との結合効率を向上させるためには、垂直方向のビーム広がり角度を低減する必要がある。すなわち、半導体レーザの活性層に対して、水平方向のビーム広がり角度に対する垂直方向のビーム広がり角度の比（アスペクト比：垂直方向のビーム広がり角度／水平方向の広がり角度）を１．０に近づける必要がある。
【０００４】
また、半導体レーザの高出力化には、ＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄａｍａｇｅ：レーザ光出射端面劣化）のレベルの向上が不可欠である。ＣＯＤを抑制する方法としては、従来、Ｚｎ拡散による窓構造を用いる方法が知られている。この従来の窓構造を用いる方法では、レーザ素子の活性層の共振器端面の近傍領域に、不純物を導入することにより、活性層の量子井戸構造を無秩序化する。それによって、活性層の共振器端面近傍のバンドギャップが他の領域よりも広がるので、共振器端面における光吸収が低減される。これにより、レーザ端面の温度上昇を抑制することができるので、ＣＯＤが低減される。
【０００５】
また、ＣＯＤを抑制する他の方法として、発光スポットの面積を拡大することにより、端面の活性層での光密度を低減させる方法が知られている。この場合、発光スポットの面積を拡大することによって、垂直方向のビーム広がり角度が低減される。
【０００６】
また、垂直方向のビーム広がり角度を低減することによって、横方向の高次モード発振により生じるキンク（電流−光出力特性の曲がり）が発生しにくくなる。このため、垂直広がり角度の低減は、上記したＣＯＤの抑制のみならず、光出力の向上も図ることができる。
【０００７】
上述したように、従来では、ディスク上に照射されるレーザ光の強度を向上させるために、対物レンズとレーザ光との結合効率を向上させるとともに、半導体レーザの高出力化を図る必要があった。このうち、対物レンズとレーザ光との結合効率の向上には、水平方向のビーム広がり角度に対する垂直方向のビーム広がり角度の比であるアスペクト比を低減する必要がある。また、半導体レーザの高出力化には、ＣＯＤレベルやキンクレベルを向上させる必要がある。そして、従来では、垂直方向のビーム広がり角度を小さくすることによって、アスペクト比の低減が可能であるとともに、ＣＯＤレベルやキンクレベルの向上が可能であることが知られている。また、垂直方向のビーム広がり角度を小さくするためには、発光スポットを拡大すればよい。
【０００８】
しかしながら、ブロック層で光吸収することにより横方向の光を閉じ込める従来の損失導波構造において、垂直方向のビーム広がり角度を低減させるために発光スポットを拡大すると、ブロック層での光吸収が増大して、電流−光出力特性の傾き（スロープ効率）が低下する。このため、一定の光出力を得るための動作電流が増加するという不都合が生じる。このように動作電流が増加すると、光出力が発熱によって制限される光出力熱飽和が生じやすくなるので、光出力を向上させるのは困難であった。このように、従来の損失導波構造では、垂直方向のビーム広がり角度を低減させることにより高出力化を図ることは困難であった。
【０００９】
そこで、従来、ブロック層をレーザ光に対して透明化した実屈折率導波構造を用いて、ブロック層での光吸収を低減する方法が知られている。
【００１０】
図６は、従来の実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。図６を参照して、従来の実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子では、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、Ｓｉがドープされたｎ型ＧａＩｎＰからなるバッファ層１０２、および、約２．０μｍの膜厚を有するＳｉがドープされた（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）ＩｎＰからなるｎ型クラッド層１０３が形成されている。ｎ型クラッド層１０３上には、量子井戸構造を有する活性層１０４が形成されている。活性層１０４は、（ＡｌxＧａ1-x）ＩｎＰからなる２つの光ガイド層の間に、約８ｎｍの厚みを有する３つのＧａ0.43Ｉｎ0.57Ｐからなる井戸層と、約５ｎｍの厚みを有する２つの（ＡｌxＧａ1-x）0.58Ｉｎ0.42Ｐからなる障壁層とが交互に積層された歪補償多重量子井戸構造を有する。
【００１１】
この活性層１０４上には、Ｚｎがドープされた（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるｐ型第１クラッド層１０５およびＺｎがドープされた（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるｐ型第２クラッド層１０６が形成されている。ｐ型第２クラッド層１０６は、約１．３μｍの膜厚を有する台形状に形成されている。ｐ型第２クラッド層１０６の上面上の全面に接触するように、約０．１μｍの膜厚を有するＺｎドープされたＧａＩｎＰからなるｐ型コンタクト層１０７が形成されている。これらのｐ型第２クラッド層１０６とｐ型コンタクト層１０７とによって、約２．５μｍ〜約３．５μｍの幅を有するリッジ部が構成されている。
【００１２】
ｐ型第１クラッド層１０５の上面と、ｐ型第２クラッド層１０６の側面と、ｐ型コンタクト層１０７の側面とを覆うように、約０．５μｍの膜厚を有するＳｅがドープされたＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるｎ型光閉じ込め層１０８、および、約０．３μｍの膜厚を有するＳｅがドープされたＧａＡｓからなるｎ型電流ブロック層１０９が形成されている。ｎ型光閉じ込め層１０８は、レーザ光を横方向制御するために設けられており、ｐ型第２クラッド層（（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ）１０６よりも屈折率の小さい材料（Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ）からなる。また、ｎ型電流ブロック層１０９は、リッジ部への電流を阻止するために設けられている。
【００１３】
ｎ型電流ブロック層１０９上には、リッジ部の上面（ｐ型コンタクト層１０７）と接触するように、約３．０μｍの膜厚を有するＺｎがドープされたＧａＡｓからなるｐ型キャップ層１１０が形成されている。ｐ型キャップ層１１０上には、ｐ側電極１１１が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、ｎ側電極１１２が形成されている。
【００１４】
上記のような従来の実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子では、リッジ部を構成するｐ型第２クラッド層１０６の側面を覆うように、ｐ型第２クラッド層（（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ）１０６よりも屈折率の小さい材料（Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ）からなるｎ型光閉じ込め層１０８を設けることによって、屈折率の違いを利用して横方向の光を閉じ込める。これにより、ｎ型電流ブロック層１０９での光吸収がないので、ｎ型電流ブロック層１０９での光吸収に起因する光出力熱飽和は発生しにくくなる。
【００１５】
しかしながら、上記のような従来の実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子では、リッジ部の上面（ｐ型コンタクト層１０７）と接触するように形成されたＧａＡｓからなるｐ型キャップ層１１０において光が吸収されるという不都合が生じる。このため、図６に示した従来の実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子では、光の内部損失が発生するという不都合があった。
【００１６】
そこで、光の内部損失を低減するために、従来、リッジ部の上面上に、レーザ光に対して透明化されたキャップ層を備える実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子が提案されている。これらは、たとえば、特開２０００−２４４０６３号公報に開示されている。
【００１７】
上記特開２０００−２４４０６３号公報に開示された赤色半導体レーザの構造では、リッジ部を構成するｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるｐ型クラッド層（第１上クラッド層５８）の上面上に、ｐ型Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓからなるｐ型キャップ層（第２上クラッド層６６）を形成する。このように、リッジ部の上面上に、レーザ光よりもバンドギャップが広い材料（ＡｌＧａＡｓ）からなるｐ型キャップ層を形成することによって、ｐ型キャップ層における光の吸収が抑制されるので、ｐ型キャップ層における光の内部損失を低減することが可能である。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本願発明者が、上記公報に開示された従来の実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子について、種々検討した結果、以下のような問題点が存在することを見出した。すなわち、上記公報に開示された構造では、ｐ型クラッド層（第１上クラッド層５８）を構成するｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ＝Ａｌ0.35Ｇａ0.15Ｉｎ0.5Ｐの屈折率は、３．２４５であり、ｐ型キャップ層（Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓからなる第２上クラッド層６６）の屈折率は、ｐ型クラッド層の屈折率よりも大きい３．３０５である。一般に、光は屈折率の大きい方へ進む傾向があるので、ｐ型キャップ層の屈折率がｐ型クラッド層よりも大きい場合には、レーザ光は、ｐ型クラッド層よりもｐ型キャップ層へ分布しやすくなる。このように、レーザ光がｐ型キャップ層へ分布しやすくなると、半導体レーザ素子の垂直横モードが不安定になるという不都合が発生する。その結果、上記公報に開示された構造では、垂直横モードの不良率が増加するとう問題点があると考えられる。なお、この問題点については、本願発明者らは、実験により確認済みであり、その実験の詳細については、後述する。
【００１９】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、
この発明の１つの目的は、垂直横モードの不良率を低減することが可能な半導体レーザ素子を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは、上記の問題点に着目して種々の実験を行うとともに、鋭意検討した結果、実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子において、リッジ部の上面上に、レーザ光に対して透明化されたキャップ層を形成する場合に、キャップ層の屈折率を適切に設定すれば、垂直横モードが不安定になるのを防止することが可能であることを見いだした。以下、本発明の内容を説明する。
【００２１】
この発明の一の局面による半導体レーザ素子は、活性層上に形成され、リッジ部を含む第１導電型のクラッド層と、リッジ部の側面を覆うように形成された光閉じ込め層と、少なくともリッジ部の上面上に形成され、リッジ部を含むクラッド層よりも屈折率の小さい材料を含む第１導電型の第１キャップ層とを備える。
【００２２】
この一の局面による半導体レーザ素子では、上記のように、少なくともリッジ部の上面上に、リッジ部を含むクラッド層よりも屈折率の小さい材料を含む第１キャップ層を形成することによって、クラッド層から第１キャップ層へ光が漏れるのを有効に抑制することができる。これにより、半導体レーザ素子の垂直横モードが不安定になるのを防止することができるので、半導体レーザ素子の垂直横モードの不良率を低減することができる。
【００２３】
上記一の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、第１キャップ層は、レーザ光よりもバンドギャップが広い材料を含む。このように構成すれば、第１キャップ層における光の吸収を抑制することができるので、内部損失を低減することができるとともに、スロープ効率（電流−光出力特性の傾き）を向上させることができる。また、内部損失を低減することができるので、最大光出力も増加することができる。したがって、この構成では、半導体レーザ素子の垂直横モードの不良率を低減しながら、内部損失の低減などを達成することができる。
【００２４】
また、上記一の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、リッジ部を含むクラッド層は、ＡｌＧａＩｎＰを含み、第１キャップ層は、ＡｌＧａＡｓを含む。このように構成すれば、クラッド層および第１キャップ層のＡｌ組成比を調節することによって、容易に、クラッド層よりも屈折率が小さく、かつ、レーザ光よりもバンドギャップの広い第１キャップ層を形成することができる。
【００２５】
上記一の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、第１キャップ層上に形成され、ＧａＡｓを含む第１導電型の第２キャップ層をさらに備える。このように構成すれば、第１キャップ層によりレーザ光が漏れるのを抑制しながら、第２キャップ層により電極との良好なオーミックコンタクトを得ることができる。
【００２６】
また、上記一の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、光閉じ込め層は、レーザ光よりもバンドギャップが広く、かつ、リッジ部を含むクラッド層よりも屈折率の小さい材料を含む。このように構成すれば、光閉じ込め層（電流ブロック層）における光の吸収を防止することが可能な実屈折率導波構造を容易に得ることができる。
【００２７】
また、上記一の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、垂直方向のビーム広がり角度が１８°以下である。このような１８°以下の小さいビーム広がり角度では、発光スポットが大きくなるため、第１キャップ層へ光が広がりやすくなる。したがって、１８°以下の小さいビーム広がり角度では、第１キャップ層による光吸収の抑制効果が大きくなる。これにより、内部損失を低減する効果もより大きくなる。この場合、好ましくは、垂直方向のビーム広がり角度が１６°以下である。このように構成すれば、第１キャップ層による光吸収の抑制効果をさらに大きくすることができる。
【００２８】
また、上記一の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、活性層は、量子井戸構造を有し、活性層の共振器端面の近傍領域では、不純物を導入することにより量子井戸構造が無秩序化されて他の領域よりもバンドギャップが広がっている。このように構成すれば、端面近傍におけるレーザ光の吸収が抑制されるので、端面の発熱を抑制することができる。これにより、レーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）を有効に防止することができるので、高い最大光出力を得ることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３０】
図１は、本発明の一実施形態による実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子の構造を示した斜視図である。図２は、本発明の一実施形態による実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。
【００３１】
まず、図１を参照して、一実施形態による半導体レーザ素子の構造について説明する。この一実施形態による半導体レーザ素子では、（１００）面から［０１１］方向に９°オフしたｎ型ＧａＡｓ基板１上に、Ｓｉがドープされたｎ型ＧａＩｎＰからなるバッファ層２、および、約２．０μｍの膜厚を有するＳｉがドープされた（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるｎ型クラッド層３が形成されている。なお、ｎ型クラッド層３にドープされたＳｉのドープ量は、３×１０17ｃｍ-3である。ｎ型クラッド層３上には、量子井戸構造を有する活性層４が形成されている。活性層４は、（ＡｌxＧａ1-x）ＩｎＰからなる２つの光ガイド層の間に、約８ｎｍの厚みを有する３つのＧａ0.43Ｉｎ0.57Ｐからなる井戸層と、約５ｎｍの厚みを有する２つの（ＡｌxＧａ1-x）0.58Ｉｎ0.42Ｐからなる障壁層とが交互に積層された歪補償多重量子井戸構造を有する。
【００３２】
この活性層４上には、Ｚｎがドープされた（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるｐ型第１クラッド層５およびＺｎがドープされた（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるｐ型第２クラッド層６が形成されている。ｐ型第２クラッド層６は、約１．３μｍの膜厚を有する台形状に形成されている。ｐ型第２クラッド層６の上面上の全面に接触するように、約０．１μｍの膜厚を有するＺｎドープされたＧａＩｎＰからなるｐ型コンタクト層７が形成されている。これらのｐ型第１クラッド層５、ｐ型第２クラッド層６およびｐ型コンタクト層７にドープされたＺｎのドープ量は、１×１０18ｃｍ-3である。また、ｐ型第２クラッド層６とｐ型コンタクト層７とによって、約２．５μｍ〜約３．５μｍの幅を有するリッジ部が構成されている。なお、ｐ型第１クラッド層５およびｐ型第２クラッド層６は、本発明の「クラッド層」の一例である。
【００３３】
ｐ型第１クラッド層５の上面と、ｐ型第２クラッド層６の側面と、ｐ型コンタクト層７の側面とを覆うように、約０．５μｍの膜厚を有するＳｅがドープされたＡｌＩｎＰからなるｎ型光閉じ込め層８、および、約０．３μｍの膜厚を有するＳｅがドープされたＧａＡｓからなるｎ型電流ブロック層９が形成されている。ｎ型光閉じ込め層８は、レーザ光を横方向制御するために設けられており、ｐ型第２クラッド層（（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ）６よりも屈折率の小さい材料（Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ）からなる。これにより、本実施形態の半導体レーザ素子は、実屈折率導波構造を有するように形成されている。また、ｎ型光閉じ込め層８およびｎ型電流ブロック層９は、リッジ部への電流を阻止するために設けられている。なお、ｎ型光閉じ込め層８は、本発明の「光閉じ込め層」の一例である。
【００３４】
また、ｎ型クラッド層３、活性層４、ｐ型第１クラッド層５、ｐ型第２クラッド層６およびｐ型コンタクト層７の端面近傍には、不純物としてＺｎを導入することによって、Ｚｎ拡散領域１４が形成されている。これにより、活性層４の共振器端面の近傍領域（Ｚｎ拡散領域１４）は、Ｚｎ拡散により量子井戸構造が無秩序化されている。それによって、活性層４の共振器端面の近傍領域のバンドギャップが他の部分のバンドギャップに比べて拡大された窓構造が形成されている。このＺｎ拡散領域１４のリッジ部の上面上には、窓領域への不要な電流注入を抑制するために、ｎ型光閉じ込め層８およびｎ型電流ブロック層９が形成されている。
【００３５】
ここで、ｎ型電流ブロック層９上には、端面近傍以外の領域のリッジ部の上面（ｐ型コンタクト層７）と接触するように、約０．５μｍの膜厚を有するＺｎがドープされたＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓからなるｐ型第１キャップ層１０が形成されている。ｐ型第１キャップ層１０上には、約２．５μｍの膜厚を有するＺｎがドープされたＧａＡｓからなるｐ型キャップ層１１が形成されている。これらのｐ型第１キャップ層１０およびｐ型第２キャップ層１１にドープされたＺｎのドープ量は、１×１０19ｃｍ-3である。ｐ型第２キャップ層１１上には、ｐ側電極１２が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面には、ｎ側電極１３が形成されている。
【００３６】
本願発明者らは、上記のような構造を有する本実施形態の半導体レーザ素子において、安定な垂直横モードを得るためには、ｐ型第１キャップ層１０の屈折率ｎ１と、ｐ型第２クラッド層６の屈折率ｎ２との関係が重要となることを見出した。具体的には、ｐ型第１キャップ層１０の屈折率ｎ１がｐ型第２クラッド層６の屈折率ｎ２より大きい場合（ｎ１＞ｎ２の場合）、ｐ型第２クラッド層６からｐ型第１キャップ層１０へ光が漏れやすくなる。このように、ｐ型第１キャップ層１０側へ光が漏れやすいと、本来単峰パターンとなる垂直方向の遠視野像が、双峰パターンや、サイドピークを有するパターンなどの異常パターンになりやすくなり、その結果、垂直横モードが不安定になる。
【００３７】
本願発明者らは、上記の点を確認するため、以下のような実験を行った。ｐ型第２クラッド層６の屈折率ｎ２を一定（ｎ２＝３．２４５）にした状態で、ｐ型第１キャップ層１０のＡｌ組成を変化させることによりｐ型第１キャップ層１０の屈折率ｎ１を変化させた場合の、遠視野像が異常パターンとなる割合（垂直横モードの不良率）を調べた。その結果が、図３に示されている。
【００３８】
図３に示すように、ｐ型第２クラッド層６の屈折率ｎ２を一定（ｎ２＝３．２４５）にした状態で、ｐ型第１キャップ層１０の屈折率ｎ１をｎ１＝３．６から小さくするにしたがって、垂直横モードの不良率は減少した。そして、ｎ１がｎ２より小さくなる範囲（ｎ１＜３．２４５）では、垂直横モードの不良率がほぼ０％になることが判明した。
【００３９】
本実施形態では、上記のような実験結果に基づき、ｐ型第１キャップ層１０の屈折率ｎ１をｐ型第２クラッド層６の屈折率ｎ２よりも小さくなるように構成している。
【００４０】
次に、実屈折率導波構造と、レーザ光に対して透明かつｐ型第２クラッド層（（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ）６よりも屈折率の小さいＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓからなるｐ型第１キャップ層１０とを有する本実施形態による半導体レーザ素子と、レーザ光に対して不透明な材料（ＧａＡｓ）からなるキャップ層を有する従来（比較例）の半導体レーザ素子とを作製して、半導体レーザ素子の内部損失の差と、電流−光出力特性とを調べた。その結果を図４および図５に示す。
【００４１】
まず、図４を参照して、本実施形態の半導体レーザ素子と、従来（比較例）の半導体レーザ素子との内部損失の差の垂直広がり角度への依存性について調べた。図４に示すように、本実施形態による半導体レーザ素子と従来（比較例）の半導体レーザ素子との内部損失の差Δαは、垂直広がり角度θｖが１８°以下の範囲で増大することが判明した。また、垂直広がり角度θｖが１６°以下の範囲では、内部損失の差Δαは、さらに増大することが判明した。ここで、本実施形態の半導体レーザ素子と従来の半導体レーザ素子との内部損失の差Δαが増大するということは、本実施形態の内部損失を抑制する効果が大きくなっていることを意味する。
【００４２】
すなわち、１８°以下の小さい垂直広がり角度では、発光スポットが大きくなるため、リッジ部の上面上に接触するように形成されたキャップ層へ光が広がりやすくなる。したがって、１８°以下の小さい垂直広がり角度では、本実施形態のキャップ層による光吸収の抑制効果が大きくなるので、本実施形態の内部損失を低減する効果もより大きくなる。また、１６°以下の垂直広がり角度では、さらに本実施形態のキャップ層による光吸収の抑制効果が大きくなるので、本実施形態の内部損失を低減する効果もさらに大きくなる。このように、本実施形態の半導体レーザ素子では、特に、垂直広がり角度θｖが１８°以下の範囲で、従来（比較例）の半導体レーザ素子に比べて内部損失が大きく低減されることが判明した。
【００４３】
次に、図５を参照して、本実施形態の半導体レーザ素子と、従来（比較例）の半導体レーザ素子との光出力特性を比較する。なお、図５に示した電流−光出力特性の測定条件は、動作パルスの幅（パルス幅）：１００ｎｓｅｃ、動作パルスの比（デューティ）：５０％、垂直広がり角度（θｖ）：１５°、チップ長さ（Ｌ）：９００μｍ、および、発光面の前面側の反射率５％，発光面の後面側の反射率９５％とした。
【００４４】
図５に示すように、本実施形態による半導体レーザ素子は、従来（比較例）の半導体レーザ素子に比べて、しきい値電流が低減されるとともに、スロープ効率（電流−光出力特性の傾き）が向上されることが判明した。また、従来（比較例）の半導体レーザ素子の最大光出力は、約１５０ｍＷであり、本実施形態による半導体レーザ素子の最大光出力は、約２００ｍＷであった。これにより、本実施形態による半導体レーザ素子では、従来（比較例）の半導体レーザ素子に比べて、最大光出力が大きくなることが判明した。
【００４５】
本実施形態では、上記のように、ｐ型第１キャップ層１０を、リッジ部を構成するｐ型第２クラッド層（（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ）６よりも屈折率の小さい材料（Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ）を用いて形成することによって、ｐ型第２クラッド層６からｐ型第１キャップ層１０へ光が漏れるのを有効に抑制することができる。これにより、半導体レーザ素子の垂直横モードが不安定になるのを防止することができるので、半導体レーザ素子の垂直横モードの不良率を低減することができる。
【００４６】
また、本実施形態では、上記のように、ｐ型第１キャップ層１０上に、ＧａＡｓからなるｐ型第２キャップ層１１を形成することによって、ｐ型第１キャップ層１０によりレーザ光が漏れるのを抑制しながら、ｐ型第２キャップ層１１によりｐ側電極１２との良好なオーミックコンタクトを得ることができる。
【００４７】
また、本実施形態では、上記のように、ｐ型第１キャップ層１０を、レーザ光よりもバンドギャップが広い材料（Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ）を用いて形成することによって、ｐ型第１キャップ層１０における光の吸収を抑制することができるので、内部損失を低減することができるとともに、スロープ効率（電流−光出力特性の傾き）を向上させることができる。また、内部損失を低減することができるので、最大光出力も増加することができる。したがって、本実施形態では、半導体レーザ素子の垂直横モードの不良率を低減しながら、内部損失の低減などを達成することができる。
【００４８】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００４９】
たとえば、上記実施形態では、ｐ型第１クラッド層５上に、ｐ型第２クラッド層６を形成したが、本発明はこれに限らず、ｐ型第１クラッド層５とｐ型第２クラッド層６との間に、リッジ部形成時のエッチング制御性を向上させるために、ＧａＩｎＰからなるエッチングストップ層を設けてもよい。
【００５０】
また、上記実施形態では、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなるクラッド層および活性層と、ＡｌＩｎＰからなる光閉じ込め層と、ＡｌＧａＡｓ系の材料からなるキャップ層とを有する半導体レーザ素子を形成したが、本発明はこれに限らず、活性層がＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなる赤色レーザ、ＡｌＧａＡｓ系材料からなる赤外レーザ、ＩｎＧａＡｓ系材料からなる発振波長０．９８μｍの半導体レーザなど、様々な波長帯の半導体レーザに適用可能である。この場合、クラッド層よりも屈折率の小さい材料によりキャップ層を形成すれば、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。たとえば、クラッド層をＡｌxＧａ1-xＡｓで形成した場合、キャップ層は、ＡｌyＧａ1-yＡｓ（ｘ＜ｙ）または屈折率が上記クラッド層よりも小さい（ＡｌzＧａ1-z）0.5Ｉｎ0.5Ｐで形成してもよい。また、クラッド層を（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐで形成した場合、キャップ層は、（ＡｌyＧａ1-y）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（ｘ＜ｙ）または屈折率が上記（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層よりも小さいＡｌzＧａ1-zＡｓで形成してもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、垂直横モードの不良率を低減することが可能な半導体レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子の構造を示した斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態による実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子の垂直横モードの不良率を示した特性図である。
【図４】本発明の一実施形態による半導体レーザ素子と従来（比較例）の半導体レーザ素子との内部損失の差と、垂直広がり角度との関係を示した特性図である。
【図５】本発明の一実施形態による半導体レーザ素子および従来（比較例）の半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示した特性図である。
【図６】従来の実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。
【符号の説明】
１ ｎ型ＧａＡｓ基板
３  ｎ型クラッド層
４  活性層
５  ｐ型第１クラッド層（クラッド層）
６  ｐ型第２クラッド層（クラッド層）
８  ｎ型光閉じ込め層（光閉じ込め層）
１０  ｐ型第１キャップ層（第１キャップ層）
１１  ｐ型第２キャップ層（第２キャップ層）
【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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