(57)【要約】【課題】高出力化，高耐熱化，及びキンクの発生の抑制が図れ、また、放射特性の制御を可能にして共振器端面付近での光分布を制御できる半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】互いに対向する一対の共振器面Ａ５０，Ｂ５０を有する半導体レーザ素子において、共振器面に直交する一面を有する半導体基板１と、一面上に形成されて共振器面同士を連結するリッジ１０と、を備え、リッジは、共振器面間に設けられて共振器面及び一面に沿う方向に第１の幅Ｗ１１を有する第１の幅部１１と、共振器面とそれぞれ接し、前記方向に第１の幅よりも広い第２の幅Ｗ１２を有する第２の幅部１２と、第１の幅部と第２の幅部とを連結し、第１の幅部側から第２の幅部側に向かって連続的に広くなると共に、第１の幅部と接する部分では第１の幅と略同じとなり第２の幅部と接する部分では第２の幅と略同じとなる第３の幅Ｗ１３を有する第３の幅部１３と、を備える構成とする。【選択図】図２
2009054910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する一対の共振器面を有する半導体レーザ素子において、
前記一対の共振器面に直交する一面を有する半導体基板と、
前記一面上に形成され、前記一対の共振器面同士を連結するリッジと、を備え、
前記リッジは、
前記一対の共振器面の間に設けられ、当該一対の共振器面及び前記一面に沿う方向に第１の幅を有する第１の幅部と、
前記一対の共振器面とそれぞれ接し、前記方向に前記第１の幅よりも広い第２の幅を有する第２の幅部と、
前記第１の幅部と前記第２の幅部とを連結し、前記第１の幅部側から前記第２の幅部側に向かって連続的に広くなると共に、前記第１の幅部と接する部分では前記第１の幅と略同じとなり前記第２の幅部と接する部分では前記第２の幅と略同じとなる第３の幅を有する第３の幅部と、
を備えることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記第２の幅部の少なくとも一方は、前記一対の共振器面に直交する方向の長さの最小値が１００μｍとなるように構成されてなることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子に係り、特に、リッジを有する半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子は、一般的に、光通信をはじめ、映像，音楽，その他デジタル情報の記録や再生のための光源として広く利用されており、ＣＤ（Compact Disc），ＤＶＤ（Digital Versatile Disc），及びＢｌｕ−ｒａｙディスク等の光情報記録媒体の記録用の光源として用いられる場合には、特にその高出力化が要求され、上記光情報記録媒体の車載用の光源として用いられる場合には、特にその高耐熱化が要求される。
【０００３】
これら高出力化や高耐熱化を達成する上での課題として、Ｉ（印加電流）−Ｌ（光出力）特性における線形性の崩れ、即ちキンク（kink）がある。
高出力化に対応する代表的な構造としてリッジがあり、このリッジの幅を狭めることによってキンクの発生を抑制することができる。
しかしながら、リッジの幅を狭めると、それに応じてリッジの導通抵抗が増大するので、半導体レーザ素子に通電した際のリッジにおける発熱量が増加するため、半導体レーザ素子の寿命が短くなる等の不具合が生じる場合がある。
【０００４】
そこで、これら高出力化，高耐熱化，及びキンクの発生の抑制を解決する手段の一例が特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２８１８２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されているような半導体レーザ素子は、水平横モードが、キンクの発生を抑制するリッジの幅の狭い部分で決定されるため、半導体レーザ素子におけるＦＦＰ（Far Field Pattern）等の放射特性を制御することが難しく、その改善が望まれている。
この放射特性が制御されていない半導体レーザ素子を光ピックアップに用いると、光情報記録媒体に記録されている情報信号を精度良く再生できない場合がある。
【０００６】
また、特許文献１に記載されているような半導体レーザ素子は、最も発熱の大きい共振器端面付近での光分布が十分に制御できていないため、この共振器端面付近における光密度が高くなり、半導体レーザ素子の寿命が短くなったり、ＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage）出力を低下させる虞がある。
【０００７】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、高出力化，高耐熱化，及びキンクの発生の抑制が図れ、また、放射特性の制御を可能にして共振器端面付近での光分布を制御できる半導体レーザ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本願各発明は次の手段を有する。
１）互いに対向する一対の共振器面（Ａ５０，Ｂ５０）を有する半導体レーザ素子において、前記一対の共振器面に直交する一面を有する半導体基板（１）と、前記一面上に形成され、前記一対の共振器面同士を連結するリッジ（１０）と、を備え、前記リッジは、前記一対の共振器面の間に設けられ、当該一対の共振器面及び前記一面に沿う方向に第１の幅（Ｗ１１）を有する第１の幅部（１１）と、前記一対の共振器面とそれぞれ接し、前記方向に前記第１の幅よりも広い第２の幅（Ｗ１２）を有する第２の幅部（１２）と、前記第１の幅部と前記第２の幅部とを連結し、前記第１の幅部側から前記第２の幅部側に向かって連続的に広くなると共に、前記第１の幅部と接する部分では前記第１の幅と略同じとなり前記第２の幅部と接する部分では前記第２の幅と略同じとなる第３の幅（Ｗ１３）を有する第３の幅部（１３）と、を備えることを特徴とする半導体レーザ素子（５０）である。
２）前記第２の幅部の少なくとも一方は、前記一対の共振器面に直交する方向の長さの最小値が１００μｍとなるように構成されてなることを特徴とする１）記載の半導体レーザ素子である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高出力化，高耐熱化，及びキンクの発生の抑制が図れ、また、放射特性の制御を可能にして共振器端面付近での光分布を制御できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施の形態を、好ましい実施例により図１〜図６を用いて説明する。
図１は、本発明の半導体レーザ素子の実施の一形態を製造するための第１工程を説明するための模式的断面図である。
図２は、本発明の半導体レーザ素子の実施の一形態を製造するための第２工程を説明するための図であり、同図中の（ａ）は積層上方側から見たときの平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ１−Ａ２線における模式的断面図、（ｃ）は（ａ）中のＢ１−Ｂ２線における模式的断面図である。
図３は、本発明の半導体レーザ素子の実施の一形態を製造するための第３工程を説明するための斜視図である。
【００１１】
ところで、以下に説明するように、実施例において、半導体基板１に所定の工程を行うことにより、半導体レーザ素子５０がマトリクス状に複数形成され、さらにこの半導体基板１を所定の間隔で劈開及び分断することによって、単体の半導体レーザ素子５０を複数得ることができるものであるが、図１〜図３では、説明をわかりやすくするために、工程の始めから単体の半導体レーザ素子５０の構造を示すこととする。
【００１２】
＜実施例＞
実施例では、リッジ１０を有し、共振器長Ｌ５０が４００μｍ、発振ピーク波長が約６６０ｎｍである半導体レーザ素子５０を例に挙げて説明する。
【００１３】
［第１工程］（図１参照）
ＧａＡｓ（ガリウム砒素）からなるｎ型バッファ層２が一面側に形成された、ＧａＡｓからなるｎ型半導体基板１を用い、このｎ型バッファ層２上に、ＡｌＧａＩｎＰ（アルミニウムガリウムインジウムリン）からなるｎ型クラッド層３、アンドープＭＱＷ活性層４、ＡｌＧａＩｎＰからなる第１のｐ型クラッド層５、ＧａＩｎＰ（ガリウムインジウムリン）からなるｐ型エッチングストップ層６、ＡｌＧａＩｎＰからなる第２のｐ型クラッド層７、及びＧａＩｎＰからなるｐ型キャップ層８を、例えばＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて順次積層形成する。
【００１４】
ここで、ｎ型及びｐ型の一方を第１導電型、他方を第２導電型と称し、実施例では、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型と称することとする。また、上述のｎ型及びｐ型をそれぞれ逆とする構成、即ち、ｎ型をｐ型（第１導電型）とし、ｐ型をｎ型（第２導電型）とする構成としてもよい。
また、実施例では、ｎ型ドーパントとしてＳｉ（シリコン）を用い、ｐ型ドーパントＺｎ（亜鉛）を用いた。
また、実施例では、ｎ型半導体基板１の厚さを３５０μｍ、ｎ型バッファ層２の厚さを０．２μｍ、ｎ型クラッド層３の厚さを２μｍ、第１のｐ型クラッド層５の厚さを０．２μｍ、ｐ型エッチングストップ層６の厚さを０．０３μｍ、第２のｐ型クラッド層７の厚さを１μｍ、ｐ型キャップ層８の厚さを０．１μｍとしたが、ｎ型半導体基板１及び各層２，３，５，６，７，８の厚さは、それぞれこれら値に限定されるものではなく、それぞれ適宜設定することができる。
また、実施例では、アンドープＭＱＷ活性層４を、アンドープＧａＩｎＰ層とアンドープＡｌＧａＩｎＰ層とが交互に積層された構造とした。
【００１５】
［第２工程］（図２参照）
ｐ型キャップ層８及び第２のｐ型クラッド層７を、フォトリソグラフィ法を用いて部分的にエッチングすることにより、ｐ型リッジ１０をストライプ状に複数形成する。図２では、ストライプ状に複数形成されたｐ型リッジ１０の１つを示している。
【００１６】
ここで、本発明に係るｐ型リッジ１０の形状について詳細に説明する。
ｐ型リッジ１０は、後述する半導体レーザ素子５０（図３参照）における互いに対向する一対の共振器面Ａ５０，Ｂ５０の間に設けられて第１の幅Ｗ１１を有する第１の幅部１１と、共振器面Ａ５０，Ｂ５０とそれぞれ接すると共に第１の幅Ｗ１１よりも広い第２の幅Ｗ１２を有する第２の幅部１２と、第１の幅部１１と第２の幅部１２とを連結し、第１の幅部１１側から第２の幅部１２側に向かって幅Ｗ１３が連続的に広くなるテーパ形状を有すると共に、この幅Ｗ１３が、第１の幅部１１と接する部分（Ｗ１３ａ）では第１の幅Ｗ１１と略同じであり、第２の幅部１２と接する部分（Ｗ１３ｂ）では第２の幅Ｗ１２と略同じである連結部（第３の幅部と称す場合がある）１３と、を具備している。
【００１７】
ところで、第１の幅部１１の第１の幅Ｗ１１、第２の幅部１２の第２の幅Ｗ１２、及び連結部１３の幅Ｗ１３，Ｗ１３ａ，Ｗ１３ｂは、ｐ型リッジ１０の底面における後述する共振器面Ａ５０，Ｂ５０に対して平行方向の長さである。
【００１８】
次に、第１の幅部１１，第２の幅部１２，及び連結部１３について、さらに詳しく説明する。
【００１９】
まず、第１の幅部１１について説明する。
【００２０】
前述したように、ｐ型リッジ１０の幅が狭いほど、キンクの発生を抑制できる。
そこで、発明者が鋭意実験した結果、例えば共振器長Ｌ５０が４００μｍ、発振ピーク波長が約６６０ｎｍである半導体レーザ素子５０の場合、ｐ型リッジ１０の幅が２．１μｍ以下であれば、光出力が１００ｍＷ以下の範囲において、キンクの発生を抑制できることを見出した。
また、発明者は、ｐ型リッジ１０の幅が１．６μｍよりも狭くなるとｐ型リッジ１０の導通抵抗が大きくなり、その半導体レーザ素子５０の寿命が短くなる場合があることを見出した。
そこで、第１の幅部１１の第１の幅Ｗ１１を１．６μｍ〜２．１μｍの範囲内とした。
即ち、ｐ型リッジ１０において、第１の幅部１１は、１次以上の高次横モード波を減衰させると共にホールバーニングの発生を抑制し、目的の水平横モードを安定させる機能を有している。
また、第１の幅部１１における第１の幅Ｗ１１方向と直交する方向の長さＬ１１は、８０μｍ以上、または共振器長の１０％〜５０％の範囲であることが望ましい。
【００２１】
次に、第２の幅部１２について説明する。
【００２２】
一般的に、発振光の横モードは、導波路の幅により制御される。この導波路の幅は、リッジの幅、特にリッジ底面の幅に相当する。
従って、所定の幅を有する導波路である第２の幅部１２によって、上述した第１の幅部１１で発生した定在波を低減すると共に、発振光を第２の幅部１２で一定の定在波とすることができるため、半導体レーザ素子５０におけるＦＦＰ（Far Field Pattern）等の放射特性を制御することが可能になる。
【００２３】
発明者が鋭意実験した結果、例えば共振器長Ｌ５０が４００μｍ、発振ピーク波長が約６６０ｎｍである半導体レーザ素子５０の場合、第２の幅部１２における第２の幅Ｗ１２を３．４μｍ〜４．２μｍの範囲内とし、少なくとも発振光が主として出射される共振器面（実施例ではＡ５０）側の第２の幅部１２における第２の幅Ｗ１２方向と直交する方向の長さＬ１２を１００μｍ以上とすることにより、半導体レーザ素子５０におけるＦＦＰ（Far Field Pattern）等の放射特性をより精度良く制御できることを見出した。
【００２４】
次に、連結部１３（第３の幅部）について説明する。
【００２５】
連結部１３を設けずに、上述の第１の幅部１１と第２の幅部１２とを直接接合した場合、第１の幅Ｗ１１と第２の幅Ｗ１２との差によって生じる段部で共振が起こるため、外部に出射されるレーザ光の出射効率が悪化する。
そこで、このような段部が生じないように、第１の幅部１１と第２の幅部１２とを、第１の幅部１１側から第２の幅部１２側に向かって幅Ｗ１３が連続的に広くなるテーパ形状を有すると共に、この幅Ｗ１３が、第１の幅部１１と接する部分（Ｗ１３ａ）では第１の幅Ｗ１１と略同じであり、第２の幅部１２と接する部分（Ｗ１３ｂ）では第２の幅Ｗ１２と略同じである連結部１３で連結することにより、上述したレーザ光の出射効率の悪化を防止することができる。
【００２６】
［第３工程］（図３参照）
まず、ｐ型エッチングストップ層６上におけるｐ型リッジ１０の両側に、その段差を埋めるように、ＡｌＩｎＰ（アルミニウムインジウムリン）からなる第１のｎ型電流狭窄層１５と、ＧａＡｓからなる第２のｎ型電流狭窄層１６とを順次積層形成する。
次に、ｐ型リッジ１０及び第２のｎ型電流狭窄層１６上に、ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１８を積層形成する。
実施例では、これら第１のｎ型電流狭窄層１５，第２のｎ型電流狭窄層１６，及びｐ型コンタクト層１８を、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて成膜し、第１のｎ型電流狭窄層１５の厚さを０．３μｍ、第２のｎ型電流狭窄層１６の厚さを０．１μｍ、ｐ型コンタクト層１８の厚さを２μｍとした。
また、実施例では、ｎ型ドーパントとしてＳｉを用い、ｐ型ドーパントＺｎを用いた。
【００２７】
その後、ｐ型コンタクト層１８上に、Ａｕ（金）を主成分とするｐ側電極２０を形成し、ｎ型半導体基板１における積層方向とは反対側の面にＡｕを主成分とするｎ側電極２１を形成する。
これらｐ側電極２０及びｎ側電極２１は、真空蒸着法やスパッタ法等を用いて形成することができる。実施例では、真空蒸着法を用いた。
【００２８】
次に、上述の工程を経たｎ型半導体基板１を、ｐ型リッジ１０が延在する方向に対して直交すると共に第２の幅部１２を二分する面に沿って劈開する。これにより、その劈開面が共振器面Ａ５０，Ｂ５０となるバー（図示せず）が形成される。
さらに、このバーを、ストライプ状に形成されたｐ型リッジ１０間の中心線を通り上述の工程を経たｎ型半導体基板１の表面に対して直交する面で分断することによって、半導体レーザ素子５０を得る。
【００２９】
そして、この半導体レーザ素子５０に、ｐ側電極２０側からｎ側電極２１側に向かって電流を注入すると、この注入される電流が発振しきい値以上になったときに、ｐ型リッジ１０の下部に対応したアンドープＭＱＷ活性層４でレーザ発振が起こり、レーザ光が活性層４の共振器面Ａ５０，Ｂ５０の一方の面Ａ５０から主として出射される。
【００３０】
次に、上述した実施例の半導体レーザ素子５０と、比較例してｐ型リッジの幅が３．８μｍと一定である従来の半導体レーザ素子とについて、Ｉ（印加電流）−Ｌ（光出力）特性をそれぞれ測定し、その比較結果を図４にまとめた。
図４は、実施例の半導体レーザ素子及び比較例の半導体レーザ素子それぞれのＩ−Ｌ特性の測定結果を示す特性図であり、図中（ａ）は実施例のＩ−Ｌ特性を、（ｂ）は比較例のＩ−Ｌ特性をそれぞれ示している。
また、Ｉ−Ｌ特性の測定に用いた実施例及び比較例の各半導体レーザ素子における、特にリッジの寸法を表１にまとめた。
【００３１】
【表１】
2009054910.tif 000003
【００３２】
図４に示すように、比較例ではキンクの発生が確認されたが、実施例ではキンクの発生がなく、良好なＩ−Ｌ特性を得られることを確認した。
【００３３】
次に、実施例の半導体レーザ素子５０において、リッジ１０における、レーザ光が主に出射される共振器面Ａ５０側の第２の幅部１２の長さＬ１２と、放射特性との関係について検討を行い、その結果を図５にまとめた。
図５は、実施例の半導体レーザ素子５０において、リッジ１０における、レーザ光が主に出射される共振器面Ａ５０側の第２の幅部１２の長さＬ１２と、放射特性との関係を示す特性測定図であり、図中（ａ）はＬ１２＝１００μｍのときの放射特性を、（ｂ）はＬ１２＝８０μｍのときの放射特性をそれぞれ示している。
また、放射特性の測定に用いた各半導体レーザ素子における、特にリッジの寸法を表２にまとめた。
【００３４】
【表２】
2009054910.tif 000004
【００３５】
図５に示すように、Ｌ１２＝１００μｍのときの放射特性は、なだらかな水平ＦＦＰ波形を有するのに対し、Ｌ１２＝８０μｍのときの放射特性は、放射強度が２０％〜３０％の範囲に段部を有する歪なＦＦＰ波形となっている。
これは、カットオフ領域である第１の幅部１１で乱れた放射特性を、放射特性制御領域である第２の幅部１２で十分制御できていないことによるものである。
【００３６】
ここで、上述した第１の幅部１１、第２の幅部１２、及び連結部１３を有するｐ型リッジ１０における、光強度分布のシミュレーション結果について、図６を用いて説明する。
図６は、上述した第１の幅部１１、第２の幅部１２、及び連結部１３を有するｐ型リッジ１０における、光強度分布のシミュレーション結果を示す図であり、図中、（ａ）は導波構造を、（ｂ）は光強度分布を、（ｃ）はこの光強度を積分した結果をそれぞれ示している。
【００３７】
図６に示すように、特に、第１の幅部１１、及び、第２の幅部１２における第１の幅部１１側の“Ｚ”領域（０μｍ≦Ｌ１２＜１００μｍの領域）では、光強度分布が他の部分と特に異なっている。
これは、第１の幅部１１で歪んだＦＦＰの影響が“Ｚ”領域でも残っているためであるが、レーザ光が主に出射される共振器面Ａ５０側の第２の幅部１２の長さＬ１２をこの“Ｚ”領域よりも長くすることにより、即ち、１００μｍ≦Ｌ１２とすることにより、光強度分布を安定させることができるので、所望のＦＦＰを得ることができる。
このシミュレーション結果は、上述した図５の結果と合致するものである。
【００３８】
従って、上述した図５及び図６の結果から、レーザ光が主に出射される共振器面Ａ５０側の第２の幅部１２の長さＬ１２を１００μｍ以上とすることにより、放射特性の制御を可能にして共振器端面付近での光分布を制御することができる。
【００３９】
本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよいのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の半導体レーザ素子の実施の一形態を製造するための第１工程を説明するための模式的断面図である。
【図２】本発明の半導体レーザ素子の実施の一形態を製造するための第２工程を説明するための模式的断面図である。
【図３】本発明の半導体レーザ素子の実施の一形態を製造するための第３工程を説明するための模式的断面図である。
【図４】実施例の半導体レーザ素子及び比較例の半導体レーザ素子それぞれのＩ−Ｌ特性の測定結果を示す特性図である。
【図５】実施例の半導体レーザ素子において、リッジにおける、レーザ光が主に出射される共振器面側の第２の幅部の長さと、放射特性との関係を示す特性測定図である。
【図６】第１の幅部、第２の幅部、及び連結部を有するリッジにおける、光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  ｎ型半導体基板、  ２  ｎ型バッファ層、  ３  ｎ型クラッド層、  ４  アンドープＭＱＷ活性層、  ５  第１のｐ型クラッド層、  ６  ｐ型エッチングストップ層、  ７  第２のｐ型クラッド層、  ８  ｐ型キャップ層、  １０  ｐ型リッジ、  １１  第１の幅部、  １２  第２の幅部、  １３  連結部（第３の幅部）、  １５，１６  ｎ型電流狭窄層、  １８  ｐ型コンタクト層、  ２０  ｐ側電極、  ２１  ｎ側電極、  ５０  半導体レーザ素子、  Ａ５０，Ｂ５０  共振器面、  Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ１３，Ｗ１３ａ，Ｗ１３ｂ，  幅、  Ｌ５０  共振器長、  Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３  長さ
【図１】
2009054910.tif 000005
【図２】
2009054910.tif 000006
【図３】
2009054910.tif 000007
【図４】
2009054910.tif 000008
【図５】
2009054910.tif 000009
【図６】
2009054910.tif 000010