(57)【要約】【課題】  超音波を利用してより効率的に分布帰還型の動作を実現可能な半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】  半導体レーザ素子１は、半導体基板１０と、半導体基板上に設けられ、活性層２３Ａ，２３Ｂを含むレーザ構造部２７及びレーザ構造部上に設けられるコンタクト層２８を有する半導体積層体２０と、レーザ構造部の光軸方向に伝搬する超音波を半導体積層体に供給する超音波供給手段３０とを備え、レーザ構造部は、活性層で生成され伝搬してきた光の少なくとも一部を吸収する吸収損失層２２Ａ，２２Ｂを有し、レーザ構造部が活性層のみから構成されているとしたときに、半導体基板１０の主面１０ａと略直交する方向におけるそのレーザ構造部内の第１及び第２の領域であり超音波の伝搬に伴うキャリア密度の変化の変化パターンが互いに反対の第１及び第２の領域のうち第１の領域に活性層が配置され、第２の領域に吸収損失層が配置されている。【選択図】  図１
2009272331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の主面上に設けられ、活性層を含むレーザ構造部及び前記レーザ構造部上に設けられるコンタクト層を有する半導体積層体と、
前記コンタクト層上に設けられており前記レーザ構造部の光軸方向に伝搬する超音波を前記半導体積層体に供給する超音波供給手段と、
備え、
前記レーザ構造部は、前記活性層で生成され伝搬してきた光の少なくとも一部を吸収する吸収損失層を有し、
前記レーザ構造部が前記活性層のみから構成されているとしたときに、前記主面と略直交する方向における当該レーザ構造部内の第１及び第２の領域であって前記超音波の伝搬に伴うキャリア密度の変化の変化パターンが互いに反対の前記第１及び第２の領域のうち前記第１の領域の位置に前記活性層が配置され、前記第２の領域の位置に前記吸収損失層が配置されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記第１の領域における前記キャリア密度の変化パターンは、前記レーザ構造部と前記コンタクト層との界面における前記キャリア密度の変化パターンと同じであ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。  
【請求項３】
前記活性層は、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで前記量子井戸発光層と前記注入層とが交互に積層されたカスケード構造を有することを特徴とする請求項１又は２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、分布帰還型の半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子内に回折格子を作り込み、その回折格子の周期に対応した特定の波長（縦モード）のみを選択的に発振させる方法は、分布帰還型（Distributed Feed-Back : DFB）として通信波長帯などで広く用いられている。しかしながら回折格子を作り込むプロセス工程が複雑で且つ波長可変幅が狭いという問題があった。
【０００３】
これに対して、表面弾性波（超音波）を利用してＤＦＢ構造を実現する技術が例えば特許文献１に開示されている。特許文献１に半導体装置（半導体レーザ素子）では、半導体装置の光ガイド層上に櫛形超音波振動子を設け、表面弾性波（超音波）により活性層内に表面弾性波の周波数に応じた屈折率分布を形成することで、ＤＦＢ動作を実現している。
【特許文献１】特開平４−３７２１８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、本発明者らは、上記特許文献１の構成では、ＤＦＢ動作を効率的に実現できないことを見出した。
【０００５】
そこで、本発明は、より効率的に超音波を利用して分布帰還型の動作を実現可能な半導体レーザ素子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】
【０００６】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を実施し、超音波を半導体レーザ素子の表面に沿って伝搬させることで半導体レーザ素子内に屈折率分布を形成して分布帰還動作を実現する場合、半導体レーザ素子の表面近傍に生じるキャリア密度の変化と、逆の変化が生じる領域が半導体レーザ素子の内部に存在することから半導体レーザ素子内部において超音波による変調の打ち消し合いが生じることを見出し、本発明に到った。
【０００７】
すなわち、本発明に係る半導体レーザ素子は、半導体基板と、半導体基板の主面上に設けられ、活性層を含むレーザ構造部及びレーザ構造部上に設けられるコンタクト層を有する半導体積層体と、コンタクト層上に設けられておりレーザ構造部の光軸方向に伝搬する超音波を半導体積層体に供給する超音波供給手段と、備え、レーザ構造部は、活性層で生成され伝搬してきた光の少なくとも一部を吸収する吸収損失層を有し、レーザ構造部が上記活性層のみから構成されているとしたときに、上記主面と略直交する方向における当該レーザ構造部内の第１及び第２の領域であって超音波の伝搬に伴うキャリア密度の変化の変化パターンが互いに反対の第１及び第２の領域のうち第１の領域に活性層が配置され、第２の領域に吸収損失層が配置されていることを特徴とする。
【０００８】
上記構成の半導体レーザ素子では、超音波供給手段により光軸方向に伝搬する超音波が半導体積層体に供給される。これによりレーザ構造部内に超音波の周期に応じた屈折率分布型の回折格子構造が形成されるため、分布帰還動作を実現することができ、シングルモードのレーザ光を出力することが可能である。そして、本発明に係る上記半導体レーザ素子では、レーザ構造部が活性層のみからなるとした場合に超音波に起因するキャリア密度の変化の変化パターンが反対の第１及び第２の領域のうち第１の領域の位置に活性層が配置され、第２の領域に吸収損失層が配置されていることから、半導体レーザ素子内部において超音波による変調の打ち消し合いが低減される。その結果、より効率的に分布帰還動作を実現することが可能である。
【０００９】
上記第１の領域におけるキャリア密度の変化パターンは、レーザ構造部とコンタクト層との界面におけるキャリア密度の変化パターンと同じであることが好適である。コンタクト層に超音波供給手段が配置されているため、コンタクト層とレーザ構造部との界面のキャリア密度の変化パターンは、超音波供給手段により与えられる超音波の影響がより大きくなる。そして、活性層が配置される第１の領域の変化パターンが上記界面でのキャリア密度の変化パターンと同じであることから、吸収損失層が配置される第２の領域の変化パターンが上記界面でのキャリアの変化パターンと反対となる。よって、超音波供給手段により供給される超音波で設計されるＤＦＢ動作をより確実に実現することが可能である。
【００１０】
また、上記活性層は、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで前記量子井戸発光層と前記注入層とが交互に積層されたカスケード構造を有することが好ましい。このような活性層を有する半導体レーザ素子は、量子カスケードレーザ素子であり、量子カスケードレーザ素子において効率的に分布帰還動作を実現することができることになる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の半導体レーザ素子によれば、より効率的に超音波を利用して分布帰還動作を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面とともに本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１３】
図１は、本発明に係る半導体レーザ素子の一実施形態の構成を示す斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【００１４】
図１に示した実施形態の半導体レーザ素子１は、半導体量子井戸構造におけるサブバンド間の電子遷移を利用して光を生成するモノポーラタイプの半導体レーザ素子１である。このような半導体レーザ素子１は、中赤外からの波長領域（例えば５〜３０μｍ）のレーザ光を出力可能ないわゆる量子カスケードレーザ素子として知られているものである。
【００１５】
図１及び図２に示すように、半導体レーザ素子１は、半導体基板１０と、半導体基板１０の表面（主面）１０ａ上に設けられたリッジストライプ構造の半導体積層体２０と、半導体積層体２０上に設けられた超音波供給手段３０とを含んで構成されている。半導体レーザ素子１には、半導体レーザ素子１を駆動するために、半導体基板１０の裏面１０ｂに第１の電極４１が形成されていると共に、一対の第２の電極４２Ａ，４２Ｂが半導体積層体２０の互いに対向する所定の一対の縁部上に形成されている。第１及び第２の電極４２Ａ，４２Ｂの材料としてはＡｕが例示される。
【００１６】
半導体基板１０は、キャリア密度が３×１０１８ｃｍ−３程度のＳドープｎ型ＩｎＰ（１００）基板とすることができる。この場合、半導体基板１０上の半導体積層体２０は、ＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ等から構成することができる。以下、特に断らない限り、半導体基板１０は上記ＩｎＰ（１００）基板として半導体レーザ素子１の構成について具体的に説明する。
【００１７】
半導体積層体２０は、前述したようにリッジストライプ構造を有しており、半導体基板１０の表面の所定領域上に設けられている。ストライプ幅Ｗは約３０μｍである。また、半導体積層体２０の、互いに対向する一対の側面２０ａ，２０ｂは、光共振器を構成するための鏡面（図示せず）を有する。本実施形態では、側面２０ａがレーザ光の出射面として機能する。
【００１８】
半導体積層体２０は、半導体基板１０側からクラッド層２１、レーザ構造部２７及びコンタクト層２８が順次積層されてなる。クラッド層２１は、ＩｎＰからなるＳｉドープのｎ型半導体層である。キャリア密度は５×１０１６ｃｍ−３であり、クラッド層２１の厚さは３．５μｍである。コンタクト層２８は、ＩｎＧａＡｓからなるＳｉドープのｎ型半導体層である。コンタクト層２８のキャリア濃度は１×１０１９ｃｍ−３であり、厚さは０．０１μｍである。
【００１９】
クラッド層２１及びコンタクト層２８の間に配置されたレーザ構造部２７は、クラッド層２１側から順に吸収損失層２２Ａ、活性層２３Ａ、吸収損失層２２Ｂ及び活性層２３Ｂが積層されてなる。
【００２０】
吸収損失層２２Ａ，２２Ｂは、活性層２３Ａ，２３Ｂで発生した光であって吸収損失層２２Ａ，２２Ｂに伝搬してきた光の少なくとも一部を吸収する。吸収損失層２２Ａ，２２ＢはＩｎＧａＡｓから構成されている。吸収損失層２２Ａの厚さは１．４３μｍであり、吸収損失層２２Ｂの厚さは１．１７μｍである。
【００２１】
活性層２３Ａ，２３Ｂは、光の生成に用いられる量子井戸発光層２５と、発光層への電子の注入に用いられる電子注入層２６とが交互にかつ多段に積層されたカスケード構造を有する。ここで、活性層２３Ａ，２３Ｂのように上記カスケード構造を有する層を活性層２３と称し、図３及び図４を利用して活性層２３の構成について具体的に説明する。
【００２２】
図３に示すように、活性層２３は、量子井戸発光層２５及び注入層２６からなる半導体積層構造を１周期分の単位積層体（１ユニット）２４とし、この単位積層体２４が多段に積層されることでカスケード構造を有する。活性層２３の構造としては、Bound to continuum(BTC)構造(R.Maulini et al.,Appl.Phys.Lett. Vol.84,  p1659,  (2004) 参照)が例示される。活性層２３における一周期分の単位積層体２４の構造の具体的な構造の一例を図４に示す。図４の図表に示した単位積層体２４の例では発振波長は１０μｍとしている。なお、活性層２３の構造そのものは、シングルフォノン構造（米国特許第５４５７７０９号公報参照）、ダブルフォノン構造（米国特許第６７５１２４４号公報参照）、超格子構造（米国特許第５７４５５１６号公報参照）、フォノン共鳴―ミニバンド緩和構造（K.Fujitaet al., Appl.Phys.Lett. Vol.91, p141121,(2007)参照）など何れでも良い。
【００２３】
活性層２３をそれぞれ構成する１周期分の単位積層体２４は、図４に示すように、１２個の量子井戸層２４１〜２４４、２６１〜２６８、及び１２個の量子障壁層２５１〜２５５、２７１〜２７７が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。これらの各半導体層のうち、量子井戸層はＩｎＧａＡｓ層によって構成されている。また、量子障壁層はＩｎＡｌＡｓ層によって構成されている。
【００２４】
また、このような単位積層体２４において、井戸層２４１〜２４４、及び障壁層２５１〜２５５からなる積層部分が、主に発光層２５として機能する部分となっている。また、井戸層２６１〜２６８、及び障壁層２７１〜２７７からなる積層部分が、主に注入層２６として機能する部分となっている。また、発光層２５の各半導体層のうちで障壁層２５１が注入障壁層となっており、注入層２５の各半導体層のうちで障壁層２５５が、発光層２５から注入層２６への抽出障壁層となっている。
【００２５】
活性層２３Ａ，２３Ｂは前述したように活性層２３と同様のカスケード構造を有しているが、本実施形態において、活性層２３Ａ，２３Ｂは、単位積層体２３の周期数が異なる。すなわち、活性層２３Ａは、単位積層体２４を３１周期分有し、厚さは２．１４μｍである。また、活性層２３Ｂは、単位積層体２４を１６周期分有し、厚さは１．１０μｍである。
【００２６】
上記半導体積層体２０を構成する各層は、例えば各層を結晶成長させることで形成することができる。この結晶成長は分子線エピタキシー法、有機金属気相成長法など何れの方法でも構わない。
【００２７】
図１及び図２に戻って半導体レーザ素子１について更に説明する。
【００２８】
超音波供給手段３０は、側面２０ａに略直交する方向（光軸方向）に伝搬する超音波を半導体積層体２０に供給するためのものである。超音波供給手段３０は、半導体積層体２０のコンタクト層２８上であって、一対の第２の電極４２Ａ，４２Ｂ間に配置されている。超音波供給手段３０は、第２の電極４２Ａ，４２Ｂの間のコンタクト層２８上に形成されたＺｎＯからなる圧電体としてのＺｎＯ薄膜３１と、ＺｎＯ励振用の一対の櫛形電極３２Ａ，３２Ｂとを有する。ＺｎＯ薄膜３１は例えばスパッタ法により形成することができ、ＺｎＯ薄膜３１の厚さは０．５μｍである。各櫛形電極３２Ａ，３２ＢはＡｕから構成されているとすることができ、ピッチＰは２μｍ程度である。上記構成の超音波供給手段３０から供給される超音波は表面弾性波として主に光軸方向に伝搬する。
【００２９】
上記構成の半導体レーザ素子１では、第１の電極４１と第２の電極４２Ａ，４２Ｂにレーザ駆動用の信号を印加して半導体レーザ素子１を駆動する際、櫛形電極３２Ａ，３２ＢにＺｎＯ励振用の信号を印加し、ＺｎＯ薄膜３１を励振させる。これにより、図中の白抜き矢印で示す方向（光共振軸方向）に伝搬するように表面弾性波としての超音波が半導体積層体２０に供給され、半導体積層体２０内に超音波の周波数に応じた所定の周期を有する回折格子構造が形成される。その結果、半導体レーザ素子１が分布帰還動作のレーザ素子として機能する。半導体レーザ素子１では、レーザ構造部２７が吸収損失層２２Ａ，２２Ｂをレーザ構造部２７の深さ方向の所定の位置に有することで、結合係数κの向上が図られ効率的なＤＦＢ動作が可能となっている。
【００３０】
この点について、図５に示す従来の半導体レーザ素子２の場合と比較して説明する。図５は、従来の半導体レーザ素子２の素子構造を示す模式図であり、図１のＩＩ―ＩＩ線における端面構成を示している。図５では、説明の便宜上、ハッチングを省略している。
【００３１】
図５に示した半導体レーザ素子２の構成は、半導体基板１０上に形成された半導体積層体５０が有するレーザ構造部５１が吸収損失層を有さずに、単位積層体２４が３５周期程度積層されて構成されている点で、図１に示した半導体レーザ素子１の構成と相違する。すなわち、前述したように単位積層体２４が複数周期積層されたカスケード構造を有する層を活性層２３と称す場合、レーザ構造部５１が活性層２３のみから形成されている点で、図１及び図２に示した、半導体レーザ素子１の構成と相違する。その他の構成は、半導体レーザ素子１の構成と同様であるため、説明は省略する。
【００３２】
半導体レーザ素子２の構成においても、半導体レーザ素子２を駆動する際に、櫛形電極３２Ａ，３２Ｂに超音波発生用の信号を印加すると、光共振器の光軸方向に表面弾性波としての超音波が伝搬することで、半導体積層体５０内に超音波の周期に応じた周期を有する回折格子構造が形成され、結果として、ＤＦＢ動作を実現できる。
【００３３】
しかしながら、本発明者らは、半導体レーザ素子２の構成において、超音波を半導体積層体５０に供給すると、超音波に起因して生じるキャリア密度の変化パターンが互いに反対である２つの領域が半導体積層体５０の深さ方向に交互に生じることから、超音波による変調がうち消し合ってしまい期待したＤＦＢ動作が得られない、ことを見出した。換言すれば、超音波の伝搬によるキャリア密度の変化が半導体積層体５０の表面近傍の変化と逆の変化を示す領域が半導体積層体５０内部に生じており、超音波による変調がうち消し合ってしまい期待したＤＦＢ動作が得られない、ことを見出した。なお、上記変化パターンが反対とは、一方の領域で例えばキャリア密度が増加するように変化した場合には、他方の領域でキャリア密度が減少するように変化することである。本発明者が見出した上記知見についてより具体的に説明する。
【００３４】
ここでは、図５に示した素子構造を数値計算モデルとして超音波を供給したときの半導体積層体５０内のキャリア密度の変化を考える。説明のために、コンタクト層２８の表面、すなわち、コンタクト層２８とＺｎＯ薄膜３１との界面をｘｙ平面とし、ｘｙ平面において光共振軸方向すなわち［１００］方向をｘ方向とする。また、ｘｙ平面に直交する方向、すなわち、００１］方向をｚ方向とし、半導体基板１０側がｚ＜０の領域とする。また、半導体積層体５０は、ＩＩＩ−ＩＶ族化合物半導体から構成されているものとする。
【００３５】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のような立方晶系の場合、応力Ｔ，ひずみＳは弾性定数Ｃを利用して次式のように表すことができる。
【数１】
2009272331.tif 000003
一方、半導体積層体５０内のある位置での媒質の変位ｕのｘ成分、ｙ成分、ｚ成分は、運動方程式より以下のようになる。ここで、ρは密度である。
【数２】
2009272331.tif 000004
ｚ＜０における変位ｕは、超音波の波数をｑ、角周波数をΩとし、深さ方向の減衰係数をηとして、
【数３】
2009272331.tif 000005
【数４】
2009272331.tif 000006
と表すことができる。（３）式は縦波を表しており、（４）式は剪断波を表している。なお、（３）式及び（４）式中のｕｘ０及びｕｚ０は、超音波供給手段３０の構成及び櫛形電極３２Ａ，３２Ｂに与える信号の大きさ（例えば電流の大きさ）により決まる初期変位（初期振幅）である。ここでは、縦波及び剪断波の影響を考えるため、変位ｕのｘ成分及びｚ成分に着目し、変位ｕのｙ方向成分であるｕｙに関する記載は省略している。
【００３６】
（１）式〜（４）式より、以下の（５）式が得られる。
【数５】
2009272331.tif 000007
（５）式において、
ｖＳＡＷ＝Ω／ｑ：表面を伝搬する超音波の速度
ｖＬ＝｛（Ｃ１１＋Ｃ１２＋２Ｃ４４）／２ｑ｝１／２：縦波の速度
ｖＳＶ＝（Ｃ４４／ρ）１／２：垂直剪断波の速度
である。
【００３７】
（５）式より次式が導かれる。
【数６】
2009272331.tif 000008
（６）式において、ΔＣ＝Ｃ１２＋２Ｃ４４−Ｃ１１である。
【００３８】
一般に等方性媒質ではΔＣ＝０となってηは実数となる。一方、異方性のあるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ではΔＣ＞０である。表１に代表的なＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓのＣ１１／Ｃ４４、Ｃ１２／Ｃ４４、ΔＣ／Ｃ４４の値を示す。
【表１】
2009272331.tif 000009
表１に示した値を考慮すると、Ｃ１１／Ｃ４４＝２、Ｃ１２／Ｃ４４＝１、ΔＣ／Ｃ４４＝１とおくことが可能であるため、これらの値を（６）式に代入すると、次式が得られる。
【数７】
2009272331.tif 000010
通常、（７）式の第２項のルートの中は負となるので減衰係数ηは複素数となり、次式が得られる。
【数８】
2009272331.tif 000011
従って、減衰係数ηは、
【数９】
2009272331.tif 000012
と表すことができる。
【００３９】
（８）式（又は（９）式）を（３）式及び（４）式に代入することを考える。この際、記載の簡略化するため、（３）式及び（４）式中のｅｘｐ（ηｑ）の係数を便宜的に複素数Ａで表すと、ｚ＜０の領域でｘ方向及びｚ方向の変位（振幅）ｕｘ，ｕｚは、それぞれ以下の関係を満たす。
【数１０】
2009272331.tif 000013
ここで、λａｃは超音波の波長である。また、θは、複素数Ａの実部と虚部との比である。すなわち、θ＝Ｉｍ｛Ａ｝／Ｒｅ｛Ａ｝である。
【００４０】
（１０）式より、半導体積層体内部（ｚ＜０）においても、−ｚ方向において変位ｕｘ，ｕｚが周期的に変化することが分かる。そして、この変位によりキャリア密度の変化が生じるので、超音波が供給された場合、図６〜図８に示すように、半導体積層体５０の内部において深さ方向にキャリア密度が増加する領域と減少する領域とが周期的に生じることになる。図６は、変位ｕのｘ成分であるｕｘによるキャリア密度の変化の数値計算結果を示す図面である。図７は、変位ｕのｚ成分であるｕｚによるキャリア密度の変化の数値計算結果を示す図面である。また、図８は、ｕｘ及びｕｚを重ね合わせた場合のキャリア密度の変化の数値計算結果を示す図面である。図６〜図８において、横軸はコンタクト層の表面からの深さを示しており、深さ０がコンタクト層２８の表面（ＺｎＯ薄膜３１との界面）である。また、縦軸は、キャリア密度の変化量を示している。なお、キャリア密度の変化をｎｃとし、電荷密度の変化をρｃとし、素電荷をｅとした場合、ｎｃ＝ρｃ／ｅである。図６〜図８に示した数値計算では、コンタクト層２８は前述したようにｎ型のＩｎＧａＡｓ半導体層とし、キャリア濃度及び厚さは１×１０１９ｃｍ−３、厚さは０．０１μｍとしている。また、レーザ構造部５０は、図４に示した図表の構成を有する単位積層体２４を３５周期積層したものとした。なお、図６〜図８は、ｘ方向のある位置での−ｚ方向のキャリア密度の変化に対応する。
【００４１】
図６及び図７に示すように、変位ｕｘ、ｕｚの寄与によりそれぞれキャリア密度の変化量が周期的に変化していることが分かる。そして、変位ｕｘ及び変位ｕｚの寄与を重ねあわせた場合にも、図８に示すようにキャリア密度の変化が周期的に変化していることがわかる。半導体積層体５０の内部において−ｚ方向におけるキャリア密度の変化には、変位ｕｘ、ｕｚのどちらもが寄与することになるので、半導体レーザ素子２の媒質内部においては、図８に示すようなキャリア密度の変化が生じていることになる。すなわち、図８に示す領域Ｉ，ＩＩＩではキャリア密度が増加している一方、領域ＩＩ，ＩＶではキャリア密度が減少している。よって、半導体積層体５０における領域Ｉ，ＩＩＩと、領域ＩＩ，ＩＶとは、キャリア密度の変化パターンが逆であることになる。キャリア密度の変化は、超音波が伝搬することにより生じることから、超音波が供給されることにより領域Ｉ，ＩＩＩと、領域ＩＩ，ＩＶとには互いに逆位相の超音波が伝搬していると考えることもできる。そのため、活性層２３内部において超音波による変調の打ち消しあいが生じ、結果として、効率的にＤＦＢ動作を実現できない。
【００４２】
本発明者らは超音波を利用してＤＦＢ動作を実現する従来の半導体レーザ素子２における上記問題点を見出し、図８の計算例において領域ＩＩ，ＩＶに対応する領域に吸収損失層をあえて配置することに着目し、図１及び図２に示したレーザ構造部２７の構成としている。
【００４３】
すなわち、図１に示したレーザ構造部２７は、図５に示したような活性層２３からなるレーザ構造部５０の−ｚ方向においてレーザ構造部５０の表面近傍におけるキャリア密度の変化と反対のキャリア密度の変化を示す領域に吸収損失層２２Ａ，２２Ｂをそれぞれ配置することで、吸収損失層２２Ａ，２２Ｂによりレーザ構造部５０（又は活性層２３）を、活性層２３Ａ及び活性層２３Ｂに分割したものに対応する。換言すれば、図８に示した計算例を基にキャリア密度の増加領域（或いは、変位ｕが正の領域）に利得領域（活性層）、キャリア密度の減少領域（或いは、変位ｕが負の領域）に吸収損失層が配置してレーザ構造部２７が設計されている。
【００４４】
よって、半導体レーザ素子１は例えば次のようにして製造することができる。
【００４５】
半導体レーザ素子１において、レーザ構造部２７が全て活性層２３からなると仮定し、その場合の半導体積層体２０の各層の材料の弾性定数と、超音波の周波数とで決まるキャリア密度の深さ方向の変化を数値計算により算出し、図８に示すようなキャリア密度の変化の深さ方向分布を得る。そして、本実施形態ではコンタクト層２８との界面近傍のキャリア密度の変化と反対の変化を示している領域（図８の計算例では領域ＩＩ、ＩＶ）にＩｎＧａＡｓ吸収損失層を割り当てて、コンタクト層２８との界面近傍のキャリア密度の変化と同じ変化を示している領域（図８の計算例では領域Ｉ、ＩＩＩ）に利得領域としての活性層を割り当て半導体積層体２０の層構造を設計する。なお、レーザ構造部２７内でのキャリア密度の変化がレーザ発振に寄与することになるので、上記計算は、半導体積層体２０のクラッド層２１上の構成について実施すればよく、クラッド層２１については適宜厚さなど設計しておけばよい。そして、上記のようにして設計した素子構造に基づいて、半導体基板１０上に各半導体層を、分子線エピタキシー法や有機金属気相成長法などの結晶成長技術により形成すると共に、超音波供給手段３０、第１の電極４１及び第２の電極４２Ａ，４２Ｂを形成することで半導体レーザ素子１を得ることができる。また、上記計算において本実施形態で説明したように、活性層２３がＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子から構成される活性層である場合には、パラメータとしてはＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌＡｓの平均値を採用することができる。
【００４６】
図８に示した計算結果に基づいた半導体積層体２０におけるクラッド層２１、吸収損失層２２Ａ、活性層２３Ａ、吸収損失層２２Ｂ、活性層２３Ｂ及びコンタクト層２８の厚さ、キャリア密度、単位積層体２４の周期数などは前述した数値例のとおりである。
【００４７】
図１に示したレーザ構造部２７を有する半導体レーザ素子１の構成では、半導体レーザ素子１の駆動時に、超音波を半導体積層体２０に供給した場合、キャリア密度の変化が、レーザ構造部２７のコンタクト層２８との界面近傍と逆になる領域に、吸収損失層２２Ａ，２２Ｂが配置されているため、吸収損失層２２Ａ，２２Ｂが配置されている領域では利得が生じないと共に、吸収損失層２２Ａ，２２Ｂに入射してきた光の少なくとも一部は吸収される。これにより、超音波による変調の打ち消しあいが低減又は防止されるため、吸収損失層２２Ａ，２２Ｂを設けない従来の構造に比べて結合係数κの向上が実現できる。その結果、より効率的にＤＦＢ動作を実現でき、優れたシングルモード動作が可能になる。また、従来構造に比べて低いパワーでの表面弾性波でシングルモード動作が可能になるので、半導体レーザ素子１の制御系への負担が軽減される。
【００４８】
ここで、ＤＦＢ動作を、結合係数κを用いて評価した結果について説明する。超音波を用いたＤＦＢ型の半導体レーザ素子における結合係数κは
【数１１】
2009272331.tif 000014
と表される。ここでｅ１４は圧電定数、ｅは電荷、Ｎ０はキャリア密度、ｑは波数である。また、θｘ及びθｚは、（３）式のｅｘｐ（ηｑ）の係数を複素数Ａｘとし、（４）式のｅｘｐ（ηｑ）の係数を複素数Ａｚとしたときに、（１０）式中のθの定義で使用した複素数Ａの代わりに、Ａｘ、Ａｚとした場合のθに対応する。また、α０は吸収係数、ｇ０は利得係数、Ｅｏｐｔは光の電界成分（ＴＭモード）を表す。（１１）式中のｕｘ、ｕｚおよびＥｏｐｔはそれぞれコンピュータによる数値計算により求めることが可能であるので任意の構造に対してκを求めることができる。
【００４９】
ＩｎＧａＡｓ吸収損失層を有しない従来構造（図５）では、α0＝0である。そして、（１１）式において、ｇ０＝５０ｃｍ−１、ｅ１４＝０．１１Ｃ／ｍ２、θｘ−θｚ＝−π／２、Ｎ０＝１．５×１０１６ｃｍ−３とし、超音波の波長を１．６μｍとした場合、｜κ｜を求めると約２．２ｃｍ−１となる。
【００５０】
これに対して図１に示した本実施形態の構造では、ＩｎＧａＡｓ吸収損失層２２Ａ，２２Ｂのα0をα0＝３．４ｃｍ−１とし、｜κ｜を求めると約３．７ｃｍ−１となった。なお、α０以外の条件は上記従来構造の場合と同様である。このように電荷密度の変化が表面近傍とは逆向きになる領域に吸収損失層２２Ａ，２２Ｂを設けることによって｜κ｜が約７０％向上した。
【００５１】
更に、光共振器中の光の進行波（forward）と後退波（backward）を考えると、
【数１２】
2009272331.tif 000015
と表すことができる。（１２）式中で、Ｅｚｆｏｒｗａｒｄ及びＥｚｂａｃｋｗａｒｄはそれぞれ進行波及び後退波の電界のｚ成分である。
【００５２】
一般に進行波と後退波のモードが異なる場合を考える。例えば進行波を0次モード、後退波を1次モードとする。この場合の結合係数κをκ０１として表すと、
【数１３】
2009272331.tif 000016
ただし、κ０１＝κ１０である。（１３）式中Ｅｚ０及びＥｚ１は、それぞれ０次モード及び１次モードにおける電界のｚ成分である。
【００５３】
電荷密度の変化に位相反転がある場合、吸収損失層を用いない図５に示した従来構造ではκ01＞κ00となる場合が存在する。この場合０−１という発振モードが同時に存在してしまい出力が不安定となる。一方、吸収損失層２２Ａ，２２Ｂを挿入した図１及び図２に示した本実施形態の半導体レーザ素子１の構成ではκ00が最大となるように設計されているのでκ00＞κ01＝κ10となり0次モードだけの安定な発振特性を得ることができる。
【００５４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は図１及び図２に示した構成に限られるわけではなく、超音波を伝搬させる機構なら何れの構造にも適用が可能である。例えば、半導体レーザ素子１は、量子カスケードレーザ素子として説明したが、これに限定されず、本発明は圧電性を有する半導体材料から構成される半導体レーザ素子に適用することが可能である。
【００５５】
また、上記実施形態では、半導体レーザ素子１が有する半導体積層体２０の厚さ方向のキャリア密度の変化において、図８の例においてキャリア密度が減少する領域に吸収損失層を配置しているが、キャリア密度が増加する領域に吸収損失層を配置してもよい。換言すれば、超音波に起因したキャリア密度の変化がレーザ構造部２７とコンタクト層２８との界面近傍における変化と同じ領域に吸収損失層を配置してもよい。この場合も、半導体積層体２０内部での超音波による変調の打ち消しが低減されるため、結合効率κの向上が図られ、結果として、より効率的にＤＦＢ動作を実現することが可能である。ただし、図８の計算例で示すように、キャリア密度の変化はコンタクト層２８側でより大きく、且つ、超音波の振幅の影響をより反映している。そのため、上記実施形態で示したように、図８の計算例における領域Ｉ，ＩＩＩに利得領域である活性層２３Ａ（又は活性層２３）を配置した方が、所望のＤＦＢ動作をより確実且つ効率的に得ることが可能である。
【００５６】
更にまた、上記実施例では、図８の計算例における領域ＩＩ，ＩＶの両方に吸収損失層を設けたが、吸収損失層は領域ＩＩ，ＩＶの何れか一方に設けていればよい。これにより、少なくとも一方の領域の影響による変調の打ち消しを低減できる。このように少なくとも領域ＩＩ，ＩＶのどちらか一方に吸収損失層を設ける場合には、領域ＩＩに設けることがより好ましい。超音波供給手段３０により近く図８の計算例に示すように、領域ＩＶよりもキャリア密度の変化が大きいため、変調の打ち消しにより寄与すると考えられ、吸収損失層を配置することで、その影響を低減できるからである。
【００５７】
また、各層の膜厚、キャリア密度、電極構造等は上述した実施形態で例示したものに示したものに限られるわけではなく、設計波長および活性層構造等により適宜最適化されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に係る半導体レーザ素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】図１に示した半導体レーザ素子が有する活性層の模式図である。
【図４】図３に示した活性層が有する単位積層体の構成を示す図表である。
【図５】従来の半導体レーザ素子の模式図である。
【図６】超音波に起因した変位のｘ成分の寄与による深さ方向のキャリア密度の変化の数値計算結果を示す図面である。
【図７】超音波に起因した変位のｚ成分の寄与による深さ方向のキャリア密度の変化の数値計算結果を示す図面である。
【図８】超音波に起因した変位のｘ成分及びｚ成分の寄与による深さ方向のキャリア密度の変化の数値計算結果を示す図面である。
【符号の説明】
【００５９】
１…半導体レーザ素子、１０…半導体基板、１０ａ…表面（主面）、２０…半導体積層体、２２Ａ，２２Ｂ…吸収損失層、２３…活性層、２３Ａ，２３Ｂ…活性層、２５…量子井戸発光層、２６…電子注入層、２７…レーザ構造部、２８…コンタクト層、３０…超音波供給手段、Ｉ，ＩＩＩ・・・第１の領域、ＩＩ，ＩＶ・・・第２の領域。
【図１】
2009272331.tif 000017
【図２】
2009272331.tif 000018
【図３】
2009272331.tif 000019
【図４】
2009272331.tif 000020
【図５】
2009272331.tif 000021
【図６】
2009272331.tif 000022
【図７】
2009272331.tif 000023
【図８】
2009272331.tif 000024