(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌxＧａ1-xＡｓからなる第１導電型のクラッド層と、該第１導電型のクラッド層上に形成されたＡｌqＧａ1-qＡｓ（１＞ｘ＞ｑ≧０）からなる活性層と、該活性層上に形成されたＡｌyＧａ1-yＡｓ（ｙ＞ｑ）からなる第２導電型のクラッド層と、該第２導電型のクラッド層上に形成され、電流通路を制限すると共に電流通路を形成する所定幅のストライプ状開口部を有し、且つ前記第２導電型のクラッド層よりも大きいバンドギャップを有し前記第２導電型のクラッド層よりも小さな屈折率を有するＡｌzＧａ1-zＡｓ（１≧ｚ＞ｙ）からなる電流ブロック層と、を備え、
前記第２導電型のクラッド層は、平坦部と、前記平坦部上に形成されたストライプ状のリッジ部とを有し、前記リッジ部は前記電流ブロック層の前記開口部内に位置し、
前記電流ブロック層は、前記第２導電型のクラッド層上に形成されたＡｌz1Ｇａ1-z1Ａｓ（１≧ｚ１＞ｙ）からなる第１の層と、前記第１の層上に形成されたＡｌz2Ｇａ1-z2Ａｓ（１≧ｚ２＞ｙ）からなる第２の層と、前記第２の層上に形成されたＧａＡｓからなる第3の層とを含み、且つ前記平坦部上面及び前記リッジ部側面を覆うように形成され、前記第２の層は前記第１導電型であり、前記第１の層は前記第２の層よりも低い不純物濃度を有し、
前記活性層における前記開口部に対応する領域の実効屈折率と前記活性層における前記開口部の両側に対応する領域の実効屈折率との差Δｎ及び前記開口部の幅Ｗ［μｍ］が、
Δｎ≧２×１０-3
Ｗ≦−１．６×１０3×Δｎ＋９．３
Ｗ≧３．０
の関係を満足することを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記実効屈折率の差Δｎ及び前記開口部の幅Ｗが
Ｗ≦−１．５×１０3×Δｎ＋８．５５
の関係を満足することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記電流ブロック層はＡｌを含み、
前記実効屈折率の差Δｎは、前記電流ブロック層のＡｌ組成比及び前記第２導電型のクラッド層の開口部の両側部分での厚さを選択することにより設定されることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記電流ブロック層のＡｌ組成比ｚは前記第２導電型のクラッド層のＡｌ組成比ｙよりも大きいことを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記電流ブロック層のＡｌ組成比ｚは０．６以下であることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記リッジ部の幅は前記活性層側から反対側に至るにつれて小さく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。
【請求項７】
ＡｌxＧａ1-xＡｓからなる第１導電型のクラッド層と、該第１導電型のクラッド層上に形成されたＡｌqＧａ1-qＡｓ（１＞ｘ＞ｑ≧０）からなる活性層と、該活性層上に形成されたＡｌyＧａ1-yＡｓ（ｙ＞ｑ）からなる第２導電型のクラッド層と、該第２導電型のクラッド層上に形成され、電流通路を制限すると共に電流通路を形成する所定幅のストライプ状開口部を有し、且つ前記第２導電型のクラッド層よりも大きいバンドギャップを有し前記第２導電型のクラッド層よりも小さな屈折率を有するＡｌzＧａ1-zＡｓ（１≧ｚ＞ｙ）からなる電流ブロック層と、を備え、
前記第２導電型のクラッド層は、平坦部と、前記平坦部上に形成されたストライプ状のリッジ部とを有し、前記リッジ部は前記電流ブロック層の前記開口部内に位置し、
前記電流ブロック層は、前記第２導電型のクラッド層上に形成されたＡｌz1Ｇａ1-z1Ａｓ（１≧ｚ１＞ｙ）からなる第１の層と、前記第１の層上に形成されたＡｌz2Ｇａ1-z2Ａｓ（１≧ｚ２＞ｙ）からなる第２の層と、前記第２の層上に形成されたＧａＡｓからなる第3の層とを含み、且つ前記平坦部上面及び前記リッジ部側面を覆うように形成され、前記第２の層は前記第１導電型であり、前記第１の層は前記第２の層よりも低い不純物濃度を有する半導体レーザ素子の設計方法であって、
基本横モード発振で所定の光出力が得られるように、前記活性層における前記開口部に対応する領域の実効屈折率と前記活性層における前記開口部の両側に対応する領域の実効屈折率との差Δｎ、及び前記開口部の幅Ｗを、
Δｎ≧２×１０-3
Ｗ≦−１．６×１０3×Δｎ＋９．３
の関係を満足するように設定するステップと、
前記実効屈折率の差Δが得られるように前記電流ブロック層のＡｌ組成比ｚ及び前記第２導電型のクラッド層の開口部の両側部分での厚さを選択するステップとを含むことを特徴とする半導体レーザ素子の設計方法。
【請求項８】
前記設定するステップは、前記実効屈折率の差Δｎ及び前記開口部の幅Ｗ［μｍ］を、
Ｗ≦−１．５×１０3×Δｎ＋８．５５
の関係を満足するように設定することを含むことを特徴とする請求項７記載の半導体レーザ素子の設計方法。
【請求項９】
前記設定するステップは、前記開口部の幅Ｗを３．０μｍ以上に設定することを含むことを特徴とする請求項７記載の半導体レーザ素子の設計方法。
【請求項１０】
前記リッジ部の幅は前記活性層側から反対側に至るにつれて小さくなることを特徴とする請求項７記載の半導体レーザ素子の設計方法。
【請求項１１】
ＡｌxＧａ1-xＡｓからなる第１導電型のクラッド層と、該第１導電型のクラッド層上に形成されたＡｌqＧａ1-qＡｓ（１＞ｘ＞ｑ≧０）からなる活性層と、該活性層上に形成されたＡｌyＧａ1-yＡｓ（ｙ＞ｑ）からなる第２導電型のクラッド層と、該第２導電型のクラッド層上に形成され、電流通路を制限すると共に電流通路を形成する所定幅のストライプ状開口部を有し、且つ前記第２導電型のクラッド層よりも大きいバンドギャップを有し前記第２導電型のクラッド層よりも小さな屈折率を有するＡｌzＧａ1-zＡｓ（１≧ｚ＞ｙ）からなる電流ブロック層と、を備え、
前記第２導電型のクラッド層は、平坦部と、前記平坦部上に形成されたストライプ状のリッジ部とを有し、前記リッジ部は前記電流ブロック層の前記開口部内に位置し、
前記電流ブロック層は、前記第２導電型のクラッド層上に形成されたＡｌz1Ｇａ1-z1Ａｓ（１≧ｚ１＞ｙ）からなる第１の層と、前記第１の層上に形成されたＡｌz2Ｇａ1-z2Ａｓ（１≧ｚ２＞ｙ）からなる第２の層と、前記第２の層上に形成されたＧａＡｓからなる第3の層とを含み、且つ前記平坦部上面及び前記リッジ部側面を覆うように形成され、前記第２の層は前記第１導電型であり、前記第１の層は前記第２の層よりも低い不純物濃度を有し、
前記活性層における前記開口部に対応する領域の実効屈折率と前記活性層における前記開口部の両側に対応する領域の実効屈折率との差Δｎ及び前記開口部の幅Ｗ［μｍ］が、
２．４×１０-3≦Δｎ≦３．５×１０-3
Ｗ≧２．５
Ｗ≦−１．３３×１０3×Δｎ＋８．７２３
Ｗ≦２．２５×１０3×Δｎ−２．８
の関係を満足することを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項１２】
前記実効屈折率の差Δｎ及び前記開口部の幅Ｗ［μｍ］が
Ｗ≦−１．３３×１０3×Δｎ＋７．９２３
の関係を満足することを特徴とする請求項１１記載の半導体レーザ素子。
【請求項１３】
前記実効屈折率の差Δｎ及び前記開口部の幅Ｗ［μｍ］が
Ｗ≦２．５５×１０3×Δｎ−３．１７５
の関係を満足することを特徴とする請求項１１記載の半導体レーザ素子。
【請求項１４】
前記電流ブロック層はＡｌを含み、
前記実効屈折率の差Δｎは、前記電流ブロック層のＡｌ組成比及び前記第２導電型のクラッド層の開口部の両側部分での厚さを選択することにより設定されることを特徴とする請求項１１記載の半導体レーザ素子。
【請求項１５】
前記電流ブロック層のＡｌ組成比ｚは前記第２導電型クラッド層のＡｌ組成比ｙよりも大きいことを特徴とする請求項１１記載の半導体レーザ素子。
【請求項１６】
前記電流ブロック層のＡｌ組成比ｚは０．６以下であることを特徴とする請求項１１記載の半導体レーザ素子。
【請求項１７】
前記リッジ部の幅は前記活性層側から反対側に至るにつれて小さくなることを特徴とする請求項１１記載の半導体レーザ素子。
【請求項１８】
ＡｌxＧａ1-xＡｓからなる第１導電型のクラッド層と、該第１導電型のクラッド層上に形成されたＡｌqＧａ1-qＡｓ（１＞ｘ＞ｑ≧０）からなる活性層と、該活性層上に形成されたＡｌyＧａ1-yＡｓ（ｙ＞ｑ）からなる第２導電型のクラッド層と、該第２導電型のクラッド層上に形成され、電流通路を制限すると共に電流通路を形成する所定幅のストライプ状開口部を有し、且つ前記第２導電型のクラッド層よりも大きいバンドギャップを有し前記第２導電型のクラッド層よりも小さな屈折率を有するＡｌzＧａ1-zＡｓ（１≧ｚ＞ｙ）からなる電流ブロック層と、を備え、
前記第２導電型のクラッド層は、平坦部と、前記平坦部上に形成されたストライプ状のリッジ部とを有し、前記リッジ部は前記電流ブロック層の前記開口部内に位置し、
前記電流ブロック層は、前記第２導電型のクラッド層上に形成されたＡｌz1Ｇａ1-z1Ａｓ（１≧ｚ１＞ｙ）からなる第１の層と、前記第１の層上に形成されたＡｌz2Ｇａ1-z2Ａｓ（１≧ｚ２＞ｙ）からなる第２の層と、前記第２の層上に形成されたＧａＡｓからなる第3の層とを含み、且つ前記平坦部上面及び前記リッジ部側面を覆うように形成され、前記第２の層は前記第１導電型であり、前記第１の層は前記第２の層よりも低い不純物濃度を有する半導体レーザ素子の設計方法であって、
基本横モード発振で所定の最高光出力及び所定の水平ビーム広がり角が得られるように、前記活性層における前記開口部に対応する領域の実効屈折率と前記活性層における前記開口部の両側に対応する領域の実効屈折率との差Δｎ、及び前記開口部の幅Ｗを
２．４×１０-3≦Δｎ≦３．５×１０-3
Ｗ≧２．５
Ｗ≦−１．３３×１０3×Δｎ＋８．７２３
Ｗ≦２．２５×１０3×Δｎ−２．８
の関係を満足するように設定するステップと、
前記実効屈折率の差Δが得られるように前記電流ブロック層のＡｌ組成比ｚ及び前記第２導電型のクラッド層の開口部の両側部分での厚さを選択するステップとを含むことを特徴とする半導体レーザ素子の設計方法。
【請求項１９】
前記設定するステップは、前記実効屈折率の差Δｎ及び前記開口部の幅Ｗ［μｍ］を、
Ｗ≦−１．３３×１０3×Δｎ＋７．９２３
の関係を満足するように設定することを含むことを特徴とする請求項１８記載の半導体レーザ素子の設計方法。
【請求項２０】
前記設定するステップは、前記実効屈折率の差Δｎ及び前記開口部の幅Ｗ［μｍ］を、
Ｗ≦２．２５×１０3×Δｎ−３．１７５
の関係を満足するように設定することを含むことを特徴とする請求項１８記載の半導体レーザ素子の設計方法。
【請求項２１】
前記リッジ部の幅は前記活性層側から反対側に至るにつれて小さくなることを特徴とする請求項１８記載の半導体レーザ素子の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザ素子及びその設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、低動作電流で動作することを目的とした半導体レーザ素子の研究開発が活発に行われている。
【０００３】
最近、透明な電流ブロック層を採用した実屈折率ガイド型半導体レーザ素子において、半導体レーザ素子の動作電流を低減できることが、IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL.1, NO.2, p102〜p109，1995に報 告されている。
【０００４】
従来、斯る実屈折率ガイド型半導体レーザ素子では、実効屈折率差がある程度大きい方が横モードが安定すると考えられる。例えば、上記文献では、実効屈折率差が約５×１０-3程度である。
【０００５】
しかしながら、上記のような透明な電流ブロック層を採用した実効屈折ガイド型半導体レーザ素子では、基本横モード発振でより光出力を大きくすることが困難である。
【０００６】
また、上記の実効屈折ガイド型半導体レーザ素子では、共振器内部の損失を低減出来るので、高光出力化が可能である。しかしながら、光磁気記録媒体や相変化型光記録媒体等の書換え可能な光学記録媒体用の光源として半導体レーザ素子を光ピックアップ装置に用いる場合、半導体レーザ素子の高出力化は必要である。また、４倍以上の速度で書き込みを行う場合、半導体レーザ素子の出力としては少なくとも基本横モード発振で最高出力が７０ｍＷ以上であり、しかも光ピックアップ装置への搭載時におけるノイズ特性等を低減するために水平方向の水平ビーム広がり角θHが６．５度以上であることが望まれる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点を鑑み為されたものであり、基本横モード発振で高い光出力が可能な半導体レーザ素子及びその設計方法を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は基本横モード発振で最高光出力を大きく、且つ水平方向の水平ビーム広がり角θHを大きくすることが可能な半導体レーザ素子及びその設計方 法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザは、第１導電型のクラッド層と、第１導電型のクラッド層上に形成された活性層と、活性層上に形成された第２導電型のクラッド層と、第２導電型のクラッド層上に形成され、電流通路を制限すると共に電流通路を形成する所定幅のストライプ状開口部を有し、且つ第２導電型のクラッド層よりも大きいバンドギャップを有し第２導電型のクラッド層よりも小さい屈折率を有する電流ブロック層と、を備え、第２導電型のクラッド層は、平坦部と、平坦部上に形成されたストライプ状のリッジ部とを有し、リッジ部は電流ブロック層の開口部内に位置し、電流ブロック層は、平坦部上面及びリッジ部側面を覆うように形成され、活性層における開口部に対応する領域（即ち、発光領域中の開口部に対向する領域又は／及び発光領域中の開口部を含む領域）の実効屈折率と前記活性層における前記開口部の両側に対応する領域（即ち、発光領域中の開口部の両側に対向する領域又は／及び発光領域中の開口部の両側を含む領域）の実効屈折率との差Δｎ及び前記開口部の幅Ｗ［μｍ］が、
Δｎ≧２×１０-3
Ｗ≦−１．６×１０3×Δｎ＋９．３
Ｗ≧３．０
の関係を満足する。
【００１０】
この場合、いわゆるリッジ導波型半導体レーザ素子が提供される。リッジ部の幅は、活性層側から反対側に至るにつれて小さくなってもよい。
【００１１】
本発明の半導体レーザ素子では、低動作電流で且つ基本横モード発振で高い光出力を得ることが可能となる。例えば、１００ｍＷ以上の光出力を得ることが可能となる。
【００１２】
また、実効屈折率の差Δｎが２×１０-3以上であるので、実屈折率ガイド型が良好に保持される。開口部の幅Ｗは３．０μm以上であるので、高い信頼性が得 られる。
【００１３】
実効屈折率の差Δｎ及び開口部の幅Ｗが
Ｗ≦−１．５×１０3×Δｎ＋８．５５
の関係を満足することがより好ましい。この場合、基本横モード発振で１５０ｍＷ以上の光出力が得られる。
【００１４】
第１導電型のクラッド層はＡｌxＧａ1-xＡｓからなり、活性層はＡｌqＧａ1-qＡｓ（１＞ｘ＞ｑ≧０）からなり、第２導電型のクラッド層はＡｌyＧａ1-yＡｓ（ｙ＞ｑ）からなり、電流ブロック層はＡｌzＧａ1-zＡｓ（１≧ｚ＞ｙ）からなってもよい。
【００１５】
この場合、低動作電流で且つ基本横モード発振で高い光出力が得られる。例えば、基本横モード発振で１００ｍＷ以上の光出力を得ることが可能となる。
【００１６】
実効屈折率の差Δｎは、電流ブロック層のＡｌ組成比及び第２導電型のクラッド層の開口部の両側部分での厚さを選択することにより設定されてもよい。
【００１７】
第１導電型のクラッド層のＡｌ組成比ｘ及び第２導電型のクラッド層のＡｌ組成比ｙは、０．４以上０．６以下であることが好ましい。
【００１８】
電流ブロック層のＡｌ組成比ｚは第２導電型クラッド層のＡｌ組成比ｙよりも大きいことが好ましい。電流ブロック層のＡｌ組成比ｚと第２導電型クラッド層のＡｌ組成比ｙとの差は０．０２以上であることがより好ましい。この場合、良好な実効屈折率差を容易に実現することが出来る。
【００１９】
電流ブロック層のＡｌ組成比ｚは０．６以下であることが好ましい。これにより、電流ブロック層の結晶性が良好となるので、この電流ブロック層上に形成される層の結晶性も良くなる。この結果、高信頼性の半導体レーザ素子が提供できる。
【００２０】
電流ブロック層は、第１導電型の層を少なくとも含むことが好ましい。この場合、この電流ブロック層の第１導電型の層と第２導電型の層とが互いに逆導電型となるので、十分な電流阻止が行える。電流ブロック層が、第１導電型の層のみからなってもよい。
【００２１】
電流ブロック層は、活性層上に形成された第１の層と、第１の層上に形成された第２の層とを含み、第２の層は第１導電型であり、第１の層は第２の層よりも低い不純物濃度を有してもよい。この場合、電流ブロック層から活性層への不純物拡散を防止出来る。特に、第１の層がアンドープ層であることが好ましい。
【００２２】
電流ブロック層が第１導電型の層からなる場合、活性層側に近づくほど不純物濃度が小さくなってもよい。
【００２３】
また、第２導電型のクラッド層中には、エッチング停止層等の厚さが３００Å以下の他の層が介在しても実効屈折率差にほとんど影響がないのでよい。
【００２４】
更に、電流ブロック層上は、発振光を吸収する第１導電型の電流ブロック層を備えても良い。
【００２５】
尚、第１導電型のクラッド層は、第１導電型の半導体基板上に形成されることが好ましく、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子では、ＧａＡｓ基板を用いることが好ましい。
【００２６】
活性層は単一量子井戸層からなる単一量子井戸構造を有してもよく、量子井戸層と障壁層とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造を有しても良く、量子効果を有さない単一の層であってもよい。
【００２７】
ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子の多重量子井戸構造は、ＡｌqＧａ1-qＡｓ（１＞ｘ＞ｑ≧０，１＞ｙ＞ｑ≧０）からなる量子井戸層と、ＡｌpＧａ1-pＡｓ（ｘ≧ｐ＞ｑ，ｙ≧ｐ＞ｑ）からなる障壁層を含んでもよい。
【００２８】
半導体レーザ素子が、基本横モード発振で１００ｍＷ以上の光出力を達成することがより好ましい。さらに、半導体レーザ素子が、基本横モード発振で１５０ｍＷ以上の光出力を達成することがより好ましい。
【００２９】
本発明の他の局面に従う半導体レーザ素子の設計方法は、ＡｌxＧａ1-xＡｓからなる第１導電型のクラッド層と、ＡｌqＧａ1-qＡｓ（１＞ｘ＞ｑ≧０）からなる活性層と、ＡｌyＧａ1-yＡｓ（ｙ＞ｑ）からなる第２導電型のクラッド層と、電流通路を制限するとともに、電流通路を形成する所定幅のストライプ状開口部を有し、且つＡｌzＧａ1-zＡｓ（１≧ｚ＞ｙ）からなる電流ブロック層とを、この順に含む半導体レーザ素子の設計方法であって、基本横モード発振で所定の光出力が得られるように、活性層におけ記開口部に対応する領域の実効屈折率と活性層における開口部の両側に対応する領域の実効屈折率との差Δｎ、及び開口部の幅Ｗを設定するステップと、実効屈折率の差Δが得られるように電流ブロック層のＡｌ組成比ｚ及び第２導電型のクラッド層の開口部の両側部分での厚さを選択するステップとを含む。
【００３０】
これにより、低動作電流で且つ基本横モード発振で高光出力を達成する半導体レーザ素子が得られる。
【００３１】
設定するステップは、実効屈折率の差Δｎ及び開口部の幅Ｗ［μｍ］を、Δｎ≧２×１０-3
Ｗ≦−１．６×１０3×Δｎ＋９．３
の関係を満足するように設定することを含むことが好ましい。これにより、基本横モード発振で１００ｍＷ以上の光出力を達成する半導体レーザ素子が得られる。
【００３２】
設定するステップは、実効屈折率の差Δｎ及び開口部の幅Ｗ［μｍ］を、
Ｗ≦−１．５×１０3×Δｎ＋８．５５
の関係を満足するように設定することを含むことがさらに好ましい。これにより、基本横モード発振で１５０ｍＷ以上の光出力を達成する半導体レーザ素子が得られる。
【００３３】
設定するステップは、開口部の幅Ｗを３．０μｍ以上に設定することを含むことが好ましい。これにより、高い信頼性の半導体レーザ素子が得られる。
【００３４】
第２導電型のクラッド層は、平坦部と、平坦部上のストライプ状リッジ部とを有し、リッジ部は電流ブロックの開口部内に位置し、電流ブロック層は、平坦部上面及びリッジ部側面を覆うように形成されてもよい。この場合、いわゆるリッジ導波型半導体レーザ素子が提供される。リッジ部の幅は活性層側から反対側に至るにつれて小さくなってもよい。
【００３５】
本発明のさらに他の局面に従う半導体レーザ素子は、第１導電型のクラッド層と、第１導電型のクラッド層上に形成された活性層と、活性層上に形成された第２導電型のクラッド層と、第２導電型のクラッド層上に形成され、電流通路を制限すると共に電流通路を形成する所定幅のストライプ状開口部を有し、且つ第２導電型のクラッド層よりも大きいバンドギャップを有し第２導電型のクラッド層よりも小さい屈折率を有する電流ブロック層と、を備え、第２導電型のクラッド層は、平坦部と、平坦部上に形成されたストライプ状のリッジ部とを有し、リッジ部は電流ブロック層の前記開口部内に位置し、電流ブロック層は、平坦部上面及びリッジ部側面を覆うように形成され、活性層における開口部に対応する領域の実効屈折率と活性層における開口部の両側に対応する領域の実効屈折率との差Δｎ及び開口部の幅Ｗ［μｍ］が、
２．４×１０-3≦Δｎ≦３．５×１０-3
Ｗ≧２．５
Ｗ≦−１．３３×１０3×Δｎ＋８．７２３
Ｗ≦２．２５×１０3×Δｎ−２．８
の関係を満足する。
【００３６】
この場合、いわゆるリッジ導波型半導体レーザ素子が提供される。リッジ部の幅は、活性層側から反対側に至るにつれて小さくなる。
【００３７】
本発明の半導体レーザ素子では、基本横モード発振で高い最高光出力および大きな水平ビーム広がり角を得ることができる。基本横モード発振で最高光出力を例えば７０ｍＷ以上と大きくすることが可能となるとともに、水平ビーム広がり角を例えば６．５度以上と大きくすることが可能となる。
【００３８】
実効屈折率の差Δｎ及び開口部の幅Ｗ［μｍ］が
Ｗ≦−１．３３×１０3×Δｎ＋７．９２３
の関係を満足することより好ましい。この場合、基本横モード発振で１００ｍＷ以上の最高光出力が達成される。
【００３９】
実効屈折率の差Δｎ及び開口部の幅Ｗ［μｍ］が
Ｗ≦２．２５×１０3×Δｎ−３．１７５
の関係を満足することがより好ましい。この場合、水平ビーム広がり角を７度以上と大きくすることが可能となる。
【００４０】
第１導電型のクラッド層はＡｌxＧａ1-xＡｓからなり、活性層はＡｌqＧａ1-qＡｓ（１＞ｘ＞ｑ≧０）からなり、第２導電型のクラッド層はＡｌyＧａ1-yＡｓ（ｙ＞ｑ）からなり、電流ブロック層はＡｌzＧａ1-zＡｓ（１≧ｚ＞ｙ）からなってもよい。
【００４１】
この場合、基本横モード発振で７０ｍＷ以上の最高光出力を得ることができるとともに、水平ビーム広がり角を６．５度以上とすることができる。
【００４２】
実効屈折率の差Δｎは、電流ブロック層のＡｌ組成比ｚ及び第２導電型のクラッド層の開口部の両側部分での厚さを選択することにより設定されてもよい。
【００４３】
第１導電型のクラッド層のＡｌ組成比ｘ及び第２導電型のクラッド層のＡｌ組成比ｙは、０．４以上０．６以下であることが好ましい。
【００４４】
電流ブロック層のＡｌ組成比ｚは第２導電型クラッド層のＡｌ組成比ｙよりも大きいことが好ましい。電流ブロック層のＡｌ組成比ｚと第２導電型のクラッド層のＡｌ組成比ｙとの差が０．０２以上であることがより好ましい。この場合、良好な実効屈折率差を容易に実現することができる。
【００４５】
電流ブロック層のＡｌ組成比ｚは０．６以下であることが好ましい。これにより、電流ブロック層の結晶性が良好となるので、この電流ブロック層上に形成される層の結晶性も良くなる。この結果、高信頼性の半導体レーザ素子が提供できる。
【００４６】
電流ブロック層は、第１導電型の層を少なくとも含むことが好ましい。この場合、この電流ブロック層の第１導電型の層と第２導電型のクラッド層とが互いに逆導電型となるので、十分な電流阻止が行える。電流ブロック層は、第１導電型の層のみからなってもよい。
【００４７】
電流ブロック層は、活性層上に形成された第１の層と、前記第１の層上に形成された第２の層とを含み、第２の層は第１導電型であり、第１の層は第２の層よりも低い不純物濃度を有してもよい。この場合、電流ブロック層から活性層への不純物拡散を防止できる。特に、第１の層がアンドープ層であることが好ましい。
【００４８】
電流ブロック層が第１導電型の層からなる場合、活性層側に近づくほど不純物濃度が小さくなってもよい。
【００４９】
また、第２のクラッド層中には、エッチング停止層等の厚さが３００Å以下の他の層が介在しても実効屈折率差には殆ど影響がないのでよい。
【００５０】
さらに、電流ブロック層上には、発振光を吸収する第１導電型の電流ブロック層を備えてもよい。
【００５１】
尚、第１導電型のクラッド層は、第１導電型の半導体基板上に形成されることが好ましく、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子では、ＧａＡｓ基板を用いることが好ましい。
【００５２】
活性層は単一量子井戸層からなる単一量子井戸構造を有してもよく、量子井戸層と障壁層とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造を有しても良く、量子効果を有さない単一の層であってもよい。
【００５３】
ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子の多重量子井戸構造は、ＡｌqＧａ1-qＡｓ（１＞ｘ＞ｑ≧０，１＞ｙ＞ｑ≧０）からなる量子井戸層と、ＡｌpＧａ1-pＡｓ（ｘ≧ｐ＞ｑ，ｙ≧ｐ＞ｑ）からなる障壁層を含んでもよい。
【００５４】
半導体レーザ素子が、基本横モード発振で７０ｍＷ以上の最高光出力を達成することが好ましい。更に、半導体レーザ素子が、基本横モード発振で１００ｍＷ以上の最高光出力を達成することが好ましい。また、半導体レーザ素子が６．５度以上の水平ビーム広がり角を達成することが好ましい。また、半導体レーザ素子が７度以上の水平ビーム広がり角を達成することがより好ましい。
【００５５】
尚、ビームが真円に近い方が装置の光学的設定を容易に行うことが出来る。垂直ビーム広がり角は、水平ビーム広がり角に比べて大きく、例えば１５〜３０度程度であるので、水平ビーム広がり角は垂直ビーム広がり角と同じ程度まで大きくてもよい。
【００５６】
加えて、共振器長は短い方が水平ビーム広がり角を若干大きくできる。一方、共振器長がほぼ３００μｍより小さいと、ＣＯＤ（瞬時光学損失）のレベルが低くなる。従って、共振器長はほぼ３００μｍ以上６００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
【００５７】
本発明のさらに他の局面に従う半導体レーザ素子の設計方法は、ＡｌxＧａ1-xＡｓからなる第１導電型のクラッド層と、ＡｌqＧａ1-qＡｓ（１＞ｘ＞ｑ≧０）からなる活性層、ＡｌyＧａ1-yＡｓ（ｙ＞ｑ）からなる第２導電型のクラッド層と、電流通路を制限するとともに、電流通路を形成する所定幅のストライプ状開口部を有し、且つＡｌzＧａ1-zＡｓ（１≧ｚ＞ｙ）からなる電流ブロック層とを、この順に含む半導体レーザ素子の設計方法であって、基本横モード発振で所定の最高光出力及び所定の水平ビーム広がり角が得られるように、活性層における開口部に対応する領域の実効屈折率と活性層における開口部の両側に対応する領域の実効屈折率との差Δｎ、及び開口部の幅Ｗを設定するステップと、実効屈折率の差Δが得られるように電流ブロック層のＡｌ組成比ｚ及び第２導電型のクラッド層の開口部の両側部分での厚さを選択するステップとを含む。
【００５８】
これにより、基本横モード発振で高い最高光出力および大きな水平ビーム広がり角を達成する半導体レーザ素子が得られる。
【００５９】
設定するステップは、実効屈折率の差Δｎ及び開口部の幅Ｗ［μｍ］を、
２．４×１０-3≦Δｎ≦３．５×１０-3
Ｗ≧２．５
Ｗ≦−１．３３×１０3×Δｎ＋８．７２３
Ｗ≦２．２５×１０3×Δｎ−２．８
の関係を満足するように設定することを含むことが好ましい。これにより、基本横モード発振で７０ｍＷ以上の最高光出力及び６．５度以上の水平ビーム広がり角を達成する半導体レーザ素子が得られる。
【００６０】
設定するステップは、実効屈折率の差Δｎ及び開口部の幅Ｗ［μｍ］を、
Ｗ≦−１．３３×１０3×Δｎ＋７．９２３
の関係を満足するように設定することを含むことがさらに好ましい。この場合、基本横モード発振で１００ｍＷ以上の最高光出力を達成する半導体レーザ素子が得られる。
【００６１】
設定するステップは、実効屈折率の差Δｎ及び開口部の幅Ｗ［μｍ］を、
Ｗ≦２．２５×１０3×Δｎ−３．１７５
の関係を満足するように設定することを含むことがさらに好ましい。この場合、７度以上の水平ビーム広がり角を達成する半導体レーザ素子が得られる。
【００６２】
第２導電型のクラッド層は、平坦部と、平坦部上のストライプ状リッジ部とを有し、リッジ部は電流ブロックの開口部内に位置し、電流ブロック層は、平坦部上面及び前記リッジ部側面を覆うように形成されてもよい。この場合、いわゆるリッジ導波型半導体レーザ素子が提供される。リッジ部の幅は、活性層側から反対側に至るにつれて小さくなってもよい。
【００６３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態に係るＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子を図１を用いて説明する。図１はこの半導体レーザの概略模式断面図である。
【００６４】
図１において、１はｎ型ＧａＡｓ基板である。この基板１上には、０．５μｍ厚のｎ型ＧａＡｓバッファ層（Ｓｅドープ）２、層厚０．１μｍ厚のｎ型Ａｌs Ｇａ1-sＡｓバッファ層（Ｓｅドープ：ｘ＞ｓ＞０、本実施形態ではｓ＝０．１ ８）３、層厚２．３μｍ厚のｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓクラッド層（Ｓｅドープ：本実施形態ではｘ＝０．４５）４、層厚４１０ÅのアンドープのＡｌvＧａ1-vＡｓ光ガイド層（１＞ｘ＞ｖ、本実施形態ではｖ＝０．３５）５、層厚１００ÅのアンドープのＡｌqＧａ1-qＡｓ（ｖ，ｗ＞ｑ≧０、本実施形態ではｑ＝０．０３５）の単一量子井戸層からなる活性層６、層厚４１０ÅのアンドープのＡｌwＧａ1-wＡｓ光ガイド層（ｙ１，ｙ２＞ｗ、本実施形態ではｗ＝０．３５）７、及び層厚ｔμｍのｐ型Ａｌy1Ｇａ1-y1Ａｓクラッド層（Ｚｎドープ：本実施形態ではｙ１＝０．４５）８がこの順序で形成されている。
【００６５】
前記ｐ型クラッド層８の略中央部上には、紙面垂直方向（共振器長方向）に延在する電流通路の開口部幅となる幅Ｗ（本実施形態ではＷ＝４．５μｍ）、層厚２００Åのストライプ状のｐ型ＡｌuＧａ1-uＡｓエッチング停止層（Ｚｎドープ、１≧ｕ＞ｙ１，ｙ２、本実施形態ではｕ＝０．７）９、ストライプ状の層厚２μｍ厚のｐ型Ａｌy2Ｇａ1-y2Ａｓクラッド層（Ｚｎドープ：本実施形態ではｙ２＝０．４５）１０、及びストライプ状の層厚０．４μｍのｐ型ＧａＡｓキャップ層（Ｚｎドープ）１１がこの順序で形成されてなるストライプ状のリッジ領域部１２が構成される。
【００６６】
前記ｐ型クラッド層８上には、前記リッジ領域部１２の側面を覆うように層厚０．３μｍのアンドープのＡｌz1Ｇａ1-z1Ａｓ電流ブロック層（１≧ｚ１＞ｙ１，ｙ２）１３、層厚０．２μｍのｎ型Ａｌz2Ｇａ1-z2Ａｓ電流ブロック層（Ｓｅドープ：１≧ｚ２＞ｙ１，ｙ２）１４、及び層厚０．３μｍのｎ型ＧａＡｓブロック層（Ｓｅドープ）１５がこの順序で形成されている。
【００６７】
前記ｐ型キャップ層１１、前記ブロック層１３の端面、前記ブロック層１４の端面、及び前記ブロック層１５上には、層厚６μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層（Ｚｎドープ）１６が形成されている。
【００６８】
前記ｐ型コンタクト層１６上にはＣｒ／Ａｕからなるｐ型側電極１７が形成され、前記ｎ型基板１の下面には、Ｃｒ／Ｓｎ／Ａｕからなるｎ型側電極１８が形成されている。
【００６９】
次に、上記の第１の実施の形態の半導体レーザ素子の製造方法の一例を説明する。
【００７０】
まず、ｎ型基板１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型ＡｌＧａＡｓバッファ層３、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４、アンドープのＡｌＧａＡｓ光ガイド層５、アンドープの活性層６、アンドープのＡｌＧａＡｓ光ガイド層７、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（平坦部）８、ｐ型ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＡｓエッチング停止層９、ｐ型クラッド層（後のリッジ領域部に対応）１０、及びｐ型ＧａＡｓキャップ層１１をこの順序で有機金属気相成長方法（ＭＯＣＶＤ法）又は分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等の気相成長方法により連続成長する。なお、キャップ層１１はｐ型クラッド層１０が製造工程において露出して酸化することにより、この層１０上に結晶成長できなくなるのを防止するための保護層である。
【００７１】
次に、前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１上にストライプ状のＳｉＯ2膜を形成 し、これをマスクとしてｐ型エッチング停止層９まで選択エッチングした後、前記マスクを介した状態でエッチング停止層９もエッチング除去してリッジ領域部１２を形成する。なお、停止層９はＡｌ組成比が大きく、エッチング工程後にこの上に結晶性よく結晶を成長することが困難であるので、本実施形態ではエッチング停止層９を除去している。
【００７２】
次に、リッジ領域部１２側面を覆おうようにクラッド層８上に電流ブロック層１３、１４、１５をこの順序に前記気相成長法により連続成長すると共に、上記キャップ層１１上面を露出させる。その後、上記電流ブロック層１３、１４、１５及びキャップ層１１上面上にｐ型ＧａＡｓコンタクト層１６を前記気相成長法により成長する。
【００７３】
この半導体レーザ素子は、電流通路を制限すると共に電流通路を形成するストライプ状の開口部（幅Ｗ）を有する電流ブロック層１３、１４が、ｐ型クラッド層８、１０に比べて、バンドギャップが大きく、且つ屈折率が小さい構成である。従って、発光領域（図１中、点線楕円内で模式的に示す領域）において、前記開口部に対応する領域Ａの実効屈折率が、該開口部の両側に対応する領域Ｂの実効屈折率より大きくでき、実屈折率ガイド型半導体レーザとして動作可能となる。ここで、実効屈折率差とは、活性層において、発振波長の光が領域Ａで感じる屈折率と領域Ｂで感じる屈折率との差を意味する。
【００７４】
尚、上記構成をとることにより、電流ブロック層１３、１４は、発振光に対して透明となる透明電流ブロック層である。
【００７５】
ここで、上記電流ブロック層１３、１４の各Ａｌ組成比ｚ１、ｚ２、又は前記ｐ型クラッド層８の層厚ｔを選択することにより、非動作時の実効屈折率差（開口部に対応する領域Ａの実効屈折率−開口部の両側に対応する領域Ｂの実効屈折率）を変化させて、基本横モード発振における最大光出力を測定した。その結果を図２に示す。尚、この測定では、前端面に２％の反射膜、後端面に９５％の反射膜を設けると共に、共振器長を１２００μｍとし、環境温度２５℃で測定した。また、図２中の各点における電流ブロック層１３、１４の各Ａｌ組成比ｚ１、ｚ２、及びｐ型クラッド層８の層厚ｔを表１に示す。試料Ｎｏ．Ａ１〜Ａ５のストライプ幅Ｗは４．５μｍである。
【００７６】
【表１】
0003754169.tif 000002
【００７７】
この図２から判るように、実効屈折率差が３×１０-3以下である場合に、基本横モードで発振できる最大光出力は１００ｍＷ以上となり、更に実効屈折率差が２．６×１０-3以下である場合には、基本横モードで発振できる最大光出力は１５０ｍＷ以上、更に２．３×１０-3以下である場合、基本横モードで発振できる最大光出力は２００ｍＷ以上となることが判る。
加えて、上記実効屈折率差が３×１０-3である場合、光出力１００ｍＷにおいて、発振しきい値電流は４３ｍＡ、動作電流１４０ｍＡ、垂直広がり角１８度、水平広がり角７度であり、上記実効屈折率差が２．５×１０-3である場合、光出力１７０ｍＷにおいて、発振しきい値電流は４５ｍＡ、動作電流１８５ｍＡ、垂直広がり角１８度、水平広がり角７度であった。
【００７８】
また、上記実効屈折率差が２．３×１０-3である場合、光出力２００ｍＷにおいて、発振しきい値電流は４７ｍＡ、動作電流２３５ｍＡ、垂直広がり角１８度、水平広がり角６．５度であった。
【００７９】
このように実効屈折率差が３×１０-3以下である場合、基本横モード発振で高光出力を低動作電流で実現できる。
【００８０】
従って、第１の実施の形態の半導体レーザ素子では、実効屈折率差は３×１０-3以下に選択され、好ましくは２．６×１０-3以下に選択される。
【００８１】
次に、電流ブロック層１３、１４の各Ａｌ組成比ｚ１、ｚ２、ｐ型クラッド層８の厚さｔ及びストライプ幅Ｗを選択することにより、非動作時の実効屈折率差Δｎ（開口部に対応する領域Ａの実効屈折率差−開口部の両側に対応する領域Ｂの実効屈折率）を変化させて、基本横モード発振における最大光出力Ｐｋを測定した。その結果を表２に示す。この場合、半導体レーザ素子の前端面に２％の反射膜、後端面に９５％の反射膜を設けるとともに、共振器長を１２００μｍとし、環境温度２５℃で測定を行った。尚、試料Ｂ４、Ｂ９、Ｂ１４、Ｂ１８、Ｂ２１は、それぞれ試料Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５に相当する。
【００８２】
【表２】
0003754169.tif 000003
【００８３】
図３は、表１中の試料Ｎｏ．Ｂ１〜Ｂ２１を用いて得た実効屈折率差Δｎ、基本横モード発振可能な最大光出力Ｐｋ及びストライプ幅Ｗの関係を示す。試料Ｂ１〜Ｂ２１の全てにおいて基本横モード発振が得られた。
【００８４】
図３において、最大光出力Ｐｋが１００ｍＷ以上であるためには、直線Ｌを含む直線Ｌ下側の領域を満足するストライプ幅Ｗ及び実効屈折率差Δｎを選択する必要があり、更に最大光出力Ｐｋが１５０ｍＷ以上であるためには、直線Ｍを含む直線Ｍ下側の領域を満足するストライプ幅Ｗ及び実効屈折率差Δｎを選択する必要があることがわかる。
【００８５】
尚、直線Ｌは下記の式（Ａ１）で表される。
【００８６】
Ｗ＝−１．６×１０3×Δｎ［μｍ］＋９．３［μｍ］     ・・・（Ａ１）
直線Ｍは下記の式（Ａ２）で表される。
【００８７】
Ｗ＝−１．５×１０3×Δｎ［μｍ］＋８．５５［μｍ］   ・・・（Ａ２）
なお、このような半導体レーザ素子では、動作時に領域Ａへキャリアが注入されて領域Ａにおける実質的な実効屈折率が１０-3程度低下するので、実屈折率ガイド型を良好に保持するために、実効屈折率差は略２×１０-3以上であるのがよい。
【００８８】
特に、信頼性の点からストライプ幅Ｗが３．０μｍ以上であることが好ましい。具体的には、半導体レーザ素子が１０００時間以上の安定動作を行うためには、ストライプ幅Ｗが３．０μｍ以上であることが好ましい。
【００８９】
以上のことから、基本横モード発振で最大光出力Ｐｋが１００ｍＷ以上であるために、ストライプ幅Ｗ及び実効屈折率差Δｎは、以下の関係を満足するように選択される。
【００９０】
Δｎ≧２×１０-3
W≦−１．６×１０3×Δｎ［μｍ］＋９．３［μｍ］
Ｗ≧３．０［μｍ］
基本横モード発振で最大光出力Ｐｋが１５０ｍＷ以上であるために、上記の関係に加えて、下記の関係を満足することがより好ましい。
【００９１】
Ｗ＝−１．５×１０3×Δｎ［μｍ］＋８．５５［μｍ］
また、バンドギャップが大きい（即ちＡｌ組成比の高い）電流ブロック層は、結晶性が比較的悪く、この結果、電流ブロック層を再成長する等の際にこの電流ブロック層からの不純物が活性層６に拡散する恐れがあり、しかも実屈折率ガイド型半導体レーザとし、無効電流を低減するために、ｐ型クラッド層８の層厚は小さく、好ましくは０．２５μｍ以下と設定されるので、上記拡散を抑制するために、上記実施形態のように活性層６側の電流ブロック層１３をアンドープ層等の低不純物層とするのが好ましく、勿論上述のようにアンドープ層とするのが好ましい。
【００９２】
また、上記第１の実施形態では、活性層６として、ＡｌqＧａ1-qＡｓ（ｑ≧０）からなる単一量子井戸層を用いたが、ＡｌqＧａ1-qＡｓ井戸層とＡｌpＧａ1-pＡｓ障壁層（ｐ＞ｑ≧０）からなる多重量子井戸構造層を用いてもよく、またＡｌqＧａ1-qＡｓ（ｑ≧０）からなる量子効果を有しない層であってもよい。
【００９３】
次に、本発明の第２の実施の形態に係るＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子を図４及び図５を用いて説明する。図４の半導体レーザ素子において、図１の半導体レーザ素子に対応する部分には同一符号を付している。
【００９４】
図４において、１はｎ型ＧａＡｓ基板である。この基板１上には、０．５μｍ厚のｎ型ＧａＡｓバッファ層（Ｓｅドープ）２、層厚０．１μｍ厚のｎ型Ａｌs Ｇａ1-sＡｓバッファ層（Ｓｅドープ：ｘ＞ｓ＞０、本実施形態ではｓ＝０．１ ８）３、層厚２．２μｍ厚のｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓクラッド層（Ｓｅドープ：本実施形態ではｘ＝０．４５）４、層厚２００ÅのアンドープのＡｌvＧａ1-vＡｓ光ガイド層（１＞ｘ＞ｖ、本実施形態ではｖ＝０．３５）５、層厚８０ÅのＡｌqＧａ1-qＡｓ（ｖ，ｗ＞ｑ≧０、本実施形態ではｑ＝０．１１）からなる量子井戸層６ａ、６ａ、６ａと層厚８０ÅのＡｌpＧａ1-pＡｓ（ｖ，ｗ≧ｐ＞ｑ≧０、本実施形態ではｐ＝０．３）の障壁層６ｂ、６ｂとが交互に積層されてなるアンドープの活性層６、層厚２００ÅのアンドープのＡｌwＧａ1-wＡｓ光ガイド層（ｙ１，ｙ２＞ｗ、本実施形態ではｗ＝０．３５）７、及び層厚ｔμｍのｐ型Ａｌy1Ｇａ1-y1Ａｓクラッド層（Ｚｎドープ：本実施形態ではｙ１＝０．４５）８がこの順序で形成されている。
【００９５】
前記ｐ型クラッド層８の略中央部上には、紙面垂直方向（共振器長方向）に延在する電流通路の開口部幅となる幅Ｗμｍ、層厚２００Åのストライプ状のｐ型ＡｌuＧａ1-uＡｓエッチング停止層（Ｚｎドープ、１≧ｕ＞ｙ１，ｙ２、本実施形態ではｕ＝０．７）９、ストライプ状の層厚１．８μｍ厚のｐ型Ａｌy2Ｇａ1-y2Ａｓクラッド層（Ｚｎドープ：本実施形態ではｙ２＝０．４５）１０、及びストライプ状の層厚０．７μｍのｐ型ＧａＡｓキャップ層（Ｚｎドープ）１１がこの順序で形成されてなるストライプ状のリッジ領域部１２が構成される。前記ｐ型クラッド層８上には、前記リッジ領域部１２の側面を覆うように層厚０．３μｍのアンドープのＡｌz1Ｇａ1-z1Ａｓ電流ブロック層（１≧ｚ１＞ｙ１，ｙ２）１３、層厚０．２μｍのｎ型Ａｌz2Ｇａ1-z2Ａｓ電流ブロック層（Ｓｅドープ：１≧ｚ２＞ｙ１，ｙ２）１４、及び層厚０．３μｍのｎ型ＧａＡｓブロック層（Ｓｅドープ）１５がこの順序で形成されている。
【００９６】
前記ｐ型キャップ層１１、前記ブロック層１３の端面、前記ブロック層１４の端面、及び前記ブロック層１５上には、層厚６μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層（Ｚｎドープ）１６が形成されている。
【００９７】
前記ｐ型コンタクト層１６上にはＣｒ／Ａｕからなるｐ型側電極１７が形成され、前記ｎ型基板１の下面には、Ｃｒ／Ｓｎ／Ａｕからなるｎ型側電極１８が形成されている。
【００９８】
この第２の実施の形態の半導体レーザ素子の製造方法は、活性層６の詳細な構造を除いて第１の実施の形態の半導体レーザ素子の製造方法と同様である。
【００９９】
この第２の実施の形態の半導体レーザ素子は、電流通路を制限すると共に電流通路を形成するストライプ状の開口部（ストライプ幅Ｗ）を有する電流ブロック層１３、１４が、ｐ型クラッド層８、１０に比べて、バンドギャップが大きく屈折率が小さい構成である。従って、発光領域（図４中、点線楕円内で模式的に示す領域）において、前記開口部に対応する領域ａの実効屈折率が、該開口部の両側に対応する領域ｂの実効屈折率より大きくでき、実屈折率ガイド型半導体レーザ素子として動作可能となる。
【０１００】
尚、上記構成をとることにより、電流ブロック層１３、１４は、発振光に対して透明となる透明電流ブロック層である。
【０１０１】
ここで、上記電流ブロック層１３、１４の各Ａｌ組成比ｚ１、ｚ２、前記ｐ型クラッド層８の層厚ｔ、前記幅Ｗを選択することにより、非動作時の実効屈折率差Δｎ（開口部に対応する領域ａの実効屈折率ｎO−開口部の両側に対応する領 域ｂの実効屈折率ｎS）を変化させて、基本横モード発振における最大光出力Ｐk、その時の水平方向の水平ビーム広がり角θH、ＣＯＤ（瞬時光学損傷）、及び 非点隔差を測定し、その結果を下記表３に示す。尚、この測定では、前端面に１２％の反射膜、後端面に９５％の反射膜を設けると共に、共振器長を６００μｍとし、環境温度２５℃で測定した。
【０１０２】
【表３】
0003754169.tif 000004
【０１０３】
図６は、表３中のＮｏ．Ｃ１〜Ｎｏ．Ｃ１８を用いて得た幅Ｗ、実効屈折率差Δｎ、水平ビーム広がり角θH、及び最大光出力Ｐkの関係を示す。
【０１０４】
この図６において、最大光出力Ｐkが７０ｍＷ以上であるためには、点線で示 す直線Ａと点線で示す直線Ｘの間の領域Ａを満足する幅Ｗ及び実効屈折率差Δｎを選択する必要があり、更に、最大光出力Ｐkが１００ｍＷ以上であるためには 、点線で示す直線Ｂと前記直線Ｘの間の領域Ｂを満足する幅Ｗ及び実効屈折率差Δｎを選択する必要があることが判る。
【０１０５】
また、この図６において、水平ビーム広がり角θHが６．５度以上であるため には、実線で示す直線Ｃを含む直線Ｃ下側の領域Ｃ内を満足する幅Ｗ及び実効屈折率差Δｎを選択する必要があり、更に、水平方向のビーム広がり角θHが７度 以上であるためには、実線で示す直線Ｄを含む直線Ｄ下側の領域Ｄ内を満足する幅Ｗ及び実効屈折率差Δｎを選択する必要があることが判る。
【０１０６】
なお、直線Ａは下記の式（Ｂ１）で示され、
Ｗ＝−１．３３×１０3×Δｎ［μｍ］＋８．７２３［μｍ］・・・（Ｂ１）
直線Ｂは下記の式（Ｂ２）で示され、
Ｗ＝−１．３３×１０3×Δｎ［μｍ］＋７．９２３［μｍ］・・・（Ｂ２）
直線Ｘは下記の式（Ｂ３）で示され、
Ｗ＝２．５［μｍ］                                     ・・・（Ｂ３）
直線Ｃは下記の式（Ｂ４）で示され、
Ｗ＝２．２５×１０3×Δｎ［μｍ］−２．８［μｍ］      ・・・（Ｂ４）
直線Ｄは下記の式（Ｂ５）で示される。
【０１０７】
Ｗ＝２．２５×１０3×Δｎ［μｍ］−３．１７５［μｍ］  ・・・（Ｂ５）
また、図７に、上記表３に示すＮｏ．Ｃ９〜Ｎｏ．Ｃ１４のＣＯＤとストライプ幅Ｗとの関係を示す。
【０１０８】
この図７及び表３から、ストライプ幅Ｗが２．５μｍより小さくなると、最大光出力Ｐkが１００ｍＷより小さくなる他、ＣＯＤも１００ｍＷより小さくなり 、長寿命化が図れないことが判る。
【０１０９】
図８に、上記表３に示すＮｏ．Ｃ１、Ｃ２、Ｃ５、Ｃ９、及びＣ１８の非点隔差と実効屈折率差Δｎの関係を示す。
【０１１０】
この図８及び表３から、実効屈折率差Δｎが２．４×１０-3より小さくなると非点隔差が急激に大きくなることが判る。このように非点隔差が非常に大きいと光ピックアップ装置の光学設定等が難しくなるので、実効屈折率差Δｎは２．４×１０-3以上がよいことが判る。
【０１１１】
また、実効屈折率差Δｎが３．５×１０-3を越えると、横モード発振が不安定になり、基本横モード発振が困難になる。
【０１１２】
従って、実効屈折率差Δｎは２．４×１０-3以上３．５×１０-3以下がよい。
【０１１３】
書き換え可能型光記録媒体用の光源としての半導体レーザは、最大光出力Ｐk が７０ｍＷ以上且つ水平ビーム広がり角θHが６．５度以上が要望されるので、 本発明では領域Ａと領域Ｃの重なる領域及び実効屈折率差Δｎが２．４×１０-3以上３．５×１０-3以下の範囲を満足するように幅Ｗ及び実効屈折率差Δｎが選択される。
【０１１４】
すなわち、幅Ｗ及び実効屈折率差Δｎは、
２．４×１０-3≦Δｎ≦３．５×１０-3
Ｗ≦−１．３３×１０3×Δｎ［μｍ］＋８．７２３［μｍ］
Ｗ≦２．２５×１０3×Δｎ［μｍ］−２．８［μｍ］
Ｗ≧２．５［μｍ］
を満足するように選択される。
【０１１５】
より好ましくは、上記関係の他に最大光出力Ｐkが１００ｍＷ以上となる下記
関係を満足する場合であり、
Ｗ≦−１．３３×１０3×Δｎ［μｍ］＋７．９２３［μｍ］
または、水平ビーム広がり角θHが７度以上となる下記関係を満足する場合で あり、
Ｗ≦２．２５×１０3×Δｎ［μｍ］−３．１７５［μｍ］
更に、好ましくは、最大光出力Ｐkが１００ｍＷ以上且つ水平ビーム広がり角θHが７度以上となるように
２．４×１０-3≦Δｎ≦３．５×１０-3
Ｗ≧２．５［μｍ］
Ｗ≦−１．３３×１０3×Δｎ［μｍ］＋７．９２３［μｍ］
Ｗ≦２．２５×１０3×Δｎ［μｍ］−３．１７５［μｍ］
を満足する場合である。
【０１１６】
なお、バンドギャップが大きい（即ちＡｌ組成比の高い）電流ブロック層は、結晶性が比較的悪く、この結果、電流ブロック層を再成長する等の際にこの電流ブロック層からの不純物が活性層６に拡散する恐れがあり、しかも実屈折率ガイド型半導体レーザとし、無効電流を低減するために、ｐ型クラッド層８の層厚は小さく、好ましくは０．２５μｍ以下と設定されるので、上記拡散を抑制するために、上記実施形態のように活性層６側の電流ブロック層１３をアンドープ層等の低不純物層とするのが好ましく、勿論上述のようにアンドープ層とするのが好ましい。
【０１１７】
また、上記第２の実施形態では、活性層６として、ＡｌqＧａ1-qＡｓ（ｑ≧０）からなる単一量子井戸層を用いたが、ＡｌqＧａ1-qＡｓ井戸層とＡｌpＧａ1-pＡｓ障壁層（ｐ＞ｑ≧０）からなる多重量子井戸構造層を用いてもよく、またＡｌqＧａ1-qＡｓ（ｑ≧０）からなる量子効果を有しない層であってもよい。
【０１１８】
また、上述の第１及び第２の実施の形態では、エッチング停止層９がｐ型クラッド層８、１０間、即ちｐ型クラッド層中に介在しているが、歩留まりは低下する恐れはあるが、エッチング停止層９を設けないようにもできる。
【０１１９】
上記第１及び第２の実施の形態において、ＡｌＧａＡｓクラッド層４、８、１０のＡｌ組成比ｘ、ｙ１、ｙ２は０．４以上０．６以下で適宜選択が可能であり、電流通路を制限すると共に電流通路を形成する所定幅のストライプ状の開口部を有し且つ隣接するＡｌＧａＡｓクラッド層８、１０よりＡｌ組成比の高い電流ブロック層１３、１４は、ＡｌＧａＡｓクラッド層８、１０のＡｌ組成比ｙ１、ｙ２より少なくとも０．０２以上大きくＡｌ組成比が設定される。
【０１２０】
しかしながら、ＡｌＧａＡｓは、Ａｌ組成比が０．６より大きくなると、結晶性が悪くなり、且つ酸化しやすくなってその上の結晶成長が困難になることを実験で確認している。従って、電流ブロック層１３、１４のＡｌ組成比ｚ１、ｚ２は０．６以下に選択されるのが好ましい。
【０１２１】
また、上記第１及び第２の実施の形態では、ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層１４とアンドープの電流ブロック層１３を同じＡｌ組成比にしたが、異なるようにも勿論できる。また、どちらか一方のみを備える構成にもできる。
【０１２２】
【発明の効果】
本発明は、基本横モード発振で高光出力が可能な半導体レーザ素子及びその設計方法を提供することができる。
【０１２３】
また、本発明は、基本横モード発振で高光出力が可能で水平ビーム広がり角θHが大きな半導体レーザ素子及びその設計方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【図２】図１の半導体レーザ素子の実効屈折率差Δｎと基本横モード発振可能な最大光出力Ｐｋとの関係を示す図である。
【図３】図１の半導体レーザ素子の実効屈折率差Δｎ、基本横モード発振可能な最大光出力Ｐｋ及びストライプ幅Ｗの関係を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【図５】図４の半導体レーザ素子の活性層及びその近傍の模式的バンド構造部である。
【図６】図４の半導体レーザ素子の実効屈折率差Δｎ、基本横モード発振可能な最大光出力Ｐｋ、ストライプ幅Ｗ及び水平ビーム広がり角θHの関係を示す図である 。
【図７】図４の半導体レーザ素子のストライプ幅ＷとＣＯＤ（瞬時光学損失）との関係を示す図である。
【図８】図４の半導体レーザ素子の実効屈折率差Δｎと非点隔差との関係を示す図である。
【符号の説明】
３          ｎ型クラッド層
６          活性層
８、１０    ｐ型クラッド層
１２        リッジ領域部
１３        アンドープの電流ブロック層
１４        ｎ型電流ブロック層
１５        ｎ型電流ブロック層
【図１】
0003754169.tif 000005
【図２】
0003754169.tif 000006
【図３】
0003754169.tif 000007
【図４】
0003754169.tif 000008
【図５】
0003754169.tif 000009
【図６】
0003754169.tif 000010
【図７】
0003754169.tif 000011
【図８】
0003754169.tif 000012