特開 2024-8478 半導体レーザ素子、及び半導体レーザ素子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024008478

(43)【公開日】2024-01-19

(54)【発明の名称】半導体レーザ素子、及び半導体レーザ素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/223 20060101AFI20240112BHJP

【ＦＩ】

H01S5/223

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022110391

(22)【出願日】2022-07-08

(71)【出願人】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(72)【発明者】

【氏名】内藤 秀幸

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AA05

5F173AA16

5F173AA41

5F173AB13

5F173AF33

5F173AF96

5F173AG01

5F173AH02

5F173AR03

(57)【要約】

【課題】基本モードの光を好適に出力することができる半導体レーザ素子、及び半導体レーザ素子の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体レーザ素子１は、基板２と、第１クラッド層３と、活性層５と、リッジ部３０が形成された第２クラッド層７と、リッジ部３０の両側の側面３０ａ及びリッジ部３０の両側に位置する底面３１ａに配置された絶縁層１０と、リッジ部３０の両側に配置されており、光に対して吸収特性を有する第１埋込層１１と、第１埋込層１１上に配置された第２埋込層１２と、リッジ部３０及び第２埋込層１２上に配置された電極層１３と、を備える。第２クラッド層７は、第１半導体層７１と、第１半導体層７１上に配置された第２半導体層７２と、第２半導体層７２上に配置された第３半導体層７３と、を有する。第２半導体層７２の屈折率は、第１半導体層７１の屈折率よりも低い。第２クラッド層７の屈折率は、第１クラッド層３の屈折率よりも低い。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板上に配置された第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に配置された活性層と、
前記活性層上に配置されており、リッジ部が形成された第２クラッド層と、
前記リッジ部の両側の側面及び前記リッジ部の両側に位置する底面において、前記第２クラッド層上に配置された絶縁層と、
前記リッジ部の両側において前記絶縁層上に配置されており、前記活性層において発生する光に対して吸収特性を有する第１埋込層と、
前記リッジ部の両側において前記第１埋込層上に配置された第２埋込層と、
前記リッジ部及び前記第２埋込層上に配置されており、前記リッジ部の頂面において前記第２クラッド層と電気的に接続された電極層と、を備え、
前記第２クラッド層は、前記活性層上に配置された第１半導体層と、前記第１半導体層上に配置された第２半導体層と、前記第２半導体層上に配置された第３半導体層と、を有し、
前記第２半導体層の屈折率は、前記第１半導体層の屈折率よりも低く、
前記第２クラッド層の屈折率は、前記第１クラッド層の屈折率よりも低い、半導体レーザ素子。

【請求項2】

前記第２半導体層は、ＡｌＧａＡｓによって形成されており、
前記第２半導体層におけるＡｌの含有率は、７０％以上である、請求項１に記載の半導体レーザ素子。

【請求項3】

前記第１クラッド層、前記第１半導体層及び前記第３半導体層のそれぞれは、ＡｌＧａＡｓによって形成されており、
前記第１クラッド層、前記第１半導体層及び前記第３半導体層のそれぞれにおけるＡｌの含有率は、３０％以上５０％以下である、請求項２に記載の半導体レーザ素子。

【請求項4】

前記リッジ部は、前記リッジ部の延在方向から見た場合に、前記基板側に向かって広がる台形状を呈している、請求項１に記載の半導体レーザ素子。

【請求項5】

前記第３半導体層と前記電極層との間に配置されたコンタクト層を更に備え、
前記コンタクト層は、前記リッジ部の延在方向から見た場合に、前記基板とは反対側に向かって広がる台形状を呈している、請求項１に記載の半導体レーザ素子。

【請求項6】

前記活性層において発生する光に対する前記第１埋込層の光吸収係数は、１×１０^５ｃｍ^―１以上である、請求項１に記載の半導体レーザ素子。

【請求項7】

前記第２埋込層は、絶縁材料又は樹脂材料によって形成されている、請求項１に記載の半導体レーザ素子。

【請求項8】

前記第３半導体層内に配置された回折格子層を更に備える、請求項１に記載の半導体レーザ素子。

【請求項9】

前記第１埋込層の少なくとも一部は、前記側面と前記底面との接続部上に配置されている、請求項１～８のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。

【請求項10】

請求項１～８のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子の製造方法であって、
前記基板上に前記第１クラッド層を形成する工程と、
前記第１クラッド層上に前記活性層を形成する工程と、
前記第１半導体層、前記第２半導体層及び前記第３半導体層が前記基板側からこの順で配置されるように、前記活性層上に前記第２クラッド層を形成する工程と、
前記第２クラッド層の一部をエッチングによって除去することにより前記リッジ部を形成する工程と、
前記側面及び前記底面にわたって前記第２クラッド層上に前記絶縁層を形成する工程と、
前記リッジ部の両側において前記絶縁層上に前記第１埋込層を形成する工程と、
前記リッジ部の両側において前記第１埋込層上に前記第２埋込層を形成する工程と、
前記リッジ部及び前記第２埋込層上に前記電極層を形成する工程と、を備える、半導体レーザ素子の製造方法。

【請求項11】

前記リッジ部を形成する工程では、前記第２半導体層をエッチングストップ層として、前記第３半導体層の一部をエッチングによって除去する、請求項１０に記載の半導体レーザ素子の製造方法。

【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、及び半導体レーザ素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の半導体レーザ素子として、基板と、基板上に配置されており、活性層を有する半導体積層体と、半導体積層体に形成されたリッジ部の両側に配置された樹脂層と、リッジ部及び樹脂層上に配置された電極層と、を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００１－１８５８１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述したような半導体レーザ素子では、基本モードの光を好適に出力することができない場合がある。例えば、高出力化を実現するために半導体レーザ素子の発光幅を広げると、基本モードの光だけでなく高次モードの光も出力されてしまい、基本モードの単一発振を維持することができなくなるといった問題が生じる。

【0005】

本発明は、基本モードの光を好適に出力することができる半導体レーザ素子、及び半導体レーザ素子の製造方法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】

本発明の半導体レーザ素子は、［１］「基板と、前記基板上に配置された第１クラッド層と、前記第１クラッド層上に配置された活性層と、前記活性層上に配置されており、リッジ部が形成された第２クラッド層と、前記リッジ部の両側の側面及び前記リッジ部の両側に位置する底面において、前記第２クラッド層上に配置された絶縁層と、前記リッジ部の両側において前記絶縁層上に配置されており、前記活性層において発生する光に対して吸収特性を有する第１埋込層と、前記リッジ部の両側において前記第１埋込層上に配置された第２埋込層と、前記リッジ部及び前記第２埋込層上に配置されており、前記リッジ部の頂面において前記第２クラッド層と電気的に接続された電極層と、を備え、前記第２クラッド層は、前記活性層上に配置された第１半導体層と、前記第１半導体層上に配置された第２半導体層と、前記第２半導体層上に配置された第３半導体層と、を有し、前記第２半導体層の屈折率は、前記第１半導体層の屈折率よりも低く、前記第２クラッド層の屈折率は、前記第１クラッド層の屈折率よりも低い、半導体レーザ素子」である。

【0007】

［１］に記載の半導体レーザ素子では、活性層において発生する光に対して吸収特性を有する第１埋込層が、リッジ部の両側において絶縁層上に配置されている。これにより、活性層において発生する高次モードの光が第１埋込層によって吸収されるため、高次モードの光の出力が抑制されて、基本モードの光の単一発振が維持されやすくなる。また、［１］に記載の半導体レーザ素子では、第２クラッド層の屈折率が第１クラッド層の屈折率よりも低い。これにより、活性層において発生する光の光強度分布が屈折率の高い第１クラッド層側に移動するため、活性層において発生する光が第１埋込層に過度に染み出すことが抑制される。したがって、基本モードの光が第１埋込層によって過度に吸収されることによる損失を低減することができる。また、光強度分布が第１クラッド層側に移動することにより、光強度分布のピーク値が小さくなるため、より大きな幅の光強度分布を有する光成分が増加する。したがって、ビーム放射角を小さくすることができる。また、［１］に記載の半導体レーザ素子では、第２半導体層の屈折率が第１半導体層の屈折率よりも低く、第２半導体層が第１半導体層を介して活性層上に配置されている。仮に屈折率の低い第２半導体層が活性層に隣接して配置されていると、光強度分布が第１クラッド層側に過度に移動して光強度分布のピーク値が大きく低下するおそれがある。ピーク値が大きく低下すると、所望の出力を得るための電流値の閾値が上昇してしまう。これに対し、第１半導体層を介して第２半導体層が配置されている構成では、第１クラッド層側への光強度分布の過度な移動が抑制されるため、電流値の閾値の上昇が抑制される。また、［１］に記載の半導体レーザ素子では、リッジ部の両側に第１埋込層及び第２埋込層が配置されており、電極層がリッジ部及び第２埋込層上に配置されている。これにより、電極層が形成される面を平坦面状に近づけることができるため、電極層を形成する際に電極層の断線を抑制することができる。また、第１埋込層と第２埋込層とを互いに異なる材料で形成することができるため、半導体レーザ素子の設計自由度を向上することができる。また、［１］に記載の半導体レーザ素子では、絶縁層がリッジ部の両側の側面及びリッジ部の両側に位置する底面にわたって配置されている。リッジ部の両側の側面及びリッジ部の両側に位置する底面を絶縁層によって覆うことで、半導体レーザ素子の信頼性を向上させることができる。よって、［１］に記載の半導体レーザ素子によれば、基本モードの光を好適に出力することができる。

【0008】

本発明の半導体レーザ素子は、［２］「前記第２半導体層は、ＡｌＧａＡｓによって形成されており、前記第２半導体層におけるＡｌの含有率は、７０％以上である、［１］に記載の半導体レーザ素子」であってもよい。［２］に記載の半導体レーザ素子によれば、リッジ部をエッチングによって形成する際に第２半導体層をエッチングストップ層として機能させることができる。そのため、リッジ部を精度良く形成することができる。

【0009】

本発明の半導体レーザ素子は、［３］「前記第１クラッド層、前記第１半導体層及び前記第３半導体層のそれぞれは、ＡｌＧａＡｓによって形成されており、前記第１クラッド層、前記第１半導体層及び前記第３半導体層のそれぞれにおけるＡｌの含有率は、３０％以上５０％以下である、［２］に記載の半導体レーザ素子」であってもよい。［３］に記載の半導体レーザ素子によれば、第２クラッド層の屈折率が第１クラッド層の屈折率よりも低く、且つ第２半導体層の屈折率が第１半導体層の屈折率よりも低い構成をより確実に実現することができる。そのため、基本モードの光を好適に出力することができる。

【0010】

本発明の半導体レーザ素子は、［４］「前記リッジ部は、前記リッジ部の延在方向から見た場合に、前記基板側に向かって広がる台形状を呈している、［１］～［３］のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子」であってもよい。［４］に記載の半導体レーザ素子によれば、リッジ部の根元の強度が向上し、リッジ部の根元に負荷がかかりやすい高出力の半導体レーザ素子においても安定したレーザ発振を行うことができる。そのため、基本モードの光をより好適に出力することができる。

【0011】

本発明の半導体レーザ素子は、［５］「前記第３半導体層と前記電極層との間に配置されたコンタクト層を更に備え、前記コンタクト層は、前記リッジ部の延在方向から見た場合に、前記基板とは反対側に向かって広がる台形状を呈している、［１］～［４］のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子」であってもよい。［５］に記載の半導体レーザ素子によれば、コンタクト層と電極層との接触面をより広く確保することができる。

【0012】

本発明の半導体レーザ素子は、［６］「前記活性層において発生する光に対する前記第１埋込層の光吸収係数は、１×１０^５ｃｍ^―１以上である、［１］～［５］のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子」であってもよい。［６］に記載の半導体レーザ素子によれば、第１埋込層が、活性層において発生する高次モードの光をより確実に吸収することができる。そのため、基本モードの光をより好適に出力することができる。

【0013】

本発明の半導体レーザ素子は、［７］「前記第２埋込層は、絶縁材料又は樹脂材料によって形成されている、［１］～［６］のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子」であってもよい。［７］に記載の半導体レーザ素子において第２埋込層が絶縁材料によって形成されている場合には、電極層からリッジ部へ効率よく電流を印加することができる。［７］に記載の半導体レーザ素子において第２埋込層が樹脂材料によって形成されている場合には、半導体レーザ素子に生じる応力を第２埋込層によって低減することができる。

【0014】

本発明の半導体レーザ素子は、［８］「前記第３半導体層内に配置された回折格子層を更に備える、［１］～［７］のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子」であってもよい。［８］に記載の半導体レーザ素子によれば、分布帰還型の半導体レーザ素子として好適に機能させることができる。

【0015】

本発明の半導体レーザ素子は、［９］「前記第１埋込層の少なくとも一部は、前記側面と前記底面との接続部上に配置されている、［１］～［８］のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子」であってもよい。［９］に記載の半導体レーザ素子によれば、第１埋込層が、活性層において発生する高次モードの光をより確実に吸収することができる。そのため、基本モードの光をより好適に出力することができる。

【0016】

本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、［１０］「［１］～［９］のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子の製造方法であって、前記基板上に前記第１クラッド層を形成する工程と、前記第１クラッド層上に前記活性層を形成する工程と、前記第１半導体層、前記第２半導体層及び第３半導体層が前記基板側からこの順で配置されるように、前記活性層上に前記第２クラッド層を形成する工程と、前記第２クラッド層の一部をエッチングによって除去することにより前記リッジ部を形成する工程と、前記側面及び前記底面にわたって前記第２クラッド層上に前記絶縁層を形成する工程と、前記リッジ部の両側において前記絶縁層上に前記第１埋込層を形成する工程と、前記リッジ部の両側において前記第１埋込層上に前記第２埋込層を形成する工程と、前記リッジ部及び前記第２埋込層上に前記電極層を形成する工程と、を備える、半導体レーザ素子の製造方法」である。

【0017】

［１０］に記載の半導体レーザ素子の製造方法によれば、基本モードの光を好適に出力し得る半導体レーザ素子を得ることができる。

【0018】

本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、［１１］「前記リッジ部を形成する工程では、前記第２半導体層をエッチングストップ層として、前記第３半導体層の一部をエッチングによって除去する、［１０］に記載の半導体レーザ素子の製造方法」であってもよい。［１１］に記載の半導体レーザ素子の製造方法によれば、リッジ部を形成する工程において、リッジ部を精度良く形成することができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、基本モードの光を好適に出力することができる半導体レーザ素子、及び半導体レーザ素子の製造方法を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】一実施形態の半導体レーザ素子の斜視図である。

【図2】図１に示されるII－II線に沿っての半導体レーザ素子の断面図である。

【図3】図２に示される半導体レーザ素子の断面の一部分の拡大図である。

【図4】図１に示される半導体レーザ素子の製造方法を示す図である。

【図5】図１に示される半導体レーザ素子の製造方法を示す図である。

【図6】図１に示される半導体レーザ素子の製造方法を示す図である。

【図7】図１に示される半導体レーザ素子の製造方法を示す図である。

【図8】半導体レーザ素子の出力特性を示す図である。

【図9】水平方向におけるビームパターンを示す図である。

【図10】半導体レーザ素子の光強度を示す図である。

【図11】半導体レーザ素子の光強度を示す図である。

【図12】半導体レーザ素子の出力特性を示す図である。

【図13】垂直方向におけるビームパターンを示す図である。

【図14】半導体レーザ素子の出力特性を示す図である。

【図15】半導体レーザ素子の出力特性を示す図である。

【図16】垂直方向におけるビームパターンを示す図である。

【図17】変形例に係る半導体レーザ素子の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する部分を省略する。
［半導体レーザ素子の構成］

【0022】

図１、図２及び図３に示されるように、半導体レーザ素子１は、基板２と、第１クラッド層３と、光ガイド層４と、活性層５と、光ガイド層６と、第２クラッド層７と、回折格子層８と、コンタクト層９と、絶縁層１０と、第１埋込層１１と、第２埋込層１２と、電極層１３と、を備えている。半導体レーザ素子１は、例えば、長方形板状を呈している。以下の説明では、半導体レーザ素子１の幅方向をＸ方向といい、半導体レーザ素子１の長さ方向をＹ方向といい、半導体レーザ素子１の厚さ方向をＺ方向という。

【0023】

半導体レーザ素子１は、Ｙ方向において互いに対向する一対の端面１ａ，１ｂを有している。半導体レーザ素子１における共振方向は、一対の端面１ａ，１ｂが対向するＹ方向である。半導体レーザ素子１は、レーザ光をＹ方向に放射するリッジ導波路型半導体レーザ素子である。半導体レーザ素子１が放射するレーザ光は、Ｘ方向である水平方向において単峰性（横シングルモード）のビームパターンを有する。半導体レーザ素子１は、例えば、波長７６０ｎｍ程度での発振が可能な半導体レーザ素子である。

【0024】

基板２は、半導体基板である。基板２は、例えば、長方形板状を呈している。本実施形態では、基板２は、ＧａＡｓによって形成されており、例えば、ｎ型の導電型を有している。基板２は、互いに対向する一対の主面２ａ，２ｂを有している。

【0025】

第１クラッド層３は、基板２の主面２ａ上に形成されている。すなわち、第１クラッド層３は、基板２上に配置されている。本実施形態では、第１クラッド層３は、ＡｌＧａＡｓによって形成されており、例えば、ｎ型の導電型を有している。本実施形態では、第１クラッド層３におけるＡｌの含有率は、３０％以上５０％以下である。

【0026】

光ガイド層４は、第１クラッド層３上に配置されている。本実施形態では、光ガイド層４は、ＡｌＧａＡｓによって形成されている。活性層５は、光ガイド層４上に配置されている。すなわち、活性層５は、光ガイド層４を介して第１クラッド層３上に配置されている。本実施形態では、活性層５は、ＡｌＧａＡｓによって形成されている。活性層５は、単一の又は多重の量子井戸層として構成されている。量子井戸層は、異なるエネルギーバンドギャップを有する２種以上の材料が用いられ、バンドギャップの小さい材料の薄膜（井戸層）がバンドギャップの大きい材料の薄膜（バリア層）で挟まれたものであってもよい。活性層５は、電流が注入されることにより光を発生させる。活性層５において発生する光の波長は、例えば、７６０ｎｍ程度である。光ガイド層６は、活性層５上に配置されている。本実施形態では、光ガイド層６は、ＡｌＧａＡｓによって形成されている。

【0027】

第２クラッド層７は、光ガイド層６上に配置されている。すなわち、第２クラッド層７は、光ガイド層６を介して活性層５上に配置されている。第２クラッド層７は、第１半導体層７１と、第１半導体層７１上に配置された第２半導体層７２と、第２半導体層７２上に配置された第３半導体層７３と、を有している。

【0028】

本実施形態では、第１半導体層７１、第２半導体層７２及び第３半導体層７３は、次のように構成されている。すなわち、第１半導体層７１、第２半導体層７２及び第３半導体層７３のそれぞれは、ＡｌＧａＡｓによって形成されている。第２半導体層７２におけるＡｌの含有率は、第１半導体層７１及び第３半導体層７３のそれぞれにおけるＡｌの含有率よりも大きい。第２半導体層７２におけるＡｌの含有率は、７０％以上である。第１半導体層７１及び第３半導体層７３のそれぞれにおけるＡｌの含有率は、３０％以上５０％以下である。第２半導体層７２におけるＡｌの含有率は、第１クラッド層３のＡｌの含有率よりも大きい。

【0029】

第２クラッド層７の屈折率は、第１クラッド層３の屈折率よりも低い。「第２クラッド層７の屈折率」とは、第２クラッド層７を構成している半導体層の屈折率の平均値である。本実施形態では、第２クラッド層７の屈折率は、第１半導体層７１の屈折率、第２半導体層７２の屈折率及び第３半導体層７３の屈折率の平均値である。「第１クラッド層３の屈折率」とは、第１クラッド層３を構成している半導体層の屈折率の平均値である。本実施形態では、第１クラッド層３が単層であるので、第１クラッド層３の屈折率は、第１クラッド層３の屈折率そのものである。第１クラッド層３が複数の半導体層から構成されている場合、各半導体層の屈折率の平均値が第１クラッド層３の屈折率である。

【0030】

第２半導体層７２の屈折率は、第１半導体層７１の屈折率よりも低い。すなわち、第２半導体層７２は、第２半導体層７２よりも屈折率の高い第１半導体層７１を介して活性層５上に配置されている。半導体層がＡｌを含む材料（例えばＡｌＧａＡｓ）によって形成されている場合、通常、Ａｌの含有率が高いほど半導体層の屈折率は低くなる。例えば、第２半導体層７２のＡｌの含有率が第１半導体層７１のＡｌの含有率よりも高いため、第２半導体層７２の屈折率が第１半導体層７１の屈折率よりも低くなっている。また、第２半導体層７２は高いＡｌの含有率を有することにより、所定のエッチャントに対してエッチングされ難い。そのため、半導体レーザ素子１の製造過程で第２クラッド層７がエッチングされる際、第２半導体層７２はエッチングストップ層として機能し得る。

【0031】

回折格子層８は、第３半導体層７３内に配置されている。「回折格子層８が第３半導体層７３内に配置されている」とは、第３半導体層７３における基板２側の表面７３ａから離れ、且つ第３半導体層７３における基板２とは反対側の表面７３ｂから離れた状態で、第３半導体層７３に回折格子層８が配置されていることをいう。すなわち、回折格子層８は、第２半導体層７２から離れ、且つ第３半導体層７３上に配置されたコンタクト層９から離れている。回折格子層８は、半導体レーザ素子１において分布帰還構造として機能する。回折格子層８の屈折率は、第１クラッド層３及び第２クラッド層７の屈折率よりも高くてもよい。

【0032】

第２クラッド層７には、Ｙ方向に延在するリッジ部３０が形成されている。リッジ部３０は、第３半導体層７３及び回折格子層８によって構成されている。Ｘ方向におけるリッジ部３０の幅は、Ｘ方向における基板２の幅よりも小さい。Ｙ方向におけるリッジ部３０の長さは、Ｙ方向における基板２の長さに等しい。リッジ部３０は、Ｘ方向において基板２の中央に位置している。リッジ部３０は、Ｙ方向に延在するように第２クラッド層７に形成された一対のトレンチ３１の間に形成されている。

【0033】

リッジ部３０は、Ｙ方向から見た場合に、基板２側に向かって広がる台形状を呈している。すなわち、Ｘ方向におけるリッジ部３０の幅は、基板２側に向かうほど大きくなっている。一例として、リッジ部３０の幅は、数μｍ～数十μｍ程度である。リッジ部３０の幅は、例えば４μｍ程度であってもよい。Ｘ方向におけるリッジ部３０の両側の側面３０ａは、それぞれ、Ｘ方向及びＺ方向に対して傾斜している。各側面３０ａは、リッジ部３０の両側に位置する各底面３１ａと接続されている。例えば、各底面３１ａは、各トレンチ３１の底面であり、第２半導体層７２における基板２とは反対側の表面によって構成されている。底面３１ａは、Ｘ方向及びＹ方向に平行な面である。

【0034】

第２クラッド層７には、Ｙ方向にそれぞれ延在する一対の凸部３２が形成されている。一対の凸部３２は、Ｘ方向においてリッジ部３０及び一対のトレンチ３１を挟んでいる。凸部３２は、第３半導体層７３及び回折格子層８によって構成されている。各凸部３２におけるリッジ部３０側の側面３２ａは、Ｘ方向における凸部３２の幅が基板２側に向かうほど大きくなるように、Ｘ方向及びＺ方向に対して傾斜している。各側面３２ａは、各底面３１ａと接続されている。各側面３２ａは、Ｘ方向においてリッジ部３０の各側面３０ａと対向している。互いに接続された側面３０ａ、底面３１ａ及び側面３２ａによって、一つのトレンチ３１が規定されている。一例として、Ｘ方向における各トレンチ３１の幅（側面３０ａと側面３２ａとの間隔）は、数十μｍ～数百μｍ程度である。トレンチ３１の幅は、例えば１５０μｍ程度であってもよい。各凸部３２におけるリッジ部３０とは反対側の側面３２ｂは、Ｙ方向及びＺ方向に平行な面であり、Ｘ方向における半導体レーザ素子１の端面の一部を構成している。

【0035】

コンタクト層９は、第３半導体層７３と後述する電極層１３との間に配置されている。本実施形態では、コンタクト層９は、ＧａＡｓによって形成されており、例えば、ｎ^＋型の導電型を有している。「ｎ^＋型」とは、ｎ型不純物の濃度が「ｎ型」よりも高いことを意味する。コンタクト層９は、リッジ部３０上に配置されたコンタクト層９Ａと、一対の凸部３２上に配置された一対のコンタクト層９Ｂと、を有している。コンタクト層９Ａは、Ｙ方向から見た場合に、基板２とは反対側に向かって広がる台形状を呈している。すなわち、Ｘ方向におけるコンタクト層９Ａの幅は、基板２側とは反対側に向かうほど大きくなっている。Ｘ方向におけるコンタクト層９Ａの両側の側面９ａは、それぞれ、Ｘ方向及びＺ方向に対して傾斜している。Ｙ方向から見た場合に、各側面９ａと、リッジ部３０の各側面３０ａとは、リッジ部３０の中心側に向かって凸のＶ字形状を呈するように互いに交差している。

【0036】

絶縁層１０は、リッジ部３０の側面３０ａ及びトレンチ３１の底面３１ａにわたって第２クラッド層７上に配置されている。この例では、絶縁層１０は、コンタクト層９Ａの側面９ａ、リッジ部３０の側面３０ａ、トレンチ３１の底面３１ａ、凸部３２の側面３２ａ及びコンタクト層９Ｂの表面にわたって配置されている。絶縁層１０は、コンタクト層９Ａにおける基板２とは反対側の表面９ｂには配置されていない。したがって、表面９ｂは絶縁層１０から露出している。絶縁層１０は、例えばＳｉＮによって形成されている。

【0037】

第１埋込層１１は、Ｘ方向におけるリッジ部３０の両側において絶縁層１０上に配置されている。第１埋込層１１は、絶縁層１０を介して各底面３１ａ上に配置されている。Ｘ方向における第１埋込層１１の端部は、側面３０ａと底面３１ａとの接続部３３上に配置されている。すなわち、第１埋込層１１は、側面３０ａと底面３１ａとが構成するトレンチ３１の隅部に至るように配置されている。第１埋込層１１が接続部３３上に配置されているとは、第１埋込層１１が接続部３３に直接接触している場合だけでなく、本実施形態のように第１埋込層１１と接続部３３との間に他の層（例えば絶縁層１０）が存在している場合を含む。本実施形態では、第１埋込層１１は、絶縁層１０のうち側面３０ａに形成された部分と絶縁層１０のうち底面３１ａに形成された部分とが構成する隅部に至っている。第１埋込層１１は、活性層５において発生する光に対して吸収特性を有している。第１埋込層１１は、活性層５において発生し、リッジ部３０の側面３０ａ及びリッジ部３０の両側の底面３１ａから染み出した高次モードの光を吸収する。第１埋込層１１は、例えばＴｉ又はＣｒによって形成されている。活性層５において発生する光に対する第１埋込層１１の光吸収係数は、例えば１×１０^５ｃｍ^―１以上であってもよい。第１埋込層１１の厚さは、例えば５０ｎｍ～１００ｎｍ程度である。

【0038】

第２埋込層１２は、Ｘ方向におけるリッジ部３０の両側において第１埋込層１１上に配置されている。この例では、第２埋込層１２は、第１埋込層１１上に直接配置されている。第２埋込層１２における基板２とは反対側の表面１２ａは、平坦に形成されている。表面１２ａは、Ｚ方向において、コンタクト層９Ａの表面９ｂとほぼ等しい高さに位置している。各トレンチ３１内部の空間の全体に第１埋込層１１及び第２埋込層１２が埋め込まれている。本実施形態では、第２埋込層１２は、絶縁材料の堆積物であり、第１埋込層１１と電極層１３とを電気的に絶縁している。本実施形態では、第２埋込層１２はポリイミド等の樹脂材料によって形成されている。第２埋込層１２の材料は、例えば、ＳｉＯ_２であってもよい。第２埋込層１２の材料は、第１埋込層１１の材料と異なっていてもよいし、第１埋込層１１の材料と同じであってもよい。第２埋込層１２の厚さは、例えば１μｍ～３μｍ程度である。

【0039】

電極層１３は、リッジ部３０及び第２埋込層１２上に配置されている。本実施形態では、電極層１３は、コンタクト層９Ａを介してリッジ部３０上に配置されている。電極層１３は、第２埋込層１２上に直接配置されている。電極層１３は、コンタクト層９Ａの表面９ｂ、第２埋込層１２の表面１２ａ及び絶縁層１０における凸部３２上の部分の表面にわたって配置されている。電極層１３は、リッジ部３０の頂面３０ｂにおいて第２クラッド層７と電気的に接続されている。本実施形態では、電極層１３は、コンタクト層９Ａを介して第３半導体層７３と電気的に接続されている。電極層１３は、層状に形成されており、例えば、Ｔｉからなる第１層、Ｐｔからなる第２層、及びＡｕからなる第３層が蒸着又はスパッタリングにより積層されて構成されている。電極層１３には、半導体レーザ素子１を外部に電気的に接続するワイヤ等の外部配線が接続されていてもよい。半導体レーザ素子１は、基板２の主面２ｂ上に配置された電極層（不図示）を更に備えている。

【0040】

以上のように構成された半導体レーザ素子１では、電極層１３及び基板２の主面２ｂ上に配置された電極層を介して活性層５にバイアス電圧が印加されると、活性層５から光が発せられ、当該光のうち所定の中心波長を有する光が分布帰還構造において共振させられる。そして、所定の中心波長を有するレーザ光が端面１ａから出射される。
［半導体レーザ素子の製造方法］

【0041】

上述した半導体レーザ素子１の製造方法について説明する。まず、図４の（ａ）に示されるように、基板２としてＧａＡｓ基板が準備され、基板２の主面２ａ上に第１クラッド層３が形成される。続いて、第１クラッド層３上に、光ガイド層４、活性層５及び光ガイド層６がこの順で形成される。続いて、光ガイド層６を介して活性層５上に第２クラッド層７が形成される。具体的には、第１半導体層７１、第２半導体層７２、及び第３半導体層７３がこの順で形成される。これにより、第１半導体層７１、第２半導体層７２及び第３半導体層７３が基板２側からこの順で配置される。第３半導体層７３の形成過程では、回折格子層８が併せて形成される。具体的には、第３半導体層７３における回折格子層８よりも基板２側に位置する部分が形成された後に、回折格子層８が形成される。その後、回折格子層８上に、第３半導体層７３における回折格子層８よりも基板２とは反対側に位置する部分が形成される。

【0042】

続いて、第２クラッド層７の一部がエッチングによって除去されることにより、リッジ部３０が形成される。具体的には、Ｙ方向に沿う一対のトレンチ３１が形成されるように、第３半導体層７３及び回折格子層８の一部が除去される。これにより、一対のトレンチ３１の間にリッジ部３０が形成される。第２クラッド層７がエッチングされる際、第２半導体層７２がエッチングストップ層として機能する。すなわち、第２クラッド層７が基板２とは反対側からエッチングされ、第２半導体層７２が露出した時点でエッチングが停止する。これにより、第２半導体層７２及び第１半導体層７１がエッチングによって除去されない。続いて、第３半導体層７３上にコンタクト層９が形成される。リッジ部３０上にコンタクト層９Ａが形成され、一対の凸部３２上にコンタクト層９Ｂが形成される。

【0043】

続いて、図４の（ｂ）に示されるように、絶縁層１０が、リッジ部３０の各側面３０ａ及び一対のトレンチ３１の底面３１ａにわたって形成される。この例では、絶縁層１０が、コンタクト層９Ａの表面９ｂ、側面３０ａ、底面３１ａ、凸部３２の側面３２ａ、コンタクト層９Ｂの表面にわたって形成される。

【0044】

続いて、図５の（ａ）に示されるように、第１埋込層１１が、Ｘ方向におけるリッジ部３０の両側において絶縁層１０上に形成される。第１埋込層１１は、例えば蒸着によって、各底面３１ａ上に絶縁層１０を介して形成される。このとき、第１埋込層１１は、リッジ部３０及び一対の凸部３２上にも絶縁層１０を介して形成される。

【0045】

続いて、図５の（ｂ）に示されるように、第２埋込層１２が、Ｘ方向におけるリッジ部３０の両側において第１埋込層１１上に形成される。具体的には、第２埋込層１２は、各底面３１ａ上に絶縁層１０及び第１埋込層１１を介して形成される。このとき、第２埋込層１２は、リッジ部３０及び一対の凸部３２上にも絶縁層１０及び第１埋込層１１を介して形成される。第２埋込層１２は、例えば絶縁性の樹脂材料を堆積させることで形成される。各トレンチ３１内部の空間の全体が第１埋込層１１及び第２埋込層１２で埋まるように、第２埋込層１２が形成される。

【0046】

続いて、図６の（ａ）に示されるように、第２埋込層１２におけるリッジ部３０及び一対の凸部３２上に位置する部分が除去される。これにより、各底面３１ａ上のみに第２埋込層１２が配置された状態となる。このとき、第２埋込層１２における基板２とは反対側の表面１２ａが平坦化される。続いて、図６の（ｂ）に示されるように、第１埋込層１１におけるリッジ部３０及び一対の凸部３２上に位置する部分が除去される。これにより、各底面３１ａ上のみに第１埋込層１１が配置された状態となる。

【0047】

続いて、図７の（ａ）に示されるように、絶縁層１０におけるリッジ部３０上の部分が除去される。これにより、コンタクト層９Ａの表面９ｂが絶縁層１０から露出する。続いて、図７の（ｂ）に示されるように、電極層１３が、リッジ部３０及び第２埋込層１２上に形成される。具体的には、電極層１３は、コンタクト層９Ａの表面９ｂ、第２埋込層１２の表面１２ａ、絶縁層１０における凸部３２上の部分の表面にわたって形成される。電極層１３は、例えば、Ｔｉからなる第１層、Ｐｔからなる第２層、及びＡｕからなる第３層がこの順に蒸着又はスパッタリングにより積層されることにより形成される。同様の手法により、基板２の主面２ｂ上にも電極層（不図示）が形成される。以上で、半導体レーザ素子１の製造工程が終了する。
［作用及び効果］

【0048】

従来の半導体レーザ素子では、高出力化を実現するために半導体レーザ素子の発光幅を広げると、単一の強度ピークを有する基本モードの光だけでなく二つ以上の強度ピークを有する高次モードの光も出力されてしまい、基本モードの単一発振を維持することが困難である。これに対して、半導体レーザ素子１では、活性層５において発生する光に対して吸収特性を有する第１埋込層１１が、リッジ部３０の両側において絶縁層１０上に配置されている。これにより、活性層５において発生する高次モードの光が第１埋込層１１によって吸収されるため、高次モードの光の出力が抑制されて、基本モードの光の単一発振が維持されやすくなる。また、半導体レーザ素子１では、第２クラッド層７の屈折率が第１クラッド層３の屈折率よりも低い。これにより、活性層５において発生する光の光強度分布が屈折率の高い第１クラッド層３側に移動するため、活性層５において発生する光が第１埋込層１１に過度に染み出すことが抑制される。したがって、基本モードの光が第１埋込層１１によって過剰に吸収されることによる損失を低減することができる。また、光強度分布が第１クラッド層３側に移動することにより、光強度分布のピーク値が小さくなるため、より大きな幅の光強度分布を有する光成分が増加する。したがって、ビーム放射角を小さくすることができる。これにより、半導体レーザ素子１を用いた装置の設計自由度が向上する。また、半導体レーザ素子１では、第２半導体層７２の屈折率が第１半導体層７１の屈折率よりも低く、第２半導体層７２が第１半導体層７１を介して活性層５上に配置されている。仮に屈折率の低い第２半導体層７２が活性層５に隣接して配置されていると、光強度分布が第１クラッド層３側に過度に移動して光強度分布のピーク値が大きく低下するおそれがある。ピーク値が大きく低下すると、所望の出力を得るための電流値の閾値が上昇してしまう。これに対し、第１半導体層７１を介して第２半導体層７２が配置されている構成では、第１クラッド層３側への光強度分布の過度な移動が抑制されるため、電流値の閾値の上昇が抑制される。また、第２半導体層７２は屈折率を低くするためにＡｌの含有率が高く調整されている。一般的に、Ａｌは光によって劣化しやすい材料であるが、半導体レーザ素子１では、第２半導体層７２が第１半導体層７１を介して活性層５から離れて配置されているため、第２半導体層７２が活性層５において発生する光によって劣化することを抑制することができる。そのため、半導体レーザ素子１の信頼性を向上することができる。また、半導体レーザ素子１では、リッジ部３０の両側に第１埋込層１１及び第２埋込層１２が配置されており、電極層１３がリッジ部３０及び第２埋込層１２上に配置されている。これにより、電極層１３が形成される面を平坦面状に近づけることができるため、電極層１３を形成する際に電極層１３の断線を抑制することができる。また、第１埋込層１１と第２埋込層１２とを互いに異なる材料で形成することができるため、半導体レーザ素子１の設計自由度を向上することができる。また、半導体レーザ素子１では、絶縁層１０がリッジ部３０の側面３０ａ及びリッジ部３０の両側に位置する底面３１ａにわたって配置されている。側面３０ａ及び底面３１ａを絶縁層１０によって覆うことで、半導体レーザ素子１の信頼性を向上することができる。よって、半導体レーザ素子１によれば、基本モードの光を好適に出力することができる。

【0049】

半導体レーザ素子１では、第２半導体層７２が、ＡｌＧａＡｓによって形成されており、第２半導体層７２におけるＡｌの含有率が、７０％以上である。これにより、リッジ部３０をエッチングによって形成する際に第２半導体層７２をエッチングストップ層として機能させることができる。そのため、リッジ部３０を精度良く形成することができる。

【0050】

半導体レーザ素子１では、第１クラッド層３、第１半導体層７１及び第３半導体層７３のそれぞれが、ＡｌＧａＡｓによって形成されており、第１クラッド層３、第１半導体層７１及び第３半導体層７３のそれぞれにおけるＡｌの含有率が、３０％以上５０％以下である。これにより、第２クラッド層７の屈折率が第１クラッド層３の屈折率よりも低く、且つ第２半導体層７２の屈折率が第１半導体層７１の屈折率よりも低い構成をより確実に実現することができる。そのため、基本モードの光を好適に出力することができる。

【0051】

半導体レーザ素子１では、リッジ部３０が、リッジ部３０の延在方向（Ｙ方向）から見た場合に、基板２側に向かって広がる台形状を呈している。これにより、リッジ部３０の根元の強度が向上し、リッジ部３０の根元に負荷がかかりやすい高出力の半導体レーザ素子１においても安定したレーザ発振を行うことができる。そのため、基本モードの光をより好適に出力することができる。

【0052】

半導体レーザ素子１は、第３半導体層７３と電極層１３との間に配置されたコンタクト層９Ａを更に備え、コンタクト層９Ａが、Ｙ方向から見た場合に、基板２とは反対側に向かって広がる台形状を呈している。これにより、コンタクト層９Ａと電極層１３との接触面をより広く確保することができる。

【0053】

半導体レーザ素子１では、活性層５において発生する光に対する第１埋込層１１の光吸収係数が、１×１０^５ｃｍ^―１以上である。これにより、第１埋込層１１が、活性層５において発生する高次モードの光をより確実に吸収することができる。そのため、基本モードの光をより好適に出力することができる。

【0054】

半導体レーザ素子１では、第２埋込層１２が、絶縁材料又は樹脂材料によって形成されている。第２埋込層１２が絶縁材料によって形成されている場合には、電極層１３からリッジ部３０へ効率よく電流を印加することができる。具体的には、電極層１３から第２埋込層１２を介して第１埋込層１１へと電流が流れることが抑制されることによって、リッジ部３０へ効率よく電流を印加することができる。第２埋込層１２が樹脂材料によって形成されている場合には、半導体レーザ素子１に生じる応力を第２埋込層１２によって低減することができる。例えば、トレンチ３１を金属層のみで埋めた場合、金属層は応力を発生させやすいため、リッジ部３０に負荷がかかりビームパターンが乱れるおそれがある。これに対して、第２埋込層１２が樹脂材料によって形成されている半導体レーザ素子１では、第２埋込層１２によって応力が低減されるので、ビームパターンが乱れることを抑制することができる。

【0055】

半導体レーザ素子１は、第３半導体層７３内に配置された回折格子層８を更に備えている。これにより、分布帰還型の半導体レーザ素子１として好適に機能させることができる。

【0056】

半導体レーザ素子１では、第１埋込層１１の一部が、側面３０ａと底面３１ａとの接続部３３上に配置されている。これにより、第１埋込層１１が、活性層５において発生する高次モードの光をより確実に吸収することができる。そのため、基本モードの光をより好適に出力することができる。

【0057】

半導体レーザ素子１の製造方法によれば、基本モードの光を好適に出力し得る半導体レーザ素子１を得ることができる。

【0058】

半導体レーザ素子１の製造方法では、リッジ部３０を形成する工程において、第２半導体層７２をエッチングストップ層として、第３半導体層７３の一部をエッチングによって除去する。これにより、リッジ部３０を形成する工程において、リッジ部３０を精度良く形成することができる。

【0059】

上述した作用及び効果は、回折格子層８を備えることによるものを除いて、回折格子層８を備えていない半導体レーザ素子１によっても奏される。すなわち、半導体レーザ素子１は、回折格子層８を備えていなくてもよい。

【0060】

続いて、半導体レーザ素子１の作用及び効果について、シミュレーション結果と共に更に説明する。まず、図８，９を用いて、半導体レーザ素子１が第１埋込層１１を備えることにより、高次モードの光の出力が抑制されることに関して説明する。シミュレーションモデルとして、第１実施例に係る半導体レーザ素子と、第１比較例に係る半導体レーザ素子を用意した。第１実施例に係る半導体レーザ素子は、上述した半導体レーザ素子１である。第１比較例に係る半導体レーザ素子は、第１埋込層１１を備えていない半導体レーザ素子である。半導体レーザ素子への注入電力を変化させたときの基本モード及び高次モードの光の出力についてシミュレーションを行った。

【0061】

図８は、半導体レーザ素子の出力特性を示す図である。グラフＡは、第１比較例に係る半導体レーザ素子の基本モードの光出力を示し、グラフＢは、第１実施例に係る半導体レーザ素子の基本モードの光出力を示している。グラフＣは、第１比較例に係る半導体レーザ素子の高次モードの光出力を示し、グラフＤは、第１実施例に係る半導体レーザ素子の高次モードの光出力を示している。グラフＥは、第１比較例に係る半導体レーザ素子の基本モードの光出力と高次モードの光出力との和を示し、グラフＦは、第１実施例に係る半導体レーザ素子の基本モードの光出力と高次モードの光出力との和を示している。

【0062】

グラフＡ，Ｂから、第１実施例に係る半導体レーザ素子の基本モードの光出力が、第１比較例に係る半導体レーザ素子の基本モードの光出力よりも大きくなることが確認できる。グラフＣ，Ｄから、第１実施例に係る半導体レーザ素子の高次モードの光出力が、第１比較例に係る半導体レーザ素子の高次モードの光出力よりも小さくなることが確認できる。また、高次モードの光出力が大きく増加し始める注入電流の閾値について、第１実施例の閾値が第１比較例の閾値よりも大きいことが確認できる。すなわち、第１埋込層１１を備える半導体レーザ素子は、第１埋込層１１を備えない半導体レーザ素子と比べて、高次モードの光の出力を抑制しつつ基本モードの光を出力することができる。なお、グラフＥ，Ｆから、第１比較例に係る半導体レーザ素子の基本モードの光出力と高次モードの光出力との和が、第１実施例に係る半導体レーザ素子の基本モードの光出力と高次モードの光出力との和よりも僅かに大きいことが確認できるが、これは第１比較例において高次モードの光出力を抑制できていないことに起因すると考えられる。

【0063】

また、第１実施例に係る半導体レーザ素子から出力される光の第１埋込層１１での吸収についてシミュレーションを行った。具体的には、波長７６０ｎｍの光に対する第１埋込層１１の光吸収係数を４．５×１０^５ｃｍ^―１とした場合における、第１埋込層１１での光吸収（光損失）についてシミュレーションを行った。第１埋込層１１にかかる基本モードの光の強度は、６．７×１０^―７であり、第１埋込層１１における光吸収は０．３０ｃｍ^―１であった。これに対して、第１埋込層１１にかかる高次モードの光の強度は、３．０×１０^―６であり、第１埋込層１１における光吸収は１．３３ｃｍ^―１であった。この結果から、第１埋込層１１における高次モードの光吸収が、基本モードの光吸収よりも大きいことがわかる。

【0064】

さらに、第１実施例及び第１比較例に係る半導体レーザ素子の水平方向でのビーム広がり特性（ビーム放射角）についてシミュレーションを行った。図９は、水平方向におけるビームパターンを示す図である。図９に示されるビームパターンは、半導体レーザ素子の光出力端面（端面１ａ）から離れた場所における光強度分布（ＦＦＰ：Far Field Pattern）である。図９の横軸は水平遠視野角θ_Ｈを示し、縦軸は出力される光の規格化強度を示している。水平遠視野角（Horizontal far field angle）θ_Ｈとは、半導体レーザ素子の光出力端面から離れた場所の水平方向（Ｘ方向）における位置を示す角度である。水平方向における位置が光出力端面と同じ場所の水平遠視野角θ_Ｈは、０°である。このシミュレーションでは、半導体レーザ素子への注入電流の大きさを８０ｍＡから２００ｍＡまで２０ｍＡずつ変化させて、光強度をシミュレーションした。グラフＡは、第１比較例に係る半導体レーザ素子から出力される光の規格化強度を示し、グラフＢは、第１実施例に係る半導体レーザ素子から出力される光の規格化強度を示している。

【0065】

図９に示されるように、半導体レーザ素子に印加される電流値が増加するにつれてグラフＡの横幅（ビームパターンの広がり）が拡大している。これは、電流値が増加することによって基本モードに対する高次モードの相対的な光強度が増加し、モード間干渉に起因したビームステアリングが発生することによるものと考えられる。一方で、グラフＢの横幅は、電流値が増加するにつれて徐々に拡大しているものの、グラフＡと比べて拡大の程度は小さい。すなわち、第１実施例に係る半導体レーザ素子では、電流値が増加した場合であっても、ビームパターンの広がりが抑制されていることが確認できる。ビームパターンの広がりが抑制されるのは、第１実施例に係る半導体レーザ素子が備える第１埋込層１１によって高次モードの光出力が抑制されているためと考えられる。よって、以上のシミュレーションから、第１埋込層１１を備える半導体レーザ素子では、第１埋込層１１を備えない半導体レーザ素子と比べて、高次モードの光の出力が抑制されることが確認できる。

【0066】

次に、図１０～図１３を用いて、第２半導体層７２の屈折率が第１半導体層７１の屈折率よりも低く、第２クラッド層７の屈折率が第１クラッド層３の屈折率よりも低いことにより、基本モードの光の損失が低減されることについて説明する。すなわち、第２クラッド層７が屈折率の低い第２半導体層７２を備えることによる作用及び効果について説明する。シミュレーションモデルとして、上記第１実施例に係る半導体レーザ素子と、第２比較例に係る半導体レーザ素子を用意した。第２比較例に係る半導体レーザ素子は、第２半導体層７２の屈折率が第１半導体層７１の屈折率と等しい半導体レーザ素子である。第２半導体層７２の屈折率を除き、第２比較例に係る半導体レーザ素子は、第１実施例に係る半導体レーザ素子と同様の構成を有している。第１実施例及び第２比較例の半導体レーザ素子から出力される光の光強度分布についてシミュレーションを行った。

【0067】

図１０は、半導体レーザ素子の光強度を示す図である。図１０における横軸（位置Ｚ）は、半導体レーザ素子１におけるＺ方向の位置を示しており、活性層５の位置Ｚが「０」である。活性層５を基準として第１クラッド層３側に向かうほど位置Ｚの値が小さくなり、第２クラッド層７側に向かうほど位置Ｚの値が大きくなる。縦軸は、屈折率及び出力される光の強度を示している。

【0068】

グラフＡは、第２比較例に係る半導体レーザ素子の屈折率を示し、グラフＢは、第１実施例に係る半導体レーザ素子の屈折率を示している。第１実施例に係る半導体レーザ素子の屈折率は、第２半導体層７２の屈折率に対応する部分を除いて第２比較例に係る半導体レーザ素子の屈折率と同じである。そのため、グラフＢは、第２半導体層７２の屈折率に対応する部分（位置Ｚが０．１５μｍである部分の近傍）を除いてグラフＡと重なっている。

【0069】

グラフＣは、第２比較例に係る半導体レーザ素子から出力される光の規格化強度（光強度分布）を示し、グラフＤは、第１実施例に係る半導体レーザ素子から出力される光の規格化強度（光強度分布）を示している。グラフＣ，Ｄは、それぞれのグラフが囲む面積（光出力）が互いに等しく（この例では１Ｗ）なるように規格化されている。

【0070】

図１０に示されるように、グラフＤの大部分が、グラフＣに対して位置Ｚが小さくなる側（活性層５に対して第１クラッド層３側）に位置している。すなわち、半導体レーザ素子が屈折率の低い第２半導体層７２を備えることにより、光強度分布が第１クラッド層３側に移動することが確認できる。また、半導体レーザ素子が屈折率の低い第２半導体層７２を備えることにより、光強度分布のピーク値が小さくなり、より大きな幅の光強度分布を有する光成分が増加することが確認できる。

【0071】

続いて、シミュレーションモデルとして、第２実施例に係る半導体レーザ素子と、第３比較例に係る半導体レーザ素子を用意した。第２実施例に係る半導体レーザ素子は、回折格子層８を備えていない点を除き、第１実施例に係る半導体レーザ素子と同様の構成を備えている。第３比較例に係る半導体レーザ素子は、回折格子層８を備えていない点を除き、第２比較例に係る半導体レーザ素子と同様の構成を備えている。

【0072】

図１１は、図１０と同様に、半導体レーザ素子の光強度を示している。グラフＡは、第３比較例に係る半導体レーザ素子の屈折率を示し、グラフＢは、第２実施例に係る半導体レーザ素子の屈折率を示している。第２実施例に係る半導体レーザ素子の屈折率は、第２半導体層７２の屈折率に対応する部分を除いて第３比較例に係る半導体レーザ素子の屈折率と同じである。そのため、グラフＢは、第２半導体層７２の屈折率に対応する部分を除いてグラフＡと重なっている。

【0073】

グラフＣは、第３比較例に係る半導体レーザ素子から出力される光の規格化強度（光強度分布）を示し、グラフＤは、第２実施例に係る半導体レーザ素子から出力される光の規格化強度（光強度分布）を示している。グラフＣ，Ｄは、それぞれのグラフが囲む面積（光出力）が互いに等しく（この例では１Ｗ）なるように規格化されている。

【0074】

図１１に示されるように、グラフＤの大部分が、グラフＣに対して位置Ｚが小さくなる側（活性層５に対して第１クラッド層３側）に位置している。すなわち、半導体レーザ素子が回折格子層８を備えていない場合においても、半導体レーザ素子が屈折率の低い第２半導体層７２を備えることにより、光強度分布が第１クラッド層３側に移動することが確認できる。また、半導体レーザ素子が屈折率の低い第２半導体層７２を備えることにより、光強度分布のピーク値が小さくなり、より大きな幅の光強度分布を有する光成分が増加していることが確認できる。

【0075】

また、上記第１，２実施例及び第２，３比較例に係る半導体レーザ素子について、注入電力を変化させたときの基本モード及び高次モードの光の出力についてシミュレーションを行った。図１２は、半導体レーザ素子の出力特性を示す図である。グラフＡは、第２比較例に係る半導体レーザ素子の基本モードの光出力を示し、グラフＢは、第１実施例に係る半導体レーザ素子の基本モードの光出力を示し、グラフＣは、第３比較例に係る半導体レーザ素子の基本モードの光出力を示し、グラフＤは、第２実施例に係る半導体レーザ素子の基本モードの光出力を示している。グラフＥは、第２比較例に係る半導体レーザ素子の高次モードの光出力を示し、グラフＦは、第１実施例に係る半導体レーザ素子の高次モードの光出力を示し、グラフＧは、第３比較例に係る半導体レーザ素子の高次モードの光出力を示し、グラフＨは、第２実施例に係る半導体レーザ素子の高次モードの光出力を示している。

【0076】

グラフＡ，Ｂから、第１実施例に係る半導体レーザ素子の基本モードの光出力が、第２比較例に係る半導体レーザ素子の基本モードの光出力よりも大きくなることが確認できる。同様に、グラフＣ，Ｄから、第２実施例に係る半導体レーザ素子の基本モードの光出力が、第３比較例に係る半導体レーザ素子の基本モードの光出力よりも大きくなることが確認できる。これは以下の理由によると考えられる。

【0077】

すなわち、図１０，１１を参照して説明したように、第１，２実施例のそれぞれでは、第２，３比較例と比べて光強度分布が第１クラッド層３側に移動する。これにより、活性層５において発生する光が第１埋込層１１に過度に染み出すことが抑制され、第１埋込層１１による基本モードの光の吸収損失が低減されると考えられる。また、一般的に、ｎ型半導体はｐ型半導体と比べて光の吸収損失が小さい。そのため、光強度分布がｎ型半導層である第１クラッド層３側に移動することによって、基本モードの光の吸収損失が低減されると考えられる。吸収損失が低減されると、光出力特性におけるスロープ効率（図１２におけるグラフの傾きに相当）が大きくなるため、第１，２実施例に係る半導体レーザ素子の基本モードの光出力が大きくなる。

【0078】

グラフＥ，Ｆから、第１実施例に係る半導体レーザ素子の高次モードの光出力が、第２比較例に係る半導体レーザ素子の高次モードの光出力よりも小さくなることが確認できる。同様に、グラフＧ，Ｈから、第２実施例に係る半導体レーザ素子の高次モードの光出力が、第３比較例に係る半導体レーザ素子の高次モードの光出力よりも小さくなることが確認できる。これは以下の理由によると考えられる。すなわち、第１クラッド層３側に光強度分布が移動する第１，２実施例では、水平方向の光閉じ込め効果を有するリッジ部３０における光強度が第１，２比較例と比べて小さくなる。そのため、第１，２実施例では、高次モードの光の発振が抑制され、高次モードの光出力が小さくなる。

【0079】

また、第１実施例及び第２比較例に係る半導体レーザ素子から出力される光の第１埋込層１１での吸収についてシミュレーションを行った。具体的には、波長７６０ｎｍの光に対する第１埋込層１１の光吸収係数を４．５×１０^５ｃｍ^―１とした場合における、第１埋込層１１での光吸収（光損失）についてシミュレーションを行った。まず、第２比較例における第１埋込層１１にかかる基本モードの光の強度は、１．３×１０^―６であり、第１埋込層１１における光吸収は０．５９ｃｍ^―１であった。これに対して、第１埋込層１１にかかる高次モードの光の強度は、５．６×１０^―６であり、第１埋込層１１における光吸収は２．５２ｃｍ^―１であった。そのため、第２比較例における基本モードと高次モードとの光吸収の差（損失差）は、１．９３ｃｍ^―１であった。損失差が１．００ｃｍ^―１以上であれば高次モードの光を抑制しつつ基本モードの光を出力できていると判断される。したがって、第２比較例において高次モードの光を抑制しつつ基本モードを出力できていることが確認できた。また、第１実施例における第１埋込層１１にかかる基本モードの光の強度は、１．１×１０^―６であり、第１埋込層１１における光吸収は０．５０ｃｍ^―１であった。これに対して、第１埋込層１１にかかる高次モードの光の強度は、４．５×１０^―６であり、第１埋込層１１における光吸収は２．０３ｃｍ^―１であった。そのため、第１実施例における基本モードと高次モードとの光吸収（光損失）差は、１．５３ｃｍ^―１であった。したがって、第１実施例においても高次モードの光を抑制しつつ基本モードを出力できていることが確認できた。

【0080】

さらに、第１，２実施例及び第２，３比較例に係る半導体レーザ素子のビーム広がり特性（ビーム放射角）についてシミュレーションを行った。図１３は、垂直方向におけるビームパターンを示す図である。図１３に示されるビームパターンは、半導体レーザ素子の光出力端面から離れた場所における光強度分布（ＦＦＰ）である。図１３の横軸は垂直遠視野角θ_⊥を示し、縦軸は出力される光の規格化強度を示している。垂直遠視野角（Vertical far field angle）θ_⊥とは、半導体レーザ素子の光出力端面から離れた場所の垂直方向（Ｚ方向）における位置を示す角度である。垂直方向における位置が光出力端面と同じ場所の垂直遠視野角θ_⊥は、０°である。グラフＡは、第２比較例に係る半導体レーザ素子から出力される光の規格化強度を示し、グラフＢは、第１実施例に係る半導体レーザ素子から出力される光の規格化強度を示し、グラフＣは、第３比較例に係る半導体レーザ素子から出力される光の規格化強度を示し、グラフＤは、第２実施例に係る半導体レーザ素子から出力される光の規格化強度を示している。

【0081】

図１３に示されるように、グラフＢの横幅は、グラフＡの横幅よりも小さい。グラフの横幅が小さいほど、半導体レーザ素子から出力される光の広がりが小さい（すなわち、ビーム放射角が小さい）。そのため、グラフＡ，Ｂから、第１実施例に係る半導体レーザ素子のビーム放射角は、第２比較例に係る半導体レーザ素子のビーム放射角よりも小さくなることが確認できる。同様に、グラフＣの横幅は、グラフＤの横幅よりも小さい。そのため、グラフＣ，Ｄから、第２実施例に係る半導体レーザ素子のビーム放射角は、第３比較例に係る半導体レーザ素子のビーム放射角よりも小さくなることが確認できる。第１，２実施例においてビーム放射角が小さくなる理由は、半導体レーザ素子が屈折率の低い第２半導体層７２を備えることによって光強度分布のピーク値が小さくなり、同一強度における光強度分布の幅が大きくなるためであると考えられる。

【0082】

次に、図１４～図１６を用いて、第２半導体層７２の屈折率が第１半導体層７１の屈折率よりも低く、第２半導体層７２が第１半導体層７１を介して活性層５上に配置されていることの効果について説明する。シミュレーションモデルとして、上記第１実施例に係る半導体レーザ素子と、第４比較例に係る半導体レーザ素子を用意した。第４比較例に係る第１半導体層７１の屈折率は、第１実施例に係る第１半導体層７１の屈折率よりも低い。すなわち、第４比較例に係る半導体レーザ素子では、屈折率の低い半導体層が活性層５に隣接して配置されている。第１半導体層７１の屈折率を除き、第４比較例に係る半導体レーザ素子は、第１実施例に係る半導体レーザ素子と同様の構成を有している。第１実施例及び第４比較例の半導体レーザ素子から出力される光の光強度分布についてシミュレーションを行った。

【0083】

図１４は、図１０と同様に、半導体レーザ素子の光強度を示している。グラフＡは、第４比較例に係る半導体レーザ素子の屈折率を示し、グラフＢは、第１実施例に係る半導体レーザ素子の屈折率を示している。第１実施例に係る半導体レーザ素子の屈折率は、第１半導体層７１の屈折率に対応する部分を除いて第４比較例に係る半導体レーザ素子の屈折率と同じである。そのため、グラフＢは、第１半導体層７１の屈折率に対応する部分（位置Ｚが０．１μｍである部分の近傍）を除いてグラフＡと重なっている。

【0084】

グラフＣは、第４比較例に係る半導体レーザ素子から出力される光の規格化強度（光強度分布）を示し、グラフＤは、第１実施例に係る半導体レーザ素子から出力される光の規格化強度（光強度分布）を示している。グラフＣ，Ｄは、それぞれのグラフが囲む面積（光出力）が互いに等しく（この例では１Ｗ）なるように規格化されている。

【0085】

図１４に示されるように、グラフＣの大部分が、グラフＤに対して位置Ｚが小さくなる側（活性層５に対して第１クラッド層３側）に大きくずれており、グラフＣのピーク値がグラフＤのピーク値と比べて大きく低下している。すなわち、屈折率の低い半導体層が活性層５に隣接して配置されることにより、光強度分布が第１クラッド層３側に過度に移動し、ピーク値が大きく低下することが確認できる。

【0086】

また、第１実施例及び第４比較例に係る半導体レーザ素子について、注入電力を変化させたときの基本モード及び高次モードの光の出力についてシミュレーションを行った。図１５は、半導体レーザ素子の出力特性を示す図である。グラフＡは、第４比較例に係る半導体レーザ素子の基本モードの光出力を示し、グラフＢは、第１実施例に係る半導体レーザ素子の基本モードの光出力を示している。グラフＣは、第４比較例に係る半導体レーザ素子の高次モードの光出力を示し、グラフＤは、第１実施例に係る半導体レーザ素子の高次モードの光出力を示している。

【0087】

グラフＡ，Ｂからわかるように、図１５に示される注入電流の範囲では、基本モードの光について同じ出力を得ようとした場合、第４比較例に係る半導体レーザ素子の方が第１実施例に係る半導体レーザ素子と比べて注入電流を大きくする必要がある。すなわち、屈折率の低い半導体層が活性層５に隣接して配置されることにより、基本モードの光について所望の出力を得るための電流値の閾値が上昇してしまうことが確認できる。

【0088】

さらに、第１実施例及び第４比較例に係る半導体レーザ素子のビーム広がり特性（ビーム放射角）についてシミュレーションを行った。図１６は、垂直方向におけるビームパターンを示す図である。図１６に示されるビームパターンは、半導体レーザ素子の光出力端面から離れた場所における光強度分布（ＦＦＰ）である。図１６の横軸は垂直遠視野角θ_⊥を示し、縦軸は出力される光の規格化強度を示している。グラフＡは、第４比較例に係る半導体レーザ素子から出力される光の規格化強度を示し、グラフＢは、第１実施例に係る半導体レーザ素子から出力される光の規格化強度を示している。グラフＡ，Ｂから、第４比較例に係る半導体レーザ素子のビーム放射角は、第１実施例に係る半導体レーザ素子のビーム放射角よりも小さくなることが確認できる。

【0089】

したがって、図１４～図１６を用いて説明した各シミュレーションに基づくと、屈折率の低い第２半導体層７２が活性層５に隣接して配置されている構成では、ビーム放射角が小さくなる利点がある一方で、光強度分布が第１クラッド層３側に過度に移動して、光強度分布のピーク値が大きく低下するおそれがあることがわかる。そして、ピーク値が低下すると、所望の出力を得るための電流値の閾値が上昇してしまうことがわかる。これに対し、屈折率が低い第２半導体層７２が第１半導体層７１を介して活性層５から離れて配置されている構成では、第１クラッド層３側への光強度分布の過度な移動が抑制されるため、電流値の閾値の上昇が抑制されることがわかる。
［変形例］

【0090】

本発明は、上記実施形態に限定されない。例えば、図１７に示されるように、リッジ部３０は、Ｙ方向から見た場合に、長方形状を呈していてもよい。すなわち、リッジ部３０の両側の側面３０ａは、それぞれ、Ｙ方向及びＺ方向に平行な面であり、底面３１ａと垂直に交わっている。Ｘ方向におけるリッジ部３０の幅は、一定であってもよい。リッジ部３０の形状は限定されない。例えば、リッジ部３０は、Ｙ方向から見た場合に、基板２とは反対側に向かって広がる台形状を呈していてもよい。図１７に示される構成において、回折格子層８は省略されてもよい。

【0091】

リッジ部３０の側面３０ａは、平面でなくてもよい。例えば、側面３０ａの一部又は全部が曲面であってもよい。例えば、側面３０ａの全体がリッジ部３０の内側に向かって凸の曲面であってもよいし、側面３０ａのうち頂面３０ｂ寄りの部分がＸ方向に垂直な平面であり、側面３０ａのうち底面３１ｂ寄りの部分がリッジ部３０の内側に向かって凸の曲面であってもよい。側面３０ａは、底面３１ａと滑らかに連続していてもよい。側面３０ａが底面３１ａと滑らかに連続しているとは、例えば、Ｙ方向から見た場合に、側面３０ａ及び底面３１ａの接線の傾きが接続部３３において連続的に変化することをいう。

【0092】

第１クラッド層３及び第２クラッド層７（第１半導体層７１、第２半導体層７２及び第３半導体層７３）の材料は限定されず、ＡｌＧａＡｓ以外の材料によって形成されていてもよい。第２半導体層７２におけるＡｌの含有率は、７０％以下であってもよい。第１クラッド層３、第１半導体層７１及び第３半導体層７３におけるＡｌの含有率は、３０％以下であってもよいし、５０％以上であってもよい。第１クラッド層３は、複数の半導体層から構成されていてもよい。この場合、上述したとおり、第１クラッド層３を構成する各半導体層の屈折率の平均値が第１クラッド層３の屈折率となる。

【0093】

第１埋込層１１は、リッジ部３０の両側において絶縁層１０上に配置されていればよく、リッジ部３０の側面３０ａとトレンチ３１の底面３１ａとの接続部３３上に配置されていなくてもよい。すなわち、第１埋込層１１は、活性層５において発生する高次モードの光を吸収可能な位置に配置されていればよく、底面３１ａの全体にわたって配置されていなくてもよい。第２埋込層１２は、絶縁材料及び樹脂材料以外の材料によって形成されていてもよい。第２埋込層１２は、堆積物によって形成された層でなくてもよい。

【0094】

コンタクト層９Ａは、Ｙ方向から見た場合に、基板２とは反対側に向かって広がる台形状を呈していなくてもよい。例えば、コンタクト層９Ａは、Ｙ方向から見た場合に、矩形状を呈していてもよい。半導体レーザ素子１において、コンタクト層９は省略されてもよい。この場合、半導体レーザ素子１において、電極層１３はリッジ部３０の頂面３０ｂに直接接触し、絶縁層１０は対応する凸部の頂面に直接接触する。コンタクト層９のうちコンタクト層９Ｂのみが省略され、コンタクト層９Ａはリッジ部３０上に配置されていてもよい。

【0095】

活性層５において発生する光に対する第１埋込層１１の光吸収係数は、１×１０^５ｃｍ^―１以下であってもよい。第１埋込層１１は、リッジ部３０の側面３０ａとトレンチ３１の底面３１ａとの接続部３３上に配置されていなくてもよい。第２埋込層１２は、絶縁材料及び樹脂材料以外の材料によって形成されてもよい。

【0096】

一対の凸部３２は形成されていなくてもよい。この場合、リッジ部３０の両側に位置する底面３１ａは、Ｘ方向における半導体レーザ素子１の端面に接続された平坦な面であってもよい。この場合、第１埋込層１１及び第２埋込層１２は、Ｘ方向における半導体レーザ素子１の端面の位置に至るように形成されていてもよい。

【0097】

絶縁層１０は、リッジ部３０の側面３０ａ及びトレンチ３１の底面３１ａにおいて、第２クラッド層７上に配置されていればよく、側面３０ａ及び底面３１ａにわたって（連続して）配置されていなくてもよい。すなわち、絶縁層１０のうち側面３０ａに配置された部分と、絶縁層１０のうち底面３１ａに配置された部分とは、互いに分離されていてもよい。この場合、例えば、絶縁層１０は、側面３０ａの一部及び底面３１ａの一部に配置されていてもよい。

【符号の説明】

【0098】

１…半導体レーザ素子、２…基板、３…第１クラッド層、５…活性層、７…第２クラッド層、８…回折格子層、９，９Ａ，９Ｂ…コンタクト層、１０…絶縁層、１１…第１埋込層、１２…第２埋込層、１３…電極層、３０…リッジ部、３０ａ…側面、３０ｂ…頂面、３１ａ…底面、３３…接続部、７１…第１半導体層、７２…第２半導体層、７３…第３半導体層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】