特許 7541725 半導体レーザ素子、およびエピタキシャル基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-21

(45)【発行日】2024-08-29

(54)【発明の名称】半導体レーザ素子、およびエピタキシャル基板

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/343 20060101AFI20240822BHJP

   H01S 5/12 20210101ALI20240822BHJP

【ＦＩ】

H01S5/343

H01S5/12

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2020193275

(22)【出願日】2020-11-20

(65)【公開番号】P2022081994

(43)【公開日】2022-06-01

【審査請求日】2023-09-28

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、開発項目「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発／次々世代加工に向けた新規光源・要素技術開発／超高速利得スイッチＬＤをシードとするレーザー加工用光源の開発」事業、産業技術力強化法第１７条の適用を受けるもの

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】100145872

【弁理士】

【氏名又は名称】福岡 昌浩

(74)【代理人】

【識別番号】100187632

【弁理士】

【氏名又は名称】橘高 英郎

(72)【発明者】

【氏名】秋山 英文

(72)【発明者】

【氏名】中前 秀一

(72)【発明者】

【氏名】中村 考宏

(72)【発明者】

【氏名】金 昌秀

【審査官】高椋 健司

(56)【参考文献】

【文献】特開平０８－３１６５８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－３１９７４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２１１１４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－２０４９５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２０１０４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００３－５２３０９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９－５４２０１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２０７８０４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ５／００－ ５／５０

Ｈ０１Ｌ ３３／００－３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｎ型およびｐ型の一方の導電型を有する第１クラッド層と、
前記第１クラッド層の上方に配置された活性層と、
前記活性層の上方に配置され、ｎ型およびｐ型の他方の導電型を有する第２クラッド層と、
を有し、
前記活性層は、量子井戸層と障壁層とが交互に複数積層された多重量子井戸構造を有し、
複数の前記量子井戸層の各々は、ＩｎＧａＡｓ層で形成され、
複数の前記障壁層のうち、少なくとも１つの前記障壁層は、１つまたは複数のＧａＡｓＰ層と、１つまたは複数のＧａＡｓ層と、を含む積層構造で形成され、
前記活性層は、５層以上の前記量子井戸層を有し、
複数の前記障壁層の全体における、前記ＧａＡｓＰ層の全厚さに対する前記ＧａＡｓ層の全厚さの比率が、０．３以上４以下であり、
端面発光レーザである、半導体レーザ素子。

【請求項2】

前記半導体レーザ素子の発振波長は、１．０μｍ以上１．１μｍ以下である、請求項１に記載の半導体レーザ素子。

【請求項3】

前記活性層は、１０層以上の前記量子井戸層を有する、請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ素子。

【請求項4】

前記活性層中の平均Ｐ組成が、０．０３以上０．３以下である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。

【請求項5】

複数の前記障壁層の全体における、前記ＧａＡｓＰ層の全厚さに対する前記ＧａＡｓ層の全厚さの比率が、０．５以上４以下である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。

【請求項6】

前記積層構造における、前記ＧａＡｓＰ層の全厚さに対する前記ＧａＡｓ層の全厚さの比率が、０．１以上４以下である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。

【請求項7】

前記ＩｎＧａＡｓ層を構成する材料であるＩｎ（ｘ）Ｇａ（１－ｘ）ＡｓのＩｎ組成ｘが、０．１５以上０．４以下であり、
前記ＧａＡｓＰ層を構成する材料であるＧａＡｓ（１－ｙ）Ｐ（ｙ）のＰ組成ｙが、０．１以上０．５以下である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。

【請求項8】

前記ＩｎＧａＡｓ層の厚さが、３ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、
前記積層構造における、前記ＧａＡｓＰ層の全厚さが、３ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、前記ＧａＡｓ層の全厚さが、２ｎｍ以上４０ｎｍ以下である、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。

【請求項9】

前記積層構造は、第１ＧａＡｓ層と、前記第１ＧａＡｓ層の上方に配置されたＧａＡｓＰ層と、前記ＧａＡｓＰ層の上方に配置された第２ＧａＡｓ層と、を有する、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。

【請求項10】

複数の前記障壁層の各々における、前記ＧａＡｓＰ層の全厚さに対する前記ＧａＡｓ層の全厚さの比率が、前記活性層の厚さ方向において変化している、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。

【請求項11】

複数の前記障壁層の各々における、前記ＧａＡｓＰ層の全厚さに対する前記ＧａＡｓ層の全厚さの比率が、前記活性層の厚さ方向において、下端から途中の位置に向けて増加し、当該途中の位置から上端に向けて減少している、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。

【請求項12】

前記第１クラッド層と前記活性層との間に、さらに第１光分布層を有し、
前記活性層と前記第２クラッド層との間に、さらに第２光分布層を有する、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。

【請求項13】

分布帰還型レーザである、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。

【請求項14】

ｎ型およびｐ型の一方の導電型を有する第１クラッド層と、
前記第１クラッド層の上方に配置された活性層と、
前記活性層の上方に配置され、ｎ型およびｐ型の他方の導電型を有する第２クラッド層と、
を有し、
前記活性層は、量子井戸層と障壁層とが交互に複数積層された多重量子井戸構造を有し、
複数の前記量子井戸層の各々は、ＩｎＧａＡｓ層で形成され、
複数の前記障壁層のうち、少なくとも１つの前記障壁層は、１つまたは複数のＧａＡｓＰ層と、１つまたは複数のＧａＡｓ層と、を含む積層構造で形成され、
前記活性層は、５層以上の前記量子井戸層を有し、
複数の前記障壁層の全体における、前記ＧａＡｓＰ層の全厚さに対する前記ＧａＡｓ層の全厚さの比率が、０．３以上４以下であり、端面発光レーザである半導体レーザ素子用のエピタキシャル基板。

【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、およびエピタキシャル基板に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体レーザは、光ディスクや光通信等の光源として用いられている。例えば、特許文献１には、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開昭５９－１０４１９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の目的は、多重量子井戸構造による利得向上効果を有効に引き出すことができる技術を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一態様によれば、
ｎ型およびｐ型の一方の導電型を有する第１クラッド層と、
前記第１クラッド層の上方に配置された活性層と、
前記活性層の上方に配置され、ｎ型およびｐ型の他方の導電型を有する第２クラッド層と、
を有し、
前記活性層は、量子井戸層と障壁層とが交互に複数積層された多重量子井戸構造を有し、
複数の前記量子井戸層の各々は、ＩｎＧａＡｓ層で形成され、
複数の前記障壁層のうち、少なくとも１つの前記障壁層は、１つまたは複数のＧａＡｓＰ層と、１つまたは複数のＧａＡｓ層と、を含む積層構造で形成され、
端面発光レーザである、半導体レーザ素子が提供される。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、多重量子井戸構造による利得向上効果を有効に引き出すことができる技術が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１（ａ）および図１（ｂ）は、それぞれ、第１実施形態による半導体レーザ素子１０の概略構造を例示する幅方向断面図および長さ方向断面図である。

【図2】図２は、第１実施形態による半導体レーザ素子１０の概略構造を例示する斜視図である。

【図3】図３は、第１実施形態による活性層１４０の概略構造を示す断面図である。

【図4】図４（ａ）～図４（ｄ）は、第１実施形態による障壁層１４２の積層構造を例示する断面図である。

【図5】図５（ａ）は、第１実施形態による活性層１４０の一例を示す断面図である。図５（ｂ）は、第１実施形態による活性層１４０近傍の垂直横モードにおける、屈折率分布を模式的に示す概略図である。図５（ｃ）は、第１実施形態による活性層１４０近傍の垂直横モードにおける、光強度分布を模式的に示す概略図である。

【図6】図６（ａ）～図６（ｃ）は、第１実施形態による半導体レーザ素子１０の製造工程を例示する概略的な幅方向断面図である。

【図7】図７（ａ）は、第１実施形態の変形例による活性層１４０の一例を示す断面図である。図７（ｂ）は、第１実施形態の変形例による活性層１４０近傍の垂直横モードにおける、屈折率分布を模式的に示す概略図である。図７（ｃ）は、第１実施形態の変形例による活性層１４０近傍の垂直横モードにおける、光強度分布を模式的に示す概略図である。

【図8】図８は、第１実施形態の変形例に係る、第１実験例の結果を示すグラフである。

【図9】図９（ａ）および図９（ｂ）は、それぞれ、第２実施形態による半導体レーザ素子１０の概略構造を例示する幅方向断面図および長さ方向断面図である。

【図10】図１０（ａ）～図１０（ｃ）は、第２実施形態による半導体レーザ素子１０の製造工程を例示する概略的な幅方向断面図である。

【図11】図１１は、第２実施形態に係る、第２実験例の結果を示すグラフである。

【図12】図１２（ａ）は、実施例に係る、試料１の活性層１４０近傍の屈折率分布および光強度分布を示すグラフである。図１２（ｂ）は、実施例に係る、試料２の活性層１４０近傍の屈折率分布および光強度分布を示すグラフである。図１２（ｃ）は、実施例に係る、試料３の活性層１４０近傍の屈折率分布および光強度分布を示すグラフである。

【図13】図１３（ａ）は、比較形態による半導体レーザ素子１０の主要部の概略構造を例示する幅方向断面図であり、図１３（ｂ）は、比較形態による半導体レーザ素子１０の活性層１４０の概略構造を示す断面図である。図１３（ｃ）および図１３（ｄ）は、それぞれ、第１、第２比較形態による活性層１４０近傍の垂直横モードにおける、屈折率分布および光強度分布を模式的に示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

［本発明の実施形態の説明］
＜比較形態＞
本発明の実施形態について説明する前に、比較形態について説明する。図１３（ａ）は、比較形態による半導体レーザ素子１０の主要部の概略構造を例示する幅方向断面図（共振器の長さ方向と直交する断面図）であり、図１３（ｂ）は、比較形態による半導体レーザ素子１０の活性層１４０の概略構造を示す断面図である。

【0009】

半導体レーザ素子１０は、下側クラッド層１２０と、活性層１４０と、リッジ形状の上側クラッド層１６０と、を有する端面発光レーザ素子である。半導体レーザ素子１０は、必要に応じ、下側クラッド層１２０と活性層１４０との間に配置された下側光分布層（下側ＳＣＨ層）１３０を有してもよく、活性層１４０と上側クラッド層１６０との間に配置された上側光分布層（上側ＳＣＨ層）１５０を有してもよい。活性層１４０は、量子井戸層１４１（以下、井戸層１４１ともいう）と、障壁層１４２と、が交互に複数積層された多重量子井戸構造を有する。なお、本明細書においては、井戸層１４１が３層以上積層されている構造を多重量子井戸構造と呼ぶ。

【0010】

半導体レーザ素子１０は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板上に、ガリウム（Ｇａ）およびヒ素（Ａｓ）を含むＧａＡｓ系の半導体層が積層された半導体積層体により構成されている。活性層１４０の井戸層１４１は、発振波長を調整するためにインジウム（Ｉｎ）を構成元素に含むインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）層で構成されている。井戸層１４１（ＩｎＧａＡｓ層）は、ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を有する。

【0011】

第１比較形態は、障壁層１４２が、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）層で構成された態様である。第１比較形態では、活性層１４０において、井戸層１４１（ＩｎＧａＡｓ層）に圧縮歪が生じ、活性層１４０の井戸層１４１の層数を増やすことで、圧縮歪が蓄積される。このため、半導体レーザ素子１０の特性を劣化させることなく、多重積層可能な井戸層１４１の層数は、３層程度が限界である。

【0012】

第２比較形態は、障壁層１４２が、ガリウムヒ素リン（ＧａＡｓＰ）層で構成された態様である。障壁層１４２（ＧａＡｓＰ層）は、ＧａＡｓ基板に対して伸長歪を有する。第２比較形態では、活性層１４０において、井戸層１４１（ＩｎＧａＡｓ層）には圧縮歪が生じ、障壁層１４２（ＧａＡｓＰ層）には伸長歪が生じ、井戸層１４１の圧縮歪が、障壁層１４２の伸長歪により補償される。このため、活性層１４０が有する井戸層１４１の層数を、例えば５層以上の多層とすることができる。

【0013】

図１３（ｃ）および図１３（ｄ）は、それぞれ、第１、第２比較形態による活性層１４０近傍の垂直横モードにおける、屈折率分布および光強度分布を模式的に示す概略図である。図１３（ｄ）には、一例として、厚さ方向に単一のピークを有する（垂直横モードが単一である）場合の光強度分布を示す。

【0014】

図１３（ｃ）に示されるように、第２比較形態、すなわち各障壁層１４２がＧａＡｓＰ層で構成されている態様では、第１比較形態、すなわち各障壁層１４２がＧａＡｓ層で構成されている態様と比べて、活性層１４０の屈折率が低くなる。これに起因して、第２比較形態では、第１比較形態と比べて、活性層１４０への光閉じ込め作用が低下する。

【0015】

したがって、図１３（ｄ）に示されるように、第２比較形態では、第１比較形態と比べて、光強度分布の活性層１４０の上下外側への広がりが大きくなる。つまり、第２比較形態では、第１比較形態と比べ、厚さ方向に関して、光強度分布が活性層１４０と重なる割合を大きくすることが難しくなる。

【0016】

利得作用は活性層１４０で（より具体的には井戸層１４１で）生じるため、活性層１４０への光閉じ込め作用が低下することで、注入電流をレーザ光に変換する効率が低下する、つまり、モード利得が低下することとなる。例えば垂直横モードが単一である場合、レーザビーム中心の光強度は、第２比較形態では、第１比較形態と比べて、低下する。

【0017】

障壁層１４２をＧａＡｓＰ層で構成する第２比較形態では、障壁層１４２をＧａＡｓ層で構成する第１比較形態と比べ、井戸層１４１を多層化できることで、利得作用の向上を図ることができるものの、活性層１４０の屈折率が低下することで、モード利得を高めることが難しい。

【0018】

本願発明者は、以下説明するように、井戸層１４１にＩｎＧａＡｓ層を用いた半導体レーザ素子１０において、多重量子井戸構造による利得向上効果を有効に引き出すことができる技術を提案する。

【0019】

＜第１実施形態＞
次に、本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子１０（以下、素子１０ともいう）について説明する。素子１０が有する共振器（導波路）２０の幅方向をＸ方向とし、素子１０の厚さ方向をＹ方向とし、共振器２０の長さ方向をＺ方向とする。以下、Ｘ方向を、素子１０の幅方向と称し、Ｙ方向を、素子１０の厚さ方向と称し、Ｚ方向を、素子１０の長さ方向と称することもある。

【0020】

図１（ａ）および図１（ｂ）は、それぞれ、第１実施形態による素子１０の概略構造を例示する幅方向断面図および長さ方向断面図である。幅方向断面図とは、共振器２０の長さ方向（Ｚ方向）と直交する断面図（ＸＹ面と平行な断面図）である。長さ方向断面図とは、共振器２０の幅方向（Ｘ方向）と直交する断面図（ＹＺ面と平行な断面図）である。図２は、素子１０の概略構造を例示する斜視図である。

【0021】

素子１０は、半導体積層体１００（以下、積層体１００ともいう）と、ｎ側電極２１０およびｐ側電極２２０と、絶縁保護膜３１０と、を有する。

【0022】

積層体１００は、基板１１０と、下側クラッド層１２０と、下側ＳＣＨ層１３０と、活性層１４０と、上側ＳＣＨ層１５０と、上側クラッド層１６０と、キャップ層１７０と、を有する。

【0023】

基板１１０は、例えば、ｎ型のガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板である。下側クラッド層１２０は、基板１１０上に配置され、例えば、厚さ１．０～２．０μｍのｎ型のアルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）層で構成されている。下側ＳＣＨ層１３０は、下側クラッド層１２０上に配置され、例えば、厚さ０．１～０．５μｍのノンドープのＧａＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層で構成されている。なお、結晶品質向上のため、基板１１０と下側クラッド層１２０との間に、例えば、厚さ０．５～１．５μｍのノンドープのＧａＡｓ層（バッファ層、図示せず）が設けられていてもよい。

【0024】

活性層１４０は、下側ＳＣＨ層１３０上に、つまり、下側クラッド層１２０の上方に配置されている。なお、下側ＳＣＨ層１３０は、必要に応じて設けられる層であり、省略されることもある。下側ＳＣＨ層１３０が省略された場合、活性層１４０は、下側クラッド層１２０の直上に配置されてよい。活性層１４０の構造の詳細については、後述する。

【0025】

上側ＳＣＨ層１５０は、活性層１４０上に配置され、例えば、厚さ０．１～０．５μｍのノンドープのＧａＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層で構成されている。上側クラッド層１６０は、上側ＳＣＨ層１５０上に、つまり、活性層１４０の上方に配置され、例えば、厚さ１．０～２．０μｍのｐ型のＡｌＧａＡｓ層で構成されている。なお、上側ＳＣＨ層１５０は、必要に応じて設けられる層であり、省略されることもある。上側ＳＣＨ層１５０が省略された場合、上側クラッド層１６０は、活性層１４０の直上に配置されてよい。キャップ層１７０は、上側クラッド層１６０上に配置され、例えば、厚さ０．１～０．２μｍのｐ型のＧａＡｓ層で構成されている。

【0026】

上側クラッド層１６０およびキャップ層１７０は、上側ＳＣＨ層１５０上に、リッジ型凸構造を構成する形状で、設けられている。リッジ形状を有する上側クラッド層１６０の下方の領域が、素子１０の共振器２０を構成し、素子１０は、共振器２０の長さ方向（Ｚ方向）と直交する端面（ＸＹ面と平行な端面）から光を出射する端面発光レーザ素子として機能する。

【0027】

上側クラッド層１６０およびキャップ層１７０の側面と、上側クラッド層１６０およびキャップ層１７０の外側の上側ＳＣＨ層１５０の上面を覆うように、絶縁保護膜３１０が配置されている。絶縁保護膜３１０は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層で構成されている。

【0028】

基板１１０の裏面の全面上に、ｎ側電極２１０が配置されている。また、キャップ層１７０の上面上に、ｐ側電極２２０が配置されている。ｐ側電極２２０は、例えば、キャップ層１７０の上面上から、キャップ層１７０の側面上および上側ＳＣＨ層１５０の上面上の絶縁保護膜３１０上に延在するように、設けられている。

【0029】

図３は、本実施形態による活性層１４０の概略構造を示す断面図であり、図４（ａ）～図４（ｄ）は、本実施形態による障壁層１４２の積層構造を例示する断面図である。本実施形態による活性層１４０は、井戸層１４１と、障壁層１４２と、が交互に複数積層された多重量子井戸構造を有し、複数の井戸層１４１の各々は、ＩｎＧａＡｓ層で構成され、複数の障壁層１４２の各々は、１つまたは複数のＧａＡｓＰ層１４２ａと、１つまたは複数のＧａＡｓ層１４２ｂと、を含む積層構造で構成されている。なお、必ずしも、活性層１４０が有する複数の障壁層１４２のうちのすべてが、上記積層構造で構成されている必要はなく、複数の障壁層１４２において、ＧａＡｓＰ層１４２ａのみ、またはＧａＡｓ層１４２ｂのみで構成された障壁層１４２が存在してもよい。活性層１４０が有する複数の障壁層１４２のうち、少なくとも１つの障壁層１４２が上記積層構造で構成されており、５０％超の障壁層１４２の各々が上記積層構造で構成されていることが好ましく、７０％超の障壁層１４２の各々が上記積層構造で構成されていることがより好ましく、９０％超の障壁層１４２の各々が上記積層構造で構成されていることがさらに好ましい。

【0030】

本実施形態による活性層１４０では、障壁層１４２がＧａＡｓＰ層１４２ａを含んで構成されていることにより、井戸層１４１を多層化することができる。活性層１４０の利得作用を高めるために、活性層１４０が有する井戸層１４１の層数は、５層以上とすることが好ましく、１０層以上とすることがより好ましい。井戸層１４１の層数の上限は特に限定されないが、例えば、製造コストの観点からは、井戸層１４１の層数は、１００層以下とすることが好ましい。なお、活性層１４０の最下層、つまり、下側ＳＣＨ層１３０（または下側クラッド層１２０）と接触する層は、必要に応じ、井戸層１４１であってもよく、障壁層１４２であってもよい。また、活性層１４０の最上層、つまり、上側ＳＣＨ層１５０（または上側クラッド層１６０）と接触する層は、必要に応じ、井戸層１４１であってもよく、障壁層１４２であってもよい。

【0031】

素子１０の発振波長は、１．０μｍ以上１．１μｍ以下であり、当該発振波長が実現されるように、活性層１４０が構成される。つまり、当該発振波長が実現されるように、井戸層１４１のＩｎＧａＡｓ層を構成する材料であるＩｎ（ｘ）Ｇａ（１－ｘ）ＡｓのＩｎ組成ｘと、井戸層１４１の膜厚が決定される。具体的には、井戸層１４１のＩｎ組成ｘは、例えば、０．１５以上０．４以下であり、好ましくは０．２以上０．３５以下である。なお、井戸層１４１のＩｎＧａＡｓ層中に、ＩｎＧａＡｓ層を形成する際に含有添加される微量な元素（Ｉｎ、ＧａおよびＡｓ以外の元素）が含まれる場合も、井戸層１４１はＩｎＧａＡｓ層で形成されているといってよい。

【0032】

また、上述の発振波長を実現し、かつ、活性層１４０の利得作用を高めるために井戸層１４１の層数を５層以上とする場合、井戸層１４１の圧縮歪が補償されるように、障壁層１４２が含むＧａＡｓＰ層１４２ａを構成する材料であるＧａＡｓ（１－ｙ）Ｐ（ｙ）のＰ組成ｙと、ＧａＡｓＰ層１４２ａの膜厚が決定される。具体的には、ＧａＡｓＰ層１４２ａのＰ組成ｙは、例えば、０．１以上０．５以下であり、好ましくは０．１２以上０．３５以下である。なお、障壁層１４２のＧａＡｓＰ層１４２ａ中に、ＧａＡｓＰ層１４２ａを形成する際に含有添加される微量な元素（Ｇａ、ＡｓおよびＰ以外の元素）が含まれる場合も、ＧａＡｓＰ層１４２ａはＧａＡｓＰ層で形成されているといってよい。同様に、障壁層１４２のＧａＡｓ層１４２ｂ中に、ＧａＡｓ層１４２ｂを形成する際に含有添加される微量な元素（ＧａおよびＡｓ以外の元素）が含まれる場合も、ＧａＡｓ層１４２ｂはＧａＡｓ層で形成されているといってよい。

【0033】

ここで、井戸層１４１にＩｎＧａＡｓ層を用いた半導体レーザにおいて、発振波長が９８０ｎｍ以下、かつ、井戸層１４１が５層未満の場合、井戸層１４１に含まれるＩｎの量が少なく、井戸層１４１の圧縮歪がそれほど大きくならないため、障壁層１４２（活性層１４０）中に含まれるＰの量を少なくできる。したがって、このような場合、ＧａＡｓＰ層１４２ａによる活性層１４０の屈折率低下は、通常問題とならない。

【0034】

しかしながら、本実施形態では、発振波長が１．０μｍ以上１．１μｍ以下、かつ、井戸層１４１が５層以上である素子１０を実現するため、障壁層１４２に含まれるＰの量を多くしている。そのため、ＧａＡｓＰ層１４２ａによる活性層１４０の屈折率低下が問題となる。本実施形態では、各障壁層１４２を、ＧａＡｓＰ層１４２ａとＧａＡｓ層１４２ｂとを含む積層構造で構成することにより、活性層１４０中に含まれるＰの量を制御し、活性層１４０の屈折率を向上させている。

【0035】

活性層１４０中の平均Ｐ組成は、例えば、０．０３以上０．３以下であり、好ましくは０．０５以上０．２以下である。本明細書において、活性層１４０中の平均Ｐ組成とは、活性層１４０中に含まれるリン（Ｐ）のモル比を意味する。活性層１４０中の平均Ｐ組成が０．０３未満では、井戸層１４１の圧縮歪を補償することが困難となる可能性がある。これに対し、活性層１４０中の平均Ｐ組成を０．０３以上（好ましくは０．０５以上）とすることで、井戸層１４１の圧縮歪を補償し、多層化を実現することができる。一方、活性層１４０中の平均Ｐ組成が０．３を超えると、活性層１４０の屈折率低下が問題となり、活性層１４０への光閉じ込め作用が低下する可能性がある。これに対し、活性層１４０中の平均Ｐ組成を０．３以下（好ましくは０．２以下）とすることで、活性層１４０の屈折率を向上させ、活性層１４０への光閉じ込め作用を向上させることができる。なお、活性層１４０中の平均Ｐ組成を決める際には、活性層１４０における最下層のＩｎＧａＡｓ層またはＧａＡｓＰ層１４２ａから、活性層１４０における最上層のＩｎＧａＡｓ層またはＧａＡｓＰ層１４２ａまでの層を活性層１４０としてもよい。

【0036】

各障壁層１４２における、ＧａＡｓＰ層１４２ａおよびＧａＡｓ層１４２ｂの積層のされ方は、特に限定されず、種々の態様であってよい。図４（ａ）～図４（ｄ）に、各障壁層１４２の積層構造のいくつかの態様を例示する。図４（ａ）に示す障壁層１４２は、ＧａＡｓＰ層１４２ａ上にＧａＡｓ層１４２ｂが積層された構造を有する。図４（ｂ）に示す障壁層１４２は、ＧａＡｓ層１４２ｂ上にＧａＡｓＰ層１４２ａが積層された構造を有する。図４（ｃ）に示す障壁層１４２は、ＧａＡｓ層１４２ｂ上にＧａＡｓＰ層１４２ａが積層され、さらに当該ＧａＡｓＰ層１４２ａ上にＧａＡｓ層１４２ｂ層が積層された構造を有する。図４（ｄ）に示す障壁層１４２は、ＧａＡｓＰ層１４２ａ上にＧａＡｓ層１４２ｂが積層され、さらに当該ＧａＡｓ層１４２ｂ上にＧａＡｓＰ層１４２ａ層が積層された構造を有する。

【0037】

ＧａＡｓＰ層１４２ａと井戸層１４１（ＩｎＧａＡｓ層）との間、あるいは、井戸層１４１（ＩｎＧａＡｓ層）とＧａＡｓＰ層１４２ａとの間に、これらの層の中間的な組成を有するＧａＡｓ層１４２ｂが介在する積層構造は、ＧａＡｓ層１４２ｂを中間層として積層構造の結晶成長を行うことができるため、図４（ｃ）に示す積層構造は、特に好ましい。また、図４（ｃ）に示す積層構造により、井戸層１４１へのキャリアの移動を促進させることができる。以下、図４（ｃ）に示す積層構造を有する障壁層１４２を例として、説明を進める。

【0038】

障壁層１４２を図４（ｃ）に示す積層構造とする場合、活性層１４０の最下層および最上層は、井戸層１４１であることが好ましい。この場合、障壁層１４２の層数を、井戸層１４１の層数より少なくすることができる。具体的には、井戸層１４１の層数をＮとすると、障壁層１４２の層数はＮ－１となる。これにより、障壁層１４２の層数を減らせるため、活性層１４０中に含まれるＰの量を低減し、活性層１４０の屈折率を向上させることができる。また、素子１０の発振波長を安定化させるためには、井戸層１４１の両側（上下）を同種の層で挟み込むことが好ましいが、障壁層１４２を図４（ｃ）に示す積層構造とする場合、活性層１４０の最下層および最上層を井戸層１４１とし、かつ、下側ＳＣＨ層１３０および上側ＳＣＨ層１５０をＧａＡｓ層で構成することで、井戸層１４１の両側をＧａＡｓ層で挟み込むことが可能となる。これにより、井戸層１４１からのキャリアのしみ出しを抑制し、発振波長を安定化させることができる。

【0039】

図５（ａ）は、第１実施形態による活性層１４０の一例を示す断面図である。本例において、各井戸層１４１の厚さ、および、各障壁層１４２が含むＧａＡｓＰ層１４２ａの厚さは、それぞれ、活性層１４０の全厚さにわたって一定である。また、本例では（後述の変形例と異なり）、各障壁層１４２が含むＧａＡｓ層１４２ｂの全厚さが、活性層１４０の全厚さにわたって一定である。

【0040】

図５（ｂ）は、第１実施形態による活性層１４０近傍の垂直横モードにおける、屈折率分布を模式的に示す概略図である。図５（ｃ）は、第１実施形態による活性層１４０近傍の垂直横モードにおける、光強度分布を模式的に示す概略図である。図５（ｂ）および図５（ｃ）に、併せて、第２比較形態による屈折率分布および光強度分布を示す。図５（ｃ）には、一例として、厚さ方向に単一のピークを有する（垂直横モードが単一である）場合の光強度分布を示す。

【0041】

図５（ｂ）に示されるように、第１実施形態、すなわち各障壁層１４２が、ＧａＡｓＰ層１４２ａとＧａＡｓ層１４２ｂとを含む積層構造で構成されている態様では、第２比較形態、すなわち各障壁層１４２がＧａＡｓＰ層（のみ）で構成されている態様と比べて、活性層１４０の屈折率を向上できる。これにより、第１実施形態では、第２比較形態と比べて、活性層１４０への光閉じ込め作用を向上できる。

【0042】

また、図５（ｃ）に示されるように、第１実施形態では、第２比較形態と比べて、光強度分布の活性層１４０の上下外側への広がりが小さくなる。つまり、第１実施形態では、第２比較形態と比べ、厚さ方向に関して、光強度分布が活性層１４０と重なる割合を大きくすることができる。したがって、本実施形態では、多重量子井戸構造による利得向上効果を有効に引き出すことができる。

【0043】

障壁層１４２をＧａＡｓＰ層１４２ａとＧａＡｓ層１４２ｂとを含む積層構造で構成する第１実施形態では、障壁層１４２をＧａＡｓＰ層（のみ）で構成する第２比較形態と同様に、活性層１４０における井戸層１４１を多層化できることで、利得作用を向上できる。これに加え、第１実施形態では、第２比較形態と比べ、活性層１４０の屈折率を向上できることで、活性層１４０への光閉じ込め作用を向上できるため、モード利得を向上できる。例えば垂直横モードが単一である場合、レーザビーム中心の光強度を、第１実施形態では、第２比較形態と比べて、向上できる。

【0044】

なお、図５（ｃ）には、垂直横モードが単一である場合を例示したが、素子１０から出射されるレーザ光の垂直横モードは特に限定されず、用途等に応じ、単一であってもよく、複数であってもよい。本実施形態によるモード利得の向上効果は、垂直横モードが単一であっても複数であっても得ることができる。

【0045】

活性層１４０が有する複数の障壁層１４２の（厚さ方向の）全体における、ＧａＡｓＰ層１４２ａの全厚さに対する、ＧａＡｓ層１４２ｂの全厚さの比率を、障壁層平均ＧａＡｓ含有率と称する。障壁層平均ＧａＡｓ含有率は、活性層１４０の全体的な屈折率を向上させて光閉じ込め作用を向上させるために、０．３以上とすることが好ましく、０．４以上とすることがより好ましく、０．５以上とすることがさらに好ましい。また、障壁層平均ＧａＡｓ含有率は、障壁層１４２が不必要に厚くなることを避け、多層化を実現するために、４以下とすることが好ましく、３以下とすることがより好ましい。なお、本明細書において、活性層１４０が有する複数の障壁層１４２の全体における、ＧａＡｓ層１４２ｂの全厚さとは、例えば、活性層１４０における、最下層のＧａＡｓＰ層１４２ａから最上層のＧａＡｓＰ層１４２ａの間に存在する、ＧａＡｓ層１４２ｂの厚さの合計で表される。

【0046】

活性層１４０が有する複数の障壁層１４２の各々における（各積層構造における）、ＧａＡｓＰ層１４２ａの全厚さに対する、ＧａＡｓ層１４２ｂの全厚さの比率を、障壁層ＧａＡｓ含有率と称する。後述の変形例で説明するように、障壁層ＧａＡｓ含有率は、活性層１４０の厚さ方向において変化させてもよい。障壁層ＧａＡｓ含有率は、隣接する井戸層１４１からＧａＡｓＰ層１４２ａへのキャリアのしみ出しを抑制するために、０．１以上とすることが好ましく、０．２以上とすることがより好ましい。また、障壁層ＧａＡｓ含有率は、障壁層１４２が不必要に厚くなることを避け、多層化を実現するために、４以下とすることが好ましく、３以下とすることがより好ましい。

【0047】

なお、上述したように、活性層１４０が有する複数の障壁層１４２において、ＧａＡｓＰ層１４２ａのみ、またはＧａＡｓ層１４２ｂのみで構成された障壁層１４２が存在してもよい。障壁層ＧａＡｓ含有率に関する上述の好ましい条件は、活性層１４０が有する複数の障壁層１４２のうち、少なくとも１つの障壁層１４２で満たされることが好ましく、５０％超の障壁層１４２で満たされることがより好ましく、７０％超の障壁層１４２で満たされることがさらに好ましく、９０％超の障壁層１４２で満たされることがさらに好ましい。

【0048】

活性層１４０の各井戸層１４１におけるＩｎＧａＡｓ層の厚さ（つまり、各井戸層１４１の厚さ）は、例えば、３ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることが好ましい。活性層１４０の各障壁層１４２における（各積層構造における）ＧａＡｓＰ層１４２ａの全厚さは、井戸層１４１の圧縮歪を補償するために、例えば、３ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることが好ましい。

【0049】

活性層１４０の各障壁層１４２における（各積層構造における）ＧａＡｓ層１４２ｂの全厚さは、隣接する井戸層１４１からＧａＡｓＰ層１４２ａへのキャリアのしみ出しを抑制するために、例えば、２ｎｍ以上とすることが好ましい。また、当該厚さは、障壁層１４２が不必要に厚くなることを避け、多層化を実現するために、例えば、４０ｎｍ以下とすることが好ましい。

【0050】

なお、上述したように、活性層１４０が有する複数の障壁層１４２において、ＧａＡｓＰ層１４２ａのみ、またはＧａＡｓ層１４２ｂのみで構成された障壁層１４２が存在してもよい。活性層１４０の各障壁層１４２におけるＧａＡｓ層１４２ｂの全厚さに関する上述の好ましい条件は、活性層１４０が有する複数の障壁層１４２のうち、少なくとも１つの障壁層１４２で満たされることが好ましく、５０％超の障壁層１４２で満たされることがより好ましく、７０％超の障壁層１４２で満たされることがさらに好ましく、９０％超の障壁層１４２で満たされることがさらに好ましい。

【0051】

図６（ａ）～図６（ｃ）は、素子１０の製造工程を例示する概略的な幅方向断面図である。図６（ａ）を参照する。まず、基板１１０上に各層１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０がエピタキシャル成長されたエピタキシャル基板を、積層体１００として用意する。個々の素子１０（半導体レーザチップ）に分割される前の積層体１００を、以下、ウエハ１００ともいう。

【0052】

ウエハ１００は、具体的には例えば、以下のようにして形成される。結晶成長方法としては、例えば、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）が用いられる。ｎ型のＧａＡｓ基板である基板１１０上に、例えば、厚さ１．０～２．０μｍのｎ型のＡｌＧａＡｓ層を成長させることで、下側クラッド層１２０を形成する。下側クラッド層１２０上に、例えば、厚さ０．１～０．５μｍのノンドープのＧａＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層を成長させることで、下側ＳＣＨ層１３０を形成する。

【0053】

下側ＳＣＨ層１３０上に、井戸層１４１と障壁層１４２とを交互に複数積層することで、活性層１４０を形成する。井戸層１４１、障壁層１４２のＧａＡｓＰ層１４２ａ、および、障壁層１４２のＧａＡｓ層１４２ｂの、組成および厚さは、上述の範囲から適宜選択される。

【0054】

図４（ｃ）に示す積層構造を有する活性層１４０は、例えば、以下のように形成される。井戸層１４１は、例えば、厚さ１０ｎｍでＩｎ組成ｘが０．２５５であるＩｎ（０．２５５）Ｇａ（０．７４５）Ａｓ層を成長させることで、形成される。井戸層１４１上に、例えば、厚さ７．５ｎｍのＧａＡｓ層を成長させることで、障壁層１４２のＧａＡｓ層１４２ｂを形成する。障壁層１４２のＧａＡｓ層１４２ｂ上に、例えば、厚さ１５ｎｍでＰ組成ｙが０．２９９であるＧａＡｓ（０．７０１）Ｐ（０．２９９）層を成長させることで、障壁層１４２のＧａＡｓＰ層１４２ａを形成する。障壁層１４２のＧａＡｓＰ層１４２ａ上に、例えば、厚さ７．５ｎｍのＧａＡｓ層を成長させることで、障壁層１４２のＧａＡｓ層１４２ｂを形成する。本例では、各障壁層１４２において、ＧａＡｓＰ層１４２ａの全厚さが１５ｎｍであり、ＧａＡｓ層１４２ｂの全厚さが１５ｎｍである。その後さらに、井戸層１４１と障壁層１４２とを交互に積層することで、活性層１４０を形成する。井戸層１４１を５層以上有する活性層１４０を形成する。井戸層１４１と障壁層１４２とは、例えば４０対積層される。

【0055】

活性層１４０上に、例えば、厚さ０．１～０．５μｍのノンドープのＧａＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層を成長させることで、上側ＳＣＨ層１５０を形成する。上側ＳＣＨ層１５０上に、例えば、厚さ１．０～２．０μｍのｐ型のＡｌＧａＡｓ層を成長させることで、上側クラッド層１６０を形成する。上側クラッド層１６０上に、例えば、厚さ０．１～０．２μｍのｐ型のＧａＡｓ層を成長させることで、キャップ層１７０を形成する。このようにして、ウエハ１００を形成する。

【0056】

図６（ｂ）を参照する。ウエハ１００のキャップ層１７０上の、各素子１０の共振器２０を形成すべき領域に、フォトリソグラフィーによりレジストマスク４１０を形成する。レジストマスク４１０は、例えば、２．０μｍの幅を有し、５００μｍ間隔で形成される。レジストマスク４１０をマスクとしたドライエッチングによりキャップ層１７０および上側クラッド層１６０の不要部をエッチングして、キャップ層１７０および上側クラッド層１６０をリッジ形状に加工することで、各素子１０の共振器２０を形成する。

【0057】

図６（ｃ）を参照する。加工されたキャップ層１７０および上側クラッド層１６０を覆って、ウエハ１００の全面上に、例えば、厚さ０．３μｍのＳｉＯ_２層を堆積する。リッジ形状の外側領域に、フォトリソグラフィーによりレジストマスク４２０を形成する。レジストマスク４２０をマスクとし、例えば三フッ化メタン（ＣＨＦ_３）を用いた反応性ドライエッチングにより当該ＳｉＯ_２層の不要部をエッチングすることで、絶縁保護膜３１０を形成する。絶縁保護膜３１０は、リッジ形状の上面に、電流注入のための開口、つまり、ｐ側電極２２０との接触領域を有する。

【0058】

その後、レジストマスク４２０を除去し、ウエハ１００の上面上に、例えば、厚さ５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）層、厚さ５０ｎｍの白金（Ｐｔ）層、および、厚さ５００ｎｍの金（Ａｕ）層を、電子ビーム蒸着することで、ｐ側電極２２０を形成する。ウエハ１００の裏面（基板１１０の裏面）を、メカノケミカル研磨により研磨することで、ウエハ１００の厚さ（図２のＬＹ）を、例えば１２０μｍとする。ウエハ１００の裏面（基板１１０の裏面）に、例えば、厚さ５０ｎｍの金ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）層、厚さ５０ｎｍのニッケル（Ｎｉ）層、厚さ５０ｎｍのＴｉ層、および、厚さ５００ｎｍのＡｕ層を、電子ビーム蒸着することで、ｎ側電極２１０を形成する。

【0059】

さらに、ウエハ１００を、劈開により個々の素子１０（半導体レーザチップ）に分割する。個々の素子１０の幅（Ｘ方向の寸法、図２のＬＸ）は、例えば５００μｍであり、個々の素子１０の長さ（Ｚ方向の寸法、図２のＬＺ）、つまり共振器長は、例えば４００μｍである。このようにして、素子１０が作製される（図１（ａ）、図１（ｂ）および図２参照）。

【0060】

＜第１実施形態の変形例＞
次に、第１実施形態の変形例による素子１０について説明する。図７（ａ）は、第１実施形態の変形例による活性層１４０の一例を示す断面図である。

【0061】

上述の第１実施形態では、障壁層ＧａＡｓ含有率を、活性層１４０の厚さ方向において一定としたのに対し（図５（ａ）参照）、本変形例では、障壁層ＧａＡｓ含有率を、活性層１４０の厚さ方向において変化させる。本変形例において、他の構成は、上述の第１実施形態と同様である。

【0062】

図７（ａ）は、このような変化の一例として、障壁層ＧａＡｓ含有率を、活性層１４０の厚さ方向において、下端から途中の位置（好ましくは厚さ方向中央）に向けて増加させ、当該途中の位置から上端に向けて減少させる態様を示す。

【0063】

図７（ｂ）は、第１実施形態の変形例による活性層１４０近傍の垂直横モードにおける、屈折率分布を模式的に示す概略図である。図７（ｃ）は、第１実施形態の変形例による活性層１４０近傍の垂直横モードにおける、光強度分布を模式的に示す概略図である。図７（ｂ）および図７（ｃ）に、併せて、第２比較形態による屈折率分布および光強度分布を示す。

【0064】

図７（ｂ）に示されるように、本変形例では、上述の第１実施形態と同様に、各障壁層１４２がＧａＡｓＰ層１４２ａとＧａＡｓ層１４２ｂとを含む積層構造で構成されていることで、各障壁層１４２がＧａＡｓＰ層（のみ）で構成されている第２比較形態と比べて、活性層１４０の屈折率を向上できる。これにより、第１実施形態と同様に、第２比較形態と比べて、活性層１４０への光閉じ込め作用を向上できるため、モード利得を向上できる。

【0065】

本変形例では、さらに、障壁層ＧａＡｓ含有率を活性層１４０の厚さ方向において変化させることで、活性層１４０の厚さ方向における屈折率分布を制御できる。具体的には例えば、障壁層ＧａＡｓ含有率を活性層１４０の厚さ方向中央で高くすることで、活性層１４０の上端および下端で屈折率が低く、活性層１４０の厚さ方向中央で屈折率が高い、凸状の屈折率分布を形成することができる。

【0066】

図７（ｃ）には、第２比較形態について、垂直横モードが２つのピークを有する場合の光強度分布を例示する。第２比較形態による半導体レーザ素子１０は、発振状態が不安定であり、垂直横モードが単一である状態と、複数である状態と、が混在する（不規則に出現する）。

【0067】

本変形例では、活性層１４０の厚さ方向について、屈折率分布を制御することで、光強度分布を制御することができる。具体的には例えば、上述のような凸状の屈折率分布を形成することで、活性層１４０の厚さ方向中央での光強度を高めることができる。これにより、厚さ方向中央で光強度が高い分布を有するレーザ光を安定的に得ること、つまり、垂直横モードを安定的に単一とすることが可能となる。また、第１実施形態と同様に、モード利得の向上により、光強度を向上させる効果も得られる。

【0068】

垂直横モードを単一とする場合について例示したが、障壁層ＧａＡｓ含有率を厚さ方向に適宜調整することで、種々の屈折率分布および光強度分布を得るようにしてもよい。例えば、垂直横モードが安定的に２つのピークを有するようにしてもよい。

【0069】

本変形例による素子１０の製造工程は、活性層１４０の形成工程の他は、上述の第１実施形態において説明したものと同様である。本変形例による活性層１４０は、例えば、以下のようにして形成される。上述の第１実施形態と同様に、各井戸層１４１は、例えば、厚さ１０ｎｍでＩｎ組成ｘが０．２５５であるＩｎ（０．２５５）Ｇａ（０．７４５）Ａｓ層を成長させることで形成し、各障壁層１４２のＧａＡｓＰ層１４２ａは、例えば、厚さ１５ｎｍでＰ組成ｙが０．２９９であるＧａＡｓ（０．７０１）Ｐ（０．２９９）層を成長させることで形成する。井戸層１４１を５層以上有する活性層１４０を形成する。井戸層１４１と障壁層１４２とは、例えば４０対積層される。

【0070】

各障壁層１４２のＧａＡｓＰ層１４２ａの上下にそれぞれ配置されるＧａＡｓ層１４２ｂの厚さを、活性層１４０の下端から厚さ方向中央に向けて増加させ、厚さ方向中央から上端に向けて減少させることで、障壁層ＧａＡｓ含有率を変化させる。

【0071】

活性層１４０の下端の障壁層１４２では、ＧａＡｓＰ層１４２ａの上下に、それぞれ、例えば、厚さ１ｎｍのＧａＡｓ層を成長させることで、ＧａＡｓ層１４２ｂを形成する。活性層１４０の厚さ方向中央の障壁層１４２では、ＧａＡｓＰ層１４２ａの上下に、それぞれ、例えば、厚さ７．５ｎｍのＧａＡｓ層を成長させることで、ＧａＡｓ層１４２ｂを形成する。活性層１４０の上端の障壁層１４２では、ＧａＡｓＰ層１４２ａの上下に、それぞれ、例えば、厚さ１ｎｍのＧａＡｓ層を成長させることで、ＧａＡｓ層１４２ｂを形成する。

【0072】

本例では、活性層１４０の下端および上端の障壁層１４２において、それぞれ、ＧａＡｓＰ層１４２ａの全厚さが１５ｎｍであり、ＧａＡｓ層１４２ｂの全厚さが２ｎｍである。また、活性層１４０の厚さ方向中央の障壁層１４２において、それぞれ、ＧａＡｓＰ層１４２ａの全厚さが１５ｎｍであり、ＧａＡｓ層１４２ｂの全厚さが１５ｎｍである。

【0073】

図８は、第１実施形態の変形例に係る、第１実験例の結果を示すグラフである。第１実験例では、本変形例の素子構造、および、第２比較形態の素子構造に対して、シミュレーションを行った。

【0074】

本変形例の素子構造における各層の厚さ等は、上述の製造工程で例示した条件とした。ただし、本実験例では、下側ＳＣＨ層１３０および上側ＳＣＨ層１５０上を省略した素子構造に対するシミュレーションを行った。第２比較形態の素子構造は、本変形例の素子構造から障壁層１４２におけるＧａＡｓ層１４２ｂを省略した素子構造とした。半導体レーザ素子１０を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）ヒートシンクを用いてマウントし、電流注入して出力光強度を測定する状況のシミュレーションを行った。

【0075】

本変形例による素子構造において、レーザ発振閾値は２８ｍＡであり、６０ｍＡ注入時の光出力強度は１００ｍＷであった。本変形例による素子構造では、厚さ方向（および幅方向）に単一のピークを有するレーザ光が得られた。これに対し、第２比較形態による素子構造において、レーザ発振閾値は４８ｍＡであり、６０ｍＡ注入時の光出力強度は４０ｍＷであった。このように、本変形例では、モード利得の向上、および、屈折率分布の制御により、光強度が向上し単一な垂直横モードを有するレーザ光を得ることができる。

【0076】

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、素子１０としてファブリー・ペロー型半導体レーザ素子を例示した。第２実施形態では、素子１０として分布帰還（ＤＦＢ）型レーザ素子を例示する。

【0077】

図９（ａ）および図９（ｂ）は、それぞれ、第２実施形態による素子１０の概略構造を例示する幅方向断面図および長さ方向断面図である。第２実施形態による素子１０は、例えば、上側ＳＣＨ層１５０と上側クラッド層１６０との間に、屈折率変調用ＩｎＧａＰ層１８０と、保護用ＧａＡｓ層１９０とを有している。

【0078】

屈折率変調用ＩｎＧａＰ層１８０は、例えば、上側ＳＣＨ層１５０上に配置され、共振器２０の長さ方向に周期的な回折格子構造を形成している。これにより、共振器２０内を伝搬する光の干渉を利用し、発振するレーザ光を単一波長とすることができる。屈折率変調用ＩｎＧａＰ層１８０の周期Λは、素子１０の発振波長λと、共振器２０内で光が分布する領域の実効屈折率ｎとを用いて、Λ＝λ／２ｎの関係から設定される。本実施形態では、例えば、λ＝１．０６μｍ、ｎ＝３．４１であり、周期Λは１５３ｎｍである。なお、屈折率変調用ＩｎＧａＰ層１８０の位置は、上側ＳＣＨ層１５０上に限定されず、活性層１４０の近傍であればよい。

【0079】

保護用ＧａＡｓ層１９０は、例えば、上側ＳＣＨ層１５０および屈折率変調用ＩｎＧａＰ層１８０上に配置され、屈折率変調用ＩｎＧａＰ層１８０の回折格子構造を覆うように設けられている。

【0080】

図１０（ａ）～図１０（ｃ）は、第２実施形態による素子１０の製造工程を例示する概略的な幅方向断面図である。図１０（ａ）を参照する。第１実施形態と同様に、基板１１０上に、下側クラッド層１２０と、下側ＳＣＨ層１３０と、活性層１４０と、上側ＳＣＨ層１５０とを順に形成する。なお、第２実施形態においては、活性層１４０に含まれる井戸層１４１を１０層とした。その後、上側ＳＣＨ層１５０上に、屈折率変調用ＩｎＧａＰ層１８０と、保護用ＧａＡｓ層１９０とを順に形成する。

【0081】

なお、第２実施形態において、活性層１４０の障壁層ＧａＡｓ含有率は、第１実施形態のように、活性層１４０の全厚さにわたって一定でもよいし、第１実施形態の変形例のように、活性層１４０の厚さ方向に変化させてもよい。

【0082】

図１０（ｂ）を参照する。保護用ＧａＡｓ層１９０上に、例えば、厚さ１００ｎｍのＳｉＯ_２層４３０を堆積する。その後、共振器２０の幅方向の中央に、幅１０μｍ、長さ１０ｍｍ、長さ方向の周期Λのレジストパターンを電子ビーム露光により形成する。該レジストパターンをマスクとし、ＣＨＦ_３を用いたエッチングによりパターン転写加工を行う。さらに、パターン転写加工されたＳｉＯ_２層４３０をマスクとし、上側ＳＣＨ層１５０、屈折率変調用ＩｎＧａＰ層１８０、および保護用ＧａＡｓ層１９０のドライエッチング加工を行う。この際、エッチング加工で形成される溝の底部が、上側ＳＣＨ層１５０の厚さ方向の中央付近に位置するようにエッチング条件を設定する。

【0083】

図１０（ｃ）を参照する。ＳｉＯ_２層４３０およびレジストパターンを除去した後、ＧａＡｓ層をエピタキシャル成長させ、上述の溝を平坦的に埋め込む。なお、この際に埋め込まれたＧａＡｓ層は、便宜的に上側ＳＣＨ層１５０または保護用ＧａＡｓ層１９０の一部とみなす。その後、第１実施形態と同様に、上側クラッド層１６０と、キャップ層１７０とを形成し、各電極２１０、２２０を形成することで素子１０が作製される。

【0084】

図１１は、第２実施形態に係る、第２実験例の結果を示すグラフである。第２実験例では、第２実施形態の素子構造、および、第２比較形態の素子構造に対して、シミュレーションを行った。

【0085】

第２実施形態の素子構造における各層の厚さ等は、第１実施形態の製造工程で示した条件と同様とした。第２比較形態の素子構造は、本実施形態の素子構造から障壁層１４２におけるＧａＡｓ層１４２ｂを省略した素子構造（ＤＦＢ）とした。半導体レーザ素子１０を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）ヒートシンクを用いてマウントし、電流注入して出力光強度を測定する状況のシミュレーションを行った。

【0086】

図１１は、第２実験例における、注入電力と光出力の関係を示すグラフである。第２実施形態の素子１０において、レーザ発振閾値は１２ｍＡであり、障壁層１４２におけるＧａＡｓ層１４２ｂを省略した第２比較形態の発振閾値（８０ｍＡ）とは格段の改善を示している。

【0087】

また、第２実験例では、屈折率変調用ＩｎＧａＰ層１８０で形成した回折格子構造による波長選択がなされ、第２比較形態における縦多モード発振とは異なる縦単一モード発振が実現されている。

【0088】

以上の結果から、障壁層１４２をＧａＡｓＰ層１４２ａとＧａＡｓ層１４２ｂとを含む積層構造で構成することは、ＤＦＢレーザにおいて、単一波長化および出力向上の観点から、特に有効である。

【0089】

以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

【実施例】

【0090】

次に、本発明に係る実施例を説明する。これらの実施例は本発明の一例であって、本発明はこれらの実施例により限定されない。

【0091】

（１）素子１０の作製
シミュレーションとして、以下のように、素子１０（試料１）を作製した。

【0092】

ｎ型のＧａＡｓ基板である基板１１０上に、厚さ２．０μｍのｎ型のＡｌＧａＡｓ層を成長させることで、下側クラッド層１２０を形成した。下側クラッド層１２０上に、厚さ０．３μｍのノンドープのＧａＡｓを成長させることで、下側ＳＣＨ層１３０を形成した。下側ＳＣＨ層１３０上に、井戸層１４１と障壁層１４２とを交互に積層することで、活性層１４０を形成した。井戸層１４１は、厚さ６ｎｍ、Ｉｎ組成ｘを０．２５５とし、５層積層した。障壁層１４２は、ＧａＡｓＰ層１４２ａのみで構成し、ＧａＡｓＰ層１４２ａは、厚さ１０ｎｍ、Ｐ組成ｙを０．２９９とした。活性層１４０の最下層および最上層は、障壁層１４２とした。つまり、障壁層１４２の層数は６層とした。活性層１４０上に、厚さ０．３μｍのノンドープのＧａＡｓ層を成長させることで、上側ＳＣＨ層１５０を形成した。上側クラッド層１６０上に、厚さ０．１μｍのｐ型のＧａＡｓ層を成長させることで、キャップ層１７０を形成した。その後、第１実施形態と同様の工程により、素子１０（試料１）を作製した。

【0093】

試料２では、下側ＳＣＨ層１３０および上側ＳＣＨ層１５０の厚さを０．２９μｍとした。障壁層１４２は、図４（ｃ）に示す積層構造とし、ＧａＡｓＰ層１４２ａは、厚さ１０ｎｍ、ＧａＡｓ層１４２ｂは、厚さ５ｎｍとした。活性層１４０の最下層および最上層は、井戸層１４１とした。つまり、障壁層１４２の層数は４層とした。上記以外は、試料１と同様に作製した。

【0094】

試料３では、下側ＳＣＨ層１３０および上側ＳＣＨ層１５０の厚さを０．２７μｍとした。障壁層１４２は、図４（ｃ）に示す積層構造とし、ＧａＡｓＰ層１４２ａは、厚さ１０ｎｍ、ＧａＡｓ層１４２ｂは、厚さ１０ｎｍとした。活性層１４０の最下層および最上層は、井戸層１４１とした。つまり、障壁層１４２の層数は４層とした。上記以外は、試料１と同様に作製した。

【0095】

試料４では、下側ＳＣＨ層１３０および上側ＳＣＨ層１５０の厚さを０．２１μｍとした。井戸層１４１の厚さは５ｎｍとした。障壁層１４２は、ＧａＡｓＰ層１４２ａのみで構成し、ＧａＡｓＰ層１４２ａは、厚さ１０ｎｍとした。上記以外は、試料１と同様に作製した。

【0096】

試料５では、下側ＳＣＨ層１３０および上側ＳＣＨ層１５０の厚さを０．２０μｍとした。障壁層１４２は、図４（ｃ）に示す積層構造とし、ＧａＡｓＰ層１４２ａは、厚さ１０ｎｍ、ＧａＡｓ層１４２ｂは、厚さ５ｎｍとした。活性層１４０の最下層および最上層は、井戸層１４１とした。つまり、障壁層１４２の層数は４層とした。上記以外は、試料４と同様に作製した。

【0097】

試料６では、下側ＳＣＨ層１３０および上側ＳＣＨ層１５０の厚さを０．１８μｍとした。障壁層１４２は、図４（ｃ）に示す積層構造とし、ＧａＡｓＰ層１４２ａは、厚さ１０ｎｍ、ＧａＡｓ層１４２ｂは、厚さ１０ｎｍとした。活性層１４０の最下層および最上層は、井戸層１４１とした。つまり、障壁層１４２の層数は４層とした。上記以外は、試料４と同様に作製した。

【0098】

試料７では、障壁層１４２をＧａＡｓ層１４２ｂのみで構成し、井戸層１４１を３層積層した。ＧａＡｓ層１４２ｂの厚さは１５ｎｍとした。下側ＳＣＨ層１３０および上側ＳＣＨ層１５０の厚さは０．３２１μｍとした。上記以外は、試料１と同様に作製した。

【0099】

試料８では、下側ＳＣＨ層１３０および上側ＳＣＨ層１５０の厚さを０．２３１μｍとし、井戸層１４１の厚さを３μｍとした。上記以外は、試料７と同様に作製した。

【0100】

（２）シミュレーション結果
試料１～試料８の素子構造に対して、シミュレーションを行った結果を表１に示す。表１に示したガンマ値（光閉じ込め係数）は、活性層１４０の利得を示し、この値が大きいほど発振光の高出力に繋がる。また、図１２（ａ）に試料１の活性層１４０近傍の屈折率分布および光強度分布、図１２（ｂ）に試料２の活性層１４０近傍の屈折率分布および光強度分布、図１２（ｃ）に試料３の活性層１４０近傍の屈折率分布および光強度分布をそれぞれ示す。

【0101】

【表1】

【0102】

井戸層１４１の層数を５層とした試料１～試料６のガンマ値は、井戸層１４１の層数を３層とした試料７、試料８のガンマ値よりも大きくなった。このことから、井戸層１４１を５層以上積層することで、活性層１４０の利得作用を高め、発振光を高出力にできることを確認した。また、井戸層１４１の層数を５層、厚さを６ｎｍとした場合、障壁層１４２を積層構造とした試料２、試料３のガンマ値は、障壁層１４２をＧａＡｓＰ層１４２ａのみで構成した試料１のガンマ値よりも大きくなった。また、井戸層１４１の層数を５層、厚さを５ｎｍとした場合、障壁層１４２を積層構造とした試料５、試料６のガンマ値は、障壁層１４２をＧａＡｓＰ層１４２ａのみで構成した試料４のガンマ値よりも大きくなった。このことから、５層以上の井戸層１４１が積層された素子１０において、障壁層１４２をＧａＡｓＰ層１４２ａとＧａＡｓ層１４２ｂとを含む積層構造で構成することで、多重量子井戸構造による利得向上効果を有効に引き出し、発振光を高出力にできることを確認した。

【0103】

図１２（ａ）に示すように、障壁層１４２をＧａＡｓＰ層１４２ａのみで構成した試料１では、活性層１４０の屈折率低下により、活性層１４０の厚さ方向中央の光強度が低下していた。また、素子１０の発振波長を安定化させるためには、井戸層１４１の両側を同種の層（ＧａＡｓＰ層１４２ａ）で挟み込むことが好ましいため、試料１では、障壁層１４２の層数を井戸層１４１よりも多い６層とした。そのため、活性層１４０中に含まれるＰの量が多くなり、活性層１４０の屈折率が低下している。これに対し、図１２（ｂ）および図１２（ｃ）に示すように、障壁層１４２を積層構造とした試料２、試料３では、活性層１４０の屈折率が向上し、活性層１４０の厚さ方向中央の光強度が向上していた。また、障壁層１４２の層数を井戸層１４１よりも少ない４層としても、井戸層１４１の両側を同種の層（ＧａＡｓ層）で挟み込むことが可能となるため、活性層１４０中に含まれるＰの量が少なくなり、活性層１４０の屈折率を向上させることができることを確認した。

【0104】

＜本発明の好ましい態様＞
以下、本発明の好ましい態様を付記する。

【0105】

（付記１）
本発明の一態様によれば、
ｎ型およびｐ型の一方の導電型を有する第１クラッド層と、
前記第１クラッド層の上方に配置された活性層と、
前記活性層の上方に配置され、ｎ型およびｐ型の他方の導電型を有する第２クラッド層と、
を有し、
前記活性層は、量子井戸層と障壁層とが交互に複数積層された多重量子井戸構造を有し、
複数の前記量子井戸層の各々は、ＩｎＧａＡｓ層で形成され、
複数の前記障壁層のうち、少なくとも１つの前記障壁層は（好ましくは５０％超の前記障壁層の各々は、より好ましくは７０％超の前記障壁層の各々は、さらに好ましくは９０％超の前記障壁層の各々は）、１つまたは複数のＧａＡｓＰ層と、１つまたは複数のＧａＡｓ層と、を含む積層構造で形成され、
端面発光レーザである、半導体レーザ素子が提供される。

【0106】

（付記２）
付記１に記載の半導体レーザ素子であって、
前記半導体レーザ素子の発振波長は、１．０μｍ以上１．１μｍ以下である。

【0107】

（付記３）
付記１または付記２に記載の半導体レーザ素子であって、
前記活性層は、５層以上（好ましくは１０層以上）の前記量子井戸層を有する。

【0108】

（付記４）
付記１から付記３のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子であって、
前記活性層中の平均Ｐ組成が、０．０３以上０．３以下（好ましくは、０．０５以上０．２以下）である。

【0109】

（付記５）
付記１から付記４のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子であって、
複数の前記障壁層の全体における、前記ＧａＡｓＰ層の全厚さに対する前記ＧａＡｓ層の全厚さの比率が、０．３以上４以下（好ましくは０．４以上４以下、より好ましくは０．５以上３以下）である。

【0110】

（付記６）
付記１から付記５のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子であって、
前記積層構造における、前記ＧａＡｓＰ層の全厚さに対する前記ＧａＡｓ層の全厚さの比率が、０．１以上４以下（好ましくは０．２以上３以下）である。

【0111】

（付記７）
付記１から付記６のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子であって、
前記ＩｎＧａＡｓ層を構成する材料であるＩｎ（ｘ）Ｇａ（１－ｘ）ＡｓのＩｎ組成ｘが、０．１５以上０．４以下（好ましくは０．２以上０．３５以下）であり、
前記ＧａＡｓＰ層を構成する材料であるＧａＡｓ（１－ｙ）Ｐ（ｙ）のＰ組成ｙが、０．１以上０．５以下（好ましくは０．１２以上０．３５以下）である。

【0112】

（付記８）
付記１から付記７のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子であって、
前記ＩｎＧａＡｓ層の厚さが、３ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、
前記積層構造における、前記ＧａＡｓＰ層の全厚さが、３ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、前記ＧａＡｓ層の全厚さが、２ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。

【0113】

（付記９）
付記１から付記８のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子であって、
前記積層構造は、第１ＧａＡｓ層と、前記第１ＧａＡｓ層の上方に配置されたＧａＡｓＰ層と、前記ＧａＡｓＰ層の上方に配置された第２ＧａＡｓ層と、を有する。

【0114】

（付記１０）
付記１から付記９のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子であって、
複数の前記障壁層の各々における、前記ＧａＡｓＰ層の全厚さに対する前記ＧａＡｓ層の全厚さの比率が、前記活性層の厚さ方向において変化している。

【0115】

（付記１１）
付記１から付記１０のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子であって、
複数の前記障壁層の各々における、前記ＧａＡｓＰ層の全厚さに対する前記ＧａＡｓ層の全厚さの比率が、前記活性層の厚さ方向において、下端から途中の位置に向けて増加し、当該途中の位置から上端に向けて減少している。

【0116】

（付記１２）
付記１から付記１１のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子であって、
前記第１クラッド層と前記活性層との間に、さらに第１光分布層を有し、
前記活性層と前記第２クラッド層との間に、さらに第２光分布層を有する。

【0117】

（付記１３）
付記１から付記１２のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子であって、
分布帰還型レーザである。

【0118】

（付記１４）
本発明の他の態様によれば、
ｎ型およびｐ型の一方の導電型を有する第１クラッド層と、
前記第１クラッド層の上方に配置された活性層と、
前記活性層の上方に配置され、ｎ型およびｐ型の他方の導電型を有する第２クラッド層と、
を有し、
前記活性層は、量子井戸層と障壁層とが交互に複数積層された多重量子井戸構造を有し、
複数の前記量子井戸層の各々は、ＩｎＧａＡｓ層で形成され、
複数の前記障壁層のうち、少なくとも１つの前記障壁層は（好ましくは５０％超の前記障壁層の各々は、より好ましくは７０％超の前記障壁層の各々は、さらに好ましくは９０％超の前記障壁層の各々は）、１つまたは複数のＧａＡｓＰ層と、１つまたは複数のＧａＡｓ層と、を含む積層構造で形成されている、端面発光レーザである半導体レーザ素子用のエピタキシャル基板が提供される。

【符号の説明】

【0119】

１０ 半導体レーザ素子（素子）
２０ 共振器
１００ 半導体積層体（積層体、ウエハ）
１２０ 下側クラッド層
１３０ 下側光分布層（下側ＳＣＨ層）
１４０ 活性層
１４１ 量子井戸層（井戸層）
１４２ 障壁層
１４２ａ ＧａＡｓＰ層
１４２ｂ ＧａＡｓ層
１５０ 上側光分布層（上側ＳＣＨ層）
１６０ 上側クラッド層
１７０ キャップ層
１８０ 屈折率変調用ＩｎＧａＰ層
１９０ 保護用ＧａＡｓ層
２１０ ｎ側電極
２２０ ｐ側電極
３１０ 絶縁保護膜
４１０、４２０ レジストマスク
４３０ ＳｉＯ_２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】