半導体レーザ素子
【課題】 高効率なレーザビームを出力可能な半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【解決手段】 この半導体レーザ素子は、半導体からなる下部クラッド層Ｂと、半導体からなる上部クラッド層Ｃと、下部クラッド層Ｂと上部クラッド層Ａとにより挟まれ、積層された複数の半導体層からなり、下部クラッド層Ｂ及び上部クラッド層Ｃのいずれよりも平均屈折率が高いコア層Ａとを備えている。コア層Ａは、量子井戸層からなる活性層３Ｂと、フォトニック結晶層４とを含み、動作時におけるコア層Ａ内の厚み方向の電界強度分布が、２つのピークを有しており、ピーク間の谷の位置は、活性層３Ｂとフォトニック結晶層４との間の領域内に設定されている。
【解決手段】 この半導体レーザ素子は、半導体からなる下部クラッド層Ｂと、半導体からなる上部クラッド層Ｃと、下部クラッド層Ｂと上部クラッド層Ａとにより挟まれ、積層された複数の半導体層からなり、下部クラッド層Ｂ及び上部クラッド層Ｃのいずれよりも平均屈折率が高いコア層Ａとを備えている。コア層Ａは、量子井戸層からなる活性層３Ｂと、フォトニック結晶層４とを含み、動作時におけるコア層Ａ内の厚み方向の電界強度分布が、２つのピークを有しており、ピーク間の谷の位置は、活性層３Ｂとフォトニック結晶層４との間の領域内に設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折格子層を備えた半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、回折格子を備える分布帰還型半導体レーザ素子（ＤＦＢ−ＬＤ）を開示している。かかる文献には、ＤＦＢ−ＬＤにおける導波路の幅方向に沿った横モードを制御することで、レーザビームの飽和出力を増大させることができる旨が開示されている。
【０００３】
非特許文献１には、二次元回折格子を用いた面発光型の半導体レーザ素子が記載されている。二次元回折格子はフォトニック結晶（ＰｈｏｔｏｎｉｃＣｒｙｓｔａｌ：ＰＣと称する）と呼ばれ、光の波長程度の間隔で周期的な凹凸を有する構造であり、光の局在化、伝搬方向・速度の制御など多彩な応用が可能となる。
【０００４】
二次元回折格子を有するフォトニック結晶面発光レーザ素子（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ ＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ：ＰＣＳＥＬと称する）は、ＰＣを応用したレーザ光源であり、面内に形成したＰＣにより生じる定在波を、回折効果により面垂直方向に取りだすデバイスである。ＰＣＳＥＬでは、原理的には単一モードを維持したままＰＣを大面積化することができ、高いビーム品質を維持したまま高出力化を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３２４９４８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】K.Sakai et al,”Lasing Band-Edge Identfication for a Surface-Emitting PhotonicCrystal Laser”IEEE Journal On Selected Area InCommunications, Vol. 23, No. 7, (2005) pp.1335
【非特許文献２】S.Iwahashi et al, " Air-holedesign in vertical direction for high-power two-dimensional photonic-crystalsurface-emiting lasers" J.Opt., Soc. Am. B/Vol.27,No.6/(2010) pp.1204
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、レーザビームの強度や安定性の観点から、更に高効率なレーザビームを出力可能な半導体レーザ素子が期待されている。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、高効率なレーザビームを出力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】
【０００８】
上述の課題を解決するため、本発明に係る半導体レーザ素子は、半導体レーザ素子において、半導体からなる下部クラッド層と、半導体からなる上部クラッド層と、前記下部クラッド層と前記上部クラッド層とにより挟まれ、積層された複数の半導体層からなり、前記下部クラッド層及び上部クラッド層のいずれよりも平均屈折率が高いコア層と、を備え、前記コア層は、量子井戸層からなる活性層と、回折格子層と、を含み、動作時における前記コア層内の厚み方向の電界強度分布が、少なくとも２つのピークを有しており、前記ピーク間の谷の位置は、前記活性層と前記回折格子層との間の領域内に設定されていることを特徴とする。
【０００９】
この場合、電界強度分布はコア層内にあるものの、その谷の位置は、活性層及び回折格子層のいずれの位置でもないため、レーザ光発生利得の低下を抑制しつつ、これら２つの層におけるレーザ光生成作用を十分に機能させることができ、高効率にレーザ光を発生させることができる。
また、前記ピークの位置が、それぞれ前記活性層内及び前記回折格子層内に設定される場合には、これらの位置における電界強度を大きくすることができ、高強度のレーザ光を発生することが可能となる。
【００１０】
また、前記コア層内において、前記２つのピークを与えるＴＥ偏波の１次モードにおける前記活性層内の光閉じ込め係数Γｑｗ（１）と、０次モードにおける前記活性層内の光閉じ込め係数Γｑｗ（０）とは、関係式Γｑｗ（１）＞Γｑｗ（０）を満たすことが好ましい。光閉じ込め係数Γは、光の全強度（Ｓ）のうち、対象となる層における強度（Ｓ’）の割合（Γ＝Ｓ’／Ｓ）である。すなわち、電界強度の２つのピーク位置を、上記の如くそれぞれ活性層内及び回折格子層内に設定することで、光閉じ込め係数を大きくすることができる。この場合、これらの位置における電界強度を大きくすることができ、高強度のレーザ光を発生することが可能となり、０次モードを主として用いた場合よりも、高強度のレーザ光を得ることが可能となる。
【００１１】
また、前記コア層は、前記活性層と前記上部クラッド層との間に、前記上部クラッド層と同一導電型の不純物が添加され、その不純物濃度が１×１０１７／ｃｍ３以上のドープ層を更に備え、前記ドープ層の一部又は全部は、前記２つのピーク間の谷の位置の近傍に設定されることが好ましい。なお、「近傍」とは、谷の位置から±５０ｎｍ以内の領域を意味するものとする。ドープ層を備えることにより、そのフェルミ準位が変化して障壁を構成し、下部クラッド層から流入するキャリアが上部クラッド層方向へ流れるのを抑制することができ、活性層内のキャリア濃度を高めることができる。
【００１２】
また、不純物濃度が高い場合には、光やキャリアの有するエネルギーが吸収され損失が生じる。１次モードの場合の２つのピークの谷の位置は、０次モードのピーク位置に相当する。したがって、ドープ層を備えることで、０次モードにおけるピーク位置において、光損失を生ぜしめ、０次モードの発生を抑制して１次モードによる発光を安定させ、１次モードを更に有効に利用することができる。
【００１３】
また、前記回折格子層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、ＩＩＩ族元素は、Ｇａ、Ａｌ及びＩｎからなる群から選択され、Ｖ族元素は、Ａｓ、Ｐ、Ｎ及びＳｂからなる群から選択されることを特徴とする。すなわち、これらの元素からなる化合物半導体は、直接遷移型の半導体とすることができるため、キャリア再結合により、容易に発光させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の半導体レーザ素子によれば、高効率なレーザビームを出力することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図３に示す半導体レーザ素子をＩ−Ｉ矢印に沿って切った半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図である。
【図２】半導体レーザ素子の各層の構造と材料を示す図表である。
【図３】半導体レーザ素子の平面図である。
【図４】回折格子層における水平断面を示す図である。
【図５】半導体レーザ素子の斜視図である。
【図６】他の回折格子層における水平断面を示す図である。
【図７】半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【図８】半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【図９】半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【図１０】図１１に示す半導体レーザ素子をＸ−Ｘ矢印に沿って切った半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図である。
【図１１】半導体レーザ素子の平面図である。
【図１２】回折格子層における水平断面を示す図である。
【図１３】半導体レーザ素子の斜視図である。
【図１４】他の回折格子層における水平断面を示す図である。
【図１５】半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【図１６】半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【図１７】半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【図１８】端面発光型の半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図である。
【図１９】半導体レーザ素子の各層の構造と材料を示す図表である。
【図２０】半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表である。
【図２１】半導体レーザ素子の斜視図である。
【図２２】半導体レーザ素子の厚み方向に沿った電界強度分布を示す図である。
【図２３】端面発光型の半導体レーザ素子主要部の厚み方向に沿った構造（図２３（ａ））、エネルギーバンドギャップ（図２３（ｂ））、及び電界強度分布（図２３（ｃ）：０次モード、図２３（ｄ）：１次モード）を示す図である。
【図２４】コア層内の積層構造について説明するための図である。
【図２５】規格化周波数Ｖ（Ｖパラメータ）と規格化伝搬定数bとの関係を示すグラフである。
【図２６】モード次数に対する規格化周波数Ｖと、コア層のカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ（ｎｍ）の関係を示す図表である。
【図２７】半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率ｎと電界強度Ｅとの関係を示すグラフである。
【図２８】回折格子層を有する半導体レーザ素子主要部の厚み方向に沿った構造（図２８（ａ））、エネルギーバンドギャップ（図２８（ｂ））、及び電界強度分布（図２８（ｃ）：０次モード、図２８（ｄ）：１次モード）を示す図である。
【図２９】コア層内の積層構造を示す図である。
【図３０】半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表である。
【図３１】基本モード（０次モード）と１次モードにおける等価屈折率とバンド端波長（ｎｍ）の関係を示す図表である。
【図３２】共振が生じる波長及び発光波長と強度の関係を示すグラフである。
【図３３】各層における光閉じ込め係数を示す図表である。
【図３４】半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率ｎと電界強度Ｅとの関係を示すグラフである。
【図３５】回折格子層の厚みＤと等価屈折率ｎｅｆｆとの関係を示すグラフである。
【図３６】回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｑｗとの関係を示すグラフである。
【図３７】回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｇとの関係を示すグラフである。
【図３８】各種条件を満たす回折格子層の厚みＤの最小値Ｍｉｎ（ｎｍ）と最大値Ｍａｘ（ｎｍ）を示す図表である。
【図３９】回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｄｏｐｅとの関係を示すグラフである。
【図４０】半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表である。
【図４１】基本モード（０次モード）と１次モードにおける等価屈折率とバンド端波長（ｎｍ）の関係を示す図表である。
【図４２】各層における光閉じ込め係数を示す図表である。
【図４３】半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率ｎと電界強度Ｅとの関係を示すグラフである。
【図４４】回折格子層の厚みＤと等価屈折率ｎｅｆｆとの関係を示すグラフである。
【図４５】回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｑｗとの関係を示すグラフである。
【図４６】回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｇとの関係を示すグラフである。
【図４７】各種条件を満たす回折格子層の厚みＤの最小値Ｍｉｎ（ｎｍ）と最大値Ｍａｘ（ｎｍ）を示す図表である。
【図４８】回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｄｏｐｅとの関係を示すグラフである。
【図４９】半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表である。
【図５０】基本モード（０次モード）と１次モードにおける等価屈折率とバンド端波長（ｎｍ）の関係を示す図表である。
【図５１】各層における光閉じ込め係数を示す図表である。
【図５２】半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率ｎと電界強度Ｅとの関係を示すグラフである。
【図５３】回折格子層の厚みＤと等価屈折率ｎｅｆｆとの関係を示すグラフである。
【図５４】回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｑｗとの関係を示すグラフである。
【図５５】回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｇとの関係を示すグラフである。
【図５６】各種条件を満たす回折格子層の厚みＤの最小値Ｍｉｎ（ｎｍ）と最大値Ｍａｘ（ｎｍ）を示す図表である。
【図５７】回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｄｏｐｅとの関係を示すグラフである。
【図５８】２次モードが生じず１次モードが生じるコア層の厚みｄの最小値Ｍｉｎ（ｎｍ）と最大値Ｍａｘ（ｎｍ）を示す図表である。
【図５９】数式を示す図表である。
【図６０】格子定数ａ、屈折率ｎ、発光波長λ、原子半径の大きな元素の組成比（１−Ｘ）、原子半径の小さな元素の組成比Ｘ、エネルギーバンドギャップＥｇの相関関係を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、実施の形態に係る半導体レーザ素子について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１７】
図１は、図３に示す半導体レーザ素子をＩ−Ｉ矢印に沿って切った半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図、図２は、半導体レーザ素子の各層の構造と材料を示す図表、図３は、半導体レーザ素子の平面図である。
【００１８】
図１に示す半導体レーザ素子は、フォトニック結晶面発光レーザ素子（ＰＣＳＥＬ）１０であり、化合物半導体からなる半導体基板１上には、それぞれが化合物半導体からなる下部クラッド層２、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄ、回折格子層４、バッファ層４’、上部クラッド層５、及びコンタクト層６が順次積層されている。下部電極Ｅ１は、半導体基板１の裏面上に接触して設けられており、上部電極Ｅ２は、コンタクト層６上に接触して設けられている。
【００１９】
上記化合物半導体層は、直接遷移型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることが好ましい。このようなＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体では、ＩＩＩ族元素は、Ｇａ、Ａｌ及びＩｎからなる群から選択され、Ｖ族元素は、Ａｓ、Ｐ、Ｎ及びＳｂからなる群から選択されうる。これらの元素からなる化合物半導体は、直接遷移型の半導体とすることができるため、半導体内部におけるキャリア再結合により、容易に発光させることができる。
【００２０】
半導体内部には、下部電極Ｅ１と上部電極Ｅ２との間にバイアスを印加することで、電子及び正孔からなるキャリアを注入することができる。注入されたこれらのキャリアは、活性層３Ｂ内において再結合することができる。
【００２１】
活性層３Ｂは、量子井戸層からなる。量子井戸層には、井戸層を１つ有する単一量子井戸構造（ＳＱＷ）と、２以上有する多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とがある。量子井戸構造は、異なるエネルギーバンドギャップを有する２種以上の材料を用い、バンドギャップの小さい材料の薄膜（井戸層）を、大きい材料の薄膜（バリア層）で挟んだものである。
【００２２】
なお、井戸層及びバリア層の厚みは、それぞれｎｍオーダーである。これにより、キャリアとしての電子又は正孔が、エネルギーバンドギャップの小さい材料の層（井戸）内に閉じ込められる。井戸層内に閉じ込められたキャリアは、井戸層に垂直な方向の自由度が減少して二次元性が現れ、安定した発光が可能となる。なお、井戸層の数を増加させると、光閉じ込め係数は高くなる傾向にあるため、かかる観点からは、ＳＱＷよりもＭＱＷの方が好ましい。
【００２３】
図２を参照すると、この半導体レーザ素子１０の基本構造は、半導体基板上に、下部クラッド層Ｂ、コア層Ａ、上部クラッド層Ｃ、コンタクト層を積層したものである。半導体基板１はＮ型のＧａＡｓからなり、下部クラッド層Ｂ（下部クラッド層２）はＮ型のＡｌＧａＡｓからなり、上部クラッド層Ｃ（上部クラッド層５）はＰ型のＡｌＧａＡｓからなる。クラッド層Ｂ，Ｃ間に位置するコア層Ａは、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄ、回折格子層４、バッファ層４’からなる。
【００２４】
活性層３Ｂの材料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。本例では、複数のＩｎＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層を積層した構造からなる。井戸層としては、エネルギーバンドギャップの狭いＩｎＧａＡｓ層を用い、バリア層としてはエネルギーバンドギャップの広いＡｌＧａＡｓを用いる。
【００２５】
活性層３Ｂを挟むガイド層３Ａとスペーサ層３Ｃは、共にＡｌＧａＡｓからなる。ガイド層３Ａは、活性層３Ｂ内から溢れるキャリアを抑制し、また、活性層３Ｂ内に光を閉じ込める機能を有し、活性層３Ｂのバリア層と同一か、これ以上のエネルギーバンドギャップを有する。スペーサ層３Ｃは、必要に応じて、キャリアブロック層３Ｄとの間の距離を調整するための層であり、活性層３Ｂと同一のエネルギーバンドギャップを有する。
【００２６】
下部クラッド層２は、Ｎ型のＡｌＧａＡｓからなり、活性層３Ｂのバリア層よりも大きなエネルギーバンドギャップを有し、低い屈折率を有する。上部クラッド層５は、Ｐ型のＡｌＧａＡｓからなり、活性層３Ｂのバリア層よりも大きなエネルギーバンドギャップを有し、低い屈折率を有する。Ｎ型の不純物としてはＳｅ又はＳｉなどがあり、Ｐ型の不純物としてはＺｎ、Ｍｇ又はＣなどがある。下部クラッド層２の不純物濃度は、1×１０１７/ｃｍ３〜1×１０１9/ｃｍ３/ｃｍ３、上部クラッド層５の不純物濃度は、1×１０１７/ｃｍ３〜1×１０１９/ｃｍ３/ｃｍ３であり、これらの間のコア層Ａは原則的には不純物を添加せず、添加する場合であっても後述のドープ層を除き、１×１０１７/ｃｍ３未満に設定することができる。なお、実際には、Ｐ型のクラッド層５と活性層３Ｂとの間の領域の導電型は低濃度のＰ型であり、Ｎ型のクラッド層２と活性層３Ｂとの間の領域の導電型は低濃度のＮ型であるとする。
【００２７】
活性層３Ｂと上部クラッド層５との間には、スペーサ層３Ｃに加えて、キャリアブロック層３Ｄ、回折格子層４、及びバッファ層４’が配置されている。キャリアブロック層３Ｄ及びバッファ層４’はＡｌＧａＡｓからなり、回折格子層４は、もともとの基本層４ＡがＧａＡｓからなり、これとは異なる屈折率を有する異屈折率部４Ｂが、基本層４Ａの内部において二次元的に周期的に埋め込まれ、二次元回折格子を構成している。異屈折率部４Ｂは、ＡｌＧａＡｓからなり、バッファ層４’の形成時の初期段階において、基本層４Ａに形成された複数の穴内に埋め込まれ、埋め込み層として形成される。バッファ層４’の形成が、穴が埋まる時点で終了すれば、基本層４Ａ上の上面よりも上部電極寄りに形成されるバッファ層４’は存在しなくなる。回折格子層４の上部に位置するバッファ層４’は必要に応じて設けられればよく、省略することが可能である。
【００２８】
キャリアブロック層３Ｄは、これに隣接するガイド層よりもエネルギーバンドギャップが高く、したがって、屈折率は低く設定される。これにより活性層３Ｂ内のキャリアを、キャリアブロック層３Ｄよりも内側に閉じ込める傾向を高くすることができるが、厚みは比較的小さく、活性層３Ｂ内における発光を大きく阻止する機能は有していない。また、キャリアブロック層３Ｄは、活性層３Ｂよりも大きなエネルギーバンドギャップと屈折率を有している。
【００２９】
なお、活性層３Ｂや回折格子層４は、二次元平面（ＹＺ平面）内において、屈折率分布があるため、他の層との対比においては、面内の平均屈折率をその屈折率とし、面内の平均エネルギーバンドギャップをそのエネルギーバンドギャップとする。また、コア層Ａを構成する複数の層は、厚み方向に積層されているので、コア層Ａの屈折率は、厚み方向の平均屈折率をその屈折率とし、上記の如くニ次元的に分布がある場合には、面内の平均屈折率を求めた上で、これを厚み方向の平均屈折率とする。すなわち、コア層Ａの平均屈折率は、各層の厚みに面内の平均屈折率を乗じた値を、全ての層について求めて、これを積算し、積算値を、全体の厚みで除した値で与えられる。クラッド層の場合も、厚み方向或いは面内方向に分布がある場合には、かかる手法で、その平均値を算出し、これを当該クラッド層の屈折率とし、これを等価屈折率とする。また、エネルギーバンドギャップの場合も、屈折率と同一の手法で、平均値を以って各層のエネルギーバンドギャップとする。
【００３０】
なお、エネルギーバンドギャップ及び屈折率の設計においては、各化合物半導体層内の元素の組成比を変更することで、これらを調整することができる。図６０は、化合物半導体における格子定数ａ、屈折率ｎ、発光波長λ、原子半径の大きな元素の組成比（１−Ｘ）、原子半径の小さな元素の組成比Ｘ、エネルギーバンドギャップＥｇの相関関係を示す図表である。行の示すパラメータと、列の示すパラメータの交点の値は、これらのパラメータ間の相関を示しており、正の相関がある場合には「＋」を、負の相関がある場合には「−」が記載されている。
【００３１】
化合物半導体の一般的な性質として、原子半径の小さな元素の組成比が大きいほど、例えば、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓであれば、Ａｌの組成比Ｘが大きいほど、格子定数ａが小さくなる傾向にある。また、格子定数ａが小さくなると、屈折率ｎ及び発光波長λが小さくなり（正の相関）、一方で、エネルギーバンドギャップＥｇが大きくなる（負の相関）。すなわち、格子定数ａ、屈折率ｎ、発光波長λ、及び、大きな原子半径の元素の組成比（１−Ｘ）は、互いに正の相関を有しており、これらとエネルギーバンドギャップＥｇ又は小さな原子半径の元素の組成比Ｘとは、負の相関を有する傾向にある。
【００３２】
したがって、エネルギーバンドギャップＥｇを増加させるためには、ＡｌＧａＡｓにおいては、原子半径の小さなＡｌの組成比Ｘを増加させればよいし、エネルギーバンドギャップＥｇを減少させるためには、原子半径の小さなＡｌの組成比Ｘを減少させればよい。したがって、ＡｌＧａＡｓ系において、エネルギーバンドギャップＥｇは、Ａｌの組成比Ｘを減少させて、ゼロとなる場合、すなわちＧａＡｓにおいて極小となるが、さらにエネルギーバンドギャップＥｇを低下させる場合には、ＧａＡｓの各構成元素よりも原子半径の大きなＩｎを混ぜて、ＩｎＧａＡｓとすればよい。エネルギーバンドギャップＥｇと屈折率ｎは、概ね負の相関があるので、屈折率調整は、エネルギーバンドギャップＥｇの調整に準じて設計すればよい。
【００３３】
例えば、回折格子層４においては、ベースとなる基本層４Ａ内に複数の異屈折率部４Ｂが埋め込んであるが、基本層４ＡをＧａＡｓとし、異屈折率部４ＢをＡｌＧａＡｓとすれば、Ａｌの組成比Ｘが異屈折率部４Ｂの方が高い分だけ、異屈折率部４Ｂの屈折率は低くなり、この屈折率差が大きいほど強く回折が生じる。なお、屈折率は、原則的には内部で発生する光に対する屈折率を意味するが、室温における波長０．９μｍでの屈折率は、ＧａＡｓの場合にはｎ＝３．５９、ＡｌＡｓの場合にはｎ＝２．９７であり、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓを用いた場合には、最大で０．６２の屈折率差を得ることができ、十分な回折効果を有する回折格子を作製することができる。もちろん、組成比Ｘに差があることで異屈折率部として機能できるため、基本層４Ａ及び異屈折率部４Ｂの双方をＡｌＧａＡｓとし、異屈折率部４ＢのＡｌ組成比Ｘを基本層４Ａと変化することで、この場合にも回折格子として有効に機能させることができる。
【００３４】
この半導体レーザ素子は、面発光型であり、活性層３Ｂの厚み方向にレーザ光ＬＢが出射する。レーザ光ＬＢの水平断面（ＹＺ断面）形状は、様々な形状を取りうるが、本例の場合、レーザ光ＬＢの水平断面の外縁形状は楕円形，円形或いは長方形であり、図３に示すように、平面視（Ｘ軸方向からみたＹＺ平面内の形状）において、上部電極Ｅ２よりも外側の領域まで広がっている。なお、平面視において上部電極Ｅ２は回折格子形成領域ＲＰＣ内に設定され、上部電極Ｅ２の面積は回折格子形成領域ＲＰＣの面積よりも小さい。
【００３５】
図４は、回折格子層４における水平断面を示す図である。
【００３６】
基本層４Ａ内の回折格子形成領域ＲＰＣには、複数の異屈折率部４Ｂが二次元的に埋め込んである。本例では回折格子形成領域ＲＰＣは長方形に設定されている。複数の異屈折率部４Ｂは、Ｙ軸方向に沿って整列すると共に、Ｚ軸方向に沿って整列し、個々の異屈折率部４Ｂの重心を格子点と見做して、格子点を通る格子を設定すると、これは長方格子或いは正方格子を構成している。この格子の種類としては、三角格子、斜方格子、六角格子などが適用可能である。個々の異屈折率部４Ｂは、基本層４Ａの厚み方向であるＸ軸に沿って延びた多角柱形状を有している。ここでの多角形は、三角形、四角形、五角形、六角形の他、無限の角部を有する楕円形の意味を含み、楕円形の意味は円形を含むものとする。なお、本例の異屈折率部４Ｂの形状は、平面視（Ｘ軸方向からみたＹＺ断面形状）において、円形であるが、実際の製造プロセスにおいては若干の製造誤差があり、完全な円形となるわけではない。
【００３７】
図５は、半導体レーザ素子の斜視図である。
【００３８】
半導体レーザ素子１０の立体形状は、直方体であり、Ｘ軸方向に沿ってレーザ光ＬＢを出射する。斜方晶の半導体構成材料を採用する場合には、半導体レーザ素子１０の立体形状は平行六面体とすることも可能である。上述のように、半導体レーザ素子１０は、半導体基板１上に、下部クラッド層２、発光層３、回折格子層４、バッファ層４’、上部クラッド層５、コンタクト層６を備えている。発光層３は、下部クラッド層２と回折格子層４との間に位置する半導体層とし、本例の場合には、発光層３は、上述のガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄからなる。下部電極Ｅ１と上部電極Ｅ２との間に駆動電圧を印加し、これらの間の駆動電流を流すと、発光層３における活性層３Ｂ内にキャリアが集中し、かかる領域内において注入された電子と正孔が再結合し、発光が生じる。この発光は、クラッド層間の領域、すなわち発光層３及び回折格子層４を含むコア層Ａ内において、共振し、レーザ光ＬＢとして外部へ出力される。回折格子層４は、共振するレーザ光の波長を決定している。
【００３９】
発光が生じるのは、原則的には駆動電流が流れる経路、すなわち電気抵抗が小さくなる上部電極Ｅ２の直下の領域である。半導体レーザ素子１０の上面には、上部電極Ｅ２が配置されているので、レーザ光ＬＢは、上部電極Ｅ２によって若干妨害されている。上部電極Ｅ２の材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＡｌなどの金属、これらとＧｅなどの半導体との混合物、或いは、１×１０１９／ｃｍ３以上の高濃度に不純物が添加された化合物半導体を用いることができる。下部電極Ｅ１の材料も同様であるが、上部電極Ｅ２においては、レーザ光ＬＢを透過させる材料、すなわちＩＴＯなどの透明電極を用いることも可能である。
【００４０】
図６は、ストライプパターンを有する他の回折格子層における水平断面を示す図である。
【００４１】
半導体レーザ素子１０における図４の回折格子層を、図６に示すものに置換することができる。基本層４Ａ内の回折格子形成領域ＲＰＣには、複数の異屈折率部４Ｂが埋め込んである。回折格子形成領域ＲＰＣは長方形に設定されている。個々の異屈折率部４Ｂは、平面視においてＺ軸方向に沿って直線的に延びており、Ｙ軸方向に沿って整列している。個々の異屈折率部４Ｂは、基本層４Ａの厚み方向であるＸ軸を深さ方向とし、Ｚ軸を長手方向とし、Ｙ軸を幅方向とし、幅方向最大寸法に対する長手方向最大寸法のアスペクト比の高い（２以上）直方体形状を有している。異屈折率部４Ｂは、平面視においては、長方形であるが、アスペクト比が高い状態で、三角形、五角形、六角形などのその他の多角形とすることもできる。多角形は、無限の角部を有する楕円形の意味を含む。
【００４２】
図７〜図９は、図１に示した半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【００４３】
まず、Ｎ型（第1導電型とする）の半導体基板（ＧａＡｓ）１を用意する（図７（ａ））。次に、半導体基板１上に、Ｎ型の下部クラッド層（ＡｌＧａＡｓ）２、ガイド層（ＡｌＧａＡｓ）３Ａ、活性層（ＭＱＷ：ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）３Ｂ、光ガイド層（ＧａＡｓ／ＡａＧａＡｓ）又はスペーサ層（ＡｌＧａＡｓ）３Ｃ、キャリアブロック層（ＡｌＧａＡｓ）３Ｄ、回折格子層となる基本層（ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ）４Ａを、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて順次、エピタキシャル成長させる（図７（ｂ））。なお、ＭＯＣＶＤ法においては、Ａｌ原料はＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｇａ原料はＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ｉｎ原料はＴＭＩ（トリメチルインジウム）から供給することができる。
【００４４】
次に、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＮからなるマスク層ＦＬ１を基本層４Ａ上に形成する（図７（ｃ））。ＳｉＮを形成する場合のプラズマＣＶＤの原料ガスとしては、Ｓｉ原料としてＳｉＨ４を用い、Ｎ原料としてＮ２、ＮＨ３などを用い、必要に応じてＨ２でガスを希釈する。更に、マスク層ＦＬ１上にレジストＲＧ１を塗布し（図７（ｄ））、電子ビーム描画装置で２次元微細パターンを描画し、現像することでレジストＲＧ１に２次元（又は１次元）の微細パターン（異屈折率部の位置に対応）を形成する（図７（ｅ））。これにより、レジストＲＧ１には微細パターンとなる複数の孔Ｈ１が形成され、各孔Ｈ１は、マスク層ＦＬ１の表面にまで到達している。
【００４５】
次に、マスク層ＦＬ１を、レジストＲＧ１をマスクとしてエッチングし、レジストの微細パターンをマスク層ＦＬ１に転写する（図７（ｆ））。このエッチングには、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いることができる。ＳｉＮのエッチングガスとしては、フッ素系ガス（ＣＦ４，ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６）を一般的に用いることができる。このエッチングにより、マスク層ＦＬ１には、孔Ｈ２が形成され、各孔Ｈ２は、基本層４Ａの表面にまで到達している。
【００４６】
次に、剥離液をレジストＲＧ１に与え、更に、レジストＲＧをアッシングすることにより、レジストＲＧ１を除去する（図８（ｇ））。アッシングには、光励起アッシング又はプラズマアッシングを用いることができる。これにより、複数の孔Ｈ３を有する微細パターンを有するマスク層ＦＬ１のみが、基本層４Ａ上に残留することとなる。
【００４７】
しかる後、マスク層ＦＬ１をマスクとして、基本層４Ａをエッチングし、マスク層ＦＬ１の微細パターンを基本層４Ａに転写する（図８（ｈ））。このエッチングには、ドライエッチングを用いる。ドライエッチングでは、エッチングガスとして塩素系又はフッ素系のガスを用いることができる。例えば、Ｃｌ２、ＳｉＣｌ４又はＳＦ６等を主なエッチングガスとして、これにＡｒガス等を混入させたものを用いることができる。通常のプラズマエッチングの他、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）を用いたエッチングを採用することもできる。このエッチングにより、基本層４Ａ内に形成される孔Ｈ４の深さは、２００ｎｍ程度であり、孔Ｈ４の深さは基本層４Ａの厚みよりも小さい。なお、孔Ｈ４は、基本層４Ａの下地となる半導体層の表面まで到達していてもよい。
【００４８】
次に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、ＳｉＮからなるマスク層ＦＬ１のみを除去し、孔Ｈ４に連続した穴Ｈ５の開口端面を露出させ、すなわち基本層４Ａの表面を露出させる（図８（ｉ））。ＳｉＮのエッチングガスとしては、上述の通り、フッ素系ガス（ＣＦ４，ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６）を採用することができる。しかる後、基本層４Ａのサーマルクリーニングを含めた表面洗浄などの表面処理を行う。
【００４９】
次に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、基本層４Ａの穴Ｈ５内に異屈折率部（埋め込み層）４Ｂを形成（再成長）する。この再成長工程では、ＡｌＧａＡｓを基本層４Ａの表面に供給する。供給されるＡｌＧａＡｓは、基本層４ＡとＡｌの組成比が異なる。再成長の初期段階においては、ＡｌＧａＡｓは、穴Ｈ５内を埋めていき、異屈折率部４Ｂとなる。穴Ｈ５が埋まった場合、その後に供給されるＡｌＧａＡｓは、バッファ層４’として、基本層４Ａの上に積層される。しかる後、ＭＯＣＶＤ法により、バッファ層４’上に、Ｐ型（第２導電型とする）のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）５、Ｐ型のコンタクト層（ＧａＡｓ）６を順次成長させる（図８（ｊ））。Ｐ型のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）５におけるＡｌの組成比Ｘは、バッファ層４’におけるＡｌの組成比Ｘ以上であり、本例ではこれらは等しいとするが、Ｘ＝０．４を採用することができる。もちろん、異屈折率部４Ｂ及びバッファ層４’におけるＡｌの組成比Ｘを例えばＸ＝０．３５とし、成長に伴って徐々にＡｌの組成比Ｘを増加させ、上部クラッド層５におけるＡｌの組成比ＸをＸ＝０．４とすることも可能である。なお、上述の結晶成長は全てエピタキシャル成長であり、各半導体層の結晶軸は一致している。
【００５０】
次に、コンタクト層６上に、レジストＲＧ２を塗布する（図８（ｋ））。このレジストＲＧ２に対して、現像処理後に正方形の開口が形成されるようなパターンの露光を行う。すなわち、ポジ型のレジストを用いる場合には、露光領域を正方形とし、ネガ型のレジストを用いる場合には、非露光領域を正方形として周辺領域を露光する。しかる後、レジストＲＧ２に対して現像処理を行い、正方形の開口パターンをレジストＲＧ２の中央に形成する。開口パターンを有するレジストＲＧ２をマスクとして、レジストＲＧ２及びコンタクト層６の露出表面上に、電極材料Ｅ２’を堆積する（図８（ｌ））。この電極材料の形成には、蒸着法やスパッタ法を用いることができるが、本例では蒸着法とする。
【００５１】
更に、レジストＲＧ２をリフトオフにより除去し、コンタクト層６上に正方形の電極材料を残留させ、上部電極Ｅ２を形成する（図９（ｍ））。しかる後、Ｎ型の半導体基板１の裏面を研磨し、続いて、研磨された裏面上の全体に下部電極Ｅ１を形成する（図９（ｎ））。この電極の形成には、蒸着法又はスパッタ法を用いることができる。
【００５２】
なお、複数の半導体レーザ素子を１枚のウェハから製造する場合には、素子分離用の溝を形成する必要があるが、これはコンタクト層６上に、レジストを塗布し、レジストを感光及び現像することにより、素子分離用の開口パターンを形成し、このレジストを用いて、コンタクト層６をウエットエッチングして溝を形成する。エッチングする深さは１０μｍ程度とする。しかる後、有機溶剤を用いてレジストを除去すればよい。
【００５３】
なお、上記孔Ｈ１の作製方法として、実施の形態では電子ビーム露光法による作製法を説明したが、ナノインプリント、干渉露光、集束イオンビーム（ＦＩＢ）、ステッパを用いた光学露光等、その他の微細加工技術を用いることも可能である。さらに、本例ではレジストに描画したパターンをＳｉＮに一度パターン転写してから、ドライエッチングにより基板に転写する手法を用いたが、ＳｉＮを省略してレジストに描画したパターンをそのままドライエッチングにより基板に転写しても良い。なお、上記では、活性層３Ｂの上側に１つの回折格子層４を備える例について説明したが、これは活性層３Ｂの下側に回折格子層を備えることとしてもよく、また、活性層３Ｂの上下それぞれに回折格子層を備える構成とすることもできる。
【００５４】
次に、下部電極Ｅ１と上部電極Ｅ２の構造が上記と異なる半導体レーザ素子について説明する。
【００５５】
図１０は、図１１に示す半導体レーザ素子をＸ−Ｘ矢印に沿って切った半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図、図１１は、半導体レーザ素子の平面図、図１２は、回折格子層における水平断面を示す図、図１３は、半導体レーザ素子の斜視図である。
【００５６】
図１０に示す半導体レーザ素子は、フォトニック結晶面発光レーザ素子（ＰＣＳＥＬ）１０であり、半導体基板１上には、それぞれが化合物半導体からなる下部クラッド層２、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄ、回折格子層４、バッファ層４’、上部クラッド層５、及びコンタクト層６が順次積層されている。これらの構造及び材料は、図１において説明した半導体レーザ素子と同一である。
【００５７】
図１に示したものとの相違点は、２点のみである。
【００５８】
１つ目の相違点は、半導体基板１の裏面上に下部絶縁層Ｆ１が形成され、この下部絶縁層Ｆ１に設けられた開口内に下部電極Ｅ１が形成されている点である。下部電極Ｅ１の形成領域は、半導体基板１の全面領域ではなく、環状の領域であり、Ｘ軸方向から見た場合には、上部電極Ｅ２の周囲を囲むように配置されている。
【００５９】
２つ目の相違点は、コンタクト層６上に上部絶縁層Ｆ２が形成され、この上部絶縁層Ｆ２に設けられた開口内に上部電極Ｅ２が形成されている点である。他の構成は図１に示したものと同一であるため、説明を省略する。
【００６０】
なお、下部電極Ｅ１が半導体基板１の裏面に接触しており、上部電極Ｅ２がコンタクト層６に接触している点は、図１のものと同一である。
【００６１】
この半導体レーザ素子において、下部電極Ｅ１と上部電極Ｅ２との間に駆動電圧を印加し、これらの間の駆動電流を流すと、発光層３における活性層３Ｂ内にキャリアが集中し、かかる領域内において注入された電子と正孔が再結合し、発光が生じる。この発光は、クラッド層間の領域、すなわち発光層３及び回折格子層４を含むコア層Ａ内において、共振し、レーザ光ＬＢとして外部へ出力される。回折格子層４は、共振するレーザ光の波長を決定している。
【００６２】
発光が生じるのは、原則的には駆動電流が流れる経路、すなわち電気抵抗が小さくなる領域である。半導体レーザ素子１０の上面には上部電極Ｅ２が配置され、裏面には環状の下部電極Ｅ１が配置されているので、発光領域は、これらを結ぶ間の領域となる。上部電極Ｅ２に、Ａｌ等の反射率の高い金属を用いると、上部電極Ｅ２の裏面において、半導体層の厚み方向に進行するレーザ光ＬＢが反射され、下部電極Ｅ１の開口からレーザ光ＬＢが出射する（図１０、図１３参照）。この開口の形状は、円形であってもよいが、長方形であってもよい。なお、上部電極Ｅ２の方向へ回折する光の下部電極Ｅ１方向への反射の効果を高めるため、Ｐクラッド層材料として互いにＡｌの組成の異なる膜厚λ／４波長のＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねた半導体多層膜（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｅＢｒａｇｇ Ｍｉｒｒｏｒ：ＤＢＲと称する）を適切な位置に導入しても良い。
【００６３】
また、図１０〜図１３に示した半導体レーザ素子においても、平面パターンがストライプ状の回折格子層４を採用することができる。
【００６４】
図１４は、ストライプパターンを有する回折格子層における水平断面を示す図である。
【００６５】
半導体レーザ素子１０における図１２の回折格子層を、図１４に示すものに置換することができる。基本層４Ａ内の回折格子形成領域ＲＰＣには、複数の異屈折率部４Ｂが埋め込んである。回折格子形成領域ＲＰＣは長方形に設定されている。個々の異屈折率部４Ｂは、平面視においてＺ軸方向に沿って直線的に延びており、Ｙ軸方向に沿って整列している。個々の異屈折率部４Ｂは、基本層４Ａの厚み方向であるＸ軸を深さ方向とし、Ｚ軸を長手方向とし、Ｙ軸を幅方向とし、幅方向最大寸法に対する長手方向最大寸法のアスペクト比の高い（２以上）直方体形状を有している。異屈折率部４Ｂは、平面視においては、長方形であるが、アスペクト比が高い状態で、三角形、五角形、六角形などのその他の多角形とすることもできる。多角形は、無限の角部を有する楕円形の意味を含む。
【００６６】
図１５〜図１７は、図１０に示した半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【００６７】
まず、Ｎ型（第1導電型とする）の半導体基板（ＧａＡｓ）１を用意する（図１５（ａ））。次に、半導体基板１上に、Ｎ型の下部クラッド層（ＡｌＧａＡｓ）２、ガイド層（ＡｌＧａＡｓ）３Ａ、活性層（ＭＱＷ：ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）３Ｂ、光ガイド層（ＧａＡｓ／ＡａＧａＡｓ）又はスペーサ層（ＡｌＧａＡｓ）３Ｃ、キャリアブロック層（ＡｌＧａＡｓ）３Ｄ、回折格子層となる基本層（ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ）４Ａを、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて順次、エピタキシャル成長させる（図１５（ｂ））。なお、ＭＯＣＶＤ法においては、Ａｌ原料はＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｇａ原料はＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ｉｎ原料はＴＭＩ（トリメチルインジウム）から供給することができる。
【００６８】
次に、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＮからなるマスク層ＦＬ１を基本層４Ａ上に形成する（図１５（ｃ））。ＳｉＮを形成する場合のプラズマＣＶＤの原料ガスとしては、Ｓｉ原料としてＳｉＨ４を用い、Ｎ原料としてＮ２、ＮＨ３などを用い、必要に応じてＨ２でガスを希釈する。更に、マスク層ＦＬ１上にレジストＲＧ１を塗布し（図１５（ｄ））、電子ビーム描画装置で２次元微細パターンを描画し、現像することでレジストＲＧ１に２次元（又は１次元）の微細パターン（異屈折率部の位置に対応）を形成する（図１５（ｅ））。これにより、レジストＲＧ１には微細パターンとなる複数の孔Ｈ１が形成され、各孔Ｈ１は、マスク層ＦＬ１の表面にまで到達している。
【００６９】
次に、マスク層ＦＬ１を、レジストＲＧ１をマスクとしてエッチングし、レジストの微細パターンをマスク層ＦＬ１に転写する（図１５（ｆ））。このエッチングには、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いることができる。ＳｉＮのエッチングガスとしては、フッ素系ガス（ＣＦ４，ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６）を一般的に用いることができる。このエッチングにより、マスク層ＦＬ１には、孔Ｈ２が形成され、各孔Ｈ２は、基本層４Ａの表面にまで到達している。
【００７０】
次に、剥離液をレジストＲＧ１に与え、更に、レジストＲＧをアッシングすることにより、レジストＲＧ１を除去する（図１６（ｇ））。アッシングには、光励起アッシング又はプラズマアッシングを用いることができる。これにより、複数の孔Ｈ３を有する微細パターンを有するマスク層ＦＬ１のみが、基本層４Ａ上に残留することとなる。
【００７１】
しかる後、マスク層ＦＬ１をマスクとして、基本層４Ａをエッチングし、マスク層ＦＬ１の微細パターンを基本層４Ａに転写する（図１６（ｈ））。このエッチングには、ドライエッチングを用いる。ドライエッチングでは、エッチングガスとして塩素系又はフッ素系のガスを用いることができる。例えば、Ｃｌ２、ＳｉＣｌ４又はＳＦ６等を主なエッチングガスとして、これにＡｒガス等を混入させたものを用いることができる。通常のプラズマエッチングの他、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）を用いたエッチングを採用することもできる。このエッチングにより、基本層４Ａ内に形成される孔Ｈ４の深さは、２００ｎｍ程度であり、孔Ｈ４の深さは基本層４Ａの厚みよりも小さい。なお、孔Ｈ４は、基本層４Ａの下地となる半導体層の表面まで到達していてもよい。
【００７２】
次に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、ＳｉＮからなるマスク層ＦＬ１のみを除去し、孔Ｈ４に連続した穴Ｈ５の開口端面を露出させ、すなわち基本層４Ａの表面を露出させる（図１６（ｉ））。ＳｉＮのエッチングガスとしては、上述の通り、フッ素系ガス（ＣＦ４，ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６）を採用することができる。しかる後、基本層４Ａのサーマルクリーニングを含めた表面洗浄などの表面処理を行う。
【００７３】
次に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、基本層４Ａの穴Ｈ５内に異屈折率部（埋め込み層）４Ｂを形成（再成長）する。この再成長工程では、ＡｌＧａＡｓを基本層４Ａの表面に供給する。供給されるＡｌＧａＡｓは、基本層４ＡとＡｌの組成比が異なる。再成長の初期段階においては、ＡｌＧａＡｓは、穴Ｈ５内を埋めていき、異屈折率部４Ｂとなる。穴Ｈ５が埋まった場合、その後に供給されるＡｌＧａＡｓは、バッファ層４’として、基本層４Ａの上に積層される。しかる後、ＭＯＣＶＤ法により、バッファ層４’上に、Ｐ型のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）５、Ｐ型のコンタクト層（ＧａＡｓ）６を順次成長させる（図１６（ｊ））。Ｐ型のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）５におけるＡｌの組成比Ｘは、バッファ層４’におけるＡｌの組成比Ｘ以上であり、本例ではこれらは等しいとするが、Ｘ＝０．４を採用することができる。もちろん、異屈折率部４Ｂ及びバッファ層４’におけるＡｌの組成比Ｘを例えばＸ＝０．３５とし、成長に伴って徐々にＡｌの組成比Ｘを増加させ、上部クラッド層５におけるＡｌの組成比ＸをＸ＝０．４とすることも可能である。なお、上述の結晶成長は全てエピタキシャル成長であり、各半導体層の結晶軸は一致している。
【００７４】
なお、複数の半導体レーザ素子を１枚のウェハから製造する場合には、素子分離用の溝を形成する必要があるが、これはコンタクト層６上に、レジストを塗布し、レジストを感光及び現像することにより、素子分離用の開口パターンを形成し、このレジストを用いて、コンタクト層６をウエットエッチングして溝を形成する。エッチングする深さは１０μｍ程度とする。しかる後、有機溶剤を用いてレジストを除去する。
【００７５】
次に、コンタクト層６上に、ＳｉＮからなる上部絶縁層Ｆ２を形成する（図１６（ｋ））。上部絶縁層Ｆ２の形成方法は、プラズマＣＶＤ法を用いることができる。プラズマＣＶＤのＳｉ原料としてＳｉＨ４を用い、Ｎ原料としてＮ２、ＮＨ３などを用い、必要に応じてＨ２でガスを希釈する。
【００７６】
次に、上部絶縁層Ｆ２上に、レジストを塗布し、これを露光、現像することにより、正方形の開口パターンをレジスト上に形成し、しかる後、この開口パターンをマスクとして、上部絶縁層Ｆ２をエッチングし、開口パターンを有する上部絶縁層Ｆ２を形成する（図１６（ｌ））。この時のエッチングには、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いることができる。ＳｉＮのエッチングガスとしては、上述の通り、フッ素系ガス（ＣＦ４，ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６）を採用することができる。
【００７７】
次に、上部絶縁層Ｆ２及びコンタクト層６の露出表面上にレジストＲＧ３を塗布し（図１７（ｍ））、現像処理後に正方形の開口が形成されるようなパターンの露光を行う。ポジ型のレジストを用いる場合には、露光領域を正方形とし、ネガ型のレジストを用いる場合には、非露光領域を正方形として周辺領域を露光する。しかる後、レジストＲＧ３に対して現像処理を行い、正方形の開口パターンをレジストＲＧ３の中央に形成する（図１７（ｎ））。なお、上部絶縁層Ｆ２における開口パターンは、レジストＲＧ３の開口パターンの内側に設定され、面積はレジストＲＧ３の開口パターンよりも小さい。なお、本例のレジストＲＧ３としてはネガ型を用いる。
【００７８】
開口パターンを有するレジストＲＧ３をマスクとして、レジストＲＧ３、上部絶縁層Ｆ２及びコンタクト層６の露出表面上に、電極材料を堆積した後、レジストＲＧ３をリフトオフすることで、上部電極Ｅ２を開口パターン内に形成する（図１７（ｏ））。この電極材料の形成には、蒸着法やスパッタ法を用いることができるが、本例では蒸着法とする。
【００７９】
しかる後、Ｎ型の半導体基板１の裏面を機械研磨及び化学機械研磨（ＣＭＰ）して鏡面にする。次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、半導体基板１の裏面上にＳｉＮからなる下部絶縁層Ｆ１を堆積する。プラズマＣＶＤのＳｉ原料としてＳｉＨ４を用い、Ｎ原料としてＮ２、ＮＨ３などを用い、必要に応じてＨ２でガスを希釈する。下部絶縁層Ｆ１の光学膜厚は、半導体レーザ素子の発光波長をλとした場合、λ／４に設定され、下部絶縁膜Ｆ１による反射光は入射光に対して逆相となり、減衰する。
【００８０】
次に、下部絶縁層Ｆ１上には、レジストを塗布し後、このレジストに環状の開口パターンが形成されるように露光、現像し、当該レジストの環状開口パターンをマスクとしてＳｉＮからなる下部絶縁層Ｆ１をエッチングし、しかる後、レジストを除去する（図１７（ｐ））。これにより、下部絶縁層Ｆ１は、環状開口パターンを有するように加工される。ＳｉＮはドライエッチング又はＲＩＥを用いてエッチングすることができる。ＳｉＮのドライエッチング用のエッチングガスとしては、上述の通り、塩素系（Ｃｌ２、ＳｉＣｌ４）又はフッ素系（ＳＦ６）のガスを用いることができ、ＲＩＥ用のエッチングガスとしては、フッ素系ガス（ＣＦ４，ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６）を採用することができる。
【００８１】
最後に、環状開口パターンを有する下部絶縁層Ｆ１及び半導体基板１の露出した裏面上にレジストを塗布した後、このレジストに下部絶縁層Ｆ１の開口パターンよりも大きな幅の環状の開口パターンが形成されるように露光、現像し、当該レジストの環状開口パターンをマスクとして、電極材料をレジスト上及びその環状開口パターン開口内に堆積し、続いて、レジストをリフトオフにより除去する（図１７（ｑ））。この電極材料の形成には、蒸着法又はスパッタ法を用いることができる。
【００８２】
なお、上述の孔（穴）Ｈ１の作製方法として、実施の形態では電子ビーム露光法による作製法を説明したが、ナノインプリント、干渉露光、集束イオンビーム（ＦＩＢ）、ステッパを用いた光学露光等、その他の微細加工技術を用いることも可能である。さらに、本例ではレジストに描画したパターンをＳｉＮに一度パターン転写してから、ドライエッチングにより基板に転写する手法を用いたが、ＳｉＮを省略してレジストに描画したパターンをそのままドライエッチングにより基板に転写しても良い。なお、上記では、活性層３Ｂの上側に１つの回折格子層４を備える例について説明したが、これは活性層３Ｂの下側に回折格子層を備えることとしてもよく、また、活性層３Ｂの上下それぞれに回折格子層を備える構成とすることもできる。
【００８３】
次に、クラッド層間に位置するコア層内を伝搬する光の電界強度分布の設計手法について、端面発光型の通常の半導体レーザを例にとり説明する。
【００８４】
図１８は、端面発光型の半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図、図１９は、半導体レーザ素子の各層の構造と材料を示す図表、図２０は、半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表、図２１は、半導体レーザ素子の斜視図である。
【００８５】
図１８に示す半導体レーザ素子１０は、回折格子層を備えない端面発光型のレーザ素子であり、半導体基板１上に、それぞれが化合物半導体からなる下部クラッド層２、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、キャリアブロック層３Ｄ、ガイド層４Ｇ、上部クラッド層５、及びコンタクト層６が順次積層されている。
【００８６】
図１９を参照すると、この半導体レーザ素子１０の基本構造は、半導体基板上に、下部クラッド層Ｂ、コア層Ａ、上部クラッド層Ｃ、コンタクト層を積層したものである。半導体基板１はＮ型のＧａＡｓからなり、下部クラッド層Ｂ（下部クラッド層２）はＮ型のＡｌＧａＡｓからなり、上部クラッド層Ｃ（上部クラッド層５）はＰ型のＡｌＧａＡｓからなる。クラッド層Ｂ，Ｃ間に位置するコア層Ａは、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、キャリアブロック層３Ｄ、ガイド層４Ｇからなる。この半導体レーザ素子は、図１に示した半導体レーザ素子と比較して、スペーサ層、回折格子層、バッファ層がなく、代わりにガイド層４Ｇがある点が異なり、その他の点は同一である。
【００８７】
図２０を参照して、光伝搬に寄与するコア層Ａとクラッド層Ｂ，Ｃの構造を詳説すると、下部クラッド層２はＮ型のＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．７）からなり、ガイド層３ＡはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．１）からなり、活性層３ＢはＩｎＧａＡｓ／ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．１）の多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなり、キャリアブロック層３ＤはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．４）からなり、ガイド層４ＧはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．１）からなり、上部クラッド層５はＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．４）からなる。ＭＱＷにおける井戸数は１又は２以上に設定することができる。
【００８８】
厚みに関して、好適には、例えば、下部クラッド層２の厚みは２０００ｎｍ、ガイド層３Ａの厚みは５０ｎｍ、活性層３Ｂの厚みは４０ｎｍ、キャリアブロック層３Ｄの厚みは３０ｎｍ、ガイド層４Ｇの厚みは４２０ｎｍ〜４３０ｎｍ、上部クラッド層５の厚みは２０００ｎｍとすることができる。
【００８９】
図２１に示すように、端面発光型の半導体レーザ素子１０は、Ｚ軸方向に共振長を有しており、半導体レーザ素子内部においては、光出射端面（Ｚ軸の正方向端部に位置するＸＹ平面）と光反射端面（Ｚ軸の負方向端部に位置するＸＹ平面）との間でレーザ光が往復し、Ｚ軸方向に向けてレーザ光ＬＢが出射する。上部電極Ｅ２の平面形状は、Ｚ軸に平行に延びた長方形であり、裏面側の下部電極Ｅ１は、半導体基板１の裏面全面上に形成されている。また、上部電極Ｅ２は、光出射端面から光反射端面に至るまで延びており、Ｚ軸方向の共振長の範囲内においてキャリアが供給される構成になっている。
【００９０】
図２２は、半導体レーザ素子の厚み方向（Ｘ方向）に沿った電界強度分布を示す図である。
【００９１】
駆動電流が下部電極Ｅ１と上部電極Ｅ２との間に供給されると、半導体レーザ素子１０の内部でレーザ光が生成され、外部に出力されるが、このレーザ光の強度ピーク（電界強度のピーク）はコア層Ａ内に存在している。
【００９２】
コア層Ａの厚み方向の中心位置を原点Ｏとし、コア層Ａの厚みをｄ１とする。この場合、コア層Ａ内の電界強度分布（ＴＥモードにおけるＹ軸方向の電界強度Ｅｙ）は、基本モード（０次モード）においては、原点Ｏの付近に単峰性の強度ピークを有する（図２２（ａ））。
【００９３】
一方、コア層Ａの厚み方向の中心位置を原点Ｏとし、コア層Ａの厚みをｄ２（ｄ２＞ｄ１）とすると、コア層内の電界強度分布が１次モードに変化する。この場合、コア層Ａ内の電界強度分布（ＴＥモードにおけるＹ軸方向の電界強度Ｅｙ）は、１次モードにおいては、原点Ｏの付近に強度ピークの谷を有し、その両側に２つの強度ピークを有する（図２２（ｂ））。同図では、１次モードにおけるピーク位置は、概ね＋（ｄ２）／４と、−（ｄ２）／４の位置に設定されている。
【００９４】
図２３は、端面発光型の半導体レーザ素子主要部の厚み方向に沿った構造（図２３（ａ））、エネルギーバンドギャップ（図２３（ｂ））、及び電界強度分布（図２３（ｃ）：０次モード、図２３（ｄ）：１次モード）を示す図である。電界強度Ｅｙは、ＴＥモードにおけるＹ軸方向の電界強度を示す。
【００９５】
コア層Ａの平均のエネルギーバンドギャップＥｇは、クラッド層Ｂ，Ｃの平均のエネルギーバンドギャップＥｇよりも小さく、キャリアブロック層３ＤのエネルギーバンドギャップＥｇは、活性層３ＢにおけるエネルギーバンドギャップＥｇの最大値よりも大きい。また、図６０に示すように、エネルギーバンドギャップＥｇと屈折率ｎとは、負の相関があるため、コア層Ａの平均の屈折率ｎは、クラッド層Ｂ，Ｃの平均の屈折率ｎよりも高く、キャリアブロック層３Ｄの屈折率ｎは、活性層３Ｂにおける屈折率ｎの最大値よりも小さい。光は屈折率の高いところを伝搬するため、３層スラブ構造においては、コア層Ａ内を光が伝搬する。
【００９６】
０次モードの場合においては（図２３（ｃ））、活性層３Ｂの位置における電界強度Ｅｙはピーク位置における電界強度Ｅｙよりも小さく、レーザ光の強度が高くはない。一方、１次モードの場合においては（図２３（ｄ））、活性層３Ｂは電界強度Ｅｙの１つのピーク位置に位置しており、レーザ光の強度は高くなる。
【００９７】
なお、１次モードは、基本モードの高次モードであるため、１次モードの光伝搬が行われている場合においても、基本モード（０次モード）の電界強度分布は存在している。
【００９８】
図２４は、コア層Ａ内の積層構造について説明するための図である。
【００９９】
コア層Ａが積層された複数の層（Ｌａｙｅｒ１〜Ｌａｙｅｒ（ｉ＋１））を含んでいる場合（但しｉは自然数）、これらの層がそれぞれ誘電率（ε（１）〜ε（ｉ＋１））を有し、膜厚（ｄ（１）〜ｄ（ｉ＋１））を有しているものとする。このコア層Ａにおいて、１次横モードが生じる導波路構造を製造するためには、幾つかの条件を満たす必要がある。すなわち、コア層Ａの膜厚は、１次の高次モードが固有状態として存在するような屈折率（ｎ）、膜厚（ｄ）をとる必要がある。
【０１００】
このような屈折率、膜厚の範囲は下記の手法で計算される。
【０１０１】
導波構造内に存在する電磁界分布はＭａｘｗｅｌｌの波動方程式を境界条件の元で数値的に解くことにより、計算することができる。図２０に示した層構造は、図２２に示したように等価的に２層非対称スラブ導波路構造とみなすことができる。このとき、コア層Ａにおける各層の誘電率と膜厚は、図２４のように定義する。この場合、等価誘電率（平均誘電率）εＥｑを、図５９に示す式（１）のように算出する。
【０１０２】
また、図５９に示す式（２）は、規格化周波数Ｖ（Ｖパラメータ）を示している。式（２）において、ｋ０＝２π／λであって（λはレーザ光波長）、真空中の平面波の伝搬定数（波数）を示し、ｎ１はコア層Ａの平均屈折率（コア層Ａの平均誘電率εＥｑから求める）。なお、屈折率（ｎ１）は、誘電率（εＥｑ）の平方根と正の相関がある。また、式（２）において、Δはコア層Ａとクラッド層Ｂとの比屈折率差を示し、ｄはコア層の膜厚を示している。
【０１０３】
なお、比屈折率差Δ＝（ｎ１２−ｎ２２）／２ｎ１２で与えられる。ここで、コア層Ａの平均屈折率をｎ１とし、クラッド層Ｂの平均屈折率をｎ２とする。クラッド層Ｂ，Ｃの平均屈折率が異なる場合にも、比屈折率Δは上式で与えられる。
【０１０４】
なお、伝搬モードとは、ある特定の角度で反射しながら消減せずに伝搬していく光の組のことであり、入射角度の小さいものから、０次モード、１次モード、２次モードと言われる。コア層Ａの長手方向（Ｚ軸）に対して光の伝搬する角度（伝搬角）をθとすると、伝搬定数β＝ｋ０ｎ１ｃｏｓθで与えられる。式（３）は規格化伝搬定数ｂを示しており、規格化伝搬定数ｂは屈折率ｎと伝搬定数βで与えられる。
【０１０５】
また、Ｖパラメータは、規格化伝搬定数ｂを用いて表現することができ、これは図５９の式（４）に示されている。なお、式（４）におけるａ’は非対称パラメータであり、式（５）で与えられ、χｉは式（６）で与えられ、Ｎはモード次数に対応し、πは円周率を示している。また、式（６）におけるｎｉ（i＝２、３）はそれぞれクラッド層Ｂ、Ｃにおける平均屈折率を示している。
【０１０６】
以上のように、Ｖパラメータと規格化伝搬定数ｂとの間には相関があり、規格化伝搬定数ｂは、伝搬角θで伝搬する特定モードにおける伝搬定数βにより与えられる。したがって、伝搬モードが変わる場合には、規格化伝搬定数ｂが変わり、これを満たすＶパラメータが変化する。３層非対称スラブ導波路におけるモード数は、Ｖパラメータおよび規格化伝搬定数ｂにより特徴付けられる。
【０１０７】
図２５は、規格化周波数Ｖ（Ｖパラメータ）と規格化伝搬定数ｂとの関係を示すグラフである。このグラフは、図２０に示した構造におけるＴＥモードにおいて求めたものである。波長λ＝９８０ｎｍとし、コア層Ａの屈折率ｎ１＝３．４５、下部クラッド層Ｂの屈折率ｎ２＝３．２６、上部クラッド層Ｃの屈折率ｎ３＝３．１１とする。
【０１０８】
図２５に示す規格化周波数Ｖの値が、斜線で示される範囲にある場合（３．７５６≦Ｖ≦６．８９８）、規格化伝搬定数ｂは、式（４）において、Ｎ＝０，Ｎ＝１の場合において、２つの解を有する。換言すれば、規格化周波数Ｖが、斜線範囲内の値である場合、０次モードの光の伝搬と、１次モードの光の伝搬が可能となる。
【０１０９】
規格化周波数Ｖは、コア層Ａの膜厚ｄに比例するが、膜厚ｄが所定値よりも小さくなると、Ｎ次モードが遮断され、存在できなくなる。この時の膜厚ｄを、カットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ（ｎｍ）とする。
【０１１０】
図２６は、モード次数(Ｎ＝０，１，２，３)に対する規格化周波数Ｖと、コア層のカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ（ｎｍ）の関係を示す図表である。本手法で計算した１次モードのカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ＝５１５（ｎｍ）である。すなわち、１次モード（Ｎ＝１）が存在している状態から、膜厚ｄを減少させると、規格化周波数Ｖが減少し、ｄｃｕｔｏｆｆ＝５１５（ｎｍ）、Ｖ＝３．７５６となった時点で、１次モードの規格化伝搬定数ｂ＝０となり、これよりも膜厚ｄが小さい場合には、０次モード（Ｎ＝０）のみしか存在しなくなる。同様に、０次モードのカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ＝８４（ｎｍ）、２次モードのカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ＝９４６（ｎｍ）、３次モードのカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ＝１３７７（ｎｍ）である。
【０１１１】
換言すれば、１次モードのレーザ光の発振を行わせ、２次モードの発振を行わせないためには、コア層Ａの膜厚ｄは、５１５ｎｍ以上とし、９４６ｎｍよりも小さくする必要がある。
【０１１２】
なお、１次モードが遮断されるコア層の膜厚ｄｃｕｔｏｆｆについて、Maxwell方程式の数値計算法である階段行列法によって計算した結果、１次モードの膜厚ｄｃｕｔｏｆｆは、５４５ｎｍとなった。これらの計算手法による誤差は、６％と小さい値となる。そのため、本手法を用いても、コア層Ａの屈折率ｎ１、膜厚ｄの範囲を定めることができるし、階段行列法を用いても、これらのパラメータを設定することが可能である。
【０１１３】
図２７は、半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率ｎと電界強度Ｅ（Ｙ軸方向の電界強度Ｅｙ）との関係を示すグラフである。このグラフは、階段行列法によって求めたものである。なお、同図にはコア層Ａ、下部クラッド層Ｂ、上部クラッド層Ｃの領域が示されている。また、一点鎖線は屈折率ｎを示し、実線は１次モードの電界強度分布を示し、点線は０次モードの電界強度分布を示している。また、電界強度Ｅに関しては、１次モードの演算データ曲線を、０次モードの演算データ曲線から若干上方にシフトして示してある。
【０１１４】
図２７（ａ）は、コア層Ａの厚みｄ＝５４０ｎｍの場合のデータを示し、図２７（ｂ）は、コア層Ａの厚みｄ＝５４５ｎｍの場合のデータを示し、図２７（ｃ）は、コア層Ａの厚みｄ＝５５０ｎｍの場合のデータを示している。
【０１１５】
コア層Ａの屈折率は、クラッド層Ｂ，Ｃの屈折率よりも高く、また、活性層３Ｂにおける井戸層の屈折率はこれに隣接するバリア層の屈折率よりも高く、キャリアブロック層３Ｄの屈折率は、これに隣接するガイド層４Ｇの屈折率よりも低い。なお、図６０に示したように、各層におけるエネルギーバンドギャップＥｇの関係は、屈折率ｎの関係とは逆となる。
【０１１６】
同図に示すように、コア層Ａの厚みｄが５４５ｎｍ以上になると（（ｂ）、（ｃ））、１次モードが存在し、一方の強度ピーク位置近傍に活性層３Ｂの位置を合わせることで、レーザ光強度を高めることが可能となる。
【０１１７】
この原理は、以下のように、図１〜図１７に示した回折格子層を備えた半導体レーザ素子に適用することができる。以下の半導体レーザ素子は、図１〜図９又は図１０〜図１７に示した半導体レーザ素子におけるコア層の変形例を示している。
【０１１８】
図２８は、回折格子層を有する半導体レーザ素子主要部の厚み方向に沿った構造（図２８（ａ））、エネルギーバンドギャップ（図２８（ｂ））、及び電界強度分布（図２８（ｃ）：０次モード、図２８（ｄ）：１次モード）を示す図である。電界強度Ｅｙは、ＴＥモードにおけるＹ軸方向の電界強度を示す。
【０１１９】
コア層Ａの平均のエネルギーバンドギャップＥｇは、クラッド層Ｂ，Ｃの平均のエネルギーバンドギャップＥｇよりも小さく、キャリアブロック層３ＤのエネルギーバンドギャップＥｇは、活性層３ＢにおけるエネルギーバンドギャップＥｇの最大値よりも大きい。また、図６０に示すように、エネルギーバンドギャップＥｇと屈折率ｎとは、負の相関があるため、コア層Ａの平均の屈折率ｎは、クラッド層Ｂ，Ｃの平均の屈折率ｎよりも高く、キャリアブロック層３Ｄの屈折率ｎは、活性層３Ｂにおける屈折率ｎの最大値よりも小さい。光は屈折率の高いところを伝搬するため、３層スラブ構造においては、コア層Ａ内を光が伝搬する。
【０１２０】
０次モードの場合においては（図２８（ｃ））、活性層３Ｂの位置における電界強度Ｅｙはピーク位置における電界強度Ｅｙよりも小さく、レーザ光の強度が高くはない。一方、１次モードの場合においては（図２８（ｄ））、活性層３Ｂは、電界強度Ｅｙの１つのピーク位置に位置しており、また、回折格子層４（４Ａ，４Ｂ）は、電界強度Ｅｙのもう１つのピーク位置に位置しており、レーザ光の強度は高くなる。
【０１２１】
次に、コア層Ａ内の積層構造について説明する。
【０１２２】
図２９は、コア層Ａ内の幾つかの積層構造を示す図である。いずれも図１〜図９に示した半導体レーザ素子、又は、図１０〜図１７に示した半導体レーザ素子におけるコア層Ａの変形例を示している。
【０１２３】
図２９（ａ）は、図１及び図２８に示したタイプのコア層Ａであり、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄ、回折格子層４（４Ａ，４Ｂ）を順次積層したものである。なお、回折格子層４上には、図１に示したバッファ層４’が位置することとしてもよい。
【０１２４】
図２９（ｂ）は、ドープ層を備えるタイプのコア層Ａであり、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄ、ガイド層３Ｅ、ドープ層３Ｆ、回折格子層４（４Ａ，４Ｂ）を順次積層したものである。なお、回折格子層４上には、図１に示したバッファ層４’が位置することとしてもよい。なお、スペーサ層３Ｃの構成は、図１及び図２８に示した通りである。
【０１２５】
図２９（ｃ）は、図２９（ｂ）に示したコア層Ａからスペーサ層３Ｃを除いたタイプのコア層Ａであり、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、キャリアブロック層３Ｄ、ガイド層３Ｅ、ドープ層３Ｆ、回折格子層４（４Ａ，４Ｂ）を順次積層したものである。なお、回折格子層４上には、図１に示したバッファ層４’が位置することとしてもよい。この構造のコア層Ａの詳細については、後述の図３０（構造（１））、図４０（構造（２））、図４９（構造（３））において説明する。
【０１２６】
図２９（ｄ）は、図２９（ｃ）に示したコア層Ａに新たにガイド層３Ｇを追加したタイプのコア層Ａであり、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、キャリアブロック層３Ｄ、ガイド層３Ｅ、ドープ層３Ｆ、ガイド層３Ｇ、回折格子層４（４Ａ，４Ｂ）を順次積層したものである。なお、回折格子層４上には、図１に示したバッファ層４’が位置することとしてもよい。ガイド層３Ｇの構成は、ガイド層３Ｅの構成と同様に設定することができる。
【０１２７】
図３０は、図２９（ｃ）に示したコア層Ａを有する半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表である（構造（１）とする）。
【０１２８】
図３０を参照して、光伝搬に寄与するコア層Ａとクラッド層Ｂ，Ｃの構造を詳説すると、下部クラッド層２はＮ型のＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．７）からなり、ガイド層３ＡはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．１）からなり、活性層３ＢはＩｎＧａＡｓ／ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．１）の多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなり、キャリアブロック層３ＤはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．４）からなり、ガイド層３ＥはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．１）からなり、ドープ層３ＦはＰ型のＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．４）からなり、回折格子層４は、基本層４ＡがＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．１）からなり、異屈折率部４ＢがＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．４）からなり、上部クラッド層５はＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．４）からなる。ＭＱＷにおける井戸数は１又は２以上に設定することができる。
【０１２９】
厚みに関して、好適には、例えば、下部クラッド層２の厚みは２０００ｎｍ、ガイド層３Ａの厚みは５０ｎｍ、活性層３Ｂの厚みは４０ｎｍ、キャリアブロック層３Ｄの厚みは３０ｎｍ、ガイド層３Ｅの厚みは２６０ｎｍ、ドープ層３Ｆの厚みは４０ｎｍ、回折格子層４の厚みは３００ｎｍ、上部クラッド層５の厚みは２０００ｎｍとすることができる。
【０１３０】
また、回折格子層４の回折格子形成領域ＲＰＣ（図４参照）内における異屈折率部４Ｂの占有面積率（フィリングファクタ：ＦＦ）は、２０％に設定することができる。占有面積率ＦＦ（％）は、水平断面（ＹＺ平面）内における、回折格子形成領域ＲＰＣの面積に対する複数の異屈折率部４Ｂの面積の合計の比率である。換言すれば、占有面積率ＦＦ（％）は、単位面積当たりにおいて異屈折率部４Ｂの占める面積の比率である。１つの異屈折率部４Ｂの形状は本例では円形とし、円の面積は、例えば格子定数３００ｎｍの正方格子では、１８０００ｎｍ２であることとし、基本層４Ａ内に埋め込まれたＸ軸方向の深さは３００ｎｍであることとする。すなわち、１ｃｍ２当たり０．２ｃｍ２の異屈折率部４Ｂが存在する。
【０１３１】
図３１は、図３０に示した構造を有する半導体レーザ素子において、基本モード（０次モード）と１次モードにおけるＴＥモードの等価屈折率ｎeffと、回折格子層４におけるフォトニックバンドギャップのバンド端波長（ｎｍ）の関係を示す図表である。発振波長λ＝９８０ｎｍとする。回折格子層４の厚みＤ＝３００ｎｍ（０．３μｍ）であり、コア層Ａの厚みｄ＝７２０ｎｍである。活性層３Ｂにおける量子井戸数は２とする。
【０１３２】
なお、コア層Ａの屈折率ｎ１＝３．４２、下部クラッド層Ｂの屈折率ｎ２＝３．１０、上部クラッド層Ｃの屈折率ｎ３＝３．２６とした。これらの屈折率は、ＭＳＥＯ（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）法と式（１）により、波長９８０ｎｍにおける屈折率の値を求めた。この場合、伝搬モードに１次モードが生じるカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ（１）と、２次モードが生じるカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ（２）は、５７３（ｎｍ）と１０４７（ｎｍ）となる。すなわち、コア層Ａの厚みｄが、５７３（ｎｍ）以上１０４７（ｎｍ）未満であれば、１次モードが発生し、２次モードが発生しない条件が成立する。１次高次モードを取る領域範囲は、階段行列法による電磁界計算から６００（ｎｍ）〜１０４０（ｎｍ）と計算されるが、これらの範囲は概ね一致している。
【０１３３】
上述のようにコア層Ａの全体の膜厚ｄ＝７２０ｎｍであるため、１次モードの発生条件は満たされ、ＴＥモードの電磁界モードは、基本０次モードと１次モードが形成される。
【０１３４】
図３１に示す等価屈折率ｎeffの差から、回折格子層４に格子定数３４４ｎｍの三角格子のフォトニック結晶を用いる場合、基本０次モードと1次モードのバンド端波長（１００９．０３ｎｍ、９８０．４３ｎｍ）差は、３０ｎｍ程度となる。
【０１３５】
図３２は、共振が生じる波長と強度の関係（ａ）と、発光波長と強度の関係（ｂ）を示すグラフである。
【０１３６】
上述の通り、回折格子層４のフォトニックバンドギャップの０次モードにおけるバンド端波長λｐ０と、１次モードにおけるバンド端波長λｐ１とは、約３０ｎｍの差がある。それぞれの波長においてレーザ光を生成するための発光の共振を起こすことができるが、一方で、量子井戸からなる活性層３Ｂにおける発光の利得スペクトルのピーク波長λｐは、活性層３Ｂの組成やエネルギーバンドギャップ等を変更することによって移動させることができる。したがって、利得スペクトルのピーク波長λｐと１次モードのバンド端波長λｐ１（９８０ｎｍ）とを一致させれば、１次モードのレーザ発振が支配的となり、０次モードのレーザ発振は抑制されることになる。上記の場合、バンド端波長差は約３０ｎｍであるため、利得スペクトルのピーク波長λｐ±５ｎｍの範囲内に、１次モードのバンド端波長λｐ１が存在すれば、１次モードが選択的且つ効率的に発生することになる。
【０１３７】
図３３は、各層における光閉じ込め係数を示す図表である。
【０１３８】
上記図３０の設定の場合、活性層（量子井戸層）３Ｂ内の光閉じ込め係数Γｑｗは、基本モード（０次モード）の場合では１．６２（％）、１次モードの場合には２．２８（％）であり、１次モードの場合に、活性層３Ｂ内により多くの光を閉じ込めることができる。また、回折格子戸層４内の光閉じ込め係数Γｇは、基本モード（０次モード）の場合では３０．１（％）、１次モードの場合には３９．３（％）であり、１次モードの場合に、回折格子層４内により多くの光を閉じ込めることができる。更に、ドープ層３Ｆ内の光閉じ込め係数Γｄｏｐｅは、基本モード（０次モード）の場合では６．７（％）、１次モードの場合には０．２（％）であり、１次モードの場合に、ドープ層３Ｆ内の光の影響はさらに抑制され、０次モードの光はドープ層３Ｆ内の不純物により損失を受けることになる。
【０１３９】
上記のように、１次モードでは、活性層３Ｂ内における光閉じ込め係数Γｑｗが高くなるため、低い閾値でのレーザ発振が可能となるという利点がある。
【０１４０】
また、１次モードの回折格子層４内の光閉じ込め係数Γｇは、基本０次モードに比べて高い。光閉じ込め係数Γｇは、面垂直方向への回折効果の大きさを表す結合係数κに比例し、回折格子層４が十分に機能することになる。なお、光閉じ込め係数Γｇ＝３９．３％という値は、非特許文献１の半導体レーザ素子の光閉じ込め係数Γg＝１８．１％と比較しても、十分に高い値となる。
【０１４１】
更に、ドープ層３Ｆには１×１０１７／ｃｍ３以上のＰ型の不純物が添加されている。なお、本例では、ドープ層３ＦのＰ型の不純物濃度は１×１０１８／ｃｍ３である。これにより、ドープ層３Ｆのフェルミ準位を価電子帯側へシフトすることができ、Ｎ型の下部クラッド層２側から注入された電子を効率的にブロックしつつ、抵抗なくホールを活性層３Ｂ内に注入することができるようになる。また、ドープ層３Ｆの光閉じ込め係数Γｄｏｐｅは、基本０次モードの６．７（％）に対して１次モードでは０．２（％）と非常に小さい値となる。この差により、基本０次モードで選択的に光の損失が大きくなるため、より安定に１次モードが単一モードで発振ができるようになる。なお、ドープ層３ＦのＰ型の不純物濃度は、ドーパントの拡散による光吸収の増大および結晶性という観点から、１×１０２０／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【０１４２】
また、回折格子層４においては、異屈折率部３Ｂを埋め込むための穴を事前にドライエッチングにより形成しているため、穴の底面には加工損傷が残留している。換言すれば、回折格子層４を構成する基本層４Ａの底部から数十ｎｍ程度の領域に、加工による損傷領域が形成されている。損傷領域では格子欠陥、不純物準位等が形成されるため、光吸収の原因となり得る。そこで、回折格子層４の底部付近（或いは穴の底面付近）において、電界強度を低下させれば、当該光吸収の影響を低減することが可能となる。
【０１４３】
０次モードでは、上記底部又は底面付近における電界強度を小さくすることが困難となる。これは、０次モードが基本的に単峰性であり、活性層３Ｂの光閉じ込め係数Γｑｗと回折格子層４の光閉じ込め係数Γｇを共に大きくするためには、その中間にある回折格子の底部では電界強度を小さくすることができないためである。
【０１４４】
一方、１次モードを利用する場合、図３４に示すように、１次モードにおける２つの強度ピーク間の谷の位置を、ドープ層３Ｆの近傍に設定することで、この上に位置する回折格子層４の底部においても、電界強度を小さくし、損傷領域における光吸収を低減することが可能となる。なお、図３４は、半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率ｎと電界強度Ｅとの関係を示すグラフであり、１次モードのデータは基本モードのデータよりも若干上方にシフトして示してある。
【０１４５】
なお、電界強度の谷（節）の位置においては、電界強度を０とすることもできる。このため、回折格子層底部の損傷領域に電界強度の節を配置することができ、損傷領域の影響を抑えることができる。また、０次モードに比べ、回折格子層４底部から活性層３Ｂ層を離して配置することが出来るため、活性層３Ｂへの直接的な加工損傷の影響を抑えることができる。
【０１４６】
かかる観点から、Ｘ軸に沿った位置関係を考える場合、回折格子層４の活性層３Ｂ側の端面（底面）は、上記１次モードにおける電界強度ピークの谷の位置から、±５０ｎｍの範囲内の位置に存在することが好ましく、ドープ層３Ｆの厚み方向の中心位置は、１次モードにおける電界強度ピークの谷の位置から、±５０ｎｍの範囲内の位置に存在することが好ましい。また、１次モードの２つの強度ピークを効率的に利用するためには、回折格子層４の活性層３Ｂ側の端面（底面）は、活性層３Ｂの中心位置から、発振波長λに対して、λ/（４×ｎｅｆｆ）ｎｍ程度離間していることが望ましいが、回折格子層４の影響を活性層３Ｂに及ぼすためには、これらの中心位置の距離はλ／(２×ｎｅｆｆ）ｎｍ程度であることが好ましい。
【０１４７】
また、１次モードでは０次モードに比べ、電界が広く分布するため、上部クラッド層５の光閉じ込め係数が大きくなり、λ＝１μｍ程度の波長領域では自由電子吸収の影響で内部損失を大きくする要因も存在する。実際に、上部クラッド層５全体の光閉じ込め係数は２５．０％となるため、吸収損失が大きくなり得る。しかしながら、１次モードは回折格子層４の近傍に光の大部分が閉じ込められ、回折格子層４の上部クラッド層５側の端面から２００ｎｍの領域に上部クラッド層全体のうち７５％の光が集中するため、その領域におけるＰ型の不純物濃度を１×１０１６〜３×１０１７ｃｍ−３の範囲内に低減することで内部損失の小さいレーザ構造が実現できる。
【０１４８】
図３５は、回折格子層の厚みＤと等価屈折率ｎｅｆｆとの関係を示すグラフである。図３０及び図３１に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、等価屈折率ｎｅｆｆが０次モードでは３．３８７０、１次モードでは３．２９１０となる。占有面積率ＦＦが１０％の場合、２０％の場合、３０％の場合のいずれにおいても、等価屈折率ｎｅｆｆは１次モードの方が０次モードの場合よりも小さく、回折格子層Ｄの厚みが増加するにしたがって、等価屈折率ｎｅｆｆは増加していることが分かる。
【０１４９】
図３６は、回折格子層の厚みＤと活性層３Ｂにおける光閉じ込め係数Γｑｗとの関係を示すグラフである。図３０及び図３３に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、活性層３Ｂにおける光閉じ込め係数Γｑｗは０次モードでは１．６２（％）、１次モードでは２．２８（％）である。１次モードにおける光閉じ込め係数Γｑｗが、０次モードの場合の光閉じ込め係数Γｑｗよりも大きくなる（条件Ａとする）のは、厚みＤが所定値以上の場合であり、少なくとも厚みＤが６００ｎｍまでは、この大小関係は維持される。条件Ａを満たす厚みＤの最小値（所定値）と最大値は、図３８に示す通りである。
【０１５０】
図３７は、回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｇとの関係を示すグラフである。図３０及び図３３に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、回折格子層４における光閉じ込め係数Γｇは０次モードでは３０．１（％）、１次モードでは３９．３（％）である。１次モードにおける光閉じ込め係数Γｇが、０次モードの場合の光閉じ込め係数Γｇよりも大きくなる（条件Ｂとする）のは、厚みＤが所定範囲内の場合である。条件Ｂを満たす厚みＤの所定範囲（最小値と最大値）は、図３８に示す通りである。
【０１５１】
図３８は、構造（１）において、条件Ａと条件Ｂを満たす回折格子層の厚みＤの最小値Ｍｉｎ（ｎｍ）と最大値Ｍａｘ（ｎｍ）を示す図表である。
【０１５２】
占有面積率ＦＦが１０％の場合には、条件Ａを満たすためには、厚みＤは１８０ｎｍ以上である必要があり、６００ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。条件Ｂを満たすためには、厚みＤは２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である必要がある。すなわち、双方の条件を満たすためには、厚みＤは２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である必要がある。
【０１５３】
占有面積率ＦＦが２０％の場合には、条件Ａを満たすためには、厚みＤは２００ｎｍ以上である必要があり、６００ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。条件Ｂを満たすためには、厚みＤは２００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下である必要がある。すなわち、双方の条件を満たすためには、厚みＤは２００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下である必要がある。
【０１５４】
占有面積率ＦＦが３０％の場合には、条件Ａを満たすためには、厚みＤは２７０ｎｍ以上である必要があり、６００ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。条件Ｂを満たすためには、厚みＤは２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下である必要がある。すなわち、双方の条件を満たすためには、厚みＤは２７０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である必要がある。
【０１５５】
占有面積率ＦＦが１０％〜３０％の場合、厚みＤが２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である場合には、双方の条件は常に満たされることになる。
【０１５６】
図３９は、回折格子層の厚みＤとドープ層の光閉じ込め係数Γｄｏｐｅとの関係を示すグラフである。図３０及び図３３に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、ドープ層３Ｆにおける光閉じ込め係数Γｄｏｐｅは０次モードでは６．７（％）、１次モードでは０．２（％）である。１次モードにおける光閉じ込め係数Γｄｏｐｅが、０次モードの場合の光閉じ込め係数Γｄｏｐｅよりも小さくなる（条件Ｃとする）のは、少なくとも厚みＤが１５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。
【０１５７】
図４０は、図２９（ｃ）に示したコア層Ａを有する別の構造の半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表である（構造（２）とする）。
【０１５８】
図４０に示した構造の図３０に示したものとの相違点は、アルミニウムの組成比Ｘと膜厚のみであり、その他の基本的構造は同一である。以下、詳説する。
【０１５９】
図４０を参照して、光伝搬に寄与するコア層Ａとクラッド層Ｂ，Ｃの構造を詳説すると、下部クラッド層２はＮ型のＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．７）からなり、ガイド層３ＡはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．２５）からなり、活性層３ＢはＩｎＧａＡｓ／ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．２５）の多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなり、キャリアブロック層３ＤはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．７）からなり、ガイド層３ＥはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．２５）からなり、ドープ層３ＦはＰ型のＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．７）からなり、回折格子層４は、基本層４ＡがＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．２５）からなり、異屈折率部４ＢがＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．６）からなり、上部クラッド層５はＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．６）からなる。ＭＱＷにおける井戸数は１又は２以上に設定することができる。
【０１６０】
厚みに関して、好適には、例えば、下部クラッド層２の厚みは２０００ｎｍ、ガイド層３Ａの厚みは５０ｎｍ、活性層３Ｂの厚みは４０ｎｍ、キャリアブロック層３Ｄの厚みは３０ｎｍ、ガイド層３Ｅの厚みは１００ｎｍ、ドープ層３Ｆの厚みは３０ｎｍ、回折格子層４の厚みは３００ｎｍ、上部クラッド層５の厚みは２０００ｎｍとすることができる。
【０１６１】
また、回折格子層４の回折格子形成領域ＲＰＣ（図４参照）内における異屈折率部４Ｂの占有面積率（フィリングファクタ：ＦＦ）は、２０％に設定することができる。１つの異屈折率部４Ｂの形状は本例でも円形とし、円の面積は、例えば格子定数３００ｎｍの正方格子では、１８０００ｎｍ２であることとし、基本層４Ａ内に埋め込まれたＸ軸方向の深さは３００ｎｍであることとする。すなわち、１ｃｍ２当たり０．２ｃｍ２の異屈折率部４Ｂが存在する。
【０１６２】
図４１は、図４０に示した構造を有する半導体レーザ素子において、基本モード（０次モード）と１次モードにおけるＴＥモードの等価屈折率ｎeffと、回折格子層４におけるフォトニックバンドギャップのバンド端波長（ｎｍ）の関係を示す図表である。発振波長λ＝８００ｎｍとする。回折格子層４の厚みＤ＝３００ｎｍ（０．３μｍ）であり、コア層Ａの厚みｄ＝５５０ｎｍであり、回折格子層４を除いた厚みは２５０ｎｍである。活性層３Ｂにおける量子井戸数は２とする。
【０１６３】
なお、コア層Ａの屈折率ｎ１＝３．４２、下部クラッド層Ｂの屈折率ｎ２＝３．１９、上部クラッド層Ｃの屈折率ｎ３＝３．２５とした。これらの屈折率は、ＭＳＥＯ法及び式（１）により波長９８０ｎｍにおける屈折率の値を求めた。この場合、伝搬モードに１次モードが生じるカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ（１）と、２次モードが生じるカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ（２）は、４２８（ｎｍ）と８００（ｎｍ）となる。すなわち、コア層Ａの厚みｄが、４２８（ｎｍ）以上８００（ｎｍ）未満であれば、１次モードが発生し、２次モードが発生しない条件が成立する。１次高次モードを取る領域範囲は、階段行列法による電磁界計算から４３０（ｎｍ）〜８００（ｎｍ）と計算される。
【０１６４】
上述のようにコア層Ａの全体の膜厚ｄ＝５５０ｎｍであるため、１次モードの発生条件は満たされ、ＴＥモードの電磁界モードは、基本０次モードと１次モードが形成される。
【０１６５】
図４１に示す等価屈折率ｎeffの差から、回折格子層４に格子定数２８１ｎｍの三角格子のフォトニック結晶を用いる場合、基本０次モードと1次モードのバンド端波長（８２１．５１ｎｍ、７９９．０４ｎｍ）差は、２０ｎｍ程度となる。したがって、構造（１）の場合と同様に（図３２参照）、利得スペクトルのピーク波長λｐと１次モードのバンド端波長λｐ１（７９９ｎｍ）とを一致させれば、１次モードのレーザ発振が支配的となり、０次モードのレーザ発振は抑制されることになる。上記の場合、バンド端波長差は約２０ｎｍであるため、利得スペクトルのピーク波長λｐ±５ｎｍの範囲内に、１次モードのバンド端波長λｐ１が存在すれば、１次モードが選択的且つ効率的に発生することになる。
【０１６６】
図４２は、各層における光閉じ込め係数を示す図表である。
【０１６７】
上記図４０の設定の場合、活性層（量子井戸層）３Ｂ内の光閉じ込め係数Γｑｗは、基本モード（０次モード）の場合では２．６７（％）、１次モードの場合には４．１５（％）であり、１次モードの場合に、活性層３Ｂ内により多くの光を閉じ込めることができる。また、回折格子戸層４内の光閉じ込め係数Γｇは、基本モード（０次モード）の場合では５０．１（％）、１次モードの場合には３３．８（％）であり、１次モードの場合に、回折格子層４内により多くの光を閉じ込めることができる。更に、ドープ層３Ｆ内の光閉じ込め係数Γｄｏｐｅは、基本モード（０次モード）の場合では６．３（％）、１次モードの場合には０．５（％）であり、１次モードの場合に、ドープ層３Ｆ内の光の影響はさらに抑制され、０次モードの光はドープ層３Ｆ内の不純物により損失を受けることになる。
【０１６８】
上記のように、１次モードでは、活性層３Ｂ内における光閉じ込め係数Γｑｗが高くなるため、低い閾値でのレーザ発振が可能となるという利点がある。
【０１６９】
また、構造（１）の場合と同様に、１次モードの回折格子層４内の光閉じ込め係数Γｇは、基本０次モードに比べてさほど低い値ではなく、回折格子層４が十分に機能することになる。
【０１７０】
更に、ドープ層３Ｆには１×１０１７／ｃｍ３以上のＰ型の不純物が添加されている。なお、本例では、ドープ層３ＦのＰ型の不純物濃度は１×１０１８／ｃｍ３である。構造（１）の場合と同様に、Ｎ型の下部クラッド層２側から注入された電子を効率的にブロックしつつ、抵抗なくホールを活性層３Ｂ内に注入することができ、また、基本０次モードで選択的に光の損失が大きくなるため、より安定に１次モードが単一モードで発振ができるようになる。なお、ドープ層３ＦのＰ型の不純物濃度は、ドーパントの拡散による光吸収の増大および結晶性という観点から、１×１０２０／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【０１７１】
また、構造（１）の場合と同様に、１次モードを利用する場合、図４３に示すように、１次モードにおける２つの強度ピーク間の谷の位置を、ドープ層３Ｆの近傍に設定することで、この上に位置する回折格子層４の底部においても、電界強度を小さくし、回折格子層４における穴形成時の損傷領域における光吸収を低減することが可能となる。なお、図４３は、半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率ｎと電界強度Ｅとの関係を示すグラフであり、１次モードのデータは基本モードのデータよりも若干上方にシフトして示してある。
【０１７２】
なお、電界強度の谷（節）の位置においては、電界強度を０とすることもできる。このため、回折格子層底部の損傷領域に電界強度の節を配置することができ、損傷領域の影響を抑えることができる。また、０次モードに比べ、回折格子層４底部から活性層３Ｂ層を離して配置することが出来るため、活性層３Ｂへの直接的な加工損傷の影響を抑えることができる。
【０１７３】
かかる観点から、Ｘ軸に沿った位置関係を考える場合、回折格子層４の活性層３Ｂ側の端面（底面）は、上記１次モードにおける電界強度ピークの谷の位置から、±５０ｎｍの範囲内の位置に存在することが好ましく、ドープ層３Ｆの厚み方向の中心位置は、１次モードにおける電界強度ピークの谷の位置から、±５０ｎｍの範囲内の位置に存在することが好ましい。また、１次モードの２つの強度ピークを効率的に利用するためには、回折格子層４の活性層３Ｂ側の端面（底面）は、活性層３Ｂの中心位置からλ/（４×ｎｅｆｆ）ｎｍ程度離間していることが望ましいが、回折格子層４の影響を活性層３Ｂに及ぼすためには、これらの中心位置の距離はλ／(２×ｎｅｆｆ）ｎｍ程度であることが好ましい。
【０１７４】
また、λ＝１μｍ程度波長領域では自由電子吸収の影響で内部損失を大きくする要因を低減するためには、回折格子層４の上部クラッド層５側の端面から２００ｎｍ以下の領域におけるＰ型の不純物濃度を１×１０１６／ｃｍ３〜３×１０１7／ｃｍ３の範囲内にして低減することで、内部損失の小さいレーザ構造が実現できる。
【０１７５】
図４４は、回折格子層の厚みＤと等価屈折率ｎｅｆｆとの関係を示すグラフである。図４０及び図４１に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、等価屈折率ｎｅｆｆが０次モードでは３．３７５８、１次モードでは３．２８３５となる。占有面積率ＦＦが１０％の場合、２０％の場合、３０％の場合のいずれにおいても、等価屈折率ｎｅｆｆは１次モードの方が０次モードの場合よりも小さく、回折格子層Ｄの厚みが増加するにしたがって、等価屈折率ｎｅｆｆは増加していることが分かる。
【０１７６】
図４５は、回折格子層の厚みＤと活性層３Ｂにおける光閉じ込め係数Γｑｗとの関係を示すグラフである。図４０及び図４２に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、活性層３Ｂにおける光閉じ込め係数Γｑｗは０次モードでは２．６７（％）、１次モードでは４．１５（％）である。１次モードにおける光閉じ込め係数Γｑｗが、０次モードの場合の光閉じ込め係数Γｑｗよりも大きくなる（条件Ａとする）のは、厚みＤが所定値以上の場合であり、少なくとも厚みＤが５５０ｎｍまでは、この大小関係は維持される。条件Ａを満たす厚みＤの最小値（所定値）と最大値は、図４７に示す通りである。
【０１７７】
図４６は、回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｇとの関係を示すグラフである。図４０及び図４２に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、回折格子層４における光閉じ込め係数Γｇは０次モードでは５０．１（％）、１次モードでは３３．８（％）である。１次モードにおける光閉じ込め係数Γｇが、０次モードの場合の光閉じ込め係数Γｇよりも大きくなる（条件Ｂとする）ことはない。
【０１７８】
図４７は、構造（２）において、条件Ａを満たす回折格子層の厚みＤの最小値Ｍｉｎ（ｎｍ）と最大値Ｍａｘ（ｎｍ）を示す図表である。
【０１７９】
占有面積率ＦＦが１０％の場合には、条件Ａを満たすためには、厚みＤは２００ｎｍ以上である必要があり、５５０ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。
【０１８０】
占有面積率ＦＦが２０％の場合には、条件Ａを満たすためには、厚みＤは２３０ｎｍ以上である必要があり、５５０ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。
【０１８１】
占有面積率ＦＦが３０％の場合には、条件Ａを満たすためには、厚みＤは２７０ｎｍ以上である必要があり、５５０ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。
【０１８２】
占有面積率ＦＦが１０％〜３０％の場合、厚みＤが２７０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下である場合には、条件Ａは常に満たされることになる。
【０１８３】
図４８は、回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｄｏｐｅとの関係を示すグラフである。図４０及び図４２に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、ドープ層３Ｆにおける光閉じ込め係数Γｄｏｐｅは０次モードでは６．３（％）、１次モードでは０．５（％）である。１次モードにおける光閉じ込め係数Γｄｏｐｅが、０次モードの場合の光閉じ込め係数Γｄｏｐｅよりも小さくなる（条件Ｃとする）のは、少なくとも厚みＤが１５０ｎｍ以上ＤＣ以下である。占有面積率ＦＦが１０％の場合には厚みＤｃは４８０ｎｍであり、占有面積率ＦＦが２０％の場合には厚みＤｃは５４０ｎｍであり、占有面積率ＦＦが３０％の場合には厚みＤｃは５４０ｎｍである。
【０１８４】
図４９は、図２９（ｃ）に示したコア層Ａを有する更に別の構造の半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表である（構造（３）とする）。
【０１８５】
図４９に示した構造の図３０に示したものとの相違点は、ドープ層３Ｆにおけるアルミニウムの組成比Ｘと、キャリアブロック層４Ｄの膜厚のみであり、その他の構造は同一である。以下、詳説する。すなわち、ドープ層３Ｆにおけるアルミニウムの組成比ＸをＸ＝０．１とし、キャリアブロック層３Ｄの厚みを４０ｎｍに変更したものである。その他の構造については、同一であるため説明を省略する。
【０１８６】
図５０は、図４９に示した構造を有する半導体レーザ素子において、基本モード（０次モード）と１次モードにおけるＴＥモードの等価屈折率ｎeffと、回折格子層４におけるフォトニックバンドギャップのバンド端波長（ｎｍ）の関係を示す図表である。発振波長λ＝９８０ｎｍとする。回折格子層４の厚みＤ＝３００ｎｍ（０．３μｍ）であり、コア層Ａの厚みｄ＝７３０ｎｍであり、回折格子層４を除いた厚みは４３０ｎｍである。活性層３Ｂにおける量子井戸数は２とする。
【０１８７】
なお、コア層Ａの屈折率ｎ１＝３．４４、下部クラッド層Ｂの屈折率ｎ２＝３．１０、上部クラッド層Ｃの屈折率ｎ３＝３．２６とした。これらの屈折率は、ＭＳＥＯ法及び式（１）により波長９８０ｎｍにおける屈折率の値を求めた。この場合、伝搬モードに１次モードが生じるカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ（１）と、２次モードが生じるカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ（２）は、５４１（ｎｍ）と９９２（ｎｍ）となる。すなわち、コア層Ａの厚みｄが、５４１（ｎｍ）以上９９２（ｎｍ）未満であれば、１次モードが発生し、２次モードが発生しない条件が成立する。１次高次モードを取る領域範囲は、階段行列法による電磁界計算から５７０〜１０４０ｎｍと計算され、大きなずれはない。
【０１８８】
上述のようにコア層Ａの全体の膜厚ｄ＝７３０ｎｍであるため、１次モードの発生条件は満たされ、ＴＥモードの電磁界モードは、基本０次モードと１次モードが形成される。
【０１８９】
図５０に示す等価屈折率ｎeffの差から、回折格子層４に格子定数３４４ｎｍの三角格子のフォトニック結晶を用いる場合、基本０次モードと1次モードのバンド端波長（１０１３．３４ｎｍ、９８０．７０ｎｍ）差は、３０ｎｍ程度となる。したがって、構造（１）の場合と同様に（図３２参照）、利得スペクトルのピーク波長λｐと１次モードのバンド端波長λｐ１（９８０ｎｍ）とを一致させれば、１次モードのレーザ発振が支配的となり、０次モードのレーザ発振は抑制されることになる。上記の場合、バンド端波長差は約３０ｎｍであるため、利得スペクトルのピーク波長λｐ±５ｎｍの範囲内に、１次モードのバンド端波長λｐ１が存在すれば、１次モードが選択的且つ効率的に発生することになる。
【０１９０】
図５１は、各層における光閉じ込め係数を示す図表である。
【０１９１】
上記図４９の設定の場合、活性層（量子井戸層）３Ｂ内の光閉じ込め係数Γｑｗは、基本モード（０次モード）の場合では１．２（％）、１次モードの場合には２．３９（％）であり、１次モードの場合に、活性層３Ｂ内により多くの光を閉じ込めることができる。また、回折格子戸層４内の光閉じ込め係数Γｇは、基本モード（０次モード）の場合では３２．０（％）、１次モードの場合には３７．７（％）であり、１次モードの場合に、回折格子層４内により多くの光を閉じ込めることができる。更に、ドープ層３Ｆ内の光閉じ込め係数Γｄｏｐｅは、基本モード（０次モード）の場合では８．２（％）、１次モードの場合には０．２（％）であり、１次モードの場合に、ドープ層３Ｆ内の光の影響はさらに抑制され、０次モードの光はドープ層３Ｆ内の不純物により損失を受けることになる。
【０１９２】
上記のように、１次モードでは、活性層３Ｂ内における光閉じ込め係数Γｑｗが高くなるため、低い閾値でのレーザ発振が可能となるという利点がある。
【０１９３】
また、構造（１）の場合と同様に、１次モードの回折格子層４内の光閉じ込め係数Γｇは、基本０次モードに比べて高く、回折格子層４が十分に機能することになる。
【０１９４】
更に、ドープ層３Ｆには１×１０１７／ｃｍ３以上のＰ型の不純物が添加されている（本例では１×１０１８／ｃｍ３）。構造（１）の場合と同様に、Ｎ型の下部クラッド層２側から注入された電子を効率的にブロックしつつ、抵抗なくホールを活性層３Ｂ内に注入することができ、また、基本０次モードで選択的に光の損失が大きくなるため、より安定に１次モードが単一モードで発振ができるようになる。なお、ドープ層３ＦのＰ型の不純物濃度は、ドーパントの拡散による光吸収の増大および結晶性という観点から、１×１０２０／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【０１９５】
また、構造（１）の場合と同様に、１次モードを利用する場合、図５２に示すように、１次モードにおける２つの強度ピーク間の谷の位置を、ドープ層３Ｆの近傍に設定することで、この上に位置する回折格子層４の底部においても、電界強度を小さくし、回折格子層４における穴形成時の損傷領域における光吸収を低減することが可能となる。なお、図５２は、半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率ｎと電界強度Ｅとの関係を示すグラフであり、１次モードのデータは基本モードのデータよりも若干上方にシフトして示してある。
【０１９６】
なお、電界強度の谷（節）の位置においては、電界強度を０とすることもできる。このため、回折格子層底部の損傷領域に電界強度の節を配置することができ、損傷領域の影響を抑えることができる。また、０次モードに比べ、回折格子層４底部から活性層３Ｂ層を離して配置することが出来るため、活性層３Ｂへの直接的な加工損傷の影響を抑えることができる。
【０１９７】
かかる観点から、Ｘ軸に沿った位置関係を考える場合、回折格子層４の活性層３Ｂ側の端面（底面）は、上記１次モードにおける電界強度ピークの谷の位置から、±５０ｎｍの範囲内の位置に存在することが好ましく、ドープ層３Ｆの厚み方向の中心位置は、１次モードにおける電界強度ピークの谷の位置から、±５０ｎｍの範囲内の位置に存在することが好ましい。また、１次モードの２つの強度ピークを効率的に利用するためには、回折格子層４の活性層３Ｂ側の端面（底面）は、活性層３Ｂの中心位置からλ/（４×ｎｅｆｆ）ｎｍ程度離間していることが望ましいが、回折格子層４の影響を活性層３Ｂに及ぼすためには、これらの中心位置の距離はλ／(２×ｎｅｆｆ）ｎｍ程度であることが好ましい。
【０１９８】
また、λ＝１μｍ程度波長領域では自由電子吸収の影響で内部損失を大きくする要因を低減するためには、回折格子層４の上部クラッド層５側の端面から２００ｎｍ以下の領域におけるＰ型の不純物濃度を１×１０１６／ｃｍ３〜３×１０１7／ｃｍ３の範囲内にして低減することで、内部損失の小さいレーザ構造が実現できる。
【０１９９】
図５３は、回折格子層の厚みＤと等価屈折率ｎｅｆｆとの関係を示すグラフである。図４９及び図５０に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、等価屈折率ｎｅｆｆが０次モードでは３．４０１５、１次モードでは３．２９１９となる。占有面積率ＦＦが１０％の場合、２０％の場合、３０％の場合のいずれにおいても、等価屈折率ｎｅｆｆは１次モードの方が０次モードの場合よりも小さく、回折格子層Ｄの厚みが増加するにしたがって、等価屈折率ｎｅｆｆは増加していることが分かる。
【０２００】
図５４は、回折格子層の厚みＤと活性層３Ｂにおける光閉じ込め係数Γｑｗとの関係を示すグラフである。図４９及び図５１に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、活性層３Ｂにおける光閉じ込め係数Γｑｗは０次モードでは１．２０（％）、１次モードでは２．３９（％）である。１次モードにおける光閉じ込め係数Γｑｗが、０次モードの場合の光閉じ込め係数Γｑｗよりも大きくなる（条件Ａとする）のは、厚みＤが所定値以上の場合であり、占有面積率ＦＦが３０％以下の場合、少なくとも厚みＤが６００ｎｍまでは、この大小関係は維持される。条件Ａを満たす厚みＤの最小値（所定値）と最大値は、図５６に示す通りである。
【０２０１】
図５５は、回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｇとの関係を示すグラフである。図４９及び図５１に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、回折格子層４における光閉じ込め係数Γｇは０次モードでは３２．０（％）、１次モードでは３７．７（％）である。１次モードにおける光閉じ込め係数Γｇが、０次モードの場合の光閉じ込め係数Γｇよりも大きくなる（条件Ｂとする）のは、回折格子層の厚みＤが２００ｎｍ以上の場合であり、図５６に示す通りである。
【０２０２】
図５６は、構造（３）において、条件Ａ及び条件Ｂを満たす回折格子層の厚みＤの最小値Ｍｉｎ（ｎｍ）と最大値Ｍａｘ（ｎｍ）を示す図表である。
【０２０３】
占有面積率ＦＦが１０％の場合には、条件Ａを満たすためには、厚みＤは１５０ｎｍ以上である必要があり、６００ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。条件Ｂを満たすためには、厚みＤは２００ｎｍ以上である必要があり、３００ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。双方の条件は、厚みが２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の場合に満たされる。
【０２０４】
占有面積率ＦＦが２０％の場合には、条件Ａを満たすためには、厚みＤは１５０ｎｍ以上である必要があり、６００ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。条件Ｂを満たすためには、厚みＤは２００ｎｍ以上である必要があり、６００ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。双方の条件は、厚みが２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の場合に満たされる。
【０２０５】
占有面積率ＦＦが３０％の場合には、条件Ａを満たすためには、厚みＤは１８０ｎｍ以上である必要があり、６００ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。条件Ｂを満たすためには、厚みＤは２００ｎｍ以上である必要があり、６００ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。双方の条件は、厚みが２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の場合に満たされる。
【０２０６】
占有面積率ＦＦが４０％の場合には、条件Ａを満たすためには、厚みＤは２１０ｎｍ以上である必要があり、４５０ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。条件Ｂを満たすためには、厚みＤは２１０ｎｍ以上である必要があり、６００ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。双方の条件は、厚みが２１０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の場合に満たされる。
【０２０７】
占有面積率ＦＦが１０％〜４０％の場合、厚みＤが２１０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下である場合には、条件Ａ及び条件Ｂは常に満たされることになる。
【０２０８】
図５７は、回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｄｏｐｅとの関係を示すグラフである。図４９及び図５１に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、ドープ層３Ｆにおける光閉じ込め係数Γｄｏｐｅは０次モードでは８．２（％）、１次モードでは０．２（％）である。１次モードにおける光閉じ込め係数Γｄｏｐｅが、０次モードの場合の光閉じ込め係数Γｄｏｐｅよりも小さくなる（条件Ｃとする）のは、少なくとも厚みＤが１５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である
【０２０９】
図５８は、上述の構造（１）、（２）、（３）において、２次モードが生じず１次モードが生じるコア層Ａの厚みｄの最小値Ｍｉｎ（ｎｍ）と最大値Ｍａｘ（ｎｍ）を示す図表である。構造（１）においては、５７３（ｎｍ）以上１０４７（ｎｍ）未満において、１次モードが生じ、構造（２）においては、４２８（ｎｍ）以上８００（ｎｍ）未満において、１次モードが生じ、構造（３）においては、５４１（ｎｍ）以上９９２（ｎｍ）未満において、１次モードが生じる。
【０２１０】
このような関係を半導体レーザ素子における発振波長λとの関係で考えると、コア層Ａの厚みｄは、構造（１）においては、０．５８５×λ≦ｄ＜１．０６８×λの関係を満たし、構造（２）においては、０．５３５×λ≦ｄ＜１×λの関係を満たし、構造（３）においては、０．５５２×λ≦ｄ＜１．０１２×λの関係を満たしている。すなわち、いずれの構造においても、０．５８５×λ≦ｄ＜１×λの関係を満たしており、この場合には、コア層Ａ内において１次モードを選択的に発生させることが可能となる。
【０２１１】
なお、上述の構造（１）〜（３）において、占有面積率ＦＦを大きく増加させると、０次モードのΓｑｗの方が、高次１次モードのΓｑｗよりも、大きくなるという逆転現象が生じる。また、占有面積率ＦＦを更に増加させ、８０％以上となる場合には、１次高次モードがコア層内に閉じ込められなくなる。これは、回折格子層の屈折率が低くなるため、光閉じ込め効果が弱くなるためである。したがって、いずれの構造（１）〜（３）においても、占有面積率ＦＦ＜８０％とすることが望ましい。
【０２１２】
構造（１）においては、占有面積率ＦＦが４０％以上で、上記逆転現象が生じる。したがって、占有面積率ＦＦ＜４０％とすることが望ましい。
【０２１３】
構造（２）においても、占有面積率ＦＦが４０％以上で、上記逆転現象が生じる。したがって、占有面積率ＦＦ＜４０％とすることが望ましい。
【０２１４】
構造（３）においては、占有面積率ＦＦが５０％以上で、上記逆転現象が生じる。したがって、占有面積率ＦＦ＜５０％とすることが望ましい。
【０２１５】
なお、回折格子層における異屈折率部の形状は、円形や矩形など任意の形状を選択することも出来る。また、上述の原理は、２次元ＤＦＢ（分布帰還型）の面発光素子に限定されず、同様の構造を有する端面発光素子にも適用が可能となる。また、回折格子層４を１次元構造とすれば、１次元ＤＦＢ構造に適用することができ、回折格子層４のパターンと上部電極構造を図２１のように長くすることで、通常の端面出射型の１次元ＤＦＢレーザ素子に適用することも可能となる。もちろん、上部電極の形状は任意のアスペクト比を取り、上部電極は端面に接さなくても良い。なお、端面出射型構造では各種の端面処理を行うことができる。
【０２１６】
以上、説明したように、叙述の半導体レーザ素子においては、以下のような利点があることが判明した。
【０２１７】
（１）モード選択性
基本０次モードと１次モードの等価屈折率差が大きいため、それぞれのモードの形成するバンド端波長の差を２０ｎｍ以上大きくすることができる。このため、利得スペクトルのピーク波長を１次モードのバンド端波長に合わせこむことで、１次モードのみ発振させることができる。他方、２次以上のモードでは、１次モードとの等価屈折率差が小さくなり、利得スペクトルのピーク波長の相対位置を利用してモードを選択することが困難となる。
（２）低閾値、高効率、モード安定化
１次モードでは一般的に電界強度が空間的に２つの位置にピークを有するが、そのピーク位置に回折格子層と活性層を配置することで、回折格子層および活性層の光閉じ込め係数を大きくすることができ、結果的に、低閾値、高効率かつモード安定したフォトニック結晶面発光レーザ素子（ＰＣＳＥＬ）を実現することができる。
（３）キャリアブロック層への高濃度ドーピング
キャリア閉じ込めおよび電気伝導の観点からは、ガイド層内部のキャリアブロック層へ高濃度のドーピングを行うことが望ましい。しかしながら、０次モードではキャリアブロック層の光閉じ込め係数を小さくすることが困難なため、光吸収が大きくなってしまう。一方、１次モードでは、キャリアブロック層に電界強度の節が位置するよう設計でき、低損失かつ優れたキャリア閉じ込めの高出力化に適した構造を実現できる。
（４）加工損傷の影響を抑制
回折格子層をドライエッチングにより加工する場合、回折格子の底部から数十ｎｍ程度の領域に加工による損傷領域が形成される。損傷領域では格子欠陥、不純物準位等が形成されるため、光吸収の原因となり得る。回折格子層の底部付近は、０次モードでは電界強度を小さくすることが困難となるが、１次モードでは電界強度の節を位置させることが出来、損傷領域の光吸収の影響を抑えることができる。また、１次モードでは基本０次モードに比べ、電界分布が広がるため、活性層を損傷領域から離して配置することが出来、活性層への直接的な加工損傷の影響を抑えることができる。
（５）ビームパターン
通常の１次元端面出射型ＤＦＢレーザで本構造を適用する場合、１次モードでは空間的に電界強度ピークが２つとなるため、端面出射の場合、出射ビームのＸ軸方向の遠視野像（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ：ＦＦＰ）は２ピークとなるが、このようなビームであっても、加工用途など高出力レーザ用の固体励起用光源などの用途では、低閾値、高効率かつ電気特性に優れた本構造の利点が活かすことができる。また、２次の回折を利用した面垂直方向出射のレーザ素子では、原理的には均一なビームを得ることができる。
【０２１８】
以上の観点から、１つの偏波モードにおける電界の固有モードが基本０次モードと１次の高次モードの２つであり、１次モードの電界強度の節Ａが回折格子層と量子井戸層の間にあるＰＣＳＥＬ構造では、従来の構造に対し、低閾値、高効率かつモード安定したＰＣＳＥＬ構造を実現することができる。また、各半導体層の組成や膜厚のみを変更するだけで、低閾値、高効率かつモード安定したＰＣＳＥＬ構造を容易に作製することができる。
【０２１９】
以上、説明したように、上述の半導体レーザ素子１０は、半導体レーザ素子において、半導体からなる下部クラッド層Ｂと、半導体からなる上部クラッド層Ｃと、下部クラッド層Ｂと上部クラッド層Ｃとにより挟まれ、積層された複数の半導体層からなり、下部クラッド層Ｂ及び上部クラッド層Ｃのいずれよりも平均屈折率が高いコア層Ａと、を備え、コア層Ａは、量子井戸層からなる活性層３Ｂと、回折格子層４と、を含み、動作時におけるコア層Ａ内の厚み方向の電界強度分布Ｅｙが、少なくとも２つのピークを有しており、ピーク間の谷の位置は、活性層３Ｂと回折格子層４との間の領域内に設定されている。
【０２２０】
この場合、電界強度分布はコア層Ａ内にあるものの、その谷の位置は、活性層３Ｂ及び回折格子層４のいずれの位置でもないため、レーザ光発生利得の低下を抑制しつつ、これら２つの層におけるレーザ光生成作用を十分に機能させることができ、高効率にレーザ光を発生させることができる。
【０２２１】
また、前記ピークの位置が、それぞれ活性層３Ｂ内及び回折格子層４内に設定される場合には、これらの位置における電界強度を大きくすることができ、高強度のレーザ光を発生することが可能となる。
【０２２２】
また、コア層Ａ内において、前記２つのピークを与えるＴＥ偏波の１次モードにおける活性層３Ｂ内の光閉じ込め係数Γｑｗ（１）と、０次モードにおける活性層３Ｂ内の光閉じ込め係数Γｑｗ（０）とは、関係式Γｑｗ（１）＞Γｑｗ（０）を満たす。電界強度の２つのピーク位置を、上記の如くそれぞれ活性層３Ｂ内及び回折格子層４内に設定することで、光閉じ込め係数を大きくすることができる。この場合、これらの位置における電界強度を大きくすることができ、高強度のレーザ光を発生することが可能となり、０次モードを主として用いた場合よりも、高強度のレーザ光を得ることが可能となる。なお、ΓはＸ軸方向に沿って、電界Ｅ（ｘ）を−無限大から＋無限大まで積分したものを分母とし、電界Ｅ（ｘ）を特定の区間ｘ１〜ｘ２で積分したものを分子とした値である（図５９の式（７）参照）。
【０２２３】
また、コア層Ａは、活性層３Ｂと上部クラッド層Ｃとの間に、上部クラッド層Ｃと同一導電型の不純物が添加され、その不純物濃度が１×１０１７／ｃｍ３以上のドープ層３Ｆを更に備え、ドープ層の一部又は全部は、上記２つのピーク間の谷の位置の近傍に設定される。なお、「近傍」とは、谷の位置から±５０ｎｍ以内の領域を意味するものとする。ドープ層３Ｆを備えることにより、そのフェルミ準位が変化して障壁を構成し、下部クラッド層から流入するキャリアが上部クラッド層方向へ流れるのを抑制することができ、活性層３Ｂ内のキャリア濃度を高めることができる。
【０２２４】
また、不純物濃度が高い場合には、光やキャリアの有するエネルギーが吸収され損失が生じる。１次モードの場合の２つのピークの谷の位置は、０次モードのピーク位置に相当する。したがって、ドープ層３Ｆを備えることで、０次モードにおけるピーク位置において、光損失を生ぜしめ、０次モードの発生を抑制して１次モードによる発光を安定させ、１次モードを更に有効に利用することができる。
【０２２５】
また、回折格子層４は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、ＩＩＩ族元素は、Ｇａ、Ａｌ及びＩｎからなる群から選択され、Ｖ族元素は、Ａｓ、Ｐ、Ｎ及びＳｂからなる群から選択され、これらの元素からなる化合物半導体は、直接遷移型の半導体とすることができるため、キャリア再結合により、容易に発光させることができる。
【０２２６】
面垂直方向への出射の場合、非特許文献２に示されるように、回折格子の深さは深さ方向の消失性干渉の影響により、垂直方向の放射係数が小さくなる深さが存在する。本願でも、垂直方向の放射係数が小さくならないように、回折格子層厚を選ぶことが望ましい。なお、端面方向の出射では、上記効果は影響しない。
【０２２７】
また、回折格子層４の１つの異屈折率部４Ｂの形状は、エピ層厚に沿うＸ軸方向に対し、均一な形状でなくてもよく、またＸ軸方向に対し、傾斜していても良い。
【符号の説明】
【０２２８】
Ａ…コア層、Ｂ，Ｃ…クラッド層、３Ｂ…活性層、３Ｆ…ドープ層、４…回折格子層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折格子層を備えた半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、回折格子を備える分布帰還型半導体レーザ素子（ＤＦＢ−ＬＤ）を開示している。かかる文献には、ＤＦＢ−ＬＤにおける導波路の幅方向に沿った横モードを制御することで、レーザビームの飽和出力を増大させることができる旨が開示されている。
【０００３】
非特許文献１には、二次元回折格子を用いた面発光型の半導体レーザ素子が記載されている。二次元回折格子はフォトニック結晶（ＰｈｏｔｏｎｉｃＣｒｙｓｔａｌ：ＰＣと称する）と呼ばれ、光の波長程度の間隔で周期的な凹凸を有する構造であり、光の局在化、伝搬方向・速度の制御など多彩な応用が可能となる。
【０００４】
二次元回折格子を有するフォトニック結晶面発光レーザ素子（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ ＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ：ＰＣＳＥＬと称する）は、ＰＣを応用したレーザ光源であり、面内に形成したＰＣにより生じる定在波を、回折効果により面垂直方向に取りだすデバイスである。ＰＣＳＥＬでは、原理的には単一モードを維持したままＰＣを大面積化することができ、高いビーム品質を維持したまま高出力化を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３２４９４８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】K.Sakai et al,”Lasing Band-Edge Identfication for a Surface-Emitting PhotonicCrystal Laser”IEEE Journal On Selected Area InCommunications, Vol. 23, No. 7, (2005) pp.1335
【非特許文献２】S.Iwahashi et al, " Air-holedesign in vertical direction for high-power two-dimensional photonic-crystalsurface-emiting lasers" J.Opt., Soc. Am. B/Vol.27,No.6/(2010) pp.1204
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、レーザビームの強度や安定性の観点から、更に高効率なレーザビームを出力可能な半導体レーザ素子が期待されている。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、高効率なレーザビームを出力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】
【０００８】
上述の課題を解決するため、本発明に係る半導体レーザ素子は、半導体レーザ素子において、半導体からなる下部クラッド層と、半導体からなる上部クラッド層と、前記下部クラッド層と前記上部クラッド層とにより挟まれ、積層された複数の半導体層からなり、前記下部クラッド層及び上部クラッド層のいずれよりも平均屈折率が高いコア層と、を備え、前記コア層は、量子井戸層からなる活性層と、回折格子層と、を含み、動作時における前記コア層内の厚み方向の電界強度分布が、少なくとも２つのピークを有しており、前記ピーク間の谷の位置は、前記活性層と前記回折格子層との間の領域内に設定されていることを特徴とする。
【０００９】
この場合、電界強度分布はコア層内にあるものの、その谷の位置は、活性層及び回折格子層のいずれの位置でもないため、レーザ光発生利得の低下を抑制しつつ、これら２つの層におけるレーザ光生成作用を十分に機能させることができ、高効率にレーザ光を発生させることができる。
また、前記ピークの位置が、それぞれ前記活性層内及び前記回折格子層内に設定される場合には、これらの位置における電界強度を大きくすることができ、高強度のレーザ光を発生することが可能となる。
【００１０】
また、前記コア層内において、前記２つのピークを与えるＴＥ偏波の１次モードにおける前記活性層内の光閉じ込め係数Γｑｗ（１）と、０次モードにおける前記活性層内の光閉じ込め係数Γｑｗ（０）とは、関係式Γｑｗ（１）＞Γｑｗ（０）を満たすことが好ましい。光閉じ込め係数Γは、光の全強度（Ｓ）のうち、対象となる層における強度（Ｓ’）の割合（Γ＝Ｓ’／Ｓ）である。すなわち、電界強度の２つのピーク位置を、上記の如くそれぞれ活性層内及び回折格子層内に設定することで、光閉じ込め係数を大きくすることができる。この場合、これらの位置における電界強度を大きくすることができ、高強度のレーザ光を発生することが可能となり、０次モードを主として用いた場合よりも、高強度のレーザ光を得ることが可能となる。
【００１１】
また、前記コア層は、前記活性層と前記上部クラッド層との間に、前記上部クラッド層と同一導電型の不純物が添加され、その不純物濃度が１×１０１７／ｃｍ３以上のドープ層を更に備え、前記ドープ層の一部又は全部は、前記２つのピーク間の谷の位置の近傍に設定されることが好ましい。なお、「近傍」とは、谷の位置から±５０ｎｍ以内の領域を意味するものとする。ドープ層を備えることにより、そのフェルミ準位が変化して障壁を構成し、下部クラッド層から流入するキャリアが上部クラッド層方向へ流れるのを抑制することができ、活性層内のキャリア濃度を高めることができる。
【００１２】
また、不純物濃度が高い場合には、光やキャリアの有するエネルギーが吸収され損失が生じる。１次モードの場合の２つのピークの谷の位置は、０次モードのピーク位置に相当する。したがって、ドープ層を備えることで、０次モードにおけるピーク位置において、光損失を生ぜしめ、０次モードの発生を抑制して１次モードによる発光を安定させ、１次モードを更に有効に利用することができる。
【００１３】
また、前記回折格子層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、ＩＩＩ族元素は、Ｇａ、Ａｌ及びＩｎからなる群から選択され、Ｖ族元素は、Ａｓ、Ｐ、Ｎ及びＳｂからなる群から選択されることを特徴とする。すなわち、これらの元素からなる化合物半導体は、直接遷移型の半導体とすることができるため、キャリア再結合により、容易に発光させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の半導体レーザ素子によれば、高効率なレーザビームを出力することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図３に示す半導体レーザ素子をＩ−Ｉ矢印に沿って切った半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図である。
【図２】半導体レーザ素子の各層の構造と材料を示す図表である。
【図３】半導体レーザ素子の平面図である。
【図４】回折格子層における水平断面を示す図である。
【図５】半導体レーザ素子の斜視図である。
【図６】他の回折格子層における水平断面を示す図である。
【図７】半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【図８】半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【図９】半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【図１０】図１１に示す半導体レーザ素子をＸ−Ｘ矢印に沿って切った半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図である。
【図１１】半導体レーザ素子の平面図である。
【図１２】回折格子層における水平断面を示す図である。
【図１３】半導体レーザ素子の斜視図である。
【図１４】他の回折格子層における水平断面を示す図である。
【図１５】半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【図１６】半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【図１７】半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【図１８】端面発光型の半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図である。
【図１９】半導体レーザ素子の各層の構造と材料を示す図表である。
【図２０】半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表である。
【図２１】半導体レーザ素子の斜視図である。
【図２２】半導体レーザ素子の厚み方向に沿った電界強度分布を示す図である。
【図２３】端面発光型の半導体レーザ素子主要部の厚み方向に沿った構造（図２３（ａ））、エネルギーバンドギャップ（図２３（ｂ））、及び電界強度分布（図２３（ｃ）：０次モード、図２３（ｄ）：１次モード）を示す図である。
【図２４】コア層内の積層構造について説明するための図である。
【図２５】規格化周波数Ｖ（Ｖパラメータ）と規格化伝搬定数bとの関係を示すグラフである。
【図２６】モード次数に対する規格化周波数Ｖと、コア層のカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ（ｎｍ）の関係を示す図表である。
【図２７】半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率ｎと電界強度Ｅとの関係を示すグラフである。
【図２８】回折格子層を有する半導体レーザ素子主要部の厚み方向に沿った構造（図２８（ａ））、エネルギーバンドギャップ（図２８（ｂ））、及び電界強度分布（図２８（ｃ）：０次モード、図２８（ｄ）：１次モード）を示す図である。
【図２９】コア層内の積層構造を示す図である。
【図３０】半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表である。
【図３１】基本モード（０次モード）と１次モードにおける等価屈折率とバンド端波長（ｎｍ）の関係を示す図表である。
【図３２】共振が生じる波長及び発光波長と強度の関係を示すグラフである。
【図３３】各層における光閉じ込め係数を示す図表である。
【図３４】半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率ｎと電界強度Ｅとの関係を示すグラフである。
【図３５】回折格子層の厚みＤと等価屈折率ｎｅｆｆとの関係を示すグラフである。
【図３６】回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｑｗとの関係を示すグラフである。
【図３７】回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｇとの関係を示すグラフである。
【図３８】各種条件を満たす回折格子層の厚みＤの最小値Ｍｉｎ（ｎｍ）と最大値Ｍａｘ（ｎｍ）を示す図表である。
【図３９】回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｄｏｐｅとの関係を示すグラフである。
【図４０】半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表である。
【図４１】基本モード（０次モード）と１次モードにおける等価屈折率とバンド端波長（ｎｍ）の関係を示す図表である。
【図４２】各層における光閉じ込め係数を示す図表である。
【図４３】半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率ｎと電界強度Ｅとの関係を示すグラフである。
【図４４】回折格子層の厚みＤと等価屈折率ｎｅｆｆとの関係を示すグラフである。
【図４５】回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｑｗとの関係を示すグラフである。
【図４６】回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｇとの関係を示すグラフである。
【図４７】各種条件を満たす回折格子層の厚みＤの最小値Ｍｉｎ（ｎｍ）と最大値Ｍａｘ（ｎｍ）を示す図表である。
【図４８】回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｄｏｐｅとの関係を示すグラフである。
【図４９】半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表である。
【図５０】基本モード（０次モード）と１次モードにおける等価屈折率とバンド端波長（ｎｍ）の関係を示す図表である。
【図５１】各層における光閉じ込め係数を示す図表である。
【図５２】半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率ｎと電界強度Ｅとの関係を示すグラフである。
【図５３】回折格子層の厚みＤと等価屈折率ｎｅｆｆとの関係を示すグラフである。
【図５４】回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｑｗとの関係を示すグラフである。
【図５５】回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｇとの関係を示すグラフである。
【図５６】各種条件を満たす回折格子層の厚みＤの最小値Ｍｉｎ（ｎｍ）と最大値Ｍａｘ（ｎｍ）を示す図表である。
【図５７】回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｄｏｐｅとの関係を示すグラフである。
【図５８】２次モードが生じず１次モードが生じるコア層の厚みｄの最小値Ｍｉｎ（ｎｍ）と最大値Ｍａｘ（ｎｍ）を示す図表である。
【図５９】数式を示す図表である。
【図６０】格子定数ａ、屈折率ｎ、発光波長λ、原子半径の大きな元素の組成比（１−Ｘ）、原子半径の小さな元素の組成比Ｘ、エネルギーバンドギャップＥｇの相関関係を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、実施の形態に係る半導体レーザ素子について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１７】
図１は、図３に示す半導体レーザ素子をＩ−Ｉ矢印に沿って切った半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図、図２は、半導体レーザ素子の各層の構造と材料を示す図表、図３は、半導体レーザ素子の平面図である。
【００１８】
図１に示す半導体レーザ素子は、フォトニック結晶面発光レーザ素子（ＰＣＳＥＬ）１０であり、化合物半導体からなる半導体基板１上には、それぞれが化合物半導体からなる下部クラッド層２、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄ、回折格子層４、バッファ層４’、上部クラッド層５、及びコンタクト層６が順次積層されている。下部電極Ｅ１は、半導体基板１の裏面上に接触して設けられており、上部電極Ｅ２は、コンタクト層６上に接触して設けられている。
【００１９】
上記化合物半導体層は、直接遷移型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることが好ましい。このようなＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体では、ＩＩＩ族元素は、Ｇａ、Ａｌ及びＩｎからなる群から選択され、Ｖ族元素は、Ａｓ、Ｐ、Ｎ及びＳｂからなる群から選択されうる。これらの元素からなる化合物半導体は、直接遷移型の半導体とすることができるため、半導体内部におけるキャリア再結合により、容易に発光させることができる。
【００２０】
半導体内部には、下部電極Ｅ１と上部電極Ｅ２との間にバイアスを印加することで、電子及び正孔からなるキャリアを注入することができる。注入されたこれらのキャリアは、活性層３Ｂ内において再結合することができる。
【００２１】
活性層３Ｂは、量子井戸層からなる。量子井戸層には、井戸層を１つ有する単一量子井戸構造（ＳＱＷ）と、２以上有する多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とがある。量子井戸構造は、異なるエネルギーバンドギャップを有する２種以上の材料を用い、バンドギャップの小さい材料の薄膜（井戸層）を、大きい材料の薄膜（バリア層）で挟んだものである。
【００２２】
なお、井戸層及びバリア層の厚みは、それぞれｎｍオーダーである。これにより、キャリアとしての電子又は正孔が、エネルギーバンドギャップの小さい材料の層（井戸）内に閉じ込められる。井戸層内に閉じ込められたキャリアは、井戸層に垂直な方向の自由度が減少して二次元性が現れ、安定した発光が可能となる。なお、井戸層の数を増加させると、光閉じ込め係数は高くなる傾向にあるため、かかる観点からは、ＳＱＷよりもＭＱＷの方が好ましい。
【００２３】
図２を参照すると、この半導体レーザ素子１０の基本構造は、半導体基板上に、下部クラッド層Ｂ、コア層Ａ、上部クラッド層Ｃ、コンタクト層を積層したものである。半導体基板１はＮ型のＧａＡｓからなり、下部クラッド層Ｂ（下部クラッド層２）はＮ型のＡｌＧａＡｓからなり、上部クラッド層Ｃ（上部クラッド層５）はＰ型のＡｌＧａＡｓからなる。クラッド層Ｂ，Ｃ間に位置するコア層Ａは、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄ、回折格子層４、バッファ層４’からなる。
【００２４】
活性層３Ｂの材料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。本例では、複数のＩｎＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層を積層した構造からなる。井戸層としては、エネルギーバンドギャップの狭いＩｎＧａＡｓ層を用い、バリア層としてはエネルギーバンドギャップの広いＡｌＧａＡｓを用いる。
【００２５】
活性層３Ｂを挟むガイド層３Ａとスペーサ層３Ｃは、共にＡｌＧａＡｓからなる。ガイド層３Ａは、活性層３Ｂ内から溢れるキャリアを抑制し、また、活性層３Ｂ内に光を閉じ込める機能を有し、活性層３Ｂのバリア層と同一か、これ以上のエネルギーバンドギャップを有する。スペーサ層３Ｃは、必要に応じて、キャリアブロック層３Ｄとの間の距離を調整するための層であり、活性層３Ｂと同一のエネルギーバンドギャップを有する。
【００２６】
下部クラッド層２は、Ｎ型のＡｌＧａＡｓからなり、活性層３Ｂのバリア層よりも大きなエネルギーバンドギャップを有し、低い屈折率を有する。上部クラッド層５は、Ｐ型のＡｌＧａＡｓからなり、活性層３Ｂのバリア層よりも大きなエネルギーバンドギャップを有し、低い屈折率を有する。Ｎ型の不純物としてはＳｅ又はＳｉなどがあり、Ｐ型の不純物としてはＺｎ、Ｍｇ又はＣなどがある。下部クラッド層２の不純物濃度は、1×１０１７/ｃｍ３〜1×１０１9/ｃｍ３/ｃｍ３、上部クラッド層５の不純物濃度は、1×１０１７/ｃｍ３〜1×１０１９/ｃｍ３/ｃｍ３であり、これらの間のコア層Ａは原則的には不純物を添加せず、添加する場合であっても後述のドープ層を除き、１×１０１７/ｃｍ３未満に設定することができる。なお、実際には、Ｐ型のクラッド層５と活性層３Ｂとの間の領域の導電型は低濃度のＰ型であり、Ｎ型のクラッド層２と活性層３Ｂとの間の領域の導電型は低濃度のＮ型であるとする。
【００２７】
活性層３Ｂと上部クラッド層５との間には、スペーサ層３Ｃに加えて、キャリアブロック層３Ｄ、回折格子層４、及びバッファ層４’が配置されている。キャリアブロック層３Ｄ及びバッファ層４’はＡｌＧａＡｓからなり、回折格子層４は、もともとの基本層４ＡがＧａＡｓからなり、これとは異なる屈折率を有する異屈折率部４Ｂが、基本層４Ａの内部において二次元的に周期的に埋め込まれ、二次元回折格子を構成している。異屈折率部４Ｂは、ＡｌＧａＡｓからなり、バッファ層４’の形成時の初期段階において、基本層４Ａに形成された複数の穴内に埋め込まれ、埋め込み層として形成される。バッファ層４’の形成が、穴が埋まる時点で終了すれば、基本層４Ａ上の上面よりも上部電極寄りに形成されるバッファ層４’は存在しなくなる。回折格子層４の上部に位置するバッファ層４’は必要に応じて設けられればよく、省略することが可能である。
【００２８】
キャリアブロック層３Ｄは、これに隣接するガイド層よりもエネルギーバンドギャップが高く、したがって、屈折率は低く設定される。これにより活性層３Ｂ内のキャリアを、キャリアブロック層３Ｄよりも内側に閉じ込める傾向を高くすることができるが、厚みは比較的小さく、活性層３Ｂ内における発光を大きく阻止する機能は有していない。また、キャリアブロック層３Ｄは、活性層３Ｂよりも大きなエネルギーバンドギャップと屈折率を有している。
【００２９】
なお、活性層３Ｂや回折格子層４は、二次元平面（ＹＺ平面）内において、屈折率分布があるため、他の層との対比においては、面内の平均屈折率をその屈折率とし、面内の平均エネルギーバンドギャップをそのエネルギーバンドギャップとする。また、コア層Ａを構成する複数の層は、厚み方向に積層されているので、コア層Ａの屈折率は、厚み方向の平均屈折率をその屈折率とし、上記の如くニ次元的に分布がある場合には、面内の平均屈折率を求めた上で、これを厚み方向の平均屈折率とする。すなわち、コア層Ａの平均屈折率は、各層の厚みに面内の平均屈折率を乗じた値を、全ての層について求めて、これを積算し、積算値を、全体の厚みで除した値で与えられる。クラッド層の場合も、厚み方向或いは面内方向に分布がある場合には、かかる手法で、その平均値を算出し、これを当該クラッド層の屈折率とし、これを等価屈折率とする。また、エネルギーバンドギャップの場合も、屈折率と同一の手法で、平均値を以って各層のエネルギーバンドギャップとする。
【００３０】
なお、エネルギーバンドギャップ及び屈折率の設計においては、各化合物半導体層内の元素の組成比を変更することで、これらを調整することができる。図６０は、化合物半導体における格子定数ａ、屈折率ｎ、発光波長λ、原子半径の大きな元素の組成比（１−Ｘ）、原子半径の小さな元素の組成比Ｘ、エネルギーバンドギャップＥｇの相関関係を示す図表である。行の示すパラメータと、列の示すパラメータの交点の値は、これらのパラメータ間の相関を示しており、正の相関がある場合には「＋」を、負の相関がある場合には「−」が記載されている。
【００３１】
化合物半導体の一般的な性質として、原子半径の小さな元素の組成比が大きいほど、例えば、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓであれば、Ａｌの組成比Ｘが大きいほど、格子定数ａが小さくなる傾向にある。また、格子定数ａが小さくなると、屈折率ｎ及び発光波長λが小さくなり（正の相関）、一方で、エネルギーバンドギャップＥｇが大きくなる（負の相関）。すなわち、格子定数ａ、屈折率ｎ、発光波長λ、及び、大きな原子半径の元素の組成比（１−Ｘ）は、互いに正の相関を有しており、これらとエネルギーバンドギャップＥｇ又は小さな原子半径の元素の組成比Ｘとは、負の相関を有する傾向にある。
【００３２】
したがって、エネルギーバンドギャップＥｇを増加させるためには、ＡｌＧａＡｓにおいては、原子半径の小さなＡｌの組成比Ｘを増加させればよいし、エネルギーバンドギャップＥｇを減少させるためには、原子半径の小さなＡｌの組成比Ｘを減少させればよい。したがって、ＡｌＧａＡｓ系において、エネルギーバンドギャップＥｇは、Ａｌの組成比Ｘを減少させて、ゼロとなる場合、すなわちＧａＡｓにおいて極小となるが、さらにエネルギーバンドギャップＥｇを低下させる場合には、ＧａＡｓの各構成元素よりも原子半径の大きなＩｎを混ぜて、ＩｎＧａＡｓとすればよい。エネルギーバンドギャップＥｇと屈折率ｎは、概ね負の相関があるので、屈折率調整は、エネルギーバンドギャップＥｇの調整に準じて設計すればよい。
【００３３】
例えば、回折格子層４においては、ベースとなる基本層４Ａ内に複数の異屈折率部４Ｂが埋め込んであるが、基本層４ＡをＧａＡｓとし、異屈折率部４ＢをＡｌＧａＡｓとすれば、Ａｌの組成比Ｘが異屈折率部４Ｂの方が高い分だけ、異屈折率部４Ｂの屈折率は低くなり、この屈折率差が大きいほど強く回折が生じる。なお、屈折率は、原則的には内部で発生する光に対する屈折率を意味するが、室温における波長０．９μｍでの屈折率は、ＧａＡｓの場合にはｎ＝３．５９、ＡｌＡｓの場合にはｎ＝２．９７であり、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓを用いた場合には、最大で０．６２の屈折率差を得ることができ、十分な回折効果を有する回折格子を作製することができる。もちろん、組成比Ｘに差があることで異屈折率部として機能できるため、基本層４Ａ及び異屈折率部４Ｂの双方をＡｌＧａＡｓとし、異屈折率部４ＢのＡｌ組成比Ｘを基本層４Ａと変化することで、この場合にも回折格子として有効に機能させることができる。
【００３４】
この半導体レーザ素子は、面発光型であり、活性層３Ｂの厚み方向にレーザ光ＬＢが出射する。レーザ光ＬＢの水平断面（ＹＺ断面）形状は、様々な形状を取りうるが、本例の場合、レーザ光ＬＢの水平断面の外縁形状は楕円形，円形或いは長方形であり、図３に示すように、平面視（Ｘ軸方向からみたＹＺ平面内の形状）において、上部電極Ｅ２よりも外側の領域まで広がっている。なお、平面視において上部電極Ｅ２は回折格子形成領域ＲＰＣ内に設定され、上部電極Ｅ２の面積は回折格子形成領域ＲＰＣの面積よりも小さい。
【００３５】
図４は、回折格子層４における水平断面を示す図である。
【００３６】
基本層４Ａ内の回折格子形成領域ＲＰＣには、複数の異屈折率部４Ｂが二次元的に埋め込んである。本例では回折格子形成領域ＲＰＣは長方形に設定されている。複数の異屈折率部４Ｂは、Ｙ軸方向に沿って整列すると共に、Ｚ軸方向に沿って整列し、個々の異屈折率部４Ｂの重心を格子点と見做して、格子点を通る格子を設定すると、これは長方格子或いは正方格子を構成している。この格子の種類としては、三角格子、斜方格子、六角格子などが適用可能である。個々の異屈折率部４Ｂは、基本層４Ａの厚み方向であるＸ軸に沿って延びた多角柱形状を有している。ここでの多角形は、三角形、四角形、五角形、六角形の他、無限の角部を有する楕円形の意味を含み、楕円形の意味は円形を含むものとする。なお、本例の異屈折率部４Ｂの形状は、平面視（Ｘ軸方向からみたＹＺ断面形状）において、円形であるが、実際の製造プロセスにおいては若干の製造誤差があり、完全な円形となるわけではない。
【００３７】
図５は、半導体レーザ素子の斜視図である。
【００３８】
半導体レーザ素子１０の立体形状は、直方体であり、Ｘ軸方向に沿ってレーザ光ＬＢを出射する。斜方晶の半導体構成材料を採用する場合には、半導体レーザ素子１０の立体形状は平行六面体とすることも可能である。上述のように、半導体レーザ素子１０は、半導体基板１上に、下部クラッド層２、発光層３、回折格子層４、バッファ層４’、上部クラッド層５、コンタクト層６を備えている。発光層３は、下部クラッド層２と回折格子層４との間に位置する半導体層とし、本例の場合には、発光層３は、上述のガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄからなる。下部電極Ｅ１と上部電極Ｅ２との間に駆動電圧を印加し、これらの間の駆動電流を流すと、発光層３における活性層３Ｂ内にキャリアが集中し、かかる領域内において注入された電子と正孔が再結合し、発光が生じる。この発光は、クラッド層間の領域、すなわち発光層３及び回折格子層４を含むコア層Ａ内において、共振し、レーザ光ＬＢとして外部へ出力される。回折格子層４は、共振するレーザ光の波長を決定している。
【００３９】
発光が生じるのは、原則的には駆動電流が流れる経路、すなわち電気抵抗が小さくなる上部電極Ｅ２の直下の領域である。半導体レーザ素子１０の上面には、上部電極Ｅ２が配置されているので、レーザ光ＬＢは、上部電極Ｅ２によって若干妨害されている。上部電極Ｅ２の材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＡｌなどの金属、これらとＧｅなどの半導体との混合物、或いは、１×１０１９／ｃｍ３以上の高濃度に不純物が添加された化合物半導体を用いることができる。下部電極Ｅ１の材料も同様であるが、上部電極Ｅ２においては、レーザ光ＬＢを透過させる材料、すなわちＩＴＯなどの透明電極を用いることも可能である。
【００４０】
図６は、ストライプパターンを有する他の回折格子層における水平断面を示す図である。
【００４１】
半導体レーザ素子１０における図４の回折格子層を、図６に示すものに置換することができる。基本層４Ａ内の回折格子形成領域ＲＰＣには、複数の異屈折率部４Ｂが埋め込んである。回折格子形成領域ＲＰＣは長方形に設定されている。個々の異屈折率部４Ｂは、平面視においてＺ軸方向に沿って直線的に延びており、Ｙ軸方向に沿って整列している。個々の異屈折率部４Ｂは、基本層４Ａの厚み方向であるＸ軸を深さ方向とし、Ｚ軸を長手方向とし、Ｙ軸を幅方向とし、幅方向最大寸法に対する長手方向最大寸法のアスペクト比の高い（２以上）直方体形状を有している。異屈折率部４Ｂは、平面視においては、長方形であるが、アスペクト比が高い状態で、三角形、五角形、六角形などのその他の多角形とすることもできる。多角形は、無限の角部を有する楕円形の意味を含む。
【００４２】
図７〜図９は、図１に示した半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【００４３】
まず、Ｎ型（第1導電型とする）の半導体基板（ＧａＡｓ）１を用意する（図７（ａ））。次に、半導体基板１上に、Ｎ型の下部クラッド層（ＡｌＧａＡｓ）２、ガイド層（ＡｌＧａＡｓ）３Ａ、活性層（ＭＱＷ：ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）３Ｂ、光ガイド層（ＧａＡｓ／ＡａＧａＡｓ）又はスペーサ層（ＡｌＧａＡｓ）３Ｃ、キャリアブロック層（ＡｌＧａＡｓ）３Ｄ、回折格子層となる基本層（ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ）４Ａを、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて順次、エピタキシャル成長させる（図７（ｂ））。なお、ＭＯＣＶＤ法においては、Ａｌ原料はＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｇａ原料はＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ｉｎ原料はＴＭＩ（トリメチルインジウム）から供給することができる。
【００４４】
次に、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＮからなるマスク層ＦＬ１を基本層４Ａ上に形成する（図７（ｃ））。ＳｉＮを形成する場合のプラズマＣＶＤの原料ガスとしては、Ｓｉ原料としてＳｉＨ４を用い、Ｎ原料としてＮ２、ＮＨ３などを用い、必要に応じてＨ２でガスを希釈する。更に、マスク層ＦＬ１上にレジストＲＧ１を塗布し（図７（ｄ））、電子ビーム描画装置で２次元微細パターンを描画し、現像することでレジストＲＧ１に２次元（又は１次元）の微細パターン（異屈折率部の位置に対応）を形成する（図７（ｅ））。これにより、レジストＲＧ１には微細パターンとなる複数の孔Ｈ１が形成され、各孔Ｈ１は、マスク層ＦＬ１の表面にまで到達している。
【００４５】
次に、マスク層ＦＬ１を、レジストＲＧ１をマスクとしてエッチングし、レジストの微細パターンをマスク層ＦＬ１に転写する（図７（ｆ））。このエッチングには、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いることができる。ＳｉＮのエッチングガスとしては、フッ素系ガス（ＣＦ４，ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６）を一般的に用いることができる。このエッチングにより、マスク層ＦＬ１には、孔Ｈ２が形成され、各孔Ｈ２は、基本層４Ａの表面にまで到達している。
【００４６】
次に、剥離液をレジストＲＧ１に与え、更に、レジストＲＧをアッシングすることにより、レジストＲＧ１を除去する（図８（ｇ））。アッシングには、光励起アッシング又はプラズマアッシングを用いることができる。これにより、複数の孔Ｈ３を有する微細パターンを有するマスク層ＦＬ１のみが、基本層４Ａ上に残留することとなる。
【００４７】
しかる後、マスク層ＦＬ１をマスクとして、基本層４Ａをエッチングし、マスク層ＦＬ１の微細パターンを基本層４Ａに転写する（図８（ｈ））。このエッチングには、ドライエッチングを用いる。ドライエッチングでは、エッチングガスとして塩素系又はフッ素系のガスを用いることができる。例えば、Ｃｌ２、ＳｉＣｌ４又はＳＦ６等を主なエッチングガスとして、これにＡｒガス等を混入させたものを用いることができる。通常のプラズマエッチングの他、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）を用いたエッチングを採用することもできる。このエッチングにより、基本層４Ａ内に形成される孔Ｈ４の深さは、２００ｎｍ程度であり、孔Ｈ４の深さは基本層４Ａの厚みよりも小さい。なお、孔Ｈ４は、基本層４Ａの下地となる半導体層の表面まで到達していてもよい。
【００４８】
次に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、ＳｉＮからなるマスク層ＦＬ１のみを除去し、孔Ｈ４に連続した穴Ｈ５の開口端面を露出させ、すなわち基本層４Ａの表面を露出させる（図８（ｉ））。ＳｉＮのエッチングガスとしては、上述の通り、フッ素系ガス（ＣＦ４，ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６）を採用することができる。しかる後、基本層４Ａのサーマルクリーニングを含めた表面洗浄などの表面処理を行う。
【００４９】
次に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、基本層４Ａの穴Ｈ５内に異屈折率部（埋め込み層）４Ｂを形成（再成長）する。この再成長工程では、ＡｌＧａＡｓを基本層４Ａの表面に供給する。供給されるＡｌＧａＡｓは、基本層４ＡとＡｌの組成比が異なる。再成長の初期段階においては、ＡｌＧａＡｓは、穴Ｈ５内を埋めていき、異屈折率部４Ｂとなる。穴Ｈ５が埋まった場合、その後に供給されるＡｌＧａＡｓは、バッファ層４’として、基本層４Ａの上に積層される。しかる後、ＭＯＣＶＤ法により、バッファ層４’上に、Ｐ型（第２導電型とする）のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）５、Ｐ型のコンタクト層（ＧａＡｓ）６を順次成長させる（図８（ｊ））。Ｐ型のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）５におけるＡｌの組成比Ｘは、バッファ層４’におけるＡｌの組成比Ｘ以上であり、本例ではこれらは等しいとするが、Ｘ＝０．４を採用することができる。もちろん、異屈折率部４Ｂ及びバッファ層４’におけるＡｌの組成比Ｘを例えばＸ＝０．３５とし、成長に伴って徐々にＡｌの組成比Ｘを増加させ、上部クラッド層５におけるＡｌの組成比ＸをＸ＝０．４とすることも可能である。なお、上述の結晶成長は全てエピタキシャル成長であり、各半導体層の結晶軸は一致している。
【００５０】
次に、コンタクト層６上に、レジストＲＧ２を塗布する（図８（ｋ））。このレジストＲＧ２に対して、現像処理後に正方形の開口が形成されるようなパターンの露光を行う。すなわち、ポジ型のレジストを用いる場合には、露光領域を正方形とし、ネガ型のレジストを用いる場合には、非露光領域を正方形として周辺領域を露光する。しかる後、レジストＲＧ２に対して現像処理を行い、正方形の開口パターンをレジストＲＧ２の中央に形成する。開口パターンを有するレジストＲＧ２をマスクとして、レジストＲＧ２及びコンタクト層６の露出表面上に、電極材料Ｅ２’を堆積する（図８（ｌ））。この電極材料の形成には、蒸着法やスパッタ法を用いることができるが、本例では蒸着法とする。
【００５１】
更に、レジストＲＧ２をリフトオフにより除去し、コンタクト層６上に正方形の電極材料を残留させ、上部電極Ｅ２を形成する（図９（ｍ））。しかる後、Ｎ型の半導体基板１の裏面を研磨し、続いて、研磨された裏面上の全体に下部電極Ｅ１を形成する（図９（ｎ））。この電極の形成には、蒸着法又はスパッタ法を用いることができる。
【００５２】
なお、複数の半導体レーザ素子を１枚のウェハから製造する場合には、素子分離用の溝を形成する必要があるが、これはコンタクト層６上に、レジストを塗布し、レジストを感光及び現像することにより、素子分離用の開口パターンを形成し、このレジストを用いて、コンタクト層６をウエットエッチングして溝を形成する。エッチングする深さは１０μｍ程度とする。しかる後、有機溶剤を用いてレジストを除去すればよい。
【００５３】
なお、上記孔Ｈ１の作製方法として、実施の形態では電子ビーム露光法による作製法を説明したが、ナノインプリント、干渉露光、集束イオンビーム（ＦＩＢ）、ステッパを用いた光学露光等、その他の微細加工技術を用いることも可能である。さらに、本例ではレジストに描画したパターンをＳｉＮに一度パターン転写してから、ドライエッチングにより基板に転写する手法を用いたが、ＳｉＮを省略してレジストに描画したパターンをそのままドライエッチングにより基板に転写しても良い。なお、上記では、活性層３Ｂの上側に１つの回折格子層４を備える例について説明したが、これは活性層３Ｂの下側に回折格子層を備えることとしてもよく、また、活性層３Ｂの上下それぞれに回折格子層を備える構成とすることもできる。
【００５４】
次に、下部電極Ｅ１と上部電極Ｅ２の構造が上記と異なる半導体レーザ素子について説明する。
【００５５】
図１０は、図１１に示す半導体レーザ素子をＸ−Ｘ矢印に沿って切った半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図、図１１は、半導体レーザ素子の平面図、図１２は、回折格子層における水平断面を示す図、図１３は、半導体レーザ素子の斜視図である。
【００５６】
図１０に示す半導体レーザ素子は、フォトニック結晶面発光レーザ素子（ＰＣＳＥＬ）１０であり、半導体基板１上には、それぞれが化合物半導体からなる下部クラッド層２、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄ、回折格子層４、バッファ層４’、上部クラッド層５、及びコンタクト層６が順次積層されている。これらの構造及び材料は、図１において説明した半導体レーザ素子と同一である。
【００５７】
図１に示したものとの相違点は、２点のみである。
【００５８】
１つ目の相違点は、半導体基板１の裏面上に下部絶縁層Ｆ１が形成され、この下部絶縁層Ｆ１に設けられた開口内に下部電極Ｅ１が形成されている点である。下部電極Ｅ１の形成領域は、半導体基板１の全面領域ではなく、環状の領域であり、Ｘ軸方向から見た場合には、上部電極Ｅ２の周囲を囲むように配置されている。
【００５９】
２つ目の相違点は、コンタクト層６上に上部絶縁層Ｆ２が形成され、この上部絶縁層Ｆ２に設けられた開口内に上部電極Ｅ２が形成されている点である。他の構成は図１に示したものと同一であるため、説明を省略する。
【００６０】
なお、下部電極Ｅ１が半導体基板１の裏面に接触しており、上部電極Ｅ２がコンタクト層６に接触している点は、図１のものと同一である。
【００６１】
この半導体レーザ素子において、下部電極Ｅ１と上部電極Ｅ２との間に駆動電圧を印加し、これらの間の駆動電流を流すと、発光層３における活性層３Ｂ内にキャリアが集中し、かかる領域内において注入された電子と正孔が再結合し、発光が生じる。この発光は、クラッド層間の領域、すなわち発光層３及び回折格子層４を含むコア層Ａ内において、共振し、レーザ光ＬＢとして外部へ出力される。回折格子層４は、共振するレーザ光の波長を決定している。
【００６２】
発光が生じるのは、原則的には駆動電流が流れる経路、すなわち電気抵抗が小さくなる領域である。半導体レーザ素子１０の上面には上部電極Ｅ２が配置され、裏面には環状の下部電極Ｅ１が配置されているので、発光領域は、これらを結ぶ間の領域となる。上部電極Ｅ２に、Ａｌ等の反射率の高い金属を用いると、上部電極Ｅ２の裏面において、半導体層の厚み方向に進行するレーザ光ＬＢが反射され、下部電極Ｅ１の開口からレーザ光ＬＢが出射する（図１０、図１３参照）。この開口の形状は、円形であってもよいが、長方形であってもよい。なお、上部電極Ｅ２の方向へ回折する光の下部電極Ｅ１方向への反射の効果を高めるため、Ｐクラッド層材料として互いにＡｌの組成の異なる膜厚λ／４波長のＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねた半導体多層膜（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｅＢｒａｇｇ Ｍｉｒｒｏｒ：ＤＢＲと称する）を適切な位置に導入しても良い。
【００６３】
また、図１０〜図１３に示した半導体レーザ素子においても、平面パターンがストライプ状の回折格子層４を採用することができる。
【００６４】
図１４は、ストライプパターンを有する回折格子層における水平断面を示す図である。
【００６５】
半導体レーザ素子１０における図１２の回折格子層を、図１４に示すものに置換することができる。基本層４Ａ内の回折格子形成領域ＲＰＣには、複数の異屈折率部４Ｂが埋め込んである。回折格子形成領域ＲＰＣは長方形に設定されている。個々の異屈折率部４Ｂは、平面視においてＺ軸方向に沿って直線的に延びており、Ｙ軸方向に沿って整列している。個々の異屈折率部４Ｂは、基本層４Ａの厚み方向であるＸ軸を深さ方向とし、Ｚ軸を長手方向とし、Ｙ軸を幅方向とし、幅方向最大寸法に対する長手方向最大寸法のアスペクト比の高い（２以上）直方体形状を有している。異屈折率部４Ｂは、平面視においては、長方形であるが、アスペクト比が高い状態で、三角形、五角形、六角形などのその他の多角形とすることもできる。多角形は、無限の角部を有する楕円形の意味を含む。
【００６６】
図１５〜図１７は、図１０に示した半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【００６７】
まず、Ｎ型（第1導電型とする）の半導体基板（ＧａＡｓ）１を用意する（図１５（ａ））。次に、半導体基板１上に、Ｎ型の下部クラッド層（ＡｌＧａＡｓ）２、ガイド層（ＡｌＧａＡｓ）３Ａ、活性層（ＭＱＷ：ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）３Ｂ、光ガイド層（ＧａＡｓ／ＡａＧａＡｓ）又はスペーサ層（ＡｌＧａＡｓ）３Ｃ、キャリアブロック層（ＡｌＧａＡｓ）３Ｄ、回折格子層となる基本層（ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ）４Ａを、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて順次、エピタキシャル成長させる（図１５（ｂ））。なお、ＭＯＣＶＤ法においては、Ａｌ原料はＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｇａ原料はＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ｉｎ原料はＴＭＩ（トリメチルインジウム）から供給することができる。
【００６８】
次に、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＮからなるマスク層ＦＬ１を基本層４Ａ上に形成する（図１５（ｃ））。ＳｉＮを形成する場合のプラズマＣＶＤの原料ガスとしては、Ｓｉ原料としてＳｉＨ４を用い、Ｎ原料としてＮ２、ＮＨ３などを用い、必要に応じてＨ２でガスを希釈する。更に、マスク層ＦＬ１上にレジストＲＧ１を塗布し（図１５（ｄ））、電子ビーム描画装置で２次元微細パターンを描画し、現像することでレジストＲＧ１に２次元（又は１次元）の微細パターン（異屈折率部の位置に対応）を形成する（図１５（ｅ））。これにより、レジストＲＧ１には微細パターンとなる複数の孔Ｈ１が形成され、各孔Ｈ１は、マスク層ＦＬ１の表面にまで到達している。
【００６９】
次に、マスク層ＦＬ１を、レジストＲＧ１をマスクとしてエッチングし、レジストの微細パターンをマスク層ＦＬ１に転写する（図１５（ｆ））。このエッチングには、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いることができる。ＳｉＮのエッチングガスとしては、フッ素系ガス（ＣＦ４，ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６）を一般的に用いることができる。このエッチングにより、マスク層ＦＬ１には、孔Ｈ２が形成され、各孔Ｈ２は、基本層４Ａの表面にまで到達している。
【００７０】
次に、剥離液をレジストＲＧ１に与え、更に、レジストＲＧをアッシングすることにより、レジストＲＧ１を除去する（図１６（ｇ））。アッシングには、光励起アッシング又はプラズマアッシングを用いることができる。これにより、複数の孔Ｈ３を有する微細パターンを有するマスク層ＦＬ１のみが、基本層４Ａ上に残留することとなる。
【００７１】
しかる後、マスク層ＦＬ１をマスクとして、基本層４Ａをエッチングし、マスク層ＦＬ１の微細パターンを基本層４Ａに転写する（図１６（ｈ））。このエッチングには、ドライエッチングを用いる。ドライエッチングでは、エッチングガスとして塩素系又はフッ素系のガスを用いることができる。例えば、Ｃｌ２、ＳｉＣｌ４又はＳＦ６等を主なエッチングガスとして、これにＡｒガス等を混入させたものを用いることができる。通常のプラズマエッチングの他、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）を用いたエッチングを採用することもできる。このエッチングにより、基本層４Ａ内に形成される孔Ｈ４の深さは、２００ｎｍ程度であり、孔Ｈ４の深さは基本層４Ａの厚みよりも小さい。なお、孔Ｈ４は、基本層４Ａの下地となる半導体層の表面まで到達していてもよい。
【００７２】
次に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、ＳｉＮからなるマスク層ＦＬ１のみを除去し、孔Ｈ４に連続した穴Ｈ５の開口端面を露出させ、すなわち基本層４Ａの表面を露出させる（図１６（ｉ））。ＳｉＮのエッチングガスとしては、上述の通り、フッ素系ガス（ＣＦ４，ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６）を採用することができる。しかる後、基本層４Ａのサーマルクリーニングを含めた表面洗浄などの表面処理を行う。
【００７３】
次に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、基本層４Ａの穴Ｈ５内に異屈折率部（埋め込み層）４Ｂを形成（再成長）する。この再成長工程では、ＡｌＧａＡｓを基本層４Ａの表面に供給する。供給されるＡｌＧａＡｓは、基本層４ＡとＡｌの組成比が異なる。再成長の初期段階においては、ＡｌＧａＡｓは、穴Ｈ５内を埋めていき、異屈折率部４Ｂとなる。穴Ｈ５が埋まった場合、その後に供給されるＡｌＧａＡｓは、バッファ層４’として、基本層４Ａの上に積層される。しかる後、ＭＯＣＶＤ法により、バッファ層４’上に、Ｐ型のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）５、Ｐ型のコンタクト層（ＧａＡｓ）６を順次成長させる（図１６（ｊ））。Ｐ型のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）５におけるＡｌの組成比Ｘは、バッファ層４’におけるＡｌの組成比Ｘ以上であり、本例ではこれらは等しいとするが、Ｘ＝０．４を採用することができる。もちろん、異屈折率部４Ｂ及びバッファ層４’におけるＡｌの組成比Ｘを例えばＸ＝０．３５とし、成長に伴って徐々にＡｌの組成比Ｘを増加させ、上部クラッド層５におけるＡｌの組成比ＸをＸ＝０．４とすることも可能である。なお、上述の結晶成長は全てエピタキシャル成長であり、各半導体層の結晶軸は一致している。
【００７４】
なお、複数の半導体レーザ素子を１枚のウェハから製造する場合には、素子分離用の溝を形成する必要があるが、これはコンタクト層６上に、レジストを塗布し、レジストを感光及び現像することにより、素子分離用の開口パターンを形成し、このレジストを用いて、コンタクト層６をウエットエッチングして溝を形成する。エッチングする深さは１０μｍ程度とする。しかる後、有機溶剤を用いてレジストを除去する。
【００７５】
次に、コンタクト層６上に、ＳｉＮからなる上部絶縁層Ｆ２を形成する（図１６（ｋ））。上部絶縁層Ｆ２の形成方法は、プラズマＣＶＤ法を用いることができる。プラズマＣＶＤのＳｉ原料としてＳｉＨ４を用い、Ｎ原料としてＮ２、ＮＨ３などを用い、必要に応じてＨ２でガスを希釈する。
【００７６】
次に、上部絶縁層Ｆ２上に、レジストを塗布し、これを露光、現像することにより、正方形の開口パターンをレジスト上に形成し、しかる後、この開口パターンをマスクとして、上部絶縁層Ｆ２をエッチングし、開口パターンを有する上部絶縁層Ｆ２を形成する（図１６（ｌ））。この時のエッチングには、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いることができる。ＳｉＮのエッチングガスとしては、上述の通り、フッ素系ガス（ＣＦ４，ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６）を採用することができる。
【００７７】
次に、上部絶縁層Ｆ２及びコンタクト層６の露出表面上にレジストＲＧ３を塗布し（図１７（ｍ））、現像処理後に正方形の開口が形成されるようなパターンの露光を行う。ポジ型のレジストを用いる場合には、露光領域を正方形とし、ネガ型のレジストを用いる場合には、非露光領域を正方形として周辺領域を露光する。しかる後、レジストＲＧ３に対して現像処理を行い、正方形の開口パターンをレジストＲＧ３の中央に形成する（図１７（ｎ））。なお、上部絶縁層Ｆ２における開口パターンは、レジストＲＧ３の開口パターンの内側に設定され、面積はレジストＲＧ３の開口パターンよりも小さい。なお、本例のレジストＲＧ３としてはネガ型を用いる。
【００７８】
開口パターンを有するレジストＲＧ３をマスクとして、レジストＲＧ３、上部絶縁層Ｆ２及びコンタクト層６の露出表面上に、電極材料を堆積した後、レジストＲＧ３をリフトオフすることで、上部電極Ｅ２を開口パターン内に形成する（図１７（ｏ））。この電極材料の形成には、蒸着法やスパッタ法を用いることができるが、本例では蒸着法とする。
【００７９】
しかる後、Ｎ型の半導体基板１の裏面を機械研磨及び化学機械研磨（ＣＭＰ）して鏡面にする。次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、半導体基板１の裏面上にＳｉＮからなる下部絶縁層Ｆ１を堆積する。プラズマＣＶＤのＳｉ原料としてＳｉＨ４を用い、Ｎ原料としてＮ２、ＮＨ３などを用い、必要に応じてＨ２でガスを希釈する。下部絶縁層Ｆ１の光学膜厚は、半導体レーザ素子の発光波長をλとした場合、λ／４に設定され、下部絶縁膜Ｆ１による反射光は入射光に対して逆相となり、減衰する。
【００８０】
次に、下部絶縁層Ｆ１上には、レジストを塗布し後、このレジストに環状の開口パターンが形成されるように露光、現像し、当該レジストの環状開口パターンをマスクとしてＳｉＮからなる下部絶縁層Ｆ１をエッチングし、しかる後、レジストを除去する（図１７（ｐ））。これにより、下部絶縁層Ｆ１は、環状開口パターンを有するように加工される。ＳｉＮはドライエッチング又はＲＩＥを用いてエッチングすることができる。ＳｉＮのドライエッチング用のエッチングガスとしては、上述の通り、塩素系（Ｃｌ２、ＳｉＣｌ４）又はフッ素系（ＳＦ６）のガスを用いることができ、ＲＩＥ用のエッチングガスとしては、フッ素系ガス（ＣＦ４，ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６）を採用することができる。
【００８１】
最後に、環状開口パターンを有する下部絶縁層Ｆ１及び半導体基板１の露出した裏面上にレジストを塗布した後、このレジストに下部絶縁層Ｆ１の開口パターンよりも大きな幅の環状の開口パターンが形成されるように露光、現像し、当該レジストの環状開口パターンをマスクとして、電極材料をレジスト上及びその環状開口パターン開口内に堆積し、続いて、レジストをリフトオフにより除去する（図１７（ｑ））。この電極材料の形成には、蒸着法又はスパッタ法を用いることができる。
【００８２】
なお、上述の孔（穴）Ｈ１の作製方法として、実施の形態では電子ビーム露光法による作製法を説明したが、ナノインプリント、干渉露光、集束イオンビーム（ＦＩＢ）、ステッパを用いた光学露光等、その他の微細加工技術を用いることも可能である。さらに、本例ではレジストに描画したパターンをＳｉＮに一度パターン転写してから、ドライエッチングにより基板に転写する手法を用いたが、ＳｉＮを省略してレジストに描画したパターンをそのままドライエッチングにより基板に転写しても良い。なお、上記では、活性層３Ｂの上側に１つの回折格子層４を備える例について説明したが、これは活性層３Ｂの下側に回折格子層を備えることとしてもよく、また、活性層３Ｂの上下それぞれに回折格子層を備える構成とすることもできる。
【００８３】
次に、クラッド層間に位置するコア層内を伝搬する光の電界強度分布の設計手法について、端面発光型の通常の半導体レーザを例にとり説明する。
【００８４】
図１８は、端面発光型の半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図、図１９は、半導体レーザ素子の各層の構造と材料を示す図表、図２０は、半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表、図２１は、半導体レーザ素子の斜視図である。
【００８５】
図１８に示す半導体レーザ素子１０は、回折格子層を備えない端面発光型のレーザ素子であり、半導体基板１上に、それぞれが化合物半導体からなる下部クラッド層２、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、キャリアブロック層３Ｄ、ガイド層４Ｇ、上部クラッド層５、及びコンタクト層６が順次積層されている。
【００８６】
図１９を参照すると、この半導体レーザ素子１０の基本構造は、半導体基板上に、下部クラッド層Ｂ、コア層Ａ、上部クラッド層Ｃ、コンタクト層を積層したものである。半導体基板１はＮ型のＧａＡｓからなり、下部クラッド層Ｂ（下部クラッド層２）はＮ型のＡｌＧａＡｓからなり、上部クラッド層Ｃ（上部クラッド層５）はＰ型のＡｌＧａＡｓからなる。クラッド層Ｂ，Ｃ間に位置するコア層Ａは、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、キャリアブロック層３Ｄ、ガイド層４Ｇからなる。この半導体レーザ素子は、図１に示した半導体レーザ素子と比較して、スペーサ層、回折格子層、バッファ層がなく、代わりにガイド層４Ｇがある点が異なり、その他の点は同一である。
【００８７】
図２０を参照して、光伝搬に寄与するコア層Ａとクラッド層Ｂ，Ｃの構造を詳説すると、下部クラッド層２はＮ型のＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．７）からなり、ガイド層３ＡはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．１）からなり、活性層３ＢはＩｎＧａＡｓ／ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．１）の多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなり、キャリアブロック層３ＤはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．４）からなり、ガイド層４ＧはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．１）からなり、上部クラッド層５はＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．４）からなる。ＭＱＷにおける井戸数は１又は２以上に設定することができる。
【００８８】
厚みに関して、好適には、例えば、下部クラッド層２の厚みは２０００ｎｍ、ガイド層３Ａの厚みは５０ｎｍ、活性層３Ｂの厚みは４０ｎｍ、キャリアブロック層３Ｄの厚みは３０ｎｍ、ガイド層４Ｇの厚みは４２０ｎｍ〜４３０ｎｍ、上部クラッド層５の厚みは２０００ｎｍとすることができる。
【００８９】
図２１に示すように、端面発光型の半導体レーザ素子１０は、Ｚ軸方向に共振長を有しており、半導体レーザ素子内部においては、光出射端面（Ｚ軸の正方向端部に位置するＸＹ平面）と光反射端面（Ｚ軸の負方向端部に位置するＸＹ平面）との間でレーザ光が往復し、Ｚ軸方向に向けてレーザ光ＬＢが出射する。上部電極Ｅ２の平面形状は、Ｚ軸に平行に延びた長方形であり、裏面側の下部電極Ｅ１は、半導体基板１の裏面全面上に形成されている。また、上部電極Ｅ２は、光出射端面から光反射端面に至るまで延びており、Ｚ軸方向の共振長の範囲内においてキャリアが供給される構成になっている。
【００９０】
図２２は、半導体レーザ素子の厚み方向（Ｘ方向）に沿った電界強度分布を示す図である。
【００９１】
駆動電流が下部電極Ｅ１と上部電極Ｅ２との間に供給されると、半導体レーザ素子１０の内部でレーザ光が生成され、外部に出力されるが、このレーザ光の強度ピーク（電界強度のピーク）はコア層Ａ内に存在している。
【００９２】
コア層Ａの厚み方向の中心位置を原点Ｏとし、コア層Ａの厚みをｄ１とする。この場合、コア層Ａ内の電界強度分布（ＴＥモードにおけるＹ軸方向の電界強度Ｅｙ）は、基本モード（０次モード）においては、原点Ｏの付近に単峰性の強度ピークを有する（図２２（ａ））。
【００９３】
一方、コア層Ａの厚み方向の中心位置を原点Ｏとし、コア層Ａの厚みをｄ２（ｄ２＞ｄ１）とすると、コア層内の電界強度分布が１次モードに変化する。この場合、コア層Ａ内の電界強度分布（ＴＥモードにおけるＹ軸方向の電界強度Ｅｙ）は、１次モードにおいては、原点Ｏの付近に強度ピークの谷を有し、その両側に２つの強度ピークを有する（図２２（ｂ））。同図では、１次モードにおけるピーク位置は、概ね＋（ｄ２）／４と、−（ｄ２）／４の位置に設定されている。
【００９４】
図２３は、端面発光型の半導体レーザ素子主要部の厚み方向に沿った構造（図２３（ａ））、エネルギーバンドギャップ（図２３（ｂ））、及び電界強度分布（図２３（ｃ）：０次モード、図２３（ｄ）：１次モード）を示す図である。電界強度Ｅｙは、ＴＥモードにおけるＹ軸方向の電界強度を示す。
【００９５】
コア層Ａの平均のエネルギーバンドギャップＥｇは、クラッド層Ｂ，Ｃの平均のエネルギーバンドギャップＥｇよりも小さく、キャリアブロック層３ＤのエネルギーバンドギャップＥｇは、活性層３ＢにおけるエネルギーバンドギャップＥｇの最大値よりも大きい。また、図６０に示すように、エネルギーバンドギャップＥｇと屈折率ｎとは、負の相関があるため、コア層Ａの平均の屈折率ｎは、クラッド層Ｂ，Ｃの平均の屈折率ｎよりも高く、キャリアブロック層３Ｄの屈折率ｎは、活性層３Ｂにおける屈折率ｎの最大値よりも小さい。光は屈折率の高いところを伝搬するため、３層スラブ構造においては、コア層Ａ内を光が伝搬する。
【００９６】
０次モードの場合においては（図２３（ｃ））、活性層３Ｂの位置における電界強度Ｅｙはピーク位置における電界強度Ｅｙよりも小さく、レーザ光の強度が高くはない。一方、１次モードの場合においては（図２３（ｄ））、活性層３Ｂは電界強度Ｅｙの１つのピーク位置に位置しており、レーザ光の強度は高くなる。
【００９７】
なお、１次モードは、基本モードの高次モードであるため、１次モードの光伝搬が行われている場合においても、基本モード（０次モード）の電界強度分布は存在している。
【００９８】
図２４は、コア層Ａ内の積層構造について説明するための図である。
【００９９】
コア層Ａが積層された複数の層（Ｌａｙｅｒ１〜Ｌａｙｅｒ（ｉ＋１））を含んでいる場合（但しｉは自然数）、これらの層がそれぞれ誘電率（ε（１）〜ε（ｉ＋１））を有し、膜厚（ｄ（１）〜ｄ（ｉ＋１））を有しているものとする。このコア層Ａにおいて、１次横モードが生じる導波路構造を製造するためには、幾つかの条件を満たす必要がある。すなわち、コア層Ａの膜厚は、１次の高次モードが固有状態として存在するような屈折率（ｎ）、膜厚（ｄ）をとる必要がある。
【０１００】
このような屈折率、膜厚の範囲は下記の手法で計算される。
【０１０１】
導波構造内に存在する電磁界分布はＭａｘｗｅｌｌの波動方程式を境界条件の元で数値的に解くことにより、計算することができる。図２０に示した層構造は、図２２に示したように等価的に２層非対称スラブ導波路構造とみなすことができる。このとき、コア層Ａにおける各層の誘電率と膜厚は、図２４のように定義する。この場合、等価誘電率（平均誘電率）εＥｑを、図５９に示す式（１）のように算出する。
【０１０２】
また、図５９に示す式（２）は、規格化周波数Ｖ（Ｖパラメータ）を示している。式（２）において、ｋ０＝２π／λであって（λはレーザ光波長）、真空中の平面波の伝搬定数（波数）を示し、ｎ１はコア層Ａの平均屈折率（コア層Ａの平均誘電率εＥｑから求める）。なお、屈折率（ｎ１）は、誘電率（εＥｑ）の平方根と正の相関がある。また、式（２）において、Δはコア層Ａとクラッド層Ｂとの比屈折率差を示し、ｄはコア層の膜厚を示している。
【０１０３】
なお、比屈折率差Δ＝（ｎ１２−ｎ２２）／２ｎ１２で与えられる。ここで、コア層Ａの平均屈折率をｎ１とし、クラッド層Ｂの平均屈折率をｎ２とする。クラッド層Ｂ，Ｃの平均屈折率が異なる場合にも、比屈折率Δは上式で与えられる。
【０１０４】
なお、伝搬モードとは、ある特定の角度で反射しながら消減せずに伝搬していく光の組のことであり、入射角度の小さいものから、０次モード、１次モード、２次モードと言われる。コア層Ａの長手方向（Ｚ軸）に対して光の伝搬する角度（伝搬角）をθとすると、伝搬定数β＝ｋ０ｎ１ｃｏｓθで与えられる。式（３）は規格化伝搬定数ｂを示しており、規格化伝搬定数ｂは屈折率ｎと伝搬定数βで与えられる。
【０１０５】
また、Ｖパラメータは、規格化伝搬定数ｂを用いて表現することができ、これは図５９の式（４）に示されている。なお、式（４）におけるａ’は非対称パラメータであり、式（５）で与えられ、χｉは式（６）で与えられ、Ｎはモード次数に対応し、πは円周率を示している。また、式（６）におけるｎｉ（i＝２、３）はそれぞれクラッド層Ｂ、Ｃにおける平均屈折率を示している。
【０１０６】
以上のように、Ｖパラメータと規格化伝搬定数ｂとの間には相関があり、規格化伝搬定数ｂは、伝搬角θで伝搬する特定モードにおける伝搬定数βにより与えられる。したがって、伝搬モードが変わる場合には、規格化伝搬定数ｂが変わり、これを満たすＶパラメータが変化する。３層非対称スラブ導波路におけるモード数は、Ｖパラメータおよび規格化伝搬定数ｂにより特徴付けられる。
【０１０７】
図２５は、規格化周波数Ｖ（Ｖパラメータ）と規格化伝搬定数ｂとの関係を示すグラフである。このグラフは、図２０に示した構造におけるＴＥモードにおいて求めたものである。波長λ＝９８０ｎｍとし、コア層Ａの屈折率ｎ１＝３．４５、下部クラッド層Ｂの屈折率ｎ２＝３．２６、上部クラッド層Ｃの屈折率ｎ３＝３．１１とする。
【０１０８】
図２５に示す規格化周波数Ｖの値が、斜線で示される範囲にある場合（３．７５６≦Ｖ≦６．８９８）、規格化伝搬定数ｂは、式（４）において、Ｎ＝０，Ｎ＝１の場合において、２つの解を有する。換言すれば、規格化周波数Ｖが、斜線範囲内の値である場合、０次モードの光の伝搬と、１次モードの光の伝搬が可能となる。
【０１０９】
規格化周波数Ｖは、コア層Ａの膜厚ｄに比例するが、膜厚ｄが所定値よりも小さくなると、Ｎ次モードが遮断され、存在できなくなる。この時の膜厚ｄを、カットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ（ｎｍ）とする。
【０１１０】
図２６は、モード次数(Ｎ＝０，１，２，３)に対する規格化周波数Ｖと、コア層のカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ（ｎｍ）の関係を示す図表である。本手法で計算した１次モードのカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ＝５１５（ｎｍ）である。すなわち、１次モード（Ｎ＝１）が存在している状態から、膜厚ｄを減少させると、規格化周波数Ｖが減少し、ｄｃｕｔｏｆｆ＝５１５（ｎｍ）、Ｖ＝３．７５６となった時点で、１次モードの規格化伝搬定数ｂ＝０となり、これよりも膜厚ｄが小さい場合には、０次モード（Ｎ＝０）のみしか存在しなくなる。同様に、０次モードのカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ＝８４（ｎｍ）、２次モードのカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ＝９４６（ｎｍ）、３次モードのカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ＝１３７７（ｎｍ）である。
【０１１１】
換言すれば、１次モードのレーザ光の発振を行わせ、２次モードの発振を行わせないためには、コア層Ａの膜厚ｄは、５１５ｎｍ以上とし、９４６ｎｍよりも小さくする必要がある。
【０１１２】
なお、１次モードが遮断されるコア層の膜厚ｄｃｕｔｏｆｆについて、Maxwell方程式の数値計算法である階段行列法によって計算した結果、１次モードの膜厚ｄｃｕｔｏｆｆは、５４５ｎｍとなった。これらの計算手法による誤差は、６％と小さい値となる。そのため、本手法を用いても、コア層Ａの屈折率ｎ１、膜厚ｄの範囲を定めることができるし、階段行列法を用いても、これらのパラメータを設定することが可能である。
【０１１３】
図２７は、半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率ｎと電界強度Ｅ（Ｙ軸方向の電界強度Ｅｙ）との関係を示すグラフである。このグラフは、階段行列法によって求めたものである。なお、同図にはコア層Ａ、下部クラッド層Ｂ、上部クラッド層Ｃの領域が示されている。また、一点鎖線は屈折率ｎを示し、実線は１次モードの電界強度分布を示し、点線は０次モードの電界強度分布を示している。また、電界強度Ｅに関しては、１次モードの演算データ曲線を、０次モードの演算データ曲線から若干上方にシフトして示してある。
【０１１４】
図２７（ａ）は、コア層Ａの厚みｄ＝５４０ｎｍの場合のデータを示し、図２７（ｂ）は、コア層Ａの厚みｄ＝５４５ｎｍの場合のデータを示し、図２７（ｃ）は、コア層Ａの厚みｄ＝５５０ｎｍの場合のデータを示している。
【０１１５】
コア層Ａの屈折率は、クラッド層Ｂ，Ｃの屈折率よりも高く、また、活性層３Ｂにおける井戸層の屈折率はこれに隣接するバリア層の屈折率よりも高く、キャリアブロック層３Ｄの屈折率は、これに隣接するガイド層４Ｇの屈折率よりも低い。なお、図６０に示したように、各層におけるエネルギーバンドギャップＥｇの関係は、屈折率ｎの関係とは逆となる。
【０１１６】
同図に示すように、コア層Ａの厚みｄが５４５ｎｍ以上になると（（ｂ）、（ｃ））、１次モードが存在し、一方の強度ピーク位置近傍に活性層３Ｂの位置を合わせることで、レーザ光強度を高めることが可能となる。
【０１１７】
この原理は、以下のように、図１〜図１７に示した回折格子層を備えた半導体レーザ素子に適用することができる。以下の半導体レーザ素子は、図１〜図９又は図１０〜図１７に示した半導体レーザ素子におけるコア層の変形例を示している。
【０１１８】
図２８は、回折格子層を有する半導体レーザ素子主要部の厚み方向に沿った構造（図２８（ａ））、エネルギーバンドギャップ（図２８（ｂ））、及び電界強度分布（図２８（ｃ）：０次モード、図２８（ｄ）：１次モード）を示す図である。電界強度Ｅｙは、ＴＥモードにおけるＹ軸方向の電界強度を示す。
【０１１９】
コア層Ａの平均のエネルギーバンドギャップＥｇは、クラッド層Ｂ，Ｃの平均のエネルギーバンドギャップＥｇよりも小さく、キャリアブロック層３ＤのエネルギーバンドギャップＥｇは、活性層３ＢにおけるエネルギーバンドギャップＥｇの最大値よりも大きい。また、図６０に示すように、エネルギーバンドギャップＥｇと屈折率ｎとは、負の相関があるため、コア層Ａの平均の屈折率ｎは、クラッド層Ｂ，Ｃの平均の屈折率ｎよりも高く、キャリアブロック層３Ｄの屈折率ｎは、活性層３Ｂにおける屈折率ｎの最大値よりも小さい。光は屈折率の高いところを伝搬するため、３層スラブ構造においては、コア層Ａ内を光が伝搬する。
【０１２０】
０次モードの場合においては（図２８（ｃ））、活性層３Ｂの位置における電界強度Ｅｙはピーク位置における電界強度Ｅｙよりも小さく、レーザ光の強度が高くはない。一方、１次モードの場合においては（図２８（ｄ））、活性層３Ｂは、電界強度Ｅｙの１つのピーク位置に位置しており、また、回折格子層４（４Ａ，４Ｂ）は、電界強度Ｅｙのもう１つのピーク位置に位置しており、レーザ光の強度は高くなる。
【０１２１】
次に、コア層Ａ内の積層構造について説明する。
【０１２２】
図２９は、コア層Ａ内の幾つかの積層構造を示す図である。いずれも図１〜図９に示した半導体レーザ素子、又は、図１０〜図１７に示した半導体レーザ素子におけるコア層Ａの変形例を示している。
【０１２３】
図２９（ａ）は、図１及び図２８に示したタイプのコア層Ａであり、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄ、回折格子層４（４Ａ，４Ｂ）を順次積層したものである。なお、回折格子層４上には、図１に示したバッファ層４’が位置することとしてもよい。
【０１２４】
図２９（ｂ）は、ドープ層を備えるタイプのコア層Ａであり、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄ、ガイド層３Ｅ、ドープ層３Ｆ、回折格子層４（４Ａ，４Ｂ）を順次積層したものである。なお、回折格子層４上には、図１に示したバッファ層４’が位置することとしてもよい。なお、スペーサ層３Ｃの構成は、図１及び図２８に示した通りである。
【０１２５】
図２９（ｃ）は、図２９（ｂ）に示したコア層Ａからスペーサ層３Ｃを除いたタイプのコア層Ａであり、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、キャリアブロック層３Ｄ、ガイド層３Ｅ、ドープ層３Ｆ、回折格子層４（４Ａ，４Ｂ）を順次積層したものである。なお、回折格子層４上には、図１に示したバッファ層４’が位置することとしてもよい。この構造のコア層Ａの詳細については、後述の図３０（構造（１））、図４０（構造（２））、図４９（構造（３））において説明する。
【０１２６】
図２９（ｄ）は、図２９（ｃ）に示したコア層Ａに新たにガイド層３Ｇを追加したタイプのコア層Ａであり、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、キャリアブロック層３Ｄ、ガイド層３Ｅ、ドープ層３Ｆ、ガイド層３Ｇ、回折格子層４（４Ａ，４Ｂ）を順次積層したものである。なお、回折格子層４上には、図１に示したバッファ層４’が位置することとしてもよい。ガイド層３Ｇの構成は、ガイド層３Ｅの構成と同様に設定することができる。
【０１２７】
図３０は、図２９（ｃ）に示したコア層Ａを有する半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表である（構造（１）とする）。
【０１２８】
図３０を参照して、光伝搬に寄与するコア層Ａとクラッド層Ｂ，Ｃの構造を詳説すると、下部クラッド層２はＮ型のＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．７）からなり、ガイド層３ＡはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．１）からなり、活性層３ＢはＩｎＧａＡｓ／ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．１）の多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなり、キャリアブロック層３ＤはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．４）からなり、ガイド層３ＥはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．１）からなり、ドープ層３ＦはＰ型のＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．４）からなり、回折格子層４は、基本層４ＡがＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．１）からなり、異屈折率部４ＢがＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．４）からなり、上部クラッド層５はＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．４）からなる。ＭＱＷにおける井戸数は１又は２以上に設定することができる。
【０１２９】
厚みに関して、好適には、例えば、下部クラッド層２の厚みは２０００ｎｍ、ガイド層３Ａの厚みは５０ｎｍ、活性層３Ｂの厚みは４０ｎｍ、キャリアブロック層３Ｄの厚みは３０ｎｍ、ガイド層３Ｅの厚みは２６０ｎｍ、ドープ層３Ｆの厚みは４０ｎｍ、回折格子層４の厚みは３００ｎｍ、上部クラッド層５の厚みは２０００ｎｍとすることができる。
【０１３０】
また、回折格子層４の回折格子形成領域ＲＰＣ（図４参照）内における異屈折率部４Ｂの占有面積率（フィリングファクタ：ＦＦ）は、２０％に設定することができる。占有面積率ＦＦ（％）は、水平断面（ＹＺ平面）内における、回折格子形成領域ＲＰＣの面積に対する複数の異屈折率部４Ｂの面積の合計の比率である。換言すれば、占有面積率ＦＦ（％）は、単位面積当たりにおいて異屈折率部４Ｂの占める面積の比率である。１つの異屈折率部４Ｂの形状は本例では円形とし、円の面積は、例えば格子定数３００ｎｍの正方格子では、１８０００ｎｍ２であることとし、基本層４Ａ内に埋め込まれたＸ軸方向の深さは３００ｎｍであることとする。すなわち、１ｃｍ２当たり０．２ｃｍ２の異屈折率部４Ｂが存在する。
【０１３１】
図３１は、図３０に示した構造を有する半導体レーザ素子において、基本モード（０次モード）と１次モードにおけるＴＥモードの等価屈折率ｎeffと、回折格子層４におけるフォトニックバンドギャップのバンド端波長（ｎｍ）の関係を示す図表である。発振波長λ＝９８０ｎｍとする。回折格子層４の厚みＤ＝３００ｎｍ（０．３μｍ）であり、コア層Ａの厚みｄ＝７２０ｎｍである。活性層３Ｂにおける量子井戸数は２とする。
【０１３２】
なお、コア層Ａの屈折率ｎ１＝３．４２、下部クラッド層Ｂの屈折率ｎ２＝３．１０、上部クラッド層Ｃの屈折率ｎ３＝３．２６とした。これらの屈折率は、ＭＳＥＯ（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）法と式（１）により、波長９８０ｎｍにおける屈折率の値を求めた。この場合、伝搬モードに１次モードが生じるカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ（１）と、２次モードが生じるカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ（２）は、５７３（ｎｍ）と１０４７（ｎｍ）となる。すなわち、コア層Ａの厚みｄが、５７３（ｎｍ）以上１０４７（ｎｍ）未満であれば、１次モードが発生し、２次モードが発生しない条件が成立する。１次高次モードを取る領域範囲は、階段行列法による電磁界計算から６００（ｎｍ）〜１０４０（ｎｍ）と計算されるが、これらの範囲は概ね一致している。
【０１３３】
上述のようにコア層Ａの全体の膜厚ｄ＝７２０ｎｍであるため、１次モードの発生条件は満たされ、ＴＥモードの電磁界モードは、基本０次モードと１次モードが形成される。
【０１３４】
図３１に示す等価屈折率ｎeffの差から、回折格子層４に格子定数３４４ｎｍの三角格子のフォトニック結晶を用いる場合、基本０次モードと1次モードのバンド端波長（１００９．０３ｎｍ、９８０．４３ｎｍ）差は、３０ｎｍ程度となる。
【０１３５】
図３２は、共振が生じる波長と強度の関係（ａ）と、発光波長と強度の関係（ｂ）を示すグラフである。
【０１３６】
上述の通り、回折格子層４のフォトニックバンドギャップの０次モードにおけるバンド端波長λｐ０と、１次モードにおけるバンド端波長λｐ１とは、約３０ｎｍの差がある。それぞれの波長においてレーザ光を生成するための発光の共振を起こすことができるが、一方で、量子井戸からなる活性層３Ｂにおける発光の利得スペクトルのピーク波長λｐは、活性層３Ｂの組成やエネルギーバンドギャップ等を変更することによって移動させることができる。したがって、利得スペクトルのピーク波長λｐと１次モードのバンド端波長λｐ１（９８０ｎｍ）とを一致させれば、１次モードのレーザ発振が支配的となり、０次モードのレーザ発振は抑制されることになる。上記の場合、バンド端波長差は約３０ｎｍであるため、利得スペクトルのピーク波長λｐ±５ｎｍの範囲内に、１次モードのバンド端波長λｐ１が存在すれば、１次モードが選択的且つ効率的に発生することになる。
【０１３７】
図３３は、各層における光閉じ込め係数を示す図表である。
【０１３８】
上記図３０の設定の場合、活性層（量子井戸層）３Ｂ内の光閉じ込め係数Γｑｗは、基本モード（０次モード）の場合では１．６２（％）、１次モードの場合には２．２８（％）であり、１次モードの場合に、活性層３Ｂ内により多くの光を閉じ込めることができる。また、回折格子戸層４内の光閉じ込め係数Γｇは、基本モード（０次モード）の場合では３０．１（％）、１次モードの場合には３９．３（％）であり、１次モードの場合に、回折格子層４内により多くの光を閉じ込めることができる。更に、ドープ層３Ｆ内の光閉じ込め係数Γｄｏｐｅは、基本モード（０次モード）の場合では６．７（％）、１次モードの場合には０．２（％）であり、１次モードの場合に、ドープ層３Ｆ内の光の影響はさらに抑制され、０次モードの光はドープ層３Ｆ内の不純物により損失を受けることになる。
【０１３９】
上記のように、１次モードでは、活性層３Ｂ内における光閉じ込め係数Γｑｗが高くなるため、低い閾値でのレーザ発振が可能となるという利点がある。
【０１４０】
また、１次モードの回折格子層４内の光閉じ込め係数Γｇは、基本０次モードに比べて高い。光閉じ込め係数Γｇは、面垂直方向への回折効果の大きさを表す結合係数κに比例し、回折格子層４が十分に機能することになる。なお、光閉じ込め係数Γｇ＝３９．３％という値は、非特許文献１の半導体レーザ素子の光閉じ込め係数Γg＝１８．１％と比較しても、十分に高い値となる。
【０１４１】
更に、ドープ層３Ｆには１×１０１７／ｃｍ３以上のＰ型の不純物が添加されている。なお、本例では、ドープ層３ＦのＰ型の不純物濃度は１×１０１８／ｃｍ３である。これにより、ドープ層３Ｆのフェルミ準位を価電子帯側へシフトすることができ、Ｎ型の下部クラッド層２側から注入された電子を効率的にブロックしつつ、抵抗なくホールを活性層３Ｂ内に注入することができるようになる。また、ドープ層３Ｆの光閉じ込め係数Γｄｏｐｅは、基本０次モードの６．７（％）に対して１次モードでは０．２（％）と非常に小さい値となる。この差により、基本０次モードで選択的に光の損失が大きくなるため、より安定に１次モードが単一モードで発振ができるようになる。なお、ドープ層３ＦのＰ型の不純物濃度は、ドーパントの拡散による光吸収の増大および結晶性という観点から、１×１０２０／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【０１４２】
また、回折格子層４においては、異屈折率部３Ｂを埋め込むための穴を事前にドライエッチングにより形成しているため、穴の底面には加工損傷が残留している。換言すれば、回折格子層４を構成する基本層４Ａの底部から数十ｎｍ程度の領域に、加工による損傷領域が形成されている。損傷領域では格子欠陥、不純物準位等が形成されるため、光吸収の原因となり得る。そこで、回折格子層４の底部付近（或いは穴の底面付近）において、電界強度を低下させれば、当該光吸収の影響を低減することが可能となる。
【０１４３】
０次モードでは、上記底部又は底面付近における電界強度を小さくすることが困難となる。これは、０次モードが基本的に単峰性であり、活性層３Ｂの光閉じ込め係数Γｑｗと回折格子層４の光閉じ込め係数Γｇを共に大きくするためには、その中間にある回折格子の底部では電界強度を小さくすることができないためである。
【０１４４】
一方、１次モードを利用する場合、図３４に示すように、１次モードにおける２つの強度ピーク間の谷の位置を、ドープ層３Ｆの近傍に設定することで、この上に位置する回折格子層４の底部においても、電界強度を小さくし、損傷領域における光吸収を低減することが可能となる。なお、図３４は、半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率ｎと電界強度Ｅとの関係を示すグラフであり、１次モードのデータは基本モードのデータよりも若干上方にシフトして示してある。
【０１４５】
なお、電界強度の谷（節）の位置においては、電界強度を０とすることもできる。このため、回折格子層底部の損傷領域に電界強度の節を配置することができ、損傷領域の影響を抑えることができる。また、０次モードに比べ、回折格子層４底部から活性層３Ｂ層を離して配置することが出来るため、活性層３Ｂへの直接的な加工損傷の影響を抑えることができる。
【０１４６】
かかる観点から、Ｘ軸に沿った位置関係を考える場合、回折格子層４の活性層３Ｂ側の端面（底面）は、上記１次モードにおける電界強度ピークの谷の位置から、±５０ｎｍの範囲内の位置に存在することが好ましく、ドープ層３Ｆの厚み方向の中心位置は、１次モードにおける電界強度ピークの谷の位置から、±５０ｎｍの範囲内の位置に存在することが好ましい。また、１次モードの２つの強度ピークを効率的に利用するためには、回折格子層４の活性層３Ｂ側の端面（底面）は、活性層３Ｂの中心位置から、発振波長λに対して、λ/（４×ｎｅｆｆ）ｎｍ程度離間していることが望ましいが、回折格子層４の影響を活性層３Ｂに及ぼすためには、これらの中心位置の距離はλ／(２×ｎｅｆｆ）ｎｍ程度であることが好ましい。
【０１４７】
また、１次モードでは０次モードに比べ、電界が広く分布するため、上部クラッド層５の光閉じ込め係数が大きくなり、λ＝１μｍ程度の波長領域では自由電子吸収の影響で内部損失を大きくする要因も存在する。実際に、上部クラッド層５全体の光閉じ込め係数は２５．０％となるため、吸収損失が大きくなり得る。しかしながら、１次モードは回折格子層４の近傍に光の大部分が閉じ込められ、回折格子層４の上部クラッド層５側の端面から２００ｎｍの領域に上部クラッド層全体のうち７５％の光が集中するため、その領域におけるＰ型の不純物濃度を１×１０１６〜３×１０１７ｃｍ−３の範囲内に低減することで内部損失の小さいレーザ構造が実現できる。
【０１４８】
図３５は、回折格子層の厚みＤと等価屈折率ｎｅｆｆとの関係を示すグラフである。図３０及び図３１に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、等価屈折率ｎｅｆｆが０次モードでは３．３８７０、１次モードでは３．２９１０となる。占有面積率ＦＦが１０％の場合、２０％の場合、３０％の場合のいずれにおいても、等価屈折率ｎｅｆｆは１次モードの方が０次モードの場合よりも小さく、回折格子層Ｄの厚みが増加するにしたがって、等価屈折率ｎｅｆｆは増加していることが分かる。
【０１４９】
図３６は、回折格子層の厚みＤと活性層３Ｂにおける光閉じ込め係数Γｑｗとの関係を示すグラフである。図３０及び図３３に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、活性層３Ｂにおける光閉じ込め係数Γｑｗは０次モードでは１．６２（％）、１次モードでは２．２８（％）である。１次モードにおける光閉じ込め係数Γｑｗが、０次モードの場合の光閉じ込め係数Γｑｗよりも大きくなる（条件Ａとする）のは、厚みＤが所定値以上の場合であり、少なくとも厚みＤが６００ｎｍまでは、この大小関係は維持される。条件Ａを満たす厚みＤの最小値（所定値）と最大値は、図３８に示す通りである。
【０１５０】
図３７は、回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｇとの関係を示すグラフである。図３０及び図３３に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、回折格子層４における光閉じ込め係数Γｇは０次モードでは３０．１（％）、１次モードでは３９．３（％）である。１次モードにおける光閉じ込め係数Γｇが、０次モードの場合の光閉じ込め係数Γｇよりも大きくなる（条件Ｂとする）のは、厚みＤが所定範囲内の場合である。条件Ｂを満たす厚みＤの所定範囲（最小値と最大値）は、図３８に示す通りである。
【０１５１】
図３８は、構造（１）において、条件Ａと条件Ｂを満たす回折格子層の厚みＤの最小値Ｍｉｎ（ｎｍ）と最大値Ｍａｘ（ｎｍ）を示す図表である。
【０１５２】
占有面積率ＦＦが１０％の場合には、条件Ａを満たすためには、厚みＤは１８０ｎｍ以上である必要があり、６００ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。条件Ｂを満たすためには、厚みＤは２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である必要がある。すなわち、双方の条件を満たすためには、厚みＤは２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である必要がある。
【０１５３】
占有面積率ＦＦが２０％の場合には、条件Ａを満たすためには、厚みＤは２００ｎｍ以上である必要があり、６００ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。条件Ｂを満たすためには、厚みＤは２００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下である必要がある。すなわち、双方の条件を満たすためには、厚みＤは２００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下である必要がある。
【０１５４】
占有面積率ＦＦが３０％の場合には、条件Ａを満たすためには、厚みＤは２７０ｎｍ以上である必要があり、６００ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。条件Ｂを満たすためには、厚みＤは２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下である必要がある。すなわち、双方の条件を満たすためには、厚みＤは２７０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である必要がある。
【０１５５】
占有面積率ＦＦが１０％〜３０％の場合、厚みＤが２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である場合には、双方の条件は常に満たされることになる。
【０１５６】
図３９は、回折格子層の厚みＤとドープ層の光閉じ込め係数Γｄｏｐｅとの関係を示すグラフである。図３０及び図３３に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、ドープ層３Ｆにおける光閉じ込め係数Γｄｏｐｅは０次モードでは６．７（％）、１次モードでは０．２（％）である。１次モードにおける光閉じ込め係数Γｄｏｐｅが、０次モードの場合の光閉じ込め係数Γｄｏｐｅよりも小さくなる（条件Ｃとする）のは、少なくとも厚みＤが１５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。
【０１５７】
図４０は、図２９（ｃ）に示したコア層Ａを有する別の構造の半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表である（構造（２）とする）。
【０１５８】
図４０に示した構造の図３０に示したものとの相違点は、アルミニウムの組成比Ｘと膜厚のみであり、その他の基本的構造は同一である。以下、詳説する。
【０１５９】
図４０を参照して、光伝搬に寄与するコア層Ａとクラッド層Ｂ，Ｃの構造を詳説すると、下部クラッド層２はＮ型のＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．７）からなり、ガイド層３ＡはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．２５）からなり、活性層３ＢはＩｎＧａＡｓ／ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．２５）の多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなり、キャリアブロック層３ＤはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．７）からなり、ガイド層３ＥはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．２５）からなり、ドープ層３ＦはＰ型のＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．７）からなり、回折格子層４は、基本層４ＡがＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．２５）からなり、異屈折率部４ＢがＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．６）からなり、上部クラッド層５はＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．６）からなる。ＭＱＷにおける井戸数は１又は２以上に設定することができる。
【０１６０】
厚みに関して、好適には、例えば、下部クラッド層２の厚みは２０００ｎｍ、ガイド層３Ａの厚みは５０ｎｍ、活性層３Ｂの厚みは４０ｎｍ、キャリアブロック層３Ｄの厚みは３０ｎｍ、ガイド層３Ｅの厚みは１００ｎｍ、ドープ層３Ｆの厚みは３０ｎｍ、回折格子層４の厚みは３００ｎｍ、上部クラッド層５の厚みは２０００ｎｍとすることができる。
【０１６１】
また、回折格子層４の回折格子形成領域ＲＰＣ（図４参照）内における異屈折率部４Ｂの占有面積率（フィリングファクタ：ＦＦ）は、２０％に設定することができる。１つの異屈折率部４Ｂの形状は本例でも円形とし、円の面積は、例えば格子定数３００ｎｍの正方格子では、１８０００ｎｍ２であることとし、基本層４Ａ内に埋め込まれたＸ軸方向の深さは３００ｎｍであることとする。すなわち、１ｃｍ２当たり０．２ｃｍ２の異屈折率部４Ｂが存在する。
【０１６２】
図４１は、図４０に示した構造を有する半導体レーザ素子において、基本モード（０次モード）と１次モードにおけるＴＥモードの等価屈折率ｎeffと、回折格子層４におけるフォトニックバンドギャップのバンド端波長（ｎｍ）の関係を示す図表である。発振波長λ＝８００ｎｍとする。回折格子層４の厚みＤ＝３００ｎｍ（０．３μｍ）であり、コア層Ａの厚みｄ＝５５０ｎｍであり、回折格子層４を除いた厚みは２５０ｎｍである。活性層３Ｂにおける量子井戸数は２とする。
【０１６３】
なお、コア層Ａの屈折率ｎ１＝３．４２、下部クラッド層Ｂの屈折率ｎ２＝３．１９、上部クラッド層Ｃの屈折率ｎ３＝３．２５とした。これらの屈折率は、ＭＳＥＯ法及び式（１）により波長９８０ｎｍにおける屈折率の値を求めた。この場合、伝搬モードに１次モードが生じるカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ（１）と、２次モードが生じるカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ（２）は、４２８（ｎｍ）と８００（ｎｍ）となる。すなわち、コア層Ａの厚みｄが、４２８（ｎｍ）以上８００（ｎｍ）未満であれば、１次モードが発生し、２次モードが発生しない条件が成立する。１次高次モードを取る領域範囲は、階段行列法による電磁界計算から４３０（ｎｍ）〜８００（ｎｍ）と計算される。
【０１６４】
上述のようにコア層Ａの全体の膜厚ｄ＝５５０ｎｍであるため、１次モードの発生条件は満たされ、ＴＥモードの電磁界モードは、基本０次モードと１次モードが形成される。
【０１６５】
図４１に示す等価屈折率ｎeffの差から、回折格子層４に格子定数２８１ｎｍの三角格子のフォトニック結晶を用いる場合、基本０次モードと1次モードのバンド端波長（８２１．５１ｎｍ、７９９．０４ｎｍ）差は、２０ｎｍ程度となる。したがって、構造（１）の場合と同様に（図３２参照）、利得スペクトルのピーク波長λｐと１次モードのバンド端波長λｐ１（７９９ｎｍ）とを一致させれば、１次モードのレーザ発振が支配的となり、０次モードのレーザ発振は抑制されることになる。上記の場合、バンド端波長差は約２０ｎｍであるため、利得スペクトルのピーク波長λｐ±５ｎｍの範囲内に、１次モードのバンド端波長λｐ１が存在すれば、１次モードが選択的且つ効率的に発生することになる。
【０１６６】
図４２は、各層における光閉じ込め係数を示す図表である。
【０１６７】
上記図４０の設定の場合、活性層（量子井戸層）３Ｂ内の光閉じ込め係数Γｑｗは、基本モード（０次モード）の場合では２．６７（％）、１次モードの場合には４．１５（％）であり、１次モードの場合に、活性層３Ｂ内により多くの光を閉じ込めることができる。また、回折格子戸層４内の光閉じ込め係数Γｇは、基本モード（０次モード）の場合では５０．１（％）、１次モードの場合には３３．８（％）であり、１次モードの場合に、回折格子層４内により多くの光を閉じ込めることができる。更に、ドープ層３Ｆ内の光閉じ込め係数Γｄｏｐｅは、基本モード（０次モード）の場合では６．３（％）、１次モードの場合には０．５（％）であり、１次モードの場合に、ドープ層３Ｆ内の光の影響はさらに抑制され、０次モードの光はドープ層３Ｆ内の不純物により損失を受けることになる。
【０１６８】
上記のように、１次モードでは、活性層３Ｂ内における光閉じ込め係数Γｑｗが高くなるため、低い閾値でのレーザ発振が可能となるという利点がある。
【０１６９】
また、構造（１）の場合と同様に、１次モードの回折格子層４内の光閉じ込め係数Γｇは、基本０次モードに比べてさほど低い値ではなく、回折格子層４が十分に機能することになる。
【０１７０】
更に、ドープ層３Ｆには１×１０１７／ｃｍ３以上のＰ型の不純物が添加されている。なお、本例では、ドープ層３ＦのＰ型の不純物濃度は１×１０１８／ｃｍ３である。構造（１）の場合と同様に、Ｎ型の下部クラッド層２側から注入された電子を効率的にブロックしつつ、抵抗なくホールを活性層３Ｂ内に注入することができ、また、基本０次モードで選択的に光の損失が大きくなるため、より安定に１次モードが単一モードで発振ができるようになる。なお、ドープ層３ＦのＰ型の不純物濃度は、ドーパントの拡散による光吸収の増大および結晶性という観点から、１×１０２０／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【０１７１】
また、構造（１）の場合と同様に、１次モードを利用する場合、図４３に示すように、１次モードにおける２つの強度ピーク間の谷の位置を、ドープ層３Ｆの近傍に設定することで、この上に位置する回折格子層４の底部においても、電界強度を小さくし、回折格子層４における穴形成時の損傷領域における光吸収を低減することが可能となる。なお、図４３は、半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率ｎと電界強度Ｅとの関係を示すグラフであり、１次モードのデータは基本モードのデータよりも若干上方にシフトして示してある。
【０１７２】
なお、電界強度の谷（節）の位置においては、電界強度を０とすることもできる。このため、回折格子層底部の損傷領域に電界強度の節を配置することができ、損傷領域の影響を抑えることができる。また、０次モードに比べ、回折格子層４底部から活性層３Ｂ層を離して配置することが出来るため、活性層３Ｂへの直接的な加工損傷の影響を抑えることができる。
【０１７３】
かかる観点から、Ｘ軸に沿った位置関係を考える場合、回折格子層４の活性層３Ｂ側の端面（底面）は、上記１次モードにおける電界強度ピークの谷の位置から、±５０ｎｍの範囲内の位置に存在することが好ましく、ドープ層３Ｆの厚み方向の中心位置は、１次モードにおける電界強度ピークの谷の位置から、±５０ｎｍの範囲内の位置に存在することが好ましい。また、１次モードの２つの強度ピークを効率的に利用するためには、回折格子層４の活性層３Ｂ側の端面（底面）は、活性層３Ｂの中心位置からλ/（４×ｎｅｆｆ）ｎｍ程度離間していることが望ましいが、回折格子層４の影響を活性層３Ｂに及ぼすためには、これらの中心位置の距離はλ／(２×ｎｅｆｆ）ｎｍ程度であることが好ましい。
【０１７４】
また、λ＝１μｍ程度波長領域では自由電子吸収の影響で内部損失を大きくする要因を低減するためには、回折格子層４の上部クラッド層５側の端面から２００ｎｍ以下の領域におけるＰ型の不純物濃度を１×１０１６／ｃｍ３〜３×１０１7／ｃｍ３の範囲内にして低減することで、内部損失の小さいレーザ構造が実現できる。
【０１７５】
図４４は、回折格子層の厚みＤと等価屈折率ｎｅｆｆとの関係を示すグラフである。図４０及び図４１に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、等価屈折率ｎｅｆｆが０次モードでは３．３７５８、１次モードでは３．２８３５となる。占有面積率ＦＦが１０％の場合、２０％の場合、３０％の場合のいずれにおいても、等価屈折率ｎｅｆｆは１次モードの方が０次モードの場合よりも小さく、回折格子層Ｄの厚みが増加するにしたがって、等価屈折率ｎｅｆｆは増加していることが分かる。
【０１７６】
図４５は、回折格子層の厚みＤと活性層３Ｂにおける光閉じ込め係数Γｑｗとの関係を示すグラフである。図４０及び図４２に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、活性層３Ｂにおける光閉じ込め係数Γｑｗは０次モードでは２．６７（％）、１次モードでは４．１５（％）である。１次モードにおける光閉じ込め係数Γｑｗが、０次モードの場合の光閉じ込め係数Γｑｗよりも大きくなる（条件Ａとする）のは、厚みＤが所定値以上の場合であり、少なくとも厚みＤが５５０ｎｍまでは、この大小関係は維持される。条件Ａを満たす厚みＤの最小値（所定値）と最大値は、図４７に示す通りである。
【０１７７】
図４６は、回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｇとの関係を示すグラフである。図４０及び図４２に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、回折格子層４における光閉じ込め係数Γｇは０次モードでは５０．１（％）、１次モードでは３３．８（％）である。１次モードにおける光閉じ込め係数Γｇが、０次モードの場合の光閉じ込め係数Γｇよりも大きくなる（条件Ｂとする）ことはない。
【０１７８】
図４７は、構造（２）において、条件Ａを満たす回折格子層の厚みＤの最小値Ｍｉｎ（ｎｍ）と最大値Ｍａｘ（ｎｍ）を示す図表である。
【０１７９】
占有面積率ＦＦが１０％の場合には、条件Ａを満たすためには、厚みＤは２００ｎｍ以上である必要があり、５５０ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。
【０１８０】
占有面積率ＦＦが２０％の場合には、条件Ａを満たすためには、厚みＤは２３０ｎｍ以上である必要があり、５５０ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。
【０１８１】
占有面積率ＦＦが３０％の場合には、条件Ａを満たすためには、厚みＤは２７０ｎｍ以上である必要があり、５５０ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。
【０１８２】
占有面積率ＦＦが１０％〜３０％の場合、厚みＤが２７０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下である場合には、条件Ａは常に満たされることになる。
【０１８３】
図４８は、回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｄｏｐｅとの関係を示すグラフである。図４０及び図４２に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、ドープ層３Ｆにおける光閉じ込め係数Γｄｏｐｅは０次モードでは６．３（％）、１次モードでは０．５（％）である。１次モードにおける光閉じ込め係数Γｄｏｐｅが、０次モードの場合の光閉じ込め係数Γｄｏｐｅよりも小さくなる（条件Ｃとする）のは、少なくとも厚みＤが１５０ｎｍ以上ＤＣ以下である。占有面積率ＦＦが１０％の場合には厚みＤｃは４８０ｎｍであり、占有面積率ＦＦが２０％の場合には厚みＤｃは５４０ｎｍであり、占有面積率ＦＦが３０％の場合には厚みＤｃは５４０ｎｍである。
【０１８４】
図４９は、図２９（ｃ）に示したコア層Ａを有する更に別の構造の半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表である（構造（３）とする）。
【０１８５】
図４９に示した構造の図３０に示したものとの相違点は、ドープ層３Ｆにおけるアルミニウムの組成比Ｘと、キャリアブロック層４Ｄの膜厚のみであり、その他の構造は同一である。以下、詳説する。すなわち、ドープ層３Ｆにおけるアルミニウムの組成比ＸをＸ＝０．１とし、キャリアブロック層３Ｄの厚みを４０ｎｍに変更したものである。その他の構造については、同一であるため説明を省略する。
【０１８６】
図５０は、図４９に示した構造を有する半導体レーザ素子において、基本モード（０次モード）と１次モードにおけるＴＥモードの等価屈折率ｎeffと、回折格子層４におけるフォトニックバンドギャップのバンド端波長（ｎｍ）の関係を示す図表である。発振波長λ＝９８０ｎｍとする。回折格子層４の厚みＤ＝３００ｎｍ（０．３μｍ）であり、コア層Ａの厚みｄ＝７３０ｎｍであり、回折格子層４を除いた厚みは４３０ｎｍである。活性層３Ｂにおける量子井戸数は２とする。
【０１８７】
なお、コア層Ａの屈折率ｎ１＝３．４４、下部クラッド層Ｂの屈折率ｎ２＝３．１０、上部クラッド層Ｃの屈折率ｎ３＝３．２６とした。これらの屈折率は、ＭＳＥＯ法及び式（１）により波長９８０ｎｍにおける屈折率の値を求めた。この場合、伝搬モードに１次モードが生じるカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ（１）と、２次モードが生じるカットオフ膜厚ｄｃｕｔｏｆｆ（２）は、５４１（ｎｍ）と９９２（ｎｍ）となる。すなわち、コア層Ａの厚みｄが、５４１（ｎｍ）以上９９２（ｎｍ）未満であれば、１次モードが発生し、２次モードが発生しない条件が成立する。１次高次モードを取る領域範囲は、階段行列法による電磁界計算から５７０〜１０４０ｎｍと計算され、大きなずれはない。
【０１８８】
上述のようにコア層Ａの全体の膜厚ｄ＝７３０ｎｍであるため、１次モードの発生条件は満たされ、ＴＥモードの電磁界モードは、基本０次モードと１次モードが形成される。
【０１８９】
図５０に示す等価屈折率ｎeffの差から、回折格子層４に格子定数３４４ｎｍの三角格子のフォトニック結晶を用いる場合、基本０次モードと1次モードのバンド端波長（１０１３．３４ｎｍ、９８０．７０ｎｍ）差は、３０ｎｍ程度となる。したがって、構造（１）の場合と同様に（図３２参照）、利得スペクトルのピーク波長λｐと１次モードのバンド端波長λｐ１（９８０ｎｍ）とを一致させれば、１次モードのレーザ発振が支配的となり、０次モードのレーザ発振は抑制されることになる。上記の場合、バンド端波長差は約３０ｎｍであるため、利得スペクトルのピーク波長λｐ±５ｎｍの範囲内に、１次モードのバンド端波長λｐ１が存在すれば、１次モードが選択的且つ効率的に発生することになる。
【０１９０】
図５１は、各層における光閉じ込め係数を示す図表である。
【０１９１】
上記図４９の設定の場合、活性層（量子井戸層）３Ｂ内の光閉じ込め係数Γｑｗは、基本モード（０次モード）の場合では１．２（％）、１次モードの場合には２．３９（％）であり、１次モードの場合に、活性層３Ｂ内により多くの光を閉じ込めることができる。また、回折格子戸層４内の光閉じ込め係数Γｇは、基本モード（０次モード）の場合では３２．０（％）、１次モードの場合には３７．７（％）であり、１次モードの場合に、回折格子層４内により多くの光を閉じ込めることができる。更に、ドープ層３Ｆ内の光閉じ込め係数Γｄｏｐｅは、基本モード（０次モード）の場合では８．２（％）、１次モードの場合には０．２（％）であり、１次モードの場合に、ドープ層３Ｆ内の光の影響はさらに抑制され、０次モードの光はドープ層３Ｆ内の不純物により損失を受けることになる。
【０１９２】
上記のように、１次モードでは、活性層３Ｂ内における光閉じ込め係数Γｑｗが高くなるため、低い閾値でのレーザ発振が可能となるという利点がある。
【０１９３】
また、構造（１）の場合と同様に、１次モードの回折格子層４内の光閉じ込め係数Γｇは、基本０次モードに比べて高く、回折格子層４が十分に機能することになる。
【０１９４】
更に、ドープ層３Ｆには１×１０１７／ｃｍ３以上のＰ型の不純物が添加されている（本例では１×１０１８／ｃｍ３）。構造（１）の場合と同様に、Ｎ型の下部クラッド層２側から注入された電子を効率的にブロックしつつ、抵抗なくホールを活性層３Ｂ内に注入することができ、また、基本０次モードで選択的に光の損失が大きくなるため、より安定に１次モードが単一モードで発振ができるようになる。なお、ドープ層３ＦのＰ型の不純物濃度は、ドーパントの拡散による光吸収の増大および結晶性という観点から、１×１０２０／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【０１９５】
また、構造（１）の場合と同様に、１次モードを利用する場合、図５２に示すように、１次モードにおける２つの強度ピーク間の谷の位置を、ドープ層３Ｆの近傍に設定することで、この上に位置する回折格子層４の底部においても、電界強度を小さくし、回折格子層４における穴形成時の損傷領域における光吸収を低減することが可能となる。なお、図５２は、半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率ｎと電界強度Ｅとの関係を示すグラフであり、１次モードのデータは基本モードのデータよりも若干上方にシフトして示してある。
【０１９６】
なお、電界強度の谷（節）の位置においては、電界強度を０とすることもできる。このため、回折格子層底部の損傷領域に電界強度の節を配置することができ、損傷領域の影響を抑えることができる。また、０次モードに比べ、回折格子層４底部から活性層３Ｂ層を離して配置することが出来るため、活性層３Ｂへの直接的な加工損傷の影響を抑えることができる。
【０１９７】
かかる観点から、Ｘ軸に沿った位置関係を考える場合、回折格子層４の活性層３Ｂ側の端面（底面）は、上記１次モードにおける電界強度ピークの谷の位置から、±５０ｎｍの範囲内の位置に存在することが好ましく、ドープ層３Ｆの厚み方向の中心位置は、１次モードにおける電界強度ピークの谷の位置から、±５０ｎｍの範囲内の位置に存在することが好ましい。また、１次モードの２つの強度ピークを効率的に利用するためには、回折格子層４の活性層３Ｂ側の端面（底面）は、活性層３Ｂの中心位置からλ/（４×ｎｅｆｆ）ｎｍ程度離間していることが望ましいが、回折格子層４の影響を活性層３Ｂに及ぼすためには、これらの中心位置の距離はλ／(２×ｎｅｆｆ）ｎｍ程度であることが好ましい。
【０１９８】
また、λ＝１μｍ程度波長領域では自由電子吸収の影響で内部損失を大きくする要因を低減するためには、回折格子層４の上部クラッド層５側の端面から２００ｎｍ以下の領域におけるＰ型の不純物濃度を１×１０１６／ｃｍ３〜３×１０１7／ｃｍ３の範囲内にして低減することで、内部損失の小さいレーザ構造が実現できる。
【０１９９】
図５３は、回折格子層の厚みＤと等価屈折率ｎｅｆｆとの関係を示すグラフである。図４９及び図５０に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、等価屈折率ｎｅｆｆが０次モードでは３．４０１５、１次モードでは３．２９１９となる。占有面積率ＦＦが１０％の場合、２０％の場合、３０％の場合のいずれにおいても、等価屈折率ｎｅｆｆは１次モードの方が０次モードの場合よりも小さく、回折格子層Ｄの厚みが増加するにしたがって、等価屈折率ｎｅｆｆは増加していることが分かる。
【０２００】
図５４は、回折格子層の厚みＤと活性層３Ｂにおける光閉じ込め係数Γｑｗとの関係を示すグラフである。図４９及び図５１に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、活性層３Ｂにおける光閉じ込め係数Γｑｗは０次モードでは１．２０（％）、１次モードでは２．３９（％）である。１次モードにおける光閉じ込め係数Γｑｗが、０次モードの場合の光閉じ込め係数Γｑｗよりも大きくなる（条件Ａとする）のは、厚みＤが所定値以上の場合であり、占有面積率ＦＦが３０％以下の場合、少なくとも厚みＤが６００ｎｍまでは、この大小関係は維持される。条件Ａを満たす厚みＤの最小値（所定値）と最大値は、図５６に示す通りである。
【０２０１】
図５５は、回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｇとの関係を示すグラフである。図４９及び図５１に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、回折格子層４における光閉じ込め係数Γｇは０次モードでは３２．０（％）、１次モードでは３７．７（％）である。１次モードにおける光閉じ込め係数Γｇが、０次モードの場合の光閉じ込め係数Γｇよりも大きくなる（条件Ｂとする）のは、回折格子層の厚みＤが２００ｎｍ以上の場合であり、図５６に示す通りである。
【０２０２】
図５６は、構造（３）において、条件Ａ及び条件Ｂを満たす回折格子層の厚みＤの最小値Ｍｉｎ（ｎｍ）と最大値Ｍａｘ（ｎｍ）を示す図表である。
【０２０３】
占有面積率ＦＦが１０％の場合には、条件Ａを満たすためには、厚みＤは１５０ｎｍ以上である必要があり、６００ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。条件Ｂを満たすためには、厚みＤは２００ｎｍ以上である必要があり、３００ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。双方の条件は、厚みが２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の場合に満たされる。
【０２０４】
占有面積率ＦＦが２０％の場合には、条件Ａを満たすためには、厚みＤは１５０ｎｍ以上である必要があり、６００ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。条件Ｂを満たすためには、厚みＤは２００ｎｍ以上である必要があり、６００ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。双方の条件は、厚みが２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の場合に満たされる。
【０２０５】
占有面積率ＦＦが３０％の場合には、条件Ａを満たすためには、厚みＤは１８０ｎｍ以上である必要があり、６００ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。条件Ｂを満たすためには、厚みＤは２００ｎｍ以上である必要があり、６００ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。双方の条件は、厚みが２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の場合に満たされる。
【０２０６】
占有面積率ＦＦが４０％の場合には、条件Ａを満たすためには、厚みＤは２１０ｎｍ以上である必要があり、４５０ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。条件Ｂを満たすためには、厚みＤは２１０ｎｍ以上である必要があり、６００ｎｍ以下であればこの条件は満たされる。双方の条件は、厚みが２１０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の場合に満たされる。
【０２０７】
占有面積率ＦＦが１０％〜４０％の場合、厚みＤが２１０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下である場合には、条件Ａ及び条件Ｂは常に満たされることになる。
【０２０８】
図５７は、回折格子層の厚みＤと光閉じ込め係数Γｄｏｐｅとの関係を示すグラフである。図４９及び図５１に示したように、占有面積率ＦＦが２０％であり、厚みＤ＝０．３μｍの場合には、ドープ層３Ｆにおける光閉じ込め係数Γｄｏｐｅは０次モードでは８．２（％）、１次モードでは０．２（％）である。１次モードにおける光閉じ込め係数Γｄｏｐｅが、０次モードの場合の光閉じ込め係数Γｄｏｐｅよりも小さくなる（条件Ｃとする）のは、少なくとも厚みＤが１５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である
【０２０９】
図５８は、上述の構造（１）、（２）、（３）において、２次モードが生じず１次モードが生じるコア層Ａの厚みｄの最小値Ｍｉｎ（ｎｍ）と最大値Ｍａｘ（ｎｍ）を示す図表である。構造（１）においては、５７３（ｎｍ）以上１０４７（ｎｍ）未満において、１次モードが生じ、構造（２）においては、４２８（ｎｍ）以上８００（ｎｍ）未満において、１次モードが生じ、構造（３）においては、５４１（ｎｍ）以上９９２（ｎｍ）未満において、１次モードが生じる。
【０２１０】
このような関係を半導体レーザ素子における発振波長λとの関係で考えると、コア層Ａの厚みｄは、構造（１）においては、０．５８５×λ≦ｄ＜１．０６８×λの関係を満たし、構造（２）においては、０．５３５×λ≦ｄ＜１×λの関係を満たし、構造（３）においては、０．５５２×λ≦ｄ＜１．０１２×λの関係を満たしている。すなわち、いずれの構造においても、０．５８５×λ≦ｄ＜１×λの関係を満たしており、この場合には、コア層Ａ内において１次モードを選択的に発生させることが可能となる。
【０２１１】
なお、上述の構造（１）〜（３）において、占有面積率ＦＦを大きく増加させると、０次モードのΓｑｗの方が、高次１次モードのΓｑｗよりも、大きくなるという逆転現象が生じる。また、占有面積率ＦＦを更に増加させ、８０％以上となる場合には、１次高次モードがコア層内に閉じ込められなくなる。これは、回折格子層の屈折率が低くなるため、光閉じ込め効果が弱くなるためである。したがって、いずれの構造（１）〜（３）においても、占有面積率ＦＦ＜８０％とすることが望ましい。
【０２１２】
構造（１）においては、占有面積率ＦＦが４０％以上で、上記逆転現象が生じる。したがって、占有面積率ＦＦ＜４０％とすることが望ましい。
【０２１３】
構造（２）においても、占有面積率ＦＦが４０％以上で、上記逆転現象が生じる。したがって、占有面積率ＦＦ＜４０％とすることが望ましい。
【０２１４】
構造（３）においては、占有面積率ＦＦが５０％以上で、上記逆転現象が生じる。したがって、占有面積率ＦＦ＜５０％とすることが望ましい。
【０２１５】
なお、回折格子層における異屈折率部の形状は、円形や矩形など任意の形状を選択することも出来る。また、上述の原理は、２次元ＤＦＢ（分布帰還型）の面発光素子に限定されず、同様の構造を有する端面発光素子にも適用が可能となる。また、回折格子層４を１次元構造とすれば、１次元ＤＦＢ構造に適用することができ、回折格子層４のパターンと上部電極構造を図２１のように長くすることで、通常の端面出射型の１次元ＤＦＢレーザ素子に適用することも可能となる。もちろん、上部電極の形状は任意のアスペクト比を取り、上部電極は端面に接さなくても良い。なお、端面出射型構造では各種の端面処理を行うことができる。
【０２１６】
以上、説明したように、叙述の半導体レーザ素子においては、以下のような利点があることが判明した。
【０２１７】
（１）モード選択性
基本０次モードと１次モードの等価屈折率差が大きいため、それぞれのモードの形成するバンド端波長の差を２０ｎｍ以上大きくすることができる。このため、利得スペクトルのピーク波長を１次モードのバンド端波長に合わせこむことで、１次モードのみ発振させることができる。他方、２次以上のモードでは、１次モードとの等価屈折率差が小さくなり、利得スペクトルのピーク波長の相対位置を利用してモードを選択することが困難となる。
（２）低閾値、高効率、モード安定化
１次モードでは一般的に電界強度が空間的に２つの位置にピークを有するが、そのピーク位置に回折格子層と活性層を配置することで、回折格子層および活性層の光閉じ込め係数を大きくすることができ、結果的に、低閾値、高効率かつモード安定したフォトニック結晶面発光レーザ素子（ＰＣＳＥＬ）を実現することができる。
（３）キャリアブロック層への高濃度ドーピング
キャリア閉じ込めおよび電気伝導の観点からは、ガイド層内部のキャリアブロック層へ高濃度のドーピングを行うことが望ましい。しかしながら、０次モードではキャリアブロック層の光閉じ込め係数を小さくすることが困難なため、光吸収が大きくなってしまう。一方、１次モードでは、キャリアブロック層に電界強度の節が位置するよう設計でき、低損失かつ優れたキャリア閉じ込めの高出力化に適した構造を実現できる。
（４）加工損傷の影響を抑制
回折格子層をドライエッチングにより加工する場合、回折格子の底部から数十ｎｍ程度の領域に加工による損傷領域が形成される。損傷領域では格子欠陥、不純物準位等が形成されるため、光吸収の原因となり得る。回折格子層の底部付近は、０次モードでは電界強度を小さくすることが困難となるが、１次モードでは電界強度の節を位置させることが出来、損傷領域の光吸収の影響を抑えることができる。また、１次モードでは基本０次モードに比べ、電界分布が広がるため、活性層を損傷領域から離して配置することが出来、活性層への直接的な加工損傷の影響を抑えることができる。
（５）ビームパターン
通常の１次元端面出射型ＤＦＢレーザで本構造を適用する場合、１次モードでは空間的に電界強度ピークが２つとなるため、端面出射の場合、出射ビームのＸ軸方向の遠視野像（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ：ＦＦＰ）は２ピークとなるが、このようなビームであっても、加工用途など高出力レーザ用の固体励起用光源などの用途では、低閾値、高効率かつ電気特性に優れた本構造の利点が活かすことができる。また、２次の回折を利用した面垂直方向出射のレーザ素子では、原理的には均一なビームを得ることができる。
【０２１８】
以上の観点から、１つの偏波モードにおける電界の固有モードが基本０次モードと１次の高次モードの２つであり、１次モードの電界強度の節Ａが回折格子層と量子井戸層の間にあるＰＣＳＥＬ構造では、従来の構造に対し、低閾値、高効率かつモード安定したＰＣＳＥＬ構造を実現することができる。また、各半導体層の組成や膜厚のみを変更するだけで、低閾値、高効率かつモード安定したＰＣＳＥＬ構造を容易に作製することができる。
【０２１９】
以上、説明したように、上述の半導体レーザ素子１０は、半導体レーザ素子において、半導体からなる下部クラッド層Ｂと、半導体からなる上部クラッド層Ｃと、下部クラッド層Ｂと上部クラッド層Ｃとにより挟まれ、積層された複数の半導体層からなり、下部クラッド層Ｂ及び上部クラッド層Ｃのいずれよりも平均屈折率が高いコア層Ａと、を備え、コア層Ａは、量子井戸層からなる活性層３Ｂと、回折格子層４と、を含み、動作時におけるコア層Ａ内の厚み方向の電界強度分布Ｅｙが、少なくとも２つのピークを有しており、ピーク間の谷の位置は、活性層３Ｂと回折格子層４との間の領域内に設定されている。
【０２２０】
この場合、電界強度分布はコア層Ａ内にあるものの、その谷の位置は、活性層３Ｂ及び回折格子層４のいずれの位置でもないため、レーザ光発生利得の低下を抑制しつつ、これら２つの層におけるレーザ光生成作用を十分に機能させることができ、高効率にレーザ光を発生させることができる。
【０２２１】
また、前記ピークの位置が、それぞれ活性層３Ｂ内及び回折格子層４内に設定される場合には、これらの位置における電界強度を大きくすることができ、高強度のレーザ光を発生することが可能となる。
【０２２２】
また、コア層Ａ内において、前記２つのピークを与えるＴＥ偏波の１次モードにおける活性層３Ｂ内の光閉じ込め係数Γｑｗ（１）と、０次モードにおける活性層３Ｂ内の光閉じ込め係数Γｑｗ（０）とは、関係式Γｑｗ（１）＞Γｑｗ（０）を満たす。電界強度の２つのピーク位置を、上記の如くそれぞれ活性層３Ｂ内及び回折格子層４内に設定することで、光閉じ込め係数を大きくすることができる。この場合、これらの位置における電界強度を大きくすることができ、高強度のレーザ光を発生することが可能となり、０次モードを主として用いた場合よりも、高強度のレーザ光を得ることが可能となる。なお、ΓはＸ軸方向に沿って、電界Ｅ（ｘ）を−無限大から＋無限大まで積分したものを分母とし、電界Ｅ（ｘ）を特定の区間ｘ１〜ｘ２で積分したものを分子とした値である（図５９の式（７）参照）。
【０２２３】
また、コア層Ａは、活性層３Ｂと上部クラッド層Ｃとの間に、上部クラッド層Ｃと同一導電型の不純物が添加され、その不純物濃度が１×１０１７／ｃｍ３以上のドープ層３Ｆを更に備え、ドープ層の一部又は全部は、上記２つのピーク間の谷の位置の近傍に設定される。なお、「近傍」とは、谷の位置から±５０ｎｍ以内の領域を意味するものとする。ドープ層３Ｆを備えることにより、そのフェルミ準位が変化して障壁を構成し、下部クラッド層から流入するキャリアが上部クラッド層方向へ流れるのを抑制することができ、活性層３Ｂ内のキャリア濃度を高めることができる。
【０２２４】
また、不純物濃度が高い場合には、光やキャリアの有するエネルギーが吸収され損失が生じる。１次モードの場合の２つのピークの谷の位置は、０次モードのピーク位置に相当する。したがって、ドープ層３Ｆを備えることで、０次モードにおけるピーク位置において、光損失を生ぜしめ、０次モードの発生を抑制して１次モードによる発光を安定させ、１次モードを更に有効に利用することができる。
【０２２５】
また、回折格子層４は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、ＩＩＩ族元素は、Ｇａ、Ａｌ及びＩｎからなる群から選択され、Ｖ族元素は、Ａｓ、Ｐ、Ｎ及びＳｂからなる群から選択され、これらの元素からなる化合物半導体は、直接遷移型の半導体とすることができるため、キャリア再結合により、容易に発光させることができる。
【０２２６】
面垂直方向への出射の場合、非特許文献２に示されるように、回折格子の深さは深さ方向の消失性干渉の影響により、垂直方向の放射係数が小さくなる深さが存在する。本願でも、垂直方向の放射係数が小さくならないように、回折格子層厚を選ぶことが望ましい。なお、端面方向の出射では、上記効果は影響しない。
【０２２７】
また、回折格子層４の１つの異屈折率部４Ｂの形状は、エピ層厚に沿うＸ軸方向に対し、均一な形状でなくてもよく、またＸ軸方向に対し、傾斜していても良い。
【符号の説明】
【０２２８】
Ａ…コア層、Ｂ，Ｃ…クラッド層、３Ｂ…活性層、３Ｆ…ドープ層、４…回折格子層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子において、
半導体からなる下部クラッド層と、
半導体からなる上部クラッド層と、
前記下部クラッド層と前記上部クラッド層とにより挟まれ、積層された複数の半導体層からなり、前記下部クラッド層及び上部クラッド層のいずれよりも平均屈折率が高いコア層と、
を備え、
前記コア層は、
量子井戸層からなる活性層と、
回折格子層と、
を含み、
動作時における前記コア層内の厚み方向の電界強度分布が、少なくとも２つのピークを有しており、
前記ピーク間の谷の位置は、前記活性層と前記回折格子層との間の領域内に設定されている、
ことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記ピークの位置は、それぞれ前記活性層内及び前記回折格子層内に設定される、
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】
前記コア層内において、前記２つのピークを与えるＴＥ偏波の１次モードにおける前記活性層内の光閉じ込め係数Γｑｗ（１）と、０次モードにおける前記活性層内の光閉じ込め係数Γｑｗ（０）とは、関係式Γｑｗ（１）＞Γｑｗ（０）を満たす、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記コア層は、前記活性層と前記上部クラッド層との間に、前記上部クラッド層と同一導電型の不純物が添加され、その不純物濃度が１×１０１７／ｃｍ３以上のドープ層を更に備え、
前記ドープ層の一部又は全部は、前記２つのピーク間の谷の位置の近傍に設定される、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記回折格子層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、
ＩＩＩ族元素は、Ｇａ、Ａｌ及びＩｎからなる群から選択され、
Ｖ族元素は、Ａｓ、Ｐ、Ｎ及びＳｂからなる群から選択される、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１】
半導体レーザ素子において、
半導体からなる下部クラッド層と、
半導体からなる上部クラッド層と、
前記下部クラッド層と前記上部クラッド層とにより挟まれ、積層された複数の半導体層からなり、前記下部クラッド層及び上部クラッド層のいずれよりも平均屈折率が高いコア層と、
を備え、
前記コア層は、
量子井戸層からなる活性層と、
回折格子層と、
を含み、
動作時における前記コア層内の厚み方向の電界強度分布が、少なくとも２つのピークを有しており、
前記ピーク間の谷の位置は、前記活性層と前記回折格子層との間の領域内に設定されている、
ことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記ピークの位置は、それぞれ前記活性層内及び前記回折格子層内に設定される、
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】
前記コア層内において、前記２つのピークを与えるＴＥ偏波の１次モードにおける前記活性層内の光閉じ込め係数Γｑｗ（１）と、０次モードにおける前記活性層内の光閉じ込め係数Γｑｗ（０）とは、関係式Γｑｗ（１）＞Γｑｗ（０）を満たす、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記コア層は、前記活性層と前記上部クラッド層との間に、前記上部クラッド層と同一導電型の不純物が添加され、その不純物濃度が１×１０１７／ｃｍ３以上のドープ層を更に備え、
前記ドープ層の一部又は全部は、前記２つのピーク間の谷の位置の近傍に設定される、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記回折格子層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、
ＩＩＩ族元素は、Ｇａ、Ａｌ及びＩｎからなる群から選択され、
Ｖ族元素は、Ａｓ、Ｐ、Ｎ及びＳｂからなる群から選択される、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【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】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【図５５】
【図５６】
【図５７】
【図５８】
【図５９】
【図６０】
【図２５】
【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】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【図５５】
【図５６】
【図５７】
【図５８】
【図５９】
【図６０】
【図２５】
【公開番号】特開２０１３−７７７５６（Ｐ２０１３−７７７５６Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１７７３２（Ｐ２０１１−２１７７３２）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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