(57)【要約】【課題】電力−光変換効率を低下させることなくシングルモード化を実現できる半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】第１半導体層２０と、第１半導体層２０の上に形成された発光層３０と、発光層３０の上に形成され、リッジ部８０を有する第２半導体層４０とを備え、リッジ部８０は、上面視において、リッジ部８０の側面の一部がリッジ部８０の内側に凹んだ凹部を有し、凹部は、リッジ部８０の側面の一部として、上面視及び断面視のいずれにおいてもリッジ部８０の端面に対して傾斜する傾斜面を有する。【選択図】図１
2020021840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に形成された発光層と、
前記発光層の上に形成され、リッジ部を有する第２半導体層とを備え、
前記リッジ部は、上面視において、前記リッジ部の側面の一部が前記リッジ部の内側に凹んだ凹部を有し、
前記凹部は、前記リッジ部の側面の一部として、上面視及び断面視のいずれにおいても前記リッジ部の端面に対して傾斜する傾斜面を有する、
半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記凹部は、前記リッジ部の対向する第１側面及び第２側面の各々に形成されている、
請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記第１側面に形成された前記凹部と前記第２側面に形成された前記凹部とは、対向する位置に形成されている、
請求項２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記凹部は、前記リッジ部の長手方向の中央部に形成されている、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
断面視における前記傾斜面と前記リッジ部の長手方向とのなす角をθａとし、上面視における傾斜角と前記リッジ部の長手方向とのなす角を第２傾斜角θｃとすると、
５°≦θａ≦３５°、かつ、０°＜θｃ≦３°を満たす、又は、５５°≦θａ≦８５°かつ、８７°≦θｃ＜９０°を満たす、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記第１半導体層、前記発光層及び前記第２半導体層は、窒化物半導体材料によって構成されている、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記リッジ部の幅は、５μｍ以上５０μｍ以下である、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子は、光ディスク、ディスプレイ、車載ヘッドランプ、照明又はレーザ加工装置等の様々な分野の製品の光源として利用されている。中でも、紫外から青色までの波長帯をカバーする窒化物半導体レーザ素子の開発が進められている。
【０００３】
従来、半導体レーザ素子のビーム品質を向上させるために、レーザ発振をシングルモード化する技術が提案されている（例えば、特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２５８４１５号公報
【特許文献２】特開２０１８−０８５４６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２に開示された従来の半導体レーザ素子では、高次モードをカットすることによってシングルモード化を実現しているので、電力−光変換効率が低下するという課題がある。
【０００６】
本開示は、電力−光変換効率を低下させることなくシングルモード化を実現できる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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様は、第１半導体層と、前記第１半導体層の上に形成された発光層と、前記発光層の上に形成され、リッジ部を有する第２半導体層とを備え、前記リッジ部は、上面視において、前記リッジ部の側面の一部が前記リッジ部の内側に凹んだ凹部を有し、前記凹部は、前記リッジ部の側面の一部として、上面視及び断面視のいずれにおいても前記リッジ部の端面に対して傾斜する傾斜面を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、電力−光変換効率を低下させることなくシングルモード化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態に係る半導体レーザ素子の平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線における実施の形態に係る半導体レーザ素子の断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線における実施の形態に係る半導体レーザ素子の断面図である。
【図４】実施の形態に係る半導体レーザ素子で生成した光の光路を示す平面図である。
【図５】実施の形態に係る半導体レーザ素子の断面における光の光路を示す図である。
【図６】図５の破線で囲まれる領域ＶＩを模式的に示す図である。
【図７】図４の破線で囲まれる領域ＶＩＩを模式的に示す図である。
【図８】第２後側傾斜面における第１傾斜角θａの上限を説明するための図である。
【図９】第２後側傾斜面における第１傾斜角θａと第２傾斜角θｃとの関係を示す図である。
【図１０】第２後側傾斜面における第１傾斜角θａと第２傾斜角θｃとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態等は、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００１１】
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺などは必ずしも一致していない。各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。なお、下記の実施の形態において、「略」の表現には、製造誤差や寸法公差等を含むという意味もある。
【００１２】
（実施の形態）
まず、実施の形態に係る半導体レーザ素子１の構成について、図１〜図３を用いて説明する。図１は、実施の形態に係る半導体レーザ素子１の平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線における同半導体レーザ素子１の断面図である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線における同半導体レーザ素子１の断面図である。
【００１３】
図１〜図３に示すように、半導体レーザ素子１は、基板１０と、第１半導体層２０と、発光層３０と、第２半導体層４０と、第１電極５１及び第２電極５２と、絶縁層６０とを備える。本実施の形態における半導体レーザ素子１は、第１半導体層２０、発光層３０及び第２半導体層４０が窒化物半導体材料によって構成された窒化物半導体レーザ素子である。具体的には、半導体レーザ素子１は、ＧａＮ系の窒化物半導体レーザ素子である。例えば、半導体レーザ素子１から出射するレーザ光は、紫外から青色までの波長帯域の光である。
【００１４】
基板１０は、ＧａＮ又はＳｉＣ等からなる半導体基板、又は、サファイア基板等である。本実施の形態では、基板１０として、単結晶のｎ型のＧａＮ基板を用いている。具体的には、基板１０として、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板を用いている。
【００１５】
基板１０の上には、第１半導体層２０、発光層３０及び第２半導体層４０がこの順で形成されている。第１半導体層２０、発光層３０及び第２半導体層４０は、例えば有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＭＯＣＶＤ法）を用いて成膜することができる。
【００１６】
基板１０の上に形成された第１半導体層２０は、第１導電側の第１クラッド層である。具体的には、第１半導体層２０は、不純物がドープされた第１導電型のクラッド層である。本実施の形態において、第１導電型は、ｎ型である。一例として、第１半導体層２０は、ｎ型のＡｌｘＧａＮ（０＜ｘ＜１）によって構成されている。
【００１７】
第１半導体層２０の上には、発光層３０が形成されている。発光層３０は、第１光ガイド層３１と、活性層３２と、第２光ガイド層３３との積層構造である。
【００１８】
第１光ガイド層３１は、第１半導体層２０の上に形成されている。第１光ガイド層３１は、ｎ側に形成されたｎ側ガイド層である。例えば、第１光ガイド層３１は、不純物を意図的にドープしないアンドープ又は不純物がドープされたｎ型のＩｎｘＧａＮ（０≦ｘ＜１）によって構成されている。本実施の形態において、第１光ガイド層３１は、ｎ−ＧａＮによって構成されている。なお、第１光ガイド層３１は、単層及び複数層のいずれであってもよい。
【００１９】
活性層３２は、第１光ガイド層３１の上に形成されている。活性層３２は、アンドープのＩｎｘＧａＮ（０＜ｘ＜１）及び／又はＡｌｘＩｎｙＧａＮ（ｘ，ｙ≧１）によって構成されている。活性層３２は、単層又は複数層のいずれであってもよい。本実施の形態において、活性層３２は、ＩｎＧａＮからなる量子井戸層とＩｎＧａＮからなる量子障壁層とが交互に積層された量子井戸構造である。
【００２０】
第２光ガイド層３３は、活性層３２の上に形成されている。第２光ガイド層３３は、ｐ側に形成されたｐ側ガイド層である。例えば、第２光ガイド層３３は、アンドープ又はｐ型のＩｎｘＧａＮ（０≦ｘ＜１）によって構成されている。本実施の形態において、第２光ガイド層３３は、ｐ−ＧａＮによって構成されている。なお、第２光ガイド層３３は、単層及び複数層のいずれであってもよい。
【００２１】
発光層３０の上には、第２半導体層４０が形成されている。具体的には、第２半導体層４０は、第２光ガイド層３３の上に形成されている。第２半導体層４０は、第１導電型とは異なる導電型である第２導電型の窒化物半導体材料によって構成された窒化物半導体層を含む。
【００２２】
第２半導体層４０は、レーザ共振器長方向に延在する突条のリッジ部（リッジ導波路）８０と、リッジ部８０の根元から横方向に広がる平坦部９０とを有する。リッジ部８０の幅及び高さは、特に限定されるものではないが、一例として、リッジ部８０の幅（ストライプ幅）は１μｍ以上１００μｍ以下であり、リッジ部８０の高さは１００ｎｍ以上１μｍ以下である。
【００２３】
本実施の形態では、半導体レーザ素子１を高い光出力（例えばワットクラス）で動作させるので、リッジ部８０の幅を広くしている。これは、レーザ光の出力が高いとレーザ光の出射端面に端面破壊（ＣＯＤ：Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄａｍａｇｅ）が発生するおそれがあるためであり、ＣＯＤの発生を防ぐために、リッジ部８０の幅を広くしている。具体的には、本実施の形態における半導体レーザ素子１ででは、リッジ部８０の幅を５μｍ以上５０μｍ以下にし、リッジ部８０高さを３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下にしている。
【００２４】
第２半導体層４０は、障壁層４１と、第２導電側の第２クラッド層４２と、コンタクト層４３との積層構造である。
【００２５】
障壁層４１は、第２光ガイド層３３の上に形成されている。例えば、障壁層４１は、不純物がドープされたｐ型のＡｌｘＧａＮ（０≦ｘ＜１）によって構成されている。本実施の形態において、障壁層４１は、ｐ−ＡｌＧａＮによって構成されている。
【００２６】
第２クラッド層４２は、障壁層４１の上に形成されている。第２クラッド層４２は、不純物がドープされた第２導電型のクラッド層である。例えば、第２クラッド層４２は、ｐ型のＡｌｘＧａＮ（０≦ｘ＜１）等によって構成されている。本実施の形態において、第２クラッド層４２は、ｐ−ＡｌＧａＮによって構成されている。なお、第２クラッド層４２は、ｐ−ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とが交互に積層された歪超格子層によって構成されていてもよい。
【００２７】
コンタクト層４３は、第２クラッド層４２の上に形成されている。コンタクト層４３は、不純物がドープされた第２導電型の窒化物半導体層である。具体的には、コンタクト層４３は、ｐ型のコンタクト層である。本実施の形態において、コンタクト層４３は、ｐ−ＧａＮによって構成されている。
【００２８】
第２半導体層４０において、第２クラッド層４２は、突条の凸部を有している。この第２クラッド層４２の凸部とコンタクト層４３とによってリッジ部８０が構成されている。本実施の形態において、コンタクト層４３は、リッジ部８０の最上層となっている。また、第２クラッド層４２は、リッジ部８０の両側方に、平坦部９０として平面部を有している。つまり、平坦部９０の最上面は、第２クラッド層４２の表面であり、平坦部９０の最上面にはコンタクト層４３が形成されていない。
【００２９】
リッジ部８０の上には、ｐ側電極として第１電極５１が形成されている。具体的には、第１電極５１は、リッジ部８０の最上層であるコンタクト層４３の上にコンタクト層４３と接するように形成されている。
【００３０】
第１電極５１は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕ等の金属材料を少なくとも１つ以上用いて形成された単層又は複数層からなる。本実施の形態において、第１電極５１は、Ｐｄ／Ｐｔの２層構造である。なお、図示しないが、第１電極５１の上には、パッド電極が形成されていてもよい。
【００３１】
基板１０の下面（裏面）には、ｎ側電極として第２電極５２が形成されている。第２電極５２は、半導体基板である基板１０とオーミック接触するオーミック電極である。
【００３２】
第２電極５２は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕ等の金属材料を少なくとも１つ以上用いて形成された単層又は複数層からなる。本実施の形態において、第２電極５２は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層構造である。
【００３３】
図２に示すように、リッジ部８０の上部以外の部分には絶縁層６０が形成されている。絶縁層６０は、リッジ部８０の第１側面８３及び第２側面８４と平坦部９０の表面とを覆うように形成されている。具体的には、絶縁層６０は、第２クラッド層４２の凸部及びコンタクト層４３の側面と第２クラッド層４２の平面部の表面とにわたって連続的に形成されている。リッジ部８０上（コンタクト層４３上）の絶縁層６０には開口部が形成されている。絶縁層６０の開口部を通って発光層３０に電流が注入される。絶縁層６０は、絶縁材料によって構成されている。例えば、絶縁層６０は、ＳｉＯ２等の誘電体材料によって構成されている。
【００３４】
図１及び図３に示すように、リッジ部８０は、リッジ部８０の共振器長方向に対向する一対の前端面８１及び後端面８２を有する。一対の前端面８１及び後端面８２は、レーザ光の共振器端面であり、レーザ発振における反射面の役割を担う。本実施の形態において、リッジ部８０の前端面８１は、半導体レーザ素子１におけるレーザ光が出射する第１素子端面と同一面であり、リッジ部８０の後端面８２は、半導体レーザ素子１の第１素子端面とは反対側の第２素子端面と同一面である。
【００３５】
図示しないが、前端面８１及び後端面８２には、反射率を制御する端面コート膜として、誘電体多層膜で構成された反射膜が形成されている。具体的には、前端面８１には、低反射率の第１反射膜が形成され、後端面８２には、高反射率の第２反射膜が形成されている。前端面８１側の第１反射膜は、例えば、結晶端面方向からＡｌ２Ｏ３とＴａ２Ｏ５との多層膜である。また、後端面８２側の第２反射膜は、例えば、結晶端面方向からＡｌ２Ｏ３とＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５との多層膜である。一例として、第１反射膜の反射率が２％であり、第２反射膜の反射率が９５％である。
【００３６】
図１及び図２に示すように、リッジ部８０は、リッジ部８０の幅方向に対向する第１側面８３及び第２側面８４を有する。また、リッジ部８０は、図１に示すように、第１側面８３に形成された第１凹部８０ａと、第２側面８４に形成された第２凹部８０ｂとを有する。
【００３７】
図１に示すように、第１凹部８０ａは、上面視において、第１側面８３の一部がリッジ部８０の内側に凹んだ部分である。具体的には、第１凹部８０ａは、第１側面８３の一部を、リッジ部８０の幅方向の中心に向かってリッジ部８０の内側に後退させるように形成されている。具体的には、第１凹部８０ａは、上面視において、リッジ部８０における第１側面８３の一部を台形状にカットした形状になっている。第１凹部８０ａの第１側面８３からの内側への後退量（凹み量）は、リッジ部８０の幅の１／２以下であるが、これに限るものではない。第１凹部８０ａの内側への後退量は、一例として、リッジ部８０の幅の１／３、１／４又は１／５等である。
【００３８】
また、図３に示すように、第１凹部８０ａは、少なくともリッジ部８０における第２半導体層４０の上部から第１半導体層２０の途中までを掘り込むことで形成されている。本実施の形態において、第１凹部８０ａは、リッジ部８０の部分だけではなく、平坦部９０にも形成されている。つまり、第１凹部８０ａは、図１に示すように、リッジ部８０から平坦部９０にわたる部分を掘り込むことで形成された溝部である。なお、第１凹部８０ａは、絶縁層６０で被覆されている。
【００３９】
同様に、第２凹部８０ｂは、上面視において、第２側面８４の一部がリッジ部８０の内側に凹んだ部分である。具体的には、第２凹部８０ｂは、第２側面８４の一部を、リッジ部８０の幅方向の中心に向かってリッジ部８０の内側に後退させるように形成されている。具体的には、第２凹部８０ｂは、上面視において、リッジ部８０における第２側面８４の一部を台形状にカットした形状になっている。第２凹部８０ｂの第２側面８４からの内側への後退量（凹み量）は、リッジ部８０の幅の１／２以下であるが、これに限るものではない。第２凹部８０ｂの内側への後退量は、一例として、リッジ部８０の幅の１／３、１／４又は１／５等である。
【００４０】
また、第２凹部８０ｂは、第１凹部８０ａと同様に、少なくともリッジ部８０における第２半導体層４０の上部から第１半導体層２０の途中までを掘り込むことで形成されている。また、第２凹部８０ｂは、第１凹部８０ａと同様に、リッジ部８０の部分だけではなく、平坦部９０にも形成されている。つまり、第２凹部８０ｂは、図１に示すように、リッジ部８０から平坦部９０にわたる部分を掘り込むことで形成された溝部である。なお、第１凹部８０ａ及び第２凹部８０ｂの深さは、同じであるが、異なっていてもよい。また、第２凹部８０ｂは、第１凹部８０ａと同様に、絶縁層６０で被覆されている。
【００４１】
本実施の形態において、第１凹部８０ａと第２凹部８０ｂとは、対向する位置に形成されている。具体的には、第１凹部８０ａと第２凹部８０ｂとは、リッジ部８０の幅の中心線に対して線対称に形成されている。また、第１凹部８０ａ及び第２凹部８０ｂは、リッジ部８０の長手方向の中央部に形成されている。
【００４２】
図１及び図３に示すように、第１凹部８０ａは、第１側面８３の一部として、上面視及び断面視のいずれにおいてもリッジ部８０の前端面８１又は後端面８２に対して傾斜する第１前側傾斜面８３ａ及び第１後側傾斜面８３ｂを有する。つまり、第１前側傾斜面８３ａ及び第１後側傾斜面８３ｂは、半導体レーザ素子１を上面から見た場合も、半導体レーザ素子１をリッジ部８０の幅方向を法線とする面で切断したときの断面で見た場合でも、リッジ部８０の前端面８１又は後端面８２に対して傾斜している。本実施の形態において、第１前側傾斜面８３ａ及び第１後側傾斜面８３ｂは、平面である。
【００４３】
第１前側傾斜面８３ａは、第１凹部８０ａの前端面８１側に形成されており、第１後側傾斜面８３ｂは、第１凹部８０ａの後端面８２側に形成されている。第１前側傾斜面８３ａの内面は、前端面８１側且つリッジ部８０の内側に向けて傾斜するとともに第２電極５２に向けて傾斜している。一方、第１後側傾斜面８３ｂの内面は、後端面８２側且つリッジ部８０の内側に向けて傾斜するとともに第２電極５２に向けて傾斜している。
【００４４】
また、第２凹部８０ｂは、第２側面８４の一部として、上面視及び断面視のいずれにおいてもリッジ部８０の前端面８１又は後端面８２に対して傾斜する第２前側傾斜面８４ａ及び第２後側傾斜面８４ｂを有する。つまり、第２前側傾斜面８４ａ及び第２後側傾斜面８４ｂは、半導体レーザ素子１を上面から見た場合も、半導体レーザ素子１をリッジ部８０の幅方向を法線とする面で切断したときの断面で見た場合でも、リッジ部８０の前端面８１又は後端面８２に対して傾斜している。本実施の形態において、第２前側傾斜面８４ａ及び第２後側傾斜面８４ｂは、平面である。
【００４５】
第２前側傾斜面８４ａは、第２凹部８０ｂの前端面８１側に形成されており、第２後側傾斜面８４ｂは、第２凹部８０ｂの後端面８２側に形成されている。第２前側傾斜面８４ａの内面は、前端面８１側且つリッジ部８０の内側に向けて傾斜するとともに第２電極５２に向けて傾斜している。一方、第２後側傾斜面８４ｂの内面は、後端面８２側且つリッジ部８０の内側に向けて傾斜するとともに第２電極５２に向けて傾斜している。
【００４６】
本実施の形態において、第１凹部８０ａの第１前側傾斜面８３ａと第２凹部８０ｂの第２前側傾斜面８４ａとは、リッジ部８０の幅の中心線に対して線対称に形成されている。同様に、第１凹部８０ａの第１後側傾斜面８３ｂと第２凹部８０ｂの第２後側傾斜面８４ｂとは、リッジ部８０の幅の中心線に対して線対称に形成されている。
【００４７】
次に、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１の作用について、図４及び図５を用いて説明する。図４は、実施の形態に係る半導体レーザ素子１で生成した光の光路を示す平面図である。図５は、同半導体レーザ素子１の断面における光の光路を示す図である。
【００４８】
発光層３０に電流が注入されると、発光層３０（活性層３２）において光が生成する。発光層３０で生成した光は、リッジ部８０の長手方向に沿って伝搬する。この場合、本実施の形態ではリッジ部８０の幅が広くなっているので、発光層３０で生成した光は、基本モード（基本横モード）だけではなく高次モード（高次横モード）でも発振する。
【００４９】
このとき、図４に示すように、前端面８１から後端面８２に向かって伝搬する光のうち高次モードで発振する光は、第１前側傾斜面８３ａ及び第２前側傾斜面８４ａで反射する。上記のように、第１前側傾斜面８３ａ及び第２前側傾斜面８４ａは、前端面８１側且つリッジ部８０の内側に向けて傾斜するとともに第２電極５２に向けて傾斜しているので、第１前側傾斜面８３ａ及び第２前側傾斜面８４ａで反射した高次モードの光は、図４に示すように、前端面８１側且つリッジ部８０の内側に向かって進行するとともに、図５に示すように、第２電極５２に向かって下方に進行する。その後、高次モードの光は、図５に示すように、第２電極５２で反射して上方に向かって進行し、図４及び図５の破線円で示されるように、リッジ部８０の幅方向の中心付近における活性層３２に到達し、活性層３２で吸収される。
【００５０】
一方、後端面８２から前端面８１に向かって伝搬する光のうち高次モードで発振する光は、第１後側傾斜面８３ｂ及び第２後側傾斜面８４ｂで反射する。上記のように、第１後側傾斜面８３ｂ及び第２後側傾斜面８４ｂは、後端面８２側且つリッジ部８０の内側に向けて傾斜するとともに第２電極５２に向けて傾斜しているので、第１後側傾斜面８３ｂ及び第２後側傾斜面８４ｂで反射した高次モードの光は、図４に示すように、後端面８２側且つリッジ部８０の内側に向かって進行するとともに、図５に示すように、第２電極５２に向かって下方に進行する。その後、高次モードの光は、図５に示すように、第２電極５２で反射して上方に向かって進行し、図４及び図５の破線円で示されるように、リッジ部８０の幅方向の中心付近における活性層３２に到達し、活性層３２で吸収される。
【００５１】
このように、高次モードの光は、第１前側傾斜面８３ａ、第２前側傾斜面８４ａ、第１後側傾斜面８３ｂ又は第２後側傾斜面８４ｂで反射するので、活性層３２を避けて進行しつつ、リッジ部８０の幅方向の中心付近に戻ってきて活性層３２で吸収される。この結果、高次モードの光は、基本モードの光強度が強い位置（リッジ部８０の幅方向の中心付近）で再吸収されることになる。これにより、高次モードの光を基本モードに帰還させることができる。つまり、高次モードの光のエネルギーを、基本モードを生成する光のエネルギーとして利用することができる。
【００５２】
以上、本実施の形態における半導体レーザ素子１によれば、高次モードを抑制しつつ基本モードのみで発振させることができる。しかも、本実施の形態における半導体レーザ素子１では、高次モードの光をカットしてシングルモード化を実現するのではなく、高次モードの光を基本モードに帰還してシングルモード化を実現している。したがって、電力−光変換効率を低下させることなくシングルモード化を実現することができる。
【００５３】
次に、第１前側傾斜面８３ａ、第２前側傾斜面８４ａ、第１後側傾斜面８３ｂ及び第２後側傾斜面８４ｂに関し、高次モードの光を基本モードの光強度が強い位置で吸収させることができる傾斜角について説明する。
【００５４】
図６は、図５の破線で囲まれる領域ＶＩを模式的に示す図である。図７は、図４の破線で囲まれる領域ＶＩＩを模式的に示す図である。図６及び図７において、矢印の破線は、半導体レーザ素子１を伝搬する光Ｌの軌跡を示している。なお、図６及び図７では、第２後側傾斜面８４ｂの傾斜角について説明するが、第１前側傾斜面８３ａ、第２前側傾斜面８４ａ、第１後側傾斜面８３ｂについても同様のことが言える。
【００５５】
図６に示すように、リッジ部８０の幅方向を法線とする面で切断したときのリッジ部８０の断面視において、活性層３２から第２電極５２までの距離を第１距離Ｔとし、第２後側傾斜面８４ｂとリッジ部８０の長手方向に伝搬する光Ｌ（リッジ部８０の長手方向）とのなす角を第１傾斜角θａとし、第２後側傾斜面８４ｂで反射した光Ｌと第２電極５２の基板１０側の面の法線とのなす角を第１反射角θｂとし、リッジ部８０の長手方向に伝搬する光Ｌが第２後側傾斜面８４ｂに到達したときの点と第２電極５２で反射した光Ｌが活性層３２で再吸収するときの点との距離を第２距離Ｙとすると、以下の（式１）の関係が成り立つ。
【００５６】
【数１】
2020021840.tif 000003
【００５７】
また、図７に示すように、リッジ部８０の上面視において、リッジ部８０の上面におけるリッジ部８０の幅方向の中心と第２凹部８０ｂの後退部の中心との距離を第３距離Ｘとし、リッジ部８０の長手方向（リッジ部８０の長手方向に伝搬する光Ｌの進行方向）と第２後側傾斜面８４ｂとのなす角を第２傾斜角θｃとし、リッジ部８０の長手方向（リッジ部８０の長手方向に伝搬する光Ｌの進行方向）と第２後側傾斜面８４ｂで反射した光Ｌの進行方向とのなす角を第２反射角θｄとすると、以下の（式２）の関係が成り立つ。
【００５８】
【数２】
2020021840.tif 000004
【００５９】
（式１）及び（式２）より、以下の（式３）が成り立つ。
【００６０】
【数３】
2020021840.tif 000005
【００６１】
第２後側傾斜面８４ｂにおいて、断面視における第１傾斜角θａと上面視における第２傾斜角θｃとは、上記（式３）の関係式を満たす必要がある。
【００６２】
また、上記（式１）について、第１傾斜角θａと第１距離Ｔに対する第２距離Ｙの比（Ｙ／Ｔ）との２つのパラメータを変数にすると、図８のグラフに示される曲線が得られる。
【００６３】
図８に示すように、第１距離Ｔが一定であれば、第１傾斜角θａは、θａ＝４５°を境界にして大きくすればするほど、第２距離Ｙも大きくなることが分かる。
【００６４】
ただし、半導体レーザ素子１（チップ）の長さは決まっているので、第１傾斜角θａにも上限が存在する。ここで、レーザ特性から計算すると、第２距離Ｙの上限は８００μｍ程度であるので、例えば、Ｔ＝８０μｍ、Ｙ＝８００μｍにすると、Ｙ／Ｔ＝１０となり、この値が上限となる。この場合、断面視における第１傾斜角θａは、５°≦θａ≦８５°となる。
【００６５】
また、上記（式３）について、第１傾斜角θａと第２傾斜角θｃと第１距離Ｔに対する第３距離Ｙの比（Ｘ／Ｔ）との３つのパラメータを変数にすると、図９及び図１０のグラフに示される曲線が得られる。例えば、Ｘ＝６μｍ、Ｔ＝８０μｍとすると、Ｘ／Ｔ＝０．０７５となる。
【００６６】
図９及び図１０に示すように、第１傾斜角θａが３５°＜θａ＜５５°の範囲では、第２傾斜角θｃの変動が大きいので、第１傾斜角θａについては、θａ≦３５°、５５°≦θａであるとよい。
【００６７】
したがって、図８の結果と図９及び図１０の結果とを勘案すると、第２後側傾斜面８４ｂにおいて、断面視における第１傾斜角θａの範囲は、５°≦θａ≦３５°、又は、５５°≦θａ≦８５°であることが望ましいことが分かる。
【００６８】
そして、第２後側傾斜面８４ｂの断面視における第１傾斜角θａが５°≦θａ≦３５°の場合、第２後側傾斜面８４ｂの上面視における第２傾斜角θｃの範囲は、０°＜θｃ≦３°となる。また、第２後側傾斜面８４ｂの断面視における第１傾斜角θａが５５°≦θａ≦８５°の場合、第２後側傾斜面８４ｂの上面視における第２傾斜角θｃの範囲は、８７°≦θｃ＜９０°となる。
【００６９】
以上より、５°≦θａ≦３５°、かつ、０°＜θｃ≦３°を満たすように、又は、５５°≦θａ≦８５°かつ、８７°≦θｃ＜９０°を満たすように、第２後側傾斜面８４ｂを形成することで、高次モードの光を基本モードの光強度が強い位置で吸収させることができる。
【００７０】
（変形例）
以上、本開示に係る半導体レーザ素子について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。
【００７１】
例えば、上記実施の形態において、リッジ部８０の第１側面８３に第１凹部８０ａを形成するとともにリッジ部８０の第２側面８４に第２凹部８０ｂを形成したが、これに限らない。リッジ部８０には、第１凹部８０ａ及び第２凹部８０ｂのいずれか一方のみが形成されていてもよい。
【００７２】
また、上記実施の形態において、第１凹部８０ａと第２凹部８０ｂとは正対して形成されていたが、これに限らない。例えば、第１凹部８０ａと第２凹部８０ｂとは、一部が対向するように形成されていてもよいし、全く対向せずに形成されていてもよい。
【００７３】
また、上記実施の形態において、第１凹部８０ａと第２凹部８０ｂとは、いずれもリッジ部８０の長手方向の中央部に形成されていたが、これに限らない。例えば、第１凹部８０ａ及び第２凹部８０ｂの一方又は両方が、リッジ部８０の長手方向の端部に形成されていてもよい。この場合、第１凹部８０ａ及び第２凹部８０ｂの両方がリッジ部８０の長手方向の前端面８１側の端部又は後端面８２側の端部に形成されていてもよいし、第１凹部８０ａ及び第２凹部８０ｂの一方がリッジ部８０の長手方向の前端面８１側の端部に形成され、第１凹部８０ａ及び第２凹部８０ｂの他方がリッジ部８０の長手方向の後端面８２側の端部に形成されていてもよい。
【００７４】
また、上記実施の形態において、第１凹部８０ａ及び第２凹部８０ｂにおけるリッジ部８０のカット部分の上面視形状は、台形であったが、これに限るものではない。例えば、第１凹部８０ａ及び第２凹部８０ｂにおけるリッジ部８０のカット部分の上面視形状は、三角形であってもよい。つまり、第１凹部８０ａ及び第２凹部８０ｂには、リッジ部８０の長手方向に略平行な直線部が設けられていなくてもよい。
【００７５】
また、上記実施の形態において、第１凹部８０ａには第１前側傾斜面８３ａ及び第１後側傾斜面８３ｂの両方が形成されていたが、これに限るものではなく、第１凹部８０ａには第１前側傾斜面８３ａ及び第１後側傾斜面８３ｂのいずれか一方のみが形成されていてもよい。同様に、第２凹部８０ｂには第２前側傾斜面８４ａ及び第２後側傾斜面８４ｂの両方が形成されていたが、これに限るものではなく、第２凹部８０ｂには第２前側傾斜面８４ａ及び第２後側傾斜面８４ｂのいずれか一方のみが形成されていてもよい。具体的には、第１凹部８０ａ及び第２凹部８０ｂにおけるリッジ部８０のカット部分の上面視形状は直角三角であってもよい。
【００７６】
また、上記実施の形態において、第１前側傾斜面８３ａ、第１後側傾斜面８３ｂ、第２前側傾斜面８４ａ及び第２後側傾斜面８４ｂは、いずれも平面であったが、これに限らない。例えば、第１前側傾斜面８３ａ、第１後側傾斜面８３ｂ、第２前側傾斜面８４ａ及び第２後側傾斜面８４ｂは、高次モードの光を基本モードの光強度が強い位置で再吸収するように反射できる形状であれば、湾曲面であってもよい。
【００７７】
また、上記実施の形態において、リッジ部８０の第１側面８３には１つの第１凹部８０ａが形成されていたが、これに限らない。同様に、リッジ部８０の第２側面８４には１つの第２凹部８０ｂが形成されていたが、これに限らない。
【００７８】
また、上記実施の形態では、紫外から青色までの波長帯をカバーするＧａＮ系窒化物半導体レーザ素子について説明したが、これに限るものではない。本開示は、他の波長帯の半導体レーザ素子に適用してもよいし、ＧａＡｓ又はＩｎＰ等の他のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料からなる半導体レーザ素子に適用してもよいし、ＺｅＳｅ等のＩＩ−ＶＩ族半導体材料からなる半導体レーザ素子等に適用してもよい。
【００７９】
その他、上記実施の形態に対して当業者が思い付く各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本開示に係る半導体レーザ素子は、光ディスク、ディスプレイ、車載ヘッドランプ、照明又はレーザ加工装置等の様々な分野の製品の光源として利用することができ、特に、比較的に高い光出力のレーザ光を必要とする製品の光源として有用である。
【符号の説明】
【００８１】
１  半導体レーザ素子
１０  基板
２０  第１半導体層
３０  発光層
３１  第１光ガイド層
３２  活性層
３３  第２光ガイド層
４０  第２半導体層
４１  障壁層
４２  第２クラッド層
４３  コンタクト層
５１  第１電極
５２  第２電極
６０  絶縁層
８０  リッジ部
８０ａ  第１凹部
８０ｂ  第２凹部
８１  前端面
８２  後端面
８３  第１側面
８３ａ  第１前側傾斜面
８３ｂ  第１後側傾斜面
８４  第２側面
８４ａ  第２前側傾斜面
８４ｂ  第２後側傾斜面
９０  平坦部
【図１】
2020021840.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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