(57)【要約】【課題】幅の広いリッジ部を有しながらも、ビーム品質に優れたレーザ光を出射することが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の後端面８２は、リッジ部８０の幅方向の中央領域に位置する第１後端面８２ａと、リッジ部８０の幅方向の外側領域に位置する第２後端面８２ｂとを有し、リッジ部８０を上面視した場合に、第１後端面８２ａは、リッジ部８０の幅方向と略平行であり、第２後端面８２ｂは、リッジ部８０の幅方向に対して傾斜している。【選択図】図１
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【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、
前記リッジ部の後端面は、前記リッジ部の幅方向の中央領域に位置する第１後端面と、前記リッジ部の幅方向の外側領域に位置する第２後端面とを有し、
前記リッジ部を上面視した場合に、前記第１後端面は、前記リッジ部の幅方向と略平行であり、前記第２後端面は、前記リッジ部の幅方向に対して傾斜している、
半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記リッジ部の幅をＷｓとし、前記リッジ部の幅方向の中心から前記第１後端面と前記第２後端面との境界までの距離をＸとすると、
０．３１≦２Ｘ／Ｗｓ≦０．６２５である、
請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
さらに、０．４７≦２Ｘ／Ｗｓである、
請求項２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
さらに、２Ｘ／Ｗｓ≦０．５７である、
請求項２又は３に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
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１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記リッジ部の幅は、５μｍ以上５０μｍ以下である、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【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、この種の半導体レーザ素子として、リッジ部（リッジ導波路）を有するものが知られている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２４２５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光ディスク等に用いられる半導体レーザ素子は、光出力が比較的小さく（例えば１Ｗ未満）、また、シングルスポットが要求される。このため、光ディスク等に用いられる半導体レーザ素子では、リッジ部の幅を数μｍ程度に細くしている。
【０００６】
一方、レーザ加工装置等に用いられる半導体レーザ素子は、光出力がワット級（例えば１Ｗ以上）と高いので、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。このため、光出力が高い半導体レーザ素子では、ＣＯＤの発生を防ぐために、リッジ部の幅を例えば１０μｍ以上に大きくしたワイドストライプ構造が採用される。
【０００７】
しかしながら、リッジ部の幅が広い半導体レーザ素子では、横モードが基本モードだけではなく高次モードでも発振する。この結果、半導体レーザ素子から出射するレーザ光のビーム品質が低下するという課題がある。
【０００８】
本開示は、幅の広いリッジ部を有しながらも、ビーム品質に優れたレーザ光を出射することが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】
【０００９】
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、前記リッジ部の後端面は、前記リッジ部の幅方向の中央領域に位置する第１後端面と、前記リッジ部の幅方向の外側領域に位置する第２後端面とを有し、前記リッジ部を上面視した場合に、前記第１後端面は、前記リッジ部の幅方向と略平行であり、前記第２後端面は、前記リッジ部の幅方向に対して傾斜している。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、幅の広いリッジ部を有しながらも、ビーム品質に優れたレーザ光を出射することができる半導体レーザ素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【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２は、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】実施の形態に係る半導体レーザ素子におけるリッジ部の後端面側の拡大平面図である。
【図４】実施の形態に係る半導体レーザ素子において、リッジ部の第２後端面の大きさと基本モードの電力−光変換効率との関係を示す図である。
【図５】実施の形態に係る半導体レーザ素子において、リッジ部の第２後端面の大きさと基本モードに対する高次モードの反射率の差との関係を示す図である。
【図６】変形例に係る半導体レーザ素子の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
（実施の形態）
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及び図２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。
【００１５】
図１及び図２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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。なお、半導体レーザ素子１を高い光出力（例えばワットクラス）で動作させる場合には、リッジ部８０の幅は５μｍ以上５０μｍ以下にし、リッジ部８０高さは３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下にするとよい。
【００２５】
本実施の形態において、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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の側面と平坦部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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
次に、リッジ部８０の特徴について、図１を参照しつつ、図３を用いてさらに詳細に説明する。図３は、リッジ部８０の後端面８２側の拡大平面図である。
【００３８】
図１及び図３に示すように、リッジ部８０の後端面８２は、リッジ部８０の幅方向の中央領域に位置する第１後端面８２ａと、リッジ部８０の幅方向の外側領域に位置する第２後端面８２ｂとを有する。
【００３９】
そして、リッジ部８０を上面視した場合に、第１後端面８２ａは、リッジ部８０の幅方向と略平行であり、第２後端面８２ｂは、リッジ部８０の幅方向に対して傾斜している。第２後端面８２ｂは、第１後端面８２ａに対して傾斜する傾斜面となっている。具体的には、第２後端面８２ｂは、リッジ部８０の幅方向の外側に向かって第１後端面８２ａからの後退量が漸次増加するようにして傾斜している。なお、リッジ部８０の幅は、リッジ部８０の後端面８２側の部分以外は一定である。
【００４０】
本実施の形態において、リッジ部８０の後端面８２は、第１後端面８２ａと第２後端面８２ｂとのみによって構成されており、後端面８２は、第１後端面８２ａと第２後端面８２ｂとの境界から幅方向の外側部分において傾斜している。
【００４１】
つまり、本実施の形態における半導体レーザ素子１では、リッジ部８０の後端面８２側の形状が長方形の角部がカットされた形状となっている。
【００４２】
このように、リッジ部８０の後端面８２の角部をカットして第２後端面８２ｂ（カット部）を形成することによって、リッジ部８０の後端面８２の反射率分布を制御することができる。
【００４３】
具体的には、後端面８２をカットしない第１後端面８２ａは、リッジ部８０の幅方向と略平行になっているので、リッジ部８０の長手方向に沿って導波する光に対して高反射率の反射面となる。例えば、第１後端面８２ａの反射率は、９５％である。
【００４４】
一方、後端面８２の角部をカットした第２後端面８２ｂは、リッジ部８０の幅方向に対して傾斜しているので、リッジ部８０の長手方向（共振器長方向）に沿って導波する光に対して低反射率の反射面となる。つまり、リッジ部８０の長手方向における後端面８２の反射率については、第２後端面８２ｂの反射率が第１後端面８２ａよりも低い反射率となる。
【００４５】
このように、リッジ部８０の後端面８２の外側領域に傾斜面となる第２後端面８２ｂを形成して、後端面８２の外側領域を後端面８２の中央領域よりも反射率を低くすることで、高次モードを抑えて基本モードで発振させることができる。具体的には、基本モードのみで発振させることができる。
【００４６】
これにより、高い光出力のレーザ光を得るためにリッジ部８０の幅を広くしても、横モードの高次モードを抑制して基本モードのみで発振させることができるので、半導体レーザ素子１から出射するレーザ光のビーム品質が低下することを抑制することができる。したがって、高い光出力でビーム品質に優れたレーザ光を出射することができる半導体レーザ素子１を実現できる。
【００４７】
ここで、リッジ部８０の後端面８２に形成した第２後端面８２ｂ（カット部）の大きさが半導体レーザ素子１の特性に与える影響について、図４及び図５を用いて説明する。
【００４８】
図４は、実施の形態に係る半導体レーザ素子１において、リッジ部８０の第２後端面８２ｂの大きさと基本モードの電力−光変換効率との関係を示す図である。つまり、図４は、投入電力に対する光出力の割合を示している。また、図５は、同半導体レーザ素子１において、リッジ部８０の第２後端面８２ｂの大きさと基本モードに対する高次モードの反射率（リッジ部８０の長手方向における反射率）の差との関係を示す図である。つまり、図５は、基本モードの選択性を示しており、基本モードに対する高次モードの反射率の差が大きい場合には高次モードが抑えられ、基本モードに対する高次モードの反射率の差が小さい場合には基本モードに加えて高次モードも発振しやすくなる。
【００４９】
また、図４及び図５では、図３に示すように、リッジ部８０の幅をＷｓとし、リッジ部８０の幅方向の中心から第１後端面８２ａと第２後端面８２ｂとの境界までの距離（本実施の形態では、第１後端面８２ａの半分の長さ）をＸとし、横軸を２Ｘ／Ｗｓとして表している。したがって、横軸（２Ｘ／Ｗｓ）の値が大きくなると、第２後端面８２ｂの大きさが小さくなり、横軸（２Ｘ／Ｗｓ）の値が小さくなると、第２後端面８２ｂの大きさが大きくなる。例えば、２Ｘ／Ｗｓ＝１の場合は、後端面８２には第１後端面８２ａのみが存在して第２後端面８２ｂ（カット部）が存在せず、後端面８２の上面視形状が矩形となる場合である。また、２Ｘ／Ｗｓ＝０の場合は、後端面８２には第２後端面８２ｂのみが存在して第１後端面８２ａが存在せず、後端面８２の上面視形状が三角形となる場合である。なお、第２後端面８２ｂの第１後端面８２ａに対する傾斜角θは、８９°としている。
【００５０】
図４に示すように、２Ｘ／Ｗｓの値が小さくなるほど、つまり、第２後端面８２ｂの大きさが大きくなるほど、基本モードの電力−光変換効率が低下することが分かる。したがって、基本モードの電力−光変換効率を高くするとの観点では、２Ｘ／Ｗｓの値は大きい方がよい。例えば、２Ｘ／Ｗｓは、０．２５以上、好ましくは、０．３７５以上であるとよい。
【００５１】
また、図５に示すように、高次モードの発振を抑えるために基本モードに対する高次モードの反射率の差を大きくするとの観点では、０．３１≦２Ｘ／Ｗｓ≦０．６２５であるとよい。より好ましくは、０．４７≦２Ｘ／Ｗｓ、２Ｘ／Ｗｓ≦０．５７であるとよい。２Ｘ／Ｗｓをこのような範囲に設定することで、高次モードを抑えて基本モードのみで発振させることができる。
【００５２】
なお、０．２５≦２Ｘ／Ｗｓ≦０．７５にすることで、リッジ部８０の幅の加工ばらつきに対するレーザ特性の変動を小さくすることもできる。特に、０．３７５≦２Ｘ／Ｗｓ≦０．６２５にすることで、リッジ部８０の幅の加工ばらつきに対するレーザ特性の変動を一層小さくすることができる。
【００５３】
なお、本実施の形態では、リッジ部８０の後端面８２をカットした構造を示したが、図６に示される半導体レーザ素子１Ａのように、リッジ部８０の後端側に深い溝１００を形成してもよい。具体的には、第２後端面８２ｂを形成するために、リッジ部８０の上面から基板１０までの深さの溝１００を形成してもよい。その場合、屈折率差の関係から、第１後端面８２ａに対する傾斜角θは、４５°とすることもできる。
【００５４】
（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。
【００５５】
例えば、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。
【００５６】
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】
【００５７】
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】
【００５８】
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
８１  前端面
８２  後端面
８２ａ  第１後端面
８２ｂ  第２後端面
９０  平坦部
【図１】
2020017681.tif 000003
【図２】
2020017681.tif 000004
【図３】
2020017681.tif 000005
【図４】
2020017681.tif 000006
【図５】
2020017681.tif 000007
【図６】
2020017681.tif 000008