(57)【要約】【課題】テーパ型導波路構造を有する半導体レーザのレーザ光の品質及び出力を向上させること。【解決手段】導波路１１０は、狭幅導波路１０１、広幅導波路１０２Ａ及び１０２Ｂ、テーパ導波路１０３Ａ及び１０３Ｂで構成される。広幅導波路１０２Ａ及び１０２Ｂの幅Ｗｗは、狭幅導波路１０１の幅Ｗｎよりも広い。テーパ導波路１０３Ａ及び１０３Ｂは、それぞれ、狭幅導波路１０１と、広幅導波路１０２Ａ及び１０２Ｂとを接続するように連続的に幅が変化する。導波路１１０の長さをＬ、導波路１１０の面積をＳとすると、ｋｓ＝Ｓ／（Ｗｎ・Ｌ）、及び、１＜ｋｓ≦１．５が満たされる。【選択図】図１
2018085468.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器の長手方向に延在する第１の幅を有する第１の導波路と、
前記共振器の第１の端面から前記共振器の長手方向に延在する、前記第１の幅よりも広い第２の幅を有する第２の導波路と、
前記共振器の第２の端面から前記共振器の長手方向に延在する、前記第２の幅を有する第３の導波路と、
前記第１の導波路と前記第２の導波路とを接続するように幅が連続的に変化する第１のテーパ導波路と、
前記第１の導波路と前記第３の導波路とを接続するように幅が連続的に変化する第２のテーパ導波路と、を備え、
前記第１の幅をＷｎ、前記共振器の長さである前記第１〜第３の導波路及び前記第１、第２のテーパ導波路の前記共振器の長手方向の長さの和をＬ、前記第１〜第３の導波路及び前記第１、第２のテーパ導波路が形成される半導体基板に対して垂直な方向から見ときの前記第１〜第３の導波路及び前記第１、第２のテーパ導波路の面積の合計をＳとしたときに、以下の式（１）及び（２）を満たす、
ｋｓ＝Ｓ／（Ｗｎ・Ｌ）      （１）
１＜ｋｓ≦１．５      （２）
半導体レーザ。
【請求項２】
前記第２の幅をＷｗとしたとき、以下の式（３）を満たす、
ｋｗ＝Ｗｗ／Ｗｎ≧２．０      （３）
請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記第１及び第２のテーパ導波路の前記共振器の長手方向の長さをＬｔ、前記第２及び第３の導波路の前記共振器の長手方向の長さをＬｗとしたとき、以下の式（４）を満たす、
（Ｌｔ＋２Ｌｗ）／Ｌ≦０．５／（ｋｗ−１）      （４）
請求項２に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記第１〜第３の導波路及び前記第１、第２のテーパ導波路の前記共振器の長手方向の長さの和Ｌは、２０００μｍ以上であり、
前記第２の幅Ｗｗは、６μｍ以上であり、
ｋｗは、６以上である、
請求項３に記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記第１〜第３の導波路及び前記第１、第２のテーパ導波路の前記共振器の長手方向の長さの和Ｌは、６００以上かつ１６００μｍ以下であり、
前記第２の幅Ｗｗは、２μｍ以上かつ６μｍ以下であり、
ｋｗは、２以上かつ５以下である、
請求項３に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記第１及び第２のテーパ導波路の前記共振器の長手方向の長さＬｔは、４０μｍ以上かつ２００μｍ以下である、
請求項３に記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記第２及び第３の導波路の前記共振器の長手方向の長さＬｗは、５μｍ以上かつ１５０μｍ以下である、
請求項３に記載の半導体レーザ。
【請求項８】
前記第２の導波路には、前記第１の端面から所定の範囲で電流が注入されない第１の電流非注入領域が設けられ、
前記第３の導波路には、前記第２の端面から所定の範囲で電流が注入されない第２の電流非注入領域が設けられる、
請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項９】
前記第１〜第３の導波路及び前記第１、第２のテーパ導波路の上に形成された、前記第１〜第３の導波路及び前記第１、第２のテーパ導波路に電流を注入する電極を備え、
前記電極の前記共振器の長手方向の前記第１の端面側の一端は前記第１の端面から前記所定の距離だけ離隔し、
前記電極の前記共振器の長手方向の前記第２の端面側の他端は前記第２の端面から前記所定の距離だけ離隔している、
請求項８に記載の半導体レーザ。
【請求項１０】
前記第１及び第２の電流非注入領域の幅は、前記第２及び第３の導波路の前記共振器の長手方向の長さよりも大きい、
請求項８に記載の半導体レーザ。
【請求項１１】
請求項１に記載の半導体レーザが搭載された、
光源ユニット。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光源ユニットが搭載され、
前記光源ユニットから出射されたレーザ光を対象物に照射する、
レーザ光照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザ、光源ユニット及びレーザ光照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系半導体レーザは高密度光ディスク用などのピックアップ光源として発展してきたが、近年ではプロジェクタ、照明、加工装置など、様々な応用領域に展開されており、更なる高出力化が求められている。特に、センサ・分析用途の精密計測機器や、印刷及び露光装置、３Ｄプリンタ等の加工用途では、高速・高精細要求に伴い、高いビーム品質を維持しつつ高出力化することが求められる。
【０００３】
高いビーム品質が求められる用途では、水平方向の光閉じ込め構造として狭幅の屈折率導波構造を有するシングル横モードレーザと呼ばれるタイプの半導体レーザが一般的に用いられる。このレーザでは、導波路の狭幅化によって光の横高次モードをカットすることで、基本モードのみでレーザ発振するため、単峰形状のビーム強度分布を安定して得ることができる。一方で、導波路が狭幅であるがゆえに、端面のビームスポットサイズが小さくなって出射端面での光密度が高くなるため、光出力の上限は主として端面の光学破壊耐力で律速されることとなる。
【０００４】
半導体レーザの光出力を向上させる手法として、導波路幅を拡大してビームスポットサイズを広げる手法が知られている。しかし、単純に導波路幅を広げた場合には、単峰性である基本モードだけでなく高次のモードも許容されるため、ビーム品質の悪化を招いてしまう。
【０００５】
単峰性のビーム形状を維持したまま高出力化する手法としては、端面部でのみ導波路幅を広げるテーパ型導波路構造が知られている（特許文献１及び２）。テーパ型導波路構造では、端面近傍には高次モードを許容する広幅導波路が設けられ、レーザ素子の中央部には基本モードのみを許容する狭幅導波路が設けられ、更に、狭幅導波路と広幅導波路とを滑らかに接続するテーパ導波路が設けられている。テーパ型導波路構造では、テーパ導波路の寸法を適切に設計することにより、狭幅導波路を高次モードの伝播阻止フィルタとして機能させつつ、基本モードの導波路損失を低く抑えることが可能である。これにより、通常のシングルモードレーザと比べて動作電流を増大させることなく、ビームスポットサイズを拡大することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１０１１３９号公報
【特許文献２】特表２００５−５２４２３４号公報
【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、発明者は、上述のテーパ型導波路構造を導入したレーザの電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性について検討したところ、電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性に劣化が生じることを見出した。図１５は、一般的なテーパ型導波路構造を導入したレーザにおける電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性を示す図である。図１５では、破線で電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性を示し、実線でその微分曲線ｄＬ／ｄＩ（以下、スロープ効率）を示した。図１５に示すように、こうしたレーザにおいては、屈曲（キンク）が発生してスロープ効率が急減するという問題が生じる。その結果、安定した高出力動作を実現できないことが明らかとなった。
【０００８】
キンクと呼ばれる電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性の屈曲は、通常、空間的ホールバーニングに起因する、モード不安定性によって生じることが知られている。これは基本モードでレーザ発振した状態で、光子密度が最も高い導波路の中央部で局所的なキャリア消費が生じ、水平方向の利得及び屈折率分布が変化して高次モードが発生しやすくなるというメカニズムで説明される。
【０００９】
そのため、キンク発生後のビーム形状（遠視野像や近視野像）は、基本モードの単峰形状ではなく、１次モード又は２次モードといった高次モードが混在する波形となる。また、キンクが発生する光出力であるキンク光出力Ｐｋｉｎｋを向上するためには、導波路の水平方向屈折率差（Δｎ）の低減によって基本モードの光閉じ込めを弱めることが効果的とされている。
【００１０】
次いで、発明者は、上述したテーパ型導波路構造を導入したレーザにおけるキンクについて検討した。図１６は、一般的なテーパ型導波路構造が導入された半導体レーザから出射したレーザ光の遠視野像を示す図である。図１６では、水平方向の遠視野像をＦＦＰＨ、垂直方向の遠視野像をＦＦＰＶとして示した。図１６に示すように、キンク光出力Ｐｋｉｎｋ以上（例えば、図１５においての光出力が３００［ｍＷ］）での水平方向の遠視野像ＦＦＰＨは、通常の基本モードの遠視野像と同様に単峰性を示しており、高次モードとの混在波形は確認されない。また、水平方向屈折率差（Δｎ）低減によるキンク光出力Ｐｋｉｎｋの向上は認められなかった。
【００１１】
以上より、テーパ型導波路構造の半導体レーザで生じるキンクは、一般的に知られているキンクとはその発生メカニズムが異なり、以下で説明するように、端面近傍の広幅導波路におけるスーパールミネッセンスの発生が介在していると考えられる。
【００１２】
端面近傍に配した広幅導波路及びテーパ導波路では高次モードが許容されるため、注入電流の増加によって自然放出光（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）が誘導放出を起こすレベルに達してスーパールミネッセンス状態となった場合、基本モードに寄与する誘導放出の速度と高次モードに寄与する誘導放出の速度との競合が生じると考えられる。広幅導波路においてＡＳＥによる誘導放出が顕著になり、更なる電流増加に伴ってその光強度が増大してゆくと、広幅導波路及びテーパ導波路において高次モードの誘導放出によるキャリア消費が生じ、キャリアが高速に消費されるため、基本モードの効率が低下することとなる。テーパ導波路構造の半導体レーザにおいては、広幅導波路及びテーパ導波路においてスーパールミネッセンスが生じることでキンクが発生し、キンクが発生した以降の低いスロープ効率は、高次モードのスーパールミネッセンスに注入キャリアが消費されていることに対応するものである。以上が、テーパ型導波路構造の半導体レーザにおけるキンク発生メカニズムである。
【００１３】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
一実施の形態によれば、半導体レーザは、第１の幅を有する第１の導波路と、前記共振器の第１の端面から延在する、第２の幅を有する第２の導波路と、前記共振器の第２の端面から延在する、前記第２の幅を有する第３の導波路と、前記第１の導波路と前記第２の導波路とを接続するように幅が連続的に変化する第１のテーパ導波路と、前記第１の導波路と前記第３の導波路とを接続するように幅が連続的に変化する第２のテーパ導波路と、を有し、前記第１の幅をＷｎ、前記共振器の長さをＬ、前記第１〜第３の導波路及び前記第１、第２のテーパ導波路の面積の合計をＳとしたときに、ｋｓ＝Ｓ／（Ｗｎ・Ｌ）、及び、１＜ｋｓ≦１．５を満たすものである。
【発明の効果】
【００１５】
一実施の形態によれば、テーパ型導波路構造を有する半導体レーザのレーザ光の品質及び出力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態１にかかる半導体レーザの構成を模式的に示す上面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ面における半導体レーザの断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ面における半導体レーザの断面図である。
【図４】実施の形態１にかかる半導体レーザの構成を模式的に示す上面図である。
【図５】４０５ｎｍ帯の窒化物半導体シングルモードレーザにおける端面劣化の光密度依存性を示す図である。
【図６】半導体レーザの端面での光密度の導波路幅依存性の計算結果を示す図である。
【図７】実施の形態１にかかる半導体レーザにおけるキンク光出力を示す図である。
【図８】ｋｗ＝２の場合に、キンクレベルを（Ｌｔ＋２Ｌｗ）／Ｌに対してプロットした図である。
【図９】ｋｗ＝３の場合に、キンクレベルを（Ｌｔ＋２Ｌｗ）／Ｌに対してプロットした図である。
【図１０】ｋｗ＝４の場合に、キンクレベルを（Ｌｔ＋２Ｌｗ）／Ｌに対してプロットした図である。
【図１１】実施の形態２にかかる半導体レーザの構成を模式的に示す上面図である。
【図１２】実施の形態３にかかる光源ユニットの構成を模式的に示す図である。
【図１３】実施の形態４にかかる測定装置の構成を模式的に示す図である。
【図１４】実施の形態５にかかる描画装置の構成を模式的に示す図である。
【図１５】一般的なテーパ型導波路構造を導入したレーザにおける電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性を示す図である。
【図１６】一般的なテーパ型導波路構造が導入された半導体レーザから出射したレーザ光の遠視野像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。
【００１８】
実施の形態１
実施の形態１にかかる半導体レーザ１００について説明する。半導体レーザ１００は、窒化物半導体をベースとした４０５ｎｍ帯青紫色レーザとして構成される。図１は、実施の形態１にかかる半導体レーザ１００の構成を模式的に示す上面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ面における半導体レーザ１００の断面図である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ面における半導体レーザ１００の断面図である。
【００１９】
ここでは、図１〜図３の紙面の水平方向をＸ方向とする。図１の紙面の鉛直方向、図２及び図３の紙面に対して垂直方向をＹ方向とする。図１の紙面に対して垂直方向、図２及び図３の紙面の鉛直方向をＺ方向とする。なお、図１では、導波路の構造の理解を容易にするため、導波路上に形成される絶縁膜及び電極などについては、省略している。
【００２０】
まず、図１を参照して、半導体レーザ１００の平面構造について説明する。半導体レーザ１００は、後述するように、Ｘ−Ｙ平面を主面とする半導体積層基板３２０上に形成された、共振器を構成する導波路１１０を有する。本実施の形態では、導波路１１０は、半導体積層基板３２０上に形成されたリッジストライプとして構成される。ここでは、導波路１１０の共振方向ないしは導波方向、すなわちＹ方向の長さをＬとする。
【００２１】
導波路１１０の一方の端部には共振器端面１１１Ａが設けられ、導波路１１０の一方の端部には共振器端面１１１Ｂが設けられる。共振器端面は劈開によって形成され、出射端面側の共振器端面１１１Ａには低反射膜、反射端面側の共振器端面１１１Ｂには高反射膜が形成される。低反射膜としては例えばＳｉＯ２、高反射膜としては例えばＳｉＯ２とＴｉＯ２からなる多層膜を用いてもよい。所望の発振波長において、低反射膜の反射率が例えば２０％以下、高反射膜の反射率が例えば８０％以上となるように、膜構造及び層構造を選択することが好ましい。
【００２２】
導波路１１０は、狭幅導波路１０１、広幅導波路１０２Ａ及び１０２Ｂ、テーパ導波路１０３Ａ及び１０３Ｂの５つの部位からなる。
【００２３】
狭幅導波路１０１（以下、第１の導波路とも称する）は、Ｙ方向の長さがＬｎ、Ｘ方向の幅がＷｎ（以下、第１の幅とも称する）の、水平方向（すなわち図１のＸ方向）の基本モードのみを許容する導波路として設計される。狭幅導波路１０１の幅Ｗｎは、高次モードがカットオフとなり、基本モードのみが許容される幅であることが望ましいので、１．０μｍ以上１．６μｍ以下（１．０μｍ≦Ｗｎ≦１．６μｍ）とすることが望ましい。以下、その理由について説明する。
【００２４】
高次モードがカットオフとなる幅は、水平方向屈折率差Δｎによって見積もることができる。屈折率ガイド構造で安定な基本モードを得るためには、Δｎの設計は注入キャリアのプラズマ効果による屈折率減少分より大きくする必要があり、半導体レーザの材料系が窒化物半導体の場合には、０．００３以上（Δｎ≧０．００３）が望ましい。このときカットオフ幅は、１．６４μｍとなる。一方、Δｎが大きすぎる場合にはカットオフ幅が狭くなり、製造が困難となるため、カットオフ幅が１．２μｍ以上となるように、Δｎの上限値は０．００５程度（Δｎ≦０．００５）が望ましい。以上より、狭幅導波路１０１の幅Ｗｎを１．０μｍ以上１．６μｍ以下（１．０μｍ≦Ｗｎ≦１．６μｍ）とすることで、狭幅導波路１０１は、水平方向屈折率差Δｎが０．００３〜０．００５の範囲（０．００３≦Δｎ≦０．００５）で高次モードがカットオフとなる導波路とすることができる。
【００２５】
広幅導波路１０２Ａ（以下、第２の導波路とも称する）及び１０２Ｂ（以下、第２の導波路とも称する）は、Ｙ方向の長さがＬｗ、Ｘ方向の幅がＷｗ（以下、第２の幅とも称する）の、水平方向（すなわち図１のＸ方向）の高次モードを許容する導波路として形成される。
【００２６】
テーパ導波路１０３Ａは、狭幅導波路１０１と広幅導波路１０２Ａとを滑らかに接続するように、幅がＷｎ〜Ｗｗの間で連続的に変化する、Ｙ方向の長さがＬｔのテーパ形状を有する導波路として形成される。テーパ導波路１０３Ｂは、狭幅導波路１０１と広幅導波路１０２Ｂとを滑らかに接続するように幅が連続的に変化する、Ｙ方向の長さがＬｔのテーパ形状を有する導波路として形成される。
【００２７】
半導体レーザ１００における各部の寸法の例としては、Ｌ＝８００μｍ、Ｗｎ＝１．２５μｍ、Ｌｎ＝３２０μｍ、Ｗｗ＝４ｕｍ、Ｌｗ＝４０μｍ、Ｌｔ＝２００μｍとすることができる。このときビーム伝播法によると基本モードの結合効率は９９．９％となり、ほぼ損失の無い、理想的な導波路構造が得られる。
【００２８】
図４は、実施の形態１にかかる半導体レーザ１００の構成を模式的に示す上面図である。図４では、以下で説明する導波路の面積にかかる計算対象となる部分にハッチングを施している。
【００２９】
導波路１１０の全体の面積Ｓは、以下の式（１）で表される。
Ｓ＝（Ｗｗ−Ｗｎ）×（Ｌｔ＋２×Ｌｗ）＋Ｗｎ×Ｌ      （１）
ここで、導波路１１０の面積を、狭幅導波路１０１の幅Ｗｎと導波路１１０の長さＬとの積Ｗｎ×Ｌで除した比率（図４にハッチングで示した部分の面積の割合に相当）を、式（２）に示すようにｋｓと定義する。
ｋｓ＝Ｓ／（Ｗｎ・Ｌ）      （２）
【００３０】
本実施の形態では、比率ｋｓが、式（３）に示すように、１よりも大きく、かつ、１．５以下となるように、Ｗｗ、Ｌｔ、Ｌｗ、Ｌが設計される。
１＜ｋｓ≦１．５      （３）
【００３１】
広幅導波路１０２Ａ及び１０２Ｂの幅Ｗｗは、狭幅導波路１０１の幅Ｗｎより広く、高次モードを許容する幅として設計される。また、広幅導波路１０２Ａ及び１０２Ｂの幅Ｗｗを狭幅導波路１０１の幅Ｗｎで除した比率ｋｗは、端面の耐力向上を考慮すると、式（４）に示すように、２以上であることが好ましい。
ｋｗ＝Ｗｗ／Ｗｎ≧２      （４）
【００３２】
図５は、４０５ｎｍ帯の窒化物半導体シングルモードレーザにおける端面劣化の光密度依存性を示す図である。図５に示すように、端面劣化の発生頻度は、端面の光密度に依存し、ある臨界値を超えると急増する（図５の領域Ｂ）。図５の横軸は臨界値における端面光密度で規格化しており、端面光密度が臨界値に対して０．７倍以下の領域で端面劣化が抑制されている（図５の領域Ａ）。そのため、臨界値を超える高い光出力域で安定動作させるためには、端面での光密度を少なくとも０．７倍以下とすればよい。
【００３３】
図６は、半導体レーザの端面での光密度の導波路幅依存性の計算結果を示す図である。図６から、シングルモードレーザ（すなわち、ｋｗ＝１）に対して端面での光密度を０．７倍以下（図６の領域Ｃ）に抑えるために必要な端面導波路幅Ｗｗは、Ｗｎの２倍以上（ｋｗ≧２）であることがわかる。従って、シングルモードレーザで端面劣化が多発する高出力域で安定動作を実現するという観点からは、広幅導波路１０２Ａ及び１０２Ｂの幅Ｗｗを、狭幅導波路１０１の幅Ｗｎの２倍以上（ｋｗ≧２）とすることが好ましい。
【００３４】
ここで、広幅導波路１０２Ａ及び１０２Ｂの幅Ｗｗを大きくする場合、すなわち上述の比率ｋｗを大きくする場合、テーパ導波路での結合ロス及びキンク光出力の観点から、テーパ導波路１０３Ａ及び１０３Ｂの長さＬｔ及び導波路１１０の長さＬを長くする必要がある。導波路１１０の長さＬを２０００μｍ以上（Ｌ≧２０００μｍ）とすることにより、広幅導波路１０２Ａ及び１０２Ｂの幅Ｗｗを９μｍ以上（Ｗｗ≧９μｍ）、比率ｋｗを６以上（ｋｗ≧６）とすることで、安定した単一モード高出力動作を実現できる。
【００３５】
高出力レーザの設計としては、共振器長、すなわち導波路１１０の長さＬが長い方が動作電圧を低減することができるので、消費電力の観点からは有利である。一方で、共振器長、すなわち導波路１１０の長さＬが長すぎる場合には、動作電流が高くなることによる発熱量の増大に加え、ウェハあたりのチップ収量が少なくなる。高放熱設計や冷却機構の要否、ウェハあたりのチップ収量といったコスト面での利点を鑑みると、共振器長、すなわち導波路１１０の長さＬは６００μｍ以上１６００μｍ以下（６００μｍ≦Ｌ≦１６００μｍ）が望ましい。６００μｍ以上１６００μｍ以下の共振器長において、広幅導波路１０２Ａ及び１０２Ｂの幅Ｗｗを２μｍ以上８μｍ以下（２μｍ≦Ｗｗ≦８μｍ）、比率ｋｗを２以上５以下（２≦ｋｗ≦５）の範囲とすることで、単一モードでの安定した高出力動作が可能となる。
【００３６】
テーパ導波路１０３Ａ及び１０３Ｂの長さＬｔは、共振器方向（すなわちＹ方向）とテーパ導波路１０３Ａ及び１０３Ｂの角度θ、上述した比率ｋｗ、狭幅導波路１０１の幅Ｗｎを用いると、以下の式（５）で表される。
Ｌｔ＝（ｋｗ−１）・Ｗｎ／（２・ｔａｎθ）      （５）
【００３７】
基本モードの結合損失を最小に抑えつつ動作電流を低減するためには、角度θを１．２°以下（θ≦１．２°）とすることが好ましいので、テーパ導波路１０３Ａ及び１０３Ｂの長さＬｔは、以下の式（６）を満たすことが好ましい。
Ｌｔ＞２４×（ｋｗ−１）×Ｗｎ      （６）
よって、上述したように、比率ｋｗの範囲と狭幅導波路１０１の幅Ｗｎの範囲とを考慮すると、テーパ導波路１０３Ａ及び１０３Ｂの長さＬｔは、４０μｍ以上２００μｍ以下（４０μｍ≦Ｌｔ≦２００μｍ）が望ましい。これにより、基本モードの結合損失を低減することが可能となる。
【００３８】
広幅導波路１０２Ａ及び１０２Ｂの長さＬｗは、５μｍ以上１５μｍ以下（５μｍ≦Ｌｗ≦１５μｍ）とすることが好ましい。これにより、共振器端面を形成するための劈開位置精度（一般に、±１μｍ程度）に対するマージンを確保しつつ、導波路面積を最小限に抑制することで、キンクレベルを向上させることができる。
【００３９】
次いで、半導体レーザ１００の断面構造について、図２及び図３を参照して説明する。導波路１１０は、半導体積層基板３２０上に形成される。半導体積層基板３２０では、ｎ型ＧａＮ基板３０１上に、ｎ型クラッド層３０２、ｎ型ガイド層３０３、多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）活性層３０４、キャップ層３０５及びｐ型ガイド層３０６が順に積層されている。
【００４０】
ｐ型ガイド層３０６上の一部には、リッジストライプ状の導波路１１０を構成するｐ型クラッド層３０７とｐ型コンタクト層３０８とが、この順で形成されている。このリッジストライプは、水平方向（すなわちＸ方向）の屈折率導波機構として機能するとともに、電流狭窄部としても機能する。ｐ型コンタクト層３０８上には、ｐ電極３１０が形成されている。導波路１１０が形成されていない部分のキャップ層３０５上と、導波路１１０の側面とは、絶縁膜３０９で覆われている。ｐ電極３１０上には、カバー電極３１１が形成される。また、ｎ型ＧａＮ基板３０１の下部には、ｎ電極３１２が形成される。
【００４１】
次いで、半導体レーザ１００の製造方法について説明する。まず、ｎ型ＧａＮ基板３０１上に、有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＶＰＥ法）等を用いて、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（Ｓｉ濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ２μｍ）からなるｎ型クラッド層３０２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（Ｓｉ濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｎ型ガイド層３０３、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層（厚さ３ｎｍ）とＳｉドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎバリア層（Ｓｉ濃度１×１０１８ｃｍ−３、厚さ４ｎｍ）からなる３周期多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層３０４、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ（Ｍｇ濃度２×１０１９ｃｍ−３、厚さ１０ｎｍ）からなるキャップ層３０５、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０１９ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型ガイド層３０６、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（Ｍｇ濃度１×１０１９ｃｍ−３、厚さ０．５μｍ）からなるｐ型クラッド層３０７、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度１×１０２０ｃｍ−３、厚さ０．０２μｍ）からなるｐ型コンタクト層３０８を順次積層する。
【００４２】
次に、通常のフォトリソグラフィー工程により、導波路１１０の形成に用いるエッチングマスクを形成する。その後、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチングにより、ｐ型コンタクト層３０８及びｐ型クラッド層３０７の途中までエッチングを行う。これにより、テーパ構造を有するリッジストライプで構成される導波路１１０が形成される。ｐ型クラッド層３０７のエッチング深さは、半導体レーザ装置の横モード特性・電流−光出力特性・電流−電圧特性等に影響するので、要求されるデバイス特性等を考慮して、最適な値を選択する。ここでは、狭幅部における水平方向屈折率差Δｎが０．００４８及び０．００３６の２種類となるよう調整した。
【００４３】
本実施の形態では、共振器長Ｌは８００μｍ、狭幅導波路幅Ｗｎ＝１．２５μｍとし、その他の具体的な導波路寸法については、以下の表に示す寸法とした。
【表１】
2018085468.tif 000003
【００４４】
次に、ＣＶＤ法などを用いて、酸化シリコン膜等の絶縁膜３０９を形成する。その後、通常のフォトリソグラフィー工程及びエッチング工程により、ｐ電極３１０を形成する部分の絶縁膜３０９を除去する。そして、例えば真空蒸着法によってチタン及び金を蒸着し、その後、適当な条件で加熱してアロイ処理を行うことで、ｐ電極３１０を形成する。本実施の形態では、ｐ電極３１０上には更にカバー電極３１１を形成した。カバー電極３１１は、真空蒸着法、スパッタリング法、メッキ法など、各種の金属膜形成法を用いて形成してもよい。カバー電極３１１上には、更にメッキパッド等を形成してもよい。
【００４５】
ｎ電極３１２の形成について説明する。ｎ型ＧａＮ基板３０１の裏面を研磨することで、ｎ型ＧａＮ基板３０１は、厚さ１００μｍ程度にまで薄化される。その後、ｎ型ＧａＮ基板３０１の裏面に、例えば真空蒸着法によりチタン及び金を蒸着し、適当な条件で加熱してアロイ処理を行うことで、ｎ電極３１２を形成する。
【００４６】
次に、導波路１１０と直交する共振器端面１１１Ａ（以下、第１の端面とも称する）及び１１１Ｂ（以下、第２の端面とも称する）を劈開によって形成する。出射側端面の共振器端面１１１Ａには、例えば真空蒸着法により、Ａｌ２Ｏ３からなる反射率１０％の低反射膜を形成する。反射側端面である共振器端面１１１Ｂには、例えば真空蒸着法により、Ａｌ２Ｏ３とＺｒＯ２とからなる多層膜である反射率９５％の高反射膜を形成する。その後、素子分離を行い、図１〜図３に示す構造を有する半導体レーザ１００を得ることができる。
【００４７】
次いで、本実施の形態にかかる半導体レーザ１００におけるキンク抑制について説明する。図７は、実施の形態１にかかる半導体レーザ１００におけるキンク光出力を示す図である。図７では、比較例として、ｋｓ＞１．５とした場合についても併せて示した。図７より、テーパ構造のキンク光出力Ｐｋｉｎｋは導波路面積Ｓに強く依存し、比率ｋｓに対して、以下の式（７）で近似されることを見出した。
Ｐｋｉｎｋ＝  Ａｅｘｐ［Ｂ｛ｋｓ／（１＋ｋｓ）｝］      （７）
【００４８】
ｋｓ＞１．５の比較例においては、Ｐ＜２００ｍＷの比較的低出力の領域でキンクが発生しており、かつ、Δｎの低減による改善効果は認められない。これに対し、本実施の形態にかかる半導体レーザ１００においては、ｋｓ≦１．５の領域（図７の領域Ｄ）でキンクレベルは急激に改善し、かつ、Δｎの低減による改善効果が認められる。
【００４９】
図８〜１０は、それぞれｋｗ＝２、３、４の場合に、キンク出力Ｐｋｉｎｋを（Ｌｔ＋２Ｌｗ）／Ｌに対してプロットした図である。横軸の値は、ｋｓ≦１．５となるときの上限値を表す。図８〜１０では、キンク出力Ｐｋｉｎｋが概ね３００［ｍＷ］以上となる領域を、それぞれ領域Ｅ〜Ｇで表示している。この上限値は、式（１）及び式（３）より、以下の式（８）で表される。
（Ｌｔ＋２Ｌｗ）／Ｌ≦０．５／（ｋｗ−１）      （８）
【００５０】
式（８）により、端面の耐力向上のために必要な導波路幅比ｋｗに対して、テーパ長Ｌｔ、広幅導波路長Ｌｗ、共振器長Ｌを、キンク耐力向上の観点から適宜選択することが可能となる。
【００５１】
以上、本実施の形態にかかる半導体レーザでは、面積比ｋｓを小さな値に抑えることによって、高次モードを許容する導波路の領域を縮減できるので、高次モードのスーパールミネッセンスが生じにくくなり、キンク光出力を大幅に向上する可能となる。
【００５２】
また、本実施の形態にかかる半導体レーザ１００では、高次モードを許容する広幅導波路及びテーパ導波路の導波路面積比率を低く抑えることによって、高次モードのスーパールミネッセンスの発生を抑制して、キンクレベルの大幅な向上が可能となり、高いビーム品質と高出力化の両立を達成することが可能となる。
【００５３】
実施の形態２
実施の形態２にかかる半導体レーザ２００について説明する。図１１は、実施の形態２にかかる半導体レーザ２００の構成を模式的に示す上面図である。図１１に示すように、半導体レーザ２００は、半導体レーザ１００のｐ電極３１０を、ｐ電極４１０に置換した構成を有する。
【００５４】
実施の形態１で説明したように、劈開のバラつきにより、広幅導波路１０２Ａ及び１０２Ｂの長さＬｗがバラついてしまう。特に、比率ｋｗの値が大きな場合には、図８、９、１０から明らかなように、広幅導波路１０２Ａ及び１０２Ｂの長さＬｗに対するキンクレベルの変化が急峻となるため、±１μｍのバラつきの影響でも無視し得ない。そのため、広幅導波路１０２Ａ及び１０２Ｂでのスーパールミネッセンスの発生を安定して抑制するには、劈開によらない電流狭窄構造が必要となる。
【００５５】
これに対し、本実施の形態では、共振器端面１１１Ａ及び１１１Ｂの近傍で、ｐ電極４１０が形成されていない電流非注入領域４２０Ａ（以下、第１の電流非注入領域とも称する）及び４２０Ｂ（以下、第２の電流非注入領域とも称する）がそれぞれ形成されている。電流非注入領域４２０Ａ及び４２０Ｂを設けることで、電流非注入領域４２０Ａ及び４２０Ｂにおけるキャリア密度を低減できるため、キンク耐力を向上させることができる。電流非注入領域４２０Ａ及び４２０ＢのＹ方向の長さｄは、例えば５μｍ以上３０μｍ以下（５μｍ≦ｄ≦３０μｍ）とすることができ、また、広幅導波路１０２Ａ及び１０２Ｂの長さＬｗ以上（ｄ≧Ｌｗ）としてもよい。
【００５６】
以上、本構成によれば、劈開バラつきによるキンクレベルのバラつきを抑制することが可能となる。
【００５７】
また、電流非注入領域４２０Ａ及び４２０ＢのＹ方向の長さｄを、広幅導波路１０２Ａ及び１０２Ｂの長さＬｗ以上（ｄ≧Ｌｗ）とすることで、電流非注入領域４２０Ａ及び４２０Ｂを設けない場合よりも広幅導波路１０２Ａ及び１０２Ｂの電流密度を低減できるため、スーパールミネッセンスの発生を抑制し、キンクレベルを更に向上させることが可能となる。
【００５８】
実施の形態３
実施の形態３にかかる光源ユニット５００について説明する。光源ユニット５００は、上述した実施の形態１にかかる半導体レーザ１００光源とする光源ユニットとして構成される。図１２は、実施の形態３にかかる光源ユニット５００の構成を模式的に示す図である。
【００５９】
図１２に示すように、半導体レーザ１００はＣＡＮパッケージ５０１内のサブマウント５０２に搭載され、電極５０３とボンディングワイヤ５０４を介して接続される。制御回路５０５がレーザ駆動回路５０６を適宜制御して、レーザ駆動回路５０６が電極５０３に駆動電圧を印加することで、半導体レーザ１００はレーザ発振する。
【００６０】
半導体レーザ１００から出射されたレーザ光は、例えばレンズ５０７及びビームスプリッタ５０８からなる光学系５０９を介して、光源ユニット５００から出力される。ここで、ビームスプリッタ５０８を透過したレーザ光は光源ユニット５００の外部へ出力され、ビームスプリッタ５０８で反射された一部のレーザ光は、光検出器５１０に入射する。光検出器５１０は、入射したレーザ光の強度を検出し、検出結果を制御回路５０５に出力する。これにより、制御回路５０５は、光検出器５１０からの検出結果を参照することで、半導体レーザ１００から出射されるレーザ光の強度が所望の範囲に収まるようにフィードバック制御することができる。
【００６１】
以上、本構成によれば、上述の実施の形態にかかる半導体レーザを用いた光源ユニットを構成することが可能となる。
【００６２】
実施の形態４
実施の形態４にかかるレーザ光照射装置について説明する。ここでは、実施の形態３にかかる光源ユニット５００が搭載された測定装置６００について説明する。図１３は、実施の形態４にかかる測定装置６００の構成を模式的に示す図である。
【００６３】
図１３に示すように、光源ユニット５００から出射されたレーザ光は、例えば集光レンズ６０１及びラインレンズ６０２を通過して、可動ステージ６２０上に載置された測定対象物６１０に照射される。例えばＣＣＤで構成される撮像部６０３は、測定対象物６１０が反射したレーザ光を検出し、検出結果を画像処理装置６０４へ出力する。
【００６４】
制御装置６０５は、光源ユニット５００、可動ステージ６２０、及び、画像処理装置６０４の動作を制御することで、測定対象物６１０の形状や、測定条件に応じた測定処理を実行することができる。
【００６５】
これにより、画像処理装置６０４は、検出結果に基づいて測定対象物６１０の像を取得することができ、取得した像に基づいて、測定対象物６１０の各部の寸法などを測定することができる。
【００６６】
以上、本構成によれば、上述の実施の形態にかかる光源ユニットを用いた測定装置を構成することが可能となる。また、例えば、産業用又は医療用のセンサ機器、分析装置などに上述の実施の形態にかかる光源ユニットを搭載することにより、光源の高出力化によって機器の高性能化（高速化、計測対象の大小・種類の多様化、信頼性の改善等）を図る点で有るである。
【００６７】
実施の形態５
実施の形態５にかかるレーザ光照射装置について説明する。ここでは、実施の形態３にかかる光源ユニット５００が搭載された描画装置７００について説明する。図１４は、実施の形態５にかかる描画装置７００の構成を模式的に示す図である。
【００６８】
図１４に示すように、光源ユニット５００から出射されたレーザ光は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー７０１により、可動ステージ７２０上に載置された対象物７１０に指向される。ＭＥＭＳミラー７０１で反射されたレーザ光は、集光レンズ７０２によって、対象物７１０で集光される。
【００６９】
制御装置７０３は、光源ユニット５００、可動ステージ７２０、及び、ＭＥＭＳミラー７０１の動作を制御することで、レーザ光が対象物７１０を走査する経路を制御することができる。
【００７０】
例えば、対象物７１０には、予めフォトレジストなどの感光性材料が塗布されており、描画装置７００でのレーザ光による描画後に現像処理を行うことで、描画パターンを得ることができる。
【００７１】
以上、本構成によれば、上述の実施の形態にかかる光源ユニットを用いた描画装置を構成することが可能となる。また、本構成の応用として、直描型の露光装置、刷機、精密加工装置（例えば、３Ｄプリンタ）等に、上述の光源ユニットを搭載することにより、処理の高速化、処理対象の大型化、多様性拡大、信頼性の改善等の高性能化を図る点で有利である。
【００７２】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述の実施の形態では、窒化物半導体をベースとした４０５ｎｍ帯青紫色レーザの例について説明したが、波長帯及び材料系はこの例に限定されるものではない。例えば、材料系としては、ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系などの他の化合物半導体をベースとした半導体レーザにも同様の導波路構成を適用できることはいうまでもない。
【００７３】
また、上述の実施の形態では、リッジストライプ型の半導体レーザについて説明したが、導波路をクラッド層で埋め込んだ埋め込み型レーザなどの、他の構造の半導体レーザにも上述の実施の形態で説明した導波路構造を適用できることは言うまでもない。
【００７４】
更に、図２及び図３を用いて、半導体レーザの層構造について説明したが、この例に限られずものではない。半導体レーザとして動作する限りにおいて、他の層を追加し、又は、一部の層を除去してよい。また、半導体層の導電型を入れ替えることも可能である。
【００７５】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００７６】
１００、２００  半導体レーザ
１０１  狭幅導波路
１０２Ａ、１０２Ｂ  広幅導波路
１０３Ａ、１０３Ｂ  テーパ導波路
１１０  導波路
１１１Ａ、１１１Ｂ  共振器端面
３０１  ｎ型ＧａＮ基板
３０２  ｎ型クラッド層
３０３  ｎ型ガイド層
３０４  ＭＱＷ活性層
３０５  キャップ層
３０６  ｐ型ガイド層
３０７  ｐ型クラッド層
３０８  ｐ型コンタクト層
３０９  絶縁膜
３１０  ｐ電極
３１１  カバー電極
３１２  ｎ電極
３２０  半導体積層基板
４１０  ｐ電極
４２０Ａ、４２０Ｂ  電流非注入領域
５００  光源ユニット
５０１  ＣＡＮパッケージ
５０２  サブマウント
５０３  電極
５０４  ボンディングワイヤ
５０５  制御回路
５０６  レーザ駆動回路
５０７  レンズ
５０８  ビームスプリッタ
５０９  光学系
５１０  光検出器
６００  測定装置
６０１、７０２  集光レンズ
６０２  ラインレンズ
６０３  撮像部
６０４  画像処理装置
６０５、７０３  制御装置
６１０  測定対象物
６２０、７２０  可動ステージ
７００  描画装置
７０１  ミラー
７１０  対象物
【図１】
2018085468.tif 000004
【図２】
2018085468.tif 000005
【図３】
2018085468.tif 000006
【図４】
2018085468.tif 000007
【図５】
2018085468.tif 000008
【図６】
2018085468.tif 000009
【図７】
2018085468.tif 000010
【図８】
2018085468.tif 000011
【図９】
2018085468.tif 000012
【図１０】
2018085468.tif 000013
【図１１】
2018085468.tif 000014
【図１２】
2018085468.tif 000015
【図１３】
2018085468.tif 000016
【図１４】
2018085468.tif 000017
【図１５】
2018085468.tif 000018
【図１６】
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