(57)【要約】【課題】回折効率の高い回折格子を備え、かつ、容易に製造できる窒化物半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】窒化物半導体レーザ素子１は、共振器を形成する一対の端面２７及び２８と、一対の端面２７及び２８の間に形成される光導波路とを有する窒化物半導体の積層構造体２と、光導波路を伝播する導波光と結合する回折格子部８０と、を備え、回折格子部８０は、導波光に対する次数が互いに異なる複数の高次の回折格子（第一回折格子８１、第二回折格子８２及び第三回折格子８３）を有する。【選択図】図１
2018037495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器を形成する一対の端面と、前記一対の端面の間に形成される光導波路とを有する窒化物半導体の積層構造体と、
前記光導波路を伝播する導波光と結合する回折格子部と、を備え、
前記回折格子部は、前記導波光に対する次数が互いに異なる複数の高次の回折格子を有する
窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記回折格子部は、前記導波光に対する１次の回折格子を有していない
請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記複数の高次の回折格子の次数の最大公約数は、１である
請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記積層構造体は、
第一導電型の第一窒化物半導体層と、
前記第一窒化物半導体層の上に配置された発光層と、
前記発光層の上に配置された第二導電型の第二窒化物半導体層と、を備え、
前記回折格子部は、前記第二窒化物半導体層に形成されている
請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記第二窒化物半導体層は、リッジ部を備え、
前記回折格子部は、前記リッジ部に形成されている
請求項４に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記リッジ部の幅は、１０μｍ以上５０μｍ以下である
請求項５に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記積層構造体は、
第一導電型の第一窒化物半導体層と、
前記第一窒化物半導体層の上に配置された発光層と、
前記発光層の上に配置された第二導電型の第二窒化物半導体層と、を備え、
前記回折格子部は、前記第一窒化物半導体層に形成されている
請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記積層構造体は、基板上に配置されており、
前記回折格子部は、前記基板に形成されている
請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、回折格子を備える窒化物半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザディスプレイ、プロジェクターなどの画像表示装置の光源、車載ヘッドランプ、産業用照明などの照明光源、及び、レーザ溶接装置、薄膜アニール装置、レーザ加工装置などの産業用加工光源として、半導体レーザ素子が注目されている。特に、紫外から青色光までの波長帯をカバーできる窒化物半導体レーザ素子が盛んに開発されている。
【０００３】
上記の用途で使われる半導体レーザ素子には、１ワットを大きく超える光出力や、数万時間以上の素子寿命が望まれている。
【０００４】
産業用加工光源においては、さらに大きい光出力が要求されるため、半導体レーザ素子単体では要求を満たす光出力を得ることができない。そのため、レーザアレイ化、又は、半導体レーザ素子単体若しくはアレイレーザからのレーザ光を合成（例えば、空間合成、波長合成など）させることで大きな光出力を得る技術が開発されている。
【０００５】
互いに異なる発振波長の複数のレーザ光の合成を行う場合には、発振波長の制御が非常に重要である。発振波長を所望の波長に精密に調整するためにＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ）又はＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザ素子を用いることが考えられるが、窒化物材料を用いたＤＦＢレーザ素子及びＤＢＲレーザ素子の報告はほとんどないのが現状である。
【０００６】
ここで、従来のＤＦＢレーザ素子について図面を用いて説明する。
【０００７】
図２２は、特許文献１に記載された従来のＤＦＢレーザ素子１０００の斜視図である。
【０００８】
特許文献１に記載されたＤＦＢレーザ素子１０００は、基板１００１上部に、下側クラッド層１００２と、下側光ガイド層１００３と、活性層１００４と、上側光ガイド層１００５と、上側クラッド層１００６と、コンタクト層１００７と、を順に有する。また、ＤＦＢレーザ素子１０００は、上側クラッド層１００６とコンタクト層１００７の一部に光導波路であるリッジ部１０１０が形成されている。上側クラッド層１００６及びコンタクト層１００７の一部で、かつ、光導波路であるリッジ部１０１０は、その側面に、主回折格子１０１１と副回折格子１０１２とを有している。ＤＦＢレーザ素子１０００は、さらに、コンタクト層１００７上に配置された上側電極１０１４と、基板１００１下部に配置された下側電極１０１５とを有している。
【０００９】
以上のように特許文献１に記載されたＤＦＢレーザ素子１０００は、光導波路と、主回折格子及び副回折格子と、を有する。ＤＦＢレーザ素子１０００においては、主回折格子及び副回折格子を導波光と結合させることによって、主回折格子のみを有する場合に比べて、光導波路を伝播する導波光の２次横モードの伝播を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−１８４５１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に記載のＤＦＢレーザ素子１０００は、ＩｎＧａＡｓ系の半導体を用いた発振波長が１０００ｎｍ帯のＤＦＢレーザ素子の例である。また、特許文献１に記載された実施例において、主回折格子として周期が１９８ｎｍの１次の回折格子が必要である。ここで、特許文献１に記載されたＤＦＢレーザ素子１０００の構成を、窒化物半導体を用いた発振波長が４００ｎｍ帯の半導体レーザ素子に適用することを検討する。この場合、窒化物半導体レーザ素子においては、発振波長がＩｎＧａＡｓ系のＤＦＢレーザ素子の半分以下になるため、１次の回折格子として周期が１００ｎｍ以下の回折格子が必要となる。半導体レーザ素子において、このような周期の小さい回折格子を形成することは非常に困難である。また、１次の回折格子に代えて高次の回折格子を用いることも考えられるが、このようなＤＦＢレーザ素子においては、１次の回折格子を用いる場合より損失が増大する。このため、高次の回折格子を用いたＤＦＢレーザ素子は、産業用加工光源のような大出力レーザ光が必要とされる用途には適さない。
【００１２】
本開示は、上記の課題を解決するために、回折効率の高い回折格子を備え、かつ、容易に製造できる窒化物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】
【００１３】
本開示の一態様に係る窒化物半導体レーザ素子は、共振器を形成する一対の端面と、前記一対の端面の間に形成される光導波路とを有する窒化物半導体の積層構造体と、前記光導波路を伝播する導波光と結合する回折格子部と、を備え、前記回折格子部は、前記導波光に対する次数が互いに異なる複数の高次の回折格子を有する。
【００１４】
このような構成の窒化物半導体レーザ素子において、互いに周期が異なる複数の高次の回折格子を有することで、複数の高次の回折格子の各々で選択された光が結合される。これにより、一つの高次の回折格子だけを用いる場合より回折効率を向上できるため、発振波長を精密に調整でき、かつ、高出力の窒化物半導体レーザ素子を実現できる。また、回折格子部は、周期が比較的大きい２次以降の高次の回折格子を有すればよいため、容易に製造できる。
【００１５】
本開示の一態様に係る窒化物半導体レーザ素子において、前記回折格子部は、前記導波光に対する１次の回折格子を有さなくてもよい。
【００１６】
このような構成の窒化物半導体レーザ素子において、回折格子部は、周期が比較的小さい１次の回折格子を有さず、周期が比較的大きい２次以降の高次の回折格子のみを有するため、窒化物半導体レーザ素子において、回折格子部を容易に形成することができる。
【００１７】
本開示の一態様に係る窒化物半導体レーザ素子において、前記複数の回折格子の次数の最大公約数が、１であってもよい。
【００１８】
このような構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記導波光に対する次数が互いに異なる（つまり、周期が互いに異なる）複数の高次の回折格子を有し、かつ、複数の高次の回折格子の次数の最大公約数が１であることで、共振可能なモードの方向を０度及び１８０度のみに設定できる。つまり、１次の回折格子によって波長選択された光と同じ方向（レーザ出射方向と反射方向）にのみ回折格子部によって波長選択された光が存在する。また、複数の高次の回折格子によって、当該波長選択された光を結合することで、回折格子部の回折効率を向上できる。
【００１９】
本開示の一態様に係る窒化物半導体レーザ素子において、前記積層構造体が第一導電型の第一窒化物半導体層と、前記第一窒化物半導体層の上に配置された発光層と、前記発光層の上に配置された第二導電型の第二窒化物半導体層と、を備え、前記回折格子部が前記第二窒化物半導体層に形成されていてもよい。
【００２０】
このような構成の半導体レーザ素子において、発光層の上に形成される第二窒化物半導体層に回折格子部を形成する場合には、回折格子部を形成した後、再度結晶成長を行って、第二窒化物半導体層の上面を平坦化する必要がない。したがって、第二窒化物半導体層を１回の結晶成長で形成できるため、製造が容易な窒化物半導体レーザ素子を実現できる。
【００２１】
本開示の一態様に係る窒化物半導体レーザ素子において、前記第二窒化物半導体層がリッジ部を備え、前記回折格子部が、前記リッジ部に形成されていてもよい。
【００２２】
このように、第二導電型の第二窒化物半導体層にリッジ部を備えることで、光導波路部にのみ電流注入することが可能となり、低動作電流で、かつ、所望の水平拡がり角を有する窒化物半導体レーザ素子を実現できる。
【００２３】
本開示の一態様に係る窒化物半導体レーザ素子において、前記リッジ部の幅が１０以上５０μｍ以下であってもよい。
【００２４】
このような構成の窒化物半導体レーザ素子において、第二導電型の第二窒化物半導体層内に備えられたリッジ部の幅を１０μｍ以上５０μｍ以下と設定することで、光導波路部にのみ電流注入することが可能となり、低動作電流で、所望の水平拡がり角を有する窒化物半導体レーザ素子を実現できる。また、リッジ部の幅を適切に設定することで端面での光強度を抑制できるため、信頼性の高い窒化物半導体レーザ素子を実現できる。
【００２５】
本開示の一態様に係る窒化物半導体レーザ素子において、前記積層構造体が第一導電型の第一窒化物半導体層と、前記第一窒化物半導体層の上に配置された発光層と、前記発光層の上に配置された第二導電型の第二窒化物半導体層と、を備え、前記回折格子部が、前記第一窒化物半導体層に形成されていてもよい。
【００２６】
このような構成の窒化物半導体レーザ素子において、回折格子部を発光層に近い領域に配置できる。その結果、回折格子部における光結合効率を向上できる。
【００２７】
本開示の一態様に係る窒化物半導体レーザ素子において、前記積層構造体が基板上に形成されており、前記回折格子部が前記基板に形成されていてもよい。
【００２８】
このような構成の窒化物半導体レーザ素子において、回折格子部を基板に形成することで結晶成長回数を１回だけとすることができ、さらに製造工程の最初に回折格子部が形成されることから、回折格子部の形成が容易である。
【発明の効果】
【００２９】
本開示に係る窒化物半導体レーザ素子によれば、回折効率の高い回折格子を備え、かつ、容易に製造できる窒化物半導体レーザ素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す上面図である。
【図３】図３は、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面図である。
【図４】図４は、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の詳細構成を示す正面図である。
【図５】図５は、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法の第一の工程を示す正面図である。
【図６】図６は、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法の第二の工程を示す正面図である。
【図７】図７は、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法の第三の工程を示す正面図である。
【図８】図８は、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法の第四の工程を示す正面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法の第五の工程を示す斜視図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法の第五の工程を示す第一の断面図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法の第五の工程を示す第二の断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法の第六の工程を示す第一の断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法の第六の工程を示す第二の断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法の第七の工程を示す正面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法の第七の工程を示す断面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法の第八の工程を示す正面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法の第八の工程を示す断面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法の第九の工程を示す正面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法の第九の工程を示す断面図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１の製造方法の第十の工程を示す正面図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１の製造方法の第十の工程を示す断面図である。
【図１５】図１５は、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子及び従来のＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザ素子における回折格子次数と回折格子周期との関係を示すグラフである。
【図１６】図１６は、実施の形態２に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を示す斜視図である。
【図１７】図１７は、実施の形態２に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を示す上面図である。
【図１８】図１８は、実施の形態２に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図１９】図１９は、実施の形態３に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を示す斜視図である。
【図２０】図２０は、実施の形態３に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を示す上面図である。
【図２１】図２１は、実施の形態３に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図２２】図２２は、従来のＤＦＢレーザ素子の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本開示の実施の形態について、以下に図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい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、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、工程（ステップ）及び工程の順序等は、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。
【００３２】
（実施の形態１）
［１−１．主要部の構成］
実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子について、図面を用いて説明する。
【００３３】
図１、図２及び図３は、それぞれ本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の概略構成を示す斜視図、上面図及び断面図である。図３においては、図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ断面が示されている。なお、図１、図２及び図３においては、窒化物半導体レーザ素子１の主要部だけが示されている。窒化物半導体レーザ素子１の主要部以外の構成については後述する。
【００３４】
図１及び図３に示すように、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１は、積層構造体２と、回折格子部８０と、を備える。本実施の形態では、窒化物半導体レーザ素子１は、さらに、基板２０を備える。
【００３５】
積層構造体２は、共振器を形成する一対の端面２７及び２８と、一対の端面２７及び２８の間に形成される光導波路と、を有する窒化物半導体からなる構造体である。積層構造体２は、第一導電型の第一窒化物半導体層２１と、第一窒化物半導体層２１の上に配置された発光層２２と、発光層２２の上に配置された第二導電型の第二窒化物半導体層２３と、を備える。本実施の形態では、第一窒化物半導体層２１は、ｎ型の窒化物半導体からなり、第二窒化物半導体層２３は、ｐ型の窒化物半導体からなる。また、第二窒化物半導体層２３は、ストライプ状のリッジ部４０を備える。このように、第二窒化物半導体層２３にリッジ部４０を備えることで、光導波路部にのみ電流注入することが可能となり、低動作電流で、かつ、出射レーザ光が所望の水平拡がり角を有する窒化物半導体レーザ素子１を実現できる。
【００３６】
発光層２２は、光を発生する層である。発光層２２から発せられた光が一対の端面２７及び２８で形成される共振器内において、増幅されながら共振することによりレーザ光が生成される。
【００３７】
回折格子部８０は、一対の端面２７及び２８の間に形成される光導波路を伝播する導波光と結合する回折格子である。回折格子部８０は、導波光に対する次数が互いに異なる複数の高次の回折格子を有する。本実施の形態では、回折格子部８０は、図１及び図２に示すように、第二窒化物半導体層２３に形成されている。このように発光層２２の上に形成される第二窒化物半導体層２３に回折格子部８０を形成する場合には、回折格子部８０を形成した後、再度結晶成長を行って、第二窒化物半導体層２３の上面を平坦化する必要がない。したがって、第二窒化物半導体層２３を１回の結晶成長で形成できるため、製造が容易な窒化物半導体レーザ素子１を実現できる。
【００３８】
また、本実施の形態では、回折格子部８０は、リッジ部４０に形成されており、三つの高次の回折格子である第一回折格子８１、第二回折格子８２及び第三回折格子８３を有する。第一回折格子８１、第二回折格子８２及び第三回折格子８３は、それぞれ、導波光に対する２次、３次及び４次の回折格子である。
【００３９】
窒化物半導体レーザ素子１は、回折格子部８０を有することにより、回折格子部８０によって選択された波長の光のみを取り出してレーザ発振させることができる。したがって、窒化物半導体レーザ素子１によれば、波長選択性の良いＤＦＢ半導体レーザを実現できる。
【００４０】
また、本実施の形態では、回折格子部８０が互いに周期が異なる複数の高次の回折格子を有することで、複数の高次の回折格子の各々で選択された光が結合される。これにより、一つの高次の回折格子だけを用いる場合より回折効率を向上できるため、発振波長を精密に調整でき、かつ、高出力の窒化物半導体レーザ素子を実現できる。
【００４１】
［１−２．詳細構成］
続いて、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の詳細構成例について図面を参照しながら説明する。
【００４２】
図４は、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の詳細構成を示す正面図である。
【００４３】
図４に示すように、窒化物半導体レーザ素子１は、第一電極６０と、基板２０と、積層構造体２と、誘電体層４１と、第二電極５０と、パッド電極５１と、を備える。積層構造体２は、第一窒化物半導体層２１と、発光層２２と、第二窒化物半導体層２３と、を備える。本実施の形態では、第一窒化物半導体層２１は、第一クラッド層３１と、第一光ガイド層３２と、を備える。発光層２２は、活性層３３を備える。第二窒化物半導体層２３は、第二光ガイド層３４と、電子障壁層３５と、第二クラッド層３６と、コンタクト層３７と、を備える。
【００４４】
基板２０は、例えば、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板である。第一クラッド層３１は、基板２０の上方に積層されたｎ型の半導体層であり、例えば、ｎ−ＡｌＧａＮからなる。第一光ガイド層３２は、第一クラッド層３１の上方に積層され、第一クラッド層３１より屈折率が高いｎ型の半導体層であり、例えば、ｎ−ＧａＮからなる。活性層３３は、第一光ガイド層３２の上方に積層され、光を発生する層であり、例えば、ＩｎＧａＮ量子井戸層である。第二光ガイド層３４は、活性層３３の上方に積層され、第二クラッド層３６より屈折率が高いｐ型の半導体層であり、例えば、ｐ−ＧａＮからなる。電子障壁層３５は、第二光ガイド層３４の上方に積層され、電子のオーバーフローを抑制するためのｐ型の半導体層であり、例えば、ｐ−ＡｌＧａＮからなる。第二クラッド層３６は、電子障壁層３５の上方に積層されたｐ型の半導体層であり、例えば、ｐ−ＡｌＧａＮからなる。コンタクト層３７は、第二クラッド層３６の上方に積層され、第二電極５０とオーミック接続するｐ型の半導体層であり、例えば、ｐ−ＧａＮからなる。
【００４５】
また、第二クラッド層３６には、凸部が形成されており、当該凸部の上方にコンタクト層３７が積層されている。第二クラッド層３６の凸部とコンタクト層３７とにより、ストライプ状のリッジ部４０が構成されている。図４には示されていないが、リッジ部４０に、図１などに示される回折格子部８０が、共振器の長さ方向（共振器長方向）に沿って形成されている。
【００４６】
リッジ部４０の幅及び高さは、特に限定されない。例えば、リッジ部４０の幅はおよそ２μｍ以上１００μｍ以下の範囲であり、リッジ部４０の高さはおよそ１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲である。リッジ部４０の幅及び高さは、窒化物半導体レーザ素子１における光閉じ込め、電流狭窄などのパラメータに基づいて決定される。窒化物半導体レーザ素子１を、例えばワットクラスの高出力で動作させるために、本実施の形態では、リッジ部４０の幅を１５μｍ、リッジ部４０の高さを５００ｎｍにそれぞれ設定している。また、リッジ部４０の幅は１０μｍ以上５０μｍ以下、リッジ部４０の高さは３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下が望ましい。このように、リッジ部４０の寸法を適切に設定することで端面での光強度を抑制できるため、信頼性の高い窒化物半導体レーザ素子１を実現できる。
【００４７】
また、ビーム形状を劣化させることなく、共振器のフロント端面での端面破壊を抑制することによって長期信頼性を確保するため、フロント端面とリア端面とでリッジ幅を異なるテーパストライプ構造を採用することもできる。その際のリッジ幅の関係は、フロント端面のリッジ幅Ｗｆをリア端面のリッジ幅Ｗｒより小さくすることが望ましく、例えば、Ｗｆを１５μｍ、Ｗｒを５μｍと設定してもよい。
【００４８】
第二クラッド層３６の凸部以外の平坦部上、及び、リッジ部４０の側壁には、ＳｉＯ２からなる誘電体層４１が形成されている。誘電体層４１は、電流狭窄、積層構造体の保護及び光閉じ込めの役割を担っている。誘電体層４１の形状は特に限定されないが、リッジ部４０の側壁及びリッジ部４０の側方の平坦部と接していることが望ましい。誘電体層４１の膜厚は１００ｎｍ以上であることが望ましく、本実施の形態では２００ｎｍとしている。これは、活性層３３で発光した光を安定的に十分に閉じ込めるために効果がある。また、リッジ部４０の側壁、及び側方の平坦部にはリッジ部４０形成時のドライエッチングダメージが残存する場合があるため、誘電体層４１で被膜することで、リーク電流を低減できる。
【００４９】
リッジ部４０の上方には、コンタクト層３７とオーミック接続する第二電極５０が形成されており、第二電極５０及び誘電体層４１の上部には、パッド電極５１が形成されている。
【００５０】
基板２０の下方には、基板２０とオーミック接続する第一電極６０が形成されている。
【００５１】
［１−３．製造方法］
続いて図５〜図１４Ｂを用いて本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の製造方法を説明する。図５〜図８は、それぞれ本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の製造方法の第一〜第四の工程を示す正面図である。図９Ａ、図９Ｂ及び図９Ｃは、それぞれ本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の製造方法の第五の工程を示す斜視図、第一の断面図及び第二の断面図である。図９Ｂ及び図９Ｃにおいては、それぞれ図９ＡのＩＸＢ−ＩＸＢ断面及びＩＸＣ−ＩＸＣ断面が示されている。図１０Ａ及び図１０Ｂは、それぞれ本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の製造方法の第六の工程を示す第一の断面図及び第二の断面図である。図１０Ａ及び図１０Ｂは、それぞれ図９ＡのＩＸＢ−ＩＸＢ断面及びＩＸＣ−ＩＸＣ断面と同様の断面が示されている。図１１Ａ及び図１１Ｂは、それぞれ本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の製造方法の第七の工程を示す正面図及び断面図である。図１２Ａ及び図１２Ｂは、それぞれ本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の製造方法の第八の工程を示す正面図及び断面図である。図１３Ａ及び図１３Ｂは、それぞれ本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の製造方法の第九の工程を示す正面図及び断面図である。図１４Ａ及び図１４Ｂは、それぞれ本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の製造方法の第十の工程を示す正面図及び断面図である。図１１Ｂ〜図１４Ｂの各断面図においては、それぞれ図９ＡのＩＸＣ−ＩＸＣ断面と同様の断面が示されている。
【００５２】
図５に示すように、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板からなる基板２０上に、有機金属気層成長法（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＭＯＣＶＤ法）を用いて、窒化物半導体層を順次成膜する。
【００５３】
まず、ｎ−ＡｌＧａＮからなる層を３μｍ成長させることによって第一クラッド層３１を形成する。次に、ｎ−ＧａＮからなる層を０．１μｍ成長させることによって第一光ガイド層３２を形成する。次に、ＩｎＧａＮからなるバリア層とＩｎＧａＮ量子井戸層とを交互に３周期成長させることによって活性層３３を形成する。次に、ｐ−ＧａＮからなる層を０．１μｍ成長させることによって第二光ガイド層３４を形成する。次に、ｐ−ＡｌＧａＮからなる層を１０ｎｍ成長させることによって電子障壁層３５を形成する。次に、各々が１．５ｎｍの膜厚のｐ−ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とを交互に１６０周期繰り返して成長させることによって、０．４８μｍの厚さの歪超格子からなる第二クラッド層３６を形成する。次に、ｐ−ＧａＮからなる層を０．０５μｍ成長させることによってコンタクト層３７を形成する。ここで、Ｇａ、Ａｌ及びＩｎを含む有機金属原料として、例えば、それぞれトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアンモニウム（ＴＭＡ）及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いる。また、窒素原料として、アンモニア（ＮＨ３）を用いる。
【００５４】
次に、図６に示すように、コンタクト層３７上に、第一保護膜６１を成膜する。第一保護膜６１は、シランガス（ＳｉＨ４）を用いたプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて成膜した膜厚３００ｎｍのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）で実現できる。なお、成膜方法は上記に限られず、例えば、熱ＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法、パルスレーザー成膜法など公知の成膜方法でもよい。また、成膜材料は、上記に限られず、例えば、誘電体や金属など、後述の窒化物半導体のエッチングに対して、選択性のある材料であればよい。
【００５５】
次に、図７に示すように、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を用いて、第一保護膜６１がストライプ状に残るように、第一保護膜６１の一部を除去する。エッチング法として、例えば、ＣＦ４などのフッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法などのドライエッチングを用いることができる。又は、エッチング法として、１：１０程度に希釈した弗化水素酸（ＨＦ）などを用いたウェットエッチングを用いてもよい。
【００５６】
次に、図８に示すように、ストライプ状に形成された第一保護膜６１をマスクとして、コンタクト層３７及び第二クラッド層３６をエッチングすることで、リッジ部４０を形成する。このエッチングは、Ｃｌ２などの塩素系ガスを用いたＲＩＥ法を用いることが望ましい。上述のエッチングによってリッジ部４０を形成した後、エッチングに用いたマスクを、弗化水素酸などを用いたウェットエッチングで除去する。
【００５７】
次に、図９Ａ〜図９Ｃに示すように、リッジ部４０上に、互いに周期の異なる複数の回折格子に対応するレジストパターン７０を形成する。本実施の形態では、第一回折格子８１、第二回折格子８２及び第三回折格子８３にそれぞれ対応する第一パターン７１、第二パターン７２及び第三パターン７３を有するレジストパターン７０を形成する。各回折格子の周期ｄｐｉｔｃｈについて、λＢｒａｇｇを発振波長、Ｎｅｆｆを実効屈折率、ｍｉを次数とすると下記の式１が成立する必要がある。
【００５８】
ｍｉ・λＢｒａｇｇ  ＝  ２・ｄｐｉｔｃｈ・Ｎｅｆｆ          ・・・（式１）
【００５９】
ここで、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１に形成される回折格子の周期について図面を用いて説明する。
【００６０】
図１５は、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１及び従来のＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザ素子における回折格子次数と回折格子周期との関係を示すグラフである。
【００６１】
本実施の形態では、発振波長λＢｒａｇｇは４０５ｎｍであり、実効屈折率Ｎｅｆｆは２．５３であるため、図１５に示すように、１次の回折格子の周期ｄｐｉｔｃｈはおよそ８０ｎｍとなる。一方、従来のＩｎＧａＡｓＰ用回折格子では、発振波長λＢｒａｇｇは１５５０ｎｍであり、実効屈折率Ｎｅｆｆは３．１であるため、１次の回折格子の周期ｄｐｉｔｃｈはおよそ２５０ｎｍとなる。このように本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１では、発振波長λＢｒａｇｇが４０５ｎｍであるため、１次の回折格子の周期は、非常に小さい。そのため、窒化物半導体レーザ素子において１次の回折格子形成は困難である。そこで、本実施の形態においては、第一回折格子８１、第二回折格子８２及び第三回折格子８３は、それぞれ、２次、３次及び４次の回折格子である。具体的には、２次の回折格子（第一回折格子８１）では、周期ｄｐｉｔｃｈは１６０ｎｍ、３次の回折格子（第二回折格子８２）では、周期ｄｐｉｔｃｈは２４０ｎｍ、４次の回折格子（第三回折格子８３）では、周期ｄｐｉｔｃｈは３２０ｎｍである。本実施の形態では、これらの回折格子にそれぞれ対応する第一パターン７１、第二パターン７２及び第三パターン７３を有するレジストパターンを形成した。なお、本実施の形態では、各回折格子のデューティ（Ｄｕｔｙ）を５０％とした。以上のように、本実施の形態では、回折格子部８０は、導波光に対する１次の回折格子を有していない。このように回折格子部８０が、周期が比較的小さい１次の回折格子を有さず、周期が比較的大きい２次以降の高次の回折格子のみを有するため、窒化物半導体レーザ素子１において、回折格子部８０を容易に形成できる。
【００６２】
また、その際の共振器長方向（共振器の光軸方向）と垂直で、基板２０の主面に平行な方向における第一パターン７１、第二パターン７２及び第三パターン７３の幅は、３つの回折格子がリッジ部４０内に収まるように設定される必要がある。本実施の形態では、リッジ部４０の幅を１５μｍと設定しているため、各パターンの幅（すなわち、各回折格子の幅）を３μｍと設定した。
【００６３】
次に、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、上述のレジストパターン７０をマスクとして、コンタクト層３７及び第二クラッド層３６の一部をエッチングすることにより共振器長方向に周期的な凹凸構造を形成する。これにより、共振器長方向に周期的な構造を有する第一回折格子８１、第二回折格子８２、第三回折格子８３を形成する。このエッチングとして、Ｃｌ２などの塩素系ガスを用いたＲＩＥ法を用いることが望ましい。
【００６４】
また、各回折格子の高さ（図１０Ａ及び図１０Ｂに示されるコンタクト層３７及び第二クラッド層３６に形成された凹部の深さ）は、各回折格子と導波光との間の高い結合係数を実現するために、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下が望ましい。本実施の形態では、各回折格子の高さを６０ｎｍとした。この場合、コンタクト層３７部を貫通し、第二クラッド層３６の途中まで到達する凹部がエッチングにより形成される。
【００６５】
なお、例えば、各回折格子の高さを２５ｎｍとして、コンタクト層３７の途中までをエッチングして、各回折格子を形成しても同様の効果を得ることができる。
【００６６】
本実施の形態では、回折格子部８０は三つの回折格子を有している。また、本実施の形態では、第一回折格子８１、第二回折格子８２及び第三回折格子８３の次数は、それぞれ２次、３次及び４次であり、回折格子部８０が備える複数の回折格子の次数の最大公約数が１である。もし、複数の回折格子の次数の最大公約数が１でなければ、共振器長方向（つまり、共振器長方向に対する角度が０度又は１８０度となる方向）以外の角度で共振し得る。したがって、導波ロスが増大するため、レーザ発振しないか、又は、所望の発振波長（４０５ｎｍ）と異なる波長での発振となってしまう。複数の回折格子の次数の最大公約数を１にすることで、共振光が存在し得る伝播方向が０度と１８０度のみ（レーザ出射方向と反射方向）に設定され、形成が困難である１次の回折格子による共振光の伝播方向と同じ方向になる。さらに、複数の回折格子のそれぞれでの発振波長が結合されることで回折効率を向上することが可能となり、高効率な窒化物ＤＦＢ半導体レーザ素子を実現できる。もし、複数の回折格子の次数が２次、４次、６次の場合は、最大公約数が２となり、０度、１８０度以外に、９０度の方向にも共振し得る。本実施の形態においては、第二クラッド層３６などの積層方向にも共振し得るが、積層方向への光導波路が存在しないため、９０度の方向に伝播する光は共振せずに失われる。このように、複数の回折格子の次数の最大公約数が１でない場合には、窒化物半導体レーザ素子の光取出し効率が低下してしまう可能性がある。
【００６７】
マスクとして使用したレジストパターン７０は、有機溶剤などで除去する。
【００６８】
次に、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、第二クラッド層３６及びコンタクト層３７の上方に誘電体層４１を成膜する。誘電体層４１は、プラズマＣＶＤ法を用いて成膜した膜厚３００ｎｍのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）で実現できる。なお、誘電体層４１は、例えば、上述の熱ＣＶＤ、スパッタ法、真空蒸着法、パルスレーザー成膜法などの成膜方法を用いて成膜してもよい。
【００６９】
次に、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、フォトリソグラフィー法と弗化水素酸を用いたウェットエッチングにより、誘電体層４１のうちリッジ部４０の上方の部分のみを除去する。次に真空蒸着法及びリフトオフ法を用いて、リッジ部４０の上方のみにＰｄ及びＰｔからなる第二電極５０を形成する。第二電極５０の成膜方法は、上述の方法に限定されず、例えば、スパッタ法、パルスレーザー成膜法などでもよい。また、第二電極５０を形成する材料は、例えば、Ｎｉ及びＡｕの積層膜、Ｐｔ系、ＩＴＯ膜などの第二窒化物半導体層とオーミック接続する材料であればよい。
【００７０】
次に、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、フォトリソグラフィー法及び真空蒸着法を用いて、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕの積層膜からなるパッド電極５１を形成する。パッド電極５１を形成する材料は、上述の材料に限定されず、例えば、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｕなどの材料の任意の組み合わせでもよい。
【００７１】
次に、図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、基板２０の裏側（図１４Ａ及び図１４Ｂの下側）の研磨を行い、基板２０の膜厚を８０μｍ程度まで薄膜化する。続いて、基板２０の裏側に、フォトリソグラフィー法及び真空蒸着法を用いて、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕの積層膜からなる第一電極６０を形成する。第一電極６０は、基板２０とオーミック接続する材料であればよい。
【００７２】
以上の工程により、図４に示すような構造の窒化物半導体レーザ素子１を形成できる。
【００７３】
続いて、スクライブ装置、ブレーキング装置などにより、基板２０の（１０１−０）面に沿って一次へき開を行う。これにより、本実施の形態では共振器長が１２００μｍである共振器を形成する。
【００７４】
続いて、一次へき開された窒化物半導体レーザ素子を含むレーザバーをＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）装置に搬入し、真空排気した後、共振器の出射側端面、及び、反射側端面に誘電体膜からなる保護膜を形成する。その際の出射側端面の反射率は保護膜の材料、構成及び膜厚の調整により制御可能である。本実施の形態では、高効率のレーザ特性を得るために、反射率を５％とした。また、反射側の反射率は９５％とした。なお、高効率を得るために出射側の反射率は２％以上１８％以下であることが望ましく、反射側の反射率は９０％以上が望ましい。
【００７５】
続いて、レーザバーを二次へき開させることで、レーザチップを得ることができる。
【００７６】
なお、本実施の形態では、レーザチップの例を示したが、二次へき開を行わないレーザバーを並べたレーザアレイでも同様の効果を得ることができる。
【００７７】
なお、本実施の形態では、窒化物半導体レーザ素子１が三つの回折格子を備える場合について説明したが、二つ、又は、四つ以上の回折格子を備える場合においても、複数の回折格子の次数が最大公約数１であれば、上記と同じ効果を有するため、高い回折効率を有する高効率ＤＦＢレーザを実現できる。
【００７８】
また、本実施の形態では、回折格子の形成をＥＢ露光法で行ったが、例えば、干渉露光法でも同様に回折格子を形成できる。
【００７９】
また、本実施の形態では、窒化物半導体を用いる例について説明を行ったが、その他の材料系（ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系）又はその他の波長帯を用いる場合であっても回折格子の周期は異なるが、同様の効果を有するため、高効率なＤＦＢレーザを実現できる。
【００８０】
また、本実施の形態では、誘電体層４１にＳｉＯ２を使用した説明を行ったが、その他の誘電体、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＺｒＯ２などを用いても同様の効果を実現できる。
【００８１】
なお、本実施の形態では、第二電極５０には、Ｐｄ及びＰｔ使用した説明を行ったが、ｐ−ＧａＮからなるコンタクト層とオーミック特性を実現できる材料であれば、その他の材料、例えば、ＩＴＯ膜、Ｎｉ及びＡｕの積層膜、Ｐｔ系などを用いてもよい。
【００８２】
（実施の形態２）
実施の形態２に係る窒化物半導体レーザ素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子は、回折格子部が形成される層が第一窒化物半導体層である点において、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子について、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１との相違点を中心に、図面を用いて説明する。
【００８３】
図１６、図１７及び図１８は、それぞれ本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１０１の構成を示す斜視図、上面図及び断面図である。図１８においては、図１７のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ断面が示されている。
【００８４】
図１６及び図１８に示すように、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１０１は、共振器を形成する一対の端面２７及び２８と、一対の端面２７及び２８の間に形成される光導波路と、を有する窒化物半導体の積層構造体１０２を備える。窒化物半導体レーザ素子１０１は、さらに、基板２０を備える。なお、図１６〜図１８には示されていないが、窒化物半導体レーザ素子１０１は、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１と同様に誘電体層４１、第一電極６０、第二電極５０及びパッド電極５１を備える。
【００８５】
積層構造体１０２は、第一窒化物半導体層１２１と、発光層２２と、第二窒化物半導体層１２３と、を備える。第一窒化物半導体層１２１は、第一クラッド層１３１と、第一光ガイド層１３２と、を備える。発光層２２は、活性層３３を備える。第二窒化物半導体層１２３は、第二光ガイド層３４と、電子障壁層３５と、第二クラッド層１３６と、コンタクト層１３７と、を備える。また、図１６に示すように、窒化物半導体レーザ素子１０１は、第二クラッド層１３６及びコンタクト層１３７にストライプ状のリッジ部４０を有する。
【００８６】
図１７に示すように、窒化物半導体レーザ素子１０１は、一対の端面２７及び２８の間に形成される光導波路を伝播する導波光と結合する回折格子部１８０を備える。回折格子部１８０は、導波光に対する次数が互いに異なる複数の高次の回折格子を有する。本実施の形態では、回折格子部１８０は、第一窒化物半導体層１２１に形成されている。より具体的には、回折格子部１８０は、第一クラッド層１３１に形成され（図１８参照）、三つの高次の回折格子である第一回折格子１８１、第二回折格子１８２及び第三回折格子１８３を有する。窒化物半導体レーザ素子１０１が回折格子部１８０を備えることにより、選択した波長のみを取り出してレーザ発振させることが可能となる。また、回折格子部１８０が、第一窒化物半導体層１２１に形成されているため、回折格子部１８０を発光層２２に近い領域に配置できる。その結果、回折格子部１８０における光結合効率を向上できる。
【００８７】
本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１０１は、図１６及び図１８に示すように、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１と同様に、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板からなる基板２０上に、ｎ−ＡｌＧａＮからなる第一クラッド層１３１、ｎ−ＧａＮからなる第一光ガイド層１３２、ＩｎＧａＮ量子井戸層からなる活性層３３、ｐ−ＧａＮからなる第二光ガイド層３４、ｐ−ＡｌＧａＮからなる電子障壁層３５、ｐ−ＡｌＧａＮからなる第二クラッド層１３６、及び、ｐ−ＧａＮからなるコンタクト層１３７が、順に積層されている。また、第一クラッド層１３１に回折格子部１８０が形成されている。
【００８８】
次に、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１０１の製造方法について説明する。
【００８９】
まず、図１６及び図１８に示すように、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板からなる基板２０上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ−ＡｌＧａＮからなる層を３μｍ成長させることによって第一クラッド層１３１を形成する。
【００９０】
次に、第一クラッド層１３１上に、回折格子部１８０を形成するためのレジストパターンを形成する。レジストパターンのパターニングは、例えば、ＥＢ露光法を用いて行う。本実施の形態では、第一回折格子１８１、第二回折格子１８２及び第三回折格子１８３にそれぞれ対応する三つのレジストパターンを形成する。その際の、各回折格子の周期は、実施の形態１と同様に上記式１が成立するように設定される。具体的には、３次の回折格子からなる第一回折格子１８１に対応するレジストパターンとして、共振器長方向における周期ｄｐｉｔｃｈが２４０ｎｍであるレジストパターンを形成した。同様に、４次の回折格子からなる第二回折格子１８２に対応するレジストパターンとして、周期ｄｐｉｔｃｈが３２０ｎｍであるレジストパターンを形成した。また、５次の回折格子からなる第三回折格子１８３に対応するレジストパターンとして、周期ｄｐｉｔｃｈが４００ｎｍであるレジストパターンを形成した。なお、本実施の形態では、デューティを５０％とした。また、共振器長方向と垂直で、基板２０の主面に平行な方向におけるレジストパターンの幅は、三つの回折格子がリッジ部４０の下方に位置するように設定される必要がある。本実施の形態では、リッジ部４０の幅を１５μｍと設定しているため、各レジストパターンの幅を３μｍと設定した。
【００９１】
その後、上述のレジストパターンをマスクとして、第一クラッド層１３１の途中までをエッチングすることで、第一回折格子１８１、第二回折格子１８２及び第三回折格子１８３を共振器長方向に形成する。このエッチングとして、例えば、Ｃｌ２などの塩素系ガスを用いたＲＩＥ法を用いることができる。また、各回折格子の高さは、各回折格子と導波光との間の高い結合係数を実現するために、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下が望ましい。本実施の形態では、各回折格子の高さを２５ｎｍとした。
【００９２】
本実施の形態では、第一回折格子１８１、第二回折格子１８２及び第三回折格子１８３の次数が、それぞれ３次、４次及び５次であり、それらの次数の最大公約数が１である。これにより、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１と同様に、共振光が存在し得る伝播方向が０度及び１８０度のみ（レーザ出射方向及び反射方向のみ）に設定され、形成が困難である１次の回折格子による共振光の伝播方向と同じ方向になる。さらに、それぞれの回折格子で発振波長が結合されることで回折効率を向上することが可能となり、高効率なＤＦＢレーザ素子を実現できる。
【００９３】
その後、マスクとして使用したレジストパターンを有機溶剤などで除去する。
【００９４】
次に、回折格子部１８０を形成した第一クラッド層１３１上に、ＭＯＣＶＤ法を再び用いて、窒化物半導体層を再成長させる。
【００９５】
まず、ｎ−ＧａＮからなる層を０．１μｍ成長させることによって第一光ガイド層１３２を形成する。なお、第一光ガイド層１３２を成長させる際に、回折格子部１８０の凹部は第一光ガイド層１３２によって埋められ、第一光ガイド層１３２の上面をほぼ平坦化することができる。
【００９６】
続いて、ＩｎＧａＮからなるバリア層とＩｎＧａＮ量子井戸層とを交互に３周期成長させることによって活性層３３を形成する。次に、ｐ−ＧａＮからなる層を０．１μｍ成長させることによって第二光ガイド層３４を形成する。次に、ｐ−ＡｌＧａＮからなる層を１０ｎｍ成長させることによって電子障壁層３５を形成する。次に、各々が１．５ｎｍの膜厚のｐ−ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とを交互に１６０周期繰り返して成長させることによって、０．４８μｍの厚さの歪超格子からなる第二クラッド層１３６を形成する。次に、ｐ−ＧａＮからなる層を０．０５μｍ成長させることによってコンタクト層３７を形成する。
【００９７】
続いて、リッジ部４０、誘電体層４１、第二電極５０、パッド電極５１及び第一電極６０を実施の形態１と同様に形成する。
【００９８】
本実施の形態においては、回折格子部１８０を第一クラッド層１３１に配置することにより、より発光層２２（つまり、活性層３３）に近い部分に回折格子部１８０を配置できる。これにより、導波光と回折格子部１８０との結合効率を向上できる。
【００９９】
なお、本実施の形態では、回折格子部１８０を第一クラッド層１３１に形成した例を示したが、回折格子部１８０を第一光ガイド層１３２、又は、第二光ガイド層３４に形成してもよい。回折格子部１８０を第一光ガイド層１３２、又は、第二光ガイド層３４に形成した場合においても、回折格子部１８０を形成した後に、ＭＯＣＶＤ法にて再度半導体層を成長させることで、凹凸部を平坦に埋めることができる。これにより上記の実施の形態２と同じ効果を得ることが可能となる。
【０１００】
（実施の形態３）
実施の形態３に係る窒化物半導体レーザ素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子は、回折格子部が形成される層が基板である点において、実施の形態１及び２に係る各窒化物半導体レーザ素子と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子について、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１との相違点を中心に、図面を用いて説明する。
【０１０１】
図１９、図２０及び図２１は、それぞれ本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子２０１の構成を示す斜視図、上面図及び断面図である。図２１においては、図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ断面が示されている。
【０１０２】
図１９及び図２１に示すように、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子２０１は、共振器を形成する一対の端面２７及び２８と、一対の端面２７及び２８の間に形成される光導波路と、を有する窒化物半導体の積層構造体２０２を備える。窒化物半導体レーザ素子２０１は、さらに、基板２２０を備え、積層構造体２０２は、基板２２０状に形成されている。なお、図１９〜図２１には示されていないが、窒化物半導体レーザ素子２０１は、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１と同様に誘電体層４１、第一電極６０、第二電極５０及びパッド電極５１を備える。
【０１０３】
積層構造体２０２は、第一窒化物半導体層２２１と、発光層２２と、第二窒化物半導体層１２３と、を備える。第一窒化物半導体層２２１は、第一クラッド層２３１と、第一光ガイド層３２と、を備える。発光層２２は、活性層３３を備える。第二窒化物半導体層１２３は、第二光ガイド層３４と、電子障壁層３５と、第二クラッド層１３６と、コンタクト層１３７と、を備える。図１９に示すように、窒化物半導体レーザ素子２０１は、第二クラッド層１３６及びコンタクト層１３７にストライプ状のリッジ部４０を有する。
【０１０４】
図２０に示すように、窒化物半導体レーザ素子２０１は、一対の端面２７及び２８の間に形成される光導波路を伝播する導波光と結合する回折格子部２８０を備える。回折格子部２８０は、導波光に対する次数が互いに異なる複数の高次の回折格子を有する。本実施の形態では、回折格子部２８０は、基板２２０に形成され（図２１参照）、三つの高次の回折格子である第一回折格子２８１、第二回折格子２８２及び第三回折格子２８３を有する。窒化物半導体レーザ素子２０１が回折格子部２８０を備えることにより、選択した波長のみを取り出してレーザ発振することが可能となる。また、窒化物半導体レーザ素子２０１において、回折格子部２８０を基板に形成することで結晶成長回数を１回だけとすることができ、さらに、製造工程の最初に回折格子部２８０が形成されることから、回折格子部２８０の形成が容易である。
【０１０５】
本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子２０１は、図１９及び図２１に示すように、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１と同様に、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板からなる基板２２０上に、ｎ−ＡｌＧａＮからなる第一クラッド層２３１、ｎ−ＧａＮからなる第一光ガイド層３２、ＩｎＧａＮ量子井戸層からなる活性層３３、ｐ−ＧａＮからなる第二光ガイド層３４、ｐ−ＡｌＧａＮからなる電子障壁層３５、ｐ−ＡｌＧａＮからなる第二クラッド層１３６、ｐ−ＧａＮからなるコンタクト層１３７が、順に積層されている。また基板２２０に、回折格子部２８０が形成されている。
【０１０６】
次に、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子２０１の製造方法について説明する。
【０１０７】
まず、ｎ型六方晶ＧａＮ基板からなる基板２２０上に、回折格子部２８０を形成するためのレジストパターンを形成する。レジストパターンのパターニングは、例えば、ＥＢ露光法を用いて行う。本実施の形態では、第一回折格子２８１、第二回折格子２８２及び第三回折格子２８３にそれぞれ対応する三つのレジストパターンを形成する。その際の、各回折格子の周期は、実施の形態１と同様に、上記式１が成立するように設定される。具体的には、２次の回折格子からなる第一回折格子２８１に対応するレジストパターンとして、共振器長方向における周期ｄｐｉｔｃｈが１６０ｎｍであるレジストパターンを形成した。同様に、３次の回折格子からなる第二回折格子２８２に対応するレジストパターンとして、共振器長方向における周期ｄｐｉｔｃｈが２４０ｎｍであるレジストパターンを形成した。また、５次の回折格子からなる第三回折格子２８３に対応するレジストパターンとして、周期ｄｐｉｔｃｈが４００ｎｍであるレジストパターンを形成した。なお、本実施の形態では、デューティを５０％とした。また、その際の共振器長方向と垂直で、基板２２０の主面に平行な方向におけるレジストパターンの幅は、三つの回折格子がリッジ部４０の下方に位置するように設定される必要がある。本実施の形態では、リッジ部４０の幅を１５μｍと設定しているため、各レジストパターンの幅を３μｍと設定した。
【０１０８】
その後、上述のレジストパターンをマスクとして、基板２２０の一部をエッチングすることで、第一回折格子２８１、第二回折格子２８２、第三回折格子２８３を共振器長方向に形成する。このエッチングとして、例えば、Ｃｌ２などの塩素系ガスを用いたＲＩＥ法を用いることができる。また、各回折格子の高さは、各回折格子と導波光との間の高い結合係数を実現するために、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下が望ましい。本実施の形態では、各回折格子の高さを５０ｎｍとした。
【０１０９】
本実施の形態では、第一回折格子２８１、第二回折格子２８２及び第三回折格子２８３の次数がそれぞれ２次、３次及び５次であり、複数の次数の最大公約数が１である。これにより、実施の形態１及び２に係る各窒化物半導体レーザ素子と同様に、共振光が存在し得る伝播方向が０度及び１８０度のみ（レーザ出射方向及び反射方向のみ）に設定され、形成が困難である１次の回折格子による共振光の伝播方向と同じ方向になる。さらに、それぞれの回折格子での発振波長が結合されることで回折効率を向上することが可能となり、高効率なＤＦＢレーザ素子を実現できる。
【０１１０】
その後、マスクとして使用したレジストパターンを有機溶剤などで除去する。
【０１１１】
次に、図１９及び図２１に示すように、回折格子部２８０を形成した基板２２０上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、窒化物半導体層を成長させる。
【０１１２】
まず、ｎ−ＡｌＧａＮからなる層を３μｍ成長させることによって第一クラッド層２３１を形成する。なお、第一クラッド層２３１を成長させる際に、回折格子部２８０の凹部は、第一クラッド層２３１によって埋められ、第一クラッド層２３１の上面をほぼ平坦化できる。
【０１１３】
続いて、ｎ−ＧａＮからなる層を０．１μｍ成長させることによって、第一光ガイド層３２を形成する。次に、ＩｎＧａＮからなるバリア層とＩｎＧａＮ量子井戸層とを交互に３周期成長させることによって活性層３３を形成する。次に、ｐ−ＧａＮからなる層を０．１μｍ成長させることによって第二光ガイド層３４を形成する。次に、ｐ−ＡｌＧａＮからなる層を１０ｎｍ成長させることによって電子障壁層３５を形成する。各々が１．５ｎｍの膜厚のｐ−ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とを交互に１６０周期繰り返して成長させることによって、０．４８μｍの厚さの歪超格子からなる第二クラッド層１３６を形成する。次に、ｐ−ＧａＮからなる層を０．０５μｍ成長させることによってコンタクト層３７を形成する。
【０１１４】
続いて、リッジ部４０、誘電体層４１、第二電極５０、パッド電極５１及び第一電極６０を実施の形態１と同様に形成する。
【０１１５】
本実施の形態においては、回折格子部２８０を基板２２０に配置することにより、窒化物半導体層の結晶成長を１回で行うことができ、製造が容易な窒化物ＤＦＢ半導体レーザ素子を実現できる。
【０１１６】
（変形例等）
以上、本開示の窒化物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、これらの実施の形態に限定されない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、実施の形態における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本開示の範囲内に含まれる。
【０１１７】
例えば、窒化物半導体レーザ素子の回折格子部は、１次の回折格子を有してもよい。これにより、さらに、光取出し効率を向上できる。
【０１１８】
また、第二窒化物半導体層は、必ずしも、リッジ部を備えなくてもよい。リッジ部を形成しないことにより、窒化物半導体レーザ素子の製造工程を簡素化できる。
【０１１９】
また、上記各実施の形態においては、回折格子部が有する複数の回折格子のうち、低次の回折格子を中央に配置しているが、複数の回折格子の配置はこれに限定されない。低次の回折格子が、外側に配置されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
本開示の窒化物半導体レーザ素子は、レーザ加工、レーザアニールなどの産業用のレーザ機器や、レーザディスプレイ、プロジェクターなどの画像表示装置といった、比較的高い光出力が必要な装置の光源として特に有用である。
【符号の説明】
【０１２１】
１、１０１、２０１  窒化物半導体レーザ素子
２、１０２、２０２  積層構造体
２０、２２０、１００１  基板
２１、１２１、２２１  第一窒化物半導体層
２２  発光層
２３、１２３  第二窒化物半導体層
２７、２８  端面
３１、１３１、２３１  第一クラッド層
３２、１３２  第一光ガイド層
３３、１００４  活性層
３４  第二光ガイド層
３５  電子障壁層
３６、１３６  第二クラッド層
３７、１３７、１００７  コンタクト層
４０、１０１０  リッジ部
４１  誘電体層
５０  第二電極
５１  パッド電極
６０  第一電極
６１  第一保護膜
７０  レジストパターン
７１  第一パターン
７２  第二パターン
７３  第三パターン
８０、１８０、２８０  回折格子部
８１、１８１、２８１  第一回折格子
８２、１８２、２８２  第二回折格子
８３、１８３、２８３  第三回折格子
１０００  ＤＦＢレーザ素子
１００２  下側クラッド層
１００３  下側光ガイド層
１００５  上側光ガイド層
１００６  上側クラッド層
１０１１  主回折格子
１０１２  副回折格子
１０１４  上側電極
１０１５  下側電極
【図１】
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【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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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