(57)【要約】【課題】各導波路を経由して出射するレーザ光の波長を自在に設定できる複数本の導波路を有する半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】本半導体レーザ素子８０は、（１００）面より〔０−１−１〕方向に１０°傾斜した傾斜面にステップ状構造１４を備えたｎ型ＧａＡｓ基板８１上に、ＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体層からなる半導体積層体８２を備えている。半導体積層体のうち、ｐ型キャップ層及びｐ型クラッド層がエッチングされ、第１から第３導波路２２Ａ〜Ｃをそれぞれ構成する第１から第３リッジストライプ２３Ａ〜Ｃが、ステップ状構造１４の高領域上に〔０１−１〕方向に形成されている。本半導体レーザ素子は、第１から第３のリッジストライプ２３Ａ〜Ｃに、それぞれ、インデックスガイド構造として形成され、第１導波路２２Ａ、第２導波路２２Ｂ、及び第３導波路２２Ｃの順で、発振波長が短くなる３個の導波路２２Ａ〜Ｃを有し、相互に異なる波長のレーザ光を各導波路を経由して出射する。【選択図】　　　　図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本の導波路を有し、各導波路を経由して相互に異なる波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子であって、
（１００）面より〔０−１−１〕方向に傾斜した傾斜面を有し、かつ高領域と高領域より低い低領域とを段差で区切るステップ状構造を傾斜面上に備えた基板と、
Ｉｎを含む２種類のＩＩＩ族元素及びＰを含むＶ族元素を含む活性層と、活性層の上下にそれぞれ設けられ、活性層を挟む第１導電型のクラッド層及び第２導電型のクラッド層とを有して基板上に設けられた半導体積層体と
を備え、
半導体積層体の上から平面的に見て、各導波路が、導波路とステップ状構造の段差との距離が相互に異なる配置で、ステップ状構造の高領域の段差近傍に設けられていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
基板の（１００）面の〔０−１−１〕方向への傾斜角が２°以上１５°以下であ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】
基板が、ＧａＡｓ、ＧａＰ及びＩｎＰのいずれかからなる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】
共振器方向が基板の〔０１−１〕方向であることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
複数本の導波路を有し、各導波路を経由して相互に異なる波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子であって、
高領域と高領域より低い低領域とを段差で区切るステップ状構造を基板面上に備えた基板と、
Ｉｎを含む２種類のＩＩＩ族元素及びＮを含むＶ族元素を含む活性層と、活性層の上下にそれぞれ設けられ、活性層を挟む第１導電型のクラッド層及び第２導電型のクラッド層とを有して基板上に設けられた半導体積層体と
を備え、
半導体積層体の上から平面的に見て、各導波路が、導波路とステップ状構造の段差との距離が相互に異なる配置で、ステップ状構造の高領域の段差近傍に設けられていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項６】
基板が、ＧａＮ基板、サファイア基板、及びサファイア基板上にＧａＮ系半導体層を積層してなる基板のいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
導波路のうちの少なくとも１つの導波路が、導波路とステップ状構造の段差との距離が５０μｍ以下の位置に設けられていることを特徴とする請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
ステップ状構造が、凹状の段差を有する凹溝として基板に形成され、複数本の導波路が、導波路と凹溝の段差との距離が相互に異なる配置で凹溝の段差近傍の高領域上に設けられていることを特徴とする請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
導波路のうちの少なくとも１つの導波路が、導波路と凹溝の段差との距離が５０μｍ以下の位置に設けられていることを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
ステップ状構造が、導波路の幅以上のリッジ幅で、凸状の段差を有するリッジとして基板に形成され、複数本の導波路が、導波路とリッジの段差との距離が相互に異なる配置で段差近傍のリッジ上に設けられていることを特徴とする請求項１又は５に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１１】
リッジが、相互に異なる幅を有する複数個のリッジからなることを特徴とする請求項１０に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１２】
リッジのうちの少なくとも１つのリッジの幅が１００μｍ以下である請求項１１の記載の半導体レーザ素子。
【請求項１３】
複数本の導波路を有し、各導波路を経由して相互に異なる波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子の製造方法であって、
（１００）面より〔０−１−１〕方向に傾斜した基板の傾斜面上に、高領域と高領域より低い低領域とを段差で区切るステップ状構造を設ける工程と、
Ｉｎを含む２種類のＩＩＩ族元素及びＰを含むＶ族元素を含む活性層と、活性層の上下にそれぞれ配置された、活性層を挟む第１導電型のクラッド層及び第２導電型のクラッド層とを有する半導体積層体を基板上に形成する工程と、
半導体積層体の上から平面的に見て、導波路とステップ状構造の段差との距離が相互に異なる配置で、ステップ状構造の段差近傍の高領域上に各導波路を設ける工程と
を有することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１４】
基板の〔０１−１〕方向である導波路の延伸方向にリッジを設けることを特徴とする請求項１３に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１５】
複数本の導波路を有し、各導波路を経由して相互に異なる波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子の製造方法であって、
高領域と高領域より低い低領域とを段差で区切るステップ状構造を基板面上に設ける工程と、
Ｉｎを含む２種類のＩＩＩ族元素及びＮを含むＶ族元素を含む活性層と、活性層の上下にそれぞれ配置された、活性層を挟む第１導電型のクラッド層及び第２導電型のクラッド層とを有する半導体積層体を基板上に形成する工程と、
半導体積層体の上から平面的に見て、導波路とステップ状構造の段差との距離が相互に異なる配置で、ステップ状構造の段差近傍の高領域上に各導波路を設ける工程と
を有する
ことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１６】
ステップ状構造を設ける工程では、基板に凹溝を設け、凹溝の溝横の高領域上に、導波路とステップ状構造との距離が相互に異なる配置で、複数本の導波路を形成することを特徴とする請求項１３又は１５に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１７】
ステップ状構造を設ける工程では、凸状の段差を有し、導波路の幅以上のリッジ幅有するリッジを基板に設け、導波路とリッジの段差との距離が相互に異なる配置で段差近傍のリッジ上に、複数本の導波路を形成することを特徴とする請求項１３又は１５に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１８】
ステップ状構造を設ける工程では、導波路の幅以上で、かつ相互に異なるリッジ幅を有する複数個のリッジを基板上に設け、各リッジ上に導波路を配置することを特徴とする請求項１７に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１９】
半導体積層体を形成する工程では、ステップ状構造を形成した基板上に、有機金属化学気相成長法により化合物半導体層からなる半導体積層体を連続的に形成することを特徴とする請求項１３から１８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数本の導波路を有し、各導波路を経由して相互に異なる波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子、及びその製造方法に関し、更に詳細には、出射するレーザ光の波長を自在に設定できる構成の複数本の導波路を有する半導体レーザ素子及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスク、光磁気ディスクメモリ、レーザビーム・プリンタなどの光情報機器や光通信では、記録フォーマットの多様化、記録の高密度化に対応して、発振波長が０．６〜１．５μｍ帯の可視光領域で、複数の相互に異なる波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子が、光源等として要望されている。
【０００３】
従来、複数波長の半導体レーザ素子は、化合物半導体層の選択成長技術を使って、例えば以下の方法によって作製されている。
例えば、特公平５−３４３８０１号公報（以下、第１従来例と言う）は、Ａｒレーザ光で基板上をスキャンして基板内に温度分布を生じさせ、次いで有機金属分子線エピタキシャル法により基板上に成長させる化合物半導体膜の成長速度及び組成を温度分布により制御して、基板上に多波長半導体レーザアレイ等を集積させる方法を開示している。
【０００４】
また、特開平６−２３６８４９号公報（以下、第２従来例と言う）は、Ａｒレーザ光で基板上をスキャンして基板内に温度分布を生じさせ、次いで温度分布により表面構成を変えて、配向の異なる化合物半導体層を基板上にガスソースＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）法により選択的に成長させ、複数波長の半導体レーザ素子を作製する方法を開示している。
【０００５】
また、特開平９−２８３８５８号公報（以下、第３従来例と言う）は、ＭＯＣＶＤ法により基板上にバンドギャップの異なる化合物半導体層を予め部分的に成膜して基板内に温度分布を生じさせ、次いで基板上に成長させる化合物半導体層の成長速度及び組成を温度分布により制御し、基板上に多波長半導体レーザアレイ等を集積させる方法を開示している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した第１から第３の従来例の製造方法には、以下のような問題があった。
第１及び第２従来例では、Ａｒレーザ光を照射して温度分布を生成する際、Ａｒレーザ光を照射した領域の基板温度は、照射したＡｒレーザ光の光強度に応じて変化するものの、基板上でのＡｒレーザ光の光強度を正確に調整する手段がなく、所望の温度分布を生成できないために、組成を正確に制御することが難しいという問題があった。
従って、組成に基づいて発振波長を制御することが難しく、複数の所望波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子を作製することは、技術的に、困難である。
【０００７】
第３従来例では、バンドギャップの異なる化合物半導体層を基板上に予め部分的に形成して、温度分布を生成する際、適用可能な材料が限定されているだけでなく、半導体レーザアレイを構成する各半導体レーザ素子の化合物半導体層の組成をそれぞれ任意に設定することにも制約があるという問題があった。
そのために、設計の自由度が低く、複数の所望波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子の製造方法として実用化することは難しい。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、各導波路を経由して出射するレーザ光の波長を自在に設定できる複数本の導波路を有する半導体レーザ素子、及びそのような半導体レーザ素子を少ない回数の結晶成長工程で作製できる方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明
上記目的を達成するため、本発明に係る半導体レーザ素子（以下、第１の発明と言う）は、複数本の導波路を有し、各導波路を経由して相互に異なる波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子であって、
（１００）面より〔０−１−１〕方向に傾斜した傾斜面を有し、かつ高領域と高領域より低い低領域とを段差で区切るステップ状構造を傾斜面上に備えた基板と、
Ｉｎを含む２種類のＩＩＩ族元素及びＰを含むＶ族元素を含む活性層と、活性層の上下にそれぞれ設けられ、活性層を挟む第１導電型のクラッド層及び第２導電型のクラッド層とを有して基板上に設けられた半導体積層体と
を備え、
半導体積層体の上から平面的に見て、各導波路が、導波路とステップ状構造の段差との距離が相互に異なる配置で、ステップ状構造の高領域の段差近傍に設けられていることを特徴としている。
【００１０】
第１の発明に係る半導体レーザ素子では、ステップ状構造の高領域に設けられた活性層中のＩｎ濃度は、段差に近い程、高く、段差から離隔する程、低くなる。そして、活性層中のＩｎ濃度が高い程、活性層のバンドギャップエネルギーが小さくなり、従って発振波長が長くなる。
つまり、ステップ状構造の高領域に設けられた複数個の導波路を有する半導体レーザ素子では、導波路とステップ状構造の段差との距離が長くなるに応じて、導波路を経由して出射されるレーザ光の波長が短くなる。換言すれば、段差に最も近い導波路の活性層のＩｎ濃度が最も高いので、活性層のバンドギャップは最も狭くなり、発振波長が最も長くなる。導波路が段差から順次遠ざかるにつれて活性層中のＩｎ濃度が低くなるので、活性層のバンドギャップは広くなり、出射されるレーザ光の波長は長くなる。
よって、同一の基板面内で発振波長を変えた複数の導波路を有する半導体レーザ素子、例えばＡｌＧａＡｓ系又はＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子を実現することができる。
【００１１】
また、傾斜面上に半導体積層体を形成するので、表面モフォロジーが良く、異常成長も大幅に抑制され、段差近傍と段差から離れた領域との間で成長速度変化は殆どない。
【００１２】
第１の発明は、導波路を経由してレーザ光を出射する半導体レーザ素子である限り適用でき、例えばｐｎ接合分離方式の電流狭窄構造のインデックスガイド型半導体レーザ素子、ゲインガイド型、パルセーション型等の半導体レーザ素子に適用できる。
第１の発明で、ステップ状構造の数には制約はなく、少なくとも一つのステップ状構造が基板上に形成されておれば良い。ステップ状構造の形状にも制約はなく、最も簡単なステップ状構造は、段差が一つで、段差により一つの高領域と一つの低領域とが区画されるステップ状構造である。また、両側に段差があって、両側に低領域を、中央に高領域を形成するリッジでも、両側に高領域を、中央に低領域を形成する凹溝でも良い。また、リッジ及び凹溝は複数本あっても良い。またステップ状構造の段差の高さは、０．４μｍ以上あれば良い。また、凹溝の溝壁又はリッジのリッジ側壁の傾斜角度にも制約は無く、凹溝は凹溝の開口幅よりも凹溝底面の幅が広いような、傾斜角度９０度以上の傾斜面を溝壁として有する凹溝でも良い。リッジは傾斜角度９０度以上の傾斜面をリッジ壁として有するリッジでも良い。
好適には、導波路のうちの少なくとも１つの導波路が、導波路とステップ状構造の段差との距離が５０μｍ以下の位置に設けられている。導波路とステップ状構造の段差との距離を５０μｍ以下にすることにより、出射されるレーザ光の波長が、他の導波路とは明確に異なる導波路を形成することができる。
第１の発明で活性層の組成は、Ｉｎを含む２種類のＩＩＩ族元素と、Ｐを含むＶ族元素とを含む組成であれば良く、例えばＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＩｎＰや、それらの層をバリヤ層かウェル層の少なくともいずれか一方に有する量子井戸層等である。
【００１３】
第１の発明の好適な実施態様では、ステップ状構造が、凹状の段差を有する凹溝として基板に形成され、複数本の導波路が、導波路と凹溝の段差との距離が相互に異なる配置で凹溝の段差近傍の高領域上に設けられている。更に好適には、上述の理由から、導波路のうちの少なくとも１つの導波路が、導波路と凹溝の段差との距離が５０μｍ以下の位置に設けられているようにする。
凹溝の両側に導波路を形成し、凹溝幅を調整することにより、複数個の導波路の間隔を自由に決めることができる。これにより、各導波路から相互に異なる波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子を実現することができる。
【００１４】
第１の発明の別の好適な実施態様では、ステップ状構造が、導波路の幅以上のリッジ幅で、凸状の段差を有するリッジとして基板に形成され、複数本の導波路が、導波路とリッジの段差との距離が相互に異なる配置で段差近傍のリッジ上に設けられている。
リッジ上に導波路を形成し、リッジ間の間隔を調整することにより、複数個の導波路の間隔、或いは導波路とリッジの段差との距離を変えて、複数本の導波路を配置することにより、各導波路から相互に異なる波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子を実現することができる。
【００１５】
更に好適な実施態様では、ステップ状構造として、相互に異なるリッジ幅を有する複数個のリッジを形成する。望ましくは、リッジのうちの少なくとも１つのリッジの幅が１００μｍ以下である。リッジの幅を１００μｍ以下にすることにより、出射されるレーザ光の波長が、他の導波路とは明確に異なる導波路をリッジ上に形成することができる。
本実施態様では、異なるリッジ幅のリッジを形成することにより、活性層中のＩｎ濃度をリッジ幅が狭くなるほど高く、広くなるにつれ低くすることができる。これにより、発振波長の変化量を大きくすることができる。
【００１６】
また、リッジ幅の異なる複数のリッジを形成する態様では、リッジ幅が狭いリッジでは、導波路と両側のリッジの段差との距離が短いので、活性層中のＩｎ濃度が高くなり、リッジ幅が広くなるにつれて、導波路と両側の段差との距離が長くなるので、Ｉｎ濃度が低くなる。よって、リッジ幅の狭いリッジ上に配置された導波路の活性層のバンドギャップが狭く、リッジ幅が広がるにしたがってバンドギャップが広くなる。
従って、リッジ幅の異なる複数のリッジ上にそれぞれ導波路を配置することにより、それぞれの導波路から異なる波長の光を出射する半導体レーザ素子を容易に実現することができる。
【００１７】
共振器方向が基板の〔０１−１〕方向である。これにより、ステップ状構造近傍の結晶性が向上するという効果がある。また、基板の（１００）面の〔０−１−１〕方向への傾斜角が２°以上１５°以下である。これにより、ステップ状構造近傍のＩｎ組成が高くなるという効果が顕著に現れるようになる。
第１の発明で傾斜基板を用いているのは、仮に傾斜基板を用いない場合、ステップ状構造近傍のＩｎ組成が高く、ステップ状構造から離れるに従って低くなる現象が起きなくなるからである。
基板の組成に制約はなく、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＰ及びＩｎＰのいずれかからなる。
【００１８】
第１の発明に係る半導体レーザ素子を製造する方法（以下、第１の発明方法と言う）は、複数本の導波路を有し、各導波路を経由して相互に異なる波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子の製造方法であって、
（１００）面より〔０−１−１〕方向に傾斜した基板の傾斜面上に、高領域と高領域より低い低領域とを段差で区切るステップ状構造を設ける工程と、
Ｉｎを含む２種類のＩＩＩ族元素及びＰを含むＶ族元素を含む活性層と、活性層の上下にそれぞれ配置された、活性層を挟む第１導電型のクラッド層及び第２導電型のクラッド層とを有する半導体積層体を基板上に形成する工程と、
半導体積層体の上から平面的に見て、導波路とステップ状構造の段差との距離が相互に異なる配置で、ステップ状構造の段差近傍の高領域上に各導波路を設ける工程と
を有することを特徴としている。
【００１９】
また、ステップ状構造を設ける工程では、基板に凹溝を設け、凹溝の溝横の高領域上に、導波路とステップ状構造との距離が相互に異なる配置で、複数本の導波路を形成する。
又は、凸状の段差を有し、導波路の幅以上のリッジ幅有するリッジを基板に設け、導波路とリッジの段差との距離が相互に異なる配置で段差近傍のリッジ上に、複数本の導波路を形成する。望ましくは、ステップ状構造を設ける工程では、導波路の幅以上で、かつ相互に異なるリッジ幅を有する複数個のリッジを基板上に設け、各リッジ上に導波路を配置する。
好適には、基板の〔０１−１〕方向である導波路の延伸方向にリッジを設ける。
ステップ状構造の形成は、基板をエッチングして段差を設けるエッチング法に限らず、例えば基板上に基板と同じ化合物半導体層を成長させてステップ状構造の高領域を形成しても良い。
【００２０】
第１の発明方法の好適な実施態様では、半導体積層体を形成する工程では、ステップ状構造を形成した基板上に、有機金属化学気相成長法により化合物半導体層からなる半導体積層体を連続的に形成する。これにより、一回の結晶成長で上記の構造を形成することができる。
また、基板を傾斜させているため表面モフォロジーが良く、異常成長も大幅に抑制され、共振器中央と共振器端面との間の成長速度変化は殆どない。
【００２１】
第２の発明
上述のように、第１の発明は、同一の基板面上に発振波長を変えた複数の導波路を有するＡｌＧａＡｓ系又はＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子を実現している。
ところで、ＡｌＧａＡｓ系又はＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子は、発振波長範囲に限界がある。一方、ＷＤＭ用光源等で使用する半導体レーザ素子は、更に広い発振波長範囲が要求されている。
そこで、第２の発明では、第１の発明の発明概念をＡｌＧａＩｎＮ系半導体レーザ素子に適用して、発振波長範囲を短波長側に広げている。つまり、Ｉｎを含む２種類のＩＩＩ族元素及びＮを含むＶ族元素を含む活性層を有する半導体層積層構造をステップ状構造を有する基板上に形成して、活性層のＩｎ組成を変化させ、活性層のバンドギャップ・エネルギーを制御することにより、各導波路から相互に異なる波長のレーザ光を出射させることができる。
また、第２の発明方法は、ステップ状構造を有する基板上に上述の構成の活性層を有する半導体層積層構造を形成して、活性層のＩｎ濃度を変えることにより、相互に異なる波長のレーザ光を出射する第２の発明に係る半導体レーザ素子を同一基板面上に、第１の発明方法と同様に、１回の成長プロセスにより製造することができる。
【００２２】
本発明に係る別の半導体レーザ素子（以下、第２の発明と言う）は、複数本の導波路を有し、各導波路を経由して相互に異なる波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子であって、
高領域と高領域より低い低領域とを段差で区切るステップ状構造を基板面上に備えた基板と、
Ｉｎを含む２種類のＩＩＩ族元素及びＮを含むＶ族元素を含む活性層と、活性層の上下にそれぞれ設けられ、活性層を挟む第１導電型のクラッド層及び第２導電型のクラッド層とを有して基板上に設けられた半導体積層体と
を備え、
半導体積層体の上から平面的に見て、各導波路が、導波路とステップ状構造の段差との距離が相互に異なる配置で、ステップ状構造の高領域の段差近傍に設けられていることを特徴としている。
【００２３】
第１の発明と異なる第２の発明の要件は、以下の通りである。
（１）活性層は、Ｖ族元素として第１の発明のＰに代えて、Ｎを含むことである。つまり、第２の発明に係る半導体レーザ素子は、例えばＡｌＧａＩｎＮ系半導体レーザ素子である。
（２）基板は傾斜基板であることが必ずしも必要ではない。つまり、第１の発明のように、（１００）面より〔０−１−１〕方向に傾斜した傾斜面を基板面として有する基板を必ずしも必要とはしない。基板は、例えば、傾斜面でない（１００）面を基板面としても良い。
（３）基板の面方位に制約がないことである。
（４）基板は、ＡｌＧａＩｎＮ系半導体層の格子整合の制約から、第１の発明で使用するＧａＡｓ、ＧａＰ及びＩｎＰのいずれかに代えて、ＧａＮ基板、サファイア基板、及びサファイア基板上にＧａＮ系半導体層を積層してなる基板のいずれかである。
以上の要件に係わることを除いて、第１の発明の実施態様は、第２の発明の実施態様とすることができる。
【００２４】
第２の発明に係る半導体レーザ素子を製造する方法（以下、第２の発明方法と言う）は、複数本の導波路を有し、各導波路を経由して相互に異なる波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子の製造方法であって、
高領域と高領域より低い低領域とを段差で区切るステップ状構造を基板面上に設ける工程と、
Ｉｎを含む２種類のＩＩＩ族元素及びＮを含むＶ族元素を含む活性層と、活性層の上下にそれぞれ配置された、活性層を挟む第１導電型のクラッド層及び第２導電型のクラッド層とを有する半導体積層体を基板上に形成する工程と、
半導体積層体の上から平面的に見て、導波路とステップ状構造の段差との距離が相互に異なる配置で、ステップ状構造の段差近傍の高領域上に各導波路を設ける工程と
を有することを特徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照して、実施形態例に基づいて本発明をより詳細に説明する。尚、以下の実施形態例及び実施例で示した、化合物半導体層の組成、膜厚、成膜方法、その他寸法等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、本発明はこれら例示に限定されるものではない。
半導体レーザ素子の実施形態例１
本実施形態例は、第１の発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の一例であって、図１（ａ）は本実施形態例の半導体レーザ素子のレイアウトを示す上面図、及び図１（ｂ）はステップ状構造の形状、並びにステップ状構造上の導波路及び分離溝の位置を示す模式的側面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子１０は、図１に示すように、（１００）面より〔０−１−１〕方向に２°〜１５°の範囲の傾斜角で傾斜した傾斜面を有するｎ型ＧａＡｓ基板１２上に、例えば〔０１−１〕方向に延伸するステップ状構造１４を備えている。
【００２６】
ステップ状構造１４は、最も簡単な構成のステップ状構造であって、一つの高領域１６と、段差１８によって高領域１６から低くなった一つの低領域２０とを備えた構造であって、例えば段差１８の高さは２．７μｍ、高領域１６の幅は２５０μｍ、低領域２０の幅は１５０μｍ、〔０１−１〕方向の長さは６００μｍである。
半導体レーザ素子１０は、Ｉｎを含む２種類のＩＩＩ族元素及びＰを含むＶ族元素を含む活性層と、活性層の上下にそれぞれ配置され、活性層を挟む第１導電型のクラッド層及び第２導電型のクラッド層とを有する、ＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体層からなる半導体積層体を基板１２上に備えている。
【００２７】
本実施形態例では、〔０１−１〕方向に延伸する３本の導波路２２Ａ〜Ｃが、ステップ状構造１４の高領域１６に配置されている。
第１導波路２２Ａは、段差１８からの距離Ｘが５０μｍ以下、例えば４μｍ程度の距離で段差１８の近傍の高領域１６に配置されている。第２導波路２２Ｂは、段差１８から距離Ｙが距離Ｘよりも長く、かつ５０μｍ以下、例えば３４μｍの距離で高領域１６に配置されている。第３導波路２２Ｃは、段差１８からの距離Ｚが距離Ｙよりも長く、例えば１０４μｍ程度の距離で高領域１６に配置されている。
各導波路２２の幅を３μｍとすると、以上の配置により、第１導波路２２Ａと第２導波路２２Ｂの間隔が２７μｍ、第２導波路２２Ｂと第３導波路２２Ｃとの間隔が６７μｍとなる。各導波路２２は、半導体積層体に設けられた分離溝２４により相互に分離されている。
【００２８】
ステップ状構造１４を有する基板１２上に多重量子井戸構造の活性層を成長させたとき、活性層中のＩｎの濃度は、ステップ状構造１４の段差１８に近いほど高く、遠ざかるにつれ低くなる。
従って、導波路２２と段差１８との距離の長短に従って、第１導波路２２Ａ、第２導波路２２Ｂ、及び第３導波路２２Ｃの順で、活性層のＩｎ濃度は低くなり、バンドギャップは、第１導波路２２Ａ、第２導波路２２Ｂ、及び第３導波路２２Ｃの順で広くなっている。
【００２９】
つまり、本実施形態例の半導体レーザ素子１０は、第１導波路２２Ａ、第２導波路２２Ｂ、及び第３導波路２２Ｃの順で、発振波長が短くなる３個の導波路を有し、相互に異なる波長のレーザ光を各導波路２２Ａ〜Ｃを経由して出射する。即ち、本実施形態例では、段差と導波路の間の距離を変えることにより、半導体レーザ素子の各導波路の発振波長を変えることができる。
また、傾斜基板上に化合物半導体を形成しているので、表面モフォロジーが良好になり、異常成長も大幅に抑制され、ステップ状構造の段差からの距離の違いによる成長速度変化も殆どない。
【００３０】
半導体レーザ素子の製造方法の実施形態例１
本実施形態例は、第１の発明方法に係る半導体レーザ素子の製造方法を半導体レーザ素子１０の作製に適用した実施形態の一例である。
先ず、（１００）面より〔０−１−１〕方向に２°〜１５°傾斜した傾斜面を有するｎ型ＧａＡｓ基板１２上に、フォトリソグラフィ工程とエッチング加工工程により、〔０１−１〕方向に延伸する段差１８により区画された高領域１６と低領域２０とを有するステップ状構造１４を形成する。
【００３１】
次に、ステップ状構造１４を形成した基板１２上に、例えばＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法により、Ｉｎを含む２種類のＩＩＩ族元素及びＰを含むＶ族元素を含む活性層と、活性層の上下にそれぞれ配置され、活性層を挟む第１導電型のクラッド層及び第２導電型のクラッド層とを有する、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体積層体を１回の結晶成長工程で形成する。
次いで、半導体レーザ素子の第１導波路２２Ａ、第２導波路２２Ｂ、及び第３導波路２２Ｃをそれぞれ構成するリッジストライプを半導体積層体の上部に形成し、各導波路２２を分離溝２４により分離し、電極（図示せず）を形成し、更に劈開することにより、本実施形態例の半導体レーザ素子１０を作製することができる。
本実施形態例の方法によれば、一回の結晶成長で半導体レーザ素子１０の半導体積層体を形成することができる。
【００３２】
半導体レーザ素子の実施形態例２
本実施形態例は、第１の発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の別の例であって、図２（ａ）は本実施形態例の半導体レーザ素子のレイアウトを示す上面図、及び図２（ｂ）は凹溝の形状、並びに凹溝に対する導波路及び分離溝の位置を示す模式的側面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子３０は、ステップ状構造の形状が異なること、及びステップ状構造に対する導波路の配置が異なることを除いて、実施形態例１の半導体レーザ素子１０と同じ構成を備えている。
【００３３】
半導体レーザ素子３０のステップ状構造は、図２に示すように、実施形態例１と同じｎ型ＧａＡｓ基板１２上に設けられた、例えば〔０１−１〕方向に延伸する凹溝３４として形成されている。凹溝３４は、両側の高領域３６Ａ、Ｂから中央の低領域４０を区画する段差３８Ａ、Ｂを有し、例えば段差３８の高さ、つまり溝深さが２．７μｍ、溝幅が６２μｍ、〔０１−１〕方向の長さが６００μｍである。
半導体レーザ素子３０は、実施形態例１と同じ構成の半導体積層体をｎ型ＧａＡｓ基板１２上に備えている。
【００３４】
本実施形態例では、〔０１−１〕方向に延伸する３本の導波路４２Ａ〜Ｃが、凹溝３４の両側の高領域３６に配置されている。
第１導波路４２Ａは、凹溝３４の段差３８Ｂからの距離Ｘが５０μｍ以下、例えば４μｍ程度の距離で高領域３６Ｂに配置されている。
第２導波路４２Ｂは、段差３８Ａからの距離Ｙが距離Ｘよりも長く、かつ５０μｍ以下、例えば３４μｍの距離で高領域３８Ａに配置されている。
第３導波路４２Ｃは、段差３８Ｂからの距離Ｚが距離Ｙよりも長く、例えば１０４μｍ程度の距離で高領域３６Ｂに配置されている。
以上の配置により、第１導波路４２Ａと第２導波路４２Ｂとの間隔が１００μｍ、第２導波路４２Ｂと第３導波路４２Ｃとの間隔が２００μｍとなる。また、各導波路４２は、半導体積層体に設けられた分離溝４４により相互に分離されている。
【００３５】
本実施形態例の半導体レーザ素子３０では、実施形態例１の半導体レーザ素子１０と同様に、導波路４２と段差３８との距離の長短に従って、第１導波路４２Ａ、第２導波路４２Ｂ、及び第３導波路４２Ｃの順で、活性層のＩｎ濃度は低くなり、バンドギャップは、第１導波路４２Ａ、第２導波路４２Ｂ、及び第３導波路４２Ｃの順で、広くなっている。
つまり、本実施形態例の半導体レーザ素子３０は、３本の導波路４２Ａ〜Ｃを有し、第１導波路４２Ａ、第２導波路４２Ｂ、及び第３導波路４２Ｃの順で、発振波長が短いレーザ光を各導波路４２Ａ〜Ｃを経由して出射する。
【００３６】
即ち、本実施形態例では、段差３８と導波路４２の間の距離を変えることにより、各導波路４２の発振波長を自在に変えることができる。
また、凹溝３４の溝幅を変えることにより、各導波路４２の発振波長を変えることなく第２導波路４２Ｂと第１導波路４２Ａとの間隔、或いは第２導波路４２Ｂと第３導波路４２Ｃとの間隔を変えることができるので、設計の自由度が大きくなる。
更には、傾斜基板上に半導体積層体を形成しているので、表面モフォロジーが良好で、異常成長も大幅に抑制され、凹溝３４からの距離の違いによる成長速度変化も殆どない。
【００３７】
半導体レーザ素子の製造方法の実施形態例２
本実施形態例は、第１の発明方法に係る半導体レーザ素子の製造方法を半導体レーザ素子３０の作製に適用した実施形態の一例である。
先ず、実施形態例１と同じｎ型ＧａＡｓ基板１２上に、フォトリソグラフィ工程とエッチング加工工程により、ステップ状構造として〔０１−１〕方向に延伸する凹溝３４を形成する。
以下、実施形態例１の半導体レーザ素子１０と同様にして、一回の結晶成長で本実施形態例の半導体レーザ素子３０を作製することができる。
【００３８】
半導体レーザ素子の実施形態例３
本実施形態例は、第１の発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の別の例であって、図３（ａ）は本実施形態例の半導体レーザ素子のレイアウトを示す上面図、及び図３（ｂ）はリッジの形状、並びにリッジに対する導波路及び分離溝の位置を示す模式的側面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子５０は、ステップ状構造の形状が異なること、及びステップ状構造に対する導波路の配置が異なることを除いて、実施形態例１の半導体レーザ素子１０と同じ構成を備えている。
【００３９】
半導体レーザ素子５０のステップ状構造は、実施形態例１と同じｎ型ＧａＡｓ基板１２上に設けられた、例えば〔０１−１〕方向に延伸するリッジ幅が同じ複数個の凸状のリッジ５４Ａ〜Ｃ（図３では３本のリッジを図示）として形成されている。
リッジ５４は、リッジ５４上の高領域５６と、高領域５６から両側の低領域６０を段差５８によって区画し、例えばリッジ高さが２．７μｍ、リッジ幅が１００μｍ、周期が１５０μｍ、〔０１−１〕方向の長さが６００μｍである。
半導体レーザ素子５０は、実施形態例１と同じ構成の半導体積層体をｎ型ＧａＡｓ基板１２上に備えている。
【００４０】
本実施形態例では、〔０１−１〕方向に延伸する導波路６２Ａ〜Ｃが、各リッジ５４Ａ〜Ｃ上に１つずつ設けられている。
第１導波路６２Ａは第１リッジ５４Ａの近い方の段差５８からの距離Ｘが５０μｍ以下、例えば４μｍ程度の距離で第１リッジ５４Ａ上に設けられている。
第２導波路６２Ｂは第２リッジ６２Ｂの近い方の段差５８からの距離Ｙが距離Ｘよりも長く、かつ５０μｍ以下、例えば２４μｍ程度の距離で第２リッジ５４Ｂ上に設けられている。
第３導波路６２Ｃは第３リッジ６２Ｃの近い方の段差５８からの距離Ｚが距離Ｙよりも長く距離、例えば４４μｍ程度の距離で第３リッジ５４Ｃ上に設けられている。
各導波路の幅を３μｍとすると、以上の配置により、第１導波路６２Ａと第２導波路６２Ｂとの間隔と、第２導波路６２Ｂと第３導波路６２Ｃとの間隔とは、同じ間隔であって、それぞれ、１６７μｍとなる。各導波路６２は、分離溝６４により相互に分離されている。
【００４１】
本実施形態例の半導体レーザ素子５０では、実施形態例１の半導体レーザ素子１０と同様に、段差５８と導波路６２との距離の長短に従って、第１導波路６２Ａ、第２導波路６２Ｂ、及び第３導波路６２Ｃの順で、活性層のＩｎ濃度は低くなり、バンドギャップは、第１導波路６２Ａ、第２導波路６２Ｂ、及び第３導波路６２Ｃの順で広くなっている。
つまり、本実施形態例の半導体レーザ素子５０は、３個の導波路６２Ａ〜Ｃを有し、第１導波路６２Ａ、第２導波路６２Ｂ、及び第３導波路６２Ｃの順で、発振波長が短いレーザ光を各導波路６２Ａ〜Ｃを経由して出射する。
【００４２】
本実施形態例の半導体レーザ素子５０では、段差５８と導波路６２の間の距離を変えることにより、各導波路の発振波長を自在に変えることができる。
また、リッジ５４同士の間隔を変えることにより、各導波路６２の発振波長を変えることなく、第１導波路６２Ａと第２導波路６２Ｂとの間隔、第２導波路６２Ｂと第３導波路６２Ｃとの間隔を変えることができるので、設計の自由度が大きくなる。
また、傾斜基板上に半導体積層体を形成しているので、表面モフォロジーが良く、異常成長も大幅に抑制され、段差５８からの距離の違いによる成長速度変化も殆どない。
【００４３】
半導体レーザ素子の製造方法の実施形態例３
本実施形態例は、第１の発明方法に係る半導体レーザ素子の製造方法を半導体レーザ素子５０の作製に適用した実施形態の一例である。
先ず、実施形態例１と同じｎ型ＧａＡｓ基板１２上に、フォトリソグラフィ工程とエッチング加工工程により、〔０１−１〕方向に延伸するリッジ５４Ａ〜Ｃを形成する。
以下、実施形態例１の半導体レーザ素子１０と同様にして、一回の結晶成長で本実施形態例の半導体レーザ素子５０を作製することができる。
【００４４】
半導体レーザ素子の実施形態例４
本実施形態例は、第１の発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の別の例であって、図４（ａ）は本実施形態例の半導体レーザ素子のレイアウトを示す上面図、及び図４（ｂ）はリッジの形状、並びにリッジに対する導波路及び分離溝の位置を示す模式的側面図である。図４に示す部位のうち図３と同じ部位には同じ符号を付して、その説明を省略している。
本実施形態例の半導体レーザ素子７０は、３個のリッジ７２Ａ〜Ｃ（図４では簡単に３個のみ図示）のリッジ幅が相互に異なること除いて、実施形態例３の半導体レーザ素子５０と同じ構成を備えている。
【００４５】
リッジ７２Ａ〜Ｃは、例えばリッジ高さが２．７μｍ、周期Ｐが１５０μｍ、〔０１−１〕方向の長さが６００μｍであって、リッジ幅は、第１リッジ７２Ａが１００μｍ以下、例えば２５μｍ程度、第２リッジ７２Ｂが第１リッジ７２Ａより広くかつ１００μｍ以下、例えば３５μｍ程度、第３リッジ７２Ｃが第２リッジ７２Ｂよりも広い１００μｍである。ここで、周期Ｐとは、図４に示すように、第１リッジ７４Ａの中央から第２リッジ７４Ｂの中央まで、また第２リッジ７４Ｂの中央から第３リッジ７４Ｃの中央までを言う。
半導体レーザ素子７０は、実施形態例１と同じ構成の半導体積層体をｎ型ＧａＡｓ基板７２上に備えている。
【００４６】
本実施形態例では、〔０１−１〕方向に延伸する３個の導波路７４Ａ〜Ｃは、各リッジ７２の中央付近に１つずつ配置されている。
これにより、第１導波路７４Ａは第１リッジ７２Ａの両側の段差５８からの距離Ｘが１２．５μｍ程度になり、第２導波路７２Ｂは第２リッジ７２Ｂの両側の段差５８からの距離Ｙが１７．５μｍ程度になり、第３導波路７２Ｃは第３リッジ７２Ｃの両側の段差５８からの距離Ｚが５０μｍ程度になる。
各導波路の幅を３μｍとすると、以上の配置により、第１導波路７４Ａと第２導波路７４Ｂとの間隔と、第２導波路７４Ｂと第３導波路７４Ｃとの間隔が、同じであって、それぞれ、１４７μｍである。
【００４７】
本実施形態例の半導体レーザ素子７０では、実施形態例１の半導体レーザ素子１０と同様に、段差５８と導波路７４との距離の長短に従って、第１導波路７４Ａ、第２導波路７４Ｂ、及び第３導波路７４Ｃの順で、活性層のＩｎ濃度は低くなり、バンドギャップは、第１導波路７４Ａ、第２導波路７４Ｂ、及び第３導波路７４Ｃの順で広くなっている。
つまり、本実施形態例の半導体レーザ素子７０は、３個の導波路を有し、第１導波路７４Ａ、第２導波路７４Ｂ、及び第３導波路７４Ｃの順で、発振波長が短いレーザ光を各導波路７４Ａ〜Ｃを経由して出射する。
【００４８】
本実施形態例では、リッジ７２のリッジ幅を変えて段差５８と導波路７４の間の距離を変えることにより、各導波路の発振波長を自在に変えることができる。更に、リッジ幅の異なるリッジ７２としたことにより、それぞれの導波路７４の活性層のＩｎ濃度が導波路７４の両側の段差５８の影響を受けることから、小さいリッジ幅の変化で活性層のＩｎ濃度を大きく変える、すなわちバンドギャップを大きく変えることができる。
また、リッジ７２の間隔を変えることにより、各導波路７４の発振波長を変えることなく、第１導波路７４Ａと第２導波路７４Ｂとの間隔、及び第２導波路７４Ｂと第３導波路７４Ｃの間隔を変えることができるので、設計の自由度を大きくすることができる。
また、傾斜基板上に半導体積層体を形成しているので、表面モフォロジーが良く、異常成長も大幅に抑制され、段差５８からの距離の違いによる成長速度変化も殆どない。
【００４９】
半導体レーザ素子の製造方法の実施形態例４
本実施形態例は、第１の発明方法に係る半導体レーザ素子の製造方法を半導体レーザ素子７０の作製に適用した実施形態の一例である。
先ず、実施形態例１と同じｎ型ＧａＡｓ基板１２上に、フォトリソグラフィ工程とエッチング加工工程により、〔０１−１〕方向に延伸するリッジ７２Ａ〜Ｃを形成する。
以下、実施形態例１の半導体レーザ素子１０と同様にして、一回の結晶成長で本実施形態例の半導体レーザ素子７０を作製することができる。
【００５０】
半導体レーザ素子の実施形態例５
本実施形態例は、第２の発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の一例である。
本実施形態例の半導体レーザ素子は、以下の項目（１）及び（２）が、実施形態例１の半導体レーザ素子１０と異なることを除いて、実施形態例１の半導体レーザ素子１０と同じ構成を備えている。
（１）本実施形態例の半導体レーザ素子は、（１００）面より〔０−１−１〕方向に２°〜１５°の範囲の傾斜角で傾斜した傾斜面を有するｎ型ＧａＡｓ基板１０に代えて、傾斜面でないフラットな基板面、つまり（０００１）面を基板面とするｎ型ＧａＮ基板上にステップ状構造を備えていること。
（２）本実施形態例の半導体レーザ素子は、Ｉｎを含む２種類のＩＩＩ族元素及びＰを含むＶ族元素を含む活性層を有するＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体層からなる半導体積層体に代えて、Ｉｎを含む２種類のＩＩＩ族元素及びＮを含むＶ族元素を含む活性層を有するＡｌＧａＩｎＮ系の化合物半導体層からなる半導体積層体を基板上に備えていること。
尚、ステップ状構造の延伸方向に制約はないが、本実施形態例では、ステップ状構造は実施形態例１と同様に〔０１−１〕方向に延伸しているとしている。
以上のことを除いて、図１（ａ）を本実施形態例の半導体レーザ素子のレイアウトを示す上面図、及び図１（ｂ）を本実施形態例の半導体レーザ素子のステップ状構造の形状、並びにステップ状構造上の導波路及び分離溝の位置を示す模式的側面図とすることができる。
【００５１】
以下の半導体レーザ素子の実施形態例５の説明は、上述の項目（１）及び（２）を考慮して、前述した半導体レーザ素子の実施形態例１の説明を修正したものである。
本実施形態例の半導体レーザ素子１１は、図１に示すように、（０００１）面からなる基板面を有するｎ型ＧａＮ基板１２上に、例えば〔０１−１〕方向に延伸するステップ状構造１４を備えている。
【００５２】
ステップ状構造１４は、最も簡単な構成のステップ状構造であって、一つの高領域１６と、段差１８によって高領域１６から低くなった一つの低領域２０とを備えた構造であって、例えば段差１８の高さは２．７μｍ、高領域１６の幅は２５０μｍ、低領域２０の幅は１５０μｍ、〔０１−１〕方向の長さは６００μｍである。
半導体レーザ素子１１は、Ｉｎを含む２種類のＩＩＩ族元素及びＮを含むＶ族元素を含む活性層と、活性層の上下にそれぞれ配置され、活性層を挟む第１導電型のクラッド層及び第２導電型のクラッド層とを有する、ＡｌＧａＩｎＮ系の化合物半導体層からなる半導体積層体を基板１２上に備えている。
【００５３】
本実施形態例では、〔０１−１〕方向に延伸する３本の導波路２２Ａ〜Ｃが、ステップ状構造１４の高領域１６に配置されている。
第１導波路２２Ａは、段差１８からの距離Ｘが５０μｍ以下、例えば４μｍ程度の距離で段差１８の近傍の高領域１６に配置されている。第２導波路２２Ｂは、段差１８から距離Ｙが距離Ｘよりも長く、かつ５０μｍ以下、例えば３４μｍの距離で高領域１６に配置されている。第３導波路２２Ｃは、段差１８からの距離Ｚが距離Ｙよりも長く、例えば１０４μｍ程度の距離で高領域１６に配置されている。
各導波路２２の幅を３μｍとすると、以上の配置により、第１導波路２２Ａと第２導波路２２Ｂの間隔が２７μｍ、第２導波路２２Ｂと第３導波路２２Ｃとの間隔が６７μｍとなる。各導波路２２は、半導体積層体に設けられた分離溝２４により相互に分離されている。
【００５４】
ステップ状構造１４を有する基板１２上に多重量子井戸構造の活性層を成長させたとき、活性層中のＩｎの濃度は、ステップ状構造１４の段差１８に近いほど高く、遠ざかるにつれ低くなる。
従って、導波路２２と段差１８との距離の長短に従って、第１導波路２２Ａ、第２導波路２２Ｂ、及び第３導波路２２Ｃの順で、活性層のＩｎ濃度は低くなり、バンドギャップは、第１導波路２２Ａ、第２導波路２２Ｂ、及び第３導波路２２Ｃの順で広くなっている。
【００５５】
つまり、本実施形態例の半導体レーザ素子１１は、第１導波路２２Ａ、第２導波路２２Ｂ、及び第３導波路２２Ｃの順で、発振波長が短くなる３個の導波路を有し、相互に異なる波長のレーザ光を各導波路２２Ａ〜Ｃを経由して出射する。即ち、本実施形態例では、段差と導波路の間の距離を変えることにより、半導体レーザ素子の各導波路の発振波長を変えることができる。
また、傾斜基板上に化合物半導体を形成しているので、表面モフォロジーが良好になり、異常成長も大幅に抑制され、ステップ状構造の段差からの距離の違いによる成長速度変化も殆どない。
【００５６】
半導体レーザ素子の製造方法の実施形態例５
本実施形態例は、第２の発明方法に係る半導体レーザ素子の製造方法を実施形態例５の半導体レーザ素子の製造に適用した実施形態の一例である。
本実施形態例の半導体レーザ素子の製造方法は、以下の項目（１）及び（２）が、半導体レーザ素子の製造方法の実施形態例１と異なることを除いて、半導体レーザ素子の製造方法の実施形態例１と同じ構成を備えている。
（１）本実施形態例の半導体レーザ素子の製造方法では、基板として、（１００）面より〔０−１−１〕方向に２°〜１５°の範囲の傾斜角で傾斜した傾斜面を有するｎ型ＧａＡｓ基板１０に代えて、傾斜面でないフラットな基板面、つまり（０００１）面を基板面とするｎ型ＧａＮ基板を使用すること。
（２）本実施形態例の半導体レーザ素子の製造方法では、Ｉｎを含む２種類のＩＩＩ族元素及びＮを含むＶ族元素を含む活性層を有するＡｌＧａＩｎＮ系の化合物半導体層からなる半導体積層体に代えて、Ｉｎを含む２種類のＩＩＩ族元素及びＮを含むＶ族元素を含む活性層を有するＡｌＧａＩｎＮ系の化合物半導体層からなる半導体積層体を基板上に形成すること。
【００５７】
以下の半導体レーザ素子の製造方法の実施形態例５の説明は、上述の項目（１）及び（２）を考慮して、前述した半導体レーザ素子の製造方法の実施形態例１の説明を修正したものである。
先ず、（０００１）面からなる基板面を有するｎ型ＧａＮ基板１２上に、フォトリソグラフィ工程とエッチング加工工程により、〔０１−１〕方向に延伸する段差１８により区画された高領域１６と低領域２０とを有するステップ状構造１４を形成する。
【００５８】
次に、ステップ状構造１４を形成した基板１２上に、例えばＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法により、Ｉｎを含む２種類のＩＩＩ族元素及びＮを含むＶ族元素を含む活性層と、活性層の上下にそれぞれ配置され、活性層を挟む第１導電型のクラッド層及び第２導電型のクラッド層とを有する、ＡｌＧａＩｎＮ系の半導体積層体を１回の結晶成長工程で形成する。
次いで、半導体レーザ素子の第１導波路２２Ａ、第２導波路２２Ｂ、及び第３導波路２２Ｃをそれぞれ構成するリッジストライプを半導体積層体の上部に形成し、各導波路２２を分離溝２４により分離し、電極（図示せず）を形成し、更に劈開することにより、本実施形態例の半導体レーザ素子１１を作製することができる。
本実施形態例の方法によれば、一回の結晶成長で半導体レーザ素子１１の半導体積層体を形成することができる。
【００５９】
半導体レーザ素子及びその製造方法の実施形態例５で説明した上述の項目（１）及び（２）が異なることを除いて、半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法の実施形態例２から４を、それぞれ、第２の発明及び第２の発明方法の別の実施形態例とすることができ、かつ、半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法の実施形態例２から４に関する図２から図４を第２の発明及び第２の発明方法の別の実施形態例の図面として参照することできる。
【００６０】
実施例１
本実施例は、実施形態例１の具体例であって、図５、図６、及び図７は、それぞれ、実施例１の半導体レーザ素子の構成を示す斜視図、図５の線Ｉ−Ｉでの断面図、及び第１導波路近傍の化合物半導体層の積層構造を示す断面拡大図である。図５から図７に示す部位のうち、図１と同じ部位には同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施例の半導体レーザ素子８０は、図５に示すように、（１００）面より〔０−１−１〕方向に１０°傾斜した傾斜面に実施形態例１と同じステップ状構造１４を備えたｎ型ＧａＡｓ基板８１上に、ＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体層からなる半導体積層体８２を備えている。
【００６１】
半導体積層体８２は、図７に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板８１上に、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる膜厚が１．１μｍのｎ型クラッド層８４、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるガイド層８６、Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ／（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる多重量子井戸構造の活性層８８、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるガイド層９０、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる膜厚０．３μｍのｐ型クラッド層９２、Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｐ型エッチングストップ層９４、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる膜厚が１．１μｍのｐ型クラッド層９６、及び、ＧａＡｓからなる膜厚が０．３５μｍのｐ型キャップ層９８の積層構造として構成されている。
活性層８８は、膜厚が３．５ｎｍのＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ層と、膜厚が４．０ｎｍの（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層とから構成された３周期の多重量子井戸構造として形成されている。
図７は第１リッジストライプ２３Ａ近傍の化合物半導体層の積層構造を示しているが、半導体積層体８２は他の領域でも同じ積層構造を備えている。
【００６２】
半導体積層体８２のうち、図６に示すように、エッチングストップ層９４をエッチング停止層として、ｐ型キャップ層９８及びｐ型クラッド層９６がエッチングされ、第１から第３導波路２２Ａ〜Ｃをそれぞれ構成する、幅が３μｍの第１から第３リッジストライプ２３Ａ〜Ｃが、ステップ状構造１４の高領域１６上に〔０１−１〕方向に形成されている。
第１リッジストライプ２３Ａと段差１８との距離は４μｍ、第２リッジストライプ２３Ｂと段差１８との距離は３４μｍ、第３リッジストライプ２３Ｃと段差１８との距離は１０４μｍである。
【００６３】
各リッジストライプ２３Ａ〜Ｃは、各リッジストライプ２３上のｐ型キャップ層９８を除いて、リッジ脇がＧａＡｓ層からなるｎ型埋め込み層１００で埋め込まれている。ｐ型キャップ層９８及びｐ型クラッド層９６とｎ型埋め込み層１００とのｐｎ接合分離により電流狭窄構造が構成されている。
更に、各リッジストライプ２３のｐ型キャップ層９８にそれぞれ接続するように、ｐ型キャップ層９８及びｎ型埋め込み層１００上に、相互に独立のｐ側電極１０２が形成されている。
また、第２リッジストライプ２３Ｂ上のｐ側電極１０２は、第３リッジストライプ２３Ｃ上を横切って延在する引出し電極１０４を介して接続されているので、第３リッジストライプ２３Ｃのｐ側電極１０２と引出し電極１０４との間には絶縁膜１０６が設けてある。
更に、ｎ型ＧａＡｓ基板８１の裏面には、図５に示すように、共通のｎ側電極１０８が形成されている。
各リッジストライプ２３Ａ〜Ｃの間には素子分離溝２４が形成され、第２リッジストライプ２３Ｂと第３リッジストライプ２３Ｃとの間の分離溝２４は、ポリイミドなどの絶縁物で埋め込まれた埋め込み絶縁層１１０となっている。
尚、図５では、第２リッジストライプ２３Ｂのｐ側電極１０２の引出し電極１０４が、便宜上、図６とは異なり、第１リッジストライプ２３Ａ上を横切って延びている。
【００６４】
本実施例の半導体レーザ素子８０は、第１から第３のリッジストライプ２３Ａ〜Ｃに、それぞれ、インデックスガイド構造として形成され、実施形態例１で説明したように、第１導波路２２Ａ、第２導波路２２Ｂ、及び第３導波路２２Ｃの順で発振波長が短くなる３個の導波路を有し、相互に異なる波長のレーザ光を各導波路２２Ａ〜Ｃを経由して出射する。
以上の構成により、本実施例の半導体レーザ素子８０は、実施形態例１で説明した効果と同じ効果を奏する。
【００６５】
図８を参照して、本実施例の半導体レーザ素子８０の製造方法を説明する。図８は、本実施例の半導体レーザ素子８０用の基板の構成を示す斜視図である。
図８に示すように、フォトリソグラフィ及びＨ２ＳＯ４、Ｈ２Ｏ２、及びＨ２Ｏの混合エッチャントによるウエットエッチング法により、（１００）面より〔０−１−１〕方向に１０°傾斜した傾斜面を有するｎ型ＧａＡｓ基板８１をエッチングして、深さが２．７μｍ、幅が２００μｍで〔０１−１〕方向に延在し、溝壁として段差１８を両側に有する凹溝１１２を〔０−１−１〕方向に８００μｍ周期で形成した。
尚、図８には、最終的に１つの半導体レーザ素子８０を構成する基板領域をＺで示した。
【００６６】
次いで、凹溝１１２を形成した基板８１上に、基板温度を６９０℃としてＭＯＣＶＤ法により、図７に示すように、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる膜厚が１．１μｍのｎ型クラッド層８４、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるガイド層８６、Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ／（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる多重量子井戸構造の活性層８８、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるガイド層９０、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる膜厚０．３μｍのｐ型クラッド層９２、Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｐ型エッチングストップ層９４、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる膜厚が１．１μｍのｐ型クラッド層９６、及び、ＧａＡｓからなる膜厚が０．３５μｍのｐ型キャップ層９８を、順次、積層して、半導体積層体８２を形成した。
【００６７】
次に、エッチングストップ層９４をエッチング停止層として、フォトリソグラフィとウエットエッチング法によって、図６に示すように、〔０１−１〕方向に延びる幅３μｍの第１から第３リッジストライプ２３Ａ〜Ｃを凹溝１１２の段差１８からそれぞれ４μｍ、３４μｍ、及び１０４μｍ離して形成した。
次いで、絶縁膜によるマスキングとＭＯＣＶＤ法によって、第１から第３リッジストライプ２３Ａ〜Ｃ上のｐ型キャップ層９８を除く領域に、ｎ型ＧａＡｓ埋め込み層１００を成膜し、第１から第３リッジストライプ２３Ａ〜Ｃのリッジ脇を埋め込んだ。
続いて、フォトリソグラフィ及びＨ２ＳＯ４、Ｈ２Ｏ２及びＨ２Ｏの混合エッチャントによるウエットエッチング法によりエッチングして、第１リッジストライプ２３Ａと第２リッジストライプ２３Ｂとの間、及び第２リッジストライプ２３Ｂと第３リッジストライプ２３Ｃとの間に、それぞれ、幅１０μｍでｎ型ＧａＡｓ基板８１まで達する素子分離溝２４を形成した。
分離溝２４の形成では、ＨＣｌとＨ２Ｏとの混合液をエッチャントとするウエットエッチング、或いはＲＩＥなどを用いても良い。
【００６８】
次に、ｐ型キャップ層９８及びｎ型埋め込み層１００上に、第１から第３リッジストライプ２３Ａ〜Ｃのｐ型キャップ層１０にそれぞれ接続するように、ｐ側電極１０２を形成した。
次いで、マスキングにより部分的に第３リッジストライプ２３Ｃのｐ側電極１０２上に、ＳｉＯ２やＳｉＮなどからなる絶縁層１０６を形成し、続いてポリイミドなどにより分離溝２４を埋め込んで埋め込み絶縁層１１０を形成した。更に、引出し電極１０４を形成して、第２リッジストライプ２３Ｂのｐ側電極１０２に対する２層配線を形成した。
また、ｎ型ＧａＡｓ基板８１の裏面を研磨して所定の基板厚に調整した後、ｎ側電極１０８を形成した。
最後に、（０１−１）面で劈開し、（０−１−１）面で素子分離することにより、図５に示す半導体レーザ素子８０を作製した。
以上のようにして、発振波長がそれぞれ異なる３つの導波路２２Ａ〜Ｃを備えたＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子８０を一回の結晶成長で同じ基板８１上に形成することができる。
【００６９】
実施例２
本実施例は、実施形態例２の具体例であって、図９及び図１０は、それぞれ、実施例２の半導体レーザ素子の構成を示す斜視図、及び図９の線ＩＩ−ＩＩでの断面図である。図９及び図１０に示す部位のうち、図２及び図５から図７と同じ部位には同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施例の半導体レーザ素子１２０は、図９に示すように、ステップ状構造として実施形態例２と同じ凹溝３４を備えたｎ型ＧａＡｓ基板８１の傾斜面上に、実施例１と同じＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体層からなる半導体積層体８２（図７参照）を備えている。
本実施例では、実施形態例２で説明したように、凹溝３４が、ｎ型ＧａＡｓ基板８１の傾斜面上に、深さが２．７μｍ、幅が６２μｍ、周期が５００μｍで〔０１−１〕方向に設けられている。
【００７０】
図１０に示すように、第１から第３導波路４２Ａ〜Ｃをそれぞれ構成する幅が３μｍの第１から第３リッジストライプ４３Ａ〜Ｃが、実施例１と同様に、エッチングストップ層９４上のｐ型キャップ層９８及びｐ型クラッド層９６をエッチングすることにより、〔０１−１〕方向に形成されている。
第１リッジストライプ４３Ａは、凹溝３４の一方の段差３８Ｂから４μｍ離れた位置に、第２リッジストライプ４３Ｂは、凹溝３４の他方の段差３８Ａから３４μｍ離れた位置に、第３リッジストライプ４３Ｃは、凹溝３４の一方の段差３８Ｂから１０４μｍ離れた位置に、それぞれ、設けてある。
また、第１から第３リッジストライプ４３Ａ〜Ｃは、実施例１と同様に、ｎ型ＧａＡｓ埋め込み層１００で埋め込まれている。
更に、実施例１と同様に、各リッジストライプ４３の間には素子分離溝４４が形成され、第１リッジストライプ４３Ａと第３リッジストライプ４３Ｃとの間の分離溝４４は、ポリイミドなどの絶縁物で埋め込まれた埋め込み絶縁層１１０となっている。
【００７１】
以上の構成により、本実施例の半導体レーザ素子１２０は、第１から第３のリッジストライプ４３Ａ〜Ｃに、それぞれ、インデックスガイド構造として形成され、実施形態例２で説明したように、第１導波路４２Ａ、第２導波路４２Ｂ、及び第３導波路４２Ｃの順で、発振波長が短くなる３個の導波路４２Ａ〜Ｃを有し、相互に異なる波長のレーザ光を各導波路４２Ａ〜Ｃを経由して出射する。
以上の構成により、本実施例の半導体レーザ素子１２０は、実施形態例２で説明した効果と同じ効果を奏する。
【００７２】
図１１を参照して、本実施例の半導体レーザ素子１２０の製造方法を説明する。図１１は、本実施例の半導体レーザ素子１２０用の基板の構成を示す斜視図である。
図１１に示すように、実施例１と同様にしてｎ型ＧａＡｓ基板８１をエッチングし、深さが２．７μｍ、幅が６２μｍで〔０１−１〕方向に延伸する凹溝３４を〔０−１−１〕方向に５００μｍ周期で形成した。
尚、図１１中に最終的に１つの半導体レーザ素子１２０を構成する領域をＺで示した。
【００７３】
次いで、凹溝３４を形成した基板８１上に、実施例１と同様にして、６９０℃の基板温度でＭＯＣＶＤ法により、実施例１と同じ半導体積層体８２を形成した。
以下、実施例１と同様にして、第１から第３リッジストライプ４３Ａ〜Ｃを形成し、ｎ型ＧａＡｓ埋め込み層１００によって第１から第３リッジストライプ４３Ａ〜Ｃのリッジ脇を埋め込み、続いて、ｐ側電極１０２、絶縁層１０６、埋め込み絶縁層１１０、及び引出し電極１０４を形成した。
次に、（０１−１）面で劈開し、（０−１−１）面で素子分離することにより、図９に示す半導体レーザ素子１２０を作製した。
以上のようにして、発振波長がそれぞれ異なる３つの導波路４２Ａ〜Ｃを備えた半導体レーザ素子１２０を一回の結晶成長で同一基板８１上に形成することができる。
【００７４】
実施例３
本実施例は、実施形態例３の具体例であって、図１２及び図１３は、それぞれ、実施例３の半導体レーザ素子の構成を示す斜視図、及び図１２の矢視ＩＩＩ　−ＩＩＩ　での断面図である。図１２及び図１３に示す部位のうち、図３及び図５から図７と同じ部位には同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施例の半導体レーザ素子１２２は、図１２に示すように、ステップ状構造として実施形態例３と同じ３本のリッジ５４Ａ〜Ｃを備えたｎ型ＧａＡｓ基板８１の傾斜面上に、実施例１と同じＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体層からなる半導体積層体８２（図７参照）を備えている。
本実施例では、実施形態例３で説明したように、３本の第１から第３リッジ５４Ａ〜Ｃが、ｎ型ＧａＡｓ基板８１上に、高さが２．７μｍ、幅が１００μｍ、周期が１５０μｍで、〔０１−１〕方向に形成されている。
【００７５】
図１３に示すように、第１から第３導波路６２Ａ〜Ｃをそれぞれ構成する幅が３μｍの第１から第３リッジストライプ６３Ａ〜Ｃが、実施例１と同様に、エッチングストップ層９４上のｐ型キャップ層９８及びｐ型クラッド層９６をエッチングすることにより、〔０１−１〕方向に形成されている。
第１リッジストライプ６３Ａが、第１リッジ５４Ａの一方の段差５８Ａから４μｍ離れた位置で、第２リッジストライプ６３Ｂが第２リッジ５４Ｂの一方の段差５８Ａから２４μｍ離れた位置で、第３リッジストライプ６３Ｃが第３リッジ５４Ｃの一方の段差５８Ａから４４μｍ離れた位置で、それぞれ、第１から第３リッジ５４Ａ〜Ｃ上に形成されている。
【００７６】
また、第１から第３リッジストライプ６３Ａ〜Ｃは、実施例１と同様に、ｎ型ＧａＡｓ埋め込み層１００で埋め込まれている。
更に、実施例１と同様に、各リッジストライプ６３Ａ〜Ｃの間には素子分離溝４４が形成され、第１リッジストライプ６３Ａと第２リッジストライプ６３Ｂとの間の分離溝４４は、ポリイミドなどの絶縁物で埋め込まれた埋め込み絶縁層１１０となっている。
【００７７】
以上の構成により、本実施例の半導体レーザ素子１２２は、第１から第３のリッジストライプ６３Ａ〜Ｃに、それぞれ、インデックスガイド構造として形成され、実施形態例３で説明したように、第１導波路６２Ａ、第２導波路６２Ｂ、及び第３導波路６２Ｃの順で、発振波長が短くなる３個の導波路６２Ａ〜Ｃを有し、相互に異なる波長のレーザ光を各導波路６２Ａ〜Ｃを経由して出射する。
以上の構成により、本実施例の半導体レーザ素子１２２は、実施形態例３で説明した効果と同じ効果を奏する。
【００７８】
図１４を参照して、本実施例の半導体レーザ素子の製造方法を説明する。図１４は、本実施例の半導体レーザ素子１２２を作製するための基板の構成を示す斜視図である。
図１４に示すように、実施例１と同様にしてｎ型ＧａＡｓ基板８１をエッチングし、深さが２．７μｍ、幅が１００μｍの〔０１−１〕方向に延伸するリッジ５４Ａ〜Ｃを〔０−１−１〕方向に１５０μｍ周期で形成した。
また、図１４中に最終的に１つの半導体レーザ素子１２２を構成する領域をＺで示した。
【００７９】
次いで、リッジ５４を形成した基板８１上に、実施例１と同様にして、６９０℃の基板温度でＭＯＣＶＤ法により、実施例１と同じ半導体積層体８２を形成した。
以下、実施例１と同様にして、第１から第３リッジストライプ６３Ａ〜Ｃを形成し、ｎ型ＧａＡｓ埋め込み層１００で第１から第３リッジストライプ６３Ａ〜Ｃのリッジ脇を埋め込み、続いて、ｐ側電極１０２、絶縁層１０６、埋め込み絶縁層１１０、及び引出し電極１０４を形成した。
次に、（０１−１）面で劈開し、（０−１−１）面で素子分離することにより、図１２に示す半導体レーザ素子１２２を作製した。
以上のようにして、発振波長がそれぞれ異なる３つの導波路６２Ａ〜Ｃを備えた半導体レーザ素子１２２を一回の結晶成長で同一基板８１上に形成することができる。
【００８０】
実施例４
本実施例は、実施形態例４の具体例であって、図１５は実施例３の図１３に対応した実施例４の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。図１５に示す部位のうち、図４及び図５から図７と同じ部位には同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施例の半導体レーザ素子１２４は、図１５に示すように、ステップ状構造として実施形態例４と同じ３本のリッジ７４Ａ〜Ｃを備えたｎ型ＧａＡｓ基板８１の傾斜面上に、実施例１と同じＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体層からなる半導体積層体８２（図７参照）を備えている。
本実施例では、実施形態例４で説明したように、リッジ幅が相互に異なる３本の第１から第３リッジ７４Ａ〜Ｃが、ｎ型ＧａＡｓ基板８１上に、高さが２．７μｍ、周期が１５０μｍで〔０１−１〕方向に形成されている。
リッジ幅は、第１リッジ７４Ａが２５μｍ、第２リッジ７４Ｂが３５μｍ、第３リッジ７４Ｃが１００μｍである。
【００８１】
第１から第３導波路７２Ａ〜Ｃをそれぞれ構成する幅が３μｍの第１から第３リッジストライプ７３Ａ〜Ｃが、実施例１と同様に、エッチングストップ層９４上のｐ型キャップ層９８及びｐ型クラッド層９６をエッチングすることにより、〔０１−１〕方向に形成されている。
図１５に示すように、第１から第３リッジストライプ７３Ａ〜Ｃが、それぞれ、第１リッジ７４Ａ上、第２リッジ７４Ｂ上、及び第３リッジ７４Ｃ上のほぼ中央に位置している。
これにより、第１導波路７２Ａは第１リッジ７４Ａの両側の段差５８からの距離が１２．５μｍ程度となり、第２導波路７２Ｂは第２リッジ７４Ｂの両側の段差５８からの距離が１７．５μｍとなり、第３導波路７４Ｃは第３リッジ７４Ｃの両側の段差５８からの距離が５０μｍ程度となる。
【００８２】
また、第１から第３リッジストライプ７３Ａ〜Ｃは、実施例１と同様に、ｎ型ＧａＡｓ埋め込み層１００で埋め込まれている。
更に、実施例１と同様に、各リッジストライプ７３の間には素子分離溝６４が形成され、第１リッジストライプ６３Ａと第２リッジストライプ６３Ｂとの間の分離溝６４は、ポリイミドなどの絶縁物で埋め込まれた埋め込み絶縁層１１０となっている。
【００８３】
以上の構成により、本実施例の半導体レーザ素子１２４は、第１から第３のリッジストライプ７３Ａ〜Ｃに、それぞれ、インデックスガイド構造として形成され、実施形態例４で説明したように、第１導波路７２Ａ、第２導波路７２Ｂ、及び第３導波路７２Ｃの順で、発振波長が短くなる３個の導波路７２Ａ〜Ｃを有し、相互に異なる波長のレーザ光を各導波路７２Ａ〜Ｃを経由して出射する、
以上の構成により、本実施例の半導体レーザ素子１２４は、実施形態例４で説明した効果と同じ効果を奏する。
【００８４】
本実施例の半導体レーザ素子１２４は、ｎ型ＧａＡｓ基板８１上にリッジ幅が相互に異なる３本の第１から第３リッジ７４Ａ〜Ｃを形成することを除いて、実施例３の半導体レーザ素子１２２と同様にして作製することができる。
【００８５】
実施例１から４では、リッジの高さ、又は凹溝の深さは２．７μｍであったが、これに限らず、０．４μｍ以上であれば、同様の効果が得られる。リッジの高さ、又は凹溝の深さが例えば４μｍであっても、同様の効果が得られる。
また、実施例１から４では、ｐ型リッジのリッジ脇をｎ型ＧａＡｓ埋め込み層で埋め込んだインデックスガイド構造の半導体レーザ素子を例にして第１の発明を説明したが、第１の発明を適用できるレーザ構造は、この限りではなく、例えばゲインガイド型半導体レーザ素子、バルセーション型半導体レーザ素子等に適用できる。
【００８６】
また、凹溝又はリッジ構造の形成では、ウェットエッチング法に限らず、凹溝又はリッジ構造を形成できる限り、形成方法には制約は無く、例えばＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いても良い。
また、ウェットエッチング法で使用するエッチャントの種類についても、凹溝又はリッジ構造を形成できる限り、制約は無い。
また、凹溝又はリッジ構造を形成する際、凹溝の溝側壁又はリッジの側壁の傾斜角度も、実施例１から４の図面で図示した傾斜に限ることはない。凹溝は、例えば図１６（ａ）に示すように、凹溝の開口幅よりも凹溝底面の幅が広いような、傾斜角度９０度以上の傾斜面を溝壁として有する凹溝でも良い。また、リッジ構造は、同様に、図１６（ｂ）に示すように、傾斜角度９０度以上の傾斜面をリッジ壁として有するリッジ構造でも良い。
【００８７】
また、実施例１から４では、活性層８８を多重量子井戸層としたが、バルク活性層でも良く、また多重量子井戸層を歪超格子層としても良い。歪は圧縮歪であっても、引っ張り歪であっても、歪補償した歪超格子層としても良い。
また、半導体積層体８２の成長温度を６９０℃としたが、６９０℃未満の低温でも６９０℃を超える高温でも良く、例えば６４０℃から７３０℃の範囲の成長温度で、実施例と同様の効果を得ることができる。
【００８８】
実験例１
ステップ状構造の段差と導波路との距離が様々な導波路を有する実施例１から３の半導体レーザ素子８０、１２０、１２２を試料として作製し、導波路のバンドギャップに相当するフォトルミネッセンス・スペクトルを測定し、図１７に測定結果を示した。
図１７は、ステップ状構造の段差からの導波路の距離とレーザ光の波長との関係を示すグラフであって、横軸にステップ状構造の段差からの導波路の距離を取り、その距離の導波路から出射されるレーザ光の波長を縦軸に取っている。
図１７から判るように、導波路とステップ状構造の段差との距離が短くなるにつれて、発光波長が長波長化しており、遠ざかるにつれて短波長化している。
また、図１７に示すように、ステップ状構造の段差から５０μｍ離れた領域では、発光波長が殆ど変化しなくなることから、同一基板上で異なる波長の光を発振する半導体レーザ素子を実現するためには、少なくとも１つの導波路をステップ状構造から５０μｍ以内の範囲に配置することが望ましい。
【００８９】
実験例２
リッジ幅が相互に異なり、かつ様々なリッジ幅を有するリッジを有する実施例４の半導体レーザ素子１２４を作製し、各リッジ上の導波路のバンドギャップに相当するフォトルミネッセンス・スペクトルを測定し、図１８に測定結果を示した。測定は、リッジの中央部において行った。
図１８は、リッジ幅とレーザ光の波長との関係を示すグラフであって、横軸にリッジ幅を取り、そのリッジ幅のリッジ上の導波路から出射されるレーザ光の波長を縦軸に取っている。
図１８から判るように、リッジ幅が広くなるにつれて、発光波長が短波長化していることが確認された。
図１８に示すように、リッジ幅が１００μｍを超えると、発光波長が殆ど変化しなくなることから、同一基板上で異なる波長のレーザ光を発振するレーザを実現するためには、少なくとも１つの導波路を幅１００μｍ以下のリッジ上に配することが望ましい。
【００９０】
実施例５
本実施例は、実施形態例５の具体例であって、実施形態例１と同じステップ状構造１４を備えたｎ型ＧａＮ基板上に、ＡｌＧａＩｎＮ系の化合物半導体層からなる半導体積層体を備えている。
本実施例の半導体レーザ素子の構成については、実施例１の半導体レーザ素子の構成を説明した段落〔００４６〕から段落〔００５０〕の記載で、実施例１の半導体レーザ素子の各要素を以下のように読み替えることにより、本実施例の半導体レーザ素子の構成を説明することができる。また、読み替えにより、図５を実施例５の半導体レーザ素子の構成を示す斜視図、図６を図５の線Ｉ−Ｉでの実施例５の半導体レーザ素子の断面図、及び図７を実施例５の第１導波路近傍の化合物半導体層の積層構造を示す断面拡大図とすることができる。
【００９１】
以下の読み替えでは、→の左側が実施例１の要素、→の右側がそれに対応する実施例５の要素である。基本的には、ＧａＡｓをＧａＮに読み替え、かつ、ＡｌＧａＩｎＰのＰをＮに読み替えて、ＡｌＧａＩｎＮにしている。
実施例１の半導体レーザ素子８０　→　実施例５の半導体レーザ素子８０
（１００）面より〔０−１−１〕方向に１０°傾斜した傾斜面に実施形態例１と同じステップ状構造１４を備えたｎ型ＧａＡｓ基板８１　→　（０００１）面からなる基板面上に実施形態例１と同じステップ状構造１４を備えたｎ型ＧａＮ基板８１
ＡｌＧａＩｎＰ系　→　ＡｌＧａＩｎＮ系
（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる膜厚が１．１μｍのｎ型クラッド層８４　→　（Ａ１０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｎからなる膜厚が１．１μｍのｎ型クラッド層８４
【００９２】
（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるガイド層８６　→　（Ａ１０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｎからなるガイド層８６
Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ／（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる多重量子井戸構造の活性層８８　→　Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｎ／（Ａ１０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｎからなる多重量子井戸構造の活性層８８
（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるガイド層９０　→　（Ａ１０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｎからなるガイド層９０
（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる膜厚０．３μｍのｐ型クラッド層９２　→　（Ａ１０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｎからなる膜厚０．３μｍのｐ型クラッド層９２
Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｐ型エッチングストップ層９４　→　Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｎからなるｐ型エッチングストップ層９４
（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる膜厚が１．１μｍのｐ型クラッド層９６　→　（Ａ１０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｎからなる膜厚が１．１μｍのｐ型クラッド層９６
ＧａＡｓからなる膜厚が０．３５μｍのｐ型キャップ層９８　→　ＧａＮからなる膜厚が０．３５μｍのｐ型キャップ層９８
【００９３】
実施例５の活性層８８は、膜厚が３．５ｎｍのＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ層と、膜厚が４．０ｎｍの（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層とから構成された実施例１の３周期の多重量子井戸構造に代えて、膜厚が３．５ｎｍのＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｎと膜厚が４．０ｎｍの（Ａ１０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｎとから構成された３周期の多重量子井戸構造として形成されている。
【００９４】
更に、実施例１の半導体レーザ素子の製造方法を説明した段落〔００５１〕から段落〔００５４〕の記載で、上述と同様に読み替えることにより、図８を参照して、本実施例の半導体レーザ素子の製造方法を説明することができる。
【００９５】
以下の実施例５の説明は、上述の読み替えを行ったものである。
本実施例の半導体レーザ素子８０は、図５に示すように、（０００１）面からなる基板面上に実施形態例１と同じステップ状構造１４を備えたｎ型ＧａＮ基板８１上に、ＡｌＧａＩｎＮ系の化合物半導体層からなる半導体積層体８２を備えている。
【００９６】
半導体積層体８２は、図７に示すように、ｎ型ＧａＮ基板８１上に、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｎからなる膜厚が１．１μｍのｎ型クラッド層８４、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｎからなるガイド層８６、Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｎ／（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｎからなる多重量子井戸構造の活性層８８、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｎからなるガイド層９０、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｎからなる膜厚０．３μｍのｐ型クラッド層９２、Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｎからなるｐ型エッチングストップ層９４、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｎからなる膜厚が１．１μｍのｐ型クラッド層９６、及び、ＧａＡｓからなる膜厚が０．３５μｍのｐ型キャップ層９８の積層構造として構成されている。
活性層８８は、膜厚が３．５ｎｍのＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｎ層と、膜厚が４．０ｎｍの（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｎ層とから構成された３周期の多重量子井戸構造として形成されている。
図７は第１リッジストライプ２３Ａ近傍の化合物半導体層の積層構造を示しているが、半導体積層体８２は他の領域でも同じ積層構造を備えている。
【００９７】
半導体積層体８２のうち、図６に示すように、エッチングストップ層９４をエッチング停止層として、ｐ型キャップ層９８及びｐ型クラッド層９６がエッチングされ、第１から第３導波路２２Ａ〜Ｃをそれぞれ構成する、幅が３μｍの第１から第３リッジストライプ２３Ａ〜Ｃが、ステップ状構造１４の高領域１６上に〔０１−１〕方向に形成されている。
第１リッジストライプ２３Ａと段差１８との距離は４μｍ、第２リッジストライプ２３Ｂと段差１８との距離は３４μｍ、第３リッジストライプ２３Ｃと段差１８との距離は１０４μｍである。
【００９８】
各リッジストライプ２３Ａ〜Ｃは、各リッジストライプ２３上のｐ型キャップ層９８を除いて、リッジ脇がＧａＡｓ層からなるｎ型埋め込み層１００で埋め込まれている。ｐ型キャップ層９８及びｐ型クラッド層９６とｎ型埋め込み層１００とのｐｎ接合分離により電流狭窄構造が構成されている。
更に、各リッジストライプ２３のｐ型キャップ層９８にそれぞれ接続するように、ｐ型キャップ層９８及びｎ型埋め込み層１００上に、相互に独立のｐ側電極１０２が形成されている。
また、第２リッジストライプ２３Ｂ上のｐ側電極１０２は、第３リッジストライプ２３Ｃ上を横切って延在する引出し電極１０４を介して接続されているので、第３リッジストライプ２３Ｃのｐ側電極１０２と引出し電極１０４との間には絶縁膜１０６が設けてある。
更に、ｎ型ＧａＡｓ基板８１の裏面には、図５に示すように、共通のｎ側電極１０８が形成されている。
各リッジストライプ２３Ａ〜Ｃの間には素子分離溝２４が形成され、第２リッジストライプ２３Ｂと第３リッジストライプ２３Ｃとの間の分離溝２４は、ポリイミドなどの絶縁物で埋め込まれた埋め込み絶縁層１１０となっている。
尚、図５では、第２リッジストライプ２３Ｂのｐ側電極１０２の引出し電極１０４が、便宜上、図６とは異なり、第１リッジストライプ２３Ａ上を横切って延びている。
【００９９】
本実施例の半導体レーザ素子８０は、第１から第３のリッジストライプ２３Ａ〜Ｃに、それぞれ、インデックスガイド構造として形成され、実施形態例１で説明したように、第１導波路２２Ａ、第２導波路２２Ｂ、及び第３導波路２２Ｃの順で発振波長が短くなる３個の導波路を有し、相互に異なる波長のレーザ光を各導波路２２Ａ〜Ｃを経由して出射する。
以上の構成により、本実施例の半導体レーザ素子８０は、実施形態例１で説明した効果と同じ効果を奏する。
【０１００】
図８を参照して、本実施例の半導体レーザ素子８０の製造方法を説明する。図８は、本実施例の半導体レーザ素子８０用の基板の構成を示す斜視図である。
図８に示すように、フォトリソグラフィ及びＨ２　ＳＯ４　、Ｈ２　Ｏ２　及びＨ２　Ｏからなるの混合エッチャントによるウエットエッチング法により、（０００１）面を基板面とするｎ型ＧａＮ基板８１をエッチングして、深さが２．７μｍ、幅が２００μｍで〔０１−１〕方向に延在し、溝壁として段差１８を両側に有する凹溝１１２を〔０−１−１〕方向に８００μｍ周期で形成した。
尚、図８には、最終的に１つの半導体レーザ素子８０を構成する基板領域をＺで示した。
【０１０１】
次いで、凹溝１１２を形成した基板８１上に、基板温度を６９０℃としてＭＯＣＶＤ法により、図７に示すように、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｎからなる膜厚が１．１μｍのｎ型クラッド層８４、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｎからなるガイド層８６、Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｎ／（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｎからなる多重量子井戸構造の活性層８８、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｎからなるガイド層９０、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｎからなる膜厚０．３μｍのｐ型クラッド層９２、Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｎからなるｐ型エッチングストップ層９４、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｎからなる膜厚が１．１μｍのｐ型クラッド層９６、及び、ＧａＡｓからなる膜厚が０．３５μｍのｐ型キャップ層９８を、順次、積層して、半導体積層体８２を形成した。
【０１０２】
次に、エッチングストップ層９４をエッチング停止層として、フォトリソグラフィとウエットエッチング法によって、図６に示すように、〔０１−１〕方向に延びる幅３μｍの第１から第３リッジストライプ２３Ａ〜Ｃを凹溝１１２の段差１８からそれぞれ４μｍ、３４μｍ、及び１０４μｍ離して形成した。
次いで、絶縁膜によるマスキングとＭＯＣＶＤ法によって、第１から第３リッジストライプ２３Ａ〜Ｃ上のｐ型キャップ層９８を除く領域に、ｎ型ＧａＡｓ埋め込み層１００を成膜し、第１から第３リッジストライプ２３Ａ〜Ｃのリッジ脇を埋め込んだ。
続いて、フォトリソグラフィ及びＨ２ＳＯ４、Ｈ２Ｏ２及びＨ２Ｏの混合エッチャントによるウエットエッチング法によりエッチングして、第１リッジストライプ２３Ａと第２リッジストライプ２３Ｂとの間、及び第２リッジストライプ２３Ｂと第３リッジストライプ２３Ｃとの間に、それぞれ、幅１０μｍでｎ型ＧａＡｓ基板８１まで達する素子分離溝２４を形成した。
分離溝２４の形成では、ＨＣｌ及びＨ２Ｏをエッチャントとするウエットエッチング、或いはＲＩＥなどを用いても良い。
【０１０３】
次に、ｐ型キャップ層９８及びｎ型埋め込み層１００上に、第１から第３リッジストライプ２３Ａ〜Ｃのｐ型キャップ層１０にそれぞれ接続するように、ｐ側電極１０２を形成した。
次いで、マスキングにより部分的に第３リッジストライプ２３Ｃのｐ側電極１０２上に、ＳｉＯ２やＳｉＮなどからなる絶縁層１０６を形成し、続いてポリイミドなどにより分離溝２４を埋め込んで埋め込み絶縁層１１０を形成した。更に、引出し電極１０４を形成して、第２リッジストライプ２３Ｂのｐ側電極１０２に対する２層配線を形成した。
また、ｎ型ＧａＡｓ基板８１の裏面を研磨して所定の基板厚に調整した後、ｎ側電極１０８を形成した。
最後に、（０１−１）面で劈開し、（０−１−１）面で素子分離することにより、図５に示す半導体レーザ素子８０を作製した。
以上のようにして、発振波長がそれぞれ異なる３つの導波路２２Ａ〜Ｃを備えたＡｌＧａＩｎＮ系半導体レーザ素子８０を一回の結晶成長で同じ基板８１上に形成することができる。
【０１０４】
実施例２から実施例４の読み替え
実施例５で説明した読み替えを同様に行うことにより、第１の発明及び第１の発明方法を具体的に説明する実施例２から実施例４を、第２の発明及び第２の発明方法の実施例、つまり実施例６から８としてそれぞれ読み替えることができる。また、読み替えを行うことにより、実施例２から実施例４で参照した図９から図１５をそのまま実施例６から８の図面として参照することができる。
【０１０５】
実施例５から実施例８では、基板としてｎ型ＧａＮ基板を使用しているが、ｎ型ＧａＮ基板に限らず、例えばサファイア基板或いはサファイア基板上にＧａＮ層を積層してなる基板を使用することができる。
ＧａＮ基板を使用した実施例５から実施例８では、ｎ側電極１０８をｎ側ＧａＮ基板８１の裏面に設けていたが、サファイア基板或いはサファイア基板上にＧａＮ層を積層してなる基板を基板として使用するときには、サファイア基板が導電性を有しないので、基板とｎ型クラッド層８４との間に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層からなるコンタクト層を設け、かつそのコンタクト層を一部露出させ、露出面にｎ側電極を設ける。各導波路のｎ側電極は、共通の引出し電極により外部に接続する。
【０１０６】
【発明の効果】
第１の発明によれば、段差の付いたステップ状構造を傾斜面に有する基板上に半導体積層体を形成し、ステップ状構造の段差と導波路との距離を変えて導波路のＩｎ及びＰを含む活性層中のＩｎ濃度を変化させることにより、複数本の導波路から相互に異なる波長の光を出射する半導体レーザ素子を実現している。
第１の発明によれば、一回の結晶成長で半導体積層体を形成することが可能であり、表面モフォロジーも良く、さらに各導波路における結晶成長速度がステップ状構造からの距離に殆ど依存しないことから、設計および作製が容易になる。第１の発明方法は、第１の発明に係る半導体レーザ素子を作製できる好適な方法を実現している。
【０１０７】
第２の発明によれば、段差の付いたステップ状構造を有する基板上に半導体積層体を形成し、ステップ状構造の段差と導波路との距離を変えて導波路のＩｎ及びＮを含む活性層中のＩｎ濃度を変化させることにより、複数本の導波路から相互に異なる波長の光を出射する半導体レーザ素子を実現している。
第２の発明によれば、一回の結晶成長で半導体積層体を形成することが可能であり、表面モフォロジーも良く、さらに各導波路における結晶成長速度がステップ状構造からの距離に殆ど依存しないことから、設計および作製が容易になる。第２の発明方法は、第２の発明に係る半導体レーザ素子を作製できる好適な方法を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は実施形態例１の半導体レーザ素子のレイアウトを示す上面図、及び図１（ｂ）はステップ状構造の形状、並びにステップ状構造上の導波路及び分離溝の位置を示す模式的側面図である。
【図２】図２（ａ）は実施形態例２の半導体レーザ素子のレイアウトを示す上面図、及び図２（ｂ）は凹溝の形状、並びに凹溝に対する導波路及び分離溝の位置を示す模式的側面図である。
【図３】図３（ａ）は実施形態例３の半導体レーザ素子のレイアウトを示す上面図、及び図３（ｂ）はリッジの形状、並びにリッジに対する導波路及び分離溝の位置を示す模式的側面図である。
【図４】図４（ａ）は実施形態例４の半導体レーザ素子のレイアウトを示す上面図、及び図４（ｂ）はリッジの形状、並びにリッジに対する導波路及び分離溝の位置を示す模式的側面図である。
【図５】実施例１の半導体レーザ素子の構成を示す斜視図である。
【図６】実施例１の半導体レーザ素子の構成を示す、図５の線Ｉ−Ｉでの断面図である。
【図７】実施例１の半導体レーザ素子の第１導波路近傍の化合物半導体層の積層構造を示す断面拡大図である。
【図８】実施例１の半導体レーザ素子用の基板の構成を示す斜視図である。
【図９】実施例２の半導体レーザ素子の構成を示す斜視図である。
【図１０】実施例２の半導体レーザ素子の構成を示す、図９の線ＩＩ−ＩＩでの断面図である。
【図１１】実施例２の半導体レーザ素子用の基板の構成を示す斜視図である。
【図１２】実施例３の半導体レーザ素子の構成を示す斜視図である。
【図１３】実施例３の半導体レーザ素子の構成を示す、図１２の矢視ＩＩＩ　−ＩＩＩ　での断面図である。
【図１４】実施例３の半導体レーザ素子用の基板の構成を示す斜視図である。
【図１５】実施例４の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図１６】図１６（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、実施例とは異なる凹溝の形状、及びリッジの形状を示す模式的断面図である。
【図１７】ステップ状構造の段差からの導波路の距離とレーザ光の波長との関係を示すグラフである。
【図１８】リッジ幅とレーザ光の波長との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０……実施形態例１の半導体レーザ素子、１２……ｎ型ＧａＡｓ基板、１４……ステップ状構造、１６……高領域１８……段差、２０……低領域、２２……導波路、２４……分離溝、３０……実施形態例２の半導体レーザ素子、３４……凹溝、３６……高領域、３８……段差、４０……低領域、４２……導波路、４４……分離溝、５０……実施形態例の半導体レーザ素子、５４……リッジ、５６……高領域、５８……段差、６０……低領域、６２……導波路、６４……分離溝、７０……実施形態例４の半導体レーザ素子、７２……リッジ、７４……導波路、８０……実施例１の半導体レーザ素子、８１……ｎ型ＧａＡｓ基板、８２……半導体積層体、８４……ｎ型クラッド層、８６……ガイド層、８８……活性層、９０……ガイド層、９２……ｐ型クラッド層、９４……ｐ型エッチングストップ層、９６……ｐ型クラッド層、９８……ｐ型キャップ層、１００……ｎ型埋め込み層、２３Ａ〜Ｃ……第１から第３リッジストライプ、１０２……ｐ側電極、１０４……引出し電極、１０６……絶縁膜、１０８……ｎ側電極、１１０……埋め込み絶縁層、１１２……凹溝、１２０……実施例２の半導体レーザ素子、４３Ａ〜Ｃ……第１から第３リッジストライプ、１２２……実施例３の半導体レーザ素子、６３Ａ〜Ｃ……第１から第３リッジストライプ、１２４……実施例４の半導体レーザ素子、７３Ａ〜Ｃ……第１から第３リッジストライプ。
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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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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