(57)【要約】【課題】  光放出面から効率良く光を放出可能な面発光型半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】  一実施の形態の面発光型半導体レーザ素子の二次元回折格子層は、基板の主面が延びる方向に沿って設けられており、活性層において発生されるべき光の波長を規定する。二次元回折格子層は、第１の屈折率を有する媒質内に、二次元回折格子を構成するように設けられた第２の屈折率を有する複数の部分を有している。複数の部分はそれぞれ、基板の主面が延びる方向に沿う断面の断面積が、基板の主面の側から光放出面の側に向けて小さくなるように設けられており、且つ、光放出面に直交する方向に対して、傾斜する方向に延びている。【選択図】  図１
2007165542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の主面上において当該主面に交差する方向へ順に設けられた第１導電型のクラッド層及び第２導電型のクラッド層と、
前記第１導電型のクラッド層と前記第２導電型のクラッド層の間に設けられた活性層と、
前記基板の主面に対向しており、前記活性層において発生された光が放出される光放出面と、
前記基板の主面が延びる方向に沿って設けられており、前記活性層において発生されるべき光の波長を規定する二次元回折格子層と、
を備え、
前記二次元回折格子層は、第１の屈折率を有する媒質内に、二次元回折格子を構成するように設けられた第２の屈折率を有する複数の部分を有しており、
前記複数の部分はそれぞれ、前記基板の主面が延びる方向に沿う断面の断面積が、前記基板の主面の側から前記光放出面の側に向けて小さくなるように設けられており、且つ、前記光放出面に直交する方向に対して、傾斜する方向に延びている、
面発光型半導体レーザ素子。
【請求項２】
基板の主面上において当該主面に交差する方向へ順に設けられた第１導電型のクラッド層及び第２導電型のクラッド層と、
前記第１導電型のクラッド層と前記第２導電型のクラッド層の間に設けられた活性層と、
前記基板の主面に対向しており、前記活性層において発生された光が放出される光放出面と、
前記基板の主面が延びる方向に沿って設けられており前記第２導電型のクラッド層と前記活性層の間に設けられた二次元回折格子層であって、前記活性層において発生されるべき光の波長を規定する二次元回折格子層と、
を備え、
前記二次元回折格子層は、第１の屈折率を有する媒質内に、二次元回折格子を構成するように設けられた第２の屈折率を有する複数の部分を有しており、
前記複数の部分はそれぞれ、前記光放出面に直交する方向に対して、傾斜する方向に延びている、
面発光型半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記複数の部分それぞれの前記光放出面に直交する方向に対する傾斜角度が、２０度以下である、請求項１又は２に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記複数の部分それぞれの前記光放出面に直交する方向に対する傾斜角度が、１０度以下である、請求項１又は２に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光型半導体レーザ素子に関するものであり、より詳細には、発光すべき光の波長を規定する二次元回折格子を有する面発光型半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子には、面発光型のものがある。この種の半導体レーザ素子として、基板、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、二次元回折格子層、及び光放出面を有するものがある。この半導体レーザ素子では、基板の主面に対向する光放出面から、活性層で発生された光が放出される。この半導体レーザ素子の発振波長は、二次元回折格子層における回折格子の周期によって決定される。二次元回折格子層は、第１の屈折率の媒質中に周期的に設けられた複数の部分であって、第２の屈折率を有する複数の部分を有している。当該複数の部分はそれぞれ、光放出面に直交する方向に延びている。また、光放出面へ向かう光を増大させるために、当該複数の部分はそれぞれ、その断面積が光放出面に直交する方向において漸減するように設けられている。このような半導体レーザ素子は、例えば、特開２００３−２７３４５５号公報に開示されている。
【特許文献１】特開２００３−２７３４５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、二次元回折格子層を備える面発光型の半導体レーザ素子は、上述した半導体レーザ素子よりも効率的に、光放出面から光を放出可能であることが要請されている。
【０００４】
そこで、本発明は、光放出面から効率良く光を放出可能な面発光型半導体レーザ素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の面発光型半導体レーザ素子は、第１導電型のクラッド層、第２導電型のクラッド層、活性層、光放出面、及び二次元回折格子層を備えている。第１導電型のクラッド層、及び第２導電型のクラッド層は、基板の主面上において当該主面に交差する方向へ順に設けられている。活性層は、第１導電型のクラッド層と第２導電型のクラッド層の間に設けられている。光放出面は、基板の主面に対向しており、当該光放出面からは、活性層において発生された光が放出される。二次元回折格子層は、基板の主面が延びる方向に沿って設けられており、活性層において発生されるべき光の波長を規定する。二次元回折格子層は、第１の屈折率を有する媒質内に、二次元回折格子を構成するように設けられた第２の屈折率を有する複数の部分を有している。複数の部分はそれぞれ、基板の主面が延びる方向に沿う断面の断面積が基板の主面の側から光放出面の側に向けて小さくなるように設けられており、且つ、光放出面に直交する方向に対して傾斜する方向に延びている。
【０００６】
また、本発明の第２の面発光型の半導体レーザ素子は、第１導電型のクラッド層、第２導電型のクラッド層、活性層、光放出面、及び二次元回折格子層を備えている。第１導電型のクラッド層及び第２導電型のクラッド層は、基板の主面上において当該主面に交差する方向へ順に設けられている。活性層は、第１導電型のクラッド層と第２導電型のクラッド層の間に設けられている。光放出面は、基板の主面に対向しており、当該光放出面から活性層において発生された光が放出される。二次元回折格子層は、基板の主面が延びる方向に沿って設けられており、第２導電型のクラッド層と前記活性層の間に設けられている。二次元回折格子層は、活性層において発生されるべき光の波長を規定する。二次元回折格子層は、第１の屈折率を有する媒質内に、二次元回折格子を構成するように設けられた第２の屈折率を有する複数の部分を有している。複数の部分はそれぞれ、光放出面に直交する方向に対して傾斜する方向に延びている。
【０００７】
第１及び第２の面発光型の半導体レーザ素子によれば、活性層において発生された光のうち光放出面の側に向かう光を、基板の主面の側に向かう光に対して、増加させることができる。
【０００８】
第１及び第２の面発光型の半導体レーザ素子においては、複数の部分それぞれの光放出面に直交する方向に対する傾斜角度が、２０度（ｄｅｇ．）以下であることが好適である。より好適には、当該傾斜角度が、１０度（ｄｅｇ．）以下である。かかる構成によれば、閾値利得の増加を抑えつつ、活性層において発生された光のうち光放出面の側に向かう光を、基板の主面の側に向かう光に対して、増加させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光放出面から効率良く光を放出可能な面発光型半導体レーザ素子が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００１１】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子を一部破断して示す斜視図である。図１に示す面発光型半導体レーザ素子１０は、基板１２、第１導電型のクラッド層１４、活性層１６、第２導電型のクラッド層１８、二次元回折格子層２０、第１の電極２２、及び第２の電極２４を備えている。
【００１２】
基板１２は、第１導電型（例えば、ｎ型）の不純物が高濃度にドーピングされた基板である。基板１２は、例えば、ＧａＮから構成される。基板１２は、一方の主面１２ａと、当該一方の主面１２ａに対向する他方の主面を有している。他方の主面には、その略全体に亘って、第１の電極２２が設けられている。第１の電極２２は、例えば、他方の主面上から順にＴｉの膜及びＡｌの膜を設けることによって製造される。
【００１３】
基板１２の一方の主面１２ａ上には、当該主面１２ａに交差する積層方向において順に、第１導電型のクラッド層１４、活性層１６、二次元回折格子層２０、第２導電型のクラッド層１８、及び第２の電極２４が順に設けられている。
【００１４】
クラッド層１４は、基板１２の一方の主面１２ａ上に形成されている。クラッド層１４は、第１導電型（例えば、ｎ型）の不純物がドーピングされた半導体層である。クラッド層１４は、例えば、ＡｌＧａＮから構成される。
【００１５】
活性層１６は、クラッド層１４と第２導電型のクラッド層１８の間に設けられており、この例においては、クラッド層１４上に設けられている。活性層１６は、注入されるキャリアによって光を発生する。活性層１６は、例えば、ＩｎＧａＮ製である。
【００１６】
クラッド層１８は、第２導電型（例えば、ｐ型）の不純物がドーピングされた半導体層である。クラッド層１８は、例えば、ＡｌＧａＮから構成される。クラッド層１８の上面、即ち、活性層１６の側と反対側の面には、第２の電極２４が設けられている。
【００１７】
第２の電極２４は、この例においては、クラッド層１８の上面の一部に設けられている。具体的に、第２の電極２４は、クラッド層１８の上面の中央部において、楕円状に設けられている。この第２の電極２４は、例えば、クラッド層１８の上面から順に、Ｎｉの膜及びＡｕの膜を設けることによって製造される。なお、第２の電極２４は、クラッド層１８の上面の略全体に亘って設けられていてもよい。この場合には、第２の電極２４は、活性層１６で発生される光の波長に対して透明な電極とされる。
【００１８】
クラッド層１８の上面のうち、第２の電極２４が設けられておらず露出している領域は、半導体レーザ素子１０の光放出面１８ａになっている。この光放出面１８ａから出射される光の波長は、二次元回折格子層２０に形成された二次元回折格子によって規定される。
【００１９】
図２は、第２導電型のクラッド層１８及び第２の電極２４を取り除いた状態で、本実施の形態の半導体レーザ素子１０を示す斜視図である。図２に示すように、二次元回折格子層２０は、基板１２の主面１２ａが延びる方向に沿って設けられている。図２に示すように、この例の二次元回折格子層２０は、活性層１６とクラッド層１８の間に設けられている。なお、二次元回折格子層２０は、活性層１６とクラッド層１４の間に設けられていてもよい。
【００２０】
二次元回折格子層２０は、活性層１６において発生されるべき光の波長を規定する。そのために、二次元回折格子層２０は、第１の屈折率を有する媒質２０ａ内に、二次元回折格子を構成するように設けられた第２の屈折率を有する複数の部分２０ｂを有している。
【００２１】
媒質２０ａは、例えば、ＧａＮ半導体である。複数の部分２０ｂはそれぞれ、媒質２０ａよりも小さな屈折率を有する。即ち、第２の屈折率は、第１の屈折率よりも小さい。この例においては、複数の部分２０ｂは、媒質２０ａ内に設けられた孔（空気）とされている。
【００２２】
複数の部分２０ｂは、互いの間隔が一定の周期を有するように、設けられている。二次元回折格子の周期として複数の部分２０ｂの周期Λは、Λ＝ｍ（λ／２ｎｅ）：（ｍは整数）で表され、レーザ光を上面より出射させるために２次（ｍ＝２）の回折格子を用いている。ここで、λは光の波長、ｎｅは厚み方向の屈折率分布と光強度分布で決定される実効的な屈折率である。この例においては、図２に示すように、複数の部分２０ｂが、三角格子の格子点に配置されており、当該三角格子の格子点間の間隔が上記の周期に対応している。なお、複数の部分２０ｂは、互いの間隔が一定の周期になるように配置されていれば、正方格子の格子点に配置される等、種々の態様で配置されてもよい。また、複数の部分２０ｂは孔（空気）としているが、媒質２０ａよりも屈折率の小さい材料を用いてもよく、例えば、ＳｉＯ２等の誘電体を用いることができる。
【００２３】
図３は、図２に示すIII−III線に沿う断面図である。図３に示すように、複数の部分２０ｂはそれぞれ、基板１２の主面１２ａが延びる方向に沿う断面の断面積が、当該基板１２の主面１２ａの側から光放出面１８ａの側に向けて小さくなるように設けられている。なお、この例では、複数の部分２０ｂそれぞれの断面であって基板１２の主面１２ａが延びる方向に沿う断面がそれぞれ、円形をなしているが、楕円形、四角形等の種々の形状をなしていてもよい。
【００２４】
また、複数の部分２０ｂはそれぞれ、光放出面１８ａに直交する方向に対して、傾斜する方向に延びている。即ち、複数の部分２０ｂそれぞれの中心軸線Ｘは、光放出面１８ａに直交する方向Ｙに対して傾斜している。複数の部分２０ｂそれぞれの傾斜方向は、実質的に同方向である。
【００２５】
かかる面発光型半導体レーザ素子１０によれば、複数の部分２０ｂそれぞれの断面積が基板１２の主面１２ａの側から光放出面１８ａの側に近づくにつれて小さくなっており、更に、複数の部分２０ｂが上述の如く傾斜しているので、活性層１６から光放出面１８ａの側に向かう光が、活性層１６から基板１２の側に向かう光より多くなる。したがって、半導体レーザ素子１０は、光放出面から効率良く光を放出することが可能である。
【００２６】
［第２の実施の形態］
以下、本発明の第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子について説明する。第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子は、二次元回折格子層２０に代えて、二次元回折格子層３０を備えている。第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子のその他の構成は、第１の実施の形態の半導体レーザ素子と同じである。
【００２７】
図４は、第２の実施の形態における二次元回折格子層の断面図である。図４に示す断面図は、図３と同位置の断面を示している。図４に示す二次元回折格子層３０も、活性層１６において発生されるべき光の波長を規定する。そのために、二次元回折格子層３０は、第１の屈折率を有する媒質３０ａ内に、二次元回折格子を構成するように設けられた第２の屈折率を有する複数の部分３０ｂを有している。
【００２８】
媒質３０ａは、媒質２０ａと同様に、ＧａＮ製である。また、第２の屈折率は、第１の屈折率よりも小さく、この例においても、複数の部分３０ｂは、媒質３０ａ内に設けられた孔とされている。また、複数の部分３０ｂは、複数の部分２０ｂと同様に、互いの間隔が一定の周期となるように設けられている。
【００２９】
図４に示すように、複数の部分３０ｂはそれぞれ、基板１２の主面１２ａが延びる方向に沿う断面の断面積が当該基板１２の主面１２ａの側から光放出面１８ａの側において略一定となるように、設けられている。なお、この例においても、複数の部分３０ｂの断面はそれぞれ、円形をなしているが、楕円形、四角形等の種々の形状をなしていてもよい。
【００３０】
複数の部分３０ｂはそれぞれ、光放出面１８ａに直交する方向に対して、傾斜する方向に延びている。即ち、複数の部分３０ｂそれぞれの中心軸線Ｘは、光放出面１８ａに直交する方向Ｙに対して傾斜している。複数の部分３０ｂそれぞれの傾斜する方向は、実質的に同方向である。
【００３１】
かかる第２の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子では、二次元回折格子層３０が光放出面１８ａを有するクラッド層１８と活性層１６との間に設けられている。したがって、二次元回折格子層３０において、活性層１６から発生された光の強度は、光放出面１８ａに近づくにつれて弱まる。即ち、二次元回折格子層３０において、活性層１６の側から光放出面１８ａの側に近づくにつれて光の強度が弱くなる強度分布が生成される。故に、第２の実施の形態では複数の部分３０ｂそれぞれの断面形状が基板１２の主面１２ａの側から光放出面１８ａの側に向かう方向において略一定となっているが、断面積が基板１２の主面１２ａの側から光放出面１８ａの側に近づくにつれて小さくされた複数の部分２０ｂと同様の効果を得ることができる。
【００３２】
さらに、複数の部分３０ｂが上述の如く傾斜しているので、活性層１６から光放出面１８ａの側に向かう光が、活性層１６から基板１２の側に向かう光より多くなる。
【００３３】
なお、上述した第１の実施の形態及び第２の実施の形態それぞれの半導体レーザ素子では、複数の部分それぞれの傾斜角度が大きいほど、活性層から光放出面の側に向かう光の量を、活性層から基板の側に向かう光の量に対して、多くすることができる。しかしながら、傾斜角度が大きいほど、閾値利得が増大する。本発明者は、閾値利得を抑えつつ光放出面から効率的に光を出射可能な傾斜角度の範囲を調査した。この調査によれば、好適な傾斜角度は２０度（ｄｅｇ．）以下であり、より好適な傾斜角度は１０度（ｄｅｇ．）以下であった。
【００３４】
以下、上述した第１の実施の形態及び第２の実施の形態それぞれの半導体レーザ素子について実施したシミュレーション結果について説明する。
【００３５】
図５、図７、図９、及び図１１は、二次元回折格子層の複数の部分の傾斜角度と規格化上下光出力比との関係を示す図である。図６、図８、図１０、及び図１２は、二次元回折格子層の複数の部分の傾斜角度と規格化閾値利得との関係を示す図である。
【００３６】
図５、図７、図９、及び図１１における規格化上下光出力比は、以下のように定義される。即ち、活性層において発生された光のうち基板の側に向かう光に対する光放出面の側に向かう光の比が上下光出力比であり、傾斜角度が０度の場合の上下光出力比に対する各傾斜角度における上下光出力比の比が、規格化上下光出力比である。
【００３７】
また、図６、図８、図１０、及び図１２における規格化閾値利得は、以下のように定義される。即ち、傾斜角度が０度の場合の閾値利得に対する各傾斜角度における閾値利得の比が、規格化閾値利得である。
【００３８】
図５及び図６は、複数の部分の面積比を１．０とした場合の各特性を示している。面積比とは、複数の部分２０ｂの光放出面側の断面積に対する活性層側の断面積の比である。図７及び図８は面積比が２．０の場合の各特性を、図９及び図１０は面積比が３．０の場合の各特性を、図１１及び図１２は面積比が５．０の場合の各特性を、示している。
【００３９】
図５〜図１２に示す特性は、二次元回折格子層の厚さを１００ｎｍとし、複数の部分それぞれの断面形状を円形とし、二次元回折格子層の厚さ方向における複数の部分それぞれの中心を含む断面の面積が二次元回折格子における単位格子の面積の２０％を占めるものとして、得られたものである。
【００４０】
このシミュレーション結果によれば、図５、図７、図９、及び図１１に示すように、二次元回折格子層における複数の部分の傾斜角度が大きくなるにつれて、規格化上下光出力比が大きくなることが、明らかである。
【００４１】
しかしながら、図６、図８、図１０、及び図１２に示すように、傾斜角度が大きくなるにつれて、規格化閾値利得も大きくなる。したがって、面積比が２．０の場合を例にすると、規格化閾値利得を１０［ａ．ｕ．］以下とするためには傾斜角度を２０度（ｄｅｇ．）以下とする必要がある。また、規格化閾値利得を５［ａ．ｕ．］以下とするためには傾斜角度を１０度（ｄｅｇ．）以下とする必要がある。
【００４２】
図１３は、傾斜確度２０度における二次元回折格子層の複数の部分それぞれにおける面積比と規格化上下光出力比との関係を示す図である。図１４は、二次元回折格子層の複数の部分それぞれにおける面積比と閾値利得との関係を示す図である。図１３及び図１４も、上述した条件の二次元回折格子層を有する半導体レーザ素子のシミュレーションによって求められた特性を示している。図１３から、複数の部分それぞれの面積比が大きいほど規格化上下光出力比が大きくなることが、明らかである。また、複数の部分それぞれの面積比が大きいほど、閾値利得が小さくなることが明らかである。
【００４３】
以上のシミュレーション結果から明らかなように、第１の実施の形態及び第２の実施の形態それぞれの面発光型半導体レーザ素子は、効率良く光を放出することが可能である。また、閾値利得の増加を抑えつつ、活性層において発生された光のうち光放出面の側に向かう光を、基板の主面の側に向かう光に対して、増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子を一部破断して示す斜視図である。
【図２】図２は、第２導電型のクラッド層及び第２の電極を取り除いた状態で本実施の形態の半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図３】図３は、図２に示すIII−III線に沿う断面図である。
【図４】図４は、第２の実施の形態における二次元回折格子層の断面図である。
【図５】図５は、二次元回折格子層の複数の部分の傾斜角度と規格化上下光出力比との関係を示す図である。
【図６】図６は、二次元回折格子層の複数の部分の傾斜角度と規格化閾値利得との関係を示す図である。
【図７】図７は、二次元回折格子層の複数の部分の傾斜角度と規格化上下光出力比との関係を示す図である。
【図８】図８は、二次元回折格子層の複数の部分の傾斜角度と規格化閾値利得との関係を示す図である。
【図９】図９は、二次元回折格子層の複数の部分の傾斜角度と規格化上下光出力比との関係を示す図である。
【図１０】図１０は、二次元回折格子層の複数の部分の傾斜角度と規格化閾値利得との関係を示す図である。
【図１１】図１１は、二次元回折格子層の複数の部分の傾斜角度と規格化上下光出力比との関係を示す図である。
【図１２】図１２は、二次元回折格子層の複数の部分の傾斜角度と規格化閾値利得との関係を示す図である。
【図１３】図１３は、二次元回折格子層の複数の部分それぞれの面積比と規格化上下光出力比との関係を示す図である。
【図１４】図１４は、二次元回折格子層の複数の部分それぞれの面積比と閾値利得との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０…面発光型半導体レーザ素子、１２…基板、１２ａ…主面、１４…第１導電型のクラッド層、１６…活性層、１８…第２導電型のクラッド層、１８ａ…光放出面、２０…二次元回折格子層、２０ａ，３０ａ…媒質、２０ｂ，３０ｂ…複数の部分、２２…第１の電極、２４…第２の電極、３０…二次元回折格子層。
【図１】
2007165542.tif 000003
【図２】
2007165542.tif 000004
【図３】
2007165542.tif 000005
【図４】
2007165542.tif 000006
【図５】
2007165542.tif 000007
【図６】
2007165542.tif 000008
【図７】
2007165542.tif 000009
【図８】
2007165542.tif 000010
【図９】
2007165542.tif 000011
【図１０】
2007165542.tif 000012
【図１１】
2007165542.tif 000013
【図１２】
2007165542.tif 000014
【図１３】
2007165542.tif 000015
【図１４】
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