(57)【要約】  半導体レーザ素子（１）は、第１導電型の第１半導体層（２０）と、第１半導体層（２０）の上方に配置された活性層（３２）と、活性層（３２）の上方に配置された第２導電型の第２半導体層（４０）と、を備え、第１半導体層（２０）、活性層（３２）及び第２半導体層（４０）を含む積層構造体（９０）は、対向する一対の共振器端面（９５ｆ及び９５ｒ）と、一対の共振器端面（９５ｆ及び９５ｒ）の間に配置され、回折格子（７０）が形成された導波路（９０ａ）と、を有し、一対の共振器端面（９５ｆ及び９５ｒ）と直交する方向を導波路方向とすると、導波路方向における回折格子（７０）の充填率は、導波路方向及び積層構造体（９０）の積層方向と直交する方向の位置によって変化している。
2019146321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上方に配置された活性層と、
前記活性層の上方に配置された第２導電型の第２半導体層と、を備え、
前記第１半導体層、前記活性層及び前記第２半導体層を含む積層構造体は、対向する一対の共振器端面と、前記一対の共振器端面の間に配置され、回折格子が形成された導波路と、を有し、
前記一対の共振器端面と直交する方向を導波路方向とすると、
前記導波路方向における前記回折格子の充填率は、前記導波路方向及び前記積層構造体の積層方向と直交する方向の位置によって変化している
半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記回折格子は、前記導波路方向において周期的に断続する構造を有し、
前記導波路方向において前記回折格子が連続する長さは、前記導波路方向及び前記積層方向と直交する方向の位置によって変化している
請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記回折格子の周期は、前記導波路方向及び前記積層方向と直交する方向の位置によって変化している
請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記充填率は、前記導波路の前記導波路方向及び前記積層方向と直交する方向における中央において少なくとも一方の端部よりも大きい
請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記充填率は、前記導波路の前記導波路方向及び前記積層方向と直交する方向における中央において少なくとも一方の端部よりも小さい
請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記第２半導体層は、前記導波路方向に長手方向を持つリッジ部を備え、
前記充填率は、前記導波路方向及び前記積層方向と直交する方向において、前記リッジ部の下方領域では線形に変化し、前記リッジ部の下方領域よりも外側では指数関数的に変化する
請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記第１半導体層は、クラッド層であり、
前記回折格子は、前記第１半導体層の中に配置されている
請求項１〜６の何れか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記第１半導体層と前記活性層との間に配置されたガイド層を備え、
前記回折格子は、前記ガイド層の中に配置されている
請求項１〜６の何れか１項に記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、回折格子を有する半導体レーザ素子に関する。【０００２】
なお、本願は、平成28年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構  「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発／次々世代加工に向けた新規光源・要素技術開発／高効率加工用GaN系高出力・高ビーム品質半導体レーザーの開発」委託研究、産業技術力強化法第19条の適用を受ける特許出願である。
【背景技術】
【０００３】
近年、半導体レーザ素子は、ディスプレイやプロジェクタなどの画像表示装置の光源、車載ヘッドランプの光源、産業用照明や民生用照明の光源、又は、レーザ溶接装置や薄膜アニール装置、レーザ加工装置などの産業機器の光源など、様々な用途の光源として注目されている。また、上記用途の光源として用いられる半導体レーザ素子には、光出力が１ワットを大きく超える高出力化及び高いビーム品質が望まれている。【０００４】
半導体レーザ素子の高出力化の手法として、幅の広い導波路を複数並列に配列することによってアレイを形成とする手法が広く利用されている。アレイ型の半導体レーザ素子においては、発光部が複数形成されるので、光学系を用いて１箇所に集光して使用する。特に互いに異なる発光波長の複数のレーザ光を所定の光軸上に精度良く合成するには、個々のレーザ光の発振波長制御が重要である。発振波長を精密に制御できる構造として、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザ素子、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザ素子などが用いられる。【０００５】
高ビーム品質を実現するには、半導体レーザ素子において基本横モードで発振することが望ましい。しかし、高出力化のためには、導波路幅は広い方が有利であるため、光出力が１ワットを超えるような高出力レーザ光の横モードは高次モードを含むマルチモードであることが多い。このようなビーム品質と出力とのトレードオフを解決する手法として、横モードに利得差を設けることで、基本横モードを選択的に発振させる方法が提案されている（特許文献１）。【０００６】
特許文献１に、従来のＤＦＢレーザ素子が開示されている。図２２は、特許文献１に開示された従来のＤＦＢレーザ素子の構成を示す斜視図である。【０００７】
図２２に示す従来の半導体レーザ素子は、横方向に屈折率を変化させた多モードの導波路９３１を持ち、かつ、ガイド層９１３に形成された回折格子９３２による光帰還を利用したＤＦＢ型の半導体レーザ素子である。図２２に示す半導体レーザ素子においては、選択した横モードの光強度が最大となる部分にのみ回折格子を設けることにより、選択した横モードの光帰還量を他のモードより大きくし、選択した横モードのみを発振させようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平６−３１０８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、光強度が最大となる部分にのみ回折格子を配置すると、回折格子の横方向の端部における光強度が大きいため、当該端部における光散乱に起因する半導体レーザ素子の電力光変換効率低下が顕著となる。【００１０】
本開示は、ビーム品質が良好で、かつ、電力光変換効率の低下を抑えられるＤＦＢ型の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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様は、第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層の上方に配置された活性層と、前記活性層の上方に配置された第２導電型の第２半導体層と、を備え、前記第１半導体層、前記活性層及び前記第２半導体層を含む積層構造体は、対向する一対の共振器端面と、前記一対の共振器端面の間に配置され、回折格子が形成された導波路と、を有し、前記一対の共振器端面と直交する方向を導波路方向とすると、前記導波路方向における前記回折格子の充填率は、前記導波路方向及び前記積層構造体の積層方向と直交する方向の位置によって変化している。【００１２】
このように、回折格子の充填率を導波路方向及び積層方向と直交する方向の位置によって変化させることによって、所望の光帰還量分布を得られる。したがって、回折格子の充填率を適切に調整することにより、回折格子に起因する光散乱を抑制し、かつ、光帰還量分布に対応する所望の横モードを選択的に発振させることができる。したがって、ビーム品質が良好で、かつ、電力光変換効率の低下を抑えられるＤＦＢ型の半導体レーザ素子を実現できる。【００１３】
また、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記回折格子は、前記導波路方向において周期的に断続する構造を有し、前記導波路方向において前記回折格子が連続する長さは、前記導波路方向及び前記積層方向と直交する方向の位置によって変化していてもよい。【００１４】
このように、回折格子が、導波路方向において周期的に断続する構造を有する場合、回折格子の充填率は、回折格子の周期と回折格子が連続する長さとを用いて定義される。このため、例えば、回折格子の周期を一定とする場合、導波路方向において回折格子が連続する長さを、導波路方向及び積層方向と直交する方向の位置によって変化させることで、導波路方向及び積層方向に直交する方向における位置によって充填率が変化する回折格子を有する半導体レーザ素子を実現できる。【００１５】
また、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記回折格子の周期は、前記導波路方向及び前記積層方向と直交する方向の位置によって変化していてもよい。【００１６】
このような構成により、例えば、導波路方向において回折格子が連続する長さを一定とすることで、導波路方向及び積層方向に直交する方向における位置によって充填率が変化する回折格子を有する半導体レーザ素子を実現できる。【００１７】
また、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記充填率は、前記導波路の前記導波路方向及び前記積層方向と直交する方向における中央において少なくとも一方の端部よりも大きくてもよい。【００１８】
これにより、例えば、回折格子の充填率を０．５以下とする場合、回折格子による導波路方向及び積層方向と直交する方向の中央における光帰還量を、当該直交する方向の端部における光帰還量より大きくすることが可能となる。したがって、当該直交する方向の中央において端部より電界強度が大きい基本横モードの光帰還量を選択的に高められるため、基本横モードの発振を促すことができる。【００１９】
また、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記充填率は、前記導波路の前記導波路方向及び前記積層方向と直交する方向における中央において少なくとも一方の端部よりも小さくてもよい。【００２０】
これにより、例えば、回折格子の充填率を０．５以上とする場合、回折格子による導波路方向及び積層方向と直交する方向の中央における光帰還量を、当該直交する方向の端部における光帰還量より大きくすることが可能となる。したがって、当該直交する方向の中央において端部より電界強度が大きい基本横モードの光帰還量を選択的に高められるため、基本横モードの発振を促すことができる。【００２１】
また、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記第２半導体層は、前記導波路方向に長手方向を持つリッジ部を備え、前記充填率は、前記導波路方向及び前記積層方向と直交する方向において、前記リッジ部の下方領域では線形に変化し、前記リッジ部の下方領域よりも外側では指数関数的に変化してもよい。【００２２】
これにより、導波路内外ともに、基本横モードの電界強度分布と光帰還量とを一致させることができるため、回折格子による基本横モードの選択性をさらに向上できる。【００２３】
また、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記第１半導体層は、クラッド層であり、前記回折格子は、前記第１半導体層の中に配置されていてもよい。【００２４】
これにより、回折格子を配置するための層を別途設けることなく、回折格子を積層構造体に形成できる。【００２５】
また、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様は、前記第１半導体層と前記活性層との間に配置されたガイド層を備え、前記回折格子は、前記ガイド層の中に配置されていてもよい。【００２６】
これにより、回折格子を配置するための層を別途設けることなく、回折格子を積層構造体に形成できる。
【発明の効果】
【００２７】
ビーム品質が良好で、かつ、電力光変換効率の低下を抑えることができるＤＦＢ型の半導体レーザ素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１Ａ】図１Ａは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の構成を示す模式的な上面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の構成を示す模式的な断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法における第１工程を示す模式的な断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法における第２工程を示す模式的な断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法における第２工程を示す上面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法における第３工程を示す模式的な断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法における第４工程を示す模式的な断面図である。
【図２Ｆ】図２Ｆは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法における第５工程を示す模式的な断面図である。
【図２Ｇ】図２Ｇは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法における第６工程を示す模式的な断面図である。
【図２Ｈ】図２Ｈは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法における第７工程を示す模式的な断面図である。
【図２Ｉ】図２Ｉは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法における第８工程を示す模式的な断面図である。
【図２Ｊ】図２Ｊは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法における第９工程を示す模式的な断面図である。
【図２Ｋ】図２Ｋは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法における第１０工程を示す模式的な断面図である。
【図２Ｌ】図２Ｌは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法における第１１工程を示す模式的な断面図である。
【図２Ｍ】図２Ｍは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法における第１２工程を示す模式的な断面図である。
【図３】図３は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の横モードの電界分布について説明する図である。
【図４Ａ】図４Ａは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の回折格子の充填率ｆが０．５である場合の回折格子の構成を示す模式的な断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の回折格子の充填率ｆが０．２５である場合の回折格子の構成を示す模式的な断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、実施の形態１に係る回折格子の充填率ｆと、回折格子による光帰還量との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の導波路方向及び積層方向と直交する方向の位置と回折格子の充填率との関係を示す図である。
【図６】図６は、実施の形態１に係る光帰還量及びレーザ光の電界強度分布と、導波路方向及び積層方向と垂直な方向の位置との関係を示すグラフである。
【図７】図７は、実施の形態１に係る回折格子の形状を示す上面図である。
【図８】図８は、実施の形態１の変形例に係る回折格子の形状を示す上面図である。
【図９】図９は、実施の形態２に係る半導体レーザ素子の構成を示す模式的な断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子の製造方法における第１工程を示す模式的な断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子の製造方法における第２工程を示す模式的な断面図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子の製造方法における第３工程を示す模式的な断面図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子の製造方法における第４工程を示す模式的な断面図である。
【図１１】図１１は、実施の形態２に係る半導体レーザ素子の導波路方向及び積層方向と直交する方向の位置と回折格子の充填率と関係を示す図である。
【図１２】図１２は、実施の形態２に係る半導体レーザ素子におけるレーザ光の電界強度分布と、回折格子による光帰還量分布と、を示すグラフである。
【図１３】図１３は、実施の形態２に係る回折格子の形状を示す上面図である。
【図１４】図１４は、実施の形態３に係る半導体レーザ素子の導波路方向及び積層方向と直交する方向の位置と回折格子の充填率と関係を示す図である。
【図１５】図１５は、実施の形態３に係る半導体レーザ素子におけるレーザ光の電界強度分布と、回折格子による光帰還量分布と、を示すグラフである。
【図１６】図１６は、実施の形態３に係る回折格子の形状を示す上面図である。
【図１７】図１７は、実施の形態３の変形例に係る回折格子の形状を示す上面図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、実施の形態４に係る回折格子の導波路方向及び積層方向と直交する方向の位置と、回折格子の充填率との関係を示すグラフである。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、実施の形態４に係る回折格子の形状を示す上面図である。
【図１９】図１９は、実施の形態５に係る回折格子の形状を示す上面図である。
【図２０】図２０は、実施の形態５に係る回折格子の周期に対する光帰還量の関係を示した図である。
【図２１】図２１は、５次の回折格子を用いた場合の、充填率と光帰還量との関係の計算結果を示す図である。
【図２２】図２２は、特許文献１に開示された従来の半導体レーザ素子の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の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、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、ステップ（工程）及びステップの順序などは、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。
【００３０】
各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺などは必ずしも一致していない。各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
【００３１】
また、本明細書及び図面において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、三次元直交座標系の三軸を表している。Ｘ軸及びＹ軸は、互いに直交し、且つ、いずれもＺ軸に直交する軸である。
【００３２】
また、本明細書において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」及び「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔をあけて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに接する状態で配置される場合にも適用される。
【００３３】
（実施の形態１）
［半導体レーザ素子の構成］
まず、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１の構成について、図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明する。図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ本実施の形態に係る半導体レーザ素子１の構成を示す模式的な上面図及び断面図である。図１Ｂには、図１ＡのＩＢ−ＩＢ線における半導体レーザ素子１の断面が示されている。
【００３４】
図１Ａ及び図１Ｂに示される半導体レーザ素子１は、回折格子７０が形成されたＤＦＢレーザ素子である。本実施の形態では、半導体レーザ素子１は、主に窒化物半導体で構成される。図１Ｂに示すように、半導体レーザ素子１は、基板１０と、第１半導体層２０と、発光層３０と、第２半導体層４０と、電極部材５０と、誘電体層６０と、回折格子７０と、ｎ側電極８０と、を備える。発光層３０は、ｎ側光ガイド層３１と、活性層３２と、ｐ側光ガイド層３３と、を含む。第２半導体層４０は、電子障壁層４１と、ｐ側クラッド層４２と、ｐ側コンタクト層４３と、を含む。図１Ｂに示すように、半導体レーザ素子１は、第１半導体層２０、活性層３２及び第２半導体層４０を含む積層構造体９０を備える。図１Ａに示すように、積層構造体９０は、対向する一対の共振器端面９５ｆ及び９５ｒと、一対の共振器端面９５ｆ及び９５ｒの間に配置され、回折格子７０が形成された導波路９０ａと、を有する。一対の共振器端面９５ｆ及び９５ｒは、積層構造体９０の積層方向と垂直な方向の端部に配置されている。
【００３５】
第２半導体層４０は、一対の共振器端面９５ｆ及び９５ｒと直交する方向を導波路方向（つまり、レーザ共振器方向、又は、図１ＢのＺ軸方向）とすると、導波路方向に延在するストライプ状（つまり、リッジ状）の凸部からなるリッジ部４０ａと、リッジ部４０ａの根元から導波路方向及び積層構造体９０の積層方向（つまりＹ軸方向）と直交する方向（つまりＸ軸方向）に広がる平坦部４０ｂと、を有する。
【００３６】
リッジ部４０ａの幅及び高さは、特に限定されないが、一例として、リッジ部４０ａの幅（ストライプ幅）は１μｍ以上１００μｍ以下で、リッジ部４０ａの高さは１００ｎｍ以上１μｍ以下である。半導体レーザ素子１を高い光出力（例えばワットクラス）で動作させるには、リッジ部４０ａの幅を１０μｍ以上５０μｍ以下とし、リッジ部４０ａ高さを３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下にするとよい。本実施の形態では、幅１０μｍ、高さ５００ｎｍである。
【００３７】
基板１０は、例えば、ＧａＮ基板である。本実施の形態では、基板１０として、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板を用いている。
【００３８】
第１半導体層２０は、図１Ｂに示すように、基板１０の上方に配置されている。第１半導体層２０は、第１導電型の半導体層であり、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ側クラッド層である。
【００３９】
本実施の形態では、クラッド層である第１半導体層２０の中に回折格子７０が配置されている。回折格子７０は、第１半導体層２０と屈折率が異なる材料で構成されている。回折格子７０を形成する材料は、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＡｌＮなどからなる誘電体膜、ＧａＮ、ＩｎＧａＮなどからなる半導体、又は、空気などである。回折格子７０による光帰還量は、第１半導体層２０と回折格子７０との屈折率差が大きいほど大きくなる。そこで、本実施の形態では、光帰還量を増大させるために、屈折率が最も小さい空気を第１半導体層２０中に埋め込む構造としている。なお、図示しないが、回折格子７０は、ｎ側光ガイド層３１に配置されていてもよい（後述する実施の形態２参照）し、ｐ側光ガイド層３３又はｐ側クラッド層４２に形成されていてもよい。ただし、後述するように、回折格子７０を窒化物半導体の再成長によって形成する場合、その再成長界面にはｎ型ドーパントとして働くＳｉ、酸素などの不純物がパイルアップすることが知られている。ｐ型半導体層中にｎ型ドーパントがパイルアップすると、例えば半導体レーザ素子１のレーザ発振時における電圧の上昇をもたらし、その結果、半導体レーザ素子１の電力光変換効率が低下する。よって、本実施の形態のように、再成長を用いて回折格子を形成する場合には、回折格子７０をｎ型半導体層中に設けることで、半導体レーザ素子１の電力光変換効率低下を抑制できる。
【００４０】
また、回折格子７０と第１半導体層２０との屈折率差が小さい場合でも、回折格子７０を活性層３２に近い位置に配置することで、回折格子７０の光帰還量を大きくすることができる。具体的には、ｎ側光ガイド層３１の厚さを薄くすることで回折格子７０の光帰還量を大きくできる。また、回折格子７０は、半導体レーザ素子１の発振波長に対して透明としてもよい。これにより、回折格子７０による光吸収損失を抑制できる。
【００４１】
また、回折格子７０は、リッジ部４０ａの直下近傍に形成されており、導波路方向（Ｙ軸方向）において周期的な構造を有する。本実施の形態では、回折格子７０は、導波路方向において周期的に断続する構造を有する。より具体的には、図１Ａに示すように、回折格子７０は、導波路方向において特定の形状の部分が周期的に配置されている。
【００４２】
発光層３０は、図１Ｂに示すように、第１半導体層２０の上方に配置されている。本実施の形態では、発光層３０は、窒化物半導体によって構成される。発光層３０は、例えば、ｎ−ＧａＮからなるｎ側光ガイド層３１と、ＩｎＧａＮ量子井戸層からなる活性層３２と、ｐ−ＧａＮからなるｐ側光ガイド層３３と、が積層された構造を有する。
【００４３】
第２半導体層４０は、図１Ｂに示すように、発光層３０の上方に配置されている。第２半導体層４０は、第１導電型と異なる第２導電型の半導体層であり、例えば、ＡｌＧａＮからなる電子障壁層４１と、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ側クラッド層４２と、ｐ型ＧａＮからなるｐ側コンタクト層４３と、が積層された構造を有する。
【００４４】
ｐ側クラッド層４２は、凸部を有している。ｐ側コンタクト層４３は、リッジ部４０ａの最上層としてｐ側クラッド層４２の凸部上に配置されている。このように、ｐ側クラッド層４２の凸部とｐ側コンタクト層４３とによってストライプ状のリッジ部４０ａが構成されている。また、ｐ側クラッド層４２は、リッジ部４０ａの両側方に、平坦部４０ｂを構成する平面部を有している。平坦部４０ｂの最上面は、ｐ側クラッド層４２の表面であり、平坦部４０ｂの最上面にはｐ側コンタクト層４３が形成されていない。
【００４５】
誘電体層６０は、光を閉じ込めるために、リッジ部４０ａの側面に形成されたＳｉＯ２からなる絶縁膜である。具体的には、誘電体層６０は、リッジ部４０ａの側面から平坦部４０ｂにわたって連続的に形成されている。本実施の形態において、誘電体層６０は、リッジ部４０ａの周辺において、ｐ側コンタクト層４３の側面とｐ側クラッド層４２の凸部の側面とｐ側クラッド層４２の上面とにわたって連続して形成されている。
【００４６】
誘電体層６０の形状は、特に限定されないが、誘電体層６０は、リッジ部４０ａの側面及び平坦部４０ｂと接しているとよい。これにより、リッジ部４０ａの直下で発光した光を安定的に閉じ込めることができる。
【００４７】
電極部材５０は、第２半導体層４０の上方に配置されている。電極部材５０は、リッジ部４０ａよりも幅広である。つまり、電極部材５０の幅（Ｘ軸方向の幅）は、リッジ部４０ａの幅（Ｘ軸方向の幅）よりも大きい。電極部材５０は、誘電体層６０及びリッジ部４０ａの上面と接触している。
【００４８】
本実施の形態において、電極部材５０は、電流供給のためのｐ側電極５１と、ｐ側電極５１の上方に配置されたパッド電極５２と、を有する。
【００４９】
ｐ側電極５１は、リッジ部４０ａの上面と接触している。ｐ側電極５１は、リッジ部４０ａの上方においてｐ側コンタクト層４３とオーミック接触するオーミック電極であり、リッジ部４０ａの上面であるｐ側コンタクト層４３の上面と接触している。ｐ側電極５１は、例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉなどの金属材料を用いて形成される。本実施の形態において、ｐ側電極５１は、Ｐｄ／Ｐｔの２層構造である。
【００５０】
パッド電極５２は、リッジ部４０ａよりも幅広であって、誘電体層６０と接触している。つまり、パッド電極５２は、リッジ部４０ａ及び誘電体層６０を覆うように形成されている。パッド電極５２は、例えば、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕなどの金属材料を用いて形成される。本実施の形態において、パッド電極５２は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層構造を有する。
【００５１】
なお、図１Ａに示すように、パッド電極５２は、半導体レーザ素子１を個片化する際の歩留まりを向上させるために、第２半導体層４０の内側に形成されている。すなわち、半導体レーザ素子１を上面視した場合に、パッド電極５２は、半導体レーザ素子１の端部周縁には形成されていない。つまり、半導体レーザ素子１は、端部周縁に電流が供給されない非電流注入領域を有する。また、パッド電極５２が形成されている領域の断面形状は、どの部分でも図１Ｂに示される構造となる。
【００５２】
また、高い光出力で動作させること（つまり、高出力動作）を目的とした半導体レーザ素子１では、共振器端面９５ｆ及び９５ｒには誘電体多層膜などの端面コート膜が形成される。この端面コート膜は、端面のみに形成することが難しく、半導体レーザ素子１の上面にも回りこむ。このように端面コート膜が上面にまで回りこんでしまうと、半導体レーザ素子１の導波路方向（Ｚ軸方向）の端部では、パッド電極５２が形成されていないため、半導体レーザ素子１の導波路方向の端部で誘電体層６０と端面コート膜とが接してしまう場合がある。この際、誘電体層６０が形成されていない又は誘電体層６０の膜厚が光閉じ込めに対して薄いと、半導体レーザ素子１の導波路方向の端部に伝播する光が端面コート膜の影響を受けるため、光損失の原因となる。そこで、発光層３０で発生した光を十分に閉じ込めるには、誘電体層６０の膜厚は、１００ｎｍ以上にするとよい。一方、誘電体層６０の膜厚が厚すぎると、パッド電極５２の形成が困難となるため、誘電体層６０の膜厚は、リッジ部４０ａの高さ（つまり、リッジ部４０ａが平坦部４０ｂから上方に突出する高さ）以下にするとよい。
【００５３】
また、リッジ部４０ａの側面及び平坦部４０ｂには、リッジ部４０ａを形成する際のエッチング工程でエッチングダメージが残存してリーク電流が発生する場合があるが、リッジ部４０ａ及び平坦部４０ｂを誘電体層６０で被覆することで、不要なリーク電流の発生を低減できる。
【００５４】
ｎ側電極８０は、基板１０の下面に配置される。ｎ側電極８０は、基板１０とオーミック接触するオーミック電極である。ｎ側電極８０は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる積層膜である。ｎ側電極８０の構成はこれに限定されない。ｎ側電極８０は、Ｔｉ及びＡｕが積層された積層膜であってもよい。
【００５５】
［半導体レーザ素子の製造方法］
次に、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１の製造方法について、図２Ａ〜図２Ｌを用いて説明する。図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｄ〜図２Ｍは、実施の形態に係る半導体レーザ素子１の製造方法における各工程を示す模式的な断面図である。図２Ｃは、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１の製造方法における第２工程を示す上面図である。
【００５６】
まず、図２Ａに示すように、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板である基板１０上に、有機金属気層成長法（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＭＯＣＶＤ法）を用いて、第１半導体層２０を成膜する。具体的には、基板１０の上に、第１半導体層２０としてｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ側クラッド層を３μｍ成長させる。
【００５７】
次に、図２Ｂに示すように、第１半導体層２０上に、第１保護膜９１を成膜する。具体的には、第１半導体層２０の上に、シラン（ＳｉＨ４）を用いたプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって、第１保護膜９１として、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を３００ｎｍ成膜する。
【００５８】
なお、第１保護膜９１の成膜方法は、プラズマＣＶＤ法に限るものではなく、例えば、熱ＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法、又は、パルスレーザー成膜法など、公知の成膜方法を用いることができる。また、第１保護膜９１の成膜材料は、上記のものに限るものではなく、例えば、誘電体、金属など、後述する第１半導体層２０のエッチングに対して、選択性のある材料であればよい。次に、リソグラフィー法及びエッチング法を用いて、第１保護膜９１を選択的に除去する。リソグラフィー法としては、短波長光源を利用したフォトリソグラフィー法や、電子線で直接描画する電子線リソグラフィー法、またナノインプリント法などを用いることができる。エッチング法としては、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）によるドライエッチング、又は、１：１０程度に希釈した弗化水素酸（ＨＦ）などのウェットエッチングを用いることができる。
【００５９】
図２Ｃは、図２Ｂに示される積層体を上面から見た図である。図２Ｂは、図２ＣのＩＩＢ−ＩＩＢ線における積層体の断面が示されている。図２Ｃに示すように、第１保護膜９１中に所望の形状の複数の開口９１ａが周期的に形成されており、開口９１ａにおいて第１半導体層２０が露出している。本実施の形態では、開口９１ａは、基板１０の上面視において、ひし形状の形状を有する。
【００６０】
次に、図２Ｄに示すように、所望の形状に形成された第１保護膜９１をマスクとして、第１半導体層２０をエッチングすることで、第１半導体層２０中に複数の開口９１ａに対応する複数の凹部２０ａを形成する。第１半導体層２０のエッチング手法としては、Ｃｌ２などの塩素系ガスを用いたＲＩＥ法によるドライエッチングを用いるとよい。エッチングの深さは、特に限定されるものではないが、本実施の形態では、深さ２００ｎｍのエッチングを行う。
【００６１】
次に、図２Ｅに示すように、所望の形状の第１保護膜９１を、弗化水素酸などを用いたウェットエッチングによって除去する。
【００６２】
次に、図２Ｆに示すように、有機金属気層成長法を用いて、発光層３０及び第２半導体層４０を順次成膜する。
【００６３】
具体的には、凹部２０ａが形成された第１半導体層２０の上に、ｎ−ＧａＮからなるｎ側光ガイド層３１を０．２μｍ成長させる。このとき、凹部２０ａに空気が埋め込まれるように、横方向成長が支配的となる成長条件を選択することで、埋め込み後のｎ側光ガイド層３１の表面をほぼ平坦にすることができる。ｎ側光ガイド層３１の横方向成長を支配的とするためには、例えば、成長温度を高温にする、あるいは成長圧力を低圧にすればよい。なお、図２Ｅで示した凹部２０ａの側壁及び底面の少なくとも一方にＳｉＯ２、ＡｌＮなどの誘電体層を薄く形成しておくことで、ｎ側光ガイド層３１の表面をより平坦化できる。続いて、ＩｎＧａＮからなるバリア層とＩｎＧａＮ量子井戸層との３周期からなる活性層３２を成長させる。続いて、ｐ−ＧａＮからなるｐ側光ガイド層３３を０．１μｍ成長させる。続いて、ＡｌＧａＮからなる電子障壁層４１を１０ｎｍ成長させる。続いて、ｐ−ＡｌＧａＮ層（１．５ｎｍ）とＧａＮ層（１．５ｎｍ）とを１６０周期繰り返して形成した０．４８μｍの歪超格子からなるｐ側クラッド層４２を成長させる。続いて、ｐ−ＧａＮからなるｐ側コンタクト層４３を０．０５μｍ成長させる。ここで、各層において、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎを含む有機金属原料には、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアンモニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いる。また、窒素原料には、アンモニア（ＮＨ３）を用いる。
【００６４】
次に、図２Ｇに示すように、第２半導体層４０上に、第２保護膜９２を成膜する。具体的には、ｐ側コンタクト層４３の上に、シラン（ＳｉＨ４）を用いたプラズマＣＶＤ法によって、第２保護膜９２として、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を３００ｎｍ成膜する。
【００６５】
次に、図２Ｈ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２保護膜９２が導波路状に残るように、第２保護膜９２を選択的に除去する。エッチング法としては、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）によるドライエッチング、又は、１：１０程度に希釈した弗化水素酸（ＨＦ）などのウェットエッチングを用いることができる。
【００６６】
次に、図２Ｉに示すように、導波路状に形成された第２保護膜９２をマスクとして、ｐ側コンタクト層４３及びｐ側クラッド層４２をエッチングすることで、第２半導体層４０にリッジ部４０ａ及び平坦部４０ｂを形成する。ｐ側コンタクト層４３及びｐ側クラッド層４２のエッチングとしては、Ｃｌ２などの塩素系ガスを用いたＲＩＥ法によるドライエッチングを用いるとよい。
【００６７】
次に、図２Ｊに示すように、導波路状の第２保護膜９２を、弗化水素酸などを用いたウェットエッチングによって除去した後、ｐ側コンタクト層４３及びｐ側クラッド層４２を覆うように、誘電体層６０を成膜する。つまり、第２半導体層４０のリッジ部４０ａ及び平坦部４０ｂの上に誘電体層６０を形成する。誘電体層６０としては、例えば、シラン（ＳｉＨ４）を用いたプラズマＣＶＤ法によって、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を３００ｎｍ成膜する。
【００６８】
次に、図２Ｋ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とにより、リッジ部４０ａ上の誘電体層６０のみを除去して、ｐ側コンタクト層４３の上面を露出させる。その後、真空蒸着法及びリフトオフ法を用いて、リッジ部４０ａ上のみにＰｄ／Ｐｔからなるｐ側電極５１を形成する。具体的には、誘電体層６０から露出させたｐ側コンタクト層４３の上にｐ側電極５１を形成する。
【００６９】
なお、ｐ側電極５１の成膜方法は、真空蒸着法に限るものではなく、スパッタ法又はパルスレーザー成膜法などであってもよい。また、ｐ側電極５１の電極材料は、Ｎｉ／Ａｕ系、Ｐｔ系など、第２半導体層４０（ｐ側コンタクト層４３）とオーミック接触する材料であればよい。
【００７０】
次に、図２Ｌに示すように、ｐ側電極５１、誘電体層６０を覆うようにパッド電極５２を形成する。具体的には、フォトリソグラフィー法などによって、形成したい部分以外にレジストをパターニングし、基板１０の上方の全面に真空蒸着法などによってＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるパッド電極５２を形成し、リフトオフ法を用いて不要な部分の電極を除去することで、ｐ側電極５１、誘電体層６０の上に所定形状のパッド電極５２を形成する。これにより、ｐ側電極５１及びパッド電極５２からなる電極部材５０が形成される。
【００７１】
次に、図２Ｍに示すように、基板１０の下面にｎ側電極８０を形成する。具体的には、基板１０の裏面（つまり、第１半導体層２０などが形成された主面の裏側の主面）に真空蒸着法などによってＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ側電極８０を形成し、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を用いてパターニングすることで、所定形状のｎ側電極８０を形成する。これにより、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１を製造することができる。
【００７２】
［半導体レーザ素子の作用効果］
次に、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１の作用及び効果について、図３〜図８を用いて説明する。
【００７３】
まず、図３を用いて本実施の形態に係る半導体レーザ素子１のような導波路型レーザ素子の光分布について説明する。図３は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１の横モードの電界分布について説明する図である。図３の断面図（ａ）は、半導体レーザ素子１の模式的な断面図を示し、グラフ（ｂ）は、断面図（ａ）の横方向（図３のＸ軸方向）の位置とレーザ光の基本横モードの電界強度との関係を示す。
【００７４】
図３のグラフ（ｂ）に示すように、基本横モードは、導波路の中央部で電界強度が最大となり、導波路端に近付くほど強度が小さくなる分布を有する。等価屈折率法を用いて計算を行った結果、図３に示す幅Ｗの導波路内部では、光分布は余弦関数で表現できる形状を有し、導波路外部では、導波路９０ａから遠ざかるにしたがって指数関数的に減少する形状を有する。導波路型レーザでこのような光分布が形成されるのは、電流がリッジ部４０ａから供給されることによって光はリッジ部４０ａのみで発生し、かつ、導波路方向と直交する方向には、導波路内外の屈折率差により光が閉じ込められるためである。ここで、上記余弦関数をｃｏｓ（κＸ）、上記指数関数をｅｘｐ（−γＸ）とすると、本実施の形態では、導波路内部の屈折率を２．５、導波路外部の屈折率を２．４９９、導波路幅Ｗを１０μｍとして計算を行うことにより、κ＝０．２６、γ＝１．０７を得られる。なお、図示しないが、高次の横モードは、複数のピークをもつ分布となり、導波路中央部より外側に電界強度が極大となる位置が存在する。
【００７５】
基本横モードのみを選択的に発振させるには、この基本横モードの光分布形状と同じ利得分布をもたせればよい。すなわち、基本横モードの利得が高く、かつ、高次横モードの利得を小さくすることで、基本横モードを優先的に発振させることができる。回折格子７０を形成したＤＦＢ型レーザ素子における利得は回折格子の光帰還量で表現できる。ここで、回折格子の充填率ｆと光帰還量との関係について図４Ａ〜図４Ｃを用いて説明する。
【００７６】
図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ本実施の形態に係る半導体レーザ素子１の回折格子７０の充填率ｆが０．５及び０．２５である場合の回折格子７０の構成を示す模式的な断面図である。図４Ａは、図１ＡのＩＶＡ−ＩＶＡ線における回折格子７０及び第１半導体層２０の断面に相当し、図４Ｂは、図１ＡのＩＶＢ−ＩＶＢ線における回折格子７０及び第１半導体層２０の断面に相当する。図４Ｃは、本実施の形態に係る回折格子７０の充填率ｆと、回折格子７０による光帰還量との関係を示すグラフである。
【００７７】
図４Ａ及び図４Ｂに示すように、回折格子７０の充填率ｆは、回折格子７０の周期をａ、回折格子７０の１周期の中において回折格子７０が連続する（つまり、回折格子７０が連続して存在する）長さをｄとして、ｆ＝ｄ／ａと表される。なお、回折格子７０の充填率ｆは、回折格子７０のデューティと言い換えることもできる。また、回折格子７０の次数をｍ、半導体レーザ素子１におけるレーザ光の発振波長をλ、屈折率をｎとすると、ａ＝ｍλ／２ｎの関係式が成り立つ。例えば、半導体レーザ素子１において窒化物半導体を用いる場合、発振波長を４００ｎｍ、屈折率を２．５、ｍ＝１とすると、ａ＝８０ｎｍとなる。ここで、充填率ｆ＝０．５の場合、ｄ＝４０ｎｍとなり、充填率ｆ＝０．２５の場合、ｄ＝２０ｎｍとなる。
【００７８】
図４Ｃは、１次の回折格子における回折格子の充填率に対する光帰還量の計算結果である。この場合、充填率ｆが０．５で光帰還量が最も大きくなり、充填率が０又は１で光帰還量が０となる。充填率ｆを変えることで、光帰還量を任意の値に調整することができる。ＤＦＢ型レーザ素子において、回折格子７０の光帰還量が大きいほど、特定の波長で発振しやすくなるという特徴をもつ。充填率ｆを導波路方向及び積層方向と直交する方向の位置に応じて調整し、光帰還量を図３のグラフ（ｂ）に示した基本横モードの光分布に合わせることで、基本横モードの選択的な発振が可能となる。
【００７９】
このような充填率ｆの調整について、図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１の導波路方向及び積層方向と直交する方向の位置と回折格子７０の充填率との関係を示す図である。図５の断面図（ａ）は、半導体レーザ素子１の模式的な断面図を示し、グラフ（ｂ）は、断面図（ａ）の横方向（図３のＸ軸方向）の位置と回折格子７０の充填率との関係を示す。
【００８０】
図５に示すように、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１においては、導波路方向における回折格子７０の充填率ｆは、導波路方向及び積層方向と直交する方向の位置によって変化している。本実施の形態では、導波路中央部（Ｘ＝０）で充填率ｆが０．５になるように設定し、導波路中央部から５．９μｍ外側の位置（つまり、Ｘ＝５．９、及び、Ｘ＝−５．９の位置）で充填率が０になるように設定する。充填率ｆは、導波路中央部から、導波路方向及び積層方向と直交する方向における導波路端部に近付くにしたがって、直線的に減少している。このような形状とすることで、図３のグラフ（ｂ）に示す基本横モードの光分布を反映した利得分布を実現できる。
【００８１】
ここで、図５に示すような充填率分布を有する回折格子７０を用いた場合の、半導体レーザ素子１のレーザ光の電界強度分布及び光帰還量分布について図６を用いて説明する。図６は、本実施の形態に係る光帰還量及びレーザ光の電界強度分布と、導波路方向及び積層方向と垂直な方向の位置との関係を示すグラフである。図６には、図３のグラフ（ｂ）に示した電界強度分布と、図５に示す充填率分布を有する回折格子７０の光帰還量の計算結果とが示されている。図６においては、光帰還量が破線で、電界強度が実線で、それぞれ示されている。なお、図６に示すグラフの縦軸は規格化されている。
【００８２】
図６に示すように、導波路内部において、電界強度分布と光帰還量分布とが一致しており、回折格子７０においてこのような光帰還量分布を採用することで、半導体レーザ素子１において基本横モードを選択的に発振させることができる。
【００８３】
以上のように、回折格子７０の充填率を導波路方向及び積層方向と直交する方向の位置によって変化させることによって、所望の光帰還量分布を得られる。したがって、回折格子７０の充填率を適切に調整することにより、光帰還量分布に対応する所望の横モードを選択的に発振させることができる。また、レーザ光の電界強度が大きい領域に回折格子７０の端部が配置されないように回折格子７０の充填率を調整することによって、回折格子７０に起因する光散乱を抑制することができる。したがって、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１によれば、ビーム品質が良好で、かつ、電力光変換効率の低下を抑えられるＤＦＢ型の半導体レーザ素子を実現できる。
【００８４】
図６に示すような光帰還量分布を有する回折格子７０の形状について図７及び図８を用いて説明する。図７は、本実施の形態に係る回折格子７０の形状を示す上面図である。図８は、変形例に係る回折格子７０ａの形状を示す上面図である。
【００８５】
図７に示すように、本実施の形態では、回折格子７０は、上面視においてひし形状の形状を有する。回折格子７０の周期ａは一定であるが、回折格子７０の導波路方向に連続する長さｄが導波路方向及び積層方向に直交する方向において変化している。例えば、導波路中央部での回折格子７０が導波路方向に連続する長さをｄ１、導波路端（リッジ端）での回折格子７０が導波路方向に連続する長さをｄ２と定義すると、ｄ１＞ｄ２の関係がある。また、それぞれの充填率をｆ１、ｆ２と定義すると、充填率はｆ１＝ｄ１／ａ又はｆ２＝ｄ２／ａの式で計算できるので、ｆ１＞ｆ２の関係となる。すなわち、導波路方向の充填率が、導波路方向及び積層方向と直交する方向に変化している。回折格子の形状はこれに限らず、図５のグラフ（ｂ）の充填率分布を満たす形状であればよい。例えば、図８に示す変形例に係る回折格子７０ａのように、上面視において三角形状の形状を有してもよい。この場合も同様に回折格子７０ａの導波路方向に連続する長さｄ１、ｄ２を図のように定義すると、充填率はｆ１＝ｄ１／ａあるいはｆ２＝ｄ２／ａの式で計算できるので、ｆ１＞ｆ２の関係となる。
【００８６】
以上のように、本実施の形態では、回折格子７０は、導波路方向において周期的に断続する構造を有し、導波路方向において回折格子７０が連続する長さは、導波路方向及び積層方向と直交する方向の位置によって変化している。
【００８７】
これにより、回折格子７０の周期ａを一定とする場合、導波路方向において回折格子７０が連続する長さｄを、導波路方向及び積層方向と直交する方向の位置によって変化させることで、導波路方向及び積層方向に直交する方向における位置によって充填率ｆが変化する回折格子７０を有する半導体レーザ素子１を実現できる。
【００８８】
また、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１において、充填率ｆは、導波路９０ａの導波路方向及び積層方向と直交する方向における中央において少なくとも一方の端部よりも小さい。
【００８９】
これにより、回折格子７０の充填率を０．５以下とする場合、回折格子７０による導波路方向及び積層方向と直交する方向の中央における光帰還量を、当該直交する方向の端部における光帰還量より大きくすることが可能となる。したがって、当該直交する方向の中央において端部より電界強度が大きい基本横モードの光帰還量を選択的に高められるため、基本横モードの発振を促すことができる。
【００９０】
（実施の形態２）
［半導体レーザ素子の構成］
実施の形態１では、回折格子７０を第１半導体層２０中に形成した構造を説明したが、実施の形態２では、回折格子７０をｎ側光ガイド層３１中に形成する構造について説明する。また、実施の形態１では、導波路内の電界分布と回折格子の光帰還量を一致させる手法を説明したが、本実施の形態では、導波路外の電界分布も考慮した回折格子の形状について説明する。
【００９１】
図９は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１０１の構成を示す模式的な断面図である。図９に示すように、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１０１は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１と同様に、第１半導体層２０、発光層３０及び第２半導体層４０を含む積層構造体１９０を備える。本実施の形態においては、積層構造体１９０は、回折格子１７０が形成された導波路１９０ａを含み、回折格子１７０は発光層３０に配置される。より詳しくは、回折格子１７０は、発光層３０のｎ側光ガイド層３１中に配置される。また、本実施の形態に係る回折格子１７０は、その導波路１９０ａの外部における形状において実施の形態１に係る回折格子１７０と相違する。回折格子１７０の形状については、後述する。
【００９２】
［半導体レーザ素子の製造方法］
次に、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１０１の製造方法について、図１０Ａ〜図１０Ｄを用いて説明する。図１０Ａ〜図１０Ｄは、それぞれ本実施の形態に係る半導体レーザ素子１０１の製造方法における各工程を示す模式的な断面図である。以下、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１０１の製造方法について、実施の形態１と異なる部分を中心について説明する。
【００９３】
まず、図１０Ａに示すように、基板１０の上に、第１半導体層２０としてｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ側クラッド層を３μｍ成長させる。
【００９４】
次に、図１０Ｂに示すように、第１半導体層２０上に、回折格子用膜９３として、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を１００ｎｍ成膜する。
【００９５】
次に、図１０Ｃに示すように、リソグラフィー法及びエッチング法を用いて、回折格子用膜９３を選択的に除去する、このエッチング後に残る回折格子用膜９３が回折格子１７０として使用される。
【００９６】
次に、図１０Ｄに示すように、有機金属気層成長法を用いて、発光層３０及び第２半導体層４０を順次成膜する。このように、回折格子１７０上に発光層３０を形成することによって、回折格子１７０は、発光層３０のｎ側光ガイド層３１に配置される。これにより、回折格子を配置するための層を別途設けることなく、回折格子１７０を積層構造体に形成できる。
【００９７】
次に、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１と同様に、電極部材５０及びｎ側電極８０を形成することによって、図９に示すような本実施の形態に係る半導体レーザ素子１０１を形成できる。
【００９８】
［回折格子の構成］
次に本実施の形態に係る回折格子の構成について図１１を用いて説明する。図１１は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１０１の導波路方向及び積層方向と直交する方向の位置と回折格子１７０の充填率と関係を示す図である。図１１の断面図（ａ）は、半導体レーザ素子１０１の模式的な断面図を示し、グラフ（ｂ）は、断面図（ａ）の横方向（図１１のＸ軸方向）の位置と回折格子１７０の充填率ｆとの関係を示す。図１１のグラフ（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る回折格子１７０の充填率は、導波路外において、実施の形態１に係る回折格子７０と異なる。
【００９９】
図１１のグラフ（ｂ）に示すように、導波路中央部（Ｘ＝０）で充填率が０．５になるように回折格子１７０の周期及び導波路方向に連続する長さを設定し、Ｘ＝Ｗ／２＝５［μｍ］、又は、Ｘ＝−Ｗ／２＝−５［μｍ］で充填率が０．０８となるように直線的に変化させる。導波路外では、Ｘ＝Ｗ／２＝５［μｍ］、又は、Ｘ＝−Ｗ／２＝−５［μｍ］での充填率を０．０８とし、導波路から離れるにしたがって指数関数ｅｘｐ（−γｘ）に従う形で、充填率を０まで減少させる。このように充填率を変化させることで、より光分布を反映した光帰還量分布が得られる。
【０１００】
ここで、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１０１におけるレーザ光の電界強度分布と、回折格子１７０による光帰還量との関係について図１２及び図１３を用いて説明する。図１２は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１０１におけるレーザ光の電界強度分布と、回折格子１７０による光帰還量分布と、を示すグラフである。図１２は、図３のグラフ（ｂ）に示した電界強度分布と、充填率分布が図１１のグラフ（ｂ）で示される場合の回折格子１７０の光帰還量分布の計算結果と、を示すグラフであり、縦軸は規格化された値である。導波路内外ともに、電界強度分布と光帰還量とが一致しており、この構成により、基本横モードの選択性をさらに向上できる。図１３は、本実施の形態に係る回折格子１７０の形状を示す上面図である。図１３に示すように、回折格子１７０は、導波路外で指数関数的に形状が変化している。本実施の形態においても実施の形態１と同様に、回折格子１７０の周期ａは一定であるが、回折格子１７０が導波路方向に連続する長さｄが導波路方向及び積層方向と直交する方向に変化している。例えば、導波路中央部での回折格子１７０が連続する長さをｄ１、導波路端（リッジ端）での回折格子１７０が連続する長さをｄ２と定義すると、ｄ１＞ｄ２の関係がある。また、それぞれの充填率をｆ１、ｆ２と定義すると、充填率はｆ１＝ｄ１／ａあるいはｆ２＝ｄ２／ａの式で計算でき、ｆ１＞ｆ２の関係となる。このように、回折格子１７０の充填率ｆが、導波路方向及び積層方向と直交する方向に変化している。
【０１０１】
以上のように、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１０１において、第２半導体層４０は、導波路方向に長手方向を持つリッジ部４０ａを備え、充填率ｆは、導波路方向及び積層方向と直交する方向において、リッジ部４０ａの下方領域では線形に変化し、リッジ部４０ａの下方領域よりも外側では指数関数的に変化する。
【０１０２】
これにより、導波路内外ともに、基本横モードの電界強度分布と光帰還量とを一致させることができるため、回折格子１７０による基本横モードの選択性をさらに向上できる。
【０１０３】
なお、本実施の形態では、回折格子１７０をｎ側光ガイド層３１中に形成する構成及び導波路外の電界分布も考慮した回折格子１７０の構成が採用されたが、これらの構成は、必ずしも組み合わせて採用される必要はない。これらの構成のうち一方だけが採用されてもよい。
【０１０４】
（実施の形態３）
実施の形態３に係る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半導体レーザ素子は、回折格子の充填率分布において実施の形態１及び実施の形態２と異なる。回折格子の形成位置や製造方法は、実施の形態１又は実施の形態２と同様であるため、説明は省略する。以下、本実施の形態に係る回折格子の構成について図１４を用いて説明する。
【０１０５】
図１４は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子２０１の導波路方向及び積層方向と直交する方向の位置と回折格子２７０の充填率と関係を示す図である。図１４の断面図（ａ）は、半導体レーザ素子２０１の模式的な断面図を示し、グラフ（ｂ）は、断面図（ａ）の横方向（図１４のＸ軸方向）の位置と回折格子２７０の充填率ｆとの関係を示す。本実施の形態に係る回折格子２７０の充填率は、図１４のグラフ（ｂ）に示すように、回折格子２７０のＸ方向において階段状に変化する。
【０１０６】
ここで、本実施の形態に係る半導体レーザ素子２０１におけるレーザ光の電界強度分布と、回折格子２７０による光帰還量との関係について図１５を用いて説明する。図１５は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子２０１におけるレーザ光の電界強度分布と、回折格子２７０による光帰還量分布と、を示すグラフである。図１５は、半導体レーザ素子２０１におけるレーザ光の電界強度分布と、充填率分布が図１４のグラフ（ｂ）で示される場合の回折格子２７０の光帰還量分布の計算結果と、を示すグラフであり、縦軸は規格化された値である。図１５に示すように、本実施の形態に係る回折格子２７０においては、充填率を反映して、光帰還量も階段状に変化する。このような回折格子２７０を用いる場合においても、基本横モードを選択的に発振させることができるため、良好なビーム品質を得られる。また、本実施の形態においても、レーザ光の電界強度が高い領域に、回折格子２７０の横方向（Ｘ軸方向）の端部が存在しないため、回折格子２７０による光散乱に起因する電力光変換効率の低下を抑制できる。
【０１０７】
続いて、本実施の形態に係る回折格子２７０の形状例について図１６を用いて説明する。
【０１０８】
図１６は、本実施の形態に係る回折格子２７０の形状を示す上面図である。回折格子７０は、導波路方向（Ｚ軸方向）の長さが異なる複数の長方形が結合した形状をしている。回折格子２７０の周期ａは一定であるが、導波路方向に回折格子２７０が連続する長さｄが導波路方向及び積層方向に直交する方向（Ｘ軸方向）において変化している。図１６に示すように、回折格子２７０のＸ軸方向の各位置における回折格子２７０が連続する長さをｄ１、ｄ２及びｄ３と定義すると、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３の関係がある。上記各位置における充填率ｆをｆ１、ｆ２及びｆ３と定義すると、ｆ１＝ｄ１／ａ、ｆ２＝ｄ２／ａ、ｆ３＝ｄ３／ａの形で計算できる。したがって、ｆ１＞ｆ２＞ｆ３の関係があり、導波路方向及び積層方向と直交する方向に充填率が変化している。なお、回折格子の形状はこれに限らず、図１４のグラフ（ｂ）に示す充填率を満たす形状であればよい。
【０１０９】
ここで、図１４のグラフ（ｂ）に示す充填率を満たす形状を有する変形例１に係る回折格子について図１７を用いて説明する。図１７は、本変形例に係る回折格子２７０ａの形状を示す上面図である。
【０１１０】
例えば、図１７に示すように、導波路方向及び積層方向と直交する方向の幅が異なる長方形の回折格子要素２７１〜２７３を導波路方向に並べた形状でもよい。このような形状を有する回折格子２７０ａにおいて、周期ａは一定である。また、回折格子２７０ａの導波路方向の長さｄは回折格子がある部分（長さｄ）とない部分（長さ０）とで変化している。これにより、充填率ｆ＝ｄ／ａを導波路及び積層方向と直交する方向に変化させることができる。
【０１１１】
（実施の形態４）
実施の形態４に係る回折格子について説明する。本実施の形態に係る回折格子は、充填率ｆにおいて、実施の形態２に係る回折格子１７０と相違する。以下、本実施の形態に係る回折格子について、実施の形態２に係る回折格子１７０との相違点を中心に説明する。
【０１１２】
図４Ｃで示したように、ある光帰還量を与える充填率ｆは二つ存在し得る。上記各実施の形態においては、充填率ｆが０より大きく０．５以下である回折格子を示したが、回折格子の充填率ｆは、０．５より大きくてもよい。以下、０．５より大きい充填率ｆを有する回折格子例について図１８Ａ及び図１８Ｂを用いて説明する。図１８Ａは、本実施の形態に係る回折格子３７０の導波路方向及び積層方向と直交する方向の位置と、回折格子３７０の充填率ｆとの関係を示すグラフである。図１８Ｂは、本実施の形態に係る回折格子３７０の形状を示す上面図である。
【０１１３】
図１８Ａ及び図１８Ｂに示すように、充填率が０．５以上１．０以下である回折格子３７０を用いて、上記実施の形態２に係る回折格子１７０と同様の効果を得ることができる。本実施の形態では、図１８Ａ及び図１８Ｂに示すように、本実施の形態に係る回折格子３７０は、導波路の中央での充填率が小さく、導波路の両側で中央よりも充填率が大きい。また、回折格子３７０は、導波路の中央から幅２Ｗの範囲内に形成されており、幅２Ｗの範囲の外側には、回折格子３７０が存在しない。本実施の形態においても、上記各実施の形態と同様に、回折格子３７０の周期ａは一定であるが、回折格子３７０が導波路方向に連続する長さｄが導波路方向及び積層方向と直交する方向に変化している。例えば、導波路中央部での回折格子３７０が導波路方向に連続する長さをｄ１、導波路端（リッジ端）での回折格子３７０が導波路方向に連続する長さをｄ２と定義すると、ｄ１＜ｄ２の関係がある。また、それぞれの充填率をｆ１、ｆ２と定義すると、充填率はｆ１＝ｄ１／ａ及びｆ２＝ｄ２／ａの式で計算できるので、ｆ１＜ｆ２の関係が成立する。すなわち、導波路方向の充填率が、導波路方向及び積層方向と直交する方向に変化している。
【０１１４】
以上のように、本実施の形態に係る回折格子３７０において、充填率ｆは、導波路の導波路方向及び積層方向と直交する方向における中央において少なくとも一方の端部よりも大きい。これにより、回折格子３７０の充填率を０．５以上とする場合、回折格子３７０による導波路方向及び積層方向と直交する方向の中央における光帰還量を、当該直交する方向の端部における光帰還量より大きくすることが可能となる。したがって、当該直交する方向の中央において端部より電界強度が大きい基本横モードの光帰還量を選択的に高められるため、基本横モードの発振を促すことができる。
【０１１５】
（実施の形態５）
実施の形態１〜４では、回折格子が導波路方向に連続する長さｄを変えることで、光帰還量を変化させる手法を示した。本実施の形態では、回折格子の周期ａを変えることで光帰還量を変化させる方法について図１９及び図２０を用いて説明する。なお、回折格子の形成位置や製造方法は、実施の形態１〜４と同様であるため、説明は省略する。
【０１１６】
図１９は、本実施の形態に係る回折格子４７０の形状を示す上面図である。図１９に示すように、本実施の形態においては、幅Ｗの導波路中に導波路方向における周期が、導波路方向及び積層方向と直交する方向（Ｘ軸方向）において変化する回折格子４７０が形成されている。具体的には、本実施の形態に係る回折格子４７０においては、導波路中央部の周期がａ１であり、導波路端部の周期がａ２である。これらの周期の間には、ａ１＜ａ２の関係がある。さらに、導波路のＸ軸方向における中央から端部に近付くにしたがって、周期は連続的に変化している。本実施の形態においては、導波路のＸ軸方向における中央から端部に近付くにしたがって、周期は連続的に増加している。
【０１１７】
図２０は、本実施の形態に係る回折格子４７０の周期に対する光帰還量の関係を示した図である。図２０は、周期ａ１に対応する波長で発振した場合の光帰還量を示している。図２０に示すように、光帰還量は、周期ａ１でピークをもち、周期ａ１から離れるほど小さくなる。ＤＦＢ型レーザ素子においては、回折格子４７０の周期に応じて発振波長が決まるので、発振波長に対応する周期以外の周期では、光帰還量はほとんど得られなくなる。
【０１１８】
なお、図１９では、ａ１＜ａ２の場合を示したが、ａ１＞ａ２の場合でも同じ効果が得られる。
【０１１９】
充填率に関して、回折格子４７０の周期がａ１である部分の充填率をｆ１、周期がａ２である部分の充填率をｆ２と定義すると、ｆ１＝ｄ／ａ１及びｆ２＝ｄ／ａ２の式で充填率を計算できる。ここで、周期ａ１及びａ２の大小関係から、ｆ１＞ｆ２の関係がある。なお、図１９に示すように、本実施の形態においては、回折格子４７０が導波路方向に連続する長さｄは一定である。
【０１２０】
以上のように、本実施の形態に係る回折格子４７０において、回折格子４７０の周期は、導波路方向及び積層方向と直交する方向の位置によって変化している。このような構成により、例えば、導波路方向において回折格子４７０が連続する長さを一定とすることで、導波路方向及び積層方向に直交する方向における位置によって充填率ｆが変化する回折格子を有する半導体レーザ素子を実現できる。
【０１２１】
（変形例など）
以上、本開示に係る半導体発光素子について、各実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記各実施の形態に限定されるものではない。
【０１２２】
例えば、上記各実施の形態では、半導体レーザ素子として、窒化物半導体レーザ素子の例を示したが、本開示に係る半導体レーザ素子を形成する材料は窒化物に限定されない。例えば、本開示に係る半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ系の材料で形成されてもよい。
【０１２３】
また、各実施の形態では、１次の回折格子について示したが、高次の回折格子を用いることもできる。このような高次の回折格子例について図２１を用いて説明する。図２１は、５次の回折格子を用いた場合の、充填率ｆと光帰還量との関係の計算結果を示す図である。例えば、５次の回折格子を実施の形態１と同様の条件において用いる場合、周期ａは４００ｎｍとなる。この場合、ある光帰還量を与える充填率ｆは、１０個存在し得る。
【０１２４】
また、本開示では、高ビーム品質を得る目的で、基本横モードのみで発振させる場合を示したが、本開示を応用すれば、所望の高次モードのみを選択的に発振させることも可能である。例えば、図３に示したように、所望のモードの電界強度を計算し、図４Ｃに示した充填率と光帰還量の関係を用いて、図５のグラフ（ｂ）に示したように充填率を決定する。この例では、光強度が最も強い部分の回折格子の充填率を０．５とし、最も低い部分の充填率を０としている。このように、所望の高次モードの電界強度分布を反映した充填率分布であれば、所望の高次モードのみを発振させることもできる。
【０１２５】
また、上記各実施の形態においては、導波路構造として、第２半導体層４０にリッジ状のリッジ部４０ａが形成されたが、導波路構造は、積層方向及びレーザ発振方向に垂直な方向に光を閉じ込める構造であれば特に限定されない。例えば、第２半導体層４０に、第２半導体層４０より屈折率が低い層が埋め込まれてもよい。
【０１２６】
また、上記各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で上記各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
本開示に係る半導体レーザ素子は、画像表示装置、照明又は産業機器などの光源として利用することができ、特に、比較的に高い光出力を必要とする機器の光源として有用である。
【符号の説明】
【０１２８】
１、１０１、２０１  半導体レーザ素子
１０  基板
２０  第１半導体層
２０ａ  凹部
３０  発光層
３１  ｎ側光ガイド層
３２  活性層
３３  ｐ側光ガイド層
４０  第２半導体層
４０ａ  リッジ部
４０ｂ  平坦部
４１  電子障壁層
４２  ｐ側クラッド層
４３  ｐ側コンタクト層
５０  電極部材
５１  ｐ側電極
５２  パッド電極
６０  誘電体層
７０、７０ａ、１７０、２７０、２７０ａ、３７０，４７０、９３２  回折格子
８０  ｎ側電極
９０、１９０  積層構造体
９０ａ、１９０ａ、９３１  導波路
９１  第１保護膜
９１ａ  開口
９２  第２保護膜
９３  回折格子用膜
９５ｆ、９５ｒ  共振器端面
２７１、２７２、２７３  回折格子要素
９１３  ガイド層
【図１Ａ】
2019146321.tif 000003
【図１Ｂ】
2019146321.tif 000004
【図２Ａ】
2019146321.tif 000005
【図２Ｂ】
2019146321.tif 000006
【図２Ｃ】
2019146321.tif 000007
【図２Ｄ】
2019146321.tif 000008
【図２Ｅ】
2019146321.tif 000009
【図２Ｆ】
2019146321.tif 000010
【図２Ｇ】
2019146321.tif 000011
【図２Ｈ】
2019146321.tif 000012
【図２Ｉ】
2019146321.tif 000013
【図２Ｊ】
2019146321.tif 000014
【図２Ｋ】
2019146321.tif 000015
【図２Ｌ】
2019146321.tif 000016
【図２Ｍ】
2019146321.tif 000017
【図３】
2019146321.tif 000018
【図４Ａ】
2019146321.tif 000019
【図４Ｂ】
2019146321.tif 000020
【図４Ｃ】
2019146321.tif 000021
【図５】
2019146321.tif 000022
【図６】
2019146321.tif 000023
【図７】
2019146321.tif 000024
【図８】
2019146321.tif 000025
【図９】
2019146321.tif 000026
【図１０Ａ】
2019146321.tif 000027
【図１０Ｂ】
2019146321.tif 000028
【図１０Ｃ】
2019146321.tif 000029
【図１０Ｄ】
2019146321.tif 000030
【図１１】
2019146321.tif 000031
【図１２】
2019146321.tif 000032
【図１３】
2019146321.tif 000033
【図１４】
2019146321.tif 000034
【図１５】
2019146321.tif 000035
【図１６】
2019146321.tif 000036
【図１７】
2019146321.tif 000037
【図１８Ａ】
2019146321.tif 000038
【図１８Ｂ】
2019146321.tif 000039
【図１９】
2019146321.tif 000040
【図２０】
2019146321.tif 000041
【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
2019146321.tif 000044
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