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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024004295
(43)【公開日】2024-01-16
(54)【発明の名称】半導体レーザ素子およびその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01S 5/22 20060101AFI20240109BHJP
【ＦＩ】
H01S5/22 610
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022103889
(22)【出願日】2022-06-28
(71)【出願人】
【識別番号】000102212
【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100105924
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 賢樹
(74)【代理人】
【識別番号】100133215
【弁理士】
【氏名又は名称】真家 大樹
(72)【発明者】
【氏名】井上 裕隆
(72)【発明者】
【氏名】坂井 繁太
(72)【発明者】
【氏名】萩元 将人
【テーマコード（参考）】
5F173
【Ｆターム（参考）】
5F173AA08
5F173AD04
5F173AH03
5F173AH04
5F173AH08
5F173AH13
5F173AP62
5F173AR07
(57)【要約】
【課題】ＩＦＶＤや不純物拡散を用いて作製される半導体レーザにおける、結晶品質を改善する。
【解決手段】積層成長層１２０には、ｍ個（ｍ≧１）のレーザ共振器２００が形成される。各レーザ共振器２００において、活性層１３４での混晶化度合いは、Ｐ型クラッド層１２４からＰ型コンタクト層１２６間での混晶化度合いよりも大きい。ｍ個のレーザ共振器は、発振波長が異なるｎ個（２≦ｎ≦ｍ）のレーザ共振器２００を含み、ｎ個のレーザ共振器の間で、活性層１３４での混晶化度合いが異なる。ｎ個のレーザ共振器の間で、Ｐ型クラッド層１２４からＰ型コンタクト層１２６間での混晶化度合いは実質的に等しい。
【選択図】図１
【解決手段】積層成長層１２０には、ｍ個（ｍ≧１）のレーザ共振器２００が形成される。各レーザ共振器２００において、活性層１３４での混晶化度合いは、Ｐ型クラッド層１２４からＰ型コンタクト層１２６間での混晶化度合いよりも大きい。ｍ個のレーザ共振器は、発振波長が異なるｎ個（２≦ｎ≦ｍ）のレーザ共振器２００を含み、ｎ個のレーザ共振器の間で、活性層１３４での混晶化度合いが異なる。ｎ個のレーザ共振器の間で、Ｐ型クラッド層１２４からＰ型コンタクト層１２６間での混晶化度合いは実質的に等しい。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
端面発光型の半導体レーザ素子であって、
Ｎ型半導体基板と、
前記Ｎ型半導体基板上に形成されるＮ型クラッド層、活性層、Ｐ型クラッド層、Ｐ型コンタクト層を含む積層成長層と、
を備え、
前記積層成長層には、ｍ個（ｍ≧１）のレーザ共振器が形成され、
各レーザ共振器において、前記活性層での混晶化度合いが、前記Ｐ型クラッド層から前記Ｐ型コンタクト層間での混晶化度合いよりも大きいことを特徴とする半導体レーザ素子。
Ｎ型半導体基板と、
前記Ｎ型半導体基板上に形成されるＮ型クラッド層、活性層、Ｐ型クラッド層、Ｐ型コンタクト層を含む積層成長層と、
を備え、
前記積層成長層には、ｍ個（ｍ≧１）のレーザ共振器が形成され、
各レーザ共振器において、前記活性層での混晶化度合いが、前記Ｐ型クラッド層から前記Ｐ型コンタクト層間での混晶化度合いよりも大きいことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項2】
ｍ≧２であり、前記ｍ個のレーザ共振器は、発振波長が異なるｎ個（２≦ｎ≦ｍ）のレーザ共振器を含み、
前記ｎ個のレーザ共振器の間で、前記活性層での混晶化度合いが異なり、
前記ｎ個のレーザ共振器の間で、前記Ｐ型クラッド層から前記Ｐ型コンタクト層間での混晶化度合いが実質的に等しいことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
前記ｎ個のレーザ共振器の間で、前記活性層での混晶化度合いが異なり、
前記ｎ個のレーザ共振器の間で、前記Ｐ型クラッド層から前記Ｐ型コンタクト層間での混晶化度合いが実質的に等しい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】
端面発光型の半導体レーザ素子であって、
Ｎ型半導体基板と、
前記Ｎ型半導体基板上に形成されるＮ型クラッド層、活性層、Ｐ型クラッド層、Ｐ型コンタクト層を含む積層成長層と、
を備え、
前記積層成長層には、複数のレーザ共振器が形成され、
前記複数のレーザ共振器の間で、前記活性層での混晶化度合いが異なり、
前記複数のレーザ共振器の間で、前記Ｐ型クラッド層から前記Ｐ型コンタクト層間での混晶化度合いが実質的に等しいことを特徴とする半導体レーザ素子。
Ｎ型半導体基板と、
前記Ｎ型半導体基板上に形成されるＮ型クラッド層、活性層、Ｐ型クラッド層、Ｐ型コンタクト層を含む積層成長層と、
を備え、
前記積層成長層には、複数のレーザ共振器が形成され、
前記複数のレーザ共振器の間で、前記活性層での混晶化度合いが異なり、
前記複数のレーザ共振器の間で、前記Ｐ型クラッド層から前記Ｐ型コンタクト層間での混晶化度合いが実質的に等しいことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項4】
端面発光型の半導体レーザ素子であって、
Ｎ型半導体基板と、
前記Ｎ型半導体基板上に形成されるＮ型クラッド層、活性層、Ｐ型クラッド層、Ｐ型コンタクト層を含む積層成長層と、
を備え、
前記積層成長層には、発振波長の異なる複数のレーザ共振器が形成され、
前記複数のレーザ共振器の間で、前記活性層での混晶化度合いが異なり、
前記複数のレーザ共振器の間で、前記Ｐ型クラッド層の膜厚、組成比、不純物濃度が実質的に等しいことを特徴とする半導体レーザ素子。
Ｎ型半導体基板と、
前記Ｎ型半導体基板上に形成されるＮ型クラッド層、活性層、Ｐ型クラッド層、Ｐ型コンタクト層を含む積層成長層と、
を備え、
前記積層成長層には、発振波長の異なる複数のレーザ共振器が形成され、
前記複数のレーザ共振器の間で、前記活性層での混晶化度合いが異なり、
前記複数のレーザ共振器の間で、前記Ｐ型クラッド層の膜厚、組成比、不純物濃度が実質的に等しいことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項5】
２つのレーザ共振器の間で、発振波長の差は２ｎｍ以上であることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項6】
前記活性層は、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓからなる群のうちのひとつを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項7】
前記混晶化度合いが異なるとは、ＴＥＭ像から確認される組成遷移長が０．１６ｎｍ以上離間していることであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項8】
前記活性層において、発振波長の異なるレーザ共振器に対応する光利得領域のＣ，Ｚｎの不純物濃度は、発振波長の短いレーザ共振器の方が大きいことを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項9】
端面発光型の半導体レーザ素子の製造方法であって、
Ｎ型半導体基板上に、少なくともＮ型クラッド層と活性層を含む第１成長層を形成する第１工程と、
前記第１成長層の上に、誘電体膜を形成し、熱処理を施すことで混晶化を施す第２工程と、
前記誘電体膜を除去し、Ｐ型クラッド層を含む第２成長層を、再成長により形成する第３工程と、
を備えることを特徴とする製造方法。
Ｎ型半導体基板上に、少なくともＮ型クラッド層と活性層を含む第１成長層を形成する第１工程と、
前記第１成長層の上に、誘電体膜を形成し、熱処理を施すことで混晶化を施す第２工程と、
前記誘電体膜を除去し、Ｐ型クラッド層を含む第２成長層を、再成長により形成する第３工程と、
を備えることを特徴とする製造方法。
【請求項10】
前記第２工程は、前記誘電体膜の膜厚、膜種、膜構成の少なくともひとつを、複数の領域で異ならしめる工程を含み、
前記複数の領域それぞれに、レーザ共振器を形成する第４工程をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
前記複数の領域それぞれに、レーザ共振器を形成する第４工程をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
【請求項11】
前記第２工程は、前記第１成長層と前記誘電体膜が接触する割合を、複数の領域で異ならしめる工程を含み、
前記複数の領域それぞれに、レーザ共振器を形成する第４工程をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
前記複数の領域それぞれに、レーザ共振器を形成する第４工程をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
【請求項12】
前記第２工程は、
前記第１成長層を、複数の領域について異なる深さでエッチングする工程と、
エッチング後の前記第１成長層の上に、前記誘電体膜を形成する工程と、
を含み、
前記複数の領域それぞれに、レーザ共振器を形成する第４工程をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
前記第１成長層を、複数の領域について異なる深さでエッチングする工程と、
エッチング後の前記第１成長層の上に、前記誘電体膜を形成する工程と、
を含み、
前記複数の領域それぞれに、レーザ共振器を形成する第４工程をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、マルチビーム半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体レーザ（ＬＤ）は、小型かつ高効率であることから、ヘッドマウントディスプレイやスマートグラスなど、ＡＲ（Augmented Reality）／ＶＲ（Virtual Reality）デバイス用の光源として利用される。
【0003】
高出力な端面発光型レーザとして、複数のレーザ共振器（エミッタ）がモノリシックに集積化されるマルチビーム半導体レーザが提案されている。これらの用途においては、光学系の観点から横シングルモード半導体レーザが使用されるが、波長スペクトルが狭く干渉性が高いために、マルチビームの波長が同一であると、ビーム間の干渉により、ファーフィールドパターン（ＦＦＰ）に好ましくない強度分布（干渉縞）が現れ、ビーム品質が低下するという問題がある。ビーム品質の問題を解決するために、複数チャンネルの発振波長を意図的にシフトさせる必要がある。
【0004】
多波長・多ビームレーザを作製する技術には、ＩＦＶＤ(Impurity Free Vacancy Disordering)が利用できる。この手法では、拡散ソースとなる点欠陥を活性層に導入し、熱処理を施すことで、量子井戸層とガイド層（バリア層）の原子を相互拡散させる(ＱＷＩ：Quantum Well Intermixing)。これにより、井戸層とガイド層の無秩序化が起こり、井戸層におけるエネルギー準位を制御することができる（特許文献１）。
【0005】
ＩＦＶＤにおいては、一般的にＧａＡｓ層上にＳｉＯ２膜を形成することで、ＧａＡｓ層からＳｉＯ２膜にIII属原子を引き抜き、拡散ソースとなるIII属空孔型の点欠陥を結晶中に生成させる。そして、熱処理を施すことで、これらを活性層まで拡散させ、ＱＷＩを促す。波長の異なる半導体レーザをモノリシック化させる場合は、エミッタごとに、結晶に導入させる拡散ソース量を変化させればよい。たとえば非特許文献１では、ＳｉＯ２膜にパターニングを施しており、これによりＳｉＯ２膜がＧａＡｓ層と接触する割合を変えている。このようにすることで、領域ごとに生成される拡散ソース量が変わるため、空間的な発光波長制御が実現できる。
【0006】
ＩＦＶＤにおける拡散ソースは点欠陥に限られず、たとえばＺｎなどの不純物を用いても、上記同様にエネルギー準位を変化させることが可能である。たとえば、特許文献２では、Ｐ層にＣを不純物としてドープし、これにより混晶化の促進をさせることで、端面窓構造における波長制御が実現されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特許第４７１１６２３号公報
【特許文献2】特許第５１２８６０４号公報
【特許文献3】特開２００８－２３５７９０号公報
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】Boon Siew Ooi et al., IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 33, NO. 10, pp. 1784-1793, 1997
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
特許文献３に説明されるように、従来よく用いられるＩＦＶＤや不純物拡散では、エピ表面(主にＰ側コンタクト層)から活性層といった数μｍスケールでの拡散が必要となる。複数のエミッタ間で、発光波長に十分な差を付ける場合には、これらの拡散ソースをかなり高密度に導入させる必要がある。しかしながら、拡散ソースである点欠陥や不純物が結晶中に存在すると、これらは欠陥準位や不純物準位を形成し、非輻射再結合中心や光の吸収源となる。特に、半導体レーザにおいては、これらの存在が内部量子効率低減や、内部損失増大といった悪影響を引き起こす直接的な原因となるため、波長制御と結晶品質の両立が難しい。
【0010】
さらに、多波長・多ビームレーザにおいては、エミッタごとに異なる波長のエミッタを作製するために、ＱＷＩの度合いを、それぞれのエミッタで変える必要があり、必然的に結晶に取り込まれる拡散ソースの量に差が生じてしまう。従って、エミッタごとに結晶品質の差が生じてしまい、これがエミッタ間の特性ばらつきや、素子信頼性ばらつきの原因となる。
【0011】
ＩＦＶＤや不純物拡散による波長制御は、シングルビームの半導体レーザにおいて、発振波長を制御するために利用することも可能である。
【0012】
本開示のある態様はかかる課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、ＩＦＶＤや不純物拡散を用いて作製される半導体レーザにおける、結晶品質を改善、および／または、多波長・多ビームの半導体レーザにおけるエミッタごとの素子特性ばらつきの解消にある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本開示のある態様は、端面発光型の半導体レーザ素子であって、Ｎ型半導体基板と、Ｎ型半導体基板上に形成されるＮ型クラッド層、活性層、Ｐ型クラッド層、Ｐ型コンタクト層を含む積層成長層と、を備える。積層成長層には、ｍ個（ｍ≧１）のレーザ共振器が形成され、各レーザ共振器において、活性層での混晶化度合いが、Ｐ型クラッド層からＰ型コンタクト層間での混晶化度合いよりも大きい。
【0014】
本開示の別の態様もまた、端面発光型の半導体レーザ素子に関する。この半導体レーザ素子は、Ｎ型半導体基板と、Ｎ型半導体基板上に形成されるＮ型クラッド層、活性層、Ｐ型クラッド層、Ｐ型コンタクト層を含む積層成長層と、を備える。積層成長層には、複数のレーザ共振器が形成され、複数のレーザ共振器の間で、活性層での混晶化度合いが異なり、複数のレーザ共振器の間で、Ｐ型クラッド層からＰ型コンタクト層間での混晶化度合いが実質的に等しい。
【0015】
本開示のさらに別の態様もまた、半導体レーザ素子である。この半導体レーザ素子は、Ｎ型半導体基板と、Ｎ型半導体基板上に形成されるＮ型クラッド層、活性層、Ｐ型クラッド層、Ｐ型コンタクト層を含む積層成長層と、を備える。積層成長層には、発振波長の異なる複数のレーザ共振器が形成され、複数のレーザ共振器の間で、活性層での混晶化度合いが異なり、複数のレーザ共振器の間で、Ｐ型クラッド層からＰ型コンタクト層間の各層の膜厚、組成比、不純物濃度が実質的に等しい。
【0016】
本開示のさらに別の態様は、端面発光型の半導体レーザ素子の製造方法である。製造方法は、Ｎ型半導体基板上に、少なくともＮ型クラッド層と活性層を含む第１成長層を形成する第１工程と、第１成長層の上に、誘電体膜を形成し、熱処理を施すことで混晶化を施す第２工程と、誘電体膜を除去し、Ｐ型クラッド層を含む第２成長層を、再成長により形成する第３工程と、を備える。
【0017】
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、本開示の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本開示の態様として有効である。
【発明の効果】
【0018】
本開示のある態様によれば、ＩＦＶＤや不純物拡散を用いて作製される半導体レーザにおける、結晶品質を改善でき、および／または、多波長・多ビームの半導体レーザにおけるエミッタごとの素子特性ばらつきを解消できる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】実施形態に係るマルチビーム半導体レーザ素子の断面図である。
【図2A】実施形態に係る製造方法を説明する図である。
【図2B】実施形態に係る製造方法を説明する図である。
【図2C】実施形態に係る製造方法を説明する図である。
【図2D】実施形態に係る製造方法を説明する図である。
【図2E】実施形態に係る製造方法を説明する図である。
【図2F】実施形態に係る製造方法を説明する図である。
【図3】実施例１に係る波長制御工程を説明する図である。
【図4】実施例２に係る波長制御工程を説明する図である。
【図5】実施例３に係る波長制御工程を説明する図である。
【図6】実施例５に係る波長制御工程を説明する図である。
【図7】実施例６に係る波長制御工程を説明する図である。
【図8】実施例７に係る波長制御工程を説明する図である。
【図9】検証実験で作成した２個の試料の断面図である。
【図10】熱処理後の第１試料の４個の分割試料のＰＬ（フォトルミネッセンス）測定の結果を示す図である。
【図11】熱処理後の第２試料の４個の分割試料のＰＬ（フォトルミネッセンス）測定の結果を示す図である。
【図12】第１試料および第２試料それぞれの、活性層の断面の高角度環状暗視野走査透過型電子顕微鏡（HAADF-STEM）像を示す図である。
【図13】正規化されたコントラストプロファイルＦ（ｙ）を示す図である。
【図14】第１試料と第２試料のＰＬ測定の結果を示す図である。
【図15】理論計算したＰＬ波長差と組成遷移長の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
（実施形態の概要）
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、または、実施形態の基本的な理解を目的としている。同概要は、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。またこの概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、実施形態の欠くべからざる構成要素を限定するものではない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、または、実施形態の基本的な理解を目的としている。同概要は、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。またこの概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、実施形態の欠くべからざる構成要素を限定するものではない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。
【0021】
一実施形態に係る端面発光型の半導体レーザ素子は、Ｎ型半導体基板と、Ｎ型半導体基板上に形成されるＮ型クラッド層、活性層、Ｐ型クラッド層、Ｐ型コンタクト層を含む積層成長層と、を備える。積層成長層には、ｍ個（ｍ≧１）のレーザ共振器（エミッタともいう）が形成され、各レーザ共振器において、活性層での混晶化度合いが、Ｐ型クラッド層からＰ型コンタクト層間での混晶化度合いよりも大きい。
【0022】
一実施形態において、ｍ≧２であってもよい。ｍ個のレーザ共振器は、発振波長が異なるｎ個（２≦ｎ≦ｍ）のレーザ共振器を含んでもよい。ｎ個のレーザ共振器の間で、活性層での混晶化度合いが異なり、Ｐ型クラッド層からＰ型コンタクト層間での混晶化度合いが実質的に等しくてもよい。
【0023】
活性層についてのみ、混晶化度合いを異ならしめることで、結晶品質を維持しつつ、レーザ共振器ごとの波長をシフトさせることができる。またＰ型クラッド層からＰ型コンタクト層間の混晶化度合いが揃っているため、ｎ個のレーザ共振器の特性のばらつきを抑制できる。
【0024】
一実施形態に係る端面発光型の半導体レーザ素子は、Ｎ型半導体基板と、Ｎ型半導体基板上に形成されるＮ型クラッド層、活性層、Ｐ型クラッド層、Ｐ型クラッド層を含む積層成長層と、を備える。積層成長層には、複数のレーザ共振器が形成され、複数のレーザ共振器の間で、活性層での混晶化度合いが異なり、複数のレーザ共振器の間で、Ｐ型クラッド層からＰ型コンタクト層間での混晶化度合いが実質的に等しい。
【0025】
一実施形態に係る端面発光型の半導体レーザ素子は、Ｎ型半導体基板と、Ｎ型半導体基板上に形成されるＮ型クラッド層、活性層、Ｐ型クラッド層、Ｐ型コンタクト層を含む積層成長層と、を備える。積層成長層には、発振波長の異なる複数のレーザ共振器が形成され、複数のレーザ共振器の間で、活性層での混晶化度合いが異なり、複数のレーザ共振器の間で、Ｐ型クラッド層からＰ型コンタクト層間の各層の膜厚、組成比、不純物濃度が実質的に等しい。
【0026】
一実施形態において、２つのレーザ共振器の間で、発振波長の差は２ｎｍ以上であってもよい。
【0027】
一実施形態において、活性層は、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓからなる群のうちのひとつを含んでもよい。
【0028】
一実施形態において、混晶化度合いが異なるとは、詳細を後述する組成遷移長によって規定できるが、ＴＥＭ像から確認される組成遷移長が０．１６ｎｍ以上離間していることであってもよい。
【0029】
一実施形態において、活性層において、発振波長の異なるレーザ共振器に対応する光利得領域のＣ，Ｚｎの濃度は、発振波長の短いレーザ共振器の方が大きい。
【0030】
一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法は、Ｎ型半導体基板上に、少なくともＮ型クラッド層と活性層を含む第１成長層を形成する第１工程と、第１成長層の上に、誘電体膜を形成し、熱処理を施すことで混晶化を施す第２工程と、誘電体膜を除去し、Ｐ型クラッド層を含む第２成長層を、再成長により形成する第３工程と、を備える。
【0031】
この方法では、Ｐ型クラッド層を形成する前に、活性層を含む第１成長層に、ＩＦＶＤや不純物拡散などのＱＷＩ処理を施す。そのため、Ｐ型クラッド層には、拡散ソースが直接的に導入されない。これにより、結晶品質を改善できる。
【0032】
一実施形態において、第２工程は、誘電体膜の膜厚、膜種、膜構成の少なくともひとつを、複数の領域で異ならしめる工程を含んでもよい。製造方法は、複数の領域それぞれに、レーザ共振器を形成する第４工程をさらに備えてもよい。これにより、領域ごとに拡散ソースの密度を異ならしめることができ、発振波長を制御できる。
【0033】
一実施形態において、第２工程は、第１成長層と誘電体膜が接触する割合を、複数の領域で異ならしめる工程を含んでもよい。製造方法は、複数の領域それぞれに、レーザ共振器を形成する第４工程をさらに備えてもよい。これにより、領域ごとに拡散ソースの密度を異ならしめることができ、発振波長を制御できる。
【0034】
一実施形態において、第２工程は、第１成長層を、複数の領域について異なる深さでエッチングする工程と、エッチング後の第１成長層の上に、誘電体膜を形成する工程と、を含んでもよい。製造方法は、複数の領域それぞれに、レーザ共振器を形成する第４工程をさらに備えてもよい。これにより、領域ごとに拡散ソースの密度を異ならしめることができ、発振波長を制御できる。
【0035】
（実施形態）
以下、本開示を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、開示を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも開示の本質的なものであるとは限らない。
以下、本開示を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、開示を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも開示の本質的なものであるとは限らない。
【0036】
図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄いこともあり得る。
【0037】
図１は、実施形態に係る半導体レーザ素子１００の断面図である。半導体レーザ素子１００は、端面発光型の半導体レーザ素子であり、複数ｍ個（ｍ≧２）のエミッタ１０２＿１～１０２＿３を有するマルチビーム半導体レーザである。本実施形態においてエミッタの個数は３である。
【0038】
半導体レーザ素子１００は、Ｎ型半導体基板１１０と、Ｎ型半導体基板１１０上に形成される積層成長層１２０を備える。本実施の形態において半導体レーザ素子１００は赤色レーザであり、Ｎ型半導体基板１１０は、ＧａＡｓ基板である。
【0039】
積層成長層１２０は、Ｎ型クラッド層１２２、発光層１３０、Ｐ型クラッド層１２４、Ｐ型コンタクト層１２６を含み、Ｎ型半導体基板１１０の上に順に積層されている。発光層１３０は、Ｎ型ガイド層（下部ガイド層）１３２、量子井戸層からなる活性層１３４、Ｐ型ガイド層（上部ガイド層）１３６を含む。活性層１３４は、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓからなる群のうちのひとつを含む。
【0040】
半導体レーザ素子１００には、チップの面内において第１方向（ｘ方向）に隣接するｍ個のレーザ共振器２００が形成される。各レーザ共振器２００は、第１方向（ｘ方向）と直交する第２方向（ｚ方向、紙面奥行き方向）に伸びるストライプ構造を有する。たとえば各レーザ共振器２００は、横シングルモードレーザであり、Ｐ型コンタクト層１２６が形成されるリッジ部分のリッジ幅は２μｍ程度とされる。またビーム間ピッチは３０μｍ程度とすることができる。
【0041】
積層成長層１２０には、光を閉じ込めるための導波路構造が形成され、この導波路構造の両端の劈開面がミラーとなり、レーザ共振器２００をなしている。この例では３個のレーザ共振器２００＿１～２００＿３が形成されており、エミッタ１０２からｚ方向にビームが放射される。
【0042】
導波路構造は、たとえばリッジ構造を用いることができる。リッジ構造は、Ｐ型クラッド層１２４を部分的に除去することにより形成したものである。リッジ構造を、単にリッジあるいはリッジストライブ構造とも称する。隣接するレーザ共振器２００の間には、バンクが形成されてもよい。導波路構造は、埋め込み型のリッジ導波路とすることもできる。
【0043】
あるいは導波路構造は、導波路に沿ってＮ型半導体基板１１０に溝を形成し、溝部分におけるＮ型クラッド層１２２の厚さが相対的に厚くなっているＣＳＰ（Channeled Substrate Planer）構造であってもよい。
【0044】
リッジ構造やＣＰＳ構造は、屈折率分布を利用した導波路構造であるが、本開示はそれに限定されず、利得分布を利用した利得導波路構造を利用してもよい。これらの構造は、光閉じ込め構造であるとともに、電流狭窄構造と把握することも可能である。
【0045】
ｍ個のレーザ共振器２００のうち、ｎ個（２≦ｎ≦ｍ）は発振波長が異なっている。この例では、ｍ＝ｎであり、３個のレーザ共振器２００＿１～２００＿３の発振波長λ１～λ３が異なっている。
【0046】
レーザ共振器２００の発振波長の制御のために、発光層１３０の光利得領域には、ＩＦＶＤや不純物拡散により、活性層１３４とＮ型ガイド層１３２間、活性層１３４とＰ型ガイド層１３６の混晶化が施される。各エミッタにおけるＰ型クラッド層１２４とＮ型クラッド層１２２のそれぞれのＣ，Ｚｎの不純物濃度の差は±５％以内であってもよい。
【0047】
３個のレーザ共振器２００を比較すると、レーザ共振器２００＿１、２００＿２、２００＿３の順で混晶化度合いが大きく、この順に発振波長が短くなっている（λ１＜λ２＜λ３）。２つのレーザ共振器２００の間の発振波長の差は２ｎｍ以上である。
【0048】
また、各レーザ共振器２００に着目すると、活性層１３４での混晶化度合いは、Ｐ型クラッド層１２４からＰ型コンタクト層１２６間での混晶化度合いよりも大きい。
【0049】
またｎ個のレーザ共振器２００＿１～２００＿３の間で、Ｐ型クラッド層１２４からＰ型コンタクト層１２６間での混晶化度合いは実質的に等しい。言い換えると、ｎ個のレーザ共振器２００の間で、Ｐ型クラッド層１２４からＰ型コンタクト層１２６間の各層の膜厚、組成比、不純物濃度それぞれが実質的に等しくなっており、Ｐ型クラッド層１２４からＰ型コンタクト層１２６間には、ＩＦＶＤもしくは不純物拡散が施されていない。
【0050】
一例として、複数のレーザ共振器２００＿１～２００＿３を比較すると、Ｐ型クラッド層１２４の膜厚の差は±５％以内で均一であってもよい。また、複数のレーザ共振器２００＿１～２００＿３を比較すると、Ｐ型クラッド層１２４におけるＩｎ，Ｇａ，Ａｌの組成比の差は、±５％以内であってもよい。また、複数のレーザ共振器２００＿１～２００＿３を比較すると、Ｐ型クラッド層１２４からＰ型コンタクト層１２６間における不純物Ｃ，Ｏ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｓｉの濃度の差は、±５％以内であってもよい。
【0051】
以上が半導体レーザ素子１００の構成である。
【0052】
続いて半導体レーザ素子１００の製造方法を説明する。
【0053】
図２Ａ～図２Ｆは、実施形態に係る製造方法を説明する図である。図２Ａに示すように、Ｎ型半導体基板１１０であるＧａＡｓ基板上にＮ型クラッド層１２２、Ｎ型ガイド層１３２、活性層１３４、Ｐ型ガイド層１３６およびキャップ層１６０を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によりエピタキシャル成長させる。
【0054】
Ｎ型クラッド層１２２は厚さ約２μｍのＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐとすることができる。Ｎ型ガイド層１３２およびＰ型ガイド層１３６は、導波路を作製するために、Ｎ型クラッド層１２２およびＰ型クラッド層１２４より高い屈折率になるように組成を調整する必要がある。本実施形態においては、（ＡｌｘＧａ１－ｘ）１－ｙＩｎｙＰにおいてｘ＝０．７、ｙ＝０．５とし、厚さは１００ｎｍとしてもよい。活性層１３４は、厚さ約５ｎｍの２層のＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐとすることができる。ガイド層は、ガイド層と同様のＡｌ０．３５Ｇａ１．５Ｉｎ０．５Ｐとしてもよい。キャップ層１６０は厚さ５０ｎｍのＧａＡｓを成長させた。図２Ａで形成される層を、第１成長層１６２と称する。
【0055】
続いて図２Ｂに示すように、第１成長層１６２の表面に、誘電体膜１６４を成膜する。図２Ｂの工程およびそれに続く図２Ｃの工程を、波長シフト工程、あるいは波長制御工程という。この誘電体膜１６４はキャップ層１６０のＧａＡｓからIII族元素であるＧａを引き抜き、結晶中にＧａ空孔を導入する目的で成膜される。なお、キャップ層１６０と誘電体膜１６４の組み合わせは、III属原子の引き抜きによるIII属空孔欠陥の生成の観点から好ましくいものを選べばよい。その限りでないが、たとえば、キャップ層１６０からＧａを引き抜くために好適な誘電体膜１６４の代表的な材料は、ＳｉＯ２である。
【0056】
ＩＦＶＤにおいては、誘電体膜１６４によって空孔密度に伴って、活性層１３４とＮ型ガイド層１３２の間、および活性層１３４とＰ型ガイド層１３６の間の混晶化度合いが変化し、これにより波長の変化量が決まる。Ｇａ空孔の量は、以下の条件（i）～（viii）によって制御できる。
（i）誘電体膜１６４の膜厚
（ii）キャップ層１６０の膜厚
（iii）ウエハ表面から活性層１３４までのエピ膜厚
（iv）誘電体膜１６４の膜種（材料）
（v）誘電体膜１６４の膜質
（vi）誘電体膜１６４の構成
（vii）誘電体膜１６４がキャップ層１６０に接する割合
（viii）熱拡散処理条件等により制御できる。
（i）誘電体膜１６４の膜厚
（ii）キャップ層１６０の膜厚
（iii）ウエハ表面から活性層１３４までのエピ膜厚
（iv）誘電体膜１６４の膜種（材料）
（v）誘電体膜１６４の膜質
（vi）誘電体膜１６４の構成
（vii）誘電体膜１６４がキャップ層１６０に接する割合
（viii）熱拡散処理条件等により制御できる。
【0057】
半導体レーザ素子１００は、３個のエミッタ（レーザ共振器）が形成される３個の領域Ａ１～Ａ３に分けられる。領域ごとに、条件（i）～（viii）の少なくともひとつが異なるようなプロセスを施すことで、エミッタごとに、発光層１３０の混晶化度合いを変えることができる。
【0058】
次に、熱拡散処理によりＧａ空孔を拡散させ、活性層１３４とＮ型ガイド層１３２の間、活性層１３４とＰ型ガイド層１３６の間の混晶化を施す。本実施形態では、ＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal：高温急速アニール）炉により９５０℃、４分の熱処理を施してもよい。
【0059】
続いて、図２Ｃに示すように、熱処理後、フッ酸によるウエットエッチングを施し、ウエハ表面に形成された誘電体膜１６４を除去し、更に、処理チャンバー内でキャップ層１６０をイオンミリング等で除去し、発光層１３０を露出させた。本開示では、拡散ソースを導入した結晶層と活性層１３４の距離がサブμｍ程度のスケールであるため、過度な熱処理を加えることなく波長制御することが可能という特徴がある。
【0060】
続いて、図２Ｄに示すように、ＭＯＣＶＤ法による再成長を行い、Ｐ型クラッド層１２４およびＰ型コンタクト層１２６を含む第２成長層１６６を形成する。ここでＰ型クラッド層１２４は厚さ２μｍのＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐとし、Ｐ型のためのドーパントとしてＭｇをドーピングしてもよい。
【0061】
続けて、Ｐ型クラッド層１２４からＰ型コンタクト層１２６へと、バンド端を連続的に変化させる目的で、界面層を成膜し、最後にＰ型コンタクト層１２６を成膜させた。なお、界面層にはＡｌＩｎＰ、ＧａＩｎＰ層、ＡｌＧａＡｓ層を順に成膜し、ＡｌＩｎＰとＧａＩｎＰにはＭｇをドーピングし、ＡｌＧａＡｓにはＺｎをドーピングしてもよい。また、Ｐ型コンタクト層１２６にはＺｎをドーピングしてもよい。
【0062】
このように本開示においては、全てのエミッタにおけるＰ型クラッド層１２４（およびＰ型コンタクト層１２６）が同一結晶条件の下で形成されるため、エミッタ間における結晶品質ばらつきを低減させることが可能である。
【0063】
続いて、図２Ｅに示すように、第２成長層１６６の多層成長工程の後、従来と同様の方法でリッジ構造１６８を形成してもよい。たとえばリッジ幅が２μｍとなるように、ドライエッチングによりリッジ構造１６８が形成される。各エミッタのピッチ間隔はたとえば３０μｍである。なお、エミッタ間には、電流や導波光を遮る機能を持つアイソレーション溝が形成されてもよく、またバンクが形成されてもよい。
【0064】
続いて、図２Ｆに示すように、絶縁層１４０を形成し、リッジ上部を開口した後にＰ電極１５０を形成し、Ｎ型半導体基板１１０の裏面にＮ電極１５２を形成してもよい。さらに、劈開・チップ化を経て、半導体レーザ素子１００が完成する。
【0065】
以上の工程により、従来のＩＦＶＤ技術で作製された多波長・多ビーム半導体レーザに比べ、結晶品質が向上し、またエミッタ間における結晶品質差及び素子特性ばらつきを低減可能な素子を実現することができる。
【0066】
続いて、図２Ｂに示す波長制御工程について、いくつかの実施例を説明する。
【0067】
（実施例１）
図３は、実施例１に係る波長制御工程を説明する図である。実施例１では、条件（i）、すなわち、第１成長層１６２上に成膜する誘電体膜１６４Ａの膜厚ｔを、領域毎に異ならしめることで、第１エミッタ１０２＿１から第３エミッタ１０２＿３の順で波長が短くなる。誘電体膜１６４Ａの材料として、たとえばＳｉＯ２が用いられ、ＣＶＤ法及びスパッタ法により、３つの領域Ａ１～Ａ３に、異なる膜厚ｔ１～ｔ３の誘電体膜１６４＿１，１６４＿２，１６４＿３が形成される。
図３は、実施例１に係る波長制御工程を説明する図である。実施例１では、条件（i）、すなわち、第１成長層１６２上に成膜する誘電体膜１６４Ａの膜厚ｔを、領域毎に異ならしめることで、第１エミッタ１０２＿１から第３エミッタ１０２＿３の順で波長が短くなる。誘電体膜１６４Ａの材料として、たとえばＳｉＯ２が用いられ、ＣＶＤ法及びスパッタ法により、３つの領域Ａ１～Ａ３に、異なる膜厚ｔ１～ｔ３の誘電体膜１６４＿１，１６４＿２，１６４＿３が形成される。
【0068】
その結果、第１領域Ａ１には、第１膜厚ｔ１（たとえば５００ｎｍ）のＳｉＯ２が形成され、第２領域Ａ２には、第２膜厚ｔ２（たとえば３００ｎｍ）のＳｉＯ２が形成され、第３領域Ａ３には、第３膜厚ｔ３（たとえば１００ｎｍ）のＳｉＯ２が形成される。
【0069】
拡散源となるＧａＡｓのキャップ層１６０の空孔は、ＳｉＯ２の膜厚ｔの増加とともに増加する。つまりＧａＡｓであるキャップ層１６０に導入される空孔欠陥の量は、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、第３領域Ａ３の順に大きい。その結果、第１領域Ａ１の発振波長λ１が最も短くなり、次いで第２領域Ａ２の発振波長λ２が短く、第３領域Ａ３の発振波長λ３が最も長くなる。
【0070】
（実施例２）
図４は、実施例２に係る波長制御工程を説明する図である。実施例２では、実施例１と同様に、条件（i）、すなわち、第１成長層１６２上に成膜する誘電体膜１６４Ｂの膜厚ｔを、領域毎に異ならしめることで、第１エミッタ１０２＿１から第３エミッタ１０２＿３の順で波長を短波化させる。誘電体膜１６４の材料として、ＳｉＯ２が用いられ、ＣＶＤ法及びスパッタ法により、３つの領域Ａ１～Ａ３のうち２つの領域Ａ１，Ａ２に、異なる膜厚ｔ１～ｔ２の誘電体膜１６４＿１，１６４＿２が形成される。
図４は、実施例２に係る波長制御工程を説明する図である。実施例２では、実施例１と同様に、条件（i）、すなわち、第１成長層１６２上に成膜する誘電体膜１６４Ｂの膜厚ｔを、領域毎に異ならしめることで、第１エミッタ１０２＿１から第３エミッタ１０２＿３の順で波長を短波化させる。誘電体膜１６４の材料として、ＳｉＯ２が用いられ、ＣＶＤ法及びスパッタ法により、３つの領域Ａ１～Ａ３のうち２つの領域Ａ１，Ａ２に、異なる膜厚ｔ１～ｔ２の誘電体膜１６４＿１，１６４＿２が形成される。
【0071】
領域Ａ３において、ＳｉＯ２の膜厚はゼロであり、その代わりに、誘電体膜１６４＿３として、ＳｉＮが形成される。
【0072】
図３の構成は、誘電体膜１６４の材料として、ＳｉＯ２とＳｉＮを用い、ＣＶＤ法及びスパッタ法によるＳｉＯ２とＳｉＮの成膜と、ホトリソグラフィ法及びウエットエッチングによる誘電体膜１６４の除去を繰り返すことで実現できる。
【0073】
その結果、第１領域Ａ１には、誘電体膜１６４＿１として第１膜厚ｔ１（たとえば５００ｎｍ）のＳｉＯ２が形成され、第２領域Ａ２には、誘電体膜１６４＿２として、第２膜厚ｔ２（たとえば１００ｎｍ）のＳｉＯ２が形成され、第３領域Ａ３には、誘電体膜１６４＿３として、第３膜厚ｔ３（たとえば１００ｎｍ）のＳｉＮが形成される。
【0074】
ＧａＡｓのキャップ層１６０上に、ＳｉＮの単層膜を成膜した場合は、誘電体膜１６４＿３へのＧａ元素の引き抜きはほとんど起こらない。つまりＳｉＮを形成することで、ＳｉＯ２に比べＱＷＩを抑制することが可能となる。ここで、第３領域Ａ３に、ＳｉＮもＳｉＯ２も形成しない場合、以降の熱処理において再表層のV属原子の脱離が発生する。これに対して、ＳｉＯ２の膜厚が０である領域に、ＳｉＮを形成することで、V属原子の脱離を防止することができる。実施例２によれば、ＧａＡｓであるキャップ層１６０に導入される空孔欠陥の量は、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、第３領域Ａ３の順で大きくなり、λ１＜λ２＜λ３とすることができる。
【0075】
（実施例３）
図５は、実施例３に係る波長制御工程を説明する図である。実施例３では、条件（iv）、すなわち誘電体膜１６４Ｃの膜種（材料）が、領域ごとに異なっている。
図５は、実施例３に係る波長制御工程を説明する図である。実施例３では、条件（iv）、すなわち誘電体膜１６４Ｃの膜種（材料）が、領域ごとに異なっている。
【0076】
たとえば、第１領域Ａ１～第３領域Ａ３に形成する誘電体膜１６４＿１～１６４＿３を、それぞれＳｉＯ２（１００ｎｍ）、Ａｌ２Ｏ３（１００ｎｍ）、ＳｉＮ（１００ｎｍ）としてもよい。
【0077】
ＩＦＶＤにおいては誘電体膜１６４Ｃの膜種に依存してIII属原子の引き抜き量を変えることができる。なお、波長制御工程のために用いられる誘電体膜１６４Ｃの膜種は本実施例で用いられた材料に限られるものでは無く、たとえばＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ、ＡｌＮなどを利用できる。
【0078】
（実施例４）
実施例４では、条件(v)の膜質を領域ごとに異ならしめることで、波長制御を行う。同一材料かつ同一膜厚であっても、成膜方法や成膜条件により、誘電体膜１６４の膜質を、領域ごとに変えることができる。たとえばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法やＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法、スパッタリング法等により、膜応力の異なる同一膜種を、領域Ａ１～Ａ３に形成してもよい。
実施例４では、条件(v)の膜質を領域ごとに異ならしめることで、波長制御を行う。同一材料かつ同一膜厚であっても、成膜方法や成膜条件により、誘電体膜１６４の膜質を、領域ごとに変えることができる。たとえばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法やＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法、スパッタリング法等により、膜応力の異なる同一膜種を、領域Ａ１～Ａ３に形成してもよい。
【0079】
（実施例５）
図６は、実施例５に係る波長制御工程を説明する図である。実施例５では、条件（vi）すなわち誘電体膜１６４Ｄの構成が、領域ごとに異なっている。
図６は、実施例５に係る波長制御工程を説明する図である。実施例５では、条件（vi）すなわち誘電体膜１６４Ｄの構成が、領域ごとに異なっている。
【0080】
誘電体膜１６４Ｄは、ＩＦＶＤにおけるIII属原子の引き抜き度合いが異なる２以上の材料の膜を積層させた多層構造を有する。ここでは誘電体膜１６４Ｄは、キャップ層１６０に接する下層膜１６４Ｌと、上層膜１６４Ｕを含む２層構造を有し、領域Ａ１～Ａ３ごとに、２層構造の膜厚の組み合わせが異なっている。下層膜１６４Ｌと上層膜１６４Ｕの組み合わせとしては、ＳｉＮとＳｉＯ２を用いることができる。
【0081】
たとえば第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、第３領域Ａ３上に形成したＳｉＮ／ＳｉＯ２の膜厚は、それぞれ(２５ｎｍ／１２５ｎｍ）、（５０ｎｍ／１００ｎｍ）、（７５ｎｍ／７５ｎｍ）である。このような構造では、キャップ層１６０に接する膜１６４Ｌが、これより上に成膜された誘電体膜１６４ＵによるIII層原子引き抜きの働きを、抑制できる。また、この度合いは、各誘電体膜１６４Ｌ，１６４Ｕそれぞれの膜厚によって制御することができる。
【0082】
（実施例６）
図７は、実施例６に係る波長制御工程を説明する図である。実施例６では、条件（vii）すなわち誘電体膜１６４Ｅがキャップ層１６０に接する割合が、領域Ａ１～Ａ３ごとに異なっている。誘電体膜１６４Ｅは、たとえばＳｉＯ２を用いることができる。
図７は、実施例６に係る波長制御工程を説明する図である。実施例６では、条件（vii）すなわち誘電体膜１６４Ｅがキャップ層１６０に接する割合が、領域Ａ１～Ａ３ごとに異なっている。誘電体膜１６４Ｅは、たとえばＳｉＯ２を用いることができる。
【0083】
たとえば、誘電体膜１６４Ｅにパターニングを施し、誘電体膜１６４Ｅがキャップ層１６０と接する面積と、キャップ層１６０（ＧａＡｓの結晶部）が露出する面積の割合を、領域Ａ１～Ａ３ごとに異ならしめてもよい。たとえば、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、第３領域Ａ３において、誘電体膜１６４Ｅとキャップ層１６０の接する割合は、それぞれ９０％、７０％、５０％としてもよい。
【0084】
誘電体膜１６４Ｅとキャップ層１６０の接する割合が高くなるにしたがい、ＳｉＯ２によるIII属原子の引き抜きの量が大きくなり、結晶部に導入されるIII属空孔の量が増加する。
【0085】
（実施例７）
図８は、実施例７に係る波長制御工程を説明する図である。実施例７は、条件（ii）、すなわちキャップ層１６０の厚さが、領域ごとに異なっている。
図８は、実施例７に係る波長制御工程を説明する図である。実施例７は、条件（ii）、すなわちキャップ層１６０の厚さが、領域ごとに異なっている。
【0086】
実施例７では、第１成長層１６２の成長終了後に、キャップ層１６０にエッチングを施し、領域Ａ１～Ａ３ごとにキャップ層１６０の膜厚ｈ１，ｈ２，ｈ３を変えている。なお、誘電体膜１６４Ｆは、全領域Ａ１～Ａ３において同じ膜厚のＳｉＯ２を形成してもよい。キャップ層１６０の膜厚は、ｈ１＜ｈ２＜ｈ３であり、膜厚が大きいほど結晶部に導入されるIII属空孔の量は増加する傾向がある。したがって、キャップ層１６０Ｆの膜厚に応じて、ＱＷＩの度合いを制御することができる。
【0087】
本実施例においては、ＧａＡｓキャップ層１６０の膜厚が、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、第３領域Ａ３の順に２００ｎｍ、１００ｎｍ、５０ｎｍとなるように、エッチングを施してもよい。続いて、ＣＶＤ法により、誘電体膜１６４Ｆとして、３００ｎｍのＳｉＯ２を成膜してもよい。
【0088】
（実施例８）
実施例８では、波長制御工程において、ＩＦＶＤに代えて、不純物拡散法を用いる。たとえば、キャップ層１６０上に形成する誘電体膜１６４を、ＺｎＯとＳｉＯ２の２層膜とし、ＺｎＯの膜厚を、領域ごとに変えてもよい。各領域Ａ１，Ａ２，Ａ３のＺｎＯの膜厚は、３００ｎｍ、１００ｎｍ、５０ｎｍとし、ＳｉＯ２は５０ｎｍとしてもよい。
実施例８では、波長制御工程において、ＩＦＶＤに代えて、不純物拡散法を用いる。たとえば、キャップ層１６０上に形成する誘電体膜１６４を、ＺｎＯとＳｉＯ２の２層膜とし、ＺｎＯの膜厚を、領域ごとに変えてもよい。各領域Ａ１，Ａ２，Ａ３のＺｎＯの膜厚は、３００ｎｍ、１００ｎｍ、５０ｎｍとし、ＳｉＯ２は５０ｎｍとしてもよい。
【0089】
（検証実験１）
実施形態に係る半導体レーザ素子１００あるいはその製造方法の効果を検証した実験結果について説明する。図９は、検証実験で作成した２個の試料の断面図である。
実施形態に係る半導体レーザ素子１００あるいはその製造方法の効果を検証した実験結果について説明する。図９は、検証実験で作成した２個の試料の断面図である。
【0090】
第１試料Ｓ１は、実施形態における波長制御工程における断面構造を模したものである。第２試料Ｓ２は、従来技術における波長制御工程における断面構造を模したものである。従来技術では、Ｐ型クラッド層およびＰ型コンタクト層を形成した後に、ＧａＡｓ層（キャップ層）を形成しており、第２試料Ｓ２のＡｌＩｎＰ層は、Ｐ型クラッド層１２４およびＰ型コンタクト層１２６を模したものである。
【0091】
第１試料Ｓ１と第２試料Ｓ２は、活性層１３４から、結晶最表面までの距離が異なっている。第１試料Ｓ１は第２試料Ｓ２よりも活性層１３４から最表面層までの距離が小さく、本開示の効果が相対的に大きくなるような構造を有する。
【0092】
これらの試料Ｓ１，Ｓ２の上に、厚さ５００ｎｍのＳｉＯ２を成膜してもよい。その後、試料１，試料２それぞれを４分割し、９５０℃の熱処理を、分割試料ごとに、０分、２分、６分、１分と時間を変えて施した。
【0093】
図１０は、熱処理後の第１試料Ｓ１の４個の分割試料のＰＬ（フォトルミネッセンス）測定の結果を示す図である。図１１は、熱処理後の第２試料Ｓ２の４個の分割試料のＰＬ（フォトルミネッセンス）測定の結果を示す図である。
【0094】
熱処理後に実施したＰＬ測定の結果を見ると、第１試料Ｓ１では熱処理時間増加に伴ってＰＬ波長が有意に変化しているのに対して、第２試料Ｓ２では、ＰＬ波長に有意な変化はみられないことが分かる。これは、同じ熱処理条件下であっても、第１試料Ｓ１でのみ活性層１３４の混晶化が生じていることを表している。すなわち、従来に比べて結晶に導入する熱的エネルギーを小さくしても、所望の波長差を付けることが可能であること、熱処理に伴うダメージの導入を抑制することが可能であることが、この検証実験によって裏付けられた。
【0095】
（検証実験２）
Ｎ型半導体基板１１０上に、第１成長層１６２を結晶成長した試料を作成し、その試料を２つに分割し、一方（第２試料）のみに波長制御工程を施し、他方（第１試料）には、波長制御工程は施していない。２つの試料を、高角度環状暗視野走査透過型電子顕微鏡（HAADF-STEM；High-Angle Annular Dark Field Scanning TEM)により測定した。図１２は、第１試料および第２試料のそれぞれの、活性層の断面のHAADF-STEM像を示す図である。
Ｎ型半導体基板１１０上に、第１成長層１６２を結晶成長した試料を作成し、その試料を２つに分割し、一方（第２試料）のみに波長制御工程を施し、他方（第１試料）には、波長制御工程は施していない。２つの試料を、高角度環状暗視野走査透過型電子顕微鏡（HAADF-STEM；High-Angle Annular Dark Field Scanning TEM)により測定した。図１２は、第１試料および第２試料のそれぞれの、活性層の断面のHAADF-STEM像を示す図である。
【0096】
図１２に示す第１試料では活性層（量子井戸層）とガイド層の界面が急峻であるのに対して、図１２に示す第２試料では界面の急峻性が失われ混晶化が生じていることが確認できる。混晶化度合いは、たとえばＴＥＭによる観察で評価することができる。また混晶化度合いは、ＴＥＭのコントラストプロファイルを用いて定量的に表すことができる。
【0097】
図１３は、正規化されたコントラストプロファイルＦ（ｙ）を示す図である。具体的には図１２の第１試料および第２試料それぞれのTEM像の破線部内をx方向（紙面横方向）で平均したコントラストプロファイルをｆ（ｙ）、活性層におけるコントラストをＣｗ、ガイド層におけるコントラストをＣｂとしたときに、正規化されたコントラストプロファイルＦ（ｙ）は、以下の式で表される。
Ｆ（ｙ）＝（ｆ（ｙ）－Ｃｂ）／（Ｃｗ－Ｃｂ）
Ｆ（ｙ）＝（ｆ（ｙ）－Ｃｂ）／（Ｃｗ－Ｃｂ）
【0098】
ここで、図１３の縦軸は正規化されたコントラストの強度を示しており、組成コントラストと表記している。組成コントラストが０．８から０．２に変化する距離を、組成遷移長として定義する。第１試料では、組成遷移長は１．１ｎｍ、第２試料では、組成遷移長は２．３ｎｍとなる。
【0099】
図１４は、第１試料と第２試料のＰＬ測定の結果を示す図である。第１試料および第２試料の組成遷移長は、１．１ｎｍと２．３ｎｍであり、ピーク波長の差は、１１ｎｍとなる。
【0100】
【0101】
これらの検証結果をまとめると、以下の知見が得られる。
【0102】
混晶化度合いは、ＴＥＭ像から確認される組成遷移長として定量的に評価することができる。本実施形態において、エミッタごとの発振波長の差を２ｎｍとする場合、２つのレーザ共振器における活性層の組成遷移長の差は最小で０．１６ｎｍ、最大で０．７ｎｍとなる。
【0103】
まとめると、２つのレーザ共振器の間で「混晶化度合いが異なる」とは、活性層の組成遷移長の差が、図１５における発振波長差Δλに対して最小となる範囲、つまり同図において線形的に変化している範囲より大きいことをいう。たとえばΔλが２ｎｍでは、組成遷移長は０．１６以上となる。
【0104】
（変形例）
上述した実施形態および実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なことが当業者に理解される。以下、こうした変形例について説明する。
上述した実施形態および実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なことが当業者に理解される。以下、こうした変形例について説明する。
【0105】
実施形態では、ｍ＝３の場合を説明したが、ビームの個数ｍは３に限定されず、ｍ＝１あるいはｍ＝２であってもよいし、ｍは４以上であってもよい。ｍ＝１、すなわちシングルビームの半導体レーザ素子１００においても、ＱＷＩによる波長制御を行う場合には、本開示に係る技術は有効である。
【0106】
また実施形態では、発振波長が異なるレーザ共振器の個数ｎがｍと等しい場合、つまり、すべてのレーザ共振器の発振波長が異なる場合を説明したがその限りでない。
【0107】
実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【符号の説明】
【0108】
１００ 半導体レーザ素子
１１０ Ｎ型半導体基板
１２０ 積層成長層
１２２ Ｎ型クラッド層
１２４ Ｐ型クラッド層
１２６ Ｐ型コンタクト層
１３０ 発光層
１３２ Ｎ型ガイド層
１３４ 活性層
１３６ Ｐ型ガイド層
１４０ 絶縁層
１５０ Ｐ電極
１５２ Ｎ電極
１６０ キャップ層
１６２ 第１成長層
１６４ 誘電体膜
１６６ 第２成長層
１６８ リッジ構造
２００ レーザ共振器
１１０ Ｎ型半導体基板
１２０ 積層成長層
１２２ Ｎ型クラッド層
１２４ Ｐ型クラッド層
１２６ Ｐ型コンタクト層
１３０ 発光層
１３２ Ｎ型ガイド層
１３４ 活性層
１３６ Ｐ型ガイド層
１４０ 絶縁層
１５０ Ｐ電極
１５２ Ｎ電極
１６０ キャップ層
１６２ 第１成長層
１６４ 誘電体膜
１６６ 第２成長層
１６８ リッジ構造
２００ レーザ共振器
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図2F】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】