特開 2025-16207 窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法、発光装置

(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】P2025016207

(43)【公開日】2025-01-31

(54)【発明の名称】窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法、発光装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/12 20210101AFI20250124BHJP

   H01S 5/22 20060101ALI20250124BHJP

   H01S 5/323 20060101ALI20250124BHJP

   H01S 5/343 20060101ALI20250124BHJP

   H01S 5/028 20060101ALI20250124BHJP

   H01S 5/11 20210101ALI20250124BHJP

【ＦＩ】

H01S5/12

H01S5/22

H01S5/323 610

H01S5/343 610

H01S5/028

H01S5/11

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023119337

(22)【出願日】2023-07-21

(71)【出願人】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(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】深町 俊彦

(72)【発明者】

【氏名】上向井 正裕

(72)【発明者】

【氏名】片山 竜二

(72)【発明者】

【氏名】谷川 智之

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AA08

5F173AB14

5F173AF32

5F173AF52

5F173AF72

5F173AH12

5F173AL04

5F173AR04

5F173AR14

5F173AS05

(57)【要約】

【課題】縦シングルモードで高出力が得られる半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】分布帰還型の半導体レーザ素子１００において、積層構造１１０は、ＧａＮ基板１１２、ｎ型半導体層１２０、活性層１１４、ｐ型半導体層１３０を含み、リッジ型導波路が形成されている。第１回折格子１５０は、リッジ型導波路と隣接して両隣に形成される。第１回折格子の溝の深さｄは、５０ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍの範囲に含まれており、デューティ比ｄｕｔｙは、回折光の次数に対して規定される定数ａ，ｂ，ｃ，ｎを用いた不等式（１）の範囲に含まれる。
【数１】

【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

分布帰還型の半導体レーザ素子であって、
ＧａＮ基板、第１導電型半導体層、発光層、第２導電型半導体層を含み、リッジ型導波路が形成されている積層構造と、
前記リッジ型導波路と隣接して両隣に形成された第１回折格子と、
を備え、
前記第１回折格子の溝の深さｄは、５０ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍの範囲に含まれており、デューティ比ｄｕｔｙは、回折光の次数に対して規定される定数ａ，ｂ，ｃ，ｎを用いた不等式（１）

【数1】

の範囲に含まれることを特徴とする半導体レーザ素子。

【請求項2】

前記次数は３であり、ａ＝１００００００、ｂ＝０．８８９、ｃ＝７５．３、ｎ＝４であり、７５．３ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍ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】

前記次数は１であり、ａ＝７５０００００、ｂ＝０．７３８、ｃ＝５４．９、ｎ＝８であり、５４．９ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍ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4】

前記次数は５であり、ａ＝７５０００００、ｂ＝０．９２９、ｃ＝８８．９、ｎ＝４であり、８８．９ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍ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5】

前記次数は７であり、ａ＝２３００００００、ｂ＝０．９４７、ｃ＝１００．６、ｎ＝４であり、１００．６ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍ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6】

前記リッジ型導波路の上面に形成された第２回折格子をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体レーザ素子。

【請求項7】

前記第２回折格子の溝の底面は、前記第１回折格子の溝の底面よりも高いことを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ素子。

【請求項8】

前記第１回折格子は位相シフト領域を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体レーザ素子。

【請求項9】

前記位相シフト領域は、前記半導体レーザ素子の低反射端面と高反射端面の間を、６：４～８：２の範囲で内分する位置に設けられ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】

前記第１回折格子の内、少なくとも光が染み出る部分について、溝部は絶縁膜で覆われており、前記絶縁膜は少なくともＳｉ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｉｎ，Ｏ，Ｎの内の１つ以上の元素含むことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体レーザ素子。

【請求項11】

請求項１から５のいずれかに記載の分布帰還型の半導体レーザ素子と、
前記分布帰還型の半導体レーザ素子の出射光の２次高調波を発生する非線形光学素子と、
前記２次高調波を透過するフィルタと、
を備えることを特徴とする発光装置。

【請求項12】

分布帰還型の半導体レーザ素子の製造方法であって、
、ＧａＮ基板、第１導電型半導体層、発光層、第２導電型半導体層を含む積層構造を形成するステップと、
前記積層構造にリッジストライプ構造を形成するステップと、
前記リッジストライプ構造と隣接して、第１回折格子を形成するステップと、
前記第１回折格子の溝の内部に絶縁膜を形成するステップと、
を備え、
前記第１回折格子の溝の深さｄは、５４．９ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍの範囲に含まれており、デューティ比ｄｕｔｙは、回折光の次数に対して規定される定数ａ，ｂ，ｃ，ｎを用いた不等式（１）

【数2】

の範囲に含まれることを特徴とする製造方法。

【請求項13】

前記第１回折格子の形成と同時に、前記リッジストライプ構造と隣接する領域に第２回折格子を形成するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の製造方法。

【請求項14】

前記絶縁膜は、原子層堆積(ＡＬＤ)法により形成されることを特徴とする請求項１２または１３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、窒化物半導体レーザ素子に関する。

【背景技術】

【0002】

これまで殺菌用途として、２５４ｎｍ紫外線殺菌灯などが広く用いられてきた。しかし、人に照射すると皮膚がんや角膜炎を発症させるリスクがあった。それに対し、近年ＫｒＣｌエキシマランプを用いた２２２ｎｍの紫外線は、はるかに安全性が高いことが国内外の多くの医療機関や大学などから報告されている。加えて、新型コロナウィルスに対し効果があることも検証されつつある。このＫｒＣｌエキシマランプを応用したウィルス不活化システムが、医療機関や学校、公共・商業施設、飲食施設などで人の活動を制限することなく、ウィルスの不活化ができ、パンデミックの抑制と、社会活動の両立に貢献できるものとして注目を集めている。

【0003】

このウィルス不活化システムの、更なる静音性向上や小型化には、ＫｒＣｌエキシマランプを、半導体発光素子を実装した半導体発光装置に置き換える方法が考えられる。しかし、２２２ｎｍ辺りで発光する半導体発光素子は未だ存在しない。そこで、波長変換素子による高調波発生を利用して、４４４ｎｍの光を２２２ｎｍの２次高調波（ＳＨＧ：Second harmonic Generation波）に変換する方法が考えられる。

【0004】

ＳＨＧ波の変換効率を高めるためには、４４４ｎｍの光源として、縦シングルモードかつ高出力の半導体レーザが必要である。一般的に、縦シングルモードレーザとしては、分布帰還型レーザ（ＤＦＢ－ＬＤ：Distributed FeedBack Laser Diode)が利用される。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】"InGaAs/AlGaAs Quantum Well Laterally-Coupled Distributed Feedback Laser", Japanese Journal of Applied Physics, volume 43, Number 5R, pp.25-49 (2004)

【非特許文献2】"Continuous-wave operation of a semipolar InGaN distributed-feedback blue laser diode with a first-order indium tin oxide surface grating", Optics Letters vol.44 pp.3106-3109 (2019)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

紫外光や可視光の波長帯域の光を発光する半導体発光素子としてはＧａＮ系材料が広く用いられている。しかし、ＧａＮ系材料では、十分な屈折率差を得るのが難しく、回折格子の光結合係数κを大きくすることが難しかった。

【0007】

本開示はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは縦シングルモードで高出力が得られる半導体レーザ素子の提供にある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示のある態様は、分布帰還型の半導体レーザ素子に関する。半導体レーザ素子は、ＧａＮ基板、第１導電型半導体層、発光層、第２導電型半導体層を含み、リッジ型導波路が形成されている積層構造と、リッジ型導波路と隣接して両隣に形成された第１回折格子と、を備える。第１回折格子の溝の深さｄは、５０ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍの範囲に含まれており、デューティ比ｄｕｔｙは、回折光の次数に対して規定される定数ａ，ｂ，ｃ，ｎを用いた不等式（１）の範囲に含まれる。

【数1】

【0009】

本開示の別の態様は、分布帰還型の半導体レーザ素子の製造方法に関する。この製造方法は、ＧａＮ基板、第１導電型半導体層、発光層、第２導電型半導体層を含む積層構造を形成するステップと、積層構造にリッジストライプ構造を形成するステップと、リッジストライプ構造と隣接して、第１回折格子を形成するステップと、第１回折格子の溝の内部に絶縁膜を形成するステップと、を備える。第１回折格子の溝の深さｄは、５４．９ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍの範囲に含まれており、デューティ比ｄｕｔｙは、回折光の次数に対して規定される定数ａ，ｂ，ｃ，ｎを用いた不等式（１）の範囲に含まれる。

【0010】

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、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、本発明あるいは本開示の態様として有効である。さらに、この項目（課題を解決するための手段）の記載は、本発明の欠くべからざるすべての特徴を説明するものではなく、したがって、記載されるこれらの特徴のサブコンビネーションも、本発明たり得る。

【発明の効果】

【0011】

本開示のある態様に係る半導体レーザ素子によれば、縦シングルモードで高出力を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態１に係る分布帰還型の半導体レーザ素子の斜視図である。

【図2】光と回折格子の相互作用を説明する図である。

【図3】回折格子のデューティ比と光結合係数κの関係を示す図である。

【図4】光結合係数κが１０ｃｍ^－１となるときの、溝の深さｄとデューティ比ｄｕｔｙの関係を示す図である。

【図5】実施形態２に係る半導体レーザ素子の斜視図である。

【図6】光と第１回折格子および第２回折格子の相互作用を説明する図である。

【図7】実施形態１および実施形態２の光結合係数κを示す図である。

【図8】半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。

【図9】実施形態３に係る半導体レーザ素子の斜視図である。

【図10】位相シフト領域を有する回折格子を示す断面図である。

【図11】実施形態に係る発光装置を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

（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。

【0014】

（実施形態の概要）
一実施形態に係る分布帰還型の半導体レーザ素子は、ＧａＮ基板、第１導電型半導体層、発光層、第２導電型半導体層を含み、リッジ型導波路が形成されている積層構造と、リッジ型導波路と隣接して両隣に形成された第１回折格子と、を備える。第１回折格子の溝の深さｄは、５０ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍの範囲に含まれており、デューティ比ｄｕｔｙは、回折光の次数に対して規定される定数ａ，ｂ，ｃ，ｎを用いた不等式（１）の範囲に含まれる。

【数2】

【0015】

デューティ比を、回折格子の溝の深さをパラメータとして式（１）で規定される範囲に収めることで、大きな光結合係数κを得ることができ、半導体レーザ素子を高出力化できる。

【0016】

一実施形態において、次数は３であり、ａ＝１００００００、ｂ＝０．８８９、ｃ＝７５．３、ｎ＝４であり、７５．３ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍであってもよい。

【0017】

一実施形態において、次数は１であり、ａ＝７５０００００、ｂ＝０．７３８、ｃ＝５４．９、ｎ＝８であり、５４．９ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍであってもよい。

【0018】

一実施形態において、次数は５であり、ａ＝７５０００００、ｂ＝０．９２９、ｃ＝８８．９、ｎ＝４であり、８８．９ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍであってもよい。

【0019】

一実施形態において、次数は７であり、ａ＝２３００００００、ｂ＝０．９４７、ｃ＝１００．６、ｎ＝４であり、１００．６ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍであってもよい。

【0020】

一実施形態において、半導体レーザ素子は、リッジ型導波路の上面に形成された第２回折格子をさらに備えてもよい。第１回折格子と第２回折格子は、同じ周期構造を有しており、平面視したときに、連続している。第２回折格子を設けることで、さらに光結合係数を高めることができる。さらに、第１回折格子と第２回折格子が同じ周期構造を有していることから、同じ製造プロセスを利用して同時に形成することができる。これにより、製造が容易となる。

【0021】

一実施形態において、第２回折格子の溝の底面は、第１回折格子の溝の底面よりも高くてもよい。

【0022】

一実施形態において、第１回折格子は位相シフト領域を有してもよい。一実施形態において、発振波長をλ、ｍを０または任意の正の整数、ｎ_０ｒを光が感じる平均屈折率とするとき、位相シフト領域の長さは、λ／４ｎ_０ｒ×（２ｍ＋１）であってもよい。

【0023】

一実施形態において、位相シフト領域は、半導体レーザ素子の低反射端面と高反射端面の間を、６：４～８：２の範囲で内分する位置に設けられてもよい。

【0024】

一実施形態において、第１回折格子の内、少なくとも光が染み出る部分について、溝部は絶縁膜で覆われており、絶縁膜は少なくともＳｉ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｉｎ，Ｏ，Ｎの内の１つ以上の元素含んでもよい。

【0025】

一実施形態に係る発光装置は、上述のいずれかに記載の分布帰還型の半導体レーザ素子と、分布帰還型の半導体レーザ素子の出射光の２次高調波を発生する非線形光学素子と、２次高調波を透過するフィルタと、を備えてもよい。この構成によれば、安全性の高い紫外線を高効率に発生することができる。

【0026】

一実施形態に係る分布帰還型の半導体レーザ素子の製造方法は、ＧａＮ基板、第１導電型半導体層、発光層、第２導電型半導体層を含む積層構造を形成するステップと、積層構造にリッジストライプ構造を形成するステップと、リッジストライプ構造と隣接して、第１回折格子を形成するステップと、第１回折格子の溝の内部に絶縁膜を形成するステップと、を備える。第１回折格子の溝の深さｄは、５４．９ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍの範囲に含まれており、デューティ比ｄｕｔｙは、回折光の次数に対して規定される定数ａ，ｂ，ｃ，ｎを用いた不等式（１）の範囲に含まれる。

【0027】

一実施形態に係る製造方法は、第１回折格子の形成と同時に、リッジストライプ構造と隣接する領域に第２回折格子を形成するステップをさらに備えてもよい。

【0028】

一実施形態において、絶縁膜は、原子層堆積(ＡＬＤ)法により形成されてもよい。

【0029】

（実施形態）
以下、好適な実施形態について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、開示や発明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、必ずしも開示や発明の本質的なものであるとは限らない。

【0030】

また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。

【0031】

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る分布帰還型の半導体レーザ素子１００の斜視図である。半導体レーザ素子１００は、ｎ型のＧａＮ基板１１２、ｎ型半導体層１２０、活性層１１４、ｐ型半導体層１３０、ｎ側電極１４０、ｐ側電極１４２、回折格子１５０を備える。

【0032】

ＧａＮ基板１１２は、窒化物半導体であり、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成を有することができる。４４４ｎｍの青色のレーザ光を生成するためには、ＧａＮ基板１１２の材料はＧａＮ（ｘ＝ｙ＝０）を選ぶことができる。

【0033】

ｎ型半導体層１２０、活性層１１４、ｐ型半導体層１３０は、エピタキシャル成長によってｎ型のＧａＮ基板１１２上に順に形成され、積層構造１１０を構成する。

【0034】

ｎ型半導体層１２０は、ｎ型クラッド層１２２、ｎ型ガイド層１２４を含みうる。たとえばｎ型クラッド層１２２の材料はｎ－Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎであり、ｎ型ガイド層１２４の材料はｎ－ＧａＮである。

【0035】

ｎ型半導体層１２０の上には、量子井戸構造を有する活性層（発光層）１１４が形成される。発振波長を４４４ｎｍとする場合、量子井戸構造の材料として、バリア層としてＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎを、井戸層としてＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎを選ぶことができる。

【0036】

ｎ型半導体層１２０から活性層１１４への不純物の拡散を抑制するために、それらの間に、アンドープ窒化物ガイド層（不図示）Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎを挿入することができる。

【0037】

ｐ型半導体層１３０は、キャリアブロック（電子ブロックＥＢ）層１３２、ｐ型ガイド層１３４、ｐ型クラッド層１３６、コンタクト層１３８を含みうる。たとえばｐ型ガイド層１３４の材料は、ｐ－Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎであり、ｐ型クラッド層１３６の材料はｐ－Ａｌ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎであり、コンタクト層１３８の材料はｐ－ＧａＮである。

【0038】

ｐ型半導体層１３０から活性層１１４への不純物の拡散を抑制するために、それらの間に、アンドープ窒化物ガイド層（不図示）を挿入することができる。

【0039】

ｎ側電極１４０は、ＧａＮ基板１１２の裏面に形成され、ｐ側電極１４２は、コンタクト層１３８の上面に形成される。

【0040】

ｐ型クラッド層１３６にはリッジ（メサ）が形成され、リッジストライプ構造（リッジ構造）１６０が形成される。リッジの高さは数百ｎｍ、リッジの幅（メサ幅）は、数ミクロンとすることができる。たとえば高さ５００ｎｍ、幅２μｍとしてもよい。

【0041】

後述する光結合係数κはリッジ幅によっても変化し、メサ幅を狭くするほど光結合係数κが大きくなる。但し、メサ幅が１μｍ未満となるあたりから、横方向の閉じ込めが弱くなり、光結合係数も小さくなり始める。一方、メサ幅が３μｍを超えると、横シングルモードから横マルチモードになる。そのため、横シングルモードで高い光結合係数κを得るためには、メサ幅Ｗｍは、１μｍ≦Ｗｍ≦３μｍとすることが好ましい。

【0042】

リッジストライプ構造１６０を有するｐ型クラッド層１３６は、活性層１１４、ｎ型クラッド層１２２とともに、リッジ型導波路を形成する。

【0043】

ｐ型クラッド層１３６のリッジストライプ構造１６０と隣接するメサ脇の部分には、回折格子１５０が形成される。

【0044】

なお、半導体レーザ素子１００の出射側（前方）端面には、ＡＲ（無反射）コート（反射率２％以下）、反射側（後方）端面には、ＨＲ（高反射）コート（反射率９０％以上）が施される。あるいは両端面をＡＲコートとしてもよい。

【0045】

図２は、光と回折格子１５０の相互作用を説明する図である。図２には半導体レーザ素子１００の簡略化した断面図が示される。リッジ型導波路内を導波するレーザ光は、水平横方向に染み出し、染み出した部分がリッジストライプ構造１６０の脇にある回折格子１５０と相互作用する。これにより、分布帰還型レーザとして動作し、縦シングルモードでの発振が可能となる。

【0046】

回折格子１５０の溝の形状は、一般的には矩形のものが考えられるが、実効的に同様な効果が得られるならば、これに限るものではない。たとえば溝の断面形状は台形であってもよいし、くさび形であってもよいし、その他の形状であってもよい。溝の断面が非矩形の場合、その幅は、平均的な幅として定義してもよい。

【0047】

続いて、次に４４４ｎｍで高出力を得るための回折格子１５０について説明する。長波長（赤～赤外域）の半導体レーザでは、回折格子の光結合係数κを容易に大きくすることができるが、青色のレーザでは、光結合係数κを大きくすることが難しく、回折格子１５０の構造は、半導体レーザ素子１００の性能に大きく影響を与える。

【0048】

図３は、回折格子のデューティ比と光結合係数κの関係を示す図である。図３は、１次、３次、５次、７次の回折光に対して、光結合係数κを計算したものである。溝の深さはそれぞれ、５０ｎｍ，１００ｎｍ，１５０ｎｍ，２００ｎｍとしている。回折格子のデューティ比は、回折格子の溝の幅と周期の比率で表され、溝の幅をｗ、周期をｐとすると、ｄｕｔｙ＝１－（ｗ/ｐ）となり、０≦ｄｕｔｙ≦１の範囲で規定され、溝の幅ｗが狭いほどデューティ比は高くなる。

【0049】

ＤＦＢ－ＬＤを設計する上で重要なパラメータの１つに規格化結合係数κＬがある。ここで、κは光結合係数、Ｌは共振器長である．このκＬは経験的に、κＬ≧０．５であること、より望ましくはκＬ≧１とするとよい。なぜなら、κＬの小さいＤＦＢ－ＬＤでは、駆動条件に依ってはＦＰ（ファブリーペロー）モードとＤＦＢモードが混在する場合があり、ＳＭＳＲ（サイドモード抑圧比）の高い縦シングルモード発振を実現できなくなるからである。また、横シングルモード窒化物半導体レーザでは、リッジ幅は２μｍ前後になるため、数１０ｍＷ以上の光出力を得るには、経験上、共振器長を５００μｍ以上にするのが望ましい。それは、一般的に通電に伴う発熱により光出力は熱飽和を起こすが、共振器長が短い場合、十分な光出力を得る前に熱飽和を起こしてしまうからである。これらのことから、ＤＦＢ－ＬＤの光結合係数κは、κ≧１０ｃｍ^－１となるように設計することが望ましい。

【0050】

図４は、図３の結果から得られた光結合係数κが１０ｃｍ^－１以上となるときの、溝の深さｄとデューティ比ｄｕｔｙの範囲を示す図である。図４は、
ｄ＝ａ×（ｄｕｔｙ－ｂ）^ｎ＋ｃ …（２）
という式（２）によってうまく表すことができる。

【0051】

ａ，ｂ，ｃ，ｎはフィッティングパラメータである。ある深さｄに対して、式（２）によって囲まれる範囲内でデューティ比ｄｕｔｙを決めることにより、光結合係数κを１０ｃｍ^－１より大きくできる。すなわち、デューティ比ｄｕｔｙは、以下の関係式（１）を満たすように決めればよい。

【数3】

【0052】

ここで、光結合係数κは、溝の深さｄに依存し、溝を深く掘るほど光結合係数は単調に増大する傾向を示すが、エッチング技術の制約等で無制限に溝を深くすることはできず、せいぜい２００ｎｍ程度である。また、回折格子ｄの深さを２００ｎｍより深くしようとした場合、十分な横方向の光閉じ込めを確保するにはリッジストライプ構造１６０の高さ（メサの高さ）を高くする必要があるが、これは駆動電圧の上昇を招いてしまう。このような制約条件を考慮すると、溝の深さｄは、５０～２００ｎｍの範囲とすることが好ましい。

【0053】

一実施例において、回折次数を３とすることができる。この場合、ａ＝１００００００、ｂ＝０．８８９、ｃ＝７５．３、ｎ＝４であり、取り得る溝の深さｄは、７５．３ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍとなる。

【0054】

一実施例において、回折次数を１とすることができる。この場合、ａ＝７５０００００、ｂ＝０．７３８、ｃ＝５４．９、ｎ＝８であり、取り得る溝の深さｄは、５４．９ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍとなる。

【0055】

一実施例において、回折次数を５とすることができる。この場合、ａ＝７５０００００、ｂ＝０．９２９、ｃ＝８８．９、ｎ＝４であり、取り得る溝の深さｄは、８８．９ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍとなる。

【0056】

一実施形態において、回折次数を７とすることができる。この場合、ａ＝２３００００００、ｂ＝０．９４７、ｃ＝１００．６、ｎ＝４であり、取り得る溝の深さｄは、１００．６ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍとなる。

【0057】

（実施形態２）
図５は、実施形態２に係る半導体レーザ素子１００Ａの斜視図である。半導体レーザ素子１００Ａは、図１の半導体レーザ素子１００に加えて、第２回折格子１５２をさらに備えている。実施形態２において、リッジストライプ構造１６０と隣接する回折格子１５０を、第１回折格子１５０と称する。

【0058】

第２回折格子１５２は、第１回折格子１５０と同じ周期構造を有しており、半導体レーザ素子１００Ａを平面視したときに、第１回折格子１５０と第２回折格子１５２の対応する溝の位置は揃っており、連続している。

【0059】

図６は、光と第１回折格子１５０および第２回折格子１５２の相互作用を説明する図である。図６には半導体レーザ素子１００Ａの簡略化した断面図が示される。リッジ型導波路内を導波するレーザ光は、水平横方向に染み出し、染み出した部分がリッジストライプ構造１６０の脇にある第１回折格子１５０と相互作用する。これに加えて、レーザ光は、垂直上方向にも染み出し、染み出した部分がリッジストライプ構造１６０の上にある第２回折格子１５２と作用する。これにより、実施形態１に比べてさらに光結合係数κを高めることができる。

【0060】

図７は、実施形態１および実施形態２の光結合係数κを示す図である。計算は、３次の回折光および１次の回折光に対して行った。３次の回折光では、溝の深さｄ＝１５０ｎｍ、デューティ比を９０％とし、１次の回折光では、溝の深さｄ＝１００ｎｍ、デューティ比を８５％としている。実施形態２では、１次、３次のいずれの回折光に対しても、光結合係数κを高めることができる。

【0061】

さらに、実施形態２に係る半導体レーザ素子１００Ａは、第１回折格子と第２回折格子が同じ周期構造を有していることから、同じ製造プロセスを利用して同時に形成することができる。この場合、回折格子１５０と１５２の溝の深さは同程度となる。言い換えると、回折格子１５０の溝の底は、回折格子１５２の溝の底よりも高く位置することとなる。

【0062】

回折格子ｄの深さを２００ｎｍより深くしようとした場合、十分な横方向の光閉じ込めを確保するには、リッジストライプ構造１６０の高さ（メサの高さ）を高くする必要があるが、これは駆動電圧の上昇を招いてしまう。また、注入電流も、共振器方向に不均一になりやすい。これに対して回折格子の溝の深さｄを５０～２００ｎｍの範囲に制限することにより、メサの高さを高くする必要がないため、電圧上昇や電流の不均一の問題は生じない。

【0063】

図８は、半導体レーザ素子１００Ａの製造方法を説明する図である。工程Ｓ１において、メサを形成した積層構造２０１の上に、絶縁膜２０２を形成する。積層構造２０１は、図１のＧａＮ基板１１２、ｎ型半導体層１２０、活性層１１４、ｐ型半導体層１３０を含む積層構造である。積層構造の製造方法は公知技術を用いればよい。

【0064】

続く工程Ｓ２において、絶縁膜２０２の上にレジスト２０４を塗布した後に、回折格子１５０，１５２のパターンを形成する。

【0065】

続く工程Ｓ３において、絶縁膜２０２をエッチングし、レジスト２０４を除去する。続く工程Ｓ４において、絶縁膜２０２を除去する。

【0066】

溝の内部には、絶縁膜２０６を形成するとよい。絶縁膜２０６は、少なくとも、光が染み出す部分に形成することが好ましく、溝を完全に充填してもよい。工程Ｓ５では、この絶縁膜２０６が、ＡＤＬ（原子層堆積）法によって形成される。ＡＤＬ法を用いることで、溝の底面に絶縁膜２０６をうまく形成できる。絶縁膜２０６の材料としては、Ｓｉ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｉｎ，Ｏ，Ｎの内の１つ以上の元素を含む酸化物、具体的には、ＳｉＮ_ｘ、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、ＡｌＩｎＮなどを用いることができる。

【0067】

続く工程Ｓ６において、絶縁膜２０６のうち、メサの上面の一部分２０８が除去される。そして工程Ｓ７において、ｐ側電極１４２が形成される。

【0068】

以上が半導体レーザ素子１００Ａの製造方法である。この半導体レーザ素子１００Ａによれば、第１回折格子１５０と第２回折格子１５２を同じプロセスで同時に形成することができる。

【0069】

実施形態１に係る半導体レーザ素子１００では、メサを避けつつ、回折格子１５０を形成する必要があることから、製造の難易度が高い。すなわち回折格子１５０をメサの肩の直近まで近づけようとすれば、メサの側面に溝が形成されてしまう可能性が高まる。反対に、メサの側面の溝を防止しようとすると、回折格子１５０が、メサの肩から離れてしまい、光結合係数κが低下してしまう。実施形態２では、第１回折格子１５０と第２回折格子１５２を同じプロセスで同時に形成するため、このような問題が生じない。

【0070】

（実施形態３）
図９は、実施形態３に係る半導体レーザ素子１００Ｂの斜視図である。第２回折格子１５２は、メサ上面に形成されるが、メサの側面から一定の幅には、溝が形成されない。これにより電流注入の不均一性を更に抑制できる。

【0071】

実施形態１～３において、回折格子１５０、１５２には、位相シフト領域を設けてもよい。図１０は、位相シフト領域１５１を有する回折格子１５０Ｃを示す断面図である。図１０の下段には比較のために、位相シフト領域１５１を備えない回折格子１５０が示される。位相シフト領域１５１は、回折格子１５０Ｃの山の部分に設けられる。位相シフト領域１５１の長さは、
λ／４ｎ_０ｒ×（２ｍ＋１）
とすることができる。λは発振波長、ｍは０または任意の正の整数、ｎ_０ｒは光が感じる平均屈折率である。ｎ_０ｒは半導体レーザ素子の構造や材料による値で、１＜ｎ_０ｒ＜３の範囲の値を取りうる。位相シフト領域１５１を設けることにより、縦シングルモードのサイドモード抑圧比(SMSR；Side Mode Suppression Ratio)を向上できる。

【0072】

位相シフト領域１５１は、共振器の中央よりも、高反射端面寄りに形成することが好ましい。たとえば位相シフト領域１５１は、半導体レーザ素子の低反射端面（出射端面）と高反射端面の間を、６：４乃至８：２の範囲で内分する位置に設けられてもよい。

【0073】

続いて半導体レーザ素子１００の用途を説明する。

【0074】

図１１は、実施形態に係る発光装置２００を示す図である。発光装置２００は、上述の半導体レーザ素子１００（１００Ａ，１００Ｂ）と、非線形光学素子２１０、フィルタ２２０を備える。

【0075】

半導体レーザ素子１００は、λ＝４４４ｎｍの縦シングルモードで発振する。非線形光学素子２１０は、波長変換素子であり、半導体レーザ素子１００の出射光の２次高調波λ／２（波長２２２ｎｍ）を発生する。非線形光学素子２１０としては、たとえばβ－ＢａＢ_２Ｏ_４（ＢＢＯ）やＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０（ＣＬＢＯ）などが用いられる。この波長変換素子に適切な方向から基本波（４４４ｎｍ）を入射させることで、２次高調波（２２２ｎｍ）を生成することができる。フィルタ２２０はショートパスフィルタであり、基本波λを除去し、２次高調波λ／２を出射する。

【0076】

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】

【0077】

１００ 半導体レーザ素子
１１０ 積層構造
１１２ ＧａＮ基板
１２０ ｎ型半導体層
１２２ ｎ型クラッド層
１２４ ｎ型ガイド層
１１４ 活性層
１３０ ｐ型半導体層
１３２ キャリアブロック層
１３４ ｐ型ガイド層
１３６ ｐ型クラッド層
１３８ コンタクト層
１４０ ｎ側電極
１４２ ｐ側電極
１５０ 第１回折格子
１５１ 位相シフト領域
１５２ 第２回折格子
１６０ リッジストライプ構造
２００ 発光装置
２１０ 非線形光学素子
２２０ フィルタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】