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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-11-13
(45)【発行日】2023-11-21
(54)【発明の名称】半導体レーザ素子
(51)【国際特許分類】
H01S 5/22 20060101AFI20231114BHJP
【ＦＩ】
H01S5/22
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2020069287
(22)【出願日】2020-04-07
(65)【公開番号】P2021166255
(43)【公開日】2021-10-14
【審査請求日】2023-01-19
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）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１７条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】000005821
【氏名又は名称】パナソニックホールディングス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100111383
【弁理士】
【氏名又は名称】芝野 正雅
(74)【代理人】
【識別番号】100170922
【弁理士】
【氏名又は名称】大橋 誠
(72)【発明者】
【氏名】萩野 裕幸
【審査官】村井 友和
(56)【参考文献】
【文献】特開平０７－１０６６９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－２４３０１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－１８６６５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－１３３６４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２１－０１９０３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２１－０１９０４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０３２３５８０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０３９７２７９１（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、前記基板の上方に配置された第１半導体層と、
前記第１半導体層の上方に配置された発光層と、
前記発光層の上方に配置された第２半導体層と、
前記第１半導体層より屈折率が低い低屈折率部と、を備え、
前記第２半導体層は、前記発光層で生じたレーザ光を導くためのリッジ部を有し、
前記リッジ部の幅は、前記リッジ部の導波方向の位置に応じて周期的に変化し、
前記リッジ部の側面と前記導波方向とのなす角は、前記リッジ部の内側および前記リッジ部の外側の有効屈折率で既定される限界角度より大きく、
前記低屈折率部は、前記発光層の活性層と前記基板との間で、且つ、少なくとも前記リッジ部の幅が小さくなった前記側面の外側に配置される、
ことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項2】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、前記低屈折率部は、前記第１半導体層中に形成される、
ことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項3】
請求項１または２に記載の半導体レーザ素子において、前記低屈折率部は、上面視において、前記リッジ部の前記側面の外側に前記側面に沿って配置される、
ことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項4】
請求項１ないし３の何れか一項に記載の半導体レーザ素子において、前記低屈折率部の直上に配置される前記発光層の欠陥密度は、前記低屈折率部の直上以外の前記発光層の欠陥密度よりも大きい、
ことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項5】
請求項１ないし４の何れか一項に記載の半導体レーザ素子において、前記低屈折率部は、上方に向かうにつれて幅が小さくなるよう構成される、
ことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項6】
請求項１ないし５の何れか一項に記載の半導体レーザ素子において、前記低屈折率部の直上に配置される前記発光層は、前記低屈折率部の直上以外の前記発光層よりも上方に変位するよう形成される、
ことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項7】
請求項１ないし６の何れか一項に記載の半導体レーザ素子において、前記低屈折率部は、シリコン酸化膜により構成される、
ことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項8】
請求項１ないし７の何れか一項に記載の半導体レーザ素子において、前記限界角度は、前記レーザ光が前記側面において全反射する角度の最大値である、
ことを特徴とする半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体レーザ素子に関し、たとえば、製品の加工等に用いて好適なものである。
【背景技術】
【0002】
近年、半導体レーザ素子が、様々な製品の加工に用いられている。このような半導体レーザ素子においては、加工品質を高めるために、半導体レーザ素子から出射される光が、高出力であること、および、高次モードがなるべくカットされて基本モードの割合が高められることが好ましい。
【0003】
以下の特許文献１には、導波方向中央においてストライプ状リッジ部の両側壁に設けられた粗面光導波機構と、導波方向両端部に設けられた平行滑面光導波機構と、を備えた半導体レーザ素子が記載されている。粗面光導波機構により、高次モードが損失を受け、基本モードの割合が高められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開平９－２４６６６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記特許文献１に記載の構成では、垂直ＦＦＰ（Far-Field Pattern）にリップル（乱れ）が生じる場合がある。この場合、出射光の形状が理想的なガウシアン形状から大きくずれるため、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の品質が低下するといった問題が生じる。
【0006】
かかる課題に鑑み、本発明は、垂直ＦＦＰにおけるリップルを抑制し、基本モードの割合を高めることが可能な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】
【0007】
本発明の主たる態様は、半導体レーザ素子に関する。本態様に係る半導体レーザ素子は、基板と、前記基板の上方に配置された第１半導体層と、前記第１半導体層の上方に配置された発光層と、前記発光層の上方に配置された第２半導体層と、前記第１半導体層より屈折率が低い低屈折率部と、を備える。前記第２半導体層は、前記発光層で生じたレーザ光を導くためのリッジ部を有し、前記リッジ部の幅は、前記リッジ部の導波方向の位置に応じて周期的に変化し、前記リッジ部の側面と前記導波方向とのなす角は、前記リッジ部の内側および前記リッジ部の外側の有効屈折率で既定される限界角度より大きく、前記低屈折率部は、前記発光層の活性層と前記基板との間で、且つ、少なくとも前記リッジ部の幅が小さくなった前記側面の外側に配置される。
【0008】
本態様に係る半導体レーザ素子によれば、リッジ部の側面と導波方向とのなす角が限界角度より大きく設定されることにより、高次モードのレーザ光がカットされ、基本モードのレーザ光の割合が高められる。また、低屈折率部が、発光層の活性層と基板との間で、且つ、少なくともリッジ部の幅が小さくなった側面の外側に配置される。これにより、リッジ部（導波路）を伝搬するレーザ光の分布位置が下方向に移動しにくくなるため、垂直ＦＦＰにおけるリップルが抑制される。よって、垂直ＦＦＰにおけるリップルを抑制しつつ、基本モードの割合を高めることができる。
【発明の効果】
【0009】
以上のとおり、本発明によれば、垂直ＦＦＰにおけるリップルを抑制し、基本モードの割合を高めることが可能な半導体レーザ素子を提供できる。
【0010】
本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図13】図１３（ａ）は、実施形態に係る、リッジ部の内外の屈折率差と限界角度との関係を示すグラフである。図１３（ｂ）は、実施形態に係る、Ｙ軸方向における側面の所定の距離とＸ軸方向における側面の幅の極小値との関係を示すグラフである。
【図14】図１４（ａ）は、比較例１に係る、半導体レーザ素子の構成を模式的に示す上面図である。図１４（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、比較例１に係る、半導体レーザのＡ１１－Ａ１２断面およびＡ２１－Ａ２２断面をＹ軸正方向に見た場合の構成を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の実施形態について図を参照して説明する。便宜上、各図には、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸が付記されている。Ｘ軸方向は、リッジ部の幅方向であり、Ｙ軸方向は、リッジ部における光の伝搬方向（共振器長方向）である。Ｚ軸方向は、半導体レーザ素子を構成する各層の積層方向であり、Ｚ軸正方向は、上方向である。
【0013】
図１は、半導体レーザ素子１の構成を模式的に示す上面図である。
【0014】
半導体レーザ素子１には、Ｘ軸方向の中央付近に、Ｙ軸方向に直線状に延びたリッジ部４０ａが設けられている。リッジ部４０ａは、レーザ光を導波する導波路ＷＧを形成する。リッジ部４０ａは、発光層３０（図２参照）で生じ半導体レーザ素子１内で発振するレーザ光を、リッジ部４０ａに沿って伝搬させる。リッジ部４０ａのＸ軸正側およびＸ軸負側の端部には、それぞれ側面４０ｂが設けられている。上面視において、側面４０ｂがＹ－Ｚ平面に対して角度θａまたは角度θｂをなすことにより、リッジ部４０ａの幅が、リッジ部４０ａの導波方向（Ｙ軸方向）に応じて周期的に変化している。
【0015】
リッジ部４０ａのＸ軸方向の幅が狭い部分の外側には、低屈折率部７０が設けられている。低屈折率部７０は、上面視において三角形形状を有し、低屈折率部７０のＸ軸方向の幅は、Ｙ軸方向の位置によって異なる。リッジ部４０ａのＸ軸方向の幅が小さくなるＹ軸方向の位置において、低屈折率部７０のＸ軸方向の幅が大きくなる。低屈折率部７０のＺ軸方向における位置については、追って図２を参照して説明し、低屈折率部７０による効果については、追って図１７（ａ）～（ｃ）を参照して説明する。
【0016】
端面１ａは、Ｙ軸正側に位置するリッジ部４０ａの端面であり、半導体レーザ素子１の出射側の端面である。端面１ｂは、Ｙ軸負側に位置するリッジ部４０ａの端面であり、半導体レーザ素子１の反射側の端面である。端面１ａ、１ｂには、端面コート膜が形成される。端面１ｂ側から端面１ａへと向かう光（前進波）が端面１ａに到達すると、前進波の一部は出射光として端面１ａからＹ軸正方向に出射され、前進波の一部は端面１ａで反射されて、端面１ａ側から端面１ｂへと向かう光（後退波）となる。後退波は、リッジ部４０ａを通ってＹ軸負方向に進み、端面１ｂに到達すると、後退波の大部分は端面１ｂで反射し前進波となる。こうして、半導体レーザ素子１内で生じた光は、端面１ａと端面１ｂとの間で増幅され、端面１ａから出射される。
【0017】
【0018】
図２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、低屈折率部７０と、ｎ側電極８０と、を備える。
【0019】
第１半導体層２０は、基板１０の上方に配置されている。第１半導体層２０は、ｎ側クラッド層である。第１半導体層２０は、第１のｎ側半導体層２０ａおよび第２のｎ側半導体層２０ｂ（図５（ｂ）参照）が積層されることにより形成される。
【0020】
発光層３０は、第１半導体層２０の上方に配置されている。発光層３０は、下から順に、ｎ側光ガイド層３１と、活性層３２と、ｐ側光ガイド層３３とが積層された積層構造を有する。半導体レーザ素子１に電圧が印加されると、発光層３０において光が発生および伝搬する。
【0021】
第２半導体層４０は、発光層３０の上方に配置されている。第２半導体層４０は、下から順に、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とが積層された積層構造を有する。
【0022】
第２半導体層４０の上部には、Ｘ軸方向の中央付近に、リッジ部４０ａが形成されている。リッジ部４０ａは、Ｚ軸正方向に突出した形状を有し、Ｙ軸方向に延びたリッジ形状（突条形状）を有する。リッジ部４０ａが形成されることにより、リッジ部４０ａのＸ軸方向の範囲に対応して導波路ＷＧが形成される。また、リッジ部４０ａが形成されることにより、リッジ部４０ａのＸ軸正側の端部およびＸ軸負側の端部に、それぞれ側面４０ｂが形成される。また、第２半導体層４０の上部には、リッジ部４０ａの根元からＸ軸方向に広がる平坦部４０ｃが形成されている。
【0023】
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、電圧を印加するための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、を備える。ｐ側電極５１は、リッジ部４０ａの上面に配置される。ｐ側電極５１は、ｐ側コンタクト層４３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る。パッド電極５２は、リッジ部４０ａよりもＸ軸方向に長い形状であり、ｐ側電極５１および誘電体層６０と接触している。
【0024】
誘電体層６０は、リッジ部４０ａに光を閉じ込めるために、リッジ部４０ａのＸ軸方向の外側においてｐ側クラッド層４２の上方に配置されている。具体的には、誘電体層６０は、側面４０ｂから平坦部４０ｃにわたって連続的に形成されている。誘電体層６０は、リッジ部４０ａより屈折率が低い絶縁膜により構成される。
【0025】
低屈折率部７０は、Ｚ軸方向において第１半導体層２０内に配置され、Ｘ軸方向においてリッジ部４０ａの外側に配置される。低屈折率部７０は、第１半導体層２０、発光層３０、および第２半導体層４０より屈折率が低い材料により構成される。本実施形態では、低屈折率部７０は、シリコン酸化膜からなる誘電体材料により構成される。低屈折率部７０によれば、図１７（ａ）～（ｃ）を参照して後述するように、垂直ＦＦＰにリップル（乱れ）が生じることを抑制できる。また、本実施形態では、低屈折率部７０の断面は長方形形状であるため、低屈折率部７０のＸ軸方向の内側端部および外側端部がＺ軸方向に平行となる。これにより、内側端部の位置Ｐ１付近および外側端部の位置Ｐ２付近において、破線で示すように各層に界面が生じ、この界面により高次モードのレーザ光が散乱される。
【0026】
ｎ側電極８０は、基板１０の下方に配置されており、基板１０とオーミック接触するオーミック電極である。
【0027】
【0028】
以下、各層の成長において、Ｇａ、ＡｌおよびＩｎを含む有機金属原料には、それぞれ、たとえば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアンモニウム（ＴＭＡ）および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。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、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、たとえば、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、または、１：１０程度に希釈した弗化水素酸（ＨＦ）などを用いたウェットエッチングを用いることができる。
【0029】
図３（ａ）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）により、第１のｎ側半導体層２０ａを成膜する。具体的には、厚さ４００μｍの基板１０上に、第１のｎ側半導体層２０ａとしてｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ側クラッド層を３μｍ成長させる。
【0030】
次に、図３（ｂ）に示すように、第１のｎ側半導体層２０ａ上に、低屈折率部７０を成膜する。具体的には、第１のｎ側半導体層２０ａの上に、シラン（ＳｉＨ４）を用いたプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって、低屈折率部７０として、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を１００ｎｍ成膜する。なお、低屈折率部７０の成膜方法は、プラズマＣＶＤ法に限るものではなく、たとえば、熱ＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法、また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。続いて、低屈折率部７０の上に、フォトレジストからなる第１保護膜９１を成膜する。
【0031】
次に、図４（ａ）に示すように、フォトリソグラフィー法を用いて、第１保護膜９１が所望の場所のみに残るようにパターニングする。すなわち、第１保護膜９１が所定形状に残るように、第１保護膜９１を選択的に除去する。当該所定形状とは、図１に示す低屈折率部７０の上面視における形状である。
【0032】
次に、図４（ｂ）に示すように、第１保護膜９１をマスクとして、低屈折率部７０をエッチングする。
【0033】
次に、図５（ａ）に示すように、第１保護膜９１を除去する。第１保護膜９１の除去には、アセトンなどの有機溶剤を用いることができる。
【0034】
次に、図５（ｂ）に示すように、第１のｎ側半導体層２０ａおよび低屈折率部７０上に、第２のｎ側半導体層２０ｂを成膜する。具体的には、第２のｎ側半導体層２０ｂとして、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ側クラッド層を０．２μｍ成長させる。これにより、第１半導体層２０の形成が完了し、第１半導体層２０内に、低屈折率部７０が位置付けられる。
【0035】
ここで、第２のｎ側半導体層２０ｂの成長条件によって、低屈折率部７０上への結晶成長状態を制御できる。たとえば、成長温度を高温にすることで、原料の拡散が起こりやすくなり横方向（Ｘ軸方向）への結晶成長が促進され、低屈折率部７０上にも、窒化物半導体層を比較的平坦に形成することができる。
【0036】
第２のｎ側半導体層２０ｂが形成される際、低屈折率部７０の左右（Ｘ軸方向）から成長してきた結晶同士が、低屈折率部７０を覆うように成長し、低屈折率部７０の上で接合する。この接合により、低屈折率部７０の直上に位置する第２のｎ側半導体層２０ｂで界面が生じ、この界面において欠陥が導入される。これにより、低屈折率部７０の直上に配置される第２のｎ側半導体層２０ｂの欠陥密度は、低屈折率部７０の直上以外の第２のｎ側半導体層２０ｂの欠陥密度よりも大きくなる。
【0037】
上記のように、低屈折率部７０の直上に位置する第２のｎ側半導体層２０ｂの界面において欠陥が導入されると、同様に、第１半導体層２０の上方に積層される各層においても、低屈折率部７０の直上において界面が生じ、この界面において欠陥が導入される。これにより、第１半導体層２０の上方の各層において、低屈折率部７０の直上の欠陥密度が、低屈折率部７０の直上以外の欠陥密度よりも大きくなる。特に、低屈折率部７０の直上の発光層３０において欠陥が導入されると、低屈折率部７０の直上の発光層３０付近に分布する不要な高次モードの光を弱めることができる。
【0038】
次に、図６（ａ）に示すように、第１半導体層２０上に、発光層３０および第２半導体層４０を、有機金属気層成長法を用いて順次成膜する。具体的には、ｎ型ＧａＮからなるｎ側光ガイド層３１を０．２μｍ成長させる。続いて、ＩｎＧａＮからなるバリア層とＩｎＧａＮ量子井戸層との２周期からなる活性層３２を成長させる。続いて、ｐ型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、膜厚１．５ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層と膜厚１．５ｎｍのｐ型ＧａＮ層とを２２０周期繰り返して形成した厚さ０．６６μｍ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型ＧａＮからなるｐ側コンタクト層４３を０．０５μｍ成長させる。
【0039】
次に、図６（ｂ）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、第２半導体層４０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。第２保護膜９２の成膜材料は、上記のものに限るものではなく、たとえば、誘電体や金属など、後述する第２半導体層４０のエッチングに対して、選択性のある材料であればよい。
【0040】
次に、図７（ａ）に示すように、フォトリソグラフィー法およびエッチング法を用いて、第２保護膜９２が所定形状に残るように、第２保護膜９２を選択的に除去する。当該所定形状とは、図１に示すリッジ部４０ａの上面視における形状である。すなわち、当該所定形状は、上面視において、幅がＹ軸方向（共振器長方向）の位置に対して変化する帯状の形状である。
【0041】
次に、図７（ｂ）に示すように、所定形状に形成された第２保護膜９２をマスクとして、ｐ側コンタクト層４３および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および平坦部４０ｃを形成する。
【0042】
具体的には、Ｘ軸方向の中央に位置する第２保護膜９２の下方に、リッジ部４０ａが形成される。リッジ部４０ａは、Ｚ軸正方向に突出したｐ側クラッド層４２の凸部と、この凸部上のｐ側コンタクト層４３とにより構成される。また、第２保護膜９２が形成されていない領域のｐ側コンタクト層４３およびｐ側クラッド層４２がエッチングされることで平坦部４０ｃが形成される。ｐ側コンタクト層４３および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てもよい。
【0043】
リッジ部４０ａのＺ軸方向の高さは、特に限定されないが、一例として、１００ｎｍ以上１μｍ以下である。半導体レーザ素子１を高い光出力（たとえばワットクラス）で動作させるには、リッジ部４０ａの高さを、３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下にしてもよい。本実施形態では、リッジ部４０ａの高さは、６５０ｎｍである。
【0044】
リッジ部４０ａは、所定形状に形成された第２保護膜９２をマスクとして形成されるため、図１の上面図に示すように、リッジ部４０ａの側面４０ｂは、Ｘ軸方向の幅がＹ軸方向（共振器長方向）の位置に対して変化する帯状の形状となる。
【0045】
次に、図８（ａ）に示すように、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する。
【0046】
次に、図８（ｂ）に示すように、ｐ側コンタクト層４３およびｐ側クラッド層４２を覆うように、誘電体層６０を成膜する。これにより、リッジ部４０ａおよび平坦部４０ｃの上に誘電体層６０が形成される。誘電体層６０としては、たとえば、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。
【0047】
次に、図８（ｂ）に示した誘電体層６０上に、フォトレジストからなる第３保護膜９３を成膜する。続いて、第３保護膜９３が平坦部４０ｃ上にのみ残るように、第３保護膜９３を選択的に除去する。続いて、図９（ａ）に示すように、第３保護膜９３をマスクとして、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。続いて、第３保護膜９３を除去する。第３保護膜９３の除去には、アセトンなどの有機溶剤を用いることができる。
【0048】
次に、図９（ｂ）に示すように、真空蒸着法およ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。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、スパッタ法また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。
【0049】
次に、図１０（ａ）に示すように、ｐ側電極５１および誘電体層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ネガ型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。これにより、ｐ側電極５１および誘電体層６０の上に所定形状のパッド電極５２を形成できる。こうして、ｐ側電極５１およびパッド電極５２からなる電極部材５０が形成される。続いて、基板１０の下面をダイヤモンドスラリーにより研磨して、基板１０の厚さが１００μｍ程度になるまで薄膜化する。
【0050】
次に、図１０（ｂ）に示すように、基板１０の下面（第１半導体層２０などが配置された主面の裏側の主面）にｎ側電極８０を形成する。具体的には、基板１０の下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およ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。
【0051】
次に、図１０（ｂ）までの製造工程を終えた半導体レーザ素子を、ｍ軸方向の長さがたとえば２０００μｍとなるようにｍ面に沿って劈開（１次劈開）する。続いて、たとえば電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）スパッタ法を用いて、レーザ光を出射する劈開面に対してフロントコート膜を形成して端面１ａを形成し、反対側の劈開面に対してリアコート膜を形成して端面１ｂを形成する。端面１ａ、１ｂの反射率は、コート膜の材料、構成、膜厚などの調整により設定される。ここでは、高効率なレーザ特性を得るために、フロント側の端面１ａの反射率を５％とし、リア側の端面１ｂの反射率を９５％とした。なお、端面１ａの反射率は０．１％～１８％程度に設定され、端面１ｂの反射率は９０％以上に設定されるのが好ましい。
【0052】
続いて、１次劈開された半導体発光素子を、たとえばＹ軸方向の長さが４００μｍピッチとなるように劈開（２次劈開）する。こうして、図１、２に示した半導体レーザ素子１が完成する。
【0053】
図１１は、半導体レーザ素子１が実装された半導体レーザ装置２の構成を模式的に示す断面図である。図１１では、図２の半導体レーザ素子１が上下反転された状態（Ｚ軸正方向が下方向とされた状態）が図示されている。
【0054】
半導体レーザ装置２は、半導体レーザ素子１とサブマウント１００を備え、たとえば、製品の加工に用いられる。サブマウント１００は、基台１０１と、第１電極１０２ａと、第２電極１０２ｂと、第１接着層１０３ａと、第２接着層１０３ｂと、を有する。
【0055】
基台１０１は、半導体レーザ素子１の基板１０のＺ軸正側に配置されており、ヒートシンクとして機能する。基台１０１の材料は、特に限定されるものではないが、アルミナイトライド（ＡｌＮ）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）などのセラミック、ＣＶＤで成膜されたダイヤモンド（Ｃ）、Ｃｕ、Ａｌなどの金属単体、または、ＣｕＷなどの合金など、半導体レーザ素子１と比べて熱伝導率が同等かそれ以上の材料で構成されてもよい。
【0056】
第１電極１０２ａは、基台１０１のＺ軸負側の面に配置され、第２電極１０２ｂは、基台１０１のＺ軸正側の面に配置される。第１電極１０２ａおよび第２電極１０２ｂは、たとえば、膜厚０．１μｍのＴｉ、膜厚０．２μｍのＰｔ、および膜厚０．２μｍのＡｕの、３つの金属膜からなる積層膜である。
【0057】
第１接着層１０３ａは、第１電極１０２ａのＺ軸負側の面に配置され、第２接着層１０３ｂは、第２電極１０２ｂのＺ軸正側の面に配置される。第１接着層１０３ａおよび第２接着層１０３ｂは、たとえば、ＡｕおよびＳｎがそれぞれ７０％および３０％の含有率で含まれる金スズ合金からなる共晶半田である。
【0058】
半導体レーザ素子１は、半導体レーザ素子１のｐ側（電極部材５０側）がサブマウント１００に接続されるよう、サブマウント１００に実装される。すなわち、図１１の実装形態は、ジャンクションダウン実装であり、半導体レーザ素子１のパッド電極５２がサブマウント１００の第１接着層１０３ａに接続される。
【0059】
また、半導体レーザ素子１のｎ側電極８０およびサブマウント１００の第１電極１０２ａには、それぞれ、ワイヤボンディングによってワイヤ１１０が接続される。これにより、ワイヤ１１０を介して半導体レーザ素子１に電圧を印加できる。
【0060】
なお、図１１に示す半導体レーザ装置２は、半導体レーザ素子１のｐ側（電極部材５０側）がサブマウント１００に接続される形態（ジャンクションダウン実装）であるが、これに限らず、半導体レーザ素子１のｎ側電極８０がサブマウント１００に接続される形態（ジャンクションアップ実装）であってもよい。また、半導体レーザ装置２は、電極部材５０とｎ側電極８０の両方に別々のサブマウントが接続される形態でもよい。
【0061】
【0062】
【0063】
リッジ部４０ａのＸ軸方向の幅（以下、単に「幅」という）は、Ｙ軸方向（導波方向）に位置に応じて連続的かつ周期的に変化しており、幅の広い部分と幅の狭い部分とが、Ｙ軸方向において交互に配置される。
【0064】
ここで、リッジ部４０ａの幅の極大値をＷａとし、リッジ部４０ａの幅の極小値をＷｂとする。リッジ部４０ａの幅が極大値Ｗａとなる位置から、リッジ部４０ａの幅が極小値Ｗｂとなる位置のうちＹ軸正側に隣り合う位置までのＹ軸方向の距離をＬａとする。リッジ部４０ａの幅が極大値Ｗａとなる位置から、リッジ部４０ａの幅が極小値Ｗｂとなる位置のうちＹ軸負側に隣り合う位置までのＹ軸方向の距離をＬｂとする。リッジ部４０ａの幅が極大値Ｗａとなる位置から、リッジ部４０ａの幅が極小値Ｗｂとなる位置まで延びる側面４０ｂは、上面視において直線形状である。リッジ部４０ａの幅が極大値Ｗａとなる位置からＹ軸正側に向かって延びる側面４０ｂと、Ｙ軸方向とのなす角をθａとする。リッジ部４０ａの幅が極大値Ｗａとなる位置からＹ軸負側に向かって延びる側面４０ｂと、Ｙ軸方向とのなす角をθｂとする。
【0065】
θａ、θｂ、Ｗａ、Ｗｂ、Ｌａ、Ｌｂの関係は、以下の式（１）、（２）により表される。
【0066】
θａ＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｗａ－Ｗｂ）／（２×Ｌａ）｝ …（１）
θｂ＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｗａ－Ｗｂ）／（２×Ｌｂ）｝ …（２）
θｂ＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｗａ－Ｗｂ）／（２×Ｌｂ）｝ …（２）
【0067】
本実施形態では、角度θａ、θｂは、いずれも限界角度θｃより大きくなるように設定される。限界角度θｃは、レーザ光がリッジ部４０ａの側面４０ｂにおいて全反射する角度の最大値である。すなわち、角度θａ、θｂは、以下の式（３）を満たすように設定される。
【0068】
θａ＞θｃ、かつ、θｂ＞θｃ …（３）
【0069】
角度θａ、θｂが限界角度θｃより大きくなるように設定されると、図１４（ａ）を参照して後述するように、高次モードの光を低減させ基本モードの光の割合を高めることができる。
【0070】
次に、Ｗａ、Ｗｂ、Ｌａ、Ｌｂ、θａ、θｂの設定例について説明する。
【0071】
たとえば、リッジ部４０ａの幅は１μｍ以上１００μｍ以下である。半導体レーザ素子１を高い光出力（たとえばワットクラス）で動作させるために、リッジ部４０ａの幅の極大値Ｗａを１０μｍ以上５０μｍ以下に設定してもよい。リッジ部４０ａの幅の極小値Ｗｂが小さいほど高次モード成分を低減できるが、小さくなり過ぎると、基本モード成分（基本横モード成分）も損失を受けて低減されてしまう。一方、リッジ部４０ａの幅の極小値Ｗｂを大きくすると、高次モード成分の低減効果が小さくなる。基本モードの強度を維持しつつ高次モード成分を効率よく抑制するために、リッジ部４０ａの幅の極小値Ｗｂは、幅の極大値Ｗａのおよそ１／４以上、３／４以下に設定してもよい。
【0072】
また、距離Ｌａ、Ｌｂを小さくすると、角度θａ、θｂが大きくなるため、上記式（３）が満たされやすくなる。一方、距離Ｌａ、Ｌｂを大きくし過ぎると、半導体レーザ素子１のＹ軸方向における長さの範囲内で、リッジ部４０ａの幅が狭くなる部分の数が減るため、高次モードの抑制効果が小さくなる。本実施形態では、Ｗａ＝１６μｍ、Ｗｂ＝１０μｍ、Ｌａ＝Ｌｂ＝３０μｍである。このとき、θａ＝θｂ＝５．７°となる。
【0073】
また、上記式（１）、（２）の条件を満たせば、Ｌａ≠Ｌｂであってもよい。Ｌａ≠Ｌｂとすると、光が共振器内をＹ軸方向に往復する中で、往路と復路とで高次モードへの損失を異ならせることができる。たとえば、Ｌａ＞Ｌｂとすると、光が端面１ｂから端面１ａへ進行する際の高次モードへの損失を高めることができる。
【0074】
また、上述のとおり、リッジ部４０ａの側面４０ｂの外側には、シリコン酸化膜からなる低屈折率部７０が配置されている。ここで、リッジ部４０ａと低屈折率部７０とが、リッジ部４０ａの幅方向（Ｘ軸方向）に一定の距離Ｄｄだけ離れているとすると、低屈折率部７０がリッジ部４０ａの外側を伝搬する光に効果を与えるには、以下の式（４）を満たす必要がある。
【0075】
Ｗｂ＋２×Ｄｄ＜Ｗａ …（４）
【0076】
ここで、距離Ｄｄが小さすぎると、基本モード成分のうち低屈折率部７０の影響を受ける割合が多くなり、基本モードの損失が増加する。したがって、距離Ｄｄはある程度大きくする必要がある。発明者らの検討の結果、距離Ｄｄが１μｍ以上で基本モード成分の損失を抑制できる。また、Ｘ軸方向において、低屈折率部７０のリッジ部４０ａと反対側の端部は、幅が極大値Ｗａとなるリッジ部４０ａの側面４０ｂの位置と同じか、それよりも外側であってもよい。本実施形態では、Ｄｄ＝２μｍとし、Ｘ軸方向において、低屈折率部７０のリッジ部４０ａと反対側の端部は、幅が極大値Ｗａとなるリッジ部４０ａの側面４０ｂの位置と同じである。
【0077】
次に、限界角度θｃの求め方について説明する。
【0078】
以下の手法では、等価屈折率法を用いて、３次元のリッジ部４０ａの構造が２次元スラブ導波路構造で近似される。リッジ部４０ａのＸ軸方向の中央位置において、各層の厚みと屈折率を用いて、この位置における等価屈折率ｎｉが算出される。同様に、低屈折率部７０のＸ軸方向の中央位置において、各層の厚みと屈折率を用いて、この位置における等価屈折率ｎｏが算出される。等価屈折率ｎｉは、リッジ部４０ａの内側の有効屈折率であり、等価屈折率ｎｏは、リッジ部４０ａの外側の有効屈折率である。なお、本実施形態では、リッジ部４０ａの形成により、常にｎｉ＞ｎｏが満たされる。
【0079】
次に、スネルの法則を用いて、全反射条件を満たすときの角度の最大値、すなわち限界角度θｃが算出される。限界角度θｃは、以下の式（４）により算出される。
【0080】
θｃ＝９０°－ａｒｃｓｉｎ（ｎｏ／ｎｉ） …（５）
【0081】
たとえば、ｎｉ＝２．５３５、ｎｏ＝２．５２７とすると、上記式（５）に基づいて、θｃ＝４．６°が算出される。このようにして算出されるθｃを用いて、上記式（１）～（３）が満たされるよう、Ｗａ、Ｗｂ、Ｌａ、Ｌｂが設定される。
【0082】
次に、各設定値を実際に決定する手順例について説明する。
【0083】
図１３（ａ）は、リッジ部４０ａの内外の屈折率差（ｎｉ－ｎｏ）と、限界角度θｃとの関係を示すグラフである。図１３（ａ）において、横軸は、屈折率差（ｎｉ－ｎｏ）を示し、縦軸は、限界角度θｃを示す。図１３（ａ）のグラフは、上記式（５）に基づいて作成される。
【0084】
上記のように、各層の厚みと屈折率を用いて等価屈折率ｎｉ、ｎｏが算出されると、上記式（５）または図１３（ａ）のグラフに基づいて、限界角度θｃを算出できる。
【0085】
図１３（ｂ）は、極大値Ｗａを１６μｍに固定し、限界角度θｃが２．６°、３．６°、４．６°、５．６°、６．６°である場合に、上記式（３）を満たす距離Ｌａと極小値Ｗｂとの関係を示すグラフである。図１３（ｂ）において、横軸は、距離Ｌａを示し、縦軸は、極小値Ｗｂを示す。
【0086】
図１３（ｂ）中の各直線よりも下の領域で、上記式（３）の条件が満たされる。したがって、限界角度θｃに対応する直線よりも下の領域に含まれるよう極小値Ｗｂおよび距離Ｌａを設定することにより、角度θａを限界角度θｃより大きく設定できる。また、距離Ｌｂについても同様に、限界角度θｃに対応する直線よりも下の領域に含まれるように極小値Ｗｂおよび距離Ｌｂを設定することにより、角度θｂを限界角度θｃより大きく設定できる。
【0087】
このように、リッジ部４０ａの内外の等価屈折率ｎｉ、ｎｏに基づいて限界角度θｃを算出し、算出したθｃに基づいて、極大値Ｗａ、極小値Ｗｂ、距離Ｌａ、Ｌｂを設定できる。これにより、上記式（３）が満たされるため、高次モードの光を低減させることができる。
【0088】
【0089】
図１４（ａ）は、比較例１に係る、半導体レーザ素子の構成を模式的に示す上面図である。図１４（ａ）の下側には、Ｘ軸方向における基本モードおよび高次モードの光分布の一例を模式的に示すグラフが付記されている。
【0090】
比較例１では、上記実施形態と比較して、低屈折率部７０が省略されている。比較例１の半導体レーザ素子においては、レーザ発振時において光がリッジ部４０ａ内をＹ軸方向へと伝搬する。このとき、リッジ部４０ａ内外で全反射条件が満たされないため（上記式（３）が満たされるため）、リッジ部４０ａの幅が狭い部分が存在しても、光は概ねＹ軸方向へと伝搬する。図１４（ａ）では、光の伝搬の様子が破線矢印で示されている。リッジ部４０ａの幅が狭くなる部分では、光はリッジ部４０ａ内外の屈折率差の影響でわずかに内側に進行するが、全反射条件を満たさないので、大部分の光はリッジ部４０ａの外を通りながらＹ軸方向へと進行する。
【0091】
ここで、リッジ部４０ａを伝搬する光は、図１４（ａ）の下側のグラフに示す基本モードおよび高次モードの光を含む。比較例１のように、上記式（３）が満たされる場合、リッジ部４０ａの側面４０ｂによって、高次モードの光成分が損失を受け、基本モードの割合を高めることができる。
【0092】
図１４（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、図１４（ａ）に示した比較例１の半導体レーザのＡ１１－Ａ１２断面およびＡ２１－Ａ２２断面をＹ軸正方向に見た場合の構成を模式的に示す断面図である。図１４（ｂ）、（ｃ）には、便宜上、基板１０、第１半導体層２０、活性層３２、および第２半導体層４０のみが示されている。
【0093】
図１４（ｂ）に示すように、リッジ部４０ａの幅が広い位置において、基本モードの光分布ＤＬ１に示すように、リッジ部４０ａ内を伝搬する光が活性層３２近傍に閉じ込められるよう、半導体レーザ素子が構成されている。この場合、リッジ部４０ａ内を伝搬する光は、基板１０にかかりにくくなる。
【0094】
しかしながら、図１４（ｃ）に示すように、リッジ部４０ａの幅が狭い位置では、基本モードの光分布ＤＬ２に示すように、リッジ部４０ａの外側を伝搬する光は、リッジ部４０ａの外側のｐ側クラッド層４２の厚さが薄いため、基板１０側へと押し下げられる。このため、活性層３２から第１半導体層２０までの間、および、第１半導体層２０から基板１０までの間で、基板モードと呼ばれる垂直方向の高次モードが励振される。この基板モードが生じると、垂直ＦＦＰにリップルが生じる。このようなリップルは、特に、リッジ部４０ａの外側に光強度のピークをもつ高次モードによって増加する。
【0095】
【0096】
比較例２では、上記実施形態と比較して、低屈折率部７０が省略され、第２半導体層４０の上部にリッジ部４０ａに代えてリッジ部２００が形成されている。また、比較例２では、リッジ部２００の内外で全反射条件が満たされる。すなわち、比較例２では、上記式（３）に代えて、θａ＜θｃおよびθｂ＜θｃが満たされる。
【0097】
比較例２では、上記式（３）が満たされないため、比較例１のような形態で高次モードの光を低減させることができない。しかしながら、比較例２では、比較例１の場合に生じた垂直ＦＦＰにおけるリップルを抑制できる。
【0098】
比較例２の半導体レーザ素子では、リッジ部２００内外の屈折率差が全反射条件を満たすため、図１５の破線矢印で示したように、リッジ部２００内の光は、リッジ部２００の一方の側面２０１で反射され、反射された光は、リッジ部２００の他方の側面２０１を透過してリッジ部２００外へと放射される。すなわち、レーザ光として半導体レーザ素子の外部に出射される光はリッジ部２００の外側を伝搬しないため、比較例１で生じた基板モードは、比較例２のリッジ部２００の構造では抑制される。よって、比較例２の半導体レーザ素子によれば、垂直ＦＦＰにおけるリップルを抑制できる。
【0099】
図１６は、比較例１、２に係る、半導体レーザ素子の各リッジ部の構造を変えた場合の垂直ＦＦＰの実験結果を示すグラフである。
【0100】
各部のサイズを示す図１２を参照して、本実験では、Ｌａ＝Ｌｂ、Ｗａ＝１６μｍで固定し、距離Ｌａを１５μｍから９０μｍまでの範囲で、１５μｍ間隔で変化させた。また、幅の極小値Ｗｂを４μｍから１０μｍまでの範囲で、２μｍ間隔で変化させた。また、本実験では、比較例１、２と同様、低屈折率部７０は設けなかった。
【0101】
図１６には、これらの各構造を有する半導体レーザ素子における、光出力が１Ｗのときの垂直ＦＦＰが示されている。図１６の各グラフにおいて、縦軸は最大値で規格化された光強度を示しており、横軸は規格化された角度を示している。また、図１６には、上記式（３）の関係を満たす比較例１の半導体レーザ素子に基づく垂直ＦＦＰのグラフと、上記式（３）の関係を満たさない比較例２の半導体レーザ素子に基づく垂直ＦＦＰのグラフとが、破線で分画されている。
【0102】
破線の左側のグラフに示すように、θａ＞θｃおよびθｂ＞θｃを満たす半導体レーザ素子（比較例１）では、垂直ＦＦＰにリップル（乱れ）が生じていることが分かる。一方、破線の右側のグラフに示すように、θａ＜θｃおよびθｂ＜θｃを満たす半導体レーザ素子（比較例２）では、垂直ＦＦＰにリップルが生じていないことが分かる。また、リップルの強度は、幅の極小値Ｗｂが小さいほど、大きくなることが分かる。これは、幅の極小値Ｗｂが小さい程、リッジ部の外側を通過する光の割合が大きくなるためである。また、破線の左側のグラフにおいて、θａ＜θｃおよびθｂ＜θｃの関係を満たす構造に近くなるほど、リップルが小さくなることが分かる。これは、θａ＜θｃおよびθｂ＜θｃの条件、すなわち全反射条件を満たす光の割合が増えていくためである。
【0103】
以上のように、上記式（３）の関係を満たす比較例１の半導体レーザ素子では、垂直ＦＦＰにリップルが生じる。一方、上記式（３）の関係を満たさない比較例２の半導体レーザ素子では、垂直ＦＦＰにリップルが生じにくいものの、図１５を参照して説明したように、高次モードの光を低減させることが困難である。これに対し、本実施形態に係る半導体レーザ素子１は、上記式（３）の関係を満たしつつ、且つ、垂直ＦＦＰにおけるリップルを抑制するために低屈折率部７０を備える。
【0104】
図１７（ａ）～（ｃ）を参照して、本実施形態に係る半導体レーザ素子１の低屈折率部７０の作用効果について説明する。
【0105】
図１７（ａ）は、実施形態に係る、半導体レーザ素子１の構成を模式的に示す上面図である。図１７（ａ）の下側には、Ｘ軸方向における基本モードおよび高次モードの光分布の一例を模式的に示すグラフが付記されている。
【0106】
実施形態では、上記比較例１と同様、破線矢印で示すように、光は概ねＹ軸方向へと伝搬する。このとき、リッジ部４０ａを伝搬する光は、図１７（ａ）の下側のグラフに示す基本モードおよび高次モードの光を含む。実施形態では、比較例１と同様、上記式（３）が満たされるため、リッジ部４０ａの側面４０ｂによって、高次モードの光成分が損失を受け、基本モードの割合を高めることができる。
【0107】
図１７（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、図１７（ａ）に示した実施形態の半導体レーザ素子１のＡ３１－Ａ３２断面およびＡ４１－Ａ４２断面をＹ軸正方向に見た場合の構成を模式的に示す断面図である。図１７（ｂ）、（ｃ）には、便宜上、基板１０、第１半導体層２０、活性層３２、および第２半導体層４０のみが示されている。
【0108】
図１７（ｂ）に示すように、リッジ部４０ａの幅が広い位置において、比較例１と同様、基本モードの光分布ＤＬ３に示すように、リッジ部４０ａ内を伝搬する光は、基板１０にかかりにくくなる。
【0109】
また、図１７（ｃ）に示すように、リッジ部４０ａの幅が狭い位置では、リッジ部４０ａの外側に低屈折率部７０が形成されており、リッジ部４０ａの外側を通過する光は低屈折率部７０の直上を通過する。
【0110】
ここで、低屈折率部７０は、上述したようにシリコン酸化膜で形成されているため、第１半導体層２０と比べて屈折率が低い。このように、屈折率が低い低屈折率部７０が光通過領域の下方（活性層３２に対して第１半導体層２０側に）に形成されると、光の下方への移動が規制される。すなわち、リッジ部４０ａの外側を伝搬し低屈折率部７０の直上に到達した光の下方への移動が抑制される。このため、図１７（ｃ）に示すように、本実施形態に係るレーザ光の基本モードの光分布ＤＬ４は、低屈折率部７０を備えない場合（比較例１）のレーザ光の基本モードの光分布ＤＬ２と比較して、上方に位置することになる。これにより、基板１０へ移動する光を低減できるため、基板モードを低減できる。よって、本実施形態に係る半導体レーザ素子１によれば、垂直ＦＦＰにおけるリップルを抑制できる。
【0111】
＜実施形態の効果＞
実施形態によれば、以下の効果が奏される。
実施形態によれば、以下の効果が奏される。
【0112】
リッジ部４０ａの側面４０ｂと導波方向（Ｙ軸方向）とのなす角θａ、θｂが、限界角度θｃより大きく設定されることにより、高次モードのレーザ光がカットされ、基本モードのレーザ光の割合が高められる。また、低屈折率部７０が、発光層３０の活性層３２と基板１０との間で、且つ、少なくともリッジ部４０ａの幅が小さくなった側面４０ｂの外側に配置される。これにより、図１７（ｃ）を参照して説明したように、リッジ部４０ａ（導波路ＷＧ）を伝搬するレーザ光の分布位置が下方向に移動しにくくなるため、垂直ＦＦＰにおけるリップルが抑制される。よって、垂直ＦＦＰにおけるリップルを抑制しつつ、基本モードの割合を高めることができる。
【0113】
低屈折率部７０は、第１半導体層２０中に形成される。これにより、リッジ部４０ａ（導波路ＷＧ）を伝搬するレーザ光の分布位置を発光層３０に留めつつ、レーザ光の分布位置が下方向に移動することを効果的に抑制できる。
【0114】
低屈折率部７０は、上面視において、リッジ部４０ａの側面４０ｂの外側に側面４０ｂに沿って配置される。具体的には、低屈折率部７０は、側面４０ｂに対して、幅方向に距離Ｄｄ（図１２参照）だけ離れて平行に配置されている。これにより、最小限の低屈折率部７０の配置によって、リッジ部４０ａ（導波路ＷＧ）を伝搬するレーザ光の分布位置が下方向に移動することを、効果的に抑制できる。
【0115】
低屈折率部７０の直上に配置される発光層３０の欠陥密度は、低屈折率部７０の直上以外の発光層３０の欠陥密度よりも大きい。この場合、低屈折率部７０の直上の発光層３０において形成される界面により、低屈折率部７０の直上の発光層３０付近に分布する不要な高次モードのレーザ光を吸収し、高次モードの成分を低減できる。
【0116】
図２に示したように、低屈折率部７０の断面は長方形形状であるため、低屈折率部７０のＸ軸方向の内側端部および外側端部がＺ軸方向に平行となる。これにより、内側端部の位置Ｐ１付近および外側端部の位置Ｐ２付近において、各層に界面が生じる。位置Ｐ１、Ｐ２において各層に界面が生じることにより、高次モードのレーザ光を散乱できるため、高次モードの成分を低減できる。
【0117】
リッジ部４０ａの側面４０ｂと導波方向（Ｙ軸方向）とのなす角θａ、θｂが、限界角度θｃより大きく設定される。この場合、限界角度θｃは、レーザ光が側面４０ｂにおいて全反射する角度の最大値である。こうすると、リッジ部４０ａの側面４０ｂによって、リッジ部４０ａを伝搬する高次モードの成分を低減でき、基本モードの割合を高めることができる。
【0118】
＜変更例＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、他に種々の変更が可能である。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、他に種々の変更が可能である。
【0119】
たとえば、上記実施形態では、Ａ－Ａ’断面において、低屈折率部７０の形状は長方形形状とされたが、これに限らず、円形状や楕円形状など他の形状でもよい。たとえば、低屈折率部７０の形状は、図１８（ａ）、（ｂ）の変更例１、２に示す形状であってもよく、低屈折率部７０は、図１９（ａ）、（ｂ）の変更例３、４に示すように複数に分割されてもよい。
【0120】
図１８（ａ）に示す変更例１および図１８（ｂ）に示す変更例２では、低屈折率部７０は、上方に向かうにつれてＸ軸方向の幅が小さくなるよう構成されている。具体的には、図１８（ａ）の変更例１では、Ａ－Ａ’断面における低屈折率部７０の形状は、台形形状である。図１８（ｂ）の変更例２では、Ａ－Ａ’断面における低屈折率部７０の形状は、曲線形状である。このように、低屈折率部７０の幅が上方に向かうにつれて小さくなると、図２に示した長方形の形状に比べて、低屈折率部７０を容易に形成できる。
【0121】
図１９（ａ）に示す変更例３では、上記実施形態と比較して、１つの低屈折率部７０に代えて、上下方向（Ｚ軸方向）に並んだ２つの低屈折率部７１が形成される。図１９（ｂ）に示す変更例４では、上記実施形態と比較して、１つの低屈折率部７０に代えて、幅方向（Ｘ軸方向）に並んだ４つの低屈折率部７２が形成される。図１９（ｂ）に示すように、リッジ部４０ａの外側において複数の低屈折率部７２が幅方向に並んで配置されると、成膜工程において、第１のｎ側半導体層２０ａ（図５（ｂ）参照）が上方に露出した部分が多くなるため、第２のｎ側半導体層２０ｂ（図５（ｂ）参照）の結晶成長により、低屈折率部７０の埋め込みが容易になる。また、図１９（ｂ）の場合、複数の低屈折率部７２の直上において複数の界面が形成されるため、これらの界面によって高次モードの光をさらに低減させることができる。
【0122】
また、上記実施形態では、上下方向に積層する各層はＸ－Ｙ平面に平行に形成されたが、図２０の変更例５に示すように、低屈折率部７０の直上に配置される各層が、低屈折率部７０の直上以外の各層よりも上方に変位するよう形成されてもよい。この場合、図２０に示すように、低屈折率部７０の形状が反映されたまま、低屈折率部７０の上方の各層が形成され、低屈折率部７０の上方の各層には、低屈折率部７０の内側端部の位置Ｐ１付近および外側端部の位置Ｐ２付近において段差が生じる。これにより、低屈折率部７０の幅方向（Ｘ軸方向）において、低屈折率部７０の直上の領域と、低屈折率部７０の直上以外の領域との間（位置Ｐ１、Ｐ２付近）に界面が生じる。よって、この界面により、高次モードのレーザ光を散乱できるため、高次モードの成分を低減できる。
【0123】
また、上記実施形態では、図１に示したように、低屈折率部７０は、リッジ部４０ａの幅が極小値となった側面４０ｂの外側に配置され、リッジ部４０ａの幅が極大値となった側面４０ｂの外側には配置されなかった。しかしながら、これに限らず、図２１の変更例６に示すように、低屈折率部７０は、リッジ部４０ａの側面４０ｂの外側全体にわたって配置されてもよい。
【0124】
図２１に示す変更例６では、低屈折率部７０が、側面４０ｂの外側に、側面４０ｂと一定の間隔を開けて配置されている。低屈折率部７０の内側端部は、側面４０ｂの幅方向の周期的な変化に対応して側面４０ｂと平行である。低屈折率部７０の外側端部は、Ｙ軸方向に平行である。なお、図２１に示す変更例６において、低屈折率部７０の外側端部も、側面４０ｂの幅方向の周期的な変化に対応して側面４０ｂと平行であってもよい。
【0125】
また、上記実施形態では、図１に示したように、側面４０ｂは、上面視において、Ｙ軸方向に対して角度θａ、θｂをなす方向に傾いていたが、図１に示すように斜め方向に延びることに限らない。たとえば、図２２の変更例７に示すように、側面４０ｂは、Ｙ軸方向に平行な部分と、Ｘ軸方向に平行な部分とにより構成されてもよい。
【0126】
図２２に示す変更例７では、リッジ部４０ａの幅が極小値である側面４０ｂの部分と、リッジ部４０ａの幅が極大値である側面４０ｂの部分とが、それぞれＹ軸方向に延び、幅が極小値の側面４０ｂの部分と、幅が極大値の側面４０ｂの部分とが、Ｘ軸方向に平行な側面４０ｂの部分により接続されている。この場合も、リッジ部４０ａの幅は、リッジ部４０ａの導波方向（Ｙ軸方向）の位置に応じて周期的に変化する。また、リッジ部４０ａの側面４０ｂと導波方向（Ｙ軸方向）とのなす角、すなわち、Ｘ軸方向に平行な側面４０ｂの部分と導波方向（Ｙ軸方向）とのなす角は、限界角度θｃより大きい。また、低屈折率部７０は、上面視において長方形形状であり、リッジ部４０ａの幅が極小値である側面４０ｂの部分の外側に配置される。したがって、変更例７においても、垂直ＦＦＰにおけるリップルを抑制しつつ、基本モードの割合を高めることができる。
【0127】
また、上記実施形態では、リッジ部４０ａの側面４０ｂは、上面視において直線状の形状とされたが、上記式（３）の条件が満たされれば、側面４０ｂは、上面視において曲線状であってもよい。
【0128】
また、上記実施形態では、低屈折率部７０は、第１半導体層２０中に形成されたが、これに限らず、ｎ側光ガイド層３１中に形成されてもよく、ｎ側光ガイド層３１と第１半導体層２０に跨がるように形成されてもよい。
【0129】
また、上記実施形態では、低屈折率部７０は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）により構成されたが、これに限らず、第１半導体層２０よりも屈折率が低い材料であればよい。この場合も、上記実施形態と同様、垂直ＦＦＰにリップルが生じることを抑制できる。低屈折率部７０の材料としては、たとえば、ＳｉＮ（屈折率：２．０７）、Ａｌ２Ｏ３（屈折率：１．７９）、ＡｌＮ（屈折率：２．１９）、ＩＴＯ（屈折率：２．１２）などが挙げられる。低屈折率部７０がＩＴＯにより構成される場合、高次モードの光をより抑制することができる。
【0130】
また、上記実施形態において、半導体レーザ素子１および半導体レーザ装置２は、製品の加工に限らず、他の用途に用いられてもよい。
【0131】
この他、本発明の実施形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【0132】
１ 半導体レーザ素子
１０ 基板
２０ 第１半導体層
３０ 発光層
３２ 活性層
４０ 第２半導体層
４０ａ リッジ部
４０ｂ 側面
７０、７１、７２ 低屈折率部
１０ 基板
２０ 第１半導体層
３０ 発光層
３２ 活性層
４０ 第２半導体層
４０ａ リッジ部
４０ｂ 側面
７０、７１、７２ 低屈折率部
【図1】
【図2】
【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】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】