特許 7426255 半導体レーザ装置

(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】2024-01-24

(45)【発行日】2024-02-01

(54)【発明の名称】半導体レーザ装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/14 20060101AFI20240125BHJP

【ＦＩ】

H01S5/14

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020030853

(22)【出願日】2020-02-26

(65)【公開番号】P2021136317

(43)【公開日】2021-09-13

【審査請求日】2022-12-20

【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】100109210

【弁理士】

【氏名又は名称】新居 広守

(74)【代理人】

【識別番号】100137235

【弁理士】

【氏名又は名称】寺谷 英作

(74)【代理人】

【識別番号】100131417

【弁理士】

【氏名又は名称】道坂 伸一

(72)【発明者】

【氏名】川口 真生

【審査官】八木 智規

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２０／０２６７３０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平８－１０７２５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－４７５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１６８６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１６３５９８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／４８０２８（ＵＳ，Ａ１）

(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】

第１導電型半導体層、活性層、及び、第２導電型半導体層がこの順に積層された半導体レーザ素子を複数備える半導体レーザ装置であって、
複数の前記半導体レーザ素子は、
第１活性層に流す電流を狭窄するための第１ストライプ構造を有し、第１光を出射する第１半導体レーザ素子と、
第２活性層に流す電流を狭窄するための第２ストライプ構造を有し、前記第１光よりも波長が長い第２光を出射する第２半導体レーザ素子と、を含み、
前記半導体レーザ装置は、前記第１半導体レーザ素子との間で前記第１光を共振させ、且つ、前記第２半導体レーザ素子との間で前記第２光を共振させる外部共振器を備え、
積層方向から見た場合に、前記第１半導体レーザ素子における前記第１光を出射する第１端面での前記第１ストライプ構造の幅である第１ストライプ幅は、前記第２半導体レーザ素子における前記第２光を出射する第２端面での前記第２ストライプ構造の幅である第２ストライプ幅よりも、小さく、
前記第１端面における、前記外部共振器から戻る前記第１光のスポット径は、前記第２端面における、前記外部共振器から戻る前記第２光のスポット径よりも小さい
半導体レーザ装置。

【請求項2】

積層方向から見た場合に、
前記第１ストライプ構造は、前記第１半導体レーザ素子における前記第１光の出射方向に前記第１ストライプ幅で一様に延在しており、
前記第２ストライプ構造は、前記第２半導体レーザ素子における前記第２光の出射方向に前記第２ストライプ幅で一様に延在している
請求項１に記載の半導体レーザ装置。

【請求項3】

積層方向から見た場合に、前記第１ストライプ構造は、前記第１端面から、前記第１半導体レーザ素子における前記第１光が出射される向きとは反対側に向かうにつれて幅が狭くなる
請求項１に記載の半導体レーザ装置。

【請求項4】

前記第１半導体レーザ素子と前記第２半導体レーザ素子とが一体に形成された半導体レーザアレイを備える
請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。

【請求項5】

前記外部共振器は、前記第１光及び前記第２光のそれぞれの一部を透過し、且つ、他部を反射するハーフミラーを備える
請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。

【請求項6】

さらに、前記第１光と前記第２光とを合波して出射する合波器を備える
請求項１～５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。

【請求項7】

前記合波器は、回折格子を有する波長分散素子を有する
請求項６に記載の半導体レーザ装置。

【請求項8】

さらに、前記第１半導体レーザ素子及び前記第２半導体レーザ素子と、前記外部共振器との間に、前記第１光及び前記第２光をコリメートするコリメータレンズを備える
請求項１～７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。

【請求項9】

前記第１端面と前記コリメータレンズとの距離と、前記第２端面と前記コリメータレンズとの距離とは、等しい
請求項８に記載の半導体レーザ装置。

【請求項10】

第１導電型半導体層、活性層、及び、第２導電型半導体層がこの順に積層された半導体レーザアレイを複数備える半導体レーザ装置であって、
複数の前記半導体レーザアレイは、
第１活性層に流す電流を狭窄するための第１ストライプ構造を複数有し、第１光を出射する第１半導体レーザアレイと、
第２活性層に流す電流を狭窄するための第２ストライプ構造を複数有し、前記第１光よりも波長が長い第２光を出射する第２半導体レーザアレイと、を含み、
前記半導体レーザ装置は、前記第１半導体レーザアレイとの間で前記第１光を共振させ、且つ、前記第２半導体レーザアレイとの間で前記第２光を共振させる外部共振器を備え、
積層方向から見た場合に、前記第１半導体レーザアレイにおける前記第１光を出射する第１端面での前記第１ストライプ構造の幅である第１ストライプ幅は、前記第２半導体レーザアレイにおける前記第２光を出射する第２端面での前記第２ストライプ構造の幅である第２ストライプ幅よりも、小さい
半導体レーザ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、外部共振器型の半導体レーザ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、レーザ加工用の光源として用いられる半導体レーザ装置がある。この種の半導体レーザ装置には、高い光出力が要求される。そこで、高い光出力を得るために、複数のレーザ光を１つの光路を通過するように纏める、つまり、複数のレーザ光を合波する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

また、従来、光出力を向上させるために、半導体レーザ素子が出射した光を当該半導体レーザ素子とハーフミラー等の光学系との間で共振させてレーザ光として出射する外部共振器型の半導体レーザ装置がある。

【0004】

ここで、ハーフミラー等の光学系を用いて複数の半導体レーザ素子との間で光を外部共振させて半導体レーザ装置からレーザ光を出射させるために、当該複数の半導体レーザ素子のそれぞれに投入される必要がある電流量は、複数の半導体レーザ素子が出射する光の波長に応じて異なる場合がある。当該複数の半導体素子のそれぞれにおける発振しきい値が異なるためである。複数の半導体レーザ素子のそれぞれに異なる電流量を投入するためには、当該複数の半導体レーザ素子のそれぞれに同じ電流量を投入する場合と比較して、構造が複雑になる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第５９８１８５５号公報

【非特許文献】

【0006】

【文献】Ｊ． Ｐｉｐｒｅｋ ａｎｄ Ｓ． Ｎａｋａｍｕｒａ， Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ＩｎＧａＮ＝ＧａＮ ｌａｓｅｒｓ， ＩＥＥ Ｐｒｏｃ．－Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ．， Ｖｏｌ． １４９， Ｎｏ． ４， Ａｕｇｕｓｔ ２００２

【文献】Ｓ． Ｋ． Ｐｕｇｈ， Ｄ． Ｊ． Ｄｕｇｄａｌｅ， Ｓ． Ｂｒａｎｄ， ａｎｄ Ｒ． Ａ． Ａｂｒａｍ， Ｂａｎｄ－ｇａｐ ａｎｄ ｋ．ｐ． ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ ＧａＡｌＮ ａｎｄ ＧａＩｎＮ ａｌｌｏｙｓ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ８６， ３７６８ （１９９９），２５ Ｊａｎｕａｒｙ １９９９

【文献】Ｌａｒｒｙ Ａ．Ｃｏｌｄｒｅｎ著、木村達也訳、半導体レーザとフォトニクス集積回路、オーム社、第２章２．５

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本開示は、複数の半導体レーザ素子を備える外部共振器型の半導体レーザ装置において、当該複数の半導体レーザ素子のそれぞれの発振しきい値を近づけることができる半導体レーザ装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の一態様に係る半導体レーザ装置は、第１導電型半導体層、活性層、及び、第２導電型半導体層がこの順に積層された半導体レーザ素子を複数備える半導体レーザ装置であって、複数の前記半導体レーザ素子は、第１活性層に流す電流を狭窄するための第１ストライプ構造を有し、第１光を出射する第１半導体レーザ素子と、第２活性層に流す電流を狭窄するための第２ストライプ構造を有し、前記第１光よりも波長が長い第２光を出射する第２半導体レーザ素子と、を含み、前記半導体レーザ装置は、前記第１半導体レーザ素子との間で前記第１光を共振させ、且つ、前記第２半導体レーザ素子との間で前記第２光を共振させる外部共振器を備え、積層方向から見た場合に、前記第１半導体レーザ素子における前記第１光を出射する第１端面での前記第１ストライプ構造の幅である第１ストライプ幅は、前記第２半導体レーザ素子における前記第２光を出射する第２端面での前記第２ストライプ構造の幅である第２ストライプ幅よりも、小さい。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、複数の半導体レーザ素子を備える外部共振器型の半導体レーザ装置において、当該複数の半導体レーザ素子のそれぞれの発振しきい値を近づけることができる半導体レーザ装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、比較例に係る半導体レーザ素子を示す上面図である。

【図2】図２は、実施の形態に係る半導体レーザ装置を示す上面図である。

【図3】図３は、実施の形態に係る半導体レーザ素子を示す上面図である。

【図4】図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線における、実施の形態に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。

【図5】図５は、実施の形態に係る半導体レーザ素子における発振波長に対する発振しきい値電流密度を示すグラフである。

【図6】図６は、実施の形態に係る半導体レーザ素子における発振波長に対するストライプ幅を示すグラフである。

【図7A】図７Ａは、実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の第１工程を示す模式的な断面図である。

【図7B】図７Ｂは、実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の第２工程を示す模式的な断面図である。

【図7C】図７Ｃは、実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の第３工程を示す模式的な断面図である。

【図7D】図７Ｄは、実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の第４工程を示す模式的な断面図である。

【図7E】図７Ｅは、実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の第５工程を示す模式的な断面図である。

【図7F】図７Ｆは、実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の第６工程を示す模式的な断面図である。

【図8】図８は、変形例に係る半導体レーザ素子を示す上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

（本開示の基礎となった知見）
本開示に係る半導体レーザ装置は、例えば、レーザ加工用の光源として用いられる。

【0012】

レーザ加工は、金属、樹脂、炭素繊維等の加工対象素材に対して、制御性よく、クリーンに溶接、切断、改質等をできる手段として注目されている。レーザ加工によれば、例えば、アーク放電に比べて小さなスポット溶接が可能な点、金型を使った切断に比べて切り屑の発生を抑制できる点等により、高品質な加工を実現できる。

【0013】

このようなレーザ加工を行うレーザ加工機には、半導体レーザ装置から出射されるレーザ光を直接用いるＤＤＬ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ）方式が採用される場合がある。

【0014】

ＤＤＬ方式は、（ｉ）レーザ光を変換しないため高効率であり、（ｂ）半導体レーザ装置が備える半導体レーザ素子に採用される材料が適切に選択されることで、波長が紫外から赤外までの任意のレーザ光で加工が可能である、という２つの特徴を有する。近年、ＤＤＬ方式では、窒化物半導体（ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等）を用いた、波長が４００ｎｍ帯のレーザ光を出射する半導体レーザ素子を備える半導体レーザ装置が、銅を高効率で加工できる点で特に注目されている。

【0015】

一般に、半導体レーザ素子の発光部（活性層）であるエミッタの幅（例えば、リッジ部の幅）を広げることで、当該発光部に投入できる電力を増やすことができる。

【0016】

これにより、半導体レーザ素子の出力（光出力）を上げることができる。

【0017】

しかしながら、半導体レーザ素子の発光効率は、３０％～５０％である。発光に寄与しない電力は、熱になってエミッタの温度を上昇させる。この温度上昇は、半導体レーザ素子に光出射による熱飽和を生じさせ、半導体レーザ素子の出力の向上に悪影響を及ぼす。

【0018】

そこで、１つの基板上に複数のエミッタが形成されたアレイ構造（マルチエミッタともいう）を有する半導体レーザアレイがある。

【0019】

半導体レーザアレイでは、各エミッタから出射された複数のレーザ光を加工用に用いるために、当該複数のレーザ光を１つのレーザ光に纏める必要がある。例えば、半導体レーザアレイにおける互いに異なる発光点から出射された複数のレーザ光は、１点で加工対象素材に照射される必要がある。そのため、例えば、複数のレーザ光の光軸が揃えられる必要がある。

【0020】

例えば、複数のレーザ光を１つの光軸に揃える（言い換えると、１つの光路を通過するように纏める）方法として、波長合成法がある。波長合成法は、半導体レーザアレイから出射された複数のレーザ光のそれぞれの光軸を同一の光軸を集める方法であり、ビーム品質が高い（例えば、加工対象素材において複数のレーザ光の光スポットの位置及び形状が揃いやすい）という特徴を有する。

【0021】

ここで、波長合成法の原理について説明する。

【0022】

周期ｄを有する回折格子にＮ本のレーザ光が入射するとき、各レーザ光の波長をλｉとし、回折格子に入射するレーザ光の入射角をθｉ、（ｉ＝１、２、・・・、Ｎ）とし、０を除く任意の整数をｍとした場合、下記の式（１）を満たす。

【0023】

ｄ×（ｓｉｎθｉ＋ｓｉｎθ０）＝ｍλｉ 式（１）

【0024】

上記の式（１）が満たされれば、出射角θ０の方向にレーザ光が出射されることが、一般的な回折現象として導かれる。すなわち、ビーム品質を劣化させることなく、同軸上に（つまり、１つの光軸上に）複数のレーザ光を合成（合波）できる。

【0025】

このような波長合成法による半導体レーザ素子の比較例を説明する。

【0026】

図１は、比較例に係る半導体レーザ素子を示す上面図である。

【0027】

なお、図１に示す比較例に係る半導体レーザ素子１０１０、１０１１、１０１２を有する半導体レーザアレイ１０００は、ＧａＮ（Ｇａｌｌｉｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）系半導体レーザ素子である。また、以下で説明する比較例は、半導体レーザアレイ１０００と出力カプラ（ハーフミラー等の光学系）とで外部共振する、外部共振器型の波長合成法であるが、図１では、出力カプラの図示を省略している。

【0028】

外部共振を利用する波長合成法では、複数の半導体レーザ素子１０１０、１０１１、１０１２を整列させ（図１に示す比較例では、半導体レーザアレイ１０００）、コリメータ光学系（コリメータレンズ）１０６０と回折格子を有する波長分散素子（不図示）とは、半導体レーザアレイ１０００と出力カプラとの間に配置される。

【0029】

これにより、出力カプラで互いに波長が異なる複数の光が重畳される。出力カプラで重畳された一部の光は、出力カプラから半導体レーザアレイ１０００に向かう方向へと反射され、往路と逆の経路（光路）を通過して半導体レーザアレイ１０００へと帰還する。

【0030】

上記した特許文献１では、近赤外波長の砒化物半導体（ＧａＡｓ（Ｇａｌｌｉｕｍ Ａｒｓｅｎｉｄｅ）、ＡｌＧａＡｓ（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ａｒｓｅｎｉｄｅ）、ＩｎＧａＡｓ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ａｒｓｅｎｉｄｅ）等）を用い、且つ、ＤＤＬ方式が採用された波長合成法によるシステムが提案されている。特許文献１に開示されたシステムのように、多数のエミッタそれぞれからの光を合波する際には、各エミッタから均一に且つ高い出力の光を出射させることが重要である。特許文献１で開示された構成では、出力カプラに入射された光の一部は、出力カプラから半導体レーザ素子に向かう方向、具体的には、光学系を往路と逆の経路で半導体レーザ素子へと帰還する、このような光は、コリメータ光学系で集光されて半導体レーザ素子の端面に照射される。

【0031】

ここで、コリメータ光学系が同一であっても、帰還する光の波長が波長分散光学系（回折格子）で選択された異なる波長であるため、コリメータレンズから半導体レーザ素子の端面に照射される光は、異なる焦点深度を有する。

【0032】

例えば、図１に示すように、出力カプラで反射された光１０４０は、半導体レーザ素子１０１０に入射される。また、出力カプラで反射された光１０４１は、半導体レーザ素子１０１１に入射される。出力カプラで反射された光１０４２は、半導体レーザ素子１０１２に入射される。光１０４０、１０４１、１０４２は、例えば、波長分散素子によって、互いに異なる波長の光となっている。ここで、図１に示すように、光１０４０、１０４１、１０４２の波長によって、半導体レーザ素子１０１０、１０１１、１０１２の端面における光の広がり幅が異なるため、半導体レーザ素子１０１０、１０１１、１０１２のそれぞれの導波路１０３０、１０３１、１０３２内の導波モードへと結合する光の割合が半導体レーザ素子１０１０、１０１１、１０１２ごとに異なってしまう。

【0033】

また、ある波長で発振する半導体レーザ素子へと帰還する光の幅を導波モードへの結合効率が高くなるように設計しても、別の波長で発振する半導体レーザ素子においては、結合効率が高くなるレーザ光の適切な幅が異なるため、結合効率が高くならない。

【0034】

本願発明者らは、鋭意検討した結果、半導体レーザ素子の導波路のサイズを出射する光の波長に応じて適切に設定することで、導波路における導波モードの結合効率を、当該光の波長によらず大きく保つことができることを見出した。また、本願発明者らは、鋭意検討した結果、半導体レーザ素子に投入される電流を狭窄するためのストライプ構造のサイズを適切に設定することで、発振しきい値を調整できることを見出した。

【0035】

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、及び、構成要素の配置位置や接続形態などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。

【0036】

また、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、各図において縮尺等は必ずしも一致していない。なお、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。

【0037】

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。

【0038】

また、本明細書において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、三次元直交座標系の三軸を示している。各実施の形態では、Ｚ軸方向を鉛直方向とし、Ｚ軸に垂直な方向（ＸＹ平面に平行な方向）を水平方向としている。また、本明細書において、Ｚ軸正方向を上方と記載し、Ｚ軸負方向を下方と記載する場合がある。また、本明細書において、半導体レーザ素子が光を出射する向きをＹ軸正方向として記載する場合がある。

【0039】

また、本明細書において、寸法等について記載されている数値は、完全に当該数値であることを意味するだけでなく、数％程度、例えば、５％の差異を含むことを意味する。

【0040】

（実施の形態）
［半導体レーザ装置の構成］
図２は、実施の形態に係る半導体レーザ装置を示す上面図である。

【0041】

半導体レーザ装置１００は、レーザ光を出力する光源である。レーザ光は、例えば、４００ｎｍ～４５０ｎｍ程度の波長であり、複数のレーザ光が合波されて１つの光路で（例えば、複数のレーザ光の光軸が揃えられて）半導体レーザ装置１００から出射される。

【0042】

半導体レーザ装置１００は、複数の半導体レーザアレイ２００、２０１、２０２と、コリメータ光学系（コリメータレンズ）２６０、２６１、２６２と、合波器（波長分散素子）２７０と、外部共振器（ハーフミラー）２８０と、を備える。

【0043】

複数の半導体レーザアレイ２００、２０１、２０２は、それぞれ、複数の光（レーザ光）を出射する半導体レーザ光源である。複数の半導体レーザアレイ２００、２０１、２０２は、それぞれ、１つの発光点を有する、つまり、１本のレーザ光を出射する半導体レーザ素子を複数備える。複数の半導体レーザアレイ２００、２０１、２０２は、それぞれ、このような複数の半導体レーザ素子が一体に形成された半導体レーザアレイである。

【0044】

コリメータ光学系２６０、２６１、２６２は、それぞれ、半導体レーザアレイから出射されたレーザ光をコリメートするコリメータレンズである。コリメータ光学系２６０、２６１、２６２は、それぞれ、例えば、速軸コリメータレンズ（ＦＡＣ／Ｆａｓｔ Ａｘｉｓ Ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）と、遅軸コリメータレンズ（ＳＡＣ／Ｓｌｏｗ Ａｘｉｓ Ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）とを備える。

【0045】

合波器２７０は、半導体レーザアレイ２００、２０１、２０２のそれぞれから出射されたレーザ光を合波して出射する光学系である。本実施の形態では、合波器２７０は、波長分散素子を有する。

【0046】

波長分散素子は、回折格子を有する光学系である。波長分散素子は、入射された光の波長に応じた角度で光を反射させる。そのため、波長分散素子によれば、波長の異なる複数のレーザ光を１本のレーザ光として出射できる。また、波長分散素子によれば、複数の波長の光を含む１本のレーザ光を波長ごとに異なる角度で出射できる。

【0047】

なお、本実施の形態では、反射型の波長分散素子を例示しているが、透過型の波長分散素子でもよい。

【0048】

外部共振器２８０は、入射したレーザ光の一部を透過し、他部を反射するハーフミラーである。外部共振器２８０で反射されたレーザ光は、合波器２７０及びコリメータ光学系２６０を介して半導体レーザアレイ２００、２０１、２０２に戻る。半導体レーザアレイ２００、２０１、２０２に戻ったレーザ光は、半導体レーザアレイ２００、２０１、２０２の内部（より具体的には、導波路）を通過して、半導体レーザアレイ２００、２０１、２０２の反射面（レーザ光を出射する出射端面と反対側の面）で反射される。反射されたレーザ光は、半導体レーザアレイ２００、２０１、２０２の内部（より具体的には、導波路）を通過して、半導体レーザアレイ２００、２０１、２０２の出射端面から出射される。

【0049】

このように、半導体レーザアレイ２００、２０１、２０２の反射面と、外部共振器２８０との間で共振されたレーザ光が半導体レーザ装置１００から出射される。

【0050】

［半導体レーザ素子の構成］
続いて、図２～図４を参照しながら、実施の形態に係る半導体レーザ素子の構成について説明する。なお、半導体レーザ装置１００が備える半導体レーザアレイ２００、２０１、２０２の構造は、後述するストライプ幅以外は実質的に同じであるため、半導体レーザアレイ２００の構造について詳細に説明する。

【0051】

半導体レーザ装置１００は、第１導電型半導体層と、活性層と、第１導電型とは異なる第２導電型半導体層とがこの順に積層された半導体レーザ素子を複数備える。本実施の形態では、半導体レーザ装置１００が備える複数の半導体レーザ素子は、半導体レーザ素子（第１半導体レーザ素子）１０と、半導体レーザ素子（第２半導体レーザ素子）１１と、半導体レーザ素子（第３半導体レーザ素子）１２と、を含む。また、本実施の形態では、半導体レーザ装置１００は、複数の半導体レーザ素子が一体に形成された半導体レーザアレイを備える。具体的には、半導体レーザ装置１００は、半導体レーザ素子１０と、半導体レーザ素子１１と、半導体レーザ素子１２とが一体に形成された半導体レーザアレイ２００を備える。なお、半導体レーザアレイ２００が備える半導体レーザ素子の数は、複数であればよく、特に限定されない。

【0052】

図３は、実施の形態に係る半導体レーザ素子を示す上面図である。

【0053】

半導体レーザアレイ２００が有する複数の半導体レーザ素子１０、１１、１２は、それぞれ、第１導電型半導体層と、活性層と、第２導電型半導体層と、リッジ部（ストライプ構造）と、を備える。具体的には、半導体レーザ素子１０は、第１導電型半導体層と、活性層（第１活性層）１０３と、第２導電型半導体層と、リッジ部（第１ストライプ構造）１０Ｒと、を備える。また、半導体レーザ素子１１は、第１導電型半導体層と、第２活性層１０３ａ（図４参照）と、第２導電型半導体層と、リッジ部（第２ストライプ構造）１１Ｒと、を備える。また、半導体レーザ素子１２は、第１導電型半導体層と、第３活性層１０３ｂ（図４参照）と、第２導電型半導体層と、リッジ部１２Ｒと、を備える。本実施の形態では、半導体レーザ素子１０、１１、１２のそれぞれの第１導電型半導体層、活性層、第２導電型半導体層は、それぞれ一体に（１つの層として）形成されている。

【0054】

リッジ部１０Ｒ、１１Ｒ、１２Ｒは、それぞれ、半導体レーザ素子１０、１１、１２がそれぞれ有する活性層に流れる電流を狭窄するために半導体レーザ素子１０、１１、１２に形成された狭窄部である。リッジ部１０Ｒ、１１Ｒ、１２Ｒは、光の出射方向（本実施の形態では、Ｙ軸方向）に延在している。リッジ部１０Ｒ、１１Ｒ、１２Ｒの下方には、導波路が形成されており、当該導波路を導波して出射端面２４０から光が出射される。導波路は、第１導電型半導体層と、活性層と、第２導電型半導体層とによって形成される光の導波部である。

【0055】

具体的には、半導体レーザ素子１０は、第１活性層１０３に流す電流を狭窄するためのリッジ部１０Ｒを有し、第１光（光４００）を出射する。また、半導体レーザ素子１１は、第２活性層１０３ａに流す電流を狭窄するためのリッジ部１１Ｒを有し、光４００とは波長が異なる第２光（光４０１）を出射する。また、半導体レーザ素子１２は、第３活性層１０３ｂに流す電流を狭窄するためのリッジ部１２Ｒを有し、光４００、４０１とは波長が異なる第３光（光４０２）を出射する。

【0056】

コリメータ光学系２６０は、半導体レーザ素子１０、１１、１２のそれぞれから出射された光４００、４０１、４０２をそれぞれコリメートして合波器２７０に出射する。具体的に例えば、コリメータ光学系は、半導体レーザ素子１０、半導体レーザ素子１１、及び、半導体レーザ素子１２と、外部共振器２８０との間に、光４００、４０１、４０２のそれぞれをコリメートするコリメータレンズである。また、本実施の形態では、半導体レーザ素子１０における光４００を出射する第１端面と、半導体レーザ素子１１における光４０１を出射する第２端面と、半導体レーザ素子１２における光４０２を出射する第３端面とは、同じ端面（出射端面２４０）である。本実施の形態では、第１端面とコリメータ光学系２６０との距離と、第２端面とコリメータ光学系２６０との距離と、第３端面とコリメータ光学系２６０との距離とは、等しく距離Ｌ１０である。また、コリメータ光学系２６０は、外部共振器２８０で反射されて且つ合波器２７０で分波されることで入射された光（帰還光）を半導体レーザ素子１０、１１、１２のそれぞれに集光して出射する。

【0057】

本実施の形態では、コリメータ光学系２６０は、半導体レーザ素子１０から出射された光４００をコリメートするレンズ部と、半導体レーザ素子１１から出射された光４０１をコリメートするレンズ部と、半導体レーザ素子１２から出射された光４０２をコリメートするレンズ部と、が一体に形成されているが、別体に形成されていてもよい。本実施の形態では、各レンズ部は、同じ材料で同じ形状（例えば、レンズ面が同じ曲率）に形成されている。

【0058】

合波器２７０は、コリメータ光学系２６０から出射された光４００、４０１、４０２を合波して外部共振器２８０に出射する。本実施の形態では、合波器２７０は、光４００、４０１、４０２を合波して出射する回折格子を有する波長分散素子を有する。また、合波器２７０は、外部共振器２８０で反射されることで入射された光を分波してコリメータ光学系２６０に出射する。

【0059】

外部共振器２８０は、合波器２７０を介して半導体レーザ素子１０との間で光４００を共振させ、合波器２７０を介して半導体レーザ素子１１との間で光４０１を共振させ、且つ、合波器２７０を介して半導体レーザ素子１２との間で光４０２を共振させる。本実施の形態では、外部共振器２８０は、光４００、４０１、４０２のそれぞれの一部を透過し、且つ、他部を反射するハーフミラーである。

【0060】

また、図２に示す外部共振器２８０で反射された光は、出射端面２４０から入射して当該導波路を導波して反射端面２５０で反射されて、さらに、当該導波路を導波して出射端面２４０から出射される。例えば、半導体レーザ素子１０と、半導体レーザ素子１１と、半導体レーザ素子１２とでは、異なる波長の光が入射及び出射される。具体的には、半導体レーザ素子１０で入射及び出射される光４００と、半導体レーザ素子１１で入射及び出射される光４０１と、半導体レーザ素子１２で入射及び出射される光４０２とでは、波長が異なる。

【0061】

そのため、同じコリメータ光学系２６０を用い、且つ、コリメータ光学系２６０と出射端面２４０との距離が同じである場合、半導体レーザ素子１０と、半導体レーザ素子１１と、半導体レーザ素子１２とでは、出射端面２４０において、光４００と、光４０１と、光４０２とのスポット径が異なる。

【0062】

また、リッジ部１０Ｒと、リッジ部１１Ｒと、リッジ部１２Ｒとは、幅（本実施の形態では、Ｘ軸方向の長さ）が互いに異なる。例えば、リッジ部１０Ｒ、１１Ｒ、１２Ｒの幅は、それぞれ、光４００、４０１、４０２の出射端面２４０におけるスポット径に応じたサイズとなっている。具体的には、積層方向から見た場合（本実施の形態では、Ｚ軸正方向側から半導体レーザアレイ２００を見た場合）に、半導体レーザ素子１０における光４００を出射する第１端面でのリッジ部１０Ｒの幅であるストライプ幅（幅Ｌ０）と、半導体レーザ素子１１における光４０１を出射する第２端面でのリッジ部１１Ｒの幅である第２ストライプ幅（幅Ｌ１）と、半導体レーザ素子１２における光４０２を出射する端面でのリッジ部１２Ｒの幅である第３ストライプ幅（幅Ｌ２）とは、互いに異なる。なお、本実施の形態では、ここでの幅とは、Ｘ軸方向の長さである。

【0063】

また、半導体レーザアレイ２００が備える半導体レーザ素子１０、１１、１２におけるリッジ部１０Ｒ、１１Ｒ、１２Ｒは、出射する波長が短い方が、幅が小さい。本実施の形態では、光４０１は、光４００よりも波長が長い。また、光４０２は、光４０１よりも波長が長い。本実施の形態では、例えば、光４００と光４０１とは、波長が０．１～０．３ｎｍ程度離れている。光４０１と光４０２とは、波長が０．１～０．３ｎｍ程度離れている。光４００と、光４０１と、光４０２とのそれぞれの波長の差は、特に限定されない。

【0064】

また、積層方向からに見た場合に、出射端面２４０での幅Ｌ０は、出射端面２４０での幅Ｌ１よりも、小さい。また、積層方向からに見た場合に、出射端面２４０での幅Ｌ１は、出射端面２４０での幅Ｌ２よりも、小さい。

【0065】

なお、本実施の形態では、積層方向から見た場合に、リッジ部１０Ｒ、１１Ｒ、１２Ｒは、それぞれ、半導体レーザ素子１０、１１、１２のそれぞれの光４００、４０１、４０２の出射方向（本実施の形態では、Ｙ軸方向）に幅Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２でそれぞれ一様に延在している。例えば、リッジ部Ｒ１０は、半導体レーザ素子１０における光４００の出射方向に幅Ｌ０で一様に延在している。また、例えば、リッジ部１１Ｒは、半導体レーザ素子１１における光４０１の出射方向に幅Ｌ１で一様に延在している。また、例えば、リッジ部１２Ｒは、半導体レーザ素子１２における光４０２の出射方向に幅Ｌ２で一様に延在している。

【0066】

図４は、実施の形態に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。具体的には、図４には、図３のＩＶ－ＩＶ線における、実施の形態に係る半導体レーザ素子を複数有する半導体レーザ素子アレイ２００の断面を示している。なお、半導体レーザ素子１０、１１、１２は、それぞれ導波路１０Ｌ、１１Ｌ、１２Ｌを有し、リッジ部１０Ｒ、１１Ｒ、１２Ｒの幅Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２以外については、同様の層構造を有する。そのため、以下では、半導体レーザ素子１０の構造について詳細に説明する。

【0067】

半導体レーザ素子１０は、共振器を形成する光出射側端面（図３に示す出射端面２４０）及び光反射側端面（図３に示す反射端面２５０）を有するレーザ素子である。

【0068】

半導体レーザ素子１０は、基板１０１と、積層構造体と、第２導電側電極１０７と、パッド電極１０８と、第１導電側電極１０９と、を備える。当該積層構造体は、第１導電型半導体層である第１導電型クラッド層１０２、活性層（第１活性層）１０３、及び、第２導電型半導体層である第２導電型クラッド層１０４を含む。本実施の形態では、当該積層構造体は、コンタクト層１０５と、絶縁層１０６と、をさらに含む。当該積層構造体の一方側の端面と他方側の端面との間に導波路１０Ｌが形成される。当該積層構造体の一方側の端面（例えば、出射端面２４０）には光出射側端面コート膜（不図示）が配置され、他方側の端面（例えば、反射端面２５０）には光反射側端面コート膜（不図示）が配置される。

【0069】

これにより、当該積層構造体の一方側の端面は、光出射側端面となり、他方側の端面は、光反射側の端面となる。

【0070】

基板１０１は、半導体レーザ素子１０の基材である。本実施の形態では、基板１０１は、ＧａＮ単結晶基板である。基板１０１は、ＧａＮ単結晶基板に限定されず、窒化物半導体層を積層し得る基板であればよい。例えば、基板１０１は、ＳｉＣ基板、サファイア基板等であってもよい。

【0071】

第１導電型クラッド層１０２は、基板１０１の上方に配置される第１導電型の半導体からなるクラッド層である。本実施の形態では、第１導電型クラッド層１０２は、Ｓｉがドープされ、３μｍの膜厚を有するｎ型のＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ（ｘ＝０．０３）層である。例えば、第１導電型クラッド層１０２におけるＳｉ濃度は、１×１０^１７ｃｍ^－３である。

【0072】

活性層１０３は、第１導電型クラッド層１０２の上方に配置され、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる発光層である。本実施の形態では、活性層１０３は、５ｎｍの膜厚を有し、Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＮからなる井戸層と、１０ｎｍの膜厚を有し、ＧａＮからなる障壁層とが交互に２層ずつ積層された量子井戸活性層を含む。

【0073】

なお、活性層１０３の構成は、これに限定されない。活性層１０３は、量子井戸活性層の上方及び下方の少なくとも一方に形成されたガイド層を含んでもよい。

【0074】

第２導電型クラッド層１０４は、活性層１０３の上方に配置され、第２導電型の窒化物半導体からなるクラッド層である。本実施の形態では、第２導電型クラッド層１０４は、Ｍｇがドープされたｐ型のＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層を含む。例えば、第２導電型クラッド層１０４におけるＭｇ濃度は、１×１０^１９ｃｍ^－３である。また、例えば、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層は、Ａｌの平均組成比が３％であり、３ｎｍの膜厚を有するＡｌＧａＮ層と、３ｎｍの膜厚を有するＧａＮ層とが交互にそれぞれ１００層積層された層である。

【0075】

コンタクト層１０５は、第２導電型クラッド層１０４の上方に配置され、第２導電型の窒化物半導体からなる層である。本実施の形態では、コンタクト層１０５は、Ｍｇがドープされ、５ｎｍの膜厚を有するＧａＮ層である。例えば、コンタクト層１０５におけるＭｇ濃度は１×１０^２０ｃｍ^－３である。

【0076】

なお、例えば、第１導電型は、ｎ型であり、第２導電型は、ｐ型である。もちろん、第１導電型が、ｐ型であり、第２導電型が、ｎ型でもよい。

【0077】

絶縁層１０６は、第２導電型クラッド層１０４の上方に配置される絶縁材料からなる層である。本実施の形態では、絶縁層１０６は、コンタクト層１０５の側面及び第２導電型クラッド層１０４の上面に配置され、２００ｎｍの膜厚を有するＳｉＯ_２からなる層である。

【0078】

第２導電側電極１０７は、コンタクト層１０５の上方に配置される導電材料からなる層である。第２導電側電極１０７は、コンタクト層１０５と接触する。本実施の形態では、第２導電側電極１０７は、コンタクト層１０５側から順にＰｄ及びＰｔが積層された積層膜である。

【0079】

なお、第２導電側電極１０７の構成はこれに限定されない。第２導電側電極１０７は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕの少なくとも一つで形成された単層膜又は多層膜であってもよい。本実施の形態では、第２導電側電極１０７の幅は、３０μｍである。ここで、第２導電側電極１０７の幅とは、基板１０１の主面（Ｚ軸正方向側の面）に平行で、半導体レーザ素子１０の共振方向に垂直な方向における第２導電側電極１０７の寸法のことを意味する。

【0080】

なお、第２導電側電極１０７の幅は３０μｍに限定されず、１０μｍ以上１５０μｍ以下であればよい。また、第２導電側電極１０７は、絶縁層１０６上にも形成されてもよい。

【0081】

パッド電極１０８は、第２導電側電極１０７の上方に配置されたパッド状の電極である。本実施の形態では、パッド電極１０８は、第２導電側電極１０７側から順にＴｉ及びＡｕが積層された積層膜である。

【0082】

なお、パッド電極１０８の構成はこれに限定されない。パッド電極１０８は、例えば、Ｔｉ及びＡｕ、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕ、Ｎｉ及びＡｕ等の積層膜であってもよい。

【0083】

第１導電側電極１０９は、基板１０１の下方に配置される電極である。本実施の形態では、第１導電側電極１０９は、基板１０１側から順にＴｉ、Ｐｔ及びＡｕが積層された積層膜である。

【0084】

なお、第１導電側電極１０９の構成はこれに限定されない。第１導電側電極１０９は、例えば、Ｔｉ及びＡｕ、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕ等の積層膜であってもよい。

【0085】

また、半導体レーザ素子１０は、リッジ部１０Ｒ、及び、導波路１０Ｌを有する。

【0086】

リッジ部１０Ｒは、活性層１０３に流れる電流を狭窄するために半導体レーザ素子１０に形成された狭窄部である。リッジ部１０Ｒは、例えば、第２導電型クラッド層１０４の一部である。リッジ部１０Ｒは、Ｙ軸方向に延在している。

【0087】

導波路１０Ｌは、半導体レーザ素子１０の内部で光が導波する部分である。導波路１０Ｌは、例えば、第１導電型クラッド層１０２の一部と、活性層１０３の一部と、第２導電型クラッド層１０４の一部とからなる。リッジ部１０Ｒによって活性層１０３に流れる電流が狭窄されることにより、活性層１０３において光が生成される位置が決まる。そのため、断面視した場合（例えば、図４の断面を見た場合）、例えば、リッジ部１０Ｒの幅（Ｙ軸方向の長さ）は、導波路の１０Ｌの幅（Ｙ軸方向の長さ）と略同一となる。また、半導体レーザ素子１０から出射される光４００の発光点（出射端面２４０における光出射部分）のＸ軸方向の幅は、導波路１０ＬのＸ軸方向の幅、及び、リッジ部１０Ｒの幅Ｌ０と、凡そ同じになる。

【0088】

なお、上記したように、半導体レーザ装置１００が備える半導体レーザアレイ２０１、２０２の構造は、半導体レーザアレイ２００とストライプ幅以外は実質的に同じである。例えば、半導体レーザアレイ２０１は、半導体レーザアレイ２００が備える複数のリッジ部とストライプ幅が異なり、且つ、互いにストライプ幅が異なる複数のリッジ部を備える。また、例えば、半導体レーザアレイ２０２は、半導体レーザアレイ２００、２０１が備える複数のリッジ部とストライプ幅が異なり、且つ、互いにストライプ幅が異なる複数のリッジ部を備える。

【0089】

［検討結果］
図５は、実施の形態に係る半導体レーザ素子における発振波長に対する発振しきい値電流密度を示すグラフである。なお、図５には、計算結果（破線で図示）及び実験結果（○で図示）を示している。図５に示すグラフにおいて、横軸は、半導体レーザ素子から出射させるレーザ光の波長（発振波長）であり、縦軸は、対応する波長のレーザ光を半導体レーザ素子に発振させるための、積層方向から見た場合のリッジ部の単位面積あたりの電流密度のしきい値（発振しきい値電流密度）である。図５における計算結果及び実験結果は、いずれも活性層にＩｎＧａＮを用い、共振器長を２ｍｍとした場合の結果である。また、図５に示す計算結果を得るための計算では、非特許文献１に記載の物性パラメータを用い、非特許文献２に記載のｋ・ｐ摂動を用いたバンド計算を、非特許文献３に記載の古典的レーザ理論に適用して実施している。

【0090】

図５に示されるように、実験結果及び計算結果のいずれの場合においても、４５０ｎｍ程度までは、発振波長が長波長化するにつれて、単位面積あたりの発振しきい値電流密度が低下する。

【0091】

例えば、上記した特許文献１に開示されている構成で、上記した波長分散素子を用いた波長合成法による４００ｎｍ帯（例えば、４００ｎｍ～４５０ｎｍ）の波長を出射するＤＤＬ方式の半導体レーザ装置を備える加工機システムを構築する場合、当該半導体レーザ装置は、例えば、４００ｎｍ帯で発振するエミッタを多数有する必要がある。

【0092】

４００ｎｍ帯のレーザ光を出射する半導体レーザ素子には、例えば、活性層にＩｎＧａＮ系半導体が用いられる。

【0093】

ＩｎＧａＮ系半導体では、Ｉｎ組成を増加させることで発振波長を長波長化させることができる。一方、Ｉｎ組成を増加させることで、半導体のバンド構造の変化等に起因して、発振しきい値電流密度が低下する。そのため、複数の半導体レーザ素子ごとに発振しきい値電流密度が異なるために、単位面積あたりに複数の半導体レーザ素子ごとに投入すべき電流量（発振しきい値）が異なるという課題がある。

【0094】

ここで、発振しきい値は、活性層に導入する電流量を上げることができれば、それに伴って上げることができる。例えば、積層方向から見た場合に、リッジ部の面積を大きくすることで、活性層に導入する電流量を上げることができる。一方、例えば、積層方向から見た場合に、リッジ部の面積を小さくすることで、活性層に導入する電流量を下げることができる。つまり、複数の半導体レーザ素子のそれぞれのリッジ部のサイズを適切に設定することで、複数の半導体レーザ素子のそれぞれの発振しきい値を揃えることができる。

【0095】

図６は、実施の形態に係る半導体レーザ素子における発振波長に対するストライプ幅（例えば、リッジ部の幅）を示すグラフである。図６に示すグラフにおいて、横軸は、発振波長であり、縦軸は、対応する波長のレーザ光を半導体レーザ素子に出射させる場合に、発光効率がよい（例えば、８５％以上の発光効率とすることができる）好適なストライプの幅である。また、図６は、ストライプ幅が一様に延在している場合のグラフである。また、図６は、共振器長（例えば、図３に示す半導体レーザ素子１０のＹ軸方向の長さ）は一定としている。

【0096】

図６に示されるように、発振波長が長波長化するにつれて、好適なストライプ幅も大きくなる。

【0097】

そのため、例えば、共振器長が同じであれは、発振波長が長波長である程、リッジ幅を広くすることで、半導体レーザ素子に入射される光と導波路との結合効率を高くできる。

【0098】

以上の結果から、例えば、積層方向から見た場合のリッジ部のサイズを適切にすることにより、各半導体レーザ素子の発振しきい値を揃え、且つ、結合効率がよい半導体レーザ装置が実現され得る。

【0099】

［製造方法］
続いて、実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の概要について、図面を用いて説明する。

【0100】

図７Ａ～図７Ｆは、それぞれ、実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の各工程を示す断面図である。なお、図７Ａ～図７Ｆにおいては、図４に対応する断面における、半導体レーザ素子１０の拡大図を示している。

【0101】

まず、図７Ａに示されるように、基板１０１を準備し、基板１０１上に、基板１０１側から順に、第１導電型クラッド層１０２、活性層１０３、第２導電型クラッド層１０４及びコンタクト層１０５を形成する。本実施の形態では、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ／Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、各層の成膜を行う。

【0102】

次に、図７Ｂに示されるように、コンタクト層１０５上に、ＳｉＯ_２等からなるマスク１１０を形成する。本実施の形態では、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、膜厚３００ｎｍ程度のマスク１１０を形成する。

【0103】

次に、図７Ｃに示されるように、マスク１１０をパターニングする。本実施の形態では、フォトリソグラフィー及びエッチングを用いて、マスク１１０の一部を選択的に除去する。これにより、帯状のマスク１１０を形成する。

【0104】

次に、図７Ｄに示されるように、帯状に形成されたマスク１１０を用いて、コンタクト層１０５及び第２導電型クラッド層１０４をエッチングすることで、コンタクト層１０５及び第２導電型クラッド層１０４にリッジ部１０Ｒを形成する。コンタクト層１０５及び第２導電型クラッド層１０４のエッチングとしては、例えば、Ｃｌ_２等の塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によるドライエッチングを用いるとよい。また、マスク１１０をフッ酸等のウェットエッチングによって除去する。

【0105】

次に、図７Ｅに示されるように、コンタクト層１０５及び第２導電型クラッド層１０４を覆うように、絶縁層１０６を成膜する。絶縁層１０６としては、プラズマＣＶＤにより、膜厚３００ｎｍのＳｉＯ_２を形成する。

【0106】

次に、フォトリソグラフィーとウェットエッチングにより、リッジ部１０Ｒ上の絶縁層１０６のみを除去して、コンタクト層１０５の上面を露出させる。

【0107】

次に、真空蒸着法及びリフトオフ法を用いて、コンタクト層１０５上に第２導電側電極１０７を形成する。

【0108】

次に、第２導電側電極１０７及び絶縁層１０６を覆うようにパッド電極１０８を形成する。具体的には、フォトリソグラフィー等によって、パッド電極１０８を形成しない部分にレジストをパターニングし、基板１０１の上方の全面に真空蒸着法などによってパッド電極１０８を形成し、リフトオフ法を用いて不要な部分を除去する。これにより、所定形状のパッド電極１０８を形成する。

【0109】

以上の工程により、図７Ｆに示されるように、半導体レーザ素子１０が形成される。

【0110】

［効果等］
以上説明したように、実施の形態に係る半導体レーザ装置１００は、第１導電型半導体層、活性層、及び、第２導電型半導体層がこの順に積層された半導体レーザ素子を複数備える半導体レーザ装置である。半導体レーザ装置１００が備える複数の半導体レーザ素子は、第１活性層１０３に流す電流を狭窄するための第１ストライプ構造（例えば、リッジ部１０Ｒ）を有し、光４００を出射する半導体レーザ素子１０と、第２活性層１０３ａに流す電流を狭窄するための第２ストライプ構造（例えば、リッジ部１１Ｒ）を有し、光４００よりも波長が長い光４０１を出射する半導体レーザ素子１１と、を含む。また、半導体レーザ装置１００は、半導体レーザ素子１０との間で光４００を共振させ、且つ、半導体レーザ素子１１との間で光４０１を共振させる外部共振器２８０を備える。積層方向から見た場合に、半導体レーザ素子１０における光４００を出射する第１端面（出射端面２４０）での第１ストライプ構造の幅である第１ストライプ幅（例えば、幅Ｌ０）は、半導体レーザ素子１１における光４０１を出射する第２端面（出射端面２４０）での第２ストライプ構造の幅である第２ストライプ幅（例えば、幅Ｌ１）よりも、小さい。

【0111】

このように、例えば、互いに異なる波長の光を出射する複数の半導体レーザ素子のうち、長波長側の光を出射する半導体レーザ素子のストライプ幅を広くし、短波長側の光を出射する半導体レーザ素子のストライプ幅を狭くする。例えば、半導体レーザ素子１０、１１のうち、半導体レーザ素子１１のリッジ部１１Ｒの幅Ｌ１を、半導体レーザ素子１０のリッジ部１０Ｒの幅Ｌ０よりも広くする。これにより、出射する光の波長が長い半導体レーザ素子において、発振しきい値を上げることができる。或いは、出射する光の波長が短い半導体レーザ素子において、発振しきい値を下げることができる。そのため、互いに異なる波長の光を出射する複数の半導体レーザ素子の発振しきい値を近づけることができる。また、このような構成によれば、例えば、外部共振器２８０から戻る光（帰還光）のスポット径が広い半導体レーザ素子１１の第１端面における導波路は、半導体レーザ素子１０の第２端面における導波路よりも広くなる。そのため、帰還光と導波路との結合効率を、半導体レーザ素子１０、１１のいずれにおいても高くできる。以上のように、半導体レーザ装置１００によれば、複数の半導体レーザ素子を備える外部共振器型の半導体レーザ装置において、当該複数の半導体レーザ素子のそれぞれの発振しきい値を近づけることができる。さらに、半導体レーザ装置１００によれば、帰還光と導波路との結合効率を、半導体レーザ素子１０、１１のいずれにおいても高くできるため、投入電力に対する光出力、つまり、発光効率を高くできる。

【0112】

また、例えば、積層方向から見た場合に、リッジ部１０Ｒは、半導体レーザ素子１０における光４００の出射方向に幅Ｌ０で一様に延在しており、リッジ部１１Ｒは、半導体レーザ素子１１における光４０１の出射方向に幅Ｌ１で一様に延在している。

【0113】

これによれば、部分的にリッジ部１０Ｒ、１１Ｒの幅を変える場合と比較して、半導体レーザ素子１０、１１を製造しやすくできる。

【0114】

また、例えば、半導体レーザ素子１０と半導体レーザ素子１１とが一体に形成された半導体レーザアレイ２００を備える。

【0115】

これによれば、例えば、半導体レーザ素子１０と半導体レーザ素子１１とが別体の場合と比較して、半導体レーザ素子１０及び半導体レーザ素子１１と、外部共振器２８０等の半導体レーザ装置１００が備える光学系との位置合わせがしやすい。

【0116】

また、例えば、外部共振器２８０は、光４００及び光４０１のそれぞれの一部を透過し、且つ、他部を反射するハーフミラーを備える。

【0117】

これによれば、半導体レーザ素子１０、１１と、外部共振器２８０との間で、簡便な構成で外部共振が発生し得る。

【0118】

また、例えば、半導体レーザ装置１００は、さらに、光４００と光４０１とを合波して出射する合波器２７０を備える。つまり、合波器２７０は、光４００の光軸と光４０１の光軸とが同じ光軸上を通過するように、光４００と光４０１とを合波する。

【0119】

これによれば、合波器２７０によって光４００と光４０１とを同じ箇所に照射することができる。

【0120】

また、例えば、合波器２７０は、回折格子を有する波長分散素子を有する。

【0121】

波長分散素子を用いた合波によれば、半導体レーザ素子には、位置によって異なる波長の光が入射される。つまり、複数の半導体レーザ素子が出射する光の波長は、互いに異なることになる。上記したように、半導体レーザ装置１００によれば、互いに異なる波長の光を出射する複数の半導体レーザ素子のそれぞれの発振しきい値を近づけることができ、且つ、帰還光と導波路との結合効率を、半導体レーザ素子１０、１１のいずれにおいても高くできるため、投入電力に対する光出力、つまり、発光効率を高くできる。そのため、本願発明は、波長分散素子による合波を用いた外部共振器型の半導体レーザ装置１００に特に有用である。

【0122】

また、例えば、半導体レーザ装置１００は、さらに、半導体レーザ素子１０及び半導体レーザ素子１１と、外部共振器２８０との間に、光４００及び光４０１をコリメートするコリメータレンズ（コリメータ光学系２６０）を備える。

【0123】

これによれば、半導体レーザ装置１００は、コリメート光を出射できる。

【0124】

また、例えば、上記した第１端面とコリメータレンズとの距離と、上記した第２端面とコリメータレンズとの距離とは、等しい。本実施の形態では、当該第１端面と当該第２端面とは、いずれも出射端面２４０であり、コリメータレンズとの距離がいずれも距離Ｌ１０である。

【0125】

このように、例えば、同じコリメータレンズを用いて光４００、４０１をコリメートし、且つ、当該コリメータレンズとの距離が同じになるように、半導体レーザ素子１０、１１が配置されることで、半導体レーザ素子１０、１１のそれぞれで配置を変更する場合と比較して、製造が容易になる。ここで、例えば、同じコリメータレンズを用いて光４００、４０１をコリメートし、且つ、当該コリメータレンズとの距離が同じになるように、半導体レーザ素子１０、１１が配置することで、光４００の波長と光４０１の波長とが異なるために、出射端面２４０における帰還光のスポット径は、光４００と光４０１とで異なる。しかしながら、上記したように、半導体レーザ装置１００によれば、帰還光と導波路との結合効率を、半導体レーザ素子１０、１１のいずれにおいても高くできる。そのため、本願発明は、同じコリメータレンズを用いて光４００、４０１をコリメートし、且つ、当該コリメータレンズとの距離が同じになるように、半導体レーザ素子１０、１１が配置される半導体レーザ装置１００に特に有用である。

【0126】

［変形例］
以下、本開示に係る半導体レーザ装置の変形例について説明する。変形例に係る半導体レーザ装置の説明においては、半導体レーザ装置１００と実質的に同一の構成については同一の符号を付し、説明を一部簡略化又は省略する場合がある。なお、変形例に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザ装置１００と半導体レーザ素子のリッジ部の形状が異なり、他の部分については、実質的に同一である。

【0127】

図８は、変形例に係る半導体レーザ素子を示す上面図である。なお、図８では、断面を示すものではないが、説明のためにリッジ部にハッチングを付して示している。

【0128】

変形例に係る半導体レーザ装置は、第１導電型半導体層と、活性層と、第１導電型とは異なる第２導電型半導体層とがこの順に積層された半導体レーザ素子を複数備える。例えば、変形例に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子（第１半導体レーザ素子）１３と、半導体レーザ素子（第２半導体レーザ素子）１４と、半導体レーザ素子（第３半導体レーザ素子）１５とが一体に形成された半導体レーザアレイ２０３を備える。なお、半導体レーザアレイ２０３が備える半導体レーザ素子の数は、複数であればよく、特に限定されない。

【0129】

半導体レーザアレイ２０３が有する複数の半導体レーザ素子１３、１４、１５は、それぞれ、第１導電型半導体層と、活性層と、第２導電型半導体層と、リッジ部（ストライプ構造）と、を備える。具体的には、半導体レーザ素子１３は、第１導電型半導体層と、第１活性層１０３と、第２導電型半導体層と、リッジ部（第１ストライプ構造）１３Ｒと、を備える。また、半導体レーザ素子１４は、第１導電型半導体層と、第２活性層１０３ａと、第２導電型半導体層と、リッジ部（第２ストライプ構造）１４Ｒと、を備える。また、半導体レーザ素子１５は、第１導電型半導体層と、第３活性層１０３ｂと、第２導電型半導体層と、リッジ部（第３ストライプ構造）１５Ｒと、を備える。

【0130】

本変形例では、半導体レーザ素子１３、１４、１５のそれぞれの第１導電型半導体層、活性層、第２導電型半導体層は、それぞれ一体に形成されている。

【0131】

リッジ部１３Ｒ、１４Ｒ、１５Ｒは、それぞれ、半導体レーザ素子１３、１４、１５が有する活性層に流れる電流を狭窄するために半導体レーザ素子１３、１４、１５に形成された狭窄部である。リッジ部１３Ｒ、１４Ｒ、１５Ｒは、光の出射方向（本変形例では、Ｙ軸方向）に延在している。リッジ部１３Ｒ、１４Ｒ、１５Ｒの下方には、導波路が形成されており、当該導波路を導波して出射端面２４０から光が出射される。

【0132】

具体的には、半導体レーザ素子１３は、第１活性層１０３に流す電流を狭窄するためのリッジ部１３Ｒを有し、第１光（光４０３）を出射する。また、半導体レーザ素子１４は、第２活性層１０３ａに流す電流を狭窄するためのリッジ部１４Ｒを有し、光４０３とは波長が異なる第２光（光４０４）を出射する。また、半導体レーザ素子１５は、光４０３、４０４とは波長が異なる第３光（光４０５）を出射する。

【0133】

ここで、積層方向から見た場合に、リッジ部１３Ｒは、第１端面（出射端面２４０）から、半導体レーザ素子１３における光４０３が出射される向きとは反対側（本実施の形態では、Ｙ軸負方向側）に向かうにつれて幅が狭くなる。具体的には、リッジ部１３Ｒは、積層方向から見た場合に、出射端面２４０から反射端面２５０に向かうにつれて幅が狭くなる。

【0134】

例えば、積層方向から見た場合に、リッジ部１３Ｒは、半導体レーザ素子１３における光４０３を出射する出射端面２４０での幅である第１ストライプ幅（幅Ｌ３）は、図５に基づいて決定される。これにより、半導体レーザ素子１３において、導波路と帰還光との結合効率を高めることができる。また、出射端面２４０以外の部分でリッジ部１３Ｒの幅を適切に設定することで、発振しきい値を適切に設定できる。上記したように、例えば、積層方向から見た場合に、リッジ部１３Ｒの面積を小さくすることで、発振しきい値を小さくすることができる。そのため、半導体レーザ素子１３における光４０３が出射される向きとは反対側に向かうにつれて幅を狭くすることで、導波路と帰還光との結合効率を高め、且つ、複数の半導体レーザ素子１３、１４、１５のそれぞれの発振しきい値で近づけることができる。また、例えば、積層方向から見た場合に、リッジ部１３Ｒは、Ｙ軸負方向側に向かうにつれて幅が徐々に狭くなるテーパ状を有する。これによれば、急激に幅が狭くなる場合と比較して、導波路における光の損失を少なくできる。

【0135】

なお、図８に示すように、積層方向から見た場合に、リッジ部１３Ｒは、Ｙ軸負方向側に向かうにつれて幅が徐々に狭くなる部分と、幅が一様な部分とを有してもよいし、Ｙ軸負方向側に向かうにつれて幅が徐々に狭くなり続けてもよい。

【0136】

また、リッジ部１４Ｒは、出射端面２４０から、半導体レーザ素子１４における光４０４が出射される向きとは反対側に向かうにつれて幅が狭くなる。

【0137】

また、リッジ部１５Ｒは、出射端面２４０から、半導体レーザ素子１５における光４０５が出射される向きとは反対側に向かうにつれて幅が狭くなる。

【0138】

例えば、図３に示す半導体レーザ素子１０の発振しきい値は、２２５ｍＡである。また、例えば、図３に示す半導体レーザ素子１１の発振しきい値は、２２０ｍＡである。図３に示す半導体レーザ素子１２の発振しきい値は、２１８ｍＡである。このように、リッジ部１０Ｒ、１１Ｒ、１２Ｒの幅を、帰還光と導波路との結合効率を高くするように一様にすると、発振しきい値は、半導体レーザ素子１０と、半導体レーザ素子１１と、半導体レーザ素子１２とで異なる。

【0139】

ここで、図８に示す半導体レーザ素子１３、１４、１５の発振しきい値は、いずれも２１８ｍＡである。

【0140】

このように、図８に示すように、出射端面２４０から、半導体レーザ素子１３、１４、１５における光４０３、４０４、４０５が出射される向きとは反対側に向かうにつれて幅が狭くなる構造とすることで、半導体レーザ素子１３、１４、１５のそれぞれの発振しきい値を近づけることができる。

【0141】

また、リッジ部１３Ｒ、１４Ｒ、１５Ｒの幅を出射端面２４０以外の位置で変更することで、帰還光と導波路との結合効率に影響を与えずに、発振しきい値を制御することができる。

【0142】

なお、リッジ部１３Ｒ、１４Ｒ、１５Ｒのうち、一部（例えば、半導体レーザ素子１３、１４、１５のうち、出射する光の波長が最も短い半導体レーザ素子１３が有するリッジ部１３Ｒ）のみが、半導体レーザ素子１３における光４０が出射される向きとは反対側に向かうにつれて幅が狭くなり、他部（例えば、リッジ部１４Ｒ、１５Ｒ）が、半導体レーザ素子における光が出射される方向に幅が一様に延在していてもよい。

【0143】

また、例えば、半導体レーザ素子１３、１４、１５における、出射する光の波長が最も短い半導体レーザ素子１３が有するリッジ部１３Ｒが、半導体レーザ素子１３における光４０３が出射される向きとは反対側に向かうにつれて幅が狭くなり、出射する光の波長が最も長い半導体レーザ素子１５が有するリッジ部１５Ｒが、半導体レーザ素子１５における光４０５が出射される向きとは反対側に向かうにつれて幅が広くなり、リッジ部１４Ｒが、半導体レーザ素子１４における光４０４が出射される方向に幅が一様に延在していてもよい。

【0144】

（その他の実施の形態）
以上、本開示に係る半導体レーザ装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。

【0145】

例えば、上記実施の形態では、ストライプ構造としてリッジ部を例示したが、ストライプ構造は、上記したリッジ部に限定されない。ストライプ構造は、活性層に流す電流を狭窄する構造であればよく、例えば、半導体レーザ素子の内部に電流を狭窄するバリア層として形成されていてもよい。

【0146】

また、例えば、上記実施の形態では、複数の半導体レーザ素子が一体に形成された半導体レーザアレイとして説明したが、複数の半導体レーザ素子は、別体として個々に形成されていてもよい。この場合、例えば、複数の半導体レーザ素子における光の出射端面の位置は、同じ平面上に位置しない等、互いに異なっていてもよい。

【0147】

また、例えば、半導体レーザ装置が複数の半導体レーザアレイを備える場合、複数の半導体レーザ素子を有する半導体レーザアレイにおける当該複数の半導体レーザ素子においては、ストライプ幅が同じであり、且つ、複数の半導体レーザアレイごとにストライプ幅が異なっていてもよい。

【0148】

また、例えば、上記実施の形態では、ＧａＮ系半導体レーザアレイを例に記載したが、ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、又は、ＩＩ－ＶＩ族半導体等の、発光領域の波長を変化させることが可能なＧａＮ系以外の材料を用いた半導体レーザ素子が用いられてもよい。また、例えば、半導体レーザ装置が備える複数の半導体レーザ素子として、ＧａＮ系材料を用いた半導体レーザアレイと、ＧａＡｓ系材料を用いた半導体レーザアレイとを、発振しきい値が近しい値となるように、ストライプ幅を各々相違させたうえで組み合わせて用いてもよい。このように、半導体レーザ装置は、材料が互いに異なり、且つ、ストライプ幅が互いに異なる複数の半導体レーザ素子を備えてもよい。

【0149】

また、例えば、上記実施の形態では、複数のレーザ光を合波するために、合波器として波長分散素子を例示したが、合波器は、波長分散素子に限定されない。合波器は、例えば、プリズムでもよい。或いは、合波器は、ＶＢＧ（Ｖｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）でもよい。

【0150】

上記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】

【0151】

本開示の半導体レーザ装置は、レーザ加工に用いられる光源、特に、直接加工用半導体レーザ装置を用いたレーザ加工機の光源に適用できる。

【符号の説明】

【0152】

１０、１３ 半導体レーザ素子（第１半導体レーザ素子）
１０Ｌ、１１Ｌ、１２Ｌ、１０２０、１０２１、１０２２ 導波路
１０Ｒ、１３Ｒ リッジ部（第１ストライプ構造）
１１、１４ 半導体レーザ素子（第２半導体レーザ素子）
１１Ｒ、１４Ｒ リッジ部（第２ストライプ構造）
１２、１５ 半導体レーザ素子（第３半導体レーザ素子）
１２Ｒ、１５Ｒ リッジ部（第３ストライプ構造）
１００ 半導体レーザ装置
１０１ 基板
１０２ 第１導電型クラッド層
１０３ 活性層（第１活性層）
１０３ａ 第２活性層
１０３ｂ 第３活性層
１０４ 第２導電型クラッド層
１０５ コンタクト層
１０６ 絶縁層
１０７ 第２導電側電極
１０８ パッド電極
１０９ 第１導電側電極
２００、２０１、２０２、２０３、１０００ 半導体レーザアレイ
２４０ 出射端面
２５０ 反射端面
２６０、２６１、２６２、１０６０ コリメータ光学系（コリメータレンズ）
２７０ 合波器（波長分散素子）
２８０ 外部共振器（ハーフミラー）
４００、４０１、４０２、４０３、４０４、４０５、１０４０、１０４１、１０４２ 光
１０１０、１０１１、１０１２ 半導体レーザ素子
Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５ 幅
Ｌ１０ 距離

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】

【図7E】

【図7F】

【図8】