CN117526083A - 半导体激光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种振荡波长的偏差小的横向多模型半导体激光元件。该半导体激光元件具备：基板；半导体层部，其具备包含活性层的波导，并且配置在基板上；波导包含：宽幅部，其具备衍射光栅；窄幅部，其波导宽度比宽幅部窄，并且在活性层产生的光以横向多模传播；波导具备：第一端面，其包含窄幅部的端面；第二端面，其位于第一端面的相反侧；宽幅部具备第一区域，其与窄幅部连续地连接，并且波导宽度从第一端面侧朝向第二端面侧变宽。

Description

半导体激光元件
技术领域
本发明涉及半导体激光元件。
背景技术
近年来，伴随半导体激光元件的使用目的变得多样，与横向单模型半导体激光元件相比容易得到更高输出的横向多模型半导体激光元件的需求日益增高。例如，专利文献1公开了横向多模型半导体激光元件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011－151238号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，专利文献1公开的横向多模型半导体激光元件的纵向模的偏差大，即振荡波长的偏差大。
于是，本发明的目的在于提供一种振荡波长的偏差小的横向多模型半导体激光元件。
用于解决技术问题的技术方案
本发明的一实施方式的半导体激光元件具备：基板；半导体层部，其具备包含活性层的波导并，并且配置在基板上；波导包含：宽幅部，其具备衍射光栅；窄幅部，其波导宽度比宽幅部窄，并且在活性层产生的光以横向多模传播；波导具备：第一端面，其包含窄幅部的端面；第二端面，其位于第一端面的相反侧；宽幅部具备第一区域，所述第一区域与窄幅部连续地连接，并且波导宽度从第一端面侧朝向第二端面侧变宽。
有益的效果
本发明一实施方式的半导体激光元件能够提供一种振荡波长的偏差小的横向多模型半导体激光元件。
附图说明
图1是本发明实施方式1的半导体激光元件的概略俯视图。
图2是图1所示的半导体激光元件的II－II线处的概略剖视图。
图3是图1所示的半导体激光元件的III－III线处的概略剖视图。
图4是图1所示的半导体激光元件的IV－IV线处的概略剖视图。
图5A是表示实施方式1的半导体激光元件的制造方法中的一工序的概略剖视图。
图5B是表示实施方式1的半导体激光元件的制造方法中的一工序的概略剖视图。
图5C是表示实施方式1的半导体激光元件的制造方法中的一工序的概略剖视图。
图5D是表示实施方式1的半导体激光元件的制造方法中的一工序的概略剖视图。
图5E是表示实施方式1的半导体激光元件的制造方法中的一工序的概略俯视图。
图5F是表示实施方式1的半导体激光元件的制造方法中的一工序的概略剖视图。
图6是本公开的实施方式2的半导体激光元件的概略俯视图。
图7是本公开的实施方式3的半导体激光元件的概略俯视图。
图8是本公开的实施方式4的光源装置的概略俯视图。
图9A是表示模拟的波导宽度与各横向模的有效折射率之间的关系的曲线图。
图9B是表示模拟的在设有衍射光栅的位置处的波导宽度与布拉格波长的关系的曲线图。
附图标记说明
1，101，201：半导体激光元件；la：第一面；lb：第二面；2：基板；3：半导体层部；4：绝缘部件；5：第一电极；6：第二电极；10：第一层；11：第一n侧半导体层；12：第二n侧半导体层；20：第二层；21：第一p侧半导体层；22：第二p侧半导体层；30：活性层；50，150：波导；51：第一端面；52：第二端面；53：窄幅部54，154：宽幅部；55：第一区域；56：第二区域；60，260，560：衍射光栅；61，261：第一凸部；62，262：第二凸部；63：第一凹部；70：脊；80：掩模图案；81：保护膜；91：光源部；92：准直透镜；93：合波用衍射光栅；400：光源装置；d1，d2：距离；z1，z2：高度；y1～y4：宽度；x1，x2：宽度；D：光的传播方向；L1，L2：切线；P：间距；X：第一方向；Y：第二方向；Z：第三方向。
具体实施方式
以下，参照附图，对将本发明所涉及的发明进行实施的实施方式、变形例以及实施例进行说明。需要说明的是，本发明的半导体激光元件是为了将本发明所涉及的发明的技术思想具体化的元件，只要没有特定的记载，则本发明所涉及的发明不限定于以下内容。
在各附图中，有对具有相同功能的部件标注相同的附图标记的情况。考虑要点的说明或理解的容易性，为了方便，有分为实施方式、变形例以及实施例来表示的情况，但在不同的实施方式、变形例以及实施例所示的结构的部分地替换或组合是可能的。在后述的实施方式、变形例以及实施例中，对与前述共同的事项的记述进行省略，仅对不同的点进行说明。特别地，对同样的结构所带来的同样的作用效果，在每个实施方式、变形例以及实施例中不依次提及。为了使说明明确，也有夸张地示出各附图所示的部件的大小、位置关系等情况。需要说明的是，在本说明书中，“正交”或“平行”也分别包含±0.1度的偏移。
实施方式
1.实施方式1
本发明的半导体激光元件具备：基板；半导体层部，其具备包含活性层的波导，并且配置在所述基板上；所述波导包含：宽幅部，其具备衍射光栅；窄幅部，其波导宽度比所述宽幅部窄，并且在所述活性层产生的光以横向多模传播；所述波导具备：第一端面，其包含所述窄幅部的端面；第二端面，其位于所述第一端面的相反侧；所述宽幅部具备第一区域，其与所述窄幅部连续地连接，并且波导宽度从所述第一端面侧朝向所述第二端面侧变宽。
以下，参照图1至图5F对实施方式1的半导体激光元件及其制造方法进行说明。如图2所示，实施方式1的半导体激光元件1具备基板2和半导体层部3。
半导体层部3配置于基板2上。半导体层部3具备包含有活性层30的波导50。在本说明书中，第一方向X是指激光振荡的方向(即，共振的方向)。第二方向Y是指波导50的宽度方向。第三方向Z是指半导体层部3的层叠方向(即，从基板2朝向半导体层部3的方向)。需要说明的是，第一方向X、第二方向Y以及第三方向Z相互正交。波导50沿着第一方向X延伸。
如图1所示，波导50包含宽幅部54和窄幅部53。
波导50还包含：第一端面51；第二端面52，其位于第一端面51的相反侧。第一端面51包含窄幅部53的端面53a。
宽幅部54具备衍射光栅60。宽幅部54与窄幅部53连续地连接。宽幅部54具备波导宽度从第一端面51侧朝向第二端面52侧变宽的第一区域55。
窄幅部53的波导宽度比宽幅部54窄。窄幅部53供在活性层30产生的光以横向多模传播。
(基板)
本发明的半导体激光元件1所使用的基板2例如是半导体基板。基板2例如是GaN基板等氮化物半导体基板。氮化物半导体基板可以包含n型杂质。成为n型杂质的元素例如可以是O、Si、Ge。基板2能够使用氮化物半导体基板以将其上表面设为+c面(即，(0001)面)。在本实施方式中，c面不限于严格地与(0001)面一致的面，也包含具有±1度以下、优选为±0.03度以下的偏离角的面。半导体激光元件1也可以不具有基板2。作为基板的上表面，也可以使用非极性面(M面或A面)或半极性面(R面)。
(半导体层部)
如图2至图4所示，半导体层部3从基板2侧起依次包含第一层10、活性层30以及第二层20。
在半导体激光元件1中，第一层10和第二层20可以是III－V族半导体层。III－V族半导体层例如可举出由InαAlβGa1-α-βN、(0≤α、0≤β、α+β≤1)的组成而形成的氮化物半导体层。
成为在氮化物半导体层使用的n型杂质的元素例如可举出Si或Ge。并且，成为p型杂质的元素例如可举出Mg。由此，能够形成各导电型的氮化物半导体层。
(第一层)
第一层10具有一个以上的含有n型杂质的半导体层。第一层10也可以具有未有意掺杂杂质的未掺杂层。第一层10从基板2侧依次包含折射率为第二折射率n2的第二n侧半导体层12和折射率为第一折射率n1的第一n侧半导体层11。第一层10也可以包含这些以外的层。
第一折射率n1和第二折射率n2比活性层30的折射率n5小。第一折射率n1和第二折射率n2彼此不同。例如，第一折射率n1比第二折射率n2大。
第二n侧半导体层12配置于活性层30与基板2之间。第二n侧半导体层12例如可以是氮化物半导体层。氮化物半导体例如可举出AlGaN或GaN。第二n侧半导体层12的膜厚可以是0.45μm以上3.0μm以下。n型杂质的含量可以是
1×1017cm-3以上5×1018cm-3以下。在实施方式1中，第二n侧半导体层12例如能够作为n侧包覆层发挥作用。
第一n侧半导体层11配置于活性层30与第二n侧半导体层12之间。第一n侧半导体层11例如可以是氮化物半导体层。氮化物半导体例如可举出AlGaN、GaN、InGaN。第一n侧半导体层11的膜厚例如可以是0.05μm以上0.5μm以下。n型杂质的含量可以是1×1017cm-3以上5×1018cm-3以下。在实施方式1中，第一n侧半导体层11例如能够作为n侧光导层发挥作用。
(活性层)
在第一n侧半导体层11上形成有活性层30。活性层30例如发出波长为360nm以上520nm以下的光。活性层30可以采用由一个以上的阱层和多个障壁层构成的量子阱结构。阱层和障壁层例如是GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN。阱层例如是AlGaN、GaN、InGaN，并且是带隙比障壁层小的氮化物半导体。活性层30可以是多重量子阱结构或单量子阱结构。需要说明的是，也可以使阱层和障壁层中的任一方或双方含有杂质。
(第二层)
在活性层30上形成有第二层20，其具有一个以上包含p型杂质的半导体层(以下，也称为p侧半导体层)。第二层20也可以具有未有意掺杂杂质的未掺杂的层。第二层20可以具有p侧光导层和p侧包覆层，也可以具有这些以外的层。具体地，第二层20从基板2侧(即从活性层30侧)依次包含折射率为第三折射率n3的第一p侧半导体层21和折射率为第四折射率n4的第二p侧半导体层22。第二层20也可以包含这些以外的层。
第三折射率n3和第四折射率n4比活性层30的折射率n5小。第三折射率n3和第四折射率n4彼此不同。例如，第三折射率n3比第四折射率n4大。
第一p侧半导体层21例如可以是氮化物半导体层。氮化物半导体例如可举出AlGaN或GaN。第一p侧半导体层21的膜厚可以是0.05μm以上0.25μm以下。并且，第一p侧半导体层21可以是未掺杂的层，也可以在1×1016cm-3以上1×1018cm-3以下的范围内含有p型杂质。在实施方式1中，第一p侧半导体层21例如能够作为p侧光导层发挥作用。
第二p侧半导体层22例如可以是氮化物半导体层。氮化物半导体例如可举出AlGaN或GaN。可以是单层结构，也可以是将相互组成不同的氮化物半导体层层叠而成的多层结构。p型杂质的含量可以是1×1017cm-3以上1×1020cm-3以下。在实施方式1中，第二p侧半导体层22例如能够作为p侧包覆层发挥作用。
(脊)
如图2至图4所示，在半导体层部3的第二层20的上表面设有脊70。图2是图1的II－II线剖面，即窄幅部53的剖视图。图3是图1的III－III线剖面，即宽幅部54的剖面。图4是图1的IV－IV线剖面。脊70例如在第二p侧半导体层22的上表面的一部分设置。如图4所示，脊70在第一方向X上，在半导体激光元件1的第一面1a与第二面1b之间延伸。需要说明的是，在图4中，为了易于理解附图，对第二p侧半导体层22中相当于脊70的部分用虚线进行区分。
在脊70的下方形成有包含活性层30的波导50。波导50包含芯和包覆层。芯包含活性层30，并且是供从活性层30发出的光主要进行传播的部分。芯可以包含活性层30和其周边的半导体层部3的至少一部分。
脊70的第二方向Y上的剖面形状如图2和图3所示，例如为随着远离基板2而在第二方向Y上的宽度变窄的梯形形状。并且，在脊70的第二方向Y上的剖面形状也可以是第二方向Y上的宽度沿着第三方向Z恒定的矩形形状。
脊70俯视时的形状，特别是第二方向Y的宽度以能够得到后述的波导50的形状的方式适当决定。
需要说明的是，在本实施方式中使用脊型波导进行了说明，但也可以是增益型波导。
(波导)
以下，参照图1至图3对波导50的详细的形状进行说明。
图1是半导体激光元件1的概略俯视图，波导50和衍射光栅60用虚线透视地描绘。图2和图3所示的虚线表示包含有波导50的范围的一个例子。
如图1所示，波导50在第一方向X上延伸。波导50在第一方向X上包含第一端面51和与第一端面51位于相反侧的第二端面52。波导50包含窄幅部53和宽度比窄幅部53宽的宽幅部54。
窄幅部53的一端面53a包含于第一端面51。在实施方式1中，窄幅部53的一端面53a与第一端面51一致。在窄幅部53中，在活性层30产生的光以横向多模进行传播。根据窄幅部53的宽度和波导的芯与包覆层之间的折射率差，决定半导体激光元件1的横向模数。即，在窄幅部53中，为了形成横向多模的波导，标准化频率V满足以下的式1。
(式1)
(N为1以上的整数)
式1在中，N是横向模的模次数。
本实施方式的半导体激光元件如式1所示，标准化频率V为π/2以上。窄幅部53的标准化频率V优选为9π/2以上100π/2以下，更优选为9π/2以上50π/2以下。由此，能够得到所希望的数量的横向模数。
窄幅部53的宽度例如为15μm以上90μm以下。由此，能够得到具有所希望的横向模数的半导体激光元件。需要说明的是，窄幅部53的宽度恒定。恒定是指包含宽度在0％以上10％以下的范围内的变化。
在窄幅部53中，通过设为采用横向多模的波导，具有例如以下的优点。第一个优点是减少光射出面上的突然消失。这是因为，与横向单模的情况相比，所输出的光束的近场图案能够减少光密度的局部集中。第二个优点是减少输出的波动。这是因为，每个横向模存在纵向模，在半导体激光元件整体以纵向多模进行振荡的情况下，这些合计输出的波动小。在采用纵向单模的半导体激光器的情况下，如果在自由光谱间隔与相邻的模的产生竞争，则输出可能会因振荡的纵向模而波动。
宽幅部54与窄幅部53连续地连接。宽幅部54位于窄幅部53的第二端面52侧。宽幅部54的一端面54a包含于第二端面52。在实施方式1中，宽幅部54的一端面54a与第二端面52一致。宽幅部54包含宽度沿着从第一端面51朝向第二端面52的第一方向X变宽的第一区域55。在本实施方式中，宽幅部54与第一区域55为同一范围。因此，第一区域55的一端面为第二端面52。
宽幅部54的宽度，即第一区域55的宽度以由窄幅部53决定的横向多模的模数伴随传播而难以增减的方式变化(变宽)。第一区域55的宽度例如在大于15μm但不超过360μm的范围内变化。第一区域55的宽度例如沿着从第一端面51朝向第二2端面52的第一方向X以一定的比例变宽。即，如图1中虚线所示，俯视时第一区域55的轮廓线形状可以是直线。并且，如果是横向模的模数难以增减那样的形状，则俯视时第一区域55的轮廓线形状也可以是曲线。
第一区域55的宽度的变化(变宽程度)，例如第一区域55的第二端面52侧的端部的宽度y2为第一区域55的第一端面51侧的端部的宽度y1的2倍以上4倍以下。由此，通过施加电流而产生的热难以偏向第二端面52侧，能够减少半导体激光元件1受到的热损伤。
如上所述，脊70在俯视时具有与波导50重叠的形状。实施方式1中的脊70形成为能够得到具有上述形状的波导50的形状。
(衍射光栅)
如图1所示，在俯视时衍射光栅60设于宽幅部54。在实施方式1的半导体激光元件中，仅在宽幅部54设有衍射光栅。能够在每个横向模的有效折射率之差小的区域，即每个横向模的有效折射率的偏差小的区域进行波长选择。因此，能够得到振荡波长的偏差小的横向多模型半导体激光元件。关于这一点，使用模拟的结果进行说明。
首先，对模拟的条件进行说明。在模拟中，为了简单，假定对称三层平板波导，求解固有值方程式。模拟的条件设定为芯的折射率n芯＝2.5035，并且，包覆层的折射率n包覆层＝2.4974。需要说明的是，虽然将参数的有效数字设定到5位，但这是为了提高模拟的精度，在实际的制造中不要求同样的精度。
图9A表示波导宽度与每个横向模的有效折射率之间的关系。图9A仅表示波导宽度为15μm时能够振荡的横向模。即，关于本实施方式的半导体激光元件，表示在窄幅部53的波导宽度为15μm的情况下能够进行振荡的横向模。在本次的模拟中，绘制了从基本模(0次的模)到12次的高次模。在图9A中，基本模的有效折射率用最左侧的实线表示，12次的高次模的有效折射率用最右侧的实线表示。需要说明的是，有效折射率是使用对各波导宽度求解固有值方程式而得到的标准化频率和标准化传播常数而得到的值。
接着，基于图9A的结果，对在波导中设有衍射光栅60的情况下的布拉格波长进行模拟。图9B表示在设有衍射光栅60的位置处的波导宽度与布拉格波长的关系。在图9B中，基本模的布拉格波长由最左侧的实线表示，12次的高次模的布拉格波长由最右侧的实线表示。布拉格波长由布拉格波长(λB)＝有效折射率(neff)×衍射光栅的间距(或周期P)×2的式子求出。这里，衍射光栅60的周期设为80.886nm。这是假定波导宽度足够宽时基本模收敛于405nm时的值。
对波导宽度为15μm、30μm以及60μm的位置处的模拟的结果进行比较。在图9A和图9B中，为了易于参照这些位置用虚线表示。首先，在图9A中，如果关注这些虚线的位置处的有效折射率，则可知随着波导宽度变大，每个横向模的有效折射率之差变小。这是因为，虽然每个横向模向包覆层的渗出量不同，但随着波导宽度变大，向包覆层的渗出量变少。接着，在图9B中，与图9A同样地，如果关注这些虚线的位置处的布拉格波长，则可知随着波导宽度变大，每个横向模的布拉格波长之差变小。这是因为，随着波导宽度变大，有效折射率的差、即有效折射率的偏差变小。例如，在波导宽度为15μm、30μm以及60μm的位置处，基本模的布拉格波长与12次的高次模的布拉格波长之差、即各布拉格波长中最长的波长与最短的波长之差分别为0.874nm、0.235nm以及0.063nm。
该模拟是如上所述假定窄幅部53的波导宽度为15μm的模拟。因此，在图9A和图9B中，波导宽度为15μm的结果可以说是表示未扩宽波导宽度的状态。并且，在波导宽度大于15μm的情况下，例如30μm和60μm的结果可以说表示扩宽了波导宽度的状态，即，示出了与宽幅部54相对应的状态。因此，根据模拟的结果，实施方式1的半导体激光元件通过在波导宽度比窄幅部53大的宽幅部54设置衍射光栅60，能够在有效折射率的偏差比窄幅部53小的区域进行波长选择，得到布拉格波长、即振荡波长的偏差小的横向多模型半导体激光元件1。
衍射光栅60例如在宽幅部54中设为每个横向模的振荡波长处于波长宽度为0.01nm以上0.5nm以下、优选为0.01nm以上0.3nm以下、更优选为0.01nm以上0.1nm以下的范围内的部分。
衍射光栅60例如具有不同的折射率，并且设于相邻的两个半导体层之间。衍射光栅60例如包含在一个半导体层的表面设置的一个以上的第一凸部和在另一个半导体层的表面设置的一个以上的第二凸部。第一凸部和第二凸部分别例如设有多个。第一凸部和第二凸部在光传播方向上周期性地配置。第一凸部和第二凸部例如相互交替地配置。
本实施方式的衍射光栅60例如如图4所示，设于第一n侧半导体层11与第二n侧半导体层12之间。衍射光栅60包含在第一n侧半导体层11的表面设置的一个以上的第二凸部62和在第二n侧半导体层12的表面设置的一个以上的第一凸部61。第二凸部62在第一n侧半导体层11的第二n侧半导体层12侧的表面设置。即，第二凸部62在第一n侧半导体层11的下层侧的表面设置。第一凸部61在第二n侧半导体层12的第一n侧半导体层11侧的表面设置。即，第一凸部61在第二n侧半导体层12的上层侧的表面设置。第一凸部61例如与在第二n侧半导体层12的上层侧的表面设置的第一凹部63交替且周期性地形成。
或者，也可以视为在第一n侧半导体层11的下层部分处第二凹部64和第二凸部62交替且周期性地形成，在第二n侧半导体层12的上层部分形成有第一凸部61。
如图1和图4所示，第一凸部61和第二凸部62在第一方向X上周期性地配置。第一凸部61和第二凸部62分别与第二端面52平行地配置。换言之，如图1所示，各第一凸部61延伸的方向和各第二凸部62延伸的方向分别与第二方向Y平行。
衍射光栅60不仅可以设于波导50，也可以如图1所示，在俯视时遍及半导体层部3的第二方向Y整体设置。具体地，在半导体激光元件1中，衍射光栅60也可以设于第二方向Y上在波导50的两侧位置的第一n侧半导体层11与第二n侧半导体层12处。与宽幅部54重叠的衍射光栅60的宽度y3例如为在第二方向Y上衍射光栅60的宽度的0.1倍以上0.9倍以下。不与宽幅部重叠的区域的宽度y4例如为在第二方向Y上衍射光栅60的宽度的0.1倍以上0.9倍以下。需要说明的是，宽度y4是第二方向Y上在波导50的一侧处位置的半导体层部3的宽度和第二方向Y上在波导50的另一侧处位置半导体层部3的宽度的合计。
衍射光栅60在宽幅部54中宽度为规定值以上的部分配置。衍射光栅60例如在宽幅部54中具有窄幅部53中的波导宽度的2倍以上4倍以下的波导宽度的部分设置。由此，能够进一步减小每个横向模的振荡波长的偏差。并且，在着眼于多个存在的横向模的一个时，由衍射光栅波长选择的振荡波长的范围变窄。例如，优选与一个横向模对应的纵向模为一个。衍射光栅60例如在宽幅部54中波导宽度为30μm以上360μm以下、优选为30μm以上100μm以下、更优选为30μm以上60μm以下的部分设置。由此，宽幅部54的波导宽度与窄幅部53的波导宽度相比足够宽，能够减小每个横向模的振荡波长的偏差。
并且，通常，在遍及波导的全长上设有均匀的衍射光栅的横向单模的分布反馈型(DFB：Distributed Feedback)激光元件通过设置λ/4相位偏移区域，能够以衍射光栅的反射频带的中心、即布拉格波长进行振荡。在实施方式1的半导体激光元件1中，如图4所示，通过使衍射光栅60与形成有反射涂层40的第一端面51之间隔开距离L，可视为具有与λ/4相位偏移相同样的效果。由此，振荡波长变得容易控制，能够减小半导体激光元件1的激光光的振荡波长的偏差。
因此，在实施方式1的半导体激光元件1中，第一端面51与衍射光栅60例如离开满足以下的式2的距离L。即，衍射光栅60在从离开第一端面51距离L的位置处的第二端面52侧设置。
(式2)
L＝(m+1/4)×λ0/neff
在式2中，neff是各横向模的有效折射率，m(m≥0)是按每个有效折射率决定的整数，λ0是各横向模在真空中的振荡波长。在式2中，在包含m的第一项中产生的相位差为波长的整数倍，因此能够忽略。因此，在式2中产生的净相位差变为1/4×λ0/neff，具有与单纯的λ/4相位偏移相同的效果。在本实施方式中，m例如可以取数千左右的值。但是，在无法正确地测定该长度L的情况下，如果在考虑了测定误差时估计的m的范围中包含整数，则可以认为满足式2。
需要说明的是，距离L也可以包含衍射光栅60的第一凸部61在第一方向X上的宽度x1(或第二凸部62的在第一方向X上的宽度x2)程度的偏移作为容许误差。第一凸部61的宽度x1(或第二凸部62的宽度x2)例如依据第一凸部61的在第三方向Z上的高度z1(或第二凸部62在第三方向上的高度z2)、从第一凸部61到活性层30的在在第三方向Z上的距离d1(或从第二凸部62到活性层30的在第三方向上的距离d2)等。
第一凸部61、第二凸部62以及第一凹部63(或第二凹部64)的形状没有特别限定。例如，与第二方向Y正交的截面可以是锯齿形状、正弦波形状、矩形形状、梯形形状、倒梯形形状等，优选为矩形形状、梯形形状、倒梯形形状等。
衍射光栅60的间距P例如为20nm以上500nm以下，优选为30nm以上250nm以下，更优选为40nm以上140nm以下。需要说明的是，在第一方向X上，优选第一凸部的宽度x1与第二凸部62的宽度x2分别相同，但也可以不同。
在第三方向Z上，第一凸部61的高度z1和第二凸部62的高度z2分别例如为50nm以上300nm以下，优选为50nm以上150nm以下。需要说明的是，第一凸部61的高度z1和第二凸部62的高度z2可以分别相同，也可以不同。
通过设为这样的大小和深度，能够得到期望的耦合系数，提高每个横向模的波长选择性。
(半导体激光元件)
具有以上结构的实施方式1的半导体激光元件1作为DFB激光元件发挥作用。
如图1所示，半导体激光元件1具有第一面1a和在第一方向X上与第一面1a位于相反侧的第二面1b。第一面1a和第二面1b在沿第二方向Y和第三方向Z延伸的平面上变宽。第一面1a形成有反射涂层(HR涂层)40。第二面1b形成有无反射涂层(AR涂层)41。半导体激光元件1在波导50的宽幅部54具备衍射光栅60，从而形成以第一方向X作为共振方向(光的波导方向)的光共振器。第二面1b主要是作为具有向半导体激光元件1的外部射出光的功能的光射出面。
(电极)
如图2、图3以及图4所示，半导体激光元件1具备第一电极5和第二电极6。
第一电极5是负电极。第一电极5为确保与第二n侧半导体层12间的欧姆而电连接而设置。第一电极5例如与第二n侧半导体层12接触设置。并且，第一电极5例如在基板2具有导电性并能够确保欧姆接触性的情况下，也可以配置于基板2的下表面。第一电极5例如为金属层的多层结构。作为第一电极5的材料，例如可举出将从Ni、Rh、Cr、Au、W、Pt、Ti、Al等金属或合金、Zn、In、Sn中选择出的至少一种包含的导电性氧化物等单层膜或多层膜。作为导电性氧化物，可举出ITO(Indium Tin Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)、GZO(Gallium-doped Zinc Oxide)等等。第一电极5例如为Ti与Au的多层构造。
第二电极6是正电极。第二电极6与脊70的上表面接触设置。第二电极6例如为金属层的多层结构。作为第二电极6的材料，能够从与第一电极5的材料相同的材料中选择。第二电极6例如为Ni与Au的多层结构。
第二电极6也可以在比脊70的上表面宽的范围设置。但是，在该情况下，如图2和图3所示，在第二层20的上表面中，在将脊70的上表面除去的部分与第二电极6之间设置绝缘部件4。
在如上述那样构成的半导体激光元件1中，从第二端面52发出的光的合计输出中的90％以上的输出例如包含于波长宽度0.01nm以上0.5nm以下的范围内。即，该光中的多个振荡波长例如收敛于0.01nm以上0.5nm以下的范围。这意味着通过衍射光栅60进行波长选择的每个横向模的激光的振荡波长的偏差小。这通过对输出的光的功率和其波长色散进行分析而可知。
并且，如上述那样构成的半导体激光元件1中，从第二端面52射出的光的M2因子例如为5以上50以下。由此，能够得到所希望的横向模数。例如，能够得到10以上100以下，优选为10以上50以下的横向模数。
M2因子是指对实际的光束形状与理想的高斯光束的形状进行了比较的因子。M2因子使用半导体激光元件1的束腰ω0、半导体激光元件1的发散角θ以及半导体激光元件1的振荡波长λ通过以下的式3定义。
(式3)
以上，在如上述那样构成的半导体激光元件1中，波导50包含宽度比窄幅部53宽的宽幅部54，在该宽幅部54设有衍射光栅60。由此，在窄幅部53进行传播的横向多模的光在各横向模的有效折射率的偏差比窄幅部53小的宽幅部被衍射光栅60进行波长选择。因此，能够将各横向模的振荡波长收敛于规定的波长宽度内，在半导体激光元件中，能够减小每个横向模的振荡波长的偏差。
以上，在实施方式1中，对将第一n侧半导体层11设为n侧光导层并将第二n侧半导体层12设为n侧包覆层进行了说明，但本发明不限于此。例如，也可以在第二n侧半导体层12与基板2之间将其他半导体层作为n侧包覆层设置。此时，第一n侧半导体层11和第二n侧半导体层12也可以均为n侧光导层。并且，也可以在活性层30与第一n侧半导体层11之间将半导体层作为n侧光导层设置。此时，第一n侧半导体层11和第二n侧半导体层12也可以均为n侧包覆层。或者，也可以是第一n侧半导体层11是n侧光导层、第二n侧半导体层12是n侧包覆层。因此，衍射光栅60可以在n侧光导层与n侧光导层之间、n侧光导层与n侧包覆层之间、n侧包覆层与n侧包覆层之间的任一的位置设置。
并且，衍射光栅60也可以设于p侧半导体层侧。例如，也可以在活性层30与第一p侧半导体层21之间、和/或第二p侧半导体层22与第二电极6之间设置其他半导体层。因此，衍射光栅60也可以在p侧光导层与p侧光导层之间、p侧光导层与p侧包覆层之间、p侧包覆层与p侧包覆层之间的任一的位置设置。
2.制造方法
本实施方式的半导体激光元件1的制造方法包含：
(i)准备基板的工序；
(ii)形成半导体层部和衍射光栅的工序；
(iii)形成脊的工序；
(iv)形成电极的工序。
半导体层部的各半导体层能够通过MOCVD(有机金属气相外延)法、HVPE(氢化物气相外延)法、MBE(分子束气相外延)法、溅射法等该领域中公知的任一方法形成。
(i)准备基板的工序
首先，准备例如由GaN构成的基板2。
(ii)形成半导体层部和衍射光栅的工序
接着，如图5A所示，在基板2上形成第二n侧半导体层12。也可以在基板2上设置基底层后形成第二n侧半导体层12。
作为形成衍射光栅60的方法，首先，在形成第二n侧半导体层12后，如图5B所示，形成掩模图案80。作为形成掩模图案80的方法，例如有利用了双重抗蚀剂法、密合掩模曝光法、电子束描绘法、相位偏移法等该领域中公知的方法的光刻工序和蚀刻工序等。接着，将该掩模图案80作为掩模进行蚀刻而形成第一凹部63和第一凸部61。然后，如图5C所示，去除掩模图案80，通过将第一n侧半导体层11的第二凸部62埋入第二n侧半导体层12的第一凹部63能够形成衍射光栅60。
此时的掩模图案80可以使用各种抗蚀剂，Al2O3、ZrO2、SiO2、TiO2、Ta2O5、AlN、SiN等氧化物或氮化物，镍、铬等金属的单层膜或多层膜而形成。这些膜厚例如优选形成为10nm以上500nm以下。由此，能够将第一凸部61和第二凸部62的高度形成到期望的高度。
特别地，作为掩模图案80，在使用低折射率的部件例如SiO2、TiO2、ZrO2、Al2O3、SiN、AlN等进行图案化的情况下，也可以在不去除掩模图案80的状态下使第一n侧半导体层11外延。由此，在第一凸部61上表面配置折射率比氮化物半导体低的部件，但通过该低折射率的部件，能够进一步提高衍射光栅60的效果。
并且，在使用掩模图案80对半导体层进行蚀刻而形成第一凸部61和第一凹部63的情况下的蚀刻例如通过干法蚀刻来进行。例如，在利用干法蚀刻的情况下，优选在0.05Pa～10Pa的范围内的压力(恒定压力或适当变化的压力)进行蚀刻。由此，能够高效地进行所希望的深度的蚀刻。
形成第一n侧半导体层11后，如图5D所示，在第一n侧半导体层11上依次形成活性层30、第二层20，准备半导体层部3。第二层20也可以从基板2侧依次形成第一p侧半导体层21、第二p侧半导体层22。
在活性层30为多重量子阱结构的情况下，从基板2侧依次将障壁层和阱层交替形成所希望的层数，形成活性层30。需要说明的是，在该情况下，形成活性层30的工序在形成障壁层的工序中结束。
(iii)形成脊的工序
如图5E所示，在形成半导体层部3后，在半导体层部3的表面上形成脊部70。脊70以形成窄幅部和波导宽度比窄幅部宽的宽幅部的方式设置。
例如，在第二p侧半导体层22(p侧包覆层)的几乎整个面通过CVD装置形成由Si氧化物(主要是SiO2)构成的保护膜，然后，在保护膜上形成规定形状的掩模，利用反应性离子蚀刻(RIE)装置等，通过光刻技术形成条纹状和锥状的保护膜81。保护膜81中的锥状的部分的宽度比条纹状的部分的宽度大。使用该保护膜81作为掩模，例如，通过对第二p侧半导体层22进行蚀刻，能够形成脊70。脊70通常优选从第二p侧半导体层22被蚀刻，相比活性层30在第二层20侧的位置形成。例如，脊70可以在第二p侧半导体层22的中途蚀刻而形成，也可以在从第二p侧半导体层22直至第一p侧半导体层21的中途蚀刻而形成。
(iv)形成电极的工序
如图5F所示，在脊70的上表面形成第二电极6，在基板2的下表面形成第一电极5。
第二电极6与脊70的上表面接触，并且覆盖脊70的上表面而形成。为了防止第二电极6与脊70的上表面以外接触地形成，在半导体层部3的上表面中的脊70的上表面进行掩模，在半导体层部3的上表面配置绝缘构件4。绝缘部件4例如通过溅射等配置。然后，例如通过蚀刻去除掩模和在掩模上配置的绝缘部件4。在由此露出的脊70的上表面，例如通过溅射形成第二电极6。
第一电极5以与第二p侧半导体层22电连接的方式配置。在基板2具有导电性的情况下，第一电极5能够形成于基板2的下表面。第一电极5例如由溅射形成。
第一电极5和第二电极6除了溅射以外，能够适当使用公知的方法来形成。第一电极5和第二电极6例如能够通过使用了抗蚀剂的剥离工艺、蚀刻工艺来形成。
需要说明的是，也可以在第一电极5与基板2之间形成透光性电极。并且，第一电极也可以直接形成于第一n侧半导体层11或第二n侧半导体层12。
形成电极的工序后，也可以在第一面1a形成反射涂层、在第二面1b形成无反射涂层。反射涂层和无反射涂层能够通过蒸镀、溅射等形成。反射涂层和无反射涂层只要是在形成半导体层部和衍射光栅的工序中，则可以在任意的时机形成。
3.实施方式2
如图6所示，实施方式2的半导体激光元件101与实施方式1的半导体激光元件1的不同点在于，宽幅部具有宽度恒定的第二区域56。在这里，所谓恒定，例如包含宽度在0％以上10％以下的范围内的变化。
第二区域56与第一区域55连续地连接。第二区域56例如位于第一区域55与第二端面52之间。第二区域56的一端面56a例如包含于第二端面52中。衍射光栅60例如设于第二区域56。衍射光栅60也可以设为横跨第一区域55和第二区域56。
通过这样在第二区域56设置衍射光栅60，衍射光栅60中的光的传播方向D1与衍射光栅60正交。具体地，衍射光栅60中的光的传播方向D1与各第一凸部61延伸的方向和各第二凸部62延伸的方向、即第二方向Y正交。由此，在衍射光栅60中传播的光的波面与衍射光栅60变得平行，能够减少传播的光的损失。并且，能够减小半导体激光元件1的振荡波长的偏差。
4.实施方式3
如图7所示，在俯视时，实施方式3的半导体激光元件201与实施方式1的半导体激光元件1的不同点在于，衍射光栅260从第一端面51朝向第二端面52呈凸状弯曲地配置。
在俯视时，各第一凸部261和各第二凸部262分别从第一端面51朝向第二端面52呈凸状弯曲地配置。各第一凸部261的内周的切线l1和各第二凸部262的内周的切线l2分别例如与传播的光的波面平行。
通过这样使衍射光栅260从第一端面51朝向第二端面52呈凸状弯曲地配置，能够使衍射光栅260中的光的传播方向D2与衍射光栅260正交。由此，在衍射光栅260中传播的光的波面与衍射光栅260变得平行，能够减少传播的光的损失。并且，能够减小半导体激光元件1的振荡波长的偏差。
需要说明的是，如上述那样弯曲的衍射光栅260在实施方式2的半导体激光元件101中，也能够应用于衍射光栅在第一区域55设置的情况。
5.实施方式4
如图8所示，实施方式4涉及包含上述的实施方式1至实施方式3的半导体激光元件1、101、201中的任一个的光源装置400。光源装置400能够用于波长光束耦合(WBC：Wavelength Beam Combining)。由此，能够提高光源装置的输出。
光源装置400具备多个光源部91和合波用衍射光栅93。多个光源部91分别具备实施方式1至实施方式3的任一项的半导体激光元件1(或101、或201)和准直透镜92。各光源部91的半导体激光元件1的振荡波长λ1、λ2、…、λq分别不同。q是用于区别多个光源部91的整数。需要说明的是，半导体激光元件1是纵向多模型的半导体激光，在从各光源部91输出的振荡波长λq中包含多个振荡波长。但是，在所有的振荡波长λq中，纵模数也可以不一致。准直透镜92在从半导体激光元件1(或101、或201)射出的光入射的位置配置。需要说明的是，光源部91不需要仅由一个半导体激光元件1(或101、201)和一个准直透镜92的组构成，也可以具备多组这些。由此，能够提高光源部91的每个振荡波长λq的输出。
合波用衍射光栅93对从多个光源部91射出的光进行合波。合波用衍射光栅93例如包含周期性地排列的槽和突起。各光源部91以从准直透镜92射出的光入射到合波用衍射光栅93的入射角度α与被合波用衍射光栅93衍射的光的衍射角度β的关系满足以下的式4的方式配置。
(式4)
sinα+sinβ＝Glλ
在式4中，G是合波用衍射光栅93的衍射光栅的槽个数(g/mm)，l是次数，λ是半导体激光元件1的振荡波长(nm)。
从各光源部91输出的振荡波长λq包含多个振荡波长，与各振荡波长对应的衍射角度β不同。但是，光源部91所包含的半导体激光元件1在宽幅部设有衍射光栅，振荡波长的偏差小。例如，每个横向模的振荡波长包含在波长宽度为0.01nm以上0.5nm以下的范围内。由此，与每个横向模的振荡波长对应的衍射角度β的偏差变小。因此，能够利用合波用衍射光栅93将从各光源部91射出的光合波为大致相同的衍射角度。由此，从光源装置400射出的光具有高的光输出。
从如上述那样构成的光源装置400射出的光例如被导入到多芯光纤。多芯光纤的芯径比各半导体激光元件1的第二端面(光射出面)52的宽度大。多芯光纤的芯径例如为90μm以上400μm以下。
6.变形例
实施方式1至实施方式4的半导体激光元件1、101、201是DFB型的半导体激光元件，但也可以是分布反射型(DBR：Distributed Bragg Reflector)激光的半导体激光元件。在DBR型的半导体激光元件的情况下，在设有衍射光栅60的位置的正上方或正下方不包含电极。例如，窄幅部包含活性层，宽幅部不包含活性层。
7.其他结构
并且，例如，本公开能够采用以下那样的结构。
(项1)
一种半导体激光元件，具备：
基板；
半导体层部，其具备包含活性层的波导，并且配置在所述基板上；
所述波导包含：
宽幅部，其具备衍射光栅；
窄幅部，其波导宽度比所述宽幅部窄，并且在所述活性层产生的光以横向多模传播；
所述波导具备：第一端面，其包含所述窄幅部的端面；第二端面，其位于所述第一端面的相反侧；
所述宽幅部具备第一区域，所述第一区域与所述窄幅部连续地连接，并且波导宽度从所述第一端面侧朝向所述第二端面侧变宽。
(项2)
根据项1所述的半导体激光元件，
所述波导还包含第二区域，
所述第二区域与所述第一区域连续地连接，
所述第二区域中的波导宽度恒定，
所述第二区域包含所述衍射光栅。
(项3)
根据项1或2所述的半导体激光元件，
所述半导体层部包含：第一半导体层，其具有第一折射率；第二半导体层，其具有与所述第一折射率不同的第二折射率；
在所述衍射光栅中，在所述第一半导体层的表面设置的一个以上的第一凸部与在所述第二半导体层的表面设置的一个以上的第二凸部在所述衍射光栅中的光传播方向上周期性地配置。
(项4)
根据3项所述的半导体激光元件，
所述第一半导体层配置在所述活性层与所述第二半导体层之间。
(项5)
根据项3或4所述的半导体激光元件，
所述各第一凸部和所述各第二凸部分别与所述第二端面平行地配置。
(项6)
根据项3或4所述的半导体激光元件，
所述各第一凸部和所述各第二凸部分别从所述第一端面侧朝向所述第二端面侧呈凸状弯曲地配置。
(项7)
根据项6所述的半导体激光元件，
所述各第一凸部的内周的切线和所述各第二凸部的内周的切线分别与传播光的波面平行。
(项8)
根据项1至7中任一项所述的半导体激光元件，
从所述第二端面发出的光的合计输出中的90％以上的输出包含于波长宽度0.01nm以上0.5nm以下的范围内。
(项9)
根据项1至8中任一项所述的半导体激光元件，
设有所述衍射光栅的部分的波导宽度为所述窄幅部中的波导宽度的2倍以上4倍以下。
(项10)
根据项1至9中任一项所述的半导体激光元件，
在所述窄幅部中，波导宽度为15μm以上90μm以下。
(项11)
根据项1至10中任一项所述的半导体激光元件，
设有所述衍射光栅的部分的波导宽度为30μm以上360μm以下。
(项12)
根据项1至11中任一项所述的半导体激光元件，
从所述第一端面到所述衍射光栅的距离使用整数m、各横向模的有效折射率neff、各横向模的真空中的波长λ表示为
(m+1/4)×λ0/neff。
(项13)
根据项1至12中任一项所述的半导体激光元件，
从所述第二端面射出的光的M2因子为5以上50以下。
(项14)一种光源装置，具备：
多个光源部；
合波用衍射光栅；
所述多个光源部分别具备：
项1至13中任一项所述的半导体激光元件；
准直透镜，其设置在从所述半导体激光元件射出的光入射的位置；
所述合波用衍射光栅对从所述多个光源部射出的光进行合波。
以上，对本发明的实施方式和变形例进行了说明，但发明内容也可以在构成的细节部分变化，实施方式和变形例中的要素的组合、顺序的变化等不脱离要求申请的本公开的范围和思想，则能够实现。

Claims (14)

1.一种半导体激光元件，其特征在于，具备：
基板；
半导体层部，其具备包含活性层的波导，并且配置在所述基板上；
所述波导包含：
宽幅部，其具备衍射光栅；
窄幅部，其波导宽度比所述宽幅部窄，并且在所述活性层产生的光以横向多模传播；
所述波导具备：第一端面，其包含所述窄幅部的端面；第二端面，其位于所述第一端面的相反侧；
所述宽幅部具备第一区域，所述第一区域与所述窄幅部连续地连接，并且波导宽度从所述第一端面侧朝向所述第二端面侧变宽。
2.根据权利要求1所述的半导体激光元件，
所述波导还包含第二区域，
所述第二区域与所述第一区域连续地连接，
所述第二区域中的波导宽度恒定，
所述第二区域包含所述衍射光栅。
3.根据权利要求1所述的半导体激光元件，
所述半导体层部包含：第一半导体层，其具有第一折射率；第二半导体层，其具有与所述第一折射率不同的第二折射率；
在所述衍射光栅中，在所述第一半导体层的表面设置的一个以上的第一凸部与在所述第二半导体层的表面设置的一个以上的第二凸部在所述衍射光栅中的光传播方向上周期性地配置。
4.根据权利要求3所述的半导体激光元件，
所述第一半导体层配置在所述活性层与所述第二半导体层之间。
5.根据权利要求3所述的半导体激光元件，
各所述第一凸部和各所述第二凸部分别与所述第二端面平行地配置。
6.根据权利要求3所述的半导体激光元件，
各所述第一凸部和各所述第二凸部分别从所述第一端面侧朝向所述第二端面侧呈凸状弯曲地配置。
7.根据权利要求6所述的半导体激光元件，
各所述第一凸部的内周的切线和各所述第二凸部的内周的切线分别与传播光的波面平行。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的半导体激光元件，
从所述第二端面发出的光的合计输出中的90％以上的输出包含于波长宽度为0.01nm以上0.5nm以下的范围内。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的半导体激光元件，
设有所述衍射光栅的部分的波导宽度为所述窄幅部中的波导宽度的2倍以上4倍以下。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的半导体激光元件，
在所述窄幅部中，波导宽度为15μm以上90μm以下。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的半导体激光元件，
设有所述衍射光栅的部分的波导宽度为30μm以上360μm以下。
12.根据权利要求1至7中任一项所述的半导体激光元件，
从所述第一端面到所述衍射光栅的距离使用整数m、各横向模的有效折射率neff以及各横向模在真空中的波长λ0表示为
(m+1/4)×λ0/neff。
13.根据权利要求1至7中任一项所述的半导体激光元件，
从所述第二端面射出的光的M2系数为5以上50以下。
14.一种光源装置，其特征在于，具备：
多个光源部；
合波用衍射光栅；
所述多个光源部分别具备：
权利要求1至7中任一项所述的半导体激光元件；
准直透镜，其设置在从所述半导体激光元件射出的光入射的位置；
所述合波用衍射光栅对从所述多个光源部射出的光进行合波。
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