JP2004172506A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一な半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】本半導体レーザ素子４０は、ＡｌＧａＡｓ活性層１８及びｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２０の発光領域４２の両側の領域４４が２次元フォトニック結晶化されていることを除いて、従来のブロードエリア型半導体レーザ素子と同じ層構造を備えている。発光領域４２の両側の領域４４に設けられている２次元フォトニック結晶構造は、７８０μｍのレーザ光が領域４４内でストライプ状リッジに平行な方向（共振器長方向）には導波できないような特性を有する結晶構造である。共振器方向に進行する光は、２つのフォトニック結晶領域４４で挟まれた発光領域４２にしか存在することができないので、フォトニック結晶領域４４によって横方向に光が閉じ込められた状態になる。領域４４による光の閉じ込めにより、光閉じ込めの界面であるストライプの両縁部での光の損失が抑制され、波面の曲がりが小さくなって、ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一になる。
【選択図】 図１
【解決手段】本半導体レーザ素子４０は、ＡｌＧａＡｓ活性層１８及びｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２０の発光領域４２の両側の領域４４が２次元フォトニック結晶化されていることを除いて、従来のブロードエリア型半導体レーザ素子と同じ層構造を備えている。発光領域４２の両側の領域４４に設けられている２次元フォトニック結晶構造は、７８０μｍのレーザ光が領域４４内でストライプ状リッジに平行な方向（共振器長方向）には導波できないような特性を有する結晶構造である。共振器方向に進行する光は、２つのフォトニック結晶領域４４で挟まれた発光領域４２にしか存在することができないので、フォトニック結晶領域４４によって横方向に光が閉じ込められた状態になる。領域４４による光の閉じ込めにより、光閉じ込めの界面であるストライプの両縁部での光の損失が抑制され、波面の曲がりが小さくなって、ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一になる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子及びその製造方法に関し、更に詳細には、近視野像（Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ、以下、ＮＦＰと言う）や遠視野像（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ 、以下、ＦＦＰと言う）の光強度分布が均一で、ブロードエリア型半導体レーザ素子、及びそのような半導体レーザ素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ストライプ幅が１０μｍよりも大きなブロードエリア型半導体レーザ素子は、高出力型半導体レーザ素子として、レーザ印刷機やディスプレイ装置の光源として多用されている。
【０００３】
ここで、図５を参照して、従来のＡｌＧａＡｓ系ブロードエリア型半導体レーザ素子の構成を説明する。図５はＡｌＧａＡｓ系ブロードエリア型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
従来のＡｌＧａＡｓ系ブロードエリア型半導体レーザ素子１０（以下、従来の半導体レーザ素子１０と言う）は、波長が７８０μｍのレーザ光を発振させる半導体レーザ素子であって、図５に示すように、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１２上に、順次、成長させた、ｎ−Ａｌ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓクラッド層１４、ｎ−Ａｌ０．３ Ｇａ０．７ Ａｓガイド層１６、Ａｌ０．１ Ｇａ０．９ Ａｓ活性層１８、ｐ−Ａｌ０．３ Ｇａ０．７ Ａｓガイド層２０、ｐ−Ａｌ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓクラッド層２２、及びｐ−ＧａＡｓキャップ層２４の積層構造を備えている。
【０００４】
積層構造のうち、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２４及びｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２２の上部層はストライプ状リッジとして加工され、リッジの両側はｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２６で埋め込まれている。
ｐ側電極２８がｐ−ＧａＡｓキャップ層２４及びｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２６上に形成され、ｎ側電極３０がｎ＋ −ＧａＡｓ基板１２の裏面に形成されている。
【０００５】
上述した従来の半導体レーザ素子を作製する際には、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１２上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などによって、順次、ｎ−Ａｌ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓクラッド層１４、ｎ−Ａｌ０．３ Ｇａ０．７ Ａｓガイド層１６、Ａｌ０．１ Ｇａ０．９ Ａｓ活性層１８、ｐ−Ａｌ０．３ Ｇａ０．７ Ａｓガイド層２０、ｐ−Ａｌ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓクラッド層２２、及びｐ−ＧａＡｓキャップ層２４をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
次いで、積層構造のうち、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２４及びｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２２の上部層をエッチングして、ストライプ状リッジを形成する。続いて、リッジの両側にｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２６を埋め込み成長させ、リッジを埋め込む。
次に、ｐ側電極２８をｐ−ＧａＡｓキャップ層２４及びｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２６上に形成し、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１２の裏面を研磨して基板厚さを調整した後、裏面にｎ側電極３０を形成する（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
半導体レーザ素子から発光するレーザ光の横モードは、半導体レーザ素子を光源として適用する上で、半導体レーザ素子の素子特性の適不適に大きく影響する。つまり、半導体レーザ素子から発光するレーザ光の横方向の光モードを基本（０次）モードに安定して制御するという横モード制御は、半導体レーザ素子の制御にとって重要なポイントの一つである。
特に、上述のようなブロードエリア型半導体レーザ素子では、ストライプ幅が広いために横モードがマルチモードになってしまい勝ちで、ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一になり難い。
ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一でない半導体レーザ素子を印刷などの光源として利用すると、光強度のムラが発生して印字ムラが生じ、また、ディスプレイに応用すると、表示画像の画質を悪化させる。
【０００７】
【非特許文献１】
平田照二著、「わかる半導体レーザの基礎と応用」、オーム社発行、２００１年、１８０頁〜１８２頁
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一な半導体レーザ素子、及びその製造方法を適用することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
ところで、ＮＦＰやＦＦＰの強度不均一性は、横モードがマルチモード発振であることに加えて、導波面が湾曲してしまうことにより生じると考えられている。すなわち、導波面の湾曲により、ストライプの両側の縁部に光強度が集中し易くなることが、ＮＦＰやＦＦＰの強度不均一性発生の一因となると考えられている。
そして、導波面が湾曲することの原因の一つは、ストライプの両側の縁部で光の損失が生じるために、導波の進行が遅れることである。
【００１０】
そこで、本発明者は、ストライプの両側の縁部での光の損失を抑えて、導波面の湾曲を抑制することにより、半導体レーザ素子のＮＦＰやＦＦＰの光強度分布を均一にすることを着想した。
更には、本発明者は、上記課題を解決する研究を続けた過程で、発光領域の両側の領域又は発光領域上の領域を多次元フォトニック結晶化、例えば２次元フォトニック結晶化することを考えた。２次元フォトニック結晶化することにより、特定方向に進む特定波長の光が存在できないような構造を形成し、特定波長の光の特定方向への導波状態を制御することができるからである。
多次元フォトニック結晶、例えば２次元フォトニック結晶は、その構造設計によって、特定方向に進む特定波長の光が存在できないようにすることや、特定波長の光の特定方向の導波を促進することが可能であり、それによって導波状態を制御することができる。
【００１１】
そして、本発明者は、半導体レーザ素子の活性層、ガイド層、クラッド層のいずれかに二次元以上のフォトニック結晶領域を導入し、そのフォトニック結晶領域によって発光領域を規定することにより、またそのフォトニック結晶領域によって発光領域中を導波する光の進み方を制御することにより、半導体レーザ素子のＮＦＰやＦＦＰの光強度分布を均一にすることができること、従って、横モードを制御することができることを見い出した。
【００１２】
フォトニック結晶とは、例えば、Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ １９９９年１２月号、１５２４頁に紹介されているように、「光の波長と同程度の周期性を持つ人工的な多次元周期構造」のことであり、「いわゆる光学結晶材料を指すものではない」ことに注意が必要である。ここで言う周期性とは、屈折率の分布に関する周期性である場合が多い。
フォトニック結晶の例についても同文献に載っているが、屈折率分布の周期性が２次元方向及び３次元方向であるフォトニック結晶を、それぞれ、２次元フォトニック結晶及び３次元フォトニック結晶と呼ぶ。
【００１３】
換言すれば、フォトニック結晶は、屈折率の異なる、光の波長程度の大きさのユニットを、屈折率が１次元又は多次元周期的な分布を持つように配列してなる構造体であって、目的に応じて材料や構造をデザインすることにより、従来の光学材料では得られない優れた光学特性を有する光デバイスを実現できる材料として期待されている。
例えば、フォトニック結晶を利用した、光導波路素子、偏光分離素子、可視域用複屈折素子等が提案されている。
【００１４】
上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る半導体レーザ素子（以下、第１の発明と言う）は、少なくとも、活性層、ガイド層、及びクラッド層を含む積層構造を備える半導体レーザ素子において、
活性層、ガイド層、及びクラッド層のいずれかの層の発光領域の両側の領域が、多次元フォトニック結晶化されていることを特徴としている。
【００１５】
好適には、発光領域の両側の多次元フォトニック結晶化された領域は、活性層及び活性層上のガイド層であって、更には、発光領域の両側の多次元フォトニック結晶化された領域は、レーザ光が共振器長方向に導波しない構造に多次元フォトニック結晶化されている。
多次元フォトニック結晶化して、共振器長方向に導波する光が存在できない特定領域を生成し、その特定領域を利用して光の閉じ込めを行うので、閉じ込めの界面、即ち発光領域と特定領域との界面であるストライプの両縁部での光の損失が抑制され、導波面の曲がりが小さくなって、ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一になる。
【００１６】
本発明に係る別の半導体レーザ素子（以下、第２の発明と言う）は、少なくとも、活性層、ガイド層、及びクラッド層を含む積層構造を備える半導体レーザ素子において、
活性層上のガイド層の発光領域上の領域又は活性層下のガイド層の発光領域下の領域が、多次元フォトニック結晶化されていることを特徴としている。
更には、活性層下のガイド層及びガイド層下の化合物半導体層の双方の発光領域下の領域が、多次元フォトニック結晶化されている。
【００１７】
第２の発明では、好適には、多次元フォトニック結晶化された領域は、レーザ光の共振器長方向の導波を促進する構造に多次元フォトニック結晶化されている。
多次元フォトニック結晶化された領域が共振器長方向のレーザ光の導波を促進する特性を有する結晶構造であるので、共振器方向に進行するレーザ光は、フォトニック結晶化領域の影響を受け、安定して共振器長方向に導波される。
【００１８】
第１及び第２の発明の具体的な態様の多次元フォトニック結晶化された領域では、積層構造を構成する化合物半導体層のｐｎ接合面に垂直な方向に延びる微細空孔が周期的な配列で配置されている。
本発明は、半導体レーザ素子を構成する積層構造の化合物半導体層の組成、及び基板の種類に制約無く適用できる。例えば、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＮ系、ＩｎＰ系等の半導体レーザ素子に適用できる。
特に、積層構造を構成する化合物半導体層のｐｎ接合面に平行な面上でストライプ状に延びる発光領域の幅が１０μｍ以上であるブロードエリア型半導体レーザ素子に好適に適用できる。また、光を放射する方向がｐｎ接合面に対して垂直でない、いわゆる端面出射型半導体レーザ素子に好適に適用できる。
【００１９】
本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法（以下、第１の発明方法と言う）は、少なくとも、活性層、ガイド層、及びクラッド層を含む積層構造を備える半導体レーザ素子の製造方法において、
所要の化合物半導体層を成長させて、活性層上にガイド層を有する積層構造を形成する工程と、
ガイド層の発光領域の両側領域に、積層構造の積層方向に延びる微細空孔を周期的な配列で形成して多次元フォトニック結晶化する工程と、
多次元フォトニック結晶化された領域を含めてガイド層上にクラッド層、次いで所要の化合物半導体層を成長させて、積層構造を形成する工程と
を有することを特徴としている。
【００２０】
本発明に係る半導体レーザ素子の別の製造方法（以下、第２の発明方法と言う）は、少なくとも、活性層、ガイド層、及びクラッド層を含む積層構造を備える半導体レーザ素子の製造方法において、
所要の化合物半導体層を成長させて、活性層上にガイド層を有する積層構造を形成する工程と、
ガイド層の発光領域上の領域に、積層構造の積層方向に延びる微細空孔を周期的な配列で形成して多次元フォトニック結晶化する工程と、
多次元フォトニック結晶化された領域を含めてガイド層上にクラッド層、次いで所要の化合物半導体層を成長させて、積層構造を形成する工程と
を有することを特徴としている。
【００２１】
積層構造の積層方向に延びる微細空孔を周期的な配列で形成して多次元フォトニック結晶化する工程では、通常のフォトリソグラフィ技術及びエッチング加工技術により微細空孔を周期的な配列で形成する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示す成膜方法、化合物半導体層の組成及び膜厚、リッジ幅、プロセス条件等は、本発明の理解を容易にするための一つの例示であって、本発明はこの例示に限定されるものではない。
半導体レーザ素子の実施形態例１
本実施形態例は本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。図１に示す部位のうち図５と同じ部位には同じ符号を付している。
本実施形態例の半導体レーザ素子４０は、発振波長が７８０μｍのブロードエリア型半導体レーザ素子であって、図１に示すように、ＡｌＧａＡｓ活性層１８及びｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２０の発光領域４２の両側の領域４４が２次元フォトニック結晶化されていることを除いて、従来のブロードエリア型半導体レーザ素子１０と同じ層構造を備え、同じ構成を備えている。
ここで、発光領域４２とは、ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２６で挟まれたストライプ状のｐ−ＧａＡｓキャップ層２４の直下領域である。
【００２３】
発光領域４２の両側の領域４４に設けられている２次元フォトニック結晶構造は、図２（ｂ）に示すように、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１２の基板面に垂直な方向に延びる微細空孔が周期的な配列で発光領域４２の両側の領域４４に無数に配置されている構造であって、７８０μｍのレーザ光が領域４４内でストライプ状リッジに平行な方向（共振器長方向、図２の両矢印方向）に導波できないような特性を有する結晶構造である。
従って、共振器方向に進行する７８０μｍの光は、２つのフォトニック結晶領域４４で挟まれた発光領域４２にしか存在することができないので、フォトニック結晶領域４４によって横方向に光が閉じ込められる状態になる。
【００２４】
本実施形態例の半導体レーザ素子４０では、このように、２次元フォトニック結晶化することにより共振器長方向に導波する光が存在できない領域４４を生成し、領域４４を利用して光の閉じ込めを行うので、光閉じ込めの界面、即ち領域４２と領域４４との界面であるストライプの両縁部での光の損失が抑制され、波面の曲がりが小さくなって、ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一になる。
【００２５】
半導体レーザ素子の製造方法の実施形態例１
本実施形態例は第１の発明方法に係る半導体レーザ素子の製造方法を上述の半導体レーザ素子４０の製造に適用した実施形態の一例であって、図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本実施形態例の方法に従って上述の半導体レーザ素子４０を作製する際の主要工程での断面図である。図２に示す部位のうち図５と同じ部位には同じ符号を付している。
本実施形態例の方法に従って、上述の半導体レーザ素子４０を作製する際には、先ず、従来と同様にして、図２（ａ）に示すように、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１２上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などによって、順次、ｎ−Ａｌ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓクラッド層１４、ｎ−Ａｌ０．３ Ｇａ０．７ Ａｓガイド層１６、Ａｌ０．１ Ｇａ０．９ Ａｓ活性層１８、及びｐ−Ａｌ０．３ Ｇａ０．７ Ａｓガイド層２０をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
【００２６】
積層構造を形成した後、ウエハを結晶成長装置から取り出す。
続いて、フォトニック結晶化させる領域４４、即ち発光領域４２の両側の帯状の領域４４上に周期的な配列で微小な孔を配列させたパターンを有し、発光領域４２を含めて領域４４以外の領域を完全に覆うマスク（図示せず）をｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層２０上に形成する。マスク材には、例えばフォトレジスト、ＳｉＯ２ などを使用する。
次いで、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法などの適切なエッチング方法によりＡｌＧａＡｓ活性層１８及びｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２０をエッチングする。
エッチングした後、マスクを除去すると、マスクに設けた微小な孔の周期的な配列と同じ周期的な配列で微細な空孔４６（微細空孔）が、図２（ｂ）に示すように、ｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層２０及びＡｌＧａＡｓ活性層１８の領域４４に形成され、２次元フォトニック結晶化する。
エッチング条件を調節して空孔４６の深さを制御することにより、フォトニック結晶化する深さを調節することができる。
【００２７】
次いで、ウエハを再度結晶成長装置に入れ、ｐ−Ａｌ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓクラッド層２２、及びｐ−ＧａＡｓキャップ層２４をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
続いて、従来の方法と同様にして、リッジを形成し、リッジを埋め込み、ｐ側電極２８及びｎ側電極３０を形成する。
【００２８】
半導体レーザ素子の実施形態例２
本実施形態例は、第１の発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の別の例である。
実施形態例１では、領域４４がフォトニック結晶化されて２次元のォトニック結晶構造になっているが、本実施形態例では、領域４４が微細加工技術によって３次元フォトニック結晶化されている。
３次元フォトニック結晶では、フォトニック結晶構造を適切に設計することにより、方向に関係なく特定波長の光の伝播が全く生じない、すなわちその波長の光が全く存在できない状態を得ることができる。
そこで、３次元フォトニック結晶構造を領域４４に導入することにより、発光領域４２の両側の領域４４をレーザ光が全く存在できない領域にすることができる。
よって、本実施形態例は、２次元フォトニック結晶を導入した実施形態例１より、更にストライプの両縁部での光の損失が抑制され、導波面の曲がりが小さくなって、ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一になる。
【００２９】
実施形態例３
本実施形態例は第２の発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の一例であって、図３は本実施形態例の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。図３に示す部位のうち図５と同じ部位には同じ符号を付している。
本実施形態例の半導体レーザ素子５０は、発振波長が７８０μｍのブロードエリア型半導体レーザ素子であって、図３に示すように、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２０の発光領域５２上の領域５４が２次元フォトニック結晶化されていることを除いて、従来のブロードエリア型半導体レーザ素子１０と同じ層構造を備え、同じ構成を備えている。
【００３０】
ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２０の領域５４にに設けられている２次元フォトニック結晶構造は、図４（ｂ）に示すように、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１２の基板面に垂直な方向に延びる微細空孔が周期的な配列で発光領域５２上の領域５４に無数に配置されている構造であって、７８０μｍのレーザ光がストライプ状リッジに平行な方向（共振器長方向、図４の両矢印方向）の導波を促進する特性を有する結晶構造である。
換言すれば、図４（ｂ）に示す２次元フォトニック結晶構造は、レーザの発振波長、例えば７８０μｍの光が図中の矢印の方向（共振器の方向）に導波されることを促進するような構造であって、それと異なる方向の光は導波され難くなっている。
【００３１】
これにより、共振器方向に進行する７８０μｍの光は、フォトニック結晶化領域４４の影響を受け、安定して共振器長方向（図４の両矢印方向）に導波される。
また、フォトニック結晶構造を構成する空孔を等間隔で領域５４の全域にわたって均一に形成することにより、領域５４による導波促進の影響もストライプ（発光領域）内全域にわたって均一に及ぼされるので、光はストライプ内を均一な強度で導波していく。
このように、特定波長の光の特定方向の導波を促進する領域を利用して光の閉じ込めを行うことにより、導波する光強度の安定化や均一化を実現することができ、ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布を均一にすることができる。
【００３２】
半導体レーザ素子の製造方法の実施形態例２
本実施形態例は第２の発明方法に係る半導体レーザ素子の製造方法を上述の半導体レーザ素子５０の製造に適用した実施形態の一例であって、図４（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本実施形態例の方法に従って上述の半導体レーザ素子５０を作製する際の主要工程での断面図である。図４に示す部位のうち図５と同じ部位には同じ符号を付している。
本実施形態例の方法に従って、上述の半導体レーザ素子５０を作製する際には、先ず、従来と同様にして、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１２上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などによって、順次、ｎ−Ａｌ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓクラッド層１４、ｎ−Ａｌ０．３ Ｇａ０．７ Ａｓガイド層１６、Ａｌ０．１ Ｇａ０．９ Ａｓ活性層１８、及びｐ−Ａｌ０．３ Ｇａ０．７ Ａｓガイド層２０をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
【００３３】
積層構造を形成した後、ウエハを結晶成長装置から取り出す。
続いて、フォトニック結晶化させる領域５４、即ちｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層２０の発光領域５２上の領域５４に、周期的な配列で微小な孔を配列させたパターンを有し、領域５４以外の領域を完全に覆うマスク（図示せず）をｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層２０上に形成する。マスク材には、例えばフォトレジスト、ＳｉＯ２ などを使用する。
次いで、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法などの適切なエッチング方法によりｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層２０をエッチングする。
エッチングした後、マスクを除去すると、マスクに設けた微小な孔の周期的な配列と同じ周期的な配列で微細な空孔（微細空孔）５６が、図４（ｂ）に示すように、ｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層２０の領域５４に形成され、２次元フォトニック結晶化する。
エッチング条件を調節して空孔５６の深さを制御することによって、フォトニック結晶化する深さを調節することができる。
【００３４】
次いで、ウエハを再度結晶成長装置に入れ、ｐ−Ａｌ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓクラッド層２２、及びｐ−ＧａＡｓキャップ層２４をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
続いて、従来の方法と同様にして、リッジを形成し、リッジを埋め込み、ｐ側電極２８及びｎ側電極３０を形成する。
【００３５】
本実施形態例では、発光領域５２上の領域５４をフォトニック結晶化している。フォトニック結晶化する領域５４の幅は、発光領域５２の幅と完全に一致している必要はなく、発光領域５２よりも少し大きな幅の領域でもよい。
また、本実施形態例では、フォトニック結晶化する層の厚さは、活性層１８にダメージを与えない範囲の厚さであって、活性層１８を導波する光がフォトニック結晶化領域の影響を感じるように、厚さを設定する必要がある。
【００３６】
半導体レーザ素子の実施形態例４
本実施形態例は第２の発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の更に別の例である。
実施形態例３では、ｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層２０の領域５４がフォトニック結晶化されて２次元フォトニック結晶構造になっているが、本実施形態例では、図示しないが、ｎ−ＡｌＧａＡｓガイド層１６の発光領域５２下の領域、更にはその下のｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１４の領域を２次元フォトニック結晶化することにより、実施形態例３と同じ効果を奏することができる。
本実施形態例の半導体レーザ素子を製造する際には、ｎ−ＡｌＧａＡｓガイド層１６を成膜した後、実施形態例２の半導体レーザ素子の製造方法と同様にして、所定の領域をフォトニック結晶化する。続いて、従来の方法と同様にして、ＡｌＧａＡｓ活性層１８以降の層をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成し、次いでリッジを形成して、半導体レーザ素子を作製する。
【００３７】
半導体レーザ素子の実施形態例１から４、及び半導体レーザ素子の製造方法の実施形態例１、２では、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子を例に挙げて説明しているが、本発明はＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子に限らず、ＧａＮ系、ＩｎＰ系等の半導体レーザ素子にも適用できることは当然である。
【００３８】
【発明の効果】
以上に述べたように、第１の発明によれば、活性層、ガイド層、及びクラッド層のいずれかの層の発光領域の両側の領域を多次元フォトニック結晶化、例えば２次元フォトニック結晶化することにより、共振器長方向に導波する光が存在できない特定領域を発光領域の両側に生成し、その特定領域を利用して光の閉じ込めを行う。これにより、光閉じ込めの界面、即ち発光領域と特定領域との界面であるストライプの両縁部での光の損失が抑制され、導波面の曲がりが小さくなって、ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一になる。
【００３９】
第２の発明によれば、ガイド層の発光領域上又は発光領域下の領域、更には発光領域下のガイド層及びガイド層下の化合物半導体層を多次元フォトニック結晶化、例えば２次元フォトニック結晶化することにより、多次元フォトニック結晶化された領域を共振器長方向のレーザ光の導波を促進する特性を有する結晶構造にし、共振器方向に進行するレーザ光がフォトニック結晶化領域の影響を受け、安定して共振器長方向に導波され、ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一な半導体レーザ素子を実現することができる。
【００４０】
第１及び第２の発明法は、発光領域のストライプ幅が１０μｍ以上のブロードエリア型半導体レーザ素子に好適である。
第１及び第２の発明方法は、それぞれ、第１及び第２の発明に係る半導体レーザ素子の好適な製造方法を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図２】実施形態例１の方法に従って上述の半導体レーザ素子４０を作製する際の主要工程での断面図である。
【図３】実施形態例３の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図４】実施形態例２の方法に従って上述の半導体レーザ素子４０を作製する際の主要工程での断面図である。
【図５】従来のブロードエリア型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０……従来の半導体レーザ素子、１２……ｎ＋ −ＧａＡｓ基板、１４……ｎ−Ａｌ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓクラッド層、１６……ｎ−Ａｌ０．３ Ｇａ０．７ Ａｓガイド層、１８……Ａｌ０．１ Ｇａ０．９ Ａｓ活性層、２０……ｐ−Ａｌ０．３ Ｇａ０．７ Ａｓガイド層、２２……ｐ−Ａｌ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓクラッド層、２４……ｐ−ＧａＡｓキャップ層、２６……ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層、２８……ｐ側電極、３０……ｎ側電極、４０……実施形態例１の半導体レーザ素子、４２……発光領域、４４……２次元フォトニック結晶化されている領域、４６……空孔、５０……実施形態例３の半導体レーザ素子、５２……発光領域、５４……２次元フォトニック結晶化されている領域、５６……空孔。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子及びその製造方法に関し、更に詳細には、近視野像（Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ、以下、ＮＦＰと言う）や遠視野像（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ 、以下、ＦＦＰと言う）の光強度分布が均一で、ブロードエリア型半導体レーザ素子、及びそのような半導体レーザ素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ストライプ幅が１０μｍよりも大きなブロードエリア型半導体レーザ素子は、高出力型半導体レーザ素子として、レーザ印刷機やディスプレイ装置の光源として多用されている。
【０００３】
ここで、図５を参照して、従来のＡｌＧａＡｓ系ブロードエリア型半導体レーザ素子の構成を説明する。図５はＡｌＧａＡｓ系ブロードエリア型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
従来のＡｌＧａＡｓ系ブロードエリア型半導体レーザ素子１０（以下、従来の半導体レーザ素子１０と言う）は、波長が７８０μｍのレーザ光を発振させる半導体レーザ素子であって、図５に示すように、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１２上に、順次、成長させた、ｎ−Ａｌ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓクラッド層１４、ｎ−Ａｌ０．３ Ｇａ０．７ Ａｓガイド層１６、Ａｌ０．１ Ｇａ０．９ Ａｓ活性層１８、ｐ−Ａｌ０．３ Ｇａ０．７ Ａｓガイド層２０、ｐ−Ａｌ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓクラッド層２２、及びｐ−ＧａＡｓキャップ層２４の積層構造を備えている。
【０００４】
積層構造のうち、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２４及びｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２２の上部層はストライプ状リッジとして加工され、リッジの両側はｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２６で埋め込まれている。
ｐ側電極２８がｐ−ＧａＡｓキャップ層２４及びｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２６上に形成され、ｎ側電極３０がｎ＋ −ＧａＡｓ基板１２の裏面に形成されている。
【０００５】
上述した従来の半導体レーザ素子を作製する際には、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１２上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などによって、順次、ｎ−Ａｌ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓクラッド層１４、ｎ−Ａｌ０．３ Ｇａ０．７ Ａｓガイド層１６、Ａｌ０．１ Ｇａ０．９ Ａｓ活性層１８、ｐ−Ａｌ０．３ Ｇａ０．７ Ａｓガイド層２０、ｐ−Ａｌ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓクラッド層２２、及びｐ−ＧａＡｓキャップ層２４をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
次いで、積層構造のうち、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２４及びｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２２の上部層をエッチングして、ストライプ状リッジを形成する。続いて、リッジの両側にｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２６を埋め込み成長させ、リッジを埋め込む。
次に、ｐ側電極２８をｐ−ＧａＡｓキャップ層２４及びｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２６上に形成し、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１２の裏面を研磨して基板厚さを調整した後、裏面にｎ側電極３０を形成する（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
半導体レーザ素子から発光するレーザ光の横モードは、半導体レーザ素子を光源として適用する上で、半導体レーザ素子の素子特性の適不適に大きく影響する。つまり、半導体レーザ素子から発光するレーザ光の横方向の光モードを基本（０次）モードに安定して制御するという横モード制御は、半導体レーザ素子の制御にとって重要なポイントの一つである。
特に、上述のようなブロードエリア型半導体レーザ素子では、ストライプ幅が広いために横モードがマルチモードになってしまい勝ちで、ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一になり難い。
ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一でない半導体レーザ素子を印刷などの光源として利用すると、光強度のムラが発生して印字ムラが生じ、また、ディスプレイに応用すると、表示画像の画質を悪化させる。
【０００７】
【非特許文献１】
平田照二著、「わかる半導体レーザの基礎と応用」、オーム社発行、２００１年、１８０頁〜１８２頁
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一な半導体レーザ素子、及びその製造方法を適用することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
ところで、ＮＦＰやＦＦＰの強度不均一性は、横モードがマルチモード発振であることに加えて、導波面が湾曲してしまうことにより生じると考えられている。すなわち、導波面の湾曲により、ストライプの両側の縁部に光強度が集中し易くなることが、ＮＦＰやＦＦＰの強度不均一性発生の一因となると考えられている。
そして、導波面が湾曲することの原因の一つは、ストライプの両側の縁部で光の損失が生じるために、導波の進行が遅れることである。
【００１０】
そこで、本発明者は、ストライプの両側の縁部での光の損失を抑えて、導波面の湾曲を抑制することにより、半導体レーザ素子のＮＦＰやＦＦＰの光強度分布を均一にすることを着想した。
更には、本発明者は、上記課題を解決する研究を続けた過程で、発光領域の両側の領域又は発光領域上の領域を多次元フォトニック結晶化、例えば２次元フォトニック結晶化することを考えた。２次元フォトニック結晶化することにより、特定方向に進む特定波長の光が存在できないような構造を形成し、特定波長の光の特定方向への導波状態を制御することができるからである。
多次元フォトニック結晶、例えば２次元フォトニック結晶は、その構造設計によって、特定方向に進む特定波長の光が存在できないようにすることや、特定波長の光の特定方向の導波を促進することが可能であり、それによって導波状態を制御することができる。
【００１１】
そして、本発明者は、半導体レーザ素子の活性層、ガイド層、クラッド層のいずれかに二次元以上のフォトニック結晶領域を導入し、そのフォトニック結晶領域によって発光領域を規定することにより、またそのフォトニック結晶領域によって発光領域中を導波する光の進み方を制御することにより、半導体レーザ素子のＮＦＰやＦＦＰの光強度分布を均一にすることができること、従って、横モードを制御することができることを見い出した。
【００１２】
フォトニック結晶とは、例えば、Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ １９９９年１２月号、１５２４頁に紹介されているように、「光の波長と同程度の周期性を持つ人工的な多次元周期構造」のことであり、「いわゆる光学結晶材料を指すものではない」ことに注意が必要である。ここで言う周期性とは、屈折率の分布に関する周期性である場合が多い。
フォトニック結晶の例についても同文献に載っているが、屈折率分布の周期性が２次元方向及び３次元方向であるフォトニック結晶を、それぞれ、２次元フォトニック結晶及び３次元フォトニック結晶と呼ぶ。
【００１３】
換言すれば、フォトニック結晶は、屈折率の異なる、光の波長程度の大きさのユニットを、屈折率が１次元又は多次元周期的な分布を持つように配列してなる構造体であって、目的に応じて材料や構造をデザインすることにより、従来の光学材料では得られない優れた光学特性を有する光デバイスを実現できる材料として期待されている。
例えば、フォトニック結晶を利用した、光導波路素子、偏光分離素子、可視域用複屈折素子等が提案されている。
【００１４】
上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る半導体レーザ素子（以下、第１の発明と言う）は、少なくとも、活性層、ガイド層、及びクラッド層を含む積層構造を備える半導体レーザ素子において、
活性層、ガイド層、及びクラッド層のいずれかの層の発光領域の両側の領域が、多次元フォトニック結晶化されていることを特徴としている。
【００１５】
好適には、発光領域の両側の多次元フォトニック結晶化された領域は、活性層及び活性層上のガイド層であって、更には、発光領域の両側の多次元フォトニック結晶化された領域は、レーザ光が共振器長方向に導波しない構造に多次元フォトニック結晶化されている。
多次元フォトニック結晶化して、共振器長方向に導波する光が存在できない特定領域を生成し、その特定領域を利用して光の閉じ込めを行うので、閉じ込めの界面、即ち発光領域と特定領域との界面であるストライプの両縁部での光の損失が抑制され、導波面の曲がりが小さくなって、ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一になる。
【００１６】
本発明に係る別の半導体レーザ素子（以下、第２の発明と言う）は、少なくとも、活性層、ガイド層、及びクラッド層を含む積層構造を備える半導体レーザ素子において、
活性層上のガイド層の発光領域上の領域又は活性層下のガイド層の発光領域下の領域が、多次元フォトニック結晶化されていることを特徴としている。
更には、活性層下のガイド層及びガイド層下の化合物半導体層の双方の発光領域下の領域が、多次元フォトニック結晶化されている。
【００１７】
第２の発明では、好適には、多次元フォトニック結晶化された領域は、レーザ光の共振器長方向の導波を促進する構造に多次元フォトニック結晶化されている。
多次元フォトニック結晶化された領域が共振器長方向のレーザ光の導波を促進する特性を有する結晶構造であるので、共振器方向に進行するレーザ光は、フォトニック結晶化領域の影響を受け、安定して共振器長方向に導波される。
【００１８】
第１及び第２の発明の具体的な態様の多次元フォトニック結晶化された領域では、積層構造を構成する化合物半導体層のｐｎ接合面に垂直な方向に延びる微細空孔が周期的な配列で配置されている。
本発明は、半導体レーザ素子を構成する積層構造の化合物半導体層の組成、及び基板の種類に制約無く適用できる。例えば、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＮ系、ＩｎＰ系等の半導体レーザ素子に適用できる。
特に、積層構造を構成する化合物半導体層のｐｎ接合面に平行な面上でストライプ状に延びる発光領域の幅が１０μｍ以上であるブロードエリア型半導体レーザ素子に好適に適用できる。また、光を放射する方向がｐｎ接合面に対して垂直でない、いわゆる端面出射型半導体レーザ素子に好適に適用できる。
【００１９】
本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法（以下、第１の発明方法と言う）は、少なくとも、活性層、ガイド層、及びクラッド層を含む積層構造を備える半導体レーザ素子の製造方法において、
所要の化合物半導体層を成長させて、活性層上にガイド層を有する積層構造を形成する工程と、
ガイド層の発光領域の両側領域に、積層構造の積層方向に延びる微細空孔を周期的な配列で形成して多次元フォトニック結晶化する工程と、
多次元フォトニック結晶化された領域を含めてガイド層上にクラッド層、次いで所要の化合物半導体層を成長させて、積層構造を形成する工程と
を有することを特徴としている。
【００２０】
本発明に係る半導体レーザ素子の別の製造方法（以下、第２の発明方法と言う）は、少なくとも、活性層、ガイド層、及びクラッド層を含む積層構造を備える半導体レーザ素子の製造方法において、
所要の化合物半導体層を成長させて、活性層上にガイド層を有する積層構造を形成する工程と、
ガイド層の発光領域上の領域に、積層構造の積層方向に延びる微細空孔を周期的な配列で形成して多次元フォトニック結晶化する工程と、
多次元フォトニック結晶化された領域を含めてガイド層上にクラッド層、次いで所要の化合物半導体層を成長させて、積層構造を形成する工程と
を有することを特徴としている。
【００２１】
積層構造の積層方向に延びる微細空孔を周期的な配列で形成して多次元フォトニック結晶化する工程では、通常のフォトリソグラフィ技術及びエッチング加工技術により微細空孔を周期的な配列で形成する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示す成膜方法、化合物半導体層の組成及び膜厚、リッジ幅、プロセス条件等は、本発明の理解を容易にするための一つの例示であって、本発明はこの例示に限定されるものではない。
半導体レーザ素子の実施形態例１
本実施形態例は本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。図１に示す部位のうち図５と同じ部位には同じ符号を付している。
本実施形態例の半導体レーザ素子４０は、発振波長が７８０μｍのブロードエリア型半導体レーザ素子であって、図１に示すように、ＡｌＧａＡｓ活性層１８及びｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２０の発光領域４２の両側の領域４４が２次元フォトニック結晶化されていることを除いて、従来のブロードエリア型半導体レーザ素子１０と同じ層構造を備え、同じ構成を備えている。
ここで、発光領域４２とは、ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２６で挟まれたストライプ状のｐ−ＧａＡｓキャップ層２４の直下領域である。
【００２３】
発光領域４２の両側の領域４４に設けられている２次元フォトニック結晶構造は、図２（ｂ）に示すように、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１２の基板面に垂直な方向に延びる微細空孔が周期的な配列で発光領域４２の両側の領域４４に無数に配置されている構造であって、７８０μｍのレーザ光が領域４４内でストライプ状リッジに平行な方向（共振器長方向、図２の両矢印方向）に導波できないような特性を有する結晶構造である。
従って、共振器方向に進行する７８０μｍの光は、２つのフォトニック結晶領域４４で挟まれた発光領域４２にしか存在することができないので、フォトニック結晶領域４４によって横方向に光が閉じ込められる状態になる。
【００２４】
本実施形態例の半導体レーザ素子４０では、このように、２次元フォトニック結晶化することにより共振器長方向に導波する光が存在できない領域４４を生成し、領域４４を利用して光の閉じ込めを行うので、光閉じ込めの界面、即ち領域４２と領域４４との界面であるストライプの両縁部での光の損失が抑制され、波面の曲がりが小さくなって、ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一になる。
【００２５】
半導体レーザ素子の製造方法の実施形態例１
本実施形態例は第１の発明方法に係る半導体レーザ素子の製造方法を上述の半導体レーザ素子４０の製造に適用した実施形態の一例であって、図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本実施形態例の方法に従って上述の半導体レーザ素子４０を作製する際の主要工程での断面図である。図２に示す部位のうち図５と同じ部位には同じ符号を付している。
本実施形態例の方法に従って、上述の半導体レーザ素子４０を作製する際には、先ず、従来と同様にして、図２（ａ）に示すように、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１２上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などによって、順次、ｎ−Ａｌ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓクラッド層１４、ｎ−Ａｌ０．３ Ｇａ０．７ Ａｓガイド層１６、Ａｌ０．１ Ｇａ０．９ Ａｓ活性層１８、及びｐ−Ａｌ０．３ Ｇａ０．７ Ａｓガイド層２０をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
【００２６】
積層構造を形成した後、ウエハを結晶成長装置から取り出す。
続いて、フォトニック結晶化させる領域４４、即ち発光領域４２の両側の帯状の領域４４上に周期的な配列で微小な孔を配列させたパターンを有し、発光領域４２を含めて領域４４以外の領域を完全に覆うマスク（図示せず）をｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層２０上に形成する。マスク材には、例えばフォトレジスト、ＳｉＯ２ などを使用する。
次いで、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法などの適切なエッチング方法によりＡｌＧａＡｓ活性層１８及びｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２０をエッチングする。
エッチングした後、マスクを除去すると、マスクに設けた微小な孔の周期的な配列と同じ周期的な配列で微細な空孔４６（微細空孔）が、図２（ｂ）に示すように、ｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層２０及びＡｌＧａＡｓ活性層１８の領域４４に形成され、２次元フォトニック結晶化する。
エッチング条件を調節して空孔４６の深さを制御することにより、フォトニック結晶化する深さを調節することができる。
【００２７】
次いで、ウエハを再度結晶成長装置に入れ、ｐ−Ａｌ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓクラッド層２２、及びｐ−ＧａＡｓキャップ層２４をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
続いて、従来の方法と同様にして、リッジを形成し、リッジを埋め込み、ｐ側電極２８及びｎ側電極３０を形成する。
【００２８】
半導体レーザ素子の実施形態例２
本実施形態例は、第１の発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の別の例である。
実施形態例１では、領域４４がフォトニック結晶化されて２次元のォトニック結晶構造になっているが、本実施形態例では、領域４４が微細加工技術によって３次元フォトニック結晶化されている。
３次元フォトニック結晶では、フォトニック結晶構造を適切に設計することにより、方向に関係なく特定波長の光の伝播が全く生じない、すなわちその波長の光が全く存在できない状態を得ることができる。
そこで、３次元フォトニック結晶構造を領域４４に導入することにより、発光領域４２の両側の領域４４をレーザ光が全く存在できない領域にすることができる。
よって、本実施形態例は、２次元フォトニック結晶を導入した実施形態例１より、更にストライプの両縁部での光の損失が抑制され、導波面の曲がりが小さくなって、ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一になる。
【００２９】
実施形態例３
本実施形態例は第２の発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の一例であって、図３は本実施形態例の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。図３に示す部位のうち図５と同じ部位には同じ符号を付している。
本実施形態例の半導体レーザ素子５０は、発振波長が７８０μｍのブロードエリア型半導体レーザ素子であって、図３に示すように、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２０の発光領域５２上の領域５４が２次元フォトニック結晶化されていることを除いて、従来のブロードエリア型半導体レーザ素子１０と同じ層構造を備え、同じ構成を備えている。
【００３０】
ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２０の領域５４にに設けられている２次元フォトニック結晶構造は、図４（ｂ）に示すように、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１２の基板面に垂直な方向に延びる微細空孔が周期的な配列で発光領域５２上の領域５４に無数に配置されている構造であって、７８０μｍのレーザ光がストライプ状リッジに平行な方向（共振器長方向、図４の両矢印方向）の導波を促進する特性を有する結晶構造である。
換言すれば、図４（ｂ）に示す２次元フォトニック結晶構造は、レーザの発振波長、例えば７８０μｍの光が図中の矢印の方向（共振器の方向）に導波されることを促進するような構造であって、それと異なる方向の光は導波され難くなっている。
【００３１】
これにより、共振器方向に進行する７８０μｍの光は、フォトニック結晶化領域４４の影響を受け、安定して共振器長方向（図４の両矢印方向）に導波される。
また、フォトニック結晶構造を構成する空孔を等間隔で領域５４の全域にわたって均一に形成することにより、領域５４による導波促進の影響もストライプ（発光領域）内全域にわたって均一に及ぼされるので、光はストライプ内を均一な強度で導波していく。
このように、特定波長の光の特定方向の導波を促進する領域を利用して光の閉じ込めを行うことにより、導波する光強度の安定化や均一化を実現することができ、ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布を均一にすることができる。
【００３２】
半導体レーザ素子の製造方法の実施形態例２
本実施形態例は第２の発明方法に係る半導体レーザ素子の製造方法を上述の半導体レーザ素子５０の製造に適用した実施形態の一例であって、図４（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本実施形態例の方法に従って上述の半導体レーザ素子５０を作製する際の主要工程での断面図である。図４に示す部位のうち図５と同じ部位には同じ符号を付している。
本実施形態例の方法に従って、上述の半導体レーザ素子５０を作製する際には、先ず、従来と同様にして、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１２上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などによって、順次、ｎ−Ａｌ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓクラッド層１４、ｎ−Ａｌ０．３ Ｇａ０．７ Ａｓガイド層１６、Ａｌ０．１ Ｇａ０．９ Ａｓ活性層１８、及びｐ−Ａｌ０．３ Ｇａ０．７ Ａｓガイド層２０をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
【００３３】
積層構造を形成した後、ウエハを結晶成長装置から取り出す。
続いて、フォトニック結晶化させる領域５４、即ちｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層２０の発光領域５２上の領域５４に、周期的な配列で微小な孔を配列させたパターンを有し、領域５４以外の領域を完全に覆うマスク（図示せず）をｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層２０上に形成する。マスク材には、例えばフォトレジスト、ＳｉＯ２ などを使用する。
次いで、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法などの適切なエッチング方法によりｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層２０をエッチングする。
エッチングした後、マスクを除去すると、マスクに設けた微小な孔の周期的な配列と同じ周期的な配列で微細な空孔（微細空孔）５６が、図４（ｂ）に示すように、ｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層２０の領域５４に形成され、２次元フォトニック結晶化する。
エッチング条件を調節して空孔５６の深さを制御することによって、フォトニック結晶化する深さを調節することができる。
【００３４】
次いで、ウエハを再度結晶成長装置に入れ、ｐ−Ａｌ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓクラッド層２２、及びｐ−ＧａＡｓキャップ層２４をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
続いて、従来の方法と同様にして、リッジを形成し、リッジを埋め込み、ｐ側電極２８及びｎ側電極３０を形成する。
【００３５】
本実施形態例では、発光領域５２上の領域５４をフォトニック結晶化している。フォトニック結晶化する領域５４の幅は、発光領域５２の幅と完全に一致している必要はなく、発光領域５２よりも少し大きな幅の領域でもよい。
また、本実施形態例では、フォトニック結晶化する層の厚さは、活性層１８にダメージを与えない範囲の厚さであって、活性層１８を導波する光がフォトニック結晶化領域の影響を感じるように、厚さを設定する必要がある。
【００３６】
半導体レーザ素子の実施形態例４
本実施形態例は第２の発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の更に別の例である。
実施形態例３では、ｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層２０の領域５４がフォトニック結晶化されて２次元フォトニック結晶構造になっているが、本実施形態例では、図示しないが、ｎ−ＡｌＧａＡｓガイド層１６の発光領域５２下の領域、更にはその下のｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１４の領域を２次元フォトニック結晶化することにより、実施形態例３と同じ効果を奏することができる。
本実施形態例の半導体レーザ素子を製造する際には、ｎ−ＡｌＧａＡｓガイド層１６を成膜した後、実施形態例２の半導体レーザ素子の製造方法と同様にして、所定の領域をフォトニック結晶化する。続いて、従来の方法と同様にして、ＡｌＧａＡｓ活性層１８以降の層をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成し、次いでリッジを形成して、半導体レーザ素子を作製する。
【００３７】
半導体レーザ素子の実施形態例１から４、及び半導体レーザ素子の製造方法の実施形態例１、２では、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子を例に挙げて説明しているが、本発明はＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子に限らず、ＧａＮ系、ＩｎＰ系等の半導体レーザ素子にも適用できることは当然である。
【００３８】
【発明の効果】
以上に述べたように、第１の発明によれば、活性層、ガイド層、及びクラッド層のいずれかの層の発光領域の両側の領域を多次元フォトニック結晶化、例えば２次元フォトニック結晶化することにより、共振器長方向に導波する光が存在できない特定領域を発光領域の両側に生成し、その特定領域を利用して光の閉じ込めを行う。これにより、光閉じ込めの界面、即ち発光領域と特定領域との界面であるストライプの両縁部での光の損失が抑制され、導波面の曲がりが小さくなって、ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一になる。
【００３９】
第２の発明によれば、ガイド層の発光領域上又は発光領域下の領域、更には発光領域下のガイド層及びガイド層下の化合物半導体層を多次元フォトニック結晶化、例えば２次元フォトニック結晶化することにより、多次元フォトニック結晶化された領域を共振器長方向のレーザ光の導波を促進する特性を有する結晶構造にし、共振器方向に進行するレーザ光がフォトニック結晶化領域の影響を受け、安定して共振器長方向に導波され、ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一な半導体レーザ素子を実現することができる。
【００４０】
第１及び第２の発明法は、発光領域のストライプ幅が１０μｍ以上のブロードエリア型半導体レーザ素子に好適である。
第１及び第２の発明方法は、それぞれ、第１及び第２の発明に係る半導体レーザ素子の好適な製造方法を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図２】実施形態例１の方法に従って上述の半導体レーザ素子４０を作製する際の主要工程での断面図である。
【図３】実施形態例３の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図４】実施形態例２の方法に従って上述の半導体レーザ素子４０を作製する際の主要工程での断面図である。
【図５】従来のブロードエリア型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０……従来の半導体レーザ素子、１２……ｎ＋ −ＧａＡｓ基板、１４……ｎ−Ａｌ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓクラッド層、１６……ｎ−Ａｌ０．３ Ｇａ０．７ Ａｓガイド層、１８……Ａｌ０．１ Ｇａ０．９ Ａｓ活性層、２０……ｐ−Ａｌ０．３ Ｇａ０．７ Ａｓガイド層、２２……ｐ−Ａｌ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓクラッド層、２４……ｐ−ＧａＡｓキャップ層、２６……ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層、２８……ｐ側電極、３０……ｎ側電極、４０……実施形態例１の半導体レーザ素子、４２……発光領域、４４……２次元フォトニック結晶化されている領域、４６……空孔、５０……実施形態例３の半導体レーザ素子、５２……発光領域、５４……２次元フォトニック結晶化されている領域、５６……空孔。
Claims (11)
- 少なくとも、活性層、ガイド層、及びクラッド層を含む積層構造を備える半導体レーザ素子において、
活性層、ガイド層、及びクラッド層のいずれかの層の発光領域の両側の領域が、多次元フォトニック結晶化されていることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 発光領域の両側の多次元フォトニック結晶化された領域は、活性層及び活性層上のガイド層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。
- 発光領域の両側の多次元フォトニック結晶化された領域は、レーザ光が共振器長方向に導波しない構造に多次元フォトニック結晶化されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
- 少なくとも、活性層、ガイド層、及びクラッド層を含む積層構造を備える半導体レーザ素子において、
活性層上のガイド層の発光領域上の領域又は活性層下のガイド層の発光領域下の領域が、多次元フォトニック結晶化されていることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 少なくとも、活性層、ガイド層、及びクラッド層を含む積層構造を備える半導体レーザ素子において、
活性層下のガイド層及びガイド層下の化合物半導体層の双方の発光領域下の領域が、多次元フォトニック結晶化されていることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 多次元フォトニック結晶化されたガイド層の領域は、レーザ光の共振器長方向の導波を促進する構造に多次元フォトニック結晶化されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体レーザ素子。
- 積層構造を構成する化合物半導体層のｐｎ接合面に平行な面上でストライプ状に延びる発光領域の幅が１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
- 積層構造を構成する化合物半導体層のｐｎ接合面に平行な面上ででストライプ状に延びる発光領域の幅が１０μｍ以上であり、かつ光を放射する方向がｐｎ接合面に対して垂直でないことを特徴とする請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
- 多次元フォトニック結晶化された領域では、積層構造を構成する化合物半導体層のｐｎ接合面に垂直な方向に延びる微細空孔が周期的な配列で配置されていることを特徴とする請求項１から８のうちのいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
- 少なくとも、活性層、ガイド層、及びクラッド層を含む積層構造を備える半導体レーザ素子の製造方法において、
所要の化合物半導体層を成長させて、活性層上にガイド層を有する積層構造を形成する工程と、
ガイド層の発光領域の両側領域に、積層構造の積層方向に延びる微空細孔を周期的な配列で形成して多次元フォトニック結晶化する工程と、
多次元フォトニック結晶化された領域を含めてガイド層上にクラッド層、次いで所要の化合物半導体層を成長させて、積層構造を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。 - 少なくとも、活性層、ガイド層、及びクラッド層を含む積層構造を備える半導体レーザ素子の製造方法において、
所要の化合物半導体層を成長させて、活性層上にガイド層を有する積層構造を形成する工程と、
ガイド層の発光領域上の領域に、積層構造の積層方向に延びる微細空孔を周期的な配列で形成して多次元フォトニック結晶化する工程と、
多次元フォトニック結晶化された領域を含めてガイド層上にクラッド層、次いで所要の化合物半導体層を成長させて、積層構造を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
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