JP2010135586A - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

半導体レーザ素子及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】迷光を散乱、吸収、或いは反射する散乱／吸収／反射構造と光導波路との間隔を広く設定しても、遠視野像のプロファイル形状を改善可能とする。
【解決手段】迷光を散乱、吸収、ないしは反射する機能を有する構造２０を、光導波路１１に沿った領域に複数ずつ備える。光導波路１１に沿った領域を該光導波路１１の長手方向において３つ以上に等分した分割領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の各々に、少なくとも１つ以上の構造２０が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。
III族窒化物半導体材料を用いた半導体レーザ素子では、遠視野像がきれいなガウシアン形状になりにくい傾向がある。すなわち、例えば、図１３に示すように、遠視野像のプロファイルに、リップルが見られたり、その全体的な形状が歪んだりする場合がある。なお、図１２には、図１３の対比として、リップルが無くきれいなガウシアン形状となっている場合の遠視野像のプロファイルを示す。
遠視野像のプロファイルが図１３に示すように乱れることの要因として考えられるのは、半導体レーザの発振波長（Ｂｌｕ−Ｒａｙ Ｄｉｓｋ 用途では４０５ｎｍ）の光に対し、基板材料である窒化ガリウム（ＧａＮ）やサファイアが透明なことがある。
一般的に、半導体レーザ素子の光導波路は、光閉じ込め率が完全に１００％ではなく、少しずつ光導波路から光が漏れる。すなわち、迷光が発生する。また、光導波路も空間的に均一ではなく、その形状や、材質の組成或いは結晶性などに揺らぎが存在するのが普通である。この導波路構造の空間的な揺らぎもまた、光の漏れが生じる要因である。
こうして発生した迷光は、光導波路のモードに関係なく素子内をランダムに伝搬する。通常、III族窒化物半導体以外の材料系の半導体レーザ素子では、このような迷光は主に基板材料によって吸収される。そのため、迷光の強度はすぐに減衰し、素子の動作上は大きな問題にはならないのが普通である。しかし、III族窒化物半導体では、基板として使用されるＧａＮやサファイアは、発振波長に対して透明である。よって、迷光が基板の吸収によって減衰されにくい。特にＧａＮ基板の場合では、導波モードの実効屈折率に比べてＧａＮ基板の屈折率が高いことが多く、迷光の発生やＧａＮ基板内での迷光の伝搬が助長される傾向にある。迷光の一部は、強度は弱いながらも半導体レーザ素子の出射端面から放出される。この迷光と半導体レーザ本来のレーザ出力光とが干渉し、結果として図１３に示すように遠視野像が乱れることになる。
遠視野像の乱れに関しては、既にいくつかの改善方法が提案されている。特許文献１には、半導体レーザ素子の出射端面付近において、光導波路の両脇に溝を設ける方式が開示されている。特許文献１には、更に、反射端面付近にも光導波路の両脇に溝を設ける方法も言及されている。特許文献１の溝の効果は、発光点近傍から半導体レーザ素子外部に放出される迷光を反射ないしは散乱する点にある。レーザの出力光と特に干渉しやすい迷光は、発光点近傍から、レーザの出力光とほぼ同じ方向へ放出される成分である。よって、この手法では、遠視野像の乱れを引き起こしやすい迷光の成分を、効率良く反射ないしは散乱することにより遠視野像を改善している
また、本発明に関連する他の先行技術文献としては、特許文献２，３がある。
特許文献２には、出射端面の近傍に凹部を有し、凹部はリッジ部に接するか又は近接する半導体レーザ素子が開示されている。この場合も、凹部によって遠視野像のプロファイルを改善している。
特許文献３でも、同様に光出射側共振面に複数の凹部を設けることで、ＦＦＰのリップルの発生が抑制できるとされている。
特開２００５−３１１３０８号公報 特開２００２−３２４９４７号公報 特開２００６−１６５４０７号公報
しかしながら、各特許文献１〜３に開示された技術には、それぞれ以下に説明するような課題がある。
特許文献１の構造では、製造時のプロセスマージンが厳しくなりやすいという傾向がある。特に、溝と光導波路との間隔、および、溝と素子端面（劈開箇所）との間隔、の２つに関して、プロセスマージンを大きく取りにくい。
先ず、溝と光導波路との間隔に関して述べる。両者が近すぎる場合は、溝をドライエッチングで作製するときに、光導波路に損傷が生じる可能性がある。これは素子の特性低下につながる。また、迷光だけでなく、半導体レーザ素子の光出力そのものが、溝によって部分的に散乱される可能性もある。導波モードの一部が散乱される場合、遠視野像の悪化が懸念され、むしろ逆効果となる。その一方で、溝と光導波路とを遠ざけすぎた場合は、迷光散乱の効果は弱くなる。溝と光導波路との最適な距離という条件に加え、プロセスの精度及び再現性を考慮した設計が必要である。特に各工程のマスクの重ねあわせには高い精度が要求される。
次に、溝と素子端面との距離を考える。これらの距離が近すぎる場合、ウェハの劈開が困難となる可能性がある。半導体レーザ素子の製造工程では、面発光レーザなどの特殊な構造のものを除き、ウェハをバー状に劈開する必要がある。ところが、III族窒化物半導体は、他の化合物半導体材料に比べてまっすぐに劈開するのが難しく、平坦な劈開面を得にくい。劈開箇所のごく近傍に溝のような構造がある場合、劈開面が溝へ向かって曲がってしまう可能性がある。曲がった劈開面からレーザ光が出力される場合、レーザ光に乱れが生じるため、遠視野像悪化のまた別の要因となる。加えて、溝の迷光散乱効果が低下する。
特許文献１では、上記の問題に対して、溝を共振器面と重なるように配置し、劈開補助の機能を兼用させる方式（劈開補助溝を設ける方式）も言及されている。しかし、共振器面と重なるように溝を配置した場合は、光は溝の側面で一度だけ散乱されるだけなので、散乱効果は不十分である。そこで、劈開補助溝以外に、別途、共振器面から離れた箇所に散乱溝を設ける必要がある。その場合、劈開補助溝以外の散乱溝に向かって、劈開が曲がる虞がある。
このように、特許文献１の手法は、設計自由度と、製造プロセスの精度の２点からの制約が厳しくなりがちである
また、特許文献１によると、迷光の発生は、光導波路の長手方向全域に亘って起こる、となっている。特許文献１では、その迷光を半導体レーザ素子の共振器端で遮断する方式を取っている。しかし、本発明者らによる研究開発の結果、結晶成長層の平坦性の良否が、遠視野像の歪やリップルに影響することが判明した。原子間力顕微鏡のように表面形状の凹凸をナノメートルオーダーで評価可能な装置を用い、遠視野像形状の良好な素子と不良な素子の比較を行った。その結果、遠視野像の良好な素子では、表面の凹凸の段差が小さい傾向にあることが発見された。ウェハの表面形状は、基本的に結晶成長層の凹凸を反映したものである。半導体レーザの光導波路構造は、この結晶成長層中に作製されるため、光導波路形状にも段差が存在することになる。この発見によれば、光導波路の段差などをきっかけとした局所的な迷光発生源のようなものが存在し、それが遠視野像の悪化に対して支配的であることが推測される。
遠視野像形状の改善のためには、結晶成長層の平坦性を改善することが最も根本的な解決策に思われる。しかし、窒化物半導体の材料系では、結晶成長時にウェハ全域にわたり、ナノメートルオーダーで平坦な層を、しかも再現性良く作製するのは困難である。
また、特許文献２、３の技術にも、特許文献１と同様の課題がある。
以上、要するに、製造時のプロセスマージンを大きく取ることと、遠視野像のプロファイルを改善することとを両立することは困難だった。
本発明によれば、迷光を散乱、吸収、ないしは反射する機能を有する構造を、光導波路の両側の少なくも一方において、前記光導波路に沿った領域に複数備え、前記光導波路に沿った前記領域を前記光導波路の長手方向において３つ以上に等分した分割領域の各々に、少なくとも１つ以上の前記構造が配置されていることを特徴とする半導体レーザ素子が提供される。
先に述べたように、迷光の発生箇所はむしろ局所的であり、その局所的な迷光発生源が、光導波路に沿って分布している、というのがより正確な状況と考えられる。そこで、これらの迷光発生源からの光を散乱、吸収、ないしは反射する手法として、その機能を有する構造を半導体レーザ素子の中心付近にも配置するのが効果的な方法であると本発明者は考えた。極端な例を言えば、迷光発生源の近くにのみその構造があればよい。ただし、迷光の主要な発生源は製造工程において意図せずに形成されるものであり、その形成箇所を前もって予測することは不能である。そこで、光導波路の全域に沿って分散した複数箇所に、それぞれその構造を配置する方式にする。
この方式によれば、迷光は発生源の間近で、半導体レーザ素子内をほとんど伝搬しないうちに散乱、吸収、ないしは反射される。よって、迷光の強度を十分に低下させることができる。それでもある程度の強度の迷光は出射端面から放出されてしまうが、迷光は複数の前記構造により多数回に亘って散乱、吸収、ないしは反射された成分を含んでいる。これにより、レーザの出力光に対する迷光の可干渉性を低下させる効果も期待できる。迷光の強度と可干渉性の２つが低下することにより、遠視野像のプロファイルの形状悪化を防ぐことが可能である。
なお、特許文献１では、溝と光導波路の最短距離は１５μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下であることが望ましいとなっている。素子端面において、光導波路のごく近傍から放出される迷光を散乱できなければ、溝の効果が得られないからである。すなわち、特許文献１の構造では、半導体レーザ素子の端面近傍にしか溝が形成されていないため、迷光の強度を十分に低下させるためには、光導波路のごく近傍に溝を配置する必要がある。
本発明の手法では、光導波路に沿った前記領域を該光導波路の長手方向において３つ以上に等分した分割領域の各々に、少なくとも１つ以上の前記構造が配置されている。換言すれば、前記構造が、光導波路の全域に沿って満遍なく並ぶように分布している。そして、それら複数の前記構造の総合的な効果として、半導体レーザ素子の出射端面から出力される迷光の強度と可干渉性を低下させる。個々の前記構造には迷光を散乱、吸収、ないしは反射する機能があればよいので、光導波路に対して隣接するような距離に配置しなくてもよい。すなわち、前記構造を光導波路からある程度（例えば、２０μｍ以上）離間させて配置しても、迷光を散乱、吸収、ないしは反射する十分な効果が得られる。そのため、構造パターンの配置の自由度も高く、製造プロセス上の制約もゆるい。このことから、半導体レーザ素子の歩留まりをほとんど悪化させずに済むという効果も得られる。
また、本発明の方式では、半導体レーザ素子の端面と、その端面に最も近い前記構造との間隔は、ウェハの劈開時に悪影響を与えない程度に広く設定することが可能である。光導波路に沿った領域の全体で迷光を散乱、吸収、ないしは反射するので、半導体レーザ素子の端面のごく近傍には配置しなくても効果はそれほど変わらないためである。劈開に悪影響を与えぬよう、具体的には、例えば、半導体レーザ素子端面から１０μｍよりも離れた位置、好ましくは２０μｍよりも離れた位置、更に好ましくは３０μｍよりも離れた位置にのみ前記構造を形成するのが良い。
また、本発明によれば、迷光を散乱、吸収、ないしは反射する機能を有する構造を、半導体レーザ素子の光導波路の両側の少なくとも一方において、前記光導波路に沿った領域に複数形成する工程を備え、前記工程では、前記光導波路に沿った前記領域を前記光導波路の長手方向において３つ以上に等分した分割領域の各々に、少なくとも１つ以上の前記構造を形成することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法が提供される。
本発明によれば、製造時のプロセスマージンを大きく取ることと、遠視野像のプロファイルを改善することとを両立することができる。
以下、実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜に説明を省略する。
〔第１の実施形態〕
図１乃至図５は第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する図であり、このうち図２は断面図であり、図１、図３乃至図５はそれぞれ斜視図である。このうち図１は第１の実施形態に係る半導体レーザ素子１００の構造を示す斜視図を兼ねる。また、図６は図５に示す仮想線Ａに沿った切断端面を示す切断端面図である。
図１に示すように、この半導体レーザ素子１００においては、迷光を散乱、吸収、ないしは反射する機能を有する構造２０を、光導波路１１の両側の少なくとも一方において、該光導波路１１に沿った領域に複数備える。より詳しくは、光導波路１１に沿った領域を該光導波路１１の長手方向において３つ以上に等分した分割領域（図１では３つに等分した分割領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）の各々に、少なくとも１つ以上の構造２０が配置されている。また、この半導体レーザ素子の製造方法は、迷光を散乱、吸収、ないしは反射する機能を有する構造２０を、光導波路１１の両側の少なくとも一方において、該光導波路１１に沿った領域に複数ずつ形成する工程を備える。より詳しくは、光導波路１１に沿った領域を該光導波路１１の長手方向において３つ以上に等分した分割領域（図１の例では、例えば、３つに等分した分割領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）の各々に、少なくとも１つ以上の構造２０を形成する。以下、詳細に説明する。
先ず、図１を参照して本実施形態に係る半導体レーザ素子１００の構成を説明する。
本実施形態では、例えば、半導体レーザ素子１００が、III族窒化物半導体を用いた４０５ｎｍ帯半導体レーザ素子である例を説明する。
図１に示すように、半導体レーザ素子１００における半導体部分の構造は、ｎ型ＧａＮ基板１上に低温バッファー層２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３、多重量子井戸構造の活性層４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５、及びｐ型ＧａＮコンタクト層６をこの順に積層してなる。ｎ電極９はｎ型ＧａＮ基板１に、ｐ電極８はｐ型ＧａＮコンタクト層６に、それぞれ接触している。光導波路１１はリッジ構造を例にとった。
図１に示すように、半導体レーザ素子１００は、迷光を散乱、吸収、ないしは反射する機能を有する構造（散乱／吸収／反射構造）２０を、光導波路１１であるメサストライプの両側の少なくとも一方（具体的には、例えば、両側のそれぞれ）において、該光導波路１１に沿った領域に複数ずつ複数備えている。より詳しくは、光導波路１１に沿った領域を該光導波路１１の長手方向において３つ以上に等分した分割領域（図１の例では、例えば、３つに等分した分割領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）の各々に、少なくとも１つ以上の構造２０が配置されている。
このため、半導体レーザ素子１００の出射端面１００Ａと反射端面１００Ｂの近傍にのみ配置する場合と比較し、出射端面１００Ａと反射端面１００Ｂとの中間位置１００Ｃの近くにも構造２０が位置するようにできる。
なお、分割領域の数は３つ以上であれば任意であり、その数を多くするほど、光導波路１１の長手方向における構造２０の分布密度を高め、迷光を散乱、吸収、ないしは反射する効果を高めることができる。ただし、構造２０どうしが位置的に干渉しない程度に、適度に間隔を空けて配置することが好ましい。
ここで、各構造２０が、それぞれいずれか１つの分割領域内に収まっているとは限らず、いずれかの構造２０が、隣接する２つの分割領域（例えば、分割領域Ｒ１、Ｒ２）の境界を跨ぐ場合もあり得る。この場合の「各分割領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の各々に、少なくとも１つ以上の構造２０が配置されている」という条件の定義を説明する。
隣接する２つの分割領域の境界を跨ぐ構造２０については、例えば、当該構造２０の半分以上の部分が位置する方の分割領域に、当該構造２０が配置されているとみなすこととする。このようなみなし方をした場合に、「各分割領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の各々に、少なくとも１つ以上の構造２０が配置されている」という条件を満たせばよい。
更に、ある構造２０の丁度半分ずつの部分が、隣接する２つの分割領域にそれぞれ位置する場合についても念のために言及する。この場合は、当該構造２０を０．５個分としてカウントする。そして、別の構造２０（ないしはその一部分）と合わせて少なくとも１個分の構造２０が各分割領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３に位置するように、複数の構造２０が配置されていればよい。
また、構造２０は、例えば、図１に示すように、光導波路１１の長手方向全域に沿って周期的（更に言えば一定間隔）に配置されている。
各分割領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３には、構造２０を複数ずつ配置することが好ましい。この場合、各分割領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３内の複数の構造２０の配置は、光導波路１１の長手方向に沿う方向において相互に異なることが好ましい。ただし、構造２０の寸法によっては、すなわち、寸法が比較的小さい場合などは、複数の構造２０が光導波路１１の長手方向に沿う方向においては重複し、該長手方向に対して直交する方向においては相互に異なる配置としても良い。
構造２０の各々は、凹部１０（図３、図４）を含んで構成されている。
本実施形態では、各々の凹部１０の形状は、例えば、光導波路１１に対して、斜め４５度方向に延在する直線状とした。その複数の凹部１０は、光導波路１１を取り囲むように配置されている。長めの凹部１０にして凹部１０どうしの間隔を広く設定しても良いし、短めの凹部１０にして凹部１０どうしの間隔を狭く設定しても良い。このように、凹部１０の間隔や長さの設計には自由度がある。
ただし、凹部１０において光導波路１１からあまりにも遠く離れた部分は、迷光を散乱、吸収、反射する効果が弱くなることが懸念される。そこで、凹部１０の長さは、例えば数十μｍ程度にとどめる一方、凹部１０どうしの間隔を狭めて凹部１０の個数を増やすのが好ましい。
図６に示すように、凹部１０は、例えば、誘電体膜７及びｐ電極８により覆われている。このうちｐ電極８は、半導体レーザ素子１００の発振波長の光を散乱ないしは反射する金属からなる。
このｐ電極８により特定材料部が構成されている。従って、本実施形態の構造２０は、単層膜構造の特定材料部を有していることになる。
また、特定材料部における金属からなる部分、すなわちｐ電極８は、半導体レーザ素子１００の電極としての機能を兼ねる。本実施形態の場合、光の散乱及び反射機能は、主としてｐ電極８の材料による光の反射による。
本実施形態の場合、凹部１０を完全に埋めるのではなく、凹部１０内において特定材料部よりも内側の領域には中空２１が形成されている。
次に、図１乃至図５を参照し、図１に示す半導体レーザ素子１００の製造方法を説明する。
先ず、図２に示すように、ｎ型のＧａＮ基板１の上に、低温バッファー層２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３、活性層４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｐ型ＧａＮコンタクト層６を順次に形成する。ここで、ｐ型及びｎ型のＡｌＧａＮクラッド層５，３にはＧａＮやＡｌＧａＮの層からなる超格子構造を採用してもよい。
次に、図３に示すように、構造２０を構成する凹部１０を、ｐ型ＧａＮコンタクト層６側からドライエッチングで形成する。ここでのエッチングの深さは、光を散乱、吸収ないしは反射する効果を考慮し、少なくとも活性層４に達する深さ、望ましくはn型ＡｌＧａＮクラッド層３の途中に達する深さ以上とする。なお、n型ＡｌＧａＮクラッド層３の途中に達する深さ以上とする場合には、n型ＡｌＧａＮクラッド層３の途中まで達する場合と、低温バッファー層２まで達する場合と、ｎ型ＧａＮ基板１まで達する場合とがある。
ここで、本実施形態の場合、凹部１０の間隔は（後に形成される）光導波路１１に沿う方向において等間隔とする。また、光導波路１１の両側に、例えば、該光導波路１１を中心とした線対称な配置で、各凹部１０が配置されるようにする。例えば、凹部１０の長さを２０μｍ、個々の凹部１０の配置周期を４０μｍとすると、共振器長８００μｍの半導体レーザ素子では、凹部１０の個数は単純計算では、光導波路１１の両側を合わせて全部で４０個程度になる。なお、凹部１０の個数が光導波路１１の両側を合わせて２０個以上となるように、個々の凹部１０の配置周期を設定することが好ましい。すなわち、構造２０を少なくとも２０箇所以上に備えることが好ましい。
次に、図４に示すように、ドライエッチングの手法を用い、光導波路１１を構成するメサストライプを形成する。すなわち光導波路１１を構成するメサストライプがメサ状に残るように、該メサストライプの両側に、半導体レーザ素子１００の出射端面１００Ａから反射端面１００Ｂに亘る溝１２をそれぞれ形成する。なお、図４はリッジ型の光導波路１１の場合を示しているため、溝１２を形成するためのエッチングはｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５の途中で止める。
次に、ウェハ表面の全面、すなわちｐ型ＧａＮコンタクト層６上に、絶縁のための誘電体膜７（図５参照）を形成する。この誘電体膜７において光導波路１１上部の部分をエッチングにより除去し、ｐ電極８を形成するための開口を形成する。その後、リフトオフなどの手法を用いて、所望のパターン形状のｐ電極８を、光導波路１１を覆うように付ける（図５）。ここで、ｐ電極８は、誘電体膜７に形成された前記開口を介して、ｐ型ＧａＮコンタクト層６と電気的に接触する。
図６に凹部１０の断面図を示すが、凹部１０の表面が誘電体膜７で覆われ、さらにその上がｐ電極８で覆われた構造になっている。ｐ電極８は電極としての本来の機能に加え、迷光を反射により散乱させる金属材料としての機能を兼ねる。
次に、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面研磨を行い、ｎ型ＧａＮ基板１の厚さを例えば１００μｍ程度にした後、ウェハ裏面、すなわちｎ型ＧａＮ基板１の裏面の全面にｎ電極９を形成する（図１）。
次に、ウェハをバー状に劈開する。劈開面はレーザ発振のための共振器鏡として機能する。通常は、劈開面保護と反射率調整のため、この劈開面上にコーティングを行う。コーティングは誘電体材料による単層もしくは多層構造がよく用いられる。最後に、バー状のウェハをさらに素子単位に分割することにより、半導体レーザ素子１００が完成する。
以上のような第１の実施形態によれば、以下のような効果が得られる。
先ず、迷光を散乱、吸収、ないしは反射する機能を有する構造２０を、光導波路１１の両側のそれぞれにおいて、該光導波路１１に沿った領域に複数ずつ備え、光導波路１１に沿った領域を該光導波路１１の長手方向において３つ以上に等分した分割領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の各々に、少なくとも１つ以上の構造２０が配置されている。このため、迷光を、発生源の間近で、半導体レーザ素子１００内をほとんど伝搬しないうちに散乱、吸収、ないしは反射することができる。よって、出射端面１００Ａから放出される迷光の強度を十分に低下させることができるとともに、レーザの出力光に対する迷光の可干渉性を低下させることができる。このように、迷光の強度と可干渉性の２つが低下することにより、遠視野像のプロファイルの形状の悪化を抑制することが可能である。すなわち、遠視野像のプロファイル形状における歪やリップルの発生を抑制でき、そのプロファイル形状を図１２に示すような良好なガウシアン形状にすることができる。
また、複数の構造２０が、光導波路１１の全域に沿って満遍なく並ぶように分布し、それら複数の構造２０の総合的な効果として、半導体レーザ素子１００の出射端面１００Ａから出力される迷光の強度と可干渉性を低下させることができる。よって、構造２０を光導波路１１に対して隣接するような距離に配置しなくてもよい。すなわち、構造２０を光導波路１１からある程度（例えば、２０μｍ以上）離間させて配置しても、迷光を散乱、吸収、ないしは反射する十分な効果が得られる。そのため、構造２０の配置パターンの自由度も高く、製造プロセス上の制約もゆるい。よって、半導体レーザ素子１００の歩留まりをほとんど悪化させずに済むという効果も得られる。
また、半導体レーザ素子１００の両端面１００Ａ、１００Ｂと、これら端面１００Ａ、１００Ｂに最も近い構造２０との間隔は、ウェハの劈開時に悪影響を与えない程度に広く設定することが可能である。光導波路１１に沿った領域の全域に構造２０が分布しているので、半導体レーザ素子１００の端面１００Ａ、１００Ｂのごく近傍には配置しなくても効果はそれほど変わらない。劈開に悪影響を与えぬよう、具体的には、例えば、端面１００Ａ、１００Ｂから１０μｍよりも離れた位置、好ましくは２０μｍよりも離れた位置、更に好ましくは３０μｍよりも離れた位置にのみ構造２０を形成するのが良い。
これらの効果は、構造２０を光導波路１１の長手方向全域に沿って周期的（特に一定間隔）に配置することにより、より高めることができる。
また、反射及び散乱機能を高めるには、迷光を散乱ないしは反射する金属からなる部分を有する構造２０の数を増やせば良い。
このように、本実施形態によれば、構造２０と光導波路１１との間隔、ひいては構造２０と端面１００Ａ、１００Ｂとの間隔を広く設定しても、遠視野像のプロファイル形状を改善、すなわち歪やリップルの発生を低減できる。よって、構造２０の配置の自由度を高くできるとともに、構造２０を形成する際のプロセスマージンを大きく取ることができる。
要するに、製造時のプロセスマージンを大きく取ることと、遠視野像のプロファイルを改善することとを両立できる。
〔第２の実施形態〕
上記の第１の実施形態では、構造２０を構成する凹部１０の形状を光導波路１１に対して斜めに延在する直線状としたが、第２の実施形態ではその他の形状並びに配置（配列）の例を説明する。なお、第２の実施形態では、凹部１０の形状以外については上記の第１の実施形態と同様である。
図７乃至図１０の各図は、第１の実施形態とは異なる凹部１０の形状の例を示す図である。図７乃至図１０の各図は、図４に示すのと同じ工程の段階での状態を上面側（ｐ型ＧａＮコンタクト層６側）から見た図である。
例えば、図７に示すように、凹部１０は菱形に形成することが挙げられる。なお、矩形、その他の四角形、四角形以外の多角形、或いは円形などに形成しても良い。
また、図７の場合よりも複雑な形状でも良い。具体的には、例えば、図８に示すように、くの字の形状の凹部１０が挙げられる。
また、凹部１０の配列についても、例えば、図８に示すように、各凹部１０の向きを光導波路１１の長手方向において順次に（或いはランダムに）変えても良い。図８の例では、光導波路１１の長手方向において各凹部１０を交互に反対向きにした例を示している。すなわち、具体的には、例えば、くの字形状における開いた側の向きを交互に反対にしている。
また、上記の第１の実施形態では、光導波路１１の両側に、該光導波路１１に対して線対称な配置で凹部１０を配置した例を示したが、例えば、図９に示すように、光導波路１１の両側に交互に、すなわち千鳥状に、凹部１０を配置しても良い。
また、図１０に示すように、光導波路１１の両側にエッチング形成した溝１２に、凹部１０の一部もしくは全体が位置しても良い。
このような第２の実施形態によっても、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
なお、上記の各実施形態では、いずれも凹部１０を光導波路１１の長手方向に沿って周期的に配置した例を示したが、凹部１０の配置は必ずしも周期的である必要はなく、不規則な配置でもよい。すなわち、光導波路１１の長手方向の全域に沿って、多数の凹部１０を配置することが重要である。
また、上記の各実施形態では、いずれも、それぞれ同一形状の凹部１０を複数配置した例を説明したが、複数種類の形状の凹部１０を組み合わせて配置しても良い。
また、上記の各実施形態では、凹部１０の表面を誘電体膜７に加えて、金属材料（例えば、電極（ｐ電極８））で覆う構造とした。その場合、光の散乱及び反射効果は、主として電極の材料による光の反射による。本発明は、これらの例に限らず、単に凹部１０のみからなる構造２０を形成するようにしても良い。すなわち凹部１０は誘電体膜７にも金属材料にも覆われていない構造としても良い。例えば、凹部１０の位置にマスクを形成した状態で、誘電体膜７及び電極（ｐ電極８）を形成することにより、凹部１０が誘電体膜７にも電極（ｐ電極８）にも覆われていない構造とすることができる。この場合、空気よりも半導体の屈折率が大きいため、凹部１０内の空気とその周囲の部分との境界面で全反射が生じる。主な迷光の散乱は、この全反射の効果による。全反射が起こりやすいように、凹部１０の側壁と光導波路１１が延在する方向とのなす角度が十分大きくなるように、凹部１０のパターン形状や角度を選ぶのが好ましい。
また、凹部１０が誘電体膜７及び金属材料（例えば、電極（ｐ電極８））に覆われた構造ではなく、誘電体膜７のみによって覆われた単層膜の構造としても良い。この構造では、光の散乱効果は、主に半導体及び誘電体膜７と中空２１内の空気との屈折率差による反射を利用することになる。一般的な屈折率の大小関係は、半導体、誘電体及び空気のなかでは、半導体が最も高く、ついで誘電体、そして最も小さいのが空気である。この場合も、迷光の入射角が十分大きい場合は、やはり凹部１０の側壁で全反射する。なお、誘電体膜７は、誘電体材料以外に半導体材料を使用しても良いし、これらの複数の材料の多層膜構造（複数層の膜構造）でも良い。特に半導体は、４０５ｎｍ波長帯で強い吸収を示す材料が多く、光吸収の効果が得られる。半導体材料の例としては、シリコンが挙げられる。
また、特定材料部の他の例としては、電極を複数の金属層（複数層の膜構造）により構成し、この電極を、半導体レーザ素子１００の発振波長の光を散乱ないしは反射する特定材料部として用いても良い。
このように、特定材料部は、半導体レーザ素子１００の発振波長の光を吸収する材料からなる部分と、発振波長の光を散乱ないしは反射する金属からなる部分と、のうちの少なくとも一方からなるものとして構成すればよい。また、半導体レーザ素子１００の発振波長の光を吸収する材料としては、半導体材料又は誘電体材料を選択できる。更に、特定材料部は単層又は複数層の膜構造とすることができる。特に、構造２０が凹部１０を含む場合、特定材料部としての単層又は複数層の膜構造によりその凹部１０を覆った構成とすることができる。
また、上記の各実施形態では、構造２０の凹部１０の内側に中空２１がある例を説明したが、凹部１０が完全に埋められて中空２１を有しない構造としても良い。例えば、図１１に示すように、凹部１０内に誘電体膜７とｐ電極８とを形成することによって凹部１０を完全に埋めた構造が挙げられる。この場合も、例えば、誘電体材料のみによって凹部１０を完全に埋めても良いし、或いは、半導体材料のみによって凹部１０を完全に埋めても良い。更に、これら材料の膜を任意に組み合わせた複数層構造の膜により凹部１０を完全に埋めても良い。
また、上記においては、構造２０が、凹部１０を有する例のみを説明したが、凹部１０を有しない構造、例えば、上記と同様の特定材料部を半導体レーザ素子１００の内部（表面に表れない位置）に埋設した構造としても良い。
また、上記の各実施形態では、光導波路がリッジ構造であり、ｎ電極９は基板（ｎ型ＧａＮ基板１）の裏面に形成された構造を例にとった。しかし、本発明は光導波路１１の種類を問わず、リッジ導波路にも、埋め込みによる光導波路構造にも適用できる。また、ｎ電極は半導体レーザ素子の表面に設けてもよい。サファイア基板のように絶縁性の基板を使用する場合は、半導体レーザ素子の表面にｎ電極を設ける構造が一般的である。
第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を示す斜視図である。 第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する図であり、結晶成長後の断面構造を示す。 第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する斜視図であり、凹部をエッチング形成した後の状態を示す。 第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する斜視図であり、光導波路を構成するメサストライプを形成した後の状態を示す。 第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する斜視図であり、誘電体膜及びｐ電極を形成した後の状態を示す。 図５の断面図である。 第２の実施形態で説明する凹部の形状の例を示す平面図である。 第２の実施形態で説明する凹部の形状の例を示す平面図である。 第２の実施形態で説明する凹部の形状の例を示す平面図である。 第２の実施形態で説明する凹部の形状の例を示す平面図である。 半導体レーザ素子の散乱／吸収／反射構造の変形例を示す断面図である。 良好なガウシアン形状となっている遠視野像のプロファイル形状を示す図である。 リップル及び歪がある遠視野像のプロファイル形状の例を示す図である。
符号の説明
１ ｎ型ＧａＮ基板
２ 低温バッファー層
３ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
４ 活性層
５ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
６ ｐ型ＧａＮコンタクト層
７ 誘電体膜（半導体レーザ素子の発振波長の光を吸収する材料からなる部分であり、特定材料部を構成する）
８ ｐ電極（発振波長の光を散乱ないしは反射する金属からなる部分であり、特定材料部を構成する）
１０ 凹部
１１ 光導波路
２０ 構造
２１ 中空
１００ 半導体レーザ素子
１００Ａ 出射端面
１００Ｂ 反射端面
Ｒ１ 分割領域
Ｒ２ 分割領域
Ｒ３ 分割領域

Claims (16)

  1. 迷光を散乱、吸収、ないしは反射する機能を有する構造を、光導波路の両側の少なくも一方において、前記光導波路に沿った領域に複数備え、
    前記光導波路に沿った前記領域を前記光導波路の長手方向において３つ以上に等分した分割領域の各々に、少なくとも１つ以上の前記構造が配置されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
  2. 前記分割領域の各々に、前記構造が複数ずつ配置されてい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。
  3. 各分割領域内の複数の前記構造の配置が、前記光導波路の長手方向に沿う方向において相互に異なることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
  4. 前記構造は、前記光導波路の長手方向全域に沿って周期的に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
  5. 前記構造は、前記光導波路の長手方向全域に沿って一定間隔に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
  6. 前記構造は、凹部を含んで構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
  7. 前記構造は、当該半導体レーザ素子の発振波長の光を吸収する材料からなる部分と、前記発振波長の光を散乱ないしは反射する金属からなる部分と、のうちの少なくとも一方からなる特定材料部を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
  8. 前記発振波長の光を吸収する前記材料は、半導体材料又は誘電体材料であることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ素子。
  9. 前記構造は、前記特定材料部としての単層又は複数層の膜構造を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体レーザ素子。
  10. 前記構造は、凹部を含んで構成され、
    前記凹部は、前記特定材料部としての単層又は複数層の膜構造により覆われていることを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体レーザ素子。
  11. 前記凹部内において前記特定材料部よりも内側の領域には中空が形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体レーザ素子。
  12. 前記特定材料部が前記凹部を埋めていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体レーザ素子。
  13. 前記特定材料部は、前記金属からなる部分を有し、この部分が、当該半導体レーザ素子の電極としての機能を兼ねることを特徴とする請求項７乃至１２のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
  14. 前記構造を少なくとも２０箇所以上に備えることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
  15. 前記構造を、前記光導波路の両側のそれぞれにおいて、前記領域に複数ずつ備えることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
  16. 迷光を散乱、吸収、ないしは反射する機能を有する構造を、半導体レーザ素子の光導波路の両側の少なくとも一方において、前記光導波路に沿った領域に複数形成する工程を備え、
    前記工程では、前記光導波路に沿った前記領域を前記光導波路の長手方向において３つ以上に等分した分割領域の各々に、少なくとも１つ以上の前記構造を形成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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