JP2018037491A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ワイドストライプ構造であっても高いＢＰＰで基本横モード発振させることができ、高ビーム品質かつ高出力の半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】半導体レーザ素子１００は、光出射側端面１００ａと光反射側端面１００ｂとの間に光導波路が形成された半導体層１１０と、光出射側端面１００ａに形成された出射側端面コート膜１２０と、光反射側端面１００ｂに形成された反射側端面コート膜１３０と、を備え、出射側端面コート膜１２０及びと反射側端面コート膜１３０の少なくとも一方は、光導波路の端面領域内で、半導体層１１０の積層方向と直交する方向に反射率が変化している。【選択図】図１

Description

本開示は、半導体レーザ素子に関し、特に、レーザ加工に用いられる半導体レーザ素子に関する。

レーザ加工は、レーザ光を極めて小さな領域に集めることで得られる高エネルギーを利用するものであり、レーザ光によって材料を加熱、溶融、蒸発させることで材料を切断したり溶接したりする。

レーザ加工装置としては、これまでに、ＣＯ_２レーザ等の１０μｍ帯のガスレーザ、ＹＡＧレーザ等の１μｍ帯の固体レーザ、又は、ファイバレーザを用いたものが実用化されている。近年、直接加工用半導体レーザ（ＤＤＬ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ）を用いたレーザ加工装置が注目されている。

ＹＡＧレーザ及びファイバレーザは、励起源として半導体レーザを用いるが、レーザ加工装置に用いられた場合、レーザ加工に用いられるレーザ光は、固体結晶材料（Ｎｄ：ＹＡＧ）又はファイバー増幅器から出射された光となる。一方、ＤＤＬを用いたレーザ加工装置では、半導体レーザ自体から出射するレーザ光をレーザ加工に用いる。

ＤＤＬは、他の加工用レーザと比べて、光学系の煩雑さが少ないことなどにより小型化及び低コスト化が図れるのみならず、半導体レーザが紫外から赤外までの発振波長を有することから、各種レーザ加工に最適な波長を選択することができる。

一般に材料の光吸収率は、短波長になるに従って高くなる。例えば、アルミニウムは、０．８μｍ帯に光吸収ピークを有しており、０．８μｍ帯の光吸収率が１μｍ帯の光吸収率に比べて２倍ほど大きい。また、銅及び金は、光吸収率が０．６μｍ付近から増加し、０．４μｍ帯になると１μｍ帯に比べて光吸収率が１０倍近くも大きくなる。これらは、短波長のレーザ光を用いることで、より少ないレーザエネルギーで加工できることを示しており、省エネルギーの観点から望ましい。このため、アルミニウム加工用のレーザ加工装置には、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）系半導体レーザを用いたＤＤＬが注目されており、また、銅及び金を加工するためのレーザ加工装置には、窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体レーザを用いたＤＤＬが注目されている。

一方、ＤＤＬでは、半導体レーザのレーザ光を直接加工に用いるため、そのレーザ光のビーム品質が加工品質を左右する。半導体レーザのビーム品質は、ＢＰＰ（Ｂｅａｍ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔ）で数値化される。ＢＰＰは、ビームウエストにおける拡がり角半値（ビーム強度が１／ｅ^２となる半角。ｅは自然対数の底。）とビームスポット半径の積で定義される。ＢＰＰは、値が小さいほどレーザ光のビーム品質が高くなる。したがって、ＢＰＰの値が小さい半導体レーザほど、レーザ加工で扱いやすい。

また、半導体レーザのＢＰＰは、ガウスビームからの乖離度合いを示すパラメータＭ^２を用いて、以下の（式１）で表される。（式１）において、λは、半導体レーザの発振波長である。

ＢＰＰ＝Ｍ^２×λ／π・・・（式１）

半導体レーザでは、横モードが基本モードの場合、Ｍ^２は最小値（およそ１）を取り、横モードが高次モードの場合、Ｍ^２は大きな値（５〜１０程度）を取る。したがって、ＢＰＰを向上させる（ＢＰＰを小さくさせる）ためには、半導体レーザは、基本横モードで発振することが望ましい。

一般に半導体レーザの横モードは、エピタキシャル層に垂直なｆａｓｔ軸の成分とエピタキシャル層に平行なｓｌｏｗ軸の成分とに分解できる。ＢＰＰは、ｆａｓｔ軸方向のＢＰＰ成分とｓｌｏｗ軸方向のＢＰＰ成分との自乗和の平方根で求められる。

ほとんど全ての半導体レーザは、所謂、ダブルへテロ構造を用いて、電子／正孔と光を活性層に集中させて誘導放出を行わせることで光利得を得ている。その活性層の厚さは、高次モードカットオフ厚以下となるため、ｆａｓｔ軸方向は基本横モード発振となり、Ｍ^２はほぼ１である。一方、ｓｌｏｗ軸方向はリッジ導波路等の構造を作りこむことで光閉じ込めを行う。

ここで、光ディスク用の半導体レーザは、光出力が比較的小さく（例えば１Ｗ未満）、また、シングルスポットが要求されるため、基本横モード発振が不可欠である。このため、光ディスク用の半導体レーザでは、リッジストライプのリッジ幅は数μｍ程度である。

例えば、特許文献１には、リッジストライプ構造を有する光ディスク用の半導体レーザ装置が開示されている。特許文献１に開示された半導体レーザ装置では、リッジストライプのリッジ幅が変化する変化領域を形成することで、安定した基本横モード発振を実現している。

特開２００９−０３３００９号公報

しかしながら、レーザ加工用の半導体レーザは、光出力がワット級（例えば１Ｗ以上）と高いため、レーザ光の出射端面に端面破壊（ＣＯＤ：Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ）が発生するおそれがある。

このため、レーザ加工用等の高出力の半導体レーザでは、ＣＯＤの発生を防ぐために、リッジストライプのリッジ幅（エミッタ幅）を例えば１０μｍ以上に大きくしたワイドストライプ構造となっている。

ワイドストライプ構造の半導体レーザでは、ｓｌｏｗ軸の横モードが基本モードだけではなく高次モードでも発振するため、ｓｌｏｗ軸のＭ^２が大きくなってＢＰＰが悪化するという課題がある。

本開示は、ワイドストライプ構造であっても高いＢＰＰで基本横モード発振させることができ、高ビーム品質かつ高出力の半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様は、光出射側端面と光反射側端面との間に光導波路が形成された半導体層と、前記光出射側端面に形成された出射側端面コート膜と、前記光反射側端面に形成された反射側端面コート膜と、を備え、前記出射側端面コート膜及び前記反射側端面コート膜の少なくとも一方は、前記光導波路の端面領域内で、前記半導体層の積層方向と直交する方向に反射率が変化している。

この構成により、横モードにおける高次モード（高次横モード）に対する基本モード（基本横モード）との閾値利得差を大きくすることができるので、基本横モードが選択されて、基本横モード発振させることができる。したがって、ワイドストライプ構造であっても高いＢＰＰで基本横モード発振させることができ、高ビーム品質かつ高出力の半導体レーザ素子を実現できる。

また、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記反射率が変化しているコート膜は、前記反射側端面コート膜であるとよい。

この構成により、光出射側端面に形成される出射側端面コート膜を低反射化して高出力時の端面破壊（ＣＯＤ）を抑制しつつ、光反射側端面に形成される反射側端面コート膜で反射率を変化させて基本横モード発振させやすくできる。したがって、高出力動作と基本横モード動作との両立を図ることができる。

また、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記反射率は、基本横モードの光強度が最大となる位置で最大であるとよい。

この構成により、基本モードにおける実効的な反射率を大きくし、かつ、高次モードにおける実効的な反射率を小さくできるので、高次横モードにおける基本横モードとの閾値利得差を容易に大きくすることができる。これにより、基本横モードがさらに選択されやすくなるので、容易に基本横モード発振させることが可能となる。

また、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記反射率が変化しているコート膜は、第１の反射膜と第２の反射膜とを有し、前記第２の反射膜は、前記第１の反射膜よりも反射率が高く、かつ、前記第１の反射膜の一部に積層されているとよい。

この構成により、光導波路の端面領域内で半導体層の積層方向と直交する方向に反射率が変化するコート膜を容易に作成することができる。

また、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記第２の反射膜は、前記半導体層の積層方向に延在するとよい。

この構成により、ビームスポットの全領域にわたって、反射率が変化するコート膜の反射率の変化を感受させることができる。これにより、より基本横モード発振しやすくなる。

ワイドストライプ構造であっても高いＢＰＰで基本横モード発振させることができ、高ビーム品質かつ高出力の半導体レーザ素子を実現できる。

実施の形態１に係る半導体レーザ素子の斜視図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ素子における基本モード（横モード）の光分布と光反射側端面の反射率との位置関係を示す図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ素子における１次モード（横モード）の光分布と光反射側端面の反射率との位置関係を示す図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ素子における２次モード（横モード）の光分布と光反射側端面の反射率との位置関係を示す図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ素子における光反射側端面の反射率のモード次数依存性を示す図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ素子における閾値利得差のモード次数依存性を示す図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ素子の斜視図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ素子における基本モード（横モード）の光分布と反射率との位置関係を示す図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ素子における１次モード（横モード）の光分布と反射率との位置関係を示す図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ素子における２次モード（横モード）の光分布と反射率との位置関係を示す図である。 実施の形態１、２に係る半導体レーザ素子における光反射側端面の反射率のモード次数依存性を示す図である。 実施の形態１、２に係る半導体レーザ素子における閾値利得差のモード次数依存性を示す図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ素子の製造方法におけるリッジ部形成工程を示す部分平面図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ素子の製造方法における第１の反射膜形成工程を示す部分平面図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ素子の製造方法におけるレジスト膜形成工程を示す部分平面図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ素子の製造方法における第２の反射膜形成工程を示す部分平面図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ素子の製造方法におけるフォトレジスト除去工程を示す部分平面図である。

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、いずれも本開示の好ましい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、並びに、工程（ステップ）及び工程の順序などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

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。

（実施の形態１）
まず、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１００の構成について、図１を用いて説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１００の斜視図である。

図１に示すように、半導体レーザ素子１００は、前端面である光出射側端面１００ａと後端面（反射面）である光反射側端面１００ｂとの間に光導波路が形成された半導体層１１０を有する。

具体的には、半導体レーザ素子１００は、ＧａＮ基板からなる基板１の上に、ｎ−ＡｌＧａＮからなる第１導電型の第１クラッド層（第１の半導体層）２、アンドープＧａＮからなる第１ガイド層３（ｎ側ガイド層）、アンドープＩｎＧａＮからなる多重量子井戸構造の活性層４（発光層）、アンドープＧａＮからなる第２ガイド層５（ｐ側ガイド層）、ｐ−ＡｌＧａＮからなる第２導電型の電子オーバーフロー抑制層６、ｐ−ＡｌＧａＮからなる第２導電型の第２クラッド層７、及び、ｐ−ＧａＮからなる第２導電型のコンタクト層８が順次形成された積層構造の半導体層１１０を有する。なお、本実施の形態において、第１導電型はｎ型であり、第２導電型はｐ型である。

半導体レーザ素子１００の中央部には、レーザ共振器長方向に延在する突条のリッジ部（リッジストライプ）９が形成されている。つまり、リッジ部９のストライプ方向（長手方向）は、レーザ共振器長方向である。リッジ部９は、第２クラッド層７に形成されており、半導体層１１０の主たる光導波路を構成する。リッジ部９の幅（リッジ幅）は、例えば１５μｍであるが、これに限るものではない。コンタクト層８は、第２クラッド層７のリッジ部９の上面に形成されている。

図示しないが、コンタクト層８の上にはｐ側電極及びパッド電極が形成され、基板１の裏面にはｎ側電極が形成される。ｐ側電極及びｎ側電極に電圧を印加することで、活性層４に電流が注入されて、半導体レーザ素子１００の光出射側端面１００ａからレーザ光が出射する。

半導体レーザ素子１００のレーザ光の発振波長は、例えば４０５ｎｍである。また、半導体レーザ素子１００を導波する光が感受する有効屈折率は、各層の厚み及び材料組成などによって決まる。本実施の形態において、リッジ部９内の有効屈折率は２．５３で、リッジ部９外の有効屈折率は２．５２５である。

また、半導体レーザ素子１００の光出射側端面１００ａ（前端面）には、端面コート膜として出射側端面コート膜１２０が形成されている。出射側端面コート膜１２０は、半導体層１１０の前端面側の面に接するように形成されている。出射側端面コート膜１２０は、例えば、屈折率１．４７のＳｉＯ_２を光学長λ／４（＝４０５ｎｍ／４／１．４７＝６８．９ｎｍ）で形成することにより構成されており、その反射率は約０．６％である。このように、出射側端面コート膜１２０は、反射率が低い低反射膜である。このような出射側端面コート膜１２０を光出射側端面１００ａに形成することによって、前端面側が低反射率となり、高出力のレーザ光が得られる。

一方、半導体レーザ素子１００の光反射側端面１００ｂ（後端面）には、端面コート膜として反射側端面コート膜１３０が形成されている。反射側端面コート膜１３０は、半導体層１１０の光導波路の端面領域内で、半導体層１１０の積層方向に直交する方向に反射率が変化している。本実施の形態において、反射側端面コート膜１３０は、第１の反射膜１３１と第２の反射膜１３２とを有している。

第１の反射膜１３１は、半導体層１１０の後端面側の面に接するように形成されている。第１の反射膜１３１は、出射側端面コート膜１２０と同様に、屈折率１．４７のＳｉＯ_２を光学長λ／４（＝４０５ｎｍ／４／１．４７＝６８．９ｎｍ）で形成することにより構成されており、その反射率は約０．６％である。つまり、第１の反射膜１３１は、低反射膜である。

第２の反射膜１３２は、第１の反射膜１３１に接するように形成されている。第２の反射膜１３２は、第１の反射膜１３１よりも反射率が高い高反射膜である。また、第２の反射膜１３２は、第１の反射膜１３１の一部に積層されている。つまり、反射側端面コート膜１３０は、低反射率の第１の反射膜１３１の一部に、更に高反射率の第２の反射膜１３２が追加された構造である。

本実施の形態において、第２の反射膜１３２は、半導体層１１０のリッジ幅方向の中央部に形成されている。また、第２の反射膜１３２は、リッジ部９の中央に対して対称に形成されている。

第２の反射膜１３２は、一定の幅Ｗで半導体層１１０の積層方向に延在するように形成されている。具体的には、第２の反射膜１３２は、リッジ部９のリッジ幅よりも狭い幅Ｗで、基板１の下面からコンタクト層８の上面にわたって長尺矩形状に形成されている。第２の反射膜１３２の幅Ｗは、例えば６μｍである。

本実施の形態において、第２の反射膜１３２は、ＺｒＯ_２層→ＳｉＯ_２層→ＺｒＯ_２層→・・・→ＳｉＯ_２層→ＺｒＯ_２層のようにＺｒＯ_２層及びＳｉＯ_２層が交互に７層積層された構造である。ここで、ＺｒＯ_２層及びＳｉＯ_２層の各層の光学長はλ／４である。例えば、ＺｒＯ_２の屈折率は２．２７であるので、ＺｒＯ_２層の厚みは４０５ｎｍ／４／２．２７＝４４．６ｎｍとなる。これにより、第２の反射膜１３２の反射率は約９５．３％となる。この結果、反射側端面コート膜１３０には、反射率が０．６％の低反射領域と反射率が９５．３％の高反射領域が存在することになる。つまり、反射側端面コート膜１３０は、反射率が異なる２つの領域を有する。

このように、本実施の形態における反射側端面コート膜１３０は、リッジ部９のリッジ幅方向に沿って反射率が０．６％→９５．３％→０．６％と変化している。なお、第２の反射膜１３２は、少なくとも基板１と半導体層１１０（エピタキシャル層）との界面からリッジ部９の上面又はその近傍にまで形成されているとよい。このようにすることで、ビームスポットの全領域にわたって第２の反射膜１３２の反射率変化を感受させることが可能になる。

本実施の形態における半導体レーザ素子１００の構造では、ｓｌｏｗ軸の横モードは、基本モード（０次モード）から１１次モードまで存在しうる。

ここで、半導体レーザ素子１００における横モードの光分布（電力分布）と光反射側端面１００ｂの反射率（つまり、反射側端面コート膜１３０の反射率）との関係を図２Ａ〜図２Ｃに示す。図２Ａ〜図２Ｃにおいて、横軸の座標（位置）は、リッジ部９の中央を原点（ゼロ）としている。また、第１縦軸のＥ＾２は、電界（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ（Ｅ））を自乗していることを示している。また、反射側端面コート膜１３０は上述のものであり、反射側端面コート膜１３０には、低反射領域（反射率０．６％）と高反射領域（反射率９５．３％）が存在する。なお、反射側端面コート膜１３０の第２の反射膜１３２の幅Ｗは６μｍとしている。

図２Ａは、半導体レーザ素子１００における横モードの基本モード（基本横モード）についての光分布と光反射側端面１００ｂの反射率との位置関係を示している。図２Ａに示すように、反射側端面コート膜１３０の反射率は、基本横モードの光強度が最大となる位置で最大となっている。具体的には、光分布のピーク位置に、反射側端面コート膜１３０の高反射領域が対応している。これにより、基本横モードにおいては、反射側端面コート膜１３０の高反射領域と光分布領域との重なり領域を大きくすることができる。したがって、基本モードの光の反射を強くすることができる。

図２Ｂは、半導体レーザ素子１００における横モードの１次モードについての光分布と光反射側端面１００ｂの反射率との位置関係を示している。図２Ｂに示すように、１次モードでは、反射側端面コート膜１３０の反射率は、光強度が最小となる位置で最大となっており、また、光強度が最大となる位置で最小となっている。具体的には、光分布の２つのピーク位置に、反射側端面コート膜１３０の低反射領域が対応している。これにより、１次モードにおいては、反射側端面コート膜１３０の高反射領域と光分布領域との重なり領域を小さくできる。したがって、１次モードの光の反射を弱くすることができる。

図２Ｃは、半導体レーザ素子１００における横モードの２次モードについての光分布と光反射側端面１００ｂの反射率との位置関係を示している。２次モードでは、光分布の３つのピークのうちの１つのピーク位置には、反射側端面コート膜１３０の高反射領域が対応しているが、残りの２つのピーク位置には、反射側端面コート膜１３０の低反射領域が対応している。これにより、２次モードにおいては、反射側端面コート膜１３０の高反射領域と光分布領域との重なり領域を相対的に小さくできる。したがって、２次モードの光の反射を弱くすることができる。

このように、図２Ａ〜図２Ｃから分かるように、反射率が変化するコート膜として反射側端面コート膜１３０を光反射側端面１００ｂ（後端面）に形成することで、基本横モードを選択することができる。つまり、基本横モードでレーザ発振させることができる。

なお、本実施の形態では、反射率が変化するコート膜を光反射側端面１００ｂ（後端面）に形成したが、反射率が変化するコート膜を光出射側端面１００ａ（前端面）に形成してもよい。また、反射率が変化するコート膜は、光出射側端面１００ａ及び光反射側端面１００ｂの少なくとも一方に形成されていればよい。

次に、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１００の作用効果について、本開示に至った経緯を含めて説明する。

レーザ加工用等の高出力の半導体レーザ素子では、ＣＯＤの発生を防ぐためにリッジ幅が広いワイドストライプ構造が採用される。ワイドストライプ構造の半導体レーザ素子では、ｓｌｏｗ軸の横モードが基本モード（０次モード）だけではなく１次モード以上の高次モードでも発振するため、ＢＰＰの悪化によりビーム品質が低下する。そこで、ｓｌｏｗ軸を基本横モード発振させる構造を半導体にレーザ素子に作り込むことが重要となる。

リッジ幅が広いワイドストライプ構造の半導体レーザ素子であるにもかかわらず、ｓｌｏｗ軸を基本横モード発振させるには、高次の各モードに対して基本モードとの閾値利得差を付与すればよい。

一般に、ｍ次横モードにおける、光損失、前端面の反射率（前面反射率）、後端面の反射率（後面反射率）を、α_ｍ、Ｒ_ｆｍ、Ｒ_ｒｍとすると、閾値利得ｇ_ｍは、以下の（式２）で表すことができる。

ｇ_ｍ＝α_ｍ＋（１／２Ｌ）ｌｎ（１／Ｒ_ｆｍＲ_ｒｍ）・・・（式２）

ここで、Ｌは、半導体レーザ素子の共振器長であり、モード次数に依存しない。したがって、高次のｍ次モードと基本モード（０次モード）との閾値利得差Δｇｍは、以下の（式３）で表すことができる。

Δｇ_ｍ＝（α_ｍ−α_０）＋（１／２Ｌ）ｌｎ（Ｒ_ｆ０Ｒ_ｒ０／Ｒ_ｆｍＲ_ｒｍ）・・・（式３）

この閾値利得差Δｇ_ｍが大きいほど、基本横モード発振しやすくなる。特に、α_ｍ＝α_０の場合、上記の（式３）は、以下の（式４）となる。

Δｇ_ｍ＝（１／２Ｌ）ｌｎ（Ｒ_ｆ０Ｒ_ｒ０／Ｒ_ｆｍＲ_ｒｍ）・・・（式４）

したがって、各横モードの前端面又は／及び後端面の反射率を変えることで、閾値利得差Δｇ_ｍを調整することができ、横モードの制御を行うことができる。

従来、各横モードの前端面又は後端面の反射率を変える方法の一つとして、半導体レーザ素子の端面を凹面にすることが提案されている（例えば、特開平２−１１０９８８号公報）。この方法によれば、０次モードである基本横モードでは、光の拡がりが小さく、凹面の中央付近に入射して反射されるため、反射損失が小さい。一方、高次横モードでは、光の拡がりが大きく、凹面の外側部分に入射して反射されるため、反射損失が大きい。この結果、基本横モードが選択されて、基本横モード発振させることが可能となる。

しかしながら、このような方法では、半導体レーザ素子の端面を凹面に加工しなければならない。この場合、上記文献に記載されているように、リアクティブイオンビームエッチングによって端面を凹面に加工できるが、このような方法は、一般には、劈開で端面を形成する方法と比べて、反射面となる端面（凹面）に光学的な影響を受ける微小な凹凸が存在してしまうため、散乱損失が発生し、閾値の増加やスロープ効率の低下を招くことになる。

本開示の技術は、このような知見に基づいてなされたものであり、本願発明者らは、鋭意検討した結果、端面を凹面にすることなく各横モードの端面の反射率を変える手段を見出した。

具体的には、光導波路の端面領域内で半導体層１１０の積層方向と直交する方向に反射率が変化するコート膜を、光出射側端面１００ａ及び光反射側端面１００ｂの少なくとも一方に形成することで、各横モードの端面の反射率を変えることができることを見出した。

ここで、反射面における、あるｍ次横モードの近視野像の光分布をＩ_ｍ（ｘ）とし、反射率の変化をＲ（ｘ）とすると、このｍ次横モードが感受する実効的な反射率Ｒｅｆ_ｆｍは、以下の（式５）で表すことができる。

Ｒｅｆ_ｆｍ＝∫Ｒ（ｘ）Ｉ_ｍ（ｘ）ｄｘ／∫Ｉ_ｍ（ｘ）・・・（式５）

（式５）において、ｘは、ｓｌｏｗ軸方向（＝半導体層１１０の積層方向及びリッジ部９のストライプ方向の両方と直交する方向）における位置を示しており、また、積分範囲は−∞〜＋∞である。

（式５）から分かるように、反射率の変化Ｒ（ｘ）を適切に設定することにより、基本横モードに比べて高次横モードの反射率を大きくすることができる。つまり、光出射側端面１００ａ及び光反射側端面１００ｂの少なくとも一方に形成するコート膜の反射率の変化を適切に設定することで、基本横モードに比べて高次横モードの反射率を大きくすることができる。

これにより、基本横モードと高次横モードとの反射率の差を大きくすることができるので、基本横モードの閾値利得を下げることができる。この結果、上記の（式４）にしたがって、閾値利得差Δｇ_ｍを大きくすることができる。したがって、基本横モードが選択されて、基本横モードでレーザ発振させることが可能となる。

以上、本実施の形態における半導体レーザ素子１００によれば、ｓｌｏｗ軸方向の横モードの各高次モードに閾値利得差を付与することで基本横モードが選択され、基本横モード発振させることができる。したがって、ワイドストライプ構造であっても高いＢＰＰで基本横モード発振させることができ、高ビーム品質かつ高出力の半導体レーザ素子を実現できる。これにより、高性能レーザ加工装置を実現することができる。

さらに、本開示の技術によれば、上記文献のように、半導体レーザ素子の端面を凹面に加工する必要がなく、半導体レーザ素子の端面は、劈開面のままでよい。したがって、散乱損失が発生せず、閾値の増加やスロープ効率の低下を招くこともない。

また、本実施の形態における半導体レーザ素子１００では、反射率が変化しているコート膜を反射側端面コート膜１３０とし、光反射側端面１００ｂに形成している。この構成による作用効果について、以下説明する。

上述のとおり、反射率を変化させることで横モードのモード次数の選択を与えるコート膜は、半導体レーザ素子の光出射側端面及び光反射側端面のどちらに形成してもよい。つまり、反射率が変化するコート膜は、出射側端面コート膜及び反射側端面コート膜のどちらに適用してもよい。

しかしながら、一般には、光出射側端面に形成される出射側端面コート膜は高出力時の端面破壊（ＣＯＤ）を防ぐため、低反射率化される。このため、反射率が変化するコート膜を光出射側端面に形成された出射側端面コート膜に適用すると、基本横モードの光出射側端面での反射率が高くなってしまい、高出力時の端面破壊（ＣＯＤ）が発生しやすくなる。

そこで、本実施の形態における半導体レーザ素子１００のように、反射率が変化するコート膜を光反射側端面１００ｂに形成された反射側端面コート膜１３０に適用し、反射側端面コート膜１３０に反射率の変化を持たせることによって、高出力動作と基本横モード動作との両立を図ることが可能になる。

この場合、Ｒ_ｆ０＝Ｒ_ｆｍになるので、上記の（式４）は、以下の（式６）となる。

Δｇ_ｍ＝（１／２Ｌ）ｌｎ（Ｒ_ｒ０／Ｒ_ｒｍ）・・・（式６）

具体的には、本実施の形態における半導体レーザ素子１００では、反射側端面コート膜１３０として、反射率が約０．６％の第１の反射膜１３１と反射率が約９５．３％の第２の反射膜１３２との積層膜を用いている。これにより、横モードにおける基本モードから２次モードまで光分布と光反射側端面１００ｂの反射率とは、上述のように、図２Ａ〜図２Ｃに示されるような関係になる。

図２Ａに示される基本モードでは、光分布のピーク位置に反射側端面コート膜１３０の高反射領域が対応しているので、基本モードの光が光反射側端面１００ｂで受ける実効的な反射率は６７％である。この場合、光反射側端面１００ｂにおける共振器損失は、（１／２Ｌ）ｌｎ（１／Ｒ_ｒ０）＝１．９８ｃｍ^−１となる。

また、図２Ｂに示される１次モードでは、光分布の２つのピーク位置付近に反射側端面コート膜１３０の低反射領域が対応しているので、１次モードの光の反射が弱くなり、実効的な反射率は２６．３％にまで低下する。この場合、光反射側端面１００ｂにおける共振器損失は、（１／２Ｌ）ｌｎ（１／Ｒ_ｒ１）＝６．６８ｃｍ^−１となる。

また、図２Ｃに示される２次モードでは、光分布の３つのピークのうち、１つは反射側端面コート膜１３０の高反射領域に対応しているが、残りの二つは、低反射領域に対応しているので、実効的な反射率は３２．５％にまで低下する。この場合、光反射側端面１００ｂにおける共振器損失は、（１／２Ｌ）ｌｎ（１／Ｒ_ｒ２）＝５．６１ｃｍ^−１となる。

したがって、１次モード及び２次モードにおける基本モード（０次モード）との閾値利得差Δｇ_１、Δｇ_２は、上記の（式６）から、以下の値となる。

Δｇ_１＝６．６８−１．９８＝４．７ｃｍ^−１
Δｇ_２＝５．６１−１．９８＝３．６ｃｍ^−１

これらの閾値利得差Δｇ_１、Δｇ_２から、本実施の形態における半導体レーザ素子１００では、基本横モードが選択されて、基本横モードでレーザ発振することが分かる。

なお、本実施の形態における半導体レーザ素子１００において、モード次数ごとの光反射側端面１００ｂにおける実効的な反射率及び高次モードにおける基本モードとの閾値利得差は、反射側端面コート膜１３０の第２の反射膜１３２の幅Ｗによって変化する。

図３は、第２の反射膜１３２の幅Ｗを２μｍ〜１４μｍまで２μｍごとに変化させたときの横モードのモード次数と光反射側端面１００ｂの反射率（後面反射率）との関係を示している。図３に示すように、概ねモード次数が大きくなるに従って、第２の反射膜１３２が形成された光反射側端面１００ｂの反射率が低下することが分かる。この結果、モード次数が大きくなるに従って、高次モードにおける基本モードとの閾値利得差が増加する。また、第２の反射膜１３２の幅Ｗが極端に小さくなると（例えばＷ＝２μｍ）、基本モードの光反射側端面１００ｂの反射率が小さくなるため、閾値電流が増えて望ましくないことも分かる。

また、図４は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１００における閾値利得差のモード次数依存性を示す。図４に示すように、第２の反射膜１３２の幅Ｗが広くなるに従って高次モードでも光反射側端面１００ｂの反射率が高くなり、高次モードにおける基本モードとの閾値利得差が小さくなることが分かる。

さらに、図３及び図４から、第２の反射膜１３２の幅Ｗには最適値が存在することも分かる。例えば第２の反射膜１３２の幅Ｗが８μｍ（Ｗ＝８μｍ）であれば、基本モードでの反射率が約８０％と高くなり、かつ、高次モードにおける基本モードとの閾値利得差が２ｃｍ^−１以上あるので、良好なモード次数の選択性と優れた基本横モードによるレーザ発振との両立を図ることができる。

また、本実施の形態における半導体レーザ素子１００では、図２Ａに示すように、反射側端面コート膜１３０の反射率は、基本横モードの光強度が最大となる位置で最大となっている。

この構成にすることにより、（式５）から分かるように、Ｒｅｆ_ｆ０を大きく、かつ、Ｒｅｆ_ｆｍを小さくすることができる。これにより、例えば、（式６）における閾値利得差Δｇ_ｍを大きくすることができるので、基本横モードがさらに選択されやすくなり、より容易に基本横モード発振しやすくなる。

また、本実施の形態における半導体レーザ素子１００では、反射率が変化している反射側端面コート膜１３０は、低反射率の第１の反射膜１３１の一部に高反射率の第２の反射膜１３２が積層された構成である。

一般に、半導体レーザ素子の屈折率は２．５〜３．３程度であるため、端面の反射率は１８〜２９％程度もある。このため、反射率の変化Ｒ（ｘ）の振幅を大きくするためには、低反射率の低反射膜と高反射率の高反射膜とを併用するのがよい。一般的に、低反射膜は単層のコート膜で形成されるのに対し、高反射膜は多層のコート膜で形成される。そこで、低反射膜の一部に高反射膜が積層された構成にすることにより、より構成が簡易になり反射率が変化するコート膜の作製が容易になる。

具体的には、例えば、半導体レーザ素子の端面に接する第１コート膜（第１の反射膜）の屈折率を半導体レーザ素子内の光導波路の屈折率よりも低く、かつ、その光学長をλ／４にし、その第１コート膜の上に部分的に第１コート膜よりも高い屈折率の材料を用いて光学長がλ／４の第２コート膜（第２の反射膜）を形成する構成が挙げられる。

この構成により、第１コート膜の上の部分的に形成した第２コート膜の領域にのみ、第１コート膜と第２コート膜とで達成可能な最大の反射率を有する高反射領域を形成することができる。なお、この部分的な高反射領域に、更に第１コート膜と第２コート膜（各光学長はλ／４）とを周期的に形成することで、この高反射領域の反射率をより高めることが可能である。

また、本実施の形態における半導体レーザ素子１００では、第１の反射膜１３１の上に部分的に形成した第２の反射膜１３２は、半導体層１１０の積層方向に延在している。

半導体レーザ素子１００の光出射側端面１００ａにおけるビームスポットは、半導体層１１０の積層方向に直交する方向だけでなく、平行な方向にも拡がっている。したがって、高反射膜である第２の反射膜１３２を、半導体層１１０の積層方向に沿って延びるように形成することにより、ビームスポットの全領域にわたって、反射率の変化を感受させることができる。その結果、例えば、第２の反射膜１３２がビームスポットの一部にしかない場合と比べて、より基本横モード発振しやすくなる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係る半導体レーザ素子１００Ａについて、図５を用いて説明する。図５は、実施の形態２に係る半導体レーザ素子１００Ａの斜視図である。

本実施の形態における半導体レーザ素子１００Ａは、上記実施の形態１における半導体レーザ素子１００において、反射側端面コート膜１３０の第２の反射膜１３２が、リッジ部９の範囲内で複数に分割された構成となっている。

具体的には、図５に示すように、半導体レーザ素子１００Ａにおける反射側端面コート膜１３０Ａの第２の反射膜１３２Ａは、リッジ部９の範囲内で半導体層１１０の積層方向と直交する方向に分けられた複数の領域を有する。第２の反射膜１３２Ａは、実施の形態１と同様に、少なくとも基板１と半導体層１１０（エピタキシャル層）との界面からリッジ部９の上面又はその近傍にまで形成されているとよい。なお、図５では、簡単にするため、第２の反射膜１３２Ａの複数の領域は概念的に図示している。

このように、第２の反射膜１３２を複数の領域に分けることにより、高反射領域を変調することができ、ｓｌｏｗ軸の各次数の横モードが受ける実効的な反射率を微調整することができる。これにより、基本横モードでより安定したレーザ発振を得ることができる。以下、この点について具体的に説明する。

図１に示す半導体レーザ素子１００では、第２の反射膜１３２が分割されておらず第２の反射膜１３２は一領域しかなかったので、高次モードにおいて光分布のピーク位置近傍にも高反射領域（例えば図２Ｃ）が存在する場合があり、モード次数によって基本モードとの閾値利得差に大小が生じ、閾値利得差がばらついていた。このようにモード次数によって閾値利得差に大小が生じると、温度変化や変調時に、閾値利得差が小さいモードにジャンプする場合があり、基本横モードの選択性を低下させてしまう。

これに対して、図５に示す本実施の形態における半導体レーザ素子１００Ａでは、第２の反射膜１３２Ａはリッジ部９内で複数の領域に分割されているので、高次モードであっても光分布のピーク位置付近の反射率を下げることが可能となり。これにより、モード次数による閾値利得差の大小を改善することができ、閾値利得差のばらつきを抑えることができる。

具体的には、低反射膜（反射率０．６％）である第１の反射膜１３１に積層する高反射膜（反射率９５．３％）である第２の反射膜１３２Ａの複数の領域（高反射領域）を、｜ｘ｜≦３μｍ、３．２μｍ≦｜ｘ｜≦３．８μｍ、４．１μｍ≦｜ｘ｜≦４．２μｍ、４．５μｍ≦｜ｘ｜≦４．７μｍの範囲に形成した場合、基本モード、１次モード及び２次モードの光分布（電力分布）と反射率との関係は、それぞれ、図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃに示す結果となる。図６Ａ〜図６Ｃにおいて、横軸の座標（位置）は、図２Ａ〜図２Ｃと同様に、リッジ部９の中央を原点（ゼロ）としている。また、第１縦軸のＥ＾２は、電界（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ（Ｅ））を自乗していることを示している。

図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、高次モード（１次モード、２次モード）では、光分布のピーク位置の近傍に低反射領域がスリット状に複数存在する。これにより、基本モードの実効的な反射率を大きく下げることなく、高次モードの実効的な反射率を低減させることができる。

ここで、本実施の形態における半導体レーザ素子１００Ａのように、第２の反射膜１３２Ａを複数の領域に分割して高反射領域を変調させた場合（実施の形態２）と、図１に示す実施の形態１における半導体レーザ素子１００のように、第２の反射膜１３２を複数の領域に分割せずに単一の矩形領域（｜ｘ｜＜４μｍで反射率９５．３％）とした場合（実施の形態１）とについて、横モードのモード次数と光反射側端面１００ｂの反射率（後面反射率）との関係を図７に示す。図７において、実線が実施の形態２の場合の後面反射率のモード次数依存性を示しており、破線が実施の形態１の場合を後面反射率のモード次数依存性を示している。

図７に示すように、基本モード（０次モード）の反射率については、実施の形態１、２はいずれも約８０％となっている。一方、１次から１１次までの高次モードの反射率については、実施の形態１の場合は、モードごとに、４２％〜５２％の範囲で反射率の大小があるのに対し、実施の形態２の場合は、４４％〜４８％の範囲に反射率が収まっていることが分かる。

また、図８は、実施の形態１、２に係る半導体レーザ素子１００、１００Ａにおける閾値利得差のモード次数依存性を示す。

図８に示すように、高次モードにおける基本モードとの閾値利得差については、実施の形態２の場合は、実施の形態１の場合と比べてモード次数依存性が小さくなることが分かる。このように、高次モードにおける基本モードとの閾値利得差のモード次数依存性が小さくなることで、基本モードから高次モードにジャンプすることを抑制できるので、より安定したレーザ発振を得ることができる。

（半導体レーザ素子の製造方法）
次に、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１００Ａの製造方法について、図９Ａ〜図９Ｅを用いて説明する。なお、以下では、反射側端面コート膜１３０Ａの形成方法を中心に説明する。図９Ａ〜図９Ｅは、実施の形態に係る半導体レーザ素子１００Ａにおける反射側端面コート膜１３０Ａの形成方法を説明するための図であり、半導体レーザ素子１００Ａの光反射側端面１００ｂ部分を、リッジ部９の上方から見たときの部分平面図を示している。

まず、有機金属気層成長法（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＭＯＣＶＤ）を用いて、ＧａＮ基板からなる基板１（半導体基板）上に、第１クラッド層２、第１ガイド層３、活性層４、第２ガイド層５、電子オーバーフロー抑制層６、第２クラッド層７、及び、コンタクト層８の各エピタキシャル層を順次成長させて半導体層１１０を形成し、半導体プロセスによりリッジ部９及び電極を形成したのち、劈開を行うことで共振器端面を形成する。その後、スパッタ装置を用いて、前端面（光出射側端面１００ａ）に、ＳｉＯ_２（膜厚λ／４）からなる出射側端面コート膜１２０を形成する。

次に、図９Ａに示すように、前端面と同様に、スパッタ装置を用いて、後端面（光反射側端面１００ｂ）の全体にＳｉＯ_２膜（膜厚λ／４）からなる第１の反射膜１３１を形成する。これにより、図９Ｂに示すように、光反射側端面１００ｂに第１の反射膜１３１が形成される。

次に、図９Ｃに示すように、フォトリソグラフィ又はナノインプリントを用いて、第２の反射膜１３２の形成領域以外の第１の反射膜１３１の領域上に、フォトレジスト２００を形成する。この際、リッジ部９をアライメントマークとして使用してフォトレジスト２００を所定の領域に形成してもよいし、事前に劈開面に溝を形成し、その溝をアライメントとして使用してフォトレジスト２００を所定の領域に形成してもよい。

次に、図９Ｄに示すように、スパッタ装置を用いて、ＺｒＯ_２膜→ＳｉＯ_２膜→ＺｒＯ_２膜→ＳｉＯ_２膜→ＺｒＯ_２膜→ＳｉＯ_２膜→ＺｒＯ_２膜を順次形成することで、多層膜からなる第２の反射膜１３２Ａを形成する。なお、第２の反射膜１３２Ａの各膜厚は各λ／４としている。

次に、図９Ｅに示すように、リフトオフによって不要な第２の反射膜１３２Ａを除去することで、複数に分割された第２の反射膜１３２Ａを形成する。具体的には、アッシャーを用いて、フォトレジスト２００を剥離することで、フォトレジスト２００に積層された第２の反射膜１３２Ａが除かれ、第１の反射膜１３１の所定の複数の領域のみに第２の反射膜１３２Ａが残る。これにより、反射側端面コート膜１３０Ａを形成することができる。

なお、図１に示す実施の形態１に係る半導体レーザ素子１００についても、図９Ａ〜図９Ｅに示す方法で反射側端面コート膜１３０を形成することができる。

（変形例）
以上、本開示に係る半導体レーザ素子について、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。

例えば、上記実施の形態では、ＧａＮを材料に用いる波長４０５ｎｍ帯のＧａＮ系半導体レーザ素子について説明したが、これに限るものではない。本開示は、他の波長帯域の半導体レーザ素子に適用してもよいし、ＧａＡｓ又はＩｎＰ等の他のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料からなるＩＩＩ−Ｖ系半導体レーザ素子に適用してもよいし、ＺｅＳｅ等のＩＩ−ＶＩ族半導体材料からなるＩＩ−ＶＩ系半導体レーザ素子等に適用してもよい。

その他に、上記実施の形態に対して当業者が思い付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各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。

本開示に係る半導体レーザ素子は、高ビーム品質と高出力とを両立させることができるので、ＤＤＬ用のレーザ加工装置の光源等として有用である。

１ 基板
２ 第１クラッド層
３ 第１ガイド層
４ 活性層
５ 第２ガイド層
６ 電子オーバーフロー抑制層
７ 第２クラッド層
８ コンタクト層
９ リッジ部
１００、１００Ａ 半導体レーザ素子
１００ａ 光出射側端面
１００ｂ 光反射側端面
１１０ 半導体層
１２０ 出射側端面コート膜
１３０、１３０Ａ 反射側端面コート膜
１３１ 第１の反射膜
１３２、１３２Ａ 第２の反射膜
２００ フォトレジスト

Claims (5)

1. 光出射側端面と光反射側端面との間に光導波路が形成された半導体層と、
   前記光出射側端面に形成された出射側端面コート膜と、
   前記光反射側端面に形成された反射側端面コート膜と、を備え、
   前記出射側端面コート膜及び前記反射側端面コート膜の少なくとも一方は、前記光導波路の端面領域内で、前記半導体層の積層方向と直交する方向に反射率が変化している
   半導体レーザ素子。
2. 前記反射率が変化しているコート膜は、前記反射側端面コート膜である
   請求項１記載の半導体レーザ素子。
3. 前記反射率は、基本横モードの光強度が最大となる位置で最大である
   請求項１または２記載の半導体レーザ素子。
4. 前記反射率が変化しているコート膜は、第１の反射膜と第２の反射膜とを有し、
   前記第２の反射膜は、前記第１の反射膜よりも反射率が高く、かつ、前記第１の反射膜の一部に積層されている
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
5. 前記第２の反射膜は、前記半導体層の積層方向に延在する
   請求項４記載の半導体レーザ素子。

Images