JP2021019040A - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直ＦＦＰにおけるリップルを抑制できる半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】窒化物半導体レーザ素子１は、基板１０と、基板１０の上方に配置される第１半導体層２０と、第１半導体層２０の上方に配置される発光層３０と、発光層３０の上方に配置される第２半導体層４０と、第２半導体層４０の上方に配置される誘電体層６０とを備え、第２半導体層４０は、レーザ光を導波する導波路部４０ａを有し、導波路部４０ａの少なくとも一部の幅は、導波路部４０ａの長手方向である共振器長方向の位置に対して変調されており、導波路部４０ａの幅方向と交差する側面と共振器長方向とのなす角度は、導波路部４０ａの内側及び導波路部４０ａの外側の有効屈折率で規定される限界角度θｃより大きく、窒化物半導体レーザ素子１は、導波路部４０ａの側面に形成される凹部に配置され、誘電体層６０より屈折率が高い高屈折率部４４をさらに備える。【選択図】図１Ａ

Description

本開示は、共振器長方向の位置に対して幅が変調される導波路部を有する窒化物半導体レーザ素子に関する。

近年、半導体レーザ素子は、ディスプレイやプロジェクターなどの画像表示装置の光源、車載ヘッドランプの光源、産業用照明や民生用照明の光源、又は、レーザ溶接装置や薄膜アニール装置、レーザ加工装置などの産業機器の光源など、様々な用途の光源として注目されている。また、上記用途の光源として用いられる半導体レーザ素子には、光出力が１ワットを大きく超える高出力化及び高いビーム品質が望まれている。

高ビーム品質を実現するには、レーザは基本モード（つまり、基本横モード）で発振することが望ましい。基本モード動作を実現するには、導波路の幅を狭くし、光学的に高次モードが存在しない状態（カットオフ状態）で動作させる手法がある。しかし、高出力化を実現するためには、導波路の幅は広い（ワイドストライプ）方が有利であるため、光出力が１ワットを超えるような高出力レーザ光の横モードは高次モードであることが多い。以下、横方向の高次モードを単に「高次モード」ともいう。

特許文献１に、従来の窒化物半導体レーザ素子が開示されている。図１２は、特許文献１に開示された従来の窒化物半導体レーザ素子１０００の構成を示す上面図である。

図１２に示すように、従来の窒化物半導体レーザ素子１０００は、ストライプ状リッジ部の両側面の導波方向中央部に設けられた凹凸状の粗面光導波機構１００１と、導波方向両端部に設けられた平行滑面光導波機構１００２とを有する。この粗面光導波機構１００１により高次モードが損失を受けるため、基本モードの割合を高めることができる。

特開平９−２４６６６４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された窒化物半導体レーザ素子１０００では、垂直ＦＦＰ（Far-Field Pattern）にリップル（乱れ）が生じる場合がある。

本開示は、垂直ＦＦＰにおけるリップルを抑制できる窒化物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、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様は、レーザ光を出射する窒化物半導体レーザ素子であって、基板と、前記基板の上方に配置される第１半導体層と、前記第１半導体層の上方に配置される発光層と、前記発光層の上方に配置される第２半導体層と、前記第２半導体層の上方に配置される誘電体層とを備え、前記第２半導体層は、前記レーザ光を導波する導波路部を有し、前記導波路部の少なくとも一部の幅は、前記導波路部の長手方向である共振器長方向の位置に対して変調されており、前記導波路部の幅方向と交差する側面と前記共振器長方向とのなす角度は、前記導波路部の内側及び前記導波路部の外側の有効屈折率で規定される限界角度より大きく、前記窒化物半導体レーザ素子は、前記導波路部の前記側面に形成される凹部に配置され、前記誘電体層より屈折率が高い高屈折率部をさらに備える。

このように、導波路部の側面と共振器長方向とのなす角度が大きい場合、導波路部の幅が狭い部分、つまり、導波路部の側面に形成される凹部において、レーザ光が導波路部の外側を伝搬する。本開示に係る窒化物半導体レーザ素子では、導波路部の側面に形成される凹部に高屈折率部を備えるため、導波路部の外側を伝搬するレーザ光を高屈折率部へ移動させることができる。したがって、導波路部の外側を伝搬するレーザ光が基板へ移動することによって生じる基板モードを低減できるため、基板モードに起因する垂直ＦＦＰにおけるリップルを抑制できる。

また、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様において、前記限界角度は、前記レーザ光が前記側面において全反射する角度の最大値であってもよい。

これにより、導波路部の側面に入射したレーザ光が全反射することが抑制されるため、レーザ光がより確実に導波路部の外側を伝搬する。このため、高屈折率部による効果がより一層顕著となる。

また、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様において、前記高屈折率部は、窒化物半導体で形成されてもよい。

これにより、高屈折率部を第２半導体層と同一の工程で形成することが可能となるため、窒化物半導体レーザ素子の製造工程を簡素化できる。

また、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様において、前記高屈折率部は、誘電体で形成されてもよい。

また、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様において、前記高屈折率部の少なくとも一部は、イオンが注入されたイオン注入領域であってもよい。

これにより、導波路部外に配置されたイオン注入領域で光が吸収されるため、導波路部外を通過する高次モードの損失を高めることができ、基本モード（つまり、基本横モード）の比率を高めることができる。

また、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様において、前記基板は、前記第１半導体層に対向する主面のうち前記高屈折率部の下方に位置する領域に配置され、凹凸状の形状を有する散乱部を有してもよい。

このような散乱部により、導波路部外を通過する高次モードを散乱させることができるため、フロント側端面から出射されるレーザ光に含まれる高次モードを低減できる。したがって、フロント側端面から出射されるレーザ光に含まれる基本モードの比率を高めることができる。

本開示によれば、垂直ＦＦＰにおけるリップルを抑制できる窒化物半導体レーザ素子を提供できる。

図１Ａは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を示す模式的な上面図である。 図１Ｂは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を示す模式的な断面図である。 図１Ｃは、実施の形態１に係る導波路部内外の屈折率差と限界角度との関係の計算結果を示すグラフである。 図１Ｄは、実施の形態１に係る導波路部の幅の極大値を固定し、限界角度をパラメータとして変化させた場合の、距離と、導波路部の幅の極小値との関係の計算結果を示すグラフである。 図２Ａは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法における、第１半導体層、発光層及び第２半導体層の各層を形成する工程を示す模式的な断面図である。 図２Ｂは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法における第１保護膜を成膜する工程を示す模式的な断面図である。 図２Ｃは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法における第１保護膜をパターニングする工程を示す模式的な断面図である。 図２Ｄは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法における導波路部、平坦部及び高屈折率部を形成する工程を示す模式的な断面図である。 図２Ｅは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法における誘電体層を成膜する工程を示す模式的な断面図である。 図２Ｆは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法におけるｐ側電極を形成する工程を示す模式的な断面図である。 図２Ｇは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法におけるパッド電極を形成する工程を示す模式的な断面図である。 図２Ｈは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法におけるｎ側電極を形成する工程を示す模式的な断面図である。 図３Ａは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子が実装された半導体レーザ装置の模式的な上面図である。 図３Ｂは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子が実装された半導体レーザ装置の模式的な断面図である。 図４Ａは、比較例１の窒化物半導体レーザ素子の構成を簡略化して示す上面図である。 図４Ｂは、比較例１の窒化物半導体レーザ素子におけるレーザ光の基本モード光分布を示す第１の断面図である。 図４Ｃは、比較例１の窒化物半導体レーザ素子におけるレーザ光の基本モード光分布を示す第２の断面図である。 図４Ｄは、比較例２の窒化物半導体レーザ素子の構成を簡略化して示す上面図である。 図５は、比較例１及び比較例２の窒化物半導体レーザ素子の各導波路部の構造を変えた場合の垂直ＦＦＰの実験結果を示すグラフである。 図６Ａは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を簡略化して示す上面図である。 図６Ｂは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子におけるレーザ光の基本モード光分布を示す断面図である。 図７Ａは、実施の形態２に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を示す模式的な上面図である。 図７Ｂは、実施の形態２に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を示す模式的な断面図である。 図８Ａは、実施の形態２に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法における第１半導体層、発光層及び第２半導体層を積層し、導波路部及び平坦部を形成する工程を示す模式的な断面図である。 図８Ｂは、実施の形態２に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法における高屈折率部及び第２保護膜を形成する工程を示す模式的な断面図である。 図８Ｃは、実施の形態２に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法における高屈折率部をパターニングする工程を示す模式的な断面図である。 図８Ｄは、実施の形態２に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法における誘電体層及びｐ側電極を形成する工程を示す模式的な断面図である。 図９Ａは、実施の形態３に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を示す模式的な上面図である。 図９Ｂは、実施の形態３に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を示す模式的な断面図である。 図１０Ａは、実施の形態４に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を示す模式的な上面図である。 図１０Ｂは、実施の形態４に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を示す模式的な断面図である。 図１１は、実施の形態５に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を示す模式的な上面図である。 図１２は、従来の窒化物半導体レーザ素子の構成を示す上面図である。

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。

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。

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。

また、本明細書及び図面において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、三次元直交座標系の三軸を表している。Ｘ軸及びＹ軸は、互いに直交し、且つ、いずれもＺ軸に直交する軸である。

（実施の形態１）
実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子について説明する。

［窒化物半導体レーザ素子の構成］
まず、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の構成について、図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明する。図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の構成を示す模式的な上面図及び断面図である。図１Ｂには、図１ＡのＩＢ−ＩＢ線における窒化物半導体レーザ素子１の断面が示されている。

本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１は、レーザ光を出射し、窒化物半導体を含む素子である。図１Ｂに示すように、基板１０と、第１半導体層２０と、発光層３０と、第２半導体層４０と、誘電体層６０と、高屈折率部４４とを備える。本実施の形態では、窒化物半導体レーザ素子１は、電極部材５０と、ｎ側電極８０とをさらに備える。窒化物半導体レーザ素子１は、フロント側端面Ｃｆとリア側端面Ｃｒとで形成される共振器を有し、フロント側端面Ｃｆからレーザ光を出射する。

基板１０は、例えば、ＧａＮ基板である。本実施の形態では、基板１０として、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板を用いている。基板１０の厚さは、窒化物半導体レーザ素子１を個片化する際のへき開ができる厚さであればよく、例えば、５０μｍ以上、１３０μｍ以下である。本実施の形態では、基板１０の厚さは９０μｍである。

第１半導体層２０は、基板１０の上方に配置されている第１導電型の窒化物半導体層である。本実施の形態では、第１半導体層２０は、厚さ３μｍのｎ型Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎからなるｎ側クラッド層である。なお、第１半導体層２０の厚さやＡｌ組成は上記の例に限定されない。例えば、第１半導体層２０の厚さは０．５μｍ以上、５．０μｍ以下であってもよく、Ａｌ組成はｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）であってもよい。また、第１半導体層２０は、ｎ型Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ以外のｎ型半導体層を含んでいてもよい。なお、ｎ側クラッド層の厚さ及びＡｌ組成の少なくとも一方が大き過ぎる場合、ＧａＮ基板との格子定数差に起因するクラックの発生や、直列抵抗の増加に起因する動作電圧の増加といった不具合が生じ得る。

発光層３０は、第１半導体層２０の上方に配置されている窒化物半導体層である。本実施の形態では、発光層３０は、厚さ０．２μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ側光ガイド層３１と、厚さ５ｎｍのＩｎ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎ量子井戸層を厚さ１０ｎｍのＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ障壁層で挟んだ活性層３２と、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ側光ガイド層３３との積層構造を有する。本実施の形態では、活性層３２は、２層の量子井戸層を含み、それぞれの量子井戸層は障壁層で挟まれている。なお、量子井戸層の数は２層に限定されることはなく、１層でも３層以上であってもよい。また、量子井戸層及び障壁層のＩｎ組成及び厚さはこれに限定されず、およそ４００ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の光を放射できる組成及び厚さであればよい。

第２半導体層４０は、発光層３０の上方に配置されている第２導電型の窒化物半導体層であり、レーザ光を導波する導波路部４０ａを有する。ここで、第２導電型は、第１導電型と異なる導電型である。本実施の形態では、第２半導体層４０は、厚さ１０ｎｍのＡｌ_０．３５Ｇａ_０．６５Ｎからなる電子障壁層４１と、厚さ１．５ｎｍのｐ型Ａｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎと厚さ１．５ｎｍのｐ型ＧａＮとを２２０周期繰り返して形成した厚さ０．６６μｍの歪超格子からなるｐ側クラッド層４２と、厚さ０．０５μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ側コンタクト層４３との積層構造を有する。ｐ側コンタクト層４３は、導波路部４０ａの最上層として形成されている。なお、ｐ側クラッド層４２の構成はこれに限定されない。ｐ側クラッド層４２の厚さは、例えば、０．３μｍ以上、１μｍ以下であってもよく、組成はｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）であってもよい。

ｐ側クラッド層４２は、共振器長方向に延びる凸部を有している。このｐ側クラッド層４２の凸部とｐ側コンタクト層４３とによってストライプ状（言い換えるとリッジ状）の導波路部４０ａが構成されている。また、ｐ側クラッド層４２は、導波路部４０ａの両側方に、平坦部４０ｂとして平面部を有している。つまり、平坦部４０ｂの最上面は、ｐ側クラッド層４２の表面であり、平坦部４０ｂの最上面にはｐ側コンタクト層４３が形成されていない。

導波路部４０ａの高さ（つまり、Ｚ軸方向の寸法）は、特に限定されないが、一例として、１００ｎｍ以上１μｍ以下である。窒化物半導体レーザ素子１を高い光出力（例えばワットクラス）で動作させるには、導波路部４０ａの高さを、３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下にしてもよい。本実施の形態では、導波路部４０ａの高さは、６５０ｎｍである。

また、図１Ａに示すように、導波路部４０ａの少なくとも一部の幅は、導波路部４０ａの長手方向である共振器長方向（つまり、各図のＹ軸方向）の位置に対して変調されている。ここで、導波路部４０ａの幅とは、導波路部４０ａの、共振器長方向及び第２半導体層４０の厚さ方向（つまり、各図のＺ軸方向）に垂直な方向の寸法である。導波路部４０ａの詳細構成については後述する。

電極部材５０は、第２半導体層４０の上方に配置されている。電極部材５０は、導波路部４０ａよりも幅広である。つまり、電極部材５０の幅（つまり、各図のＸ軸方向の幅）は、導波路部４０ａの幅（つまり、各図のＸ軸方向の幅）よりも大きい。電極部材５０は、誘電体層６０及び導波路部４０ａの上面と接触している。

本実施の形態において、電極部材５０は、電流供給のためのｐ側電極５１と、ｐ側電極５１の上方に配置されたパッド電極５２とを有する。

ｐ側電極５１は、導波路部４０ａの上面と接触している。ｐ側電極５１は、導波路部４０ａの上方においてｐ側コンタクト層４３とオーミック接触するオーミック電極であり、導波路部４０ａの上面であるｐ側コンタクト層４３の上面と接触している。ｐ側電極５１は、例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉなどの金属材料を用いて形成される。本実施の形態において、ｐ側電極５１は、Ｐｄ／Ｐｔの２層構造を有する。

パッド電極５２は、導波路部４０ａよりも幅広であって、誘電体層６０と接触している。つまり、パッド電極５２は、導波路部４０ａ及び誘電体層６０を覆うように形成されている。パッド電極５２は、例えば、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕなどの金属材料を用いて形成される。本実施の形態において、パッド電極５２は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層構造を有する。

なお、図１Ａに示すように、パッド電極５２は、窒化物半導体レーザ素子１を個片化する際の歩留まりを向上させるために、窒化物半導体レーザ素子１の上面視において、誘電体層６０の内側（つまり、第２半導体層４０の内側）に形成されている。すなわち、窒化物半導体レーザ素子１を上面視した場合に、パッド電極５２は、窒化物半導体レーザ素子１の端部周縁には形成されていない。つまり、窒化物半導体レーザ素子１は、端部周縁に電流が供給されない非電流注入領域を有する。

誘電体層６０は、第２半導体層４０の上方に配置される。誘電体層６０は、導波路部４０ａに光を閉じ込めるために、導波路部４０ａの側面（つまり、Ｘ軸方向と交差する面）に形成された導波路部４０ａより屈折率が低い絶縁膜である。具体的には、誘電体層６０は、導波路部４０ａの側面から平坦部４０ｂにわたって連続的に形成されている。本実施の形態において、誘電体層６０は、導波路部４０ａの周辺において、ｐ側コンタクト層４３の側面とｐ側クラッド層４２の凸部の側面とｐ側クラッド層４２の上面とにわたって連続して形成されている。本実施の形態では、誘電体層６０は、ＳｉＯ_２で形成される。

誘電体層６０の形状は、特に限定されるものではないが、誘電体層６０は、導波路部４０ａの側面及び平坦部４０ｂと接していてもよい。これにより、導波路部４０ａの直下で発生した光を安定的に閉じ込めることができる。

また、高い光出力で動作させること（つまり高出力動作）を目的とした窒化物半導体レーザ素子１では、フロント側端面Ｃｆには誘電体多層膜などの端面コート膜が形成される。この端面コート膜は、端面のみに形成することが難しく、窒化物半導体レーザ素子１の上面にも回りこむ。この場合、窒化物半導体レーザ素子１の共振器長方向（つまり、各図のＹ軸方向）の端部では、パッド電極５２が形成されていないため、端面コート膜が上面にまで回りこんでしまうと、窒化物半導体レーザ素子１の共振器長方向の端部で誘電体層６０と端面コート膜とが接してしまう場合がある。この際、誘電体層６０が形成されていない場合、又は、誘電体層６０の膜厚が光閉じ込めに対して薄い場合には、光が端面コート膜の影響を受けるため、光損失の原因となる。そこで、発光層３０で発生した光を十分に閉じ込めるために、誘電体層６０の膜厚は、１００ｎｍ以上であってもよい。一方、誘電体層６０の膜厚が厚過ぎると、パッド電極５２の形成が困難となるため、誘電体層６０の膜厚は、導波路部４０ａの高さ以下であってもよい。

また、導波路部４０ａの側面及び平坦部４０ｂには、導波路部４０ａを形成する際のエッチング工程でエッチングダメージが残存してリーク電流が発生する場合があるが、導波路部４０ａ及び平坦部４０ｂを誘電体層６０で被覆することで、不要なリーク電流の発生を低減できる。

高屈折率部４４は、図１Ａに示すように、導波路部４０ａの側面に形成される凹部４０ｄに配置される。言い換えると、高屈折率部４４は、導波路部４０ａの幅が狭くなった部分の幅方向における外側に配置される。高屈折率部４４は、誘電体層６０より屈折率が高い。本実施の形態では、高屈折率部４４は、第２半導体層４０の少なくとも一部と同一の材料で形成される。つまり、高屈折率部４４は、窒化物半導体で形成される。高屈折率部４４は、第２半導体層４０の一部として形成される。つまり、高屈折率部４４は、導波路部４０ａと同様にｐ側クラッド層４２及びｐ側コンタクト層４３からなる。高屈折率部４４は、導波路部４０ａの側面に形成される複数の凹部４０ｄの各々に配置される。高屈折率部４４は、三角柱状の形状を有し、共振器長方向の位置によって幅（つまり、各図のＸ軸方向の寸法）が異なる。導波路部４０ａの幅が小さくなる共振器長方向の位置において、高屈折率部４４の幅が大きくなる。

ｎ側電極８０は、基板１０の下方に配置された電極であり、基板１０とオーミック接触するオーミック電極である。ｎ側電極８０は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる積層膜である。ｎ側電極８０の構成はこれに限定されない。ｎ側電極８０は、Ｔｉ及びＡｕが積層された積層膜であってもよい。

［導波路部及び高屈折率部の詳細構成］
次に、本実施の形態に係る導波路部及び高屈折率部の詳細構成について説明する。

上述のとおり、第２半導体層４０は、共振器長方向（つまり、各図のＹ軸方向）に延在するストライプ状の凸部からなる導波路部４０ａと、導波路部４０ａの根元から横方向（つまり、各図のＸ軸方向）に広がる平坦部４０ｂとを有する。

導波路部４０ａの少なくとも一部の幅は、導波路部４０ａの共振器長方向の位置に対して変調されている。つまり、共振器長方向の位置に対して、導波路部４０ａの幅が変動する。本実施の形態では、導波路部４０ａの幅は連続的に変化しており、幅の広い部分と幅の狭い部分とがＹ軸方向に交互に配置される。ここで、図１Ａに示すように、導波路部４０ａの幅の極大値をＷａ、幅の極小値をＷｂとする。また、導波路部４０ａの幅が極大となる位置から、幅が極小となる位置のうち、フロント側（図１Ａの上側）に位置するものまでのＹ軸方向の最短距離をＬａと定義し、導波路部４０ａの幅が極大となる位置から、幅が極小となる位置のうち、リア側（図１Ａの下側）に位置するものまでのＹ軸方向の最短距離をＬｂと定義する。また、本実施の形態では、導波路部４０ａの幅は直線状に変化している。導波路部４０ａの側面のうち、導波路部４０ａの幅が極大となる位置のフロント側及びリア側に位置する側面と、共振器長方向とがなす角度をそれぞれθａ及びθｂと定義すると、以下の関係が成り立つ。

θａ＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｗａ−Ｗｂ）／（２×Ｌａ）｝・・・（式１）
θｂ＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｗａ−Ｗｂ）／（２×Ｌｂ）｝・・・（式２）

このθａ、θｂの値が、後述する限界角度（θｃと定義）より大きくなる。すなわち、以下の関係を満たすように、Ｗａ、Ｗｂ、Ｌａ及びＬｂが設定される。

θａ＞θｃ、かつ、θｂ＞θｃ・・・・・・・・・・・・・・（式３）

言い換えると、導波路部４０ａの幅方向（つまり、Ｘ軸方向）の側面と共振器長方向とのなす角度は、導波路部４０ａの内側及び導波路部４０ａの外側の有効屈折率で規定される限界角度θｃより大きい。本実施の形態では、限界角度θｃは、レーザ光が導波路部４０ａの側面において全反射する角度の最大値である。

一例として、導波路部４０ａの幅は１μｍ以上１００μｍ以下である。窒化物半導体レーザ素子１を高い光出力（例えばワットクラス）で動作させるには、導波路部４０ａの幅の極大値Ｗａを１０μｍ以上５０μｍ以下に設定してもよい。導波路部４０ａの幅の極小値Ｗｂが小さいほど高次モード成分を低減できるが、小さくなり過ぎると基本モード成分（つまり、基本横モード成分）も損失を受けて低減されてしまう。一方、導波路部４０ａの幅の極小値Ｗｂを大きくすると、高次モード成分の低減効果が小さくなる。基本モードの強度を維持しつつ高次モード成分を効率よく抑制するために、導波路部４０ａの幅の極小値Ｗｂは、幅の極大値Ｗａのおよそ１／４以上、３／４以下にしてもよい。

また、距離Ｌａ及びＬｂを小さくし過ぎるとθａ及びθｂが大きくなるため（式３）を満たさなくなる。一方、距離Ｌａ及びＬｂを大きくし過ぎると、導波路部４０ａ内で幅が狭くなる部分の数が減るため、高次モードの抑制効果が小さくなる。本実施の形態では、Ｗａ＝１６μｍ、Ｗｂ＝１０μｍ、Ｌａ＝Ｌｂ＝３０μｍである。このとき、θａ＝θｂ＝５．７°となる。

また、（式１）及び（式２）の条件を満たせば、Ｌａ≠Ｌｂであってもよい。Ｌａ≠Ｌｂとすると、光が共振器内をＹ軸方向に往復する中で、往路と復路とで高次モードへの損失を異ならせることができる。例えば、Ｌａ＞Ｌｂとすると、光がリア側からフロント側へ進行する際の高次モードへの損失を高めることができる。また、共振器内でのリア側からフロント側に向かって幅が狭くなる部分（つまり、図１Ａの距離Ｌａの部分）の割合が増加するため、高次モードへの損失がより増加する。

また、上述のとおり、導波路部４０ａの側面の凹部４０ｄ（つまり、導波路部４０ａの幅が狭くなる部分の外側）には、ｐ側クラッド層４２及びｐ側コンタクト層４３からなる高屈折率部４４が配置されている。高屈折率部４４は導波路部４０ａが狭くなる部分（つまり、幅が極小値Ｗｂとなる位置の近傍の部分）の外側に形成されており、幅が広い部分（つまり、幅が極大値Ｗａとなる位置）の外側には形成されていない。本実施の形態では、導波路部４０ａと高屈折率部４４とは、導波路部４０ａの幅方向（つまり、各図のＸ軸方向）に一定の距離ｄｄ離れている。高屈折率部４４が、導波路部４０ａ外を伝搬する光に効果を与えるには、以下の（式４）を満たす必要がある。

Ｗｂ＋２×ｄｄ＜Ｗａ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（式４）

ここで、距離ｄｄが小さすぎると、基本モード成分のうち高屈折率部４４に導かれる割合が多くなることで、導波路部４０ａの外側に広がる。これに伴い、基本モードの損失が増加するため、距離ｄｄはある程度大きくする必要がある。発明者の検討の結果、距離ｄｄが１μｍ以上で基本モード成分の損失を抑制できる。また、高屈折率部４４の導波路部４０ａと反対側の端部の幅方向（つまり、各図のＸ軸方向）における位置は、導波路部４０ａの幅が極大値Ｗａとなる部分の幅方向の端部の位置と同じか、それよりも外側であってもよい。本実施の形態では、ｄｄ＝２μｍとし、高屈折率部４４の導波路部４０ａと反対側の端部の幅方向における位置は、導波路部４０ａの幅が極大値Ｗａとなる部分の幅方向の端部の位置と同じである。

また、高屈折率部４４のｐ側コンタクト層４３上には誘電体層６０が形成されており、この部分からの電流注入は行われない。本実施の形態では、高屈折率部４４を誘電体層６０で被覆したが、例えば、パッド電極５２が、Ａｕなどの、ｐ側コンタクト層４３とショットキー接続する材料で形成されていれば、ｐ側コンタクト層４３上にパッド電極５２を直接形成してもよい。

次に、限界角度θｃの求め方について説明する。本実施の形態では、等価屈折率法を用いて、３次元の導波路部４０ａの構造（つまり、リッジ構造）を２次元スラブ導波路構造で近似して計算を行った。まず、図１ＢのＺ１−Ｚ１線における各層の厚さと屈折率を用いて、積層方向の光分布及び等価屈折率（つまり、有効屈折率）を計算する。詳細は省略するが、２次元のスカラ波動方程式を離散化して、固有値問題を解くことで、等価屈折率を計算した。図１ＢのＺ１−Ｚ１線における等価屈折率をｎｉと定義すると、本実施の形態では、ｎｉ＝２．５３５が得られた。同様に、図１ＢのＺ２−Ｚ２線における等価屈折率をｎｏと定義すると、ｎｏ＝２．５２７が得られた。これらの値は、各半導体層の厚さ及び屈折率に依存するが、本実施の形態のように凸部を有する導波路構造の場合は、常にｎｉ＞ｎｏの関係を満たす。

次に、スネルの法則を用いて全反射条件を満たすときの角度の最大値（この角度を限界角度θｃと定義する）を計算する。スネルの法則より、限界角度θｃは、以下の式で表される。

θｃ＝９０−ａｒｃｓｉｎ（ｎｏ／ｎｉ）

本実施の形態では、θｃ＝４．６°が得られ、（式３）の関係を満たす。

なお、限界角度θｃは各層の厚さ、屈折率、及び導波路部４０ａの高さに依存するため、本実施の形態以外の構造では、構造毎に計算が必要である。ここで、導波路部４０ａの内外の屈折率差と限界角度θｃとの関係について、図１Ｃを用いて説明する。図１Ｃは、本実施の形態に係る導波路部４０ａ内外の屈折率差（ｎｉ−ｎｏ）と限界角度θｃとの関係の計算結果を示すグラフである。ここではｎｉ＝２．５３５として計算した。導波路部４０ａ内部と導波路部４０ａ外部の屈折率差が大きくなるほど、限界角度θｃが大きくなることがわかる。

続いて、所定の限界角度θｃを実現するため導波路部４０ａの形状例について図１Ｄを用いて説明する。図１Ｄは、本実施の形態に係る導波路部４０ａの幅の極大値Ｗａを固定し、限界角度θｃをパラメータとして変化させた場合の、距離Ｌａと、導波路部４０ａの幅の極小値Ｗｂとの関係の計算結果を示すグラフである。図１Ｄには、導波路部４０ａの幅の極大値Ｗａを１６μｍとした場合の、（式３）を満たす距離Ｌａと、導波路部４０ａの幅の極小値Ｗｂとをそれぞれの限界角度θｃに対して計算した結果が示されている。図１Ｄ中の各直線よりも下の領域で、（式３）の条件を満たす。距離Ｌｂについても同様に計算できる。

本実施の形態では、導波路部４０ａの幅を直線状に変化させたが、（式３）の条件を満たすなら曲線状に変化させてもよい。また、導波路部４０ａ中の一部の領域に幅が変化しない領域があってもよい。

［窒化物半導体レーザ素子の製造方法］
次に、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の製造方法について、図２Ａ〜図２Ｈを用いて説明する。図２Ａ〜図２Ｈは、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の製造方法における各工程を示す模式的な断面図である。

まず、図２Ａに示すように、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板である基板１０上に、有機金属気層成長法（Metalorganic Chemical Vapor Deposition；ＭＯＣＶＤ法）を用いて、第１半導体層２０、発光層３０及び第２半導体層４０を順次成膜する。

具体的には、厚さ４００μｍの基板１０の上に、第１半導体層２０としてｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ側クラッド層を３μｍ成長させる。続いて、ｎ型ＧａＮからなるｎ側光ガイド層３１を０．２μｍ成長させる。続いて、ＩｎＧａＮからなるバリア層とＩｎＧａＮ量子井戸層との２周期からなる活性層３２を成長させる。続いて、ｐ型ＧａＮからなるｐ側光ガイド層３３を０．１μｍ成長させる。続いて、ＡｌＧａＮからなる電子障壁層４１を１０ｎｍ成長させる。続いて、膜厚１．５ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層と膜厚１．５ｎｍのＧａＮ層とを２２０周期繰り返して形成した厚さ０．６６μｍの歪超格子からなるｐ側クラッド層４２を成長させる。続いて、ｐ型ＧａＮからなるｐ側コンタクト層４３を０．０５μｍ成長させる。ここで、各層において、Ｇａ、Ａｌ及びＩｎを含む有機金属原料には、それぞれ例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアンモニウム（ＴＭＡ）及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いる。また、窒素原料には、アンモニア（ＮＨ_３）を用いる。

次に、図２Ｂに示すように、第２半導体層４０上に、第１保護膜９１を成膜する。具体的には、ｐ側コンタクト層４３の上に、シラン（ＳｉＨ_４）を用いたプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって、第１保護膜９１として、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）を３００ｎｍ成膜する。なお、第１保護膜９１の成膜方法は、プラズマＣＶＤ法に限るものではなく、例えば、熱ＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法、又は、パルスレーザー成膜法など、公知の成膜方法を用いることができる。また、第１保護膜９１の成膜材料は、上記のものに限るものではなく、例えば、誘電体や金属など、後述する第１半導体層２０のエッチングに対して、選択性のある材料であればよい。

次に、図２Ｃに示すように、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を用いて、第１保護膜９１が所定形状に残るように、第１保護膜９１を選択的に除去する。当該所定形状とは、図１Ａに示す導波路部４０ａ及び高屈折率部４４の上面視における形状である。所定形状の第１保護膜９１には、導波路部４０ａに対応する部分と、高屈折率部４４に対応する部分が含まれる。導波路部４０ａに対応する部分は、幅が共振器長方向の位置に対して変調された帯状の部分であり、高屈折率部４４に対応する部分は、帯状の部分の凹部４０ｄに配置された島状の部分である。

リソグラフィー法としては、短波長光源を利用したフォトリソグラフィー法や、電子線で直接描画する電子線リソグラフィー法、またナノインプリント法などを用いることができる。エッチング法としては、例えば、ＣＦ_４などのフッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によるドライエッチング、又は、１：１０程度に希釈した弗化水素酸（ＨＦ）などを用いたウェットエッチングを用いることができる。

次に、図２Ｄに示すように、所定形状に形成された第１保護膜９１をマスクとして、ｐ側コンタクト層４３及びｐ側クラッド層４２をエッチングすることで、第２半導体層４０に導波路部４０ａ、平坦部４０ｂ及び高屈折率部４４を形成する。具体的には、図２Ｄに示す水平方向中央に位置する第１保護膜９１の下方に、導波路部４０ａが形成され、当該第１保護膜９１の側方（つまり、Ｘ軸方向）に位置する第１保護膜９１の下方に、高屈折率部４４が形成される。また、第１保護膜９１が形成されていない領域のｐ側コンタクト層４３及びｐ側クラッド層４２がエッチングされることで平坦部４０ｂが形成される。ｐ側コンタクト層４３及びｐ側クラッド層４２のエッチングとしては、Ｃｌ_２などの塩素系ガスを用いたＲＩＥ法によるドライエッチングを用いてもよい。

次に、図２Ｅに示すように、所定形状の第１保護膜９１を弗化水素酸などを用いたウェットエッチングによって除去した後、ｐ側コンタクト層４３及びｐ側クラッド層４２を覆うように、誘電体層６０を成膜する。つまり、導波路部４０ａ、平坦部４０ｂ及び高屈折率部４４の上に誘電体層６０を形成する。誘電体層６０としては、例えば、シラン（ＳｉＨ_４）を用いたプラズマＣＶＤ法によって、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）を３００ｎｍ成膜する。

次に、図２Ｆに示すように、フォトリソグラフィー法と弗化水素酸を用いたウェットエッチングとにより、導波路部４０ａ上の誘電体層６０のみを除去して、ｐ側コンタクト層４３の上面を露出させる。その後、真空蒸着法及びリフトオフ法を用いて、導波路部４０ａ上のみにＰｄ／Ｐｔからなるｐ側電極５１を形成する。具体的には、誘電体層６０から露出させたｐ側コンタクト層４３の上にｐ側電極５１を形成する。なお、ｐ側電極５１の成膜方法は、真空蒸着法に限るものではなく、スパッタ法又はパルスレーザー成膜法などであってもよい。また、ｐ側電極５１の電極材料は、Ｎｉ／Ａｕ系、Ｐｔ系など、第２半導体層４０（ｐ側コンタクト層４３）とオーミック接触する材料であればよい。

次に、図２Ｇに示すように、ｐ側電極５１及び誘電体層６０を覆うようにパッド電極５２を形成する。具体的には、フォトリソグラフィー法などによって、形成したい部分以外にネガ型レジストをパターニングし、基板１０の上方の全面に真空蒸着法などによってＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるパッド電極５２を形成し、リフトオフ法を用いて不要な部分の電極を除去する。これにより、ｐ側電極５１及び誘電体層６０の上に所定形状のパッド電極５２を形成できる。以上のように、ｐ側電極５１及びパッド電極５２からなる電極部材５０が形成される。

次に、図２Ｈに示すように、基板１０の下面（つまり、第１半導体層２０などが配置された主面の裏側の主面）にｎ側電極８０を形成する。具体的には、基板１０の下面に真空蒸着法などによってＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ側電極８０を形成し、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を用いてパターニングすることで、所定形状のｎ側電極８０を形成する。

以上のように、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１を製造することができる。本実施の形態では、上述のとおり高屈折率部４４が、窒化物半導体で形成される。これにより、高屈折率部４４を第２半導体層４０と同一の工程で形成することが可能となるため、窒化物半導体レーザ素子１の製造工程を簡素化できる。

［窒化物半導体レーザ素子の実装形態］
次に、図３Ａ及び図３Ｂを用いて、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１の実装形態を説明する。図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１が実装された半導体レーザ装置２の模式的な上面図及び断面図である。図３Ｂには、図３ＡのＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線における半導体レーザ装置２の断面が示されている。

本実施の形態に係る半導体レーザ装置２は、図３Ｂに示すように、窒化物半導体レーザ素子１と、サブマウント１００とを備える。

図３Ｂに示すように、サブマウント１００は、基台１０１と、第１電極１０２ａと、第２電極１０２ｂと、第１接着層１０３ａと、第２接着層１０３ｂとを有する。

基台１０１は、窒化物半導体レーザ素子１の基板１０の下方に配置された基台であり、ヒートシンクとして機能する。基台１０１の材料は、特に限定されるものではないが、アルミナイトライド（ＡｌＮ）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）などのセラミック、ＣＶＤで成膜されたダイヤモンド（Ｃ）、Ｃｕ、Ａｌなどの金属単体、又は、ＣｕＷなどの合金など、窒化物半導体レーザ素子１と比べて熱伝導率が同等かそれ以上の材料で構成されていてもよい。

第１電極１０２ａは、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、基台１０１の一方の面に配置される。また、第２電極１０２ｂは、基台１０１の他方の面に配置される。第１電極１０２ａ及び第２電極１０２ｂは、例えば、膜厚０．１μｍのＴｉ、膜厚０．２μｍのＰｔ及び膜厚０．２μｍのＡｕの三つの金属膜からなる積層膜である。

第１接着層１０３ａは、第１電極１０２ａ上に配置される。第２接着層１０３ｂは、第２電極１０２ｂ上に配置される。第１接着層１０３ａ及び第２接着層１０３ｂは、例えば、Ａｕ及びＳｎがそれぞれ７０％及び３０％の含有率で含まれる金スズ合金からなる共晶半田である。

窒化物半導体レーザ素子１は、サブマウント１００に実装される。本実施の形態では、窒化物半導体レーザ素子１のｐ側（つまり、電極部材５０側）がサブマウント１００に接続される実装形態、つまりジャンクションダウン実装であるので、窒化物半導体レーザ素子１のパッド電極５２がサブマウント１００の第１接着層１０３ａに接続される。

なお、本実施の形態のように、第１接着層１０３ａに金スズ半田を用いて実装する場合、金スズ半田がパッド電極５２の金や第１電極１０２ａの金と共晶反応を起こすため、境界を判別するのが困難となることがある。その場合は、第１接着層１０３ａの厚さは、パッド電極５２の金スズ半田と共晶反応しない層（例えば、Ｐｔ）から、第１電極１０２ａの金スズ半田と共晶反応しない層（例えば、Ｐｔ）までの距離と定義する。

また、ワイヤボンディングによって、窒化物半導体レーザ素子１のパッド電極５２及びサブマウント１００の第１電極１０２ａの各々には、ワイヤ１１０が接続される。これにより、ワイヤ１１０によって窒化物半導体レーザ素子１に電流を供給することができる。

なお、図示しないが、サブマウント１００は、放熱性の向上及び取り扱いの簡便化の目的で、例えば、ＣＡＮパッケージなどの金属パッケージに実装される。つまり、サブマウント１００は、第２接着層１０３ｂによって金属パッケージに接着される。なお、基台１０１自体がパッケージとして機能してもよい。この場合、サブマウント１００は、第２接着層１０３ｂを備えなくてもよい。

［窒化物半導体レーザ素子の作用効果］
次に、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の作用効果について比較例と比較しながら説明する。まず、比較例の窒化物半導体レーザ素子の作用について図４Ａ〜図５を用いて説明する。図４Ａは、比較例１の窒化物半導体レーザ素子の構成を簡略化して示す上面図である。なお、図４Ａには、比較例１の窒化物半導体レーザ素子のレーザ光の基本モードの光分布、及び、高次モードの光分布の一例の概略図が併せて示されている。図４Ｂ及び図４Ｃは、比較例１の窒化物半導体レーザ素子におけるレーザ光の基本モード光分布ＤＬ１及びＤＬ２を示す断面図である。図４Ｂ及び図４Ｃには、それぞれ、図４ＡのＩＶＢ−ＩＶＢ線及びＩＶＣ−ＩＶＣ線における断面と、当該断面における基本モード光分布ＤＬ１及びＤＬ２とが示されている。図４Ｄは、比較例２の窒化物半導体レーザ素子の構成を簡略化して示す上面図である。

図４Ａに示す比較例１の窒化物半導体レーザ素子は、高屈折率部を備えない点にておい、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１と相違し、その他の点において一致する。比較例１の窒化物半導体レーザ素子においては、レーザ発振時においてレーザ光が導波路部４０ａ中をＹ軸方向へと伝搬する。このとき、導波路部４０ａの幅が狭い部分が存在しても、光はおおむねＹ軸方向へと伝搬する。つまり図４Ａは、導波路部４０ａ内外で全反射条件を満たさない場合（つまり、θａ＞θｃ、θｂ＞θｃ）の模式図である。図４Ａにおいて破線矢印で、光の伝搬の様子が示されている。導波路部４０ａの幅が狭くなる部分では光はリッジ内外の屈折率差の影響で、わずかに内側に進行するが、全反射条件を満たさないので、大部分の光は導波路部４０ａ外を通りＹ軸方向へと進行する。

図４Ｂの基本モード光分布ＤＬ１に示すように、導波路部４０ａ内を伝搬する光は、活性層３２近傍に閉じ込められるように設計されている。すなわち、導波路部４０ａ内を伝搬する光は、基板１０にかからないように設計されている。しかしながら、図４Ｃの基本モード光分布ＤＬ２に示すように、導波路部４０ａ外を伝搬する光は、導波路部４０ａ外の部分のｐ側クラッド層４２の厚さが薄いため、基板１０側へと押し下げられる。すると、活性層３２から第１半導体層２０（ｎ側クラッド層）の間、及び、第１半導体層２０から基板１０の間で、基板モードと呼ばれる垂直方向の高次モードが励振される。この基板モードが生じると、垂直ＦＦＰにリップルが生じる。このようなリップルは、特に、導波路部４０ａの外側に光強度のピークをもつ高次モードによって増大される。

図４Ｄに示す比較例２の窒化物半導体レーザ素子は、導波路部１０４０ａを備える。比較例２の窒化物半導体レーザ素子は、高屈折率部を備えない点、及び、導波路部１０４０ａ内外で全反射条件を満たす（つまり、θａ＜θｃ、θｂ＜θｃを満たす）点において、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１と相違し、その他の点において一致する。比較例２の窒化物半導体レーザ素子では、導波路部１０４０ａ内外の屈折率差が全反射条件を満たすので、図４Ｄ中の破線矢印で示したように、光は導波路部１０４０ａの幅方向の端で反射され、導波路部１０４０ａ外へと放射される。すなわち、レーザ光として外部に出射される光は導波路部１０４０ａ外を伝搬しないので、図４Ａに示す比較例１で生じた基板モードは、比較例２の導波路部１０４０ａの構造では抑制される。よって、比較例２の窒化物半導体レーザ素子によれば、垂直ＦＦＰにおけるリップルを抑制できる。

図５は、比較例１及び比較例２の窒化物半導体レーザ素子の各導波路部の構造を変えた場合の垂直ＦＦＰの実験結果を示すグラフである。本実験では、Ｌａ＝Ｌｂ、Ｗａ＝１６μｍで固定し、距離Ｌａを１５μｍから９０μｍまでの範囲で、１５μｍ間隔で変化させた。また、幅の極小値Ｗｂを４μｍから１０μｍまでの範囲で、２μｍ間隔で変化させた。図５には、これらの各構造を有する窒化物半導体レーザ素子における、光出力が１Ｗのときの垂直ＦＦＰが示されている。図５の各グラフの縦軸は最大値で規格化されている。また、横軸は規格化された角度を示している。また、図５において、（式３）の関係を満たす構造を有する窒化物半導体レーザ素子からの垂直ＦＦＰを示すグラフと、（式３）の関係を満たさない構造を有する窒化物半導体レーザ素子からの垂直ＦＦＰを示すグラフとの境界を一点鎖線で示している。一点鎖線よりも左側のグラフは、（式３）の関係を満たす窒化物半導体レーザ素子の垂直ＦＦＰを示す。図５の一点鎖線より左側のグラフに示すように、θａ＞θｃ、θｂ＞θｃの構造を有する窒化物半導体レーザ素子では、垂直ＦＦＰにリップルが生じていることが分かる。一方、図５の一点鎖線より右側のグラフに示すように、θａ＜θｃ、θｂ＜θｃの構造を有する窒化物半導体レーザ素子では、垂直ＦＦＰにリップルが生じていないことが分かる。また、リップルの強度は、幅の極小値Ｗｂが小さいほど、大きくなることが分かる。これは、幅の極小値Ｗｂが小さい程、導波路部４０ａ外を通過する光の割合が大きくなるためである。また、リップルが生じる構造において、θａ＜θｃ、θｂ＜θｃの関係を満たす構造に近くなるほど、リップルが小さくなることがわかる。これは、θａ＜θｃ、θｂ＜θｃの関係を満たす全反射条件を満たす光の割合が増えていくためである。

以上のように、（式３）の関係を満たす窒化物半導体レーザ素子では、垂直ＦＦＰにリップルが生じる。本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１は、（式３）の関係を満たしつつ、かつ、垂直ＦＦＰにおけるリップルを抑制するために、高屈折率部４４を備える。以下本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の高屈折率部４４の作用効果について図６Ａ及び図６Ｂを用いて説明する。図６Ａは、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の構成を簡略化して示す上面図である。図６Ｂは、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１におけるレーザ光の基本モード光分布ＤＬ３を示す断面図である。図６Ｂには、図６ＡのＶＩＢ−ＶＩＢ線における断面と、当該断面における基本モード光分布ＤＬ３とが示されている。

上述のとおり、本実施の形態に係る導波路部４０ａの構造は、全反射条件を満たさないように（つまり、θａ＞θｃ、θｂ＞θｃを満たすように）設定されている。図６Ａにおいて破線矢印で、光の伝搬の様子が示されている。導波路部４０ａの幅が狭くなる部分では光は導波路部４０ａ内外の屈折率差の影響で、わずかに内側に進行するが、全反射条件を満たさないので、大部分の光は導波路部４０ａ外を通りＹ軸方向へと進行する。導波路部４０ａ外には高屈折率部４４が形成されており、導波路部４０ａ外を通過する光はこの高屈折率部４４直下を通過する。高屈折率部４４はｐ側クラッド層４２及びｐ側コンタクト層４３で形成されており、これらの層は誘電体層６０と比べて屈折率が高い。屈折率が高い層が光通過領域の上方に（つまり、発光層３０に対して第２半導体層４０側に）形成されていると、光は上方へ移動する。つまり、導波路部４０ａ外を伝搬し高屈折率部４４直下に到達した光は、上方へ移動する。このため、図６Ｂに示すように、本実施の形態に係るレーザ光の基本モード光分布ＤＬ３は、高屈折率部４４を備えない場合のレーザ光の基本モード光分布ＤＬ２と比較して、上方に位置する。これにより、発光層３０より下方に位置する基板１０へ移動する光を低減できるため、図４Ｃで示したような基板モードを低減できる。つまり、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１によれば、垂直ＦＦＰにおけるリップルを抑制できる。

（実施の形態２）
実施の形態２に係る窒化物半導体レーザ素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子は、高屈折率部が誘電体で形成されている点において、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子について、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１との相違点を中心に説明する。

［窒化物半導体レーザ素子の構成］
まず、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の構成について、図７Ａ及び図７Ｂを用いて説明する。図７Ａ及び図７Ｂは、それぞれ、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１ａの構成を示す模式的な上面図及び断面図である。図７Ｂには、図７ＡのＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線における窒化物半導体レーザ素子１ａの断面が示されている。本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１ａは、図７Ｂに示すように、基板１０と、第１半導体層２０と、発光層３０と、第２半導体層４０と、電極部材５０と、誘電体層６０と、高屈折率部６１と、ｎ側電極８０とを備える。第２半導体層４０は、導波路部４０ａと、平坦部４０ｂとを有する。

本実施の形態に係る高屈折率部６１は、誘電体層６０より屈折率が高い誘電体で形成される。高屈折率部６１は、実施の形態１に係る高屈折率部４４と同様に、導波路部４０ａの側面に形成された凹部４０ｄ（つまり、導波路部４０ａの幅が狭くなる部分の外側の領域）に形成されている。高屈折率部６１の上面及び側面は誘電体層６０で被覆されている。高屈折率部６１は誘電体層６０よりも高い屈折率を有するので、実施の形態１と同様に、この高屈折率部６１の直下を通過する光が上方へ移動する。これにより、基板モードの発生を抑制できる。つまり垂直ＦＦＰにおけるリップルを抑制できる。高屈折率部６１の厚さは特に限定されないが、本実施の形態では、高屈折率部６１の厚さは３００ｎｍである。

高屈折率部の材料として、誘電体層６０よりも屈折率が高い材料を用いれば、上記の効果が生じる。本実施の形態では、誘電体層６０は、屈折率が１．４７であるＳｉＯ_２で形成されている。このため、高屈折率部６１の材料として、例えば、ＳｉＮ（屈折率：２．０７）、Ａｌ_２Ｏ_３（屈折率：１．７９）、ＡｌＮ（屈折率：２．１９）、ＩＴＯ（屈折率：２．１２）などを用いることができる。ＩＴＯは、電極材料として用いられることがあるが、光吸収効果もあるので、より高次モードを抑制できる。つまり、高屈折率部６１付近において光強度が大きい高次モードをＩＴＯで形成された高屈折率部６１において吸収できるため、より高次モードを抑制できる。

［窒化物半導体レーザ素子の製造方法］
次に、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１ａの製造方法について、図８Ａ〜図８Ｄを用いて説明する。図８Ａ〜図８Ｄは、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１ａの製造方法における各工程を示す模式的な断面図である。以下では、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１ａの製造方法のうち、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１の製造方法と異なる部分について説明する。

まず、図８Ａに示すように、図２Ａ〜図２Ｄを用いて説明した実施の形態１の各工程と同様に、基板１０上に、順に、第１半導体層２０、発光層３０及び第２半導体層４０を積層し、導波路部４０ａ及び平坦部４０ｂを形成する。なお、図８Ａは、第１保護膜９１を除去した後の断面図である。

次に、図８Ｂに示すように、第２半導体層４０の上面全面に高屈折率部６１を形成し、高屈折率部６１の上方に、第２保護膜９２を形成し、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を用いて、第２保護膜９２を所望の形状にパターニングする。具体的には、後の工程にて高屈折率部６１を残す領域に第２保護膜９２を形成する。第２保護膜９２を形成する材料として、例えば、フォトレジストなどを用いることができる。

次に、図８Ｃに示すように、パターニングされた第２保護膜９２をマスクとして、高屈折率部６１をＣＦ_４などのフッ素系ガスあるいはＣｌ_２などの塩素系ガスを用いたＲＩＥ法によるドライエッチングによりパターニングし、所定形状の高屈折率部６１を形成する。続いて、第２保護膜９２をアセトンなどの有機溶剤を用いたウェットエッチングなどにより除去する。

次に、図８Ｄに示すように、誘電体層６０を成膜し、実施の形態１と同様に、導波路部４０ａの上方だけを除去した後、導波路部４０ａの上方にｐ側電極５１を形成する。

その後は、図２Ｇ〜図２Ｈを用いて説明した実施の形態１の製造方法の各工程と同様に、パッド電極５２及びｎ側電極８０を形成する。

以上のように、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１ａを製造できる。

（実施の形態３）
実施の形態３に係る窒化物半導体レーザ素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子は、高屈折率部における光吸収が高められている点において、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子について、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１との相違点を中心に図９Ａ及び図９Ｂを用いて説明する。

図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１ｂの構成を示す模式的な上面図及び断面図である。図９Ｂには、図９ＡのＩＸＢ−ＩＸＢ線における窒化物半導体レーザ素子１ｂの断面が示されている。本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１ｂは、図９Ｂに示すように、基板１０と、第１半導体層２０と、発光層３０と、第２半導体層４０と、電極部材５０と、誘電体層６０と、高屈折率部１４４と、ｎ側電極８０とを備える。第２半導体層４０は、導波路部４０ａと、平坦部４０ｂとを有する。

本実施の形態では、高屈折率部１４４にイオン注入領域１４４ｉが形成されている。イオン注入領域１４４ｉは、発光層３０で発生した光を吸収するイオンが注入された層である。イオン注入領域１４４ｉで光が吸収されるため、導波路部４０ａ外を通過する高次モードの損失を高めることができ、基本モードの比率を高めることができる。イオン注入領域１４４ｉに注入するイオン種として、例えば、Ｂ、Ｎ、Ａｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｉなどを用いることができる。イオン注入領域１４４ｉは、例えば、導波路部４０ａ及び高屈折率部１４４を形成した後に、高屈折率部１４４の上方からイオンを注入することで形成できる。なお、イオン注入領域１４４ｉは、高屈折率部１４４だけでなく、高屈折率部１４４の下方に位置する半導体層にも形成されてもよい。また、イオン注入領域１４４ｉは、本実施の形態のように窒化物半導体からなる高屈折率部１４４だけでなく、実施の形態２に係る発明の誘電体からなる高屈折率部６１に形成されてもよい。

（実施の形態４）
実施の形態４に係る窒化物半導体レーザ素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子は、高次モードを散乱させる散乱部を有する点において、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子について、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１との相違点を中心に図１０Ａ及び図１０Ｂを用いて説明する。

図１０Ａ及び図１０Ｂは、それぞれ、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１ｃの構成を示す模式的な上面図及び断面図である。図１０Ｂには、図１０ＡのＸＢ−ＸＢ線における窒化物半導体レーザ素子１ｃの断面が示されている。

本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１ｃは、図１０Ｂに示すように、基板１０と、第１半導体層２０と、発光層３０と、第２半導体層４０と、電極部材５０と、誘電体層６０と、高屈折率部４４と、ｎ側電極８０とを備える。第２半導体層４０は、導波路部４０ａと、平坦部４０ｂとを有する。

本実施の形態では、基板１０は、第１半導体層２０に対向する主面のうち高屈折率部４４の下方に位置する領域に配置され、凹凸状の形状を有する散乱部１１を有する。散乱部１１により、導波路部４０ａ外を通過する高次モードを散乱させることができるため、フロント側端面Ｃｆから出射されるレーザ光に含まれる高次モードを低減できる。したがって、フロント側端面Ｃｆから出射されるレーザ光に含まれる基本モードの比率を高めることができる。

（実施の形態５）
実施の形態５に係る窒化物半導体レーザ素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子は、導波路部の形状において、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子について、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１との相違点を中心に図１１を用いて説明する。図１１は、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１ｄの構成を示す上面図である。本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１ｄは、導波路部２４０ａと、高屈折率部２４４とを有する。導波路部２４０ａは、その上面視における形状において、実施の形態１に係る導波路部４０ａと相違する。導波路部２４０ａの幅方向と交差する側面には、凹部２４０ｄが形成されている。導波路部２４０ａは、上面視において、矩形の凹部２４０ｄを有する。また、凹部２４０ｄは、共振器長方向において離散的に配置されている。隣り合う凹部２４０ｄの間の導波路部２４０ａの幅は一定である。

本実施の形態に係る高屈折率部２４４は、導波路部２４０ａの凹部２４０ｄに配置され、上面視において矩形の形状を有する。つまり、高屈折率部２４４は、四角柱上の形状を有する。

このような構成を有する窒化物半導体レーザ素子１ｄにおいても実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１と同様の効果が奏される。

本開示に係る窒化物半導体レーザ素子は、画像表示装置、照明又は産業機器などの光源として利用することができ、特に、比較的に高い光出力を必要とする機器の光源として有用である。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１０００ 窒化物半導体レーザ素子
２ 半導体レーザ装置
１０ 基板
１１ 散乱部
２０ 第１半導体層
３０ 発光層
３１ ｎ側光ガイド層
３２ 活性層
３３ ｐ側光ガイド層
４０ 第２半導体層
４０ａ、２４０ａ、１０４０ａ 導波路部
４０ｂ 平坦部
４０ｄ、２４０ｄ 凹部
４１ 電子障壁層
４２ ｐ側クラッド層
４３ ｐ側コンタクト層
４４、６１、１４４、２４４ 高屈折率部
５０ 電極部材
５１ ｐ側電極
５２ パッド電極
６０ 誘電体層
８０ ｎ側電極
９１ 第１保護膜
９２ 第２保護膜
１００ サブマウント
１０１ 基台
１０２ａ 第１電極
１０２ｂ 第２電極
１０３ａ 第１接着層
１０３ｂ 第２接着層
１１０ ワイヤ
１４４ｉ イオン注入領域
１００１ 粗面光導波機構
１００２ 平行滑面光導波機構
Ｃｆ フロント側端面
Ｃｒ リア側端面

Claims (6)

1. レーザ光を出射する窒化物半導体レーザ素子であって、
   基板と、
   前記基板の上方に配置される第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上方に配置される発光層と、
   前記発光層の上方に配置される第２半導体層と、
   前記第２半導体層の上方に配置される誘電体層とを備え、
   前記第２半導体層は、前記レーザ光を導波する導波路部を有し、
   前記導波路部の少なくとも一部の幅は、前記導波路部の長手方向である共振器長方向の位置に対して変調されており、
   前記導波路部の幅方向と交差する側面と前記共振器長方向とのなす角度は、前記導波路部の内側及び前記導波路部の外側の有効屈折率で規定される限界角度より大きく、
   前記窒化物半導体レーザ素子は、前記導波路部の前記側面に形成される凹部に配置され、前記誘電体層より屈折率が高い高屈折率部をさらに備える
   窒化物半導体レーザ素子。
2. 前記限界角度は、前記レーザ光が前記側面において全反射する角度の最大値である
   請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
3. 前記高屈折率部は、窒化物半導体で形成される
   請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
4. 前記高屈折率部は、誘電体で形成される
   請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
5. 前記高屈折率部の少なくとも一部は、イオンが注入されたイオン注入領域である
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
6. 前記基板は、前記第１半導体層に対向する主面のうち前記高屈折率部の下方に位置する領域に配置され、凹凸状の形状を有する散乱部を有する
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。

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