JP2023124651A - 半導体レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＦＰにおける干渉縞の発生を抑制した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、レーザ共振器１４０を半導体基板１１０に直交する方向から平面視したときに、出射領域Ａ１を有する。レーザ共振器１４０の出射端面Ｓ１を正面視したときに、レーザ光のビームプロファイルに関して、強度がピークの１／ｅ２である仮想線２が、出射領域Ａ１における上部クラッド層１２６内に収まっている。【選択図】図１

Description

本開示は、半導体レーザ素子に関する。

レーザポインタ用光源として半導体レーザ（ＬＤ）が利用されている。特に、ポインター用光源には、赤や赤外ＬＤが多く用いられており、青や緑のＬＤも用いられるようになっている。近年、更にポインターの光点をはっきりと視認したり、センサやカメラによって認識したいとの要望が高まっている。

半導体レーザ素子としては、光ピックアップ装置等に用いられる半導体レーザにおいて、ｐ型クラッド層にリッジを設けた構造が知られている。

特開２０１０－０８０８６７号公報 特開２００８－１８７０６８号公報 特開２０００－１３３８７７号公報

本発明者は、半導体レーザを照射した先のレーザの像であるファーフィールドパターン（ＦＦＰ、遠視野像）を観察したところ、ビーム周辺、具体的にはビームの横側に干渉縞が発生し、指示したいポイントに十分フォーカスした状態で照射できないという問題を認識した。

本発明者は、この問題を検証した結果、その原因が、半導体レーザ素子の絶縁層（ＳｉＯ_２膜）に由来するものであることを認識するに至った。すなわち、半導体レーザ素子のリッジ部の側面とｐ型クラッド層の表面にはＳｉＯ_２膜が設けられている。レーザ光がリッジ近傍で、ＳｉＯ_２の絶縁層に染み出すと、ＳｉＯ_２膜で干渉を起こし、それがＦＦＰにおいて干渉縞を発生させる。絶縁層の材料はＳｉＯ_２に限らず、絶縁性を有し、光が透過、反射するような他の酸化物、窒化物、酸窒化物等の材料でも同様の問題は生じうる。なお、この認識を当業者の一般的な知見と捉えてはならず、本発明者が独自に認識したものである。

本開示のある態様はかかる状況においてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、ＦＦＰにおける干渉縞の発生を抑制した半導体レーザの提供にある。

本開示のある態様は、端面発光型の半導体レーザ素子に関する。半導体レーザ素子は、半導体基板上に形成される下部クラッド層、活性層、上部クラッド層の積層構造を含み、前記上部クラッド層にリッジ部が形成されてなるレーザ共振器を備える。レーザ共振器を半導体基板に直交する方向から平面視したときに、レーザ共振器は、出射端面側に出射領域を有する。レーザ共振器の出射端面を正面視したときに、レーザ光のビームプロファイルに関して、強度がピークの１／ｅ^２である仮想線が、出射領域において上部クラッド層の内側に収まっている。

本開示の別の態様は、端面発光型の半導体レーザ素子の製造方法に関する。製造方法は、半導体基板上に下部クラッド層、活性層、上部クラッド層の積層構造を形成するステップと、半導体レーザ素子の出射端面を正面視したときに、レーザ光のビームプロファイルに関して、強度がピークの１／ｅ^２である仮想線が、出射領域における上部クラッド層に収まるように上部クラッド層にリッジ加工を施すステップと、リッジ加工により上部クラッド層に形成されたリッジ部の少なくとも側面を覆う絶縁層を形成するステップと、を備える。

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明あるいは本開示の態様として有効である。さらに、この項目（課題を解決するための手段）の記載は、本発明の欠くべからざるすべての特徴を説明するものではなく、したがって、記載されるこれらの特徴のサブコンビネーションも、本発明たり得る。

本開示のある態様によれば、ＦＦＰにおける干渉縞の発生を抑制できる。

実施形態１に係る半導体レーザ素子の斜視図である。 図１の半導体レーザ素子の平面図である。 図３（ａ）は、図２の半導体レーザ素子のＡ－Ａ’線断面図であり、図３（ｂ）は、図２の半導体レーザ素子のＢ－Ｂ’線断面図である。 ビームスポット径の変化を模式的に示す図である。 図５（ａ）～（ｅ）は、半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。 変形例１．１に係る半導体レーザ素子の平面図である。 実施形態２に係る半導体レーザ素子の斜視図である。 図７の半導体レーザ素子の出射端面から見た正面図である。 実施形態３に係る半導体レーザ素子の斜視図である。 図９の半導体レーザ素子の出射端面から見た正面図である。 実施形態４に係る半導体レーザ素子の斜視図である。 図１１の半導体レーザ素子の平面図である。 変形例４．１に係る半導体レーザ素子１００Ｄａの平面図である。 実施形態５に係る半導体レーザ素子の出射端面から見た正面図である。

（実施形態の概要）
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、または、実施形態の基本的な理解を目的としている。同概要は、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。またこの概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、実施形態の欠くべからざる構成要素を限定するものではない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。

（実施形態の概要）
一実施形態に係る半導体レーザ素子は、端面発光型の半導体レーザ素子であって、半導体基板上に形成される下部クラッド層、活性層、上部クラッド層の積層構造を含み、上部クラッド層にリッジ部が形成されてなるレーザ共振器を備える。レーザ共振器を半導体基板に直交する方向から平面視したときに、レーザ共振器は、出射端面側に出射領域を有する。レーザ共振器の出射端面を正面視したときに、レーザ光のビームプロファイルに関して、強度がピークの１／ｅ^２である仮想線が、出射領域において上部クラッド層の内側に収まっている。

この構成では、ビーム径に対して十分に大きな断面を有するように、リッジ部が、出射端面の近傍において幅方向に拡大して形成される。１／ｅ^２ビーム幅内には、全光強度の９５％が含まれるため、上部クラッド層から漏れる光は、全光強度の５％より小さくなる。したがって出射領域においてレーザ光が上部クラッド層から側方に漏れる光を抑制できる。その結果、上部クラッド層の側方から出射されるビームを抑制でき、ＦＦＰにおける干渉縞の発生を抑制できる。

一実施形態において、半導体レーザ素子を半導体基板に直交する方向から平面視したときに、リッジ部の幅は、出射領域の境界において広がっていてもよく、その形状はたとえばステップ形状をとることができる。この構成により、出射領域内におけるビームの広がりを抑制できる。

一実施形態において、リッジ部の少なくとも側面は、絶縁層で覆われていてもよい。上部クラッド層のリッジ部の側面が絶縁層で覆われている場合には、絶縁層に漏れた光が、絶縁層の端面から出射されることとなる。上記構成によれば、絶縁層に漏れる光を抑制できるため、ＦＦＰにおける干渉縞の発生を抑制できる。

一実施形態において、レーザ共振器の出射端面を正面視したときに、レーザ共振器の出射領域におけるリッジ部の断面形状は矩形であり、リッジ部の幅が、ビームプロファイルの横方向の１／ｅ^２幅より大きくてもよい。

一実施形態において、リッジ部の幅がビームプロファイルの横方向の１／ｅ^２幅の３倍より大きくてもよい。１／ｅ^２ビーム幅の３倍の範囲内には、全光強度の９９．９７％が含まれるため、上部クラッド層から漏れる光は、全光強度の０．０３％より小さくなる。これにより、ＦＦＰの干渉縞をさらに抑制できる。

一実施形態において、リッジ部の幅がビームプロファイルの横方向の１／ｅ^２幅の４倍より大きくてもよい。この場合、上部クラッド層から漏れる光は、全光強度の０．０２％より小さくなる。一実施形態において、リッジ部の幅がビームプロファイルの横方向の１／ｅ^２幅の５倍より大きくてもよい。この場合、上部クラッド層から漏れる光は、全光強度の０．０１％より小さくなる。実用的には３倍で十分であるが、よりシャープなＦＦＰを得たい場合には、出射領域の矩形の上部クラッド層の幅を、１／ｅ^２幅の４倍、好ましくは５倍よりも広く設計するとよい。

一実施形態において、レーザ共振器の出射端面を正面視したときに、出射領域におけるリッジ部の上端の幅は下端の幅より狭くてもよい。

一実施形態において、出射端面を正面視したときに、出射領域におけるリッジ部の断面形状は、第１幅を有する下側矩形部分と、第１幅より狭い第２幅を有し下側矩形部分の上に隣接する上側矩形部分と、を有してもよい。第１幅が、ビームプロファイルの横方向の１／ｅ^２幅より大きくてもよい。レーザ共振器は、縦方向に関しては、コア層をクラッド層で挟んだ導波路構造を有しているため、縦方向のビームの広がりは、横方向の広がりに比べて小さい。したがって、リッジ部の立ち上がりである下側矩形部分の幅（第１幅）を広げることにより、横方向の光の漏れを抑制できる。

一実施形態において、第１幅は、ビームプロファイルの横方向の１／ｅ^２幅の３倍より大きくてもよい。第１幅は、ビームプロファイルの横方向の１／ｅ^２幅の４倍より大きくてもよいし、５倍より大きくてもよい。

一実施形態において、レーザ共振器の出射端面を正面視したときに、出射領域における上部クラッド層は、上端から下端に向かって傾斜していてもよい。この傾斜は、ウェットエッチの等方性を利用して形成することができる。

一実施形態において、一実施形態において、絶縁層は、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘ、ＳｉＯＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２からなる群から選択されるひとつを含んでもよい。

一実施形態において、活性層は、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ，Ａｓ，Ｐ，Ｎからなる群から選択されるひとつまたは複数の材料を含んでもよい。

一実施形態において、半導体レーザ素子を半導体基板に直交する方向から平面視したときに、レーザ共振器は、出射領域と隣接する利得領域を有してもよい。レーザ共振器の利得領域における上部クラッド層は、レーザ光が横シングルモードを有するように設計されてもよい。

一実施形態において、半導体レーザ素子は、出射領域と隣接して、または、出射領域内に、レーザ共振器に直交する方向に延在する遮光溝が形成されてもよい。

一実施形態に係る端面発光型の半導体レーザ素子は、半導体基板上に形成される下部クラッド層、活性層、上部クラッド層の積層構造を含み、前記上部クラッド層にリッジ部が形成されてなるレーザ共振器を備える。レーザ共振器を半導体基板に直交する方向から平面視したときに、レーザ共振器は、出射端面側の出射領域と、出射領域と隣接する利得領域を有する。上部クラッド層のリッジ部の幅は、利得領域と出射領域の境界においてステップ状に広がっており、出射領域の幅は、利得領域の最大幅の３倍より大きい。

（実施形態）
以下、好適な実施の形態をもとにして、図面を参照しながら、本開示について説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、開示を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも開示の本質的なものであるとは限らない。

図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄いこともあり得る。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る半導体レーザ素子１００Ａの斜視図である。半導体レーザ素子１００Ａは端面発光型であり、出射端面Ｓ１からレーザ光（ビーム）を放射する。半導体レーザ素子１００Ａの出射端面Ｓ１と反射端面Ｓ２の間にはレーザ共振器１４０が形成されている。Ｓ１、Ｓ２はそれぞれ、前端面、後端面とも称される。

レーザ共振器１４０は、半導体基板１１０に形成される。レーザ共振器１４０は、ｎ型クラッド層である下部クラッド層１２２、活性層である発光層１２４、ｐ型クラッド層である上部クラッド層１２６、ｐ型コンタクト層１２８の積層構造（多層成長層）１２０を有する。上部クラッド層１２６には、電流狭窄のためにリッジ加工が施されており、リッジ部１５０を有する。リッジ部１５０の少なくとも側面は、図示しない絶縁膜で覆われているが、図１では省略している。またレーザ共振器１４０の動作には電極が必要であるが、電極については公知技術を用いて適切な箇所に形成すればよいため、図示を省略する。

図中、レーザ共振器１４０の幅方向をｘ軸、半導体基板１１０と垂直な方向をｙ軸、レーザ共振器１４０の長さ方向、つまりレーザ光の導波方向をｚ軸ととる。本明細書において、レーザ共振器１４０を平面視するとは、レーザ共振器１４０を半導体基板１１０に直交する方向から平面視すること、つまりｙ軸に沿ってレーザ共振器１４０を見ることをいう。またレーザ共振器１４０の出射端面Ｓ１を正面視するとは、ｚ軸に沿ってレーザ共振器１４０を見ることをいう。

レーザ共振器１４０を平面視したときに、レーザ共振器１４０は、ｚ軸方向に隣接する複数の領域Ａ１～Ａ３を含む。出射端面Ｓ１を含む領域Ａ１を出射領域と称する。出射領域Ａ１と隣接する領域Ａ２を、利得領域と称する。反射端面Ｓ２側の領域Ａ３を、反射領域と称する。出射領域Ａ１、利得領域Ａ２、反射端領域Ａ３それぞれの上部クラッド層１２６のリッジ部１５０＿１，１５０＿２，１５０＿３の幅ｗ_１，ｗ_２，ｗ_３が異なっている。具体的には、出射領域Ａ１のリッジ部１５０＿１の幅ｗ_１は、利得領域Ａ２の幅ｗ_２よりも十分に広げられている。

なお、反射端領域Ａ３のリッジ部１５０＿３の幅ｗ_３をリッジ部１５０＿１の幅ｗ_１と等しくすることにより、半導体レーザ素子１００Ａをウェハから切り出す際のダイシングライン（劈開面）がずれた場合においても、レーザ共振器の連続性を維持できる。

利得領域Ａ２におけるリッジ部１５０＿２の形状に応じて、レーザ光の水平横モードが決まる。リッジ部１５０＿２は、その内部を導波するレーザ光が水平横シングルモードを有するように設計される。たとえば、リッジ部１５０＿２の幅ｗ_２は２μｍ程度とすることができ、その長さは一例として１５００μｍ程度とすることができる。

利得領域Ａ２内であって、出射領域Ａ１に近い領域には、リッジ部１５０を避けてｘ軸方向に伸びる遮光溝１６０が形成されている。

図１には、レーザ共振器１４０の出射端面Ｓ１を正面視したときの、レーザ光のビームプロファイルが模式的に示される。具体的にはビームプロファイルの強度がピークの１／ｅ^２である仮想線２が示されている。仮想線２の最大幅は、１／ｅ^２幅と称され、ガウシアンビームのスポット径である。出射端面Ｓ１におけるスポット径を、出射スポット径φ_ｘと称する。出射端面Ｓ１におけるレーザ光のビームプロファイルをＮＦＰ（ニアフィールドパターン）ともいう。

本実施形態において、レーザ共振器１４０の出射領域Ａ１におけるリッジ部１５０の幅ｗ_１は、仮想線２の発光層１２４より上側が、出射領域Ａ１における上部クラッド層１２６に収まるように、言い換えると仮想線２の上半分が上部クラッド層１２６からはみ出さないように定められる。具体的には、出射領域Ａ１におけるリッジ部１５０＿１の幅ｗ_１が、出射スポット径φ_ｘよりも大きい。

本実施形態では、レーザ共振器１４０の出射端面Ｓ１を正面視したときに、レーザ共振器１４０の出射領域Ａ１における上部クラッド層１２６のリッジ部１５０＿１の断面形状は矩形である。したがってリッジ部１５０＿１の幅ｗ_１は、矩形の幅である。

好ましくは、矩形のリッジ部１５０＿１の幅ｗ_１は、出射ビーム径φ_ｘの３倍より大きい。より好ましくは、矩形のリッジ部１５０＿１の幅ｗ_１は、出射ビーム径φ_ｘの４倍より大きくするとよく、さらには５倍より大きくするとよい。

図２は、図１の半導体レーザ素子１００Ａの平面図である。半導体レーザ素子１００Ａを平面視したときに、リッジ部１５０の幅は、出射領域Ａ１と利得領域Ａ２の境界においてステップ状に広がっている。

図３（ａ）は、図２の半導体レーザ素子１００ＡのＡ－Ａ’線断面図であり、図３（ｂ）は、図２の半導体レーザ素子１００ＡのＢ－Ｂ’線断面図である。上部クラッド層１２６のリッジ部１５０＿１，１５０＿２の側面は、絶縁膜１３４によって覆われている。

図３（ａ）では上部クラッド層１２６のリッジ部１５０＿２の上側にｐ型コンタクト層１２８が形成されている。一方、図３（ｂ）を参照すると、出射領域Ａ１において、上部クラッド層１２６のリッジ部１５０＿１の上側にはｐ型コンタクト層１２８が形成されず、絶縁膜１３４が形成されている。つまり、出射領域Ａ１は電流非注入領域とされ、ゲインを有しない。

なお本開示はこれに限定されず、出射領域Ａ１においても、利得領域Ａ２と同様に、リッジ部１５０＿１の上側にｐ型コンタクト層１２８を形成し、その上に絶縁膜１３４を形成してもよい。

図３（ｂ）の下段には、レーザ光のｘ軸方向の光強度分布が示される。断面図には、１／ｅ^２幅に相当する等高線が仮想線３として示されている。仮想線３のｘ方向の幅は、ガウシアンビームのｘ軸方向のスポット径φ_ｘと把握でき、仮想線３のｙ方向の高さはガウシアンビームのｙ軸方向のスポット径ｄ_ｙと把握できる。

図４は、ビームスポット径ｄ_ｘの変化を模式的に示す図である。図４には、半導体レーザ素子１００Ａを上から平面視した様子が示されている。利得領域Ａ２内におけるスポット径ｄ_ｘは、リッジ部１５０＿２の幅ｗ_２に応じて定まる。レーザ光は、利得領域Ａ２から出射領域Ａ１に入射した後、出射端面Ｓ１に向かって導波するにしたがい広がっていく。スポット径ｄ_ｘは、利得領域Ａ２に近いほど小さく、出射端面Ｓ１に近づくほど大きくなる。出射端面Ｓ１におけるスポット径ｄ_ｘは、図１に示す出射スポット径φ_ｘである。

上述のように、出射端面Ｓ１において、リッジ部１５０＿１の幅ｗ_１は出射スポット径φ_ｘよりも大きい（φ_ｘ＜ｗ_１）。出射領域Ａ１内において、ｄ_ｘ≦φ_ｘが成り立つから、出射領域Ａ１内では、常にｄ_ｘ＜ｗ_１が成り立つこととなる。つまりレーザ光の大部分は、出射領域Ａ１において上部クラッド層１２６から絶縁膜１３４に漏れ出すことなく、導波する。

この構成では、出射ビーム径φ_ｘに対して十分に大きな断面を有するように、出射領域Ａ１におけるリッジ部１５０＿１が、幅方向（ｘ軸方向）に広く形成される。１／ｅ^２ビーム幅内には、全光強度の９５％が含まれるため、上部クラッド層１２６から絶縁膜１３４に漏れる光は、全光強度の５％より小さくなる。したがって出射領域Ａ１においてレーザ光が上部クラッド層１２６から側方の絶縁膜１３４に漏れる光を抑制できる。これにより、上部クラッド層１２６の側方から出射されるビームを抑制でき、ＦＦＰにおける干渉縞の発生を抑制できる。

レーザ光の光強度分布に関して、１／ｅ^２ビーム幅の３倍の範囲内には、全光強度の９９．９７％が含まれる。したがって、矩形のリッジ部１５０＿１の幅ｗ_１を、出射スポット径φ_ｘの３倍以上とした場合、上部クラッド層１２６から漏れる光は、全光強度の０．０３％より小さくなる。これにより、ＦＦＰの干渉縞をさらに抑制できる。

同様に、レーザ光の光強度分布に関して、１／ｅ^２ビーム幅の４倍の範囲内には、全光強度の９９．９８％が含まれる。したがって、矩形のリッジ部１５０＿１の幅ｗ_１を、出射スポット径φ_ｘの４倍以上とした場合、上部クラッド層１２６から漏れる光は、全光強度の０．０２％より小さくなる。１／ｅ^２ビーム幅の５倍の範囲内には、全光強度の９９．９９％が含まれる。したがって、矩形のリッジ部１５０＿１の幅ｗ_１を、出射スポット径φ_ｘの５倍以上とした場合、上部クラッド層１２６から漏れる光は、全光強度の０．０１％より小さくなる。したがって矩形のリッジ部１５０＿１の幅ｗ_１を大きくするほど、側面への漏れ光を抑制できる。実用的には３倍で十分であるが、よりシャープなＦＦＰを得たい場合には、１／ｅ^２幅の４倍、好ましくは５倍よりも、出射領域の矩形の上部クラッド層の幅を広く設計するとよい。なお、端面発光型の半導体レーザにおいて、出射端におけるビーム形状（スポット径）は一般的に積層方向であるｙ軸方向よりエピ成長させた面方向であるｘ軸方向の方が大きい。また、ｙ軸方向のスポット径ｄ_ｙの大きさは、クラッド層１２６の厚みに比べて十分に小さい。

ここまでは、出射領域Ａ１のリッジ部１５０＿１の幅ｗ_１と出射スポット径φ_ｘの関係に着目して、半導体レーザ素子１００Ａの構成を説明したが、出射領域Ａ１のリッジ部１５０＿１の幅ｗ_１と利得領域Ａ２のリッジ部１５０＿２の幅ｗ_２の関係から、半導体レーザ素子１００Ａの特徴を説明することもできる。

出射スポット径φ_ｘは、利得領域Ａ２のリッジ部１５０＿２の幅ｗ２に大きく依存している。しかし、本開示の構成のように出射領域Ａ１の幅ｗ_１が広い場合、利得領域Ａ２で規制された幅ｗ_２よりも広がる方向に光は進むこととなる。つまり、出射領域Ａ１の共振器方向の長さが長いほど、出射スポット径φ_ｘは、リッジ部１５０＿２の幅ｗ_２より大きくなる。一方で、出射領域Ａ１の共振器方向の長さが長いと、半導体レーザ素子としては非利得領域が長くなり発光効率が悪くなる。本開示では、出射領域Ａ１の共振器方向の長さから見積もられる出射スポット径φ_ｘは、幅ｗ_２の２倍以下であり、大きくても３倍を超えることはない。言い換えると、ｗ_１＞ｗ_２×３となるように、リッジ部１５０＿１，１５０＿２を設計することで、出射領域Ａ１におけるレーザ光の横方向の漏れを抑制することができるといえる。

つまり、ｋ（ｋ≧３）をパラメータとして、ｗ_１＞ｗ_２×ｋとしてリッジ部１５０＿１，１５０＿２を設計すれば、出射領域Ａ１におけるレーザ光の横方向への漏れをさらに抑制することができる。ｋは、４、５、…１０と大きくするほど、干渉縞の発生を抑制できる。

なお、出射領域Ａ１のリッジ部１５０＿１の幅ｗ_１は、実施形態２～実施形態４の場合には、ｗ_Ｌとして考えればよい。

続いて半導体レーザ素子１００Ａの製造方法を説明する。図５（ａ）～（ｅ）は、半導体レーザ素子１００Ａの製造方法を説明する図である。ここでは図２のＢ－Ｂ’線断面図（出射領域側）に着目して、半導体レーザ素子１００Ａの製造方法を説明する。

図５（ａ）を参照する。半導体基板１１０はたとえばｎ－ＧａＡｓ基板である。半導体基板１１０の上面（表面）に、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相化学成長）法により、多層成長層１２０を形成する。多層成長層１２０は下部クラッド層１２２、発光層１２４、上部クラッド層１２６、ｐ型コンタクト層１２８を含む。

下部クラッド層１２２は、たとえば厚さ２．０μｍのＡｌＧａＩｎＰあるいはＡｌＧａＡｓからなるｎ型クラッド層である。

発光層１２４は、量子井戸構造を有する活性層である。活性層はたとえば、バリア層および井戸層を含み、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ，Ａｓ，Ｐ，Ｎからなる群から選択されるひとつまたは複数の材料を含んで構成される。バリア層は、たとえば厚さ６ｎｍのＡｌＧａＩｎＰからなる４層構造としてもよい。井戸層は、たとえば厚さ５ｎｍのＧａＩｎＰ層の３層構造としてもよい。なお、活性層は、（Ａｌ）ＧａＩｎＰや（Ａｌ）ＧａＡｓからなる単層構造であってもよい。また、活性層は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体でもよい。

上部クラッド層１２６は、たとえば厚さ２．０μｍのＡｌＧａＩｎＰあるいはＡｌＧａＡｓからなるｐ型クラッド層である。

ｐ型コンタクト層１２８は、たとえば厚さ０．５μｍのＧａＡｓである。

図５（ｂ）を参照する。多層成長層１２０の上に、ＣＶＤ（化学気相成長）法によって、熱酸化膜（ＳｉＯ_２膜）１２９を形成する。そして熱酸化膜１２９をフォトレジスト工程によりパターニングし、エッチング用マスクを形成する。エッチング用マスクは、リッジ部１５０の形状を規定する。出射領域Ａ１において、エッチング用マスクの幅、言い換えるとリッジ部１５０＿１の幅ｗ_１はたとえば１００μｍ程度とすることができる。利得領域Ａ２におけるエッチング用マスクの幅、言い換えるとリッジ部１５０＿２の幅ｗ_２は、たとえば２μｍ程度であり、ｗ_１≒ｗ_２×５０となっている。エッチング用マスクの出射領域Ａ１の共振器方向の長さは、たとえば１０μｍである。

図５（ｃ）を参照する。ＨＣｌ系のエッチャントを用いた化学エッチング、あるいはドライエッチングプロセスにより、熱酸化膜１２９をエッチング用マスクとして、ｐ型コンタクト層１２８から上部クラッド層１２６の途中の深さまでエッチングする。ドライエッチングの場合、表面のダメージ層を除去するために、ｐ型コンタクト層１２８の表面をＨ_２Ｏ_２を含むエッチャントによりエッチング後、マスクである熱酸化膜１２９をＨＦ系のエッチャントで除去する。これによりリッジ加工が施され、リッジ部１５０＿１が形成される。リッジ部１５０＿１の幅ｗ_１はたとえば１００μｍである。

図５（ｄ）を参照する。出射領域Ａ１以外の部分を覆うマスク（不図示）を形成し、エッチングによって出射領域Ａ１のｐ型コンタクト層１２８が除去される。なお、利得領域Ａ２との絶縁性が確保されている場合は、出射領域Ａ１のｐ型コンタクト層１２８は残してもよい。

図５（ｅ）を参照する。続いて、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘ、ＳｉＯＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２からなる群から選択されるひとつを含む絶縁膜１３４が形成される。その後、電極が形成される。

以上が半導体レーザ素子１００Ａの製造方法である。

実施形態１に関連する変形例を説明する。

（変形例１．１）
図６は、変形例１．１に係る半導体レーザ素子１００Ａａの平面図である。図２では、遮光溝１６０が、出射領域Ａ１を避けて形成されていたが、この変形例では、遮光溝１６０は、出射領域Ａ１内に形成されてもよい。

（変形例１．２）
遮光溝１６０は省略してもよい。

（変形例１．３）
図２において、リッジ部１５０＿１の幅ｗ_１は、チップ（半導体基板１１０）の幅と等しくてもよい。この場合、反射端領域Ａ３のリッジ部１５０＿３の幅ｗ_３も、チップの幅と等しくするとよい。

（実施形態２）
図７は、実施形態２に係る半導体レーザ素子１００Ｂの斜視図である。実施形態２では、実施形態１と比べて出射領域Ａ１におけるリッジ部１５０＿１の断面形状が異なっている。

図８は、図７の半導体レーザ素子１００Ｂの出射端面Ｓ１から見た正面図である。実施形態２では、出射端面Ｓ１を正面視したときに、出射領域Ａ１におけるリッジ部１５０＿１の上端の幅ｗ_Ｕは下端の幅ｗ_Ｌより狭くなっている。

具体的には実施形態２では、出射端面Ｓ１を正面視したときに、出射領域Ａ１におけるリッジ部１５０＿１の断面形状は、下側矩形部分１５２と上側矩形部分１５４を含んでいる。下側矩形部分１５２の幅ｗ_Ｌは、上側矩形部分１５４の幅ｗ_Ｕよりも広くなっている。上側矩形部分１５４の幅ｗ_Ｕは、利得領域Ａ２におけるリッジ部１５０＿２の幅ｗ_２と等しい。

実施形態２においても、実施形態１と同様に、仮想線２の発光層１２４より上側が、出射領域Ａ１におけるリッジ部１５０＿１に収まるように、リッジ部１５０＿１の幅が拡張されている。具体的には、出射領域Ａ１における下側矩形部分１５２の幅ｗ_Ｌが、出射スポット径φ_ｘ（１／ｅ^２幅）よりも大きい。

好ましくは、ｗ_Ｌ＞３×φ_ｘであり、ｗ_Ｌを大きくするほど、側面に漏れるレーザ光を低減できる。さらにｗ_Ｌ＞４×φ_ｘ、ｗ_Ｌ＞５×φ_ｘと広げていくと、光の漏れをさらに低減できる。

実施形態２に係る半導体レーザ素子１００Ｂの製造方法は、基本的には、実施形態１に係る半導体レーザ素子１００Ａの製造方法と同様であり、リッジ部１５０＿１を２段階でエッチングするように修正すればよい。

実施形態２に関連する変形例を説明する。

（変形例２．１）
図７の半導体レーザ素子１００Ｂに、遮光溝１６０を追加してもよい。この場合において、遮光溝１６０は、図２と同様に、出射領域Ａ１を避けて形成されてもよい。

（変形例２．２）
図７において、出射領域Ａ１は電流非注入領域であり、ｐ型コンタクト層１２８は利得領域Ａ２のみに形成され、出射領域Ａ１にはｐ型コンタクト層１２８は形成されていなくてもよい。この場合、図８において、リッジ部１５０＿１の上側矩形部分１５４の上側のｐ型コンタクト層１２８はエッチングにより除去される。

（実施形態３）
図９は、実施形態３に係る半導体レーザ素子１００Ｃの斜視図である。実施形態３では、実施形態２と同様に、出射端面Ｓ１を正面視したときに、出射領域Ａ１におけるリッジ部１５０＿１の上端の幅ｗ_Ｕは下端の幅ｗ_Ｌより狭くなっているが、実施形態２とはリッジ部１５０＿１の断面形状が異なっている。

図１０は、図９の半導体レーザ素子１００Ｃの出射端面Ｓ１から見た正面図である。実施形態３では、出射端面Ｓ１を正面視したときに、出射領域Ａ１におけるリッジ部１５０＿１の断面形状は、上端から下端に向かって傾斜（テーパー）している。上端の幅ｗ_Ｕは、利得領域Ａ２におけるリッジ部１５０＿２の幅ｗ_２と等しい。リッジ部１５０＿１の裾は緩やかに伸びていてもよい。あるいはリッジ部１５０＿１の裾は直線的に伸びていてもよく、したがってリッジ部１５０＿１の断面形状は台形であってもよい。

実施形態３においても、仮想線２の発光層１２４より上側が、出射領域Ａ１におけるリッジ部１５０＿１に収まるように、リッジ部１５０＿１の幅が拡張されている。具体的には、リッジ部１５０＿１の下端の幅（裾の幅）ｗ_Ｌが、出射スポット径φ_ｘ（１／ｅ^２幅）よりも大きい。好ましくは、ｗ_Ｌ＞３×φ_ｘであり、ｗ_Ｌを大きくするほど、側面に漏れるレーザ光を低減できる。さらにｗ_Ｌ＞４×φ_ｘ、ｗ_Ｌ＞５×φ_ｘと広げていくと、光の漏れをさらに低減できる。

リッジ部１５０＿１の断面形状、すなわち上端の幅ｗ_Ｕおよび高さ、言い換えると傾斜の程度は、リッジ部１５０＿１の傾斜部分が仮想線２と交差しないように定めればよい。

実施形態３に係る半導体レーザ素子１００Ｃの製造方法は、基本的には、実施形態１に係る半導体レーザ素子１００Ａの製造方法と同様である。リッジ部１５０＿１の斜面は、ウェットエッチの等方性を利用して形成することができる。

実施形態３に関連する変形例を説明する。

（変形例３．１）
図９の半導体レーザ素子１００Ｃに、遮光溝１６０を追加してもよい。この場合において、遮光溝１６０は、図２と同様に、出射領域Ａ１を避けて形成されてもよい。

（変形例３．２）
図９において、出射領域Ａ１は電流非注入領域であり、ｐ型コンタクト層１２８は利得領域Ａ２のみに形成され、出射領域Ａ１にはｐ型コンタクト層１２８は形成されていなくてもよい。この場合、図１０において、リッジ部１５０＿１の上側のｐ型コンタクト層１２８はエッチングにより除去される。

（実施形態４）
図１１は、実施形態４に係る半導体レーザ素子１００Ｄの斜視図である。なお、図１１に示した実施形態４の出射端面Ｓ１から見た正面図は、図３（ｂ）で示した正面図と同様の形状となる。また、図１２は、図１１の半導体レーザ素子１００Ｄの平面図である。実施形態１～３では、利得領域Ａ２のリッジ部１５０＿２の幅が一定であったが、実施形態４では、平面視したときに、リッジ部１５０＿２がテーパーしている。利得領域Ａ２は、ストレート部Ａ２ａと、テーパー部Ａ２ｂを含む。ストレート部Ａ２ａの幅ｗ_２は一定であり、テーパー部Ａ２ｂでは、幅がｗ_２からｗ_３に向かって増大していく。リッジ部１５０＿１と隣接して遮光溝１６０が形成されてもよい。

実施形態４においても、実施形態１～３と同様の効果を得ることができる。

実施形態４に関連する変形例を説明する。

（変形例４．１）
図１３は、変形例４．１に係る半導体レーザ素子１００Ｄａの平面図である。この半導体レーザ素子１００Ｄａでは、図１２の半導体レーザ素子１００Ｄと比べて、遮光溝１６０の形成箇所が異なる。具体的には図６と同様に、遮光溝１６０は、出射領域Ａ１内に、リッジ部１５０＿１と重なるように形成されている。

（変形例４．２）
図１１において、出射領域Ａ１は電流非注入領域であり、ｐ型コンタクト層１２８は利得領域Ａ２のみに形成され、出射領域Ａ１にはｐ型コンタクト層１２８は形成されていなくてもよい。この場合、リッジ部１５０＿１の上側のｐ型コンタクト層１２８はエッチングにより除去され、その正面図は、図３（ｂ）と同様となる。

（変形例４．３）
利得領域Ａ２の形状は、図１２に示すものに限定されない。たとえばストレート部Ａ２ａを省略して、利得領域Ａ２全体をテーパー部Ａ２ｂとしてもよい。また、出射領域Ａ１はテーパー部Ａ２ｂをテーパーが広がる方向に単純に延長した形であってもよい。

（実施形態５）
図１４は、実施形態５に係る半導体レーザ素子１００Ｅの出射端面Ｓ１から見た正面図である。

実施形態５では、出射領域Ａ１におけるリッジ部１５０＿１の断面形状は、台形部分１５６と矩形部分１５８を含む。台形部分１５６は、上端から下端に向かって傾斜（テーパー）している。台形部分１５６の斜面（裾）は、緩やかに変化していてもよい。上端の幅ｗ_Ｕは、利得領域Ａ２におけるリッジ部１５０＿２の幅ｗ_２と等しい。

リッジ部１５０＿１の台形部分１５６の断面形状、すなわち上端の幅ｗ_Ｕおよび高さ、言い換えると傾斜の程度は、台形部分１５６の傾斜部分が仮想線２と交差しないように定めればよい。

最後に、全体に関連する変形例を説明する。

（変形例１）
実施形態１～４では、リッジ部１５０の側面が絶縁膜１３４によって覆われる場合を説明したがその限りでない。絶縁膜１３４が存在しない場合であっても、リッジ部１５０と隣接して、空隙や金属膜、その他の材料が存在する場合に、リッジ部１５０から漏れた光が、リッジ部１５０と隣接する領域から放射され、干渉縞を形成する可能性がある。したがって、出射領域Ａ１においてリッジ部１５０＿１の幅を広げる技術は、絶縁膜１３４の有無にかかわらず適用することができる。

（変形例２）
出射領域Ａ１におけるリッジ部１５０＿１の断面形状は、実施形態で説明したものに限定されず、ピークの１／ｅ^２の強度を示す仮想線が、上部クラッド層１２６の内側に収まるような形状に広がっていればよい。

（変形例３）
上部クラッド層１２６には、リッジ部１５０と隣接して、バンク部を形成してもよい。バンク部は、リッジ部１５０を保護する等の目的で、リッジ部１５０の両側面のそれぞれに共振器方向全長に亘って形成される。また、バンク部の高さは、リッジ部１５０の高さと同じ高さ（ｙ方向における厚み）とすることができる。

（変形例５）
半導体レーザ素子１００の用途は、レーザポインタには限定されず、レベラや測距儀、センサ、プロジェクタ用の光源などにも使用可能である。

半導体レーザ素子１００の出射光を集光して利用する場合、ビームプロファイルが悪いと、最小スポット径が大きくなってしまう。本実施形態によれば、半導体レーザ素子１００の出射光を集光した場合の最小スポット径を小さくすることも可能であり、したがって光ディスクのピックアップなどにも適用できる。

実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００ 半導体レーザ素子
Ｓ１ 出射端面
Ｓ２ 反射端面
１１０ 半導体基板
１２０ 多層成長層
１２２ 下部クラッド層
１２４ 発光層
１２６ 上部クラッド層
１２８ ｐ型コンタクト層
１３４ 絶縁膜
１４０ レーザ共振器
１５０ リッジ部
１５２ 下側矩形部分
１５４ 上側矩形部分
１５６ 台形部分
１５８ 矩形部分
１６０ 遮光溝
Ａ１ 出射領域
Ａ２ 利得領域
Ａ３ 反射端領域

Claims (16)

1. 端面発光型の半導体レーザ素子であって、
   半導体基板上に形成される下部クラッド層、活性層、上部クラッド層の積層構造を含み、前記上部クラッド層にリッジ部が形成されてなるレーザ共振器を備え、
   前記レーザ共振器を前記半導体基板に直交する方向から平面視したときに、前記レーザ共振器は、出射端面側に出射領域を有し、
   前記レーザ共振器の前記出射端面を正面視したときに、レーザ光のビームプロファイルに関して、強度がピークの１／ｅ^２である仮想線が、前記出射領域における前記上部クラッド層の内側に収まっていることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記半導体レーザ素子を前記半導体基板に直交する方向から平面視したときに、前記リッジ部の幅は、前記出射領域の境界において広がっ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. 前記リッジ部の少なくとも側面は、絶縁層で覆われていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記出射端面を正面視したときに、前記出射領域における前記リッジ部の断面形状は矩形であり、
   前記リッジ部の幅が、前記ビームプロファイルの横方向の１／ｅ^２幅より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
5. 前記リッジ部の幅が前記ビームプロファイルの横方向の１／ｅ^２幅の３倍より大きいことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ素子。
6. 前記出射端面を正面視したときに、前記出射領域における前記リッジ部の上端の幅は下端の幅より狭いことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
7. 前記出射端面を正面視したときに、前記出射領域における前記リッジ部の断面形状は、第１幅を有する下側矩形部分と、前記第１幅より狭い第２幅を有し前記下側矩形部分の上に隣接する上側矩形部分と、を有し、
   前記第１幅が、前記ビームプロファイルの横方向の１／ｅ^２幅より大きいことを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ素子。
8. 前記第１幅が、前記ビームプロファイルの横方向の１／ｅ^２幅の３倍より大きい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. 前記出射端面を正面視したときに、前記出射領域における前記リッジ部の断面形状は、前記上端から前記下端に向かって傾斜していることを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ素子。
10. 前記絶縁層は、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘ、ＳｉＯＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２からなる群から選択されるひとつを含むことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ素子。
11. 前記活性層は、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ，Ａｓ，Ｐ，Ｎからなる群から選択されるひとつまたは複数の材料を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
12. 前記半導体レーザ素子を前記半導体基板に直交する方向から平面視したときに、前記レーザ共振器は、前記出射領域と隣接する利得領域を有し、
    前記利得領域における前記リッジ部は、レーザ光が横シングルモードを有するように設計されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
13. 前記出射領域と隣接して、前記レーザ共振器に直交する方向に延在する遮光溝が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
14. 前記出射領域の中に、前記レーザ共振器に直交する方向に延在する遮光溝が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
15. 端面発光型の半導体レーザ素子であって、
    半導体基板上に形成される下部クラッド層、活性層、上部クラッド層の積層構造を含み、前記上部クラッド層にリッジ部が形成されてなるレーザ共振器を備え、
    前記レーザ共振器を前記半導体基板に直交する方向から平面視したときに、前記レーザ共振器は、出射端面側の出射領域と、出射領域と隣接する利得領域を有し、
    前記リッジ部の幅は、前記利得領域と前記出射領域の境界においてステップ状に広がっており、前記出射領域における前記リッジ部の幅は、前記利得領域における前記リッジ部の最大幅の３倍より大きいことを特徴とする半導体レーザ素子。
16. 端面発光型の半導体レーザ素子の製造方法であって、
    半導体基板上に、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層の積層構造を形成するステップと、
    前記半導体レーザ素子の出射端面を正面視したときに、レーザ光のビームプロファイルに関して、強度がピークの１／ｅ^２である仮想線が、レーザ共振器の出射領域において前記上部クラッド層に収まるように前記上部クラッド層にリッジ加工を施すステップと、
    前記リッジ加工により前記上部クラッド層に形成されたリッジ部の少なくとも側面を覆う絶縁層を形成するステップと、
    を備えることを特徴とする製造方法。

Images