JP6624154B2 - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

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。

半導体レーザ素子は、活性層を含む半導体構造体と、光出射側面に設けられた出射側ミラーと、光反射側面に設けられた反射側ミラーとを有する。反射側ミラーは例えば８０％以上という高反射率の膜であり、出射側ミラーはそれよりも低い反射率の膜である。例えば特許文献１には、反射率３〜１３％の出射側ミラーを有し、発振波長が４１０ｎｍ付近である半導体レーザ素子が記載されている。

特開２００９−１７６８１２号公報

特許文献１の図３には、出射側ミラーの反射率の波長依存性が記載されている。この図によれば、出射側ミラーの反射率は、実際の発振波長が目標値から多少ずれたとしてもほとんど変わらない。発振波長のずれによって半導体構造体の発光効率が変わらないのであれば、実際の発振波長が多少ずれても目標どおりの閾値電流や光出力を得ることができるはずである。

しかしながら、例えば５００ｎｍ以上の緑色領域の光を発振する半導体レーザ素子では、紫色〜青色領域の光を発振する半導体レーザ素子と比較して、その半導体構造体の発光効率が未だ十分ではない。このような半導体レーザ素子では、発振波長が長波になるほど半導体構造体の発光効率が低下する傾向がある。また、例えば発振波長が緑色領域である半導体レーザ素子は活性層としてＩｎＧａＮ層などを有するが、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比が増加するほどＩｎＧａＮ層におけるＩｎの実際の取り込み量が安定しにくいため、実際の発振波長が目標値からずれやすい。

本願は、以下の発明を含む。
波長λｏを発振波長の目標値とする、光出射側面及び光反射側面を有する窒化物半導体構造体を準備する工程と、
前記光出射側面に出射側ミラーを形成する工程と、
前記光反射側面に反射側ミラーを形成する工程とを備える半導体レーザ素子の製造方法であって、
前記半導体レーザ素子の実際の発振波長λａは、５００ｎｍ以上であり、且つ、λｏ±Ｘｎｍ（５≦Ｘ≦１５）の範囲内にあり、
前記出射側ミラー形成工程において、λｏ±Ｘｎｍの範囲内で、前記反射側ミラーよりも反射率が低く且つ波長の増加と共に反射率が増加する出射側ミラーを、前記光出射側面に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。

光出射側面及び光反射側面を有する窒化物半導体構造体と、
前記光出射側面に設けられた出射側ミラーと、
前記光反射側面に設けられた反射側ミラーとを備えた、発振波長が５００ｎｍ以上の半導体レーザ素子であって、
前記出射側ミラーは、前記発振波長を含む１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下の幅の波長領域において、前記反射側ミラーの反射率よりも低く且つ波長の増加と共に増加する反射率を有することを特徴とする半導体レーザ素子。

このような発明によれば、閾値電流のばらつきを低減することができる半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することができる。

実施形態に係る製造工程を概略的に示すフローチャートである。 実施形態に係る半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式的な断面図である。 実施形態に係る半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式的な断面図である。 出射側ミラー及びその付近を示す部分拡大図である。 実施例の出射側ミラーの反射率の波長依存性を示すグラフである。 比較例１の出射側ミラーの反射率の波長依存性を示すグラフである。 比較例２の出射側ミラーの反射率の波長依存性を示すグラフである。 実施形態に係る半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。 実施例の半導体レーザ素子の発振波長と閾値電流との関係を示すグラフである。 実施例、比較例１及び２の発振波長５２０ｎｍの半導体レーザ素子の電流と光出力の関係を示すグラフである。 実施例、比較例１及び２の発振波長５２５ｎｍの半導体レーザ素子の電流と光出力の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための方法を例示するものであって、本発明を以下の実施形態に特定するものではない。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。

図１に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法は、以下の工程を含む。
Ｓ１００：波長λｏを発振波長の目標値とする、光出射側面及び光反射側面を有する窒化物半導体構造を準備する工程。
Ｓ２０２：光出射側面に出射側ミラーを形成する工程。
Ｓ２０４：光反射側面に反射側ミラーを形成する工程。
ここで、半導体レーザ素子の実際の発振波長λａは、５００ｎｍ以上であり、且つ、λｏ±Ｘｎｍ（５≦Ｘ≦１５）の範囲内にある。出射側ミラーを形成する工程において、λｏ±Ｘｎｍの範囲内で、反射側ミラーよりも反射率が低く且つ波長の増加と共に反射率が増加する出射側ミラーを、光出射側面に形成する。

（窒化物半導体構造を準備する工程Ｓ１００）
まず、図２に示すように、光出射側面１０ａ及び光反射側面１０ｂを有する窒化物半導体構造体１０を準備する。図１に示すように、窒化物半導体構造体を準備する工程Ｓ１００は、例えば、基板準備工程とＳ１０２と、ｎ側半導体層形成工程Ｓ１０４と、活性層形成工程Ｓ１０６と、ｐ側半導体層形成工程Ｓ１０８と、を有する。すなわち、図２に示すように、窒化物半導体構造体１０は、ｎ側半導体層１１と、活性層１２と、ｐ側半導体層１３と、を上方に向かってこの順に有することができる。ｎ側半導体層１１と活性層１２とｐ側半導体層１３は、それぞれが窒化物半導体からなる。窒化物半導体構造体１０は基板２０の上に形成することができる。なお、図２は、共振器方向と平行な方向、すなわち後述するリッジ１３ａの延伸方向と平行な方向における断面を示す図である。

窒化物半導体構造体１０は、これを用いて形成する半導体レーザ素子の発振波長が特定の波長となることを目標として設計される。目標とする特定の波長をここでは波長λｏとする。例えば、波長λоが５２０ｎｍである場合の活性層１２中の井戸層の組成の目標としては、Ｉｎ組成比２５％のＩｎＧａＮが挙げられる。もし目標どおりの組成等を有する窒化物半導体構造体１０が得られれば、それを用いて形成する半導体レーザ素子の発振波長は目標値である波長λоとなるはずである。しかし、実際に得られる窒化物半導体構造体１０の組成等が目標値と完全に一致するとは限らず、多くの場合、目標の組成等とはやや異なるものが得られる。実際の発振波長λａについても同様に、目標の波長λｏとはやや異なる波長となることがある。実際の発振波長λａの波長λоとの差異が比較的小さければ良品として許容することができる。そこで、実際の発振波長λａはλｏ±Ｘｎｍ（５≦Ｘ≦１５）の範囲内とする。本実施形態においてはＸ＝１５とする。また、窒化物半導体構造体１０を用いて得られる半導体レーザ素子は緑色レーザ光を発振するレーザ素子であり、その実際の発振波長λａは５００ｎｍ以上である。さらには、発振波長λａは、５１５〜５４０ｎｍの範囲内とすることができる。なお、発振波長とはピーク波長を指す。

基板２０としては、ＧａＮ等の半導体からなる基板や、サファイア等の絶縁性材料からなる基板を用いることができる。例えば、基板２０として、上面をｃ面（（０００１）面）とするＧａＮ基板を用いる。ｎ側半導体層１１は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体からなる多層構造とすることができる。ｎ側半導体層１１に含まれるｎ型半導体層としては、Ｓｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物が含有された窒化物半導体からなる層が挙げられる。活性層１２は単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造を有することができる。活性層１２は、例えば、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層とを有する。ｐ側半導体層１３は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体層からなる多層構造とすることができる。ｐ側半導体層１３に含まれるｐ型窒化物半導体層としては、Ｍｇ等のｐ型不純物が含有された窒化物半導体からなる層が挙げられる。

図２に示すように、基板２０の下面にｎ電極３０を設けることができる。また、ｐ側半導体層１３の上面に接してｐ電極４１を設け、さらにその上にｐ側パッド電極４２を設けることができる。各電極の材料は、例えば、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ等の金属又は合金、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎから選択される少なくとも１種を含む導電性酸化物等の単層膜又は多層膜が挙げられる。導電性酸化物の例としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＧＺＯ（Ｇａｌｌｉｕｍ-ｄｏｐｅｄ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）が挙げられる。

例えば、ウェハ状の基板２０を用いて、その上に、ｎ側半導体層１１と活性層１２とｐ側半導体層１３とを順に形成し、それを割断することにより得られた劈開面を光出射側面１０ａ及び光反射側面１０ｂとすることができる。

（出射側ミラーを形成する工程Ｓ２０２）
窒化物半導体構造体１０を準備した後、図３Ａに示すように、光出射側面１０ａに出射側ミラー５０を形成する。出射側ミラー５０は、λｏ±Ｘｎｍの範囲内で、後述する反射側ミラー６０よりも反射率が低く且つ波長の増加と共に反射率が増加する。図４は、出射側ミラー５０の反射率の波長依存性の一例を示すグラフである。

上述のとおり、発振波長が緑色領域である半導体レーザ素子は、発振波長が長波になるほど窒化物半導体構造体１０の発光効率が低下する傾向がある。そこで、図４に示すような波長依存性を有する反射率の出射側ミラー５０を形成する。例えば実際の発振波長λａが波長λоよりも長波であれば、実際の発振波長λａが波長λоと同値である場合と比較して、窒化物半導体構造体１０の発光効率は低下し、反射率は上昇する。

半導体レーザ素子の閾値電流Ｉ_ｔｈは閾値電流密度Ｊ_ｔｈに正比例する。そして、閾値電流密度Ｊ_ｔｈは、窒化物半導体構造体１０の発光効率、つまり内部量子効率η_ｉが低下するほど増大し、また、出射側ミラー５０の反射率が上昇するほど低下する。すなわち、実際の発振波長λａが波長λоよりも長波になることで発光効率が低下するので、本来であれば閾値電流Ｉ_ｔｈが上昇するはずである。しかし、一方で、出射側ミラー５０の反射率が上昇するので、たとえ実際の発振波長λａが波長λоからずれたとしても閾値電流Ｉ_ｔｈの目標値からのずれを小さくすることができる。これにより半導体レーザ素子の歩留まりを向上させることができる。また、閾値電流のばらつきが低減されるほど、アプリケーションに組み込んだ際に、レーザ発振オンの電流及び／又はオフの電流をより厳密に設定することができるという利点もある。

出射側ミラー５０の反射率の波長の増加に伴う変化の度合いが小さければ、閾値電流Ｉ_ｔｈの目標値からのずれを小さくする効果が得られにくい。このため、出射側ミラー５０は、λｏ±Ｘｎｍの範囲内で波長が１０ｎｍ増加するごとに２％以上変化する反射率を有することが好ましい。一方で、反射率の変化度合いが大きすぎると安定した特性が得られにくいと考えられるため、反射率の波長１０ｎｍごとの変化は１０％以下とすることが好ましい。また、窒化物半導体構造体１０の発光効率はλｏ±Ｘｎｍの範囲内において概ね直線状に変化する傾向にあるため、出射側ミラー５０の反射率も同様に概ね直線状に変化することが好ましい。例えば図４に示す出射側ミラー５０の反射率の波長依存性のグラフにおいて、λｏ±Ｘｎｍの範囲内に変曲点は実質的にないといえる。

出射側ミラー５０は、λｏ±Ｘｎｍの範囲内に加えて、さらにその前後の波長範囲においても波長の増加と共に反射率が増加することが好ましい。このような波長範囲としては、λｏ±（Ｘ＋５）ｎｍの範囲が挙げられる。換言すると、出射側ミラー５０の反射率の波長依存性のグラフにおいて、変曲点はλｏ±（Ｘ＋５）ｎｍの範囲よりも外にあることが好ましい。出射側ミラー５０の膜厚や屈折率が目標値からずれると反射率が目標値から変化するが、このように波長範囲に余裕を持たせることにより、膜厚等が多少ずれたとしても安定した特性を得ることができる。

図３Ｂに示すように、出射側ミラー５０は、屈折率の異なる２種類以上の膜が積層された積層構造を有することができる。出射側ミラー５０は、例えば、光出射側面１０ａから順に、
膜厚１５８ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜５１ａ、
膜厚５９ｎｍのＺｒＯ_２膜５２、
膜厚７９ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜５１ｂ、
膜厚５９ｎｍのＺｒＯ_２膜５２、
膜厚７９ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜５１ｂ、
膜厚５９ｎｍのＺｒＯ_２膜５２、
膜厚１８０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜５３、
を積層することにより形成する。本実施形態において目標値とする波長λｏは５２０ｎｍであるから、光出射側面１０ａに接するＡｌ_２Ｏ_３膜５１ａからＺｒＯ_２膜５２までの合計６層は実質的にλｏ／４ｎの整数倍の膜厚であるλ／４膜である。そして、最も外側の膜であるＡｌ_２Ｏ_３膜５３は実質的にλｏ／４ｎの整数倍とは異なる膜厚である非λ／４膜である。なお、ｎは各膜の屈折率を指す。また、これらの値は目標値であり、実際の膜厚はこれらから若干のずれが生じることがある。例えば、各膜の実際の膜厚は目標値から０〜１０ｎｍ程度ずれることがある。

このような出射側ミラー５０において、仮に最も外側のＡｌ_２Ｏ_３膜５３を膜厚１５８ｎｍとするとλ／４膜となる。この場合、図５に示すように、波長λо及びその前後においてほぼ変化しない反射率となる。このことから、出射側ミラー５０を、λ／４膜を１以上有し、非λ／４膜を少なくとも１つ有する構造とすることで、波長の増加に伴って変化する反射率とすることができると考えられる。なお、Ａｌ_２Ｏ_３膜５３の膜厚をさらに減らして膜厚１３０ｎｍとしても非λ／４膜となるが、この場合は図６に示すように波長λо及びその前後において波長の増加と共に反射率が減少する反射率となる。これらのことから、出射側ミラー５０の一部を非λ／４膜とした上で、その非λ／４膜の膜厚を調整することで、図４に示すように波長の増加に伴って変化する反射率とすることができると考えられる。

図６に示すように、波長が増加するほど反射率が低下する場合には、発振波長が反射率の比較的高い短波長域であれば閾値電流が低くなり、反射率の比較的低い長波長域であれば閾値電流が高くなる。このため、本実施形態の出射側ミラー５０を用いる場合と比較して閾値電流のばらつきは大きくなる傾向がある。また、図６に示すように、発振波長が長波になるほど反射率が低下するということは、すなわち、発振波長が長波になるほど光閉じ込めが低下するということである。光出力は室温雰囲気よりも高温雰囲気の方が低下するが、この低下の度合いは、特に長波長域において、光閉じ込めが高い方が小さいと考えられる。このため、例えば５２５ｎｍ以上の長波長域において、出射側ミラー５０は、図６に示すような長波ほど低反射率となる構造よりも、図４に示すような長波ほど高反射率となる構造が好ましい。

また、非λ／４膜の数が多くなるほど、変化点の多い波長依存性や角度依存性となりやすいと考えらえる。このため、非λ／４膜は少数であることが好ましく、すなわちλ／４膜が複数であり、その数が非λ／４膜の数よりも多いことが好ましい。より好ましくは、非λ／４膜の数を１つとする。また、窒化物半導体構造体１０の比較的近くに配置された膜の厚みを変更すると、窒化物半導体構造体１０と出射側ミラー５０との界面における電界強度が変化する傾向にある。該界面の電界強度が大きいほど、該界面やその付近が損傷しやすい。図３Ｂに示すように非λ／４膜を最も外側の膜とすれば、窒化物半導体構造体１０と出射側ミラー５０との界面における電界強度に影響を与えにくいので、好ましい。

出射側ミラー５０は、光出射側面１０ａのうち少なくとも活性層１２を覆う位置に形成する。出射側ミラー５０は例えば光出射側面１０ａの全面を覆うように形成し、図３Ａに示すように出射側ミラー５０の一部が窒化物半導体構造体１０の上方及び／又は下方に回り込んでいてもよい。この場合、回り込んだ部分の膜厚は上述の膜厚と異なっていてよい。出射側ミラー形成工程Ｓ２０２における窒化物半導体構造体１０は、半導体レーザ素子となる部分が光出射側面１０ａと平行な方向に複数連なったバー状のものとすることができる。このようなバー状の窒化物半導体構造体１０は、ウェハを分割することにより得ることができる。

（反射側ミラーを形成する工程Ｓ２０４）
窒化物半導体構造体１０を準備した後、図３Ａに示すように、光反射側面に反射側ミラー６０を形成する。反射側ミラー形成工程Ｓ２０４は、出射側ミラー形成工程Ｓ２０２を行う前でもよく、同時でもよい。λｏ±Ｘｎｍの範囲内において、反射側ミラー６０の反射率は出射側ミラー５０の反射率よりも高い。これにより、レーザ発振時に、出射側ミラー５０から出射するレーザ光の光出力を、反射側ミラー６０から出射するレーザ光の光出力よりも高くすることができる。

反射側ミラー６０の反射率が高いほど閾値電流を下げることができるため、λｏ±Ｘｎｍの範囲内における反射側ミラー６０の反射率は９０％以上とすることが好ましい。反射側ミラー６０は、λｏ±Ｘｎｍの範囲内における波長の増加に対する変化量が前記出射側ミラーよりも小さい反射率を有することが好ましい。これにより、実際の波長λａがλｏ±Ｘｎｍの範囲内のどこであっても同程度の高反射率を得ることができるので、閾値電流のばらつきを小さくすることができる。より好ましくは、反射側ミラー６０を、λｏ±Ｘｎｍの範囲内で実質的に一定の反射率を有するものとする。

反射側ミラー６０は、屈折率の異なる２種類以上の膜が積層された積層構造を有することができる。反射側ミラー６０は、例えば、光反射側面１０ｂから順に、
膜厚１５８ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜、
膜厚６１ｎｍのＴａ_２Ｏ₅膜、
膜厚８７ｎｍのＳｉＯ_２膜と膜厚６１ｎｍのＴａ_２Ｏ₅膜を６ペア、
膜厚１７４ｎｍのＳｉＯ_２膜
を積層することにより形成する。本実施形態において目標値とする波長λｏは５２０ｎｍであるから、反射側ミラー６０を構成する各膜は実質的にλｏ／４ｎの整数倍の膜厚であるλ／４膜である。なお、ｎは各膜の屈折率を指す。また、これらの値は目標値であり、実際の膜厚はこれらから若干のずれが生じることがある。例えば、各膜の実際の膜厚は目標値から０〜１０ｎｍ程度ずれることがある。

出射側ミラー５０と同様に、反射側ミラー６０は、光反射側面１０ｂのうち少なくとも活性層１２を覆う位置に形成し、例えば全面を覆うように形成する。図３Ａに示すように、反射側ミラー６０の一部が窒化物半導体構造体１０の上方及び／又は下方に回り込んでいてもよく、回り込んだ部分の膜厚は上述の膜厚と異なっていてよい。反射側ミラー形成工程Ｓ２０４における窒化物半導体構造体１０は、半導体レーザ素子となる部分が光反射側面１０ｂと平行な方向に複数連なったバー状のものとすることができる。

（その他の工程）
半導体レーザ素子１００となる部分が複数連なったバー状構造体に対して出射側ミラー５０及び反射側ミラー６０を形成する場合は、これらの形成が完了した後、バー状構造体を複数の半導体レーザ素子１００に分割する工程をさらに備えることができる。また、実際の発振波長λａを測定し、λｏ±Ｘｎｍの範囲内であるものを良品として判定する工程をさらに備えてもよい。

（半導体レーザ素子１００）
以上の工程によって得られた半導体レーザ素子１００を図７に示す。図７は、共振器方向と垂直な方向、すなわちリッジ１３ａの延伸方向と垂直な方向における断面を示す図である。半導体レーザ素子１００の実際の発振波長λａは５００ｎｍ以上である。図７に示すように、半導体レーザ素子１００は、光出射側面１０ａ及び光反射側面１０ｂを有する窒化物半導体構造体１０と、光出射側面１０ａに設けられた出射側ミラー５０と、光反射側面１０ｂに設けられた反射側ミラー６０とを有する。出射側ミラー５０は、実際の発振波長λａを含む１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下の幅の波長領域において、反射側ミラー６０の反射率よりも低く且つ波長の増加と共に増加する反射率を有する。出射側ミラー５０は、上述のとおり、λ／４膜及び非λ／４膜を有することができる。このとき、λ／４膜及び非λ／４膜は、半導体レーザ素子１００の実際の発振波長λａを基準として規定してもよい。すなわち、実際の発振波長λａを含む１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下の幅の波長領域の範囲内の波長をλとして、実質的にλ／４ｎの整数倍の膜厚であるλ／４膜、実質的にλ／４ｎの整数倍とは異なる膜厚である非λ／４膜、ということができる。

このように、発振波長が目標値からずれる可能性を考慮して、窒化物半導体構造体１０の発光効率が低下すると反射率が上昇する出射側ミラー５０とすることにより、閾値電流の目標値からのずれを小さくすることができる。発光効率の低下は長波長になるほど顕著であるため、このような構成は発振波長が５１５〜５４０ｎｍの範囲内である半導体レーザ素子１００に対してより効果的であると考えられる。

図７に示すように、ｐ側半導体層１３の上側には例えばリッジ１３ａが設けられている。活性層１２のうちリッジ１３ａの直下の部分及びその近傍が光導波路領域である。また、リッジ１３ａの側面から連続するｐ側半導体層１４の上面に絶縁膜７０を設けてよい。絶縁膜７０は、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ等の酸化物又は窒化物等の単層又は積層膜によって形成することができる。リッジ１３ａは、出射側ミラー形成工程Ｓ２０２及び反射側ミラー形成工程Ｓ２０４よりも前に形成する。すなわち、窒化物半導体構造体準備工程Ｓ１００において、リッジ１３ａが形成された窒化物半導体構造体１０を準備する。絶縁膜７０についても同様に、出射側ミラー形成工程Ｓ２０２及び反射側ミラー形成工程Ｓ２０４よりも前に形成することができる。

（実施例）
実施例として、以下のとおり半導体レーザ素子１００を作製した。

まず、基板２０として、成長面がｃ面であるＧａＮ基板を用いて、その上に、ＧａＮ系半導体からなるｎ側半導体層１１と活性層１２とｐ側半導体層１３とを形成した。これらの半導体層の組成や膜厚等は、得られる半導体レーザ素子１００の発振波長が５２０ｎｍとなる組成や膜厚等を設定値として形成した。すなわち、発振波長の目標値である波長λｏは５２０ｎｍとした。ｐ側半導体層１３の一部を除去し、リッジ１３ａを形成した。さらに、リッジ１３ａの両側のｐ側半導体層１４の上面を覆う絶縁膜７０と、リッジ１３ａの上面に接触するｐ電極４１と、ｐ電極４１と接触するｐ側パッド電極４２と、基板２０の下面に接触するｎ電極３０と、を形成した。

このようにして得られたウェハを複数のバー状の小片に分割した。各小片はリッジ１３ａを複数有するサイズとした。そして、各小片の向かい合う分割面をそれぞれ光出射側面１０ａと光反射側面１０ｂとして、光出射側面１０ａに出射側ミラー５０を形成し、光反射側面１０ｂに反射側ミラー６０を形成した。出射側ミラー５０は、光出射側面１０ａから順に、膜厚７９ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜５１ａ、膜厚５９ｎｍのＺｒＯ_２膜５２、膜厚７９ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜５１ｂ、膜厚５９ｎｍのＺｒＯ_２膜５２、膜厚７９ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜５１ｂ、膜厚５９ｎｍのＺｒＯ_２膜５２、膜厚１８０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜５３とした。すなわち、実施例では、出射側ミラー５０の最終膜を４／λ膜よりも厚い膜とした。なお、これらの膜厚は設定値を示す。これらの設定値を用いて算出された出射側ミラー５０の反射率の波長依存性を図４に示す。また、反射側ミラー６０は、光反射側面１０ｂから順に、膜厚１５８ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜、膜厚６１ｎｍのＴａ_２Ｏ₅膜、膜厚８７ｎｍのＳｉＯ₂膜及び膜厚６１ｎｍのＴａ_２Ｏ₅膜を６ペア、膜厚１７４ｎｍのＳｉＯ_２膜とした。これらの設定値を用いて算出された反射側ミラー６０の反射率は波長５００〜５５０ｎｍの範囲内において約９７％であった。

出射側ミラー５０及び反射側ミラー６０が設けられた小片を１つのリッジ１３ａ毎に分割することで、１つのリッジ１３ａを有する半導体レーザ素子１００を得た。１つのウェハから得られた約１５６０個の半導体レーザ素子１００について、それぞれ、発振波長と閾値電流とを測定した。得られた閾値電流の値について、まず、発振波長５２０ｎｍ±１ｎｍにおける閾値電流の平均値を算出し、その平均値を用いて閾値電流を規格化した。すなわち、その平均値でそれぞれの閾値電流の値を除算した。その結果を図８に示す。図８は、規格化された閾値電流をプロットし、近似曲線を示したグラフである。図８において実施例の各数値を円で示し、近似曲線を実線で示す。発振波長は５１３〜５２５ｎｍの範囲内に分布していた。

（比較例１）
比較例１として、出射側ミラー５０の最終膜であるＡｌ_２Ｏ_３膜５３の膜厚の設定値を１５８ｎｍとした以外は実施例と同様にして、半導体レーザ素子を作製した。すなわち、比較例１では、出射側ミラー５０の最終膜をλ／4膜とした。この設定値を用いて算出された出射側ミラー５０の反射率の波長依存性を図５に示す。１つのウェハから得られた約１８７０個の比較例１の半導体レーザ素子について、それぞれ、発振波長と閾値電流とを測定した。得られた閾値電流の値について、発振波長５２０ｎｍ±１ｎｍにおける閾値電流の平均値を用いて閾値電流を規格化した結果を図８に示す。図８において、比較例１の各数値をＸで示し、近似曲線を破線で示す。発振波長は５１３〜５２７ｎｍの範囲内に分布していた。

（比較例２）
比較例２として、出射側ミラー５０の最終膜であるＡｌ_２Ｏ_３膜５３の膜厚の設定値を１３０ｎｍとした以外は実施例と同様にして、半導体レーザ素子を作製した。すなわち、比較例２では、出射側ミラー５０の最終膜をλ／４膜よりも薄い膜とした。この設定値を用いて算出された出射側ミラー５０の反射率の波長依存性を図６に示す。１つのウェハから得られた約１７５０個の比較例２の半導体レーザ素子について、それぞれ、発振波長と閾値電流とを測定した。得られた閾値電流の値について、発振波長５２０ｎｍ±１ｎｍにおける閾値電流の平均値を用いて閾値電流を規格化した結果を図８に示す。図８において、比較例２の各数値を三角形で示し、近似曲線を実施例１よりも間隔の広い破線で示す。発振波長は５１３〜５２５ｎｍの範囲内に分布していた。

図８に示すように、実施例の半導体レーザ素子１００の閾値電流のばらつきは、比較例１及び比較例２の半導体レーザ素子の閾値電流のばらつきよりも小さかった。なお、図８中の３つの式は、それぞれ、１：実施例、２：比較例１、３：比較例２の近似曲線の式である。

また、実施例、比較例１及び２からそれぞれ発振波長５２０ｎｍの半導体レーザ素子と発振波長５２５ｎｍの半導体レーザ素子とを選び、電流を変化させて光出力を測定した。測定はケース温度Ｔ_ｃが２５℃の場合と８５℃の場合とでそれぞれ行った。その結果を図９及び１０に示す。図９は発振波長５２０ｎｍの結果であり、図１０は発振波長５２５ｎｍの結果である。図９及び１０において、実施例は実線で示し、比較例１は破線で示し、比較例２は比較例１よりも間隔の広い破線で示す。図９及び１０に示すように、比較例２の構造は、発振波長５２０ｎｍであれば他と同程度かそれよりも高い光出力を得ることができるが、発振波長５２５ｎｍの場合には他よりも低い光出力となった。特に、８５℃の場合にその差が顕著であった。図８に示すように、比較例２は閾値電流の波長依存性が他よりも強い傾向があり、すなわち、波長の長波長化による閾値電流の上昇割合が他よりも高くなりやすい。このように、発振波長が例えば５２５ｎｍ以上の長波長の半導体レーザ素子においては、閾値電流が高いことによって光出力の低下が生じると考えられる。したがって、比較例２よりも実施例の方が高温雰囲気における光出力の低下度合いを低減できるといえる。

１００ 半導体レーザ素子
１０ 窒化物半導体構造体
１０ａ 光出射側面
１０ｂ 光反射側面
１１ ｎ側半導体層
１２ 活性層
１３ ｐ側半導体層
１３ａ リッジ
２０ 基板
３０ ｎ電極
４１ ｐ電極
４２ ｐ側パッド電極
５０ 出射側ミラー
５１ａ、５１ｂ Ａｌ_２Ｏ_３膜（λ／４膜）
５２ ＺｒＯ_２膜（λ／４膜）
５３ Ａｌ_２Ｏ_３膜（非λ／４膜）
６０ 反射側ミラー
７０ 絶縁膜

Claims (17)

1. 波長λｏを発振波長の目標値とする、光出射側面及び光反射側面を有する窒化物半導体構造体を準備する工程と、
   前記光出射側面に出射側ミラーを形成する工程と、
   前記光反射側面に反射側ミラーを形成する工程とを備える半導体レーザ素子の製造方法であって、
   前記半導体レーザ素子の実際の発振波長λａは、５００ｎｍ以上であり、且つ、λｏ±Ｘｎｍ（５≦Ｘ≦１５）の範囲内にあり、
   前記出射側ミラー形成工程において、λｏ±Ｘｎｍの範囲内で、前記反射側ミラーよりも反射率が低く且つ波長の増加と共に反射率が増加し、反射率の波長１０ｎｍごとの変化は１０％以下である出射側ミラーを、前記光出射側面に形成し、
   前記窒化物半導体構造体の活性層がＩｎを含む、半導体レーザ素子の製造方法。
2. 前記出射側ミラー形成工程において、
   屈折率の異なる２種類以上の膜が積層された積層構造を有し、
   実質的にλｏ／４ｎの整数倍の膜厚であるλ／４膜を複数含み、
   実質的にλｏ／４ｎの整数倍とは異なる膜厚である非λ／４膜を少なくとも１つ含む前記出射側ミラーを形成す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の製造方法。
   （ただし、ｎは各膜の屈折率である。）
3. 前記出射側ミラー形成工程において、
   前記λ／４膜の数が前記非λ／４膜の数よりも多い前記出射側ミラーを形成す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の製造方法。
4. 前記出射側ミラー形成工程において、
   前記非λ／４膜の数が１つである前記出射側ミラーを形成することを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
5. 前記出射側ミラー形成工程において、
   前記非λ／４膜が最も外側の膜である前記出射側ミラーを形成することを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
6. 前記出射側ミラー形成工程において、
   λｏ±Ｘｎｍの範囲内で波長が１０ｎｍ増加するごとに２％以上変化する反射率を有する前記出射側ミラーを形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
7. 前記反射側ミラー形成工程において、
   λｏ±Ｘｎｍの範囲内における波長の増加に対する変化量が前記出射側ミラーよりも小さい反射率を有する前記反射側ミラーを形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
8. 前記反射側ミラー形成工程において、
   λｏ±Ｘｎｍの範囲内で実質的に一定の反射率を有する前記反射側ミラーを形成す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の製造方法。
9. Ｘは１５であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
10. 前記実際の発振波長λａは、５１５〜５４０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
11. 光出射側面及び光反射側面を有する窒化物半導体構造体と、
    前記光出射側面に設けられた出射側ミラーと、
    前記光反射側面に設けられた反射側ミラーとを備えた、発振波長が５００ｎｍ以上の半導体レーザ素子であって、
    前記出射側ミラーは、前記発振波長を含む１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下の幅の波長領域において、前記反射側ミラーの反射率よりも低く且つ波長の増加と共に増加する反射率を有し、該反射率の波長１０ｎｍごとの変化が１０％以下となっており、
    前記窒化物半導体構造体の活性層がＩｎを含む、半導体レーザ素子。
12. 前記出射側ミラーは、
    屈折率の異なる２種類以上の膜が積層された積層構造であり、
    実質的にλ／４ｎの整数倍の膜厚であるλ／４膜を１以上有し、
    実質的にλ／４ｎの整数倍とは異なる膜厚である非λ／４膜を少なくとも１つ有することを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザ素子。
    （ただし、λは前記波長領域の範囲内の波長であり、ｎは各膜の屈折率である。）
13. 前記非λ／４膜の数は１つであることを特徴とする請求項１２に記載の半導体レーザ素子。
14. 前記非λ／４膜は、前記出射側ミラーを構成する膜のうち最も外側の膜であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体レーザ素子。
15. 前記出射側ミラーは、前記波長領域において、波長が１０ｎｍ増加するごとに２％以上変化する反射率を有することを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
16. 前記反射側ミラーは、前記波長領域において、実質的に一定の反射率を有することを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
17. 前記発振波長は、５１５〜５４０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。

Images