JP7174295B2 - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
膜厚158nmのAl2O3膜51a、
膜厚59nmのZrO2膜52、
膜厚79nmのAl2O3膜51b、
膜厚59nmのZrO2膜52、
膜厚79nmのAl2O3膜51b、
膜厚59nmのZrO2膜52、
膜厚180nmのAl2O3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Al2O3膜51aからZrO2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Al2O3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。
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。
膜厚158nmのAl2O3膜、
膜厚61nmのTa2O5膜、
膜厚87nmのSiO2膜と膜厚61nmのTa2O5膜を6ペア、
膜厚174nmのSiO2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。
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。
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。
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。
尚、上述のような本発明は、次の態様を包含していることを確認的に述べておく。
第1態様: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。
第2態様: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上記第1態様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。)
第3態様: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上記第2態様に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
第4態様: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上記第3態様に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
第5態様: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上記第4態様に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
第6態様: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上記第1態様~第5態様のいずれかに記載の半導体レーザ素子の製造方法。
第7態様: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上記第1態様~第6態様のいずれかに記載の半導体レーザ素子の製造方法。
第8態様: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上記第7態様に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
第9態様:Xは15であることを特徴とする上記第1態様~第8態様のいずれかに記載の半導体レーザ素子の製造方法。
第10態様: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上記第1態様~第9態様のいずれかに記載の半導体レーザ素子の製造方法。
第11態様: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。
第12態様: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上記第11態様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。)
第13態様:前記非λ/4膜の数は1つであることを特徴とする上記第12態様に記載の半導体レーザ素子。
第14態様: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上記第13態様に記載の半導体レーザ素子。
第15態様: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上記第11態様~第14態様のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
第16態様: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上記第11態様~第15態様のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
第17態様:前記発振波長は、515~540nmの範囲内であることを特徴とする上記第11態様~第16態様のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
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。
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Al2O3膜、膜厚61nmのTa2O5膜、膜厚87nmのSiO2膜及び膜厚61nmのTa2O5膜を6ペア、膜厚174nmのSiO2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。
比較例1として、出射側ミラー50の最終膜であるAl2O3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として、出射側ミラー50の最終膜であるAl2O3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。
測定はケース温度Tc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。
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 Al2O3膜(λ/4膜)
52 ZrO2膜(λ/4膜)
53 Al2O3膜(非λ/4膜)
60 反射側ミラー
70 絶縁膜
Claims (6)
- 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、半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体構造体の活性層がInを含み、
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、
特定の波長λに対して、
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つ有し、
前記λ/4膜の数が前記非λ/4膜の数よりも多く、
前記半導体レーザ素子の発振波長は、500nm以上であり、且つ、λ±Xnm(5≦X≦15)の範囲内にあり、
前記出射側ミラーは、前記λ±Xnm(5≦X≦15)の範囲内で、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、半導体レーザ素子。
(ただし、nは各膜の屈折率である。) - 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1に記載の半導体レーザ素子。
- 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2に記載の半導体レーザ素子。
- 前記出射側ミラーは、前記λ±Xnm(5≦X≦15)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を特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
- 前記反射側ミラーは、前記λ±Xnm(5≦X≦15)の範囲内で、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1~4のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
- 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1~5のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
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