JP7205820B2 - 半導体レーザー素子とその製造方法 - Google Patents

Description

本明細書の技術分野は、半導体レーザー素子とその製造方法に関する。

半導体レーザー素子、特に、窒化物半導体レーザー素子は、Ｂｌｕ－ｒａｙ Ｄｉｓｃ（登録商標）をはじめとする高密度光ディスク用光源として広く用いられている。近年では、窒化物半導体レーザー素子は、レーザープロジェクター用光源としても普及しつつある。さらには、照明、ディスプレイ、加工、光送電、殺菌・浄化といった新たな応用分野への展開が期待されている。そのため、半導体レーザー素子に対しては、より高いエネルギー変換効率と高い出力が求められている。そのための新たな手法として、平坦な半導体層の上に六角柱形状のナノワイヤ半導体を形成する技術が開発されている。

例えば、特許文献１には、六角柱形状のナノワイヤ半導体を形成し、ナノワイヤ半導体の側面にＩＴＯ等の透明導電膜を形成する技術が開示されている（特許文献１の請求項１、２および図３Ａ、図３Ｂ参照）。

特表２０１６－５１８７０３号公報

このようなナノワイヤ半導体構造を半導体レーザー素子の活性層として適用すると、共振器体積に対する活性層体積の割合を大きく設計することができる。そのため、半導体レーザー素子の光閉じ込め係数をある程度向上させることができる。光閉じ込め係数が大きいほどモード利得が大きくなり、低閾値電流、高出力、高効率の半導体レーザー素子を実現することができる。したがって、より高効率の半導体レーザー素子を実現するためには、光閉じ込め係数をさらに向上させることが望ましい。

本明細書の技術は、前述した課題を解決するためになされたものである。本明細書の技術が解決しようとする課題は、光閉じ込め係数を向上させることにより高効率化を図った半導体レーザー素子とその製造方法を提供することである。

本発明は、基板と、基板の面上に立設した六角柱形状の柱状半導体と、柱状半導体を覆う埋込半導体層と、を有する半導体レーザー素子において、柱状半導体は、III族窒化物半導体であり、基板の表面から垂直方向に伸びた六角柱形状半導体と、該六角柱形状半導体の側壁のｍ面から基板の面に平行に成長し、ｍ面に垂直な方向に厚さを有する活性層と、活性層の側壁から基板の面に平行に成長し、ｍ面に垂直な方向に厚さを有する六角筒形状半導体と、を有し、柱状半導体の基板に平行な断面において、活性層は、互いに平行に対向する一対の長辺部と、互いに平行に対向する二対の短辺部とを有した扁平六角形をしており、柱状半導体は、基板の面上において、長辺部に垂直な方向の素子両端に位置する一対の反射部を有し、長辺部が一対の反射部で反射して共振するレーザー光に対して垂直となるように、格子状に直交するする２方向に配列されていることを特徴とする半導体レーザー素子である。
本発明において、活性層の長辺部は、反射部の反射面に対して±５°以下の角度で配置されていることが望ましい。
活性層の長辺部の長辺方向の長さは、活性層の短辺部の短辺方向の長さの２倍以上７倍以下であることが望ましい。
六角筒状半導体は、ｐ型半導体であり、埋込半導体層の屈折率は、六角筒状半導体の屈折率よりも小さいことが望ましい。
六角柱形状半導体はｎ型ＧａＮであり、六角筒状半導体はｐ型ＧａＮであり、埋込層はＡｌＧａＮであることが望ましい。
埋込層はＡｌのモル組成比が０．０４以上のＡｌＧａＮであることが望ましい。

この半導体レーザー素子においては、活性層における互いに対向する一対の長辺部を有効活用する。光の振幅の大きい箇所と活性層の長辺部とを一致させることができる。長辺部が従来に比べて十分に長いため、光閉じ込め係数は従来に比べて大きい。したがって、半導体レーザー素子の効率は高い。

本明細書では、光閉じ込め係数を向上させることにより高効率化を図った半導体レーザー素子とその製造方法が提供されている。

第１の実施形態における半導体レーザー素子の概略構成を示す図である。 第１の実施形態における半導体レーザー素子の柱状半導体の構造を示す図である。 図２のIII-III 断面を示す断面図である。 第１の実施形態における半導体レーザー素子の柱状半導体の配列を示す図である。 第１の実施形態における半導体レーザー素子の柱状半導体の配列とレーザーの振幅との間の関係を示す図である。 第１の実施形態における半導体レーザー素子の製造方法を説明するための図（その１）である。 第１の実施形態における半導体レーザー素子の製造方法を説明するための図（その２）である。 第１の実施形態における半導体レーザー素子の製造方法を説明するための図（その３）である。 第１の実施形態における半導体レーザー素子の製造方法を説明するための図（その４）である。 第１の実施形態における半導体レーザー素子の製造方法を説明するための図（その５）である。 第１の実施形態の変形例における半導体レーザー素子の製造方法に用いるマスクの開口部の形状を説明するための図（その１）である。 第１の実施形態の変形例における半導体レーザー素子の製造方法に用いるマスクの開口部の形状を説明するための図（その２）である。 第１の実施形態の変形例における半導体レーザー素子の柱状半導体の構造を示す図（その１）である。 第１の実施形態の変形例における半導体レーザー素子の柱状半導体の構造を示す図（その２）である。 活性層の長辺部の長辺方向の長さと光閉じ込め係数との間の関係を示すグラフ（その１）である。 活性層の長辺部の長辺方向の長さと光閉じ込め係数との間の関係を示すグラフ（その２）である。 埋込半導体層のＡｌ組成と光閉じ込め係数との間の関係を示すグラフである。 横モードの基準面を示す模式図である。 埋込半導体層がＧａＮ層である場合の横モードの振幅を示すグラフである。 埋込半導体層がＧａＮ層である場合の横モードの振幅の導波方向の変化を模式的に示す図である。 埋込半導体層がＡｌＧａＮ層である場合の横モードの振幅を示すグラフである。 埋込半導体層がＡｌＧａＮ層である場合の横モードの振幅の導波方向の変化を模式的に示す図である。

以下、具体的な実施形態について、半導体レーザー素子とその製造方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、本明細書の技術はこれらの実施形態に限定されるものではない。また、後述する半導体レーザー素子の各層の積層構造および電極構造は、例示である。実施形態とは異なる積層構造であってもよい場合がある。そして、それぞれの図における各層の厚みの比は、概念的に示したものであり、実際の厚みの比を示しているわけではない。

（第１の実施形態）
１．半導体レーザー素子
図１は、第１の実施形態の半導体レーザー素子１００の概略構成を示す斜視図である。半導体レーザー素子１００は、端面発光型半導体レーザー素子である。図１に示すように、半導体レーザー素子１００は、基板１１０と、マスク１２０と、柱状半導体１３０と、埋込半導体層１４０と、コンタクト層１４５と、カソード電極Ｎ１と、アノード電極Ｐ１と、を有する。

基板１１０は、成長基板である。基板１１０は、導電性基板１１１と、下地層１１３と、ｎ型半導体層１１４と、を有する。導電性基板１１１は、例えば、ｎ型ＧａＮ基板である。下地層１１３は、例えば、ｎ型ＧａＮ層である。ｎ型半導体層１１４は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮ層である。これらは例示であり、上記以外の構造であってもよい。

マスク１２０は、表面から半導体が成長しない材料である。後述するように、マスク１２０には、貫通孔があいている。マスク１２０は、透明絶縁膜であるとよい。この場合には、マスク１２０は、光をほとんど吸収しない。電流は、マスク１２０を介さず、柱状半導体１３０に好適に流れる。マスク１２０の材質として例えば、ＳｉＯ₂ 、ＳｉＮｘ、Ａｌ₂ Ｏ₃ が挙げられる。

柱状半導体１３０は、柱状のIII 族窒化物半導体である。柱状半導体１３０は、基板１１０の上に形成されている。より具体的には、柱状半導体１３０は、マスク１２０の開口部１２０ａに露出する基板１１０の表面から選択成長させた半導体である。柱状半導体１３０は、扁平形状の六角柱形状をしている。詳細については、後述する。

埋込半導体層１４０は、柱状半導体１３０同士の隙間を埋め込むための半導体層である。埋込半導体層１４０は、柱状半導体１３０を覆っている。埋込半導体層１４０の材料は、例えば、ｐ型ＧａＮである。

コンタクト層１４５は、埋込半導体層１４０の上に形成されている。コンタクト層１４５は、例えばｐ型ＧａＮである。

カソード電極Ｎ１は、基板１１０の裏面に形成されている。

アノード電極Ｐ１は、コンタクト層１４５の上に形成されている。アノード電極Ｐ１は、コンタクト層１４５以外のその他の半導体に形成されていてもよい。

２．柱状半導体
図２は、第１の実施形態の半導体レーザー素子１００の柱状半導体１３０の概略構成図である。柱状半導体１３０は、柱状ｎ型半導体１３１と、活性層１３２と、筒状ｐ型半導体１３３と、を有する。

柱状ｎ型半導体１３１は、マスク１２０の開口部１２０ａに露出しているｎ型半導体層１１４を起点に柱状に選択成長させた半導体層である。柱状ｎ型半導体１３１は、扁平形状の六角柱形状をしている。柱状ｎ型半導体１３１は、実際には、横方向にも成長する。そのため、柱状ｎ型半導体１３１の太さは、マスク１２０の開口部１２０ａの開口幅よりもやや大きい。柱状ｎ型半導体１３１は、例えば、ｎ型ＧａＮ層である。

活性層１３２は、扁平形状の六角柱形状の柱状ｎ型半導体１３１の外周に沿って形成されている。そのため、活性層１３２は、六角筒形状を備える。活性層１３２は、例えば、１個以上５個以下の井戸層と、井戸層を挟む障壁層と、を有する。活性層１３２の井戸層は、基板１１０の板面にほぼ垂直である。ただし、活性層１３２の頂部は、柱状ｎ型半導体１３１の頂部を覆っていてもよい。活性層１３２の頂部は、基板１１０の板面にほぼ平行であってもよい。例えば、井戸層はＩｎＧａＮ層であり、障壁層はＡｌＧａＮ層である。

筒状ｐ型半導体１３３は、六角筒形状を備える活性層１３２の外周に沿って形成されている。そのため、筒状ｐ型半導体１３３は、六角筒形状を備える。筒状ｐ型半導体１３３は、活性層１３２と直接に接触するが、柱状ｎ型半導体１３１と直接には接触しなくともよい。また、筒状ｐ型半導体１３３は、埋込半導体層１４０と接触している。筒状ｐ型半導体１３３は、例えば、ｐ型ＧａＮ層である。

図３は、図２のIII-III 断面を示す断面図である。図３は、柱状半導体１３０における基板１１０の板面に平行な断面を示している。基板１１０の板面に平行な断面においては、柱状ｎ型半導体１３１の断面は、扁平形状の六角形である。

活性層１３２は、互いに対向する一対の長辺部１３２ａ、１３２ｂと、互いに対向する二対の短辺部１３２ｃ、１３２ｄ、１３２ｅ、１３２ｆと、を有する。長辺部１３２ａ、１３２ｂと、短辺部１３２ｃ、１３２ｄ、１３２ｅ、１３２ｆとは、柱状ｎ型半導体１３１のｍ面から成長した層である。長辺部１３２ａ、１３２ｂは、もちろん、短辺部１３２ｃ、１３２ｄ、１３２ｅ、１３２ｆよりも長い辺を構成する部分である。長辺部１３２ａは、長辺部１３２ｂと対向している。

後述するように、活性層１３２のうち長辺部１３２ａ、１３２ｂが、主にレーザー発振に寄与する。そのため、本実施形態では、長辺部１３２ａ、１３２ｂを有効に用いる。短辺部１３２ｃ、１３２ｄ、１３２ｅ、１３２ｆは、それほどレーザー発振に寄与しない。そのため、短辺部１３２ｃ、１３２ｄ、１３２ｅ、１３２ｆは短いままでよい。

活性層１３２の長辺部１３２ａ、１３２ｂの長辺方向Ｋ１の長さＷ１は、活性層１３２の短辺部１３２ｃ、１３２ｄ、１３２ｅ、１３２ｆの短辺方向Ｋ２の長さＷ２の２倍以上である。また、７倍以下であるとよい。ここで、長辺部１３２ａの長辺方向Ｋ１の長さＷ１とは、長辺部１３２ａの膜厚の中心部における長辺方向Ｋ１の長さである。短辺部についても、同様である。長辺部１３２ａの長さは、長辺部１３２ｂの長さと等しい。短辺部１３２ｃの長さは、他の短辺部１３２ｄ、１３２ｅ、１３２ｆの長さと等しい。もちろん、結晶性の問題で、わずかに差異が生ずる場合がある。

３．柱状半導体の配列
図４は、基板１１０の板面に対する柱状半導体１３０の配列を示す図である。図４に示すように、半導体レーザー素子１００は、互いに対向して配置された第１の反射部１５０と第２の反射部１６０とを有する。第１の反射部１５０と第２の反射部１６０とは、埋込半導体層１４０を間に挟んで配置されている。第１の反射部１５０と第２の反射部１６０との間には、もちろん、複数の柱状半導体１３０が配列されている。第１の反射部１５０および第２の反射部１６０は、例えば、ＤＢＲ（分布ブラッグ反射膜）である。

そのため、柱状半導体１３０と埋込半導体層１４０と第１の反射部１５０と第２の反射部１６０とは、共振器構造を構成する。光は、第１の反射部１５０の反射面１５１と第２の反射部１６０の反射面１６１との間で反射される。そして、第１の反射部１５０の出光面１５２からレーザーが出光する。この場合、第１の反射部１５０の反射率は、第２の反射部１６０の反射率よりも低く設定することが好ましい。また、その他の共振器構造を有していてもよい。

ここで、活性層１３２の長辺部１３２ａ、１３２ｂは、出光方向Ｊ１に垂直な方向Ｊ２にほぼ平行に配置されている。活性層１３２の長辺部１３２ａ、１３２ｂの長辺方向Ｋ１は、方向Ｊ２に平行であることが好ましい。しかし、これらは平行からわずかにずれている場合がある。例えば、活性層１３２の長辺部１３２ａ、１３２ｂの長辺方向Ｋ１は、第１の反射部１５０の反射面１５１に対して±５°以下の角度で配置されているとよい。

図４に示すように、柱状半導体１３０を正方格子配列とすることが好ましい。複数の活性層１３２の列に対して、共通の境界条件を適用できるからである。

このような柱状半導体１３０の配列により、後述するように、活性層１３２の長辺部１３２ａ、１３２ｂに効率的に光閉じ込めをすることができる。

４．光閉じ込め係数
光閉じ込め係数は、一般に、共振器内の電界強度に対する活性層内の電界強度の比で定義される。具体的には、次の式（１）で与えられる。

ここで、Γは光閉じ込め係数、Ｅは電界振幅、Ｖは体積を表している。右辺の分母は共振器内の電界強度の体積積分である。右辺の分子は活性層内の電界強度の体積積分である。活性層が井戸層を有する場合には、右辺の分子は井戸層の電界強度の体積積分で表される。

本実施形態の半導体レーザー素子では、横モードの光閉じ込め係数が従来に比べて格段に大きくなる。一方、縦モードの光閉じ込め係数は従来よりも小さくなる。そのため、次のような構成とすることが望ましい。

図５は、本実施形態の半導体レーザー素子１００における出向方向Ｊ１に平行な断面の概念図である。図５の下部には、柱状半導体１３０の配列が示されており、図５の上部には、柱状半導体１３０の配列に応じた縦モードの振幅が示されている。図５に示すように、活性層１３２と縦モードの腹部とが一致するように、柱状半導体１３０を配列することが好ましい。こうすることで、縦モードの光閉じ込め係数の低下を抑制することができる。

本実施形態の構成とすることにより、式（１）で表される光閉じ込め係数は、従来の半導体レーザー素子の光閉じ込め係数よりも高く設計することができる。つまり、本実施形態の半導体レーザー素子１００の効率は、従来に比べて十分に高くなる。

５．半導体レーザー素子の製造方法
５－１．基板準備工程
図６に示すように、基板１１０を準備する。基板１１０は、導電性基板１１１の上に、下地層１１３、ｎ型半導体層１１４の順で積層したものである。

５－２．マスク形成工程
図７に示すように、基板１１０のｎ型半導体層１１４の上にマスク１２０を形成する。なお、図７には、後述する開口部形成工程で形成される開口部１２０ａが描かれている。

５－３．開口部形成工程
図８に示すように、マスク１２０にｎ型半導体層１１４を露出させる複数の開口部１２０ａを形成する。そのために、エッチング等の技術を用いればよい。図８は、マスク１２０の開口部１２０ａの配列を示す図である。図８は、基板１１０の板面に垂直な方向から基板１１０を視た図である。図８には、参考のために、柱状半導体１３０の形状が破線で描かれている。図８に示すように、マスク１２０の開口部１２０ａがオーバル形状で正方格子状に配列されている。開口部１２０ａのオーバル形状の長辺方向Ｋ３は、出向方向Ｊ１に垂直な方向Ｊ２にほぼ平行である。

５－４．柱状半導体形成工程
図９に示すように、マスク１２０の開口部１２０ａの下に露出しているｎ型半導体層１１４を起点にして、六角柱形状の柱状ｎ型半導体１３１を選択的に成長させる。そのために、公知の選択成長の技術を用いればよい。このように半導体層を選択成長させる場合に、ｍ面がファセットとして表出しやすい。

前述したように、マスク１２０の開口部１２０ａがオーバル形状であるため、扁平形状の六角柱形状の柱状ｎ型半導体１３１が成長する。

次に、柱状ｎ型半導体１３１の周囲に活性層１３２を形成する。活性層１３２は、扁平形状の六角柱形状の柱状ｎ型半導体１３１の側面に形成される。また、活性層１３２が柱状ｎ型半導体１３１の頂部にも形成される場合がある。活性層１３２は、前述のように、互いに対向する一対の長辺部１３２ａ、１３２ｂと、互いに対向する二対の短辺部１３２ｃ、１３２ｄ、１３２ｅ、１３２ｆと、を備える。

次に、活性層１３２の上に活性層１３２の外周を覆う筒状ｐ型半導体１３３を形成する。筒状ｐ型半導体１３３は六角筒形状を備える。筒状ｐ型半導体１３３は、活性層１３２の側面に形成される。筒状ｐ型半導体１３３が柱状ｎ型半導体１３１または活性層１３２の頂部にも形成される場合がある。このようにして、柱状半導体１３０が形成される。

５－５．埋込半導体層形成工程
図１０に示すように、柱状半導体１３０の隙間を埋込半導体層１４０で埋める。次に、埋込半導体層１４０の上面にコンタクト層１４５を形成する。

５－６．電極形成工程
次に、基板１１０の導電性基板１１１の裏面にカソード電極Ｎ１を形成する。また、コンタクト層１４５の上にアノード電極Ｐ１を形成する。

５－７．反射部形成工程
次に、埋込半導体層１４０に互いに対向する第１の反射部１５０と第２の反射部１６０とを形成する。

５－８．その他の工程
熱処理工程、半導体層の表面にパッシベーション膜等を成膜する工程、またはその他の工程を実施してもよい。

６．変形例
６－１．マスクの開口部の形状
図１１は、マスク１２０の開口部の形状の変形例を示す図（その１）である。図１１に示すように、マスク１２０の開口部１２０ｂの形状を長方形にしてもよい。その場合であっても、選択成長により、扁平形状の六角柱形状の柱状ｎ型半導体１３１を成長させることができる。

図１２は、マスク１２０の開口部の形状の変形例を示す図（その２）である。図１２に示すように、マスク１２０の開口部１２０ｃの形状を扁平形状の六角形にしてもよい。その場合であっても、選択成長により、扁平形状の六角柱形状の柱状ｎ型半導体１３１を成長させることができる。

このように、開口部形成工程では、第１の反射部１５０の反射面１５１に平行な方向の長さが第１の反射部１５０の反射面１５１に垂直な方向の長さより長い形状の開口部を形成する。

６－２．基板
基板１１０の積層構造は、本実施形態以外の積層構造であってもよい。導電性基板１１１の代わりに、ｃ面サファイア基板やＳｉ（１１１）基板を用いてもよい。その場合には、ｎ型半導体層１１４を露出させて、露出しているｎ型半導体層１１４の上にカソード電極Ｎ１を形成すればよい。

６－３．柱状半導体
本実施形態では、柱状ｎ型半導体１３１はｎ型ＧａＮ層であり、井戸層はＩｎＧａＮ層であり、障壁層はＡｌＧａＮ層であり、筒状ｐ型半導体１３３はｐ型ＧａＮ層である。これらは例示であり、その他の組成であってもよい。

６－４．柱状半導体の電流
柱状半導体１３０の側面からの電流注入を促進させることが好ましい。例えば、図１３に示すように、柱状半導体１３０の頂部に透明絶縁膜１６５を設ける。これにより、柱状半導体１３０の頂部に流れる電流が阻止され、柱状半導体１３０の側面から良好に電流注入を行うことができる。

図１４に示すように、柱状半導体１３０の側面にトンネル接合を設けてもよい。柱状半導体１３０の側面に、ｐ＋層１７１と、ｎ＋層１７２とを設けてもよい。ｐ＋層１７１は、高いｐ型不純物濃度を有する層である。ｐ＋層１７１のＭｇ濃度は、例えば、２×１０²⁰ｃｍ^-3である。ｎ＋層１７２は、高いｎ型不純物濃度を有する層である。ｎ＋層１７２のＳｉ濃度は、例えば、２×１０²⁰ｃｍ^-3である。これにより、柱状半導体１３０の側面から効率的に電流を注入することができる。このとき、埋込半導体層１４０とコンタクト層１４５とをｎ型半導体層で構成することができる。そのため、光吸収損失の低減、並びに、素子抵抗の低減に効果的である。

６－５．組み合わせ
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態と埋込半導体層１４０の組成が異なる。第１の実施形態の埋込半導体層１４０はＧａＮ層である。

１．埋込半導体層
本実施形態では、埋込半導体層１４０はＡｌＧａＮ層である。そして、筒状ｐ型半導体１３３の材質は、ｐ型ＧａＮ層である。ＡｌＧａＮ層の屈折率は、ｐ型ＧａＮ層の屈折率よりも小さい。

２．変形例
２－１．埋込半導体層
埋込半導体層１４０は、ＡｌＧａＮ以外の材料であってもよい。その場合であっても、埋込半導体層１４０の屈折率は、筒状ｐ型半導体１３３の屈折率よりも小さい。埋込半導体層１４０は、導電性を備えるとともに、光吸収性の小さい材料であるとよい。

（シミュレーション）
柱状半導体および埋込半導体層の形状および組成を変えて、光閉じ込め係数を計算した。前述のように、光閉じ込め係数が大きいほど、半導体レーザー素子の効率は高い。

１．柱状半導体の形状
図１５は、活性層の長辺部の長辺方向の長さと光閉じ込め係数との間の関係を示すグラフ（その１）である。図１５の横軸は長辺部１３２ａ、１３２ｂの長さである。図１５の縦軸は光閉じ込め係数である。なお、短辺部１３２ｃ、１３２ｄ、１３２ｅ、１３２ｆの長さは１３３ｎｍである。

図１５における「Ｆｌａｔ Ｈｅｘ」は、柱状半導体における基板に平行な面の断面が扁平形状の六角形である場合を示している。つまり、第１の実施形態のように、長さの異なる長辺部と短辺部とを有する。

図１５における「Ｒｅｇｕｌａｒ Ｈｅｘ」は、柱状半導体における基板に平行な面の断面が正六角形である場合を示している。

図１５に示すように、Ｒｅｇｕｌａｒ Ｈｅｘの光閉じ込め係数は０．０２程度である。これに対して、Ｆｌａｔ Ｈｅｘの光閉じ込め係数は０．０４前後である。Ｆｌａｔ Ｈｅｘを採用することにより、光閉じ込め係数が２倍程度上昇している。したがって、Ｒｅｇｕｌａｒ Ｈｅｘよりも、Ｆｌａｔ Ｈｅｘのほうが好ましい。

また、活性層１３２の長辺部１３２ａ、１３２ｂの長辺方向Ｋ１の長さＷ１が活性層１３２の短辺部１３２ｃ、１３２ｄ、１３２ｅ、１３２ｆの短辺方向Ｋ２の長さＷ２の２倍以上であるときに、光閉じ込め係数は高い。図１５では、長辺部の長さＷ１が短辺部の長さＷ２の２倍以上７倍以下の範囲において、光閉じ込め係数が高い。

長辺部の長さＷ１が短辺部の長さＷ２の５倍以上の場合には、データのばらつきが生じている。後述するように、このばらつきは横モードの不安定性と関係している。このデータのばらつきについては、埋込半導体層１４０としてＡｌＧａＮ層を用いることで改善される。

２．埋込半導体層のＡｌ組成
図１６は、活性層の長辺部の長辺方向の長さと光閉じ込め係数との間の関係を示すグラフ（その２）である。ここで、丸印のシンボルは、埋込半導体層１４０としてＡｌ組成が０．０７のＡｌＧａＮ層を用いた場合の計算結果を示している。図１６の横軸は長辺部１３２ａ、１３２ｂの長さである。図１６の縦軸は光閉じ込め係数である。

図１６に示すように、埋込半導体層１４０としてＧａＮ層を用いた場合に比べて、埋込半導体層１４０としてＡｌＧａＮ層を用いた場合には、光閉じ込め係数は全体的に上昇している。また、データのばらつきも小さい。したがって、埋込半導体層１４０としてＡｌＧａＮ層を用いることが好ましい。

また、活性層１３２の長辺部１３２ａ、１３２ｂの長辺方向Ｋ１の長さＷ１が活性層１３２の短辺部１３２ｃ、１３２ｄ、１３２ｅ、１３２ｆの短辺方向Ｋ２の長さＷ２の２倍以上であるときに、光閉じ込め係数は高い。図１６では、長辺部の長さＷ１が短辺部の長さＷ２の２倍以上７倍以下の範囲において、光閉じ込め係数が高い。また、光閉じ込め係数は、長辺部の長さＷ１に対して単調増加している。したがって、長辺部の長さＷ１が長くなるほど、光閉じ込め係数が高くなると考えられる。

図１７は、埋込半導体層のＡｌ組成と光閉じ込め係数との間の関係を示すグラフである。図１７の横軸は埋込半導体層のＡｌ組成である。図１７の縦軸は光閉じ込め係数である。ここで、長辺部の長さは７８９ｎｍである。図１７に示すように、埋込半導体層のＡｌ組成は、０．０４以上であるとよい。好ましくは、０．０４以上０．１以下である。より好ましくは、０．０５以上０．０７以下である。

３．横モードの安定性
ここで、前述した横モードの不安定性の要因を考察するため、特徴的な断面で規定される横モードのプロファイルを比較した。図１８は、横モードの基準面を示す模式図である。図１８にＭ１－Ｍ１断面とＭ２－Ｍ２断面とを示す。Ｍ１－Ｍ１断面は、複数の活性層の複数の長辺部を切断する共通断面である。Ｍ２－Ｍ２断面は、活性層における一対の長辺部の中間に位置する断面である。

図１９は、埋込半導体層がＧａＮ層である場合の横モードの振幅を示すグラフである。線Ｌ１（実線）は、Ｍ１－Ｍ１断面における横モードの振幅である。線Ｌ２（破線）は、Ｍ２－Ｍ２断面における横モードの振幅である。

図１９に示すように、Ｍ１－Ｍ１断面における横モードの振幅のピークの位置では、Ｍ２－Ｍ２断面における横モードの振幅はやや凹んでいる。つまり、Ｍ１－Ｍ１断面における横モードの振幅のピークの位置と、Ｍ２－Ｍ２断面における横モードの振幅のピークの位置との間で、ずれが生じている。例えば、横モードの中心（０μｍ）の位置では、Ｍ１－Ｍ１断面における横モードの振幅は極大値かつ最大値をとるのに対して、Ｍ２－Ｍ２断面における横モードの振幅は極小値をとる。

図２０は、埋込半導体層がＧａＮ層である場合の横モードの振幅の導波方向の変化を模式的に示す図である。図２０には、横モードの振幅の極大値が導波方向に沿ってどのように変化するかについて模式的に示されている。横モードの振幅の極大値が導波方向に向かうにしたがって横方向に揺れている。この場合には、横モードはやや不安定である。

図２１は、埋込半導体層がＡｌＧａＮ層である場合の横モードの振幅を示すグラフである。線Ｌ３（実線）は、Ｍ１－Ｍ１断面における横モードの振幅である。線Ｌ４（破線）は、Ｍ２－Ｍ２断面における横モードの振幅である。

図２１に示すように、Ｍ１－Ｍ１断面における横モードの振幅のピークの位置は、Ｍ２－Ｍ２断面における横モードの振幅のピークの位置とほぼ一致している。

図２２は、埋込半導体層がＡｌＧａＮ層である場合の横モードの振幅の導波方向の変化を模式的に示す図である。図２２には、横モードの振幅の極大値が導波方向に沿ってどのように変化するかについて模式的に示されている。横モードの振幅の極大値が導波方向に向かうにしたがって横方向にほとんど揺れない。この場合には、横モードは安定である。

したがって、埋込半導体層としてＡｌＧａＮ層を用いることが好ましい。また、柱状半導体の材質が上記の実施形態と異なる場合であっても、屈折率の適当な材料を選択すれば、横モードを安定させることができる。

上記のように、埋込半導体層としてＧａＮ層を用いる場合には、横モードが不安定になる場合がある。そのため、図１５に示すように、長辺部が長いと光閉じ込め係数にばらつきが生じたと考えられる。埋込半導体層としてＡｌＧａＮ層を用いることにより横モードが安定化し、図１６の丸印に示すように、光閉じ込め係数が上昇すると考えられる。

（付記）
第１の態様における半導体レーザー素子は、基板と、基板の上の六角柱形状の柱状半導体と、柱状半導体を覆う埋込半導体層と、を有する。柱状半導体は、六角筒形状を備える活性層を有する。活性層は、互いに対向する一対の長辺部と、互いに対向する二対の短辺部と、を有する。

第２の態様における半導体レーザー素子は、互いに対向して配置された第１の反射部と第２の反射部とを有する。活性層の長辺部は、第１の反射部の反射面に対して±５°以下の角度で配置されている。

第３の態様における半導体レーザー素子においては、活性層の長辺部の長辺方向の長さは、活性層の短辺部の短辺方向の長さの２倍以上７倍以下である。

第４の態様における半導体レーザー素子においては、柱状半導体は、活性層の外周を覆う六角筒形状を備える筒状ｐ型半導体を有する。埋込半導体層の屈折率は、筒状ｐ型半導体の屈折率よりも小さい。

第５の態様における半導体レーザー素子の製造方法は、半導体層の上にマスクを形成するマスク形成工程と、マスクに半導体層を露出させる開口部を形成する開口部形成工程と、開口部に露出している半導体層から六角柱形状の柱状半導体を成長させる柱状半導体形成工程と、を有する。柱状半導体形成工程では、互いに対向する一対の長辺部と、互いに対向する二対の短辺部と、を有する六角筒形状の活性層を形成する。

第６の態様における半導体レーザー素子の製造方法は、柱状半導体の隙間を埋め込む埋込半導体層を形成する埋込半導体層形成工程と、埋込半導体層に互いに対向する第１の反射部と第２の反射部とを形成する反射部形成工程と、を有する。開口部形成工程では、第１の反射部の反射面に平行な方向の長さが第１の反射部の反射面に垂直な方向の長さより長い形状の開口部を形成する。

第７の態様における半導体レーザー素子の製造方法においては、柱状半導体形成工程では、活性層の外周を覆う六角筒形状を備える筒状ｐ型半導体を形成する。埋込半導体層形成工程では、埋込半導体層の屈折率を、筒状ｐ型半導体の屈折率よりも小さくする。

１００…半導体レーザー素子
１１０…基板
１１１…導電性基板
１１３…下地層
１１４…ｎ型半導体層
１２０…マスク
１２０ａ…開口部
１３０…柱状半導体
１３１…柱状ｎ型半導体
１３２…活性層
１３２ａ、１３２ｂ…長辺部
１３２ｃ、１３２ｄ、１３２ｅ、１３２ｆ…短辺部
１３３…筒状ｐ型半導体
１４０…埋込半導体層
１４５…コンタクト層
１５０…第１の反射部
１６０…第２の反射部
１６５…透明絶縁膜
１７１…ｐ＋層
１７２…ｎ＋層
Ｎ１…カソード電極
Ｐ１…アノード電極

Claims (7)

1. 基板と、前記基板の面上に立設した六角柱形状の柱状半導体と、前記柱状半導体を覆う埋込半導体層と、を有する半導体レーザー素子において、
   前記柱状半導体は、III族窒化物半導体であり、前記基板の表面から垂直方向に伸びた六角柱形状半導体と、該六角柱形状半導体の側壁のｍ面から前記基板の面に平行に成長し、前記ｍ面に垂直な方向に厚さを有する活性層と、前記活性層の側壁から前記基板の面に平行に成長し、前記ｍ面に垂直な方向に厚さを有する六角筒形状半導体と、を有し、
   前記柱状半導体の前記基板に平行な断面において、前記活性層は、互いに平行に対向する一対の長辺部と、互いに平行に対向する二対の短辺部とを有した扁平六角形をしており、
   前記柱状半導体は、前記基板の面上において、前記長辺部に垂直な方向の素子両端に位置する一対の反射部を有し、前記長辺部が前記一対の反射部で反射して共振するレーザー光に対して垂直となるように、格子状に直交するする２方向に配列されている
   ことを特徴とする半導体レーザー素子。
2. 請求項１に記載の半導体レーザー素子において、
   前記活性層の前記長辺部は、前記反射部の反射面に対して±５°以下の角度で配置されていることを特徴とする半導体レーザー素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の半導体レーザー素子において、
   前記活性層の前記長辺部の長辺方向の長さは、前記活性層の前記短辺部の短辺方向の長さの２倍以上７倍以下であることを特徴とする半導体レーザー素子。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の半導体レーザー素子において、
   前記六角筒状半導体は、ｐ型半導体であり、
   前記埋込半導体層の屈折率は、前記六角筒状半導体の屈折率よりも小さいことを特徴とする半導体レーザー素子。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の半導体レーザー素子において、
   前記六角柱形状半導体はｎ型ＧａＮであり、前記六角筒状半導体はｐ型ＧａＮであり、前記埋込層はＡｌＧａＮであることを特徴とする半導体レーザー素子。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の半導体レーザー素子において、
   前記埋込層はＡｌのモル組成比が０．０４以上のＡｌＧａＮであることを特徴とする半導体レーザー素子。
7. 基板の主面にIII族窒化物半導体から成る複数の六角柱状半導体が立設して配列された半導体レーザーの製造方法において、
   成長基板として機能する半導体層の上にマスクを形成し、
   前記半導体層を露出させる開口部であって、互いに平行な一対の長辺と少なくとも一対の短辺とを有する偏平形状が前記主面上の直交する２方向に正方格子状に配列した開口部を前記マスクに形成し、
   前記開口部に露出している前記半導体層の表面から半導体を縦方向及び横方向成長により側面をｍ面とする六角柱形状に成長させ、
   該六角柱形状半導体の側壁のｍ面から前記ｍ面に垂直な方向に成長し、前記ｍ面に垂直な方向に厚さを有する活性層を成長させ、
   前記活性層の側壁から前記基板の面に平行に成長し、前記ｍ面に垂直な方向に厚さを有する六角筒形状半導体を成長させ、
   前記柱状半導体の前記主面に平行な断面において、前記活性層は、互いに平行に対向する一対の長辺部と、互いに平行に対向する二対の短辺部とを有した扁平した六角形状に形成し、
   前記柱状半導体は、前記主面において、前記長辺部に垂直な方向の素子両端に一対の反射部を形成し、前記長辺部が前記一対の反射部で反射して前記長辺部が共振するレーザー光に対して垂直となるように、前記正方格子状に直交するする２方向に配列させ、
   複数の前記柱状半導体の全体を埋め込む埋込層を形成した
   ことを特徴とする半導体レーザー素子の製造方法。

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