JP7474963B2 - レーザーダイオードバーの製造方法、レーザーダイオードバー、及び波長ビーム結合システム - Google Patents

Description

本発明は、レーザーダイオードバーの製造方法、レーザーダイオードバー、及び波長ビーム結合システムに関する。

近年、銅、金、樹脂など種々の材料において、レーザー加工への期待が高まっている。例えば、自動車産業では、電動化、小型化、高剛性化、デザイン自由度向上、及び生産性向上などが求められ、レーザー加工への期待は非常に高い。特に、電気自動車用のモーターやバッテリーの、銅加工においては、光吸収効率の高い青紫～青色（波長３５０～４５０ｎｍ）のレーザー光源が求められており、生産性の高い加工を実現するには、高出力で集光性の高いビーム品質を備えたレーザー光源が必要となる。

複数のレーザー光を集光し、高出力、高いビーム品質のレーザー光が得られるシステムとして、波長ビーム結合（ＷＢＣ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ））システムが知られている。波長ビーム結合システムは例えば、特許文献１に記載されている。

波長ビーム結合システムは、レーザーダイオードバー、ビームツイスターユニット、透過型又は反射型の回折格子及び外部共振ミラーを有している。レーザーダイオードバーには、光を出射するエミッターが配置されており、エミッターの一方の端面から複数のビーム光が出射される。ビームツイスターユニットは、レーザーダイオードバーから出射された複数のビーム光をそれぞれ９０°回転させ、近い波長を有した個々のビーム光が相互に干渉することを防ぐ。回折格子が透過型の場合、回折格子は、入射したビーム光を、その波長で決定される回折角で回折し、出射する。回折格子から出射されたビーム光は、外部共振ミラーに入射され、部分透過型ミラーである外部共振ミラーによってビーム光の一部が回折格子の方向に垂直反射される。これにより、レーザーダイオードバーが有する個々のエミッターと、回折格子と、外部共振ミラーとの位置関係で一意に決定される波長（ロック波長と呼ぶことがある）のレーザー光が、レーザーダイオードバーのレーザー光が出射する側と反対側に設けられた反射膜と、外部共振ミラーとの間で、光の外部共振を起こし、レーザー光が出力される。

レーザーダイオードバーの個々のエミッターは、それぞれ回折格子からの相対位置が異なっているため、異なる波長で外部共振を起こし、レーザー光が発振することになるが、外部共振ミラーにて一点に結合される。したがって、波長ビーム結合システムでは、個々のエミッター数の出力を足し合わせた、高出力、高品質のレーザー光を得ることができる。

特開２０１５－１０６７０７号公報

しかしながら、波長ビーム結合システムでは、レーザーダイオードバーの構造に起因して、レーザーダイオードバーが最も強く発振することのできる波長の値（ゲインピーク波長と呼ぶことがある）と、波長ビーム結合システムの構成によって一意に決定されるロック波長に差が生じる場合がある。この差が大きくなると、レーザー発振ができなくなるおそれがあり、発振性能が低下するという課題がある。

本開示の目的は、発振性能の向上した波長ビーム結合システム、並びに波長ビーム結合システムの発振性能を向上させることができるレーザーダイオードバーの製造方法及びレーザーダイオードバーを提供することである。

前述した課題を解決する主たる本開示は、
波長ビーム結合システムに用いられるレーザーダイオードバーの製造方法であって、
（０００１）面を面方位とし、且つ、（０００１）面からｍ軸又はａ軸の少なくとも一方の軸に０°より大きいオフ角を付与された基板面を有する窒化物半導体基板を準備する工程と、
前記窒化物半導体基板上に、第１導電型クラッド層、活性層及び第２導電型クラッド層からなる積層構造体を形成する工程と、
前記窒化物半導体基板が有するオフ角の主軸方向と、エミッターの導波路方向とが一致するように、前記積層構造体に、ストライプ状に配列された複数のエミッターを形成する工程と、
前記窒化物半導体基板から、前記複数のエミッターを有する前記レーザーダイオードバーを切り出す工程と、
を含むレーザーダイオードバーの製造方法である。

又、他の局面では、
波長ビーム結合システムに用いられるレーザーダイオードバーであって、
（０００１）面を面方位とし、且つ、（０００１）面からｍ軸又はａ軸の少なくとも一方の軸に０°より大きいオフ角を付与された基板面を有する窒化物半導体基板と、
前記窒化物半導体基板上に形成された第１導電型クラッド層、活性層及び第２導電型クラッド層からなる積層構造体と、
前記窒化物半導体基板が有するオフ角の主軸方向と、エミッターの導波路方向とが一致するように、前記積層構造体に、ストライプ状に形成された複数のエミッターと、
を備えるレーザーダイオードバーである。

又、他の局面では、
前記レーザーダイオードバーと、
前記レーザーダイオードバーの前記複数のエミッターそれぞれから出射された複数のレーザー光を回折する回折格子と、
前記回折格子によって回折されたレーザー光の一部を反射して前記レーザーダイオードバー側に戻し、自身と前記レーザーダイオードバーの反射膜との間で外部共振させる外部共振ミラーと、を備える、
波長ビーム結合システムである。

本開示に係るレーザーダイオードバーの製造方法によれば、波長ビーム結合システムの発振性能を向上させることができる。

レーザーダイオードバーの製造方法を示す図 レーザーダイオードバーの斜視図 透過型回折格子を用いた波長ビーム結合システムの概略図 反射型回折格子を用いた波長ビーム結合システムの概略図 レーザーダイオードバーと回折格子との関係を示す図 表２の各エミッターのロック波長と、エミッター位置との関係を示した図 レーザーダイオードバーのエミッターの波長範囲を示す図 レーザーダイオードバーのエミッター内においてレーザー発振可能な範囲を示す図 レーザーダイオードバーのエミッター内においてレーザー発振可能な範囲を示す図 レーザーダイオードバーのエミッター内においてレーザー発振可能な範囲を示す図 オフ角の主軸が＋ｍ軸方向である窒化ガリウム基板及び、＋ａ軸方向である窒化ガリウム基板内のオフ角分布を示す図 実施例及び比較例の窒化ガリウム基板のオフ角分布を示す図 窒化ガリウム基板にレーザーダイオードバーをレイアウトした配置図 図１２の窒化ガリウム基板内のゲイン波長の分布を示す図 実施例のレーザーダイオードバーのλ_{ｇ＿ＣＥＮＴＥＲ}を示す図 実施例のレーザーダイオードバーの、左側のλ_gから右側のλ_gの差分を示す図 実施例のレーザーダイオードバーにおいて、透過膜と反射膜とを入れ替えた場合のΔλ_{ｇ_ＢＡＲ}を示す図 実施例のレーザーダイオードバーの位置と数量を示す図 比較例のレーザーダイオードバーの位置と数量を示す図 実施例及び比較例における、レーザーダイオードバーの数量とλ_{ｇ＿ＣＥＮＴＥＲ}の値とを比較した図 レーザーダイオードバーの長手方向の長さとΔλ_{ｇ_ＢＡＲ}との関係を示すグラフ

まず、波長ビーム結合システムの構成と、レーザーダイオードバーの構成と、レーザーダイオードバーのロック波長と、レーザーダイオードバーが発振できる波長の範囲と、を具体的な例に基づいて説明する。

＜波長ビーム結合システム＞
図３に、透過型の波長ビーム結合システム３０を示す。実際の波長ビーム結合システムは図３に示した要素以外にも、光学部品等の要素を有する場合がある、それらは省略されている。

波長ビーム結合システム３０は、複数のレーザーダイオードバー２０ａ～２０ｅを含むレーザーダイオードバーアレイ２０Ｔと、透過型の回折格子３７と、外部共振ミラー３８と、を有する。なお、実際には、レーザーダイオードバー２０ａ～２０ｅと、回折格子３７との間には、図示しないビームツイスターユニット等の光学部品が設けられている場合がある。

図４に反射型の波長ビーム結合システム４０を示す。波長ビーム結合システム４０は、反射型の回折格子３９を用いる以外は、透過型の波長ビーム結合システム３０と同様の構成を有する。

波長ビーム結合システム３０では、レーザーダイオードバー２０ａ～２０ｅから出射された光が、回折格子３７，３９によって回折された後、外部共振ミラー３８によって一部が回折格子の方向に垂直反射される。これにより、レーザーダイオードバー２０ａ～２０ｅの反射膜１７と、外部共振ミラーとの間で光の外部共振が生じ、レーザー光が出力される。なお、複数のレーザーダイオードバー２０ａ～２０ｅは、短波長のレーザーダイオードバー２０ａから長波長のレーザーダイオードバー２０ｅが順に配置されていてよい。

＜レーザーダイオードバー＞
図２に、レーザーダイオードバー２０を示す。レーザーダイオードバー２０は、互いに間隔をおいて形成された複数のエミッター１３を有する。複数のエミッター１３は、ストライプ状に、レーザーダイオードバー２０の長手方向に沿って一列に配列されている。

具体的には、レーザーダイオードバー２０のエミッター１３は、窒化物半導体基板１０上に第１導電型クラッド層２１、活性層２２、及び、第２導電型クラッド層２３の積層構造体１２に形成されている。また、レーザーダイオードバー２０は、その上面にＰ側電極１５を有し、その下面にＮ側電極２４を有している。また、レーザーダイオードバー２０の光が出射される側の端面全体に透過膜１６が設けられ、透過膜１６と対向する光が出射されない側の端面全体に反射膜１７が設けられている。図２に示すレーザーダイオードバー２０は、図３～５に示すような波長ビーム結合システム３０において、レーザーダイオードバー２０ａ～２０ｅとして用いることができる。

なお、レーザーダイオードバー２０の長手方向をＷとし、導波路方向をＤとする。図２に示す白抜き矢印は、レーザーダイオードバー２０の母材である窒化物半導体基板１０のオフ角の主軸方向を示す。

Ｐ側電極１５は、レーザーダイオードバー２０の端面において互いに間隔をおいて形成された複数のエミッター１３に電流を注入する電流注入領域である。Ｐ側電極１５は、レーザーダイオードバー２０の長手方向に亘ってストライプ状に配列されている。電源供給部（図示せず）からレーザーダイオードバー２０のＰ側電極１５に、並列に電流が注入されることで、各Ｐ側電極１５に対応した複数のエミッター１３から、導波路方向（即ち、外部共振方向）に同時にレーザー光２５が出射される。

図２に示すレーザーダイオードバー２０は、リッジストライプと呼ばれる凸部がストライプ状に形成された電流注入領域を持つ構造を有しているが、レーザーダイオードバー２０は、埋め込み構造を有していてもよく、その場合には、選択的に電流注入領域を形成すればよい。

＜ロック波長＞
図２、図３及び図５を参照して、波長ビーム結合システム３０に必要とされるレーザーダイオードバー２０のロック波長の算出方法について説明する。

図５は、レーザーダイオードバー２０ａ～２０ｅの各エミッターとロック波長の算出方法について、説明する図である。図６は、レーザーダイオードバー２０ａ～２０ｅの各エミッター１３とロック波長との関係を示す図である。

レーザーダイオードバー２０の各エミッター１３から出射されるレーザー光２５のうち、回折格子３７の回折条件を満たし、かつ、外部共振ミラー３８により垂直反射されるロック波長のみが、元のエミッター１３に帰還することで、レーザーダイオードバー２０の光が出射されない端面（反射膜１７）と、外部共振ミラー３８との間で、外部共振が発生し、レーザー発振ができる。

図３に示すレーザーダイオードバー２０、及び注入領域に対応する各エミッター１３のロック波長をλ_Ｌ、回折格子３７の周期をｄ、入射角をα、出射角をβ、次数をｍとすると、ロック波長λ_Ｌは、下記式（１）で計算できる。
ｄ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）＝ｍλ_Ｌ・・・・・・（１）

なお、ここで次数は、ｍ＝１の回折格子配置を選択するのが一般的である。

例えば、図３のように５個のレーザーダイオードバー２０ａ～２０ｅを、入射角αを２１.６ｄｅｇから、０．８ｄｅｇずつ大きくなるよう配置して、レーザー波長ビーム結合システム３０を構成した場合、各レーザーダイオードバー２０ａ～２０ｅの中心に位置するエミッター１３のロック波長λ_{Ｌ＿ＣＥＮＴＥＲ}（以下、「レーザーダイオードバー２０の長手方向中心位置のロック波長λ_{Ｌ＿ＣＥＮＴＥＲ}」と称する）はレーザーダイオードバー２０ａ及び２０ｂが、４３５．９ｎｍ、４４０.３ｎｍ、レーザーダイオードバー２０ｅが４５３.０ｎｍと、表１に示すように約４．３ｎｍずつ長い波長となる。

次に、レーザーダイオードバー２０ａ～２０ｅ内のλ_Ｌについて、レーザーダイオードバー２０を例に用いて説明する。

図５に示す例では、レーザーダイオードバー２０には２５個のエミッター１３が形成されている。また、レーザーダイオードバー２０の長手方向の長さＷを１０ｍｍとなっている。

ここで、３，０００本／ｍｍの溝周期の回折格子（ｄ＝０．３３３μｍ）３７を用いて、４００～５００ｎｍ程度の波長の光を入射角αが２１．６°、レーザーダイオードバー２０の長さＷが１０ｍｍ、レーザーダイオードバー２０から回折格子３７までの距離Ｌが２．６ｍとなるように配置する。

このとき、表２に示すように、レーザーダイオードバー２０の右側から１番目のエミッターのロック波長λ_Ｌが４３５．３７ｎｍとなり、レーザーダイオードバー２０の各エミッターのロック波長λ_Ｌは、１エミッターごとに約０．０５ｎｍずつ長波となる。したがって、２５番目のエミッターのロック波長λ_Ｌが、４２０Ｔ．５１ｎｍとなり、レーザーダイオードバー２０の両端のエミッターのロック波長λ_Ｌの差Δλ_{Ｌ_ＢＡＲ}（以下、「レーザーダイオードバー２０の両端位置のロック波長差Δλ_{Ｌ_ＢＡＲ}」と称する）は約１．１ｎｍとなる（図６を参照）。

同様に、レーザーダイオードバー２０から回折格子３７までの距離Ｌが１．３ｍの場合には、表３に示すように、レーザーダイオードバー２０の両端位置のロック波長差Δλ_{Ｌ_ＢＡＲ}は２．３ｎｍである。

上述のように、波長ビーム結合システム３０の配置や部品の設計によって、レーザーダイオードバー２０の長手方向中心位置のロック波長λ_{Ｌ＿ＣＥＮＴＥＲ}、及び、レーザーダイオードバー２０の両端位置のロック波長差Δλ_{Ｌ_ＢＡＲ}の変化量に差はあるが、Ｗが１０ｍｍの場合、レーザーダイオードバー２０の両端位置のロック波長差Δλ_{Ｌ_ＢＡＲ}は、１．０～２．５ｎｍが必要となる。なお、上記では透過型の波長ビーム結合システム３０に基づいて説明をしたが、反射型の波長ビーム結合システム４０においても同様にレーザーダイオードバー２０の長手方向中心位置のロック波長λ_{Ｌ＿ＣＥＮＴＥＲ}、及び、レーザーダイオードバー２０の両端位置のロック波長差Δλ_{Ｌ_ＢＡＲ}の変化量を算出することができる。

＜レーザーダイオードバーが発振できる波長の範囲＞
図７を参照して、レーザーダイオードバー２０が発振できる波長の範囲を説明する。図７中の曲線は、レーザーダイオードバー２０のゲイン波長スペクトルの一例を示す。レーザーダイオードバー２０がレーザー発振できるのは、ゲイン波長強度が所定値以上の波長に限られる。換言すれば、レーザーダイオードバー２０のゲインピーク波長λ_ｇから所定範囲内のロック波長は発振し、所定範囲外のロック波長は発振しない。図７の例では、波長ビーム結合システム３０の構成からロック波長が波長１であった場合、発振できる波長の範囲内なので、レーザー発振するが、ロック波長が波長２であった場合、レーザー発振できる波長の範囲外なので、発振しない。

図８～図１０は、ひとつのレーザーダイオードバー２０に配置される各エミッター１３のゲインピーク波長λ_ｇと、波長ビーム結合システム３０の構成で決定されるロック波長λ_Ｌとの関係を示したものである。ロック波長λ_Ｌは、回折格子３７への入射角の変化に対応する一意の値と、傾きを持っている。ゲインピーク波長λ_ｇは、図７で示したように、レーザー発振できる一定の範囲を有している。

ロック波長λ_Ｌとゲインピーク波長λ_ｇとの関係が、図８に示す例のようであれば、全てのエミッター１３において、ゲインピーク波長λ_ｇの上下限の範囲のいずれかの値が、レーザーダイオードバー２０の両端位置のロック波長差Δλ_{Ｌ_ＢＡＲ}の範囲に収まっているので、レーザーダイオードバー２０の全てのエミッター１３を発振させることができる。

図９のような場合も、全てのエミッター１３を発振させることができる。レーザーダイオードバー２０のエミッターのゲインピーク波長λ_gの向きが、ロック波長λ_Ｌの傾きと異なる向きの場合、ゲインピーク波長λ_ｇの上下限のいずれも、レーザーダイオードバー２０の両端位置のロック波長差Δλ_{Ｌ_ＢＡＲ}の範囲内に収まらない。このままだと、全てのエミッター１３でレーザー発振させることができないが、図３のレーザーダイオードバー２０の出射面と非出射面とを入れ替えて、反射膜１７と透過膜１６とを成膜すれば、ゲインピーク波長λ_ｇの分布は反転し、傾きを反転することができる。したがって、図８と同じ構成となり、ゲインピーク波長λ_ｇの上下限の範囲のいずれかは、レーザーダイオードバー２０の両端位置のロック波長差Δλ_{Ｌ_ＢＡＲ}の範囲に収まっているので、レーザーダイオードバー２０の全てのエミッターを発振させることができる。

これに対して、図１０のように、レーザーダイオードバー２０の長手方向に沿った各位置におけるゲインピーク波長λ_ｇの傾きの大きさ（すなわちレーザーダイオードバー２０の両端位置のゲインピーク波長差Δλ_{ｇ_ＢＡＲ}）が、レーザーダイオードバー２０の長手方向に沿った各位置におけるロック波長λ_Ｌの傾きの大きさ（すなわちレーザーダイオードバー２０の両端位置のロック波長差Δλ_{Ｌ_ＢＡＲ}）より大きい場合、レーザーダイオードバー２０の両端部において、ゲインピーク波長λ_ｇの発振できる上下限のいずれもが、レーザーダイオードバー２０の両端位置のロック波長差Δλ_{Ｌ_ＢＡＲ}の範囲に収まらないため、外部共振によるレーザー発振が得られないことになる。

本開示のレーザーダイオードバー２０は、当該レーザーダイオードバー２０の製造時の工夫により、レーザーダイオードバー２０の両端位置のゲインピーク波長差Δλ_{ｇ_ＢＡＲ}を小さくし、レーザーダイオードバー２０に形成される複数のエミッター１３のうち、発振できないエミッター１３を低減する。

次にレーザーダイオードバー２０の製造方法と、レーザーダイオードバー２０のゲインピーク波長の算出方法および分布形状の特徴と、について述べる。

＜レーザーダイオードバーの製造方法＞
図１は、レーザーダイオードバー２０の製造方法を示す図である。

レーザーダイオードバー２０の製造方法は、窒化物半導体基板１０上に第１導電型クラッド層２１と、活性層２２と、第２導電型クラッド層２３と、形成する工程と、エミッター１３を形成する工程と、Ｐ側電極及びＮ側電極を形成する工程と、を有する。第１導電型クラッド層２１、活性層２２、及び第２導電型クラッド層２３は、エピタキシャル成長により形成することができる。また、エミッター１３は、リッジストライプ構造として形成されてよい。

レーザーダイオードバー２０の製造方法は、さらに、複数のエミッター１３を有するレーザーダイオードバー２０を複数切り出す工程と、レーザーダイオードバー２０の光出射側の端面に、透過膜１６を形成し、透過膜１６が形成された面と対向する端面に反射膜１７を形成する工程と、を有する。さらに、切り出した複数のレーザーダイオードバー２０を複数組み合わせることで、波長ビーム結合システム３０で用いられるレーザーダイオードバーアレイ２０Ｔが製造される。

＜ゲインピーク波長の算出方法及び分布形状の特徴＞
ゲインピーク波長λ_ｇは、窒化物半導体基板１０上に第１導電型クラッド層２１と、活性層２２と、第２導電型クラッド層２３を積層する工程（以下、エピタキシャル成長と呼ぶ）後に、公知のＰｈｏｔｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ測定（以下、ＰＬ測定と呼ぶ）を行うことによって、エピタキシャル成長後に、一定の精度で算出することができる。

窒化物半導体基板１０内のゲインピーク波長λ_ｇの分布は、エピタキシャル成長のガス流量や、設備条件、基板の出来栄えにより、様々な特徴をもった分布となる。例えばエピタキシャル成長において、基板面内の温度分布が同心円状であった際には、その面内分布は同心円状になる。また、基板１０の結晶面（０００１）の法線（結晶軸）から基板表面の法線のずれ量（本発明では、オフ角と呼ぶ）が、窒化物半導体基板１０の上下方向で異なっていた場合は、オフ角の分布にともない、ゲインピーク波長λ_ｇは窒化物半導体基板１０の上下方向に分布する。

特に、窒化物半導体の活性層に層全体の組成から、インジウム（Ｉｎ）が３％以上、より詳細には７％以上が含まれている場合は、窒化物半導体基板１０のオフ角分布によるゲインピーク波長λ_ｇの基板内の分布が顕著に表れる。

発振波長が３５０ｎｍ～４５０ｎｍ程度の青紫～青色の半導体レーザーを製造する場合、バンドギャップから計算される波長が、発振波長に近い窒化ガリウム基板（以降、ＧａＮ基板と呼ぶ）が母材として好ましく用いられる。

通常、ＧａＮ基板は、活性層の結晶出来栄えの向上を目的として、ある軸に対して、一定のオフ角（０°より大きく、０．３°～０．７°程度）を傾けている。基板面内のオフ方向の主軸は一意に定まっており、オフ角の主軸方向（オフ角が０°の結晶面に対するスライス面の傾き方向を表す。以下同じ）は、±ｍ軸方向もしくは、±ａ軸方向の一軸方向であることが一般的である。

また、ＧａＮ基板は、熱膨張係数が異なる異種基板を使った結晶成長により形成されるため、一般に、ＳｉやＧａＡｓに比べると、ＧａＮ基板内に結晶反りが生じやすい。そのため、本願の発明者らの知見によると、ＧａＮ基板の（０００１）面にオフ角を設けてインゴットからＧａＮ基板を切り出すと、ＧａＮ基板の基板面内においては、図１１に示すように、オフ角の主軸方向の一方側から他方側に向かって、オフ角が次第に大きくなる。

本願の発明者らの知見によると、例えば、活性層にＩｎＧａＮ層を用いる場合、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成はＧａＮ基板面内に存在するオフ角分布に影響を受け、オフ角が大きい領域ではＩｎ組成が小さくなりやすく、発振波長が短波となりやすい（図１４を参照）。具体的には、ＧａＮ基板上に、ＩｎＧａＮ層をエピタキシャル成長させて形成された半導体レーザーにおいては、当該半導体レーザーの発光波長は、ＧａＮ基板のオフ角の変化に応じて３０ｎｍ／°の割合で変化する。

これは、レーザーダイオードバー２０をＧａＮ基板上に形成する際、レーザーダイオードバー２０（エミッター１３）の導波路方向がＧａＮ基板のオフ角の主軸方向と一致している場合、当該レーザーダイオードバー２０の長手方向の両端位置でのＧａＮ基板のオフ角の差が小さくなることを意味する。つまり、レーザーダイオードバー２０（エミッター１３）の導波路方向が、ＧａＮ基板のオフ角の主軸方向と一致するように、レーザーダイオードバー２０を形成することによって、レーザーダイオードバー２０の両端位置のゲインピーク波長差Δλ_{ｇ_ＢＡＲ}を小さくすることが可能である。本願の発明者らは、かかる知見に基づいて、レーザーダイオードバー２０の製造方法を考案した。

以下、本発明の実施の形態におけるレーザーダイオードバー２０の製造方法を具体的に説明する。

＜基板の準備＞
本開示のレーザーダイオードバー２０の製造方法では、窒化物半導体基板１０は主面（０００１）を有し、ｍ軸又はａ軸の少なくとも一方の軸に０°より大きいオフ角を有する。本実施形態では、窒化物半導体基板１０としてＧａＮ基板を用いている。ＧａＮ基板１０は、＋ｍ軸方向をオフ角の主軸方向にとり、ＧａＮ基板１０の中心に０．５°のオフ角を付与し、ＧａＮ基板１０内のオフ角の分布は＋ｍ軸方向に＋０．３～＋０．７°、＋ａ軸方向のオフ角の分布は、―０．１°～０．１°である。

＜レーザーダイオードバーのレイアウト＞
波長ビーム結合システム３０に必要なレーザーダイオードバー２０の大きさを確定させ、ＧａＮ基板１０内に、レーザーダイオードバー２０を配置する位置と数量を決定する。

＜エピタキシャル成長＞
ＧａＮ基板１０に、第１導電型クラッド層２１と、活性層全体の組成に対してＩｎを７％含んだ活性層２２と、第２導電型クラッド層２３をエピタキシャル成長により形成する。成長温度起因によるゲインピーク波長λ_ｇの分布がつかないことを目的として、エピタキシャル成長時の基板の温度は、第１導電型クラッド層２１及び第２クラッド層２３は、９００～１，１５０℃で、活性層２２は、８００～８５０℃で、行われることが好ましい。より好ましくは、ＧａＮ基板１０の面内の温度分布は、±２℃に収まるように、ＧａＮ基板１０を加熱する部材の形状加工で、温度制御を行っておく。

＜ゲインピーク波長の算出＞
エピタキシャル成長を実施したＧａＮ基板１０の面内について、励起波長３２５ｎｍのＨｅ－Ｃｄレーザーを励起光とするＰＬ測定を室温で行う。このことで、活性層２２から、光が励起され、ＧａＮ基板１０内にレイアウトするレーザーダイオードバー２０のゲインピーク波長λ_ｇの値を、一定の精度で知ることができる。

ＧａＮ基板１０内のＰＬ測定の結果を取得し、ゲインピーク波長λ_ｇのＧａＮ基板１０内の分布を描く。ＰＬ測定のピークトップ波長とゲインピーク波長λ_ｇとは、活性層２２の構造、例えば活性層２２内の井戸層の数量によって、同値とは限らず、数ｎｍ程度、オフセットすることが考えられるので、事前にゲインピーク波長λ_ｇとＰＬピーク波長とのオフセット値を把握しておくことが望ましい。

ＰＬ測定とオフセット値とを参考にして、ＧａＮ基板１０内にレーザーダイオードバー２０を配置した際の、各レーザーダイオードバー２０のゲインピーク波長の基準値λ_{ｇ＿ＣＥＮＴＥＲ}（レーザーダイオードバー２０が有する長手方向に並ぶ複数のエミッター１３のうちの中間位置に存在するエミッター１３のゲインピーク波長を意味する。以下同じ）を割り出す。

あわせて、ＧａＮ基板１０の＋ｍ軸方向を上にした際の、レーザーダイオードバー２０の両端位置のゲインピーク波長差Δλ_{ｇ_ＢＡＲ}を算出する。

＜レーザーダイオードバーのエミッター形成、切り出し、光出射面の選択、及び膜形成＞
エピタキシャル成長を実施したＧａＮ基板１０のオフ角の主軸方向１１、すなわちｍ軸方向と、レーザーダイオードバー２０の導波路方向Ｄとを一致させて、エミッター１３を形成する。ついで、Ｐ側電極１５及びＮ側電極２４を形成し、エミッター１３を形成したＧａＮ基板１０から、レーザーダイオードバー２０を切り出し、レーザーダイオードバー２０の左端エミッター１３のゲインピーク波長λ_ｇから右端のエミッター１３のゲインピーク波長λ_ｇを引いた値がプラスのレーザーダイオードバー２０には、－ｍ軸方向に透過膜１６を、＋ｍ軸方向に反射膜１７を形成し、左端エミッター１３のゲインピーク波長λ_ｇから右端のエミッター１３のゲインピーク波長λ_ｇを引いた値がマイナス値のレーザーダイオードバー２０には、－ｍ軸方向に反射膜１７を、＋ｍ軸方向に透過膜１６を形成する。

レーザーダイオードバー２０の出射面から見た、レーザーダイオードバー２０の両端位置のゲインピーク波長差Δλ_{ｇ_ＢＡＲ}を算出する。上述の通り、左端エミッター１３のλ_ｇから右端のエミッター１３のゲインピーク波長λ_ｇを引いた値がマイナスの場合、値はプラスに変換される。

＜レーザーダイオードバーの選別＞
まず、ＧａＮ基板１０内に形成した複数のレーザーダイオードバー２０それぞれについて、全エミッター１３を発振可能とするためのレーザーダイオードバー２０のゲインピーク波長λ_ｇの範囲（即ち、レーザーダイオードバー２０の両端位置のゲインピーク波長差Δλ_{ｇ_ＢＡＲ}）を算出しておく。

次に、波長ビーム結合システム３０の構成から（図６に示したレーザーダイオードバー２０の長手方向に沿う各位置におけるロック波長等）、レーザーダイオードバー２０の配設位置に応じた、レーザーダイオードバー２０の両端位置のゲインピーク波長差Δλ_{ｇ_ＢＡＲ}を算出する。

このようにして、波長ビーム結合システム３０に適用できるレーザーダイオードバー２０の位置が割りだせるため、選別を行うことが可能となる。そして、選別したレーザーダイオードバー２０を、実際の波長ビーム結合システム３０に搭載し、全エミッター１３が発振しているか否かの確認を行う。そして、搭載された各レーザーダイオードバー２０の全エミッター１３が発振している場合、波長ビーム結合システム３０は、完成品として扱われることになる。

以下、本開示の一実施例に係るレーザーダイオードバー２０の製造方法、及び比較例レーザーダイオードバーの製造方法について説明する。

［実施例］
＜基板の準備＞
図１２に示すように、主面（０００１）からなり、＋ｍ軸方向をオフ角の主軸方向とし、基板中心にｍ軸方向は＋０．５５°のオフ角を、基板内のオフ角分布は基板中心から２０ｍｍの距離で、＋０．２８～＋０．６８°、＋ａ軸方向のオフ角の中心は０．０２°、基板中心から２０ｍｍの距離の分布は、―０．０８°～＋０．１４°の２インチサイズのＧａＮ基板１０を準備した。

＜レーザーダイオードバーのレイアウト＞
レーザーダイオードバー２０の導波路方向の長さを２.０ｍｍ、長手方向の長さを１０.０ｍｍとし、ＧａＮ基板１０のオフ角の主軸方向とレーザーダイオードバー２０の導波路方向を一致させ、ＧａＮ基板１０内にレーザーダイオードバー２０を、図１３に示すように６０個配置した。

＜エピタキシャル成長＞
ＧａＮ基板１０に、第１導電型クラッド層２１と、活性層全体の組成に対して７.０％のＩｎを含んだ窒化物半導体の活性層２２と、第２導電型クラッド層２３と、をエピタキシャル成長により形成した。またエピタキシャル成長時のＧａＮ基板１０の温度は、第１導電型クラッド層２１および、第２クラッド層２３は、９８０℃で、活性層２２は、８２０℃で実施し、ＧａＮ基板１０を加熱するカーボン製の均熱板を３０μｍの差分をもつように湾曲に形状させることで、エピタキシャル成長中のＧａＮ基板１０の表面温度は、第１導電型クラッド層２１および、第２クラッド層２３の成長時は、９７８～９８２℃、活性層２２の成長時は、８１８～８２２℃に収まるように、温度制御を行って、エピタキシャル成長を実施した。

＜各レーザーダイオードバーのλ_{ｇ＿ＣＥＮＴＥＲ}、Δλ_{ｇ_ＢＡＲ}の算出＞
エピタキシャル成長を実施したＧａＮ基板１０を、励起波長３２５ｎｍのＨｅ－Ｃｄレーザーを励起光とする室温のＰＬ測定で、ＧａＮ基板１０面内を測定した。

図１４はＰＬ測定から計算したゲインピーク波長λ_ｇの結果を示す。図１４に示すように、ゲインピーク波長λ_ｇの分布は、ＧａＮ基板１０内のオフ角の分布に依存していることがわかる。なお、ＰＬ測定のピークトップ波長から４．０ｎｍ加えた値がゲインピーク波長λ_ｇであることを事前に確認した。

ゲインピーク波長λ_ｇの位置と、図１３に示すレイアウトとを重ね合わせ、６０個の各レーザーダイオードバー２０のゲインピーク波長の基準値λ_{ｇ＿ＣＥＮＴＥＲ}を算出した。 図１５に、ＧａＮ基板１０内の各レーザーダイオードバー２０のゲインピーク波長の基準値λ_{ｇ＿ＣＥＮＴＥＲ}の値を示す。

ついで、ＧａＮ基板１０の＋ｍ軸方向を上にした際の、６０個の各レーザーダイオードバーのレーザーダイオードバー２０の両端位置のゲインピーク波長差Δλ_{ｇ_ＢＡＲ}を、図１６のように算出した。

＜レーザーダイオードバーのエミッター形成、切り出し、光出射面の選択及び膜形成＞
エピタキシャル成長を実施したＧａＮ基板１０のオフ角の主軸方向、すなわちｍ軸方向と、レーザーダイオードバー２０の導波路方向を一致させて、エミッター１３を形成した。結晶方位は、ＧａＮ基板１０に付与されているオリフラ１８を基準とした。ついで、Ｐ側電極１５及びＮ側電極２４を形成し、エミッター１３を形成したＧａＮ基板１０から、レーザーダイオードバー２０を切り出し、レーザーダイオードバー２０の両端位置のゲインピーク波長差Δλ_{ｇ_ＢＡＲ}がプラスのレーザーダイオードバー２０には、－ｍ軸方向に透過膜を、＋ｍ軸方向に反射膜を形成した。一方、レーザーダイオードバー２０の両端位置のゲインピーク波長差Δλ_{ｇ_ＢＡＲ}がマイナス値のレーザーダイオードバー２０には、－ｍ軸方向に反射膜１７を、＋ｍ軸方向に透過膜１６を形成した。

図１７に、レーザーダイオードバー２０の出射面から見た、レーザーダイオードバー２０の両端位置のゲインピーク波長差Δλ_{ｇ_ＢＡＲ}を示す。図１７内のレーザーダイオードバー２０の両端位置のゲインピーク波長差Δλ_{ｇ_ＢＡＲ}がマイナスの値、すなわち、図１７の色付けしているレーザーダイオードバー２０は、出射面が逆になり、マイナス値のレーザーダイオードバー２０の両端位置のゲインピーク波長差Δλ_{ｇ_ＢＡＲ}は、反転されて、プラスの値となる。これにより、透過膜と反射膜とが反対のレーザーダイオードバー２０を得ることができた。

＜レーザーダイオードバーの選別＞
波長ビーム結合システム３０を、回折格子周期ｄ＝０．３３μｍ、Ｌ＝２．６ｍ、で構成した。この波長ビーム結合システム３０において、レーザーダイオードバー２０に必要なレーザーダイオードバー２０の両端位置のロック波長差Δλ_{Ｌ_ＢＡＲ}は、１．１ｎｍであった。また、レーザーダイオードバー２０の両端位置のゲインピーク波長差Δλ_{ｇ_ＢＡＲ}が異なる複数のレーザーダイオードバー２０を波長結合システム３０へ搭載し、全エミッターが発振できるレーザーダイオードバー２０の両端位置のゲインピーク波長差Δλ_{ｇ_ＢＡＲ}は、１．１±１．０ｎｍであることを確認した。

ＧａＮ基板１０内の６０個のレーザーダイオードバー２０で、レーザーダイオードバー２０の両端位置のゲインピーク波長差Δλ_{ｇ_ＢＡＲ}が１．１±１．０ｎｍを満たすレーザーダイオードバー２０は、図１８に示す色が塗られてない位置のレーザーダイオードバー２０であり、６０個中５３個存在していた。それらの５３個のレーザーダイオードバー２０を、レーザーダイオードバー２０のゲインピーク波長の基準値λ_{ｇ＿ＣＥＮＴＥＲ}が異なる場合、配置位置を変えて、波長ビーム結合システム３０に搭載したところ、全てのレーザーダイオードバー２０において、全エミッター１３が発振することを確認した。

［比較例］
比較例では、オフ角の主軸方向ではない結晶軸、すなわちａ軸方向と、レーザーダイオードバー２０の導波路方向を一致させて、エミッター１３を形成した以外は、実施例とほぼ同値のＧａＮ基板１０を用いた。また、その他の条件は、実施例と同じで、レーザーダイオードバー２０を作成した。比較例では、図１９に示すように、レーザーダイオードバー２０の両端位置のゲインピーク波長差Δλ_{ｇ_ＢＡＲ}が１．１±１．０ｎｍを満たすレーザーダイオードバーは、ＧａＮ基板１０にレイアウトしたレーザーダイオードバー２０の６０個中、２２個存在していた。

２２個のレーザーダイオードバー２０を、波長ビーム結合システム３０に搭載したところ、２個のレーザーダイオードバー２０は、全エミッター１３での発振が確認できなかった。

本来であれば、２２個のレーザーダイオードバー２０の全エミッター１３が発振するはずだが、ＰＬ測定のピーク波長からゲイン波長を計算するときの、一定の換算ばらつきがあり、レーザーダイオードバー２０の両端位置のゲインピーク波長差Δλ_{ｇ_ＢＡＲ}が大きかった可能性がある。または、実施例において、レーザーダイオードバー２０を切り出す際の長手方向は、ＧａＮ結晶１０が有する劈開面と一致しているため、原子レベルで整った出射面をしているが、比較例では一致していないため、出射面が整わず、レーザー発振が阻害された可能性がある。前述の可能性のいずれか又は両方の複合的な要因で、比較例には、全エミッター１３が発振しなかったレーザーダイオードバー２０が存在したと考えられる。

以上のように、本開示のレーザーダイオードバー２０の製造方法によれば、窒化物半導体基板（好ましくはＧａＮ基板１０）のオフ角の主軸方向（好ましい主軸はｍ軸）と、レーザーダイオードバー２０の導波路方向とが一致するように、エミッター１３を構成する。これによって、窒化物半導体基板１０のオフ角に起因するゲインピーク波長の分布が存在していても、窒化物半導体基板１０内に構成する複数のレーザーダイオードバー２０のうちのより多くのレーザーダイオードバー２０において、レーザーダイオードバー２０の両端位置のゲインピーク波長差Δλ_{ｇ_ＢＡＲ}を小さくし、図８のように、波長ビーム結合システム３０のロック波長の範囲に収めることができることが可能となる。これにより、波長ビーム結合システム３０の発振出力の性能を向上させることが可能である。

また、図２０に示すように、比較例に比べて、実施例では、１枚のＧａＮ基板１０で、波長ビーム結合システム３０に配置するゲインピーク波長の基準値λ_{ｇ＿ＣＥＮＴＥＲ}の異なる複数のレーザーダイオードバー２０を多く獲得できる。これによって、レーザーダイオードバー２０の生産効率を向上することができる。

なお、波長ビーム結合システム３０の光学系の部品点数削減や、安定性向上の観点から、また、光学系の調整の工数削減等の観点から、レーザーダイオードバー２０の長手方向の長さは、長いほうが好ましい。

図２１は、実施例と比較例において、レーザーダイオードバー２０の長さを変化させたときに、Δλ_{ｇ_ＢＡＲ}が、その長さで構成させる波長ビーム結合システム３０の実現に必要な範囲を満たす割合を算出したグラフである。レーザーダイオードバー２０の長さが長くなればなるほど、実施例と比較例との適合率の違いは大きくなる。レーザーダイオードバー２０の長さが６．０ｍｍ以上においては、比較例に比べて、実施例のほうが４０％以上、高い適合率を得られることがわかった。

上述の実施形態及び実施例は、本開示の実施形態の一例を示したものに過ぎず、本開示の技術的範囲は上述の実施形態及び実施例には限定されない。すなわち、本開示の要旨を逸脱しない範囲において、様々の形で実施することができる。

本開示は、波長ビーム結合システムに用いられるレーザーダイオードバーの製造方法として好適である。

１０ 窒化物半導体基板
１１ オフ角の主軸方向
１２ 積層構造体
１３ エミッター
１５ Ｐ側電極
１６ 透過膜
１７ 反射膜
１８ オリフラ
２０ レーザーダイオードバー
２１ 第１導電型クラッド層
２２ 活性層
２３ 第２導電型クラッド層
２４ Ｎ側電極
２５ レーザー光
３０ 透過型の波長ビーム結合システム
３１～３５ レーザーダイオードバー
２０Ｔ レーザーダイオードバーアレイ
３７ 透過型の回折格子
３８ 外部共振ミラー
３９ 反射型の回折格子
４０ 反射型の波長ビーム結合システム

Claims (2)

1. 波長ビーム結合システムに用いられるレーザーダイオードバーの製造方法であって、
   （０００１）面を面方位とし、且つ、（０００１）面からｍ軸又はａ軸の少なくとも一方の軸に０°より大きいオフ角を付与された基板面を有する窒化物半導体基板を準備する工程と、
   前記波長ビーム結合システムに必要なサイズの前記レーザーダイオードバーを決定するとともに、前記窒化物半導体基板内に、前記オフ角の主軸方向と導波路方向とが一致するように前記レーザーダイオードバーの形成予定位置に係るレイアウトを設定する工程と、
   前記窒化物半導体基板上に、第１導電型クラッド層、活性層及び第２導電型クラッド層からなる積層構造体を形成する工程と、
   前記窒化物半導体基板面内に形成する予定の前記レーザーダイオードバーのゲインピーク波長の分布を推定する工程と、
   前記オフ角の主軸方向と、前記導波路方向とが一致するように、前記積層構造体に、ストライプ状に配列された複数のエミッターを形成する工程と、
   前記窒化物半導体基板から、前記複数のエミッターを有する前記レーザーダイオードバーを切り出す工程と、
   前記レーザーダイオードバーの前記ゲインピーク波長の分布に基づいて、前記レーザーダイオードバーの光出射面と非出射面とを決定し、前記光出射面に透過膜を形成すると共に、前記非出射面に反射膜を形成する工程と、
   前記レーザーダイオードバーのゲインピーク波長の分布と、前記波長ビーム結合システムの構成で決定されるロック波長とに基づいて、前記波長ビーム結合システム中における前記レーザーダイオードバーの配設位置を決定する工程と、
   を含むレーザーダイオードバーの製造方法。
2. 前記窒化物半導体基板は単結晶の窒化ガリウム基板であり、
   前記オフ角の主軸方向は、前記窒化ガリウム基板のｍ軸方向であり、
   前記活性層はＩｎを含む、
   請求項１に記載のレーザーダイオードバーの製造方法。

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