WO2021200328A1 - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents

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WO2021200328A1
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film
dielectric
semiconductor laser
nitride semiconductor
laser device
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PCT/JP2021/011639
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英夫 北川
真治 吉田
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ヌヴォトンテクノロジージャパン株式会社
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    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure

Definitions

  • the present disclosure relates to a nitride semiconductor laser device.
  • the end faces (front side end face and rear side end face) are used to resonate the laser light inside the semiconductor laser element, and the resonated laser light is transmitted from the semiconductor laser element.
  • a reflective film is formed for proper emission (see, for example, Patent Document 1).
  • the reflective film formed on the end face of the semiconductor laser element may be deformed by absorbing the laser light from the semiconductor laser element. Deformation of the reflective film causes changes in optical characteristics such as fluctuations in the transmittance and reflectance of laser light.
  • the present disclosure provides a nitride semiconductor laser device capable of suppressing changes in optical characteristics.
  • the nitride semiconductor laser element comprises a laminated structure composed of a plurality of semiconductor layers including a waveguide and having a pair of resonator end faces facing each other, and at least one of the pair of resonator end faces.
  • a nitride semiconductor laser element including an arranged dielectric multilayer film, wherein the dielectric multilayer film is a first dielectric film, a second dielectric film, and a third dielectric from the resonator end face side.
  • the first dielectric film has a body film in this order, and the first dielectric film is composed of an n (n is a positive integer) layer protective film from the first protective film to the nth protective film in order from the resonator end face side.
  • the k (k is an integer satisfying 1 ⁇ k ⁇ n) th protective film in the first dielectric film is defined as nk and dk, respectively, and the refractive index and film of the second dielectric film are defined as nk and dk, respectively.
  • the thickness is ni and di, respectively
  • the refractive index and the film thickness of the third dielectric film are nj and dj, respectively
  • m1 is an integer of 2 or more
  • m2 is a positive integer.
  • Nj ⁇ dj m2 ⁇ ⁇ / 4 ⁇ ⁇ / 16, and Meet.
  • the nitride semiconductor laser element includes a laminated structure composed of a plurality of semiconductor layers including a waveguide and having a pair of resonator end faces facing each other, and the pair of resonator end faces.
  • a nitride semiconductor laser element comprising a dielectric multilayer film arranged on at least one of the above, wherein the dielectric multilayer film is a first dielectric film, a second dielectric film, and a second dielectric film from the resonator end face side.
  • the third dielectric film is provided in this order, and the first dielectric film is a protective film of n (n is a positive integer) layer from the first protective film to the nth protective film in order from the end face side of the resonator.
  • the k (k is an integer satisfying 1 ⁇ k ⁇ n) th protective film in the first dielectric film is nk and dk, respectively, and the second dielectric film is composed of
  • the refractive index and the film thickness were set to ni and di, respectively, the refractive index and the film thickness of the third dielectric film were set to nj and dj, respectively, m1 was set to an integer of 2 or more, and m2 was set to a positive integer.
  • nitride semiconductor laser device capable of suppressing changes in optical characteristics.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing an example of deformation of the dielectric film when the nitride semiconductor laser device according to the embodiment emits laser light.
  • FIG. 3 is a graph showing the reflectance of the dielectric multilayer film with respect to the wavelength of the nitride semiconductor laser device according to the comparative example.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the semiconductor laser device according to the embodiment in the IV-IV line of FIG.
  • FIG. 5 is a table showing changes in film thickness with respect to aging conditions.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing an example of deformation of the dielectric film when the nitride semiconductor laser device according to the embodiment emits laser light.
  • FIG. 3 is a graph showing the reflectance of the
  • FIG. 6A is a graph showing the reflectance with respect to the film thickness before aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 6B is a graph showing the reflectance with respect to the film thickness after aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 6C is a graph showing the amount of change in reflectance with respect to the film thickness before and after aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the relationship between the film thickness of the second dielectric film and the third dielectric film and the reflectance of the dielectric multilayer film.
  • FIG. 8A is a graph showing the reflectance with respect to the film thickness before aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 8B is a graph showing the reflectance with respect to the film thickness before aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 8C is a graph showing the reflectance with respect to the film thickness before aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 8D is a graph showing the reflectance with respect to the film thickness before aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 8A is a graph showing the reflectance with respect to the film thickness before aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 8B is a graph showing the reflectance with respect to the film thickness before aging of the di
  • FIG. 8E is a graph showing the reflectance with respect to the film thickness before aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 8F is a graph showing the reflectance with respect to the film thickness before aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 9A is a graph showing the amount of change in reflectance with respect to the film thickness before and after aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 9B is a graph showing the amount of change in reflectance with respect to the film thickness before and after aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 9A is a graph showing the amount of change in reflectance with respect to the film thickness before and after aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 9B is
  • FIG. 9C is a graph showing the amount of change in reflectance with respect to the film thickness before and after aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 9D is a graph showing the amount of change in reflectance with respect to the film thickness before and after aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 9E is a graph showing the amount of change in reflectance with respect to the film thickness before and after aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 9C is a graph showing the amount of change in reflectance with respect to the film thickness before and after aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 9D is a graph showing the amount of change in reflectance with respect to the film thickness before and after aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according
  • FIG. 9F is a graph showing the amount of change in reflectance with respect to the film thickness before and after aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the relationship between the film thickness of the dielectric multilayer film and the film thickness variation of the dielectric multilayer film according to the embodiment.
  • FIG. 11A is a graph showing the amount of change in reflectance with respect to the film thickness before and after aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 11B is a graph showing the amount of change in reflectance with respect to the film thickness before and after aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 11C is a graph showing the amount of change in reflectance with respect to the film thickness before and after aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 11D is a graph showing the amount of change in reflectance with respect to the film thickness before and after aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 11E is a graph showing the amount of change in reflectance with respect to the film thickness before and after aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 11C is a graph showing the amount of change in reflectance with respect to the film thickness before and after aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 11D is a graph showing the amount of change in reflectance with respect to the film thickness before and after aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according
  • FIG. 11F is a graph showing the amount of change in reflectance with respect to the film thickness before and after aging of the dielectric multilayer film included in the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • FIG. 12 is a graph showing the reflectance of the dielectric multilayer film with respect to the wavelength of the nitride semiconductor laser device according to the embodiment.
  • each figure is a schematic diagram and is not necessarily exactly illustrated. Therefore, the scales and the like do not always match in each figure.
  • substantially the same configuration is designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted or simplified.
  • the terms “upper” and “lower” do not refer to the upward direction (vertically upward) and the downward direction (vertically downward) in absolute spatial recognition, but are based on the stacking order in the stacking configuration. It is used as a term defined by the relative positional relationship with. Also, the terms “upper” and “lower” are used not only when the two components are spaced apart from each other and another component exists between the two components, but also when the two components It also applies when they are placed in contact with each other.
  • the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis indicate the three axes of the three-dimensional Cartesian coordinate system.
  • the Z-axis direction is the vertical direction
  • the direction perpendicular to the Z-axis is the horizontal direction.
  • the positive direction of the Z axis is vertically above.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the nitride semiconductor laser device 10 according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an example of deformation of the dielectric film when the nitride semiconductor laser device 10 according to the embodiment emits the laser beam 201.
  • 1 and 2 are cross-sectional views taken along the line II of FIG. 4, which will be described later.
  • the nitride semiconductor laser device 10 is formed by laser light sandwiched between the first conductive semiconductor layer 100a, the second conductive semiconductor layer 100b, the first conductive semiconductor layer 100a, and the second conductive semiconductor layer 100b.
  • a laminated structure 100 having an active layer 103 that emits 201 is provided.
  • a dielectric multilayer film 150 is formed on the front end surface 100F of the nitride semiconductor laser device 10 in order to resonate the laser beam 201 inside the laminated structure 100 and effectively emit the laser light 201 from the front end surface 100F.
  • the dielectric multilayer film 150 is composed of, for example, a first dielectric film 120, a second dielectric film 130, and a third dielectric film 140. Specifically, the first dielectric film 120, the second dielectric film 130, and the third dielectric film 140 are arranged in this order on the front end surface 100F of the laminated structure 100.
  • the first dielectric film 120 is a film that protects the front end surface 100F, and suppresses oxidation of the front end surface 100F due to diffusion of oxygen from the outside.
  • the second dielectric film 130 and the third dielectric film 140 are films for adjusting the reflectance, respectively.
  • the film thickness of the first dielectric film 120, the second dielectric film 130, and the third dielectric film 140 is formed substantially uniformly on the front end surface 100F.
  • the film thickness and material of the dielectric multilayer film 150 were designed so as to be extremely small.
  • the second dielectric film 130 and the third dielectric film 140 may be deformed by absorbing the laser beam 201 emitted from the laminated structure 100.
  • the film thicknesses of the second dielectric film 130 and the third dielectric film 140 are set to the film thickness 300 of the portion through which the laser light 201 passes. It differs from the film thickness 301 of the portion through which the laser beam 201 does not pass. That is, the film thicknesses 300 and 301 of the second dielectric film 130 and the third dielectric film 140 are changed by emitting the laser beam 201 from the laminated structure 100, respectively.
  • FIG. 3 is a graph showing the reflectance of the dielectric multilayer film with respect to the wavelength of the nitride semiconductor laser device according to the comparative example.
  • the nitride semiconductor laser device according to the comparative example is the same as the nitride semiconductor laser device 10 according to the embodiment except for the material, film thickness, and refractive index used for the dielectric multilayer film.
  • the reflectance before aging shown in FIG. 3 is the reflectance of light in a state of not being deformed by the laser beam 201, such as the dielectric multilayer film 150 shown in FIG. 1.
  • the reflectance after aging shown in FIG. 3 is the reflectance of light in a state of being deformed by the laser beam 201, such as the dielectric multilayer film 150 shown in FIG.
  • the position of the peak whose wavelength is around 400 nm differs between the reflectance before aging and the reflectance after aging.
  • the reflectance of the dielectric multilayer film according to the comparative example the reflectance of the peak having a wavelength near 400 nm increases by about 1.5% by absorbing the laser beam. Therefore, the nitride semiconductor laser device according to the comparative example has different optical characteristics (specifically, optical output) before and after aging. Therefore, for example, if the nitride semiconductor laser device 10 is continuously used, the optical characteristics change with the passage of time.
  • the inventors of the present application can suppress changes in optical characteristics by appropriately setting the material, film thickness, refractive index, etc. of the dielectric multilayer film 150 included in the nitride semiconductor laser device 10. I found. Specifically, the inventors of the present application have found that there are a film whose film thickness increases and a film whose film thickness decreases during aging. Therefore, the inventors of the present application have found that by appropriately combining a film whose film thickness increases during aging and a film whose film thickness decreases during aging, the change in reflectance can be suppressed even if the film thickness changes during aging.
  • emitting the laser beam 201 from the laminated structure 100 is also simply referred to as aging.
  • composition The configuration of the nitride semiconductor laser device 10 will be described with reference to FIGS. 1 and 4.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the nitride semiconductor laser device 10 according to the embodiment in the IV-IV line of FIG.
  • the nitride semiconductor laser device 10 is a nitride semiconductor light emitting device that emits laser light 201.
  • the nitride semiconductor laser device 10 includes a laminated structure 100 and a dielectric multilayer film 150.
  • the laminated structure 100 is a laminated body composed of a plurality of semiconductor layers including a waveguide 110. Further, the laminated structure 100 has a front side end surface 100F, which is a pair of resonator end faces facing each other, and a rear side end surface 100R.
  • the dielectric multilayer film 150 is arranged on at least one of the pair of resonator end faces. In the present embodiment, the dielectric multilayer film 150 is arranged on the front end surface 100F.
  • the laminated structure 100 includes a substrate 101, a first semiconductor layer 102, an active layer 103, a second semiconductor layer 104, a contact layer 105, an insulating layer 106, a second electrode 107, and a pad electrode 108. It has a first electrode 109 and.
  • the first conductive semiconductor layer 100a in FIG. 1 includes a substrate 101 and a first semiconductor layer 102
  • the second conductive semiconductor layer 100b includes a second semiconductor layer 104 and a contact layer 105.
  • the insulating layer 106, the second electrode 107, the pad electrode 108, and the first electrode 109 are not shown.
  • the laminated structure 100 is formed of a gallium nitride based material, which is an example of a nitride material.
  • the light output has a wavelength in the band of about 390 nm or more and 420 nm or less. It is possible to realize a nitride semiconductor laser device 10 having optical characteristics of emitting a laser beam 201 of about 3 W or more and 10 W or less.
  • the nitride semiconductor laser device 10 emits a laser beam 201 of 1 W or more.
  • the oscillation wavelength of the nitride semiconductor laser device 10 is 420 nm or less. More specifically, the laminated structure 100 emits laser light 201 having a peak wavelength of 400 nm.
  • the optical density of the laser beam 201 is 0.1 W / ⁇ m or more.
  • the optical density is the light output / stripe width of the laser beam 201.
  • the stripe width here is, for example, the width of the ridge portion described later (in the present embodiment, the length in the X-axis direction).
  • the width of the ridge portion (hereinafter, also referred to as stripe width) is, for example, about 30 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the resonator length of the laminated structure 100 (in the present embodiment, the length in the Y-axis direction) is, for example, 1200 ⁇ m or more and 5000 ⁇ m or less.
  • the optical characteristics of the nitride semiconductor laser device 10 are not limited to the above.
  • the nitride semiconductor laser element 10 has a wavelength in the band of 365 nm or more and 390 nm or less by setting the input current to the laminated structure 100 to 2 A or more and 10 A or less and the input voltage to 3.5 V or more and 6 V or less.
  • it may have an optical characteristic of emitting a laser beam 201 having an optical output of about 1 W or more and 5 W or less.
  • the stripe width is about 8 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the resonator length of the laminated structure 100 is, for example, 800 ⁇ m or more and 5000 ⁇ m or less.
  • the substrate 101 is a plate-shaped member that serves as a base material for the laminated structure 100.
  • the substrate 101 is a GaN single crystal substrate having a thickness of 100 ⁇ m.
  • the thickness of the substrate 101 is not limited to 100 ⁇ m, and may be, for example, 50 ⁇ m or more and 120 ⁇ m or less.
  • the material forming the substrate 101 is not limited to the GaN single crystal, and may be sapphire, SiC, or the like.
  • the first semiconductor layer 102 is a first conductive type semiconductor layer arranged above the substrate 101.
  • the first semiconductor layer 102 is an n-type semiconductor layer arranged on one main surface of the substrate 101, and includes an n-type clad layer.
  • the n-type clad layer is a layer made of n-AlGaN. The configuration of the n-type clad layer is not limited to this.
  • the active layer 103 is a light emitting layer arranged above the first semiconductor layer 102.
  • the active layer 103 is a quantum well active layer in which well layers made of InGaN and barrier layers made of GaN are alternately laminated, and has two well layers.
  • the nitride semiconductor laser device 10 can emit blue laser light having a wavelength of about 400 nm.
  • the configuration of the active layer 103 is not limited to this, and any quantum well active layer in which well layers and barrier layers are alternately laminated may be used.
  • the active layer 103 may include a guide layer formed on at least one of the upper side and the lower side of the quantum well active layer.
  • the second semiconductor layer 104 is a second conductive type semiconductor layer arranged above the active layer 103.
  • the second conductive type is a conductive type different from the first conductive type.
  • the second semiconductor layer 104 is a p-type semiconductor layer and includes a p-type clad layer.
  • the p-type clad layer is a superlattice layer in which 100 layers of p-AlGaN and 100 layers of GaN having a thickness of 3 nm are alternately laminated.
  • the structure of the p-type clad layer is not limited to this.
  • the first semiconductor layer 102, the active layer 103, and the second semiconductor layer 104 form a waveguide 110 which is a waveguide of the laser beam 201.
  • the waveguide 110 is a portion where the laser beam 201 is guided inside the laminated structure 100.
  • the waveguide 110 is composed of, for example, a part of the first semiconductor layer 102, a part of the active layer 103, and a part of the second semiconductor layer 104.
  • the contact layer 105 is a second conductive type semiconductor layer that makes ohmic contact with the second electrode 107.
  • the contact layer 105 is a p-type semiconductor layer and is a layer made of p-GaN.
  • the configuration of the contact layer 105 is not limited to this.
  • a ridge portion is formed on the second semiconductor layer 104 and the contact layer 105.
  • the region of the active layer 103 corresponding to the ridge portion serves as a light emitting point and emits the laser beam 201.
  • the first electrode 109 is an electrode arranged on the lower main surface of the substrate 101 (that is, the main surface on which the first semiconductor layer 102 or the like is not arranged).
  • the first electrode 109 is, for example, a laminated film in which Ti, Pt, and Au are laminated in order from the substrate 101 side.
  • the configuration of the first electrode 109 is not limited to this.
  • the second electrode 107 is an electrode arranged on the contact layer 105.
  • the second electrode 107 is a p-side electrode that makes ohmic contact with the contact layer 105.
  • a pad electrode 108 is arranged on the p-side electrode.
  • the second electrode 107 is, for example, a laminated film in which Pd and Pt are laminated in order from the contact layer 105 side.
  • the configuration of the second electrode 107 is not limited to this.
  • the pad electrode 108 is a pad-shaped electrode arranged above the second electrode 107.
  • the pad electrode 108 is, for example, a laminated film in which Ti and Au are laminated in order from the second electrode 107 side, and is arranged in and around the ridge portion.
  • the configuration of the pad electrode 108 is not limited to this.
  • the laminated structure 100 may further have an insulating film such as a SiO 2 film covering the side wall of the ridge portion or the like in addition to the above layers.
  • an insulating film such as a SiO 2 film covering the side wall of the ridge portion or the like in addition to the above layers.
  • the laminated structure 100 is a so-called single emitter having one ridge portion (emitter), but has a plurality of (for example, about 60) ridge portions, so-called multi-emitter. It may be.
  • the total light output of the laser beam 201 emitted from below each of the plurality of ridge portions in the laminated structure 100 is about 100 W or more and 200 W or less.
  • the dielectric multilayer film 150 is a protective film arranged on the front end surface 100F of the laminated structure 100. Specifically, the dielectric multilayer film 150 protects the front side end surface 100F of the laminated structure 100 and reduces the reflectance of the laser beam 201 on the front side end surface 100F.
  • the first dielectric film 120, the second dielectric film 130, and the third dielectric film 140 are arranged in this order from the resonator end face (front side end face 100F in the present embodiment) side. Have.
  • the first dielectric film 120 is a dielectric layer arranged on the frontmost end surface 100F side of the first dielectric film 120, the second dielectric film 130, and the third dielectric film 140.
  • the first dielectric film 120 may include at least one layer of a dielectric film composed of at least one of a nitride film and an acid nitride film.
  • the first dielectric film 120 is directly connected to the front end surface 100F of the laminated structure 100. That is, the first dielectric film 120 is formed in contact with the front end surface 100F. Therefore, by using a nitrided film or an acid nitrided film having the same crystallinity as the laminated structure 100 as the first dielectric film 120, the protection performance of the front end surface 100F can be enhanced.
  • the first dielectric film 120 is composed of n (n is a positive integer) layer protective film from the first protective film to the nth protective film in order from the front side end surface 100F side.
  • the first protective film 121 is a dielectric film arranged on the most front side end surface 100F side among the plurality of protective films of the first dielectric film 120.
  • the first protective film 121 is a film containing a SiN film. More specifically, the first protective film 121 is a film made of a SiN film having a thickness d1 of about 0.5 nm.
  • the configuration of the first protective film 121 is not limited to this.
  • the first protective film 121 may be, for example, another oxynitride film such as SiON.
  • the second protective film 122 is a dielectric film laminated on the first protective film 121.
  • the second protective film 122 is a film containing an AlON film. More specifically, the second protective film 122 is a film made of an AlON film having a thickness d2 of about 21 nm.
  • the configuration of the second protective film 122 is not limited to this.
  • the second protective film 122 may be, for example, another oxynitride film such as SiON, or a nitride film such as an AlN film or SiN film.
  • the third protective film 123 is a dielectric film laminated on the second protective film 122.
  • the third protective film 123 is a film made of an Al 2 O 3 film having a thickness d3 of about 13 nm.
  • the configuration of the third protective film 123 is not limited to this.
  • the third protective film 123 may be, for example, another dielectric film such as SiO 2.
  • the fourth protective film 124 is a dielectric film laminated on the third protective film 123.
  • the fourth protective film 124 may include a dielectric film composed of at least one of a nitride film and an acid nitride film.
  • the fourth protective film 124 is a film made of an AlON film having a thickness d4 of about 11 nm.
  • the configuration of the fourth protective film 124 is not limited to this.
  • the fourth protective film 124 may be, for example, another nitride film such as SiN, or an acid nitride film such as an AlN film or a SiON film.
  • the second dielectric film 130 is a dielectric film laminated on the outside of the first dielectric film 120.
  • the second dielectric film 130 is an Al 2 O 3 film having a thickness of about 167 nm.
  • the third dielectric film 140 is a dielectric film laminated on the outside of the second dielectric film 130.
  • the third dielectric film 140 is a SiO 2 film having a thickness of about 58 nm.
  • FIG. 5 is a table showing changes in film thickness with respect to aging conditions.
  • the peak wavelength (oscillation wavelength) of the laser beam 201 is 405 nm.
  • condition 1 of FIG. 5 when the laser beam 201 of 4.5 W is emitted from the laminated structure 100 for 736 hours at 25 ° C., the thickness of the second dielectric film 130 made of the Al 2 O 3 film is increased. The rate of change was -8.5% at the maximum and -6.2% at the minimum due to variations in the light intensity distribution of the laser beam 201. Further, under condition 1, the rate of change in the film thickness of the third dielectric film 140 made of the SiO 2 film was + 5.3% at the maximum and 3.7% at the minimum.
  • the optical density under condition 1 is 0.15 (W / ⁇ m).
  • Condition 2 of FIG. 5 when the laser beam 201 of 1 W is emitted from the laminated structure 100 for 4500 h at 25 ° C., the film thickness of the second dielectric film 130 made of the Al 2 O 3 film is increased. The rate of change was -8.7% at the maximum and -7.0% at the minimum. Further, under condition 2, the rate of change in the film thickness of the third dielectric film 140 made of the SiO 2 film was + 5.2% at the maximum and 4.0% at the minimum.
  • the optical density under condition 2 is 0.149 (W / ⁇ m).
  • the rate of change in the film thickness of the second dielectric film 130 made of the Al 2 O 3 film was ⁇ 7.6% on average. Further, the rate of change in the film thickness of the third dielectric film 140 made of the SiO 2 film under the conditions 1 and 2 was + 4.6% on average.
  • the rate of change in the film thickness of the second dielectric film 130 made of the Al 2 O 3 film decreases sharply when the optical density is about 0.15 W / ⁇ m and the aging time is 1000 h or less, and the aging time is 1000 h or later. Then, the change gradually decreased, though it became gradual. Further, the rate of change in the film thickness of the third dielectric film 140 made of the SiO 2 film increases sharply within 1000 hours when the optical density is about 0.15 W / ⁇ m, and changes after 1000 hours. Gradually increased, albeit slowly.
  • the second dielectric film 130 made of the Al 2 O 3 film shrinks due to aging and the film thickness decreases.
  • the film made of Al 2 O 3 film is amorphous containing several% of Ar in the state (as-depo.) Immediately after the film is formed. However, as-depo. It is considered that the film made of Al 2 O 3 film shrinks due to the desorption of Ar due to the optical load due to aging, and the film thickness decreases.
  • the third dielectric film 140 made of the SiO 2 film expands due to aging and the film thickness increases.
  • the third dielectric layer 140 made of SiO 2 film, Al 2 O 3 first 2 Ar contained in the dielectric film 130 made of film is desorbed, film by diffusing into the SiO 2 film is expanded It is considered that the film thickness has increased.
  • the third dielectric film 140 has an amorphous structure. Further, for example, the third dielectric film 140 is any one of SiO 2 , B 2 O 3 , P 2 O 5 , and GeO 2.
  • the second dielectric film 130 is one of Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , and ZrO 2 .
  • one of the second dielectric film 130 and the third dielectric film 140 has a property that the film thickness is reduced by the laser light 201 emitted from the nitride semiconductor laser element 10.
  • the film thickness is increased by the laser beam 201 emitted from the nitride semiconductor laser device 10.
  • the second dielectric film 130 has a property that the film thickness is reduced by the laser light 201 emitted from the nitride semiconductor laser device 10.
  • the third dielectric film 140 has a property that the film thickness is increased by the laser light 201 emitted from the nitride semiconductor laser device 10.
  • the second dielectric film 130 has a recess 131.
  • the convex portion 141 is formed on the third dielectric film 140. Further, for example, the change in the film thickness of the second dielectric film 130 and the third dielectric film 140 is caused by the optical path of the laser beam 201 emitted from the front end surface 100F (for example, on the optical axis 200 of the laser beam 201). appear.
  • the dielectric multilayer film 150 has a film thickness and a refractive index as described later, so that the laser light 201 is about 10,000 hours. Even if the light is emitted, the reduction rate of the light output is 20% or less.
  • a coat film 160 may be arranged between the front end surface 100F and the dielectric multilayer film 150.
  • the coat film 160 is a film that protects the front end face 100F, and is, for example, an aluminum nitride film.
  • the aluminum nitride film may contain crystalline aluminum nitride.
  • the aluminum nitride film may be crystalline aluminum nitride.
  • the material used for the coating film 160 is not limited to this.
  • the materials used for the coat film 160 include aluminum nitride silicon, aluminum gallium nitride, aluminum nitride yttrium, aluminum lanthanum nitride, aluminum nitride silicon, aluminum gallium nitride, and aluminum nitride yttrium. It may be at least one with the aluminum nitride lantern. Further, the above-mentioned material may be used as the material of the first dielectric film 120.
  • such a dielectric multilayer film 150 has a film thickness and a refractive index as described later, so that, for example, the reflectance with respect to light having a wavelength of 400 nm is about 4% or more and 20 or less. Further, by adopting the so-called AR (Anti Reflection) coating technology for the dielectric multilayer film 150, the dielectric multilayer film 150 may have a reflectance of 0.1% or less with respect to light having a wavelength of 400 nm.
  • the dielectric multilayer film 150 may be provided on the rear end surface 100R.
  • the inventors of the present application carried out an optical simulation of the dielectric multilayer film 150 in order to determine a condition in which the change in reflectance is small even if the film thickness changes.
  • the second dielectric film 130 is an Al 2 O 3 film
  • the third dielectric film 140 is a SiO 2 film.
  • FIG. 6A is a graph showing the reflectance with respect to the film thickness before aging of the dielectric multilayer film 150 included in the nitride semiconductor laser device 10 according to the embodiment.
  • FIG. 6B is a graph showing the reflectance with respect to the film thickness after aging of the dielectric multilayer film 150 included in the nitride semiconductor laser device 10 according to the embodiment.
  • FIG. 6C is a graph showing the amount of change in reflectance with respect to the film thickness before and after aging of the dielectric multilayer film 150 included in the nitride semiconductor laser device 10 according to the embodiment.
  • FIGS. 6A to 6C conditions such as the film thickness and the refractive index of the first dielectric film 120 are fixed. Further, in FIGS. 6A to 6C, the second dielectric film 130 is an Al 2 O 3 film, and the third dielectric film 140 is a SiO 2 film. In FIGS. 6A to 6C, the film thickness of these films is changed in the range of 0 nm to 300 nm, the reflectance is calculated, and contour lines are displayed.
  • the film thickness shown in FIG. 6B indicates the film thickness before aging. Specifically, the graph shown in FIG. 6B shows that the film thickness of the second dielectric film 130 is ⁇ 7.6% of the film thickness of the second dielectric film 130 and the third dielectric film 140 before aging. Then, the reflectance when the film thickness of the third dielectric film 140 is + 4.6% is calculated and displayed as contour lines.
  • FIG. 6C shows the calculation result of the difference in reflectance before and after aging. Specifically, the graph shown in FIG. 6C shows a value obtained by subtracting the reflectance of the graph shown in FIG. 6B from the reflectance of the graph shown in FIG. 6A.
  • contour lines are shown in increments of + 3% for the amount of change on the positive side of the reflectance from + 1.5%, and the amount of change on the negative side of the reflectance is -3% in order from -1.5%. Contour lines are shown in increments.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the relationship between the film thickness of the second dielectric film 130 and the third dielectric film 140 and the reflectance of the dielectric multilayer film 150.
  • the graph showing the reflectance with respect to the film thickness shown in FIG. 7 is the same as that in FIG. 6A.
  • One or more protective films (four protective films in the present embodiment) in the first dielectric film 120 are applied in order from the front end surface 100F side to the first protective film, the second protective film, ...
  • the n-layer film of the n-protective film is used, and the refractive index and the film thickness of the k-th protective film (k is a positive integer) are nk and dk, respectively, and the refractive index and the film thickness of the second dielectric film 130 are defined.
  • Ni and di, respectively, the refractive index and the film thickness of the third dielectric film 140 are nj and dj, respectively, and the sum of the optical film thicknesses of one or more protective films in the first dielectric film 120 is A. Then, the following equation (1) is satisfied.
  • broken lines 400 to 407 shown in FIG. 7 satisfy the following formula (2) in order from the left side of the paper.
  • m1 is a positive integer.
  • the reflectance of the dielectric multilayer film 150 takes a maximum value when m1 is an even number, and becomes a minimum value when m1 is an odd number.
  • the change between the maximum and the minimum reflectance of the dielectric multilayer film 150 is a film having a relational expression between the optical film thickness and the reflectance of the SiO 2 film, which is the third dielectric film 140 derived from Fresnel's equation.
  • the period coincides with cos (4 ⁇ ⁇ nj ⁇ dj / ⁇ ), which is a proportional term of thickness. That is, the multiplication (that is, the optical film thickness) between the film thickness of the third dielectric film 140 and the refractive index at which the reflectance of the dielectric multilayer film 150 is maximized or minimized satisfies the following equation (3).
  • the optical refractive index and film thickness of the third dielectric film 140 are nj and dj, respectively.
  • the relationship between the optical film thickness of the second dielectric film 130 and the reflectance is such that although the period between the maximum and the minimum is ⁇ / 4, the optical film thickness that becomes the maximum or the minimum is the first dielectric film. It is not necessarily an integral multiple of ⁇ / 4 because it is affected by the film thickness of 120.
  • the film thickness and the refractive index of the second dielectric film 130 which maximizes or minimizes the reflectance of the dielectric multilayer film 150, satisfy the following formula (5).
  • the refractive index and the film thickness of the second dielectric film 130 are ni and di, respectively.
  • N2 is a positive integer.
  • D becomes a broken line 420.
  • B becomes a broken line 421.
  • B becomes a broken line 422.
  • 8A to 8F are graphs showing the reflectance with respect to the film thickness before aging of the dielectric multilayer film 150 included in the nitride semiconductor laser device 10 according to the embodiment.
  • 9A to 9F are graphs showing the amount of change in reflectance with respect to the film thickness before and after aging of the dielectric multilayer film 150 included in the nitride semiconductor laser device 10 according to the embodiment.
  • FIGS. 8A and 9A are graphs when the optical film thickness of the first dielectric film 120 is ⁇ / 8.
  • 8B and 9B are graphs when the optical film thickness of the first dielectric film 120 is 3 ⁇ ⁇ / 16.
  • 8C and 9C are graphs when the optical film thickness of the first dielectric film 120 is ⁇ / 4.
  • 8D and 9D are graphs when the optical film thickness of the first dielectric film 120 is 5 ⁇ ⁇ / 16.
  • 8E and 9E are graphs when the optical film thickness of the first dielectric film 120 is 3 ⁇ ⁇ / 8.
  • 8F and 9F are graphs when the optical film thickness of the first dielectric film 120 is ⁇ / 2.
  • ⁇ indicates the oscillation wavelength of the laser beam 201, which is 400 nm in the present embodiment.
  • contour lines are shown in increments of + 3% in order from + 1.5% for the amount of change on the positive side of the reflectance, and in order from -1.5% for the amount of change on the negative side of the reflectance. Contour lines are shown in -3% increments.
  • the amount of change in reflectance is about ⁇ 1.5% or more and + 1.5% or less within the broken line 430.
  • the broken line 430 indicates a range in which the film thickness of the second dielectric film 130 is 3 ⁇ ⁇ / 4 or less and the film thickness of the third dielectric film 140 is 3 ⁇ ⁇ / 4 or less.
  • the optical film thickness of the first dielectric film 120 (more specifically, the total optical film thickness of the plurality of protective films of the first dielectric film 120) is 3 ⁇ ⁇ / 16 or more and 5 ⁇ .
  • the first film thickness is ⁇ / 16 or less
  • the optical film thickness of the second dielectric film 130 is 3 ⁇ ⁇ / 4 or less
  • the optical film thickness of the third dielectric film 140 is 3 ⁇ ⁇ / 4 or less.
  • a plurality of nitride semiconductor laser devices 10 in which the dielectric multilayer film 150 is formed on the laminated structure 100 are manufactured, a plurality of nitride semiconductor lasers are manufactured due to manufacturing variations even if the dielectric multilayer film 150 is manufactured with the same film thickness.
  • the film thicknesses of the respective dielectric multilayer films 150 of the element 10 do not completely match.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the relationship between the film thickness of the dielectric multilayer film 150 and the film thickness variation of the dielectric multilayer film 150.
  • the graph showing the reflectance with respect to the film thickness shown in FIG. 10 is the same as that in FIG. 6A.
  • the change in the reflectance with respect to the change in the film thickness of the dielectric multilayer film 150 is considered to be small, that is, stable.
  • the maximum value, the minimum value, and the saddle point of the reflectance in the graph shown in FIG. 10 are the intersection points 440 to 443 between any of the broken lines 400 to 404 shown in FIG. 10 and any of the broken lines 410 to 413.
  • the maximum value, the minimum value, and the saddle point of the reflectance in the graph shown in FIG. 10 are film thicknesses satisfying the above formula (1) and the above formula (3).
  • the reflectance when A in the above equation (1) is an even number and B in the above equation (3) is an even number, the reflectance shows a maximum and becomes one of a plurality of intersections 440. Further, for example, when A in the above equation (1) is an even number and B in the above equation (3) is an odd number, the reflectance indicates a saddle point and is any of a plurality of intersection points 441. For example, when A in the above equation (1) is an odd number and B in the above equation (3) is an even number, the reflectance indicates a saddle point and is any of a plurality of intersections 442. For example, when A in the above equation (1) is an odd number and B in the above equation (3) is an even number, the reflectance indicates a minimum and becomes any of a plurality of intersections 443.
  • the reflectance of the dielectric multilayer film 150 it is preferable to select the intersection points 440 or 443 in order to realize a high reflectance, and it is preferable to select the intersection points 441 or 442 in order to realize a low reflectance. ..
  • the change in reflectance can be reduced with respect to the change in the film thickness of the dielectric multilayer film 150.
  • the change in reflectance can be reduced with respect to the change in the film thickness of the dielectric multilayer film 150.
  • the region surrounded by the broken line 450 satisfies the following equations (7) and (8).
  • n1 and m2 are both positive integers.
  • the change in reflectance can be reduced with respect to the change in the film thickness of the dielectric multilayer film 150.
  • m1 an integer of 2 or more
  • the change in reflectance can be further reduced with respect to the change in the film thickness of the dielectric multilayer film 150.
  • m2 1, in other words, by using the following equation (9), the change in reflectance can be further reduced with respect to the change in the film thickness of the dielectric multilayer film 150.
  • m3 is a positive integer.
  • the change (change) in the reflectance of the dielectric multilayer film 150 is suppressed. can. Therefore, fluctuations in the light output during driving of the nitride semiconductor laser device 10 and deterioration of the nitride semiconductor laser device 10 can be suppressed.
  • the amount of change in the reflectance of the dielectric multilayer film 150 can be reduced even when aging is performed, and the amount of change in the reflectance of the dielectric multilayer film 150 can be reduced.
  • the change in reflectance can be reduced with respect to the change in the film thickness of the dielectric multilayer film 150. That is, according to the nitride semiconductor laser device 10 including the dielectric multilayer film 150 that satisfies the above-mentioned first film thickness condition and the above-mentioned second film thickness condition, the change in optical characteristics can be suppressed.
  • FIGS. 11A to 11F are graphs showing the amount of change in reflectance with respect to the film thickness before and after aging of the dielectric multilayer film 150 included in the nitride semiconductor laser device 10 according to the embodiment.
  • the graphs showing the reflectance with respect to the film thickness shown in FIGS. 11A to 11F are the same as those in FIGS. 9A to 9F.
  • the change in reflectance can be reduced with respect to the change in the film thickness of the dielectric multilayer film 150.
  • the amount of change in the reflectance of the dielectric multilayer film 150 can be reduced even when aging is performed. That is, if it is within the range of the region surrounded by the broken line 430 and within the range of the region surrounded by the broken line 450 shown in FIGS. 11B to 11D, the change in the optical characteristics of the dielectric multilayer film 150 is changed. It can be suppressed more.
  • FIG. 12 is a graph showing the reflectance of the dielectric multilayer film 150 with respect to the wavelength of the nitride semiconductor laser device 10 according to the embodiment.
  • the graph shown in FIG. 12 is within the condition of the film thickness of the dielectric multilayer film 150 at the position 461 shown in FIG. 11C, that is, within the range of the region surrounded by the broken line 430 and surrounded by the broken line 450.
  • the reflectance of the dielectric multilayer film 150 that satisfies the condition of the film thickness within the range of the region is shown.
  • the graph shown in FIG. 3 is outside the range of the film thickness condition of the dielectric multilayer film 150 at the position 460 shown in FIG. 11B, that is, the region surrounded by the broken line 430, and is surrounded by the broken line 450.
  • the reflectance of the dielectric multilayer film satisfying the condition of the film thickness outside the range of the region is shown.
  • the reflectance of the dielectric multilayer film 150 satisfying the above-mentioned first film thickness condition and the above-mentioned second film thickness condition is almost the same before and after aging with respect to light having a wavelength of, for example, 400 nm. It can be seen that there is no change.
  • the nitride semiconductor laser device 10 is composed of a plurality of semiconductor layers (for example, the first semiconductor layer 102, the active layer 103, and the second semiconductor layer 104) including the waveguide 110 and faces each other.
  • the body multilayer film 150 is provided.
  • the dielectric multilayer film 150 has a first dielectric film 120, a second dielectric film 130, and a third dielectric film 140 in this order from the resonator end face side.
  • the first dielectric film 120 is composed of n (n is a positive integer) layer protective film from the first protective film to the nth protective film in order from the resonator end face side.
  • the refractive index and the film thickness of the k (k is an integer satisfying 1 ⁇ k ⁇ n) th protective film in the first dielectric film 120 are nk and dk, respectively, and the second dielectric is used.
  • the refractive index and film thickness of the body film 130 are ni and di, respectively, the refractive index and film thickness of the third dielectric film 140 are nj and dj, respectively, m1 is an integer of 2 or more, and m2 is positive.
  • the film thickness and the refractive index of each film included in the dielectric multilayer film 150 are appropriately combined to form the film of the dielectric multilayer film 150. Even if the thickness fluctuates, the fluctuation of the reflectance can be suppressed to a small extent. Therefore, fluctuations in the light output during driving of the nitride semiconductor laser device 10 and deterioration of the nitride semiconductor laser device 10 can be suppressed. That is, according to the nitride semiconductor laser device 10, deterioration of optical characteristics can be suppressed.
  • the nitride semiconductor laser device 10 satisfies the above formula (7) and also satisfies the above formula (8).
  • one of the second dielectric film 130 and the third dielectric film 140 has a property that the film thickness is reduced by the laser light 201 emitted from the nitride semiconductor laser device 10, and the other is a nitride semiconductor laser. It has a property that the film thickness is increased by the laser light 201 emitted from the element 10.
  • the film thickness and the refractive index of each film included in the dielectric multilayer film 150 are appropriately combined to form the film of the dielectric multilayer film 150. Even if the thickness fluctuates, the fluctuation of the reflectance can be suppressed to a small extent. Therefore, fluctuations in the light output during driving of the nitride semiconductor laser device 10 and deterioration of the nitride semiconductor laser device 10 can be suppressed.
  • a recess 131 is formed in the second dielectric film 130 at the interface between the second dielectric film 130 and the third dielectric film 140 in response to the laser light 201 emitted from the end face of the resonator.
  • the convex portion 141 is formed on the third dielectric film 140.
  • the amount of change in the total film thickness of the dielectric multilayer film 150 can be reduced even when the laser beam 201 is irradiated. Therefore, the change in the reflectance of the dielectric multilayer film 150 is further suppressed.
  • the change in the film thickness of the second dielectric film 130 and the third dielectric film 140 occurs in the optical path of the laser beam 201 emitted from the end face of the resonator.
  • the change in the film thickness of the dielectric multilayer film 150 occurs on the optical path of the laser light 201, the amount of change in the total film thickness of the dielectric multilayer film 150 in the region through which the laser light 201 passes is reduced. .. Therefore, the change in the reflectance of the dielectric multilayer film 150 is further suppressed.
  • the third dielectric film 140 has an amorphous structure.
  • a third dielectric film 140 having a property of taking in a rare gas such as Ar contained in the second dielectric film 130 to increase the film thickness is realized.
  • the nitride semiconductor laser device 10 further satisfies the above equation (9).
  • the amount of change in the total film thickness of the dielectric multilayer film 150 can be reduced even when the laser beam 201 is irradiated. Therefore, the change in the reflectance of the dielectric multilayer film 150 is further suppressed.
  • the oscillation wavelength of the nitride semiconductor laser device 10 is 420 nm or less.
  • the configuration of the dielectric multilayer film 150 is as an end face coating film in the nitride semiconductor laser device 10 that emits a laser beam 201 having a wavelength of 420 nm or less, which is a wavelength at which the dielectric multilayer film 150 easily absorbs the laser beam 201. , Especially effective.
  • the nitride semiconductor laser element 10 emits a laser beam 201 of 1 W or more.
  • the change in the film thickness of the dielectric multilayer film 150 largely depends on the light output of the laser beam 201.
  • the change in the film thickness of the dielectric multilayer film 150 is remarkably observed in the laser light 201 having an optical output of 1 W or more. Therefore, the configuration of the dielectric multilayer film 150 is particularly effective as an end face coating film in the nitride semiconductor laser device 10 that emits a laser beam 201 of 1 W or more that easily affects the film thickness of the dielectric multilayer film 150. ..
  • the nitride semiconductor laser device 10 satisfies the above equation (10) when m3 is a positive integer.
  • the amount of change in the total film thickness of the dielectric multilayer film 150 can be reduced even when the laser beam 201 is irradiated. Therefore, the change in the reflectance of the dielectric multilayer film 150 is further suppressed.
  • the second dielectric film 130 is either Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , or ZrO 2
  • the third dielectric film 140 is SiO 2 , B 2 O 3 , P 2. It is either O 5 or GeO 2.
  • the dielectric multilayer film 150 a film whose film thickness decreases and a film whose film thickness increases by absorbing the laser beam 201 can be combined. Therefore, fluctuations in the light output during driving of the nitride semiconductor laser device 10 and deterioration of the nitride semiconductor laser device 10 can be suppressed.
  • an aluminum nitride film is arranged between the resonator end face and the dielectric multilayer film 150.
  • the aluminum nitride film can suppress the oxidation of the resonator end face in the nitride semiconductor laser device 10. Further, according to this, the dangling bond in the resonator end face and the dielectric multilayer film 150 can be reduced. Therefore, for example, even when the nitride semiconductor laser device 10 is driven so as to have a high light output, the deterioration of the dielectric multilayer film 150 can be suppressed.
  • the aluminum nitride film contains crystalline aluminum nitride.
  • the aluminum oxynitride film may be polycrystalline aluminum nitride, or may be a film containing a large amount of oxygen at the grain boundaries of the polycrystalline aluminum nitride.
  • the oxidation of the resonator end face in the nitride semiconductor laser device 10 can be further suppressed by the inclusion of crystals in the aluminum nitride film. Further, according to this, the dangling bond in the resonator end face and the dielectric multilayer film 150 can be further reduced. Therefore, for example, even when the nitride semiconductor laser device 10 is driven so as to have a high light output, the deterioration of the dielectric multilayer film 150 can be further suppressed.
  • a film composed of at least one of aluminum nitride yttrium and aluminum nitride lantern is arranged.
  • This also makes it possible to suppress the oxidation of the resonator end face in the nitride semiconductor laser device 10 as in the case of the aluminum nitride film. Further, according to this, the dangling bond in the resonator end face and the dielectric multilayer film 150 can be reduced. Therefore, for example, even when the nitride semiconductor laser device 10 is driven so as to have a high light output, the deterioration of the dielectric multilayer film 150 can be suppressed.
  • the nitride semiconductor laser device of the present disclosure is used, for example, as a light source for industrial lighting, facility lighting, industrial laser equipment such as in-vehicle head lamps and laser processing machines, and image display devices such as laser displays and projectors. can do.
  • Dielectric semiconductor laser element 100 Laminated structure 100a First conductive semiconductor layer 100b Second conductive semiconductor layer 100F Front side end face 100R Rear side end face 101 Substrate 102 First semiconductor layer 103 Active layer 104 Second semiconductor layer 105 Contact layer 106 Insulation layer 107 2nd electrode 108 Pad electrode 109 1st electrode 110 waveguide 120 1st dielectric film 121 1st protective film 122 2nd protective film 123 3rd protective film 124 4th protective film 130 2nd dielectric film 131 Concave 140 Third dielectric film 141 Convex 150 Dielectric multilayer film 160 Coat film 200 Optical axis 201 Laser light 300, 301, d1, d2, d3, d4, di, dj Film thickness 400-408, 410-413, 420 ⁇ 423, 430, 450 Broken line 440 ⁇ 443 Intersection 460, 461 Position

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Abstract

窒化物半導体レーザ素子（１０）は、積層構造体（１００）と、誘電体多層膜（１５０）と、を備える。誘電体多層膜（１５０）は、共振器端面側から第１誘電体膜（１２０）、第２誘電体膜（１３０）、及び、第３誘電体膜（１４０）をこの順に有する。窒化物半導体レーザ素子（１０）は、 （Ｉ）を満たし、ｎｊ×ｄｊ＝ｍ２×λ／４±λ／１６を満たし、且つ、 （ＩＩ）を満たす。

Description

窒化物半導体レーザ素子
　本開示は、窒化物半導体レーザ素子に関する。
　従来、レーザ光を出射する半導体レーザ素子における、端面（フロント側端面及びリア側端面）には、レーザ光を半導体レーザ素子の内部で共振させるため、及び、共振されたレーザ光を半導体レーザ素子から適切に出射させるために、反射膜が形成されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１０－２１９４３６号公報
　半導体レーザ素子の端面に形成される反射膜は、半導体レーザ素子からのレーザ光を吸収することで、変形する場合がある。反射膜は、変形することでレーザ光の透過率及び反射率が変動する等の光学特性が変化してしまう。
　本開示は、光学特性の変化を抑制できる窒化物半導体レーザ素子を提供する。
　本開示の一態様に係る窒化物半導体レーザ素子は、導波路を含む複数の半導体層からなり、互いに対向する一対の共振器端面を有する積層構造体と、前記一対の共振器端面の少なくとも一方に配置された誘電体多層膜と、を備える窒化物半導体レーザ素子であって、前記誘電体多層膜は、前記共振器端面側から第１誘電体膜、第２誘電体膜、及び、第３誘電体膜をこの順に有し、前記第１誘電体膜は、前記共振器端面側から順に第１保護膜から第ｎ保護膜までのｎ（ｎは正の整数）層の保護膜で構成され、前記第１誘電体膜におけるｋ（ｋは１≦ｋ≦ｎを満たす整数）番目の保護膜の屈折率と膜厚とを、それぞれｎｋとｄｋとし、前記第２誘電体膜の屈折率と膜厚とを、それぞれｎｉとｄｉとし、前記第３誘電体膜の屈折率と膜厚とを、それぞれｎｊとｄｊとし、ｍ１を２以上の整数とし、ｍ２を正の整数とした場合、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 を満たし、ｎｊ×ｄｊ＝ｍ２×λ／４±λ／１６を満たし、且つ、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 を満たす。
　また、本開示の別の一態様に係る窒化物半導体レーザ素子は、導波路を含む複数の半導体層からなり、互いに対向する一対の共振器端面を有する積層構造体と、前記一対の共振器端面の少なくとも一方に配置された誘電体多層膜と、を備える窒化物半導体レーザ素子であって、前記誘電体多層膜は、前記共振器端面側から第１誘電体膜、第２誘電体膜、及び、第３誘電体膜をこの順に有し、前記第１誘電体膜は、前記共振器端面側から順に第１保護膜から第ｎ保護膜までのｎ（ｎは正の整数）層の保護膜で構成され、前記第１誘電体膜におけるｋ（ｋは１≦ｋ≦ｎを満たす整数）番目の保護膜の屈折率と膜厚とを、それぞれｎｋとｄｋとし、前記第２誘電体膜の屈折率と膜厚とを、それぞれｎｉとｄｉとし、前記第３誘電体膜の屈折率と膜厚とを、それぞれｎｊとｄｊとし、ｍ１を２以上の整数とし、ｍ２を正の整数とした場合、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 を満たし、且つ、ｎｊ×ｄｊ＝ｍ２×λ／４±λ／１６を満たし、前記第２誘電体膜及び前記第３誘電体膜の一方は、前記窒化物半導体レーザ素子から出射されたレーザ光により膜厚が減少する性質を有し、他方は、前記窒化物半導体レーザ素子から出射されたレーザ光により膜厚が増加する性質を有する。
　本開示によれば、光学特性の変化を抑制できる窒化物半導体レーザ素子を提供できる。
図１は、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を示す模式的な断面図である。 図２は、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子がレーザ光を出射した場合の誘電体膜の変形の一例を模式的に示す図である。 図３は、比較例に係る窒化物半導体レーザ素子の波長に対する誘電体多層膜の反射率を示すグラフである。 図４は、図１のＩＶ－ＩＶ線における、実施の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。 図５は、エージングの条件に対する膜厚の変化を示す表である。 図６Ａは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子が備える誘電体多層膜のエージング前における、膜厚に対する反射率を示すグラフである。 図６Ｂは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子が備える誘電体多層膜のエージング後における、膜厚に対する反射率を示すグラフである。 図６Ｃは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子が備える誘電体多層膜のエージング前後における、膜厚に対する反射率の変化量を示すグラフである。 図７は、第２誘電体膜及び第３誘電体膜の膜厚と誘電体多層膜の反射率との関係を説明するための図である。 図８Ａは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子が備える誘電体多層膜のエージング前における、膜厚に対する反射率を示すグラフである。 図８Ｂは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子が備える誘電体多層膜のエージング前における、膜厚に対する反射率を示すグラフである。 図８Ｃは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子が備える誘電体多層膜のエージング前における、膜厚に対する反射率を示すグラフである。 図８Ｄは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子が備える誘電体多層膜のエージング前における、膜厚に対する反射率を示すグラフである。 図８Ｅは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子が備える誘電体多層膜のエージング前における、膜厚に対する反射率を示すグラフである。 図８Ｆは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子が備える誘電体多層膜のエージング前における、膜厚に対する反射率を示すグラフである。 図９Ａは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子が備える誘電体多層膜のエージング前後における、膜厚に対する反射率の変化量を示すグラフである。 図９Ｂは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子が備える誘電体多層膜のエージング前後における、膜厚に対する反射率の変化量を示すグラフである。 図９Ｃは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子が備える誘電体多層膜のエージング前後における、膜厚に対する反射率の変化量を示すグラフである。 図９Ｄは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子が備える誘電体多層膜のエージング前後における、膜厚に対する反射率の変化量を示すグラフである。 図９Ｅは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子が備える誘電体多層膜のエージング前後における、膜厚に対する反射率の変化量を示すグラフである。 図９Ｆは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子が備える誘電体多層膜のエージング前後における、膜厚に対する反射率の変化量を示すグラフである。 図１０は、実施の形態に係る誘電体多層膜の膜厚と誘電体多層膜の膜厚ばらつきとの関係を説明するための図である。 図１１Ａは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子が備える誘電体多層膜のエージング前後における、膜厚に対する反射率の変化量を示すグラフである。 図１１Ｂは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子が備える誘電体多層膜のエージング前後における、膜厚に対する反射率の変化量を示すグラフである。 図１１Ｃは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子が備える誘電体多層膜のエージング前後における、膜厚に対する反射率の変化量を示すグラフである。 図１１Ｄは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子が備える誘電体多層膜のエージング前後における、膜厚に対する反射率の変化量を示すグラフである。 図１１Ｅは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子が備える誘電体多層膜のエージング前後における、膜厚に対する反射率の変化量を示すグラフである。 図１１Ｆは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子が備える誘電体多層膜のエージング前後における、膜厚に対する反射率の変化量を示すグラフである。 図１２は、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の波長に対する誘電体多層膜の反射率を示すグラフである。
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、及び、構成要素の配置位置や接続形態などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。
　また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺等は必ずしも一致していない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
　また、本明細書において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」及び「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔をあけて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに接する状態で配置される場合にも適用される。
　また、本明細書及び図面において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、三次元直交座標系の三軸を示している。各実施の形態では、Ｚ軸方向を鉛直方向とし、Ｚ軸に垂直な方向（ＸＹ平面に平行な方向）を水平方向としている。なお、Ｚ軸の正方向を鉛直上方としている。
　（実施の形態）
　［概要］
　図１は、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１０の構成を示す模式的な断面図である。図２は、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１０がレーザ光２０１を出射した場合の誘電体膜の変形の一例を模式的に示す断面図である。なお、図１と図２と、は後述する図４のＩ－Ｉ線における断面図である。
　窒化物半導体レーザ素子１０は、第１導電型半導体層１００ａと、第２導電型半導体層１００ｂと、第１導電型半導体層１００ａと第２導電型半導体層１００ｂとの間に挟まれたレーザ光２０１を出射する活性層１０３と、を有する積層構造体１００を備える。窒化物半導体レーザ素子１０のフロント側端面１００Ｆには、積層構造体１００の内部でレーザ光２０１を共振させてフロント側端面１００Ｆから効果的に出射させるために、誘電体多層膜１５０が形成されている。誘電体多層膜１５０は、例えば、第１誘電体膜１２０と、第２誘電体膜１３０と、第３誘電体膜１４０と、からなる。具体的には、積層構造体１００のフロント側端面１００Ｆには、第１誘電体膜１２０と、第２誘電体膜１３０と、第３誘電体膜１４０とがこの順で配置されている。
　第１誘電体膜１２０は、フロント側端面１００Ｆを保護する膜であり、外部からの酸素の拡散によるフロント側端面１００Ｆの酸化を抑制する。第２誘電体膜１３０と第３誘電体膜１４０とは、それぞれ、反射率を調整するための膜である。
　第１誘電体膜１２０と第２誘電体膜１３０と第３誘電体膜１４０とは、フロント側端面１００Ｆに膜厚がほぼ均一に形成されている。
　従来、誘電体多層膜１５０の反射率の設計を行うに際し、誘電体多層膜１５０の膜厚分布を考慮する必要はなく、積層構造体１００から出射されるレーザ光２０１の発振波長に対して極大又は極小となるよう誘電体多層膜１５０の膜厚及び材料の設計を行っていた。
　近年、発振波長が４０５ｎｍ程度であり、且つ、レーザ光２０１の光出力が１Ｗ以上である青紫高出力レーザ素子がある。本願発明者らは、このような青紫高出力レーザ素子において、長時間エージングを行う（つまり、レーザ光２０１を出射させ続ける）と、フロント側端面１００Ｆにおけるレーザ光２０１が出射される部分（発光点）近傍の誘電体多層膜１５０の膜が変質することを見出した。
　例えば、図２に示すように、第２誘電体膜１３０と第３誘電体膜１４０とは、積層構造体１００から出射されたレーザ光２０１を吸収することで、変形する場合がある。
　例えば、積層構造体１００からレーザ光２０１を出射させることで、第２誘電体膜１３０と第３誘電体膜１４０とのそれぞれの膜厚は、レーザ光２０１が通過する部分の膜厚３００と、レーザ光２０１が通過しない部分の膜厚３０１とで、異なる。つまり、第２誘電体膜１３０と第３誘電体膜１４０とのそれぞれの膜厚３００、３０１は、レーザ光２０１を積層構造体１００から出射させることで変化する。
　図３は、比較例に係る窒化物半導体レーザ素子の波長に対する誘電体多層膜の反射率を示すグラフである。比較例に係る窒化物半導体レーザ素子は、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１０と、誘電体多層膜に採用される材料、膜厚、及び、屈折率以外は同様である。また、図３に示すエージング前の反射率とは、例えば、図１に示す誘電体多層膜１５０のように、レーザ光２０１によって変形していない状態における光の反射率である。一方、図３に示すエージング後の反射率とは、例えば、図２に示す誘電体多層膜１５０のように、レーザ光２０１によって変形した状態における光の反射率である。
　図３に示すように、エージング前の反射率とエージング後の反射率とで、波長が４００ｎｍ付近に位置するピークの位置が異なる。具体的には、比較例に係る誘電体多層膜の反射率は、レーザ光を吸収することで、波長が４００ｎｍ付近に位置するピークの反射率が１．５％程度上昇する。そのため、比較例に係る窒化物半導体レーザ素子は、エージング前とエージング後とで光学特性（具体的には、光出力）が異なる。したがって、例えば、窒化物半導体レーザ素子１０を使用し続けると、時間経過に伴い光学特性が変化する。
　本願発明者らは、鋭意検討した結果、窒化物半導体レーザ素子１０が備える誘電体多層膜１５０の材料、膜厚、及び、屈折率等を適切に設定することにより、光学特性の変化を抑制できることを見出した。具体的には、本願発明者らは、エージング中に膜厚が増加する膜と減少する膜とがあることを見出した。そこで、本願発明者らは、エージング中に膜厚が増加する膜と減少する膜とを適切に組み合わせる事により、エージング中に膜厚が変化しても反射率の変化を抑制できることを見出した。
　以下、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１０の構成及び光学特性について具体的に説明する。
　なお、以下の説明においては、積層構造体１００からレーザ光２０１を出射させることを単にエージングともいう。
　［構成］
　図１及び図４を参照しながら、窒化物半導体レーザ素子１０の構成について説明する。
　図４は、図１のＩＶ－ＩＶ線における、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１０を示す断面図である。
　窒化物半導体レーザ素子１０は、レーザ光２０１を出射する窒化物半導体発光素子である。
　窒化物半導体レーザ素子１０は、積層構造体１００と、誘電体多層膜１５０とを備える。
　積層構造体１００は、導波路１１０を含む複数の半導体層からなる積層体である。また、積層構造体１００は、互いに対向する一対の共振器端面であるフロント側端面１００Ｆと、リア側端面１００Ｒとを有する。誘電体多層膜１５０は、当該一対の共振器端面の少なくとも一方に配置されている。本実施の形態では、フロント側端面１００Ｆに誘電体多層膜１５０が配置されている。
　積層構造体１００は、基板１０１と、第１半導体層１０２と、活性層１０３と、第２半導体層１０４と、コンタクト層１０５と、絶縁層１０６と、第２電極１０７と、パッド電極１０８と、第１電極１０９と、を有する。図１における第１導電型半導体層１００ａは、基板１０１と第１半導体層１０２とを含み、第２導電型半導体層１００ｂは、第２半導体層１０４と、コンタクト層１０５とを含む。なお、図１では、絶縁層１０６と、第２電極１０７と、パッド電極１０８と、第１電極１０９とは、図示が省略されている。本実施の形態では、積層構造体１００は、窒化物材料の一例である窒化ガリウム系材料で形成される。これにより、例えば、積層構造体１００への投入電流を２Ａ以上１０Ａ以下とし、投入電圧を４Ｖ以上６Ｖ以下とすることで、３９０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下程度の帯域の波長を有し、且つ、光出力が３Ｗ以上１０Ｗ以下程度であるレーザ光２０１を出射する光学特性を有する窒化物半導体レーザ素子１０を実現できる。このように、本実施の形態では、窒化物半導体レーザ素子１０は、１Ｗ以上のレーザ光２０１を出射する。また、窒化物半導体レーザ素子１０の発振波長は、４２０ｎｍ以下である。より具体的には、積層構造体１００は、ピーク波長が４００ｎｍのレーザ光２０１を出射する。
　また、例えば、レーザ光２０１の光学密度は、０．１Ｗ／μｍ以上である。なお、光学密度とは、レーザ光２０１の光出力／ストライプ幅である。ここでのストライプ幅は、例えば、後述するリッジ部の横幅（本実施の形態では、Ｘ軸方向の長さ）である。リッジ部の幅（以下、ストライプ幅ともいう）は、例えば、３０μｍ以上１００μｍ以下程度である。
　積層構造体１００の共振器長（本実施の形態では、Ｙ軸方向の長さ）は、例えば、１２００μｍ以上５０００μｍ以下である。
　なお、窒化物半導体レーザ素子１０の光学特性は、上記に限定されない。例えば、窒化物半導体レーザ素子１０は、積層構造体１００への投入電流を２Ａ以上１０Ａ以下とし、投入電圧を３．５Ｖ以上６Ｖ以下とすることで、３６５ｎｍ以上３９０ｎｍ以下程度の帯域の波長を有し、且つ、光出力が１Ｗ以上５Ｗ以下程度であるレーザ光２０１を出射する光学特性を有してもよい。この場合、例えば、ストライプ幅は、８μｍ以上１００μｍ以下程度である。また、この場合、例えば、積層構造体１００の共振器長は、例えば、８００μｍ以上５０００μｍ以下である。
　基板１０１は、積層構造体１００の基材となる板状部材である。本実施の形態では、基板１０１は、厚さ１００μｍのＧａＮ単結晶基板である。なお、基板１０１の厚さは、１００μｍに限定されず、例えば、５０μｍ以上、１２０μｍ以下であってもよい。また、基板１０１を形成する材料は、ＧａＮ単結晶に限定されず、サファイア、ＳｉＣ等であってもよい。
　第１半導体層１０２は、基板１０１の上方に配置される第１導電型の半導体層である。本実施の形態では、第１半導体層１０２は、基板１０１の一方の主面に配置されるｎ型の半導体層であり、ｎ型クラッド層が含まれる。ｎ型クラッド層は、ｎ－ＡｌＧａＮからなる層である。なお、ｎ型クラッド層の構成はこれに限定されない。
　活性層１０３は、第１半導体層１０２の上方に配置される発光層である。本実施の形態では、活性層１０３は、ＩｎＧａＮからなる井戸層と、ＧａＮからなる障壁層とが交互に積層された量子井戸活性層であり、二層の井戸層を有する。このような活性層１０３を備えることにより、窒化物半導体レーザ素子１０は、波長が約４００ｎｍの青色レーザ光を出射できる。活性層１０３の構成はこれに限定されず、井戸層と障壁層とが交互に積層された量子井戸活性層であればよい。なお、活性層１０３は、量子井戸活性層の上方及び下方の少なくとも一方に形成されたガイド層を含んでもよい。
　第２半導体層１０４は、活性層１０３の上方に配置される第２導電型の半導体層である。第２導電型は、第１導電型と異なる導電型である。本実施の形態では、第２半導体層１０４は、ｐ型の半導体層であり、ｐ型クラッド層を含む。ｐ型クラッド層は、ｐ－ＡｌＧａＮからなる層と、ＧａＮからなる厚さ３ｎｍの層とが交互に１００層ずつ積層された超格子層である。なお、ｐ型クラッド層の構成はこれに限定されない。
　第１半導体層１０２と、活性層１０３と、第２半導体層１０４とによってレーザ光２０１の導波部である導波路１１０が形成される。
　導波路１１０は、積層構造体１００の内部でレーザ光２０１が導波する部分である。導波路１１０は、例えば、第１半導体層１０２の一部と、活性層１０３の一部と、第２半導体層１０４の一部とからなる。
　コンタクト層１０５は、第２電極１０７とオーミック接触する第２導電型の半導体層である。本実施の形態では、コンタクト層１０５は、ｐ型の半導体層であり、ｐ－ＧａＮからなる層である。なお、コンタクト層１０５の構成はこれに限定されない。
　また、本実施の形態では、第２半導体層１０４及びコンタクト層１０５にリッジ部が形成されている。リッジ部に対応する活性層１０３の領域（つまり、リッジ部の下方に位置する活性層１０３の領域）が発光点となり、レーザ光２０１を出射する。
　第１電極１０９は、基板１０１の下方の主面（つまり、第１半導体層１０２などが配置されていない方の主面）に配置される電極である。第１電極１０９は、例えば、基板１０１側から順にＴｉ、Ｐｔ及びＡｕが積層された積層膜である。第１電極１０９の構成はこれに限定されない。
　第２電極１０７は、コンタクト層１０５上に配置される電極である。本実施の形態では、第２電極１０７は、コンタクト層１０５とオーミック接触するｐ側電極である。当該ｐ側電極上には、パッド電極１０８が配置されている。
　第２電極１０７は、例えば、コンタクト層１０５側から順にＰｄ及びＰｔが積層された積層膜である。第２電極１０７の構成はこれに限定されない。
　パッド電極１０８は、第２電極１０７の上方に配置されたパッド状の電極である。パッド電極１０８は、例えば、第２電極１０７側から順にＴｉ及びＡｕが積層された積層膜であり、リッジ部及その周辺に配置される。なお、パッド電極１０８の構成は、これに限定されない。
　また、図４には示されないが、積層構造体１００は、以上の各層の他に、リッジ部の側壁等を覆うＳｉＯ２膜等の絶縁膜等をさらに有してもよい。
　なお、本実施の形態では、積層構造体１００は、１個のリッジ部（エミッタ）を有する、いわゆるシングルエミッタであるが、複数の（例えば、６０個程度の）リッジ部を有する、いわゆるマルチエミッタでもよい。この場合、例えば、積層構造体１００における、複数のリッジ部のそれぞれの下方から出射されるレーザ光２０１の総光出力は、１００Ｗ以上２００Ｗ以下程度となる。
　誘電体多層膜１５０は、積層構造体１００のフロント側端面１００Ｆに配置される保護膜である。具体的には、誘電体多層膜１５０は、積層構造体１００のフロント側端面１００Ｆを保護し、且つ、フロント側端面１００Ｆにおけるレーザ光２０１の反射率を低減する。誘電体多層膜１５０は、共振器端面（本実施の形態では、フロント側端面１００Ｆ）側から第１誘電体膜１２０と、第２誘電体膜１３０と、第３誘電体膜１４０とをこの順に有する。
　第１誘電体膜１２０は、第１誘電体膜１２０、第２誘電体膜１３０、及び、第３誘電体膜１４０のうちで最もフロント側端面１００Ｆ側に配置される誘電体層である。第１誘電体膜１２０は、窒化膜及び酸窒化膜の少なくとも一方からなる少なくとも１層の誘電体膜を含んでもよい。これにより、誘電体多層膜１５０の外側から積層構造体１００への酸素拡散を低減できる。このため、積層構造体１００のフロント側端面１００Ｆの劣化を抑制できる。したがって、窒化物半導体レーザ素子１０の長期動作が可能となる。
　また、第１誘電体膜１２０は、積層構造体１００のフロント側端面１００Ｆに直接接続される。つまり、第１誘電体膜１２０は、フロント側端面１００Ｆに接して形成される。このため、第１誘電体膜１２０として、積層構造体１００と同様の結晶性を有する窒化膜又は酸窒化膜を用いることで、フロント側端面１００Ｆの保護性能を高めることができる。
　例えば、第１誘電体膜１２０は、フロント側端面１００Ｆ側から順に第１保護膜から第ｎ保護膜までのｎ（ｎは正の整数）層の保護膜で構成されている。本実施の形態では、第１誘電体膜１２０は、ｎ＝４であり、第１保護膜１２１と、第２保護膜１２２と、第３保護膜１２３と、第４保護膜１２４とを有する。
　第１保護膜１２１は、第１誘電体膜１２０が有する複数の保護膜のうちで最もフロント側端面１００Ｆ側に配置される誘電体膜である。本実施の形態では、第１保護膜１２１は、ＳｉＮ膜を含む膜である。より具体的には、第１保護膜１２１は、厚さｄ１が０．５ｎｍ程度のＳｉＮ膜からなる膜である。なお、第１保護膜１２１の構成は、これに限定されない。第１保護膜１２１は、例えば、ＳｉＯＮ等の他の酸窒化膜であってもよい。
　第２保護膜１２２は、第１保護膜１２１に積層される誘電体膜である。本実施の形態では、第２保護膜１２２は、ＡｌＯＮ膜を含む膜である。より具体的には、第２保護膜１２２は、厚さｄ２が２１ｎｍ程度のＡｌＯＮ膜からなる膜である。なお、第２保護膜１２２の構成は、これに限定されない。第２保護膜１２２は、例えば、ＳｉＯＮ等の他の酸窒化膜であってもよいし、ＡｌＮ膜、ＳｉＮ膜等の窒化膜であってもよい。
　第３保護膜１２３は、第２保護膜１２２に積層される誘電体膜である。本実施の形態では、第３保護膜１２３は、厚さｄ３が１３ｎｍ程度のＡｌ２Ｏ３膜からなる膜である。なお、第３保護膜１２３の構成は、これに限定されない。第３保護膜１２３は、例えば、ＳｉＯ２等の他の誘電体膜であってもよい。
　第４保護膜１２４は、第３保護膜１２３に積層される誘電体膜である。第４保護膜１２４は、窒化膜及び酸窒化膜の少なくとも一方からなる誘電体膜を含んでもよい。本実施の形態では、第４保護膜１２４は、厚さｄ４が１１ｎｍ程度のＡｌＯＮ膜からなる膜である。なお、第４保護膜１２４の構成は、これに限定されない。第４保護膜１２４は、例えば、ＳｉＮ等の他の窒化膜であってもよいし、ＡｌＮ膜、ＳｉＯＮ膜等の酸窒化膜であってもよい。
　第２誘電体膜１３０は、第１誘電体膜１２０の外側に積層される誘電体膜である。本実施の形態では、第２誘電体膜１３０は、厚さｄｉが１６７ｎｍ程度のＡｌ２Ｏ３膜である。
　第３誘電体膜１４０は、第２誘電体膜１３０の外側に積層される誘電体膜である。本実施の形態では、第３誘電体膜１４０は、厚さｄｊが５８ｎｍ程度のＳｉＯ２膜である。
　図５は、エージングの条件に対する膜厚の変化を示す表である。なお、条件１及び条件２のいずれにおいても、レーザ光２０１のピーク波長（発振波長）は４０５ｎｍである。
　図５の条件１に示すように、２５℃で７３６ｈ、積層構造体１００から４．５Ｗのレーザ光２０１を出射させた場合、Ａｌ２Ｏ３膜からなる第２誘電体膜１３０の膜厚の変化率は、レーザ光２０１の光強度分布にばらつきがあり、最大で－８．５％であり、最小で－６．２％であった。また、条件１では、ＳｉＯ２膜からなる第３誘電体膜１４０の膜厚の変化率は、最大で＋５．３％であり、最小で３．７％であった。
　なお、条件１における光学密度は、０．１５（Ｗ／μｍ）である。
　また、図５の条件２に示すように、２５℃で４５００ｈ、積層構造体１００から１Ｗのレーザ光２０１を出射させた場合、Ａｌ２Ｏ３膜からなる第２誘電体膜１３０の膜厚の変化率は、最大で－８．７％であり、最小で－７．０％であった。また、条件２では、ＳｉＯ２膜からなる第３誘電体膜１４０の膜厚の変化率は、最大で＋５．２％であり、最小で４．０％であった。
　なお、条件２における光学密度は、０．１４９（Ｗ／μｍ）である。
　条件１及び条件２における、Ａｌ２Ｏ３膜からなる第２誘電体膜１３０の膜厚の変化率は、平均で－７．６％であった。また、条件１及び条件２における、ＳｉＯ２膜からなる第３誘電体膜１４０の膜厚の変化率は、平均で＋４．６％であった。
　また、Ａｌ２Ｏ３膜からなる第２誘電体膜１３０の膜厚の変化率は、光学密度が０．１５Ｗ／μｍ程度では、エージング時間が１０００ｈ以内では急激に減少し、エージング時間が１０００ｈ以降では変化が緩やかになりながらも徐々に減少した。また、ＳｉＯ２膜からなる第３誘電体膜１４０の膜厚の変化率は、光学密度が０．１５Ｗ／μｍ程度では、エージング時間が１０００ｈ以内では急激に増加し、エージング時間が１０００ｈ以降では変化が緩やかになりながらも徐々に増加した。
　以上のように、Ａｌ２Ｏ３膜からなる第２誘電体膜１３０は、エージングによって収縮して膜厚が減少する。Ａｌ２Ｏ３膜からなる膜は、成膜された直後の状態（ａｓ－ｄｅｐｏ．）ではＡｒを数％含むアモルファスである。しかしながら、ａｓ－ｄｅｐｏ．のＡｌ２Ｏ３膜からなる膜は、エージングによる光学的負荷によりＡｒが脱離することで収縮して膜厚が減少すると考えられる。
　一方、ＳｉＯ２膜からなる第３誘電体膜１４０は、エージングによって膨張して膜厚が増加する。ＳｉＯ２膜からなる第３誘電体膜１４０は、Ａｌ２Ｏ３膜からなる第２誘電体膜１３０に含まれていたＡｒが脱離し、ＳｉＯ２膜中に拡散することで膜が膨張して膜厚が増加したと考えられる。
　このことから、エージングにより膜が膨張する材料としては、アモルファス状態が安定な材料、及び、分子結合に自由度があり内部に不純物原子を含みやすい材料が考えらえる。このような材料としては、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、及び、ＧｅＯ２が例示される。本実施の形態では、第３誘電体膜１４０は、アモルファス構造である。また、例えば、第３誘電体膜１４０は、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、及び、ＧｅＯ２のいずれかである。
　また、エージングにより膜が収縮する材料としては、アモルファス状態よりも結晶状態が安定な材料、及び、原子間結合が強く内部に不純物原子を含みにくい材料が考えられる。このような材料としては、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、及び、ＺｒＯ２が例示される。例えば、第２誘電体膜１３０は、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、及び、ＺｒＯ２のいずれかである。
　このように、第２誘電体膜１３０及び第３誘電体膜１４０の一方は、窒化物半導体レーザ素子１０から出射されたレーザ光２０１により膜厚が減少する性質を有する。他方は、窒化物半導体レーザ素子１０から出射されたレーザ光２０１により膜厚が増加する性質を有する。本実施の形態では、第２誘電体膜１３０は、窒化物半導体レーザ素子１０から出射されたレーザ光２０１により膜厚が減少する性質を有する。第３誘電体膜１４０は、窒化物半導体レーザ素子１０から出射されたレーザ光２０１により膜厚が増加する性質を有する。具体的には、フロント側端面１００Ｆから出射されたレーザ光２０１を受けて、第２誘電体膜１３０と第３誘電体膜１４０との界面において、第２誘電体膜１３０には、凹部１３１が形成され、第３誘電体膜１４０には、凸部１４１が形成される。また、例えば、第２誘電体膜１３０及び第３誘電体膜１４０の膜厚の変化は、フロント側端面１００Ｆから出射されたレーザ光２０１の光路（例えば、レーザ光２０１の光軸２００上）で発生する。
　このような材料で構成された誘電体多層膜１５０を備える窒化物半導体レーザ素子１０によれば、誘電体多層膜１５０が後述するような膜厚及び屈折率を有することで、１００００ｈ程度レーザ光２０１を出射させても、光出力の低下率は２０％以下となる。
　なお、フロント側端面１００Ｆと誘電体多層膜１５０との間には、コート膜１６０が配置されていてもよい。
　コート膜１６０は、フロント側端面１００Ｆを保護する膜であり、例えば、酸窒化アルミニウム膜である。当該酸窒化アルミニウム膜は、結晶の窒化アルミニウムを含んでもよい。具体的には、当該酸窒化アルミニウム膜は、結晶の窒化アルミニウムでもよい。
　なお、コート膜１６０に採用される材料は、これに限定されない。例えば、コート膜１６０に採用される材料は、窒化アルミニウムシリコンと、窒化アルミニウムガリウムと、窒化アルミニウムイットリウムと、窒化アルミニウムランタンと、酸窒化アルミニウムシリコンと、酸窒化アルミニウムガリウムと、酸窒化アルミニウムイットリウムと、酸窒化アルミニウムランタンとの少なくとも１つでもよい。また、第１誘電体膜１２０の材料に、上記した材料が用いられてもよい。
　また、このような誘電体多層膜１５０は、後述するような膜厚及び屈折率を有することで、例えば、波長が４００ｎｍの光に対する反射率が４％以上２０以下程度となる。また、誘電体多層膜１５０にいわゆるＡＲ（Ａｎｔｉ　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コートの技術を採用することで、誘電体多層膜１５０は、波長が４００ｎｍの光に対する反射率を０．１％以下としてもよい。
　また、誘電体多層膜１５０は、リア側端面１００Ｒに設けられてもよい。
　［光学特性］
　続いて、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１０の光学特性について説明する。
　本願発明者らは、誘電体多層膜１５０において、膜厚が変化しても反射率の変化が少ない条件を決定するために、光学シミュレーションを実施した。以下の光学シミュレーションでは、第２誘電体膜１３０をＡｌ２Ｏ３膜とし、第３誘電体膜１４０をＳｉＯ２膜としている。
　図６Ａは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１０が備える誘電体多層膜１５０のエージング前における、膜厚に対する反射率を示すグラフである。図６Ｂは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１０が備える誘電体多層膜１５０のエージング後における、膜厚に対する反射率を示すグラフである。図６Ｃは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１０が備える誘電体多層膜１５０のエージング前後における、膜厚に対する反射率の変化量を示すグラフである。
　なお、図６Ａ～図６Ｃにおいて、第１誘電体膜１２０の膜厚、屈折率等の条件は、固定している。また、図６Ａ～図６Ｃでは、第２誘電体膜１３０をＡｌ２Ｏ３膜とし、第３誘電体膜１４０をＳｉＯ２膜としている。図６Ａ～図６Ｃでは、これらの膜の膜厚を０ｎｍ～３００ｎｍの範囲で変化させ、反射率を計算し、等高線表示している。
　なお、図６Ｂに示す膜厚は、エージング前における膜厚を示している。具体的には、図６Ｂに示すグラフは、第２誘電体膜１３０及び第３誘電体膜１４０におけるエージング前の膜厚に対して、第２誘電体膜１３０の膜厚を－７．６％し、第３誘電体膜１４０の膜厚を＋４．６％した場合における反射率を計算して等高線表示している。
　また、図６Ｃは、エージング前後の反射率の差分の計算結果を示している。具体的には、図６Ｃに示すグラフは、図６Ａに示すグラフの反射率から図６Ｂに示すグラフの反射率を減算した値を示している。
　また、図６Ｃでは、反射率のプラス側の変化量について、＋１．５％から順に＋３％刻みで等高線を示し、反射率のマイナス側の変化量について、－１．５％から順に－３％刻みで等高線を示している。
　図６Ｃから、エージング前後で反射率の変化量が－１．５％以上＋１．５％以下となる領域があることがわかる。
　図７は、第２誘電体膜１３０及び第３誘電体膜１４０の膜厚と誘電体多層膜１５０の反射率との関係を説明するための図である。なお、図７に示す膜厚に対する反射率を示すグラフは、図６Ａと同じである。
　第１誘電体膜１２０における１以上の保護膜（本実施の形態では、４つの保護膜）を、フロント側端面１００Ｆ側から順に第１保護膜、第２保護膜、・・・、及び、第ｎ保護膜のｎ層の膜とし、ｋ（ｋは正の整数）番目の保護膜の屈折率と膜厚とを、それぞれｎｋとｄｋとし、第２誘電体膜１３０の屈折率と膜厚とを、それぞれｎｉとｄｉとし、第３誘電体膜１４０の屈折率と膜厚とを、それぞれｎｊとｄｊとし、第１誘電体膜１２０における１以上の保護膜の光学膜厚の総和をＡとすると、下記の式（１）を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　また、図７に示す破線４００～４０７は、紙面左側から順に、下記の式（２）を満たす。
　Ａ＝ｍ１×λ／４　　式（２）
　なお、ｍ１は、正の整数である。例えば、破線４００は、式（２）にｍ１＝１を代入した場合の直線である。同様に、例えば、破線４０１は、式（２）にｍ１＝２を代入した場合の直線である。同様に、例えば、破線４０２は、式（２）にｍ１＝３を代入した場合の直線である。同様に、例えば、破線４０３は、式（２）にｍ１＝４を代入した場合の直線である。同様に、例えば、破線４０４は、式（２）にｍ１＝５を代入した場合の直線である。同様に、例えば、破線４０５は、式（２）にｍ１＝６を代入した場合の直線である。同様に、例えば、破線４０６は、式（２）にｍ１＝７を代入した場合の直線である。同様に、例えば、破線４０７は、式（２）にｍ１＝８を代入した場合の直線である。
　ここで、誘電体多層膜１５０の反射率は、ｍ１が偶数の場合に極大値をとり、ｍ１が奇数の場合に極小値となる。
　また、誘電体多層膜１５０における反射率の極大と極小との変化は、フレネルの式より導出される第３誘電体膜１４０であるＳｉＯ２膜の光学膜厚と反射率との関係式の膜厚の比例項であるｃｏｓ（４π×ｎｊ×ｄｊ／λ）と周期が一致している。すなわち、誘電体多層膜１５０の反射率が極大又は極小となる第３誘電体膜１４０の膜厚と屈折率との乗算（つまり、光学膜厚）は、下記の式（３）を満たす。
　Ｂ＝ｎｊ×ｄｊ＝Ｎ１×λ／４　　式（３）
　なお、第３誘電体膜１４０の光学屈折率と膜厚とは、それぞれｎｊ、ｄｊである。また、Ｎ１は、０又は正の整数である。例えば、Ｎ１＝１の場合、Ｂは、破線４１０となる。また、例えば、Ｎ１＝２の場合、Ｂは、破線４１１となる。また、例えば、Ｎ１＝３の場合、Ｂは、破線４１２となる。また、例えば、Ｎ１＝４の場合、Ｂは、破線４１３となる。
　上記した式（３）は、第１誘電体膜１２０の膜厚を変化させても満たされる。
　一方、第２誘電体膜１３０の光学膜厚と反射率との関係は、極大と極小との周期がλ／４となっているものの、極大又は極小となる光学膜厚が第１誘電体膜１２０の膜厚の影響を受けるため、必ずしもλ／４の整数倍ではない。
　ここで、第１誘電体膜１２０と第２誘電体膜１３０との光学膜厚の総和をＤとした場合、以下の式（４）を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　また、誘電体多層膜１５０の反射率が極大又は極小となる第２誘電体膜１３０の膜厚と屈折率とは、下記の式（５）を満たす。
　Ｄ＝Ｎ２×λ／４　　式（５）
　なお、第２誘電体膜１３０の屈折率と膜厚とは、それぞれｎｉ、ｄｉである。また、Ｎ２は、正の整数である。例えば、Ｎ２＝１の場合、Ｄは、破線４２０となる。また、例えば、Ｎ２＝２の場合、Ｂは、破線４２１となる。また、例えば、Ｎ２＝３の場合、Ｂは、破線４２２となる。また、例えば、Ｎ２＝４の場合、Ｂは、破線４２３となる。また、例えば、Ｎ２＝５の場合、Ｂは、破線４２４となる。
　上記した式（５）は、第１誘電体膜１２０の膜厚と第２誘電体膜１３０の膜厚との比率を変化させても満たされる。
　続いて、第１誘電体膜１２０の膜厚を変化させた場合における、膜厚の変化について説明する。
　図８Ａ～図８Ｆは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１０が備える誘電体多層膜１５０のエージング前における、膜厚に対する反射率を示すグラフである。図９Ａ～図９Ｆは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１０が備える誘電体多層膜１５０のエージング前後における、膜厚に対する反射率の変化量を示すグラフである。
　なお、図８Ａ及び図９Ａは、第１誘電体膜１２０の光学膜厚をλ／８とした場合のグラフである。また、図８Ｂ及び図９Ｂは、第１誘電体膜１２０の光学膜厚を３×λ／１６とした場合のグラフである。また、図８Ｃ及び図９Ｃは、第１誘電体膜１２０の光学膜厚をλ／４とした場合のグラフである。また、図８Ｄ及び図９Ｄは、第１誘電体膜１２０の光学膜厚を５×λ／１６とした場合のグラフである。また、図８Ｅ及び図９Ｅは、第１誘電体膜１２０の光学膜厚を３×λ／８とした場合のグラフである。また、図８Ｆ及び図９Ｆは、第１誘電体膜１２０の光学膜厚をλ／２とした場合のグラフである。
　なお、λは、レーザ光２０１の発振波長を示し、本実施の形態では、４００ｎｍである。
　また、図９Ａ～図９Ｆでは、反射率のプラス側の変化量について、＋１．５％から順に＋３％刻みで等高線を示し、反射率のマイナス側の変化量について、－１．５％から順に－３％刻みで等高線を示している。
　図９Ｂ、図９Ｃ、及び、図９Ｄに示すように、破線４３０内であれば、反射率の変化量が－１．５％以上＋１．５％以下程度となることがわかる。破線４３０は、第２誘電体膜１３０の膜厚が３×λ／４以下であり、且つ、第３誘電体膜１４０の膜厚が３×λ／４以下である範囲を示す。
　以上のことから、第１誘電体膜１２０の光学膜厚（より具体的には、第１誘電体膜１２０が有する複数の保護膜の光学膜厚の総和）を３×λ／１６以上５×λ／１６以下とし、第２誘電体膜１３０の光学膜厚を３×λ／４以下とし、且つ、第３誘電体膜１４０の光学膜厚が３×λ／４以下とする第１膜厚条件にすることで、エージングした場合においても、誘電体多層膜１５０の反射率の変化量を、－１．５％以上＋１．５％程度以下とするように小さくすることができる。つまり、第１誘電体膜１２０は、以下の式（６）を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　続いて、誘電体多層膜１５０の膜厚と誘電体多層膜１５０の膜厚ばらつきとの関係について説明する。
　積層構造体１００に誘電体多層膜１５０を形成した窒化物半導体レーザ素子１０を複数製造すると、誘電体多層膜１５０を同じ膜厚で製造しようとしても製造ばらつきのために、複数の窒化物半導体レーザ素子１０のそれぞれの誘電体多層膜１５０の膜厚は、完全には一致しない。
　図１０は、誘電体多層膜１５０の膜厚と誘電体多層膜１５０の膜厚ばらつきとの関係を説明するための図である。なお、図１０に示す膜厚に対する反射率を示すグラフは、図６Ａと同じである。
　図１０に示すグラフにおける反射率の極大値、極小値、及び、鞍点では、誘電体多層膜１５０の膜厚の変化に対する反射率の変化が小さい、つまり、安定であると考えられる。図１０に示すグラフにおける反射率の極大値、極小値、及び、鞍点は、図１０に示す破線４００～４０４のいずれかと、破線４１０～４１３のいずれかとの交点４４０～４４３である。言い換えると、図１０に示すグラフにおける反射率の極大値、極小値、及び、鞍点は、上記した式（１）と、上記した式（３）とを満たす膜厚である。
　例えば、上記した式（１）におけるＡが偶数であり、上記した式（３）におけるＢが偶数の場合、反射率は極大を示し、複数の交点４４０のいずれかとなる。また、例えば、上記した式（１）におけるＡが偶数であり、上記した式（３）におけるＢが奇数の場合、反射率は鞍点を示し、複数の交点４４１のいずれかとなる。例えば、上記した式（１）におけるＡが奇数であり、上記した式（３）におけるＢが偶数の場合、反射率は鞍点を示し、複数の交点４４２のいずれかとなる。例えば、上記した式（１）におけるＡが奇数であり、上記した式（３）におけるＢが偶数の場合、反射率は極小を示し、複数の交点４４３のいずれかとなる。
　ここで、誘電体多層膜１５０の反射率として、高い反射率を実現するためには交点４４０または４４３を選ぶのが良く、低い反射率を実現するためには交点４４１または４４２を選ぶのが良い。
　以上のように、交点４４０～４４３の近傍であれば、誘電体多層膜１５０の膜厚の変化に対して反射率の変化を小さくできる。例えば、交点４４０～４４３の近傍を示す平行四辺形の破線４５０で囲まれた領域の範囲内であれば、誘電体多層膜１５０の膜厚の変化に対して反射率の変化を小さくできる。このような破線４５０で囲まれた領域は、下記の式（７）及び式（８）を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　Ｂ１＝ｎｊ×ｄｊ＝ｍ２×λ／４±λ／１６　　式（８）
　なお、ｍ１及びｍ２は、いずれも正の整数である。
　このような第２膜厚条件とすることで、誘電体多層膜１５０の膜厚の変化に対して反射率の変化を小さくできる。また、ｍ１を２以上の整数とすることで、誘電体多層膜１５０の膜厚の変化に対して反射率の変化をさらに小さくできる。また、例えば、ｍ２＝１とした場合、言い換えると、下記の式（９）とすることで、誘電体多層膜１５０の膜厚の変化に対して反射率の変化をさらに小さくできる。
　３λ／１６≦ｎｊ×ｄｊ≦５λ／１６　　式（９）
　また、上記した式（４）と上記した（５）と交点４４０～４４３の近傍を示す平行四辺形の破線４５０で囲まれた領域との関係から、下記の式（１０）が算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　なお、ｍ３は、正の整数である。
　これによれば、窒化物半導体レーザ素子１０を駆動した際（窒化物半導体レーザ素子１０にレーザ光２０１を出射させた際）にも、誘電体多層膜１５０の反射率の変動（変化）を抑制できる。そのため、窒化物半導体レーザ素子１０の駆動中の光出力の変動、及び、窒化物半導体レーザ素子１０の劣化を抑制できる。
　以上のことから、上記した第１膜厚条件と、上記した第２膜厚条件とを満たすことで、エージングした場合においても、誘電体多層膜１５０の反射率の変化量を小さくでき、且つ、誘電体多層膜１５０の膜厚の変化に対して反射率の変化を小さくできる。つまり、上記した第１膜厚条件と上記した第２膜厚条件とを満たす誘電体多層膜１５０を備える窒化物半導体レーザ素子１０によれば、光学特性の変化を抑制できる。
　図１１Ａ～図１１Ｆは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１０が備える誘電体多層膜１５０のエージング前後における、膜厚に対する反射率の変化量を示すグラフである。なお、図１１Ａ～図１１Ｆに示す、膜厚に対する反射率を示すグラフは、図９Ａ～図９Ｆと同じである。
　図１１Ａ～図１１Ｆに示す破線４５０で囲まれて領域の範囲内であれば、誘電体多層膜１５０の膜厚の変化に対して反射率の変化を小さくできる。
　また、図１１Ｂ～図１１Ｄに示す矩形の破線４３０で囲まれた領域の範囲内であれば、エージングした場合においても、誘電体多層膜１５０の反射率の変化量を小さくできる。つまり、図１１Ｂ～図１１Ｄに示す、破線４３０で囲まれた領域の範囲内であり、且つ、破線４５０で囲まれて領域の範囲内であれば、誘電体多層膜１５０の光学特性の変化をより抑制できる。
　図１２は、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１０の波長に対する誘電体多層膜１５０の反射率を示すグラフである。なお、図１２に示すグラフは、図１１Ｃに示す位置４６１における誘電体多層膜１５０の膜厚の条件、つまり、破線４３０で囲まれた領域の範囲内であり、且つ、破線４５０で囲まれて領域の範囲内である膜厚の条件を満たす誘電体多層膜１５０の反射率を示す。また、図３に示すグラフは、図１１Ｂに示す位置４６０における誘電体多層膜１５０の膜厚の条件、つまり、破線４３０で囲まれた領域の範囲外であり、且つ、破線４５０で囲まれて領域の範囲外である膜厚の条件を満たす誘電体多層膜の反射率を示す。
　図１２に示すように、上記した第１膜厚条件と上記した第２膜厚条件とを満たす誘電体多層膜１５０の反射率は、例えば、波長が４００ｎｍの光に対して、エージング前後でほとんど変化がないことがわかる。
　［効果等］
　以上説明したように、窒化物半導体レーザ素子１０は、導波路１１０を含む複数の半導体層（例えば、第１半導体層１０２、活性層１０３、及び、第２半導体層１０４）からなり、互いに対向する一対の共振器端面（フロント側端面１００Ｆ及びリア側端面１００Ｒ）を有する積層構造体１００と、当該一対の共振器端面の少なくとも一方（本実施の形態では、フロント側端面１００Ｆ）に配置された誘電体多層膜１５０と、を備える。誘電体多層膜１５０は、共振器端面側から第１誘電体膜１２０、第２誘電体膜１３０、及び、第３誘電体膜１４０をこの順に有する。第１誘電体膜１２０は、共振器端面側から順に第１保護膜から第ｎ保護膜までのｎ（ｎは正の整数）層の保護膜で構成されている。本実施の形態では、第１誘電体膜１２０は、ｎ＝４であり、第１保護膜１２１と、第２保護膜１２２と、第３保護膜１２３と、第４保護膜１２４とを有する。
　窒化物半導体レーザ素子１０は、第１誘電体膜１２０におけるｋ（ｋは１≦ｋ≦ｎを満たす整数）番目の保護膜の屈折率と膜厚とを、それぞれｎｋとｄｋとし、第２誘電体膜１３０の屈折率と膜厚とを、それぞれｎｉとｄｉとし、第３誘電体膜１４０の屈折率と膜厚とを、それぞれｎｊとｄｊとし、ｍ１を２以上の整数とし、ｍ２を正の整数とした場合、上記した式（７）を満たし、上記した式（８）を満たし、且つ、上記した式（６）を満たす。
　これによれば、窒化物半導体レーザ素子１０が備える誘電体多層膜１５０において、誘電体多層膜１５０が備えるそれぞれの膜の膜厚及び屈折率を適切に組み合わせることで、誘電体多層膜１５０の膜厚が変動したとしても、反射率の変動を小さく抑制できる。そのため、窒化物半導体レーザ素子１０の駆動中の光出力の変動、及び、窒化物半導体レーザ素子１０の劣化を抑制できる。つまり、窒化物半導体レーザ素子１０によれば、光学特性の劣化を抑制できる。
　或いは、窒化物半導体レーザ素子１０は、上記した式（７）を満たし、且つ、上記した式（８）を満たす。また、第２誘電体膜１３０及び第３誘電体膜１４０の一方は、窒化物半導体レーザ素子１０から出射されたレーザ光２０１により膜厚が減少する性質を有し、他方は、窒化物半導体レーザ素子１０から出射されたレーザ光２０１により膜厚が増加する性質を有する。
　これによってもまた、窒化物半導体レーザ素子１０が備える誘電体多層膜１５０において、誘電体多層膜１５０が備えるそれぞれの膜の膜厚及び屈折率を適切に組み合わせることで、誘電体多層膜１５０の膜厚が変動したとしても、反射率の変動を小さく抑制できる。そのため、窒化物半導体レーザ素子１０の駆動中の光出力の変動、及び、窒化物半導体レーザ素子１０の劣化を抑制できる。
　また、例えば、共振器端面から出射されたレーザ光２０１を受けて、第２誘電体膜１３０と第３誘電体膜１４０との界面において、第２誘電体膜１３０には、凹部１３１が形成され、第３誘電体膜１４０には、凸部１４１が形成される。
　これによれば、レーザ光２０１が照射されても誘電体多層膜１５０の総膜厚の変化量を小さくできる。そのため、誘電体多層膜１５０の反射率の変化は、さらに抑制される。
　また、例えば、第２誘電体膜１３０及び第３誘電体膜１４０の膜厚の変化は、共振器端面から出射されたレーザ光２０１の光路で発生する。
　これによれば、誘電体多層膜１５０の膜厚の変化がレーザ光２０１の光路上で発生するため、レーザ光２０１が通過する領域における誘電体多層膜１５０の総膜厚の変化量が少なくなる。そのため、誘電体多層膜１５０の反射率の変化は、さらに抑制される。
　また、例えば、第３誘電体膜１４０は、アモルファス構造である。
　これによれば、例えば、第２誘電体膜１３０に含まれるＡｒ等の希ガスを取り込んで膜厚が増加する性質を有する第３誘電体膜１４０が実現される。
　また、例えば、窒化物半導体レーザ素子１０は、さらに、上記した式（９）を満たす。
　これによれば、レーザ光２０１が照射されても誘電体多層膜１５０の総膜厚の変化量を小さくできる。そのため、誘電体多層膜１５０の反射率の変化は、さらに抑制される。
　また、例えば、窒化物半導体レーザ素子１０の発振波長は、４２０ｎｍ以下である。
　上記したように、誘電体多層膜１５０の構成は、誘電体多層膜１５０がレーザ光２０１を吸収しやすい波長である４２０ｎｍ以下のレーザ光２０１を出射する窒化物半導体レーザ素子１０における端面コート膜として、特に効果的である。
　また、例えば、窒化物半導体レーザ素子１０は、１Ｗ以上のレーザ光２０１を出射する。
　誘電体多層膜１５０の膜厚の変化は、レーザ光２０１の光出力に大きく依存する。例えば、誘電体多層膜１５０の膜厚の変化は、光出力が１Ｗ以上のレーザ光２０１において顕著にみられる。そのため、誘電体多層膜１５０の構成は、誘電体多層膜１５０の膜厚に影響を与えやすい１Ｗ以上のレーザ光２０１を出射する窒化物半導体レーザ素子１０における端面コート膜として、特に効果的である。
　また、例えば、窒化物半導体レーザ素子１０は、ｍ３を正の整数とした場合に、上記した式（１０）を満たす。
　これによれば、レーザ光２０１が照射されても誘電体多層膜１５０の総膜厚の変化量を小さくできる。そのため、誘電体多層膜１５０の反射率の変化は、さらに抑制される。
　また、例えば、第２誘電体膜１３０は、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、及び、ＺｒＯ２のいずれかであり、第３誘電体膜１４０は、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、及び、ＧｅＯ２のいずれかである。
　これによれば、誘電体多層膜１５０において、レーザ光２０１を吸収することで膜厚が減少する膜と増加する膜とを組み合わせることができる。そのため、窒化物半導体レーザ素子１０の駆動中の光出力の変動、及び、窒化物半導体レーザ素子１０の劣化を抑制できる。
　また、例えば、共振器端面と誘電体多層膜１５０との間には、酸窒化アルミニウム膜が配置されている。
　これによれば、酸窒化アルミニウム膜によって、窒化物半導体レーザ素子１０における共振器端面の酸化を抑制できる。また、これによれば、共振器端面及び誘電体多層膜１５０中のダングリングボンドを減少させることができる。そのため、例えば、窒化物半導体レーザ素子１０を高い光出力となるように駆動させた場合においても、誘電体多層膜１５０の劣化が抑制され得る。
　また、例えば、当該酸窒化アルミニウム膜は、結晶の窒化アルミニウムを含む。この場合、当該酸窒化アルミニウム膜は、多結晶窒化アルミニウムであってもよく、さらに、多結晶窒化アルミニウムの粒界に酸素を多く含む膜であってもよい。
　これによれば、酸窒化アルミニウム膜が結晶を含むことによって、窒化物半導体レーザ素子１０における共振器端面の酸化をさらに抑制できる。また、これによれば、共振器端面及び誘電体多層膜１５０中のダングリングボンドをさらに減少させることができる。そのため、例えば、窒化物半導体レーザ素子１０を高い光出力となるように駆動させた場合においても、誘電体多層膜１５０の劣化がさらに抑制され得る。
　また、例えば、共振器端面と誘電体多層膜との間には、窒化アルミニウムシリコンと、窒化アルミニウムガリウムと、窒化アルミニウムイットリウムと、窒化アルミニウムランタンと、酸窒化アルミニウムシリコンと、酸窒化アルミニウムガリウムと、酸窒化アルミニウムイットリウムと、酸窒化アルミニウムランタンとの少なくとも１つからなる膜が配置されている。
　これによってもまた、酸窒化アルミニウム膜と同様に、窒化物半導体レーザ素子１０における共振器端面の酸化を抑制できる。また、これによれば、共振器端面及び誘電体多層膜１５０中のダングリングボンドを減少させることができる。そのため、例えば、窒化物半導体レーザ素子１０を高い光出力となるように駆動させた場合においても、誘電体多層膜１５０の劣化が抑制され得る。
　（その他の実施の形態）
　以上、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子について、上記実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で上記各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
　本開示の窒化物半導体レーザ素子は、例えば、産業用照明、施設照明、車載用ヘッドランプ、レーザ加工機などの産業用のレーザ機器、及び、レーザディスプレイ、プロジェクター等の画像表示装置の光源に利用することができる。
　１０　窒化物半導体レーザ素子
　１００　積層構造体
　１００ａ　第１導電型半導体層
　１００ｂ　第２導電型半導体層
　１００Ｆ　フロント側端面
　１００Ｒ　リア側端面
　１０１　基板
　１０２　第１半導体層
　１０３　活性層
　１０４　第２半導体層
　１０５　コンタクト層
　１０６　絶縁層
　１０７　第２電極
　１０８　パッド電極
　１０９　第１電極
　１１０　導波路
　１２０　第１誘電体膜
　１２１　第１保護膜
　１２２　第２保護膜
　１２３　第３保護膜
　１２４　第４保護膜
　１３０　第２誘電体膜
　１３１　凹部
　１４０　第３誘電体膜
　１４１　凸部
　１５０　誘電体多層膜
　１６０　コート膜
　２００　光軸
　２０１　レーザ光
　３００、３０１、ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄｉ、ｄｊ　膜厚
　４００～４０８、４１０～４１３、４２０～４２３、４３０、４５０　破線
　４４０～４４３　交点
　４６０、４６１　位置

Claims (14)

  1. 　導波路を含む複数の半導体層からなり、互いに対向する一対の共振器端面を有する積層構造体と、
    　前記一対の共振器端面の少なくとも一方に配置された誘電体多層膜と、を備える窒化物半導体レーザ素子であって、
    　前記誘電体多層膜は、前記共振器端面側から第１誘電体膜、第２誘電体膜、及び、第３誘電体膜をこの順に有し、
    　前記第１誘電体膜は、前記共振器端面側から順に第１保護膜から第ｎ保護膜までのｎ（ｎは正の整数）層の保護膜で構成され、
    　前記第１誘電体膜におけるｋ（ｋは１≦ｋ≦ｎを満たす整数）番目の保護膜の屈折率と膜厚とを、それぞれｎｋとｄｋとし、
    　前記第２誘電体膜の屈折率と膜厚とを、それぞれｎｉとｄｉとし、
    　前記第３誘電体膜の屈折率と膜厚とを、それぞれｎｊとｄｊとし、
    　ｍ１を２以上の整数とし、
    　ｍ２を正の整数とした場合、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     　を満たし、
    　ｎｊ×ｄｊ＝ｍ２×λ／４±λ／１６
    　を満たし、且つ、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     　を満たす
    　窒化物半導体レーザ素子。
  2. 　導波路を含む複数の半導体層からなり、互いに対向する一対の共振器端面を有する積層構造体と、
    　前記一対の共振器端面の少なくとも一方に配置された誘電体多層膜と、を備える窒化物半導体レーザ素子であって、
    　前記誘電体多層膜は、前記共振器端面側から第１誘電体膜、第２誘電体膜、及び、第３誘電体膜をこの順に有し、
    　前記第１誘電体膜は、前記共振器端面側から順に第１保護膜から第ｎ保護膜までのｎ（ｎは１以上の整数）層の保護膜で構成され、
    　前記第１誘電体膜におけるｋ（ｋは１≦ｋ≦ｎを満たす整数）番目の保護膜の屈折率と膜厚とを、それぞれｎｋとｄｋとし、
    　前記第２誘電体膜の屈折率と膜厚とを、それぞれｎｉとｄｉとし、
    　前記第３誘電体膜の屈折率と膜厚とを、それぞれｎｊとｄｊとし、
    　ｍ１を２以上の整数とし、
    　ｍ２を正の整数とした場合、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
     　を満たし、且つ、
    　ｎｊ×ｄｊ＝ｍ２×λ／４±λ／１６
    　を満たし、
    　前記第２誘電体膜及び前記第３誘電体膜の一方は、前記窒化物半導体レーザ素子から出射されたレーザ光により膜厚が減少する性質を有し、
    　他方は、前記窒化物半導体レーザ素子から出射されたレーザ光により膜厚が増加する性質を有する
    　窒化物半導体レーザ素子。
  3. 　前記共振器端面から出射されたレーザ光を受けて、
    　前記第２誘電体膜と前記第３誘電体膜との界面において、
    　前記第２誘電体膜には、凹部が形成され、
    　前記第３誘電体膜には、凸部が形成される
    　請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  4. 　前記膜厚の変化は、前記共振器端面から出射されたレーザ光の光路で発生する
    　請求項１から３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  5. 　前記第３誘電体膜は、アモルファス構造である
    　請求項１から４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  6. 　さらに、
    　３λ／１６≦ｎｊ×ｄｊ≦５λ／１６
    　を満たす
    　請求項１から５のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  7. 　前記窒化物半導体レーザ素子の発振波長は、４２０ｎｍ以下である
    　請求項１から６のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  8. 　前記窒化物半導体レーザ素子は、１Ｗ以上のレーザ光を出射する
    　請求項１から７のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  9. 　ｍ３を正の整数とした場合、さらに、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
     　を満たす
    　請求項１から８のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  10. 　前記第２誘電体膜は、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、及び、ＺｒＯ２のいずれかであり、
    　前記第３誘電体膜は、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、及び、ＧｅＯ２のいずれかである
    　請求項１から９のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  11. 　前記共振器端面と前記誘電体多層膜との間には、酸窒化アルミニウム膜が配置されている
    　請求項１から１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  12. 　前記酸窒化アルミニウム膜は、結晶の窒化アルミニウムを含む
    　請求項１１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  13. 　前記共振器端面と前記誘電体多層膜との間には、
    　窒化アルミニウムシリコンと、窒化アルミニウムガリウムと、窒化アルミニウムイットリウムと、窒化アルミニウムランタンと、酸窒化アルミニウムシリコンと、酸窒化アルミニウムガリウムと、酸窒化アルミニウムイットリウムと、酸窒化アルミニウムランタンとの少なくとも１つからなる膜が配置されている
    　請求項１から１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  14. 　さらに、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
     　を満たす
    　請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
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