JP-2026077577-A - 半導体レーザ素子

Abstract

【課題】劣化が抑制された半導体レーザ素子を提供する。 【解決手段】 第１導電型半導体層を含む第１半導体層部と、第２導電型半導体層を含む第２半導体層部と、第１半導体層部と第２半導体層部との間に配置された活性層と、を有する半導体積層部と、半導体積層部に設けられるリッジと、を備え、一端面を光出射面とする半導体レーザ素子であって、リッジは、上面視で、第１方向に延伸する第１リッジと、半導体積層部上に設けられた第１保護膜を含み、光出射面側に位置する第２リッジと、を有し、第２リッジにおける第２半導体層部と第１保護膜の間に、第２半導体層部の一部と第１保護膜の一部とを交互に含む周期構造を有する回折格子が設けられており、第１保護膜は、上面視で、光出射面側及び第１リッジと第２リッジの境界を除く外周が第２リッジの外周と回折格子の外周の間に位置するように設けられている。 【選択図】図１

Inventors

• 廣瀬 量平
• 小川 尚史

Assignees

• 日亜化学工業株式会社

Dates

Publication Date

20260513

Application Date

20250916

Priority Date

20241025

Claims (11)

1. 第１導電型半導体層を含む第１半導体層部と、第２導電型半導体層を含む第２半導体層部と、前記第１半導体層部と前記第２半導体層部との間に配置された活性層と、を有する半導体積層部と、 前記半導体積層部に設けられるリッジと、 を備え、 一端面を光出射面とする半導体レーザ素子であって、 前記リッジは、上面視で、 第１方向に延伸する第１リッジと、 前記半導体積層部上に設けられた第１保護膜を含み、光出射面側に位置する第２リッジと、を有し、 前記第２リッジにおける第２半導体層部と前記第１保護膜の間に、前記第２半導体層部の一部と前記第１保護膜の一部とを交互に含む周期構造を有する回折格子が設けられており、 前記第１保護膜は、上面視で、前記光出射面側及び前記第１リッジと前記第２リッジの境界を除く外周が前記第２リッジの外周と前記回折格子の外周の間に位置するように設けられている、 半導体レーザ素子。
2. 上面視で、前記第１保護膜は前記光出射面まで延在して設けられている、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 前記第２リッジの第１方向とは垂直な第２方向の幅は前記第１リッジの幅よりも広い、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
4. 上面視で、前記第２リッジの面積は、前記第１保護膜の面積よりも大きく、前記第１保護膜の面積は、前記回折格子の面積よりも大きい、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
5. 前記第１保護膜は前記第１リッジの前記半導体積層部上に延在して設けられており、 前記第１保護膜は、前記第１リッジにおける上面視で、前記第１保護膜の外周が前記第１リッジの外周より内側に位置するように設けられている、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
6. 前記第１保護膜を覆う第２保護膜を含む、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
7. 前記第２リッジの第１方向と垂直な第２方向の幅は、前記第２リッジと重なる領域を導波するレーザ光のビーム径より大きい幅に設定されている、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
8. 前記第１リッジを含む半導体積層部は、第１クラッド部分と、第２クラッド部分と、前記第１クラッド部分と前記第２クラッド部分との間に位置する第１コア部分と、を有し、複数の横モードでレーザ光を伝播させる、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
9. 前記第１保護膜はＳｉＯ ２ である、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
10. 前記リッジ上のうち、第２リッジ上を除いて第１リッジ上に電極が設けられた請求項１に記載の半導体レーザ素子。
11. 前記回折格子は、上面視において前記光出射面から離れた位置に配置されている請求項１に記載の半導体レーザ素子。

Description

本開示は、半導体レーザ素子に関する。 近年、半導体レーザ素子の使用目的が多岐にわたっている。半導体レーザ素子としては例えば、回折格子を含むレーザ素子等のスペクトル特性に優れたレーザ素子が広く用いられている。この回折格子を含むレーザ素子において、回折格子は、半導体積層部の表面に配置されていることがある（特許文献１）。 特開２００６－１６５０２７号公報 本開示の実施形態１に係る半導体レーザ素子の概略上面図である。図１に示す半導体レーザ素子のＩＩ－ＩＩ線における概略断面図である。図１に示す半導体レーザ素子のＩＩＩ－ＩＩＩ線における概略断面図である。図１に示す半導体レーザ素子のＩＶ－ＩＶ線における概略断面図である。図１に示す半導体レーザ素子の導波構造の概要を示す上面図である。ビームウエスト半径Ｗ０、 ビーム発散角φの測定方法の概要を示す図である。本開示の実施形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法のフローチャートである。半導体積層部を準備する工程で準備する半導体積層部の断面図である。回折格子の凹部を形成する工程において、マスクを形成したときの断面図である。図９の上面図である。回折格子の凹部を形成する工程において、凹部を形成したときの断面図である。図１１の上面図である。正電極を形成する工程において、正電極を形成したときの断面図である。図１３の上面図である。回折格子の第１保護膜を形成する工程において、マスクを形成したときの断面図である。図１５の上面図である。回折格子の第１保護膜を形成する工程において、第１保護膜を形成したときの断面図である。図１７の上面図である。 以下、図面を参照しながら、本開示に係る発明を実施するための実施形態、変形例、及び実施例を説明する。なお、以下に説明する、本開示に係る半導体レーザ素子は、本開示に係る発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本開示に係る発明を以下のものに限定しない。 実施形態 １．実施形態１ 本開示の実施形態１に係る半導体レーザ素子Ｌ１は、 第１導電型半導体層を含む第１半導体層部３１０と、第２導電型半導体層を含む第２半導体層部３３０と、第１半導体層部３１０と第２半導体層部３３０との間に配置された活性層３２０と、を有する半導体積層部３０と、 半導体積層部３０に設けられるリッジ１３５と、 を備え、 一端面を光出射面とする半導体レーザ素子Ｌ１であって、 リッジ１３５は、上面視で、 第１方向に延伸する第１リッジ１３５ａと、 半導体積層部３０上に設けられた第１保護膜５０を含み、光出射面側に位置する第２リッジ１３５ｂと、を有し、 第２リッジ１３５ｂにおける第２半導体層部３３０と第１保護膜５０の間に、第２半導体層部３３０の一部３３０ａと第１保護膜５０の一部５０ａとを交互に含む周期構造を有する回折格子２０が設けられており、 第１保護膜５０は、上面視で、光出射面側及び第１リッジ１３５ａと第２リッジ１３５ｂの境界を除く外周５０１が第２リッジ１３５ｂの外周１３５ｂ１と回折格子２０の外周２０１の間に位置するように設けられている。 以上のように、本開示の実施形態１に係る半導体レーザ素子Ｌ１において、第１保護膜５０は、上面視で、光出射面側及び第１リッジ１３５ａと第２リッジ１３５ｂの境界を除く外周５０１が第２リッジ１３５ｂの外周１３５ｂ１と回折格子２０の外周２０１の間に位置するように設けられている。これにより、回折格子の一部を構成する第１保護膜を必要な個所に適切に配置することができる。 例えば、第１保護膜５０の外周５０１が外周２０１の内側に位置すると、回折格子２０の一部を構成すべき部分に空気を含む空洞が形成され、それにより回折格子の劣化を招くおそれがある。 また、第１保護膜５０の外周５０１が回折格子２０の外周と一致するように第１保護膜５０を設けようとすると、製造上の誤差により、第１保護膜５０の外周５０１が外周２０１の内側に位置してしまうおそれがある。 しかしながら、本開示の実施形態１に係る半導体レーザ素子Ｌ１によればかかる課題を解決することができる。 また、第１保護膜５０の外周５０１が第２リッジ１３５ｂの外周１３５ｂ１の外側にあると、第２リッジ１３５ｂの側面（半導体が露出した部分）が、例えば酸化物からなる第１保護膜５０に覆われる恐れがあり、レーザ光が導波する際に電解強度が高くなる第２リッジ１３５ｂの側面、特に下端近傍が酸化されることにより信頼性の低下を招くことになる。特に、第１保護膜５０が原子層堆積法（ＡＬＤ法）によって設けられていた場合、酸化作用が強くなり得る。 しかしながら、本開示の一実施形態に係る半導体レーザ素子Ｌ１によればかかる課題を解決することができる。すなわち、本開示の一実施形態に係る半導体レーザ素子Ｌ１によれば劣化が抑制された半導体レーザ素子を提供することができる。 以下、本開示の一実施形態に係る半導体レーザ素子Ｌ１の構成及び作用効果について詳細に説明する。 以下の説明において、「高さ方向」とは、半導体積層部３０の積層方向を意味し、図面ではＺ軸で示している。高さ方向における長さは、単に「高さ」または「厚さ」と呼ぶことがある。「周期方向」とは、回折格子２０の周期をなす方向を意味し、図面ではＸ軸で示している。「幅方向」とは、高さ方向と周期方向の両方に垂直な方向を意味し、図面ではＹ軸で示している。幅方向の長さは、単に「幅」と呼ぶことがある。 まず、半導体レーザ素子Ｌ１のレーザ発振及び導波に係る概要を、図５を用いて説明する。半導体レーザ素子Ｌ１は、レーザ発振する第１導波部１と、回折格子２０を含む第２導波部２と、を有する。第１導波部１は、実効屈折率がｎ１２の第１コア部分１３と、第１コア部分１３の両側に位置しそれぞれ実効屈折率がｎ１１の第１クラッド部分１１及び第２クラッド部分１２を含み、幅方向に光が閉じ込められる。また、図５に示すように、例えば、第１導波部１の第２導波部２の反対側に位置する端面には高反射膜６２が設けられており、回折格子２０は、第１導波部１から入射する光のうち、ブラッグ波長に相当する波長の光の一部を第１導波部１へ帰還させる。以上のように構成された第１導波部１は、第１コア部分１３に発光した光を閉じ込めて共振させて１又は複数の横モードでレーザ発振させる。これにより、半導体レーザ素子Ｌ１を高出力にできる。ここで、第１導波部１で発振されるレーザ光の横モードの数は、第１クラッド部分１１及び第２クラッド部分１２に挟まれた第１コア部分１３の幅に基づいて設定される。また、第２導波部２は、幅方向に光を閉じ込めることは意図するものではなく、第１導波部１から入射されるレーザ光を伝搬する機能を備えたものであり、実効屈折率ｎ２を有している。第２導波部２は、好ましくは、第１導波部１から入射されるレーザ光を最大拡散角Θｍａｘで伝搬するように構成される。言い換えると、第２導波部２の幅方向の両端部は、図５の点Ｐ１で示された第１導波部１と第２導波部２との境界から最大拡散角Θｍａｘで広がる仮想線の外側に位置するように構成されることが好ましい。これにより、第２導波部２の両側面からの光の漏れを抑制できる。ここで、最大拡散角Θｍａｘは、第１導波部１の第１コア部分１３の実効屈折率と、第１導波部１の第１クラッド部分１１の実効屈折率と、第１導波部１の第２クラッド部分１２の実効屈折率と、第２導波部２の実効屈折率と、で決まる、第１導波部１から第２導波部２に入射するレーザ光が第２導波部２で広がって導波する角度をいう。なお、最大拡散角Θｍａｘは最大受光角とも呼ばれる角度である。このように、半導体レーザ素子Ｌ１は、第１導波部１と、第２導波部２と、を有し、第１導波部１は、１又は複数の横モードが導波可能な光導波路を含む領域である。第２導波部２は、第１導波部１から入射されるレーザ光の一部を第１導波部１に戻し一部を光出射面から出射させる領域である。実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１は、回折格子２０を備えていることにより、回折格子２０の波長選択性によって、レーザ発振を可能にするとともに発振させたレーザ光のスペクトル線幅を狭くすることができる。 以上説明した半導体レーザ素子Ｌ１の導波構造は、半導体積層部３０に設けられたリッジ１３５によって構成される。リッジ１３５は第１導波部１に設けられた第１リッジ１３５ａと第２導波部２に設けられた第２リッジ１３５ｂを含む。第１導波部１において、第１コア部分１３は第１リッジ１３５ａの下方に位置する活性層を含む領域であり、第１クラッド部分１１及び第２クラッド部分１２は第１リッジ１３５ａの下方の両側の活性層を含む領域である。第２導波部２は、第２リッジ１３５ｂの下方の活性層を含み、好ましくは、第２リッジ１３５ｂの両側面は、図５に示す最大拡散角Θｍａｘで広がる仮想線の外側に位置するように設けられる。図３及び図４に示すように、第１リッジ１３５ａと第２リッジ１３５ｂの側面は高さ方向に傾斜していてもよく、その場合のリッジ１３５の幅はリッジ１３５の下端の幅をいう。 半導体レーザ素子Ｌ１において、複数の横モードのレーザ光を発振させる場合には、回折格子２０は、レーザ光のビームの広がりを考慮して、回折格子２０の両端がビームの外側に位置するように設けることが好ましい。これにより、回折格子２０による波長選択を異なる横モードに依らず、実質的に一定にできる。具体的には、半導体レーザ素子Ｌ１の発振波長λは、回折格子２０の周期Λと第２導波部２の実効屈折率ｎ２を用いて、以下の式（１）で表される。回折格子の幅を広くすることにより、実効屈折率ｎ２は横モードに実質的に依存しないようにでき、横モードの違いによる回折波長の変化を抑制することができる。 λ＝２×Λ×ｎ２ （１） 以上、半導体レーザ素子Ｌ１の概要及び作用効果について説明した。以下、各構成についてより具体的に説明する。 以下の説明において、「アンドープ層」は意図的に不純物が導入されていない半導体層を指す層であって、アンドープ層は不可避の不純物を含むことがある。例えば、アンドープ層には、上及び／又は下の不純物が意図せず含まれることがあり、例えば、ｎ型不純物又はｐ型不純物であっても、不純物濃度は１×１０－１７ｃｍ―３以下含まれることがある。例えば、アンドープ層に含まれる不純物濃度は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）による検出限界値以下である。 （半導体積層部３０） 半導体積層部３０は、第１導電側半導体層と、第２導電型半導体層と、第１導電側半導体層と第２導電型半導体層との間に配置された活性層３２０とを含む。第１導電側半導体層は、第１導電型の不純物を含んだ層を含む、１又は複数の層からなる構造体である。但し、第１導電側半導体層は、アンドープの層を有していてもよい。第２導電側半導体層は、第２導電型の不純物を含んだ層を含む、１又は複数の層からなる構造体である。但し、第２導電側半導体層は、アンドープの層を有していてもよい。第１導電側半導体層は、例えば、ｎ型不純物を含んだ層を含む、ｎ側半導体層である。第２導電側半導体層は、例えば、ｐ型不純物を含んだ層を含む、ｐ側半導体層である。以下、第１導電側半導体層をｎ側半導体層部３１０、第２導電側半導体層をｐ側半導体層部３３０として、説明を行う。半導体積層部３０は、図２～図４に示すように、基板３００上に配置され、ｎ側半導体層部３１０と、ｐ側半導体層部３３０と、ｎ側半導体層部３１０とｐ側半導体層部３３０との間に配置された活性層３２０を含む。半導体積層部３０の第２導波部２の反対側の端面には高反射膜６２が設けられている。また、半導体積層部３０の第１導波部１の反対側の端面、すなわち光出射面には反射防止膜が設けられていることが好ましい。また、基板３００の下面には負電極４２が設けられており、ｐ側半導体層部３