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公開番号2025016207
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-31
出願番号2023119337
出願日2023-07-21
発明の名称窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法、発光装置
出願人ウシオ電機株式会社,国立大学法人大阪大学
代理人個人,個人
主分類H01S 5/12 20210101AFI20250124BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】縦シングルモードで高出力が得られる半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】分布帰還型の半導体レーザ素子100において、積層構造110は、GaN基板112、n型半導体層120、活性層114、p型半導体層130を含み、リッジ型導波路が形成されている。第1回折格子150は、リッジ型導波路と隣接して両隣に形成される。第1回折格子の溝の深さdは、50nm≦d≦200nmの範囲に含まれており、デューティ比dutyは、回折光の次数に対して規定される定数a,b,c,nを用いた不等式(1)の範囲に含まれる。
【数1】
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特許請求の範囲【請求項１】
分布帰還型の半導体レーザ素子であって、
ＧａＮ基板、第１導電型半導体層、発光層、第２導電型半導体層を含み、リッジ型導波路が形成されている積層構造と、
前記リッジ型導波路と隣接して両隣に形成された第１回折格子と、
を備え、
前記第１回折格子の溝の深さｄは、５０ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍの範囲に含まれており、デューティ比ｄｕｔｙは、回折光の次数に対して規定される定数ａ，ｂ，ｃ，ｎを用いた不等式（１）
TIFF
2025016207000005.tif
17
100
の範囲に含まれることを特徴とする半導体レーザ素子。
続きを表示（約 880 文字）【請求項２】
前記次数は３であり、ａ＝１００００００、ｂ＝０．８８９、ｃ＝７５．３、ｎ＝４であり、７５．３ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記次数は１であり、ａ＝７５０００００、ｂ＝０．７３８、ｃ＝５４．９、ｎ＝８であり、５４．９ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記次数は５であり、ａ＝７５０００００、ｂ＝０．９２９、ｃ＝８８．９、ｎ＝４であり、８８．９ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記次数は７であり、ａ＝２３００００００、ｂ＝０．９４７、ｃ＝１００．６、ｎ＝４であり、１００．６ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記リッジ型導波路の上面に形成された第２回折格子をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記第２回折格子の溝の底面は、前記第１回折格子の溝の底面よりも高いことを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記第１回折格子は位相シフト領域を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記位相シフト領域は、前記半導体レーザ素子の低反射端面と高反射端面の間を、６：４～８：２の範囲で内分する位置に設けられることを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記第１回折格子の内、少なくとも光が染み出る部分について、溝部は絶縁膜で覆われており、前記絶縁膜は少なくともＳｉ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｉｎ，Ｏ，Ｎの内の１つ以上の元素含むことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、窒化物半導体レーザ素子に関する。
続きを表示（約 2,100 文字）【背景技術】
【０００２】
これまで殺菌用途として、２５４ｎｍ紫外線殺菌灯などが広く用いられてきた。しかし、人に照射すると皮膚がんや角膜炎を発症させるリスクがあった。それに対し、近年ＫｒＣｌエキシマランプを用いた２２２ｎｍの紫外線は、はるかに安全性が高いことが国内外の多くの医療機関や大学などから報告されている。加えて、新型コロナウィルスに対し効果があることも検証されつつある。このＫｒＣｌエキシマランプを応用したウィルス不活化システムが、医療機関や学校、公共・商業施設、飲食施設などで人の活動を制限することなく、ウィルスの不活化ができ、パンデミックの抑制と、社会活動の両立に貢献できるものとして注目を集めている。
【０００３】
このウィルス不活化システムの、更なる静音性向上や小型化には、ＫｒＣｌエキシマランプを、半導体発光素子を実装した半導体発光装置に置き換える方法が考えられる。しかし、２２２ｎｍ辺りで発光する半導体発光素子は未だ存在しない。そこで、波長変換素子による高調波発生を利用して、４４４ｎｍの光を２２２ｎｍの２次高調波（ＳＨＧ：Second harmonic Generation波）に変換する方法が考えられる。
【０００４】
ＳＨＧ波の変換効率を高めるためには、４４４ｎｍの光源として、縦シングルモードかつ高出力の半導体レーザが必要である。一般的に、縦シングルモードレーザとしては、分布帰還型レーザ（ＤＦＢ－ＬＤ：Distributed FeedBack Laser Diode)が利用される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
"InGaAs/AlGaAs Quantum Well Laterally-Coupled Distributed Feedback Laser", Japanese Journal of Applied Physics, volume 43, Number 5R, pp.25-49 (2004)
"Continuous-wave operation of a semipolar InGaN distributed-feedback blue laser diode with a first-order indium tin oxide surface grating", Optics Letters vol.44 pp.3106-3109 (2019)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
紫外光や可視光の波長帯域の光を発光する半導体発光素子としてはＧａＮ系材料が広く用いられている。しかし、ＧａＮ系材料では、十分な屈折率差を得るのが難しく、回折格子の光結合係数κを大きくすることが難しかった。
【０００７】
本開示はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは縦シングルモードで高出力が得られる半導体レーザ素子の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示のある態様は、分布帰還型の半導体レーザ素子に関する。半導体レーザ素子は、ＧａＮ基板、第１導電型半導体層、発光層、第２導電型半導体層を含み、リッジ型導波路が形成されている積層構造と、リッジ型導波路と隣接して両隣に形成された第１回折格子と、を備える。第１回折格子の溝の深さｄは、５０ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍの範囲に含まれており、デューティ比ｄｕｔｙは、回折光の次数に対して規定される定数ａ，ｂ，ｃ，ｎを用いた不等式（１）の範囲に含まれる。
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100
【０００９】
本開示の別の態様は、分布帰還型の半導体レーザ素子の製造方法に関する。この製造方法は、ＧａＮ基板、第１導電型半導体層、発光層、第２導電型半導体層を含む積層構造を形成するステップと、積層構造にリッジストライプ構造を形成するステップと、リッジストライプ構造と隣接して、第１回折格子を形成するステップと、第１回折格子の溝の内部に絶縁膜を形成するステップと、を備える。第１回折格子の溝の深さｄは、５４．９ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍの範囲に含まれており、デューティ比ｄｕｔｙは、回折光の次数に対して規定される定数ａ，ｂ，ｃ，ｎを用いた不等式（１）の範囲に含まれる。
【００１０】
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明あるいは本開示の態様として有効である。さらに、この項目（課題を解決するための手段）の記載は、本発明の欠くべからざるすべての特徴を説明するものではなく、したがって、記載されるこれらの特徴のサブコンビネーションも、本発明たり得る。
【発明の効果】
（【００１１】以降は省略されています）

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