半導体レーザ素子の端面角度測定方法
【課題】半導体レーザ素子の共振端面の角度を容易に且つ精度良く測定することができる方法を提供する。
【解決手段】光導波路の光導波方向と交差する方向に並んだ複数の半導体レーザ素子を含む半導体レーザバー２を、共振端面２ａが所定の基準線２１ｂに沿うようにステージ２１の基準面２１ａ上に固定し、半導体レーザバー２の複数の半導体レーザ素子の共振端面からレーザ光Ｌａを出射させ、レーザ光ＬａのＦＦＰを測定し、ＦＦＰのピーク位置により定まるレーザ光Ｌａの出射方向と、所定の基準線２１ｂ及び基準面２１ａとの相対角度から、半導体レーザ素子の共振端面の角度を算出する。
【解決手段】光導波路の光導波方向と交差する方向に並んだ複数の半導体レーザ素子を含む半導体レーザバー２を、共振端面２ａが所定の基準線２１ｂに沿うようにステージ２１の基準面２１ａ上に固定し、半導体レーザバー２の複数の半導体レーザ素子の共振端面からレーザ光Ｌａを出射させ、レーザ光ＬａのＦＦＰを測定し、ＦＦＰのピーク位置により定まるレーザ光Ｌａの出射方向と、所定の基準線２１ｂ及び基準面２１ａとの相対角度から、半導体レーザ素子の共振端面の角度を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子の端面角度測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、光コネクタの端面の角度を高精度に測定する方法が記載されている。この測定方法では、レーザ光を光コネクタ端面で反射させ、該反射光を光コネクタ端面より所定の距離離れた場所で位置に換算し、光コネクタを光コネクタ端面のレーザ光焦点中心で１８０°回転して同様に位置を測定し、上記２つの位置より角度に換算する。このとき、固定した２本のガイドピンに対して多心光コネクタを反転して装着することにより、多心光コネクタを光コネクタ端面のレーザ光焦点中心で１８０°回転し、かつ光コネクタ又はレーザ光の少くとも一方を走査することにより、光コネクタ端面の任意の場所の角度を測定する。
【０００３】
特許文献２には、光ファイバの端面の傾斜角を測定する方法が記載されている。この方法では、光ファイバの端面から出射したレーザ光の屈折角を測定し、所定の関係式を用いて光ファイバの端面傾斜角を決定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２８１５３３号公報
【特許文献２】特開２００５−２３３８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常、端面発光型の半導体レーザ素子の共振端面は光導波路に対して垂直に形成される。例えば、窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子では、窒化ガリウム基板の｛０００１｝面（すなわちｃ面）を成長面として活性層等を成長させ、｛０００１｝面に垂直な｛１−１００｝面（ｍ面）や｛１１−２０｝面（ａ面）で基板や活性層等を劈開することによって、共振端面を形成する。この場合、光導波路の長手方向をこれらの劈開面に対して垂直に設定することにより、共振端面を光導波路に対して高い精度でもって垂直にすることができる。
【０００６】
しかしながら、諸々の理由により、光導波路に対する共振端面の角度を精度良く垂直にすることが難しい場合がある。例えば、緑色のレーザ光を生成する半導体レーザ素子では、活性層に生じるピエゾ電界を低減する為に、例えば｛２０−２１｝面といった半極性面を主面とする窒化ガリウム基板が用いられることがある。この場合、窒化ガリウム基板の主面に対して垂直な劈開面が存在しないため、共振端面の法線が、光導波路の長手方向に対して基板の厚さ方向へ傾き易くなってしまう。また、主面上における光導波路の長手方向も、レーザ発振効率を向上させる為に基板の結晶面とは無関係の任意の方向に設定されることがある。この場合、共振端面の法線が、光導波路の長手方向に対して基板主面に沿った方向へ傾き易くなってしまう。これらのように共振端面が傾斜すると、該端面における光反射率が低下し、光損失が増大してレーザ発振のための閾値電流が増加してしまうという問題が生じる。
【０００７】
なお、特許文献１に記載された方法のように、測定対象である端面にレーザ光を照射してその傾斜角を測定する場合には、半導体レーザ素子の共振端面のような極めて微小な領域にレーザ光を正確に照射することが要求されるため、共振端面の傾斜角を容易に測定することができないという問題がある。また、特許文献２に記載された方法では光ファイバの端面の傾斜角を測定している。一般的に光ファイバは或る程度（例えば数十センチメートル）の長さを有しているので、光ファイバを真っ直ぐに伸張させて固定することにより、角度測定の基準となる軸線に沿って光ファイバを精度良く固定することができる。しかし、光ファイバと比較して寸法が極めて小さい半導体レーザ素子を角度測定の基準となる軸線に沿って精度良く固定することは難しい。
【０００８】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、半導体レーザ素子の共振端面の角度を容易に且つ精度良く測定することができる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明による半導体レーザ素子の端面角度測定方法は、基板の主面に沿った光導波路を有する端面発光型の半導体レーザ素子の共振端面の法線と、光導波路の光導波方向との成す角度を測定する方法であって、光導波路の光導波方向と交差する方向に並んだ複数の半導体レーザ素子を含む半導体レーザバーを、共振端面が所定の基準線に沿うように治具の基準面上に固定する固定ステップと、半導体レーザバーの複数の半導体レーザ素子の共振端面からレーザ光を出射させる出射ステップと、レーザ光の遠視野像を測定する測定ステップと、遠視野像のピーク位置により定まるレーザ光の出射方向と、所定の基準線及び基準面との相対角度から上記角度を算出する算出ステップとを備えることを特徴とする。
【００１０】
この方法では、固定ステップの際に、複数の半導体レーザ素子を含む半導体レーザバーを治具の基準面上に固定する。このように、半導体レーザ素子を製造する過程において作製される半導体レーザバーの段階で治具に固定することによって、共振端面が所定の基準線に精度良く沿うように半導体レーザ素子を固定することができる。更に、この方法では、測定ステップでレーザ光の遠視野像を測定したのち、算出ステップにおいて、遠視野像のピーク位置により定まるレーザ光の出射方向と、所定の基準線及び基準面との相対角度から傾斜角を算出する。光導波方向が共振端面の法線方向に対して傾斜している場合、光導波方向と共振端面の法線方向との成す角度θ1は、レーザ光の出射方向と共振端面の法線方向との成す角度θ2を用いて、例えば次の数式（１）のように表される。
【数１】
なお、ｎ1は光導波路の実効屈折率であり、ｎ2は空気の屈折率である。したがって、上記した方法によれば、例えば上記数式（１）やこれに相当する演算式を用いることにより、光導波方向と共振端面の法線方向との成す角度を容易に求めることができる。
【００１１】
以上に述べたように、本発明に係る半導体レーザ素子の端面角度測定方法によれば、半導体レーザ素子を精度良く固定することができ、且つ光導波方向と共振端面の法線方向との成す角度を容易に求めることができるので、共振端面の角度を容易に且つ精度良く測定することができる。
【００１２】
また、半導体レーザ素子の端面角度測定方法は、算出ステップにおいて、所定の基準線及び基準面に対するレーザ光の出射方向の相対角度θ2を遠視野像のピーク位置から決定し、上述した数式（１）に基づいて、上記角度θ1を算出することを特徴としてもよい。これにより、上記角度θ1を容易且つ正確に算出することができる。
【００１３】
また、半導体レーザ素子の端面角度測定方法は、固定ステップにおいて、基準面に対する基板の主面の角度、及び所定の基準線に対する半導体レーザバーの共振端面の角度をそれぞれ０．１°以下とすることを特徴としてもよい。このように、基準面及び所定の基準線に対して半導体レーザ素子を精度良く固定することによって、共振端面の角度を更に精度良く測定することができる。
【００１４】
また、半導体レーザ素子の端面角度測定方法は、基板、及び光導波路を構成する半導体層が窒化ガリウム系半導体から成ることを特徴としてもよい。この場合、基板の主面は、窒化ガリウム系半導体のｃ軸と直交する平面に対してｍ軸方向に傾斜していてもよい。上述したように、緑色のレーザ光を生成する半導体レーザ素子では、活性層に生じるピエゾ電界を低減する為に、例えば｛２０−２１｝面といった半極性面を主面とする窒化ガリウム基板が用いられることがある。この場合、光導波路に対して垂直な劈開面が存在しないため、光導波路に垂直な平面に対して共振端面が僅かに傾斜し易くなってしまう。このような問題に対し、本発明に係る端面角度測定方法によれば、半導体レーザ素子の共振端面の角度を容易に且つ精度良く測定することができるので、半導体レーザ素子の製造過程において、共振端面の傾斜が比較的小さい半導体レーザ素子を正確に選別することができる。なお、主面のｍ軸方向への傾斜角度は、６３°以上８０°未満であることが好ましい。
【００１５】
また、基板、及び光導波路を構成する半導体層が窒化ガリウム系半導体から成る場合、半導体レーザ素子の発振波長は４８０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下であることが好ましく、５１０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下であることが尚好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明による半導体レーザ素子の端面角度測定方法によれば、半導体レーザ素子の共振端面の角度を容易に且つ精度良く測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、端面角度測定方法の原理を説明するための図である。
【図２】図２は、一実施形態に係る半導体レーザ素子の端面角度測定方法を実施するための測定装置の構成を概略的に示す図である。
【図３】図３（ａ）は、半導体レーザバー、ステージ及び光検出器からなる測定系をＹ軸方向から見た側面図である。図３（ｂ）は、この測定系をＺ軸方向から見た平面図である。
【図４】図４は、一実施形態において測定対象となる半導体レーザバーの構成の一例を示す正面図である。
【図５】図５は、一実施形態に係る端面角度測定方法を示すフローチャートである。
【図６】図６は、共振端面の法線と光導波路との成す角度と、閾値電流の増加割合との関係を示すグラフである。
【図７】図７は、レーザ顕微鏡のプロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体レーザ素子の端面角度測定方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
まず、本実施形態による端面角度測定方法の原理について説明する。図１は、端面角度測定方法の原理を説明するための図であって、一つの半導体レーザ素子１Ａが示されている。なお、この図１は、半導体レーザ素子１Ａの平面断面図と見なされることができ、或いは半導体レーザ素子１Ａの側面断面図と見なされることもできる。
【００２０】
この半導体レーザ素子１Ａは、いわゆる端面発光型の半導体レーザ素子であって、基板の主面に沿った光導波路１１と、光導波路１１の一端に形成された共振端面１２とを有している。一般に、半導体レーザ素子の共振端面の法線は光導波路の中心軸線と平行である。しかし、例えば窒化ガリウム系半導体の半極性面上に成長した活性層等を有する半導体レーザ素子１Ａでは、図１に示されるように、共振端面１２の法線が光導波路１１の中心軸線Ｌ１に対して傾くことがある。
【００２１】
ここで、共振端面１２の法線方向を表すベクトルをＶＮ、光導波路１１の中心軸線の方向（すなわち光導波方向）を表すベクトルをＶＣ、光出射方向（厳密には、出射されたレーザ光の遠視野像（ファーフィールドパターン；ＦＦＰ）において光強度がピークとなる方向）を表すベクトルをＶｏｕｔとする。図１に示されるように、法線方向ベクトルＶＮが光導波方向ベクトルＶＣに対して或る有意の角度θ1を成している場合、この角度θ1と、法線方向ベクトルＶＮに対する光出射方向ベクトルＶｏｕｔの角度θ3とは、次の関係を有する。
【数２】
なお、ｎ1は光導波路の実効屈折率であり、例えば活性層３１がＧａＮからなる場合、ｎ1＝２．４である。ｎ2は空気の屈折率であり、標準的にはｎ2＝１．０である。
【００２２】
また、図１を参照すると、光出射方向ベクトルＶｏｕｔと光導波方向ベクトルＶＣとの成す角度（すなわち共振端面の傾斜角）θ2は、θ2＝θ3−θ1として求められる。したがって、この関係式及び数式（２）より、角度θ1と角度θ2とは、以下の数式（３）の関係を有する。
【数３】
【００２３】
そこで、本実施形態では、まず光出射方向ベクトルＶｏｕｔと法線方向ベクトルＶＮとの成す角度θ2を測定し、得られた角度θ2と上記数式（３）とに基づいて、法線方向ベクトルＶＮと光導波方向ベクトルＶＣとの成す角度θ1を算出する。また、角度θ2の測定方法として、或る基準に対して共振端面１２の角度が正確に固定された半導体レーザ素子から出射されるレーザ光のＦＦＰを測定し、このＦＦＰにおいて光強度がピークとなる位置から光出射方向を求める方法を採用する。
【００２４】
図２は、本実施形態に係る半導体レーザ素子の端面角度測定方法を実施するための測定装置の構成を概略的に示す図である。なお、図２には、理解の容易のためにＸＹＺ直交座標系が併せて示されている。
【００２５】
図２に示されるように、この測定装置２０は、ステージ２１と、光検出器２２と、演算部２３とを備えている。ステージ２１は、測定対象である半導体レーザ素子を固定するための治具であり、半導体レーザ素子が載置される基準面２１ａと、基準面２１ａ上に設定された所定の基準線２１ｂとを有している。基準面２１ａは、ＸＹ平面に沿って延びている。基準線２１ｂは、基準面２１ａの一つのエッジに沿って延びており、且つＹ軸方向に沿って延びている。なお、図２では基準線２１ｂが基準面２１ａのエッジの内側に設定されているが、基準線２１ｂは、基準面２１ａのエッジと一致するように設定されてもよく、基準面２１ａのエッジの外側に設定されてもよい。
【００２６】
ステージ２１の基準面２１ａ上には、半導体レーザバー２が載置される。半導体レーザバー２は、光導波路の光導波方向と交差する方向（すなわち半導体レーザバー２の長手方向。図２ではＹ軸方向に一致している）に並んだ複数の半導体レーザ素子を含んでいる。このような半導体レーザバー２は、半導体レーザ素子の製造過程において、レーザ発振のための半導体積層構造をウエハ上に形成したのち、このウエハを劈開（若しくは割断）して一対の共振端面を形成した際に、生成されるものである。図２に示されるように、半導体レーザバー２は、複数の半導体レーザ素子の共振端面を含む共振端面２ａが基準線２１ｂに沿うように、ステージ２１の基準面２１ａ上に固定される。
【００２７】
光検出器２２は、半導体レーザバー２の前方に配置される。光検出器２２は、一次元状や二次元状に配置された複数の光検出部を有し、半導体レーザバー２に含まれる各半導体レーザ素子から出射されたレーザ光ＬａのＦＦＰを測定する。特に、一次元状に配置された複数の光検出部を光検出器２２が有する場合には、レーザ光Ｌａの光軸周りに光検出器２２を回転させることによって、レーザ光ＬａのＦＦＰを好適に測定することができる。そして、ＦＦＰに関するデータＤａが、光検出器２２から出力される。このデータＤａは、演算部２３に送られる。
【００２８】
演算部２３は、光検出器２２から提供されたデータＤａに基づいて、ＦＦＰのピーク位置を求める。そして、このピーク位置から定まるレーザ光Ｌａの出射方向と、ステージ２１の基準面２１ａ及び基準線２１ｂとの相対角度（すなわち、図１に示された光出射方向ベクトルＶｏｕｔと光導波方向ベクトルＶＣとの成す角度θ2）を求めたのち、上述した数式（２）を利用して、図１に示された法線方向ベクトルＶＮと光導波方向ベクトルＶＣとの成す角度θ1を算出する。
【００２９】
ここで、図３（ａ）は、半導体レーザバー２、ステージ２１及び光検出器２２からなる測定系をＹ軸方向から見た側面図である。また、図３（ｂ）は、この測定系をＺ軸方向から見た平面図である。光導波方向に対して共振端面２ａの法線方向がＺ軸方向に傾いている場合、図３（ａ）に示されるように、レーザ光Ｌａの出射方向は基準面２１ａに対して或る角度θZ2でもってＺ軸方向に傾斜する。なお、基準面２１ａは光導波方向と平行であり、図中の一点鎖線Ｂ１は基準面２１ａに対して平行な光導波路の中心軸線である。そして、光検出器２２の光検出面上では、光導波路の中心軸線Ｂ１と光検出面との交点２２ａに対して、ＦＦＰがピークとなる点Ｐの位置がＺ軸方向に距離ＤＺを有する。この距離ＤＺと、半導体レーザバー２及び光検出面の間隔に基づき、角度θZ2を求めることができる。
【００３０】
また、光導波方向に対して共振端面２ａの法線方向がＹ軸方向に傾いている場合、図３（ｂ）に示されるように、レーザ光Ｌａの出射方向は基準線２１ｂの法線（すなわち光導波路の中心軸線Ｂ１）に対して或る角度θY2でもってＹ軸方向に傾斜する。なお、基準線２１ｂは、共振端面２ａと平行である。そして、光検出器２２の光検出面上では、光導波路の中心軸線Ｂ１と光検出面との交点２２ａに対して、ＦＦＰがピークとなる点Ｐの位置がＹ軸方向に距離ＤＹを有する。この距離ＤＹと、半導体レーザバー２及び光検出面の間隔に基づき、角度θY2を求めることができる。演算部２３は、このような方法により角度θZ2及びθY2を求めたのち、上述した数式（３）を利用して、角度θ1を構成するＸＺ平面成分θZ1及びＸＹ平面成分θY1を算出する。
【００３１】
図４は、本実施形態において測定対象となる半導体レーザバー２の構成の一例を示す正面図である。図４に示されるように、半導体レーザバー２は、半導体レーザ素子となる複数のレーザ構造部１４を含んでいる。これらのレーザ構造部１４は、光導波方向と交差する方向（Ｙ軸方向）に並んで設けられている。また、半導体レーザバー２は、例えば窒化ガリウムからなる半導体基板１０と、半導体基板１０の主面１０ａ上に設けられた活性層３１を含む半導体積層３２と、半導体積層３２に形成され所定の光導波方向に延びる光導波路構造３３と、光導波路構造３３の両端に形成された一対の共振端面（一方の端面１２のみ図示）と、光導波路構造３３に電流を供給する為の電極３４とを有している。なお、図３に例示される半導体レーザバー２は、光導波路構造としていわゆるリッジ構造を有しているが、光導波路構造はこれに限られるものではなく、埋込みメサ形状等の他の構造が採用されてもよい。
【００３２】
本実施形態では、半導体基板１０、及び光導波路を構成する半導体積層３２は、窒化ガリウム系半導体から成ることができる。この場合、半導体基板１０の主面１０ａは、窒化ガリウム系半導体のｃ軸と直交する平面に対してｍ軸方向に傾斜していてもよい。なお、主面のｍ軸方向への傾斜角度は、６３°以上８０°未満であることが好ましい。また、半導体基板１０及び半導体積層３２が窒化ガリウム系半導体から成る場合、半導体レーザ素子の発振波長は４８０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下であることが好ましく、５１０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下であることが尚好ましい。
【００３３】
電極３４は、光導波路構造３３上に設けられており、例えばｐ型電極として光導波路構造３３の半導体層とオーミック接触を成す。電極３４は金属膜３５によって覆われており、電極３４は、この金属膜３５を介してワイヤボンディングの為の電極パッド等に接続される。また、半導体基板１０の裏面１０ｂ上には、別の電極３６が設けられている。電極３６は、例えばｎ型電極として半導体基板１０とオーミック接触を成す。
【００３４】
なお、光導波路構造３３の側面は、誘電体膜３７によって覆われている。誘電体膜３７は、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮ、若しくはＳｉＯＮといった絶縁性シリコン化合物から成る。誘電体膜３７は、光導波路構造３３上に開口を有しており、上述した電極３４はこの開口を介して光導波路構造３３の半導体層と接触している。
【００３５】
続いて、本実施形態に係る半導体レーザ素子の端面角度測定方法について説明する。なお、この端面角度測定方法は、半導体レーザ素子の製造過程において行われるものであることから、以下の説明では、当該方法を半導体レーザ素子の製造方法と共に説明している。
【００３６】
図５は、本実施形態に係る端面角度測定方法を示すフローチャートである。図５に示されるように、まず、ウエハ状の半導体基板１０の主面１０ａ上に、活性層３１を含む半導体積層３２を成長させる（成長工程Ｓ１１）。次に、半導体積層３２の一部に対してエッチングを行うことにより、光導波路構造３３を形成する（導波路形成工程Ｓ１２）。そして、ウエハ状の半導体基板１０を、光導波路に対して直交する方向に沿って割断することにより、一対の共振端面２ａを有する半導体レーザバー２を形成する（バー形成工程Ｓ１３）。その後、一対の共振端面２ａそれぞれの上に誘電体多層膜を形成する（誘電体膜形成工程Ｓ１４）。これらの誘電体多層膜は、いわゆる反射防止膜（ＡＲ膜）や高反射膜（ＨＲ膜）と呼ばれるものである。
【００３７】
続いて、半導体レーザバー２を、一方の共振端面２ａが基準線２１ｂに沿うようにステージ２１の基準面２１ａ上に固定する（固定ステップＳ１５）。なお、この固定ステップＳ１５では、基準面２１ａに対する半導体基板１０の主面１０ａの角度、及び基準線２１ｂに対する半導体レーザバー２の共振端面２ａの角度を実質的に０°に近づけることが望ましく、具体的にはそれぞれ０．１°以下とすることが好ましい。次に、半導体レーザバー２の電極３４と電極３６との間に電流を供給して、半導体レーザバー２の共振端面２ａに含まれる各半導体レーザ素子の共振端面１２から、レーザ光Ｌａを出射させる（出射ステップＳ１６）。
【００３８】
続いて、光検出器２２によりレーザ光ＬａのＦＦＰを測定して、データＤａを生成する（測定ステップＳ１７）。そして、先のステップにより得られたＦＦＰのピーク位置Ｐにより定まるレーザ光Ｌａの出射方向と、基準面２１ａ及び基準線２１ｂとの相対角度θ2（θY2，θZ2）から、角度θ1（θY1，θZ1）を算出する（算出ステップＳ１８）。
【００３９】
こののち、半導体レーザバー２は、劈開やダイシング等によって個々の半導体レーザ素子１Ａに分離される（分離工程Ｓ１９）。なお、これらの半導体レーザ素子１Ａに対し、上述したステップＳ１５〜Ｓ１８と同様にして角度θ1を再度測定してもよい。以上の工程を経て、角度θ1が所定の基準値内である半導体レーザ素子１Ａが選別され、後の工程（パッケージへの実装工程等）へ送られる。
【００４０】
以上に説明した、本実施形態による半導体レーザ素子の端面角度測定方法によって得られる効果について説明する。前述したように、一般的に端面発光型の半導体レーザ素子の共振端面は、光導波路に対して垂直に形成される。しかし、諸々の理由により、光導波路に対する共振端面の角度を精度良く垂直にすることが難しい場合がある。共振端面の法線が光導波路に対して傾くと、該共振端面における光反射率が低下し、光損失が増大してレーザ発振のための閾値電流が増加してしまうという問題が生じる。
【００４１】
ここで、図６は、共振端面の法線と光導波路との成す角度と、閾値電流の増加割合との関係を示すグラフである。図６（ａ）は水平方向（すなわち半導体基板の主面に平行な方向）における関係を示しており、図６（ｂ）は垂直方向（すなわち半導体基板の主面に垂直な方向）における関係を示している。図６を参照すると、水平方向及び垂直方向共に、共振端面の法線と光導波路との成す角度が大きくなる程、閾値電流の増加割合が増える（すなわち閾値電流が大きくなる）ことがわかる。
【００４２】
したがって、半導体レーザ素子を製造する際には、共振端面の法線と光導波路との成す角度を測定し、この角度が所定の基準値より小さいものを選別することが望まれる。しかし、半導体レーザ素子の端面は、例えば水平方向の幅２μｍ、垂直方向の幅１μｍといった極めて小さな領域である。したがって、例えば特許文献１に記載された方法を用いて、外部より照射したレーザの反射角度からこの小さな領域の角度を算出することは困難である。
【００４３】
また、走査型透過電子顕微鏡を用いて分析すれば上記角度を正確に知ることができるが、破壊検査となってしまうので、半導体レーザ素子の製造時における選別にこの方法を用いることはできない。また、半導体レーザ素子をパッケージに実装した後にレーザ光の出射方向を測定することも考えられるが、半導体レーザ素子とサブマウントとの接合、或いはサブマウントとステムとの接合において、両者の平行度が低いことを考慮すると、角度測定の基準となる光導波方向を例えば０．５°程度の高い精度でもって正確に知ることは困難である。
【００４４】
なお、共振端面の法線と光導波路との成す角度のうち水平方向の角度成分については、例えば共振端面の上方から撮影した光学顕微鏡写真を用いて測定することが可能である。一方、垂直方向の角度成分は、例えばレーザ顕微鏡やＦＩＢ−ＳＥＭを使用して測定することが可能である。すなわち、図７に示されるようなレーザ顕微鏡のプロファイルから共振端面及び上面の傾きを読み取り、それらの交わる角度を求めることができる。しかしながら、レーザ顕微鏡では基板部分の共振端面の傾きしか得ることができないが、共振端面の角度は、基板部分と半導体積層とで異なる場合がある。また、ＦＩＢ−ＳＥＭによる角度測定は多くの手間を必要とし、また破壊検査でもある。したがって、半導体レーザ素子の製造時における選別にこの方法は用い難い。
【００４５】
上述した問題に対し、本実施形態による方法では、固定ステップＳ１５において、複数の半導体レーザ素子１Ａを含む半導体レーザバー２をステージ２１の基準面２１ａ上に固定する。このように、半導体レーザ素子１Ａを製造する過程において作製される半導体レーザバー２の段階でステージ２１に固定することによって、共振端面１２が基準線２１ｂに精度良く沿うように半導体レーザ素子１Ａを固定することができる。更に、本実施形態による方法では、測定ステップＳ１７においてレーザ光ＬａのＦＦＰを測定したのち、算出ステップＳ１８において、ＦＦＰのピーク位置により定まるレーザ光Ｌａの出射方向と、基準面２１ａ及び基準線２１ｂとの相対角度θ2から傾斜角θ1を算出する。なお、角度θ1は、角度θ2を用いて、例えば上述した数式（３）やこれに相当する演算式により容易に求めることができる。したがって、本実施形態に係る端面角度測定方法によれば、光導波方向と、共振端面１２の法線方向との成す角度θ1を容易に求めることができる。このように、本実施形態に係る半導体レーザ素子の端面角度測定方法によれば、半導体レーザ素子１Ａを精度良く固定することができ、且つ角度θ1を容易に求めることができるので、共振端面１２の角度θ1を容易に且つ精度良く測定することができる。
【００４６】
なお、一般的に半導体レーザ素子では、光閉じ込めの強さが水平方向及び垂直方向で互いに異なる。光閉じ込めが強いほど共振端面の角度の影響が小さくなるので、共振端面の角度の基準値を設定する際には、図３に示された水平方向の角度θY2及び垂直方向の角度θZ2のそれぞれについて、個別に基準値を設定することが望ましい。例えば、図６に示されたグラフを参照すると、水平方向（図６（ａ））では、角度θY2が１°のときに閾値電流の増加割合が１となるのに対し、垂直方向（図６（ｂ））では、角度θZ2が３．３°のときに閾値電流の増加割合が１となっている。共振端面の角度の基準値を設定する際には、このような相違を考慮することが望ましい。
【００４７】
また、本実施形態のように、算出ステップＳ１８において、基準面２１ａ及び基準線２１ｂに対するレーザ光Ｌａの出射方向の相対角度θ2を、ＦＦＰのピーク位置Ｐ（図３参照）から決定し、上述した数式（３）に基づいて角度θ1を算出することが好ましい。これにより、上記角度θ1を容易且つ正確に算出することができる。
【００４８】
また、本実施形態のように、固定ステップＳ１５において、基準面２１ａに対する半導体基板１０の主面１０ａの角度、及び基準線２１ｂに対する半導体レーザ素子１Ａの共振端面１２（半導体レーザバー２の共振端面２ａ）の角度をそれぞれ０．１°以下とすることが好ましい。このように、基準面２１ａ及び基準線２１ｂに対して半導体レーザ素子１Ａ（半導体レーザバー２）を精度良く固定することによって、角度θ1を更に精度良く測定することができる。
【００４９】
また、本実施形態のように、半導体基板１０及び半導体積層３２は窒化ガリウム系半導体から成ることができる。この場合、半導体基板１０の主面１０ａは、窒化ガリウム系半導体のｃ軸と直交する平面に対してｍ軸方向に傾斜していてもよい。前述したように、緑色のレーザ光を生成する半導体レーザ素子では、活性層に生じるピエゾ電界を低減する為に、例えば｛２０−２１｝面といった半極性面を主面とする窒化ガリウム基板が用いられることがある。この場合、光導波路に対して垂直な劈開面が存在しないため、光導波路に垂直な平面に対して共振端面が僅かに傾斜し易くなってしまう。このような問題に対し、本実施形態に係る端面角度測定方法によれば、半導体レーザ素子１Ａの共振端面１２の角度θ1を容易に且つ精度良く測定することができるので、半導体レーザ素子１Ａの製造過程において、共振端面１２の傾斜が比較的小さい半導体レーザ素子１Ａを正確に選別することができる。
【００５０】
なお、半導体レーザ素子１Ａをパッケージに実装した後に端面角度を測定すると、一対の共振端面のうち一方（光出射端面）しか角度を測定することができないが、本実施形態では、半導体レーザバー２の状態で測定を行うので、一対の共振端面の双方の角度を測定することが可能になる。通常、一方の共振端面は反射率５０％程度であり、光出射端面となる。また、他方の共振端面は反射率９０％程度であり、光反射端面となる。
【符号の説明】
【００５１】
１Ａ…半導体レーザ素子、２…半導体レーザバー、２ａ…共振端面、１０…半導体基板、１０ａ…主面、１０ｂ…裏面、１１…光導波路、１２…共振端面、１４…レーザ構造部、２０…測定装置、２１…ステージ、２１ａ…基準面、２１ｂ…基準線、２２…光検出器、２２ａ…交点、２３…演算部、３１…活性層、３２…半導体積層、３３…光導波路構造、３４，３６…電極、３５…金属膜、３７…誘電体膜、Ｂ１…中心軸線、Ｄａ…データ、ＤＹ…距離、ＤＺ…距離、Ｌ１…中心軸線、Ｌａ…レーザ光、Ｐ…ピーク位置、ＶＣ…光導波方向ベクトル、ＶＮ…法線方向ベクトル、Ｖｏｕｔ…光出射方向ベクトル。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子の端面角度測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、光コネクタの端面の角度を高精度に測定する方法が記載されている。この測定方法では、レーザ光を光コネクタ端面で反射させ、該反射光を光コネクタ端面より所定の距離離れた場所で位置に換算し、光コネクタを光コネクタ端面のレーザ光焦点中心で１８０°回転して同様に位置を測定し、上記２つの位置より角度に換算する。このとき、固定した２本のガイドピンに対して多心光コネクタを反転して装着することにより、多心光コネクタを光コネクタ端面のレーザ光焦点中心で１８０°回転し、かつ光コネクタ又はレーザ光の少くとも一方を走査することにより、光コネクタ端面の任意の場所の角度を測定する。
【０００３】
特許文献２には、光ファイバの端面の傾斜角を測定する方法が記載されている。この方法では、光ファイバの端面から出射したレーザ光の屈折角を測定し、所定の関係式を用いて光ファイバの端面傾斜角を決定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２８１５３３号公報
【特許文献２】特開２００５−２３３８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常、端面発光型の半導体レーザ素子の共振端面は光導波路に対して垂直に形成される。例えば、窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子では、窒化ガリウム基板の｛０００１｝面（すなわちｃ面）を成長面として活性層等を成長させ、｛０００１｝面に垂直な｛１−１００｝面（ｍ面）や｛１１−２０｝面（ａ面）で基板や活性層等を劈開することによって、共振端面を形成する。この場合、光導波路の長手方向をこれらの劈開面に対して垂直に設定することにより、共振端面を光導波路に対して高い精度でもって垂直にすることができる。
【０００６】
しかしながら、諸々の理由により、光導波路に対する共振端面の角度を精度良く垂直にすることが難しい場合がある。例えば、緑色のレーザ光を生成する半導体レーザ素子では、活性層に生じるピエゾ電界を低減する為に、例えば｛２０−２１｝面といった半極性面を主面とする窒化ガリウム基板が用いられることがある。この場合、窒化ガリウム基板の主面に対して垂直な劈開面が存在しないため、共振端面の法線が、光導波路の長手方向に対して基板の厚さ方向へ傾き易くなってしまう。また、主面上における光導波路の長手方向も、レーザ発振効率を向上させる為に基板の結晶面とは無関係の任意の方向に設定されることがある。この場合、共振端面の法線が、光導波路の長手方向に対して基板主面に沿った方向へ傾き易くなってしまう。これらのように共振端面が傾斜すると、該端面における光反射率が低下し、光損失が増大してレーザ発振のための閾値電流が増加してしまうという問題が生じる。
【０００７】
なお、特許文献１に記載された方法のように、測定対象である端面にレーザ光を照射してその傾斜角を測定する場合には、半導体レーザ素子の共振端面のような極めて微小な領域にレーザ光を正確に照射することが要求されるため、共振端面の傾斜角を容易に測定することができないという問題がある。また、特許文献２に記載された方法では光ファイバの端面の傾斜角を測定している。一般的に光ファイバは或る程度（例えば数十センチメートル）の長さを有しているので、光ファイバを真っ直ぐに伸張させて固定することにより、角度測定の基準となる軸線に沿って光ファイバを精度良く固定することができる。しかし、光ファイバと比較して寸法が極めて小さい半導体レーザ素子を角度測定の基準となる軸線に沿って精度良く固定することは難しい。
【０００８】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、半導体レーザ素子の共振端面の角度を容易に且つ精度良く測定することができる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明による半導体レーザ素子の端面角度測定方法は、基板の主面に沿った光導波路を有する端面発光型の半導体レーザ素子の共振端面の法線と、光導波路の光導波方向との成す角度を測定する方法であって、光導波路の光導波方向と交差する方向に並んだ複数の半導体レーザ素子を含む半導体レーザバーを、共振端面が所定の基準線に沿うように治具の基準面上に固定する固定ステップと、半導体レーザバーの複数の半導体レーザ素子の共振端面からレーザ光を出射させる出射ステップと、レーザ光の遠視野像を測定する測定ステップと、遠視野像のピーク位置により定まるレーザ光の出射方向と、所定の基準線及び基準面との相対角度から上記角度を算出する算出ステップとを備えることを特徴とする。
【００１０】
この方法では、固定ステップの際に、複数の半導体レーザ素子を含む半導体レーザバーを治具の基準面上に固定する。このように、半導体レーザ素子を製造する過程において作製される半導体レーザバーの段階で治具に固定することによって、共振端面が所定の基準線に精度良く沿うように半導体レーザ素子を固定することができる。更に、この方法では、測定ステップでレーザ光の遠視野像を測定したのち、算出ステップにおいて、遠視野像のピーク位置により定まるレーザ光の出射方向と、所定の基準線及び基準面との相対角度から傾斜角を算出する。光導波方向が共振端面の法線方向に対して傾斜している場合、光導波方向と共振端面の法線方向との成す角度θ1は、レーザ光の出射方向と共振端面の法線方向との成す角度θ2を用いて、例えば次の数式（１）のように表される。
【数１】
なお、ｎ1は光導波路の実効屈折率であり、ｎ2は空気の屈折率である。したがって、上記した方法によれば、例えば上記数式（１）やこれに相当する演算式を用いることにより、光導波方向と共振端面の法線方向との成す角度を容易に求めることができる。
【００１１】
以上に述べたように、本発明に係る半導体レーザ素子の端面角度測定方法によれば、半導体レーザ素子を精度良く固定することができ、且つ光導波方向と共振端面の法線方向との成す角度を容易に求めることができるので、共振端面の角度を容易に且つ精度良く測定することができる。
【００１２】
また、半導体レーザ素子の端面角度測定方法は、算出ステップにおいて、所定の基準線及び基準面に対するレーザ光の出射方向の相対角度θ2を遠視野像のピーク位置から決定し、上述した数式（１）に基づいて、上記角度θ1を算出することを特徴としてもよい。これにより、上記角度θ1を容易且つ正確に算出することができる。
【００１３】
また、半導体レーザ素子の端面角度測定方法は、固定ステップにおいて、基準面に対する基板の主面の角度、及び所定の基準線に対する半導体レーザバーの共振端面の角度をそれぞれ０．１°以下とすることを特徴としてもよい。このように、基準面及び所定の基準線に対して半導体レーザ素子を精度良く固定することによって、共振端面の角度を更に精度良く測定することができる。
【００１４】
また、半導体レーザ素子の端面角度測定方法は、基板、及び光導波路を構成する半導体層が窒化ガリウム系半導体から成ることを特徴としてもよい。この場合、基板の主面は、窒化ガリウム系半導体のｃ軸と直交する平面に対してｍ軸方向に傾斜していてもよい。上述したように、緑色のレーザ光を生成する半導体レーザ素子では、活性層に生じるピエゾ電界を低減する為に、例えば｛２０−２１｝面といった半極性面を主面とする窒化ガリウム基板が用いられることがある。この場合、光導波路に対して垂直な劈開面が存在しないため、光導波路に垂直な平面に対して共振端面が僅かに傾斜し易くなってしまう。このような問題に対し、本発明に係る端面角度測定方法によれば、半導体レーザ素子の共振端面の角度を容易に且つ精度良く測定することができるので、半導体レーザ素子の製造過程において、共振端面の傾斜が比較的小さい半導体レーザ素子を正確に選別することができる。なお、主面のｍ軸方向への傾斜角度は、６３°以上８０°未満であることが好ましい。
【００１５】
また、基板、及び光導波路を構成する半導体層が窒化ガリウム系半導体から成る場合、半導体レーザ素子の発振波長は４８０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下であることが好ましく、５１０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下であることが尚好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明による半導体レーザ素子の端面角度測定方法によれば、半導体レーザ素子の共振端面の角度を容易に且つ精度良く測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、端面角度測定方法の原理を説明するための図である。
【図２】図２は、一実施形態に係る半導体レーザ素子の端面角度測定方法を実施するための測定装置の構成を概略的に示す図である。
【図３】図３（ａ）は、半導体レーザバー、ステージ及び光検出器からなる測定系をＹ軸方向から見た側面図である。図３（ｂ）は、この測定系をＺ軸方向から見た平面図である。
【図４】図４は、一実施形態において測定対象となる半導体レーザバーの構成の一例を示す正面図である。
【図５】図５は、一実施形態に係る端面角度測定方法を示すフローチャートである。
【図６】図６は、共振端面の法線と光導波路との成す角度と、閾値電流の増加割合との関係を示すグラフである。
【図７】図７は、レーザ顕微鏡のプロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体レーザ素子の端面角度測定方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
まず、本実施形態による端面角度測定方法の原理について説明する。図１は、端面角度測定方法の原理を説明するための図であって、一つの半導体レーザ素子１Ａが示されている。なお、この図１は、半導体レーザ素子１Ａの平面断面図と見なされることができ、或いは半導体レーザ素子１Ａの側面断面図と見なされることもできる。
【００２０】
この半導体レーザ素子１Ａは、いわゆる端面発光型の半導体レーザ素子であって、基板の主面に沿った光導波路１１と、光導波路１１の一端に形成された共振端面１２とを有している。一般に、半導体レーザ素子の共振端面の法線は光導波路の中心軸線と平行である。しかし、例えば窒化ガリウム系半導体の半極性面上に成長した活性層等を有する半導体レーザ素子１Ａでは、図１に示されるように、共振端面１２の法線が光導波路１１の中心軸線Ｌ１に対して傾くことがある。
【００２１】
ここで、共振端面１２の法線方向を表すベクトルをＶＮ、光導波路１１の中心軸線の方向（すなわち光導波方向）を表すベクトルをＶＣ、光出射方向（厳密には、出射されたレーザ光の遠視野像（ファーフィールドパターン；ＦＦＰ）において光強度がピークとなる方向）を表すベクトルをＶｏｕｔとする。図１に示されるように、法線方向ベクトルＶＮが光導波方向ベクトルＶＣに対して或る有意の角度θ1を成している場合、この角度θ1と、法線方向ベクトルＶＮに対する光出射方向ベクトルＶｏｕｔの角度θ3とは、次の関係を有する。
【数２】
なお、ｎ1は光導波路の実効屈折率であり、例えば活性層３１がＧａＮからなる場合、ｎ1＝２．４である。ｎ2は空気の屈折率であり、標準的にはｎ2＝１．０である。
【００２２】
また、図１を参照すると、光出射方向ベクトルＶｏｕｔと光導波方向ベクトルＶＣとの成す角度（すなわち共振端面の傾斜角）θ2は、θ2＝θ3−θ1として求められる。したがって、この関係式及び数式（２）より、角度θ1と角度θ2とは、以下の数式（３）の関係を有する。
【数３】
【００２３】
そこで、本実施形態では、まず光出射方向ベクトルＶｏｕｔと法線方向ベクトルＶＮとの成す角度θ2を測定し、得られた角度θ2と上記数式（３）とに基づいて、法線方向ベクトルＶＮと光導波方向ベクトルＶＣとの成す角度θ1を算出する。また、角度θ2の測定方法として、或る基準に対して共振端面１２の角度が正確に固定された半導体レーザ素子から出射されるレーザ光のＦＦＰを測定し、このＦＦＰにおいて光強度がピークとなる位置から光出射方向を求める方法を採用する。
【００２４】
図２は、本実施形態に係る半導体レーザ素子の端面角度測定方法を実施するための測定装置の構成を概略的に示す図である。なお、図２には、理解の容易のためにＸＹＺ直交座標系が併せて示されている。
【００２５】
図２に示されるように、この測定装置２０は、ステージ２１と、光検出器２２と、演算部２３とを備えている。ステージ２１は、測定対象である半導体レーザ素子を固定するための治具であり、半導体レーザ素子が載置される基準面２１ａと、基準面２１ａ上に設定された所定の基準線２１ｂとを有している。基準面２１ａは、ＸＹ平面に沿って延びている。基準線２１ｂは、基準面２１ａの一つのエッジに沿って延びており、且つＹ軸方向に沿って延びている。なお、図２では基準線２１ｂが基準面２１ａのエッジの内側に設定されているが、基準線２１ｂは、基準面２１ａのエッジと一致するように設定されてもよく、基準面２１ａのエッジの外側に設定されてもよい。
【００２６】
ステージ２１の基準面２１ａ上には、半導体レーザバー２が載置される。半導体レーザバー２は、光導波路の光導波方向と交差する方向（すなわち半導体レーザバー２の長手方向。図２ではＹ軸方向に一致している）に並んだ複数の半導体レーザ素子を含んでいる。このような半導体レーザバー２は、半導体レーザ素子の製造過程において、レーザ発振のための半導体積層構造をウエハ上に形成したのち、このウエハを劈開（若しくは割断）して一対の共振端面を形成した際に、生成されるものである。図２に示されるように、半導体レーザバー２は、複数の半導体レーザ素子の共振端面を含む共振端面２ａが基準線２１ｂに沿うように、ステージ２１の基準面２１ａ上に固定される。
【００２７】
光検出器２２は、半導体レーザバー２の前方に配置される。光検出器２２は、一次元状や二次元状に配置された複数の光検出部を有し、半導体レーザバー２に含まれる各半導体レーザ素子から出射されたレーザ光ＬａのＦＦＰを測定する。特に、一次元状に配置された複数の光検出部を光検出器２２が有する場合には、レーザ光Ｌａの光軸周りに光検出器２２を回転させることによって、レーザ光ＬａのＦＦＰを好適に測定することができる。そして、ＦＦＰに関するデータＤａが、光検出器２２から出力される。このデータＤａは、演算部２３に送られる。
【００２８】
演算部２３は、光検出器２２から提供されたデータＤａに基づいて、ＦＦＰのピーク位置を求める。そして、このピーク位置から定まるレーザ光Ｌａの出射方向と、ステージ２１の基準面２１ａ及び基準線２１ｂとの相対角度（すなわち、図１に示された光出射方向ベクトルＶｏｕｔと光導波方向ベクトルＶＣとの成す角度θ2）を求めたのち、上述した数式（２）を利用して、図１に示された法線方向ベクトルＶＮと光導波方向ベクトルＶＣとの成す角度θ1を算出する。
【００２９】
ここで、図３（ａ）は、半導体レーザバー２、ステージ２１及び光検出器２２からなる測定系をＹ軸方向から見た側面図である。また、図３（ｂ）は、この測定系をＺ軸方向から見た平面図である。光導波方向に対して共振端面２ａの法線方向がＺ軸方向に傾いている場合、図３（ａ）に示されるように、レーザ光Ｌａの出射方向は基準面２１ａに対して或る角度θZ2でもってＺ軸方向に傾斜する。なお、基準面２１ａは光導波方向と平行であり、図中の一点鎖線Ｂ１は基準面２１ａに対して平行な光導波路の中心軸線である。そして、光検出器２２の光検出面上では、光導波路の中心軸線Ｂ１と光検出面との交点２２ａに対して、ＦＦＰがピークとなる点Ｐの位置がＺ軸方向に距離ＤＺを有する。この距離ＤＺと、半導体レーザバー２及び光検出面の間隔に基づき、角度θZ2を求めることができる。
【００３０】
また、光導波方向に対して共振端面２ａの法線方向がＹ軸方向に傾いている場合、図３（ｂ）に示されるように、レーザ光Ｌａの出射方向は基準線２１ｂの法線（すなわち光導波路の中心軸線Ｂ１）に対して或る角度θY2でもってＹ軸方向に傾斜する。なお、基準線２１ｂは、共振端面２ａと平行である。そして、光検出器２２の光検出面上では、光導波路の中心軸線Ｂ１と光検出面との交点２２ａに対して、ＦＦＰがピークとなる点Ｐの位置がＹ軸方向に距離ＤＹを有する。この距離ＤＹと、半導体レーザバー２及び光検出面の間隔に基づき、角度θY2を求めることができる。演算部２３は、このような方法により角度θZ2及びθY2を求めたのち、上述した数式（３）を利用して、角度θ1を構成するＸＺ平面成分θZ1及びＸＹ平面成分θY1を算出する。
【００３１】
図４は、本実施形態において測定対象となる半導体レーザバー２の構成の一例を示す正面図である。図４に示されるように、半導体レーザバー２は、半導体レーザ素子となる複数のレーザ構造部１４を含んでいる。これらのレーザ構造部１４は、光導波方向と交差する方向（Ｙ軸方向）に並んで設けられている。また、半導体レーザバー２は、例えば窒化ガリウムからなる半導体基板１０と、半導体基板１０の主面１０ａ上に設けられた活性層３１を含む半導体積層３２と、半導体積層３２に形成され所定の光導波方向に延びる光導波路構造３３と、光導波路構造３３の両端に形成された一対の共振端面（一方の端面１２のみ図示）と、光導波路構造３３に電流を供給する為の電極３４とを有している。なお、図３に例示される半導体レーザバー２は、光導波路構造としていわゆるリッジ構造を有しているが、光導波路構造はこれに限られるものではなく、埋込みメサ形状等の他の構造が採用されてもよい。
【００３２】
本実施形態では、半導体基板１０、及び光導波路を構成する半導体積層３２は、窒化ガリウム系半導体から成ることができる。この場合、半導体基板１０の主面１０ａは、窒化ガリウム系半導体のｃ軸と直交する平面に対してｍ軸方向に傾斜していてもよい。なお、主面のｍ軸方向への傾斜角度は、６３°以上８０°未満であることが好ましい。また、半導体基板１０及び半導体積層３２が窒化ガリウム系半導体から成る場合、半導体レーザ素子の発振波長は４８０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下であることが好ましく、５１０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下であることが尚好ましい。
【００３３】
電極３４は、光導波路構造３３上に設けられており、例えばｐ型電極として光導波路構造３３の半導体層とオーミック接触を成す。電極３４は金属膜３５によって覆われており、電極３４は、この金属膜３５を介してワイヤボンディングの為の電極パッド等に接続される。また、半導体基板１０の裏面１０ｂ上には、別の電極３６が設けられている。電極３６は、例えばｎ型電極として半導体基板１０とオーミック接触を成す。
【００３４】
なお、光導波路構造３３の側面は、誘電体膜３７によって覆われている。誘電体膜３７は、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮ、若しくはＳｉＯＮといった絶縁性シリコン化合物から成る。誘電体膜３７は、光導波路構造３３上に開口を有しており、上述した電極３４はこの開口を介して光導波路構造３３の半導体層と接触している。
【００３５】
続いて、本実施形態に係る半導体レーザ素子の端面角度測定方法について説明する。なお、この端面角度測定方法は、半導体レーザ素子の製造過程において行われるものであることから、以下の説明では、当該方法を半導体レーザ素子の製造方法と共に説明している。
【００３６】
図５は、本実施形態に係る端面角度測定方法を示すフローチャートである。図５に示されるように、まず、ウエハ状の半導体基板１０の主面１０ａ上に、活性層３１を含む半導体積層３２を成長させる（成長工程Ｓ１１）。次に、半導体積層３２の一部に対してエッチングを行うことにより、光導波路構造３３を形成する（導波路形成工程Ｓ１２）。そして、ウエハ状の半導体基板１０を、光導波路に対して直交する方向に沿って割断することにより、一対の共振端面２ａを有する半導体レーザバー２を形成する（バー形成工程Ｓ１３）。その後、一対の共振端面２ａそれぞれの上に誘電体多層膜を形成する（誘電体膜形成工程Ｓ１４）。これらの誘電体多層膜は、いわゆる反射防止膜（ＡＲ膜）や高反射膜（ＨＲ膜）と呼ばれるものである。
【００３７】
続いて、半導体レーザバー２を、一方の共振端面２ａが基準線２１ｂに沿うようにステージ２１の基準面２１ａ上に固定する（固定ステップＳ１５）。なお、この固定ステップＳ１５では、基準面２１ａに対する半導体基板１０の主面１０ａの角度、及び基準線２１ｂに対する半導体レーザバー２の共振端面２ａの角度を実質的に０°に近づけることが望ましく、具体的にはそれぞれ０．１°以下とすることが好ましい。次に、半導体レーザバー２の電極３４と電極３６との間に電流を供給して、半導体レーザバー２の共振端面２ａに含まれる各半導体レーザ素子の共振端面１２から、レーザ光Ｌａを出射させる（出射ステップＳ１６）。
【００３８】
続いて、光検出器２２によりレーザ光ＬａのＦＦＰを測定して、データＤａを生成する（測定ステップＳ１７）。そして、先のステップにより得られたＦＦＰのピーク位置Ｐにより定まるレーザ光Ｌａの出射方向と、基準面２１ａ及び基準線２１ｂとの相対角度θ2（θY2，θZ2）から、角度θ1（θY1，θZ1）を算出する（算出ステップＳ１８）。
【００３９】
こののち、半導体レーザバー２は、劈開やダイシング等によって個々の半導体レーザ素子１Ａに分離される（分離工程Ｓ１９）。なお、これらの半導体レーザ素子１Ａに対し、上述したステップＳ１５〜Ｓ１８と同様にして角度θ1を再度測定してもよい。以上の工程を経て、角度θ1が所定の基準値内である半導体レーザ素子１Ａが選別され、後の工程（パッケージへの実装工程等）へ送られる。
【００４０】
以上に説明した、本実施形態による半導体レーザ素子の端面角度測定方法によって得られる効果について説明する。前述したように、一般的に端面発光型の半導体レーザ素子の共振端面は、光導波路に対して垂直に形成される。しかし、諸々の理由により、光導波路に対する共振端面の角度を精度良く垂直にすることが難しい場合がある。共振端面の法線が光導波路に対して傾くと、該共振端面における光反射率が低下し、光損失が増大してレーザ発振のための閾値電流が増加してしまうという問題が生じる。
【００４１】
ここで、図６は、共振端面の法線と光導波路との成す角度と、閾値電流の増加割合との関係を示すグラフである。図６（ａ）は水平方向（すなわち半導体基板の主面に平行な方向）における関係を示しており、図６（ｂ）は垂直方向（すなわち半導体基板の主面に垂直な方向）における関係を示している。図６を参照すると、水平方向及び垂直方向共に、共振端面の法線と光導波路との成す角度が大きくなる程、閾値電流の増加割合が増える（すなわち閾値電流が大きくなる）ことがわかる。
【００４２】
したがって、半導体レーザ素子を製造する際には、共振端面の法線と光導波路との成す角度を測定し、この角度が所定の基準値より小さいものを選別することが望まれる。しかし、半導体レーザ素子の端面は、例えば水平方向の幅２μｍ、垂直方向の幅１μｍといった極めて小さな領域である。したがって、例えば特許文献１に記載された方法を用いて、外部より照射したレーザの反射角度からこの小さな領域の角度を算出することは困難である。
【００４３】
また、走査型透過電子顕微鏡を用いて分析すれば上記角度を正確に知ることができるが、破壊検査となってしまうので、半導体レーザ素子の製造時における選別にこの方法を用いることはできない。また、半導体レーザ素子をパッケージに実装した後にレーザ光の出射方向を測定することも考えられるが、半導体レーザ素子とサブマウントとの接合、或いはサブマウントとステムとの接合において、両者の平行度が低いことを考慮すると、角度測定の基準となる光導波方向を例えば０．５°程度の高い精度でもって正確に知ることは困難である。
【００４４】
なお、共振端面の法線と光導波路との成す角度のうち水平方向の角度成分については、例えば共振端面の上方から撮影した光学顕微鏡写真を用いて測定することが可能である。一方、垂直方向の角度成分は、例えばレーザ顕微鏡やＦＩＢ−ＳＥＭを使用して測定することが可能である。すなわち、図７に示されるようなレーザ顕微鏡のプロファイルから共振端面及び上面の傾きを読み取り、それらの交わる角度を求めることができる。しかしながら、レーザ顕微鏡では基板部分の共振端面の傾きしか得ることができないが、共振端面の角度は、基板部分と半導体積層とで異なる場合がある。また、ＦＩＢ−ＳＥＭによる角度測定は多くの手間を必要とし、また破壊検査でもある。したがって、半導体レーザ素子の製造時における選別にこの方法は用い難い。
【００４５】
上述した問題に対し、本実施形態による方法では、固定ステップＳ１５において、複数の半導体レーザ素子１Ａを含む半導体レーザバー２をステージ２１の基準面２１ａ上に固定する。このように、半導体レーザ素子１Ａを製造する過程において作製される半導体レーザバー２の段階でステージ２１に固定することによって、共振端面１２が基準線２１ｂに精度良く沿うように半導体レーザ素子１Ａを固定することができる。更に、本実施形態による方法では、測定ステップＳ１７においてレーザ光ＬａのＦＦＰを測定したのち、算出ステップＳ１８において、ＦＦＰのピーク位置により定まるレーザ光Ｌａの出射方向と、基準面２１ａ及び基準線２１ｂとの相対角度θ2から傾斜角θ1を算出する。なお、角度θ1は、角度θ2を用いて、例えば上述した数式（３）やこれに相当する演算式により容易に求めることができる。したがって、本実施形態に係る端面角度測定方法によれば、光導波方向と、共振端面１２の法線方向との成す角度θ1を容易に求めることができる。このように、本実施形態に係る半導体レーザ素子の端面角度測定方法によれば、半導体レーザ素子１Ａを精度良く固定することができ、且つ角度θ1を容易に求めることができるので、共振端面１２の角度θ1を容易に且つ精度良く測定することができる。
【００４６】
なお、一般的に半導体レーザ素子では、光閉じ込めの強さが水平方向及び垂直方向で互いに異なる。光閉じ込めが強いほど共振端面の角度の影響が小さくなるので、共振端面の角度の基準値を設定する際には、図３に示された水平方向の角度θY2及び垂直方向の角度θZ2のそれぞれについて、個別に基準値を設定することが望ましい。例えば、図６に示されたグラフを参照すると、水平方向（図６（ａ））では、角度θY2が１°のときに閾値電流の増加割合が１となるのに対し、垂直方向（図６（ｂ））では、角度θZ2が３．３°のときに閾値電流の増加割合が１となっている。共振端面の角度の基準値を設定する際には、このような相違を考慮することが望ましい。
【００４７】
また、本実施形態のように、算出ステップＳ１８において、基準面２１ａ及び基準線２１ｂに対するレーザ光Ｌａの出射方向の相対角度θ2を、ＦＦＰのピーク位置Ｐ（図３参照）から決定し、上述した数式（３）に基づいて角度θ1を算出することが好ましい。これにより、上記角度θ1を容易且つ正確に算出することができる。
【００４８】
また、本実施形態のように、固定ステップＳ１５において、基準面２１ａに対する半導体基板１０の主面１０ａの角度、及び基準線２１ｂに対する半導体レーザ素子１Ａの共振端面１２（半導体レーザバー２の共振端面２ａ）の角度をそれぞれ０．１°以下とすることが好ましい。このように、基準面２１ａ及び基準線２１ｂに対して半導体レーザ素子１Ａ（半導体レーザバー２）を精度良く固定することによって、角度θ1を更に精度良く測定することができる。
【００４９】
また、本実施形態のように、半導体基板１０及び半導体積層３２は窒化ガリウム系半導体から成ることができる。この場合、半導体基板１０の主面１０ａは、窒化ガリウム系半導体のｃ軸と直交する平面に対してｍ軸方向に傾斜していてもよい。前述したように、緑色のレーザ光を生成する半導体レーザ素子では、活性層に生じるピエゾ電界を低減する為に、例えば｛２０−２１｝面といった半極性面を主面とする窒化ガリウム基板が用いられることがある。この場合、光導波路に対して垂直な劈開面が存在しないため、光導波路に垂直な平面に対して共振端面が僅かに傾斜し易くなってしまう。このような問題に対し、本実施形態に係る端面角度測定方法によれば、半導体レーザ素子１Ａの共振端面１２の角度θ1を容易に且つ精度良く測定することができるので、半導体レーザ素子１Ａの製造過程において、共振端面１２の傾斜が比較的小さい半導体レーザ素子１Ａを正確に選別することができる。
【００５０】
なお、半導体レーザ素子１Ａをパッケージに実装した後に端面角度を測定すると、一対の共振端面のうち一方（光出射端面）しか角度を測定することができないが、本実施形態では、半導体レーザバー２の状態で測定を行うので、一対の共振端面の双方の角度を測定することが可能になる。通常、一方の共振端面は反射率５０％程度であり、光出射端面となる。また、他方の共振端面は反射率９０％程度であり、光反射端面となる。
【符号の説明】
【００５１】
１Ａ…半導体レーザ素子、２…半導体レーザバー、２ａ…共振端面、１０…半導体基板、１０ａ…主面、１０ｂ…裏面、１１…光導波路、１２…共振端面、１４…レーザ構造部、２０…測定装置、２１…ステージ、２１ａ…基準面、２１ｂ…基準線、２２…光検出器、２２ａ…交点、２３…演算部、３１…活性層、３２…半導体積層、３３…光導波路構造、３４，３６…電極、３５…金属膜、３７…誘電体膜、Ｂ１…中心軸線、Ｄａ…データ、ＤＹ…距離、ＤＺ…距離、Ｌ１…中心軸線、Ｌａ…レーザ光、Ｐ…ピーク位置、ＶＣ…光導波方向ベクトル、ＶＮ…法線方向ベクトル、Ｖｏｕｔ…光出射方向ベクトル。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の主面に沿った光導波路を有する端面発光型の半導体レーザ素子の共振端面の法線と、前記光導波路の光導波方向との成す角度を測定する方法であって、
前記光導波路の光導波方向と交差する方向に並んだ複数の前記半導体レーザ素子を含む半導体レーザバーを、前記共振端面が所定の基準線に沿うように治具の基準面上に固定する固定ステップと、
前記半導体レーザバーの前記複数の半導体レーザ素子の前記共振端面からレーザ光を出射させる出射ステップと、
前記レーザ光の遠視野像を測定する測定ステップと、
前記遠視野像のピーク位置により定まる前記レーザ光の出射方向と、前記所定の基準線及び前記基準面との相対角度から前記角度を算出する算出ステップと
を備えることを特徴とする、半導体レーザ素子の端面角度測定方法。
【請求項２】
前記算出ステップにおいて、前記所定の基準線及び前記基準面に対する前記レーザ光の出射方向の相対角度θ2を前記遠視野像のピーク位置から決定し、次の関係式
【数１】
（但し、ｎ1は前記光導波路の実効屈折率であり、ｎ2は空気の屈折率である）に基づいて、前記角度θ1を算出す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の端面角度測定方法。
【請求項３】
前記固定ステップにおいて、前記基準面に対する前記基板の前記主面の角度、及び前記所定の基準線に対する前記半導体レーザバーの前記共振端面の角度をそれぞれ０．１°以下とすることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子の端面角度測定方法。
【請求項４】
前記基板、及び前記光導波路を構成する半導体層が窒化ガリウム系半導体から成ることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の半導体レーザ素子の端面角度測定方法。
【請求項５】
前記基板の前記主面が、前記窒化ガリウム系半導体のｃ軸と直交する平面に対してｍ軸方向に傾斜していることを特徴とする、請求項４に記載の半導体レーザ素子の端面角度測定方法。
【請求項６】
前記主面の前記ｍ軸方向への傾斜角度が６３°以上８０°未満であることを特徴とする、請求項５に記載の半導体レーザ素子の端面角度測定方法。
【請求項７】
前記半導体レーザ素子の発振波長が４８０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項４〜６の何れか一項に記載の半導体レーザ素子の端面角度測定方法。
【請求項８】
前記半導体レーザ素子の発振波長が５１０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項７に記載の半導体レーザ素子の端面角度測定方法。
【請求項１】
基板の主面に沿った光導波路を有する端面発光型の半導体レーザ素子の共振端面の法線と、前記光導波路の光導波方向との成す角度を測定する方法であって、
前記光導波路の光導波方向と交差する方向に並んだ複数の前記半導体レーザ素子を含む半導体レーザバーを、前記共振端面が所定の基準線に沿うように治具の基準面上に固定する固定ステップと、
前記半導体レーザバーの前記複数の半導体レーザ素子の前記共振端面からレーザ光を出射させる出射ステップと、
前記レーザ光の遠視野像を測定する測定ステップと、
前記遠視野像のピーク位置により定まる前記レーザ光の出射方向と、前記所定の基準線及び前記基準面との相対角度から前記角度を算出する算出ステップと
を備えることを特徴とする、半導体レーザ素子の端面角度測定方法。
【請求項２】
前記算出ステップにおいて、前記所定の基準線及び前記基準面に対する前記レーザ光の出射方向の相対角度θ2を前記遠視野像のピーク位置から決定し、次の関係式
【数１】
（但し、ｎ1は前記光導波路の実効屈折率であり、ｎ2は空気の屈折率である）に基づいて、前記角度θ1を算出す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の端面角度測定方法。
【請求項３】
前記固定ステップにおいて、前記基準面に対する前記基板の前記主面の角度、及び前記所定の基準線に対する前記半導体レーザバーの前記共振端面の角度をそれぞれ０．１°以下とすることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子の端面角度測定方法。
【請求項４】
前記基板、及び前記光導波路を構成する半導体層が窒化ガリウム系半導体から成ることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の半導体レーザ素子の端面角度測定方法。
【請求項５】
前記基板の前記主面が、前記窒化ガリウム系半導体のｃ軸と直交する平面に対してｍ軸方向に傾斜していることを特徴とする、請求項４に記載の半導体レーザ素子の端面角度測定方法。
【請求項６】
前記主面の前記ｍ軸方向への傾斜角度が６３°以上８０°未満であることを特徴とする、請求項５に記載の半導体レーザ素子の端面角度測定方法。
【請求項７】
前記半導体レーザ素子の発振波長が４８０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項４〜６の何れか一項に記載の半導体レーザ素子の端面角度測定方法。
【請求項８】
前記半導体レーザ素子の発振波長が５１０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項７に記載の半導体レーザ素子の端面角度測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−６１２２８（Ｐ２０１３−６１２２８Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９９５４４（Ｐ２０１１−１９９５４４）
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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