JP2000031584A - 半導体レーザ素子端面保護膜形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学損傷による共振器端面の劣化を抑制し、
高出力安定動作を実現する半導体レーザ素子を提供す
る。 【解決手段】 半導体レーザ素子の劈開端面上に保護膜
を形成する際、前記半導体レーザ素子を真空槽内でレー
ザ発振させ、かつ、同時に、半導体レーザ素子の活性層
に含まれるＶ族原子の分子線を端面上に照射することに
より劈開端面上に形成された酸化膜を除去した後に、真
空中において連続して、端面保護膜を形成することによ
り、端面の自然酸化膜に起因する半導体と端面保護膜と
の間に存在する表面準位の密度を著しく低減することが
できるため半導体レーザ素子のＣＯＤレベルを向上さ
せ、高出力、高信頼性を有する半導体レーザ素子を実現
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ素子
端面に保護膜を形成する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ＡｌＧａＡｓ系およびＡｌＧ
ａＩｎＰ系の半導体材料により形成された半導体レーザ
素子等において、光出力の増加に伴い、共振器端面の劣
化（光学損傷）が生じることが知られている。この光学
損傷は半導体レーザ素子の高出力動作に伴った共振器端
面の温度上昇に起因している。又、当該共振器端面にお
いては、表面準位を介してレーザ光が吸収され、局所的
に熱が発生する。

【０００３】この温度上昇によって端面近傍の禁制帯幅
が縮小して、更に光吸収が増加し、端面温度が上昇す
る。この正帰還ループにより共振器端面はついには溶融
し、素子劣化が生じる。これまで、共振器端面での光吸
収を抑制するために、レーザ光に対して透明な材料を共
振器端面に形成する種々の窓構造が試みられている。

【０００４】例えば、１９８９年のアイ・イー・イー・
イー・ジャーナル・オブ・クオンタム・エレクトロニク
ス（IEEE,J. Quantum Electronics ）第２５巻、第１４
９５〜１４９９頁の報告によれば、当該共振器端面での
光吸収を抑制するための窓構造として、活性領域におけ
る共振器端面のパターニング、選択エッチング、および
埋め込み再成長のプロセスにより形成された窓構造が報
告されている。

【０００５】また、この端面破壊に起因する素子劣化を
防ぐために、半導体レーザ素子の劈開端面上に誘電体膜
を形成することにより、半導体レーザ素子の反射率を制
御し、また、端面の経時的な酸化を防ぐことにより劣化
を防ぐ方法も開発され、現在一般的に行われている。然
しながら、誘電体膜を半導体レーザ素子の端面上に形成
する際、通常、半導体レーザ素子が形成されたウェハを
大気中において劈開した後、誘電体保護膜を形成する真
空装置へ導入し、劈開端面上に誘電体保護膜を形成する
ことが一般的に行われている。

【０００６】この様に半導体レーザ素子が形成されたウ
ェハを大気中において劈開すると、その劈開端面上に
は、通常、自然酸化膜が形成される。この自然酸化膜は
非常に不安定であり、界面に複雑な表面順位を形成した
り、また表面欠陥等を発生させたりし、半導体レーザ素
子の信頼性を低くするなどの問題があった。

【０００７】その為、半導体表面上に形成された当該自
然酸化膜を除去する方法としては、例えば、真空中で表
面を加熱する方法がある。当該自然酸化膜を除去するた
めには、例えばＧａＡｓの自然酸化膜を除去する場合を
考えると、Ａｓの分子線を照射した状態で、酸化膜が形
成された部分の温度を５００℃〜６００℃程度に上昇さ
せる必要がある。

【０００８】しかしながら、通常半導体レーザ素子の製
作工程においては、電極形成工程を終了した素子の端面
上に保護膜を形成するのが一般的である。そのため、端
面保護膜形成時には、電極形成がすでに行われているた
め、半導体レーザ素子の端面保護膜成膜時の温度は、電
極材料や成長層中の不純物の拡散を防ぐため通常３００
℃程度の低温までしか上昇させることができず、自然酸
化膜が形成された端面上に保護膜を形成しなくてはなら
ないという問題があった。

【０００９】尚、特開平４−８８６９１号公報には、半
導体レーザ素子の共振器端面に硫黄パッシべーション保
護膜を形成する方法、又特開平９−６４４５３号公報に
は、半導体レーザ素子の劈開面にプラズマを照射して当
該劈開面に保護膜を形成する方法、更には特開平９−２
８３８４３号公報には、半導体レーザ素子の光出射面に
窒化物からなる絶縁膜と窒化物以外の絶縁膜で構成され
た保護膜を形成する方法がそれぞれ記載されています
が、何れも半導体レーザ素子の活性層に含まれる原子に
よる分子線を照射する事によって自然酸化膜を効率的に
除去する方法に関しては開示がない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、上記した従来技術の欠点を改良し、共振器端面の光
学損傷を抑制するために、半導体レーザ素子の端面上に
形成された不安定な自然酸化膜を除去し、半導体レーザ
劈開端面上に安定な端面保護膜を形成することにある。

【００１１】又、本発明の他の目的は、当該半導体レー
ザ素子に於ける端面の光学損傷による共振器端面の劣化
を抑制し、高出力安定動作を実現する半導体レーザ素子
の端面保護膜を形成する方法を提供するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記した目的を
達成するため、基本的には、以下に記載されたような技
術構成を採用するものである。即ち、半導体レーザ素子
を真空槽内でレーザ発振させる第１の工程、当該真空槽
内に於いて、当該半導体レーザ素子の端面に、Ｖ族原子
の分子線を照射することにより劈開端面上に形成された
酸化膜を除去する第２の工程、及び当該真空槽内に於い
て、当該半導体レーザ素子の酸化膜が除去された当該端
面に端面保護膜を形成する第３の工程、とから構成され
ている半導体レーザ素子端面に於ける保護膜形成方法で
ある。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明に於いては、当該半導体レ
ーザ素子１０が複数個配列されている半導体レーザ素子
バー１を構成する個々の半導体レーザ素子３０の劈開端
面１１上に保護膜１２を形成する際、該半導体レーザ素
子１０を真空槽５内でレーザ発振させ、かつ、その端面
１１上に、半導体レーザ素子１０の活性層４６に含まれ
るＶ族原子の分子線を照射することにより劈開端面１１
上に形成された酸化膜を除去した後に、真空中において
連続して、端面保護膜１２を形成するものである。

【００１４】

【実施例】以下に、本発明に係る半導体レーザ素子端面
保護膜の形成方法の具体例を図面を参照しながら詳細に
説明する。即ち、図１は、本発明に係る半導体レーザ素
子端面保護膜形成方法の一具体例の方法を説明する図で
あり、図中、半導体レーザ素子１０を真空槽５内でレー
ザ発振させる第１の工程、当該真空槽５内に於いて、当
該半導体レーザ素子１０の端面に、Ｖ族原子の分子線を
照射することにより劈開端面１１上に形成された酸化膜
を除去する第２の工程、及び当該真空槽５内に於いて、
当該半導体レーザ素子１０の酸化膜が除去された当該端
面に端面保護膜１２を形成する第３の工程、とから構成
されている半導体レーザ素子端面に於ける保護膜形成方
法が示されている。

【００１５】本発明に於ける当該Ｖ族の原子はＡｓで有
っても良く又Ｐで有っても良い。つまり、本発明に於け
る半導体レーザ素子端面に保護膜を形成する方法に於い
ては、当該分子線として使用される当該Ｖ族の原子は、
特に当該半導体レーザ素子１０の活性層４６に含まれる
原子の一つである事が望ましい。更に、本発明に於いて
使用される当該半導体レーザ素子１０は、例えばＡｌＧ
ａＡｓ系及びＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料の群から選
択された一つの半導体材料で形成されている事が望まし
い。

【００１６】一方、本発明に於いては、上記した第１乃
至第３の各工程が、同一の真空槽５内で逐次的に連続し
て実行されるものであっても良く、又当該第１乃至第３
の各工程から選択された少なくとも２種の工程が、同一
の真空槽内で同時的に実行されるものであっても良い。
次に、本発明の具体例について、図面を参照して、詳細
に説明する。

【００１７】図１は、本発明を実現するための装置を示
す構成図である。図１を参照すると、本発明を実現する
ための装置は、真空槽５中に配置された、半導体レーザ
素子１０を複数個配列して形成された半導体レーザ素子
バー１およびＶ族分子蒸発源４と真空槽５の外に配置さ
れた電源、および、真空槽５の内外に配置された半導体
レーザ素子バー１と電源２を結線する導線３から構成さ
れる。

【００１８】当該導線３は該真空槽５内の半導体レーザ
バー１のｐ側電極に正電圧を、ｎ側電極に負電圧を供給
するように接続されており、半導体レーザ素子バー１上
には、レーザストライプ６が形成されている。当該半導
体レーザ素子は、通常の製作工程に従い、製作され、所
望の共振器長に大気中にて劈開され、半導体レーザバー
１を得る。

【００１９】その後、半導体レーザ素子バー１は、図２
に示す本発明の実施の形態を実現するための装置へと導
入される。この装置は、図２に示す様に、レーザウェハ
バー１に保護膜を形成する保護膜形成室２１、劈開端面
上の酸化膜を除去するための処理室２２、前記保護膜形
成室２１、および前記処理室２２をつなぐ交換室２３か
ら構成されている。

【００２０】それぞれの室は１０^-10 Ｔｏｒｒ台の超高
真空雰囲気に保持されており、また、ゲートバルブ２４
で仕切られている。そして、試料はそれぞれの室を、第
１、第２のマグネットフィードスルー２５、２６により
自由に移動が可能である。本発明に於ける当該具体例に
於いては、半導体レーザバー１は、図３に示す様な試料
ホルダ３１に固定された状態で装置に導入される。

【００２１】図３は試料劈開のための試料ホルダ概観図
である。試料ホルダ３１は、個別のレーザ素子１０を複
数個バー状に連結した状態の半導体レーザバー１を垂直
に立てた状態で固定し使用する。この試料ホルダ３１を
図２に示した保護膜形成室２１、処理室２２、交換室２
３の間を移動させ、自然酸化膜除去を実行する第１の工
程と第２の工程、及び保護膜形成を実行する第３の工程
を行う。

【００２２】本装置へ導入された半導体レーザバー１
は、まず、光出射端の自然酸化膜を除去するため、処理
室２２へ導入される。本具体例に於いては、先ず当該半
導体レーザ素子１０に対して、半導体レーザ素子を真空
槽内でレーザ発振させる第１の工程が実行される。即
ち、当該第１の工程で用いられている半導体レーザは高
出力タイプの半導体レーザであり、劈開面に保護膜の形
成を行うことがなくとも、１５０ｍＷ以上の光出力を得
ることが可能である。

【００２３】当該半導体レーザバー１に電圧を供給し
て、半導体レーザバー１上の半導体レーザ素子１０を発
振させ（第１の工程）ると、その光出力の増加と共に、
半導体レーザ素子の光出射部の温度は上昇する。例え
ば、光出力１００ｍＷ時の時、その光出射部の温度は５
００℃〜６００℃程度まで上昇する。この際、半導体レ
ーザ素子１０の通電と同時にＶ族分子蒸発源４から、Ｖ
族分子線を照射することにより、第２の工程が実行さ
れ、電極材料の半導体層への拡散等を起こさずに低温
で、半導体レーザ素子の光出射部分に形成されていた自
然酸化膜を除去することが可能である。

【００２４】また、この際、熱だけでなく、半導体レー
ザ発振により発生したレーザ光は、その光化学反応によ
り、酸化膜除去の効果を高める働きを有している。本具
体例に於いては、光出射端の自然酸化膜除去の終了した
半導体レーザバー１は試料ホルダ３１に固定された状態
で、第１、第２のマグネットフィードスルー２５、２６
により交換室２３を経て第３の工程を実行する保護膜形
成室２２へ移送される。

【００２５】図３は、保護膜形成室２１における、保護
膜形成時の配置を示した概観図である。この保護膜形成
室において、出射端の自然酸化膜が除去され、清浄表面
が露出した半導体レーザバー１の端面上に、蒸着源３２
を用いて誘電体から成る保護膜を形成する。その後、半
導体レーザバー１を保護膜形成室２１から大気中に取り
出した後、半導体レーザバー１の両端面に反射率を制御
した誘電体膜を形成し、レーザストライプ６毎に切断し
てレーザ素子化を行い半導体レーザ素子１０を完成させ
る。

【００２６】なお、本発明の具体例の説明においては、
保護膜を半導体レーザ素子１０に設けられている２つの
レーザ端面の一方の劈開端面にのみ施した場合について
説明したが、本発明における自然酸化膜の除去、形成
は、半導体レーザ素子１０のもう一つの端面について、
保護膜を形成してもよい。本発明に係る当該半導体レー
ザ素子に於ける保護膜形成方法に関し更に詳細に説明す
る。

【００２７】初めに、本具体例における半導体レーザ素
子１０を製作するための半導体レーザウェハの制作方法
について述べる。本具体例では、ＧａＩｎＡｓから成る
歪量子井戸構造を有する発振波長０．９８μｍ帯の半導
体レーザを例にとり述べる。本具体例の半導体レーザウ
ェハは、常圧有機気相成長法にて成長する。まず、図４
及び図５に示す様に、ＳｉドープしたＧａＡｓ（００
１）基板４９上に、ＳｉドープしたＧａＡｓから成るバ
ッファー層４８（不純物濃度：１×１０¹⁸ｃｍ ^-3）を
０．５μｍ、ＳｉドープしたＡｌ_0.4 Ｇａ_0.6 Ａｓから
成る第１のクラッド層４７（不純物濃度１×１０¹⁷ｃｍ
^-3）を成長温度７００℃、Ｖ／III比１００の成長条件
で、２μｍ成長する。

【００２８】次に、続いてその上に発光層４６を成長す
る。図５に発光層４６の層構造を示す。この発光層４６
は前記第１のクラッド層４７上に、Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ａ
ｓから成る厚さ４０ｎｍの第１の光ガイド層５１、Ｇａ
Ａｓから成る厚さ２０ｎｍの第１のバリア層５２、Ｇａ
_0.76Ｉｎ_0.24Ａｓから成る厚さ４．５ｎｍの第１の活性
層５３、ＧａＡｓから成る厚さ２０ｎｍの第２のバリア
層５４、Ｇａ_0.76Ｉｎ _0.24Ａｓから成る厚さ４．５ｎｍ
の第２の活性層５５、ＧａＡｓから成る厚さ２０ｎｍの
第３のバリア層５６、Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ａｓから成る厚
さ４０ｎｍ第２の光ガイド層５７を順次成長温度６８０
℃、Ｖ／III比８０の成長条件で成長することにより形
成する。

【００２９】そしてさらに前記発光層４６の上に、Ｍｇ
ドープＡｌ_0.4 Ｇａ_0.6 Ａｓから成る第２のクラッド層
４５（不純物濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）を１．５μｍ、Ｍ
ｇドープＧａＡｓから成るキャップ層４４（不純物濃度
１×１０¹⁹ｃｍ^-3）を前記発光層４６と同様の条件で
０．１μｍ成長し、レーザウェハの成長を終了する。次
に、このレーザウェハを成長装置より取り出し、図４に
示した前記キャップ層４４上に、ＳｉＯ₂ を堆積し、フ
ォトリソグラフィーの手法を用いて、［−１１０］方向
に幅２μｍのストライプ状の開口部を有するＳｉＯ₂ か
ら成る電流狭窄層４３を形成する。

【００３０】次に、前記ＧａＡｓ（００１）基板４９、
および、前記ＳｉＯ₂ ストライプ４３の両面にそれぞれ
第１、第２のコンタクト電極４２、４１を形成し半導体
レーザウェハを得る。その後、レーザのストライプに直
行する［１１０］方向に共振器長が７００μｍになる様
に劈開して、半導体レーザバー１を得る。

【００３１】半導体レーザバー１は、図３に示す様な試
料ホルダ３１に複数個の半導体レーザバー１が固定され
た状態で装置に導入され、まず、光出射端の自然酸化膜
を除去するため、処理室２２へ移送される。それぞれの
半導体レーザバー１の電極は、導線３により結線され、
各電極間に電圧が印加できる様になっている。

【００３２】次に、半導体レーザバー１に電圧を印加し
て、半導体レーザバー１上の半導体レーザ素子を発振さ
せると、その光出力の増加と共に、半導体レーザ素子の
光出射部の温度は上昇する。半導体レーザ素子１個あた
り約１５０ｍＡの電流が流すと、光出力は約１００ｍＷ
となり、その時の光出射部の温度は６００℃程度まで上
昇した。

【００３３】この時、半導体レーザ素子１０の通電と同
時にＡｓのＶ族分子蒸発源４から、Ａｓ分子線を当該半
導体レーザ素子１０に照射することにより半導体レーザ
素子の光出射部分に形成されていた自然酸化膜を発熱お
よび光化学反応により除去する。光出射端の自然酸化膜
除去の終了した半導体レーザバー１は試料ホルダ３１に
固定された状態で、第１、第２のマグネットフィードス
ルー２５、２６により交換室２３を経て保護膜形成室２
２へ移送される。

【００３４】この保護膜形成室において、出射端の自然
酸化膜が除去され、清浄表面が露出した半導体レーザバ
ー１の端面上に、電子ビーム蒸着源３２を用いて、例え
ばアルミナから成る誘電体保護膜を試料ホルダ温度２０
０℃で、約１５０ｎｍ蒸着する。その後、半導体レーザ
バー１を保護膜形成室２１から大気中に取り出した後、
他の保護膜形成装置を用いて半導体レーザバー１の反対
側の端面に反射率を制御した誘電体膜を形成した後、レ
ーザストライプ６毎に切断してレーザ素子化を行い半導
体レーザ素子を完成させる。

【００３５】なお、以上の実施例では、ＧａＩｎＡｓか
ら成る歪量子井戸構造を有する発振波長０．９８μｍ帯
の半導体レーザについて応用した例について述べたが、
本発明の方法は他の波長、材料系の半導体レーザ素子に
適用することも可能である。また、半導体レーザ素子の
構造も本実施例のものに限ることはなく、共振器端面の
劣化（光学損傷）が生じる半導体レーザ一般に応用が可
能である。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体レーザ素子の劈開端面上に保護膜を形成する際、
前記半導体レーザ素子を真空槽内でレーザ発振させ、か
つ、同時にその端面上に、半導体レーザ素子の活性層に
含まれるＶ族原子の分子線を照射し、劈開端面上に形成
された酸化膜を除去した後に、真空中において連続し
て、端面保護膜を形成することにより、半導体レーザ素
子のＣＯＤレベルを向上させることが可能である。

【００３７】この工程により形成された半導体レーザ素
子の端面保護膜は、大気中における劈開により形成され
た端面上の自然酸化膜を除去し、清浄表面上に保護膜を
形成しているため、自然酸化膜に起因する半導体と端面
保護膜との間に存在する表面準位の密度を著しく低減す
ることができ、半導体レーザ素子のＣＯＤレベルを向上
させ、高出力、高信頼性を有する半導体レーザ素子を実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係る半導体レーザ素子端面保
護膜形成方法の一具体例の構成を説明するブロックダイ
アグラムである。

【図２】図２は、本発明に係る当該半導体レーザ素子端
面保護膜形成方法を実行する為に使用される装置の具体
例を示す全体平面図である。

【図３】図３は、本発明に係る半導体レーザ素子端面保
護膜形成方法の一具体例に於ける試料ホルダおよび保護
膜蒸着装置の構成の概略を説明する概略図である。

【図４】図４は、本発明に係る半導体レーザ素子端面保
護膜形成方法に於て使用される半導体レーザ素子の一例
を示す図である。

【図５】図５は、本発明に係る半導体レーザ素子端面保
護膜形成方法に於て使用される半導体レーザ素子の発光
層の一例を示す模式図である。

【符号の説明】

１…半導体レーザ素子バー ２…電源 ３…導線 ４…Ｖ族分子蒸発源 ５…真空槽 ６…レーザストライプ ２１…保護膜形成室 ２２…処理室 ２３…処理室 ２４…ゲートバルブ ２５…第１のマグネットフィードスルー ２６…第２のマグネットフィードスルー ３１…試料ホルダ ３２…蒸着源 ４１…第２のコンタクト電極 ４２…第１のコンタクト電極 ４３…電流狭窄層 ４４…キャップ層 ４５…第２のクラッド層 ４６…発光層 ４７…第１のクラッド層 ４８…バッファ層 ４９…基板 ５１…第１の光ガイド層 ５２…第１のバリア層 ５３…第１の活性層 ５４…第２のバリア層 ５５…第２の活性層 ５６…第３のバリア層 ５７…第２の光ガイド層

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザ素子を真空槽内でレーザ発
   振させる第１の工程、 当該真空槽内に於いて、当該半導体レーザ素子の端面
   に、Ｖ族原子の分子線を照射することにより劈開端面上
   に形成された酸化膜を除去する第２の工程、及び当該真
   空槽内に於いて、当該半導体レーザ素子の酸化膜が除去
   された当該端面に端面保護膜を形成する第３の工程、 とから構成されていることを特徴とする半導体レーザ素
   子端面に於ける保護膜形成方法。
2. 【請求項２】 当該Ｖ族の原子はＡｓ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端面保護膜形
   成方法。
3. 【請求項３】 当該Ｖ族の原子はＰ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端面保護膜形成
   方法。
4. 【請求項４】 当該分子線として使用される当該Ｖ族の
   原子は、当該半導体レーザ素子の活性層に含まれる原子
   の一つである事を特徴とする請求項１乃至３の何れかに
   記載の半導体レーザ素子端面保護膜形成方法。
5. 【請求項５】 当該半導体レーザ素子は、ＡｌＧａＡｓ
   系及びＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料の群から選択され
   た一つの半導体材料で形成されている事を特徴とする請
   求項１乃至４の何れかに記載の半導体レーザ素子端面保
   護膜形成方法。
6. 【請求項６】 当該第１乃至第３の各工程は、同一の真
   空槽内で逐次的に連続して実行されるものである事を特
   徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の半導体レーザ
   素子端面保護膜形成方法。
7. 【請求項７】 当該第１乃至第３の各工程は、同一の真
   空槽内で少なくとも異なる２種の工程が同時的に実行さ
   れるものである事を特徴とする請求項１乃至５の何れか
   に記載の半導体レーザ素子端面保護膜形成方法。
8. 【請求項８】 当該保護膜は、誘電体から構成されてい
   る事を特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の半導
   体レーザ素子端面保護膜形成方法。