JP2000164969A - 半導体レーザの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 共振器端面の光学損傷破壊（ＣＯＤ）を抑制
し、高出力動作時の信頼性が改善された半導体レーザの
製造方法を提供する。 【解決手段】 共振器端面１１０が保護膜３４０によっ
て被覆されている半導体レーザの製造方法であって、該
共振器端面１１０に存在する汚染物を低ダメージで除去
し、該共振器端面１１０をクリーニングするクリーニン
グ工程と、クリーニングした該共振器端面１１０上に、
低ダメージで該保護膜３４０を堆積する堆積工程と、を
包含する半導体レーザの製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザの製
造方法に関し、特に光情報処理などに用いられる高出力
半導体レーザの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、多くの分野での半導体レーザに対
する需要の高まりに応じて、ＧａＡｓ系およびＩｎＰ系
化合物半導体レーザを中心として、活発な研究開発が進
められている。光情報処理分野においては、特に７８０
ｎｍの波長のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザによる情報の
記録・再生を行う方式が実用化され、コンパクトディス
ク等で広く利用されている。また、光磁気ディスクなど
の容量の大きい記録装置では、より短い波長である６８
０ｎｍ帯の発振波長を有するＡｌＧａＩｎＰ系半導体レ
ーザが用いられるようになっている。より高精細の画像
を長時間再生可能なディジタルビデオディスク（ＤＶ
Ｄ）の実現には、６５０ｎｍ帯という短い発振波長の半
導体レーザが要求される。このように、光ディスクの記
録密度の向上には、半導体レーザの発振波長の短波長化
が必要不可欠である。

【０００３】一方、ディスクへの書き込みに際しては、
レーザ光照射による発熱を利用するため、再生時に比べ
数倍から数十倍の出力パワーが半導体レーザに要求され
る。例えばパーソナルコンピューターの記録媒体として
のＤＶＤ−ＲＡＭのような高密度記録装置には、高出力
かつ短波長の半導体レーザが求められる。すなわち、高
密度記録を行う記録媒体の場合は、短波長かつ高出力の
半導体レーザの使用が不可欠である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
半導体レーザには、高出力動作時における十分な寿命を
保証するのが困難であるという課題がある。

【０００５】半導体レーザの劣化の原因については、い
くつかの検討が行われている。これらは、共振器端面の
光学損傷破壊すなわちＣＯＤ(Catastrophic Optical Da
mage)、表面の変質または結晶転位欠陥の増殖による点
欠陥あるいは線欠陥の発生、およびオーミック電極の破
損に起因するものに大別される。とりわけ、ＡｌＧａＩ
ｎＰ系半導体レーザにおいては、共振器端面のＣＯＤ
が、高出力動作時におけるレーザの寿命を決定する重要
な劣化原因であることが指摘されている。

【０００６】ＣＯＤは、半導体レーザの共振器端面近傍
がレーザ内部で発生した光に対して吸収領域になってい
ることにより発生する。これは、共振器端面の半導体表
面における酸素の吸着および表面の酸化などにより、半
導体表面に特有な深い準位が生じて、端面近傍の半導体
の禁制帯幅が実質的に狭くなることによる。半導体表面
に存在する表面準位を介した非発光再結合は温度上昇を
伴うため、端面近傍の禁制帯幅がさらに減少して、光吸
収がますます起こりやすくなるという正帰還が生じる。
その結果、端面の融解または端面の破壊などが起こり、
光出力が低下して非可逆的な劣化につながる。なお、Ｃ
ＯＤによる劣化は、ほとんどがレーザ出射側ミラーファ
セットの端面近傍において観測される。

【０００７】上記のＣＯＤの臨界光出力を向上し高出力
動作時における十分な寿命を保証するためには、共振器
端面のパッシベーションが重要であることが指摘されて
いる。ミラーファセットのパッシベーション技術による
高出力半導体レーザの劣化の改善および信頼性の向上
が、特開平９−１６２４９６号公報（半導体レーザ及び
その製造方法）に開示されている。

【０００８】上記の特開平９−１６２４９６号公報は、
次のような方法で端面のパッシベーションを行うことを
開示している。Ａ１、Ｓｉ、ＧａまたはＴｉの窒化物の
薄膜（厚さ、０．５〜１０ｎｍ）と、Ａ１、Ｓｉ、Ｇａ
またはＴｉの酸化物の薄膜（厚さ、５０〜１０００ｎ
ｍ）と、によって構成される積層膜のパッシベーション
膜を共振器端面に形成する。また、半導体レーザの製造
方法としてプラズマクリーニング作用を有する薄膜形成
方法を用いることが、上記の公報に言及されている。

【０００９】しかし、高出力動作における６５０ｎｍ帯
の赤色半導体レーザの素子信頼性を確保するのに、共振
器端面にパッシベーション膜を設けることだけでは不十
分である。現在実用レベルにある赤色半導体レーザは、
結晶材料としてＡｌＧａＩｎＰ系半導体を用い、活性層
にＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰの超格子を利用してい
る。ところが、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体は、ＡｌＧａＡ
ｓ系半導体に比べて半導体の表面に自然酸化層が生成し
やすい。さらに、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体は、欠陥生成
エネルギーが小さいため、ダメージが結晶に入りやす
い。これらのことから、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体による
半導体レーザにおいては、素子の劣化が特に生じやすい
という課題がある。ＤＶＤなどの高密度記録媒体の光源
として要求される６５０ｎｍ帯の波長では、ＡｌＧａＩ
ｎＰ系材料の制約によりバンドオフセットが小さくなる
ため、動作電流が上昇し発熱量が増大する。このことか
ら、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体による半導体レーザの高出
力動作下での信頼性を確保することは、ますます困難な
状況にある。これらの事情から分かるように、共振器端
面にパッシベーション膜を設けることだけで、高出力動
作における６５０ｎｍ帯の赤色半導体レーザの信頼性を
確保することは不可能である。

【００１０】高出力動作における６５０ｎｍ帯の赤色半
導体レーザの信頼性を高めるためには、共振器端面の自
然酸化層を除去することが重要であると考えられる。さ
らに、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰによる超格子は各種
のダメージを受け結晶欠陥が誘発されやすいことから、
自然酸化層を除去するプロセスにおいてダメージの導入
を抑制することが不可欠であると考えられる。

【００１１】しかし、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体による高
出力半導体レーザに関しては、共振器端面の自然酸化層
の除去や共振器端面へのダメージの抑制に着眼した研究
報告がこれまでなく、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体による高
出力レーザの実現が困難であるという現状は改善されて
いない。

【００１２】上記の特開平９−１６２４９６号公報は半
導体レーザの製造方法としてプラズマクリーニング作用
を有する薄膜形成方法を用いることを言及しているが、
プラズマクリーニングによる共振器端面に存在する汚染
物を除去する工程に関する記載はない。さらに、この公
報による薄膜形成方法では、上記の自然酸化層を除去す
ることはできない。なぜなら、この公報の薄膜形成方法
によれば、実際にクリーニングが可能なのは膜形成開始
直後の数秒間のみである。一旦膜が形成されると共振器
端面がプラズマに曝されなくなるため、共振器端面の半
導体表面に吸着された酸素および表面酸化などによる汚
染物を除去できるようなクリーニング効果は期待できな
い。

【００１３】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であって、その目的とするところは、高出力時における
信頼性の高い短波長半導体レーザの製造方法を提供する
ことにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体レー
ザの製造方法は、共振器端面が保護膜によって被覆され
ている半導体レーザの製造方法であって、該共振器端面
に存在する汚染物を低ダメージで除去し、該共振器端面
をクリーニングするクリーニング工程と、クリーニング
した該共振器端面上に、低ダメージで該保護膜を堆積す
る堆積工程と、を包含しており、そのことにより上記目
的が達成される。

【００１５】ある実施形態では、前記クリーニング工程
および前記堆積工程は、ＥＣＲプラズマやヘリコン波プ
ラズマによって生成された低エネルギーイオンを用いて
行われる。前記プラズマの前記イオンの源としては、水
素、ヘリウム、窒素およびアルゴンガスのいずれかを用
いる。なお、好ましくは、前記クリーニング工程におけ
るクリーニングする時間は１分以上である。

【００１６】ある実施形態では、前記半導体レーザはＡ
ｌＧａＩｎＰ系またはＡｌＧａＡｓ系半導体によって形
成され、前記保護膜はＡｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、ＳｉＯ₂、Ｓ
ｉＮ、α−ＳｉおよびＴｉＯ₂を含む群から選択される
物質によって形成されている。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照しながら、本
発明による半導体レーザの製造方法の一実施形態を説明
する。

【００１８】まず、図１に示されるように、ＡｌＧａＩ
ｎＰ化合物半導体によって、半導体レーザを構成するた
めの、活性層１０２を含む半導体積層構造体１００を周
知の方法で形成する。この積層構造体１００を空気中で
へき開して、半導体積層構造体１００の各半導体層の接
合面に垂直な１組のへき開面（共振器端面）１１０およ
び１２０を形成する。なお、共振器端面１１０および１
２０が設けられている積層構造体１００を、以下では
「試料１００」とも呼ぶ。

【００１９】次に、共振器端面１１０に対するクリーニ
ング工程を説明する。

【００２０】図２は、このクリーニングに用いられるＥ
ＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）スパッタリング装置２
００の断面を示す。この装置２００は、ＥＣＲプラズマ
を発生させるＥＣＲプラズマ室によるＥＣＲプラズマ源
２１０と、成膜室２２０と、ＥＣＲプラズマ室２１０と
成膜室２２０との間に設置されている純度５Ｎ以上のＳ
ｉターゲット２３０と、ＥＣＲプラズマ室２１０の周囲
に設けられた磁場を形成するためのコイル２０４と、を
備えている。

【００２１】ＥＣＲプラズマ室２１０には、石英窓２０
２を通じてマイクロ波２０３が導入される。マイクロ波
２０３とコイル２０４による磁場により、ＥＣＲプラズ
マが発生する。成膜室２２０は、排気口２２４を介して
排気系（不図示）に接続され減圧されている。さらに、
成膜室２２０には、酸素ガスおよびアルゴンガスが成膜
ガス導入口２２２を通じて導入される。成膜室２２０内
の試料台２４０の上に、半導体レーザを構成する積層構
造体（試料）１００が、クリーニングすべき端面（端面
１１０）がＥＣＲプラズマに照射されるようにプラズマ
源２１０に対向する位置に設置されている。なお、ター
ゲット２３０が電源２３２に接続されていることによ
り、スパッタリング収量が制御できる。

【００２２】装置２００を用いて、下記のように共振器
端面１１０に対してクリーニングを行う。

【００２３】まず、アルゴンガス（流量、３０ｓｃｃｍ
程度）を装置２００内に導入し、ＥＣＲプラズマを発生
させる。ガス導入時の内圧は１０^-1Ｐａ程度、マイクロ
波の強度は約５００Ｗである。また、Ｓｉターゲット２
３０に接続された電源２３２に印加される直流バイアス
電圧は約１００Ｖである。このバイアス電圧では、Ｓｉ
ターゲット２３０のスパッタリングは生じない。なお、
ＥＣＲプラズマ照射前の試料１００の温度は常温に設定
されている。

【００２４】上記のような条件で、図３（ａ）に示され
るように、試料１００の端面１１０にはプラズマ室２１
０からのＡｒイオン３１０のみが供給され、端面１１０
はプラズマによりクリーニングされる。試料台２４０に
はバイアス電圧を供給していないため、試料１００の表
面に到達するイオンの持つエネルギーは、ＥＣＲの発散
磁界分布により決定され、試料台２４０の位置がＥＣＲ
ポイントＰから２０ｃｍの距離にある場合は１０〜２０
ｅＶ程度である。この程度のイオンエネルギーは、空気
中で劈開されたレーザの端面（ミラーファセット）に対
してクリーニングを行うのに十分な大きさでありなが
ら、試料１００に与える損傷はほとんどない。

【００２５】上記のプラズマによるクリーニングの時間
は、好ましくは１分以上にする。このクリーニング工程
によって、端面１１０に吸着された有機物、酸素あるい
は端面１１０に形成された酸化膜などの汚染物はプラズ
マにより取り除かれ、端面１１０が清浄化される。クリ
ーニングする時間のより好ましい範囲は、１〜１０分程
度である。クリーニングする時間を１分間より短く設定
される場合、上記の汚染物は十分に除去できない。一
方、クリーニングの時間を１０分より長く設定される場
合は、プラズマ照射により端面の温度が上昇し、結晶の
組成が変動するというような問題が生じうる。

【００２６】以下に、端面１１０上に保護膜を形成する
工程を説明する。保護膜の形成は、高真空中でプラズマ
クリーニングの後に連続して行う。試料１００が上記の
装置２００から出されないので、保護膜が形成すべき端
面１１０は上記のクリーニングにより清浄である。

【００２７】まず、アルゴンガス（流量、３０ｓｃｃｍ
程度）および酸素ガス（流量、６ｓｃｃｍ程度）を装置
２００に導入し、ＥＣＲプラズマを発生させる。ガス導
入時の装置２００の内圧は１０^-1Ｐａであり、マイクロ
波の強度は５００Ｗである。Ｓｉターゲット２３０に接
続された電源２３２の供給高周波電力は５００Ｗ、ＥＣ
Ｒプラズマ照射前の試料１００の温度は常温である。ア
ルゴンプラズマによってＳｉターゲット２３０はスパッ
タされ、スパッタされたＳｉを含むプラズマ流３１２
は、図３（ｂ）に示されるように、試料１００に輸送さ
れる。試料１００の端面１１０に到達したＳｉは、酸素
と結合しＳｉＯ₂膜３４０を形成する。試料１００の端
面１１０に到達するプラズマの持つエネルギーは、１０
〜２０ｅＶ程度である。この程度のプラズマエネルギー
を用いれば、端面１１０の半導体に結晶欠陥を発生させ
るようなダメージを与えることなくＳｉＯ₂膜３４０を
形成することができる。

【００２８】このように得られるＳｉＯ₂膜３４０の屈
折率は１．４７程度であり、ＳｉＯ₂膜３４０の成膜速
度は２００Å／ｍｉｎ程度である。成膜時間を適切に設
定し、ＳｉＯ₂膜３４０による光学薄膜の膜厚をコント
ロールすることにより、端面反射率を制御することが可
能である。例えば６６０ｎｍの半導体レーザの発振波長
に対しＳｉＯ₂膜３４０の膜厚を１００ｎｍとすること
で、端面１１０の反射率は４％となり低反射率保護膜が
得られる。なお、このような低反射率保護膜が形成され
た端面１１０は、レーザの出射側端面となる。

【００２９】端面１１０に対向する端面１２０（図１）
は、反射面としてその上に高反射保護膜を形成する。高
反射保護膜の形成は上記と同様な方法を用いる。すなわ
ち、装置２００を用いて、まず端面１２０に対してクリ
ーニング工程を行い、その後連続して高反射保護膜を形
成する。クリーニング工程は、上述した方法と同じであ
るのでその説明を省略する。

【００３０】以下に、図４を参照しながら、高反射保護
膜４４０の形成について説明する。

【００３１】アルゴンガス（流量、３０ｓｃｃｍ程度）
および酸素ガス（流量、６ｓｃｃｍ程度）を装置２００
に導入し、ＥＣＲプラズマを発生させる。ガス導入時の
装置２００の内圧は１０^-1Ｐａであり、マイクロ波の強
度は５００Ｗである。Ｓｉターゲット２３０に接続され
た電源２３２の供給高周波電力は５００Ｗ、ＥＣＲプラ
ズマ照射前の試料１００の温度は常温である。アルゴン
プラズマによってＳｉターゲット２３０はスパッタさ
れ、スパッタされたＳｉを含むプラズマ流は、試料１０
０の端面１２０に輸送される。端面１２０に到達したＳ
ｉは、酸素と結合しＳｉＯ₂膜４４２ａ（厚さ、１１０
ｎｍ程度）を形成する。

【００３２】その後、酸素ガスの供給を窒素ガスに変更
し、他の使用されるガスおよび成膜条件は変更しないま
ま、ＳｉＯ₂膜４４２ａ上にＳｉＮ膜４４４ａ（厚さ、
８０ｎｍ程度）を形成する。

【００３３】ＳｉＯ₂膜４４２ａとＳｉＮ膜４４４ａと
を交互に２回成膜し、図４に示される４層構造の高反射
保護膜４４０が得られる。高反射保護膜４４０の反射率
は約７０％である。高反射保護膜４４０は４層構造に限
定されることなく、必要に応じて層の数を決めればよ
い。

【００３４】次に、図５を参照しながら、本発明による
半導体レーザのＣＯＤ(Catastrophic Optical Damage)
レベルについて説明する。

【００３５】ＡｌＧａＩｎＰリッジ型半導体レーザを、
有機金属気相成長法により、周知の手順で３回の結晶成
長を行い作製する。半導体レーザの発振波長は６６０ｎ
ｍである。１組のレーザ端面の片側に反射防止膜による
保護膜を、もう片方の端面に高反射膜による保護膜を形
成する。反射防止膜が形成されている端面、および高反
射膜が形成されている端面の反射率は、それぞれ４％お
よび９０％である。これらの保護膜の形成に先立って、
各端面は上述した方法でＥＣＲアルゴンプラズマによる
クリーニング処理が行われている。

【００３６】図５は、半導体レーザの出射側端面（反射
防止膜が形成されている端面）１１０のクリーニング時
間と半導体レーザのＣＯＤレベルとの関係を示す。クリ
ーニングを全く行わない（クリーニング時間、０分）場
合のＣＯＤレベルは２３ｍＷと低く実用には耐え難い。
クリーニング時間の増加に伴いＣＯＤレベルが増加して
いる。十分にクリーニングを行う（クリーニング時間、
２分以上）場合、クリーニングしない場合に比べて、Ｃ
ＯＤレベルが４倍以上に増加していることがわかる。

【００３７】ＣＯＤレベルの向上は、クリーニングによ
り共振器端面の半導体表面に吸着された酸素および半導
体表面の酸化層などの汚染物が除去されたことで、半導
体表面に存在する表面準位を介した非発光再結合による
温度上昇が抑制されたことによるものである。図５の結
果から分かるように、本発明による半導体レーザにおい
ては、ＣＯＤの発生がさらに抑制され、従来の半導体レ
ーザ（端面のクリーニングを行わない場合のレーザ）よ
りも高出力動作時における信頼性に優れている。

【００３８】本発明は、上述した製造工程およびプロセ
スパラメータに限定されない。本発明の主題の範囲内
で、適宜製造工程およびプロセスパラメータを変更でき
ることは言うまでもない。例えば、保護膜（パッシベー
ション膜）の材料としては、Ｓｉ系化合物以外に、Ａｌ
系またはＴｉ系などの他の物質を用いてもよい。より具
体的には、保護膜は、ＳｉＯ₂およびＳｉＮ以外にＡｌ₂
Ｏ₃、ＡｌＮ、α−Ｓｉ（アモルファスシリコン）およ
びＴｉＯ₂を含む群から選択される物質によって形成さ
れてもよい。また、プラズマクリーニングガスとして
は、ＨｅまたはＨ₂などの他のガスを用いてもよい。ま
た、低ダメージイオンの供給方法としてＥＣＲプラズマ
を例に挙げたが、ヘリコン波プラズマなどの他の低ダメ
ージイオン源を用いてもよい。

【００３９】また、以上ではＡｌＧａＩｎＰ系の材料か
らなる半導体レーザの製造方法について説明したが、本
発明は、ＡｌＧａＡｓ系やその他の材料系の、特に高出
力動作を目的とした半導体レーザの製造方法にも適用で
きる。このような場合でも、本発明は上述した効果と同
様な効果を奏する。

【００４０】

【発明の効果】本発明による半導体レーザの製造方法に
よれば、共振器端面の保護膜の形成に先立って低エネル
ギーのプラズマクリーニングを行い、引き続き低エネル
ギーのプラズマで保護膜を形成する。

【００４１】保護膜の形成前にクリーニングを行うた
め、保護膜を形成すべきレーザ端面における汚染物が除
去され端面が清浄である。このような清浄な端面に保護
膜を堆積し半導体レーザを製造することによって、素子
の劣化が防止できる。

【００４２】さらに、クリーニング工程および保護膜の
形成工程は低エネルギーのプラズマを用いるので、共振
器端面に与えるダメージはほとんどない。このため、Ａ
ｌＧａＩｎＰ系のような損傷されやすい材料による半導
体レーザの場合でも、結晶欠陥の少ないレーザ構造を作
製できるため、表面準位を介した非発光再結合による温
度上昇を抑制できる。

【００４３】本発明によると、共振器端面の光学損傷破
壊（ＣＯＤ）を十分に抑制できるので、半導体レーザの
高出力動作時の信頼性が改善できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体レーザの製造工程を示す
図。

【図２】本発明による半導体レーザの製造に用いられる
ＥＣＲスパッタリング装置の概略を示す図。

【図３】（ａ）及び（ｂ）は、本発明による半導体レー
ザの製造工程を示す図。

【図４】本発明による半導体レーザの製造工程を示す
図。

【図５】本発明による半導体レーザの出射側端面につい
ての、プラズマクリーニング時間とＣＯＤレベルとの関
係を示す図。

【符号の説明】

１００ 積層構造体（試料） １０２ 活性層 １１０、１２０ 共振器端面 ２００ ＥＣＲスパッタリング装置 ２０２ 石英窓 ２０３ マイクロ波 ２０４ コイル ２１０ プラズマ室 ２２０ 成膜室 ２２２ 成膜ガス導入口 ２２４ 排気口 ２３０ シリコンターゲット ２３２ ＲＦ電源 ２４０ 試料台 ３４０、４４２ａ、４４２ｂ ＳｉＯ₂膜（保護膜） ４４０ 高反射保護膜（保護膜） ４４４ａ、４４４ｂ ＳｉＮ膜

フロントページの続き (72)発明者 高森 晃 大阪府高槻市幸町１番１号 松下電子工業 株式会社内 Ｆターム(参考） 5F073 AA84 CA05 CA14 CB20 DA33 DA35 EA28

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 共振器端面が保護膜によって被覆されて
   いる半導体レーザの製造方法であって、 該共振器端面に存在する汚染物を低ダメージで除去し、
   該共振器端面をクリーニングするクリーニング工程と、 クリーニングした該共振器端面上に、低ダメージで該保
   護膜を堆積する堆積工程と、を包含する半導体レーザの
   製造方法。
2. 【請求項２】前記クリーニング工程および前記堆積工程
   は、ＥＣＲプラズマやヘリコン波プラズマによって生成
   された低エネルギーイオンを用いて行われる、請求項１
   に記載の半導体レーザの製造方法。
3. 【請求項３】前記プラズマの前記イオンの源としては、
   水素、ヘリウム、窒素およびアルゴンガスのいずれかを
   用いる請求項２に記載の半導体レーザの製造方法。
4. 【請求項４】前記クリーニング工程におけるクリーニン
   グする時間は１分以上である、請求項１から３のいずれ
   かに記載の半導体レーザの製造方法。
5. 【請求項５】前記半導体レーザはＡｌＧａＩｎＰ系また
   はＡｌＧａＡｓ系半導体によって形成されている、請求
   項１から４のいずれかに記載の半導体レーザの製造方
   法。
6. 【請求項６】前記保護膜はＡｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ｓｉ
   Ｏ₂、ＳｉＮ、α−ＳｉおよびＴｉＯ₂を含む群から選択
   される物質によって形成されている、請求項１から５の
   いずれかに記載の半導体レーザの製造方法。