JP2001044556A

JP2001044556A - 半導体レーザ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2001044556A
Application number: JP11214470A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kikawa; 健紀川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-07-29
Filing date: 1999-07-29
Publication date: 2001-02-16

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の高出力半導体レーザで、特に赤色系高
出力半導体レーザでは、定光出力連続動作に伴って急速
に水素化非晶質硅素薄膜の劣化が生じ、十分な寿命時間
を有する高信頼な高屈折率膜を得ることができなかっ
た。【解決手段】水素化非晶質硅素薄膜を成膜する際に、
反応プラズマ中に活性な水素ラジカル線、若しくは水素
イオン線を照射する。【効果】Ｓｉ−Ｈ結合の濃度が増大し、光学的バンド
ギャップが拡大し、バンドの裾が殆ど引かない水素化非
晶質硅素膜が形成可能となり、高出力半導体レーザにお
いて長寿命，高信頼な高反射率膜を容易な方法で実現で
き、歩留まり向上，低コスト化が達成できる。

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及びそ
の製造方法に係り、特に、光情報システムに組み込んで
有効な高出力半導体レーザ及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、光ディスクや光磁気ディスクの書
き込み用として高出力で高信頼度の半導体レーザが求め
られている。これらの半導体レーザには長時間、安定に
基本モードで動作することが要求される。これら半導体
レーザの光出射面を形成する半導体表面上には絶縁膜か
らなるコーティング膜が形成されている。これは適正な
反射率を得ることにより光取出し効率を大きくすると共
に閾値，キャリア密度の増加による最大出力の低下を防
ぐ為である。

【０００３】このコーティング膜としては、従来、多く
の半導体レーザにおいて共振器面（光出射面）の一方に
低反射率膜として酸化硅素薄膜、他方に高反射率膜とし
て酸化硅素薄膜と水素化非晶質硅素薄膜からなる積層膜
が用いられている。例えばアプライドフィジックスレ
ターズ34巻、Ｐ685（Applied Physics Letters,vol.34,
pp.685）に記載のT.Uasaらによる報告等がある。

【０００４】また、T.Ohtoshi et al.,J.Appl.Phys.vo
l.56(1984),PP2491には、発振波長７８０ｎｍ，出力３
０ｍＷの半導体レーザにおいて、λ／（４ｎ）の膜厚か
らなるＳｉＯ₂とａ−Ｓｉによる２周期（４層）膜で、
反射率９４％が報告されている。この報告は初期特性に
関するものであり、連続動作試験の結果は報告されてい
ない。

【０００５】また、第43回応用物理学関係連合講演会
（1996年春）、講演予稿集、P1023,26a-c-7には、高反
射率膜に（ＳｉＯ₂／ａ−Ｓｉ）膜と（ＳｉＯ₂／ａ−Ｓ
ｉ：Ｈ）膜を用いた場合の初期ＣＯＤレベルを比較した
報告がある。この文献には、Ｓｉ：Ｈに比べ、ａ−Ｓｉ
は光吸収による発熱が大きく、ＣＯＤレベルが小さくな
ることが報告されている。

【０００６】また、第44回応用物理学関係連合講演会
（1997年春）、講演予稿集、P1095,31a-NG-7には、高反
射率膜に（ＳｉＯ₂／ａ−Ｓｉ）膜と（ＳｉＯ₂／ＴｉＯ
_X）膜を用いた場合の初期のＣＯＤレベルを比較した例
が報告されている。この文献には、ＴｉＯ_Xはａ−Ｓｉ
に比べ、光吸収が小さく、ＣＯＤレベルが高くなること
が報告されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】多くの半導体レーザで
従来用いられてきた高反射率コーティング膜は、例え
ば、酸化硅素と水素化非晶質硅素薄膜からなる周期膜で
あり、反射率が所要の値となるように設計されている。

【０００８】ところが、ＣＤ−ＲＡＭ及びＤＶＤ−ＲＡ
Ｍ読み書き用高出力半導体レーザのような出射光の密度
が数ＭＷ／ｃｍ²と高い光出力を有する発振波長７００
ｎｍ以下のレーザの場合、このようなコーティング膜で
は定光出力連続駆動させると、動作時間に伴って急速に
高反射率膜での光吸収が増加し、定光出力動作できなく
なるという現象が生じることが判明した。

【０００９】レーザ動作に伴い水素化非晶質硅素膜中の
水素原子が硅素原子との結合から外れ、このため光学的
バンドギャップが狭くなり、非晶質硅素膜での光吸収が
増大し、これにより実効的な量子効率が低下して動作電
流が増加するものと考えられる。

【００１０】このため、酸化硅素と水素化非晶質硅素薄
膜からなる周期膜は高出力半導体レーザには不適であ
る。

【００１１】一方、高屈折率膜として、窒化硅素薄膜が
用いられることもあるが、窒化硅素薄膜の屈折率は概ね
１．９５以下であり、酸化硅素薄膜の屈折率との差は小
さい。このため半導体レーザの端面保護膜に用いた場
合、水素化非晶質硅素薄膜を用いた場合では２乃至３周
期膜で所定の反射率が得られていたのに対して、５周期
以上と２倍の層数を必要としコストが高くなる。

【００１２】本発明の目的は、長時間動作後にも動作電
流の増加が少ない長寿命で信頼性の高い高出力赤色系半
導体レーザ及びその製造方法を提供することにある。

【００１３】本発明の他の目的は、発振波長６００ｎｍ
以上で出射光密度が数ＭＷ／ｃｍ²以上となり、かつ長
時間動作後にも動作電流の増加が少ない長寿命で信頼性
の高い高出力半導体レーザ及びその製造方法を提供する
ことにある。

【００１４】本発明の前記ならびにそのほかの目的と新
規な特徴は、本明細書の記述および添付図面からあきら
かになるであろう。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【００１６】（１）光出射面の一端に低屈折率膜を有
し、他端に酸化硅素膜と少なくとも硅素と水素からなる
水素化非晶質硅素薄膜を複数周期重ねて形成される高屈
折率膜を有する半導体レーザであって、前記水素化非晶
質硅素薄膜は膜中にＳｉ−Ｈｎ（ｎ≧２）結合とＳｉ−
Ｈ結合がある中で前記水素化非晶質硅素薄膜中に含まれ
る水素原子の８０％以上が前記Ｓｉ−Ｈ結合を形成して
いる。前記非晶質膜中の水素濃度が１５％を超え、発振
波長が６００ｎｍ以上であり、光出力が１×１０⁶Ｗ／
ｃｍ²以上である。

【００１７】このような半導体レーザは以下の方法によ
って製造される。

【００１８】光出射面の一端に低屈折率膜を形成し、他
端に酸化硅素膜と少なくとも硅素と水素からなる水素化
非晶質硅素薄膜を複数周期重ねて高屈折率膜を形成する
半導体レーザの製造方法であって、前記水素化非晶質硅
素薄膜を形成する際、水素を他の原料ガスとは別に高励
起状態に励起して反応相中に供給しながら水素化非晶質
硅素薄膜を形成する。前記水素化非晶質硅素薄膜形成時
反応相中に水素ラジカルまたは水素イオンを照射しなが
ら水素化非晶質硅素薄膜を形成する。前記水素化非晶質
硅素薄膜中のＳｉ−Ｈｎ（ｎ≧２）結合とＳｉ−Ｈ結合
において、前記水素化非晶質硅素薄膜中に含まれる水素
原子の８０％以上がＳｉ−Ｈ結合を形成するように高励
起状態の水素を前記反応相中に供給する。前記水素化非
晶質硅素薄膜は気相反応によって形成する。前記水素化
非晶質硅素薄膜を０．０５乃至０．４Ｐａの真空度下で
のスパッタ法または化学気相蒸着法によって生成する
際、水素ラジカルまたは水素イオンを前記反応相内に供
給する方法において、前記水素ラジカルまたは前記水素
イオンを照射する照射孔から前記反応相（プラズマ）の
中心までの距離を成膜中の真空度における水素の平均自
由行程を越え、その２倍を超えない状態で行う。前記水
素化非晶質硅素薄膜における水素濃度が１５％を超え、
発振波長が６００ｎｍ以上であり、光出力が１×１０⁶
Ｗ／ｃｍ²以上である半導体レーザを製造する。

【００１９】前記（１）の手段によれば、気相反応を用
いて水素化非晶質硅素薄膜を形成する際に、活性な水素
ラジカル、あるいは水素イオンをプラズマ中に照射す
る。気相反応を用いて水素化非晶質硅素膜を形成する
際、一般に水素濃度が高くなるほど光の吸収端波長が短
くなる。

【００２０】しかし一定濃度以上に水素濃度が高くなる
と、Ｓｉ−Ｈｎ（ｎ≧２）結合が増加し、Ｓｉ−Ｈ結合
の密度は飽和することが分かった。このため吸収端波長
は飽和する。

【００２１】水素化非晶質硅素薄膜の光学的バンドギャ
ップの大きさはＳｉ−Ｈ結合の密度に依存する。Ｓｉ−
Ｈｎ結合が形成されると、バンド端が裾を引く形とな
り、バンドギャップ近傍の波長の光の吸収が増加する。
水素化非晶質硅素薄膜による光の吸収を防止し、水素化
非晶質硅素薄膜の光吸収による劣化を抑制するためには
Ｓｉ−Ｈｎ（ｎ≧２）結合の生成を抑制することが必要
である。

【００２２】水素を他の原料ガスとは別に高励起状態に
励起して反応相中に供給することにより、Ｓｉ−Ｈｎ
（ｎ≧２）結合の生成を抑制し、Ｓｉ−Ｈ結合を増加さ
せることが可能となる。これにより、バンドギャップが
大きくなり、水素化非晶質硅素薄膜の光吸収による劣化
が抑制でき、半導体レーザの寿命が長くなる。

【００２３】例を挙げるならば、波長０．６８μｍ、ま
たは０．６５μｍの光を１ＭＷ／ｃｍ²以上の出力で発
振する光記録装置用レーザ素子（半導体レーザ）のみな
らず、例えば波長０．９８μｍの光を２ＭＷ／ｃｍ²以
上の出力で発振するレーザ素子においても、動作時間に
伴い素子特性が劣化する問題を解決することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。なお、発明の実施の形態を
説明するための全図において、同一機能を有するものは
同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

【００２５】（実施形態１）図１乃至図８は本発明の一
実施形態（実施形態１）である半導体レーザの製造技術
に係わる図である。

【００２６】本実施形態１では、光ディスクや光磁気デ
ィスクの書き込み用として用いられる６８０ｎｍ帯高出
力半導体レーザ（ＬＤ）に本発明を適用した例について
説明する。

【００２７】本実施形態１の半導体レーザ（半導体レー
ザ素子）はリッジ構造であり、図２に示すように、ｎ−
ＧａＡｓ基板８上に多層に半導体層が設けられている。
この多層半導体層は、ｎ−ＧａＡｓ基板８上に順次重ね
て形成されるＧａＡｓバッファ層９、ＧａＡｓに格子整
合したｎ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）ＩｎＰクラッド層（ｘ＝
０．７）１０、ＧａＡｓに格子整合した（Ａｌ_yＧ
ａ_1-y）ＩｎＰ障壁層（ｙ＝０．４５，障壁層厚４ｎ
ｍ）とＩｎ_zＧａ_1-zＰ歪量子井戸層（ｚ＝０．６，井戸
層厚８ｎｍ）、およびＡｌ_sＧａ_1-sＩｎＰＳＣＨ（Sepa
rate Confinmente Heterostructure）層（ｓ＝０．５
５，障壁層厚４ｎｍ）とから構成される歪量子井戸活性
層１１、ＧａＡｓに格子整合したｐ−（Ａｌ_tＧａ_1-t）
ＩｎＰクラッド層（ｔ＝０．７）１２、ＧａＡｓに格子
整合したｐ−ＩｎＧａＰエッチストップ層１３、ＧａＡ
ｓに格子整合したｐ−（Ａｌ_uＧａ_1-u）ＩｎＰクラッド
層（ｔ＝０．７）１４、ｐ−Ａｌ_vＧａ_1-vキャップ層
（ｖ＝０．７）１５となっている。

【００２８】半導体レーザの中央を除く両側はｐ−Ｉｎ
ＧａＰエッチストップ層１３の表面に亘ってエッチング
除去され、中央にリッジ４１が形成されている。

【００２９】また、前記リッジ４１の両側のエッチング
で除去された領域にはｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層１６が埋
め込まれている。ｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層１６の表面高
さは前記リッジ４１の表面と略一致している。

【００３０】また、リッジ４１の最上部を形成するｐ−
Ａｌ_vＧａ_1-vキャップ層１５及び両側のｎ−ＧａＡｓ電
流狭窄層１６はｐ−ＧａＡｓコンタクト層１７で被われ
ている。

【００３１】また、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１７上に
はｐ側オーミック電極１８が形成されているとともに、
ｎ−ＧａＡｓ基板８の表面にはｎ側オーミック電極１９
が設けられている。

【００３２】また、図３に示すように、半導体レーザの
共振器４０の一端の前方出射面（Ｚ＝０）には低反射率
（ＡＲ）膜２０が設けられ、他端の後方出射面（Ｚ＝
Ｌ）には高反射率（ＨＲ）膜２３が設けられている。

【００３３】前記低反射率（ＡＲ）膜２０は酸化硅素膜
からなり、反射率は８％±２％となっている。

【００３４】前記高反射率（ＨＲ）膜２３は、酸化硅素
（ＳｉＯ₂）膜２１とａ−Ｓｉ：Ｈ膜（水素化非晶質硅
素薄膜、以下単に非晶質膜とも呼称する）２２を周期的
に積み重ねた構造になっている。前記ａ−Ｓｉ：Ｈ膜２
２は、その製造時に水素ラジカル（水素ラジカル線）ま
たは水素イオン（水素イオン線）による照射処理がなさ
れ、前記非晶質膜におけるＳｉ−Ｈｎ（ｎ≧２）結合と
Ｓｉ−Ｈ結合において、非晶質膜中に含まれる水素原子
の８０％以上が前記Ｓｉ−Ｈ結合を形成している。高反
射率膜２３の反射率は９５％となっている。

【００３５】本実施形態１の半導体レーザは、例えば、
前記非晶質膜中の水素濃度が１５％を超え、発振波長が
６００ｎｍ以上であり、光出力が１×１０⁶Ｗ／ｃｍ²以
上になっている。

【００３６】つぎに、本実施形態１の半導体レーザの製
造方法について説明する。

【００３７】図４に示すように、最初にｎ−ＧａＡｓ基
板８を用意した後、前記ｎ−ＧａＡｓ基板８の一面上に
多層半導体層を形成する。多層半導体層は、ＭＯＶＰＥ
法，ＣＢＥ法またはＭＢＥ法によって形成する。

【００３８】すなわち、図４に示すように、ｎ−ＧａＡ
ｓ基板８の一面上にＧａＡｓバッファ層９、ＧａＡｓに
格子整合したｎ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）ＩｎＰクラッド層
（ｘ＝０．７）１０、ＧａＡｓに格子整合した（Ａｌ_y
Ｇａ_1-y）ＩｎＰ障壁層（ｙ＝０．４５，障壁層厚４ｎ
ｍ）とＩｎ_zＧａ_1-zＰ歪量子井戸層（ｚ＝０．６，井戸
層厚８ｎｍ）、およびＡｌ_sＧａ_1-sＩｎＰＳＣＨ層（ｓ
＝０．５５，障壁層厚４ｎｍ）とから構成される歪量子
井戸活性層１１、ＧａＡｓに格子整合したｐ−（Ａｌ_t
Ｇａ_1-t）ＩｎＰクラッド層（ｔ＝０．７）１２、Ｇａ
Ａｓに格子整合したｐ−ＩｎＧａＰエッチストップ層１
３、ＧａＡｓに格子整合したｐ−（Ａｌ_uＧａ_1-u）Ｉｎ
Ｐクラッド層（ｔ＝０．７）１４、ｐ−Ａｌ_vＧａ_1-vキ
ャップ層（ｖ＝０．７）１５を順次形成する。

【００３９】つぎに、図５に示すように、前記ｐ−Ａｌ
_vＧａ_1-vキャップ層１５上に所定間隔に平行にストライ
プ状の酸化膜４２を形成した後、前記酸化膜４２をマス
クとしてエッチングを行い、リッジ４１を形成する。こ
のときのエッチングはウエットエッチング，ＲＩＥ，Ｒ
ＩＢＥ，イオンミリング等、方法を問わない。エッチン
グはｐ−ＩｎＧａＰエッチストップ層１３で止め歪量子
井戸活性層１１に達しないようにする。

【００４０】なお、前記酸化膜４２の幅によってリッジ
の幅寸法が規定されることになる。図では酸化膜４２を
１本形成した例を示す。

【００４１】つぎに、図６に示すように、ＭＯＶＰＥ法
によりエピタキシャル成長させる。酸化膜４２上には結
晶が形成されず、酸化膜４２の両側のｐ−ＩｎＧａＰエ
ッチストップ層１３上にｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層１６が
形成される。ｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層１６はその表面が
ｐ−Ａｌ_vＧａ_1-vキャップ層１５の表面と同じ程度の高
さまで形成される。

【００４２】つぎに、成長炉からｎ−ＧａＡｓ基板８
（ウエハ）を取り出し、選択成長マスクとして用いた酸
化膜４２をエッチングにより除去する。

【００４３】つぎに、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１７を
ＭＯＶＰＥ法またはＭＢＥ法によりｐ−Ａｌ_vＧａ_1-vキ
ャップ層１５及びｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層１６上に形成
する（図６参照）。

【００４４】つぎに、図６に示すように、ｐ−ＧａＡｓ
コンタクト層１７上に部分的にｐ側オーミック電極１８
を形成するとともに、ｎ−ＧａＡｓ基板８の表面にｎ側
オーミック電極１９を形成する。ｎ側オーミック電極１
９を形成する前に前記ｎ−ＧａＡｓ基板８の表面を研削
してｎ−ＧａＡｓ基板８を所定の厚さにしておく。

【００４５】つぎに、前記ｎ−ＧａＡｓ基板８を、所定
の幅で劈開し、図７に示すような短冊状の半導体レーザ
バー４３を形成する。この半導体レーザバー４３は、そ
の長手方向に沿って一定間隔でリッジ４１が並ぶ。半導
体レーザバー４３の幅Ｌは、例えば、６００μｍとな
る。したがって、半導体レーザの共振器長も６００μｍ
になる。

【００４６】図７はウエハを切断して得た半導体レーザ
バー４３を９０度反転させてリッジ４１が見える状態と
したものである。この状態で上面に低屈折率膜を設け、
反転させて他面に高屈折率膜を設ける。低屈折率膜及び
高屈折率膜は、スパッタ法や化学気相蒸着法等の気相反
応を行う絶縁膜形成装置によって形成する。

【００４７】例えば、反応性スパッタ法を用いて半導体
レーザバー４３の共振器の一面に厚さλ／４（λ：発振
波長）の光学長を有する酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）
膜を形成して低反射率（ＡＲ）膜２０を形成した後、半
導体レーザバー４３の共振器の他面に厚さλ／４の光学
長の酸化硅素（ＳｉＯ₂）膜２１と本実施形態１による
厚さλ／４の光学長のａ−Ｓｉ：Ｈ膜２２を交互に繰り
返し、多周期膜からなる高反射率（ＨＲ）膜２３を形成
する。多周期膜は例えば６層膜からなる。

【００４８】低反射率（ＡＲ）膜２０及び高反射率（Ｈ
Ｒ）膜２３は、バー状でなく、バー体を劈開させて個別
の半導体レーザの状態にして形成してもよい。

【００４９】ここで、高反射率（ＨＲ）膜２３の形成に
ついて説明する。

【００５０】図１は、高反射率（ＨＲ）膜２３を構成す
るλ／４の光学長の酸化硅素膜２１とλ／４の光学長の
ａ−Ｓｉ：Ｈ膜２２を交互に繰り返して形成する絶縁膜
形成装置の模式図である。

【００５１】絶縁膜形成装置は、チャンバー１内に試料
５を載置するステージ５０と、このステージ５０上に所
定間隔離れて設置された電極板５１が配置されている。
前記電極板５１とステージ５０間には高周波電源（Ｒ
Ｆ）５２が印加されるようになっている。

【００５２】チャンバー１には、物質を高励起状態にし
てチャンバー１内に供給することができる高励起装置が
取り付けられている。この高励起装置は、例えば、ラジ
カル発生装置２となり、例えば、水素ラジカル線３をチ
ャンバー１内の反応相（プラズマ）中に照射供給できる
ようになっている。

【００５３】チャンバー１にガス供給管５３が取り付け
られ、所定のガス５４がチャンバー１内に供給されるよ
うになっている。また、チャンバー１には排気管５５が
取り付けられている。この排気管５５は図示しない排気
装置が接続され、チャンバー１内を所定の真空度に維持
できるようになっている。

【００５４】そこで、電極板５１の下面に薄膜形成材
料、例えば、純硅素ターゲット４を取り付け、ガス供給
管５３からガス５４としてＡｒを、例えば、７sccm導入
するとともに、チャンバー１内を所定の真空度、例え
ば、０．０５乃至０．４Ｐａの真空度下とし、高周波電
源（ＲＦ）５２をオン（ＲＦ出力２５０Ｗ）とすること
によって純硅素ターゲット４と試料５である半導体レー
ザバー４３との間にはＡｒプラズマ６が形成される。

【００５５】これにより、半導体レーザバー４３の一方
の出射面には水素化非晶質硅素薄膜が形成される。

【００５６】この際、前記ラジカル発生装置２を動作さ
せ、プラズマ中にＥＣＲ出力５００Ｗ、水素流量１０sc
cmの水素ラジカル線を導入して成膜する。

【００５７】この場合、水素ラジカルを照射する照射孔
から前記反応相（プラズマ）の中心までの距離を成膜中
の真空度における水素の平均自由行程を越え、その２倍
を超えない状態で行う。これにより、高励起状態の水素
原子あるいは水素イオンが珪素原子と衝突する。それに
より、珪素原子１個に水素原子１個が結合する効果が得
られる。この結果、波長０．６８μｍの光に対する屈折
率３．１、吸収のない膜（水素化非晶質硅素薄膜：ａ−
Ｓｉ：Ｈ膜）２２が形成できる。

【００５８】水素化非晶質硅素薄膜中でのＳｉと水素と
の結合は、Ｓｉ−Ｈｎ（ｎ≧２）結合とＳｉ−Ｈ結合と
の結合になるが、例えば、水素化非晶質硅素薄膜中に含
まれる水素原子の８０％以上がＳｉ−Ｈ結合を形成する
ように高励起状態の水素を前記反応相中に供給する。

【００５９】図８は水素ラジカル線を照射する場合と、
水素ラジカル線を照射しない場合における非晶質膜のバ
ンドギャップと水素供給量との相関を示すグラフであ
る。水素ラジカルを照射した場合は、照射しない場合に
比較してバンドギャップ（Ｔauc gap）は水素供給量が
５sccmで０．１ｅＶ程度高くなり、水素供給量が増大す
るにつれて順次高くなる。

【００６０】水素を８sccm程度供給すれば、水素化非晶
質硅素薄膜中に含まれる水素原子の８０％以上がＳｉ−
Ｈ結合を形成するようになる。

【００６１】なお、ガス供給管５３から酸素を供給して
気相反応を行えば、酸化硅素（ＳｉＯ₂）膜２１を形成
することができる。また、アルミニウムターゲットを電
極板５１に取り付け、ガス供給管５３から酸素を送るこ
とによって酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）膜を形成する
ことができる。この酸化アルミニウム膜の厚さをλ／４
の厚さにすることによって低反射率（ＡＲ）膜２０とす
ることができる。低反射率膜２０を形成する場合は、ス
テージ５０上の半導体レーザバー４３を裏返しにして行
う。

【００６２】半導体レーザバー４３の共振器端面の一方
に低反射率（ＡＲ）膜２０を形成し、他方に高反射率
（ＨＲ）膜２３を形成した後、リッジ４１とリッジ４１
との中間部分で分断させることによって、図２及び図３
に示すような半導体レーザ（半導体レーザ素子）を製造
することができる。

【００６３】これにより、水素化非晶質硅素薄膜におけ
る水素濃度が１５％を超え、発振波長が６００ｎｍ以上
であり、光出力が１×１０⁶Ｗ／ｃｍ²以上である半導体
レーザを製造することができた。

【００６４】図示はしないが、本実施形態１による半導
体レーザを接合面を上にして、ヒートシンク上にボンデ
ィングして半導体レーザ装置とした場合、この半導体レ
ーザ装置はしきい値電流約１４ｍＡで室温連続発振（発
振波長は約０．６８μｍ）した。

【００６５】また、半導体レーザ装置（素子）は１５０
ｍＷまで安定に横単一モード発振した。また、最大光出
力として３００ｍＷ以上の光出力を得た。

【００６６】また、３０素子について環境温度８０℃の
条件下で５０ｍＷ定光出力連続駆動させたところ、初期
駆動電流は約２００ｍＡであり、全ての素子でＨＲ膜の
劣化なしに５万時間以上安定に動作した。

【００６７】実施形態では低反射率膜や高反射率膜等の
保護膜形成法としてスパッタリング法を用いたが、他の
気相反応法による薄膜形成法として、例えばマイクロ波
プラズマ化学気相蒸着（ＥＣＲ−ＣＶＤ）法、電子線
（ＥＢ）蒸着法、イオンビーム（ＩＢ）蒸着法、ヘリコ
ン波プラズマ励起反応性蒸着法、マイクロ波プラズマ
（ＥＣＲ）スパッタ法等を用いてもよい。

【００６８】また、活性な水素ラジカル線の形成方法と
してＥＣＲプラズマを用いたが、他の励起法、例えばＲ
Ｆプラズマ、ヘリコン波プラズマ、あるいは熱励起法や
電子線励起法、グロー放電法等を用いても良い事はいう
迄もない。

【００６９】また、水素ラジカルの代わりに水素イオン
線を供給しながら水素化非晶質硅素薄膜を形成してもよ
い。

【００７０】本実施形態１によれば、以下の効果を有す
る。

【００７１】（１）水素化非晶質硅素薄膜を形成する際
水素ラジカルを照射しながら形成するため、水素化非晶
質硅素薄膜の光学的バンドギャップを大きくすることが
でき、光の吸収を低減することができるため、長時間動
作後でも動作電流の増加が少なく、半導体レーザの長寿
命化が達成できる。

【００７２】（２）発振波長６００ｎｍ以上で出射光密
度が数ＭＷ／ｃｍ²以上となり、かつ長時間動作後にも
動作電流の増加が少ない長寿命で信頼性の高い高出力半
導体レーザを提供することができる。

【００７３】（３）波長０．６８μｍ、または０．６５
μｍの光を１ＭＷ／ｃｍ²以上の出力で発振する光記録
装置用レーザ素子（半導体レーザ）においても長寿命化
が図れる。

【００７４】（４）波長０．９８μｍの光を２ＭＷ／ｃ
ｍ²以上の出力で発振するレーザ素子においても、動作
時間に伴い素子特性が劣化する問題を解決することがで
きる。

【００７５】（実施形態２）図９及び図１０は本発明の
他の実施形態（実施形態２）であるファブリ・ペロー型
共振器を有する半導体レーザ（半導体レーザ素子）に係
わる図であり、図９は模式的断面図、図１０は模式的平
面図である。

【００７６】本実施形態２は、本発明を光伝送システム
で中継器あるいは受信器に用いられる希土類添加光ファ
イバ増幅器励起用０．９８μｍ帯高出力半導体レーザに
適用したものである。

【００７７】つぎに、素子の作製方法について述べる。
ｎ−ＧａＡｓ基板８上にＧａＡｓバッファ層９、ＧａＡ
ｓに格子整合したｎ−ＩｎＧａＰクラッド層２４、Ｉｎ
_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y障壁層（ｘ＝０．８２，ｙ＝０．６
３，障壁層厚３５ｎｍ）とＩｎ_zＧａ_1-zＡｓ歪量子井戸
層（ｚ＝０．１６，井戸層厚７ｎｍ）から構成される歪
量子井戸活性層２５、ＧａＡｓ基板に格子整合したｐ−
ＩｎＧａＰクラッド層２６、ｐ−ＧａＡｓ光導波路層２
７、ＧａＡｓに格子整合したｐ−ＩｎＧａＰクラッド層
２８、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２９をＭＯＶＰＥ法、ま
たはガスソースＭＢＥ法、またはＣＢＥ法により順次形
成する。

【００７８】つぎに、酸化膜をマスクとするホトエッチ
ングにより図９に示すようなリッジ４１を形成する。こ
のときのエッチングはウエットエッチング，ＲＩＥ，Ｒ
ＩＢＥ，イオンミリング等方法は問わない。エッチング
はｐ−ＧａＡｓ光導波路層２７を完全に除去し、かつ歪
量子井戸活性層２５に達しないようにｐ−ＩｎＧａＰク
ラッド層２６の途中で止まるようにする。

【００７９】つぎに、エッチングマスクとして用いた酸
化膜を選択成長のマスクとして、図９に示すようにｎ−
ＩｎＧａＰ電流狭窄層３０をＭＯＶＰＥ法により選択成
長する。その後成長炉からウエハを取り出し、選択成長
マスクとして用いた酸化膜をエッチングにより除去す
る。その後、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１７をＭＯＶＰ
Ｅ法またはＭＢＥ法により形成する。ｐ側オーミック電
極１８，ｎ側オーミック電極１９を形成した後、劈開法
により共振器長約９００μｍの半導体レーザ素子を得
る。

【００８０】その後、素子の前面（Ｚ＝０）にＥＣＲス
パッタリング法により、厚さλ／４（λ：発振波長）の
光学長を有するＡｌ₂Ｏ₃薄膜からなるＡＲ膜３１を、素
子の後面（Ｚ＝Ｌ）に厚さλ／４の光学長のＳｉＯ₂薄
膜３２と厚さλ／４の光学長のａ−Ｓｉ薄膜３３とから
なる６層膜による高反射（ＨＲ）膜３４を形成した。

【００８１】ａ−Ｓｉ薄膜はＡｒ流量２０sccm、ＥＣＲ
出力５００Ｗ、ＲＦ出力５００Ｗでプラズマを発生し、
プラズマ中にＥＣＲ出力５００Ｗ、水素流量６sccmの水
素ラジカル線を導入して成膜した。これにより波長０．
９８μｍの光に対する屈折率３．２、吸収のない水素化
非晶質硅素薄膜が得られた。

【００８２】その後、素子を接合面を下にして、ヒート
シンク上にボンディングした。

【００８３】この半導体レーザ素子は、しきい値電流約
１０ｍＡで室温連続発振し、その発振波長は約０．９８
μｍであった。また、素子は５８０ｍＷまで安定に横単
一モード発振した。また、光出力を増加させても端面劣
化は起こらず、最大光出力８００ｍＷは熱飽和により制
限された。

【００８４】また、３０素子について環境温度８０℃の
条件下で２００ｍＷ定光出力連続駆動させたところ、初
期駆動電流は約２５０ｍＡであり、全ての素子で端面劣
化することなく１０万時間以上安定に動作した。

【００８５】本実施形態では保護膜形成法としてＥＣＲ
スパッタ法を用いたが、他の薄膜形成法、たとえばマイ
クロ波プラズマ化学気相蒸着（ＥＣＲ−ＣＶＤ）法，電
子線（ＥＢ）蒸着法，イオンビーム（ＩＢ）蒸着法，ヘ
リコン波プラズマ励起反応性蒸着法、ＲＦプラズマスパ
ッタ法を用いてもよい。

【００８６】なお、上述した実施例の活性層をＳＣＨ層
の組成を段階的に変化させたＧＲＩＮ−ＳＣＨ（Graded
Index-Separate Confinment Heterostructure）活性層
としてもよい。

【００８７】また、本発明は導波路構造によらないの
で、たとえば、上述した実施形態のほかに導波路構造と
してＢＨ（Buried Heterostructure）構造を用いても良
く、面発光レーザに適用しても良い。

【００８８】また、本発明は材料系にもよらないので、
上述したＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓＰ系、ＧａＡｓ
基板上のＡｌＧａＡｓ系のみでなく、ＩｎＰ基板上のＡ
ｌＩｎＧａＡｓＰ系，ＧａＡｓ基板上のＩｎＡｌＧａＰ
系，ＧａＡｓ基板あるいはＺｎＳｅ基板上のII−VI族化
合物半導体レーザ等にも適用できる。

【００８９】さらに、発振波長として上述した０．９８
μｍ帯，０．６８μｍ帯のほか、１．５５μｍ帯，１．
４８μｍ帯，０．６５μｍ帯，０．６３μｍ帯の半導体
レーザに適用できることは言うまでもない。

【００９０】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【００９１】（１）高出力半導体レーザの出射面保護膜
の光吸収による動作電流の増加を抑止できることから半
導体レーザ素子の長寿命が達成できる。

【００９２】（２）高出力半導体レーザの出射面保護膜
の光吸収による動作電流の増加を抑止できるため半導体
レーザ素子の高出力化が達成できる。

【００９３】（３）出射面保護膜を容易な方法で高歩留
りで製造できることから半導体レーザ素子の低コスト化
が達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態（実施形態１）である半導
体レーザの製造における水素化非晶質硅素膜を形成する
ための絶縁膜形成装置の模式図である。

【図２】本実施形態１の半導体レーザの模式的断面図で
ある。

【図３】本実施形態１の半導体レーザの平面構造を示す
模式図である。

【図４】本実施形態１の半導体レーザの製造方法におい
てＧａＡｓ基板の一面に歪量子井戸活性層を含む半導体
層を多層に形成した状態を示す断面図である。

【図５】本実施形態１の半導体レーザの製造方法におい
て前記半導体層の一部をエッチングしてリッジを形成し
た状態を示す断面図である。

【図６】本実施形態１の半導体レーザの製造方法におい
て前記エッチングされた領域を半導体層で埋め込むとと
もにコンタクト層，ｐ側オーミック電極及びｎ側オーミ
ック電極を形成した状態を示す断面図である。

【図７】本実施形態１の半導体レーザの製造方法におい
てＧａＡｓ基板等を分断して得られた短冊体の模式的斜
視図である。

【図８】本実施形態１による水素ラジカルを照射する場
合と、水素ラジカルを照射しない場合における非晶質膜
のバンドギャップと水素供給量との相関を示すグラフで
ある。

【図９】本発明の他の実施形態（実施形態２）である半
導体レーザの断面図である。

【図１０】本実施形態２である半導体レーザの平面構造
を示す模式図である。

【符号の説明】

１…絶縁膜形成装置、２…ラジカル発生装置、３…水素
ラジカル線、４…純硅素ターゲット、５…試料、６…Ａ
ｒプラズマ、７…水素化非晶質硅素薄膜、８…ｎ−Ｇａ
Ａｓ基板、９…ＧａＡｓバッファ層、１０…ｎ−（Ａｌ
_xＧａ_1-x）ＩｎＰクラッド層（ｘ＝０．７）、１１…歪
量子井戸活性層、１２…ｐ−（Ａｌ_tＧａ_1-t）ＩｎＰク
ラッド層（ｔ＝０．７）、１３…ｐ−ＩｎＧａＰエッチ
ストップ層、１４…ｐ−（Ａｌ_uＧａ_1-u）ＩｎＰクラッ
ド層（ｔ＝０．７）、１５…ｐ−Ａｌ_vＧａ_1-vキャップ
層（ｖ＝０．７）、１６…ｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層、１
７…ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、１８…ｐ側オーミック
電極、１９…ｎ側オーミック電極、２０…低反射率（Ａ
Ｒ）膜、２１…酸化硅素（ＳｉＯ₂）膜、２２…ａ−Ｓ
ｉ：Ｈ膜、２３…高反射率（ＨＲ）膜、２４…ｎ−Ｉｎ
ＧａＰクラッド層、２５…歪量子井戸活性層、２６…ｐ
−ＩｎＧａＰクラッド層、２７…ｐ−ＧａＡｓ光導波路
層、２８…ｐ−ＩｎＧａＰクラッド層、２９…ｐ−Ｇａ
Ａｓキャップ層、３０…ｎ−ＩｎＧａＰ電流狭窄層、３
１…ＡＲ膜、３２…ＳｉＯ₂薄膜、３３…ａ−Ｓｉ薄
膜、３４…高反射（ＨＲ）膜、４０…共振器、４１…リ
ッジ、４２…酸化膜、４３…半導体レーザバー、５０…
ステージ、５１…電極板、５２…高周波電源（ＲＦ）、
５３…ガス供給管、５４…ガス、５５…排気管。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光出射面の一端に低屈折率膜を有し、他
端に酸化硅素膜と少なくとも硅素と水素からなる水素化
非晶質硅素薄膜を複数周期重ねて形成される高屈折率膜
を有する半導体レーザであって、前記水素化非晶質硅素
薄膜は膜中にＳｉ−Ｈｎ（ｎ≧２）結合とＳｉ−Ｈ結合
がある中で前記水素化非晶質硅素薄膜中に含まれる水素
原子の８０％以上が前記Ｓｉ−Ｈ結合を形成しているこ
とを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】前記非晶質膜中の水素濃度が１５％を超
え、発振波長が６００ｎｍ以上であり、光出力が１×１
０⁶Ｗ／ｃｍ²以上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。
【請求項３】光出射面の一端に低屈折率膜を形成し、
他端に酸化硅素膜と少なくとも硅素と水素からなる水素
化非晶質硅素薄膜を複数周期重ねて高屈折率膜を形成す
る半導体レーザの製造方法であって、前記水素化非晶質
硅素薄膜を形成する際、水素を他の原料ガスとは別に高
励起状態に励起して反応相中に供給しながら水素化非晶
質硅素薄膜を形成することを特徴とする半導体レーザの
製造方法。
【請求項４】前記水素化非晶質硅素薄膜形成時反応相
中に水素ラジカルまたは水素イオンを照射しながら水素
化非晶質硅素薄膜を形成することを特徴とする請求項３
に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項５】前記水素化非晶質硅素薄膜中のＳｉ−Ｈ
ｎ（ｎ≧２）結合とＳｉ−Ｈ結合において前記水素化非
晶質硅素薄膜中に含まれる水素原子の８０％以上がＳｉ
−Ｈ結合を形成するように高励起状態の水素を前記反応
相中に供給することを特徴とする請求項３または請求項
４に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項６】前記水素化非晶質硅素薄膜は気相反応に
よって形成することを特徴とする請求項３乃至請求項５
のいずれか１項に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項７】前記水素化非晶質硅素薄膜を０．０５乃
至０．４Ｐａの真空度下でのスパッタ法または化学気相
蒸着法によって生成する際、水素ラジカルまたは水素イ
オンを前記反応相内に供給する方法において、前記水素
ラジカルまたは前記水素イオンを照射する照射孔から前
記反応相（プラズマ）の中心までの距離を成膜中の真空
度における水素の平均自由行程を越え、その２倍を超え
ない状態で行うことを特徴とする請求項３乃至請求項６
のいずれか１項に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項８】前記水素化非晶質硅素薄膜における水素
濃度が１５％を超え、発振波長が６００ｎｍ以上であ
り、光出力が１×１０⁶Ｗ／ｃｍ²以上である半導体レー
ザを製造することを特徴とする請求項３乃至請求項７の
いずれか１項に記載の半導体レーザの製造方法。