JP2002223029A

JP2002223029A - 半導体レーザ素子およびレーザモジュール

Info

Publication number: JP2002223029A
Application number: JP2001015941A
Authority: JP
Inventors: Teruhiko Kuramachi; 照彦蔵町
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2001-01-24
Filing date: 2001-01-24
Publication date: 2002-08-09

Abstract

(57)【要約】【課題】反射率が１％以下である、窒化シリコン膜か
らなる反射膜を備えた半導体レーザ素子において、窒化
シリコン膜の膜剥がれを防止して信頼性を高める。【解決手段】共振器端面側から、光学膜厚が0.01λ以
下の接着層および光学膜厚が0.25λの窒化シリコン膜を
形成して低反射膜とする。あるいは、共振器端面側か
ら、窒化シリコンおよび酸化アルミニウムを光学膜厚バ
ランスを制御して形成する。この場合、窒化シリコンの
光学膜厚は0.055λ以上0.16λ以下とし、酸化アルミニ
ウム膜の光学膜厚は0.12λ以上0.21λ以下とすることが
望ましい。これらにより、窒化シリコンの膜剥がれを防
止でき信頼性を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、共振器の少なくと
も一方に、窒化シリコン膜を含む低反射膜を備えた半導
体レーザ素子およびその半導体レーザ素子を光源に備え
たレーザモジュールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザ素子の共振器端面に誘電体
薄膜を用いて形成される、反射率が1％以下の低反射膜
は、基板および誘電体薄膜の間に下記の関係（社団法人
日本オプトロメカトロニクス協会発行の光応用技術199
1，IV-2，光学薄膜より抜粋）が成り立つことが広く知
られており、この関係を基に反射膜が形成されている。

【０００３】反射膜が単層誘電体膜の場合、単層誘電体
膜の屈折率および膜厚をｎ1およびｄ1、基板の屈折率を
ｎｇ、導波光の波長をλとすると、ｎ１ｄ１＝1/4λ、ｎ１²＝ｎｇの関係が成り立ち、誘電体膜厚に対し反射率が変動し、
λ/(4n)で最低反射率となる。波長に対する反射率のグ
ラフは放物線状となる。

【０００４】反射膜が２層誘電体膜からなる場合、各誘
電体膜の屈折率および膜厚をｎ1およびｄ1、ｎ2および
ｄ2、基板の屈折率をｎｇ、波長λとすると、ｎ1ｄ1＝1/4λ，ｎ2ｄ2＝1/4λ，ｎ2²＝ｎ1²ｎｇの関係が成り立ち、λ/(4n)で最低反射率となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】反射膜の最低反射率
は、基板の屈折率及び各誘電体薄膜の屈折率の組み合わ
せにより一義的に決まる。このため、低反射率にするに
は単層誘電体膜の場合、誘電体膜の屈折率を上記関係式
が成り立つ膜質および組成にコントロールしなければな
らないが、実質上困難であり生産性が低い。

【０００６】２層誘電体膜からなる低反射膜を備えた半
導体レーザ素子として、例えば、特開平6-85382号にお
いて、窒化シリコンの単層膜、あるいはフッ化マグネシ
ウムとセレン化亜鉛の２層膜からなる低反射膜を備えた
半導体レーザが開示されている。窒化シリコン膜は工程
適正があるが、比較的膜応力が大きく、膜厚が厚くなる
と環境温度の変化等により膜剥離を生じ易く、さらに、
単層では基板の屈折率に対して反射率が変動するため任
意の低反射率に制御することが困難である。しかし、窒
化シリコンは酸化物系の誘電体ではないため膜質が安定
であり、半導体レーザ素子の経時特性に対し有益な誘電
体薄膜として有用できる膜である。一方、フッ化マグネ
シウムとセレン化亜鉛の２層膜の場合、フッ化マグネシ
ウムを光学設計上外側の膜にする必要があるが、フッ化
マグネシウムは水分の吸水性の高い膜のため、空気と接
すると膜質の変化が生じ屈折率の変化を引き起こす可能
性が高く経時安定性が低いという問題がある。

【０００７】そこで、SiO_xN_1-x等の複合誘電体膜を形成
することにより1.7〜1.9の任意の屈折率に制御し、反射
率を任意に制御する方法が挙げられるが、誘電体膜の屈
折率の再現性が悪いため、工程適正が低く経時信頼性が
低いという問題がある。

【０００８】本発明は上記事情に鑑みて、１％以下の任
意の低反射率に制御することが可能であり、かつ経時信
頼性が高い半導体レーザ素子およびその半導体レーザ素
子を光源に備えた信頼性の高いレーザモジュールを提供
することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ素
子は、半導体からなる共振器の対向する２つの共振器端
面の少なくとも一方に、窒化シリコン膜からなる、反射
率が１％以下の低反射膜が形成されている半導体レーザ
素子において、共振器端面と窒化シリコン膜との間に、
光学膜厚が0.01λ（λは目的波長）以下である、共振器
端面と窒化シリコン膜とを接着する機能を有する接着層
が形成されていることを特徴とするものである。

【００１０】窒化シリコン膜の光学膜厚は、ほぼ0.24λ
以上0.25λ以下であることが望ましい。

【００１１】接着層は、酸化アルミニウムあるいはシリ
コンからなることが望ましい。

【００１２】また、本発明の別の半導体レーザ素子は、
半導体からなる共振器の対向する２つの共振器端面の少
なくとも一方に、該共振器端面側から窒化シリコン膜お
よび酸化アルミニウム膜をこの順に形成してなる、反射
率が１％以下の低反射膜が形成されていることを特徴と
するものである。

【００１３】窒化シリコン膜の光学膜厚は、0.055λ以
上0.16λ以下であり、かつ酸化アルミニウム膜の光学膜
厚は、0.12λ以上0.21λ以下であることが望ましい。

【００１４】さらに、共振器端面と窒化シリコン膜との
間に、該共振器端面と該窒化シリコン膜とを接着する機
能を有し光学膜厚が0.01λ以下である接着層が形成され
ていてもよい。接着層は酸化アルミニウム、シリコンお
よびシリコン化合物のいずれか１つからなることが望ま
しい。

【００１５】本発明のレーザモジュールは、上記の本発
明の半導体レーザ素子を光源に備えたことを特徴とする
ものである。

【００１６】

【発明の効果】本発明の半導体レーザ素子によれば、共
振器端面に反射率が１％以下の窒化シリコン膜からなる
反射膜が形成されている半導体レーザ素子であって、共
振器端面と窒化シリコン膜の間に光学膜厚が0.01λ以下
の接着層が設けられていることにより、窒化シリコン膜
の剥離を防止することができ、経時信頼性を向上させる
ことができる。なお、反射率は基板屈折率（半導体共振
器端面の屈折率）および窒化シリコン膜の屈折率により
一義的に決定されるため、接着層が形成されても反射率
は１％以下の低反射に制御することが可能である。

【００１７】また、本発明の別の半導体レーザ素子によ
れば、半導体共振器端面に、窒化シリコン膜および酸化
アルミニウム膜をこの順に成膜してなる低反射膜が設け
られていることにより、窒化シリコン膜の膜歪量を低減
させ膜剥離を防止すると伴に、半導体層への歪応力を低
減させることができる。また、窒化シリコン膜および酸
化アルミニウム膜の光学膜厚を調整することによりさら
に基板屈折率に関係なく０〜１％の任意の低反射率に制
御できる。

【００１８】また、窒化シリコン膜の光学膜厚を0.055
λ以上0.16λ以下とし、酸化アルミニウム膜の光学膜厚
を0.12λ以上0.21λ以下とすることは、窒化シリコン膜
の膜歪量を低減するためにより効果的である。またさら
に、共振器端面と窒化シリコン層との間に接着層を設け
ることにより、さらに窒化シリコン膜の剥がれを防止で
き、経時信頼性が高い半導体レーザ素子を得ることがで
きる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
を用いて詳細に説明する。

【００２０】本発明の第１の実施の形態による半導体レ
ーザ素子について説明する。一般的な半導体レーザ素子
の斜視図を図１に示し、これを参照して説明する。

【００２１】図１に示すように、基板１上に活性層を含
むエピタキシャル多層膜２を形成し、ＳｉＯ₂あるいは
ＳｉＮからなる電流狭窄層３を形成し、Ｐ電極４および
Ｎ電極５を形成する。次に共振器端面面に反射率制御の
ための誘電体膜６および７を形成する。レーザ共振器端
面の少なくとも一方の反射率を、光導波している波長λ
に対し低反射にする。すなわち誘電体膜６および７のい
ずれか一方または両方を低反射率とする。

【００２２】まず、端面に半導体レーザの特性及び経時
信頼性に悪影響を及ぼさない接着層として、共振器端面
に0.01λ以下のＳｉ膜を被覆させ、その上に、光学膜厚
0.25λの窒化シリコンの膜を成膜し、１％以下の低反射
膜とする。

【００２３】本実施の形態では、窒化シリコン膜と共振
器端面の間に接着層を入れることにより光学特性にほと
んど変化を与えず、窒化シリコンの膜の膜応力を接着層
により緩和させることにより密着性を改善させることが
できる。従って、窒化シリコン膜の剥離を防止すること
ができ、経時信頼性の向上を図ることができる。

【００２４】本実施の形態による接着層と窒化シリコン
膜からなる低反射率誘電体膜は、共振器端面の両面でも
よいし、どちらか一方の端面でもよい。

【００２５】接着層として、Ｓｉの代わりに酸化アルミ
ニウムでもよい。

【００２６】また、反射率をさらに0.01％以下の低反射
率にする場合は、窒化シリコン膜の光学膜厚はほぼ0.24
λにすることが望ましい。

【００２７】ここで、接着層を形成した場合の接着層の
光学特性に及ぼす影響について説明する。図２に、接着
層の光学膜厚ｄと目的波長λでの反射率の関係を示し、
図３に光学膜厚ｄ＝0.01λにおいて、接着層の屈折率ｎ
と目的波長λでの反射率の関係を示す。

【００２８】図２に示すように、接着層の光学膜厚が0.
01λ以下では光学特性にほとんど変化がないことがわか
る。また、図３に示すように、接着層の屈折率ｎの変化
に対して、光学特性にほとんど変化が無いことがわか
る。

【００２９】次に、本発明の第２の実施の形態による半
導体レーザ素子について説明する。本実施の形態による
半導体レーザ素子は、図１の半導体レーザ素子におい
て、共振器の共振器端面に形成する誘電体膜６および７
の少なくとも一方を低反射膜として、端面側から窒化シ
リコン膜および酸化アルミニウム膜の順に形成してい
る。

【００３０】図４に、本実施の形態における半導体レー
ザ素子の低反射膜の、目的波長λに対する分光反射特性
を示す。図中ａは共振器端面に窒化シリコン膜を0.055
λ形成し、その上にＡｌ₂Ｏ₃を0.21λを形成して反射率
を波長λで１％に制御したものであり、図中ｂは共振器
端面に窒化シリコン膜を0.13λ形成し、その上にＡｌ ₂
Ｏ₃を0.15λ形成して反射率を波長λで０％に制御した
ものである。図４に示すように、窒化シリコン膜の光学
膜厚と第２層目のＡｌ₂Ｏ₃層の光学膜厚バランスを制御
することにより、任意の低反射率に制御することが可能
である。

【００３１】また、低反射率制御膜として窒化シリコン
膜および酸化アルミニウム膜の２層膜にすることによ
り、窒化シリコン膜の膜厚を薄くすることにより膜歪み
量を低減させ膜剥離を防ぐと同時に、半導体への歪み応
力を低減させ経時信頼性を向上させることが可能であ
る。さらに、２層膜の光学膜厚バランスを制御すること
により任意の低反射率に制御させることが可能である。

【００３２】次に、半導体共振器端面の実行屈折率が変
化した場合（3.2、3.4および3.6）の、上記２層反射膜
（窒化シリコン＋酸化アルミニウム）の分光反射特性に
ついて説明する。

【００３３】（ｉ）半導体共振器端面の実行屈折率が3.
2の場合光学膜厚0.132λとなる窒化シリコン（屈折率n=2.0）の
膜を成膜した後、第２誘電体膜として光学膜厚0.153λ
となる酸化アルミニウム（屈折率n=1.65）を成膜する。

【００３４】（ii）半導体共振器端面の実行屈折率が3.
4の場合光学膜厚0.145λとなる窒化シリコン(屈折率n=2.0)の膜
を成膜した後、第２誘電体膜として、光学膜厚0.137λ
となる酸化アルミニウム(屈折率n=1.65)を成膜する。

【００３５】（iii）半導体共振器端面の実行屈折率が
3.6の場合光学膜厚0.16λとなる窒化シリコン(屈折率n=2.0)の膜
を成膜した後、第２誘電体膜として、光学膜厚0.12λと
なる酸化アルミニウム(屈折率n=1.65)を成膜する。

【００３６】上記３つ実効屈折率の場合の目的波長λで
反射率を図５に示し、基板屈折率と反射率との関係にお
いて共振器端面に窒化シリコン膜のみを形成した場合と
比較したグラフを図６に示す。図５に示すように、半導
体共振器端面の実行屈折率が変化しても、波長λにおけ
る反射率を１％以下の低反射にすることができる。ま
た、図６に示すように、反射制御膜として窒化シリコン
膜のみの場合は基板の屈折率が変化すると伴に反射率が
変化しているが、２層膜の場合は基板の屈折率が変化し
ても安定的に反射率を１％以下の低反射率に制御するこ
とができる。従って、本実施の形態のように、反射膜を
窒化シリコン膜と酸化アルミニウム膜の２層膜として、
２つの膜の光学膜厚バランス等を制御することにより１
％以下の低反射率に制御させることが容易であることが
わかる。

【００３７】次に、本発明の第３の実施の形態による半
導体レーザ素子について説明する。本実施の形態による
半導体レーザ素子は、図１の半導体レーザ素子におい
て、共振器の共振器端面に形成する誘電体膜６および７
の少なくとも一方を低反射膜として、半導体共振器端面
側から接着層、窒化シリコン膜および酸化アルミニウム
膜をこの順に積層してなる誘電体多層膜を備えたもので
ある。

【００３８】半導体レーザの特性及び経時信頼性に悪影
響を及ぼさない接着層として、共振器端面に0.01λ以下
のＳｉ膜を被覆させた後、窒化シリコン膜の光学膜厚を
0.055λ以上0.16λ以下の範囲で形成し、酸化アルミニ
ウム膜の光学膜厚を0.12λ以上0.21λ以下の範囲で形成
する。これにより、窒化シリコン膜の剥がれを防止で
き、経時信頼性の高い半導体レーザ素子を得ることが可
能である。

【００３９】本発明の半導体レーザ素子は、窒化シリコ
ン膜の膜剥がれが無く、経時信頼性が高いので、レーザ
モジュールの光源に用いることにより、信頼性の高いレ
ーザモジュールを得ることができる。レーザモジュール
としては、半導体レーザの外部に共振器ミラーを取り付
けた外部共振器型半導体レーザモジュール、半導体レー
ザと光ファイバとを組み合わせたファイバレーザモジュ
ールおよび半導体レーザに波長変換する光導波路を組み
合わせたＳＨＧモジュール等を挙げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一般的な半導体レーザ素子を示す斜視図

【図２】共振器端面に半導体層側から接着層および窒化
シリコン膜をこの順に積層してなる低反射膜を備えた半
導体レーザ素子の、接着層の光学膜厚と反射率の関係を
示すグラフ

【図３】共振器端面に半導体層側から接着層および窒化
シリコン膜をこの順に成膜してなる低反射膜を備えた半
導体レーザ素子の、接着層の屈折率と目的波長λでの反
射率の関係を示すグラフ

【図４】共振器端面に半導体層側から窒化シリコン膜お
よび酸化アルミニウムをこの順に成膜してなる低反射膜
を備えた半導体レーザ素子の、波長に対する反射率の関
係を示すグラフ

【図５】共振器端面に半導体層側から窒化シリコン膜お
よび酸化アルミニウムをこの順に成膜してなる低反射膜
を備えた半導体レーザ素子の、共振器端面の実効屈折率
と目的波長における反射率との関係を示すグラフ

【図６】共振器端面に窒化シリコン膜のみからなる反射
膜を形成した場合と、共振器端面に半導体層側から窒化
シリコン膜および酸化アルムニウムをこの順に成膜して
なる低反射膜を形成した場合の、基板の屈折率と反射率
との関係を示すグラフ

【符号の説明】

１基板２エピタキシャル多層膜３電流狭窄層４Ｐ電極５Ｎ電極６，７誘電体膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体からなる共振器の対向する２つの
共振器端面の少なくとも一方に、窒化シリコン膜からな
る、反射率が１％以下の低反射膜が形成されている半導
体レーザ素子において、前記共振器端面と前記窒化シリコン膜との間に、光学膜
厚が0.01λ（λは目的波長）以下である、該共振器端面
と該窒化シリコン膜とを接着する機能を有する接着層が
形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】前記窒化シリコン膜の光学膜厚が、ほぼ
0.24λ以上0.25λ以下であることを特徴とする請求項１
記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】前記接着層が、酸化アルミニウムあるい
はシリコンからなることを特徴とする請求項１または２
記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】半導体からなる共振器の対向する２つの
共振器端面の少なくとも一方に、該共振器端面側から窒
化シリコン膜および酸化アルミニウム膜をこの順に形成
してなる、反射率が１％以下の低反射膜が形成されてい
ることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項５】前記窒化シリコン膜の光学膜厚が、0.05
5λ以上0.16λ以下であり、かつ前記酸化アルミニウム
膜の光学膜厚が、0.12λ以上0.21λ以下であることを特
徴とする請求項４記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】前記共振器端面と前記窒化シリコン膜と
の間に、該共振器端面と該窒化シリコン膜とを接着する
機能を有し光学膜厚が0.01λ以下である接着層が形成さ
れていることを特徴とする請求項４または５記載の半導
体レーザ素子。
【請求項７】前記接着層が酸化アルミニウム、シリコ
ンおよびシリコン化合物のいずれか１つからなることを
特徴とする請求項６記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】請求項１から７のいずれか１項記載の半
導体レーザ素子を光源に備えたレーザモジュール。