JP2003264333A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

半導体レーザ素子

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JP2003264333A JP2002065174A JP2002065174A JP2003264333A JP 2003264333 A JP2003264333 A JP 2003264333A JP 2002065174 A JP2002065174 A JP 2002065174A JP 2002065174 A JP2002065174 A JP 2002065174A JP 2003264333 A JP2003264333 A JP 2003264333A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 化学的及び熱的に安定で、薬品耐性に優れた
低反射膜を出射端面に備え、出射端面の光学損傷の発生
を抑制し、長期間にわたって安定して動作する半導体レ
ーザ素子を提供する。 【解決手段】 本半導体レーザ素子10は、半導体基板
12上に活性層14を有する共振器構造16を備えた端
面発光型の650nm帯赤色半導体レーザ素子であっ
て、共振器構造の出射端面に低反射3層膜18を、後端
面に高反射多層膜20をそれぞれ備えている。低反射3
層膜18は、出射端面上に順次スパッタ法によって成膜
された膜厚10nmの第1のAl23膜18a、膜厚1
90nmのSi34膜18b、及び膜厚10nmの第2
のAl23膜18cの3層積層膜として構成され、端面
反射率が10%になるように設定されている。後端面に
設けた高反射多層膜20は、Al23膜20aと、a−
Si膜20bの多層膜構造として構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、端面出射型半導体
レーザ素子に関し、更に詳細には、光学損傷による出射
端面の劣化を抑制して、高出力で長期間にわたり安定し
て動作する半導体レーザ素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】GaAs系の端面出射型半導体レーザ素
子では、光出力を増大するために、注入電流を増して行
くと、光出力が急激に減少する現象が発生する。これ
は、半導体レーザ素子の出射端面の光学損傷(COD:
Catastrophic Optical Damage )によるもので、以下の
ようなメカニズムで発生するものと考えられている。す
なわち、半導体レーザ素子の出射端面には高密度の表面
準位が存在するので、電流注入すると、この表面準位を
介して非発光再結合電流が流れる。そのため、出射端面
近傍でのキャリア密度はレーザ内部に比べて低くなり、
光の吸収が生じる。この光吸収によって発熱が生じ、出
射端面付近の温度が上昇するので、出射端面付近でのバ
ンドギャップ・エネルギーが減少し、更に一層光吸収が
増大する。この正帰還ループによって、出射端面の温度
が極端に上昇して、終には出射端面が融解してしまい、
レーザ発振が停止する。また、光吸収は、出射端面の酸
化及び空格子等の点欠陥の発生によって増加すると言わ
れている。そこで、従来、光学損傷の発生を防止するた
めに、出射端面に低反射膜を形成して、出来るだけ外部
にレーザ光を取り出すようにする対策が施されている。
【0003】例えば、第2870486号特許公報(以
下、第1の従来例と言う)によれば、Al23膜とSi
34膜とでは、相互に反対方向の応力がそれぞれに生じ
るので、Al23膜とSi34膜とを積層した積層膜で
は、Al23膜に生じた歪応力とSi34膜に生じた歪
応力とが打ち消し合って積層膜全体の歪応力を消失させ
ることができる。そこで、半導体レーザ素子の出射端面
にAl23膜とSi34膜の2層膜を積層することによ
って出射端面に生じる歪応力を低減させ、応力歪みに起
因する空格子欠陥等の点欠陥の発生を抑制し、安定な誘
電体−化合物半導体界面を形成することにより、COD
による出射端面の劣化を抑制することができるとしてい
る。
【0004】また、特開平6−224514号公報(以
下、第2の従来例と言う)は、熱伝導率が比較的高いS
i膜と、熱伝導率が比較的低いAl23膜との2層膜を
半導体レーザ素子の後端面に高反射コーティング膜とし
て設け、Al23膜の膜厚をλ/n1 (λ:波長、
1 :Al23の屈折率)より薄くし、Si膜の膜厚を
λ/n2 (λ:波長、n2 :Siの屈折率)より厚くし
て、高反射コーティング膜全体の熱伝導率を高めること
により、半導体レーザ素子の放熱性を改良することがで
きるとしている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した第
1の従来例には、以下のような問題があった。すなわ
ち、第1の従来例は、出射端面に発生した歪応力をAl
23膜とSi34膜との積層膜によって打ち消すことに
より、CODによる出射端面の劣化を抑制している。従
って、Al23の屈折率(n=1.6)、及びSi34
の屈折率(n=2.1)に基づいて、所定の発光波長に
対する端面反射率が所望値になり、しかも歪応力を打ち
消し合うように、Al23膜及びSi34膜の膜厚及び
成膜条件を設定することが必要である。
【0006】しかし、端面反射率及び歪応力の打ち消し
の双方を満足させるAl23膜及びSi34膜の膜厚及
び成膜条件を選択することは、実際には極めて難しいと
いう問題があった。また、Al23膜及びSi34膜の
成膜条件の自由度が小さいので、成膜が難しいという問
題もあった。このために、発光波長、端面反射率、用途
が異なる半導体レーザ素子全般に第1の従来例を適用す
ることは、実際には困難であって、実用的ではない。
【0007】また、化学的及び熱的に不安定なSi34
が露出しているので、後続のプロセス工程、例えば洗浄
工程での薬品耐性が低くなり、生産歩留まりが悪化し、
更には、半導体レーザ素子の駆動に伴った大気による酸
化進行により光学特性が変化するという問題もあった。
更に、重要なことには、第1の従来例の低反射多層膜を
設けた半導体レーザ素子では、レーザ特性が劣化し易
く、長期間にわたって安定して動作させることが難しい
という問題があった。
【0008】一方、第2の従来例は、半導体レーザ素子
の後端面に設ける高反射膜が対象であって、半導体レー
ザ素子の出射端面に適用することは技術的に無理があ
る。また、仮に第2の従来例を出射端面に適用したとし
ても、Si膜は0.8μm帯以下の波長で光吸収が生じ
ることから、第2の従来例を適用する半導体レーザ素子
の発光波長範囲は限定されることになる。
【0009】そこで、本発明の目的は、化学的及び熱的
に安定し、適用波長範囲の広い低反射膜を設けることに
より、出射端面の光学損傷の発生を抑制し、長期間にわ
たって安定して動作する半導体レーザ素子を提供するこ
とである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明者は、第1の従来
例の半導体レーザ素子で生じる動作不安定性を調べたと
ころ、次のことが判った。すなわち、Al23/Si3
4の2層構造では、パーティクルが付着し易いSi3
4膜が露出している。そのために、2層構造を形成した
後の後続プロセス、例えば洗浄工程、或いは劈開して得
たレーザバーをヒートシンクに融着してダイシングし、
チップ化する工程で、多数個のパーティクルがSi34
膜上に付着する。付着したパーティクルは、出射端面か
ら出射されるレーザ光に干渉したり、場合によってはレ
ーザ光を吸収して発熱し、レーザ特性の劣化を引き起こ
す。このために、半導体レーザ素子が安定して動作しな
いことが判った。
【0011】ところで、CODによる出射端面の劣化の
原因は、前述したように、出射端面でのキャリア密度の
低下及びそれに伴う光の吸収に起因して、出射端面が温
度上昇することである。従って、第1の従来例のよう
に、歪応力を打ち消してCODによる出射端面の劣化を
抑制するより、寧ろ、誘電体膜からなる低反射膜の熱伝
導率を高めて放熱性を向上させ、局所的な温度上昇を抑
制する方が、CODによる出射端面の劣化の抑制に有効
である。
【0012】そこで、本発明者は、通常、35%以下の
低反射コート膜にはAl23膜の単層構造が用いられる
ことに注目し、低反射コート膜としてAl23膜を使用
して、かつAl23膜の熱伝導率を良好にするために、
熱伝導率がAl23膜より高い誘電体膜、例えばSi3
4膜を積層することを考えた。更に言えば、Al23
膜を出射端面上の第1の膜とするのは、Al23膜が共
振器端面との密着性が高く、広い波長範囲で透明性を有
し、熱的及び化学的に安定であって、化合物半導体結晶
と容易に化合しないからである。更に、Si34膜が露
出していると、パーティクル付着性が強く、薬品耐性、
化学的及び熱的安定性が乏しくなるので、Si34膜上
にAl23膜を保護膜として積層することを着想した。
そして、本発明者は、実験を重ねて、その有効性を確認
し、更に着想を発展させて、本発明を発明するに到っ
た。
【0013】上記目的を達成するために、上述の知見に
基づいて、本発明に係る半導体レーザ素子は、一対の共
振器端面を有する端面発光型半導体レーザ素子におい
て、第1の誘電体膜、第1の誘電体膜より熱伝導率の高
い第2の誘電体膜、及び第2の誘電体膜より熱伝導率の
低い第3の誘電体膜の誘電体3層膜からなる低反射多層
膜が、共振器端面の一方の出射端面上に設けられている
ことを特徴としている。
【0014】本発明では、第1の誘電体膜は低反射膜と
して機能する。第1の誘電体膜より熱伝導率の高い第2
の誘電体膜は熱伝導膜として機能する。これにより、出
射端面で発生した熱は第1の誘電体膜を介して熱伝導膜
である第2の誘電体膜に伝達され、続いて第2の誘電体
膜を経由して外部に放出される。第3の誘電体膜は第2
の誘電体膜の保護膜として機能し、第2の誘電体膜にパ
ーティクルが付着したり、洗浄等の後続プロセスで第2
の誘電体膜が損傷するのを防止している。本発明に係る
半導体レーザ素子では、以上の構成により、出射端面の
端面反射率を35%以下に、更には10%以下にするこ
とができる。
【0015】本発明の好適な実施態様では、第1の誘電
体膜は、Al23膜、ZrO2 膜、HfO2 膜、及びA
lN膜のいずれかである。また、第2の誘電体膜は、S
34膜、AlN膜、GaN膜、及びSiC膜のいずれ
かである。更に、第3の誘電体膜は、Al23膜、Zr
2 膜、HfO2 膜、及びSiO 2 膜のいずれかであ
る。第1の誘電体膜及び第3の誘電体膜は、同じ組成の
膜でも、異なる組成の膜でも良く、膜厚も同じである必
要はない。
【0016】本発明では、出射端面に発生した応力を出
射端面に設けた低反射多層膜によって低減する必要はな
いので、第1の従来例のように、端面反射率が所要値に
なるように、かつ、出射端面に発生した歪応力を打ち消
し合うように、第1の誘電体膜と第2の誘電体膜との膜
厚及び成膜条件を、例えばAl23膜とSi34膜との
膜厚及び成膜条件を設定する必要はない。本発明では、
誘電体膜の端面反射率が誘電体膜の膜厚変化に対して周
期的に変化すること、換言すれば所定の端面反射率を示
す誘電体膜の膜厚は薄膜から厚膜に段階的に変化するこ
とを利用して、低反射3層膜の端面反射率が所望の値に
なるように、第1の誘電体膜、例えばAl23膜より熱
伝導率の高い第2の誘電体膜の膜厚を段階的に変化する
複数個の膜厚から選択することができる。従って、熱伝
導性を考慮し、所要の端面反射率を有する誘電体膜の膜
厚を容易に設定することができる。例えば、熱伝導度の
低いAl23膜の膜厚を10nmの薄膜にし、熱伝導率
の高い誘電体膜を厚膜に設定することにより、所望の端
面反射率を有し、しかも全体的な熱伝導率の高い低反射
3層膜を得ることができる。
【0017】本発明は、基板、及び基板上に形成された
共振器構造を構成する化合物半導体層の組成に制約無く
適用でき、例えばGaAs系、AlGaAs系、AlG
aInP系の半導体レーザ素子に好適に適用できる。ま
た、埋め込み型、エアリッジ型等のレーザストライプの
構成に制約無く適用できる。更には、本発明は、端面出
射型半導体レーザ素子である限り、広い発光波長範囲で
適用でき、例えば400nm、650nm、780n
m、850nm、980nm等の広範囲な発光波長の半
導体レーザ素子に適用することができる。
【0018】低反射3層膜全体の熱伝導率を向上させる
ためには、熱伝導率の低い第1の誘電体膜の膜厚は、出
来る限り薄い方が好ましいものの、表面を完全に被膜
し、ピンホールなどが発生しない膜厚にするために、第
1の誘電体膜の膜厚は5nm以上か好ましい。例えばA
23膜であれは、その膜厚を5nm以上とする。ま
た、第3の誘電体膜の膜厚は、表面保護層として薬品耐
性があり、大気中からの酸化進行を抑制するために、例
えばAl23膜であれば、その膜厚は5nm以上が好ま
しい。第1及び第3の誘電体膜の膜種、膜厚を設定した
のち、熱伝導性を考慮して、所定の端面反射率を示して
段階的に薄から厚に変化する複数個の膜厚から第2の誘
電体膜の膜厚を選択することにより、所定の端面反射率
を有し、しかも熱伝導性の良好な低反射3層膜を構成す
ることができる。更に、本発明では、第1の従来例のよ
うに歪応力を打ち消す必要はないので、成膜条件を比較
的自由に設定することができる。
【0019】本発明では、誘電体膜の端面反射率は誘電
体膜の膜厚変化に対して周期的に変化することを利用し
て、上述したように、低反射3層膜を構成する第1の誘
電体膜、第1の誘電体膜より熱伝導率の高い第2の誘電
体膜、及び第3の誘電体膜の膜厚を自由に変えることが
できる。第1及び第3の誘電体膜の厚さを設定し、かつ
低反射3層膜の端面反射率を設定したとき、熱伝導率の
高いSi34膜等の第2の誘電体膜の膜厚を、所定の端
面反射率を有して薄い膜厚から厚い膜厚に段階的に変化
する複数個の所要膜厚の中から、熱伝導性を考慮して選
択した誘電体膜の膜厚に設定する。
【0020】以上のことから、本発明では、第1の誘電
体膜の膜厚は5nm以上100nm以下の範囲にあり、
かつ第2の誘電体膜の膜厚は50nm以上400nm以
下の範囲にある。例えば、第1の誘電体膜として5nm
以上100nm以下の範囲の膜厚のAl 23膜を使用
し、第2の誘電体膜として50nm以上400nm以下
の範囲の膜厚のSi34膜を使用する。第1の誘電体膜
として使用するAl23膜の膜厚を100nm以下にし
たのは、100nm以上の膜厚になると第1の誘電体膜
の熱伝導性が低下するからであり、Si34膜の膜厚を
400nm以下にしたのは、400nmを超える膜厚に
しても、熱伝導性がそれに応じて向上することがないか
らである。
【0021】本発明で、第1の誘電体膜から第3の誘電
体膜の成膜は、既知のスパッタ法、CVD法、EB蒸着
法等により行うことができる。なかでも、膜厚制御性の
良いスパッタ法が好ましい。
【0022】
【発明の実施の形態】以下に、実施形態例を挙げ、添付
図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細
に説明する。実施形態例 本実施形態例は、本発明に係る半導体レーザ素子の実施
形態の一例であって、図1(a)は本実施形態例の半導
体レーザ素子の出射端面の低反射3層膜及び後端面の高
反射多層膜の構成を示す模式的平面図、及び図1(b)
は図1(a)の線I−Iでの断面図である。本実施形態
例の半導体レーザ素子10は、図1に示すように、Ga
As基板等の化合物半導体基板12上に活性層14を有
する共振器構造16を備えた端面発光型の650nm帯
赤色半導体レーザ素子であって、共振器構造の出射端面
に低反射3層膜18を、後端面に高反射多層膜20をそ
れぞれ備えている。後端面に設けた高反射多層膜20
は、Al23膜20aと、a−Si(アモルファス・シ
リコン)膜20bの多層膜構造として構成されている。
【0023】低反射3層膜18は、出射端面上に順次ス
パッタ法によって成膜された第1のAl23膜18a、
Si34膜18b、及び第2のAl23膜18cの3層
積層膜として構成され、端面反射率が10%になるよう
に設定されている。ここで、第1のAl23膜18a、
Si34膜18b、及び第2のAl23膜18cは、そ
れぞれ、本発明の第1の誘電体膜、第2の誘電体膜及び
第3の誘電体膜として機能する。
【0024】低反射3層膜18全体の熱伝導率を向上さ
せるためには、熱伝導率の低い第1のAl23膜18a
及び第2のAl23膜18bの膜厚は出来る限り薄い方
が好ましいものの、出射端面を完全に被膜し、ピンホー
ルなどが発生しない膜厚にするために、第1のAl23
膜18aの膜厚は、5nm以上が好ましいので、本実施
形態例では、10nmに設定されている。また、第2の
Al23膜の膜厚は、低反射3層膜18の表面保護層と
して薬品耐性があり、大気による酸化進行を抑制するた
めに、10nm以上が好ましいので、本実施形態例で
は、10nmに設定されている。
【0025】誘電体膜の端面反射率は誘電体膜の膜厚変
化に対して周期的に変化するので、端面反射率を10%
に設定しても、低反射3層膜18を構成する第1のAl
23膜18a、Si34膜18b、及び第2のAl23
膜18cの膜厚を自由に変えることができる。例えば、
第1及び第2のAl23膜18a及び18bの厚さを1
0nmに設定したとき、低反射3層膜18の端面反射率
を10%にするSi34膜18bの所要膜厚は、以下の
関係に基づいて、36、85、190、240nm等に
なるので、熱伝導性を考慮してその中から選択すること
ができる。また、第1及び第2のAl23膜18a、1
8cの膜厚を50nmとしたときには、Si34膜18
bの所要膜厚は、27、137、182、292nm等
になるので、熱伝導性を考慮してその中から選択するこ
とができる。
【0026】低反射3層膜18全体の熱伝導率を高める
ためには、Si34膜18bの膜厚は50nm以上が好
ましいので、第1及び第2のAl23膜18a、18c
を10nmに設定した本実施形態例では、上述の36、
85、190、240nmから選択して、Si34膜1
8bの膜厚を190nmに設定している。
【0027】本実施形態例の半導体レーザ素子10を作
製する際には、先ず、既知のエピタキシー技術、エッチ
ング法、電極形成プロセス等により共振器構造を基板上
に作製する。次いで、所望の共振器長に劈開してレーザ
バーを形成し、続いて、スパッタ法、CVD法、EB蒸
着法等により出射端面に低反射3層膜18を、後端面に
高反射多層膜20を成膜した後、チップ化する。
【0028】本実施形態例では、第1の誘電体膜として
第1のAl23膜18a、第2の誘電体膜としてAl2
3膜より熱伝導率の高いSi34膜18b、及び第3
の誘電体膜として第2のAl23膜18cの誘電体3層
膜からなる低反射多層膜18を共振器端面の一方の出射
端面上に設けることにより、高出力動作させた時に生じ
る光学損傷(COD)による出射端面劣化を抑制して、
長期間にわたり安定した動作を行うことができる半導体
レーザ素子を実現している。また、本実施形態例の半導
体レーザ素子10では、出射端面が化学的及び熱的に強
い第2のAl23膜18cで被覆されているので、低反
射3層膜の形成後の薬品洗浄工程、熱プロセス等で、出
射端面が損傷するのが防止される。更には、本明細書と
共に提出した参考写真に示すように、組み立て工程での
パーティクル付着などの問題も生じない。従って、半導
体レーザ素子の製品歩留りが向上する。
【0029】本実施形態例では、Al23膜より熱伝導
率の高い誘電体膜としてSi34膜を用いているが、S
34膜に代えて、AlN膜、GaN膜、及びSiC膜
のいずれかを用いることもできる。Si34以外の材料
を用いる場合にも、本実施形態例の同様にして、所望の
端面反射率及び熱伝導性が得られるようにAl23及び
Si34膜に代わる誘電体膜の膜厚を設定する。また、
第1及び第2のAl23膜に代えて、ZrO2 膜、Hf
2 膜、及びAlN膜を使用することもできる。本実施
形態例では、端面発光型の650nm帯赤色半導体レー
ザ素子を例にしているが、端面発光型である限り、発光
波長の異なる半導体レーザ素子にも本発明を適用するこ
とができる。
【0030】
【発明の効果】本発明によれば、第1の誘電体膜、第1
の誘電体膜より熱伝導率の高い第2の誘電体膜、及び第
2の誘電体膜より熱伝導率の低い第3の誘電体膜の誘電
体3層膜からなる低反射多層膜を共振器端面の一方の出
射端面上に設けることにより、高出力動作させた時に生
じる光学損傷(COD)による出射端面劣化を抑制し
て、長期間にわたり安定した動作を行うことができる半
導体レーザ素子を実現している。本発明は、端面出射型
半導体レーザ素子である限り、400nm、650n
m、780nm、850nm、980nm等の広範囲な
発光波長の半導体レーザ素子に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)は本実施形態例の半導体レーザ素子
の出射端面の低反射3層膜及び後端面の高反射多層膜の
構成を示す模式的平面図、及び図1(b)は図1(a)
の線I−Iでの断面図である。
【符号の説明】
10……実施形態例の半導体レーザ素子、12……半導
体基板、14……活性層、16……共振器構造、18…
…低反射3層膜、18a……第1のAl23膜、18b
……Si34膜、18c……第2のAl23膜、20…
…高反射多層膜、20a……Al23膜、20b……a
−Si膜

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一対の共振器端面を有する端面発光型半
    導体レーザ素子において、 第1の誘電体膜、第1の誘電体膜より熱伝導率の高い第
    2の誘電体膜、及び第2の誘電体膜より熱伝導率の低い
    第3の誘電体膜の誘電体3層膜からなる低反射多層膜
    が、共振器端面の一方の出射端面上に設けられているこ
    とを特徴とする半導体レーザ素子。
  2. 【請求項2】 第1の誘電体膜は、Al23膜、ZrO
    2 膜、HfO2 膜、及びAlN膜のいずれかであること
    を特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ素子。
  3. 【請求項3】 第2の誘電体膜は、Si34膜、AlN
    膜、GaN膜、及びSiC膜のいずれかであることを特
    徴とする請求項1又は2に記載の半導体レーザ素子。
  4. 【請求項4】 第3の誘電体膜は、Al23膜、ZrO
    2 膜、HfO2 膜、及びSiO2 膜のいずれかであるこ
    とを特徴とする請求項1から3のうちのいずれか1項に
    記載の半導体レーザ素子。
  5. 【請求項5】 第1の誘電体膜の膜厚は5nm以上10
    0nm以下の範囲にあり、かつ第2の誘電体膜の膜厚は
    50nm以上400nm以下の範囲にあることを特徴と
    する請求項4に記載の半導体レーザ素子。
  6. 【請求項6】 第1の誘電体膜が5nm以上100nm
    以下の範囲の膜厚のAl23膜であり、かつ第2の誘電
    体膜が50nm以上400nm以下の範囲の膜厚のSi
    34膜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。
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