JP2007081016A

JP2007081016A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP2007081016A
Application number: JP2005265072A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Nawae; 周一縄江; Tetsuhiro Tanabe; 哲弘田邉
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2005-09-13
Filing date: 2005-09-13
Publication date: 2007-03-29

Abstract

【課題】本発明は、半導体レーザの半導体積層部の構造を変更することなく、長時間の動作（高温エージング試験）によりＣＯＤ破壊に至るまでの時間を長くして長寿命化することができる高出力動作可能な半導体レーザを提供する。
【解決手段】半導体基板１上に活性層２２を含む半導体積層部２が積層され、活性層２２からの光を出射する出射端面部３に接するように半導体積層部２の実効屈折率よりも大きな屈折率を有する誘電体膜４が形成され、誘電体膜４上に出射端面コーティング膜５を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＤ、ＤＶＤ（デジタル多用途ディスク；digital versatile disk）、ＤＶＤ−ＲＯＭ、データ書き込み可能なＣＤ−Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ−Ｒ／ＲＡＭなどのピックアップ光源に用いるのに特に適した半導体レーザに関する。さらに詳しくは、高出力用でもＣＯＤ破壊出力が高く、長寿命化できる半導体レーザに関する。

近年、光ディスクの高密度化、書込み速度向上のため、７８０ｎｍ帯の赤外高出力半導体レーザや６５０ｎｍ帯の赤色高出力半導体レーザなどがピックアップ光源として用いられている。これら高出力半導体レーザは、出力を増加させるため半導体レーザの出射端面側の端面の反射率を下げる構成としている。この構成により、出射端面部の光密度を下げることでＣＯＤ破壊出力をあげ高出力を実現している（特許文献１参照）。

具体的には、図３に示されように、半導体基板５１上にストライプ状の発光領域が形成されるように活性層を含む半導体層が積層されて半導体積層部５２が形成され、積層面およびストライプ形成面に垂直面に劈開などにより出射端面部５３が設けられる。そして、出射端面部５３に反射率が２〜１０％程度になるように膜厚を制御し形成されたＡｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂などの低屈折率材料からなる端面コーティング膜５５が形成されて出射端面部５３での反射率が調整される。さらに出射端面の反対面に反射率が８０〜９０％程度になるように、Ａｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂などの低屈折率材料とアモルファスシリコン、ＴｉＯ_x、ＺｒＯ_xなどの高屈折率材料とが交互に積層された端面コーティング膜５６が形成された後、さらにダイシングなどによりチップ化されている。その際、半導体基板５１および半導体積層部５２に接するようにｐ側およびｎ側電極５７、５８が設けられる。
特開昭６０−１０７８８２号公報（図１）

近年の市場動向によれば、光学系の部品点数削減によるコストダウンが進み、その影響により光源である半導体レーザに光のロスが生じることになり、半導体レーザ自体の高出力化が必要となる。そこで、半導体レーザの半導体積層部の構造を変更して初期のＣＯＤ（瞬時光学損傷）破壊出力自体を高めることで高出力化を図ることが考えられるが、構造を変更することにも限界がある。また、従来の構造では、高出力での長時間の動作（高温エージング試験）によりＣＯＤ破壊出力の時間に対する低下度合いが急峻であり、さらに高出力化を図ろうとすると破壊に至るまでの時間が極めて短時間となり信頼性が低下し実用化できないという問題がある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、半導体レーザの半導体積層部の構造を変更することなく、長時間の動作（高温エージング試験）に対してもＣＯＤ破壊に至るまでの時間を長くして長寿命化することができる高出力動作可能な半導体レーザを提供することを目的とする。

本発明者らは、半導体レーザ光の出射端面部に、出射端面コーティング膜を備える７８０ｎｍ帯の赤外高出力用半導体レーザを高温（たとえば７０℃）で高出力（たとえば２５０ｍＷ）の加速寿命試験を実施したところ、１０〜１００時間という短い時間で破壊が生じた。そこで、その原因について、鋭意検討を重ねて調べた結果、従来の構成では半導体積層部の実効屈折率よりも遥かに小さい屈折率を有する材料からなる出射端面コーティング膜が直接出射端面部に接しているため、出射端面部での光密度が大きくなってしまうことに起因していることを見出した。

すなわち、出射端面部の反射率を低減させるには、一般的に光導波層の実効屈折率よりも遥かに小さい低屈折率材料を出射端面コーティング膜とすることが好ましい。そして、このような膜を用いると光導波層内の光密度分布は出射端面部方向にかけて確かに小さくなっていくが、光導波層の実効屈折率と出射端面コーティング膜の屈折率が相違することから生じる位相の関係により、ちょうど出射端面部で光密度が大きくなり、出射端面部で設計している値にまで光密度が低下していない。そのため、加速寿命試験を行うと、出射端面部での光密度が大きいことに起因し、出射端面部での劣化が激しく、時間とともに急激にＣＯＤ破壊出力が低下してしまい破壊に至るということを見出した。

そこで、出射端面部での光密度を低減するための検討をした結果、出射端面部と出射端面コーティング膜との間で、出射端面部に接するように光導波層の実効屈折率よりも大きな屈折率を有する材料の誘電体膜を挿入することにより、従来の低反射率の出射端面コーティング膜を用いても、屈折率の相違から生じる出射端面部での光密度が大きくなることを防止し、加速寿命試験によるＣＯＤ破壊出力の急激な低下を防止し得ることを見出した。

そこで、本発明の半導体レーザは、半導体基板上に積層される活性層を含む半導体積層部と、該活性層で発生する光を出射する出射端面部と、該出射端面部に出射端面コーティング膜とを備える半導体レーザにおいて、前記出射端面部と前記出射端面コーティング膜との間で該出射端面部に接するように、光導波層の実効屈折率よりも大きな屈折率を有する誘電体膜を備えることを特徴とする。

ここに実効屈折率とは、活性層・クラッド層からなる光導波層において、導波光が平均的に感じる屈折率をいう。

さらに、検討を進めた結果、誘電体膜として光導波層の実効屈折率よりも大きな屈折率を有する材料を用いた場合であっても、エージング試験によるＣＯＤ破壊出力の急激な低下は免れるものの、初期のＣＯＤ破壊出力が従来よりも低下する場合があることが判明した。さらに本発明者は鋭意検討を加え、かかる原因が誘電体膜によっては、活性層で発生した光を誘電体膜で吸収し、出射端面部での温度上昇を引き起こすことに起因していること、およびこれを回避するために誘電体膜を薄膜化することで吸収される度合いを小さくし初期のＣＯＤ破壊出力の低下を防止し得ることを見出した。

そこで、本発明のモノリシック型半導体レーザは、さらに該誘電体の膜厚が１０Å以上４０Å以下であることを特徴とする。具体的には、前記活性層で発生する光の発振波長が６００ｎｍから８００ｎｍの間で、かつ前記誘電体膜が屈折率４以上のアモルファスシリコン膜からなる。

本発明によれば、光導波層の実効屈折率よりも大きい誘電体膜を出射端面部と出射端面コーティング膜との間で、出射端面部に接するように設けているため、出射端面部での反射率を低減するために出射端面コーティング膜として光導波層の実効屈折率よりも小さい屈折率を有する材料を用いた場合でも、出射端面部での光密度は小さい値をとることになり、出射端面部での光密度増大を防止し、高温エージング試験によるＣＯＤ破壊に至るまでの時間的劣化度合いを緩やかにでき、非常に長時間高出力動作を行っても破損することが無く、高出力かつ信頼性の高い半導体レーザが得られる。

また、誘電体膜の膜厚が１０Å以上４０Å以下とすることにより、活性層で発生した光の一部を誘電体膜で吸収する場合であっても、初期のＣＯＤ破壊出力の低下を抑えることができ、信頼性の高い半導体レーザが得られる。

さらに、６００ｎｍから８００ｎｍの間で、かつ前記誘電体膜が屈折率４以上のアモルファスシリコン膜を使用することにより、誘電体膜での吸収をさらに低減することができ、より初期のＣＯＤ破壊出力の低下を抑えることができ、信頼性の高い半導体レーザが得られる。

つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体レーザについて説明をする。本発明による半導体レーザは、たとえば図１にその一実施形態のチップの斜視説明図および断面説明図が示されるように、半導体基板１上に活性層２２を含む半導体積層部２が積層され、活性層２２からの光を出射する出射端面部３に接するように半導体積層部２の実効屈折率よりも大きな屈折率を有する誘電体膜４が形成され、誘電体膜４上に出射端面コーティング膜５を備えている。

この種の半導体レーザとしては、半導体積層部２として、赤外光である７８０ｎｍ波長用のＡｌＧａＡｓ系化合物半導体や、赤色光である６５０ｎｍ波長発光用のＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体が用いられ、これらの半導体材料を積層するための半導体基板１としては、ＧａＡｓ基板が一般的に用いられるが、他の化合物半導体でも構わない。また、半導体基板１の導電形は、半導体レーザを組み込むセットとの関係で、基板側に望まれる導電形のｎ形またはｐ形のいずれかが用いられ、この基板１の導電形にしたがって、積層される半導体層の導電形も定まる。以下の具体例では、半導体基板１がｎ形の例で説明する。

半導体積層部２としては、図１（ｂ）に示されるように、ｎ形クラッド層２１、ノンドープまたはｎ形もしくはｐ形の活性層２２およびｐ形のクラッド層２３、リッジ状にエッチングされたｐ形クラッド層２３のリッジ部１１の両側に埋め込まれたｎ形の電流狭窄層２４、ｎ形電流狭窄層２４ならびにｐ形クラッド層２３上に積層されるｐ形コンタクト層２５とからなっている。なお、図１（ｂ）は図１（ａ）を出射方向からみた断面説明図である。

具体的には、ｎ形ＧａＡｓ基板１を、たとえばＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置内に入れ、反応ガスのトリエチルガリウム（ＴＥＧ）もしくはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ホスフィン（ＰＨ₃）、アルシン（ＡｓＨ₃）および半導体層の導電形に応じて、ｎ形ドーパントガスとしてのＳｉＨ₄またはｐ形ドーパントとしてジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）もしくはビスメチルシクロペンタジエニルベリリウム（（ＭｅＣｐ）₂Ｂｅ）の必要な材料をキャリアガスの水素（Ｈ₂）と共に導入し、５００〜７００℃程度で各半導体層をエピタキシャル成長することにより前述の各半導体層の積層構造が得られる。

ｎ形クラッド層２１は、たとえばＡｌ_x1Ｇａ_1-x1Ａｓ（０.４≦ｘ１≦０.７、たとえばｘ１＝０.５）からなり、１〜１０μｍ程度に形成され、活性層２２は、Ａｌ_y1Ｇａ_1-y1Ａｓ（０.０５≦ｙ１≦０.２、たとえばｙ１＝０.１５）のバルク構造またはＡｌ_y2Ｇａ_1-y2Ａｓ（０.０４≦ｙ２≦０.２、たとえばｙ２＝０.１）からなるウェル層とＡｌ_y3Ｇａ_1-y3Ａｓ（０.１≦ｙ３≦０.５、ｙ２＜ｙ３、たとえばｙ３＝０.３）からなるバリア層との単一もしくは多重量子井戸（ＳＱＷまたはＭＱＷ）構造により、全体で０.０４〜０.２μｍ程度に形成され、ｐ形クラッド層２３は、Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2Ａｓ（０.４≦ｘ２≦０.７、たとえばｘ２＝０.５）からなり０.１〜３.５μｍ程度に形成されている。なお、活性層２２とクラッド層２１、２３との間に光ガイド層を設ける構造や、クラッド層２３内に、エッチングストップ層を設ける構造など、他の半導体層がいずれかの層間に介在されてもよい。また、ｐ形クラッド層２３上にｐ形ＧａＡｓなどからなるキャップ層が設けられてもよい。そしてｐ形クラッド層２３の両側がエッチングされてリッジ部１１が形成され、その両側に、たとえばＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０.５≦ｚ≦０.８、たとえばｚ＝０.６）からなるｎ形電流狭窄層２４がリッジ部１１の横を埋めるように形成される。そして、ｐ形クラッド層２３およびｎ形電流狭窄層２４上に、たとえばｐ形ＧａＡｓ層２５などからなるコンタクト層２５が１〜２０μｍ程度に形成されていることにより、半導体積層部２が形成されている。

なお、リッジ部１１を形成するためのエッチングは、たとえばＣＶＤ法などにより、ＳｉＯ₂またはＳｉＮ_xなどからなるマスクを形成し、たとえばドライエッチングやウエットエッチングなどにより、ｐ形クラッド層２３をエッチングすることにより、図に示されるようにリッジ部１１が帯状（紙面と垂直方向）に形成される。

出射端面部３は活性層２２で発生した光を出射する部分であり、一般的に結晶成長面および光の導波路を形成するリッジストライプ面と垂直面に形成され、劈開などにより形成される。なお、出射端面部は必ずしも前述のように劈開面に形成される必要はない。

具体的には、半導体積層部２を形成後、研磨により半導体基板１が薄くされた後、コンタクト層２５の表面に、Ｔｉ／Ａｕなどからなるｐ側電極７が、半導体基板１の裏面には、Ａｕ-Ｇｅ／Ｎｉなどからなるｎ側電極８がそれぞれ形成され、その後、ウェハがリッジストライプ面および結晶成長面と垂直方向にバー状に劈開され、劈開面に出射端面部３が形成される。

そして、出射端面部３にスパッタなどにより誘電体膜４および出射端面コーティング膜５が形成される。さらに出射端面部の反対端面には、高反射膜の端面コーティング膜６が形成される。

誘電体膜４は、出射端面部３と出射端面コーティング膜５の間で出射端面部３に接するように、光導波層２の実効屈折率よりも大きな屈折率を有する材料により形成される。

つぎに、この誘電体膜を光導波層の実効屈折率より大きな材料で、出射端面部に接触するように形成しなければいけない理由について詳説する。前述のように、本発明者らは、高出力半導体レーザにおいて加速寿命試験により短時間で破損しやすいという現象を改善するため、鋭意検討を重ねた。その結果、光導波層と出射端面コーティング膜との間の屈折率の違いに基づき、出射端面部で光密度が大きくなり、加速寿命試験でＣＯＤ破壊出力が急激に低下し、ＣＯＤ破壊出力に短い時間で到達することで破損を生じることが原因であることを見出した。すなわち、たとえば赤外素子では、半導体積層部２の半導体材料として主としてＡｌＧａＡｓ系化合物が用いられ、半導体積層部の実効屈折率は３.９程度であるのに対して、たとえば出射端面コーティング膜を形成するＡｌ₂Ｏ₃の屈折率は１.６程度と、半導体積層部の実効屈折率よりも遥かに小さい値となっている。このような構成では、出射端面部で光密度が高くなり、加速寿命試験において出射端面部での光吸収に伴う発熱、バンドギャップエネルギーの収縮という繰り返しが活発となり、ＣＯＤ破壊出力が時間と共に急激に低下していく。

この光密度が出射端面部で大きくなり、ＣＯＤ破壊出力の急激に低下する現象は、従来の半導体レーザでは、半導体積層部の素子構造を変更することで初期ＣＯＤ破壊出力をあげることで破壊までの時間を延ばすことができたので、ＣＯＤ破壊出力の低下度合いが時間に対して急峻であっても実用上あまり問題になっていなかった。しかし、更に高出力を目指す上では、素子の構造を変更することだけでは限界があり、また、従来構造の半導体レーザでは、出力をあげて寿命試験を行うと寿命が２０時間程度となってしまうため、ＣＯＤ破壊出力の時間と共に急激に低下していく現象をなんらかの方法で防止することが必要となる。そして、本発明のように光導波層の実効屈折率よりも大きい誘電体膜を出射端面部に接するように設ける構成とすることで、出射端面部での光密度が小さくなる。これにより、加速寿命試験を行ってもＣＯＤ破壊出力の低下度合いが従来に比べて緩やかとなり、長寿命化を図ることができ、高信頼性を確保し得ることとなる。

誘電体膜４の厚さは、２００Å以下であることが出射端面部での反射率への影響を避けるために好ましい。また、１０Å以下となるとスパッタにおいて安定した成膜をなしえないため、１０Å以上であることが好ましい。さらに、活性層２２で発生する光を吸収する材料を誘電体膜に用いる場合（たとえばアモルファスシリコン膜を用いる場合）には、その吸収を減らすため、後述のように膜厚が４０Å以下とすることがより好ましい。さらに、アモルファスシリコン膜は成膜条件により大きく屈折率が変わるため、より吸収係数が小さくなる屈折率４以上の膜とすることがより初期のＣＯＤ破壊出力の低下を抑える上でより好ましい。

本発明者らは、前述の図１に示される構造で、誘電体膜にアモルファスシリコン膜を用い、アモルファスシリコン膜の厚さのみを種々変化させて、その際の初期のＣＯＤ破壊出力を調べた。その結果が図２に示されている。なお、各厚さに対するＣＯＤ破壊出力の値は、それぞれの厚さで、サンプル１０個ずつでの平均値であり、測定条件は２５℃環境下において、パルス幅７５ｎｓｅｃ、５０％デューティのパルス駆動である。また、初期ＣＯＤ破壊出力とは、半導体レーザを製造後、長期の通電試験をする前段階で測定したＣＯＤ破壊出力をいう。図２から明らかなように、アモルファスシリコン膜の厚さを４０Åより厚くすると、アモルファスシリコン膜を挿入しない状態よりも初期のＣＯＤ破壊出力が低下していくことが分る。これはアモルファスシリコン膜の屈折率が半導体積層部の実効屈折率よりも大きいが、活性層で発生する光をアモルファスシリコン膜で一部吸収するため、膜厚が厚くなるにつれて吸収が多くなり、初期のＣＯＤ破壊出力が低下していくと考えられる。

図２の検討結果を纏めると、結局、誘電体膜の厚さを４０Å以下とすることで、従来のＣＯＤ破壊出力を維持できることになる。そして、このような半導体レーザで加速寿命試験を行い、５００時間以上の長時間行っても破損せず、推定寿命も３００００時間となり十分に実用化し得ることを確認した。このように、屈折率の大きい膜を用いた場合であっても、活性層で発生する光を吸収する膜であれば、高温エージングによる急激なＣＯＤ破壊出力の低下は防げるものの、初期のＣＯＤ破壊出力自体が低下してしまうことがあるのに対して、本発明のように誘電体膜を薄膜化することで、かかる問題も生じなくなる。

また、出射端面コーティング膜５は誘電体膜４上に設けられ、出射端面部での反射率が５〜２０％程度になるように既存の材料（Ａｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂など）で、それぞれの膜厚も設定する反射率に合わせて設計する。また、出射端面と反対端面の端面コーティング膜６には、反射率が８０〜９０％程度になるように既知の材料（Ａｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂などの低屈折率材料とアモルファスシリコン、ＴｉＯ_x、ＺｒＯ_xなどの高屈折率材料とが交互に積層された層など）で、それぞれの膜厚も反射率に合わせて設計する。

具体的に誘電体膜４および出射端面コーティング膜５などを形成するためには、たとえばバー状に形成された素子群を、アモルファスシリコン、Ａｌ₂Ｏ₃ターゲットなどが設けられているスパッタ装置内に入れ、Ａｒガスや水素ガスなどを導入しスパッタにより、誘電体膜４として１０〜４０Å（好ましくは、２０Å程度）のアモルファスシリコン膜を、端面コーティング膜５として１０００〜４０００Å程度（好ましくは３８００Å程度）のＡｌ₂Ｏ₃膜を連続して形成することで、誘電体膜４および出射端面コーティング膜５が得られる。この際、アモルファスシリコン膜は薄膜であるので、回転式のスパッタ装置を用いるような場合には高速回転により形成することが面内分布をなくす上で好ましい。またスパッタ時の圧力、ＲＦパワーなどを最適化し、屈折率が４以上となるように適宜調整する。

引き続き、一度スパッタ装置から取り出し、バー状体の出射端面と反対面を上向きにして再度スパッタ装置に入れ、同様の方法により、たとえば、１０００〜１５００Å程度のＳｉＯ₂膜と、８００〜１２００Å程度のＴｉＯ_x膜を交互に２〜３対程度積層することにより端面コーティング膜６が形成される。その後、スパッタ装置から取り出し、バー状からダイシングによりチップ化することで、本発明の半導体レーザが得られる。

本発明は、半導体積層部２が主としてＡｌＧａＡｓ系化合物からなる場合で説明したが、赤色系のＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体（（Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-wＡｌ_w）_0.5Ｐの構成で、ＡｌとＧａの混晶比率が種々変化し得るもの）からなる場合でも、同様に本発明を適用することができる。すなわち、ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる光導波層の実効屈折率は４.０程度に対し、出射端面コーティング膜として用いるＡｌ₂Ｏ₃膜の屈折率は１.６と明らかに小さいので、同様の問題が生じる。

ＩｎＧａＡｌＰ系化合物で半導体積層部を主として構成する場合には、前述のｎ形およびｐ形クラッド層として、Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-uＡｌ_u）_0.5Ｐ（０.４５≦ｕ≦０.８、たとえばｕ＝０.７）を、活性層として、Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-v1Ａｌ_v1）_0.5Ｐ（０≦ｖ１≦０.２５、たとえばｖ１＝０）／Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-v2Ａｌ_v2）_0.5Ｐ（０.３≦ｖ２≦０.７、たとえばｖ２＝０.４）による多重量子井戸（ＭＱＷ）構造などで、また、電流狭窄層として、ＩｎＡｌＰまたはＧａＡｓを用いることにより形成する以外は、前述の例と同様に構成することができる。

また、活性層で発生する光の発振波長が６００ｎｍから８００ｎｍの間では、光導波層の実効屈折率が３.９〜４.０程度であるので、このような範囲では誘電体膜として屈折率４以上のアモルファスシリコン膜を用いることが確実に半導体積層部の実効屈折率よりも大きい誘電体膜となるため、本発明の効果を享受する上でより好ましい。

前述の各例では、リッジ構造の半導体レーザであったが、電流狭窄層をクラッド層の間に積層して電流注入領域とするストライプ溝をエッチングにより除去するＳＡＳ構造など、他の構造の半導体レーザでも同様であることは言うまでもない。

本発明は、ＣＤ、ＤＶＤ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、データ書き込み可能なＣＤ−Ｒ/ＲＷ、ＤＶＤ−Ｒ／ＲＡＭなどのピックアップ用光源に用いることができ、パーソナルコンピュータなどの電機機器に用いることができる。

本発明の半導体レーザの一実施形態を示す斜視および断面説明図である。本発明の半導体レーザのアモルファスシリコン膜の膜厚に対するＣＯＤ破壊出力依存性を示す図である。従来の半導体レーザの斜視説明図である。

符号の説明

２半導体積層部
３出射端面部
４誘電体膜
５出射端面コーティング膜

Claims

半導体基板上に積層される活性層を含む半導体積層部と、該活性層で発生する光を出射する出射端面部と、該出射端面部に出射端面コーティング膜とを備える半導体レーザにおいて、前記出射端面部と前記出射端面コーティング膜との間で該出射端面部に接するように、光導波層の実効屈折率よりも大きな屈折率を有する誘電体膜を備えることを特徴とする半導体レーザ。
前記誘電体膜の膜厚が１０Å以上４０Å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。
前記活性層で発生する光の発振波長が６００ｎｍから８００ｎｍの間で、かつ、前記誘電体膜が屈折率４以上のアモルファスシリコン膜からなることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。