JP2007081017A - モノリシック型半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、それぞれ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モノリシック型半導体レーザを提供する。
【解決手段】半導体基板１上に赤外光用の半導体積層部２ａを有する赤外素子１０ａと、半導体基板１上の赤外素子が形成されていない領域に、赤色光用の半導体積層部２ｂからなる赤色素子１０ｂが同一の半導体基板面１上に形成され、活性層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２ａおよび２ｂ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上にはＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂のいずれか１種以上の材料からなり反射率が２０％以下となるような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、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ＤＶＤ−ＲなどのＤＶＤ装置と、ＣＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、データ書き込み可能なＣＤ−ＲなどのＣＤ装置との一体型光ディスク装置のピックアップ光源に用いるのに適したモノリシック型半導体レーザに関する。さらに詳しくは、高出力でもＣＯＤ破壊出力が高く、長寿命化できるモノリシック型半導体レーザに関する。

近年、ＤＶＤとＣＤとの間に互換性のある光ディスク装置の普及に伴い、ＩｎＧａＡｌＰ系の半導体レーザ素子およびＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザ素子を同一半導体基板上に形成したモノリシック型半導体レーザが光源として用いられている（特許文献１参照）。

具体的には、たとえば図４にチップの斜視説明図が示されるようにｎ形ＧａＡｓからなる半導体基板９１の上に、たとえばＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなる活性層を含むリッジストライプ構造の半導体積層部９２ａが形成されることによりＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子９０ａが、他方、同一半導体基板９１上のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子９０ａが形成されていない領域に、たとえばＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる活性層を含むリッジストライプ構造の半導体積層部９２ｂを有するＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ素子９０ｂが形成され、両半導体積層部９２ａ、９２ｂの積層面およびリッジストライプ形成面と垂直な面に劈開などにより出射端面部９３が形成されている。そして、出射端面部９３にＡｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂などの単層の端面コーティング膜９５が形成される。さらに出射端面の反対面にＡｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂とアモルファスシリコンなどが順次積層された端面コーティング膜９６が形成され、出射端面部よりも反射率が大きくなるよう調整される。その後、さらにダイシングなどによりチップ化されモノリシック型半導体レーザとなる。なお、出射端面部９３を形成する際、半導体積層部９２ａ、９２ｂ上にそれぞれｐ側電極９７ａ、９７ｂが形成され、半導体基板９１の裏面側にｎ側共通電極９８が形成されている。
特開２０００−１１４１７号公報（図９）

近年ＤＶＤとＣＤの互換性ある光ディスク装置においては、ＤＶＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒなどの互換性を持たせるべく、書き込み用の高出力のモノリシック型半導体レーザが要求され、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ素子およびＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子ともに高出力化が必要となる。

そこで、それぞれ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、他の手法として、出射端面部での光密度を低減しＣＯＤ破壊出力を向上させるべく半導体レーザの出射端面部の反射率を低減することが考えられる。具体的には、出射端面部での反射率を低くするため、出射端面部に直接接するようにＡｌ₂Ｏ₃などの端面コーティング膜を形成し高出力化を図ることが考えられる。しかし、このような構成を採用し初期のＣＯＤ破壊出力をあげたとしても、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は急峻であり、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結局実用化できないという問題がある。

また、モノリシック型半導体レーザでは、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子とＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ素子が同一半導体基板上に形成されており、出射端面部が同一面上に形成され、出射端面部上に形成される出射端面コーティング膜も共通となる。そして、出射端面コーティング膜は活性層で発生する光の波長に対して反射率依存性を有しており、低反射率とするためＡｌ₂Ｏ₃などからなる単層の材料を用いると、反射率の波長依存性により、一方の素子に対して低反射膜となるが、他方の素子に対して低反射膜を形成できないというモノリシック型半導体レーザ特有の問題もある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、それぞれ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モノリシック型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、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子とＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ素子とを備えるモノリシック型半導体レーザの出射端面部に、低反射率の出射端面コーティング膜を、反対面に高反射率の出射端面コーティング膜を設け、高温（たとえば７０℃）で高出力（たとえばＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子２５０ｍＷ、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ素子２４０ｍＷ）の加速寿命試験を実施したところ、両素子とも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、光導波層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屈折率を有する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半導体積層部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、本発明のモノリシック型半導体レーザは、半導体基板上に積層される第１波長用の活性層を含む半導体積層部を有する第１波長用の半導体レーザ素子と、前記半導体基板上の前記第１波長用の半導体レーザ素子が形成されていない領域に積層される第２波長用の活性層を含む半導体積層部とを有する第２波長用の半導体レーザ素子と、前記第１および第２波長用の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モノリシック型半導体レーザにおいて、前記出射端面コーティング膜がＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂およびＺｒＯ₂よりなる群から選ばれる少なくとも１種の材料からなり反射率が２０％以下とされ、かつ、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、前記第１および第２波長用の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、誘電体膜として半導体積層部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。

さらに、本発明のモノリシック型半導体レーザは、前記出射端面コーティング膜がＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂のいずれか２種以上の材料のうちから２種選択され、屈折率の大きい材料からなる層と屈折率の小さい材料からなる層とが少なくとも１層交互に積層されてなることを特徴とする。

ここに、屈折率の大きい材料からなる層とは、誘電体膜に直接接し出射端面コーティング膜の一部を形成する層および当該層と同一材料からなる層をいい、屈折率の小さい材料からなる層とは、屈折率の大きい材料からなる層の屈折率と比較して屈折率が小さい材料からなる層をいう。

本発明によれば、半導体積層部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半導体積層部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モノリシック型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、信頼性の高いモノリシック型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、信頼性の高いモノリシック型半導体レーザが得られる。

さらに、出射端面コーティング膜として、屈折率の大きい材料からなる層と屈折率の小さい材料からなる層とが少なくとも１対交互に積層されることによって、第１波長用および第２波長用の半導体レーザ素子に対していずれも反射率をより小さくすることができ、より高出力化を図ったモノリシック型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。本発明によるモノリシック型半導体レーザは、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上に第１波長（たとえば赤外光）用の活性層２２ａを含む半導体積層部２ａを有するＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子１０ａ（以下、赤外素子という）と、半導体基板１上の赤外素子が形成されていない領域に、第２波長（たとえば赤色光）用の活性層２２ｂを含む半導体積層部２ｂを有するＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ素子１０ｂ（以下、赤色素子という）が同一の半導体基板面１上に形成され、活性層２２ａ、２２ｂ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２ａおよび２ｂ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上にはＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂のいずれか１種以上の材料からなり反射率が２０％以下となるような出射端面コーティング膜５を備えている。

第１波長用および第２波長用の半導体レーザ素子１０ａ、１０ｂを構成する半導体積層部２ａ、２ｂとしては、赤外光である７８０ｎｍ波長帯としては、主としてＡｌＧａＡｓ系化合物半導体が、赤色光である６５０ｎｍ波長帯としては、主としてＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体が一般的に用いられる。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２ａ、２ｂは、図１（ｂ）に示されるように、それぞれｎ形クラッド層２１ａ、２１ｂ、ノンドープまたはｎ形もしくはｐ形の活性層２２ａ、２２ｂおよびｐ形のクラッド層２３ａ、２３ｂ、リッジ状にエッチングされたｐ形クラッド層２３ａ、２３ｂのリッジ部の両側に埋め込まれたｎ形の電流狭窄層２４ａ、２４ｂ、ｎ形電流狭窄層２４ａ、２４ｂならびにｐ形クラッド層２３ａ、２３ｂ上に積層されるｐ形コンタクト層２５ａ、２５ｂとからなっている。なお、図１（ｂ）は図１（ａ）の半導体積層部２ａ、２ｂ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）、ビスメチルシクロペンタジエニルベリリウム（（ＭｅＣｐ）₂Ｂｅ）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）など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各半導体層の積層構造が得られる。

赤外素子用のｎ形クラッド層２１ａ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２２ａ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２３ａ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、活性層とクラッド層との間に光ガイド層を設ける構造や、ｐ形クラッド層内に、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２４ａがリッジ部の横を埋めるように形成される。そして、ｐ形クラッド層２３ａおよびｎ形電流狭窄層２４ａ上に、たとえばｐ形ＧａＡｓ層２５ａ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、赤外素子の半導体積層部２が形成されている。

また、赤色素子の半導体積層部２ｂは、ｎ形クラッド層２１ｂおよびｐ形クラッド層２３ｂ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２２ｂ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２４ｂとして、Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-ｗＡｌ_ｗ）_0.5Ｐ（０.６≦ｗ≦１.０、たとえばｕ＝０.７５）またはＧａＡｓなどを用いることにより形成する以外は、赤外素子１０ａの半導体積層部２ａと基本的に同様に構成することができ、特性に応じて適宜膜厚、組成などが変更される。ここにＩｎと（Ｇａ_1-xＡｌ_x）の混晶割合の０.５は、ＧａＡｓと格子整合する割合であることを意味する。

なお、リッジ部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２３ａ、２３ｂ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が帯状（紙面と垂直方向）に形成される。その他、同一の半導体基板に半導体レーザ素子１０ａ、１０ｂを形成するモノリシック化のプロセスは公知の方法で行うことができる。

半導体積層部の構成は、リッジ構造で説明したが、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、他の構造でも同様であることは言うまでもない。

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２ａ、２ｂ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２５ａ、２５ｂの表面に、Ｔｉ／Ａｕなどからなるｐ側電極７ａ、７ｂ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の延びる方向と結晶成長面とに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、半導体積層部２ａおよび２ｂ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４を半導体積層部２ａおよび２ｂの実効屈折率より大きな材料で出射端面部３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、本発明者は、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、半導体積層部と出射端面コーティング膜との間の屈折率の違いにより、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２ａの半導体材料として主としてＡｌＧａＡｓ系化合物が用いられ、光導波層の実効屈折率は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５を形成するＡｌ₂Ｏ₃の屈折率は１.６程度と、光導波層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。また、同様に赤色素子でも光導波層の実効屈折率は、４.０程度であり、同様の問題が生じる。

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について、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し初期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、本発明のように半導体積層部の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を小さくすることができる。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を下回るとスパッタにおいて安定した成膜をなし得ないため、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。

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光導波層の実効屈折率よりも大きい実効屈折率の誘電体膜となるため、本発明の効果を享受する上でさらに好ましい。

本発明者らは、前述の図１に示される構造で、誘電体膜４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、その際の赤外素子の初期の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。また、特に図示していないが、赤色素子でも同様の調査を行ったところ、赤外素子とＣＯＤ破壊出力の値自体は異なるが、４０Åよりも大きくすると初期ＣＯＤ破壊出力が低下するという同様の結論が得られた。

以上、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、このような構造のモノリシック型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両素子とも破損せず、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。

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２０％以下になるようにＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂のいずれか１種以上の材料からなる。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、出射端面コーティング膜５として、前述の材料のうちから２種選択され、屈折率の大きい材料からなる層と屈折率の小さい材料からなる層とが少なくとも１対以上交互に積層されてなることが、赤外および赤色の両素子ともより低反射率となり高出力化し得る点で好ましい。ここに、屈折率の大きい材料からなる層とは、誘電体膜に直接接し出射端面コーティング膜の一部を形成する層および当該層と同一材料からなる層をいい、屈折率の小さい材料からなる層とは、屈折率の大きい材料からなる層の屈折率と比較して屈折率が小さい材料からなる層をいう。

すなわち、モノリシック型半導体レーザでは、赤外素子１０ａと赤色素子１０ｂが同一半導体基板１上に形成されており、出射端面部３が同一面上に形成され、出射端面部３上に形成される出射端面コーティング膜４も共通となる。そして、出射端面コーティング膜は活性層で発生する光の波長に対して反射率依存性を有しており、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂などからなる単層の材料を用いると、反射率の波長依存性により、一方の素子に対して低反射率とし得ても、他方の素子では低反射率とすることが難しく、両素子ともより低反射率（１０％以下）の膜を構成することが事実上困難であった。

しかし、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂のうちから２種選択し、たとえば図３（ｂ）に示されるように、誘電体膜に接するように屈折率が大きい材料からなる層５１を設け、その層５１に接するように屈折率が小さい材料からなる層５２を形成し、かかる両層を交互に複数対とした場合、６００〜８００ｎｍの間に反射率曲線の極大点を設ける構成とすることができ、それにより６５０ｎｍ、７９０ｎｍにおいても、より低反射率（１０％以下）を実現することができるようになる。

具体的には、図１に示されるモノリシック型半導体レーザの出射端面コーティング膜５を単層とした場合（図３（ａ）のＡ）と、複数層で構成とした場合（図３（ａ）のＢ）の反射率の波長依存性を比較した図３（ａ）を用いて説明する。Ａｌ₂Ｏ₃単層（膜厚３８０Å程度）とした場合（Ａ）、図３（ａ）に示されるように６００〜８００ｎｍの間で低反射率を実現するためには、下に凸型となる曲線となるような膜厚設定が必要となる。また、戻り光との関係で反射率の下限は６％以下とすることができない。そうすると一方の波長に対しできる限り反射率を低減（６％に近づける）しようとすると、他方の反射率は大きくなることになり、結局、６５０ｎｍ付近では６％、７９０ｎｍ付近では１２％程度となり、赤外素子に対して低反射膜を構成することが困難となる。

しかし、図３（ｂ）に示されるように出射端面コーティング膜５を、屈折率が大きい材料からなる層５１（実験例では屈折率が１.６で１２００Å程度のＡｌ₂Ｏ₃）を設け、その層５１に接するように屈折率が小さい材料からなる層５２（実験例では屈折率が１.４で１４００Å程度のＳｉＯ₂）を形成し、かかる両層を交互に複数対（実験例では２対）とした場合（Ｂ）、図３（ａ）に示されるように６００〜８００ｎｍの間（具体的には７２０ｎｍ付近）に反射率曲線の極大点を設ける構成とすることができ、それにより６５０ｎｍ、７９０ｎｍにおいても反射率は１０％以下となり両素子での低反射率を実現することができる。

なお、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などとアモルファスシリコン、ＴｉＯ_x、ＺｒＯ_xなど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、ＳｉＯ₂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１０００〜１４００Å程度（好ましくは１２００Å程度）のＡｌ₂Ｏ₃膜５１と１２００〜１６００Å程度（好ましくは１４００Å程度）のＳｉＯ₂膜５２を交互に２層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と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、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。

本発明のモノリシック型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。 本発明のモノリシック型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赤外素子のＣＯＤ破壊出力依存性を示す図である。 本発明のモノリシック型半導体レーザの出射端面コーティング膜材料を変更したときの反射率の波長依存性を表す図および出射端面部の拡大説明図である。 従来の半導体レーザの斜視説明図である。

符号の説明

２ａ 第１波長用の半導体積層部
２ｂ 第２波長用の半導体積層部
３ 出射端面部
４ 誘電体膜
５ 出射端面コーティング膜

Claims (4)

1. 半導体基板上に積層される第１波長用の活性層を含む半導体積層部を有する第１波長用の半導体レーザ素子と、前記半導体基板上の前記第１波長用の半導体レーザ素子が形成されていない領域に積層される第２波長用の活性層を含む半導体積層部とを有する第２波長用の半導体レーザ素子と、前記第１および第２波長用の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モノリシック型半導体レーザにおいて、
   前記出射端面コーティング膜がＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂およびＺｒＯ₂よりなる群から選ばれる少なくとも１種の材料からなり反射率が２０％以下とされ、かつ、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、前記第１および第２波長用の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モノリシック型半導体レーザ。
2. 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記載のモノリシック型半導体レーザ。
3. 前記活性層で発生する光の発光波長が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記載のモノリシック型半導体レーザ。
4. 前記出射端面コーティング膜が、請求項１記載の材料のうちから２種選択され、屈折率の大きい材料からなる層と屈折率の小さい材料からなる層とが少なくとも交互に１対以上積層されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のモノリシック型半導体レーザ。

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