JP2008227169A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の半導体レーザ構造では、共振器端面の反射率が高い場合には、高いＣＯＤ光出力を実現することが困難であった。
【解決手段】本発明は、共振器端面の少なくとも一方の端面に反射多層膜を形成し、各層の光路長が（２ｍ−１）・λ／４ （λ：発振波長、ｍ：正の整数）であり、かつ半導体と接する第１層から順に高屈折率層と低屈折率層が交互に積層されていることを特徴とする、半導体レーザ素子である。
【選択図】図１

Description

本発明は、端面破壊が少なく、静電破壊耐性の高い高信頼性の半導体レーザ素子に関する。

半導体レーザは、小型で高効率動作が可能なため、光通信、光ディスク、及び計測用途の光源として幅広く活用されている。半導体レーザでは、低い発振しきい値と所望のスロープ効率を得るため、共振器端面の反射率を制御する必要がある。共振器端面の反射率の制御は、非特許文献１（ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．３２，ＮＯ．１１，ｐｐ７２５−７２６、１９７８）のＦｉｇ．２に示されているような多層膜を用いるのが一般的である。非特許文献１では、各共振器端面に光路長λ／４（発振波長：λ）のＡｌ_２Ｏ_３膜とアモルファスＳｉ膜から成る多層膜を形成して、所望の反射率を得ている。半導体と接する第１層は、半導体とコーティング膜との屈折率差を大きくし、少ない層数で高い反射率を得るため、低屈折率のＡｌ_２Ｏ_３膜としている。

一方、半導体レーザの光出力特性は、端面光学損傷（ＣＯＤ）によって制限されることが知られている。ＣＯＤ現象は、ある臨界光出力で端面が溶融する現象であり、端面の表面準位に起因している。特に表面酸化層が形成されやすいＡｌを構成元素に含む半導体レーザで問題となりやすい。ＣＯＤは不可逆な破壊現象であるため、半導体レーザの信頼性を左右する重要な要素である。このＣＯＤ光出力は、端面の反射率を低減することで改善可能である。ＣＯＤの生じる臨界光強度は材料固有の一定値であるため、端面反射率を低減し光の取り出し効率を高めれば、ＣＯＤ発生時の外部光出力を高めることができる。高出力が要求される用途では、前面反射率を１０％以下程度に低め、ＣＯＤ光出力を向上させている。

しかし、半導体レーザに要求される性能によっては端面反射率を高める必要があり、そのような用途には低反射率によるＣＯＤ改善は適用できない。高反射率が必要な用途としては、非特許文献２（ＪＡＰＡＮＥＡＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ，ＶＯＬ．３４，ｐｐ６３８５−６３９０ ＰＡＲＴ１，ＮＯ．１２Ａ，１９９５）のＦｉｇ．１に記載されているプリンター用光源が挙げられる。プリンター用光源には、パルス駆動での立ち上がり時と一定時間経過後との光出力変動、いわゆるドループ特性の小さいことが要求される。このドループ特性は、端面反射率を高くして光の取り出し効率を低下させ、活性層温度変動に伴う光出力変動を抑えることで低減できる。

高い端面反射率が必要な他の用途としては、非特許文献３（ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，ＶＯＬ．２３，ＮＯ．１２，ｐｐ３９９７−４００３、２００５）のＦｉｇ．１に記載されている１．３〜１．６μｍ帯のＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザが挙げられる。１．３〜１．６μｍ帯ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザは伝導体の電子障壁が高いため、高温特性に優れており、温度調節不要な超高速光源として需要が広がっている。光通信用途では、しきい値利得を低減して微分利得を増大させ、高い緩和振動周波数を得ることが必要である。この目的には、活性層への光閉じ込め率を高め、かつ両端面の反射率を高めることが有効である。１．３〜１．６μｍではフォトンエネルギーが小さいため、ＣＯＤの発生する臨界光密度は短波長帯ＬＤに比べて高い。

端面反射率に依らずＣＯＤ光出力を改善する方法として、特許文献１（特開平１１−２３８９４０号公報）に記載されているような半導体レーザが報告されている（図１２参照）。この構造では、コーティング膜の屈折率ｎ１を下記の式で定まる値に設定している。

ここで、ｎｅｆｆは、半導体導波路の等価屈折率、Ｒ１は出射端面反射率である。

特許文献１に記載された構造では、半導体から端面に入射する電界とコーティング膜から反射する電界が端面で逆位相となり、打ち消し合うようになる。この結果、端面の電界強度が低減し、ＣＯＤ光出力が向上する。端面反射率Ｒ１に応じて、最適な屈折率を持つコーティング膜を適用すれば、幅広い端面反射率に対してもＣＯＤ光出力を高めることが可能となる。

特開平１１−２３８９４０号公報 ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．３２，ＮＯ．１１，ｐｐ７２５−７２６（１９７８） ＪＡＰＡＮＥＡＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ，ＶＯＬ．３４，ｐｐ６３８５−６３９０ ＰＡＲＴ１，ＮＯ．１２Ａ，（１９９５） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，ＶＯＬ．２３，ＮＯ．１２，ｐｐ３９９７−４００３（２００５）

非特許文献１の構造での課題は、半導体レーザに要求される特性とＣＯＤ光出力がトレードオフとなることである。プリンター用光源のドループ特性や光通信用光源の高速動作を追求すると、ＣＯＤ光出力が低下し、信頼性やＥＳＤ耐性が問題となる。逆に、端面反射率を低減してＣＯＤ光出力を向上させると、各用途に必要な特性が得られなくなる。こうした、設計上のトレードオフが非特許文献１での問題点である。

また、非特許文献２で示されたような、端面反射率を高めた半導体レーザにおいては、前面、裏面とも５０％以上の高反射率が必要となり、ＣＯＤ光出力とのトレードオフが問題となる。

また、非特許文献３の場合でも、構成元素にＡｌを含んでいるため、表面準位密度は高く、ＣＯＤが問題となりやすい。また、ＣＯＤ破壊電流は順方向の静電破壊（ＥＳＤ）レベルと相関するため、ＥＳＤ耐性も低くなる。すなわち本用途では、高速動作とＣＯＤ破壊、ＥＳＤ耐性とのトレードオフが問題となる。

これに対し、特許文献１に記載された半導体レーザの構造では、反射率とＣＯＤ光出力の１対１対応が解消され、設計自由度は拡大する。しかしながら、特許文献１の構造にはいくつかの問題がある。

第１の問題点は、特許文献１の構造は基本的に単層膜で構成していることである。単層膜の場合、最大反射率は単層コーティング膜の屈折率で決定される。３０％以上の反射率を得るには、半導体導波路の等価屈折率より高いコーティング膜が必要となる。候補となる材料は、特許文献１に記載された範囲ではＧａＡｓ、ＧａＰ、ＢＰのみとなる。これらの材料は、発振光の吸収が問題となる場合があり、かつ通常のスパッタ法やプラズマＣＶＤ法では成膜が難しい。従って、３０％以上の高反射率が必要な用途には適用困難である。

第２の問題点は、所望の反射率特性に応じて最適な材料を選定しなければならないという点である。コーティング材料は、屈折率だけでなく、光透過特性、化学的安定性、耐熱性、耐酸性、及び成膜の容易さ等、種々の要因を考慮する必要があり、所望の反射率特性に応じた材料を選定するのは容易ではない。
こうした反射率設計の制限、及び材料選択の困難さが、特許文献１の構造での問題点であった。

本発明の目的は、より広い範囲の端面反射率に対してＣＯＤ光出力が高く、高信頼性の半導体レーザ素子を提供することにある。

本発明は、共振器端面の少なくとも一方の端面に反射多層膜を形成し、レーザ出射光の位相と該反射多層膜からの反射光の位相との位相差が、レーザ出射端面で（１±０．４５）πである、半導体レーザ素子である。

すなわち１つの視点において、共振器端面の少なくとも一方の端面に反射多層膜を形成し、反射多層膜の各層の光路長が（２ｍ−１）・λ／４（λ：発振波長、ｍ：正の整数）であり、かつ半導体と接する第１層から順に高屈折率層と低屈折率層が交互に積層されていることを特徴とする、半導体レーザ素子である。なお、各層ごとにｍの値が同じでも良く、異なっても良い。以下同様である。また、各層は半導体に接する側から順に第１層、第２層、・・・とし、半導体から最も離れた層を最終層という。以下同様である。

また、共振器端面の少なくとも一方の端面に反射多層膜を形成し、反射多層膜の各層の光路長が（２ｍ−１）・λ／４（λ：発振波長、ｍ：正の整数）の±２０％以内であり、かつ半導体と接する第１層から順に高屈折率層と低屈折率層が交互に積層されていることを特徴とする、半導体レーザ素子である。

他の視点において、共振器端面の少なくとも一方の端面に反射多層膜を形成し、反射多層膜の第２層以降の各層の光路長が（２ｍ−１）・λ／４（λ：発振波長、ｍ：正の整数）であり、かつ半導体と接する第１層の光路長がｎ・λ／２（λ：発振波長、ｎ：正の整数）であり、第１層から順に低屈折率層と高屈折率層が交互に積層されていることを特徴とする、半導体レーザ素子である。なお、ｍとｎの値は同じでも良く、異なっても良い。以下同様である。

また、共振器端面の少なくとも一方の端面に反射多層膜を形成し、反射多層膜の第２層以降の各層の光路長が（２ｍ−１）・λ／４（λ：発振波長、ｍ：正の整数）の±２０％以内であり、かつ半導体と接する第１層の光路長がｎ・λ／２（λ：発振波長、ｎ：正の整数）の±２０％以内であり、第１層から順に低屈折率層と高屈折率層が交互に積層されていることを特徴とする、半導体レーザ素子である。

さらに他の視点において、共振器端面の少なくとも一方の端面に反射多層膜を形成し、半導体と接する第１層の屈折率をｎ１、層厚をｄ１とした時、最終層以外で第２層以降の各層の光路長がλ／４−ｒ・ｎ１・ｄ１（λ：発振波長、ｒ：補正項＝０．５〜２．５）であり、かつ第１層から順に低屈折率層と高屈折率層が交互に積層されていることを特徴とする、半導体レーザ素子である。

また、上記半導体レーザ素子において、半導体と接する第１層の層厚ｄ１が１〜６０ｎｍであることを特徴とする。

さらに他の視点において、上記いずれかの半導体レーザ素子において、反射多層膜の最終層に光路長がｍ・λ／２（λ：発振波長、ｍ：正の整数）の保護膜を形成したことを特徴とする。

さらに他の視点において、上記いずれかの半導体レーザ素子において、半導体材料が１．３μｍ〜１．６μｍ帯のＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系であることを特徴とする。

本発明の構造では、端面部の電界強度を大幅に低減可能となり、高いＣＯＤ光出力を実現することができる。高いＣＯＤ光出力は、高信頼動作とともに、順方向のＥＳＤ破壊レベルの改善をもたらす。更に本発明では、光透過性が高く、かつ成膜が容易なＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、アモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）等のコーティング材料を用いて、３０％以上の反射率を容易に形成することができる。以上、本発明の構造を用いることで、より広い範囲の端面反射率に対して、高いＣＯＤ光出力、高信頼特性、及び高いＥＳＤ耐性を有する各種の半導体レーザを提供することができる。

本発明の基本原理を図１、図２を用いて詳しく説明する。図２は、非特許文献１に記載された従来の半導体レーザの構造を示している。半導体レーザ端面の少なくとも一方には、光路長λ／４（λ：発振波長）から成る多層膜（図２では２層膜）が形成されている。各界面での屈折率差を大きくし、少ない層数で高い反射率を得るため、半導体側から順に低屈折率λ／４膜１、高屈折率λ／４膜２を形成している。

半導体から多層膜への入射電界Ｅｉ、反射電界Ｅｒ、及び透過電界Ｅｔとすると、反射電界Ｅｒは第１界面からの反射電界Ｅｒ０、第２界面からの反射電界Ｅｒ１、第３界面からの反射電界Ｅｒ２、等の総和で表される。入射電界Ｅｉと各反射電界Ｅｒ０、Ｅｒ１、Ｅｒ２の端面での位相差は、それぞれ以下のようになる。
ＥｉとＥｒ０との位相差：半導体／第１層界面での反射による位相反転＝０
ＥｉとＥｒ１との位相差：第１層中の位相変化量＋第１層／第２層界面での反射に よる位相反転＝λ／４×２＋λ／２＝λ
ＥｉとＥｒ２との位相差：第１、第２層中の位相変化量＋第２層／Ａｉｒ界面での 反射による位相反転＝λ／４×４＋０＝λ

反射電界Ｅｒは各反射電界Ｅｒ０、Ｅｒ１、Ｅｒ２等の総和となるため、入射電界Ｅｉと反射電界Ｅｒとの位相差は、端面でλ／２の偶数倍、すなわち同位相となる。共振器内の電界強度は、入射電界Ｅｉと反射電界Ｅｒの和（Ｅｉ＋Ｅｒ）^２で表わされるため、端面では両者は強め合い高い値を持つ。

また、従来構造での各反射電界Ｅｒ０、Ｅｒ１、Ｅｒ２同士の位相差は、それぞれ以下のようになる。
Ｅｒ０とＥｒ１との位相差：第１層中の位相変化量＋第１層／第２層界面での反射によ る位相反転＝λ／４×２＋λ／２＝λ
Ｅｒ０とＥｒ２との位相差：第１、２層中の位相変化量＋第２層／Ａｉｒ界面での反射 による位相反転＝λ／４×４＋０＝λ
従って、各反射電界Ｅｒ０、Ｅｒ１、Ｅｒ２同士の位相差は常にλ／２の偶数倍となるため、高い反射率が得られる。

上記の考察では、反射電界の位相変化量は、各界面で異なっている点に注意する必要がある。光波が高屈折率層から低屈折率層に入射する場合には、その反射電界の位相は界面で変化しないが、逆に低屈折率層から高屈折率層に入射する場合には、その反射電界は界面でλ／２回転する。図２には、各界面でＥｒ方向に反射する電界の位相変化量を併記している。

従来構造に対して、本発明では図１のような基本構造を有している。根本的な差異は、半導体側から順に高屈折率λ／４膜２、低屈折率λ／４膜１を形成し、屈折率に関して積層する順番を逆転している点である。図１に示すように、反射電界の各界面での位相変化量は従来構造とは順番が異なる。本発明では、入射電界Ｅｉと各反射電界Ｅｒ０、Ｅｒ１、Ｅｒ２の端面での位相差は、それぞれ以下のようになる。
ＥｉとＥｒ０との位相差：半導体／第１層界面での反射による位相反転＝λ／２
ＥｉとＥｒ１との位相差：第１層中の位相変化量＋第１層／第２層界面での反射による 位相反転＝λ／４×２＋０＝λ／２
ＥｉとＥｒ２との位相差：第１、第２層中の位相変化量＋第２層／第３層界面での反射 による位相反転＝λ／４×４＋λ／２＝３λ／２

反射電界Ｅｒは各反射電界Ｅｒ０、Ｅｒ１、Ｅｒ２等の総和となるため、入射電界Ｅｉと反射電界Ｅｒとの位相差は、端面でλ／２の奇数倍、すなわち逆位相となる。共振器内部の電界強度は入射電界Ｅｉと反射電界Ｅｒの和（Ｅｉ＋Ｅｒ）^２で表わされるため、本発明ではＥｉとＥｒが打ち消し合うことになり、端面の電界強度は大幅に低下する。

また、本発明では各反射電界Ｅｒ０、Ｅｒ１、Ｅｒ２同士の位相差は、それぞれ以下のようになる。
Ｅｒ０とＥｒ１との位相差：第１層中の位相変化量＋半導体／第１層界面での反射によ る位相反転＝λ／４×２＋λ／２＝λ
Ｅｒ０とＥｒ２との位相差：第１、２層中の位相変化量＋半導体／第１層界面での反射 による位相反転＋第２層／第３層界面での反射による位相 反転＝λ／４×４＋λ／２＋λ／２＝２λ
すなわち各反射電界Ｅｒ０、Ｅｒ１、Ｅｒ２同士の位相差は、常にλ／２の偶数倍となるため、従来構造と同様な高い反射率が得られる。

以上のように、本発明では高い反射率を維持したまま、入射電界Ｅｉと反射電界Ｅｒを逆位相にすることが可能であり、端面の電界強度を大幅に低減することができる。原理的には、端面反射率１００％の構造では、端面電界強度をゼロにすることが可能である。ＣＯＤの発生する光出力は端面電界強度に比例するため、本発明の構造ではＣＯＤ光出力が大幅に向上する。高い端面反射率が要求される半導体レーザに対しても、高信頼特性と高いＥＳＤ耐性を実現することができる。

本発明の構造では、基本的に半導体と接する第１層に高屈折率層を形成する。しかし半導体レーザの材料によっては、半導体表面を安定化するパッシベイション膜として、Ａｌ_２Ｏ_３等の誘電膜を第１層に用いることが望ましい場合がある。このように、半導体と接する第１層として、高屈折率層が不適切な場合には、図７、８、１０に示すような別の実施例の構造を用いることができる。第１層には、Ａｌ_２Ｏ_３膜、ＳｉＯ_２膜等の低屈折率層を用いる。図８の構造では、第１層は光路長の短い薄膜とし、以降の各層は高屈折率、低屈折率の順に積層する。第２層以降の光路長はλ／４ではなく、下記式で決定される値とする。
λ／４−ｒ・ｎ１・ｄ１ ここで、ｎ１：第１層の屈折率
ｄ１：第１層の層厚
ｒ：補正項（０．５〜２．５）

第１層の層厚ｄ１は特に限定されないが、１〜６０ｎｍであることが好ましい。

第２層以降の光路長をλ／４とすると、入射電界Ｅｉと各界面からの反射電界の位相差がλ／２の奇数倍より大きくなってしまうため、補正項ｒにて調整する。ｒ値を適切に設定することで、図８の構造でも入射電界Ｅｉと反射電界Ｅｒを逆位相とすることができ、ＣＯＤ出力を大幅に高めることができる。

次に、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。図３は本発明の実施例１に係る半導体レーザ素子の断面構造図を示している。ｎ−ＩｎＰ基板１７上にｎ−ＩｎＰクラッド層１６、ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸活性層１５、ｐ−ＩｎＰクラッド層１４、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１３とＮ電極１８及び、Ｐ電極１２を有する半導体レーザの共振器両端面に、コーティング膜５〜１１を形成する。高屈折率コーティング膜５、７、９、１１はアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）とし、層厚は発振波長λ＝１．３μｍに対して光路長がλ／４となる９２．９ｎｍとする。低屈折率コーティング膜６、８、１０はＡｌ_２Ｏ_３とし、層厚は光路長がλ／４となる１９７ｎｍとする。ここでアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）とＡｌ_２Ｏ_３の屈折率（Ｎ）はそれぞれ３．５、及び１．６５としている。図３の構造では、前面側を４層構造、裏面側を３層構造としており、それぞれ５２．９％と７９．３％の高反射率が得られる。本構成では、半導体と接する第１層から順に高屈折率層と低屈折率層が交互に積層されているため、両端面とも図１と同様の構成となっている。従って、端面部での電界強度が低減し、ＣＯＤ光出力が大幅に向上する。

次に、本発明の実施例１に係る半導体レーザ素子の製造方法を、図面を参照して説明する。へき開法により共振器端面を形成した後、高周波スパッタ法、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、ＥＣＲスパッタ法、及びイオンビームアシスト蒸着法等により、コーティング膜５〜１１を順次形成する。異なる材料を順次積層するには、スパッタ法であればターゲット切り替え、ＣＶＤ法であればガス切り替えを交互に行えばよい。所望の光路長は、サンプルにレーザ光を照射して、その反射特性をモニターすることで制御できる。成膜レートが安定している場合には、時間制御でも製造可能である。本手法により、本発明の実施例１である図３の構造を実現することができる。

図４、５は、本発明の実施例１での効果をシミュレーションした結果である。図４は縦軸を反射率とし、横軸を多層膜の積層数とした場合の相関を示している。計算では発振波長を１．３μｍ、半導体レーザ導波路の等価屈折率（Ｎｅｆｆ）を３．２とした。図中には、比較のために従来構造の場合の反射率も示している。本発明の構造でも、層数を変化させることで、２．８％から９９．７％までの反射率を自由に得ることができる。図３の前面４層と裏面３層の反射率は、それぞれ５２．９％と７９．３％である。

図５の縦軸は、透過電界強度Ｐｔ＝Ｅｔ^２を端面電界強度Ｐｉ＝（Ｅｉ＋Ｅｒ）^２で規格化した値を示している。ＣＯＤは半導体内部での端面電界強度Ｐｉ＝（Ｅｉ＋Ｅｒ）^２が臨界値を越えた時に発生するため、Ｐｔ／Ｐｉ＝Ｅｔ^２／（Ｅｉ＋Ｅｒ）^２が高い程、外部に取り出せるＣＯＤ光出力は高くなる。図の横軸は反射率Ｒであり、比較のために従来構造の場合を併記している。本発明では、反射率Ｒを高くする程Ｐｔ／Ｐｉ値が増加し、Ｒ＝４０％〜９０％では従来構造と比べて、Ｐｔ／Ｐｉ値を１０倍〜１００倍高めることができる。

図３の構造では、半導体と接する第１層の屈折率ｎ１は半導体導波路の等価屈折率ｎｅｆｆより高い方が望ましい。但し、ｎｅｆｆ＞ｎ１であっても、第１層から順に高屈折率層、低屈折率層の順に積層し、適切な層数とすれば、Ｐｔ／Ｐｉを高めることができる。すなわち、本発明における高屈折率層、低屈折率層というのはあくまで隣り合った層での相対的な屈折率の高低であり、絶対的な屈折率の高低を意味するものではない。

図３ではコーティング膜が３層と４層の場合を示したが、必要な反射率に応じて、いかなる層数を用いても本発明の構成が可能である。また図３では、５、７、９、１１の各層と６、８、１０の各層で同一の材料を用いたが、各層で異なる材料を用いても構わない。半導体と接する第１層から順に高屈折率層と低屈折率を交互に積層すればよい。また、図３では各層の光路長をλ／４としたが、λ／４の奇数倍であれば図１の原理から明らかなように、全く同様なＣＯＤ改善効果を得ることができる。

本発明の構造でＣＯＤ改善効果を得るには、各層の光路長をλ／４とするのが最適である。但し、光路長が多少λ／４から外れたとしても、従来構造に比べれば十分なＣＯＤ改善効果が得られる。図６は、前面４層構造の場合で、各層の光路長がλ／４からシフトした場合のＰｔ／Ｐｉ値を示している。光路長λ／４の時に最良値Ｐｔ／Ｐｉ＝６．３が得られるが、±２０％の範囲でも従来構造より十分高いＰｔ／Ｐｉ値が得られる。

図３の実施例は、半導体と接する第１層を高屈折率層としているが、第１層を低屈折率層とすることも可能である。図７は、第１層を低屈折率層とした実施例２に係る半導体レーザ素子の断面構造図を示している。ｎ−ＩｎＰ基板１７上にｎ−ＩｎＰクラッド層１６、ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸活性層１５、ｐ−ＩｎＰクラッド層１４、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１３とＮ電極１８及び、Ｐ電極１２を有する半導体レーザの共振器両端面に、コーティング膜１９及び５〜１１を形成する。半導体と接する第１層のコーティング膜１９は、両端面ともＡｌ_２Ｏ_３とし、層厚は発振波長λ＝１．３μｍに対して光路長がλ／２となる３９４ｎｍとした。コーティング膜５〜１１の構造は図３と同様である。

光路長λ／２のコーティング膜は、光学的にはその膜が存在しない場合と完全に等価となる。従って、図７の構造は実効的には図３の構造と等価になり、端面での電界強度を大幅に低減できる。ここで、コーティング膜１９の光路長はλ／２とする必要はなく、λ／２の整数倍であればよい。

図８は、第１層を低屈折率層とした実施例３に係る半導体レーザ素子の断面構造図を示している。ｎ−ＩｎＰ基板１７上にｎ−ＩｎＰクラッド層１６、ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸活性層１５、ｐ−ＩｎＰクラッド層１４、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１３とＮ電極１８及び、Ｐ電極１２を有する半導体レーザの共振器両端面に、コーティング膜２０〜２９を形成する。低屈折率コーティング膜２２、２４、２７、２９はＡｌ_２Ｏ_３とし、高屈折率コーティング膜２１、２３、２６、２８はアモルファスＳｉ（以下ａ−Ｓｉ膜と略記）とする。また、薄膜コーティング層２０、２５はＡｌ_２Ｏ_３とする。前面側の各層の層厚はそれぞれ、２０：Ａｌ_２Ｏ_３膜（３０ｎｍ）、２１：ａ−Ｓｉ膜（７４ｎｍ）、２２：Ａｌ_２Ｏ_３膜（１５７ｎｍ）、２３：ａ−Ｓｉ膜（７４ｎｍ）、２４：Ａｌ_２Ｏ_３膜（１５０ｎｍ）とし、裏面側の各層の層厚はそれぞれ、２５：Ａｌ_２Ｏ_３膜（３０ｎｍ）、２６：ａ−Ｓｉ膜（７６ｎｍ）、２７：Ａｌ_２Ｏ_３膜（１６１ｎｍ）、２８：ａ−Ｓｉ膜（７６ｎｍ）、２９：Ａｌ_２Ｏ_３膜（３０ｎｍ）とする。本構造では、第１層（２０、２５）を光路長の短い薄膜とし、第ｋ層（ｋ＝２、３、４）の層厚ｄｋは下記の式１で定まる値としている。
ｄｋ＝λ／（４・ｎｋ）−ｒ・ｎ１・ｄ１／ｎｋ ――― 式１
ここで、ｎｋ：第ｋ層の屈折率、ｎ１：第１層の屈折率、ｄ１：第１層の層厚、ｒ：補正項（０．５〜２．５）である。最終の第５層は、所望の反射率が得られるように設定している。図８の構造では、前面反射率５４．３％、裏面反射率７２％の高反射特性が得られる。

図８の構造では、半導体と接する第１層は低屈折率層であるが、光路長の短い薄膜であるため、端面部での電界強度は、第２層以降の多層膜でほぼ決定される。更に、第２層以降の各層の光路長はλ／４から第１層分だけ補正しているため、図３と同様な効果により端面部での電界強度が大幅に低減する。

図９は、前面５層の構造に対して、Ｐｔ／Ｐｉ＝Ｅｔ^２／（Ｅｉ＋Ｅｒ）^２値をシミュレーションした結果である。図の横軸は、補正項ｒを示している。Ｐｔ／Ｐｉ値が最大となる補正項ｒの最適値が存在し、ｒ＝１．３５でＰｔ／Ｐｉ値＝６．５の高い値が得られる。裏面５層の構造では、最適なｒ＝１．２でＰｔ／Ｐｉ値＝１２．０が得られる。図８の構造を用いる場合には、補正項ｒが重要である。シミュレーション結果から判るように、第２層以降を厳密なλ／４層とした場合には、ＣＯＤ改善効果は得られない。

図８では、多層膜が５層の場合を示したが、必要な反射率に応じて、いかなる層数を用いても本発明の構成が可能である。また図８では、コーティング膜２０、２２、２４、２５、２７、２９の各層とコーティング膜２１、２３、２６、２８の各層で同一の材料を用いたが、各層で異なる材料を用いても構わない。各層の屈折率に応じて、式１から各層の層厚を決定し、第１層から順に低屈折率層、高屈折率層を交互に形成すればよい。

図１０は、図８の構造で、第３層のコーティング膜に異なる材料を用いた、実施例４に係る半導体レーザ素子の断面構造図を示している。低屈折率コーティング膜２０、２４、２５、２９はＡｌ_２Ｏ_３、高屈折率コーティング膜２１、２３、２６、２８はアモルファスＳｉとし、コーティング膜３０、３１はＳｉＯ_２とする。前面側の各層の層厚はそれぞれ、２０：Ａｌ_２Ｏ_３膜（３０ｎｍ）、２１：ａ−Ｓｉ膜（７１ｎｍ）、３０：ＳｉＯ_２膜（１７１ｎｍ）、２３：ａ−Ｓｉ膜（７１ｎｍ）、２４：Ａｌ_２Ｏ_３膜（１５０ｎｍ）であり、裏面側の各層の層厚はそれぞれ、２５：Ａｌ_２Ｏ_３膜（３０ｎｍ）、２６：ａ−Ｓｉ膜（７５ｎｍ）、３１：ＳｉＯ_２膜（１８０ｎｍ）、２８：ａ−Ｓｉ膜（７５ｎｍ）、２９：Ａｌ_２Ｏ_３膜（３０ｎｍ）とする。

本構成では、ＳｉＯ_２膜とａ−Ｓｉ膜との屈折率差が大きいため、図８の実施例に比べて高い反射率が得られる。図１０の構成では前面５５．６％、裏面７６．７％の反射率が得られる。ここで、ＳｉＯ_２の屈折率は１．４５とした。本構成でも式１に従って各層厚を設定しているので、高いＰｔ／Ｐｉ値を実現できる。前面５層では最適なｒ＝１．５５でＰｔ／Ｐｉ＝６．８、裏面５層では最適なｒ＝１．３でＰｔ／Ｐｉ＝１５．１が得られる。

上記実施例では、１．３〜１．６μｍ帯ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザを用いて説明したが、他の半導体レーザの０．７〜０．８μｍ帯ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、０．９〜１．０μｍ帯ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、０．６μｍ帯ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系、及び０．４〜０．５μｍ帯ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系にも同様な構造を適用可能である。図１１は、０．６μｍ帯ＡｌＧａＩｎＰ／ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系半導体レーザに図３の実施例を適用した、本発明の実施例５に係る半導体レーザ素子の断面構造図である。図１１の構造では、ｎ−ＧａＡｓ基板３６上にｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３５、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸活性層３４、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３３、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層３２とＮ電極１８及び、Ｐ電極１２を有する半導体レーザの共振器両端面に、コーティング膜３７〜４３を形成している。高屈折率コーティング膜３７、３９、４１、４３はアモルファスＳｉ膜とし、層厚は発振波長λ＝０．６４μｍに対して光路長がλ／４となる４５．７ｎｍとする。低屈折率コーティング膜３８、４０、４２はＡｌ_２Ｏ_３膜とし、層厚は光路長がλ／４となる９７．０ｎｍとした。同様にあらゆる材料系の半導体レーザに対して、図３の構造だけでなく図７、図８、図１０の構造も適用可能である。

以上の図３、７、８、１０、１１の構造で、コーティング膜の最終層に光路長λ／２（又はその整数倍）の保護膜を形成してもよい。光路長λ／２（又はその整数倍）の膜は、光学的にはその膜がない場合と全く等価であるため、同様なＣＯＤ改善効果が得られる。

本発明の構造では、端面部の入射電界と反射電界を逆位相として、端面部の電界強度を低減している。但し、端面部からλ／（４・ｎｅｆｆ）（ｎｅｆｆ：半導体導波路の等価屈折率）の位置には、定在波の腹に相当する強い電界が存在する。ＣＯＤの原因となる非発光準位が、コーティング膜形成時のダメージ等で端面からλ／（４・ｎｅｆｆ）の深さまで形成されると、十分なＣＯＤ改善効果は得られない。本発明の効果を十分に引き出すためには、成膜時のダメージを抑えることが重要である。また、定在波の腹までの距離は波長に比例するため、長波長である程有利となる。この観点から、１．３μｍ〜１．６μｍ帯のＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザでは、他の１．０μｍ以下の半導体レーザに比べて、端面部浅部に発生した成膜時のダメージの影響を受けにくく、比較的安定したＣＯＤ改善効果が得られる。

また、本実施例ではコーティング膜として、アモルファスＳｉ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２を用いた場合を説明したが、ＴｉＯ_２、ＳｉＮｘ、ＳｉＯＮ、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、ＡｌＮ、Ｇａ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＳｉＣ、ＢＮ等の様々な材料を用いることも可能である。すなわち、本発明を構成する光路長となるように、各材料の屈折率に応じて層厚を設定すれば、あらゆるコーティング膜材料に対して本発明の構造を実現することができる。

以上、本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例の構成にのみ制限されるものでなく、本発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

本発明の半導体レーザ素子の構造の動作原理を示す図である。 従来の構造の動作原理を示す図である。 本発明の実施例１に係る半導体レーザ素子の断面構造図である。 本発明の実施例１に係る半導体レーザ素子の多層膜の積層数と反射率との関係の計算結果を示す図である。 本発明の実施例１に係る半導体レーザ素子の反射率とＰｔ／Ｐｉとの関係の計算結果を示す図である。 本発明の実施例１に係る半導体レーザ素子の各層の光路長がλ／４からシフトした場合のＰｔ／Ｐｉ値の計算結果を示す図である。 本発明の実施例２に係る半導体レーザ素子の断面構造図である。 本発明の実施例３に係る半導体レーザ素子の断面構造図である。 本発明の実施例３に係る半導体レーザ素子において、補正項ｒとＰｔ／Ｐｉとの関係の計算結果を示す図である。 本発明の実施例４に係る半導体レーザ素子の断面構造図である。 本発明の実施例５に係る半導体レーザ素子の断面構造図である。 従来の構造を示す半導体レーザ素子の断面構造図である。

符号の説明

１ 低屈折率λ／４膜
２ 高屈折率λ／４膜
３ 活性層
４ クラッド層
５、７、９、１１ 高屈折率コーティング膜
６、８、１０ 低屈折率コーティング膜
１２ Ｐ電極
１３ ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１４ ｐ−ＩｎＰクラッド層
１５ ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸活性層
１６ ｎ−ＩｎＰクラッド層
１７ ｎ−ＩｎＰ基板
１８ Ｎ電極
１９ コーティング膜
２０、２５ 薄膜コーティング層
２１、２３、２６、２８ 高屈折率コーティング膜
２２、２４、２７、２９ 低屈折率コーティング膜
３０、３１ コーティング膜
３２ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
３３ ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
３４ ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸活性層
３５ ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
３６ ｎ−ＧａＡｓ基板
３７、３９、４１、４３ 高屈折率コーティング膜
３８、４０、４２ 低屈折率コーティング膜
４４ コーティング膜
４５ コーティング膜

Claims (9)

1. 共振器端面の少なくとも一方の端面に反射多層膜を形成し、レーザ出射光の位相と該反射多層膜からの反射光の位相との位相差が、レーザ出射端面で（１±０．４５）πである、半導体レーザ素子。
2. 前記反射多層膜の各層の光路長が（２ｍ−１）・λ／４（λ：発振波長、ｍ：正の整数）であり、かつ半導体と接する第１層から順に高屈折率層と低屈折率層が交互に積層されてい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. 前記反射多層膜の各層の光路長が（２ｍ−１）・λ／４（λ：発振波長、ｍ：正の整数）の±２０％以内であり、かつ半導体と接する第１層から順に高屈折率層と低屈折率層が交互に積層されてい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。
4. 前記反射多層膜の第２層以降の各層の光路長が（２ｍ−１）・λ／４（λ：発振波長、ｍ：正の整数）であり、かつ半導体と接する第１層の光路長がｎ・λ／２（λ：発振波長、ｎ：正の整数）であり、第１層から順に低屈折率層と高屈折率層が交互に積層されてい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。
5. 前記反射多層膜の第２層以降の各層の光路長が（２ｍ−１）・λ／４（λ：発振波長、ｍ：正の整数）の±２０％以内であり、かつ半導体と接する第１層の光路長がｎ・λ／２（λ：発振波長、ｎ：正の整数）の±２０％以内であり、第１層から順に低屈折率層と高屈折率層が交互に積層されてい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。
6. 半導体と接する第１層の屈折率をｎ１、層厚をｄ１とした時、最終層以外で第２層以降の各層の光路長がλ／４−ｒ・ｎ１・ｄ１（λ：発振波長、ｒ：０．５〜２．５）であり、かつ該第１層から順に低屈折率層と高屈折率層が交互に積層されてい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。
7. 前記半導体と接する前記第１層の層厚ｄ１が１〜６０ｎｍである、請求項６に記載の半導体レーザ素子。
8. 前記反射多層膜の最終層に光路長がｍ・λ／２（λ：発振波長、ｍ：正の整数）の保護膜を形成した、請求項１〜７のいずれか一に記載の半導体レーザ素子。
9. 半導体材料が１．３μｍ〜１．６μｍ帯のＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系である、請求項１〜８のいずれか一に記載の半導体レーザ素子。

Images