JP2009176812A

JP2009176812A - 半導体レーザ

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Publication number: JP2009176812A
Application number: JP2008011439A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Nakagawa; 康幸中川; Kyosuke Kuramoto; 恭介蔵本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-01-22
Filing date: 2008-01-22
Publication date: 2009-08-06
Also published as: TW200943656A; US20090213891A1; CN101494358A

Abstract

【課題】コーティング膜の反射率を３〜１３％の範囲内に設定し、コーティング膜の剥離を防止し、半導体レーザの信頼性を確保することができる半導体レーザを得る。
【解決手段】レーザ光を出射する前端面にコーティング膜が形成されたＧａＮ系の半導体レーザであって、コーティング膜は、前端面に接する第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上に形成された第２の絶縁膜とを有し、半導体レーザのレーザ光の波長λに対して、第１の絶縁膜と第２の絶縁膜の光学膜厚の合計はλ／４の奇数倍であり、第１の絶縁膜は、第２の絶縁膜よりもＧａＮに対する密着性が強く、第１の絶縁膜の屈折率は１．９以下であり、第２の絶縁膜の屈折率は２〜２．３である。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ光を出射する前端面にコーティング膜が形成されたＧａＮ系の半導体レーザに関し、特にコーティング膜の反射率を３〜１３％の範囲内に設定し、コーティング膜の剥離を防止し、半導体レーザの信頼性を確保することができる半導体レーザに関するものである。

半導体レーザは、光ディスクシステムや光通信などに広く用いられ、近年では、青色レーザを出射するＧａＮ系の半導体レーザが用いられている。半導体レーザは、レーザ光を出射する前端面と、前端面に対向する後端面とを有する。そして、半導体レーザの動作電流の低減、戻り光防止、高出力化等を図るために、前端面と後端面にコーティング膜が形成されている。

一般に、高出力が要求される半導体レーザでは、前端面に反射率の低いコーティング膜が形成され、後端面に反射率の高いコーティング膜が形成されている。後端面のコーティング膜の反射率は通常６０％以上、好ましくは８０％以上である。一方、前端面の反射率は、単に低ければ良いというものではなく、半導体レーザに要求される特性に応じて設定される。例えば、ファイバグレーティングとともに用いられるファイバアンプ励起用半導体レーザでは０．０１〜３％程度、通常の高出力半導体レーザでは３〜７％程度、戻り光対策が必要な場合は７〜１３％程度の反射率が設定される。

図９は、単層のＡｌ_２Ｏ_３膜を用いたコーティング膜の反射率の膜厚依存性を示す図である。例えば、反射率を１０％程度にするためにＡｌ_２Ｏ_３膜の膜厚を９１．５ｎｍにした場合、実際の反射率は９．９１％となり、反射率を目標とする３〜１３％の範囲内に設定することができる。この場合、Ａｌ_２Ｏ_３膜の膜厚が±５％ばらつくと、反射率は最小値７．７２と最大値１２．０３％の間で大きくばらついてしまう。この反射率のばらつきを抑えるには、反射率の変極点付近に膜厚を設定すればよい。しかし、Ａｌ_２Ｏ_３膜の場合、変極点における反射率は１％以下であり、３〜１３％の範囲から外れてしまう。

図１０は、単層のＴａ_２Ｏ_５膜を用いたコーティング膜の反射率の膜厚依存性を示す図である。Ｔａ_２Ｏ_５膜の場合、変極点における反射率は１０％程度である。従って、前端面のコーティング膜として単層のＴａ_２Ｏ_５膜を用いれば、反射率のばらつきを抑えつつ、反射率を３〜１３％の範囲内に設定することができる。

また、コーティング膜として２層膜を用いる技術も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２２２６９号公報

Ｔａ_２Ｏ_５膜はＧａＮ基板との密着性が悪いため、コーティング膜として単層のＴａ_２Ｏ_５膜を用いた場合、コーティング膜が剥離するという問題があった。また、特許文献１には、ＧａＮ基板と接する膜を密着性の良いものとし、かつ反射率を３〜１３％の範囲内に設定するような２層膜の組み合わせについては記載されていない。

また、図１１は、ＧａＮ系の半導体レーザの前端面に、コーティング膜として単層のＡｌ_２Ｏ_３膜を形成した場合の反射率の波長依存性と界面付近の電界分布を示す図である。Ａｌ_２Ｏ_３膜の膜厚は９０ｎｍであり、反射率は９．３％である。この図から、半導体レーザとコーティング膜の界面において電界強度が大きくなることが分かる。このため、界面付近の結晶が劣化し、半導体レーザの信頼性が損なわれる。

また、図１２，図１３は、ＧａＡｓ系の半導体レーザの前端面に、コーティング膜としてＡｌ_２Ｏ_３膜とＴａ_２Ｏ_５膜の２層膜を形成した場合の反射率の波長依存性と界面付近の電界分布を示す図である。図１２では、Ａｌ_２Ｏ_３膜の膜厚が２００ｎｍ、Ｔａ_２Ｏ_５膜の膜厚が７８ｎｍ、反射率が０．６６％である。図１３では、Ａｌ_２Ｏ_３膜の膜厚が２５０ｎｍ、Ｔａ_２Ｏ_５膜の膜厚が３０ｎｍ、反射率が０．４９％である。また、図１４は、ＧａＡｓ系の半導体レーザの前端面に、コーティング膜としてＳｉ_３Ｎ_４膜とＳｉＯ_２膜の２層膜を形成した場合の反射率の波長依存性と界面付近の電界分布を示す図である。Ｓｉ_３Ｎ_４膜の膜厚が７８．６ｎｍ、ＳｉＯ_２膜の膜厚が２２０ｎｍ、反射率が０．５２％である。これらの図から、界面での電界強度が大きくなる場合があることが分かる。このため、界面付近の結晶が劣化し、半導体レーザの信頼性が損なわれる。

また、ＧａＡｓやＩｎＰは屈折率が３．５以上であるため、ＧａＡｓ系又はＩｎＰ系の半導体レーザでは、２層膜のそれぞれ膜厚を調整してもコーティング膜の反射率を３〜１３％の範囲内に設定することができなかった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、コーティング膜の反射率を３〜１３％の範囲内に設定し、コーティング膜の剥離を防止し、半導体レーザの信頼性を確保することができる半導体レーザを得るものである。

本発明に係る半導体レーザは、レーザ光を出射する前端面にコーティング膜が形成されたＧａＮ系の半導体レーザであって、コーティング膜は、前端面に接する第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上に形成された第２の絶縁膜とを有し、半導体レーザのレーザ光の波長λに対して、第１の絶縁膜と第２の絶縁膜の光学膜厚の合計はλ／４の奇数倍であり、第１の絶縁膜は、第２の絶縁膜よりもＧａＮに対する密着性が強く、第１の絶縁膜の屈折率は１．９以下であり、第２の絶縁膜の屈折率は２〜２．３である。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明により、コーティング膜の反射率を３〜１３％の範囲内に設定し、コーティング膜の剥離を防止し、半導体レーザの信頼性を確保することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザを示す斜視図、図２は断面図である。この半導体レーザは、青色レーザを出射するＧａＮ系の半導体レーザである。

ＧａＮ基板１の上に、ｎ型クラッド層２、活性層３、ｐ型クラッド層４が順番に積層されている。その上に、リッジ型のｐ電極５が形成されている。ＧａＮ基板１の裏面に、ｎ電極６が形成されている。これらのＧａＮ基板１、ｎ型クラッド層２、活性層３、ｐ型クラッド層４、ｐ電極５及びｎ電極６により、レーザ光の進行方向に沿って共振器が構成されている。この共振器の一方の端部は、レーザ光を出射する前端面８であり、他方の端部は後端面９である。

上記半導体レーザを動作させる際には、ｐ電極５に正電界を印加し、ｎ電極６に負電界を印加する。これにより、ｐ型クラッド層４から活性層３に正孔が注入され、ｎ型クラッド層２から活性層３に電子が注入される。これらの正孔および電子が結合し、活性層３にレーザ光７が発生する。レーザ光７は、活性層３の中を共振器に沿って進行し、前端面８側から放出される。

また、前端面８にコーティング膜１０が形成され、後端面９にコーティング膜１１が形成されている。コーティング膜１０は、前端面８に接するＡｌ_２Ｏ_３膜１０ａ（第１の絶縁膜）と、Ａｌ_２Ｏ_３膜１０ａ上に形成されたＴａ_２Ｏ_５膜１０ｂ（第２の絶縁膜）とを有する。Ａｌ_２Ｏ_３膜１０ａ及びＴａ_２Ｏ_５膜１０ｂは、例えば、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance）のスパッタ法や化学気相成長（Chemical Vapor Deposition）法などにより形成されている。

一方、コーティング膜１１は、例えば、ＳｉＯ_２膜とＴａ_２Ｏ_５膜を積層した多層膜である。このコーティング膜１１は約９０％の高反射率を有し、コーティング膜１０よりも反射率が高い。これにより、後端面９からのレーザ光の損失を抑えることができるため、前端面８から５０ｍＷ以上の高い光出力を得ることができる。

図３〜６は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザにおけるコーティング膜の反射率の波長依存性と界面付近の電界分布を示す図である。図３では、Ａｌ_２Ｏ_３膜１０ａが１２３ｎｍ、Ｔａ_２Ｏ_５膜１０ｂが４６ｎｍ、反射率が１０．７％である。図４では、Ａｌ_２Ｏ_３膜１０ａが１４４．５ｎｍ、Ｔａ_２Ｏ_５膜１０ｂが２３．５ｎｍ、反射率が５．０％である。図５では、Ａｌ_２Ｏ_３膜１０ａが５ｎｍ、Ｔａ_２Ｏ_５膜１０ｂが３６ｎｍ、反射率が９．９％である。図６では、Ａｌ_２Ｏ_３膜１０ａが１９ｎｍ、Ｔａ_２Ｏ_５膜１０ｂが２２ｎｍ、反射率が５．０％である。

半導体レーザのレーザ光の波長λに対して、Ａｌ_２Ｏ_３膜１０ａとＴａ_２Ｏ_５膜１０ｂの光学膜厚の合計を、図３，４ではλ／４×３とし、図５，６ではλ／４としている。このようにＡｌ_２Ｏ_３膜１０ａとＴａ_２Ｏ_５膜１０ｂの光学膜厚の合計をλ／４の奇数倍とすることにより、半導体レーザとコーティング膜１０の界面において電界強度が小さくなるため、界面付近の結晶の劣化を防ぐことができ、半導体レーザの信頼性を確保することができる。

また、Ａｌ_２Ｏ_３膜１０ａは、Ｔａ_２Ｏ_５膜１０ｂよりもＧａＮに対する密着性が強い。このため、コーティング膜１０の剥離を防止することができる。

また、Ａｌ_２Ｏ_３膜１０ａの屈折率は１．９以下であり、Ｔａ_２Ｏ_５膜１０ｂの屈折率は２〜２．３である。これにより、Ａｌ_２Ｏ_３膜１０ａの膜厚とＴａ_２Ｏ_５膜１０ｂの膜厚を調整することにより、ＧａＮ系半導体レーザに対して、コーティング膜１０の反射率を目標とする３〜１３％の範囲内に設定することができる。

また、Ａｌ_２Ｏ_３膜１０ａは化学量論組成の酸化膜であるため、光吸収が少ない。従って、半導体レーザとコーティング膜１０の界面付近の結晶の劣化を防ぐことができ、半導体レーザの信頼性を確保することができる。

なお、Ａｌ_２Ｏ_３膜１０ａの代わりにＳｉＯ_２膜を用いてもよい。また、Ｔａ_２Ｏ_５膜１０ｂの代わりに、Ｎｂ_２Ｏ_５，ＨｆＯ_２，ＺｒＯ_２，Ｙ_２Ｏ_３，ＡｌＮ，ＳｉＮの何れかの材質からなる膜を用いてもよい。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザを示す断面図である。コーティング膜１０は、前端面８に接するＳｉ_３Ｎ_４膜１０ｃ（第１の絶縁膜）と、Ｓｉ_３Ｎ_４膜１０ｃ上に形成されたＳｉＯ_２膜１０ｄ（第２の絶縁膜）とを有する。その他の構成は実施の形態１と同様である。

図８は、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザにおけるコーティング膜の反射率の波長依存性と界面付近の電界分布を示す図である。Ｓｉ_３Ｎ_４膜１０ｃが４８．６ｎｍ、ＳｉＯ_２膜１０ｄが１３５．８ｎｍ、反射率が７．４％である。Ｓｉ_３Ｎ_４膜１０ｃとＳｉＯ_２膜１０ｄの光学膜厚の合計をλ／４の奇数倍とすることより、半導体レーザとコーティング膜１０の界面において電界強度が小さくなるため、界面付近の結晶の劣化を防ぐことができ、半導体レーザの信頼性を確保することができる。

また、Ｓｉ_３Ｎ_４膜１０ｃの屈折率は２〜２．３であり、ＳｉＯ_２膜１０ｄの屈折率は１．９以下である。これにより、Ｓｉ_３Ｎ_４膜１０ｃの膜厚とＳｉＯ_２膜１０ｄの膜厚を調整することにより、ＧａＮ系半導体レーザに対して、コーティング膜１０の反射率を目標とする３〜１３％の範囲内に設定することができる。

また、Ｓｉ_３Ｎ_４膜１０ｃは窒化膜であり、ＧａＮに対する密着性が強い。このため、コーティング膜１０の剥離を防止することができる。

なお、Ｓｉ_３Ｎ_４膜１０ｃの代わりにＡｌＮ膜を用いてもよい。また、ＳｉＯ_２膜１０ｄの代わりにＡｌ_２Ｏ_３膜を用いてもよい。また、Ｓｉ_３Ｎ_４膜１０ｃのＳｉとＮの組成比を化学量論組成から変えることで屈折率を多少変えることができる。

本発明の実施の形態１に係る半導体レーザを示す斜視図である。本発明の実施の形態１に係る半導体レーザを示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体レーザにおけるコーティング膜の反射率の波長依存性と界面付近の電界分布を示す図である。本発明の実施の形態１に係る半導体レーザにおけるコーティング膜の反射率の波長依存性と界面付近の電界分布を示す図である。本発明の実施の形態１に係る半導体レーザにおけるコーティング膜の反射率の波長依存性と界面付近の電界分布を示す図である。本発明の実施の形態１に係る半導体レーザにおけるコーティング膜の反射率の波長依存性と界面付近の電界分布を示す図である。本発明の実施の形態２に係る半導体レーザを示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る半導体レーザにおけるコーティング膜の反射率の波長依存性と界面付近の電界分布を示す図である。単層のＡｌ_２Ｏ_３膜を用いたコーティング膜の反射率の膜厚依存性を示す図である。単層のＴａ_２Ｏ_５膜を用いたコーティング膜の反射率の膜厚依存性を示す図である。ＧａＮ系の半導体レーザの前端面に、コーティング膜として単層のＡｌ_２Ｏ_３膜を形成した場合の反射率の波長依存性と界面付近の電界分布を示す図である。ＧａＡｓ系の半導体レーザの前端面に、コーティング膜としてＡｌ_２Ｏ_３膜とＴａ_２Ｏ_５膜の２層膜を形成した場合の反射率の波長依存性と界面付近の電界分布を示す図である。ＧａＡｓ系の半導体レーザの前端面に、コーティング膜としてＡｌ_２Ｏ_３膜とＴａ_２Ｏ_５膜の２層膜を形成した場合の反射率の波長依存性と界面付近の電界分布を示す図である。ＧａＡｓ系の半導体レーザの前端面に、コーティング膜としてＳｉ_３Ｎ_４膜とＳｉＯ_２膜の２層膜を形成した場合の反射率の波長依存性と界面付近の電界分布を示す図である。

符号の説明

８前端面
１０コーティング膜
１０ａＡｌ_２Ｏ_３膜（第１の絶縁膜）
１０ｂＴａ_２Ｏ_５膜（第２の絶縁膜）
１０ｃＳｉ_３Ｎ_４膜（第１の絶縁膜）
１０ｄＳｉＯ_２膜（第２の絶縁膜）

Claims

レーザ光を出射する前端面にコーティング膜が形成されたＧａＮ系の半導体レーザであって、
前記コーティング膜は、前記前端面に接する第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に形成された第２の絶縁膜とを有し、
前記半導体レーザのレーザ光の波長λに対して、前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜の光学膜厚の合計はλ／４の奇数倍であり、
前記第１の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜よりもＧａＮに対する密着性が強く、
前記第１の絶縁膜の屈折率は１．９以下であり、
前記第２の絶縁膜の屈折率は２〜２．３であることを特徴とする半導体レーザ。
前記第１の絶縁膜は、化学量論組成の酸化膜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。
前記第１の絶縁膜の材質は、Ａｌ_２Ｏ_３又はＳｉＯ_２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。
前記第２の絶縁膜の材質は、Ｔａ_２Ｏ_５，Ｎｂ_２Ｏ_５，ＨｆＯ_２，ＺｒＯ_２，Ｙ_２Ｏ_３，ＡｌＮ，ＳｉＮの何れかであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の半導体レーザ。
レーザ光を出射する前端面にコーティング膜が形成されたＧａＮ系の半導体レーザであって、
前記コーティング膜は、前記前端面に接する第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に形成された第２の絶縁膜とを有し、
前記半導体レーザのレーザ光の波長λに対して、前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜の光学膜厚の合計はλ／４の奇数倍であり、
前記第１の絶縁膜は窒化膜であり、
前記第１の絶縁膜の屈折率は２〜２．３であり、
前記第２の絶縁膜の屈折率は１．９以下であることを特徴とする半導体レーザ。
前記第１の絶縁膜の材質は、ＡｌＮ又はＳｉＮ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。
前記第２の絶縁膜の材質は、Ａｌ_２Ｏ_３又はＳｉＯ_２であることを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体レーザ。