JP2009200237A - 半導体レーザ素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、半導体レーザ（共振器）とコーティング膜との界面の界面準位を簡易な方法により低減した半導体レーザ素子とその製造方法に関し、半導体レーザの光出力に起因した瞬時光学損傷（ＣＯＤ）を抑制できる半導体レーザ素子とその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】半導体レーザの劈開面上にリチウム薄膜又はベリリウム薄膜からなるダングリングボンド終端膜が形成される。さらに、該ダングリングボンド終端膜上にコーティング膜が形成されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、端面劣化を抑制した半導体レーザ素子とその製造方法に関するものである。

半導体レーザは、活性層・クラッド層などがウェーハ製造プロセスにより形成された後に所定位置で劈開される。この劈開は個々の半導体レーザ素子を形成するために行われるものである。劈開が行われることにより半導体レーザの光出射端面、光反射端面が表面に露出する。

劈開後には光出射端面、光反射端面に自然酸化膜が形成される。この自然酸化膜はアルゴンなどの不活性ガスのプラズマ処理を行うことで除去される。前述のプラズマ処理により清浄化された光出射端面、光反射端面にはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などからなるコーティング膜が形成される。コーティング膜は光出射端面ではそれを保護するものであり、光反射端面では反射率を高めるものである。

半導体レーザの特性向上においてしばしば問題として挙げられる現象にＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ）がある。ＣＯＤとは半導体レーザの光出力に起因した瞬時光学損傷のことである。ＣＯＤを原因とする半導体レーザ素子の端面高温化による経時劣化を防止するために、コーティング膜あるいは半導体レーザとコーティング膜の界面に加工を行う提案がなされている（例えば、特許文献１〜４参照）。例えば特許文献１では高真空装置内において、共振器端面に水素ラジカルビームを照射する方法が提案されている。

特開平７−２８３４８３号公報 特表２００５−５３１１５４号公報 特開２００２−３３５０５３号公報 特開２０００−３３２３４０号公報

半導体レーザ（共振器ともいう）とコーティング膜との界面の界面準位は前述したＣＯＤの一因であると考えられている。すなわち、前述した界面準位に起因して光の吸収が発生し、この光の吸収が光出射端面あるいは光反射端面におけるＣＯＤを引き起こすと考えられている。この界面準位は、半導体レーザの光出射端面、光反射端面においてダングリングボンドが存在することが原因と考えられる。

しかしながら、劈開後に一般に行われる、光出射端面などに形成された自然酸化膜を不活性ガスのプラズマ処理で除去する工程だけではダングリングボンドの終端が十分でない。そしてダングリングボンドが十分に終端されないまま光出射端面、光反射端面にコーティング膜が形成されると界面準位の抑制が不十分であり、結果としてＣＯＤを抑制できない問題があった。また、特許文献１に開示されているように高真空装置内で水素ラジカルビームを照射する処理を行う場合は装置の真空引きに時間を要するなどの工業上の問題があった。

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、半導体レーザ（共振器）とコーティング膜との界面の界面準位を簡易な方法により低減しＣＯＤを抑制することを目的とする。

本願の発明にかかる半導体レーザ素子は、半導体レーザの劈開面上にリチウム薄膜又はベリリウム薄膜からなるダングリングボンド終端膜が形成され、前記ダングリングボンド終端膜上にコーティング膜が形成されることを特徴とする。

本願の発明にかかる半導体レーザ素子は、半導体レーザの劈開面が水素終端され、前記劈開面上にコーティング膜が形成されることを特徴とする。

本願の発明にかかる半導体レーザ素子の製造方法は、半導体レーザを劈開して劈開面を露出させる工程と、前記劈開面にリチウム薄膜又はベリリウム薄膜からなるダングリングボンド終端膜をスパッタにより形成する工程と、前記ダングリングボンド終端膜上にコーティング膜を形成する工程とを備えることを特徴とする。

本願の発明にかかる半導体レーザ素子の製造方法は、半導体レーザを劈開して劈開面を露出させる工程と、スパッタ装置内で水素プラズマ処理を行い前記劈開面を水素終端する工程と、前記水素終端工程後に前記水素終端された前記劈開面上にコーティング膜を形成する工程とを備えることを特徴とする。

本発明により半導体レーザ素子のＣＯＤなどの端面劣化を抑制できる。

実施の形態１
図１を参照して本実施形態の半導体レーザ素子の構成について説明する。本実施形態の半導体レーザ素子は半導体レーザ１１および後述するリチウム薄膜、コーティング膜とからなる。

半導体レーザ１１は本実施形態の半導体レーザ素子の共振器部分を構成するものである。半導体レーザ１１は基板１０を備える。基板１０と接して第１クラッド層１２が形成される。第1クラッド層１２と接して活性層１４が形成される。活性層１４ではキャリアが再結合し発光が行われる。さらに活性層１４と接して第2クラッド層１６が形成される。そして、半導体レーザ１１の表面には第2クラッド層１６と接して電極１８が配置される。一方半導体レーザ１１の裏面には基板１０と接して電極２０が配置される。

そして、半導体レーザ１１はその劈開面のうち光を出射する面である光出射端面２２と、光を反射する面である光反射端面２４を備える。前述した光出射端面２２にはリチウム薄膜２６が形成されている。リチウム薄膜２６は膜厚が１０ｎｍである。さらに、リチウム薄膜２６と接してアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）で形成された低反射膜２８を備える。一方、光反射端面２４側にはこれと接して高反射膜３０が形成される。低反射膜２８および高反射膜３０ともにλ／４ｎ（λは光の波長、ｎは屈折率）で定められる膜厚で形成される。低反射膜２８、高反射膜３０ともに多層構造であってもよい。なお、本実施形態では低反射膜２８、高反射膜３０をコーティング膜と称する。

以後、本発明の半導体レーザ素子の製造方法について、図２に示すフローチャートを参照して説明する。ステップ４０では、活性層・クラッド層などが形成されたウェーハが劈開される。この劈開は半導体レーザ１１を切り出すために行われる。ステップ４０の劈開を終えると光出射端面２２と光反射端面２４とが表面に露出した状態となる。

次いで、ステップ４２の工程へ処理が進められる。ステップ４２ではアルゴンなど不活性ガスのプラズマにより光出射端面２２と光反射端面２４とに形成された自然酸化膜を除去する。なお、このプラズマ処理を窒素プラズマなどにより行ってもよい。

次いで、ステップ４４の工程へ処理が進められる。ステップ４４では光出射端面２２にリチウム薄膜２６が形成される。リチウム薄膜２６はスパッタにより形成される。ここで用いられるスパッタ装置はチャンバー内圧力が数十〜数百Ｔｏｒｒのものである。従って高真空装置を用いる必要はなく、安価かつ安定にしかも加工時間を短時間で行うことができる。前述のスパッタにより本実施形態で形成されるリチウム薄膜２６の膜厚は１０ｎｍである。

次いでステップ４６の工程へ処理が進められる。ステップ４６ではリチウム薄膜２６上に低反射膜２８が形成される。また、光反射端面２４に接して高反射膜３０が形成される。低反射膜２８、高反射膜３０ともに最初にアルミナが形成され、適宜高屈折率膜、低屈折率膜などが形成される。すなわち、低反射膜２８、高反射膜３０は所望の反射率が達成できる限りにおいては特に限定されるものではない。

半導体レーザ素子では光出射端面、光反射端面（あるいはその近傍）における光吸収が原因となりＣＯＤの問題が生じることがある。そして、光出射端面、光反射端面における光吸収の原因は光出射端面、光反射端面におけるダングリングボンドがコーティング膜との界面に界面準位を形成するためであると考えられている。劈開後に光出射端面、光反射端面を（不活性ガスあるいは窒素の）プラズマにより清浄化するだけでは、ダングリングボンドの終端が不十分である。よって、ＣＯＤにより光出射端面、光反射端面が損傷を受ける問題があった。この問題は半導体レーザ素子において特に光密度の高い光出射端面において顕著であるが光反射端面においても見られる。

本実施形態の半導体レーザ素子とその製造方法によれば上述の問題を解決できる。すなわち、本実施形態の半導体レーザ素子の光出射端面２２におけるダングリングボンドはリチウム薄膜２６により終端されている。これはリチウムが活性な物質でありダングリングボンド終端を行うのに適した材料であるからである。よって光出射端面２２と低反射膜２８（コーティング膜）との界面準位を低減できるから、ＣＯＤを抑制できる。

本実施形態ではリチウム薄膜の膜厚を１０ｎｍとしたが、１〜２０ｎｍ程度の範囲内であれば特に限定されない。ここで、下限値として挙げた１ｎｍは、リチウム２原子層程度の膜厚であり、ダングリングボンドを確実に終端するために必要最小限の膜厚である。一方リチウム膜厚の上限値は、ダングリングボンド終端の観点からは高い（厚い）方が好ましい。しかしながらリチウムによる光吸収を実動作上無視できるリチウム膜厚は２０ｎｍ程度であるからリチウム膜厚の上限値は２０ｎｍ程度となる。リチウム薄膜の膜厚を制御性よくコントロールするためにはＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によるその場観察などを行うと良い。

本実施形態では光出射端面のみにリチウム薄膜を形成したが、図３に示すように光反射端面２４にもリチウム薄膜３２を形成してもよい。これにより光反射端面におけるＣＯＤを抑制できる。

本実施形態ではリチウム薄膜を用いてダングリングボンドの終端を行ったが本発明はこれに限定されない。すなわち、例えば、図４に示されるように光出射端面（又は光反射端面）が水素終端部分３４により水素終端されていても本発明の効果を得られる。この場合、スパッタ装置のチャンバー内で水素プラズマ処理を行うことで、水素終端を行う。これにより、高真空が不要であるし、図２のステップ４２で行ったプラズマ処理から継続して同一装置による処理を行うことができる。また、リチウムは自然発火性物質であり、取り扱いが難しいのに対して水素終端を行うことは製造工程上容易である。

本実施形態ではリチウム薄膜を用いてダングリングボンド終端を行ったが本発明はこれに限定されない。すなわち、例えば、リチウム薄膜に代えてベリリウム薄膜によりダングリングボンド終端を行っても本発明を得られる。また、本発明はリチウム薄膜やベリリウム薄膜などのダングリングボンドを終端できる薄膜（ダングリングボンド終端膜）を形成してＣＯＤを抑制するものであるから、他の物質によりダングリングボンドを終端する事としてもよい。

本実施形態の半導体レーザ１１はＧａＮ、ＩｎＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体から構成されるものであってもよいが特に限定されない。本発明の課題は光出射端面または光反射端面におけるＣＯＤを抑制することであるから半導体レーザの構成は任意である。

実施形態１の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。 実施形態１の半導体レーザ素子の製造方法について説明するフローチャートである。 光反射端面にリチウム薄膜が形成された半導体レーザ素子を説明する図である。 光出射端面に水素終端部分を備える半導体レーザ素子について説明する図である。

符号の説明

１１ 半導体レーザ
２２ 光出射端面
２４ 光反射端面
２６ リチウム薄膜
２８ 低反射膜
３０ 高反射膜

Claims (7)

1. 半導体レーザの劈開面上にリチウム薄膜又はベリリウム薄膜からなるダングリングボンド終端膜が形成され、
   前記ダングリングボンド終端膜上にコーティング膜が形成されることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記ダングリングボンド終端膜の膜厚は１ｎｍ〜２０ｎｍ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. 前記劈開面は光出射端面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。
4. 前記劈開面は光出射端面および光反射端面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。
5. 半導体レーザの劈開面が水素終端され、
   前記劈開面上にコーティング膜が形成されることを特徴とする半導体レーザ素子。
6. 半導体レーザを劈開して劈開面を露出させる工程と、
   前記劈開面にリチウム薄膜又はベリリウム薄膜からなるダングリングボンド終端膜をスパッタにより形成する工程と、
   前記ダングリングボンド終端膜上にコーティング膜を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
7. 半導体レーザを劈開して劈開面を露出させる工程と、
   スパッタ装置内で水素プラズマ処理を行い前記劈開面を水素終端する工程と、
   前記水素終端工程後に前記水素終端された前記劈開面上にコーティング膜を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。

Images