JP2012059817A - 多波長半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡略な多層端面コート膜を利用することによって多波長レーザ装置のＣＯＤレベルの低下を抑制し、信頼性の高い多波長半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】同一の半導体基板上に第１と第２のレーザ発振部を含むモノリシック型の多波長半導体レーザ装置において、第１と第２のレーザ発振部がそれぞれ発振波長λ１とλ２（λ１＜λ２）を有し、このレーザ装置の光出射端面上には順次積層された第１、第２および第３の誘電体層を含む端面コート膜が形成されており、第１誘電体層は５〜１０ｎｍの範囲内の厚さｄ１と屈折率ｎ１を有し、第２誘電体層は厚さｄ２と屈折率ｎ２を有し、第３誘電体層は厚さｄ３と屈折率ｎ３を有し、そして端面コート膜は波長λ１の光に対して６〜１０％の範囲内の反射率を有しかつ波長λ２の光に対して４〜６％の範囲内の反射率を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は多波長半導体レーザ装置に関し、特に多波長半導体レーザ装置に含まれる端面コート膜の改善に関する。

１つの光ディスク装置がＣＤおよびＤＶＤの両方の情報を検出するためには、波長７８０ｎｍ帯のレーザ光源（赤外半導体レーザ素子）と波長６６０ｎｍ帯のレーザ光源（赤色半導体レーザ素子）の２つの光源が必要である。近年、光ディスク装置に含まれる光ピックアップ部の小型化および軽量化のために、１つの半導体チップ内で２種類の波長のレーザ発光が可能な２波長半導体レーザ装置が開発されて普及しつつある。

ＣＤやＤＶＤなどの光ディスクの記録再生に用いる光学部品の一種である半導体レーザチップにおいては、一般に半導体積層構造を含むウエハの劈開によってファブリペロー共振器端面を形成し、この共振器端面に所望の反射率を有する誘電体膜（端面コート膜または端面保護膜などと称される）が形成される。すなわち、誘電体膜に含まれる複数層の種類、層厚および層数を適宜に選択することによって、所望の反射率に制御された誘電体膜を形成することができる。

しかし、誘電膜に光吸収がある場合、その光吸収によって発熱して温度が急上昇し、この温度上昇によって半導体レーザ共振器の端部のバンドギャップが小さくなる。これによって、半導体レーザ共振器端部の光吸収も大きくなってさらに温度が上昇する正帰還ループを生じ、ついには半導体レーザ共振器端部が破壊されて発振が停止する現象を引き起こす。この現象は、一般的に瞬間光学損傷（ＣＯＤ：Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ）と呼ばれる。端面保護膜に僅かでも光吸収があれば、半導体レーザ装置の長期的な連続発振後に、ＣＯＤを生じる光出力レベルが低下する。

また、高出力半導体レーザ装置では、その重要な特性の一つである電流・光出力の変換効率を表す外部微分効率の改善のために、共振器の両端面において、光射出側端面の反射率が１０％以下であって反射側端面の反射率が９０％以上になるような非対称コート膜が一般的である。ただし、光射出側端面の反射率が３％未満になれば、光ディスクから反射されて還って来た光が半導体レーザ装置内に取り込まれ、戻り光ノイズとしてジッターが悪化する。

上述のような問題を抑制するために、レーザ光射出端面保護膜として一般的に用いられることが多いのが酸化アルミニウム膜である。酸化アルミニウムは、半導体レーザチップの基板のＧａＡｓとほぼ同じ線膨張係数を有するとともに、ＧａＡｓの表面に対して良好な密着性を有し、さらに熱伝導率が高い利点をも有するので、ＧａＡｓ基板を含む共振器に密着する第１層の誘電体層として好ましく使用され得る。

特に、光が射出される共振器の前方端面に配設される反射率の小さな反射率制御膜として、酸化アルミニウム単層膜が用いられ得る。この酸化アルミニウム単層膜によれば、その膜厚を所定の値に設定して所望の反射率を得ることが可能であるとともに、複数層を積層する多層膜構成に比較して製造工程が短くなるなどの利点も得られる。

特許文献１（特開２００１−３２０１３１号公報）では、波長が短いＤＶＤ用半導体レーザ部の光射出端面における反射率（３２％）よりも波長が長いＣＤ用半導体レーザ部の光射出面における反射率（２４％）が低くなる保護膜厚を求め、この膜厚で光射出端面コート膜（アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）膜）を成膜することが開示されている。そして、両半導体レーザ部の光射出端面における反射率を異ならせることによって、ＤＶＤ用とＣＤ用との両半導体レーザ部のキンクレベルやＣＯＤレベルをほぼ等しくすることが開示されている。

特許文献２（特開２００２−２２３０３０号公報）には、ＤＶＤ用半導体レーザ部の光射出端面における反射率を約２０％にしかつＣＤ用半導体レーザ部の光射出端面における反射率を約５％以下にするための光射出端コート膜の形成技術が開示されている。このような反射率を得るために、特許文献２では、２種類（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２）の材料を２層以上に積層して光射出端面コート膜を形成することが開示されている。

特許文献３（特開２００６−１９６８４６号公報）では、所定の屈折率（１．４５〜１．６または２．０５〜２．２５）の誘電体単層膜の光学膜厚を２つの波長λ１とλ２の間で調整することによって、ＤＶＤ用とＣＤ用の両半導体レーザ部の光射出端面における反射率を約１〜７％の間で調整可能なことが開示されている。

特許文献４（特開２００４−２９６９０３号公報）では、発振波長λ＝６６０ｎｍの赤色半導体レーザチップにおいて、レーザ光射出端面側の低反射膜が、第１層として光学長がλ／４となる層厚であって屈折率ｎ１＝１．６３８のＡｌ_２Ｏ_３層、第２層と第４層として光学長がλ／４となる層厚であって屈折率ｎ２＝ｎ４＝１．４８９のＳｉＯ_２層、そして第３層として光学長がλ／４となる層厚であって屈折率ｎ３＝２．０６３のＴａ_２Ｏ_５層で形成された例が開示されている
しかしながら、前述の特許文献１および２に開示されている多波長半導体レーザ装置は、ＤＶＤ−ＲＯＭおよびＣＤ−ＲＯＭのような再生専用の限られた用途における赤色半導体レーザ部および赤外半導体レーザ部に好適な端面コート膜を含んでおり、光射出端面の反射率が比較的高くて記録には使用できない５ｍＷ程度の低出力半導体レーザ装置としてのみにおいて有効である。従って、特許文献１および２に開示された多波長半導体レーザ装置では、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲおよびＣＤ−Ｒなどの記録媒体（メディア）への書き込みに必要な高出力動作を得ることが困難である。

また、特許文献３に記載された２波長半導体レーザ装置においては、高出力動作を可能にするためにレーザ共振器の光射出端面に単層誘電体膜を形成して１〜１０％の低率における反射率の制御を可能にするが、本発明者が取得したデータによればＤＶＤ用とＣＤ用の各レーザ部の長期信頼性においてＣＯＤレベルが低下するという問題がある。さらに、屈折率は成膜条件に依存して多少変化するものの、基本的には材料固有の物理量であるので、反射膜として適切な屈折率の材料を探すことが容易ではない。

特許文献４に開示された２波長半導体レーザ装置においては、ｎ２＝ｎ４≦ｎ１≦ｎ３の関係を満たす４層の誘電体膜を用いることによって、ＤＶＤ用とＣＤ用の双方のレーザ部において反射率の制御が容易になることが開示されている。しかし、本発明者が取得したデータによれば、放熱性の高い材料を挟みかつ第１層目のＡｌ_２Ｏ_３層を薄くしない限りは、数千時間の信頼性試験においてＣＯＤレベルが低下する。

特許文献５（特開２００６−３１０４１３号公報）に開示された２波長半導体レーザ装置においては、Ａｌ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２の２層膜を各々λ／８ｎの厚さに成膜することによって、ＣＤ用レーザ部とＤＶＤ用レーザ部における反射率のバラツキを小さくする構造が提案されている。しかし、特許文献４の場合と同様に、特許文献５の半導体レーザ装置においても、第１層のＡｌ_２Ｏ_３層を所定範囲内の厚みにしかつ放熱性の高い窒化物層を付与しなければ、本発明者が取得したデータでは数千時間オーダの長期連続発振によってＣＯＤレベルが低下して信頼性に懸念が生じる。

さらに、特許文献１から５に教示された端面コート膜の反射率の範囲では、レーザ光射出端面の反射率が４％未満になれば、共振器から射出されてＤＶＤやＣＤのメディア盤面から反射された光が戻り光ノイズを増大させ、ジッター不良による読み取り不良が発生するという問題を生じる。

特開２００１−３２０１３１号公報 特開２００２−２２３０３０号公報 特開２００６−１９６８４６号公報 特開２００４−２９６９０３号公報 特開２００６−３１０４１３号公報

共振器端面の反射率制御膜を酸化アルミニウムの単層膜で形成する場合や、反射率制御膜を所定の厚さ以上の酸化アルミニウム層を含む多層膜で形成する場合では、３００ｍＷを超える高出力のレーザ発振において、光射出端面部における低い放熱性による温度上昇によってＣＯＤ劣化が発生しやすくなるという問題がある。

また、ＤＶＤ用とＣＤ用のいずれのレーザ部においても、その光出射端面が適切な反射率の範囲内になければディスク盤面からの戻り光によって読み取り不良の要因となるジッターが悪化するという問題もある。

この発明は上述のような問題を解決するためになされたものであり、その１つの目的はＣＯＤレベル低下を抑制し得る簡単な構成のコート膜を共振器の端面に配設することによって信頼性の高い多波長半導体レーザ装置を提供することである。そして、製造コストを高めることなく、ＣＤおよびＤＶＤの読み取りまたは書き取り時のジッター不良を防ぎつつ、互いに異なる波長のレーザ光に関して所望の反射率の組合せを選択することができる長期信頼性に優れた半導体レーザ装置を提供する。

本発明によれば、同一の半導体基板上に第１と第２のレーザ発振部を含むモノリシック型の多波長半導体レーザ装置において、第１と第２のレーザ発振部がそれぞれ発振波長λ１とλ２（λ１＜λ２）を有し、このレーザ装置の光出射端面上には順次積層された第１、第２および第３の誘電体層を含む端面コート膜が形成されており、第１誘電体層は５〜１０ｎｍの範囲内の厚さｄ１と屈折率ｎ１を有し、第２誘電体層は厚さｄ２と屈折率ｎ２を有し、第３誘電体層は厚さｄ３と屈折率ｎ３を有し、そして端面コート膜は波長λ１の光に対して６〜１０％の範囲内の反射率を有しかつ波長λ２の光に対して４〜６％の範囲内の反射率を有することを特徴としている。

なお、第１、第２および第３の誘電体層の厚さは、ｄ３＞ｄ２＞ｄ１の関係を満たすことが好ましい。第１、第２および第３の誘電体層の屈折率は、ｎ３＜ｎ１＜ｎ２の関係を満たすことが好ましい。第１、第２および第３の誘電体層の屈折率と厚さは、ｎ１×ｄ１＜ｎ２×ｄ２＜ｎ３×ｄ３の関係を満たし、かつα＝（ｎ２×ｄ２）／｛（ｎ１×ｄ１）＋（ｎ３×ｄ３）｝が０．１５以上０．３５未満の範囲内にあることが好ましい。

また、第１誘電体層はＡｌ_２Ｏ_３で形成されていて、ｎ１が１．６〜１．７の範囲内にあることが好ましい。第２誘電体層はＡｌＮで形成されていて、ｎ２が１．９〜２．１の範囲内にあることが好ましい。第３誘電体層はＳｉＯ_２で形成されていて、ｎ３が１．４〜１．５の範囲内にあることが好ましい。そして、第２誘電体層の厚さｄ２は、１５〜３５ｎｍの範囲内にあることが好ましい。

本発明によれば、比較的簡略な構成の多層端面コート膜を利用することによって多波長半導体レーザ装置のＣＯＤレベル低下を抑制することができ、信頼性の高い多波長半導体レーザ装置を提供することができる。

本発明の一実施形態による２波長半導体レーザ装置を示す模式的斜視図である。 図１の半導体レーザ装置の模式的側面図である。 図２中の端面保護膜１−ａにおける光の波長（ｎｍ）と反射率（％）との関係を示すグラフである。 図２中の第１誘電体層０１ａとしての酸化アルミニウム層を堆積する際のＥＣＲスパッタリングのマイクロ波パワー（Ｗ）を種々に変化させた場合における半導体レーザ装置のＣＯＤレベル（ｍＷ）を示すグラフである。 図２中の第１誘電体層０１ａとしてのＡｌ_２Ｏ_３層の厚さ（ｎｍ）とＣＯＤレベル（ｍＷ）との関係を示すグラフである。 図２中の第２誘電体層０２としてのＡｌＮ層の厚さ（ｎｍ）とＣＯＤレベル（ｍＷ）との関係を示すグラフである。 図２中のＡｌＮ層０２に対するＡｌ_２Ｏ_３層０１ａおよびＳｉＯ_２層０３ａの光学膜厚比αと端面コート膜１−ａの反射率（％）との関係を示すグラフである。 図７の光学膜厚比αとジッター（％）との関係を示すグラフである。 図１の半導体レーザ装置の製造過程を示す模式的断面図である。 図９に続く製造過程を示す模式的断面図である。 図１０に続く製造過程を示す模式的断面図である。 図１１に続く製造過程を示す模式的断面図である。 図１２に続く製造過程を示す模式的断面図である。 図１３に続く製造過程を示す模式的断面図である。 図１４に続く製造過程を示す模式的断面図である。 図１５中の線Ｘ１−Ｘ１に沿った断面構造を示す模式的断面図である。 図１５中の線Ｙ１−Ｙ１に沿った断面構造を示す模式的断面図である。 図１５に続く製造過程を示す模式的断面図である。 図１８に続く製造過程を示す模式的断面図である。 図１９中の線Ｘ２−Ｘ２に沿った断面構造を示す模式的断面図である。 図１９中の線Ｙ２−Ｙ２に沿った断面構造を示す模式的断面図である。 図１９に続く製造過程を示す模式的断面図である。 図２２に続く製造過程を示す模式的断面図である。 図２３に続く製造過程を示す模式的断面図である。 図２４のレーザ・バーをウエハから分割する状況を示す模式的斜視図である。 図２５で得られたレーザ・バーの端面にコート膜を形成する方法を示す模式的斜視図である。

図１と図２は、本発明の一実施形態による２波長半導体レーザ装置の模式的な斜視図と側面図をそれぞれ示している。このレーザ装置は、前方端面または光射出端面１ａ上のコート膜１−ａと後方端面または反射端面１ｂ上のコート膜１−ｂを含んでいる。

図２において、ＤＶＤ用のレーザ光に対する８．５％の反射率とＣＤ用のレーザ光に対する５．５％の反射率を有する反射膜として配設された前方端面保護膜１−ａは、半導体レーザ本体１の光射出端面に密着した反射率制御膜としての３層膜で構成されている。具体的には、ＥＣＲ（光電子サイクロトロン共鳴）スパッタリング装置においてマイクロ波パワー８００Ｗ、Ａｒ流量４０ｓｃｃｍ、およびＯ_２流量９．５ｓｃｃｍの条件にて、第１の誘電体層０１ａとして厚さ６ｎｍで屈折率１．６５のＡｌ_２Ｏ_３層を堆積している。同様に、マイクロ波パワー５００Ｗ、Ａｒ流量２０ｓｃｃｍ、およびＮ_２流量５．５ｓｃｃｍの条件にて、第２の誘電体層０２として厚さ２０ｎｍで屈折率２．０７のＡｌＮ層を堆積している。さらに、マイクロ波パワー５００Ｗ、Ａｒ流量４０ｓｃｃｍ、およびＯ_２流量７．８ｃｃｍの条件にて、第３の誘電体層０３ａとして厚さ１１２ｎｍで屈折率１．４７のＳｉＯ_２層が堆積されている。

図３のグラフは、こうして形成された端面保護膜１−ａにおける光の波長（ｎｍ）と反射率（％）との関係を示している。図３から分かるように、波長６６０ｎｍの光に対して反射率８．４％が得られ、波長７８０ｎｍの光に対して反射率５％を実現することができる。このような端面保護膜１−ａを有する高出力の２波長半導体レーザ装置では、波長６６０ｎｍ帯のレーザ部と波長７８０ｎｍ帯のレーザ部のいずれにおいても、出力３５０ｍＷ以上のＣＯＤレベルが得られる。

本実施形態によれば、ＤＶＤ用レーザ部およびＣＤ用レーザ部において、高い信頼性を有しかつジッター不良を発生させない反射率を有する端面コート膜の形成が可能となる。また本実施形態よれば、端面コート膜は互いに異なるが近い屈折率を有する誘電体層であるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）層と酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層で主に構成されるので、半導体レーザチップから射出される光が短波長のものであっても、端面コート膜における光吸収が少なくてレーザ装置の高出力駆動が可能となる。

なお、ＣＯＤレベルの評価においては、半導体レーザ装置に注入する電流を増加させて光出力を徐々に増加させ、光射出端面の破壊によりレーザ発振が停止したときの光出力値をＣＯＤレベルとして測定した。この測定において、半導体レーザ装置はパルス発光で駆動し、５個の半導体レーザ装置のＣＯＤレベルの平均値が評価値として採用された。ＣＯＤレベルとしてはレーザ装置に無負荷の状態から徐々に注入電流を増大させたときにＣＯＤが発生する静的ＣＯＤレベルと長期間駆動中にＣＯＤが発生する動的ＣＯＤレベルがあるが、本実施形態では静的ＣＯＤレベルの測定を行っている。

図４のグラフは、本実施形態の半導体レーザ装置において、光射出端面コート膜１−ａの第１誘電体層０１ａとしての酸化アルミニウム層を堆積する際のＥＣＲスパッタリングのマイクロ波パワー（Ｗ）を５００Ｗ、６００Ｗ、７００Ｗ、８００Ｗ、および９００Ｗに変化させた場合におけるＣＯＤレベル（ｍＷ）を示している。ここで、ＣＯＤレベルは第１誘電体層０１ａの堆積条件に強く依存し、第２誘電体層０２と第３誘電体層０３ａの堆積時のＥＣＲスパッタリングのマイクロ波パワーを変化させても顕著な変化は見られない。

図４のグラフにおいて、○印はＤＶＤ用レーザ部のＣＯＤレベルを表し、□印はＣＤ用レーザ部のＣＯＤレベルを表している。図４の結果から、光射出端面の酸化アルミニウム層０１ａを堆積する際のＥＣＲスパッタリングのマイクロ波パワーを６００Ｗ以上にすることにより、２波長半導体レーザ装置のＣＯＤレベルを３００ｍＷ以上に高め得ることが分かる。そして、ＤＶＤ用レーザ部とＣＤ用レーザ部の両方において３５０ｍＷ以上のＣＯＤレベルを確保するためには、７００Ｗ以上のマイクロ波パワーを用いることが望まれる。

ところで、上述のようにＡｌ_２Ｏ_３層０１ａはＧａＡｓ基板１との密着性に優れているが、半導体レーザの長期間駆動において十分な放熱性を有しているとはいえず、ＣＯＤレベルの低下を生じることが危惧される。そこで、本発明者は、第２誘電体層０２として放熱性に優れた高い熱伝導率のＡｌＮ層を利用することを考えた。そして、ＡｌＮ層の放熱性を効率よく利用するようにＡｌＮ層０２を半導体基板１に近づけかつその基板を保護するに必要なＡｌ_２Ｏ_３層０１ａの厚みが求められた。図５のグラフは、その結果を示している。

図５のグラフにおいて、○印は半導体レーザ装置の初期ＣＯＤレベルを表し、×印は１００時間通電後のＣＯＤレベルを表している。図５に示されているように、Ａｌ_２Ｏ_３層０１ａの厚みが３ｎｍ未満である場合には、ＣＯＤレベルが低くて１５０ｍＷ程度である。この理由は、Ａｌ_２Ｏ_３層０１ａの厚みが小さすぎて、ＡｌＮ層０２を形成する際にＧａＡｓ基板１とＡｌ_２Ｏ_３層０１ａとの界面の窒化が起こるためと考えられる。図５の結果から、第１誘電体層０１ａであるＡｌ_２Ｏ_３層の厚みは、３ｎｍ以上のであることが望まれる。

さらに、図５においては、Ａｌ_２Ｏ_３層０１ａの厚さを３ｎｍ、６ｎｍ、１０ｎｍ、１５ｎｍ、２０ｎｍ、および３０ｎｍに変化させ、ＡｌＮ層０２の厚さは２０ｎｍに設定し、ＳｉＯ_２層０３ａの厚さを固定した状態での初期ＣＯＤレベル（○印）および半導体レーザ装置をパルス出力３５０ｍＷで１０００時間発振させた後のＣＯＤレベル（×印）を示している。図５の結果から、Ａｌ_２Ｏ_３層０１ａの放熱は、その厚みが１５ｎｍ以下であれば確保できていることが分かる。他方、Ａｌ_２Ｏ_３層０１ａの厚みが１５ｎｍを超える場合には、半導体レーザチップの端面と放熱性のよいＡｌＮ層０２との距離が離れすぎてチップ全体としての放熱性が悪化し、長期間にわたってレーザ発振を行なった場合にＣＯＤレベルが低下する傾向にある。

本発明の半導体レーザ装置における第２誘電層０２は、上述のように窒化物で形成されていることを特徴としている。第２誘電層０２に用いられる窒化物としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に限られず、窒化シリコン（ＳｉＮ）などを利用することもできる。ただし、窒化物の中でも、第１誘電層（Ａｌ_２Ｏ_３）に対して近い熱膨張係数を有していて高い密着性を確保できかつ良好な放熱性を有する窒化アルミニウムが第２誘電層０２として特に好ましい。

図６のグラフは、窒化アルミニウム層０２を５〜４０ｎｍの厚さに形成し、８５℃においてパルス出力３５０ｍＷで１０００時間の駆動後にＣＯＤレベルを測定した値を示している。この図において、○印はＤＶＤ用レーザ部のＣＯＤレベルを表し、×印はＣＤ用レーザ部のＣＯＤレベルを表している。図６の結果にから、窒化アルミニウム層０２の厚みが１５ｎｍ以上の場合において、２波長半導体レーザ装置の１０００時間駆動後のＣＯＤレベルが３００ｍＷ以上あることが確認できる。

この場合に、ＣＤ用レーザ部に比べてＤＶＤ用レーザ部において発光の波長が短くてエネルギーが高いので、長期間のレーザ発振でＣＯＤレベルが低下しやすく、ＡｌＮ層０２の厚さに対してより強い依存性を示している。ＡｌＮ層は放熱の観点から有利であるので、その厚みが増すほどレーザ装置の信頼性向上に寄与する。しかし、ＡｌＮ層０２自体はその熱膨張係数がＧａＡｓ基板１の熱膨張率に比べて大きく異なるので、３０ｎｍを超えてその層厚を増大させれば、ＡｌＮ層が剥がれてレーザ装置の歩留り低下させる傾向を生じる。したがって、ＡｌＮ層０２の最適な厚みは１５〜３０ｎｍの範囲内であることが分かる。このとき、図６では、第１誘電体層０１ａであるＡｌ_２Ｏ_３層の屈折率をｎ１＝１．６５として厚さをｄ１＝６ｎｍとし、第３誘電体層０３ａであるＳｉＯ_２層の厚さｄ３を１１２ｎｍに固定している。第２層のＡｌＮ層の厚さｄ２が１５ｎｍの時において、ＡｌＮ層に対する他２層の光学膜厚比α＝（ｎ２×ｄ２）／｛（ｎ１×ｄ１）＋（ｎ３×ｄ３）｝の値は０．１５である。また、第２層のＡｌＮ層の厚さｄ２が３５ｎｍの時において、ＡｌＮ層に対する他２層の光学膜厚比α＝（ｎ２×ｄ２）／｛（ｎ１×ｄ１）＋（ｎ３×ｄ３）｝の値は０．３５である。

ここで問題となるのは、ＡｌＮ層はその屈折率がｎ２＝２．０７付近であってＧａＡｓ基板の屈折率（波長６６０ｎｍにおいてｎ≒３．８２）の平方根の値１．９５に近く、３層誘電体膜の平均屈折率が基板屈折率の平方根値に近くなることである。一般的に基板屈折率の平方根値の屈折率を有する反射膜をλ／４ｎの奇数倍の膜厚で成膜すれば、その反射率の極値において反射率がほぼ０になることがアグネ技術センター出版「光学薄膜と成膜技術」第４２頁に述べられている。

反射率の極値がほぼ０になる場合、２波長半導体レーザチップ端面のコート膜としてＤＶＤ用とＣＤ用の両レーザ部に同一の膜を形成すれば、膜厚に依存する反射スペクトル変化が急峻になり、ＤＶＤ用とＣＤ用の両レーザ部で所望の反射率を得るように制御することが困難となる。

これを回避する対策として、３層の誘電体層の組合せにおいて第２層のＡｌＮ層に対する他２層の光学膜厚の比率α＝（ｎ２×ｄ２）／｛（ｎ１×ｄ１）＋（ｎ３×ｄ３）｝の値が０．１５〜０．３５の範囲内にあれば、３層誘電体膜の平均屈折率が基板屈折率の平方根値から離れ、光学膜厚λ／４ｎにおける反射率の極小値が持ち上げられる。

このようにαの値が０．１５〜０．３５の範囲内にある場合、図７のグラフに示されているように、発光波長６６０ｎｍのＤＶＤ用レーザ部端面の反射率（○印）として適切な８〜９％の値を得ることができ、かつ発光波長７８０ｎｍのＣＤ用レーザ部端面の反射率（×印）として適切な４〜５％の値を得ることができる。また、このことによって、αの値が０．１５〜０．３５の範囲内にある場合に、図８のグラフに示されているように、半導体レーザ装置への戻り光ノイズによるジッター不良が、ＤＶＤ用レーザ部（○印）とＣＤ用レーザ部（×印）のいずれに関しても６％以下に低減され得る。

図９から図２４は、本発明の一実施形態による２波長半導体レーザ装置の製造工程を示す模式的断面図であり、図２５と図２６は図２４以後の工程を示す模式的斜視図である。なお、これらの図面において、長さ、幅、厚さなどの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。

まず図９において、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）装置を用いて、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層１０２、各厚み３．４ｎｍの２重量子井戸層を含むＡｌＧａＡｓ系ＭＱＷ層（多重量子井戸層）１０３、ｐ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層１０４、ＧａＩｎＰエッチングストップ層１０５、Ｇａ_０．２５Ｉｎ_０．２５Ｐ_０．５中間層１０６、およびＧａＡｓコンタクト層１０７を順次積層した半導体ウエハが作製される。なお、ＭＱＷ層１０３としては、少なくとも２以上の井戸層を含むＭＱＷ層（例えば、四重量子井戸層を含むＭＱＷ層）を用いることができ、各井戸層の厚みは１０ｎｍ以下にすることが好ましい。

その後、ウエハ上面に１１０μｍ幅のレジストパターンを形成し、ＣＤ用レーザ部となるべき積層構造領域を残すように硫酸系とフッ酸系の薬液でエッチングして、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の一部がストライプ状に露出させられる。

図１０において、再度ＭＯＣＶＤ装置を用いて、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２ａ、２重量子井戸層を含むＡｌＧａＩｎＰ系ＭＱＷ層１０３ａ、ｐ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層１０４ａ、ＧａＩｎＰエッチングストップ層１０５ａ、Ｇａ_０．２５Ｉｎ_０．２５Ｐ_０．５中間層１０６ａ、およびＧａＡｓコンタクト層１０７ａを順次積層した半導体ウエハを作製する。なお、この場合もＭＱＷ層としては少なくとも２以上の井戸層を含むＭＱＷ層（例えば、四重量子井戸層を含むＭＱＷ層）を用いることができ、各井戸層の厚みは１０ｎｍ以下とすることが好ましい。

図１１においては、ＣＤ用レーザ部となるべき積層構造上に乗ったＤＶＤレーザ用積層構造を硫酸系と塩酸系のエッチングにより除去する。これによって、同一基板１０１上において、ＣＤ用レーザ部１００とＤＶＤ用レーザ部１００ａをモノリシックに形成することができる。

図１２は、図１１中のＣＤ用レーザ部１００の長手方向（図１１の紙面に直行する方向）に沿った模式的断面図を示している。なお、図１１中のＤＶＤ用レーザ部１００ａの長手方向に沿った断面における積層構造は図１２の断面構造と同様であるので、以後においてその説明を省略する。

図１２においては、ＧａＡｓコンタクト層１０７上にＳｉ_３Ｎ_４層１０８を形成する。このＳｉ_３Ｎ_４層１０８は、プラズマＣＶＤ（化学気相堆積）またはスパッタなどで堆積することができる。さらに、Ｓｉ_３Ｎ_４層１０８上にレジスト層１０９を塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いて幅４０μｍの開口を間隔１７２０μｍで形成するようにレジスト層１０９をパターニングする。パターニングされたレジスト層１０９をマスクとしてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）にてＳｉ_３Ｎ_４層１０８の一部がストライプ状に除去され、ＧａＡｓコンタクト層１０７の一部がストライプ状に露出される。

図１３において、有機洗浄でレジスト層１０９を除去した後、ＧａＡｓコンタクト層１０７の露出領域およびＳｉ_３Ｎ_４層１０８の全面を覆うように、ＺｎＯ／ＳｉＯ_２積層１１０がスパッタ装置で堆積される。このとき、ＧａＡｓコンタクト層１０７とＳｉ_３Ｎ_４層１０８とＺｎＯ／ＳｉＯ_２積層１１０の合計の厚みが５０ｎｍになるようにする。続いて、ＺｎＯ／ＳｉＯ_２積層１１０上の全面にカバーとして、ＳｉＯ_２層１１１が２００ｎｍの厚みで堆積される。

図１４においては、以上のようにして得られた半導体レーザ用積層構造を含む半導体ウエハに対して５６０℃で２時間のアニールを行って、上方からＭＱＷ層１０３を突き抜ける程度にＺｎを拡散させて窓領域１１２を形成する。窓領域１１２の形成時のＺｎ拡散深さはＭＱＷ層１０３から０．５μｍほど下までとし、ｎ型第１クラッド層１０２の中で停止するように調整される。

次に図１５において、アニールの終了したウエハに対してＨＦのウエットエッチングを行って、ウエハ上面におけるＳｉ_３Ｎ_４層１０８、ＺｎＯ／ＳｉＯ_２積層１１０およびＳｉＯ_２層１１１を除去する。この後、再びウエハ上面全体をＳｉＯ_２層１１３で覆い、その上にフォトリソグラフィ技術を用いてレジストのストライプ（図示せず）を形成する。この場合、ステッパを用いて、窓形成領域１１２のストライプと直交するように幅２μｍでピッチ１１０μｍのレジストストライプを形成する。このレジストストライプをマスクとしてＲＩＥを行い、レジストストライプに沿ったＳｉＯ_２層１１３のストライプを残し、有機洗浄とアッシングによってレジストを除去する。その後、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング装置を用いて、ＳｉＯ_２層１１３のストライプをマスクとしてＧａＩｎＰエッチングストップ層１０５までエッチングを行い、半導体積層構造の上部にリッジストライプを形成する。そして、ＳｉＯ_２層１１３をＢＨＦのウエットエッチングで除去する。

図１６と図１７は、こうして形成された半導体積層構造上部のリッジストライプを示しており、それぞれ図１５中の線Ｘ１−Ｘ１および線Ｙ１−Ｙ１に沿った断面を表している。

図１８において、再び半導体ウエハの上面全体を覆うようにＳｉＯ_２層１１４を堆積する。そして、図１９においては、リッジストライプの頂面上の範囲内で窓領域１１２以外の範囲でＳｉＯ_２層１１４を除去し、その除去範囲以外の全ての領域に残されたＳｉＯ_２層１１４の下方を電流非注入領域にする。すなわち、リッジストライプの頂面の長手方向における窓領域１１２の長さ４０μｍに合わせて、リッジストライプ頂面上でＳｉＯ_２層１１４によって形成される電流非注入領域の長さも４０μｍに設定されている。ＳｉＯ_２層１１４を部分的に除去するためには、ＢＨＦなどのウエットエッチングまたはＲＩＥを利用することが好ましい。

図２０と図２１は、エッチング後に残されたＳｉＯ_２層１１４を示しており、それぞれ図１９中の線Ｘ２−Ｘ２および線Ｙ２−Ｙ２に沿った断面を表している。

図２２では、基板１０１が所望の厚さになるようにその下面を削り、その後に基板１０１の下面上にＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉ層１１７、Ｍｏ層１１８、およびＡｕ層１１９をＥＢ蒸着またはスパッタリングなどで順次堆積してｎ側電極を形成する。このとき、ｎ側電極とｎＧａＡｓ基板１０１との間に良好なオーミック接合を形成するために、４４０℃で１５分ほど基板をアニールすることが好ましい。さらに、ウエハの上面上には、ｐ側電極として、Ｔｉ層１１５およびＡｕ層１１６をスパッタなどで堆積する。

そして、図２３において、Ａｕ層１１６を下地として金メッキ層１２０を形成する。ただし、後でウエハを共振器の長さに分割するときのために、窓領域１１２の上部には金メッキ層１２０を形成しない。

図２４においては、窓領域１１２に沿ってケガキをいれ、半導体ウエハをレーザ・バー１２１に分割する。このとき、各レーザ・バーは、１７２０μｍの共振器長さＬを有するようにウエハから分割され得る。図２５は、こうしてウエハから分割されるレーザ・バー１２１を模式的斜視図で示している。

図２６においては、分割された複数のレーザ・バー１２１が、細い黒矢印で示されているように、光射出端面１ａ側を一様にそろえてレーザ・バー固定冶具１２２内に並べられる。固定冶具１２２内に並べられたレーザ・バー１２１の光射出端面１ａに、大きな白抜き矢印で示されているように、ＥＣＲスパッタ装置を用いて酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）層０１ａを５〜１０ｎｍの厚みで堆積し、続いて窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層０２を堆積し、最後に酸化珪素（ＳｉＯ_２）層０３ａを堆積して、ＤＶＤ用半導体レーザ部の発振波長６６０ｎｍとＣＤ用レーザ部の発振波長７８０ｎｍに関する光射出端面コート膜１−ａの反射率をそれぞれ８．５％と５．２％に設定する。

酸化アルミニウム層０１ａを堆積する時のＥＣＲスパッタリングの条件としては、Ａｒ流量が４０ｓｃｃｍ、Ｏ_２流量が９．５ｓｃｃｍ、そしてマイクロ波パワーが８００Ｗに設定され、堆積厚さが６ｎｍに設定され得る。窒化アルミニウム層０２を堆積する時の条件としては、Ａｒ流量が２０ｓｃｃｍ、Ｎ_２流量が５．５ｓｃｃｍ、そしてマイクロ波パワーが５００Ｗに設定され、堆積厚さが２０ｎｍに設定され得る。ＳｉＯ_２層０３ａを堆積する条件としては、Ａｒ流量が４０ｓｃｃｍ、Ｏ_２流量が７．８ｓｃｃｍ、そしてマイクロ波パワーが５００Ｗに設定され、堆積厚さが１１２ｎｍに堆積され得る。

レーザ・バー１２１の光射出端面コート膜１−ａが形成された後には、レーザ・バー固定冶具１２２の向きを反転させ、再びＥＣＲスパッタ装置を用いて、反射端面１ｂ上の第１誘電体膜０１ｂとして酸化アルミニウム層０１ｂを堆積する（図２参照）。この時のＥＣＲスパッタリングの条件として、Ａｒ流量が４０ｓｃｃｍ、Ｏ_２流量が９．５ｓｃｃｍ、そしてマイクロ波パワーが８００Ｗに設定され得る。酸化アルミニウム層０１ｂの厚さは、２波長のλ１＝６６０ｎｍとλ２＝７８０ｎｍの中心である波長λ＝７２０ｎｍのλ／４ｎとし、このとき酸化アルミニウム層０１ｂの屈折率が１．６５であって厚さが１０９ｎｍに設定され得る。

酸化アルミニウム層０１ｂ上には、ＥＢ蒸着装置を用いて、ＴｉＯ_２層０４ａ、０４ｂ、０４ｃ、０４ｄとＳｉＯ_２層０３ｂ、０３ｃ、０３ｄとが交互に積層されたマルチコート層を形成し、光反射端面１ｂの反射率を９０％に設定する。ここで、ＳｉＯ_２層はｎ＝１．４７として厚さ１３４ｎｍとし、ＴｉＯ_２層はｎ＝２．４として厚さ９０ｎｍとし得る。

その後、光射出端面１ａおよび光反射端面１ｂにコート膜が形成されたレーザ・バー１２１が、複数の半導体レーザチップに分割される。このとき、図１に示されているような半導体レーザチップの幅Ｗは、２２０μｍに設定され得る。

各レーザチップはそのｐ側を下にしてＡｌＮ材料のサブマウントにダイボンドされ、そのサブマウントがステム称する端子にダイボンドされ、そしてステムとレーザチップとの間がＡｕワイヤー配線で接続される。最後に、半導体レーザチップを保護するキャップを付与し、これによって半導体レーザ装置が完成する。

なお、本発明による半導体レーザ装置は、上述の実施形態に限定されないことは言うまでもない。例えば、上述の実施形態においては波長が６６０ｎｍ帯と７８０ｎｍ帯の２波長半導体レーザ装置が説明されたが、本発明は他の波長帯を含むレーザ装置にも適用可能である。また、本発明はリッジストライプ型のみならずブロードエリア型や垂直共振器型などの半導体レーザ装置にも適用可能である。活性層の導波構造は屈折率導波構造に限定されず、造電流狭窄構造など他の構造であってもよい。また、本発明により半導体レーザ装置に設けられるようなコート膜は、複数の特定の波長の光を透過する光学部品の表面に付与されることにより、その光学部品の光による損傷閾値を上げることを可能にする。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

上述のように、本発明によれば、比較的簡略な多層端面コート膜を利用することによって多波長レーザ装置のＣＯＤレベルの低下を抑制することができ、信頼性の高い多波長半導体レーザ装置を提供することができる。

１ ＧａＡｓ基板、１ａ 光射出端面、１ｂ 光反射端面、１−ａ 光射出端面側コート膜、１−ｂ 光反射端面側コート膜、１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板、１０２ ｎ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ第１クラッド層、１０３ ＭＱＷ層、１０４ （Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層、１０５ ＧａＩｎＰエッチングストップ層、１０６ Ｇａ_０．２５Ｉｎ_０．２５Ｐ_０．５中間層、１０７ ＧａＡｓコンタクト層、１０８ Ｓｉ_３Ｎ_４層、１０９ レジスト、１１０ ＺｎＯ／ＳｉＯ_２積層、１１１、１１３、１１４ ＳｉＯ_２層、１１２ 窓領域、１１５ Ｔｉ層、１１６ Ａｕ層、１１７ Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ層、１０２ａ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１０３ａ ２重量子井戸層を含むＡｌＧａＩｎＰ系ＭＱＷ層、１０４ａ ｐ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層、１０５ａ ＧａＩｎＰエッチングストップ層、１０６ａ Ｇａ_０．２５Ｉｎ_０．２５Ｐ_０．５中間層、１０７ａ ＧａＡｓコンタクト層、１１８ Ｍｏ層、１１９ Ａｕ層、１２０ メッキ層、１２１ レーザ・バー、１２２ レーザ・バー固定冶具、０１ａ Ａｌ_２Ｏ_３層、０２ ＡｌＮ層、０３ａ ＳｉＯ_２層、０３ｂ、０３ｃ、０３ｄ ＴｉＯ_２層、０４ａ、０４ｂ、０４ｃ、０４ｄ ＳｉＯ_２層。

Claims (8)

1. 同一の半導体基板上に第１と第２のレーザ発振部を含むモノリシック型の多波長半導体レーザ装置であって、
   第１と第２のレーザ発振部はそれぞれ発振波長λ１とλ２（λ１＜λ２）を有し、
   前記レーザ装置の光出射端面上には順次積層された第１、第２および第３の誘電体層を含む端面コート膜が形成されており、
   第１誘電体層は５〜１０ｎｍの範囲内の厚さｄ１と屈折率ｎ１を有し、
   第２誘電体層は厚さｄ２と屈折率ｎ２を有し、
   第３誘電体層は厚さｄ３と屈折率ｎ３を有し、
   そして、前記端面コート膜は、波長λ１の光に対して６〜１０％の範囲内の反射率を有し、波長λ２の光に対して４〜６％の範囲内の反射率を有することを特徴とする多波長半導体レーザ装置。
2. 第１、第２および第３の誘電体層の厚さはｄ３＞ｄ２＞ｄ１の関係を満たすことを特徴とする多波長半導体レーザ装置。
3. 第１、第２および第３の誘電体層の屈折率はｎ３＜ｎ１＜ｎ２の関係をみたすことを特徴とする多波長半導体レーザ装置。
4. 第１、第２および第３の誘電体層の屈折率と厚さはｎ１×ｄ１＜ｎ２×ｄ２＜ｎ３×ｄ３の関係を満たし、かつα＝（ｎ２×ｄ２）／｛（ｎ１×ｄ１）＋（ｎ３×ｄ３）｝が０．１５以上０．３５未満の範囲内にあることを特徴とする多波長半導体レーザ装置。
5. 第１誘電体層はＡｌ_２Ｏ_３で形成されていて、ｎ１が１．６〜１．７の範囲内にあることを特徴とする多波長半導体レーザ装置。
6. 第２誘電体層はＡｌＮで形成されていて、ｎ２が１．９〜２．１の範囲内にあることを特徴とする多波長半導体レーザ装置。
7. 第３誘電体層はＳｉＯ_２で形成されていて、ｎ３が１．４〜１．５の範囲内にあることを特徴とする多波長半導体レーザ装置。
8. 第２誘電体層の厚さｄ２は１５〜３５ｎｍの範囲内にあることを特徴とする多波長半導体レーザ装置。

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