JP3773947B2

JP3773947B2 - 半導体レーザ

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Publication number: JP3773947B2
Application number: JP2005205925A
Authority: JP
Inventors: 哲生上田; 啓嗣山根; 省司藤森; 勲木戸口
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-07-14
Filing date: 2005-07-14
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2022-02-19
Also published as: JP2005333157A

Description

本発明は半導体レーザに関し、特に、高温状態における端面コーティング膜の変質を防止し、光学損傷レベルと信頼性向上を図ることができる、耐熱性に優れた半導体レーザに関するものである。

近年、ＤＶＤ−ＲＡＭやＣＤ−Ｒ等の記録再生型光ディスク機器の需要が高まっている。これらのピックアップ用光源として用いられるGaInP/AlGaInP系半導体レーザ（発振波長630〜680nm）やAlGaAs系半導体レーザ（発振波長780〜800nm）については、高倍速化のための高出力化、および長期安定動作のための高信頼性化が要求されている。

上記の高出力半導体レーザでは、共振器端面から効率良くレーザ光を取り出すために、通常、共振器端面の一方に低反射の端面コーティング膜が、また他方の共振器端面に高反射の端面コーティング膜が形成されている。ここで、共振器端面とは、劈開によって形成された半導体レーザの場合、劈開によって得られる結晶面を表す。

このうち、高反射端面コーティング膜は、通常、例えばアモルファスシリコンのような屈折率の高い誘電体と、アルミナや酸化シリコンのような屈折率の低い、２種類の誘電体による多層構造となっており、これらは、レーザ光の発振波長をλ、屈折率をｎとすると、通常λ／４ｎの厚さで交互に積層されている。また、高反射端面コーティング膜では、９５％程度の反射率が要求される場合が多く、上述の２種類の誘電体による交互の積層を２周期あるいは３周期繰り返した構造とする場合もある。ここでいう誘電体には、絶縁性を有する誘電体を含む。

一方、高出力半導体レーザでは、光出力の増加に伴い、界面準位が存在する共振器端面付近の非発光再結合が大きくなるため、熱によるバンドギャップの縮小が起こり、レーザ光が吸収され、キャリアが発生する。このキャリアにより熱が発生し、温度上昇に伴うバンドギャップの減少によって、さらにレーザ光を吸収する。

また、端面コーティング膜自体の光吸収によっても同様に熱が発生し、共振器端面のバンドギャップが減少する。

これらの光吸収と発熱の正帰還によって、最終的に半導体レーザの共振器端面が溶融する光学損傷（ＣＯＤ）が発生して共振器ミラーが破壊され、しきい値電流が増加すると共に光出力特性は大きく減少し、所定の高出力を得られなくなる。特に吸収係数は、半導体レーザの発振波長が短いほど増加する傾向にあるため、発振波長が６３０〜６８０ｎｍのGaInP/AlGaInP系半導体レーザにおいて影響が大きく、高出力化の妨げとなっていた。

これらの問題に対し、特許文献１には、ＣＯＤの発生レベルを向上させるために、端面コーティング膜の下に水素が添加された窒化シリコンあるいはアモルファスシリコン膜を形成することが開示されている。この構造によれば、レーザ端面での光吸収によって生じる温度上昇と水素供給膜から供給される水素によって、共振器端面付近のダングリングボンド（未結合手）が水素で終端させられて、半導体レーザの共振器端面の界面準位が不活性化される。

また、特許文献２には、図８に示すように、端面コーティング膜８０２、８０３が設けられた半導体レーザ８０１において、端面コーティング膜８０３での光吸収を低減してＣＯＤ発生レベルを向上させる構造が開示されている。端面コーティング膜８０３は、酸化シリコン膜８０７と水素添加アモルファスシリコン膜８０９の積層膜からなる。すなわち、アモルファスシリコン膜を、吸収係数の小さい水素添加アモルファスシリコン膜８０９に変更した構造である。

ここで、高出力半導体レーザの実装に関して、図９を参照して説明する。実装の工程では、まず図９（ａ）に示すように、高出力半導体レーザ素子９０１をコレット９０４により保持して、サブマウント９０３等の部材上に、半田材９０２を介して載置する。その際、サブマウント９０３は半田材９０２の融点以上に加熱しておく。図９（ｂ）に示す状態まで高出力半導体レーザ素子９０１を降下させた後、サブマウント９０３と半導体レーザ９０１を圧接して接合する。その後図９（ｃ）に示すようにコレット９０４を上昇させる。

以上の工程において、サブマウント９０３と半導体レーザ９０１を圧接して接合する際に、コレット９０４の荷重と高出力半導体レーザ素子９０１の形状に起因する残留応力が発生しやすい。これは、高出力半導体レーザ素子９０１の共振器長は０．５〜１ｍｍであり、通常、高出力半導体レーザ素子９０１の幅寸法に比べて、共振器長が相当に大きい構成となっていることに起因する。

半導体レーザ素子は、通常、放熱性を良くするために発光領域に近い面がサブマウントに接合されるため、半導体レーザ素子内部に発生する残留応力も、サブマウントとの接合面付近に集中する。そのため、残留応力による歪によって、レーザ特性の悪化や長期動作時の信頼性低下を招く。

これらの残留応力を緩和するため、２００℃以上の高温下で高出力半導体レーザ素子９０１の実装を行ったり、あるいは一旦実装した後に、コレット９０４を離した荷重の無い状態で半田材９０２の再溶融可能な温度（〜３５０℃）での再加熱を行うことにより、残留応力を緩和する方法等が行われている。
特開平１１−２６８６３号公報特開平９−３２６５３１号公報

上述のように、半導体レーザを高出力化し、長期間安定動作させるためには、端面コーティング膜に水素を添加した膜を用いることによって、光吸収を抑制することが有効であるといえる。また、半導体レーザの実装に際して、残留応力の緩和が可能な高温状態で実装を行うことが有効であるといえる。

しかしながら、これらの構造および条件を満足させて高出力半導体レーザを作製した場合、半導体レーザの実装後、図１０に示すように、半導体レーザ１００１の端面コーティング膜１００２に剥離１００３が発生し、共振器端面１００４が露出することが判明した。

この現象は、水素が添加された膜を端面コーティング膜として用いた半導体レーザを２００℃以上の高温状態に曝すことによって、水素添加膜中の水素が拡散し、共振器端面と端面コーティング膜との間に溜まり、膨張して、火脹れ状の端面コーティング膜剥離に至るものであると考えられる。端面コーティング膜の剥離が発生した場合、レーザ出射端面が大気に曝され、長期動作中に酸化して共振器端面が劣化し、信頼性が低下する課題がある。

また、吸収係数低減を目的とする水素添加アモルファスシリコン膜について、加熱による水素の脱離によって、屈折率が変化し、吸収係数が増大するとともに、端面反射率が変化し、ＣＯＤ発生レベルの低下およびレーザ特性の悪化を招く課題がある。

そこで本発明は、端面コーティング膜中に水素添加膜を有している場合に、半導体レーザが高温状態に晒されても端面コーティング膜中の水素の脱離がバリアされ、端面コーティング膜剥離や端面コーティング膜の変質を防止することが可能な、耐熱性に優れた半導体レーザおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の構成の半導体レーザは、基板上に形成された活性層と、前記活性層を挟む一対のクラッド層とを備えた半導体レーザであって、その共振器端面の少なくとも一方に、水素添加アモルファスシリコン膜を備え、前記水素添加アモルファスシリコン膜と前記共振器端面との間に、水素の拡散を防止し、端面反射率に影響を与えない程度の厚さの誘電体膜を備え、前記共振器端面と前記誘電体膜との間に、酸化シリコン膜を備えたことを特徴とする。

本発明の第２の構成の半導体レーザは、基板上に形成された活性層と、前記活性層を挟む一対のクラッド層とを備えた半導体レーザであって、その共振器端面の少なくとも一方に、酸化シリコン膜と、水素の拡散を防止し、端面反射率に影響を与えない程度の厚さの誘電体膜と、水素添加アモルファスシリコン膜とを、共振器端面側からこの順に二周期以上備えている。

本発明の第３の構成の半導体レーザは、基板上に形成された活性層と、前記活性層を挟む一対のクラッド層と、その共振器端面の少なくとも一方に、屈折率が互いに異なる水素添加アモルファスシリコン膜と酸化シリコン膜とからなる多層構造を備えた半導体レーザであって、前記酸化シリコン膜は水素を透過し、前記水素添加アモルファスシリコン膜と前記酸化シリコン膜との間には水素の拡散を防止し、端面反射率に影響を与えない程度の厚さの誘電体膜を少なくとも一層は備えたことを特徴とする。

前記共振器端面と前記第三誘電体膜とが隣接していてもよい。

また、前記誘電体膜は、窒化シリコン（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、またはこれらを含む化合物、または窒化アルミニウムチタン（ＡｌＴｉＮ）により形成することができる。

前記誘電体膜の膜厚が２ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である構成とすることができる。

また、前記誘電体膜は、９０％以上の端面反射率を有することが好ましい。

本発明の第４の構成の半導体レーザは、基板上に形成された活性層と、前記活性層を挟む一対のクラッド層とを備えた半導体レーザであって、その共振器端面の少なくとも一方に、水素添加アモルファスシリコン膜を備え、前記水素添加アモルファスシリコン膜と前記共振器端面との間に、水素の拡散を防止し、膜厚が２ｎｍ以上、１０ｎｍ以下である誘電体膜を備え、前記共振器端面と前記誘電体膜との間に、水素を透過する酸化シリコン膜を備えたことを特徴とする。

本発明の第５の構成の半導体レーザは、基板上に形成された活性層と、前記活性層を挟む一対のクラッド層とを備えた半導体レーザであって、その共振器端面の少なくとも一方に、水素を透過する酸化シリコン膜と、水素の拡散を防止し、膜厚が２ｎｍ以上、１０ｎｍ以下である誘電体膜と、水素添加アモルファスシリコン膜とを共振器端面側からこの順に二周期以上備えたことを特徴とする。

本発明の第６の構成の半導体レーザは、基板上に形成された活性層と、前記活性層を挟む一対のクラッド層と、その共振器端面の少なくとも一方に、屈折率が互いに異なる水素添加アモルファスシリコン膜と酸化シリコン膜とからなる多層構造を備えた半導体レーザであって、前記酸化シリコン膜は水素を透過し、前記水素添加アモルファスシリコン膜と前記酸化シリコン膜との間には水素の拡散を防止し、膜厚が２ｎｍ以上、１０ｎｍ以下である誘電体膜を少なくとも一層は備えたことを特徴とする。

前記共振器端面と前記酸化シリコン膜とが隣接していてもよい。

また、前記水素添加アモルファスシリコン膜の両側に前記誘電体膜が隣接していてもよい。

本発明によれば、以下の効果を奏することができる。

高出力半導体レーザのＣＯＤ発生レベルの向上に有効な水素が、半導体レーザが高温状態に晒されて脱離しても、共振器端面と端面コーティング膜との間に溜まって熱膨張しないので、端面コーティング膜の剥離等が発生することが無い。

また、高出力半導体レーザのＣＯＤ発生レベルの向上に有効な水素が、半導体レーザが高温状態に晒されて脱離しても、バリア層によって拡散しないため、水素結合の切れたダングリングボンドが再度水素によって終端され、光吸収の増大による発熱や、屈折率の変化による反射率変化等が発生することが無い。

また、端面コーティング膜を、薄くても緻密で平坦な膜形成が可能なＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用いて製造するため、バリア層として挿入される窒化シリコン膜を、端面反射率に影響を与えず且つ水素に対する十分なバリア性を有する膜厚に形成することが出来る。

これらの効果により、高温実装等の環境の変化があっても、端面コーティング膜が変質しないために、ＣＯＤ圧制レベルの向上および長期動作時の信頼性向上が可能となり、高品質の高出力半導体レーザを実現することができる。

本発明の実施形態における半導体レーザは、共振器長０．８ｍｍ、素子幅０．３ｍｍ、発振波長６５０ｎｍのGaInP系半導体レーザである。

本発明の実施形態では、従来例における課題、すなわち、端面コート膜の剥離、水素化アモルファスシリコン膜の光吸収の増加といった不具合を招く水素の拡散を防止するために、水素バリア性の高い窒化シリコン膜を用いる。窒化シリコン膜を水素化アモルファスシリコン膜に近接して設けることで、例え半導体レーザが高温に加熱されても、水素化アモルファスシリコン膜から脱離した水素は緻密な窒化シリコン膜により拡散が防止される。

ここで、端面コート膜に生じる上記現象の発生原因を究明し、本発明の効果を確認するために行った検証について説明する。

図１（ａ）、（ｂ）に示すような２つのサンプルを作成した。いずれのサンプルも、シリコン基板１上にそれぞれ、５０ｎｍ厚の水素添加アモルファスシリコン膜２を形成し、その上にさらに１１０ｎｍの酸化シリコン膜３を形成した。一方のサンプルについては図１（ａ）に示すように、酸化シリコン膜３上に、更に５ｎｍ厚の窒化シリコン膜４を形成した。他方のサンプルについては図１（ｂ）に示すように、窒化シリコン膜４を形成しなかった。

これら２つのサンプルを加熱し、温度ごとの水素脱離量を昇温脱離ガス分析（Thermal Desorption Spectroscopy）を用いて測定した。その結果を図１（ｃ）に示す。この図において曲線（ａ）は図１（ａ）のサンプルの結果を示し、曲線（ｂ）は図１（ｂ）のサンプルの結果を示す。この結果によれば、図１（ａ）に示す構造では、２００℃以上で加熱することにより、水素添加アモルファスシリコン膜８０２から水素が脱離し始めていることが判る。図１（ｃ）に示す、Ｙ軸の検出イオン電流値は、離脱ガス分析設備において、水素イオンのみを検出した際の電流値であり、水素流出量をモニターできる。このことから、加熱によって水素添加アモルファスシリコン膜２から脱離した水素は、酸化シリコン膜３を透過して外部に拡散することが判った。従って、酸化シリコン膜３は、水素に対してバリア性がないといえる。一方、図１（ｂ）に示す構造では、５ｎｍ厚の窒化シリコン膜４により水素添加アモルファスシリコン膜２が覆われていることによって、水素添加アモルファスシリコン膜２からの水素の脱離を３５０℃程度まで抑制できることが判明した。従って、窒化シリコン膜４は、水素に対してバリア性のあることが明らかとなった。

本発明は、水素に対してバリア性のある誘電体膜を用いて、水素添加アモルファスシリコン膜からの水素の脱離を抑制することを特徴とする。

（実施の形態１）
図２は、本発明の実施の形態１における半導体レーザ１０１を示す。半導体レーザ１０１におけるレーザ光を主に出射する側の共振器端面１０２には、端面コーティング膜としての低反射膜１０３が形成され、他方の共振器端面１０４側には、端面コーティング膜としての高反射膜１０５が形成されている。

低反射膜１０３は、共振器端面１０２上に直接形成された酸化シリコン膜１０６によって構成されており、端面反射率が５％程度となるように膜厚設計がなされている。

高反射膜１０５は、共振器端面１０４上に直接形成された酸化シリコン膜１０７と、酸化シリコン膜１０７上に形成された窒化シリコン膜１０８と、窒化シリコン膜１０８上に形成された水素添加アモルファスシリコン膜１０９とからなる積層構造が２周期繰り返された６層で構成されており、端面反射率が９０％程度となるように膜厚設計がなされている。

半導体レーザ１０１の共振器端面１０４と、高反射膜１０５を構成する水素添加アモルファスシリコン膜１０９との間に、窒化シリコン膜１０８が形成されていることが本実施形態の特徴の一つである。

各膜は、一例を挙げれば以下の膜厚を有する。酸化シリコン膜１０６および酸化シリコン膜１０７は厚さ１１０ｎｍである。窒化シリコン膜１０８は厚さ５ｎｍである。水素添加アモルファスシリコン膜１０９は厚さ５０ｎｍである。

ここで、高反射膜１０５の端面反射率の９０％は、酸化シリコン膜１０７と水素添加アモルファスシリコン膜１０８を、各膜厚がλ／４ｎ（波長をλ、屈折率をｎとする）となるように設計し、２周期繰り返すことによって実現されている。

従って、水素バリア層として挿入される窒化シリコン膜１０８は、膜厚によっては、高反射膜１０５の端面反射率の低下を招く。そのため、本実施形態では、窒化シリコン膜１０８の膜厚を、端面反射率に影響を与えない５ｎｍとしている。ここで、高反射膜１０５を構成する窒化シリコン膜１０８を有する場合と、有さない場合について端面反射率の計算を行った結果、窒化シリコン膜１０８の厚みが１０ｎｍであっても、前者が９４．１％、後者が９４．５％であり、ほとんど有意差がみられない。結局、窒化シリコン膜１０８の厚みは５ｎｍに限定されるものではなく、要求される端面反射率を満たすものであれば構わない。

しかしながら、窒化シリコン膜１０８の厚みが２ｎｍ以下であると、本発明の目的の一つである水素に対するバリア性を損なう可能性があるため好ましくない。バリア性の観点から、窒化シリコン膜１０８の厚みは５ｎｍ以上がより好ましい。一方、窒化シリコン膜１０８の厚みが５０ｎｍより大になると、応力による膜剥離が生じるため、５０ｎｍ以下が好ましい。

本実施形態の半導体レーザ１０１は、以下の手順で製造される。

まず図４（ａ）に示すように、基板３０１上に、活性層と、その活性層を挟む一対のクラッド層を含む化合物半導体層を形成し、加工し、更にｐ型電極とｎ型電極を形成してレーザウエハ３０２を作製する。次に図４（ｂ）に示すように、劈開技術によって共振器長間隔ごとに順次劈開し、半導体レーザが連なって形成されたレーザバー３０３を形成する。

次に、レーザバー３０３に対して、電子サイクロトロン共鳴プラズマ（Electoron Cyclotron Resonance Plasma）スパッタ装置を用いて、図４（ｃ）に示すように端面コーティング膜３０４、３０５を形成する。

ＥＣＲプラズマスパッタ装置の構成を図５に示す。電磁石コイル５０３が設置されたプラズマ生成室５０２に、プラズマガス導入口５１３および反応ガス導入口５１４が接続されている。プラズマ生成室５０２にはさらに、ＥＣＲプラズマ６０６を生成するためのマグネトロン５０１が接続されている。プラズマ生成室５０２にはさらに薄膜堆積室５０８が接続され、その接続部分にシリコンターゲット５０４が設置されている。シリコンターゲット５０４にはＲＦ電源が接続されている。また、薄膜成膜室５０８には真空ポンプが接続されている。

この装置を用いた端面コーティング膜３０４、３０５の形成について、成膜の流れを示す図６を参照しながら以下に説明する。

まず、ステップＳ１において、図４（ｂ）に示したように、劈開によりレーザバー３０３を作製する。次にステップＳ２において、図５の装置内の試料ホルダー５０７に、レーザバー３０３を、一方の端面にプラズマが照射されるように設置して、以下の手順に従い、端面コーティング膜３０５として図１に示した高反射膜１０５を形成する。

ステップＳ３において、酸化シリコン膜１０７を形成する場合、プラズマガス導入口５１３より流量５０ｓｃｃｍのアルゴンガス５１０を、また反応ガス導入口５１４より酸素ガス５１１を導入しながら、マグネトロン５０１により２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導入し、電磁石コイル５０３により磁場を形成する。それにより、プラズマ生成室５０２に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）によるプラズマを発生させる。さらに、シリコンターゲット５０４に、ＲＦ電源５０５によって負のバイアスを印加し、プラズマ中のイオンを利用してスパッタリングを行う。その結果、シリコンターゲット５０４からスパッタされたシリコンと酸素がレーザバー３０３の共振器端面上に成長して、酸化シリコン膜１０７が堆積される。

次にステップＳ４において、酸化シリコン膜１０７上に窒化シリコン膜１０８を形成する。この場合は、プラズマガス導入口５１３より流量５０ｓｃｃｍのアルゴンガス５１０を、また反応ガス導入口５１４より窒素ガス５０９を導入しながら、上記と同様の工程を行うことにより、シリコンと窒素が、先に形成された酸化シリコン膜１０７上に成長して、窒化シリコン膜１０８が堆積される。

次にステップＳ５において、水素添加アモルファスシリコン膜１０９を形成する。この場合は、プラズマガス導入口５１３より流量５０ｓｃｃｍのアルゴンガスを、また反応ガス導入口５１４より水素ガス５１２を導入しながら、上記と同様の工程を行うことにより、シリコンと水素が、先に形成された窒化シリコン膜１０８上に成長して、水素添加アモルファスシリコン膜１０９が堆積される。

さらに同様の手順により、２周期目の酸化シリコン膜１０７（ステップＳ６）、窒化シリコン膜１０８（ステップＳ７）、水素添加アモルファスシリコン膜１０９（ステップＳ８）を順次形成することにより、高反射膜１０５が形成される。

次に低反射膜１０３を形成する手順について述べる。まずステップＳ９において、レーザバー３０３を反転し、高反射膜１０５が形成された共振器端面１０４と反対側の共振器端面１０２にプラズマが照射されるように、試料ホルダー５０７に設置する。次に高反射膜１０５の形成と同様の手順によって、酸化シリコン膜１０３を堆積し、低反射膜１０３を形成する（ステップＳ１０）。

以上のように作製された半導体レーザ１０１において、レーザ光は、主に低反射膜１０３が形成された側から出射する。

端面コーティング膜の形成にＥＣＲプラズマスパッタ装置を用いる理由は、平坦性、緻密性が重要であるためである。ＥＣＲプラズマは指向性が強く、試料に対して垂直に反応種が供給されるので、均等に膜が堆積され、平坦な膜を形成することが出来る。また、ＥＣＲプラズマはダメージが少なく、堆積した膜をスパッタしないので、堆積したままの平坦性を保つことが出来る。特に、水素に対するバリア層として機能する窒化シリコン膜１０８が、端面反射率に影響を与えない薄い膜であっても、緻密で且つ平坦性を実現することが可能である。

なお、ＥＣＲプラズマスパッタ装置に用いるプラズマガスとしては、アルゴンの代わりにヘリウムを用いてもよい。また、シリコンターゲットを用いずに、モノシラン等のシラン系の反応ガスの分解によって、水素添加アモルファスシリコン膜１０９等を形成することもできる。

また、窒化シリコン膜１０８以外の端面コーティング膜形成を、マグネトロンスパッタ装置等で行うこともできる。例えば、マグネトロンスパッタ装置で水素添加アモルファスシリコン膜１０８の形成を行った場合、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置で成膜した場合に比べてシリコンと水素の結合が弱いが、本実施形態では、窒化シリコン膜１０８によって水素の脱離をバリアできるため、水素の脱離によって生じる屈折率の変化や吸収係数の増大を抑制することが可能である。

また、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置による成膜を、ランプヒータ等による加熱状態で行ってもよい。このときの温度は、２００℃程度とすれば、良好な結果が得られる。

なお、高反射膜１０５は、２周期以上形成することもできる。その場合はさらに高反射のコーティング膜を得ることが出来る。

次に、本実施形態の半導体レーザ１０１に関する高温実装時の挙動について、図８に示したような、高反射膜８０５中に窒化シリコン膜１０８を含まない半導体レーザ８０１との比較を行った。半導体レーザ１０１および半導体レーザ８０１の実装条件は、以下の通りである。

図９（ａ）に示すように、金錫合金からなる半田材９０２を表面に有するサブマウント９０３の上方に、コレット９０４により保持された半導体レーザ素子１０１もしくは半導体レーザ８０１を配置する。その状態で、金錫合金の融点である３００℃にサブマウント９０３を加熱し、図９（ｂ）に示すように、コレット９０４に保持された半導体レーザ素子１０１もしくは半導体レーザ８０１を、サブマウント９０３の表面上に降下させて溶融された半田材９０５と圧接させ、１秒間保持する。その後図９（ｃ）に示すように、コレット９０４を上方に逃がした状態で、サブマウント９０３をさらに３５０℃まで加熱し、５秒後に温度を下げる。

ここで、コレット９０４を上方に逃がした状態で、サブマウント９０３をさらに３５０℃まで５秒間加熱する理由は、荷重の無い状態で半田材９０５を再溶融させ、半導体レーザ素子１０１もしくは半導体レーザ８０１の残留応力を緩和するためである。

上記条件に従い、本実施形態の半導体レーザ１０１と、高反射膜８０５中に窒化シリコン膜１０８を含まないことのみが異なる半導体レーザ８０１を実装した後、各半導体レーザの端面コーティング膜状態を顕微鏡により観察した。

その結果、高反射膜１０５中に窒化シリコン膜１０８を有する半導体レーザ１０１では、低反射膜１０３、高反射膜１０５ともに、火脹れ状の端面コーティング膜剥離はみられなかった。一方、高反射膜８０５中に窒化シリコン膜１０８を含まない半導体レーザ８０１では、低反射膜８０３には変化はみられなかったが、高反射膜８０５表面に、図１０に示すような火脹れ状の端面コーティング膜剥離１００３が多数みられた。また、端面コーティング膜剥離１００３は、低反射膜１０３にはみられなかった。さらに、剥離されて露出した面１００４は、ガリウム砒素面であり、共振器端面からの剥離であることが確認された。

以上の結果より、本実施形態における窒化シリコン膜１０８を水素に対するバリア層として用いた半導体レーザ１０１は、３５０℃程度の高温状態に晒されても、端面コーティング膜剥離が発生しないことが確認された。

（実施の形態２）
図３に、本発明の実施の形態２における半導体レーザ２０１を示す。この半導体レーザ２０１が、実施の形態１における半導体レーザ１０１と異なる点は、共振器端面２０４側の高反射膜２０５が、半導体レーザ２０１の共振器端面に直接形成された酸化シリコン膜１０７の上に順次、窒化シリコン膜１０８、水素添加アモルファスシリコン膜１０９、窒化シリコン膜１０８、酸化シリコン膜１０７、窒化シリコン膜１０８、水素添加アモルファスシリコン膜１０９、及び窒化シリコン膜１０８を順次積層して形成された８層の膜で構成されている点である。共振器端面２０２側の低反射膜２０３は、実施の形態１の場合と同様である。

本実施の形態では、水素添加アモルファスシリコン膜１０９の両側に窒化シリコン膜１０８が形成されていることが特徴の一つである。

本実施の形態における半導体レーザ２０１の製造方法は、実施の形態１における半導体レーザ１０１の製造方法と実質的に同一である。

本実施の形態によって形成された半導体レーザ２０１について、実施の形態１と同様な半導体レーザの実装試験を行い、実装後の端面コーティング膜を顕微鏡により観察した結果、火脹れ状の端面コーティング膜剥離１００３はみられなかった。

また、実施の形態２の半導体レーザ２０１と、窒化シリコン膜１０８を有しないことのみ異なる図８に示した半導体レーザ８０１の光出力特性を図７に示す。この結果によれば、実施の形態２の半導体レーザ２０１において、１０ｍＷ程度のＣＯＤ発生レベル向上がみられる。

また、半導体レーザ２０１の高反射膜２０５と、半導体レーザ８０１の高反射膜８０２の端面反射率を比較した結果、実施の形態２の半導体レーザ２０１では９４．２％であるのに対し、窒化シリコン膜１０８を有しない半導体レーザ８０１では９４．０％であった。

このような結果については、以下の理由が考えられる。

水素添加アモルファスシリコン膜は、非結晶質ではあるが、ダングリングボンド（未結合手）が水素で終端されている。このためバンド間準位密度が低減され、吸収係数を低く抑えることが出来る。ＥＣＲプラズマによって形成されたアモルファスシリコン膜は、例えば波長６８０ｎｍでの吸収係数が、水素添加アモルファスシリコン膜が３×１０^２ｃｍ^-1、水素添加のないアモルファスシリコン膜が５×１０⁴ｃｍ^-1である。水素添加アモルファスシリコン膜は水素添加されていないアモルファスシリコン膜に比べて吸収係数が２桁以上低く、GaInP/AlGaInP系半導体レーザの端面コーティング膜に適用した場合、光吸収による発熱が少なく光学損傷が発生しにくい。

このことから、実施の形態２における半導体レーザ２０１において、ＣＯＤ発生レベルが向上した理由として、水素添加アモルファスシリコン膜１０９の両側を窒化シリコン膜１０８で挟み込む構造をとることによって、高温状態に晒されて、水素添加アモルファスシリコン膜１０９の水素結合が切れても、窒化シリコン膜１０８によるバリアによって水素が拡散せず、すぐにダングリングボンドと水素が再結合して終端されるため、バンド間準位が小さく、吸収係数が増大しないためと考えられる。

本実施の形態では、水素に対してバリア性のある材料として、窒化シリコンを用いた場合について説明したが、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、または、それらの化合物についても、水素バリア性の効果を確認した。また、窒化チタンや窒化アルミニウムチタン（ＴｉＡｌＮ）でも水素バリア性の効果は大きい。

本発明の半導体レーザは、ＤＶＤ−ＲＡＭやＣＤ−Ｒ等の記録再生型光ディスク機器のピックアップ用光源として有用である。

本発明の効果を確認するために行った検証について説明するための図本発明の実施の形態１における半導体レーザを示す斜視図本発明の実施の形態２における半導体レーザを示す斜視図本発明の実施形態における半導体レーザを製造する手順を示す斜視図ＥＣＲプラズマスパッタ装置の構成を示す概略図本発明の実施形態における半導体レーザの端面コーティング膜を形成するための成膜の流れを示すフロー図本発明の実施の形態２における半導体レーザの光出力特性を示す図従来例の端面コーティング膜が設けられた半導体レーザを示す斜視図高出力半導体レーザの実装方法を示す断面図従来例の半導体レーザの端面コーティング膜に生じる剥離を示す斜視図

符号の説明

１シリコン基板
２水素添加アモルファスシリコン膜
３酸化シリコン膜
４窒化シリコン膜
１０１、２０１半導体レーザ
１０２、２０２共振器端面
１０３、２０３低反射膜
１０４、２０４共振器端面
１０５、２０５高反射膜
１０６酸化シリコン膜
１０７酸化シリコン膜
１０８窒化シリコン膜
１０９水素添加アモルファスシリコン膜
３０１基板
３０２レーザウエハ
３０３レーザバー
３０４、３０５端面コーティング膜
５０１マグネトロン
５０２プラズマ生成室
５０３電磁石コイル
５０４シリコンターゲット
５０５ＲＦ電源
６０６ＥＣＲプラズマ
５０７試料ホルダー
５０８薄膜堆積室
５０９窒素ガス
５１０アルゴンガス
５１１酸素ガス
５１２水素ガス
５１３プラズマガス導入口
５１４反応ガス導入口
８０１半導体レーザ
８０２、８０３端面コーティング膜
８０７酸化シリコン膜
８０９水素添加アモルファスシリコン膜
９０１半導体レーザ素子
９０２半田材
９０３サブマウント
９０４コレット
１００１半導体レーザ
１００２端面コーティング膜
１００３剥離
１００４共振器端面

Claims

基板上に形成された活性層と、前記活性層を挟む一対のクラッド層とを備えた半導体レーザであって、その共振器端面の少なくとも一方に、水素添加アモルファスシリコン膜を備え、前記水素添加アモルファスシリコン膜と前記共振器端面との間に、水素の拡散を防止し、端面反射率に影響を与えない程度の厚さの誘電体膜を備え、前記共振器端面と前記誘電体膜との間に、酸化シリコン膜を備えたことを特徴とする半導体レーザ。
基板上に形成された活性層と、前記活性層を挟む一対のクラッド層とを備えた半導体レーザであって、その共振器端面の少なくとも一方に、酸化シリコン膜と、水素の拡散を防止し、端面反射率に影響を与えない程度の厚さの誘電体膜と、水素添加アモルファスシリコン膜とを、共振器端面側からこの順に二周期以上備えたことを特徴とする半導体レーザ。
基板上に形成された活性層と、前記活性層を挟む一対のクラッド層と、その共振器端面の少なくとも一方に、屈折率が互いに異なる水素添加アモルファスシリコン膜と酸化シリコン膜とからなる多層構造を備えた半導体レーザであって、前記酸化シリコン膜は水素を透過し、前記水素添加アモルファスシリコン膜と前記酸化シリコン膜との間には水素の拡散を防止し、端面反射率に影響を与えない程度の厚さの誘電体膜を少なくとも一層は備えたことを特徴とする半導体レーザ。
前記共振器端面と前記酸化シリコン膜とが隣接している請求項３記載の半導体レーザ。
前記水素添加アモルファスシリコン膜の両側に前記誘電体膜が隣接している請求項３または４記載の半導体レーザ。
前記誘電体膜が、窒素またはアルミニウムを含む請求項１〜５のいずれか１項記載の半導体レーザ。
前記誘電体膜が、窒化シリコン（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、またはこれらを含む化合物、または窒化アルミニウムチタン（ＡｌＴｉＮ）により形成されている請求項１〜６のいずれか１項記載の半導体レーザ。
前記誘電体膜の膜厚が２ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である請求項１〜７のいずれか１項記載の半導体レーザ。
前記誘電体膜の膜厚が５ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である請求項８記載の半導体レーザ。
前記誘電体膜は、９０％以上の端面反射率を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載の半導体レーザ。
基板上に形成された活性層と、前記活性層を挟む一対のクラッド層とを備えた半導体レーザであって、その共振器端面の少なくとも一方に、水素添加アモルファスシリコン膜を備え、前記水素添加アモルファスシリコン膜と前記共振器端面との間に、水素の拡散を防止し、膜厚が２ｎｍ以上、１０ｎｍ以下である誘電体膜を備え、前記共振器端面と前記誘電体膜との間に、水素を透過する酸化シリコン膜を備えたことを特徴とする半導体レーザ。
基板上に形成された活性層と、前記活性層を挟む一対のクラッド層とを備えた半導体レーザであって、その共振器端面の少なくとも一方に、水素を透過する酸化シリコン膜と、水素の拡散を防止し、膜厚が２ｎｍ以上、１０ｎｍ以下である誘電体膜と、水素添加アモルファスシリコン膜とを共振器端面側からこの順に二周期以上備えたことを特徴とする半導体レーザ。
基板上に形成された活性層と、前記活性層を挟む一対のクラッド層と、その共振器端面の少なくとも一方に、屈折率が互いに異なる水素添加アモルファスシリコン膜と酸化シリコン膜とからなる多層構造を備えた半導体レーザであって、前記酸化シリコン膜は水素を透過し、前記水素添加アモルファスシリコン膜と前記酸化シリコン膜との間には水素の拡散を防止し、膜厚が２ｎｍ以上、１０ｎｍ以下である誘電体膜を少なくとも一層は備えたことを特徴とする半導体レーザ。
前記共振器端面と前記酸化シリコン膜とが隣接している請求項１３記載の半導体レーザ。
前記水素添加アモルファスシリコン膜の両側に前記誘電体膜が隣接している請求項１３または１４記載の半導体レーザ。