JP4252353B2

JP4252353B2 - Manufacturing method of semiconductor laser device

Info

Publication number: JP4252353B2
Application number: JP2003116952A
Authority: JP
Inventors: 喜章芦田; 浩志守谷; 敏則平高; 守森田; 堂司湯▲浅▼; 隆鷲野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-07-16
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2023-04-22
Also published as: JP2004104076A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に光通信用の光源に使用される半導体レーザ素子に関し、特に、レーザ表面上に存在する膜と劈開された端面に存在するコーティング膜の膜応力、又は膜厚を調節することにより、光軸のずれを小さくした半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ネットワークの構築が急速に進められており、半導体レーザモジュールにおいても、小型化、高信頼化、低コスト化が重視されている。このため、光通信に用いられる半導体レーザ素子から伝送媒体である光ファイバへの入射光量を最大とするために、光軸調整方法がいろいろと工夫されている。例えば特開平７−７４３４２号公報では、シリコン基板上にＶ字状の光ファイバガイド溝とレンズガイド溝を作製し、光ファイバおよびレンズを各溝に固定して、半導体レーザ素子、光ファイバ及びレンズを無調整で精度よく位置合わせをする方法を提案している。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−７４３４２号公報
【０００４】
【発明が解明しようとする課題】
しかしながら、半導体レーザ素子の光軸は、半導体レーザ素子に形成されている電極膜、絶縁膜、コーティング膜等の膜形成時に発生する初期応力（真性応力）の影響を受けて変化する。さらに光軸は、電極膜、絶縁膜、コーティング膜等の線膨張係数の違いによって素子内部に発生する熱応力の影響も受けて変化する。よって、上述のように溝を付けることによって半導体レーザ素子、光ファイバおよびレンズの位置関係を固定しても、半導体レーザ素子自体の光軸が変化するため、光軸のずれを防止することはできない。そこで、本発明では、半導体レーザ素子自体の光軸の変化を防止する方法を提案する。
【０００５】
まず、半導体レーザ素子において光軸の反りが発生するメカニズムについて説明する。半導体レーザ素子表面上に電極膜を持ち、端面にコーティング膜を持っている一般的な半導体レーザ素子においては、電極膜に、真空蒸着法などによってＴｉ、Ｐｔ、Ａｕなどを形成し、コーティング膜に、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法、電子線蒸着法などによってＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４などの絶縁膜を形成する。この場合、一般的に電極膜の持つ膜応力は引張応力となり、コーティング膜の持つ膜応力は圧縮応力となる。このような構造における光軸の変化の様子を、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、半導体レーザ素子の要部断面図を示している。この半導体レーザには図２（ｂ）に示すような応力が発生しており、電極膜による膜応力を引張応力Ａ、コーティング膜による応力を圧縮応力Ｂとする。引張応力Ａの反作用により、その下部の活性層は圧縮され下に凸となる。また、圧縮応力Ｂの反作用により、その下部の半導体レーザ素子端面は引張られ、活性層端面近傍部は下に凸に変形する。よって、このような膜応力状態においては、図２（ｂ）に示すように、どちらの膜の作用も活性層を下に凸に変形させている。この結果より、電極膜とコーティング膜の膜応力の値の符号が異符号である従来構造では光軸の変形が大きくなることが分かる。これより後、この光軸の変形は、図中に示す角度θで表すこととする。角度θは、レーザの光軸に沿う断面において、基板が反っていない時の基板の厚さ方向に沿う垂線と、基板が反っている時のコーティング膜２０の表面に接する接線との交差角である。
【０００６】
本発明の第１の目的は、半導体レーザ素子において、電極膜、絶縁膜、コーティング膜等が有する真性応力によって生じる光軸の変化を抑制した半導体レーザ素子を提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、使用環境温度の変化による熱応力によって生じる光軸の変化を抑制した半導体レーザ素子を提供することにある。
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろう。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
（１）半導体基板上に設けられたレーザ共振器及び活性層と、前記活性層上に設けられた電極膜と、前記共振器の長手方向に劈開された端面と、前記端面を覆うようにして設けられたコーティング膜とを有する半導体レーザ素子であって、
前記端面近傍の前記電極膜の表面側、若しくは前記活性層側に、前記電極膜の膜応力の方向に対して逆方向の応力を持つ反り防止膜が設けられている。
（２）前記手段（１）に記載の半導体レーザ素子において、
前記電極膜は引張応力を持ち、前記コーティング膜は圧縮応力を持ち、前記反り防止膜は圧縮応力を持つ。
（３）前記手段（１）に記載の半導体レーザ素子において、
前記反り防止膜は窒化シリコンからなる。
【０００８】
（４）半導体基板上に設けられたレーザ共振器及び活性層と、前記活性層上に設けられた電極膜と、前記共振器の長手方向に劈開された端面とを有し、前記半導体基板の線膨張係数が前記電極膜の線膨張係数に比べ小さい半導体レーザ素子であって、
前記端面近傍の前記電極膜の表面側、若しくは前記活性層側に、前記半導体基板と比べて線膨張係数が小さい反り防止膜を有する。
（５）前記手段（４）に記載の半導体レーザ素子において、
前記反り防止膜は窒化シリコンからなる。
【０００９】
（６）半導体基板上に設けられたレーザ共振器及び活性層と、前記活性層上に設けられた電極膜と、前記共振器の長手方向に劈開された端面と、前記端面を覆うようにして設けられたコーティング膜とを有する半導体レーザ素子であって、
前記電極膜及び前記コーティング膜は引張応力を持つ。
（７）半導体基板上に設けられたレーザ共振器及び活性層と、前記活性層上に設けられた電極膜と、前記共振器の長手方向に劈開された端面と、前記端面を覆うようにして設けられたコーティング膜とを有する半導体レーザ素子であって、
前記コーティング膜の圧縮応力値が３００ＭＰａ以下であるか、または圧縮応力値と前記コーティング膜の膜厚との積が２００Ｐａ・ｍ以下である。
（８）前記手段（６）又は（７）に記載の半導体レーザ素子の製造であって、
前記コーティング膜がスパッタリングによって形成されたアルミナ膜からなる層を含んでおり、スパッタリングによって前記アルミナ膜を形成する時のガス圧が０．０７Ｐａ以上０．１８Ｐａ以下となっている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に幾つかの実施例を挙げ、本発明の半導体レーザ素子について、詳細に説明する。
（実施例１）
本発明の第１の実施例の半導体レーザ素子を、図１、図３及び図４を参照しながら説明する。本発明における第１の実施例である半導体レーザ素子の主要部の構造を図３に示す。図３の端面部分におけるハッチングは、各部の区別を明確にするために付けたものであり、断面部分を示すものではない。このことは後述する図５、図７、図１１においても同様である。また、図１は、図３に示したレーザの光軸に沿った断面Ａ−Ａ’である。また、図１２は図３に示した半導体レーザ素子を搭載したレーザモジュールである。
【００１１】
レーザモジュール２３内には、光ファイバ２９及びペルチェ素子２４に搭載されたステム２５が形成されており、そのステム２５上には、半導体レーザ素子２７を搭載したチップキャリア２６とレンズ２８が形成されている。本実施例の半導体レーザ素子は、図３に示すように、半導体基板１上に、第１クラッド層２、活性層３、第２クラッド層４、エッチングストップ層５を有している。エッチングストップ層５上には、第３クラッド層６、コンタクト層７を有するメサ構造８が設けられている。エッチングストップ層５上とメサ側面９には、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜１０が設けられている。絶縁膜１０上には圧縮応力を有する反り防止膜１３が形成されている。圧縮応力を有する膜１３は、例えばスパッタ法で成膜した窒化シリコン膜であり、スパッタ時のガスをＡｒ、スパッタ時のガス圧を約０．３Ｐａと低くし、パワーを５００Ｗとする。また、少なくともメサ上面表面を覆うように電極膜１２が形成されている。上記電極膜１２は、例えば蒸着法で形成することにより、引張応力を有している。
【００１２】
上記半導体レーザ素子は、レーザの共振器の長手方向に対して垂直に劈開され、端面１４、１５を有している。端面１４の表面には低反射率のコーティング膜２０が、端面１５の表面には高反射率のコーティング膜が形成されている。反射率は、成膜されるコーティング膜の屈折率と膜厚で一意に決定される。上記コーティング膜は、例えばスパッタ法で形成され、スパッタガス圧力を低く（例えば０．１Ｐａから０．５Ｐａ）設定することにより、圧縮応力を有している。上記電極膜１２から、半導体基板１裏面に設けられた電極膜１６へ（あるいは、電極膜１６から電極膜１２へ）電流を供給するとき、電極膜１２はメサ表面１１下部のみと電気的に接続しているので、電流はほとんどメサ表面１１を通り活性領域１７を流れる。この電流による電気的エネルギーは、活性層３の活性領域１７で光に変換され、対面する劈開端面１４、１５で共振される。そして、低反射率のコーティング膜２０が形成された光出力端面１４からレーザ光として出力される。
【００１３】
ここで、図１に示すように、本発明における第１の実施例である半導体レーザ素子には、電極膜下に、電極膜の引張応力値とは逆符号で、コーティング膜の圧縮膜応力値と同符号の圧縮応力を有する反り防止膜１３が設けられている。上記膜１３の圧縮応力Ｃにより、電極膜１２とコーティング膜２０による光軸の反りを抑え、活性層の光軸の反り変化量つまり角度θを小さくすることができる。また、この電極膜、コーティング膜および反り防止膜の膜厚、または応力を調節することによって、光軸に与える力のバランスを変えることができ、光軸の反り量をより小さくすることができる。
【００１４】
次に、本発明を用いることによって光軸の反りが抑えられることを説明するために、角度θと反り防止膜１３（窒化シリコン膜）の応力値および膜厚との関係の具体例を示す。以下に示す角度θと反り防止膜１３（窒化シリコン膜）の応力値および膜厚との関係は有限要素法（ＦＥＭ：Ｆinite Ｅlement Ｍethod）解析より得られた計算結果である。ここで、ＦＥＭ解析で用いる材料定数は、基板１、第１クラッド層２、活性層３、第２クラッド層４、エッチングストップ層５そして第３クラッド層６については、インジウムリンの材料定数（ヤング率、ポアソン比、線膨張係数）を用いた。実際には、クラッド層、活性層３、エッチングストップ層５は、三元系あるいは四元系等の材料で構成されるが、これらの材料定数として二元系のインジウムリンのものを用いても、解析結果の一般性は失わない。また、絶縁膜１０は酸化シリコン、電極膜１２は金、端面コーティング膜は酸化シリコンと窒化シリコンとし、絶縁膜１０と電極膜１２が引張応力の初期応力を有し、コーティング膜が圧縮応力を有する場合について解析した。また、反り防止膜１３は窒化シリコンとした。ＦＥＭ解析に用いた材料定数を表１に示す。反り防止膜１３の初期応力は、−３〜０（ＧＰａ）とした。ここで、初期応力値の正は引張を、負は圧縮を表している。
【００１５】
【表１】

【００１６】
また、基板をガリウム砒素とし、第１クラッド層２、活性層３、第２クラッド層４、エッチングストップ層５そして第３クラッド層６等の半導体薄膜が他の材料定数を有する材料であってもよい。図４に窒化シリコン膜の初期応力が−１、−２、−３（ＧＰａ）の場合の、窒化シリコン膜の膜厚と角度θの関係を示す。この図より、角度θを０とする窒化シリコン膜の膜厚および窒化シリコン膜の膜応力を求めることができる。
【００１７】
また、本実施例の電極膜下に反り防止膜を成膜する方法では、次に示す実施例２の電極膜上に反り防止膜を成膜する方法より、角度θが小さくなり、光軸のずれを抑制する効果が大きい。
【００１８】
また、本実施例の構造は、半導体レーザ素子の信頼性低下および歩留低下を引き起こす主要因である、光学損傷（Catastrophic Optical Damage 以下、ＣＯＤ）を防止する効果も備えている。ＣＯＤとは、素子端面での光吸収→端面の温度上昇→活性層端面部のバンドギャップの縮小→光吸収増大が正帰還的に発生して端面が溶解・破壊される現象のことである。このＣＯＤを防止するためには、活性層端面でのバンドギャップを拡大させればよく、同箇所での引張ひずみを低減する必要がある。引張応力をもつ電極膜の影響によって、活性層端面部では、引張ひずみが発生している。ここで、圧縮応力をもつ反り防止膜の影響によって、活性層端面部での引張ひずみを低減することができる。よって、本実施例の構造は、ＣＯＤを防止する効果を持っている。
【００１９】
（実施例２）
本発明の第２の実施例の半導体レーザ素子を、図５及び図６を参照しながら説明する。本発明における第２の実施例である半導体レーザ素子の主要部の構造を図５に示す。また、図６は、図５に示したレーザの光軸に沿った断面Ａ−Ａ’である。
【００２０】
本実施例の半導体レーザ素子は、図５に示すように、半導体基板１上に、第１クラッド層２、活性層３、第２クラッド層４、エッチングストップ層５を有している。エッチングストップ層５上には、第３クラッド層６、コンタクト層７を有するメサ構造８が設けられている。エッチングストップ層５上とメサ側面９には、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜１０が設けられている。さらに絶縁膜１０上とメサ表面１１には電極膜１２が設けられている。電極膜１２上には圧縮応力を有する反り防止膜１３が設けられている。ただし、上記圧縮応力を有する膜１３は、電極膜１２全体を覆うのでは無く、外部との電気的導通をとるために一部エッチングされている。圧縮応力を有する膜１３は、例えばスパッタ法で成膜した窒化シリコン膜である。
【００２１】
上記半導体レーザ素子は、レーザの共振器の長手方向に対して垂直に劈開され、端面１４、１５を有している。端面１４の表面には低反射率のコーティング膜２０が、端面１５の表面には高反射率のコーティング膜が形成されている。反射率は、成膜されるコーティング膜の屈折率と膜厚で一意に決定される。上記電極膜１２から、半導体基板１裏面に設けられた電極膜１６へ（あるいは、電極膜１６から電極膜１２へ）電流を供給するとき、電極膜１２はメサ表面１１下部のみと電気的に接続しているので、電流はほとんどメサ表面１１を通り活性領域１７を流れる。この電流による電気的エネルギーは、活性層３の活性領域１７で光に変換され、対面する劈開端面１４、１５で共振される。そして、低反射率のコーティング膜２０が形成された光出力端面１４からレーザ光として出力される。
【００２２】
ここで、図６に示すように、本発明における第２の実施例である半導体レーザ素子には、電極膜上に、電極膜の膜応力値とは逆符号もしくはコーティング膜の膜応力値と同符号の圧縮応力を有する膜１３が設けられている。上記膜１３の圧縮応力Ｃにより、電極膜１２による光軸の反りを抑え、活性領域での光軸の反り量つまり角度θを小さくすることができる。また、この電極膜、コーティング膜および反り防止膜の膜厚を調節することによって、光軸に与える負荷を変えることができ、角度θをほぼ０にすることができる。
【００２３】
また、本実施例の構造は、半導体レーザ素子の信頼性低下および歩留低下を引き起こす主要因である、ＣＯＤを防止する効果も備えている。これは、圧縮応力をもつ反り防止膜の影響によって、活性層端面部での引張ひずみを低減することができるからである。
【００２４】
（実施例３）
本発明の第３の実施例の半導体レーザ素子を、図７及び図８を参照しながら説明する。本発明における第３の実施例である半導体レーザ素子の主要部の構造を図７に示す。また、図８は、図７に示したレーザの光軸に沿った断面Ａ−Ａ’である。
【００２５】
本実施例の半導体レーザ素子は、半導体基板１上に、第１クラッド層２、活性層３、第２クラッド層４、エッチングストップ層５を有している。エッチングストップ層５上には、第３クラッド層６、コンタクト層７を有するメサ構造８が設けられている。エッチングストップ層５上とメサ側面９には、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜１０が設けられている。また、少なくともメサ上面表面を覆うように電極膜１２が形成されている。
【００２６】
上記半導体レーザ素子は、レーザの共振器の長手方向に対して垂直に劈開され、端面１４、１５を有している。端面１４の表面には低反射率のコーティング膜２０が、端面１５の表面には高反射率のコーティング膜が形成されている。反射率は、成膜されるコーティング膜の屈折率と膜厚で一意に決定される。上記電極膜１２から、半導体基板１裏面に設けられた電極膜１６へ（あるいは、電極膜１６から電極膜１２へ）電流を供給するとき、電極膜１２はメサ表面１１下部のみと電気的に接続しているので、電流はほとんどメサ表面１１を通り活性領域１７を流れる。この電流による電気的エネルギーは、活性層３の活性領域１７で光に変換され、対面する劈開端面１４、１５で共振される。そして、低反射率のコーティング膜が形成された光出力端面１４からレーザ光として出力される。
【００２７】
ここで、電極膜の持つ膜応力は、一般的に引張応力である。本発明の第３の実施例である半導体レーザ素子は、図８に示すように、コーティング膜の持つ膜応力を引張応力とするものである。文献J.Vac.Sci.Technol.18.203(1981)にあるように、スパッタによるコーティング膜の膜応力は、スパッタのガス圧を調節することによって引張応力にすることができる。引張応力を有する膜１３は、例えばスパッタ法で成膜した窒化シリコン膜であり、スパッタ時のガスをＡｒ、スパッタ時のガスを約０．９Ｐａとやや高くし、パワーを５００Ｗとする。よって電極膜およびコーティング膜の持つ膜応力は同じ引張応力となり、光軸の反り量を小さくすることができる。また、この電極膜、コーティング膜の膜厚を調節することによって、光軸に与える負荷を変えることができ、角度θをほぼ０にすることができる。
【００２８】
また、本実施例の構造は、半導体レーザ素子の信頼性低下および歩留低下を引き起こす主要因である、ＣＯＤを防止する効果も備えている。コーティング膜の膜応力が圧縮応力の場合、活性層端面部には引張ひずみが発生するため、バンドギャップは縮小し、ＣＯＤが発生する。ここで、コーティング膜の膜応力が引張応力の場合、活性層端面部には圧縮ひずみが発生し、ＣＯＤを防止することができる。
【００２９】
（実施例４）
本発明の第４の実施例の半導体レーザ素子を、図９及び図１０を参照しながら説明する。本発明における第４の実施例である半導体レーザ素子の主要部の構造を図３に示す。また、図９は、図３に示したレーザの光軸に沿った断面Ａ−Ａ’である。
【００３０】
本実施例の半導体レーザ素子は、図３に示すように、半導体基板１上に、第１クラッド層２、活性層３、第２クラッド層４、エッチングストップ層５を有している。エッチングストップ層５上には、第３クラッド層６、コンタクト層７を有するメサ構造８が設けられている。エッチングストップ層５上とメサ側面９には、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜１０が設けられている。さらに絶縁膜１０上とメサ表面１１には電極膜１２が設けられている。電極膜１２下には基板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数をもつ反り防止膜１３が設けられている。線膨張係数の小さい膜１３としては、例えば窒化シリコン膜である。例えば半導体レーザ素子の基板として通常用いられるガリウム砒素、インジウムリンの線膨張係数はそれぞれ６．０×１０^−６／℃、４．５×１０^−６／℃に対し、窒化シリコンは２．５×１０^−６／℃である。
【００３１】
上記半導体レーザ素子は、レーザの共振器の長手方向に対して垂直に劈開され、端面１４、１５を有している。端面１４の表面には低反射率のコーティング膜２０が、端面１５の表面には高反射率のコーティング膜が形成されている。反射率は、成膜されるコーティング膜の屈折率と膜厚で一意に決定される。上記電極膜１２から、半導体基板１裏面に設けられた電極膜１６へ（あるいは、電極膜１６から電極膜１２へ）電流を供給するとき、電極膜１２はメサ表面１１下部のみと電気的に接続しているので、電流はほとんどメサ表面１１を通り活性領域１７を流れる。この電流による電気的エネルギーは、活性層３の活性領域１７で光に変換され、対面する劈開端面１４、１５で共振される。そして、低反射率のコーティング膜２０が形成された光出力端面１４からレーザ光として出力される。
【００３２】
ここで、一般に、電極膜の線膨張係数は、基板よりも大きい。例えば半導体レーザ素子の基板として通常用いられるガリウム砒素、インジウムリンの線膨張係数はそれぞれ６．０×１０^−６／℃、４．５×１０^−６／℃であるのに対し、電極として通常用いられる金の線膨張係数は、１４×１０^−６／℃である。
【００３３】
また、図９に示すように、本発明における第４の実施例である半導体レーザ素子には、電極膜上に、基板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数をもつ膜１３が設けられている。使用環境温度が上昇した場合、上記膜１３には引張熱応力Ｃが発生し、電極膜１２には圧縮熱応力Ａが発生する。引張熱応力Ｃによって、圧縮熱応力Ａによる光軸の反りを抑え、活性領域での光軸の反り量の変化量を小さくすることができる。
【００３４】
また、この電極膜および反り防止膜の膜厚を調節することによって、光軸に与える負荷を変えることができ、光軸の反り量の変化量をより小さくすることができる。これは、反り防止膜１３が電極膜の上に存在する場合にもいえる。
【００３５】
反り防止膜が電極膜の上下にあるそれぞれの場合において、使用環境温度が２０℃から１００℃に変化した場合に、角度θがどれだけ変化したかを図１０に示す。解析方法は、実施例１に記載の通りである。本発明での角度θの変化量が従来の構造に比べ、約４０％減少していることが分かる。
【００３６】
（実施例５）
本発明の第５の実施例の半導体レーザ素子を図１１を参照しながら説明する。実施例１から実施例４の半導体レーザ素子のストライプ構造はリッジ導波路型であったが、本実施例は図１１に示すように埋込型導波路である。
図１１において、半導体レーザ素子は、半導体基板１、第１クラッド層２、活性層３、第２クラッド層４、コンタクト層７、ｐ型埋め込み層２１、ｎ型埋め込み層２２、絶縁膜１０、ｎ電極膜１６、ｐ電極膜１２を備えて構成されている。ここで、反り防止膜を絶縁膜上または電極膜下に付けることによって、このような半導体レーザ素子においても、電極膜、反り防止膜、コーティング膜の膜厚、膜応力を調節することによって光軸の反り量を小さくすることができる。
【００３７】
（実施例６）
本発明の第６の実施例の半導体レーザ素子を、図７及び図１３を参照しながら説明する。本発明における第６の実施例である半導体レーザ素子の主要部の構造を図７に示す。また、図１３は、図７に示したレーザの光軸に沿った断面Ａ−Ａ’である。
【００３８】
本実施例の半導体レーザ素子は、半導体基板１上に、第１クラッド層２、活性層３、第２クラッド層４、エッチングストップ層５を有している。エッチングストップ層５上には、第３クラッド層６、コンタクト層７を有するメサ構造８が設けられている。エッチングストップ層５上とメサ側面９には、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜１０が設けられている。また、少なくともメサ上面表面を覆うように電極膜１２が形成されている。
【００３９】
上記半導体レーザ素子は、レーザの共振器の長手方向に対して垂直に劈開され、端面１４、１５を有している。端面１４の表面には低反射率のコーティング膜２０が、端面１５の表面には高反射率のコーティング膜が形成されている。反射率は、成膜されるコーティング膜の屈折率と膜厚で一意に決定される。上記電極膜１２から、半導体基板１裏面に設けられた電極膜１６へ（あるいは、電極膜１６から電極膜１２へ）電流を供給するとき、電極膜１２はメサ表面１１下部のみと電気的に接続しているので、電流はほとんどメサ表面１１を通り活性領域１７を流れる。この電流による電気的エネルギーは、活性層３の活性領域１７で光に変換され、対面する劈開端面１４、１５で共振される。そして、低反射率のコーティング膜が形成された光出力端面１４からレーザ光として出力される。
【００４０】
半導体レーザ素子の信頼性低下および歩留低下を引き起こす主要因であるＣＯＤを抑制するためには、活性層端面部での引張ひずみを低減する必要がある。例えば、活性層端面部での引張ひずみを低減するために、コーティング膜の圧縮応力を低減すればよい。そこで、膜応力の異なるコーティング膜を成膜した半導体レーザ素子を作製して信頼性試験を行い、ＣＯＤ発生状況を調べた。試験条件は、環境温度６５℃、光出力１５ｍＷである。試験結果を図１５に示す。横軸はコーティング膜の圧縮応力値を示し、縦軸はＣＯＤの発生確率を示している。この結果よりＣＯＤを抑制するためには、コーティング膜の圧縮応力値を０．３ＧＰａ以下とすることが望ましいことが分かる。
【００４１】
コーティング膜の圧縮応力値が低減されても、膜厚が大きいと、活性層端面に発生する引張ひずみは大きくなる。そこで、上記信頼性試験と同様の試験を行うことによって、ＣＯＤを抑制するコーティング膜の膜応力と膜厚との関係を求めた。その結果、ＣＯＤを抑制するためには、膜応力値と膜厚との積が２００Ｐａ・ｍ以下とすることが望ましいことが明らかとなった。
【００４２】
コーティング膜としては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）膜／アモルファスシリコン膜／Ａｌ_２Ｏ_３膜の３層構造となっており、これらの膜はスパッタ法で形成されている。スパッタ時のガス圧を低くすると、成膜される膜の膜応力は圧縮応力となり、ガス圧を高くすると、引張応力となる。一般に、スパッタ時のガス圧は、成膜レートを速くするために低く（例えば０．０５Ｐａから０．５Ｐａ）設定することが多い。よって、コーティング膜の膜応力は圧縮応力となることが多い。Ａｌ_２Ｏ_３膜とアモルファスシリコン膜の圧縮応力値を比較すると、一般にＡｌ_２Ｏ_３膜の方が大きい。よって、コーティング膜の膜応力は、ほぼＡｌ_２Ｏ_３膜の膜応力で決定される。ガス圧とＡｌ_２Ｏ_３膜の膜応力との関係を図１４に示す。ガス圧の上昇と共に、膜応力は低下する。ここで、本実施例では、ガス圧のスパッタ時のガス圧を０．０７Ｐａから０．１８Ｐａとしている。これは、ガス圧を高くするとＡｌ_２Ｏ_３膜の所望の屈折率を得ることが困難になる、および成膜レートが遅くなって生産効率が低下するという問題が発生するためである。ガス圧が０．１２Ｐａの状態で、Ａｌ_２Ｏ_３膜の膜応力は、例えば窒化シリコン膜の約２０％である。
【００４３】
なお、コーティング膜の膜応力値を確認するためには、図１６に示すような方法を実施する。例えば、前端面コーティング膜の膜応力値を確認するためには、半導体基板１の後端面コーティング膜側を研磨または劈開し、研磨後または劈開後の前端面コーティング膜表面の反り変化量δを測定する。この反り変化量δを以下の式に代入して膜応力値σを算出する。
【００４４】
【数１】

【００４５】
ここで、Ｅ_Ｓは半導体基板１のヤング率、ｔ_Ｓは半導体基板１の厚さ、ｔ_ｆは前端面コーティング膜厚、Ｌは測定長を表している。応力値が正の場合は引張応力を、負の場合は圧縮応力を表す。
【００４６】
また、本実施例では、Ａｌ_２Ｏ_３膜とアモルファスシリコン膜の密着性を向上させるために、アモルファスシリコン膜をスパッタで成膜する時に流す水素流量を２０［ｓｃｃｍ］以上または０［ｓｃｃｍ］としている。
また、本実施例の半導体レーザ素子は、光軸の反り量を小さくする効果も備えている。
【００４７】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００４８】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
本発明の半導体レーザ素子は、レーザ表面上に存在する膜と劈開された端面に存在するコーティング膜の持つ膜応力値および膜厚を調節することによって、光軸のずれが減少される。
また、光学損傷（ＣＯＤ）が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における第１の実施例である半導体レーザ素子のレーザの光軸（図３に示すＡ−Ａ’線）に沿った断面図である。
【図２】従来の半導体レーザ素子のレーザ光軸に沿った断面図。
【図３】本発明における第１の実施例である半導体レーザ素子の主要部の構造図。
【図４】本発明の第１の実施例である半導体レーザ素子の光軸の変形θの分布図。
【図５】本発明における第２の実施例である半導体レーザ素子の主要部の構造図。
【図６】本発明における第２の実施例である半導体レーザ素子のレーザの光軸に沿った断面図（Ａ−Ａ’断面図）。
【図７】本発明における第３の実施例である半導体レーザ素子の主要部の構造図。
【図８】本発明における第３の実施例である半導体レーザ素子のレーザの光軸に沿った断面図（Ａ−Ａ’断面図）。
【図９】本発明における第４の実施例である半導体レーザ素子のレーザの光軸に沿った断面図。
【図１０】本発明の第４の実施例であるレーザ素子の光軸の変化量θの比較図。
【図１１】本発明の第５の実施例であるレーザ素子の主要部の構造図。
【図１２】本発明の第１の実施例である半導体レーザ素子を搭載したレーザモジュールの概略構成を示す図。
【図１３】本発明における第６の実施例である半導体レーザ素子のレーザの光軸に沿った断面図（Ａ−Ａ’断面図）。
【図１４】スパッタ成膜時のガス圧と成膜される膜応力との関係図。
【図１５】コーティング膜の圧縮応力値とＣＯＤ発生確率の関係図。
【図１６】膜応力による基板の反り変形図。
【符号の説明】
１…半導体基板、２…第１クラッド層、３…活性層、４…第２クラッド層、５…エッチングストップ層、６…第３クラッド層、７…コンタクト層、８…メサ構造、９…メサ側面、１０…絶縁膜、１１…メサ表面、１２…電極膜、１３…反り防止膜、１４…光出力端面、１５…端面、１６…電極膜、１７…活性領域、１９…メサ下部周辺部、２０…コーティング膜、２１…ｐ型埋め込み層、２２…ｎ型埋め込み層、２３…レーザモジュール、２４…ペルチェ素子、２５…ステム、２６…チップキャリア、２７…半導体レーザ、２８…レンズ、２９…光ファイバ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser device mainly used as a light source for optical communication, and in particular, to adjust the film stress or film thickness of a film existing on the laser surface and a coating film existing on a cleaved end face. Thus, the present invention relates to a semiconductor laser element in which the optical axis deviation is reduced.
[0002]
[Prior art]
In recent years, construction of an optical network has been rapidly advanced, and miniaturization, high reliability, and cost reduction are also emphasized in semiconductor laser modules. For this reason, various optical axis adjustment methods have been devised in order to maximize the amount of incident light from a semiconductor laser element used for optical communication to an optical fiber as a transmission medium. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-74342, a V-shaped optical fiber guide groove and a lens guide groove are formed on a silicon substrate, and the optical fiber and the lens are fixed to each groove. We have proposed a method for accurate alignment without adjustment.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-7-74342
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the optical axis of the semiconductor laser element changes under the influence of initial stress (intrinsic stress) generated when forming a film such as an electrode film, an insulating film, or a coating film formed on the semiconductor laser element. Further, the optical axis changes due to the influence of thermal stress generated inside the device due to the difference in linear expansion coefficients of the electrode film, the insulating film, the coating film, and the like. Therefore, even if the positional relationship among the semiconductor laser element, the optical fiber, and the lens is fixed by adding grooves as described above, the optical axis of the semiconductor laser element itself changes, and thus the optical axis cannot be prevented from shifting. . Therefore, the present invention proposes a method for preventing a change in the optical axis of the semiconductor laser element itself.
[0005]
First, a mechanism that causes optical axis warpage in a semiconductor laser element will be described. In a general semiconductor laser element having an electrode film on the surface of the semiconductor laser element and having a coating film on the end face, Ti, Pt, Au, etc. are formed on the electrode film by vacuum deposition or the like, and the coating film is formed. SiO, plasma CVD, sputtering, electron beam evaporation, etc. ₂ , Al ₂ O ₃ , Si ₃ N ₄ An insulating film such as is formed. In this case, generally, the film stress of the electrode film is tensile stress, and the film stress of the coating film is compressive stress. The state of change of the optical axis in such a structure will be described with reference to FIG. FIG. 2A shows a cross-sectional view of the main part of the semiconductor laser element. In this semiconductor laser, stress as shown in FIG. 2B is generated. The film stress caused by the electrode film is assumed to be tensile stress A, and the stress caused by the coating film is assumed to be compressive stress B. Due to the reaction of the tensile stress A, the active layer below it is compressed and becomes convex downward. Further, due to the reaction of the compressive stress B, the lower end face of the semiconductor laser element is pulled, and the vicinity of the active layer end face is deformed downward. Therefore, in such a film stress state, as shown in FIG. 2B, the action of either film causes the active layer to deform downward. From this result, it can be seen that the optical axis is greatly deformed in the conventional structure in which the signs of the film stress values of the electrode film and the coating film are different signs. Thereafter, the deformation of the optical axis is represented by an angle θ shown in the figure. In the cross section along the optical axis of the laser, the angle θ is an intersection angle between a perpendicular line along the thickness direction of the substrate when the substrate is not warped and a tangent line that is in contact with the surface of the coating film 20 when the substrate is warped. is there.
[0006]
A first object of the present invention is to provide a semiconductor laser device that suppresses a change in the optical axis caused by intrinsic stress of an electrode film, an insulating film, a coating film, etc. in the semiconductor laser device.
A second object of the present invention is to provide a semiconductor laser device that suppresses changes in the optical axis caused by thermal stress due to changes in the operating environment temperature.
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
Of the inventions disclosed in this application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
(1) A laser resonator and an active layer provided on a semiconductor substrate, an electrode film provided on the active layer, an end face cleaved in the longitudinal direction of the resonator, and the end face so as to be covered A semiconductor laser device having a coating film provided,
A warp prevention film having a stress in a direction opposite to the film stress direction of the electrode film is provided on the surface side of the electrode film in the vicinity of the end face or on the active layer side.
(2) In the semiconductor laser device according to (1),
The electrode film has a tensile stress, the coating film has a compressive stress, and the warpage prevention film has a compressive stress.
(3) In the semiconductor laser device according to (1),
The warpage prevention film is made of silicon nitride.
[0008]
(4) a laser resonator and an active layer provided on a semiconductor substrate; an electrode film provided on the active layer; and an end face cleaved in a longitudinal direction of the resonator; A semiconductor laser device having a linear expansion coefficient smaller than that of the electrode film,
A warpage prevention film having a smaller linear expansion coefficient than the semiconductor substrate is provided on the surface side of the electrode film in the vicinity of the end face or on the active layer side.
(5) In the semiconductor laser device according to (4),
The warpage prevention film is made of silicon nitride.
[0009]
(6) A laser resonator and active layer provided on a semiconductor substrate, an electrode film provided on the active layer, an end face cleaved in the longitudinal direction of the resonator, and the end face so as to be covered A semiconductor laser device having a coating film provided,
The electrode film and the coating film have a tensile stress.
(7) The laser resonator and the active layer provided on the semiconductor substrate, the electrode film provided on the active layer, the end face cleaved in the longitudinal direction of the resonator, and the end face are covered A semiconductor laser device having a coating film provided,
The compressive stress value of the coating film is 300 MPa or less, or the product of the compressive stress value and the film thickness of the coating film is 200 Pa · m or less.
(8) Manufacturing of the semiconductor laser device according to the means (6) or (7),
The coating film includes a layer made of an alumina film formed by sputtering, and a gas pressure when the alumina film is formed by sputtering is 0.07 Pa or more and 0.18 Pa or less.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Several examples will be given below to describe the semiconductor laser device of the present invention in detail.
Example 1
A semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The structure of the main part of the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention is shown in FIG. The hatching in the end surface portion of FIG. 3 is given for clarifying the distinction of each portion, and does not indicate a cross-sectional portion. This also applies to FIGS. 5, 7, and 11 described later. FIG. 1 is a cross-section AA ′ along the optical axis of the laser shown in FIG. FIG. 12 shows a laser module on which the semiconductor laser element shown in FIG. 3 is mounted.
[0011]
In the laser module 23, a stem 25 mounted on the optical fiber 29 and the Peltier element 24 is formed. On the stem 25, a chip carrier 26 mounted with a semiconductor laser element 27 and a lens 28 are formed. Yes. As shown in FIG. 3, the semiconductor laser device of this example has a first cladding layer 2, an active layer 3, a second cladding layer 4, and an etching stop layer 5 on a semiconductor substrate 1. A mesa structure 8 having a third cladding layer 6 and a contact layer 7 is provided on the etching stop layer 5. An insulating film 10 made of, for example, a silicon oxide film is provided on the etching stop layer 5 and the mesa side surface 9. A warp preventing film 13 having a compressive stress is formed on the insulating film 10. The film 13 having a compressive stress is, for example, a silicon nitride film formed by sputtering. The gas during sputtering is Ar, the gas pressure during sputtering is as low as about 0.3 Pa, and the power is 500 W. An electrode film 12 is formed so as to cover at least the top surface of the mesa. The electrode film 12 has a tensile stress by being formed by, for example, a vapor deposition method.
[0012]
The semiconductor laser element is cleaved perpendicular to the longitudinal direction of the laser resonator and has end faces 14 and 15. A coating film 20 having a low reflectance is formed on the surface of the end face 14, and a coating film having a high reflectance is formed on the surface of the end face 15. The reflectance is uniquely determined by the refractive index and the film thickness of the coating film to be formed. The coating film is formed by, for example, a sputtering method, and has a compressive stress by setting a sputtering gas pressure low (for example, 0.1 Pa to 0.5 Pa). When current is supplied from the electrode film 12 to the electrode film 16 provided on the back surface of the semiconductor substrate 1 (or from the electrode film 16 to the electrode film 12), the electrode film 12 is electrically connected only to the lower part of the mesa surface 11. Therefore, most of the current flows through the active region 17 through the mesa surface 11. The electric energy generated by this current is converted into light in the active region 17 of the active layer 3 and resonated at the cleaved end faces 14 and 15 facing each other. And it outputs as a laser beam from the optical output end surface 14 in which the coating film 20 of low reflectance was formed.
[0013]
Here, as shown in FIG. 1, in the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention, the compressive film stress value of the coating film under the electrode film is opposite to the tensile stress value of the electrode film. Is provided with a warp prevention film 13 having a compressive stress of the same sign. The compressive stress C of the film 13 can suppress the warpage of the optical axis caused by the electrode film 12 and the coating film 20, and can reduce the amount of change in the warp of the optical axis of the active layer, that is, the angle θ. Further, by adjusting the film thickness or stress of the electrode film, the coating film, and the warp preventing film, the balance of force applied to the optical axis can be changed, and the amount of warpage of the optical axis can be further reduced.
[0014]
Next, in order to explain that the warpage of the optical axis can be suppressed by using the present invention, a specific example of the relationship between the angle θ and the stress value and the film thickness of the warpage prevention film 13 (silicon nitride film) will be shown. The relationship between the angle θ and the stress value and the film thickness of the warp prevention film 13 (silicon nitride film) shown below is a calculation result obtained by a finite element method (FEM: Finite Element Method) analysis. Here, the material constants used in the FEM analysis are the material constants of indium phosphide (Young Young) for the substrate 1, the first cladding layer 2, the active layer 3, the second cladding layer 4, the etching stop layer 5 and the third cladding layer 6. Rate, Poisson's ratio, linear expansion coefficient). Actually, the clad layer, the active layer 3 and the etching stop layer 5 are made of a ternary or quaternary material. However, these material constants may be those of binary indium phosphide. The generality of the analysis results is not lost. The insulating film 10 is silicon oxide, the electrode film 12 is gold, the end face coating film is silicon oxide and silicon nitride, the insulating film 10 and the electrode film 12 have an initial stress of tensile stress, and the coating film has a compressive stress. The case was analyzed. The warpage preventing film 13 is made of silicon nitride. Table 1 shows the material constants used in the FEM analysis. The initial stress of the warp preventing film 13 was −3 to 0 (GPa). Here, positive of the initial stress value represents tension, and negative represents compression.
[0015]
[Table 1]

[0016]
Even if the substrate is gallium arsenide and the semiconductor thin films such as the first cladding layer 2, the active layer 3, the second cladding layer 4, the etching stop layer 5 and the third cladding layer 6 are materials having other material constants. Good. FIG. 4 shows the relationship between the film thickness of the silicon nitride film and the angle θ when the initial stress of the silicon nitride film is −1, −2 and −3 (GPa). From this figure, the film thickness of the silicon nitride film and the film stress of the silicon nitride film in which the angle θ is 0 can be obtained.
[0017]
Further, in the method of forming the warp preventing film under the electrode film of this example, the angle θ is smaller than the method of forming the warp preventing film on the electrode film of Example 2 shown below, and the optical axis The effect of suppressing the deviation is great.
[0018]
In addition, the structure of this example also has an effect of preventing optical damage (hereinafter referred to as COD), which is a main factor that causes a decrease in reliability and yield of the semiconductor laser device. COD is a phenomenon in which light absorption at the element end face → temperature increase at the end face → reduction of the band gap at the end face of the active layer → increased light absorption occurs in a positive feedback manner and the end face is melted / destructed. In order to prevent this COD, the band gap at the end face of the active layer has only to be enlarged, and it is necessary to reduce the tensile strain at the same location. Due to the influence of the electrode film having a tensile stress, a tensile strain is generated at the end face of the active layer. Here, the tensile strain at the end face of the active layer can be reduced by the influence of the warp preventing film having compressive stress. Therefore, the structure of the present embodiment has an effect of preventing COD.
[0019]
(Example 2)
A semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 5 shows the structure of the main part of a semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 6 is a cross-section AA ′ along the optical axis of the laser shown in FIG.
[0020]
As shown in FIG. 5, the semiconductor laser device of this example has a first cladding layer 2, an active layer 3, a second cladding layer 4, and an etching stop layer 5 on a semiconductor substrate 1. A mesa structure 8 having a third cladding layer 6 and a contact layer 7 is provided on the etching stop layer 5. An insulating film 10 made of, for example, a silicon oxide film is provided on the etching stop layer 5 and the mesa side surface 9. Further, an electrode film 12 is provided on the insulating film 10 and the mesa surface 11. A warpage preventing film 13 having a compressive stress is provided on the electrode film 12. However, the film 13 having the compressive stress is not partly covered with the electrode film 12 but is partially etched for electrical connection with the outside. The film 13 having a compressive stress is, for example, a silicon nitride film formed by sputtering.
[0021]
The semiconductor laser element is cleaved perpendicular to the longitudinal direction of the laser resonator and has end faces 14 and 15. A coating film 20 having a low reflectance is formed on the surface of the end face 14, and a coating film having a high reflectance is formed on the surface of the end face 15. The reflectance is uniquely determined by the refractive index and the film thickness of the coating film to be formed. When current is supplied from the electrode film 12 to the electrode film 16 provided on the back surface of the semiconductor substrate 1 (or from the electrode film 16 to the electrode film 12), the electrode film 12 is electrically connected only to the lower part of the mesa surface 11. Therefore, most of the current flows through the active region 17 through the mesa surface 11. The electric energy generated by this current is converted into light in the active region 17 of the active layer 3 and resonated at the cleaved end faces 14 and 15 facing each other. And it outputs as a laser beam from the optical output end surface 14 in which the coating film 20 of low reflectance was formed.
[0022]
Here, as shown in FIG. 6, in the semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention, on the electrode film, the film stress value of the electrode film is opposite in sign or the same as the film stress value of the coating film. A film 13 having a sign compressive stress is provided. The compressive stress C of the film 13 can suppress the warpage of the optical axis due to the electrode film 12 and reduce the amount of warpage of the optical axis in the active region, that is, the angle θ. Further, by adjusting the film thickness of the electrode film, coating film, and warpage prevention film, the load applied to the optical axis can be changed, and the angle θ can be made substantially zero.
[0023]
In addition, the structure of this example also has an effect of preventing COD, which is a main factor that causes a decrease in reliability and yield of the semiconductor laser device. This is because the tensile strain at the end face of the active layer can be reduced by the influence of the warp preventing film having a compressive stress.
[0024]
(Example 3)
A semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows the structure of the main part of a semiconductor laser device according to the third embodiment of the present invention. FIG. 8 is a cross-section AA ′ along the optical axis of the laser shown in FIG.
[0025]
The semiconductor laser device of this example has a first cladding layer 2, an active layer 3, a second cladding layer 4, and an etching stop layer 5 on a semiconductor substrate 1. A mesa structure 8 having a third cladding layer 6 and a contact layer 7 is provided on the etching stop layer 5. An insulating film 10 made of, for example, a silicon oxide film is provided on the etching stop layer 5 and the mesa side surface 9. An electrode film 12 is formed so as to cover at least the top surface of the mesa.
[0026]
The semiconductor laser element is cleaved perpendicular to the longitudinal direction of the laser resonator and has end faces 14 and 15. A coating film 20 having a low reflectance is formed on the surface of the end face 14, and a coating film having a high reflectance is formed on the surface of the end face 15. The reflectance is uniquely determined by the refractive index and the film thickness of the coating film to be formed. When current is supplied from the electrode film 12 to the electrode film 16 provided on the back surface of the semiconductor substrate 1 (or from the electrode film 16 to the electrode film 12), the electrode film 12 is electrically connected only to the lower part of the mesa surface 11. Therefore, most of the current flows through the active region 17 through the mesa surface 11. The electric energy generated by this current is converted into light in the active region 17 of the active layer 3 and resonated at the cleaved end faces 14 and 15 facing each other. And it outputs as a laser beam from the optical output end surface 14 in which the coating film of the low reflectance was formed.
[0027]
Here, the film stress of the electrode film is generally a tensile stress. As shown in FIG. 8, the semiconductor laser device according to the third embodiment of the present invention uses the film stress of the coating film as the tensile stress. As described in the document J.Vac.Sci.Technol.18.203 (1981), the film stress of the coating film by sputtering can be set to tensile stress by adjusting the gas pressure of sputtering. The film 13 having a tensile stress is, for example, a silicon nitride film formed by a sputtering method. The sputtering gas is Ar, the sputtering gas is about 0.9 Pa, and the power is 500 W. Therefore, the film stress of the electrode film and the coating film becomes the same tensile stress, and the amount of warpage of the optical axis can be reduced. Further, by adjusting the film thickness of the electrode film and the coating film, the load applied to the optical axis can be changed, and the angle θ can be made substantially zero.
[0028]
In addition, the structure of this example also has an effect of preventing COD, which is a main factor that causes a decrease in reliability and yield of the semiconductor laser device. When the film stress of the coating film is a compressive stress, a tensile strain is generated at the end face of the active layer, so that the band gap is reduced and COD is generated. Here, when the film stress of the coating film is a tensile stress, a compressive strain is generated in the end face portion of the active layer, and COD can be prevented.
[0029]
(Example 4)
A semiconductor laser device according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The structure of the main part of a semiconductor laser device according to the fourth embodiment of the present invention is shown in FIG. FIG. 9 is a cross-section AA ′ along the optical axis of the laser shown in FIG.
[0030]
As shown in FIG. 3, the semiconductor laser device of this example has a first cladding layer 2, an active layer 3, a second cladding layer 4, and an etching stop layer 5 on a semiconductor substrate 1. A mesa structure 8 having a third cladding layer 6 and a contact layer 7 is provided on the etching stop layer 5. An insulating film 10 made of, for example, a silicon oxide film is provided on the etching stop layer 5 and the mesa side surface 9. Further, an electrode film 12 is provided on the insulating film 10 and the mesa surface 11. A warp preventing film 13 having a linear expansion coefficient smaller than that of the substrate is provided under the electrode film 12. The film 13 having a small linear expansion coefficient is, for example, a silicon nitride film. For example, the linear expansion coefficients of gallium arsenide and indium phosphide, which are usually used as substrates for semiconductor laser elements, are 6.0 × 10 respectively. ^-6 / ° C, 4.5 x 10 ^-6 / × ° C., silicon nitride is 2.5 × 10 ^-6 / ° C.
[0031]
The semiconductor laser element is cleaved perpendicular to the longitudinal direction of the laser resonator and has end faces 14 and 15. A coating film 20 having a low reflectance is formed on the surface of the end face 14, and a coating film having a high reflectance is formed on the surface of the end face 15. The reflectance is uniquely determined by the refractive index and the film thickness of the coating film to be formed. When current is supplied from the electrode film 12 to the electrode film 16 provided on the back surface of the semiconductor substrate 1 (or from the electrode film 16 to the electrode film 12), the electrode film 12 is electrically connected only to the lower part of the mesa surface 11. Therefore, most of the current flows through the active region 17 through the mesa surface 11. The electric energy generated by this current is converted into light in the active region 17 of the active layer 3 and resonated at the cleaved end faces 14 and 15 facing each other. And it outputs as a laser beam from the optical output end surface 14 in which the coating film 20 of low reflectance was formed.
[0032]
Here, in general, the linear expansion coefficient of the electrode film is larger than that of the substrate. For example, the linear expansion coefficients of gallium arsenide and indium phosphide, which are usually used as substrates for semiconductor laser elements, are 6.0 × 10 respectively. ^-6 / ° C, 4.5 x 10 ^-6 The linear expansion coefficient of gold that is usually used as an electrode is 14 × 10. ^-6 / ° C.
[0033]
As shown in FIG. 9, in the semiconductor laser device according to the fourth embodiment of the present invention, a film 13 having a linear expansion coefficient smaller than that of the substrate is provided on the electrode film. . When the use environment temperature rises, tensile thermal stress C is generated in the film 13 and compressive thermal stress A is generated in the electrode film 12. The tensile thermal stress C can suppress the warpage of the optical axis due to the compressive thermal stress A, and can reduce the amount of change in the warpage of the optical axis in the active region.
[0034]
Further, by adjusting the film thicknesses of the electrode film and the warpage prevention film, the load applied to the optical axis can be changed, and the amount of change in the amount of warpage of the optical axis can be further reduced. This can also be said when the warp preventing film 13 is present on the electrode film.
[0035]
FIG. 10 shows how much the angle θ has changed when the use environment temperature is changed from 20 ° C. to 100 ° C. in each case where the warp preventing film is above and below the electrode film. The analysis method is as described in Example 1. It can be seen that the change amount of the angle θ in the present invention is reduced by about 40% compared to the conventional structure.
[0036]
(Example 5)
A semiconductor laser device according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The stripe structures of the semiconductor laser elements of the first to fourth embodiments are ridge waveguide types, but this embodiment is a buried waveguide as shown in FIG.
In FIG. 11, the semiconductor laser device includes a semiconductor substrate 1, a first cladding layer 2, an active layer 3, a second cladding layer 4, a contact layer 7, a p-type buried layer 21, an n-type buried layer 22, an insulating film 10, n The electrode film 16 and the p electrode film 12 are provided. Here, by attaching a warp prevention film on the insulating film or under the electrode film, even in such a semiconductor laser element, the optical axis can be adjusted by adjusting the film thickness and film stress of the electrode film, the warp prevention film, and the coating film. The amount of warpage can be reduced.
[0037]
(Example 6)
A semiconductor laser device according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows the structure of the main part of a semiconductor laser device according to the sixth embodiment of the present invention. FIG. 13 is a cross-section AA ′ along the optical axis of the laser shown in FIG.
[0038]
The semiconductor laser device of this example has a first cladding layer 2, an active layer 3, a second cladding layer 4, and an etching stop layer 5 on a semiconductor substrate 1. A mesa structure 8 having a third cladding layer 6 and a contact layer 7 is provided on the etching stop layer 5. An insulating film 10 made of, for example, a silicon oxide film is provided on the etching stop layer 5 and the mesa side surface 9. An electrode film 12 is formed so as to cover at least the top surface of the mesa.
[0039]
The semiconductor laser element is cleaved perpendicular to the longitudinal direction of the laser resonator and has end faces 14 and 15. A coating film 20 having a low reflectance is formed on the surface of the end face 14, and a coating film having a high reflectance is formed on the surface of the end face 15. The reflectance is uniquely determined by the refractive index and the film thickness of the coating film to be formed. When current is supplied from the electrode film 12 to the electrode film 16 provided on the back surface of the semiconductor substrate 1 (or from the electrode film 16 to the electrode film 12), the electrode film 12 is electrically connected only to the lower part of the mesa surface 11. Therefore, most of the current flows through the active region 17 through the mesa surface 11. The electric energy generated by this current is converted into light in the active region 17 of the active layer 3 and resonated at the cleaved end faces 14 and 15 facing each other. And it outputs as a laser beam from the optical output end surface 14 in which the coating film of the low reflectance was formed.
[0040]
In order to suppress COD, which is a main factor causing the reliability and yield of the semiconductor laser device, it is necessary to reduce the tensile strain at the end face of the active layer. For example, the compressive stress of the coating film may be reduced in order to reduce the tensile strain at the end face of the active layer. Therefore, a semiconductor laser device having coating films with different film stresses was produced and subjected to a reliability test, and the state of COD generation was investigated. The test conditions are an environmental temperature of 65 ° C. and an optical output of 15 mW. The test results are shown in FIG. The horizontal axis represents the compressive stress value of the coating film, and the vertical axis represents the probability of occurrence of COD. From this result, in order to suppress COD, it can be seen that the compressive stress value of the coating film is desirably 0.3 GPa or less.
[0041]
Even if the compressive stress value of the coating film is reduced, if the film thickness is large, the tensile strain generated on the end face of the active layer becomes large. Therefore, by performing a test similar to the above reliability test, the relationship between the film stress and the film thickness of the coating film for suppressing COD was obtained. As a result, it was found that the product of the film stress value and the film thickness is desirably 200 Pa · m or less in order to suppress COD.
[0042]
As a coating film, for example, Al ₂ O ₃ (Alumina) film / Amorphous silicon film / Al ₂ O ₃ The film has a three-layer structure, and these films are formed by sputtering. When the gas pressure during sputtering is lowered, the film stress of the film to be formed becomes compressive stress, and when the gas pressure is raised, it becomes tensile stress. In general, the gas pressure during sputtering is often set low (for example, 0.05 Pa to 0.5 Pa) in order to increase the film formation rate. Therefore, the film stress of the coating film is often a compressive stress. Al ₂ O ₃ Comparing the compressive stress values of the film and amorphous silicon film, ₂ O ₃ The membrane is larger. Therefore, the film stress of the coating film is almost Al. ₂ O ₃ It is determined by the film stress of the film. Gas pressure and Al ₂ O ₃ FIG. 14 shows the relationship with the film stress of the film. As the gas pressure increases, the membrane stress decreases. Here, in this embodiment, the gas pressure during sputtering of the gas pressure is set to 0.07 Pa to 0.18 Pa. This is because when the gas pressure is increased, Al ₂ O ₃ This is because it becomes difficult to obtain a desired refractive index of the film, and a problem arises that the film formation rate becomes slow and the production efficiency decreases. In a state where the gas pressure is 0.12 Pa, Al ₂ O ₃ The film stress of the film is, for example, about 20% of the silicon nitride film.
[0043]
In order to confirm the film stress value of the coating film, a method as shown in FIG. 16 is performed. For example, in order to confirm the film stress value of the front end face coating film, the rear end face coating film side of the semiconductor substrate 1 is polished or cleaved, and the warpage variation δ on the front end face coating film surface after polishing or after cleaving is measured. To do. The film stress value σ is calculated by substituting the warpage variation δ into the following equation.
[0044]
[Expression 1]

[0045]
Where E _S Is the Young's modulus of the semiconductor substrate 1, t _S Is the thickness of the semiconductor substrate 1, t _f Represents the front end face coating film thickness, and L represents the measurement length. When the stress value is positive, it indicates tensile stress, and when it is negative, it indicates compressive stress.
[0046]
In this example, Al ₂ O ₃ In order to improve the adhesion between the film and the amorphous silicon film, the flow rate of hydrogen flowing when the amorphous silicon film is formed by sputtering is set to 20 [sccm] or more or 0 [sccm].
In addition, the semiconductor laser device of this example also has an effect of reducing the amount of warpage of the optical axis.
[0047]
Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the above-described embodiment, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Of course.
[0048]
【The invention's effect】
The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
In the semiconductor laser device of the present invention, the deviation of the optical axis is reduced by adjusting the film stress value and the film thickness of the film existing on the laser surface and the coating film existing on the cleaved end face.
Moreover, optical damage (COD) is suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the laser optical axis (AA ′ line shown in FIG. 3) of a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view taken along the laser optical axis of a conventional semiconductor laser element.
FIG. 3 is a structural diagram of a main part of a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a distribution diagram of an optical axis deformation θ of the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a structural diagram of the main part of a semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view (AA ′ cross-sectional view) along the laser optical axis of a semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 7 is a structural diagram of the main part of a semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view (AA ′ cross-sectional view) along the laser optical axis of a semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a sectional view taken along the optical axis of a laser of a semiconductor laser device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a comparative view of the change amount θ of the optical axis of the laser device according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a structural diagram of the main part of a laser device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing a schematic configuration of a laser module on which the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention is mounted.
FIG. 13 is a cross-sectional view (AA ′ cross-sectional view) along the laser optical axis of a semiconductor laser device according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a relationship diagram between gas pressure during sputtering film formation and film stress for film formation.
FIG. 15 is a relationship diagram between a compressive stress value of a coating film and a COD occurrence probability.
FIG. 16 is a warpage deformation diagram of a substrate due to film stress.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate, 2 ... 1st clad layer, 3 ... Active layer, 4 ... 2nd clad layer, 5 ... Etching stop layer, 6 ... 3rd clad layer, 7 ... Contact layer, 8 ... Mesa structure, 9 ... Mesa Side surface, 10 ... insulating film, 11 ... mesa surface, 12 ... electrode film, 13 ... warpage prevention film, 14 ... light output end face, 15 ... end face, 16 ... electrode film, 17 ... active region, 19 ... mesa lower peripheral part, DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 ... Coating film, 21 ... p-type buried layer, 22 ... n-type buried layer, 23 ... Laser module, 24 ... Peltier element, 25 ... Stem, 26 ... Chip carrier, 27 ... Semiconductor laser, 28 ... Lens, 29 ... Light fiber.

Claims

A laser resonator and an active layer provided on a semiconductor substrate, an electrode film provided on the active layer, an end face cleaved in the longitudinal direction of the resonator, and an end face provided to cover the end face A method of manufacturing a semiconductor laser device having a coating film,
The vapor deposition method, and forming the electrode film to have a tensile stress,
Surface side of the electrode film in the vicinity of the end face, or on the active layer side, by a sputtering method under a gas pressure 0.3 Pa, and forming a warp prevention film having a compressive stress,
By sputtering in the following gas pressure 0.1Pa above 0.5 Pa, and forming the coating film having a compressive stress,
A method for manufacturing a semiconductor laser device , comprising: