JP4946524B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光ディスクシステムまたは光通信などに利用される半導体レーザ装置に関し、より詳しくは、窒化ガリウム系半導体を用いた青色半導体レーザ装置に関する。
半導体レーザ装置は、光ディスクシステムあるいは光通信などに広く用いられている(例えば、特許文献1〜3参照。)。こうした半導体レーザ装置は、レーザ光を発生させるための共振器を有している。その一方の端部には、レーザ光を出射するための前端面が設けられ、他方の端部には、後端面が設けられている。前端面および後端面には、コーティング膜と呼ばれる絶縁膜が被着され、半導体レーザの動作電流の低減、戻り光防止、高出力化等が図られている。
一般に、高出力が要求される半導体レーザでは、前端面側に反射率の低いコーティング膜が形成され、後端面側に反射率の高いコーティング膜が形成される。後端面側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。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選定される。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7〜20%程度の反射率が選定される。
コーティング膜は、端面の保護膜、すなわち半導体界面のパッシベーション膜としても機能する(例えば、特許文献3参照。)。しかし、従来コーティング膜材料では、半導体との界面に界面準位が発生し、COD(Catastrophic Optical Damage:光学損傷)レベルが低下するという問題があった。
これに対して、GaAs系半導体レーザでは、CODレベルの低下を防ぐために、活性層の無秩序化による窓構造が有効であることが確認され実用化された(例えば、特許文献5参照。)。そして、窒化物系半導体レーザでも窓形成の手段が模索されている。
特許第3080312号公報 特開2002−100830号公報 特開2004−296903号公報 特開平3−76184号公報 特開2006−147814号公報
しかし、青色半導体レーザでは、レーザ光の発振波長が短いため、コーティング膜の光吸収係数が従来に比べて大きく、コーティング膜自身の劣化がおこりやすいという問題があった。また従来のコーティング膜は、パッシベーション膜としての機能が十分でなく、端面付近の結晶が劣化し、CODレベルが低下するという問題もあった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、共振器の端面に保護膜を形成して、長寿命の半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。
本発明は、レーザ光の進行方向に沿って設けられた共振器と、
前記共振器の一方の端部に設けられ、前記レーザ光を出射する第1の端面と、
前記共振器の他方の端部に設けられた第2の端面とを備えており、
前記第1の端面および前記第2の端面の少なくとも一方の最前面には、陽極酸化膜が設けられていることを特徴とする窒化ガリウム系半導体レーザ装置に関する。
また、本発明は、レーザ光の進行方向に沿って設けられた共振器と、
前記共振器の一方の端部に設けられ、前記レーザ光を出射する第1の端面と、
前記共振器の他方の端部に設けられた第2の端面とを備えており、
前記第1の端面および前記第2の端面の少なくとも一方には、陽極酸化膜が設けられていて、
前記陽極酸化膜の上には、単層または多層のコーティング膜が形成されていることを特徴とする窒化ガリウム系半導体レーザ装置に関する。
本発明によれば、共振器の端面に保護膜が形成され、長寿命の半導体レーザ装置が得られる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において同一または相当する部分には同一符号を付して、その説明を簡略化ないし省略する。
実施の形態1.
本実施の形態に係る半導体レーザ装置の斜視図を図1に示す。この半導体レーザ装置は、青色レーザ光を発生させる窒化ガリウム系半導体レーザ装置であり、GaN基板1を用いて形成されている。
図1に示すように、GaN基板1の上には、n型クラッド層2、活性層3、p型クラッド層4が積層され、p型クラッド層4の一部がエッチングにより除去されて、リッジ5が形成されている。リッジ5の上部にはp電極6が設けられ、GaN基板1の裏面には、n電極7が設けられている。リッジの両端面には反射鏡面が設けられ、X方向に共振器が構成されている。前端面8は、本発明において、共振器の一方の端部に設けられレーザ光を出射する第1の端面に対応する。一方、後端面9は、本発明において、共振器の他方の端部に設けられた第2の端面に対応する。前端面8の反射率は低く設定され、後端面9の反射率は高く設定される。
図2(a)は、図1の前端面8付近の断面図である。図2(a)に示すように、前端面8には、厚さがλ/4n(λ:レーザ光の発振波長、n:誘電体膜の屈折率)の窒化物半導体自身の陽極酸化膜10が形成されている。窒化ガリウムを陽極酸化すると、通常、酸化ガリウムに近い物質が得られる。この場合、バンドギャップが約4eV、屈折率が約2となるので、レーザの発振波長を400nmとすると、陽極酸化膜10の厚さは50nmである。陽極酸化膜10は低反射膜となるので、スロープ効率の高いレーザが得られる。
比較のため、従来のコーティング膜12を形成した前端面8付近の断面図を、図2(b)に示す。コーティング膜12は、アルミナ(屈折率:1.7)からなる、厚さλ/4n=59nmの蒸着膜であり、低反射膜としての機能を有する。尚、陽極酸化膜10をコーティング膜12とした以外は、図2(b)の構造は図2(a)と同様である。
図2(a)の構造によれば、特許文献4に記述されているように、陽極酸化膜10により界面準位密度を小さく抑えることができる。さらに、陽極酸化膜10は、バンドギャップの大きな半導体(絶縁体)であり、波長400nmのレーザ光に対し透明である。以上の2点より、陽極酸化膜10の形成は端面に窓を形成したのと等価の作用があり、COD(Catastrophic Optical Damage:光学損傷)レベルの低下を抑えることができる。
さらに、図2(a)の例では、陽極酸化膜10の厚さをλ/4nとしたので、低反射のためのコーティング膜として機能し、他のコーティング膜を陽極酸化膜10の上に追加する必要がない。尚、陽極酸化膜10の厚さをλ/4nの奇数倍としても、同じ機能を有する。
陽極酸化膜10は、窒化物半導体自身を酸化して形成するので、通常のコーティング膜12に比べ、窒化物半導体との界面に強い応力が発生し難い。したがって、厚膜にしても界面準位密度を小さく抑えることができる。尚、実施の形態5で説明するように、陽極酸化法を用いると、数百nmの厚い酸化膜を、低温で、膜厚の制御性よく作製することができるので、半導体自身と異なる異種材料から成る従来のコーティング膜を、陽極酸化膜10の上に追加することなく、λ/4n低反射膜等を形成することができる。
実施の形態2.
実施の形態1では、前端面8に厚さλ/4nの陽極酸化膜10を形成した。これに対して、本実施の形態では、図3に示すように、厚さλ/2n(λ:レーザ光の発振波長、n:誘電体膜の屈折率)の陽極酸化膜11を形成する。
図3の構造によっても、実施の形態1と同様に、窓を形成したのと等価となって、CODレベルの低下を抑えることができる。また、陽極酸化膜の厚さをλ/2nとしたので、端面に薄膜がないのと等価な端面反射率(約18%)となり、戻り光に強いレーザ光が得られる。
実施の形態3.
本実施の形態の半導体レーザ装置は実施の形態1と類似した構造を有する。但し、前端面8付近の構造が異なっている。
図4は、前端面8付近の断面図である。この図に示すように、前端面8には、λ/2n(λ:レーザ光の発振波長、n:誘電体膜の屈折率)、または、その整数倍の厚さの陽極酸化膜13が形成されている。また、その上には、アルミナ(屈折率:1.7)からなる、厚さλ/4n(λ:レーザ光の発振波長、n:誘電体膜の屈折率)のコーティング膜14が、蒸着・スパッタ等によって形成されている。
陽極酸化膜13の形成は、実施形態1と同様に、窓を形成したのと等価の作用がある。したがって、CODレベルの低下を抑えることができる。また、陽極酸化膜13の厚さをλ/2nとしたので、端面に薄膜を形成していないのと同じ反射率になる。それ故、この上にλ/4nのコーティング膜14を形成することにより、コーティング膜を低反射膜として作用させることができる。
実施の形態4.
実施の形態3では、前端面8に、λ/2nまたはその整数倍の厚さの陽極酸化膜13を形成し、その上に、λ/4nのコーティング膜14を形成した。これに対して、本実施の形態では、λ/4nのコーティング膜14に代えて、蒸着・スパッタ等によって、アルミナ、窒化アルミニウム、アモルファスシリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化珪素若しくは酸化ハフニウムなどからなる単層または多層膜を形成する。単層または多層膜の厚さは、例えば、特許文献3に示されている方法により、所望の反射率が得られる構造とする。多層膜とすることにより、薄膜の厚さの製造ばらつきがあっても、反射率の変動が小さいコーティング膜が得られる。
尚、本発明の半導体レーザ装置は、実施の形態1〜4に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。
例えば、実施の形態1〜4では、前端面に陽極酸化膜を形成する例を示したが、後端面9に陽極酸化膜を形成してもよい。この場合には、後端面9におけるCODレベルの低下を防ぐことができる。一例として、陽極酸化膜の厚さをλ/2n(λ:レーザ光の発振波長、n:誘電体膜の屈折率)またはその整数倍とし、この上に、蒸着・スパッタ等によって、アルミナや酸化タンタルなどの単層または多層膜を形成して高反射率膜とする。陽極酸化膜の厚さをλ/2nとすることにより、膜を形成しないのと等価な反射率となる。したがって、陽極酸化膜の上に設ける単層または多層膜に対しては、従来と同じ設計が可能である。
また、実施形態1〜4では、陽極酸化膜の厚さをλ/4n(λ:レーザ光の発振波長、n:誘電体膜の屈折率)の奇数倍、λ/2n(λ:レーザ光の発振波長、n:誘電体膜の屈折率)の整数倍としたが、反射に影響しない10nm以下の薄膜としてもよい。また、その上に、所望の端面反射率を有する単層または多層のコーティング膜を形成してもよい。コーティング膜を直接形成した場合と比べ、CODレベルの低下が小さいレーザが得られる。
さらに、実施の形態1〜4では、陽極酸化膜について、他のコーティング膜に用いる薄膜と区別して反射率の設計を行った。しかし、陽極酸化膜を多層膜の第一層目の薄膜として反射率の設計を行うこともできる。この場合は、陽極酸化膜の厚さを所望の厚さとすることができる。
実施の形態5.
本発明による窒化物系半導体レーザ装置は、次のようにして製造される。
まず、予めサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したGaN基板1上に、有機金属化学気相成長(MOCVD)法により、n型AlGaNクラッド層2、InGaN多重量子井戸活性層3およびp型AlGaNクラッド層4を順次積層する。
上記各層の結晶成長が終了した後は、GaN基板1の全面にレジストを塗布し、リソグラフィーによりメサ部の形状に対応した所定形状のレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとして、例えば、RIE法によってp型クラッド層4のエッチングを行い、光導波路となるリッジストライプ5を形成する。
次に、マスクとして用いたレジストパターンを残したまま、再び、GaN基板1の全面に、例えばCVD法、真空蒸着法、スパッタリング法などによって、例えば厚さが0.2μmのSiO2 膜を形成する。次いで、レジストの除去と同時にリッジストライプ5上にあるSiO2 膜を除去する、いわゆるリフトオフを行う。これにより、リッジストライプ5上に開口が形成される。
次に、GaN基板1の全面に、例えば、真空蒸着法によりPt膜およびAu膜を順次形成した後、レジストを塗布してリソグラフィーを行い、ウエットエッチングまたはドライエッチングによって、表面のp電極6を形成する。
その後、レジストを塗布してリソグラフィーを行い、ウエットエッチングまたはドライエッチングによって、基板裏面のストライプと対向する部分以外の部分に、真空蒸着法によりTi膜およびAu膜を順次形成し、n電極7をオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。その後、基板裏面にTi/Au膜を真空蒸着法やスパッタ法などで成膜し、n電極を形成する。
次に、GaN基板1を劈開などによりバー状に加工して、前端面8と後端面9を形成する。続いて、このバーを、前端面8を上に向けて、プラズマ陽極酸化装置の下部電極の上に設置し、前端面8を陽極酸化する。
図5は、プラズマ陽極酸化装置の構造を示す図である。この図に示すように、プラズマ陽極酸化装置101は、真空容器102、上部電極103、下部電極104、ガス導入管105、真空ポンプ(図示せず)、高周波電源107、高周波コイル108、DC電源109から構成されている。陽極酸化膜の形成にプラズマ陽極酸化を用いると、100℃以下の低温で、数1000Åの酸化膜を膜厚の制御性よく形成することができる。また、溶液を用いないので、汚染のおそれを少なくすることができる。
上記工程によって得られたバー110を下部電極104に設置した後、真空容器102内を排気して真空にする。次に、ガス導入管105から酸素ガスを導入し、酸素ガスの流量と排気速度を調整して、真空容器102内の酸素圧力を0.1Torr前後に保つ。
圧力を調整した後、高周波コイル108に高周波パワーを印加すると、酸素ガスが励起されてプラズマとなる。下部電極104は、プラズマ中またはプラズマから離れた位置にある。通常は、バー110がプラズマの直接的なダメージを受けるのを防ぐため、プラズマから離れて置かれる。下部電極104は水冷され、一定の温度に保たれることができる。また、下部電極104は、それ自体が酸化されるのを防ぐため、バー110を置く部分を除いて、石英カバー111で覆われている。
プラズマ発生後、下部電極104に、プラズマに対し正バイアス(0〜100V)を印加すると、活性酸素の作用により前端面8が酸化されて陽極酸化膜が形成される。このとき、定電流モードでバイアスを印加すると、酸化膜の成膜速度を一定に保つことができ、数百nmの厚い酸化膜を、膜厚の制御性よく形成することができる。ここで、陽極酸化法は、熱酸化法などと比べ、低温で厚膜が形成できるという特徴を有する。
前端面8を陽極酸化した後、バー110を容器から取出し、後端面9を上に向けて、同様に陽極酸化膜を形成する。
バー110は、一本ずつ陽極酸化する必要はない。例えば、数十本のバーを重ねて冶具に固定して真空容器102に設置すれば、一度に陽極酸化することができる。また、片面ずつ陽極酸化する以外にも、プラズマに対し平行に面を向けて同時に両端面を酸化することもできる。
以上のようにして陽極酸化膜を形成した後、必要に応じて共振器端面に端面コーティングを施す。その後、このバーをチップ分離することにより、本発明の窒化ガリウム系半導体レーザ装置が製造される。
尚、本発明による窒化物系半導体レーザ装置は、上記以外の方法によっても製造することができる。例えば、陽極酸化する前に、電圧を印加せずにバー110をプラズマに晒してもよい。これにより、端面を清浄化することができる。この場合、プラズマガスとして、アルゴンを用いることができる。
また、陽極酸化後、バー110を200〜600℃でアニールしてもよい。これにより、陽極酸化膜中の固定電荷が安定化するので、通電中の特性変化を抑制することができる。アニールは、下部電極104の周囲に加熱コイルを設置すれば、真空容器102中で行うことができる。また、真空容器102から取出して、専用装置でアニールすることもできる。
さらに、プラズマ陽極酸化装置に代えて、KOHなどの溶液を用いて陽極酸化膜を形成することもできる。
実施の形態1における半導体レーザ装置の斜視図である。 (a)は、図1の半導体レーザ装置の前端面付近の拡大断面図であり、(b)は(a)の比較例である。 実施の形態2における半導体レーザ装置の前端面付近の拡大断面図である。 実施の形態3における半導体レーザ装置の前端面付近の拡大断面図である。 本実施の形態の半導体レーザ装置の製造に適用可能なプラズマ陽極酸化装置の構造図である。
符号の説明
1 GaN基板
2 n型クラッド層
3 活性層
4 p型クラッド層
5 リッジ
6 p電極
7 n電極
8 前端面
9 後端面
10 陽極酸化膜
12 コーティング膜
101 プラズマ陽極酸化装置
102 真空容器
103 上部電極
104 下部電極
105 ガス導入管
107 高周波電源
108 高周波コイル
109 DC電源
110 バー
111 石英カバー

Claims (7)

  1. 基板上に半導体膜を積層して形成した半導体レーザであって、
    レーザ光の進行方向に沿って設けられた共振器と、
    前記共振器の一方の端部に設けられ、前記レーザ光を出射する第1の端面と、
    前記共振器の他方の端部に設けられた第2の端面とを備えており、
    前記第1の端面および前記第2の端面の少なくとも一方の最前面には、前記半導体自身を陽極酸化した陽極酸化膜が設けられていることを特徴とする窒化ガリウム系半導体レーザ装置。
  2. 基板上に半導体膜を積層して形成した半導体レーザであって、
    レーザ光の進行方向に沿って設けられた共振器と、
    前記共振器の一方の端部に設けられ、前記レーザ光を出射する第1の端面と、
    前記共振器の他方の端部に設けられた第2の端面とを備えており、
    前記第1の端面および前記第2の端面の少なくとも一方には、前記半導体自身を陽極酸化した陽極酸化膜が設けられていて、
    前記陽極酸化膜の上には、単層または多層のコーティング膜が形成されていることを特徴とする窒化ガリウム系半導体レーザ装置。
  3. 前記レーザ光の発振波長をλ、前記陽極酸化膜の屈折率をnとすると、前記陽極酸化膜の厚さは、λ/4nまたはその奇数倍であることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ装置。
  4. 前記陽極酸化膜の厚さは、λ/2nまたはその整数倍であることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ装置。
  5. 前記陽極酸化膜の厚さは、10nm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ装置。
  6. 前記陽極酸化膜は、プラズマ陽極酸化により形成されたものであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ装置。
  7. 前記陽極酸化膜は、200〜600℃でアニールされたものであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ装置。
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