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

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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