JP5162926B2 - 半導体レーザ装置の製造方法 - 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の製造方法に関し、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の製造方法に関する。
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、膜の形成方法によっては、端面がダメージを受けて特性が劣化することがあるので、その製法が重要になる。
特許文献４では、ＧａＩｎＡｓＰ半導体の保護膜として陽極酸化膜が用いられている。一方、従来の窒化ガリウム系半導体レーザでは、コーティング膜の剥離が起こり、端面劣化が発生しやすいことが知られている。このための対策として、薄い金属またはその酸化膜を、コーティング膜と半導体の間に密着層として挿入する構造が提案されている（特許文献５参照）。また、薄い六方晶の結晶を、コーティング膜と半導体の間に密着層として挿入する構造も提案されている（特許文献６参照）。
特許第３０８０３１２号公報 特開２００２−１００８３０号公報 特開２００４−２９６９０３号公報 特開昭５９−２３２４７７号公報 特開２００２−３３５０５３号公報 特開２００６−２０３１６２号公報
しかしながら、金属の密着層は電気的な絶縁性（ショート）に問題があった。また、金属の酸化膜をスパッタで作製するのは、厚さ制御の点で問題があった。さらに、コーティング膜は、アモルファスまたは単結晶であることが望ましいが、六方晶の単結晶は作製が困難であった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、コーティング膜と半導体の間に、形成の容易な密着層を備えた半導体レーザ装置を製造する製造方法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、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、および前記共振器の他方の端部に設けられた第２の端面とを備える窒化ガリウム系半導体レーザ又は窒化ガリウム系半導体レーザーバーを準備する準備工程と、
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、金属またはシリコンの膜を設け前記膜をプラズマ陽極酸化することにより陽極酸化膜からなる密着層を設ける膜形成工程と、
前記密着層にコーティング膜を積層するコーティング工程と、
を有することを特徴とする窒化ガリウム系半導体レーザ装置の製造方法に関する。
本発明によれば、コーティング膜と半導体の間に密着層が形成されるので、長寿命の半導体レーザ装置が得られる。プラズマ陽極酸化により密着層を形成することで、低温で、膜厚の制御性良く、密着層を形成することができる。
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。
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の半導体レーザ装置の端面付近を表した模式的な断面図である。
図２（ａ）に示すように、前端面８には、アルミニウム（Ａｌ）の陽極酸化膜からなる密着層２１と、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなるコーティング膜２２とが形成されている。陽極酸化膜からなる密着層２１の厚さは、反射率や光吸収の影響を受けないように、２０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下とする。一方、コーティング膜２２の厚さは、低反射膜として機能させるため、λ／４ｎ（λ：レーザ光の発振波長、ｎ：誘電体膜の屈折率）とする。この例では、レーザの発振波長が４００ｎｍ、アルミナの屈折率が１．７なので、コーティング膜２２の厚さは５９ｎｍになる。
図２（ａ）において、後端面９には、アルミニウム（Ａｌ）の陽極酸化膜からなる密着層２３と、誘電体多層膜からなるコーティング膜２４とが形成されている。陽極酸化膜からなる密着層２３の厚さは、反射率や光吸収の影響を受けないように、２０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下とする。一方、コーティング膜２４は、高反射膜として機能させるために多層構造とした。具体的には、厚さλ／４ｎのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）と、厚さλ／４ｎの酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）とからなる積層膜を４層形成した上に、さらに、厚さλ／２ｎのアルミナを１層形成した。尚、λはレーザ光の発振波長であり、ｎは誘電体膜の屈折率である。
比較のため、従来の半導体レーザ装置の端面付近を表した模式的な断面図を、図２（ｂ）に示す。この図において、前端面８にはコーティング膜３２が形成され、後端面９にはコーティング膜３４が形成されている。密着層２１と密着層２３がないことを除いては、図２（ｂ）の構造は図２（ａ）と同様である。
図２（ａ）に示す本発明の構造によれば、特許文献５や特許文献６と同様に、コーティング膜と半導体の間に密着層が設けられているので、コーティング膜の剥離を防ぐことができる。また、陽極酸化膜は、金属を酸化して作製した絶縁膜であるので、電気的な絶縁性不良の発生が抑制される。これに対して、図２（ｂ）に示す構造では、密着層がないためにコーティング膜３２、３４の剥離が起こりやすい。陽極酸化膜の挿入によるコーティング膜との密着性向上は、特許文献４のＩｎＧａＡｓＰ系半導体には示されていない窒化物系半導体に特有の効果である。また、特許文献５のような絶縁不良や膜厚制御性の問題もなく、特許文献６の構造に比べ作製も容易である。
次に、本実施の形態による窒化物系半導体レーザの製造方法について説明する。
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。その後、バーの前端面８と後端面９に、金属のアルミニウムを５ｎｍの厚さで蒸着する。続いて、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、金属のアルミニウムを陽極酸化して、金属の陽極酸化膜からなる密着層２１を形成する。これにより、アモルファスの膜が形成されるので、結晶の凹凸が緩和されて、その後に形成するコーティング膜の密着性を向上させることができる。
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、２０ｎｍ以下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、後に形成するコーティング膜の密着性低下を防ぐことができる。
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、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、本実施の形態における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、上記例では、金属の形成とプラズマ陽極酸化を別の装置で行ったが、同一の装置で行うこともできる。
また、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、端面を清浄化して、膜の密着性を向上させることができる。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。
尚、本発明の半導体レーザ装置は、上記実施の形態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、上記実施の形態では、密着層を形成するための金属としてアルミニウムを用いた。しかし、アルミニウムに代えて、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）およびハフニウム（Ｈｆ）などの他の金属を用いてもよい。
また、コーティング膜２２として、アルミナの単層膜の例を示したが、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、酸化珪素および酸化ハフニウムなどの他の単層膜であってもよい。陽極酸化膜を形成する金属とコーティング膜の組合せは任意である。
また、コーティング膜２４として、アルミナと酸化タンタルの多層膜の例を示したが、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、酸化珪素および酸化ハフニウムなどを組合せた他の多層膜によって高反射の膜を形成することもできる。
また、上記実施の形態では、金属の陽極酸化膜２１の上に、厚さλ／４ｎのコーティング膜２２を形成した。しかし、厚さλ／２ｎのコーティング膜とすることもできる。この場合には、端面の反射率が約１８％となって、戻り光に強い半導体レーザが得られる。
さらに、上記実施の形態では、金属の陽極酸化膜２１の上に、厚さλ／４ｎのコーティング膜２２を形成した。しかし、厚さλ／４ｎのコーティング膜２２に代えて、蒸着・スパッタ等によりアルミナ、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、酸化珪素および酸化ハフニウムなどからなる多層膜の低反射膜を形成してもよい。この多層膜は、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層構造とすることができる。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、反射率の変動の小さいコーティング膜が得られる。
本実施の形態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。 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
２１，２３ 密着層
２２，２４，３２，３４ コーティング層
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 (5)

  1. レーザ光の進行方向に沿って設けられた共振器、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、および前記共振器の他方の端部に設けられた第２の端面とを備える窒化ガリウム系半導体レーザ又は窒化ガリウム系半導体レーザーバーを準備する準備工程と、
    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、金属またはシリコンの陽極酸化膜からなる密着層をプラズマ陽極酸化により設ける膜形成工程と、
    前記密着層にコーティング膜を積層するコーティング工程と、
    を有することを特徴とする窒化ガリウム系半導体レーザ装置の製造方法。
  2. 前記密着層は、アルミニウム(Ａｌ)、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）またはハフニウム（Ｈｆ）の陽極酸化膜からなり、厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ装置の製造方法。
  3. 前記膜形成工程の後に、前記陽極酸化膜を２００〜６００℃でアニールすることを特徴とする請求項２に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ装置の製造方法。
  4. 前記プラズマ陽極酸化を行う際に、プラズマに対し定電流モードでバイアスを印加することを特徴とする請求項１乃至３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の製造方法。
  5. 前記プラズマ陽極酸化を行う前に、前記第１の端面および前記第２の端面のうち前記陽極酸化膜を設ける端面を、電圧を印加せずにプラズマに晒すことを特徴とする請求項１乃至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の製造方法。
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