JPH06204609A

JPH06204609A - 半導体レーザ装置およびその製造方法

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Publication number: JPH06204609A
Application number: JP5268719A
Authority: JP
Inventors: 徹 ▲高▼山; Toru Takayama; Hiroki Naito; 浩樹内藤; Masahiro Kume; 雅博粂; Kunio Ito; 国雄伊藤
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-10-27
Filing date: 1993-10-27
Publication date: 1994-07-22
Anticipated expiration: 2018-04-21
Also published as: JP3399049B2

Abstract

(57)【要約】【目的】容易に作製できる低雑音の半導体レーザ装置
を提供する。【構成】半導体基板４の光出射側端面の光出射部３と
その近傍を除いた他の領域上に、屈折率が基板結晶より
低いアルミナ膜１ａと、屈折率がアルミナより高いシリ
コン膜１ｂとを積層し形成した。そして、少なくとも光
出射部３上にはさらにアルミナ膜１ｃを選択的に配置し
た。アルミナ膜１ａとシリコン膜１ｂの膜厚を、レーザ
光に対する反射率が３％以下になるように設定した。ア
ルミナ膜１ａとシリコン膜１ｂとを、所定の膜厚に対し
て約±１ｎｍの範囲で制御することで、単層の誘電体膜
を膜厚制御する場合と異なり、高い歩留まりが得られ、
結晶表面における戻り光の反射光が光ピックアップに再
入射することによるノイズの発生を抑制することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光ディスク等の光源とし
て好適な低雑音の半導体レーザ装置とその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】以下に従来の半導体レーザ装置について
説明する。

【０００３】図４に示すように、従来の半導体レーザの
光出射側端面上には、誘電体膜１が全面にわたって形成
されている。この誘電体膜１は、次の二点から重要であ
る。第１は、エピタキシャル成長層２の光出射側端面に
おいて結晶が露出することにより、結晶の酸化が進行
し、半導体レーザが劣化することを防止するためであ
る。また、第２は、誘電体膜１の厚さにより端面の反射
率を調整し、半導体レーザのしきい値、効率などの特性
を制御するためである。光ディスク等に使用される高出
力レーザでは、戻り光による雑音を低減するために、光
出射側端面の光出射部３における反射率は約１０％以上
必要とされている。また、回折格子により３ビームを発
生させる構成の光ピックアップを使用した場合には、半
導体レーザから出射したレーザ光の反射光が、光出射側
端面の、光出射部の上下数十μｍの位置に戻ってくる。
この反射光は、レーザチップの光出射側端面の光反射率
が高いと、さらにその端面で反射されて、トラッキング
ノイズの原因となる。

【０００４】そこで、図５に示すように、光出射部３の
下部の半導体基板４側において低反射率となるよう、誘
電体膜１の厚さを光出射部上のそれとは異なる厚さにし
て、出射側端面での反射光による雑音を低減させること
が行われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の半導体レーザで
は、レーザチップの光出射側端面での反射光による雑音
を十分に低減できる構造とはなっていなかった。なぜな
らば、図５に示した構造は、光出射側端面を単層の誘電
体膜１で覆い、光出射部３およびその近傍を除く他の領
域部分を反射率が３％程度になるまでエッチングにより
薄くすることで実現しているが、実質的に無反射と言え
るようにするためには、その膜厚制御に±１０ｎｍ以下
の精度が要求され、歩留まりよく工業的に製造すること
が非常に困難であった。

【０００６】また、膜厚を制御できても、反射そのもの
を完全になくすことができず、より低い反射率が必要と
される応用分野については、本質的な解決にはなってい
なかった。

【０００７】本発明は、上記問題を解決するもので、容
易に作製できる低雑音の半導体レーザ装置とその製造方
法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の半導体レーザ装置は、半導体レーザチップの
光出射側端面の少なくとも光出射領域を除く他の領域上
に、半導体結晶より小さい屈折率の第１の誘電体膜を形
成するとともに、さらにその上にそれよりも屈折率の高
い第２の誘電体膜を形成して、光出射側端面の光出射領
域を除く他の領域のレーザ光に対する反射率を３％以下
としたものである。

【０００９】また、本発明の半導体レーザの製造方法
は、半導体レーザチップの光出射側端面上にアルミナま
たは酸化シリコンからなる第１の薄膜と、シリコンまた
は酸化チタンからなる第２の薄膜と、アルミナまたは酸
化シリコンからなる第３の薄膜とを順次積層し形成して
から、半導体レーザチップの光出射側端面の少なくとも
光出射領域を除く他の領域上の第３の薄膜を選択的に除
去することを特徴とする。

【００１０】

【作用】この構成によって、少なくとも光出射部を除く
領域において、外部の光学部品からの戻り光の反射を低
減することができる。また、第１、第２、第３の薄膜を
順次積層させて形成するので、その膜厚を精度よく制御
でき、また第３の薄膜の所定の部分をを選択的に除去す
ることで、高性能の半導体レーザ装置を歩留まりよく製
造することが可能になった。

【００１１】

【実施例】以下本発明の一実施例について、図面を参照
しながら説明する。

【００１２】図１は本発明の一実施例における半導体レ
ーザチップの構造を示し、図（ａ）は斜視図、図（ｂ）
は部分拡大側面図である。

【００１３】半導体基板４上にエピタキシャル層２を形
成した半導体レーザチップの光出射側端面上に、誘電体
膜としてアルミナ膜１ａとシリコン膜１ｂとが積層され
形成されている。ここで、アルミナ膜１ａおよびシリコ
ン膜１ｂの各膜厚は、レーザ光に対する反射率が２層で
３％以下になるように設定されている。本実施例の場合
のアルミナ膜１ａとシリコン膜１ｂとは、スパッタ法あ
るいは電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）により、所定の
膜厚に対して約±１ｎｍの範囲で制御されているので、
従来例（図５参照）のように、単層の誘電体膜１をエッ
チングで膜厚制御する場合と異なり、高い歩留まりが得
られ、結晶表面における戻り光の反射光が光ピックアッ
プに再入射することによるノイズの発生を抑制すること
ができる。

【００１４】膜厚の設計値を数値計算結果を用いて説明
する。計算式を以下に示す。レーザ光の真空中の波長を
λ、被コート部の結晶の屈折率をｎ₀、１層目の膜の屈
折率をｎ₁、２層目の膜の屈折率をｎ₂、１層目の膜厚を
ｄ₁、２層目の膜厚をｄ₂とすると、端面反射率Ｒは次式
で与えられる。

【００１５】

【数１】

【００１６】ここで、

【００１７】

【数２】

【００１８】上式を計算すると、反射率を低減するため
には、まず、１層目の誘電体膜に、半導体結晶より屈折
率の低い誘電体膜が必要となることがわかる。このと
き、反射率は誘電体膜の膜厚がλ／４になるときに最小
となる。理想的には、半導体結晶の屈折率の平方根の値
となる屈折率の誘電体膜を形成すれば、反射率を０とす
ることができるが、そのような材料を制御よくコーティ
ングするのは容易なことではない。また、単層の場合、
従来技術では、図５の構成により、光出射部の反射率を
与える膜厚から無反射となる膜厚まで、エッチングをす
る必要があるので、歩留まりが低くなるという問題があ
った。

【００１９】そこで、本実施例では、誘電体膜を多層に
する方法を用いた。すなわち、上式より、１層目を半導
体結晶よりも屈折率の低い誘電体膜とし、２層目を１層
目の誘電体膜よりも高い屈折率の誘電体膜とすること
で、無反射コートを容易に実現できるからである。この
ときに、必要な誘電体の屈折率は単層膜の場合ほど厳密
でなくてよく、通常、半導体レーザのコーティングに用
いられ、信頼性において実績のあるアルミナ、シリコ
ン、酸化チタン、および酸化シリコンなどの材料で十分
である。

【００２０】以下、具体的な設計例を示す。図２は、Ｇ
ａＡｓ（屈折率３.６）に対して、１層目に屈折率が１.
６６のアルミナ膜を形成し、２層目に屈折率が３.３の
シリコン膜を形成したときの結果である。図中の膜厚
は、レーザ光の波長に対して一般化するために光学的膜
厚で表示している。図２から、アルミナ膜およびシリコ
ン膜の膜厚を適切に組合わせることにより、反射率を３
％以下にできることがわかる。しかも、その最小値を、
アルミナ単層における最小値よりもかなり小さい値にす
ることができる。すなわち、アルミナ単層のときの最小
値は膜厚λ／４のときに約２％であるが、アルミナ膜と
シリコン膜との２層構造のときには、０.１％以下とす
ることができる。本実施例では、設定膜厚値として、ア
ルミナ膜１ａについては０.１５λ、シリコン膜１ｂに
ついては０.０４４λとすることで、反射率を０.１％以
下とした。

【００２１】このとき、各膜厚をさらに厚くした図２以
外の設定でも、上述の計算式よりＲ＜３％の反射率を実
現できるので、その膜厚に設定してもよい。たとえば、
反射率が最小となるシリコンの膜厚は、図２のシリコン
膜厚を厚くして計算すると、λ／２周期ごとに繰り返さ
れるので、上述の実施例において０.０４４λ＋ｍλ／
２（ｍは自然数）のシリコン膜厚でもよい。また、アル
ミナの膜厚も上記の実施例において、０.１５λ＋ｍλ
／２の膜厚と厚くしてもよい。さらに、アルミナ膜とシ
リコン膜の厚さをそれぞれ０.４０λ＋ｍλ／２、０.４
５５λ＋ｍλ／２としてもよい。

【００２２】さらに、光出射部における反射率は半導体
レーザの特性を決めるために設計されている値になるよ
うに、誘電体膜を光出射部において前記の２層上に形成
する。本実施例では、光出射部の反射率が１１％になる
ように、厚さ０.１１λのアルミナ膜１ｃを形成してい
る。

【００２３】なお、１層目の誘電体膜の材料はアルミナ
に限らず、酸化シリコンであっても構わない。なぜなら
ば、酸化シリコンの屈折率は１.４５とアルミナとほぼ
同じ値であるので、同様の反射率の依存性が得られるか
らである。このときの設計値として、酸化シリコン膜に
ついては０.１１λ、シリコン膜については０.０６λの
厚さが上述の計算式より得られた。もちろん、前述の計
算式において、Ｒ＜３％となるあらゆる膜厚の組合せに
おいて、素子を実現することができるのは言うまでもな
い。

【００２４】また、２層目の誘電体膜の材料はシリコン
に限らず、酸化チタンであっても構わない。なぜなら
ば、酸化チタンの屈折率は２.３であり、１層目の誘電
体膜の屈折率よりも高く、無反射コートを容易に実現で
きるからである。さらに酸化チタンはシリコンと異な
り、レーザ光の吸収がないという利点も兼ね備えてい
る。このときの設計値として、アルミナ０.１０λ、酸
化チタン０.１１λ、または、酸化シリコン０.０８４
λ、酸化チタン０.１１６λが上述の計算式より得られ
た。もちろん、前述の計算式において、Ｒ＜３％となる
あらゆる膜厚の組合せにおいて、素子を実現することが
できるのは言うまでもない。

【００２５】同様に、光出射部の反射率を決定する３層
目の誘電体膜が酸化シリコンであってもよい。１層目の
誘電体膜を厚さ０.１５λのアルミナ膜とし、２層目の
誘電体膜を厚さ０.０４４λのシリコン膜とした場合、
酸化シリコン膜の厚さは、たとえば反射率を１１％にす
るときには、０.１４８λとなる。

【００２６】また、２層目の誘電体膜の材料として酸化
チタン、３層目の誘電体膜の材料として酸化シリコンを
用いたときにも、ＨＦ系に対するエッチングレートが酸
化チタンの方が十分に小さいことから、同様に酸化チタ
ンをエッチングストップ層として使用することができ
る。

【００２７】また、２層目の誘電体膜を酸化チタンとし
たときにも、３層目の誘電体膜にアルミナのほかに酸化
シリコンを１１％となるような膜厚に形成してもよい。

【００２８】図３は本発明の製造方法の一実施例を説明
するための工程図である。まず、図３（ａ）に示すよう
に、半導体基板４の一方の主面上にエピタキシャル成長
層２を形成した半導体レーザチップを準備し、その光出
射側端面上にアルミナ膜１ａおよびシリコン膜１ｂをス
パッタ法または電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着）等で順次
積層して形成する。このとき、膜厚を反射率が３％以下
となる値とする。そして、さらにシリコン膜１ｂ上に、
アルミナ膜１ｃを反射率が１１％となる厚さに形成す
る。

【００２９】また、半導体基板４の、光出射側端面とは
反対側の端面上には、アルミナ膜６およびシリコン膜７
を順次積層して形成する。

【００３０】次に、光出射側端面の光出射部３を含むエ
ピタキシャル成長層２上にあるアルミナ膜１ｃの領域
を、図３（ｂ）に示すように、公知の方法によって選択
的にレジスト膜５で覆ってから、ＨＦ系のエッチャント
でアルミナ膜１ｃのレジスト膜５で覆われていない部分
を除去する。このとき、２層目のシリコン膜１ｂがエッ
チングストップ層として作用するため、エッチング量を
エッチング時間で制御するという必要がない。最後にレ
ジスト膜５を有機洗浄して除去する。本実施例では、ア
ルミナ膜１ｂとシリコン膜１ａとを積層し、上層のアル
ミナ膜１ｂをＨＦ系でエッチングするときに、下層のシ
リコン膜１ａがエッチングされないことを利用して、下
層を除去しないようにしている。

【００３１】なお、積層構造の誘電体膜の材料として
は、屈折率が半導体結晶より低い第１の誘電体膜とこの
第１の誘電体膜よりも屈折率の高い誘電体膜との組み合
せであればよい。すなわち、酸化シリコン、酸化チタ
ン、アルミナ、およびシリコンのほかに、たとえば酸化
ビスマス（屈折率１.９）、酸化セリウム（屈折率２.
３）、酸化ユーロピウム（屈折率１.９）、酸化ハフニ
ウム（屈折率２.０）、酸化インジウム（屈折率２.
０）、酸化ランタン（屈折率１.９）、酸化ネオジウム
（屈折率２.１５）、酸化モリブデン（屈折率１.９）、
酸化マグネシウム（屈折率１.７２）、酸化プラセオジ
ウム（屈折率１.９３）、酸化サマリウム（屈折率１.
９）、酸化アンチモン（屈折率２.１）、一酸化シリコ
ン（屈折率１.９）、酸化スカンジウム（屈折率１.
９）、酸化錫（屈折率２.０）、酸化タングステン（屈
折率１.６８）、酸化イットリウム（屈折率１.８７）、
酸化ジルコニウム（屈折率２.０５）、および酸化亜鉛
（屈折率２.１）などを上述の条件を満たす膜厚で使用
してもよいのは言うまでもないことである。

【００３２】

【発明の効果】本発明は、戻り光の反射を抑制した低雑
音の半導体レーザ装置を容易に実現できるものである。
すなわち、本発明の半導体レーザ装置は、半導体レーザ
チップの光出射側端面の、少なくとも光出射部を除く領
域において、半導体結晶の屈折率より低い誘電体膜と前
記誘電体膜よりも高い屈折率を有する誘電体膜の２層コ
ートとすることにより、レーザ光に対する前記領域の反
射率が３％以下に設定されている構成を有していること
により、半導体基板側での反射率を低減し、戻り光の反
射によるトラッキングノイズを完全に抑制している。製
造工程においても、半導体レーザのコーティング膜とし
て、信頼性のよいアルミナ、シリコン、酸化チタン、酸
化シリコンなどの材料を使用でき、量産性に優れてい
る。また、反射率の値も、上記材料で容易に、１％以下
を実現できる。さらに、光出射部との反射率差を形成す
るときに、２層目のシリコンなどをエッチングストップ
層に使用できるため、エッチング量の厳密な制御が必要
でなくなり、非常に高歩留が得られる。このような半導
体レーザ装置を光ディスクの光源として用いれば、低雑
音で低コストの光源として有用であることは言うまでも
ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の一実施例における半導体レー
ザ装置の斜視図（ｂ）はその光出射側端面のコート部分の断面図

【図２】アルミナ・シリコン積層膜における膜厚と端面
反射率との関係を示す図

【図３】（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施例における半
導体レーザ装置の製造工程図

【図４】従来の半導体レーザ装置の一例を示す斜視図

【図５】従来の半導体レーザ装置の他の例を示す斜視図

【符号の説明】

１ａアルミナ膜１ｂシリコン膜１ｃアルミナ膜２エピタキシャル成長層３光出射側端面の光出射部４半導体基板５レジスト膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤国雄大阪府高槻市幸町１番１号松下電子工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザチップと、前記半導体レー
ザチップの光出射側端面の少なくとも光出射領域を除く
他の領域上に形成された、屈折率が半導体結晶より小さ
い第１の誘電体膜と、前記第１の誘電体膜上に形成され
た、屈折率が前記第１の誘電体膜より高い第２の誘電体
膜とを備え、前記光出射側端面の光出射領域を除く他の
領域のレーザ光に対する反射率が３％以下に設定された
半導体レーザ装置。
【請求項２】第１の誘電体膜がアルミナからなり、ま
た第２の誘電体膜がシリコンまたは酸化チタンからなる
請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】第１の誘電体膜が酸化シリコンからな
り、第２の誘電体膜がシリコンからなる請求項１に記載
の半導体レーザ装置。
【請求項４】半導体レーザチップの光出射側端面上に
アルミナまたは酸化シリコンからなる第１の薄膜を形成
する工程と、前記第１の薄膜上にシリコンまたは酸化チ
タンからなる第２の薄膜を形成する工程と、前記第２の
薄膜上にアルミナまたは酸化シリコンからなる第３の薄
膜を形成する工程と、前記半導体レーザチップの光出射
側端面の少なくとも光出射領域を除く他の領域上の前記
第３の薄膜を選択的に除去する工程とを有する半導体レ
ーザ装置の製造方法。