JPH06291422A

JPH06291422A - 光半導体素子

Info

Publication number: JPH06291422A
Application number: JP10024893A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Kishi; 博義岸
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-04-02
Filing date: 1993-04-02
Publication date: 1994-10-18

Abstract

(57)【要約】【目的】Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄などを用いなが
ら、高耐久性と０．１％以下の反射率を実現した光学膜
を端面に持つ光半導体素子である。【構成】端面に光学膜を施した光半導体素子１である。
光学膜は、２層の誘電体薄膜２、３の組み合わせからな
り、端面側の第１の薄膜１は、窒化アルミニウム、窒化
シリコンから選ばれる少なくとも１種の材料からなり、
第１の薄膜２上に形成される第２の薄膜３は、酸化アル
ミニウムの材料からなる。また、光学膜は、窒化アルミ
ニウム、窒化シリコンから選ばれる少なくとも１種の材
料と、酸化アルミニウムの材料との膜からなる。前者の
材料の組成濃度は、端面側が大きく、膜厚方向に徐々に
組成濃度が減少し、かつ後者の酸化アルミニウムの組成
濃度は、端面側が小さく、膜厚方向に徐々に組成濃度が
増加している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信システムなどに
用いられる光信号を直接増幅する為の高帯域半導体光増
幅器等である、端面に、保護性能を有しかつ無反射コー
ティングの光学膜などを持つ光半導体素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体光増幅器は、図１０に示す
様に、基板２００上形成された上下クラッド層２０５、
２０６に挟まれた活性層２０２を含む半導体レーザ構造
２０１を有し、そのへき開端面に無反射（ＡＲ）コーテ
ィング２０３ａ、２０３ｂを施すことによって、電流２
０４の注入で高い内部ゲインを与えた場合にもレーザ発
振が抑えられる様な構造を有している。

【０００３】このＡＲコーティングの良否は半導体光増
幅器の性能を左右し、入力波長スペクトルに対するゲイ
ンの増減（ゲインリップル）を抑えるにはＡＲコーティ
ングの反射率を低く抑える必要がある。ゲインリップル
を２ｄＢとした場合の単一通過ゲインＧとＡＲコーティ
ングの反射率Ｒとの条件はＧ・Ｒ≦０．１で与えられる。例えば、ゲイン２０ｄＢとした場合の反
射率はＲ≦０．１％となる。

【０００４】こうした反射率Ｒを低減し波長スペクトル
に対するゲインリップルを解消した光増幅器は、多波長
多重化信号の光増幅に有用であり、進行波型光増幅器と
称される。

【０００５】ＡＲコーティング２０３ａ、２０３ｂの形
成手段としては、通常図５に示した様に、へき開端面に
所望の屈折率を有する誘電体膜をλ／４（λは光波長）
の厚さで堆積している。ここでの所望の屈折率は、用い
る半導体材料、導波路構造で異なるが、ＧａＡｓ／Ａｌ
ＧａＡｓ系のレーザにおいては、最適屈折率の値はおお
よそｎ≒１．８５である。

【０００６】また、上記ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の半
導体レーザ素子は、その端面の界面準位の存在により、
レーザ光吸収による温度上昇が生じ、雰囲気の酸素によ
って端面の酸化が促進され、素子の破壊が生じる。その
ため素子端面には保護性能を有する膜を積層する必要が
あるが、一方、ＧａＡｓと保護膜材料との熱膨張係数が
違いすぎると、熱応力により半導体素子の活性層内に転
移が発生し、素子が劣化することもある。

【０００７】従来、上記保護膜としては、ＧａＡｓと熱
膨張係数がほぼ等しいＡｌ₂Ｏ₃が使用されていた。ま
た、ＡｌＮやＳｉ₃Ｎ₄も、酸化防止の保護膜として光デ
ィスク等に使用されている。更に、高屈折率の材料と低
屈折率の材料との混合により屈折率を制御して、無反射
コーティングを開示した例もある。その他、２層膜以上
の多層膜構成にした例もある。

【０００８】

【発明が解決しようとしている課題】しかし、上記従来
例のＡｌ₂Ｏ₃単層では、Ａｌ₂Ｏ₃の屈折率が小さい
（１．６３〜１．６６）ので、Ｒを０．１％以下にする
ことは無理である。また、ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄は屈折率が
大きい（２．０〜２．２）ので、それぞれの単層では、
Ｒを０．１％以下にはできない。更に、ＧａＡｓとの熱
膨張係数の違いにより、半導体レーザ活性層内に格子欠
陥を生じさせる問題がある。

【０００９】高屈折率の材料と低屈折率の材料との混合
層の場合は、その組み合わせにおいて、酸化物を使用す
ると、遊離酸素による端面への影響があり、非酸化物を
使用すると、保護性能の他にＧａＡｓとの熱膨張係数の
問題を解決しなければならない。更に、Ｒを０．１％以
下にするには、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系のレーザで
は、最適屈折率の値が約１．８５であるため、混合層の
屈折率ｎを１．８０≦ｎ≦１．９０の範囲にしなければ
ならない。

【００１０】多層膜構成の場合は、各層に用いる材料の
屈折率、保護性能、熱膨張係数等を考慮する必要があ
る。例えば、素子端面側の第１の薄膜にＡｌ₂Ｏ₃、第２
の薄膜にＡｌＮあるいはＳｉ₃Ｎ₄を用いた２層膜の場
合、膜厚制御によりＲを低く設計でき、また比較的耐久
性能も良いが、それでもまだ充分でない。これは、素子
に接しているＡｌ₂Ｏ₃からの遊離酸素の影響が皆無でな
いこと、またＡｌ₂Ｏ₃はＧａＡｓとの密着性に問題があ
り、多層にして膜厚が厚くなると、レーザ素子端面から
剥離が生じること等の理由による。

【００１１】よって、本発明の目的は、Ａｌ₂Ｏ₃、Ａｌ
Ｎ、Ｓｉ₃Ｎ₄などを用いながら上記課題を解決した端面
に光学膜を持つ光半導体素子を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明においては、Ｇａ
Ａｓ／ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザ素子の端面保護膜
兼光学膜などとして、高耐久性と０．１％以下の反射率
を実現した素子などを提供する。

【００１３】即ち、本発明の第１の形態では、端面に光
学膜を施した光半導体素子において、該光学膜は、２層
の誘電体薄膜の組み合わせからなり、該光半導体素子端
面側の第１の薄膜は、窒化アルミニウム、窒化シリコン
から選ばれる少なくとも１種の材料からなり、該第１の
薄膜上に形成される第２の薄膜は、酸化アルミニウムの
材料からなることを特徴とする。また、前記第１の薄膜
は、窒化アルミニウム、窒化シリコンから選ばれる少な
くとも１種の材料と酸化アルミニウムとの混合材料から
なる膜であり、第２の薄膜は、酸化アルミニウムの材料
からなる膜であることを特徴とする。

【００１４】また、本発明の第２の形態では、端面に光
学膜を施した光半導体素子において、該光学膜は、窒化
アルミニウム、窒化シリコンから選ばれる少なくとも１
種の材料と、酸化アルミニウムの材料との膜からなり、
該窒化アルミニウム、窒化シリコンから選ばれる少なく
とも１種の材料の組成濃度は、光半導体素子端面側が大
きく、膜厚方向に徐々に組成濃度が減少し、かつ酸化ア
ルミニウムの組成濃度は、光半導体素子端面側が小さ
く、膜厚方向に徐々に組成濃度が増加していることを特
徴とする。

【００１５】具体的には、入出力端面に無反射コーティ
ングをなす光学膜を施した半導体レーザ構造を有する半
導体光増幅器において、該光学膜は、２層の誘電体薄膜
の組み合わせからなり、まず、第１の組み合わせは、半
導体レーザ構造端面側の第１の薄膜が、ＡｌＮ、Ｓｉ₃
Ｎ₄から選ばれる少なくとも１種の材料からなる膜であ
り、第２の薄膜がＡｌ₂Ｏ₃の材料からなる膜である。ま
た、第２の組み合わせは、第１の薄膜がＡｌＮ、Ｓｉ₃
Ｎ₄から選ばれる少なくとも１種の材料とＡｌ₂Ｏ₃との
混合材料からなる膜であり、第２の薄膜がＡｌ₂Ｏ₃の材
料からなる膜である。

【００１６】また、具体的には、入出力端面に反射防止
の光学膜を施した半導体レーザ構造を有する半導体光増
幅器において、該光学膜は、ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄から選ば
れる少なくとも１種の材料と、Ａｌ₂Ｏ₃の材料との膜か
らなり、該ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄から選ばれる少なくとも１
種の材料の組成濃度は、半導体レーザ構造端面側が大き
く、膜厚方向に徐々に組成濃度が減少し、かつＡｌ₂Ｏ₃
の組成濃度は、半導体レーザ構造端面側が小さく、膜厚
方向に徐々に組成濃度が増加している傾斜組成となって
いる。

【００１７】

【実施例】まず、本発明の第１の形態の光学膜材料を用
いた半導体光増幅器の実施例を斜視図である図１に示
す。基本構造となる半導体レーザ構造は、リッジ型レー
ザ１が用いられていて、へき開面は、２層の光学膜材料
２、３から成る。次に、半導体レーザデバイスの構成と
作製方法について説明する。

【００１８】図２において、２１はｎ型ＧａＡｓ基板、
２２はｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓクラッド層（Ａｌ混晶比ｘ
＝０．３）、２３はＧａＡｓ活性層、２４はｐ型Ａｌ_x
Ｇａ_1-xＡｓ（ｘ＝０．３）クラッド層、２５はｐ⁺キャ
ップ層である。これらのエピタキシャル膜は分子線エピ
タキシャル（ＭＢＥ）法或いは有機金属熱分解（ＭＯ−
ＣＶＤ）法などによって堆積、形成される。この後、フ
ォトリソグラフィによるリッジ部のパターニング後、反
応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法によって、
幅２〜３μｍ、深さ０．３〜０．４μｍのリッジ部を形
成する。更に、ＳｉＮ_x膜２６を堆積した後、キャップ
部２５からの電流注入を可能とする窓開けを行い、上面
及び下面にＡｕ膜を堆積しアロイ化を行ってオーミック
電極２７、２８の形成を行う。

【００１９】上記のプロセスが終了したレーザウエハ
は、バー状あるいはチップ状にへき開され、上記の光学
膜材料構成によるコーティング処理が行われる。コーテ
ィングの層構成を示す図３において、２は第１の薄膜で
あり、３は第２の薄膜である。

【００２０】まず、第１の組み合わせとして、屈折率
２．０の材料を第１の薄膜２、Ａｌ₂Ｏ₃（屈折率１．６
３〜１．６６）を第２の薄膜３とした場合は、Ｒが０．
１％以下を満たすためには、第１の薄膜２の膜厚は６０
０〜８００Å、Ａｌ₂Ｏ₃の膜厚３は５００〜８００Åの
範囲が望ましい。また、屈折率２．２の材料を第１の薄
膜２とした場合は、同様の条件で、第１の薄膜２の膜厚
は４８０〜６２０Å、Ａｌ₂Ｏ₃の膜厚は７５０〜９５０
Åの範囲が望ましい。

【００２１】上記の場合、第１の薄膜２として、Ａｌ
Ｎ、Ｓｉ₃Ｎ₄あるいはその混合物を使用すると、酸素や
水分に対する保護性能は充分であり、かつ２層の熱膨張
係数は、第２の薄膜３としてＡｌ₂Ｏ₃（熱膨張係数５．
６０×１０^-6ｄｅｇ^-1）を使用するため、２層膜として
は、ＧａＡｓの値（５．７３×１０^-6ｄｅｇ^-1）に近い
値（５〜７×１０^-6ｄｅｇ^-1）となって、熱応力に起因
する半導体素子の劣化が生じることもない。また、素子
端面との密着性もＡｌ₂Ｏ₃が直接接していないので問題
がない。

【００２２】以上の結果、半導体レーザ素子の端面保護
膜兼光学膜として、高耐久性と０．１％以下の反射率を
実現した素子を提供できる。

【００２３】第２の組み合わせとして、屈折率１．９５
の材料を第１の薄膜２、Ａｌ₂Ｏ₃を第２の薄膜３とした
場合は、Ｒが０．１％以下を満たすためには、第１の薄
膜２の膜厚は６５０〜９５０Å、Ａｌ₂Ｏ₃の膜厚は２５
０〜７００Åの範囲が望ましい。

【００２４】また、屈折率１．９０の材料を第１の薄膜
２とした場合は、同様の条件で、第１の薄膜２の膜厚は
７００〜１１００Å、Ａｌ₂Ｏ₃の膜厚は１００〜６００
Åの範囲が望ましい。

【００２５】上記の場合、第１の薄膜２をＡｌＮ、Ｓｉ
₃Ｎ₄とＡｌ₂Ｏ₃の混合物とすることにより、まず、熱膨
張係数をよりＧａＡｓに近い値にすることが可能とな
り、次に、Ａｌ₂Ｏ₃の量に上限を設けることにより、Ａ
ｌ₂Ｏ₃からの遊離酸素の影響をなくすことが可能とな
る。耐久性試験の結果、第１の薄膜２のＡｌ₂Ｏ₃の量
は、４０ｍｏｌ％以下が望ましく、その時の第１の薄膜
２の屈折率は１．９０よりも大きくなる。この時の熱膨
張係数は、５〜６．５×１０^-6ｄｅｇ^-1となる。また、
素子端面との密着性も、Ａｌ₂Ｏ₃の量に上限を設けたこ
とにより、耐久性試験の結果からも問題はない。

【００２６】以上の結果、第２の組み合わせでも、半導
体レーザ素子の端面保護膜兼光学膜として、高耐久性
と、０．１％以下の反射率を実現した素子を提供でき
る。

【００２７】本実施例においては、各材料の半導体レー
ザ素子端面への積層は、スパッタ法、電子ビーム蒸着法
等の通常の真空製膜法が適用できる。

【００２８】ＡｌＮの場合は、ＡｌＮをターゲットとし
て、スパッタガスをＡｒあるいはＡｒ＋Ｎ ₂の混合ガス
等を用いたり、Ａｌをターゲットとして、スパッタガス
をＡｒ＋Ｎ₂やＡｒ＋ＮＨ₃等を用いたりして製膜でき
る。

【００２９】Ｓｉ₃Ｎ₄の場合も同様に、Ｓｉ₃Ｎ₄をター
ゲットとして、ＡｒあるいはＡｒ＋Ｎ₂をスパッタガス
に用いたり、Ｓｉをターゲットとして、Ａｒ＋Ｎ₂、Ａ
ｒ＋ＮＨ₃等を用いて製膜できる。

【００３０】ＡｌＮとＳｉ₃Ｎ₄の混合物は、上記のそれ
ぞれのターゲットを用いた同時スパッタ法や、あらかじ
め、ＡｌＮとＳｉ₃Ｎ₄を焼結して形成したターゲットを
用いる方法もある。

【００３１】Ａｌ₂Ｏ₃は、Ａｌ₂Ｏ₃をターゲットとし
て、ＡｒあるいはＡｒ＋Ｏ₂をスパッタガスに用いた
り、Ａｌをターゲットとして、Ａｒ＋Ｏ₂をスパッタガ
スとして用いたスパッタ法や、Ａｌ₂Ｏ₃を用いた電子ビ
ーム蒸着法が簡便である。

【００３２】Ａｌ₂Ｏ₃と、ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄との混合物
を積層する場合は、同時スパッタ法で積層するのが簡便
であるが、その時は、スパッタガスはＡｒのみか、少な
くともＯ₂を含まないガスを用いるのが素子へのダメー
ジが少なくて良い。

【００３３】こうして、半導体レーザ端面に２層膜を形
成した半導体光増幅器は、ゲインリップルの測定によ
り、反射率０．１％以下を実現できる。図１に示すよう
に、半導体光増幅器を閾値電流より少し小さい定電流注
入状態とし、外部からレンズ或いは光ファイバーによっ
て光波４を入力させ、半導体光増幅器に結合させること
により、増幅光波５を得ることができる。こうして内部
ゲイン２０〜３０ｄＢを達成している。

【００３４】図７は、上記実施例のデバイスを、波長多
重送受信システムに適用した場合のシステム概念図であ
る。同図において、１０は上記の光増幅器、１１は送信
部、１２は受信部、１３、１４は夫々合波、分波器、１
５は伝送光ファイバである。こうした構成により、波長
８３０ｎｍ及び８４０ｎｍの信号を多重化し、光増幅器
１０で高ゲイン、低リップルで増幅し、１００Ｍｂｐｓ
以上の伝送速度でクロストークのない信号の授受が可能
となる。

【００３５】以上に述べたような、光通信システムなど
に用いられる光信号を直接増幅する為の高帯域半導体光
増幅器の入出力端面の無反射コーティング膜材料を、以
下、実施例として詳細に記述する。

【００３６】図３に示すような半導体レーザデバイスの
両端面に、第１の薄膜２としてＡｌＮを、第２の薄膜３
としてＡｌ₂Ｏ₃を積層した。真空装置は２元同時スパッ
タも可能な高周波スパッタ装置を使用し、ターゲットと
して１２５ｍｍφのＡｌＮとＡｌ₂Ｏ₃を使用した。到達
真空度は、５×１０^-6ｔｏｒｒ以下、スパッタ電力は２
００Ｗ〜１ＫＷ、スパッタガス圧は１〜１０×１０^-6ｔ
ｏｒｒ、スパッタガス種はＡｒあるいはＡｒ：Ｎ₂＝５
０：５０の（Ａｒ＋Ｎ₂）の混合ガスを用いた。積層し
た膜の屈折率は、スパッタガス圧、製膜速度、スパッタ
ガス種等で多少制御可能である。表１に第１の薄膜２の
ＡｌＮの屈折率（ｎ₁）、膜厚（ｄ₁）、スパッタガス種
（ＳＰ１）と第２の薄膜３のＡｌ₂Ｏ₃の屈折率
（ｎ₂）、膜厚（ｄ₂）、スパッタガス種（ＳＰ２）及
び、２層を積層した時の反射率（Ｒ）と、耐久性能の結
果を示す。耐久性能は、半導体レーザの出力を２０ｍＷ
とし、７０°Ｃの環境下に３０００時間放置した時の半
導体レーザへの注入電流値の変化により評価した。注入
電流値がほぼ０に低下した場合と、注入電流値が初期注
入電流値の２倍以上必要になった場合を素子の故障とみ
なし、その故障数によって、○印：故障数、全品の１割
以下、△印：故障数、全品の３割以下、×印：故障数、
全品の３割超と表す。

【００３７】

【表１】表１の結果、第１の薄膜２としてＡｌＮ、第２の薄膜３
としてＡｌ₂Ｏ₃の組み合わせにより、反射率０．１％以
下を達成し、かつ耐久性能も良好であることがわかる。

【００３８】次に、第１の薄膜２としてＳｉ₃Ｎ₄、第２
の薄膜３としてＡｌ₂Ｏ₃を積層するために、ターゲット
として、ＡｌＮの代わりにＳｉ₃Ｎ₄を使用する以外、本
発明の第１の形態の実施例１〜６と同様にして、実施例
７〜１２の各層の屈折率（ｎ₁、ｎ₂）、膜厚（ｄ₁、
ｄ₂）、スパッタガス種（ＳＰ１、ＳＰ２）、反射率
（Ｒ）、耐久性能の結果を表２に示す。

【００３９】

【表２】表２の結果、第１の薄膜２としてＳｉ₃Ｎ₄、第２の薄膜
３としてＡｌ₂Ｏ₃の組み合わせにより、反射率０．１％
以下を達成し、かつ耐久性能も良好であることがわか
る。

【００４０】続いて、実施例１〜６におけるＡｌＮター
ゲットの代わりに、ＡｌＮ：Ｓｉ₃Ｎ₄＝５０：５０の混
合焼結体ターゲットＡｌＮ−Ｓｉ₃Ｎ₄を使用し、それ以
外は、実施例１〜６と同様にして、実施例１３〜１５の
各層の屈折率（ｎ₁、ｎ₂）、膜厚（ｄ₁、ｄ₂）、スパッ
タガス種（ＳＰ１、ＳＰ２）、反射率（Ｒ）、耐久性能
の結果を表３に示す。

【００４１】比較例として、第１の薄膜としてＡｌ
₂Ｏ₃、第２の薄膜として、ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ−
Ｓｉ₃Ｎ₄を用いたときの各種のデータも表３に示す。

【００４２】

【表３】表１〜３の結果、比較例１〜３のように、第１薄膜に、
Ａｌ₂Ｏ₃を使用すると、Ｒ≦０．１％を達成でき、耐久
性能も悪くないが、本発明の第１の形態の実施例１〜１
５のように、第１薄膜にＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄あるいは両方
の混合物を用いた方が、更に耐久性能が向上することが
わかる。

【００４３】更に、実施例１〜６におけるＡｌＮターゲ
ットとＡｌ₂Ｏ₃ターゲットを用いてスパッタガス種をＡ
ｒとする２元同時スパッタにより、ＡｌＮとＡｌ₂Ｏ₃の
混合物を第１の薄膜２とし、かつＡｌＮターゲットとＡ
ｌ₂Ｏ₃ターゲットに投入するスパッタ電力比を変えるこ
とにより、ＡｌＮとＡｌ₂Ｏ₃の混合比を変化させた以外
は、実施例１〜６と同様に行った実施例１６、１７につ
いて、各種の２層膜を積層して評価した結果を表４に示
す。

【００４４】

【表４】表４の結果、第１の薄膜２としてのＡｌＮとＡｌ₂Ｏ₃の
混合膜は、Ａｌ₂Ｏ₃の量が４０ｍｏｌ％以下で、かつ屈
折率が１．９０より大きいとき、耐久性能が良いことが
わかった（比較例４参照）。

【００４５】更に、実施例１６、１７と同様にして、Ｓ
ｉ₃Ｎ₄ターゲットとＡｌ₂Ｏ₃ターゲット、ＡｌＮとＳｉ
₃Ｎ₄混合ターゲット（実施例１３〜１５と同様）とＡｌ
₂Ｏ₃ターゲットを用いた。スパッタガス種をＡｒとする
２元同時スパッタにより、それぞれＳｉ₃Ｎ₄とＡｌ₂Ｏ₃
の混合物、ＡｌＮとＳｉ₃Ｎ₄とＡｌ₂Ｏ₃の混合物を第１
の薄膜２とした実施例１８〜２１について、各種２層膜
を評価した結果を表５に示す。

【００４６】

【表５】表５の結果、第１の薄膜２としてのＳｉ₃Ｎ₄とＡｌ₂Ｏ₃
の混合膜あるいはＡｌＮとＳｉ₃Ｎ₄とＡｌ₂Ｏ₃の混合膜
は、Ａｌ₂Ｏ₃の量が４０ｍｏｌ％以下で、かつ屈折率が
１．９０より大きいとき、耐久性能が良いことがわかっ
た（比較例５、６参照）。

【００４７】次に、本発明の第２の形態の光学膜材料を
用いた半導体光増幅器の実施例の斜視図を図４に示す。
基本構造となる半導体レーザ構造は上記の実施例と同じ
で、リッジ型レーザ１０１が用いられていて、へき開面
は、傾斜組成の光学膜材料１０２、１０３から成る。半
導体レーザデバイスの構成と作製方法について説明す
る。

【００４８】図５において、１２１はｎ型ＧａＡｓ基
板、１２２はｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓクラッド層（Ａｌ混
晶比ｘ＝０．３）、１２３はＧａＡｓ活性層、１２４は
ｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０．３）クラッド層、１２
５はｐ⁺キャップ層である。これらのエピタキシャル膜
は分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法或いは有機金属熱
分解（ＭＯ−ＣＶＤ）法などによって堆積、形成され
る。この後、フォトリソグラフィによるリッジ部のパタ
ーニング後、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢ
Ｅ）法によって幅２〜３μｍ、深さ０．３〜０．４μｍ
のリッジ部を形成する。更に、図６に示す様に、ＳｉＮ
_x膜１２６を堆積した後、キャップ部１２５からの電流
注入を可能とする窓開けを行い、上面及び下面にＡｕ膜
を堆積しアロイ化を行ってオーミック電極１２７、１２
８の形成を行う。

【００４９】上記のプロセスが終了したレーザウェハ
は、バー状あるいはチップ状にへき開され、本発明の第
２の形態の光学膜材料構成によるコーティング処理が行
われる。

【００５０】コーティングの層構成を示す図５におい
て、１０２、１０３は傾斜組成の膜である。傾斜組成膜
１０２、１０３を構成するＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄から選ばれ
る少なくとも１種の材料は、非酸化物であり、雰囲気か
らの酸素や水分から半導体端面を保護する性能が高い保
護膜となる。また、同じく傾斜組成膜１０２、１０３を
構成するＡｌ₂Ｏ₃は、熱膨張係数（５．６０×１０^-6ｄ
ｅｇ^-1）がＧａＡｓの値（５．７３×１０^-6ｄｅｇ^-1）
に近く、熱応力に起因する半導体素子の劣化が生じるこ
とがない材料である。

【００５１】この両方の材料を混合、しかも傾斜組成と
することにより、傾斜組成膜１０２、１０３の平均屈折
率ｎを１．８０≦ｎ≦１．９０とすることができて、端
面反射率を０．１％以下にできる。かつＡｌ₂Ｏ₃からの
遊離酸素の端面側への影響を、端面側の組成濃度を、Ａ
ｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄から選ばれる少なくとも１種の材料の組
成濃度を大きく、Ａｌ₂Ｏ₃の組成濃度を小さくすること
により防止でき、更に、傾斜組成膜１０２、１０３の平
均熱膨張係数をＧａＡｓに近い値（５〜７×１０^-6ｄｅ
ｇ^-1）にすることができる。また、素子端面との密着性
も、端面側のＡｌ₂Ｏ₃濃度が小さいので問題がない。

【００５２】図８は、本発明の第２の形態の実施例の傾
斜組成膜１０２、１０３の製膜法及び製膜装置を簡略に
示す図である。６１は、ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄から選ばれる
少なくとも１種の材料から成るターゲット、６２はＡｌ
₂Ｏ₃から成るターゲット、６３は端面に傾斜組成膜を積
層する半導体素子、６４は半導体素子６３のホルダー基
板、６５は半導体素子６３の移動方向、６６は隔壁板で
ある。

【００５３】２つのターゲットを同時にスパッタできる
２元同時スパッタ装置を用いて、半導体素子６３を移
動、回転可能な状態で、ターゲット６１に近い方から、
矢印６５に示す方向に移動して、製膜は、移動に従っ
て、ターゲット６１の材料組成が徐々に減少し、ターゲ
ット６２の材料（Ａｌ₂Ｏ₃）組成が徐々に増加する。

【００５４】傾斜組成膜の各々の材料の組成は、各ター
ゲットに投入する電力や、スパッタガス圧、スパッタガ
ス種、基板間距離等で決まる各々の製膜速度と、半導体
素子６３の移動速度、隔壁板６６の高さ、各ターゲット
６１、６２の配置等で制御可能である。そして、傾斜組
成膜の平均屈折率ｎをあらかじめ測定しておいて、１．
８０≦ｎ≦１．９０のとき、反射率Ｒを０．１％以下に
することが可能となる。

【００５５】本実施例においては、各材料の半導体レー
ザ素子端面への傾斜組成膜の積層は、スパッタ法以外に
電子ビーム蒸着法等の通常の真空製膜法が適用できる。

【００５６】ＡｌＮの場合は、ＡｌＮをターゲットとし
て、スパッタガスをＡｒあるいはＡｒ＋Ｎ₂の混合ガス
等を用いて製膜できる。

【００５７】Ｓｉ₃Ｎ₄の場合も同様に、Ｓｉ₃Ｎ₄をター
ゲットとして、ＡｒあるいはＡｒ＋Ｎ₂をスパッタガス
に用いて製膜できる。

【００５８】ＡｌＮとＳｉ₃Ｎ₄の混合物は、上記のそれ
ぞれのターゲットを用いた同時スパッタ法や、あらかじ
め、ＡｌＮとＳｉ₃Ｎ₄を焼結して形成したターゲットを
用いる方法もある。

【００５９】Ａｌ₂Ｏ₃は、Ａｌ₂Ｏ₃をターゲットとし
て、ＡｒあるいはＡｒ＋Ｏ₂をスパッタガスに用いた
り、Ａｌをターゲットとして、Ａｒ＋Ｏ₂をスパッタガ
スとして用いたスパッタ法や、Ａｌ₂Ｏ₃を用いた電子ビ
ーム蒸着法が簡便である。

【００６０】こうして、半導体レーザ端面に傾斜組成膜
を形成した半導体光増幅器は、ゲインリップルの測定に
より、反射率０．１％以下を実現でき、図４に示すよう
に、半導体光増幅器を閾値電流より少し小さい定電流注
入状態とし、外部からレンズ或いは光ファイバーによっ
て光波１０４を入力させ、半導体光増幅器に結合させる
ことにより、増幅光波１０５を得ることができる。こう
して内部ゲイン２０〜３０ｄＢを達成している。

【００６１】この実施例も図７に示す波長多重送受信シ
ステムに適用でき、高ゲイン、低リップルで増幅し、１
００Ｍｂｐｓ以上の伝送速度でクロストークのない信号
の授受が可能となる。

【００６２】以上に述べたような、光通信システムなど
に用いられる光信号を直接増幅する為の高帯域半導体光
増幅器の入出力端面の保護膜兼反射防止膜の傾斜組成膜
を、実例として、以下に詳細に記述する。

【００６３】図８に示すような２元同時スパッタも可能
な高周波スパッタ装置において、ターゲット６１は１２
５ｍｍφのＳｉ₃Ｎ₄、ターゲット６２は同サイズのＡｌ
₂Ｏ₃を使用した。

【００６４】到達真空度は５×１０^-6ｔｏｒｒ以下、ス
パッタ電力は２００Ｗ〜１ＫＷ、スパッタガス圧は１〜
１０×１０^-3ｔｏｒｒ、スパッタガス種はＡｒを用い
た。

【００６５】半導体レーザデバイス６３を基板ホルダー
６４に設置して、基板ホルダー６４を矢印６５に示す方
向にゆっくり回転させながら、Ｓｉ₃Ｎ₄とＡｌ₂Ｏ₃の傾
斜組成膜を半導体レーザの端面に積層した。この時のＳ
ｉ₃Ｎ₄ターゲットとＡｌ₂Ｏ₃ターゲットへの投入スパッ
タ電力Ｐを変えることで、３種類の傾斜組成膜を積層し
た（本発明の第２の形態の実施例１〜３）。各傾斜組成
膜の平均屈折率ｎ、膜厚ｄ、反射率Ｒを表６に示す。ま
た、この傾斜組成膜をＸＰＳ（軟Ｘ線光電子分光法）に
より膜厚方向に分析した。測定した元素の測定軌道は、
Ｓｉ2p、Ａｌ2pである。上記本発明の第２の形態の実施
例１の測定結果を、横軸にレーザ端面からの距離、縦軸
にＳｉ2p、Ａｌ2pから換算したＳｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃の量
からのＳｉ₃Ｎ₄の組成化をとって、図９に示す。

【００６６】耐久性能は、半導体レーザの出力を２０ｍ
Ｗとし、７０°Ｃの環境下に３０００時間放置した時の
半導体レーザへの注入電流値の変化により評価した。上
記本発明の第１の形態の場合と同じに、注入電流値がほ
ぼ０に低下した場合と、注入電流値が初期値の２倍以上
必要になった場合を素子の故障とみなし、その故障数に
よって、○印：故障数、全品の１割以下、△印：故障
数、全品の３割以下、×印：故障数、全品の３割超とす
る。

【００６７】なお、比較例として半導体レーザデバイス
を隔壁板６６の上方の位置に設置して、基板ホルダーを
回転させないで積層したＳｉ₃Ｎ₄とＡｌ₂Ｏ₃の混合膜の
結果も表６に示す（比較例１）。ＸＰＳの測定結果は図
９に表す。

【００６８】

【表６】以上の結果、Ｓｉ₃Ｎ₄とＡｌ₂Ｏ₃との傾斜組成膜は、容
易に端面反射率０．１％以下を達成でき、かつ耐久性能
も上記混合膜より向上することがわかった。

【００６９】本発明の第２の形態の実施例１〜３におけ
るＳｉ₃Ｎ₄ターゲットの代わりにＡｌＮターゲットを用
いた以外、同様な手順で、ＡｌＮとＡｌ₂Ｏ₃の傾斜組成
膜を積層し、その結果を実施例４〜６として表７に示
す。比較例２は、比較例１と同様にして、ＡｌＮとＡｌ
₂Ｏ₃の混合膜である。

【００７０】

【表７】以上の結果、ＡｌＮとＡｌ₂Ｏ₃の傾斜組成膜は、容易に
端面反射率０．１％以下を達成でき、かつ耐久性能も上
記混合膜より向上することがわかった。

【００７１】更に、本発明の第２の形態の実施例１〜３
におけるＳｉ₃Ｎ₄ターゲットの代わりに、Ｓｉ₃Ｎ₄：Ａ
ｌＮ＝５０：５０の混合焼結体ターゲットＳｉ₃Ｎ₄−Ａ
ｌＮを用いた以外、同様な手順で、Ｓｉ₃Ｎ₄−ＡｌＮの
傾斜組成膜を積層し、その結果を実施例７〜９として表
８に示す。比較例３は、比較例１と同様にして、Ｓｉ₃
Ｎ₄−ＡｌＮとＡｌ₂Ｏ₃のの混合膜である。

【００７２】

【表８】以上の結果、Ｓｉ₃Ｎ₄とＡｌＮの混合材料と、Ａｌ₂Ｏ₃
との傾斜組成膜は、容易に端面反射率０．１％以下を達
成でき、かつ耐久性能も、上記混合膜（Ｓｉ₃Ｎ₄とＡｌ
ＮとＡｌ₂Ｏ₃）より向上することがわかった。

【００７３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体レーザ構造などの光半導体素子の端面に、特定の
材料及び組成からなる２層の光学膜材料を積層すること
により、水分や酸素による端面酸化を押さえられる。更
に、半導体レーザなどの素子と２層膜の熱膨張係数の違
いによる素子の劣化を押さえることにより、耐久性能を
向上させると共に、２層膜のそれぞれの膜厚、屈折率を
適宜選ぶことにより、端面反射率を０．１％以下にする
ことが可能になる。

【００７４】また、以上説明したように、本発明によれ
ば、半導体レーザ構造などの光半導体素子の端面に、特
定の材料の傾斜組成膜を積層することにより、酸素や水
分による端面酸化を押さえられる。更に、半導体レーザ
と傾斜組成膜の熱膨張係数の違いによる素子の劣化を押
さえることにより、耐久性能を向上させると共に、傾斜
組成膜の平均屈折率、膜厚を適宜選ぶことにより、端面
反射率を０．１％以下にすることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の形態の実施例である光学膜材料
を用いた半導体光増幅器の斜視図である。

【図２】図１の光学膜材料を用いる半導体レーザデバイ
スの横断面図である。

【図３】図１の光学膜材料を用いた半導体レーザデバイ
スの縦断面図である。

【図４】本発明の第２の形態の実施例である光学膜材料
を用いた半導体光増幅器の斜視図である。

【図５】図４の光学膜材料を用いる半導体レーザデバイ
スの縦断面図である。

【図６】図４の光学膜材料を用いた半導体レーザデバイ
スの横断面図である。

【図７】光通信システムにより波長多重化伝送を行う例
のブロック図である。

【図８】本発明の第２の形態の傾斜組成膜を積層する製
膜装置の簡略図である。

【図９】本発明の第２の形態の傾斜組成膜のＸＰＳによ
る測定例を示す図である。

【図１０】従来例を示す図である。

【符号の説明】

１、１０、１０１リッジ型半導体光増幅器２第１の薄膜３第２の薄膜４、１０４入力光５、１０５増幅光波１１送信部１２受信部１３合波器１４分波器１５伝送光ファイバ２１、１２１基板２２、２４、１２２、１２４クラッド層２３、１２３活性層２５、１２５キャップ層２７、２８、１２７、１２８電極６１、６２ターゲット６３半導体素子６４ホルダー基板６５半導体素子の移動方向６６隔壁板１０２、１０３傾斜組成膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】端面に光学膜を施した光半導体素子にお
いて、該光学膜は、２層の誘電体薄膜の組み合わせから
なり、該光半導体素子端面側の第１の薄膜は、窒化アル
ミニウム、窒化シリコンから選ばれる少なくとも１種の
材料からなり、該第１の薄膜上に形成される第２の薄膜
は、酸化アルミニウムの材料からなることを特徴とする
光半導体素子。
【請求項２】入出力端面に無反射コーティングをなす
光学膜を施した半導体レーザ構造を有する半導体光増幅
器であることを特徴とする請求項１記載の光半導体素
子。
【請求項３】前記第１の薄膜は、窒化アルミニウム、
窒化シリコンから選ばれる少なくとも１種の材料と酸化
アルミニウムとの混合材料からなる膜であり、第２の薄
膜は、酸化アルミニウムの材料からなる膜であることを
特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
【請求項４】前記第１の薄膜の屈折率は、１．９０よ
り大きく、かつ酸化アルミニウム量が４０ｍｏｌ％以下
であることを特徴とする請求項３記載の光半導体素子。
【請求項５】端面に光学膜を施した光半導体素子にお
いて、該光学膜は、窒化アルミニウム、窒化シリコンか
ら選ばれる少なくとも１種の材料と、酸化アルミニウム
の材料との膜からなり、該窒化アルミニウム、窒化シリ
コンから選ばれる少なくとも１種の材料の組成濃度は、
光半導体素子端面側が大きく、膜厚方向に徐々に組成濃
度が減少し、かつ酸化アルミニウムの組成濃度は、光半
導体素子端面側が小さく、膜厚方向に徐々に組成濃度が
増加していることを特徴とする光半導体素子。
【請求項６】入出力端面に反射防止の光学膜を施した
半導体レーザ構造を有する半導体光増幅器であり、前記
光学膜が傾斜組成の膜であることを特徴とする請求項５
記載の光半導体素子。
【請求項７】前記傾斜組成の膜の平均屈折率ｎは、
１．８０≦ｎ≦１．９０の範囲であることを特徴とする
請求項５記載の光半導体素子。