JPH07326823A

JPH07326823A - 光半導体素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH07326823A
Application number: JP13947094A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Kishi; 博義岸
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-05-30
Filing date: 1994-05-30
Publication date: 1995-12-12

Abstract

(57)【要約】【目的】ＴＥ波、ＴＭ波共に低反射率にでき、更に端面
を保護する性能の高い光学膜を端面に持つ光半導体素子
及びその製造方法である。【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２は窒化シリコン（ＳｉＮ_x）
からなり、第２の薄膜３は、典型的にはＳｉＯ₂である
酸化シリコンからなる。

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
光増幅器等であり、端面に、保護性能を有しかつ反射防
止効果を持つ光学膜を持つ光半導体素子及びその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体光増幅器は、図９に示す様
に、基板１００上に形成された上下クラッド層１０５、
１０６に挟まれた活性層１０２を含む半導体レーザ構造
１０１を有し、そのへき開端面に反射防止（ＡＲ）コー
ティング１０３ａ、１０３ｂを施すことによって、電流
１０４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。こうして反射率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。

【０００４】ＡＲコーティング１０３ａ、１０３ｂの形
成手段としては、通常、へき開端面に、所望の屈折率ｎ
を有する誘電体膜をλ／４・ｎ（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、素子に用いる
半導体材料、導波路構造で異なるが、ＩｎＰ／ＩｎＧａ
ＡｓＰ系のレーザにおいては、最適屈折率の値はおおよ
そｎ≒１．８１である。

【０００５】ところで、半導体光増幅器では、入力波に
ＴＥ波とＴＭ波の２つの偏波状態が存在し、夫々ゲイン
が異なるのが一般的である。これらの半導体光増幅器の
入出力には、、通常、単一モードの光ファイバーが用い
られるが、光ファイバーへの圧力、温度、振動等による
応力の変化により伝送光の偏波状態が経時的に変化す
る。そのため、光ファイバーからの出力光を受けた半導
体光増幅器のゲインも不安定になる。その対策には、半
導体光増幅器の端面反射率を、ＴＥ波、ＴＭ波共に低減
する事が必要となる。

【０００６】しかし、上記反射防止膜として単層膜を用
いた場合、最適屈折率（１．８１）においては、ＴＥ
波、ＴＭ波共に０．０１％程度の反射率が期待出来る
が、僅か０．１の屈折率変動でも、そのＴＥ波、ＴＭ波
の反射率間の比が１００倍以上に拡大してしまい、製膜
上の屈折率制御が困難になる。

【０００７】そこで、膜の屈折率変動に対して比較的許
容度が広い、高屈折率の材料と低屈折率の材料を組み合
わせた２層以上の膜構成にした反射防止膜も考えられ
る。この例の場合、高屈折率材料の屈折率は２．２０〜
２．６５、低屈折率材料の屈折率は１．２５〜１．４８
の範囲での各々の屈折率とその膜厚との組み合わせにお
いて、ＴＥ波、ＴＭ波共に、低屈折率（０．１％以下）
を達成する事が可能となる。その具体的な材料を挙げれ
ば、高屈折率材料としてはＴｉＯ₂、ＣｅＯ₂、ＺｎＳ等
があり、低屈折率材料としてはＭｇＦ₂、ＣａＦ₂、Ｌｉ
Ｆ等が知られている。

【０００８】

【発明が解決しようとしている課題】しかし、反射防止
効果だけでなく、環境雰囲気からの酸素や水分から半導
体レーザ構造端面を保護する性能が高いか否かという点
に関しては、上記材料群では必ずしも充分とは言えな
い。例えば、半導体レーザ構造端面に接する第１の薄膜
がＴｉＯ₂、ＣｅＯ₂等の酸化物である場合は、酸化物か
らの遊離酸素による端面への影響があり、第２の薄膜が
フッ化物の場合は吸湿性等の問題が生じる。また、２層
以上の多層膜構成の場合、製膜に用いる材料種も必然的
に多くなるし、材料によっては製膜方法、製膜装置も異
なる場合もある。そのため、製膜装置の大型化、ひいて
はコストアップにつながる。

【０００９】よって、本発明の目的は、上記課題を解決
した、端面に光学膜を持つ光半導体素子及びその製造方
法を提供することにある。また、光半導体素子端面に積
層する光学膜の簡便な製造方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明において
は、半導体光増幅器等の光半導体素子端面に積層された
光学膜が、ＴＥ波、ＴＭ波共に０．１％以下の低反射率
を有し、しかも製膜上の屈折率変動の許容量も大きい２
層膜構成の反射防止膜であり、かつ環境雰囲気から光半
導体素子端面を保護する膜として高耐久性を要求する課
題をも解決する膜である。更に、簡便な製膜製造方法に
より製膜上のコストも低減出来る。

【００１１】詳細には、端面に反射防止などの光学膜を
施した半導体レーザ構造を有する半導体光増幅器などの
本発明の光半導体素子においては、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、屈折率が２．５０〜２．６５である
窒化シリコン（ＳｉＮ_x）からなり、第２の薄膜はＳｉ
Ｏ₂からなることを特徴とする。前記第１の薄膜は、典
型的には、１２／１１≦ｘ≦６／５であるＳｉＮ_xから
なる。

【００１２】また、端面に反射防止などの光学膜を施し
た半導体レーザ構造を有する半導体光増幅器などの本発
明の光半導体素子においては、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、シリコンをターゲットとし窒素を含むガ
スをスパッタガスとして製膜した窒化シリコン（ＳｉＮ
_x）からなり、第２の薄膜はシリコンをターゲットとし
酸素を含むガスをスパッタガスとして製膜した酸化シリ
コン（ＳｉＯ_y）からなることを特徴とする。典型的に
は、前記第１の薄膜は、１２／１１≦ｘ≦６／５である
ＳｉＮ_xからなり、前記第２の薄膜は、９／５≦ｙ≦２
であるＳｉＯ_yからなる。

【００１３】また、端面に反射防止などの光学膜を施し
た半導体レーザ構造を有する半導体光増幅器などの光半
導体素子の本発明の製造方法においては、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の薄膜の窒化シリコン（ＳｉＮ_x）は、
シリコンをターゲットとし窒素を含むガスをスパッタガ
スとして製膜され、第２の薄膜の酸化シリコン（ＳｉＯ
_y）はシリコンをターゲットとし酸素を含むガスをスパ
ッタガスとして製膜されることを特徴とする。

【００１４】更に、端面に光学膜を施した本発明の光半
導体素子においては、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、シリコンをターゲットとし窒素の混合比を徐々に
変えたガスをスパッタガスとして製膜され、該端面側は
Ｓｉ₃Ｎ₄で膜厚方向に徐々にＳｉの原子比が増加したＳ
ｉＮ_xからなる傾斜組成膜であり、第２の薄膜はシリコ
ンをターゲットとし酸素を含むガスをスパッタガスとし
て製膜された酸化シリコン（ＳｉＯ_y）からなることを
特徴とする。典型的には、前記第１の薄膜は、屈折率ｎ
₁が２．５０≦ｎ₁≦２．６５で、０．３≦ｘ＜１．４で
あるＳｉＮ_xからなり、前記第２の薄膜は、屈折率ｎ₂が
１．４６≦ｎ₂≦１．４８で、１．８≦ｙ≦２．０であ
るＳｉＯ_yからなる。

【００１５】また、端面に光学膜を施した光半導体素子
の本発明の製造方法においては、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の薄膜であり、該端面側はＳｉ₃Ｎ₄で膜厚方向に
徐々にＳｉの原子比が増加したＳｉＮ_xからなる傾斜組
成膜は、シリコンをターゲットとし窒素の混合比を徐々
に変えたガスをスパッタガスとして製膜され、第２の薄
膜の酸化シリコン（ＳｉＯ_y）はシリコンをターゲット
とし酸素を含むガスをスパッタガスとして製膜されるこ
とを特徴とする。

【００１６】

【実施例１】まず、本発明の光学膜材料を用いた半導体
光増幅器の実施例１を斜視図である図１で説明する。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。

【００１７】図２において、２１はｎ型ＩｎＰ基板、２
２はｎ型ＩｎＰバッファ層、２３は１．５５μｍ組成の
アンドープＩｎＧａＡｓＰ活性層、２４はｐ型ＩｎＰク
ラッド層、２５はｐ型ＩｎＧａＡｓＰキャップ層であ
る。これらのエピタキシャル膜は有機金属熱分解（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、活性層２３までの深さ０．３〜０．
４μｍのリッジ部を形成する。更に、Ｓｉ₃Ｎ₄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、上面及び下面に電極２７、２８の形成
を行う。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、へき開端面に本実
施例の光学膜材料構成によるコーティング処理が行われ
る。

【００１８】コーティングの層構成を示す図３におい
て、２、３は、本実施例の２層の光学膜である。半導体
レーザ構造端面側の第１の薄膜２は、屈折率が２．５０
〜２．６５である窒化シリコン（ＳｉＮ_x）からなり、
ＳｉとＮの組成比を示す範囲としては、１２／１１≦ｘ
≦６／５である。このことにより、屈折率が高い光学膜
となるだけでなく、非酸化物で且つ緻密な膜となること
から、環境雰囲気からの酸素や水分から半導体レーザ構
造端面を保護する性能が高い保護膜となる。

【００１９】第２の薄膜３はＳｉＯ₂であり、低屈折率
材料群の中では、吸湿性のない、また化学的に安定な材
料である。上記第１の薄膜２と第２の薄膜３の組み合わ
せにより、ＴＥ波、ＴＭ波共に端面反射率を０．１％以
下にすることができ、更に半導体レーザ構造端面の保護
性能も確保できる。

【００２０】各材料の半導体レーザ素子端面への製膜
は、スパッタ法、ＣＶＤ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。本実施例の高屈折率２．５
０〜２．６５の窒化シリコン膜は化学量論的に安定なＳ
ｉ₃Ｎ₄を含む膜である。その窒化シリコンをＳｉＮ_xで
表すと、ｘの範囲として１２／１１≦ｘ≦６／５となる
材料は、例えば、ＳｉターゲットとＳｉ₃Ｎ₄ターゲット
との２元同時スパッタ法により組成制御する方法、Ｓｉ
ターゲット上にＳｉ₃Ｎ₄の微小チップを載せて、或はＳ
ｉ₃Ｎ₄ターゲット上にＳｉの微小チップを載せてスパッ
タ法により組成制御する方法、粒状のＳｉとＳｉ₃Ｎ₄の
混合物を用いた電子ビーム蒸着法で組成制御する方法等
で得られ、主として、ＳｉとＳｉ₃Ｎ₄が適当量混在した
膜となる。上記ＳｉＮ_xの屈折率は、可視域から１．５
５μｍまでの赤外域における任意の波長を用いて屈折率
測定した値である。

【００２１】こうして、半導体レーザ構造端面に高屈折
率のＳｉＮ_x膜２と低屈折率のＳｉＯ₂膜３の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、ＴＥ波、ＴＭ波共に反射率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、外部からレンズある
いは光ファイバによって光波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。この様にして、内部ゲイン２０〜３０ｄＢを達
成している。

【００２２】

【実施例２】本発明の光学膜材料を用いた半導体光増幅
器の実施例２も図１〜図３で説明する。実施例１と同様
に作成されたチップのへき開端面に本実施例の光学膜材
料構成によるコーティング処理が行われることは、実施
例１と同じである。

【００２３】コーティングの層構成を示す図３におい
て、２、３は、本実施例の２層の光学膜であり、半導体
レーザ構造端面側の第１の薄膜２は、窒化シリコン（Ｓ
ｉＮ_x）からなり、第２の薄膜３は酸化シリコン（Ｓｉ
Ｏ_y）からなる。

【００２４】上記窒化シリコン膜、酸化シリコン膜の半
導体レーザ素子端面への製膜は、ＲＦ（高周波）やＤＣ
（直流）スパッタ法、プラズマＣＶＤ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が、本実施例に
おいては、製膜に伴うコストを低減し且つ簡便な製造方
法を提供する。即ち、シリコン（Ｓｉ）をターゲットと
し、窒素（Ｎ₂）を含むガスをスパッタガスとした反応
性スパッタ法により所定膜厚の窒化シリコン（Ｓｉ
Ｎ_x）２を製膜した後、続けて同じシリコン（Ｓｉ）タ
ーゲットを用いて、スパッタガスを酸素（Ｏ₂）を含む
ガスに切り替える事により、同様に、酸化シリコン（Ｓ
ｉＯ_y）３を製膜する。

【００２５】この製造法により、同じターゲットを用い
てスパッタガスのみを変更する事により半導体レーザ素
子端面へ窒化シリコン、酸化シリコンの２層の製膜が可
能となる。そのため、製膜装置を大型化する必要もな
く、製造コストの低減につながる。

【００２６】製膜するときのスパッタ条件は、ＲＦ、Ｄ
Ｃの違いやチャンバーの大きさ、半導体レーザ素子とタ
ーゲット間の距離、排気ポンプの種類、排気特性、流量
ガスの種類、配管状況等によって、一概に決定出来な
い。けれども、窒化シリコンの場合、総じて、スパッタ
電力は任意、スパッタガスはアルゴン（Ａｒ）、クリプ
トン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）等の不活性ガス、或は
それらの混合ガスと窒素ガス（Ｎ₂）を混合させたもの
で、ガス比はＮ₂：Ｎ₂以外のガスの比が１：９〜１：２
が望ましい。スパッタガス圧は１〜１０×１０^−３ｔｏ
ｒｒが望ましい。酸化シリコンの場合、総じて、スパッ
タ電力は任意、スパッタガスはアルゴン（Ａｒ）、クリ
プトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）等の不活性ガス、或
はそれらの混合ガスと酸素ガス（Ｏ₂）を混合させたも
ので、ガス比はＯ₂：Ｏ₂以外のガスの比が１：２〜２：
１が望ましい。スパッタガス圧は１〜１０×１０^−３ｔ
ｏｒｒが望ましい。

【００２７】こうして製膜された窒化シリコン膜（Ｓｉ
Ｎ_x）２は化学量論的に安定なＳｉ₃Ｎ₄を含む膜であ
り、その特徴は実施例１で説明した通りである。

【００２８】酸化シリコン膜（ＳｉＯ_y）は化学量論的
に安定なＳｉＯ₂を含む膜であり、主としてＳｉとＯの
組成比を示すｙの範囲としては９／５≦ｙ≦２であるこ
とにより、緻密な低屈折率の光学膜となる。こうして、
上記窒化シリコン膜（ＳｉＮ_x）２と酸化シリコン膜
（ＳｉＯ_y）３の２層の組み合わせにより、ＴＥ波、Ｔ
Ｍ波共に端面反射率を０．１％以下にすることができ、
更に半導体レーザ素子端面の保護性能も確保できる。

【００２９】こうして、実施例２の半導体光増幅器で
も、ゲインリップルの測定により、ＴＥ波、ＴＭ波共に
反射率０．１％以下を実現でき、内部ゲイン２０〜３０
ｄＢを達成している。

【００３０】

【実施例３】本発明の光学膜材料を用いた半導体光増幅
器の実施例３も図１〜図３で説明する。実施例１、２と
同様に作成されたへき開端面に本実施例の光学膜材料構
成によるコーティング処理が行われることは、実施例
１、２と同じである。

【００３１】コーティングの層構成を示す図３におい
て、２、３は、本実施例の２層の光学膜である。半導体
レーザ端面側の第１の薄膜２はＳｉＮ_xと表せる傾斜組
成膜である。傾斜組成膜２の半導体レーザ構造端面側の
組成はＳｉ₃Ｎ₄（即ち、ｘ＝４／３）であり、傾斜組成
膜２の膜厚方向に徐々にＳｉの原子比が増加している。

【００３２】本実施例の傾斜組成膜２の材料構成や構造
には、以下の特徴がある。（１）Ｓｉ₃Ｎ₄は非酸化物であり、且つ緻密な膜となる
ことから、環境雰囲気からの酸素や水分から半導体レー
ザ構造端面を保護する性能が高く、そのため端面に近い
方はＳｉ₃Ｎ₄で積層する方が、より信頼性が上がる。（２）ＳｉＮ_xは、化学量論的に不確定な組成比である
が、組成的に安定なＳｉ₃Ｎ₄より多くのＳｉを含むこと
により、屈折率を高くできる。

【００３３】傾斜組成膜２に続いて、第２の薄膜３が積
層される。第２の薄膜３はＳｉＯ_yであり、低屈折率材
料群の中では、吸湿性のない、また化学的に安定なＳｉ
Ｏ₂が大部分であり、若干の非化学量論的な酸化シリコ
ンを含む材料である。そして、上記第１の薄膜２と第２
の薄膜３の組み合わせにおいて、傾斜組成膜である第１
の薄膜（ＳｉＮ_x）２の原子比ｘの範囲を０．３≦ｘ＜
１．４、第２の薄膜（ＳｉＯ_y）３の原子比ｙの範囲を
１．８≦ｙ≦２．０となるように製膜することにより、
第１の薄膜２の平均屈折率ｎ₁が２．５０≦ｎ₁≦２．６
５の範囲に設定でき、第２の薄膜３は１．４６〜１．４
８の屈折率が得られる。これで、ＴＥ波、ＴＭ波共に端
面反射率を０．１％以下にすることができ、更に半導体
レーザ構造端面の保護性能も確保できる。

【００３４】次に、本実施例の光学膜材料のスパッタ法
による製造法について説明する。本実施例において、通
常のスパッタ装置に、ガス流量コントローラ等のガス制
御装置付きの３本のガス配管を設置すれば、Ｓｉターゲ
ットのみで上記光学膜材料を光半導体素子端面に製膜で
きる。

【００３５】傾斜組成膜２の製膜法について述べる。図
４は、スパッタ装置を用いた製膜装置を簡略的に示す図
である。６１はＳｉターゲット、６２、６３、６４はＡ
ｒ、Ｎ₂、Ｏ₂のガスで、夫々ガス流量コントローラ（図
示せず）で制御可能である。６５は端面に光学膜を積層
すべき光半導体素子、６６は光半導体素子６５のホルダ
ー基板である。

【００３６】先ず、Ａｒガス６２とＮ₂ガス６３をスパ
ッタ装置内に導入し、光半導体素子６５の端面にＳｉ₃
Ｎ₄を製膜する。Ｓｉターゲット６１を使用しＡｒとＮ₂
混合ガス６２、６３による反応性スパッタリング法での
Ｓｉ₃Ｎ₄の製膜条件は、スパッタ装置の形状、排気特
性、到達真空度、スパッタ電力、スパッタガス圧等によ
って異なるので、一概に決定出来ないが、Ａｒ：Ｎ₂＝
２０：１〜１：２、スパッタガス圧１〜１０×１０^−３
ｔｏｒｒ、スパッタ電力１００Ｗ〜１ｋＷ、到達真空度
５×１０^−６ｔｏｒｒ以下が目安となる。

【００３７】こうして、Ｓｉ₃Ｎ₄膜を製膜する条件を見
いだしたら、次にスパッタガス圧を一定に保ちつつ、Ａ
ｒガス６２とＮ₂ガス６３のガス流量コントローラによ
り順次Ａｒガス圧を高くＮ₂ガス圧を低くしてスパッタ
を行うと、膜厚方向に徐々にＳｉの原子比が増加したＳ
ｉＮ_xからなる傾斜組成膜２が製膜できる。また、スパ
ッタガス圧を一定にしないでＡｒガス圧６２は一定にし
てＮ₂ガス６３を徐々に低くしていく方法（スパッタガ
ス圧は徐々に低くなる）やＮ₂ガス圧を一定にしてＡｒ
ガス圧を徐々に高くしていく方法（スパッタガス圧は徐
々に高くなる）もあるが、一般にスパッタリング中にス
パッタガス圧を変動させると放電が不安定になり易いの
でスパッタガス圧一定でＡｒとＮ₂ガス６２、６３の混
合比を変える方法が望ましい。

【００３８】上記ＳｉＮ_xからなる傾斜組成膜２の平均
屈折率ｎ₁を２．５０≦ｎ₁≦２．６５の範囲になる様に
設定する為には、ＳｉＮ_xの原子比ｘの範囲は０．３≦
ｘ＜１．４となる。

【００３９】次に、同じＳｉターゲット６１を用いて、
使用するガスをＡｒガス６２とＯ₂ガス６４に切り換え
る事で、ＳｉＯ_y膜３を傾斜組成膜（ＳｉＮ_x）２に続い
て積層できる。ＳｉＯ_y膜３は原子比ｙの範囲が１．８
≦ｙ≦２．０で、その屈折率ｎ₂は１．４６≦ｎ₂≦１．
４８であることが必要である。ＳｉＯ_y膜３のスパッタ
条件は、Ａｒ：Ｏ₂＝２：１〜１：２の条件以外は、上
記Ｓｉ₃Ｎ₄膜のスパッタ条件の目安と同じである。

【００４０】以上述べた本実施例によるＳｉＮ_x傾斜組
成膜２とＳｉＯ_y膜３の光学膜の製造方法は以下の特徴
を持つ。（１）１種類のＳｉターゲットのみで２層の光学膜が積
層出来る。（２）ガスの混合比を変えるだけで傾斜組成膜が製膜で
きる。

【００４１】従来、傾斜組成膜を製膜する場合は、図５
に概略的に示すような同時に多元スパッタが可能な装置
を使用する。そして、複数のターゲット（７１１、７１
２・・・）、複数のスパッタ電源（７２１、７２２・・
・）を設置し、同時スパッタ状態で基板ホルダー７３０
上の製膜すべき素子７４０を、例えば、移動可能なよう
にする機構７５０を設置することを必要とする。その結
果、従来の光学膜の製造方法は、スパッタ装置の大型
化、高価格化が懸念されたが、本実施例の製造方法は、
スパッタ装置の小型化、ターゲット数の減少等により製
造コストの低減が見込まれる。

【００４２】こうして、半導体レーザ構造端面に高屈折
率のＳｉＮ_xからなる傾斜組成膜２と低屈折率のＳｉＯ_y
膜３の２層膜を形成した本実施例の半導体光増幅器で
も、ゲインリップルの測定により、ＴＥ波、ＴＭ波共に
端面反射率０．１％以下を実現でき、内部ゲイン２０〜
３０ｄＢを達成している。

【００４３】

【実施例４】図６は上記各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はそれぞれ合波・分波
器、１５は伝送光ファイバである。こうした構成によ
り、例えば波長１５５０ｎｍおよび１５４０ｎｍ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。

【００４４】以上述べたように、光通信システムなどに
用いられる光信号を、直接、増幅するための高帯域半導
体光増幅器が得られるが、その入出力端面の保護膜兼反
射防止膜の２層膜を、実例を挙げて、以下に詳細に記述
する。

【００４５】

【実例１−４】これらは実施例１の実例である。図７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８１は１２５ｍｍφのＳｉ_３Ｎ
_４上にＳｉ片を載せた複合ターゲット、ターゲット８２
は同サイズのＳｉＯ₂を使用した。到達真空度は５×１
０^−６ｔｏｒｒ以下、スパッタ電力は１００Ｗ〜１ｋ
Ｗ、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。

【００４６】半導体レーザデバイス８３を基板ホルダー
８４に設置して、まずターゲットのＳｉ_３Ｎ_４上にＳｉ
片をＳｉ_３Ｎ_４の占有面積の約４割に相当するまで並べ
て載せ複合ターゲット８１とした。そして、５００Ｗの
投入電力でスパッタして、半導体レーザデバイス８３の
端面にＳｉＮ_xを１６００Åの厚さに製膜した。次に、
ターゲット８２のＳｉＯ₂に４００Ｗの投入電力でスパ
ッタして、屈折率１．４５のＳｉＯ₂を２９１０Å製膜
した。更に、同様な手順で半導体レーザデバイス８３の
両端面に上記２層膜を積層して、ＴＥ波、ＴＭ波の反射
率Ｒ_TE、Ｒ_TMを測定した。尚、ＳｉＮ_x単層の屈折率ｎ₁
はあらかじめ同一条件で製膜して、波長６３３ｎｍで測
定した。また、ＳｉＮ_x膜のＳｉとＮの組成比は、ＸＰ
Ｓ分析において、化学結合状態が変化して生じるケミカ
ルシフトを考慮した全ての測定軌道Ｓｉ_2pとＮ_1sから、
ＳｉＮ_x膜の膜厚方向の組成比の平均を、直近の整数比
で表した。

【００４７】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５０００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
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５％以下、
△印：故障数、全品の５％超と表し、以上の結果を実例
１として表１に示す。

【００４８】更に、同様な手順で種々の組成比のＳｉＮ
_x膜（屈折率ｎ₁、膜厚ｄ₁）とＳｉＯ₂膜（膜厚ｄ₂）を
積層した半導体レーザデバイスの端面反射率（Ｒ_TE、Ｒ
_TM）、耐久性の結果を、実例２〜４、比較例１、２とし
て表１に合わせて示す。

【００４９】

【表１】以上の結果、第１層２の屈折率が高い場合は、相対的に
Ｓｉの含有量が多くなり、耐久性能は他に比べて劣る傾
向にある。一方、屈折率が低い場合は、あまり反射率が
低くならず、反射防止効果が薄い。そこで、第１層２と
して屈折率２．５０〜２．６５のＳｉＮ_x、第２層３と
してＳｉＯ₂からなる２層膜反射防止膜を積層した半導
体レーザを有する半導体光増幅器は、端面反射率がＴＥ
波、ＴＭ波共、０．１％以下を達成でき、かつ耐久性能
も良好であることがわかった。

【００５０】

【実例５−８】これらは実施例２の実例である。図４に
示すような高周波スパッタ装置において、ターゲット６
１は１２５ｍｍφの多結晶シリコン（Ｓｉ）を使用し
た。到達真空度は５×１０^−６ｔｏｒｒ以下、スパッタ
電力は１００Ｗ〜１ｋＷ、スパッタガス圧は１〜１０×
１０^−３ｔｏｒｒ、スパッタガス種はアルゴン（Ａｒ）
６２と窒素（Ｎ₂）６３の混合ガス、そしてアルゴン
（Ａｒ）６２と酸素（Ｏ₂）６４の混合ガスを用いた。
それらのガス比は、Ｎ₂：Ａｒの場合は１：９〜１：
２、Ｏ₂：Ａｒの場合は１：２〜２：１である。

【００５１】半導体レーザデバイス６５を基板ホルダー
６６に設置して、まずＮ₂：Ａｒ＝１：４の混合ガスを
５×１０^−３ｔｏｒｒになるようにスパッタ装置内に導
入し、、５００Ｗの投入電力でスパッタして、半導体レ
ーザデバイス６５の端面にＳｉＮ_x２を１５２０Åの厚
さに製膜した。次に、同じＳｉターゲット６１を用いて
スパッタガスをＯ₂：Ａｒ＝１：２の混合ガスにして５
×１０^−３ｔｏｒｒになるようにスパッタ装置内に導入
し、４００Ｗの投入電力でスパッタして、ＳｉＯ_y３を
２７００Å製膜した。そして、同様な手順で半導体レー
ザデバイス６５の両端面に上記２層膜を積層して、ＴＥ
波、ＴＭ波の反射率Ｒ_TE、Ｒ_TMを測定した。尚、ＳｉＮ
_x単層、ＳｉＯ_y単層の屈折率ｎ₁、ｎ₂はあらかじめ同一
条件で製膜して、波長６３３ｎｍで測定した。また、Ｓ
ｉＮ_x膜のＳｉとＮの組成比及びＳｉＯ_y膜のＳｉとＯの
組成比は、夫々ＸＰＳ分析において化学結合状態が変化
して生じるケミカルシフトを考慮した全ての測定軌道Ｓ
ｉ_2pとＮ_1s及びＳｉ_2pとＯ_1sから、ＳｉＮ_x膜及びＳｉ
Ｏ_y膜の膜厚方向の組成比の平均を、直近の整数比で表
した。

【００５２】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５０００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
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５％以下、
△印：故障数、全品の５％超と表し、以上の結果を実例
５として表２に示す。

【００５３】更に、同様な手順、種々の組成比のＳｉＮ
_x膜（屈折率ｎ₁、膜厚ｄ₁）とＳｉＯ_y膜（屈折率ｎ₂、
膜厚ｄ₂）を積層した半導体レーザデバイスの端面反射
率（Ｒ_TE、Ｒ_TM）、耐久性の結果を、実例６〜８、比較
例３、４として表２に合わせて示す。

【００５４】

【表２】以上の結果、第１層（ＳｉＮ_x）２の屈折率が高い場合
は、相対的にＳｉの含有量が多くなり、耐久性能は他に
比べて劣る傾向にある。一方、屈折率が低い場合は、あ
まり反射率が低くならず、反射防止効果が薄い。そこ
で、第１層２としてアルゴン（Ａｒ）６２と窒素
（Ｎ₂）６３の混合ガスをスパッタガスとして製膜した
屈折率２．５０〜２．６５のＳｉＮ_x膜（１２／１１≦
ｘ≦６／５）、第２層３としてアルゴン（Ａｒ）６２と
酸素（Ｏ₂）６４の混合ガスをスパッタガスとして製膜
したＳｉＯ_y膜（９／５≦ｙ≦２）からなる２層膜反射
防止膜を積層した半導体レーザ構造を有する半導体光増
幅器は、端面反射率がＴＥ波、ＴＭ波共、０．１％以下
を達成でき、かつ耐久性能も良好であることがわかっ
た。更に、ＳｉＮ_x膜２、ＳｉＯ_y膜３共、Ｓｉターゲッ
トを利用してスパッタガス種を変えるだけで製膜できる
こともわかった。

【００５５】

【実例９−１３】これらは実施例３の実例である。図４
に示すような高周波スパッタ装置において、ターゲット
６１は１２５ｍｍφの多結晶シリコン（Ｓｉ）を使用し
た。到達真空度は５×１０^−６ｔｏｒｒ以下、スパッタ
電力は４００Ｗ、スパッタガス圧は５×１０^−３ｔｏｒ
ｒに設定し、アルゴン（Ａｒ）ガス圧４×１０^−３ｔｏ
ｒｒ、Ｎ₂ガス圧１×１０^−３ｔｏｒｒの混合ガスを導
入してスパッタを開始し、、半導体レーザ構造デバイス
６５の端面にＳｉ₃Ｎ₄膜を製膜した。次いで、スパッタ
ガス圧５×１０^−３ｔｏｒｒは一定に保ちつつ、徐々に
アルゴン（Ａｒ）ガス圧を高くＮ₂ガス圧を低くして、
最終的にアルゴン（Ａｒ）ガス圧４．８×１０^−３ｔｏ
ｒｒ、Ｎ₂ガス圧２×１０^−４ｔｏｒｒのガス圧比に制
御して、屈折率２．６１、膜厚１５７０Åの傾斜組成膜
２を半導体レーザ構造素子６５の端面に製膜した。

【００５６】こうして製膜した傾斜組成膜を別のサンプ
ルでＸＰＳにより膜厚方向に分析した。測定した元素の
測定軌道は、Ｓｉ_2p、Ｎ_1sである。実例９の測定結果
を、横軸にレーザ端面からの距離、縦軸にＳｉとＮの原
子比ｘ（ＳｉＮ_x）で図８に表す。ただし、Ｓｉ、Ｎ量
は化学結合状態が変化して生じるケミカルシフトを考慮
した全てのＳｉ_2p、Ｎ_1sから換算した組成で計算した。
この結果、半導体レーザ端面側はｘ≒１．３、即ち、Ｓ
ｉ₃Ｎ₄膜であり、膜厚方向に徐々にＳｉの原子比が増加
して、膜の表面側はｘ＝０．５の組成であった。

【００５７】次に、Ｎ₂ガスの導入を止め、Ｏ₂ガスとＡ
ｒガスによるスパッタを開始した。スパッタ電力５００
Ｗ、Ａｒガス圧４×１０^−３ｔｏｒｒ、Ｏ₂ガス圧２×
１０^−３ｔｏｒｒの条件で、ＳｉＯ_y膜３を傾斜組成膜
（ＳｉＮ_x）２に続けて積層した。ＳｉＯ_y膜３は膜厚２
７００Å、屈折率１．４８であった。

【００５８】そして、同様な手順で半導体レーザデバイ
スの両端面に上記２層膜を積層して、波長１．５５μｍ
でのＴＥ波、ＴＭ波の反射率Ｒ_TE、Ｒ_TMを測定した。そ
の結果、Ｒ_TE＝０．０４％、Ｒ_TM＝０．０６％で共に
０．１％以下であった。

【００５９】耐久性能は、半導体レーザの出力を２０ｍ
Ｗとし、８０°Ｃの環境下に６０００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
値の２倍以上必要になった場合を素子の故障とみなし、
その故障率は２％であった。

【００６０】更に、同様な手順で、種々の光学膜を積層
し、その条件、評価結果を表３に示す。尚、ＳｉＮ_x、
ＳｉＯ_yの膜厚はｄ₁、ｄ₂、屈折率はｎ₁、ｎ₂、また耐
久性の結果は、○印：故障数、全品の５％以下、△印：
故障数、全品の５％超を表す。

【００６１】

【表３】尚、ｘの値は実例９〜１３、比較例５、７の場合、０．
３≦ｘ＜１．４の範囲であったが、比較例６のｘの下限
は０．３未満であった。

【００６２】以上の結果、半導体レーザ構造素子端面の
光学膜の第１層である傾斜組成膜（ＳｉＮ_x）２の屈折
率が高い場合は、相対的にＳｉの含有量が多くなり、耐
久性能は他に比べて劣る傾向にある。一方、屈折率が低
い場合は、あまり反射率が低くならず、反射防止効果が
薄い。

【００６３】そこで、第１層２としてＳｉ₃Ｎ₄から始ま
り膜厚方向に徐々にＳｉの原子比が増加した屈折率２．
５０〜２．６５のＳｉＮ_x（０．３≦ｘ＜１．４）と表
せる傾斜組成膜、第２層３として屈折率１．４６〜１．
４８のＳｉＯ_y膜（１．８≦ｙ≦２．０）からなる２層
膜反射防止膜を積層した半導体レーザ構造を有する半導
体光増幅器は、端面反射率がＴＥ波、ＴＭ波共、０．１
％以下を達成でき、かつ耐久性能も良好であることがわ
かった。

【００６４】

【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、第１層
として特定の屈折率、組成のＳｉＮ_x、第２層としてＳ
ｉＯ₂の２層膜の反射防止などの光学膜材料を積層する
ことにより、伝送光の偏波状態に左右されない様にＴＥ
波、ＴＭ波共に低反射率にする事が、比較的製膜上の許
容度を大きくして可能となる。更に素子の耐久性をも満
足させることが出来る。

【００６５】また、第１層として特定の屈折率、組成の
ＳｉＮ_x、第２層として特定の組成のＳｉＯ_y膜の２層膜
の製造法と、それにより積層した２層の反射防止などの
光学膜により、製造上のコストを低減し、伝送光の偏波
状態に左右されない様にＴＥ波、ＴＭ波共に低反射率に
する事が、比較的製膜上の許容度を大きくして可能とな
る。更に素子の耐久性をも満足させることが出来る。

【００６６】更に、光半導体素子端面側の第１の薄膜
は、シリコンをターゲットとし窒素の混合比を徐々に変
えたガスをスパッタガスとして積層され、該端面側はＳ
ｉ₃Ｎ₄で膜厚方向に徐々にＳｉの原子比が増加した窒化
シリコン（ＳｉＮ_x）からなる傾斜組成膜、第１の薄膜
上に形成される第２の薄膜はシリコンをターゲットとし
酸素を含むガスをスパッタガスとして製膜した酸化シリ
コン（ＳｉＯ_y）からなる２層の反射防止などの光学膜
を積層する事により、伝送光の偏波状態に左右されない
様にＴＥ波、ＴＭ波共に低反射率にする事が可能とな
る。更に素子端面を保護する性能の高い膜となる。ま
た、更に、これによれば、上記２層の反射防止膜は、シ
リコンターゲットを使用し、スパッタガス種やその混合
比などを変える事で製膜でき、製造装置、製造コスト等
の低減が期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学膜材料を用いた半導体光増幅器の
斜視図。

【図２】本発明の光学膜材料を用いた半導体レーザデバ
イスの断面図。

【図３】本発明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。

【図４】本発明の光学膜材料を積層する製膜装置の簡略
図。

【図５】従来の光学膜材料を積層する製膜装置の簡略
図。

【図６】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。

【図７】本発明の光学膜材料を積層する製膜装置の簡略
図。

【図８】本発明の傾斜組成膜のＸＰＳ測定による組成分
布例を示す図。

【図９】従来例を示す図。

【符号の説明】

１，１０リッジ型半導体光増幅器２第１層目の膜３第２層目の膜４入力光５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基板２２バッファ層２４クラッド層２３活性層２５キャップ層２６絶縁層２７，２８電極６１，８１，８２ターゲット６５，８３半導体素子６６，８４ホルダー基板６２アルゴンガス６３窒素ガス６４酸素ガス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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、２層の誘電体薄膜の組み合わせからなり、該半導体
レーザ構造端面側の第１の薄膜は、屈折率が２．５０〜
２．６５である窒化シリコン（ＳｉＮ_x）からなり、第
２の薄膜はＳｉＯ₂からなることを特徴とする光半導体
素子。
【請求項２】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、屈折率が
２．５０〜２．６５である窒化シリコン（ＳｉＮ_x）か
らなり、第２の薄膜はＳｉＯ₂からなることを特徴とす
る光半導体素子。
【請求項３】前記第１の薄膜は、１２／１１≦ｘ≦６
／５であるＳｉＮ_xからなることを特徴とする請求項１
または２に記載の光半導体素子。
【請求項４】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、２層の誘電体薄膜の組み合わせからなり、該半導体
レーザ構造端面側の第１の薄膜は、シリコンをターゲッ
トとし窒素を含むガスをスパッタガスとして製膜した窒
化シリコン（ＳｉＮ_x）からなり、第２の薄膜はシリコ
ンをターゲットとし酸素を含むガスをスパッタガスとし
て製膜した酸化シリコン（ＳｉＯ_y）からなることを特
徴とする光半導体素子。
【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、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、シリコン
をターゲットとし窒素を含むガスをスパッタガスとして
製膜した窒化シリコンからなり、第２の薄膜はシリコン
をターゲットとし酸素を含むガスをスパッタガスとして
製膜した酸化シリコンからなることを特徴とする光半導
体素子。
【請求項６】前記第１の薄膜は、１２／１１≦ｘ≦６
／５であるＳｉＮ_xからなり、前記第２の薄膜は、９／
５≦ｙ≦２であるＳｉＯ_yからなることを特徴とする請
求項４または５記載の光半導体素子。
【請求項７】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の製造方法におい
て、該光学膜は、２層の誘電体薄膜の組み合わせからな
り、該半導体レーザ構造端面側の第１の薄膜の窒化シリ
コン（ＳｉＮ_x）は、シリコンをターゲットとし窒素を
含むガスをスパッタガスとして製膜され、第２の薄膜の
酸化シリコン（ＳｉＯ_y）はシリコンをターゲットとし
酸素を含むガスをスパッタガスとして製膜されることを
特徴とする光半導体素子の製造方法。
【請求項８】端面に光学膜を施した光半導体素子の製
造方法において、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の薄膜の
窒化シリコンは、シリコンをターゲットとし窒素を含む
ガスをスパッタガスとして製膜され、第２の薄膜の酸化
シリコンはシリコンをターゲットとし酸素を含むガスを
スパッタガスとして製膜されることを特徴とする光半導
体素子の製造方法。
【請求項９】前記第１の薄膜は、１２／１１≦ｘ≦６
／５であるＳｉＮ_xからなり、前記第２の薄膜は、９／
５≦ｙ≦２であるＳｉＯ_yからなることを特徴とする請
求項７または８記載の光半導体素子の製造方法。
【請求項１０】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、シリコ
ンをターゲットとし窒素の混合比を徐々に変えたガスを
スパッタガスとして製膜され、該端面側はＳｉ₃Ｎ₄で膜
厚方向に徐々にＳｉの原子比が増加したＳｉＮ_xからな
る傾斜組成膜であり、第２の薄膜はシリコンをターゲッ
トとし酸素を含むガスをスパッタガスとして製膜された
酸化シリコン（ＳｉＯ_y）からなることを特徴とする光
半導体素子。
【請求項１１】前記第１の薄膜は、屈折率ｎ₁が２．
５０≦ｎ₁≦２．６５で、０．３≦ｘ＜１．４であるＳ
ｉＮ_xからなり、前記第２の薄膜は、屈折率ｎ₂が１．４
６≦ｎ₂≦１．４８で、１．８≦ｙ≦２．０であるＳｉ
Ｏ_yからなることを特徴とする請求項１０記載の光半導
体素子。
【請求項１２】端面に光学膜を施した光半導体素子の
製造方法において、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
であり、該端面側はＳｉ₃Ｎ₄で膜厚方向に徐々にＳｉの
原子比が増加したＳｉＮ_xからなる傾斜組成膜は、シリ
コンをターゲットとし窒素の混合比を徐々に変えたガス
をスパッタガスとして製膜され、第２の薄膜の酸化シリ
コン（ＳｉＯ_y）はシリコンをターゲットとし酸素を含
むガスをスパッタガスとして製膜されることを特徴とす
る光半導体素子の製造方法。
【請求項１３】前記第１の薄膜は、屈折率ｎ₁が２．
５０≦ｎ₁≦２．６５で、０．３≦ｘ＜１．４であるＳ
ｉＮ_xからなり、前記第２の薄膜は、屈折率ｎ₂が１．４
６≦ｎ₂≦１．４８で、１．８≦ｙ≦２．０であるＳｉ
Ｏ_yからなることを特徴とする請求項１２記載の光半導
体素子の製造方法。