JPH08307008A - 多層膜構造および面発光レーザ - Google Patents
多層膜構造および面発光レーザInfo
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 半導体基板上に、第１，第２の層を交互に積
層する際の、積層体の合成内部残留応力を大幅に低減さ
せることができる多層膜構造、およびこれを反射ミラー
に応用した面発光レーザを提供する。 【構成】 それぞれ所定厚さを持つ第１の層（ＳｉＯ２
層）２と第２の層（ＴｉＯ２層）３の対が、半導体（Ｇ
ａＡｓ）１基板上に蒸着されて形成される誘電体多層膜
ミラー４を持つ面発光レーザであって、半導体基板１上
に蒸着した状態で、第１の層２は残留収縮応力を有し、
第２の層３は前記残留収縮応力と等しいか、またはほぼ
等しい大きさの残留伸張応力を有することを特徴とする
多層膜構造。
層する際の、積層体の合成内部残留応力を大幅に低減さ
せることができる多層膜構造、およびこれを反射ミラー
に応用した面発光レーザを提供する。 【構成】 それぞれ所定厚さを持つ第１の層（ＳｉＯ２
層）２と第２の層（ＴｉＯ２層）３の対が、半導体（Ｇ
ａＡｓ）１基板上に蒸着されて形成される誘電体多層膜
ミラー４を持つ面発光レーザであって、半導体基板１上
に蒸着した状態で、第１の層２は残留収縮応力を有し、
第２の層３は前記残留収縮応力と等しいか、またはほぼ
等しい大きさの残留伸張応力を有することを特徴とする
多層膜構造。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】半導体基板上に、第１および第２
の層を交互に積層する際の、積層体の合成内部残留応力
を大幅に低減させることができる多層膜構造、および該
多層膜構造を反射ミラーに応用した面発光レーザに関す
る。
の層を交互に積層する際の、積層体の合成内部残留応力
を大幅に低減させることができる多層膜構造、および該
多層膜構造を反射ミラーに応用した面発光レーザに関す
る。
【０００２】
【技術背景】半導体レーザの性能は、ミラーの反射率お
よびレーザの活性層内の欠陥に大きく影響される。面発
光レーザでは、ミラーとして誘電体多層膜や半導体多層
膜が用いられる。活性層内に欠陥を生じさせずに、ミラ
ーの反射率を大きくすることで、しきい値が１ｍＡ程度
よりも小さく、また第２高調波出力が１ｍＷより大きい
半導体レーザの製造が可能となる。
よびレーザの活性層内の欠陥に大きく影響される。面発
光レーザでは、ミラーとして誘電体多層膜や半導体多層
膜が用いられる。活性層内に欠陥を生じさせずに、ミラ
ーの反射率を大きくすることで、しきい値が１ｍＡ程度
よりも小さく、また第２高調波出力が１ｍＷより大きい
半導体レーザの製造が可能となる。
【０００３】誘電体多層膜のミラーは、例えばＳｉＯ２
から成る第１の層と、ＴｉＯ２とから成る第２の層とを
交互に積層して作製される。通常、面発光レーザでは、
これらの層は、ＧａＡｓ，Ｓｉ等から成る半導体基板や
エッチングストップ層等の基材（本発明では、これらを
総称して「半導体基板」と言う）上に、蒸着により積層
される。
から成る第１の層と、ＴｉＯ２とから成る第２の層とを
交互に積層して作製される。通常、面発光レーザでは、
これらの層は、ＧａＡｓ，Ｓｉ等から成る半導体基板や
エッチングストップ層等の基材（本発明では、これらを
総称して「半導体基板」と言う）上に、蒸着により積層
される。
【０００４】従来、上記したＳｉＯ２層とＴｉＯ２層と
が交互に積層された誘電体多層膜ミラーを作製する場
合、反射率を高めるために、ＳｉＯ２とＴｉＯ２の蒸着
を高温下で行っていた。
が交互に積層された誘電体多層膜ミラーを作製する場
合、反射率を高めるために、ＳｉＯ２とＴｉＯ２の蒸着
を高温下で行っていた。
【０００５】その結果、ミラー全体が積層面に平行な方
向に収縮または伸張し、ミラーが形成された半導体基板
が湾曲する結果、前記半導体基板内部、特にレーザ活性
層内に歪が生じ、クラックが発生する。クラックが生じ
ると、キャリアの非発光再結合が生じやすくなるなどの
理由により、電流のしきい値が高くなり光出力（基本
波，第２高調波等）が低下する。この結果、該部分に温
度上昇が生じ、さらに電流のしきい値が高くなると言っ
た悪循環を招く。
向に収縮または伸張し、ミラーが形成された半導体基板
が湾曲する結果、前記半導体基板内部、特にレーザ活性
層内に歪が生じ、クラックが発生する。クラックが生じ
ると、キャリアの非発光再結合が生じやすくなるなどの
理由により、電流のしきい値が高くなり光出力（基本
波，第２高調波等）が低下する。この結果、該部分に温
度上昇が生じ、さらに電流のしきい値が高くなると言っ
た悪循環を招く。
【０００６】
【発明の目的】本発明の１つの目的は、半導体基板上に
第１の層と第２の層とが、蒸着により、それぞれ所定厚
さで交互に形成されて構成される多層膜構造において、
上記半導体基板に生じる内部歪を大幅に低減できる該多
層膜構造を提供することである。
第１の層と第２の層とが、蒸着により、それぞれ所定厚
さで交互に形成されて構成される多層膜構造において、
上記半導体基板に生じる内部歪を大幅に低減できる該多
層膜構造を提供することである。
【０００７】また、本発明の他の目的は、多層膜ミラー
（特に、誘電体多層膜ミラー）の反射率が高く、ミラー
作製後に半導体基板に生じる歪（特に、活性層内部に生
じる歪）が大幅に低減された面発光レーザを提供するこ
とである。更に述べると、本発明の他の目的は、高い光
出力あるいは第２高調波出力を生成できる面発光レーザ
を提供することである。
（特に、誘電体多層膜ミラー）の反射率が高く、ミラー
作製後に半導体基板に生じる歪（特に、活性層内部に生
じる歪）が大幅に低減された面発光レーザを提供するこ
とである。更に述べると、本発明の他の目的は、高い光
出力あるいは第２高調波出力を生成できる面発光レーザ
を提供することである。
【０００８】
【発明の概要】本発明者は、研究を重ねた結果、多層膜
ミラー作製後に面発光レーザ内に生じる歪は、該ミラー
作製時に基板を高温にしたために生じるのではなく、ま
た該歪みは、ミラー作製の条件、特に蒸着雰囲気圧によ
り制御できる、との結論を得た。
ミラー作製後に面発光レーザ内に生じる歪は、該ミラー
作製時に基板を高温にしたために生じるのではなく、ま
た該歪みは、ミラー作製の条件、特に蒸着雰囲気圧によ
り制御できる、との結論を得た。
【０００９】半導体基板上に多層膜ミラーを作製するに
際して、該基板内部に歪が生じないようにするために、
多層膜ミラー全体が、該ミラーの積層面に沿った方向に
収縮，伸張しないようにすれば、該基板内部の歪を低減
ないし解消することができる、との知見を得た。また、
この技術思想は、上記多層膜ミラーについてのみなら
ず、他の技術分野における積層技術についても広く応用
できるとの知見も得た。
際して、該基板内部に歪が生じないようにするために、
多層膜ミラー全体が、該ミラーの積層面に沿った方向に
収縮，伸張しないようにすれば、該基板内部の歪を低減
ないし解消することができる、との知見を得た。また、
この技術思想は、上記多層膜ミラーについてのみなら
ず、他の技術分野における積層技術についても広く応用
できるとの知見も得た。
【００１０】本発明の多層膜構造は、それぞれ所定厚さ
を持つ第１の層と第２の層の対が、半導体基板上に蒸着
されて形成されて成り、前記半導体基板上に蒸着した状
態で、第１の層は残留収縮応力を有し、第２の層は前記
残留収縮応力と等しいか、またはほぼ等しい大きさの残
留伸張応力を有することを特徴とする。
を持つ第１の層と第２の層の対が、半導体基板上に蒸着
されて形成されて成り、前記半導体基板上に蒸着した状
態で、第１の層は残留収縮応力を有し、第２の層は前記
残留収縮応力と等しいか、またはほぼ等しい大きさの残
留伸張応力を有することを特徴とする。
【００１１】本発明の多層膜構造は、次に述べる面発光
レーザの反射ミラーに応用される他、光学フィルタ等に
も応用される。ここで、第１の層，第２の層は、誘電体
により構成することもできるし、半導体により構成する
こともできる。
レーザの反射ミラーに応用される他、光学フィルタ等に
も応用される。ここで、第１の層，第２の層は、誘電体
により構成することもできるし、半導体により構成する
こともできる。
【００１２】本発明の面発光レーザでは、前記半導体基
板はＧａＡｓまたはＳｉから成る。また、前記第１の層
がＳｉＯ２により形成され、前記第２の層がＴｉＯ２か
ら形成される。前記第１の層は、特定の酸素分圧の雰囲
気と蒸着速度の下での電子ビーム蒸着により形成されて
成り、第２の層は、特定の酸素分圧の雰囲気と蒸着速度
の下で、酸素やアルゴンなどのイオンビーム照射による
蒸着のアシスト（以下、「イオンビームアシスト」とも
言う）を行いつつ電子ビーム蒸着により形成されて成
る。なお、上記面発光レーザは、第２高調波の発生機能
を有することもできる。
板はＧａＡｓまたはＳｉから成る。また、前記第１の層
がＳｉＯ２により形成され、前記第２の層がＴｉＯ２か
ら形成される。前記第１の層は、特定の酸素分圧の雰囲
気と蒸着速度の下での電子ビーム蒸着により形成されて
成り、第２の層は、特定の酸素分圧の雰囲気と蒸着速度
の下で、酸素やアルゴンなどのイオンビーム照射による
蒸着のアシスト（以下、「イオンビームアシスト」とも
言う）を行いつつ電子ビーム蒸着により形成されて成
る。なお、上記面発光レーザは、第２高調波の発生機能
を有することもできる。
【００１３】上記多層膜構造は、以下に述べるステップ
により作製することができる。最初のステップでは、第
１の層および第２の層の材料として、所定の基板（収縮
応力・伸張応力測定用の基板）に第１の層を蒸着したと
きに該層に生じる力が収縮応力であり、前記所定の基板
に第２の層を蒸着したときに該層に生じる力が伸張応力
となるような材料をそれぞれ選択する。なお、収縮応力
・伸張応力測定用の基板として、通常、前記半導体基板
と同一の材料から成るものを用いることもできるし、他
の材料から成るものを用いることもできる。
により作製することができる。最初のステップでは、第
１の層および第２の層の材料として、所定の基板（収縮
応力・伸張応力測定用の基板）に第１の層を蒸着したと
きに該層に生じる力が収縮応力であり、前記所定の基板
に第２の層を蒸着したときに該層に生じる力が伸張応力
となるような材料をそれぞれ選択する。なお、収縮応力
・伸張応力測定用の基板として、通常、前記半導体基板
と同一の材料から成るものを用いることもできるし、他
の材料から成るものを用いることもできる。
【００１４】本発明の面発光レーザでは、多層膜ミラー
は、第１の層と第２の層の対の複数から形成される（通
常、３〜４対以上とされる）。この場合、第１および第
２の層を共に誘電体層により形成することもできし、共
に半導体多層から形成することもできる。また、一方の
層を誘電体により形成し、他方の層を半導体により形成
することもできる。第１および第２の層を共に誘電体か
ら形成する場合には、第１の層をＳｉＯ２により、第２
の層をＴｉＯ２により形成することができる。
は、第１の層と第２の層の対の複数から形成される（通
常、３〜４対以上とされる）。この場合、第１および第
２の層を共に誘電体層により形成することもできし、共
に半導体多層から形成することもできる。また、一方の
層を誘電体により形成し、他方の層を半導体により形成
することもできる。第１および第２の層を共に誘電体か
ら形成する場合には、第１の層をＳｉＯ２により、第２
の層をＴｉＯ２により形成することができる。
【００１５】次のステップでは、前記所定厚さで第１お
よび第２の層を積層した際に、前記伸張応力と前記収縮
応力とが、同一またはほぼ同一の大きさとなるように、
第１および第２の層の蒸着速度および蒸着雰囲気の条件
を選択する。蒸着速度および蒸着雰囲気の条件は、第１
の層を蒸着するときと、第２の層を蒸着するときとでは
通常異なる。
よび第２の層を積層した際に、前記伸張応力と前記収縮
応力とが、同一またはほぼ同一の大きさとなるように、
第１および第２の層の蒸着速度および蒸着雰囲気の条件
を選択する。蒸着速度および蒸着雰囲気の条件は、第１
の層を蒸着するときと、第２の層を蒸着するときとでは
通常異なる。
【００１６】本発明の面発光レーザが、ＳｉＯ２層とＴ
ｉＯ２層との多層膜ミラーを持つ場合には、第１の層
（ＳｉＯ２）および第２の層（ＴｉＯ２）の蒸着条件は
以下のように定める。蒸着温度（あるいは、半導体基板
の温度）は、適宜設定される。この温度は、面発光レー
ザが使用される温度（通常、室温）、あるいは面発光レ
ーザが使用される温度に近い温度とすることができる。
こうすることで、半導体基板および該基板上に積層され
た多層膜の温度変化に伴う歪の発生がさらに防止され
る。
ｉＯ２層との多層膜ミラーを持つ場合には、第１の層
（ＳｉＯ２）および第２の層（ＴｉＯ２）の蒸着条件は
以下のように定める。蒸着温度（あるいは、半導体基板
の温度）は、適宜設定される。この温度は、面発光レー
ザが使用される温度（通常、室温）、あるいは面発光レ
ーザが使用される温度に近い温度とすることができる。
こうすることで、半導体基板および該基板上に積層され
た多層膜の温度変化に伴う歪の発生がさらに防止され
る。
【００１７】ＴｉＯ２の蒸着の雰囲気は、適当な酸素分
圧雰囲気とし、イオンビームアシストを用いるものとす
る。これにより、光学的吸収率を低減することができ
る。ＴｉＯ２の蒸着温度および酸素分圧は、光学的吸収
が最小になるように決定する。この条件下で、ＴｉＯ２
を所定厚さ（例えば、λ／４に相当する厚さ、ただしλ
はレーザ光の波長）に形成した場合には、伸張応力が生
じる。
圧雰囲気とし、イオンビームアシストを用いるものとす
る。これにより、光学的吸収率を低減することができ
る。ＴｉＯ２の蒸着温度および酸素分圧は、光学的吸収
が最小になるように決定する。この条件下で、ＴｉＯ２
を所定厚さ（例えば、λ／４に相当する厚さ、ただしλ
はレーザ光の波長）に形成した場合には、伸張応力が生
じる。
【００１８】ＳｉＯ２の蒸着の雰囲気および蒸着速度
は、上記伸張応力に応じて選択される。すなわち、Ｓｉ
Ｏ２を所定厚さ（例えばλ／４に相当する厚さ）形成し
た場合に、上記伸張応力と同じ大きさの収縮応力が生じ
るように、ＳｉＯ２層の酸素分圧および蒸着速度が選択
される。ＳｉＯ２の厚さが特定されている場合、蒸着し
たＳｉＯ２層に生じる収縮応力は、蒸着速度と酸素分圧
の関数として表される。したがって、例えば、予め、蒸
着速度ごとに、収縮応力と酸素分圧との関係を調べてお
けば、所定厚さのＴｉＯ２層に生じる伸張応力と、所定
厚さのＳｉＯ２層に生じる収縮応力とが同一（あるい
は、ほぼ同一）となる条件を容易に選択することができ
る。第１の層（ＳｉＯ２）の蒸着に際しては、イオンビ
ームアシストは行わない。その理由は、イオンビームア
シストを行うと、該層に大きな伸張応力が発生し、Ｔｉ
２層の伸張応力をキャンセルするどころか増長してしま
うからである。
は、上記伸張応力に応じて選択される。すなわち、Ｓｉ
Ｏ２を所定厚さ（例えばλ／４に相当する厚さ）形成し
た場合に、上記伸張応力と同じ大きさの収縮応力が生じ
るように、ＳｉＯ２層の酸素分圧および蒸着速度が選択
される。ＳｉＯ２の厚さが特定されている場合、蒸着し
たＳｉＯ２層に生じる収縮応力は、蒸着速度と酸素分圧
の関数として表される。したがって、例えば、予め、蒸
着速度ごとに、収縮応力と酸素分圧との関係を調べてお
けば、所定厚さのＴｉＯ２層に生じる伸張応力と、所定
厚さのＳｉＯ２層に生じる収縮応力とが同一（あるい
は、ほぼ同一）となる条件を容易に選択することができ
る。第１の層（ＳｉＯ２）の蒸着に際しては、イオンビ
ームアシストは行わない。その理由は、イオンビームア
シストを行うと、該層に大きな伸張応力が発生し、Ｔｉ
２層の伸張応力をキャンセルするどころか増長してしま
うからである。
【００１９】更に次のステップでは、第１および第２の
層を、上記条件に基づき、順次半導体基板上に交互に積
層する。積層の順序は、第１の層を最初に形成してもよ
いし、第２の層を最初に積層してもよい。本発明の面発
光レーザが、ＳｉＯ２層とＴｉＯ２層との多層膜ミラー
を持つ場合、半導体基板（ＧａＡｓ）へのＳｉＯ２層と
ＴｉＯ２層の蒸着は、電子ビーム法により行う。
層を、上記条件に基づき、順次半導体基板上に交互に積
層する。積層の順序は、第１の層を最初に形成してもよ
いし、第２の層を最初に積層してもよい。本発明の面発
光レーザが、ＳｉＯ２層とＴｉＯ２層との多層膜ミラー
を持つ場合、半導体基板（ＧａＡｓ）へのＳｉＯ２層と
ＴｉＯ２層の蒸着は、電子ビーム法により行う。
【００２０】本発明の多層膜構造では、第１の層が収縮
応力を生じさせ、第２の層が該収縮応力の大きさにほぼ
等しい大きさの伸張応力を生じさせる。これにより、多
層膜は、半導体基板に対して積層面に平行な方向への収
縮や伸張が殆ど生じない。また、本発明の面発光レーザ
では、多層膜ミラー形成後に、レーザ内部（特に、レー
ザ活性層内部）に生じる歪が大幅に低減される。これに
より、しきい値を低くすることができ、高い光出力ある
いは第２高調波出力を得ることができる。
応力を生じさせ、第２の層が該収縮応力の大きさにほぼ
等しい大きさの伸張応力を生じさせる。これにより、多
層膜は、半導体基板に対して積層面に平行な方向への収
縮や伸張が殆ど生じない。また、本発明の面発光レーザ
では、多層膜ミラー形成後に、レーザ内部（特に、レー
ザ活性層内部）に生じる歪が大幅に低減される。これに
より、しきい値を低くすることができ、高い光出力ある
いは第２高調波出力を得ることができる。
【００２１】
【実施例】以下、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂ
ｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）面発光レーザの誘電体
多層膜ミラーに適用した本発明の実施例を説明する。な
お、本実施例では半導体基板としてＧａＡｓを用い、蒸
着は電子ビーム蒸着装置により行った。
ｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）面発光レーザの誘電体
多層膜ミラーに適用した本発明の実施例を説明する。な
お、本実施例では半導体基板としてＧａＡｓを用い、蒸
着は電子ビーム蒸着装置により行った。
【００２２】まず、最初のステップとして、第１および
第２の層（誘電体層）の材料を選択する。本実施例で
は、第１の層の材料としてＳｉＯ２を、第２の層の材料
としてＴｉＯ２をそれぞれ選択した。
第２の層（誘電体層）の材料を選択する。本実施例で
は、第１の層の材料としてＳｉＯ２を、第２の層の材料
としてＴｉＯ２をそれぞれ選択した。
【００２３】ＳｉＯ２膜の収縮応力およびＴｉＯ２膜の
伸張応力の測定は、収縮応力・伸張応力測定用の基板
（ここでは、上記半導体基板と同一素材から成るＧａＡ
ｓ基板）上に、ＳｉＯ２およびＴｉＯ２を形成すること
により行った。
伸張応力の測定は、収縮応力・伸張応力測定用の基板
（ここでは、上記半導体基板と同一素材から成るＧａＡ
ｓ基板）上に、ＳｉＯ２およびＴｉＯ２を形成すること
により行った。
【００２２】次のステップでは、第１および第２の層の
蒸着条件の選択を行う。本実施例では、まず第２の誘電
体層（以下、「ＴｉＯ２層」と言う）の蒸着条件を、光
学的吸収が最小になるように確定し、該蒸着条件により
決定した伸張応力と同一の収縮応力が生じるように第１
の誘電体層（以下、「ＳｉＯ２層」と言う）の蒸着条件
を決定した。
蒸着条件の選択を行う。本実施例では、まず第２の誘電
体層（以下、「ＴｉＯ２層」と言う）の蒸着条件を、光
学的吸収が最小になるように確定し、該蒸着条件により
決定した伸張応力と同一の収縮応力が生じるように第１
の誘電体層（以下、「ＳｉＯ２層」と言う）の蒸着条件
を決定した。
【００２４】（ｉ）まず、ＴｉＯ２を、λ／４の厚さ、
酸素分圧３．１×１０−４Ｔｏｒｒ（背圧１．５×１０
−６Ｔｏｒｒ）下で、イオン電流５０．０ｍＡ、加速電
圧５００Ｖの酸素イオンビームでアシストしつつ、Ｇａ
Ａｓ基板に蒸着した。なお、蒸着速度を０．８Å／ｓｅ
ｃとした。このときの、基板温度は室温（２０℃）とし
た。そして、ＴｉＯ２膜の伸張応力を測定したところ、
２．２（任意単位）であった。
酸素分圧３．１×１０−４Ｔｏｒｒ（背圧１．５×１０
−６Ｔｏｒｒ）下で、イオン電流５０．０ｍＡ、加速電
圧５００Ｖの酸素イオンビームでアシストしつつ、Ｇａ
Ａｓ基板に蒸着した。なお、蒸着速度を０．８Å／ｓｅ
ｃとした。このときの、基板温度は室温（２０℃）とし
た。そして、ＴｉＯ２膜の伸張応力を測定したところ、
２．２（任意単位）であった。
【００２５】（ｉｉ）つぎに、ＳｉＯ２を、λ／４の厚
さ、特定の酸素分圧の下で、ＧａＡｓ基板に蒸着した。
このときの、蒸着速度は４．０Å／ｓｅｃとした。ま
た、基板温度はＴｉＯ２の蒸着のときと同様室温（２０
℃）とした。そして、ＳｉＯ２膜の収縮応力を測定し
た。上記蒸着および、収縮応力の測定は、背圧１．５×
１０−６Ｔｏｒｒの下で酸素分圧を種々変化させて多数
回行った。
さ、特定の酸素分圧の下で、ＧａＡｓ基板に蒸着した。
このときの、蒸着速度は４．０Å／ｓｅｃとした。ま
た、基板温度はＴｉＯ２の蒸着のときと同様室温（２０
℃）とした。そして、ＳｉＯ２膜の収縮応力を測定し
た。上記蒸着および、収縮応力の測定は、背圧１．５×
１０−６Ｔｏｒｒの下で酸素分圧を種々変化させて多数
回行った。
【００２６】このときの、収縮応力と酸素分圧との関係
をグラフで表すと図１の実線で表された。図１のグラフ
から、ＳｉＯ２膜の収縮応力が、ＴｉＯ２膜の伸張応力
と同一の値となるＳｉＯ２膜の酸素分圧は、４．９×１
０−５Ｔｏｒｒとなることがわかった。
をグラフで表すと図１の実線で表された。図１のグラフ
から、ＳｉＯ２膜の収縮応力が、ＴｉＯ２膜の伸張応力
と同一の値となるＳｉＯ２膜の酸素分圧は、４．９×１
０−５Ｔｏｒｒとなることがわかった。
【００２７】（ｉｉｉ）したがって、ＴｉＯ２について
は、基板温度２０℃（室温）、酸素分圧３．１×１０
−４Ｔｏｒｒ、酸素イオンビームアシスト電流５０．０
ｍＡ、加速電圧５００Ｖ、蒸着速度０．８Å／ｓｅｃの
条件で、ＳｉＯ２については、蒸着温度２０℃（室
温）、酸素分圧７．２×１０−５Ｔｏｒｒ、イオンビー
ムアシスト無し、蒸着速度４．０Å／ｓｅｃの条件で蒸
着を行えば、ＴｉＯ２膜の残留伸張応力とＳｉＯ２の残
留収縮応力とをほぼ同一にすることができる。なお、同
図では、ＳｉＯ２についてＯ２の蒸着速度を２０．０Å
／ｓｅｃとしたときの収縮応力と酸素分圧との関係を点
線で示す。この場合には、ＳｉＯ２膜の酸素分圧は、図
から約６．１×１０−５Ｔｏｒｒとすればよい。
は、基板温度２０℃（室温）、酸素分圧３．１×１０
−４Ｔｏｒｒ、酸素イオンビームアシスト電流５０．０
ｍＡ、加速電圧５００Ｖ、蒸着速度０．８Å／ｓｅｃの
条件で、ＳｉＯ２については、蒸着温度２０℃（室
温）、酸素分圧７．２×１０−５Ｔｏｒｒ、イオンビー
ムアシスト無し、蒸着速度４．０Å／ｓｅｃの条件で蒸
着を行えば、ＴｉＯ２膜の残留伸張応力とＳｉＯ２の残
留収縮応力とをほぼ同一にすることができる。なお、同
図では、ＳｉＯ２についてＯ２の蒸着速度を２０．０Å
／ｓｅｃとしたときの収縮応力と酸素分圧との関係を点
線で示す。この場合には、ＳｉＯ２膜の酸素分圧は、図
から約６．１×１０−５Ｔｏｒｒとすればよい。
【００２８】上記の条件に基づいて、ＧａＡｓ基板１
に、ＳｉＯ２層２とＴｉＯ２層３とを交互に蒸着し誘電
体多層膜ミラー４を形成した。図２（Ａ）は、作製した
ミラー４の様子を示す概念図である。従来、上記の条件
に基づかずに誘電体多層膜ミラーを形成している。この
ときのミラーの概念図を図２（Ｂ）に示す。なお、図２
（Ａ），（Ｂ）共に、ＳｉＯ２層２とＴｉＯ２層３を６
対形成してある。また、収縮応力および伸張応力の方向
を矢印で示し、収縮応力および伸張応力の大きさを矢印
の長さで表してある。
に、ＳｉＯ２層２とＴｉＯ２層３とを交互に蒸着し誘電
体多層膜ミラー４を形成した。図２（Ａ）は、作製した
ミラー４の様子を示す概念図である。従来、上記の条件
に基づかずに誘電体多層膜ミラーを形成している。この
ときのミラーの概念図を図２（Ｂ）に示す。なお、図２
（Ａ），（Ｂ）共に、ＳｉＯ２層２とＴｉＯ２層３を６
対形成してある。また、収縮応力および伸張応力の方向
を矢印で示し、収縮応力および伸張応力の大きさを矢印
の長さで表してある。
【００２９】図２（Ａ）のミラーでは、ＳｉＯ２膜に生
じる収縮応力と、ＴｉＯ２膜に生じる伸張応力とがほぼ
同一の大きさを持つので、積層面に平行な方向への収縮
や伸張は生じない。したがって、半導体基板内部におけ
る歪は生じない。これに対し、図２（Ｂ）のミラーで
は、ＳｉＯ２膜に生じる収縮応力と、ＴｉＯ２膜に生じ
る伸張応力とが異なっているので、積層面に平行な方向
への収縮や伸張が生じる。したがって、半導体基板内部
に歪が生じる。
じる収縮応力と、ＴｉＯ２膜に生じる伸張応力とがほぼ
同一の大きさを持つので、積層面に平行な方向への収縮
や伸張は生じない。したがって、半導体基板内部におけ
る歪は生じない。これに対し、図２（Ｂ）のミラーで
は、ＳｉＯ２膜に生じる収縮応力と、ＴｉＯ２膜に生じ
る伸張応力とが異なっているので、積層面に平行な方向
への収縮や伸張が生じる。したがって、半導体基板内部
に歪が生じる。
【００３０】上記実施例では、誘電体膜としてＳｉＯ２
およびＴｉＯ２を用いたが、本発明はこれに限定され
ず、蒸着後に収縮応力あるいは伸張応力が生じる誘電体
材料、例えば、Ａｌ２Ｏ３，ＭｇＯ，ＣａＦ２，ＭｇＦ
２などにも適用できる。さらに、上記の実施例では、室
温において蒸着を行ったが、室温でない場合にも、半導
体基板内部に歪が生じるない等、上記実施例と同様の効
果を得ることができる。しかし、前述したように、通
常、面発光レーザは室温近傍の温度で使用されるので、
蒸着は室温の近傍温度で行うことが好ましい。
およびＴｉＯ２を用いたが、本発明はこれに限定され
ず、蒸着後に収縮応力あるいは伸張応力が生じる誘電体
材料、例えば、Ａｌ２Ｏ３，ＭｇＯ，ＣａＦ２，ＭｇＦ
２などにも適用できる。さらに、上記の実施例では、室
温において蒸着を行ったが、室温でない場合にも、半導
体基板内部に歪が生じるない等、上記実施例と同様の効
果を得ることができる。しかし、前述したように、通
常、面発光レーザは室温近傍の温度で使用されるので、
蒸着は室温の近傍温度で行うことが好ましい。
【００３１】また、上記の誘電体多層膜ミラーは、メサ
キャップ構造のＤＢＲ面発光レーザ、電流狭窄構造のＤ
ＢＲ面発光レーザ等の面発光レーザの光出射側のミラー
としても、ヒートシンク側のミラーとしても用いること
ができる。
キャップ構造のＤＢＲ面発光レーザ、電流狭窄構造のＤ
ＢＲ面発光レーザ等の面発光レーザの光出射側のミラー
としても、ヒートシンク側のミラーとしても用いること
ができる。
【００３２】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、以
下のような効果を奏することができる。 （１）多層膜を構成する交互に積層された第１，第２の
層が、同一またはほぼ同一の残留収縮応力と残留伸張応
力を持つ。これにより、多層膜内部の積層面に平行な方
向への収縮や伸張により半導体基板内部に生じる歪が、
大幅に低減される。 （２）本発明を面発光レーザの多層膜ミラーの作製に適
用した場合には、該レーザ内部（特に、レーザ活性層の
内部）の歪を大幅に低減することができる。これによ
り、該ミラーにおける吸収を低減すると共に、しきい値
を下げることができ、高い光出力あるいは第２高調波出
力を得ることができる。 （３）本発明を、山田等に１９９４年８月２３日に発行
された米国特許５３４１３９０号に開示されている「面
発光第２高調波生成素子」のミラーに適用すれば、その
性能が大幅に改善される。
下のような効果を奏することができる。 （１）多層膜を構成する交互に積層された第１，第２の
層が、同一またはほぼ同一の残留収縮応力と残留伸張応
力を持つ。これにより、多層膜内部の積層面に平行な方
向への収縮や伸張により半導体基板内部に生じる歪が、
大幅に低減される。 （２）本発明を面発光レーザの多層膜ミラーの作製に適
用した場合には、該レーザ内部（特に、レーザ活性層の
内部）の歪を大幅に低減することができる。これによ
り、該ミラーにおける吸収を低減すると共に、しきい値
を下げることができ、高い光出力あるいは第２高調波出
力を得ることができる。 （３）本発明を、山田等に１９９４年８月２３日に発行
された米国特許５３４１３９０号に開示されている「面
発光第２高調波生成素子」のミラーに適用すれば、その
性能が大幅に改善される。
【図１】本発明の実施例に用いる、収縮応力と酸素分圧
との関係を示すグラフである。
との関係を示すグラフである。
【図２】（Ａ）は本発明の面発光レーザに使用される誘
電体多層膜ミラーを示す概念図、（Ｂ）は従来の面発光
レーザに使用される誘電体多層膜ミラーを示す概念図で
ある。
電体多層膜ミラーを示す概念図、（Ｂ）は従来の面発光
レーザに使用される誘電体多層膜ミラーを示す概念図で
ある。
【符号の説明】 １ ＧａＡｓ基板 ２ ＳｉＯ２層（第１の層） ３ ＴｉＯ２層（第２の層） ４ 誘電体多層膜ミラー
【手続補正書】
【提出日】平成８年１月２９日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の詳細な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】半導体基板上に、第１および第２
の層を交互に積層する際の、積層体の合成内部残留応力
を大幅に低減させることができる多層膜構造、および該
多層膜構造を反射ミラーに応用した面発光レーザに関す
る。
の層を交互に積層する際の、積層体の合成内部残留応力
を大幅に低減させることができる多層膜構造、および該
多層膜構造を反射ミラーに応用した面発光レーザに関す
る。
【０００２】
【技術背景】半導体レーザの性能は、ミラーの反射率お
よびレーザの活性層内の欠陥に大きく影響される。面発
光レーザでは、ミラーとして誘電体多層膜や半導体多層
膜が用いられる。活性層内に欠陥を生じさせずに、ミラ
ーの反射率を大きくすることで、しきい値が１ｍＡ程度
よりも小さく、また第２高調波出力が１ｍＷより大きい
半導体レーザの製造が可能となる。
よびレーザの活性層内の欠陥に大きく影響される。面発
光レーザでは、ミラーとして誘電体多層膜や半導体多層
膜が用いられる。活性層内に欠陥を生じさせずに、ミラ
ーの反射率を大きくすることで、しきい値が１ｍＡ程度
よりも小さく、また第２高調波出力が１ｍＷより大きい
半導体レーザの製造が可能となる。
【０００３】誘電体多層膜のミラーは、例えばＳｉＯ２
から成る第１の層と、ＴｉＯ２とから成る第２の層とを
交互に積層して作製される。通常、面発光レーザでは、
これらの層は、ＧａＡｓ，Ｓｉ等から成る半導体基板や
エッチングストップ層等の基材（本発明では、これらを
総称して「半導体基板」と言う）上に、蒸着により積層
される。
から成る第１の層と、ＴｉＯ２とから成る第２の層とを
交互に積層して作製される。通常、面発光レーザでは、
これらの層は、ＧａＡｓ，Ｓｉ等から成る半導体基板や
エッチングストップ層等の基材（本発明では、これらを
総称して「半導体基板」と言う）上に、蒸着により積層
される。
【０００４】従来、上記したＳｉＯ２層とＴｉＯ２層と
が交互に積層された誘電体多層膜ミラーを作製する場
合、反射率を高めるために、ＳｉＯ２とＴｉＯ２の蒸着
を高温下で行っていた。
が交互に積層された誘電体多層膜ミラーを作製する場
合、反射率を高めるために、ＳｉＯ２とＴｉＯ２の蒸着
を高温下で行っていた。
【０００５】その結果、ミラー全体が積層面に平行な方
向に収縮または伸張し、ミラーが形成された半導体基板
が湾曲する結果、前記半導体基板内部、特にレーザ活性
層内に歪が生じ、クラックが発生する。クラックが生じ
ると、キャリアの非発光再結合が生じやすくなるなどの
理由により、電流のしきい値が高くなり光出力（基本
波，第２高調波等）が低下する。この結果、該部分に温
度上昇が生じ、さらに電流のしきい値が高くなると言っ
た悪循環を招く。
向に収縮または伸張し、ミラーが形成された半導体基板
が湾曲する結果、前記半導体基板内部、特にレーザ活性
層内に歪が生じ、クラックが発生する。クラックが生じ
ると、キャリアの非発光再結合が生じやすくなるなどの
理由により、電流のしきい値が高くなり光出力（基本
波，第２高調波等）が低下する。この結果、該部分に温
度上昇が生じ、さらに電流のしきい値が高くなると言っ
た悪循環を招く。
【０００６】
【発明の目的】本発明の１つの目的は、半導体基板上に
第１の層と第２の層とが、蒸着により、それぞれ所定厚
さで交互に形成されて構成される多層膜構造において、
上記半導体基板に生じる内部歪を大幅に低減できる該多
層膜構造を提供することである。
第１の層と第２の層とが、蒸着により、それぞれ所定厚
さで交互に形成されて構成される多層膜構造において、
上記半導体基板に生じる内部歪を大幅に低減できる該多
層膜構造を提供することである。
【０００７】また、本発明の他の目的は、多層膜ミラー
（特に、誘電体多層膜ミラー）の反射率が高く、ミラー
作製後に半導体基板に生じる歪（特に、活性層内部に生
じる歪）が大幅に低減された面発光レーザを提供するこ
とである。更に述べると、本発明の他の目的は、高い光
出力あるいは第２高調波出力を生成できる面発光レーザ
を提供することである。
（特に、誘電体多層膜ミラー）の反射率が高く、ミラー
作製後に半導体基板に生じる歪（特に、活性層内部に生
じる歪）が大幅に低減された面発光レーザを提供するこ
とである。更に述べると、本発明の他の目的は、高い光
出力あるいは第２高調波出力を生成できる面発光レーザ
を提供することである。
【０００８】
【発明の概要】本発明者は、研究を重ねた結果、多層膜
ミラー作製後に面発光レーザ内に生じる歪は、該ミラー
作製時に基板を高温にしたために生じるのではなく、ま
た該歪みは、ミラー作製の条件、特に蒸着雰囲気圧によ
り制御できる、との結論を得た。
ミラー作製後に面発光レーザ内に生じる歪は、該ミラー
作製時に基板を高温にしたために生じるのではなく、ま
た該歪みは、ミラー作製の条件、特に蒸着雰囲気圧によ
り制御できる、との結論を得た。
【０００９】半導体基板上に多層膜ミラーを作製するに
際して、該基板内部に歪が生じないようにするために、
多層膜ミラー全体が、該ミラーの積層面に沿った方向に
収縮，伸張しないようにすれば、該基板内部の歪を低減
ないし解消することができる、との知見を得た。また、
この技術思想は、上記多層膜ミラーについてのみなら
ず、他の技術分野における積層技術についても広く応用
できるとの知見も得た。
際して、該基板内部に歪が生じないようにするために、
多層膜ミラー全体が、該ミラーの積層面に沿った方向に
収縮，伸張しないようにすれば、該基板内部の歪を低減
ないし解消することができる、との知見を得た。また、
この技術思想は、上記多層膜ミラーについてのみなら
ず、他の技術分野における積層技術についても広く応用
できるとの知見も得た。
【００１０】本発明の多層膜構造は、それぞれ所定厚さ
を持つ第１の層と第２の層の対が、半導体基板上に蒸着
されて形成されて成り、前記半導体基板上に蒸着した状
態で、第１の層は残留収縮応力を有し、第２の層は前記
残留収縮応力と等しいか、またはほぼ等しい大きさの残
留伸張応力を有することを特徴とする。
を持つ第１の層と第２の層の対が、半導体基板上に蒸着
されて形成されて成り、前記半導体基板上に蒸着した状
態で、第１の層は残留収縮応力を有し、第２の層は前記
残留収縮応力と等しいか、またはほぼ等しい大きさの残
留伸張応力を有することを特徴とする。
【００１１】本発明の多層膜構造は、次に述べる面発光
レーザの反射ミラーに応用される他、光学フィルタ等に
も応用される。ここで、第１の層，第２の層は、誘電体
により構成することもできるし、半導体により構成する
こともできる。
レーザの反射ミラーに応用される他、光学フィルタ等に
も応用される。ここで、第１の層，第２の層は、誘電体
により構成することもできるし、半導体により構成する
こともできる。
【００１２】本発明の面発光レーザでは、前記半導体基
板はＧａＡｓまたはＳｉから成る。また、前記第１の層
がＳｉＯ２により形成され、前記第２の層がＴｉＯ２か
ら形成される。前記第１の層は、特定の酸素分圧の雰囲
気と蒸着速度の下での電子ビーム蒸着により形成されて
成り、第２の層は、特定の酸素分圧の雰囲気と蒸着速度
の下で、酸素やアルゴンなどのイオンビーム照射による
蒸着のアシスト（以下、「イオンビームアシスト」とも
言う）を行いつつ電子ビーム蒸着により形成されて成
る。なお、上記面発光レーザは、第２高調波の発生機能
を有することもできる。
板はＧａＡｓまたはＳｉから成る。また、前記第１の層
がＳｉＯ２により形成され、前記第２の層がＴｉＯ２か
ら形成される。前記第１の層は、特定の酸素分圧の雰囲
気と蒸着速度の下での電子ビーム蒸着により形成されて
成り、第２の層は、特定の酸素分圧の雰囲気と蒸着速度
の下で、酸素やアルゴンなどのイオンビーム照射による
蒸着のアシスト（以下、「イオンビームアシスト」とも
言う）を行いつつ電子ビーム蒸着により形成されて成
る。なお、上記面発光レーザは、第２高調波の発生機能
を有することもできる。
【００１３】上記多層膜構造は、以下に述べるステップ
により作製することができる。最初のステップでは、第
１の層および第２の層の材料として、所定の基板（収縮
応力・伸張応力測定用の基板）に第１の層を蒸着したと
きに該層に生じる力が収縮応力であり、前記所定の基板
に第２の層を蒸着したときに該層に生じる力が伸張応力
となるような材料をそれぞれ選択する。なお、収縮応力
・伸張応力測定用の基板として、通常、前記半導体基板
と同一の材料から成るものを用いることもできるし、他
の材料から成るものを用いることもできる。
により作製することができる。最初のステップでは、第
１の層および第２の層の材料として、所定の基板（収縮
応力・伸張応力測定用の基板）に第１の層を蒸着したと
きに該層に生じる力が収縮応力であり、前記所定の基板
に第２の層を蒸着したときに該層に生じる力が伸張応力
となるような材料をそれぞれ選択する。なお、収縮応力
・伸張応力測定用の基板として、通常、前記半導体基板
と同一の材料から成るものを用いることもできるし、他
の材料から成るものを用いることもできる。
【００１４】本発明の面発光レーザでは、多層膜ミラー
は、第１の層と第２の層の対の複数から形成される（通
常、３〜４対以上とされる）。この場合、第１および第
２の層を共に誘電体層により形成することもできし、共
に半導体多層から形成することもできる。また、一方の
層を誘電体により形成し、他方の層を半導体により形成
することもできる。第１および第２の層を共に誘電体か
ら形成する場合には、第１の層をＳｉＯ２により、第２
の層をＴｉＯ２により形成することができる。
は、第１の層と第２の層の対の複数から形成される（通
常、３〜４対以上とされる）。この場合、第１および第
２の層を共に誘電体層により形成することもできし、共
に半導体多層から形成することもできる。また、一方の
層を誘電体により形成し、他方の層を半導体により形成
することもできる。第１および第２の層を共に誘電体か
ら形成する場合には、第１の層をＳｉＯ２により、第２
の層をＴｉＯ２により形成することができる。
【００１５】次のステップでは、前記所定厚さで第１お
よび第２の層を積層した際に、前記伸張応力と前記収縮
応力とが、同一またはほぼ同一の大きさとなるように、
第１および第２の層の蒸着速度および蒸着雰囲気の条件
を選択する。蒸着速度および蒸着雰囲気の条件は、第１
の層を蒸着するときと、第２の層を蒸着するときとでは
通常異なる。
よび第２の層を積層した際に、前記伸張応力と前記収縮
応力とが、同一またはほぼ同一の大きさとなるように、
第１および第２の層の蒸着速度および蒸着雰囲気の条件
を選択する。蒸着速度および蒸着雰囲気の条件は、第１
の層を蒸着するときと、第２の層を蒸着するときとでは
通常異なる。
【００１６】本発明の面発光レーザが、ＳｉＯ２層とＴ
ｉＯ２層との多層膜ミラーを持つ場合には、第１の層
（ＳｉＯ２）および第２の層（ＴｉＯ２）の蒸着条件は
以下のように定める。蒸着温度（あるいは、半導体基板
の温度）は、適宜設定される。この温度は、面発光レー
ザが使用される温度（通常、室温）、あるいは面発光レ
ーザが使用される温度に近い温度とすることができる。
こうすることで、半導体基板および該基板上に積層され
た多層膜の温度変化に伴う歪の発生がさらに防止され
る。
ｉＯ２層との多層膜ミラーを持つ場合には、第１の層
（ＳｉＯ２）および第２の層（ＴｉＯ２）の蒸着条件は
以下のように定める。蒸着温度（あるいは、半導体基板
の温度）は、適宜設定される。この温度は、面発光レー
ザが使用される温度（通常、室温）、あるいは面発光レ
ーザが使用される温度に近い温度とすることができる。
こうすることで、半導体基板および該基板上に積層され
た多層膜の温度変化に伴う歪の発生がさらに防止され
る。
【００１７】ＴｉＯ２の蒸着の雰囲気は、適当な酸素分
圧雰囲気とし、イオンビームアシストを用いるものとす
る。これにより、光学的吸収率を低減することができ
る。ＴｉＯ２の蒸着温度および酸素分圧は、光学的吸収
が最小になるように決定する。この条件下で、ＴｉＯ２
を所定厚さ（例えば、λ／４に相当する厚さ、ただしλ
はレーザ光の波長）に形成した場合には、伸張応力が生
じる。
圧雰囲気とし、イオンビームアシストを用いるものとす
る。これにより、光学的吸収率を低減することができ
る。ＴｉＯ２の蒸着温度および酸素分圧は、光学的吸収
が最小になるように決定する。この条件下で、ＴｉＯ２
を所定厚さ（例えば、λ／４に相当する厚さ、ただしλ
はレーザ光の波長）に形成した場合には、伸張応力が生
じる。
【００１８】ＳｉＯ２の蒸着の雰囲気および蒸着速度
は、上記伸張応力に応じて選択される。すなわち、Ｓｉ
Ｏ２を所定厚さ（例えばλ／４に相当する厚さ）形成し
た場合に、上記伸張応力と同じ大きさの収縮応力が生じ
るように、ＳｉＯ２層の酸素分圧および蒸着速度が選択
される。ＳｉＯ２の厚さが特定されている場合、蒸着し
たＳｉＯ２層に生じる収縮応力は、蒸着速度と酸素分圧
の関数として表される。したがって、例えば、予め、蒸
着速度ごとに、収縮応力と酸素分圧との関係を調べてお
けば、所定厚さのＴｉＯ２層に生じる伸張応力と、所定
厚さのＳｉＯ２層に生じる収縮応力とが同一（あるい
は、ほぼ同一）となる条件を容易に選択することができ
る。第１の層（ＳｉＯ２）の蒸着に際しては、イオンビ
ームアシストは行わない。その理由は、イオンビームア
シストを行うと、該層に大きな伸張応力が発生し、Ｔｉ
２層の伸張応力をキャンセルするどころか増長してしま
うからである。
は、上記伸張応力に応じて選択される。すなわち、Ｓｉ
Ｏ２を所定厚さ（例えばλ／４に相当する厚さ）形成し
た場合に、上記伸張応力と同じ大きさの収縮応力が生じ
るように、ＳｉＯ２層の酸素分圧および蒸着速度が選択
される。ＳｉＯ２の厚さが特定されている場合、蒸着し
たＳｉＯ２層に生じる収縮応力は、蒸着速度と酸素分圧
の関数として表される。したがって、例えば、予め、蒸
着速度ごとに、収縮応力と酸素分圧との関係を調べてお
けば、所定厚さのＴｉＯ２層に生じる伸張応力と、所定
厚さのＳｉＯ２層に生じる収縮応力とが同一（あるい
は、ほぼ同一）となる条件を容易に選択することができ
る。第１の層（ＳｉＯ２）の蒸着に際しては、イオンビ
ームアシストは行わない。その理由は、イオンビームア
シストを行うと、該層に大きな伸張応力が発生し、Ｔｉ
２層の伸張応力をキャンセルするどころか増長してしま
うからである。
【００１９】更に次のステップでは、第１および第２の
層を、上記条件に基づき、順次半導体基板上に交互に積
層する。積層の順序は、第１の層を最初に形成してもよ
いし、第２の層を最初に積層してもよい。本発明の面発
光レーザが、ＳｉＯ２層とＴｉＯ２層との多層膜ミラー
を持つ場合、半導体基板（ＧａＡｓ）へのＳｉＯ２層と
ＴｉＯ２層の蒸着は、電子ビーム法により行う。
層を、上記条件に基づき、順次半導体基板上に交互に積
層する。積層の順序は、第１の層を最初に形成してもよ
いし、第２の層を最初に積層してもよい。本発明の面発
光レーザが、ＳｉＯ２層とＴｉＯ２層との多層膜ミラー
を持つ場合、半導体基板（ＧａＡｓ）へのＳｉＯ２層と
ＴｉＯ２層の蒸着は、電子ビーム法により行う。
【００２０】本発明の多層膜構造では、第１の層が収縮
応力を生じさせ、第２の層が該収縮応力の大きさにほぼ
等しい大きさの伸張応力を生じさせる。これにより、多
層膜は、半導体基板に対して積層面に平行な方向への収
縮や伸張が殆ど生じない。また、本発明の面発光レーザ
では、多層膜ミラー形成後に、レーザ内部（特に、レー
ザ活性層内部）に生じる歪が大幅に低減される。これに
より、しきい値を低くすることができ、高い光出力ある
いは第２高調波出力を得ることができる。
応力を生じさせ、第２の層が該収縮応力の大きさにほぼ
等しい大きさの伸張応力を生じさせる。これにより、多
層膜は、半導体基板に対して積層面に平行な方向への収
縮や伸張が殆ど生じない。また、本発明の面発光レーザ
では、多層膜ミラー形成後に、レーザ内部（特に、レー
ザ活性層内部）に生じる歪が大幅に低減される。これに
より、しきい値を低くすることができ、高い光出力ある
いは第２高調波出力を得ることができる。
【００２１】
【実施例】以下、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂ
ｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）面発光レーザの誘電体
多層膜ミラーに適用した本発明の実施例を説明する。な
お、本実施例では半導体基板としてＧａＡｓを用い、蒸
着は電子ビーム蒸着装置により行った。
ｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）面発光レーザの誘電体
多層膜ミラーに適用した本発明の実施例を説明する。な
お、本実施例では半導体基板としてＧａＡｓを用い、蒸
着は電子ビーム蒸着装置により行った。
【００２２】まず、最初のステップとして、第１および
第２の層（誘電体層）の材料を選択する。本実施例で
は、第１の層の材料としてＳｉＯ２を、第２の層の材料
としてＴｉＯ２をそれぞれ選択した。
第２の層（誘電体層）の材料を選択する。本実施例で
は、第１の層の材料としてＳｉＯ２を、第２の層の材料
としてＴｉＯ２をそれぞれ選択した。
【００２３】ＳｉＯ２膜の収縮応力およびＴｉＯ２膜の
伸張応力の測定は、収縮応力・伸張応力測定用の基板
（ここでは、上記半導体基板と同一素材から成るＧａＡ
ｓ基板）上に、ＳｉＯ２およびＴｉＯ２を形成すること
により行った。
伸張応力の測定は、収縮応力・伸張応力測定用の基板
（ここでは、上記半導体基板と同一素材から成るＧａＡ
ｓ基板）上に、ＳｉＯ２およびＴｉＯ２を形成すること
により行った。
【００２４】次のステップでは、第１および第２の層の
蒸着条件の選択を行う。本実施例では、まず第２の誘電
体層（以下、「ＴｉＯ２層」と言う）の蒸着条件を、光
学的吸収が最小になるように確定し、該蒸着条件により
決定した伸張応力と同一の収縮応力が生じるように第１
の誘電体層（以下、「ＳｉＯ２層」と言う）の蒸着条件
を決定した。
蒸着条件の選択を行う。本実施例では、まず第２の誘電
体層（以下、「ＴｉＯ２層」と言う）の蒸着条件を、光
学的吸収が最小になるように確定し、該蒸着条件により
決定した伸張応力と同一の収縮応力が生じるように第１
の誘電体層（以下、「ＳｉＯ２層」と言う）の蒸着条件
を決定した。
【００２５】（ｉ）まず、ＴｉＯ２を、λ／４の厚さ、
酸素分圧３．１×１０−４Ｔｏｒｒ（背圧１．５×１０
−６Ｔｏｒｒ）下で、イオン電流５０．０ｍＡ、加速電
圧５００Ｖの酸素イオンビームでアシストしつつ、Ｇａ
Ａｓ基板に蒸着した。なお、蒸着速度を０．８Å／ｓｅ
ｃとした。このときの、基板温度は室温（２０℃）とし
た。そして、ＴｉＯ２膜の伸張応力を測定したところ、
２．２（任意単位）であった。
酸素分圧３．１×１０−４Ｔｏｒｒ（背圧１．５×１０
−６Ｔｏｒｒ）下で、イオン電流５０．０ｍＡ、加速電
圧５００Ｖの酸素イオンビームでアシストしつつ、Ｇａ
Ａｓ基板に蒸着した。なお、蒸着速度を０．８Å／ｓｅ
ｃとした。このときの、基板温度は室温（２０℃）とし
た。そして、ＴｉＯ２膜の伸張応力を測定したところ、
２．２（任意単位）であった。
【００２６】（ｉｉ）つぎに、ＳｉＯ２を、λ／４の厚
さ、特定の酸素分圧の下で、ＧａＡｓ基板に蒸着した。
このときの、蒸着速度は４．０Å／ｓｅｃとした。ま
た、基板温度はＴｉＯ２の蒸着のときと同様室温（２０
℃）とした。そして、ＳｉＯ２膜の収縮応力を測定し
た。上記蒸着および、収縮応力の測定は、背圧１．５×
１０−６Ｔｏｒｒの下で酸素分圧を種々変化させて多数
回行った。
さ、特定の酸素分圧の下で、ＧａＡｓ基板に蒸着した。
このときの、蒸着速度は４．０Å／ｓｅｃとした。ま
た、基板温度はＴｉＯ２の蒸着のときと同様室温（２０
℃）とした。そして、ＳｉＯ２膜の収縮応力を測定し
た。上記蒸着および、収縮応力の測定は、背圧１．５×
１０−６Ｔｏｒｒの下で酸素分圧を種々変化させて多数
回行った。
【００２７】このときの、収縮応力と酸素分圧との関係
をグラフで表すと図１の実線で表された。図１のグラフ
から、ＳｉＯ２膜の収縮応力が、ＴｉＯ２膜の伸張応力
と同一の値となるＳｉＯ２膜の酸素分圧は、４．９×１
０−５Ｔｏｒｒとなることがわかった。
をグラフで表すと図１の実線で表された。図１のグラフ
から、ＳｉＯ２膜の収縮応力が、ＴｉＯ２膜の伸張応力
と同一の値となるＳｉＯ２膜の酸素分圧は、４．９×１
０−５Ｔｏｒｒとなることがわかった。
【００２８】（ｉｉｉ）したがって、ＴｉＯ２について
は、基板温度２０℃（室温）、酸素分圧３．１×１０
−４Ｔｏｒｒ、酸素イオンビームアシスト電流５０．０
ｍＡ、加速電圧５００Ｖ、蒸着速度０．８Å／ｓｅｃの
条件で、ＳｉＯ２については、蒸着温度２０℃（室
温）、酸素分圧７．２×１０−５Ｔｏｒｒ、イオンビー
ムアシスト無し、蒸着速度４．０Å／ｓｅｃの条件で蒸
着を行えば、ＴｉＯ２膜の残留伸張応力とＳｉＯ２の残
留収縮応力とをほぼ同一にすることができる。なお、同
図では、ＳｉＯ２についてＯ２の蒸着速度を２０．０Å
／ｓｅｃとしたときの収縮応力と酸素分圧との関係を点
線で示す。この場合には、ＳｉＯ２膜の酸素分圧は、図
から約６．１×１０−５Ｔｏｒｒとすればよい。
は、基板温度２０℃（室温）、酸素分圧３．１×１０
−４Ｔｏｒｒ、酸素イオンビームアシスト電流５０．０
ｍＡ、加速電圧５００Ｖ、蒸着速度０．８Å／ｓｅｃの
条件で、ＳｉＯ２については、蒸着温度２０℃（室
温）、酸素分圧７．２×１０−５Ｔｏｒｒ、イオンビー
ムアシスト無し、蒸着速度４．０Å／ｓｅｃの条件で蒸
着を行えば、ＴｉＯ２膜の残留伸張応力とＳｉＯ２の残
留収縮応力とをほぼ同一にすることができる。なお、同
図では、ＳｉＯ２についてＯ２の蒸着速度を２０．０Å
／ｓｅｃとしたときの収縮応力と酸素分圧との関係を点
線で示す。この場合には、ＳｉＯ２膜の酸素分圧は、図
から約６．１×１０−５Ｔｏｒｒとすればよい。
【００２９】上記の条件に基づいて、ＧａＡｓ基板１
に、ＳｉＯ２層２とＴｉＯ２層３とを交互に蒸着し誘電
体多層膜ミラー４を形成した。図２（Ａ）は、作製した
ミラー４の様子を示す概念図である。従来、上記の条件
に基づかずに誘電体多層膜ミラーを形成している。この
ときのミラーの概念図を図２（Ｂ）に示す。なお、図２
（Ａ），（Ｂ）共に、ＳｉＯ２層２とＴｉＯ２層３を６
対形成してある。また、収縮応力および伸張応力の方向
を矢印で示し、収縮応力および伸張応力の大きさを矢印
の長さで表してある。
に、ＳｉＯ２層２とＴｉＯ２層３とを交互に蒸着し誘電
体多層膜ミラー４を形成した。図２（Ａ）は、作製した
ミラー４の様子を示す概念図である。従来、上記の条件
に基づかずに誘電体多層膜ミラーを形成している。この
ときのミラーの概念図を図２（Ｂ）に示す。なお、図２
（Ａ），（Ｂ）共に、ＳｉＯ２層２とＴｉＯ２層３を６
対形成してある。また、収縮応力および伸張応力の方向
を矢印で示し、収縮応力および伸張応力の大きさを矢印
の長さで表してある。
【００３０】図２（Ａ）のミラーでは、ＳｉＯ２膜に生
じる収縮応力と、ＴｉＯ２膜に生じる伸張応力とがほぼ
同一の大きさを持つので、積層面に平行な方向への収縮
や伸張は生じない。したがって、半導体基板内部におけ
る歪は生じない。これに対し、図２（Ｂ）のミラーで
は、ＳｉＯ２膜に生じる収縮応力と、ＴｉＯ２膜に生じ
る伸張応力とが異なっているので、積層面に平行な方向
への収縮や伸張が生じる。したがって、半導体基板内部
に歪が生じる。
じる収縮応力と、ＴｉＯ２膜に生じる伸張応力とがほぼ
同一の大きさを持つので、積層面に平行な方向への収縮
や伸張は生じない。したがって、半導体基板内部におけ
る歪は生じない。これに対し、図２（Ｂ）のミラーで
は、ＳｉＯ２膜に生じる収縮応力と、ＴｉＯ２膜に生じ
る伸張応力とが異なっているので、積層面に平行な方向
への収縮や伸張が生じる。したがって、半導体基板内部
に歪が生じる。
【００３１】上記実施例では、誘電体膜としてＳｉＯ２
およびＴｉＯ２を用いたが、本発明はこれに限定され
ず、蒸着後に収縮応力あるいは伸張応力が生じる誘電体
材料、例えば、Ａｌ２Ｏ３，ＭｇＯ，ＣａＦ２，ＭｇＦ
２などにも適用できる。さらに、上記の実施例では、室
温において蒸着を行ったが、室温でない場合にも、半導
体基板内部に歪が生じるない等、上記実施例と同様の効
果を得ることができる。しかし、前述したように、通
常、面発光レーザは室温近傍の温度で使用されるので、
蒸着は室温の近傍温度で行うことが好ましい。
およびＴｉＯ２を用いたが、本発明はこれに限定され
ず、蒸着後に収縮応力あるいは伸張応力が生じる誘電体
材料、例えば、Ａｌ２Ｏ３，ＭｇＯ，ＣａＦ２，ＭｇＦ
２などにも適用できる。さらに、上記の実施例では、室
温において蒸着を行ったが、室温でない場合にも、半導
体基板内部に歪が生じるない等、上記実施例と同様の効
果を得ることができる。しかし、前述したように、通
常、面発光レーザは室温近傍の温度で使用されるので、
蒸着は室温の近傍温度で行うことが好ましい。
【００３２】また、上記の誘電体多層膜ミラーは、メサ
キャップ構造のＤＢＲ面発光レーザ、電流狭窄構造のＤ
ＢＲ面発光レーザ等の面発光レーザの光出射側のミラー
としても、ヒートシンク側のミラーとしても用いること
ができる。
キャップ構造のＤＢＲ面発光レーザ、電流狭窄構造のＤ
ＢＲ面発光レーザ等の面発光レーザの光出射側のミラー
としても、ヒートシンク側のミラーとしても用いること
ができる。
【００３３】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、以
下のような効果を奏することができる。 （１）多層膜を構成する交互に積層された第１，第２の
層が、同一またはほぼ同一の残留収縮応力と残留伸張応
力を持つ。これにより、多層膜内部の積層面に平行な方
向への収縮や伸張により半導体基板内部に生じる歪が、
大幅に低減される。 （２）本発明を面発光レーザの多層膜ミラーの作製に適
用した場合には、該レーザ内部（特に、レーザ活性層の
内部）の歪を大幅に低減することができる。これによ
り、該ミラーにおける吸収を低減すると共に、しきい値
を下げることができ、高い光出力あるいは第２高調波出
力を得ることができる。 （３）本発明を、山田等に１９９４年８月２３日に発行
された米国特許５３４１３９０号に開示されている「面
発光第２高調波生成素子」のミラーに適用すれば、その
性能が大幅に改善される。
下のような効果を奏することができる。 （１）多層膜を構成する交互に積層された第１，第２の
層が、同一またはほぼ同一の残留収縮応力と残留伸張応
力を持つ。これにより、多層膜内部の積層面に平行な方
向への収縮や伸張により半導体基板内部に生じる歪が、
大幅に低減される。 （２）本発明を面発光レーザの多層膜ミラーの作製に適
用した場合には、該レーザ内部（特に、レーザ活性層の
内部）の歪を大幅に低減することができる。これによ
り、該ミラーにおける吸収を低減すると共に、しきい値
を下げることができ、高い光出力あるいは第２高調波出
力を得ることができる。 （３）本発明を、山田等に１９９４年８月２３日に発行
された米国特許５３４１３９０号に開示されている「面
発光第２高調波生成素子」のミラーに適用すれば、その
性能が大幅に改善される。
Claims (5)
- 【請求項１】 それぞれ所定厚さを持つ第１の層と第２
の層の対が、半導体基板上に蒸着されて形成される多層
膜構造であって、 前記半導体基板上に蒸着した状態で、第１の層は残留収
縮応力を有し、第２の層は前記残留収縮応力と等しい
か、またはほぼ等しい大きさの残留伸張応力を有するこ
とを特徴とする多層膜構造。 - 【請求項２】 請求項１に記載の多層膜構造を用いた面
発光レーザであって、 前記第１および第２の層が、誘電体および半導体から成
る群から選ばれた材料で構成され、前記多層膜が反射ミ
ラーを構成することを特徴とする前記面発光レーザ。 - 【請求項３】 請求項２に記載の面発光レーザであっ
て、 前記半導体基板がＧａＡｓまたはＳｉから成り、 前記第１の層がＳｉＯ２により形成され、前記第２の層
がＴｉＯ２から形成され、 前記第１の層は、特定の酸素分圧の雰囲気と蒸着速度の
下での電子ビーム蒸着により形成され、第２の層は、特
定の酸素分圧の雰囲気と蒸着速度の下で、イオンビーム
照射による蒸着のアシストを行いつつ電子ビーム蒸着に
より形成されて成ることを特徴とする面発光レーザ。 - 【請求項４】 前記第１および第２の層の蒸着が、室温
で行われたことを特徴とする請求項２または３に記載の
面発光レーザ。 - 【請求項５】 第２高調波の発生機能を有することを特
徴とする請求項２〜４に記載の面発光レーザ。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12959595A JP3691544B2 (ja) | 1995-04-28 | 1995-04-28 | 面発光レーザの製造方法 |
| EP96302908A EP0740377B1 (en) | 1995-04-28 | 1996-04-25 | Multilayer film structure and vertical cavity surface emitting lasers |
| US08/637,955 US5729567A (en) | 1995-04-28 | 1996-04-25 | Multilayer film structure and vertical cavity surface emitting lasers |
| DE69603776T DE69603776T2 (de) | 1995-04-28 | 1996-04-25 | Multischichten Filmstruktur und oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12959595A JP3691544B2 (ja) | 1995-04-28 | 1995-04-28 | 面発光レーザの製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08307008A true JPH08307008A (ja) | 1996-11-22 |
| JP3691544B2 JP3691544B2 (ja) | 2005-09-07 |
Family
ID=15013340
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12959595A Expired - Fee Related JP3691544B2 (ja) | 1995-04-28 | 1995-04-28 | 面発光レーザの製造方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5729567A (ja) |
| EP (1) | EP0740377B1 (ja) |
| JP (1) | JP3691544B2 (ja) |
| DE (1) | DE69603776T2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5943356A (en) * | 1996-06-06 | 1999-08-24 | Nec Corporation | Semiconductor laser with front face covered with laminated dielectric layers which produce oppositely acting stresses |
| US6597017B1 (en) | 1999-03-26 | 2003-07-22 | Fuji Xerox Co., Ltd. | Semiconductor device, surface emitting semiconductor laser and edge emitting semiconductor laser |
| US7233029B2 (en) | 2003-01-17 | 2007-06-19 | Fujifilm Corporation | Optical functional film, method of forming the same, and spatial light modulator, spatial light modulator array, image forming device and flat panel display using the same |
| WO2019106969A1 (ja) * | 2017-11-28 | 2019-06-06 | コニカミノルタ株式会社 | 画像表示装置と光学シースルーディスプレイ |
Families Citing this family (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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