JPH09283843A

JPH09283843A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JPH09283843A
Application number: JP8095038A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kikawa; 健紀川; Misuzu Sagawa; みすず佐川; Kiyohisa Hiramoto; 清久平本; Etsuko Nomoto; 悦子野本; Takashi Toyonaka; 隆司豊中; Kazuhisa Uomi; 和久魚見
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-04-17
Filing date: 1996-04-17
Publication date: 1997-10-31
Anticipated expiration: 2016-04-17
Also published as: JP3774503B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の高出力半導体レーザでは、定光出力連
続動作に伴って動作電流の急激な増加が生じ、十分な寿
命時間を有する高信頼な半導体レーザを得ることができ
なかった。【解決手段】半導体レーザの光出射面の保護膜として
少なくともその一部に窒化物層を含む絶縁物を形成す
る。保護膜形成前に自然酸化膜を除去すると更に有効で
ある。【効果】本発明により、高出力半導体レーザにおいて
長寿命化、高信頼化を容易な方法で実現し、歩留まり向
上、低コスト化を実現した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体レーザの構造
に係り、特に、光通信システム、光情報システムにおけ
る高出力半導体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、光ディスクや光磁気ディスクの書
き込み用として高出力高信頼半導体レーザが求められて
いる。また、光伝送システムで中継器あるいは受信器に
用いられる希土類添加光ファイバ増幅器励起用光源とし
て高出力高信頼0.98μｍ帯半導体レーザが盛んに研究さ
れている。これらの半導体レーザには長時間、安定に基
本モードで動作することが要求される。これら半導体レ
ーザの光出射面を形成する半導体表面上には絶縁膜から
なるコーティング膜が形成されている。これは適正な反
射率を得ることにより光取出し効率を大きくすると共に
閾値キャリア密度の増加による最大出力の低下を防ぐ為
である。このコーティング膜としては従来、多くのレー
ザにおいて酸化硅素薄膜が用いられている。例えばアプ
ライドフィジックスレターズ34巻（１９７９年），68
5ページ（Applied Physics Letters,vol. 34,pp. 685,1
979）に記載のT. Uasaらによる報告等がある。また無反
射条件となるように酸化硅素膜と窒化硅素膜の膜厚を制
御した積層膜も用いられている。窒化硅素膜を用いた例
としては例えば電子情報通信学会論文誌Ｃ−Ｉ，78巻，
3号（１９９５年），143頁（Vol. J78-C-I,No. 3,pp. 1
43,1995）記載の福嶋等による報告がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】多くの半導体レーザで
従来用いられてきた出射面コーティング膜は酸化硅素か
らなる単層膜であり、反射率が所要の値となる膜厚に設
計されている。ところが出射光の密度が数ＭＷ/cm²と高
い光出力を有するレーザの場合、このようなコーティン
グ膜では定光出力連続駆動させると、動作時間に伴って
急速に動作電流が増加し、数千時間で動作しなくなると
いう問題が生じた。

【０００４】レーザ動作に伴い酸化膜中の酸素原子が半
導体の内部に拡散して半導体表面を酸化させ、或いは結
晶性が劣化する。また半導体に燐原子を含む素子では燐
が絶縁膜中に拡散し半導体の結晶性が劣化する。これら
により表面近傍でキャリアトラップが増加してキャリア
の再結合が増大する。このため再結合電流の増加し、動
作電流が増加する。このため高出力レーザには不適であ
った。

【０００５】一方、窒化硅素薄膜の応力は酸化硅素薄膜
に較べ数倍乃至数十倍大きい。このため半導体レーザの
端面保護膜に用いた場合、半導体のバンドギャップが応
力により端面近傍で小さくなり半導体表面での拡散電流
や再結合電流が大きくなる。このた初期の動作電流が大
きくなる。また動作による動作電流の増加も大きくな
る。

【０００６】その他にも応力が大きい場合には膜はがれ
が起こり易く、また半導体表面に割れや剥離を生じさせ
る危険ある。

【０００７】本発明は、出射光密度が数ＭＷ/cm²以上の
高出力レーザにおいて、長時間動作後にも動作電流の増
加が少ない長寿命で信頼性の高い半導体レーザを提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、光出射面を
形成する半導体表面上に窒化物からなる薄い絶縁膜層を
設けることにより達成される。窒化膜の上に適正な膜厚
の酸化膜、例えば酸化硅素膜を積層することにより適正
な反射率を得ることができる。窒化膜の膜厚は酸化膜の
膜厚に較べ十分に薄いので酸化膜の膜厚の制御性は従来
の単層膜を用いる場合と同等である。薄い窒化膜の形成
により半導体表面への酸素の供給が抑制でき、また燐の
out-diffusionも抑制できる。これにより半導体の結晶
性の劣化による動作電流の増加を抑制することができ
る。薄い窒化膜を用いるために半導体表面への応力の増
加を小さくすることができる。また、その窒化物からな
る絶縁膜層を多孔質膜等の低密度な膜と緻密で欠陥の少
ない膜とからなる積層構造とし、半導体表面の直上に低
密度の膜、その上に緻密な膜を形成することにより半導
体表面への応力は更に小さくすることができるので、そ
の効果はより大きくなる。例えばＡｒ(アルゴン)ガスを
用いたスパッタ法により窒化膜を形成する場合、低パワ
ー、高Ａｒ圧力とすることにより膜中へのＡｒの混入量
が増大し、低密度の膜となる。またプラズマの中心から
外れた位置で成膜することにより同様の低密度膜とな
る。何れの低密度膜でも半導体表面へのプラズマ損傷は
低減され、動作電流の増加は抑制される。また低密度膜
の形成によりプラズマ損傷や応力の増加等の副作用がな
くなるのでその上の緻密な膜は空孔や不純物等の欠陥の
ない理想的な膜とすることができる。これにより拡散防
止の効果を最大にすることができる。更に、上記目的は
半導体表面上にＶ族元素、特に砒素を含む酸化物を形成
せずに、或いは形成した酸化物を除去した後に窒化物か
らなる絶縁膜層を形成することによりその効果は一層顕
著となる。

【０００９】本発明によれば、波長0.98μｍの光を２Ｍ
Ｗ／cm²以上の出力で発振するレーザ素子のみならず、
例えば波長0.68μｍ、または0.65μｍの光を１ＭＷ／cm
²以上の出力で発振する光記録装置用レーザ素子に於て
も、動作時間に伴い素子特性が劣化する問題を解決する
ことができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を３つ
の実施例とその関連図面を用いて詳細に説明する。

【００１１】＜実施例１＞本発明の第１の実施例を図１
〜２を用いて説明する。本実施例は、本発明を光伝送シ
ステムで中継器あるいは受信器に用いられる希土類添加
光ファイバ増幅器励起用0.98μｍ帯高出力半導体レーザ
に適用したものである。図１はファブリ・ペロー型共振
器を有する半導体レーザの平面構造を、図２（ａ）は断
面構造を、図２（ｂ）は活性層の拡大図を示している。
次に、素子の作製方法について述べる。n-GaAs基板５上
にGaAsバッファ層６、GaAsに格子整合したn-InGaPクラ
ッド層７、In_1-xGa_xAs_yP_1-y障壁層(ｘ＝0.82，ｙ＝0.6
3, 障壁層厚35 nm)１７とIn_zGa_1-zAs歪量子井戸層(ｚ＝
0.16，井戸層厚7 nm)１８から構成される歪量子井戸活
性層８、GaAs基板に格子整合したp-InGaPクラッド層
９、p-GaAs光導波路層１０、GaAsに格子整合したp-InGa
Pクラッド層１１、p-GaAsキャップ層１２をMOVPE法、ま
たはガスソースMBE法、またはCBE法により順次形成す
る。次に、酸化膜をマスクに、ホトエッチング工程によ
り図２（ａ）に示すようなリッジを形成する。このとき
のエッチングはウエット、RIE、RIBE、イオンミリング
等、方法を問わない。エッチングはP-GaAs光導波路層１
０を完全に除去し、且つ歪量子井戸活性層８に達しない
ようにp-InGaPクラッド層９の途中で止まるようにす
る。次に、エッチングマスクとして用いた酸化膜を選択
成長のマスクとして、図２（ａ）に示すようにn-InGaP
電流狭窄層１３をMOVPE法により選択成長する。その後
成長炉からウエハを取りだし、選択成長マスクとして用
いた酸化膜をエッチングにより除去する。その後、p-Ga
Asコンタクト層１４をMOVPE法またはMBE法により形成す
る。p側オーミック電極１５、n側オーミック電極１６を
形成した後、劈開法により共振器長約900μｍのレーザ
素子を得る。この後、素子の前面（ｚ＝Ｌ）にスパッタ
リング法により、窒化物からなる絶縁膜１として厚さ10
0Åの窒化硅素(SiN_x)薄膜と厚さλ／４（λ：発振波
長）の酸化硅素（SiO₂）薄膜２とからなる２層膜による
低反射（ＡＲ）膜３を、素子の後面（ｚ＝０）にSiO₂薄
膜と非晶質硅素（a-Si）薄膜とからなる６層膜による高
反射（ＨＲ）膜4を形成した。その後、素子を接合面を
下にして、ヒートシンク上にボンディングした。試作し
た素子は、しきい値電流約10ｍＡで室温連続発振し、そ
の発振波長は約0.98μｍであった。また、素子は580ｍ
Ｗまで安定に横単一モード発振した。また、光出力を増
加させても端面劣化は起こらず、最大光出力800ｍＷは
熱飽和により制限された。また、30素子について環境温
度80℃の条件下で200ｍＷ定光出力連続駆動させたとこ
ろ、初期駆動電流は約250ｍＡであり、全ての素子で10
万時間以上安定に動作した。

【００１２】本実施例では窒化物からなる絶縁膜として
SiN_x薄膜を用いたが、他の窒化膜、例えば窒化アルミニ
ウム（AlN）膜、窒化ガリウム（GaN）膜、或いは窒化硼
素（BN）膜を用いても同様の効果が得られることは言う
までもない。また、保護膜形成法としてスパッタリング
法を用いたが、他の薄膜形成法、例えばマイクロ波プラ
ズマ化学気相蒸着（ＥＣＲ−ＣＶＤ）法、電子線（Ｅ
Ｂ）蒸着法、イオンビーム（ＩＢ）蒸着法を用いてもよ
い。

【００１３】＜実施例２＞本発明の第２の実施例を図３
及び４を用いて説明する。本実施例は、光ディスクや光
磁気ディスクの書き込み用として用いられる0.68μｍ帯
高出力半導体レーザに適用したものである。図４（ａ）
は、断面構造を、図４（ｂ）は活性層の拡大図を、図5
は平面構造を示している。次に、素子作製方法について
述べる。n-GaAs基板５上にGaAsバッファ層６、GaAsに格
子整合したn-(Al_xGa_1-x)InPクラッド層（ｘ＝0.7）１
９、GaAsに格子整合した（Al_yGa_1-y)InP障壁層（ｙ＝0.
45、障壁層厚４ｎｍ）２９とIn_zGa_1-zP歪量子井戸層
（ｚ＝0.6、井戸層厚８ｎｍ）３０、及び(Al_sGa_1-s)InP
SCH(Separate Confinmente Heterostructure)層(s=0.5
5、障壁層厚4 nm)31とから構成される歪量子井戸活性層
20、GaAsに格子整合したp-(Al_tGa_1-t)InPクラッド層
（ｔ＝0.7）２１、GaAsに格子整合したp-InGaPエッチス
トップ層２２、GaAsに格子整合したp-(Al_uGa_1-u)InPク
ラッド層（ｕ＝0.7）２３、p-Al_vGa_1-vAsキャップ層
（ｖ＝0.7）２４をMOVPE法、CBE法、またはMBE法により
順次形成する。次に、酸化膜をマスクに、ホトエッチン
グ工程により図４（ａ）に示すようなリッジを形成す
る。このときのエッチングはウエット、RIE、RIBE、イ
オンミリング等、方法を問わない。エッチングはp-InGa
Pエッチストップ層22で止め歪量子井戸活性層２０に達
しないようにする。次に、エッチングマスクとして用い
た酸化膜を選択成長のマスクとして、図４（ａ）に示す
ようにn-GaAs電流狭窄層２５をMOVPE法により選択成長
する。その後成長炉からウエハを取りだし、選択成長マ
スクとして用いた酸化膜をエッチングにより除去する。
その後、p-GaAsコンタクト層１４をMOVPE法またはMBE法
により形成する。p側オーミック電極１５、n側オーミッ
ク電極１６を形成した後、劈開法により共振器長約600
μｍのレーザ素子を得た。この後EB蒸着法を用いて図５
に示すように、素子の前面（ｚ＝Ｌ）に厚さ５０Åの低
密度のBN膜３２、厚さ100Åの緻密な微結晶BN膜３３、
λ／４（λ：発振波長）の厚さのSiO₂膜２を順次形成し
てＡＲ膜３５を、素子の後面（ｚ＝０）にSiO₂膜とSiN_x
膜の８層膜とSiO₂膜とa-Si膜の２層膜とからなるＨＲ膜
３６を形成した。その後、素子を接合面を上にして、ヒ
ートシンク上にボンディングした。試作した素子は、し
きい値電流約14ｍＡで室温連続発振し、その発振波長は
約0.68μｍであった。また、素子は150ｍＷまで安定に
横単一モード発振した。また、最大光出力として300ｍ
Ｗ以上の光出力を得た。また、30素子について環境温度
80℃の条件下で50ｍＷ定光出力連続駆動させたところ、
初期駆動電流は約200ｍＡであり、全ての素子で5万時間
以上安定に動作した。

【００１４】本実施例では窒化物からなる絶縁膜として
BN薄膜を用いたが、他の窒化膜、例えばAlN膜、GaN膜、
或いはSiN_x膜等を用いても同様の効果が得られることは
言うまでもない。また、保護膜形成法としてEB蒸着法を
用いたが、他の薄膜形成法、例えばECR-CVD法、IB蒸着
法、スパッタリング法等を用いてもよい。

【００１５】＜実施例３＞本発明の第３の実施例を図
２、５を用いて説明する。本実施例は、本発明を光伝送
システムで中継器あるいは受信器に用いられる希土類添
加光ファイバ増幅器励起用0.98μｍ帯高出力半導体レー
ザに適用したものである。図２（ａ）は断面構造を、図
２（ｂ）は活性層の拡大図を、図５は平面構造を示して
いる。次に、素子の作製方法について述べる。n-GaAs基
板５上にGaAsバッファ層６、GaAsに格子整合したn-InGa
Pクラッド層７、In_1-xGa_xAs_yP_1-y障壁層（ｘ＝0.82、ｙ
＝0.63、障壁層厚35ｎｍ）１７とIn_zGa_1-zAs歪量子井戸
層（ｚ＝0.16、井戸層厚7ｎｍ）１８から構成される歪
量子井戸活性層８、GaAs基板に格子整合したp-InGaPク
ラッド層９、p-GaAs光導波路層１０、GaAsに格子整合し
たp-InGaPクラッド層１１、p-GaAsキャップ層１２をMOV
PE法、またはガスソースMBE法、またはCBE法により順次
形成する。次に、酸化膜をマスクに、ホトエッチング工
程により図２（ａ）に示すようなリッジを形成する。こ
のときのエッチングはウエット、RIE、RIBE、イオンミ
リング等、方法を問わない。エッチングはp-GaAs光導波
路層１０を完全に除去し、且つ歪量子井戸活性層８に達
しないようにp-InGaPクラッド層９の途中で止まるよう
にする。次に、エッチングマスクとして用いた酸化膜を
選択成長のマスクとして、図２（ａ）に示すようにn-In
GaP電流狭窄層１３をMOVPE法により選択成長する。その
後成長炉からウエハを取りだし、選択成長マスクとして
用いた酸化膜をエッチングにより除去する。その後、p-
GaAsコンタクト層１４をMOVPE法、CBE法、またはMBE法
により形成する。p側オーミック電極15、n側オーミック
電極１６を形成した後、劈開法により共振器長約900μ
ｍのレーザ素子を得た。この後、素子の両面に熱励起法
により生成した原子状活性水素(H*)ビームを照射して半
導体表面上の自然酸化膜を除去した後、IB蒸着法により
厚さ100Åの低密度AlN膜３７、100Åの緻密な非晶質AlN
膜３８と、反射率が６％となる厚さのAl₂O₃膜３９によ
るＡＲ膜４０を、素子の後面に厚さ100Åの低密度AlN膜
３７、100Åの緻密な非晶質AlN膜３８と、SiO₂膜とa-Si
膜の６層膜からなるＨＲ膜４１を形成した。その後、素
子を接合面を下にして、ヒートシンク上にボンディング
した。試作した素子は、しきい値電流約10ｍＡで室温連
続発振し、その発振波長は約0.98μｍであった。また、
素子は650ｍＷまで安定に横単一モード発振した。ま
た、光出力を増加させても端面劣化は起こらず、最大光
出力800ｍＷは熱飽和により制限された。また、３０素
子について環境温度80℃の条件下で200ｍＷ定光出力連
続駆動させたところ、初期駆動電流は約240ｍＡであ
り、全ての素子で10万時間以上安定に動作した。

【００１６】本実施例では原子状活性水素を用いて半導
体表面の自然酸化物を除去したが、他の活性原子、活性
分子、活性イオン、例えばH₂*、H+、NH²+等を用いても
よい。また、熱励起法により原子状活性水素を生成した
が、他の方法例えばマイクロ波プラズマ、RFプラズマ、
グロー放電等を用いて生成してもよいことは云うまでも
ない。

【００１７】なお、上述した実施例の活性層をSCH層の
組成を段階的に変化させたGRIN-SCH(Graded Index-Sepa
rate Confinment Heterostructure)活性層としてもよ
い。また、本発明は導波路構造によらないので、たとえ
ば、上述した実施例のほかに導波路構造としてBH (Buri
ed Heterostructure)構造を用いても良く、面発光レー
ザに適用しても良い。また、本発明は材料系にもよらな
いので、上述したGaAs基板上のInGaAsP系、GaAs基板上
のAlGaAs系のみでなく、InP基板上のAlInGaAsP系、GaAs
基板上のInAlGaP系、サファイア基板或いはSiC基板上の
GaN系、GaAs基板或いはZnSe基板上のII-VI族化合物半導
体レーザ等にも適用できる。さらに、発振波長として上
述した0.98μｍ帯、0.68μｍ帯のほか、1.55μｍ帯、1.
48μｍ帯、0.65μｍ帯、更には0.5μｍ帯、0.45μｍ帯
等の青緑色、青色レーザ等、半導体レーザで実現できる
全ての波長範囲に適用できることは言うまでもない。

【００１８】

【発明の効果】本発明により、高出力半導体レーザにお
いて長寿命化、高信頼化を容易な方法で実現し、歩留ま
り向上、低コスト化を実現した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による端面構造を有するレーザの平面構
造を示した図。

【図２】本発明による第１の実施例を示した図。

【図３】本発明による第２の実施例を示した図。

【図４】本発明による別の端面構造を有するレーザの平
面構造を示した図。

【図５】本発明による別の端面構造を有するレーザの平
面構造を示した図。

【符号の説明】

１：窒化物からなる絶縁膜、２：SiO₂膜、３：低反射
膜、４：高反射膜、５：n-GaAs基板、６：GaAsバッファ
層、７：n-InGaPクラッド層、８：歪量子井戸活性層、
９：p-InGaPクラッド層、１０：p-GaAs光導波路層、１
１：p-InGaPクラッド層、１２：p-GaAsキャップ層、１
３：n-InGaP電流狭窄層、１４：p-GaAsコンタクト層、
１５：p側オーミック電極、１６：n側オーミック電極、
１７：InGaAsP障壁層、１８：InGaAs歪量子井戸層、１
９：n-AlGaInPクラッド層、２０：歪量子井戸活性層、
２１：p-AlGaInPクラッド層、２２：p-InGaPエッチスト
ップ層、２３：p-AlGaInPクラッド層、２４：p-AlGaAs
キャップ層、２５：n-GaAs電流狭窄層、２９：AlGaInP
障壁層、３０：InGaP歪量子井戸層、３１：AlGaInP SCH
層、３２：低密度BN膜、３３：緻密BN膜、３５：低反射
膜、３６：高反射膜、３７：低密度AlN膜、３８：緻密A
lN膜、３９：Al₂O₃膜、４０：低反射膜、４１：高反射
膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者野本悦子東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者豊中隆司神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地株式会社日立製作所情報通信事業部内 (72)発明者魚見和久東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザに於て光出射面の保護膜とし
て、該光出射面である半導体表面に隣接して窒化物から
なる絶縁膜が形成され、更に該窒化物からなる絶縁膜上
に窒化物以外の絶縁膜が形成されていることを特徴とす
る半導体レーザ。
【請求項２】特許請求項１の半導体レーザに於て該窒化
物からなる絶縁膜の厚さが20Å以上、300Å以下である
ことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項３】特許請求項２の半導体レーザに於て該窒化
物からなる絶縁膜が多孔質膜と緻密膜とからなる積層構
造を有し、半導体表面側に多孔質膜が形成されているこ
とを特徴とする半導体レーザ。
【請求項４】特許請求項１乃至３の半導体レーザに於て
該窒化物からなる絶縁膜が少なくとも窒化硅素、窒化ア
ルミニウム、窒化ガリウム、或いは窒化硼素の何れか1
種類以上を含むことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項５】特許請求項１乃至４の半導体レーザに於て
波長が9800±50Åであり、出射光の光密度が２×10⁶Ｗ/
cm²以上であることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項６】特許請求項１乃至４の半導体レーザに於て
波長が6800±100Åであり、出射光の光密度が１×10⁶Ｗ
/cm²以上であることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項７】特許請求項１乃至６の半導体レーザに於て
該保護膜と半導体表面との間に少なくともV族元素を含
む酸化物、特に砒素酸化物、が形成されていないことを
特徴とする半導体レーザ。