JPH11284271A - 半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents
半導体レーザおよびその製造方法Info
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- JPH11284271A JPH11284271A JP10083100A JP8310098A JPH11284271A JP H11284271 A JPH11284271 A JP H11284271A JP 10083100 A JP10083100 A JP 10083100A JP 8310098 A JP8310098 A JP 8310098A JP H11284271 A JPH11284271 A JP H11284271A
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- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 信頼性が高く、低しきい値、低動作電流など
性能が向上した、多層高反射膜付きの半導体レーザおよ
びその製造方法を提供する。 【解決手段】 多層高反射膜は、半導体レーザ２０１の
基板が有する線膨張率の±３０％以内の線膨張率、ｎ１
＜１．８なる屈折率ｎ１、及びレーザ波長λに対して約
λ／４となるような光学的膜厚を有する端面に接して形
成された第一の低屈折率膜２０４と、ｎ２＞１．９なる
屈折率ｎ２、ｋ＜０．０５なる屈折率の負の虚数部−ｉ
ｋ、及びレーザ波長λに対して約λ／４となるような光
学的膜厚を有する第一の高屈折率膜２０６と、ｎ３＜
１．７であり、ｎ１＞ｎ３なる屈折率ｎ３を有する、前
記第一の低屈折率膜とは材質が異なる第二の低屈折率膜
２０５とを具備し、第一の低屈折率膜上に、第一の高屈
折率膜と第二の低屈折率膜とが交互に複数積層され、総
層数が９層以下であることを特徴とする。
性能が向上した、多層高反射膜付きの半導体レーザおよ
びその製造方法を提供する。 【解決手段】 多層高反射膜は、半導体レーザ２０１の
基板が有する線膨張率の±３０％以内の線膨張率、ｎ１
＜１．８なる屈折率ｎ１、及びレーザ波長λに対して約
λ／４となるような光学的膜厚を有する端面に接して形
成された第一の低屈折率膜２０４と、ｎ２＞１．９なる
屈折率ｎ２、ｋ＜０．０５なる屈折率の負の虚数部−ｉ
ｋ、及びレーザ波長λに対して約λ／４となるような光
学的膜厚を有する第一の高屈折率膜２０６と、ｎ３＜
１．７であり、ｎ１＞ｎ３なる屈折率ｎ３を有する、前
記第一の低屈折率膜とは材質が異なる第二の低屈折率膜
２０５とを具備し、第一の低屈折率膜上に、第一の高屈
折率膜と第二の低屈折率膜とが交互に複数積層され、総
層数が９層以下であることを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ、特
にレーザ端面に高反射膜を形成した半導体レーザおよび
その製造方法に関する。
にレーザ端面に高反射膜を形成した半導体レーザおよび
その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザの光出力増大、あるいは温
度特性向上を目的として、多層高反射膜をコーティング
した半導体レーザが広く用いられている。図５に多層高
反射膜を施した半導体レーザの従来例を示す。この半導
体レーザでは、半導体レーザ２１のレーザ光出射端面１
には、反射率が３０％程度か、あるいはそれ以下となる
よう膜厚を制御した第一の低屈折率膜１０が形成され、
この端面１と対向する高反射膜端面２には第二の低屈折
率膜１４、高屈折率膜１７が交互に形成されている。そ
れぞれの膜厚、層数は、反射率を３０％程度以上、１０
０％以下の所望の反射率になるよう設定されている。第
二の低屈折率膜１４、高屈折率膜１７の膜厚は、半導体
レーザの発振波長λに対して光学長がλ／４となるよう
設計されることが多い。高反射膜端面２側形成された最
上層低屈折率膜１９では、所望の反射率を得るため、光
学的な膜厚がλ／４、λ／２、あるいはこれらの間の値
に設定される。
度特性向上を目的として、多層高反射膜をコーティング
した半導体レーザが広く用いられている。図５に多層高
反射膜を施した半導体レーザの従来例を示す。この半導
体レーザでは、半導体レーザ２１のレーザ光出射端面１
には、反射率が３０％程度か、あるいはそれ以下となる
よう膜厚を制御した第一の低屈折率膜１０が形成され、
この端面１と対向する高反射膜端面２には第二の低屈折
率膜１４、高屈折率膜１７が交互に形成されている。そ
れぞれの膜厚、層数は、反射率を３０％程度以上、１０
０％以下の所望の反射率になるよう設定されている。第
二の低屈折率膜１４、高屈折率膜１７の膜厚は、半導体
レーザの発振波長λに対して光学長がλ／４となるよう
設計されることが多い。高反射膜端面２側形成された最
上層低屈折率膜１９では、所望の反射率を得るため、光
学的な膜厚がλ／４、λ／２、あるいはこれらの間の値
に設定される。
【０００３】発振波長が６００ｎｍから７００ｎｍ帯の
赤色半導体レーザ、発振波長が800ｎｍ帯の赤外半導体
レーザにおいては、低屈折率膜の材質として酸化アルミ
ニウム（Ａｌ2Ｏ3：屈折率1.6 〜1.7 ）や二酸化珪素
（ＳｉＯ2：屈折率1.4 〜1.5）高屈折率膜の材質として
窒化シリコン（ＳｉＮｘ：屈折率1.8 〜2.2 ）、アモル
ファスシリコン（α- Ｓｉ：屈折率３〜５）、酸化チタ
ン（ＴｉＯｘ：屈折率1.9 〜2.5 ）酸化ジルコニウム
（ＺｒＯｘ：屈折率1.8 〜2.2 ）などが用いられてい
る。
赤色半導体レーザ、発振波長が800ｎｍ帯の赤外半導体
レーザにおいては、低屈折率膜の材質として酸化アルミ
ニウム（Ａｌ2Ｏ3：屈折率1.6 〜1.7 ）や二酸化珪素
（ＳｉＯ2：屈折率1.4 〜1.5）高屈折率膜の材質として
窒化シリコン（ＳｉＮｘ：屈折率1.8 〜2.2 ）、アモル
ファスシリコン（α- Ｓｉ：屈折率３〜５）、酸化チタ
ン（ＴｉＯｘ：屈折率1.9 〜2.5 ）酸化ジルコニウム
（ＺｒＯｘ：屈折率1.8 〜2.2 ）などが用いられてい
る。
【０００４】低屈折率膜と高屈折率膜の屈折率差が大き
いほど、低屈折率膜層／高屈折率膜層一対あたりの反射
率の増加が大きくなるため、低屈折率膜の屈折率はでき
るだけ低く、高屈折率膜の屈折率はできるだけ高いもの
が望ましい。低屈折率膜では、Ａｌ2Ｏ3よりＳｉＯ2の
ほうが屈折率が低く、反射率の観点からは望ましい膜材
である。しかし、二酸化珪素の線膨張率が１x １０-6
(1/K) 程度以下であり、半導体レーザ材料として使用さ
れる多いＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、ＩｎＧａＰ／Ｉｎ
ＧａＡｌＰ系、ＧａＮ系などの化合物半導体の結晶基
板、すなわち、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、インジウム
リン（ＩｎＰ）、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）などの結晶基
板では、線膨張率が４〜７ｘ１０-6(1/K) であるのに対
し、値が大きく異なっている。このことにより、高温で
形成されたＳｉＯ2膜とレーザ端面との間に室温での応
力ストレスが生じ、半導体レーザの信頼性に悪影響を与
えたり、端面からの膜はがれが発生するなどの問題点が
あった。このため、ＳｉＯ2を低屈折率膜として選択す
ることは少なく、線膨張率が７ｘ１０-6(1/K) と、より
化合物半導体の線膨張率に近いＡｌ2Ｏ3を採用すること
が多かった。
いほど、低屈折率膜層／高屈折率膜層一対あたりの反射
率の増加が大きくなるため、低屈折率膜の屈折率はでき
るだけ低く、高屈折率膜の屈折率はできるだけ高いもの
が望ましい。低屈折率膜では、Ａｌ2Ｏ3よりＳｉＯ2の
ほうが屈折率が低く、反射率の観点からは望ましい膜材
である。しかし、二酸化珪素の線膨張率が１x １０-6
(1/K) 程度以下であり、半導体レーザ材料として使用さ
れる多いＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、ＩｎＧａＰ／Ｉｎ
ＧａＡｌＰ系、ＧａＮ系などの化合物半導体の結晶基
板、すなわち、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、インジウム
リン（ＩｎＰ）、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）などの結晶基
板では、線膨張率が４〜７ｘ１０-6(1/K) であるのに対
し、値が大きく異なっている。このことにより、高温で
形成されたＳｉＯ2膜とレーザ端面との間に室温での応
力ストレスが生じ、半導体レーザの信頼性に悪影響を与
えたり、端面からの膜はがれが発生するなどの問題点が
あった。このため、ＳｉＯ2を低屈折率膜として選択す
ることは少なく、線膨張率が７ｘ１０-6(1/K) と、より
化合物半導体の線膨張率に近いＡｌ2Ｏ3を採用すること
が多かった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、Ａｌ2Ｏ3は高
屈折率膜１７との屈折率差が生じにくいため、低屈折率
膜／高屈折率膜対の層数を増やすか、あるいは高屈折率
膜に、より高い屈折率の材料を選ぶか、どちらかを選択
する必要があり、これによって以下の問題が生じてい
た。
屈折率膜１７との屈折率差が生じにくいため、低屈折率
膜／高屈折率膜対の層数を増やすか、あるいは高屈折率
膜に、より高い屈折率の材料を選ぶか、どちらかを選択
する必要があり、これによって以下の問題が生じてい
た。
【０００６】まず、層数を増加する場合には、膜と化合
物半導体の間、あるいは半導体基板との間、膜間などに
おけるストレスが増加し、膜はがれが生じたり、素子端
面の劣化原因となるなど信頼性に問題が生じる。化合物
半導体に対して信頼性に問題が生じないような層数は10
層以下と考えられるが、低屈折率膜としてＡｌ2 Ｏ3、
高屈折率膜としてＳｉＮｘを選択した場合、９０% 以上
の反射率を得るためには、１５層程度の膜を積層しなけ
ればならず、信頼性に問題が生じる。またかりに信頼性
に問題がない膜を選択したとしても、膜の形成に要する
時間が非常に長くなり、生産性に問題が生じていた。
物半導体の間、あるいは半導体基板との間、膜間などに
おけるストレスが増加し、膜はがれが生じたり、素子端
面の劣化原因となるなど信頼性に問題が生じる。化合物
半導体に対して信頼性に問題が生じないような層数は10
層以下と考えられるが、低屈折率膜としてＡｌ2 Ｏ3、
高屈折率膜としてＳｉＮｘを選択した場合、９０% 以上
の反射率を得るためには、１５層程度の膜を積層しなけ
ればならず、信頼性に問題が生じる。またかりに信頼性
に問題がない膜を選択したとしても、膜の形成に要する
時間が非常に長くなり、生産性に問題が生じていた。
【０００７】次に、高屈折率膜として、より屈折率の高
い膜を選択すること、例えばα-Siを用いることが考え
られる。低屈折率膜としてＡｌ2Ｏ3、高屈折率膜として
α-Si を採用し、光吸収を考慮して理論計算を行うと、
９０% 程度の反射率が９層以下の層数で実現できる。実
際、このような膜構成は高出力レーザにおいて比較的広
く用いられている。しかしながら、α-Si は、たとえば
波長６００ｎｍ帯で、１ｘ１０4cm-1オーダの大きな光
吸収を生じるため、以下の問題が生じていたまず、光吸
収によって、より高い反射率が得られにくくなる。６０
０ｎｍ帯で９０% 以上の反射率を得られるように設計し
た場合を理論的に見積ると、仮にα-Si 膜において光吸
収がゼロと仮定した場合に比べ、10％程度反射率が低く
なる。低屈折率膜／高屈折率膜の対で層数を増加させる
ことにより反射率は増加するが、９０％を越えることは
難しい。
い膜を選択すること、例えばα-Siを用いることが考え
られる。低屈折率膜としてＡｌ2Ｏ3、高屈折率膜として
α-Si を採用し、光吸収を考慮して理論計算を行うと、
９０% 程度の反射率が９層以下の層数で実現できる。実
際、このような膜構成は高出力レーザにおいて比較的広
く用いられている。しかしながら、α-Si は、たとえば
波長６００ｎｍ帯で、１ｘ１０4cm-1オーダの大きな光
吸収を生じるため、以下の問題が生じていたまず、光吸
収によって、より高い反射率が得られにくくなる。６０
０ｎｍ帯で９０% 以上の反射率を得られるように設計し
た場合を理論的に見積ると、仮にα-Si 膜において光吸
収がゼロと仮定した場合に比べ、10％程度反射率が低く
なる。低屈折率膜／高屈折率膜の対で層数を増加させる
ことにより反射率は増加するが、９０％を越えることは
難しい。
【０００８】また、この光吸収によってレーザ素子内部
の光強度が減少するため、光吸収がなかった場合に比
べ、半導体レーザのしきい値電流（Ith ）、動作電流
（Iop ）が増加する。このため、光出力増大や温度特性
向上を図ることを目的として多層高反射膜を形成して
も、目標とする性能向上が得られないことがしばしば発
生した。
の光強度が減少するため、光吸収がなかった場合に比
べ、半導体レーザのしきい値電流（Ith ）、動作電流
（Iop ）が増加する。このため、光出力増大や温度特性
向上を図ることを目的として多層高反射膜を形成して
も、目標とする性能向上が得られないことがしばしば発
生した。
【０００９】さらに、層数を増加させることによって、
高反射膜端面から出射される光強度はより一層小さくな
る。半導体レーザを一定光出力で利用する場合、裏面か
らの出射光量をフォトダイオードで受光し、受光量に比
例した信号をフィードバックすることにより光出力を制
御する方法が一般的である。しかし、α-Si を用いた膜
構成で５層以上の積層を行った場合、フィードバックを
行うのに必要な光量が得られず、このような制御方法を
用いることができなかった。
高反射膜端面から出射される光強度はより一層小さくな
る。半導体レーザを一定光出力で利用する場合、裏面か
らの出射光量をフォトダイオードで受光し、受光量に比
例した信号をフィードバックすることにより光出力を制
御する方法が一般的である。しかし、α-Si を用いた膜
構成で５層以上の積層を行った場合、フィードバックを
行うのに必要な光量が得られず、このような制御方法を
用いることができなかった。
【００１０】なお、高出力レーザでは、α-Si による光
吸収のため高反射膜内で発熱が生じ、ＣＯＤ（Catastro
phic Optical Damage ）レベルが低下する可能性も指摘
されている。（田中清武他、第４３回応用物理学関係連
合講演会講演予稿集、２６ａ−Ｃ−７、１９９６年）高
屈折率膜としてＴｉＯｘあるいはＺｒＯｘを選択した場
合、上記のような点については比較的問題が少ない。膜
内の光吸収はゼロか、または小さい値であり、α-Si ほ
どの悪影響は与えない。屈折率も2.0 を越える場合があ
り、所望の反射率が10層以下の層数で実現できる場合も
ある。しかしながら、これらの膜は形成方法に問題があ
る。ＴｉＯｘあるいはＺｒＯｘを成膜するのに一般的に
用いられるのは、電子ビーム加熱による蒸着である。電
子ビーム蒸着による成膜は、高エネルギーの蒸着物質が
半導体レーザ端面に直接付着するため、端面にダメージ
を与えることが懸念される。実際、赤色半導体レーザで
は電子ビーム加熱蒸着により形成した膜を用いたレーザ
では劣化が生じやすい。このため、端面へのダメージが
小さいＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）スパッ
タでＴｉＯｘの成膜を行う方法が、特開平９−１６２４
９６や参考文献（田中清武他、第４４回応用物理学関係
連合講演会講演予稿集、３１−ＮＧ−７、１９９７年）
によって提案されている。しかし、これら膜を作製する
ためのターゲットは非常に高価である。また、特にＴｉ
Ｏｘのターゲット材となるＴｉは酸素ゲッタとして強く
作用するため、ガスとターゲットを反応させるECR スパ
ッタで使用することは困難を伴うと考えられる。このた
め、この方法は実用的でない。以上述べたように、従来
の多層高反射膜を施した半導体レーザでは、信頼性が高
く、所要の性能を満たし、かつ生産性が高い半導体レー
ザを提供することができなかった。本発明は上記問題点
に鑑みてなされたもので、信頼性が高く、かつ、低しき
い値、低動作電流など、性能が向上した多層高反射膜付
きの半導体レーザ及びその製造方法を提供することを目
的とする
吸収のため高反射膜内で発熱が生じ、ＣＯＤ（Catastro
phic Optical Damage ）レベルが低下する可能性も指摘
されている。（田中清武他、第４３回応用物理学関係連
合講演会講演予稿集、２６ａ−Ｃ−７、１９９６年）高
屈折率膜としてＴｉＯｘあるいはＺｒＯｘを選択した場
合、上記のような点については比較的問題が少ない。膜
内の光吸収はゼロか、または小さい値であり、α-Si ほ
どの悪影響は与えない。屈折率も2.0 を越える場合があ
り、所望の反射率が10層以下の層数で実現できる場合も
ある。しかしながら、これらの膜は形成方法に問題があ
る。ＴｉＯｘあるいはＺｒＯｘを成膜するのに一般的に
用いられるのは、電子ビーム加熱による蒸着である。電
子ビーム蒸着による成膜は、高エネルギーの蒸着物質が
半導体レーザ端面に直接付着するため、端面にダメージ
を与えることが懸念される。実際、赤色半導体レーザで
は電子ビーム加熱蒸着により形成した膜を用いたレーザ
では劣化が生じやすい。このため、端面へのダメージが
小さいＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）スパッ
タでＴｉＯｘの成膜を行う方法が、特開平９−１６２４
９６や参考文献（田中清武他、第４４回応用物理学関係
連合講演会講演予稿集、３１−ＮＧ−７、１９９７年）
によって提案されている。しかし、これら膜を作製する
ためのターゲットは非常に高価である。また、特にＴｉ
Ｏｘのターゲット材となるＴｉは酸素ゲッタとして強く
作用するため、ガスとターゲットを反応させるECR スパ
ッタで使用することは困難を伴うと考えられる。このた
め、この方法は実用的でない。以上述べたように、従来
の多層高反射膜を施した半導体レーザでは、信頼性が高
く、所要の性能を満たし、かつ生産性が高い半導体レー
ザを提供することができなかった。本発明は上記問題点
に鑑みてなされたもので、信頼性が高く、かつ、低しき
い値、低動作電流など、性能が向上した多層高反射膜付
きの半導体レーザ及びその製造方法を提供することを目
的とする
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体レーザは、少なくとも片側端面に反
射率３０％以上の多層高反射膜を有するものであり、そ
の多層高反射膜は、前記半導体レーザの基板が有する線
膨張率の±３０％以内の線膨張率、ｎ１＜１．８なる屈
折率ｎ１、及びレーザ波長λに対して約λ／４となるよ
うな光学的膜厚を有する端面に接して形成された第一の
低屈折率膜と、ｎ２＞１．９なる屈折率ｎ２、ｋ＜０．
０５なる屈折率の負の虚数部−ｉｋ、及びレーザ波長λ
に対して約λ／４となるような光学的膜厚を有する第一
の高屈折率膜と、ｎ３＜１．７であり、ｎ１＞ｎ３なる
屈折率ｎ３を有する、前記第一の低屈折率膜とは材質が
異なる第二の低屈折率膜とを具備し、第一の低屈折率膜
上に、第一の高屈折率膜と第二の低屈折率膜とが交互に
複数積層され、第一、第二の低屈折率膜及び第一の高屈
折率膜の総層数が９層以下であることを特徴とする。
に、本発明の半導体レーザは、少なくとも片側端面に反
射率３０％以上の多層高反射膜を有するものであり、そ
の多層高反射膜は、前記半導体レーザの基板が有する線
膨張率の±３０％以内の線膨張率、ｎ１＜１．８なる屈
折率ｎ１、及びレーザ波長λに対して約λ／４となるよ
うな光学的膜厚を有する端面に接して形成された第一の
低屈折率膜と、ｎ２＞１．９なる屈折率ｎ２、ｋ＜０．
０５なる屈折率の負の虚数部−ｉｋ、及びレーザ波長λ
に対して約λ／４となるような光学的膜厚を有する第一
の高屈折率膜と、ｎ３＜１．７であり、ｎ１＞ｎ３なる
屈折率ｎ３を有する、前記第一の低屈折率膜とは材質が
異なる第二の低屈折率膜とを具備し、第一の低屈折率膜
上に、第一の高屈折率膜と第二の低屈折率膜とが交互に
複数積層され、第一、第二の低屈折率膜及び第一の高屈
折率膜の総層数が９層以下であることを特徴とする。
【００１２】また、多層高反射膜における最上層は、第
二の低屈折率膜によって形成され、その光学的膜厚が約
λ／４、あるいは約λ／２、あるいは０からλ／２の間
の任意の値に設定されていることを特徴とする。
二の低屈折率膜によって形成され、その光学的膜厚が約
λ／４、あるいは約λ／２、あるいは０からλ／２の間
の任意の値に設定されていることを特徴とする。
【００１３】さらに、多層高反射膜における最上層は、
第一の高屈折率膜によって形成され、その光学的膜厚が
約λ／４、あるいは約λ／２、あるいは０からλ／２の
間の任意の値に設定されていることを特徴とする。
第一の高屈折率膜によって形成され、その光学的膜厚が
約λ／４、あるいは約λ／２、あるいは０からλ／２の
間の任意の値に設定されていることを特徴とする。
【００１４】さらに、第一の低屈折率膜として酸化アル
ミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、第二の低屈折率膜として二酸化
珪素（ＳｉＯ2）、第一の高屈折率膜として窒化シリコ
ン（ＳｉＮｘ）を用いたことを特徴とする。
ミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、第二の低屈折率膜として二酸化
珪素（ＳｉＯ2）、第一の高屈折率膜として窒化シリコ
ン（ＳｉＮｘ）を用いたことを特徴とする。
【００１５】さらに、少なくとも片側端面に反射率３０
％以上の多層高反射膜を有するる半導体レーザにおい
て、多層高反射膜が、前記半導体レーザの基板が有する
線膨張率の±３０％以内の線膨張率、ｎ１＜１．８なる
屈折率ｎ１、及びレーザ波長λに対して約λ／４となる
ような光学的膜厚を有する、前記端面に接して形成され
た第一の低屈折率膜と、ｎ２＞１．９なる屈折率ｎ２、
ｋ＜０．０５なる屈折率の負の虚数部−ｉｋ、及びレー
ザ波長λに対して約λ／４となるような光学的膜厚を有
する第一の高屈折率膜と、ｎ３＜１．７であり、ｎ１＞
ｎ３なる屈折率ｎ３を有する、前記第一の低屈折率膜と
は材質が異なる第二の低屈折率膜とを具備し、ｎ４＞ｎ
２なる屈折率ｎ４を有する第二の高屈折率膜とを具備
し、第一の低屈折率膜上に、第一の高屈折率膜と第二の
低屈折率膜とが交互に複数積層され、かつ前記最上層の
光学的膜厚が約λ／４、あるいは約λ／２、あるいは０
からλ／２の間の任意の値に、前記最上層直下の光学的
膜厚が約λ／４に設定され、前記第一、第二の低屈折率
膜、前記第一、第二の高屈折率膜の総層数が９層以下で
あることを特徴とする。
％以上の多層高反射膜を有するる半導体レーザにおい
て、多層高反射膜が、前記半導体レーザの基板が有する
線膨張率の±３０％以内の線膨張率、ｎ１＜１．８なる
屈折率ｎ１、及びレーザ波長λに対して約λ／４となる
ような光学的膜厚を有する、前記端面に接して形成され
た第一の低屈折率膜と、ｎ２＞１．９なる屈折率ｎ２、
ｋ＜０．０５なる屈折率の負の虚数部−ｉｋ、及びレー
ザ波長λに対して約λ／４となるような光学的膜厚を有
する第一の高屈折率膜と、ｎ３＜１．７であり、ｎ１＞
ｎ３なる屈折率ｎ３を有する、前記第一の低屈折率膜と
は材質が異なる第二の低屈折率膜とを具備し、ｎ４＞ｎ
２なる屈折率ｎ４を有する第二の高屈折率膜とを具備
し、第一の低屈折率膜上に、第一の高屈折率膜と第二の
低屈折率膜とが交互に複数積層され、かつ前記最上層の
光学的膜厚が約λ／４、あるいは約λ／２、あるいは０
からλ／２の間の任意の値に、前記最上層直下の光学的
膜厚が約λ／４に設定され、前記第一、第二の低屈折率
膜、前記第一、第二の高屈折率膜の総層数が９層以下で
あることを特徴とする。
【００１６】さらに、第一の低屈折率膜として酸化アル
ミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、第二の低屈折率膜として二酸化
珪素（ＳｉＯ2）、第一の高屈折率膜として窒化シリコ
ン（ＳｉＮｘ）、第二の高屈折率膜としてアモルファス
シリコン（α−Ｓｉ）を用いたことを特徴とする。さら
に、半導体レーザを製造する方法として、第一の低屈折
率膜である酸化アルミニウム、第二の低屈折率膜である
二酸化珪素、第一の高屈折率膜である窒化シリコンを、
ＥＣＲスパッタ装置を用いて形成する工程を有すること
を特徴とする。
ミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、第二の低屈折率膜として二酸化
珪素（ＳｉＯ2）、第一の高屈折率膜として窒化シリコ
ン（ＳｉＮｘ）、第二の高屈折率膜としてアモルファス
シリコン（α−Ｓｉ）を用いたことを特徴とする。さら
に、半導体レーザを製造する方法として、第一の低屈折
率膜である酸化アルミニウム、第二の低屈折率膜である
二酸化珪素、第一の高屈折率膜である窒化シリコンを、
ＥＣＲスパッタ装置を用いて形成する工程を有すること
を特徴とする。
【００１７】このように本願発明によれば、少なくとも
片側端面に反射率３０％以上の多層高反射膜を有するる
半導体レーザにおいて、信頼性が高く、かつ、低しきい
値、低動作電流など、性能が向上した半導体レーザを実
現できる。
片側端面に反射率３０％以上の多層高反射膜を有するる
半導体レーザにおいて、信頼性が高く、かつ、低しきい
値、低動作電流など、性能が向上した半導体レーザを実
現できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、図１、図２を参照し本発明
の第一の実施の形態を説明する。図２は、本発明の第一
の実施例に関する赤色半導体レーザの、リッジストライ
プに対して垂直な断面図である。実施例における半導体
レーザは、波長６００ｎｍ帯の赤色半導体レーザであ
り、その構造はｎ型GaAs基板１１３上に、ｎ型InGaAlP
からなる第一クラッド層１０９が形成され、その上に、
InGaAlP からなる第一ガイド層１１０、InGaP とInGaAl
P とからなる多重量子井戸（MQW 活性層１０８、InGaAl
P からなる第二ガイド層１０７、ｐ型InGaAlP からなる
第二クラッド層１０４、ｎ型GaAsからなる電流阻止層１
０３、ｐ型GaAsからなるコンタクト層１０２、及びｐ−
電極１０１が形成されている。ｎ型GaAs基板１１３に
は、ｎ−電極１１４が形成されたものである。図１は、
図２に示した赤色半導体レーザにおける、リッジストラ
イプに対して平行な断面図である。半導体レーザ２０１
は、レーザ光出力端面２０２に低屈折率膜２０４を有
し、高反射側端面２０３に、第１層として、半導体レー
ザ２０１のGaAs結晶基板１１３の線膨張率と比較して±
３０％以内の線膨張率を有し、かつ屈折率１．８未満の
屈折率ｎ１を有し、かつ酸化膜である低屈折率膜２０５
が形成されている。低屈折率膜２０５の材料としては酸
化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）が最適である。 GaAs 基板
１１３の線膨張率は、文献によって若干異なるが、約
６．４x １０-6(1/K) であるため、低屈折率膜２０５の
線膨張率は４．５x １０-6〜８．３x １０-6(1/K) の間
になければならない。また、レーザの発振波長λに対
し、低屈折率膜２０５の光学的な膜厚がおおむねλ／４
となるよう設定する。Ａｌ2Ｏ3は波長４００ｎｍ帯、６
００ｎｍ帯で１．６〜１．７程度の屈折率、７．１〜
７．２ｘ１０-6(1/K) の線膨張率を有し、上記条件をす
べて満たす。膜厚は、たとえば、屈折率１．６７とし、
波長６３０ｎｍ〜６９０ｎｍの半導体レーザに対して１
００ｎｍ程度の膜厚に制御すればよい。Ａｌ2Ｏ3などの
酸化膜は特開平９−１６２４９６においても言及されて
いるとおり、化合物半導体に対して、応力が小さく密着
性に優れており、半導体レーザの反射膜、パッシベーシ
ョン膜として広く用いられ、信頼性も確認されている。
の第一の実施の形態を説明する。図２は、本発明の第一
の実施例に関する赤色半導体レーザの、リッジストライ
プに対して垂直な断面図である。実施例における半導体
レーザは、波長６００ｎｍ帯の赤色半導体レーザであ
り、その構造はｎ型GaAs基板１１３上に、ｎ型InGaAlP
からなる第一クラッド層１０９が形成され、その上に、
InGaAlP からなる第一ガイド層１１０、InGaP とInGaAl
P とからなる多重量子井戸（MQW 活性層１０８、InGaAl
P からなる第二ガイド層１０７、ｐ型InGaAlP からなる
第二クラッド層１０４、ｎ型GaAsからなる電流阻止層１
０３、ｐ型GaAsからなるコンタクト層１０２、及びｐ−
電極１０１が形成されている。ｎ型GaAs基板１１３に
は、ｎ−電極１１４が形成されたものである。図１は、
図２に示した赤色半導体レーザにおける、リッジストラ
イプに対して平行な断面図である。半導体レーザ２０１
は、レーザ光出力端面２０２に低屈折率膜２０４を有
し、高反射側端面２０３に、第１層として、半導体レー
ザ２０１のGaAs結晶基板１１３の線膨張率と比較して±
３０％以内の線膨張率を有し、かつ屈折率１．８未満の
屈折率ｎ１を有し、かつ酸化膜である低屈折率膜２０５
が形成されている。低屈折率膜２０５の材料としては酸
化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）が最適である。 GaAs 基板
１１３の線膨張率は、文献によって若干異なるが、約
６．４x １０-6(1/K) であるため、低屈折率膜２０５の
線膨張率は４．５x １０-6〜８．３x １０-6(1/K) の間
になければならない。また、レーザの発振波長λに対
し、低屈折率膜２０５の光学的な膜厚がおおむねλ／４
となるよう設定する。Ａｌ2Ｏ3は波長４００ｎｍ帯、６
００ｎｍ帯で１．６〜１．７程度の屈折率、７．１〜
７．２ｘ１０-6(1/K) の線膨張率を有し、上記条件をす
べて満たす。膜厚は、たとえば、屈折率１．６７とし、
波長６３０ｎｍ〜６９０ｎｍの半導体レーザに対して１
００ｎｍ程度の膜厚に制御すればよい。Ａｌ2Ｏ3などの
酸化膜は特開平９−１６２４９６においても言及されて
いるとおり、化合物半導体に対して、応力が小さく密着
性に優れており、半導体レーザの反射膜、パッシベーシ
ョン膜として広く用いられ、信頼性も確認されている。
【００１９】第2 層目には、１．９を越える屈折率ｎ２
を有し、かつ、光吸収を生じる屈折率の負の虚数部−ｉ
ｋのｋ値が０．０５未満である高屈折率膜２０６を、光
学的な膜厚がおおむねλ／４となるよう形成する。窒化
シリコン（ＳｉＮｘ）は波長４００ｎｍ帯、６００ｎｍ
帯で屈折率が１．９５〜２．１程度であり、また、上記
波長における屈折率の負の虚数部はほぼ０であり、上記
条件を満たす。
を有し、かつ、光吸収を生じる屈折率の負の虚数部−ｉ
ｋのｋ値が０．０５未満である高屈折率膜２０６を、光
学的な膜厚がおおむねλ／４となるよう形成する。窒化
シリコン（ＳｉＮｘ）は波長４００ｎｍ帯、６００ｎｍ
帯で屈折率が１．９５〜２．１程度であり、また、上記
波長における屈折率の負の虚数部はほぼ０であり、上記
条件を満たす。
【００２０】第３層目には１．７未満の屈折率ｎ３を有
する低屈折率膜２０７を形成する。二酸化珪素（ＳｉＯ
２）は波長４００ｎｍ帯、６００ｎｍ帯で１．４５〜
１．５程度の屈折率を有し、この条件を満たす。
する低屈折率膜２０７を形成する。二酸化珪素（ＳｉＯ
２）は波長４００ｎｍ帯、６００ｎｍ帯で１．４５〜
１．５程度の屈折率を有し、この条件を満たす。
【００２１】第３層目で光学的な膜厚をλ／４〜λ／２
の間に設定することにより所望の屈折率が得られるとき
は、第３層目が最上層となる。たとえば、図２の構造に
よる波長６８０ｎｍの半導体レーザにおいて、低屈折率
膜２０５をＡｌ2Ｏ3、高屈折率膜２０６をＳｉＮｘ、最
上層膜をＳｉＯ2として、それぞれｎ１= １．６７、ｎ
２= ２．０、ｎ３= １．５と仮定し、３層目膜厚をλ／
２とした場合に得られる反射率を計算すると約４５％で
ある。
の間に設定することにより所望の屈折率が得られるとき
は、第３層目が最上層となる。たとえば、図２の構造に
よる波長６８０ｎｍの半導体レーザにおいて、低屈折率
膜２０５をＡｌ2Ｏ3、高屈折率膜２０６をＳｉＮｘ、最
上層膜をＳｉＯ2として、それぞれｎ１= １．６７、ｎ
２= ２．０、ｎ３= １．５と仮定し、３層目膜厚をλ／
２とした場合に得られる反射率を計算すると約４５％で
ある。
【００２２】３層膜で所望の屈折率が得られない場合に
は、低屈折率膜２０７の光学的な膜厚をλ／４に設定す
る。ｎ３= １．５、波長６３０〜６８０ｎｍである場
合、膜厚を１１０ｎｍ程度とすればよい。以下、高屈折
率膜２０６、低屈折率膜２０７を光学的な膜厚をλ／４
にして交互に積層し、最上層の低屈折率膜２０９の光学
的膜厚をλ／４、あるいはλ／２、あるいは任意の値に
設定し、所望の屈折率が得られるように設計を行う。例
えば、波長６８０ｎｍ、第１層にＡｌ2Ｏ3、第2 層にＳ
ｉＮｘ、第3 層にＳｉＯ2を用い、ｎ１= １．６７、ｎ
２= ２．０、ｎ３= １．５とし、更にＳｉＮｘ層、Ｓｉ
Ｏ2層を交互に順次形成し、最上層の低屈折率膜ＳｉＯ2
の光学的な膜厚をλ／２として、９層の積層を行った場
合に得られる反射率は約８７％である。すなわち、以上
の構成によって３０％〜９０％弱程度までの所望の反射
率が得られることになる。
は、低屈折率膜２０７の光学的な膜厚をλ／４に設定す
る。ｎ３= １．５、波長６３０〜６８０ｎｍである場
合、膜厚を１１０ｎｍ程度とすればよい。以下、高屈折
率膜２０６、低屈折率膜２０７を光学的な膜厚をλ／４
にして交互に積層し、最上層の低屈折率膜２０９の光学
的膜厚をλ／４、あるいはλ／２、あるいは任意の値に
設定し、所望の屈折率が得られるように設計を行う。例
えば、波長６８０ｎｍ、第１層にＡｌ2Ｏ3、第2 層にＳ
ｉＮｘ、第3 層にＳｉＯ2を用い、ｎ１= １．６７、ｎ
２= ２．０、ｎ３= １．５とし、更にＳｉＮｘ層、Ｓｉ
Ｏ2層を交互に順次形成し、最上層の低屈折率膜ＳｉＯ2
の光学的な膜厚をλ／２として、９層の積層を行った場
合に得られる反射率は約８７％である。すなわち、以上
の構成によって３０％〜９０％弱程度までの所望の反射
率が得られることになる。
【００２３】本発明においては、目標とする最上層膜厚
を作製するのに必要な成膜時間によって、最上層を第二
の低屈折率膜として総層数を奇数にして実施するか、第
一の高屈折率膜として総層数を偶数にして実施するかを
決定する。
を作製するのに必要な成膜時間によって、最上層を第二
の低屈折率膜として総層数を奇数にして実施するか、第
一の高屈折率膜として総層数を偶数にして実施するかを
決定する。
【００２４】高反射膜を目的として低屈折率膜と高屈折
率膜それぞれを光学的な膜厚をλ／４として交互に積層
を行う場合、得られうる最大の反射率は高屈折率膜の最
上層までで決定され、この高屈折率膜の上に成膜される
低屈折率膜の膜厚をどのように設定しても、前記反射率
の値を越えることはない。したがって、生産性の観点か
らは一定反射率を有する高反射膜を作成する場合に高屈
折率膜を最上層とすれば、成膜時間の短縮が可能となる
ため、望ましい膜構成と言える。いっぽう、最上層の高
屈折率膜厚を達成するための成膜時間がかりに極めて短
い場合には、反射率に大きく影響を与える最上層の膜厚
バラツキが大きくなって生産管理上問題となる。この場
合、屈折率が低いために一定の光学的膜厚を得るための
成膜時間が、より多くなって膜厚精度が高いと考えられ
る低屈折率膜を最上層とすることがより望ましい膜構成
となる。
率膜それぞれを光学的な膜厚をλ／４として交互に積層
を行う場合、得られうる最大の反射率は高屈折率膜の最
上層までで決定され、この高屈折率膜の上に成膜される
低屈折率膜の膜厚をどのように設定しても、前記反射率
の値を越えることはない。したがって、生産性の観点か
らは一定反射率を有する高反射膜を作成する場合に高屈
折率膜を最上層とすれば、成膜時間の短縮が可能となる
ため、望ましい膜構成と言える。いっぽう、最上層の高
屈折率膜厚を達成するための成膜時間がかりに極めて短
い場合には、反射率に大きく影響を与える最上層の膜厚
バラツキが大きくなって生産管理上問題となる。この場
合、屈折率が低いために一定の光学的膜厚を得るための
成膜時間が、より多くなって膜厚精度が高いと考えられ
る低屈折率膜を最上層とすることがより望ましい膜構成
となる。
【００２５】このように反射率の設計値と個々の装置の
特性による生産性と管理精度を勘案して、最上層を第二
の低屈折率膜とするか第一の高屈折率膜とするかを決定
する。なお、従来のＡｌ2Ｏ3とα-Si を用いた高反射膜
では、α-Si が半導体で導電性を有するため、最上層を
高屈折率膜とすることはできなかった。最上層を第一の
高屈折率膜とすることができるのは、本発明の大きな特
徴の一つである。
特性による生産性と管理精度を勘案して、最上層を第二
の低屈折率膜とするか第一の高屈折率膜とするかを決定
する。なお、従来のＡｌ2Ｏ3とα-Si を用いた高反射膜
では、α-Si が半導体で導電性を有するため、最上層を
高屈折率膜とすることはできなかった。最上層を第一の
高屈折率膜とすることができるのは、本発明の大きな特
徴の一つである。
【００２６】図３は、最終層を第一の高屈折率膜で作成
した例に関する赤色半導体レーザのリッジストライプに
対して平行な断面図である。半導体レーザの構造及び高
反射側端面に、第１層として、半導体レーザのGaAs基板
１１３の線膨張率と比較して±３０％以内の線膨張率を
有し、かつ屈折率１．８未満の屈折率ｎ１を有し、かつ
酸化膜である低屈折率膜（Ａｌ2Ｏ3）を、光学的な膜厚
がおおむねλ／４となるよう形成する点、第2 層目に
は、１．９を越える屈折率ｎ２を有し、かつ、光吸収を
生じる屈折率の負の虚数部−ｉｋのｋ値が０．０５未満
である高屈折率膜（ＳｉＮｘ）を、光学的な膜厚がおお
むねλ／４となるよう形成する点、第３層目には１．７
未満の屈折率ｎ３を有する低屈折率膜（ＳｉＯ2）を形
成する点については上述の第一の実施例と同じである。
そして、最上層は第一の高屈折率膜で構成されている。
した例に関する赤色半導体レーザのリッジストライプに
対して平行な断面図である。半導体レーザの構造及び高
反射側端面に、第１層として、半導体レーザのGaAs基板
１１３の線膨張率と比較して±３０％以内の線膨張率を
有し、かつ屈折率１．８未満の屈折率ｎ１を有し、かつ
酸化膜である低屈折率膜（Ａｌ2Ｏ3）を、光学的な膜厚
がおおむねλ／４となるよう形成する点、第2 層目に
は、１．９を越える屈折率ｎ２を有し、かつ、光吸収を
生じる屈折率の負の虚数部−ｉｋのｋ値が０．０５未満
である高屈折率膜（ＳｉＮｘ）を、光学的な膜厚がおお
むねλ／４となるよう形成する点、第３層目には１．７
未満の屈折率ｎ３を有する低屈折率膜（ＳｉＯ2）を形
成する点については上述の第一の実施例と同じである。
そして、最上層は第一の高屈折率膜で構成されている。
【００２７】なお、図１および図３では、高反射膜を形
成しているのは片側端面のみであるが、目的によって
は、両側に本発明による膜を形成してもさしつかえな
く、本発明が適用可能である。また、低屈折率膜２０４
による反射膜を２種類の低屈折率膜を積層して作製する
場合があるが、このような半導体レーザについても、本
発明は適用可能である。
成しているのは片側端面のみであるが、目的によって
は、両側に本発明による膜を形成してもさしつかえな
く、本発明が適用可能である。また、低屈折率膜２０４
による反射膜を２種類の低屈折率膜を積層して作製する
場合があるが、このような半導体レーザについても、本
発明は適用可能である。
【００２８】次に本発明の第二の実施例を説明する。図
４は、本発明の第二の実施例に関する赤色半導体レーザ
のリッジストライプに対して平行な断面図である。半導
体レーザの構造及び高反射側端面に、第１層として、半
導体レーザのGaAs基板１１３の線膨張率と比較して±３
０％以内の線膨張率を有し、かつ屈折率１．８未満の屈
折率ｎ１を有し、かつ酸化膜である低屈折率膜（Ａｌ2
Ｏ3）を、光学的な膜厚がおおむねλ／４となるよう形
成する点、第2 層目には、１．９を越える屈折率ｎ２を
有し、かつ、光吸収を生じる屈折率の負の虚数部−ｉｋ
のｋ値が０．０５未満である高屈折率膜（ＳｉＮｘ）
を、光学的な膜厚がおおむねλ／４となるよう形成する
点、第３層目には１．７未満の屈折率ｎ３を有する低屈
折率膜（ＳｉＯ２）を形成する点については上述の第一
の実施例と同じである。更に、それらの上にＳｉＮｘ
層、ＳｉＯ2層を交互に順次形成し、最上層の低屈折率
膜の光学的膜厚をλ／４、あるいはλ／２、あるいは任
意の値に設定し、所望の屈折率が得られるように設計を
行う点についても上述の第一の実施例と同じである。
４は、本発明の第二の実施例に関する赤色半導体レーザ
のリッジストライプに対して平行な断面図である。半導
体レーザの構造及び高反射側端面に、第１層として、半
導体レーザのGaAs基板１１３の線膨張率と比較して±３
０％以内の線膨張率を有し、かつ屈折率１．８未満の屈
折率ｎ１を有し、かつ酸化膜である低屈折率膜（Ａｌ2
Ｏ3）を、光学的な膜厚がおおむねλ／４となるよう形
成する点、第2 層目には、１．９を越える屈折率ｎ２を
有し、かつ、光吸収を生じる屈折率の負の虚数部−ｉｋ
のｋ値が０．０５未満である高屈折率膜（ＳｉＮｘ）
を、光学的な膜厚がおおむねλ／４となるよう形成する
点、第３層目には１．７未満の屈折率ｎ３を有する低屈
折率膜（ＳｉＯ２）を形成する点については上述の第一
の実施例と同じである。更に、それらの上にＳｉＮｘ
層、ＳｉＯ2層を交互に順次形成し、最上層の低屈折率
膜の光学的膜厚をλ／４、あるいはλ／２、あるいは任
意の値に設定し、所望の屈折率が得られるように設計を
行う点についても上述の第一の実施例と同じである。
【００２９】上述の第一の実施例における半導体レーザ
よりもさらに、所望の反射率が高く、第一の実施例の構
成によって所望の反射率を得るために１０層以上の積層
が必要になった場合には、最上層の直下において、高屈
折率膜（ＳｉＮｘ）のかわりに、ｎ２より高い屈折率ｎ
４を有する高屈折率膜２０８を光学膜厚λ／４として形
成する。そしてこの高屈折率膜２０８としては、α-Si
が適している。
よりもさらに、所望の反射率が高く、第一の実施例の構
成によって所望の反射率を得るために１０層以上の積層
が必要になった場合には、最上層の直下において、高屈
折率膜（ＳｉＮｘ）のかわりに、ｎ２より高い屈折率ｎ
４を有する高屈折率膜２０８を光学膜厚λ／４として形
成する。そしてこの高屈折率膜２０８としては、α-Si
が適している。
【００３０】最上層の直下の高屈折率膜２０８として、
α-Si を選択すると、波長600nm 帯におけるα-Si の屈
折率は３．５〜４．５であり、屈折率の虚数部は−0.4
ｉ程度以下である。屈折率の虚数部をも考慮に入れて計
算を行った場合、得られる反射率は９３〜９６％とな
る。この値は、実用上高反射膜に要求されるほぼ上限と
言える値であり、本発明による高反射膜が、実用上要求
される任意の反射率に対応できることを示すものであ
る。
α-Si を選択すると、波長600nm 帯におけるα-Si の屈
折率は３．５〜４．５であり、屈折率の虚数部は−0.4
ｉ程度以下である。屈折率の虚数部をも考慮に入れて計
算を行った場合、得られる反射率は９３〜９６％とな
る。この値は、実用上高反射膜に要求されるほぼ上限と
言える値であり、本発明による高反射膜が、実用上要求
される任意の反射率に対応できることを示すものであ
る。
【００３１】また、上記設定における光損失は２〜３％
であり、従来の膜における光損失が１０〜１１％程度で
あったのに比較して、１／３以下と大幅な低減がなされ
る。これによって、しきい値電流、動作電流が低減し、
特性が向上することが期待できる。また、十分な反射率
を得た上で、高反射膜端面からの出射光をフォトダイオ
ードで受光して光出力の制御を行うことも、容易とな
る。
であり、従来の膜における光損失が１０〜１１％程度で
あったのに比較して、１／３以下と大幅な低減がなされ
る。これによって、しきい値電流、動作電流が低減し、
特性が向上することが期待できる。また、十分な反射率
を得た上で、高反射膜端面からの出射光をフォトダイオ
ードで受光して光出力の制御を行うことも、容易とな
る。
【００３２】以上、波長６００ｎｍ帯のInGaP ／InGaAl
P 系の赤色半導体レーザにおける実施例について述べた
が、ほかのレーザについても適用可能であることは明ら
かである。波長７００ｎｍ帯、８００ｎｍ帯のGaAs基板
を使用するAlGaAs系レーザは基板が同一であり、種々の
膜の屈折率もほぼ同等であり、本発明がそのまま適用で
きる。また、波長４００ｎｍ帯の青紫色レーザとして有
望なGaN 系レーザは、Ａｌ2Ｏ3の結晶であるサファイア
基板を用いており、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ2、ＳｉＮｘな
どの屈折率も波長６００ｎｍの場合とほぼ同様であるで
あることがわかっている。したがって、これについても
本発明が適用できる。またＧａＮ系レーザでは、シリコ
ンカーバイト（ＳｉＣ）基板を用いることもできる。第
一及び第二の実施例に示した、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、Ｓ
ｉＮｘなどの膜は、ＥＣＲ（Electron cyclotron reso
nance ）スパッタ装置において、酸素、窒素などのプロ
セスガスを切替えることにより作製できる。ＥＣＲスパ
ッタ装置では、円筒の内壁にターゲットが設置されてい
る。ＥＣＲ条件に相当する磁場の印加により、チャンバ
内に発生した高密度プラズマと導入されたマイクロ波を
結合させ、さらにターゲットに直流あるいは高周波のバ
イアスを加えて、円形軌道を回転するプラズマ中のイオ
ンとターゲットを衝突させ、効率よくプロセスガス元素
とターゲット元素を結合させることができる。たとえ
ば、ターゲット元素をアルミニウムとし、プロセスガス
である酸素（流量Ｘ１）とベースガスであるアルゴン
（流量Ｘ２）を０＜Ｘ１＜Ｘ２の条件で最適化して設定
することによって、試料にＡｌ2Ｏ3膜を形成できる。ま
た、ターゲットにＳｉを用い、プロセスガスとして酸素
を、ベースガスとしてアルゴンを前記と同様な条件で設
定することによって、ＳｉＯ2膜が形成できる。同じタ
ーゲットに対してプロセスガスとして窒素を供給すれ
ば、ＳｉＮｘ膜が形成できる。Ｓｉターゲットに対して
ベースガスであるアルゴンのみを供給した場合には、Ｓ
ｉ膜が形成できる。さらに、プロセスガスとして酸素と
窒素を混合して用いれば、ＡｌＯＮ、ＳｉＯＮなどの酸
化窒化物も形成できる。これらプロセスガスは、有毒
性、可燃性がなく取扱いも容易であるため、装置を安全
に運用でき、生産性も高い。
P 系の赤色半導体レーザにおける実施例について述べた
が、ほかのレーザについても適用可能であることは明ら
かである。波長７００ｎｍ帯、８００ｎｍ帯のGaAs基板
を使用するAlGaAs系レーザは基板が同一であり、種々の
膜の屈折率もほぼ同等であり、本発明がそのまま適用で
きる。また、波長４００ｎｍ帯の青紫色レーザとして有
望なGaN 系レーザは、Ａｌ2Ｏ3の結晶であるサファイア
基板を用いており、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ2、ＳｉＮｘな
どの屈折率も波長６００ｎｍの場合とほぼ同様であるで
あることがわかっている。したがって、これについても
本発明が適用できる。またＧａＮ系レーザでは、シリコ
ンカーバイト（ＳｉＣ）基板を用いることもできる。第
一及び第二の実施例に示した、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、Ｓ
ｉＮｘなどの膜は、ＥＣＲ（Electron cyclotron reso
nance ）スパッタ装置において、酸素、窒素などのプロ
セスガスを切替えることにより作製できる。ＥＣＲスパ
ッタ装置では、円筒の内壁にターゲットが設置されてい
る。ＥＣＲ条件に相当する磁場の印加により、チャンバ
内に発生した高密度プラズマと導入されたマイクロ波を
結合させ、さらにターゲットに直流あるいは高周波のバ
イアスを加えて、円形軌道を回転するプラズマ中のイオ
ンとターゲットを衝突させ、効率よくプロセスガス元素
とターゲット元素を結合させることができる。たとえ
ば、ターゲット元素をアルミニウムとし、プロセスガス
である酸素（流量Ｘ１）とベースガスであるアルゴン
（流量Ｘ２）を０＜Ｘ１＜Ｘ２の条件で最適化して設定
することによって、試料にＡｌ2Ｏ3膜を形成できる。ま
た、ターゲットにＳｉを用い、プロセスガスとして酸素
を、ベースガスとしてアルゴンを前記と同様な条件で設
定することによって、ＳｉＯ2膜が形成できる。同じタ
ーゲットに対してプロセスガスとして窒素を供給すれ
ば、ＳｉＮｘ膜が形成できる。Ｓｉターゲットに対して
ベースガスであるアルゴンのみを供給した場合には、Ｓ
ｉ膜が形成できる。さらに、プロセスガスとして酸素と
窒素を混合して用いれば、ＡｌＯＮ、ＳｉＯＮなどの酸
化窒化物も形成できる。これらプロセスガスは、有毒
性、可燃性がなく取扱いも容易であるため、装置を安全
に運用でき、生産性も高い。
【００３３】以上説明したように、少なくともアルミニ
ウムターゲットおよび、Ｓｉターゲットを有するＥＣＲ
スパッタ装置を用いれば、それぞれ個別の装置を使用す
ることなく、プロセスガスのみを切替えることによっ
て、本発明を実現できる。したがって、本発明による半
導体レーザ膜の作製は極めて生産性の高いものといえ
る。
ウムターゲットおよび、Ｓｉターゲットを有するＥＣＲ
スパッタ装置を用いれば、それぞれ個別の装置を使用す
ることなく、プロセスガスのみを切替えることによっ
て、本発明を実現できる。したがって、本発明による半
導体レーザ膜の作製は極めて生産性の高いものといえ
る。
【００３４】なお、ＥＣＲスパッタの特徴として、スパ
ッタリングを行うイオンの運動エネルギーはターゲット
内壁に沿った円周方向に集中しており、成膜を行う試料
表面に垂直な方向にはほとんどエネルギーを持っていな
い。このため、ＥＣＲスパッタで成膜を行った場合、試
料に与えるダメージが大きく低減される。この点から
も、ＥＣＲスパッタ装置を使用した膜形成が望ましい。
以上のような知見に基づき、ＥＣＲスパッタ装置を用い
て、高反射膜として第１層にＡｌ2Ｏ3膜、第2 層にＳｉ
Ｎｘ膜、第3 層にＳｉＯ2膜、第４層から第５層までＳ
ｉＮｘ膜とＳｉＯ2膜を交互に形成し、第6 層目にはＳ
ｉ膜を形成し、最終層にＳｉＯ2を形成した半導体レー
ザを作製し、従来の半導体レーザとの特性を評価した。
その結果を図４に示す。図４は本発明を実施した半導体
レーザと、従来の半導体レーザに対するＣＯＤレベル測
定のための光出力−電流曲線を示す図であり、縦軸は、
光出力を示しており、横軸は動作電流を示している。本
発明による半導体レーザの光出力−電流特性曲線は、従
来の半導体レーザの特性曲線に比較して、しきい値電
流、動作電流が顕著に減少しており、性能が向上してい
る。また素子の光出力−電流特性をプロットすると、従
来レーザ素子では最大光出力レベル以上まで動作電流Io
p を増加させた場合、ある点から急激に光出力が低下す
る現象が見られた。このような特性を生じた後のレーザ
素子ではレーザ発振が生起せず、不可逆的な特性劣化で
ある。また、この現象が発生した素子では、端面発光の
近視野像から、端面にダークライン等の劣化が生じてい
ることが確認されている。この場合の最大光出力レベル
がCOD レベルと呼ばれその大きさが素子の信頼性を表す
一つのパラメータとなっている。これに対して、本発明
によるレーザ素子の光出力−電流特性ではなめらかな曲
線が得られており、またこのような特性測定を行った後
でもレーザ発振が可能である。このことから、ここで得
られている最大光出力がCOD によるものではなく熱飽和
による限界となっていることが示唆される。すなわち、
本発明により半導体レーザ素子のCOD レベルが顕著に増
大し、素子の信頼性が向上したことが分かる。
ッタリングを行うイオンの運動エネルギーはターゲット
内壁に沿った円周方向に集中しており、成膜を行う試料
表面に垂直な方向にはほとんどエネルギーを持っていな
い。このため、ＥＣＲスパッタで成膜を行った場合、試
料に与えるダメージが大きく低減される。この点から
も、ＥＣＲスパッタ装置を使用した膜形成が望ましい。
以上のような知見に基づき、ＥＣＲスパッタ装置を用い
て、高反射膜として第１層にＡｌ2Ｏ3膜、第2 層にＳｉ
Ｎｘ膜、第3 層にＳｉＯ2膜、第４層から第５層までＳ
ｉＮｘ膜とＳｉＯ2膜を交互に形成し、第6 層目にはＳ
ｉ膜を形成し、最終層にＳｉＯ2を形成した半導体レー
ザを作製し、従来の半導体レーザとの特性を評価した。
その結果を図４に示す。図４は本発明を実施した半導体
レーザと、従来の半導体レーザに対するＣＯＤレベル測
定のための光出力−電流曲線を示す図であり、縦軸は、
光出力を示しており、横軸は動作電流を示している。本
発明による半導体レーザの光出力−電流特性曲線は、従
来の半導体レーザの特性曲線に比較して、しきい値電
流、動作電流が顕著に減少しており、性能が向上してい
る。また素子の光出力−電流特性をプロットすると、従
来レーザ素子では最大光出力レベル以上まで動作電流Io
p を増加させた場合、ある点から急激に光出力が低下す
る現象が見られた。このような特性を生じた後のレーザ
素子ではレーザ発振が生起せず、不可逆的な特性劣化で
ある。また、この現象が発生した素子では、端面発光の
近視野像から、端面にダークライン等の劣化が生じてい
ることが確認されている。この場合の最大光出力レベル
がCOD レベルと呼ばれその大きさが素子の信頼性を表す
一つのパラメータとなっている。これに対して、本発明
によるレーザ素子の光出力−電流特性ではなめらかな曲
線が得られており、またこのような特性測定を行った後
でもレーザ発振が可能である。このことから、ここで得
られている最大光出力がCOD によるものではなく熱飽和
による限界となっていることが示唆される。すなわち、
本発明により半導体レーザ素子のCOD レベルが顕著に増
大し、素子の信頼性が向上したことが分かる。
【００３５】
【発明の効果】第一の実施例に示す構成により、３０％
〜９０％弱までの反射率の高反射膜を要求する半導体レ
ーザにおいて、信頼性が高く、かつ、低しきい値、低動
作電流など、性能が向上した多層高反射膜付きの半導体
レーザを高い生産性をもって実現できる。また、第二の
実施例に示す構成により、９０％程度以上の反射率の高
反射膜を要求する半導体レーザにおいて、信頼性が高
く、かつ、低しきい値、低動作電流など、性能が向上し
た多層高反射膜付きの半導体レーザを実現できる。
〜９０％弱までの反射率の高反射膜を要求する半導体レ
ーザにおいて、信頼性が高く、かつ、低しきい値、低動
作電流など、性能が向上した多層高反射膜付きの半導体
レーザを高い生産性をもって実現できる。また、第二の
実施例に示す構成により、９０％程度以上の反射率の高
反射膜を要求する半導体レーザにおいて、信頼性が高
く、かつ、低しきい値、低動作電流など、性能が向上し
た多層高反射膜付きの半導体レーザを実現できる。
【図１】本発明の第一の実施例のうち、最終層を第二の
低屈折率膜で作成した例に関する赤色半導体レーザのリ
ッジストライプに対して平行な断面図である。
低屈折率膜で作成した例に関する赤色半導体レーザのリ
ッジストライプに対して平行な断面図である。
【図２】本発明の第一の実施例に関する赤色半導体レー
ザのリッジストライプに対して垂直な断面図である。
ザのリッジストライプに対して垂直な断面図である。
【図３】本発明の第一の実施例のうち、最終層を第一の
高屈折率膜で作成した例にに関する赤色半導体レーザの
リッジストライプに対して平行な断面図である。
高屈折率膜で作成した例にに関する赤色半導体レーザの
リッジストライプに対して平行な断面図である。
【図４】本発明の第二の実施例に関する赤色半導体レー
ザのリッジストライプに対して平行な断面図である。
ザのリッジストライプに対して平行な断面図である。
【図５】本発明を実施した半導体レーザと、従来の半導
体レーザに対するＣＯＤレベル測定のための光出力−電
流曲線を示す図である。
体レーザに対するＣＯＤレベル測定のための光出力−電
流曲線を示す図である。
【図６】従来の高反射膜付き半導体レーザの断面図であ
る。
る。
１０１ ｐ電極 １０２ p-GaAsコンタクト層 １０３ p-n-GaAs電流阻止層 １０４ p-InGaAlP クラッド層 １１０ InGaAlP ガイド層 １０８ ＭＱＷ活性層 １０９ n-InGaAlP クラッド層 １１３ n-GaAs基板 １１４ ｎ電極 ２０２ レーザ光出射端面 ２０３ 高反射膜側端面 ２０４ 低屈折率膜 ２０５ 低屈折率膜 ２０６ 高低屈折率膜 ２０８ 低屈折率膜 ２０９ 最上層低屈折率膜 ２０１ 半導体レーザ
【手続補正書】
【提出日】平成１１年４月１日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体レーザは、少なくとも片側端面に反
射率３０％以上の多層高反射膜を有する半導体レーザに
おいて、前記多層高反射膜が、前記半導体レーザの結晶
基板が有する線膨張率の±３０％以内の線膨張率及びｎ
１＜１．８なる屈折率ｎ１を有する、前記端面に接する
ようＥＣＲスパッタにより形成された第一の低屈折率膜
と、ｎ２＞１．９なる屈折率ｎ２及びｋ＜０．０５なる
屈折率の負の虚数部−ｉｋを有し、ＥＣＲスパッタによ
り形成された第一の高屈折率膜と、ｎ３＜１．７であ
り、ｎ１＞ｎ３なる屈折率ｎ３を有し、前記第一の低屈
折率膜とは材質及び線膨張率が異なる、ＥＣＲスパッタ
により形成された第二の低屈折率膜とを具備し、前記第
一の低屈折率膜上に、前記第一の高屈折率膜と前記第二
の低屈折率膜とが交互に複数積層され、前記第一、第二
の低屈折率膜及び前記第一の高屈折率膜の総層数が９層
以下であることを特徴とする。
に、本発明の半導体レーザは、少なくとも片側端面に反
射率３０％以上の多層高反射膜を有する半導体レーザに
おいて、前記多層高反射膜が、前記半導体レーザの結晶
基板が有する線膨張率の±３０％以内の線膨張率及びｎ
１＜１．８なる屈折率ｎ１を有する、前記端面に接する
ようＥＣＲスパッタにより形成された第一の低屈折率膜
と、ｎ２＞１．９なる屈折率ｎ２及びｋ＜０．０５なる
屈折率の負の虚数部−ｉｋを有し、ＥＣＲスパッタによ
り形成された第一の高屈折率膜と、ｎ３＜１．７であ
り、ｎ１＞ｎ３なる屈折率ｎ３を有し、前記第一の低屈
折率膜とは材質及び線膨張率が異なる、ＥＣＲスパッタ
により形成された第二の低屈折率膜とを具備し、前記第
一の低屈折率膜上に、前記第一の高屈折率膜と前記第二
の低屈折率膜とが交互に複数積層され、前記第一、第二
の低屈折率膜及び前記第一の高屈折率膜の総層数が９層
以下であることを特徴とする。
【手続補正書】
【提出日】平成１１年７月１６日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体レーザは、少なくとも片側端面に反
射率３０％以上の多層高反射膜を有する半導体レーザに
おいて、前記多層高反射膜が、前記半導体レーザの前記
結晶基板が有する線膨張率の±３０％以内の線膨張率及
びｎ１＜１．８なる屈折率ｎ１、及びレーザ波長λに対
して約λ／４となるような光学的膜厚を有する、前記端
面に接するようＥＣＲスパッタにより形成された第一の
低屈折率膜と、ｎ２＞１．９なる屈折率ｎ２及びｋ＜
０．０５なる屈折率の負の虚数部−ｉｋ、及びレーザ波
長λに対して約λ／４となるような光学的膜厚を有す
る、ＥＣＲスパッタにより形成された第一の高屈折率膜
と、ｎ３＜１．７であり、ｎ１＞ｎ３なる屈折率ｎ３を
有し、前記第一の低屈折率膜とは材質及び線膨張率が異
なる、ＥＣＲスパッタにより形成された第二の低屈折率
膜とを具備し、前記第一の低屈折率膜上に、前記第一の
高屈折率膜と前記第二の低屈折率膜とが交互に複数積層
され、前記第一、第二の低屈折率膜及び前記第一の高屈
折率膜の総層数が９層以下であることを特徴とする。
に、本発明の半導体レーザは、少なくとも片側端面に反
射率３０％以上の多層高反射膜を有する半導体レーザに
おいて、前記多層高反射膜が、前記半導体レーザの前記
結晶基板が有する線膨張率の±３０％以内の線膨張率及
びｎ１＜１．８なる屈折率ｎ１、及びレーザ波長λに対
して約λ／４となるような光学的膜厚を有する、前記端
面に接するようＥＣＲスパッタにより形成された第一の
低屈折率膜と、ｎ２＞１．９なる屈折率ｎ２及びｋ＜
０．０５なる屈折率の負の虚数部−ｉｋ、及びレーザ波
長λに対して約λ／４となるような光学的膜厚を有す
る、ＥＣＲスパッタにより形成された第一の高屈折率膜
と、ｎ３＜１．７であり、ｎ１＞ｎ３なる屈折率ｎ３を
有し、前記第一の低屈折率膜とは材質及び線膨張率が異
なる、ＥＣＲスパッタにより形成された第二の低屈折率
膜とを具備し、前記第一の低屈折率膜上に、前記第一の
高屈折率膜と前記第二の低屈折率膜とが交互に複数積層
され、前記第一、第二の低屈折率膜及び前記第一の高屈
折率膜の総層数が９層以下であることを特徴とする。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項ｌ】 少なくとも片側端面に反射率３０％以上
の多層高反射膜を有する半導体レーザにおいて、 前記多層高反射膜が、前記半導体レーザの結晶基板が有
する線膨張率の±３０％以内の線膨張率、ｎ１＜１．８
なる屈折率ｎ１、及びレーザ波長λに対して約λ／４と
なるような光学的膜厚を有する、前記端面に接して形成
された第一の低屈折率膜と、 ｎ２＞１．９なる屈折率ｎ２、ｋ＜０．０５なる屈折率
の負の虚数部−ｉｋ、及びレーザ波長λに対して約λ／
４となるような光学的膜厚を有する第一の高屈折率膜
と、 ｎ３＜１．７であり、ｎ１＞ｎ３なる屈折率ｎ３を有す
る、前記第一の低屈折率膜とは材質が異なる第二の低屈
折率膜とを具備し、前記第一の低屈折率膜上に、前記第
一の高屈折率膜と前記第二の低屈折率膜とが交互に複数
積層され、前記第一、第二の低屈折率膜及び前記第一の
高屈折率膜の総層数が９層以下であることを特徴とする
半導体レーザ。 【請求項２】 前記多層高反射膜における最上層は、前
記第二の低屈折率膜によって形成され、その光学的膜厚
が約λ／４、あるいは約λ／２、あるいは０からλ／２
の間の任意の値に設定されていることを特徴とする請求
項１記載の半導体レーザ。 【請求項３】 前記多層高反射膜における最上層は、前
記第一の高屈折率膜によって形成され、その光学的膜厚
が約λ／４、あるいは約λ／２、あるいは０からλ／２
の間の任意の値に設定されていることを特徴とする請求
項１記載の半導体レーザ。 【請求項４】 前記第一の低屈折率膜として酸化アルミ
ニウム（Ａｌ2Ｏ3）、前記第二の低屈折率膜として二酸
化珪素（ＳｉＯ2）、前記第一の高屈折率膜として窒化
シリコン（ＳｉＮｘ）を用いたことを特徴とする請求項
１に記載の半導体レーザ。 【請求項５】 少なくとも片側端面に反射率３０％以上
の多層高反射膜を有するる半導体レーザにおいて、 前記多層高反射膜が、前記半導体レーザの結晶基板が有
する線膨張率の±３０％以内の線膨張率、ｎ１＜１．８
なる屈折率ｎ１、及びレーザ波長λに対して約λ／４と
なるような光学的膜厚を有する、前記端面に接して形成
された第一の低屈折率膜と、 ｎ２＞１．９なる屈折率ｎ２、ｋ＜０．０５なる屈折率
の負の虚数部−ｉｋ、及びレーザ波長λに対して約λ／
４となるような光学的膜厚を有する第一の高屈折率膜
と、 ｎ３＜１．７であり、ｎ１＞ｎ３なる屈折率ｎ３を有す
る、前記第一の低屈折率膜とは材質が異なる第二の低屈
折率膜とを具備し、 ｎ４＞ｎ２なる屈折率ｎ４を有する第二の高屈折率膜と
を具備し、前記第一の低屈折率膜上に、前記第一の高屈
折率膜と前記第二の低屈折率膜とを交互に複数積層し、
最上層が前記第二の低屈折率膜、最上層直下の層が前記
第二の高屈折率膜によって形成され、かつ前記最上層の
光学的膜厚が約λ／４、あるいは約λ／２、あるいは０
からλ／２の間の任意の値に、前記最上層直下の光学的
膜厚が約λ／４に設定され、前記第一、第二の低屈折率
膜、前記第一、第二の高屈折率膜の総層数が９層以下で
あることを特徴とする半導体レーザ。 【請求項６】 前記第一の低屈折率膜として酸化アルミ
ニウム（Ａｌ2Ｏ3）、前記第二の低屈折率膜として二酸
化珪素（ＳｉＯ2）、前記第一の高屈折率膜として窒化
シリコン（ＳｉＮｘ）、前記第二の高屈折率膜としてア
モルファスシリコン（α−Ｓｉ）を用いたことを特徴と
する請求項５記載の半導体レーザ。 【請求項７】 請求項４または６記載の半導体レーザを
製造する方法として、前記第一の低屈折率膜である酸化
アルミニウム、前記第二の低屈折率膜である二酸化珪
素、前記第一の高屈折率膜である窒化シリコンを、ＥＣ
Ｒスパッタ装置を用いて形成する工程を有することを特
徴とする半導体レーザの製造方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10083100A JP2971435B2 (ja) | 1998-03-30 | 1998-03-30 | 半導体レーザおよびその製造方法 |
| US09/281,613 US6370177B1 (en) | 1998-03-30 | 1999-03-30 | Semiconductor laser and method of manufacturing the same |
| US10/057,057 US6667187B2 (en) | 1998-03-30 | 2002-01-25 | Semiconductor laser and method of manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10083100A JP2971435B2 (ja) | 1998-03-30 | 1998-03-30 | 半導体レーザおよびその製造方法 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11202500A Division JP2000036633A (ja) | 1999-07-16 | 1999-07-16 | 半導体レ―ザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11284271A true JPH11284271A (ja) | 1999-10-15 |
| JP2971435B2 JP2971435B2 (ja) | 1999-11-08 |
Family
ID=13792784
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10083100A Expired - Lifetime JP2971435B2 (ja) | 1998-03-30 | 1998-03-30 | 半導体レーザおよびその製造方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US6370177B1 (ja) |
| JP (1) | JP2971435B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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