JP2003124561A - 光学被膜、光学被膜の成膜方法、半導体レーザ素子及びｓｈｇデバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザ素子及びＳＨＧデバイスに適用
できる変質し難い、更には剥離し難い光学被膜を提供す
る。 【解決手段】 本半導体レーザ素子１０は、ＧａＮ系半
導体レーザ素子であって、ＥＣＲプラズマ法を用いて、
Ａｒガスと酸素ガスを含む雰囲気中で、速い成膜速度の
スパッタ条件でＡｌターゲットをスパッタすることによ
って成膜された光学被膜３０を共振器端面に有する。出
射端面には、１０％の反射率が得られる厚さのＡｌ₂Ｏ₃
膜３０ａが成膜されている。一方、出射端面とは反対側
の共振器裏面には、例えば９５％という高い反射率のＡ
ｌ₂Ｏ₃／ＴｉＯ₂２層膜３０ｂが成膜されている。Ａｌ₂
Ｏ₃膜３０ａ及びＡｌ₂Ｏ₃／ＴｉＯ₂多層膜３０ｂのガス
元素の含量は、２原子％以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学被膜、光学被
膜の成膜方法、及び光学被膜を使用した発光素子に関
し、更に詳細には、発光素子の端面に設けて長期間にわ
たり発光素子を動作させても劣化し難い光学被膜、その
ような光学被膜の成膜方法、及びそのような光学被膜を
設けた発光素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】Ａｌ、Ｇａ、ＩｎなどのIII族元素と、
少なくともＮをＶ族元素として含むIII−Ｖ族化合物半
導体を用いた半導体レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）
が、緑色、青色から紫外の帯域の光を発光する発光素子
として開発されている。また、非線形光学結晶と半導体
レーザ素子とを備え、半導体レーザ素子のレーザ光を非
線形光学結晶に照射して、波長の短い第２高調波を発生
させるＳＨＧ（Second Harmonic Generation）デバイス
が、比較的小さな基本波出力に対して緑色、青色から紫
外の帯域の光を高効率で発光させる発光素子として、開
発されている。

【０００３】半導体レーザ素子では、レーザ共振器の出
射端面及びその反対の裏面に光学被膜を形成することに
よって、レーザ光の反射率や透過率の制御を行い、所望
のレーザ特性を得ている。光学被膜とは、発光素子の端
面を被膜して、端面での光の反射率や透過率を調節する
ことによって、発光素子の発光特性を制御する被膜体を
言う。光学被膜の材料には、酸化シリコン、酸化チタ
ン、酸化アルミニウムなどの酸化被膜、窒化シリコンな
どの窒化被膜、アルミニウムやシリコンなどの金属被
膜、更には半導体被膜など様々なものが用いられてい
る。そして、真空蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタ法などの
成膜方法を用いて、これら光学被膜を所定の厚さ／周期
で成膜、積層することによって、所望の反射率、又は透
過率の光学被膜を得ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】半導体レーザ素子を長
期にわたって安定して動作させるためには、半導体レー
ザ素子自体の信頼性と共に、出射端面或いは裏面に成膜
する光学被膜の安定性も、極めて重要である。しかし、
半導体レーザ素子では、一般的には、動作時間の経過と
共に発光強度が低下するという“劣化"現象が起きる。
“劣化"現象は、種々の原因によって引き起されるもの
の、その中でも、共振器端面に成膜した光学被膜が変質
して、反射率、或いは透過率が変化するために、“劣
化"現象が進行することが多い。更には、半導体レーザ
素子の動作中に、光学被膜が共振器端面から剥離するこ
ともある。これでは、半導体レーザ素子の信頼性を高め
ることが難しい。以上の説明では、半導体レーザ素子を
例に上げて、光学被膜に起因する“劣化"現象を説明し
たが、ＳＨＧデバイスについも、同じ問題がある。

【０００５】そこで、本発明の目的は、半導体レーザ素
子及びＳＨＧデバイスに適用できる変質し難い、更には
剥離し難い光学被膜、及びその成膜方法を提供すること
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、変質し難い
光学被膜を開発する過程で、光学被膜が変質する原因
は、光学被膜の成膜中に混入したガス成分又はガス原子
が、半導体レーザ素子の動作中に光学被膜内で凝集して
泡状になり、これによって光学被膜を変質させたり、更
には、凝集したガスが膨張して、光学被膜を端面から剥
離させることにあると見い出した。つまり、光学被膜が
変質すると、光学被膜の透過率や反射率が変化し、さら
に光学被膜が剥離すると、出射端面の保護効果が無くな
り、光の散乱が生じる。これによって、使用時間の経過
と共に発光素子の信頼性に問題が生じる。

【０００７】半導体レーザ素子やＳＨＧデバイスなどを
光源として強力なレーザ光を出射するレーザ装置では、
上述のように、光学被膜は重要な構成要素である。光学
被膜の成膜では、スパッタ法、ＣＶＤ法、真空蒸着法な
ど色々な方法が用いられているが、スパッタ法及びＣＶ
Ｄ法は、その成膜過程で、何らかのガスを用いている。
例えば、スパッタ法では、Ａｒガス等のスパッタリング
ガスが必要であり、ＣＶＤ法では、水素ガスとか窒素ガ
スのキャリアガスが必要である。スパッタ法は生産性に
優れているものの、成膜過程で用いるＡｒガスなどのス
パッタリングガスが光学被膜に混入することが多い。ま
た、水素ガスをキャリアガスとして使用するＣＶＤ法で
は、キャリアガスが光学被膜に混入することがある。

【０００８】本発明者が、変質した光学被膜、或いは剥
離した光学被膜中のガス成分をＥＤＸ（エネルギ分散型
Ｘ線分光分析）法を用いて分析したところ、それらの光
学被膜には、ガス成分が２原子％を越えて含まれている
ことが判った。レーザ光の非常に強い光エネルギによっ
て、ガス原子が凝集して気体のガスになると考えられ、
もし、２原子％を越えるガス元素が気体になると、膜の
厚さ以上の体積になるため、光学被膜にとって危険であ
る。

【０００９】本発明者は、種々の実験によって、光学被
膜の成膜に際し、光学被膜に混入するガス元素の量を２
原子％以下、好ましくは１原子％以下となるように成膜
条件を設定することによって、凝集／ガス放出／剥離と
いった光学被膜の信頼性問題を招く“劣化現象"を抑制
することができることを見い出した。混入するガス元素
は、Ａｒガス、Ｎｅガス、Ｘｅガス、Ｈｅガスなどの希
ガスだけでなく、水素、水素などのガスについても同様
に低減することが求められる。このような成膜条件下で
は、それらのガスは、不活性ガスと考えられ、凝集し易
いからである。もちろん、酸化膜中の窒素や窒化膜中の
酸素など、目的とする光学被膜の構成元素以外のガス元
素も同様に混入ガス元素と見なすことができる。

【００１０】以上のように、本発明者は、種々の実験の
結果、光学被膜に含まれるガス元素を２原子％以下にす
ることによって、変質し難い耐久性に優れた光学被膜を
作製することができることを見い出し、本発明を発明す
るに到った。

【００１１】上記目的を達成するために、本発明に係る
光学被膜は、半導体レーザ素子、ＳＨＧデバイス等の発
光素子の端面に設けられる光学被膜であって、ガス元素
の含量が２原子％以下であることを特徴としている。

【００１２】ここで、ガス元素とは、元々、室温でガス
である元素、例えば窒素、酸素、水素、希ガス等を言
う。また、ガス元素には、発光素子の動作に起因して発
生する熱、光等によって光学被膜内で化学反応等が促進
されたとき、化学反応によってガス生成物を生成させる
元素も含める。好適には、光学被膜のガス元素の含量が
１原子％以下である。

【００１３】例えば、光学被膜は、酸化アルミニウム、
酸化ジルコニウム、及び酸化シリコンの少なくともいず
れかを含む酸化物からなる。また、光学被膜は、ＭｇＦ
などのフッ化物、又は窒化シリコン、窒化アルミニウム
などの窒化物からなる。更には、光学被膜は一般に非晶
質であるが、光学被膜をＡｌＮ等の結晶性の材料で形成
しても良い。また、光学被膜をアルミニウム（Ａｌ）や
シリコン（Ｓｉ）などの金属や半導体で形成することも
できる。光学被膜を金属膜や結晶膜で形成することによ
り、光学被膜内のガス元素の含量を大幅に低減すること
ができる。

【００１４】光学被膜は、単層である必要はなく、例え
ば上述の光学被膜を少なくとも１層含む多層積層膜とし
て形成されていても良い。積層構造の光学被膜では、積
層構造の一部の薄い層中にガス元素が含まれている場合
であっても、薄い層に隣り合う層中のガス元素の含量が
少なければ、拡散によって分散するため、光学被膜の変
質を回避することができる。従って、積層構造の光学被
膜では、必ずしも全ての層で、ガス元素の含量が２原子
％以下である必要はない。

【００１５】本発明に係る光学被膜を成膜する方法には
制約はなく、以下の光学被膜の本発明に係る成膜方法
は、例えばその一例である。光学被膜の本発明に係る成
膜方法は、半導体レーザ素子、ＳＨＧデバイス等の発光
素子の端面に光学被膜を成膜する成膜方法であって、ス
パッタ法によりガス元素の含量が２原子％以下の光学被
膜を成膜することを特徴としている。好適には、スパッ
タ法により光学被膜を成膜する際、スパッタ法で用いる
スパッタリングガスには、Ａｒガス又はＨｅガスを使用
する。これにより、光学被膜内のガス元素の含量を著し
く低減することができる。また、スパッタ法により光学
被膜を成膜する際、スパッタ法に用いるスパッタリング
ガス中の水素の含量が２容量％以下である。

【００１６】真空蒸着法などで成膜すれば、上記ガス元
素の混入を２％以下に抑制することができる。しかし、
真空蒸着法では、膜質が優れないなどの問題点もある。
本発明は、スパッタ法やＣＶＤ法で、ガス混入を抑制す
る方法を実現することができる。

【００１７】本発明に係る光学被膜の別の成膜方法は、
半導体レーザ素子、ＳＨＧデバイス等の発光素子の端面
に光学被膜を成膜する成膜方法であって、ＣＶＤ法によ
りガス元素の含量が２原子％以下の光学被膜を成膜する
ことを特徴としている。

【００１８】本発明に係る光学被膜の適用には制約はな
く、例えば半導体レーザ素子、なかでもIII 族窒化物系
化合物半導体レーザ素子に好適に適用でき、更には、Ｓ
ＨＧデバイスを構成する半導体レーザ素子及び非線形結
晶にも適用できる。本発明に係る光学被膜を用いること
によって、青〜紫外光を発するIII族窒化物系半導体レ
ーザ素子、或いはＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子、
ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子、ＡｌＧａＩｎＡｓ系
半導体レーザ素子などの半導体レーザ素子の素子信頼性
を高めることができる。

【００１９】また、ＳＨＧ法などを用いてレーザ発振さ
せる光学装置の光学素子の端面被膜として本発明に係る
光学被膜を用いることができる。つまり、本発明に係る
ＳＨＧデバイスは、ＳＨＧ結晶とＳＨＧ結晶にレーザ光
を照射する半導体レーザ素子とを備え、ＳＨＧ結晶に励
起用のレーザ光を照射し、結晶中でＳＨＧ現象によっ
て、励起光とは異なる波長のレーザ光を放出するＳＨＧ
デバイスであって、上述の半導体レーザ素子を光源と
し、かつＳＨＧ結晶端面に本発明に係る光学被膜を備え
ていることを特徴としている。

【００２０】本発明に係る光学被膜は、特に、波長が短
く、エネルギが高いIII族窒化物系の半導体レーザや、
紫外光を発するＳＨＧデバイスでは、重要な技術と評価
できる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下に、添付図面を参照し、実施
形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に
説明する。尚、以下の実施形態例で示す成膜方法、積層
構造の構成、化合物半導体層の組成、プロセス条件等
は、本発明の理解を容易にするための一つの例示であっ
て、本発明はこの例示に限定されるものではない。実施形態例１ 本実施形態例は、本発明に係る光学被膜を共振器端面に
有する半導体レーザ素子の実施形態の一例であって、図
１は本実施形態例の半導体レーザ素子の断面図、図２は
本実施形態例の半導体レーザ素子の平面図である。本実
施形態例の半導体レーザ素子１０は、ＧａＮ系半導体レ
ーザ素子であって、図１に示すように、サファイア基板
１２上に、ＭＯＣＶＤ法などによって、順次、ｎ−Ｇａ
Ｎコンタクト層１４、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１６、
ＧａＩｎＮ系活性層１８、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２
０、及びｐ−ＧａＮコンタクト層２２を成長させた積層
構造を備えている。

【００２２】積層構造のうち、ｐ−ＧａＮコンタクト層
２２、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２０、活性層１８、ｎ
−ＡｌＧａＮクラッド層１６、及びｎ−ＧａＮコンタク
ト層１４の上部は、エッチングされ、メサ構造として形
成されていると共に、メサ脇にｎ−ＧａＮコンタクト層
１４の残り層が露出している。メサ構造上及びｎ−Ｇａ
Ｎコンタクト層１４の残り層上には、絶縁膜２４が設け
てある。また、絶縁膜２４に設けられた窓を介して、ｐ
側電極２６がｐ−ＧａＮコンタクト層２２上に設けら
れ、ｎ側電極２８がｎ−ＧａＮコンタクト層１４の残り
層上に設けられている。

【００２３】本実施形態例の半導体レーザ素子１０は、
図２に示すように、共振器端面に光学被膜３０を備えて
いる。光学被膜３０は、ＥＣＲプラズマ法を用いて、Ａ
ｒガスと酸素ガスを含む雰囲気中で、速い成膜速度のス
パッタ条件でＡｌターゲットをスパッタすることによっ
て共振器端面に成膜されている。必要に応じて、光学被
膜３０を紫外レーザ光で照射することにより、光学被膜
３０に混入したＡｒガスを光学被膜３０から放出させる
ことができる。半導体レーザ素子１０の出射端面には、
１０％の反射率が得られる厚さのＡｌ ₂Ｏ₃膜３０ａが成
膜されている。一方、出射端面とは反対側の共振器裏面
には、例えば９５％という高い反射率となる厚さのＡｌ
₂Ｏ₃／ＴｉＯ₂２層膜３０ｂが成膜されている。尚、Ａ
ｌ₂Ｏ₃膜３０ａ及びＡｌ₂Ｏ₃／ＴｉＯ₂２層膜３０ｂの
ガス元素の含量を測定したところ、２原子％以下であっ
た。その後、レーザチップをレーザパッケージ内に実装
することによって、半導体レーザ素子を完成することが
できる。

【００２４】本実施形態例の光学被膜３０ａ、３０ｂ
は、それぞれ、スパッタ法で形成された金属酸化膜であ
るから、ガス元素の含量が２原子％より少なく、また、
半導体レーザ素子１０の動作中に光、熱等によって光学
被膜３０ａ、３０ｂ内でガスが発生するようなこともな
い。本実施形態例の光学被膜の信頼性、従って半導体レ
ーザ素子の信頼性は、従来の光学被膜及び半導体レーザ
素子に比べて大幅に改善されている。

【００２５】実施形態例２ 本実施形態例は、本発明に係る光学被膜を共振器端面に
有する半導体レーザ素子の実施形態の別の例であって、
図３は本実施形態例の半導体レーザ素子の断面図であ
る。本実施形態例の半導体レーザ素子４０は、ＧａＮ系
半導体レーザ素子であって、図３に示すように、ｎ−Ｇ
ａＮ基板４２上に、ＭＯＣＶＤ法などによって、順次、
ｎ−ＧａＮバッファ層４４、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
４６、ｎ−ＧａＮ光ガイド層４８、ＧａＩｎＮ系活性層
５０、ｐ−ＡｌＧａＮ劣化防止層５２、ｐ−ＧａＮ光ガ
イド層５４、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５６、及びｐ−
ＧａＮコンタクト層５８を成長させてなる積層構造を備
えている。

【００２６】積層構造のうち、ｐ−ＧａＮコンタクト層
５８及びｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５６の上部は、リッ
ジストライプ６０として形成され、リッジストライプ６
０の両側は、電流ブロック層として機能するｎ−ＡｌＧ
ａＮ埋め込み層６２で埋め込まれている。ｐ側電極６４
がｐ−ＧａＮコンタクト層５８上に設けられ、ｎ側電極
６６がｎ−ＧａＮ基板４２の裏面に設けられている。本
実施形態例の半導体レーザ素子４０は、共振器の出射端
面及び裏端面に、実施形態例１のＡｌ₂Ｏ₃膜３０ａ及び
Ａｌ₂Ｏ₃／ＴｉＯ₂２層膜３０ｂと同じ光学被膜をそれ
ぞれ備えている。以上の構成により、半導体レーザ素子
４０は、光学被膜に関し、実施形態例１の半導体レーザ
素子１０と同じ効果を奏することができる。

【００２７】実施形態例３ 本実施形態例は、本発明に係る光学被膜を素子端面に有
するＳＨＧデバイスの実施形態の一例である。本実施形
態例のＳＨＧデバイスは、非線形結晶であるＳＨＧ結晶
と、ＳＨＧ結晶にレーザ光を照射する半導体レーザ素子
とを備え、ＳＨＧ結晶に励起用のレーザ光を照射し、結
晶中でＳＨＧ現象によって、励起光とは異なる波長のレ
ーザ光を放出するＳＨＧデバイスである。ＳＨＧ結晶の
励起レーザ入射面及びＳＨＧ結晶のＳＨＧ光の出射面に
は、実施形態例１のＡｌ₂Ｏ₃膜３０ａと同じ光学被膜が
設けてあり、励起光をＳＨＧ結晶に出射する半導体レー
ザ素子の出射端面及び裏面に、それぞれ、実施形態例１
のＡｌ₂Ｏ₃膜３０ａ及びＡｌ₂Ｏ₃／ＴｉＯ₂２層膜３０
ｂと同じ光学被膜が設けてある。以上の構成により、本
実施形態例のＳＨＧデバイスは、光学被膜に関し、実施
形態例１の半導体レーザ素子１０と同じ効果を奏するこ
とができる。

【００２８】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、光学
被膜のガス元素の含量（混入量）を２原子％以下とする
ことによって、発光素子の動作中に起きる膜変質や膜剥
離などを防止して、光学被膜の信頼性を高めることがで
きる。これによって、発光効率の劣化や発光特性（性
能）の劣化を抑制した優れた信頼性を持った半導体レー
ザ素子、ＳＨＧデバイス等の発光装置を実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例１の半導体レーザ素子の断面図であ
る。

【図２】実施形態例１及び２の半導体レーザ素子の平面
図である。

【図３】実施形態例２の半導体レーザ素子の断面図であ
る。

【符号の説明】

１０……実施形態例１の半導体レーザ素子、１２……サ
ファイア基板、１４……ｎ−ＧａＮコンタクト層、１６
……ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、１８……ＧａＩｎＮ系
活性層、２０……ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、２２……
ｐ−ＧａＮコンタクト層、２４……絶縁膜、２６……ｐ
側電極、２８……ｎ側電極、３０……光学被膜、３０ａ
……１０％の反射率が得られる厚さのＡｌ₂Ｏ₃膜、３０
ｂ……９５％という高い反射率となる厚さのＡｌ₂Ｏ₃／
ＴｉＯ₂２層膜、４０……実施形態例２の半導体レーザ
素子、４２……ｎ−ＧａＮ基板、４４……ｎ−ＧａＮバ
ッファ層、４６……ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、４８…
…ｎ−ＧａＮ光ガイド層、５０……ＧａＩｎＮ系活性
層、５２……ｐ−ＡｌＧａＮ劣化防止層、５４……ｐ−
ＧａＮ光ガイド層、５６……ｐ−ＡｌＧａＮクラッド
層、５８……ｐ−ＧａＮコンタクト層、６０……リッジ
ストライプ、６２……ｎ−ＡｌＧａＮ埋め込み層、６４
……ｐ側電極、６６……ｎ側電極。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザ素子、ＳＨＧデバイス等の
   発光素子及び光導波路の端面に設ける光学被膜であっ
   て、 ガス元素の含量が０％以上２原子％以下であることを特
   徴とする光学被膜。
2. 【請求項２】 ガス元素の含量が１原子％以下であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の光学被膜。
3. 【請求項３】 酸化物からなることを特徴とする請求項
   １又は２に記載の光学被膜。
4. 【請求項４】 酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、
   及び酸化シリコンの少なくともいずれかを含む酸化物か
   らなることを特徴とする請求項３に記載の光学被膜。
5. 【請求項５】 フッ化物又は窒化物からなることを特徴
   とする請求項１又は２に記載の光学被膜。
6. 【請求項６】 結晶膜からなることを特徴とする請求項
   １又は２に記載の光学被膜。
7. 【請求項７】 請求項１から６のうちのいずれか１項に
   記載の光学被膜を少なくとも一層含む多層積層膜からな
   ることを特徴とする光学被膜。
8. 【請求項８】 半導体レーザ素子、ＳＨＧデバイス等の
   発光素子の端面に光学被膜を成膜する成膜方法であっ
   て、 スパッタ法によりガス元素の含量が２原子％以下の光学
   被膜を成膜することを特徴とする光学被膜の成膜方法。
9. 【請求項９】 スパッタ法により光学被膜を成膜する
   際、スパッタ法で用いるスパッタリングガスとして少な
   くともＡｒガス又はＨｅガスを含むことを特徴とする請
   求項８に記載の光学被膜の成膜方法。
10. 【請求項１０】 スパッタ法により光学被膜を成膜する
    際、水素ガスの含量が２容量％以下のガスをスパッタリ
    ングガスとして使用することを特徴とする請求項９に記
    載の光学被膜の成膜方法。
11. 【請求項１１】 半導体レーザ素子、ＳＨＧデバイス等
    の発光素子及び光導波路の端面に光学被膜を成膜する成
    膜方法であって、 ＣＶＤ法によりガス元素の含量が２原子％以下の光学被
    膜を成膜することを特徴とする光学被膜の成膜方法。
12. 【請求項１２】 請求項１から７のうちのいずれか１項
    に記載の光学被膜を端面に備えていることを特徴とする
    半導体レーザ素子。
13. 【請求項１３】 半導体レーザ素子がIII 族窒化物系化
    合物半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１
    ２に記載の発光素子。
14. 【請求項１４】 ＳＨＧ結晶と、ＳＨＧ結晶にレーザ光
    を照射する半導体レーザ素子とを備え、ＳＨＧ結晶に励
    起用のレーザ光を照射し、結晶中でＳＨＧ現象によっ
    て、励起光とは異なる波長のレーザ光を出射するＳＨＧ
    デバイスであって、 請求項１２又は１３に記載の半導体レーザ素子を光源と
    し、かつＳＨＧ結晶端面に請求項１から７のうちのいず
    れか１項に記載の光学被膜を備えていることを特徴とす
    るＳＨＧデバイス。