JP2007059897A - 半導体レーザ素子、及びそれを用いた光ピックアップ装置、光学式情報再生装置 - Google Patents
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Abstract
高出力化又は短波長化に対応できる端面保護膜を有する半導体レーザ素子を提供することである。
【解決手段】
光共振器端面の少なくとも一方に、誘電体膜を有する半導体レーザ素子であって、前記誘電体膜は、同一元素からなる第1の誘電体膜と第2の誘電体膜とを前記半導体の端面側から順に形成されて成るものであり、前記第1の誘電体膜は単結晶から成る膜を含有しており、前記第2の誘電体膜はアモルファスから成る膜を含有する半導体レーザ素子である。
【選択図】 図2
Description
また、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子においては、高出力、例えば30mW以上で動作させると、光出射側の端面において単一膜で誘電体膜を形成した場合には端面破壊が起こりやすくなり、寿命が低下するという問題があった。更に、高出力で動作させる場合、スロープ効率が低ければ駆動電流が大きくなってしまうという問題があった。
半導体レーザに流す電流を増していくと、ある電流でレーザー発振が始まる。これ以降は、電流に比例して光出力が増加していくが、この光出力増加分(ΔP)に対する電流増加分(ΔI)の比(ΔP/ΔI)を(発振)スロープ効率とよぶ。スロープ効率の大きな半導体レーザでは、小さな電流増加で大きな光出力増加を得ることができるため、高出力動作時の駆動電流を小さくすることが可能である。駆動電流が上昇すると半導体レーザには熱が発生する。このような熱が発生すると結晶の劣化が促進され、結晶が破壊されてしまう。その対策として出射(フロント)端面の反射率を下げること、スロープ効率を高くすることが考えられる。スロープ効率を高くすれば、駆動電流の上昇を抑えることができる。出射(フロント)端面の反射率やスロープ効率は誘電体膜の屈折率と厚みで制御可能である。
更に、第2の誘電体膜は、レーザ光の反射膜であることが好ましい。これによって、光共振器内での光閉じ込めを調整することができる。反応防止膜である第1の誘電体膜を形成することによって、この第2の誘電体膜を反射膜とすることが可能になっている。
第2の誘電体膜の成膜は、マイクロ波を300〜800W以下、Rfを300〜800W以下、希ガスの流量を10〜50sccm以下、酸素ガスの流量を2〜10sccmであって、前記第1の誘電体膜を成膜する場合の酸素ガスの流量よりも小さいものとする。この条件で成膜することで、第2の誘電体膜はアモルファスから成る膜を含有したものとすることができる。また、酸素ガスの流量を5sccm未満とすることで第2の誘電体膜はアモルファス膜とすることができる。第2の誘電体膜は第1の誘電体膜と比べて同一の金属に対する酸素含有量が等しいもの、又は少ないものである。
他の成膜条件としては、成膜雰囲気の圧力は0.01Pa以上1Pa以下とする。更に前記第1の誘電体膜の堆積速度は1nm/min以上とする。前記第2の誘電体膜の堆積速度は5nm/min以上とする。これによって単結晶から成る膜とアモルファスから成る膜とを成膜することができる。
前記誘電体膜は、光出射(フロント)側端面と光反射(リア)側端面に同時で成膜してもよく、また別々の条件で成膜しても構わない。
まず、第1主面100aと第2主面100bとを有する基板100を準備する。この基板100には、第1の主面、及び/又は第2の主面に0.050〜1.00のオフ角を有する基板100を用いる。該基板100の膜厚は50μm以上1mm以下とするが、好ましくは100μm以上500μm以下とする。窒化物半導体の成長用基板としては窒化物半導体基板100を用いることが好ましい。窒化物半導体基板100の製造方法には、MOCVD法やHVPE法、MBE法等の気相成長法、超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、高圧法、フラックス法、溶融法等がある。
前記窒化物半導体基板の第1の主面、及び/又は第2の主面を研磨や研削、レーザー照射によって0.050〜1.00、好ましくは0.10〜0.70のオフ角を形成する。この範囲でオフ角が形成されていれば、レーザ素子の発振波長が365nm以下の紫外領域から500nm以上の長波長領域に至る範囲で素子特性を安定させることができる。具体的には、チップ内での活性層の組成分布を均一にすることができる。尚、本明細書において、面指数を表す括弧内のバー(−)は、後ろの数字の上に付すべきバーを表すものとする。
次に、オフ角を有する窒化物半導体基板の第1主面100a上に窒化物半導体層を成長させる。以下の各層をMOCVD法により、減圧〜大気圧の条件で成長させる。前記窒化物半導体層は、前記窒化物半導体基板100の第1主面上にn型窒化物半導体層200、次に活性層205、更にp型窒化物半導体層210の順で積層されている。窒化物半導体基板100の第1主面100a上に積層されるn型窒化物半導体層200は多層膜である。第1のn型窒化物半導体層201としてはAlxGa1−xN(0<x≦0.5)、好ましくはAlxGa1−xN(0<x≦0.3)である。具体的な成長条件としては、反応炉内での成長温度を1000℃以上、圧力を600Torr以下とする。また、第1のn型窒化物半導体層201はクラッド層としての機能させることもできる。膜厚は0.5〜5μmである。次に第2のn型窒化物半導体層202を形成する。該第2のn側窒化物半導体層は光ガイド層として機能するAlxGa1−xN(0≦x≦0.3)である。膜厚は0.5〜5μmである。
前記n型窒化物半導体層中には、InxAlyGa1−x−yN(0<x≦1、0≦y<1、0<x+y≦1)から成る中間層を介した構成とすることもできる。また、該中間層は単一層構造、または多層積層構造である。
前記n型窒化物半導体層、p型窒化物半導体層には組成比がお互いに異なる2層からなる超格子構造を有する構成であっても構わない。
窒化物半導体基板100上に窒化物半導体層を積層したウェハーを反応容器から取り出す。次に、n型窒化物半導体層200をエッチングにより露出させる。このエッチングにより共振器長の長さは200μm〜1500μm、チップ幅は150μm〜500μmとするように形成される。n型窒化物半導体層の露出面は特に限定するのもではないが本実施形態では第1のn型窒化物半導体層201まで露出する。これによって、窒化物半導体基板とその上に形成する窒化物半導体層との応力緩和の効果がある。該工程は省略することが可能である。このエッチングと同時に光出射側端面付近にW型溝120を形成してもよい。このW型溝によって迷光が端面から放出されることを抑制する。また前記エッチングと同時に素子の四隅に劈開補助溝を形成してもよい。この劈開補助溝によってウェハーからバー化、更にはチップ化が容易になる。エッチングにはRIE法を用いCl2、CCl4、BCl3、SiCl4ガス等によりエッチングする。
p電極230の端面は半導体層の光出射側端面と略一致するものが好ましいが、図3に示すようにp電極230の端面が光出射側端面から10μm程度離れていても構わない。
その後、前記窒化物半導体基板の第2主面100bに上述したn電極232を形成する。基板の第2主面側から研磨を行うことによって基板の膜厚を100μm以下とする。次にn電極をスパッタ等により多層で形成する。n電極232は、V、Mo、Ti、Cr、W、Al、Zr、Au、Pd、Rh、Nb、Hf、Ta、Re、Mn、Zn、Pt、Ruからなる群より選択される少なくとも1つを含む合金または層構造を用いることができる。好ましくはV/Pt/Au、Ti/Pt/Au/、Mo/Pt/Au、W/Pt/Au、Ti/Pd/Al、Ti/Al、Cr/Au、W/Al、Rh/Alからなる2層構造、あるいは3層構造である。また、n電極の表面上にバリア目的でTi、Mo、Si、W、Pt、Ni、Rh、又はこれらの酸化物や窒化物を積層してもよい。チップの実装強度を強めることができる。
n電極の膜厚は、例えば第1の層にはVを用いて膜厚100Åで形成する。第2の層にはPtを用いて膜厚2000Å、第3の層にはAuを用いて膜厚3000Åで形成する。スパッタの他にはCVDや蒸着等で形成してもよい。またn電極を形成した後、500℃以上でアニールを行ってもよい。
次に共振器端面に上述した誘電体膜110を形成する。光出射側端面に誘電体膜110を形成した窒化物半導体レーザ素子の平面図を図4に示す。この誘電体膜110は光出射側端面に第1の誘電体膜111、第2の誘電体膜112を順に形成した後、光反射側端面にも誘電体膜110'を形成する構成もある。光光出射側端面に誘電体膜110が成膜されている窒化物半導体レーザ素子の斜視図を図6に示す。その他には図7に示すように窒化物半導体レーザ素子の側面にも前記誘電体膜110が回り込んでいるものがある。このような構成であれば、窒化物半導体の端面のみならず、側面の劣化も防止することができる。更には図8に示すように電極を覆うように誘電体膜が回り込んでいるものがある。このような構成であれば、効果的に側面の劣化も防止することができる。
バー形状の半導体の共振器端面に誘電体膜を形成した後、バー形状からチップ化して窒化物半導体レーザ素子を形成する。窒化物半導体レーザ素子はチップ化した後の形状は矩形状であって、該矩形状の共振器長は650μm以下とする。以上より、得られる窒化物半導体レーザ素子はCODレベルが1W以上であって、Kinkパワーが500mWとなる。また寿命試験(Tc=70℃、CWで出力100mW)を行った結果、5000時間以上の結果を得ることができた。
更に本発明では接触抵抗を低減した対向電極構造の窒化物半導体レーザ素子であって、接触抵抗率は1.0E−3Ωcm2以下となる。
基板は、C面を主面とするウエハ状のGaN基板100を用いる。基板としては特にこれに限定されるものではなく、必要に応じてR面、A面を主面とするGaN基板を用いる。
上記のように形成されたバー形状の窒化物半導体の光出射側端面に誘電体膜を設ける。 光出射側端面には、ECRスパッタ装置を用いて酸素等の活性ガスのプラズマを用い共振器端面をクリーニングした後、ZrO2、Nb2O5、Al2O3、TiO2等の第1の誘電体膜と第2の誘電体膜とを形成する。本実施例では誘電体膜110をAlxOyとする。金属ターゲットに5NのAlを用い、Arの流量を15sccm、O2の流量を10sccmとして、マイクロ波パワー600W、RF600Wの条件で第1の誘電体膜111を20nmの膜厚で成膜する。次に、Arの流量を10sccm、O2の流量を3sccm、マイクロ波パワー450W、RF450Wの条件で第2の誘電体膜112を130nmの膜厚で成膜する。ここで、405nmの光に対して前記第1の誘電体膜の屈折率は1.63であって、前記第2の誘電体膜の屈折率は1.67である。
次に、光反射側端面にはAlxOyからから成る誘電体膜110'を形成した後、SiO2とZrO2から成る反射ミラー310を形成する。
ECRスパッタ装置を用いて酸素等の活性ガスのプラズマを用いて反射側端面をクリーニングした後、誘電体膜110'を以下の条件で形成する。Al源には金属ターゲットのAlを用いる。まずArの流量を15sccm、O2の流量を10sccm、マイクロ波パワー600W、RF600Wの条件で第1の誘電体膜111'を20nm成膜した後、Arの流量を10sccm、O2の流量を3sccm、マイクロ波パワー450W、RF450Wの条件で第2の誘電体膜112'を40nm成膜し、Al2O3からなる保護膜を形成する。ここで、405nmの光に対して前記第1の誘電体膜の屈折率は1.63であって、前記第2の誘電体膜の屈折率は1.67である。
実施例1において、光出射側端面の誘電体膜110を以下の構成とする他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を形成する。ECRスパッタ装置を用いる。酸素等の活性ガスのプラズマを用いて光出射側端面をクリーニングした後、AlxOyから成る第1の誘電体膜と第2の誘電体膜とを形成する。まず、金属ターゲットに5NのAlを用い、Arの流量を15sccm、O2の流量を10sccm、マイクロ波パワー600W、RF600Wの条件で第1の誘電体膜を20nmの膜厚で成膜する。その後、金属ターゲットに5NのAlを用い、Arの流量を10sccm、O2の流量を3sccm、マイクロ波パワー450W、RF450Wの条件で第2の誘電体膜を100nmの膜厚で成膜する。ここで、405nmの光に対して前記第1の誘電体膜の屈折率は1.63であって、前記第2の誘電体膜の屈折率は1.67である。以上より得られた窒化物半導体レーザ素子は実施例1とほぼ同様の特性を示す。
実施例1において、誘電体膜を以下の構成とする他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を形成する。
光出射側端面には、ECRスパッタ装置を用いて酸素等の活性ガスのプラズマを用い光出射側端面をクリーニングした後、金属ターゲットに5NのAlを用い、Arの流量を15sccm、O2の流量を10sccm、マイクロ波パワー600W、RF600Wの条件で第1の誘電体膜111を20nm成膜した後、金属ターゲットに5NのAlを用い、Arの流量を10sccm、O2の流量を3sccm、マイクロ波パワー450W、RF450Wの条件で第2の誘電体膜を40nm成膜することで、誘電体膜110を形成する。ここで、405nmの光に対して前記第1の誘電体膜の屈折率は1.63であって、前記第2の誘電体膜の屈折率は1.67である。
その後、バー形状の半導体からチップ化して共振器長300μm、チップ幅200μmである矩形状の窒化物半導体レーザ素子を形成する。以上より、得られる窒化物半導体レーザ素子はCODレベルが350mW以上であって、Kinkパワーが100mWとなる。また寿命試験(Tc=70℃、CWで出力20mW)を行った結果、20000時間以上の結果を得ることができる。また本実施例における窒化物半導体レーザ素子は、室温において閾値電流密度4.2kA/cm2、CW駆動時で50mWの高出力において発振波長405nmの連続発振可能なものである。
実施例1において、光反射側端面の誘電体膜を以下の構成とする他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を形成する。
光反射側端面には、ECRスパッタ装置を用いて酸素等の活性ガスのプラズマを用い光反射側端面をクリーニングした後、Al2O3をArの流量を15sccm、O2の流量を10sccm、マイクロ波パワー600W、RF600Wの条件で第1の誘電体膜を20nm成膜した後、Arの流量を10sccm、O2の流量を3sccm、マイクロ波パワー450W、RF450Wの条件で第2の誘電体膜を40nm成膜して、Al2O3からなる誘電体膜を形成する。ここで、405nmの光に対して前記第1の誘電体膜の屈折率は略1.63であって、前記第2の誘電体膜の屈折率は略1.67である。
実施例1において、光反射側端面の誘電体膜を以下の構成とする他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を形成する。
第1の誘電体膜を200Åの膜厚で形成し、第2の誘電体膜を1000Åの膜厚で形成し、ZrO2を440Åの膜厚で形成し、次に(Al2O3を600Å、ZrO2を440Å)を7ペア形成する。最後にAl2O3を1200Åの膜厚で形成する。以上より得られた窒化物半導体レーザ素子は寿命特性に優れたものである。
実施例1において、光反射側端面の誘電体膜を以下の構成とする他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を形成する。
第1の誘電体膜を200Åの膜厚で形成し、第2の誘電体膜を1000Åの膜厚で形成し、ZrO2を440Åの膜厚で形成し、次に(Al2O3を600Å、ZrO2を440Å)を7ペア形成する。最後にAl2O3を1000Å、AlNを200Åの膜厚で形成する。以上より得られた窒化物半導体レーザ素子は寿命特性に優れたものである。
実施例1において、光反射側端面の誘電体膜を以下の構成とする他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を形成する。
フロント端面に第1の誘電体膜を200Åの膜厚で形成し、第2の誘電体膜を800Åの膜厚で形成し、更に第1の誘電体膜と同じ形成条件で膜厚が200Åの誘電体膜を順に形成する。以上より得られた窒化物半導体レーザ素子は寿命特性に優れたものである。
Claims (16)
- 光共振器端面の少なくとも一方に、誘電体膜を有する半導体レーザ素子であって、
前記誘電体膜は、同一元素からなる第1の誘電体膜と第2の誘電体膜とを半導体の端面側から順に形成されて成るものであり、
前記第1の誘電体膜は単結晶から成る膜を含有しており、
前記第2の誘電体膜はアモルファスから成る膜を含有しており、
前記第1の誘電体膜と第2の誘電体膜とは組成比が略同一であることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 光共振器端面の少なくとも一方に、誘電体膜を有する半導体レーザ素子であって、
前記誘電体膜は、同一元素からなる第1の誘電体膜と第2の誘電体膜とを半導体の端面側から順に形成されて成るものであり、
前記第1の誘電体膜は、半導体と誘電体膜との反応防止膜であり、前記第2の誘電体膜はレーザ光の反射膜であることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 前記第1の誘電体膜は、単結晶から成る膜を含有しており、且つ前記第2の誘電体膜は、アモルファスから成る膜を含有している請求項2に記載の半導体レーザ素子。
- 前記第1の誘電体膜は、前記第2の誘電体膜よりも屈折率が低い請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
- 前記第2の誘電体膜は、前記第1の誘電体膜よりも膜厚が大きい請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
- 前記誘電体膜の反射率は、25%以下である請求項1乃至5のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
- 前記誘電体膜の反射率は、半導体レーザ素子の発振波長が略400nmである時には20%以下である請求項1乃至6のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
- 前記第1の誘電体膜、及び第2の誘電体膜は、AlとOとを構成元素に有する請求項1乃至7のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
- 前記第1の誘電体膜と前記第2の誘電体膜とは、熱膨張係数が略一致する請求項1乃至8のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
- 前記誘電体膜は、最外層が窒化物である請求項1又は2に記載の半導体レーザ素子。
- 光共振器端面の少なくとも一方に、誘電体膜を有する半導体レーザ素子であって、
前記誘電体膜は、第1の誘電体膜と第2の誘電体膜と第3の誘電体膜とを半導体の端面側から順に形成されてなるものであり、
前記第1の誘電体膜と第2の誘電体膜とは同一元素からなり、
前記第3の誘電体膜は、第1の誘電体膜及び第2の誘電体膜とは異なる元素を有するものであり、
前記第1の誘電体膜は、半導体と誘電体膜との反応防止膜であり、
前記第2の誘電体膜は第1の誘電体膜と第3の誘電体膜との応力緩和膜
であることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 前記第1の誘電体膜及び第2の誘電体膜は、酸素を含有する請求項11に記載の半導体レーザ素子。
- 前記第1の誘電体膜の酸素含有量は、前記第2の誘電体膜の酸素含有量よりも多い請求項12に記載の半導体レーザ素子。
- 前記誘電体膜は、最外層が窒化物である請求項11に記載の半導体レーザ素子。
- 請求項1乃至14のいずれか1項記載の半導体レーザ素子を有することを特徴とする光ピックアップ装置。
- 光学情報記録盤にレーザ光を集光照射し、その反射光を検出することにより、前記光学情報記録盤に記録された情報を再生する光学式情報再生装置であって、
請求項1乃至14のいずれか1項記載の半導体レーザ素子を光源として用いることを特徴とする光学式情報再生装置。
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