JP5011942B2 - 半導体レーザの製造方法 - Google Patents
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更に、積層膜を形成する前に、100℃以上の温度でレーザ構造部を加熱するようにしたので、レーザ構造部に含まれる水分を除去し、光触媒反応により発生する酸素に起因する突然劣化などの悪影響を抑え、長期寿命を長くすることができる。また、積層膜をRFスパッタリングにより形成しても、電界強度や自然酸化物に起因する損傷を抑えて、寿命を十分に伸ばすことができる。よって、ECRスパッタ装置よりも量産性が高く導入コストの低いRFスパッタ装置の適用により、製造コストを低減することができる。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体レーザの縦断面構造を表すものである。この半導体レーザは、例えば、パーソナルコンピュータや家庭用ゲーム機などのBD再生用レーザとして用いられる発振波長約500nm以下、例えば400nm前後、出力約20mWの低出力青・青紫半導体レーザであり、レーザ構造部10を間にして主出射側端面10Fおよび後方端面10Rが対向して設けられている。
|E(z)|2 =|A+ exp[+iβ’(ω−iγ)z]+A- exp[−iβ’(ω−iγ)z]|2
(数1において、A+ およびA- は振幅、β’は複素伝播定数、ωは周波数、γは定数、zは出射方向の距離をそれぞれ表す。)
β’=β+iαint /2
β=Nω/c
(数2において、Nは屈折率、ωは周波数、αint は内部損失(αint >0)、cは光速をそれぞれ表す。)
図9は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体レーザの製造方法を工程順に表したものである。この製造方法は、主出射側端面10Fおよび後方端面10Rに生じている自然酸化物をプラズマエッチングにより除去したのちに高屈折率膜21F,21Rと反射率調整膜22F,22Rとの積層膜20F,20Rを形成するようにしたものである。なお、この製造方法は、第1の実施の形態に係る半導体レーザを製造する場合に限られるものではないが、理解を容易とするために、第1の実施の形態で説明したような主出射側端面10Fおよび後方端面10Rに高屈折率膜21F,21Rと反射率調整膜22F,22Rとの積層膜20F,20Rが形成されている半導体レーザを製造する場合について説明する。また、第1の実施の形態と製造工程が重複する部分については、第1の実施の形態を参照して説明する。
レーザ構造部10を形成したのち、例えばスパッタ装置内にレーザ構造部10をセットする。スパッタ装置としては、例えば、RFスパッタ装置,ECRスパッタ装置,マグネトロンスパッタ装置,電子ビーム蒸着装置,イオンアシスト蒸着装置あるいはプラズマイオンアシスト蒸着装置などを用いることができる。なかでもRFスパッタ装置が好ましい。量産性が高く導入コストが低いからである。また、気相化学成長(CVD;Chemical Vapor Deposition )法を用いてもよい。
主出射側端面10Fから自然酸化物ないし自然酸化膜を除去したのち、大気開放はせず、いったん4.0×10-4Paまで真空排気し、図9(B)に示したように、第1の実施の形態と同様にして、上述した厚みおよび材料よりなる高屈折率膜21Fおよび反射率調整膜22Fを形成する。その際の成膜条件は、例えば、高屈折率膜21Fについてはアルゴン(Ar)流量40sccm、窒素(N2 )流量3sccm、RF電力2.3kW、反応圧力0.6Pa、成膜温度140℃、反射率調整膜22Fについてはアルゴン(Ar)流量35sccm、RF電力2.3kW、反応圧力0.6Pa、成膜温度140℃とすることができる。また、高屈折率膜21Fおよび反射率調整膜22Fの光学膜厚を、主出射側端面10Fの反射率に応じて、主出射側端面10Fの電界強度が最小となるように調整する。なお、このとき、後方端面10Rには自然酸化膜10Nが残存している。
主出射側端面10Fに高屈折率膜21Fおよび反射率調整膜22Fを形成したのち、一度大気開放し、レーザ構造部10をセットし直したのち、装置内を真空排気し、真空度が例えば4×10-4Pa以下になったところで、例えば窒素(N2 )ガスを例えば15sccmの流量で導入し、導入後の圧力を3.5×10-1Paとする。このとき導入するガスは、窒素(N2 )ガスに限らず、アルゴン(Ar)ガスまたは窒素(N2 )とアルゴン(Ar)との混合ガスを用いてもよく、また、導入ガスの流量や導入後の圧力も適宜変更することができる。
後方端面10Rから自然酸化物ないし自然酸化膜10Nを除去したのち、大気開放はせず、いったん4.0×10-4Paまで真空排気し、図9(C)に示したように、第1の実施の形態と同様にして、上述した厚みおよび材料よりなる高屈折率膜21Rおよび反射率調整膜22Rを形成する。その際の成膜条件は、例えば、高屈折率膜21Rについてはアルゴン(Ar)流量40sccm、窒素(N2 )流量3sccm、RF電力2.3kW、反応圧力0.6Pa、成膜温度140℃、反射率調整膜22Rの酸化アルミニウム(Al2 O3 )膜についてはアルゴン(Ar)流量35sccm、RF電力2.3kW、反応圧力0.6Pa、成膜温度140℃、酸化チタン(TiO2 )膜についてはアルゴン(Ar)流量35sccm、酸素(O2 )流量2sccm、RF電力1.8kW、反応圧力0.5Pa、成膜温度140℃とすることができる。また、高屈折率膜21Rおよび反射率調整膜22Rの光学膜厚を、後方端面10Rの反射率に応じて、後方端面10Rの電界強度が最小となるように調整する。以上により、図1および図2に示した半導体レーザが完成する。
図11は、本発明の第3の実施の形態に係る半導体レーザの平面構成を表すものである。この半導体レーザは、主出射側端面10Fの高屈折率膜21Fおよび反射率調整膜22Fの積層膜20Fとレーザ構造部10との間に、酸素ブロッキング層40Fが設けられていることを除いては、第1の実施の形態に係る半導体レーザと同様の構成を有している。よって、対応する構成要素には同一の符号を付して説明する。
レーザ構造部10を形成したのち、第2の実施の形態と同様にして、主出射側端面10Fを例えば2.0分間プラズマ処理することにより、図14(A)に示したように、主出射側端面10F近傍に存在する酸化ガリウム(Ga2 O3 )などの自然酸化物ないし自然酸化膜を除去する。これにより、自然酸化物ないし自然酸化膜に含まれる酸素もしくはレーザ光によって自然酸化膜と水分が触媒反応を起こして発生する酸素に起因する突然劣化などの悪影響を抑え、長期寿命を長くすることができる。
主出射側端面10Fから自然酸化物ないし自然酸化膜を除去したのち、大気開放はせず、いったん4.0×10-4Paまで真空排気し、図14(B)に示したように、上述した厚みおよび材料よりなる酸素ブロッキング層40Fを形成する。その際の成膜条件は、例えば、アルゴン(Ar)流量40sccm、窒素(N2 )流量3sccm、RF電力2.3kW、圧力0.6Pa、成膜温度140℃とする。
主出射側端面10Fの酸素ブロッキング層40F、高屈折率膜21Fおよび反射率調整膜22Fを形成したのち、一度大気開放し、レーザ構造部10をセットし直したのち、第2の実施の形態と同様にして、後方端面10Rを例えば2.0分間プラズマ処理することにより、図14(C)に示したように、後方端面10R近傍に存在する酸化ガリウム(Ga2 O3 )などの自然酸化物ないし自然酸化膜を除去する。これにより、自然酸化物ないし自然酸化膜に含まれる酸素もしくはレーザ光によって自然酸化膜と水分が触媒反応を起こして発生する酸素に起因する突然劣化などの悪影響を抑え、長期寿命を長くすることができる。
後方端面10Rから自然酸化物ないし自然酸化膜を除去したのち、大気開放はせず、いったん4.0×10-4Paまで真空排気し、同じく図14(C)に示したように、第2の実施の形態と同様にして、上述した厚みおよび材料よりなる高屈折率膜21Rおよび反射率調整膜22Rを形成する。その際の成膜条件は、例えば、第2の実施の形態と同様とすることができる。また、高屈折率膜21Rおよび反射率調整膜22Rの光学膜厚を、後方端面10Rの反射率に応じて、後方端面10Rの電界強度が最小となるように調整する。以上により、図11に示した半導体レーザが完成する。
図16は、本発明の第4の実施の形態に係る半導体レーザの製造方法を工程順に表したものである。この製造方法は、主出射側端面10Fおよび後方端面10Rに反射率調整膜22F,22Rを形成する前および形成中に、100℃以上の加熱処理を行うようにしたものである。なお、本実施の形態は、高屈折率膜21F,21Rを設ける場合にも適用することができるが、以下では高屈折率膜を設けない場合について説明する。第1または第2の実施の形態と製造工程が重複する部分については、第1または第2の実施の形態を参照して説明する。
次いで、レーザ構造部10をチャンバ内にセットし、2.0×10-4Paまで真空引きを行ったのち、例えばシースヒータまたはランプヒータにより120℃、20minの条件にて加熱した。続いて、第2の実施の形態と同様にして、主出射側端面10Fを例えば2.0分間プラズマ処理することにより、図16(A)に示したように、主出射側端面10F近傍に存在する酸化ガリウム(Ga2 O3 )などの自然酸化物ないし自然酸化膜を除去する。これにより、自然酸化物ないし自然酸化膜に含まれる酸素もしくはレーザ光によって自然酸化膜と水分が触媒反応を起こして発生する酸素に起因する突然劣化などの悪影響を抑え、長期寿命を長くすることができる。なお、反射率調整膜22Fの形成前に行う100℃以上の加熱処理は、自然酸化膜除去のためのプラズマ処理の際に同一工程で行うことも可能である。
主出射側端面10Fから自然酸化物ないし自然酸化膜を除去したのち、大気開放はせず、いったん4.0×10-4Paまで真空排気し、図16(B)に示したように、例えば酸化アルミニウム(Al2 O3 )よりなる単層の反射率調整膜22Fを形成し、主出射側端面10Fの反射率を約19%とする。その際、反射率調整膜22Fを100℃以上の温度環境下で形成するようにする。これにより、本実施の形態では、レーザ構造部10等に含まれる水分(H2 O)を除去し、第2の実施の形態で図10を参照して説明したような光触媒反応による酸素の発生を抑え、酸素の拡散による非発光準位の形成およびこれに起因する熱の発生を抑制することができ、突然劣化を抑えて長期信頼性を高めることができる。具体的な成膜条件は、例えば、アルゴン(Ar)流量35sccm、RF電力2.3kW、反応圧力0.6Pa、成膜温度200℃とすることができる。なお、従来では、被膜の成膜温度は80℃程度であったので、レーザ構造部等に水分が残存し、突然劣化などの悪影響を引き起こしてしまっていた。
主出射側端面10Fの反射率調整膜22Fを形成したのち、一度大気開放し、レーザ構造部10をセットし直したのち、第2の実施の形態と同様にして、後方端面10Rを例えば2.0分間プラズマ処理することにより、図16(C)に示したように、後方端面10R近傍に存在する酸化ガリウム(Ga2 O3 )などの自然酸化物ないし自然酸化膜を除去する。これにより、自然酸化物ないし自然酸化膜に含まれる酸素もしくはレーザ光によって自然酸化膜と水分が触媒反応を起こして発生する酸素に起因する突然劣化などの悪影響を抑え、長期寿命を長くすることができる。
後方端面10Rから自然酸化物ないし自然酸化膜を除去したのち、大気開放はせず、いったん4.0×10-4Paまで真空排気し、同じく図16(C)に示したように、反射率調整膜22Rを形成し、後方端面10Rの反射率を約80%とする。反射率調整膜22Rの構成は、例えば、厚み62nmの酸化アルミニウム(Al2 O3 )膜/厚み38nmの酸化チタン(TiO2 )膜を一対として四対積層した多層膜とする。その際、反射率調整膜22Fの形成工程と同様に、反射率調整膜22Rを100℃以上の温度環境下で形成する。具体的な成膜条件は、例えば、酸化アルミニウム(Al2 O3 )膜についてはアルゴン(Ar)流量35sccm、RF電力2.3kW、反応圧力0.6Pa、成膜温度200℃、酸化チタン(TiO2 )膜についてはアルゴン(Ar)流量35sccm、酸素(O2 )流量2sccm、RF電力1.8kW、反応圧力0.5Pa、成膜温度200℃とすることができる。以上により、半導体レーザが完成する。なお、この製造方法により実際に半導体レーザを作製し、T0=70℃、20mWの条件で信頼性試験を行ったところ、オペレーション電流劣化率40%において約3500hのMTTF(Mean Time to Failure;平均故障時間)を達成することができた。
第1の実施の形態で説明した半導体レーザを作製した。その際、高屈折率膜21F,21Rの構成材料としては窒化アルミニウム(AlN)を用い、製造方法は第2の実施の形態と同様にした。
第2の実施の形態の製造方法により実際に半導体レーザを作製し、プラズマ処理時間と長期寿命との関係を調べた。その際、プラズマ処理条件としては、窒素(N2 )ガス流量を15sccm、RF電力を500Wとした。その結果を図19に示す。図19から分かるように、プラズマ処理を行ったものの寿命は1000時間を超えていたのに対し、プラズマ処理を行わなかったものは200時間に過ぎなかった。また、長期寿命は、プラズマ処理時間を長くするほど伸び、処理時間3分で極大値をとったのち短くなった。
Claims (2)
- 対向する主出射側端面および後方端面を有するレーザ構造部を備えた半導体レーザの製造方法であって、
前記レーザ構造部を形成したのち前記主出射側端面および後方端面を形成する工程と、
前記主出射側端面および後方端面の少なくとも一方に生じた自然酸化物を、RFスパッタ装置を用いたプラズマエッチングにより除去したのち、自然酸化物を除去した前記端面に、前記レーザ構造部の側から順に、高屈折率膜と、一層以上の膜を含む反射率調整膜との積層膜を、前記RFスパッタ装置を用いて形成する工程と
を含み、
前記積層膜を形成する前に、100℃以上の温度で前記レーザ構造部を加熱し、
前記高屈折率膜を、前記反射率調整膜のうち最も前記レーザ構造部に近い膜よりも屈折率の高い材料である窒化アルミニウム(AlN)により構成し、厚みを20nm以上40nm以下とし、
前記反射率調整膜のうち最も前記レーザ構造部に近い膜を、酸化アルミニウム(Al2 O3 )により構成する
半導体レーザの製造方法。 - 前記積層膜を、100℃以上の温度環境下で形成する
請求項1記載の半導体レーザの製造方法。
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