JP2001068780A - 半導体レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents
半導体レーザ素子およびその製造方法Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/028—Coatings ; Treatment of the laser facets, e.g. etching, passivation layers or reflecting layers
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 半導体レーザ素子において、共振器面の熱伝
導率性を向上させ、最大光出力および信頼性を向上させ
る。 【解決手段】 光共振器面の少なくとも一つに、半導体
層側から順に酸素をゲッタリングする機能を有する材料
からなる層、III族窒素化合物からなる層を形成して反
射率制御層16を形成する。
導率性を向上させ、最大光出力および信頼性を向上させ
る。 【解決手段】 光共振器面の少なくとも一つに、半導体
層側から順に酸素をゲッタリングする機能を有する材料
からなる層、III族窒素化合物からなる層を形成して反
射率制御層16を形成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ素子
およびその製造方法に関し、特に光出射端面に高い熱伝
導性を有する反射率制御層を備えた半導体レーザ素子お
よびその製造方法に関するものである。
およびその製造方法に関し、特に光出射端面に高い熱伝
導性を有する反射率制御層を備えた半導体レーザ素子お
よびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、半導体レーザ装置の最大光出
力を律速する要因として、高出力動作時の共振器面の温
度上昇が挙げられている。これは共振器端面の半導体層
表面において、再結合による発光に寄与しない電流が発
生するためである。
力を律速する要因として、高出力動作時の共振器面の温
度上昇が挙げられている。これは共振器端面の半導体層
表面において、再結合による発光に寄与しない電流が発
生するためである。
【０００３】上記のような問題を解決するために、高い
熱伝導率を有する窒素化合物を共振器端面に設ける提案
がなされている。しかし、上記III族窒素化合物中に取
り込まれる酸素により、熱伝導率が著しく低下し、本来
の機能を発揮することができないことが本出願人の研究
により明らかになった。
熱伝導率を有する窒素化合物を共振器端面に設ける提案
がなされている。しかし、上記III族窒素化合物中に取
り込まれる酸素により、熱伝導率が著しく低下し、本来
の機能を発揮することができないことが本出願人の研究
により明らかになった。
【０００４】窒素化合物を共振器面に設けた例として、
例えば、特開平第３−１４２８９２号において、高熱伝
導性を有するＡｌＮを半導体レーザの共振器端面に直接
形成することにより、半導体レーザの信頼性が向上する
ことが記載されている。しかし、ＡｌＮ中の酸素量に対
しての規定が成されていないので実際に記載されている
熱伝導性が確保されているか不明である。
例えば、特開平第３−１４２８９２号において、高熱伝
導性を有するＡｌＮを半導体レーザの共振器端面に直接
形成することにより、半導体レーザの信頼性が向上する
ことが記載されている。しかし、ＡｌＮ中の酸素量に対
しての規定が成されていないので実際に記載されている
熱伝導性が確保されているか不明である。
【０００５】また、特開平第９−１６２４９６号におい
ても、共振器面に０．５〜１０ｎｍのＡｌ、Ｇａ、Ｔ
ｉ、Ｓｉの窒化物を形成することが記載されているが、
その窒化物中の酸素濃度について記載されていない。
ても、共振器面に０．５〜１０ｎｍのＡｌ、Ｇａ、Ｔ
ｉ、Ｓｉの窒化物を形成することが記載されているが、
その窒化物中の酸素濃度について記載されていない。
【０００６】また、米国特許第５０６３１７３号におい
ては、Ｓｉの成膜後、引き続きＳｉ3Ｎ4の成膜を実施し
ているが、Ｓｉ3Ｎ4はもともと熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・
Ｋ以下と低いため、酸素が混入しても熱伝導率低下によ
る半導体レーザ特性への影響はない。
ては、Ｓｉの成膜後、引き続きＳｉ3Ｎ4の成膜を実施し
ているが、Ｓｉ3Ｎ4はもともと熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・
Ｋ以下と低いため、酸素が混入しても熱伝導率低下によ
る半導体レーザ特性への影響はない。
【０００７】また、米国特許第４６５６６３８号におい
ては、端面に１０ｎｍ以下の金属層、例えばＡｌ、Ｓ
ｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｓｂ、Ｍｎ、ＣｒまたはＴｉを設けた後
に、Ａｌ2Ｏ3等の酸化物反射率制御層を設けていること
が記載されているが、Ａｌ2Ｏ３の熱伝導率は、１１〜
２５Ｗ／ｍ・Ｋと窒素化合物反射率制御層と比べ１桁熱
伝導率が低い。
ては、端面に１０ｎｍ以下の金属層、例えばＡｌ、Ｓ
ｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｓｂ、Ｍｎ、ＣｒまたはＴｉを設けた後
に、Ａｌ2Ｏ3等の酸化物反射率制御層を設けていること
が記載されているが、Ａｌ2Ｏ３の熱伝導率は、１１〜
２５Ｗ／ｍ・Ｋと窒素化合物反射率制御層と比べ１桁熱
伝導率が低い。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、これま
で、半導体レーザ共振器の光出射端面の放熱性を向上さ
せるために、ＩＩＩ族窒素化合物反射率制御膜を設ける
ことがなされていたが、特性上あるいは信頼性上最適で
はなかった。また、半導体レーザ素子の特性あるいは信
頼性を低下させる酸素の含有量を明確にした記載がなか
った。
で、半導体レーザ共振器の光出射端面の放熱性を向上さ
せるために、ＩＩＩ族窒素化合物反射率制御膜を設ける
ことがなされていたが、特性上あるいは信頼性上最適で
はなかった。また、半導体レーザ素子の特性あるいは信
頼性を低下させる酸素の含有量を明確にした記載がなか
った。
【０００９】本発明は上記事情に鑑みて、特性および信
頼性の向上した半導体レーザ素子およびその製造方法を
提供することを目的とするものである。
頼性の向上した半導体レーザ素子およびその製造方法を
提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ素
子は、III−Ｖ族化合物からなる半導体層が積層されて
なり、該半導体層が劈開されてなる光共振器面の少なく
とも１つに、２層以上からなる反射率制御層を備えた半
導体レーザ素子において、反射率制御層の半導体層側か
ら第一層が酸素をゲッタリングする機能を有する材料か
らなり、第二層がIII族窒素化合物からなることを特徴
とするものである前記第一層の厚さは、第二層における
酸素濃度が５atm％以下となるような厚さであることが
望ましい。
子は、III−Ｖ族化合物からなる半導体層が積層されて
なり、該半導体層が劈開されてなる光共振器面の少なく
とも１つに、２層以上からなる反射率制御層を備えた半
導体レーザ素子において、反射率制御層の半導体層側か
ら第一層が酸素をゲッタリングする機能を有する材料か
らなり、第二層がIII族窒素化合物からなることを特徴
とするものである前記第一層の厚さは、第二層における
酸素濃度が５atm％以下となるような厚さであることが
望ましい。
【００１１】より好ましくは、前記第一層の厚さは、第
二層における酸素濃度が３atm％以下となるような厚さ
であることが望ましい。
二層における酸素濃度が３atm％以下となるような厚さ
であることが望ましい。
【００１２】また、酸素をゲッタリングする機能を有す
る材料は、IV族元素、Ｖ族元素および金属性元素のいず
れか一つからなることが望ましい。
る材料は、IV族元素、Ｖ族元素および金属性元素のいず
れか一つからなることが望ましい。
【００１３】また、IV族元素からなる酸素をゲッタリン
グする機能を有する材料は、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｉとＧ
ｅの混合物のいずれか一つであることが望ましい。
グする機能を有する材料は、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｉとＧ
ｅの混合物のいずれか一つであることが望ましい。
【００１４】また、Ｖ族元素からなる酸素をゲッタリン
グする機能を有する材料は、Ｓｂ、ＢｉおよびＳｂとＢ
ｉの混合物のいずれか一つであることが望ましい。
グする機能を有する材料は、Ｓｂ、ＢｉおよびＳｂとＢ
ｉの混合物のいずれか一つであることが望ましい。
【００１５】また、金属性元素からなる酸素をゲッタリ
ングする機能を有する材料は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、
ＣｒおよびＭｎからなる群より選ばれる一つの元素、あ
るいは２つ以上の元素からなる混合物であることが望ま
しい。
ングする機能を有する材料は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、
ＣｒおよびＭｎからなる群より選ばれる一つの元素、あ
るいは２つ以上の元素からなる混合物であることが望ま
しい。
【００１６】また、前記IV族元素またはＶ族元素からな
る第一層の厚さは、０．２ｎｍ以上５０ｎｍ以下である
ことが望ましい。
る第一層の厚さは、０．２ｎｍ以上５０ｎｍ以下である
ことが望ましい。
【００１７】また、前記金属性元素からなる第一層の厚
さは、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが望まし
い。
さは、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが望まし
い。
【００１８】また、III族窒素化合物のIII族元素は、
Ｂ、Ａｌ、ＩｎおよびＧａからなる群より選ばれる１つ
以上であることが望ましい。
Ｂ、Ａｌ、ＩｎおよびＧａからなる群より選ばれる１つ
以上であることが望ましい。
【００１９】本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、
III−Ｖ族化合物からなる半導体層を積層し、該半導体
層を劈開してなる光共振器面の少なくとも１つに、２層
以上からなる反射率制御層を形成する半導体レーザ素子
の製造方法において、反射率制御層において、半導体層
側から順に、酸素をゲッタリングする機能を有する材料
からなる第一層、III族窒素化合物からなる第二層を形
成することを特徴とするものである。
III−Ｖ族化合物からなる半導体層を積層し、該半導体
層を劈開してなる光共振器面の少なくとも１つに、２層
以上からなる反射率制御層を形成する半導体レーザ素子
の製造方法において、反射率制御層において、半導体層
側から順に、酸素をゲッタリングする機能を有する材料
からなる第一層、III族窒素化合物からなる第二層を形
成することを特徴とするものである。
【００２０】また、第一層を形成した後、該第一層の表
面を酸化させずに第二層を形成することが望ましい。
面を酸化させずに第二層を形成することが望ましい。
【００２１】第一層および第二層を、同一真空槽内に２
つ以上の蒸発源を有するスパッタ装置、同一真空槽内に
２つ以上の蒸発源を有する蒸着装置または２つ以上の膜
を形成可能なＣＶＤ装置によって形成することが望まし
い。
つ以上の蒸発源を有するスパッタ装置、同一真空槽内に
２つ以上の蒸発源を有する蒸着装置または２つ以上の膜
を形成可能なＣＶＤ装置によって形成することが望まし
い。
【００２２】ここで、上記atm％とは、総原子数に対す
るある原子数の割合を示すものである。
るある原子数の割合を示すものである。
【００２３】
【発明の効果】本発明の半導体レーザ素子によれば、光
共振器面の少なくとも一つに、第一層として酸素をゲッ
タリングする機能を有する材料を設けているので、第二
層に形成された高い熱伝導率を有するIII族窒素化合物
中に取り込まれた酸素をゲッタリングすることができ
る。これにより、III族窒素化合物の熱伝導率を低下さ
せることがないので、高出力動作時の光出射面の発熱に
よって起こる最大光出力の低下を防止することができ、
また、信頼性をも向上させることができる。
共振器面の少なくとも一つに、第一層として酸素をゲッ
タリングする機能を有する材料を設けているので、第二
層に形成された高い熱伝導率を有するIII族窒素化合物
中に取り込まれた酸素をゲッタリングすることができ
る。これにより、III族窒素化合物の熱伝導率を低下さ
せることがないので、高出力動作時の光出射面の発熱に
よって起こる最大光出力の低下を防止することができ、
また、信頼性をも向上させることができる。
【００２４】また、第二層における酸素濃度を５atm％
以下好ましくは３atm％以下にすることにより、高い熱
伝導率を維持することができる。
以下好ましくは３atm％以下にすることにより、高い熱
伝導率を維持することができる。
【００２５】また、本発明の半導体レーザ素子の製造方
法によれば、光共振器面に第一層を形成した後、第二層
の材料となるターゲットを同一真空槽内で形成すること
により、第一層の界面が酸化されることがないため、第
二層の熱伝導率を低下させることがなく、最大光出力を
向上させることができる。
法によれば、光共振器面に第一層を形成した後、第二層
の材料となるターゲットを同一真空槽内で形成すること
により、第一層の界面が酸化されることがないため、第
二層の熱伝導率を低下させることがなく、最大光出力を
向上させることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
を用いて詳細に説明する。
を用いて詳細に説明する。
【００２７】図１は本発明の第１の実施の形態による半
導体レーザ素子を示す斜視図である。この図は、半導体
レーザ素子単体の形状であり、図２に示すバー状の試料
を劈開してなるものである。
導体レーザ素子を示す斜視図である。この図は、半導体
レーザ素子単体の形状であり、図２に示すバー状の試料
を劈開してなるものである。
【００２８】図１に示すように、有機金属気相成長法に
より、ｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−Ｇａ1-z1Ａｌz1Ａｓ
下部クラッド層（0.55≦z1≦0.7）２、ｉ−Ｉｎ0.49Ｇ
ａ0.51Ｐ下部光導波層（厚さｄｂ＝110ｎｍ）３、Ｉｎ
x3Ｇａ1-x3Ａｓ1-y3Ｐy3量子井戸活性層（厚さｄａ＝８
ｎｍ）４、ｉ−Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐ上部光導波層（厚さ
ｄｂ＝110ｎｍ）５、ｐ−Ｇａ1-z1Ａｌz1Ａｓ上部第１
クラッド（厚さｄｃ＝100ｎｍ）６、ｐ−Ｉｎ0.49Ｇａ
0.51Ｐエッチング阻止層７、ｐ−Ｇａ1-z1Ａｌz1Ａｓ上
部第二クラッド層８、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層９を順
次積層し、その上に、絶縁膜10（図示せず）を形成す
る。
より、ｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−Ｇａ1-z1Ａｌz1Ａｓ
下部クラッド層（0.55≦z1≦0.7）２、ｉ−Ｉｎ0.49Ｇ
ａ0.51Ｐ下部光導波層（厚さｄｂ＝110ｎｍ）３、Ｉｎ
x3Ｇａ1-x3Ａｓ1-y3Ｐy3量子井戸活性層（厚さｄａ＝８
ｎｍ）４、ｉ−Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐ上部光導波層（厚さ
ｄｂ＝110ｎｍ）５、ｐ−Ｇａ1-z1Ａｌz1Ａｓ上部第１
クラッド（厚さｄｃ＝100ｎｍ）６、ｐ−Ｉｎ0.49Ｇａ
0.51Ｐエッチング阻止層７、ｐ−Ｇａ1-z1Ａｌz1Ａｓ上
部第二クラッド層８、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層９を順
次積層し、その上に、絶縁膜10（図示せず）を形成す
る。
【００２９】この後、通常のリソグラフィにより、幅30
〜250μｍ程度のストライプで、これに連続する周辺部
に平行な幅10μｍ程度のストライプの絶縁膜10を除去
し、この絶縁膜10をマスクとして、ウェットエッチング
により、ｐ−Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐエッチング阻止層７の
上部まで除去して、リッジストライプを形成する。エッ
チング液として、硫酸と過酸化水素系の溶液を用いる。
このエッチング液を用いることにより、自動的にエッチ
ングをｐ−Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐエッチング阻止層７の上
部で停止させることができる。
〜250μｍ程度のストライプで、これに連続する周辺部
に平行な幅10μｍ程度のストライプの絶縁膜10を除去
し、この絶縁膜10をマスクとして、ウェットエッチング
により、ｐ−Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐエッチング阻止層７の
上部まで除去して、リッジストライプを形成する。エッ
チング液として、硫酸と過酸化水素系の溶液を用いる。
このエッチング液を用いることにより、自動的にエッチ
ングをｐ−Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐエッチング阻止層７の上
部で停止させることができる。
【００３０】マスクとして使用した絶縁膜10を除去した
後、全面に絶縁膜11を形成し、通常のリソグラフィによ
り、リッジストライプ上の絶縁膜11の一部を該リッジス
トライプに沿って除去し、電流注入窓を作成する。その
上全面にｐ側電極12を形成し、ｐ側電極12の上にＡｕメ
ッキ13を５μｍ以上行う。その後、基板の厚さが100〜1
50μｍになるまで行い、ｎ側電極14を形成する。
後、全面に絶縁膜11を形成し、通常のリソグラフィによ
り、リッジストライプ上の絶縁膜11の一部を該リッジス
トライプに沿って除去し、電流注入窓を作成する。その
上全面にｐ側電極12を形成し、ｐ側電極12の上にＡｕメ
ッキ13を５μｍ以上行う。その後、基板の厚さが100〜1
50μｍになるまで行い、ｎ側電極14を形成する。
【００３１】この半導体レーザ素子の発振する波長帯に
関しては、Ｉｎx3Ｇａ1-x3Ａｓ1-y3Ｐy3（０≦x3≦0.
4、０≦y3≦0.6）からなる活性層の組成を制御すること
により、７５０＜λ＜１１００（ｎｍ）の範囲で制御が
可能である。
関しては、Ｉｎx3Ｇａ1-x3Ａｓ1-y3Ｐy3（０≦x3≦0.
4、０≦y3≦0.6）からなる活性層の組成を制御すること
により、７５０＜λ＜１１００（ｎｍ）の範囲で制御が
可能である。
【００３２】各半導体層の成長法としては、固体あるい
はガスを原料とする分子線エピタキシャル成長法を用い
てもよい。
はガスを原料とする分子線エピタキシャル成長法を用い
てもよい。
【００３３】上記構造は、ｎ型基板上へ各半導体層を形
成してなるものであるが、ｐ型基板を用いてもよく、こ
の場合、上記各半導体層の導電性を反転するだけでよ
い。
成してなるものであるが、ｐ型基板を用いてもよく、こ
の場合、上記各半導体層の導電性を反転するだけでよ
い。
【００３４】（実施例）上記第１の実施の形態により、
ストライプ幅を５０μｍ、発振波長を８０９ｎｍ、半導
体層のサフィクスをz1＝0.64、x3＝0.12、y3＝0.24と
し、共振器長０．７５〜２．５ｍｍ、好ましくは０．９
〜１．５ｍｍの範囲で半導体レーザ素子を作成し、Ｇａ
Ａｓ基板の（１００）面が露出する方向に大気中で図２
に示すようなバー状の試料21に劈開し光出射面を露出さ
せた。
ストライプ幅を５０μｍ、発振波長を８０９ｎｍ、半導
体層のサフィクスをz1＝0.64、x3＝0.12、y3＝0.24と
し、共振器長０．７５〜２．５ｍｍ、好ましくは０．９
〜１．５ｍｍの範囲で半導体レーザ素子を作成し、Ｇａ
Ａｓ基板の（１００）面が露出する方向に大気中で図２
に示すようなバー状の試料21に劈開し光出射面を露出さ
せた。
【００３５】次に、上記バー状の試料21を、光出射面22
がコーティングできるようにして冶具に大気中でセット
して、この冶具を図３に示すＥＣＲスパッタ装置内の試
料台32にセットし真空排気を行った。
がコーティングできるようにして冶具に大気中でセット
して、この冶具を図３に示すＥＣＲスパッタ装置内の試
料台32にセットし真空排気を行った。
【００３６】このＥＣＲスパッタ装置は試料台32、33を
備えた真空槽31と、真空槽31内に反応ガスを導入するバ
ルブ付き導入管34ａ、34ｂおよび34ｃと、シリコンター
ゲット35およびＡｌターゲット36、該ターゲットをイオ
ンビームによって前記試料台32、33へそれぞれ加速させ
る電磁石コイル37および38、μ波導波管39および40、Ｒ
Ｆ電源41および42を備えるものである。
備えた真空槽31と、真空槽31内に反応ガスを導入するバ
ルブ付き導入管34ａ、34ｂおよび34ｃと、シリコンター
ゲット35およびＡｌターゲット36、該ターゲットをイオ
ンビームによって前記試料台32、33へそれぞれ加速させ
る電磁石コイル37および38、μ波導波管39および40、Ｒ
Ｆ電源41および42を備えるものである。
【００３７】真空槽31内の到達真空度が１０-4Ｐａ以下
に達した段階で、０．８〜１．１×１０-1Ｐａの範囲に
アルゴンガス圧を設定後、34ａよりＡｒガスを真空槽31
内に導入し、Ｓｉ（純度９９．９９９％以上）ターゲッ
ト35を用いて光出射端面にＳｉ膜を１０ｎｍ程度成膜し
た。引き続き、該試料を試料台33に搬送し、Ｎ2／Ａｒ
流量比を０．１〜０．２５の範囲で設定し、全圧を０．
８〜１．１×１０-1ＰａとしてＡｌ（純度９９．９９９
％以上）ターゲット36を用いて、Ｓｉ膜の上にＡｌＮを
λ／２（反射率３２％、λ＝８０９ｎｍ）に相当する膜
厚を成膜した。また、反対側の端面には反射率９５％以
上のλ／４酸化物の積層構造（例えばＡｌ2Ｏ3／ＳｉＯ
2の２層を５回繰り返し形成したもの）を形成した。
に達した段階で、０．８〜１．１×１０-1Ｐａの範囲に
アルゴンガス圧を設定後、34ａよりＡｒガスを真空槽31
内に導入し、Ｓｉ（純度９９．９９９％以上）ターゲッ
ト35を用いて光出射端面にＳｉ膜を１０ｎｍ程度成膜し
た。引き続き、該試料を試料台33に搬送し、Ｎ2／Ａｒ
流量比を０．１〜０．２５の範囲で設定し、全圧を０．
８〜１．１×１０-1ＰａとしてＡｌ（純度９９．９９９
％以上）ターゲット36を用いて、Ｓｉ膜の上にＡｌＮを
λ／２（反射率３２％、λ＝８０９ｎｍ）に相当する膜
厚を成膜した。また、反対側の端面には反射率９５％以
上のλ／４酸化物の積層構造（例えばＡｌ2Ｏ3／ＳｉＯ
2の２層を５回繰り返し形成したもの）を形成した。
【００３８】図４に示すように、Ｓｉ膜を成膜する成膜
装置の残留酸素量に合わせて、上記Ｓｉ膜厚を最大５０
ｎｍ程度まで成膜することにより、III族窒素化合物反
射率制御層中の酸素量を所定の５atm％以下に制御する
ことが可能である。残留酸素が多く、ゲッタリング元素
を含む膜の厚さが薄い場合は取り込みが不十分になり、
III族窒素化合物中に一定量以上の酸素が取り込まれて
しまう。
装置の残留酸素量に合わせて、上記Ｓｉ膜厚を最大５０
ｎｍ程度まで成膜することにより、III族窒素化合物反
射率制御層中の酸素量を所定の５atm％以下に制御する
ことが可能である。残留酸素が多く、ゲッタリング元素
を含む膜の厚さが薄い場合は取り込みが不十分になり、
III族窒素化合物中に一定量以上の酸素が取り込まれて
しまう。
【００３９】次に、上記の光出射面および反対側端面に
反射率制御層を形成したバー状の試料を幅５００〜６０
０μｍに劈開して半導体レーザ素子を作成した。この半
導体レーザ素子のｐ側をヒートシンク上にボンディング
した。ヒートシンクは、Ｃｕ上全面に厚さ約５μｍのＮ
ｉメッキを実施し、その上に厚さ５０〜１５０ｎｍのＮ
ｉ、厚さ約５０〜２００ｎｍのＰｔ、厚さ３．５〜５．
５μｍのＩｎをこの順に蒸着したものを用いた。ボンデ
ィングは、ヒートシンクを１８０〜２２０度の温度範囲
で加熱してＩｎを溶融させて行った。
反射率制御層を形成したバー状の試料を幅５００〜６０
０μｍに劈開して半導体レーザ素子を作成した。この半
導体レーザ素子のｐ側をヒートシンク上にボンディング
した。ヒートシンクは、Ｃｕ上全面に厚さ約５μｍのＮ
ｉメッキを実施し、その上に厚さ５０〜１５０ｎｍのＮ
ｉ、厚さ約５０〜２００ｎｍのＰｔ、厚さ３．５〜５．
５μｍのＩｎをこの順に蒸着したものを用いた。ボンデ
ィングは、ヒートシンクを１８０〜２２０度の温度範囲
で加熱してＩｎを溶融させて行った。
【００４０】ここで、ＡｌＮ膜中の酸素濃度による熱伝
導率の変化を調べるために、別の半導体レーザ素子の光
共振器面にＡｌＯxＮ1-x（0≦x≦1）膜を成膜した。そ
の結果を図５に示す。このＡｌＯxＮ1-x膜は、アルミタ
ーゲットを用いてスパッタ時のガス分圧（Ａｒ：Ｏ2：
Ｎ2）を適宜調整して成膜したものである。図５に示す
ように、ＡｌＮ膜中の酸素濃度が５atm％以下になるとI
II族窒化膜の熱伝導率を極端に劣化させることが発明者
によって確認された。
導率の変化を調べるために、別の半導体レーザ素子の光
共振器面にＡｌＯxＮ1-x（0≦x≦1）膜を成膜した。そ
の結果を図５に示す。このＡｌＯxＮ1-x膜は、アルミタ
ーゲットを用いてスパッタ時のガス分圧（Ａｒ：Ｏ2：
Ｎ2）を適宜調整して成膜したものである。図５に示す
ように、ＡｌＮ膜中の酸素濃度が５atm％以下になるとI
II族窒化膜の熱伝導率を極端に劣化させることが発明者
によって確認された。
【００４１】このような膜中の酸素は、成膜装置内でＡ
ｌＮを成膜中に飛来する蒸着分子、熱電子、イオン等に
より、半導体レーザーバーを保持する冶具に物理吸着し
ている残留酸素や真空槽内に存在する残留ガス圧成分を
ＡｌＮ膜が成膜中に取り込むことにより発生する。酸素
が取り込まれることによる熱伝導率の低下は、ＡｌＮ以
外のIII族窒素化合物においても確認されている。
ｌＮを成膜中に飛来する蒸着分子、熱電子、イオン等に
より、半導体レーザーバーを保持する冶具に物理吸着し
ている残留酸素や真空槽内に存在する残留ガス圧成分を
ＡｌＮ膜が成膜中に取り込むことにより発生する。酸素
が取り込まれることによる熱伝導率の低下は、ＡｌＮ以
外のIII族窒素化合物においても確認されている。
【００４２】III族窒素化合物がこれら残留酸素を取り
込むことを防ぐために、III族窒素化合物を成膜する前
に光共振器面に酸素をゲッタリングする元素を含んだ膜
を成膜することにより、上記冶具周りの吸着酸素や残留
ガス中の酸素を吸着でき、さらに、引き続き成膜される
III族窒素化合物中の酸素を減少させることができ、III
族窒素化合物が本来持っている高熱伝導率を回復させる
ことができる。
込むことを防ぐために、III族窒素化合物を成膜する前
に光共振器面に酸素をゲッタリングする元素を含んだ膜
を成膜することにより、上記冶具周りの吸着酸素や残留
ガス中の酸素を吸着でき、さらに、引き続き成膜される
III族窒素化合物中の酸素を減少させることができ、III
族窒素化合物が本来持っている高熱伝導率を回復させる
ことができる。
【００４３】次に、上記実施例で作成した半導体レーザ
素子と、ＡｌＮ層のみ作成した半導体レーザ素子の共振
器端面について、各成分元素（Ｎ1s、Ｏ1s、Ａｌ2p、Ｓ
ｉ2p、Ｇａ3d、Ａｓ3d）のDepth Profileを測定した。
成分元素の測定には、ＸＰＳ（Ｘ-ray photoelectron s
pectrometory：Ｘ線光電子分析法）を用いた。詳細な測
定条件を表１ａに示す。また、Depth Profileにおい
て、各元素濃度比は、表１ｂに示す各元素の結合エネル
ギー範囲をシャーリー型のバックグラウンドを用いて面
積を計算することにより算出したものである。
素子と、ＡｌＮ層のみ作成した半導体レーザ素子の共振
器端面について、各成分元素（Ｎ1s、Ｏ1s、Ａｌ2p、Ｓ
ｉ2p、Ｇａ3d、Ａｓ3d）のDepth Profileを測定した。
成分元素の測定には、ＸＰＳ（Ｘ-ray photoelectron s
pectrometory：Ｘ線光電子分析法）を用いた。詳細な測
定条件を表１ａに示す。また、Depth Profileにおい
て、各元素濃度比は、表１ｂに示す各元素の結合エネル
ギー範囲をシャーリー型のバックグラウンドを用いて面
積を計算することにより算出したものである。
【００４４】
【表１】
【００４５】図６に従来技術による、共振器面に第一層
としてＳｉ層を形成しないでＡｌＮ層のみを形成した半
導体レーザ素子についての測定結果を示す。横軸にエッ
チング時間つまり共振器端面の表面から半導体層に向か
っての深さ方向を示し、縦軸に酸素濃度を示す。エッチ
ング時間が約１１分から１５分のあたりがＡｌＮ層とＳ
ｉ層の界面を示すものである。図６に示すように、エッ
チング時間約１４分のところにＯ1sのピークが見られ、
ＡｌＮ層とＧａＡｓ層の界面に酸素結合が１５atm％以
上存在することが判る。
としてＳｉ層を形成しないでＡｌＮ層のみを形成した半
導体レーザ素子についての測定結果を示す。横軸にエッ
チング時間つまり共振器端面の表面から半導体層に向か
っての深さ方向を示し、縦軸に酸素濃度を示す。エッチ
ング時間が約１１分から１５分のあたりがＡｌＮ層とＳ
ｉ層の界面を示すものである。図６に示すように、エッ
チング時間約１４分のところにＯ1sのピークが見られ、
ＡｌＮ層とＧａＡｓ層の界面に酸素結合が１５atm％以
上存在することが判る。
【００４６】次に、図７に本発明による第一層にＳｉ層
を形成した場合のDepth Profileを示す。横軸にエッチ
ング時間つまり共振器端面の表面から半導体層に向かっ
ての深さ方向を示し、縦軸に酸素濃度を示す。エッチン
グ時間が約６分から１０分のあたりがＡｌＮ層とＳｉ層
の界面を示し、エッチング時間が約１１分から１４分の
あたりがＳｉ層とＧａＡｓ層の界面を示すものである。
図７に示すように、Ｏ1sのピークはＧａＡｓ層とＳｉ層
の界面に見られるが、ＡｌＮ層には存在していない。つ
まり、Ｓｉ層を形成しない場合は酸素はＡｌと結合し、
Ｓｉ層をＡｌＮと半導体層の間に設けた場合は、酸素が
Ｓｉと結合していることが判る。Ｓｉ層を設けた場合
は、ＡｌＮと酸素が結合しないので、ＡｌＮが本来有す
る高い熱伝導率を維持できる。
を形成した場合のDepth Profileを示す。横軸にエッチ
ング時間つまり共振器端面の表面から半導体層に向かっ
ての深さ方向を示し、縦軸に酸素濃度を示す。エッチン
グ時間が約６分から１０分のあたりがＡｌＮ層とＳｉ層
の界面を示し、エッチング時間が約１１分から１４分の
あたりがＳｉ層とＧａＡｓ層の界面を示すものである。
図７に示すように、Ｏ1sのピークはＧａＡｓ層とＳｉ層
の界面に見られるが、ＡｌＮ層には存在していない。つ
まり、Ｓｉ層を形成しない場合は酸素はＡｌと結合し、
Ｓｉ層をＡｌＮと半導体層の間に設けた場合は、酸素が
Ｓｉと結合していることが判る。Ｓｉ層を設けた場合
は、ＡｌＮと酸素が結合しないので、ＡｌＮが本来有す
る高い熱伝導率を維持できる。
【００４７】また、図８に、ＡｌＮ層中の酸素濃度と最
大光出力の関係を示す。図８に示すように、酸素濃度の
減少とともに、最大光出力の増加が確保された。特に、
酸素濃度が５atm％以下であると、酸素濃度１５atm％の
時の１２００ｍＷに比べ、１６００ｍＷを越える最大光
出力を向上することができた。
大光出力の関係を示す。図８に示すように、酸素濃度の
減少とともに、最大光出力の増加が確保された。特に、
酸素濃度が５atm％以下であると、酸素濃度１５atm％の
時の１２００ｍＷに比べ、１６００ｍＷを越える最大光
出力を向上することができた。
【００４８】図９に本発明による半導体レーザ素子と従
来技術による半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示
す。本発明による厚さ１０ｎｍのＳｉ層とＡｌＮ層（Ａ
ｌＮ層中の酸素濃度２．９６atm％）を形成した本発明
の半導体レーザ素子の特性を図中の実線で示し、従来の
技術によるＡｌＮ層（層中の酸素濃度１７．６atm％）
のみを形成した半導体レーザ素子の特性を図中の破線で
示す。図９に示すように、ＡｌＮ層のみの場合は駆動電
流１５００ｍＡで最大光出力１０００ｍＷであるのに対
し、Ｓｉ層およびＡｌＮ層を形成した場合は、駆動電流
２５００ｍＡで最大光出力１７５０ｍＷまで得ており、
最大光出力の向上が見られた。
来技術による半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示
す。本発明による厚さ１０ｎｍのＳｉ層とＡｌＮ層（Ａ
ｌＮ層中の酸素濃度２．９６atm％）を形成した本発明
の半導体レーザ素子の特性を図中の実線で示し、従来の
技術によるＡｌＮ層（層中の酸素濃度１７．６atm％）
のみを形成した半導体レーザ素子の特性を図中の破線で
示す。図９に示すように、ＡｌＮ層のみの場合は駆動電
流１５００ｍＡで最大光出力１０００ｍＷであるのに対
し、Ｓｉ層およびＡｌＮ層を形成した場合は、駆動電流
２５００ｍＡで最大光出力１７５０ｍＷまで得ており、
最大光出力の向上が見られた。
【００４９】次に本発明の第２の実施の形態である半導
体レーザ素子について説明し、その半導体レーザ素子の
斜視図を図１０に示す。
体レーザ素子について説明し、その半導体レーザ素子の
斜視図を図１０に示す。
【００５０】図１０に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板91
上に、ｎ−Ｉｎ0.49（Ｇａ1-z1Ａｌz1）0.51Ｐ下部クラ
ッド層（０≦z1≦0.5）92、ｉ−Ｉｎx2Ｇａ1-x2Ａｓ
1-y2Ｐy 2下部光導波層（x2≒0.49y2、0.1≦y2≦0.9、厚
さdb＝75〜400ｎｍ）93、Ｉｎx3Ｇａ1-x3Ａｓ1-y3Ｐy3
量子井戸活性層（０≦x3≦0.4、０≦y3≦0.6）94、ｉ−
Ｉｎx2Ｇａ1-x2Ａｓ1-y2Ｐy2上部光導波層（x2≒0.49y
2、0.1≦y2≦0.9、厚さdb＝75〜400ｎｍ）95、ｐ−Ｉｎ
0.49（Ｇａ1-z1Ａｌz1）0.51Ｐ上部クラッド層96、ｐ−
ＧａＡｓコンタクト層97を成長する。引き続き絶縁膜98
（図示せず）を形成する。
上に、ｎ−Ｉｎ0.49（Ｇａ1-z1Ａｌz1）0.51Ｐ下部クラ
ッド層（０≦z1≦0.5）92、ｉ−Ｉｎx2Ｇａ1-x2Ａｓ
1-y2Ｐy 2下部光導波層（x2≒0.49y2、0.1≦y2≦0.9、厚
さdb＝75〜400ｎｍ）93、Ｉｎx3Ｇａ1-x3Ａｓ1-y3Ｐy3
量子井戸活性層（０≦x3≦0.4、０≦y3≦0.6）94、ｉ−
Ｉｎx2Ｇａ1-x2Ａｓ1-y2Ｐy2上部光導波層（x2≒0.49y
2、0.1≦y2≦0.9、厚さdb＝75〜400ｎｍ）95、ｐ−Ｉｎ
0.49（Ｇａ1-z1Ａｌz1）0.51Ｐ上部クラッド層96、ｐ−
ＧａＡｓコンタクト層97を成長する。引き続き絶縁膜98
（図示せず）を形成する。
【００５１】この後、通常のリソグラフィにより、幅30
〜250μｍ程度のストライプでこれに連続する周辺部に
平行な幅１０μｍ程度のストライプの絶縁膜98を除去
し、この絶縁膜98をマスクとして、ウェットエッチング
により、ｉ−Ｉｎx2Ｇａ1-x2Ａｓ1-y2Ｐy2上部光導波層
の上部まで除去して、リッジストライプを形成する。こ
の際のエッチング液としては、硫酸と過酸化水素系の溶
液を用いており、この溶液を用いることにより、自動的
にエッチングをｉ−Ｉｎx2Ｇａ1-x2Ａｓ1-y2Ｐy2上部光
導波層の上部で停止させることができる。
〜250μｍ程度のストライプでこれに連続する周辺部に
平行な幅１０μｍ程度のストライプの絶縁膜98を除去
し、この絶縁膜98をマスクとして、ウェットエッチング
により、ｉ−Ｉｎx2Ｇａ1-x2Ａｓ1-y2Ｐy2上部光導波層
の上部まで除去して、リッジストライプを形成する。こ
の際のエッチング液としては、硫酸と過酸化水素系の溶
液を用いており、この溶液を用いることにより、自動的
にエッチングをｉ−Ｉｎx2Ｇａ1-x2Ａｓ1-y2Ｐy2上部光
導波層の上部で停止させることができる。
【００５２】マスクとして使用した絶縁膜98を除去した
後、全面に絶縁膜99を形成し、通常のリソグラフィによ
り、リッジストライプ上の絶縁膜99の一部を該リッジス
トライプに沿って除去し、電流注入窓を形成する。その
上全面にｐ側電極100を形成し、ｐ電極100の上に金メッ
キ層101を５μｍ以上形成する。その後、基板の研磨を
行い裏面にｎ側電極102を形成する。
後、全面に絶縁膜99を形成し、通常のリソグラフィによ
り、リッジストライプ上の絶縁膜99の一部を該リッジス
トライプに沿って除去し、電流注入窓を形成する。その
上全面にｐ側電極100を形成し、ｐ電極100の上に金メッ
キ層101を５μｍ以上形成する。その後、基板の研磨を
行い裏面にｎ側電極102を形成する。
【００５３】その後、この試料をバー状に劈開して形成
した共振器面を、第１の実施の形態と同様にスパッタ装
置により反射率制御層を形成した。
した共振器面を、第１の実施の形態と同様にスパッタ装
置により反射率制御層を形成した。
【００５４】本半導体レーザ素子の発振する波長帯に関
しては、Ｉｎx3Ｇａ1-x3Ａｓ1-y3Ｐy3（０≦x3≦0.4、
０≦y3≦0.6）からなる組成の活性層より、７５０＜λ
＜１１００（ｎｍ）の範囲までの制御が可能である。
しては、Ｉｎx3Ｇａ1-x3Ａｓ1-y3Ｐy3（０≦x3≦0.4、
０≦y3≦0.6）からなる組成の活性層より、７５０＜λ
＜１１００（ｎｍ）の範囲までの制御が可能である。
【００５５】本半導体レーザ素子の各半導体層の成長法
としては、固体あるいはガスを原料とする分子線エピタ
キシャル成長法を用いてもよい。
としては、固体あるいはガスを原料とする分子線エピタ
キシャル成長法を用いてもよい。
【００５６】上記実施の形態は本発明の一実施の形態で
あり、これに限られるものではなく、他の構成および組
成による半導体レーザデバイスについても適用すること
が可能である。
あり、これに限られるものではなく、他の構成および組
成による半導体レーザデバイスについても適用すること
が可能である。
【００５７】ここでいうところの半導体レーザデバイス
とは、代表的にはＩｎＧａＮ系（発振波長：３６０〜５
００ｎｍ）、ＺｎＳＳｅ系（発振波長：４１０〜５４０
ｎｍ）、ＩｎＧａＡｌＰ系（発振波長：６００〜７３０
ｎｍ）、ＡｌＧａＡｓ系（発振波長７５０〜８７０ｎ
ｍ）、ＩｎＧａＡｓＰ系（発振波長：７００〜１２００
ｎｍ、１３００〜１９００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓ系（発
振波長：９５０〜１２００ｎｍ、１３００〜１９００ｎ
ｍ）、ＩｎＧａＳｂ系（発振波長：１．８〜３．０μ
ｍ）の材料を用いた半導体レーザ構造を有したものを示
す。
とは、代表的にはＩｎＧａＮ系（発振波長：３６０〜５
００ｎｍ）、ＺｎＳＳｅ系（発振波長：４１０〜５４０
ｎｍ）、ＩｎＧａＡｌＰ系（発振波長：６００〜７３０
ｎｍ）、ＡｌＧａＡｓ系（発振波長７５０〜８７０ｎ
ｍ）、ＩｎＧａＡｓＰ系（発振波長：７００〜１２００
ｎｍ、１３００〜１９００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓ系（発
振波長：９５０〜１２００ｎｍ、１３００〜１９００ｎ
ｍ）、ＩｎＧａＳｂ系（発振波長：１．８〜３．０μ
ｍ）の材料を用いた半導体レーザ構造を有したものを示
す。
【００５８】なお、上記の系とは、III族とＶ族の元素
をそれぞれ少なくとも一つは含む組成であることを示す
ものである。
をそれぞれ少なくとも一つは含む組成であることを示す
ものである。
【図１】本発明の第１の実施の形態による半導体レーザ
素子を示す斜視図
素子を示す斜視図
【図２】半導体レーザ素子のバー状の試料を示す斜視図
【図３】ＥＣＲスパッタ装置の構成を示す図
【図４】Ｓｉ層厚とIII族チッ素化合物中の酸素濃度の
関係を示すグラフ
関係を示すグラフ
【図５】ＡｌＮ層中の酸素濃度と熱伝導率の関係を示す
グラフ
グラフ
【図６】共振器面にＡｌＮ層のみを形成した場合の各元
素濃度を示すグラフ
素濃度を示すグラフ
【図７】共振器面にＳｉ層およびＡｌＮ層を形成した場
合の各元素濃度を示すグラフ
合の各元素濃度を示すグラフ
【図８】ＡｌＮ層中の酸素濃度と最大光出力の関係を示
すグラフ
すグラフ
【図９】本発明による半導体レーザ素子と従来技術によ
る半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示すグラフ
る半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示すグラフ
【図１０】本発明の第二の実施の形態による半導体レー
ザ素子を示す斜視図
ザ素子を示す斜視図
1,91 ＧａＡｓ基板 2,92 下部クラッド層 3,93 下部光導波層 4,94 量子井戸活性層 5,95 上部光導波層 6 上部第一クラッド層 7 エッチング阻止層 35,36 ターゲット 96 上部クラッド層 9,97 ＧａＡｓコンタクト層 15,16,103,104 反射率制御層
Claims (13)
- 【請求項１】 III−Ｖ族化合物からなる半導体層が積
層されてなり、該半導体層が劈開されてなる光共振器面
の少なくとも１つに、２層以上からなる反射率制御層を
備えた半導体レーザ素子において、 前記反射率制御層の前記半導体層側から第一層が酸素を
ゲッタリングする機能を有する材料からなり、第二層が
III族窒素化合物からなることを特徴とする半導体レー
ザ素子。 - 【請求項２】 前記第一層の厚さが、前記第二層におけ
る酸素濃度が５atm％以下となるような厚さであること
を特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項３】 前記第一層の厚さが、前記第二層におけ
る酸素濃度が３atm％以下となるような厚さであること
を特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項４】 前記酸素をゲッタリングする機能を有す
る材料が、IV族元素、Ｖ族元素および金属性元素のいず
れか一つからなることを特徴とする請求項１、２または
３記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項５】 前記IV族元素からなる酸素をゲッタリン
グする機能を有する材料が、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｉとＧ
ｅの混合物のいずれか一つであることを特徴とする請求
項４記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項６】 前記Ｖ族元素からなる酸素をゲッタリン
グする機能を有する材料が、Ｓｂ、ＢｉおよびＳｂとＢ
ｉの混合物のいずれか一つであることを特徴とする請求
項４記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項７】 前記金属性元素からなる酸素をゲッタリ
ングする機能を有する材料が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、
ＣｒおよびＭｎからなる群より選ばれる一つの元素、あ
るいは２つ以上の元素からなる混合物であることを特徴
とする請求項４記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項８】 前記IV族元素またはＶ族元素からなる第
一層の厚さが、０．２ｎｍ以上５０ｎｍ以下であること
を特徴とする請求項５または６記載の半導体レーザ素
子。 - 【請求項９】 前記金属性元素からなる第一層の厚さ
が、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする
請求項７記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項１０】 前記III族窒素化合物のIII族元素が、
Ｂ、Ａｌ、ＩｎおよびＧａからなる群より選ばれる１つ
以上であることを特徴とする請求項１から９いずれか１
項記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項１１】 III−Ｖ族化合物からなる半導体層を
積層し、該半導体層を劈開してなる光共振器面の少なく
とも１つに、２層以上からなる反射率制御層を形成する
半導体レーザ素子の製造方法において、 前記反射率制御層において、前記半導体層側から順に、
酸素をゲッタリングする機能を有する材料からなる第一
層、III族窒素化合物からなる第二層を形成することを
特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。 - 【請求項１２】 前記第一層を形成した後、該第一層の
表面を酸化させずに前記第二層を形成することを特徴と
する請求項11記載の半導体レーザ素子の製造方法。 - 【請求項１３】 前記第一層および前記第二層を、同一
真空槽内に２つ以上の蒸発源を有するスパッタ装置、同
一真空槽内に２つ以上の蒸発源を有する蒸着装置または
２つ以上の膜を形成可能なＣＶＤ装置によって形成する
ことを特徴とする請求項12記載の半導体レーザ素子の製
造方法。
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