JP2010040842A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】高出力長時間駆動時の共振器端面における端面保護膜の膜剥がれを抑制でき、ＣＯＤ耐性の高い、高出力かつ長寿命の窒化物半導体レーザ素子を提供すること。
【解決手段】活性層５の端面からレーザ光を出射する半導体レーザであって、レーザ光が出射される端面上に設けられるとともに、単層または多層の誘電体膜からなる保護膜２０を備える。保護膜２０中の水素濃度分布は略平坦である。活性層５は、Ｇａを構成元素として含むIII族窒化物半導体からなる。保護膜２０は、少なくとも活性層５の端面と直接接する第一保護膜２１と、第一保護膜２１に接する第二保護膜２２とからなる。第二保護膜２２の水素濃度に対する第一保護膜２１の水素濃度の比は、０．５以上かつ２以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザに関し、特に、活性層にIII族窒化物半導体を用いた半導体レーザに関する。

窒化ガリウムに代表されるIII族窒化物半導体は、高効率の青紫色発光が得られることから、発光ダイオード（light emitting diode；ＬＥＤ）やレーザーダイオード（laser diode；ＬＤ）などの半導体レーザの材料として注目を浴びてきた。中でもＬＤは、大容量光ディスク装置の光源として期待され、近年では書き込み用光源として高出力ＬＤの開発が精力的に進められている。

図１３に従来例に係る典型的な窒化ガリウム系光半導体素子の構造を示す。この光半導体素子は、ＧａＮ基板１０１上に、ｎ型クラッド層１０２、光ガイド層１０３、活性層１０４、光ガイド層１０５、ｐ型クラッド層１０６の順に積層した後、ドライエッチングによりｐ型クラッド層１０６をリッジ状に加工して作製される。ｐ型クラッド層１０６は、リッジ部１０６ａの頂部を除いて絶縁膜１０７でカバーされており、少なくともリッジ部１０６ａ上にｐ型電極１０８が設けられる。ＧａＮ基板１０１の裏面にはｎ型電極１０９が設けられる。電流狭窄は、ｐ型電極１０８でなされ、リッジ部１０６ａのリッジ幅およびリッジ高さを調整することにより横モードの制御がなされる。レーザ光は、リッジ部１０６ａの長軸方向（図１３の紙面の垂直方向）両側の端面にて、劈開により形成された共振器ミラー（図示せず）から出射される。共振器ミラーの表面には、誘電体よりなる端面保護膜（図示せず）が形成される。

端面保護膜の要件は、レーザ光の吸収がないこと、所望の反射率が得られること、半導体との密着性がよいこと等が挙げられ、製造上の観点から制御性、生産性のよい成膜が可能であることも重要である。このような観点から、端面保護膜には、一般的にスパッタ、ＣＶＤ、蒸着などの手法で成膜したＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５等の酸化物、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２等のフッ化物、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４等の窒化物が用いられる。

端面保護膜として、レーザ光出射側端面に低反射（Anti-reflecting；ＡＲ）膜、反対側の端面には高反射（High-reflecting；ＨＲ）膜を形成した半導体レーザは、レーザ光の出射効率が向上し、端面光学損傷（Catastrophic Optical Damage；ＣＯＤ）に達する臨界光出力（以下、ＣＯＤレベル）が向上する。そのため、比較的短時間の高出力動作は可能となるが、長時間の高出力動作によって、端面保護膜は損傷することがあり、半導体レーザの信頼性が低下する。そこで、半導体レーザにおいて、端面保護膜の損傷を抑制し、寿命を向上させるために、例えば、特許文献１では、コーティング膜（端面保護膜）の内部応力を低減させることが提案されている。

また、窒化物半導体レーザに関しては、長時間高出力駆動によって端面保護膜と半導体との界面反応が起こり、界面反応が信頼性を低下させる。そこで、端面保護膜と半導体との界面反応を抑制するために、例えば、特許文献２では、半導体層に接するＡＲコート膜（端面保護膜）の膜密度を、ＡＲコート膜を形成する材料の理想密度の３／４以上とすることが提案されている。

また、特許文献３では、端面コート膜（端面保護膜）を形成する前に、共振器端面を不活性ガスのプラズマ雰囲気に暴露したり、真空中または不活性ガス雰囲気中において３０℃以上７００℃以下の温度で加熱することにより共振器端面を清浄化、平坦化している。また、特許文献３では、端面コート膜（端面保護膜）と共振器端面の間にＡｌなどの金属や、その金属の酸窒化物等よりなる密着層を薄く形成することにより、共振器端面に対する端面コート膜の密着性が増して信頼性を向上させている。

また、特許文献４では、共振器端面の少なくとも一方に、水素が添加された第一誘電体膜を備え、前記第一誘電体膜と前記共振器端面との間に、水素の拡散を防止し、端面反射率に影響を与えない程度の厚さの第二誘電体膜を備え、前記共振器端面と前記第二誘電体膜との間に、水素を透過する第三誘電体膜を備えることで、端面コーティング膜（端面保護膜）中に水素添加膜を有している場合に、半導体レーザが高温状態に晒されても、端面コーティング膜剥離や端面コーティング膜の変質を防止することが可能としている。

特開２００２−２２３０２６号公報 特開２００７−１６５７１１号公報 特開２００２−３３５０５３号公報 特開２００５−３３３１５７号公報

発明者らの実験によると、出力１００ｍＷで動作させた場合に寿命が１０００時間以上である窒化物半導体レーザ素子を、出力を上げて１５０ｍＷで動作させた場合に、通電動作中に動作電流の変動が観測され、最後には突発的に発振が停止するという問題が生じた。

その原因について調査したところ、この問題は、共振器端面のうちレーザ光出射側の端面における端面破壊によって発生したものであり、この端面破壊は以下のようにして起こることが分かった。高出力駆動時の半導体レーザ端面では、表面準位や保護膜形成時に導入された点欠陥や界面変性層等に起因するレーザ光の吸収により、レーザ光出射部分の温度が上昇する。この温度上昇によりレーザ光出射端面の上に形成された端面保護膜が膨張するため、半導体との熱膨張係数差により端面保護膜にかかる圧縮応力が増大し、局所的な膜剥がれを起こすことがある。この場合、端面反射率が変化するため動作電流の変動を引き起こす。また、半導体端面が雰囲気に暴露された状態となり、端面近傍の結晶が劣化する。この劣化した結晶領域はレーザ光を吸収するため、端面近傍ではさらに高い熱を持つようになる。この熱により、さらに端面劣化が促進されるという悪循環により、最終的にＣＯＤに至る。

ところが、特許文献１、２、３で提案された半導体レーザでは、このような端面保護膜の局所的な剥がれを完全に抑制することができない。

また、特許文献４で提案された半導体レーザでは、端面保護膜における第三誘電体膜の中の水素濃度分布が均一でない場合は、膜膨れを抑制することができない。また、水素の拡散を防止する第二誘電体膜は、高い緻密性が必要なため、応力がかなり大きくなってしまう。そのため、端面コーティング膜の局所的な膜剥がれを完全に抑制することができない。

本発明の主な課題は、高出力長時間駆動時の共振器端面における端面保護膜の膜剥がれを抑制でき、ＣＯＤ耐性の高い、高出力かつ長寿命の窒化物半導体レーザ素子を提供することである。

本発明の一視点においては、活性層の端面からレーザ光を出射する半導体レーザであって、前記レーザ光が出射される前記端面上に設けられるとともに、単層または多層の誘電体膜からなる保護膜を備え、前記保護膜中の水素濃度分布が略平坦であることを特徴とする。

本発明によれば、レーザ光出射側に形成された保護膜中の水素濃度分布を平坦化しているため、レーザを高出力長時間動作させた際に、レーザ光出射部の局所的な発熱により引き起こされる保護膜中の水素の拡散を抑制でき、それにより、保護膜中の応力変化を抑制することが可能となる。

本発明の実施形態では、活性層（図１の５）の端面からレーザ光を出射する半導体レーザであって、前記レーザ光が出射される前記端面上に設けられるとともに、単層または多層の誘電体膜からなる保護膜（図１の２０）を備え、前記保護膜（図１の２０）中の水素濃度分布が略平坦である。

本発明の実施例１に係る半導体レーザについて図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施例１に係る半導体レーザの構成を模式的に示した（Ａ）断面図、及び（Ｂ）Ｘ−Ｘ´間の部分断面図である。なお、図１（Ａ）は共振器端面に垂直な断面から見た図であり、図１（Ｂ）は共振器端面に平行な断面であってレーザ出射端面近傍の図である。

図１（Ａ）を参照すると、半導体レーザは、３周期多重量子井戸活性層５の端面からレーザ光を出射するリッジストライプ型の素子である。半導体レーザは、ｎ型ＧａＮ基板１上に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層２、ｎ型クラッド層３、ｎ型光閉じ込め層４、３周期多重量子井戸活性層５、キャップ層６、ｐ型光閉じ込め層７の順に積層しており、ｐ型光閉じ込め層７上に、ストライプ状に形成されたｐ型クラッド層８、ｐ型コンタクト層９、ｐ型電極１４の順に積層しており、ｐ型クラッド層８の側壁面、ｐ型コンタクト層９の側壁面、及びｐ型光閉じ込め層７上にＳｉＯ_２膜１２が形成されており、ｐ型電極１４及びＳｉＯ_２膜１２上にカバー電極１５が被覆されており、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面（図１（Ａ）の下側の面）にｎ型電極１６が形成されている。

図１（Ｂ）を参照すると、半導体レーザは、ｐ型クラッド層８の長軸方向の両端面は、劈開によって形成された共振器端面となり、共振器端面の表面には誘電体よりなる端面保護膜が形成されている。共振器端面のうちレーザ光出射側端面には保護膜として低反射（Anti-reflecting；ＡＲ）膜２０が形成されており、反対側の端面には保護膜として高反射（High-reflecting；ＨＲ）膜（図示せず）が形成されている。

ｎ型ＧａＮ基板１には、例えば、ｎ型ＧａＮ（０００１）基板を用いることができる。

Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層２は、Ｓｉ濃度４×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＮ層を用いることができ、厚さ１μｍとすることができる。

ｎ型クラッド層３は、Ｓｉ濃度４×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎを用いることができ、厚さ２μｍとすることができる。

ｎ型光閉じ込め層４は、Ｓｉ濃度４×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＮを用いることができ、厚さ０．１μｍとすることができる。

３周期多重量子井戸活性層５は、Ｇａを構成元素として含むIII族窒化物半導体からなる層である。３周期多重量子井戸活性層５は、下層側から順に、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる厚さ３ｎｍの井戸層と、Ｓｉ濃度１×１０^１８ｃｍ^−３のＳｉドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなる厚さ４ｎｍのバリア層と、が積層したものを用いることができる。

キャップ層６は、Ｍｇ濃度２×１０^１９ｃｍ^−３のＭｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎを用いることができ、厚さ１０ｎｍとすることができる。

ｐ型光閉じ込め層７は、Ｍｇ濃度２×１０^１９ｃｍ^−３のＭｇドープｐ型ＧａＮを用いることができ、厚さ０．１μｍとすることができる。

ｐ型クラッド層８は、Ｍｇ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３のＭｇドープｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎを用いることができ、厚さ０．５μｍとすることができる。ｐ型クラッド層８は、図１ではストライプ状に形成されているが、ドライエッチングを用いてリッジ状に形成してもよい。

ｐ型コンタクト層９は、Ｍｇ濃度１×１０^２０ｃｍ^−３のＭｇドープｐ型ＧａＮを用いることができ、厚さ０．０２μｍとすることができる。ｐ型コンタクト層９は、ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層８に対応してストライプ状に形成されている。

ＳｉＯ_２膜１２は、ＳｉＯ_２よりなる絶縁膜であり、ｐ型クラッド層８の側壁面、ｐ型コンタクト層９の側壁面、及びｐ型光閉じ込め層７上をカバーする。

ｐ型電極１４は、電子ビームで堆積したＰｄ／Ｐｔを用いることができる。

カバー電極１５は、スパッタにより堆積した５０ｎｍのＴｉ、１００ｎｍのＰｔ、２μｍのＡｕの順に積層した金属積層体を用いることができる。

ｎ型電極１６は、ｎ型ＧａＮ基板１側から順にＴｉを５ｎｍ、Ａｌを２０ｎｍ、Ｔｉを１０ｎｍ、Ａｕを５００ｎｍを真空蒸着した金属積層体を用いることができる。

ＡＲ膜２０は、単層または多層の誘電体膜からなる。ＡＲ膜２０は、半導体（１〜７）の端面との界面近傍領域にＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃａ、Ｍｇのいずれかを含む誘電体材料を配することが好ましく、特に、Ｔｉを含む誘電体膜とすることが好ましい。これらの元素は、水素と結合しやすい性質を持つため、膜中の水素拡散を好適に抑制することができる。特に、Ｔｉを含む層とすることで、反射率の好適な制御と、保護膜の内部応力σに膜厚ｄを乗じた全応力Ｓ＝σ・ｄ（Ｎ／ｍ）の低減を両立することが可能となり、保護膜と半導体との局所的な膜剥がれが抑制され、素子信頼性が改善する。ＡＲ膜２０は、スパッタや蒸着により形成されるＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５等の酸化物、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２等のフッ化物、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４等の窒化物より、屈折率や膜厚を適宜組み合わせることによって安定して形成することができ、レーザ光の取り出し効率を高め、レーザの高出力動作が可能となる。

ＡＲ膜２０は、単層膜の場合、その膜厚ｄはレーザ発振波長λにおける誘電体膜の屈折率ｎに対してλ／２ｎ以下とすることが好ましく、λ／４ｎ以下とすることがより好ましい。

ＡＲ膜２０は、多層膜とする場合、第一保護膜２１として誘電体材料のうちレーザ発振波長λにおける屈折率の高いもの、例えば、ＴｉＯ_２（屈折率２．６）、Ｎｂ_２Ｏ_５（屈折率２．５）、ＺｒＯ_２（屈折率２．２）等を用い、第二保護膜２２として前記誘電体材料のうち屈折率の低いもの、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３（屈折率１．７）やＳｉＯ_２（屈折率１．４）を選択することが好ましい。これらの材料によって２層のＡＲ膜２０を形成した場合、第一保護膜２１（屈折率ｎ_１）の厚さｄ_１、第二保護膜２２（屈折率ｎ_２）の厚さｄ_２は、０＜ｄ_１≦λ／４ｎ_１、０＜ｄ_２≦λ／２ｎ_２の範囲とすることで、好適な反射率制御が可能であり、０＜ｄ_１≦１０ｎｍ、０＜ｄ_２≦λ／４ｎ_２とすることがより好ましい。

ＡＲ膜２０は、圧縮方向の全応力を低減するためには、ＡＲ膜２０を構成する誘電体膜の圧縮方向の内部応力をできる限り小さくすることが好ましい。誘電体膜の内部応力は製膜方法や製膜条件によって制御可能である。単層膜で評価した場合の膜応力σ（σ_１、σ_２）にＡＲ膜に採用した厚さｄ（ｄ_１、ｄ_２）を乗じた全応力Ｓ＝σ×ｄ（σ_１×ｄ_１＋σ_２×ｄ_２）が０Ｎ／ｍより大きくかつ１０Ｎ／ｍ以下とすることが好ましく、２Ｎ／ｍ以下とすることがより好ましい。

ＡＲ膜２０は、レーザ光に対する端面反射率を０．１〜３０％とすることが望ましい。ＡＲ膜２０は、その全膜厚を好適な反射率を得られる範囲で、できる限り薄くすることが好ましい。こうすることにより、ＡＲ膜２０の圧縮方向の全応力を低減できるため、高出力レーザ駆動時のＡＲ膜２０の局所的な膜剥がれを抑制することが可能となる。

ＡＲ膜２０は、膜厚方向の水素濃度分布が略平坦であることが好ましい。これによって高出力レーザ駆動時よりＡＲ膜２０中の応力分布が局所的に変化することを抑制できるため、膜剥がれが抑制される。ＡＲ膜２０中の水素濃度分布は、スパッタや蒸着等の真空成膜技術を用いて、成膜中の雰囲気に水素を添加して流量を調整しながら成膜する方法や、成膜前に加熱処理やプラズマクリーニング等によって半導体表面を十分に正常化して膜中水素濃度を減ずる方法等によって、平坦化することが可能となる。ＡＲ膜２０中の表面近傍の水素濃度に対して、半導体（１〜７）との界面近傍の水素濃度の比を０．５以上かつ２以下とすることが好ましい。

ＨＲ膜（図示せず）は、低屈折率な誘電体膜と高屈折率な誘電体膜を組み合わせた多層膜からなり、レーザ光に対する反射率を７０〜９９％とすることが望ましい。ＨＲ膜は、スパッタや蒸着により形成されるＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５等の酸化物、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２等のフッ化物、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４等の窒化物より、屈折率や膜厚を適宜組み合わせることによって安定して形成することができ、レーザ光の取り出し効率を高め、レーザの高出力動作が可能となる。

次に、本発明の実施例１に係る半導体レーザの製造方法について図面を用いて説明する。図２〜図４は、本発明の実施例１に係る半導体レーザの製造方法を模式的に示した工程断面図である。

前提として、半導体レーザの製造では３００ｈＰａの減圧ＭＯＶＰＥ（Metalorganic vapor phase epitaxy；有機金属化学気相エピタキシー）装置を用いることができる。キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用い、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎソースとしてそれぞれトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いることができ、ｎ型ドーパントにシラン（ＳｉＨ_４）を用いることができ、ｐ型ドーパントにビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いることができる。

まず、ｎ型ＧａＮ（０００１）基板よりなるｎ型ＧａＮ基板１を減圧ＭＯＶＰＥ装置に投入後、ＮＨ_３を供給しながらｎ型ＧａＮ基板１を昇温し、成長温度まで達した時点で成長を開始する。ｎ型ＧａＮ基板１上にＳｉ濃度４×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＮ層２を厚さ１μｍになるまで成長させ、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層２上にＳｉ濃度４×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎ型クラッド層３を厚さ２μｍになるまで成長させ、ｎ型クラッド層３上にＳｉ濃度４×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＮ層からなるｎ型光閉じ込め層４を厚さ０．１μｍになるまで成長させる。引き続き、ｎ型光閉じ込め層４上にＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる井戸層を厚さ３ｎｍになるまで成長させ、井戸層上にＳｉ濃度１×１０^１８ｃｍ^-３のＳｉドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなるバリア層を厚さ４ｎｍになるまで成長させることで、３周期多重量子井戸活性層５を形成する。引き続き、３周期多重量子井戸活性層５上にＭｇ濃度２×１０^１９ｃｍ^−３のＭｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるキャップ層６を厚さ１０ｎｍになるまで成長させ、キャップ層６上にＭｇ濃度２×１０^１９ｃｍ^−３のＭｇドープｐ型ＧａＮからなるｐ型光閉じ込め層７を厚さ０．１μｍになるまで成長させる。引き続き、ｐ型光閉じ込め層７上にＭｇ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３のＭｇドープｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層８を厚さ０．５μｍになるまで成長させ、ｐ型クラッド層８上にＭｇ濃度１×１０^２０ｃｍ^−３のＭｇドープｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層９を厚さ２０ｎｍになるまで成長させる（ステップＡ１；図２（Ａ）参照）。

なお、ＧａＮ層（Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層２、ｎ型光閉じ込め層４、ｐ型光閉じ込め層７、ｐ型コンタクト層９）の成長は、基板温度１０８０℃、ＴＭＧ供給量５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎにて行うことができる。また、ＡｌＧａＮ層（ｎ型クラッド層３、キャップ層６、ｐ型クラッド層８）の成長は、基板温度１０８０℃、ＴＭＡ供給量３６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧ供給量５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎにて行うことができる。また、ＩｎＧａＮ層（３周期多重量子井戸活性層５）の成長は、基板温度８００℃、ＴＭＧ供給量８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎにおいて、ＴＭＩ供給量は井戸層で４８μｍｏｌ／ｍｉｎにて行い、バリア層で３μｍｏｌ／ｍｉｎにて行うことができる。

次に、ステップＡ１により製作したウエハのｐ型コンタクト層９上にＳｉＯ_２膜１０を形成する（ステップＡ２；図２（Ｂ）参照）。

次に、フォトリソグラフィー法により、幅１．３μｍのＳｉＯ_２ストライプ１０ａを形成する（ステップＡ３；図２（Ｃ）参照）。

次に、ＳｉＯ_２ストライプ１０ａをマスクとしてドライエッチングにより、ｐ型光閉じ込め層７が現れるまでｐ型コンタクト層９及びｐ型クラッド層８を除去する（ステップＡ４；図３（Ａ）参照）。これにより、ｐ型光閉じ込め層７上にストライプ状のｐ型コンタクト層９及びｐ型クラッド層８が形成される。なお、ｐ型クラッド層８の一部を除去してｐ型クラッド層８をリッジ構造に形成してもよい。

次に、ＳｉＯ_２ストライプ１０ａを除去し、ｐ型コンタクト層９及びｐ型クラッド層８を含むｐ型光閉じ込め層７上にＳｉＯ_２膜１２を堆積し、その後、ＳｉＯ_２膜１２上にレジスト１３を厚く塗布する（ステップＡ５；図３（Ｂ）参照）。

次に、酸素プラズマ中でエッチバックによってレジスト１３の一部を除去することにより、ＳｉＯ_２膜１２のリッジトップ部分の頭出しを行う（ステップＡ６；図３（Ｃ）参照）。

次に、ＳｉＯ_２膜１２のリッジトップ部分をバッファードフッ酸で除去し、その後、Ｐｄ／Ｐｔを電子ビームで堆積し、リフトオフ（レジスト１３、及び、その上のＰｄ／Ｐｔを除去）により、ｐ型コンタクト層９上にｐ型電極１４を形成する（ステップＡ７；図４（Ａ）参照）。

次に、窒素雰囲気中６００℃で３０秒のＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing；急速熱処理）を行い、ｐオーミック電極を形成し、その後、５０ｎｍのＴｉ、１００ｎｍのＰｔ、２μｍのＡｕをスパッタにより堆積することにより、カバー電極１５を形成する（ステップＡ８；図４（Ｂ）参照）。

次に、ウエハ裏面（ｎ型ＧａＮ基板１の裏面）の研磨を行い、ウエハ厚を１００μｍ厚まで薄膜化し、ｎ型ＧａＮ基板１側から順にＴｉを５ｎｍ、Ａｌを２０ｎｍ、Ｔｉを１０ｎｍ、Ａｕを５００ｎｍを真空蒸着することで、ｎ型電極１６を形成する（ステップＡ９；図４（Ｃ）参照）。

次に、電極１６を形成した後のウエハをストライプ状のｐ型クラッド層８の長軸に垂直な方向に劈開して、共振器長６００μｍのレーザバーを形成する（ステップＡ１０）。

次に、ステップＡ１０により作製したレーザバーの共振器端面に端面保護膜を形成する（ステップＡ１１）。端面保護膜には、真空蒸着法やスパッタリング法などの方法で作製された誘電体膜を用いる。端面保護膜の形成にあたっては、ＲＦマグネトロンスパッタ装置を使用することができる。

端面保護膜の形成では、まず、レーザ光出射側端面に反射率０．１〜２２％となるＡＲ膜２０を形成し（図１（Ｂ）参照）、続いて、その反対側の端面に９０％以上の反射率を有するＨＲ膜を形成する。詳細は、以下のとおりである。

ステップＡ１０により作製したレーザバーをＲＦマグネトロンスパッタ装置のロードロック室に投入して、２００℃で０〜６０ｍｉｎの加熱処理を行う。その後、スパッタ室に搬送して、スパッタ装置内の到達真空度が６×１０^−５Ｐａに達したところで、Ａｒをスパッタ装置内に導入し、０．４〜３．３Ｐａの範囲にＡｒガスの圧力を設定後、第一保護膜２１としてＴｉＯ_２を成膜した後、第二保護膜２２としてＡｌ_２Ｏ_３を成膜して、ＡＲ膜２０とする。それぞれスパッタターゲットは高純度のＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３を用い、投入電力は０．２〜１．２ｋＷとすることができる。ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３それぞれの厚さｄ_１、ｄ_２はそれぞれ０＜ｄ_１≦λ／４ｎ_１、０＜ｄ_２≦λ／２ｎ_２の範囲とした。ここで、λはレーザ発振波長４０５ｎｍ、ｎ_１は４０５ｎｍにおけるＴｉＯ_２の屈折率２．６、ｎ_２は４０５ｎｍにおけるＡｌ_２Ｏ_３の屈折率１．７である。ＧａＮの屈折率を２．５とした場合、ｄ_１、ｄ_２を上記の範囲とすることによりＡＲ反射率（以下、Ｒｆ）は０．１〜２２％の範囲で好適な制御が可能となる（図５参照）。

ＡＲ膜２０を形成したレーザバーは、一旦、スパッタ装置から取り出した後、再びスパッタ装置にて反対側の端面にＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２多層膜からなる反射率９０％のＨＲ膜を形成した。

その後、端面保護膜が形成されたレーザバーの素子分離を行う（ステップＡ１２）。ここでは、素子幅３００μｍのレーザチップを作製した。

以上の工程により得られたレーザチップをヒートシンクに融着する（ステップＡ１３）。これにより、窒化物半導体レーザを得ることができる。

（水素濃度分布）
次に、本発明の実施例１に係る半導体レーザにおけるＡＲ膜２０中の水素濃度分布について説明する。

ＡＲ膜２０中の水素濃度分布は、ＳＩＭＳ分析（Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometry；二次イオン質量分析）により求めた。分析試料としては、４００μｍ厚のＧａＮ基板の劈開面上に、実施例１に係る半導体レーザに形成したＡＲ膜２０と同一構成、同一成膜条件で多層膜を成膜したものを用いた。

結果の一例を図６に示す。加熱処理を行わずに成膜した場合（加熱処理０ｈ）、ＴｉＯ_２中の水素濃度は約１．３×１０^２１ｃｍ^−３、Ａｌ_２Ｏ_３中の水素濃度は約２．１×１０^２０ｃｍ^−３であり、その比は６．２であった。一方、加熱処理を１ｈ行った場合は、ＴｉＯ_２中の水素濃度は約２．５×１０^２０ｃｍ^−３、Ａｌ_２Ｏ_３中の水素濃度は約２．２×１０^２０ｃｍ^−３であり、その比は約１．１であった。

（内部応力）
次に、本発明の実施例１に係る半導体レーザにおけるＡＲ膜２０の内部応力について説明する。

まず、ＧａＡｓ基板を上記第１の実施形態の半導体レーザ素子に形成したＡＲ膜を構成する各誘電体膜と同一成膜条件にて１００ｎｍ厚の単層膜を形成し、全体の反り量を測定して、以下の数式１から各誘電体膜の内部応力を求めた。

（数式１）
σ＝Ｅｂ２δ／３（１−ν）ｌ２ｄ

なお、数式１中のＥはＧａＡｓ基板のヤング率、νはＧａＡｓ基板のポアソン比、ｌはＧａＡｓ基板の長さ、ｂはＧａＡｓ基板の厚さ、ｄは単層の保護膜の厚さ、δは変位を示す。ここでは、ＥはＧａＡｓのヤング率を代入し、νはＧａＡｓのポアソン比を代入する。つまり、ＧａＡｓのヤング率は８．５×１０１０（Ｐａ）とし、ポアソン比を０．３２とした。

なお、上記数式１により得られる内部応力の符号が−の場合は圧縮応力を意味し、＋の場合は引っ張り応力を意味する。

ＡＲ膜２０の全応力Ｓは上記式より得られた第一、第二保護膜の膜応力（σ_１、σ_２）に各膜厚（ｄ_１、ｄ_２）を乗じたものの合計として以下の数式２より求めた。

（数式２）
Ｓ＝σ_１×ｄ_１＋σ_２×ｄ_２

スパッタ法によって成膜する誘電体膜の内部応力σは成膜条件によって制御することが可能である。一例として、図７にＡｌ_２Ｏ_３の内部応力の成膜条件依存性を示す。一般的に、スパッタ圧力が高いほど、またターゲット投入電力が低いほど、スパッタ粒子のエネルギーが低くなる。そのため、基板表面に到達したスパッタ種のマイグレーションが抑制されて膜密度が減少し、加えてイオンピーニングの効果が低減されるため、誘電体膜の圧縮応力は低減する。さらに、試料温度や試料―ターゲット間距離、成膜時に添加するガス種（酸素、窒素、水素等）によっても左右される。これらは密接に関係しており、好適な範囲は多岐にわたるが、発明者が調査した結果、投入電力は０．１〜２．４ｋＷ、Ａｒガスの圧力は０．１〜４Ｐａ、試料−ターゲット間距離は５０〜１２０ｍｍ、試料温度は２５〜３００℃が好ましいことがわかった。実施例１では、試料−ターゲット間距離は８０ｍｍ、試料温度は２００℃として下表に示すＡＲ膜２０を成膜した。

（寿命試験）
次に、本発明の実施例１に係る半導体レーザの寿命について説明する。

図８は、ＡＲ膜中の水素濃度比と８０℃１５０ｍＷＡＰＣ試験における素子寿命の関係を示す図である。図８中、素子寿命は１０００ｈを上限としており、素子寿命が１０００ｈ未満の素子はいずれもレーザ光出射端面のＣＯＤ（端面光学損傷）による突発的な劣化によって駆動停止した時間をプロットしている。ここでは、第一保護膜（ＴｉＯ_２）と第二保護膜（Ａｌ_２Ｏ_３）の成膜条件と厚さ（ｄ_１、ｄ_２）は、それぞれＴｉＯ_２：０．２ｋＷ、１．４Ｐａ、ｄ_１＝３８．５ｎｍ、Ａｌ_２Ｏ_６ｋＷ、１．４Ｐａ、ｄ_２＝２５ｎｍで固定し、成膜前の加熱処理時間を０、２０、４０、６０ｍｉｎと変えることによって水素濃度比を変化させている。

このとき、前面反射率はＲｆ＝１５％、各保護膜の内部応力はσ_１＝−３０ＭＰａ、σ_２＝−６０ＭＰａであり、全応力Ｓ＝−２．８Ｎ／ｍであった。また、ＡＲ膜２０中の水素濃度比（ＴｉＯ_２中水素濃度／Ａｌ_２Ｏ_３中水素濃度）はそれぞれ６．２、３．８、１．８、１．１であった。

図８より明らかなように、水素濃度比が１に近づくにつれて、すなわちＡＲ膜２０中の水素分布が平坦になるにつれて、素子寿命が急激に改善されており、水素濃度比２以下でＣＯＤによる突発劣化が抑制されている。なお、ＡＲ膜２０において、第一保護膜２１と第二保護膜２２間の水素濃度の大小関係が逆転しても（水素濃度比１未満になっても；第一保護膜２１の水素濃度が第二保護膜２２の水素濃度より小さくなっても）、同様な効果が得られる。

この改善効果の要因を調べるため、水素濃度比６．２の素子と水素濃度比１．１の素子を８０℃、１００ｍＷで１００時間駆動し、断面ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope；透過電子顕微鏡）によりＡＲ膜２０の端面近傍の分析を行った。

その結果、水素濃度比６．２の素子では活性層近傍でＡＲ膜が膨れており、その領域でＴｉＯ_２と半導体の界面に空隙が生じていたのに対し、水素濃度比１．１の素子ではこのような空隙（膜剥がれ）は確認されなかった。

これらの結果より、ＡＲ膜２０中の水素濃度分布が高い場合には、ＡＲ膜２０の局所的な剥がれによってＣＯＤレベルが低下するために素子信頼性が低下しており、成膜前の加熱処理によりＡＲ膜２０中の水素濃度分布を平坦化することで、このような端面劣化を抑制可能であることがわかった。

図９は、８０℃２００ｍＷで１００ｈ駆動後の断面ＴＥＭ観察（８０℃２００ｍＷＡＰＣ試験）における素子寿命とＡｌ_２Ｏ_３厚との関係を示す図である。ここでは、成膜前の加熱処理時間は１ｈ、ＴｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３の成膜条件と厚さ（ｄ_１、ｄ_２）はそれぞれＴｉＯ_２：０．２ｋＷ１．４Ｐａ、ｄ_１＝３８．５ｎｍ、Ａｌ_２Ｏ_３：０．６ｋＷ１．４Ｐａ、ｄ_２＝１２、２５、４３、９６ｎｍとした。このとき、各保護膜の内部応力はσ_１＝−２８ＭＰａ、σ_２＝−６８ＭＰａであり、全応力ＳとＲｆはそれぞれ、Ｓ＝―１．９、―２．８、−４、−７．６Ｎ／ｍ、Ｒｆ＝２０５、５、１５％である。Ｒｆが低い素子ほど端面光密度が低減するため初期ＣＯＤレベルは高い値を示すが、図９に示すように、信頼性に関してはＲｆに依らず、Ａｌ_２Ｏ_３厚の薄い素子ほど改善している。さらに、８０℃２００ｍＷで１００ｈ駆動後の断面ＴＥＭ観察によって、ｄ_２＝９６ｎｍ（Ｒｆ＝１５％、全応力Ｓ＝−７．６Ｎ／ｍ）の素子に関して、ＡＲ膜２０の膜剥がれが確認された。

図１０は、８０℃２００ｍＷで１００ｈ駆動後の断面ＴＥＭ観察（８０℃２００ｍＷＡＰＣ試験）における素子寿命とＴｉＯ_２厚との関係を示す図である。ここでは、成膜前の加熱処理時間は１ｈ、ＴｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３の成膜条件と厚さ（ｄ_１、ｄ_２）はそれぞれＴｉＯ_２：０．２ｋＷ１．４Ｐａ、ｄ_１＝３．８、９．６、１９．２、３８．５ｎｍ、Ａｌ_２Ｏ_３：０．６ｋＷ１．４Ｐａ、ｄ_２＝２５ｎｍとした。このとき、各保護膜の内部応力は、σ_１＝−２８ＭＰａ、σ_２＝−６８ＭＰａと一定であり、全応力ＳとＲｆはそれぞれ、Ｓ＝―１．８、−２．０、−２．２、−２．８Ｎ／ｍ、Ｒｆ＝１１４、１５、１５％である。図１０に示すように、ＴｉＯ_２が薄い素子ほど信頼性が改善しており、ｄ_１≦１０ｎｍの素子では１０００ｈ未満のＣＯＤ劣化が抑制されている。

図１１は、８０℃２００ｍＷで１００ｈ駆動後の断面ＴＥＭ観察（８０℃２００ｍＷＡＰＣ試験）における素子寿命とＡｌ_２Ｏ_３膜応力との関係を示す図である。ここでは、成膜前加熱処理時間は１ｈ、ＴｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３の成膜条件と厚さ（ｄ_１、ｄ_２）は、それぞれＴｉＯ_２：０．２ｋＷ１．４Ｐａ、ｄ_１＝９．６ｎｍ、Ａｌ_２Ｏ_３：０．３ｋＷ３．３Ｐａ、０．６ｋＷ１．４Ｐａ、１．２ｋＷ０．４Ｐａ、ｄ_２＝２５ｎｍとした。このとき、ＴｉＯ_２の内部応力は、σ_１＝−２８ＭＰａ、Ｒｆは１４％と一定であり、Ａｌ_２Ｏ_３の内部応力σ_２と全応力Ｓはそれぞれσ_２＝−５４、６８、９３ＭＰａ、Ｓ＝―１．６、−２．０、−２．６Ｎ／ｍである。図１１より明らかなように、Ａｌ_２Ｏ_３の内部応力σ_２が低減するほど信頼性は改善している。

図１２は、図９、図１０、図１１に示した結果に基づいて得られた８０℃２００ｍＷで１００ｈ駆動後の断面ＴＥＭ観察（８０℃２００ｍＷＡＰＣ試験）における素子寿命とＡＲ全応力との関係を示す図である。図１２より明らかなように、圧縮方向の全応力Ｓが低減するほど信頼性は向上しており、全応力Ｓの絶対値を２以下とすることにより１０００時間未満のＣＯＤ発生を完全に抑制できることがわかった。

以上の結果から、端面破壊について以下のモデルが考えられる。

高出力駆動時の半導体レーザの素子端面では、表面準位や保護膜形成時に導入された点欠陥や界面変性層等に起因するレーザ光の吸収により、レーザ光出射部分の温度が局所的に上昇する。この発熱によりレーザ光出射端面の上に形成された端面保護膜が膨張するため、半導体との熱膨張係数差により保護膜の圧縮応力が増大し、局所的な膜はがれを引き起こす。

また、ＡＲ膜中の水素濃度が均一でない場合、高出力駆動時において発光部近傍の水素が、高濃度領域から低濃度領域へ拡散しやすい。その結果、ＡＲ膜中の応力分布が局所的に変化するために、膜はがれが起こりやすくなる。この水素濃度に分布が生じる原因としては、成膜前の端面に付着している有機不純物や水分等が考えられる。

また、窒化物半導体成長層は水素雰囲気で成長を行うため、これが析出してくる可能性も考え得る。従って、半導体レーザの信頼性を向上させるには膜中の水素濃度分布を均一化すること、及び膜の全応力を低減することが極めて有効である。

ＡＲ膜の内部応力に関しては、その膜種や成膜方法、条件によって異なるが、一般的にスパッタで形成される誘電体膜には数１０〜数１００ＭＰａ程度の圧縮応力が掛かっており、これを０にすることは困難である。そこで、実施例１ではなるべく薄い膜厚で所望の反射率を得るべく高屈折率材料と低屈折率材料を選択した上で成膜条件の最適化を行った結果、高出力高信頼な半導体レーザを得ることができた。

本発明の実施例１に係る半導体レーザの構成を模式的に示した（Ａ）断面図、及び（Ｂ）Ｘ−Ｘ´間の部分断面図である。 本発明の実施例１に係る半導体レーザの製造方法を模式的に示した第１の工程断面図である。 本発明の実施例１に係る半導体レーザの製造方法を模式的に示した第２の工程断面図である。 本発明の実施例１に係る半導体レーザの製造方法を模式的に示した第３の工程断面図である。 本発明の実施例１に係る半導体レーザの第一保護膜と第二保護膜の厚さｄ_１、ｄ_２とＡＲ反射率との関係を示した図である。 本発明の実施例１に係る半導体レーザのＡＲ膜中の水素濃度分布のＳＩＭＳ分析結果の一例を示した図である。 本発明の実施例１に係る半導体レーザのＡＲ膜に用いた誘電体膜の膜応力と成膜条件との関係を示す図である。 本発明の実施例１に係る半導体レーザのＡＲ膜中の水素濃度比と素子寿命の関係を示した図である。 本発明の実施例１に係る半導体レーザの第二保護膜（Ａｌ_２Ｏ_３膜）厚と素子寿命の関係を示した図である。 本発明の実施例１に係る半導体レーザの第一保護膜（ＴｉＯ_２膜）厚と素子寿命の関係を示した図である。 本発明の実施例１に係る半導体レーザの第二保護膜（Ａｌ_２Ｏ_３膜）の内部応力と素子寿命の関係を示した図である。 本発明の実施例１に係る半導体レーザのＡＲ膜の全応力と素子寿命の関係を示した図である。 リッジ型導波路構造を有する従来の半導体レーザの構造を模式的に示した断面図である。

符号の説明

１ ｎ型ＧａＮ基板
２ Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層
３ ｎ型クラッド層（Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ）
４ ｎ型光閉じ込め層（Ｓｉドープｎ型ＧａＮ）
５ ３周期多重量子井戸活性層（活性層）
６ キャップ層（Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ）
７ ｐ型光閉じ込め層（Ｍｇドープｐ型ＧａＮ）
８ ｐ型クラッド層（Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ）
９ ｐ型コンタクト層（Ｍｇドープｐ型ＧａＮ）
１０ ＳｉＯ_２膜（絶縁膜）
１０ａ ＳｉＯ_２ストライプ
１２ ＳｉＯ_２膜
１３ レジスト
１４ ｐ型電極
１５ カバー電極
１６ ｎ型電極
２０ ＡＲ膜（保護膜）
２１ 第一保護膜
２２ 第二保護膜
１０１ ＧａＮ基板
１０２ ｎ型クラッド層
１０３、１０５ 光ガイド層
１０４ 活性層
１０６ ｐ型クラッド層
１０６ａ リッジ部
１０７ 絶縁膜
１０８ ｐ型電極
１０９ ｎ型電極

Claims (9)

1. 活性層の端面からレーザ光を出射する半導体レーザであって、
   前記レーザ光が出射される前記端面上に設けられるとともに、単層または多層の誘電体膜からなる保護膜を備え、
   前記保護膜中の水素濃度分布が略平坦であることを特徴とする半導体レーザ。
2. 前記活性層は、Ｇａを構成元素として含むIII族窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
3. 前記保護膜は、少なくとも前記活性層の前記端面と直接接する第一保護膜と、前記第一保護膜に接する第二保護膜とからなり、
   前記第二保護膜の水素濃度に対する前記第一保護膜の水素濃度の比は、０．５以上かつ２以下であることを特徴する請求項１又は２記載の半導体レーザ。
4. 前記保護膜において少なくとも前記活性層の前記端面と直接接する誘電体膜は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃａ、Ｍｇのいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の半導体レーザ。
5. 前記保護膜において少なくとも前記活性層の前記端面と直接接する誘電体膜は、ＴｉＯ_２からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の半導体レーザ。
6. 前記保護膜は、前記活性層の前記端面と直接接する第一保護膜と、前記第一保護膜に接する第二保護膜からなり、
   レーザ発振波長λにおける前記第一保護膜の屈折率ｎ_１と前記第二保護膜の屈折率ｎ_２は、ｎ_１＞ｎ_２の関係を満たし、
   前記第一保護膜の厚さｄ_１は、ｄ_１≦λ／４ｎ_１であり、
   前記第二保護膜の厚さｄ_２は、ｄ_２≦λ／２ｎ_２であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載の半導体レーザ。
7. 前記第一保護膜の厚さｄ_１は、１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザ。
8. 前記保護膜にかかる圧縮方向の全応力の大きさは、０Ｎ／ｍより大きくかつ１０Ｎ／ｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一に記載の半導体レーザ。
9. 前記レーザ光が出射される前記端面の反対側の端面上に設けられるとともに、前記保護膜よりも反射率が高い第二の保護膜を備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一に記載の半導体レーザ。

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