JP2010073757A - 半導体レーザ素子の製造方法および半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】素子の端面からの酸化をより確実かつ容易に防止することができる半導体レーザ素子の製造方法および半導体レーザ素子を提供すること。
【解決手段】端面からレーザ光を出射する半導体レーザ素子を準備する準備工程と、前記半導体レーザ素子の前記端面上にアルミニウムまたはケイ素からなる下地膜を形成する下地膜形成工程と、前記下地膜に窒素プラズマを照射して窒化下地膜を形成する窒化工程と、前記窒化下地膜上に誘電体膜を形成する誘電体膜形成工程と、を含む。
【選択図】 図３

Description

本発明は、端面からレーザ光を出射する半導体レーザ素子の製造方法および半導体レーザ素子に関するものである。

従来、端面からレーザ光を出射する半導体レーザ素子の該端面には、反射率の調整などのために、酸化ケイ素や酸化アルミニウムなどの酸化物の誘電体からなる誘電体膜が形成されている。しかしながら、該端面に酸化物の誘電体膜を形成すると、該端面の半導体が酸化しやすいという問題がある。端面部分が酸化すると非発光再結合中心の増加、端面温度上昇というプロセスを経て、半導体レーザ素子にダメージを生じせしめ、このダメージにより半導体レーザ素子の信頼性を低下させる場合がある。このような素子の信頼性の低下を防止する技術として、アルミニウムに対する酸素の組成比が比較的小さい酸化アルミニウムからなる誘電体膜を用いる技術が開示されている（特許文献１、２参照）。

このような半導体レーザ素子端面の酸化は、アルミニウムを構成物質として含む半導体においてとりわけ著しい。このようなアルミニウムを構成元素として含む半導体レーザ素子としては、例として、ＡｌＧａＮを層構造中に含む窒化物半導体レーザ素子や、ＡｌＧａＡｓやＡｌＧａＩｎＰなどを層構造中に含み、ＧａＡｓを基板として用いるＧａＡｓ系半導体レーザ素子などがある。また、ＡｌＧａＡｓを半導体レーザ素子の層構造中に含む例としては、ＩｎＧａＡｓを量子井戸層に用いた９８０ｎｍ帯レーザ素子（発振波長：おおよそ９２０〜１０７０ｎｍ）やＡｌＧａＡｓを量子井戸層に用いた７８０ｎｍ帯レーザ素子がある。また、ＡｌＧａＩｎＰを半導体レーザ素子の層構造中に含む例としては、６５０ｎｍ帯レーザがある。なお、窒化物半導体を量子井戸構造に含む半導体レーザ素子の発振波長域は、青色〜紫外である。

一方、端面の酸化による素子の信頼性の低下を防止する技術として、酸化物からなる誘電体膜に換えて窒化物である窒化ケイ素からなる誘電体膜を用いる技術が開示されている。この技術は、酸素を含まない膜を用いるため、端面が酸化する問題をより確実に防止できるので好ましい。ここで、窒化ケイ素膜は、半導体表面に対する応力が酸化ケイ素膜よりも数倍〜数十倍大きいため、特に膜厚が厚くなると、膜の剥離や半導体表面の割れや剥離の発生のおそれがあり、これによって信頼性が低下するおそれがあるとされている。このため、特許文献３では、誘電体膜の構造を端面側から多孔質膜と緻密膜との２層構造とし、端面に対する応力の影響を低下させている。

特開２００５−１７５１１１号公報 特開２００８−６０４７２号公報 特許第３７７４５０３号公報

しかしながら、特許文献３に開示される技術を用いる場合は、膜形成の工程が複雑になるとともに、厚さが２〜３０ｎｍと薄い窒化ケイ素膜を、さらに互いに膜質が異なる層の２層構造とするため、膜厚や膜質（どれくらい多孔質であるか、またはどれくらい緻密であるか）の制御性、再現性を維持することも困難になると予想される。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、素子の端面からの酸化をより確実かつ容易に防止することができる半導体レーザ素子の製造方法および半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、端面からレーザ光を出射する半導体レーザ素子を準備する準備工程と、前記半導体レーザ素子の前記端面上にアルミニウムまたはケイ素からなる下地膜を形成する下地膜形成工程と、前記下地膜に窒素プラズマを照射して窒化下地膜を形成する窒化工程と、前記窒化下地膜上に誘電体膜を形成する誘電体膜形成工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、上記発明において、前記下地膜形成工程において、３０ｎｍ以下の厚さに前記下地膜を形成することを特徴とする。

また、本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、上記発明において、前記誘電体膜形成工程において、アルミニウムまたはケイ素の窒化物または酸化物からなる前記誘電体膜を形成することを特徴とする。

また、本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、上記発明において、前記下地膜形成工程において、微量の窒素を混入させながら前記下地膜を形成することを特徴とする。

また、本発明に係る半導体レーザ素子は、端面からレーザ光を出射する半導体レーザ素子であって、前記端面上に形成された誘電体膜と、前記端面と前記誘電体膜との間に介在し、アルミニウムまたはケイ素の窒化物からなり、窒素の組成比が前記誘電体膜側から前記端面側に向かって減少している窒化下地膜と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る半導体レーザ素子は、上記発明において、前記窒化下地膜は、３０ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする。

また、本発明に係る半導体レーザ素子は、上記発明において、前記誘電体膜は、アルミニウムまたはケイ素の窒化物または酸化物からなることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体レーザ素子は、上記発明において、前記誘電体膜は、アルミニウムまたはケイ素の窒化物からなり、前記窒化下地膜の窒素のアルミニウムまたはケイ素に対する組成比は、該誘電体膜の窒素のアルミニウムまたはケイ素に対する組成比以下であることを特徴とする。

本発明によれば、半導体レーザ素子端面の酸化をより確実かつ容易に防止することができるという効果を奏する。

以下に、図面を参照して本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法および半導体レーザ素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。本実施の形態１に係る半導体レーザ素子は、基板としてＧａＡｓを用いた半導体レーザ素子であって、波長９８０ｎｍ帯のレーザ光を発振するものである。

図１は、本実施の形態１に係る半導体レーザ素子の構造を模式的に示したもので、レーザの共振器方向に対して垂直な面の断面図である。なお、図１では、その構造の一部領域をさらに拡大して示している。また、図２は、図１に示す半導体レーザ素子１００をＸ−Ｘ線に沿って切断した側断面図である。図１、２に示す半導体レーザ素子１００は、特許文献である特開２００３−３３２６８０号公報に開示される半導体レーザ素子と同様の積層構造を有するとともに、図２の紙面左右方向である長手方向においては、所定の反射率を有する多層膜９、１０によるファブリ・ペロー型の構造を有する。ここで、ファブリ・ペロー共振器の共振器長は、８００〜４０００μｍ程度である。具体的には、この半導体レーザ素子１００は、図１、２に示すように、例えばｎ−ＧａＡｓからなる基板１の上に、ｎ−ＧａＡｓからなる下部クラッド層２Ａが形成され、さらにその上に、後述する層構造Ｄが形成されている。そして、その層構造Ｄの上にｐ−ＡｌＧａＡｓからなる上部クラッド層２Ｂ、ｐ−ＧａＡｓからなるコンタクト層３が順次形成され、基板１の裏面にはｎ型電極４Ａが、コンタクト層３の上にはｐ型電極４Ｂがそれぞれ形成されている。

上記した層構造Ｄは、非特許文献である機能材料vol.17,No.8,pp26-33（１９９７年、８月号）において、完全分離閉じ込め構造（Decoupled Confinement Heterostructure：ＤＣＨ構造）として提案されている層構造である。すなわち、層構造Ｄは、量子井戸構造の活性層５を有し、活性層５は、ＩｎＧａＡｓで形成される２つの井戸層５Ａ₁、５Ａ₂と、ＡｌＧａＡｓで形成されるとともに各井戸層の両側に配置される３つの障壁層５Ｂ₀、５Ｂ₁、５Ｂ₂とで構成される（図１の拡大部参照）。

そして、活性層５の最下層に位置している障壁層５Ｂ₁の外側には、他の層に比べてそのバンドギャップエネルギーが大きなｎ−ＡｌＧａＡｓで形成された下部キャリアブロッキング層６Ａが配置され、同様に、活性層５の最上層に位置している障壁層５Ｂ₂の外側には、他の層に比べてそのバンドギャップエネルギーが大きなｐ−ＡｌＧａＡｓで形成された上部キャリアブロッキング層６Ｂが配置される。さらに、下部キャリアブロッキング層６Ａの外側には、ｎ−ＧａＡｓからなる下部光閉じ込め層７Ａが配置され、上部キャリアブロッキング層６Ｂの外側には、ｐ−ＧａＡｓからなる上部光閉じ込め層７Ｂが配置されている。また、上部光閉じ込め層７Ｂの中（図では厚みの中間の位置）には、ｎ−ＡｌＧａＡｓで形成された電流ブロッキング層８が配置されている。

また、図２に示すように、半導体レーザ素子１００の活性層５の端面を含む端面Ｓ１、Ｓ２上には、それぞれ所定の反射率を有する多層膜９、１０が形成されている。多層膜９は、端面Ｓ１上に形成された窒化アルミニウムからなる窒化下地膜９Ａと、窒化下地膜９Ａ上に形成された窒化アルミニウムからなる誘電体膜９Ｂとを有する。また、多層膜１０は、端面Ｓ２上に形成された窒化アルミニウムからなる窒化下地膜１０Ａと、窒化下地膜１０Ａ上に形成された誘電体膜１０Ｂとを有する。

ここで、誘電体膜９Ｂは、その屈折率に応じて膜厚が調整され、出射すべきレーザ光の波長における反射率がたとえば０．１〜５％、更に好ましくは、０．５〜２％程度となるように調整されている。窒化アルミニウムの屈折率は２．０７〜２．０９程度であり、９８０ｎｍ帯レーザ素子の場合、誘電体膜９Ｂの膜厚は９５〜１５５ｎｍ程度と比較的厚くなる。このように厚い窒化アルミニウムの誘電体膜の場合、端面Ｓ１上に直接形成すると、半導体と窒化アルミニウムの応力差によって膜の剥離が発生する場合があった。なお、本実施の形態１の誘電体膜の屈折率は、エリプソメータを用いて測定して、その膜厚を決定した。また、窒化アルミニウムの屈折率は、アルミニウムと窒素の組成比によって連続的に変化し、アルミニウムの組成比が高い方が屈折率は高くなる。

一方、この半導体レーザ素子１００においては、窒化下地膜９Ａが、端面Ｓ１と誘電体膜９Ｂと間に介在しているとともに、この窒化下地膜９Ａは、アルミニウムに対する窒素の組成比が誘電体膜９Ｂ側から端面Ｓ１側に向かって減少している。その結果、誘電体膜９Ｂの剥離が防止される。この理由は、正確には解明していないが、窒化下地膜９Ａの介在による応力緩和、密着性の向上などが考えられる。このような膜の構造は、後述するような方法によって簡易に実現できるものである。

一方、誘電体膜１０Ｂは、その屈折率に応じて膜厚が調整され、出射すべきレーザ光の波長における反射率がたとえば８０％以上、更に好ましくは９０％以上の反射率となるように調整されている。

ここで、誘電体膜の反射率を８０%以上とするためには、通常、誘電体膜１０Ｂを多層膜とする必要がある。また、窒化下地膜１０Ａと接する部分は、窒化アルミニウムで構成されることが好ましい。具体的には、窒化アルミニウムを成膜後、例えば、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）とＳｉＯ_２によって多層膜を形成し、所望の反射率を得るような構造とする。なお、ここで、前記窒化下地膜１０Ａと接する窒化アルミニウムの膜厚は、誘電体膜９Ｂと同じ（レーザ光の波長が９８０ｎｍ帯の場合、９５〜１５５ｎｍ程度）とする。この場合、ａ−ＳｉとＳｉＯ_２によって形成された多層膜である誘電体膜１０Ｂの総膜厚は、７００ｎｍ程度となる。

なお、誘電体膜１０Ｂの総膜厚は、構成する誘電体の種類や所望の反射率によって異なるがおおよそ４００〜９００ｎｍ程度である。端面Ｓ２上に成膜される誘電体膜の総膜厚は端面Ｓ１側の誘電体膜の総膜厚よりも厚いので、応力の影響もより顕著となり、誘電体膜はより剥がれやすくなるが、このような場合であっても、本願発明のように窒化下地膜１０Ａを存在させることにより誘電体膜の剥がれは抑制される。
また、窒化アルミニウムとその後に成膜される多層膜は、別々の成膜装置を用いて成膜してもよい。

さらに、窒化下地膜１０Ａと接する部分の窒化アルミニウムの膜厚は、誘電体膜９Ｂと同じにすると製造上簡便である。しかし、特性面からは必ずしも両者の膜厚を同じとする必要はなく、窒化下地膜１０Ａと接する部分の窒化アルミニウムの膜厚は、誘電体膜９Ｂよりも厚くても薄くてもよい。しかしながら、その厚さは、信頼性確保、端面保護のためには５ｎｍ〜３０ｎｍ程度は必要であり、また、膜剥がれが生じないようにするために、厚すぎないこと、例えば２００ｎｍ以下とすることが好ましい。なお、いずれの場合も、反射率はその後に成膜される多層膜の屈折率に応じて膜厚を調整することにより調整される。

上述した誘電体膜と同じ成膜条件でＧａＡｓ基板上に成膜した誘電体膜のサンプルをオージェ電子分光（AES：Auger Electron Spectroscopy）によって分析を行った。ここで、ＡＥＳの分析は、スパッタリングを行いながら深さ方向の信号を測定することで行った。その結果、誘電体膜９Ｂに対応する部分の窒化アルミニウムは、アルミニウムと窒素との組成比が、Ａｌ：Ｎ＝１．３：１程度であった。一方、窒化下地膜９Ａ、１０Ａに対応する部分の窒化アルミニウムは、アルミニウムと窒素との組成比が、９Ｂ、１０Ｂ側では、９Ｂ、１０Ｂと同様にＡｌ：Ｎ＝１．３：１程度であったが、Ｓ１、Ｓ２側に近づくに従ってＡｌ：Ｎ＝２〜３：１程度となり、窒素の組成比が誘電体膜９Ｂ、１０Ｂよりも小さくなっていた。さらに、９Ｂ、１０Ｂ側から５ｎｍ程度の位置までは、窒素プラズマ処理の効果により、深さ方向にわたってほぼ同じ組成比であった。

言い換えると、実施の形態１の多層膜では、プラズマを照射した表面から５ｎｍ程度の深さまでは、アルミニウムが誘電体の窒化アルミニウムに近い窒素組成比の窒化アルミニウムに変化し、それよりも表面から離れた深いところでは、誘電体の窒化アルミニウムよりも窒素組成比が低い窒化アルミニウムとなっていることが分かった。
また、窒素プラズマ処理の時間を５分、１０分、２０分と変化させて、同様のサンプルを作製し、ＡＥＳ分析を行ったところ、窒素とアルミニウムの組成比の深さ依存性は、どのサンプルでもほぼ一致した。以上のことから、窒素プラズマ処理の時間は、５分程度で十分であると言える。

また、窒化下地膜９Ａ、１０Ａは、膜厚が厚すぎると窒素プラズマ処理の効果がいきわたらない部分が多くなるので好ましくない。よって、窒化下地膜９Ａ、１０Ａの膜厚は、３０ｎｍ以下が好ましい。また、薄すぎると酸化防止効果や膜剥がれ防止効果、端面保護効果が弱くなり、成膜時の制御性も悪くなるので、３ｎｍ以上であることが好ましく、３ｎｍ〜１０ｎｍであれば更に好ましい。

ここで、この半導体レーザ素子１００は以下に説明するように動作する。まず、ｎ型電極４Ａとｐ型電極４Ｂとの間に電圧を印加し、活性層５にキャリアを注入する。ｐ型電極４Ｂから注入された電流は、電流ブロッキング層８によりその経路が狭窄され、活性層５へ高効率に注入される。活性層５に注入されたキャリアは、井戸層５Ａ₁、５Ａ₂において再結合し、９８０ｎｍ帯の波長の光を発生する。発生した光は、半導体レーザ素子１００内を導波するとともに、多層膜９、１０が構成する光共振器によってレーザ発振する。その結果、レーザ光は、多層膜９側、多層膜１０側の両方から出射するが、反射率との関係で、低反射率である多層膜９側からより強度の大きいレーザ光Ｌが出射する。本実施例では、多層膜９側、多層膜１０側の双方に本願発明の端面構造を採用したが、強度の大きいレーザ光Ｌが出射する多層膜９側のみに本願発明の端面構造を採用してもよい。

ここで、端面に形成された下地膜に窒素プラズマ処理を行わないアルミニウムを用いることも考えられるが、アルミニウムは導電性であるため、例えば、図２の半導体レーザ素子構造の場合、前記下地層に電流が流れて４Ｂ→９Ａ→４Ａという電流経路が形成され、流れるべきではない箇所に電流が流れてしまう問題が生じる。このような電流はリーク成分であり、活性層５に高効率に電流注入することができなくなるため、好ましくない。なお、窒素プラズマ処理を行わないアルミニウムを用いた下地膜であっても膜厚を薄くすれば電気抵抗が高くなるため、該下地膜を介して流れるリーク電流値は小さくなるが、薄いと酸化防止効果や膜剥がれ防止効果が弱くなる。これらの点について鑑みても、本発明による下地膜は、アルミニウムを窒素プラズマ処理しているため、酸化防止効果や膜剥がれ防止効果を有するとともに、膜自体の抵抗率が高くなり、窒化下地膜９Ａ、１０Ａを介して電流が流れてしまうことがなく、好適である。

また、この層構造Ｄにおいては、活性層５に注入されたキャリアは、両側に位置するキャリアブロッキング層６Ａ、６Ｂの高いバンドギャップによって外側に拡散することなく効率よく活性層５の中に閉じ込められてレーザ発振に寄与する。そして、半導体レーザ素子１００内においては、レーザ光は、全体としてこのＤＣＨ構造に閉じ込められて導波していく。すなわち、このＤＣＨ構造において、キャリアブロッキング層６Ａ、６Ｂの両側に位置する光閉じ込め層７Ａ、７Ｂは、光導波層としても機能する。

以上説明したように、本実施の形態１に係る半導体レーザ素子１００は、多層膜９、１０において、窒化下地膜９Ａ、１０Ａを備えることによって、誘電体膜９Ｂ、１０Ｂの剥離が防止される。この多層膜９、１０の半導体端面Ｓ１，Ｓ２と接する部分は、窒化物であるとともに、簡易に実現が可能な構造である。その結果、この半導体レーザ素子１００は、酸化がより確実かつ容易に防止された半導体レーザ素子となる。

（製造方法の一例）
つぎに、半導体レーザ素子１００の製造方法の一例について説明する。図３は、半導体レーザ素子１００の製造方法の一例の一部を示すフロー図である。図３に示すように、この製造方法は、半導体レーザ素子の準備工程（ステップＳ１０１）と、下地膜であるアルミニウム（Ａｌ）膜を形成するＡｌ膜（下地膜）形成工程（ステップＳ１０２）と、ステップＳ１０２において形成したＡｌ膜に窒素プラズマを照射するＡｌ膜窒化工程（ステップＳ１０３）と、誘電体膜である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜を形成するＡｌＮ膜（誘電体膜）形成工程（ステップＳ１０４）とを含んでいる。以下、各工程について具体的に説明する。

はじめに、ステップＳ１０１の半導体レーザ素子の準備については、有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition、ＭＯＣＶＤ）法等の公知の方法で、基板１上に下部クラッド層２Ａからコンタクト層３までを順次形成する。なお、上部光閉じ込め層７Ｂと電流ブロッキング層８とについては、上部光閉じ込め層７Ｂを途中まで形成し、その上にｎ−ＡｌＧａＡｓ層を形成し、フォトリソグラフィ技術とエッチングとを用いてこのｎ−ＡｌＧａＡｓ層の一部をストライブ状に除去して電流ブロッキング層８とし、その後上部光閉じ込め層７Ｂの残りの部分を形成する。その後、蒸着法等によって、コンタクト層３上にｐ型電極４Ｂを形成し、基板１の裏面にｎ型電極４Ａを形成した後に、基板１をへき開し、バー状の半導体レーザ素子を形成する。

つぎに、ステップＳ１０２〜Ｓ１０４の工程について説明するが、以下では、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance：ＥＣＲ）スパッタ法を用いる場合について説明する。図４は、ＥＣＲスパッタ法を行なうスパッタ装置の一例の模式図である。このスパッタ装置２００は、ガス供給口２０１ａおよびガス排気口２０１ｂを有する真空チャンバ２０１と、真空チャンバ２０１内に設けられた載置台２０２と、アルミニウムからなるターゲット２０３と、ターゲット２０３に接続した高周波（Radio Frequency、ＲＦ）電源２０４と、真空チャンバ２０１に導波管２０１ｃを介して接続したマイクロ波電源２０５と、マイクロ波電源２０５とターゲット２０３との間に真空チャンバ２０１の外周を取り囲むように配置された磁場コイル２０６とを備えている。

以下、このスパッタ装置２００を用いて、ステップＳ１０２〜Ｓ１０４の工程を行なうが、これに先立ち、以下のクリーニング工程を行ってもよい。ここで、クリーニング工程とは、膜を形成すべき半導体レーザ素子の端面にプラズマを照射して端面をわずかにスパッタリングし、端面を清浄な状態にする工程である。

図５は、クリーニング工程を説明する説明図である。図５に示すように、このクリーニング工程では、はじめに、載置台２０２にステップＳ１０１で準備したバー状の半導体レーザ素子（以下、バー状素子と略記する）３００を、その端面Ｓ３を表側にして載置する。なお、端面Ｓ３は、図２の端面Ｓ１に対応する面である。つぎに、真空チャンバ２０１のガス供給口２０１ａからアルゴンガスからなるガスＧ１を供給し、ガス排気口２０１ｂから排気しながら、マイクロ波電源２０５からマイクロ波Ｗ１を発生させるとともに磁場コイル２０６から磁場を発生させる。すると、電子サイクロトロン共鳴によりガスＧ１からプラズマＰ１が生成する。ここで、このクリーニング工程は、ターゲット２０３に電圧を印加しない状態で行う。生成したプラズマＰ１は、バー状素子３００の端面Ｓ３に照射され、端面Ｓ３がわずかにスパッタリングされてクリーニングされる。なお、クリーニング工程の条件は、たとえば、ガスＧ１としてアルゴンガスを１０ｓｃｃｍの流量で供給し、マイクロ波Ｗ１のパワーを５００Ｗとし、クリーニング時間は１分間程度とする。

つぎに、ステップＳ１０２のＡｌ膜形成工程について説明する。図６は、Ａｌ膜形成工程を説明する説明図である。図６に示すように、このＡｌ膜形成工程では、はじめに、クリーニング工程と同様に、載置台２０２にバー状素子３００を、その端面Ｓ３を表側にして載置する。つぎに、真空チャンバ２０１のガス供給口２０１ａからアルゴンガス等のガスＧ２を供給し、ガス排気口２０１ｂから排気しながら、マイクロ波電源２０５からマイクロ波Ｗ２を発生させるとともに磁場コイル２０６から磁場を発生させる。すると、ガスＧ２からプラズマＰ２が生成する。ここで、ＲＦ電源２０４によりターゲット２０３にＲＦバイアス電圧を印加しておくと、ターゲット２０３がプラズマＰ２によりスパッタリングされ、アルミニウムの粒子ＰＡ１が飛散して端面Ｓ３に到達し、下地膜であるＡｌ膜３０１が形成される。

なお、このＡｌ膜形成工程において、微量の窒素を混入させながらＡｌ膜を形成すると、Ａｌ膜の膜質が向上するので更に好ましい。微量の窒素を混入させながらＡｌ膜を形成する方法としては、たとえば、ガスＧ２としてアルゴンと窒素との混合比が２０：１〜３０:１程度の混合ガスを用いればよい。

つぎに、ステップＳ１０３のＡｌ膜窒化工程について説明する。図７は、Ａｌ膜窒化工程を説明する説明図である。図７に示すように、このＡｌ膜窒化工程では、真空チャンバ２０１のガス供給口２０１ａから窒素ガスからなるガスＧ３を供給し、ガス排気口２０１ｂから排気しながら、マイクロ波電源２０５からマイクロ波Ｗ３を発生させるとともに磁場コイル２０６から磁場を発生させる。すると、ガスＧ３からプラズマＰ３が生成する。ここで、このＡｌ膜窒化工程は、ターゲット２０３に電圧を印加しない状態で行う。生成したプラズマＰ３は、バー状素子３００の端面Ｓ３に形成されたＡｌ膜３０１に照射される。その結果、Ａｌ膜３０１は窒素プラズマによりＡｌＮ膜３０２となる。このＡｌＮ膜３０２は、最終的には図２における窒化下地膜９Ａとなるものである。このとき、Ａｌ膜３０１は、その表面から窒化されるため、ＡｌＮ膜３０２における窒素の組成比は、表面側から端面Ｓ３側に向かって減少するようになっている。

つぎに、ステップＳ１０４のＡｌＮ膜形成工程について説明する。図８は、ＡｌＮ膜形成工程を説明する説明図である。図８に示すように、このＡｌＮ膜形成工程では、真空チャンバ２０１のガス供給口２０１ａから窒素ガス、アルゴンガスからなるガスＧ４を供給し、ガス排気口２０１ｂから排気しながら、マイクロ波電源２０５からマイクロ波Ｗ４を発生させるとともに磁場コイル２０６から磁場を発生させる。すると、ガスＧ４からプラズマＰ４が生成する。ここで、ＲＦ電源２０４によりターゲット２０３にＲＦバイアス電圧を印加しておくと、ターゲット２０３がプラズマＰ４によりスパッタリングされ、アルミニウムの粒子ＰＡ２が飛散してプラズマＰ４とともにＡｌＮ膜３０２上に到達し、ＡｌＮ膜３０３が形成される。このＡｌＮ膜３０３は、最終的には図２における誘電体膜９Ｂとなるものである。

つぎに、バー状素子３００の端面Ｓ３の反対側の端面にもステップＳ１０２〜Ｓ１０４の工程と同様の工程により窒化下地膜１０ＡとなるべきＡｌＮ膜、および誘電体膜１０Ｂの最下層となるべきＡｌＮ膜を形成する。その後、ＳｉＯ_２などによる多層膜を成膜する。その後、バー状素子３００を各素子に分離し、半導体レーザ素子１００が完成する。上記のステップＳ１０２〜Ｓ１０４の工程は、公知のスパッタ装置２００を用いて容易に実現できるため、上記製造方法によれば、半導体レーザ素子１００の端面からの酸化を容易に防止することができる。

（実施例１、２、比較例１〜３）
本発明の実施例１、２として、上述した製造方法に従い、図１、２に示す半導体レーザ素子と同様の端面構造をＧａＡｓ平面基板上に厚さ２００ｎｍの多層膜構造を形成し、膜剥がれが生じない条件を確認した。また、比較例１〜３として、上述した製造方法においてステップＳ１０２、Ｓ１０３を行わず、ステップＳ１０４によりバー状素子に相当する端面に直接ＡｌＮ膜を形成するようにして厚さ２００ｎｍの多層膜構造を形成し、膜剥がれが生じない条件を確認した。

図９は、各実施例、比較例における膜形成の条件を示す図である。図９に示すように、実施例１の場合は、Ａｌ膜形成工程において、プラズマ発生用のガスをアルゴン（Ａｒ）ガスと窒素（Ｎ_２）ガスの混合ガスとし、その流量をそれぞれ２０ｓｃｃｍ、１ｓｃｃｍとした。また、図９において、「μ波／ＲＦ」とは、マイクロ波とターゲットのＲＦバイアスとのパワーを示しており、Ａｌ膜形成工程においてそれぞれ５００Ｗとした。また、膜厚が５ｎｍのＡｌ膜を形成した。また、Ａｌ膜窒化工程における窒素プラズマ照射については、プラズマ発生用のガスをＮ_２ガスとし、その流量を２０ｓｃｃｍとし、マイクロ波のパワーを５００Ｗとし、５分間のプラズマ照射を行なった。また、ＡｌＮ膜形成工程については、プラズマ発生用のガスをＡｒガスとＮ_２ガスとの混合ガスとし、その流量をそれぞれ２０ｓｃｃｍ、４．５ｓｃｃｍとし、マイクロ波／ＲＦバイアスのパワーを５００Ｗ／５００Ｗとし、膜厚２００ｎｍのＡｌＮ膜を形成した。その結果、実施例１においては、２００ｎｍと十分に厚いＡｌＮ膜を形成しても、ＡｌＮ膜の剥離は発生しなかった。従って、図９においては、結果の項目を「○」としている。

また、半導体レーザ素子を実際に使用するときには、通常、銅（Ｃｕ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのヒートシンクに半導体レーザをマウントする。その際、半田を使って半導体レーザをヒートシンクに固定するのが一般的である。半田材として金錫（ＡｕＳｎ）を使用した場合、その融点は２８０℃以上であるので、融点以上の温度に加熱して固定する。誘電体膜の密着性が悪いと、半田固定時の熱の影響で膜剥れを生じることがある。
そこで、本実施の形態では、３５０℃に加熱したホットプレートの上でサンプルを１分間加熱し、その後 光学顕微鏡を用いた目視観察によって膜剥がれの有無を判断した。

また、実施例２では、図９に示すように、実施例１とほぼ同じ条件であるが、プラズマ発生用のガスをアルゴン（Ａｒ）ガスとし、その流量を２０ｓｃｃｍとし、プラズマ照射時間を１０分間とした点において、実施例１と異なる条件とした。その結果、実施例２においても、十分に厚いＡｌＮ膜を形成してもその剥離は発生しなかった。

一方、比較例１では、実施例１、２と同じ条件で膜厚３０ｎｍと薄いＡｌＮ膜を形成した。その結果、ＡｌＮ膜の剥離は発生しなかった。

また、比較例２、３では、比較例１と同じ条件でそれぞれ膜厚５０、２００ｎｍのＡｌＮ膜を形成した。その結果、比較例２、３のいずれもＡｌＮ膜の剥離が発生した。従って、比較例２、３のいずれも結果の項目を「×」としている。従って従来技術では、３０ｎｍ程度までしかＡｌＮ膜を成膜できないことが分かる。ＡｌＮ膜の好適な膜厚は、上述したように９５〜１５５ｎｍ程度であるので、比較例ではその膜厚は十分でない。これに対して本発明の端面構造を用いれば、２００ｎｍという好適な膜厚以上に厚い膜厚を膜剥がれなく成膜することができるため、製造ばらつきなどにたいしても問題は生じない。

（製造方法の別の一例）
つぎに、図１、２に示す半導体レーザ素子１００の製造方法の別の一例として、クリーニング工程を用いてＡｌ膜を形成する工程を含む製造方法について説明する。図１０は、図１、２に示す半導体レーザ素子１００の製造方法の別の一例の一部を示すフロー図である。この製造方法では、半導体レーザ素子の準備工程（ステップＳ２０１）と、下地膜であるＡｌ膜を形成するクリーニング工程（ステップＳ２０２）と、ステップＳ２０２において形成したＡｌ膜を窒化するＡｌ膜窒化工程（ステップＳ２０３）と、ステップＳ２０３において形成したＡｌＮ膜上にさらにＡｌＮ膜を形成するＡｌＮ膜形成工程（ステップＳ２０４）とを含む。

ステップＳ２０１、Ｓ２０３、Ｓ２０４の各工程については、図３に示す対応する各ステップＳ１０１、Ｓ１０３、Ｓ１０４の各工程と同様の工程とすることができる。以下、ステップＳ２０２のクリーニング工程について、図５を参照して説明する。

すなわち、ステップＳ２０２のクリーニング工程においては、はじめに、スパッタ装置２００の載置台２０２にステップＳ２０１で準備したバー状素子３００を、その端面Ｓ３を表側にして載置する。つぎに、真空チャンバ２０１のガス供給口２０１ａからアルゴンガス等の不活性ガス（クリーニング工程で用いられる不活性ガスは、通常、アルゴンガス、窒素ガス、またはこれらの混合ガス等である。）からなるガスＧ１を供給し、ガス排気口２０１ｂから排気しながら、マイクロ波電源２０５からマイクロ波Ｗ１を発生させるとともに磁場コイル２０６から磁場を発生させ、ガスＧ１からプラズマＰ１を生成させる。ここで、このクリーニング工程は、ターゲット２０３に電圧を印加しない状態で行うが、ターゲット２０３はプラズマＰ１によりわずかにスパッタリングされるため、アルミニウムの粒子がバー状素子３００の端面Ｓ３に到達し、下地膜であるＡｌ膜３０１を形成することができる。

したがって、この製造方法によれば、端面Ｓ３のクリーニングと下地膜としてのＡｌ膜形成とを１つの工程で行うので、工程の簡略化、工程時間の短縮化が可能となる。

（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２に係る半導体レーザ素子は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の窒化アルミニウムからなる誘電体膜上に、さらに酸化アルミニウムからなる誘電体膜を形成したものである。

図１１は、本実施の形態２に係る半導体レーザ素子の模式的な側断面図である。この半導体レーザ素子１００１は、図１、２に示す半導体レーザ素子１００において、多層膜９、１０をそれぞれ多層膜９１、１０１に置き換えた構造をしている。多層膜９１は、多層膜９が備えるものと同様の窒化下地膜９Ａおよび誘電体膜９Ｂに加え、誘電体膜９Ｂ上に形成された酸化アルミニウムからなる誘電体膜９Ｃとを備える。一方、多層膜１０１は、多層膜１０が備えるものと同様の窒化下地膜１０Ａ及び誘電体膜１０Ｂに加え、誘電体膜１０Ｂ上に形成された酸化アルミニウム、ａ−Ｓｉ、ＳｉＯ_２からなる誘電体膜１０Ｃとを備える。なお、誘電体膜９Ｂ、９Ｃ、１０Ｂ、１０Ｃの厚さについては、レーザ光Ｌに対して所望の反射率を実現するように、誘電体膜９Ｂ、９Ｃの合計の厚さ、誘電体膜１０Ｂ、１０Ｃの合計の厚さがそれぞれ調整されている。例えば、窒化下地膜９Ａ:５ｎｍ、誘電体膜９Ｂ:５ｎｍ、誘電体膜９Ｃ:１２０ｎｍなどとすることができる。また、図２の場合と同様に、端面Ｓ１側のみに本願発明の端面構造を採用してもよい。

この半導体レーザ素子１００１においては、窒化アルミニウムからなる誘電体膜９Ｂ、１０Ｂは、その表面がそれぞれ酸化アルミニウム膜９Ｃ、１０Ｃにより覆われているため、誘電体膜９Ｂ、１０Ｂが大気に晒されて経年劣化してしまうことが防止される。したがって、この半導体レーザ素子１００１は、素子の酸化がより確実かつ容易に防止されるとともに、より長期にわたってその光学特性および信頼性が維持されるものとなる。

（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態３に係る半導体レーザ素子は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の窒化アルミニウムからなる誘電体膜を酸化アルミニウムからなる膜に置き換えものである。

図１２は、本実施の形態３に係る半導体レーザ素子の模式的な側断面図である。この半導体レーザ素子１００２は、図１、２に示す半導体レーザ素子１００において、多層膜９、１０をそれぞれ多層膜９２、１０２に置き換えた構造をしている。多層膜９２は、多層膜９において、窒化アルミニウムからなる誘電体膜９Ｂを酸化アルミニウムからなる誘電体膜９Ｃに置き換えた構成を備える。一方、多層膜１０２は、多層膜１０において、窒化アルミニウムからなる誘電体膜１０Ｂを酸化アルミニウムからなる誘電体膜１０Ｃに置き換えた構成を備える。なお、誘電体膜９Ｃ、１０Ｃの厚さについては、レーザ光Ｌに対して所望の反射率を実現するようにそれぞれ調整されている。例えば、窒化下地膜９Ａ:５ｎｍ、誘電体膜９Ｃ:１３０ｎｍなどとすることができる。

この半導体レーザ素子１００２においては、端面Ｓ１、Ｓ２と誘電体膜９Ｃ、１０Ｃとの間にそれぞれ窒化下地膜９Ａ、１０Ａが介在している。また、酸化アルミニウム膜９Ｃ、１０Ｃによって、窒化下地膜９Ａ、１０Ａの経年劣化が防止される。したがって、この半導体レーザ素子１００２は、素子の酸化がより確実かつ容易に防止されるとともに、より長期にわたってその光学特性および信頼性が維持されるものとなる。

なお、上記実施の形態では、膜の構成材料としてアルミニウムを用いたが、アルミニウムに換えてケイ素（Ｓｉ）を用いてもよい。すなわち、上記実施の形態におけるアルミニウム、窒化アルミニウム、または酸化アルミニウムからなる膜は、それぞれケイ素、窒化ケイ素、または酸化ケイ素からなる膜に、適宜に置き換えることができる。また、これらのケイ素を含む膜は、上記のスパッタ装置２００において、ターゲット２０３をケイ素からなるターゲットに置き換えることで容易に形成できる。

また、上記実施の形態においては、積層構造が特開２００３−３３２６８０号公報に開示される積層構造の半導体レーザ素子を用いたが、積層構造については特に限定はされない。また、用いる半導体材料についても、ＧａＡｓ系のものに限定されず、ＩｎＰ系、ＧａＮ系などの他の半導体材料を用いた半導体レーザ素子についても適用できる。

また、上記実施の形態においては、膜の形成法としてＥＣＲスパッタ法を用いたが、他のスパッタ法、蒸着法などの薄膜形成方法を用いることができる。

実施の形態１に係る半導体レーザ素子の構造を模式的に示した断面図である。 図１に示す半導体レーザ素子をＸ−Ｘ線に沿って切断した側断面図である。 図１、２に示す半導体レーザ素子の製造方法の一例の一部を示すフロー図である。 ＥＣＲスパッタ法を行なうスパッタ装置の一例の模式図である。 クリーニング工程を説明する説明図である。 Ａｌ膜形成工程を説明する説明図である。 Ａｌ膜窒化工程を説明する説明図である。 ＡｌＮ膜形成工程を説明する説明図である。 各実施例、比較例における膜形成の条件を示す図である。 図１、２に示す半導体レーザ素子の製造方法の別の一例の一部を示すフロー図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ素子の模式的な側断面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ素子の模式的な側断面図である。

符号の説明

１ 基板
２Ａ 下部クラッド層
２Ｂ 上部クラッド層
３ コンタクト層
４Ａ ｎ型電極
４Ｂ ｐ型電極
５ 活性層
５Ａ₁、５Ａ₂ 井戸層
５Ｂ₀、５Ｂ₁、５Ｂ₂ 障壁層
６Ａ 下部キャリアブロッキング層
６Ｂ 上部キャリアブロッキング層
７Ａ 下部光閉じ込め層
７Ｂ 上部光閉じ込め層
８ 電流ブロッキング層
９、１０、９１、９２、１０１、１０２ 多層膜
９Ａ、１０Ａ 窒化下地膜
９Ｂ、９Ｃ、１０Ｂ、１０Ｃ 誘電体膜
１００、１００１、１００２ 半導体レーザ素子
２００ スパッタ装置
２０１ 真空チャンバ
２０１ａ ガス供給口
２０１ｂ ガス排気口
２０１ｃ 導波管
２０２ 載置台
２０３ ターゲット
２０４ ＲＦ電源
２０５ マイクロ波電源
２０６ 磁場コイル
３００ バー状素子
３０１ Ａｌ膜
３０２、３０３ ＡｌＮ膜
Ｄ 層構造
Ｇ１〜Ｇ４ ガス
Ｌ レーザ光
Ｐ１〜Ｐ４ プラズマ
ＰＡ１、ＰＡ２ 粒子
Ｓ１〜Ｓ３ 端面
Ｓ１０１〜Ｓ１０４、Ｓ２０１〜Ｓ２０４ ステップ
Ｗ１〜Ｗ４ マイクロ波

Claims (8)

1. 端面からレーザ光を出射する半導体レーザ素子を準備する準備工程と、
   前記半導体レーザ素子の前記端面上にアルミニウムまたはケイ素からなる下地膜を形成する下地膜形成工程と、
   前記下地膜に窒素プラズマを照射して窒化下地膜を形成する窒化工程と、
   前記窒化下地膜上に誘電体膜を形成する誘電体膜形成工程と、
   を含むことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
2. 前記下地膜形成工程において、３０ｎｍ以下の厚さに前記下地膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
3. 前記誘電体膜形成工程において、アルミニウムまたはケイ素の窒化物または酸化物からなる前記誘電体膜を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
4. 前記下地膜形成工程において、微量の窒素を混入させながら前記下地膜を形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子の製造方法。
5. 端面からレーザ光を出射する半導体レーザ素子であって、
   前記端面上に形成された誘電体膜と、
   前記端面と前記誘電体膜との間に介在し、アルミニウムまたはケイ素の窒化物からなり、窒素の組成比が前記誘電体膜側から前記端面側に向かって減少している窒化下地膜と、
   を備えたことを特徴とする半導体レーザ素子。
6. 前記窒化下地膜は、３０ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ素子。
7. 前記誘電体膜は、アルミニウムまたはケイ素の窒化物または酸化物からなることを特徴とする請求項５または６に記載の半導体レーザ素子。
8. 前記誘電体膜は、アルミニウムまたはケイ素の窒化物からなり、前記窒化下地膜の窒素のアルミニウムまたはケイ素に対する組成比は、該誘電体膜の窒素のアルミニウムまたはケイ素に対する組成比以下であることを特徴とする請求項５または６に記載の半導体レーザ素子。

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