(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光出力の最大値が異なる半導体レーザ共振器を、複数個備えた半導体レーザ素子であって、前記半導体レーザ共振器の各光出射端面には略同一の膜厚の反射膜が形成されてなり、光出力の最大値がより低出力のレーザの波長を７８０ｎｍ帯、光出力の最大値がより高出力のレーザの波長を６５０ｎｍ帯とするとき、前記光出射端面のうち、前面に形成される反射膜は、単層のアルミナ膜であり、その膜厚が４５０ｎｍ乃至４９０ｎｍであることを特徴とすることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
光出力の最大値が異なる半導体レーザ共振器を、複数個備えた半導体レーザ素子であって、前記半導体レーザ共振器の各光出射端面には略同一の膜厚の反射膜が形成されてなり、光出力の最大値がより低出力のレーザの波長を６５０ｎｍ帯、光出力の最大値がより高出力のレーザの波長を７８０ｎｍ帯とするとき、前記光出射端面のうち、前面に形成される反射膜は、単層のアルミナ膜であり、その膜厚が、３７０ｎｍ乃至４００ｎｍであることを特徴とすることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記光出射端面のうち前面に形成される反射膜は、光出力の最大値がより低出力のレーザの発振波長に対する反射率が３０％以上であり、かつ、光出力の最大値がより高出力のレーザの発振波長に対する反射率が１５％以下である請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記光出射端面のうち、後面に形成される反射膜は、その反射率が、より高出力のレーザの波長に対して９０％以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体レーザ素子の光出射面に形成される反射膜の形成に関し、さらに詳しくは１つのチップにおいて２つの波長の異なるレーザ光を出力し、さらに波長によって光出力の最大値が異なる半導体レーザ素子における良好な反射膜の形成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＤ−Ｒディスク再生可能なＤＶＤ−ＲＯＭ装置は、ＤＶＤ−ＲＯＭディスクの再生に使う６５０ｎm帯の半導体レーザパッケージに加えて、記録膜に波長依存性があり６５０ｎｍのレーザ光では再生不可能なＣＤ−Ｒディスクの再生のために７８０ｎｍ帯の半導体レーザパッケージも備えている。７８０ｎｍ帯の半導体レーザパッケージのみを備えたＣＤ−ＲＯＭ装置と異なり、この場合は２つの半導体レーザパッケージから出力されるレーザ光を光ディスクに照射する必要があり、そのためにプリズムなどの部品点数が多くなるという問題があった。
【０００３】
この問題を解決するために、６５０ｎｍ帯の半導体レーザと７８０ｎｍ帯のレーザの両方を１つのパッケージに納めた２波長レーザの開発が現在活発に行われている。２波長レーザを使用するとＤＶＤ−ＲＯＭ装置は２つの半導体レーザパッケージを用いることなく、１つの半導体レーザパッケージのみでＤＶＤ−ＲＯＭディスクとＣＤ−Ｒディスクを読み出す事が可能となり、プリズムなどの部品を削減する事ができる。
【０００４】
２波長レーザには二つの方式がある。一つは、２つの波長の異なる半導体レーザチップを横に並べて実装して１つのパッケージ品とする方式である。この方式ではレーザチップが機械的に実装されるため、発光点間隔のバラツキが大きくなりやすいという欠点がある。もう一方は、１つのレーザチップに２つの波長の異なる半導体レーザを作り込む方式である（以下、「１チップ２波長レーザ」と呼ぶ。）。この方式は発光点間隔のバラツキが半導体プロセスの加工誤差で決まるために非常に小さくなり、使用上問題の無いレベルとなる。
【０００５】
また２波長レーザにおいて、波長の異なるレーザのうち、一方が高出力までレーザ発振が可能であれば、次に述べるような利点がある。すなわち７８０ｎｍ帯のレーザが高出力まで発振可能であれば、ＣＤ−ＲまたはＣＤ−ＲＷディスクの書き込みが可能となる。また６５０ｎｍ帯のレーザが高出力まで発振可能であれば、ＤＶＤ−ＲまたはＤＶＤ−ＲＷディスクの書き込みが可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方の波長のレーザ光が高出力まで発振可能な２波長レーザにおいて、２つのチップを実装して１つのパッケージ品とする方式では、それぞれの波長に対応した膜種、膜厚、および層数の端面コーティング膜をそれぞれのチップに別々に形成した後にパッケージすれば良い。しかし１つのレーザチップに２つの波長の異なる半導体レーザを作り込む方式では、一方の波長の発光点と他方の波長の発光点の間隔が約５０μｍ以下と非常に短いために、発光点の場所で異なる膜種、膜厚、および層数の端面コーティング膜を形成する事はほぼ不可能である。
【０００７】
１チップ２波長レーザの場合で６５０ｎｍ帯レーザと７８０ｎｍ帯レーザの発振が可能な素子において、例として６５０ｎｍ帯レーザが高出力まで出力可能な場合での課題について述べる。６５０ｎｍ帯の出力が高出力まで発振させるためには、外部微分量子効率を上げるために光出射面の前面に６％程度の低反射率の膜を、後面に９０％程度の高反射率の膜をそれぞれ形成する必要がある。従来の技術の場合、前面に図１の領域３で示されるように屈折率がおよそ１．６６のアルミナ膜を約８０ｎｍの膜厚で形成していた。１チップ２波長レーザの場合、前記アルミナ膜が７８０ｎｍレーザの発光点においても形成される事になり、７８０ｎｍのレーザ光に対する反射率は１１％程度となる。７８０ｎｍ帯レーザは１０ｍＷまでの低出力で発振させるので、３０％以下の低反射率の膜が形成されるとレーザ発振のしきい電流値が大きくなってしまうという問題があった。
【０００８】
次に別の例として７８０ｎｍ帯レーザが高出力まで出力可能な場合での課題について述べる。７８０ｎｍ帯の出力が高出力まで発振させるためには、外部微分量子効率を上げるために光出射面の前面に１２％程度の低反射率の膜を、後面に９０％程度の高反射率の膜をそれぞれ形成する必要がある。従来の技術の場合、前面に図１の領域４で示されるように屈折率がおよそ１．６６のアルミナ膜を約１５６ｎｍの膜厚で形成していた。１チップ２波長レーザの場合、前記アルミナ膜が６５０ｎｍレーザの発光点においても形成される事になり、６５０ｎｍのレーザ光に対する反射率は２６％程度となる。６５０ｎｍ帯レーザは１０ｍＷまでの低出力で発振させるので、３０％以下の低反射率の膜が形成されるとレーザ発振のしきい電流値が大きくなってしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は上述する問題を解決するためになされたもので、少なくとも２波長のレーザを１チップ化する際、それぞれの波長によって発振する光出力の最大値が異なる場合であっても、即ち、一方のレーザ発振が良好に発振する状況下においても、他方のレーザ発振の素子特性の悪化を引き起こすことがない、半導体レーザ素子の構造を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体レーザ素子は、一つの基板上に、異なる発振波長の半導体レーザ共振器を、複数個並置してなる半導体レーザ素子であって、
前記半導体レーザ共振器の各光出射端面には略同一の膜厚の反射膜が形成されてなることによって、上記の目的を達成する。
【００１１】
このように、異なる発振波長の半導体レーザ共振器であっても、そのレーザ光出射端面の反射膜の膜厚を略同一にすることによって、単一のプロセスで、異なる波長の半導体レーザ共振器に反射膜を形成することが可能になる。
【００１２】
この発明に係る半導体レーザ素子は、光出力の最大値が異なる半導体レーザ共振器を、複数個備えた半導体レーザ素子であって、
前記半導体レーザ共振器の各光出射端面には略同一の膜厚の反射膜が形成されてなることによって、上記の目的を達成する。
【００１３】
このように、光出力の最大値が異なる（即ち、より高出力なレーザは書き込み、読み出し可能であり、より低出力なレーザは読み出し専用となる）半導体レーザ共振器であってもそのレーザ光出射端面の反射膜の膜厚を略同一にすることによって、単一のプロセスで、光出力の最大値が異なる半導体レーザ共振器に反射膜を形成することが可能になる。
【００１４】
この発明に係る半導体レーザ素子は、前記光出射端面のうち前面に形成される反射膜が、光出力の最大値がより低出力のレーザの発振波長に対する反射率が３０％以上であり、かつ、光出力の最大値がより高出力のレーザの発振波長に対する反射率が１５％以下であることによって、上記の目的を達成する。
【００１５】
ここで、より低出力とは、最大光出力が３〜10ｍＷの範囲にある半導体レーザを指し、より高出力とは、最大光出力が１０ｍＷを越えるような半導体レーザを指す。
【００１６】
本願発明においては、光出射端面の膜厚を単一にして、素子作成の利便を図ることが主な目的であるが、そのために、まず、高出力でも低出力でも用いるより高出力のレーザが良好に発振するよう、光出射面の反射膜の膜厚を設定し、その膜厚が、同時に、低出力でしか用いないより低出力のレーザの発振閾値が上昇しない値に設定することに特徴がある。
【００１７】
書き込みにも用いる、より高出力な半導体レーザを、複数個ある半導体レーザ共振器のどの波長域のものに求めるかは、ユーザの自由であるが、例えば、CD-R、CD-RWに対応した発振波長780ｎｍ帯の半導体レーザと、DVD-R、DVD-RWに対応した発振波長650ｎｍ帯の半導体レーザとでは、650ｎｍ帯の半導体レーザを、より高出力な半導体レーザとする方が、メリットが多く、１チップ2波長レーザとしては、好ましい。
【００１８】
この発明に係る半導体レーザ素子は、前記反射膜が、単層のアルミナ膜であることによって、上記の目的を達成する。
【００１９】
即ち、レーザ共振器の光出射端面に形成する反射膜は、複数の層であっても、単層であっても構わないが、本願においては、単層であり、且つアルミナ膜であることにより、複数の層よりも作成が容易であり、また、半導体レーザチップの屈折率の平方根に近いので低い反射率が得られることとなり、より好ましい。
【００２０】
この発明に係る半導体レーザ素子は、前記より低出力のレーザの波長を７８０ｎｍ帯、前記より高出力のレーザの波長を６５０ｎｍ帯とするとき、前記光出射端面のうち、前面に形成される反射膜は、その膜厚が４５０ｎｍ乃至４９０ｎｍであることによって、上記の目的を達成する。
【００２１】
ここで、７８０ｎｍ帯とは、より詳しくは７７０〜７９０ｎｍの範囲に収まるレーザの波長域を指し、６５０ｎｍ帯とは、より詳しくは６３５〜６６０ｎｍの範囲に収まるレーザの波長域を指す。
【００２２】
この発明に係る半導体レーザ素子は、前記より低出力のレーザの波長を６５０ｎｍ帯、前記より高出力のレーザの波長を７８０ｎｍ帯とするとき、前記光出射端面のうち、前面に形成される反射膜は、その膜厚が、３７０ｎｍ乃至４００ｎｍであることによって、上記の目的を達成する。
【００２３】
この発明に係る半導体レーザ素子は、前記光出射端面のうち、後面に形成される反射膜は、その反射率が、より高出力のレーザの波長に対して９０％以上であることによって、上記の目的を達成する。
【００２４】
このように、後面の反射率をより高出力のレーザの波長に対して９０％以上と設定することにより、前面からの光出力を大きくすることができるので、低い駆動電流で高い出力が得られることとなり、より好ましい。
【００２５】
最初に６５０ｎｍ帯レーザが高出力まで出力可能な場合での解決手段について述べる。レーザチップの前面に図１の領域１で示されるように、屈折率がおよそ１．６６のアルミナ膜を約４７０ｎｍの膜厚で、さらに詳しくは４５０〜４９０ｎｍの膜厚で形成する。またレーザチップの後面に、第１層膜としてλ／４ｎの厚さのアルミナ膜を、第２層膜としてλ／４ｎの厚さのシリコン膜を、第３層膜として光学膜厚λ／４ｎの厚さのアルミナ膜を、第４層膜としてλ／４ｎの厚さのシリコン膜を、第５層膜としてλ／２ｎの厚さのアルミナ膜を形成する（ここでλは高出力まで出力可能な波長、すなわち６５０ｎｍを、ｎはアルミナあるいはシリコンの屈折率を表す）。
【００２６】
次に７８０ｎｍ帯レーザが高出力まで出力可能な場合での解決手段について述べる。レーザチップの前面に図１の領域２で示されるように屈折率がおよそ１．６６のアルミナ膜を約３９０ｎｍの膜厚で、さらに詳しくは３７０〜４００ｎｍの膜厚で形成する。またレーザチップの後面に、第１層膜としてλ／４ｎの厚さのアルミナ膜を、第２層膜としてλ／４ｎの厚さのシリコン膜を、第３層膜として光学膜厚λ／４ｎの厚さのアルミナ膜を、第４層膜としてλ／４ｎの厚さのシリコン膜を、第５層膜としてλ／２ｎの厚さのアルミナ膜を形成する（ここでλは高出力まで出力可能な波長、すなわち７８０ｎｍを、ｎはアルミナあるいはシリコンの屈折率を表す）。
【００２７】
次に本発明の作用を説明する。
【００２８】
最初に６５０ｎｍ帯レーザが高出力まで出力可能な場合での作用について述べる。レーザチップの前面に屈折率がおよそ１．６６のアルミナ膜を約４７０ｎｍの厚さで形成すると、図１の領域１で示されるように６５０ｎｍの光に対する反射率はおよそ７％程度に、７８０ｎｍの光に対する反射率はおよそ３２％程度となる。またレーザチップの後面に、第１層膜としてλ／４ｎの厚さのアルミナ膜を、第２層膜としてλ／４ｎの厚さのシリコン膜を、第３層膜として光学膜厚λ／４ｎの厚さのアルミナ膜を、第４層膜としてλ／４ｎの厚さのシリコン膜を、第５層膜としてλ／２ｎの厚さのアルミナ膜を形成する（ここでλは高出力まで出力可能な波長、すなわち６５０ｎｍを、ｎはアルミナあるいはシリコンの屈折率を表す）と、６５０ｎｍの光に対する反射率はおよそ９７％程度に、７８０ｎｍの光に対する反射率はおよそ９３％程度となる。
【００２９】
屈折率がおよそ１．６６のアルミナ膜を約８０ｎｍの膜厚でレーザチップの前面に形成して、７８０ｎｍの光に対する反射率が１１％程度となっていた、図１の領域３で示されるような従来の場合と異なり、本発明においては７８０ｎｍの光に対して３２％の反射率が達成されている事により、７８０ｎｍのレーザ発振を行うためのしきい電流値は７８０ｎｍ単体の半導体レーザと同等の値となる。
【００３０】
次に７８０ｎｍ帯レーザが高出力まで出力可能な場合での作用について述べる。レーザチップの前面に図１の領域２で示されるように屈折率がおよそ１．６６のアルミナ膜を約３９０ｎｍの厚さで形成すると、７８０ｎｍの光に対する反射率はおよそ１１％程度に、６５０ｎｍの光に対する反射率はおよそ３４％程度となる。またレーザチップの後面に、第１層膜としてλ／４ｎの厚さのアルミナ膜を、第２層膜としてλ／４ｎの厚さのシリコン膜を、第３層膜として光学膜厚λ／４ｎの厚さのアルミナ膜を、第４層膜としてλ／４ｎの厚さのシリコン膜を、第５層膜としてλ／２ｎの厚さのアルミナ膜を形成する（ここでλは高出力まで出力可能な波長、すなわち７８０ｎｍを、ｎはアルミナあるいはシリコンの屈折率を表す）と、７８０ｎｍの光に対する反射率はおよそ９７％程度に、６５０ｎｍの光に対する反射率はおよそ９１％程度となる。
【００３１】
屈折率がおよそ１．６６のアルミナ膜を約１５６ｎｍの膜厚でレーザチップの前面に形成して、６５０ｎｍの光に対する反射率が２６％程度となっていた、図１の領域４で示されるような従来の場合と異なり、本発明においては６５０ｎｍの光に対して３４％の反射率が達成されている事により、６５０ｎｍのレーザ発振を行うためのしきい電流値は６５０ｎｍ単体の半導体レーザと同等の値となる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
(実施の形態１)
発振波長の異なる半導体レーザを同一基板上に作るために、最初ＧａＡｓ基板上にＭＯＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法により７８０帯半導体レーザ向け結晶であるＡｌXＧａ1-XＡｓ結晶を成長させる。図２に示すようにＧａＡｓ基板５上にｎ型ＡｌXＧａ1-XＡｓ層６、ＡｌXＧａ1-XＡｓ多重量子井戸層７、ｐ型ＡｌXＧａ1-XＡｓ層８を成長させる。次に図３に示すように６５０帯半導体レーザの形成領域を確保するためにＡｌXＧａ1-XＡｓ層の一部のエッチングを行う。次にＭＯＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法により６５０帯半導体レーザ向け結晶である（ＡｌYＧａ1-Y）XＩｎ1-XＰ結晶を成長させる。
【００３３】
図４に示すようにＡｌXＧａ1-XＡｓ層のエッチングが終わったＧａＡｓ基板上にｎ型（ＡｌYＧａ1-Y）XＩｎ1-XＰ層９、（ＡｌYＧａ1-Y）XＩｎ1-XＰ多重量子井戸層１０、ｐ型（ＡｌYＧａ1-Y）XＩｎ1-XＰ層１１を成長させる。このとき（ＡｌYＧａ1-Y）XＩｎ1-XＰ結晶はエッチングされた領域以外に７８０帯半導体レーザ向け結晶であるＡｌXＧａ1-XＡｓ結晶上にも形成される。次に図５に示すようにこのＡｌXＧａ1-XＡｓ結晶上に形成された不要な（ＡｌYＧａ1-Y）XＩｎ1-XＰ結晶を取り除くためと、７８０ｎｍ帯半導体レーザ部分と６５０ｎｍ帯半導体レーザ部分の分離を行うために（ＡｌYＧａ1-Y）XＩｎ1-XＰ結晶のエッチングを行う。次に図６に示すように７８０ｎｍ帯半導体レーザと６５０ｎｍ帯半導体レーザの光導波路の形成と、電極１２の形成を行う。
【００３４】
次に光導波路と垂直な方向にＧａＡｓ基板を分割して複数のレーザバーを切り出す。複数個のレーザバーの光出射面が同一平面上に並ぶようにした後、電子ビーム蒸着法あるいはスパッタ法などにより光出射面への成膜を行う。
【００３５】
最初に６５０ｎｍ帯レーザが高出力まで出力可能な場合について述べる。レーザバーの光出射面の前面に屈折率がおよそ１．６６のアルミナ膜を約４７０ｎｍの厚さで形成する。またレーザバーの光出射面の後面に、第１層膜としてλ／４ｎの厚さのアルミナ膜を、第２層膜としてλ／４ｎの厚さのシリコン膜を、第３層膜として光学膜厚λ／４ｎの厚さのアルミナ膜を、第４層膜としてλ／４ｎの厚さのシリコン膜を、第５層膜としてλ／２ｎの厚さのアルミナ膜を形成する（ここでλは高出力まで出力可能な波長、すなわち６５０ｎｍを、ｎはアルミナあるいはシリコンの屈折率を表す）。
【００３６】
このことにより図１の領域１で示されるように、レーザバーの前面においては６５０ｎｍの光に対する反射率はおよそ７％程度に、７８０ｎｍの光に対する反射率はおよそ３２％程度となる。またレーザバーの後面においては６５０ｎｍの光に対する反射率はおよそ９７％程度に、７８０ｎｍの光に対する反射率はおよそ９３％程度となる。
【００３７】
次に７８０ｎｍ帯レーザが高出力まで出力可能な場合について述べる。レーザバーの光出射面の前面に屈折率がおよそ１．６６のアルミナ膜を約３９０ｎｍの厚さで形成する。またレーザバーの光出射面の後面に、第１層膜としてλ／４ｎの厚さのアルミナ膜を、第２層膜としてλ／４ｎの厚さのシリコン膜を、第３層膜として光学膜厚λ／４ｎの厚さのアルミナ膜を、第４層膜としてλ／４ｎの厚さのシリコン膜を、第５層膜としてλ／２ｎの厚さのアルミナ膜を形成する（ここでλは高出力まで出力可能な波長、すなわち７８０ｎｍを、ｎはアルミナあるいはシリコンの屈折率を表す）。
【００３８】
このことにより図１の領域２で示されるように、レーザバーの前面においては７８０ｎｍの光に対する反射率はおよそ１１％程度に、６５０ｎｍの光に対する反射率はおよそ３４％程度となる。またレーザバーの後面においては７８０ｎｍの光に対する反射率はおよそ９７％程度に、６５０ｎｍの光に対する反射率はおよそ９１％程度となる。
【００３９】
このようにして形成したレーザバーを光導波路と平行に、６５０ｎｍ帯半導体レーザと７８０ｎｍ帯半導体レーザを各１個ずつ含むように分割して、図７に示すようにチップ化した後に、パッケージを行う。このようにして波長により発振する光出力の最大値が異なる、１チップ２波長レーザである半導体レーザ素子を作成する。
【００４０】
アルミナ以外に酸化チタン、酸化シリコン等を用いても良い（アルミナの屈折率が半導体レーザチップの屈折率の平方根に最も近い）。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、波長によって発振する光出力の最大値が異なる１チップ２波長レーザにおいて、高出力レーザにおける前面の反射率を１５％以下でなおかつ低出力レーザにおける前面の反射率を３０％以上に、また高出力レーザにおける後面の反射率を９０％以上でなおかつ低出力レーザにおける後面の反射率をおよそ９０％とすることができる。
【００４２】
従って高出力レーザが良好に発振する状況下においても、低出力レーザの発振しきい電流値が増大するなどの素子特性の悪化を引き起こすような事が無い。
【図面の簡単な説明】
【図１】アルミナの膜厚と反射率の関係を示す図である。実線が６５０ｎｍのレーザ光に対する反射率を、破線が７８０ｎｍのレーザ光に対する反射率を示す。
【図２】１チップ２波長レーザにおいて７８０ｎｍ帯半導体レーザ向け結晶を成長した時点の断面図である。
【図３】１チップ２波長レーザにおいて７８０ｎｍ帯半導体レーザ向け結晶の一部をエッチングした時点の断面図である。
【図４】１チップ２波長レーザにおいて６５０ｎｍ帯半導体レーザ向け結晶を成長した時点の断面図である。
【図５】１チップ２波長レーザにおいて６５０ｎｍ帯半導体レーザ向け結晶の不要部分をエッチングした時点の断面図である。
【図６】１チップ２波長レーザにおいて光導波路と電極を形成した時点の断面図である。
【図７】本実施例における、１チップ２波長レーザの斜視図である。
【符号の説明】
１  ６５０ｎｍ帯レーザが高出力まで出力可能な１チップ２波長レーザにおける本発明でのアルミナ膜厚の領域
２  ７８０ｎｍ帯レーザが高出力まで出力可能な１チップ２波長レーザにおける本発明でのアルミナ膜厚の領域
３  ６５０ｎｍ帯レーザが高出力まで出力可能な１チップ２波長レーザにおける従来技術でのアルミナ膜厚の領域
４  ７８０ｎｍ帯レーザが高出力まで出力可能な１チップ２波長レーザにおける従来技術でのアルミナ膜厚の領域
５  ＧａＡｓ基板
６  ｎ型ＡｌXＧａ1-XＡｓ層
７  ＡｌXＧａ1-XＡｓ多重量子井戸層
８  ｐ型ＡｌXＧａ1-XＡｓ層
９  ｎ型（ＡｌYＧａ1-Y）XＩｎ1-XＰ層
１０  （ＡｌYＧａ1-Y）XＩｎ1-XＰ多重量子井戸層
１１  ｐ型（ＡｌYＧａ1-Y）XＩｎ1-XＰ層
１２  電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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