(57)【要約】【課題】半導体結晶成長技術以外の技術によって寿命の改善された半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】反射率を調整するためのコート膜（３１）が半導体の光出射部に形成されている半導体レーザ素子（１０）において、そのコート膜（３１）の厚さをｄで表し、発振波長λにおけるコート膜の屈折率をｎで表し、そして厚さｄと屈折率ｎに依存する光出射部における反射率をＲ（ｄ、ｎ）で表す場合に、厚さｄがＲ（ｄ、ｎ）＞Ｒ（ｄ、ｎ＋０．０１）およびｄ＞λ／ｎの関係を満たすように設定されていることを特徴としている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射率を調整するためのコート膜が半導体の光出射部に形成されている半導体レーザ素子であって、
前記コート膜の厚さをｄで表し、発振波長λにおける前記コート膜の屈折率をｎで表し、そして前記厚さｄと前記屈折率ｎに依存する前記光出射部における反射率をＲ（ｄ、ｎ）で表す場合に、
前記厚さｄがＲ（ｄ、ｎ）＞Ｒ（ｄ、ｎ＋０．０１）およびｄ＞λ／ｎの関係を満たすように設定されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記コート膜が酸化物、窒化物、および酸窒化物のいずれかであ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。
【請求項３】
前記コート膜がＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、およびＡｌＯxＮyのいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記コート膜と前記半導体との間に、付加的なＡｌＯxＮy層が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記半導体レーザ素子が窒化物半導体を利用して形成されており、前記発振波長λが３９０ｎｍ〜４７０ｎｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１から４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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザ素子に関し、特に長期間の駆動中の電流値上昇を抑制することができる半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子は、ＣＤ（コンパクトディスク）、ＤＶＤ（ディジタル汎用ディスク）、またはブルーレイディスクなどの光学記憶メディアの信号の読取り用および／または書込み用の光源として利用される。半導体レーザ素子において要求される信頼性として、光出力を一定にしたときの駆動電流値の上昇分から導出される素子寿命が考慮される。
【０００３】
近年に製品化されたばかりの窒化物を用いた青紫色半導体レーザ素子においては、従来のＣＤ用やＤＶＤ用の赤外光や赤色光の半導体レーザ素子に比べてその寿命が短く、今後その寿命をより長くしていく必要がある。また、赤外光や赤色光の半導体レーザ素子においても、その高出力化に伴ってさらなる寿命の改善が望まれている。
【特許文献１】特開２００２−２３７６５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体レーザ素子の寿命を改善するためには、一般に半導体結晶の欠陥を低減させる必要があり、これまでにも結晶成長技術の進歩によって素子寿命が改善されてきた（例えば、特許文献１の特開２００２−２３７６５９号公報など参照）。
【０００５】
しかし、結晶成長技術の進歩は飽和しつつあり、結晶欠陥の低減による素子寿命の改善はもはや期待できなくなっているのが現状である。
【０００６】
そこで、本発明は、結晶成長技術以外の技術によって寿命の改善された半導体レーザ素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、反射率を調整するためのコート膜が半導体の光出射部に形成されている半導体レーザ素子において、そのコート膜の厚さをｄで表し、発振波長λにおけるコート膜の屈折率をｎで表し、そして厚さｄと屈折率ｎに依存する光出射部における反射率をＲ（ｄ、ｎ）で表す場合に、その厚さｄがＲ（ｄ、ｎ）＞Ｒ（ｄ、ｎ＋０．０１）およびｄ＞λ／ｎの関係を満たすように設定されていることを特徴としている。
【０００８】
なお、コート膜は、酸化物、窒化物、および酸窒化物のいずれかで形成することができる。より具体的には、コート膜は、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、およびＡｌＯxＮyのいずれかで形成することができる。また、コート膜と半導体との間に、付加的なＡｌＯxＮy層が形成されてもよい。半導体レーザ素子は窒化物半導体を利用して形成することができ、発振波長λを３９０ｎｍ〜４７０ｎｍの範囲内に設定することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光出射部におけるコート膜の厚さを調整することによって、半導体レーザ素子の駆動中の電流値上昇を抑制することができ、すなわち半導体レーザ素子の寿命を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明者らは、発振波長４０５ｎｍの窒化物半導体レーザ素子を駆動している場合に、その半導体レーザ素子の光出射側の共振器端面に形成したコート膜が経時的に変質することをＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察によって認知した。このようなコート膜の変質は、恐らくレーザ光による光化学反応または熱による変化によって生じたのであろうと考えられた。
【００１１】
そこで、本発明者らは、コート膜が変質するということはその材料の屈折率が変わる可能性があると考えた。そして、本発明者らは、コート膜を適当な厚さに設定すれば共振器端面の反射率が経時的に下がり、それによってＳＥが上昇して、レーザ素子の駆動電流の上昇を抑制できるのではないかと考えた。なお、ＳＥとはスロープ効率の略記であって、レーザ素子の注入電流の増加分に対する発光強度の増加割合を意味する。すなわち、横軸を電流Ｉで表して縦軸を光出力Ｌで表したグラフにおけるＩ−Ｌ特性曲線の傾きに相当する。
【００１２】
上述のような本発明者らの知見と考え方が正しいかを確認するために、光出射側の端面コートの膜厚のみが異なる複数の窒化物半導体レーザ素子（サンプル（１）とサンプル（２））をエージング試験に掛けた。そのエージング試験の条件は、パルス駆動（幅３０ｎｓ、デューティ５０％）であって、光出力２１０ｍＷの定出力駆動であった。また、光出射側の端面コート膜の材料はＡｌ2Ｏ3であって、発振波長４０５ｎｍにおけるそのコート膜の初期屈折率は１．６８０であった。さらに、光出射側の端面コート膜の厚さはサンプル（１）において８０．３ｎｍであって、サンプル（２）において２８１．３ｎｍであり、それらのコート膜の反射率はいずれのサンプルにおいても５．６％であった。
【００１３】
図３のグラフはエージング試験中のＳＥの推移を示しており、すなわちその横軸はエージング時間（ｈｏｕｒ）を表し、縦軸はＳＥ（ｍＷ／ｍＡ）を表している。このグラフにおいて、サンプル（１）では徐々にＳＥが低下しているのに対して、サンプル（２）では徐々にＳＥが上昇している。ここで、いずれのサンプルにおいても閾値電流はほぼ同じ程度に上昇したので、ＳＥの変化は半導体の活性層中における変化ではなくて、主に端面コート膜の変質によるものと考えられる。
【００１４】
図４は、上述のようなエージング試験において光出射側の端面コート膜として用いられたＡｌ2Ｏ3膜の厚さと反射率との関係を示すグラフである。すなわち、このグラフの横軸は膜厚（ｎｍ）を表し、縦軸は反射率（％）を表している。また、グラフ中の太線の実線は屈折率ｎ＝１．６８のＡｌ2Ｏ3膜を表し、細線の実線は屈折率ｎ＝１．７５のＡｌ2Ｏ3膜を表している。
【００１５】
図４のグラフによれば、Ａｌ2Ｏ3膜の厚さまたは屈折率が変化すれば反射率が変化することが分かり、ＳＥもそれに伴って変化することになる。エージング試験中にＡｌ2Ｏ3膜の厚さが増減することは考えられないので、図３におけるＳＥの変化すなわち反射率の変化は屈折率の変化によるものと考えられる。そのように考えて、エージング中にＡｌ2Ｏ3膜の屈折率が上昇したと仮定すれば、図４から分かるようにサンプル（１）の膜厚８０．３ｎｍでは反射率が上昇して、サンプル（２）の膜厚２８１．３ｎｍでは逆に反射率が低下することになり、図３におけるＳＥの変化を説明することができる。
【００１６】
ここで、屈折率が上昇する理由は明らかではないが、前述したようにエージング試験後の端面コート膜をＴＥＭ観察で調べれば試験前に比べて変質していることから、エージング試験による端面コート膜の屈折率の上昇は決して起こり得ないことではないと考えられる。
【００１７】
図５は、エージング試験中におけるレーザ素子の駆動電流の推移を示すグラフである。すなわち、このグラフの横軸はエージング時間（ｈｏｕｒ）を表し、縦軸は駆動電流（ｍＡ）を表している。また、グラフ中の細線の曲線はサンプル（１）を表し、太線の曲線はサンプル（２）を表している。
【００１８】
図５のグラフにおいて、サンプル（１）に比べてサンプル（２）における駆動電流の上昇が小さいことが分かる。ここで、初期の駆動電流値が１．３倍になる予想時間（予想寿命）が、エージング時間の１０時間から１００時間までの駆動電流の変化割合を用いて求められた。その結果、サンプル（１）の予想寿命が１３６２ｈであるのに対して、サンプル（２）の予想寿命が４３３４ｈであって、サンプル（１）に比べて３．１８倍に高くなった。これは、前述のような光出射側コート膜の反射率の変化によるＳＥの変化に起因していると考えられる。
【００１９】
すなわち、光出射側コート膜の反射率が下がればレーザ素子の閾値電流値が上昇するが、光出力が高くなるにつれて駆動電流値は閾値電流値よりもＳＥに大きく影響を受けるので、図５中のサンプル（２）の場合のように駆動電流の上昇が抑えられて寿命が改善されるという結果が得られたと推定される。
【００２０】
このことを検証するために、以下の計算が行われた。すなわち、内部損失αｉ＝１５ｃｍ-1（共振器の単位長当りの導波ロス）と内部量子効率ηｉ＝０．８１とを仮定し、サンプル（１）と（２）の実測値であるエージング試験前の前面反射率５．６％と後面反射率９５．０％、共振器長Ｌ＝６００μｍ、および発振波長λ＝４０５ｎｍを用いてＳＥを計算したところ、そのＳＥ値が１．５２となって図３の実測値によく適合する。
【００２１】
図３において１００時間のエージング後にはサンプル（１）でＳＥが約１．４９となって、サンプル（２）でＳＥが約１．５６になっていることから、エージング後の前面反射率はサンプル（１）において６．３％であって、サンプル（２）において４．５％になっていると考えられる。Ａｌ2Ｏ3の端面コート膜の初期屈折率ｎ＝１．６８０（実測値）を用いれば、エージング試験前の前面反射率５．６％から、膜厚ｄがサンプル（１）において８０．３ｎｍであると求まり、サンプル（２）において２８１．３ｎｍであると求まる。これらの膜厚値はエージング後も保たれると想定されるので、１００時間のエージング後の屈折率ｎはサンプル（１）において１．７０５であると求まり、サンプル（２）において１．７１０であると求まる。
【００２２】
次に、これらの値を用いてレーザ素子の閾値電流値の変化を求めてみる。ゲインパラメータ１５ｃｍ／ｋＡを仮定して、レーザ素子のリッジストライプ幅Ｗ＝１．５μｍ（実測値）を用いれば、閾値電流値の変化△Ｉｔｈはサンプル（１）において−０．５９ｍＡとなって、サンプル（２）において＋１．０９ｍＡとなる。これにＳＥが変化した影響を合わせれば、光出力２１０ｍＷでの駆動電流値の変化△Ｉｏｐは、結局サンプル（１）において＋１．７３ｍＡとなって、サンプル（２）において−２．７５ｍＡとなる。
【００２３】
図５から分かる実際の△Ｉｏｐはサンプル（１）において＋３．６１ｍＡとなって、サンプル（２）において＋１．１８ｍＡとなっていて計算値とは異なっているが、これは実際のサンプルではエージング試験によって活性層が劣化していることを計算では考慮していないためであると考えられる。しかし、サンプル（１）に比べてサンプル（２）において△Ｉｏｐが小さいという傾向は一致しており、光出射側の端面コート膜の屈折率がエージング中に上昇することを考慮してその膜厚を適切に選択することによって素子寿命が改善され得ることを説明することができる。
【００２４】
次に、本発明による半導体レーザ素子おいて望まれる光出射側のコート膜の厚さについて説明する。そのコート膜の厚さがｄであって発振波長λにおけるその屈折率がｎであるときに光出射部の反射率がＲ（ｄ，ｎ）で表されるとすれば、Ｒ（ｄ，ｎ）＞Ｒ（ｄ，ｎ＋α）を満たす場合にエージング中にＳＥが上昇して素子寿命が向上する。ここで、αは屈折率の上昇分を表す。前述のエージング試験では、αはサンプル（１）において０．０２５であって、サンプル（２）において０．０３０であり、その際に寿命の向上が確認されている。実際には光出射側のコート膜の屈折率が上昇したときにその反射率が上がりさえすれば半導体レーザ素子のＳＥが高くなるので、α＝０．０１として、Ｒ（ｄ、ｎ）＞Ｒ（ｄ、ｎ＋０．０１）の条件をｄが満たせばよいことになる。
【００２５】
しかし、図４から分かる通り、膜厚ｄが小さい値の時には、屈折率が上昇したときの反射率の減少分が小さいので、十分な素子寿命の改善が期待できない。したがって、ｄを大きく設定することが望まれる。具体的には、ｄ＞λ／ｎであれば反射率の変化分が大きくなって、十分な素子寿命の改善を達成することができる。以上から、本発明においては、光出射側のコート膜の厚さｄがＲ（ｄ、ｎ）＞Ｒ（ｄ、ｎ＋０．０１）およびｄ＞λ／ｎの条件を満たすことが求められる。
【００２６】
光出射側のコート膜の材料についは、酸化物、窒化物、および酸窒化物のいずれであってもよい。より具体的には、上述の説明ではＡｌ2Ｏ3コート膜において屈折率の上昇が起こることを述べたが、Ａｌ2Ｏ3以外にもＳｉＯ2やＡｌＯＮでも同様の現象が生じることが実験的に確認できている。さらに、光出射部の半導体とＡｌ2Ｏ3コート膜との間にＡｌＯxＮy層を挿入した場合にも同様な現象が起こり、素子寿命の向上を達成することができる。すなわち、光出射側のコート膜と半導体の間にＡｌＯxＮy層が形成されていても、本発明の効果を得ることができる。本発明は、レーザ素子の駆動中に光出射側コート膜の屈折率が変化することを利用するものであるので、この現象が起こる限りにおいて、基本的にはコート膜の材料や膜構造に制限されるものではない。
【００２７】
発光波長に関しては、最短で３９０ｎｍから最長で４７０ｎｍまで波長範囲内の窒化物半導体レーザ素子において本発明の効果を確認することができた。すなわち、本発明は、レーザ駆動中に光出射側コート膜の屈折率が変化することを利用するものであるので、この現象が起こる限りにおいて、基本的には発振波長に関して制限されるものではなく、赤外、赤色、紫外などの波長域の半導体レーザ素子でも適用可能である。
【００２８】
以下、本発明の一実施形態についてより具体的に説明する。なお、本願の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表す。ただし、本願の図面において、長さや厚さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。
【００２９】
図１は、本発明の一実施形態による半導体レーザ素子を模式的な断面図で示している。この半導体レーザ素子１０においては、ｎ型ＧａＮからなる半導体基板１１上に、ｎ型ＧａＮからなる厚さ０．２μｍのバッファ層２１、ｎ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる厚さ２．３μｍのｎ型クラッド層２２、ｎ型ＧａＮからなる厚さ０．０２μｍのｎ型ガイド層２３、厚さ５．５ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層と厚さ８ｎｍのＧａＮ障壁層とからなる多重量子井戸活性層２４、ＧａＮからなる厚さ７０ｎｍの保護層２５、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなる厚さ２０ｎｍのｐ型電流ブロック層２６、ｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる厚さ０．５μｍのｐ型クラッド層２７、およびｐ型ＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｐ型コンタクト層２８がこの順序で積層されている。
【００３０】
なお、これらの化合物半導体層の厚さや混晶比は適宜に調節され得るものであり、本発明の本質とは関係がない。また、窒化物半導体レーザ素子１０から発振されるレーザ光の波長は多重量子井戸活性層２４の混晶比によって、例えば３７０ｎｍ〜４７０ｎｍの範囲で適宜に調節することができる。本実施形態においては、４０５ｎｍの波長のレーザ光が発振するように調節される。また、多重量子井戸活性層２４には、ＡｓまたはＰなどの５族元素の少なくとも１種が０．０１原子％以上１０原子％以下の割合で含まれていてもよい。
【００３１】
半導体レーザ素子１０では、ｐ型クラッド層２７とｐ型コンタクト層２８が加工されて、ストライプ状のリッジストライプ部１３が共振器長方向に延びるように形成されている。ここで、リッジストライプ部１３のストライプ幅は例えば１．２〜２．４μｍ程度であり、代表的には１．５μｍ程度である。また、ストライプ幅が数十μｍの照明用途のブロードエリア型半導体レーザ素子などにも本発明を適用することができる。ｐ型コンタクト層２８の上面にはＭｏ層とＡｕ層の積層体からなるｐ電極１４が設けられている。リッジストライプ部１３の両側でｐ電極１４下には、ＳｉＯ2層とＴｉＯ2層の積層体からなる絶縁膜１２が設けられている。また、半導体基板１１の下面には、Ｈｆ層とＡｌ層の積層体からなるｎ電極１５が形成されている。
【００３２】
図２は、図１の半導体レーザ素子の共振器長方向に沿った側面を模式的に示している。半導体レーザ素子１０の光反射側の端面１７および光出射側の端面１６は、例えば前述のｐ電極１４およびｎ電極１５までを形成したウエハをダイヤモンドポイントによるスクライブおよびブレークの手法で劈開することによって形成することができる。それらの劈開面が、図２に示す互いに平行な端面１６および端面１７となる。
【００３３】
そして、光出射側端面１６には厚さ２８１．３ｎｍの酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）膜３１が形成されており、その反射率が５．６％となっている。Ａｌ2Ｏ3膜の屈折率は１．６８０であり、もしこの値が０．０１だけ大きくなって１．６９０となった場合、反射率は４．９％に下がる。また、２８１．３ｎｍの膜厚は、λ／ｎ＝４０５／１．６８０＝２４１ｎｍよりも大きくなっている。すなわち、コート膜３１の膜厚をｄで表して、発振波長λにおける屈折率をｎで表した場合に、反射率をＲ（ｄ，ｎ）で表せば、膜厚ｄはＲ（ｄ、ｎ）＞Ｒ（ｄ、ｎ＋０．０１）およびｄ＞λ／ｎの条件を満たしている。また、比較のために、従来の厚さ８０．３ｎｍのコート膜についても調べられた。この厚さでは、屈折率が０．０１大きくなった場合、反射率は５．６％から５．９％に上昇する。
【００３４】
すなわち、厚さ２８１．３ｎｍのコート膜を含むレーザ素子は前述のサンプル（２）に対応し、厚さ８０．３ｎｍのコート膜を含むレーザ素子は前述のサンプル（１）に対応している。したがって、以下においては、本発明の実施形態としてのレーザ素子をサンプル（２）とも称し、比較例としてのレーザ素子をサンプル（１）とも称する。
【００３５】
光反射側端面１７には、反射率９５％以上の高反射膜３２が形成されている。この高反射膜３２においては、厚さ７１ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜と厚さ４６ｎｍの酸化チタン（ＴｉＯ2）膜とを１ペアとして４ペア積層（ＳｉＯ2膜から積層開始）されており、その最外表面に厚さ１４２ｎｍのＳｉＯ2膜がさらに積層されている。
【００３６】
Ａｌ2Ｏ3膜３１と高反射膜３２は、例えばＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）スパッタリング法によって形成することができるが、他の各種スパッタリング法、ＥＢ（電子ビーム）蒸着法、またはＣＶＤ（化学気相堆積）法などによって形成することもできる。
【００３７】
以上のような反射コート膜３１、３２の形成後に、ウエハをチップ状に分割することによって半導体レーザ素子が得られる。
【００３８】
このようにして得られた半導体レーザ素子について、８０℃の温度環境下でパルス駆動（幅３０ｎｓ、デューティ５０％）して光出力２１０ｍＷのレーザ光を連続発振させることによってエージング試験を行なった。その結果が、前述の図５のグラフに示されている。そのグラフに示されているように、本発明の実施形態としての半導体レーザ素子（サンプル（２））は、従来例としての半導体レーザ素子（サンプル（１））に比べて駆動電流値の上昇を抑制することができている。
【００３９】
以上において開示された本発明の実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味およびその範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上のように、本発明によれば、光出射部におけるコート膜の厚さを調整することによって、半導体レーザ素子の駆動中の電流値上昇を抑制することができ、すなわち寿命が改善された半導体レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態による半導体レーザ素子の積層構造を示す模式的な断面図である。
【図２】図１の半導体レーザ素子の共振器長方向に沿った模式的な側面図である。
【図３】半導体レーザ素子のエージング試験によるＳＥの変化を示すグラフである。
【図４】半導体レーザ素子の光出射側の端面コート膜としてＡｌ2Ｏ3膜を用いた場合の反射率と膜厚との関係を示すグラフである。
【図５】半導体レーザ素子のエージング試験による駆動電流の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１０  窒化物半導体レーザ素子、１１  半導体基板、１２  絶縁膜、１３  リッジストライプ部、１４  ｐ電極、１５  ｎ電極、１６，１７  端面、２１  バッファ層、２２  ｎ型クラッド層、２３  ｎ型ガイド層、２４  多重量子井戸活性層、２５  保護層、２６  ｐ型電流ブロック層、２７  ｐ型クラッド層、２８  ｐ型コンタクト層、３１  アルミニウムの酸化物膜、３２  高反射膜。
【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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