(57)【要約】【課題】本発明は、高反射膜自体の光吸収を抑制する半導体発光素子に関し、CODを抑制した半導体発光素子を提供する事を目的とする。【解決手段】発振波長λの光を発生する光発生部と、光発生部で発生した光を出射する光出射端面と、光発生部で発生した光を反射する光反射端面と、光反射端面側に形成される誘電体多層膜からなる高反射膜とを備える。前述の高反射膜は、光反射端面に接し、Al2O3で構成され、かつAl2O3の屈折率nに対してλ/4n未満の膜厚を有する第1層と、第1層と接し、SiO2、MgF2、NaF、Ca2F、CeF3、LaF3、LiF、NdF3のいずれかで構成される第2層と、第2層と接し、かつ第2層と異なる屈折率を有する層である第3層と、を有する。【選択図】図2
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振波長λの光を発生する光発生部と、
前記光発生部で発生した光を出射する光出射端面と、
前記光発生部で発生した光を反射する光反射端面と、
前記光反射端面側に形成される少なくとも３層以上の誘電体多層膜からなる高反射膜とを備え、
前記高反射膜は、前記光反射端面に接し、Al2O3で構成され、かつAl2O3の屈折率nに対してλ/4n未満の膜厚を有する第1層と、
前記第1層と接し、SiO2、MgF2、NaF、Ca2F、CeF3、LaF3、LiF、NdF3のいずれかで構成される第2層と、
前記第2層と接し、かつ前記第2層と異なる屈折率を有する層である第3層と、
を備える事を特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第2層はSiO2で構成される層であり、
前記第3層はTa2O5で構成される層である事を特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第2層はSiO2で構成される層であり、
前記第3層はTa2O5で構成される層であり、
前記高反射膜は、前記第3層と接するように形成されるSiO2で構成される第4層と、
前記第4層と接するように形成されるTa2O5で構成される第5層と、
前記第5層と接するように形成されるSiO2で構成される第6層と、
前記第6層と接するように形成されるTa2O5で構成される第7層と、
前記第7層と接するように形成されるSiO2で構成される第8層と、
前記第8層と接するように形成されるTa2O5で構成される第9層とを備え、
前記第1層の膜厚は1nm以上40nm以下である事を特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記発振波長λが300〜500nmである事を特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記高反射膜は、前記第1層の後ろに屈折率の異なる2つの層からなる組を1組以上備え、
前記第1層を除き、奇数層の組成はTa2O5、Nb2O5、HfO2、ZrO2、Y2O3、AlN、SiNのいずれかであり、
前記第2層を除き、偶数層の組成はAl2O3、SiO2、MgF2、NaF、Ca2F、CeF3、LaF3、LiF、NdF3のいずれかである事を特徴とする請求項1又は4に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記高反射膜は、前記光反射端面から最も遠い位置にSiO2で構成される最終層を備える事を特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記最終層は、SiO2の屈折率n1に対してλ/4n1未満の膜厚を有する事を特徴とする請求項6に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に関し、特に短波長、高出力での利用に適した半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ディスクなどの光記録装置では、情報記録量のさらなる増大が求められている。光記録装置の情報記録量増大等のためには半導体発光素子の短波長化、高出力化が必要となっている。
半導体発光素子はコーティング膜中で光吸収がある場合、光の吸収損失が大きくなって動作電流の上昇などの特性の劣化を招いたり、コーティング膜の光吸収により発熱が生じてCOD（Catastrophic Optical Damage）と呼ばれる端面劣化を発生したりして、所望の光出力が得られなくなるという問題がある。CODとは、半導体発光素子端面が局所的に光吸収する事で高温となり、融解等を起こし劣化する事である。半導体発光素子端面でこのような劣化が生じると光出力が低下したり、光出力が得られなくなったりする事がある。
【０００３】
半導体発光素子は光出射端面と光反射端面の少なくとも2の端面を有する事が一般的である。光出射端面は光を出射する端面であるため、光出力の損失を抑制する低反射膜が形成される。一方、光反射端面は光を効率的に反射させて光の損失を低くするため、高反射膜が形成される。この高反射膜の特性は動作電流の上昇などの半導体レーザの特性の劣化やCODなどの抑制のために重要である。また各々の反射膜は端面の保護も担っている。
【０００４】
特許文献1に開示される半導体レーザの高反射膜（高反射コーティング）は、高反射膜が形成される端面において、熱放出特性を改善しCODを防止するために以下のような構成を有する。すなわち熱伝導率の高いSi膜を厚膜化し、熱伝導率の低いAl2O3膜を薄膜化するというものである。特許文献1に開示される半導体レーザの高反射膜はこのように形成され放熱特性を向上させる事により、COD防止を図っている。
【０００５】
【特許文献１】特開平6-224514号公報
【特許文献２】特開平9-326527号公報
【特許文献３】特開2003-264333号公報
【特許文献４】特開2004-327678号公報
【特許文献５】特開2002-305348号公報
【特許文献６】特開2006-165478号公報
【特許文献７】特開2005-175111号公報
【特許文献８】特開2004-327581号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述した従来技術である特許文献1に記載される半導体レーザの高反射膜は、半導体レーザで生じた熱の放熱特性に優れる。しかしながら高反射膜自体の光吸収を低減する事については考慮されていない。このため高反射膜自体が光吸収する事により高反射膜が温度上昇し、特性の劣化やCODを引き起こす事が考えられる。その結果、半導体レーザの高出力化が阻害されるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、光反射端面側に形成される高反射膜の光吸収を抑制する事により半導体発光素子のCODを抑制した半導体発光素子を提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発振波長λの光を発生する光発生部と、光発生部で発生した光を出射する光出射端面と、光発生部で発生した光を反射する光反射端面と、光反射端面側に形成される誘電体多層膜からなる高反射膜とを備える。
また、前述した高反射膜は、前記光反射端面に接し、Al2O3で構成され、かつAl2O3の屈折率nに対してλ/4n未満の膜厚を有する第1層と、第1層と接し、SiO2、MgF2、NaF、Ca2F、CeF3、LaF3、LiF、NdF3のいずれかで構成される第2層と、第2層と接し、かつ前記第2層と異なる屈折率を有する層である第3層と、を有する事を特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により半導体発光素子の信頼性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態1
図１は本実施形態の半導体レーザを説明するための図である。本実施形態の半導体レーザ素子は基板16を有する。基板16の裏面には電極18が形成される。基板16の表面には第1導電型を有するクラッド層15が形成される。クラッド層15の上層には活性層12が形成される。活性層12はキャリアの再結合による発光が行われる層である。活性層12の上層には第2導電型を有するクラッド層14が形成される。クラッド層15、クラッド層14は主に活性層12のキャリア密度を高めるための層である。クラッド層14の上層には電極19が形成される。上述の構造を有する半導体レーザ素子を形成するためのプロセスが終了するとウェーハは所定の位置でへき開される。
【００１１】
前述したウェーハのへき開により、半導体レーザ素子の放出する光を出射する光出射端面21と光を反射する光反射端面22が表れる。光出射端面21には低反射膜20が形成されている。低反射膜20は誘電体多層膜である。低反射膜20は半導体レーザ素子の光出射端面21を保護する。一般に低反射膜21はその反射率が、半導体レーザ素子の有する反射率よりも低くなるように形成されている。光反射端面22には高反射膜10が形成されている。高反射膜10は誘電体多層膜である。高反射膜10形成の目的の一つは半導体レーザ素子の保護である。また、高反射膜10は、高い反射率を有し光損失を抑制する事も求められる。高反射膜の反射率は一般に70％以上、より望ましくは90％以上である。高反射膜の反射率を前述のように高い値としておく事は半導体レーザ素子の寿命を延ばすためにも必要なものである。
【００１２】
本発明は高反射膜に特徴を有する。図2は高反射膜10の構成を説明するための図である。前述した通り高反射膜10は誘電体多層膜である。本実施形態の光反射端面22と接する場所に形成されるのは第1層23である。第1層23を形成する主な目的は高反射膜10と光反射端面22との十分な密着性を得るためである。第1層23はAl2O3で構成される膜である。本実施形態の第1層23の膜厚は、レーザの発振波長λをAl2O3膜の屈折率を4倍した値で除した値未満のいずれかの値である。故に第1層23の膜厚をdとするとdは以下の式(1)を満たす。
d＜λ/4n ‥(1)
ここで、Al2O3膜の屈折率は405nmの発振波長を有するレーザ光の場合、およそ1.6程度である。λを405nm、nを1.6とするとλ/4nは63nm程度となる。本実施形態は第1層23の膜厚が10nmであり式(1)を満たす。
【００１３】
第1層23と接するように形成されるのは第2層24である。第2層24はSiO2で構成される。
第2層24と接するように形成されるのは第3層26である。第3層26はTa2O5で構成される。
第3層26と接するように形成されるのは第4層28である。第4層28はSiO2で構成される。
第4層28と接するように形成されるのは第5層30である。第5層30はTa2O5で構成される。
第5層30と接するように形成されるのは第6層32である。第6層32はSiO2で構成される。
第6層32と接するように形成されるのは第7層34である。第7層34はTa2O5で構成される。
第7層34と接するように形成されるのは第8層36である。第8層36はSiO2で構成される。
第8層36と接するように形成されるのは第9層38である。第9層38はTa2O5で構成される。
第9層38と接するように形成されるのは第10層40である。第10層40はSiO2で構成される膜である。
このように第1層23から第10層40までが順次光反射端面22側に積層され、高反射膜10を形成している。
【００１４】
上述してきた第2層24〜第9層38の膜厚は以下のように決められる、すなわち半導体レーザ素子の発振波長λを、各層を構成する物質の屈折率を4倍した値で除した値が第2層24〜第9層38の膜厚である。ここで、405nmの発振波長を有するレーザ光の場合SiO2の屈折率はおよそ1.5程度である。一方Ta2O5の屈折率はおよそ2.2程度である。本実施形態ではこのように低屈折率材料としてSiO2、高屈折率材料としてTa2O5を採用している。そしてSiO2膜とTa2O5膜を交互に積層する事で高反射膜10の反射率を高めている。
【００１５】
また、高反射膜10の最後に形成される膜である第10層40は半導体レーザ素子の耐湿性を高めるために形成されている。耐湿性とはレーザ素子の信頼性を表すパラメータの一つであり、高湿高温等の環境下でのレーザ素子の信頼性の事をさす。本実施形態の第10層40の膜厚は、半導体レーザ素子の発振波長λをSiO2膜の屈折率を4倍した値で除した値未満のいずれかとなるように形成されている。
【００１６】
前述した高反射膜10を構成する第1層23〜第10層40までの各層は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、蒸着法、若しくはスパッタ法などで形成される。
【００１７】
一般に、半導体レーザの光出力を増大させようとする際に問題となる現象として、CODが挙げられる。CODは半導体レーザの反射面近傍が光吸収領域になっているために起こる現象である。光出力密度が高くなると、端面付近の局所的発熱が大きくなり、バンドギャップが縮小する。その結果、更に吸収が大きくなって温度上昇するという正帰還がかかり、吸収領域の温度が遂に融点にまで達して結晶が溶けてしまう。この現象はコーティング膜の高温化が原因となる事もあり、信頼性の悪化に直結する。そしてこのCODの問題は高出力が進むにつれて顕著となる。従って、半導体レーザの信頼性を確保するにはCODを回避するよう注意を払わなければならない。
【００１８】
CODの原因の１つとして、光反射端面側に形成された高反射膜自体が光吸収し、発熱する事が挙げられる。高反射膜中で光の吸収がある場合、光の吸収損失や反射損失が大きくなるために動作電流の上昇などの特性の劣化を招く上、光吸収による高反射膜自体の発熱が生じて端面付近の局所的発熱が大きくなり、遂にはCODが発生して所望の光出力が得られなくなる。これを回避するために、高反射膜自体の光吸収を抑制する事が必要である。しかしながら、従来の、例えば特許文献１に開示されるような半導体レーザにおいては、高反射膜自体の温度上昇を防止する有効な措置が講じられていないために、特に、405nm帯の半導体レーザ素子の高出力化が困難となっていた。
【００１９】
本実施形態の半導体レーザ素子は、光反射端面に形成された高反射膜の光吸収による発熱を抑制できる。これは本実施形態の第1層23の膜厚が10nm程度と薄膜化されている事による効果である。高反射膜を構成する各層の膜厚は、レーザ発振波長λを各層の構成物質の屈折率nを4倍した値で除して得られる値、すなわちλ/4nを選択する事が一般的である。本実施形態でこのように第1層23の膜厚を算出すると前述した通り63nm程度になる。本実施形態の第1層23の膜厚dは前述した式(1)を満たす。従って本実施形態の第１層23の膜厚dは少なくとも63nmよりも薄い。本実施形態では第１層23の膜厚を10nmとしている。第1層23の膜厚dをλ/4n未満とした場合のレーザ素子の信頼性は、その膜厚dをλ/4nとした場合の信頼性よりも良好である。これは、第1層23の膜厚dをλ/4n未満とすると、その膜厚をλ/4nとする場合よりCOD防止効果が高まる事が原因である。従って信頼性の観点からは第1層23の膜厚はλ/4n未満とする事が望ましい。本実施形態では第1層23はこの条件を満たすのでCODを抑制できる。なお、ここで第1層23の膜厚を決める際に基準となった63という数字は、発振波長λや屈折率ｎが変われば他の値となるものであり絶対的なものではない。
【００２０】
また第1層23の役割の一つである密着性の確保のためには、第1層23は1nm程度の膜厚を有していれば良い。しかしAl2O3膜の成膜の制御性、容易性から本実施形態では第1層23の膜厚は10nmとしている。これにより高反射膜10と光反射端面22の密着性の確保と、COD防止効果向上によるレーザ素子の信頼性向上とを両立している。
【００２１】
従来のCD用780nm帯半導体レーザやDVD用660nm帯半導体レーザなどでは、光を吸収しないとされているAl2O3が405nm帯半導体レーザでは光の吸収体となり得る。Al2O3が光の吸収体となり得ることはJournal of applied physics, Vol88, No.11,1December2000のP6413〜6417において示唆されている。前述の非特許文献のFig,3にはAl2O3の各波長でのカソードルミネッセンスの強度が示されている。これによるとAl2O3は300-500nmに渡って光吸収する特性をもつ事が分かる。従って光反射端面に形成されたAl2O3膜が光吸収により発熱しCODを引き起こす事があると考えられる。従ってAl2O3で構成される第1層23の薄膜化によるCOD抑制効果は、レーザの発振波長が405nmである場合に限定されない。すなわち、発振波長が300−500nm程度の発光素子全般において、Al2O3層の薄膜化によるCOD抑制効果が得られる。
【００２２】
図３は、高反射膜10の反射率の、第1層23の膜厚依存性を表すグラフである。図３の結果は理論計算から得られた値である。なお、図３のグラフ中凡例に記載されている「ペア数」の「ペア」とはSiO2とTa2O5の組からなる2層構造の事をさす。この2層構造はSiO2薄膜の上層にTa2O5薄膜が配置されているものである。例えば「ペア数ｎ＝3」といえば、第1層であるAl2O3膜と最終層であるSiO2膜との間に、SiO2とTa2O5からなるペアが3つ配置されている事を意味する。ここで最終層とは高反射膜のうち最後に形成される層である。最終層とは本実施形態では第10層40のことをいう。SiO2とTa2O5のペアを複数設ける意義は、所望の反射率を得ることにある。図３から分かるように、一般にペア数が多いほど得られる反射率も高くなる。
【００２３】
一般に実用上十分な反射率は90％程度とされている。反射率が90％以上であれば高反射膜における光の損失を抑制できる。そこで、上述したペア数ｎは「4」以上とする事が多く本実施形態でもペア数ｎは4となる構造を有している。ペア数ｎが4の場合について図３の計算結果を検証してみると、Al2O3の膜厚が40nmを超えると屈折率が90％を下回ってしまう事が分かる。従って、屈折率の観点からは、Al2O3膜厚は40nm以下である事が好ましい。
【００２４】
故にここまでの記載をまとめると、CODを防止し、高反射膜が十分な密着性を有し、しかも高反射膜の反射率が90％以上の条件を満たしながら第1層23を構成するAl2O3膜がとり得る膜厚は1nm〜40nmのいずれかの値である。そして本実施形態の構成によれば第1層23の膜厚は10nmとなるように形成されており、上述の効果を得られるので密着性と90％以上の高反射率を維持しつつCODを防止できる。
【００２５】
本実施形態の最終層である第10層40の膜厚は前述した通り発振波長λをSiO2膜の屈折率を4倍した値で除した値未満に設定されている。第10層40の膜厚を第2層24〜第9層38のように、発振波長λを屈折率を4倍した値で除した値とするとおよそ67nm程度である。そして、SiO2で構成される第10層40の膜厚を67nm未満の任意の値とした半導体レーザ素子と、同じくSiO2で構成される第10層40の膜厚を67nmとしたレーザ素子とで信頼性（COD防止効果）を比較すると前者の方が良好であった。従って本実施形態では第10層40の膜厚を67nm未満の値、すなわち発振波長λをSiO2の屈折率を4倍した値で除した値未満のいずれかとしている。
【００２６】
図４に、第10層40を薄膜化することの高反射膜10の反射率への影響を示す。図４は理論計算の結果である。図４によると、本実施形態が採用するペア数4の場合において90％以上の屈折率を得るためには第10層40の膜厚は40nm以下のいずれかの値である事を要する。従って、第10層40の膜厚はCOD防止効果の観点からは67nm未満が好ましく、反射率の観点からは40nm以下が好ましい。
【００２７】
本実施形態のペア数ｎは4としたが本発明はこれに限定されない。すなわち必要な反射率が得られる限りにおいて、ペア数ｎはどの値をとっても良い。
【００２８】
本実施形態では低屈折率膜として、偶数層である第2層24、第4層28、第6層32、第8層36にSiO2を用いたが本発明はこれに限定されない。すなわち低屈折率膜を形成する偶数層の組成はMgF2、NaF、Ca2F、CeF3、LaF3、LiF、NdF3、その他のフッ化物系のいずれかであっても、本発明の効果は得られる。また、第2層24を除く低屈折率膜としてSiO2に代えてAl2O3を用いても本発明の効果は得られる。
【００２９】
本実施形態では高屈折率膜として、第1層23を除く奇数層である第3層26、第5層30、第7層34、第9層38にTa2O5を用いたが本発明はこれに限定されない。すなわち第1層23を除く奇数層にNb2O5、HfO2、ZrO2、Y2O3、AlN、SiN等の屈折率の高い材料を用いても本発明の効果は得られる。
【００３０】
本実施形態では半導体レーザの例を挙げたが本発明はこれに限定されない。すなわち本発明は端面コーティングに特徴があるので発光素子としては半導体レーザではなくLED（light emitting diode）等の発光素子であっても本発明の効果は得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施形態1の半導体レーザの構成を説明する図。
【図２】実施形態1の半導体レーザの高反射膜10の構成を説明する図。
【図３】高反射膜10の反射率と第1層23の膜厚の関係を説明する図。
【図４】高反射膜10の反射率と第10層40の膜厚の関係を説明する図。
【符号の説明】
【００３２】
10  高反射膜
21  光出射端面    
22  光反射端面
23  第1層    
24  第2層
26  第3層
28  第4層
30  第5層
32  第6層
34  第7層
36  第8層
38  第9層
【図１】
2008277625.tif 000003
【図２】
2008277625.tif 000004
【図３】
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【図４】
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