(57)【要約】      （修正有）【課題】出射端面と誘電体膜との界面における酸素の吸着や酸化などにより、深い準位が生じて禁制帯幅が狭くなり、非発光再結合により端面温度が上昇し、光吸収が増大することのため、端面の融解または端面の破壊などＣＯＤ（瞬時光学損傷）が起こる。高出力特性と高い信頼性を得ることができる半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】本発明の半導体レーザ装置は、レーザ光の出射端面に単層構造または多層構造の誘電体反射膜が形成され、出射端面に接する第１誘電体膜の内部および第１誘電体膜と出射端面との界面におけるＦｅやＣｒなどの重金属不純物濃度が３×１０17atoms／cm3 以下に設定され、高出力動作に適した高い信頼性を実現する。重金属不純物濃度に配慮したことにより、高出力特性と高い信頼性を得ることができる。特に、赤色半導体レーザ素子と赤外半導体レーザ素子とを同一基板に搭載した集積化半導体レーザ装置において、有利に作用する。【選択図】図２
2008021908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の出射端面に単層構造または多層構造の誘電体反射膜が形成され、前記出射端面に接する第１誘電体膜の内部および前記第１誘電体膜と前記出射端面との界面における重金属不純物濃度が３×１０17atoms／cm3 以下に設定されている半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記重金属不純物元素が、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉの群から選ばれた少なくとも１種の元素を含む請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記誘電体反射膜が前記出射端面に接する前記第１誘電体膜とこの第１誘電体膜の外側に形成された第２誘電体膜とからなり、前記第１誘電体膜の屈折率ｎ1 が１．６≦ｎ1 ≦２．３であり、前記第２誘電体膜の屈折率ｎ2 が１．４≦ｎ2 ＜１．６である請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記第１誘電体膜がＡｌ2 Ｏ3 、Ｔａ2 Ｏ5 、Ｎｂ2 Ｏ5 、ＺｒＯ2 の群から選ばれた少なくとも１種の化合物であり、前記第２誘電体膜がＳｉＯ2 である請求項１から請求項３までのいずれかに記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記出射端面における反射率が１〜７％の範囲に設定されている請求項１から請求項４までのいずれかに記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記出射端面における光密度が２３．６ＭＷ／cm2 以上に設定されている請求項１から請求項６までのいずれかに記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
発振波長が単一波長とされている請求項１から請求項６までのいずれかに記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
請求項１から請求項６までのいずれかに記載の半導体レーザ装置であって発振波長を互いに異にする複数の半導体レーザ装置が同一基板上に形成されている集積化半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記半導体レーザ装置が２つであり、発振波長の短い方の第１の半導体レーザ装置はその半導体レーザの活性層材料がＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料であり、発振波長の長い方の第２の半導体レーザ装置はその活性層材料がＡｌＧａＡｓ系半導体材料である請求項８に記載の集積化半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ディスクの光源等に用いる単一波長または複数波長の半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザはエレクトロニクスやオプトエレクトロニクスの多くの分野で広く使用されており、光デバイスとして不可欠なものである。特に、ＣＤ（コンパクトディスク）、ＤＶＤ（デジタル多用途ディスク）などの光ディスク装置は、大容量の記録媒体として現在盛んに利用されている。ＤＶＤに用いる記録媒体（メディア）は、ＣＤの媒体に比べピット長およびトラック間隔が小さい。したがって、用いる半導体レーザの波長もＣＤに比べＤＶＤの方が短い。具体的には、ＣＤ用のレーザの発振波長は７８０ｎｍ帯であるのに対し、ＤＶＤ用のレーザの発振波長は６５０ｎｍ帯である。
【０００３】
１つの光ディスク装置がＣＤおよびＤＶＤの両方の情報を検出するためには、７８０ｎｍ帯のレーザ（赤外半導体レーザ素子）と６５０ｎｍ帯のレーザ（赤色半導体レーザ素子）の２つの光源が必要となる。近年、光ディスク装置を構成する光ピックアップ装置の小型化、軽量化のために、１つの半導体チップの中に２種類の波長のレーザ光を発光する２波長型の半導体レーザ素子が開発され、普及しつつある。
【０００４】
光ディスクにデータを書き込む場合、レーザ光照射による発熱を利用するので、光ディスクからデータを読み出す場合に比べると、数倍から数十倍の光出力パワーが必要である。また、光ディスクの大容量化に伴って記録速度の高速化が求められている。そのため、記録再生型の光ディスク装置に用いられる半導体レーザには高出力化および高信頼性が要求される。
【０００５】
図６（ａ），（ｂ）は従来の２波長型の半導体レーザ装置の斜視図である（例えば、特許文献１参照）。この半導体レーザ装置は、６５０ｎｍ帯の波長を持つレーザ光Ｌ１を出射する赤色半導体レーザ素子ａ0 と７８０ｎｍ帯の波長を持つレーザ光Ｌ２を出射する赤外半導体レーザ素子ｂ0 との２つのレーザ素子から構成されている。Ｗ１，Ｗ２はレーザ光出射窓である。
【０００６】
半導体レーザ装置には、赤色半導体レーザ素子ａ0 と赤外半導体レーザ素子ｂ0 とを電気的に分離するための分離溝７１が設けられている。半導体レーザ装置の上面にはｐ側電極７２が分離溝７１によって分割されて形成され、その底面にはｎ側電極７３が全面に形成されており、２つのｐ側電極７２と１つのｎ側電極７３とにそれぞれ独立してバイアス電圧を印加することにより、各半導体レーザ素子ａ0 ，ｂ0 を独立に動作させることができる。
【０００７】
半導体レーザ装置は、各レーザ光Ｌ１，Ｌ２を外部に取り出すための出射端面７４と、共振器の内部に光を反射させて閉じ込めるための後方端面７５とを有している。後方端面７５には多層コート膜７６が積層されている。一方、出射端面７４にはレーザ光の取り出し効率を上げるために、後方端面７５よりも低い反射率を持つ端面コート膜７７，７８が形成されている。
【０００８】
特許文献１で開示されているレーザ構造では、出射端面の反射率を２４％〜３２％に制御し、かつＤＶＤ再生（ＤＶＤ−ＲＯＭ）用の赤色半導体レーザ素子の反射率をＣＤ再生（ＣＤ−ＲＯＭ）用の赤外半導体レーザ素子の反射率よりも低く設定した２波長型の半導体レーザが提案されている。具体的には、赤色半導体レーザ素子の出射端面反射率が２４％、赤外半導体レーザ素子の出射端面反射率が３２％となるように膜厚を定め、１回の堆積工程（蒸着を使用）で酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）を出射端面に形成している。前述の膜厚は、赤外半導体レーザ素子の波長をλ3 、Ａｌ2 Ｏ3 の屈折率をｎ3 （約１．６６）とするとき、λ3 ／（２ｎ3 ）となるようにしている。この方法により、赤色半導体レーザ素子と赤外半導体レーザ素子とでキンクレベルやＣＯＤレベルがほぼ等しいデバイスを得ようとしている。キンクレベルというのは、注入電流−光出力特性でキンク（折れ曲がり）が生じる光出力のレベルである。また、ＣＯＤレベルというのは、出射端面でＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage）すなわち瞬時光学損傷が生じる光出力のレベルである。キンクレベルやＣＯＤレベルの値が大きいほど耐性が高いので好ましい。
【０００９】
さらに、特許文献２では、ＤＶＤ再生（ＤＶＤ−ＲＯＭ）に使用する赤色半導体レーザ素子の出射端面反射率を約２０％、ＣＤ再生（ＣＤ−ＲＯＭ）に使用する赤外半導体レーザ素子の出射端面反射率を約５％以下とする端面コート膜の形成技術が提案されている。この端面コート膜は２種類の材料（例えば、Ａｌ2 Ｏ3 とＳｉＯ2 ）から構成され、所望の反射率を得るためにそれぞれの膜厚を決めている。
【００１０】
一方、高出力化の有効な手段の１つとして、半導体レーザの共振器を形成する２つの端面の反射率を非対称とする方法が知られている。これは、光ディスクの書き込みに用いられる半導体レーザでは一般的な方法である。この方法は、共振器を形成する端面を誘電体多層膜でコーティングすることで端面の反射率を非対称にするもので、共振器を形成する端面のうち出射端面を低反射率（１０％程度）にし、その反対側後方端面の反射率を高反射率（９０％程度）とする。なお、誘電体多層膜の反射率は、用いる誘電体の屈折率、層厚および積層する層数によって制御される。
【特許文献１】特開２００１−３２０１３１号公報（第３−４頁、第１−２図）
【特許文献２】特開２００２−２２３０３０号公報（第３−５頁、第１−４図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１や特許文献２に開示されている多波長半導体レーザ装置（アレイ）は、ＤＶＤ−ＲＯＭやＣＤ−ＲＯＭのように再生専用という限られた範囲で好適な端面コートの形成技術を提供するものである。これらの技術は、半導体レーザを低出力（例えば定格出力５ｍＷ程度）で動作する場合には有効である。しかし、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒなどの光記録媒体への書き込みを行う際の高出力を得ることは困難である。
【００１２】
一方、２つの端面の反射率を非対称とする従来技術は、高出力動作を得るための一般的な技術を説明するに留まり、複数の発振波長を有する半導体レーザを同一基板上に形成した多波長半導体レーザに好適な条件を提示しているとは言いがたく、高出力動作時における十分な寿命を保証することは困難である。
【００１３】
半導体レーザのさらなる高出力化を図る場合、共振器端面のＣＯＤ（瞬時光学損傷）の発生が大きな問題となる。とりわけ、６５０ｎｍ帯の赤色半導体レーザに好適なＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザにおいては、高出力動作時におけるレーザの寿命を決定する重要な劣化原因であるとして、共振器端面のＣＯＤ（瞬時光学損傷）が指摘されている。
【００１４】
ＣＯＤ（瞬時光学損傷）は、半導体レーザの共振器端面近傍がレーザ内部で発生した光に対して吸収領域になっていることに起因して発生する。これは、共振器端面の半導体表面における酸素の吸着および表面の酸化などにより、半導体表面に深い準位が生じて、半導体の禁制帯幅が実質的に狭くなることによる。半導体表面に存在する深い準位を介した非発光再結合により端面温度が上昇し、この温度上昇により端面付近の禁制帯幅がさらに縮小し、光吸収が増大するというサイクルが発生する。そして、このサイクルが正帰還となることによって、端面の融解または端面の破壊などが起こる。これがＣＯＤ（瞬時光学損傷）である。
【００１５】
上記で述べた内容では酸化による深い準位の発生を問題としているが、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザにおける高出力化の改善は実現されていない。
【００１６】
本発明は、このような事情に鑑みて創作したものであり、高出力特性と高い信頼性を得ることができる半導体レーザ装置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】
【００１７】
本発明による半導体レーザ装置は、レーザ光の出射端面に単層構造または多層構造の誘電体反射膜が形成され、前記出射端面に接する第１誘電体膜の内部および前記第１誘電体膜と前記出射端面との界面における重金属不純物濃度が３×１０17atoms／cm3 以下に設定されていることを特徴としている。
【００１８】
この構成において、誘電体反射膜は単層または多層であるが、いずれにしても、出射端面に接している誘電体膜を第１誘電体膜と呼称するものとする。第１誘電体膜と出射端面との界面および第１誘電体膜の内部において、そこに含まれている重金属不純物についてその濃度を３×１０17atoms／cm3 以下に設定することにより、半導体レーザの高出力動作時における耐性を高いものにすることができる。
【００１９】
従来の技術にあっては、酸化による深い準位の発生を問題としているが、誘電体反射膜を形成する際に生起するＦｅやＣｒやＮｉなどの重金属不純物による汚染で信頼性が低下することの認識は示されていない。結果として、特にＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザに関して、その高出力レーザの実現が困難となっていた。本発明者は、特に赤色半導体レーザ素子の高出力動作時の研究において、重金属不純物の濃度と寿命との間に明確な相関性が存在することを見出した。その結果、寿命１０００時間以上を実現するためには、半導体レーザの出射端面の酸化を防ぐだけでは不十分であり、出射端面に接する第１誘電体膜の内部および第１誘電体膜と出射端面との界面における重金属不純物濃度を３×１０17atoms／cm3 以下にすればよいことが判明したのである。このような条件で半導体レーザ装置を構成することにより、出射端面と第１誘電体膜との界面において重金属不純物に起因して発生する深い準位を低減させることができ、高出力化と長寿命化とを両立させることが可能になった。
ＡｌＧａＩｎＰ系半導体の活性層をもつ赤色半導体レーザの場合には、１４０ｍＷ以上の高出力動作の場合でも高い信頼性を確保し、また、集積化半導体レーザ装置の歩留まりを向上させることができる。
【００２０】
上記構成において、前記重金属不純物元素については、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉの群から選ばれた少なくとも１種の元素を含むものとする。
【００２１】
また上記の構成において、前記誘電体反射膜が前記出射端面に接する前記第１誘電体膜とこの第１誘電体膜の外側に形成された第２誘電体膜とからなるものとし、さらに、前記第１誘電体膜の屈折率ｎ1 が１．６≦ｎ1 ≦２．３であり、前記第２誘電体膜の屈折率ｎ2 が１．４≦ｎ2 ＜１．６であるとする。
【００２２】
また上記の構成において、前記第１誘電体膜がＡｌ2 Ｏ3 、Ｔａ2 Ｏ5 、Ｎｂ2 Ｏ5 、ＺｒＯ2 の群から選ばれた少なくとも１種の化合物であり、前記第２誘電体膜がＳｉＯ2 であることが好ましい。
【００２３】
誘電体材料のＡｌ2 Ｏ3 、Ｔａ2 Ｏ5 、Ｎｂ2 Ｏ5 、ＺｒＯ2 は、ＳｉＯ2 と比べて重金属不純物元素に対するバリア性が高いため、誘電体膜中に含まれるＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉなどの重金属不純物の濃度は低い。
【００２４】
そして、誘電体反射膜を屈折率が異なる第１および第２の誘電体膜の組み合わせで構成し、各誘電体反射膜の屈折率を上記のように調整することにより、出射端面において所望の反射率を得ることができる。例えば、出射端面における反射率を１〜７％の範囲に設定することが可能となる。
【００２５】
また、前記出射端面における光密度を２３．６ＭＷ／cm2 以上に設定することも可能である。具体的には、重金属不純物濃度３×１０17atoms／cm3以下、出射端面の反射率を６％、後方端面の反射率を９６％とした２４０ｍＷ出力動作の半導体レーザ装置において、寿命１０００時間以上の信頼性を確保するシミュレーションで出射端面の光密度を見積もった結果は２３．６ＭＷ／cm2である。
【００２６】
また、上記の構成の半導体レーザ装置については、発振波長が単一波長の半導体レーザ装置に適用するのももちろんよいが、むしろ、発振波長を互いに異にする複数の半導体レーザ装置が同一基板上に形成されている集積化半導体レーザ装置に適用するのが最大限の効力を発揮する。代表的な集積化半導体レーザ装置として、発振波長の短い方の第１の半導体レーザ装置はその半導体レーザの活性層材料がＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料であり、発振波長の長い方の第２の半導体レーザ装置はその活性層材料がＡｌＧａＡｓ系半導体材料であるという態様がある。活性層材料をＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料とするのが６５０ｎｍ帯の赤色半導体レーザであり、活性層材料をＡｌＧａＡｓ系半導体材料とするのが７８０ｎｍ帯の赤外半導体レーザである。
【００２７】
このように構成することにより、赤色半導体レーザ素子と赤外半導体レーザ素子とを同一基板に搭載した集積化半導体レーザ装置について、上記同様に、出射端面と第１誘電体膜との界面において重金属不純物に起因して発生する深い準位を低減させることができ、高出力化と長寿命化とを両立させることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、共振器端面に形成する第１誘電体膜中の重金属不純物濃度（例えばＦｅやＣｒやＮｉ）が３×１０17atoms／cm3 以下であるので、出射端面と第１誘電体膜との界面で重金属不純物に起因して発生する深い準位を低減して、高出力化と長寿命化とを両立させ、半導体レーザの歩留まりを向上させることができる。これは、特に、赤色半導体レーザ素子と赤外半導体レーザ素子とを同一基板に搭載した集積化半導体レーザ装置において、有利に作用する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明にかかわる半導体レーザ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００３０】
図１に、本発明の集積化半導体レーザ装置の斜視図を示す。本実施の形態は、６５０ｎｍ帯に発振波長を有する赤色半導体レーザ素子ａと、７８０ｎｍ帯に発振波長を有する赤外半導体レーザ素子ｂを同一基板上に形成した２波長型の半導体レーザ装置の一例である。
【００３１】
図１に示すように、本実施の形態における２波長型の半導体レーザ装置は、６５０ｎｍ帯のレーザ光を発振する赤色半導体レーザ素子ａと、７８０ｎｍ帯のレーザ光を発振する赤外半導体レーザ素子ｂとが１つの基板１上にモノリシックに形成されている。
【００３２】
赤色半導体レーザ素子ａは、エピタキシャル成長用のｎ型ＧａＡｓ基板１の上に、ｎ型クラッド層２、活性層３、第１のｐ型クラッド層４、エッチング停止層５、第２のｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７および絶縁層８が順次形成されて構成されている。
【００３３】
赤外半導体レーザ素子ｂは、赤色半導体レーザ素子ａに対して半導体の組成は異なるものの、同等の構造を有しており、基板１の上に、ｎ型クラッド層１２、活性層１３、第１のｐ型クラッド層１４、エッチング停止層１５、第２のｐ型クラッド層１６、ｐ型コンタクト層１７および絶縁層８が順次形成されて構成されている。
【００３４】
赤色半導体レーザ素子ａと赤外半導体レーザ素子ｂとは、底部が基板１に達する分離溝２０により電気的に分離されている。
【００３５】
絶縁層８は、赤色半導体レーザ素子ａにおける第２のｐ型クラッド層６に形成された断面台形状の凸部構造であるリッジストライプ部の上面および赤外半導体レーザ素子ｂにおける第２のｐ型クラッド層１６に形成されたリッジストライプ部の上面を除き、各エッチング停止層５，１５の上面および各リッジストライプ部の側面を覆っている。
【００３６】
赤色半導体レーザ素子ａにおけるリッジストライプ部の上面にはｐ側電極９が形成され、リッジストライプ部から活性層３にキャリア（ホール）が注入される。同様に、赤外半導体レーザ素子ｂにおけるリッジストライプ部の上面にはｐ側電極１９が形成され、リッジストライプ部から活性層１３にキャリア（ホール）が注入される。
【００３７】
基板１の各ｐ側電極９，１９の反対側の面上にはｎ側電極１０が形成されている。したがって、各ｐ側電極９，１９とｎ側電極１０とにバイアス電圧を独立に印加することにより、各半導体レーザ素子ａ，ｂを独立に動作させることができる。
【００３８】
各リッジストライプ部の下方に形成される共振器における互いに対向する２つの端面は、それぞれ誘電体からなる出射端面の誘電体反射膜３０および後方端面の誘電体反射膜３１によりコーティングされている。出射端面の誘電体反射膜３０により、レーザ光が出射される端面に出射端面（前方端面）４０が形成され、かつ、出射端面４０の反対側に位置しレーザ光が内部に反射される端面に後方端面（反射端面）４１が形成されている。
【００３９】
ここで、各誘電体反射膜３０，３１は屈折率が異なる複数の誘電体膜からなり、各誘電体反射膜の屈折率、膜厚および積層数を調整することにより、所望の反射率を得ることができる。
【００４０】
なお、各リッジストライプ部は断面台形状に限定されず、その側面が基板面とほぼ垂直となる断面方形状でもよい。
【００４１】
前記の誘電体反射膜の代表的な形成方法は、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）スパッタ法が挙げられる。ＥＣＲプラズマ処理装置を使用する理由としては、低ガス圧（１０-4〜１０-5Torr）、低プラズマダメージ、低イオン損傷などの特徴を有し、成膜については、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2、ＳｉＮなどの各種薄膜を加熱なしの低温で緻密かつ高品質に形成することができるからである。
【００４２】
後方端面の誘電体反射膜３１は反射率９０％以上とすることが好ましく、低屈折率材料と高屈折率材料の多層構造をとることで高反射率化が可能となる。例えば、低屈折率材料としてＳｉＯ2 （屈折率１．４８）、高屈折率材料として水素添加アモルファスＳｉ（屈折率の実部ｎ＝３．３）を用いる。
【００４３】
出射端面４０の誘電体反射膜３０の材料としては、ＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｔａ2 Ｏ5 、Ｎｂ2 Ｏ5 、ＺｒＯ2 などが用いられる。前記誘電体材料を組み合わせ、膜厚を正確に設定することによって、多波長に対応した低反射率コートを実現することができる。ここで、ＳｉＯ2 は化学的安定性、耐熱性、光の透過性、そして電気絶縁性に優れており、光学誘電体反射膜としてよく用いられる。しかし、高出力でレーザ動作させると、端面の劣化に起因したＣＯＤ（瞬時光学損傷）が問題として発生する。これは、前記スパッタ法で堆積させたＳｉＯ2 の不純物（主にＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉなどの重金属元素）の濃度レベルが高いことが原因であると考えられる。不純物濃度レベルの高い誘電体反射膜が出射端面に直接接した状態で高出力のレーザ動作をすると、重金属不純物の混入により出射端面に深い準位が発生し、その深い準位を介した非発光再結合により端面温度が上昇して端面が劣化するものと考えられる。したがって、出射端面と接する第１誘電体膜に重金属不純物濃度レベルの低い誘電体反射膜を形成することによって、高出力半導体レーザ装置の信頼性を向上できると予測される。低不純物濃度レベルの誘電体材料としてＡｌ2 Ｏ3 がある。Ａｌ2 Ｏ3 はＳｉＯ2 と比べて、不純物元素に対するバリア性が高いため、膜中に含有するＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉなどの不純物濃度が低いことが分かっている。そこで、第１誘電体膜にＡｌ2 Ｏ3 を用い、さらに界面の不純物濃度を変えて信頼性試験を行い、上記内容の検証を行った。
【００４４】
上記検証では、出射端面４０側の第１誘電体膜をＡｌ2 Ｏ3 で、第２誘電体膜をＳｉＯ2 で構成して、赤色半導体レーザ素子ａ、赤外半導体レーザ素子ｂそれぞれに対する反射率が１〜７％の間になるように膜厚を設定している。
【００４５】
図２に検証結果を示す。これは、赤色半導体レーザ素子について、出射端面と第１誘電体膜との界面における重金属不純物濃度と素子の寿命との関係を示したものであり、重金属としてＦｅが注目されている。高出力は例えば光出力２４０ｍＷ級である。
【００４６】
図２から、高出力動作時においては、不純物濃度と寿命（信頼性）に明確な相関性が存在することが分かる。寿命１０００時間以上を実現するためには、出射端面と第１誘電体膜との界面の重金属不純物濃度を３×１０17atoms／cm3 以下とすることが必要である。
【００４７】
以上のことにより、さらなる高出力化、長寿命化を実現するには、半導体レーザの出射端面の酸化を防ぐだけでは不十分であり、重金属不純物の汚染レベルの低減も必要不可欠である。
【００４８】
本発明者は、重金属不純物濃度３×１０17atoms／cm3 以下の半導体レーザ装置の光出力の検討を行った。図３は共振器内部の光強度分布を示している。ここでは、出射端面４０の反射率を６％、後方端面４１の反射率を９６％、共振器長を１５００μｍとしている。２４０ｍＷ出力動作の半導体レーザ装置においては、寿命１０００時間以上の信頼性を得ているのに対し、３００ｍＷ出力動作時においては、後方端面４１より劣化が生じている。この劣化が生じたときの後方端面４１における光強度を参照して、シミュレーションにより半導体レーザの端面における光密度を見積もった結果は２３．６ＭＷ／cm2である。
【００４９】
前記の重金属の汚染レベルの低い誘電体反射膜は、ＥＣＲプラズマ処理装置内部の金属面の保護を行い、金属面スパッタによる汚染を抑制することで得られる。
【００５０】
図４は、代表的なＥＣＲスパッタ装置の断面図を示している。この装置は、ＥＣＲプラズマを生成するプラズマ生成室５１と、このプラズマ生成室５１にマイクロ波を供給するマイクロ波供給手段５２と、プラズマ生成室５１に連通した成膜室（スパッタチャンバー）５３とを備えている。
【００５１】
プラズマ生成室５１は上端と下端のそれぞれに開口が同軸状に形成されており、下端に、その下端開口を通じて周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を真空度を維持して供給するようにマイクロ波供給手段５２が接続されているとともに、スパッタガスおよび清浄化ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）ガスおよび反応性ガスとしての酸素（Ｏ2 ）ガスを導入するガス導入管５４が接続されている。プラズマ生成室５１の周囲にはＥＣＲ条件を満たす磁界を生成するための磁気コイル５５が設けられている。
【００５２】
成膜室５３はその下端開口においてプラズマ生成室５１の上端開口に接続されており、室内を真空にするための排気口５３ａが側壁に開口している。成膜室５３の内部には、プラズマ生成室５１の上端にその上端開口を囲んで設けられたＳｉやＡｌなどのターゲット材５６が下端開口に臨む内壁を覆うように設置されているとともに、この下端開口に対向するように成膜対象物としての基板ｍを設置するためのステージ５７が設けられている。ターゲット材５６には負のバイアス電圧を印加するためのＲＦ電源Ｅが接続されている。
【００５３】
図５はプラズマ生成室５１に接続したマイクロ波供給手段５２を拡大図示している。図５（ａ）に示すように、マイクロ波源５８は、矩形導波管５９ａと整合器６０と矩形導波管５９ｂ，５９ｃと真空導波管６１を介してプラズマ生成室５１に接続されている。矩形導波管５９ｃはマイクロ波を２つに分岐するもので、マイクロ波回路におけるＥ面Ｙ分岐回路となっている。真空導波管６１はマイクロ波を送り出すためのスリット６２を中央部に有するもので、図５（ｂ）にも示すように、マイクロ波がそのマイクロ波電界を外部磁界に平行として外部磁界に垂直な方向へ進む導波管部６１ａと、このマイクロ波を外部磁界に沿ってプラズマ生成室５１へ導くテーパー管部６１ｂとから構成されている。スリット６２は導波管部６１ａにおけるマイクロ波の進行方向（導波管部６１ａの長手方向）に短く、それに直角な方向に長い矩形開口を有し、テーパー管部６１ｂのプラズマ生成室５１側は、スリット６２の長手方向と等しい直径の円形のマイクロ波導入開口６３となっている。
【００５４】
スリット６２の両側の対称な位置、マイクロ波が外部磁界に垂直に進行する部分には、真空を維持してマイクロ波を導入するためのマイクロ波導入窓６４ａ，６４ｂが設置されている。この例では石英板が用いられている。
【００５５】
このような構成により、マイクロ波源５８からのマイクロ波は、矩形導波管５９ａ、整合器６０、矩形導波管５９ｂを経て分岐回路である矩形導波管５９ｃに導かれ、そこで２つに分岐され、それぞれ等しい伝播距離で進行した後に、マイクロ波導入窓６４ａ，６４ｂを通り、スリット６２に到達する。このとき、矩形導波管５９ｃで分岐された２つのマイクロ波の位相は互いに１８０度異なっているため、スリット６２の付近では、マイクロ波導入窓６４ａからのマイクロ波とマイクロ波導入窓６４ｂからのマイクロ波とが互いに打ち消しあって定在波の節となり、マイクロ波電界強度は非常に弱くなるため、導波管部６１ａ内でのプラズマ発生は防止される。一方で、導波管壁を流れる高周波電流はスリット６２によって断ち切られるため、スリット６２に到達したマイクロ波はテーパー管部６１ｂ内へ放射され、さらにプラズマ生成室５１内に放射される。
【００５６】
このようにしてプラズマ生成室５１内に放射されるマイクロ波によって、ガス導入管５４より導入されるガスが励起されてプラズマ化し、そのプラズマが成膜室５３に流れ込んでターゲット材５６をスパッタする結果、ターゲット材５６の薄膜が基板ｍ上に形成される。
【００５７】
なお、この際に、マイクロ波導入窓６４ａ，６４ｂがマイクロ波導入開口６３から見て死角の位置にあるため、プラズマ生成室５１内で生成されたプラズマ中の粒子が直接飛来することはなく、マイクロ波導入窓６４ａ，６４ｂへの膜の付着は防止される。
【００５８】
このようにＥＣＲプラズマを利用して薄膜を形成するプラズマ処理装置は、低ガス圧（１０-4〜１０-5 Torr）、低プラズマダメージ、低イオン損傷などの特徴を有しており、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2，ＳｉＮなどの各種薄膜を加熱なしの低温で緻密かつ高品質に形成することができる。
【００５９】
上述したプラズマ処理装置では、プラズマ生成室５１は、石英チューブ６５と、プラズマ引き出し窓となる円形の開口を形成した石英板６６と、マイクロ波導入窓となる角形の開口を形成した石英板６７とで構成することによって、基板ｍへの重金属元素の飛来を抑制している。
【００６０】
しかし、プラズマ処理装置では一般に、プラズマ生成室５１で生成したプラズマの一部はマイクロ波供給手段５２側まで広がるため、その接続部分、上述した例ではマイクロ波整流板６８の開口部の金属面がスパッタされ、金属元素の飛散、基板ｍ上への飛来が起こる。そのため、基板ｍ上に形成される膜の重金属汚染量を３×１０17atoms／cm3 以下に抑えることは困難である。
【００６１】
そこで、プラズマ生成室５１との連通開口に臨んだ金属内壁を耐プラズマ性の保護材で覆うことにより、金属内壁からの金属元素の飛散を抑止し、成膜室５３で形成される膜中の金属汚染レベルを３×１０17atoms／cm3 以下にまで低減させることができる。
【００６２】
なお、半導体レーザ装置の誘電体反射膜は、ＥＣＲスパッタ法のみならず、マグネトロンスパッタ、電子ビーム蒸着（ＥＢ蒸着）などでも堆積ができる。これらの堆積法においても、スパッタ装置内部の汚染源を耐性の優れた保護膜などで保護し、金属面のスパッタを抑止することで、金属汚染レベルを低減した誘電体反射膜を形成させてもよい。
【００６３】
さらに、出射端面と接する第１誘電体膜には、ＳｉＯ2 に比べて不純物濃度レベルが低く、放熱性の優れたＡｌ2 Ｏ3 膜を採用することが望ましい。
【００６４】
このようにして、本実施の形態によれば、出射端面と誘電体反射膜との界面の重金属不純物濃度を３×１０17atoms／cm3 以下で形成することによって、高出力動作に適し、信頼性の高い集積化半導体レーザ装置を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明の集積化半導体レーザ装置は、例えば、高出力２波長レーザ装置を必要とする光記録装置等の光源として有用であり、また、その他、レーザ医療等への応用にも有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施の形態における集積化半導体レーザ装置（２波長型）の斜視図
【図２】本発明の実施の形態における半導体レーザ装置の出射端面に含まれるＦｅの不純物濃度と寿命との関係を示す図
【図３】本発明の実施の形態における赤色半導体レーザ素子の共振器内部の光強度分布を示す図
【図４】本発明の実施の形態におけるＥＣＲプラズマ処理装置を示す断面図
【図５】図４のマイクロ波導入部を拡大した断面図
【図６】従来技術における半導体素子（２波長型）の斜視図および断面図
【符号の説明】
【００６７】
ａ  赤色半導体レーザ素子
ｂ  赤外半導体レーザ素子
１  ｎ型ＧａＡｓ基板
２  ｎ型クラッド層
３  活性層
４  第１のｐ型クラッド層
５  エッチング停止層
６  第２のｐ型クラッド層
７  ｐ型コンタクト層
８  絶縁層
９  ｐ側電極
１０  ｎ側電極
１２  ｎ型クラッド層
１３  活性層
１４  第１のｐ型クラッド層
１５  エッチング停止層
１６  第２のｐ型クラッド層
１７  ｐ型コンタクト層
１９  ｐ側電極
２０  分離溝
３０  出射端面の誘電体反射膜
３１  後方端面の誘電体反射膜
４０  出射端面
４１  後方端面
【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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