(57)【要約】【課題】光吸収係数がシリコン（Ｓｉ）膜より小さく、発光に伴う熱的安定性が酸化チタン（ＴｉＯ２）膜より優れた材料を用いて誘電体多層膜を構成することによりＣＯＤ劣化を大幅に改善する。【解決手段】高反射膜１０は、レーザチップに接する側から順に、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）誘電体膜１１と、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）誘電体膜１２と、酸化アルミニウム誘電体膜１３と、酸化タンタル誘電体膜１４と、酸化アルミニウム誘電体膜１５と、酸化タンタル誘電体膜１６と、酸化アルミニウム誘電体膜１７と、酸化タンタル誘電体膜１８と、酸化アルミニウム誘電体膜１７で構成される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザチップの光出射面の少なくとも一方に、反射率が４０％以上の誘電体多層膜が形成された半導体レーザ装置において、
誘電体多層膜は、酸化タンタルからなる誘電体膜を含むことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
誘電体多層膜は、酸化アルミニウムからなる誘電体膜と、酸化タンタルからなる誘電体膜とを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
誘電体多層膜は、レーザチップに接する膜として酸化アルミニウムからなる誘電体膜を含み、さらに酸化シリコンからなる誘電体膜と、酸化タンタルからなる誘電体膜とを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘電体多層膜が形成された半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザは、一般に、ウエハ劈開によって共振器端面を形成し、この共振器端面に誘電体膜が形成されている。この端面に形成されるこの誘電体の種類、膜厚、層数を任意に選ぶことによって所望の反射率に制御することができる。
【０００３】
こうした反射膜は、反射率を任意に制御可能な特性だけでなく、瞬間光学損傷（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄａｍａｇｅ：以下ＣＯＤと略称する）による劣化が生じにくい特性が要望される。ＣＯＤ劣化とは、レーザ光がレーザ素子端面の膜に吸収されることで膜が発熱し、温度上昇する結果、膜の融解が起こり端面破壊に至ることである。
【０００４】
例えば、反射率４０％以上の反射膜を得る場合、一般に、低屈折率膜と高屈折率膜材とを交互に積層した誘電体多層膜が用いられている。関連する先行技術として、下記のものが挙げられる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２４７７５６号公報
【特許文献２】
特開２００１−２６７６７７号公報
【特許文献３】
特開２００２−３０５３４８号公報
例えば、特開２００１−２６７６７７号公報は、半導体レーザの後端面に形成される高反射膜として、Ａｌ２Ｏ３膜と酸素含有Ｓｉ膜からなる５層の多層反射膜を採用しており、Ｓｉ膜の成膜プロセス中に酸素を導入することによって、Ｓｉの消衰係数を下げて、ＣＯＤ劣化を防止している。しかし、レーザの発振波長の短波長化及び高出力化に伴って、Ｓｉ膜は光吸収係数を持つようになり、一定の限度を超えるとＣＯＤ劣化が発生する。
【０００６】
また、特開平１０−２４７７５６号公報は、半導体レーザの光出射端面に形成される反射膜として、酸化チタン（ＴｉＯ２）と酸化シリコン（ＳｉＯ２）の多層膜を採用して、ＣＯＤレベルを改善している。しかし、酸化チタンは発光に伴う熱的安定性が低いことから、経時変化が起こやすくなり、膜厚や屈折率の変動により反射率変化が生じ、最終的にはＣＯＤ劣化が起こることが懸念される。
【０００７】
また、特開２００２−３０５３４８号公報は、発振波長４００ｎｍの半導体レーザの共振器端面に形成される反射膜として、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ３）と酸化シリコン（ＳｉＯ２）の多層膜を採用している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体レーザでは、シリコン（Ｓｉ）膜、酸化チタン（ＴｉＯ２）膜などの高屈折率膜を用いた多層反射膜が検討されている。しかし、上記の膜構成では、今後更なるレーザの高出力化によって、発光に伴うレーザ端面の温度上昇により、ＣＯＤ劣化及び膜厚や屈折率の変動に伴う反射率変化などの経時劣化が懸念される。
【０００９】
本発明の目的は、上記問題を解決するために、誘電体多層膜が形成された半導体レーザにおいて、光吸収係数がシリコン（Ｓｉ）膜より小さく、発光に伴う熱的安定性が酸化チタン（ＴｉＯ２）膜より優れた材料を用いて誘電体多層膜を構成することによりＣＯＤ劣化を大幅に改善することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体レーザ装置は、レーザチップの光出射面の少なくとも一方に、反射率が４０％以上の誘電体多層膜が形成された半導体レーザ装置において、誘電体多層膜は、酸化タンタルからなる誘電体膜を含むことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態を示す構造図であり、光軸に沿った垂直断面を示している。レーザチップは、ＧａＡｓ等の半導体基板１と、活性層２と、活性層２の上方および下方に形成されたクラッド層３と、クラッド層３の上方および下方に形成された電極４などで構成される。
【００１２】
半導体レーザ装置は、上述のレーザチップと、レーザ前端面に形成された低反射膜９と、レーザ後端面に形成された高反射膜１０などで構成される。一般に、低反射膜９は１５％以下の反射率となるように設定され、高反射膜１０は４０％以上の反射率となるように設定される。
【００１３】
低反射膜９および高反射膜１０は、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ（化学的気相成長）などの成膜プロセスを用いて形成される。レーザ前端面とレーザ後端面との間で光共振器が構成され、活性層２で発振したレーザ光の大部分は低反射膜９から出力光Ｌｏとして出射され、高反射膜１０からもレーザ光の一部が出射される。
【００１４】
図１（ｂ）は、高反射膜１０の構成を示す拡大図である。高反射膜１０は、レーザチップに接する側から順に、屈折率ｎ１１および膜厚ｄ１１の誘電体膜１１、屈折率ｎ１２および膜厚ｄ１２の誘電体膜１２、屈折率ｎ１３および膜厚ｄ１３の誘電体膜１３、屈折率ｎ１４および膜厚ｄ１４の誘電体膜１４、屈折率ｎ１５および膜厚ｄ１５の誘電体膜１５、屈折率ｎ１６および膜厚ｄ１６の誘電体膜１６、屈折率ｎ１７および膜厚ｄ１７の誘電体膜１７、屈折率ｎ１８および膜厚ｄ１８の誘電体膜１８、屈折率ｎ１９および膜厚ｄ１９の誘電体膜１９で形成されている。
【００１５】
誘電体多層膜は、一般に、高屈折率の誘電体膜と低屈折率の誘電体膜が交互に繰り返すように積層される。各誘電体膜の膜厚は、一般に、光学長に換算して発振波長λの４分の１、即ちλ／４の整数倍となるように設定され、誘電体膜の屈折率の大きさに応じて適切な膜厚に調整される。
【００１６】
本実施形態において、高反射膜１０は、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）からなる誘電体膜と、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる誘電体膜とを含む。酸化タンタルは、後述するように、加熱による温度上昇に対して屈折率変化量および膜厚変化量が小さい特性を有するため、誘電体多層膜として好適である。
【００１７】
次に、高反射膜１０の具体的な構成例について説明する。ここでは、発振波長λ＝６６０ｎｍの赤色半導体レーザに高反射膜１０を形成した例を示す。レーザチップの等価屈折率は、３．８１７である。
【００１８】
図１（ｂ）に示すように、レーザチップに接する側から順に第１層である誘電体膜１１は、屈折率ｎ１１＝１．６４１の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で形成し、膜厚ｄ１１は光学長換算でλ／４相当の１００．５ｎｍに設定している。
【００１９】
第２層である誘電体膜１２は、屈折率ｎ１２＝２．０３１の酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）で形成し、膜厚ｄ１２は光学長換算でλ／４相当の８１．２ｎｍに設定している。
【００２０】
第３層である誘電体膜１３は、屈折率ｎ１３＝１．６４１の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で形成し、膜厚ｄ１３は光学長換算でλ／４相当の１００．５ｎｍに設定している。
【００２１】
第４層である誘電体膜１４は、屈折率ｎ１４＝２．０３１の酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）で形成し、膜厚ｄ１４は光学長換算でλ／４相当の８１．２ｎｍに設定している。
【００２２】
第５層である誘電体膜１５は、屈折率ｎ１５＝１．６４１の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で形成し、膜厚ｄ１５は光学長換算でλ／４相当の１００．５ｎｍに設定している。
【００２３】
第６層である誘電体膜１６は、屈折率ｎ１６＝２．０３１の酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）で形成し、膜厚ｄ１６は光学長換算でλ／４相当の８１．２ｎｍに設定している。
【００２４】
第７層である誘電体膜１７は、屈折率ｎ１７＝１．６４１の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で形成し、膜厚ｄ１７は光学長換算でλ／４相当の１００．５ｎｍに設定している。
【００２５】
第８層である誘電体膜１８は、屈折率ｎ１８＝２．０３１の酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）で形成し、膜厚ｄ１８は光学長換算でλ／４相当の８１．２ｎｍに設定している。
【００２６】
第９層である誘電体膜１９は、屈折率ｎ１９＝１．６４１の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で形成し、膜厚ｄ１９は光学長換算でλ／２相当の２０１．０ｎｍに設定している。
【００２７】
図１（ｃ）は、上記構成を有する高反射膜１０の反射率について波長依存性を示すグラフである。このグラフから、中心波長λ＝６６０ｎｍで約８３％の反射率を示しており、発振波長の変化に対する反射率変化は小さい。従って、上記構成の高反射膜１０は、レーザ発振波長が変動しても安定した反射率を示すことが判る。
【００２８】
図２（ａ）および図２（ｂ）は、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）膜と酸化チタン（ＴｉＯ２）膜の屈折率および膜厚について温度依存性を示すグラフである。ここでは、約１１０℃の加熱温度における屈折率および膜厚を基準値１００％として、約４００℃の加熱温度における屈折率および膜厚の変化率をパーセント表示で示している。
【００２９】
これらのグラフから、酸化チタン膜の屈折率は、約４００℃において＋２．１８％増加しているのに対して、酸化タンタル膜の屈折率は＋０．９４％の増加に抑制されている。また、酸化チタン膜の膜厚は、約４００℃において−１．９５％減少しているのに対して、酸化タンタル膜の膜厚は−０．２６％の減少に抑制されている。このように酸化タンタル膜は、酸化チタン膜と比べて熱的安定性に優れることが判る。
【００３０】
従って、レーザチップが高出力レーザ光を発生して、高反射膜１０での光吸収により温度上昇が生じた場合、酸化チタン（ＴｉＯ２）膜が存在すると、屈折率変化および膜厚変化が大きくなる。そのため、レーザ光のオンオフを繰り返す度に、高反射膜１０の経時劣化が生じ易くなり、引いてはＣＯＤ劣化を引き起こす要因となる。
【００３１】
これに対して酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）膜を用いて高反射膜１０を構成した場合、高反射膜１０での光吸収により温度上昇が生じたとしても、屈折率変化および膜厚変化が小さいため、高反射膜１０の経時劣化およびＣＯＤ劣化を防止することができる。
【００３２】
なお、上記の高反射膜１０では、高屈折率膜である酸化タンタル膜および低屈折率膜である酸化アルミニウム膜を繰り返し単位とした４周期分の多層膜に対して、大気に接する低屈折率膜として酸化アルミニウム膜を追加した例を示したが、所望の反射率に制御するために、酸化タンタル膜および酸化アルミニウム膜の繰り返し単位を１〜３周期あるいは５周期以上で構成することも可能である。また、反射率特性の中心波長を６６０ｎｍから変更する場合、各誘電体膜の膜厚を光学長で換算した膜厚に変更することで対処できる。
【００３３】
実施の形態２．
図３（ａ）は、本発明の第２実施形態を示す構造図であり、光軸に沿った垂直断面を示している。レーザチップは、ＧａＡｓ等の半導体基板１と、活性層２と、活性層２の上方および下方に形成されたクラッド層３と、クラッド層３の上方および下方に形成された電極４などで構成される。
【００３４】
半導体レーザ装置は、上述のレーザチップと、レーザ前端面に形成された低反射膜９と、レーザ後端面に形成された高反射膜２０などで構成される。一般に、低反射膜９は１５％以下の反射率となるように設定され、高反射膜２０は４０％以上の反射率となるように設定される。
【００３５】
低反射膜９および高反射膜２０は、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ（化学的気相成長）などの成膜プロセスを用いて形成される。レーザ前端面とレーザ後端面との間で光共振器が構成され、活性層２で発振したレーザ光の大部分は低反射膜９から出力光Ｌｏとして出射され、高反射膜２０からもレーザ光の一部が出射される。
【００３６】
図３（ｂ）は、高反射膜２０の構成を示す拡大図である。高反射膜２０は、レーザチップに接する側から順に、屈折率ｎ２１および膜厚ｄ２１の誘電体膜２１、屈折率ｎ２２および膜厚ｄ２２の誘電体膜２２、屈折率ｎ２３および膜厚ｄ２３の誘電体膜２３、屈折率ｎ２４および膜厚ｄ２４の誘電体膜２４、屈折率ｎ２５および膜厚ｄ２５の誘電体膜２５、屈折率ｎ２６および膜厚ｄ２６の誘電体膜２６、屈折率ｎ２７および膜厚ｄ２７の誘電体膜２７、屈折率ｎ２８および膜厚ｄ２８の誘電体膜２８で形成されている。
【００３７】
誘電体多層膜は、一般に、高屈折率の誘電体膜と低屈折率の誘電体膜が交互に繰り返すように積層される。各誘電体膜の膜厚は、一般に、光学長に換算して発振波長λの４分の１、即ちλ／４の整数倍となるように設定され、誘電体膜の屈折率の大きさに応じて適切な膜厚に調整される。
【００３８】
本実施形態において、高反射膜２０は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる誘電体膜と、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる誘電体膜と、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）からなる誘電体膜とを含む。酸化タンタルは、図２に示したように、加熱による温度上昇に対して屈折率変化量および膜厚変化量が小さい特性を有するため、誘電体多層膜として好適である。
【００３９】
次に、高反射膜２０の具体的な構成例について説明する。ここでは、発振波長λ＝６６０ｎｍの赤色半導体レーザに高反射膜２０を形成した例を示す。レーザチップの等価屈折率は、３．８１７である。
【００４０】
図３（ｂ）に示すように、レーザチップに接する側から順に第１層である誘電体膜２１は、屈折率ｎ２１＝１．６４１の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で形成し、膜厚ｄ２１は光学長換算でλ／２相当の２０１．０ｎｍに設定している。
【００４１】
第２層である誘電体膜２２は、屈折率ｎ２２＝１．４６１の酸化シリコン（ＳｉＯ２）で形成し、膜厚ｄ２２は光学長換算でλ／４相当の１１２．９ｎｍに設定している。
【００４２】
第３層である誘電体膜２３は、屈折率ｎ２３＝２．０３１の酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）で形成し、膜厚ｄ２３は光学長換算でλ／４相当の８１．２ｎｍに設定している。
【００４３】
第４層である誘電体膜２４は、屈折率ｎ２４＝１．４６１の酸化シリコン（ＳｉＯ２）で形成し、膜厚ｄ２４は光学長換算でλ／４相当の１１２．９ｎｍに設定している。
【００４４】
第５層である誘電体膜２５は、屈折率ｎ２５＝２．０３１の酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）で形成し、膜厚ｄ２５は光学長換算でλ／４相当の８１．２ｎｍに設定している。
【００４５】
第６層である誘電体膜２６は、屈折率ｎ２６＝１．４６１の酸化シリコン（ＳｉＯ２）で形成し、膜厚ｄ２６は光学長換算でλ／４相当の１１２．９ｎｍに設定している。
【００４６】
第７層である誘電体膜２７は、屈折率ｎ２７＝２．０３１の酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）で形成し、膜厚ｄ２７は光学長換算でλ／４相当の８１．２ｎｍに設定している。
【００４７】
第８層である誘電体膜２８は、屈折率ｎ２８＝１．４６１の酸化シリコン（ＳｉＯ２）で形成し、膜厚ｄ２８は光学長換算でλ／２相当の２２５．８ｎｍに設定している。
【００４８】
図３（ｃ）は、上記構成を有する高反射膜２０の反射率について波長依存性を示すグラフである。このグラフから、中心波長λ＝６６０ｎｍで約８６％の反射率を示しており、発振波長の変化に対する反射率変化は小さい。従って、上記構成の高反射膜２０は、レーザ発振波長が変動しても安定した反射率を示すことが判る。
【００４９】
なお、上記の高反射膜２０では、高屈折率膜である酸化タンタル膜および低屈折率膜である酸化シリコン膜を繰り返し単位とした３周期分の多層膜に対して、チップおよび大気に接する低屈折率膜として酸化アルミニウム膜を追加した例を示したが、所望の反射率に制御するために、酸化タンタル膜および酸化シリコン膜の繰り返し単位を１〜２周期あるいは４周期以上で構成することも可能である。また、反射率特性の中心波長を６６０ｎｍから変更する場合、各誘電体膜の膜厚を光学長で換算した膜厚に変更することで対処できる。
【００５０】
図４は、半導体レーザの駆動電流に対する光出力特性の一例を示すグラフである。従来の高反射膜として、レーザチップに接する側から順に、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜、シリコン（Ｓｉ）膜、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜、シリコン（Ｓｉ）膜、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜からなる計５層の誘電体多層膜を形成したものである。
【００５１】
グラフを見ると、いずれも駆動電流が発振閾値電流５０ｍＡ付近を超えると光出力が増加する。従来のものは、駆動電流が２４０ｍＡ付近で光出力が激減して、ＣＯＤ劣化が生じている。
【００５２】
これに対して第１実施形態および第２実施形態で説明した高反射膜１０，２０は、駆動電流５００ｍＡに至るまでＣＯＤ劣化は発生しておらず、従来の高反射膜と比べて約１．７倍の光出力にも耐えていることが判る。
【００５３】
以上の説明において、本発明に係る誘電体多層膜をレーザ後端面に形成する例を示したが、本発明に係る誘電体多層膜をレーザ前端面に形成することも可能である。
【００５４】
【発明の効果】
以上詳説したように、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）膜を用いて誘電体多層膜を構成した場合、誘電体多層膜での光吸収により温度上昇が生じたとしても、屈折率変化および膜厚変化が小さいため、誘電体多層膜の経時劣化およびＣＯＤ劣化を大幅に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明の第１実施形態を示す構造図であり、図１（ｂ）は高反射膜１０の構成を示す拡大図であり、図１（ｃ）は高反射膜１０の反射率について波長依存性を示すグラフである。
【図２】酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）膜と酸化チタン（ＴｉＯ２）膜の屈折率および膜厚について温度依存性を示すグラフである。
【図３】図３（ａ）は本発明の第２実施形態を示す構造図であり、図３（ｂ）は高反射膜２０の構成を示す拡大図であり、図３（ｃ）は高反射膜２０の反射率について波長依存性を示すグラフである。
【図４】半導体レーザの駆動電流に対する光出力特性の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１  基板、  ２  活性層、  ３  クラッド層、  ４  電極、  ９  低反射膜、１０  高反射膜、  １１〜１９  誘電体膜、  ２０  高反射膜、  ２１〜２８
誘電体膜。
【図１】
2004327581.tif 000003
【図２】
2004327581.tif 000004
【図３】
2004327581.tif 000005
【図４】
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