(57)【要約】【課題】十分な初期特性を有する半導体レーザ素子であって、高出力レーザ発振において、放熱性のよい膜構造を有し、出射端面の光学損傷レベルを下げることなく、長期にわたり安定して高出力レーザ発振を可能とする半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】半導体基板上に活性層を有し、半導体基板両端に互いに向かい合う共振器を有し、共振器端面に酸化物で形成された第１の誘電膜、酸窒化物で形成された第２の誘電膜が順次積層された構造を備える半導体レーザ素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に活性層を有し、半導体基板両端に互いに向かい合う共振器を有し、共振器端面に酸化物で形成された第１の誘電膜、酸窒化物で形成された第２の誘電膜が順次積層された構造を備える半導体レーザ素子。
【請求項２】
第１の誘電膜が酸化アルミニウムで形成されたものである、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
第１の誘電膜の厚みが３〜２０ｎｍである、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
第２の誘電膜が酸窒化アルミニウムで形成されたものである、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
第２の誘電膜を形成する酸窒化アルミニウムの酸素含有量が３〜２０％である、請求項４に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
第２の誘電膜の厚みが３０〜１００ｎｍである、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
第２の誘電膜上に、酸化物で形成された第３の誘電膜がさらに積層された、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
第３の誘電膜が、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ニオブ、酸窒化アルミニウム、酸窒化珪素、窒化珪素から選ばれる少なくともいずれかにより形成されたものである、請求項７に記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
第３の誘電膜の厚みが２０ｎｍ以上である、請求項７または８に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
第２の誘電膜が、ＥＣＲスパッタ装置内においてターゲットに酸化アルミニウム（ＡｌxＯy（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜０．６））を用いた酸窒化物により形成されたものである、請求項１〜９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、端面出射型半導体レーザ素子に関し、さらに詳細には、経時的な光学損傷レベル低下による出射端面の劣化を抑制して、高出力で長時間にわたり安定して動作する半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
６５０ｎｍ帯、７８０ｎｍ帯の端面出射型半導体レーザ素子では、光出力を増大するために、注入電流を増していくと、光出力が急激に減少し、レーザ発振が停止する現象が発生する。これは、半導体レーザ素子の出射端面の光学損傷（Catastrophic Optical Damage、以下「ＣＯＤ」と呼ぶ）によるもので、以下のようなメカニズムで発生するものと考えられる。半導体レーザ素子の出射端面には酸化物などが存在することによる高密度の表面準位が存在するので、電流注入すると、この表面準位を介して非発光再結合電流が流れる。そのため、出射端面近傍でのキャリア密度はレーザ内部と比べて低くなり、光の吸収が生じる。この光吸収によって発熱が生じ、出射端面付近の温度が上昇するので、出射端面付近でのバンドギャップ・エネルギーが減少し、さらに一層光吸収が増大する。この正帰還ループによって、出射端面の温度が極度に上昇して、最終的には出射端面が融解してしまい、レーザ発振が停止する。近年の高出力半導体レーザ素子では窓構造と呼ばれる、端面無秩序化により、無秩序化された端面部のバンドギャップ・エネルギーを増大し、表面準位に起因する光吸収レベルを下げて、半導体レーザ素子のＣＯＤレベルを上昇することを可能としている。しかしながら半導体レーザ素子を長期にわたり発振させるとＣＯＤレベルが経時変化し、低下していくという問題があった。
【０００３】
このため、高いＣＯＤレベルを得るには、レーザ素子の放熱性をよくして端面部の温度を下げることが必要となってくる。その観点から、従来、様々な提案がなされている。
【０００４】
たとえば特開平３−２０９８９５号公報（特許文献１）においては、第１の誘電膜としてＡｌxＯyＮz膜（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を形成し、活性層にＡｌＧａＡｓをもつ７８０ｎｍ帯での半導体レーザにおいて、放熱性を確保しながら活性層ＡｌＧａＡｓの熱膨張係数の近いＡｌxＯyＮz単層を形成し、良好な端面保護膜としての機能を確保することができたとしている。
【０００５】
また特開２００３−２６４３３３号公報（特許文献２）においては、特開平９−３２６５２７号公報（特許文献３）の考え方をベースに、ＳｉＮ膜が表面に露出しているとパーティクルが付着しやすく、また耐薬品性が弱いという問題点を解決するため、Ａｌ2Ｏ3で形成された第１の誘電膜、Ｓｉ3Ｎ4またはＡｌＮで形成された第２の誘電膜、Ａｌ2Ｏ3で形成された第３の誘電膜を積層し、表面をＡｌ2Ｏ3膜で覆うことで対処している。
【特許文献１】特開平３−２０９８９５号公報
【特許文献２】特開２００３−２６４３３３号公報
【特許文献３】特開平９−３２６５２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献１においては、ＡｌxＯyＮz膜を直接形成すると、ＣＯＤレベルは２００ｍＷ以下であり、３００ｍＷ以下のレーザとしてのＣＯＤレベルは低いという問題があった。この原因として、半導体界面が窒化されたことが考えられる。ＧａＡｓＮはＧａＡｓよりも小さなバンドギャップをもつことが知られており、ＧａＡｓ表面が窒化されＧＡＡｓＮが形成されると光吸収を起こすとも考えられる。さらには、ＡｌxＯyＮz膜を直
接形成するという構造について、ＡｌxＯyＮz膜と活性層のＡｌＧａＡｓ膜との熱膨張係数は近いが、半導体レーザのベースとなる基板として使用されるＧａＡｓとの熱膨張係数は大きく異なるために、半導体界面と誘電膜との密着性が悪く、膜剥れなどの問題が発生し、歩留りが低下するという問題があった。
【０００７】
また特許文献２には、Ａｌ2Ｏ3で形成された第１の誘電膜、Ｓｉ3Ｎ4もしくはＡｌＮで形成された第２の誘電膜、Ａｌ2Ｏ3で形成された第３の誘電膜を積層し、Ｓｉ3Ｎ4膜をＡｌ2Ｏ3膜で挟み込むことで、耐薬品性の劣るＳｉ3Ｎ4膜を保護している。しかしながら、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＡｌＮ膜は、ＧａＡｓ系材料との熱膨張係数の差が大きいという問題点がある。そのため、成膜条件を変化させたとしても、厚みが５０ｎｍ以上の膜を形成すると、Ａｌ2Ｏ3で形成された第１の誘電膜と、ＳｉＮで形成された第２の誘電膜との熱膨張係数の差に起因する膜剥れが顕著になり、生産歩留りが低下してしまうなどの問題がある。
【０００８】
さらには、特許文献２に開示された技術では、第１の誘電膜の厚みが５ｎｍ〜１００ｍｍと厚いため、半導体レーザ出射端面から放熱性のよい窒化膜が離れた位置にあるため、長期的にレーザ発振させた場合、端面の温度が上昇し、端面酸化が進行することにより、高密度の表面準位ができ、光吸収が増加し、ＣＯＤレベルは経時的に変化するという問題があった。またＡｌ2Ｏ3膜とＡｌ膜、ＳｉＮ膜の材料的な熱膨張係数の違いから応力を低減しにくく、放熱性のよい膜を厚く形成することが難しいという問題もあった。
【０００９】
上記のような構造の半導体レーザ素子では、市場の高出力レーザのニーズを満たす十分な信頼性、ＣＯＤレベルを満たすことができないと考えられる。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、十分な初期特性を有する半導体レーザ素子であって、高出力レーザ発振において、放熱性のよい膜構造を有し、出射端面の光学損傷レベルを下げることなく、長期にわたり安定して高出力レーザ発振を可能とする半導体レーザ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の半導体レーザ素子は、半導体基板上に活性層を有し、半導体基板両端に互いに向かい合う共振器を有し、共振器端面に酸化物で形成された第１の誘電膜、酸窒化物で形成された第２の誘電膜が順次積層された構造を備えることを特徴とする。
【００１２】
ここにおいて、第１の誘電膜は、酸化アルミニウムで形成されたものであることが好ましい。
【００１３】
また、本発明における第１の誘電膜の厚みは、３〜２０ｎｍであることが好ましい。
本発明における第２の誘電膜は、酸窒化アルミニウムで形成されたものであることが好ましく、この酸窒化アルミニウムは酸素含有量が３〜２０％であることがより好ましい。
【００１４】
また、本発明における第２の誘電膜の厚みは３０〜１００ｎｍであることが好ましい。
本発明の半導体レーザ素子は、第２の誘電膜上に、酸化物で形成された第３の誘電膜がさらに積層されたものであることが好ましい。
【００１５】
本発明における第３の誘電膜は、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ニオブ、酸窒化アルミニウム、酸窒化珪素、窒化珪素から選ばれる少なくともいずれかにより形成されたものであることが好ましい。
【００１６】
また、本発明における第３の誘電膜の厚みは２０ｎｍ以上であることが、好ましい。
また本発明の半導体レーザ素子は、第２の誘電膜が、ＥＣＲスパッタ装置内においてターゲットに酸化アルミニウム（ＡｌxＯy（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜０．６））を用いた酸窒化物により形成されたものであることが、好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、第１の誘電膜として酸化物、第２の誘電膜として酸窒化物を用いた積層構造を共振器端面の一方の出射端面上に有する半導体レーザ素子とすることで、第１の誘電膜と、これより熱伝導率の高い第２の誘電膜との間の密着性を向上させ、膜剥れ、表面窒化によるＣＯＤレベル低下を防ぎ、長時間にわたり高出力動作させたときに生じる光学損傷（ＣＯＤ）による出射端面劣化を抑制して、信頼性を確保した半導体レーザ素子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の好ましい一例の半導体レーザ素子１を模式的に示す側面からみた図である。なお、半導体レーザ素子１は本来、半導体基板の主面上に複数の活性層（半導体層）が積層されているが、図１では説明を簡略化するために省略してある。本発明の半導体レーザ素子１は、半導体基板２と、半導体基板２の一方側Ａ１（半導体レーザ素子の光放射面側）に順次積層された第１の誘電膜３および第２の誘電膜４とを基本的に備える。本発明の半導体レーザ素子１は、たとえば対向する２面を有する角柱状物で実現され、この２面のうち１面（図１に示す例では一方側Ａ１の端面）を光出射端面、残る１面（図１に示す例では他方側Ａ２の端面）を光反射端面として用いられる。
【００１９】
本発明の半導体レーザ素子１における第１の誘電膜３は、酸化物で形成されてなることを特徴とする。本発明でいう「酸化物」は、酸窒化物も包含するものであり、たとえば、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸窒化アルミニウム（ＡｌxＯyＮz）、酸化シリコン（ＳｉＯ、ＳｉＯ2、Ｓｉ2Ｏ3）、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸窒化シリコン（ＳｉxＯyＮz）などが例示される。
【００２０】
上記中でも、酸化アルミニウムにて第１の誘電膜３を形成した場合には、Ａｌ2Ｏ3の熱膨張係数７．２（×１０-6）／℃、ＧａＡｓの熱膨張係数６．８（×１０-6）／℃と、±５％程度の近い材料であるため、Ａｌ2Ｏ3膜が半導体基板２端面との密着性が高く、広い波長範囲で透明性を有し、熱的および化学的に安定であって、化合物半導体結晶と容易に反応しないという効果が奏されるため、好ましい。
【００２１】
また、上記中でも窒素の含有量が１〜１０％である酸窒化アルミニウムにて第１の誘電膜３を形成すると、酸化アルミニウムにて第１の誘電膜を形成した場合と比較して、第１の誘電膜の熱伝導率をより高めることができ、放熱性の向上に寄与し得ることから、好ましい。なお、酸窒化アルミニウム中の窒素の含有量が１０％を超える場合には、半導体界面部の窒化によりＣＯＤレベルが低下してしまう虞がある。
【００２２】
ここで、半導体レーザ素子における長期レーザ発振させた場合の経時ＣＯＤによる出射端面の劣化の原因は、上述したように、出射端面でキャリア密度の低下ならびにそれに伴う光の吸収に起因して、出射端面が温度上昇することである。したがって、本発明者らは、出射端面に形成した誘電膜の熱伝導率を高めて放熱性を向上させ、端面近傍の局所的な温度上昇を抑制することが、ＣＯＤの経時的な劣化を防ぐのに有効であるとの知見を得た。このため、放熱性の観点からは、Ａｌ2Ｏ3にて第１の誘電膜を形成するよりも、Ａｌ2Ｏ3よりも熱伝導率の高いＡｌＮにて第１の誘電膜を形成する方がよいように一見考えられる。しかしながら、ＧａＡｓ系半導体レーザにおいて、ＡｌＮ膜は応力、熱膨張係数の違いのため、端面にＡｌＮ膜を密着させることが困難である。したがって、本発明者らは、半導体基板２上に直接形成する第１の誘電膜としては、ＡｌＮ膜を用いるのではなく、
半導体基板２の熱膨張係数と近い熱膨張係数を有し、半導体基板２との高い密着性を保持できる、上記例示した酸化物（好ましくはＡｌ2Ｏ3）にて形成する必要があることが分かった。
【００２３】
本発明の半導体レーザ素子における第１の誘電膜３の厚みは、特に制限されるものではないが、３〜２０ｎｍであることが好ましく、５〜１０ｎｍであることが好ましい。なお、第１の誘電膜３の厚みとは、膜の平均厚みを指し、たとえば素子端面近傍における断面を電子顕微鏡（ＴＥＭ、ＳＥＭ）で測定された長さを指す。
【００２４】
ここで、第１の誘電膜３の厚みと、長期レーザ発振させた場合の経時ＣＯＤによる出射端面の劣化との関係について説明する。図２は、第１の誘電膜３をＡｌ2Ｏ3膜で形成した場合の厚みと、半導体レーザ素子のＣＯＤ出力（ｍＷ）との関係を示すグラフである。なお、半導体レーザ素子のＣＯＤ出力とは、半導体レーザ素子５個について、半導体レーザ素子をＣＯＤ破壊し、レーザ発振が停止するまで電流を印加し、その時点でのフォトダイオードで検出した光最大出力（ｍＷ）の値を指す。
【００２５】
本発明者らは、上述したような知見に基づき、放熱性を確保しながら半導体基板２を保護するために必要な第１の誘電膜の厚みを求めた。図２のグラフはその結果を示している。図２に示すように、Ａｌ2Ｏ3膜の厚みが３ｎｍ未満である場合には、ＣＯＤレベルは低く、１５０ｍＷ程度であった。これは、Ａｌ2Ｏ3膜の厚みが小さすぎるために、第２の誘電膜を形成する際に半導体結晶界面の窒化が起こるためと考えられる。図２の結果から、第１の誘電膜であるＡｌ2Ｏ3膜の、第２の誘電膜形成時の窒化保護膜としての最低厚みは、３ｎｍに設定することが好ましいことが分かる。
【００２６】
さらに図２には、膜の厚みを６ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍと変化させたところのＣＯＤレベル（図２中、○で示される）、また上記半導体レーザ素子をパルス３００ｍＷで３００時間発振させた後でのＣＯＤレベル（図２中、×で示される）を示している。図２に示す結果から、Ａｌ2Ｏ3膜の放熱は、厚みが２０ｎｍ以下であれば確保できていることが分かる。また、Ａｌ2Ｏ3膜の厚みが２０ｎｍを超える場合には、半導体レーザ素子の端面と、後述するように放熱性のよい第２の誘電膜との距離が離れすぎて素子全体としての放熱性が悪化するため、長期間にわたりレーザ発振を行なうとＣＯＤレベルが低下する虞があると考えられる。
【００２７】
本発明の半導体レーザ素子１における第２の誘電膜４は、酸窒化物で形成されてなることを特徴とする。第２の誘電膜の形成に用いられる酸窒化物としては、酸窒化アルミニウム（ＡｌxＯyＮz）、酸窒化シリコン（ＳｉxＯyＮz）などが挙げられ、中でも、放熱性を確保し、かつ、第１の誘電膜の熱膨張係数と近い熱膨張係数を有するため第１の誘電膜との高い密着性を保持できることから、酸窒化アルミニウムが好ましい。
【００２８】
上述したような、出射端面に形成した誘電膜の熱伝導率を高めて放熱性を向上させ、端面近傍の局所的な温度上昇を抑制することが、ＣＯＤの経時的な劣化を防ぐのに有効であるとの知見に基づき、本発明者らは、第１の誘電膜として、半導体レーザ素子の端面保護膜として通常用いられるＡｌ2Ｏ3膜を使用し、かつ、この第１の誘電膜の熱伝導率を良好とするため、Ａｌ2Ｏ3膜よりも熱伝導率の高いＡｌＮ膜を第２の誘電膜として第１の誘電膜上に積層することを試みた。しかしながら、ＡｌＮ膜は、Ａｌ2Ｏ3膜上であっても、ＡｌＮ膜とＡｌ2Ｏ3膜との間の応力、熱膨張係数の違いから、Ａｌ2Ｏ3膜との密着性が悪いため、長期的に半導体レーザ素子を発振させた場合に、膜剥れが起こり、ＡｌＮ膜の酸化が急速に進むことを原因とするＣＯＤレベルの低下が発生した。
【００２９】
そのため、本発明者らは、ＡｌＮに酸素を混ぜたＡｌxＯyＮzを用いることで、ＡｌＮ
膜を物性的にＡｌ2Ｏ3膜に近づけて、両者の熱膨張係数の違いを吸収することを試みた。図３は、ＡｌxＯyＮz膜におけるＡｌＮに酸素を含有させた割合（％）と、生産歩留り（％）との関係を示すグラフである。ここで、「生産歩留り」とは、ＧａＡｓ系レーザ素子の出射端面に、第１の誘電膜としてＡｌ2Ｏ3膜（厚み：６ｎｍ）、第２の誘電膜としてＡｌxＯyＮz膜（厚み：５０ｎｍ）、第３の誘電膜（後述）としてＡｌ2Ｏ3膜（厚み：８０ｎｍ）を順次積層させた場合において、当該素子の出射端面を光学顕微鏡で観察して、ひび割れや剥れが目視で観察されたものを不良として求めた割合（％）を指す。
【００３０】
図３より、生産歩留りを低下させるひび割れ、剥れは、第２の誘電膜をＡｌＮ（酸素含有量：０％）で形成したときに顕著にみられた。光学顕微鏡での観察により、このひび割れ、剥れは、第１の誘電膜であるＡｌ2Ｏ3膜と、第２の誘電膜であるＡｌＮ膜との間で起こっていることが分かった。これに対し、ＡｌxＯyＮz膜におけるＡｌＮへの酸素含有量が３％以上である場合には、製品の膜剥れなどの歩留り低下を防止できることが分かった。これは、ＡｌＮ膜と比較して、酸素含有量が３％以上のＡｌxＯyＮz膜の熱膨張係数がＡｌ2Ｏ3の熱膨張係数に近いためであると考えられる。また、ＡｌＮに酸素が入ることで、Ａｌ2Ｏ3膜とＡｌxＯyＮz膜との界面での密着性が向上したためであるとも考えられる。
【００３１】
また、図４は、ＡｌxＯyＮz膜におけるＡｌＮに酸素を含有させた割合（％）と、ＣＯＤ出力（ｍＷ）との関係を示すグラフである。図４は、ＧａＡｓ系レーザ素子の出射端面に、第１の誘電膜としてＡｌ2Ｏ3膜（厚み：６ｎｍ）、第２の誘電膜としてＡｌxＯyＮz膜（厚み：５０ｎｍ）、第３の誘電膜（後述）としてＡｌ2Ｏ3膜（厚み：８０ｎｍ）を順次積層させた構成において、第２の誘電膜であるＡｌxＯyＮz膜中の酸素含有量を変化させた場合の、３００時間エージング後のＣＯＤとの関係を示している。なお、ＣＯＤは、上述と同様にして測定された値を指す。
【００３２】
図４から、ＡｌxＯyＮz膜におけるＡｌＮへの酸素含有量が２０％を超える場合には、３００時間３００ｍＷレーザ発振させた後、ＣＯＤレベルの低下が起こったことが分かる。これは、前記酸素含有量が２０％を超えると、ＡｌxＯyＮz膜が特性的にＡｌ2Ｏ3膜に近くなり、熱伝導率が低下することに起因すると推測される。
【００３３】
上述した観点から、本発明の半導体レーザ素子１に用いられる第２の誘電膜は、酸窒化アルミニウムで形成されたものであることが好ましく、さらにこの酸窒化アルミニウムは、酸素含有量が３〜２０％の範囲内であることが好ましく、５〜１０％の範囲内であることがより好ましい。なお、第２の誘電膜としてＡｌxＯyＮz膜を用いた半導体レーザ素子１における当該ＡｌxＯyＮz膜の酸素含有量は、ＴＥＭ−ＥＤＸ（Transmission Electron
Microscopy−Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）により測定することができる。
【００３４】
なお、本明細書中でいうＡｌxＯyＮzは、ＡｌＮ中にＡｌ2Ｏ3が混在しているような場合と、ＡｌＮの中にＡｌＯＮ結晶として存在している場合と、ＡｌＮの中にＡｌ2Ｏ3、ＡｌＯＮが存在している場合とがある。本発明におけるＡｌxＯyＮz膜の酸素含有量ｙは、上記範囲内であるのであれば、ＡｌxＯyＮzが上記いずれの形態を採っていてもよい。
【００３５】
本発明の半導体レーザ素子１における第２の誘電膜４の厚みは、特に制限されるものではないが、３０〜１００ｎｍであることが好ましく、４０〜５０ｎｍであることがより好ましい。なお、第２の誘電膜４の厚みは、膜の平均厚みを指し、上述した第１の誘電膜３の厚みの測定方法と同様の方法にて測定することができる。
【００３６】
図５は、第２の誘電膜をＡｌxＯyＮz膜で形成した場合の厚みと、ＣＯＤ出力（ｍＷ）との関係を示すグラフである。図５は、ＧａＡｓ系レーザ素子の出射端面に、第１の誘電
膜としてＡｌ2Ｏ3膜（厚み：６ｎｍ）を形成した上に、第２の誘電膜としてＡｌxＯyＮz膜を厚みを変化させて形成した場合の、３００時間エージング後のＣＯＤ出力との関係を示している。なお、ＣＯＤは、上述と同様の方法にて測定された値を指す。
【００３７】
図５から、ＡｌxＯyＮz膜の厚みが３０ｎｍ未満である場合には、放熱性が足りず、ＣＯＤレベルは３００時間の３００ｍＷパルスレーザ発振により経時的に劣化する傾向にあることが分かる。また、ＡｌxＯyＮz膜の厚みが１００ｎｍを超える場合には、第１の誘電膜であるＡｌ2Ｏ3膜との密着性が低下する傾向にあり、特にＡｌxＯyＮz膜の厚みが１２０ｎｍ以上とすると膜の剥れが生じた。これは、ＡｌＮに酸素を導入したＡｌxＯyＮz膜を用い、Ａｌ2Ｏ3膜に物性を近づけたとしても、ＡｌxＯyＮz膜の厚みが大きすぎると放熱性の問題から応力を完全になくすことができないためであると考えられる。このため、第２の誘電膜としてＡｌxＯyＮz膜を用いた場合の臨界厚みは１２０ｎｍであると推測される。
【００３８】
上述してきたように、本発明によれば、第１の誘電膜として酸化物、第２の誘電膜として酸窒化物を用いた積層構造を共振器端面の一方の出射端面上に有する半導体レーザ素子とすることで、第１の誘電膜と、これより熱伝導率の高い第２の誘電膜との間の密着性を向上させ、膜剥れ、表面窒化によるＣＯＤレベル低下を防ぎ、長時間にわたり高出力動作させたときに生じる光学損傷（ＣＯＤ）による出射端面劣化を抑制して、信頼性を確保した半導体レーザ素子を実現することができる。なお、第１の誘電膜と第２の誘電膜との密着性に関して最も重要なことは、第２の誘電膜を形成するＡｌxＯyＮz膜の厚みと酸素含有量であり、第２の誘電膜の厚みが１００ｎｍ以下で、かつ、酸素含有量が３％以下であり、第１の誘電膜の厚みが３〜２０ｎｍの範囲内であれば、剥れなどの問題を確実に防止することができるため、好ましい。
【００３９】
また、本発明の半導体レーザ素子は、ＡｌxＯyＮz膜の酸素含有量を制御することにより、ＡｌxＯyＮz膜の厚みを大きくしても膜剥れなどをなくすことが可能となる。したがって、半導体レーザ素子の製品歩留りが向上される。
【００４０】
図６は、本発明の好ましい他の例の半導体レーザ素子１’を模式的に示す図である。図６に示す例の半導体レーザ素子１’は、第２の誘電膜４上に、第３の誘電膜６がさらに積層されてなること以外は図１に示した例の半導体レーザ素子１と同様の構成を備えており、同様の構成を有する部分については同一の参照符を付して説明を省略する。本発明の半導体レーザ素子は、図６に示す例のように、第２の誘電膜４上に、第３の誘電膜６がさらに積層されてなる構造を備えていてもよい。
【００４１】
上述してきたように、本発明の半導体レーザ素子では、特に好ましい特性を得るためには、第１の誘電膜および第２の誘電膜をそれぞれ特定の範囲内の厚みに形成することが好ましい。しかし、半導体レーザ素子は、光出射端面において３〜１０％（より好適には５〜７％）の反射率を有することが必要である。なお、反射率は、半導体レーザ素子の光出射端面に反射率測定器でハロゲン、ネオンランプなどのランプから光を入射させ、半導体レーザ素子の光出射端面から光が反射されるようにして、入射した光と反射した光の強度の比率から測定された、素子の光出射端面における反射率を指す。上述した観点から第１の誘電膜および第２の誘電膜の厚みを固定してしまうと、上記反射率を有する得られた半導体レーザ素子を得ることが困難となる場合がある。このような場合には、第２の誘電膜上にさらに第３の誘電膜を形成して、半導体レーザ素子に目的の反射率をもたせることもできる。
【００４２】
図６に示す例のように第２の誘電膜４上に第３の誘電膜６を形成する場合、この第３の誘電膜は、酸化物で形成されてなることが好ましい。ここで「酸化物」は、上述したよう
に酸窒化物も包含するが、具体的には、上述した反射率が得られることから、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、酸窒化アルミニウム（ＡｌxＯyＮzで形成された第２の誘電膜と酸素含有量が異なる膜）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）から選ばれる少なくともいずれかであることが好ましい。上記中でも、化学的および熱的に高い安定性を有するＡｌ2Ｏ3膜にて第３の誘電膜を形成した場合には、得られた半導体レーザ素子の薬品洗浄工程、熱プロセスで、レーザ素子の出射端面の損傷が防止されるという利点があり、好ましい。
【００４３】
本発明における第３の誘電膜の厚みは、特に制限されるものではないが、上述した端面反射率は、誘電膜の厚みの変化に対し周期的に変化するため、目的の反射率に該当する周期の厚みを適宜選択することが好ましい。たとえば、端面反射率を６％としたい場合、第１の誘電膜として厚み６ｎｍのＡｌ2Ｏ3膜、第２の誘電膜として厚み５０ｎｍのＡｌxＯyＮz膜を形成し、その上に第３の誘電膜としてＡｌ2Ｏ3膜を形成する場合には、第３の誘電膜の厚みは、１６ｎｍ、７０ｎｍ、２１６ｎｍ、２７０ｎｍ、…と任意に設定することができる。なお、第３の誘電膜６の厚みも、膜の平均厚みを指し、上述した第１の誘電膜３および第２の誘電膜４の厚みの測定方法と同様の方法にて測定することができる。
【００４４】
また、本発明における第３の誘電膜６は、２０ｎｍ以上であることが好ましく、６０〜２６０ｎｍであることがより好ましい。第３の誘電膜６が２０ｎｍ未満である場合には、第２の誘電膜を外部から保護しにくく、また反射率を制御しにくい傾向にあるためである。
【００４５】
なお、第３の誘電膜を形成する場合、たとえば上記例示した材料を適宜組み合わせて用いた多層構造として反射率を設計するようにしてもよい。たとえば、第３の誘電膜を、Ａｌ2Ｏ3とＳｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5とＡｌ2Ｏ3などを組み合わせて多層構造とする場合が例示される。この場合、上述した第３の誘電膜の厚みとは、多層構造の第３の誘電膜の厚みの総計の平均厚みを指すものとする。
【００４６】
また、第１の誘電膜をＡｌ2Ｏ3膜で形成し、第２の誘電膜をＡｌxＯyＮz膜で形成し、第３の誘電膜を第２の誘電膜とは酸素含有量の異なるＡｌxＯyＮz膜で形成するような、酸窒化物の多層構造にて本発明の半導体レーザ素子を実現してもよい。この場合、第２の誘電膜よりも大きな酸素含有量を有するＡｌxＯyＮz膜にて第３の誘電膜を形成することが好ましい。
【００４７】
本発明の半導体レーザ素子１において、半導体基板２は、半導体レーザ素子用の基板として当分野において従来より広く用いられてきた適宜の基板が用いられる。このような半導体基板２としては、たとえば、ＧａＡｓ半導体基板を用いることができる。
【００４８】
本発明に用いられる半導体基板２上には、活性層が形成され、半導体基板２両端に互いに向かい合う共振器が形成される。このため半導体基板２には、通常、基板の一方側の主面に、共発振を可能とするための複数の層が形成される。半導体レーザ素子に用いる場合には、当該端面を光出射側端面とする。たとえば、半導体基板２としてｎ型ＧａＡｓ基板を用いる場合、一方側の主面に、Ｓｉをドーピングしたｎ型Ｉｎ0.5（Ｇａ0.3Ａｌ0.7）0.5Ｐクラッド層（ｎ＝３〜４×１０17ｃｍ−3）、活性領域、Ｚｎをドーピングしたｐ型Ｉｎ0.5（Ｇａ0.3Ａｌ0.7）0.5Ｐクラッド層（ｐ＝９×１０17ｃｍ−3）、Ｚｎをドーピングしたｐ型Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｐ通電容易層、Ｚｎをドーピングしたｐ型ＧａＡｓキャップ層を順次積層した場合が例示される。なお、活性領域としては、たとえば、Ｉｎ0.5（Ｇａ0.5Ａｌ0.5）0.5Ｐ第１光ガイド層、Ｉｎ0.65Ｇａ0.35Ｐ井戸層とＩｎ0.5（Ｇａ0.5Ａ
ｌ0.5）0.5Ｐ障壁層とからなるＭＱＷ活性層およびＩｎ0.5（Ｇａ0.5Ａｌ0.5）0.5Ｐ第２光ガイド層からなるものを採用することができる。また、上記キャップ層上には、たとえばＺｎＯ膜が形成され、後述するような方法にてＺｎをクラッド層の途中にまで拡散させることで、窓領域が形成される。
【００４９】
なお、上記各層は、あくまでも一具体例として示したものであり、本発明における半導体基板は上記例示には勿論限定されるものではない。また、各層の厚みは、所望する半導体レーザ素子の特性に応じて、適宜選択して設定することができる。
【００５０】
本発明の半導体レーザ素子は、半導体基板２の他方側Ａ２の端面（光反射側端面）には、通常、多層構造の高反射多層膜５が形成されてなる（図１、図６の例を参照）。高反射多層膜５は、当分野において通常用いられる適宜の材料の組み合わせで形成することができ、特に制限されるものではない。たとえば、酸化物であるＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5のマルチコートにて高反射多層膜５を形成する場合が例示される。
【００５１】
本発明の半導体レーザ素子は、その製造方法は特に制限されるものではなく、半導体レーザ素子を製造するための従来公知の方法を適宜組み合わせることができる。
【００５２】
半導体レーザ素子に用いる半導体基板上には、たとえば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって、上述したようなクラッド層、活性領域、通電容易層、キャップ層などを適宜の順序および厚みにて形成される。
【００５３】
次に、半導体基板の一方側の端面に、たとえば、開口部を有するようにストライプ状のレジスト材を形成し、このレジスト材をマスクとして、ウェットエッチングなどによりキャップ層を２００〜４００ｎｍエッチングする。このエッチング時に使用するエッチャントは、キャップ層とその下層部の通電容易層との選択性があるエッチャントを使用し、下層部の通電容易層をエッチングしないようにする。このようなエッチャントとしては、たとえば、Ｈ2ＳＯ4：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏ＝１：２：２０の混合液が例示される。
【００５４】
なお、上記エッチングはドライエッチングにて行ってもよい。ドライエッチングを用いると、ウェットエッチングによりエッチング量の制御性が向上し、キャップ層厚を、より厳密にコントロールすることができるという利点がある。
【００５５】
次に、窓領域を形成する。具体的には、スパッタ法を用いてＺｎＯ膜を成膜し、その後、レジスト剥離液などによりマスク材のレジストおよびレジスト上部のＺｎＯ膜をリフトオフし、除去する。その後、５００℃以上でアニール処理を加えて、ＺｎをＺｎＯ膜からクラッド層の途中まで拡散させ、Ｚｎが拡散された窓領域を選択的に形成する。このとき、形成される窓領域のフォトルミネッセンス（ＰＬ）波長と、窓領域以外、すなわちＺｎが拡散していない領域のフォトルミネッセンス（ＰＬ）波長との差（Δλ）は、ＧａＡｓキャップ層厚が０．５μｍ（ＧａＡｓキャップ層エッチングなし）時のアニール温度とΔλとの関係から、Δλ５０ｎｍ以上を確保するには、５２０℃以上必要である。
【００５６】
上述のようにして半導体基板上に活性層を有し、半導体基板両端に互いに向かい合う共振器を有するように形成した後、一方側の共振器端面（レーザ素子とした際の光出射側端面）に、第１の誘電膜、第２の誘電膜（および第３の誘電膜）を順次成膜し、積層構造を形成する。この際、第１の誘電膜、第２の誘電膜および第３の誘電膜を成膜する前に、成膜装置内に載置した半導体基板を加熱せずに蒸着により成膜を行っても特に問題はない。しかしながら、第１の誘電膜と第２の誘電膜との間の密着性を向上させる観点からは、加熱して成膜を行うことが好ましい。この場合、加熱温度は１５０℃以上であることが好ましく、２００〜４００℃であることがより好ましい。
【００５７】
なお、上記加熱を行なう場合、加熱なしで第１の誘電膜を成膜した後、第２の誘電膜を成膜する際にのみ加熱するようにしてもよいし、第１の誘電膜、第２の誘電膜および第３の誘電膜を全て加熱しながら成膜するようにしてもよい。また、第１の誘電膜および第２の誘電膜を加熱せずに成膜した後、第３の誘電膜を成膜する際にのみ加熱するようにしてもよい。
【００５８】
第１の誘電膜、第２の誘電膜および第３の誘電膜の成膜方法としては、特に制限されるののではなく、たとえばＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）スパッタ法などの各種スパッタ法や、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、ＥＢ（Electron Beam）蒸着法などを用いて成膜することができる。上記中でも、半導体レーザの共振器端面へのコーティングに一般的に用いられる手法であり、高密度でありながら、試料に対して低ダメージであり、高真空中でもプラズマが生成できることから、ＥＣＲスパッタ法が好適に用いられ得る。なお、ＡｌxＯyＮz膜は、ＡｌＮ膜と同様の原理で成膜することができる。すなわち、金属Ａｌターゲットをスパッタし、窒素ガスと酸素ガスを含むプラズマ雰囲気中に試料を配置することで、ＡｌxＯyＮz膜を成膜できる。この際、窒素ガスと酸素ガスの比率を変えることで、ＡｌxＯyＮz膜中の酸素含有量ｙを変えることができる。
【００５９】
また、ＡｌxＯyＮz膜は、ターゲットに酸化アルミニウム（ＡｌxＯy（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜０．６））を用いて、成膜室に酸素を導入し反応性スパッタ法によって成膜することも可能である。Ａｌは比較的酸化性が高いため、酸素を導入した場合、酸素含有量ｙの少ない膜の組成制御、再現性は難しいが、このように、ターゲットに酸化アルミニウム（ＡｌxＯy（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜０．６））（ターゲットの酸化状態を低くしておく）を用い、成膜室に酸素を導入せず、窒素のみ導入して成膜する場合であれば、比較的容易に低酸素含有量の膜を成膜することができる。さらに、ＡｌxＯyＮzターゲットを用いても同様の結果が得られる。
【００６０】
成膜室の真空度、成膜温度によっても酸素含有量ｙが変化するため、成膜条件を変えることでも、組成を変化させることができる。成膜室における真空度は、低い方が酸素が含有されやすく、また成膜室における成膜温度としては高い方が、酸素は取り込まれにくいという傾向がある。
【００６１】
さらに、成膜室の内壁を酸化させる、もしくは、成膜室の内壁にＡｌ2Ｏ3を付着させた後、成膜室にＡｒガスと窒素ガスを導入し、Ａｌターゲットを用いてスパッタ法などにより成膜すると、内壁に付着したＡｌ2Ｏ3の酸素がプラズマにより離脱するため、ＡｌxＯyＮz膜を成膜することができる。
【００６２】
このように、ＡｌxＯyＮz膜は様々な方法で作製することが可能である。これらの成膜方法を組み合わせて成膜する方法でもよく、成膜方法自体は本発明において特に制限されるものではない。
【００６３】
本発明の半導体レーザ素子において光反射側端面に形成される高反射多層膜は、従来公知の方法を適宜組み合わせて形成することができ、その形成方法は特に制限されるものではない。
【００６４】
本発明の半導体レーザ素子は、たとえば、半導体基板としてＧａＡｓ基板を用いた、端面発光型の６５０ｎｍ帯赤色半導体レーザ素子として好適に実現されるが、これに制限されるものではなく、７８０ｎｍ、８５０ｎｍ、９８０ｎｍなどの広範囲な発光波長の半導体レーザ素子にも適用することが可能である。また、本発明の半導体レーザ素子は、エアリッジ構造、埋め込み型リッジ構造のいずれで実現されてもよい。
【００６５】
なお、本発明の半導体レーザ素子における各誘電膜は、形成条件に起因するストイキオメトリのズレなどで組成が化学式の比率から異なるものができる可能性もあるが、このうような場合であっても本発明の趣旨からは特に問題はなく、本発明に包含されるものとする。
【００６６】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００６７】
＜実施例１＞
ｎ型ＧａＡｓ基板上に、Ｓｉをドーピングした膜厚２．２μｍのｎ型Ｉｎ0.5（Ｇａ0.3Ａｌ0.7）0.5Ｐクラッド層（ｎ＝３〜４×１０17ｃｍ−3）、活性領域、Ｚｎをドーピングした膜厚１．５μｍのｐ型Ｉｎ0.5（Ｇａ0.3Ａｌ0.7）0.5Ｐクラッド層（ｐ＝９×１０17ｃｍ−3）、Ｚｎをドーピングした厚さ５０ｎｍのｐ型Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｐ通電容易層、Ｚｎをドーピングした厚さ０．５μｍのｐ型ＧａＡｓキャップ層を順次形成した。活性領域は、膜厚５０ｎｍのＩｎ0.5（Ｇａ0.5Ａｌ0.5）0.5Ｐ第１光ガイド層、膜厚５ｎｍのＩｎ0.65Ｇａ0.35Ｐ井戸層と膜厚６ｎｍのＩｎ0.5（Ｇａ0.5Ａｌ0.5）0.5Ｐ障壁層とからなるＭＱＷ活性層、ならびに、膜厚５０ｎｍのＩｎ0.5（Ｇａ0.5Ａｌ0.5）0.5Ｐ第２光ガイド層を順次積層することで形成した。これらの各層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により形成した。
【００６８】
次に、上述のようにして得られた積層構造体の一方向（半導体レーザの共振器端面方向）の端面に、２０μｍの開口部をもつようにストライプ状のレジスト材を膜厚３．０μｍとなるように形成し、このストライプ状のレジスト材をマスクとして、ウェットエッチングによりＧａＡｓキャップ層をエッチングした。このエッチング時に使用するエッチャントとしては、Ｈ2ＳＯ4：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏ＝１：２：２０の混合液を用いた。
【００６９】
次に、窓領域を形成した。まず、スパッタ法を用いてＺｎＯ膜を成膜し、その後、レジスト剥離液などによりマスク材のレジストおよびレジスト上部のＺｎＯ膜をリフトオフし、除去する。その後、５２０℃以上でアニール処理を加えて、ＺｎをＺｎＯ膜からｎ型Ｉｎ0.5（Ｇａ0.3Ａｌ0.7）0.5Ｐクラッド層の途中まで拡散させ、Ｚｎが拡散された窓領域を選択的に形成した。
【００７０】
上記のようにして得られた半導体基板の一方側の端面に、第１の誘電膜としてＡｌ2Ｏ3膜（厚み：６ｎｍ）、第２の誘電膜としてＡｌxＯyＮz膜（厚み：５０ｎｍ）、第３の誘電膜としてＡｌ2Ｏ3膜（厚み：７０ｎｍ）を順次積層させた。なお、半導体基板の他方側（光反射側）の端面には、酸化物であるＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5のマルチコートを予め形成した。このようにして、図６に示した例の本発明の半導体レーザ素子を作製した。
【００７１】
第１の誘電膜、第２の誘電膜および第３の誘電膜は、成膜装置内を常温、具体的には２５℃に保持した状態で、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）スパッタ法により成膜した。本実施例では、第２の誘電膜であるＡｌxＯyＮz膜の成膜は、窒素（Ｎ2）ガスを５．５ｓｃｃｍ、酸素（Ｏ2）ガスを１．０ｓｃｃｍ供給し、さらに、プラズマを効率よく発生させて成膜速度を大きくするためにアルゴン（Ａｒ）ガスを２０．０ｓｃｃｍ供給しながら行った。金属Ａｌターゲットをスパッタさせるために印加が必要なＲＦパワーは５００Ｗ、プラズマの生成に必要なマイクロ波パワーは５００Ｗとした。このような条件で、成膜レート１．５Å／ｓｅｃ、波長６３３ｎｍにおける屈折率２．０のＡｌxＯyＮz膜が形成された。
【００７２】
図７は、スパッタ時間と、形成されたＡｌxＯyＮz膜の原子組成との関係を示すグラフである。図７に示されるように、ＡＥＳ（Auger Electron Spectroscopy）によって、得られたＡｌxＯyＮz膜の原子組成を深さ方向に分析した結果、当該組成は、ｘ＝０．３４８、ｙ＝０．０３８、ｚ＝０．６１４で、深さ方向にほぼ均一な組成であることが分かる。なお、図７には示していないが、得られたＡｌxＯyＮz膜からは、極微量のＡｒも検出された。
【００７３】
上述のようにして得られた半導体レーザ素子について、上記記載の方法にて測定された反射率は６％であった。実施例１の半導体レーザ素子は、６５０ｎｍ帯赤色半導体レーザ素子として好適なものであった。
【００７４】
＜実施例２＞
第１の誘電膜としてＡｌ2Ｏ3膜（厚み：６ｎｍ）、第２の誘電膜としてＡｌxＯyＮz膜（厚み：１００ｎｍ）を形成し、第３の誘電膜を形成しなかったこと以外は実施例１と同様にして、図１に示した例の本発明の半導体レーザ素子を製造した。得られた半導体レーザ素子について、実施例１と同様にして測定された反射率は７％であった。実施例２の半導体レーザ素子も、６５０ｎｍ帯赤色半導体レーザ素子として好適なものであった。
【００７５】
＜実施例３＞
第１の誘電膜としてＡｌ2Ｏ3に窒素を５％含有させたＡｌxＯyＮz膜（厚み：２０ｎｍ）、第２の誘電膜として酸素含有量が１０％であるＡｌxＯyＮz膜（厚み：３０ｎｍ）、第３の誘電膜としてＳｉＯ2膜を形成したこと以外は実施例１と同様にして、図６に示した例の本発明の半導体レーザ素子を製造した。得られた半導体レーザ素子について、実施例１と同様にして測定された反射率は８％であった。実施例３の半導体レーザ素子も、６５０ｎｍ帯赤色半導体レーザ素子として好適なものであった。
【００７６】
なお、実施例３の半導体レーザ素子は、半導体結晶界面に近い第１の誘膜として、Ａｌ2Ｏ3に窒素を５％含有させたＡｌxＯyＮz膜を用い、第２の誘電膜として、酸素含有量が１０％のＡｌxＯyＮz膜を用いたことで、実施例１、２で得られた半導体レーザ素子よりも界面部の熱伝導率が向上し、製品のＣＯＤレベルはＣＷ（連続駆動）にて３６０ｍＷ、５００時間パルス３００ｍＷエージング後のＣＯＤレベルは３６０で劣化が全くない半導体レーザ素子を作製することができた。
【００７７】
今回開示された実施の形態、実施例および比較例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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の好ましい一例の半導体レーザ素子１を模式的に示す図である。
【図２】第１の誘電膜をＡｌ2Ｏ3膜で形成した場合の厚みと、半導体レーザ素子のＣＯＤ出力（ｍＷ）との関係を示すグラフである。
【図３】ＡｌxＯyＮz膜におけるＡｌＮに酸素を含有させた割合（％）と、生産歩留り（％）との関係を示すグラフである。
【図４】ＡｌxＯyＮz膜におけるＡｌＮに酸素を含有させた割合（％）と、ＣＯＤ出力（ｍＷ）との関係を示すグラフである。
【図５】第２の誘電膜をＡｌxＯyＮz膜で形成した場合の厚みと、ＣＯＤ出力（ｍＷ）との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の好ましい他の例の半導体レーザ素子１’を模式的に示す図である。
【図７】スパッタ時間と、形成されたＡｌxＯyＮz膜の原子組成との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７９】
１，１’  半導体レーザ素子、２  半導体基板、３  第１の誘電膜、４  第２の誘電膜、５  高反射多層膜、６  第３の誘電膜。
【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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【図６】
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【図７】
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