(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子の劈開またはエッチングされた共振器端面に設けられる誘電体多層反射膜であって、最表面層がＭｇＦ2であり、該最表面層以外の層が、第１の酸化物誘電体と、該第１の酸化物誘電体とは異なる第２の酸化物誘電体とを交互に積層してなる交互多層膜からなり、前記第２の酸化物誘電体がＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2およびＴａ2Ｏ5のうちの少なくとも１種類以上からなることを特徴とする誘電体多層反射膜。
【請求項２】
前記交互多層膜の前記第１の酸化物誘電体が、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2およびＴａ2Ｏ5のうちの少なくとも１種類以上からなる、請求項１に記載の誘電体多層反射膜。
【請求項３】
前記最表面層の厚さが、１００ｎｍ〜６００ｎｍである請求項１に記載の誘電体多層反射膜。
【請求項４】
前記最表面層以外の層が、ＳｉＯ2からなる層とＴｉＯ2からなる層とを交互に３層ずつ積層することによって合計６層が積層されたものである請求項１に記載の誘電体多層反射膜。
【請求項５】
請求項１に記載の誘電体多層反射膜の製造方法であって、
半導体レーザ素子の劈開またはエッチングされた共振器端面に、第１の酸化物誘電体と、該第１の酸化物誘電体とは異なる第２の酸化物誘電体とを交互に成膜することによって交互多層膜を形成する工程と、
該交互多層膜に、ＭｇＦ2からなる最表面層を積層する工程とを包含し、
前記第２の酸化物誘電体がＴｉＯ2であり、該ＴｉＯ2の成膜工程において、成膜雰囲気に純Ｏ2ガスを含むことを特徴とする誘電体多層反射膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体レーザダイオード（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ；ＬＤ）の共振器端面やその他の光学素子に付設される誘電体多層反射膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述の半導体ＬＤの共振器端面は、半導体層を劈開またはエッチングして形成されており、そのままでは反射率が低いので、反射鏡として誘電体多層反射膜が形成される。この誘電体多層反射膜は、通常、図４に示すように、低屈折率（ｎ1）を示す誘電体薄膜と高屈折率（ｎ2）を示す誘電体薄膜とを、各層の光学的厚さがレーザの発振波長の１／４となるように交互に積層して構成される。
【０００３】
低屈折材料としては、例えば特開平６−９７５７０号に記載されているように、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）や二酸化珪素（ＳｉＯ2）、あるいは二弗化マグネシウム（ＭｇＦ2）等が挙げられ、高屈折率材料としては、二酸化チタニウム（ＴｉＯ2）や二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）等が挙げられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の誘電体薄膜材料のうち、ＭｇＦ2は、連続的に積層されたか不連続的に積層されたかを問わず多数層が積層された場合、あるいは単一層の積層でも厚膜化された場合には、その内部応力によりクラックが生じるという欠点を有する。また、ＺｎＳｅは強い毒性を示すという問題があり、ＺｎＳは成膜装置のチャンバ内にＳを残留させるので、そのＳにより他の薄膜の品質を低下させるという問題がある。
【０００５】
一方、酸化物誘電体は上述のような問題がなく、光学薄膜材料としてよく用いられる有用な材料であるが、酸化物誘電体膜の表面が強い極性を有することに起因して、大気中での屈折率が経時的に変化し易いという問題がある。この極性により、酸化物誘電体膜の表面が大気中の水分から解離した水酸基を容易に吸着するので、形成直後に大気に曝された薄膜表面は親水性を有する表面水酸基で急速に覆われる。更にその後、酸化物誘電体膜と表面水酸基との水素結合により徐々に水分が吸着される。このような水分吸着に伴って、酸化物誘電体膜の見かけ上の屈折率が経時的に変化してしまう。加えて、真空蒸着法等により成膜された誘電体薄膜においては、膜厚方向に平行な空孔を多数含む多孔質構造を有するが、これはバルク誘電体と比較して表面積が大きくなるということにつながるので、上記経時変化を助長するという方向に働く。
【０００６】
例えば、図５の実線のような分光特性を示すＳｉＯ2層を含む交互多層反射膜をＬＤ端面に形成した場合、上記のような水分吸着によりＳｉＯ2層の屈折率が経時的に増大してしまう。従って、ＳｉＯ2層の光学的厚さが増大することになり、図５の反射スペクトルが破線で示したように半値全幅の若干の増大と共に長波長側にシフトして、本来のピーク波長での反射率が減少することにつながる。しかも、この様な波長シフトが経時的に現れるので、変化を予め見越した対応を考えることが困難である。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであり、酸化物誘電体を構成材料として含むにも拘らず、特性の経時変化を生じない誘電体多層反射膜を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の誘電体多層反射膜は、半導体レーザ素子の劈開またはエッチングされた共振器端面に設けられる誘電体多層反射膜であって、最表面層がＭｇＦ2からなり、該最表面層以外の層が１種類以上の酸化物誘電体を構成材料として含み、そのことにより上記目的が達成される。
【０００９】
本発明の誘電体多層反射膜において、前記最表面層以外の層を構成するための前記酸化物誘電体がＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2およびＴａ2Ｏ5のうちの少なくとも１種類以上からなる構成とすることができる。
【００１０】
本発明の誘電体多層反射膜において、前記最表面層以外の層が、ＳｉＯ2からなる層とＴｉＯ2からなる層とを交互に合計６層積層されたものからなる構成とすることができる。
【００１１】
【作用】
本発明においては、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2およびＴａ2Ｏ5等に代表される酸化物誘電体を構成材料として含む誘電体多層反射膜の最表面層がＭｇＦ2層からなる。ＭｇＦ2誘電体は緻密な構造を有しており、多層反射膜内部への水分の侵入・吸着を抑止できるので、多層反射膜の光学特性が経時的に安定に保たれる。  ＭｇＦ2は最表面層以外には含まれておらず、内部応力によるクラックが生じない程度に十分薄く形成できる。例えば、上記誘電体多層反射膜をＬＤ端面に用いる場合、ＭｇＦ2層の厚さは、誘電体多層反射膜がＬＤの発振波長に対してもたらす反射率を変えないように１／２波長条件を満たせばよいので十分薄くでき、あるいは光学特性の決定に寄与させる場合でも十分薄く設計できる。また、ＭｇＦ2薄膜は高い機械的強度を有するので、共振器端面に硬質な保護膜を有する反射鏡を形成することができる。
【００１２】
最表面層以外の層が、ＳｉＯ2からなる層とＴｉＯ2からなる層とを交互に合計６層積層されたものからなる構成とすると、その成膜の作業成の向上および反射率の向上の両立を図ることが可能となる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
（実施例１）
図１は実施例１にかかる誘電体多層反射膜が形成された半導体ＬＤ１０３の片方の端面を示す斜視図である。この半導体ＬＤ１０３は、共振器１と、その両方の出射端面に形成された、交互多層膜１０１および最表面層１０２からなる誘電体多層反射膜とを有する。共振器１は、ＧａＡｓ基板１１上にＺｎＳｅバッファ層１２が形成され、その上にＺｎＣｄＳｅ多重量子井戸を活性層、ＺｎＳｅをガイド層、ＺｎＳＳｅをクラッド層とする分離閉じ込め型ヘテロ接合（ＳＣＨ）構造１３が形成されている。さらにその上にＺｎＳｅコンタクト層１４が形成され、その上には一部がストライプ状に除去された誘電体絶縁層１５が形成されている。また、誘電体絶縁層１５の上には上部電極１６が形成され、基板１１の下面には下部電極１７が形成されている。
【００１５】
この共振器１の両方の出射端面には、ＳｉＯ2層およびＴｉＯ2層が交互に積層された交互多層膜１０１と、ＭｇＦ2からなる最表面層１０２とからなる誘電体多層反射膜が形成されている。
【００１６】
上記誘電体多層反射膜を有する半導体ＬＤ１０３は、以下のようにして作製することができる。まず、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法により、ＧａＡｓ基板１１上にＺｎＳｅバッファ層１２、ＺｎＳＳｅ下部クラッド層、ＺｎＳｅ下部ガイド層、ＺｎＣｄＳｅ多重量子井戸活性層、ＺｎＳｅ上部ガイド層、ＺｎＳＳｅ上部クラッド層およびＺｎＳｅコンタクト層１４を順次エピタキシャル成長させる。続いて、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法により誘電体絶縁層１５を成膜し、マスクパターニング法によりその一部をストライプ状に除去する。さらに、抵抗加熱式真空蒸着法により、誘電体絶縁層１５の上に上部電極１６を、基板１１の下面に下部電極１７を形成して、電極ストライプ型II−ＶＩ族化合物半導体ＬＤのレーザウェハを作製する。
【００１７】
次に、この状態のレーザウェハをストライプ方向と垂直な方向に劈開またはエッチングしてバー状にする。この劈開面またはエッチング面が共振器１の光出射端面となる。
【００１８】
その後、ＥＢ蒸着法により、共振器１の端面にＳｉＯ2層およびＴｉＯ2層を積層して交互多層膜１０１を形成する。各層の厚さは共振器１の発振波長に対して１／４波長条件を満たすように設計し、交互に３層ずつ、６層積層する。このとき、誘電体薄膜の付着強度を高めるために、共振器１を保持する基板は１００〜１５０℃に加熱する。このように加熱温度を一般的な薄膜形成時よりも低く設定しているのは、II−Ｖ族化合物半導体の結晶成長温度が低いためである。成長温度に近い温度で長時間保持することは、ドーパントの拡散その他の影響を共振器に及ぼす虞れがあり、結晶成長時を除くプロセス温度は極力低く抑えるのが望ましい。また、蒸着開始前は、両方の材料共に真空槽内を４×１０-6Ｔｏｒｒとし、蒸着中は、ＳｉＯ2については蒸着速度を１６オングストローム／秒に保ち、ＴｉＯ2については蒸着速度を３．３オングストローム／秒に保って成膜する。また、ＴｉＯ2成膜時には、酸素原子の抜けを補うために純Ｏ2ガスを導入し、圧力は１．４×１０-4Ｔｏｒｒに保つ。
【００１９】
さらに、上記交互多層膜１０１に重ねて、ＭｇＦ2からなる最表面層１０２を積層する。このＭｇＦ2層の厚さは共振器１の発振波長に対して１／２波長条件を満たすように設計し、１層だけ積層する。このとき、交互多層膜の作製時と同様に、共振器１を保持する基板は１００〜１５０℃に加熱する。また、１×１０-5Ｔｏｒｒの真空雰囲気中で蒸着速度を８オングストローム／秒に保って成膜を行う。最後に、バー状のレーザウェハを分割してチップ状にする。
【００２０】
上記共振器１は波長５２０ｎｍの発振波長を有するので、誘電体多層反射膜におけるＳｉＯ2層（屈折率１．４５）、ＴｉＯ2層（屈折率２．３）、ＭｇＦ2層（屈折率１．３６）の各層厚は、例えば８９．６６ｎｍ、５６．５２ｎｍ、１９１．１８ｎｍとして成膜することができる。
【００２１】
図２は、以上のようにして作製された本実施例の誘電体多層反射膜の端面反射率を波長に対して示したものである。上記共振器１の発振波長に対する活性層の屈折率は約２．７であるので、端面に交互多層膜１０１を設けない場合には約２１％の反射率を示すのみである。しかし、本実施例のように、高反射特性をもたらす交互多層膜１０１を設けることにより、端面波長特性が図中の実線のようにレーザの発振波長（５２０ｎｍ）でピークを示し、その反射率は９１％にも達する。このように端面反射率を高くすることにより反射損失が低減されるので、閾値電流密度の低減を期待することができる。
【００２２】
なお、上述のように交互多層膜１０１を、ＳｉＯ2層およびＴｉＯ2層を交互に３層ずつ合計６層積層した構成とするのは、以下の理由による。ＳｉＯ2層およびＴｉＯ2層を交互に積層したものを、共振器の端面に適用する場合、２層または４層では高反射率特性が得られない。一方、６層、８層と層数を増やしてゆくにつれて、得られる端面反射率も高くなるが、あまり反射率が高くなると共振器からの光取り出しに支障を来すことになる。また、層数が増えると、作業工程が煩雑になり、成膜に要する時間も長くなってしまうからである。
【００２３】
また、本実施例では、交互多層膜１０１を構成する２種類の誘電体材料として、蒸着により形成された時に互いに反対方向に応力を示す材料を組み合わせて用いている。一般に、多層膜全体の応力は１層毎の応力の総和として見積られるが、２種類の誘電体が交互に組み合わされて対になっている場合、多層膜全体の応力は各対の応力の総和として求められる。従って、本実施例のように２種類の誘電体材料を選択することにより、交互多層膜１０１全体の応力を低減させることができる。このように素子に加わる余分な応力を低減することは、ＬＤ素子特性および信頼性向上という観点から重要なことである。
【００２４】
上記図２は、本実施例の半導体ＬＤ１０３とは、ＭｇＦ2層１０２を形成しなかった以外は同様にして作製した比較例を、大気中に７００時間放置した後の端面反射率特性を同時に示す。なお、本実施例の半導体ＬＤは点線、比較例の半導体ＬＤは１点鎖線にて示す。
【００２５】
この図から、酸化物誘電体であるＳｉＯ2およびＴｉＯ2は、大気中の水分を容易に吸着して屈折率の経時変化を生じ易いが、ＭｇＦ2からなる最表面層１０２を備えることにより、その特性の経時変化が効果的に抑制されていることが確認できた。また、ＭｇＦ2層は最表面に形成されているだけであり、十分薄膜であるので、内部応力によるクラック等も生じず、十分緻密で機械的な強度に優れた保護膜を共振器端面に形成することができた。
【００２６】
（実施例２）
図３は実施例２の誘電体多層反射膜が形成された半導体ＬＤ２０３の片方の端面を示す斜視図である。この半導体ＬＤ２０３は、共振器２と、その両方の出射端面に形成された、交互多層膜２０１および最表面層２０２からなる誘電体多層反射膜とを有する。共振器２は、ＧａＡｓ基板２１上にＡｌＧａＡｓ下部クラッド層２２、ＡｌＧａＡｓ活性層２３、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層２４からなるダブルヘテロ（ＤＨ）構造が形成されている。上部クラッド層２４の上面は一部を残してストライプ状に除去されており、その状態の基板上にＧａＡｓブロック層２５およびＧａＡｓコンタクト層２６が形成されて電流狭窄構造が形成されている。また、コンタクト層２６の上には上部電極２７が形成され、基板２１の下面には下部電極２８が形成されている。
【００２７】
この共振器２の両方の出射端面には、ＳｉＯ2層およびＳｉ層が交互に積層された多層膜２０１と、ＭｇＦ2からなる最表面層２０２とからなる誘電体多層反射膜が形成されている。
【００２８】
上記誘電体多層反射膜が形成された半導体ＬＤ２０３は、以下のようにして作製することができる。まず、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ＧａＡｓ基板２１上にＡｌＧａＡｓ下部クラッド層２２、ＡｌＧａＡｓ活性層２３、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層２４を順次成長させてＤＨ構造を形成する。続いて、上部クラッド層２４の上面を一部ストライプ状に残すように選択エッチングし、その後、電流狭窄のためのＧａＡｓブロック層２５およびＧａＡｓコンタクト層２６を再成長する。さらに、抵抗加熱式真空蒸着法により、ＧａＡｓコンタクト層２６の上に上部電極２７を、基板２１の下面に下部電極２８を形成して、内部ストライプ構造のIII−Ｖ族化合物半導体ＬＤのレーザウェハを作製する。
【００２９】
次に、この状態のレーザウェハをストライプ方向と垂直な方向に劈開またはエッチングしてバー状にする。この劈開面またはエッチング面が共振器２の光出射端面となる。
【００３０】
その後、ＥＢ蒸着法により、共振器２の端面にＳｉＯ2層およびＳｉ層を積層して交互多層膜２０１を形成する。各層の厚さは共振器２の発振波長に対して１／４波長条件を満たすように設計し、交互に２層ずつ、４層積層する。このとき、誘電体薄膜の付着強度を高めるために、共振器２を保持する基板は２００〜２５０℃に加熱する。また、蒸着開始前は、両方の材料共に真空槽内を４×１０-6Ｔｏｒｒとし、蒸着中は、ＳｉＯ2については蒸着速度を１６オングストローム／秒に保ち、Ｓｉについては蒸着速度を１０オングストローム／秒に保って成膜する。
【００３１】
さらに、上記交互多層膜２０１に重ねて、ＭｇＦ2からなる最表面層２０２を積層する。このＭｇＦ2層の厚さは共振器２の発振波長に対して１／２波長条件を満たすように設計し、１層だけ積層する。この時、交互多層膜の作製時と同様に、共振器２を保持する基板は２００〜２５０℃に加熱する。また、１×１０-5Ｔｏｒｒの真空雰囲気中で蒸着速度を８オングストローム／秒に保って成膜を行う。最後に、バー状のレーザウェハを分割してチップ状にする。
【００３２】
上記共振器２は波長７８０ｎｍの発振波長を有するので、誘電体多層反射膜はＳｉＯ2層（屈折率１．４５）、Ｓｉ層（屈折率３．６）、ＭｇＦ2層（屈折率１．３６）の各層厚は、例えば１３４．４８ｎｍ、５４．１７ｎｍ、２８６．７６ｎｍとして成膜することができる。
【００３３】
このようにして作製された本実施例の半導体ＬＤ２０３は、上記共振器２の発振波長に対する活性層の屈折率は約３．６であり、実施例１の場合よりも大きく、また、交互多層膜２０１に用いられている２種類の誘電体の屈折率差も実施例１の場合よりも大きいので、交互多層膜の層数を実施例１よりも少なくしても十分な高反射特性を得ることができる。この実施例では、レーザの発振波長（７８０ｎｍ）で反射率９７％が得られた。
【００３４】
また、ＭｇＦ2からなる最表面層２０２が設けられているので、実施例１と同様に、交互多層膜２０１の光学特性の経時変化を抑制できることが確認できた。また、ＭｇＦ2層は最表面に形成されているだけであり、十分薄膜であるので、十分緻密で機械的な強度に優れた保護膜を共振器端面に形成することができた。
【００３５】
以上、実施例１および２について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。例えば、上記実施例１および２では、誘電体薄膜の形成にＥＢ蒸着法を用いたが、高周波スパッタ法やボート式真空蒸着法あるいはその他の成膜法を用いても問題無い。
【００３６】
上記実施例１および２では、各誘電体薄膜の厚さをレーザの発振波長に対して１／４波長条件、１／２波長条件を満たすように設計したが、所望の特性が異なるときには異なる厚さの層を形成してもよい。但し、ＭｇＦ2層は、内部応力によるクラックが生じない程度に十分薄く形成し、しかも酸化物誘電体層に水分が吸着されるのを防ぐのに十分な厚みにするため、例えば、１００ｎｍ〜６００ｎｍ程度に形成するのが望ましい。
【００３７】
上記実施例１および２では、共振器を電極ストライプ構造および内部ストライプ構造としたが、横モードの制御を考慮してリッジ導波路構造やその他の構造のＬＤに対しても、本発明の誘電体多層反射膜を有効に適用できる。
【００３８】
また、上記実施例１および２では、交互多層膜を構成する酸化物としてＳｉＯ2およびＴｉＯ2を用いたが、ＺｒＯ2やＴａ2Ｏ5あるいはその他の酸化物を用いてもよい。
【００３９】
また、上記実施例１および２では、レーザの発振波長を決定する活性層としてＺｎＣｄＳｅ多重量子井戸層およびＡｌＧａＡｓ活性層を用いたが、他の発振波長を得るために他の材料や構造の活性層を形成しても、ＭｇＦ2層は赤外から紫外にまで及ぶ広い透過波長領域を有しているので、本発明の誘電体多層反射膜は何等支障なく適用できる。
【００４０】
また、本発明の誘電体多層反射膜は、上記実施例１および２のような半導体ＬＤに限られず、その他の光学素子、たとえば発光ダイオード等に対しても有効に適用することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、水分を吸着し易い酸化物誘電体を構成材料として含む誘電体多層反射膜の光学的特性を、経時的に安定に保つことができる。同時に、緻密で高い機械的強度を有する保護膜を有する反射鏡を共振器端面に形成することができる。従って、信頼性および安定性に優れたＬＤや光学素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例１の半導体ＬＤの片方の端面を示す斜視図である。
【図２】  実施例１の半導体ＬＤおよび比較例の半導体ＬＤの端面反射率−波長特性を示す図である。
【図３】  実施例２の半導体ＬＤの片方の端面を示す斜視図である。
【図４】 従来の半導体ＬＤの共振器端面に設けられた誘電体多層膜を示す模式図である。
【図５】  従来の誘電体多層反射膜の反射率−波長特性を示す図である。
【符号の説明】
１、２  共振器
１１、２１  基板
１２  バッファ層
１３  ＳＣＨ構造
１４、２６  コンタクト層
１５  誘電体絶縁層
１６、２７  上部電極
１７、２８  下部電極
２２  下部クラッド層
２３  活性層
２４  上部クラッド層
２５  ブロック層
１０１、２０１  交互多層膜
１０２、２０２  最表面層
１０３、２０３  半導体ＬＤ
【図１】
0003739107.tif 000002
【図２】
0003739107.tif 000003
【図３】
0003739107.tif 000004
【図４】
0003739107.tif 000005
【図５】
0003739107.tif 000006