JP3887174B2 - 半導体発光装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、半導体レ−ザ装置に関するものである。本願発明は、特に、光情報システムにおける、発振波長が６００ｎｍ以上、７００ｎｍ以下の高出力半導体レ−ザ装置、若しくは光通信システムに於ける発振波長１．４７μｍ以上、１．６２μｍ以下の半導体レ−ザ装置に適用して極めて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
現在、光ディスクや光磁気ディスクの書き込み用として、高出力高信頼半導体レ−ザが求められている。これらの半導体レ−ザ装置には、長時間、安定に基本モ−ドで動作することが要求される。これら半導体レ−ザ装置の光出射面を形成する半導体表面上には、絶縁膜からなるコ−ティング膜が形成されている。これは適正な反射率を得ることにより光取り出し効率を大きくすると共に、閾値キャリア密度の増加による最大出力の低下を防ぐ為である。このコ−ティング膜としては従来、多くのレ−ザにおいて共振器面の一方に低反射率膜として酸化硅素薄膜、他方に高反射率膜として酸化硅素薄膜と水素化非晶質硅素薄膜からなる積層膜が用いられている。こうしたコ−ティング膜に関しては、例えばアプライド・フィジックス・レタ−ズ３４巻、６８５ペ−ジ（Applied Physics Letters、Ｖｏｌ．３４、ｐｐ．６８５）に記載のＴ． Ｕａｓａらによる報告等がある。
【０００３】
また、光通信システムにおいては、更なる大容量伝送に対応するために、波長多重光通信が実用化されつつある。波長多重光通信では光変調器と光源である半導体レ−ザ装置とをワンチップ化した変調器集積化光源が用いられる。変調器集積化光源の光出射面には反射防止膜がコ−ティングされる。こうしたコ−ティング膜に関しては、例えばエレクトロニクス レタ−ズ ３４巻、２０号、１９４６頁（Electronics Letters、Ｖｏｌ．３４、ｎｏ．２０、ｐｐ．１９４６）に記載のＫ．Ｋｕｄｏらによる報告などがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
多くの半導体レ−ザ装置で従来用いられてきた高反射率コ−ティング膜は、酸化硅素膜と水素化非晶質硅素薄膜からなる周期構造を有する膜であり、反射率が所要の値となる様に設計されている。ところが、出射光の密度が数MW／ｃｍ2と高い光出力を有し、且つ発振波長１μｍ以下のレ−ザの場合、このようなコ−ティング膜では定光出力連続駆動させると、動作時間に伴って急速に高反射率膜での光吸収が増加し、定出力動作できなくなるという問題が生じた。
【０００５】
レ−ザ動作に伴う光の吸収により水素化非晶質硅素膜が加熱され、膜中の水素原子が硅素原子との結合から外れる。このため光学的バンドギャップが狭くなり、非晶質硅素膜での光吸収が増大する。これにより実効的な量子効率が低下し、動作電流が増加する。このため高出力レ−ザには不適であった。
【０００６】
これ等の問題を解決するために窒化硅素薄膜が用いられることもあるが、窒化硅素薄膜の屈折率は、概ね１．９５以下であり、酸化硅素薄膜の屈折率との差は小さい。このため半導体レ−ザ装置の端面保護膜に用いた時、５周期以上と２倍の層数を必要とする。これに対して、これまでの水素化非晶質硅素薄膜を用いた場合では、２周期より３周期の周期構造を有する膜で所定の反射率が得られていた。また、窒化硅素薄膜の膜厚のばらつきの許容度も±６％と極めて小さくなる。
【０００７】
本願発明の第１の目的は、発振波長６００ｎｍ以上、１μｍ以下で出射光密度が数ＭＷ／ｃｍ2以上の高出力発光に対しても、安定動作を長期間確保することが出来る半導体発光装置を提供するものである。本願発明によれば、作製が容易で長時間動作後にも動作電流の増加が少ない。従って、本願発明は、長寿命で信頼性の高い半導体発光を提供することが出来る。
【０００８】
更に、波長多重光通信に用いられる変調器集積化光源では、その光出射面の反射防止膜の反射率は通例０．１％以下が要求される。波長多重度が高くなり波長範囲が広くなると全波長範囲で反射率０．１％以下を満たす反射防止膜を満たすことは困難になる。
【０００９】
本願発明は、更に、波長多重光通信に用いられる発振波長１．４７μｍから１．６２μｍの波長範囲において、反射率０．１％以下を満たす反射防止膜を容易に提供することに有る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願発明の主な諸形態を列挙すれば次の通りである。
【００１１】
本願発明の第１の形態は、光共振器端面の少なくとも一方に、低屈折率の第１の誘電体膜とこれより高い屈折率を有する高屈折率の第２の誘電体膜の積層膜を有し、前記高屈折率の第２の誘電体膜が硅素と水素と窒素を有してなる非晶質誘電体膜なることを特徴とする半導体発光装置である。
【００１２】
本願発明の第２の形態は、光共振器端面の少なくとも一方に、低屈折率の第１の誘電体膜とこれより高い屈折率を有する高屈折率の第２の誘電体膜の積層膜を有し、前記高屈折率の第２の誘電体膜は、硅素と水素と窒素を有してなり、且つ当該半導体発光装置の発振波長の光に対する屈折率が２．５以上の非晶質誘電体膜なることを特徴とする半導体発光装置である。
【００１３】
本願発明の第３の形態は、光共振器端面の少なくとも一方に、屈折率の第１の誘電体膜とこれより高い屈折率を有する高屈折率の第２の誘電体膜の積層膜を有し、前記高屈折率の第２の誘電体膜は、硅素と水素と窒素を有してなり、且つ当該半導体発光装置の発振波長の光に対する屈折率が２．５以上、消衰係数が０．００５以下の非晶質誘電体膜なることを特徴とする半導体発光装置である。
【００１４】
このように、本願発明の係わる硅素と水素と窒素を有してなる非晶質誘電体膜を、ＨＲ（Ｈｉｇｈ−Ｒｅｆｅｒｅｃｔｉｏｎ）膜あるいはＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｒｅｃｔｉｏｎ）膜の構成部材として用いるものである。ＨＲ膜あるいはＡＲ膜としての設計法は通例の方法に従って十分である。
【００１５】
ＨＲ膜を形成する為、高い屈折率と低い屈折率の膜を積層するが、本願発明に係わる非晶質誘電体膜がより高屈折率を確保することが出来、極めて好ましいのである。積層の周期は、反射率の要求及び光の吸収の程度を勘案して設計される。実用的には、２周期より５周期程度が多用され、その代表例は、例えば３周期である。
【００１６】
ここで、本願発明の諸非晶質誘電体膜を用いた積層被覆膜は、発振波長が６００ｎｍ以上の化合物半導体発光装置に好適である。即ち、この積層被覆膜は、６００ｎｍより６８０ｎｍ程度のいわゆる６５０ｎｍ帯の短波長帯の半導体発光装置のＨＲ膜として好適である。当該諸非晶質誘電体膜は、高反射率を維持しつつ、且つ当該半導体発光の発振波長の光に対する光吸収が小さい。従って、半導体発光装置の定出力動作を可能とする。
【００１７】
他方、１．３μｍより１．５５μｍにかけてのいわゆる長波長帯の半導体発光装置においては、当該誘電体膜はＡＲ膜（いわゆる、無反射膜）としての膜厚の制御が容易となる。即ち、このことは、誘電体膜の膜厚の許容範囲が大きくなることである。
【００１８】
又、前記非晶質誘電体膜が酸素非含有の非晶質誘電体膜なることが、わけても好ましい。尚、当該非晶質誘電体膜を形成する過程で、この非晶質誘電体膜微量の酸素、例えば、０．１％程度が残留することもある。この程度の酸素は、本願発明の実施に当っては問題ない。しかし、出来る限り酸素の混入あるいは残存を避けることが好ましい。それは、酸素の存在が、屈折率の低下を招くからである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本願発明の具体的な実施の形態を説明するに先立って、本願発明の主な諸形態を列挙すると共に、本願発明の基本的事項について説明する。
【００２０】
本願発明の代表的な形態は、前述した通り、半導体基板の上部に形成された、半導体結晶を有してなる光共振器を有し、この共振器の少なくとも一方の端面に、低屈折率の第１の誘電体膜とこれより高い屈折率を有する高屈折率の第２の誘電体膜の積層膜を有し、前記高屈折率の第２の誘電体膜が硅素と水素と窒素を有してなる非晶質誘電体膜なることを特徴とする半導体発光装置である。ここで、半導体発光装置は、半導体レーザ装置が典型的な形態である。しかし、後述するように、レーザ発振部に対して、例えば、光変調器部などを一つの基板に集積した光発光装置などに対しても、同様に本願発明は有用である。
【００２１】
又、前記低屈折率の第１の誘電体膜は、半導体レーザ装置、半導体発光装置の分野で用いられる通例の材料を用いて十分である。その代表的な例は、二酸化硅素（ＳｉＯ2）である。その他の材料例として、例えば、ＭｇＦ、Ａｌ2Ｏ3を挙げることが出来る。
【００２２】
上述の基本形態を踏まえて、本願の実施の諸形態を以下に列挙する。
【００２３】
本願の実施の形態の代表的な第１の形態は、光出射面に所定の反射率を得るために、低屈折率膜と高屈折率膜の積層から成るコ−ティング膜を用いる半導体レ−ザ装置において、高屈折率膜として、少なくとも硅素と水素と窒素からなり、且つ酸素を含まない非晶質膜が用いられ、且つ発振波長の光に対する屈折率が２．５以上、且つ消衰係数が０．００５以下であることを特徴とする半導体レ−ザ装置である。
【００２４】
本願の代表的な第２の形態は、前記高屈折率膜として用いられる該非晶質膜が気相反応により形成されている形態である。
【００２５】
本願の代表的な第３の形態は、前記各半導体レ−ザ装置の発振波長が６００ｎｍ以上であり、光出力が１×１０6Ｗ／ｃｍ2以上であることを特徴とする半導体レ−ザ装置である。
【００２６】
本願の代表的な第４の形態は、前記半導体レ−ザ装置において、高屈折率膜として用いられる該非晶質膜の水素と硅素の原子数比が１／５±１０％の範囲に制御され、且つ、窒素と硅素の原子数比が１／８以下に、より望ましくは１／１０以下に制御されていることを特徴とする半導体レ−ザ装置である。水素の含有量は、前記の範囲外では、光の吸収が増大する。一方、窒素の含有量は、前記の範囲外では屈折率が減少する。
【００２７】
尚、一般に当該非晶質シリコン膜には、原子％で、窒素は４％より４０％程度、水素は１０％より２０％程度含有している。
【００２８】
本願の代表的な第５の形態は、前記各半導体レ−ザ装置において、発振波長が１．５５μｍ±８０ｎｍであり、且つ高屈折率膜として用いられる該非晶質膜の発振波長の光に対する屈折率の２乗の値が、低屈折率膜の屈折率の２乗と半導体レ−ザの発光領域の実効屈折率との積に等しく、高屈折率膜が半導体レ−ザの表面に接し、低屈折率膜が大気に接し、且つ該高屈折率膜と該低屈折率膜が何れも四分の一波長の光学長を有することを特徴とする半導体レ−ザ装置である。
【００２９】
本願の代表的な第６の形態は、前記第５の形態において、前記低屈折率膜として二酸化硅素膜を用い、且つ高屈折率膜として用いられる前記非晶質膜の発振波長の光に対する屈折率が、２．５７５±０．０１であることを特徴とする半導体レ−ザ装置である。
【００３０】
これまで、本願発明の代表的な諸形態を列挙してきたが、以下に本願発明に係わる非晶質硅素薄膜について説明する。
【００３１】
本願発明の目的に対して、当該非晶質硅素薄膜を、スパッタ法、蒸着法、或いは化学気相蒸着法等を用いて形成する際に、少量の窒素分子、窒素原子、窒素ラジカル、窒素イオン、或いは窒素を含み、且つ酸素を含まない分子、ラジカル若しくはイオンを原料中に、若しくは雰囲気中に添加することが肝要である。気相反応を用いて水素化非晶質硅素膜を形成する際、一般に水素濃度が高くなるほど光の吸収端波長が短くなる。しかし一定濃度以上に水素濃度が高くなると、Ｓｉ−Ｈn（ｎ≧２）結合が増加し、Ｓｉ−Ｈ結合の密度は飽和する。ところで、水素化非晶質硅素薄膜の光学的バンドギャップの大きさはＳｉ−Ｈ結合の密度に依存する。そのため吸収端波長は、概ね９００ｎｍで飽和する。非晶質硅素膜の吸収端波長を短くするためには、非晶質硅素膜の光学的バンドギャップを広げる効果を有する水素以外の元素を添加することが必要である。この時、非晶質硅素膜の屈折率が小さくならないように留意する必要がある。
窒素を他の原料ガスと同時に供給すれば、Ｓｉ−Ｈ結合と共にSｉ−Ｎ結合が生成し、屈折率の低下を抑制しながら、光の吸収を減少させることが可能となる。尚、本願発明の水素化非晶質硅素膜は、Ｓｉ−Ｓｉ結合が主たる結合を形成し、この中にＨ原子およびＮ原子が導入された形態を呈すると目される。
【００３２】
図１に、波長６５０ｎｍの光に対する、窒素を添加した非晶質水素化硅素膜の屈折率と消衰係数の窒素供給量依存性の一例を示す。横軸は膜の形成時の雰囲気への窒素の供給量、縦軸は当該誘電体膜の屈折率及び消衰係数である。この例より、窒素の少量の添加により、光の吸収が大幅に低減することが可能となることが判る。即ち、屈折率の低下を抑えつつ、光の吸収が大幅に低下するのである。このような事実を利用し、本願発明によれば、例えば、波長０．６８μｍ、または０．６５μｍのレーザ光を１MW／ｃｍ2以上の出力で発振する光記録装置用レ−ザ素子のみならず、例えば波長０．９８μｍの光を２ＭＷ／ｃｍ2以上の出力で発振するレ−ザ素子においても、動作時間に伴い素子特性が劣化する問題を解決することができる。
同様に、水素化非晶質硅素膜に窒素を添加することにより、屈折率を２から３の範囲で任意に制御することが可能となり、広い波長範囲で反射率を０．１％以下に制御することが可能となる。前記反射率を０．１％以下に制御することで、光射出面からＬＤ側へ反射された光により生ずる伝送信号の乱れを抑制することが出来る。即ち、前記反射率の範囲で、実効的に信号の乱れを無視することが出来る。
＜実施例１＞
本願発明の第１の実施例を図２及び図３を用いて説明する。本実施例は、光ディスクや光磁気ディスクの書き込み用として用いられる６８０ｎｍ帯高出力半導体レ−ザ（ＬＤ）に適用したものである。図２は半導体レ−ザ装置の光の進行方向に交差する面での断面図である。図３は半導体レ−ザ装置の平面構造図である。
【００３３】
素子作製手順に従って、本例の構造を説明する。ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ＧａＡｓバッファ層２、ＧａＡｓに格子整合したｎ−（ＡｌxＧａ1-x）ＩｎＰクラッド層（ｘ＝０．７）３、ＧａＡｓに格子整合した（ＡｌyＧａ1-y）ＩｎＰ障壁層（ｙ＝０．４５、障壁層厚４ｎｍ）とＩｎzＧａ1-zＰ歪量子井戸層（ｚ＝０．６、井戸層厚：８ｎｍ）、及び（ＡｌsＧａ1-s）ＩｎＰになるＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｍｅｎｔｅ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層（ｓ＝０．５５、障壁層厚：４ｎｍ）とから構成される歪量子井戸活性層４、ＧａＡｓに格子整合したｐ−（ＡｌtＧａ1-t）ＩｎＰクラッド層（ｔ＝０．７）５、ＧａＡｓに格子整合したｐ−ＩｎＧａＰになるエッチストップ層６、ＧａＡｓに格子整合したｐ−（ＡｌuＧａ1-u）ＩｎＰクラッド層（ｕ＝０．７）７、ｐ−ＡｌvＧａ1-vＡｓキャップ層（ｖ＝０．７）８を順次形成する。半導体膜の形成は、ＭＯＶＰＥ法、ＣＢＥ法、またはＭＢＥ法による。
【００３４】
次に、酸化膜をマスク領域として、通例のエッチング工程により、図２の符号７及び８に示されるようなリッジ形状を形成する。このときのエッチングは湿式法、ＲＩＥ、ＲＩＢＥ、イオンミリング等、方法を問わない。エッチングはｐ−ＩｎＧａＰになるエッチストップ層６で止め、歪量子井戸活性層４に達しないようにする。
【００３５】
次に、エッチングマスクとして用いた酸化膜を選択成長用のマスクとして、ｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層９をＭＯＶＰＥ法により選択成長する。ｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層９は図２に示される。その後、成長炉からウエハを取りだし、選択成長用マスクとして用いた酸化膜を、エッチングにより除去する。その後、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０をＭＯＶＰＥ法またはＭＢＥ法により形成する。
【００３６】
更に、ｐ側オ−ミック電極１１、ｎ側オ−ミック電極１２を形成した後、劈開法により共振器長約６００μｍのレ−ザ素子の基本構造を得た。
【００３７】
この後、反応性スパッタ法を用いて、こうして準備したレーザ素子の前面に、厚さλ／４（λ：発振波長）の光学長を有する酸化アルミニウム（Ａｌ2O3）膜を順次形成して低反射率（ＡＲ）膜１３を形成した。この膜形成の位置は、光の出力面より共振器長に向かってｚ軸をとると、ｚ＝０の位置に相当する。この座標軸は図３に示される。
【００３８】
一方、レーザ素子の後面（座標は、ｚ＝Ｌに相当する）に、厚さλ／４の光学長の酸化硅素（ＳｉＯ2）膜１４と本発明による厚さλ／４の光学長の窒素添加水素化非晶質硅素（以下、ａ−Ｓｉ：Ｈ（Ｎ）と略記する）膜１５の６層膜とからなる高反射率（ＨＲ）膜１６を形成した。
【００３９】
a−Ｓｉ：Ｈ（Ｎ）膜はＥＣＲスパッタ法により成膜した。この方法は、通例の製膜装置内に、Ａｒガスを２０ｓｃｃｍ、水素ガスを６ｓｃｃｍ、及び窒素ガスを０．５ｓｃｃｍ導入し、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）出力５００Wでプラズマを発生させ、Ｓｉタ−ゲットに５００Wの高周波（ＲＦ）出力を印加するものである。これにより波長０．６８μｍの光に対する屈折率が２．５で吸収のない膜が形成できた。窒素と水素と硅素の原子数比は１／２／１０であった。その後、素子を接合面を上にして、ヒ−トシンク上にボンディングした。試作した素子は、しきい値電流約１４ｍＡで室温連続発振し、その発振波長は約０．６８μｍであった。また、素子は１５０ｍＷまで安定に横単一モ−ド発振した。また、最大光出力として３００ｍＷ以上の光出力を得た。また、３０個の素子について環境温度摂氏８０度の条件下で５０ｍＷの定光出力連続駆動させたところ、初期駆動電流は約２００ｍＡであり、全ての素子で、ＨＲ膜の劣化なしに５万時間以上安定に動作した。
【００４０】
本実施例では薄膜形成法としてＥＣＲスパッタリング法を用いたが、他の薄膜形成法、例えばプラズマ支援化学気相蒸着（ｐ−ＣＶＤ）法、電子線（ＥＢ）蒸着法、イオンビ−ム（ＩＢ）蒸着法、ヘリコン波プラズマ励起反応性蒸着法、ＲＦプラズマスパッタ法、マグネトロンスパッタ法等を用いてもよい。窒素源として窒素ガスを用いたが、窒素を含み、酸素を含まない分子、例えば、アンモニア（ＮH3）、無水ヒドラジン（Ｎ2H4）、アジ化水素（HＮ3）等を用いても良い。また、窒素を水素、アルゴンと共にガスとして供給したが、ＥＣＲプラズマ、ＲＦプラズマ、ヘリコン波プラズマ、或いは熱励起法や電子線励起法、グロ−放電法等を用いて活性ラジカル線或いはイオン線、原子線として供給しても良い事はいう迄もない。
【００４１】
図７に、６５０ｎｍ帯の本願発明の半導体レーザ装置における、窒素含有非晶質水素化シリコン膜と二酸化シリコン膜の積層膜の反射率の特性例を示す。前記積層膜は前記２つの膜の３周期の積層の例である。合わせて、ＳｉＮ／ＳｉＯ2積層の３周期の積層膜の反射率の特性を例示する。横軸は波長、縦軸は反射率（％）である。曲線１が本願発明に係わる窒素含有非晶質水素化シリコン膜を用いた積層膜、曲線２がＳｉＮ／ＳｉＯ2積層膜の例である。この比較によって、本願発明に係わる積層膜はより広い波長範囲で、より高い反射率を得ることが出来る旨が理解されるであろう。
＜実施例２＞
本願発明の第２の実施例を図４及び図５を用いて説明する。本実施例は、本願発明を光伝送システムで中継器あるいは受信器に用いられる希土類添加光ファイバ増幅器励起用０．９８μｍ帯高出力半導体レ−ザに適用したものである。図４は半導体レーザ装置の光の進行方向に交差する面での断面を示す断面図、図５はファブリ・ペロ−型共振器を有する半導体レ−ザの平面図である。
【００４２】
次に、素子作製の手順に従って、本例の構造を説明する。ｎ−ＧａＡｓ基板１上にＧａＡｓバッファ層２、ＧａＡｓに格子整合したｎ−ＩｎＧａＰクラッド層１７、Ｉｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y障壁層（ｘ＝０．８２、ｙ＝０．６３、障壁層厚３５ｎｍ）とＩｎzＧａ1-zＡｓ歪量子井戸層（ｚ＝０．１６、井戸層厚７ｎｍ）から構成される歪量子井戸活性層１８、ＧａＡｓ基板に格子整合したｐ−ＩｎＧａＰクラッド層１９、ｐ−ＧａＡｓ光導波路層２０、ＧａＡｓに格子整合したｐ−ＩｎＧａＰクラッド層２１、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２２を順次形成する。その形成方法は、例えば、MOVＰE法、またはガスソ−スＭＢＥ法、またはＣＢＥ法などによる。
【００４３】
次に、酸化膜をマスク領域に、通例のホトエッチング工程により図４に示すようなリッジ２１を形成する。このときのエッチングは湿式法、ＲＩＥ、ＲＩＢＥ、イオンミリング等、方法を問わない。エッチングはＰ−ＧａＡｓ光導波路層２２を完全に除去し、且つ歪量子井戸活性層１８に達しないようにｐ−ＩｎＧａＰクラッド層１９の途中で止まるようにする。
【００４４】
次に、エッチングマスクとして用いた酸化膜を選択成長のマスクとして、図４に示すようにｎ−ＩｎＧａＰ電流狭窄層２３をＭＯＶＰＥ法により選択成長する。その後、成長炉からウエハを取り出し、選択成長マスクとして用いた酸化膜をエッチングにより除去する。その後、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０をＭＯＶＰＥ法またはＭＢＥ法により形成する。ｐ側オ−ミック電極１１、ｎ側オ−ミック電極１２を形成した後、劈開法により共振器長約９００μｍのレ−ザ素子を得る。
【００４５】
この後、素子の前面（先に、説明した座標軸を取ると、ｚ＝０の位置である）にＥＣＲスパッタリング法により、厚さλ／４（λ：発振波長）の光学長を有するＡｌ2O3薄膜からなるＡＲ膜２４を、素子の後面（ｚ＝L）に厚さλ／４の光学長のＳｉＯ2薄膜２５と厚さλ／４の光学長の窒素を導入したa−Ｓｉ：Ｈ薄膜（以下、a−Ｓｉ：Ｈ（Ｎ）と略記する）２６とからなる６層膜による高反射（ＨＲ）膜２７を形成した。
【００４６】
a−Ｓｉ：H（Ｎ）薄膜は、Ａｒ流量２０ｓｃｃｍ、ＥＣＲ出力５００W、ＲＦ出力５００Wでプラズマを発生し、プラズマ中にＥＣＲ出力５００W、水素流量６ｓｃｃｍ、窒素流量０．２ｓｃｃｍのラジカル線を導入して成膜した。これにより波長０．９８μｍの光に対する屈折率３．０、吸収のない膜が得られた。その後、素子を接合面を下にして、ヒ−トシンク上にボンディングした。試作した素子は、しきい値電流約１０ｍＡで室温連続発振し、その発振波長は約０．９８μｍであった。また、素子は５８０ｍＷまで安定に横単一モ−ド発振した。また、光出力を増加させても端面劣化は起こらず、最大光出力８００ｍＷは熱飽和により制限された。また、３０個の素子について環境温度が、摂氏８０度の条件下で２００ｍＷの定光出力にて連続駆動させたところ、初期の駆動電流は約２５０ｍＡであり、全ての素子で端面劣化することなく、１０万時間以上安定に動作した。
【００４７】
本実施例では保護膜形成法として、ＥＣＲスパッタ法を用いたが、他の薄膜形成法、例えばプラズマ支援化学気相蒸着（ｐ−ＣＶＤ）法、電子線（ＥＢ）蒸着法、イオンビ−ム（ＩＢ）蒸着法、ヘリコン波プラズマ励起反応性蒸着法、ＲＦプラズマスパッタ法、マグネトロンスパッタ法を用いてもよい。窒素源として窒素ガスを用いたが、窒素を含み、酸素を含まない分子、例えば、アンモニア（ＮH3）、無水ヒドラジン（Ｎ2H4）、アジ化水素（HＮ3）等を用いても良い。また、窒素を水素、アルゴンと共にガスとして供給したが、ＥＣＲプラズマ、ＲＦプラズマ、ヘリコン波プラズマ、或いは熱励起法や電子線励起法、グロ−放電法等を用いて活性ラジカル線或いはイオン線、原子線として供給しても良い事はいう迄もない。
【００４８】
なお、上述した実施例の活性層をＳＣＨ層の組成を段階的に変化させたＧＲＩＮ−ＳＣＨ（Graded Index−Separate Confinement Hetero-structure）活性層としてもよい。また、本発明は導波路構造によらないので、たとえば、上述した実施例のほかに導波路構造としてＢＨ（Buried Hetero-structure）構造を用いても良く、面発光レ−ザに適用しても良い。
【００４９】
また、本発明は材料系にもよらない。即ち、上述したＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓＰ系、ＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓ系のみでなく、ＩｎＰ基板上のＡｌＩｎＧａＡｓＰ系、ＧａＡｓ基板上のＩｎＡｌＧａＰ系、ＧａＡｓ基板或いはＺｎＳｅ基板上のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体レ−ザ等にも適用できる。さらに、発振波長として上述した０．９８μｍ帯、０．６８μｍ帯のほか、１．５５μｍ帯、１．４８μｍ帯、０．６５μｍ帯、０．６３μｍ帯の半導体レ−ザに適用できることは言うまでもない。
＜実施例３＞
本発明の第３の実施例を図６を用いて説明する。本例は光集積回路装置に関するものである。図６はレーザ部と光変調器とを集積した光集積回路装置の、光の進行方向と平行な面での断面図である。
【００５０】
ｎ型ＩｎＰ基板２８上に、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レ−ザ部２９と電界吸収型（ＥＡ）光変調器３０を集積した電界吸収型の光変調器を集積した分布帰還型半導体レ−ザ（以下、光変調器集積分布帰還型半導体レ−ザと略称する）を形成する。分布帰還型半導体レ−ザの発振波長が１５３７ｎｍから１５６２ｎｍの範囲で０．８ｎｍ間隔に３２チャンネルが得られるように、１枚のウェハ−上に３２種類の回折格子が形成される。また、電界吸収型光変調器の前面（ｚ＝０）にはＩｎＰからなる端面窓部３１が形成される。光変調器の前面の位置は、図６に示した座標によれば、ｚ＝０の位置である。
【００５１】
反応性スパッタ法により分布帰還型半導体レ−ザの端面に、酸化硅素（ＳｉＯ2）膜から成る低屈折率膜３２と水素化非晶質硅素（ａ−Ｓｉ：Ｈ）膜からなる高屈折率膜３３の２周期膜からなる高反射率（ＨＲ）膜３４を作製し、光出射面である電界吸収型（ＥＡ）光変調器３０の端面に、本発明による窒素添加水素化非晶質硅素（ａ−Ｓｉ：Ｈ（Ｎ））膜３５と二酸化硅素（ＳｉＯ2）膜３２からなる反射防止（ＡＲ）膜３６を形成する。それぞれの膜は波長１．５５μｍの光に対し、４分の１波長の光学長を有する。
【００５２】
以下に反射防止膜３６の作成方法について述べる。初めにスパッタ装置内にＡｒガスを２０ｓｃｃｍ、水素ガスを６ｓｃｃｍ、窒素ガスを０．４ｓｃｃｍ導入し、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）出力５００Wでプラズマを発生させ、Ｓｉタ−ゲットに５００Wの高周波（ＲＦ）出力を印加して厚さ１５０．２ｎｍの窒素添加水素化非晶質硅素膜３５を形成する。波長１．５５μｍの光に対する窒素添加水素化非晶質硅素膜３５の屈折率は２．５８となった。引き続いて、Ａｒガスを２０ｓｃｃｍ、酸素ガスを７．７ｓｃｃｍ導入し、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）出力５００Wでプラズマを発生させ、Ｓｉタ−ゲットに５００Wの高周波（ＲＦ）出力を印加して、厚さ２６７．２ｎｍの二酸化硅素膜３２を形成する。二酸化硅素膜３２の屈折率は波長１．５５μｍの光に対し、１．４５であった。これにより、全波長範囲に対し、反射率０．０１％以下の反射防止（ＡＲ）膜３６が得られた。この反射防止膜３６は波長１．４７μｍから１．６２μｍの全範囲において、実用的の有用な反射率０．１％以下を満たした。
【００５３】
本実施例では保護膜形成法としてＥＣＲスパッタ法を用いたが、他の薄膜形成法、例えばプラズマ支援化学気相蒸着（ｐ−ＣＶＤ）法、電子線（ＥＢ）蒸着法、イオンビ−ム（ＩＢ）蒸着法、ヘリコン波プラズマ励起反応性蒸着法、ＲＦプラズマスパッタ法、マグネトロンスパッタ法を用いてもよい。窒素源として窒素ガスを用いたが、窒素を含み、酸素を含まない分子、例えば、アンモニア（ＮH3）、無水ヒドラジン（Ｎ2H4）、アジ化水素（ＨＮ3）等を用いても良い。また、窒素を水素、アルゴンと共にガスとして供給したが、ＥＣＲプラズマ、ＲＦプラズマ、ヘリコン波プラズマ、或いは熱励起法や電子線励起法、グロ−放電法等を用いて活性ラジカル線或いはイオン線、原子線として供給しても良い事はいうまでもない。
【００５４】
本願発明により、高出力半導体レ−ザにおいて端面保護膜の高信頼化を容易な方法で実現し、歩留まり向上、低コスト化を実現した。また、波長多重光通信に対応する光変調器集積化光源用反射防止膜も容易な方法で実現し、歩留まり向上、低コスト化を実現した。
【００５５】
【発明の効果】
本願発明は、高出力且つ安定動作を長期間確保することが出来る半導体レーザ装置を提供することが出来る。例えば、本願発明によれば、発振波長６００ｎｍ以上、１μｍ以下で出射光密度が数ＭＷ／ｃｍ2以上の高出力レ−ザに対しても、安定動作を長期間確保することが出来る半導体レーザ装置を提供する。
【００５６】
更に、本願発明は、発振波長１．４７μｍから１．６２μｍの波長範囲において、良好な反射防止膜を有する半導体レーザ装置を容易に提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本願発明の窒素添加水素化非晶質硅素膜における、屈折率と消衰係数の窒素供給量依存性の例を示した図である。
【図２】図２は、本願発明による第１の実施例によるレーザ装置の光の進行方向と交差する面での断面図である。
【図３】図３は、本願発明による第１の実施例によるレーザ装置の平面構造を示した図である。
【図４】図４は、本願発明による第２の実施例によるレーザ装置の光の進行方向と交差する面での断面図である。
【図５】図５は、本願発明による第２の実施例によるレーザ装置の平面構造を示した図である。
【図６】図６は、本発明による第３の実施例になる光装置の光の進行方向と平行な面での断面図である。
【図７】図７は、各種積層膜の反射率特性を比較する図である。
【符号の説明】
１：半導体基板、２：バッファ層、３：半導体基板に格子整合したクラッド層、４：歪量子井戸活性層領域、５：半導体基板に格子整合したクラッド層、６：ＧａＡｓに格子整合したエッチストップ層、７：半導体基板に格子整合したクラッド層、８：キャップ層、９：電流狭窄層、１０：コンタクト層、１１：ｐ側オ−ミック電極、１２：ｎ側オ−ミック電極、１３：低反射率（ＡＲ）膜、１４：低屈折率膜、１５：本発明に係わる高屈折率膜、１６：高反射率（ＨＲ）膜、１７：半導体基板に格子整合したクラッド層、１８：歪量子井戸活性層領域、１９：半導体基板に格子整合したクラッド層、２０：光導波路層、２１：半導体基板に格子整合したクラッド層、２２：キャップ層、２３：電流狭窄層、２４：ＡＲ膜、２５：誘電体薄膜、２６：ａ−Ｓｉ：Ｈ（Ｎ）薄膜、２７：高反射（ＨＲ）膜、２８：半導体基板、２９：分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レ−ザ、３０：電界吸収型（ＥＡ）光変調器、３１：端面窓部、３２：低屈折率膜、３３：水素化非晶質硅素膜（ａ−Ｓｉ：Ｈ（Ｎ））、３４：高反射率（ＨＲ）膜、３５：窒素添加水素化非晶質硅素膜、３６：反射防止（ＡＲ）膜。
【発明の属する技術分野】
本願発明は、半導体レ−ザ装置に関するものである。本願発明は、特に、光情報システムにおける、発振波長が６００ｎｍ以上、７００ｎｍ以下の高出力半導体レ−ザ装置、若しくは光通信システムに於ける発振波長１．４７μｍ以上、１．６２μｍ以下の半導体レ−ザ装置に適用して極めて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
現在、光ディスクや光磁気ディスクの書き込み用として、高出力高信頼半導体レ−ザが求められている。これらの半導体レ−ザ装置には、長時間、安定に基本モ−ドで動作することが要求される。これら半導体レ−ザ装置の光出射面を形成する半導体表面上には、絶縁膜からなるコ−ティング膜が形成されている。これは適正な反射率を得ることにより光取り出し効率を大きくすると共に、閾値キャリア密度の増加による最大出力の低下を防ぐ為である。このコ−ティング膜としては従来、多くのレ−ザにおいて共振器面の一方に低反射率膜として酸化硅素薄膜、他方に高反射率膜として酸化硅素薄膜と水素化非晶質硅素薄膜からなる積層膜が用いられている。こうしたコ−ティング膜に関しては、例えばアプライド・フィジックス・レタ−ズ３４巻、６８５ペ−ジ（Applied Physics Letters、Ｖｏｌ．３４、ｐｐ．６８５）に記載のＴ． Ｕａｓａらによる報告等がある。
【０００３】
また、光通信システムにおいては、更なる大容量伝送に対応するために、波長多重光通信が実用化されつつある。波長多重光通信では光変調器と光源である半導体レ−ザ装置とをワンチップ化した変調器集積化光源が用いられる。変調器集積化光源の光出射面には反射防止膜がコ−ティングされる。こうしたコ−ティング膜に関しては、例えばエレクトロニクス レタ−ズ ３４巻、２０号、１９４６頁（Electronics Letters、Ｖｏｌ．３４、ｎｏ．２０、ｐｐ．１９４６）に記載のＫ．Ｋｕｄｏらによる報告などがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
多くの半導体レ−ザ装置で従来用いられてきた高反射率コ−ティング膜は、酸化硅素膜と水素化非晶質硅素薄膜からなる周期構造を有する膜であり、反射率が所要の値となる様に設計されている。ところが、出射光の密度が数MW／ｃｍ2と高い光出力を有し、且つ発振波長１μｍ以下のレ−ザの場合、このようなコ−ティング膜では定光出力連続駆動させると、動作時間に伴って急速に高反射率膜での光吸収が増加し、定出力動作できなくなるという問題が生じた。
【０００５】
レ−ザ動作に伴う光の吸収により水素化非晶質硅素膜が加熱され、膜中の水素原子が硅素原子との結合から外れる。このため光学的バンドギャップが狭くなり、非晶質硅素膜での光吸収が増大する。これにより実効的な量子効率が低下し、動作電流が増加する。このため高出力レ−ザには不適であった。
【０００６】
これ等の問題を解決するために窒化硅素薄膜が用いられることもあるが、窒化硅素薄膜の屈折率は、概ね１．９５以下であり、酸化硅素薄膜の屈折率との差は小さい。このため半導体レ−ザ装置の端面保護膜に用いた時、５周期以上と２倍の層数を必要とする。これに対して、これまでの水素化非晶質硅素薄膜を用いた場合では、２周期より３周期の周期構造を有する膜で所定の反射率が得られていた。また、窒化硅素薄膜の膜厚のばらつきの許容度も±６％と極めて小さくなる。
【０００７】
本願発明の第１の目的は、発振波長６００ｎｍ以上、１μｍ以下で出射光密度が数ＭＷ／ｃｍ2以上の高出力発光に対しても、安定動作を長期間確保することが出来る半導体発光装置を提供するものである。本願発明によれば、作製が容易で長時間動作後にも動作電流の増加が少ない。従って、本願発明は、長寿命で信頼性の高い半導体発光を提供することが出来る。
【０００８】
更に、波長多重光通信に用いられる変調器集積化光源では、その光出射面の反射防止膜の反射率は通例０．１％以下が要求される。波長多重度が高くなり波長範囲が広くなると全波長範囲で反射率０．１％以下を満たす反射防止膜を満たすことは困難になる。
【０００９】
本願発明は、更に、波長多重光通信に用いられる発振波長１．４７μｍから１．６２μｍの波長範囲において、反射率０．１％以下を満たす反射防止膜を容易に提供することに有る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願発明の主な諸形態を列挙すれば次の通りである。
【００１１】
本願発明の第１の形態は、光共振器端面の少なくとも一方に、低屈折率の第１の誘電体膜とこれより高い屈折率を有する高屈折率の第２の誘電体膜の積層膜を有し、前記高屈折率の第２の誘電体膜が硅素と水素と窒素を有してなる非晶質誘電体膜なることを特徴とする半導体発光装置である。
【００１２】
本願発明の第２の形態は、光共振器端面の少なくとも一方に、低屈折率の第１の誘電体膜とこれより高い屈折率を有する高屈折率の第２の誘電体膜の積層膜を有し、前記高屈折率の第２の誘電体膜は、硅素と水素と窒素を有してなり、且つ当該半導体発光装置の発振波長の光に対する屈折率が２．５以上の非晶質誘電体膜なることを特徴とする半導体発光装置である。
【００１３】
本願発明の第３の形態は、光共振器端面の少なくとも一方に、屈折率の第１の誘電体膜とこれより高い屈折率を有する高屈折率の第２の誘電体膜の積層膜を有し、前記高屈折率の第２の誘電体膜は、硅素と水素と窒素を有してなり、且つ当該半導体発光装置の発振波長の光に対する屈折率が２．５以上、消衰係数が０．００５以下の非晶質誘電体膜なることを特徴とする半導体発光装置である。
【００１４】
このように、本願発明の係わる硅素と水素と窒素を有してなる非晶質誘電体膜を、ＨＲ（Ｈｉｇｈ−Ｒｅｆｅｒｅｃｔｉｏｎ）膜あるいはＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｒｅｃｔｉｏｎ）膜の構成部材として用いるものである。ＨＲ膜あるいはＡＲ膜としての設計法は通例の方法に従って十分である。
【００１５】
ＨＲ膜を形成する為、高い屈折率と低い屈折率の膜を積層するが、本願発明に係わる非晶質誘電体膜がより高屈折率を確保することが出来、極めて好ましいのである。積層の周期は、反射率の要求及び光の吸収の程度を勘案して設計される。実用的には、２周期より５周期程度が多用され、その代表例は、例えば３周期である。
【００１６】
ここで、本願発明の諸非晶質誘電体膜を用いた積層被覆膜は、発振波長が６００ｎｍ以上の化合物半導体発光装置に好適である。即ち、この積層被覆膜は、６００ｎｍより６８０ｎｍ程度のいわゆる６５０ｎｍ帯の短波長帯の半導体発光装置のＨＲ膜として好適である。当該諸非晶質誘電体膜は、高反射率を維持しつつ、且つ当該半導体発光の発振波長の光に対する光吸収が小さい。従って、半導体発光装置の定出力動作を可能とする。
【００１７】
他方、１．３μｍより１．５５μｍにかけてのいわゆる長波長帯の半導体発光装置においては、当該誘電体膜はＡＲ膜（いわゆる、無反射膜）としての膜厚の制御が容易となる。即ち、このことは、誘電体膜の膜厚の許容範囲が大きくなることである。
【００１８】
又、前記非晶質誘電体膜が酸素非含有の非晶質誘電体膜なることが、わけても好ましい。尚、当該非晶質誘電体膜を形成する過程で、この非晶質誘電体膜微量の酸素、例えば、０．１％程度が残留することもある。この程度の酸素は、本願発明の実施に当っては問題ない。しかし、出来る限り酸素の混入あるいは残存を避けることが好ましい。それは、酸素の存在が、屈折率の低下を招くからである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本願発明の具体的な実施の形態を説明するに先立って、本願発明の主な諸形態を列挙すると共に、本願発明の基本的事項について説明する。
【００２０】
本願発明の代表的な形態は、前述した通り、半導体基板の上部に形成された、半導体結晶を有してなる光共振器を有し、この共振器の少なくとも一方の端面に、低屈折率の第１の誘電体膜とこれより高い屈折率を有する高屈折率の第２の誘電体膜の積層膜を有し、前記高屈折率の第２の誘電体膜が硅素と水素と窒素を有してなる非晶質誘電体膜なることを特徴とする半導体発光装置である。ここで、半導体発光装置は、半導体レーザ装置が典型的な形態である。しかし、後述するように、レーザ発振部に対して、例えば、光変調器部などを一つの基板に集積した光発光装置などに対しても、同様に本願発明は有用である。
【００２１】
又、前記低屈折率の第１の誘電体膜は、半導体レーザ装置、半導体発光装置の分野で用いられる通例の材料を用いて十分である。その代表的な例は、二酸化硅素（ＳｉＯ2）である。その他の材料例として、例えば、ＭｇＦ、Ａｌ2Ｏ3を挙げることが出来る。
【００２２】
上述の基本形態を踏まえて、本願の実施の諸形態を以下に列挙する。
【００２３】
本願の実施の形態の代表的な第１の形態は、光出射面に所定の反射率を得るために、低屈折率膜と高屈折率膜の積層から成るコ−ティング膜を用いる半導体レ−ザ装置において、高屈折率膜として、少なくとも硅素と水素と窒素からなり、且つ酸素を含まない非晶質膜が用いられ、且つ発振波長の光に対する屈折率が２．５以上、且つ消衰係数が０．００５以下であることを特徴とする半導体レ−ザ装置である。
【００２４】
本願の代表的な第２の形態は、前記高屈折率膜として用いられる該非晶質膜が気相反応により形成されている形態である。
【００２５】
本願の代表的な第３の形態は、前記各半導体レ−ザ装置の発振波長が６００ｎｍ以上であり、光出力が１×１０6Ｗ／ｃｍ2以上であることを特徴とする半導体レ−ザ装置である。
【００２６】
本願の代表的な第４の形態は、前記半導体レ−ザ装置において、高屈折率膜として用いられる該非晶質膜の水素と硅素の原子数比が１／５±１０％の範囲に制御され、且つ、窒素と硅素の原子数比が１／８以下に、より望ましくは１／１０以下に制御されていることを特徴とする半導体レ−ザ装置である。水素の含有量は、前記の範囲外では、光の吸収が増大する。一方、窒素の含有量は、前記の範囲外では屈折率が減少する。
【００２７】
尚、一般に当該非晶質シリコン膜には、原子％で、窒素は４％より４０％程度、水素は１０％より２０％程度含有している。
【００２８】
本願の代表的な第５の形態は、前記各半導体レ−ザ装置において、発振波長が１．５５μｍ±８０ｎｍであり、且つ高屈折率膜として用いられる該非晶質膜の発振波長の光に対する屈折率の２乗の値が、低屈折率膜の屈折率の２乗と半導体レ−ザの発光領域の実効屈折率との積に等しく、高屈折率膜が半導体レ−ザの表面に接し、低屈折率膜が大気に接し、且つ該高屈折率膜と該低屈折率膜が何れも四分の一波長の光学長を有することを特徴とする半導体レ−ザ装置である。
【００２９】
本願の代表的な第６の形態は、前記第５の形態において、前記低屈折率膜として二酸化硅素膜を用い、且つ高屈折率膜として用いられる前記非晶質膜の発振波長の光に対する屈折率が、２．５７５±０．０１であることを特徴とする半導体レ−ザ装置である。
【００３０】
これまで、本願発明の代表的な諸形態を列挙してきたが、以下に本願発明に係わる非晶質硅素薄膜について説明する。
【００３１】
本願発明の目的に対して、当該非晶質硅素薄膜を、スパッタ法、蒸着法、或いは化学気相蒸着法等を用いて形成する際に、少量の窒素分子、窒素原子、窒素ラジカル、窒素イオン、或いは窒素を含み、且つ酸素を含まない分子、ラジカル若しくはイオンを原料中に、若しくは雰囲気中に添加することが肝要である。気相反応を用いて水素化非晶質硅素膜を形成する際、一般に水素濃度が高くなるほど光の吸収端波長が短くなる。しかし一定濃度以上に水素濃度が高くなると、Ｓｉ−Ｈn（ｎ≧２）結合が増加し、Ｓｉ−Ｈ結合の密度は飽和する。ところで、水素化非晶質硅素薄膜の光学的バンドギャップの大きさはＳｉ−Ｈ結合の密度に依存する。そのため吸収端波長は、概ね９００ｎｍで飽和する。非晶質硅素膜の吸収端波長を短くするためには、非晶質硅素膜の光学的バンドギャップを広げる効果を有する水素以外の元素を添加することが必要である。この時、非晶質硅素膜の屈折率が小さくならないように留意する必要がある。
窒素を他の原料ガスと同時に供給すれば、Ｓｉ−Ｈ結合と共にSｉ−Ｎ結合が生成し、屈折率の低下を抑制しながら、光の吸収を減少させることが可能となる。尚、本願発明の水素化非晶質硅素膜は、Ｓｉ−Ｓｉ結合が主たる結合を形成し、この中にＨ原子およびＮ原子が導入された形態を呈すると目される。
【００３２】
図１に、波長６５０ｎｍの光に対する、窒素を添加した非晶質水素化硅素膜の屈折率と消衰係数の窒素供給量依存性の一例を示す。横軸は膜の形成時の雰囲気への窒素の供給量、縦軸は当該誘電体膜の屈折率及び消衰係数である。この例より、窒素の少量の添加により、光の吸収が大幅に低減することが可能となることが判る。即ち、屈折率の低下を抑えつつ、光の吸収が大幅に低下するのである。このような事実を利用し、本願発明によれば、例えば、波長０．６８μｍ、または０．６５μｍのレーザ光を１MW／ｃｍ2以上の出力で発振する光記録装置用レ−ザ素子のみならず、例えば波長０．９８μｍの光を２ＭＷ／ｃｍ2以上の出力で発振するレ−ザ素子においても、動作時間に伴い素子特性が劣化する問題を解決することができる。
同様に、水素化非晶質硅素膜に窒素を添加することにより、屈折率を２から３の範囲で任意に制御することが可能となり、広い波長範囲で反射率を０．１％以下に制御することが可能となる。前記反射率を０．１％以下に制御することで、光射出面からＬＤ側へ反射された光により生ずる伝送信号の乱れを抑制することが出来る。即ち、前記反射率の範囲で、実効的に信号の乱れを無視することが出来る。
＜実施例１＞
本願発明の第１の実施例を図２及び図３を用いて説明する。本実施例は、光ディスクや光磁気ディスクの書き込み用として用いられる６８０ｎｍ帯高出力半導体レ−ザ（ＬＤ）に適用したものである。図２は半導体レ−ザ装置の光の進行方向に交差する面での断面図である。図３は半導体レ−ザ装置の平面構造図である。
【００３３】
素子作製手順に従って、本例の構造を説明する。ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ＧａＡｓバッファ層２、ＧａＡｓに格子整合したｎ−（ＡｌxＧａ1-x）ＩｎＰクラッド層（ｘ＝０．７）３、ＧａＡｓに格子整合した（ＡｌyＧａ1-y）ＩｎＰ障壁層（ｙ＝０．４５、障壁層厚４ｎｍ）とＩｎzＧａ1-zＰ歪量子井戸層（ｚ＝０．６、井戸層厚：８ｎｍ）、及び（ＡｌsＧａ1-s）ＩｎＰになるＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｍｅｎｔｅ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層（ｓ＝０．５５、障壁層厚：４ｎｍ）とから構成される歪量子井戸活性層４、ＧａＡｓに格子整合したｐ−（ＡｌtＧａ1-t）ＩｎＰクラッド層（ｔ＝０．７）５、ＧａＡｓに格子整合したｐ−ＩｎＧａＰになるエッチストップ層６、ＧａＡｓに格子整合したｐ−（ＡｌuＧａ1-u）ＩｎＰクラッド層（ｕ＝０．７）７、ｐ−ＡｌvＧａ1-vＡｓキャップ層（ｖ＝０．７）８を順次形成する。半導体膜の形成は、ＭＯＶＰＥ法、ＣＢＥ法、またはＭＢＥ法による。
【００３４】
次に、酸化膜をマスク領域として、通例のエッチング工程により、図２の符号７及び８に示されるようなリッジ形状を形成する。このときのエッチングは湿式法、ＲＩＥ、ＲＩＢＥ、イオンミリング等、方法を問わない。エッチングはｐ−ＩｎＧａＰになるエッチストップ層６で止め、歪量子井戸活性層４に達しないようにする。
【００３５】
次に、エッチングマスクとして用いた酸化膜を選択成長用のマスクとして、ｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層９をＭＯＶＰＥ法により選択成長する。ｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層９は図２に示される。その後、成長炉からウエハを取りだし、選択成長用マスクとして用いた酸化膜を、エッチングにより除去する。その後、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０をＭＯＶＰＥ法またはＭＢＥ法により形成する。
【００３６】
更に、ｐ側オ−ミック電極１１、ｎ側オ−ミック電極１２を形成した後、劈開法により共振器長約６００μｍのレ−ザ素子の基本構造を得た。
【００３７】
この後、反応性スパッタ法を用いて、こうして準備したレーザ素子の前面に、厚さλ／４（λ：発振波長）の光学長を有する酸化アルミニウム（Ａｌ2O3）膜を順次形成して低反射率（ＡＲ）膜１３を形成した。この膜形成の位置は、光の出力面より共振器長に向かってｚ軸をとると、ｚ＝０の位置に相当する。この座標軸は図３に示される。
【００３８】
一方、レーザ素子の後面（座標は、ｚ＝Ｌに相当する）に、厚さλ／４の光学長の酸化硅素（ＳｉＯ2）膜１４と本発明による厚さλ／４の光学長の窒素添加水素化非晶質硅素（以下、ａ−Ｓｉ：Ｈ（Ｎ）と略記する）膜１５の６層膜とからなる高反射率（ＨＲ）膜１６を形成した。
【００３９】
a−Ｓｉ：Ｈ（Ｎ）膜はＥＣＲスパッタ法により成膜した。この方法は、通例の製膜装置内に、Ａｒガスを２０ｓｃｃｍ、水素ガスを６ｓｃｃｍ、及び窒素ガスを０．５ｓｃｃｍ導入し、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）出力５００Wでプラズマを発生させ、Ｓｉタ−ゲットに５００Wの高周波（ＲＦ）出力を印加するものである。これにより波長０．６８μｍの光に対する屈折率が２．５で吸収のない膜が形成できた。窒素と水素と硅素の原子数比は１／２／１０であった。その後、素子を接合面を上にして、ヒ−トシンク上にボンディングした。試作した素子は、しきい値電流約１４ｍＡで室温連続発振し、その発振波長は約０．６８μｍであった。また、素子は１５０ｍＷまで安定に横単一モ−ド発振した。また、最大光出力として３００ｍＷ以上の光出力を得た。また、３０個の素子について環境温度摂氏８０度の条件下で５０ｍＷの定光出力連続駆動させたところ、初期駆動電流は約２００ｍＡであり、全ての素子で、ＨＲ膜の劣化なしに５万時間以上安定に動作した。
【００４０】
本実施例では薄膜形成法としてＥＣＲスパッタリング法を用いたが、他の薄膜形成法、例えばプラズマ支援化学気相蒸着（ｐ−ＣＶＤ）法、電子線（ＥＢ）蒸着法、イオンビ−ム（ＩＢ）蒸着法、ヘリコン波プラズマ励起反応性蒸着法、ＲＦプラズマスパッタ法、マグネトロンスパッタ法等を用いてもよい。窒素源として窒素ガスを用いたが、窒素を含み、酸素を含まない分子、例えば、アンモニア（ＮH3）、無水ヒドラジン（Ｎ2H4）、アジ化水素（HＮ3）等を用いても良い。また、窒素を水素、アルゴンと共にガスとして供給したが、ＥＣＲプラズマ、ＲＦプラズマ、ヘリコン波プラズマ、或いは熱励起法や電子線励起法、グロ−放電法等を用いて活性ラジカル線或いはイオン線、原子線として供給しても良い事はいう迄もない。
【００４１】
図７に、６５０ｎｍ帯の本願発明の半導体レーザ装置における、窒素含有非晶質水素化シリコン膜と二酸化シリコン膜の積層膜の反射率の特性例を示す。前記積層膜は前記２つの膜の３周期の積層の例である。合わせて、ＳｉＮ／ＳｉＯ2積層の３周期の積層膜の反射率の特性を例示する。横軸は波長、縦軸は反射率（％）である。曲線１が本願発明に係わる窒素含有非晶質水素化シリコン膜を用いた積層膜、曲線２がＳｉＮ／ＳｉＯ2積層膜の例である。この比較によって、本願発明に係わる積層膜はより広い波長範囲で、より高い反射率を得ることが出来る旨が理解されるであろう。
＜実施例２＞
本願発明の第２の実施例を図４及び図５を用いて説明する。本実施例は、本願発明を光伝送システムで中継器あるいは受信器に用いられる希土類添加光ファイバ増幅器励起用０．９８μｍ帯高出力半導体レ−ザに適用したものである。図４は半導体レーザ装置の光の進行方向に交差する面での断面を示す断面図、図５はファブリ・ペロ−型共振器を有する半導体レ−ザの平面図である。
【００４２】
次に、素子作製の手順に従って、本例の構造を説明する。ｎ−ＧａＡｓ基板１上にＧａＡｓバッファ層２、ＧａＡｓに格子整合したｎ−ＩｎＧａＰクラッド層１７、Ｉｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y障壁層（ｘ＝０．８２、ｙ＝０．６３、障壁層厚３５ｎｍ）とＩｎzＧａ1-zＡｓ歪量子井戸層（ｚ＝０．１６、井戸層厚７ｎｍ）から構成される歪量子井戸活性層１８、ＧａＡｓ基板に格子整合したｐ−ＩｎＧａＰクラッド層１９、ｐ−ＧａＡｓ光導波路層２０、ＧａＡｓに格子整合したｐ−ＩｎＧａＰクラッド層２１、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２２を順次形成する。その形成方法は、例えば、MOVＰE法、またはガスソ−スＭＢＥ法、またはＣＢＥ法などによる。
【００４３】
次に、酸化膜をマスク領域に、通例のホトエッチング工程により図４に示すようなリッジ２１を形成する。このときのエッチングは湿式法、ＲＩＥ、ＲＩＢＥ、イオンミリング等、方法を問わない。エッチングはＰ−ＧａＡｓ光導波路層２２を完全に除去し、且つ歪量子井戸活性層１８に達しないようにｐ−ＩｎＧａＰクラッド層１９の途中で止まるようにする。
【００４４】
次に、エッチングマスクとして用いた酸化膜を選択成長のマスクとして、図４に示すようにｎ−ＩｎＧａＰ電流狭窄層２３をＭＯＶＰＥ法により選択成長する。その後、成長炉からウエハを取り出し、選択成長マスクとして用いた酸化膜をエッチングにより除去する。その後、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０をＭＯＶＰＥ法またはＭＢＥ法により形成する。ｐ側オ−ミック電極１１、ｎ側オ−ミック電極１２を形成した後、劈開法により共振器長約９００μｍのレ−ザ素子を得る。
【００４５】
この後、素子の前面（先に、説明した座標軸を取ると、ｚ＝０の位置である）にＥＣＲスパッタリング法により、厚さλ／４（λ：発振波長）の光学長を有するＡｌ2O3薄膜からなるＡＲ膜２４を、素子の後面（ｚ＝L）に厚さλ／４の光学長のＳｉＯ2薄膜２５と厚さλ／４の光学長の窒素を導入したa−Ｓｉ：Ｈ薄膜（以下、a−Ｓｉ：Ｈ（Ｎ）と略記する）２６とからなる６層膜による高反射（ＨＲ）膜２７を形成した。
【００４６】
a−Ｓｉ：H（Ｎ）薄膜は、Ａｒ流量２０ｓｃｃｍ、ＥＣＲ出力５００W、ＲＦ出力５００Wでプラズマを発生し、プラズマ中にＥＣＲ出力５００W、水素流量６ｓｃｃｍ、窒素流量０．２ｓｃｃｍのラジカル線を導入して成膜した。これにより波長０．９８μｍの光に対する屈折率３．０、吸収のない膜が得られた。その後、素子を接合面を下にして、ヒ−トシンク上にボンディングした。試作した素子は、しきい値電流約１０ｍＡで室温連続発振し、その発振波長は約０．９８μｍであった。また、素子は５８０ｍＷまで安定に横単一モ−ド発振した。また、光出力を増加させても端面劣化は起こらず、最大光出力８００ｍＷは熱飽和により制限された。また、３０個の素子について環境温度が、摂氏８０度の条件下で２００ｍＷの定光出力にて連続駆動させたところ、初期の駆動電流は約２５０ｍＡであり、全ての素子で端面劣化することなく、１０万時間以上安定に動作した。
【００４７】
本実施例では保護膜形成法として、ＥＣＲスパッタ法を用いたが、他の薄膜形成法、例えばプラズマ支援化学気相蒸着（ｐ−ＣＶＤ）法、電子線（ＥＢ）蒸着法、イオンビ−ム（ＩＢ）蒸着法、ヘリコン波プラズマ励起反応性蒸着法、ＲＦプラズマスパッタ法、マグネトロンスパッタ法を用いてもよい。窒素源として窒素ガスを用いたが、窒素を含み、酸素を含まない分子、例えば、アンモニア（ＮH3）、無水ヒドラジン（Ｎ2H4）、アジ化水素（HＮ3）等を用いても良い。また、窒素を水素、アルゴンと共にガスとして供給したが、ＥＣＲプラズマ、ＲＦプラズマ、ヘリコン波プラズマ、或いは熱励起法や電子線励起法、グロ−放電法等を用いて活性ラジカル線或いはイオン線、原子線として供給しても良い事はいう迄もない。
【００４８】
なお、上述した実施例の活性層をＳＣＨ層の組成を段階的に変化させたＧＲＩＮ−ＳＣＨ（Graded Index−Separate Confinement Hetero-structure）活性層としてもよい。また、本発明は導波路構造によらないので、たとえば、上述した実施例のほかに導波路構造としてＢＨ（Buried Hetero-structure）構造を用いても良く、面発光レ−ザに適用しても良い。
【００４９】
また、本発明は材料系にもよらない。即ち、上述したＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓＰ系、ＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓ系のみでなく、ＩｎＰ基板上のＡｌＩｎＧａＡｓＰ系、ＧａＡｓ基板上のＩｎＡｌＧａＰ系、ＧａＡｓ基板或いはＺｎＳｅ基板上のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体レ−ザ等にも適用できる。さらに、発振波長として上述した０．９８μｍ帯、０．６８μｍ帯のほか、１．５５μｍ帯、１．４８μｍ帯、０．６５μｍ帯、０．６３μｍ帯の半導体レ−ザに適用できることは言うまでもない。
＜実施例３＞
本発明の第３の実施例を図６を用いて説明する。本例は光集積回路装置に関するものである。図６はレーザ部と光変調器とを集積した光集積回路装置の、光の進行方向と平行な面での断面図である。
【００５０】
ｎ型ＩｎＰ基板２８上に、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レ−ザ部２９と電界吸収型（ＥＡ）光変調器３０を集積した電界吸収型の光変調器を集積した分布帰還型半導体レ−ザ（以下、光変調器集積分布帰還型半導体レ−ザと略称する）を形成する。分布帰還型半導体レ−ザの発振波長が１５３７ｎｍから１５６２ｎｍの範囲で０．８ｎｍ間隔に３２チャンネルが得られるように、１枚のウェハ−上に３２種類の回折格子が形成される。また、電界吸収型光変調器の前面（ｚ＝０）にはＩｎＰからなる端面窓部３１が形成される。光変調器の前面の位置は、図６に示した座標によれば、ｚ＝０の位置である。
【００５１】
反応性スパッタ法により分布帰還型半導体レ−ザの端面に、酸化硅素（ＳｉＯ2）膜から成る低屈折率膜３２と水素化非晶質硅素（ａ−Ｓｉ：Ｈ）膜からなる高屈折率膜３３の２周期膜からなる高反射率（ＨＲ）膜３４を作製し、光出射面である電界吸収型（ＥＡ）光変調器３０の端面に、本発明による窒素添加水素化非晶質硅素（ａ−Ｓｉ：Ｈ（Ｎ））膜３５と二酸化硅素（ＳｉＯ2）膜３２からなる反射防止（ＡＲ）膜３６を形成する。それぞれの膜は波長１．５５μｍの光に対し、４分の１波長の光学長を有する。
【００５２】
以下に反射防止膜３６の作成方法について述べる。初めにスパッタ装置内にＡｒガスを２０ｓｃｃｍ、水素ガスを６ｓｃｃｍ、窒素ガスを０．４ｓｃｃｍ導入し、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）出力５００Wでプラズマを発生させ、Ｓｉタ−ゲットに５００Wの高周波（ＲＦ）出力を印加して厚さ１５０．２ｎｍの窒素添加水素化非晶質硅素膜３５を形成する。波長１．５５μｍの光に対する窒素添加水素化非晶質硅素膜３５の屈折率は２．５８となった。引き続いて、Ａｒガスを２０ｓｃｃｍ、酸素ガスを７．７ｓｃｃｍ導入し、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）出力５００Wでプラズマを発生させ、Ｓｉタ−ゲットに５００Wの高周波（ＲＦ）出力を印加して、厚さ２６７．２ｎｍの二酸化硅素膜３２を形成する。二酸化硅素膜３２の屈折率は波長１．５５μｍの光に対し、１．４５であった。これにより、全波長範囲に対し、反射率０．０１％以下の反射防止（ＡＲ）膜３６が得られた。この反射防止膜３６は波長１．４７μｍから１．６２μｍの全範囲において、実用的の有用な反射率０．１％以下を満たした。
【００５３】
本実施例では保護膜形成法としてＥＣＲスパッタ法を用いたが、他の薄膜形成法、例えばプラズマ支援化学気相蒸着（ｐ−ＣＶＤ）法、電子線（ＥＢ）蒸着法、イオンビ−ム（ＩＢ）蒸着法、ヘリコン波プラズマ励起反応性蒸着法、ＲＦプラズマスパッタ法、マグネトロンスパッタ法を用いてもよい。窒素源として窒素ガスを用いたが、窒素を含み、酸素を含まない分子、例えば、アンモニア（ＮH3）、無水ヒドラジン（Ｎ2H4）、アジ化水素（ＨＮ3）等を用いても良い。また、窒素を水素、アルゴンと共にガスとして供給したが、ＥＣＲプラズマ、ＲＦプラズマ、ヘリコン波プラズマ、或いは熱励起法や電子線励起法、グロ−放電法等を用いて活性ラジカル線或いはイオン線、原子線として供給しても良い事はいうまでもない。
【００５４】
本願発明により、高出力半導体レ−ザにおいて端面保護膜の高信頼化を容易な方法で実現し、歩留まり向上、低コスト化を実現した。また、波長多重光通信に対応する光変調器集積化光源用反射防止膜も容易な方法で実現し、歩留まり向上、低コスト化を実現した。
【００５５】
【発明の効果】
本願発明は、高出力且つ安定動作を長期間確保することが出来る半導体レーザ装置を提供することが出来る。例えば、本願発明によれば、発振波長６００ｎｍ以上、１μｍ以下で出射光密度が数ＭＷ／ｃｍ2以上の高出力レ−ザに対しても、安定動作を長期間確保することが出来る半導体レーザ装置を提供する。
【００５６】
更に、本願発明は、発振波長１．４７μｍから１．６２μｍの波長範囲において、良好な反射防止膜を有する半導体レーザ装置を容易に提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本願発明の窒素添加水素化非晶質硅素膜における、屈折率と消衰係数の窒素供給量依存性の例を示した図である。
【図２】図２は、本願発明による第１の実施例によるレーザ装置の光の進行方向と交差する面での断面図である。
【図３】図３は、本願発明による第１の実施例によるレーザ装置の平面構造を示した図である。
【図４】図４は、本願発明による第２の実施例によるレーザ装置の光の進行方向と交差する面での断面図である。
【図５】図５は、本願発明による第２の実施例によるレーザ装置の平面構造を示した図である。
【図６】図６は、本発明による第３の実施例になる光装置の光の進行方向と平行な面での断面図である。
【図７】図７は、各種積層膜の反射率特性を比較する図である。
【符号の説明】
１：半導体基板、２：バッファ層、３：半導体基板に格子整合したクラッド層、４：歪量子井戸活性層領域、５：半導体基板に格子整合したクラッド層、６：ＧａＡｓに格子整合したエッチストップ層、７：半導体基板に格子整合したクラッド層、８：キャップ層、９：電流狭窄層、１０：コンタクト層、１１：ｐ側オ−ミック電極、１２：ｎ側オ−ミック電極、１３：低反射率（ＡＲ）膜、１４：低屈折率膜、１５：本発明に係わる高屈折率膜、１６：高反射率（ＨＲ）膜、１７：半導体基板に格子整合したクラッド層、１８：歪量子井戸活性層領域、１９：半導体基板に格子整合したクラッド層、２０：光導波路層、２１：半導体基板に格子整合したクラッド層、２２：キャップ層、２３：電流狭窄層、２４：ＡＲ膜、２５：誘電体薄膜、２６：ａ−Ｓｉ：Ｈ（Ｎ）薄膜、２７：高反射（ＨＲ）膜、２８：半導体基板、２９：分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レ−ザ、３０：電界吸収型（ＥＡ）光変調器、３１：端面窓部、３２：低屈折率膜、３３：水素化非晶質硅素膜（ａ−Ｓｉ：Ｈ（Ｎ））、３４：高反射率（ＨＲ）膜、３５：窒素添加水素化非晶質硅素膜、３６：反射防止（ＡＲ）膜。
Claims (9)
- 光共振器端面の少なくとも一方に、低屈折率の第１の誘電体膜とこれより高い屈折率を有する高屈折率の第２の誘電体膜の積層膜を有し、前記高屈折率の第２の誘電体膜が含窒素水素化硅素なる非晶質誘電体膜なることを特徴とする半導体発光装置。
- 光共振器端面の少なくとも一方に、低屈折率の第１の誘電体膜とこれより高い屈折率を有する高屈折率の第２の誘電体膜の積層膜を有し、前記高屈折率の第２の誘電体膜は、含窒素水素化硅素なる非晶質誘電体膜を有してなり、且つ当該半導体レーザ装置の発振波長の光に対する屈折率が２．５以上の非晶質誘電体膜なることを特徴とする半導体発光装置。
- 光共振器端面の少なくとも一方に、低屈折率の第１の誘電体膜とこれより高い屈折率を有する高屈折率の第２の誘電体膜の積層膜を有し、前記高屈折率の第２の誘電体膜は、含窒素水素化硅素なる非晶質誘電体膜を有してなり、且つ当該半導体レーザ装置の発振波長の光に対する屈折率が２．５以上、消衰係数が０．００５以下の非晶質誘電体膜なることを特徴とする半導体発光装置。
- 光共振器端面の少なくとも一方に、低屈折率の第１の誘電体膜とこれより高い屈折率を有する高屈折率の第２の誘電体膜の積層膜を有し、前記高屈折率の第２の誘電体膜が含窒素水素化硅素硅素なる非晶質誘電体膜であり、且つ発振波長が６００ｎｍ以上なることを特徴とする半導体発光装置。
- 光共振器端面の少なくとも一方に、低屈折率の第１の誘電体膜とこれより高い屈折率を有する高屈折率の第２の誘電体膜の積層膜を有し、前記高屈折率の第２の誘電体膜は、含窒素水素化硅素硅素であり、且つ当該半導体発光装置の発振波長の光に対する屈折率が２．５以上の非晶質誘電体膜であり、且つ発振波長が６００ｎｍ以上なることを特徴とする半導体発光装置。
- 光共振器端面の少なくとも一方に、低屈折率の第１の誘電体膜とこれより高い屈折率を有する高屈折率の第２の誘電体膜の積層膜を有し、前記高屈折率の第２の誘電体膜は、含窒素水素化硅素であり、且つ当該半導体発光装置の発振波長の光に対する屈折率が２．５以上、消衰係数が０．００５以下の非晶質誘電体膜であり、且つ発振波長が６００ｎｍ以上なることを特徴とする半導体発光装置。
- 前記非晶質誘電体膜は酸素非含有の非晶質誘電体膜なることを特徴とする請求項１より請求項６のいずれかに記載の半導体発光装置。
- 半導体基板の上部に形成された、半導体結晶を有してなる光共振器を有し、この共振器の少なくとも一方の端面に、低屈折率の第１の誘電体膜とこれより高い屈折率を有する高屈折率の第２の誘電体膜の積層膜を有する高反射膜を有し、前記高屈折率の第２の誘電体膜が含窒素水素化硅素硅素なる非晶質誘電体膜であり、且つ前記共振器の他方の端面に前記高反射膜と比較し低い反射率を有する誘電体膜を有することを特徴とする半導体発光装置。
- 半導体基板の上部に形成された、半導体結晶を有してなる光共振器を有し、この共振器の少なくとも一方の端面に、低屈折率の第１の誘電体膜とこれより高い屈折率を有する高屈折率の第２の誘電体膜の積層膜を有する低反射膜を有し、前記高屈折率の第２の誘電体膜が含窒素水素化硅素硅素硅素なる非晶質誘電体膜であり、且つ前記共振器の他方の端面に前記低反射膜と比較し高い反射率を有する誘電体膜を有することを特徴とする半導体発光装置。
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