窒化物半導体レーザ素子
【課題】共振器端面でＣＯＤが起こりにくい、高出力かつ長寿命の窒化物半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】窒化物半導体層２０と、窒化物半導体層２０に設けられた共振器と、共振器の互いに向かい合う端面に形成された端面コート膜１８、１９とを備えた窒化物半導体レーザ素子１０において、少なくともレーザ光出射側の端面に形成された端面コート膜１８の窒化物半導体層２０に接する層は膜密度が２．８３ｇ／ｃｍ3以上のＡｌＮからなる。
【解決手段】窒化物半導体層２０と、窒化物半導体層２０に設けられた共振器と、共振器の互いに向かい合う端面に形成された端面コート膜１８、１９とを備えた窒化物半導体レーザ素子１０において、少なくともレーザ光出射側の端面に形成された端面コート膜１８の窒化物半導体層２０に接する層は膜密度が２．８３ｇ／ｃｍ3以上のＡｌＮからなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、青紫色半導体レーザを使用したＢＤ（Ｂｌｕ‐ｒａｙ Ｄｉｓｃ）やＨＤ‐ＤＶＤ（Ｈｉ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ＤＶＤ）等の規格化および製品化が進んでいる。光ディスクの記憶容量は、さらなる大容量化が要求されており、上述のディスクでも、既に大容量化を目的とした高密度化（２層ディスク対応）および高速書き込みを目的とした信頼性の高い高出力青紫色半導体レーザが必要とされ、早期に開発が求められている。
【０００３】
半導体レーザ素子において、一般に共振器端面には反射率の制御または保護のためにコート膜が形成されている。このコート膜は、レーザ光の出力を高めると損傷しやすくなり、半導体レーザ素子の信頼性が低下することとなる。コート膜を損傷しにくくし、素子の寿命を向上させるため、例えば特許文献１では、共振器端面に形成したコート膜の内部応力を低減させた半導体レーザ素子が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２‐２２３０２６号公報（第２頁、図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明者らの実験によると、出力１３０ｍＷで動作させた場合に寿命が２００００時間以上である窒化物半導体レーザ素子において、出力を上げて２００ｍＷで動作させた場合に、通電動作中に動作電流の増加が観測され、最後には発振が停止するという問題が発生した。この問題の原因について調査したところ、この問題は共振器端面のうち、レーザ光出射側の端面における端面破壊により発生したものであり、この端面破壊は以下のようにして起こることが分かった。
【０００６】
窒化物半導体レーザ素子は、ＡｌＧａＡｓ系の赤色レーザなどと比較してバンドギャップが広いため、内部で発生した自然放出光が共振してレーザ発振すると非常に高い熱を持つ。この熱のため、共振器端面のうち、反射率の低いレーザ光出射端面とその上に形成された端面コート膜との界面では、共振器端面の活性層付近の構成元素と端面コート膜の構成元素との相互拡散が発生し、相互反応を起こすことがある。この場合、Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎなどからなる共振器端面のＧａ、ＩｎやＡｌ2Ｏ3からなる端面コート膜のＯなどの相互拡散、相互反応によりＧａＯ系やＩｎ2Ｏ3系の化合物が生じる。通常、レーザ光出射端面では発振波長４０５ｎｍの光の大部分は透過しており、吸収はほとんどない。しかし、これらの化合物は紫外域波長の光を吸収するため、窒化物半導体レーザ素子の内部ではさらに高い熱を持つようになる。この熱により、Ｇａ、Ｉｎ、Ｏの拡散がさらに促進されるという悪循環により、最終的に端面破壊、いわゆるＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ；光学損傷）に至る。また、端面コート膜では、Ａｌ2Ｏ3からＯが抜けてストイキオメトリ（化学量論組成）からのずれが生じ、Ａｌの割合が高くなった場合も紫外域波長の光の吸収が起こる。さらに、Ａｌの割合が高くなることにより、端面コート膜に導電性が生じる可能性もあり、この場合ｐｎ接合部でショートが起こり、発振停止に至るものと考えられる。なお、共振器端面のうち、反射率の高いレーザ光反射端面でも同様のことが起こると考えられるが、レーザ光反射端面では発振波長４０５ｎｍの光のほとんどを反射しており、レーザ光出射端面ほど光密度分布が大きくないため光の吸収は少なく、影響は小さい。
【０００７】
ところが、特許文献１で提案された半導体レーザ素子では、このような共振器端面と端面コート膜との間での原子の相互拡散、相互反応によるＣＯＤやｐｎ接合部でのショートを抑制することができない。
【０００８】
そこで、本発明では、共振器端面と端面コート膜との間での原子の相互拡散、相互反応を抑制でき、ＣＯＤ耐性の高い、高出力かつ長寿命の窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明は、窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層に設けられた共振器と、前記共振器の互いに向かい合う端面に形成された端面コート膜とを備えた窒化物半導体レーザ素子において、少なくともレーザ光出射側の端面に形成された前記端面コート膜の前記窒化物半導体層に接する層は膜密度が２．８３ｇ／ｃｍ3以上のＡｌＮからなることを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記窒化物半導体層がＩＩＩ‐Ｖ族窒化物半導体層からなることを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記端面コート膜の前記窒化物半導体層に接する層の厚さが１０ｎｍ以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、窒化物半導体層に形成された共振器端面とその上に形成された端面コート膜との界面における原子の相互拡散、相互反応が抑制されるため、ＣＯＤ耐性の高い、高出力かつ長寿命の窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【００１３】
また、本発明によると、端面コート膜の共振器端面に接する層の厚さを１０ｎｍ以上とすることにより、より相互拡散を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の斜視図
【図２】第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の平面図
【図３】図２のＡ‐Ａ断面図
【図４】第１の実施形態に係るウェハーの三面図
【図５】ＥＣＲプラズマアシストスパッタ装置の概略構成図
【図６】第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の寿命試験結果のグラフ
【図７】従来の窒化物半導体レーザ素子の寿命試験結果のグラフ
【図８】膜密度とＣＯＤが生じる出力との関係を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下において、本発明の実施形態を説明するにあたり、用語の意味を予め明らかにしておく。本明細書に記載の「窒化物半導体成長層」とは、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる。ただし、窒化物半導体成長層の窒素元素のうち、約２０％以下がＡｓ、Ｐ、またはＳｂの元素で置換されてもよい。また、窒化物半導体層中に、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、またはＢｅがドーピングされてもよい。ｎ型窒化物半導体としては、これらのドーピング材料のうちでも、Ｓｉ、Ｏ、およびＣｌが特に好ましい。
【００１６】
また、「ＡＲ」とはＡｎｔｉ Ｒｅｆｒｅｃｔｉｏｎすなわち低反射を、「ＨＲ」とはＨｉｇｈ Ｒｅｆｒｅｃｔｉｏｎすなわち高反射を、「ＭＯＣＶＤ法」とはＭｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法すなわち有機金属化学気相蒸着法を、「ＭＢＥ法」とはＭｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ法すなわち分子線エピタキシ法を、「ＨＶＰＥ法」とはＨｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ法すなわちハイドライド気相成長法を、「ＥＣＲ」とはＥｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅすなわち電子サイクロトロン共鳴を、「ＲＦ」とはＲａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙすなわち高周波を、「ＥＢ」とはＥＬＥＣＴＲＯＮ ＢＥＡＭすなわち電子ビームを、「ＣＯＤ」とはＣａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅすなわち光学損傷を、「ＸＲＤ」とはＸ‐ｒａｙ ＤｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒすなわちＸ線回折装置を、それぞれ意味する。
【００１７】
なお、本願の図面において、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表わしてはいない。
【００１８】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について図を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の斜視図、図２は図１に示した窒化物半導体レーザ素子の平面図、図３は図２のＡ‐Ａ断面図、図４はウェハーの三面図である。
【００１９】
まず、窒化物半導体レーザ素子の構成について説明する。図３に示すように窒化物半導体レーザ素子１０は、ｎ型ＧａＮ基板１１上に、厚さ０．２μｍのｎ型ＧａＮ層２１、厚さ２．２μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層２２、厚さ０．０２μｍのｎ型ＧａＮガイド層２３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ‐３ＭＱＷ活性層２４、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層２５、厚さ０．５５μｍのｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層２６、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層２７からなる窒化物半導体成長層２０が順番に積層されている。活性層２４は、厚さ４ｎｍのＩｎＧａＮと厚さ８ｎｍのＧａＮとからなる周期構造を３周期分備えている。ｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層２６およびｐ型ＧａＮコンタクト層２７はドライエッチングにより一部が除去され、リッジストライプ構造１５が形成されている。リッジストライプ構造１５には絶縁層１２が蒸着され、その上にｐ型電極１３が形成され、ｎ型ＧａＮ基板１１の反対側の面にはｎ型電極１４が形成されている。さらに、図１に示すように、レーザ光出射端面１６にＡｌ2Ｏ3からなるＡＲコート膜１８、レーザ光反射端面１７にＳｉＯ2／ＴｉＯ2を４層、最表面にＳｉＯ2を１層積層したＨＲコート膜１９が形成されている。レーザ光出射端面１６とレーザ光反射端面１７とは、共振器端面として共振器を構成する。なお、窒化物半導体成長層２０を構成する窒化物半導体層には、ＩＩＩ‐Ｖ族窒化物半導体を用いることができる。
【００２０】
次に、窒化物半導体レーザ素子１０の作製方法について説明する。
【００２１】
まず、図４に示す構造のウェハー３０を作製する。ウェハー３０は、ｎ型ＧａＮ基板１１の一方の面に窒化物半導体成長層２０が形成され、その上にストライプ状のｐ型電極１３が形成されており、ｎ型ＧａＮ基板１１の窒化物半導体成長層２０が形成された面とは反対側の面には周縁部を除いた全面にｎ型電極１４が形成されている。
【００２２】
ウェハー３０を作製するには、第１にｎ型ＧａＮ基板１１上に、窒化物半導体成長層２０をＭＯＣＶＤ法によって形成する。なお、窒化物半導体成長層２０を形成する方法は、エピタキシャル成長できる成長法であればＭＯＣＶＤ法に限定されるものではなく、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法等、他の気相成長法を用いても構わない。
【００２３】
次に、通常のフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて、図３に示す幅略２μｍのリッジストライプ構造１５を形成するように、窒化物半導体成長層２０のｐ型ＧａＮコンタクト層２７とｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層２６の一部をエッチングして、エッチングを停止する。なお、本実施形態において、ドライエッチングに用いる反応性ガスとしてＳｉＣｌ4を用いるものとするが、これに限定されるものではなく、ＢＣｌ3などの塩素を含有する他のガスを用いても構わない。
【００２４】
次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層２７とｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層２６のリッジストライプ構造１５を形成した面上に、電流狭窄のための絶縁層１２、その上にｐ型電極１３を形成し、ｎ型ＧａＮ基板１１を窒化物半導体成長層２０が形成されていない面から研削研磨を行い、この研削研磨を行った面上にｎ型電極１４を作製した。絶縁層１２はＳｉＯ2、ＺｒＯ、ＴｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4などで構成される。ｐ型電極１３およびｎ型電極１４は、いずれも金属を蒸着して形成したものであり、例えばＭｏ／Ａｕ、Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｍｏ／Ｐｄ／Ａｕ、Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｌなどの金属の多層膜であっても、Ａｕのみの単層であってもよい。
【００２５】
このようにして作製されたウェハー３０を、バー状の窒化物半導体レーザバーに分割し、共振器端面を形成する。分割は、リッジストライプ構造１５の長手方向に垂直なスクライブポイント３１で行い、キャビティ長が３００μｍから１２００μｍの範囲、第１の実施形態では、６００μｍとなるように行った。
【００２６】
次に、窒化物半導体レーザバーの共振器端面のうち、レーザ光出射端面１６に、図５に示すＥＣＲプラズマアシストスパッタ装置４０を使用し、ＡＲコート膜１８を形成する。図５は、第１の実施形態で使用したＥＣＲプラズマアシストスパッタ装置の概略構成図である。
【００２７】
図５に示すように、ＥＣＲプラズマアシストスパッタ装置４０は大きく分けてＥＣＲプラズマ生成室４１とＲＦスパッタ室４２とからなる。ＥＣＲプラズマ生成室４１には、その外側にＥＣＲを起こすためのＥＣＲ用コイル４３とＥＣＲプラズマ用ガス導入口４１ａが設けられている。ＥＣＲプラズマ生成室４１で生成されたＥＣＲプラズマは、ＲＦスパッタ室４２へ導かれる。ＲＦスパッタ室４２内には、Ａｌからなるスパッタターゲット４４、膜密度調整用ガス導入口４２ａ、試料ホルダー４５およびガス排気口４２ｂが設けられ、試料ホルダー４５上に試料として窒化物半導体レーザバー３５が置かれている。膜密度調整用ガス導入口４２ａは、窒化物半導体レーザバー３５上へガスが供給される位置および方向に設けられている。ＲＦスパッタ室４２外の周囲には、ＲＦコイル４６および周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電源４７が設置される。ＥＣＲプラズマ用ガス導入口４１ａおよび膜密度調整用ガス導入口４２ａより導入されたガスは、ガス排気口４２ｂから排出される。
【００２８】
ＡＲコート膜１８は、次のようにして形成する。まず、試料ホルダー４５上に窒化物半導体レーザバー３５をレーザ光出射端面１６が上になるようにしてセットする。次に、ＥＣＲプラズマ生成室４１、ＲＦスパッタ室４２を、ガス排気口４２ｂから真空排気を行い、１×１０-6Ｐａ以下まで排気する。次に、ＥＣＲプラズマ用ガス導入口４１ａからＥＣＲプラズマ用ガス、膜密度調整用ガス導入口４２ａから膜密度調整用ガスを導入し、ＥＣＲプラズマ生成室４１およびＲＦスパッタ室４２の圧力を１×１０-2Ｐａに調整する。第１の実施形態では、ＥＣＲプラズマ用ガスとしてＡｒガスを２０ｓｃｃｍ、膜密度調整用ガスとして、Ａｒガス２０ｓｃｃｍとＯ2ガスを６ｓｃｃｍ流した。次に、窒化物半導体レーザバー３５を１５０℃まで加熱する。この状態でＥＣＲ用コイル４３に０．０８７５Ｔの磁界を発生させ、出力５００Ｗ、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波をＥＣＲプラズマ生成室４１に導入すると、ＥＣＲプラズマが発生する。次に、スパッタターゲット４４に、出力５００Ｗ、周波数１３．５６ＭＨｚの高周波を印加すると、ＡｌターゲットのＡｒプラズマによるスパッタが起こり、窒化物半導体レーザバー３５に向かってＡｌスパッタ粒子が飛ぶ。この時、Ａｌスパッタ粒子は、膜密度調整用ガス導入口から導入されるＯ2ガスにより酸化されてＡｌ2Ｏ3となり、レーザ光出射端面１６に付着する。このようにして、Ａｌ2Ｏ3の膜を８０ｎｍ成長させ、ＡＲコート膜１８を形成した。この形成したＡｌ2Ｏ3からなるＡＲコート膜１８の膜密度をＸＲＤ装置で測定したところ、３．１１ｇ／ｃｍ3であった。
【００２９】
本発明において、ＡＲコート膜１８の膜密度は、窒化物半導体レーザ素子が発振した時に発生する熱で相互拡散が起きない程度に高ければよく、ＡＲコート膜１８を構成する材料の理論密度の３／４以上であればよい。第１の実施形態では、Ａｌ2Ｏ3の理論膜密度は４．００ｇ／ｃｍ3であり、その３／４は３．００ｇ／ｃｍ3であるため、この条件を満たしている。
【００３０】
次にＡＲコート膜１８の膜密度の調整方法について説明する。ＡＲコート膜１８の膜密度は、Ｏ2ガスの導入量、試料温度、ガス圧でコントロールされる。Ｏ2ガスは、Ａｌスパッタ粒子の酸化に係わる。Ｏ2ガス量が少ないとＡｌが十分酸化されないため、膜密度は減少する。また、窒化物半導体レーザバー３５の温度が低いとスパッタ粒子が持つエネルギーが、窒化物半導体レーザバー３５と試料ホルダー４５に奪われやすいため、十分なマイグレーションが生じず、膜密度は減少する。さらに、ガス圧は、プラズマエネルギーに係わる。ガス圧が高いとプラズマエネルギーは減少する。故に、スパッタ粒子が試料表面に到達しても、十分なマイグレーションが生じず、膜密度は減少する。またガス圧が低い場合、十分なプラズマエネルギーが提供されるが、スパッタ粒子が高エネルギーなため、試料端面をボンバードメントし、ダメージを与えやすいため、好ましくない。さらに、投入電力にも左右される。これらは、密接に関係しており、好適な範囲は多岐に渡るが、発明者らが調査した結果、Ｏ2ガス流量は３ｓｃｃｍ以上、試料温度は１５０〜５００℃、ガス圧は１×１０-1〜１×１０-4Ｐａが好ましい。
【００３１】
また、第１の実施形態では、スパッタターゲット４４としてＡｌを用いたが、Ａｌ2Ｏ3を使用してもよい。この場合、Ｏ2ガス流量は５ｓｃｃｍ以下、試料温度は３５０〜５００℃、ガス圧は同様で１×１０-1〜１×１０-4Ｐａが好ましい。また、第１の実施形態では、スパッタガスとしてＡｒを用いたが、Ｎ2、Ｈｅ、Ｋｒガス等を用いてもよい。
【００３２】
なお、成膜装置としては、今回はＥＣＲプラズマアシストスパッタ装置を使用したが、その他にもＥＢ蒸着装置、スパッタ装置やＣＶＤ装置等の気相成長装置などを用いてもよい。いずれの場合も、基板温度、Ｏ2ガス流量、ガス圧等をコントロールし、膜密度が３ｇ／ｃｍ-3以上のＡｌ2Ｏ3膜が形成されるようにする。
【００３３】
次に、窒化物半導体レーザバーのレーザ光出射端面１６とは反対側のレーザ光反射端面１７にＳｉＯ2／ＴｉＯ2／ＳｉＯ2／ＴｉＯ2／ＳｉＯ2／ＴｉＯ2／ＳｉＯ2／ＴｉＯ2／ＳｉＯ2からなるＨＲコート膜をＥＢ蒸着装置で積層し、最後にチップ分割して図１に示される窒化物半導体レーザ素子を得た。
【００３４】
この窒化物半導体レーザ素子を、素子温度７０℃、出力２１０ｍＷにて寿命試験を行った。図６は、その結果を示すグラフであり、縦軸は動作電流、横軸はエージング時間である。図６から分かるように、通電動作中の電流の増加は大幅に低減され、５００時間から１０００時間の電流増加率から予想される素子寿命は、５０００時間以上である。
【００３５】
比較例として、図７に、Ａｌ2Ｏ3からなるＡＲコート膜のＸＲＤ装置で測定した膜密度が２．８５ｇ／ｃｍ3である従来の窒化物半導体レーザ素子について同様の寿命試験を行った結果を示す。図７から分かるように、急激な電流増加が起きており、寿命の推定が困難である。
【００３６】
また、膜密度の異なるＡｌ2Ｏ3からなるＡＲコート膜を備えた複数の窒化物半導体レーザ素子について、ＣＯＤが生じる出力を測定した。その結果を図８に示す。図８は、横軸を膜密度、縦軸をＣＯＤが生じる出力としたグラフである。これらの窒化物半導体レーザ素子の膜密度もＸＲＤ装置によって測定したものである。図８より、Ａｌ2Ｏ3の膜密度が３ｇ／ｃｍ3以上、すなわち理想密度の３／４以上の場合、Ａｌ2Ｏ3の膜密度が理想密度の３／４未満である場合と比べてＣＯＤが生じる出力が高くなっており、すなわち非常に高いＣＯＤ耐性を有していることが分かる。
【００３７】
これらのことから、端面破壊について以下のモデルが考えられる。ＡＲコート膜の膜密度が低い場合、レーザ光出射端面の活性層付近のＧａ、Ｉｎ等がＡＲコート膜側に拡散しやすい。また、ＡＲコート膜のＡｌ2Ｏ3が多結晶やアモルファスに近い場合、Ｏは比較的移動しやすい原子のため、熱が加えられることで拡散が起き、Ａｌ2Ｏ3がストイキオメトリからずれることが考えられる。さらに、窒化物半導体成長層は、水素雰囲気中で成長を行うため、熱で層中の水素がＡｌ2Ｏ3を還元し、Ａｌ2Ｏ3がストイキオメトリからずれるケースも考え得る。
【００３８】
逆に、膜密度が高いとレーザ光出射端面側のＧａ、Ｉｎ等がＡＲコート膜側に拡散する隙間がなくなるため、拡散し難い。また、Ｏの拡散自体も抑えられ、界面原子層１層程度の相互反応で抑えられていると考えられる。
【００３９】
以上より、本発明によると、ＡＲコート膜の膜密度をＡＲコート膜を構成する材料の理想密度の３／４以上とすることにより、出力２００ｍＷ以上の高出力でもレーザ光出射端面のＡＲコート膜のＣＯＤを防ぐことができる、長寿命な窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。
【００４０】
また、ＡＲコート膜の膜密度を高める本手法は、ＡｌＧａＡｓ系やＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザ素子でも効果が見られた。ＡｌＧａＡｓ系やＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザ素子は、窒化物半導体レーザ素子より発熱は少ないが、長期動作により徐々にＧａ、Ｉｎ、Ｏ等の拡散が起きていると思われ、これらが反応して生成される不純物準位、もしくは非金属元素が拡散して組成が金属に近くなった共振器端面の界面部分での光吸収が抑えられたためと思われる。
【００４１】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、ＡＲコート膜をＡｌＮとした点が異なる以外は第１の実施形態と同様であり、窒化物半導体レーザ素子も同様の構造である。ＡｌＮからなるＡＲコート膜１８は、ＥＣＲプラズマアシストスパッタ装置を使用し、プラズマガスおよび膜密度調整用ガスをＮ2で５ｓｃｃｍ流して形成した。ＡＲコート膜１８の膜密度は、ＸＲＤで測定したところ２．８３ｇ／ｃｍ3であった。ＡｌＮの理想密度は３．３０ｇ／ｃｍ3であり、その３／４は２．４８ｇ／ｃｍ3であるため、この膜密度は本発明の条件を満たしている。
【００４２】
この窒化物半導体レーザ素子を雰囲気温度７０℃、出力２１０ｍＷにて寿命試験を行ったところ、通電動作中の電流増加は激減し、５００時間から１０００時間の電流増加率から予想される素子寿命は４０００時間以上であった。従来例素子のエージングデータでは、急激な電流増加があり、寿命の推定が困難であった。該コート膜の膜密度をＸＲＤ装置で測定したところ、膜密度は、２．３８ｇ／ｃｍ3であった。
【００４３】
なお、第１の実施形態および第２の実施形態では、レーザ光出射端面１６のＡＲコート膜１８としてそれぞれＡｌ2Ｏ3およびＡｌＮの単層膜を使用したが、これらの他にＭｇＦ2、ＭｇＯ、Ｎｂ2Ｏ5、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｙ2Ｏ3、ＺｎＯおよびＺｒＯ2などの単層膜またはこれらを組み合わせた多層膜を用いることができる。この場合も、レーザ光出射端面１６と接する層の膜密度が、窒化物半導体レーザ素子が発振した時に発生する熱で相互拡散が起きない程度、すなわち膜密度の値がＡＲコート膜１８を形成する材料の理論密度の３／４以上であればよい。表１に、各端面コート膜の理論密度およびその３／４の値を示す。
【００４４】
【表１】
【００４５】
また、レーザ光出射端面１６と接する層の厚さは、１０ｎｍ以上が好ましい。この層の厚さが１０ｎｍ未満の場合、特にＡＲコート膜１８が２層以上で構成される場合、膜密度に関係なく相互拡散が起きやすかった。
【００４６】
また、ＨＲコート膜１９においても、ＡＲコート膜１８と同様にその膜密度を、ＨＲコート膜１９を形成する材料の理論密度の３／４としてもよい。これによって、レーザ高反射端面１７でのＣＯＤを抑制することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０ 窒化物半導体レーザ素子
１１ ｎ型ＧａＮ基板
１２ 絶縁層
１３ ｐ型電極
１４ ｎ型電極
１５ リッジストライプ構造
１６ レーザ光出射端面
１７ レーザ光反射端面
１８ ＡＲコート膜
１９ ＨＲコート膜
２０ 窒化物半導体成長層
２１ ｎ型ＧａＮ層
２２ ｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層
２３ ｎ型ＧａＮガイド層
２４ ＩｎＧａＮ／ＧａＮ‐３ＭＱＷ活性層
２５ ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層
２６ ｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層
２７ ｐ型ＧａＮコンタクト層
３０ ウェハー
３１ スクライブポイント
３５ 窒化物半導体レーザバー
４０ ＥＣＲプラズマアシストスパッタ装置
４１ ＥＣＲプラズマ生成室
４１ａ ＥＣＲプラズマ用ガス導入口
４２ ＲＦスパッタ室
４２ａ 膜密度調整用ガス導入口
４２ｂ ガス排気口
４３ ＥＣＲ用コイル
４４ スパッタターゲット
４５ 試料ホルダー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、青紫色半導体レーザを使用したＢＤ（Ｂｌｕ‐ｒａｙ Ｄｉｓｃ）やＨＤ‐ＤＶＤ（Ｈｉ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ＤＶＤ）等の規格化および製品化が進んでいる。光ディスクの記憶容量は、さらなる大容量化が要求されており、上述のディスクでも、既に大容量化を目的とした高密度化（２層ディスク対応）および高速書き込みを目的とした信頼性の高い高出力青紫色半導体レーザが必要とされ、早期に開発が求められている。
【０００３】
半導体レーザ素子において、一般に共振器端面には反射率の制御または保護のためにコート膜が形成されている。このコート膜は、レーザ光の出力を高めると損傷しやすくなり、半導体レーザ素子の信頼性が低下することとなる。コート膜を損傷しにくくし、素子の寿命を向上させるため、例えば特許文献１では、共振器端面に形成したコート膜の内部応力を低減させた半導体レーザ素子が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２‐２２３０２６号公報（第２頁、図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明者らの実験によると、出力１３０ｍＷで動作させた場合に寿命が２００００時間以上である窒化物半導体レーザ素子において、出力を上げて２００ｍＷで動作させた場合に、通電動作中に動作電流の増加が観測され、最後には発振が停止するという問題が発生した。この問題の原因について調査したところ、この問題は共振器端面のうち、レーザ光出射側の端面における端面破壊により発生したものであり、この端面破壊は以下のようにして起こることが分かった。
【０００６】
窒化物半導体レーザ素子は、ＡｌＧａＡｓ系の赤色レーザなどと比較してバンドギャップが広いため、内部で発生した自然放出光が共振してレーザ発振すると非常に高い熱を持つ。この熱のため、共振器端面のうち、反射率の低いレーザ光出射端面とその上に形成された端面コート膜との界面では、共振器端面の活性層付近の構成元素と端面コート膜の構成元素との相互拡散が発生し、相互反応を起こすことがある。この場合、Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎなどからなる共振器端面のＧａ、ＩｎやＡｌ2Ｏ3からなる端面コート膜のＯなどの相互拡散、相互反応によりＧａＯ系やＩｎ2Ｏ3系の化合物が生じる。通常、レーザ光出射端面では発振波長４０５ｎｍの光の大部分は透過しており、吸収はほとんどない。しかし、これらの化合物は紫外域波長の光を吸収するため、窒化物半導体レーザ素子の内部ではさらに高い熱を持つようになる。この熱により、Ｇａ、Ｉｎ、Ｏの拡散がさらに促進されるという悪循環により、最終的に端面破壊、いわゆるＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ；光学損傷）に至る。また、端面コート膜では、Ａｌ2Ｏ3からＯが抜けてストイキオメトリ（化学量論組成）からのずれが生じ、Ａｌの割合が高くなった場合も紫外域波長の光の吸収が起こる。さらに、Ａｌの割合が高くなることにより、端面コート膜に導電性が生じる可能性もあり、この場合ｐｎ接合部でショートが起こり、発振停止に至るものと考えられる。なお、共振器端面のうち、反射率の高いレーザ光反射端面でも同様のことが起こると考えられるが、レーザ光反射端面では発振波長４０５ｎｍの光のほとんどを反射しており、レーザ光出射端面ほど光密度分布が大きくないため光の吸収は少なく、影響は小さい。
【０００７】
ところが、特許文献１で提案された半導体レーザ素子では、このような共振器端面と端面コート膜との間での原子の相互拡散、相互反応によるＣＯＤやｐｎ接合部でのショートを抑制することができない。
【０００８】
そこで、本発明では、共振器端面と端面コート膜との間での原子の相互拡散、相互反応を抑制でき、ＣＯＤ耐性の高い、高出力かつ長寿命の窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明は、窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層に設けられた共振器と、前記共振器の互いに向かい合う端面に形成された端面コート膜とを備えた窒化物半導体レーザ素子において、少なくともレーザ光出射側の端面に形成された前記端面コート膜の前記窒化物半導体層に接する層は膜密度が２．８３ｇ／ｃｍ3以上のＡｌＮからなることを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記窒化物半導体層がＩＩＩ‐Ｖ族窒化物半導体層からなることを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記端面コート膜の前記窒化物半導体層に接する層の厚さが１０ｎｍ以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、窒化物半導体層に形成された共振器端面とその上に形成された端面コート膜との界面における原子の相互拡散、相互反応が抑制されるため、ＣＯＤ耐性の高い、高出力かつ長寿命の窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【００１３】
また、本発明によると、端面コート膜の共振器端面に接する層の厚さを１０ｎｍ以上とすることにより、より相互拡散を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の斜視図
【図２】第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の平面図
【図３】図２のＡ‐Ａ断面図
【図４】第１の実施形態に係るウェハーの三面図
【図５】ＥＣＲプラズマアシストスパッタ装置の概略構成図
【図６】第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の寿命試験結果のグラフ
【図７】従来の窒化物半導体レーザ素子の寿命試験結果のグラフ
【図８】膜密度とＣＯＤが生じる出力との関係を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下において、本発明の実施形態を説明するにあたり、用語の意味を予め明らかにしておく。本明細書に記載の「窒化物半導体成長層」とは、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる。ただし、窒化物半導体成長層の窒素元素のうち、約２０％以下がＡｓ、Ｐ、またはＳｂの元素で置換されてもよい。また、窒化物半導体層中に、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、またはＢｅがドーピングされてもよい。ｎ型窒化物半導体としては、これらのドーピング材料のうちでも、Ｓｉ、Ｏ、およびＣｌが特に好ましい。
【００１６】
また、「ＡＲ」とはＡｎｔｉ Ｒｅｆｒｅｃｔｉｏｎすなわち低反射を、「ＨＲ」とはＨｉｇｈ Ｒｅｆｒｅｃｔｉｏｎすなわち高反射を、「ＭＯＣＶＤ法」とはＭｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法すなわち有機金属化学気相蒸着法を、「ＭＢＥ法」とはＭｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ法すなわち分子線エピタキシ法を、「ＨＶＰＥ法」とはＨｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ法すなわちハイドライド気相成長法を、「ＥＣＲ」とはＥｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅすなわち電子サイクロトロン共鳴を、「ＲＦ」とはＲａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙすなわち高周波を、「ＥＢ」とはＥＬＥＣＴＲＯＮ ＢＥＡＭすなわち電子ビームを、「ＣＯＤ」とはＣａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅすなわち光学損傷を、「ＸＲＤ」とはＸ‐ｒａｙ ＤｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒすなわちＸ線回折装置を、それぞれ意味する。
【００１７】
なお、本願の図面において、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表わしてはいない。
【００１８】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について図を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の斜視図、図２は図１に示した窒化物半導体レーザ素子の平面図、図３は図２のＡ‐Ａ断面図、図４はウェハーの三面図である。
【００１９】
まず、窒化物半導体レーザ素子の構成について説明する。図３に示すように窒化物半導体レーザ素子１０は、ｎ型ＧａＮ基板１１上に、厚さ０．２μｍのｎ型ＧａＮ層２１、厚さ２．２μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層２２、厚さ０．０２μｍのｎ型ＧａＮガイド層２３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ‐３ＭＱＷ活性層２４、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層２５、厚さ０．５５μｍのｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層２６、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層２７からなる窒化物半導体成長層２０が順番に積層されている。活性層２４は、厚さ４ｎｍのＩｎＧａＮと厚さ８ｎｍのＧａＮとからなる周期構造を３周期分備えている。ｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層２６およびｐ型ＧａＮコンタクト層２７はドライエッチングにより一部が除去され、リッジストライプ構造１５が形成されている。リッジストライプ構造１５には絶縁層１２が蒸着され、その上にｐ型電極１３が形成され、ｎ型ＧａＮ基板１１の反対側の面にはｎ型電極１４が形成されている。さらに、図１に示すように、レーザ光出射端面１６にＡｌ2Ｏ3からなるＡＲコート膜１８、レーザ光反射端面１７にＳｉＯ2／ＴｉＯ2を４層、最表面にＳｉＯ2を１層積層したＨＲコート膜１９が形成されている。レーザ光出射端面１６とレーザ光反射端面１７とは、共振器端面として共振器を構成する。なお、窒化物半導体成長層２０を構成する窒化物半導体層には、ＩＩＩ‐Ｖ族窒化物半導体を用いることができる。
【００２０】
次に、窒化物半導体レーザ素子１０の作製方法について説明する。
【００２１】
まず、図４に示す構造のウェハー３０を作製する。ウェハー３０は、ｎ型ＧａＮ基板１１の一方の面に窒化物半導体成長層２０が形成され、その上にストライプ状のｐ型電極１３が形成されており、ｎ型ＧａＮ基板１１の窒化物半導体成長層２０が形成された面とは反対側の面には周縁部を除いた全面にｎ型電極１４が形成されている。
【００２２】
ウェハー３０を作製するには、第１にｎ型ＧａＮ基板１１上に、窒化物半導体成長層２０をＭＯＣＶＤ法によって形成する。なお、窒化物半導体成長層２０を形成する方法は、エピタキシャル成長できる成長法であればＭＯＣＶＤ法に限定されるものではなく、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法等、他の気相成長法を用いても構わない。
【００２３】
次に、通常のフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて、図３に示す幅略２μｍのリッジストライプ構造１５を形成するように、窒化物半導体成長層２０のｐ型ＧａＮコンタクト層２７とｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層２６の一部をエッチングして、エッチングを停止する。なお、本実施形態において、ドライエッチングに用いる反応性ガスとしてＳｉＣｌ4を用いるものとするが、これに限定されるものではなく、ＢＣｌ3などの塩素を含有する他のガスを用いても構わない。
【００２４】
次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層２７とｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層２６のリッジストライプ構造１５を形成した面上に、電流狭窄のための絶縁層１２、その上にｐ型電極１３を形成し、ｎ型ＧａＮ基板１１を窒化物半導体成長層２０が形成されていない面から研削研磨を行い、この研削研磨を行った面上にｎ型電極１４を作製した。絶縁層１２はＳｉＯ2、ＺｒＯ、ＴｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4などで構成される。ｐ型電極１３およびｎ型電極１４は、いずれも金属を蒸着して形成したものであり、例えばＭｏ／Ａｕ、Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｍｏ／Ｐｄ／Ａｕ、Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｌなどの金属の多層膜であっても、Ａｕのみの単層であってもよい。
【００２５】
このようにして作製されたウェハー３０を、バー状の窒化物半導体レーザバーに分割し、共振器端面を形成する。分割は、リッジストライプ構造１５の長手方向に垂直なスクライブポイント３１で行い、キャビティ長が３００μｍから１２００μｍの範囲、第１の実施形態では、６００μｍとなるように行った。
【００２６】
次に、窒化物半導体レーザバーの共振器端面のうち、レーザ光出射端面１６に、図５に示すＥＣＲプラズマアシストスパッタ装置４０を使用し、ＡＲコート膜１８を形成する。図５は、第１の実施形態で使用したＥＣＲプラズマアシストスパッタ装置の概略構成図である。
【００２７】
図５に示すように、ＥＣＲプラズマアシストスパッタ装置４０は大きく分けてＥＣＲプラズマ生成室４１とＲＦスパッタ室４２とからなる。ＥＣＲプラズマ生成室４１には、その外側にＥＣＲを起こすためのＥＣＲ用コイル４３とＥＣＲプラズマ用ガス導入口４１ａが設けられている。ＥＣＲプラズマ生成室４１で生成されたＥＣＲプラズマは、ＲＦスパッタ室４２へ導かれる。ＲＦスパッタ室４２内には、Ａｌからなるスパッタターゲット４４、膜密度調整用ガス導入口４２ａ、試料ホルダー４５およびガス排気口４２ｂが設けられ、試料ホルダー４５上に試料として窒化物半導体レーザバー３５が置かれている。膜密度調整用ガス導入口４２ａは、窒化物半導体レーザバー３５上へガスが供給される位置および方向に設けられている。ＲＦスパッタ室４２外の周囲には、ＲＦコイル４６および周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電源４７が設置される。ＥＣＲプラズマ用ガス導入口４１ａおよび膜密度調整用ガス導入口４２ａより導入されたガスは、ガス排気口４２ｂから排出される。
【００２８】
ＡＲコート膜１８は、次のようにして形成する。まず、試料ホルダー４５上に窒化物半導体レーザバー３５をレーザ光出射端面１６が上になるようにしてセットする。次に、ＥＣＲプラズマ生成室４１、ＲＦスパッタ室４２を、ガス排気口４２ｂから真空排気を行い、１×１０-6Ｐａ以下まで排気する。次に、ＥＣＲプラズマ用ガス導入口４１ａからＥＣＲプラズマ用ガス、膜密度調整用ガス導入口４２ａから膜密度調整用ガスを導入し、ＥＣＲプラズマ生成室４１およびＲＦスパッタ室４２の圧力を１×１０-2Ｐａに調整する。第１の実施形態では、ＥＣＲプラズマ用ガスとしてＡｒガスを２０ｓｃｃｍ、膜密度調整用ガスとして、Ａｒガス２０ｓｃｃｍとＯ2ガスを６ｓｃｃｍ流した。次に、窒化物半導体レーザバー３５を１５０℃まで加熱する。この状態でＥＣＲ用コイル４３に０．０８７５Ｔの磁界を発生させ、出力５００Ｗ、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波をＥＣＲプラズマ生成室４１に導入すると、ＥＣＲプラズマが発生する。次に、スパッタターゲット４４に、出力５００Ｗ、周波数１３．５６ＭＨｚの高周波を印加すると、ＡｌターゲットのＡｒプラズマによるスパッタが起こり、窒化物半導体レーザバー３５に向かってＡｌスパッタ粒子が飛ぶ。この時、Ａｌスパッタ粒子は、膜密度調整用ガス導入口から導入されるＯ2ガスにより酸化されてＡｌ2Ｏ3となり、レーザ光出射端面１６に付着する。このようにして、Ａｌ2Ｏ3の膜を８０ｎｍ成長させ、ＡＲコート膜１８を形成した。この形成したＡｌ2Ｏ3からなるＡＲコート膜１８の膜密度をＸＲＤ装置で測定したところ、３．１１ｇ／ｃｍ3であった。
【００２９】
本発明において、ＡＲコート膜１８の膜密度は、窒化物半導体レーザ素子が発振した時に発生する熱で相互拡散が起きない程度に高ければよく、ＡＲコート膜１８を構成する材料の理論密度の３／４以上であればよい。第１の実施形態では、Ａｌ2Ｏ3の理論膜密度は４．００ｇ／ｃｍ3であり、その３／４は３．００ｇ／ｃｍ3であるため、この条件を満たしている。
【００３０】
次にＡＲコート膜１８の膜密度の調整方法について説明する。ＡＲコート膜１８の膜密度は、Ｏ2ガスの導入量、試料温度、ガス圧でコントロールされる。Ｏ2ガスは、Ａｌスパッタ粒子の酸化に係わる。Ｏ2ガス量が少ないとＡｌが十分酸化されないため、膜密度は減少する。また、窒化物半導体レーザバー３５の温度が低いとスパッタ粒子が持つエネルギーが、窒化物半導体レーザバー３５と試料ホルダー４５に奪われやすいため、十分なマイグレーションが生じず、膜密度は減少する。さらに、ガス圧は、プラズマエネルギーに係わる。ガス圧が高いとプラズマエネルギーは減少する。故に、スパッタ粒子が試料表面に到達しても、十分なマイグレーションが生じず、膜密度は減少する。またガス圧が低い場合、十分なプラズマエネルギーが提供されるが、スパッタ粒子が高エネルギーなため、試料端面をボンバードメントし、ダメージを与えやすいため、好ましくない。さらに、投入電力にも左右される。これらは、密接に関係しており、好適な範囲は多岐に渡るが、発明者らが調査した結果、Ｏ2ガス流量は３ｓｃｃｍ以上、試料温度は１５０〜５００℃、ガス圧は１×１０-1〜１×１０-4Ｐａが好ましい。
【００３１】
また、第１の実施形態では、スパッタターゲット４４としてＡｌを用いたが、Ａｌ2Ｏ3を使用してもよい。この場合、Ｏ2ガス流量は５ｓｃｃｍ以下、試料温度は３５０〜５００℃、ガス圧は同様で１×１０-1〜１×１０-4Ｐａが好ましい。また、第１の実施形態では、スパッタガスとしてＡｒを用いたが、Ｎ2、Ｈｅ、Ｋｒガス等を用いてもよい。
【００３２】
なお、成膜装置としては、今回はＥＣＲプラズマアシストスパッタ装置を使用したが、その他にもＥＢ蒸着装置、スパッタ装置やＣＶＤ装置等の気相成長装置などを用いてもよい。いずれの場合も、基板温度、Ｏ2ガス流量、ガス圧等をコントロールし、膜密度が３ｇ／ｃｍ-3以上のＡｌ2Ｏ3膜が形成されるようにする。
【００３３】
次に、窒化物半導体レーザバーのレーザ光出射端面１６とは反対側のレーザ光反射端面１７にＳｉＯ2／ＴｉＯ2／ＳｉＯ2／ＴｉＯ2／ＳｉＯ2／ＴｉＯ2／ＳｉＯ2／ＴｉＯ2／ＳｉＯ2からなるＨＲコート膜をＥＢ蒸着装置で積層し、最後にチップ分割して図１に示される窒化物半導体レーザ素子を得た。
【００３４】
この窒化物半導体レーザ素子を、素子温度７０℃、出力２１０ｍＷにて寿命試験を行った。図６は、その結果を示すグラフであり、縦軸は動作電流、横軸はエージング時間である。図６から分かるように、通電動作中の電流の増加は大幅に低減され、５００時間から１０００時間の電流増加率から予想される素子寿命は、５０００時間以上である。
【００３５】
比較例として、図７に、Ａｌ2Ｏ3からなるＡＲコート膜のＸＲＤ装置で測定した膜密度が２．８５ｇ／ｃｍ3である従来の窒化物半導体レーザ素子について同様の寿命試験を行った結果を示す。図７から分かるように、急激な電流増加が起きており、寿命の推定が困難である。
【００３６】
また、膜密度の異なるＡｌ2Ｏ3からなるＡＲコート膜を備えた複数の窒化物半導体レーザ素子について、ＣＯＤが生じる出力を測定した。その結果を図８に示す。図８は、横軸を膜密度、縦軸をＣＯＤが生じる出力としたグラフである。これらの窒化物半導体レーザ素子の膜密度もＸＲＤ装置によって測定したものである。図８より、Ａｌ2Ｏ3の膜密度が３ｇ／ｃｍ3以上、すなわち理想密度の３／４以上の場合、Ａｌ2Ｏ3の膜密度が理想密度の３／４未満である場合と比べてＣＯＤが生じる出力が高くなっており、すなわち非常に高いＣＯＤ耐性を有していることが分かる。
【００３７】
これらのことから、端面破壊について以下のモデルが考えられる。ＡＲコート膜の膜密度が低い場合、レーザ光出射端面の活性層付近のＧａ、Ｉｎ等がＡＲコート膜側に拡散しやすい。また、ＡＲコート膜のＡｌ2Ｏ3が多結晶やアモルファスに近い場合、Ｏは比較的移動しやすい原子のため、熱が加えられることで拡散が起き、Ａｌ2Ｏ3がストイキオメトリからずれることが考えられる。さらに、窒化物半導体成長層は、水素雰囲気中で成長を行うため、熱で層中の水素がＡｌ2Ｏ3を還元し、Ａｌ2Ｏ3がストイキオメトリからずれるケースも考え得る。
【００３８】
逆に、膜密度が高いとレーザ光出射端面側のＧａ、Ｉｎ等がＡＲコート膜側に拡散する隙間がなくなるため、拡散し難い。また、Ｏの拡散自体も抑えられ、界面原子層１層程度の相互反応で抑えられていると考えられる。
【００３９】
以上より、本発明によると、ＡＲコート膜の膜密度をＡＲコート膜を構成する材料の理想密度の３／４以上とすることにより、出力２００ｍＷ以上の高出力でもレーザ光出射端面のＡＲコート膜のＣＯＤを防ぐことができる、長寿命な窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。
【００４０】
また、ＡＲコート膜の膜密度を高める本手法は、ＡｌＧａＡｓ系やＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザ素子でも効果が見られた。ＡｌＧａＡｓ系やＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザ素子は、窒化物半導体レーザ素子より発熱は少ないが、長期動作により徐々にＧａ、Ｉｎ、Ｏ等の拡散が起きていると思われ、これらが反応して生成される不純物準位、もしくは非金属元素が拡散して組成が金属に近くなった共振器端面の界面部分での光吸収が抑えられたためと思われる。
【００４１】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、ＡＲコート膜をＡｌＮとした点が異なる以外は第１の実施形態と同様であり、窒化物半導体レーザ素子も同様の構造である。ＡｌＮからなるＡＲコート膜１８は、ＥＣＲプラズマアシストスパッタ装置を使用し、プラズマガスおよび膜密度調整用ガスをＮ2で５ｓｃｃｍ流して形成した。ＡＲコート膜１８の膜密度は、ＸＲＤで測定したところ２．８３ｇ／ｃｍ3であった。ＡｌＮの理想密度は３．３０ｇ／ｃｍ3であり、その３／４は２．４８ｇ／ｃｍ3であるため、この膜密度は本発明の条件を満たしている。
【００４２】
この窒化物半導体レーザ素子を雰囲気温度７０℃、出力２１０ｍＷにて寿命試験を行ったところ、通電動作中の電流増加は激減し、５００時間から１０００時間の電流増加率から予想される素子寿命は４０００時間以上であった。従来例素子のエージングデータでは、急激な電流増加があり、寿命の推定が困難であった。該コート膜の膜密度をＸＲＤ装置で測定したところ、膜密度は、２．３８ｇ／ｃｍ3であった。
【００４３】
なお、第１の実施形態および第２の実施形態では、レーザ光出射端面１６のＡＲコート膜１８としてそれぞれＡｌ2Ｏ3およびＡｌＮの単層膜を使用したが、これらの他にＭｇＦ2、ＭｇＯ、Ｎｂ2Ｏ5、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｙ2Ｏ3、ＺｎＯおよびＺｒＯ2などの単層膜またはこれらを組み合わせた多層膜を用いることができる。この場合も、レーザ光出射端面１６と接する層の膜密度が、窒化物半導体レーザ素子が発振した時に発生する熱で相互拡散が起きない程度、すなわち膜密度の値がＡＲコート膜１８を形成する材料の理論密度の３／４以上であればよい。表１に、各端面コート膜の理論密度およびその３／４の値を示す。
【００４４】
【表１】
【００４５】
また、レーザ光出射端面１６と接する層の厚さは、１０ｎｍ以上が好ましい。この層の厚さが１０ｎｍ未満の場合、特にＡＲコート膜１８が２層以上で構成される場合、膜密度に関係なく相互拡散が起きやすかった。
【００４６】
また、ＨＲコート膜１９においても、ＡＲコート膜１８と同様にその膜密度を、ＨＲコート膜１９を形成する材料の理論密度の３／４としてもよい。これによって、レーザ高反射端面１７でのＣＯＤを抑制することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０ 窒化物半導体レーザ素子
１１ ｎ型ＧａＮ基板
１２ 絶縁層
１３ ｐ型電極
１４ ｎ型電極
１５ リッジストライプ構造
１６ レーザ光出射端面
１７ レーザ光反射端面
１８ ＡＲコート膜
１９ ＨＲコート膜
２０ 窒化物半導体成長層
２１ ｎ型ＧａＮ層
２２ ｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層
２３ ｎ型ＧａＮガイド層
２４ ＩｎＧａＮ／ＧａＮ‐３ＭＱＷ活性層
２５ ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層
２６ ｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層
２７ ｐ型ＧａＮコンタクト層
３０ ウェハー
３１ スクライブポイント
３５ 窒化物半導体レーザバー
４０ ＥＣＲプラズマアシストスパッタ装置
４１ ＥＣＲプラズマ生成室
４１ａ ＥＣＲプラズマ用ガス導入口
４２ ＲＦスパッタ室
４２ａ 膜密度調整用ガス導入口
４２ｂ ガス排気口
４３ ＥＣＲ用コイル
４４ スパッタターゲット
４５ 試料ホルダー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層に設けられた共振器と、前記共振器の互いに向かい合う端面に形成された端面コート膜とを備えた窒化物半導体レーザ素子において、
少なくともレーザ光出射側の端面に形成された前記端面コート膜の前記窒化物半導体層に接する層は膜密度が２．８３ｇ／ｃｍ3以上のＡｌＮからなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記窒化物半導体層がＩＩＩ‐Ｖ族窒化物半導体層からなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記端面コート膜の前記窒化物半導体層に接する層の厚さが１０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１】
窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層に設けられた共振器と、前記共振器の互いに向かい合う端面に形成された端面コート膜とを備えた窒化物半導体レーザ素子において、
少なくともレーザ光出射側の端面に形成された前記端面コート膜の前記窒化物半導体層に接する層は膜密度が２．８３ｇ／ｃｍ3以上のＡｌＮからなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記窒化物半導体層がＩＩＩ‐Ｖ族窒化物半導体層からなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記端面コート膜の前記窒化物半導体層に接する層の厚さが１０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−６５８８６（Ｐ２０１３−６５８８６Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２７３３５０（Ｐ２０１２−２７３３５０）
【出願日】平成２４年１２月１４日（２０１２．１２．１４）
【分割の表示】特願２００５−３６２０２６（Ｐ２００５−３６２０２６）の分割
【原出願日】平成１７年１２月１５日（２００５．１２．１５）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＢＬＵ−ＲＡＹ ＤＩＳＣ
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１２月１４日（２０１２．１２．１４）
【分割の表示】特願２００５−３６２０２６（Ｐ２００５−３６２０２６）の分割
【原出願日】平成１７年１２月１５日（２００５．１２．１５）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＢＬＵ−ＲＡＹ ＤＩＳＣ
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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