半导体激光器及其制造方法

专利名称：半导体激光器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体激光器及其制造方法，特别涉及一种能防止在高温状态下端面镀膜变质、提高光学损伤发生电平和可靠性的耐热性优良的半导体激光器制造技术。
对于上述高输出功率半导体激光器，为了从谐振器端面高效地取出激光，通常在谐振器的一个端面形成低反射的端面镀膜，而在谐振器的另一个端面形成高反射的端面镀膜。在这里所谓谐振器端面是指采用劈理方法形成的半导体激光器的情况下采用劈理方法形成的结晶面。
而高反射的端面镀膜通常为由两种介质形成的多层结构，其中一种介质例如是非晶硅之类的高折射率介质，另一种介质例如是氧化铝、氧化硅之类的低折射率介质。假定激光的振荡波长为λ，介质的折射率为n，通常它们以λ/4n的厚度交替层叠。而对于高反射的端面镀膜，一般要求具有约95％的反射率，可采取由上述两种介质重复交替层叠两个周期的结构，有时也采取重复交替层叠三个周期的结构。这里所说的介质包括具有绝缘性的介质。
而对于高输出功率半导体激光器，由于随着光输出功率的增加，界面能级存在的谐振器端面附近的非发光复合增多，因此因发热导致带隙缩小，吸收激光，产生载流子。由于载流子发热，带隙随着温度上升而减少，进一步吸收激光。另外，因端面镀膜本身的光吸收也同样产生热，也使谐振器端面的带隙减少。
由于这些光吸收和发热的正反馈，最终发生使半导体激光器谐振器端面熔融的光学损伤(COD)，破坏谐振器的反射镜面，增加阈值电流，同时使光输出功率特性显著变差，不能获得规定的高输出功率。特别由于半导体激光器的振荡波长越短，吸收系数就越有增大的倾向，因此在振荡波长为630～680nm的GaInP/AlGaInP系半导体激光器中影响大，妨碍高输出功率化。
针对这些问题，在特开平11-26863公报中为了提高COD发生电平，提出在端面镀膜的下面形成添加氢的氮化硅或非晶硅膜的方法。按照该结构，通过激光器端面的光吸收而引起的温度上升和氢供给膜供给的氢，使谐振器端面附近的悬空键(未结合键)被氢端结，使半导体激光器的谐振器端面的界面能级被非活性化。
而在特开平9-326531公报中，如图9所示，提出一种在设计有端面镀膜602、603的半导体激光器中减少端面镀膜603的光吸收而提高COD发生电平的结构。601a表示活性层，端面镀膜603由氧化硅膜607和添加氢的非晶硅膜609的叠层膜构成。也就是将非晶硅膜变为吸收系数小的添加氢的非晶硅膜的结构。
下面参考

图10A～C说明高输出功率半导体激光器的安装过程。在安装工序中首先如图10A所示，将高输出功率半导体激光器元件701用开口夹704夹持，将中间的焊料702放置在下固定件703等部件上。此时加热下固定件703到焊料702的熔点之上。然后使高输出功率半导体激光器元件701下降到如图10B所示的状态，再将下固定件703和半导体激光器701压焊而贴合。如图10C所示，再使开口夹704上升。
在以上工序中将下固定件703和半导体激光器701压焊而贴合时，因开口夹704的负荷和高输出功率半导体激光器元件701的形状而容易产生残留应力。这是由于高输出功率半导体激光器元件701的谐振器长度为0.5～1mm，通常与高输出功率半导体激光器元件701的宽度尺寸相比，谐振器具有长度尺寸相当大的结构。通常为了改善放热性，将半导体激光器元件接近发光区域的面贴合在下固定件上，因此半导体激光器元件内部发生的残留应力也集中在与下固定件贴合的面附近。所以会由于残留应力产生的形变引起激光器特性劣化和长期工作下可靠性降低。
为了减少残留应力，采用在200℃以上的高温下进行高输出功率半导体激光器元件701安装，或在安装后，在脱离开口夹704的无负荷的状态下，再加热至焊料702能再熔融的温度(约350℃)以减少残留应力等方法。
如上所述，为了使半导体激光器高输出功率化并能长期稳定工作，在端面镀膜上采用加氢膜的方法，对于抑制光吸收可以说是有效的。另外在半导体激光器安装时，在可能的高温状态下进行安装，对于减少残留应力也可以说是有效的。
但是，在满足以上结构和条件而制造半导体激光器的情况下，已判明在半导体激光器安装后，如图11所示，在半导体激光器801的端面镀膜802上会产生剥离现象803，使谐振器的端面804露出。这种现象可以认为是由于加氢膜用作端面镀膜的半导体激光器在200℃以上高温下暴露而造成加氢膜中的氢扩散，并停留在谐振器的端面和端面镀膜之间，经膨胀，最后使起泡状的端面镀膜剥离。当产生端面镀膜剥离时，则激光器的出射端面暴露在大气中，经长期工作而氧化，出现谐振器的端面劣化、可靠性下降的问题。
另外对于以降低吸收系数为目的而添加氢的非晶硅膜而言，因加热使氢脱离而导致折射率变化、吸收系数增大以及端面的反射率变化，所以存在COD发生电平降低和激光器特性劣化的问题。

发明内容
因此本发明的目的在于提供一种耐热性优良的半导体激光器及其制造方法，即在端面镀膜中具有加氢膜的情况下，半导体激光器即使在高温状态下暴露，也能够阻挡端面镀膜中氢脱离，从而能够防止端面镀膜脱离和端面镀膜的变质。
为了解决上述课题，本发明的半导体激光器的特征在于在其谐振器端面的至少一个面上具有添加氢的第一介质膜，在第一介质膜和谐振器端面之间具有防止氢扩散的第二介质膜。
最好在第一介质膜的两侧都有第二介质膜。
并且，第二介质膜最好含有氮或铝。特别是，第二介质膜最好由氮化硅(SiN)、氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)或它们的化合物或者氮化铝钛(AlTiN)形成。
并且，第一介质膜与第二介质膜可以相互邻接。
并且，第二介质膜的厚度最好为2nm以上、50nm以下，5nm以上、50nm以下则更好。
所述第一介质膜可以构成反射膜的一部分。
并且，在制造由以上任何一种材料构成的半导体激光器时，至少第一介质膜和第二介质膜最好采用电子回旋加速器共振方法(ECR)形成。
根据以上结构，能改善高输出功率半导体激光器的COD发生电平和长期工作稳定性。
图1C是表示采用升温脱离气体分析法(Thermal DesorptionSpectroscopy)测定图1A、B的样品加热中氢脱离量的结果的曲线图。
图2是表示本发明的实施例1中的半导体激光器的透视图。
图3A～C是表示本发明的实施例中半导体激光器制造工序的透视图。
图4是表示用于图3C工序中的ECR等离子体溅镀装置结构的略图。
图5是表示用于本发明的实施例中形成半导体激光器的端面镀膜的成膜流程图。
图6是表示本发明的实施例2中的半导体激光器的透视图。
图7是表示本发明的实施例2中的半导体激光器的光输出功率特性的曲线图。
图8是表示本发明的实施例3中的半导体激光器的透视图。
图9是表示传统例的设有端面镀膜的半导体激光器的透视图。
图10是表示高输出功率半导体激光器的安装方法的断面图。
图11是表示在传统例的半导体激光器端面镀膜上产生剥离的透视图。
在本实施例中为了解决传统例中的问题，即为了防止氢的扩散而引起端面镀膜剥离和氢化非晶硅膜的光吸收增加等问题，采用对氢具有高阻挡性的氮化硅膜。通过将氮化硅膜设计成与非晶氢化硅膜邻接，即使半导体激光器加热到高温，也能防止脱离了非晶氢化硅膜的氢从致密的氮化硅膜扩散。
下面，为了探明在端面镀膜上所发生的上述现象的产生原因，并对用于确认本发明效果而进行的验证加以说明。首先，制作如图1A、B所示的两个样品。两个样品均为各自在硅衬底上形成厚度为50nm的添加氢的非晶硅膜2，再在其上形成厚度为110nm的氧化硅膜3。其中一个样品如图1A所示，在氧化硅膜3上再形成厚度为5nm的氮化硅膜4，而另一个样品如图1B所示，不形成氮化硅膜4。
加热这两个样品，采用升温脱离气体分析法按温度测定氢脱离量。其结果如图1C所示。在此图中，曲线(a)表示对图1A的样品的测定结果，曲线(b)表示对图1B的样品的测定结果。根据这些结果可以判断，在图1A所示的结构中加热至200℃以上时，氢开始从添加氢的非晶硅膜2中脱离。图1C所示的Y轴的检出离子电流值是脱离气体分析设备中仅检出氢离子时的电流值，因此能监测到氢的流出量。由此判明存在因加热而从添加氢的非晶硅膜2中脱离的氢透过氧化硅膜3而扩散到外部。可因此认为，氧化硅膜3对氢不具有阻挡性。而在图1B所示的结构中，判明用厚度为5nm的氮化硅膜4覆盖在添加氢的非晶硅膜2上，一直到350℃左右也能抑制氢从添加氢的非晶硅膜2中脱离。很明显，氮化硅膜4对氢具有阻挡性。
本发明的特征在于采用对氢具有阻挡性的介质膜，抑制氢从添加氢的非晶硅膜2中脱离。
(实施例1)图2表示本发明的实施例1中半导体激光器导体激光器101。101a表示活性层。在半导体激光器101中的激光主要出射一侧的谐振器端面102上形成作为端面镀膜的低反射膜103，在另一个谐振器端面104一侧形成作为端面镀膜的高反射膜105。
低反射膜103通过直接在谐振器端面102上形成的氧化硅膜106而构成，膜厚设计成使端面反射率为5％左右。
高反射膜105由直接在谐振器端面104上形成的氧化硅膜107、在氧化硅膜107上形成的氮化硅膜108和在氮化硅膜108上形成的添加氢的非晶硅膜109所组成的叠层结构重复交替两个周期，共6层构成，膜厚设计成使端面反射率为90％左右。
如上所述，本实施例的特征之一就是，在半导体激光器101的谐振器端面104和构成高反射膜105一部分的添加氢的非晶硅膜109之间形成氮化硅膜108。每层膜的厚度例如是氧化硅膜106和氧化硅膜107的厚度是110nm，氮化硅膜108的厚度是5nm，添加氢的非晶硅膜109的厚度是50nm。
高反射膜105的90％之端面反射率，通过将氧化硅膜107和添加氢的非晶硅膜109的各层膜厚设计成λ/4n(λ为波长，n为折射率)，重复交替两个周期而实现。因此，作为氢阻挡层而插入的氮化硅膜108会因膜厚而使高反射膜105的端面反射率降低。在本实施例中氮化硅膜108的膜厚取5nm左右，不至于使端面反射率受影响。再有，对于在高反射膜105中有和没有氮化硅膜108的情况而计算端面反射率的结果，即使氮化硅膜108的膜厚为10nm，前者为94.1％，后者为94.5％，几乎没有差别。总之，氮化硅膜108的膜厚并不限于5nm，在满足所要求的端面反射率的条件下，厚度可适当设定。
但是，氮化硅膜108的膜厚最好不要小于2nm，因为有可能损害作为本发明目的之一的对氢的阻挡性。从考虑阻挡性的观点出发，氮化硅膜108的膜厚最好为5nm以上。另一方面，如果氮化硅膜108的膜厚大于50nm，则由于应力会产生膜的剥离，因此以50nm以下为好。
本实施例的半导体激光器101按以下过程制造。首先，如图3A所示，在衬底201上形成含有活性层和包含将该活性层夹在中间的一对包层的化合物半导体层，再加工，形成p型电极和n型电极，制成激光晶片202。然后如图3B所示，采用劈理技术按照谐振器长度间隔顺序劈理，形成连接半导体激光器而形成的激光棒203。最后如图3C所示，对于激光棒203采用电子回旋加速器共振(ElectronCyclotron Resonance Plasma)等离子体溅镀装置形成端面镀膜204、205。
ECR等离子体溅镀装置结构如图4所示。在设置有电磁铁线圈303的等离子体发生室302上连接等离子体气体导入口313和反应气体导入口314。再在等离子体发生室302上连接用于产生ECR等离子体306的磁控管301。在等离子体发生室302上再连接薄膜淀积室308，在其连接部分设置硅靶304。在硅靶304上连接RF电源。并且，真空泵连接在薄膜成膜室308上。
关于采用该装置形成端面镀膜204、205的过程，参照表示成膜流程的图5说明如下首先在步骤S1中如图3B所示，通过劈理方法制作激光棒203。然后在步骤S2中将激光棒203设置在图4装置内的试料架307上，使其一个端面被照射等离子体，然后按以下顺序形成图2所示的高反射膜105作为端面镀膜205。
步骤S3中，在形成氧化硅膜107时，一边从等离子体气体导入口313导入流量50sccm的氩气310，并从反应气体导入口314导入氧气311，一边通过磁控管301施加2.45GHz的微波，通过电磁铁线圈303形成磁场。这样在离子体发生室302内因电子回旋加速器共振(ECR)而产生等离子体。然后通过RF电源305在硅靶304上施加负偏压，利用等离子体中的离子进行溅镀。结果从硅靶304溅射出的硅和氧在激光棒203的谐振器端面上生长，淀积成氧化硅膜107。
然后在步骤S4中，在氧化硅膜107上形成氮化硅膜108。在这种情况下，一边从等离子体气体导入口313导入流量50sccm的氩气310，并从反应气体导入口314导入氮气309，一边采用与以上相同的工序，这样硅和氮在前面形成的氧化硅膜107上生长，淀积成氮化硅膜108。
然后在步骤S5中，形成添加氢的非晶硅膜109。在这种情况下，一边从等离子体气体导入口313导入流量50sccm的氩气310，而从反应气体导入口314导入氢气312，一边采用与以上相同的工序，这样硅和氢在刚形成的氮化硅膜108上生长，淀积成添加氢的非晶硅膜109。
然后按照同样的过程，通过依次形成第二周期的氧化硅膜107(步骤S6)、氮化硅膜108(步骤S7)和添加氢的非晶硅膜109(步骤S8)而形成高反射膜105。
下面叙述低反射膜103的形成过程。首先在步骤S9中设置试料架307，使激光棒203反转，在形成了高反射膜105的谐振器端面104对面一侧的谐振器端面104上照射等离子体。然后按照形成高反射膜105的同样过程，淀积氧化硅膜103，形成低反射膜103(步骤S10)。
如上所述，在制成的半导体激光器101中，激光主要从形成了低反射膜103的一侧出射。
在端面镀膜形成中采用ECR等离子体溅镀装置的理由，主要在于平坦性和致密性。ECR等离子体的指向性强，对于试料垂直供给反应原料，因此能均匀淀积膜，形成平坦的膜。另外由于ECR等离子体损伤力小，不会使淀积的膜溅射，因此能保持淀积状态下膜的平坦性。特别是，即使作为氢阻挡层的氮化硅膜108是不影响端面反射率的厚度薄的膜，也能实现其致密与平坦性。
再有，在ECR等离子体溅镀装置中采用的等离子体也可以用氦气代替氩气。另外不用硅靶，而通过硅烷等硅烷系反应气体的分解也能形成添加氢的非晶硅膜109。
并且，也可以采用磁控管等溅镀装置形成除氮化硅膜108外的端面镀膜。例如在用磁控管溅镀装置形成添加氢的非晶硅膜109的情况下，与用ECR等离子体CVD装置成膜的情况相比，硅和氢的结合弱，但在本实施例中由于氮化硅膜108能阻挡氢的脱离，所以能够抑制因氢的脱离引起的折射率的变化和吸收系数的增大。
并且，也可以在灯管加热器加热的状态下用ECR等离子体CVD装置成膜。这时如果温度为200℃左右，则可获得良好的结果。
再有，高反射膜105的形成也可采用两次以上的周期。这时可获得反射率更高的高反射镀膜。
下面，将本实施例中半导体激光器101高温安装时的特性与图9所示的传统例那样的、高反射膜605中不含有氮化硅膜的半导体激光器601进行比较。半导体激光器101和半导体激光器601的安装条件如下如图10A所示，将由开口夹704夹持的半导体激光器元件101或半导体激光器601放置在表面有金锡合金焊料702的下固定件703的上方。在该状态下，将下固定件703加热到金锡合金的熔点300℃，然后如图10B所示，将由开口夹704固定的半导体激光器元件101或半导体激光器601降落到下固定件703的表面上，与熔融的焊料705压焊，保持1秒钟。再如图10C所示，在开口夹704退回到上方的状态下将下固定件703再加热到350℃，经过5秒钟后降温。
这里，在开口夹704退回到上方的状态下，将下固定件703再加热5秒钟到350℃，其理由是为了在无负荷的状态下使焊料705再熔融，缓和半导体激光器101或半导体激光器601的残留应力。
将本实施例的半导体激光器101和只是高反射膜605中不含氮化硅膜108这一点不同的半导体激光器601安装后，根据以上条件，通过显微镜观察各个半导体激光器的端面镀膜状态。
结果，高反射膜105中含氮化硅膜108的半导体激光器101中在低反射膜103和高反射膜105中均未看到起泡状的端面镀膜剥离。而在高反射膜605中不含氮化硅膜108的半导体激光器601中在低反射膜603中未看到变化，而在高反射膜605的表面看到许多如图11所示的起泡状的端面镀膜剥离现象803。而端面镀膜剥离现象803在低反射膜103中未看到。另外，已确认剥离后而露出的面804是镓砷面，是从谐振器的端面剥离的。
根据以上结果，可确认本实施例中以氮化硅膜108用作对氢的阻挡层的半导体激光器101，即使暴露在350℃左右的高温状态下其端面镀膜也不会发生剥离。
(实施例2)图6中示出了本发明的实施例2中半导体激光器401。401a表示活性层。该半导体激光器401与实施例1中半导体激光器101的区别在于谐振器端面404一侧的高反射膜405是在半导体激光器401的谐振器端面上直接形成的氧化硅膜107上依次叠层氮化硅膜108、添加氢的非晶硅膜109、氮化硅膜108、氧化硅膜107、氮化硅膜108、添加氢的非晶硅膜109、氮化硅膜108而形成的8层膜所构成。谐振器端面402侧的低反射膜403同实施例1。
本实施例中的特征之一是，加氢的非晶硅膜109的两侧都形成氮化硅膜108。
本实施例中的半导体激光器401的制造方法与实施例1中半导体激光器101的制造方法实质上是相同的。
对按本实施例形成的半导体激光器401进行与实施例1中同样的半导体激光器安装试验，通过显微镜观察安装后的端面镀膜，结果未看到起泡状的端面镀膜剥离现象803。
并且，图7示出了实施例2的半导体激光器401和图9所示的只是无氮化硅膜这一点不同的半导体激光器601的光输出功率特性。根据该结果可知在实施例2的半导体激光器401中COD发生电平提高约10mW左右。
并且，半导体激光器401的高反射膜405与半导体激光器601的高反射膜602的端面反射率比较的结果是对于实施例2的半导体激光器401是94.2％，对于无氮化硅膜108的半导体激光器601是94.0％。
这样的结果可按以下理由解释添加氢的非晶硅膜是非晶质膜但悬空键(未结合键)以氢端接。因此能减小能带间的能级密度，降低吸收系数。对于通过ECR等离子体形成的非晶硅膜例如在波长680nm下的吸收系数，添加氢的非晶硅膜是3×102cm-1，而未添加氢的非晶硅膜是5×104cm-1。添加氢的非晶硅膜与未添加氢的非晶硅膜相比，吸收系数小两个数量级以上，在适用GaInP/AlGaInP系半导体激光器的端面镀膜的场合，因光吸收产生的发热小，光学损伤难以发生。
由此看来，在实施例2的半导体激光器401中COD发生电平提高的理由可考虑如下由于采用在添加氢的非晶硅膜109的两侧以氮化硅膜108夹层的结构，在高温状态下暴露，添加氢的非晶硅膜109的氢键即使断开，因氮化硅膜108的阻挡作用，氢也不会扩散，悬空键和氢立刻复合而端接，所以能带间能级较小，吸收系数不增加。
本实施例中，以氮化硅膜用作对氢具有阻挡性的材料的情况进行说明，但是，氮化铝、氧化铝或它们的化合物也被确认有阻挡氢的效果。并且，氮化钛和氮化钛铝(TiAlN)的也对阻挡氢有大的效果。
(实施例3)图8表示本发明的实施例3中半导体激光器。该半导体激光器具有在同一衬底501上以单片形式形成两个半导体激光器元件502、503的结构。502a表示半导体激光器元件502的活性层。半导体激光器元件502、503的结构能够使其以相互不同波长的激光振荡。
和上述实施例一样，这种结构的半导体激光器的谐振器的端面也能采用端面镀膜。图8给出了形成了与图1同样的低反射膜103和高反射膜105的情况。
图8中，低反射膜103和高反射膜105作为对于半导体激光器元件502、503共通的膜而形成。这是由于半导体激光器元件502、503的间隔非常小，要形成各自不同的端面镀膜是困难的。由于半导体激光器元件502、503的波长不同，理想的是应该形成各自不同的端面镀膜。但是有时也能设定这样的条件，即使由于各个半导体激光器元件的波长和产生的激光所要求的特性等不同，采用共通的膜也可构成在实用上没有问题的膜。在这种情况下，图8所示的结构是有效的。
如上所述，根据本发明，可以有以下的效果。
首先在改善高输出功率半导体激光器的COD发生电平中具有作用的氢，即使半导体激光器在高温状态下暴露而脱离，也只滞留在谐振器端面和端面镀膜之间，不会热膨胀，因此不会发生端面镀膜的剥离等现象。
其次在改善高输出功率半导体激光器的COD发生电平中具有作用的的氢，即使半导体激光器在高温状态下暴露而脱离，由于存在阻挡层而不扩散，因此氢键断开的悬空键再一次通过氢端接，不会发生因光吸收增大而引起的发热和因折射率的变化而引起的反射率变化等现象。
并且，采用能形成薄但致密且平坦的膜的ECR等离子体CVD装置进行端面镀膜，能够使作为阻挡层而插入的氮化硅膜形成的膜厚不影响端面反射率，且对氢具有充分的阻挡性。
由于这些效果，即使高温安装等环境发生变化，由于端面镀膜不变质，因此能够获得COD发生电平和长期工作下可靠性均提高的高品质的高输出功率半导体激光器。
权利要求
1.一种包括在衬底上形成的活性层和将所述活性层夹在中间的一对包层的半导体激光器，其特征在于在其谐振器端面的至少一个面上设有添加氢的第一介质膜，在所述第一介质膜和所述谐振器端面之间设有防止氢扩散的第二介质膜。
2.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于在所述第一介质膜的两侧设有所述第二介质膜。
3.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于所述第二介质膜含有氮或铝。
4.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于所述第二介质膜由氮化硅(SiN)、氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)、或它们的化合物或氮化铝钛(AlTiN)形成。
5.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于所述第一介质膜与所述第二介质膜相互邻接。
6.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于所述第二介质膜的厚度2nm以上、50nm以下。
7.如权利要求6所述的半导体激光器，其特征在于所述第二介质膜的厚度为5nm以上、50nm以下。
8.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于所述第一介质膜构成反射膜的一部分。
9.一种权利要求1或2所述的半导体激光器的制造方法，其特征在于至少第一介质膜和第二介质膜采用电子回旋加速器共振方法(ECR)形成。
全文摘要
一种半导体激光器，它包括在衬底上形成的活性层和将活性层夹在中间的一对包层。在半导体激光器的谐振器端面102、104的至少一个面上有添加氢的第一介质膜109，在第一介质膜和谐振器端面之间设有防止氢扩散的第二介质膜108。这样当半导体激光器暴露于高温状态时，即使端面镀膜层中有添加氢的膜，端面镀膜脱离和端面镀膜变质的现象也能得到抑制。
文档编号H01S5/00GK1440098SQ03106059
公开日2003年9月3日 申请日期2003年2月19日 优先权日2002年2月19日
发明者上田哲生, 山根启嗣, 木户口勋, 藤森省司 申请人:松下电器产业株式会社