CN101257187A - 半导体激光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种即使用于构成在半导体激光器端面上形成的反射膜的电介质膜的膜厚和折射率发生变动也能够稳定地控制反射率的半导体激光装置。半导体激光装置具备折射率小于等于3.5的GaN基板(1)和层叠在基板(1)上的半导体层，同时，在与层叠方向垂直的方向上具有一对相向的共振器端面。一个共振器端面上设置有低反射膜(6)，低反射膜(6)由第1电介质膜(8)、第2电介质膜(9)、第3电介质膜(10)和第4电介质膜(11)构成。如果将它们的折射率表示为n1、n2、n3、n4，则其满足n1＝n3、n2＝n4的关系。另外，在第1电介质膜(8)及第3电介质膜(10)、第2电介质膜(9)及第4电介质膜(11)之间，nd+n’d’＝pλ/4(p：整数，λ：激光的振荡波长)的关系成立。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光装置，特别是涉及一种在光出射端面上形成有反射膜的半导体激光装置。
背景技术
在半导体激光装置中，为了达到减少动作电流、防止光回馈、提高输出功率等目的，通常如专利文献1～4中公开的那样，在其共振器的两个端面上粘附被称为涂膜的绝缘膜。
特别地，在要求有高输出功率的半导体激光装置中，在前端面一侧(光出射端一侧)形成低反射率的涂膜，在后端面一侧形成高反射率的涂膜，由此实现高输出功率。后端面涂膜的反射率大于等于60％、优选是大于等于80％。前端面涂膜的反射率并不只是越低越好，应根据半导体激光装置所要求的特性对其数值加以选择。例如，在与纤维光栅同时使用的光纤放大器激励用半导体激光装置中，反射率选择0.01～3％左右的数值，而在通常的高输出功率半导体激光装置中则选择3～7％左右的数值，进而，在需要应对回馈光的情况下选择7～10％左右的数值。
例如，在使用了GaN基板的50mW以上的高功率蓝紫色半导体激光装置中，其光出射前端面的反射率要求是5％～15％左右的数值。如果假定需要得到6％的反射率，则反射率的可控性要求是6±1％。通常，半导体激光装置中有激光射出的前端面的反射率通过单层电介质膜的厚度和折射率，例如Al2O3、SiO2等电介质膜的厚度和折射率来控制。
图25中表示了现有的振荡波长为405nm的半导体激光装置的结构图。图中，101是GaN基板、102是有源层(Active Layer)、103是上下镀层、104是电极、105是激光、112是在激光器前端面上形成的低反射膜，107是在激光器后端面上形成的高反射膜。如果将真空中的激光振荡波长表示为λ，则应用于激光器前端面上的低反射膜通常使用光学膜厚为λ/4的整数倍±α(利用α控制反射率)的单层膜。在半导体激光器的前端面，激光密度高、温度容易上升，因此，该低反射膜也起到散热板(Heat Spreader)的作用。因此，通常是氧化铝的3λ/4±α膜。
一般地，反射率是以基板的折射率和在基板上形成的涂膜的厚度及折射率和自由空间(一般是折射率为1的空气)作为参数、通过矩阵法求得的。
图26中表示了在振荡波长为405nm的蓝紫色半导体激光装置(GaN基板折射率：2.5)的前端面上设置将α设定为21.5nm(膜厚：204nm)时的氧化铝膜(折射率：1.664)的情况下的反射率对波长的依赖性。另外，图27表示其对膜厚的依赖性。由图27可知，如果要实现6±1％，就必须将膜厚控制在设计值204nm的±1％的精度范围内。这样，在405nm这样的短波长的蓝紫色半导体激光器中，与现有的680nm带的DVD用激光器或780nm带的CD用激光器相比，涂层膜厚相应于波长比的数值而变薄，因此，必须精密地控制膜厚。因此，如果使用在形成光学薄膜时通常所使用的蒸镀法或溅射法等只能进行±5％大小的膜厚控制的成膜方法，就难以控制反射率，导致成品率下降。
【专利文献1】第3080312号专利说明书
【专利文献2】特开2002-100830号公报
【专利文献3】特开2003-101126号公报
【专利文献4】特开2004-296903号公报
发明内容
由于现有的半导体激光装置采用如上所述的结构，因此，在试图实现例如6±1％的反射率的情况下，如果使用上述氧化铝单层膜，就必须将膜厚的偏差控制在±1％范围以内，存在着反射率可控性降低、成品率变差的问题。因此，根据半导体激光器的目的，当务之急是对其光出射端面的反射率实现切实的、具有良好的再现性的选定。
本发明是借鉴了这样的问题点而提出。即本发明的目的是获得一种即使用于构成在半导体激光器端面上形成的反射膜的电介质膜的膜厚和折射率发生变动也能够稳定地控制反射率的半导体激光装置。
本发明的其他目的和优点通过以下记载应可变得清楚明白。
本发明是一种具备GaN基板和层叠在该基板上的半导体层、同时在与层叠方向垂直的方向上具有一对相向的共振器端面的半导体激光器，其特征在于，上述一个共振器端面上设置有反射膜，该反射膜是由材料互不相同的第1电介质膜和第2电介质膜交替层叠4层以上而形成的。
借助于本发明，能够获得一种即使用于构成在半导体激光器端面上形成的反射膜的电介质膜的膜厚和折射率发生变动也能够稳定地控制反射率的半导体激光装置。
附图说明
图1是本实施方式中的半导体激光装置的示意性剖视图。
图2是图1的低反射膜的反射率的波长依赖性。
图3是图1的低反射膜的反射率的膜厚依赖性。
图4是图1的低反射膜的反射率的膜厚依赖性。
图5是图1的低反射膜的反射率的膜厚依赖性。
图6是图1的低反射膜的反射率的膜厚依赖性。
图7是图1的低反射膜的反射率的波长依赖性的另一个实例。
图8是图1的低反射膜的反射率的膜厚依赖性的另一个实例。
图9是图1的低反射膜的反射率的膜厚依赖性的另一个实例。
图10是图1的低反射膜的反射率的膜厚依赖性的另一个实例。
图11是图1的低反射膜的反射率的膜厚依赖性的另一个实例。
图12是图1的低反射膜的反射率的波长依赖性的再一个实例。
图13是图1的低反射膜的反射率的膜厚依赖性的再一个实例。
图14是图1的低反射膜的反射率的膜厚依赖性的再一个实例。
图15是图1的低反射膜的反射率的膜厚依赖性的再一个实例。
图16是图1的低反射膜的反射率的膜厚依赖性的再一个实例。
图17是本实施方式中的另一个半导体激光装置的示意性剖视图。
图18是图17的低反射膜的反射率的波长依赖性。
图19是图17的低反射膜的反射率的膜厚依赖性。
图20是图17的低反射膜的反射率的膜厚依赖性。
图21是图17的低反射膜的反射率的膜厚依赖性。
图22是图17的低反射膜的反射率的膜厚依赖性。
图23是图17的低反射膜的反射率的膜厚依赖性。
图24是图17的低反射膜的反射率的膜厚依赖性。
图25是现有的半导体激光装置的构造图。
图26是图25的低反射膜的反射率的波长依赖性。
图27是图25的低反射膜的反射率的膜厚依赖性。
符号说明
1GaN基板
2有源层
3上下镀层
4电极
5激光
6、61低反射膜
7高反射膜
8第1电介质膜
9第2电介质膜
10第3电介质膜
11第4电介质膜
12第5电介质膜
13第6电介质膜
具体实施方式
第1实施方式.
下面使用图1～图24说明本发明的一个实施方式。
图1是本实施方式中的半导体激光装置的示意性剖视图。在该图中，1是GaN基板，2是有源层，3是上下镀层，4是电极，5是激光，6是形成在前端面上的低反射膜，7是形成在后端面上形成的高反射膜。形成在有激光5射出的前端面上的低反射膜6由折射率各不相同的第1电介质膜8、第2电介质膜9、第3电介质膜10和第4电介质膜11构成。
如果将第1电介质膜8、第2电介质膜9、第3电介质膜10和第4电介质膜11的折射率分别表示为n1、n2、n3、n4，则所选择的膜种类使各层的折射率满足以下关系：
n1＝n3
n2＝n4
在本实施方式中，可以使用振荡波长为405nm的蓝紫色半导体激光装置作为半导体激光装置。在这种情况下，基板可以使用折射率为2.5的GaN基板。另外，第1电介质膜8和第3电介质膜10中使用折射率为1.664的氧化铝，第2电介质膜9和第4电介质膜11中使用折射率为1.507的氧化硅，能够构成低反射膜6。
第1电介质膜8、第2电介质膜9、第3电介质膜10和第4电介质膜11的各膜厚全部设定为振荡波长的1/(4n)(其中n表示折射率)。例如，可以将第1电介质膜8和第3电介质膜10设定为60.9nm，将第2电介质膜9和第4电介质膜11设定为67.2nm。在这种情况下，通过半导体激光器的振荡波长405nm，获得6.5％的反射率。
图2中表示形成了上述低反射膜的情况下反射率的波长依赖性。由该图可知，振荡波长405nm状态下的反射率为6.5％。
图3～图6中表示第1电介质膜8、第2电介质膜9、第3电介质膜10和第4电介质膜11的各膜厚变动±5％的情况下的反射率依赖性。由这些图可知，采用上述结构的低反射膜6在各膜的厚度发生变动时非常稳定，即使各膜的厚度单独变动5％，反射率的变动能够抑制在最大1％以下。
按照这种方式，通过使第1电介质膜8及第3电介质膜10、第2电介质膜9及第4电介质膜11之间满足以下关系，
nd+n’d’＝pλ/4(p：整数，λ：激光的振荡波长) (1)
能够获得相对于膜厚的变动所产生的反射率的偏差小的反射膜6。其中，n是第1电介质膜8和第3电介质膜的折射率，d是它们的膜厚。另外，n’是第2电介质膜9和第4电介质膜的折射率，d’是它们的膜厚。
例如，在实现反射率为6～17％的低反射膜的情况下，将第1电介质膜8和第3电介质膜10的膜厚分别设定为60～120nm，将第2电介质膜9和第4电介质膜11的膜厚分别设定为10～70nm，使关系式(1)的关系成立即可。
另外，除了上述实例之外，也可以使用折射率为1.664、膜厚为92nm的氧化铝膜作为第1电介质膜8和第3电介质膜10，使用折射率为1.507、膜厚为47nm的氧化硅膜作为第2电介质膜9和第4电介质膜11，构成低反射膜6。在这种情况下，可以获得6.6％的反射率。这时，各电介质膜的折射率和膜厚的乘积之和nd+n’d’从pλ/4(p＝2、λ＝405nm)增大+10.6％。
图7中表示形成了上述低反射膜的情况下反射率的波长依赖性。另外，图8～图11中表示第1电介质膜8、第2电介质膜9、第3电介质膜10和第4电介质膜11的各膜厚变动±5％时的反射率依赖性。由这些图可知，采用上述结构的低反射膜在各膜的厚度发生变动时是稳定的，即使各膜的厚度单独变动5％，反射率的变动最大为1.3％。但是，由于达不到1％以下，因此可以说nd+n’d’优选是设定在pλ/4(p：整数，λ：激光的振荡波长)±10％的范围内。
在上述实例中展示的是反射率达到6.5％的情形。此外，利用这种结构的反射膜，通过调整第1～第4的各电介质膜的膜厚，就能够保持反射率相对于膜厚变动所产生的变动非常小这一特长，并获得期望的反射率。
例如，为了得到10％的反射率，使用上述膜结构，将各膜的厚度设定为下述值即可：第1电介质膜8和第3电介质膜10为83.0nm，第2电介质膜9和第4电介质膜11为44.0nm。图12中表示此时的反射率的波长依赖性。另外，图13～图16中表示第1电介质膜8、第2电介质膜9、第3电介质膜10和第4电介质膜11的各膜厚变动±5％的情况下的反射率依赖性。由这些图可知，在采用这种结构的低反射膜中，相对于各膜的厚度变动的稳定性与各膜厚为半导体激光器的振荡波长的1/4的情形相比，有少许变差。但是，即使各膜的厚度单独发生5％的变动，反射率的变动也能够抑制在最大1％以下。
此外，在上述实例中，第1电介质膜8和第3电介质膜10中使用氧化铝，第2电介质膜9和第4电介质膜11中使用氧化硅。但是，即使使用其他材料类，如果将第1、第2、第3和第4各电介质膜的折射率分别表示为n1、n2、n3、n4，则通过使各膜的折射率满足以下关系
n1＝n3
n2＝n4
当然也能够获得与上述同样的效果。
图17是层叠多于4层的电介质膜而构成低反射膜的实例，具体地，使用了6层电介质膜。除此之外，其结构与图1相同。
在图17的实例中，低反射膜61由分别具有不同折射率的第1电介质膜8、第2电介质膜9、第3电介质膜10、第4电介质膜11、第5电介质膜12、第6电介质膜13构成。即，其在图1的电介质膜中进一步增加了第5电介质膜12和第6电介质膜13。如果将各电介质膜的折射率分别表示为n1、n2、n3、n4、n5、n6，则以满足以下关系的方式来选择膜种类：
n1＝n3＝n5
n2＝n4＝n6
在图17中，也可以使用振荡波长为405nm的蓝紫色半导体激光装置作为半导体激光装置。在这种情况下，基板可以使用折射率为2.5的GaN基板。另外，可以在第1电介质膜8、第3电介质膜10和第5电介质膜12中使用折射率为1.664的氧化铝，在第2电介质膜9、第4电介质膜11和第6电介质膜13中使用折射率为1.507的氧化硅，来构成低反射膜61。
第1电介质膜8、第3电介质膜10和第5电介质膜12分别设定为82nm的膜厚。另外，第2电介质膜9、第4电介质膜11和第6电介质膜13分别设定为46nm的膜厚。此外，进一步调整为使第1电介质膜8、第3电介质膜10及第5电介质膜12和第2电介质膜9、第4电介质膜11及第6电介质膜13之间满足以下关系式：
nd+n’d’＝pλ/4(p：整数，λ：激光的振荡波长)
在这种情况下，利用半导体激光器的振荡波长405nm，获得7％的反射率。
图18中表示形成了如图17所示的反射率控制膜的情况下反射率的波长依赖性。另外，图19～图24中表示从第1层电介质膜到第6层电介质膜的各膜厚发生±5％变动的情况下的反射率依赖性。由这些图可知，采用这种结构的低反射膜在各膜的厚度发生变动时非常稳定，即使各膜的膜厚单独变动5％，反射率的变动能够抑制在最大1％以下。
为了获得具有除7％之外的反射率的反射率控制膜，如果调整为使第1电介质膜8、第3电介质膜10及第5电介质膜12的膜厚和第2电介质膜9、第4电介质膜11及第6电介质膜13的膜厚之间满足以下关系式：
nd+n’d’＝pλ/4(p：整数，λ：激光的振荡波长)
就能够实现相对于膜厚变动的偏差小的反射率控制膜。
具体地说，为了实现反射率为5～17％的反射率控制膜，例如在第1电介质膜8、第3电介质膜10及第5电介质膜12的厚度为70～120nm、第2电介质膜9、第4电介质膜11及第6电介质膜13的厚度为10～60nm的范围内进行调整，使以下关系式：
nd+n’d’＝pλ/4(p：整数，λ：激光的振荡波长)
成立即可。
在上述实例中，第1电介质膜8、第3电介质膜10和第5电介质膜12中使用氧化铝，第2电介质膜9、第4电介质膜11和第6电介质膜13中使用氧化硅。但是，即使使用其他材料类，如果将第1电介质膜8、第2电介质膜9、第3电介质膜10和第4电介质膜11、第5电介质膜12、第6电介质膜13的各折射率分别表示为n1、n2、n3、n4、n5、n6，则只要各层的折射率以
n1＝n3＝n5
n2＝n4＝n6
的方式设定膜种类，当然也能够获得与上述同样的效果。
另外，当构成低反射膜的电介质膜的层数为6层以上的8层、10层、12层或更多层的情况下，只要使用同样的方法调整膜厚，就能够实现反射率为5～17％的反射率控制膜。
另外，除了上述的Al2O3和SiO2之外，利用TiO2、ZrO2、HfO2、AlN、非晶形Si、Nb2O5、Ta2O5等也可以获得同样的效果。
此外，本发明并不限于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内可以作出各种变形后实施。
亦即，本发明是一种具备GaN基板和层叠在该基板上的半导体层、同时在与层叠方向垂直的方向上具有一对相向的共振器端面的半导体激光器，在一个共振器端面上设置反射膜，该反射膜由材料互不相同的第1电介质膜和第2电介质膜交替层叠4层以上形成即可。这时，如果将第1电介质膜的折射率和膜厚分别表示为n、d，将第2电介质膜的折射率和膜厚分别表示为n’、d’，则(nd+n’d’)的值优选是在pλ/4(p：整数，λ：激光的振荡波长)±10％的范围内。另外，优选是通过调整第1电介质膜和第2电介质膜的各膜厚，在振荡波长下获得5～17％范围内的任意的反射率。
Claims (4)
1.一种半导体激光装置，是一种具备GaN基板和层叠在该基板上的半导体层、同时在与层叠方向垂直的方向上具有一对相向的共振器端面的半导体激光器，其特征在于，
上述一个共振器端面上设置有反射膜，该反射膜是由材料互不相同的第1电介质膜和第2电介质膜交替层叠4层以上而形成的。
2.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，
如果将上述第1电介质膜的折射率和膜厚分别表示为n、d，将上述第2电介质膜的折射率和膜厚分别表示为n’、d’，
则(nd+n’d’)的值在pλ/4(p：整数，λ：激光的振荡波长)±10％的范围内。
3.如权利要求1或权利要求2所述的半导体激光装置，其特征在于，
通过调整上述第1电介质膜和上述第2电介质膜的各膜厚，在振荡波长下获得5～17％范围内的任意的反射率。
4.如权利要求1或权利要求2所述的半导体激光装置，其特征在于，
上述第1电介质膜是氧化铝膜，
上述第2电介质膜是氧化硅膜。
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