CN1933261A

CN1933261A - 半导体激光单元及制造光反射膜的方法

Info

Publication number: CN1933261A
Application number: CNA2006101274080A
Authority: CN
Inventors: 小原直树; 竹原浩成; 岩井誉贵; 安川久忠
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-09-13
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2007-03-21
Also published as: JP2007080988A; US7483467B2; US20070071049A1

Abstract

一种半导体激光单元，包括：激光发射部分，其包括具有不同激光束波长的多个半导体激光元件；镜面部分，其具有用于反射从该激光发射部分发射出来的激光束的光反射膜。该镜面部分被设计成多个区域，从多个半导体激光元件中的每个半导体激光元件发出的每束激光进入这些区域，同时在每个区域中，都提供有对选择性进入该区域的激光束具有高反射系数的反射膜。

Description

半导体激光单元及制造光反射膜的方法

技术领域

本发明涉及一种用在光度头装置或类似装置中的半导体激光单元，以及一种制造光反射膜的方法。

背景技术

例如，光度头装置由用于向目标光盘发射激光束的半导体激光单元、用于接收光盘反射回来的激光束的光接收元件，和用于根据接收到的激光束处理在光接收元件处产生的电信号的信号处理电路和类似电路组成。半导体激光单元通过用镜面部分反射激光束，向装置外部输出激光束。

近来，为了减小装置尺寸并简化每个光学元件的对准控制，一种将半导体激光单元、光接收元件和信号处理电路装载于单个半导体衬底上的技术已经开发出来，如日本出版的专利文献1(日本未审专利公开64-27288：pp.2-3，FIG.1)所公开的。

在上述将半导体激光单元和光接收元件形成在同一衬底上时，形成半导体激光元件时需要很高的定位精度。也就是说，除非半导体激光单元和作为激光束照射目标的光盘的相对位置高度对准，否则装置的功能就会出问题。

为了保证半导体激光单元的安装精度，如日本出版的专利文献2(日本未审专利公开9-326535：p.6，FIG.1)所公开的，一种预先在衬底上开槽的技术已经开发出来，这样，用作激光束发射源的半导体激光单元的凸起电极(bump electrode)，就可以卡入槽中。

在日本出版的专利文献1和2所公开的技术中，半导体激光束假定为波长为600nm～1200nm的红光——红外线，并且其中使用Au膜作为光反射膜。这样，在按这种方式形成的光反射膜中，蓝光的反射率会低，因此光的利用率就会下降。进一步的，当使用发射蓝光的半导体激光时，因其材料特性，与使用红光——红外线的情况相比，Au膜处的反射率会降低。因此，所发射的激光束的强度变弱。作为一种保证蓝光足够特性的方法，光反射膜可以做成Al层和介质层的多层膜。然而，在这种情况下，与使用一层Au膜相比，红光——红外线的反射系数更低，因此降低了光的利用率。同样，当同时发射蓝光——红外线的激光束时，总有一种光的反射系数会降低。目前还没有出现符合蓝光——红外线的波长范围的反射膜结构和制造方法。

已经发明出本发明来解决这些问题，因此本发明的目的在于提供一种半导体激光单元，其反射系数对在蓝光——红外线的宽波长区域内的激光发光都是极好的。

发明内容

本发明的半导体激光单元包括：激光发射部分，其包括具有不同激光束波长的多个半导体激光元件；和镜面部分，其具有用于反射从该激光发射部分发射的激光束的光反射膜，其中该镜面部分被设计成多个区域，从多个半导体激光元件中的每个所发出的每束激光进入这些区域，并且在每个区域中，都提供有对选择性进入该区域的激光束具有高反射系数的反射膜。

据此，在宽波长区域内高效发射激光束成为可能。

对于激光发射部分和镜面部分，形成在同一衬底上是令人满意的。这样可以减小尺寸，并且获得相对于其它光学系统来说的高定位精度。

较合意的，半导体激光元件包括：用于发射具有蓝光波段的第一激光束的第一半导体激光元件；和用于发射红光——红外线波段的第二激光束的第二半导体激光元件；并且

在第一激光束进入的光反射膜的区域中，设有对蓝光波段的光具有高反射系数的第一反射膜；并在第二激光束进入的光反射膜的区域中，设有对红光——红外线波段的光具有高反射系数的第二反射膜。在这种情况下，更合意的，被第一反射膜反射的蓝光波段为350nm～600nm，而被第二反射膜反射的红光——红外线波段为600nm～1200nm。通过这样做，就可以发射蓝光——红外线的宽波长范围的激光光束。

较合意的，在第一反射膜中的Al层面向第二反射膜，屏障金属层位于Al层和第二反射膜之间。在这种情况下，更合意的，屏障金属层由从Ti、TiW、TiN中选择的至少一种作为主要材料组成。

据此，由于屏障金属层存在，所以可以抑制Al和Au/Pt间的化学反应，从而使第一反射膜和第二反射膜很好地隔离在稳定状态下。因此可以保持高的表面精度，以提高反射效率，以致蓝光——红外线的激光束都可以被有效反射。

在一实施例中，多个半导体激光元件沿着平行于衬底表面的方向并行排列。这与多个半导体激光元件横向排列的激光发射部分的结构相一致。

此外，在一实施例中，多个半导体激光元件沿着与衬底表面垂直的方向并行排列。这与多个半导体激光元件纵向排列的激光发射部分的结构相一致。

进一步的，根据本发明制造光反射膜的方法，包括如下步骤：

在形成于半导体衬底上的斜面上形成由Au或Pt制成的金属层的步骤；

在该金属层上形成屏障金属层的步骤；

在该屏障金属层上形成第一反射膜的步骤，该第一反射膜由Al层和介质层所组成的多层膜构成，并且介质层为上层；

在介质层上形成作为第二反射膜区域的开口的步骤；以及

用介质层作为硬掩模，除去Al层和屏障金属层以露出其下的金属层作为第二反射膜的步骤，该第二反射膜具有与第一反射膜不同的反射波长。

通过使用介质层作为硬掩模，可以避免使用抗蚀剂作为掩模时，由于蚀刻Al所造成的抗蚀剂脱落而形成Al图案困难的问题。这样就可以高精度的形成第一反射膜和第二反射膜，其中第一反射膜由介质层和对蓝光波长具有高反射系数的Al层所组成的多层膜构成；第二反射膜由对红光——红外线波长具有高反射系数的Au或Pt金属膜制成。因此，有可能提供对蓝光——红外线的宽波长范围的激光束反射效率都很好的光反射膜。

在介质层中形成开口的步骤中，较合意的，使用抗蚀剂蚀刻形成开口。此外，较合意的，屏障金属层由从Ti、TiW和TiN中选择的至少一种作为主要材料组成。

根据上述制造光反射膜的方法，有可能高精度地制造出对蓝光——红外线的宽波长范围的激光束反射效率都很好的光反射膜。

使用根据本发明的半导体激光单元，有可能高效发射出在宽波长范围内的激光束，同时减小半导体激光单元的尺寸，并提高相对于其它光学系统的相对定位精度。

进一步的，根据本发明的制造光反射膜的方法可以提供光反射膜，该光反射膜包括用于蓝光波长的第一反射膜和用于红光——红外线波长的第二反射膜，该光反射膜对蓝光——红外线的宽波长范围的激光束反射效率都很好。

本发明的技术不仅对用在光度头装置中的半导体激光单元有效，而且对其它通常由激光发射部分和镜面部分混合构成的半导体激光单元也有效。

附图说明

根据以下优选实施例和所附权利要求书的描述，本发明的其它发明目的将变得清楚。本领域的技术人员应该理解通过实施本发明，本发明还有许多未提到的其它优点。

图1为示出根据本发明第一实施例的载有半导体激光单元的光度头装置的透视图；

图2A为示出根据本发明第一实施例的制造光反射膜的方法的步骤(1)的截面图；

图2B为示出根据本发明第一实施例的制造光反射膜的方法的步骤(2)的截面图；

图3A为示出根据本发明第一实施例的制造光反射膜的方法的步骤(3)的截面图；

图3B为示出根据本发明第一实施例的制造光反射膜的方法的步骤(4)的截面图；

图4A为示出根据本发明第一实施例的制造光反射膜的方法的步骤(5)的截面图；

图4B为示出根据本发明第一实施例的制造光反射膜的方法的步骤(6)的截面图；

图5A为示出根据本发明第一实施例的激光发射部分和镜面部分方位的平面图；

图5B为示出根据本发明第一实施例的激光发射部分和镜面部分方位的透视图；

图6A为示出根据本发明第二实施例的激光发射部分和镜面部分方位的平面图；

图6B为示出根据本发明第二实施例的激光发射部分和镜面部分方位的透视图。

具体实施方式

以下参照附图，详细描述根据本发明的半导体激光单元的实施例。

(第一实施例)

图1为示出根据本发明第一实施例的载有半导体激光单元的光度头装置的透视图。装载于光度头装置H上的该实施例的半导体激光单元L，包括：激光发射部分1，其用于向光盘(未示出)发射激光束；和镜面部分2，其具有用于反射来自激光发射部分1的激光束的光反射膜。光度头装置H进一步包括光接收元件3，其用于接收在光盘处反射回来的激光束；和多个结合片4，其设置在光度头装置H的主要外围表面区域上，用于与外电路相连。虽然图上未示出，但是光度头装置H还包括屏蔽部分及其内置的信号处理电路。激光发射部分1、镜面部分2、光接收元件3、结合片4都形成在同一半导体衬底(Si衬底)5上。在图1中，箭头X表示入射光，箭头Y表示出射光。

光度头装置H整体形状大致为长方体，并且多个凹陷部分形成在一个主要表面上。在这些凹陷部分中，激光发射部分1安装于提供在中央区域中的最大凹陷部分的底面处。镜面部分2提供在安装有激光发射部分1的凹陷部分中。半导体激光单元L由激光发射部分1和镜面部分2组成。镜面部分2沿凹陷部分的深度方向提供在靠近底部的侧壁面上。镜面部分2相对于凹陷部分的平坦底面(平行于装置的表面)具有45度的倾角。倾角向凹陷部分的开口侧(向激光发射部分1的激光发射方向)倾斜。

镜面部分2包括第一反射膜M1和第二反射膜M2。第一反射膜M1和第二反射膜M2平行放置于凹陷部分的左右两侧。具体的，两个半导体激光元件，即蓝光半导体激光元件1a和红光半导体激光元件1b，平行地分开放置于左右两侧。因此，镜面部分2的反射区域沿着与衬底5表面(凹陷部分底面)平行的方向，即水平方向分成左右两半。第一反射膜M1和第二反射膜M2，分别置于这两个分开的区域上。

第一反射膜M1由Al层和介质层所构成的多层膜制成，其中Al层对蓝光波长具有高的反射系数。第一反射膜被设置成与蓝光型半导体激光元件1a相对。第二反射膜M2由对红光——红外线波长具有高反射系数的Au或Pt金属膜制成。第二反射膜被设置成与红光型半导体激光元件1b相对。

沿平行于衬底5的表面的方向从激光发射部分1发出的激光束，被带有45度倾角的镜面部分2反射，以向上(向凹陷部分的开口)射出。具体说，从蓝光型半导体激光元件1a发出的激光束被第一反射膜M1反射，而从红光型半导体激光元件1b发出的激光束被第二反射膜M2反射。这些激光束可以同时射出。

此外，在光度头装置H两侧的外围区域中，光接收元件3放置于之间稍有距离的共六个位置处。光接收元件3设置在以激光发射部分1为中心的左右两侧各三个位置处。光接收元件3接收光盘反射回来的激光束。提供在内部的信号处理电路根据所接收到的激光束的光通量差或类似参数，产生各种信号，例如失焦信号(focus error signal)、循轨错误信号(tracking errorsignal)等。

光度头装置H的表面(除结合片4以外)，均覆盖有构成第二反射膜M2的Au层，其下为Ti层，以使装置内部不受激光束的影响，同时也可以保护装置不受腐蚀。

由于光度头装置H包括安装于同一衬底5上的激光发射部分1、镜面部分2和光接收元件3，所以装置的尺寸可以减小。据此，激光发射部分1和光接收元件3之间的长度可以制作得更短，以便可能设计出高效的激光束光路。此外，也有可能简化提供在半导体激光单元L和光盘之间的每个光学元件的对准控制。

该实施例的最具特性的部分是镜面部分2，因此下面将详细描述其结构。

形成有Al层和介质层的多层膜的第一反射膜M1的反射系数对蓝光为90％，对红光——红外线也为90％。此外，由Au膜构成的第二反射膜M2的反射系数对蓝光为40％，对红光——红外线为95～98％。在包括有第一反射膜M1和第二反射膜M2的本实施例的半导体激光单元中L，有可能反射处于蓝光——红外线的宽波长区域中的激光发射光(能获得高的反射系数)。

接下来，参考如图2A～图4B所示步骤的截面图，描述制造前面所述半导体激光单元中的光反射膜的方法。

首先，如图2A所示，准备半导体衬底5。半导体衬底5包括这样一种结构，即n-型外延层11、SiO₂膜12、SiN膜13和BPSG膜14依次层叠在硅p-型层10上。BPSG为一种通过将硼(B)和磷(P)加入硅氧化物膜而得到的玻璃。半导体衬底5经BHF(氢氟酸缓冲液)蚀刻暴露SiO₂膜12。进一步，在SiO₂膜12的一部分上形成开口，以形成凹陷部分5a。凹陷部分5a形成为带有平坦底面(与装置表面平行)的矩形。进一步，以SiO₂膜12做掩模，对半导体衬底5施加硅的各向异性蚀刻，以便在凹陷部分5a侧壁面的一部分中形成斜面5b。斜面5b相对于凹陷部分的底面具有45°的倾角θ。在后续处理中，镜面部分2形成在斜面5b上。

带有9.7°偏离角(off-angle)的(100)面方位衬底用于p-型层10。在这种情况下，(111)平面作为侧壁(斜面5b)被处理，其相对于衬底的表面具有45°的倾角。此外，硅的各向异性蚀刻中采用20wt％的KOH溶液，并且对p-型层10的蚀刻深度限定为大约40μm。

然后，如图2B所示，SiN膜15通过汽相沉积形成在衬底5的整个表面上，包括凹陷部分5a的内壁表面。随后，如图3A所示，Ti层16和Au层17按顺序通过溅射法层积在SiN膜15上。Au层17构成第二反射膜M2。

Ti层16和Au层17以几乎覆盖光度头装置H整个表面的状态形成，以作为屏蔽部分。Ti层16厚度为0.2μm，而Au层17厚度为0.4μm。

然后，如图3B所示，Ti层18作为屏障金属层B形成在作为第二反射膜M2的Au层17上。此外，由Al层19和介质层20组成的多层膜通过溅射法形成在Ti层18上。Al层19构成第一反射膜M1。至于介质层20，最好使用折射率n约为1.3～1.5的材料。这样的材料可以为SiO_x(x≤2)、MgF₂等。考虑到可加工性和稳定性，优选使用SiO_x。

随后，如图4A所示，通过利用抗蚀剂21做掩模的照相平版印刷法，对介质层20进行图案化，并且通过利用图案化了的介质层20做硬掩模的湿法蚀刻，对Al层和Ti层18进行图案化。

作为上述处理的结果，Au层17(第二反射膜M2)和由Al层19和介质层20组成的多层膜(第一反射膜M1)同时形成于镜面部分2上。屏障金属层B(Ti层18)介于Au层17和Al层19之间。因此，由于Au和Al之间的反应所造成的对Al图案化的抑制作用可以得到避免。屏障金属层B不局限于Ti。其它材料，如TiW或TiN，都可以使用，只要它能阻止Au和Al发生反应即可。

使用介质层20作为蚀刻Al层19的掩模具有如下优点。在传统方法中，采用抗蚀剂作为掩模。但是这样的抗蚀剂会发生脱落，因此蚀刻Al层就变得困难。在本实施例中，可以通过使用介质层20作为掩模蚀刻Al层19来解决上述抗蚀剂脱落的问题。

因此，在根据本发明的制造方法中，由Al层(用于蓝光波长的光反射膜)和介质层的多层膜构成的第一反射膜M1，和由Au膜(用于红光或红外线波长的光反射膜)构成的第二反射膜M2被形成，以采用照相平版印刷技术进行图案化，因此可以在同一斜面上高精度地形成任意形状的第一反射膜M1和第二反射膜M2。

由此，半导体激光单元具有如下特性：

-对蓝光——红外线的宽波长区域内的激光器所发射的光具有很好的反射系数；

-尺寸小，并且定位精度高；

-能射出高激光强度的激光束。

此外，覆盖光度头装置H几乎整个表面的Ti层16和Au层17可以在同一步骤中形成，以便就制造成本而言，其具有优势。

第二反射膜M2不局限于Au层17，也可用Pt层或类似材料形成。而且，除了溅射法之外的方法，例如真空蒸发也可以用于形成Ti层16和Au层17。

图5A为用于示出激光发射部分1和镜面部分2的状态的平面图，图5B为镜面部分2的透视图。图中，R表示红光，Q表示蓝光。

当用上述方式在斜面5b上形成镜面部分2时，斜面5b在水平方向上被分为两部分，如图5B所示。由介质层和对蓝光波长具有高反射系数的Al层的多层膜组成的第一反射膜M1，暴露在一个区域中；由对红光——红外线波长具有高反射系数的Au膜组成的第二反射膜M2则暴露在另一个区域中。当调节区域的划分时，要设计抗蚀剂21的图案。第一反射膜M1表面和第二反射膜M2表面之间的台阶要足够小。对于激光发射部分1，蓝光半导体激光器1a和红光半导体激光器1b置于左右两侧。

(第二实施例)

参照图6描述根据本发明第二实施例的半导体激光单元。图6A为用于示出激光发射部分1和镜面部分2的方位的侧视图，而图6B为其透视图。图中，R表示红光，Q表示蓝光。

镜面部分2的斜面5b沿倾斜方向(竖直方向)分为两部分。然后，由介质层和对蓝光波长具有高反射系数的Al层的多层膜组成的第一反射膜M1，暴露在上部区域中，由对红光——红外线波长具有高反射系数的Au膜组成的第二反射膜M2则暴露在下部区域中。第一反射膜M1表面和第二反射膜M2表面之间的台阶要足够小。

对于激光发射部分1，蓝光半导体激光器1a和红光半导体激光器1b上下设置。蓝光半导体激光器1a设置于上侧，红光半导体激光器1b设置于下侧。

根据本发明的各个实施例，可以在镜面部分2中，在同一斜面5b上高精度地形成第一反射膜M1和第二反射膜M2，其中第一反射膜M1由介质层和对蓝光波长具有高反射系数的Al层的多层膜组成，第二反射膜M2由对红光——红外线波长具有高反射系数的Au膜组成。按照这种方式构成的镜面部分2对蓝光——红外线宽波长区域内的激光发射光具有很好的反射系数，并且能射出高强度的激光束。

此外，由于第一反射膜M1和第二反射膜M2整体地形成于镜面部分2中同一斜面上，并且激光发射部分1和镜面部分2也形成在同一衬底5上，所以半导体激光单元L的尺寸可以减小，并且与其它光学系统的相对定位精度可以提高。

(其它)

以上描述了在光度头装置上安装半导体激光单元的情况。但是本发明不局限于此，还可以有其它形式，只要由激光发射部分和镜面部分混合即可。

进一步的，就对蓝光波长具有高反射系数的第一反射膜M1而言，Al层可以替换成Ag层，以用Ag层和介质层的多层膜形成膜M1。然而，就形成步骤中的稳定性而言，Al层较佳。

此外，Au层17和Ti层16不限于单层结构，而是可以为双层或多层结构。

此外，也可以在激光发射部分1和正位于其下的Au层17之间，插入散热层或焊料层(solder layer)。在这种情况下，最好在散热层和焊料层之间插入双层或多层的Au层17和Ti层16的层叠膜。

光接收元件3的数量和形态可以任意确定。

尽管上面详细描述了本发明的优选实施例，但是应该了解可以对其进行各种修改，并且在本发明的精神和范围之内所作的任何修改，都包含在所附的权利要求中。

Claims

1、一种半导体激光单元，包括：

激光发射部分，其包括具有不同激光束波长的多个半导体激光元件；和

镜面部分，其具有用于反射从所述激光发射部分发射出来的激光束的光反射膜；其中，

所述镜面部分被设计成多个区域，从所述多个半导体激光元件中的每个半导体激光元件发出的每束激光进入这些区域，并且在所述每个区域中，都提供有对选择性进入所述区域的所述激光束具有高反射系数的所述反射膜。

2、根据权利要求1所述的半导体激光单元，其中，所述激光发射部分和所述镜面部分设置于同一衬底上。

3、根据权利要求1所述的半导体激光单元，其中：

所述半导体激光元件包括：用于发射具有蓝光波段的第一激光束的第一半导体激光元件；和用于发射具有红光——红外线波段的第二激光束的第二半导体激光元件；并且

在所述第一激光束进入的所述光反射膜的区域中，设有对蓝光波段的光具有高反射系数的第一反射膜；并在所述第二激光束进入的所述光反射膜的区域中，设有对红光——红外线波段的光具有高反射系数的第二反射膜。

4、根据权利要求3所述的半导体激光单元，其中：

所述第一反射膜包括通过对一介质层和对蓝光波段的光具有高反射系数的Al层进行层叠所形成的多层膜；并且

所述第二反射膜包括对红光——红外线波段的光具有高反射系数的Au膜或Pt膜。

5、根据权利要求3所述的半导体激光单元，其中，被所述第一反射膜反射的所述蓝光波段为350nm～600nm；并且被所述第二反射膜反射的所述红光——红外线波段为600nm～1200nm。

6、根据权利要求4所述的半导体激光单元，其中所述介质层由折射率的值n为1.3～1.5的材料制成。

7、根据权利要求4所述的半导体激光单元，其中所述介质层由SiO_x(x≤2)或MgF₂制成。

8、根据权利要求4所述的半导体激光单元，其中所述Al层在所述第一反射膜中面向所述第二反射膜，并且在所述Al层和所述第二反射膜之间提供有屏障金属层。

9、根据权利要求8所述的半导体激光单元，其中所述屏障金属层由从Ti、TiW和TiN中选择的至少一种作为主要材料组成。

10、根据权利要求3所述的半导体激光单元，其中所述多个半导体激光单元沿着平行于所述衬底表面的方向并行排列。

11、根据权利要求3所述的半导体激光单元，其中所述多个半导体激光单元沿着与所述衬底表面垂直的方向并行排列。

12、一种制造光反射膜的方法，包括如下步骤：

在所述金属层上形成屏障金属层的步骤；

在所述屏障金属层上形成第一反射膜的步骤，该第一反射膜由Al层和介质层所组成的多层膜构成，其中所述介质层作为上层；

在所述介质层上形成开口以作为第二反射膜区域的步骤；以及

用所述介质层作为硬掩模，除去所述Al层和所述屏障金属层，以露出其下的所述金属层作为第二反射膜的步骤，该第二反射膜具有与所述第一反射膜不同的反射波长。

13、根据权利要求12所述的制造光反射膜的方法，其中，在所述介质层中形成所述开口的所述步骤中，通过使用抗蚀剂蚀刻来形成所述开口。

14、根据权利要求12所述的制造光反射膜的方法，其中，所述屏障金属层利用从Ti、TiW和TiN中选择的至少一种作为主要材料形成。

15、根据权利要求12所述的制造光反射膜的方法，其中，使用带有如下结构的所述半导体衬底：在硅层上依次层叠有外延层、SiO₂膜、SiN膜、BPSG膜。

16、根据权利要求15所述的制造光反射膜的方法，其中，所述斜面通过形成到达所述外延层的凹陷部分，并且通过各向异性蚀刻将所述凹陷部分的底部去除成一斜面形状来形成。

17、根据权利要求12所述的制造光反射膜的方法，其中，所述介质层形成为折射率的值n为1.3～1.5的介质层。

18、根据权利要求12所述的制造光反射膜的方法，其中，所述介质层形成为由SiO_x(x≤2)或MgF₂制成的介质层。