TWI233718B - Semiconductor laser device - Google Patents

Description

1233718 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於形成有介電多層膜的半導體雷射f 置。 " 【先前技術】 一般來說，半導體雷射裝置具有藉由晶圓劈開（wafer cleavage)所形成之共振器（resonat〇r)，而在該共振器端 面形成有介電膜。並且可以經由任意選用形成在&器 端面的該介電膜的種類、膜厚以及層數而控制所想要的反 射率。

上述方法所形成之反射膜，並不僅需符合能夠將任意 =制反射率的特性而已，還要符合不易產生由於瞬間光學 損傷（Catastrophic Optical Damage, COD)所造成的劣 化。所謂COD劣化，就是指雷射元件端面的膜會吸收雷射 光而使膜發熱，這會造成膜溫度上升而導致膜的融解而使 端面破壞。 日 例如’為了要得到反射率是4 0 %以上的反射膜，一般 是使用交互積層低折射率膜和高折射率膜的介電多層膜。 以下列舉一些相關的習知文獻··

[文獻1]:日本專利特開平1〇 —247756號公報 [文獻2] ··日本專利特開200 1 -267677號公報 [文獻3]:日本專利特開2002-305348號公報 在曰本專利特開200 1 -267677號公報中，有揭示形成 於半導體雷射的後端面的高反射膜是採用Al2〇3與含氧的矽

2065-6252-PF(N2);Jacky.ptd 第7頁 1233718 五、發明說明（2) 膜所構成之5層的多層反射膜。且經由將氧導入Si膜的成 膜製程中而降低Si的消光係數（ext inction coefficient)，而防止COD劣化。但是，隨著雷射的發振 波長的短波長化以及高輸出化，而s i膜會變成具有光吸收 係數’當該光吸收係數超過一定值之後，就會產生⑶D劣 化° 還有’在日本專利特開平丨0 — 247756號公報中，有揭 示开> 成於半導體雷射的光出射端面的反射膜是採用Tig?與

Si〇2的多層膜，而改善⑶])程度。但是，因為Ti〇2的光熱安 疋f生低’所以谷易產生經時變化，且由於膜厚和著射率變 動而產生反射率變化，因而會有最後會產生c〇D劣化的疑 慮。 還有’在日本專利特開2〇 02-3 05 348號公報中，有揭 不形成於發振波長4〇〇 nm的雷射共振器端面反射膜是採用 N bg 〇3與S i 〇2的多層膜。 [發明所欲解決的課題]

傳統的半導體雷射係採用由Si膜、Ti〇2膜等的高折射 率膜^多層反射膜。但是，上述的膜構成，由於今後發展 之更咼的雷射輸出化而隨著發光而造成雷射端面的溫度上 升，會有伴k著COD劣化以及膜厚與折射率的變動 的反射率變化的經時劣化之疑慮。 I 【發明内容】

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II

第8頁 !233718 說明（3^ '~ --------- 電多的係為了解決上述問題，提出一種具有介 +導雷射裝置，經由使用光吸收係數比矽 介雷夕、二以及具有比氧化鈇（Ti02)優良之發光熱安定性的 i夕θ膜構k ’因而能夠大幅改善⑶D(瞬間光學損傷） 根才本發明的半導體雷射裝置，在具有反射率是40% 上沾ϋΐ電多層膜形成在雷射晶片的光射出面的至少-面 有士2體雷射裝置中，其特徵在於：該介電多層膜包含 物所=紐（Ta2〇5)構成之介電膜以及由Al2〇3，Si〇2等氧化 斤構成之其他介電膜。 在本發明中，介電多層膜最好是包含有由氧化鋁所構 之介電膜以及由氧化鈕所構成之介電膜。 更者，介電多層膜包含有當作是接觸雷射晶片的膜的 =化鋁所構成之介電膜，最好更包含有由氧化鋁所構 之）1，膜以及由氧化鈕所構成之介電膜。 藉由上述構成，在使用氧化鈕（Τ%〇5)膜的介電多層膜 的場合時，即使會因為介電多層膜的光吸收而使溫度上、 升，然而因為折射率變化以及膜厚變化小，所以能夠改盖 介電多層膜的經時劣化以及c〇D劣化。 " 【實施方式】 本專利申請書係以2003年4月23曰在曰本申請之特 2003-1 1 81 5 1號為優先權基礎，並且參照該特願之揭示内 容而組合記載於本申請書中。

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1233718 五、發明說明（4) 以下請參照圖面而說明下述各最佳實施例。 第一實施例 第1A圖係顯示根據本發明第一實施例的構造圖，其為 沿著光軸的垂直剖面圖。雷射晶片（chip)係由GaAs等的半 導體基板1、活性層2、形成於活性層2上方與下方的包覆 層（cladding layer)3以及形成於包覆層3上方與下方的電 極4所構成。 半導體雷射裝置係由上述雷射晶片、形成於雷射前端 面的低反射膜9以及形成於雷射後端面的高反射膜1〇所構 成。一般來說，低反射膜9係被設定在15%以下的反射率， 而高反射膜10係被設定在40%以上的反射率。 低反射膜9與高反射膜1 0例如是由蒸著、濺鑛、 CVD (化學氣相沉積）等的成膜製程所形成。雷射前端面與 雷射後端面之間係構成一光共振器，其中藉由活性層2所 發振的雷射光的大部分係從低反射膜9發射出的輸出光 Lo，也有從高反射膜10發射出的部分雷射光。 第1B圖是顯示高反射膜10的結構放大圖。高反射膜1〇 係從與雷射晶片接觸侧依序地由折射率η 11及膜厚d 11的介 電膜11、折射率nl2及膜厚dl2的介電膜12、折射率ni3及 膜厚dl3的介電膜13、折射率nl4及膜厚dl4的介電膜14、 折射率nl5及膜厚dl5的介電膜15、折射率nl6及膜厚dl6的 介電膜16、折射率nl7及膜厚dl7的介電膜17、折射率ni8 及膜厚dl8的介電膜18以及折射率nl9及膜厚d 19的介電膜 1 9所形成。

第10頁 1233718 五、發明說明（5) 入介電多層膜一般是由高折射率的介電膜和低折射率的 μ電^交互地重複積層而得。各介電體的膜厚一般是設定 為換算成光學長（optical length)而為發振波長λ的二分 ^一的整數倍（亦即λ/4的整數倍），並調整成對應介電膜 的折射率大小之適當的膜厚。 在本實施例中，高反射膜10包含有由了七％構成之介電 =以及由ΑΙΑ構成之介電膜QTa2〇5如後述般地，因為具 曰對應於加熱造成之溫度上升之折射率變化量和膜厚變化 里小的特性’所以適合當作是介電多層膜。 著，舉例說明高反射膜10的具體構成。在此，係以 心成尚反射膜10於發振波長的紅色半導體雷射中 為例。雷射晶片的等效折射率（equivalent refractive index)係3· 81 7。 如第1 Β圖所不’從與雷射晶片接觸側依序排列的第1 層的介電膜U係由折射率nU=：1. 641的氧化鋁（Ah%)所形 成’且將膜厚di 1以光學長換算而設定等效於λ/4之 1 00. 5nm 〇 第2層的介電膜12係由折射率1112 = 2()31的氧化鈕 (Τ%〇5)所形成，且將膜厚dl2以光學長換算而設定等效於 λ/4 之81·2nm。 第3層的介電膜13係由折射率η13 = 1·641的氧化鋁 (Α丨2 〇3 )所形成’且將膜厚d丨3以光學長換算而設定等效於 λ/4 之l〇〇.5nm 〇 第4層的介電膜係由折射率^14 = 2〇31的氧化组 第11頁 2065-6252-PF(N2)；Jacky.ptd 1233718 五、發明說明（6) ----- (Ta2〇5)所形成，且將膜厚dl4以光學長換算而設定等效於 λ/4 之81· 2nm。 第5層的；丨電膜1 5係由折射率n 1 $ = 1 · 6 41的氧化銘 (Ai2〇3)所形成，且將膜厚dl5以光學長換算而設定等效於 λ/4 之 l〇〇.5nm。 第6層的介電膜16係由折射率η16 = 2· 〇31的氧化鈕 (Ta^5)所形成，且將膜厚dl6以光學長換算而設定等效於 λ/4 之81.2nm。 第7層的介電膜17係由折射率η17 = 1· 641的氧化鋁 Ui2〇3)所形成，且將膜厚dl7以光學長換算而設 λ/4 之 100·5ηιη。 第8層的介電膜18係由折射率η18 = 2· 〇31的氧化鈕 (了七〇5)所形成，且將膜厚dl8以光學長換算而設 λ/4 之81· 2nm。 第9層的介電膜19係由折射率η19 = 1·641的氧化鋁 (αι2ο3)所形成，且將膜厚dl7以光學長換算而 λ/2 之201· lnm。 爪 第1C圖是顯示關於高反射膜1〇的反射 性的。曲線圖。從該圖可知，在十心波長λ養⑽處二= 約8 3%的反射率，且其相對於發振波長變化的反射率變化 小。因此，由上述構成之高反射膜1〇在即使雷射發振 變動時，也能有穩定的反射率。 & 第2(a)、2(b)圖是顯示關於膜以及Ti〇2膜的折 率以及膜厚對於溫度依存性的圖表。在第2(a)、2(b)圖

2065-6252-PF(N2);Jacky.ptd 第12頁 1233718 五、發明說明（7) 中，係以在1 1 0 °C的加熱溫度時的折射率盥膜戽作. 值圓，然後以百分比來表示柳。。的：熱； 射率與膜厚的變化率。 從第2(a)、2(b)圖可知，Ti〇2膜的折射率在4〇{rc 增加了+2.18%，然而Ta2〇s膜的折射率卻能夠被抑制在、舉 + 0.94%的增加程度。還有，η%膜的膜厚在4〇〇ec時係 了-2. 18% ’然而Τ%〇5膜的膜厚卻能夠被抑制在_〇. 26%的 少程度。如此可知，與Ti〇2膜比較，Ta2〇5膜具有 良 的熱安定性。 k 因此，當在雷射晶片係發生高輸出射光，而由於 收而使高反射膜10溫度上升的場合時，若存在有Ti〇、及 時，折射率變化和膜厚變化就會變大。因此，告4握 雷射光的開啟與關閉（on-off)時，就合你_ C二 保作 經時劣化，因而導鎖1)劣化 就會使局反射膜10容易 由於m使用㈣膜當作是高反射膜^時，即使 及‘厚：:匕？使：反射膜10 度上升’因為折射率變化以 及膜厚變化小，因此就能夠防止(：00劣化。 還有，上述高反射膜10係以由高折射 折射率的Al2〇3膜為一單位而重複4周一羊夕的^膜與低 在此實施例係追加有當作是與大氣接之夕S率膜然 Ai2〇3膜為例u為了要控制所希 射丰膜的 複卜3周期或5周期以上的Ta2〇5膜與A 射：古也可以重 特性的中心波長從660nm開始變更的主還有，反射率 介電膜膜厚對應於變更成為^學長^m夠將各

1233718 五、發明說明（8) 第二實施例 第3A圖係顯示根據本發明第二實施例的構造圖，其為 沿著光軸的垂直剖面圖。雷射晶片（chip)係由GaAs等的半 導體基板1、活性層2、形成於活性層2上方與下方的包覆 層（cladding layer)3以及形成於包覆層3上方與下方的電 極4所構成。 半導體雷射裝置係由上述雷射晶片、形成於雷射前端 面的低反射膜9以及形成於雷射後端面的高反射膜20所構 成。一般來說，低反射膜9係被設定在15%以下的反射率， 而高反射膜20係被設定在40%以上的反射率。 低反射膜9與高反射膜20例如是由蒸著、濺鍍、 CVD(化學氣相沉積）等的成膜製程所形成。雷射前端面與 雷射後端面之間係構成一光共振器，其中藉由活性層2所 發振的雷射光的大部分係從低反射膜9發射出的輸出光 Lo，也有從高反射膜1〇發射出的部分雷射光。 第3B圖是顯示高反射膜2〇的結構放大圖。高反射膜2〇 係從與雷射晶片接觸側依序地由折射率n 21及膜厚d 2 1的介 電膜21、折射率n22及膜厚d22的介電膜22、折射率n23及 膜厚d23的介電膜23、折射率η24及膜厚d24的介電膜24、 折射率n25及膜厚d25的介電膜25、折射率n26及膜厚d26的 介電膜26、折射率n27及膜厚d27的介電膜2 7以及折射率 n28及膜厚d28的介電膜28所形成。 介電多層膜一般是由高折射率的介電膜和低折射率的 介電膜交互地重複積層而得。各介電體的膜厚一般是設定

1233718 五、發明說明（9) 為換鼻成光學長而為旅接·、ti?呈1 \ 即；L/4的敕致柊彳為 之一的整數倍（亦 ^的= 並調整成對應介電膜的折射率大小之 電膜m中’高反射膜10包含有由由μ構成之介 電膜纟Sl02構成之介電膜以及由Ta2 05構成之介電膜。

Ta2 05如；2(a)、2(b)圖所述般土也，因a具有對加 成之溫度上升之折射率變化量和膜厚變化量小 :、ς 以適合當作是介電多層膜。 m ,、，著，舉例說明高反射膜20的具體構成。在此，係以 ^/成兩反射膜20於發振波長的紅色半導體= 為例。雷射晶片的等效折射率（equivalent ”卜扣以” index)係3·817 。 如第3Β圖所示，從與雷射晶片接觸側依序排列的 層的介電膜21係由折射率η21 = 1· 641的氧化鋁（Al2〇3)所形 成，且將膜厚d21以光學長換算而設定等效於λ/ 201. Onm 。 •第2層的介電膜22係由折射率η22 = 1·461的氧化石夕 (Si〇2)所形成，且將膜厚d22以光學長換 設 /4 之 112· 9nm。 Λ 第3層的介電膜23係由折射率氧化鈕 (Ta2〇5)所形成，且將膜厚d23以光學長換算而設定等效於 λ/4 之81.2nm 〇 第4層的介電膜24係由折射率n24 = 1461的氧化矽 (Si〇2)所形成，且將膜厚d24以光學長換算而設定等效於入

2065-6252-PF(N2)；Jacky.ptd 1233718 五、發明說明（10) --— /4之112.9nm 〇 第5層的介電膜25係由折射率n25 = 2.031的氧化鈕 (Ta2〇5)所形成，且將膜厚d25以光學長換算而設定等效於 λ/4 之81.2nm 〇 第6層的介電膜26係由折射率氧化矽 (Si〇2)所形成，且將膜厚d26以光學長換算而設定等效 /4 之112· 9nm。 第7層的介電膜27係由折射率氧化鈕 (τ%〇5)所形成，且將膜厚d27以光學長換算而設定等效於 λ/4 之81·2nm 〇 第8層的介電膜28係由折射率η28 = 1· 461的氧化矽 (Si〇2)所形成，且將膜厚d28以光學長換算而設 /2 之225· 8nm。 k 第3C圖是顯示關於高反射膜2〇的反射率對於波長依 性的曲線圖。從該圖可知，在中心波長入=66〇⑽處顯示有 約6%的反射率，且其相對於發振波長變化的反射率變化 u此，，上述構成之高反射膜20在即使雷射發振波長 1動4，也能有穩定的反射率。 折射ί :二rfef f反射膜20係以由高折射率的Ta2〇5膜與低 I Μ而重複3周期的一多層膜，雖然在 有當作是與晶片接觸之低折射率膜的Μ =η*1接觸之低折•率膜的叫膜為例，然而為了 要控制所希望之反射率，> i € η时。 手也可以重複卜2周期或4周期以上 勺Ta2 05膜與SlG2膜。還有，反射率特性的令心波長從66〇⑽ 1233718 --——--- 五、發明說明（11) =始變更的場合時，也能夠將各介電膜膜厚對應於變更成 為以光學長所換算之膜厚。 第4圖是顯示相對於半導體雷射的驅動電流的光輸出 特性的一例的曲線圖。當作是習知的高反射膜，其係與雷 射晶片接觸側依序地由^〇3膜、Si膜、Al2〇3膜、Si膜與 A込〇3膜所構成之總計5層之介電多層膜。 從第4圖可知，無論是具有習知高反射膜或實施例J、 2南反射膜10/20的任一半導體雷射裝置，當超越驅動電流 界電流50mA附近時，光的輪出就會增加。而具有習知 =反射膜的半導體雷射裝置在驅動電壓是24〇mA附近時， 光輸出就會急速減少而產生c〇D劣化的情形。 相對於習知，具有實施例i、2高反射膜1〇/2〇的本發 月之半導體雷射裝置，當驅動電流到5 〇 〇 m A時，仍然不會 產生COD劣化，亦即本發明之半導體雷射裝置的光輸出 (optical output)耐度是習知的17倍。 裡Ϊ說明的是，雖然以上的說明是將本發明的介電 二成在雷射後端面，然而也可以將本發明的介電多 層膜形成在雷射前端面。 [本案特徵與優點] 藉由本發明構成，由於使用包含有 =多層膜’而能夠改善介電多層膜的經時劣的 用以 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非 第17頁 2065-6252-PF(N2);Jacky.ptd 1233718 五、發明說明（12) 限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精 神和範圍内，當可作更動與潤飾’因此本發明之保護範圍 當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

2065-6252-PF(N2);Jacky.ptd 第18頁 1233718 圖式簡單說明 第1A圖是顯示根據本發明第一實施例的構造圖； 第圖是顯示高反射膜10的結構放大圖； 第1C圖是顯示關於高反射膜10的反 對 性的曲線圖； π +對於波長依存 第2U)、2(b)圖是顯示關於Ta 〇膜 率以及膜厚ffm依存性的圖表；及叫膜的折射 第3A圖是顯示根據本發明第二實施例的 第3B圖是顯示高反射膜2〇的結構放大圖；·’ 第3C圖是顯示關於高反射膜2〇的反對 性的曲線圖； 卞订化/皮長依存 第4圖是顯示相對於半導體雷射的驅動電流的 特性的一例的曲線圖。 符號說明】 2〜活性層； 4〜電極； 1 〇〜高反射膜 12〜Ta2〇5 膜； 14〜Ta2 05 膜； 16〜Ta2 05 膜； 18〜Ta2 05 膜； 20〜高反射膜 2 2 〜S i 02 膜； 24〜Si02 膜； 1〜半導體基板 3〜包覆層； 9〜低反射膜； 1 卜αι2ο3 膜； 13〜Α12〇3 膜 15〜Α12〇3 膜 17〜Α12〇3 膜 19〜Α12〇3 膜 2卜Α12〇3膜 23〜Ta2 05 膜 2065-6252-PF(N2);Jacky.ptd 第19頁 1233718 圖式簡單說明 25〜Ta2 05 膜； 26〜Si02 膜； 27〜Ta2 05 膜； 28〜Si02 膜。 nm 第20頁 2065-6252-PF(N2);Jacky.ptd

Claims (1)

1233718 六、申請專利範圍 1· 一種半導體雷射裝置，包括： 具有反射率是40%以上的一介電多層膜，形成於一雷 射晶片的光射出面的至少一面上； 其中’該介電多層膜包含有氧化组（Ta2 05 )膜。 2 ·如申請專利範圍第1項所述半導體雷射裝置，其中 該介電多層膜除了包含有該氧化鈕（Ta2 05 )膜之外，更包含 有氧化鋁（ai2o3)膜。 3·如申請專利範圍第1項所述半導體雷射裝置，其中 該介電多層膜係以氧化鋁（A 12 〇3 )膜當作是接觸該雷射晶片 的膜，而且除了包含有該氧化鈕（Ta2〇5)膜之外，更包含有 氧化矽（Si02)膜。 該介電 丁 a2 05 膜 丁 a2 〇5 膜 5. 在該介 其中從 係換算 光學長 6. 該介電 Si〇2 膜 膜之總 如申凊專利範圍第2項所述半導體雷射裝置，其中 多層膜係從與該雷射晶片接觸侧依序地由Al2〇3膜、 、Al2〇3 膜、Ta2 05 膜、a12〇3 膜、Ta2 05 膜、Al2〇3 膜、 與AI2 〇3膜之總計9層膜所形成。 如申明專利範圍第4項所述半導體雷射裝置，其中 電多層膜中，以該雷射晶片的發振波長當作是入， 與該雷射晶片接觸侧依序地從第丨層到第8層的膜 成光學長而設定為；（/4，而第9層的膜厚係換 而設定為；I /2。 乂 如申請專利範圍第3項所述半導體雷射裝置，盆 多層膜係從與該雷射晶片接觸侧依序地由Α1Λ膜、 、Ta2 05 臈、Si02 膜、TaD 描 c.n 时 Φ n 計8層膜所形成。2 5膜、Sl°2膜、⑽膜與叫 1233718 六、申請專利範圍 7·如申請專利範圍第6項所 在該介電多層膜中，以該雷 千蛤體Μ射裝置，其中 其中從與該雷射晶片接觸側依=片，發振波長當作是又， 光學長而設定為；1/2，第2層^的第1層的膜厚係換算成 長而設定為；1/4，而最後的層的膜厚係換算成光學 而設定為；I /2。 騰厚係換算成光學長

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