TWI357698B - Semiconductor laser device - Google Patents

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TWI357698B TW097105316A TW97105316A TWI357698B TW I357698 B TWI357698 B TW I357698B TW 097105316 A TW097105316 A TW 097105316A TW 97105316 A TW97105316 A TW 97105316A TW I357698 B TWI357698 B TW I357698B
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Description

13^/698 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 4發明係有關於半導II雷$ ^ φ. 干等體田射裝置,且特別是有關於在 十端面形成有反射膜之半導體雷射裝置。 【先前技術】
一,-般而言,在半導體雷射裝置中,如特許文獻1〜4戶;ί 不’為了達成在此共振器之兩端面降低作動電流並防止及 光及提高,出等目的,因此,披覆稱為塗佈膜之絕緣膜。 ^尤其是,在要求高輸出之半導體雷射裝置中,藉由在 :端面側(光射出端側)形成反射率低的塗佈膜,並在後 端面側形成反射率高的塗佈膜,而謀求高輸出卩。後端面 塗佈膜之反射率為_以上、或8〇%以上。前端面塗佈 膜之反射率不單是低就好,巾是因應半導體雷射裝置所要 求之特性選定其值。例如,以一起用於光纖光柵(⑽『 grating)之光纖放大器(Fiber AmpUfier)激起用半導 體雷射裝置而言’其值為〇.〇卜3%左右;在通常之高輸出 半導體雷射裝置中則是3,左纟;而且,在必須防止反 光之情況下則是選定7〜1〇%左右之反射率。 例如’在使用GaN基板之50mW以上之高功率藍紫色 半導體雷射裝置中,其光射出前端面之反射率係要求5% 〜15%左右之值。假設在欲得到6%之反射率的情況下,反 射率之控制性係要求為6±1% 。通常,在半導體雷射裝置 中,雷射光射出之前端面的反射率藉由單獨介電體膜之厚 度及反射率(例如Ah〇3、Si〇2等介電體膜之厚度與反射 2118-9425-PF 5 1357698 鬌 率)而控制。 在第25圖中’顯示習知之振盪波長4〇5nm之半導體 雷射裝置之構造圖。在圖中’ 101係GaN基板、102係活 陡層103係上下披覆層、i〇4係電極、1〇5係雷射光、112 係形成於雷射則端面之低反射膜、i 〇 7係形成於同後端面 之问反射膜。一般而言,對於雷射前端面所用之低反射膜 而5 ’以久表示在真空中之雷射振盪波長,使用具有光學 φ 膜厚為又/4之整數倍±邙(藉由α而控制反射率)的單層 膜在半導體雷射之前端面,由於雷射光密度高且溫度易 上昇之故,因此’此低反射膜亦扮演熱擴散(heat spreader )之角色。因此,氧化鋁之3λ/4±α膜屬於一般。 一般而言,反射率係以基板之反射率、基板上形成之 塗佈膜之厚度及反射率、自由空間(-般而言,反射率i 之空氣)為參數,並藉由矩陣法而求出。 在第26圖中,顯示將“為21 5ηιη (膜厚:2〇4nm)之 • 氧化鋁膜(反射率:1. 664)設置在振盪波長為4〇5nm之 藍紫色半導體雷射裝置(GaN基板反射率25)之前端面 之情況下的反射率之波長依存性。另外,在第27圖中, 顯不其膜厚依存性。由第27圖可知,欲實現6±1%的話, 則相對於設計值204nm而言,膜厚必須控制在±1%之精 度。如此一來,在所謂405nm之短波長的藍紫色半導體雷 射中,比起習知之680nm帶之DVD用雷射或78〇nm帶之⑶ 用之雷射’由於波長比分塗佈膜厚變薄的緣故,因此,必 須精岔地控制膜厚。因此,僅藉由一般光學薄膜形成時所 2118-9425-PF 6 1357698 用之蒸著或賤鑛等±5%左右之膜厚控制性的成膜方法會 難以控制反射率,而招致產率降低等問題。 【特許文獻1】特許第3080312號說明書 【特許文獻2】特開20 02-1 0 0830號公報 【特許文獻3】特開2003-101 126號公報 【特許文獻4】特開2004-296903號公報 【發明内容】 φ 由於習知之半導體雷射裝置係如上所述而構成的緣 故因此,在欲實現反射率6±1%之情況下,以上述氧化 鋁單層膜而言,必須將膜厚之變異抑制在±1%以内,否則 會有反射率控制性變低而使產率惡化的問題。所以,首要 之務乃是找出可以因應半導體雷射之目的而確實地選定 其光射出端面之反射率且再現性佳的方法。 有鑑於上述問題,本發明之目的乃是得到一種即使構 成反射膜之介電體膜之膜厚或反射率變動也能穩定地控 • 制反射率的半導體雷射裝置,其中,此反射膜係形成於半 導體端面。 本發明之其他目的及優點由以下之記載即可明瞭。 本發明之半導體雷射裝置除了具備GaN基板、該基板 之上所疊積之半導體層,亦在與疊積方向垂直之方向上具 有相對之一對共振器端面,在前述其一之共振器端面係設 置有反射膜,其中,該反射膜係由相異材料之第丨介電體 膜與第2介電體膜交互疊積4層以上而構成。 根據本發明的話,得到一種即使構成反射膜之介電體 2118-9425-PF 7 1357698 膜之膜厚或反射率變動也能穩定地控制反射率的半導體 雷射裝置,其中,此反射膜係形成於半導體端面。 【實施方式】 第1實施例 以下,使用第1〜24圖說明此發明之一實施例。 第1圖係繪示本實施例之半導體雷射裝置之典型剖面 圖。在此圖中,1係GaN基板、2係活性層、3係上下披覆 (c 1 ade )層、4係電極、5係雷射光、6係形成於前端面 之低反射膜、7係形成於後端面之高反射膜。在雷射光5 射出之前端面所形成的低反射膜6係藉由分別具有相異反 射率之第1介電體膜8與第2介電體膜9與第3介電體膜 10與第4介電體膜11所構成。 第1介電體膜8、第2介電體膜9、第3介電體膜10 及第4介電體膜11之各反射率分別以ηι、n2、n3、n4表示 的話,則以各層之反射率成為 Πΐ = Π3 Π2 = Π4 之方式’而選定膜種。 在本實施例中,就半導體雷射裝置而言,可以使用振 盪波長為405nm之青紫色半導體雷射裝置。在此情況下, 以基板而言,可以使用反射率為2. 5之GaN基板。另外, 在第1介電體膜8輿第3介電體膜1〇使用反射率為1.664 之氧化鋁,並在第2介電體膜9與第4介電體膜u使用 反射率為1· 507氧化矽,可以構成低反射膜6。 2118-9425-PF 8 第1介電體膜8、第2介電體祺9、第3介電體膜10 及第4介電體膜11之各膜厚係全部作成振盪波長之^ (4n)(其中’ “系反射率)。例如,可以將第i介電體 膜8與第3介電體膜1G作成6G·9⑽,而將第2介電體膜 9與第4介電體沒11作成67.2咖。在此情況下,半導體 雷射之振盪波長為405nm,且可以得到6·5%之反射率。
將形成上述低反射膜之情況下之反射率的波長依存 性顯示於第2 。根據此圖可以知道,在㈣波長4〇5咖 之反射率為6. 5% 。 將第1介電體膜8、第2介電體膜9 '第3介電體膜 1〇及第4介電體膜11之各膜厚變動±5%情況下反射率依 存性顯示於第3〜6圖。由上述圖可知,上述構成之低反射 膜6相對於各膜之膜厚變動而言係非常穩定,即使各膜之 膜厚單獨變動5% ,反射膜之變動最多可以壓抑至1%以 下。 % 如此一來’由於在第1介電體膜8及第3介電體膜 10、第2介電體膜9及第4介電體膜11之間,下列(d 式 nd + n’ d’ =ρλ/4 (p :整數、凡:光之振盪波長)(1) 之關係成立的緣故’因此可以得到相對於膜厚之變動之反 射率之變異小的反射膜6。而且,η係第1介電體膜8與 第3介電體膜3之反射率;d係上述之膜厚。另外,η,係 第2介電體膜9與第4介電體膜之反射率;d’係上述之 膜厚。 2118-9425-PF 9 1357698 例如,在實現反射率成為6〜17%之低反射膜的情況 下,也可以將第1介電體膜8與第3介電體膜1〇之膜厚 分別作成60〜120nm,將第2介電體膜9與第4介電體膜 11之膜厚分別作成10〜70nm,以使式(1)之關係成立。、 另外,在另一實施例中,使用反射率丨.664且膜厚 92nm之氧化鋁膜作為第i介電體膜8與第3介電體膜 並使用反射率1.507且膜厚47nm之氧化矽膜作為第'2介 電體膜9與第4介電體膜11,而構成低反射膜6。在此情 況下可以得到6.6%之反射率。此時,各介電體膜之反 射率與膜厚之積的和(nd+n,d,)係從ρλ /4 、 λ = 405nm)變大 + l〇. 6% 。 將形成上述低反射膜之情況下之反射率的波長依存 性顯不於第7圖。另外,將第丨介電體膜8、第2介電體 膜9、第3介電體臈1〇及第4介電體膜丨丨之各膜厚變動土 5%情況下反射率依存性顯示於第8〜丨丨圖。由上述圖可 知,相對於各膜之膜厚變動而言,此構成之低反射膜係穩 定,即使各膜之膜厚單獨變動5% ,則反射率之變動最多 成為1.3% 。但是,為了不變成1%以下,可以將nd + n d设疋在ρλ/4(ρ:整數、又:雷射光之振盪波長) ±10%之範圍内。 在上述之例中’顯示關於反射率為6. 5%之情況。在 此構成之反射臈中,由於調整第卜第4之各介電體膜之膜 厚的緣故,因此,可以保持所謂相對於膜厚變動對而言反 射率之變動極小的特長,且得到所欲之反射率。 2118-9425-PF 10 1357698 例如,就得到! 〇%之反射率而言, 成’將第1介電體膜8與第3介電 迷之膜構 ―,並將第2介電體膜9與第4介電:二訂旱作成 作成此時之反射率之波長之電體膜η之膜厚 12圖。另外收够 依存性顯示於第 介電體膜二:第1介電體膜8、第2介電體膜9、第3 反射率針 介電體膜U之各膜厚變㈣%情況下 反射率依存性顯示於第13,圖。由 成之低反射膜而言,受各膜之膜厚變動影響的安定 於各膜厚成為半導體雷射之族,,悬、士 e 女疋!生相較 變壞若干心=Γ 之1/4的情況而言則 之變動最多膜厚單獨變動5%,反射率 變動被夕可以抑制至1%以下。 3介電在體上:Γ中’使用氧化銘作為第1介電體膜8與第 入 们0’並使用氧化矽作為第2介電體膜9與第‘ ’’電體膜U。但是’即使在使用其他材料系之情況下,以 η” η”以、⑴分別表示第1、第2、第3及第4之各介電 體膜之反射率,因為各膜之反射率 Π3 Π2 = Π4 的緣故’因此,可以得到與上述同樣之效果。 第17圖係藉由堆疊4層以上之介電體膜而構成低反 射膜的纟體而言’係使用6層之介電體膜。其以外 之構造係與第1圖相同。 在第1 7圖之例中,低反射膜61係由具有相異反射率 之第1 ’’電體膜8、第2介電體膜9、第3介電體膜1〇、
2118-9425-PF 11 1357698 * 第4介電體膜11、第5介電體膜12、第6介電體膜13所 構成。也就是說,在第1圖之介電體膜再加上第5介電體 膜12與第6介電體膜13。以ηι、n2、⑴、n5、n6分別 表示各介電體膜之反射率的話,則以滿足 Πΐ = Π3 = Π5 Π2 = Π4 = Π6 之關係的方式而選定膜種。 φ 在第17圖中,就半導體雷射裝置而言,可以使用振 盪波長為405nm之藍紫色半導體雷射骏置。在此情況下, 以基板而言,可以使用反射率為2 . 5之GaN基板。另外’ 可以使用反射率為1.664之氧化鋁作為第2介電體膜8、 第3介電體膜1〇及第5介電體膜12,並使用反射率為 1.507之氧化矽作為第2介電體膜9、第4介電體膜丨丨及 第6介電體膜13’而構成低反射膜61。 第1介電體膜8、第3介電體膜1〇及第5介電體膜 鲁12之膜厚係分別作成82nm。另外’第2介電體膜9、第4 介電體膜11及第6介電體膜13之膜厚係分別作成46nm。 而且,在第1介電體膜8、第3介電體膜1〇及第5介電體 膜12、第2介電體膜9、帛4介電體膜"及第6介電體 膜13之間,係在 nd+n’ d,=ρλ/4(ρ:整數、Λ:雷射光之振盈波長) 之關係成立的情況下調整。在此情況下,半導體雷射之振 盪波長為405nm,可以得到7%之反射率。 將形成第1 7圖之反射率控制膜之情況下之反射率的 2118-9425-PF 12 皮長依存性顯示於第18圖。另夕卜’將第1層之介電體膜 至第6層之介電體膜之各膜厚變動±5%情況下的反射率依 存丨生顯不於第19〜24圖。由上述之圖可知,相對於各膜之 、 動而。,此構成之低反射膜係非常穩定,即使各膜 之骐厚單獨變動5% ,反射膜之變動最多可以壓抑至p 以下。 0 以得到反射率成為7%以外的反射率控制膜而言,在 第1 "電體膜8、第3介電體膜1〇及第5介電體膜12之 膜厚、第2介電體膜9、第4介電體膜11及第6介電體膜 13之臈厚之間,若以 、 nd+n d =Ρλ/4(Ρ:整數、λ:雷射光之振盪波長) 哥係成立的方式而調整的話,則可以實現相對於膜厚之 變動而言變異小的反射率控制膜。 、 ”體而Q以實現反射率成為5〜17%之反射率控制膜 而言,例如,也可以在第!介電體膜8、第3介電體膜ι〇 及第5介電體膜12之膜厚為7〇〜12〇nm且第2介電體膜9、 第4 ;丨電體膜u及第6介電體膜13之膜厚為之 範圍内,以 Μ十n d’ =p又/4(p:整數、又:雷射光之振盪波長) 之關係成立的方式而調整。 在上述之例中,使用氧化鋁作為第1介電體膜8與第 3介電體膜1G及第5介電體膜12,並使用氧切作為第2 介電體膜9與第4介電體膜Π及第6介電體膜13。但是, 即使在使用其他材料系之情況下,以ni、n2、n3、n4、n5、
2118-9425-PF 13 η體:別表示第1介電體膜8、第2介電體膜9、第3介電 帛4介電體膜11、帛5介電體膜以、第 體臈13之各及Μ ;玄 久射率,而以各膜之反射率符合下列關係 ηι = η3= η5 Π2 = η4= η6 式。又疋膜種的話,可以得到與上述同樣之效果。 卜右在構成低反射膜之介電體膜為6層以上之8 層、10 層、19 , 層或以上之層數的情況下,也以同樣之方 ,調整膜厚的話’可以實現反射率成為5. &反射率控 制膜。 另外,在上述 Al2〇3 或 Si〇2 以外,Ti〇2、Zr〇2、Hf〇2、 A1N、非^夕Si、Nb2〇5、Ta赢等也可以得到同樣之效果。 本發月並不限定於上述實施%,只要在不脫離本發明 之精神的範圍内’當可進行種種變形之實施例。 本發月係、帛半導體雷射裝置,除了具備GaN基板、 以基板之上所疊積之半導體層,亦在與疊積方向垂直之方 向々具有相對之-對共振器端面;其中,在前述其一之共 振器端面係設置有反射膜,纟中,該反射膜係由相異材料 之第1介電:膜與第2介電體膜交互疊積4層以上而構成。 _其中’前述第1介電體膜之反射率與膜厚分別以n、d 表不’且前述第2介電體膜之反射率與膜厚分別以n,、 d表不的話’則(n d + n,d,)之值係位於ρλ /4 ( p : 整數λ .雷射光之振盪波長)之±ι〇%之範圍内。另外, 藉由調整第1介電體膜與第2介電體膜之各膜厚,以在振 2118-9425-PF 14 1357698 盡波長之5〜17%的範圍内得到任意之反射率。 【圖式簡單說明】 [第1圖]本實施例之半導體雷射裝置之典型剖面圖。 [第2圖]第1圖之低反射膜之反射率之波長依存性。 [第3圖]第1圖之低反射膜之反射率之膜厚依存性。 [第4圖]第1圖之低反射膜之反射率之膜厚依存性。 [第5圖]第1圖之低反射膜之反射率之膜厚依存性。 [第6圖]第1圖之低反射膜之反射率之膜厚依存性。 [第7圖]第1圖之低反射膜反射率之波長依存性之其 他例。 [第8圖]第1圖之低反射膜反射率之膜厚依存性之其 他例。 [第9圖]第1圖之低反射膜反射率之膜厚依存性之其 他例。 [第10圖]第1圖之低反射膜反射率之膜厚依存性之 其他例。 [第11圖]第1圖之低反射膜反射率之膜厚依存性之 其他例。 [第12圖]第1圖之低反射膜反射率之波長依存性之 其他例。 [第13圖]第1圖之低反射膜反射率之膜厚依存性之 其他例。 [第14圖]第1圖之低反射膜反射率之膜厚依存性之
其他例。 2118-9425-PF 15 1357698 [第15圖]第1圖之低反射膜反射率之膜厚依存性之 其他例。 [第16圖]第1圖之低反射膜反射率之膜厚依存性之 其他例。 [第17圖]本實施例其他半導體雷射裝置之典型剖面 圖。
[第18圖]第 性。 [第19圖]第 性。 [第20圖]第 性。 [第21圖]第 性。 [第22圖]第 性。 [第23圖]第 性。 [第24圖]第 性0 17圖之低反射膜之反射率之波長依存 17圖之低反射膜之反射率之膜厚依存 17圖之低反射膜之反射率之膜厚依存 17圖之低反射膜之反射率之膜厚依存 17圖之低反射膜之反射率之膜厚依存 17圖之低反射膜之反射率之膜厚依存 17圖之低反射膜之反射率之膜厚依存 [第25圖]習知之半導體雷射裝置之構造圖。 [第26圖]第25圖之低反射膜之反射率之波長依存 性。 [第27圖]第25圖之低反射膜之反射率之膜厚依存 2118-9425-PF 16 1357698 性。 【主要元件符號說明】 1〜GaN基板 2〜活性層 3〜上下披覆層 4〜電極 5〜雷射光 6、61〜低反射膜 7〜高反射膜 8〜第1介電體膜 9〜第2介電體膜 10〜第3介電體膜 11〜第4介電體膜 12〜第5介電體膜 13〜第6介電體膜
2118-9425-PF 17

Claims (1)

1357698# 100年1〇月26曰修正替換頁 卜咩,。月>68修正替換頁 . 第 097105316 號 十、申請專利範圍: 1. -種半導體雷射裝置,除了具備GaN基板、該基板 之上所疊積之半導體層,,亦在與疊積方向f直之方向上具 有相對之一對共振器端面, 其中,在Ml述共振器端面之具有雷射光射出之一前端 面係-又置有反射膜’該反射膜係由第(介電體膜與第2介 電體膜交互疊積4層或4層以上之偶數層而構成…前 述第2介電體膜之反射率小於前述第i介電體膜之反射 率,且前述第2介電體膜之反射率與膜厚分別以n,、d, 表示的話,則(nd+n,d’)之值係位於ρλ/4(ρ:整 數、λ :雷射光之振盪波長)之±1()%之範圍内,於一振 盪波長下’前述反射膜之反射率在5〜m之範圍中。 2. 如申請專利範圍第1項所述的半導體雷射裝置,其 中’前述第1介電體膜為氧化鋁膜,且前述第2介電體膜 為氧化矽膜。 ' 3.如申請專利範圍第1或2項所述的半導體雷射裝 置,其中該反射膜係由第i介電體膜與第2介電體膜交互 疊積4層、6層、1〇層或12層以上所構成。 、 2118-9425-PF1 18
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