TWI357698B - Semiconductor laser device - Google Patents

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

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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