TWI360273B - Semiconductor laser - Google Patents

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TWI360273B
TWI360273B TW094105185A TW94105185A TWI360273B TW I360273 B TWI360273 B TW I360273B TW 094105185 A TW094105185 A TW 094105185A TW 94105185 A TW94105185 A TW 94105185A TW I360273 B TWI360273 B TW I360273B
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Tomoichiro Toyama
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Description

1360273 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種半導體雷射，特別適用於CD、 DVD(數位多功能光碟；digital versati le disk)、 DVD-ROM、可寫入資料之CD_R/RW等之拾訊器用光源。更詳 細而言，係關於一種即使用於高輸出亦可維持高⑶D位 準’並延長使用壽命的半導體雷射。 鲁【先前技術】 半導體雷射係如第5圖所示，以可在半導體基板21 .上形成帶狀之發光領域的方式層疊半導體層’以形成半導 '體積層部22，由晶圓劈開成棒（bar)狀而形成諧振器端 面，並在s玄兩端面形成第1以及第2電介質膜23、24，以 凋ΐ兩多而面之反射率，再從棒狀經由切割等使之晶月化。 根據上述構造，以從帶（stripe)狀發光領域之一方端面（前 步而面）主要是射出光，而從另一方之端面（後端面）輸出振盪 •輸出之監測器用的少量輸出之方式，調整兩端面之反射 率。此外，如第5圖所示，係安裝於Si基板或Λ1Ν等所形 成之副安裝座25上，並組裝於光拾訊器等。 、設置在端面之第1以及第2電介質膜23、24係如前所 述主要是使用在由前端面射出振盪的輸出，因此係以縮 =刖端面之反射率而增加後端面之反射率的方式形成，但 。亥反射率應設定到何種程度、以及電介質膜應以單層或多 曰形成知由做為其目的之半導體雷射所設定，並形成各 種構k。例如係提案採用以下構成（參照例如日本特開昭 3]6624 1360273 62一230076號公報），亦即：在前端面，分別設置一層以光 學距離表不時為Q.15波長之膜厚的AIM以及以光學距 难表示時為〇.〇4波長之胺厘沾ς». Λ 长之膜尽的Sl膜，藉此易於獲得高輸 出以作為，下左右的低反射率，並且可防止因端面之 ’’’、所‘致之破‘ (COD)，而在後端面，例如係以交替方式設 置4層之以光學距離表示時為0.25波長之膜厚的 以及^L，藉此形成92%的高反射率。 如刖所述’半導體雷射係在帶狀發光領域之劈開面設 置毛”男版以调整其反射率，俾使前端面以及後端面得相 對於上述振蘯波長而分別形成所希望的反射率。但是，當 半導體雷射開始動作時，由於電流會集中在發光領域產生 發光，因此發光領域之溫度會上升，因該溫度之上升，將 使振鹽波長變長。因此，隨著發光領域之溫度的上升，閾 值電流會上升且發光效率會降低，而且會有因振逢波長移 位導致反射率產生變化且輸出變動的問題。 此外，在高輸出之半導體雷射中，係形成第i電介質 膜，以縮小射出端面側之反射率，且容易自前端面中取出 輸出。另一方面’前端面之反射率，不會受反射光所致之 雜机的影響等，變得愈小愈好，而如前所述，有時會有欲 調整，所希望之反射率的情形。由於該電介質膜係藉由濺 射法等所形成’因此在形成所希望之反射率後，盆厚声兪 薄則愈有利於降低製造成本，一般而言係 二 率的薄膜來形成。 射 然而，在CD-R/RW用半導體雷射等高輸出用的情況 316624 下，半導體雷射晶片之劈開面與第 成雷错八士 A γ /丨 电W貝版的界面係形 ::::布之腹側的部分，特別在—上之高輸出半導 私雷射中，即使第i電介質 同樣合產H… ％左右之低反射率， 4¾ 书幻負的溫度上升，c〇D(無可挽救之光 子性損傷）位準降低而空且π广 ^ H认 而合易知壞，且在高溫（例如75。〇下 退仃南輪出（例如2〇〇mW)夕：An、击本八—Α 士 )之加速奇咔貫驗時，在100至250 …且％間内即會產生損壞之半導體雷射的問題。 【發明内容】 —本發明係有繁於上述問題而開發者，其目的在於提供 具備以下構造之半導體雷射，即使半導體雷射開始動 -蜍致/J〇L度上升且振盪波長產生變化，亦可使輸出穩定 化|而且即使是用於高輸出，且射出侧端面（前端面）之C〇D 位準容易降低的半導體雷射，亦可提升其COD位準。 本發明人係針對：隨著半導體雷射之動作所導致之溫 度上升而無法正確控制振盪輸出的問題、以及藉由高輸出 _用半導體雷射等，在高溫（例士口 75。〇)下進行高輸出（例如 200mW)之加速壽命實驗時，會在1〇〇至25〇小時之極短的 k間内產生損壞的半導體雷射的問題，反覆進行研究與調 查。結果發現：獲得所希望之反射率的一般的電介質膜的 厚度’係被設定成將其厚度固定而使光的波長產生變化 日寸’其反射率的變化係隨著波長之變大反射率也變大的厚 度’因此振盤波長變長時，外部量子效率會變低，且輸出 也會進一步降低；以及由於產生於雷射晶片之劈開端面的 熱的散去不夠充分，使得劈開面之半導體結晶受熱溶解而 7 316624 所不望之輪出，其帶狀發光 設定成所希望之反射#之單層或多=，:只設置用以 發明中，除日义夕層的电介質膜，但在本 。正反射率外，也爲了改善端面的今敘^ 僅以熱傳導率優於半導體層之 成月 得以進行較宽面籍1 ^為〇.6又以上的厚度， 域端面的溫度 抑制帶狀！s光領 Γ7,〇ρ , 升亚且可提升COD位準，即使進古：田 (75C)、高輸出（2〇〇 w) . 「便進仃同皿 小時以上亦可持續長達500 命極長之半導體雷射 會產生破損，而形成使用壽 此外’在本發明中，险 並設定可渺忐Μ > ^ 电；丨貝膜的厚度加厚， 成：波長固定時相科Μ 外亦將厚度設定 正的厚戶，^Γ 介質膜之厚度的反射率的變化為 的變化二：膜時相對於波長之反射率 作時振_即會變長的始動 :外:::厚度”介質膜，反射==出 閾值電流::=:、=成增大的方向，當溫度上升時 外部的輸出同樣可動作導致溫度上升時’射出至 _ 在歲乎未降低的情況下進行動作。 在古於1則述弟1電介質膜側（前端面）的反射率，特別 率4中，㈣設定隸^右之低反射 此猎由設定為所希望之反射率之外，並設定成_ 3)6624 10 1360273 ==振Μ波長會變長，且隨著振祕之移位導致反 而產生之輸出降低的問題;以及在高輸出用 在短J二Γ ’特別是進行加速壽命實驗時’半導體雷射 *。才二今易產生損壞的問題，而不斷進行精心的研 二的=結果發現··配置於端面的電介質膜若維持習知技 由於當振纽長變長時其反射率會變得更大，此外， 所、〜變化率變大’而使輸出更加降低，相對於此，電介 厚ί藉由採用相對於所希望之波長附近的波長變化 t率變化為負的電介質膜的厚度，而在振盈波長變長 "向變化時，反射率的變化會變小’且會在反射率本身 =的方向變化，因此可提升外部量子效率，且控制因振 2長變化所致之輸出的降低，此外，產生於雷射晶片之 :開端面的熱無法充分散熱’使得劈開面之半導體結晶因 …而產生溶融並破壞其端面，而藉由使用並加厚熱傳導率 良好之氧化叙做為第i電介質膜17’而可充分進行散熱並 抑制C0D所導致之破壞。 所“亦即，使用氧化鋁（Μ2。3)之單層構造做為第i電介 =¼ 17,並使設在帶狀發光領域之劈開面的厚度進行各種 變化時，光波長在78〇nm時（A)以及79〇nm時（B)的反 射率Rf的變化係如第2圖所示，當第丨電介質膜丨7的厚 度t產生變化時’該反射率即產生週期性變化。以往，在 設置該第〗電介質膜17時，由於係利用濺射法等來進行， 因此欲附著10nm之厚度需花費3分鐘左右的時間，由於相 當耗費時間，故採用所希望之反射率(例如m 316624 12 1360273 之最初厚度的9Qnm左右的厚度。 但是，在波長較長之79〇nm中’ 致朝右平行移動之狀態的曲線可知，為由形成大 率必須增加電介質膜的厚度。另而=仔目同的反射 亀m中符合所希望之反射率_’在二有在前述 狀態下，當振堡波長產生變化 二貝膜Η的 甘又合方又我日可，電介質膜的厚度 亚不會產生任何變化，因此反射 射率ί开彡忐笛9固μ 卞θ同於取初所設定的反 射羊（形成弟2圖bl的位置因 低且射出之輸出也會降低。 外。P里子效率會降 目此，本發明之發明人除了將 -形成預定之反射率的厚度之外且=度叹疋成 .由採用反射率變化減小之關係 、： 上述問題。亦即，如前述第2圖所；：=厂予度來解決 別是在高輸出半導體雷射中，=二=面的反射率特 計轳品—c '、°又疋為低反射率，以縮小 刖柒面之反射率使之儘可能由前端面射出 ·=介質膜之厚度的反射率的變化的曲線中，反射= 〇又定在極小點的附近，在極小點側相斟^ t 声〜J ..，·占側相對於應電介質膜之厚 度姻反射率的變化較小，但在極小點 於電介質膜之厚度變化的反射率的變化較大。 對 後Π另面，波長較長時相對於相同膜厚之反射率的曲 ”第2Β圖所不’或多或少會偏向膜厚變厚的一方。因 Η如波長為胸時即使是相同的反射率（第2圖的 3 :2、.⑷’只要在反射率曲線的斜率為正（dRi/dt 〇)的位置（第2圖的a2、a4)’相對於該厚度之波長較 316624 13 反射率會接近極小方向（第2圖的b2、M)，且 反射率的變化會變小 反射㈣本身會::度= 低之《輪==升閾值電流會變大，而形成彌補降 述之研线藉由設定在反射率不易隨著相對於電介 二、、膜厚t的反射率k變化而變化的方向，來研 • i = 射之振盪波長變化的方法，但如前所述，因 致:rr，電流值會因此 .長變長時，可藉由 因;皿度上升導致振盛波 -膜厚，而修正n 貝膜造成反射率1^降低的 形成例之=率^導致之輸出的變化。亦即’將 射率心的膜厚固定而使光的波長變 =性=::T，Rf會隨著波長λ的變化產生 度中，採用在所希得例如所希望之反射率的厚 之反射率R f的u 例如7 8 0 n m附近相對於波長 又上升所產生的輸出變化。 的絕對值、岛^率Rf相對於波長λ之變化率（dRf/dA ) 故以-1二：d:)使斜率為負’由於反射率的變化過大， 時，藉由自第2 11Φ <M父為理想。在滿足上述條件的同 的厚度，即使因望之反!率的電介質膜 蓋效率降低，亦可抑制其輸出變ϋ所致之皿度上升導致振 316624 14 此外’如前所述，#由將電介質膜維持 =非提升散熱，即使是高輸出之半導體雷射，二 =非的COIH立準，即使進行5〇M、時以上的;^ 用H出（ 200mw)的陳化也不會產生破壞。亦即皿使 ，李較大之氧化銘做為第！電介質膜，並使 的厚“調查⑽特性之變化狀態，其:果 '以上的厚度（相對於之波長，將施 n设定為J_i2j寺，物理性電介質膜、" 厚产），爭拉Β 貝勝的尽度仏-UfliinL·以上的 '取好疋以光學距離表示時為07λ以上 理想係0· 8又以上的严奋 Λ lL 又更 .^ ^ ^ ^度’如此—來即可充分進行散埶， 在厗度為0.6λ且250mW以上之高鈐屮田主+ 之同輪出用丰導體雷射中， 加速陳化，在3G個電介質膜中並未發現任 何-個會在500小時内產生破損者。 由散熱的觀點來看，電介質膜 m膜厚過厚時將㈣過長的成膜時間並導致成本提 ^此外利用較厚的電介質膜較難以正確控制反射率，因 =好：用以光學距離表示時為Ι5λ以下的厚度。具體 - η使反射率達到8.5%，可藉由設定成以光學距離表 丁….83 λ (氧化鋁膜的物理性厚度為◦. 又加= 糊⑽），而減少因溫度上升對輸出變化造成的影響，並大 幅提幵其使用壽命。 配置於後端面之第2電 反射並在諧振器中振盪，而 介質膜]8，由於使大部分產生 由前端面側取出較大的輸出， 316624 1360273 乃f別以Λ/(4η)的厚度（又為振堡波長、η為電介質膜 的折射率）形成2組左右之… …、版 ^ Φ n Si (非日日矽）膜與Α丨2〇3膜， =^率心達到例如8〇至㈣左右。但其後端面只要 可:隻：所希望的反射率^即可，因此在電介質膜的材料、 組合寺上並無特別限制。 半導體基板1、半導體層疊部9以及電極15、16的部 分，係與習知之-般半導體雷射的構造相同，而半導體層 •疊部9，例如係使用紅外光之⑽nm波長用的A i GaAS李ς 合物+導體，或紅外光之650nm波長發光用的InGaA" 化合物半導體，用以疊層上述半導體材料之半導體基板、 • 1，一般係採用GaAs基板，但亦可使用其他的化合物半導 體。^外，半導體基板1的導電型，基於與組裝^導體雷 射之安裝的關係，係使用基板側所希望之導電型的η型2 Ρ 中任種，根據該基板i的導電型，亦可決定疊層之 半導體層的導電型。在以下的具體例中，係以半導板 φ 1為η型的例子進行說明。 半導體層疊部9’在第1Α圖以及第1Β圖所示之例中， 係由：η型覆蓋（clad)層2;無摻雜或η型或ρ型之活性層 3以及ρ型.的第1覆蓋層4;ρ型蝕刻擋止層5;ρ型之第2 覆盍層6 ;空隙層7;以及埋設於被蝕刻成隆脊狀之口型之 第2覆蓋層6兩側的η型的電流阻隔層13 ;配置於空隙層 7以及電流阻隔層13表面的ρ型接觸層8所構成。 具體而言’係將η型GaAs基板1放入例如助cvd (有 機金屬化學氣相成長）裝置内，再根據反應氣體之三乙基 316624
1JUUZ/J \(TEG)、二M (TMa)、三甲銦⑽n)、鱗外 二虱化碎（AsH3)以及半導體層之導電型m )' 雜氣體之用的H2Se或做為 ·立為η型摻 :=材料與載運氣體之氬㈤===) 至(：左右的溫度進行各半導體層之外延成長、 造邮咖1仰她），而獲得前述之各半導體層的層疊構 η型覆蓋層2係由例如Α1χ“ χ 例如：m.5)所構成，並形 （丄心0.7、 .·!性層3係糟由：仏“1蝴〇5加"、例如/ 、；:.15)广體積結構或是A〗〜相㈣….: Υ <Υ、例如‘ y3=0.3)所構成之阻障層的單一 0或；重的量子井伽或_)構造，全體形成約"T至 L 2 // m左右的厚度，而 王 龜（Ο 3<,9<n 7 覆盖層4係以Ah.2Ga^s 二;J、例如:X2=〇·5)形成〇.〗至Ο.5㈣左 二=等:=性層3與覆蓋層2'4之間設置導光 θ 、. /、半導體層亦可介在於任意之層間。 此外’ _擔止層5係利用ρ型或無推雜之例如 :。4“·5…型第1覆蓋層4上形成0.01至0_05//m 左右的厚度，p型第2覆蓋層6係利用A1— (〇.3 ‘ X 3 $ 0 · 7、例如：Y q = n c丄、Λ .5)形成0.5至3//m左右的厚度， 在其上方又以〇·〇1至〇 〇5^左右的厚度設置由p型 構成的空隙層[空隙層7以及ρ型第2覆 316624 17 1360273 蓋層6的兩側係經由姓刻而形成隆脊部n，在其兩側，例 如由AlzGa】-2As (〇.5SzS〇.8、例如：z=〇 6)所構成之 電流阻隔層13係以可覆蓋隆脊部n之側邊的方式形成。 此外’勤刻擔止層5並未限定為Im49GU，亦可使 用例如In〇.49(Ga〇.8A1〇 2)〇 5,p等材料，空隙層7係在之後的 步驟中，接觸層成長時，用以在半導體層叠部9表面形成 氧化膜等’以防止污染’因此該空隙層可以是—等豆他 籲半導體層，此外，只要可防止表面的汗染亦可省略該空隙 層。此外，用以形成隆脊部"之钱刻，係藉由例如⑽ 法（chenncal vapordep〇siti〇n，化學氣相成長法）等，形 •成由Si〇2或SiN,等所構成之遮罩，再藉由例如乾蝕刻等選 .擇性地蝕刻空隙層7，接著再藉由HC1等蝕刻液，蝕刻p 型之第2覆蓋層6 ’而如圖所示形成帶狀（紙面的垂直方 向）的隆脊部1卜此外’有時會進—步將所露出之银刻播 止層5去除。 田 • 接觸層8係在空隙層7以及電流阻隔層13上，利用例 如P型GaAs層，形成〇· 〇5至1〇 # m左右的厚度。此外， 分別在該接觸層8的表面形成由Tl/Au等構成的p側電極 15，且在半導體基板丨的背面，在經過研磨變薄後，係形 成由Au/Ge/Ni或Ti/Ay等所構成之n側電極16。在該電 極形成作業之後藉由劈開等，使晶圓晶片化。 ％ 前述例中，係說明AlGaAs系化合物半導體的例子，但 以InGaAlP系化合物構成時，可使用Ine 4g(Gai uAlu)。5屮 (〇.45SuS〇.8、例如：u=0.7)做為前述n型以及口型 316624 18 丄 JUVJZ/：) 二 m層係可藉由 In<K49(Ga,-vlAlvl)D5iP(°^vl =u. z 5、例如：v 1 = 〇、 π 7 y ; /1η〇•^(Ga1-v2Alv2)〇.5.P ( 0. ν2^ 0.7、例如：ν2==() 4) 2 ^ ·;之夕重ι子井（MQW)構造等形成， ^ , 曰’、a由使用GaAs或ΙηΑΙΡ而形成，或利 用與則4例相同之方式構成。 ^外’則：4例中係說明隆脊構造之半導體雷射的例 曰然，在覆蓋層之間層疊電流阻隔層，再藉由蝕刻去 =做為電流注人領域之帶溝的SAS構造等其他構造之半導 體雷射亦同。 .彳據本&明，如則所述，其設置目的除了使配設於帶 -狀啦光領域之前端部（射出側）端面的電介質膜形成預定 •之f射率外，亦形成一定以上的厚度，俾可充分進行散熱 並提问COD位準，此外更設置射出端面側的電介質膜，俾 以即使面對因動作而產生變化之振盈波長的偏移，亦可抑 制其輸出變化。結果，可獲得一種使用壽命長，且具有穩 _定之輸出特性的半導體雷射。 心 本發明除了可使用於CD、DVD、DVD-ROM、可寫入資料 之CD-R/RW等光拾訊器用光源外，亦可使用在個人電腦等 電子機器。 【圖式簡單說明】 第1A以及第1B圖係顯示本發明之半導體雷射之—每 Ά 施形態之斜視以及剖面說明圖； 膜之厚度之端 第2圖係顯示波長一定時相對於電介質 面反射率的變化圖； -”6624 19 第3圖係顯示電介質 面反射率的變化圖； 、之厚度一定時相對於波長之端 第4圖係顯示相對於+ 化圓； '电^丨貝膜之厚度之〇)D特性的變 第5圖係將習知半導 主要元件符纽明】aw於副安裝部時的圖
3 5 13 半導體基板 2 活性層 4 P型蝕刻擋止層6 空隙層 8 半導體層疊部 11 η型的電流阻隔層 η型覆蓋層 Ρ型之第1覆蓋層 Ρ型之第2覆蓋層 Ρ型接觸層 隆脊部 15、16電極 π .第1電介質膜 18 第2電介質膜
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Claims (1)

1360273 -、申請專利範圍： .-種半導體雷射，具備有：半導體基板；於該半導體 基板上形成帶狀發光領域’並以進行振盈波長又之雷 射振盪的方式層叠半導體層的半導體層疊部；形成^ 該半導體層疊部之前述帶狀發光領域的一端部，且具 有預定之反射率的第！電介質膜；以及以達成反射率 第1電介質膜之高反射率之方式形成於前述 T狀發先領域之另一端部的第2電介質臈；前述第！ 電介質膜係由氧化銘膜所形成，而該氧化銘膜的厚产 係設定成：在前述振盡波長又下，在反射率變化相ς 於乳化紹膜厚度的曲線中形成前述預定之反射率，且 變化的曲線斜率為正值的厚度，同時為以光 予距離表示時為0.6 λ以上的厚度。 2. Γ雷申^專利範圍第1項之半導體雷射’其令，前述第 電質膜的厚度以光學距離表示時為G.6 Λ以上、 1.5 Λ以下。 •'如電申:質=圍Γ項之半導體雷射，其中，前述第 丨質臈的厚度以光學距離表示時為07又以上。 5 Γ電項之半導體雷射，其前述第 丨質臈的厚度以光學距離表示時為08λ以上。 2雷Λ專利範圍第1項之半導體雷射，其卜前述第 =質膜係由非晶石夕膜與氧化銘膜分別以以光學： 不時為Λ/4的厚度交替形成。 導體層I:::第1項之半導體雷射’其—，前述半 且#係由A1GaAs系化合物半導體或ΐη(^Αΐρ 316624修正版 21 1360273 . 第94105185號專利申請案 * . 100年8月25日修正替換頁 系化合物半導體所形成。 7·如申明專利範圍第1項之半導體雷射，其中，前述半 導體層疊部之帶狀發光領域係形成隆脊（ridge)構造。 8. —種半導體雷射，具備有：半導體基板·於該半導體 基板上形成帶狀發光領域，並以進行振盪波長λ之雷 射振盪之方式層疊半導體層的半導體層疊部；形成於 該半導體層疊部之前述帶狀發光領域的一端部，且具 有預疋之反射率的第1電介質臈；以及以達成反射率 • 大於前述第1電介質膜之高反射率之方式形成於前述 帶狀發光領域之另一端部的第2電介質膜；前述第1 電介質膜係由氧化鋁膜所形成，而該氧化鋁膜的厚度 係設定成：形成前述預定之反射率的厚度，且在前述 反射率嫒化相對於光之波長的曲線中，當振盪波長為 前述λ時斜率為負值的厚度，同時以光學距離表示時 為0.6 λ以上的厚度。 9. 如申請專利範圍第8項之半導體雷射，其中，以在前 _ 述反射率之曲線中，反射率Rf對於光之波長入的變 化率dRf/(U為一l$(dRf/(U)<0的厚度來設置前述 第1電介質膜。 10. 如申請專利範圍第8項之半導體雷射，其中，前述第 1電介質膜的厚度係設定為以光學距離表示時為〇.6 λ以上、1.5 λ以下的厚度。 11. 如申請、專利範圍第8項之半導體雷射，其中，前述第 1電介質膜的厚度係設定為以光學距離表示時為〇7 λ以上的厚度。 316624修正版 22 1360273 弟糾川5丨85號專利申請案 100年8月25曰修正替換頁 ，丁 w β W 口 甘 .如申請專利範圍第8項之半導體雷射，其中，前述第 1電介質膜的厚度係設定為以光學距離表示時為〇 8 又以上的厚度。 13.如^奢專利範圍第8項之半導體雷射，其中，前述第 2電二質膜係由非晶石夕臈與氧化紹膜分別卩以光學距 離表示時為λ/4的厚度交替形成。 14.如申請專圍第8項之半導體雷射，
導=部係由A1GaAs系化合物半導體或 系化合物半導體所形成。 範圍第8項之半導體雷射，其中，前述半 導體層^:部之帶狀發光領域係形成隆脊構造。
316624修正版 23
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