TWI810873B - 具有高導熱低反射前鏡面之邊射型半導體雷射 - Google Patents
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Abstract
本發明有關一種具有高導熱低反射前鏡面之邊射型半導體雷射，包括有：一邊射型半導體雷射晶粒，側邊具有一後鏡面與一前鏡面，該邊射型半導體雷射晶粒產生的電磁輻射介於635nm至1550nm的波長範圍中；一後鏡面鍍膜，成型於該後鏡面；以及一前鏡面鍍膜，成型於該前鏡面，而由內而外依序成型一鈍化層、一親合層、一高導熱層及一保護層。藉此，用以提供一種具有高導熱低反射前鏡面之邊射型半導體雷射，而令前鏡面鍍膜選用高導熱絕緣材料結合形成多層鍍膜結構，致使前鏡面鍍膜具有高導熱且低反射之功效。
Description
本發明有關一種具有高導熱低反射前鏡面之邊射型半導體雷射，尤指一種令前鏡面鍍膜選用高導熱絕緣材料結合形成多層鍍膜結構，致使前鏡面鍍膜具有高導熱且低反射之設計者。
按，半導體雷射元件操作中發生不可逆的死亡現象時，我們稱作災難性的光學損壞(Catastrophic optical damage)，通常半導體雷射元件的死亡原因是因為缺陷延伸到發光層中，使得光子無法在共振腔中形成有效共振；缺陷的來源可分類為兩種，一種是磊晶過程中的缺陷，最終它會形成Catastrophic optical bulk damage(COBD)，另一種是缺陷來源存在於鏡面，最終形成Catastrophic optical mirror damage(COMD)；其中，邊射型半導體雷射使用鏡面鍍膜技術來避免光學鏡面損壞的方法，它可以從整個晶粒製作流程中被獨立出來，可選擇是否要執行，而不用考慮前後製程的變化。
次按，邊射型半導體雷射在製作鏡面鍍膜時，通常會將前鏡面鍍低反射率的膜，後鏡面鍍上高反射率的膜，讓大部分的雷射光都從前鏡面出光，以利後端的應用；再者，若為了增加前鏡面出光效率而需要極低反射率的話，因單層前鏡面反射膜的效果有限，而可透過多層前鏡面反射膜來達到極低反射率的目標；但前出光效率增加也代表著出射端會非常熱，通常約會產生40%以上的廢熱，廢熱會使得雷射元件溫度升高，插電效率(wall- plug efficiency)降低，也會使波長飄移，影響整個雷射元件的表現能力；以前出光面最熱的區域來說，最高溫度可達120~150度，若不能有效的將熱源移走，將會影響雷射元件的特性和壽命，最嚴重會造成整個鍍膜結構崩潰。
再按，邊射型半導體雷射的鏡面鍍膜技術中，Al
2O
3是一個最常用作鏡面鍍膜的材料，理由是它和GaAs基材的親合性相當高，耐熱性也強，很適合作為雷射鏡面出射面的材料；但在鍍膜的過程中，解離後的氧元素很容易吸附在剛劈裂完的鏡面上(有許多的懸浮鍵(dangling bond))，氧元素吸附上會形成缺陷，造成熱阻較高；致使雷射元件在長時間操作時，熱會持續累積在這些熱阻高的缺陷上，使得溫度會升高；溫度升高後又使得缺陷擴大，再一次讓溫度提升，反覆作用形成惡性循環，最終將鏡面材料融化，造成COMD；於是，US6826218揭示在出射面加鍍一層純度很高(＞99%)的矽膜(silicon)，由於該矽膜在蒸鍍過程中不會有氧元素的存在，劈裂面懸浮鍵都與矽形成了鍵結，此矽膜相當於一層鈍化層，往後再鍍Al
2O
3時，氧元素便被矽膜阻擋住無法形成缺陷，也可避免鏡面再被電漿轟擊形成更多的缺陷，但矽膜會吸收波長800nm以下的光。
本發明之主要目的，欲提供一種具有高導熱低反射前鏡面之邊射型半導體雷射，而令前鏡面鍍膜選用高導熱絕緣材料結合形成多層鍍膜結構，致使前鏡面鍍膜具有高導熱且低反射之功效。
本發明之再一目的，乃具有鍍膜的製作過程皆使用鋁靶材而可在同一腔體中連續完成之功效。
為達上述功效，本發明之技術特徵，包括有：一邊射型半導體雷射晶粒，側邊具有一後鏡面與一前鏡面，該邊射型半導體雷射晶粒產生的電磁輻射介於635nm至1550nm的波長範圍中；一後鏡面鍍膜，成型於該後鏡面；以及一前鏡面鍍膜，成型於該前鏡面，而由內而外依序成型一鈍化層、一親合層、一高導熱層及一保護層。
此外，該鈍化層選用的材料為鋁(Al)，該親合層選用的材料為氧化鋁(Al
2O
3)，該高導熱層選用的材料為氮化鋁(AlN)，該保護層選用的材料為氧化鋁(Al
2O
3)；其中，該親合層、該高導熱層與該保護層結合形成的高導熱多層膜的反射率＜0.5％。
再者，該鈍化層的材料厚度範圍為1.5〜4nm，該親合層的材料厚度範圍為26〜72nm，該高導熱層的材料厚度範圍為28〜78nm，該保護層的材料厚度範圍為26〜72nm；其中，該鈍化層較佳的材料厚度為3nm，該親合層較佳的材料厚度為44nm，該高導熱層較佳的材料厚度為47.6nm，該保護層較佳的材料厚度為44nm。
又，該前鏡面鍍膜使用電子迴旋共振-化學氣相沈積(ECR-CVD)機台來製作。
首先，請參閱圖1所示，本發明包括有：一邊射型半導體雷射晶粒10，側邊具有一後鏡面11與一前鏡面12，該邊射型半導體雷射晶粒10產生的電磁輻射介於635nm至1550nm的波長範圍中；一後鏡面鍍膜20，成型於該後鏡面11；以及一前鏡面鍍膜30，成型於該前鏡面12，而由內而外依序成型一鈍化層31、一親合層32、一高導熱層33及一保護層34；該鈍化層31選用的材料為鋁(Al)，該親合層32選用的材料為氧化鋁(Al
2O
3)，該高導熱層33選用的材料為氮化鋁(AlN)，該保護層34選用的材料為氧化鋁(Al
2O
3)，而該親合層32、該高導熱層33與該保護層34結合形成的高導熱多層膜的反射率＜0.5％。
再者，該鈍化層31的材料厚度範圍為1.5〜4nm(較佳為3nm)，該(氧化鋁)親合層32的材料厚度範圍為26〜72nm(較佳為44nm)，該(氮化鋁)高導熱層33的材料厚度範圍為28〜78nm(較佳為47.6nm)，該(氧化鋁)保護層34的材料厚度範圍為26〜72nm(較佳為44nm)；其中，該(氧化鋁)親合層32與該(氧化鋁)保護層34的厚度(d1)與波長(λ)的關係為：d1＝(0.3±0.01)*λ/4/n1，n1為氧化鋁折射率；該(氮化鋁)高導熱層33的厚度(d2)與波長(λ)的關係為：d2＝(0.4±0.01)*λ/4/n2，n2為氮化鋁折射率。
基於如是之構成，由於邊射型半導體雷射在操作的時候，鏡面鍍膜最主要面對的是鏡面懸浮鍵和高溫散熱的問題；因此，本發明提出一個四層結構的前鏡面鍍膜30，第一層為鈍化層31，材料為鋁，先讓邊射型半導體雷射晶粒10的劈裂面懸浮鍵都與鋁形成了鍵結；第二層為親合層32，材料為Al
2O
3，其跟GaAs基材的親合性高且膨脹係數也相當，第三層為高導熱層33，材料為AlN，但由於AlN本身易受水汽潮解，因此還會再搭配第四層的保護層34，材料為Al
2O
3；依此設計，前鏡面鍍膜30選用高導熱絕緣材料結合形成多層鍍膜結構，致使前鏡面鍍膜具有高導熱且低反射之功效；然而，前鏡面鍍膜30可使用電子迴旋共振-化學氣相沈積(ECR-CVD)機台來製作，因鍍膜的製作過程皆使用鋁靶材而可在同一腔體中連續完成之功效；另外，親合層32、高導熱層33與保護層34可依不同雷射波長產品調整厚度結合形成的高導熱多層膜。
綜上所述，本發明所揭示之技術手段，確具「新穎性」、「進步性」及「可供產業利用」等發明專利要件，祈請 鈞局惠賜專利，以勵發明，無任德感。
惟，上述所揭露之圖式、說明，僅為本發明之較佳實施例，大凡熟悉此項技術人士，依本案精神範疇所作之修飾或等效變化，仍應包括在本案申請專利範圍內。
10:邊射型半導體雷射晶粒
11:後鏡面
12:前鏡面
20:後鏡面鍍膜
30:前鏡面鍍膜
31:鈍化層
32:親合層
33:高導熱層
34:保護層
圖1係本發明之結構示意圖。
10:邊射型半導體雷射晶粒
11:後鏡面
12:前鏡面
20:後鏡面鍍膜
30:前鏡面鍍膜
31:鈍化層
32:親合層
33:高導熱層
34:保護層
Claims (5)
- 一種具有高導熱低反射前鏡面之邊射型半導體雷射，包括有：一邊射型半導體雷射晶粒，側邊具有一後鏡面與一前鏡面，該邊射型半導體雷射晶粒產生的電磁輻射介於635nm至1550nm的波長範圍中；一後鏡面鍍膜，成型於該後鏡面；以及一前鏡面鍍膜，成型於該前鏡面，而由內而外依序成型一鈍化層、一親合層、一高導熱層及一保護層，該鈍化層選用的材料為鋁(Al)，該親合層選用的材料為氧化鋁(Al2O3)，該高導熱層選用的材料為氮化鋁(AlN)，該保護層選用的材料為氧化鋁(Al2O3)。
- 如請求項1所述具有高導熱低反射前鏡面之邊射型半導體雷射，其中，該親合層、該高導熱層與該保護層結合形成的高導熱多層膜的反射率<0.5%。
- 如請求項2所述具有高導熱低反射前鏡面之邊射型半導體雷射，其中，選用的材料為氧化鋁的該親合層與選用的材料為氧化鋁的該保護層的厚度(d1)與波長(λ)的關係為：d1=(0.3±0.01)* λ/4/n1，n1為氧化鋁折射率；選用的材料為氮化鋁的該高導熱層的厚度(d2)與波長(λ)的關係為：d2=(0.4±0.01)* λ/4/n2，n2為氮化鋁折射率；因此，該鈍化層的材料厚度範圍為1.5~4nm，該親合層的材料厚度範圍為26~72nm，該高導熱層的材料厚度範圍為28~78nm，該保護層的材料厚度範圍為26~72nm。
- 如請求項3所述具有高導熱低反射前鏡面之邊射型半導體雷射，其中，該鈍化層較佳的材料厚度為3nm，該親合層較佳的材料厚度為44nm，該高導熱層較佳的材料厚度為47.6nm，該保護層較佳的材料厚度為44nm。
- 如請求項4所述具有高導熱低反射前鏡面之邊射型半導體雷射，其中，該前鏡面鍍膜使用電子迴旋共振-化學氣相沈積(ECR-CVD)機台來製作。
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