专利名称：半导体激光器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在光射出面上设置了介质反射膜的半导体激光器装置。
背景技术：
在半导体激光器中，通常，在通过分离晶片(wafer)所获得的谐振器的端面上形成介质膜。通过任意选择形成于该端面的该介质的种类、膜厚、层数，从而能够形成获得了期望的反射率的反射率控制膜。譬如，可通过降低射出激光的前端面的反射率并提高后端面的反射率来获得较高的输出功率。
但是，仅仅依靠降低前端面的反射率值并不是优选方式，而是需要根据使用半导体激光器的用途，即根据所要求的特性来选择其反射率。
例如，在高输出功率的半导体激光器中，其光射出前端面的反射率大约为3％～15％。若想获得7％的反射率，则反射率的可控性需在6％±1％范围内。通常，在半导体激光器中，射出激光的前端面的反射率受由Al2O3或SiO2等构成的单层介质膜的厚度和折射率控制。
附图23是表示现有的半导体激光器装置的一例的结构图。激光器芯片(laser chip)由GaAs等半导体衬底1、活性层2、形成于活性层2的上方及下方的覆盖(clad)层3、以及形成于覆盖层3的上方及下方的电极4构成。
半导体激光器装置由上述激光器芯片、形成在激光器前端面的低反射膜8、形成于激光器后端面的高反射膜9等构成。
使用在激光器前端面的低反射膜8通常采用单层膜，其中，设真空中的激光器振荡波长为λ，则该单层膜具有λ/4的整数倍±α的光学膜厚。这里，α为用于对期望的反射率进行控制的修正系数。
在半导体激光器的前端面，激光密度较高，温度较易于上升。因此，低反射膜8一般由膜厚为3λ/4±α的氧化铝(aluminum oxide)膜形成以便起到热扩散片(heat spreader)的作用。
附图24是表示现有反射膜的反射率的波长依赖性的个例的图(graph)。附图25是表示现有反射膜的反射率的膜厚依赖性的个例的图。此处，将膜厚为318.9nm(α＝±17nm)的氧化铝膜(折射率＝1.638)作为低反射膜8设置在振荡波长＝660nm的红色半导体激光器的前端面。而且，激光器芯片的等效折射率为3.817。
从附图25可知，当将低反射膜8的反射率控制在6％±1％范围内时，必须相对于膜厚设计值da＝318.9nm以±1％的精度，即大约3nm的精度对低反射膜8的膜厚进行控制。象这样的膜厚精度，如果凭借常规的用于形成光学薄膜的蒸镀或溅射(spatter)法很难完成，因此将导致半导体激光器的制造成品率很低。
关于相关的现有技术，譬如，特开2001-77456号公报、专利第3080312号公报。
若想在反射率6±1％范围内实现半导体激光器的低反射膜8，必须将上述氧化铝单层膜的膜厚偏差控制在±1％以内，造成反射率可控性降低，成品率下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种即使构成形成于激光器端面的反射膜之介质膜的膜厚或折射率发生改变也能够稳定地控制反射率，并很容易地实现与用途相适应的所期望的反射率的半导体激光器装置。
本发明所涉及的半导体激光器装置，其特征在于，在激光器芯片的光射出面的至少一侧具有由多层介质膜构成的反射膜，反射膜从与激光器芯片相接触的一侧开始，依次包括折射率为n1的第1介质膜、折射率为n2的第2介质膜、折射率为n3的第3介质膜、折射率为n4的第4介质膜，各折射率之间满足n2＝n4＜n1＜n3的关系或满足n2＝n4＜n3＜n1的关系。
借助于该结构，多层介质膜的反射率的波长依赖性和膜厚依赖性变小，很容易地实现与用途相适应的期望反射率。另外，由上述原因，可提高半导体激光器的制造成品率。
图1是表示本发明的第1实施方式的结构图。
图2是关于低反射膜10的反射率表示波长依赖性的图。
图3是关于低反射膜10的反射率表示第1介质膜11的膜厚依赖性的图。
图4是关于低反射膜10的反射率表示第2介质膜12的膜厚依赖性的图。
图5是关于低反射膜10的反射率表示第3介质膜13的膜厚依赖性的图。
图6是关于低反射膜10的反射率表示第4介质膜14的膜厚依赖性的图。
图7是关于低反射膜10的反射率表示波长依赖性的图。
图8是关于低反射膜10的反射率表示第1介质膜11的膜厚依赖性的图。
图9是关于低反射膜10的反射率表示第2介质膜12的膜厚依赖性的图。
图10是关于低反射膜10的反射率表示第3介质膜13的膜厚依赖性的图。
图11是关于低反射膜10的反射率表示第4介质膜14的膜厚依赖性的图。
图12是对在2种波长处表示约6％的反射率的多层介质膜的波长依赖性进行表示的图。
图13是关于低反射膜10的反射率表示波长依赖性的图。
图14是关于低反射膜10的反射率表示第1介质膜11的膜厚依赖性的图。
图15是关于低反射膜10的反射率表示第2介质膜12的膜厚依赖性的图。
图16是关于低反射膜10的反射率表示第3介质膜13的膜厚依赖性的图。
图17是关于低反射膜10的反射率表示第4介质膜14的膜厚依赖性的图。
图18是关于抗反射膜的反射率表示波长依赖性的图。
图19是关于抗反射膜的反射率表示介质膜Q5的膜厚依赖性的图。
图20是关于抗反射膜的反射率表示介质膜Q6的膜厚依赖性的图。
图21是关于抗反射膜的反射率表示介质膜Q7的膜厚依赖性的图。
图22是关于抗反射膜的反射率表示介质膜Q8的膜厚依赖性的图。
图23是表示现有的半导体激光器装置之一例的结构图。
图24是关于现有的低反射膜表示反射率的波长依赖性之一例的图。
图25是关于现有的低反射膜表示反射率的膜厚依赖性之一例的图。
具体实施例方式
本申请将2003年3月27日在日本申请的专利申请2003-88905号作为优先权基础，本公开内容借助于该参考内容撰写到本申请中。
以下，参照附图来对实施方式进行说明。
实施方式1附图1是表示本发明的第1实施方式的结构图，表示沿光轴的垂直截面。激光器芯片由GaAs等半导体衬底1、活性层2、形成在活性层2的上方及下方的覆盖(clad)层3、以及形成于覆盖层3的上方及下方的电极4等构成。
半导体激光器装置由上述激光器芯片、形成于激光器前端面的低反射膜10、和形成于激光器后端面的高反射膜9等构成。
低反射膜10从与激光器芯片相接触的一侧开始依次由折射率为n1及膜厚为d1的介质膜11、折射率为n2及膜厚为d2的介质膜12、折射率为n3及膜厚为d3的介质膜13、折射率为n4及膜厚为d4的介质膜14形成。
在本实施方式中，选择材料使介质膜12的折射率n2和介质膜14的折射率n4相等，并且，选择材料使介质膜11的折射率n1比折射率n2(＝n4)大，再有，选择材料使介质膜13的折射率n3比折射率n1大。即，各介质膜11～14的折射率n1～n4满足n2＝n4＜n1＜n3。
以低反射膜10的具体结构为例，当使用振荡波长λ＝660nm的红色半导体激光器(等效折射率3.817)作为激光器芯片时，在介质膜11上使用折射率n1＝1.638的氧化铝Al2O3、在介质膜12及介质膜14上使用折射率n2＝n4＝1.489的氧化硅SiO2、在介质膜13上使用折射率n3＝2.063的氧化钽Ta2O5。
而且，各介质膜11～14的膜厚d1～d4换算为光程并设定为振荡波长的1/4，即λ/4，具体地，分别设定如下介质膜11的膜厚d1＝100.7nm，介质膜12的膜厚d2＝110.8nm，介质膜13的膜厚d3＝80.0nm，介质膜14的膜厚d4＝110.8nm(＝d2)。
根据这种结构，低反射膜10在振荡波长λ＝660nm可获得6％的反射率。
附图2是关于低反射膜10的反射率表示波长依赖性的图。从该附图可知，在中心波长＝660nm处表示6％的反射率，与附图24的图相比，相对于振荡波长的变化反射率变化非常小，即便激光器振荡波长发生变化，低反射膜10依然表现出稳定的反射率。
附图3是关于低反射膜10的反射率表示第1介质膜11的膜厚依赖性的图。
附图4是关于低反射膜10的反射率表示第2介质膜12的膜厚依赖性的图。附图5是关于低反射膜10的反射率表示第3介质膜13的膜厚依赖性的图。附图6是关于低反射膜10的反射率表示第4介质膜14的膜厚依赖性的图。
从这些图可知，在膜厚设计值da处表示6％的反射率，与附图25的图相比，相对于各介质膜的膜厚变化反射率变化非常小，即便膜厚d1～d4相对于膜厚设计值da在±10％的范围内变动，低反射膜10的反射率几乎不发生改变，并能够将反射率变化控制在最大为0.3％。
其次，获得在振荡波长λ＝660nm处表示7％的反射率的低反射膜10的情形同上述一样，在介质膜11上使用折射率n1＝1.638的氧化铝Al2O3、在介质膜12及介质膜14上使用折射率n2＝n4＝1.489的氧化硅SiO2、在介质膜13上使用折射率n3＝2.063的氧化钽Ta2O5，并且各介质膜的膜厚分别设定如下膜厚d1＝100.7nm，膜厚d2＝d4＝100.0nm，膜厚d3＝100.0nm。
附图7是关于低反射膜10的反射率表示波长依赖性的图。从该图可知，在中心波长λ＝660nm处表示7％的反射率，与附图24的图相比，相对于振荡波长的变化反射率变化较小，即便激光器振荡波长发生变化，低反射膜10依然表现出稳定的反射率。
附图8是关于低反射膜10的反射率表示第1介质膜11的膜厚依赖性的图。附图9是关于低反射膜10的反射率表示第2介质膜12的膜厚依赖性的图。附图10是关于低反射膜10的反射率表示第3介质膜13的膜厚依赖性的图。附图11是关于低反射膜10的反射率表示第4介质膜14的膜厚依赖性的图。
从这些图可知，膜厚设计值da处表示7％的反射率，与附图25的图相比，相对于各介质膜的膜厚变化反射率变化非常小，即便膜厚d1～d4相对于膜厚设计值da在±10％的范围内变动，低反射膜10的反射率几乎不发生改变，并能够将反射率变化控制在最大为0.8％。
这样，各介质膜11～14的折射率n1～n4由于满足n2＝n4＜n1＜n3，因而多层介质膜的反射率的波长依赖性和膜厚依赖性减小，并能够提高半导体激光器的制造成品率。
另外，通过进行如下实际设定，可以将多层介质膜调整为3％～15％的范围内的期望反射率。即，设定折射率n1在1.6～1.9的范围内、折射率n2在1.3～1.6的范围内、折射率n3在1.9～2.3的范围内、折射率n4在1.3～1.6的范围内，膜厚d1为(2·h+1)λ/(4·n1)、膜厚d2为(2·i+1)λ/(4·n2)、膜厚d3为(2·j+1)λ/(4·n3)、膜厚d4为(2·k+1)λ/(4·n4)(h，i，j，k为大于等于0的整数)。
此外，各折射率为了满n2＝n4＜n1＜n3的关系，介质膜11最好由Al2O3、CeF3、NdF3、MgO、Y2O3中的任意一种形成，介质膜12和介质膜14最好由SiO2、MgF2、BaF2、CaF2中任意一者形成，介质膜13最好由Ta2O5、SiO、ZrO2、ZnO、TiO、TiO2、ZnS、Nb2O5、HfO2、AlN中任意一者形成，通过使用这些材料，很容易实现具有所期望的反射率的多层介质膜。
再有，介质膜11～14的折射率n1～n4满足关系n2＝n4＜n1＜n3的同时，通过将膜厚d1～d4根据光程换算在±30％的范围内进行个别调整，从而在期望的波长处实现3～15％范围内的期望反射率。因此，可以很容易根据用途进行规格变更，并且通过考虑波长依赖性或膜厚依赖性，从而能够改善半导体激光器装置的制造成品率。
在以上的说明中，对具有单一振荡波长的激光发光的半导体激光器装置进行了详细描述，但在单一的激光器芯片中具有放射出彼此不同的振荡波长的多个发光点，即所谓的多光束(multi beam)激光器也可以采用与上述相同的低反射膜10。
例如，与DVD(数字化视频光盘)和CD(高密度光盘)两者的规格都能够相适应的激光器芯片放射出波长为660nm的光束和波长为780nm的光束。此时，需采用在2种波长处具有所期望的反射率的多层介质膜。
因此，各介质膜11～14的各折射率满足关系的n2＝n4＜n1＜n3的同时，根据光程换算在作为中心膜厚的1/4波长的±30％的范围内通过调整膜厚d1～d4，从而在每种期望的波长处都能实现所期望的反射率，例如，附图12所示，在波长为660nm和波长为780nm2种波长处能够实现约6％的反射率。
此外，当将多个上述半导体激光器装置配置于单一的部件内，各激光器芯片放射出彼此不同的振荡波长，同时采用相同的材料和相同的膜厚形成设置在各激光器芯片的光射出面上的多层介质膜时也同多光束激光器的情形一样，根据光程换算在作为中心膜厚的1/4波长的±30％的范围内通过调整膜厚d1～d4，从而在每种期望的波长处都能实现所期望的反射率。
实施方式2在本实施方式中，半导体激光器装置的结构与附图1的内容相同，但低反射膜10从与激光器芯片相接触的一侧开始依次由折射率为n1及膜厚为d1的介质膜11、折射率为n2及膜厚为d2的介质膜12、折射率为n3及膜厚为d3的介质膜13、折射率为n4及膜厚为d4的介质膜14形成，并且选择材料使折射率n1～n4满足n2＝n4＜n3＜n1的关系。
以低反射膜10的具体结构为例，当使用振荡波长λ＝660nm的红色半导体激光器(等效折射率3.817)作为激光器芯片时，在与激光器芯片相接触的介质膜11上使用折射率n1＝2.063的氧化钽Ta2O5、在介质膜12及介质膜14上使用折射率n2＝n4＝1.489的氧化硅SiO2、在介质膜13上使用折射率n3＝1.638的氧化铝Al2O3。
而且，各介质膜11～14的膜厚d1～d4换算为光程并设定为振荡波长的1/4，即λ/4，具体地，分别设定如下介质膜11的膜厚d1＝80.0nm，介质膜12的膜厚d2＝110.8nm，介质膜13的膜厚d3＝100.7nm，介质膜14的膜厚d4＝110.8nm(＝d2)。
根据这种结构，低反射膜10在振荡波长＝660nm处可获得6％的反射率。
附图13是关于低反射膜10的反射率表示波长依赖性的图。从该附图可知，中心波长λ＝660nm处表示6％的反射率，与附图24的图相比，相对于振荡波长的变化反射率变化较小，即便激光器振荡波长发生变化，低反射膜10依然表现出稳定的反射率。
附图14是关于低反射膜10的反射率表示第1介质膜11的膜厚依赖性的图。附图15是关于低反射膜10的反射率表示第2介质膜12的膜厚依赖性的图。附图16是关于低反射膜10的反射率表示第3介质膜13的膜厚依赖性的图。附图17是关于低反射膜10的反射率表示第4介质膜14的膜厚依赖性的图。
从这些图可知，在膜厚设计值da处表示6％的反射率，与附图25的图相比，相对于各介质膜的膜厚变化反射率变化非常小，即便膜厚d1～d4相对于膜厚设计值da在±10％的范围内变动，低反射膜10的反射率几乎不发生改变，并能够将反射率变化控制在最大为0.3％。
象这样，各介质膜11～14的折射率n1～n4通过满足n2＝n4＜n3＜n1的关系，从而减小多层介质膜的反射率的波长依赖性和膜厚依赖性，并能够提高半导体激光器的制造成品率。
另外，通过进行如下实际设定，可以将多层介质膜调整为3％～15％的范围内的期望反射率。即，设定折射率n1在1.9～2.3的范围内、折射率n2在1.3～1.6的范围内、折射率n3在1.6～1.9的范围内，折射率n4在1.3～1.6的范围内，膜厚d1为(2·h+1)λ/(4·n1)、膜厚d2为(2·i+1)λ/(4·n2)、膜厚d3为(2·j+1)λ/(4·n3)、膜厚d4为(2·k+1)λ/(4·n4)(h，i，j，k为大于等于0的整数)。
另外，为了使各折射率满足n2＝n4＜n3＜n1的关系，介质膜11最好由Ta2O5、SiO、ZrO2、ZnO、TiO、TiO2、ZnS、Nb2O5、HfO2、AlN中任意一者形成，介质膜12和14最好由SiO2、MgF2、BaF2、CaF2中任意一者形成，而介质膜13最好由Al2O3、CeF3、NdF3、MgO、Y2O3中任意一者形成，通过采用上述这些材料，可以很容易实现具有期望的反射率的多层介质膜。
另外，介质膜11～14的折射率n1～n4为了满足n2＝n4＜n3＜n1的关系，根据光程换算并在±30％的范围内通过对膜厚d1～d4进行个别调整，从而能够在所期望的波长处实现处于3～15％的范围内的期望反射率。因此，可以很容易地根据用途来进行规格变更，并且通过考虑波长依赖性和膜厚依赖性，能够提高半导体激光器装置的制造成品率。
再有，像DVD、CD两者兼用的光检测装置(pick up)那样，在单一的激光器芯片中具有放射出彼此不同的振荡波长的多个发光点、即所谓多光束激光器也采用同上述相同的低反射膜10。
还有，当将多个上述半导体激光器装置配在单一的部件(package)内，各激光器芯片放射出互不相同的振荡波长的同时，采用相同材料和相同膜厚形成设置在各激光器芯片的光射出面上的多层介质膜时，也同多光束激光器的情形一样，在每种期望的波长处都能实现期望的反射率。
实施方式3在本实施方式中，半导体激光器的结构同附图1一样，除了上述4层结构的低反射膜10之外，通过在发光点以外的区域部分地形成由第5介质膜与第6介质膜组合而成的多层介质膜，从而形成反射率比发光点所在区域小的低反射膜。
在光盘(disc)用半导体激光器中，由于采用所谓3光束法用于光盘的跟踪(tracking)，因而，来自光盘的返回光往往会照射在半导体激光器芯片的发光点以外的区域。当在芯片端面形成同样的反射膜时，发光点以外的反射率与发光点相同，所以来自光盘的返回光进一步在芯片端面发生反射，并再次返回到光盘，因而可能会对光检测装置的跟踪造成不良影响。为了抑制这样的不良影响，半导体激光器芯片的发光点以外的区域最好尽可能地采用低反射涂层(coating)。
所以，在激光器芯片的光射出面中，除上述4层结构的低反射膜外，通过在发光点以外的区域部分地形成由第5介质膜与第6介质膜组合而成的多层介质膜，从而很容易地获得反射率比发光点区域的反射率小的低反射膜。
例如，从与4层结构的低反射膜10相接触一侧开始，依次形成折射率为n5及膜厚为d5的介质膜Q5、折射率为n6及膜厚为d6的介质膜Q6、折射率为n7(＝n5)及膜厚为d7(＝d5)的介质膜Q7、折射率为n8(＝n6)及膜厚为d8(＝d6)的介质膜Q8的2对层叠膜时，将膜厚d5～d8换算为光程并实际设定为1/4振荡波长的整数倍，由此可部分地降低反射率。
介质膜Q5最好由Al2O3、CeF3、NdF3、MgO、Y2O3中任意一者形成，而介质膜Q6最好由SiO2、MgF2、BaF2、CaF2中任意一者形成。
譬如，介质膜Q5由折射率n5＝1.640且膜厚d5＝100.6nm的材料形成，介质膜Q6由折射率n6＝1.450且膜厚d6＝113.8nm的材料形成，介质膜Q7由折射率n7＝1.640且膜厚d7＝100.6nm的材料形成，介质膜Q8由折射率n8＝1.450且膜厚d8＝113.8nm的材料形成，当在发光点以外的区域追加形成2对层叠膜时，如附图18所示，可实现波长为660nm处表示反射率约为0％的抗反射膜。
附图19是表示关于上述抗反射膜的反射率的介质膜Q5的膜厚依赖性的图。附图20是表示关于上述抗反射膜的反射率的介质膜Q6的膜厚依赖性的图。附图21是表示关于上述抗反射膜的反射率的介质膜Q7的膜厚依赖性的图。附图22是表示关于上述抗反射膜的反射率的介质膜Q8的膜厚依赖性的图。
从这些图可知，在膜厚设计值da处表示0％的反射率，相对于各介质膜的膜厚变化反射率变化非常小，即便膜厚d5～d8相对于膜厚设计值da在±10％的范围内变动，低反射膜10的反射率几乎不发生改变，并能够将反射率变化控制在最大为0.5％。
另外，在上述各实施方式中，说明了将多层介质膜设置在激光器芯片的光射出面一侧的例子，但亦可将本发明所涉及的多层介质膜设置在激光器芯片的谐振器端面的两侧。
将
具体实施例方式
与附图相结合对本发明进行了说明，但各种变化或变更对本领域技术人员是显而易见的。这些变化或变更只要不超出后附的权利要求所定义的范围，就应该理解为在本发明的范围内。
权利要求
1.一种半导体激光器装置，在激光器芯片的两个端面上分别具有高反射膜和低反射膜，其特征在于，该低反射膜由多层介质膜构成，并且从与激光器芯片接触的一侧开始，依次包括折射率为n1的第1介质膜、折射率为n2的第2介质膜、折射率为n3的第3介质膜、折射率为n4的第4介质膜，各折射率满足n2＝n4＜n3＜n1的关系。
2.如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，将第1～第4介质膜的各膜厚换算成光程而设定在相对于1/4振荡波长的厚度±30％的范围内。
3.一种半导体激光器装置，在激光器芯片的两个端面上分别具有高反射膜和低反射膜，并放射出振荡波长为λ的光，其特征在于，该低反射膜由多层介质膜构成，并且具有3～15％的反射率，并从与激光器芯片接触的一侧开始依次包括折射率为n1及膜厚为d1的第1介质膜、折射率为n2及膜厚为d2的第2介质膜、折射率为n3及膜厚为d3的第3介质膜、折射率为n4及膜厚为d4的第4介质膜，并在折射率为1.9＜n1≤2.3的范围、折射率为1.3＜n2≤1.6的范围、折射率为1.6＜n3≤1.9的范围、折射率为1.3＜n4≤1.6的范围、分别对其膜厚实际设定为膜厚d1为(2·h+1)λ/(4·n1)、膜厚d2为(2·i+1)λ/(4·n2)、膜厚d3为(2·j+1)λ/(4·n3)、膜厚d4为(2·k+1)λ/(4·n4)，其中h，i，j，k为大于等于0的整数。
4.如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，第1介质膜由Ta2O5、SiO、ZrO2、ZnO、TiO、TiO2、ZnS、Nb2O5、HfO2、AlN中的任意一者形成，第2介质膜及第4介质膜由SiO2、MgF2、BaF2、CaF2中的任意一者形成，第3介质膜由Al2O3、CeF3、NdF3、MgO、Y2O3中的任意一者形成。
5.如权利要求3所述的半导体激光器装置，其特征在于，第1介质膜由Ta2O5、SiO、ZrO2、ZnO、TiO、TiO2、ZnS、Nb2O5、HfO2、AlN中的任意一者形成，第2介质膜及第4介质膜由SiO2、MgF2、BaF2、CaF2中的任意一者形成，第3介质膜由Al2O3、CeF3、NdF3、MgO、Y2O3中的任意一者形成。
6.如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，在激光器芯片的具有低反射膜的光射出面上，在发光点以外的区域追加形成由第5介质膜与第6介质膜组合而成的多层介质膜，并且发光点以外区域的反射率比发光点所在区域的反射率小。
7.如权利要求6所述的半导体激光器装置，其特征在于，将第5介质膜与第6介质膜的各膜厚换算成光程而设定在1/4振荡波长的整数倍的厚度内。
全文摘要
低反射膜从与激光器芯片接触的一侧开始依次由折射率为n1及膜厚为d1的第1介质膜、折射率为n2及膜厚为d2的第2介质膜、折射率为n3及膜厚为d3的第3介质膜、折射率为n4及膜厚为d4的第4介质膜形成，具体地，第1介质膜上使用折射率n1＝1.638的氧化铝Al
文档编号H01S5/10GK1819378SQ200610055079
公开日2006年8月16日 申请日期2004年3月26日 优先权日2003年3月27日
发明者松冈裕益, 国次恭宏, 西口晴美, 八木哲哉, 中川康幸, 堀江淳一 申请人:三菱电机株式会社