专利名称：光半导体激光器装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及具有前端面膜和高反射多层膜的发出双波长的双波长激光器装置。
现在已实用的光盘系统，主要可分为在压缩盘上进行记录和重放的系统以及进行更高密度的数据记录和重放的DVD系统。在压缩盘记录媒体中用谐振波长为780nm波段的半导体激光器，在DVD系统中用谐振波长为650nm波段的半导体激光器。为了在上述半导体激光器中得到高的光输出，在激光器的端面上形成前端面低反射膜和后端面高反射膜，从谐振器的内表面发出的光在前表面一侧高效率地取出。该前端面低反射膜和后端面高反射膜的厚度根据各谐振波长分别计算。
近年来，把CD-R、CD-RW等和DVD等高密度记录媒体拼装在一起的磁光盘装置开始上市。在上述盘装置内部拼装有谐振波长为780nm波段的半导体激光器和谐振波长为650nm波段的半导体激光器时，由于伴随盘装置的小型化而要求光学系统缩小，在一个晶体结构内设有两个有上述谐振波长的谐振器的双波长半导体激光装置成为主流。
但是在双波长半导体激光装置的情况下，前端面低反射膜和后端面高反射膜的厚度不能同时适合各波长λ，在制造过程存在不一致。图32和33示出现有的端面膜形成工艺。如图32所示，在交互形成在同一芯片上的谐振波长650nm的半导体激光器和谐振波长780nm的半导体激光器中，650nm的激光二极管51的前端面部分露出，其它部分和780nm的激光二极管被掩模52覆盖。露出的前端面部分的激光发光部分53是用溅射法形成的单层反射膜54。单层反射率54的厚度是基于650nm的谐振波长算出的。接着，如图33所示，为了在780nm的激光二极管55的前端面的激光发光区56上形成所期望的薄膜，去除掩模52，使前端面发光区56露出。此后在露出部分上形成基于780nm的谐振波长计算的厚度的单层反射膜。
在上述制造工艺中，根据光半导体元件的实际大小和由这些元件组成的光学系统的要求，两半导体激光器的间隔为几百微米左右。因此，去除上述掩模而形成端面膜的制造方法，为了必需的高精度液微细加工，效率很低。在半导体激光器的后端面形成后端面高反射膜时生产效果同样地也很低，而且在移动掩模52时，由于形成多层薄膜的处理使元件表面的粗糙度不一致，很困难。
另外，作为用于遮蔽掩模等的薄膜的形成方式，在专利公报(专利号2862037)中公开的用光CVD方式等的薄膜形成法，存在以下问题。使用光CVD的方法，如图34所示，在光源和被生长薄膜的激光二极管61端面之间设置用于控制薄膜生长速度的光量控制用ND滤光器62。由于与上述不同，谐振波长不同的发光区53、56可以微小的间隔排列，通过上述ND滤光器的光63必须照射到尺寸不同的所期望的发光区53、56上。所以必须进行调整上述ND滤光器62和上述发光区53、56的高度的位置调整。调整量引起借助于光量的薄膜形成的混乱，对生产率大有损害。
另外，在上述两个形成工序中，在光半导体激光器上成膜的过程中，夹具的结构和制膜装置内部的反应槽的装配等很复杂，难以高效率地变通。
本发明正是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种可靠性高、满足所需性能、生产率高、端面反射膜可一次形成的双波长半导体激光装置。
本发明的半导体激光器，其特征在于包括基板；在上述基板上形成的发出第一波长的激光的第一激光器元件部；在上述基板上形成的发出第二波长的激光的第二激光器元件部；在上述第一激光器元件部的前端面和上述第二激光器元件部的前端面上一并形成的同一厚度的前端面膜；以及在上述第一激光器元件部的后端面和上述第二激光器元件部的后端面上一并形成的由同一厚度的多个薄膜构成的后端面膜；上述前端面膜的厚度和上述后端面膜的多个薄膜的厚度是基于上述第一波长和上述第二波长的平均波长λ的光学长度d=(1/4+j)×λ,(j=0、1、2…)。其特征还在于上述前端面膜具有3～37％的反射率，上述后端面膜具有75％以上的反射率。其特征还在于上述前端面膜由折射率n＜1.8的材料构成，上述后端面膜由折射率n＜1.8的材料的薄膜和折射率n＞1.9的材料的薄膜的叠层而构成。其特征还在于上述前端面膜由Al2O3构成，上述后端面膜由Al2O3或SiO2构成的薄膜、和由SiN4或Si构成的薄膜叠层而构成。
本发明的半导体激光器的制造方法，其特征在于包括在基板上形成发出第一波长的激光的第一激光器元件部的工序；在基板上形成发出第二波长的激光的第二激光器元件部的工序；在上述第一激光器元件部的前端面和上述第二激光器元件部的前端面上用ECR溅射法一并形成同一厚度的前端面膜的工序；以及在上述第一激光器元件部的后端面和所述第二激光器元件部的后端面上用ECR溅射法一并形成由同一厚度的多个薄膜构成的后端面膜的工序。
根据本发明可以提供可靠性高、满足所需性能、且生产率高的半导体激光器。还可以提供可一次形成端面膜、制造工序少、成膜装置节省空间的半导体激光器的制造方法。
图1是本发明的双波长半导体激光装置的示意结构图；图2是本发明实施例1的谐振波长650nm的激光二极管的叠层结构示意剖面图；图3是本发明实施例1的谐振波长650nm的激光二极管的能带隙图；图4是本发明实施例1的谐振波长780nm的激光二极管的叠层结构示意剖面图；图5是本发明实施例1的谐振波长780nm的激光二极管的能带隙图；图6是本发明实施例1的双波长半导体激光装置结构的端面膜构造图；图7是本发明实施例1的不同波长的反射率变化图；图8是本发明实施例1的不同波长的反射率变化图；图9是本发明实施例1的不同波长的反射率变化图；图10是本发明实施例1的不同波长的反射率变化图；图11是本发明实施例1的不同波长的反射率变化图；图12是本发明实施例1的不同波长的反射率变化图；图13是本发明实施例2的双波长半导体激光装置结构的端面膜构造图；图14是本发明实施例2的谐振波长780nm的激光二极管的叠层结构地意剖面图；图15是本发明实施例2的谐振波长780nm的激光二极管的能带隙图；图16是本发明实施例2的不同波长的反射率变化图；图17是本发明实施例2的不同波长的反射率变化图；图18是本发明实施例2的不同波长的反射率变化图；图19是本发明实施例2的不同波长的反射率变化图；图20是本发明实施例2的不同波长的反射率变化图；图21是本发明实施例2的不同波长的反射率变化图；图22是本发明实施例2的高反射端面膜的不同波长的反射率变化图；图23是本发明实施例2的高反射端面膜的不同波长的反射率变化图；图24是本发明实施例2的高反射端面膜的不同波长的反射率变化图；图25是本发明实施例3的双波长半导体激光装置结构的端面膜构造图；图26是本发明实施例3的不同波长的反射率变化图；图27是本发明实施例3的不同波长的反射率变化图28是本发明实施例3的不同波长的反射率变化图；图29是本发明实施例3的不同波长的反射率变化图；图30是本发明实施例3的不同波长的反射率变化图；图31是本发明实施例3的不同波长的反射率变化图；图32是现有的端面膜形成工序的示图；图33是现有的端面膜形成工序的示图；图34是现有的端面膜形成工序的示图。
本发明是在一个芯片上具有650nm波段的谐振波长λ1和780nm波段的谐振波长λ2两个谐振波长区的单片结构的双波长半导体激光装置，其中谐振波长λ1的激光二极管用于DVD-ROM，谐振波长λ2的激光二极管用于CD-ROM时，在最大为70度的环境下，上述两个激光二极管可同等地得到10mW的谐振输出。因此，其特征在于两激光二极管的端面膜具有以两谐振波长的平均值λm=(λ1+λ2)/2为设计值算出的膜厚。由于两激光二极管的端面膜具有相等的厚度，两个激光二极管可以一起形成。因此，可以提供无需与各波带的成膜对应的专用夹具设备等、工序简化、生产率高的单片结构的双波长半导体激光器。
下面，结合实施例说明本发明的实施方案。
下面说明本发明实施例1的双波长半导体激光装置。图1是实施例1的双波长半导体激光装置的示意图。在同一基板上形成650nm波段的激光二极管和780nm波段的激光二极管，通过用酸性溶液湿蚀刻或干蚀刻等把650nm波段激光二极管的发光区1和780nm波段激光二极管的发光区2物理地分开。由此双波长半导体激光装置成为容易独立驱动各激光二极管的用于CD或DVD用途、节省空间的最佳激光光源，且因可排除互相之间的发热的影响而能延长寿命，而且因无电泄漏等而能节省电力。
图2示出有激光发光区1的650nm波段激光二极管的叠层结构。在n层GaAs基板3上依次形成n型GaAs阻挡层4、n型InGaAlP第一包层5、InGaAl光导层6、InGaAl/InGaAlP多重量子阱活性层7、InGaA1光导层8、p型InGaAlP第二包层9、InGaP蚀刻停止层10。在InGaP蚀刻停止层10上脊形地形成p型InGaAlP第三包层11，在其两侧有n型GaAs电流阻挡层12，在其上面有p型InGaP助导电层13。在电流阻挡层12和助导电层13上形成p型GaAs导电层14，在导电层14上有p型电极15，在n型GaAs基板3下面有n型电极16。本实施例中光半导体激光器是SBR(选择埋入脊)结构，使脊宽在3～6μm以下，可以生产率高地形成在高输出时维持单一横模式的激光二极管。因此，可以用聚光镜等在光盘上把谐振光聚在很小的光斑上，适合用作光盘用途的高输出激光二极管。
图3所示是650nm波段激光二极管的多重量子阱活性层7附近的A1的含量组分比。横轴是各层，纵轴是A1的组分比。各包层5、9、11的A1组分比为0.7，光导层6、8和活性层7的阻挡层的A1组分比为0.5，活性层7的阱层的A1组分的比是0.15。阱层厚度LW是3～8nm，阻挡层厚度Lb是2～5nm，光导层厚度是10～40μm，张角设计为20～25度。由此，可以得到CW谐振30mW以上的稳定的光输出。
图4示出有激光发光区2的780nm波段激光二极管的叠层结构。在n层GaAs基板3上依次形成n型GaAs阻挡层4、n型InGaAlP第一包层5、InGaAl光导层6、块状结构的GaAlAs活性层17、InGaAl光导层8、p型InGaAlP第二包层9、InGaP蚀刻停止层10。在蚀刻停止层10上脊形地形成p型InGaAlP第三包层11，在其两侧有n型GaAs电流阻挡层12，在其上面有p型InGaP助导电层13。在电流阻挡层12和助导电层13上形成p型GaAs导电层14，在导电层14上有p型电极15，在n型GaAs基板3下面有n型电极16。
图5所示是780nm半导体激光二极管的活性层17附近的A1的组分比。活性层是单层的阱结构，A1组分比为0.1～0.2，层厚0.01μm～1μm。该结构可以缓和带隙的不连续并提高生产率。另外，通过在上述范围内调整A1组分比和活性层厚度，可以得到适合光盘用途的、水平张角为7～10度、垂直张角为20～30度、可靠性高的780nm谐振激光二极管。
如上所述，本实施例中双波长激光器的包层是650nm波段的激光二极管和750nm波段的激光二极管都用InGaAlP，可以同时构图形成各元件的脊，可以使各激光器的光束方向有与脊的掩模图案基本相同的高精度。
图6是作为本发明特征点的端面膜结构。在半导体激光器20的谐振器前端面18上有反射率为20％的前端面膜19，在谐振器后端面21上有反射率为80％的多层膜构成的高反射端面膜22。将这两个端面膜19、22的反射率组合起来可以提高可靠性，且可得到用于DVD-ROM的激光器所需的检测电流。实施例1的特征在于前端面膜19和高反射端面膜22的厚度是基于两激光二极管的谐振波长的平均值算出的。
前端面膜19由折射率n＜1.8，优选为1.7以下的低折射率材料构成。通过使用低折射率材料，可以形成较厚的厚度控制性好的单层膜，且可实现高生产率。作为低折射率材料，优选为Al2O3。Al2O3的线膨胀系数为6.6，与基板材料GaAs的线膨胀系数7.7很接近，所以Al2O3的前端面膜19与以GaAs作为主要构成材料的元件的胀缩一致，密合性也很好。前端面膜19的厚度基于谐振波长λ=780nm的激光二极管和谐振波长λ=650nm的激光二极管的平均谐振波长λm=(λ1+λ2)/2=715nm，由公式光学膜厚d=(1/4+j)×λm,(j=0、1、2、…)算出。通过用平均波长，可以在650nm谐振波长激光二极管和780nm谐振波长激光二极管的两前端面上，形成同一厚度的反射率为20％的前端面膜19。可用ECR(电子谐振)溅射法一并形成前端面膜19。在日本专利特开平9-162496和参考文献(田中清武等，第44届应用物理学协会论文集，31-NG-7,1997年)中提出过ECR溅射法。使用该方法可以简化制造工艺，无需使用现有的庞大复杂的成膜装置。而且由于是一并形成，可以在成膜减少对激光器发光区的破坏，提供可靠性高的半导体激光器。
另一方面，在半导体激光器的谐振器的后端面21上有高反射端面膜22。高反射端面膜22是在谐振器后端面21侧依次层叠由与上述前端面膜19相同的材料构成的第一层膜23、由折射率为2.0以上的高折射率材料构成的第二层膜24、由折射率为1.7以下的低折射率材料构成的第三层膜25、由折射率为2.0以上的高折射率材料构成的第四层膜26、用第三层膜25的低折射率材料构成的第五层膜27而成的。高反射端面膜22的反射率为75～85％，优选为80％。高反射端面膜22的材料优选为Al2O3、SiN2、SiO2、Si，在谐振器后端面依次层叠Al2O3、SiN2、SiO2、Si、SiO2。作为低折射率材料的Al2O3的折射率为1.7，SiO2的折射率为1.5，作为高折射率材料的Si的折射率为4.5、SiN2的折射率为2.0。上述低折射率材料膜和高折射率材料膜厚度基于谐振波长λ=780nm的激光二极管和谐振波长λ=650nm的激光二极管的平均谐振波长λm=(λ1+λ2)/2=715nm，由公式光学膜厚d=(1/4+j)×λm,(j=0、1、2、…)算出。通过用平均波长，可以在650nm谐振波长激光二极管和780nm谐振波长激光二极管的两前端面上，形成同一厚度的高反射端面膜22。使高反射端面膜22的薄膜层数为5层以下可以消除因叠层膜层数增大引起的危害。即，减少高反射端面膜22和半导体层之间、或高反射区22内的薄膜层之间的应力，防止膜的破碎，并可防止元件端面的劣化。另外，通过施加一层有吸光性的作为高折射率材料的Si材料，可使高反射端面膜22具有所期望的反射率80％。基于总体计算后获得80％的反射率调整最外层的第五层膜27的厚度。
本实施例的高反射端面膜22的形成方法与前端面膜19同样地，采用ECR溅射法。用该方法时，薄膜材料Al2O3、SiO2、Si、SiN4使用Al和Si两个靶材，依次切换加入成膜时必需的材料气体O2、N2，可形成所期望材料的膜。与各材料专用靶材成膜的工艺相比，生产率可有飞跃性的提高。
通过将前端面膜19的反射率20％和高反射端面膜22的反射率80％相组合可以提高可靠性，且可获得DVD-ROM用途的激光器所必需的检测电流。另外，即使在前端面膜19和高反射22的厚度多少有些误差的情况下，也不会脱离反射率的期望值。因此，可以提供生产率非常高的端面膜。另外，在前端面膜19和高反射端面膜22的厚度不基于平均波长计算的场合，即用谐振波长λ1=650nm或λ2=780nm计算的场合，由于膜厚的误差大，同时反射率的误差也大，不能提供有可靠性的半导体激光器。下面验证这一点。
首先，图7～9示出对于前端面膜19，估算的厚度误差和反射率的关系的结果。图7是基于设计波长715nm算出的膜厚和得到的反射率R=20％时的反射率的变化图。膜厚无偏差时650nm激光二极管的反射率R650=19％,780nm激光二极管的反射率R780=22％。即使膜厚在计算值左右有±5％的偏差时，反射率也可保持在15％～25％以内。因此，基于设计中心波长715nm算出的膜厚即使有±5％的偏差，也可有合适的反射率。
图8是以λ1=650nm为设计波长，得到反射率R=20％时的膜厚变化和反射率的关系图。膜厚偏差在±5％的范围内时，谐振波长650nm的半导体激光器的反射率R650在实用范围15％～25％内，而谐振波长780nm的半导体激光器的反射率R780在膜厚比期望值朝负方向偏离时，超出了15％～25％的实用范围。
图9是以λ2=780nm为设计波长，得到反射率R=20％时的膜厚变化和反射率的关系图。膜厚偏差在±5％的范围内时，谐振波长780nm的半导体激光器的反射率R780在实用范围15％～25％内，而谐振波长650nm的半导体激光器的反射率R650在膜厚比期望值朝正方向偏离时，超出了15％～25％的实用范围。
如上所述，具有用平均波长λm=715nm作设计波长算出的厚度的前端面膜19即使膜厚有偏差也可获得合适的反射率。
下面，与上述同样地验证高反射端面膜22。由于高反射端面膜22由5层的多层膜构成，因每个薄膜的厚度误差引起的反射率偏差累积起来，对造成整体反射率难以控制的结果的可能性也不能忽视。图10～12示出高反射端面膜22的厚度误差和反射率的关系的结果。
首先，图10是基于平均波长715nm为设计波长和得到反射率R=80％算出的膜厚时的反射率的变化图。膜厚无偏差时650nm激光二极管的反射率R650=80％,780nm激光二极管的反射率R780=79％。即使膜厚在计算值左右有±5％的偏差时，反射率也可保持在80±5％以内。因此，基于设计波长715nm算出的膜厚即使有±5％的偏差，也可有合适的反射率。
图11是以λ1=650nm为设计波长，得到反射率R=80％时的膜厚变化和反射率的关系图。膜厚偏差在±5％的范围内时，谐振波长650nm的半导体激光器的反射率R650超出了80±5％的实用范围。而谐振波长780nm的半导体激光器的反射率R780在膜厚比期望值朝负方向偏离时，超出了80±5％的实用范围。
图12是以λ2=780nm为设计波长，得到反射率R=80％时的膜厚变化和反射率的关系图。膜厚偏差在±5％的范围内时，谐振波长780nm的半导体激光器的反射率R780在实用范围80±5％内，而谐振波长650nm的半导体激光器的反射率R650在膜厚比期望值朝正方向偏离时，超出了80±5％的实用范围。
如上所述，具有用平均波长λm=715nm作设计波长算出的厚度的高反射端面膜22即使膜厚有偏差也可获得合适的反射率。
如上所述，通过用平均值λm=715nm算出端面膜厚度，可以在两激光二极管上以同一厚度一并形成具有所期望的反射率的端面膜。而且，即使端面膜的膜厚与算出的值有±5％的偏差，也可使两激光二极管具有在实用范围内的反射率。具有上述厚度的端面膜的双波长半导体激光装置在70℃的温度条件下可进行10mW～20mW的恒定发光，且光吸收少损失低。
下面说明实施例2。图13是实施例2的双波长半导体激光装置的端面膜结构。实施例2与实施例1的不同之处在于，具有基于两激光二极管的谐振波长的平均值λm=(λ1+λ2)/2=715nm的，前端面膜40反射率为几％～10％，高反射端面膜30反射率为90％以上的膜厚。另外，高反射端面膜30具有低折射率膜和高折射率膜的9层的层叠结构，这一点也与实施例1不同。通过具有用平均波长算出的端面膜的厚度，可提供最适合DVD-ROM用途和倍速以上的CD-R用途的光源的半导体激光器。
实施例2与实施例1同样地，双波长激光器在同一元件上形成，各激光器的发光区通过用酸性溶液湿蚀刻或干蚀刻等物理上分离。谐振波长650nm的激光二极管的叠层结构与实施例1的结构相同。在活性层上有InGaAl/InGaAlP多重量子阱活性层。而且是SBR(选择埋入脊)结构，脊宽在3～6μm以下可在高输出时以高的生产率形成维持单一横模式的激光。叠层结构的详述与实施1相同，不再赘述。图14示出谐振波长为650nm波段的激光二极管的叠层结构。与实施例1同样的结构采用相同的标号。在n层GaAs基板3上依次形成n型GaAs阻挡层4、n型InGaAlP第一包层5、AlGaAs光导层6、构成的多重量子阱活性层42、AlGaAs光导层8、p型InGaAlP第二包层9、InGaP蚀刻停止层10。在蚀刻停止层10上脊形地形成p型InGaAlP第三包层11，在其两侧有n型GaAs电流阻挡层12，在其上面有p型InGaP助导电层13。在电流阻挡层12和助导电层13上形成p型GaAs导电层14，在导电层14上有p型电极15，在n型GaAs基板3下面有n型电极16。实施例2的结构是SBR(选择埋入脊)结构活性层与具有块状结构的实施例1不同，具有由AlGaAs构成的多重量子阱结构。活性层的阱层是A1x1Ga1-x1AS、阻挡层和光导层是Alx2Ga1-x2As。图15是多重量子阱结构的A1组分比。阱层的A1组分比是0.15，光导层和阻挡层的A1组分比是0.5，阱层的厚度LW是3～8nm，阻挡层的厚度L6是2～5nm，可以适当调整各参数。由此可以得到连续发光30mW以上、水平张角7～10度、垂直张角20～25度的光盘用途的合适的半导体激光器。
下面说明作为本发明特征点的端面膜结构。图13示出该结构，与实施例1同样的结构采用相同的标号。在上述两激光二极管的谐振器前端面18上有反射率为百分之几到百分之十(几％～10％)的前端面膜40，在谐振器后端面21上有反射率90％以上的高反射端面膜30。通过这样的端面膜的反射率的组合，可使780nm波段的激光二极管以30mW以上的高输出发出激光，用作倍速以上的CD-R用途的光源。另外，650nm波段的激光二极管可作DVD-ROM用途的最合适的光源。
与实施例1同样地，前端面膜40由折射率n＜1.8，优选为1.7以下的低折射率材料，例如Al2O3构成。通过使用低折射率材料，可以形成较厚的厚度控制性好的单层膜，且可实现高生产率。Al2O3的线膨胀系数为6.6，与基板材料GaAs的线膨胀系数7.7很接近，所以前端面膜40与以GaAs作为主要构成材料的元件的胀缩一致，密合性也很好。前端面膜40的厚度基于谐振波长λ=780nm的激光二极管和谐振波长λ=650nm的激光二极管的平均谐振波长λm=(λ1+λ2)/2=715nm，由公式光学膜厚d=(1/4+j)×λm,(j=0、1、2、…)算出。具有上述厚度的半导体激光装置，可以在650nm谐振波长激光二极管和780nm谐振波长激光二极管的两前端面上，得到几％～10％的反射率。由此，可从前端面取出比实施例1更多的激光，减轻激光二极管的负担。另外，可以在谐振器前端面18上用ECR溅射法一并形成前端面膜40。用该方法可以进行减少激光器发光区的损伤的成膜，且可提供可靠性高的元件。
在谐振器的后端面21上有反射率为90％以上的高反射端面膜30。高反射端面膜30是在谐振器后端面21侧依次层叠由折射率为1.7以下的低折射率材料构成的第一层膜31、由折射率为2.0以上的高折射率材料构成的第二层膜32、由低折射率材料构成的第三层膜33、由与第二层同样的高折射率材料构成的第四层膜34、由与第三层膜同样的低折射率材料构成的第五层膜35、由高折射率材料构成的第六层膜36、由与第三层膜同样的低折射率材料构成的第七层膜37、由与第六层同样的高折射率材料构成的第八层膜38、由与第三层膜同样的低折射率材料构成的第九层膜39而成的。高反射端面膜30的材料优选为Al2O3、SiN2、SiO2、Si，在谐振器后端面依次层叠Al2O3、SiN2、SiO2、SiN2、SiO2、Si、SiO2、Si、SiO2。上述低折射率材料膜和高折射率材料膜厚度，与前端面膜40同样地，基于激光二极管的谐振波长λ=780nm和谐振波长λ=650nm的平均谐振波长λm=(λ1+λ2)/2=715nm，另外，最外层的第九层膜39是出于保护第八层膜38以前的各膜免受氧化等化学变化影响的目的而形成的。基于维持直到第八层膜的反射率算出整个反射膜的厚度。用平均波长715nm进行计算。
在实施例2中整个的薄膜层数为9层以下，通过形成了采用吸光的Si材料的第六层膜36和第八层膜38，可以形成反射率90％以上的膜。
高反射端面膜30的形成采用ECR溅射法，使用Al和Si两个靶材，依次切换加入成膜时必需的材料气体O2、N2，可形成所期望材料的膜。与各材料专用靶材成膜的工艺相比，生产率可有飞跃性的提高。通过将反射率几％～0％的前端面膜40和反射率90％以上的高反射端面膜30相组合，可以提供用作DVD-ROM用途的最合适的光源的650nm波段的激光二极管和用作倍速以上的CD-R用途的光源的使780nm波段的激光二极管。另外，即使在前端面膜40和高反射30的厚度多少有些误差的情况下，也不会脱离反射率的期望值。因此，可以提供生产率非常高的端面膜。
与实施例1同样地，由于前端面膜40和高反射端面膜30具有用平均波长算出的厚度，即使膜厚度多少有些偏差也能获得所期望的反射率，如下所示。
首先，图16～21示出对于前端面膜40，估算的厚度误差和反射率的关系的结果。图16和17是基于设计波长715nm算出的膜厚时的激光二极管的反射率的示图。以λ1=650nm的激光二极管的反射率R=6％，λ2=780nm的激光二极管的反射率R=11％的方式计算厚度。在这种情况下，可以同一厚度一并形成前端面膜40。在形成所期望的膜厚时，650nm的激光二极管的反射率R650=6％(图16),780nm的激光二极管的反射率R780=11％(图17)。即使膜厚在计算值左右有±5％的偏差时，650nm的激光二极管的反射率R650也可保持在3％～10％以内，780nm的激光二极管的反射率R780也可保持在5％～15％以内。因此，基于设计中心波长715nm算出的膜厚即使有±5％的偏差，也可有合适的反射率。
图18和19是以λ1=650nm为设计波长时的膜厚变化和反射率的关系图。膜厚偏差在±5％的范围内时，谐振波长650nm的半导体激光器的反射率R650在膜厚比期望值朝负方向偏离时，超出了R=6％的实用范围3％～10％(图18)，而谐振波长780nm的半导体激光器的反射率R780在膜厚比期望值朝负方向偏离时，超出了R=10％的实用范围5％～15％(图19)。
图20和21是以λ2=780nm为设计波长时的膜厚变化和反射率的关系图。膜厚偏差在±5％的范围内时，谐振波长650nm的半导体激光器的反射率R650在膜厚比期望值朝正方向偏离时，超出了R=6％的实用范围3％～10％(图20)，而谐振波长780nm的半导体激光器的反射率R780在膜厚比期望值朝正方向偏离时，超出了R=10％的实用范围5％～15％(图21)。
如上所述，具有用平均波长λm=715nm作设计波长算出的厚度的前端面膜40即使膜厚有偏差也可获得合适的反射率。如果不用平均波长λm=715nm算出厚度，在厚度有偏差的同时，反射率也超出了实用范围。
下面，与上述同样地验证高反射端面膜30。由于高反射端面膜30由9层的多层膜构成，因每个薄膜的厚度误差引起的反射率偏差累积起来，对造成整体反射率难以控制的结果的可能性也不能忽视。图22～23示出高反射端面膜30的厚度误差和反射率的关系。
首先，图21是基于平均波长λm=715nm为设计波长和得到反射率R为90％以上算出的膜厚时的反射率的变化图。在形成所期望的膜厚时，650nm激光二极管的反射率R650=95％，780nm激光二极管的反射率R780=97％。即使膜厚在计算值左右有±5％的偏差时，反射率也可保持在90～100％以内。因此，基于设计波长715nm算出的膜厚即使有±5％的偏差，也可有合适的反射率。
图23是以λ1=650nm为设计波长，得到反射率R为90％以上时的膜厚变化和反射率的关系图。膜厚偏差在±5％的范围内时，谐振波长650nm的半导体激光器的反射率R650在90～100％的实用范围内。而谐振波长780nm的半导体激光器的反射率R780在膜厚比期望值朝负方向偏离时，超出了90～100％的实用范围。
图24是以λ2=780nm为设计波长时的膜厚变化和反射率的关系图。膜厚偏差在±5％的范围内时，谐振波长780nm的半导体激光器的反射率R780在实用范围90～100％内，而谐振波长650nm的半导体激光器的反射率R650不在实用范围90～100％内。因此，用λ2=780nm计算膜厚时，反射率不在实用范围内。
如上所述，通过使高反射端面膜30具有用平均波长算出的厚度，即使膜厚有些偏差也能得到所期望的反射率；而在不同平均波长计算的场合，随着膜厚有偏差反射率也超出了实用范围。
如上所述，通过使端面膜具有用谐振波长的平均值λm+(λ1+λ2)/2即λm=715nm算出的厚度，即使厚度有偏差也可使反射率在实用范围内。另外，可以用EECR溅射法一并形成谐振波长λ1和谐振波长λ2的两个激光二极管的端面膜。而且可容易地得到具有前端面反射率10％、后端面反射率90％以上的高反射率的激光二极管。
下面说明实施例3。
图25所示是实施例3的半导体激光器的端面结构。实施例3与实施例2的不同之处在于，具有采用谐振波长650nm和780nm的两半导体激光器的谐振波长的平均值λm=(λ1+λ2)/2=715nm的，反射率8％≤R≤20％的前端面膜41，或反射率29％≤R≤32％的前端面膜41％的膜厚。若端面膜的膜厚满足上述反射率，可以提供很多优点的双波长单片结构的激光二极管。例如，在前端面膜41有8％≤R≤30％的反射率时，在DVD-ROM用途的650nm波段激光二极管结构中可以减小来自激光照射对象的反射光杂音，在CD-R用途需要高输出的780nm波段激光二极管结构中可以抑制射出光的妨害。另外，具有29％≤R≤32％的反射率时，可以减小来自光盘的反射光的影响。
谐振波长650nm和780nm的两激光二极管的叠层结构与实施例2相同。两激光二极管都是SBR结构，活性层具有多重量子阱结构。650nm激光二极管的活性层用InGaAl/InGaAlP材料，780nm激光二极管用AlGaAs系材料。省略对两激光二极管的叠层结构的详细说明。激光二极管的高反射端面膜30的结构也具有与实施例2相同的叠层结构，具有由低折射率材料和高折射率材料的薄膜构成9层的叠层结构，且在第六层36和第八层38中使用吸光的高折射率材料Si材料。
作为实施例3特征点的前端面膜41也与实施例2同样地，由折射率1.7以下的低折射率材料，例如Al2O3，构成。前端面膜41的厚度以使8％≤R≤20％或29％≤R≤32％的方式形成。反射率为8％≤R≤20％时，650nm谐振波长的激光二极管的反射率为8％,780nm谐振波长的激光二极管的反射率为20％。由于两半导体激光器的前端面膜的厚度相同，可以用ECR溅射法一并形成。用该方法可以减少激光器发光区的损伤，提供高可靠性的元件。
首先，图26～28示出对于反射率为8％≤R≤20％的前端面膜41，厚度误差和反射率的关系。
图26是基于平均波长λm=715nm为设计波长算出的膜厚时的激光二极管的反射率的示图。在形成所期望的膜厚时，650nm的激光二极管的反射率R650=20％,780nm的确激光二极管的反射率R780=8％。即使膜厚在计算值左右有±5％的偏差时，650nm的激光二极管的反射率R650也可保持在15％～25％以内，780nm的激光二极管的反射率R780也可保持在3％～13％以内。因此，基于设计中心波长715nm算出的膜厚即使有±5％的偏差，也可有合适的反射率。
图27是以λ1=650nm为设计波长得到反射率8％≤R≤20％时的膜厚变化和反射率的关系图。膜厚偏差在±5％的范围内时，谐振波长650nm的半导体激光器的反射率在实用范围15％～25％内，而谐振波长780nm的半导体激光器的反射率不在实用范围3％～13％内。
图28是以λ2=780nm为设计波长得到反射率8％≤R≤20％时的膜厚变化和反射率的关系图。膜厚偏差在±5％的范围内时，谐振波长650nm的半导体激光器的反射率超出实用范围3％～13％，而谐振波长780nm的半导体激光器的反射率R780在膜厚比期望值朝负方向偏离时，超出了实用范围15％～25％。
如上所述，具有用平均波长λm=715nm作设计波长算出的厚度的情况下，两半导体激光器都能得到8％≤R≤20％的反射率。而且即使膜厚有偏差也可获得实用范围内的反射率。
下面，图29～31示出对于反射率为29％≤R≤32％的前端面膜41，厚度误差和反射率的关系。
图29是基于平均波长λm=715nm为设计波长算出的膜厚时的激光二极管的反射率的示图。在形成所期望的膜厚时，650nm的激光二极管的反射率R650=29％,780nm的确激光二极管的反射率R780=30％。即使膜厚在计算值左右有±5％的偏差时，650nm的激光二极管的反射率R650也可保持在24％～37％以内，780nm的激光二极管的反射率R780也可保持在24％～37％以内。因此，基于设计中心波长715nm算出的膜厚即使有±5％的偏差，也可有合适的反射率。
图30是以λ1=650nm为设计波长时的膜厚变化和两半导体激光器反射率的关系图。膜厚偏差在±5％的范围内时，谐振波长650nm的半导体激光器的反射率在实用范围24％～37％内，而谐振波长780nm的半导体激光器的反射率在膜厚比期望值朝负方向偏离时，超出了实用范围24％～37％。
图31是以λ2=780nm为设计波长得到反射率时的膜厚变化和反射率的关系图。膜厚偏差在±5％的范围内时，谐振波长780nm的半导体激光器的反射率在实用范围24％～37％内，而谐振波长650nm的半导体激光器的反射率在膜厚比期望值朝正方向偏离时，超出了实用范围24％～37％。
如上所述，具有用平均波长λm=715nm作设计波长算出的厚度的情况下，两半导体激光器都能得到8％≤R≤20％的反射率。而且即使膜厚有偏差也可获得实用范围内的反射率。
如上所述，通过使端面膜具有用谐振波长的平均值λm+(λ1+λ2)/2即λm=715nm算出的厚度，可以用EECR溅射法一并形成谐振波长λ1和谐振波长λ2的两个激光二极管的端面膜。而且可容易地得到具有前端面反射率8％≤R≤20％或29％≤R≤32％、后端面反射率90％以上的高反射率的激光二极管。而且，即使厚度有±5％范围内的偏差，两半导体激光器的反射率也可得到实用范围内的反射率。
在实施例1～3的半导体激光二极管中，并不仅限于上述所示的叠层结构，也可以用别的结构。叠层结构的材料也不受上述限制，也可以用其它材料。前端面膜或高反射端面膜用的材料也不受上述限制，可用其它材料。另外，前端面膜或高反射端面膜的层数也不受上述限制，可作适当变更。
如上所述，在单片结构的双波长半导体激光装置中，各激光二极管的端面膜的厚度用各谐振波长的平均值算出，可以得到膜厚相同具有所期望的反射率的端面膜。另外，由于可一并形成端面膜，可以简化制造工艺。且可以提供可靠性高、满足所需性能且生产率高的双波长半导体激光装置。
根据本发明的半导体激光装置，可以提供具有所期望的反射率且可一并形成的端面膜。由此，可以提供一种可靠性高、满足所需性能且生产率高的双波长半导体激光装置。
权利要求
1．一种半导体激光器装置，其特征在于包括基板；在上述基板上形成的发出第一波长的激光的第一激光器元件部；在上述基板上形成的发出第二波长的激光的第二激光器元件部；在上述第一激光器元件部的前端面和上述第二激光器元件部的前端面上一并形成的同一厚度的前端面膜；以及在上述第一激光器元件部的后端面和上述第二激光器元件部的后端面上一并形成的由同一厚度的多个薄膜构成的后端面膜；上述前端面膜的厚度和上述后端面膜的多个薄膜的厚度是基于上述第一波长和上述第二波长的平均波长λ的光学长度d=(1/4+j)×λ,(j=0、1、2…)。
2．如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于上述前端面膜具有3～37％的反射率，上述后端面膜具有75％以上的反射率。
3．如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于上述前端面膜由折射率n＜1.8的材料构成，上述后端面膜由折射率n＜1.8的材料的薄膜和折射率n＞1.9的材料的薄膜的叠层而构成。
4．如权利要求3所述的半导体激光器装置，其特征在于上述前端面膜由Al2O3构成，上述后端面膜由Al2O3或SiO2构成的薄膜、和由SiN4或Si构成的薄膜叠层而构成。
5．一种半导体激光器装置的制造方法，其特征在于包括在基板上形成发出第一波长的激光的第一激光器元件部的工序；在基板上形成发出第二波长的激光的第二激光器元件部的工序；在上述第一激光器元件部的前端面和上述第二激光器元件部的前端面上用ECR溅射法一并形成同一厚度的前端面膜的工序；以及在上述第一激光器元件部的后端面和所述第二激光器元件部的后端面上用ECR溅射法一并形成由同一厚度的多个薄膜构成的后端面膜的工序。
全文摘要
提供一种可靠性高且生产率高的半导体激光器装置及其制造方法。该半导体激光器装置包括:基板;在其上形成的发出第一、第二波长的激光的第一、第二激光器元件部;在上述第一、第二激光器元件部的前端面、后端面上一并形成的同一厚度的前端面膜、由同一厚度的多个薄膜构成的后端面膜;上述前端面膜的厚度和上述后端面膜的多个薄膜的厚度是基于上述第一和第二波长的平均波长λ的光学长度d=(1/4+j)×λ,(j=0、1、2…)。
文档编号H01S5/22GK1313662SQ0111137
公开日2001年9月19日 申请日期2001年3月14日 优先权日2000年3月14日
发明者冈田真琴, 玄永康一 申请人:株式会社东芝