JP2003535454A - 狭い波長分布を有する多重半導体レーザ構造 - Google Patents

狭い波長分布を有する多重半導体レーザ構造

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Abstract

(57)【要約】 複数の垂直方向に上下に積み重ねられているレーザｐｎ接合（１０）から成っている多重半導体レーザ構造では作動中、共通のヒートシンクの層構造の内の種々異なった距離に基づいて活性領域（８）の種々異なった動作温度が発生する。このような温度の影響により引き起こされる、放射波長のずれは活性領域（８）の厚みおよび／または材料組成の変化によって補償されるので、狭い波長分布が実現される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、請求項１の上位概念に記載の多重半導体レーザ構造に関する。
【０００２】 高い出力電力の半導体レーザの開発の途上において、多数の半導体レーザが平
面的に相互に結合されておりかつ電圧源の極間に直列に接続されるという半導体
レーザ構造も製造された。この形式の最初の素子は、複数の半導体レーザを平面
的に相互にはんだ付けすることによって製造された。しかし長年来、それぞれ２
つの垂直方向に隣接されたレーザｐｎ接合が高ドーピングされたｎ＋ｐ＋トンネ
ル接合を通って相互に結合されるようにして複数のＧａＡｓダブルヘテロ構造レ
ーザを相互に接続することが公知である（van der Ziel. et al., “Appl. Phys
. Lett.”41, p. 500, 1982）。このｎ＋ｐ＋トンネル接合は２つの薄いｎない
しｐドーピングされた半導体層から成っており、その際ｎ＋ドーピングされた層
は一方のｐｎ接合のｎ領域に直接接しておりかつｐ＋ドーピングされた層は他方
のｐｎ接合のｐ領域に直接接している。トンネル接合の半導体材料は一般に、境
を接しているｐｎ接合の半導体材料とは異なっていてもよいし、これと同じであ
ってもよい。直列に接続されているｐｎ接合に外に向かって取り付けられている
コンタクト金属化部を介して電圧が順方向に印加されると、ｎ＋ｐ＋接合は逆方
向に極性付けられている。しかし高いドーピングに基づいて、阻止作用を有して
いないトンネル接合が形成される。阻止作用を有していないばかりかｎ＋ｐ＋ト
ンネル接合においてｐ領域の正孔の流れがｎ領域の電子の流れに変換される。こ
れにより、垂直方向に隣接しているｐｎ接合間に殆ど金属性のコンタクト接合が
形成される。このためには、ｎ＋ｐ＋トンネル接合の層におけるドーピング濃度
が領域１０１９ｃｍ−３にあるかまたはその上にあることが必要である。
【０００３】 上下に配置されているレーザ構造の光フィールドは選択的に、相互に結合され
ていてもよいしまたは減結合されていてもよい。このことは層の組成および厚み
の選定によって実現される。
【０００４】 Garcia, et al. 著の刊行物“Appl. Phys. Lett.”71, p. 3752, 1997 に、異
なった波長で放射するＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓレーザ構造が記載されており
、ここではｐｎ接合はエピタキシャル成長によって上下に積み重ねられておりか
つ低オーミックなｎ＋ｐ＋トンネル接合によって相互に分離されており、ｎドー
ピングは炭素によってかつｐドーピングは硫黄によって形成される。
【０００５】 しかし個々の層の有限の熱伝導性に基づいて、次の問題が生じる。レーザｐｎ
接合のそれぞれにおいて、作動中、電流の損失電力によっておよび活性領域にお
ける非放射再結合過程によって加熱が行われる。しかし半導体レーザは垂直方向
に上下に重ねられておりかつ共通の基板と一緒にヒートシンクにマウントされて
いるので、このようにして生成された熱は個々の半導体レーザから異なった速度
でヒートシンクに向かって流れる。ヒートシンクに一番近くに位置している半導
体レーザが過剰の熱を比較的迅速にヒートシンクに放出することができる一方、
ヒートシンクから最大の距離を有している半導体レーザは作動中非常に大きな加
熱が定常的に行われる。というのは、ここでの過剰な量の熱は層構造全体を通っ
てヒートシンクまで流れなければならないからである。しかし多重半導体レーザ
構造の個々のレーザの活性領域が同じ形式で実現されている場合には、これらレ
ーザは使用の半導体材料のバンドギャップの温度依存性のために種々異なってい
る波長において光ビームを放射する。このことは一連の用途の場合には不都合で
ある。殊に、固体レーザのポンプは、固体レーザの吸収バンドを効果的に利用す
るために半導体レーザの狭帯域の放射を必要とする。
【０００６】 従って本発明の課題は、狭い波長分布を有する光ビームを放射することができ
るようにした、垂直方向に上下にスタックされたレーザｐｎ接合の多重半導体レ
ーザ構造を提供することである。
【０００７】 この課題は請求項１の特徴部分に記載の構成によって解決される。
【０００８】 これによれば本発明は、垂直方向に上下にスタックされている複数個のｐｎ接
合を備え、該ｐｎ接合はそれぞれ、光放射する活性領域を有しており、該活性領
域のうちそれぞれ垂直方向に隣接しているｐｎ接合はｎ＋ｐ＋トンネル接合によ
って相互に分離されており、該ｎ＋ｐ＋トンネル接合はｎ＋ドーピングされた層
とｐ＋ドーピングされた層とから成っており、ここでｎ＋ドーピングされた層は
一方のｐｎ接合のｎ領域に接続されておりかつｐ＋ドーピングされた層は他方の
ｐｎ接合のｐ領域に接続されており、かつｎ＋ドーピング濃度ないしｐ＋ドーピ
ング濃度は、作動中、トンネル接合の比較的低い電気抵抗が生じるように選定さ
れており、更に、ｐ側に第１のコンタクト金属化部を備えかつｎ側に第２のコン
タクト金属化部を備えており、ここでレーザｐｎ接合の材料組成および／または
光放射する活性領域の厚みは、作動中種々異なった作動温度が放射波長に及ぼす
影響が補償されるように相互に調整されている多重半導体レーザ構造を示すもの
である。
【０００９】 本発明の第１の実施形態において、活性領域はそれぞれ、単一または多重の量
子井戸構造の井戸層によって形成され、かつ種々のｐｎ接合の井戸層の厚みは、
作動中種々異なった作動温度が放射波長に及ぼす影響が補償されるように種々異
なって選択されている。この形態の実用例では、作動中比較的高い動作温度が予
測される半導体レーザにおいて、量子井戸層の比較的僅かな厚みが選択されて、
温度によって引き起こされるバンドエッジ低下が抑圧されるようにする。
【００１０】 量子井戸構造に代わって、量子細線構造または量子点構造を使用することがで
き、その場合量子細線または量子点構造の厚さが相応に補償的に選択される。
【００１１】 本発明の第２の実施形態において、活性層はそれぞれ、バルク効果材料（ボリ
ューム・マテリアル）層によって形成されており、種々異なったｐｎ接合のバル
ク効果材料層の材料組成は、作動中ｐｎ接合の種々異なった作動温度が放射波長
に及ぼす影響が補償されるように選択されている。温度によって引き起こされる
バンドエッジ低下に対してここでは、ｐｎ接合のＡｌＧａＡｓバルク効果材料中
の高められたＡｌ含有量によって対抗するようにできる。
【００１２】 本発明の第３の実施形態は、上に述べた第１の実施形態および第２の実施形態
の組み合わせにある。この場合には活性領域の厚みも材料組成も変化されて、バ
ンドエッジを低下させる温度効果を補償するものである。
【００１３】 次に本発明の第１の実施形態による唯一の実施例に基づいて図に即して詳細に
説明する。その際： 図１は、多重半導体レーザ構造を斜視図にて示すとともに、層のＡｌ成分に依存
した層構造を引き伸ばされた模式図にて示し、 図２は、図１に図示の多重半導体レーザ層構造を次にＧａＡｓ材料系に基づいて
説明する。
【００１４】 しかし本発明はＧａＡｓ材料系に制限されておらず、基本的にはどんな別の半
導体材料系にも適用することができる。
【００１５】 図１の左半部に斜視図にて示されている多重半導体レーザ構造において、２つ
のｐｎ接合１０が垂直方向に上下にスタックされておりかつｎ＋Ｐ＋トンネル接
合２０によって相互に分離されている。トンネル接合２０は、２つの高ドーピン
グされたｎ＋ないしＰ＋ＧａＡｓ層から成っており、そのうちｎ＋層は一方の隣
接したｐｎ接合のｎ領域に続いており、ｐ＋層は他方の隣接したｐｎ接合のｐ領
域に続いている。それぞれのｐｎ接合は活性の、光を放射する領域８を有してい
る。この構造は通例、第１の、上側のコンタクト金属化部６を有している。コン
タクト金属化部６は１つまたは複数のストライプから形成されておりかつ半導体
構造のｐ側に接続されている。対向する側のコンタクト金属化部７は半導体構造
のｐ側に接続されておりかつ通例全面的にｎ基板上に被着されている。
【００１６】 図１の右半部には、多重半導体レーザ層構造の厚みｄが個々のＧａ１−ｘＡｌｘ Ａｓ層のｘ成分に依存してμｍにおいて図示されている模式図が示されている
。従って個々のレーザ構造は、活性領域８が薄い層ＧａＡｓによって形成される
、個別量子井戸構造である。この層は、０．３のＡｌ含有量を有する２つのＡｌ
ＧａＡｓ層によって取り囲まれている。これらの層には、０．６のＡｌ含有量を
有するＡｌＧａＡｓ層が続いている。両側のＡｌＧａＡｓ層の境界面における屈
折率が階段形状の経過をしているために放射される光ビームはこれら２つの外側
の層の間でガイドされ、一方外部から注入されるキャリアはＧａＡｓ層にトラッ
プされる（分離閉じ込め＝“separate confinement”）。２つのｐｎ接合を接続
するトンネル接合２０は２つの高ドーピングされたｎ＋ないしｐ＋ドーピングさ
れたＧａＡｓ層によって形成される。層厚は有利には領域２０〜２００ｎｍにあ
る。
【００１７】 作動中、図示の多重半導体レーザ構造は一方の側がヒートシンクに接続されて
いる。それ故に、ヒートシンクからの距離が増すに従って温度が連続的に上昇す
るという定常的な温度分布が生じている。従ってヒートシンクから最も遠くにあ
る半導体レーザは作動中最も高い定常的な動作温度を有している。しかし半導体
材料において、バンドギャップは温度の上昇と共に低くなることは周知である。
このことは、薄いＧａＡｓ量子井戸層８において量子化されるエネルギーレベル
の間隔も低減していき、従って放射波長が増大してくることを意味している。こ
の効果を補償することが重要である。
【００１８】 図２には、図１の多重半導体レーザ構造のエネルギーバンド構造が示されてい
る。それぞれのｐｎ接合１０内に、伝導および価電子帯の階段形状の経過が見て
取れる。規定ではドーピングされていない、非常に薄いＧａＡｓ量子井戸構造８
内に、伝導および価電子帯に少なくとも１つの量子化されたエネルギーレベルが
形成され、その結果ｐ型ストリップ導体コンタクトを介して電流が注入されると
、電子がＧａＡｓ量子井戸層に流れかつ正孔、電子の占める割合が反転すると、
量子化されたエネルギーレベル間でレーザ接合が生じる可能性がある。温度に規
定されて生じる、バンドギャップのシフトの補償は、２つのＧａＡｓ量子井戸層
８に対して異なった厚みが選択されることで行われる。図２の右半部に示されて
いる半導体レーザはヒートシンクの直接近傍にあるので、この部分において生成
される熱は比較的迅速に放出されることができる。これに対して、左半部に図示
されている半導体レーザはヒートシンクから比較的大きな距離をおいて位置決め
されているので、この部分は作動中比較的高い動作温度を有している。これによ
り生じる、バンドギャップの縮小、ひいては量子化されたエネルギーレベルの間
のエネルギー差は、相応のＧａＡｓ量子井戸層に対して多少僅かな厚みを選択す
ることによって補償される。厚みの縮小により、ＧａＡｓ量子井戸層８の伝導お
よび価電子帯のポテンシャルの井戸におけるエネルギーレベルが上昇することに
なる。かくして温度の影響によって生じる、エネルギーレベルの低下は補償され
、２つの半導体レーザの活性領域は同じ波長を有するレーザ光を放射する。
【００１９】 この実施形態の変形において、それぞれの半導体レーザは多重量子井戸構造か
ら成っていることができる。望ましくかつ必要であれば、この形式の多重量子井
戸構造内でも、量子井戸層の可変の厚みを調整設定することができる。
【００２０】 異なった半導体レーザの厚みを変化するのに必要な程度は、多重半導体レーザ
構造の製造の前に比較的簡単な熱拡散モデルにおいて求めることができる。この
モデルは半導体レーザの定常的な作動温度にあるものとして、これら作動温度か
ら関連文献を用いてバンドギャップの温度に依存した縮小が求められる。それか
ら、比較的簡単なポテンシャルの井戸モデルが補償のために必要な、層厚の低減
の大きさがわかるようになっている。
【００２１】 この手法を次に例に基づいて説明する。この例の基礎となっているのは、図１
に図示の構造および１００μｍ×６００μｍの横断面を有しているＧａＡｓ半導
体基体である。
【００２２】 ｘ＝０．６のＡｌ成分を有するＧａ１−ｘＡｌｘＡｓ層のｘ厚みは１２００μ
ｍであり、ｘ＝０．３のＡｌ成分を有するＧａ１−ｘＡｌｘＡｓ層のｘ厚みは１
０００μｍであり、トンネル層の厚みは４００ｎｍである。放射されるレーザ光
線の中心波長は８００ｎｍである。活性領域８は７ｎｍの厚みを有する量子井戸
として実現されている。
【００２３】 活性領域８の温度および放射波長は相互にそう大きくは相異しておらず、近似
として線形化された屈折が可能であるものと仮定する。この場合、活性領域８間
の温度差を求めるだけで十分である。
【００２４】 活性領域８の間の層列を以下の表に示されているパラメータを有する直列の熱
抵抗として考察すると、活性領域８の間に熱個別抵抗の和として、６．１Ｋ／Ｗ
の総抵抗が生じる。その際活性領域８それ自体は僅かな厚みに基づいて無視する
ことができる
【００２５】
【表１】
【００２６】 活性領域８における２．０Ｗという典型的な損失電力の場合、ここから、活性
領域８の間に１２．１Ｋの温度差が生じる。放射波長の温度係数が０．２６ｎｍ
／Ｋの場合、活性領域８の間に３．２ｎｍの波長差が生じる。
【００２７】 基礎としている半導体基体の構造の場合、差分波長変化は量子井戸厚Δλ／Δ
ｄに依存して約１１．５ｎｍ／ｎｍである。
【００２８】 結果的に３．２ｎｍの波長差は、比較的高い作動温度を有する量子井戸層の厚
みを０．２８ｎｍだけ低減することによって補償される。
【００２９】 この例において、典型的な、関連文献から取り出される、ＧａＡｓ半導体系の
材料定数が使用された。
【００３０】 勿論、用途に応じて、別の、殊に実験により得られたデータを用いることもで
きる。同様に、場合によっては、半導体基体中の温度分布を別の方法、例えば有
限要素法または熱伝導方程式の解を用いて求めることができる。
【００３１】 本発明の第２の実施例において、活性領域８はバルク効果材料から形成されて
いるｐｎ接合によって形成される。その際、温度の影響によって生じる、バンド
ギャップの縮小は、活性領域８の規定ではドーピングされていない領域のＧａ１ −ｘ ＡｌｘＡｓ材料においてＡｌ成分ｘを変化することによって補償される。従
ってヒートシンクから離れている方の半導体レーザに対して一層大きな値ｘが選
択され、これによりバンドギャップが拡大され、ひいては温度の上昇による縮小
が結果的に抑圧される。
【００３２】 上に挙げた計算例に対して、３．２ｎｍの放射波長の差異はＡｌ成分ｘを０．
００８だけ高めることによって補償される。
【００３３】 本発明の第３の実施形態は例えば、図示の実施例において、厚みの変化に対し
て付加的に、ＧａＡｓ量子井戸層の材料組成も変化される。材料組成によって、
ポテンシャルの井戸の深さが調整設定される。従って、バンドギャップに対する
温度の影響を、井戸層の厚み並びにポテンシャルの井戸の深さによってこれら値
を適当に選択して補償することができる。
【００３４】 かくして本発明は、高い光出力および狭い波長分布を有する半導体レーザを提
供するものである。この形式の半導体レーザは殊に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザのよう
な別の固定レーザのポンプに対して非常に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の多重半導体レーザ構造の斜視図並びに層構造の断面図である。
【図２】 図１の多重半導体レーザ構造のエネルギーバンド構造の略図である。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 垂直方向に上下にスタックされている複数個のｐｎ接合（１
    ０）を備え、該ｐｎ接合はそれぞれ、光放射する活性領域（８）を有しており、
    該活性領域のうち それぞれ垂直方向に隣接しているｐｎ接合（１０）はｎ＋ｐ＋トンネル接合（２
    ０）によって相互に分離されており、該ｎ＋ｐ＋トンネル接合はｎ＋ドーピング
    された層とｐ＋ドーピングされた層とから成っており、ここでｎ＋ドーピングさ
    れた層は一方のｐｎ接合（１０）のｎ領域に接続されておりかつｐ＋ドーピング
    された層は他方のｐｎ接合（１０）のｐ領域に接続されており、かつｎ＋ドーピ
    ング濃度ないしｐ＋ドーピング濃度は、作動中、トンネル接合（２０）の比較的
    低い電気抵抗が生じるように選定されており、 ｐ側に第１のコンタクト金属化部（６）を備え、 ｎ側に第２のコンタクト金属化部（７）を備え ている多重半導体レーザ構造において、 レーザｐｎ接合（１０）の材料組成および／または光放射する活性領域（８）の
    厚みは、作動中種々異なった作動温度が放射波長に及ぼす影響が補償されるよう
    に相互に調整されている ことを特徴とする多重半導体レーザ構造。
  2. 【請求項２】 活性領域（８）はそれぞれ、単一または多重の量子井戸構造
    の井戸層によってまたは単一または多重の量子井戸細線構造または量子点構造に
    よって形成されており、かつ 種々のｐｎ接合の井戸層または量子細線または量子点構造の厚みは、作動中種々
    異なった作動温度が放射波長に及ぼす影響が補償されるように種々異なって選択
    されている 請求項１記載の多重半導体レーザ構造。
  3. 【請求項３】 レーザ構造はヒートシンクにマウントされており、かつ 井戸層の厚みは、それぞれのｐｎ接合（１０）の、ヒートシンクからの距離が増
    すに従って低下する 請求項２記載の多重半導体レーザ構造。
  4. 【請求項４】 井戸層の厚みおよび井戸層の材料組成は変化される 請求項１から３までのいずれか１項記載の多重半導体レーザ構造。
  5. 【請求項５】 活性層（８）はそれぞれ、バルク効果材料層によって形成さ
    れており、種々異なったｐｎ接合のバルク効果材料層の材料組成は、 作動中ｐｎ接合（１０）の種々異なった作動温度が放射波長に及ぼす影響が補償
    されるように 選択されている 請求項１記載の多重半導体レーザ構造。
  6. 【請求項６】 レーザ構造はヒートシンクにマウントされており、かつ バルク効果材料層の材料組成はヒートシンクからの距離が増すに従って、材料の
    バンドギャップの拡大が生じるように選択されている 請求項５記載の多重半導体レーザ構造。
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