JP2004519106A - 光学的にポンピングされる面発光型半導体レーザ装置および該装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、光学的にポンピングされる面発光型半導体レーザ装置に関する。この場合、放射を発生する少なくとも１つの量子井戸構造（１１）と、この量子井戸構造（１１）を光学的にポンピングするための少なくとも１つのポンプ放射源が設けられている。さらにポンプ放射源は端面発光型半導体構造（３０）を有しており、この端面発光型半導体構造（３０）と量子井戸構造（１１）は１つの共通の基板（１）にエピタキシャル成長により設けられている。ポンプ放射源の端面発光型半導体構造（３０）は半導体リングレーザとして取り付けられている。

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の光学的にポンピングされる半導体レーザ装置および該装置の製造方法に関する。
【０００２】
本発明に係わる光学的にポンピングされる面発光型半導体レーザ装置には、少なくとも１つの放射発生量子井戸構造と、この量子井戸構造を光学的にポンピングするための少なくとも１つのポンプ放射源が設けられており、このポンプ放射源は端面発光型半導体構造を有している。この場合、放射発生量子井戸構造と端面発光型半導体構造は１つの共通の基板上にエピタキシャルで設けられている。
【０００３】
ポンプ放射源は１つまたは複数の半導体レーザを有することができる。この種のレーザの共振器は通常、（直線的な）ファブリ・ペロー共振器に相応し、有利には２つの高反射性のミラー層によって区切られている。このような半導体レーザのポンプ効率はミラーの品質によって決定的な影響を受ける。このミラーの反射性がたとえば老化や放射損失などによって低下すると、利用可能なポンプ出力がまず最初に減少し、ついで量子井戸構造において反転分布密度つまりは放射効率が著しく低減する。
【０００４】
本発明の課題は、冒頭で述べた形式の光学的にポンピングされる半導体レーザ装置においてポンプ放射源を改善することにある。さらに本発明の課題は、そのような装置の製造方法を提供することにある。
【０００５】
この課題は、請求項１記載の半導体レーザ装置もしくは請求項８または９記載の方法によって解決される。従属請求項２から７ならびに１０には本発明の有利な実施形態が示されている。
【０００６】
本発明によれば、光学的にポンピングされる面発光型半導体レーザ装置において、放射を発生する少なくとも１つの量子井戸構造と、この量子井戸構造をポンピングするための少なくとも１つのポンプ放射源が設けられている。この場合、ポンプ放射源は端面発光型半導体構造を有しており、この半導体構造には少なくとも１つのリングレーザが含まれている。ここでリングレーザとは、動作中にリングモードを生じさせることのできるレーザ構造のことである。あとで説明するようにレーザ共振器をリング状に形成するのが有利であるが、必ずしもそのようにしなくてもよい。
【０００７】
この種のリングレーザの共振器は全反射性の境界面によって形成することができるので、有利には高反射性のミラーは必要ない。したがってミラーにおける損失に起因して放射効率が低下してしまうリスクも少なくなる。さらにリングレーザの傑出している点は、有利にはモード容積の大きいことおよびモード安定性の高いことである。
【０００８】
さらに有利であるのはリング共振器内に量子井戸構造が配置されていることであり、そのようにすることで共振器内部の放射フィールドすべてを量子井戸構造のポンピングに利用できるようになる。この場合、殊に有利であるのは、端面発光型半導体構造の活性層と量子井戸構造を基板の上方で同じ高さのところに配置することである。このようにすれば量子井戸構造のポンピングすべき容積と端面発光型半導体構造の放射フィールドのオーバラップが大きくなり、つまりは高いポンプ効率が得られるようになる。
【０００９】
本発明の有利な実施形態の場合、リングレーザの共振器はリング状に閉じられた導波体によって形成される。この場合、ポンプ放射フィールドの案内は導波体の境界における全反射によって行われるので、有利なことにここでも高反射性のミラーは必要ない。さらにリング状に閉じられた導波体のデザインにより、ポンプフィールドを量子井戸構造におけるポンピングすべき容積にきわめて良好に適合させることができる。
【００１０】
本発明の１つの有利な実施形態によれば端面発光型半導体構造は、その屈折率よりも小さい屈折率をもつ媒体によって取り囲まれている。これにより半導体から光学的にいっそう薄い周囲の媒体への移行部分に、レーザ共振器の境界として用いられる全反射性の面が生じる。リング状に閉じられた導波体を形成するため端面発光型半導体構造内に、光学的にいっそう薄い媒体で満たされた切り欠きを配置することができる。
【００１１】
取り囲む媒体として、屈折率が小さいことから殊に空気または他のガス状の媒体が適している。択一的に端面発光型半導体構造体を、比較的屈折率の小さいそのほかの材料たとえば半導体材料、半導体酸化物または誘電体によって取り囲むようにしてもよい。
【００１２】
有利には半導体構造は、円形またはリング状の半導体層の円筒状スタックとして形成されている。このようにして形成された円筒状の半導体ボディは同時にリングレーザ共振器を成しており、この共振器の外面に放射フィールドが全反射して案内される。
【００１３】
択一的に半導体構造を、多角形または多角形リングのかたちで半導体層のスタックとしてプリズム状に形成することもできる。このようなデザインによって十分に均質な放射の配分が得られ、それに応じて量子井戸構造において十分に均質なポンプ密度が得られる。
【００１４】
既述の形態の半導体層のスタックは、たとえばエピタキシャル成長により事前に製造された半導体積層をエッチングすることにより比較的簡単に形成できる。有利には半導体ボディをこのようにデザインすることで、端面発光型半導体構造のレーザ共振器も同時に形成され、その際に付加的な鏡面化は不要である。
【００１５】
本発明による製造方法によればまずはじめに、少なくとも１つの量子井戸構造をもつ面発光型半導体積層を基板に設け、この積層を設定されたレーザ領域以外で取り除き、これにより露出した領域にポンプ放射源の面発光型半導体構造を設ける。
【００１６】
その後、端面発光型半導体構造の外側領域を取り除いてレーザ共振器を形成する。その際に有利であるのは、リング共振器を形成するために半導体構造内の中央部分領域も除去することである。このような部分領域の除去は、たとえばドライエッチング法によって行うことができる。有利なことに、エッチングされた面を手間をかけて後処理する必要がない。
【００１７】
択一的に本発明による製造方法において、製造ステップを別の順序で利用することができる。たとえば基板上にまずはじめに端面発光型半導体構造を設けることができ、ついでこれを（さらに形成すべき）量子井戸構造において設定されたレーザ領域で除去する。露出した領域に次のステップで、少なくとも１つの量子井戸構造をもつ面発光型半導体積層を設ける。最後に、端面発光型半導体構造の外側領域を再び除去してレーザ共振器の形成する。本発明による方法の１つの変形実施形態において、レーザ共振器の形成を面発光型半導体積層を設ける前に行うこともできる。
【００１８】
次に、図１から図４を参照しながら本発明のその他の特徴、利点ならびに効果について説明する。
【００１９】
図１ａおよび図１ｂは、本発明による半導体装置における第１の実施例の断面図および平面図である。
【００２０】
図２は、本発明による半導体装置における第２の実施例の平面図である。
【００２１】
図３は、本発明による半導体装置における第３の実施例の平面図である。
【００２２】
図４は、本発明による製造方法について示す図である。
【００２３】
図中、同じ部材または同じはたらきをする部材には同じ参照符号が付されている。
【００２４】
図１ａには、１０３０ｎｍ付近のレーザ放出を有し光学的にポンピングされる面発光型半導体チップの断面図が示されている。この場合、基板１の上に緩衝層６が設けられている。基板１はたとえばＧａＡｓから成り、緩衝層６はドーピングされていないＧａＡｓから成る。
【００２５】
この断面図において基板１の上方で緩衝層６の上の中央に、量子井戸構造１１をもつ面発光型半導体レーザ構造１０が設けられており、これにより面発光型レーザ領域２が定められる。半導体レーザ構造１０は、緩衝層６上にじかに設けられた第１の閉じ込め層１２およびその上に配置された量子井戸構造１１と、さらにその上に配置された第２の閉じ込め層１３によって構成されている。閉じ込め層１１２および１３はたとえばドーピングされていないＧａＡｓから成り、量子井戸構造１１はたとえば複数（３つ以上）の量子井戸（ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）を有しており、これらはドーピングされていないＩｎＧａＡｓから成り、その厚さは１０３０付近の発光に合わせて調整されている。これらの量子井戸構造間にＧａＡｓから成るバリア層が設けられている。
【００２６】
面発光型半導体レーザ構造の上方には、たとえば２８〜３０の周期でそれぞれＧａＡｌＡｓ（１０％Ａｌ）層とＧａＡｌＡｓ（９０％Ａｌ）層をもつブラッグミラー３がデポジットされており、これは高反射性の共振器ミラーを成している。
【００２７】
面発光型半導体レーザ構造１０のレーザ動作に必要とされる第２のミラーは図示の実施例では半導体ボディに集積されておらず、外部ミラーとして設けられている。択一的にこの第２のミラーをミラー３と同様に、図示されていないが半導体ボディ内に形成してもよい。そのような場合であれば第２のミラーは、緩衝層６と量子井戸構造１１との間のまえもって定められたレーザ領域２内に配置されることになる。
【００２８】
レーザ領域２の周囲において緩衝層６の上に、端面発光型半導体構造３０がリングレーザとしてデポジットされている。このリングレーザの発光波長はほぼ１μｍのところにある。
【００２９】
詳細にはリングレーザ構造は、第１のクラッド層２８（たとえばｎ−ＧａＡｌ_０．６５Ａｓ）、第１の導波体層１４（たとえばｎ−ＧａＡｌ_０．１Ａｓ）、活性層１６（たとえばドーピングされていないＩｎＧａＡｓから成る単一量子井戸）、第２の導波体層１５（たとえばｐ−ＧａＡｌ_０．１Ａｓ）および第２のクラッド層２９（たとえばｐ−ＧａＡｌ_０．６５Ａｓ）によって構成されている。
【００３０】
第２のクラッド層２９の上に、カバー層１７としてたとえばｐ^＋ドーピングされたＧａＡｓ層を被着することができる。さらにブラッグミラー３の領域においてカバー層１７の上に、電気的に絶縁されたマスク層７たとえばシリコン窒化物層、アルミニウム酸化物層またはシリコン酸化物層が設けられており、この層によって端面発光型半導体構造３０への電流注入が定められる。基板１とは反対側において、レーザ装置は共通のｐ型コンタクト層１８によって覆われている。
【００３１】
基板１において半導体構造とは反対側の主表面には、量子井戸構造１１から発せられる放射５のための出射窓８を除いてｎ型コンタクト層９が設けられている。
【００３２】
半導体層全体は、たとえば有機金属気相エピタキシャル成長法（ＭＯＶＰＥ）によって製造される。
【００３３】
図１ｂには、本発明による半導体レーザ装置における第１の実施例を上から見た平面図が示されている。この場合、図１ａによる断面図は、ラインＡ−Ａに沿って垂直方向にカットした断面に対応している。
【００３４】
端面発光半導体構造３０はこの平面図では、４個の回転対称体および正方形の中央切り欠き１９をもつ八角形の形状を有している。この平面図では円形であるポンピングすべき量子井戸構造１１は、このように形成された八角形リングの中に完全に収まって配置されている。この八角形リングは、全反射性の閉じた導波体の形式のリング共振器を成している。
【００３５】
動作中、この導波体において周期的に循環するリングモードが振動し始め、これはたとえばモード２０ａ，ｂ，ｃとして描かれており、これにより量子井戸構造１１が光学的にポンピングされる。外面で全反射することからこの実施例の場合には出力結合損失が著しく僅かであり、したがって有利なことに共振器内部の放射フィールド全体を量子井戸構造１１のポンピングに利用することができる。
【００３６】
図示のように八角形リングの形状を与えることでリングモード２０ａ，２０ｂ，２０ｃは実質的に同等であり、同形状に拡がっている。したがって半径方向（ラインＢ−Ｂに沿った方向）において十分に均質な放射フィールドが生じ、相応に十分に均等なポンプ密度がポンピングすべき量子井戸構造１１において生じる。
【００３７】
図２は、本発明による半導体レーザ装置の別の実施例を上から見た平面図である。上述の実施例とは異なりこの場合、全反射性導波体が円形リングとして形成されている。ポンピングすべき量子井戸構造１１はリング領域の中に完全に収まって配置されている。
【００３８】
この円形の共振器内で複数のリングモードを振動させることができる。図示されているモード２１には、考えれる１つの例だけが描かれている。量子井戸構造１１はこのほか、高い効率をもつ多数の別のモードによりポンピングされる。
【００３９】
図２に示されているように、簡単にするため中央切り欠き１９を省略してもよく、その場合には共振器は横断面として完全な円の平面をもつことになり、それによって有利なことに製造コストが低減される。とはいえこの場合には共振器中心を通るモードがある程度まで振動してしまう可能性あり、そのようなモードは共振器境界においては全反射されず、それゆえ比較的高い出力結合損失をもつことになり、それによって最終的にはポンプ効率が減少する。
【００４０】
図３ａには本発明のさらに別の実施例が示されており、この実施例では量子井戸構造１１が互いに無関係な２つのリングレーザによりポンピングされる。これらは基本的に第１の実施例におけるリングレーザと同様に構成されている。
【００４１】
ここに設けられている導波体２２，２３は２つの領域３１ａ，３１ｂで互いに交差しており、ここでは領域３１ａにポンピングすべき量子井戸構造１１が配置されている。２つのリングレーザをもつこのような配置構成によって、量子井戸構造１１におけるポンプ密度がいっそう高められる。ここでもモード２９ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆとして基本的なポンプモードが例示されている。有利なことに第１の実施例のところで示したように、やはりここでも十分に均質なポンプ密度が得られる。
【００４２】
図３ｂには図３ａに示されている装置の有利な変形実施形態が示されており、これは交差するリング状の導波体２２，２３のデザインが簡素化されている点で殊に優れている。さらに中央切り欠き２４，２５の横断面も小さくなるよう三角形に構成されている。中央切り欠き２６および図３ａに示されている側方の切り欠き３２は省略されている。このような簡素化により有利なことに、レーザ機能を実質的に劣化させることなく製造コストが低減される。さらに図３ｂに示されているように、両方のリングレーザにおける第２の交差領域３１ｂに第２の量子井戸構造２７を形成してもよい。
【００４３】
図４には、本発明による半導体レーザ装置の製造方法が概略的に示されている。まずはじめに基板１に相前後して緩衝層６、第１の閉じ込め層１２、量子井戸構造１１、第２の閉じ込め層１３、ブラッグミラー層３がたとえばＭＯＶＰＥによって被着される（図４ａ）。
【００４４】
その後、このような積層において設定された面発光レーザ領域２にエッチマスク４が取り付けられる。ついで所定の面発光レーザ領域２の外側でブラッグミラー層３、閉じ込め層１２および１３、量子井戸構造１１および部分的に緩衝層６がたとえばエッチングにより除去される（図４ｂ）。
【００４５】
その後、緩衝層において露出した領域上に第１のクラッド層２８、第１の導波体層１４、活性層１６、第２の導波体層１５、第２のクラッド層２９およびカバー層１７が相前後してたとえばやはりＭＯＶＰＥにより被着される（図４ｃ）。
【００４６】
続いて半導体構造の外側領域と中央領域（図示せず）が取り除かれて、全反射性の閉じた導波体が形成される。これはたとえば公知の適切なマスク技術を利用して反応性イオンエッチングなどによって行うことができる（図４ｄ）。
【００４７】
このようにして製造された端面発光型半導体構造体の側面は光学的な補償加工を必要とせず、ほとんど損失のないリングレーザ共振器が形成される。
【００４８】
最後にエッチマスク４が除去されて、ブラッグミラー３の上に電気的に絶縁されたマスク層７が取り付けられ、ｐ型コンタクト層１８によって表面が覆われる。基板にはｎ型コンタクト面９が設けられる（図４ｅ）。
【００４９】
当然ながら既述の実施例に基づく本発明の説明は、本発明がそれらに限定されることを意味するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】
本発明による半導体装置における第１の実施例の断面図である。
【図１ｂ】
本発明による半導体装置における第１の実施例の平面図である。
【図２】
本発明による半導体装置における第２の実施例の平面図である。
【図３ａ】
本発明による半導体装置における第３の実施例の平面図である。
【図３ｂ】
本発明による半導体装置における第３の実施例の平面図である。
【図４ａ】
本発明による製造方法について示す図である。
【図４ｂ】
本発明による製造方法について示す図である。
【図４ｃ】
本発明による製造方法について示す図である。
【図４ｄ】
本発明による製造方法について示す図である。
【図４ｅ】
本発明による製造方法について示す図である。

Claims (10)

1. 光学的にポンピングされる面発光型半導体レーザ装置において、
   放射を発生する少なくとも１つの量子井戸構造（１１）と、
   該量子井戸構造（１１）を光学的にポンピングするための少なくとも１つのポンプ放射源が設けられており、該ポンプ放射源は少なくとも１つの端面発光型半導体構造（３０）を有しており、
   該少なくとも１つの端面発光型半導体構造（３０）と前記少なくとも１つの量子井戸構造（１１）は１つの共通の基板（１）上にエピタキシャル成長で設けられていて、
   前記少なくとも１つの端面発光型半導体構造（３０）は少なくとも１つのリングレーザを有していることを特徴とする、
   光学的にポンピングされる面発光型半導体レーザ装置。
2. 前記量子井戸構造（１１）はリングレーザの共振器内に配置されている、請求項１記載の半導体レーザ装置。
3. 前記リングレーザの共振器はリング状に閉じられた導波体によって形成される、請求項１または２記載の半導体レーザ装置。
4. 前記端面発光型半導体構造（３０）は、該半導体構造の屈折率よりも小さい屈折率をもつ媒体によって取り囲まれている、請求項１から３のいずれか１項記載の半導体レーザ装置。
5. 前記端面発光型半導体構造体（３０）は空気または他のガス状の媒体または誘電体により取り囲まれている、請求項１から３のいずれか１項記載の半導体レーザ装置。
6. 前記端面発光型半導体構造（３０）は円形または円形リング状の横断面をもつ円筒形ボディとして形成されている、請求項１から５のいずれか１項記載の半導体レーザ装置。
7. 前記端面発光型半導体構造（３０）は多角形または多角形リング状の横断面をもつプリズム状のボディとして形成されている、請求項１から５のいずれか１項記載の半導体レーザ装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項記載の半導体レーザ装置の製造方法において、
   少なくとも１つの量子井戸構造（１１）を備えた面発光型半導体積層を基板（１）に設けるステップと、
   設定されたレーザ領域（２）以外の面発光型半導体積層を取り除くステップと、
   基板（１）の上方の露出した領域に端面発光型半導体構造（３０）を設けるステップと、
   端面発光型半導体構造（３０）の部分領域を取り除いてリングレーザ共振器を形成するステップを有することを特徴とする、
   半導体レーザ装置の製造方法。
9. 請求項１から７のいずれか１項記載の半導体レーザ装置の製造方法において、
   端面発光型半導体構造（３０）を基板（１）に設けるステップと、
   設定されたレーザ領域（２）内の端面発光型半導体構造（３０）を取り除くステップと、
   少なくとも１つの量子井戸構造（１１）を備えた面発光型半導体積層を露出したレーザ領域内で基板（１）に設けるステップと、
   端面発光型半導体積層（３０）の部分領域を取り除いてリングレーザ共振器を形成するステップを有することを特徴とする、
   半導体レーザ装置の製造方法。
10. 端面発光型半導体レーザ構造（３０）の部分領域をドライエッチングにより取り除く、請求項８または９記載の方法。