JP2005057286A - 光ポンプビーム放射半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置を、出来る限り僅かな製造コストしか必要としないようにして提供すること。
【解決手段】半導体装置は、量子井戸構造が光学的にポンピングされる少なくとも１つの放射領域と、少なくとも１つのポンプ領域とを有しており、量子井戸構造と活性ポンプ層は、半導体装置のポンプ領域及び放射領域に亘って延在しており、ポンプビームは、横方向で放射領域内に入力結合されるように構成されている
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも１つの量子層を有する表面放射量子井戸構造と、量子層に対して平行に設けられた、ポンプビームの形成用の活性ポンプ層とを備えた光ポンプビーム放射半導体装置及びその製造方法に関する。

その種の半導体装置は、従来技術から公知である（例えば、特許文献１参照）。ここに記載されている光ポンプ表面放射半導体装置は、横方向にポンプビーム源が後置接続された中央表面放射量子井戸構造を有している。量子井戸構造及びポンプビーム源は、エピタキシャルに共通基板上に堆積されている。

その種の半導体装置の製造時に、一般的に、２つのエピタキシャルステップが必要である。第１のエピタキシャルステップでは、共通基板上に、量子井戸構造用の半導体層列が堆積される。後続して、この層列の一部分は、エッジ側が切除され、その結果、中央の量子井戸構造だけが残される。それから、このあけられた領域上に、第２のエピタキシャルステップで、ポンプビーム源用の半導体層列が堆積される。

製造コストを下げるために、エピタキシャル層をなくすか、乃至、その種の半導体装置が、唯一のエピタキシャルステップで製造される。そうすることによって、殊に、エピタキシャルに必要な時間が低減され、その結果、構成素子を迅速に、従って、コスト上有利に製造することができる。

そのために、半導体装置は、エピタキシャルステップで、構造化された、平坦でない基板上に堆積される。しかし、これにより、特殊に製造された基板が必要であり、その結果、エピタキシャル層用の製造コストは低下されるが、それに反して、基板用の製造コストは高くなる。
米国特許第２００２−０００１３２８号明細書

本発明の課題は、冒頭に記載した半導体装置を、出来る限り僅かな製造コストしか必要としないようにして提供することにある。殊に、半導体装置をエピタキシャルステップで製造可能にする必要がある。更に、本発明の課題は、相応の製造方法を提供することにある。

この課題は、半導体装置は、量子井戸構造が光学的にポンピングされる少なくとも１つの放射領域と、少なくとも１つのポンプ領域とを有しており、量子井戸構造と活性ポンプ層は、半導体装置のポンプ領域及び放射領域に亘って延在しており、ポンプビームは、横方向で放射領域内に入力結合されるように構成されていることにより解決される。更に、基板をプリペアリングするステップと、活性ポンプ層を含む半導体層又は半導体層列を成長するステップと、少なくとも１つの量子層を備えた表面放射量子井戸構造を含む半導体層又は半導体層列を成長するステップと、少なくとも１つの放射領域と少なくとも１つのポンプ領域とを横方向に固定するステップと、量子井戸構造をポンプ領域内に不規則化するステップとを有することことにより解決される。

本発明が基礎とする技術思想は、半導体装置に放射領域とポンプ領域を形成して、表面放射量子井戸構造もポンプビーム源の活性ポンプ層も、放射領域及びポンプ領域に亘って延在しているが、量子井戸構造が放射領域内でのみビームを形成するようにする点にある。これは、以下更に詳細に説明する適切な手段によって、例えば、放射領域の外側の量子井戸構造を不規則化することによって達成される。有利には、そのようなエピタキシャルステップで製造することができる。２つのエピタキシャルステップで製造される従来技術の半導体装置に比して、本発明では、製造コストを明らかに低減することができる。

本発明の、少なくとも１つの量子層を有する表面放射量子井戸構造と、量子層に対して平行に設けられた、ポンプビームの形成用の活性ポンプ層とを備えた光ポンプビーム放射半導体装置の製造方法では、半導体装置は、量子井戸構造が光学的にポンピングされる放射領域とポンプ領域とを有しており、量子井戸構造と活性ポンプ層は、半導体装置のポンプ領域及び放射領域に亘って延在しており、ポンプビームは、横方向で放射領域内に入力結合されるように構成されており、先ず、適切な成長基板がプリペアリングされ、後続して、ポンプビームを形成するために活性ポンプ層を含む半導体層列が成長され、少なくとも１つの量子層を備えた表面放射量子井戸構造を含む半導体層列が成長され、放射領域とポンプ領域とが固定され、量子井戸構造がポンプ領域内に不規則化される。

有利には、活性ポンプ層及び量子井戸構造は、共通の導波路内に設けられている。そうすることによって、ポンプビームを導波路内部でガイドすることができ（光学的閉込め）、そうすることによって、一方では、有利に、ポンプビーム場を量子井戸構造と相当大きく重畳することができる。有利には、ポンプビームが量子井戸構造内に入力結合する際の係数が高くなる。

本発明の有利な実施例では、量子井戸構造の吸収波長は、放射領域の内部で、ポンプビームの波長よりも長く、放射領域の外側でポンプビームの波長よりも短い。そのために、有利には、量子井戸構造は、放射領域の外側で少なくとも部分的に不規則化されている。ポンプビームは、吸収波長がポンプビームの波長よりも大きい領域内でしか十分に吸収されないので、ポンプビームは、ポンプ領域内でほぼ吸収損失なしに放射領域内に案内される。殊に、そのようにして、ポンプビームが放射領域の外側で、例えば、不規則化された量子井戸構造内に吸収されるのが回避される。相応して、放射領域の外側で、表面放射量子井戸構造が光学的にポンピングされず、そこにビームも形成されない。有利には、量子井戸構造も活性ポンプ層も、横方向に一貫した層乃至層列として１つのエピタキシャルステップで堆積され、その際、第２のエピタキシャルステップで、半導体層から切除したり、新たに成長させたりする必要がない。そうすることによって、半導体装置の製造を、モノリシックに集積された構成素子の形式で、つまり、量子井戸構造及び活性ポンプ層を共通のエピタキシャル基板上に成長するようにして、著しく簡単にすることができる。

本発明の範囲内では、量子井戸構造とは、量子井戸構造を用いて形成される各層又は層列のことでもある。殊に、この層又は層列は、不規則化又は他の変形構成によって量子井戸構造から形成することができる。相応して、放射領域からポンプ領域内に延在している表面放射量子井戸構造の領域は、ポンプ領域内でも量子井戸構造とも呼ばれる（不規則化又は他の変形構成によって、量子井戸構造の特徴的な特性が部分的又は完全に除去されている場合でも）。

本発明の有利な実施例では、ポンプビームの形成のために、１つ又は複数のポンピングレーザが形成され、その際、活性ポンプ層は、レーザ活性媒体を形成する。レーザ増幅プロセス並びに適切な共振器の幾何形状を用いて、ポンプビーム場は、スペクトル又は空間的に精確にポンピングすべき表面放射量子井戸構造に適合することができ、従って、有利に、高い入力結合係数を達成することができる。

有利には、ポンピングレーザの共振器は、半導体装置の対向している側面によって限定されており、その結果、垂直方向に見て、ポンピングすべき量子井戸構造が、少なくとも部分的にポンピング共振器と重畳するように設けられる。

有利には、本発明の半導体装置は、半導体ディスクレーザ（ｄｉｓｋ ｌａｓｅｒ）として構成されている。そのような半導体ディスクレーザは、外部共振器付の表面放射レーザを形成し、即ち、表面放射器の共振器は、外部要素、例えば、外部共振器鏡と共に形成される。この外部鏡に相応して、本発明では、表面放射器用の第２の共振器鏡として、放射領域の垂直方向後ろ側に設けられている内部共振器鏡が設けられている。殊に、この内部共振器鏡は、ブラッグミラーとして構成することができる。

有利には、活性ポンプ層を有する半導体層列と、量子井戸構造を含む半導体層列は、唯一の共通のエピタキシャルステップで製造することができる。ポンプ領域内での量子井戸構造の不規則化を用いて、ポンプ領域内での量子井戸構造の吸収波長を短くすることができ、その結果、ポンプ領域内でのポンプビームが、表面放射量子井戸構造内で放射されない。これに対して、放射領域内では、不規則化されず、その結果、ポンプビームは、そこに吸収され、従って、表面放射量子井戸構造は光学的にポンピングされる。

有利には、量子井戸構造を、電磁ビーム、有利には、レーザを用いて不規則化するとよい（ＰＡＩＤ， Ｐｈｏｔｏ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｄｉｓｏｒｄｅｒｉｎｇ）。その際、ビームの波長は、当該ビームが、ポンプ領域内では、表面放射量子井戸構造内に吸収されるように選定される。この吸収により、所定温度を超過した際に、量子層を不規則化するように局所的に加熱される。

半導体装置全体が過度に強く加熱されるのを回避するために、例えば、パルス化レーザを用いて、短いパルスで照射される（Ｐ−ＰＡＩＤ， Ｐｕｌｓｅｄ Ｐｈｏｔｏ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｄｉｓｏｒｄｅｒｉｎｇ）。

本発明の方法の有利な実施例では、電磁ビームの波長は、ポンプ領域内での表面放射量子井戸構造内で吸収されるが、ポンプ層内部では吸収されないように選択するとよい。従って、同様に量子井戸構造を含むことができる活性ポンプ層の不規則化を回避することができる。

表面放射量子井戸構造を放射領域の外側でだけ、ポンプ領域内に不規則化するために、有利には、放射領域を固定するために、放射領域をマスク層、例えば、金属層で被覆するとよい。マスク層は、不規則化を引き起こす電磁ビームに対して不透過であり、量子井戸構造が放射領域内で不規則化されるのが阻止される。

以下、本発明について、図１及び図２Ａ，２Ｂ，２Ｃに示した有利な実施例を用いて詳細に説明する。

図１には、本発明の半導体装置の実施例の断面略図が示されており、図２Ａ，２Ｂ，２Ｃには、３つの中間ステップでの本発明の製造方法の実施例が略示されている。

図で、同一又は同じ作用の要素には、同じ参照番号が付けてある。

図１に示された半導体装置は、基板１を有しており、基板１の上に順次連続してエピタキシャルにより、複数の個別層３を有するブラッグミラー２、多数の別の半導体層（以下、更に詳細に説明する）を有する導波路層４、及び、被覆層５が堆積される。これらの各層に対向する基板１の側に、第１のコンタクト層６が設けられており、被覆層５の上に、これに相応する第２のコンタクト層７が設けられている。

導波路層４内に、例えば、波長９２０ｎｍのポンプビーム９の形成用の活性ポンプ層８、並びに、多数の量子層１１を備えた表面放射量子井戸構造１０が形成されている。表面放射量子井戸構造によって形成されるビームの波長は、例えば、９８０ｎｍである。半導体材料として、前述の波長では、例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓベースの材料が適している。

有利には、導波路層は、ＬＯＣ構造（ｌａｒｇｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）として形成されている。量子井戸構造と活性ポンプ層との間の空間的な間隔は、例えば、ほぼ５００ｎｍである。

横方向に、半導体装置は、中央放射領域１２と隣接したポンプ領域１３とに分割されている。この分割は、表面放射量子井戸構造１０がポンプ領域１３内で不規則化されていて、且つ、吸収波長がポンプビームの波長よりも短く、例えば、ほぼ９００ｎｍであるゾーン１４を有しており、他方、放射領域１２では、量子井戸構造の吸収波長は、ポンプビーム９の波長よりも長いようにして行われる。

作動中、コンタクト層６及び７の上には、活性層８中にポンプビームを形成するための作動電流が流される。活性ポンプ層８は、半導体装置の側面１５と共にポンプレーザを形成し、その結果、各側面１５間にポンプビーム場が形成されて、導波路層４内に案内される。

外側に位置しているポンプ領域１３内の表面放射量子井戸構造１０の不規則化、及び、それによって生じる、ポンプ領域内での吸収波長の低減化に基づいて、ポンプ領域内のポンプビームは、表面放射量子井戸構造内で吸収される。従って、ポンプ領域内では、表面放射量子井戸構造は、ポンプビームに対して透過性であり、受動状態を維持し、その結果、ここでは光ポンピングされず、従って、ビームは形成されない。

これに対して、放射領域内では、量子井戸構造１０は不規則化されず、吸収波長は、ポンプビームの波長よりも長い。従って、放射領域内のポンプビームは、量子井戸構造内でほぼ吸収され、光ポンププロセスによって、ビーム１６の形成が励起されて、垂直方向に放射される。ビーム１６の出力結合のために、コンタクト層７が放射領域１２内であけられる。

外部共振器を有する半導体ディスクレーザの形成のために、基板１と表面放射量子井戸構造１０との間にブラッグミラー２が設けられ、ブラッグミラー２は、有利には、種々異なる半導体材料製の交互に形成された多数のエピタキシャル層３を有している。外部ミラー１９と一緒に、ブラッグミラー２は、表面放射量子井戸構造１０によって形成されるビーム１６用の垂直共振器を形成している。

図２に示された製造方法では、第１ステップで、交互に形成されたエピタキシャル層列の形式での基板１上にブラッグミラー２、導波路層４の部分、ポンプビーム９の形成用の活性ポンプ層８、導波路層４の別の部分、多数の量子層１１を有する量子井戸構造１０、導波路層４の表面側か閉じられた部分、並びに、被覆層５がエピタキシャルにより堆積されている（図２Ａ）。有利には、この半導体層は、唯一の共通のエピタキシャルステップで製造することができる。この際、横部分領域の切除、及び、別の層の新たな成長は必要ない。しかも、平坦なエピタキシャル基板を使うことができる。

製造方法の第２のステップでは（図２）、本発明では、被覆層上にマスク層１７、例えば、金属層が堆積される。従って、半導体装置は、横方向に放射領域１２と横方向に隣接したポンプ領域１３とに分割される。その際、放射領域１２は、垂直方向に見てマスク層１７によって被覆されている、半導体装置の領域に相応する。

後続して、量子井戸構造は、そのようにして固定されたポンプ領域１３内で不規則化され、その際、本発明では、拡散誘起不規則化（ディフュージョン・インデュースド・ディゾルダリング）（ＤＩＤ，ｄｉｆｆｓｉｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｄｉｓｏｒｄｅｒｉｎｇ）が有利である。そのために、半導体装置は、波長が量子井戸構造１０内に吸収されるように選択された電磁ビーム１８で放射される。有利には、電磁ビームの波長は、ポンプ波長よりも長いが、作動中量子井戸構造１０によって放射されるビーム１６の波長よりも短い。例えば、９２０ｎｍのポンプ波長で、９８０ｎｍの表面放射量子井戸構造の放射波長では、電磁ビームの波長は９４０ｎｍである。

従って、不規則化プロセスの垂直方向の選択性が達成され、即ち、電磁ビームが量子井戸構造内で吸収され、その下に位置している活性ポンプ層では吸収されない。不規則化プロセスの所要の横方向選択性は、既述のマスク層１７によって確実にされる。

電磁ビームの吸収は、ポンプ領域内で量子井戸構造の領域内での局所的な温度上昇を引き起こし、所定温度を超過すると、量子井戸構造１０の不規則化と、その結果、ポンプ領域１３内でのゾーン１４内での量子井戸構造の吸収波長が低減される。例えば、ポンプ領域内での量子井戸構造の吸収波長を、９００ｎｍに低下することができ、その結果、そこでは、量子井戸構造は、９２０ｎｍの波長のポンプビームに対してほぼ透過である。

電磁ビームの波長が活性ポンプ層８の吸収波長よりも長く選択されている場合、この活性ポンプ層内での電磁ビームの吸収、従って、この層内での場合によって不所望な不規則化を回避することができる。

更に、この方法ステップで、コンタクト層６の裏側面も基板上に堆積される。

続いて、第３の方法ステップでは（図２Ｃ）、マスク層１７が切除されるか、又は、剥がされ、ポンプ領域内に第２のコンタクト層７が堆積される。先行の不規則化を用いて、量子井戸構造１０は、ポンプ領域１３内に、量子井戸構造の吸収波長が、既述のように、ポンプビームの波長よりも短いゾーン１４を有しており、その結果、ポンプ領域１３内のポンプビームは、量子井戸構造１０内で吸収されずに放射領域１２に案内される。

図示の実施例を用いての本発明の説明は、本発明の限定と理解してはいけない。殊に、本発明は、請求の範囲内にあげた各要件のあらゆる組み合わせ、並びに、実施例の範囲内、及び、その他の説明の範囲内で特定した各要件のあらゆる組み合わせも含む（この各組み合わせが本発明の請求の範囲の明示的な対象でないとしても）。

優先権が本願に対して主張されているドイツ連邦共和国特許出願第１０３３５３５９．１号公報、及び、ドイツ連邦共和国特許出願第１０３４１０８５．６号公報の内容は、本願発明の説明に参照されている。

本発明の半導体装置の実施例の断面略図。 ３つの中間ステップでの第１のステップの本発明の製造方法の実施例の略図。 ３つの中間ステップでの第２のステップの本発明の製造方法の実施例の略図。 ３つの中間ステップでの第３のステップの本発明の製造方法の実施例の略図。

符号の説明

１ 基板
２ ブラッグミラー
３ 個別層
４ 導波路層
５ 被覆層
６ 第１のコンタクト層
７ 第２のコンタクト層
８ 活性ポンプ層
９ ポンプビーム
１０ 表面放射量子井戸構造
１１ 量子層
１２ 中央放射領域
１３ ポンプ領域
１４ ゾーン
１５ 側面
１６ ビーム
１７ マスク層
１８ 電磁ビーム
１９ 外部ミラー

Claims (15)

1. 少なくとも１つの量子層（１１）を有する表面放射量子井戸構造（１０）と、前記量子層（１１）に対して平行に設けられた、ポンプビーム（９）の形成用の活性ポンプ層（８）とを備えた光ポンプビーム放射半導体装置において、
   半導体装置は、量子井戸構造（１０）が光学的にポンピングされる少なくとも１つの放射領域（１２）と、少なくとも１つのポンプ領域（１３）とを有しており、前記量子井戸構造（１０）と活性ポンプ層（８）は、半導体装置の前記ポンプ領域（１３）及び前記放射領域（１２）に亘って延在しており、ポンプビームは、横方向で放射領域（１２）内に入力結合されるように構成されている
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 活性ポンプ層（８）及び量子井戸構造（１０）は、共通の導波路（４）内に設けられている請求項１記載の半導体装置。
3. 量子井戸構造（１０）の吸収波長は、放射領域（１２）内部で、ポンプビーム（９）の波長よりも長く、放射領域（１２）の外側で前記ポンプビーム（９）の波長よりも短い請求項１記載の半導体装置。
4. 量子井戸構造（１０）は、放射領域（１２）の外側で少なくとも部分的に不規則化されている請求項１記載の半導体装置。
5. ポンプビーム（９）の形成用の半導体装置は、レーザ活性媒体として活性ポンプ層（８）を有するポンピングレーザを有している請求項１記載の半導体装置。
6. ポンピングレーザは、レーザ共振器を有しており、放射領域は、垂直方向に見て、少なくとも部分的にレーザ共振器と重畳されている請求項５記載の半導体装置。
7. 放射領域（１２）は、鏡層（２）、有利には、ブラッグミラーを有しており、又は、前記放射領域（１２）の垂直方向の後ろ側に、前記鏡層（２）、有利には、ブラッグミラーが設けられている請求項１記載の半導体装置。
8. 半導体装置は、光ポンプ半導体ディスクレーザとして構成されている請求項１記載の半導体装置。
9. ポンプ領域（１３）及び放射領域（１２）は、モノリシックに集積されて構成されている請求項１記載の半導体装置。
10. 少なくとも１つの量子層（１１）を有する表面放射量子井戸構造（１０）と、前記量子層（１１）に対して平行に設けられた、ポンプビーム（９）の形成用の活性ポンプ層（８）とを備えた光ポンプビーム放射半導体装置の製造方法であって、前記半導体装置は、前記量子井戸構造（１０）が光学的にポンピングされる放射領域（１２）とポンプ領域（１３）とを有しており、前記量子井戸構造（１０）と前記活性ポンプ層（８）は、半導体装置の前記ポンプ領域（１３）及び前記放射領域（１２）に亘って延在しており、ポンプビームは、横方向で放射領域（１２）内に入力結合されるように構成されている光ポンプビーム放射半導体装置の製造方法において、
    基板をプリペアリングするステップと、
    活性ポンプ層（８）を含む半導体層又は半導体層列を成長するステップと、
    少なくとも１つの量子層（１１）を備えた表面放射量子井戸構造（１０）を含む半導体層又は半導体層列を成長するステップと、
    少なくとも１つの放射領域（１２）と少なくとも１つのポンプ領域（１３）とを横方向に固定するステップと、
    量子井戸構造（１０）をポンプ領域（１３）内で不規則化するステップと
    を有することを特徴とする半導体装置。
11. 量子井戸構造（１０）を、電磁ビーム（１８）、有利には、レーザを用いて不規則化する請求項１０記載の方法。
12. 量子井戸構造（１０）を、レーザポンプでの放射によって不規則化する請求項１１記載の方法。
13. 電磁ビーム（１８）の波長を、量子井戸構造（１０）内部で吸収されるが、活性ポンプ層（８）内部では吸収されないように選択する請求項１０記載の方法。
14. 電磁ビーム（１８）の波長を、表面放射量子井戸構造（１０）の放射波長よりも短く、且つ、ポンプビーム（９）の波長よりも長くする請求項１０記載の方法。
15. 量子井戸構造（１０）の不規則化前の放射領域（１２）を確定するために、マスク層、特に有利には、金属マスク層を、放射領域（１２）上に堆積する請求項１０記載の方法。

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