JP2006074051A - 面発光レーザのための放射光を出射する半導体基体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力かつ電流供給の改善された面発光レーザのための半導体基体を提供する。その際、半導体基体を僅かな技術コストで製造する。さらに、相応の面発光レーザおよび当該半導体基体のための製造方法を提供する。
【解決手段】放射光を発生する活性層（４）と、電流阻止領域（１２）および電流通過領域（１３）を有する電流供給層（６）とを含む、垂直な放射方向を有する放射光を出射する半導体基体（１）において、半導体基体（１）が、外部共振器を備えた面発光レーザのために設けられており、外部共振器は、電流通過領域（１３）とオーバーラップする所定の共振器ボリューム（１４）を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射光を発生する活性層と、電流阻止領域および電流通過領域を有する電流供給層とを含む、垂直な放射方向を有する放射光を出射する半導体基体、および当該半導体基体を含む面発光半導体レーザ、ならびにその製造方法に関する。

上述のような放射光を出射する半導体レーザは、例えば国際公開公報ＷＯ０２／１３３３４Ａ２から公知である。ここには、所謂ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser 垂直共振器型面発光レーザ）の形の面発光レーザが記載されている。このＶＣＳＥＬは、２つの共振器ミラーによって形成されたレーザ共振器を有する半導体基体を備えており、その際、レーザ共振器には殊に、活性層および電流狭窄層が配置されている。電流狭窄層は作動中に、作動電流を活性層の小さな部分領域に集中させるのに用いられ、その結果、そこにはレーザの作動に必要な反転分布が生ぜしめられる。

そのような面発光のＶＣＳＥＬは、高い放射品質を特徴としているが、比較的小さな光出力を有するものである。このため、上記の文献に記載のように、良好に定義された電流供給に留意しなければならない。なぜなら、さもなければ、電流路およびレーザ共振器ボリュームの近さにより、上記の半導体レーザの比較的僅かな横方向の広がりに関連して、電気的損失熱が放射品質ないし安定性にネガティブな影響を与えることがあるからである。

また、光出力を高めるために、半導体基体に集積されたレーザ共振器の代わりに、外部の共振器ミラーを用いる共振器を設けることが公知である。そのような装置は、ＶＥＣＳＥＬ（Vertical External Cavity Surface Emitting Laser 垂直外部共振器型面発光レーザ）とも称される。外部共振器を備えた上記半導体レーザは、通常、ＶＣＳＥＬよりも非常に大きな横方向の広がりを有しており、相応に高い出力で作動される。つまり、典型的にはＶＥＣＳＥＬの直径は、１０μｍの範囲か又はそれ以上である。横方向の寸法の著しい違いにより、一般に、ＶＣＳＥＬの場合の作動電流の供給に対するコンセプトはＶＥＣＳＥＬには適用できない。
ＷＯ０２／１３３３４Ａ２

本発明の課題は、高出力かつ電流供給の改善された面発光レーザのための半導体基体を提供することにある。また、半導体基体は僅かな技術コストで製造できることが望ましい。さらに、本発明の課題は、相応の面発光レーザおよび本発明の半導体基体のための製造方法を提供することである。

上記課題は、請求項１に記載の放射光を出射する半導体基体により、半導体基体が、外部共振器を備えた面発光レーザのために設けられており、外部共振器は、電流通過領域とオーバーラップする所定の共振器ボリュームを有していることによって解決される。

また、請求項１１に記載の面発光半導体レーザにより、半導体レーザが、請求項１から１０までのいずれか１項記載の放射光を出射する半導体基体を含んでいることによって解決される。

また、請求項１２に記載の製造方法により、電流供給層が、次のステップによって形成される、すなわち
第１の導電形の第１のクラッド層を成長させるステップ、
第２の導電形の電流供給層を成長させるステップ、
第１の導電形の第２のクラッド層を成長させるステップおよび
電流供給層の電流通過領域にドーピング材をドープし、電流通過領域が第１の導電形を有するようにしたステップによって形成されることによって解決される。

本発明の別の有利な構成が従属請求項に記載されている。

本発明による垂直な放射方向を有する放射光を出射する半導体基体は、半導体基体のなかに設けられている、電流阻止領域および電流通過領域を有する電流供給層と、放射光を発生する活性層とを含んでおり、その際、半導体基体は外部共振器を備えた面発光レーザのために設けられており、外部共振器は、電流通過領域とオーバーラップする所定の共振器ボリュームを有している。

電流供給層を外部共振器によって前もって与えられた共振器ボリュームに整合することにより、作動電流が、半導体基体において、共振器ボリュームのなかの放射形成に適切な領域へと導かれる。これにより、作動電流の結合が、共振器ボリュームの領域外に設けられた電気コンタクトを介して実現される。したがって、一方では、このコンタクトは放射出力結合を阻止することなく、他方、効率的なレーザ作動のために有利な電流供給が保証されている。

相応して、本発明の有利な実施形態では、半導体基体が、放射光出射側および放射光出射側に前もって与えられた放射光出射領域を有しており、その際、この放射光出射領域外に、半導体基体に作動電流を印加するための電気コンタクトが設けられている。有利には、電流供給層の電流阻止領域が、垂直方向に、電気コンタクトに後置されている。したがって、外部共振器の共振器ボリュームの外部に、放射発生のために寄与しない又は非効率的な寄与でしかない電流が流れることが回避される。

本発明の別の有利な実施形態では、電流阻止領域は、作動中に遮断する少なくとも１つのｐｎ接合部を用いて形成されている。そのような阻止ｐｎ接合部は、比較的僅かな技術コストで製作できる。

有利には、さらに、電流供給層は、第１の導電形の２つのクラッド層の間に配置されており、電流阻止領域において、第２の導電形を有している。この配置の場合、電流供給層は電流阻止領域において、隣接したクラッド層と接続して、それぞれｐｎ接合部を形成する。その際、これらのｐｎ接合部の順方向は互いに逆になっており、したがって、電流阻止領域を流れる電流が阻止される。これに対して、電流通過領域において、電流供給層は第１の導電形を有している。したがって、この領域では、阻止ｐｎ接合部が設けられていない。

有利には、電流供給層は、電流通過領域において、第１および第２の導電形のドーピング材でドーピングされている。このことにより、相応の半導体基体の製造が容易となる。なぜなら、まず、電流供給層は一貫して第２の導電形のドーピング材でドーピングできるからである。後続して、目的に合わせ、電流通過領域において、電流供給層は第１の導電形のドーピング材で、次のようにドーピングされる。つまり、第１の導電形のドーピングが優勢を占め、導電形は逆になる。したがって、全体として電流通過領域が、第１の導電形を有する。

本発明の１つの有利な実施形態では、半導体基体のなかに、さらに、外部共振器を形成するためのミラー構造が設けられている。ミラー構造は、たとえばブラッグミラーとして形成できる。このことにより、外部共振器の形成が容易になる。なぜなら、半導体基体に対し付加的に、外部ミラーが必要であるにすぎないからである。

有利には、外部共振器ミラーは凹面に湾曲したミラーであり、該ミラーにより、さらに有利には、レーザビームが出力結合される。共振器長に対し曲率半径のディメンションを適切に選択した場合、上記の共振器は、平坦な共振器ミラーを有するファブリ・ペロ共振器に比して、有利にも高い安定性を有する。

さらに、本発明の範囲内において、垂直な放射方向を有する本発明の半導体基体を含む、外部共振器を備えた面発光半導体レーザが提案されている。

本発明では、本発明の半導体基体を製造するために、半導体基体はエピタキシャル方法により製造され、その際、順次、第１の導電形の第１のクラッド層、第２の導電形の電流供給層、そして第１の導電形の第２のクラッド層を成長させ、次いで、電流供給層の電流通過領域内にドーピング材をドープし、電流通過領域が第１の導電形を有するようにした。

上述の製造方法は、比較的僅かな技術コストを必要とするにすぎない。なぜなら、半導体層のエピタキシャル成長に付加的に、電流通過領域内における唯１つの構造化された拡散が必要であるにすぎないからである。

有利には、電流通過領域のドーピングのため、相応のドーピング材を有するドーピング材料源が、第２のクラッド層上の、電流通過領域が垂直方向に後置されている領域に構造化して被着され、次いで、ドーピング材が電流通過領域に拡散する。拡散プロセスの後、ドーピング材料源は除去される。

本発明の有利な実施形態を以下図面を参照して詳細に説明する。

図面において、同じ素子又は同じ作用の素子には同一の符号が付されている。

図１に示した実施例には、半導体基体１が示されており、該半導体基体は、垂直方向に見て、サブストレート２、ミラー層３、活性層４、第１のクラッド層５、電流供給層６、ならびに第２のクラッド層７を有している。半導体基体の放射出力結合側８の上には、第１の電気コンタクト９が、有利にはリングコンタクトの形で形成されている。これに対応して、半導体基体の対向する側に一貫した構成の電気コンタクト１０が設けられている。

レーザ共振器は、ミラー層３および有利には湾曲したミラー面を有する外部ミラー１１によって形成されている。ミラー層３は、それ自体周知の方法で、異なる屈折率を有する複数の交互な半導体層により、ブラッグミラーとして構成できる。そのような層の材料系として、例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓが適しており、その際、層列は、異なるアルミニウム含有量を有する層のペア３ａ、３ｂから構成される。これに代わる方法として、ミラー構造３として、金属ミラー又は誘電体ミラーを設けてもよい。そして、この場合、サブストレート２は、合目的に省かれる。さらに、金属ミラーの場合には、当該ミラーは同時にコンタクト１０として用いられる。

電流供給層６は、第１の導電形の２つのクラッド層５及び７の間に配置されており、電流通過領域１３では同様に第１の導電形を有する。これに対して、電流阻止領域１２では、
電流供給層６は第２の導電形を有する。したがって、垂直方向に見て隣接するクラッド層５及び７と共に、２つのｐｎ接合部が逆方向で形成されており、これにより電流阻止領域１２において垂直な電流の流れが防止される。

たとえば、サブストレート２として、ｎドーピングされたＧａＡｓサブストレートが設けられており、その上に、ｎドーピングされたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓブラッグミラーを成長させる。

活性層４は有利には、単一または多重量子井戸構造（ＳＱＷ−single quantum well
ないしＭＱＷ−multiple quantum well）として構成されている。一般に、そのような量子井戸構造は、障壁層間に配置されている１つ（ＳＱＷ）又は複数（ＭＱＷ）の量子井戸層を有している。例えば、量子井戸構造は、ＩｎＧａＰ−、ＩｎＧａＡｓ−またはＧａＡｓ−量子井戸層および／またはＡｌＩｎＧａＰ−ないしＡｌＧａＡｓ−障壁層を含むことができる。さらに、個々の量子井戸間にスペーサ層を設けることができる。

量子井戸構造と呼ぶものは、本願の範囲では、電荷キャリアが、閉じ込め（“confinement”）によりそのエネルギー状態が量子化されるような構造を含んでいる。特に量子井戸構造と呼ぶものに、量子化の次元に関する情報は含まない。よって、量子井戸構造と呼ぶものにはとりわけ、量子井戸、量子ワイヤおよび量子ドットならびにそれぞれの組合せが含まれている。

さらに、活性層４として例えば、２つのＡｌＧａＩｎＰ層間に埋め込まれているｐドーピングされたＩｎＧａＰ層が適している。

この上に、垂直方向に見て、ｐドーピングされた第１のクラッド層５、電流阻止層１２においてｎドーピングされており且つ電流通過領域１３においてｐドーピングされた電流通過層６、そしてｐドーピングされた第２のクラッド層７が続いている。前記３つの半導体層５，６及び７は、例えばＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰを含む。このようにして、電流阻止領域１２では、阻止ｎｐｎ接合、すなわち２つの逆方向のｐｎ接合の直列接続が形成される。

本発明では、電流通過領域１３の横方向幅は次のように選択される。すなわち、電流通過領域は、外部共振器の所定の共振器ボリューム１４とオーバーラップし、その際有利には、電流通過領域は、電流供給層６の領域内において共振器ボリューム１４の横方向断面よりも広くなっている。共振器ボリュームは、図示の実施例では、特に共振器長により、外部ミラー１１の曲率半径に関連して決定される。疑念のある場合には、本発明では、共振器の限定として、電磁基本モードフィールドの１／ｅ^２半径がガウス近似にて関連づけられる。

図２ａ、図２ｂ及び図２ｃには、３つの中間ステップにより、図１に示した半導体基体のための本発明の製造方法が示されている。

第１のステップすなわち図２ａにおいて、サブストレート２上にまず、異なる屈折率を有する層のペア３ａ，３ｂの重なり列から成るミラー構造３、活性層４、第１のクラッド層５、電流供給層６ならびに第２のクラッド層７をエピタキシャル成長させる。この場合、第１のクラッド層５は一貫して第１の導電形を有し、電流供給層６は一貫して第２の導電形を有しており、そして第２のクラッド層７は一貫して第１の導電形を有している。たとえば、第１のクラッド層５はｐドーピングされ、電流供給層６はｎドーピングされ、そして第２のクラッド層７はまたｐドーピングされる。

第２のステップすなわち図２ｂでは、電流供給層６の電流阻止領域１２および電流通過領域１３が形成される。このために、第２のクラッド層７上にドーピング材料源１５が、電流通過領域１３が垂直方向に後置されている領域に、構造化して被着される。ドーピング材料源１５は、第１の導電形のドーピング材を含み、これは後に、その下方に位置する層、特に電流供給層６に拡散されていく。この場合ドーピングは、電流供給層６の電流通過領域１３において導電形が逆になるように行われる。この形式および手法では、電流通過領域に、第１の導電形の垂直な電流路が生ずる。上述の半導体材料のためのドーピング材として、例えば亜鉛が適している。

第３のステップすなわち図２ｃでは、後続して、半導体基体の放射出力結合側８の上に、電気コンタクト９、例えばリングコンタクトが形成され、そして、半導体基体の対向する側には、これに対応する一貫した構成の電気コンタクト１０が形成される。ここでは、リングコンタクトは次のように設けられている。すなわち、リング開口部は垂直方向に電流通過領域１３に後置されている。このようにして、コンタクト９が所定の共振器ボリュームに介入して、半導体基体からの放射出力結合に不都合な影響を与えることのないことが保証される。

実施例に基づく本発明の説明は、本発明を制限するものとして理解すべきではない。特に、本発明は上述の半導体材料に制限されていない。したがって、半導体基体の層は別の材料、例えばＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１かつ０≦ｘ＋ｙ≦１）、
Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１かつ０≦ｘ＋ｙ≦１）、
Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１かつ０≦ｘ＋ｙ≦１）、
Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＡｓ_uＮ_1-u（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１かつ０≦ｕ≦１）、
Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＡｓ_uＰ_1-u（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１かつ０≦ｕ≦１）、および／または
Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＰ_uＮ_1-u（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１かつ０≦ｕ≦１）を含んでいてもよい。

さらに、本発明は、たとえ特許請求の範囲に明示されてなくとも、実施例およびそれ以外の説明に記載された特徴のあらゆる組合せを含むものである。

本発明の半導体基体ないし本発明の半導体レーザの実施例の断面略図である。 本発明の製造方法の実施例を３つの中間ステップによって略線的に示した図である。

符号の説明

１ 半導体基体
２ サブストレート
３ ミラー層
４ 活性層
５ 第１のクラッド層
６ 電流供給層
７ 第２のクラッド層
８ 放射光出射側
９，１０ 電気コンタクト
１１ 外部ミラー
１２ 電流阻止領域
１３ 電流通過領域
１４ 共振器ボリューム

Claims (15)

1. 放射光を発生する活性層（４）と、電流阻止領域（１２）および電流通過領域（１３）を有する電流供給層（６）とを含む、垂直な放射方向を有する放射光を出射する半導体基体（１）において、
   半導体基体（１）が、外部共振器を備えた面発光レーザのために設けられており、前記外部共振器は、前記電流通過領域（１３）とオーバーラップする所定の共振器ボリューム（１４）を有していることを特徴とする、放射光を出射する半導体基体（１）。
2. 前記半導体基体（１）は、放射光出射側（８）および該放射光出射側に前もって与えられた放射光出射領域を有しており、該放射光出射領域外に電気コンタクト（９）が配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の放射光を出射する半導体基体（１）。
3. 前記電流阻止領域（１２）は、垂直方向に、電気コンタクト（９）に後置されていることを特徴とする、請求項２に記載の放射光を出射する半導体基体（１）。
4. 前記電流阻止領域（１２）は、作動中に遮断する少なくとも１つのｐｎ接合部を用いて形成されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の放射光を出射する半導体基体（１）。
5. 前記電流供給層（６）は、第１の導電形の２つのクラッド層（５，７）の間に配置されており、前記電流阻止領域（１２）において、第２の導電形を有することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の放射光を出射する半導体基体（１）。
6. 前記電流供給層（６）は、前記電流通過領域（１３）において、第１の導電形を有することを特徴とする、請求項５に記載の放射光を出射する半導体基体（１）。
7. 前記電流供給層（６）は、前記電流通過領域（１３）において、前記第１および第２の導電形のドーピング材でドーピングされていることを特徴とする、請求項６に記載の放射光を出射する半導体基体（１）。
8. 前記半導体基体（１）のなかに、外部共振器を形成するためのミラー構造（３）が構成されていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の放射光を出射する半導体基体（１）。
9. 前記ミラー構造（３）はブラッグミラーであることを特徴とする、請求項８に記載の放射光を出射する半導体基体（１）。
10. 前記外部共振器は湾曲した外部ミラー（１１）を有していることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の放射光を出射する半導体基体（１）。
11. 半導体レーザが、請求項１から１０までのいずれか１項記載の放射光を出射する半導体基体（１）を含んでいることを特徴とする、外部共振器を備えた面発光半導体レーザ。
12. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の放射光を出射する半導体基体（１）のための製造方法であって、次のステップを有する、すなわち
    成長基板を準備作製するステップ、
    活性層（４）をエピタキシャル成長させるステップおよび
    電流供給層を形成するステップを有する、
    製造方法において、
    前記電流供給層が、次のステップによって形成される、すなわち
    第１の導電形の第１のクラッド層（５）を成長させるステップ、
    第２の導電形の電流供給層（６）を成長させるステップ、
    第１の導電形の第２のクラッド層（７）を成長させるステップおよび
    電流供給層（６）の電流通過領域（１３）にドーピング材をドープし、電流通過領域（１３）が第１の導電形を有するようにしたステップによって形成される
    ことを特徴とする、製造方法。
13. 前記電流供給層（６）のドーピングのため、前記第２のクラッド層（７）上に、前記ドーピング材を有するドーピング材料源（１５）が、電流通過領域（１３）が垂直方向に後置されている領域に、構造化して被着され、後に、前記ドーピング材が電流通過領域（１３）に拡散することを特徴とする、請求項１２に記載の製造方法。
14. 前記ドーピング材の拡散の後、ドーピング材料源（１５）が除去されることを特徴とする、請求項１３に記載の製造方法。
15. 善意ドーピング材は亜鉛であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の製造方法。

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