JP2009088524A - 半導体レーザーおよび半導体レーザーの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザーおよび半導体レーザーの製造方法の提供。
【解決手段】半導体レーザーは、半導体ボディ４を備える面発光型半導体レーザー２として実現される。半導体ボディ４は、第１の平坦面１２および第２の平面１４を含んでいる。また、半導体ボディは、第１の平坦面１２と第２の平坦面１４の間に、放射線を発生するための活性層１０を少なくとも１つ含んでいる。また、半導体ボディ４は、活性層１０から第１の平担面１２まで放射線を出射するために、活性層１０に対して傾斜する第１の鏡面２６を少なくとも１つ備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ボディを備える半導体レーザーに関する。

端面発光型半導体レーザーの場合、半導体レーザーの活性層で発生する放射線は、端面発光型半導体レーザーにある半導体ボディから活性層に平行な方向に出現する。半導体は高い屈折率を有しているので、原理上は、発生する放射線の大部分は、半導体レーザーの端面で反射されて半導体ボディに戻る。それにより、半導体レーザーのレーザー機能が可能になる。また、反射は、半導体レーザーの端面の表面コーティングに影響される。この目的のため、前記半導体レーザーは、半導体ボディの層シーケンスがエピタキシャリーに成長するウエーハ群から離れていなければならない。その結果、半導体レーザーの端面は、単に剥き出しになっていて、表面が加工できるようになっている。そのため、前記端面の表面加工は、原則として、ウエーハ群では行われない。また、端面発光型半導体レーザーは、一般的にはウエーハ群では検査されない。

さらに、端面発光型半導体レーザーの場合、放射線は、活性層にある出口領域において半導体ボディの外に出る。特に、放射線が高強度の場合および／または操作時間が長い場合は、これによって、出口領域での活性層の減耗、例えば溶融が促進される。ふつう、溶融は、ＣＯＤ（瞬時光学損傷）と呼ばれる。

本発明の基本的な目的は、半導体レーザーと、簡単に製造できかつ特に耐久性を有するとともに、面発光型薄膜半導体レーザーとして実現される半導体レーザーに寄与する半導体レーザーの製造方法を提供することである。

本目的は、独立クレームの特徴によって達成される。また、有利な構成は従属クレームに記載される。

本発明の第１の観点により提供されるのは、半導体ボディを備え、面発光型薄膜半導体レーザーとして実現される半導体レーザーである。前記半導体ボディは、第１および第２の平坦面を含んでいる。前記半導体ボディは、両平担面の間に放射線を発生するための活性層を少なくとも１つ含んでいる。前記活性層から第１の平坦面に向けて放射線を出射するために、半導体層ボディは、前記活性層に対して傾斜する第１の鏡面を少なくとも１つ有する。

これにより、第１の平坦面を加工でき、その平坦面では、面発光型薄膜半導体レーザーから放射線が出現する。また、例えば、ウエーハ群で鏡面を製造したり、面発光型薄膜半導体レーザーを組み立てたり、および／または２つの平坦面あるいはファセット工程を含む鏡面を不動態化したりできる。さらに、面発光型薄膜半導体レーザーは、ウエーハ群で検査されてもよい。このことによって、目的に適った面発光型薄膜半導体レーザーの製造を極めて簡単にできる。さらに、このことは、放射線の出口領域での反射に及ぼす影響を良好にする。さらに、第１の鏡面は、第１の平坦面でＣＯＤが生じないという効果をもたらす。このことは、特に操作時間が長い場合および／または高強度の放射線の場合に、例えば減耗、特に溶融に関して特別な耐久性を有する面発光型半導体レーザーの実現に役立つ。

第１の鏡面は、第１および第２の平坦面に対して傾斜する半導体ボディの外部領域で形成される。第１の鏡面での反射率は、第１の鏡面に備えられる不導電性および／または金属性の表面によって増大する。第１の鏡面および、適切な場合には、その他の鏡面は、酸素原子を表面から取り除くことなどをされて不動態化される。ここで、活性層が２つの平坦面の間で形成されるということは、活性層が、平坦面上へ射出されて、平坦面に対して重なる領域を形成することを意味する。

１つの構成では、半導体ボディは、活性層から第１の平坦面に向けて放射線を出射するために、活性層に対して傾斜する第２の鏡面を有する。これにより、放射線は、２つの鏡面によって、活性層の異なる端面で、活性層から出射され得る。これは、面発光型薄膜半導体レーザーの発光の強度および／または効率を高くするのに役立つ。また、第２の鏡面を、第１の鏡面に応じて構成してもよい。

更なる構成では、面発光型薄膜半導体レーザーで発光される放射線の主要な発光方向が、半導体ボディの第１の平坦面と垂直になるように、少なくとも１つの鏡面を構成する。このことは、面発光型薄膜半導体レーザーで発光する放射線の放射線流を特に高くするのに役立ち、また、半導体ボディの内部にある第１の平坦面に垂直であるので、発光する放射線は、出来る限り最小の間隔を通って、半導体ボディにほとんど相互作用を及ぼさない。

更なる構成では、鏡面の少なくとも１つは、活性層に対して３５°から５５°の角度で傾斜している。その角度が、４５°であれば更に好ましい。これにより、面発光型薄膜半導体レーザーで発光された放射線の発光方向が、半導体ボディの第１の平坦面と垂直になるような鏡面を簡単に実現することができる。

更なる構成では、半導体ボディは、活性層を含む薄膜層シーケンスを有する。前記薄膜層シーケンスは、成長基板の上で成長し、活性層を特に正確に製造できるとよい。また、前記薄膜層シーケンスは、層の面法線方向に活性層が埋入された導波路層を、少なくとも２つ含むとよい。さらに、導波路層および活性層は、少なくとも２つのクラッディング層の間で面法線方向に埋入される。また、導波路層は、概してクラッディング層よりも高い屈折率を有しているので、導波路層と隣接するクラッディング層との間で屈折率が急変する。これにより、面法線に垂直になる横方向に放射線が誘導される。

また、半導体ボディにあるそれぞれの層の半導体が、ドープされているとよい。例えば、クラッディング層の一方がｎ−ドープされており、他方がｐ−ドープされているとよい。ドープされた半導体は、活性層で再結合し、放射線を発生する正と負の電荷担体の再結合率を特に高くすることができる。また、クラッディング層は、望ましくない電荷担体の流れを回避するので、再結合率をより一層向上させるのに役立つ。また、放射線を発生するために、ドーピングに応じて、出来るだけ多くの電荷担体が活性層で再結合するように望ましい電圧を半導体ボディに印加する。

面発光型薄膜半導体レーザーでの”薄膜”という補足的な表現は、薄膜層シーケンスが例えば２０μｍよりも薄いことを意味している。

更なる構成では、薄膜層シーケンスは、２以上の活性層を含んでいる。前記活性層では、放射線が発生される。また、前記活性層は、薄膜層シーケンスでモノリシカリーに結合されるトンネル接合によって互いに電気的に接続されている。これにより、薄膜層シーケンスで発生する放射線流を簡単に増加できる。２以上の活性層は、互いに、それぞれの導波路層とそれに対応するクラッディング層に埋入されるとよい。しかしながら、これにより、異なるドープを行った互いに隣接するクラッディング層で、ｐｎあるいはｎｐ接合が誘発される。また、半導体ボディへの印加電圧に応じて、ｐｎまたはｎｐ接合は、逆向きに直列接続される。また、トンネル接合は、異なるドープを行った互いに隣接するクラッディング層の間で形成され、直列に配置した接合を介して、逆バイアスに対して電荷担体が流れるようにする。

更なる構成では、半導体ボディは、機能層を含んでいる。薄膜層シーケンスから離隔した機能層の面には、半導体ボディの第１の平坦面が形成される。また、前記機能層は、特に簡単な方法で薄膜層シーケンスを製造するのに役立つ。さらに、前記機能層は、面発光型薄膜半導体レーザーと接触する電極が、活性層と比べて比較的小さな領域しか有さないにも関わらず、電荷担体の再結合と、それを原因とする放射線の発生を活性層の全体で生じさせるのに役立つ。

更なる構成では、面発光型薄膜半導体レーザーの作動中に、活性層から出射される放射線の主要な放射線流が領域の外側で生じる領域では、機能層はより狭まっている。これは、放射線が、半導体ボディ内部の狭い間隔を通らねばならず、また半導体ボディとより小さく相互作用するので、面発光型薄膜半導体レーザーの強度を、特に簡単な方法で特に高くするのに役立つ。

更なる構成では、機能層は、成長基板を含んでいる。前記成長基板は、薄膜層シーケンスを特に正確に製造するのに役立つ。

更なる構成では、機能層は、電流拡散層を含んでいる。前記電流拡散層は、活性層に平行な面で特に高い電気伝導度を示すので識別することができる。このことは、外部で半導体ボディに印加される電圧によって動きを誘発される電荷担体が、活性層の全体に分配され、電荷担体の再結合が活性層の全体で生じるのに役立つ。これにより、外部電圧を印加する電極を、活性層に対して比較的小さくできる。

更なる構成では、半導体ボディは、第２の平坦面によってキャリア基板と結合される。また、薄膜層シーケンスが成長して、キャリア基板に結合された後に、成長基板を取り除いてもよい。このとき、半導体ボディの第１の平坦面は、薄膜層シーケンスの面の側で、また適切な場合には、電流拡散層の側で形成されると好ましい。これにより、半導体ボディ内部の放射線が、半導体ボディから現れるので、もはや成長基板を透過する必要がなくなる。このことは、発光される放射線を特に高くすることに役立つ。さらに、キャリア基板は、例えば金属を含んでもよいので、半導体ボディで発生する熱を特に効果的に発散するのに役立つ。

更なる構成では、面発光型薄膜半導体レーザーは、少なくとも１つの半導体ボディの第１の接触面に、所定の第１の反射率を有する第１の光学活性表層を少なくとも１つ含んでいる。第１の光学活性表層は、活性層から出射される放射線が、第１の鏡面によって、第１の光学活性表層に向けて反射されるように配置される。これにより、第１の接触面の反射率を増加させたり、減少させたりできる。また、これにより、面発光型薄膜半導体レーザーの特性を、光学活性表層によって、特に柔軟に設定できる。ここでの光学活性表層の光学的効果は、第１の接触面での放射線の反射に対する光学活性表層の影響について言うのである。

更なる構成では、第２の所定の反射率を有する第２の光学活性表層は、活性層から出射される放射線が、第２の鏡面によって第２の光学活性表層に向けて反射されるように第１の接触面に配置される。このことは、面発光型薄膜半導体レーザーの特性を、特に柔軟に設定するのに役立つ。特に、第２の所定の反射率は、第１の光学活性層の第１の所定の反射率よりもかなり大きくなるように、予め定められている。これにより、活性層から出射される放射線が、ほぼ完全に第２の光学活性層で反射され、再び活性層に向けて出射される効果が生じる。また、これにより、第１の鏡面を経由して出射される放射線の放射線流がほぼ２倍になり、面発光型薄膜半導体レーザーが、特に高い強度および／または放射効率を有する一点の光源を示す効果が生じる。

更なる構成では、第２の所定の反射率を有する第２の光学活性表層は、第２の鏡面によって、活性層から出射される放射線が第２の光学活性表層に向けて反射されるように半導体ボディの第２の接触面に配置される。第２の接触面にある第２の光学活性表層は、第１の接触面にある第２の光学活性表層と同じような特性および／または利点を有する。さらに、第１、第２および／またはその他の光学活性表層は、第１および／または第２の接触面での全ての好ましい組み合わせにより構成されてもよい。

更なる構成では、少なくとも１つの接触面が、光学活性表層の１つと半導体ボディの第１の平坦面によって形成される。このことは、放射線が、特に高い屈折率を有する半導体ボディから特に低い屈折率を有する半導体ボディ周辺に向けて移動するときに、望ましくは出来る限り少量の放射線が反射されて半導体ボディに戻るのに役立つ。

第１の観点の更なる構成では、半導体ボディは、光学活性表層を少なくとも１つ含んでいる。このことは、エピタキシャル成長によって製造される光学活性表層に、特に簡単な方法で製造するのに役立つ。

更なる構成では、半導体ボディは、活性層から出射される放射線の主要な放射線流が、第１のレンズを透過するように構成される第１のレンズを、少なくとも１つ含む。前記レンズは、簡単な方法で、半導体ボディから発生される放射線を焦点に集めたり、焦点からずらしたりできる。また、１または２以上の光学活性表層が前記レンズに配置されてもよい。さらに、複数のレンズ、例えば、それぞれの鏡面および対応する出射された放射線に割り当てられるレンズが備えられてもよい。

更なる構成では、面発光型薄膜半導体レーザーは、活性層からの放射線を検出する少なくとも１つのモニターダイオードを含んでいる。このことは、面発光型薄膜半導体レーザーを統制されたオペレーションによって、簡単な方法で運転することに役立つ。さらに、これにより、簡単な方法で、活性層で発生される放射線を定めることができる。

更なる構成では、半導体ボディは、放射線発生領域を含んでいる。第１および第２の電極は、放射線発生領域を介して互いに電気的に接続される。さらに、面発光型薄膜半導体レーザーは、半導体ボディのモニター領域を含んでいる。また、前記モニター領域は、少なくとも薄膜層シーケンスで遮られて放射線領域から離れている。また、第１および第２のモニター電極は、モニター領域を介して互いに電気的に接続される。これにより、簡単な方法で放射線を検出でき、および／または面発光型薄膜半導体レーザーを調節できる。

更なる構成では、半導体ボディは放射線発生領域を含んでおり、この放射線発生領域を介して、第１および第２の電極が互いに電気的に接続される。さらに、半導体ボディは、第３のモニター電極と第３のモニター電極にある放射線反応層を含むモニター領域を含んでいる。放射線反応層は、第２の鏡面によって、活性層から出射される放射線が、放射線反応層に向けて反射されるように構成される。これにより、簡単な方法で、活性層で発生される放射線を検出でき、および／または面発光型薄膜半導体レーザーを調節できる。また、放射線反応層は、エピタキシャル成長によって成長基板に備えられるとよい。

半導体レーザーの少なくとも１つの実施例によれば、半導体レーザーは、傾斜した第１の鏡面と傾斜した第２の鏡面を有する。その結果、少なくとも１つの活性層で発生した放射線が、傾斜した第１および第２の鏡面を介して第１の平坦面に対して反射する。また、鏡面から反射された放射線は、第１の表面に垂直に当たる。また、第１および第２の鏡面から反射された放射線は、第１の表面で少なくとも部分的に出射される。また、第１の表面に対する鏡面の傾きは、製造誤差の範囲内で、４５°にするとよい。そうすれば、半導体レーザーからの特に強烈な発光が可能になる。

半導体レーザーの少なくとも１つの実施例によれば、半導体レーザーは、少なくとも１つの放射線を発生する活性層と並んで横方向に据え付けられるモニターダイオードを少なくとも１つ含んでいる。換言すれば、前記モニターダイオードは、第１と第２の傾斜した鏡面の間の接続線に垂直な方向で活性層に対してずれている。モニターダイオードは、例えば、活性層から横方向に散乱して発生する放射線を受け取る。コンパクトな構造の強力な半導体レーザーは、モニターダイオードをそのように配置することによって実現される。

本発明の第２の観点によって提供されるのは、面発光型薄膜半導体レーザーとして実現される半導体レーザーの製造方法である。半導体ボディは、成長基板上での薄膜層シーケンスのエピタキシャル成長によって形成される。また、半導体ボディの第２の平坦面は成長基板から離れている。また、少なくとも第１の鏡面は、薄膜層シーケンスから半導体材料を取り除くことによって第２の平坦面から形成される。このことは、面発光型薄膜半導体レーザーが、ウエーハ群で形成されるという点で役立つ。さらに、前記面と前記鏡面が、ウエーハ群で加工、例えば不動態化されると都合がよい。

１つの構成では、キャリア基板が第２の平坦面に備えられる。そして、成長基板は、薄膜層シーケンスから離れている。このことは、活性層から出射される放射線が、望ましくは半導体ボディ内部の出来る限り最小の間隔を通るべきであり、その結果、望ましくは半導体ボディにほとんど相互作用を及ぼさなくなるという効果を生じる。また、このことは、面発光型薄膜半導体レーザーによって発生した放射線を、特に高強度にするのに大いに役立つ。さらに、面発光型薄膜半導体レーザーは、特に狭めて、例えば２０マイクロメーターよりも狭めて形成されてもよい。

更なる構成では、面発光型薄膜半導体レーザーはウエーハ群で製造される。また、面発光型薄膜半導体レーザーは、キャリア基板が取り付けられた後にウエーハ群から取り外される。これにより、特に正確かつ理想的に面発光型薄膜半導体レーザーを製造できる。さらに、これにより、成長基板と対照的に、キャリア基板の材料として金属を使用できる。

更なる構成では、キャリア基板が取り付けられる前に、少なくとも第２の電極が半導体ボディの第２の平坦面に取り付けられる。このことは、第２の電極が薄膜層シーケンスに出来る限り近づけるのに役立つ。

更なる構成では、薄膜層シーケンスの成長の前に、放射線反応層がエピタキシャル成長によって成長基板に取り付けられる。また、電流拡散層が、放射線反応層に取り付けられる。また、薄膜層シーケンスは、電流拡散層でエピタキシャル成長によって形成される。また、成長基板を取り除いた後に、放射線反応層は、第３のモニター電極を備えた領域の外側で取り除かれる。また、放射線反応層の外部では、第１の電極が機能層で形成される。また、第３のモニター電極が、放射線反応層で形成される。これにより、特に簡単な方法で、放射線を検出でき、および／または面発光型薄膜半導体レーザーを制御できる。

以下では、概略図を参照しながら、実施形態についてより詳細に説明する。

同一の構成あるいは機能を有する要素は、全図を通して同じ参照番号によって特定される。

半導体レーザーは、好ましくは面発光型薄膜半導体レーザー２として構成され、半導体ボディ４を含む（図１参照）。また、半導体ボディ４は、機能層６を含む。この代わりに、面発光型薄膜半導体レーザー２を製造する製造過程では、機能層６が存在するが、その後は、少なくとも部分的に取り除かれるようにしてもよい。また、半導体ボディ４は、活性層１０を少なくとも１つ有する薄膜層シーケンス８を備える。

半導体ボディ４は、半導体ボディ４の第２の平坦面１４から離れた側に第１の平坦面１２を形成する。また、半導体ボディ４に、第１の電極１６および第２の電極１８を介して動力が供給されると、放射線を発生するのによい。この目的のため、例えば、電圧が２つの電極１６，１８に印加されればよい。また、薄膜層シーケンス８は、活性層１０に加えて、活性層１０と機能層６の間に形成されるクラッディング層と、活性層１０と第２の電極１８の間に形成されるその他のクラッディング層とを含んでいるとよい。また、全ての場合において、導波路層が、２つのクラッディング層と活性層１０の間で形成されるのが好ましい。活性層１０は、主に１あるいは２以上の量子膜、量子点および／または量子領域を含んでいる。換言すれば、量子化が、一元、二元あるいは三元系で実現されるようにしてもよい。

半導体ボディ４のそれぞれの層は、ドープされているとよい。例えば、２つのクラッディング層の一方がｎ−ドープされて、他方がｐ−ドープされているとよい。また、２つのクラッディング層のいずれが、ｐ−ドープあるいはｎ−ドープされるかによって、２つの電極の極性が選ばれる。つまり、前記極性は、印加電圧によって正電荷キャリアがｐ−ドープ領域から、負電荷キャリアがｎ−ドープ領域から活性層１０に移動して、そこで再結合するように選ばれる。また、機能層６は少なくとも部分的にドープされている。活性層１０の同一面における半導体ボディ４にある全てのドープ層のドーピングは、同じ性質、つまりｐ−ドープかｎ−ドープかのいずれかであると都合がよく、活性層１０の他方の面における層のドーピングは、これと逆にドープされる。活性層１０で電荷キャリアが再結合する結果、放射線２０が活性層１０で発生する。また、クラッディング層は、自由電荷キャリアの逆移動を妨げるので、活性層１０での再結合率が向上する。さらに、導波路層は、クラッディング層よりも高い屈折率を有すると都合がよい。これにより、薄膜層シーケンス８の層の面法線に垂直な活性層１０で、放射線２０は横方向に誘導される。

活性層内部の放射線２０は、少なくとも第１の鏡面２６で、好ましくは第２の鏡面２８で反射されて、活性層１０から出射される。活性層１０から出射される放射線２２は、第１の平坦面１２に垂直な方向に反射されるとよい。面発光型薄膜半導体レーザー２が、望ましくは出来る限り高い強度で作動されるために、第１の平坦面１２は、面発光型薄膜半導体レーザー２から出現する放射線２４の出口領域で不動態化されているとよい。つまり、水素洗浄などで酸素原子が表面から取り除かれているとよい。また、鏡面２６および２８は、全反射メサ側面と呼ばれる。鏡面２６および２８は、活性層１０に対して傾斜するように構成され、活性層１０に対して４５°をなすとよい。しかし、その角度は、例えば３５°から５５°の間で変化してもよい。鏡面２６および２８の間の間隔は、反射されて活性層１０に戻った放射線２０が、放射線の発生を増幅するように選ばれる。第１および／または第２の鏡面２６，２８は、単に半導体ボディ４と半導体ボディ４の周辺部の間の接続面の側でのみ形成される。しかし、誘電層を鏡面２６，２８に備え、および／または、適切であれば、金属層を誘電層に備えてもよい。また、鏡面２６，２８は、不動態化されているとよい。

２つの電極は、層を成すように構成される。例えば、正の電位が印加される電極は、クロム層またはチタン層を含んでいるので、半導体ボディ４に対する接着促進剤および電気接点として機能する。そしてクロム層に白金層が積層されるので、拡散バリアとして機能する。そして白金層は、金層で覆われるので、ボンディングなどによって、簡単に電流および／または電圧を印加する電極を接続することができる。そのため、第２の電極１８は、例えば、キャリア基板と結合されてもよい。

負の電圧に接続される電極は、金、ニッケル、チタンおよび／またはゲルマニウムを含んでいるとよい。

ｎ−ドープされたクラッディング層は、アルミニウムを４０％の比率で含有するアルミニウムガリウムヒ素を含んでいる。同様に、ｐ−ドープされたクラッディング層は、アルミニウムを４０％の比率で含有するアルミニウムガリウムヒ素を含んでいる。また、２つの導波路層は、アルミニウムを２０％の比率で含有するアルミニウムガリウムヒ素を含んでいる。また、活性層１０、特にその量子膜は、インジウムを１０％の比率で含有するインジウムガリウムヒ素などを含んでいる。これに代えて、赤色レーザー放射線を発生するために、活性層１０は、インジウムガリウムアルミニウムリンを含むこともできる。また、赤外領域で放射線を発生するために、活性層１０はインジウムアルミニウムガリウムヒ素を含んでもよい。さらに、その他の色を発生するため、異なる材料を組み合わせて用いてもよい。

機能層６は、例えば、１００マイクロメーターの厚さを有する。また、クラッディング層と導波路層は、例えば、１マイクロメーターの厚さを有する。また、活性層１０、特にその量子膜は、１０ナノメーターの厚さを有する。薄膜層シーケンス８は、このように薄く成形されると都合がよいので、補足的な表現である「薄膜」が、名称である「面発光型半導体レーザー」に付けられている。

座標系３０は、面発光型薄膜半導体レーザー２の方向を示している。

第２の電極１８が、第２の平坦面１４の幅の全てを覆う必要がないことが、面発光型薄膜半導体レーザー２の更なる観点により明らかになる（図２参照）。また、薄膜層８は、例えば、第２の電極１８との重なり領域においてのみ全厚さを有し、重なり領域の外側では、より薄くなっている。その結果、放射線が、薄膜層８に誘導される。

機能層６は、例えば、電流拡散層３１および／または成長基板３３を含んでいる（図３参照）。電流拡散層３１は、例えば、成長基板３３の上面でエピタキシャリーに成長される。また、電流拡散層３１は、活性層１０と平行方向に、非常に高い電気伝導度を有する。このことは、特に、第１および／または第２の電極１６，１８が、第１および／または第２の平坦面１２，１４のそれぞれ一部のみを覆う場合に、印加電圧が原因となって薄膜層シーケンス８に向かって移動する電荷キャリアを、活性層１０の全領域に渡って分散するという効果をもたらす。また、このことは、電荷キャリアの再結合を、活性層１０の全領域で起こす効果をもたらす。また、このことは、活性層１０で特に効果的な放射線が発生することに繋がる。その代わりにあるいは追加として、成長基板３３は、電流拡散層３１の機能を果たすように構成される。

面発光型薄膜半導体レーザー２の強度は、２以上の活性層１０を備えることによって、より一層強化される（図４参照）。各活性層１０を備える実施例に従うと、複数の活性層１０は、複数の導波路層およびクラッディング層に埋入されるので、互いに離れているとよい。それにも関わらず、少なくとも部分的に互いに逆向きに配置された結果、クラッディング層などのｐｎあるいはｎｐ接合を介する電荷キャリアの移動が、必然的に生じるので、トンネル接合３２は、対応して互いに逆向きに設置されるｐｎまたはｎｐ接合の間で形成される。また、トンネル接合３２によって、電荷キャリアが、逆バイアス接合を介して進むことができる。その結果として、面発光型薄膜半導体レーザー２での放射線の発生は、特に効果的に改善される。トンネル接合３２は、高度にドープされた層などによって実現される。この種のトンネル接合は、例えば、端面発光型半導体レーザーとして米国特許第５ ２１２ ７０６号により知られている。

この代わりに、面発光型薄膜半導体レーザー２の全ての実施例は、機能層６、特に、成長基板３３および／または電流拡散層３１を備えずに形成されてもよい（図５参照）。このことによって、活性層１０から出射される放射線が、望ましくは出来る限り最小の間隔で半導体ボディ４の内部を通り、その結果、望ましくは半導体ボディ４との相互作用がほとんどなくなるという効果が生じる。また、このことは、面発光型薄膜半導体レーザー２の強度を増加することと、面発光型薄膜半導体レーザー２を２０マイクロメーターよりも狭めて形成することに役立つ。

さらに、面発光型薄膜半導体レーザー２によって発光される放射線２４に影響を及ぼすために、１または２以上の光学活性表層が、１または２以上の半導体ボディ４の接触面に形成されてもよい。ここで、光学活性表層は、対応する接触面での反射を増加あるいは減少させるのに役立つ。この目的のため、光学活性表層は、光学活性表層ごとに所定の異なる屈折率を有する。また、光学活性表層は、第１および／または第２の光学活性表層３４，３６、ブラッグミラー４２および／または光学活性レンズ層４１などを含んでいる（図８および図９参照）。また、光学活性表層は、消費エネルギー当たりの放射線効率に影響を及ぼす。加えて、エネルギー閾値、換言すれば、レーザー放射の発生から開始するレーザー閾値を低下できる。さらに、光学活性表層によって、所定の供給エネルギーに対する面発光型薄膜半導体レーザー２の放射線出力を設定できる。また、光学活性表層は、面発光型薄膜半導体レーザー２から発生する放射線の波長を、予め特に正確に定めるために用いられる。

第１の光学活性表層３４は、例えば、第１の平坦面１２にある活性層から出射される放射線２２の反射を減少する。

その代わりにまたは追加として、例えば、第２の光学活性表層３６によって、半導体ボディ４の第１の平坦面１２での反射が増加する。この場合、反射は、第２の光学活性表層３６によって、例えば、実質的に完全な反射が第１の平坦面１２と第２の光学活性表層３６の間の接触面で起こる程度まで増加される。このことで、活性層１０から出射される放射線２２が、反射されて活性層１０に戻るという効果が生じる。また、このことは、放射線２４が、小さな出口領域でのみ半導体ボディ４から発生する効果を生じる。そのため、第２の光学活性表層３６を通って発生した減衰された放射線３８は、無視できる。また、そういった訳で、レーザービームが発生するレーザー閾値は減少する。また、この代わりに、２つの光学活性表層の一方のみを備えてもよい。

また、半導体ボディ４で活性層１０から出射される放射線２２の小程度の相互作用が、半導体レーザー４の作動中に主要な放射線流が発生する領域で、その領域の外側よりも狭まっている機能層６などによって得られる（図６参照）。

放射線２２は、半導体ボディ４から発生したときに、１枚または２枚のレンズ４０によって、焦点を合わされたり、および／またはずらされたりしている（図７参照）。１枚または２枚のレンズ４０に関しては、レンズ４０が、第１および第２の鏡面２６、２８から離れているとよい。レンズ４０は、比較的厚い成長基板３３を用いて得られる。

レンズ４０、第１および第２の鏡面２６，２８および／または機能層６の狭窄化は、エッチング法で形成されるとよい。

例えば、実施形態は、１つ以上の光学活性レンズ層４１が、１つ以上のレンズ４０に備えられるように組み合わされてもよい（図８参照）。また、光学活性レンズ層４１は、誘電体ミラーと呼ばれる。

ブラッグミラー４２は、エピタキシャルな成長などによって、モノリシックに半導体ボディ４に結合される（図９参照）。この場合、活性層１０から出射される放射線の大部分が、反射されて活性層１０に戻るように、ブラッグミラー４２を、第１および第２の鏡面２６，２８および／または活性層１０に出来る限り近づけて形成すると有利である。ブラッグミラー４２は、その反射率が、ブラッグミラー４２表面の法線に対する放射線の入射角および放射線の波長に依存するという事実によって識別される。ブラッグミラー４２の半導体材料は、クラッディング層などの他のドープ層に従って、活性層１０の同一端面に正確にドープされるとよい。また、ブラッグミラー４２は、高度に反射するように、例えば、垂直な放射線の入射に対して９５％以上の反射率で作用するように、積層配置した多数の層から形成されるとよい。また、ブラッグミラー４２の反射率は、層の数によって設定される。所定の反射率のために必要な層の数は、所定の反射率の増加に伴って、非線形的に急激に上昇する。仮に、ブラッグミラー４２とその他の光学活性表層の１つを、一方が他方の後方に位置するように放射線方向に形成すれば、ブラッグミラー４２をより少ない層で形成される。その結果、エピタキシー時間を減じ、製造コストを下げることができる。

この代わりに、ブラッグミラー４２を、機能層６や成長基板３３の上面で成長させてもよい。この場合、ブラッグミラー４２は、半導体ボディ４の内部および機能層６で成長されて、ブラッグミラー４２が薄い領域あるいは全く存在しない領域を含んでいる（図１０参照）。そして、このことによって、前記放射は、放射線３８が出現する側のブラッグミラー４２の影響だけを受けて、また、光学活性表層として、エネルギー閾値の低下に寄与する。

また、ブラッグミラー４２を、半導体ボディ４の主要な放射線流が生じる領域のみで形成する（図１１参照）。これは、ウエーハにあるホールなどを経由したブラッグミラーの横方向の湿式加熱酸化などによる製造過程で得られる。この代わりに、仮のおよび／またはグレードダウンされたブラッグミラーを成長させて、所定の領域で湿式加熱酸化によってブラッグミラー４２に転化してもよい。湿式加熱酸化は、米国特許第５ ６９６ ０２３号などにより知られている。

仮に、半導体ボディ４の第１の平坦面１２を形成するようにブラッグミラー４２が機能層６で成長した場合、ブラッグミラー４２が、第１の電極１６に重なる領域を有さなくてもよい（図１２参照）。このことによって、ブラッグミラー４２を介する電荷キャリアの移動が起こらず、相互作用が小さくなる。また、これによって、所定の放射線出力に対する印加電圧が小さくなる効果も生じる。

放射線の発生を検出するために、面発光型薄膜半導体レーザー２のモニター領域が、第１および第２の鏡面２６と２８の間の接続線に垂直な方向に備えられる（図１３参照）。モニター領域は、少なくとも活性層１０に遮られて、面発光型薄膜半導体レーザー２の放射線発生領域から離れている。モニター領域は、第１のモニター電極４４と第２のモニター電極４６の間に形成される。また、放射線発生領域は、第１の電極１６と第２の電極１８の間に形成される。さらに、第１のモニター電極４４および第２のモニター電極４６では、電圧および／または電流のみが検出され、または、放射線発生領域で２つの電極に対して反対の極性を有する電流および／または電圧が印加されて、実在する電圧および／または実在する電流が検出される。また、検出された電圧および／または電流に依存して、面発光型薄膜半導体レーザー２の放射線発生領域にある活性層１０での放射線の発生を決定できる。これにより、放射線の発生が、検出および／または制御されてもよい。その結果、モニター領域にある活性層１０は、活性層１０からの放射線に対するセンサーとして役立つ。

また、この代わりに、モニター領域は、放射線発生領域から完全に離れていてもよい（図１４参照）。しかしながら、ここでは、放射線発生領域の第２の平坦面１４とモニター領域の第２の平坦面１４とは、共通のキャリア基板を介して互いに結合されるとよい。

また、モニター領域は、半導体ボディ４の第１の平坦面１２に結合される放射線反応層５０によって形成され、第３のモニター電極４８が放射線反応層５０に備えられてもよい（図１５参照）。第２の鏡面２８を介して活性層１０から出射される放射線２２は、放射線反応層５０に対して屈折され、第２の電極１８と第３のモニター電極４８の間の電圧を減少させるとよい。この電圧は、活性層１０での放射線の発生を決定および／または制御するために用いられる。これに加えて、ブラッグミラー４２は、放射線反応層５０と薄膜層シーケンス８の間で形成される。このブラッグミラー４２では、所定の波長の放射線のみが透過して、放射線反応層５０および第３のモニター電極４８によって検出され、および／または、放射線２２が、少なくとも部分的に反射されて活性層１０に戻る。

さて、面発光型薄膜半導体レーザー２の製造方法は、ステップＳ１で開始すると都合がよく、そのステップＳ１には、ウエーハの材料の製造なども含まれる（図１６参照）。ウエーハの材料は、例えば、ヒ化ガリウムおよび／またはシリコンでドープされたヒ化ガリウムを含んでもよい。

ステップＳ２では、成長基板３３を表すウエーハなどが切り取られて、さらなる加工の準備をされる。成長基板３３は、例えば、６００マイクロメートルの厚さを有する。

ステップＳ３では、面発光型薄膜半導体レーザー２のウエーハの１つとして例示されるウエーハ群にあるウエーハが、エピタキシャル層の成長のためにデバイスに格納される。

ステップＳ４では、電流拡散層３１が、成長基板３３の上面でエピタキシャリーに成長する。また、エッチング停止層は、あらかじめ成長基板３３で形成されている。

ステップＳ５では、活性層１０を備える薄膜層シーケンス８が、電流拡散層３１の上面でエピタキシャリーに成長される。

ステップＳ６では、第１および第２の鏡面２６および２８が、フォトレジストおよびエッチング法によって形成される。さらに、ステップＳ６では、放射線および／または第１および第２の鏡面２６および２８の出口領域にある平坦面が不動態化される。

ステップＳ７では、第２の電極１８が薄膜層シーケンス８に備えられる。

ステップＳ８では、キャリア基板が、半導体ボディ４にある第２の平坦面１４に結合される。前記キャリア基板は、金属および／またはガリウムなどを含んでいる。また、例えば、薄膜層シーケンス８を備える全てのウエーハは、キャリア基板の上面に固定される。

ステップＳ９では、成長基板３３が、化学エッチング法などによって、少なくとも部分的に取り除かれ、また、第１の電極１６が、半導体ボディ４に結合されると都合がよい。また、成長基板３３なしで、面発光型薄膜半導体レーザー２を、２０マイクロメーターより狭めてもよい。

ステップＳ１０では、ウエーハ群から半導体ボディ４を取り外すことによって、面発光型薄膜半導体レーザー２の製造工程が終了する。

その代わりまたは追加として、面発光型薄膜半導体レーザー２の製造中に、更なるステップが処理されてもよい。例えば、放射線反応層５０が、エピタキシャル成長によって成長基板３３に備えられてもよい。さらに、電流拡散層３１が、成長基板３３と放射線反応層５０に備えられてもよい。また、薄膜層シーケンス８が、電流拡散層３１でのエピタキシャル成長によって形成されてもよい。また、成長基板３３を取り除いた後、放射線反応層５０は、第３のモニター電極４８を設けた領域の外側で取り除かれてもよい。また、放射線反応層５０の外側では、第１の電極１６が形成され、第３のモニター電極３８が放射線反応層５０に接して形成されてもよい。

面発光型薄膜半導体レーザー２は、放射線を発生する薄膜層シーケンス８のキャリア基板に面する第１の主要な領域に反応層を有してもよい。また、前記反応層は、薄膜層シーケンス８で発生する電磁放射の少なくとも一部を反射し、その電磁放射を薄膜層シーケンス８に戻してもよい。

本特許出願は、ドイツ国特許出願第１０ ２００７ ０４６ ５１８．３号および第１０ ２００７ ０６２ ０５０．２号の優先権主張を伴うものであり、その開示内容は、言及によって本特許出願に包含される。

第１の実施例に係る半導体レーザーの断面図である。 別の視点からの第１の実施例に係る半導体レーザーを示す図である。 第２の実施例に係る半導体レーザーの断面図である。 第３の実施例に係る半導体レーザーの断面図である。 第４の実施例に係る半導体レーザーの断面図である。 第５の実施例に係る半導体レーザーの断面図である。 第６の実施例に係る半導体レーザーの断面図である。 第７の実施例に係る半導体レーザーの断面図である。 第８の実施例に係る半導体レーザーの断面図である。 第９の実施例に係る半導体レーザーの断面図である。 第１０の実施例に係る半導体レーザーの断面図である。 第１１の実施例に係る半導体レーザーの断面図である。 モニター電極を備える第１の実施例に係る半導体レーザーの断面図である。 モニター電極を備える第２の実施例に係る半導体レーザーの断面図である。 モニター電極を備える第３の実施例に係る半導体レーザーの断面図である。 半導体レーザーの製造方法のフローチャートである。

符号の説明

２ 面発光型薄膜半導体レーザー
４ 半導体ボディ
６ 機能層
８ 薄膜層シーケンス
１０ 活性層
１２ 第１の平坦面
１４ 第２の平坦面
１６ 第１の電極
１８ 第２の電極
２０ 活性層内部の放射線
２２ 活性層から出射された放射線
２４ 面発光型薄膜半導体レーザーから出現した放射線
２６ 第１の鏡面
２８ 第２の鏡面
３０ 座標系
３１ 電流拡散層
３２ トンネル接合
３３ 成長基板
３４ 第１の光学活性表層
３６ 第２の光学活性表層
３８ 減衰された放射線
４０ レンズ
４１ 光学活性レンズ層
４２ ブラッグミラー
４４ 第１のモニター電極
４６ 第２のモニター電極
４８ 第３のモニター電極
５０ 放射線反応層

Claims (15)

1. 半導体ボディ（４）を備える面発光型薄膜半導体レーザーとして具体化される半導体レーザーであって、
   前記半導体レーザーは、第１および第２の平坦面（１２，１４）と、
   前記第１および第２の平坦面の間に放射線を発生する少なくとも１つの活性層（１０）と、を含んでおり、
   前記活性層（１０）から第１の平坦面（１２）に向けて放射線を出射するために、前記活性層（１０）に対して傾斜した第１の鏡面（２６）を少なくとも１つ有する
   ことを特徴とする半導体レーザー。
2. 前記半導体ボディ（４）は、前記活性層（１０）から前記第１の平坦面（１２）に向けて放射線を出射するために、前記活性層（１０）に対して傾斜した第２の鏡面（２８）を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザー。
3. 内部で放射線が発生されるとともに、
   モノリシックに結合されるトンネル接合（３２）によって、互いに電気的に接続される２以上の活性層（１０）を含んでなる薄膜層シーケンス（８）を備える
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザー。
4. 前記半導体ボディ（４）は、前記薄膜層シーケンス（８）から離れた面が、半導体ボディ（４）の第１の平坦面（１２）を形成する機能層（６）を含むとともに、
   前記面発光型薄膜半導体レーザーの作動中に、活性層（１０）から出射される放射線の主要な放射線流が発生する領域で、その機能層（６）が前記領域の外側より狭くなっている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体レーザー。
5. 前記機能層（６）は、電流拡散層（３１）または成長基板（３３）を含んでなる
   ことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザー。
6. 前記半導体ボディ（４）は、第２の平坦面（１８）によって、キャリア基板に結合される
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体レーザー。
7. 前記半導体レーザーは、活性層（１０）から出射される放射線が、第１および／または第２の鏡面によって、第１および／または第２の光学活性表層に向けて反射されるように配置される所定の第１の反射率を有する第１および／または第２の光学活性表層を、少なくとも一方の半導体ボディ（４）の第１および／または第２の接続面で少なくとも１つ含んでなる
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体レーザー。
8. 前記接続面の少なくとも１つは、前記光学活性表層の１つおよび第１の平坦面（１２）の側で形成されるか、
   あるいは、半導体ボディ（４）が、前記光学活性表層を少なくとも１つ含んでなる
   ことを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザー。
9. 前記半導体ボディ（４）は、活性層（１０）から出射する放射線の主要な放射線流が、透過するように構成されるレンズ（４０）を少なくとも１つ含んでなる
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の半導体レーザー。
10. 前記半導体レーザーは、半導体ボディ（４）の放射線発生領域と、
    活性層からの放射線を検出するための半導体ボディ（４）のモニター領域と、を含んでなり、
    前記放射線発生領域を介して、第１および第２の電極（１６，１８）が、互いに接続され、
    前記モニター領域が、少なくとも薄膜層シーケンス（８）で遮られて、前記放射線発生領域から離れるとともに、傾斜した第１と第２の鏡面（２６，２８）の間の接続線、つまり活性層に対して横方向に特にずれており、
    第１および第２のモニター電極（４４，４６）が、前記モニター領域を介して互いに電気的に接続されており、
    あるいは、その代わりに、半導体ボディ（４）は、放射線発生領域と、
    第３のモニター電極（４８）および第３のモニター電極（４８）にある放射線反応層を含むモニター領域と、を含んでなり、
    前記放射線領域を介して、第１および第２の電極（１６，１８）が、互いに電気的に接続されており、
    第２の鏡面（２８）によって、活性層（１０）から出射される放射線が、放射線反応層（５０）に向けて反射されるように構成される
    ことを特徴とする請求項２乃至９のいずれか１項に記載の半導体レーザー。
11. 面発光型薄膜半導体レーザーとして具体化される請求項１乃至１０のいずれか１項に記載された半導体レーザーの製造方法において、
    半導体ボディ（４）が、薄膜層シーケンス（８）のエピタキシャル成長によって、成長基板（３３）の上に形成されるとともに、半導体ボディ（４）の第２の平坦面（１４）が、成長基板（３３）から離れる工程と、
    少なくとも第１の鏡面（２）が、薄膜層シーケンス（８）から半導体材料を取り除くことによって、第２の平坦面（１４）から形成される工程と、からなる
    ことを特徴とする半導体レーザーの製造方法。
12. キャリア基板が、第２の平坦面（１４）に備えられるとともに、成長基板（３３）が、活性層（８）から離れている
    ことを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザーの製造方法。
13. 面発光型薄膜半導体レーザー（２）は、ウエーハ群で製造され、
    キャリア基板が備えられた後に、前記ウエーハ群から離れる
    ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体レーザーの製造方法。
14. キャリア基板が備えられる前に、半導体ボディ（４）の第２の平坦面（１４）に、少なくとも第２の電極（１８）が備えられる
    ことを特徴とする請求項１２または１３に記載の半導体レーザーの製造方法。
15. 薄膜層シーケンス（８）が成長する前に、放射線反応層（５０）がエピタキシャル成長によって、成長基板（３３）に備えられる工程と、
    電流拡散層（３１）が、放射線反応層（５０）に備えられる工程と、
    薄膜層シーケンス（８）が、電流拡散層（３１）でのエピタキシャル成長によって形成される工程と、
    成長基板（３３）を取り除いた後に、放射線反応層（５０）が、第３のモニター電極（４８）を設けた領域の外側で取り除かれる工程と、
    放射線反応層（５０）の外側において、第１の電極（１６）が、機能層（６）の上で形成される工程と、
    第３のモニター電極（４８）が、放射線反応層（５０）の上で形成される工程と、からなる
    ことを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の半導体レーザーの製造方法。

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