JP2012507876A - 垂直放射形の表面放射半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

本発明は第１の共振器ミラー（２）と第２の共振器ミラー（４）と放射を発生させる活性領域（３）とを有する半導体ボディを含む垂直放射（７）形の表面放射半導体レーザ素子に関する。第１の共振器ミラー（２）は、交互に積層された第１の組成の第１の層（２ａ）と第２の組成の第２の層（２ｂ）とを有しており、記第１の層（２ａ）は酸化領域（８ａ）を有しており、少なくとも第１の層（２ａ）はそれぞれドーパントを含んでおり、
少なくとも第１の層（２ａ）の１つの層（２１ａ）のドーパント濃度は他の第１の層（２ａ）のドーパント濃度とは異なる。

Description

本特許出願は独国特許出願第10 2008 055 941.5号の優先権を主張するものであり、前記独国特許出願の開示内容は参照により本願に含められる。

本発明は、内部光共振器によりレーザ放射を発生させる垂直放射形の表面放射半導体レーザ素子に関する。

とりわけ、半導体ボディ内の電流路が例えば半導体ボディの縁部領域に配置された酸化アパーチャによって意図的に案内されている表面放射半導体レーザ素子が公知である。酸化アパーチャを有する半導体レーザは、例えば刊行物"Dependence of lateral oxidation rate on thickness of AIAs-layer of interest as a current aperture in vertical-cavity surface-emitting laser structures", Journal of Applied Physics, Vol 84, No.1, １９９８年７月から公知である。

半導体層内に形成された酸化アパーチャはそれぞれ横方向の広さを有している。従来、個々の半導体層における酸化アパーチャの横方向広さはほぼ同じ大きさである。

本発明の課題は、表面放射半導体レーザ素子において素子の特性を改善し、特に酸化アパーチャの横方向広さの再現性を改善し、同時に酸化の均一性も改善することである。

この課題はとりわけ請求項１に記載の特徴を備えた表面放射半導体レーザ素子により解決される。この素子の有利な実施形態と好適な発展形態は従属請求項に記載されている。

本発明による垂直放射形の表面放射半導体レーザ素子は、第１の共振器ミラーと第２の共振器ミラーと放射発生に適した活性領域とを有する半導体ボディを含んでいる。第１の共振器ミラーは、交互に積層された、第１の組成の第１の層と第２の組成の第２の層とを有している。第１の層は酸化された領域を有している。さらに、少なくとも第１の層の各層はドーパントを含んでいる。ここで、第１の層の少なくとも１つの層は他の第１の層のドーパント濃度とは異なるドーパント濃度を有している。

本願においては、層の組成はその層に含まれている元素とその名目上の（つまり、成長過程の間又は後の組成の観察の精度の範囲内での）化学量論的組成とによって決まる。その際、ドーパントと不純物は考慮しない。化学量論的組成は層の中の個々の元素の含有量（割合）によって与えられる。

上記の表面放射半導体レーザ素子は垂直共振器付きの表面放射半導体レーザ素子（VCSEL:Vertical-Cavity-Surface-Emitting Laser）である。特に、この素子の主放射方向は半導体ボディの半導体層の主延在面に対して垂直である。

この半導体レーザ素子は内部光共振器によってレーザ放射を発生させる。第１の共振器ミラーと第２の共振器ミラーと活性領域はそれぞれ有利には横方向の主延在面を有している。

半導体ボディの電流路は酸化アパーチャによって画定されている。酸化アパーチャは例えば第１の共振器ミラーの第１の層の酸化領域によって生じる。そのためには、特にＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．９５≦ｘ≦１）を含有する共振器ミラーの層を酸化プロセスにより横方向に酸化させると有利である。特に半導体ボディの縁部領域における層が酸化される。

酸化プロセスによってこの領域における層は導電性を失う。これにより有利には、半導体ボディを流れる電流を局所的に限定することができる。特に、半導体ボディの縁部領域ではほぼ電流が流れない、又は少なくとも酸化されていない領域に比べて小さな電流しか流れない。

酸化アパーチャのおかげで、好ましくは半導体ボディの中央領域では半導体ボディの縁部領域に比べてポンプ電流密度が大きい。実質的に、ポンプ電流密度は中央領域に最大値を有する準ガウス分布状の分布を示す。この分布は中央領域では最大値から始まる比較的平らなエッジを、縁部領域では急峻になるエッジを有している。

第１の共振器ミラーの層、有利には少なくとも第１の層の各層はそれぞれドーパントを含んでいる。なお、第１の層の少なくとも１つの層は他の第１の層のドーパント濃度とは異なるドーパント濃度を有している。

したがって特に、共振ミラーの第１の層はドーパント濃度の異なる少なくとも２つの層を有する。その他の第１の層は基本的に前記少なくとも２つの層の一方と同じドーパント濃度を有していてよい。

ドーパント濃度は第１の共振器の第１の層における酸化プロセスに、特に酸化領域の横方向広さに影響を与える。有利には、第１の共振器ミラーの第１の層のドーパント濃度は、酸化領域が所期の横方向広さを有するように構成されている。

それゆえ、第１の共振器ミラーの第１の層におけるドーパント濃度によって、これらの層における酸化領域の横方向広さが決定される。これにより、第１の共振器ミラーの第１の層における酸化領域の横方向広さの良好な再現性が有利に実現される。したがって、有利なことに、例えば直列抵抗、カットオフ電圧、閾値電流及び効率のような基本的な素子特性は第１の層におけるドーパント濃度に依存して制御される。

さらに、第１の共振器ミラーの第１の層におけるドーパント濃度を意図的に調節することにより、酸化の均一性を改善することができる。第１の共振器ミラーの第１の層における酸化の均一性が改善することで、有利には、半導体レーザ素子の素子特性がさらに改善される。

有利な実施形態では、他の第１の層のドーパント濃度とは異なるドーパント濃度を有する少なくとも１つの層の酸化領域は、他の第１の層の横方向広さとは異なる横方向広さを有する。

好ましくは、少なくとも１つの層の酸化領域の横方向広さは１μｍだけ他の第１の層の横方向広さとは異なる。

有利には、第１の層は他の第１の層とは異なるドーパント濃度を有する２つの層を含んでいる。

特に好ましくは、これら２つの層のドーパント濃度は互いに異なる。この場合、第１の層は、第１のドーパント濃度を有する１つの層と、第２のドーパント濃度を有するもう１つの層と、それぞれ第３のドーパント濃度を有する他の複数の層を含んでいる。

有利な実施形態では、第２の層の１つの層のドーパント濃度は第２の層の他の層のドーパント濃度の少なくとも１．５倍の高さである。

有利な実施形態では、２つの層のうち一方の層のドーパント濃度は１０¹⁸ｃｍ^-3である。特に有利には、２つの層のうち一方の層のドーパント濃度は２×１０¹⁸ｃｍ^-3〜６×１０¹⁸ｃｍ^-3の範囲内である。

有利な実施形態では、２つの層の他方の層のドーパント濃度は１０¹⁸ｃｍ^-3よりも低い。特に有利には、２つの層の他方の層のドーパント濃度は３×１０¹⁷ｃｍ^-3〜７×１０¹⁷ｃｍ^-3の範囲内である。

有利な実施形態では、ドーパント濃度の異なる２つの層の酸化領域は、他の第１の層の横方向広さとは異なる横方向広さを有している。

第１の共振器ミラー内の組成の同じ２つの層におけるドーパント濃度が異なっているのは、層の酸化領域の広がりを課せられた要求にできるだけ合わせるのに適している。特に、第１の共振器ミラーに課せられる要求は横方向広さ全体にわたって同じなわけではない。というのも、例えば半導体ボディを通る電流路は中央領域に限定されるべきだからである。このことは、第１の共振器ミラーの第１の層の全体にわたってドーパント濃度が一定ではなく、したがって第１の層の酸化領域の横方向広さが異なることによって計算に入れることができる。

有利な実施形態では、ドーパント濃度の異なる２つの層の酸化領域は異なる横方向広さを有する。

この場合、第１の共振器ミラーの第１の層は、第１の横方向広さの酸化領域を有する１つの層と、第２の横方向広さの酸化領域を有するもう１つの層と、第３の横方向広さの酸化領域をそれぞれ有する他の複数の層を含んでいる。

このように形成された第１の共振器ミラーは有利には第１の共振器ミラーを流れる、したがってまた半導体ボディを流れる電流を局所的に限定する。特に、酸化領域の横方向広さが互いとも他の第１の層とも異なる２つの層によって、電流の流れを主に半導体ボディの中央領域に限定するとともに、第１の共振器ミラーの第１の層内における電流の横方向広さを縮小することができる。この場合、電流の横方向広さの縮小は、他の複数の層の酸化領域の第２の横方向広さによって達成することができる。

好ましくは、ドーパント濃度の異なる２つの層の一方の層の酸化領域の横方向広さは、他方の層の酸化領域の横方向広さの少なくとも２倍の大きさである。

半導体レーザ素子の有利な実施形態では、第１の層の酸化領域はそれぞれ、ドーパント濃度の異なる第２の層を除いて、２００ｎｍ未満しか違わない横方向広さを有している。

したがって、第１の層は、ドーパント濃度の異なる２つの層を除いて、似たような、実質的に同じドーパント濃度を有しており、したがってまた酸化領域も似たような、実質的に同じ横方向広さを有している。

半導体レーザ素子の有利な実施形態では、表面放射半導体レーザ素子は電気ポンピングされる半導体レーザ素子である。

好ましくは、活性領域は活性層を有する。活性層は放射を発生させるためにｐｎ接合、ダブルヘテロ構造、単量子井戸（ＳＱＷ，single-quantum-well）構造又は多量子井戸（ＭＱＷ，multi-quantum-well）構造を有する。ここで、量子井戸構造という語には量子化の次元に関する含みはない。したがって量子井戸構造という語は量子井戸、量子細線、及び量子ドット、ならびにこれらの構造の各組合せを包摂している。

半導体ボディは好ましくは半導体チップである。特に好ましくは、半導体ボディは薄膜半導体チップである。本願では、製造時に薄膜半導体チップの半導体ボディを含んだ半導体積層体上に例えばエピタキシャルに成長基板を成長させて分離した半導体チップが薄膜半導体チップと見なされる。各半導体チップは、半導体ボディの半導体積層体のための成長基板とは異なるそれぞれ１つの支持基板に接続されていてよい。

支持基板は有利には、例えば結晶構造に関して成長基板が満たさなければならない比較的高い要求に服さない。したがって、支持基板の材料の選択に際して、成長基板の材料の選択よりも多くの材料を選ぶことができる。それゆえ、支持基板は高い熱伝導性及び／又は導電性のような有利な特性に関して比較的自由に選択ができる。例えば、このような支持基板は成長基板とは異なる半導体材料又は金属を含んでいてもよいし、及び／又はヒートシンクとして形成されていてもよい。
好ましくは、半導体ボディは窒化化合物半導体、リン化化合物半導体又はヒ化化合物半導体を基にしている。ここで、「窒化化合物半導体、リン化化合物半導体又はヒ化化合物半導体を基にしている」とは、活性エピタキシャル積層体又は少なくともそのうちの１つの層が、組成Ｉｎ_xＧａ_yＡｌ_1-x-yＰ、Ｉｎ_xＧａ_yＡｌ_1-x-yＮ又はＩｎ_xＧａ_yＡｌ_1-x-yＡｓのＩＩＩ／Ｖ族半導体材料を含んでいることを意味する。ただしここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１である。

有利な実施形態では、ドーパント濃度の異なる２つの層は異なる厚さを有する。

これら２つの層のドーパント濃度の違いにより、有利には酸化領域の横方向広さを意図的に制御することができる。さらに、酸化領域の横方向広さはこれら２つの層の厚さの違いによっても意図的に制御することができる。好ましくは、これら２つの層のドーパント濃度と厚さは、これら２つの層の酸化領域の所望の横方向広さが得られるように調節されている。

酸化領域は好ましくは半導体ボディの縁部領域に配置されている。これにより有利には電流路が局所的に限定される。特に半導体ボディの縁部領域における導電性は低い。

第１及び第２の共振器ミラーは好ましくは交互に積層された層を有している。これらの交互に積層された層はとりわけ異なる屈折率を有している。

第１及び第２の共振器ミラーは好ましくはブラッグミラーとして形成されている。第１の共振器ミラーは共振器からの放射を出射させる出力ミラーとして形成されていてよく、このために好ましくは第２の共振器ミラーよりも低い反射率を有している。

活性領域で発生した放射は第１の共振器ミラーと第２の共振器ミラーとの間で反射され、共振器内に活性領域における誘導放出によってコヒーレント放射（レーザ放射）を発生させるための放射場が共振器内に形成される。発生したコヒーレント放射は出力ミラーを介して、好ましくは第１の共振器ミラーを介して、共振器から出力させることができる。

有利な実施形態では、第１の共振器ミラーは交互に積層されたＡｌＡｓ層もしくはＡｌＧａＡｓ層とＧａＡｓ層とを有している。第１の層は好ましくはＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．８≦ｘ≦１）を含有している。特に好ましくは、第１の層はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．９５≦ｘ≦１）を含有している。第２の層は有利には０≦ｙ≦０．５、特に好ましくはＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０≦ｙ≦０．２）を含有している。

有利な実施形態では、第１の共振器ミラーは交互に積層された第１の層と第２の層とを有しており、第１の層と第２の層の間にそれぞれ１つの移行層が配置されている。好ましくは、移行層のアルミニウム含有量は第１の層のアルミニウム含有量と第２の層のアルミニウム含有量の間の範囲内にある。ここで、移行層のアルミニウム含有量は移行層の横方向広さに対して垂直に変化するように、例えば放物線状、直線状又は階段状に上昇又は低下するようにしてよい。

別の有利な実施形態では、第１の層のうち他の第１の層とはドーパント濃度の異なる少なくとも１つの層のアルミニウム含有量は、他の第１の層のアルミニウム含有量とは異なっている。好ましくは、第１の層は他の第１の層とはドーパント濃度の異なる２つの層を有しており、これら２つの層は特に好ましくは互いに異なるドーパント濃度を有する。これらの２つの層のアルミニウム含有量は他の第１の層のアルミニウム含有量とは異なる。特に好ましくは、これら２つの層のアルミニウム含有量は他の第１の層のアルミニウム含有量よりも高い。

特に好ましくは、これら２つの層のドーパント濃度は互いにも異なる。この場合、第１の層は、第１のアルミニウム含有量の１つの層と、第２のアルミニウム含有量のもう１つの層と、第３のドーパントのアルミニウム含有量の他の複数の層を含んでいる。

有利な実施形態では、他の第１の層とはドーパント濃度の異なる２つの層の酸化領域の横方向広さは、これら２つの層のドーパント濃度の違いと、こられ２つの層の厚さの違いと、さらにこれら２つの層のアルミニウム含有量の違いとによって意図的に制御される。好ましくは、これら２つの層のドーパント濃度と厚さとアルミニウム含有量も、これら２つの層の酸化領域の所望の横方向広さが得られるように調節されている。

有利な実施形態では、第１の共振器ミラーの少なくとも１つの層はｐドープされており、それぞれのドーパント濃度は異なっている。特に好ましくは、この少なくとも１つの層は炭素ドープされている。

第２の共振器ミラーの層は有利にはそれぞれｎドープされている。好ましくは、第１の共振器ミラーだけが酸化領域を有する。

驚くことに、第１の共振器ミラーの第１の層の酸化領域の横方向広さは第２の共振器ミラーの層のドーパント濃度の大きさによって制御される。第２の共振器ミラーにおけるドーパント濃度が高ければ、第１の共振器ミラーの第１の層の酸化領域の横方向広さが非常に小さくなる。この効果は第２の共振器ミラーで使用されるドーパントには依存しないことが判明した。

それゆえ、第１の層の酸化領域の広がりは半導体ボディ全体のドーパントプロファイルに依存する。したがって、酸化プロセスは第２の共振器ミラーの層のドーパント濃度と第１の共振器ミラーの第１及び第２の層のドーパント濃度とに依存する。

第１の共振器ミラーの第１の層の酸化領域の横方向広さが所望の広がりであれば、有利には、第１の共振器ミラーの第１の層のドーパント濃度を意図的に調節することにより、第２の共振器ミラーのドーパント濃度を不変のままにすることができる。例えば、第２の共振器ミラーにおけるドーパント濃度を低下させる必要がない。それゆえ、ドーパントプロファイル全体の不利な変更が不要であり、有利である。したがって有利には、酸化領域の横方向広さの再現性と酸化の均一性の改善が可能である。

表面放射半導体レーザ素子を製造する方法は特に以下のステップを含む。

第１の共振器ミラーと第２の共振器ミラーと放射を発生させる活性領域とを含む成長基板の上に半導体ボディをエピタキシャル成長させるステップ。ここで、第１の共振器ミラーは、交互に積層された、第１の組成の第１の層と第２の組成の第２の層とを有している。成長の間、第１の層に少なくとも１つのドーパントが投入される。第１の層の少なくとも１つの層のドーパント濃度は他の第１の層のドーパント濃度とは異なる。

第１の層を酸化プロセスによって部分的に酸化させ、それぞれ横方向広さを有する酸化領域を生じさせるステップ。

本方法の有利な実施形態は半導体レーザ素子の有利な実施形態と同様であり、逆もまたしかりである。

好ましくは、第２の共振器ミラーの層のドーパント濃度を所与として、第１の共振器ミラーの第１の層のドーパント濃度は第１の層の酸化領域が所望の横方向広さを有するように調整される。

この場合、第２の共振器ミラーの層のドーパント濃度は、第１の共振器ミラーの第１の層のドーパント濃度が酸化領域の意図された横方向広さに依存して調整される間に指定することができる。第１の共振器ミラーの第１の層のドーパント濃度を意図的に調節することにより、有利には、半導体ボディの残りの層のドーパントプロファイルに介入することなく酸化プロセスを制御することができる。

表面放射半導体レーザ素子とその製造方法の別の特徴、利点、有利な実施形態及び有用性は、以下に図１〜３を基に説明する実施例から明らかとなる。

本発明による半導体レーザ素子の第１の実施例の概略的な断面図を示す。 本発明による半導体レーザ素子の別の実施例の概略的な断面図を示す。 図１に示された本発明による半導体レーザ素子の一部を概略的に示す。 第２の共振器ミラーのドーパント濃度に対して第１の層の酸化領域の横方向広さをプロットしたグラフを示す。

同一の構成要素又は同機能の構成要素にはそれぞれ同じ参照記号が付されている。図示された構成要素ならびに構成要素同士の大きさの比がスケール通りであると見なしてはならない。

図１Ａには、内部光共振器によりレーザ放射を発生させる垂直放射形の表面放射半導体レーザ素子が示されている。

基板１の上には、第１の共振器ミラー２と第２の共振器ミラー４と活性領域３とを有する半導体ボディが配置されている。第１の共振器ミラー２は、交互に積層された、第１の組成の第１の層２ａと第２の組成の第２の層２ｂとを有している。第２の共振器ミラー４も同様に交互に積層された層４ａ、４ｂを有している。活性領域３は放射を発生させる活性層３１を有している。第１の共振器ミラー２、活性領域３及び第２の共振器ミラー４はそれぞれ横方向の主延在方向を有している。

半導体ボディは好ましくは半導体チップとして、特に好ましくは薄膜半導体チップとして形成されている。

基板１は、まず初めに第２の共振器ミラー４、次に活性領域を有利にはエピタキシャルに成長させた半導体ボディの成長基板、又は成長基板の一部から形成されていてよい。代替的に、基板１は半導体ボディの成長基板とは異なっていてよい。基板１は有利にはｎ伝導型に形成されている。

活性領域３の活性層３１は好ましくはｐｎ接合、ダブルへテロ構造、放射を発生させる単量子井戸構造又は多量子井戸構造を有している。

好ましくは、半導体ボディは窒化化合物半導体、リン化化合物半導体又はヒ化化合物半導体を基にしている。例えば、基板１はＧａＡｓを含み、半導体ボディは材料系Ｉｎ_xＧａ_yＡｌ_1-x-yＡｓをベースにしている。ただしここで、０≦ｘ、ｙ≦１かつｘ＋ｙ≦１。

第２の共振器ミラー４は活性領域３と基板１の間に配置されており、第２の共振器ミラー４は第１の共振器ミラー２とともに活性領域３で発生した放射のための光共振器を形成している。第１の共振器ミラー４と第２の共振器ミラー２は好ましくは活性領域３とともに半導体レーザ素子の半導体ボディに組み込まれている。

第１の共振器ミラー２は共振器内で誘導放出によって発生したレーザ放射の出力ミラーとして形成されており、第２の共振器ミラー４よりも低い反射率を有している。

活性領域３で発生した放射７は半導体レーザ素子から垂直方向に放出される。

好ましくは、第１の共振器ミラー２と第２の共振器ミラー４はそれぞれブラッグミラーである。

第２の共振器ミラー４は、有利には屈折率の差が大きい複数の半導体層対４ａ、４ｂを有している。例えばＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層が半導体層対を形成する。図１Ａ、１Ｂには、第２の共振器ミラー４内の複数の層対が示されている。好ましくは、第２の共振器ミラー４は２０〜３０又はそれより多くの半導体層対の連なりを含んでおり、その結果、第２の共振器ミラー４は全体としてレーザ放射の９８％以上を反射する。

第１の共振器ミラー２は第１の組成の第１の層２ａと第２の組成の第２の層２ｂとを含む複数の半導体層対を有しており、有利には第１の層と第２の層の屈折率の差が大きい。有利には、第１の共振器ミラー２の第１の層２ａはＡｌ_xＧａ_1-xＡｓからできており、ここで０．８≦ｘ≦１、好ましくは０．９５≦ｘ≦１であり、第２の層２ｂはＡｌ_yＧａ_1-yＡｓからできており、ここで０≦ｙ≦０．５、好ましくは０≦ｙ≦０．２である。図１Ａ、１Ｂには、第２の共振器ミラー２内の複数の層対が概略的に示されている。第１の共振器ミラー２の層も第２の共振器ミラー４及び活性領域３の層と同様に有利にはエピタキシャルに形成される。

基板１の、半導体ボディとは反対側の面には、第１のコンタクト層５が配置されている。第１のコンタクト層５は好ましくは金属又は金属合金を含んでいる。

第２の共振器ミラー２の、活性領域３とは反対側の面には、好ましくは第２のコンタクト層６が配置されている。半導体レーザ素子は、例えばそれぞれ少なくとも１つの金属を含む、基板１の半導体ボディとは反対側の面に配置された第１の層５と半導体ボディの基板１と向き合う側の面に配置された第２のコンタクト層６とを介して電気ポンピングされる。

代替的に、基板１の半導体ボディとは反対側の面に、とりわけ第１のコンタクト層５が配置されている半導体ボディの面に、第２のコンタクト層６を配置してもよい（図示せず）。半導体ボディの１つの面に第１のコンタクト層と第２のコンタクト層を配置するコンタクト技術は当業者には（とりわけフリップチップ半導体ボディとして）周知であり、ここでは詳しく説明しない。

放出されたレーザ放射が第２のコンタクト層６に吸収されるのを避けるために、図１Ａに示されているように、第２のコンタクト層６は半導体ボディの中央領域Ｄ_Em上には配置されず、半導体ボディの縁部領域にリング状に延在する。第２のコンタクト層６は例えばＴｉ、Ａｕ、Ｐｔ又はこれらの材料の少なくとも１つとの合金を含むものとしてよい。

有利には、第２の共振器ミラー４の層はｎドープされている。第１の共振器ミラー２の第１及び第２の層２ａ、２ｂは好ましくはｐドープされている。特に、第１の共振器ミラー２の第１の層２ａはｐドープされている。特に好ましくは、第１の層２ａは炭素ドープされている。

さらに、第１の共振器ミラー２の第１の層２ａは酸化領域８ａと非酸化領域８ｂとを有している。

第１の共振器ミラー２、とりわけ個々の第１及び第２の層２ａ、２ｂは図２に詳しく示されている。

好ましくは、第１の層２ａの１つの層２１は他の第１の層２ａのドーパント濃度とは異なるドーパント濃度を有している。図１Ａ、１Ｂ及び２の実施例では、２つの層２１ａ、２１ｂはそれぞれ、他の第１の層２ａのドーパント濃度とは異なるドーパント濃度を有している。

２つの層２１ａ、２１ｂのドーパント濃度はさらに互いとも異なっている。したがって、第１の層２ａは、第１のドーパント濃度を有する１つの層２１ａと、第２のドーパント濃度を有するもう１つの層２１ｂと、それぞれ第３のドーパント濃度を有する他の複数の層２ａを含んでいる。

さらに、他の第１の層２ａとも互いとも異なるドーパント濃度を有する２つの層２１ａ、２１ｂは、他の第１の層２ａの酸化領域８ａの横方向広さＤとは異なる、酸化領域８ａの横方向広さＤ_a、Ｄ_bを有している。

ドーパント濃度は第１の層２ａにおける酸化プロセスに、特に酸化領域８ａの横方向広さに影響を与える。それゆえ、第１の共振器ミラー２の第１の層２ａにおけるドーパント濃度によって、これらの層２ａにおける酸化領域８ａの横方向広さが決定される。したがって、例えば直列抵抗、カットオフ電圧、閾値電流及び効率のような基本的な素子特性は第１の層２ａにおけるドーパント濃度に依存して有利に制御される。

さらに、第１の共振器ミラーの第１の層２ａにおけるドーパント濃度を意図的に調節することにより、酸化の均一性を改善することができる。第１の共振器ミラーの第１の層２ａにおける酸化の均一性が改善することで、有利には、半導体レーザ素子の素子特性がさらに改善される。

第１の共振器ミラー２の第１の層２ａにおけるドーパント濃度の違い、したがってまた酸化領域８ａの横方向広さの違いにより、有利には、第１の共振器ミラー２を流れる電流、したがってまた半導体ボディを流れる電流が局所的に限定される。特に、２つの層２１ａ、２１ｂのドーパント濃度が互いとも他の第１の層２ａとも異なることによって、電流の流れを主に半導体ボディの中央領域Ｄ_Emに限定するとともに、第１の共振器ミラー２の第１の層２ａにおける電流の横方向広さを縮小することができる。

２つの層２ａの一方の層２１ａのドーパント濃度は好ましくは２つの層２ａのもう一方の層２１ｂのドーパント濃度の少なくとも１．５倍高い。

有利な実施形態では、前記２つの層の一方の層のドーパント濃度は２×１０¹⁸ｃｍ^-3〜６×１０¹⁸ｃｍ^-3の範囲内である。特に有利には、前記２つの層の他方の層のドーパント濃度は３×１０¹⁷ｃｍ^-3〜７×１０¹⁷ｃｍ^-3の範囲内である。

有利には、第１の共振器ミラーの第２の層２ｂはそれぞれ酸化領域を有していない。特に、有利にはＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．９５≦ｘ≦１）を含有する、第１の共振器ミラー２の層は酸化領域を有する。さらに、酸化領域８ｂを有する層２ａは酸化されていない領域８ｂを有する。

酸化領域８ａは有利には半導体ボディの縁部領域に配置されている。例えば、酸化領域８ａは半導体ボディの縁部領域上にリング状に延在する。

酸化プロセスによって第１の層２ａはこの領域８ａにおいて導電性を失う。これにより有利には、半導体ボディを流れる電流を局所的に限定することができる。特に、半導体ボディの縁部領域ではほぼ電流が流れない、又は少なくとも酸化していない領域に比べて小さな電流しか流れない。

有利には、非酸化領域８ｂと比べて第１の共振器ミラーの第１の層２ａの導電性が低いため、酸化領域８ａの下方に配置されている活性領域３の縁部領域の電気ポンピングは避けることができる。

それゆえ、電流の流れは第１の層２ａの酸化領域８ａによって制御される、特に好ましくは半導体ボディの中央領域Ｄ_Emに形成される。

有利には、ドーパント濃度の異なる２つの層２１ａ、２１ｂの酸化領域８ａは、他の第１の層２ａの横方向広さとも互いとも異なる横方向広さＤ_aを有している。

第１の共振器ミラー２の第１の層２ａの酸化領域はそれぞれ横方向広さＤを有している。好ましくは、２つの層２１ａ、２１ｂは他の第１の層２ａの横方向広さＤとは異なる横方向広さＤ_a、Ｄ_bを有する。

それぞれ異なる横方向広さＤ、Ｄ_a、Ｄ_bは有利にはこれらの層２ａ、２１ａ、２１ｂのドーパント濃度の違いによって実現される。好ましくは、第１の共振器ミラー２の第１の層２ａは、各酸化領域８ａが所定の横方向広さＤ、Ｄ_a、Ｄ_bを有するようなドーパント濃度を有する。好ましくは、第１の共振器ミラー２の第１の層２ａ、２１ａ、２１ｂのドーパント濃度は、第２の共振器ミラー４の層４ａ、４ｂのドーパント濃度を所与として、各酸化領域８ａが所定の横方向広さＤ、Ｄ_a、Ｄ_bを有するように調整されている。

第１の共振器ミラー２の第１の層２ａのｐドーピングが、酸化領域８ａが所望の横方向広さＤ、Ｄ_a、Ｄ_bを有するように調節されているのに対して、第２の共振器ミラー４の層４ａ、４ｂのｎドーピングは好ましくは固定的としてよい。

好ましくは、ｐドープされた第１の共振器ミラー２だけが酸化領域８ａのある第１の層２ａを有する。酸化プロセスは半導体ボディの全体的なドーパントプロファイルに依存する。それゆえに、第１の共振器ミラー２の第１の層２ａにおけるｐドーパントのドーパント濃度を調節することによって、酸化領域８ａの横方向広さＤ、Ｄ_a、Ｄ_bを決定することができる。

好ましくは、ドーパント濃度の異なる２つの層２１ａ、２１ｂは異なる厚さ（図示せず）を有する。

これら２つの層２１ａ、２１ｂのドーパント濃度の違いにより、有利には酸化領域８ａの横方向広さＤ、Ｄ_a、Ｄ_bを意図的に制御することができる。さらに、酸化領域８ａの横方向広さＤ、Ｄ_a、Ｄ_bはこれら２つの層２１ａ、２１ｂの厚さの違いによっても意図的に制御することができる。好ましくは、２つの層２１ａ、２１ｂのドーパント濃度と厚さは、２つの層２１ａ、２１ｂの酸化領域８ａの所望の横方向広さＤ、Ｄ_a、Ｄ_bが得られるように調節されている。

さらに、酸化領域８ａの横方向広さりＤ、Ｄ_a、Ｄ_bは、２つの層２１ａ、２１ｂの相互のアルミニウム含有量の違いと他の第１の層２ａのアルミニウム含有量との違いによっても意図的に制御することができる。特に好ましくは、２つの層２１ａ、２１ｂのドーパント濃度と厚さとアルミニウム含有量は、２つの層２１ａ、２１ｂの酸化領域８ａの所望の横方向広さＤ、Ｄ_a、Ｄ_bが得られるように調節されている。

第１の共振器ミラー２の上には部分的に第２のコンタクト層６が配置されている。好ましくは、第２のコンタクト層６は半導体ボディの縁部領域に配置されている。特に、中央領域Ｄ_Emには第２のコンタクト層６は配置されていない。

第２のコンタクト層６は有利には第１の共振器ミラー２の第１の層２ａの酸化領域８ａよりも大きな横方向広さを有している。したがって、第２のコンタクト層６は酸化領域８ａ上に重なる。なお、第２のコンタクト層６はドーパント濃度の異なる２つの層２１ａ、２１ｂの酸化領域８ａよりも小さな横方向広さを有していてもよいし、酸化領域８ａよりも大きな横方向広さを有していてもよい。また、第２のコンタクト層６が２つの層の一方２１ｂの酸化領域８ａよりも小さな横方向広さを有し、２つの層の他方２１ａの酸化領域８ａよりも大きな横方向広さを有することも考えられる。この場合、第２のコンタクト層６の横方向広さは、２つの層の一方２１ｂの酸化領域８ａの横方向広さと２つの層の他方２１ａの酸化領域８ａの横方向広さの間である。

好ましくは、供給された電流は主に第１の共振器ミラー２の第１の層２ａの非酸化領域８ｂを介して活性領域に注入される。半導体ボディの酸化領域８ａを有する縁部領域では、活性領域３において第１の層２ａの酸化領域８ａの導電性が低いために電流の注入はおおむね回避される。それゆえ、発光再結合ないし放射の発生は酸化領域８ａの横方向導電率が比較的低いためにおおむね非酸化領域８ｂで生じる。半導体ボディ内のポンプ電流の電流路はしたがって、第１の層２ａの酸化領域８ａの横方向広がによって決定することができる。

図１Ｂの実施例は第２のコンタクト層６が面全体を占めている点で図１Ａの実施例とは異なる。それゆえ、第１の共振器ミラー４の上には、半導体レーザ素子の電気接続のために、導電性コンタクト層６が面全体に配置されている。

この場合、レーザ放射の出射は第２のコンタクト層６を通して行われる。したがって、第２のコンタクト層６は活性領域３で発生した放射のために少なくとも部分的に透明な特性を有していなければならない。特に、活性領域３で発生したレーザ放射の吸収は第２のコンタクト層では少ない、好ましくは４０％未満、特に好ましくは２０％未満である。

図１Ｂの実施例では、第２のコンタクト層６は好ましくは透明導電性酸化物を有している。透明導電性酸化物（ＴＣＯ：transparent conductive oxides）は透明な導電性材料であり、通常は例えば酸化亜鉛、酸化スズ、酸化カドミウム、酸化チタン、酸化インジウム又は酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のような酸化金属である。例えばＺｎＯ、ＳｎＯ₂又はＩｎ₂Ｏ₃のような二元金属酸化化合物の他に、例えばＺｎ₂ＳｎＯ₄、ＣｄＳｎＯ₃、ＺｎＳｎＯ₃、ＭｇＩｎ₂Ｏ₄、ＧａＩｎＯ₃、Ｚｎ₂Ｉｎ₂Ｏ₅又はＩｎ₄Ｓｎ₃Ｏ₁₂のような三元金属酸化化合物又はさまざまな透明導電性酸化物の混合物もＴＣＯのグループに属する。さらに、ＴＣＯは必ずしも化学量論的組成に一致せず、ｐドープ又はｎドープされていてもよい。

図３には、第１の層の酸化領域８ａの横方向広さＤがｎドープされた第２の共振器ミラー４におけるキャリア密度に依存することを示すグラフが示されている。このグラフでは、第１の共振器ミラー４のドーパント濃度（ｃｍ^-3）に対して、ｐドープされた第１の共振器ミラー２の酸化領域の横方向広さＤ（酸化深さ（μｍ））が示されている。グラフの横軸には、ｎドープされた第２の共振器ミラー４のドーパント濃度の値がとられている。縦軸には、ｐドープされた第１の共振ミラー２の第１の層の酸化領域の横方向広さの値がとられている。

図中のグラフＡは、ｐドープされた第１の共振器ミラー２の第１の層の活性化ドーピングの値を示している。図中のグラフＢは、ｐドープされた第１の共振器ミラー２の第１の層のイントリンシックドーピングの値を示している。特に、第１の層２ａは半導体ボディの個々の層の成長プロセスの間に半導体ボディを活性化せずにドープされる。

グラフに示されているように、第１の共振器ミラー２の第１の層２ａの酸化領域の横方向広さは驚くことに第２の共振器ミラー４の層のドーパント濃度に依存する。それゆえ、酸化領域８ａの広さＤは半導体ボディ全体のドーパントプロファイルに依存する。特に、第２の共振器ミラー４の層のドーパント濃度は第１の共振器ミラー２の第１の層２ａの表面電荷に影響を与える。そして、第１の層２ａの表面電荷は第１の層２ａにおける酸化プロセスに影響を与える。したがって、酸化プロセスは第２の共振器ミラー４の層のドーパント濃度と第１の共振器ミラー２の第１及び第２の層のドーパント濃度とに依存する。

第１の層２ａの酸化領域８ａの横方向広さが所望の広さであれば、有利には、第１の共振器ミラー２の第１の層２ａのドーパント濃度を意図的に調節することにより、第２の共振器ミラー４のドーパント濃度を不変のままにすることができる。

本発明は実施例に基づいた説明によってこれらの実施例に限定されるものではなく、任意の新規な特徴及びこれら特徴の任意の組合せ、特に特許請求の範囲に記載されている特徴の任意の組合せを、それ自体特許請求の範囲又は実施例に明示的に示されていなくても含んでいる。

Claims (15)

1. 第１の共振器ミラー（２）と第２の共振器ミラー（４）と放射を発生させる活性領域（３）とを有する半導体ボディを含む垂直放射（７）形の表面放射半導体レーザ素子において、
   前記第１の共振器ミラー（２）は、交互に積層された第１の組成の第１の層（２ａ）と第２の組成の第２の層（２ｂ）とを有しており、
   前記第１の層（２ａ）は酸化領域（８ａ）を有しており、
   少なくとも前記第１の層（２ａ）はそれぞれドーパントを含んでおり、
   少なくとも前記第１の層（２ａ）の１つの層（２１ａ）のドーパント濃度は他の第１の層（２ａ）のドーパント濃度とは異なる
   ことを特徴とする垂直放射形の表面放射半導体レーザ素子。
2. 前記少なくとも１つの層（２１ａ）の酸化領域（８ａ）の横方向広さは他の第１の層（２ａ）の横方向広さとは異なる、請求項１記載の表面放射半導体レーザ素子。
3. 前記少なくとも１つの層（２１ａ）の酸化領域（８ａ）の横方向広さは少なくとも１μｍだけ他の第１の層（２ａ）の酸化領域（８ａ）の横方向広さと異なる、請求項２記載の表面放射半導体レーザ素子。
4. 前記第１の層（２ａ）の２つの層（２１ａ、２１ｂ）は他の第１の層（２ａ）のドーパント濃度とは異なるドーパント濃度を有している、請求項１から３のいずれか１項記載の表面放射半導体レーザ素子。
5. 前記２つの層（２１ａ、２１ｂ）の一方の層（２１ａ）のドーパント濃度は、前記２つの層（２１ａ、２１ｂ）の他方の層（２１ｂ）のドーパント濃度の少なくとも１．５倍の高さである、請求項４記載の表面放射半導体レーザ素子。
6. 前記２つの層（２１ａ、２１ｂ）の一方の層（２１ａ）のドーパント濃度は１０¹⁸ｃｍ^-3よりも高い、請求項５記載の表面放射半導体レーザ素子。
7. 前記２つの層（２１ａ、２１ｂ）の他方の層（２１ｂ）のドーパント濃度は１０¹⁸ｃｍ^-3よりも低い、請求項５又は６記載の表面放射半導体レーザ素子。
8. 前記２つの層（２１ａ、２１ｂ）の酸化領域（８ａ）の横方向広さは他の第１の層（２ａ）の酸化領域（８ａ）の横方向広さとは異なる、請求項４から７のいずれか１項記載の表面放射半導体レーザ素子。
9. 前記２つの層（２１ａ、２１ｂ）の一方の層（２１ａ）の酸化領域（８ａ）の横方向広さは、前記２つの層（２１ａ、２１ｂ）の他方の層（２１ｂ）の酸化領域（８ａ）の横方向広さの少なくとも２倍の大きさである、請求項４から８のいずれか１項記載の表面放射半導体レーザ素子。
10. 前記２つの層（２１ａ、２１ｂ）はそれぞれ異なる厚さを有している、請求項４から９のいずれか１項記載の表面放射半導体レーザ素子。
11. 前記少なくとも１つの層（２１ａ）はｐドープされている、請求項１から１０のいずれか１項記載の表面放射半導体レーザ素子。
12. 前記少なくとも１つの層（２１ａ）はＣドープされている、請求項１から１１のいずれか１項記載の表面放射半導体レーザ素子。
13. 前記酸化領域（８ａ）は前記半導体ボディの縁部領域に配置されている、請求項１から１２のいずれか１項記載の表面放射半導体レーザ素子。
14. 前記第１の層（２ａ）はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓを含んでおり、それぞれ０．８≦ｘ≦１である、請求項１から１３のいずれか１項記載の表面放射半導体レーザ素子。
15. 前記第２の層（２ｂ）はＡｌ_yＧａ_1-yＡｓを含んでおり、それぞれ０≦ｙ≦０．５である、請求項１から１４のいずれか１項記載の表面放射半導体レーザ素子。

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