JP2015084419A - 調整可能な出射波長を有する半導体レーザダイオード - Google Patents

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Abstract

【課題】選択又は調整可能な出射波長を有し且つ従来技術の不具合を解消した半導体レーザダイオードを提供する。
【解決手段】半導体レーザダイオード０１は、基板層、第１ドープクラッド層０２及び第２ドープクラッド層０９、少なくとも１個の導波路０３、０４と、活性層と、活性層又は少なくとも１個の導波路０３、０４に近接したクラッド層構造０５と、少なくとも１個のインターデジタル変換器０８とを有し、少なくとも１個のインターデジタル変換器０８はクラッド層構造０５に近接し、クラッド層構造０５は、実質的に非ドープの半導体層として実現された少なくとも１個の第１領域０６と、少なくとも区分して設けられ、一方の側にて第１領域０６に近接し且つ他方の側にてインターデジタル変換器０８に近接して第２領域０７とを有し、第２領域０７は、第１領域０６と対比して自由電荷担体の密度が減少されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、調整可能な出射波長を有する半導体レーザダイオードに関し、該半導体レーザダイオードは、エピタキシャル及び／又はリトグラフ構造を含む。
半導体レーザはその制限された利得帯域幅のために、１個のモードスペクトルを有し、このモードスペクトルは複数の所謂ファブリペローモードを含む。個々のモードのスペクトル距離は以下の式で定義される。
ここで、λは波長、ｎgはグループインデックス(group index)、Ｌは半導体レーザダイオードのキャビティ長である。分光学、データ伝送又は気象学などの複数の適用分野のためには、半導体レーザダイオードの出射波長として、全モードスペクトル内で個々に明確に規定されたファブリペローモードを選択し、そして、半導体レーザダイオードを正確なモード且つ正確な波長で作動させることが特に望まれる。このような状況にて、出射波長の選択を許容する半導体レーザダイオードには異なる製造方法や異なる構造が公知である。
例えば、面・発光レーザダイオード、所謂、垂直キャビティ面発光レーザ(VCSEL)において、波長の１〜３倍に対応した短いキャビティ長を選択することにより、これら構成要素内にて近接した２個のファブリペローモード間の距離にとって、それらの距離が利得帯域幅を超えるように大きくなり、そして、利得帯域幅内の１つモードのみがレーザ動作に強い影響(impact)を有することが起こり得る。
しかしながら、これに対して、キャビティ長が通常、数百μｍから数ｍｍまでの長さの端面発光レーザは各利得帯域幅の範囲にて数千のファブリペローモードを有する。出射波長におけるモードの制限を許容し且つそれらの構成要素内での高いスペクトル純度を提供するために、対応した半導体レーザダイオードの異なる製造方法及びこれら製造方法の結果として異なる構造もまた同様に公知である。例えば、フィードバック機構を使用でき、このフィードバック機構は半導体レーザダイオード内に一体に組み込まれるか又は半導体レーザダイオードのビーム経路に外側から導入することもできる。
モード選択のための半導体レーザダイオードの一体構造に関して、例えば、所謂、分布フィードバック(DFB)原理が公知であり、この原理は屈折率の周期的な変調及び／又は半導体レーザダイオードにおけるポンプ領域の利得に基づいている。代替的には、所謂、分布ブラッグ反射レーザダイオード（DBRレーザ）が公知であり、これらレーザは半導体レーザダイオードの受動領域内にて、周期的な屈折率変調を示す。
半導体レーザダイオードの外部モード選択には回折格子(grating)が使用でき、そのレーザチップは増幅器として使用され、回折格子は第２の面として役立つ。また、最後に述べた構造の半導体レーザダイオードは所謂、外部キャビティダイオードレーザ(ECDL)と称される。
半導体レーザダイオードのモード選択のための前述の方法及び装置は、全モードスペクトルにおける非常に制限された範囲のみが選択可能であるか、又は、特に機械的な部品の提供が対応するレーザの価格及びシステムサイズに関して不利となる不具合を有する。
更にまた、所謂、二重回折格子(binary superimposed grating=BSG)を有する半導体レーザダイオードのような他の半導体レーザダイオードも存在し、これら他の半導体レーザダイオードはモードスペクトルの大きな範囲を明確に選択できるものの、レーザダイオードの製造及び特性付けに関して、非常にコストがかかり且つ時間の浪費となる。
所謂、集積インターデジタル変換器(IDT)の提供は、半導体レーザダイオードのモードスペクトルから特定の出射波長を選択的に決定するうえで、安価と高効率との二者択一となる。インターデジタル変換器は面音響波(SAW)を励起し、この面音響波はインターデジタル変換器に近接した層内にて屈折率の周期的な変調をもたらし、従って、前述の選択肢のように同様にして出射波長の選択的なモードの決定を許容する。
このような状況にて、公知のインターデジタル変換器はそれらの設計に依存して、対応した狭く又は広い共振挙動を示し、ここで、共振の各状態は外部から供給された信号又は交番電圧により、対応した小さい周波数範囲内で励起され得る。従って、対応するレーザ、即ち、対応する半導体レーザダイオードにおいて、可能な限り広い出射波長の選択を可能とするには、インターデジタル変換器が広い共振帯域を有するように基本的に設計され、そして、インターデジタル変換器が可能な限り狭い周波数帯域又は可能な限り個別の周波数によって外部から励起されることが提案される。この種の半導体レーザダイオードは例えば、以下の特許文献１に記載されている。
国際公開WO 2012/074382 A1
インターデジタル変換器を使用して出射波長を選択可能又は調整可能とした公知の半導体レーザダイオードは、以下の不具合を有する。
インターデジタル変換器に近接した領域内、又は、インターデジタル変換器に近接した半導体レーザダイオードの層内にて面音響波の発生及び広がり、又は、維持に係る成功度が不十分であるか、又は、小さな程度でのみ可能であって、前記領域又は前記層内の屈折率の意図又は所望の変調が等しく弱いか、又は、小さな程度でもたらされ、全体的に不十分となり、この結果、半導体レーザダイオードのモードスペクトルからの出射波長の調整又は選択は可能性として有するか、又は、或る程度だけ確保可能である。
従って、本発明の目的は、選択又は調整可能な出射波長を有し且つ従来技術の不具合を解消した半導体レーザダイオードを提供することにある。また、このことは、出射波長が動的であって、所望ならばレーザダイオードの動作中に調整可能で、そして、調整後、一定となることを意味する。換言すれば、このことは、本発明がインターデジタル変換器を介して効果的且つ安定した面音響波の発生及び維持を可能にした一般的な半導体レーザダイオードの更なる改良に努めていることを意味する。
前記目的は請求項１における前提部の半導体レーザダイオードによって達成される。提案された半導体レーザダイオードの好適な実施形態は、従属請求項の主題となる。
本発明は以下の着想に基づくものである。
面音響波は、インターデジタル変換器に近接した層内にて該インターデジタル変換器を介して発生可能であり、インターデジタル変換に近接した層又はインターデジタル変換器に近接した領域が良好な圧電特性を有するならば、面音響波が特に好都合又は効果的に発生可能となる。特に良好な圧電特性は、自由電荷担体の密度が可能な限り低いか又は０であることで達成されるので、換言すれば、本発明の基本的な概念は、インターデジタル変換器に近接した層又はその層の領域が最少量のみの自由電荷担体を有することを条件とした半導体レーザダイオードを実現することにある。
その実現のために本発明の半導体レーザダイオードが提供され、該半導体レーザダイオードは、基板層、第１ドープクラッド層及び第２ドープクラッド層、少なくもと１個の導波路、活性層、活性層又は少なくとも１個の導波路に近接したクラッド層構造、少なくとも１個のインターデジタル変換器を有し、
ここで、少なくとも１個のインターデジタル変換器はクラッド層構造に近接し、
クラッド層構造は実質的に非ドープ半導体層として実現される少なくとも１個の第１領域と、該第１領域で少なくとも区分されて、一方の側にて第１領域に近接し且つ他方の側にてインターデジタル変換器に近接した第２領域とを有し、
該第２領域は第１領域と比較して、減少された自由電荷担体を有する。
本発明の範囲において、非ドープ半導体層は実質的な半導体層であって、選択されたた材料、所望の製造、即ち、堆積(deposition)プロセスに起因した如何なる自由電荷担体をも基本的に有するべきものではないが、しかし、このような半導体が一般的に真性(intrinsic)半導体層と称されているとしても、汚染、欠陥、即ち、格子欠陥等の想定外の現象のために、自由電荷担体を或る量だけ、なお常に有することは強調されるべきである。
換言すれば、このことは、本発明の半導体レーザダイオードの場合、クラッド層構造の第１領域が一般的に称される真性半導体層であってよく、同時に、クラッド層構造の第１領域とインターデジタル変換器との間にて少なくとも区分して配置された第２領域の自由電荷担体の密度が第１領域と比較して、より一層大幅に減少されていることを意味する。
本発明の半導体レーザダイオードは、対応する励起周波数に応じてインターデジタル変換器によって発生される面音響波の特性を特に有効且つ明確に生成且つ維持可能とし、よって、半導体レーザダイオードのモードスペクトルからの個々の出射波長の調整又は選択を等しく高効率且つ正確にすることができる。
このような状況において、クラッド層構造の第２領域がアルミニウムの層、特に窒化アルミニウム層からなることは本発明の範囲内である。クラッド層構造の第２領域のためのアルミニウムの層の使用、特に、窒化アルミニウム層の使用は、この種の半導体層が他の真性半導体層又は合成半導体と比較して、大幅に改善された圧電特性を有するという利点となる。換言すれば、このことは、提案され好適な層が他の真性半導体層又は合成半導体層と比較して、大幅に減少された自由電荷担体の密度を有することを意味する。
クラッド層構造の第２領域にとっては、その材料内にてインターデジタル変換器の面音響波が特に有効に発生且つ維持可能であるので、前記材料は一般的に、機械的に変形されたとき、特に高い極性及び高い圧電特性を示すことが一般的に望まれる。それ故、クラッド層構造の第２層は酸化亜鉛(ZnO)からなるのが好適する。
この種の層は対応する半導体レーザダイオードの製造において、その製造の流れの中に容易に組み入れることができ、慣用の公知の態様で形成又は配置することができる。提案された半導体レーザダイオードでのクラッド層構造の第２領域において、アルミニウムの層、より正確には、窒化アルミニウム層の他の利点は事実上、それらの好適な圧電特性、つまり、面音響波及び該面音響波に依存した半導体レーザダイオードのモード選択に関して、好適な作用がレーザシステムの他の選択やレーザシステムの材料選択とは拘わりなく実現可能であることである。従って、好適な作用はシステムとは独立し、異なる出力又は特性を有した異なる半導体レーザダイオードでも実現され得る。
また、提案された本発明の範囲内において、第２領域は半導体材料、特にIII-V族の半導体材料からなり、カウンタドープを有する。この種のカウンタドープは各半導体材料又は合成半導体材料にとって充分に公知であり、クラッド層構造の第２領域を製造する方法の範囲内にて、実際の半導体又は合成半導体の材料とともに容易に生成又は沈殿させ得る。
この目的のため、例えば分子線エピタキシ又は有機金属気相エピタキシなどの方法が使用可能である。この種のクラッド層構造の一例では、クラッド層構造の第１領域でのAlGaAsSb層が真性p型ドーピングであり、そして、クラッド層構造における第２領域での対応するAlGaAsSb層はテルル(Te)又はシリコン(Si)でカウンタドープされ、クラッド層構造における基本的には既に真性である第１領域と比較したとき、圧電特性が改善されるともに自由電荷担体の密度を更に減少させる。この種のクラッド層構造は例えば、GaSb半導体レーザダイオードシステムにおいて用いることができ、分子線エピタキシを介して形成される。
このような状況において、クラッド層構造の第１領域はクラッド層構造の第１部分、即ち、大部分を形成し、カウンタドープを有する第２部分、即ち、その一部はクラッド層構造の僅かな深さ又は厚みのみを形成する。極端な場合、第２領域はクラッド層構造の第１領域と近接するインターデジタル変換器との間のバリア面として単に形成され、該バリア面は、発生、維持又は案内されるべき面音響波にとって十分な厚み又は深さのみを有する。これは、クラッド層構造の第２領域でのカウンタドープが面音響波の発生及び維持に肯定的に影響し、同時に不都合なやり方で電気抵抗を増大させるためである。
また、提案された本発明の範囲内にて、第２領域は半導体材料、特にIII-V族の半導体材料からなり、複数の水素原子を有する。これら水素原子は意図的に導入され、そして、現存の半導体材料とともに、強又は弱の共有結合を介して合成物及び複合物を形成する。
例えば水素原子はクラッド層構造を水素プラズマで処理するか、又は、水素基での他の処理により意図的に導入可能である。慣用的な公知のやり方において、水素基は基板及びクラッド層構造の閾値温度を超えた温度にて、クラッド層構造の第２領域内に導入可能であり、この後、水素基は反応して対応する水素原子を形成し、ドーピング原子の中和又は複合形成により、自由電荷担体を不動態化する。水素基の貫通深さ、また、クラッド層構造の第１領域とクラッド層構造の第２領域との間の比率は、水素基に対する露出期間及び水素基の相関貫通深さによって決定可能である。
また、本発明の範囲内において、提案された半導体レーザダイオードのためにはクラッド層構造の第１領域が半導体材料、特にIII-V族の半導体材料からなる。この種の材料は、対応する半導体ダイオードの製造に普及しており、その取り扱いは公知且つ文献化されている。
また、提案された半導体レーザダイオードは、その活性層が複数の量子ドットを有することで更に好適に改良される。インターデジタル変換器を介して出射波長のモード選択又は調整を提供する前述の半導体レーザダイオードは、活性層が量子フィルムを有するように設計されている。しかしながら、これに対して、提案された量子ドットは、出射波長の増幅変調を許容した活性層の形成を可能にする。この増幅変調は信号伝送において特に重要な要因である。よって、提案された半導体レーザダイオードは出射波長の変調及びモードスペクトルからのモード選択を増幅変調とともに同時に可能とし、全体的にみて、半導体レーザダイオードの高い効率、つまり、所望の特性又は潜在的特性を可能にする。
本発明の範囲内にて、活性層が量子ダッシュを有するならば、これは付加的な利点となる。また、このようにして活性層での増幅変調が可能となり、これは、前述したこの種の半導体レーザダイオードの利点をも伴う。
本発明の他の利点は、活性層が半導体材料、又は、その半導体材料によって形成された層を有し、一種のみのドーピングを有することで達成される。活性層に一種のみのドーピングを有したこの種の半導体レーザダイオードは例えば、インターバンドカスケードレーザ又は量子カスケードレーザとして形成可能であって、これらレーザはその一部に関して特別な利点を提案し、これら利点は、特に出射波長及びモード選択の改良された調整性、その結果、達成された出射波長の精細度などの前述の発明の利点と特に好適にして付加的に結合可能となる。例えば、決して排他的ではないが、半導体材料を有する活性層及び一種のみのドーピングを有する材料は、異なるｎ型のドーピング、又は、異なるｎ型のドーピング備えた半導体材料を有することができる。
また、提案された半導体レーザダイオードにとっては、少なくとも１個のインターデジタル変換器が櫛状の構造として実現されるならば利点となる。このようにしてインターデジタルの対応した共振特性及び対応した共振挙動は特に簡単且つ好適にして予測且つ実現可能である。
また、提案された半導体レーザダイオードにとっては、少なくとも１個のインターデジタル変換器が導電材料、特に金を有するならば特に利点となる。よって、面音響波の発生及び維持が特に効率的に可能となる。
本発明は、概略図の助けを借りて一実施形態である以下の記載にて説明される
本発明の第１実施形態に係る半導体レーザダイオードの斜視図である。
図１は半導体レーザダイオード01を示し、この半導体レーザダイオード01は基板（図示しない）上にｎ型のクラッド層02を有する。この場合、ｎ型クラッド層は、ｎ-ドープクラッド層として理解されるべきである。ｎ型クラッド層02の上方に活性層が示され、この活性層は導波路03,04間のバリア面又は境界線として配置されている。導波路04の上面にはクラッド層構造05が設けられている。クラッド層構造05は第１領域06と、少なくとも複数に区画(in sections)された第２領域07を有する。クラッド層構造05上には２個のインターデジタル変換器08が位置付けられている。各変換器08はクラッド層構造05の領域上にあり、該領域は第１及び第２領域を有する。クラッド層構造05は２個のインターデジタル変換器08間に第１領域06のみを有し、この第１領域06はｐ型のクラッド層09に近接している。ここでの記載の意味において、ｐ型クラッド層は半導体レーザダイオードのｐ-ドープクラッド層として理解されるべきである。
図１の実施形態において、クラッド層構造05の第２領域07は例えば窒化アルミニウムから形成でき、このことは、インターデジタル変換器08を介して発生された面音響波が励起され、そして、特に明確に維持可能となる結果をもたらす。従って、クラッド層構造05における屈折率の変調が達成される。このことは、半導体レーザダイオード01の利得帯域幅によって構成されたファブリペローモードのモードスペクトルに関して、モードの明確な調整又は選択と、半導体レーザダイオード01における出射波長の対応した選択的な決定(selective choice)の両方を許容する。
しかしながら、図１に示された層構造の順序は決して拘束されるものではない。例えば、ｎ型のクラッド層02とクラッド層構造との間に少なくとも１個のインターデジタル変換器が配置され、該変換器に対して活性層及び導波路が上側から近接していてもよい。

Claims (11)

  1. 基板層、第１ドープクラッド層(02)及び第２ドープクラッド層(09)、少なくとも１個の導波路(03,04)と、活性層と、該活性層又は前記少なくとも１個の導波路(03,04)に近接したクラッド層構造(05)と、少なくとも１個のインターデジタル変換器(08)とを有する半導体レーザダイオード(01)において、
    前記少なくとも１個のインターデジタル変換器(08)は前記クラッド層構造(05)に近接し、
    前記クラッド層構造(05)は、実質的に非ドープの半導体層として実現された少なくとも１個の第１領域(06)と、一方の側にて前記第１領域(06)に近接し且つ他方の側にて前記インターデジタル変換器(08)に近接する少なくとも複数に区分された第２領域(07)とを有し、
    前記第２領域(07)は、前記第１領域(06)と対比して自由電荷担体の密度が減少されていることを特徴とする半導体レーザダイオード。
  2. 前記第２領域(07)は、アルミニウムの層、特に窒化アルミニウム層(AlN層)からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザダイオード。
  3. 前記第２領域(07)は酸化亜鉛(ZnO)からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザダイオード。
  4. 前記第２領域(07)は半導体材料、特にIII-V族の半導体材料からなり、カウンタドーピング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ダイオード。
  5. 前記第２領域(07)は半導体材料、特にIII-V族の半導体材料からなり、複数の水素原子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ダイオード。
  6. 前記第１領域(06)は半導体材料、特にIII-V族の半導体材料からなることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の半導体レーザダイオード。
  7. 前記活性層は複数の量子ドットを有することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の半導体レーザダイオード。
  8. 前記活性層は複数の量子ダッシュを有することを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の半導体レーザダイオード。
  9. 前記活性層は、一種のみのドーピングを有する複数の半導体材料を有する請求項１〜８の何れかに記載の半導体レーザダイオード。
  10. 前記少なくとも１個のインターデジタル変換器(08)は櫛形の構造として実現されていることを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の半導体レーザダイオード。
  11. 前記少なくとも１個のインターデジタル変換器(08)は導電材料、特に金を有することを特徴とする請求項１〜１０の何れかに記載の半導体レーザダイオード。
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