JP2021515980A - 半導体レーザー - Google Patents

Abstract

一実施形態では、半導体レーザー（１）が、半導体積層体（２）及び電気接触面（４１、４２）を含む。半導体積層体（２）は、活性領域（２５）を備えた導波路（２０）を含む。さらに、半導体積層体（２）は、第１と第２のクラッド層（２１、２２）を含み、その間に導波路（２０）が位置する。少なくとも１つの斜めファセット（３１、３２）が、半導体積層体（２）上に形成され、それは、最大１０°の許容範囲を有する共振器軸（Ｒ）に対して４５°の角度を有する。このファセット（３１、３２）は、動作中に生成されるレーザー放射（Ｌ）に対して、第１のクラッド層（２１）に向かう反射面（３０）を形成する。第１のクラッド層（２１）の最大厚さ（Ｄ）は、少なくとも放射通路領域（５０）において０．５Ｍ／ｎ〜１０Ｍ／ｎであり、ここで、ｎは第１のクラッド層（２１）の平均屈折率であり、Ｍはレーザー放射（Ｌ）の最大強度の真空波長である。【選択図】 図１

Description

半導体レーザーについて説明する。

米国特許出願公開第２００９／００９７５１９号明細書には、斜めファセットを有する半導体レーザーが記載されている。

解決すべき課題は、効率的に製造することができる半導体レーザーを規定することである。

この課題は、とりわけ、請求項１の特徴を有する半導体レーザーによって解決される。好ましいさらなる実施形態は、他の請求項の主題である。

少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザーは、半導体積層体を含む。半導体積層体には、導波路が含まれている。導波路には、レーザー放射生成のための活性領域が含まれている。活性領域を有する導波路は、特に全反射の手段によって、生成されたレーザー放射を導くように構成される。この手段は、導波路が、レーザー放射に対して比較的大きな光学的屈折率を有することである。

半導体積層体は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を成分とすることが好ましい。この半導体材料は、例えば、ＡｌｎＩｎ１−ｎ−ｍＧａｍＮなどの窒化物化合物半導体材料、又はＡｌｎＩｎ１−ｎ−ｍＧａｍＰなどのリン化物化合物半導体材料、又はＡｌｎＩｎ１−ｎ−ｍＧａｍＡｓやＡｌｎＧａｍＩｎ１−ｎ−ｍＡｓｋＰ１−ｋなどのヒ素化合物半導体材料などであって、ここで、それぞれ、０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦１及びｎ＋ｍ≦１及び０≦ｋ＜１である。好ましくは、少なくとも１つの層について、又は半導体積層体のすべての層について、０＜ｎ≦０．８、０．４≦ｍ＜１及びｎ＋ｍ≦０．９５、並びに０＜ｋ≦０．５である。半導体積層体は、ドーパント及び追加の成分を含有してもよい。しかしながら、簡潔にするために、本半導体積層体の結晶格子の本質的な構成要素のみ、すなわち、Ａｌ、Ａｓ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ又はＰが前提であり、たとえ、これらが少量の他の物質によって部分的に置換及び／又は補充されていてもよい。

少なくとも１つの実施形態によれば、半導体積層体は、第１のクラッド層及び第２のクラッド層を含む。導波路は、この２つのクラッド層の間にある。導波路が直接的にクラッド層に隣接することもあり得る。クラッド層は、導波路よりもレーザー放射の屈折率がより低くなっている。

少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの斜めファセットが、半導体積層体上に形成される。１つの斜めファセット又は複数の斜めファセットは、活性領域の共振器軸及び／又は主延在方向に対して４５°の角度を有する。４５°の角度は、特に、最大で１０°又は５°又は２°又は１°の許容範囲で達成される。共振器が帯状であってもよいように、共振器軸、ひいては半導体レーザーの共振器は、直線に沿って延びていることが好ましい。

少なくとも１つの実施形態によれば、斜めファセットは、第１のクラッド層に向かうレーザー放射の反射面として形成される。これは、動作中に活性領域内で発生したレーザー放射が斜めファセットに向かう導波路に導かれ、そこで第１のクラッド層の向きに反射されることを意味する。導波路は、導波路が終端され、ファセットによって閉じ込められるように、ファセットまで到達し得る。

少なくとも１つの実施形態によれば、第１のクラッド層の最大厚さは、少なくとも反射面より上のレーザー放射に対する放射通路領域において、最小で０．５Ｍ／ｎ又は１Ｍ／ｎ又は３又は５Ｍ／ｎ又は７Ｍ／ｎである。ここで、Ｍは、動作中に生成されたレーザー放射の最大強度の真空波長であり、ｎは特に、半導体レーザーの特定の動作温度又は室温、換言すれば、３００Ｋにおける、真空波長の第１のクラッド層の平均屈折率である。代替案として、又はこれに加えて、放射通路領域の最大厚さは、最大で１０Ｍ／ｎ又は７Ｍ／ｎ又は４Ｍ／ｎである。ＡｌＧａＡｓの場合、最大厚さは２μｍから３μｍの間である。

放射通路領域は特に、平面図で見える、半導体積層体の領域が、斜めに配置されたファセットとの導波路の交点より上にあることである。放射通路領域は、レーザー放射が半導体積層体の成長方向に平行又はほぼ平行な方向に通過することが意図される第１のクラッド層の唯一の領域であってもよい。

少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザーは、電気接触面を含む。２つ又は３つ以上の電気接触面は、半導体レーザーの外部電気接触のために構成される。接触面は、好ましくは、はんだ付け可能又は導電性接着剤である。

少なくとも１つの実施形態において、半導体レーザーは、半導体積層体及び電気接触面を含む。半導体積層体は、活性領域を有する導波路が含む。さらに、半導体積層体は、その間に導波路が位置する第１のクラッド層及び第２のクラッド層を含む。少なくとも１つの斜めファセットが、共振器軸に対して４５°の角度を有し、最大で１０°の許容範囲を有する活性領域の主延在方向に対して、半導体積層体上に形成される。このファセットは、動作中に活性領域で発生したレーザー放射のための第１のクラッド層に向かって反射面を形成する。第１のクラッド層の最大厚さは、少なくとも反射面より上の放射通路領域において、０．５Ｍ／ｎ以上１０Ｍ／ｎ以下であり、ここで、ｎは、第１のクラッド層の平均屈折率であり、Ｍはレーザー放射の最大強度の真空波長である。

ほとんどの一般的なレーザーダイオードは、端面発光レーザーとして生産され、コーティングされたファセットを有する。このようなレーザーの生産中、ウエハはストリップに分割されなければならず、その結果、二つのファセットが互いに逆になる。これらのファセットは、連続してコーティングされ、続いて個々のレーザーダイオードチップに分けられ、適当な担体にボンディングされる。特に、ストリップに分割すると、追加の処理ステップ及び追加の処理時間が生じ、このような半導体レーザーの製造コストの大きな一因となる。対照的に、本明細書で説明する半導体レーザーは、大幅な費用節減を伴って、ウエハ化合物及び／又はウエハレベルで製造することができる。

レーザーの別の可能性は、垂直キャビティを持つ表面発光半導体レーザーであり、ＶＣＳＥＬ又は垂直共振器面発光レーザー（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒｓ）とも呼ばれる。このような表面発光レーザーはウエハ化合物で製造することもでき、比較的低製造コストである。しかしながら、ＶＣＳＥＬは、キャビティが非常に短く、熱問題に悩まされ、その光出力に制限がある。これとは対照的に、本明細書で述べた半導体レーザーによって、高い光出力を達成することができる。

本明細書で説明した半導体レーザーでは、ウエハ化合物中のウエハレベルで完全に製造することができるが、従来の端面発光レーザーと同様に、光増幅は活性領域に平行であり、したがって成長方向に垂直に発生する。斜めファセットの形の偏向ミラーを集積化した。特に半導体積層体から成長基板を除去する薄膜技術との組合せでは、高光出力で効率的な垂直光抽出が可能である。

好ましくは４５°でエッチングされたファセットは、導波路から来る放射に対して、ＴＩＲとしても知られる全内部反射（ｔｏｔａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）をもたらす。放射を結合するときのファセットでの損失を回避するために、全反射のための対応する条件は、導波光の角度分布の全領域にわたって満たされなければならない。これには、ファセットでのマテリアルの屈折率がそれに応じて調整され、導波路内のレーザー放射の強度プロファイルが最適化されることを必要とする。

特に、後者の点は、活性領域に平行な方向の第１のクラッド層内のビーム膨張を低減又は回避するために、第１のクラッド層をできるだけ薄く選択することによって達成することができる。例えば、ＡｌＩｎＧａＡｓ材料系中及び９４０ｎｍ付近の波長の場合、内面全反射の制限角度は、約１６°に過ぎない。これは、第１のクラッド層内の小さな光線拡大でさえも、著しい光学的損失につながる可能性があることを意味する。

しかしながら、最大厚さの増加に伴って、反射強度分布の重なりがモード反射とも呼ばれる導波路の強度分布と共に減少するため、導波路にフィードバックされる強度は、ビーム拡大による発散角とは無関係に減少することに注意すべきである。レーザー放射の発散角も、全反射の臨界角によるモード反射に入り、この臨界角外のすべての光は、レーザーに対する損失と考えられる。発散角は、特に導波路の幾何学的形状、すなわち層の厚さと屈折率によって与えられる。導波レーザー放射の強度分布、すなわち、モードはできるだけ広くなければならず、これは低屈折率差分及び／又は広い導波路と組み合わせて、弱い導波によって達成することができる。しかしながら、これは、最大厚さの選択を下方に制限するので、妥協が必要である。

光取り出し効率を改善するために、活性領域とは反対側の第１のクラッド層の界面に、反射防止コーティングや高反射コーティングのような光学活性コーティングを適用してもよい。さらに、このようなコーティングを介して反射の度合いを調整することができ、従って、レーザー放射の一部を、第１のクラッド層の光取り出し表面からレーザー放射のための共振器に戻すように導くことができる。さらに、モード展開を補正し、キャビティ及び活性領域への放射の向上された帰還を確実にするために、放射通路領域にレンズの形態で第１のクラッド層を整形して半導体レーザーの出力を高めることができる。これにより、増幅用キャビティにフィードバックされる反射放射の割合を９０％以上に増加させることができる。

ここに記載された本明細書に記載された半導体レーザーでは、光学的効果のある全てのコーティングをウエハ化合物内に直接生成することができる。特に、成長基板を除去することにより、ファセットから反射された光は、誘導されずに導波路外の短い距離を走行しなければならないだけであることを確実にすることができる。これは、本明細書で説明した半導体レーザーが、発光ダイオード、すなわち略してＬＥＤのコストに寄与して、製造コストを削減できるということを意味する。

放射の偏向と垂直発光により、製造プロセスとデザインにおいてさらなる自由度を持たせることができる。数個の導波路を単一のレーザーダイオードチップに集積することにより、効率的に電気的、機械的に実装できる光出力の効率的なスケーリングが可能となる。さらに、本明細書で説明する半導体レーザーは、まだウエハ化合物状態にある間、すなわち、個々の半導体レーザーチップ又はレーザーバーに分離される前に、生産中に試験することができる。

本発明による半導体レーザーの高効率は特に、導波路外のレーザー放射に対して最小限の非導波路長を達成することによって達成することができる。さらに、高効率は、好ましくは、斜めファセットでの高反射率と、放射通路領域での第１のクラッド層のレンズの設計とによって支持される。また、成長基板を取り去ることにより、半導体レーザーを冷却する際の、例えば、熱耐性を低下させるために適した担体を選択することができる。

少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザーは、表面発光レーザーである。これは、レーザー放射が、活性領域に対して垂直で、かつ半導体積層体の成長方向に対して並行に放出されることを意味する。

少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザーの共振器の軸は、活性領域の主延在方向に対して平行に位置合わせされる。共振器の軸は、導波路の内側にある。導波路がファセットまで到達する。代替案としては、本活性領域の導波路及び／又は通電領域が、斜めファセットからの距離が小さく、好ましくは、最小で０．５μｍ及び／又は最大で５０μｍ又は２０μｍ又は１０μｍである。このような導波路の距離及び／又はファセットからの活性領域の通電領域の距離は、ファセットの破損を防止することができる。

より上の、第１の接触面がファセットに近すぎると、この接触面での光学的損失が大きくなる。斜めファセットに対するより上の、第１の接触面の距離は、例えば、４５°の角度で、好ましくは、エッチングされたエピタキシャル物質の厚さ、即ち、とくに第１のクラッド層の厚さに、少なくとも等しいはずである。

さらに、第１のクラッド層の材質によって制限及び最適化され得る電流膨張（ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）は、活性領域を電気的にポンピングするが、より上の、第１の接触面は、ファセットから後退される（ｒｅｔｒａｃｔｅｄ）。言い換えれば、理想的には導波路はポンピングされ、ファセットまで電流が供給されるが、より上の、第２の接触面で光は失われない。これは、斜めファセットの角度が正確に４５°ではなく、光が垂直方向に偏向せれず、場合によっては第２の接触面方向に偏向する場合に特に重要である。

このように、より上の、第１のクラッド層による電流の広がり及び荷電担体の拡散が、増加した効率に寄与することができる。より上の、第２のクラッド層中のより高い荷電担体移動度は、特に、第１の接触面が金属部品で形成されている場合と、吸光損失を避けるために、上から見てこの金属部品が共振器軸の隣に位置している場合には、選択されるべきである。この場合、活性領域への電流の供給は、例えば、単に第１のクラッド層を介して行われる。

特に、活性領域のみに電流が供給される半導体レーザーのゲイン領域は、共振器軸に沿って直線であることが好ましい。共振器軸に垂直な方向のゲイン領域の幅は、好ましくは最小で１μｍ又は５μｍ及び／又は最大で０．２ｍｍ又は０．１ｍｍ又は５０μｍである。導波路に沿った共振器軸の長さは、好ましくは最小で０．２ｍｍ又は０．４ｍｍ及び／又は最大で５ｍｍ又は３ｍｍである。

少なくとも１つの実施形態によれば、半導体積層体は、活性領域に平行な方向にのみ導波路構造を表す。しかしながら、ファセットからの活性領域に垂直な方向では、波動は第１のクラッド層中を自由に伝搬する可能性がある。従って、第１のクラッド層内に屈折率変動はない。

少なくとも１つの実施形態によれば、第１のクラッド層は、活性領域に戻されるレーザー放射の少なくとも一部を再集束するためのレンズとして少なくとも１つの放射通路領域に成形される。このように再集束することは、反射レーザー放射の増加した部分が導波路にフィードバックされ、散乱光として失われないので、効率を増加させる。

少なくとも１つの実施形態によれば、レンズは、第１のクラッド層の残りの領域にわたって立面として成形される。これは、第１のクラッド層の最大厚さがレンズの中心にあってもよいことを意味する。代替案としては、レンズを第１のクラッド層の凹部に形成し、レンズの領域よりも少なくとも１つの放射通路領域の外側で第１のクラッド層を厚くできるようにすることができる。

少なくとも１つの実施形態によれば、以下の関係式は、レンズの曲率Ｒ（ｚ）に適用される： Ｒ（ｚ）＝ｚ［１＋（ｚ０／ｚ）＾２］、好ましくは最大で０．２ ｚ０又は０．０５ ｚ０の許容範囲を有し、ここでｚ０＝π＊ｎ＊ω０＾２／λであり、ここでｚは導波路と出射ファセットとの間の距離であり、したがって第１のクラッド層の最大厚さの範囲内である。ｎは、第１のクラッド層の屈折率、λは、レーザー放射の最大強度の波長、ω０、は振幅の１／ｅ倍での導波路におけるモードの実効半値幅である。上記式と対応する値の決定については、Ｊｏｓｅｐｈ Ｔ． Ｖｅｒｄｅｙｅｎによる書籍、「レーザーエレクトロニクス」、第３版、Ｐｅａｒｓｏｎ−Ｖｅｒｌａｇ、１９９５、ＩＳＢＮ−１０：０１３７０６６６６Ｘ、ＩＳＢＮ−１３：９７８−０１３７０６６６６７を参照されたい。本書の詳細な内容は、参考文献、特に第３．４章−ＴＥＭ０、０モードの物理的な説明、特に図３．２とそれに対応する説明に含まれている。

例えば、射出ファセットから約２．５μｍの距離ｚにおいてω０＝０．３μｍの場合、屈折率ｎが約３．４及び約９４０ｎｍの波長で、約２．８μｍの曲率Ｒのほぼ理想的な半径に対応する。出射ファセットでは、ガイドされていないモードが第１のクラッド層を通過した後、モードはすでに約０．８μｍのωの幅を有し、モードがそこで真っ直ぐなファセット上で反射されると仮定すると、モードは戻り経路上でさらに広がる。その結果、導波路に戻って結合されるモード部分は、直線ファセットでの反射によって強く減少する。これに対して、Ｒ〜２．８μｍの曲率を有するエッチングレンズは、この広がりの影響を打ち消そうとする。この実例は、矯正レンズの作用を説明することを意図している。より狭い、又はより広いモードでは、曲率のほぼ理想的な半径が違う値をとることに留意する。これは、第１のクラッド層の異なるクラッド厚さ、異なる屈折率及び検討中の異なる波長にも当てはまる。

少なくとも１つの実施形態によれば、第１のクラッド層は、放射通路領域外であっても最大厚さを超えない。これは、第１のクラッド層の最も厚い部分が、放射通路領域における最大厚さであってもよいことを意味する。特に、第１のクラッド層の最も厚い点は、レンズの中心であってもよい。

少なくとも１つの実施形態によれば、電気接触面は、関連するクラッド層又はクラッド層及び／又は半導体接触層上に配置されるか、又は電気接触面の少なくとも１つがそれらの層上に直接配置される。半導体接触層、例えば、半導体積層体の高度にドープされた薄い周辺層が、存在する場合、半導体接触層は、それぞれの関連付けられたクラッド層上に直接的に配置されることが好ましい。半導体接触層の厚さは、０．５μｍ以下又は０．１μｍ以下であることが好ましい。

少なくとも１つの実施形態によれば、第１のクラッド層上に位置する電気接触面の金属部品は、平面図において共振器軸のみに隣接して位置する。これは、共振器軸に沿って導かれたレーザー放射が、第１のクラッド層を貫通するエバネッセント場を介してこのような金属部品に到達するのを防止する。これにより、このような金属部品における吸光損失を回避又は低減することができる。

少なくとも１つの実施形態によれば、第１のクラッド層上に位置する電気接触面は、透明導電性酸化物からなる部品を備える。この部品は、好ましくは半導体積層体に直接的に配置される。透明導電性酸化物、又は略してＴＣＯは、レーザー放射に対して透明であり、吸収特性を全く有さないか、又はほんのわずかしか有さない。

少なくとも１つの実施形態によれば、レーザー放射のための第１の接触面の透明部品の屈折率は、第１のクラッド層の屈折率以下である。これは、電気接触面のこれらの透明部品が、光学的効果に関してクラッド層の一部とみなすことができることを意味する。

少なくとも１つの実施形態によれば、半導体積層体は、横断面で見ると対称な台形として成形される。これは、特に、共振器軸が、最大でも１０°又は５°又は２°の許容範囲で共振器軸に対して４５°の角度を有するファセットによって、それぞれ対向する端部に制限されることを意味する。このように台形は、第２の横表面の向きに狭くなり、これは意図したようにレーザー放射によって貫通されない。前述の横断面は、好ましくは共振器軸を通って活性領域に垂直に延びる。

少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザーは、共振器軸に対して斜めに整列された正確に１つの光学的効果を有するファセットを含む。これは、共振器軸を閉じ込め、好ましくは共振器軸に垂直に、例えば、最大で１０°又は５°又は２°で、配置される、正確に１つの光学的効果のファセットがあり得ることを意味する。しかしながら、全ての光学的効果のファセットは、好ましくは共振器軸に対して約４５°の傾きで形成される。

少なくとも１つの実施形態によれば、放射通路領域における第１のクラッド層は、レーザー放射用の反射防止コーティングを備えている。反射防止コーティングにおけるレーザー放射に対する第１のクラッド層の反射率は、例えば、最大で２０％又は１０％又は５％である。反射防止コーティングの代わりに、例えば、最小で２０％及び／又は最大で７０％の反射率を有する、比較的高い反射率を有する共振器反射を適用することができる。

少なくとも１つの実施形態によれば、レーザー放射のための反射コーティングは、最大でも２０°又は１０°の許容範囲で活性領域に平行に配向された第１のクラッド層上の少なくとも１つの他の点に配置される。反射コーティングは、好ましくは最小で８０％又は９０％又は９５％又は９９％のレーザー放射の反射率を有する。このため、反射コーティングを、高反射コーティングとしてもよい。反射コーティングは、レンズ上に存在してもよい。

少なくとも１つの実施形態によれば、ファセットの少なくとも１つの反射面、又は反射面のうちの１つ、又はすべての反射面に、レーザー放射用のミラーが設けられる。ミラーは、好ましくは、対応するファセット上及び／又は反射面上に直接的に配置される。

少なくとも１つの実施形態によれば、ミラーは、反射面上に直接的に及び／又は反射面に最も近い領域に、誘電体層又は積層体を有する。誘電体層は、好ましくは、レーザー放射に対して、例えば、最大で１．７又は１．５である、低屈折率を有する。半導体積層体と誘電体層との間の屈折率差は、好ましくは、最小で０．７又は１．５である。誘電体積層体の場合、高い屈折率及び低い屈折率、特に少なくとも３層及び／又は最大で１２層の交互の層が存在する。例えば、２．２５及び１．４５のレーザー放射に対する屈折率を交互に有する４つの層があり、好ましくは、それぞれ、最大で０．１又は０．０５の許容範囲を有する。

少なくとも１つの実施形態によれば、ミラーは、例えば、金、銀及び／又はアルミの金属層を含む。金属層は、好ましくは、反射面とは反対側の誘電体層の側面に配置される。誘電体層は、ファセットにおいてレーザー放射の全内部反射用に構成される。誘電体層を通過する任意のレーザー放射は、金属層で反射することができる。ファセットと反対側の金属層の側面に、不活性化層又は保護層があってもよい。

少なくとも１つの実施形態によれば、半導体積層体は横断面で見たとき、光学的効果のコーティングと共に、電気接触面によって完全に包まれる。光学的効果のあるコーティングは、特に、ミラー、反射コーティング及び／又は反射防止コーティングである。前述の横断面は、好ましくは、共振器軸を通って活性領域に垂直に延びる。これは、電気接触面及び光学的効果のコーティングが、例えば、環境の影響から、半導体積層体を同時に保護することができることを意味する。

少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザーは、半導体積層体のための成長基板を含まない。これは、半導体レーザーの製造中に成長基板が半導体積層体から除去されたことを意味する。特に、好ましくはｎ型ドープされている、第１のクラッド層には成長基板がない。

少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザーはポッティングを含む。ポッティングは、ファセットの少なくとも１つに配置される。例えば、ポッティングは、関連付けられたミラーの、反射面とは反対側に配置される。ポッティングのため、横断面で見ると半導体レーザーが立方体状になり得る。これにより、半導体レーザーの取り扱いが簡素化され、ファセットを効率的に保護することができる。

以下では、本明細書で説明する半導体レーザーについて、例となる実施形態を用いた図面を参照して、さらに詳しく説明する。同一の参照符号は、個々の図において同一の要素を示す。しかしながら、大きさの関係は、縮尺通りには示されておらず、個々の要素は、より良く理解するために誇張されたサイズで示されている場合がある。

本明細書で述べる半導体レーザーの例となる実施形態の概略断面図を示す。 本明細書で述べる半導体レーザーの例となる実施形態の概略断面図を示す。 本明細書で述べる半導体レーザーの例となる実施形態の概略断面図を示す。 本明細書で述べる半導体レーザーの例となる実施形態の概略断面図を示す。 本明細書で説明する半導体レーザーの例となる実施形態の概略平面図を示す。 本明細書で説明する半導体レーザーの例となる実施形態の断面図を示す。 本明細書で説明する半導体レーザーの例となる実施形態の平面図を示す。 本明細書で説明する半導体レーザーの例となる実施形態の概略断面図を示す。 本明細書で説明する半導体レーザーの例となる実施形態の概略断面図を示す。 本明細書で説明する半導体レーザーの例となる実施形態の電気光学特性の概略図を示す。 本明細書で説明する半導体レーザーの例となる実施形態の概略断面図を示す。 本明細書で説明する半導体レーザーの例となる実施形態の概略断面図を示す。 本明細書で説明する半導体レーザーの例となる実施形態の概略断面図を示す。 本明細書で説明する半導体レーザーの例となる実施形態の概略断面図を示す。

図１は、半導体レーザー１の一例となる実施形態を示す。半導体レーザー１は、好ましくはＡｌＩｎＧａＡｓ材料系からの半導体積層体２を含む。半導体積層体２は、導波路２０を包含する。導波路２０は、レーザー放射Ｌを生成するための活性領域２５を含む。活性領域２５は、また、活性領域２５の主方向に平行に延びる直線共振器軸Ｒを規定する。共振器軸Ｒは、半導体積層体２のファセット３１、３２まで延びている。

さらに、導波路２０は、第１のクラッド層２１と第２のクラッド層２２との間に位置する。クラッド層２１、２２は、導波路２０よりも低い屈折率を有する。これにより、全内部反射により、レーザー放射Ｌは、共振器軸Ｒに沿って導かれる。クラッド層２１、２２は、導波路構造を有していない。クラッド層２１、２２は、例えば、最小で２０％及び／又は最大で７０％のアルミ含有量を有するＡｌＧａＡｓから作られる。第１のクラッド層２１は、ｎ型ドープであることが好ましく、第２のクラッド層２２はｐ型ドープであることが好ましい。

導波路２０とは反対側の導波路層２１、２２の側面に、半導体レーザー１を外部から電気的に接触させるための電気接触面４１、４２が配置されている。接触面４１、４２は、好ましくは１つ以上の金属層から構成され得る金属接触面である。

半導体積層体２のファセット３１、３２は、活性領域２５で生成されたレーザー放射Ｌを、第１のクラッド層２１に向かって、第１のクラッド層２１を通るように導くように構成されている。このために、ファセット３１、３２は共振器軸Ｒに対して４５°傾いている。ファセット３１、３２においてレーザー放射Ｌの全内部反射が生じ、そのためファセット３１、３２において反射面３０が形成される。

好ましくは、ファセット３１、３２、又は導波路２０上の反射面３０だけにでも、ミラー７が設けられる。活性領域２５とは反対側の第１のクラッド層２１の境界面は、反射防止コーティング６１と、反射コーティング６２とが設けられる。反射防止コーティング６１において、レーザー放射Ｌは、第１のクラッド層２１から出力結合される。反射コーティング６２において、第１のクラッド層２１を通過したレーザー放射Ｌが、反射されて導波路２０に戻る。

第１のクラッド層２１のためのＡｌＧａＡｓの場合、第１のクラッド層２１の屈折率は約３．５であり、従って、反射防止層６１に向かう界面における全内部反射角度は、典型的には約１６°に過ぎない。例えば、第１のクラッド層４１の最大厚さＤは、最大で２．５μｍ、１．５μｍ、０．７μｍである。これは、放射通路領域５０、特にレーザー放射Ｌが第１のクラッド層２１を通過するところで、特に厚さが薄い。

横断面で、半導体積層体２全体は、光学的効果のコーティング６１、６２、７と共に、接触面４１、４２によって完全に取り囲まれ、密閉されてもよい。

図２の例となる実施形態、反射コーティング又は反射防止コーティングは、第１のクラッド層２１に適用されない。これにより、半導体レーザー１が、２つの表面領域上でレーザー放射Ｌを放射することができる。半導体レーザーとして設計される代替案として、このような部品は、図２に例示されているように、スーパールミネセンス（高輝度発光）ダイオードとして設計することもできる。他のすべての点において、図１の記述はそれに応じて適用される。

図３は、レーザー放射Ｌを結合するための放射通路領域５０において、回折光学素子６３が光学的効果のコーティングとして存在してもよいことを示している。これにより、例えば、眼に安全な半導体レーザー１を実現することができる。

図３は、ミラー７が、誘電体層７１と金属層７２とから構成されていることも示している。誘電体層７１は、半導体積層体２の不動態化として機能することができる。誘電体層７１は、例えば、酸化シリコン、酸化アルミ等の電気絶縁性の酸化物、又は窒化シリコン、窒化アルミニウム等の窒化物からなる。誘電体層７１の厚さは、例えば、１μｍ未満又は０．５μｍ未満の比較的薄いことが好ましい。特に、誘電体層７１の光学的厚さは、誘電体層７１の平均屈折率で割ったレーザー放射Ｌの真空波長の最大で２倍又は４倍である。

半導体積層体２とは反対側の誘電体層７１の側面に、金属層７２が配置されており、これは、レーザー放射Ｌに対して非全反射性のミラー層として作用する。例えば、金属層７２は、特に、最小で０．１μｍ又は０．２μｍの厚さを有する金製である。

したがって、このようなミラー７及びこのような回折光学素子６３は、他のすべての例となる実施形態に存在してもよい。

さらに、図３は、半導体積層体２が、横断面が半分の台形に過ぎないことを示している。こうして、第２のファセット３２は、反射コーティング６２が好ましく配置される上で、共振器軸Ｒ及び活性領域２５に対して垂直に配向される。しかしながら、好ましくは図１及び２に示されるように、ファセット３１、３２の両方は、共振器軸Ｒに対して角度をなして配向される。

これとは別に、特に、図１と関連してなされた言及が、それに応じて適用される。

図４は、第１のクラッド層２１が放射通路領域５０にレンズ５を備えていることを示している。レンズ５は、クラッド層２１の残りの領域にわたる立面として形成してもよい。レンズ５を通して、導波路２０内へのレーザー放射Ｌの再集束が達成される。レーザー放射Ｌのモードの伝播が、図４に概略的に示されているに過ぎない。レンズ５は立面として形成されるので、第１のクラッド層２１の残りの領域は、ほぼ最大限の厚みＤを有する。

レンズ５には、光学的効果のコーティング６１、６２の一方が設けられていることが好ましい。特に、このようなレンズ５は、半導体積層体２からの放射が結合されていない第１のクラッド層２１の反射側に位置し、コーティングが反射コーティング６２となるようになっている。

これとは別に、図１に関して特になされた言及が、それに応じて適用される。

図５の平面図は、第１の接触面４１が、金属部品４３で形成されていることを示している。薄い第１のクラッド層２１による第１の接触面４１でのレーザー放射Ｌの吸光損失を避けるために、これらの金属部品４３は、平面図において共振器軸Ｒの隣に位置している。活性領域２５への電流供給は、例えば、ここに描かれていないＴＣＯ−層を介して、又は第１のクラッド層２１のみを介して行われる。

電流制限及び／又は共振器軸Ｒを横切るレーザー放射に対する増幅領域の制限は、電流制限層９及び／又は相応に構成された第２の電気接触面４２によって達成することができる。このような電流閉じ込め層９は、他の全ての実施例にも存在することができる。このように半導体レーザー１が利得導波レーザーとして設計されることが可能である。代替的に、他の全ての例となる実施形態においてもできるだけ、半導体レーザーはリッジ導波路としても知られるストライプ導波路を有するストライプレーザであってもよい。後者では、特に共振器軸Ｒを横断する方向にも導波を働かせるために、共振器軸Ｒに隣接する第１のクラッド層２１が部分的に除去される。

図５は半導体レーザー１が単一の共振器軸Ｒのみを含み、従って単一のレーザーユニットのみを含むことを示す。これから逸脱して、共振器軸Ｒの幾つか、従って幾つかの共振器及びレーザーユニットが存在してもよく、これらは全て互いに平行に整列されていることが好ましい。種々のレーザーユニット及び共振器は、互いに独立に又は電気的に一緒に制御することができる。他の全ての例となる実施形態についても同様である。

それとは別に、特に図１、図３及び図４でなされた言及が、それに応じて適用される。

図６の例となる実施形態において、レンズ５は任意選択として、反射コーティング６２の側部のみに設けられる。さらに、接触面４１、４２は、半導体積層体２の下側、すなわち第２のクラッド層２２上に一緒に配置されている。ここで、第１の接触面４１は、クラッド層２２から電気的に分離されていることが好ましい。第１のクラッド層２１上の接触面４１の部分は、好ましくはＴＣＯ部品４４と金属部品４３とから構成される。レーザー放射Ｌに対して透明であるＴＣＯ部品４４のために、第１のクラッド層２１は、特に薄くしてもよい。

両方の接触面４１、４２が、半導体レーザー１の下側に配置されている場合、第１のクラッド層２１上の第１の接触面４１の一部は、好ましくは１つ以上の電気貫通接続４５を介して下側の接触面４１に接続される。これにより、半導体レーザーを表面実装することができる。

これとは別に、特に図１、図３、図４及び図５でなされた言及が、それに応じて適用される。

図７の例となる実施形態では、２つの放射通路領域５０ａ、５０ｂの領域に第１のクラッド層２１が異なって形成されている。こうして放射通路領域５０ｂ内のレンズ５は、ファセット３２まで到達する。

これに対して、放射通路領域５０ａにおけるレンズ５は、第１のクラッド層２１内の凹部に配置されている。これは、このレンズ５がファセット３１まで延在しないことを意味する。

図７から逸脱して、放射通路領域５０ａ、５０ｂ内の両方のレンズ５も同じ形状を有することができる。放射通路領域５０ａ、５０ｂと同様に、レンズ５の対応する形状は、他の全ての例となる実施形態に存在してもよい。

図８によれば、第１のクラッド層２１は、貫通接続４５を介して下側の接触面４１に接続されてもよい。共振器軸Ｒに沿った直線増幅領域への電流制限が、例えば、電流制限層９を介して、及び／又は第２の電気接触面４２を介した電源の幾何学的形状を介して達成される。対応する電気接点は、他のすべての例となる実施形態にも存在してもよい。

図９の曲線１及び２は光出力Ｐを電流密度Ｉの機能として示している。曲線３及び４は、生成されたレーザー放射のスペクトル幅を示している。図１の部品に特に注意を払う。曲線１及び３は、反射防止コーティング６１が存在するケースを示している。曲線２及び４では、反射防止コーティングは存在せず、反射コーティング６２も存在しない。

図９は、反射防止コーティングを行わないと、レーザー閾値がより低い電流密度で始まり、より小さなスペクトル幅を達成できることを示している。反射防止コーティングを使用すると、反射防止コーティングを使用しない場合よりも大きなスペクトル幅を実現できる。

図１２の例となる実施形態では、レンズの代わりに、より上の、第１のクラッド層２１に簡単な段差がエッチングされることが示されている。ステップの代替案として、より上の、第１のクラッド層２１にシャフトを設けてもよい、図１０参照。これらの例となる実施形態では、非導波部におけるモードが著しく広くなることなく、特に、厚い第１のクラッド層２１とすることができる。

レンズの代替品として、断熱の又は斜め出射ファセットも、半導体レーザー１の性能を改善することができ、図１３及び図１１を参照されたい。とりわけ、このような出射ファセットは、正確に４５°ではない傾斜ファセット３１、３２を補償することができる。

別段の指示がない限り、図に示される部品は、好ましくは与えられた順序で互いに直接的に続く。図内で互いに接触しない層は、好ましくは間隔を置いて配置される。線が互いに平行に描かれる場合、対応する表面は、好ましくは互いに平行に整列される。同様に、特に断らない限り、描かれた部品の互いに対する位置は、図に正しく示されている。

本発明は、前記例となる実施形態に基づく記載による例となる実施形態に限定されるものではない。むしろ、この特徴又はこの組合せ自身が特許請求の範囲又は例となる実施形態に明示的に指定されていない場合であっても、この発明は、特に特許請求の範囲における任意の特徴の組合せ及び例となる実施形態における特徴の任意の組合せを含む、新しい特徴及び特徴の任意の組合せも包含する。

本特許出願は、ドイツ特許出願第１０ ２０１８ １０５ ０８０．１号の優先権を主張し、その開示内容は引用により本明細書に組み込まれる。

１ 半導体レーザー
２ 半導体積層体
２０ 導波路
２１ 第１のクラッド層
２２ 第２のクラッド層
２５ 活性領域
３０ 反射面
３１ 第１のファセット
３２ 第２のファセット
４１ 第１の電気接触面
４２ 第２の電気接触面
４３ 第１の接触面の金属部品
４４ 第１の接触面のＴＣＴ−部品
４５ 貫通接続
５ レーザー放射再集束用レンズ
５０ 第１のクラッド層の放射通路領域
６１ 反射防止コーティング
６２ 反射コーティング
６３ 回折素子
７ スピーゲルミラー
７１ 誘電体層
７２ 金属層
８ ポッティング
９ 電流制限層
Ｄ 反射面の上の第１のクラッド層の最大厚さ
ＦＷＨＭ レーザー放射のスペクトルの半値全幅（単位：ｎｍ）
Ｉ 電流密度（単位：Ａ／ｃｍ^２）
Ｌ レーザー放射
Ｍ レーザー放射の最大強度の波長
Ｐ 任意の単位Ｒにおけるレーザー放射の光出力
Ｒ 活性領域の主延在方向／共振器軸
ｂ ファセットと共振器軸と間の角度

Claims (18)

1. 半導体積層体（２）を有し、電気接触面（４１、４２）を有する半導体レーザー（１）であって、
   前記半導体積層体（２）は、活性領域（２５）を有する導波路（２０）を含み、
   前記半導体積層体（２）は、前記導波路（２０）がその間に位置する、第１のクラッド層（２１）及び第２のクラッド層（２２）を含み、
   少なくとも１つのファセット（３１）は、最大で１０°の許容範囲で、共振器軸（Ｒ）及び前記活性領域（２５）の主延在方向に対して４５°の角度を有し、前記ファセット（３１）は、動作中に前記活性領域（２５）に生成されるレーザー放射（Ｌ）のために、前記第１のクラッド層（２１）に向かう反射面（３０）であり、
   前期反射面（３０）の上方の少なくとも放射通路領域（５０）における前記第１のクラッド層（２１）の最大厚さ（Ｄ）は、０．５Ｍ／ｎ以上１０Ｍ／ｎ以下であり、ｎは、前記第１のクラッド層（２１）の平均屈折率であり、ｍは、前記レーザー放射（Ｌ）の最大強度（Ｌ）の真空波長である、
   半導体レーザー（１）。
2. 前記半導体レーザー（１）が、共振器軸（Ｒ）が、前記導波路（２０）内の前記活性領域（２５）の主延在方向に並行であり、前記導波路（２０）が、前記第１のクラッド層（２１）及び前記第２のクラッド層（２２）よりも前記レーザー放射（Ｌ）に対してより高い屈折率を有する、表面放射レーザーであって、前記第１のクラッド層（２１）は、前記レーザー放射（Ｌ）に対して導波路構造を有さないので、前記レーザー放射は、前記第１のクラッド層（２１）内の前記活性領域（２５）に垂直な方向に自由に伝播する、請求項１に記載の半導体レーザー（１）。
3. 前記放射通路領域（５０）の前記第１のクラッド層（２１）は、前記活性領域（２５）に戻される前記レーザー放射（Ｌ）の一部を再集束させるレンズ（５）として形成される、請求項１又は２に記載の半導体レーザー（１）。
4. 前記レンズ（５）は、前記第１のクラッド層（２１）の最大厚さ（Ｄ）が、前記レンズ（５）の中心にあるように、前記第１のクラッド層（２１）の残りの領域にわたる立面として形成される、請求項３に記載の半導体レーザー（１）。
5. 以下の関係が、前記レンズ（５）の曲率に適用される請求項３又は４に記載の半導体レーザー（１）：
   Ｒ（ｚ）＝ｚ［１＋（ｚ０／ｚ）＾２］、ここで、許容範囲０，０５ ｚ０を有する、
   ここで、ｚ０＝π＊ｎ＊ω０＾２／λ、そして、ｚは、導波路（２０）と射出ファセットとの間の距離であり、ｎは、前記第１のクラッド層（２１）の屈折率であり、λは、レーザー放射の最大強度の波長であり、ω０は、振幅の１／ｅ倍における前記導波路（２０）におけるモードの実効半値幅である。
6. 前記第１のクラッド層（２１）は、前記放射通路領域（５０）の外部においても前記最大厚さ（Ｄ）を超えない、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（１）。
7. 前記電気接触面（４１、４２）はそれぞれ、前記クラッド層（２１、２２）上に直接配置され、及び／又は前記クラッド層（２１、２２）上に直接配置された半導体接触層上に配置され、最大で０．５μｍの厚さを有する、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（１）。
8. 前記第１のクラッド層（２１）上に配置された前記電気接触面（４１）の金属部品（４３）が、平面図において前記共振器軸（Ｒ）に排他的に隣接して位置する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体レーザー（１）。
9. 前記第１のクラッド層（２１）上に位置する前記電気接触面（４１）は、前記レーザー放射（Ｌ）に対して透明な透明導電性酸化物の部品（４４）を含み、前記部品（４４）の屈折率は、前記第１のクラッド層（２１）の屈折率以下である、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（１）。
10. 前記半導体積層体（２）は、横断面で見て、対称的な台形として形成され、前記共振器軸（Ｒ）は、許容範囲が最大で１０°で前記共振器軸（Ｒ）に対して４５°の角度（ｂ）を有するファセット（３１、３２）によって、両端に閉じ込められる、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の半導体レーザー（１）。
11. 前記共振器軸（Ｒ）を制限する前記半導体積層体（２）のちょうど１つのファセット（３２）が、前記共振器軸（Ｒ）に対して垂直で、最大で１０°の許容範囲で配置される、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の半導体レーザー（１）。
12. 前記放射通路領域（５０）の前記第１のクラッド層（２１）には、前記レーザー放射（Ｌ）用の反射防止コーティング（６１）が設けられている、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の半導体レーザー（１）。
13. 前記レーザー放射（Ｌ）のための反射コーティング（６２）は、前記活性領域（２５）に並行で、最大で２０°の許容範囲で配向され、前記第１のクラッド層（２１）の少なくとも他の１つの点に配置されている、前記請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の半導体レーザー（１）。
14. 前記少なくとも１つの反射面（３０）は、前記レーザー放射（Ｌ）のためのミラー（７）を備えている、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の半導体レーザー（１）。
15. 前記ミラー（７）は、前記反射面（３０）のすぐ上の前記レーザー放射（Ｌ）に対して最大で１．７の屈折率を有する誘電体層（７１）を有し、前記ミラー（７）の金属層（７２）は、前記反射面（３０）から離れて面する前記誘電体層（７１）の側面に配置される、請求項１４に記載の半導体レーザー（１）。
16. 前記半導体積層体（２）は、横断面で見て、光学的効果のコーティング（６１、６２、７）と共に前記電気接触面（４１、４２）によって完全に包まれている、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の半導体レーザー（１）。
17. 前記半導体積層体（２）の成長基板を含まない、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の半導体レーザー（１）。
18. 前記半導体レーザー（１）は、横断面で見たときに立方体状であるように、前記反射面（３０）を有する少なくとも前記ファセット（３１）上に配置されたポッティング（８）をさらに備える、請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の半導体レーザー（１）。

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