JP2023078395A - 半導体レーザーダイオード - Google Patents

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Abstract

Figure 2023078395000001
【課題】半導体レーザーダイオードを提供する。
【解決手段】半導体レーザーダイオード(100)は、少なくとも1つの活性層(3)とウェブを有するウェブ導波構造(9)とを有する半導体積層体(2)を含み、ウェブは、縦方向(93)で光出力面(6)から背面(7)へ延在しており、かつ縦方向(93)に対して垂直な横方向(91)でウェブ側面(11)によって画定されている。ここで、ウェブは、第1の領域(910)と、縦方向および横方向に対して垂直な垂直方向(92)で第1の領域に接する第2の領域(920)とを有する。ウェブは、第1の領域(910)に第1の半導体材料を有し、第2の領域(920)に第1の半導体材料とは異なる少なくとも1つの第2の半導体材料を有する。ウェブは、第1の領域(910)では第1の幅(919)を有し、かつ第2の領域(920)では第1の幅(919)より大きい第2の幅(929)を有する。
【選択図】図2

Description

半導体レーザーダイオードを提供する。
本願は、独国特許出願第102017118477.5号の優先権を主張し、その開示内容は引用により本願に組み込まれるものとする。
いわゆるリッジとも称されるウェブ導波構造を有するレーザーダイオードでは、動作中、リッジ領域とこのリッジに接する材料との間の屈折率の跳躍によって横方向での導波が生じ、これにより、横方向で、1つもしくは複数のレーザーモードが、殊にリッジによって画定される活性領域に形成される。活性領域を電気的に反転してポンピングし、これによりレーザー動作を可能にするダイオードへの電流印加は、リッジの上方領域のコンタクト部を介して行われる。この場合、1つまたは複数の光モードはリッジ領域外の横方向では指数的に減衰し、これに対してリッジ内の電流は側壁によって制限され、そこに存在する材料の横方向導電性により、リッジの下方へのみ拡散可能となる。なお、できるかぎり線形の特性曲線を有する効率的なデバイスを得るため、ポンピング領域とモード領域とをできるかぎり有利にオーバラップさせる必要がある。この場合、リッジの寸法変化によってモード特性への影響かつ同時に電流導通への影響が生じ、このためこうしたオーバラップを最適化する手段は著しく制限されている。
つまり、通常はリッジの画定により、上述したように、モード導波と電流拡散とが同時にかつ相互に依存して定められる。局所的な電流印加を変化させるために、リッジ上の電気コンタクトの幅を変化させる構造形式はなるほど公知である。ただしこの場合、少なくとも部分的に必然的に縮幅されるコンタクト領域は、とりわけ、動作電圧が高まるという欠点を有する。
所定の実施形態の少なくとも1つの課題は、半導体レーザーダイオードを提供することである。
この課題は、独立請求項記載の対象により解決される。当該対象の有利な実施形態および発展形態は、各従属請求項に特徴づけられており、さらに以下の説明および図面から得られる。
少なくとも1つの実施形態によれば、半導体レーザーダイオードは、動作中に活性領域において光を形成するように構成され配設された少なくとも1つの活性層を含む。活性層は、特に、複数の半導体層を含む半導体積層体の一部であってよく、半導体積層体の層の配列方向に対して垂直な主延在平面を有する。例えば、活性層は、正確に1つの活性領域を有することができる。当該活性領域は、少なくとも部分的に、半導体積層体の電極層を含むコンタクト面によって、すなわち少なくとも部分的に半導体積層体内ひいては活性層内への電流印加を行う面によって、画定可能である。また、活性領域は、少なくとも部分的に、ウェブ導波構造、すなわち半導体積層体の半導体材料内に細長い隆起部の形態で形成されたウェブによっても画定可能である。さらに、活性層は、対応する数の上述した措置によって画定可能な複数の活性領域を有してもよい。以下に説明する各特徴および各実施形態は、大抵の場合、活性層内に1つの活性領域ひいてはこれに対応する正確に1つのウェブ導波構造を有する半導体レーザーダイオードに関連するが、下述の構成は、相応に、活性層内に複数の活性領域ひいてはこれらに対応する複数のウェブ導波構造を有する半導体レーザーダイオードにも当てはまる。
別の一実施形態によれば、半導体レーザーダイオードを製造する方法では、半導体レーザーダイオードの動作中に光を形成するように構成され配設された活性層が製造される。特には、活性層を有する半導体積層体は、エピタキシプロセスによって製造可能である。上述および下述の各実施例および各特徴は、半導体レーザーダイオードにもその製造方法にも同様に当てはまる。
別の一実施形態によれば、半導体レーザーダイオードは、光出力面と、この光出力面の反対側の背面とを有する。光出力面および背面は、特に半導体レーザーダイオードの側面、特に好ましくは半導体積層体の、いわゆるファセットとも称されることのある側面であってよい。光出力面を介して、半導体レーザーダイオードは、動作中、活性領域で形成された光を放射することができる。光出力面および背面には、活性層内で形成された光に対する光共振器を形成可能な適切な光コーティング、特に反射層もしくは反射層体または部分反射層もしくは部分反射層体を形成可能である。活性領域は、背面と光出力面との間に、ここでかつ以下で縦方向と称する方向に沿って、延在することができる。縦方向は、特には、活性層の主延在平面に対して平行であってよい。層の上下の配列方向、すなわち活性層の主延在平面に対して垂直な方向は、ここでかつ以下で垂直方向と称する。縦方向に対して垂直でありかつ垂直方向に対して垂直な方向は、ここでかつ以下で横方向と称する。したがって、縦方向と横方向とにより、活性層の主延在平面に対して平行な平面を展開することができる。
半導体積層体は、特に、エピタキシ積層体、すなわちエピタキシャルに成長される半導体積層体として形成可能である。この場合、半導体積層体は例えば、InAlGaNをベースとして形成可能である。InAlGaNをベースとした半導体積層体とは特に、エピタキシャルに製造される半導体積層体が一般に相異なる個別層から成る積層体を有し、この積層体がIII族‐V族化合物半導体材料系InAlGa1-x-yN[0≦x≦1,0≦y≦1かつx+y≦1]からの材料を含む少なくとも1つの個別層を含むものに該当する。特に、活性層はこうした材料をベースとすることができる。InAlGaNをベースとした少なくとも1つの活性層を有する半導体積層体は、例えば好ましくは紫外波長領域から緑色波長領域の電磁放射を放出することができる。
これに代えてもしくはこれに加えて、半導体積層体はInAlGaPをベースとすることもでき、すなわち半導体積層体が相異なる個別層を有し、そのうち少なくとも1つの個別層、例えば活性層は、III族‐V族化合物半導体材料系InAlGa1-x-yP[0≦x≦1,0≦y≦1かつx+y≦1]を含むことができる。InAlGaPをベースとした少なくとも1つの活性層を有する半導体積層体は、例えば、好ましくは緑色波長領域から赤色波長領域の1つもしくは複数のスペクトル成分を有する電磁放射を放出することができる。
これに代えてもしくはこれに加えて、半導体積層体が他のIII族‐V族化合物半導体材料系、例えばInAlGaAsをベースとした材料を含んでいてもよいし、またはII族‐VI族化合物半導体材料系を含んでいてもよい。特に、InAlGaAsベースの材料を含む活性層は、赤色波長領域から赤外波長領域の1つもしくは複数のスペクトル成分を有する電磁放射を放出するように構成されていてよい。II族‐VI族化合物半導体材料系は、第2の典型元素、例えばBe,Mg,Ca,Srからの少なくとも1つの元素と、第6の典型元素、例えばO,S,Seからの元素とを含みうる。例えば、II族‐VI族化合物半導体材料には、ZnSe,ZnTe,ZnO,ZnMgO,CdS,ZnCdSおよびMgBeOが含まれる。
活性層および特にこの活性層を含む半導体積層体は、基板上に形成することができる。例えば、基板は、上部に半導体積層体を成長させる成長基板として形成可能である。活性層および特にこの活性層を有する半導体積層体は、エピタキシプロセス、例えば有機金属気相成長法(MOVPE)または分子線エピタキシ(MBE)により製造可能である。これは特に、半導体積層体が成長基板上に成長されることを意味しうる。さらに、半導体積層体には、電極層の形態の電気コンタクトを設けることができる。また、成長基板を成長プロセス後に除去することもできる。この場合、半導体積層体は、例えば成長後に、支持体基板として形成された基板上へ移すこともできる。当該基板は、半導体材料、例えば上述した化合物半導体材料系または他の材料を含んでよい。特に、基板は、サファイア、GaAs,GaP,GaN,InP,SiC,Si,Geおよび/またはセラミック材料、例えばSiNもしくはAlNを含むかまたはこうした材料から成っていてよい。
活性層は、例えば、光形成のために、従来のpn接合部、ダブルへテロ構造、単一量子井戸構造(SQW構造)または多重量子井戸構造(MQW構造)または量子ドットを含むことができる。半導体積層体は、活性層に加えて、別の機能層および機能領域、例えばp型ドープもしくはn型ドープされた電荷担体輸送層すなわち電子輸送層もしくは正孔輸送層、非ドープもしくはp型ドープもしくはn型ドープされた閉じ込め層、クラッド層もしくは導波層、バリア層、平坦化層、バッファ層、保護層および/または電極層ならびにこれらのうちいずれかの組み合わせであってよい。さらに、付加的な層、例えばバッファ層、バリア層および/または保護層は、半導体積層体の成長方向に対して垂直に、例えば半導体積層体の周囲に、すなわち例えば半導体積層体の側面上にも、設けることができる。
別の一実施形態によれば、半導体積層体は少なくとも1つのウェブ導波構造を有する。半導体レーザーダイオードが、半導体積層体を上部に形成した基板を有する場合、ウェブ導波構造は、半導体積層体の、基板とは反対側の上面に形成される。なお、半導体レーザーダイオードが基板を有さない場合にも、ここでかつ以下ではウェブ導波構造を有する側の面を上面と称する。ウェブ導波構造は特に、半導体積層体の、ウェブ状の、縦方向に延在する隆起領域によって、すなわち縦方向に光出力面から背面へ延在するウェブによって形成可能であり、このウェブは、横方向でウェブに接する上面領域を超えて垂直方向に突出する。ウェブは、垂直方向ではウェブ上面に接し、横方向ではウェブ側面によって画定されていてよい。ウェブ導波構造を横方向で画定する側面は、特に、半導体積層体の上面の、横方向で接する上面領域とともに、段状プロフィルを形成可能である。「ウェブ状領域」「ウェブ」「ウェブ導波構造」なる概念は、以下では同義語として使用することもある。また、半導体積層体は、横方向に並び相互に間隔を置いて設けられそれぞれ縦方向に延在する複数のウェブ状領域を有することができ、これに対して以下の各特徴が相応に該当する。
別の一実施形態によれば、ウェブは、幅および材料および側面特性から選択される少なくとも1つの特性の点で相互に異なる、少なくとも1つの第1の領域と第2の領域とを有する。第1の領域および第2の領域は、特に垂直方向で上下に、相互に接して配置可能である。この場合、ウェブは完全に1つもしくは複数の第1の領域および1つもしくは複数の第2の領域のみによって形成可能であって、これによりウェブは第1の領域および第2の領域から形成することができる。
別の一実施形態によれば、ウェブは、第1の領域に第1の半導体材料を含み、第2の領域に、第1の半導体材料とは異なる少なくとも1つの第2の半導体材料を含む。例えば、第1の領域は第1の半導体材料によって形成可能である。これに代えて、ここで、第1の領域が、第1の半導体材料に加え、少なくとも1つの別の半導体材料を含んでもよい。第1の領域が相異なる半導体材料を含む場合、これらの材料は特に第1の領域の各層として形成可能であり、これにより第1の領域を、少なくとも2つの半導体層を含む積層体によって、この積層体の少なくとも1つの層が第1の半導体材料を含むように形成可能である。さらに、第2の領域は、第2の半導体材料により形成可能である。これに代えて、ここで、第2の領域が、第2の半導体材料に加え、少なくとも1つの別の半導体材料を含んでもよい。第2の領域が相異なる半導体材料を含む場合、これらの材料は特に第2の領域の各層として形成可能であり、これにより第2の領域を、少なくとも2つの半導体層を含む積層体によって、これらの積層体のうち少なくとも1つの層が第2の半導体材料を含むように形成可能である。
別の実施形態によれば、ウェブは、第2の領域に、少なくとも1つのヘテロ界面を有する。ヘテロ界面は、特に、上下方向に設けられ相互に接しかつ相互に異なる半導体材料を含む2つの半導体層によって形成可能である。これに対応して、ウェブは、第2の領域に、相異なる半導体材料を含む少なくとも2つの層を有することができる。少なくとも1つのヘテロ界面を形成することにより、圧電効果およびこの界面での2次元の電荷担体気体の形成を利用することができ、これにより電流拡散の増幅を達成することができる。特に好ましくは、第2の領域が複数のヘテロ界面を有し、これにより、上述した効果によって電流拡散をいっそう増幅しまたは最大化することさえ可能である。したがって、ウェブは、第2の領域に例えば複数の半導体層を有することができ、ここで、直接に隣接する半導体層がそれぞれ相互に異なる半導体材料を含む。特に、ウェブは、第2の領域に、周期的に連続した、相異なる半導体材料を含む少なくとも2つの半導体層組を複数有することができ、ここで、少なくとも2つの半導体層組は、第2の半導体材料を含むかまたはこれから成っていてよい。上述した措置、特に1つもしくは複数のヘテロ界面を形成することにより、ウェブは、第2の領域に、「スーパーラティス」とも称される超格子構造を有し、上述した効果により第2の領域の電流拡散特性への正の作用を得ることができる。
別の実施形態によれば、ウェブは、第1の領域に第1の幅を有し、第2の領域に第2の幅を有する。領域の幅とは、特に、最大幅、平均幅および幅特性すなわち各ウェブ領域での垂直位置に依存した幅の変化から選択されるいずれかの特性であってよく、ここで、ウェブ導波構造の幅は横方向での測定を基準としている。つまり、ウェブは、均等な幅によって形成されず、第1の領域と第2の領域との幅が異なることにより、ウェブの垂直位置に依存する幅の変化を有する。
別の一実施形態によれば、第2の幅は第1の幅より大きい。つまり第2の領域は、好ましくは、例えば第1の領域全体よりも幅広の領域を有することができる。当該幅広の領域は、第2の領域の一部であってもよいし、または第2の領域全体であってもよい。後者の場合、第1の領域から第2の領域への移行部を、幅に関して特に段状とすることができ、これにより第1の領域から第2の領域への移行部のウェブ側面が1つの段を有してよい。これに代えて、第1の領域から第2の領域への移行部が幅の点で連続していてもよく、これにより第1の領域と第2の領域とが同幅の箇所で相互に接し、第2の領域から第1の領域までピッチが徐々に大きくなって、より幅広となるようにすることもできる。ウェブ導波構造は、少なくとも第2の領域に、斜めに延在するウェブ側面を含むことができる。
例えば、ウェブは、第2の領域において、活性層へ向かう方向で増大する第2の幅を有することができる。さらに、第2の領域は、特に好ましくは、活性層へ向かう方向で幅が増大している場合、第1の領域と活性層との間に設けることができる。また、第2の領域は、ウェブの基台領域、すなわちウェブ導波構造が半導体積層体の残りの部分に接する領域を形成することができる。特にこの場合、半導体積層体が活性領域とウェブとの間に、第2の領域に直接に接しかつ第2の領域と同じ半導体材料を含む半導体層を含むとさらに有利でありうる。
さらに、ウェブは、第2の領域に、活性層へ向かう方向で減少する第2の幅を有することができる。また、特に好ましくは当該第2の幅が活性層へ向かう方向で減少する場合、第1の領域を、第2の領域と活性層との間に設けることができる。さらに、すなわち第2の領域は、特に好ましくは上述した場合に、ウェブ上面、特に、ウェブ導波構造のうち、活性層とは反対側の面で垂直方向に閉じている部分とともに、ウェブの上面領域を形成することができる。
別の実施形態によれば、第1の領域は均等な第1の幅を有する。言い換えれば、第1の領域は、垂直位置に関係なく実質的に同じ幅を有する。これに代えて、第1の領域が変化する第1の幅を有してもよい。例えば、ウェブは、第1の領域において、活性層へ向かう方向で増大する幅を有することができる。これに代えて、第1の領域のウェブが、活性層へ向かう方向で減少する幅を有してもよい。第1の領域および第2の領域がそれぞれ変化する幅、特に増大する幅を有する場合、第2の領域の幅の変化は、好ましくは、第1の領域の幅の変化よりも大きい。
上で既述のように、ウェブは、2つ以上の第1の領域および/または2つ以上の第2の領域を有してもよい。特に好ましくは、ウェブは2つの第2の領域とその間に設けられた第1の領域とを有し、各第2の領域はそれぞれ1つずつの第2の半導体材料と第1の領域より大きい幅とを有する。この場合、2つの第2の領域は、材料および/または幅に関して等しくまたは異なって形成可能であり、ここで、各第2の領域は、上述した特徴の1つもしくは複数を有することができる。特に、2つの第2の領域の一方はウェブ導波構造の基台領域を形成し、2つの第2の領域の他方はウェブの上面領域を形成することができる。
別の実施形態によれば、ウェブは、垂直方向にウェブ高さを有する。ウェブ高さは特に、ウェブ上面から、半導体積層体の上面のうちウェブに横方向で接する上面領域までの垂直方向の距離であってよい。相応に、垂直方向で、第1の領域は第1の高さ、第2の領域は第2の高さを有することができる。特に好ましくは、第2の領域は、垂直方向に、ウェブ高さの2%以上65%以下の第2の高さを有することができる。ウェブ高さは典型的には500nmの領域にあってよく、第2の高さは典型的に特に好ましくは約80nmの領域にあってよい。
別の実施形態によれば、ウェブは、第1の領域に最大の第1の幅Bmax,1を有し、第2の領域に最大の第2の幅Bmax,2を有し、第2の領域から第1の領域への横方向のセットバックの大きさは、
ΔB=(Bmax,2-Bmax,1)/2
である。ここで、好ましくは
0.01%≦(ΔB/Bmax,1)≦20%、
特に好ましくは
0.02%≦(ΔB/Bmax,1)≦10%
が成り立つ。第1の幅の特に好ましい値は、1μm以上3μm以下、典型的には約2μmであってよい。さらに、ΔBは、好ましくは2nm以上または10nm以上または15nm以上であってよく、1μm以下または300nm以下または150nm以下であってよい。
別の一実施形態によれば、第2の領域のウェブ側面またはその少なくとも一部は、縦方向と横方向とに展開される平面に対して角度αで傾斜し、好ましくは20°≦α≦100°、好ましくは20°≦α≦90°である。言い換えれば、ウェブ側面は、第2の領域において少なくとも部分的に、半導体積層体の上面の、ウェブ導波構造に横方向で接する上面領域に対して、上述した角度αだけ傾斜した斜面を形成している。したがって、第2の領域の少なくとも一部の領域に対する角度α=90°は、ウェブ側面が、この領域では、縦方向と横方向とに展開される上述の平面に対して垂直に直立していることを意味する。その側面または一部は角度α<90°またはα>90°をなし、ここでかつ以下では斜めの側面とも称する。
別の一実施形態によれば、半導体積層体は、窒化物半導体材料すなわちInAlGaNをベースとしており、ここにはInGaN,AlGaNおよびGaNも含まれうる。この場合、第1の半導体材料は、特に好ましくはAlGaNを含むかまたはこれであってよく、第1の半導体材料とは異なる第2の半導体材料は、AlInGa1-x-yN[0≦x≦0.2かつ0≦y≦0.2]を含む。
ここで説明している半導体レーザーダイオードでは、上述した実施形態によれば、ウェブ導波構造の一部、すなわちリッジの一部を、複数のエピタキシ材料を含む超格子として製造可能であり、この超格子領域は、ウェブ導波構造の「バルク」または「リッジバルク」とも称されることのある他の領域とは異なる幅および異なる形状を有する。超格子として構成された領域は、上述したように、好ましくは例えば斜めであってもまたは段状であってもよい。これにより、所期の通りに、レーザーダイオードのモード特性、およびモード領域とレーザーダイオード内の電気ポンピング領域または電流拡散部とのオーバラップを調整することができる。これにより、低いレーザー閾値、高い効率およびきわめて線形の特性曲線を有する半導体レーザーダイオードを得ることができる。斜めのエッジにおいてもウェブ導波構造のパッシベーションコーティングが良好に可能であることにより、付加的な利点も得られ、これにより高い品質および歩留まりを達成することができる。
別の利点、有利な実施形態および発展形態は、図に関連して以下に説明する各実施例から得られる。
A,Bとも、一実施例による半導体レーザーダイオードを示す概略図である。 A,Bとも、別の一実施例による半導体レーザーダイオードを示す概略図である。 別の一実施例による半導体レーザーダイオードの一部を示す概略図である。 別の一実施例による半導体レーザーダイオードの一部を示す概略図である。 別の一実施例による半導体レーザーダイオードの一部を示す概略図である。 別の一実施例による半導体レーザーダイオードの一部を示す概略図である。 別の一実施例による半導体レーザーダイオードの一部を示す概略図である。 別の一実施例による半導体レーザーダイオードの一部を示す概略図である。 別の一実施例による半導体レーザーダイオードの一部を示す概略図である。 別の一実施例による半導体レーザーダイオードの一部を示す概略図である。 別の一実施例による半導体レーザーダイオードの一部を示す概略図である。 別の一実施例による半導体レーザーダイオードの一部を示す概略図である。
図の各実施例では、同じ要素、同様の要素または同種の機能を有する要素にそれぞれ同じ参照番号を付したところがある。図示の要素およびその相互の寸法比は縮尺通りでなく、むしろ個々の要素、例えば層、モジュール、素子、領域などを、良好な図示のためかつ/または良好な理解のために意図的に拡大して示したところがある。
図1のA,Bには、半導体レーザーダイオード100の一例が示されており、図1のAには横方向91および垂直方向92に対して平行な断面での、また図1のBには垂直方向92および縦方向93に対して平行な断面を有する半導体レーザーダイオード100の断面図が示されている。以下の説明では、図1のA,Bが同様に参照される。なお、以下の説明は、窒化物半導体材料すなわちInAlGaNをベースとした半導体レーザーダイオードの好ましい実施例に関連するが、別の化合物半導体材料系をベースとした半導体レーザーダイオードにも上述した各実施例および各特徴は相応に該当する。
半導体レーザーダイオード100は、例えば上部にエピタキシャルに成長される半導体積層体2のための成長基板となる基板1を有する。これに代えて、基板1は、成長基板上に成長される半導体積層体2が成長後にその上部へ移される支持体基板であってもよい。例えば、基板1は、InAlGaN化合物半導体材料をベースとした半導体積層体2上に成長されたGaNから形成可能である。また、特に従来技術の項において説明したような他の材料も、基板1および半導体積層体2に対して可能である。さらに、半導体レーザーダイオード100は、基板を有さないものであってもよい。この場合、半導体積層体2は、成長基板上に成長され続いて取り外されるものであってよい。半導体積層体2は、動作中に光8を、特にレーザー閾値が上方超過された際にレーザー光を形成し、光出力面6を介してこれを放射するように構成された活性層3を含む。
図1のA,Bに示されているように、ここでかつ以下では、例えば光出力面6を上から見たときに半導体積層体2の層の主延在方向に対して平行に延在する方向を、横方向91と称する。半導体積層体2の層の上下の配列方向および基板1上への半導体積層体2の配置方向を、ここでかつ以下では垂直方向92と称する。横方向91および垂直方向92に対して垂直な、光8の放射方向に沿った方向を、ここでかつ以下では縦方向93と称する。
半導体積層体2のうち、基板1とは反対側の、デバイス100の上面を形成する面には、半導体積層体2の電気的接続のために配置および構成された電極層4が設けられている。電極層4は、例えば、Ag,Al,Au,Pt,Pd,Ni,Rh,Ti,ITOの金属または材料のうち1つもしくは複数を含みうる。半導体レーザーダイオード100は、半導体積層体2の別の面の電気的接続のために別の電極層を有してもよいが、これは見取りやすさのために示していない。
半導体積層体2は、活性層3に加えて別の半導体層、例えばクラッド層、導波層、バリア層、電流拡散層および/または電流制限層を含むことができるが、これらは図示の簡単化のためにそれぞれ示していない。例えば、半導体積層体2は、基板1上にバッファ層、その上に第1のクラッド層、その上に第1の導波層を有しており、この第1の導波層上に活性層3が設けられている。活性層3上には、少なくとも1つの第2の導波層、第2のクラッド層および半導体コンタクト層を形成することができる。半導体積層体2が上述したようにInAlGaN化合物半導体材料をベースとしている場合、例えば、バッファ層は非ドープのまたはn型ドープされたGaNを含むかまたはこれから形成されていてよく、第1のクラッド層はn型ドープされたAlGaNを含むかまたはこれから形成されていてよく、第1の導波層はn型ドープされたGaNを含むかまたはこれから形成されていてよく、第2の導波層はp型ドープされたGaNを含むかまたはこれから形成されていてよく、第2のクラッド層はp型ドープされたAlGaNを含むかまたはこれから形成されていてよく、半導体コンタクト層はp型ドープされたGaNを含むかまたはこれから形成されていてよい。n型ドープ物質として例えばSiを使用可能であり、p型ドープ物質として例えばMgを使用可能である。活性層3は、pn接合部によって、または例えばInGaNを含むかもしくはこれから形成される層およびGaNを含むかもしくはこれから形成される層を交互に設けることで形成される複数の層による量子井戸構造によって形成することができる。基板は、こうした半導体積層体の場合、例えばn型ドープされたGaNを含むかまたはこれから形成されるようにすることができる。
基板1とは反対側の、半導体積層体2の上面は、電極層4との半導体積層体2のコンタクト領域を除き、パッシベーション材料19によって覆われており、このパッシベーション材料19は、例えば電気絶縁性の酸化物、窒化物またはオキシナイトライド、例えば二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ロジウム、酸化ニオブおよび/または二酸化チタンを含むかまたはこれらから形成することができる。また、Al,Ce,Ga,Hf,In,Mg,Nb,Rh,Sb,Si,Sn,Ta,Ti,Zn,Zrから選択される1つもしくは複数の材料を含む他の酸化物、窒化物またはオキシナイトライドも可能である。
さらに、光出力面6上、かつその反対側の、半導体積層体2および基板1の側面を形成する背面7上には、反射層もしくは反射層体または部分反射層もしくは部分反射層体を形成可能であって、これらは見取りやすさのために示していないが、半導体積層体2内の光共振器の形成のために配設および構成されている。
半導体積層体2の、基板1とは反対側の上面では、半導体積層体2のうち、基板1とは反対側の面から半導体材料の一部を除去することにより、ウェブ導波構造9が形成される。ここで、ウェブ上面10は、半導体積層体2の、電極層4との上面側のコンタクト領域を形成する。ウェブ導波構造9は、縦方向93に延在し、横方向91ではその両側をウェブ側面11によって画定されている。ウェブ側面11と、半導体積層体2の、ウェブ側面11に横方向で接している残りの上面とは、上述したパッシベーション材料19によって覆われている。ウェブ側面11での、半導体材料からパッシベーション材料19への移行部による屈折率跳躍により、活性層3内に形成される光のいわゆる屈折率導波を生じさせることができる。このことは、半導体積層体2内の、形成された光を導波してレーザー動作において増幅する領域を示す活性領域5の形成にとって決定的である。
図1のAに示されているように、ウェブ導波構造9は、ウェブわきの横方向両側の半導体材料を完全に除去することにより、形成可能である。これに代えて、ウェブわきの横方向で2つのチャネルに沿ってのみ半導体材料を除去する、いわゆる「三脚」の構成も可能である。
図1のAに示した断面図の半導体レーザーダイオード100の各部分を示す以下の各図では、別の実施例に即して上述したウェブ導波構造9の各特徴を説明する。したがって、以下の説明は、主として、図1のA,Bに関連して説明した半導体レーザーダイオード100のウェブ導波構造9のバリエーションに関する。よって、見取りやすさのために、以下の各図では、殊に、図1のAに示されているように好ましくはウェブ上面10全体に接触している電極層4とパッシベーション材料19とは、示していない。
図2のA,Bには、垂直方向で上下にかつ相互に接するように設けられた第1の領域910および第2の領域920を有するウェブ導波構造9を有する半導体レーザーダイオード100の実施例が示されている。第1の領域910と第2の領域920とは、以下の実施例においても同様に、幅および/または材料および/または側面特性の点で異なっている。図2のA,Bの実施例では、第1の領域910と第2の領域920とがここで言及した全ての特性において異なっている。
第1の領域910は、第1の半導体材料を有する少なくとも1つの半導体層911を有しており、第2の領域920は、第1の半導体材料とは異なる第2の半導体材料を有する少なくとも1つの半導体層921を有する。当該実施例に関して説明する窒化物半導体材料系に関し、第1の領域910の第1の半導体材料は、特に好ましくはAlGaNを含むかまたはこれから形成されていてよい。第2の領域920の第2の半導体材料は、特に好ましくはAlInGa1-x-yN[0≦x≦0.2かつ0≦y≦0.2]を含むかまたはこれから形成されていてよい。例えば、第2の領域920は、第2の半導体材料としてGaNまたはInGaNを含むことができる。第1の領域910は、半導体層911に加えて、図示の実施例では、半導体コンタクト層を形成する別の半導体層912を有し、この層により、ウェブ上面10ひいては半導体積層体2の上面が上面側の電極層に接触する。言い換えれば、第1の領域910は、第1の半導体材料に加え、これとは異なる別の半導体材料を含む。同様に、図示の実施例では、第2の領域920は、第2の半導体材料に加え、少なくとも1つの別の半導体材料を含む。第2の領域920の、第2の半導体材料およびこれとは異なる別の半導体材料は、第2の半導体層921と異なる組成を有するAlInGaNを含むかまたはこれであるが、それぞれ半導体層921,922として形成されている。つまり、図示されているように、ウェブ導波構造9は、図示の実施例では、第2の領域920内に、交互に並んで設けられる複数の半導体層921,922を含むので、第2の領域920のうち直接に接する半導体層どうしは、それぞれ相互に異なる半導体材料を含む。それぞれ異なる半導体材料を含む少なくとも2つの半導体層921,922のこのような周期的連続により、複数のヘテロ界面を有する超格子が形成され、この超格子により、従来技術の項において上述したように、電流拡散を改善することができる。それぞれ複数の半導体層を有する図示の第1の領域910および第2の領域920に代えて、第1の領域910および第2の領域920を、それぞれ上述した第1の半導体材料のみまたは第2の半導体材料のみによって形成することもできる。
第2の領域920は、活性層3と第1の領域910との間に設けられており、ウェブ導波構造9の基台領域を形成している。したがって、ウェブ導波構造9の第2の領域920は、半導体積層体2のうち、ウェブ導波構造9に属さない部分に接し、これにより、第2の領域920は、半導体積層体2の上面の、横方向で接する上面領域に、段状のプロフィルを形成する。特にこの場合、半導体積層体2が図示のように活性層3とウェブ導波構造9との間に、第2の領域920に直接に接しかつ第2の領域920と同じ半導体材料を有する半導体層21を含むようにすると有利でありうる。言い換えれば、第2の領域920は、半導体層21と同じ材料を含む少なくとも1つの半導体層を含む。特に、第2の領域920の当該半導体層は、活性層から見て、第2の領域の最下部の半導体層であってよく、このため、第2の領域のうち、半導体層21と同じ半導体材料を含む半導体層と、半導体層21とは相互に直接に接しうる。したがって、第2の領域920の最下部の半導体層と半導体層21とは、識別可能な層境界なしに相互に交入し合っていてもよい。
ウェブ導波構造9はさらに、均等な幅を有さず、垂直位置に依存して幅が変化するように構成される。特に、ウェブ導波構造9は第1の領域910に第1の幅919を有し、第2の領域920に第2の幅929を有する。領域の幅は、図示の実施例では、図2のAに示されているように、各最大幅である。これに代えて、平均幅または各幅特性が用いられてもよい。特に、第2の領域920の第2の幅929は、第1の領域910の第1の幅919よりも大きく、このため、第2の領域920は、少なくとも1つの領域においてまたは図示のように実質的に完全に、第1の領域910よりも幅広であって、第1の領域910と第2の領域920とは同幅の箇所で相互に接している。第1の領域910の最大幅、すなわち図示の実施例では第1の幅919をBmax,1、第2の領域920の最大幅、すなわち図示の実施例では第2の幅929をBmax,2としたとき、
ΔB=(Bmax,2-Bmax,1)/2
は、第2の領域920から第1の領域910へのセットバックの大きさとなる。上述した幅は、好ましくは
0.01%≦(ΔB/Bmax,1)≦20%、
または特に好ましくは
0.02%≦(ΔB/Bmax,1)≦10%
となるように選定するとよいことが判明した。この場合、第1の幅919の好ましい値は0.5μm以上100μm以下、特に好ましくは1μm以上50μm以下であってよい。また、2nm≦ΔB≦1000nmまたは好ましくは10nm≦ΔB≦300nmまたは特に好ましくは15nm≦ΔB≦150nmが成り立ちうる。
さらに、ウェブ導波構造9は、第2の領域920において傾斜したウェブ側面を有し、これにより、ウェブ導波構造9の第2の領域920での幅は、少なくとも1つの領域において連続的に活性層3へ向かう方向で増大する。ウェブ側面11は、第2の領域の一部において斜面を形成しており、この斜面は、半導体積層体の上面の、ウェブ導波構造9に横方向で接する上面領域によって形成された平面に対して、図2のAに示されている角度930だけ傾斜している。角度930は、好ましくは20°以上100°以下、特に好ましくは90°以下であってよい。これに対して、第1の領域910は、図示の実施例では均等な幅919を有する。
上述したウェブ導波構造9は、さらにウェブ高さ90を有する。第2の領域920によって形成されたウェブ導波構造9の基台領域は、ウェブ高さ90の2%以上65%以下の範囲の第2の高さ923を有すると好ましいことが判明した。例えば、ウェブ高さ90は、特に好ましい実施例では約500nmであってよく、対して第2の高さ923は約80nmであってよい。
上述したウェブ導波構造9を製造するために、例えば、上述した構造が形成されるように設定されたパラメータを有する、1つもしくは複数の適切なエッチングプロセスを行うことができる。こうしたエッチングプロセスにより、ウェブ導波構造9の領域の電流印加は、活性層へ向かう電流拡散を最適化できるように適応化可能である。上述したように、電流拡散領域は、超格子領域として、図示の実施例では相異なる組成を有する複数のAlInGaN層を含む大きな幅で形成される。このようにすることで、圧電効果および界面での2次元の電荷担体気体の形成を利用して、モード導波への重大な影響なく最大の電流拡散を達成することができる。これにより、横方向のモード分散と電流拡散とを相互に意図的に調整し、これら双方の最適なオーバラップを達成することができる。このために、図2のBには、横方向のレーザーモード990と電流の流れ991とが示されており、後者の電流の流れ991は、ウェブ導波構造9における上述した構造により、識別可能に拡散される。モードパターンおよび電流拡散の適応化により、高い効率、低い閾値電流および線形の特性曲線を得ることができる。
以下の図には、図2のA,Bに関連して説明した実施例の修正形態が示されている。したがって、以下の図の説明は、主として先行の各実施例との相違点に関連する。説明する相違点以外は、以下の図の実施例は、全ての特徴が明示的に示されていなくとも、それぞれ先行の実施例の特徴を有しうる。
図3には、ウェブ導波構造9が、先行の実施例と同様に形成可能な第2の領域920において、活性層3へ向かう方向で減少する幅を有する実施例が示されている。また、第1の領域910は、ここでは第2の領域920と活性層3との間に設けられており、これにより、第2の領域920がウェブ導波構造9の上面領域を形成している。
図4の実施例は、図2のA,Bおよび図3に示されている実施例の組み合わせである。当該実施例のウェブ導波構造9は、上述したように形成されかつ相互間に第1の領域910が設けられた2つの第2の領域920を有する。2つの第2の領域920は、材料および/または幅の点で、等しく形成されていてもよいしまたは異なって形成されていてもよい。
図2のAから図4に示されている、第1の領域910がそれぞれ均等な第1の幅919で形成されている各実施例とは異なり、図5,図6に示されているように、第1の領域の幅を垂直位置に依存して変化させることもできる。例えば、ウェブ導波構造9は、第1の領域910において活性層3へ向かう方向で拡幅しても(図5)よいしまたは縮幅しても(図6)よく、ここで、角度は、第1の領域910におけるウェブ側面11の対応する傾斜が第2の領域920における傾斜よりも小さくなるように選定され、ウェブ導波構造9はそれ以外では、好ましくは図2のA,Bまたは図3に関連して説明したのと同じように形成することができる。さらに、図7~図9に示されているように、第2の領域920が斜面でないウェブ側面によって形成され、均等な幅を有し、かつ第1の領域910とともにそれぞれ1つずつの段を形成し、これにより第1の領域910から第2の領域920への移行部が幅の点で段状となるように構成可能である。
第2の領域920の半導体層921,922は、それぞれ、等しい厚さまたは異なる厚さを有することができる。図10の部分図として示されているように、半導体層921,922は、ピッチおよび厚さの点でも組成の点でも変化していてよい。
図11,図12には、段状にまたは斜めのウェブ側面を有するように形成可能な第2の領域920が、先行の実施例に比べてそれぞれ正確に1つのヘテロ界面、すなわちそれぞれ正確に2つの、異なる半導体材料を含む半導体層921,922を有する、別の実施例が示されている。さらに、第2の領域920が、半導体積層体の、ウェブ導波構造9に接する半導体層、すなわちウェブ導波構造9に横方向で接して半導体積層体2の上面を形成する半導体層に対してヘテロ界面を形成する正確に1つの半導体層のみを有する構成も可能である。
図示の各実施例および各特徴は、図示のそれぞれの組み合わせに限定されない。むしろ、図示の各実施例および個々の特徴は、組み合わせの可能性の全てが明示されていなくても、相互に組み合わせ可能である。さらに、図に示されている各実施例は、代替的にもしくは付加的に、従来技術の項の説明のさらなる特徴も含みうる。
本発明は、各実施例に則した説明に限定されない。むしろ、本発明は、新規な特徴の全ておよびその組み合わせの全てを含み、これにより特に、新規な特徴およびその組み合わせそのものが特許請求の範囲または各実施例に明示的に示されていなくとも、特許請求の範囲の各特徴の組み合わせの全てを含む。
1 基板
2 半導体積層体
3 活性層
4 電極層
5 活性領域
6 光出力面
7 背面
8 光
9 ウェブ導波構造
10 ウェブ上面
11 ウェブ側面
19 パッシベーション材料
21,911,912,921,922 半導体層
910 第1の領域
919 第1の幅
920 第2の領域
923 高さ
929 第2の幅
930 角度
90 ウェブ高さ
91 横方向
92 垂直方向
93 縦方向
100 半導体レーザーダイオード
990 レーザーモード
991 電流の流れ

Claims (20)

  1. 半導体レーザーダイオード(100)であって、
    少なくとも1つの活性層(3)とウェブを有するウェブ導波構造(9)とを有する半導体積層体(2)を含み、前記ウェブは、縦方向(93)で光出力面(6)から背面(7)へ延在しており、かつ前記縦方向(93)に対して垂直な横方向(91)でウェブ側面(11)によって画定されており、
    前記ウェブは、第1の領域(910)と、前記縦方向および前記横方向に対して垂直な垂直方向(92)で前記第1の領域に接する第2の領域(920)とを有し、
    前記ウェブは、前記第1の領域(910)に第1の半導体材料を含み、前記第2の領域(920)に前記第1の半導体材料とは異なる少なくとも1つの第2の半導体材料を含み、
    前記ウェブは、前記第1の領域(910)では第1の幅(919)を有し、
    前記ウェブは、前記第2の領域(920)では前記第1の幅(919)より大きい第2の幅(929)を有する、
    半導体レーザーダイオード(100)。
  2. 前記第1の領域(910)から前記第2の領域(920)への移行部は段状である、
    請求項1記載の半導体レーザーダイオード(100)。
  3. 前記ウェブは、前記第2の領域(920)において、前記活性層(3)へ向かう方向で増大する幅を有する、
    請求項1または2記載の半導体レーザーダイオード(100)。
  4. 前記第2の領域(920)は、前記第1の領域(910)と前記活性層(3)との間に位置している、
    請求項1から3までのいずれか1項記載の半導体レーザーダイオード(100)。
  5. 前記第2の領域(920)は、前記ウェブの基台領域を形成している、
    請求項1から4までのいずれか1項記載の半導体レーザーダイオード(100)。
  6. 前記半導体積層体(2)は、前記活性領域(3)と前記ウェブとの間に、前記第2の領域(920)に直接に接しかつ前記第2の領域(920)と同じ半導体材料を含む半導体層(21)を有する、
    請求項1から5までのいずれか1項記載の半導体レーザーダイオード(100)。
  7. 前記ウェブは、前記第2の領域(920)において、前記活性層(3)へ向かう方向で減少する幅を有する、
    請求項1または2記載の半導体レーザーダイオード(100)。
  8. 前記第1の領域(910)は、前記第2の領域(920)と前記活性領域(3)との間に位置している、
    請求項7記載の半導体レーザーダイオード(100)。
  9. 前記第2の領域(920)は前記ウェブの上面領域を形成している、
    請求項7または8記載の半導体レーザーダイオード(100)。
  10. 前記ウェブは、前記第2の領域(920)に、少なくとも1つのヘテロ界面を有する、
    請求項1から9までのいずれか1項記載の半導体レーザーダイオード(100)。
  11. 前記ウェブは、前記第2の領域(920)に、相異なる半導体材料を含む少なくとも2つの層(921,922)を有する、
    請求項1から10までのいずれか1項記載の半導体レーザーダイオード(100)。
  12. 前記ウェブは、前記第2の領域(920)に、少なくとも2つの層(921,922)の周期的連続を有する、
    請求項1から11までのいずれか1項記載の半導体レーザーダイオード(100)。
  13. 前記ウェブは、前記第1の領域(910)において、前記活性層(3)へ向かう方向で増大する幅を有する、
    請求項1から12までのいずれか1項記載の半導体レーザーダイオード(100)。
  14. 前記ウェブは、前記第1の領域(910)において、前記活性層(3)へ向かう方向で減少する幅を有する、
    請求項1から12までのいずれか1項記載の半導体レーザーダイオード(100)。
  15. 前記ウェブは、2つの第2の領域(920)を有し、
    前記2つの領域(920)間に前記第1の領域(910)が設けられており、
    前記2つの領域(920)は、それぞれ、前記第2の半導体材料と、前記第1の領域(910)より大きな幅とを有する、
    請求項1から14までのいずれか1項記載の半導体レーザーダイオード(100)。
  16. 前記ウェブは、前記垂直方向(92)にウェブ高さ(90)を有し、
    前記第2の領域(920)は、前記垂直方向(92)に、前記ウェブ高さの2%以上65%以下の高さ(923)を有する、
    請求項1から15までのいずれか1項記載の半導体レーザーダイオード(100)。
  17. 前記ウェブは、前記第1の領域(910)に最大の第1の幅Bmax,1を有し、かつ前記第2の領域(920)に最大の第2の幅Bmax,2を有し、ここで、
    ΔB=(Bmax,2-Bmax,1)/2
    であって、
    0.01%≦ΔB/Bmax,1≦20%
    が成り立つ、
    請求項1から16までのいずれか1項記載の半導体レーザーダイオード(100)。
  18. 2nm≦ΔB≦1000nm
    が成り立つ、
    請求項17記載の半導体レーザーダイオード(100)。
  19. 前記第2の領域(920)では、前記ウェブ側面(11)は、前記横方向(91)と前記縦方向(93)とに展開される平面に対して角度αだけ傾斜しており、ここで、
    20°≦α≦100°
    が成り立つ、
    請求項1から18までのいずれか1項記載の半導体レーザーダイオード(100)。
  20. 前記第1の半導体材料はAlGaNを含み、前記第1の半導体材料とは異なる前記第2の半導体材料は、AlInGa1-x-yN[0≦x≦0.2かつ0≦y≦0.2]を含む、
    請求項1から19までのいずれか1項記載の半導体レーザーダイオード(100)。
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