JP4909262B2 - 光ポンピング式半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載された光ポンピング式半導体装置に関する。

上記の形式の半導体装置は、例えば刊行物WO 01/93396から公知である。ここでは光ポンピング式垂直エミッタが記載されており、このエミッタは、例えば端面発光形半導体レーザであるポンピングビーム源と共にモノリシックに集積されて実施されている。

高いポンピング効率を達成するため、ポンピング波長は、垂直エミッタの放射波長よりも短くなければならない。種々異なる波長は、例えば、垂直エミッタないしはポンピングビーム源の材料組成および構造を変えることによって得られる。

このような半導体装置は、例えば、まず基板の全面に垂直エミッタ用の複数の層を成長させ、つぎに横方向にみて外側の領域において、これらの層をエッチングによって部分的に再度取り除くことにより作製することができる。エッチングで取り除いた領域には、第２のエピタキシーステップにおいてポンピングビーム源用の層、例えば端面発光形の半導体レーザを成長させる。

しかしながら別個の２つのエピタキシーステップによる作製には比較的大きなコストが必要である。またここでは上記のポンピングビーム源と垂直エミッタとの間に光学的に良好な移行部を形成して、この箇所における吸収損失が小さく維持されるように注意しなければならないのである。

IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 34, No. 3,1998の第506〜511頁のGerhold等による刊行物からはさらに光ポンピング式の半導体装置が公知であり、この半導体装置は、量子井戸構造を備えたただ１つの貫通した活性層を有する。横方向にみて外側にある領域においてこの量子井戸構造は活性層に混ざっているため、この領域では中央領域に比べて波長の短いビームが形成され、これがこの中央領域に対するポンピングビームとして使用されるのである。

しかしながらただ１つの活性層だけが形成されるため、ポンピング波長は比較的小さな範囲だけで変化させることができる。これに加え、横方向に見て外側にある領域において上記の量子井戸構造が混ざっていることにより、この半導体基体の光学的特性が損なわれるという危険性があり、これによってポンピング効率が低下し得るのである。

本発明の課題は、技術的にわずかなコストで作製可能な、冒頭に述べた形式の光ポンピング式半導体装置を提供することである。ここでは殊にこの装置を中断のない１エピタキシー法で作製できるようにする。

この課題は、請求項１に記載した特徴を有する光ポンピング式半導体装置によって解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明では、活性垂直エミッタ層を有する光ポンピング式垂直エミッタと、横方向に伝搬するポンピングビームフィールドを形成するポンピングビーム源とを備えた半導体装置が設けられており、上記のポンピングビームフィールドにより、ポンピング領域において垂直エミッタ層が光ポンピングされる。ここでこのポンピングビームフィールドの波長は、垂直エミッタによって形成されるビームフィールドの波長よりも短い。上記のポンピングビーム源は、活性ポンピング層を有しており、このポンピング層は、垂直方向において上記の垂直エミッタ層に並んで配置されており、また垂直方向に見て少なくとも部分的に垂直エミッタ層と重なっている。ここでは活性ポンピング層はつぎのように配置されている。すなわち動作時に形成されるポンピングビームフィールドが、垂直エミッタ層によって形成されかつ横方向に伝搬する寄生的なビームフィールドよりも高い出力を有しているか、または横方向に伝搬する寄生的なビームフィールドの、垂直エミッタ層による形成が抑圧されるように配置されるのである。

有利には上記のポンピングビーム源は、端面エミッタ、例えば、端面発光形レーザとして実施される。さらに有利には上記のポンピングビーム源はポンピングレーザの形態であり、また上記の垂直エミッタは共通の半導体基体にモノリシックに集積される。ここでは例えば、ポンピングレーザのレーザ共振器を半導体基体の側面によって形成して、垂直エミッタのポンピング領域がレーザ共振器内部に配置され、また活性垂直エミッタ層がかなりレーザ共振器内部に配置されるようにすることができる。

本発明は、上記の活性垂直エミッタ層と活性ポンピング層とが１エピタキシー過程で順序に成長させられ、その際にすでに成長させた層を除去するためにこのエピタキシー過程が中断されることがないようにするというアイデアから出発する。効率的なポンピング過程の点から見たポンピング波長は、垂直エミッタの放射波長よりも短いため、横方向に伝搬するビームフィールドが垂直エミッタ層においても形成されないように注意すべきである。このような寄生的なビームフィールドは、垂直放射されるビームと同じ波長を有することになり、したがって垂直エミッタが不十分にしかポンピングされないことになってしまうのである。このような理由からこのようなビームフィールドの発生は望ましくないのである。本発明ではポンピング層を配置して、動作時に形成されるポンピングビームフィールドが、垂直エミッタ層によって形成されかつ横方向に伝搬する寄生的なビームフィールドよりも少なくとも高い出力を有するようにする。ここでは有利にもこのような寄生的なビームフィールドの形成は十分に抑圧され、それどころか完全に抑圧されることもある。

本発明の半導体装置は、比較的わずかな技術的コストで作製可能である。殊に垂直エミッタを成長させた後、このエピタキシー過程を中断して、層列の一部を再び除去し、第２のエピタキシー層においてポンピングビーム源を新たに成長させる必要はない。さらに本発明の半導体装置は、活性ポンピング層と活性垂直エミッタ層とを分けたことに起因してポンピング効率が高くなる点が優れており、ここで上記のポンピング波長および放射波長は、活性層の構成に応じて広い範囲で自由に調整可能である。

本発明の有利な実施形態では、上記のポンピングビーム源は、電荷担体注入によって、例えば第１の電荷タイプの電荷担体および第２の電荷タイプの電荷担体の注入によって電気的に励起されてポンピングビームが形成される。ふつうこれらの電荷担体は、タイプに応じて正味キャプチャレート（Nettoeinfangrate）が異なる。ここでこの正味キャプチャレートは、電荷担体がポンピング層において再結合される確率に相当する。正味キャプチャレートは、殊に各電荷担体の移動度に依存する。

上記の第１の電荷担体タイプの電荷担体は、第２の電荷担体タイプの電荷担体よりも高い正味キャプチャレートを有しており、半導体装置の一方の面から注入される。ここでポンピング層は、垂直エミッタ層よりもこの面との間隔が小さい。このような配置構成によって、ポンピング層と垂直エミッタ層とは同等ではなくなるため、上記の電荷担体注入により、もっぱらポンピング層においてビーム形成が励起されるのである。

本発明の別の実施形態では、垂直エミッタ層とポンピング層との間にバリアが形成され、ここでこのバリアは、電荷担体についての選択性を有する。これによってまたポンピング層と垂直層とが同等でなくなるため、注入された電荷担体はさらに一層ポンピング層において再結合され、ひいては上記の横方向に伝搬する寄生のビームフィールドの、垂直エミッタ層による形成が十分に回避されるのである。

本発明の別の有利な実施例では、上記の半導体装置の一部は第１導電形により、また別の一部は第２導電形によってドーピングされているため、第１導電形から第２導電形へのドーピングの移行部において空間電荷領域が形成される。ここではポンピング層は空間電荷領域内にまた垂直エミッタ層はこの空間電荷領域の外部に配置されており、この結果、電荷担体注入により、ビーム形成はもっぱらポンピング層によって励起され、垂直エミッタ層における寄生的なビームフィールドの励起が十分に回避されるのである。

ここまで述べた本発明の特徴は、ポンピング層によって優先的にビームを形成するという点について、このポンピング層の配置構成に関係しているものであり、ここでこれは殊に電荷担体注入による電気的な励起についての配置構成である。

本発明の別の実施形態において上記の半導体装置は導波器を有しており、この導波器には上記の垂直エミッタ層もポンピング層も共に配置されており、ここでこのポンピング層の配置は、動作時に形成されるポンピングビームフィールドが、横方向に伝搬する寄生的なビームフィールドよりも高い出力を有するように選択される。殊に有利には垂直エミッタ層による寄生的なビームフィールドの形成は完全に抑圧される。導波器内ににおける上記の活性層のこのような配置は、択一的にまたはすでに述べた本発明の特徴と組み合わせて行うことが可能である。

上記の導波器には、１ポンピングモードが対応付けられており、このポンピングモードは、ポンピング層についてはフィリングファクタ（Fuellfaktor）Γ_pを、また垂直エミッタ層についてはフィリングファクタΓ_Vを有している。ここではポンピング層は、ポンピング層のフィリングファクタΓ_pが垂直エミッタ層のフィリングファクタΓ_Vよりも大きくなるように配置されている。これに加えて本発明の第１実施形態では、ポンピング層を垂直エミッタ層よりもポンピングモードの強度最大値の近くに配置することができるため、ポンピング層のフィリングファクタΓ_p、すなわち、ポンピングモードとポンピング層との重なり合いは、ポンピングモードと垂直エミッタ層との相応する重なり合いよりも大きいのである。これによってポンピング層はポンピングビームフィールドに比較的強く結合され、ひいてはポンピング層による有利なビーム形成が達成されるのである。

この一方で垂直エミッタ層よりも大きいポンピング層のフィリングファクタはつぎのようにして得ることもできる。すなわち、ポンピングモードとしてゼロクロスを有するモード、すなわち節を有するモードを選択して、垂直エミッタ層をポンピング層よりもこのゼロクロスの近くに配置することによって得ることができる。このようにして垂直エミッタ層に対して殊に小さいフィリングファクタが得られ、その結果、有利にもポンピングビームフィールドをポンピング層に強く結合することができるのである。

本発明の有利な発展形態では、ポンピング領域内において、垂直エミッタ層におけるポンピングビームの吸収率を、横方向に隣接する垂直エミッタ層の領域よりも高くする。これによって一方では有利にも光ポンピング過程の効率が高くなる。また他方ではこれにより、ポンピングビームフィールドの横方向の伝搬は、ポンピング領域外では垂直エミッタ層に妨害されない。

ポンピング領域内でのポンピングビームフィールドの高い吸収率は、本発明において有利には上記の導波器に関連して、ポンピング領域内におけるこの導波器の導波特性を横方向に隣接する領域とは変えることによって実現される。この変更はさらに有利には、上記のポンピング層のフィリングファクタΓ_pないしは垂直エミッタ層のフィリングファクタΓ_vの比Γ_p／Γ_vをポンピング領域内において、横方向に隣接する領域よりも小さくすることによって行われる。導波特性の相応の変更は、例えば、導波器の一部ないしはこれに隣接する層の一部をポンピング領域内で部分的に取り除くか、または導波器の一部ないしはこれに隣接する層をポンピング領域内で酸化するかそうでなければ化学的に変化させて屈折率を変更することによって行うことができる。

本発明のさらに有利な実施形態では、ポンピング領域内における吸収率は、ポンピング領域内でポンピング層を少なくとも部分的に取り除くことによって有利にも増大させることができる。ここでわかるのは、上で述べた従来技術とは異なり、このようなポンピング層の除去は、個々の半導体層のエピタキシャル成長の後に行うことができ、殊に後続のさらなるエピタキシャル過程が必要でないことである。

本発明の有利な１実施形態では、垂直方向に伝搬する寄生的なビームフィールドの形成を抑圧する手段がポンピング領域の外部に設けられている。これによって回避されるのは、このポンピング領域の外部において、垂直方向に伝搬する不所望のモードが励振されることである。これらのモードは、ふつう半導体基体から出力結合されず、この半導体基体またはこれにデポジットされたコンタクトメタライゼーション部において吸収される。したがってこれらのモードは、ポンピング領域における垂直に放射されるビームフィールドの形成には寄与せず、この半導体装置の効率は悪くなる。

このように垂直方向に伝搬する寄生的なモードを抑圧するため、本発明では電気的な動作に必要なコンタクトメタライゼーションを比較的小さな反射率で形成する。ここでこの反射率は例えば垂直モードが励振し得ない程度に小さく選択される。さらにこのような垂直モードは、ポンピング領域の外部に吸収層を設け、この吸収層によって所期のように、垂直モードに高い損失を付加して、このモードの励振を抑圧することによって回避することができる。最後に、垂直エミッタに対して設けたブラッグミラーをポンピング領域内で酸化させて、ポンピング領域の外部におけるその反射率が、ポンピング領域内よりも格段に小さくなるようにすることも可能である。上記のコンタクトメタライゼーションの反射率を小さくするのと同様にこれによって垂直方向の寄生的なモードの励振を回避することができる。

本発明の別の特徴、利点および合目的性は、図１〜８に関連した本発明の６つの実施例についての以下の説明から明らかである。

ここで、
図１は、本発明の半導体装置の第１実施例の概略断面図を示しており、
図２は、本発明の半導体装置の第２実施例の概略断面図を示しており、
図３は、本発明の半導体装置の第３実施例の概略断面図を示しており、
図４は、本発明の半導体装置の第４実施例の概略断面図を示しており、
図５は、本発明の半導体装置の第５実施例の概略断面図を示しており、
図６は、本発明の半導体装置の第６実施例の概略断面図を示しており、
図７は、ポンピング領域外のポンピングビームフィールドのフィールド経過をグラフで示しており、
図８は、ポンピング領域内のポンピングビームフィールドのフィールド経過をグラフで示している。

これらの図において同じ要素または同じ作用の要素には同じ参照符号が付されている。

本発明による光ポンピング式半導体装置の図１に示した実施例は半導体基体１を有しており、この半導体基体は、活性ポンピング層２と、この活性ポンピング層２に垂直方向に並んで配置された活性垂直エミッタ層３とを有する。ここでポンピング層２および垂直エミッタ層３は互いに平行に配置されている。

さらにポンピング層２および垂直エミッタ層３は導波器１０内に構成されており、この導波器には、第１被覆層８およびこれに対峙した第２被覆層９が隣り合っている。

この導波器には垂直方向においてブラッグミラー４および基板５が並んで配置されている。この基板には半導体層とは反対側の面にコンタクトメタライゼーション部６が設けられている。これに相応して、半導体基体の反対側の面にある第１被覆層８にコンタクト層１７および第２コンタクトメタライゼーション部７がデポジットされている。このコンタクトメタライゼーション部はポンピング領域１１内に切欠き部を有する。この領域において、垂直エミッタ層によって形成されて垂直方向に放射されるビーム１２が出力結合される。

これに加えてポンピング層２と垂直エミッタ層３との間に電荷担体選択性のバリア層１３が配置されている。

図示の実施例は、例えば、AlInGaAl材料系（(Al_xIn_1-x)_yGa_1-yAs，ただし0≦x≦1，0≦y≦1）またはAlInGaP材料系（(Al_xIn_1-x)_yGa_1-yP，ただし0≦x≦1，0≦y≦1）をベースにして実現可能であり、後者の場合、例えば６３０ｎｍのポンピング波長および約６５０ｎｍの垂直エミッタの放射波長によって実現される。ここではバリア層１３として電流阻止層、例えば (Al_{0. 5}Ga_0.5)_0.5In_0.5P導波器にAl_0.5In_0.5P層を設けることができる。

AlInGaAsをベースにした図１に相応する構造に対し、つぎの表において層材料および層厚ならびにドーピングを例示する。この構造においてブラッグミラー４は３０組の層対を含んでおり、これらの層対はAl_1.0Ga_0.0As層およびAl_{0. 2}Ga_0.8As層を１つずつ有しており、また最後に基板の反対側を向いた面にAl_1.0Ga_0.0As層を有している。酸化したブラッグミラーの場合、すなわちAl₂O₃層にAl_{1. 0}Ga_0.0As層が酸化されている酸化ブラッグミラーの場合には例えば6対の層対で十分である。

当然のことながら本発明は上記の材料系に制限されることはなく、波長およびその他の要求に応じて別の半導体材料系をベースにして、例えば (Al_xIn_1-x) _yGa_1-yAs_zP_1-z，ただし0≦x≦1，0≦y≦1，0≦z≦lまたは(Al_xIn_1-x)_yGa_1-yN，ただし0≦x≦1，0≦y≦1をベースにして実現することができる。

上記のポンピングビーム源は、図示の実施例において有利には端面発光形ポンピングレーザとして実施され、そのレーザアクティブな媒体(laseraktives Medium)はポンピング層２である。上記のレーザ共振器は、ポンピング層２を横方向に制限する側面１６によって形成されるため、垂直エミッタ層３および殊に垂直エミッタのポンピング領域１１はポンピング共振器内に配置される。

動作時にはコンタクトメタライゼーション部６および７を介して電荷担体が半導体基体に注入されてポンピングビームが形成される。ここでは出力結合面ないしはコンタクトメタライゼーション部７から第１の電荷担体タイプであるホールの注入が行われ、また対向するコンタクトメタライゼーション部６を介して第２の電荷担体タイプである電子の注入が行われる。

図示の実施例では２つの電荷担体タイプの移動度が異なることに起因して、ホールは電子よりも正味キャプチャレートが高い。したがって、ポンピング層２は垂直エミッタ層よりもコンタクトメタライゼーション部７に近く配置されているために、コンタクトメタライゼーション部７によって入力結合されたホールは、ポンピング層２においてもっぱら放射性の再結合に利用され、またそこでポンピングフィールドを形成する。

さらに電荷担体選択性のバリア層１３は、その下にある垂直エミッタ層３にホールが拡散されるのを阻止するため、注入された電荷担体がポンピング層２において再結合される確率がさらに高くなるのである。

さらに図１に示した実施例において基板５，ブラッグミラー４，被覆層９，これに続く導波器１０の領域、垂直エミッタ層３，これに続く導波器１０の領域およびバリア層１３は第１導電形でドーピングされている。これに続く導波器の領域、ポンピング層２およびこれに続く導波器の領域はドーピングされておらず、また上側の第１被覆層８は第２導電形でドーピングされている。例えば第１導電形タイプはｎドーピングに、また第２導電形はｐドーピングである。

このようなドーピングによってポンピング層２の領域において空間電荷領域が形成され、垂直エミッタ層３はこの空間電荷領域の外部に配置される。

すでに説明したように本発明ではポンピング層２を実施して、形成されたポンピングビームが、ポンピング領域１１内で垂直エミッタ層３によって形成されかつ垂直方向に放射されるビーム１２よりも短い波長を有するようにする。ここでポンピング層２と垂直エミッタ層３とが同等である場合、同時に電気的に励起すると、波長差に起因して、横方向に伝搬するビームフィールドがまず垂直エミッタ層３によって励起されることになる。
これは上記の理由から不所望であり、十分に回避すべきである。

このため、図１に示した実施例では３つの手段を設け、すなわち、正味キャプチャレートの高い電荷担体が注入される面とポンピング層との間隔を小さくし、ポンピング層２と垂直エミッタ層３との間にバリア層１３を配置し、また空間電荷領域を形成したため、ポンピング層２は空間電荷領域内に位置し、また垂直エミッタ層３は空間電荷領域の外部に位置する。これらの３つの手段によって、同時に電気的に励起されるという点についてポンピング層２と垂直エミッタ層３との同等性は解消されるため、横方向に伝搬するポンピングビームフィールドはもっぱらポンピング層２によって形成されるのである。

電気的な励起の強さに応じて、横方向に伝搬する寄生的なビームフィールドの、垂直エミッタ層３による形成は完全に抑圧されるか、または少なくともポンピングビームフィールドの出力が寄生的なビームフィールドの出力よりも大きくなる程度に抑圧される。本発明の枠内では、寄生的なビームフィールドを回避する上記の手段のうちの１つだけで十分となり得ることに注意されたい。その一方、殊に励起が強い場合には、横方向に伝搬するビームフィールドが垂直エミッタ層によって形成されることを阻止するためにさらに別の手段が必要となることがあり得る。

図２に示された実施例は、ポンピング層２、垂直エミッタ層３、これらの間にあるバリア層１１、導波器１０、隣接する被覆層８および９ならびにブラッグミラー４については図１に相応する構造を有する。

しかしながら図１に示した実施例とは異なり、ビームの出力結合は基板５を通して行われる。ここで基板にデポジットされるコンタクトメタライゼーション部６は、垂直方向に放射されるビーム１２を出力結合するため、ポンピング領域内に切欠き部を有している。これに対してブラックミラー４に配置されかつ対向するコンタクトメタライゼーション部７は、切欠き部なしに連続して構成される。

図２に示した実施例では、基板５は、形成される垂直放射ビーム１２について十分にビーム透過性を有しなければならない。導電性の基板は透過性が制限されることがあるため、ポンピング領域内で基板を部分的に取り除くか、または完全に取り除くことも有利となり得る（図示せず）。

図１に示した実施例と同じように図２に示した実施例は、垂直エミッタ層における寄生的なビームフィールドを抑圧するための上記の３つの手段を有しており、ここでは場合によってはこれらの手段のうちの１つまたは２つの手段で十分であることもあり、または寄生的なビームフィールドを抑圧するために別の手段が必要である。例えば実施例においてポンピング層２と垂直エミッタ層３の位置を交換することが可能である。

図３には本発明の第３実施例が示されている。これまでの実施例と同様に半導体基体１は基板５を有しており、この基板に順次にブラッグミラー４、導波器１０および被覆層８がデポジットされている。導波器内には活性ポンピング層２が構成されており、また垂直方向にはポンピング層２と並んでまたこれに平行に垂直エミッタ層３が構成されている。基板５にはコンタクトメタライゼーション部６が設けられており、またこれとは反対側にコンタクトメタライゼーション部７を有する被覆層８が設けられている。

導波器１０によってポンピングモード１４が決定される。このポンピングモードと上記の活性層のうちの１つとの重なり合いは、フィリングファクタと称される。このフィリングファクタが大きければ大きいほど、各活性層とポンピングビームフィールドとの結合が強くなる。本発明の枠内では、ポンピング領域１１の外部においてポンピング層が、可能な限り大きいフィリングファクタΓ_pを有するようにする。このため、図示の実施例ではポンピング層をポンピングモード１４の強度最大値に配置して、また垂直エミッタ層３をここから離して、ポンピング層のフィリングファクタΓ_pが垂直エミッタ層のフィリングファクタΓ_vよりも大きくなるようにする。

フィリングファクタΓ_pが比較的大きいことに起因して、ポンピング層２は、導波器において横方向に伝搬するビームフィールドと垂直エミッタ層３よりも強く結合するため、一方では導波器においてもっぱらポンピングビームが形成され、他方ではポンピング領域１１の外部において垂直エミッタ層３により、ポンピングビームフィールドの横方向の伝搬はまったく損なわれないのである。

本発明の枠内では、ポンピング領域の外部におけるポンピングビームの吸収率を垂直エミッタ層３において低減するという別の選択肢もあることに注意されたい。例えば、ポンピング領域の外部において垂直エミッタ層を強く励起して、この垂直エミッタ層を退色（ausbleichen）させ、ひいてはその透過性を高めることも可能である。しかしながら強い励起に起因して、垂直に伝搬する寄生的なモードが形成されるという危険性が高まるため、前述の選択肢の方が有利であると思われる。

これに対してポンピング領域１１内では垂直エミッタ層３とポンピングビームフィールドとが強く結合される。それはこの領域において垂直エミッタが、ポンピングビームフィールドによって光ポンピングされるからである。このためにポンピング領域１１内における導波器の導波特性を変更して、ポンピング領域１１の外部の横方向に隣接する領域よりもフィリングファクタの比Γ_p／Γ_vが低減されるか、ないしは垂直エミッタ層のフィリングファクタΓ_vが大きくなるようにする。

図示の実施例においてこれは、ポンピング領域１１内で被覆層８および導波器１１の一部を台形に取り除くことによって達成され、これによって導波器の幅が低減される。平面で斜めに延在する切欠き部の側面により、ポンピング領域に向かって導波特性が連続して変化し、これによって不所望の反射および散乱損失が回避される。

これによってポンピングモード１５の強度最大値が垂直エミッタ層３の方向にずれるため、そのフィリングファクタΓ_vが増大するか、ないしポンピング層２のフィリングファクタΓ_pが低減される。強度最大値のずれは、ポンピング領域内のポンピングモード１５によって概略的に示されている。さらに図３には垂直に放射されるビームフィールド１２の強度分布が半導体基体内において概略的に示されている。またここでは、ビームフィールドの約１／ｅ半径である、垂直に放射されるビームフィールド１２の横方向の広がりも示されており、これは屈折率によって制約されて放射方向に大きくなる。

図４には本発明の第４実施例が示されている。この半導体装置は、かなりの部分で図３に示した実施例に相当している。図３とは異なり、導波器１０はポンピング領域１１に切欠き部を有しておらず、ブラッグミラー４はポンピング領域１１内で酸化されている。酸化されたブラッグミラーの場合、有利にもミラー周期の数（ミラー対の数）を、酸化されていないブラッグミラーよりも低減することができる。例えば酸化されたブラッグミラーについては例えば５〜１０のミラー周期で十分であるのに対して、酸化されていないブラッグミラーではふつう２５〜５０のミラー周期が設けられる。ミラー周期の数が小さいと、ブラッグミラーの熱抵抗も作製コストも共に低減される。

酸化されたブラッグミラーに対して有利であるのは、例えばGaAs／AlGaAs材料系ベースのブラッグミラー、有利にはアルミニウム成分比の高い層におけるブラッグミラーである。これら層は、例えば高温多湿（feuchttermisch）で、例えば400℃の高温度の水蒸気雰囲気において酸化させることができる。アルミニウムを含有する層を酸化することによって、この層の屈折率は決定的に変化し、ひいては結果的に導波特性を所望のように変化させることができる。

この実施例において導波器１０は、ポンピングモードがゼロクロス部、すなわち節を有するように設計されている。ここでポンピング層は前の実施例と同様にポンピングモード１４の強度最大値に配置されており、これに対して垂直エミッタ層はポンピングモード１４のゼロクロス部に配置されている。これによって垂直エミッタ層３の最小のフィリングファクタΓ_vと同時に、ポンピング層２の最大のフィリングファクタΓ_pが実現されるのである。

ここでもポンピング領域１１内において導波器１０の導波特性を変更して、フィリングファクタの比Γ_p／Γ_vを減少させる。すなわち活性層の結合がポンピング層２から垂直エミッタ層３にずらされるのである。これは図示の実施例において、導波器１０に隣接するブラッグミラー４を部分的に酸化させることによって達成される。

ブラッグミラーの酸化によって、導波器１０とブラッグミラー４との間の屈折率の跳躍が変化するため、ポンピング領域１１の外部では上述のようにポンピングモード１４は、より一層深くブラッグミラーに入り込む。これに対してポンピング領域１１内ではブラッグミラー４は酸化されているため、屈折率の跳躍は、横方向に隣接する領域よりも大きく、ポンピングモード１５のゼロクロス部はポンピング層２の方向にずれ、ひいては垂直エミッタ層３から離れる。これによって垂直エミッタ層のフィリングファクタΓ_vが上昇し、その結果、垂直エミッタ層におけるポンピングビームフィールドの吸収率ないしは結合が増大する。

図５には本発明の第５実施例が示されている。この実施例では、図３および図４に示されている２つの実施例の特徴が組み合わされている。この半導体基体は、図３に示した半導体基体とかなりの部分が同じであり、殊にポンピング領域１１内において被覆層８ないしは導波器１０に切欠き部を有する。これに対して図４に示した実施例と同様にポンピングモード１４として、ゼロクロス部を有するモードが設けられており、ここでもポンピング層２はポンピングモード１４の強度最大値に、また垂直エミッタ層３はポンピングモード１４のゼロクロス部に配置されている。ポンピング領域内で被覆層８ないしは導波器１０を切り欠くことにより、図３に示した実施例と同様にこの導波器の導波特性を変更して、強度最大値をポンピング層から垂直エミッタ層３の方向にずらす。

図６には本発明の第６実施例が示されている。ここでも半導体基体は、図３に示した半導体基体に実質的に相応するが、ポンピング領域内で切欠き部が深く実施されており、またこの切り欠き部が、被覆層から導波器１０を経てポンピング層を越えて延在しており、すなわちポンピング領域内でポンピング層も取り除かれている点が異なる。コンタクト６および７の配置に起因して、ポンピング領域１１内において実質的に電気的な励起が行われないため、これは有利である。このようにすればこの領域においてポンピング層２は、ポンピングビームフィールドの形成に貢献しないのだが、不利なことにもこのポンピングビームフィールドを吸収することがある。有利にはポンピング領域内においてこの層列を所望の深さまでエッチング除去し、引き続いてパッシベーション層、例えば窒化ケイ素などの誘電体でカバーする。

ポンピング領域１１内の切欠き部によって、図３および図５に示した実施例と同様に導波器１０の導波特性を変更する。図５に示した実施例と同様にポンピングモード１４として、ゼロクロス部を有する比較的大きな横モードが設けられ、ここではポンピング領域の外部においてポンピング層２がポンピングモードの強度最大値に、また垂直エミッタ層３がポンピングモードのゼロクロス部に配置されている。

図７にはポンピング領域の外部において線Ａ−Ａに沿ったポンピングモードの垂直方向の強度経過が概略的に示されている。この強度経過は、相応する半導体装置について複数のシミュレーション計算を行うことによって求めたものである。これらのシミュレーション計算のベースとしたのは、６３０ｎｍのポンピング波長および６５０ｎｍの垂直エミッタの放射波長を有するAlInGaP層系である。

ここにプロットされているのは、垂直方向ｚに沿ったポンピングフィールドの強度ならびに半導体層列の対応する屈折率である。

これに対して図８にはポンピング領域１１内における、線Ｂ−Ｂに沿ったポンピングビームフィールドの強度の相応する経過が部分的に示されている。ここではパッシベーション層１８としてSiN層が使用されている。

はっきりわかるのは、一方では導波器の幅が小さくなることに起因してポンピングモードが押し詰められることであり、他方ではポンピングモードが垂直エミッタ層の方向にずれることである。ここで注意すべきであるのは、ポンピングモードの最大値が垂直エミッタ層３内まで意図的にずらされていないことである。それはこのようにすればポンピング領域内においてポンピングモードの吸収率が大きくなり、この結果、ポンピングビームフィールドがポンピング領域の縁部において大きく減衰し、ひいては不均一なポンピングプロフィールが発生し得るからである。

本発明は有利には半導体ディスクレーザ、例えばVCSELまたはVECSELとして実施される。例えば、上記の垂直エミッタは、外部共振器を有する垂直発光形レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）を構成するために設けられ、ここでこの共振器は上記のブラッグミラーおよび外部ミラーによって構成される。

この実施形態の有利な発展形態では、外部共振器内に周波数変換のための素子、例えば周波数２倍化のための素子が設けられる。これに対して、例えば非線形の光素子、殊に非線形の結晶が有利である。

上記の実施例に基づく本発明の説明は、当然のことながら本発明をこれに制限するものであるとはみなすべきでない。むしろ本発明には実施例およびその他の説明で述べた特徴の全ての組み合わせも含まれているのであり、たとえそれが請求項の対象でないとしても含まれているのである。

本発明の半導体装置の第１実施例の概略断面図である。 本発明の半導体装置の第２実施例の概略断面図である。 本発明の半導体装置の第３実施例の概略断面図である。 本発明の半導体装置の第４実施例の概略断面図である。 本発明の半導体装置の第５実施例の概略断面図である。 本発明の半導体装置の第６実施例の概略断面図である。 ポンピング領域外のポンピングビームフィールドのフィールド経過を示すグラフである。 ポンピング領域内のポンピングビームフィールドのフィールド経過を示すグラフである。

Claims (25)

1. 活性垂直エミッタ層（３）を有する光ポンピング式垂直エミッタと、
   横方向に伝搬するポンピングビームフィールドを形成するポンピングビーム源とを備えた半導体装置であって、
   前記のポンピングビームフィールドにより、垂直エミッタ層（３）がポンピング領域にて光ポンピングされ、
   前記のポンピングビームフィールドの波長は、垂直エミッタから形成されるビームフィールド（１２）の波長よりも短い形式の半導体装置において、
   前記のポンピングビーム源は活性ポンピング層（２）を有しており、
   該活性ポンピング層は、垂直方向に前記の垂直エミッタ層（３）と並んで配置されており、また垂直方向にみて少なくとも部分的に垂直エミッタ層（３）と重なっており、
   動作時に形成されるポンピングビームフィールドが、垂直エミッタ層（３）によって形成されかつ横方向に伝搬する寄生的なビームフィールドよりも高い出力を有するか、または横方向に伝搬する寄生的なビームフィールドの、垂直エミッタ層（３）による形成が抑圧されるように前記活性ポンピング層を配置し、
   前記のポンピングビーム源は、電荷担体注入によって電気的に励起されてポンピングビームを形成し、
   前記の半導体装置に第１電荷担体タイプの電荷担体および第２電荷担体タイプの電荷担体が注入され、
   前記の第１電荷担体タイプの電荷担体は、第２電荷担体タイプの電荷担体よりも高い正味キャプチャレートを有しており、また一方の面から半導体装置に注入され、ここでポンピング層（２）は、垂直エミッタ層（３）よりも当該面との間隔が小さいことを特徴とする
   半導体装置。
2. 前記の垂直エミッタ層（３）とポンピング層（２）との間に電荷担体選択性を有するバリアが形成されている、
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記の半導体装置は、一部分が第１導電形で、別の一部分が第２導電形でドーピングされており、また空間電荷領域を有しており、
   前記のポンピング層（２）は空間電荷領域内に、また垂直エミッタ層（３）は空間電荷領域の外部に配置されている、
   請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記の半導体装置は、導波器を有しており、
   前記の活性ポンピング層（２）も、垂直エミッタ層（３）も共に当該導波器に配置されている、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記の導波器（１０）には、ポンピング領域（１１）の外部にて、ポンピング層のフィリングファクタΓ_pおよび垂直エミッタ層のフィリングファクタΓ_vを有するポンピングフィールドが対応付けられており、ここで当該のポンピング層のフィリングファクタΓ_pは垂直エミッタ層のフィリングファクタΓ_vよりも大きい、
   請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記のポンピングモード（１４）では、ポンピング領域（１１）外にてポンプビームフィールドのフィールド強度経過は強度最大値を有しており、ただし当該の強度経過は、半導体基体（１）内で垂直ビーム放射方向ｚに対してプロットしたものであり、
   当該のビーム放射方向ｚにて前記のポンピング層（２）に対応する点は、垂直エミッタ層（３）の対応する点よりも前記の前記の最大値の対応する点の近くに配置されている、
   請求項４または５に記載の半導体装置。
7. 前記の強度経過はゼロクロスを有しており、
   前記のビーム放射方向ｚにおける垂直エミッタ層（３）に対応する点は、ポンピング層（２）に対応する点よりも当該ゼロクロスに対応する点の近くに配置されている、
   請求項６までのいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記のポンピング領域（１１）内にて、垂直エミッタ層（３）におけるポンピングビームの吸収率は、ポンピング領域（１１）に横方向に隣接する、垂直エミッタ層（３）の領域よりも高い、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載の半導体装置。
9. 前記のポンピング領域（１１）内にてポンピング層のフィリングファクタΓ _p と垂直エミッタ層のフィリングファクタΓ _v との比Γ_p／Γ_vは、ポンピング領域（１１）に横方向に隣接する、垂直エミッタ層（３）の領域よりも低くされている、
   請求項８に記載の半導体装置。
10. 前記のポンピング層（２）および垂直エミッタ層（３）は導波器（１０）内に配置されており、
    前記のポンピング領域（１１）内での導波器の導波特性は、当該ポンピング領域（１１）に横方向に隣接する領域と比べて変化させられている、
    請求項８または９に記載の半導体装置。
11. 前記のポンピング領域（１１）内で、導波器（１０）または当該導波器に隣接している層は少なくとも部分的に除去されている、
    請求項１０に記載の半導体装置。
12. 前記のポンピング領域（１１）内で、導波器（１０）または当該導波器に隣接している層は少なくとも部分的に酸化されている、
    請求項８から１１までのいずれか１項に記載の半導体装置。
13. 前記のポンピング層（２）は、ポンピング領域（１１）内で少なくとも部分的に除去されている、
    請求項１から１２までのいずれか１項に記載の半導体装置。
14. 前記のポンピング領域（１１）の外部に、垂直方向に伝搬する寄生的なビームフィールドを抑圧する手段が設けられている、
    請求項１から１３までのいずれか１項に記載の半導体装置。
15. コンタクトメタライゼーション部（６，７）の材料に対して反射率の小さい材料を選択して、寄生的なビームフィールドによる、垂直に伝搬するモードの励振が抑圧されるようにした、
    請求項１４に記載の半導体装置。
16. 前記のポンピング領域（１１）の外部に、垂直に伝搬する寄生的なビームフィールドを抑圧するための吸収層が設けられている、
    請求項１４または１５に記載の半導体装置。
17. 前記のポンピング層（２）および垂直エミッタ層（３）には垂直方向にミラー層（４）が並んで配置されている、
    請求項１から１６までのいずれか１項に記載の半導体装置。
18. 前記のミラー層（４）はポンピング領域（１１）内で酸化されている、
    請求項１７に記載の半導体装置。
19. 前記のミラー層（４）は、垂直エミッタ層（３）と基板（５）との間に配置されており、
    垂直エミッタ層によって形成されたビーム（１２）は、前記の基板とは反対側の面にて出力結合される、
    請求項１７または１８に記載の半導体装置。
20. 前記の垂直エミッタ層（３）はミラー層（４）と基板（５）との間に配置されており、
    垂直エミッタ層によって形成されたビーム（１２）は基板（５）を通して出力結合される、
    請求項１７または１８に記載の半導体装置。
21. 前記の垂直エミッタは外部共振器を有している、
    請求項１から２０までのいずれか１項に記載の半導体装置。
22. 前記の外部共振器は、ミラー層（４）および外部共振器によって構成されている、
    請求項１７から２０までのいずれか１項に記載の半導体装置。
23. 前記のミラー層（４）は、前記のポンピング領域（１１）にて酸化されている、
    請求項２２に記載の半導体装置。
24. 前記の外部共振器内に周波数変換のための素子が配置されている、
    請求項２１または２２に記載の半導体装置。
25. 前記の半導体装置は、モノリシックに集積されて構成されている、
    請求項１から２４までのいずれか１項に記載の半導体装置。

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