JP5306355B2 - ビーム放射デバイスの製造方法およびビーム放射デバイス - Google Patents

Description

本発明は、ビーム放射デバイスの製造方法並びにビーム放射デバイスに関する。

ポンピングレーザとして使用される半導体レーザでは、レーザービームの放出はできるだけ均一な遠距離場（Fernfeld）で行われることが望ましい。しかし典型的に、半導体レーザは擬似ガウス遠距離場でビームを放射する。すなわち、ビームプロファイルの中央軸から出発してビーム強度は、外部へ向かって比較的迅速に低下する。

課題は、その遠距離場が、レーザに対して設定された用途に、より良好に適する固体レーザを製造する方法を提供することである。殊に、このレーザは、遠距離場における、放出されるビームの改善された均一性を有している。

上述の改題は、独立請求項に記載された方法ないしはビーム放射デバイスによって解決される。有利な実施形態および発展形態は、従属請求項に記載されている。

１つの実施形態では、ビーム放射デバイスの製造方法において、遠距離場における放出特性が設定される。デバイスの主要放出方向に垂直に延在している方向において、この設定された放出特性から、屈折率プロファイルが求められる。デバイスに対して構造が求められ、これによってこのデバイスは、事前に定められた屈折率プロファイルを有する。このデバイスは事前に定められた構造に従って構成される。

すなわちデバイスの屈折率プロファイルは所期のように、遠距離場における設定されている放出特性に合うように構成される。このようにして例えば、特に高い均一性を伴う、遠距離場における放出特性が得られる。すなわち、既に、ビーム放射デバイスから放射されるビームの均一性が改善される。後続の均一化、例えば外部のいわゆる「ホモジェナイザー」による均一化を省くことができる。これに続いて、擬似ガウスプロファイルから、均一性が充分に高い部分領域の選択を行う必要もない。

有利には、設定されている遠距離場における放出特性から、属する近接場（Nahfeld）が求められる。これは、有利にはフーリエ変換によって行われる。ここでは遠距離場から、属する近接場が出現する。

詳細には、遠距離場とは、ビーム放射デバイスと間隔が空いている、殊にビーム形成のために設けられているアクティブ領域と間隔が空いている、放出されたビームの電磁界である。この間隔は放出されたビームの波長と比べて長い。

遠距離場とは異なり、近接場は、ビーム形成のために設けられた、ビーム放射デバイスのアクティブ領域との相互作用を発揮する。

有利な実施形態では、屈折率プロファイルは近接場から求められる。ここで屈折率ｎに対して、以下の比例式が有効である。

ここでｚ軸は、デバイスの主要放射方向に対して垂直に延在しており、Ｅ_Ｎ（ｚ）は近接場の電磁界であり、Ｅ''_Ｎ（ｚ）は近接場Ｅ_Ｎの電磁界の第２の派生である。ｋはここで電磁ビームの波ベクトルであり、ｎ_ｅｆｆは有効屈折率である。

有利な実施形態では、半導体層列を伴う半導体が析出される。ここでこの半導体層列は、ビーム形成のために設けられたアクティブ領域を有している。さらに有利には、屈折率プロファイルは少なくとも部分的に、半導体層列を伴う半導体内に延在する。

別の有利な実施形態では、屈折率プロファイルは、適切な材料組成によって、半導体の半導体層列に対する析出方向に沿って構成される。有利には半導体層列の半導体層は少なくとも部分的に、３要素、４要素または４要素から成る化合物半導体を含む。このような化合物半導体では、材料の屈折率は容易に材料組成によって調整可能である。種々異なる屈折率を有する半導体層を析出することによって、求められる屈折率プロファイルが構成される。半導体層内の屈折率は、ここで必ずしも一定でなくてはならないというわけではない。例えば、半導体層の屈折率は勾配を有してもよい、または段階状に低減または増減してもよい。

別の有利な構成では、遠距離場における放出特性が、相互に傾斜しているまたは垂直に延在している２つの軸に沿って設定される。設定されたこの放出特性に基づいて、主要放射方向に対して垂直に、または屈折率プロファイルに対して垂直に、さらなる屈折率プロファイルが求められる。この場合には、屈折率プロファイルは第１の軸に沿って平行に延在し、このさらなる屈折率プロファイルは第２の軸に対して平行に延在する。次に、デバイスが事前定められたこのさらなる屈折率プロファイルを有するように、デバイスの構造が定められる。

このような場合には、このさらなる屈折率プロファイルは同じように、屈折率プロファイルと関連して示された式に従って計算される。ここでは、この計算に対して相応に、第２の軸に沿った遠距離場の設定された経過特性から得られる近接場が使用されるべきである。組み込まれるべきである。

有利な発展形態ではこのさらななる屈折率プロファイルは、デバイス内、殊に半導体内での切り欠きによって形成される。ここでこの切り欠きは、半導体層列を有する半導体の材料を除去することによって形成される。これは例えば機械的および／または化学的、例えばウエットケミカルエッチングまたはドライケミカルエッチングを用いて行われる。

１つの実施形態では、ビーム形成のために設けられたアクティブ領域を備えるビーム放射デバイスは、主要放射方向と、この主要放射方向に対して垂直の屈折率プロファイルを有する。屈折率プロファイルは次のように構成されている。すなわち、この屈折率プロファイルに基づいて、遠距離場における、デバイスの作動中に形成されるビームの放出特性が、アクティブ領域に対して設定された間隔で、ガウス状放出特性よりも高い均一性を有するように構成されている。

この高い均一性は、結果として生じる遠距離場が、設定されている遠距離場に相応するように、または少なくとも設定されている遠距離場に近いように、所期のように屈折率プロファイルを構成することによって得られる。

有利な実施形態では屈折率プロファイルは、アクティブ領域の両側に配置された場形成層によって構成される。さらに有利には、屈折率プロファイルはアクティブ領域の両側でそれぞれ跳躍的な移行部を有する。ここでは各屈折率がアクティブ領域から見て、増加する。

別の実施形態では、ビーム形成のために設定されたアクティブ領域を伴うビーム放射デバイスは、主要放射方向を有する。ここでアクティブ領域の両側に場形成層が配置されており、この場形成装置によって、主要放射方向に対して垂直に屈折率プロファイルが形成される。屈折率プロファイルはアクティブ領域の両側でそれぞれ跳躍的な移行部を有している。ここでは各屈折率はアクティブ領域から見て増大する。

このようなデバイスは、比較的均一の遠距離場を有する放出特性を有する。

別の実施形態の有利な発展形態では、屈折率プロファイルは次のように構成される。すなわち、この屈折率プロファイルに基づいて、デバイスの作動中に形成されるビームの放出特性が遠距離場において、アクティブ領域に対して所定の間隔で、ガウス状の放出特性よりも高い均一性を有するように構成される。

上述の屈折率プロファイルに基づいて、場形成層は近接場を生じさせ、この近接場から、ガウス遠距離場に対して均一にされた遠距離場が結果として得られる。すなわち、このようなデバイスによって放出されるビームの均一性は、ガウス状遠距離場を有する従来の半導体レーザの場合よりも高い。

均一な遠距離場とは殊に、特定の角度領域において、できるだけ一定の強度分布を有しており、さらに設定された閾値を下回らない遠距離場のことである。

遠距離場の均一性に対する尺度としては、殊に、最大面積を有する矩形の面が用いられる。これは遠距離場の強度分布の曲線の下方に延在している。ここで遠距離場は、主要放射方向に対する角度θの関数としての、ビーム放射デバイスによって放出されるビームの強度である。ガウス経過特性を有する遠距離場の場合には、最大矩形面積は４８．４％である。

遠距離場、すなわち所定の間隔において、ガウス状放出特性よりも高い均一性を有しているビーム放射デバイスは、レーザの光学的ポンピング、照明または光学システム上での結像に特に適している。

跳躍的な移行部とは殊に、この跳躍的な移行部に接している領域に比べて屈折率が迅速に変化する領域のことである。このような変化は、ここでは必ずしも２つの値の間の跳躍的な移行に近くなくてもよい。この変化が例えば、階段状または直線状に、１つの値から別の値へ上昇して行われてもよい。

有利な構成では、遠距離場の強度分布の曲線の下方に延在する、最大面積を有する矩形は、遠距離場の強度分布の曲線の下方の全面積の少なくとも５０％、特に有利には少なくとも６０％、最も有利には少なくとも６５％を占める。この面積が大きくなればなるほど、デバイスによって放出される、利用可能なビームの割合は大きくなる。

強度分布はここでは、屈折率プロファイルに対して平行に延在する方向に沿った遠距離場の経過特性である。

有利な実施形態では、少なくとも１の場形成層は部分領域を有している。この部分領域内で、アクティブ領域からの間隔が増大するとともに、屈折率が、有利には連続的に減少する。さらに、少なくとも１つの場形成層は別の部分領域を有しており、ここでは、屈折率が同じように、アクティブ領域からの間隔が増大するとともに、低減する。ここではこの部分領域およびこの部分領域は有利には、アクティブ領域の同じ面上に位置する。

有利な発展形態では跳躍的な移行部は、この第１の部分領域とこの第２の部分領域との間に配置されている。すなわちアクティブ領域から見て、屈折率プロファイルは各跳躍的移行部の両面で、有利には連続的に低減する。

特に高い均一性を有する放出特性をこのようにして容易に得ることができる。

跳躍的移行部の領域において、屈折率プロファイルは、有利には、絶対値的に、この跳躍的移行部に接している部分領域におけるよりも大きい勾配を有している。例えば屈折率プロファイルは、殊に場形成層の領域において、鋸歯状に構成される。

有利な実施形態では、このデバイスは、半導体層列を備えた半導体を有している。アクティブ領域は有利には、この半導体内に構成される。さらに、場形成層も少なくとも部分的に半導体内に構成される。

有利には、屈折率プロファイルは、少なくとも部分的にこの半導体内に構成される。

有利な発展形態では、屈折率プロファイルは半導体の半導体層の主要延在方向に対して垂直に延在している。すなわち、屈折率プロファイルは、半導体の半導体層の着せ出方向に沿って延在している。半導体の半導体層は有利にはエピタキシャルに、例えば有機金属気相成長または分子線エピタキシーを用いて製造される。

別の有利な発展形態では、場形成層はそれぞれ１つの半導体化合物材料を含んでいる。さらに有利には屈折率プロファイルは、化合物半導体材料の組成を変えることによって調整される。すなわち屈折率が材料組成に依存することに基づいて、求められた屈折率プロファイルから、このために必要な材料成分が特定される。

有利な実施形態では、ビーム放射デバイスは主要放出方向に対して垂直に、かつ屈折率プロファイルに対して垂直に、さらなる屈折率プロファイルを有している。このようなさらなる屈折率プロファイルを用いて、近接場の所期の場形成が、殊に半導体内で実現される。このようにして、放出されたビームの結果として生じる遠距離場が、傾斜した、または相互に垂直な２つの軸に関して調整され、所定の遠距離場に従って形成される。

有利な実施形態では、さらなる屈折率プロファイルは切り欠きによって形成される。この切り欠きは有利には、半導体内へ、殊にさらなる屈折率プロファイルに沿って延在する。

この切り欠きによって、主要放射方向に沿って振動するビームに対して、この方向に沿って平均された屈折率が調整される。

有利な発展形態では切り欠きは少なくとも部分的に、充填材料によって充填される。充填材料はさらに、有利には、切り欠き内に構成されている材料よりも低い屈折率を有している。殊に、この充填材料は、切り欠きに接している半導体材料よりも低い屈折率を有している。半導体材料の屈折率に比べて、このようにして平均化された屈折率が、この切り欠きによって低減される。

外部から半導体を見ると、切り欠きは深さが増すとともに先細る。従って、半導体縁部へと向かって、殊に連続的に低減する平均屈折率経過特性が得られる。

別の有利な構成では、デバイスは、ビーム形成のために設けられている別のアクティブ領域を有している。デバイスから出射するビーム出力が全体的にこのようにして増大される。

アクティブ領域と別のアクティブ領域との間にトンネル領域が構成される。このトンネル領域によって、アクティブ領域とさらなるアクティブ領域が電気的に直列に相互に接続される。このトンネル領域は有利には、第２の半導体層によって構成される。これはそれぞれ、相互に反対の符号によって高ドープされて構成される。有利には、ドーピング濃度はそれぞれ少なくとも１０^１８ｃｍ^−３、特に有利には少なくとも１０^１９ｃｍ^−３である。

１つの実施形態では、アクティブ領域内で形成されるビームおよび別のアクティブ領域内で形成されるビームは、共通の横断的な光学モードを有している。すなわちこのビーム成分はコヒーレントに結合される。

さらに有利にはトンネル領域は、横断的な光学モードの結合点内に配置される。光学的なビーム出力の吸収はこのようにして回避される、または少なくも低減される。

別のアクティブ領域は場形成層内に構成される。殊にアクティブ領域と別のアクティブ領域の間に跳躍的な移行部のうちの１つが配置される。

択一的な実施形態では、別のアクティブ領域の両面に別の場形成層が配置される。ここで屈折率プロファイルは別のアクティブ領域の両面でそれぞれ１つの別の跳躍的な移行部を有している。ここで各屈折率は、さらなるアクティブ領域から見て増大する。

この場合にはこのアクティブ領域およびさらなるアクティブ領域は、有利には相互に重なって配置されている。ここでアクティブ領域にはそれぞれ固有の場形成層が割り当てられている。

ここではこのさらなる場形成層は、場形成層に関して記載された特徴の少なくとも１つを有し得る。さらに、アクティブ領域に割り当てられている場形成層と、さらなるアクティブ領域に割り当てられているさらなる場形成層は、同じように構成される。これとは異なり、場形成層およびさらなる場形成層を相互に異なって、殊に、アクティブ領域ないしはさらなるアクティブ領域に合わせて整合させることができる。この場合には、アクティブ領域およびさらなるアクティブ領域は、異なる波長を有するビーム放射のために設けられる。

アクティブ領域および／または場形成層は有利には化合物半導体材料、特に有利にはＩＩＩ−Ｖ−化合物半導体材料を含む。これは殊に、材料組み合わせ（ＡｌＩｎＧａ）（ＡｓＰＮＳｂ）、すなわち、周期系の第３のグループからの上述した要素の少なくとも１つと、周期系の第５のグループからの上述した要素の少なくとも１つとの組み合わせの材料組み合わせからのものである。この材料は、殊にＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}ＮおよびＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｓｂから成るグループから選択される。ここでそれぞれ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１である。このような材料によって、紫外スペクトル領域から、可視スペクトル領域を介して、赤外スペクトル領域までのビームが、効果的に形成される。

遠距離場の均一化のための屈折率プロファイルの上述した構成は基本的に、全てのコヒーレント放射器に対して使用可能である。

有利にはビーム放射デバイスは、エッジ発光型半導体レーザデバイスとして構成されている。エッジ放射式半導体レーザデバイスでは、主要放出方向は、半導体の半導体層の主要延在面に対して平行に延在している。

ビーム放射デバイスを面発光型半導体デバイスとして構成することも可能である。これは例えばＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）またはＶＥＣＳＥＬ（垂直外部共振器型面発光レーザ）またはディスクレーザとしての構成である。面発光型半導体レーザデバイスでは、デバイスの主要放出方向は、半導体の半導体層の主要延在面に対して垂直に延在する。

有利な発展形態ではビーム放射デバイスはポンピングレーザとして構成されている。

上述した方法は、ビーム放射デバイスを製造するのに特に適している。従ってビーム放射デバイスに関連して記載された特徴はこの方法にも当てはまり、方法に関連して記載された特徴はビーム放射デバイスにも当てはまる。

さらなる特徴、有利な実施形態および有効性を、図面に関連した実施例の以下の説明に記載する。

ビーム放射デバイスを製造する方法に対する第１の実施例 ビーム放射デバイスを製造する方法に対する第１の実施例 ビーム放射デバイスを製造する方法に対する第１の実施例 ビーム放射デバイスを製造する方法に対する第１の実施例 ビーム放射デバイスを製造する方法に対する第１の実施例 オプトエレクトロニクスデバイスを製造する方法に対する第２の実施例 オプトエレクトロニクスデバイスを製造する方法に対する第２の実施例 オプトエレクトロニクスデバイスを製造する方法に対する第２の実施例 オプトエレクトロニクスデバイスを製造する方法に対する第２の実施例 オプトエレクトロニクスデバイスを製造する方法に対する第２の実施例 主要放射方向に対する角度θの関数としてのガウス遠距離場に対する強度分布Ｉ 図２Ｅに示されたビーム放射デバイスに対するエレクトロオプティカルシミュレーションの結果である、屈折率プロファイル 図２Ｅに示されたビーム放射デバイスに対するエレクトロオプティカルシミュレーションの結果である、近接場の属する強度分布 図２Ｅに示されたビーム放射デバイスに対するエレクトロオプティカルシミュレーションの結果である、注入された電流ｊの関数としてのビーム出力Ｐ ビーム放射デバイスの第２の実施例に対する屈折率プロファイルの質的な経過特性 ビーム放射デバイスの第３の実施例に対する屈折率プロファイルの質的な経過特性 オプトエレクトロニクスデバイスに対する第４の実施例の概略的な平面図と属する質的な屈折率プロファイル

同じ部材、同様の部材または同じ作用を有する部材には図において同じ参照番号が付与されている。

図はそれぞれ概略的な表現であり、従って、必ずしも縮尺通りではない。むしろ比較的小さい部材および殊に層の厚さは、わかりやすくするためにオーバーに大きく表示されている。

図１Ａは、ビーム放射デバイスに設定された遠距離場経過特性の強度Ｉの経過特性を示している。強度Ｉはここで、デバイスの主要放射方向に対する角度θの関数として示されている。強度分布は、約＋／−１５°の角度において、プラトー状の経過特性を示している。ここでは、強度は実際には変化していない。破線１０１はここで、強度分布１００の下方に延在している、最大面積を有する矩形の外縁を形成している。この矩形はここで、強度分布１００の下方に構成されている面積の約６８．８％を占める。これと比べて図３では、属する矩形最大面積３０１を有する相応する強度分布３００が、ガウスビームプロファイルの場合に対して示されている。この場合には、矩形最大面積３０１の面積は、強度曲線３００によって規定されている面積の約４８．４％である。従って図１Ａに示された遠距離場の強度プロファイルは、ガウス状の強度分布よりも格段に高い均一性を有している。

図１Ｂには、属する近接場が示されている。近接場はここで、空間的なフーリエ変換によって、図１Ａに示された遠距離場から得られる。この近接場から、図１Ｃに示されているように、上述された関係に従って、屈折率プロファイルが求められる。ｚ軸の零点から出発して、屈折率経過特性は多数の部分領域を有している。ここでは、屈折率はそれぞれ、間隔が増大するとともに低減する。これらの部分領域の間にはそれぞれ跳躍的な移行部２４が構成されている。ここでは屈折率は、小さい値から、大きい値へ跳躍する。図示された屈折率経過特性は、材料組成の経過特性に計算し直すことができる。この再計算はここでは、デバイスのために設定された各材料に依存する。

図１Ｄには、例として、半導体層列に対するアルミニウム含有物ｘの経過特性が示されている。これはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓに基づいている。すなわち、アルミニウム含有物に対する、図１Ｄに相応して構成されたプロファイルによって、図１Ｃに示された屈折率プロファイルが少なくとも良好な近似で、転換される。

このようにして求められたデバイスに対する構造に基づいてデバイスが構成される。

図１Ｂに示されている近接場の強度分布のように、近接場は実際には、中央軸（ｚ＝０）の周りの−２〜＋２μｍの間の領域においてのみ、０と異なる値を有している。従って製造されるべきビーム放射デバイスでは、屈折率プロファイルひいてはここから計算される材料成分の経過特性は、この領域においてのみ転換されなければならない。ｚの値がより大きい場合には、近接場の強度は低く、計算された屈折率プロファイルのできるだけ正確な複製が行われない。

図１Ｅでは、このようなビーム放射デバイス１が概略的に断面図で示されている。ビーム放射デバイスは、半導体層列を備えた半導体２を有している。半導体層列は半導体を構成し、有利にはエピタキシャルに、例えば有機金属気相成長または分子線エピタキシーを用いて製造される。半導体２の半導体層列は、担体２９上に配置されている。担体２９は成長基板であり、この上に半導体の半導体層列が析出されている。これとは異なり、担体が成長基板でなくてもよい。この場合には担体は必ずしも、異に結晶純度に関する、成長基板に課せられる高い要求を満たす必要はなく、むしろ、温度または電気的な伝導性および／または機械的な安定性等の別の特性に関して選択される。

半導体はアクティブ領域２１を有している。アクティブ領域は、半導体の作動中にビームを形成するために設けられている。アクティブ領域の両側には、それぞれ１つのコンタクト層３１ないしは別のコンタクト層３２が配置されている。これらのコンタクト層は、有利には、半導体２の外部の電気的な接触接続のために用いられる。ビーム放射デバイスの作動時には、電荷担体が、このコンタクト層３１および３２を介して、異なる２つの側から、アクティブ領域内に注入され、ビーム放射のもとで再結合される。

アクティブ領域の両側に、それぞれ１つの場形成層２２が配置されている。アクティブ領域２１の方を向いていない、場形成層２２の面には、それぞれ１つのカバー層２６が配置されている。このカバー層は有利には、それぞれ１つの屈折率を有している。これは、場形成層の屈折率よりも低い。半導体内で振動するビームは、垂直方向において、大部分で、カバー層２６の間の領域に制限される。

さらに半導体２は側面２０を有している。ここでこの側面は半導体をラテラル方向において、すなわち、半導体２の半導体層の主要延在方向に沿って、制限する。半導体２の少なくとも１つの側面２０は、ビーム放射デバイス１の作動中に形成されるコヒーレントビームを取り出すために設けられている。すなわちビーム放射デバイスはエッジ発光型半導体レーザデバイスとして構成されている。

側面２０はここで例えば化学的に、ウエットケミカルエッチングまたはドライケミカルエッチング等によって、または機械的に、分割するまたは折ることによって製造される。

ビーム放射デバイスの製造に対して、基本的には、ビーム形成に適している全ての半導体材料が適している。

有利にはビーム放射デバイス１、殊にアクティブ領域２１および／または場形成層２２はＩＩＩ−Ｖ−化合物半導体材料を含む。これは殊に、材料組み合わせ（ＡｌＩｎＧａ）（ＡｓＰＮＳｂ）からのものである。ここでこの化合物半導体材料は、周期系の第３のグループからの上述した要素の少なくとも１つと、周期系の第５のグループからの上述した要素の少なくとも１つとを含む。

ＩＩＩ−Ｖ−化合物半導体材料は、紫外（Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ）スペクトル領域におけるビーム形成、可視（Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、殊に青色から緑色のビームに対して、またはＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ、殊に黄色から赤色ビームに対して）スペクトル領域におけるビーム形成を介して、赤外（Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｓｂ）スペクトル領域までのビーム形成に特に適している。ここでは、それぞれ０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１が有効であり、殊にｘ≠１、ｙ≠１、ｘ≠０および／またはｙ≠０である。ＩＩＩ−Ｖ−半導体材料、殊に上述の材料系からのＩＩＩ−Ｖ−半導体材料によってさらに、ビーム形成時に、高い内部量子効果が得られる。

以下では、例として、デバイスに対する層構造を説明する。これは、材料系Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓに基づいている。アクティブ領域２１は、量子層によって構成されている。これは６．５ｎｍの厚さを有しており、Ｉｎ_０．１３Ｇａ_０．８７Ａｓに基づいている。これとは異なり、アクティブ領域は、１つの量子層よりも多くの量子構造を有することもできる。これは例えば、２つの量子層またはこれよりも多くの量子層である。殊に、層の厚さおよび／またはインジウム含有量を変えることによって、アクティブ領域内で形成されたビームのピーク波長を調整することができる。

量子構造との用語は、本願の範囲において殊に、電荷担体に対する閉じ込め（"confinement"）によってエネルギー状態の量子化が行われる構造を含む。殊に、この量子構造という用語には、量子化の次元についての規定は含まれていない。従って量子構造にはとりわけ、量子箱、量子細線、量子点およびこれらの構造のあらゆる組み合わせが含まれる。

有利には半導体層は、アクティブ領域２１の１つの面上でｎ型ドーピングされ、アクティブ領域の別の面上で、少なくとも部分的にｐ型ドーピングされる。例えば、アクティブ領域２１と担体２９との間に配置された半導体層はｎ型ドーピングされる。

アクティブ領域は、２つの場形成層２２の間に配置されている。ここで場形成層２２はそれぞれ部分領域２２１および別の部分領域２２２を有している。この別の部分領域２２２はここで、アクティブ領域２１に対して、部分領域２２１よりも大きい間隔を空けて配置されている。

部分領域２２１はそれぞれ材料Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓを含んでいる。ここでアクティブ領域２１のアルミニウム含有量ｘは、間隔が増大するとともに、値は０．２０から０．３５へと増大する。有利には、この増大は連続的である。これに相応して、屈折率はそれぞれ低減する。

別の部分領域２２２は、アルミニウム含有量ｘのＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓを含んでいる。このアルミニウム含有量はアクティブ領域２１からの間隔が増大するとともに、０．１０の値から０．３５の値へと増大する。この増大は有利には連続的に行われ、殊に直線的または少なくともほぼ直線的に行われる。部分領域２２１と別の部分領域２２２との間にある跳躍的な移行部で、アルミニウム含有量は３５％から、跳躍的に２０％に低減する。すなわちアクティブ領域から見て、アルミニウム含有量ｘは、跳躍的な移行部２４の両側で、低減する。これと相応して、屈折率はそれぞれ低減する。

場形成層２２の部分領域２２１、２２２はそれぞれ９４０ｎｍの厚さを有する。

アクティブ領域２１の方を向いていない、場形成層２２の面にそれぞれ配置されているカバー層２６はそれぞれ１０００ｎｍの厚さを有しており、材料Ａｌ_０．５０Ｇａ_０．５０Ａｓを含んでいる。すなわちカバー層２６のアルミニウム含有量、場形成層のアルミニウム含有量よりも高い。従って、カバー層の屈折率は、場形成層２２の屈折率よりも小さい、従ってアクティブ領域２１内で生成されたビームの横断的なモードは少なくとも実質的に、カバー層の間の領域に制限される。

担体２９は有利には導電性である。担体が半導体材料、例えばＧａＡｓ、Ｇｅ、ＳｉまたはＧａＰに基づいている場合には、これは有利には、担体２９とアクティブ領域２１との間に配置されている半導体層２２、２６と同じようにドーピングされる。

これとは異なり、担体が電気的に絶縁して構成されていてもよい。この場合には、別のコンタクト層３２は有利には、アクティブ領域２１の方を向いている、担体２９の面に配置される。

すなわちこの第１の実施例では屈折率プロファイルは、半導体２の半導体層列の材料組成が析出方向に沿って、すなわち、半導体２の半導体層の主要延在方向に対して垂直に、適切に変化することによって得られる。

場形成層２２に対してここでは、屈折率が、化合物半導体材料の組成の変化によって調整可能な化合物半導体材料が特に適している。

このようにして、その放出されたビームが遠距離場において所定の間隔において、ビームをガウス状の放出特性で放射するデバイスよりも高い均一性を有しているビーム放射デバイスを製造することができる。

遠距離場の強度経過特性の曲線の下方に延在する、最大面積を有する矩形は、遠距離場の強度経過特性の曲線の下方の全体領域の、有利には少なくとも５０％、特に有利には少なくとも６０％、最も有利には少なくとも６５％を占める。

このようなビーム放射デバイスは、ポンピングレーザとして特に適している。

ビーム放射デバイスを製造する方法に対する別の実施例が、図２Ａ〜２Ｅに概略的に示されている。この第２の実施例は実質的には、第１の実施例に相応する。第１の実施例とは異なり、遠距離場における所定の放射特性は矩形プロファイルである。すなわち、これは、理想的な均一性を有する遠距離場の経過特性のことであり、ここでは曲線の下方の矩形は、全面積を覆っている。

図２Ａの近接場は、図２Ｂに示されている。これは、空間的なフーリエ変換によって、図２Ａに示されている経過特性から計算されたものである。この強度経過特性は、主要極大値２１０の他に複数の、副次的極大値２１１、２１２、２１３を示している。すなわち図１Ｂに示されている強度経過特性とは異なり、これは、間隔が大きい場合、例えばｚ＝３．５μｍでも、０とは異なる値を示す。

図２Ｂに示された近接場から求められた、屈折率プロファイルに対する値ｎないしは、アルミニウム含有量に対する値ｘは、図１Ｃおよび１Ｄと関連して説明されたように計算され、図２Ｃないしは２Ｄにおいて示されている。半導体２を備えたビーム放射デバイス１が図２Ｅに断面図で概略的に示されている。ここでこの半導体２の層構造は次のように構成されている。すなわち、アクティブ領域２１内で形成されたビームが所定の間隔において遠距離場を有しており、この遠距離場は図２Ａに示された理想的なプロファイルに近い。

ビーム放射デバイス１の構造は、実質的に、図１Ｅに関連して説明されたビーム放射デバイスに実質的に相応している。図１Ｅとは異なり、この場形成層２２は、それぞれ１つの付加的な部分領域２２３を有している。ここでこの付加的な部分領域は、アクティブ領域２１の方を向いていない、別の部分領域２２２の面に構成されている。

場形成層２２はそれぞれ２つの、跳躍的な移行部２４を有している。ここでこれらの移行部は部分領域２２１と別の部分領域２２２との間、ないしは別の部分領域２２２と付加的な部分領域２２３との間に構成されている。有利には、このアルミニウム含有量は、場形成層２２の付加的な部分領域２２３において、アクティブ領域との間隔が増大するにつれて、特に有利には連続的に、増大する。従って別の場形成層の屈折率は、アクティブ領域に対する間隔が増大するとともに、低減する。

アクティブ領域から見てそれぞれ跳躍的に屈折率が上昇している、それぞれ２つの跳躍的な移行部をアクティブ領域の両面に有している上述した屈折率プロファイルによって、カバー層２６の間で、場形成層２２において、近接場の強度分布が次のように構成される。すなわち、アクティブ領域２１から放出されるビームが遠距離場において、所定の間隔において、理想的な均一性を有する放出特性に近くなるように構成される。

図４Ａ〜４Ｃには、ビーム放射デバイスのためのエレクトロオプティカルなシミュレーションの結果が示されている。これは、図２Ｅに関連して説明された実施例に従って構成されたビーム放射デバイスに対するものである。

ｚ方向はここでそれぞれ、半導体２の半導体層の析出方向に相応している。零点は、この図において、アクティブ領域の方を向いている、担体２９の境界面である。図４Ａに示されている屈折率プロファイルは、アクティブ領域２１の両面でそれぞれ２つの跳躍的な移行部２４を有している。ここでは、屈折率はアクティブ領域から見て跳躍的に上昇している。跳躍的な移行部２４の両面では、屈折率がそれぞれ、アクティブ領域からの間隔が増大するにつれて低減する。

屈折率プロファイルは、アクティブ領域２１に対して対称的に構成されている。これによって、アクティブ領域内で生成されるビームの対称的な放出が容易になる。

図４Ａに示されている屈折率プロファイルから結果として生じた近接場は図４Ｂに、析出方向ｚに沿った強度分布として示されている。この強度分布は、主要極大値４０１の他に、両面で、それぞれ強度副次的極大値４０２および４０３を有している。従って、遠距離場において、ガウスの放出特性を有するデバイスとは格段に異なる。ガウス遠距離場では、属する近接場も、ガウス形状を有しており、従って、副次的な極大値を示さない。

図４Ａを図４Ｂと比較するとわかるように、副次的極大値４０２は、場形成層２２の別の部分領域２２２において形成され、副次的極大値４０３は、場形成層２２の付加的な部分領域２２３において形成される。主要極大値４０１に属している強度成分は、ｚ方向に沿って、アクティブ領域２１および場形成層２２の部分領域２２１に制限される。上述した屈折率プロファイルに基づいて、場形成層２２は、アクティブ領域２１において形成されたビームの近接場を次のように構成することができる。すなわち、結果として生じる遠距離場が所定の間隔において、ガウス放出特性よりも高い均一性を有するように形成することができる。

注入された電流ｊの関数である、出力パワーＰのシミュレートされた経過特性は、図４Ｃに示されている。このデバイスは４００ｍＡを僅かに越えるレーザ閾値を有している。急峻性は約１Ｗ／Ａである。図示されたシミュレーションは、上述の方法によって、良好な電光特性を同時に有している場合に、均一な遠距離場を有するデバイスを製造することが可能であることを示している。

ビーム放射デバイスの第３の実施例の屈折率プロファイルに対する質的な経過特性は、図５に示されている。

この第３の実施例は、基本的には、図４Ａに関連して説明した第２の実施例に相応している。第２の実施例との違いは、ビーム放射デバイスが、アクティブ領域２１に対して付加的に、アクティブ領域の両面にそれぞれ１つの別のアクティブ領域２７を有していることである。これらの別のアクティブ領域２７はそれぞれ、場形成層２２内に配置されている。

アクティブ領域２１と別のアクティブ領域２７との間にはそれぞれトンネル領域２８が構成されている。このトンネル領域２８は、別のアクティブ領域２７およびアクティブ領域が相互の直列に接続されるために設けられている。有利にはトンネル領域はそれぞれ高ドープされたｎ型半導体層および高ドープされたｐ型半導体層を有している。有利にはドーピング濃度はそれぞれ少なくとも１０^１８ｃｍ^−３、特に有利には少なくとも１０^１９ｃｍ^−３である。

トンネル領域２８は有利には、屈折率プロファイルの跳躍的な移行部２４の領域内に配置されている。この領域において、近接場の強度は、図４Ａおよび４Ｂに示されているように、比較的低い。このようにしてトンネル領域２８内での近接場のビーム強度の吸収は回避される、あまたは少なくとも著しく低減される。

アクティブ領域２１および別のアクティブ領域２７はコヒーレントに結合される。すなわち、アクティブ領域内で形成されたビームと、別のアクティブ領域内で形成されたビームは共通の横断的な光学モードを有している。有利には上述したように、跳躍的な移行部２４の領域内に構成される、これらの光学モードの結合点内に、それぞれトンネル領域２８が配置されている。

付加的なアクティブ領域２８によって、全体として、デバイスから出射するビーム出力が増大する。

ビーム放射デバイスの第４の実施例に対する屈折率プロファイルは、図６に示されている。この第４の実施例は基本的に、図４Ａに関連して説明された第２の実施例に相応する。第２の実施例との違いは、ビーム放射デバイスの半導体が別のアクティブ領域２７を有しているこということである。アクティブ領域２１および別のアクティブ領域２７は、相互に重なった配置されている。ここで、２つの別の場形成層２３の間にこの別のアクティブ領域が配置されている。アクティブ領域２１と別のアクティブ領域２７は、この実施例において同様に構成されている。

さらに、場形成層２２と場形成層は同様に構成されている。すなわち屈折率プロファイルは、別のアクティブ領域２７の両側で、それぞれ２つの別の跳躍的な移行部２５を有している。ここでは各屈折率は、別のアクティブ領域から見て、増大する。

アクティブ領域２１および別のアクティブ領域２７内にトンネル領域２８が構成されている。このトンネル領域は、図５に関連して説明したように構成される。図５に関連して説明した実施例とは異なり、アクティブ領域２１と別のアクティブ領域２７は相互に比較的幅広く離れている。場形成層２２ないしは別の場形成層２３によって、アクティブ領域２１ないしは別のアクティブ領域２７内で生成されたビームは相互に分離される。

すなわちアクティブ領域２１および２７は、実質的に相互に依存しないでコヒーレントなビームを生成する。光学モードの実質的な分離のために、図示された実施例とは異なり、場形成層２２と別の場形成層２３との間に別の外套層を配置することができる。この別の外套層は有利には、場形成層２２および別の場形成層２３の屈折率よりも低い屈折率を有している。

ビーム放射デバイスに対する第５の実施例が、図７に概略的に平面図で示されている。半導体層列を備えた半導体の垂直な構造は、ここで、図４Ａ〜６に関連して記載された実施例のように構成される。さらに、属する屈折率プロファイルの経過特性が質的に示される。

半導体２は切り欠き４を有している。この切り欠きは、側面２０から出射するビームの主要放出方向に対して垂直に、半導体２内へと延在する。切り欠き４は、少なくとも部分的に充填材料によって充填される。これは有利には、半導体２よりも低い屈折率を有している。

半導体２の外部から見て、この切り欠きは、深さが増すとともに先細る。このようにして、平均化時に、主要放出方向に沿って、切り欠き４の領域において、半導体２の縁部へ向かって低減する屈折率プロファイルが構成される。切り欠き４は、半導体２の対向面から、半導体２内へと延在する。これらの側にはそれぞれ１つの縁部層６が配置されている。この縁部層の屈折率は、半導体２からの間隔が増すとともに低減する。これとは異なり、一定の屈折率経過特性を備えた縁部層を設けることもできる。

縁部層６は有利には、誘電材料を含有している。これは例えば酸化物、例えばケイ素酸化物、または酸窒化物、例えばケイ素酸窒化物を含有している。縁部層が、それぞれ多層に構成されていてもよい。ここで部分層の屈折率は、半導体からの間隔が増大するとともに低減する。

半導体と縁部層６との間には、それぞれ１つの跳躍的移行部２４が構成されている。ここでは、屈折率が、半導体２の内部から見て跳躍的に上昇している。すなわちこの跳躍的な移行部は、半導体と半導体に接している層との間の境界面に構成されている。

このようにして、主要放射方向に対して垂直に、かつ半導体２の半導体層の析出方向に対して垂直に、別の屈折率プロファイルが構成される。この別の屈折率プロファイルによって、近接場がこの方向に沿って次のように形成される。すなわち、近接場から結果として生じる遠距離場がこの方向に沿って、設定されている放出特性に相応するように形成される。

従って、ビーム放射デバイスは次のように構成される。すなわち、放出特性が遠距離場において、相互に向かい合って垂直に延在している２つの軸に沿って、設定されている経過特性に相応する、または少なくともこれに近似するように構成される。

本特許出願は、ドイツ連邦共和国特許出願第１０２００７０４５４９９．８号および第１０２００７０５１３１５．３号の優先権を主張し、これらの文献の開示内容は本願に参考として取り入れられている。

本発明は、実施例に基づく記載に制限されない。むしろ本発明はそれぞれの新しい特徴並びに特徴のそれぞれの組み合わせを含んでおり、このことは殊に、たとえこれらの特徴またはこれらの組み合わせが特許請求の範囲または実施例に明確に記載されていなくとも、特許請求の範囲おける特徴のいずれの組み合わせも包含するものである。

Claims (17)

1. ビーム放射デバイス（１）の製造方法であって、
   当該方法は以下のステップを有している：すなわち、
   ａ）遠距離場における、ガウス状の放出特性よりも高い均一性を有している放出特性を設定するステップ；
   ｂ）前記ビーム放射デバイス（１）の主要放出方向に対して垂直に延在する方向における、前記ビーム放射デバイス（１）に対する屈折率プロファイルを前記設定された放出特性から求めるステップ；
   ｃ）前記デバイス（１）が前記事前に定められた屈折率プロファイルを有するように、前記デバイス（１）に対する構造を求めるステップ；および
   ｄ）前記事前に定められた構造に従って、前記ビーム放射デバイス（１）を構成するステップ、
   とを有している、
   ことを特徴とする、ビーム放射デバイスの製造方法。
2. ステップｂ）において、
   ・遠距離場における前記設定されている放出特性から、属する近接場を求め、
   当該近接場から、前記ビーム放射デバイス（１）に対する前記屈折率プロファイルを求める、請求項１記載の方法。
3. 前記ビーム放射デバイス（１）は半導体層列を伴う半導体（２）を有しており、当該半導体層列は、ビーム形成のために設けられたアクティブ領域（２１）を有しており、
   ステップｄ）において、前記前記半導体層列を伴う半導体（２）を析出し、前記屈折率プロファイルを、適切な材料組成によって、前記半導体（２）の半導体層列に対する析出方向に沿って構成する、請求項１または２記載の方法。
4. 遠距離場における前記放出特性を、相互に傾斜または垂直に延在している２つの軸に沿って設定し、ステップｂ）において、前記主要放出方向に対して垂直に、かつ前記屈折率プロファイルに対して垂直に別の屈折率プロファイルを求め、ステップｃ）において、前記デバイス（１）の構造を求め、前記デバイスは、前記事前に定められた別の屈折率プロファイルを有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. ビーム放射デバイスであって、
   ビームを形成するために設けられたアクティブ領域（２１）を備えており、
   主要放出方向と、当該主要放出方向に対して垂直な屈折率プロファイルを有しており、
   当該屈折率プロファイルは次のように構成されている、すなわち、当該屈折率プロファイルに基づいて、前記デバイスの作動中に形成されるビームの放出特性が遠距離場において、アクティブ領域（２１）に対して設定された間隔で、ガウス状の放出特性よりも高い均一性を有しているように構成されている、
   ことを特徴とするビーム放射デバイス。
6. ビーム放射デバイスであって、
   ビームを形成するために設けられたアクティブ領域（２１）を備えており、
   主要放出方向を有しており、
   前記アクティブ領域の両側に場形成層（２２）が配置されており、当該場形成層（２２）によって、前記主要放出方向に対して垂直に屈折率プロファイルが構成され、当該屈折率プロファイルは、前記アクティブ領域（２１）の両側で、それぞれ跳躍的な移行部（２４）を有しており、ここでは各屈折率はアクティブ領域（２１）から見て増大しており、
   前記アクティブ領域（２１）の方を向いていない、場形成層（２２）の面には、それぞれ１つのカバー層（２６）が配置されており、当該カバー層（２６）は、前記場形成層（２２）の屈折率よりも低い屈折率を有している
   ことを特徴とするビーム放射デバイス。
7. 前記放出特性は遠距離場（１００）において強度経過特性を有しており、当該強度経過特性には、前記強度経過特性の曲線の下方に延在している、最大面積（１０１）を備えた矩形が割り当てられており、当該矩形は、遠距離場の強度経過特性の曲線の下方の面積全体の少なくとも５０％を占める、請求項５または６記載のビーム放射デバイス。
8. 前記放出特性は遠距離場（１００）において強度経過特性を有しており、当該強度経過特性には、前記強度経過特性の曲線の下方に延在している、最大面積（１０１）を備えた矩形が割り当てられており、当該矩形は、遠距離場の強度経過特性の曲線の下方の面積全体の少なくとも６０％を占める、請求項５または６記載のビーム放射デバイス。
9. 前記少なくとも１つの場形成層（２２）は、部分領域（２２１）および別の部分領域（２２２）を有しており、
   前記部分領域（２２１）および前記別の部分領域（２２２）における屈折率はそれぞれ、前記アクティブ領域（２１）からの距離が増大するとともに低減し、
   前記部分領域（２２１）および前記別の部分領域（２２２）は、前記アクティブ領域（２１）の同じ面に配置されている、請求項６記載のビーム放射デバイス。
10. 前記跳躍的な移行部（２４）は、前記部分領域（２２１）と前記別の部分領域（２２２）との間に配置されている、請求項９記載のビーム放射デバイス。
11. 前記屈折率は、前記跳躍的な移行部（２４）の両側で、前記アクティブ領域（２１）から見て、連続的に低減する、請求項９または１０記載のビーム放射デバイス。
12. 前記デバイス（１）は、半導体層列を備えた半導体（２）を有しており、
    前記アクティブ領域は前記半導体（２）内に構成されており、前記屈折率プロファイルは前記半導体（２）の半導体層の主要延在方向に対して垂直に延在している、請求項５から１１までのいずれか１項記載のビーム放射デバイス。
13. 前記主要放出方向に対して垂直に、かつ前記屈折率プロファイルに対して垂直に、別の屈折率プロファイルを有しており、当該別の屈折率プロファイルは、切り欠き（４）によって構成され、当該切り欠きは、前記別の屈折率プロファイルに沿って前記半導体（２）内へ延在している、請求項５から１２までのいずれか１項記載のビーム放射デバイス。
14. 別のアクティブ領域（２７）を有しており、当該別のアクティブ領域は、ビーム形成のために設けられている、請求項５から１３までのいずれか１項記載のビーム放射デバイス。
15. 前記アクティブ領域（２１）と前記別のアクティブ領域（２７）との間にトンネル領域（２８）が構成されており、
    前記アクティブ領域（２１）において形成されたビームと、前記別のアクティブ領域（２７）において形成されたビームは、共通の横断的な光学モードを有しており、前記トンネル領域（２８）は前記横断的光学モードの結合点内に配置されている、請求項１４記載のビーム放射デバイス。
16. 前記跳躍的な移行部（２４）は、前記アクティブ領域（２１）と前記別のアクティブ領域（２７）との間に配置されている、請求項１４または１５記載のビーム放射デバイス。
17. 前記別のアクティブ領域（２７）の両側に、別の場形成層（２３）が配置されており、前記屈折率プロファイルは、前記別のアクティブ領域の両側でそれぞれ別の跳躍的な移行部（２５）を有しており、ここで各屈折率は別のアクティブ領域（２７）から見て増大している、請求項１４記載のビーム放射デバイス。

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