JP5894293B2 - 半導体レーザダイオード - Google Patents

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Description

半導体レーザダイオードを提供する。
基板の上にエピタキシャルに堆積される半導体材料から作製される高出力レーザダイオードチップは、十分な放熱を確保する目的で、ヒートシンクまたはキャリアの上に実装され、これらのヒートシンクまたはキャリアは、高い熱伝導率と、さらには部分的に能動冷却（すなわち冷却液の流れ）を有する。実装は、一般にははんだ付けによって実施される。この目的のため、レーザダイオードチップは、実装面の上に、はんだ付け面として使用される大きな領域を有するメタライゼーションを有する。
非対称的な鏡面反射率と１つまたは複数のエミッタストリップ（emitter strip）を有する一般的な設計の高出力レーザダイオードチップにおける熱損失源は、均一に分布していない。むしろ、熱損失源は、取り出し傾斜面に近い共振器方向においてと、半導体材料における共振器方向を横切る横方向において、電気的に接触されているエミッタストリップに最大限に集中している。熱損失は、チップから、はんだ付け面を形成するメタライゼーションおよびはんだを介して、ヒートシンクまたはキャリアへの熱伝導によって、放散される。この場合、電流の経路と熱の流れの経路は一般にほぼ同じである。
温度管理に関連して、一般的な高出力レーザダイオードチップには、最大限の放熱を目的として、半導体チップとヒートシンクまたはキャリアとの間に、できる限り大きな熱接合面（すなわち、最大限に大きな領域を有するはんだ付け面を形成するメタライゼーション）が設けられている。結果として、レーザダイオードチップの熱抵抗はできる限り低く維持されるべきであり、なぜなら、これにより重要なレーザパラメータが動作時に恩恵を受けることができ、例えば、高い効率、小さいビーム広がり、より高い出力定格、より高い信頼性が得られる。この背景に対して、意味のある範囲で選択するべき熱接合面の最小の大きさは、熱損失を発生させる領域の拡張の領域にほぼ一致する、または、半導体材料における熱拡散効果のため、これよりいくらか大きい。
しかしながら、はんだ付け境界面は、ヒートシンクの材料またはキャリアの材料と比較して、一般に大きな熱伝達抵抗を有し、これにより、一般的なレーザダイオードチップにおいては、屈折率および光学利得が温度に依存することによる熱損失の上述した不均一な分布のために、熱レンズが発生する温度プロファイルが生じることがある。この結果として、動作電流または出力が大きい場合、公知のレーザダイオードチップのビーム広がりが増大する。
しかしながら、できる限り大きな表面を通じて半導体材料をヒートシンクまたはキャリアに熱的に接合する公知の方法では、いくつかのレーザパラメータの最適化が限界に達し、なぜなら、半導体材料における温度の絶対レベルは下げることができるが、温度分布が基本的に不均一であることはそのままであるためである。この不均一性によって発生する熱レンズを抑制する方法は、あらゆる場合に一般的な方法で行われるレーザの効率を最適化すること以外は、知られていない。
特定の実施形態の少なくとも１つの目的は、温度分布の不均一性が公知のレーザダイオードと比較して減少する半導体レーザダイオードを提供することである。
この目的は、独立請求項に記載されている主題によって達成される。この主題の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おり、以下の説明および図面からも明らかになるであろう。
少なくとも一実施形態によると、半導体レーザダイオードは、垂直方向に上下に重ねて形成されている半導体層を有する半導体積層体を有する。個々の半導体層は、垂直の成長方向に対して直角に向いた横方向または横断方向と、垂直方向および横方向に対して直角な縦方向とを有する。特に、半導体積層体は、動作時に活性領域においてレーザ放射を生成する活性層を有する。動作時、レーザ放射は放射取り出し面を介して放出され、放射取り出し面は、半導体積層体の側面によって形成されており、半導体積層体の反対側の裏面とともに、縦方向における共振器を形成する。したがって、本明細書に記載されている半導体レーザダイオードは、いわゆる端面発光型半導体レーザダイオードであることが好ましい。
半導体積層体の上面に直接接触した状態でメタライゼーション層が形成されており、半導体積層体の上面は半導体カバー層によって形成されている。言い換えれば、半導体カバー層は、垂直方向において半導体積層体の一番上の半導体層である。
半導体積層体の上面には、構造化された放熱層も形成されている。構造化された放熱層は、少なくともメタライゼーション層を有する。
さらには、半導体レーザダイオードの活性領域は、３０μｍ以上の幅を有する。このような半導体レーザダイオードは、いわゆるストライプレーザと称することもでき、特に好ましくはいわゆるブロードストライプレーザと称することができる。さらには、活性領域の幅は、２００μｍ以下とすることができ、特に好ましくは、５０μｍ以上１５０μｍ以下とすることができる。好ましい一実施形態においては、活性領域は、約１００μｍの幅を有することができる。活性領域の幅は、半導体層における電流拡張効果（current expansion effect）を考慮したときの横方向の電流拡張を定義する半導体層の幅によって実質的に決まる。この層（好ましくは帯状に形成されている）は、この場合には電流供給半導体層と称し、半導体カバー層、もしくは、１層または複数層の下層、またはその両方によって形成することができる。
半導体積層体の共振器は、少なくとも、主に横方向の利得導波（predominately lateral gain-guiding）を有する共振器である。言い換えれば、本明細書に記載されている半導体レーザダイオードの場合、共振器において横方向の屈折率導波（lateral index-guiding）よりも横方向の利得導波が優勢であり、これは、活性層の上に配置されている半導体層における、活性層の近くのリッジ構造によって達成することができる。横方向の利得導波および横方向の屈折率導波の原理は、当業者に公知であり、したがってこれ以上説明しない。本明細書に記載されている半導体レーザダイオードとは異なり主として横方向の屈折率導波を有する半導体レーザの一例は、当業者に公知である台形状のリッジ導波路型レーザである。以下では、主として横方向の利得導波を有する共振器を、簡略的に、横方向の利得導波を有する共振器と称する。
半導体レーザダイオードを動作させることにより、本明細書において熱影響領域（thermal region of influence）と称する領域において、レーザ放射の生成時に半導体積層体が加熱される。本明細書に記載されている半導体レーザダイオードの熱影響領域それぞれは、縦方向において、放射取り出し面まで約５０μｍの位置から、裏面まで約５０μｍの位置まで延在する。横方向には、熱影響領域は、活性領域の中心から見たとき、温度が値Ｔｍｉｎ＋（Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎ）／１０に下がる、活性領域の中心からの距離によって定義され、ＴｍａｘおよびＴｍｉｎは、活性領域の横方向中心と半導体積層体の横方向縁部との間の領域における温度の全体的な最大値（overall maximum value）および全体的な最小値（overall minimum value）である。横方向に互いに隣り合って配置されている複数の活性領域を有する半導体レーザダイオードの場合、Ｔｍｉｎは、２つの隣り合う活性領域の間の温度の全体的な最小値を表す。
前に定義した熱影響領域の外側（例えば放射取り出し面および裏面の真上）における半導体積層体の加熱については、以下では考慮しない。
熱影響領域の幅は、活性領域の幅に依存し、したがって、電流が注入される活性層の領域の幅に依存する。半導体積層体における熱拡散効果のため、熱影響領域はつねに活性領域よりも広い。一般に、熱影響領域の幅は、活性領域の幅に約２×５０μｍを加えた値より小さい。言い換えれば、熱影響領域は、活性領域の両側においてそれぞれ横方向に５０μｍ未満だけ突き出している。
メタライゼーション層は、熱影響領域の上方の領域における累積幅（cumulative width）をさらに備えている。メタライゼーション層がその幅の方向に局所的に連続しており構造化されていない場合、累積幅は、メタライゼーション層の幅に一致する。メタライゼーション層が１つの領域において横方向に構造化部（例えば、後からさらに説明するように、開口部、ハーフトーン状の（half-tone-like）構造化された縁部、くさび形状の切取り部）を有する場合、累積幅は、この領域における部分領域すべての幅の合計を表す。
本明細書に記載されている半導体レーザダイオードの場合、熱影響領域の幅に対するメタライゼーション層の累積幅の比は、放射取り出し面までの距離に依存して変化し、この場合、放射取り出し面までの同じ距離における累積幅と熱影響領域の幅の比が使用される。したがって、構造化された放熱層によって、活性領域からの放熱を縦方向もしくは横方向またはその両方向に沿って変化させることができる。
メタライゼーション層の累積幅と熱影響領域の幅の比が縦方向において変化することにより、半導体積層体の熱影響領域からの放熱のための局所的な熱抵抗を変化させることができる。局所的な熱抵抗とは、本明細書においては、半導体レーザダイオードの活性領域における局所的な温度上昇と、半導体レーザダイオードの動作時に発生する局所的な損失要因密度（local loss factor density）の商に比例する変数を表す。したがって、局所的な熱抵抗は、活性領域への電流注入と、それによって発生する局所的な損失要因密度に起因して、半導体レーザダイオードの動作によって活性領域の部分領域が加熱される程度の測度である。局所的な熱抵抗が高いほど、特定の局所的な損失要因密度における局所的な温度上昇が高くなり、この逆も成り立つ。局所的な熱抵抗は、構造化された放熱層を通じての放熱が大きいほど小さく、したがって、特に放熱の測度でもあり、なぜなら、構造化された放熱層を通じての対応する局所的な放熱が大きいほど、局所的な熱抵抗と、したがって特定の局所的な損失要因密度における局所的な温度上昇が低いためである。
構造化されていない放熱層を使用して大きな領域を通じて熱接合する場合（これは公知のレーザダイオードチップの場合である）、放熱のための局所的な熱抵抗は、領域全体にわたり少なくとも実質的に均一であり、したがって、局所的な損失要因密度が高い位置では、損失要因密度が低い位置よりも高い温度上昇が発生し、この結果として、特に、熱影響領域において、上述した不均一な温度分布につながる。本明細書に記載されている半導体レーザダイオードの場合、熱影響領域において局所的な熱抵抗が局所的な損失要因密度に適合化されて、局所的な損失要因密度が他の部分領域よりも低い部分領域において局所的な熱抵抗が高いように、構造化された放熱層の構造化と、特にメタライゼーション層の構造化とを選択することができ、これは有利である。
本明細書において、層または要素が別の層または別の要素の「上」または「上方」に配置または形成されているとは、その層または要素がその別の層または別の要素に、機械的に直接接触した状態で、もしくは、電気的に接触した状態で、またはその両方の状態で、直接配置されていることを意味しうる。さらに、このことは、層または要素が別の層または別の要素の上または上方に間接的に配置されていることも意味しうる。この場合、層と別の層の間、または要素と別の要素の間に、さらなる層もしくはさらなる要素またはその両方を配置することができる。
本明細書において、層または要素が２つの別の層または別の要素の「間に」配置されているとは、その層または要素が、２つの別の層または別の要素のうちの一方に、機械的に直接接触した状態で、もしくは、電気的に接触した状態で、またはその両方の状態で、または間接的に接触した状態で、直接配置されており、かつ、その層または要素が、２つの別の層または別の要素のうちの他方に、機械的に直接接触した状態で、もしくは、電気的に接触した状態で、またはその両方の状態で、または間接的に接触した状態で、直接配置されていることを意味しうる。間接的な接触の場合、１つの層と、２つの別の層のうちの少なくとも一方との間、または、１つの要素と、２つの別の要素のうちの少なくとも一方との間に、さらなる層もしくはさらなる要素またはその両方を配置することができる。
上の説明によると、半導体積層体は、それぞれが主面に沿って延在する半導体層を有し、主面は、縦方向と、横方向または横断方向によって定義されており、その一方で、半導体積層体の配置方向または成長方向は、半導体レーザダイオードの垂直方向を定義する。以下の説明において、例えば半導体積層体の幅や、それ以外の層または領域の幅が言及される場合、その幅は、横方向または横断方向における、該当する要素の範囲を意味する。長さは、縦方向における範囲を意味し、厚さまたは高さは、垂直方向における範囲を表す。
さらなる実施形態によると、半導体積層体は、活性層に加えて、さらなる機能半導体層、例えば、導波路層、シェル層、バッファ層、半導体コンタクト層のうちの１層または複数層を有する。活性領域として、半導体積層体は、例えば、従来のｐｎ接合部、ダブルヘテロ構造、単一量子井戸構造、または多重量子井戸構造を有することができる。量子井戸構造は、例えば、量子井戸、量子細線、量子ドット、またはこれらの構造の組合せを備えていることができる。
半導体積層体は、例えば、ヒ化物半導体材料、リン化物半導体材料、または窒化物半導体材料からなる１層またはいくつかの半導体層を有することができる。長波長の赤外線〜赤色の放射の場合、例えばＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＡｓ系の半導体積層体が適しており、赤色放射の場合、例えばＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＰ系の半導体積層体が適しており、短波長の可視放射（すなわち緑色光〜青色光、または紫外線放射）の場合、例えばＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ系の半導体積層体が適しており、いずれの場合も０≦ｘ≦１かつ０≦ｙ≦１である。
半導体積層体の半導体層は、半導体積層体が、基板とは反対側の最後の層として半導体カバー層を有するように、基板の上に成長させることが好ましい。層を成長させた後、基板を、完全に、または部分的に除去することができる。さらには、半導体層に接触するための電極層を、半導体積層体の上に設ける。メタライゼーション層（半導体カバー層に直接接触している）が、このような電極層を形成していることが好ましい。したがって、半導体カバー層は、半導体コンタクト層を形成していることが好ましく、半導体コンタクト層は、特に好ましくは、特に１×１０１８ｃｍ−３より高いドーパント濃度で、高濃度にドープすることができる。一般には、この目的のため、半導体カバー層は、約２００ｎｍのオーダーの厚さを有することができる。この厚さは、半導体カバー層の横方向導電率に応じて、より大きい厚さまたはより小さい厚さとすることもできる。メタライゼーション層とは反対側の半導体積層体の面には、さらなる電極層によって接触することができる。
さらには、例えば、半導体積層体の上面、少なくとも部分領域に、パッシベーション層を配置することができ、このパッシベーション層は、メタライゼーション層が、部分領域においてのみ、特に半導体カバー層の領域において、半導体積層体の上面に直接接触することができるように、構造化されている。半導体カバー層は、例えば、構造化して、部分領域を除去することができる。この場合、半導体カバー層が除去されている領域においては、半導体積層体の上面は、下層の露出した半導体層によって形成されている。
さらには、半導体積層体は、構造化された放熱層と活性領域との間に、活性領域に電流を供給する半導体層を有することができる。この電流供給半導体層は、構造化することができ、縦方向において変化する横方向幅を有することができる。例えば、電流供給層の幅を、放射取り出し面までの距離が増大するにつれて小さくすることができ、すなわち、電流供給層は台形状の構造を有する。あるいは、電流供給層は、放射取り出し面までの距離が大きくなるにつれて、少なくとも部分的に大きくなる幅を有することができる。電流供給層の幅を変化させることによって、熱影響領域の幅も変化する。
例えば、電流供給層は、前述したように構造化することができ、半導体カバー層を備えている、または半導体カバー層によって形成することができる。これに代えて、またはこれに加えて、構造化された電流供給半導体層が、活性層と半導体カバー層との間に配置されている半導体層を備えている、またはこのような半導体層によって形成されていることも可能である。したがって、構造化された電流供給半導体層は、縦方向における帯状部を好ましく形成することができ、この帯状部は、放射取り出し面から、放射取り出し面とは反対側の裏面まで延在している。電流供給半導体層が、放射取り出し面までの距離が大きくなるにつれて少なくとも部分的に小さくなる、または大きくなる幅を有する場合、電流注入の幅、したがって局所的な損失要因密度が発生する領域の幅を、放射取り出し面までの距離に依存して変化させることができる。特に、電流供給層が放射取り出し面に向かって狭くなっていく場合、活性領域における電流密度、およびしたがって局所的な損失要因密度を、放射取り出し面から離れた位置よりも放射取り出し面の近くにおいて、小さくすることができる。この場合、特に活性領域および周囲の半導体層における温度分布を調整することが可能であり、これは有利である。放射取り出し面の近くで電流密度を減少させることによって、一般的なレーザダイオードでは放射取り出し面において上昇する温度を下げることが可能である。
さらには、メタライゼーションと半導体積層体の上面との間の接触面（半導体積層体の上面に配置されているパッシベーション層において縦方向に延びている開口部によって形成されている）は、例えば、より狭くすることができ、電流供給層の幅もしくは構造化またはその両方とは独立した形状とすることができる。
さらなる実施形態によると、少なくとも１層の半導体層は、半導体カバー層と活性層との間に、横方向において構造化された縁部を有する。したがって、横方向におけるこの縁部は、半導体層の幅の境界を形成する、または幅を定義する縁部であり、縦方向に延びている。特に、構造化された縁部を有する半導体層は、構造化された電流供給半導体層と活性層との間に配置することができる。縁部は、例えば、鋸歯状に構造化することができる。このような構造化によって、電流拡張と、したがって活性層における活性領域の範囲を、有利な様式で調整することができる。
さらなる実施形態によると、メタライゼーション層は、それぞれが金属または合金からなる１層または特に好ましくは複数の層を備えている。したがって、メタライゼーション層は、複数の層の形の垂直構造を有することができる。メタライゼーション層の合計厚さは、最大で数マイクロメートルとすることができる。例えば、メタライゼーション層は、材料Ｔｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを有する積層体を有することができる。メタライゼーション層の層は、特に、製造効率と、金属と半導体積層体の上面との間の機械的な接着性と、金属−半導体遷移部の電気接触抵抗とに基づいて、選択することができる。
さらなる実施形態によると、構造化された放熱層は、メタライゼーション層によって形成されている。言い換えれば、メタライゼーション層は、熱影響領域における横方向もしくは縦方向またはその両方向における構造化によって、縦方向もしくは横方向またはその両方向に沿って変化する局所的な熱抵抗をもたらす。
さらなる実施形態によると、熱影響領域の幅に対するメタライゼーション層の累積幅の比は、放射取り出し面までの距離が増大するにつれて減少する。結果として、放射取り出し面までの距離が増大するにつれて、メタライゼーション層によって形成されている半導体積層体の接合面が、熱影響領域に関連して小さくなり、すなわち、放射取り出し面までの距離が増大するにつれて、放熱量が低下することを達成することができる。大きな領域の上の構造化されていないメタライゼーションによる、大きな領域を通じての公知の構造化されていない接合と比較すると、裏面までの距離が小さくなるにつれて半導体積層体の部分領域において温度が上昇し、したがって、共振器の方向における温度差を減少させることができる。
特に、メタライゼーション層は、放射取り出し面までの距離に依存して変化する構造化もしくは変化する幅またはその両方を有することができる。変化する構造化もしくは変化する幅またはその両方は、メタライゼーション層と活性層との間に配置されている半導体積層体の半導体層の構造化もしくは幅またはその両方と、少なくとも部分的に異なっていることができる。特に、このことは、メタライゼーション層と、活性層の上方に配置されている半導体層（すなわち特に例えば半導体カバー層）が、公知のリッジ導波路レーザの場合のように横方向および縦方向における同じ層断面を有するリッジ導波路構造を形成しないことを意味しうる。
さらなる実施形態によると、メタライゼーション層は、放射取り出し面までの距離が増大するにつれて減少する幅を有する。言い換えれば、メタライゼーション層は、放射取り出し面までの距離が増大するにつれて狭くなる。結果として、すでに前述したように、半導体レーザダイオードを外部キャリアまたは外部ヒートシンクの上に例えばはんだ付けによって配置することのできる面を、放射取り出し面までの距離が増大するにつれて小さくすることができる。したがって、メタライゼーション層を通じての放熱は、放射取り出し面までの距離が増大するにつれて減少し、これに対応して、局所的な熱抵抗が増大する。放射取り出し面の近くでは、例えば、メタライゼーション層を電流供給半導体層よりも広くすることができ、特に、熱影響領域よりも広くすることができる。「放射取り出し面の近く」という表現は、縦方向において放射取り出し面の側の、メタライゼーション層の端部を意味する。裏面の近くでは、メタライゼーション層を熱影響領域よりも狭くすることができ、さらには電流供給半導体層よりも狭くすることができる。
さらなる実施形態によると、メタライゼーション層は、開口部、特に、例えば垂直方向において電流供給層の上に配置されている開口部を有し、この開口部は、放射取り出し面までの距離が増大するにつれて大きな表面積を占めることができる。すなわち、放射取り出し面までの距離が増大するにつれて、大きさ、数、密度、またはこれらの特性の組合せが大きくなる。結果として、放射取り出し面までの距離が増大するにつれて、メタライゼーション層の累積幅が小さくなる。
さらなる実施形態によると、メタライゼーション層よりも低い熱伝導率を有する材料が開口部の中に配置されている。さらには、メタライゼーション層よりも低いはんだ付け性を有する材料を開口部の中に配置することも可能である。低いはんだ付け性とは、特に、はんだ境界面において高い熱抵抗が生じることを意味しうる。結果として、開口部の領域において、低い熱伝導率と、したがってメタライゼーションの上に配置されているヒートシンクへの、活性領域において発生する熱の小さい放熱を可能にすることができる。材料は、例えば合成材料（例：ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ））、空気、または真空によって形成することができる。さらには、開口部の中の材料が、はんだ付けできない材料、または極めて効果的にははんだ付けできない材料、例えば極めて効果的にははんだ付けできない金属（例：酸化金属）によって、形成されていることも可能である。さらに、メタライゼーションを開口部なしで形成し、次いで、相互に個別の部分領域においてメタライゼーションを酸化することも可能であり、酸化する部分領域の面密度は、放射取り出し面までの距離が増大するにつれて大きくなる。
さらなる実施形態によると、メタライゼーション層は、島状に構造化されている、横方向における縁部を有する。横方向における縁部とは、メタライゼーション層の縁部であって、それによってメタライゼーション層の幅が決まり、縦方向に延在する縁部を意味する。島状の構造化部を有する縁部とは、特に、中央の帯状部が活性領域の上方に縦方向に配置されており、メタライゼーション層が、横方向において、中央の帯状部に加えて島部を有することを意味しうる。中央の帯状部までの横方向距離が増大するにつれて、島部は小さい面密度を有することができ、すなわち、中央の帯状部までの横方向距離が増大するにつれて、大きさ、数、密度から選択される１つまたは複数の特性が小さくなるようにすることができる。メタライゼーション層の横方向における構造化された縁部は、特に好ましくは、ハーフトーン状に構造化することができる。さらには、横方向における縁部が開口部を有し、メタライゼーション層の中心から見たときに横方向距離が増大するにつれて、開口部が大きくなる、または、開口部の数または密度の少なくとも一方が増大する、またはその両方であることも可能である。
さらなる実施形態によると、メタライゼーション層に内部ヒートシンクが直接接触した状態で形成されている。本明細書においては、内部ヒートシンクまたは一体型ヒートシンクは、好ましくははんだ結合を使用することなくメタライゼーション層に直接形成されている領域または層であって、少なくとも部分的に好ましくは高い熱伝導率を有する領域または層、を意味する。半導体レーザダイオードが上にはんだ付けされる外部ヒートシンクまたはキャリアとは異なり、内部ヒートシンクは、半導体レーザダイオードの一部であり、ウェハ複合体の形の複数の半導体レーザダイオードに形成されていることが好ましく、オプションとして構造化されており、ウェハ複合体によって隔てられている。内部ヒートシンクによって、半導体積層体と外部ヒートシンクとの間の熱抵抗を下げることができ、なぜなら、放熱に関して重要な境界面（半導体レーザダイオードと外部ヒートシンクまたは外部キャリアとの間のはんだ面によって形成される境界面であって、一般には極めて高い接触熱抵抗を有する）を、半導体積層体から遠く離して、したがって活性領域から遠く離して配置することができるためである。高い横断方向熱伝導率（thermal transverse conductivity）によって、内部ヒートシンクによって追加的に得られる層厚における熱経路が、はんだ境界面より前に内部ヒートシンク内で効率的に拡散し、したがって熱抵抗が下がる。特に、内部ヒートシンクは、半導体積層体とは反対側のはんだ面を有することができ、このはんだ面を介して半導体レーザダイオードをはんだ層によって外部キャリアの上に実装することができる。
さらなる実施形態によると、内部ヒートシンクは、横方向および縦方向において構造化されておらず、したがって、横方向および縦方向において均一な熱伝導率を有する。したがって、縦方向もしくは横方向またはその両方向における変化する局所的な熱抵抗は、ここまでの実施形態による構造化されたメタライゼーション層によってあらかじめ決めることができ、一体型ヒートシンクは、半導体レーザダイオードの総熱抵抗を下げるのみである。
さらなる実施形態によると、構造化された放熱層は、内部ヒートシンクをさらに備えており、内部ヒートシンクは、少なくとも横方向もしくは縦方向またはその両方向における構造化部を有する。言い換えれば、内部ヒートシンクを、構造化された放熱層の一部とすることができる。
内部ヒートシンクの構造化部は、例えば、異なる熱伝導率を有し、かつ横方向もしくは縦方向またはその両方向において構造化された状態に配置される複数の材料によって、形成することができる。さらに、内部ヒートシンクは、垂直方向における構造化部を有することもできる。一体型ヒートシンクは、例えば、１種類またはいくつかの種類の金属（例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉから選択される金属）、合金（例えばＣｕＷ）、誘電体材料（例えばシリコン酸化物やシリコン窒化物などの酸化物または窒化物）、ポリマー（例えばＢＣＢ）、結晶性半導体（例えばＡｌＮ）、アモルファス半導体（例えばＳｉまたはＧｅ）、ダイアモンド、セラミック材料、空気、または真空を備えていることができる。内部ヒートシンクの材料は、例えば蒸着、スパッタリング、ガルバニック堆積、プラズマ蒸着、スピンコーティング、または接合によって、メタライゼーション層の上に堆積させることができる。
特に好ましくは、内部シンクは、大きく異なる熱伝導率を有する少なくとも２種類の材料を含んでおり、これにより、熱伝導率の差の大きい熱プロファイルを達成することができる。内部ヒートシンクの設計において構造的な形状および材料を選択するときの自由度により、熱伝導率プロファイルを大幅に調整することができ、これにより、半導体レーザダイオードのレーザパラメータの最適化を達成することができる。内部ヒートシンクは、数百ナノメートルの厚さ、好ましくは１μｍ以上の厚さを有することができる。特に好ましくは、内部ヒートシンクは、金属材料を使用し、かつ厚さが２μｍ以上のとき、ガルバニック堆積によって形成される。内部ヒートシンクは、導電性材料の場合、メタライゼーション層に電気を供給する目的に使用することができる。内部ヒートシンクに非導電性材料が使用される場合、電気供給要素（例えば電気ブッシングの形）が設けられ、電気供給要素によって、熱経路に加えて電気平行経路（electric parallel path）が達成される。電気平行経路は、半導体積層体に対して低い供給抵抗を有することが好ましい。
一体型ヒートシンクの厚さは、使用される材料の熱伝導率に依存する最小厚さを下回らないようにするべきである。例えば金の場合、最小厚さは、１μｍ、好ましくは少なくとも２μｍ、特に好ましくは少なくとも５μｍであるべきである。
さらには、構造化された外部ヒートシンクに半導体レーザダイオードを貼り付けることも可能である。しかしながら、内部ヒートシンクを使用することは、熱伝導率の低いはんだ境界面が半導体積層体から遠く離れ、これにより低い総熱抵抗が達成されることにおいて有利である。さらには、内部ヒートシンクの場合、あらかじめ構造化された外部ヒートシンク上に実装するときに、半導体レーザダイオードの正確な調整が要求されることもない。
さらなる実施形態によると、半導体レーザダイオードの製造時もしくは動作時またはその両方における欠点として、１種類または複数種類の材料を周囲に対して封止しなければならないという欠点を回避する必要がありうる。このような欠点の理由として、例えば、空気中において酸化する（例えば銅の場合）、材料が半導体内に拡散し、したがって半導体積層体の特性が変化する（例えば銅、銀、金の場合）、または異なる材料の間で冶金反応が発生する。封止部としては、例えば、密封層（enclosed layers）からなる障壁を使用することができる。例えば、白金またはクロムを使用して金を封止することができ、銅の場合には、例えばニッケルを使用することができる。
さらには、封止する材料を、薄層封止部を使用して封止することができる。薄層封止部の場合、実質的に、薄層として設計される障壁層もしくはパッシベーション層またはその両方によって、障壁効果が生じる。薄層封止部の層は、一般的には、数百ｎｍ以下の厚さを有する。薄層は、例えば原子層成長法（ＡＬＤ）工程によって形成することができる。封止構造の層に適切な材料は、例えば、アルミニウム酸化物、亜鉛酸化物、ジルコニウム酸化物、チタン酸化物、ハフニウム酸化物、ランタン酸化物である。封止構造は、それぞれが１原子層〜１０ｎｍの範囲内（両端値を含む）の厚さを有する複数の薄層を有する積層体を備えていることが好ましい。
内部ヒートシンクは、ガルバニック堆積によって形成されることが好ましい。結果として、室温において、または半導体レーザダイオードのその後の動作温度において、金属層もしくは金属領域またはその両方を形成することが可能である。したがって、完成した部品は、極めて小さい留め部材（bracing）のみを有することができ、このことは、例えば特に、内部ヒートシンクに好ましい厚い金属層の場合に極めて有利であり得る。従来技術において一般的であるように、蒸着またはスパッタリングによって、すなわち高温において金属が堆積される場合、使用される複数の材料（すなわち、半導体材料、誘電体材料、金属、合成材料のうちの少なくとも１種類）の間で熱膨張係数が異なるため、室温まで冷やした後、完成した部品に大きな留め部材が存在することがある。膨張係数の例は、ガリウムヒ素の場合には６×１０−６／Ｋ、銅の場合には１．６×１０−５／Ｋ、銀の場合には１．９×１０−５／Ｋである。大きな留め部材は、特に、偏光純度、効率および広がり、半導体レーザダイオードの信頼性の点において、性能の低下につながりうる。
さらなる実施形態によると、内部ヒートシンクは、それぞれが第２の材料を有する２つのさらなる領域の間に横方向に配置されている、第１の材料を有する領域を有する。第２の材料は、第１の材料とは異なる熱伝導率、好ましくは第１の材料よりも低い熱伝導率を有することができる。さらに、第１の材料と第２の材料を垂直方向に交互に配置する、例えば、垂直方向において第１の材料の領域の間に第２の材料を配置することが可能である。第２の材料もしくは第１の材料またはその両方は、くさび形状を有することもでき、例えば、内部ヒートシンクの中心から見たとき横方向距離が増大するにつれて第２の材料の厚さが大きくなる。さらには、例えば、第１の材料が、放射取り出し面までの距離が増大するにつれて減少する幅を有することも可能である。さらには、第２の材料を、例えば複数の相互に個別の部分領域の形で第１の材料に埋め込むることも可能である。さらに、例えば第３の材料を設けることもでき、第３の材料は、第１の材料および第２の材料とは異なる熱伝導率を有し、少なくとも部分的に、第１の材料または第２の材料について前述したように配置されている。
さらなる実施形態によると、内部ヒートシンクは、縦方向において半導体積層体よりも小さい長さを有することができ、したがって、放射取り出し面の領域、もしくは、放射取り出し面とは反対側の裏面の領域、またはその両方において、半導体積層体はヒートシンクの第１の材料を超える突き出し部を有することができる。突き出し部の領域には、例えば第１の材料よりも高い熱伝導率を有する第２の材料を配置することができる。第２の材料は、低い温度、特に第１の材料よりも低い温度において融解し、かつ高い熱伝導率を有する材料から形成することができる。例えば、第２の材料は、例えば約１５７℃の融点を有するインジウムや、約２３０℃の融点を有する錫などの金属によって、形成することができる。第２の材料は、突き出し部の領域に堆積物の形で堆積させることができる。結果として、堆積物として形成された第１の材料および第２の材料を含む内部ヒートシンクを有する、ウェハ複合体における複数の半導体レーザダイオードを製造し、次いで個々の半導体レーザダイオードを分離することが可能である。分離は、例えば、ウェハ複合体を切断してレーザ傾斜面を生成することによって実施することができる。分離した後、第２の材料の融点よりも高い温度まで加熱することによって、第２の材料の自己調整溝（self adjusted channel）を堆積物から形成することができ、したがって、第２の材料と、縦方向における第１の材料への遷移によって、放射取り出し面の近くで局所的な熱抵抗の低減が生じる。溝は、材料、提供される量および寸法、および工程パラメータに応じて、凹状または凸状として形成することができる。
全体的な熱抵抗を最小にする目的でできる限り大きい結合面が設けられている公知のレーザダイオードチップとは異なり、本明細書に記載されている半導体レーザダイオードでは、放熱層の上述した構造化によって半導体積層体と外部ヒートシンクとの間の局所的な熱抵抗を変化させることが特に可能であり、これにより、熱影響領域において半導体層内の温度分布の不均一性を低減することができる。結果として、全体としては温度の不均一性によって発生する熱レンズの出力を低減することが可能であり、ただし、半導体レーザダイオードの総熱抵抗と、半導体積層体の絶対的な温度レベルも、公知のレーザダイオードチップと比較して増大することがある。
上述した実施形態によると、説明した有利な効果は、特に、特に好ましくはブロードストライプレーザとして設計されている半導体レーザダイオードにおいて電気経路と熱経路を部分的に切り離す、もしくは分離する、またはその両方を行うことによって、達成することができる。これは、２次元または３次元に構造化されたメタライゼーション（すなわちメタライゼーション層）、またはさらにはんだ境界面の上の内部ヒートシンクを使用することによってと、さらには例えば横方向および縦方向に構造化された高導電性の半導体層（例えば半導体カバー層）によって、可能である。結果として、熱影響領域において、電流の分布と熱の流れを、相互に独立して特定の限界内で調整することができ、したがって、半導体レーザダイオードにおける温度分布を、電気パラメータとは無関係に変化させて均一化することができる。前述したように、半導体積層体の上面における、または上面に近い、２次元または３次元に構造化されたメタライゼーションは、１種類または複数種類の金属、もしくは、異なる熱伝導率を有する追加の材料（例えば空気、真空、誘電体材料など）、またはその両方を備えていることができ、したがって、構造化された領域と構造化されていない領域の熱伝導率の差を増大させることができる。構造化によって、外部ヒートシンクまたは外部キャリアに熱的に結合される面を小さくすることができ、これにより、構造化の存在しない場合と比較して、半導体レーザダイオードの総熱抵抗が増大することがあるが、熱レンズの厚さを低減することができる。
上述したように内部ヒートシンクをモノリシックに一体化することは、外部ヒートシンクまたは外部キャリアと半導体積層体との間の、熱伝導率の低いはんだ境界面を、主損失要因源（すなわち活性領域）から遠くに移動させる目的と、それによって改善される熱拡散によって半導体レーザダイオードの総熱抵抗を下げる目的で、例えば高い熱伝導率を有する厚いメタライゼーションの形においても、特に有利であり得る。結果として、前述したようにメタライゼーションの構造化によってもたらされる熱抵抗の増大は、少なくとも一部を埋め合わせることができる。
さらなる利点、有利な実施形態、および有利な発展形態は、以下に図面を参照しながら説明する例示的な実施形態から明らかになるであろう。
レーザダイオードの概略断面図および概略平面図を示している。 レーザダイオードの概略断面図および概略平面図を示している。 図１Ａおよび図１Ｂのレーザダイオードにおいて、取り出される光出力に依存する横方向遠視野角度を示している。 いくつかの例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略断面図を示している。 いくつかの例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略断面図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略平面図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略平面図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略平面図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略平面図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略平面図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略平面図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略平面図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略平面図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略平面図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略平面図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略平面図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略断面図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略断面図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略図を示している。 さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードの概略図を示している。
例示的な実施形態および図面において、同じ要素、類似する要素、または同じ機能の要素は、それぞれ同じ参照数字によって表してある。図示した要素と、要素の互いのサイズの比率は、正しい縮尺ではないものとみなされたい。むしろ、再現性を容易にするため、または理解を容易にする目的で、例えば層、部品、デバイス、領域などの個々の要素を誇張して大きく示してあることがある。
図１Ａおよび図１Ｂは、基板１の上にエピタキシャルに成長させた半導体積層体２を備えている一般的な高出力レーザダイオードチップを示している。図１Ａは断面図であり、図１Ｂは平面図である。
半導体積層体２は、動作時に放射取り出し面１１を介してレーザ放射を放出する活性領域２４を有する活性層２３を備えている。半導体積層体２の放射取り出し面１１と、放射取り出し面１１とは反対側の裏面１２は、共振器を形成しており、少なくとも部分的に銀めっき層または反射防止層が設けられている。半導体層２１，２２（これらの間に活性層２３が配置されている）は、例えば、導波路層やシェル層、さらなる半導体層を備えていることができる。特に、図１Ａおよび図１Ｂに示した高出力レーザダイオードチップは、横方向の利得導波を有する一般的なブロードストライプレーザダイオードチップとすることができる。
半導体積層体２の半導体層２１，２２，２３，２５の配置方向を、この場合および以降の図において垂直方向と称し、放射取り出し面１１と、放射取り出し面１１とは反対側の裏面１２との間のレーザ共振器は、縦方向に延在している。横方向または横断方向は、半導体層２１，２２，２３，２５の主延在面において共振器の縦方向に垂直な方向と定義される。
活性領域２４の上方には、半導体積層体２の上面２０を形成する半導体カバー層２５が配置されている。半導体カバー層２５には、半導体積層体２の上面に大きな領域にわたり形成されているメタライゼーション層３が電気的に接触している。半導体積層体２の領域とメタライゼーション層３の領域（これらは互いに電気的に接触していないべきである）の間には、例えば誘電体材料（例：酸化物または窒化物）からなるパッシベーション層１０が配置されている。
図示したレーザダイオードチップは、メタライゼーション層３と、メタライゼーション層３とは反対側の半導体積層体２の面に接触するためのさらなる電極層（図示していない）とを介して、電気的に接続して動作させることができる。半導体カバー層２５の幅（ブロードストライプレーザの場合には一般に３０μｍ以上２００μｍ以下）は、（下層の半導体層２２における電流拡張効果を考慮したとき）活性領域２４の幅を定義し、したがって活性領域２４の幅も３０μｍ以上である。
図１Ａおよび図１Ｂに示したレーザダイオードチップは、個々の活性領域２４を有するいわゆるシングルエミッタとして形成されている。メタライゼーション層３によって接触される半導体カバー層２５のいくつかの領域を対応的に横方向に配置することによって、いわゆるレーザバー（laser bar）を形成することもでき、この場合、メタライゼーション層３は、一般には個々の活性領域の間で隔てられており、したがってレーザバーの個々の活性領域を互いに独立して電気的に動作させることができる。
半導体カバー層２５の輪郭は、図１Ｂに点線によって示してある。電流拡張効果を考慮しないとき、半導体カバー層２５の輪郭は、活性領域２４の輪郭にも一致する。活性層２３に電流を注入することで活性領域２４が形成されることにより、半導体積層体２に熱影響領域２９も形成され、熱影響領域２９は、図１Ａには活性層２３内に示してあり、図１Ｂには破線領域によって示してある。
図１Ａおよび図１Ｂの例によるレーザダイオードチップは、一般には、高い熱伝導率もしくは能動冷却またはその両方を有する外部ヒートシンクまたはキャリアの上に、メタライゼーション層３によってはんだ付けされる。メタライゼーション層３はレーザダイオードチップのはんだ面として使用され、メタライゼーション層３によって、半導体積層体２を大きな領域を通じて外部ヒートシンクまたはキャリアに熱的に結合することができる。特に、例えば製造効率の理由のため、例えば金属と半導体との間の機械的な接着性と、金属−半導体遷移部の電気接触抵抗に関連して、メタライゼーション層３は、一般には複数の金属層、または合金を有する複数の層を有し（例：Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ）、合計層厚さは最大で数マイクロメートルである。したがって特定の様式においてはメタライゼーション層３は垂直方向に構造化されるが、図１Ａおよび図１Ｂに示したレーザダイオードチップにおいては、レーザバーの場合、レーザバーの個々の活性領域を相互に電気的に個別に動作させることが必要なとき、最大でも個々の活性領域が分離されるように、メタライゼーション層３が横方向および縦方向に分割される。さらには、放射取り出し面１１または裏面１２の近傍において、これらよりもメタライゼーション層が引っ込んでいる、すなわち残りの領域よりも細い、または完全に除去されていることも可能である。技術的な理由によって行われるこのような構造化を除いては、公知のレーザダイオードチップのメタライゼーション層３は、熱影響領域２９全体を均一に覆っている。
図１Ａおよび図１Ｂに示したように、一般的なレーザダイオードチップにおけるメタライゼーション層３では、特に熱影響領域２９を大きな領域を通じて熱的に接合することができるのに対して、半導体積層体２における熱損失源は、例えば、放射取り出し面１１および裏面１２の銀めっき層または反射防止層の非対称的な鏡面反射率のために、均一には分布していない。特に、公知のレーザダイオードチップは、一般には、活性領域２４における放射取り出し面１１において最大温度を有し、この温度は、放出領域までの距離が増大するにつれて、縦方向、垂直方向、および横方向に減少する。このことは、いくつかの活性領域を有するレーザバーの場合にもあてはまる。
一般的に使用される外部ヒートシンクまたはキャリア自体は、半導体材料と比較して高い熱伝導率を有するのに対して、実装時に形成されるはんだ境界面は、例えばＡｕＳｎによってはんだ付けするとき、一般には高い熱遷移抵抗（thermal transition resistance）を有する。さらに、外部ヒートシンクまたはキャリア自体の材料と比較して、はんだ材料の熱伝導率は明らかに低い。結果として、外部ヒートシンクまたはキャリアの高い熱伝導率にもかかわらず、高い熱抵抗が発生する。公知のレーザダイオードチップにおいて形成される温度プロファイルと、屈折率および光学利得の温度依存性によって、熱レンズが形成され、これにより、放出されるレーザ放射の広がりが増大する。すなわち、図１Ｃに示したように、レーザダイオードチップの動作電流または出力が大きくなるにつれて、レーザのビーム広がりが増大する。図１Ｃは、熱負荷が増大し、いわゆる熱レンズが形成されることによってレーザダイオードチップにおける温度分布の不均一性が大きくなったときに、取り出される光出力に依存して横方向遠視野角度（lateral far-field angle）αが増大することを示している。
以降の図の例示的な実施形態の半導体レーザダイオードは、図１Ａおよび図１Ｂにおける公知のレーザダイオードチップから発展させたものであり、公知のレーザダイオードチップとは異なり、上記のような熱レンズの発生を打ち消すための適切な構造化を有する。半導体積層体２において横方向および縦方向にできる限り均一である温度プロファイルを達成する目的で、局所的な熱抵抗（すなわち実質的には、半導体レーザダイオードの活性領域の温度上昇と局所的な損失要因密度の商）が適切に調整される。
図２Ａおよび図２Ｂは、半導体レーザダイオードの２つの例示的な実施形態の断面図を示している。半導体積層体２における熱損失源は、横方向には活性領域２４に限定され、拡張効果を考慮すると、発明の概要のセクションで定義した熱影響領域が形成されるため、以降の例示的な実施形態の半導体レーザダイオードは、図１Ａおよび図１Ｂの公知のレーザダイオードチップと比較して、明らかにより小さく選択された幅を持つメタライゼーション層３を有し、したがって、メタライゼーション層３は半導体積層体２の幅全体にわたって延在せず、したがって半導体積層体２の上面２０全体にわたって延在しない。
さらには、以下に示す例示的な実施形態における半導体カバー層２５は、構造化された電流供給半導体層として形成されており、この半導体層は、１×１０１８ｃｍ−３以上の高いドーパント濃度を有し、したがって高い横方向導電率を有する。半導体カバー層２５は、図２Ａに示したように、メタライゼーション層３によって接触されている個々の帯状部として形成することができる。さらには、図２Ｂに示したように、大きな領域にわたり半導体カバー層２５を形成し、溝を形成することによって半導体カバー層２５を構造化することも可能であり、したがって、接触目的で設けられておりメタライゼーション層３によって接触されている中央の帯状部に加えて、パッシベーション層１０の下に、半導体カバー層２５の非接触領域が残っている。半導体カバー層２５の構造化は、例えばエッチング工程によって行うことができ、この場合、接触される半導体カバー層２５の領域を定義する目的で、中央の帯状部に加えて、少なくとも約１０μｍの幅の溝が形成される。
本明細書に示した半導体レーザダイオードの要素および層に加えて、本ダイオードは、さらなる特徴部分、例えば、個々のエミッタを光学的および電気的に分離するための、レーザバーとして形成される半導体レーザダイオードの個々のエミッタまたは活性領域の間の溝、あるいは、活性領域２４を除くメタライゼーション層やパッシベーション層１０の構造化部を有することができる。
以下では、図２Ａおよび図２Ｂの例示的な実施形態による構造を有することのできる半導体レーザダイオードの例示的な実施形態を示す。特に、以下の例示的な実施形態による半導体レーザダイオードは、半導体積層体の上面に、構造化されたメタライゼーション層３を有する構造化された放熱層４を有する。構造化された放熱層４によって、縦方向もしくは横方向またはその両方向において変化する局所的な熱抵抗を有する活性領域２４から熱を放散させることができる。
以下に示す放熱層４の実施形態によって、示した半導体レーザダイオードの場合において電気経路と熱経路を少なくとも部分的に切り離すかまたは分離することが可能であり、これにより、半導体積層体２における温度分布が電気パラメータとは無関係に変化し、電流注入領域を囲む領域内で好ましく均一化されるように、電流の分布と熱の流れを、相互に独立して特定の限界内で調整することができる。
半導体積層体２は、以下に示す例示的な実施形態においては、構造化された電流供給半導体層２６（一例として、構造化された半導体カバー層２５を用いて説明されている）を有する。これに代えて、またはこれに加えて、半導体カバー層２５の下、活性領域２４の上の半導体層を、同じ様式または異なる様式に構造化することもできる。
さらに、半導体積層体２の上面２０の上のメタライゼーション層３は、半導体カバー層２５との金属−半導体接触を形成するために使用される一方で、はんだ付け可能面を提供する目的にも使用され、はんだ付け可能面によって、図示した半導体レーザダイオードを外部ヒートシンクまたは外部キャリアの上に実装することができる。
以下に示す放熱層４の構造化と、オプションとして電流供給半導体層２６の構造化とによって、これらの層は、少なくとも１次元または２次元、または３次元すべてにおいて、横方向、縦方向、および垂直方向に異なる形態（すなわち異なる幾何学形状もしくは層厚またはその両方）を有し、この形態は、図示した例示的な実施形態に加えて、いくつかの段階において形成する、または何種類かの異なる材料から形成することもできる。
以下に示す例示的な実施形態それぞれは、累積幅Ｂ１を有するメタライゼーション層３を有し、熱影響領域２９の幅Ｂ２に対する累積幅Ｂ１の比が、放射取り出し面１１までの距離に依存して変化する。
図３Ａ〜図３Ｄは、構造化された放熱層４がメタライゼーション層３によって形成されている半導体レーザダイオードの例示的な実施形態を示している。図示した例示的な実施形態においては、メタライゼーション層３は、放射取り出し面３までの距離が増大するにつれて小さくなる横方向幅に一致する累積幅Ｂ１を有する。これとは異なり、電流供給半導体層２６は、一定のままである幅を有し、これにより、活性領域２４の幅と、したがって熱影響領域２９の幅Ｂ２も、縦方向において実質的に同じままである。結果として、熱影響領域２９の幅Ｂ２に対するメタライゼーション層３の累積幅Ｂ１の比は、放射取り出し面１１までの距離が増大するにつれて減少する。
図３Ａに示したように、メタライゼーション層３は、放射取り出し面１１の近くでは、熱影響領域２９の幅Ｂ２に等しいかそれより大きい幅Ｂ１を有することができ、したがって幅Ｂ１は、電流供給半導体層２６の幅よりも大きい。メタライゼーション層３の幅Ｂ１は、放射取り出し面１１までの距離が増大するにつれて減少し、したがって、裏面１２の領域では、メタライゼーション層３は電流供給半導体層２６と同じ幅しかなく、したがって、熱影響領域２９よりも狭い。
図３Ｂに示したように、メタライゼーション層３の幅Ｂ１は、裏面１２の領域において、熱影響領域２９よりも狭い程度まで減少させることもできる。高濃度にドープされた電流供給半導体層２６の高い横方向導電率のため、裏面１２の領域においてメタライゼーション層３が狭く、したがって共振器の長さ全体にわたり均一な幅を有するコンタクト領域が狭いにもかかわらず、電流は活性層２３に注入される。
図３Ｃは、さらなる例示的な実施形態を示しており、この実施形態では、メタライゼーション層３の幅は、放射取り出し面１１の領域においては電流供給半導体層２６の幅に一致し、裏面１２の方に向かって減少する。
図３Ｄは、さらなる例示的な実施形態を示しており、この実施形態では、メタライゼーション層３は、裏面１２から離れる方向にくさび形状の切取り部を有し、これにより、メタライゼーション層３の累積幅Ｂ１は、放射取り出し面１１までの距離が増大するにつれて、熱影響領域２９の幅Ｂ２と比較してやはり減少する。
構造化された放熱層４として形成されているメタライゼーション層３の累積幅Ｂ１を、放射取り出し面１１までの距離が増大するにつれて、熱影響領域２９の幅Ｂ２と比較して減少させることによって、図示した半導体レーザダイオードのはんだ付け可能面と、したがって熱結合面とが、放射取り出し面１１までの距離が増大するにつれて減少する。結果として、放射取り出し面１１の領域において、裏面１２の領域よりも多くの熱が放散され、これにより、公知のレーザダイオードチップにおいては不均一である縦方向における温度分布プロファイルを、構造化された局所的な熱抵抗によって是正することができる。この場合に示した半導体レーザダイオードの場合、熱影響領域２９における局所的な熱抵抗は、温度上昇がより小さい領域において、公知のレーザダイオードチップと比較して低下または減少し、これにより、活性領域２４の全体的な温度が上昇することがあるが、不均一な温度分布を低減することによって熱レンズの効果を減少させることができる。
図４Ａおよび図４Ｂは、半導体レーザダイオードのさらなる例示的な実施形態を示しており、この実施形態では、電流供給半導体層２６（すなわち、図示した例示的な実施形態においては純粋に一例として半導体カバー層２５）が、その幅に関して構造化されている。
図４Ａの例示的な実施形態においては、電流供給半導体層２６（すなわち図示した例示的な実施形態においては半導体カバー層２５）は、放射取り出し面１１の方に向かって大きくなる幅を有する。この結果としての活性領域２４は、台形形状を有する。したがって、放射取り出し面１１までの距離が増大するにつれて減少する幅Ｂ２を有する熱影響領域２９が形成される。メタライゼーション層３は、同様に放射取り出し面１１までの距離が増大するにつれて減少する幅Ｂ１を有し、幅Ｂ１の変化は幅Ｂ２の変化よりも大きく、すなわち、幅Ｂ２に対する幅Ｂ１の比も、放射取り出し面１１までの距離が増大するにつれて減少する。電流供給半導体層２６とメタライゼーション層３とを上述したように形成することによって、モード伝搬およびモード展開への電流注入の適合化と、電流注入プロファイルの最適化とを、この場合に説明した、熱影響領域２９からの適合化された放熱と組み合わせることができる。
図４Ｂの例示的な実施形態においては、メタライゼーション層３は、放射取り出し面１１と裏面１２との間で一定の累積幅Ｂ１を有するのに対して、電流供給半導体層２６（すなわち図示した例示的な実施形態においては半導体カバー層２５）は、放射取り出し面１１までの距離が増大するにつれて広くなっており、これにより、熱影響領域２９の幅Ｂ２も、放射取り出し面１１までの距離が増大するにつれて大きくなる。一定の幅を有するメタライゼーション層３への活性層２３または活性領域２４の不均一な電気的接合と、結果として幅Ｂ１と幅Ｂ２の比が減少することによって、放射取り出し面１１の領域において温度が高い不均一な温度分布の形成を打ち消すことができる。
ここまでに説明した幅Ｂ１と幅Ｂ２の比の設計は、以降の図（図を簡潔にするため幅Ｂ１および幅Ｂ２を示していない）の例示的な実施形態にも適用することができる。
図５は、半導体レーザダイオードのさらなる例示的な実施形態を示しており、この実施形態では、ここまでに説明した効果を組み合わせることによって温度プロファイルの均一化の向上を達成する目的で、図３Ａの例示的な実施形態によるメタライゼーション層３の特性と、図４Ｂの例示的な実施形態による構造化された電流供給半導体層２６の特性とが組み合わされている。
図６は、半導体レーザダイオードのさらなる例示的な実施形態を示しており、この実施形態では、メタライゼーション層３は、図５の例示的な実施形態と比較して、半導体積層体２に電気的に接触するために形成されている中央の帯状部に加えて、メタライゼーション層の材料３を有するさらなる帯状部を有する。結果として、熱影響領域２９とは別に、追加のはんだ接触面が可能となる。
図７は、半導体レーザダイオードのさらなる例示的な実施形態を示しており、この実施形態では、図５の例示的な実施形態と比較して、構造化された電流供給半導体層２６（すなわち図示した例示的な実施形態においては半導体カバー層２５）の下のさらなる半導体層２７が、横方向に構造化された縁部を有する。図７は、純粋に一例として、鋸歯状の構造化部を示している。電流供給半導体層２６の下の１層または複数層の半導体層２７の横方向縁部をこのように構造化することによって、活性層２３における電流密度プロファイルを追加的に形成することができる。
以降の図では、図を簡潔にするため、熱影響領域２９を示していない。
図８は、さらなる例示的な実施形態による半導体レーザダイオードを示しており、この実施形態は、図３Ｂに示した例示的な実施形態のさらなる発展形態を示している。電流供給層２６は、純粋に一例として、放射取り出し面１１から裏面１２まで縦方向において同じままである幅を有するように設計されているのに対して、メタライゼーション層３は、構造化された放熱層４としての中央の帯状部を有し、中央の帯状部の幅は、放射取り出し面１１までの距離が増大するにつれて減少する。
さらに、メタライゼーション層３は、中央の帯状部に加えて、横方向に、メタライゼーション層３の材料を有する島状領域３０を有し、したがって、メタライゼーション層３は、島状に構造化された、横方向における縁部を有する。特に、この構造化部は、その上に形成されるはんだ層に中空空間または空洞を意図的に形成するための、またははんだとメタライゼーション層３との間のはんだ結合を防止するための、メタライゼーション層３のハーフトーン微細構造化部（half-tone microstructuring）とすることができ、これにより、局所的な熱抵抗をさらに構造化することができる。メタライゼーション層３の累積幅は、放射取り出し面１１までの距離が増大するにつれて減少する。
島状の構造化部３０は、島の大きさ、数、密度のうちの少なくとも１つが、中央の帯状部からの距離が増大するにつれて横方向において小さくなるようにすることができる。特に、この横方向の構造化部は、大きさおよび距離範囲が、１０００μｍ〜数マイクロメートルの範囲内、特に好ましくは３μｍ以上とすることができる。個々の島状領域３０の高さは、１ｎｍ以上１００μｍ以下の範囲内とすることができる。島状構造化部３０の領域においては、特に、黒い領域は、はんだ結合部（したがって高い熱伝導率）を表しており、白い領域は、はんだ結合の欠如または空洞（したがって低い熱伝導率）を表している。
図９Ａ〜図９Ｃは、半導体レーザダイオードのさらなる例示的な実施形態を示しており、この実施形態は、これまでの例示的な実施形態と比較して、構造化された放熱層４として形成されておりかつ開口部３１を備えたメタライゼーション層３を有し、開口部３１は、その大きさ、数、密度のうちの少なくとも１つに関して、放射取り出し面１１までの距離が増大するにつれて大きな表面積を占め、これにより、メタライゼーション層３の累積幅も、放射取り出し面１１までの距離が増大するにつれて減少する。図９Ａに示したように、開口部３１は、例えばその大きさを、放射取り出し面１１までの距離が増大するにつれて大きくすることができる。したがって、メタライゼーション層３は、全体として平坦なはんだ結合面を提供するが、開口部３１の領域には、はんだ結合部が存在しない、または空洞が生じ、結果としてこれらの領域では熱伝導率が低い。
図９Ｂは断面図を示しており、この図におけるさらなる例示的な実施形態によると、基板１と、半導体積層体２と、前の例示的な実施形態による開口部３１によって構造化されているメタライゼーション層３とを有する半導体レーザダイオードが、外部ヒートシンク６の上に、はんだ層５によって配置されている。共振器の縦方向は、図面の平面に垂直である。メタライゼーション層３が構造化された放熱層として形成されているため、特に、開口部３１にメタライゼーションが存在しないため、はんだ境界面の構造化が形成されており、これは、図示した例示的な実施形態に示したように、はんだ付けできない、またははんだ付け性が低い、または熱伝導率が低い材料３２を開口部３１の中に導入することによって、さらに増大させることができる。例えば、開口部３１の中には、はんだ付け性の低い金属（例：酸化金属）、または熱伝導率の低い材料（例えば、空気、真空、合成材料（例：ＢＣＢなど））を、形成または導入することができる。熱伝導率の差をできる限り大きくするためには、空気で満たされた開口部３１、または中が真空である開口部３１を有するメタライゼーション層３が、特に有利である。機械的に重要なチップの設計においては、高い機械的安定性という点において、空気で満たされた開口部３１、または中が真空である開口部３１の代わりに、熱伝導率ができる限り低く、かつ機械的な接着が可能である材料（例えば熱伝導率の低い合成材料または金属酸化物）を使用することが有利である。
図９Ｃの例示的な実施形態においては、半導体レーザダイオードは、前の図９Ｂの例示的な実施形態におけるように構造化された放熱層４として設計されているメタライゼーション層３の上に内部ヒートシンク７を有し、内部ヒートシンク７はメタライゼーション層３の上に直接接触した状態で直接的に形成されている。このような内部ヒートシンク７によって、半導体レーザダイオードの全体的な熱抵抗を下げる一方で、差の大きい局所的な熱抵抗の構造化を達成することが可能である。半導体積層体２とは反対側の内部ヒートシンク７の面は、半導体レーザダイオードを外部ヒートシンク６の上にはんだ層５によって実装するためのはんだ面として設計されている。
内部ヒートシンク７は、特定の材料の個々の層からなる、またはいくつかの層からなることができる。さらには、以降の例示的な実施形態に関連して示すように、内部ヒートシンク７が横方向もしくは縦方向またはその両方の構造化部を有することも可能である。
内部ヒートシンク７は、発明の概要のセクションで説明したように、例えば、１種類または複数種類の金属、合金、誘電体材料、ポリマー、結晶性半導体、アモルファス半導体、ダイアモンド、セラミック材料、空気、真空、またはこれらの組合せを備えていることができる。内部ヒートシンク７は、特に、蒸着、スパッタリング、ガルバニック堆積、プラズマ蒸着、スピンコーティング、または接合によって、形成することができる。必要な場合、発明の概要のセクションで説明したように、内部ヒートシンクの１種類または複数種類の材料、あるいは１層または複数の層を、例えば反応性のあまり高くない金属によって、または発明の概要のセクションで説明したように薄層封止部によって、周囲に対して封止することができる。
以降の例示的な実施形態においては、追加の構造化された内部ヒートシンク７を有する半導体レーザダイオードを示しており、このヒートシンクは、構造化された放熱層４の一部として形成されている。半導体積層体２およびメタライゼーション層３は、ここまでの例示的な実施形態のうちの１つにおけるように設計することができる。以降の例示的な実施形態に示した、２次元または３次元における内部ヒートシンク７の構造化によって、３次元すべてにおいて熱伝導率を目的に応じて追加的に調整し、したがって局所的な熱抵抗の構造化を達成することが可能になる。特に、以下に示す内部ヒートシンク７は、異なる熱伝導率を有する異なる材料７１，７２，７３からなる複数の異なる領域を有する。
一般には、いくつかの金属層を垂直方向に有する、または、金属、半導体、セラミック材料のうちの少なくとも２種類の組合せ（例えば、銅およびアルミニウム窒化物からなり垂直方向に構造化されたいわゆるＤＣＢ（直接銅接合：direct copper bonded））を垂直方向に有する従来のヒートシンクと比較して、この場合に示した内部ヒートシンク７は、横方向もしくは縦方向またはその両方向に構造化されている。材料７１，７２，７３の選択は、公知の垂直方向に構造化されたヒートシンクにおけるように、製造効率、または半導体材料に適合化される熱膨張係数の調整に基づくのみならず、半導体材料における基本的な温度分布の均一化に関連する。
図１０Ａの例示的な実施形態においては、半導体レーザダイオードの内部ヒートシンク７は、第２の材料７２を有する領域の間に横方向に配置されている第１の材料７１を有する。図１０Ａの例示的な実施形態と、図１０Ｂ〜図１０Ｈの以降の例示的な実施形態においては、第１の材料７１は第２の材料７２よりも高い熱伝導率を有し、したがって、活性領域の近傍において熱を放散させることができる。
図１０Ａの例示的な実施形態と比較して、図１０Ｂの例示的な実施形態による半導体レーザダイオードが有する内部ヒートシンク７は、半導体積層体の側の面と半導体積層体とは反対側の面、第２の材料の上と下に、第１の材料７１を追加的に有し、これにより、図１０Ａの例示的な実施形態と比較して、より高い熱伝導率を達成することが可能である。
図１０Ｃによる例示的な実施形態においては、第２の材料７２は、横方向において外側に向かって厚さが増大する追加の構造化部を有し、これにより、熱伝導率を横方向において外側に向かって連続的に減少させることができる。
図１０Ｄによる例示的な実施形態においては、第１の材料７１は、半導体積層体２までの距離が増大するにつれて大きくなる幅を有し、これにより、半導体積層体２とは反対側の内部ヒートシンクの面において、メタライゼーション層３から外部ヒートシンクへの熱の流れの拡張を達成することが可能である。
図１０Ｅは、半導体レーザダイオードのさらなる例示的な実施形態を示しており、この実施形態では、第１の材料７１は、放射取り出し面１１までの距離が増大するにつれて小さくなる幅を有し、したがって、放射取り出し面１１の領域において、放射取り出し面１１とは反対側の裏面の近傍におけるよりも多くの熱を放散させることができる。
図１０Ｆの例示的な実施形態においては、第２の材料７２が、第１の材料７１の中に、半導体積層体２の活性領域の横方向に並んで、帯状部として埋め込まれている。第２の材料７２の下の斜線を引いた領域は、第１の材料７１の中の第２の材料７２の位置を単により明確に示す目的で使用されている。
図１０Ｇの例示的な実施形態による内部ヒートシンク７は、第２の材料７２に加えて、第１の材料７１および第２の材料７２と比較して異なる熱伝導率係数を有する第３の材料７３を有し、これにより、内部ヒートシンク７の放熱および局所的な熱抵抗をさらに調整することができる。
第２の材料７２が縦方向に連続的に配置されている図示した例示的な実施形態に代えて、またはこのような実施形態に加えて、図１０Ｈに示したように、第２の材料が、個別の領域としての構造化部を有することもできる。例えば、第２の材料７２を有する領域の数、大きさ、密度のうちの少なくとも１つを、放射取り出し面１１までの距離が増大するにつれて、もしくは、活性領域までの横方向距離が増大するにつれて、またはこれら両方の距離が増大するにつれて、第１の材料７１の中で大きくすることができる。
図１１は、構造化された放熱層４として形成されている内部ヒートシンク７を有する半導体レーザダイオードのさらなる例示的な実施形態を示しており、このヒートシンクは、放射取り出し面１１および裏面１２から距離をおいて配置されている構造化された第１の材料７１を備えており、したがって、半導体積層体２とメタライゼーション層３は、第１の材料７１を超える突き出し部を形成している。この突き出し部は、例えば数マイクロメートルの大きさのオーダーで例えばリソグラフィによる構造化によって形成することができ、半導体レーザダイオードを外部ヒートシンクまたは外部キャリアの縁部に正確に調整する必要性をなくすことができ、この調整は、従来技術において、放射取り出し面の十分な冷却と、それに関連付けられる高い信頼性を確保するために要求されるものである。さらに、従来技術においては、高品質の放射取り出し面を形成する傾斜面を切断することができるようにする目的で、一般に内部ヒートシンクを放射取り出し面から間隔を置いて配置することが要求されるため、従来技術においては、放射取り出し面における冷却が損なわれる。
放射取り出し面１１および裏面１２の熱接合を改善する目的で、この場合に示した例示的な実施形態においては、効率的に熱を伝える第２の材料７２を有する溝（channel）がこれらの領域それぞれに形成されており、したがって、放射取り出し面１１および裏面１２の自己調整型の熱接合（self adjusted thermal bonding）を形成することができる。このような溝は、例えば、第１の材料７１に隣接する第２の材料７２を有する堆積物を形成することによって実施することができ、第２の材料７２は、低い温度において融解しかつ良好な熱伝導率を有する材料（例えばインジウムや錫などの金属）を備えている、またはこのような材料である。このような堆積物は、依然として結合されている複数の半導体レーザダイオードからなるウェハ複合体の関連する領域に放射取り出し面１１を形成する前に、例えば切断によって形成することが好ましく、半導体レーザダイオードを分離した後、自動調整溝が形成される程度まで第２の材料７２の融点より高い温度まで加熱することによって融解させる。溝は、材料、提供される量、寸法、および工程パラメータに応じて、凹状または凸状として形成することができる。
例示的な実施形態において、構造化された電流供給層、メタライゼーション層、および内部ヒートシンクに関連して説明および図示した特徴は、それぞれの効果および利点を組み合わせる目的で、明示的には示していないさらなる例示的な実施形態に従って互いに組み合わせることもできる。
ここまで、本発明について例示的な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの例示的な実施形態に限定されない。本発明は、任意の新規の特徴および特徴の任意の組合せを包含しており、特に、請求項における特徴の任意の組合せを含んでいる。これらの特徴または特徴の組合せは、それ自体が請求項あるいは例示的な実施形態に明示的に記載されていない場合であっても、本発明に含まれる。
関連出願
本特許出願は、独国特許出願第１０２０１１０５５８９１．８号の優先権を主張し、この文書の開示内容は参照によって本明細書に組み込まれている。

Claims (14)

  1. 半導体レーザダイオードであって、
    垂直方向に上下に重ねて形成されている半導体層（２１，２２，２３，２５，２６）を有する半導体積層体（２）であって、動作時に放射取り出し面（１１）を介してレーザ放射を放出する、３０μｍ以上の幅を有する活性領域（２４）を備えている活性層（２３）を有し、前記放射取り出し面（１１）が、前記半導体積層体（２）の側面によって形成されており、対向する裏面（１２）とともに、横方向の利得導波を有する縦方向における共振器を形成し、前記半導体積層体（２）が、動作に起因して熱影響領域（２９）において加熱される、半導体積層体（２）と、
    前記半導体積層体（２）の上面（２０）に、少なくとも部分領域において直接接触しているメタライゼーション層（３）であって、前記上面（２０）が半導体カバー層（２５）によって形成されている、メタライゼーション層（３）と、
    前記半導体積層体（２）の前記上面（２０）の上の構造化された放熱層（４）であって、少なくとも前記メタライゼーション層（３）を備えている、構造化された放熱層（４）と、
    を備えており、
    前記メタライゼーション層（３）が累積幅（Ｂ１）および前記熱影響領域（２９）の幅（Ｂ２）を有し、前記熱影響領域（２９）の前記幅（Ｂ２）に対する前記累積幅（Ｂ１）の比が、前記放射取り出し面（１１）までの距離が増大するにつれて減少し、前記構造化された放熱層（４）によって、縦方向もしくは横方向またはその両方向に変化する、前記活性領域（２４）からの放熱が可能である、
    半導体レーザダイオード。
  2. 前記メタライゼーション層（３）の前記累積幅（Ｂ１）が、前記放射取り出し面（１１）までの距離が増大するにつれて減少する、
    請求項１に記載の半導体レーザダイオード。
  3. 前記放射取り出し面（１１）の近くにおいて、前記メタライゼーション層（３）が前記熱影響領域（２９）よりも幅が広い、
    請求項１または請求項２に記載の半導体レーザダイオード。
  4. 前記裏面（１２）の近くにおいて、前記メタライゼーション層（３）が前記熱影響領域（２９）よりも幅が狭い、
    請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体レーザダイオード。
  5. 前記メタライゼーション層（３）が開口部（３１）を有し、前記開口部（３１）の大きさ、数、密度から選択される少なくとも１つまたはいくつかの特性が、前記放射取り出し面（１１）までの距離が増大するにつれて大きくなる、
    請求項１から請求項４のいずれかに記載の半導体レーザダイオード。
  6. 前記開口部（３１）の中に材料（３２）が配置されており、前記材料（３２）が、前記メタライゼーション層（３）よりも低い熱伝導率もしくは低いはんだ付け性またはその両方を有する、
    請求項５に記載の半導体レーザダイオード。
  7. 前記メタライゼーション層（３）が横方向における縁部を有し、前記縁部が島状（３０）に構造化されている、
    請求項１から請求項６のいずれかに記載の半導体レーザダイオード。
  8. 前記半導体積層体（２）が、前記構造化された放熱層（４）と前記活性領域（２４）との間に、前記活性領域（２４）に電流を供給する半導体層（２６）を有し、前記層（２６）が、前記放射取り出し面（１１）までの距離が大きくなるにつれて少なくとも部分的に増大する幅を有する、
    請求項１から請求項７のいずれかに記載の半導体レーザダイオード。
  9. 前記半導体層（２６）が前記半導体カバー層（２５）である、
    請求項８に記載の半導体レーザダイオード。
  10. 前記半導体カバー層（２５）と前記活性層（２３）との間の少なくとも１層の半導体層（２７）が、横方向において構造化された縁部を有する、
    請求項１から請求項９のいずれかに記載の半導体レーザダイオード。
  11. 前記メタライゼーション層（３）の上に内部ヒートシンク（７）が直接接触した状態で形成されている、
    請求項１から請求項１０のいずれかに記載の半導体レーザダイオード。
  12. 前記内部ヒートシンク（７）が、前記半導体積層体（２）とは反対側のはんだ面を有し、前記はんだ面を介して前記半導体レーザダイオードをはんだ層（５）によって外部キャリア（６）の上に実装することができる、
    請求項１１に記載の半導体レーザダイオード。
  13. 前記構造化された放熱層（４）が前記内部ヒートシンク（７）を備えており、前記内部ヒートシンク（７）が、少なくとも横方向もしくは縦方向またはその両方向における構造化部を有する、
    請求項１１または請求項１２に記載の半導体レーザダイオード。
  14. 前記内部ヒートシンク（７）の前記構造化部が、異なる熱伝導率を有する材料（７１，７２）によって形成されている、
    請求項１３に記載の半導体レーザダイオード。
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