JP7251937B2 - 半導体レーザーダイオード - Google Patents

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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ＩｎｘＡｌｙＧａ１－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ＩｎｘＡｌｙＧａ１－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、ＡｌｘＩｎｙＧａ１－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ＡｌｘＩｎｙＧａ１－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 (19)

  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）を有し、
    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、
    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、前記活性層（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）と前記活性層（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、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. ２ｎｍ≦ΔＢ≦１０００ｎｍ
    が成り立つ、
    請求項１６記載の半導体レーザーダイオード（１００）。
  18. 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１７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）。
  19. 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、ＡｌｘＩｎｙＧａ１－ｘ－ｙＮを含む、
    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）。
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