JP7258134B2 - ダイオードレーザ及びダイオードレーザの動作方法 - Google Patents

ダイオードレーザ及びダイオードレーザの動作方法 Download PDF

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Description

ダイオードレーザについて、説明する。さらに、ダイオードレーザを動作させるための方法を説明する。
解決すべき課題は、故障率の低いダイオードレーザを規定することである。解決すべき他の課題は、このようなダイオードレーザを動作させる方法を規定することである。
まず、ダイオードレーザを説明する。
少なくとも１つの実施形態によれば、ダイオードレーザは、レーザバーを含み、レーザバーは、レーザ放射を発生するための活性層を有する半導体本体を含む。さらに、レーザバーは、横方向に並んで配置された複数の個別のエミッタを含み、その各々は意図された動作中にレーザ放射を放射する。
レーザバーは特に、エッジ発光レーザバーである。レーザバーは、本明細書及び以下において、電気的に接触させることができる別個に取り扱い可能な素子であると理解される。レーザバーは、ウエハコンポジットからの分離によって作成される。レーザバーは、好ましくはウエハコンポジットにおいて成長された半導体本体の正確に１つの本来隣接する領域を含む。レーザバーの半導体本体は、連続して形成されることが好ましい。レーザバーの活性層は、特に単純に接続されて、又はセグメント化されて、連続的に形成され得る。半導体本体の主延長面に平行に、又は活性層に平行に測定されたレーザバーの横方向の広がりは、例えば、半導体本体の横方向の広がりよりも最大で５％又は最大で２０％大きい。特に、レーザバーは、半導体チップである。
例えば、レーザバーの半導体本体は、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体材料をベースとしている。特に、半導体本体は例えば、互いの上部にエピタキシャル成長されたこのような半導体材料の層の積層体を含む。半導体材料は例えば、ＡｌｎＩｎ１－ｎ－ｍＧａｍＮのような窒化物化合物半導体材料、又はＡｌｎＩｎ１－ｎ－ｍＧａｍＰのようなリン化化合物半導体材料、又はＡｌｎＩｎ１－ｎ－ｍＧａｍＡｓ又はＡｌｎＩｎ１－ｎ－ｍＧａｍＡｓＰのようなヒ素化合物半導体材料であり、ここで、０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦１、及びｍ＋ｎ≦１である。ここで、半導体本体は、ドーパント及び追加のコンポーネントを含むことができる。しかしながら、簡略化のために、半導体本体の結晶格子の本質的な構成物質、すなわちＡｌ、Ａｓ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ又はＰのみが、たとえこれらが部分的に置き換えられ、及び／又は少量の追加の物質によって補われていたとしても、特定される。好ましくは、半導体本体が、ＡｌＩｎＧａＮに基づく。
半導体本体の活性層は特に、少なくとも１つのｐｎ接合部、及び／又は単一量子井戸、略してＳＱＷの形、又はマルチ量子井戸構造、略してＭＱＷの形の少なくとも１つの量子井戸構造を含む。
活性層は、意図された動作中に、青色又は緑色又は赤色のスペクトル範囲又は紫外線範囲又は赤外線範囲で電磁放射を生成することができる。特に、活性層は、半導体本体のｎ－ドープされた領域とｐ－ドープされた領域との間に配置される。ｐ－ドープされた領域は、半導体本体の第１の主表面と活性層との間にあり、ｎ－ドープされた領域は、半導体本体の第２の主表面と活性層との間にある。第１の主表面と第２の主表面とは対向し、半導体本体の上部表面を形成する。以下で、第１の主表面をｐ側、第２の主表面をｎ側とも呼ぶ。
レーザバーの個別のエミッタは、個々に独立して動作可能であってもよい。個別のエミッタは横方向に並置され、例えば、レーザ放射が動作中発生されるレーザバーの領域に離間して配置される。個別のエミッタはそれぞれ、半導体本体の部分的な領域又は領域を含む。横方向に沿って測定される個別のエミッタの幅は、例えば、個別のエミッタの意図された動作中にレーザ放射が生成される活性層の領域によって定義される。個別のエミッタは、レーザダイオードとも呼ばれる。
ダイオードレーザの意図された動作では、個別のエミッタが、例えば、同時に、かつ、並行して駆動される。次いで、個別のエミッタは、すべて同時にレーザ放射を発生し、これらは長手方向に沿ってレーザバーの外に結合されることが好ましい。このために、レーザバーは、好ましくは共振器のミラーを形成する長手方向に互いに逆向きの２つのファセットを含む。
横方向は、活性層又は半導体本体の主延長面に平行な方向である。長手方向は、同一の主延長面に平行な方向であり、かつ、横方向に垂直な方向である。
少なくとも１つの実施形態によれば、ダイオードレーザは、半導体本体上に１つ以上の電流制御素子を備える。特に、ダイオードレーザは、半導体本体上に丁度１つの電流制御素子又は複数の電流制御素子を備えることができる。電流制御素子又は素子は、特に電気抵抗器である。１つの電流制御素子についての以下の詳細は、数個又はすべての電流制御素子に適用されてもよい。
電流制御素子は、例えば、連続した、特に単純に接続された素子である。電流制御素子は、１個又はモノリシックデザインとすることができる。すなわち、電流制御素子の領域はすべて互いに一体的に形成されており、同一の材料を含んでいるか、同一の材料で構成されている。
電流制御素子は、半導体本体上に配置されている。すなわち、電流制御素子は、半導体本体の外部に形成される。電流制御素子は、半導体本体上に直接、又は半導体本体上に間接的に配置されてもよい。特に、電流制御素子は、半導体本体の主面に配置される。電流制御素子は、半導体本体のｐ側又はｎ側に配置されていてもよい。電流制御素子は、半導体本体に機械的に固定され、永久的に接続されることが好ましい。電流制御素子と半導体本体との距離は、例えば、５０μｍ以下、１０μｍ以下、又は５μｍ以下である。
少なくとも１つの実施形態によれば、少なくともいくつかの個別のエミッタ、特にすべての個別のエミッタは、半導体本体の領域と、それと直列に接続された電流制御素子とをそれぞれ割り当てられ、その結果、個別のエミッタの意図された動作において、それぞれの場合において個別のエミッタに供給される動作電流Ｉ０が半導体本体の割り当てられた領域を完全に流れ、この過程において、この領域において電圧降下ＵＨが生じる。この動作電流Ｉ０の少なくとも一部、好ましくは全動作電流Ｉ０は、関連付けられた電流制御素子を流れ、プロセス内に電気抵抗ＲＳが生じる。
個別のエミッタには、それぞれ独自の電流制御素子を一意的に割り当てることができる。しかしながら、同じ電流制御素子を、数個又はすべての個別のエミッタに割り当てることもできる。
少なくとも１つの実施形態によれば、個別のエミッタに割り当てられたそれぞれの電流制御素子は、抵抗ＲＳが、動作温度Ｔ０で正の温度係数ｄＲＳ／ｄＴ｜Ｔ０を備えるように構成される。代替的に又は追加的に、抵抗ＲＳは｜ΔＵＨ／Ｉ０｜よりも大きく、ここで、ΔＵＨは、個別のエミッタの温度Ｔが動作温度Ｔ０から１Ｋだけ上昇したときの、個別のエミッタに関連付けられた半導体本体の領域における電圧降下ＵＨの変化である。ｄＲＳ／ｄＴ｜Ｔ０及び｜ΔＵＨ／Ｉ０｜は、それぞれ、一定の動作電流Ｉ０の場合について指定される。
温度係数ｄＲＳ／ｄＴ｜Ｔ０は、動作温度Ｔ０で評価された、温度Ｔに対する抵抗ＲＳの導関数として定義される。シンボル｜Ｔ０は、導関数が動作温度Ｔ０で評価されることを意味する。好ましくは、抵抗ＲＳが、動作温度Ｔ０の周辺の少なくとも１０Ｋ又は少なくとも２０Ｋ又は少なくとも５０Ｋの範囲のいずれかにおいて正の温度係数を備える。
個別のエミッタの意図された動作は、動作電流Ｉ０及び動作温度Ｔ０の状態での動作である。個別のエミッタは、直流又はパルスで動作させることができる。例えば、動作電流Ｉ０は、１ｍＡ以上で１００Ａ以下の任意の値、例えば、０．５Ａ以上で５Ａ以下の値、好ましくは、１．５Ａ以上で２．５Ａ以下の値を有することができる。動作温度Ｔ０は、半導体本体の関連付けられた領域の範囲における個別のエミッタの温度である。例えば、個別のエミッタの動作温度Ｔ０は、２７３Ｋ～５００Ｋの間、好ましくは、３３０Ｋ以上４７０Ｋ以下の任意の値を有し得る。例えば、個別のエミッタのそれぞれの意図された動作は、動作電流Ｉ０が１．５Ａ又は２Ａ又は２．５Ａであり、動作温度Ｔ０が３３０Ｋ又は４００Ｋ又は４５０Ｋである動作である。
個別のエミッタの温度が、動作温度Ｔ０から開始して１Ｋ増加する場合、半導体本体の関連付けられた領域を横切って降下する電圧ＵＨは、通常、値ΔＵＨだけ減少する。電流制御素子は、個別のエミッタの意図された動作中、電流制御素子の抵抗が｜ΔＵＨ／Ｉ０｜よりも大きくなるように、好ましくは、少なくとも２倍の大きさ、又は少なくとも５倍の大きさ、又は少なくとも１０倍の大きさ、又は少なくとも２０倍の大きさになるように、好ましくは選択される。
代替的に又は追加的に、電流制御素子は、動作温度Ｔ０におけるその抵抗が正の温度係数ｄＲＳ／ｄＴ｜Ｔ０を備えるように選択されてもよい。換言すれば、電流制御素子は、ポジスタ又はＰＴＣ素子である。好ましくは、温度係数ｄＲＳ／ｄＴ｜Ｔ０は：
ｄＲＳ／ｄＴ｜Ｔ０≧０．５／Ｉ０・ｄＵＨ／ｄＴ｜Ｔ０又は
ｄＲＳ／ｄＴ｜Ｔ０≧０．７５／Ｉ０・ｄＵＨ／ｄＴ｜Ｔ０又は
ｄＲＳ／ｄＴ｜Ｔ０≧０．８５／Ｉ０・ｄＵＨ／ｄＴ｜Ｔ０及び／又は
ｄＲＳ／ｄＴ｜Ｔ０≦２／Ｉ０・ｄＵＨ／ｄＴ｜Ｔ０又は
ｄＲＳ／ｄＴ｜Ｔ０≦１．５／Ｉ０・ｄＵＨ／ｄＴ｜Ｔ０又は
ｄＲＳ／ｄＴ｜Ｔ０≦１．２／Ｉ０・ｄＵＨ／ｄＴ｜Ｔ０
である。
少なくとも１つの実施形態において、ダイオードレーザは、レーザバーを含み、レーザバーはレーザ放射を発生するための活性層を有する半導体本体を含み、レーザバーは横方向に並んで配置された複数の個別のエミッタを含み、その各々は、意図された動作中にレーザ放射を放射する。さらに、ダイオードレーザは、半導体本体上に１つ以上の電流制御素子を備える。少なくともいくつかの個別のエミッタは、半導体本体の領域と、それと直列に接続された電流制御素子とをそれぞれ割り当てられ、その結果、個別のエミッタの意図された動作において、それぞれの場合に個別のエミッタに供給される電気動作電流Ｉ０は、半導体本体の割り当てられた領域を完全に流れ、その領域で電圧降下ＵＨが生じ、この動作電流Ｉ０の少なくとも一部は、割り当てられた電流制御素子を流れ、この過程では電気抵抗ＲＳを感じる。個別のエミッタにおいて、それぞれの関連付けられた電流制御素子は、動作温度Ｔ０で、抵抗ＲＳが、正の温度係数ｄＲＳ／ｄＴ｜Ｔ０を有するように構成されている。代替的に又は追加的に、抵抗ＲＳは｜ΔＵＨ／Ｉ０｜よりも大きく、ここで、ΔＵＨは、個別のエミッタの温度Ｔが動作温度Ｔ０から１Ｋ増加したときの、半導体本体の関連付けられた領域における電圧降下ＵＨの変化である。
特に、本発明は、次の発見に基づいている：個別のエミッタ、特にＩｎＧａＮの個別エミッタのレーザパラメータは、たとえ１つのウエハ化合物からの個別のエミッタだけが考慮されたとしても、高い揺らぎを含む。単一の個別エミッタのみを含むデバイスの場合、不良の個別エミッタは計測によって分類される。
個別のエミッタが個別に動作せず、バー化合物で操作される場合、選択はもはや不可能である。従って、レーザバー上の個別のエミッタには常に一定のバリエーションがある。通常、個別のエミッタは並列に電気的に接続されているため、個別のエミッタは推奨されるように定電流で動作するのではなく、定電圧で動作する。
個別のエミッタの順電圧は、活性層中の温度、及び金属・半導体接触の質のような種々のパラメータに強く依存する。従って、順電圧は個別のエミッタのレーザパラメータに著しく影響される。その結果、レーザバー上のレーザパラメータの変動は、時には電流の流れの劇的な不均一性をもたらす。これは、個別のエミッタが、レーザバーを通る電流の大部分を運び、過熱し、焼けるぐらいまで進むことさえある。その後、レーザバーの残りの部分にも同様のことが起こる。
本発明者らは、とりわけ、レーザバーの各個別のエミッタがほぼ同量の電流を運ぶという意味で、レーザバー内の電流インプリントを均質化するという考えを持っていた。このために、個別のエミッタの各々に電流制御素子が割り当てられ、これによって電流フローが制限される。電流制御素子を、例えばＰＴＣサーミスタとして選択することにより、温度上昇時の個別のエミッタにおける電圧降下における減少を打ち消すことができる。一方、すでに高い抵抗を伴う電流制御素子の場合では、個別のエミッタに関連付けられた半導体本体の領域にわたる電圧降下の温度に関連した変化が、個別のエミッタを通る電流の増大を減少させることにつながる。
少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの個別のエミッタ、好ましくは数個又はすべての個別のエミッタの意図された動作において、以下のことが、関連付けられた電流制御素子における抵抗ＲＳに適用される：
ａ）＋０．１ｍΩ／Ｋ≦ｄＲＳ／ｄＴ｜Ｔ０≦＋２０ｍΩ／Ｋ 及び／又は
ｂ）０．５ｍΩ≦ＲＳ≦１００ｍΩ。
好ましくは、動作温度Ｔ０における抵抗ＲＳは、≧５ｍΩ又は≧１０ｍΩ又は≧１５ｍΩである。代替的に又は追加的に、抵抗ＲＳの温度係数ｄＲＳ／ｄＴ｜Ｔ０は、≧０．５ｍΩ／Ｋ又は≧１ｍΩ／Ｋ又は≧１．５ｍΩ／Ｋであることが好ましい。
少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの個別のエミッタにおいて、好ましくは数個又はすべての個別のエミッタにおいて、関連付けられた電流制御素子は、強誘電体材料を含むか、又は強誘電体材料から構成される。
少なくとも一つの実施形態によれば、強誘電体材料は強誘電体半導体セラミックである。例えば、強誘電体材料は、Ｂａ１－ｘＳｒｘＴｉＯ３である。この材料は、低温状態で比較的低い抵抗率を備える。キュリー温度Ｔｃ以上の温度では、抵抗率は指数関数的に、例えばΔＴ≒１５Ｋ以内で数桁増加する。
少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの個別のエミッタ、好ましくは数個又はすべての個別のエミッタに対して、関連付けられた電流制御素子は、高温超伝導体、特に超伝導絶縁体である。例えば、動作温度Ｔ０を超える高温では、物質が次いで、その超伝導性を失い、電流制御素子の抵抗ＲＳを急激に増大させる。
電流制御素子は、特に、金属又は半導体材料を含むか、又はそれらから構成することができる。電流制御素子に適した材料としては、特に、ＰＴＣ素子として設計されるものであれば、ＢａＴｉＯ、ＢａＣＯ、ＴｉＯ２、Ｓｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｂ又はこれらの材料の混合を含む。また、電流制御素子は、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｃｒ、又はＴＣＯを含むか、又はこれらで構成され得る。
少なくとも１つの実施形態によれば、ダイオードレーザは互いに分離された半導体本体上にいくつか電流制御素子を含み、いくつかの個別のエミッタは、好ましくは一意的に又は双方向唯一的に（ｂｉｕｎｉｑｕｅｌｙ）割り当てられたそれぞれの電流制御素子である。これにより、異なった電流制御素子は、好ましくは横方向に互いに隣り合って配置され、横方向に互いに間隔を置いて配置される、すなわち、互いに接続されていない。なお、電流制御素子は、すべて半導体本体の同じ側に配置してもよい。
少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの個別のエミッタ、好ましくは数個又はすべての個別のエミッタの意図された動作中に、関連付けられた電流制御素子内を流れる動作電流Ｉ０の一部は、半導体本体の主延長面に対して横方向又は垂直方向に主に流れる。「主に」とは、電流制御素子を通る電流経路が、主延長面に並行な方向よりも、主延長面に垂直又は横断する方向に、より大きな距離を進むことを意味する。半導体本体の主延長面に対して垂直に測定される電流制御素子の厚さは、それに応じて選択されなければならない。かわりに、主延長面に沿って測定された電流制御素子の横方向寸法は、小さく選択することができる。例えば、個別のエミッタは、互いに近接して配置することができる。
少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの個別のエミッタ、好ましくは数個又はすべての個別のエミッタの意図された動作において、関連付けられた電流制御素子内を流れる動作電流Ｉ０の一部は、半導体本体の主延長面に平行な方向に主に流れる。すなわち、電流制御素子を通る電流経路は、主延長面に垂直な方向よりも、主延長面に平行な方向の方がより大きな距離に広がる。好ましくは、動作電流Ｉ０の一部が、横方向に主に流れる。
例えば、半導体本体の主延長面は、活性層に平行に走る。
少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの個別のエミッタの場合、好ましくは数個又はすべての個別のエミッタの場合、関連付けられた電流制御素子はいくつかの領域に分割され、ここで、異なる領域はそれぞれ、個別のエミッタに関連付けられた半導体本体の領域に直列に接続される。電流制御素子の領域は、互いに並行に接続されている。さらに、個別のエミッタの電流制御素子の領域が、半導体本体の異なったエリアに割り当てられる。異なる領域の抵抗ＲＳＡ、ＲＳＢは、動作温度Ｔ０で、異なる温度係数ｄＲＳＡ／ｄＴ｜Ｔ０、ｄＲＳＢ／ｄＴ｜Ｔ０を備える。例えば、第１の領域の抵抗ＲＳＡの温度係数ｄＲＳＡ／ｄＴ｜Ｔ０は、第２の領域の抵抗ＲＳＢの温度係数ｄＲＳＢ／ｄＴ｜Ｔ０の少なくとも２倍又は少なくとも１０倍である。電流制御素子の異なる領域は、異なる材料から形成されることが好ましい。高温では、個別のエミッタの異なる／より好ましい領域は、低温でよりも励起される。さらに、このようにして、高温で励起されるエリアを減少させることができ、これによって直列抵抗が増加し、ダイオードの順電圧が増加し、その結果、個別のエミッタを通る電流が減少する。
例えば、異なった領域は、横断方向に互いに隣り合うストリップであってもよい。また、他の領域は、半導体本体の上面から見てチェッカーボードパターンを形成してもよい。また、他の領域は、半導体本体の主延長面に垂直な方向に連続して配置されていてもよい。
少なくとも１つの実施形態によれば、レーザバーは、半導体本体上に配置された複数の第１の接点素子を備える。個別のエミッタの各々は、好ましくはそれ自身の第１の接点素子を一意に割り当てられる。関連付けられた個別のエミッタは、第１の接点素子を介して接触させることができる。第１の接点素子は、好ましくは互いに接続されておらず、例えば、横断方向に互いに離間されている。第１の接点素子は、特に、金のような金属を含むことができる。第１の接点素子は、はんだパッド又はボンドパッドであってもよい。
第１の接点素子は、すべて半導体本体の同一側面、例えばｐ側に配置してもよい。この場合、第１の接点素子は、すべてｐ側接点素子である。１つ又は複数の電流制御素子は、第１の接点素子と同じ側又は反対側として、半導体本体の同じ側に配置されてもよい。例えば、電流制御素子は、第１の接点素子と半導体本体との間、又は半導体本体とは反対を向いている第１の接点素子の側面に形成される。
少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの個別のエミッタの場合、好ましくは数個又はすべての個別のエミッタの場合、横方向に垂直に延びる長手方向に沿って測定される関連付けられた第１の接点素子の長さは、個別のエミッタと関連付けられた電流制御素子の長さよりも長い。特に、長手方向は、半導体本体の主延長面の横方向から垂直方向であり、半導体本体の主延長面に平行な方向である。例えば、第１の接点素子の長さは、電流制御素子の長さの少なくとも１．５倍又は少なくとも２倍である。特に、この場合、電流制御素子がレーザバーのファセットから後退させることができ、これはダイオードレーザの製造に有利であり得る。
しかしながら、代替的に１つの個別のエミッタの場合、又はいくつかもしくはすべての個別のエミッタの場合、関連付けられた第１の接点素子の長さは、個別のエミッタに関連付けられた電流制御素子の長さに実質的に対応することも考えられる。例えば、第１の接点素子の長さと電流制御素子の長さとは、最大で２０％又は最大で１０％だけ互いにずれている。
少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの個別のエミッタにおいて、好ましくは、数個又はすべての個別のエミッタにおいて、関連付けられた電流制御素子はコンタクトワイヤである。その後、動作電流Ｉ０の一部は、動作中にその長さに沿ってコンタクトワイヤを流れる。
少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの個別のエミッタの場合、好ましくは、数個又はすべての個別のエミッタの場合、関連付けられた電流制御素子は、一体的に及び／又は単純に接続された方法で形成される。
少なくとも１つの実施形態によれば、ダイオードレーザは、レーザバーが例えばはんだ付けされるヒートシンクをさらに含む。特に、レーザバーは、半導体本体のリード線のｐ側によってヒートシンクに適用される。例えば、レーザバーは、第１の接点素子を介してヒートシンク上にハンダ付けされる。ヒートシンクは、金属若しくはセラミック又は金属・セラミック層状構造を含むか、又はそれらで構成されてもよい。例えば、ヒートシンクは、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｃｕ、ＣｕＷを含むか、又はそれらで構成される。例えば、ヒートシンクは、ＤＣＢ（直接銅結合：Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄ）構造を含み、例えば、２つの銅層の間にＡｌＮ又はＳｉＣ層を含む。
少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの個別のエミッタ、好ましくは数個又はすべての個別のエミッタにおいて、関連付けられた電流制御素子は、ヒートシンクとは反対を向いている半導体本体の側面に適用される。
少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの個別のエミッタにおいて、好ましくは、数個又はすべての個別のエミッタにおいて、関連付けられた電流制御素子は、ヒートシンクに対向する半導体本体の側面上に形成される。特に、この場合は、ヒートシンク自身が、電流制御素子であってもよい。
例えば、ダイオードレーザは、能動的又は受動的に冷却されてもよい。ダイオードレーザは、Ｃマウントパッケージ又はＴＯマウントパッケージ又はＣＳマウントパッケージで設けることができる。ダイオードレーザは、マイクロチャネルクーラー（ＭＣＣ：ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ ｃｏｏｌｅｒ）を含んでもよい。ダイオードレーザは、１つの側面、２つの側面、３つの側面、４つの側面、又は５つの側面から冷却することができる。
次に、ダイオードレーザを動作させるための方法を説明する。本方法は、本明細書に記載のダイオードレーザを動作させるのに特に適している。従って、ダイオードレーザと関連して開示されるすべての特徴も、方法のために開示され、その逆もまた同様である。
少なくとも１つの実施形態によれば、本方法は、前述の実施形態の少なくとも１つに従ってダイオードレーザを動作させるために使用される。個別のエミッタは、並列回路で動作する。これにより、個別のエミッタにはそれぞれ動作電流Ｉ０が流れ、これにより個別のエミッタにはレーザ放射が発生する。異なる個別のエミッタの動作電流Ｉ０は、異なる可能性がある。個別のエミッタのそれぞれにおいて、動作電流Ｉ０の一部は、個別のエミッタに関連付けられた電流制御素子を流れる。
本方法の少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの個別のエミッタにおいて、好ましくは数個又はすべての個別のエミッタにおいて、動作電流Ｉ０全体が、関連付けられた電流制御素子を流れる。
以下では、本明細書に記載されたダイオードレーザ、及び本明細書に記載されたダイオードレーザを動作させるための方法が、例となる実施形態を手段して図面を参照してより詳細に説明される。従って、同一の参照符号は、個別の図において同一の素子を示す。しかしながら、縮尺への言及は示されておらず、むしろ、個別の素子は、理解を深めるために誇張して大きく示されている。
いくつかの例となる実施形態のダイオードレーザを異なった視点で表示した図 いくつかの例となる実施形態のダイオードレーザを異なった視点で表示した図 斜視図における電流制御素子の様々な例となる実施形態を示す図 斜視図における電流制御素子の様々な例となる実施形態を示す図 斜視図における電流制御素子の様々な例となる実施形態を示す図 斜視図における電流制御素子の様々な例となる実施形態を示す図 いくつかの例となる実施形態のダイオードレーザを異なった視点で表示した図 いくつかの例となる実施形態のダイオードレーザを異なった視点で表示した図 いくつかの例となる実施形態のダイオードレーザを異なった視点で表示した図 いくつかの例となる実施形態のダイオードレーザを異なった視点で表示した図 いくつかの例となる実施形態のダイオードレーザを異なった視点で表示した図 いくつかの例となる実施形態のダイオードレーザを異なった視点で表示した図 いくつかの例となる実施形態のダイオードレーザを異なった視点で表示した図 いくつかの例となる実施形態のダイオードレーザを異なった視点で表示した図 いくつかの例となる実施形態のダイオードレーザを異なった視点で表示した図
図１Ａでは、ダイオードレーザ１００の第１の例となる実施形態が、ダイオードレーザのファセットの側面図で示されている。ダイオードレーザ１００は、活性層１１を有する半導体本体１を備える。意図された動作中に活性層１１内で電磁放射が生成される。この半導体本体１は、例えばＩｎＧａＮをベースとしている。
半導体本体１は、第１の主面１０と、第１の主面１０とは反対側の第２の主面１２とを備える。主面は、半導体本体１の上部表面である。第１の主面１０は、例えば半導体本体１のｐ側である。すなわち、ダイオードレーザ１００の意図する動作時に第１の主面１０を介して半導体本体１にホールが注入される。また、第２の主面１２は、これに対応して、電子が半導体本体１に動作中に注入されるｎ側ビアであってもよい。
複数のメタライゼーション２３、複数の電流制御素子２１、及び複数の第１の接点素子２２が、半導体本体１の第１の主面１０に配置されている。現在、電流制御素子２１は、第１の接点素子２２とメタライゼーション２３との間にそれぞれ配置されている。例えば、メタライゼーション２３は、半導体本体１に直接的に隣接しており、半導体本体１に電荷担体を注入する役割を果たす。例えば、メタライゼーション２３は、パラジウムベースであるか、パラジウムから構成される。また、第１の接点素子２２は、例えば金でてきている半田接点素子であってもよい。電流制御素子２１は、例えば、白金又は強誘電体半導体セラミック又は超伝導絶縁体に基づく。半導体本体１の第２の主面１２には、第２の接点素子２４が配置されている。例えば、第２の接点素子２４は、単純に接続して形成される。例えば、第２の接点素子２４は、Ａｕ及び／又はＴｉ及び／又はＰｔを含む。
現在、ダイオードレーザ１００は、横方向Ｑに並んで配置された複数の個別のエミッタ２を有するレーザバーである。個別のエミッタ２はそれぞれ、半導体本体１の別個の領域２０に関連している。さらに、第１の接点素子２２、電流制御素子２１及びメタライゼーション２３は、それぞれの個別のエミッタ２に固有に関連付けられている。さらに、第２の接点素子２４の領域が、個別のエミッタ２のそれぞれに関連付けられる。
個別のエミッタ２の意図された動作では、動作電流Ｉ０がそれぞれ、関連付けられた第１の接点素子２２、関連付けられたメタライゼーション２３、半導体本体１の関連付けられた領域２０、及び第２の接点素子２４の関連付けられた領域を通って流れる。動作電流Ｉ０の少なくとも一部は、関連付けられた電流制御素子２１を流れる。個別のエミッタ２に対する動作電流Ｉ０は、黒い矢印として示される。例えば、動作電流Ｉ０は２Ａである。この動作電流Ｉ０において、動作される個別のエミッタ２は、例えば、３５０Ｋの動作温度Ｔ０を含む。
ここで、電流制御素子２１は、それぞれ、それらの抵抗ＲＳがそれらを流れる動作電流Ｉ０の一部について、｜ΔＵＨ／Ｉ０｜よりも大きくなるように選択することができ、ここで、ΔＵＨとは、動作温度Ｔ０を起点として、個別のエミッタ２の温度Ｔを１Ｋ上げたときの、半導体本体１の関連付けられた領域２０における電圧降下ＵＨの変化である。代替的位に又は追加的に、電流制御素子２１の抵抗ＲＳは、動作温度Ｔ０で、それぞれ正の温度係数ｄＲＳ／ｄＴ｜Ｔ０を備えてもよい。
電流制御素子２１のこの実施形態は、個別のエミッタ２が好ましくは並列に動作される意図された動作中に、個別のエミッタ２に注入される電流の均質化を達成する。
図１Ｂには、第１の主面１０の上面図が示されている。第１の接点素子２２は、長尺状に形成されている。長手方向Ｌに沿って測定されるそれらの長さは、横方向Ｑに沿って測定されるそれらの幅よりも大きい。図１Ｂに示す上面図では、第１の接点素子２２が、電流制御素子２１及びメタライゼーション２３を完全に覆っている。電流制御素子２１及びメタライゼーション２３の長さはそれぞれ、第１の接点素子２２の長さと実質的に等しくてもよい。
図２Ａ～図２Ｄは、電流制御素子２１のいくつかの例となる実施形態を示す。このような電流制御素子２１は、ダイオードレーザ１００の前に示した例となる実施形態及びダイオードレーザ１００の以下の例となる実施形態で使用することができる。
図２Ａでは、電流制御素子２１は一体型素子である。
図２Ｂでは、電流制御素子２１が、並んで交互に配置された異なった領域２１Ａ、２１Ｂを含む。第１の領域２１Ａは、例えば、抵抗ＲＳＡで構成される。第２の領域２１Ｂは、例えば、抵抗ＲＳＢで構成される。抵抗ＲＳＡは、例えば、動作温度Ｔ０で、温度係数ｄＲＳＡ／ｄＴ｜Ｔ０を備える。抵抗ＲＳＢは、例えば、動作温度Ｔ０で、温度係数ｄＲＳＢ／ｄＴ｜Ｔ０を備える。例えば、ｄＲＳＡ／ｄＴ｜Ｔ０は、ｄＲＳＢ／ｄＴ｜Ｔ０より大きい。例えば、領域２１Ａ、２１Ｂは異なる材料から作られる。抵抗ＲＳＡ、ＲＳＢは、電流制御素子２１の主延長面に垂直な領域２１Ａ、２１Ｂを流れる電流の場合を指す。
このような電流制御素子２１により、個別のエミッタ２に関連付けられた半導体本体１の領域２０の異なる領域を、異なる温度で異なる程度で通電することができる。
図２Ｃにおいて、電流制御素子２１は、ここでも、チェッカーボードパターンに配置された異なる領域２１Ａ、２１Ｂを含む。材質及び特性に関して、これらの領域を図２Ｂの領域として選択することもできる。
図２Ｄでは、電流制御素子２１は、電流制御素子２１の主延長面に平行な平面だけでなく、それに垂直な方向の平面に並置された、いくつかの領域２１Ａ、２１Ｂを含む。
図３は、ダイオードレーザ１００の第２の例となる実施形態を示す。図１の例となる実施形態とは異なり、横方向Ｑに電流制御素子２１に電流が主に流れる。その結果、図１の例となる実施形態よりも電流制御素子２１の厚さを薄くすることができる。横方向Ｑに主に電流を流すために、電流制御素子２１と半導体本体１との間には、例えば窒化ケイ素又は酸化ケイ素又は酸化アルミから成る絶縁体２５も設けられている。
図４の第３の例となる実施形態において、再度、個別のエミッタ２の意図された動作において、電流は、関連付けられた電流制御素子２１を通って横方向Ｑに主に流れる。しかしながら、この場合では、２つの第１の接点素子２２が、絶縁体２５によって横方向Ｑに互いに分離された個別のエミッタ２にそれぞれ関連している。図４に示す実施形態では、個別のエミッタ２の２次元接触を簡単な方法で確立することができる。
図５では、ダイオードレーザ１００の第４の例となる実施形態が、半導体本体１の第１の主面１０の上面図で示されている。電流制御素子２１は、それぞれ関連付けられた第１の接点素子２２及び関連付けられたメタライゼーション２３よりも短い長さを備える。特に、電流制御素子２１はそれぞれ、半導体本体１のファセットから長手方向Ｌに向かって後退している。これによりダイオードレーザ１００の製造上有利な効果を有することができる。その他の点では、図５の例となる実施形態は、図３の例となる実施形態と実質的に同じである。
図６には、ダイオードレーザ１００の第５の例となる実施形態が示されている。この場合では、各個別のエミッタ２は、第２の主面１２上のそれ自身の第２の接点素子２４に関連している。個別の第２の接点素子２４は、互いに離間しており、接続されていない。さらに、図６においては、電流制御素子２１は、半導体本体１とは反対を向いている第２の接点素子２４の側面に形成されている。
レーザバーに加えて、図６のダイオードレーザ１００は、半導体本体１の第１の主面１０に配置されたヒートシンク３をさらに備える。例えば、第１の接点素子２２は、ヒートシンク３に半田付けされる。ヒートシンク３は、例えば、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｃｕ、ＣｕＷを含み得るか、又はそれらから構成される。
このようなヒートシンク３は、先に示した例となる実施形態でも使用することができる。
図７の第６の例となる実施形態では、図６の例となる実施形態と同様に、個別のエミッタ２はそれぞれ、第２の主面１２上のそれ自体の第２の接点素子２４に関連付けられる。また、電流制御素子２１は、ヒートシンク３と第１の接点素子２２との間で半導体本体１とは反対を向いている第１の接点素子２２の側面に形成されている。
図８は、ダイオードレーザ１００の第７の例となる実施形態を示す。電流制御素子２１は、再度、第１の接点素子２２とヒートシンク３との間に配置される。個別のエミッタ２は、第２の主面１２上に共通の第２の接点素子２４を共有する。
図９は、ダイオードレーザ１００の第８の例となる実施形態を示す。ここでも、半導体本体１の第１の主面１０にヒートシンク３が形成されている。本実施形態では、ダイオードレーザ１００は、単一の電流制御素子２１のみを含み、これは上から見ると、個別のエミッタ２のすべてと重なっている。従って、同じ電流制御素子２１が、個別のエミッタ２の各々に関連付けられる。しかしながら、異なる個別のエミッタ２は、それぞれ、電流制御素子２１の異なる領域を割り当てられる。電流制御素子２１は、例えば、単純に接続され、一体に形成することができる。好ましくは、電流制御素子２１は、レーザバーの個別のエミッタ２がそれぞれ、より選択的に制御され得るようにセグメント化される。例えば、電流制御素子２１は、ヒートシンク３に最初に適用された後、レーザバーの第１の接点素子２２に半田付けされてもよい。
図１０には、ダイオードレーザ１００の第９の例となる実施形態が示されている。ここで、電流制御素子２１は、個別のエミッタ２の第２の接点素子２４に接続されるコンタクトワイヤによって形成される。コンタクトワイヤ２１を経由して、個別のエミッタ２に、意図された動作中に電流が供給される。ここでもヒートシンク３を使用することもできる。
図１１は、ダイオードレーザ１００の第１０の例となる実施形態を示す。この場合も、単一の電流制御素子２１のみが設けられている。例えば、電流制御素子２１は、単純に接続されて形成されており、さらに一体に形成されていてもよい。電流制御素子２１は、第２の接点素子２４上に配置されている。電流制御素子２１は、例えば、金属板であってもよい。電流制御素子２１の有効性を最大にするために、電流制御素子２１をセグメント化することができる。
本特許出願は、独国特許出願第１０ ２０１８ １２７ ９７７．９号の優先権を主張し、その開示内容は、引用により本明細書に組み込まれる。
本発明は、その説明による例となる実施形態に限定されない。むしろ、本発明は、これらの特徴又はこの組合せ自身が特許請求の範囲又は例となる実施形態において明示的に特定されていない場合であっても、特に特許請求の範囲における任意の組合せの特徴を含む、任意の新しい特徴ならびに任意の組合せの特徴を包含する。
１ 半導体本体
２ 個別のエミッタ
３ ヒートシンク
１０ 第１の主面
１１ 活性層
１２ 第２の主面
２０ 半導体本体１の領域
２１ 電流制御素子
２２ 第１の接点素子
２３ メタライゼーション
２４ 第２の接点素子
２５ 絶縁体
１００ ダイオードレーザ

Claims (19)

  1. ダイオードレーザであって、
    レーザ放射を生成するための活性層（１１）を有する半導体本体（１）を含むレーザバーを含み、前記レーザバーは横方向（Ｑ）に並んで配置された複数の個別のエミッタ（２）を含み、前記エミッタの各々は意図された動作中にレーザ放射を放射する、レーザバーと、
    前記半導体本体（１）上の１つ以上の電流制御素子（２１）と、
    を含み、
    少なくともいくつかの個別のエミッタ（２）は、それぞれ、前記半導体本体（１）の領域（２０）と、それに直列に接続された電流制御素子（２１）が割り当てられ、前記個別のエミッタ（２）の意図された動作中に、前記個別のエミッタ（２）に供給される動作電流Ｉ０が前記半導体本体（１）の関連付けられた前記領域（２０）を完全に流れ、その過程において、前記領域（２０）において電圧降下ＵＨが生じ、この動作電流Ｉ０の少なくとも一部が関連付けられた前記電流制御素子（２１）を流れ、この過程において、電気抵抗ＲＳが生じ、
    前記個別のエミッタ（２）において、それぞれ前記関連付けられた電流制御素子（２１）は、抵抗ＲＳが、｜ΔＵＨ／Ｉ０｜より大きい、ここで、ΔＵＨは、前記個別のエミッタ（２）の温度Ｔが動作温度Ｔ０から１Ｋ増加したときの、前記半導体本体（１）の前記関連付けられた領域（２０）における前記電圧降下ＵＨの変化であり、
    少なくとも１つの個別エミッタ（２）の場合、前記関連付けられた電流制御素子（２１）は複数の領域（２１Ａ、２１Ｂ）に分割され、異なる領域（２１Ａ、２１Ｂ）はそれぞれ、前記個別のエミッタ（２）に関連付けられた前記半導体本体（１）の前記領域（２０）に直列に接続され、
    前記電流制御素子（２１）の前記領域（２１Ａ，２１Ｂ）は、互いに並列に接続されており、
    前記個別のエミッタ（２）の前記電流制御素子（２１）の前記領域（２１Ａ，２１Ｂ）が、前記半導体本体（１）の異なった領域に割り当てられており、
    前記異なる領域（２１Ａ、２１Ｂ）の抵抗Ｒ ＳＡ 、Ｒ ＳＢ は、動作温度Ｔ ０ で、異なる温度係数ｄＲ ＳＡ ／ｄＴ｜ Ｔ０ 、ｄＲ ＳＢ ／ｄＴ｜ Ｔ０ を備える、
    ダイオードレーザ。
  2. 少なくとも１つの個別のエミッタ（２）の意図された動作において、以下が、前記関連付けられた電流制御素子（２１）の前記抵抗ＲＳに適用される：
    ａ）＋０．１ｍΩ／Ｋ≦ｄＲＳ／ｄＴ｜Ｔ０≦＋２０ｍΩ／Ｋ、及び／又は
    ｂ）０．５ｍΩ≦ＲＳ≦１００ｍΩ、
    請求項１に記載のダイオードレーザ。
  3. 前記少なくとも１つの個別のエミッタ（２）について、前記関連付けられた電流制御素子（２１）は、強誘電体材料を含むか、又は強誘電体材料から構成される、請求項１～２のいずれか１項に記載のダイオードレーザ。
  4. 前記強誘電体材料が、強誘電体半導体セラミックである、請求項３に記載のダイオードレーザ。
  5. 前記少なくとも１つの個別のエミッタ（２）について、前記関連付けられた電流制御素子（２１）は、高温超伝導体である、請求項１～４のいずれか１項に記載のダイオードレーザ。
  6. 前記ダイオードレーザは、前記半導体本体（１）上に複数の相互に別々の電流制御素子（２１）を備え、前記複数の個別のエミッタ（２）は、それぞれ自身の電流制御素子（２１）を割り当てられる、請求項１～５のいずれ１項に記載のダイオードレーザ。
  7. 前記少なくとも１つの個別のエミッタ（２）の意図された動作において、前記関連付けられた電流制御素子（２）内を流れる動作電流Ｉ０の一部は、前記半導体本体（１）の主延長面を横切る方向又は主延長面に垂直な方向に主に流れる、請求項１～６のいずれか１項に記載のダイオードレーザ。
  8. 前記少なくとも１つの個別のエミッタ（２）の意図された動作において、前記関連付けられた電流制御素子（２１）内を流れる動作電流Ｉ０の一部は、前記半導体本体（１）の主延長面に平行な方向に主に流れる、請求項１～７のいずれか１項に記載のダイオードレーザ。
  9. 前記レーザバーは、前記半導体本体（１）上に配置された複数の第１の接点素子（２２）を備え、各個別のエミッタ（２）は、それ自身の第１の接点素子（２２）が明確に割り当てられ、関連付けられた前記個別のエミッタ（２）は、前記第１の接点素子（２２）を介して接触することができる、請求項１～８のいずれか１項に記載のダイオードレーザ。
  10. 少なくとも１つの個別のエミッタ（２）の場合において、横方向（Ｑ）に垂直に延びる長手方向（Ｌ）に沿って測定された前記関連付けられた第１の接点素子（２２）の長さは、前記個別のエミッタ（２）に関連付けられた前記電流制御素子（２１）の長さよりも長い、請求項９に記載のダイオードレーザ。
  11. 少なくとも１つの個別のエミッタ（２）の場合において、前記関連付けられた電流制御素子（２１）は、コンタクトワイヤである、請求項１～１０のいずれか１項に記載のダイオードレーザ。
  12. 少なくとも１つの個別のエミッタ（２）の場合において、前記関連付けられた電流制御素子（２１）が、一体的に又は単純接続で形成されている、請求項１～１１のいずれか１項に記載のダイオードレーザ。
  13. 前記レーザバーが適用されるヒートシンク（３）をさらに備える、請求項１～１２のいずれか１項に記載のダイオードレーザ。
  14. 少なくとも１つの個別エミッタ（２）について、前記関連付けられた電流制御素子（２１）が、前記ヒートシンク（３）に適用される前記半導体本体（１）の側面に適用される、請求項１３に記載のダイオードレーザ。
  15. 少なくとも１つの個別エミッタ（２）の場合において、前記関連付けられた電流制御素子（２１）は、前記ヒートシンク（３）に対向する前記半導体本体（１）の側面に形成される、請求項１３に記載のダイオードレーザ。
  16. 前記個別のエミッタ（２）は、並列回路で動作し、動作電流Ｉ０はそれぞれの個別のエミッタ（２）を流れ、その結果レーザ放射は前記個別のエミッタ（２）で生成され、前記個別のエミッタ（２）のそれぞれで前記動作電流Ｉ０の少なくとも一部が前記関連付けられた電流制御素子（２１）を流れる、請求項１～１５のいずれか１項に記載のダイオードレーザを動作させる方法。
  17. 少なくとも１つの個別のエミッタ（２）の場合において、前記動作電流Ｉ０の全体が、前記関連付けられた電流制御素子（２１）を通って流れる、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記電流制御素子（２１）は、前記個別のエミッタの意図された動作中に、前記電流制御素子の抵抗ＲＳが、｜ΔＵＨ／Ｉ０｜の少なくとも２倍より大きい、請求項１～１５のいずれか１項に記載のダイオードレーザ。
  19. 前記電流制御素子（２１）は、前記個別のエミッタの意図された動作中に、前記電流制御素子の抵抗ＲＳが、｜ΔＵＨ／Ｉ０｜の少なくとも１０倍より大きい、請求項１～１５のいずれか１項に記載のダイオードレーザ。
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