TWI388099B - 具有至少一電流位障之邊緣發射式半導體雷射晶片 - Google Patents

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Description

具有至少一電流位障之邊緣發射式半導體雷射晶片
本發明涉及一種邊緣發射式半導體雷射晶片。
文件US 6947464 B2描述一種邊緣發射式半導體雷射晶片及其製造方法。
本發明的目的是提供一種邊緣發射式半導體雷射晶片，其適合用來產生一種射束發散性較小的雷射束，特別是在慢軸方向中產生者。
依據上述邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，此邊緣發射式半導體雷射晶片包括至少一接觸條。邊緣發射式半導體雷射晶片之接觸條用來將電流注入至半導體雷射晶片中。此接觸條例如藉由半導體雷射晶片之一外表面上的金屬化來形成。此接觸條因此具有一種寬度B。
依據此邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，此邊緣發射式半導體雷射晶片包括一活性區。在此半導體雷射晶片操作時，於活性區中將產生電磁輻射。此活性區例如包括一個或多個量子井結構，該量子結構在電流注入至該活性區中時藉由一種受激發的重組而提供光學放大作用。
此名稱量子井結構在此處特別一種結構，於此結構中電荷載體可藉由局限(confinement)而使其能量狀態經歷一種量子化。此名稱量子井結構於此處未指出量子化的維 度。因此，量子井結構可另外包含量子槽，量子線和量子點以及這些結構的每一種組合。
依據上述邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，此邊緣發射式半導體雷射晶片包含至少二個電流位障。電流位障可防止電流的橫向擴散，使藉由一接觸條所施加之電流不會擴散，因而不會流至整個活性區中，而是藉助於電流位障只使該活性區之一可預設的區段中有電流流過。電流位障例如可防止電流不可控制地擴散至配置在接觸條和活性區之間的半導體層中。電流擴散是由電流位障來限制。
電流位障較佳是配置在接觸條之不同側且沿著該接觸條而延伸。若此邊緣發射式半導體雷射晶片具有多於一個的接觸條，則較佳是每一接觸條都配置有至少二個電流位障，其沿著該接觸條而延伸。因此，二個接觸條之間恰巧存在一個電流位障。然而，電流位障不必經由接觸條之整個長度而延伸。
依據上述邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，須對於多個電流位障中之至少一個和該接觸條之間的最大距離V，選取使此最大距離V與該接觸條之寬度B之比值為V/B>1.0者。因此，較佳是對於該二個電流位障之每一個和該接觸條之間的最大距離V，選取使此最大距離V與該接觸條之寬度B之比值為V/B>1.0者。此距離因此是由接觸條之外部邊緣至電流位障之內部邊緣以垂直於縱向中軸的方式而測得。此距離較佳是在該活性區中決定。即，此距離例如是在一種平面中決定，該活性區之面向該接觸 條之表面存在於此平面中。此距離然後在該接觸條之投影在該平面中的投影以及電流位障之內部邊緣之間決定。
依據上述邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，此邊緣發射式半導體雷射晶片包括：至少一接觸條，其中此接觸條具有一種寬度B；一活性區，其中在該半導體雷射晶片操作時產生電磁輻射；至少二個電流位障，其配置在該接觸條之不同側且沿著接觸條而延伸，其中須對於該二個電流位障之每一個和該接觸條之間的距離，選取使最大距離V與該接觸條之寬度B之比值為V/B>1.0者。
依據上述邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，該最大距離V與該接觸條之寬度B之比V/B>1.2。
依據上述邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，該最大距離V與該接觸條之寬度B之比V/B>1.5。
依據上述邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，該最大距離V位存在於半導體雷射晶片之一側上，在此側上存在著該半導體雷射晶片之一種耦合輸出小平面。於此，至少一電流位障與接觸條之間的距離隨著至一側(此側上存在著該半導體雷射晶片之一種耦合輸出小平面)之距離減少而增加。即，該電流位障例如沿著該接觸條而延伸，其中該電流位障至接觸條的距離隨著至一側(此側上存在著該半導體雷射晶片之一種耦合輸出小平面)之距離減少而增大。
依據上述邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，該二個電流位障分別以對一接觸條之縱向中軸成軸對稱的形式而配置。該縱向中軸是指每一由半導體雷射晶片 之一側(此側上存在著該耦合輸出小平面)延伸至半導體雷射晶片之與此側相面對之側面的軸，其中此軸是配置在該接觸條之中央。該縱向中軸可形成該接觸條之一種對稱軸。各電流位障以對該縱向中軸成軸對稱的方式而配置在該接觸條之二個不同的側面上。「軸對稱」因此是指，各電流位障在製程容許度之範圍內以軸對稱的方式而配置。此行的專家因此已清楚地理解的是，一種在數學上嚴格之軸對稱在實際的半導體雷射晶片中不能達成。
依據上述邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，在與該接觸條之延伸面平行之平面中電流位障之形式是依據在該半導體雷射晶片在操作時在接觸條中所感應的熱透鏡來調整。該接觸條的延伸面是一種延伸著該接觸條的平面。此延伸面例如平行於半導體雷射晶片之表面，其上施加有該接觸條。該表面例如可以是該半導體雷射晶片之上側。
在該邊緣發射式半導體雷射晶片操作時會產生熱損耗。此種熱損耗在該半導體雷射晶片中產生溫度梯度。於是，半導體雷射晶片中形成一種不均勻的溫度分佈，使溫度在此處(操作時所產生的雷射光由半導體雷射晶片中的此處發出)可在該耦合輸出小平面上具有一種局部最大值。形成該邊緣發射式半導體雷射晶片所用的半導體材料之折射率與溫度有關，且使該折射率隨著溫度的上升而增大。因此，在該耦合輸出小平面之區域中會形成一種聚光熱透鏡，其使共振器中運行的電磁輻射之相位前端失真。因此，須對於電流位障的形式，選取使其在一種平行於該 接觸條之延伸面之平面中可追隨該熱透鏡的形式者。以此種方式，則電流位障可影響該熱透鏡。即，在該耦合輸出小平面中由電流位障至接觸條的距離將增大。於是，該半導體雷射晶片在操作時該耦合輸出小平面之區域中的熱功率可分佈在一較大的空間中，此空間中電流密度逐漸變小。於是，半導體材料中的溫度梯度變小且熱透鏡-效應亦變小。
依據該邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，至少一電流位障的外形至少以區域方式而在一種平行於該接觸條之延伸面之平面中成步階形式。即，該電流位障不是連續地延伸而是具有一種至接觸條的距離之跳躍值，這樣就形成此電流位障的步階形式的外形。
依據該邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，此半導體雷射晶片具有至少二個接觸條。電流經由每個接觸條而注入至半導體雷射晶片之活性區中。此邊緣發射式半導體雷射晶片中每一接觸條內都可產生空間上相隔開的雷射束，使雷射束之數目等於接觸條的數目。此邊緣發射式半導體雷射晶片具有多個射極，其數目等於接觸條的數目，其中每一射極的發射面都在該半導體雷射晶片之耦合輸出小平面上。
依據該邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，此邊緣發射式半導體雷射晶片另外具有至少一已結構化的接觸條。即，此接觸條不是均勻地形成，例如，其不是形成一種寬度及/或厚度均勻的金屬層而是具有多個結構。
該接觸條因此須被結構化，使注入至活性區中的電荷載體數目朝向該半導體雷射晶片之具有該耦合輸出小平面之側減少。
換言之，例如在該半導體雷射晶片之上側，該接觸條向在該邊緣發射式半導體雷射晶片操作時所產生的雷射束之發射方向延伸。此接觸條例如由該邊緣發射式半導體雷射晶片之遠離該耦合輸出小平面之側延伸至該半導體雷射晶片之具有該耦合輸出小平面之側。該接觸條因此須被結構化，以便在該接觸條的區域中在該耦合輸出小平面之附近所注入至活性區中的電流少於該接觸條之遠離該耦合輸出小平面之區域中所注入至活性區中的電流。電荷載體注入至活性區中的數量因此朝向該半導體雷射晶片之具有該耦合輸出小平面之側而減少。
依據該邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，此半導體雷射晶片包括一活性區，於其中在此半導體雷射晶片操作時可產生電磁輻射。此外，該邊緣發射式半導體雷射晶片包括至少一已結構化的接觸條，其中此接觸條須被結構化，使電荷載體注入至活性區中的數量朝向該半導體雷射晶片之具有該耦合輸出小平面之側減少。
依據該邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，該接觸條被結構化成高數量的電荷載體注入區和低數量的電荷載體注入區。即，該接觸條具有多個區，只有少量的電流由這些區中注入至活性區中。於是，由這些區中甚至無電流注入至該活性區中。這些接觸條之區是低數量的電荷載體注入區。此外，該接觸條具有多個區，有較多 的電流由這些區中注入至活性區中。由這些區中流過該活性區中的電流例如係大約與該半導體雷射晶片之正常操作時的電流密度相同。
依據該邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，該接觸條在沿著該接觸條之縱向中軸之方向中被結構化成高數量的電荷載體注入區和低數量的電荷載體注入區。例如，該接觸條由該半導體雷射晶片之遠離該耦合輸出小平面之側延伸至該半導體雷射晶片之具有該耦合輸出小平面之側。例如，該縱向中軸是與該半導體雷射晶片所產生的雷射束之發射方向平行。
現在，若沿著該縱向中軸而觀看該接觸條，則可看到該接觸條已結構化成高數量的電荷載體注入區和低數量的電荷載體注入區。這些區例如可分別具有長方形的底面或其它形式的底面。這些區例如以上述方式而由多個條來形成，各條的寬度與該接觸條的寬度相同。
依據該邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，高數量的電荷載體注入區之面積範圍隨著至該半導體雷射晶片之具有該耦合輸出小平面之側的距離變小而變小。以此種方式，則電荷載體注入至活性區中的數量朝向該半導體雷射晶片之具有該耦合輸出小平面之此側而變少。該面積範圍例如是與該接觸條的總面積有關。
依據該邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，該接觸條在與該接觸條的縱向中軸成橫向的方向中結構化成高數量的電荷載體注入區和低數量的電荷載體注入區。即，若在與該縱向中軸之方向成橫向(例如，垂直於該 縱向中軸)的方向中觀看該接觸條時，則可看到高數量的電荷載體注入區和低數量的電荷載體注入區。
依據該邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，高數量的電荷載體注入區之面積範圍隨著至該縱向中軸的距離的變小而變小。這表示：在該接觸條的中央只有很少的電流或無電流注入至該活性區中。反之，在該接觸條的外部區域中有較該接觸條的中央還多的電流注入至活性區中。該接觸條之一種在與縱向中軸成橫向的方向中被結構化的區段較佳是位於該半導體雷射晶片之具有該耦合輸出小平面之此側的附近。該接觸條的遠離該耦合輸出小平面之其它區段中，該接觸條例如未被結構化，使該處有較大的電流注入至活性區中。
依據該邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，高數量的電荷載體注入區之面積範圍隨著至該縱向中軸的距離的變小以及至該半導體雷射晶片之具有該耦合輸出小平面之側的距離變小而變小。這例如可以下述方式來達成，即：高數量的電荷載體注入區藉由多個條來形成，這些條沿著該接觸條的縱向中軸而延伸且朝向該耦合輸出小平面的方向而變細。
依據該邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，該接觸條在與該接觸條的縱向中軸成橫向的方向中以及在與該縱向中軸成平行的方向中被結構化成高數量的電荷載體注入區和低數量的電荷載體注入區。這例如可藉由下述方式來達成，即：將該接觸條結構化成高數量的電荷載體注入區和低數量的電荷載體注入區，並沿著該接觸條 的縱向中軸以及與該縱向中軸成橫向的方向延伸。
依據該邊緣發射式半導體雷射晶片之至少一實施形式，該接觸條在高數量的電荷載體注入區中由第一材料構成，且在低數量的電荷載體注入區中由第二材料構成。於是，須對於第一材料，選取使其對該邊緣發射式半導體雷射晶片之半導體材料(其上施加有該接觸條)的電氣過渡電阻小於第二材料之電氣過渡電阻者。以此種方式，可使該接觸條結構化成高數量的電荷載體注入區和低數量的電荷載體注入區。例如，第一和第二材料分別含有第一或第二金屬或分別由第一和第二金屬所構成。於是，高數量的電荷載體注入區和低數量的電荷載體注入區具有大約相同的導熱性，此乃因為此二個注入區分別由不同的金屬所構成或分別含有不同的金屬。因此，導熱性在空間中未改變且使熱能幾乎不會或不會由半導體雷射晶片經由該接觸條而傳送。
此外，該接觸條亦可具有第三區、第四區以及其它區，其由第三、第四材料以及其它材料所形成。由這些區所構成的電荷載體注入區之高度可介於由第一金屬區所構成的電荷載體注入區之高度和由第二金屬區所構成的電荷載體注入區的高度之間。這表示：該接觸條具有高數量、和低數量的電荷載體注入區以及其它區，其它區中電荷載體注入的數量介於高數量和低數量之間。以此種方式，則可達成更細微的結構化且因此可更準確地調整活性區中電荷載體的注入量。
依據至少一實施形式，接觸條存在於該邊緣發射式半 導體雷射晶片之上側和下側上，上側和下側以此處所說明的方式而被結構化。
以下將依據多個實施例和所屬的圖式來說明此處所述的邊緣發射式半導體雷射晶片。
各圖式和實施例中相同或作用相同的各組件分別設有相同的參考符號。所示的各元件和各元件之間的比例未必依比例繪出。反之，為了清楚之故將各圖式的一些元件予以放大地顯示。
光纖雷射以及光纖耦合的雷射可達成優良的射束品質以及高的輸出功率，製造這些雷射時之技術上的進展例如已允許這些雷射用在新的工業應用(例如，遠端焊接)中。作為泵光源，通常使用邊緣發射式半導體雷射二極體，其在將所使用的電功率轉換成可使用的輻射功率時提供很高的效率，同時具有高的光學輸出功率。另一方面，這些雷射顯示出遠場之大的橢圓率。雷射束有效地耦合至光纖透鏡103之圓形光纖橫切面，這只能藉助於昂貴且不易調整的微透鏡101來達成(請參閱第2圖)。雷射二極體之光纖耦合之簡化以及改良可造成更可靠之成本更有利的雷射系統。當射束發散性至少在狹窄之水平方向(所謂慢軸方向)中較小且為了有效的光纖耦合而使射束只在垂直方向(即，垂直於該半導體雷射晶片之上側1a所在的平面的方向)中須大大地轉換時，則微透鏡的調整上的耗費可大大地減少。
第1圖顯示邊緣發射式半導體雷射晶片之以角度所示的光束發散之測量值相對於輸出功率之圖解。於此，在95%功率含量中決定該光束發散值。該光束發散值因此是在水平方向(慢軸方向)中決定，即，在一種與上側1a(請參閱第2圖)平行而延伸的平面中決定。所謂”95%功率含量”是指，在決定該光束發散值時只觀看該雷射束之包含該輸出功率之95%之區域。
如第1圖所示，水平的光束發散值隨著雷射之輸出功率增加而增大。這樣會使光功率高的上述邊緣發射式半導體雷射晶片之應用變得困難，此乃因所使用的小的微透鏡101在側面上會過度(over)發射而使光消失。
第2圖顯示雷射束10耦合至光纖透鏡103時的俯視圖，雷射束10藉由一種邊緣發射式半導體雷射晶片1來產生。第2圖因此顯示一種邊緣發射式半導體雷射晶片1，其以具有五個單一射極的雷射棒來形成。此邊緣發射式半導體雷射晶片在上側1a上具有五個接觸條2。在耦合輸出小平面上有五條雷射束10首先經由微透鏡101而發出。藉由另一光學元件102(其例如是一種聚光透鏡)使雷射束聚集且入射至該光纖透鏡103中。
第3A圖顯示一種邊緣發射式半導體雷射晶片1中一種模擬的溫度分佈之透視圖，半導體雷射晶片1以具有24個單一射極的雷射棒來形成。由於對稱的原因，圖3A中只顯示一半的雷射棒，其具有12個射極。第3A圖中的左邊緣對應於雷射棒的中央。第3A圖中的黑暗位置表示高溫T9之區域30。各參考符號T1至T9標示了多個溫度範圍，其 中T1是最低溫的區域且T9是最高溫的區域。
高效率之邊緣發射式半導體雷射晶片中所存在的高的損耗功率密度在該半導體雷射晶片中產生一種溫度梯度(gradient)。如第3A圖所示，在數瓦特之高的輸出功率和該邊緣發射式半導體雷射晶片1之各別射極有狹窄的條寬時，該邊緣發射式半導體雷射晶片1之共振器中會形成不均勻的溫度分佈。於是，高溫度30之區域之溫度T9之局部最大值將在每一各別的射極之耦合輸出小平面之中央被確定。這在射極數目較第3A圖的雷射更少或只具有唯一的射極的邊緣發射式半導體雷射晶片1中亦如此。由於形成該半導體雷射晶片1所用的半導體材料之折射率是與溫度有關，則在每一射極中都可形成一種熱透鏡，其會使共振器中所傳送的雷射光之相位前端失真。於是，雷射的遠場在水平方向(慢軸方向)中相對於未失真的情況而擴大。在輸出功率增大或泵電流增大時，由於隨著損耗功率而變大的相位前端失真，則光束發散性亦增大(請比較第1圖)。
所達到的最大溫度和熱透鏡之強度隨著該半導體雷射晶片1中所產生的電功率損耗而增大。效率較高的雷射在該半導體雷射晶片有相同的光學輸出功率時產生較少的損耗功率且通常顯示較小的水平光束發散性。
第3B圖顯示上述邊緣發射式半導體雷射晶片1之切面圖。此邊緣發射式半導體雷射晶片可以不同的材料系統來製成。例如，其是一種以下列半導體材料為主的半導體雷射晶片：GaP,GaAsP,GaAs,GaAlAs,InGaAsP,GaN,InGaN,AlGaInAsSb。此外，亦可使用其它由III-V或II-VI半導體 系統所構成的半導體材料。半導體晶片較佳是例如以AlGaInAs材料系為主。
該邊緣發射式半導體雷射晶片1例如是一種二極體雷射棒，其具有多個射極，例如，具有4個至6個射極，其共振長度大於或等於100微米，例如，介於3和6毫米之間。由單一射極所發出的雷射束之寬度較佳是介於50微米和150微米之間。該邊緣發射式半導體雷射晶片1例如可產生一種中央波長是915奈米或976奈米之雷射束。當然，依據所使用的半導體材料，亦可產生較短波長或較長波長的雷射束。在各接觸條2之間可存在電流位障4，其在與該半導體雷射晶片1之發射方向平行的方向中使電流被施加至該活性區14中時受到限制。於是，每二個接觸條之間亦可存在二個或更多的電流位障4。
該半導體雷射晶片1包括一基板11，其可以是一種生長基板且可形成一種p-接觸層。此外，該邊緣發射式半導體雷射晶片1包括一活性區14，其用來產生電磁輻射。此活性區14埋置於波導層13中，波導層13具有一較活性區14還大的能帶間隙14以及一較活性區14還小的折射率。各別有一種塗布層12是與波導層13相鄰接，塗布層12具有一種較波導層13還大的能帶間隙以及一較波導層13還小的折射率。在該半導體雷射晶片1之遠離該基板11之此側上一種位於終端之接觸層15存在於塗布層12上。在該接觸層15上存在多個接觸條2，電流可經由接觸條而注入至活性區14中。各接觸條2之寬度較佳是介於10微米和數百微米之間。電流位障4如第3B圖所示可延伸至活性區 14中或亦可延伸至基板11。
第4A圖顯示一種邊緣發射式半導體雷射晶片之效率相對於至少一電流位障和該接觸條之間的最大距離V與該接觸條的寬度B之比的關係圖。第4A圖中的虛線表示一種趨勢線，各差值藉由擺動的測量值來解釋。
第4B圖顯示一種邊緣發射式半導體雷射晶片中在95%之功率含量中水平光束發散性相對於V/B之圖解。各個半導體雷射晶片除了V/B比值之外具有相同的構造。於此，採用一種寬度是70微米之接觸條。電流位障4配置於該接觸條2，這與第5圖之實施例相對應。
如第4A圖所示，效率之最佳值位於電流位障和接觸條之間的距離較小的區域V/B<1中。另一方面，在此區域V/B中會產生一種較高的水平光束發散性(慢軸(SA)-光束發散性)(請參閱第3B圖)。由V/B1.5開始，已達到大約6度之發散飽和值。即，在該比值V/B適當地放大即V/B>1.0時，較佳是V/B>1.2時，在該邊緣發射式半導體雷射晶片1之效率適當地劣化下可獲得一種小很多的水平發散性。
本發明另外以下述認知為基準：該邊緣發射式半導體雷射晶片中不均勻的溫度分佈可藉由該半導體雷射晶片1之邊緣區域(位於射極外部)中的熱功率而一部份受到補償。於是，熱透鏡的效應減弱，這樣可使水平方向中的雷射束的發散性變小。藉由電流位障4至該接觸條2之最大距離，則由於橫向的電流擴大而使射極外部區域(即，靠近電流位障處)中的電流密度和熱功率增大。於此，須限制電 荷載體注入量，使該外部區域中不產生電荷載體反相(inversion)。即，電流密度在電流位障附近不足以造成一種雷射。在電流位障附近，只會產生熱損耗，這樣會使組件的效率下降(請比較第4A圖)。該外部區域中所產生的電功率損耗對有效發射區域中所產生的電功率損耗之比由於承載變大的電流之面積隨著電流位障3至該接觸條2之距離V的變大而增大。
第5圖顯示邊緣發射式半導體雷射晶片1之上側1a的俯視圖。本實施例中，電流位障4以軸對稱的方式且平行於一接觸條2之縱向中軸23的方式配置，該接觸條2例如藉由一種金屬層而形成在該半導體雷射晶片1之接觸層15上。
電流位障應防止電流在活性區14和接觸條2之間的半導體層中擴大。這能以不同的方式來達成。
一方面，可由上側1a(即，接觸層15)開始來蝕刻多個溝渠直到至少該活性區14下方為止。這些溝渠較佳是配置在該邊緣發射式半導體雷射晶片之各別的射極之間。各溝渠可抑制環形模式和橫向模式。各溝渠未必以對該接觸條2成軸對稱的方式而配置。各溝渠的蝕刻側可以一種適合用來吸收該活性區中所產生的電磁輻射的材料來覆蓋。例如，文件US 6947464中已描述一種具有此種溝渠之邊緣發射式半導體雷射晶片。
產生上述電流位障4之另一種可能方式是將外來原子植入至半導體中且以此種方式使活性區和接觸條之間的層的導電性適當地受到干擾。這在當該植入已至該活性區中 時即已足夠。
第5圖所示的實施例中，雷射耦合輸出小平面位於第5圖之左方和右方。該耦合輸出小平面3位於右側。
第6圖顯示上述半導體雷射晶片之俯視圖。本實施例中，大面積的電流位障4對該接觸條2之縱向中軸23成軸對稱的方式施加而成。
第7圖顯示上述邊緣發射式半導體雷射晶片之俯視圖，其具有以對稱方式施加而成的條形之電流位障4。電流位障4此處未到達該耦合輸出小平面3。至該耦合輸出小平面3之距離因此是數毫米。於此，在該耦合輸出小平面3上形成一種大的橫向電流擴大現象且使半導體雷射晶片中的溫度外形(profile)更均勻。以此種方式，則第3A圖所述的熱透鏡的效應可進一步下降。
第8圖顯示上述邊緣發射式半導體雷射晶片之另一實施例的俯視圖。與第7圖不同之處在於，電流位障在第8圖中以大面積方式來形成。
第9圖顯示上述邊緣發射式半導體雷射晶片之一實施例，其中電流位障4至該接觸條2之距離藉由接觸條寬度B之縮小而在該耦合輸出小平面3之方向中變大。以此種方式，則同樣可使橫向的電流擴散變大。
第10圖顯示上述邊緣發射式半導體雷射晶片之一實施例，其中與第9圖不同之處在於，該接觸條寬度不是線性地對該耦合輸出小平面3而縮小。依據所選取的該接觸條2之形式，可在該半導體雷射晶片中設定一種所期望的溫度外形。
第11圖顯示上述邊緣發射式半導體雷射晶片之一實施例，其中該電流位障4至接觸條2之距離藉由該半導體雷射晶片之區域中該接觸條寬度之改變而變大。最大距離V亦位於該耦合輸出小平面3之附近。
第12圖顯示上述邊緣發射式半導體雷射晶片之一實施例，其中該電流位障4至接觸條2之距離朝向該耦合輸出小平面3而線性地變大。於此，該接觸條2具有一定的寬度。反之，該電流位障4至接觸條2之距離沿著一條直線而變大，這樣會造成一種更大的橫向電流擴散且因此使該耦合輸出小平面3之附近的溫度外形均勻化。
第13圖顯示上述邊緣發射式半導體雷射晶片之一實施例的俯視圖，其中與第12圖不同之處在於，對該電流位障4和接觸條2之間的距離進行一種非線性的變大。
第14圖顯示上述邊緣發射式半導體雷射晶片之一實施例，其中電流位障之外形追隨熱透鏡的形式，如第3A圖所示。在第15，16圖所示的實施例中，該電流位障4和接觸條2之間的距離藉由此距離之非線性之變大以針對熱透鏡來進行調整。於此，第16圖顯示一種大面積的電流位障。
第17，18圖顯示上述邊緣發射式半導體雷射晶片之一實施例，其中該比值V/B在該耦合輸出小平面3的方向中變大且同時使該接觸條寬度B改變以及使該電流位障4至接觸條2的距離變大。
第19至26圖顯示上述邊緣發射式半導體雷射晶片之一實施例，其中該接觸條2和電流位障4之間的距離不連續地改變。因此，如第22至24圖所示，電流位障4亦可 由多個沿著該接觸條2而延伸的電流位障所組成。於此，各別的電流位障可重疊或不重疊。具有不連續的外形之電流位障所提供的優點是「可特別簡易地製成」。因此，在與晶體方向有關的蝕刻速率中可在電流位障蝕刻時避免一些問題。此外，針對例如第10圖所示的結構，亦可簡易地檢測出是否符合容許度的要求。
第27圖顯示上述邊緣發射式半導體雷射晶片之一實施例，其中該電流位障4和接觸條2之間的距離只在該耦合輸出小平面3之附近變大。在該耦合輸出小平面3之附近該比值V/B例如≧1.2。反之，此比值V/B在該半導體雷射晶片之其餘區域中小於1。以此種方式，則可在共振器之大部份上使用對該半導體雷射晶片之效率而言是理想化的比值V/B<1(請參閱第4A圖)。反之，只有在該耦合輸出小平面3之附近才選擇一較大的比值V/B，藉此可使熱透鏡之效應如上所述般變小。
使該半導體雷射晶片1之耦合輸出小平面3上的溫度外形均勻化且因此使熱透鏡之負效應減弱以達成較小的光束發散性所用的另一種可能方式是使接觸條2結構化。第28至31圖顯示使接觸條2結構化之可能方式，其可與第5至27圖所示之每一實施例相組合。即，第5至27圖之接觸條可與第28至31圖所示的接觸條互換。藉由此種措施，則可形成一種在水平方向中光束發散性特別是已下降很多的半導體雷射晶片。
第28圖顯示上述邊緣發射式半導體雷射晶片1之接觸條2之俯視圖。此接觸條2可存在於該半導體雷射晶片1 之上側1a及/或下側1b。此接觸條2須被結構化，使注入至活性區14中的電荷載體在朝向該半導體雷射晶片1之具有該耦合輸出小平面3之此側變少。
在該半導體雷射晶片1之上側及/或下側上一種已結構化的電流施加形式會在該半導體雷射晶片1中經由歐姆損耗功率密度之同樣已結構化的分佈而對該半導體雷射晶片1之共振器中的熱透鏡造成適當的影響。此共振器是由該耦合輸出小平面3和半導體雷射晶片1之與該耦合輸出小平面3相面對的此側所形成。特別有利的是使該接觸條2在縱向中被結構化，即，沿著該接觸條2之縱向中軸23之方向及/或在橫向(即，垂直於該接觸條2之縱向中軸23之方向)中被結構化。已顯示的優異事實是，在此種情況下溫度分佈可被均勻化且可對抗由於熱透鏡所造成的相位前端之失真。因此，射極中所產生的雷射束在水平方向中之發散性可下降。該接觸條2劃分成低數量的電荷載體入區22和高數量的電荷載體注入區21。幾乎無-或甚至無電流經由低數量的電荷載體注入區22而流入至活性區14中。反之，在高數量的電荷載體注入區21中，電流被施加至活性區14中，就像在未結構化的情況時一樣。
施加電流的方式的結構化可以下述方式來進行。
該接觸條之結構化以及電荷載體注入區的結構化之一種可能的方式是：在該半導體雷射晶片1上施加一種已結構化的相對應之鈍化層，使此鈍化層只在該高數量的電荷載體注入區21中被去除，以便在該處介於接觸條2之材料(通常是金屬)和半導體雷射晶片1之半導體材料之間形成 一接觸區。
此外，亦可在施加該接觸條2之金屬層之前藉由該半導體雷射晶片1之最上側之半導體層被結構化地去除而形成結構化，且因此使該半導體材料和該接觸條2之金屬之間的電氣過渡電阻被結構化。
此外，亦可結構化地植入外來原子或由外來原子來形成合金以使該接觸條2和該半導體雷射晶片1之半導體材料之間的電氣過渡電阻改變。除了使該電氣過渡電阻改變以外，藉由植入或合金化亦可使該接觸條2下方之半導體材料之導電率改變。以此種方式，使該接觸條2被結構化成高數量的-和低數量的電荷載體注入區。
使該接觸條結構化且因此使電荷載體注入區結構化的另一種可能方式是：例如在p-摻雜之接觸層15上沈積該接觸條2之前施加一種n-摻雜的半導體層，其被結構化之後又去除。以此種方式，則可在該n-摻雜層仍存在的位置處形成多個在操作時截止的pn-二極體，其可有效地防止電流的流動。只有在該n-摻雜層被去除的區域才可將電流注入。這些區域形成了高數量的電荷載體注入區21。
以相同的方式，一種p-摻雜的半導體層可施加在n-摻雜的接觸層15上，這樣在已結構化地將該p-摻雜層去除之後可得到相同的效應。
使電荷載體注入區結構化之另一種可能方式是：藉由量子井-互相混合，則可使活性區14中之電荷載體的重組在上述位置處受到抑制。藉由結構化地進行量子井-互相混合，則可以上述方式而在活性區14中產生高數量的-和低 數量的電荷載體注入區。
使該接觸條結構化且因此使電荷載體注入區結構化之另一種可能方式是：由不同的金屬或其它材料而局部性地形成各接觸條2，其在這些材料和該半導體雷射晶片之接觸層15之間的界面上具有不同的電氣過渡電阻。這樣會造成一種已結構化的電荷載體注入區且將該接觸層2劃分成高數量的電荷載體注入區21和低數量的電荷載體注入區22。此方法同時可防止各接觸條2之導熱性的改變，且因此可防止由該半導體雷射晶片1所傳送的熱能的變化。可防止熱透鏡之空間調變，否則此種空間調變會影響所產生的雷射光之均勻性。例如，該接觸層15可由p-摻雜的GaAs來形成。在高數量的電荷載體注入區中，由Cr/Pt/Au來形成該接觸條，其中Cr是一種對低的電氣過渡電阻有決定性的金屬。在低的電荷載體注入區中例如使用鋁。
第28圖之實施例中，靠近該耦合輸出小平面3之電荷載體注入區是在縱向(平行於接觸條2之縱軸23的方向)中發生變化。以此種方式，則該耦合輸出小平面3上之溫度上升可較小且該半導體雷射晶片1中之溫度分佈可被平衡。
第29圖顯示上述邊緣發射式半導體雷射之接觸條2。本實施例中，電荷載體注入區在橫向(與該縱軸23成橫向的方向)中發生變化。此結構化較佳是只在該耦合輸出小平面3之附近中進行。在該接觸條2之其餘的長度上未進行結構化。藉由此種結構化，則施加至該活性區中的電流之電流密度在該半導體雷射晶片之共振器之中央中可在該耦 合輸出小平面3上局部地最小化。此種結構是由高數量的電荷載體注入區21和低數量的電荷載體注入區22之條形區所構成，其中在特別少的電流注入至該接觸條2之中央且高數量的電荷載體注入區21之面積範圍在該處特別小。即，對總面積之相對範圍或對相鄰的低的電荷載體注入區之比例在該處特別小。
第30圖顯示上述邊緣發射式半導體雷射晶片1之接觸條2。本實施例中，活性區14中的電流密度是藉由在靠近該耦合輸出小平面3處將縱向和橫向中該接觸條2予以結構化來設定。在此種情況下，高的電荷載體注入區21在該耦合輸出小平面3之方向中變細，但低的電荷載體注入區22在該方向中變寬。
第31圖顯示上述邊緣發射式半導體雷射晶片1之接觸條2。本實施例中，接觸條2之結構措施是由第28圖至30圖之實施例所組成。以此種方式，可使注入至活性區14中的電流密度達成更大的變化。
第32圖中顯示該接觸條2之中間色調的結構化。第32圖中的長方形包括低數量的電荷載體注入區22，注入的電流密度在中央朝向該耦合輸出小平面3以及中軸23而減少。此種結構因此藉由上述的結構化措施來設定。即，在低數量的電荷載體注入區22中例如存在一種鈍化層。
第33A,33B圖顯示藉由該半導體雷射晶片1之一部份使電荷載體注入區結構化的另一種可能方式的切面圖。
該接觸條2之結構化因此是在一種穿隧(tunnel)接觸區上進行。一種很高摻雜的pn-接面特別是在截止方向中形成 一種穿隧接觸區。此穿隧接觸區在適當的造型中具有歐姆特性，即，其具有一種線性的電流-電壓特性。
第33A圖中顯示：一種高的p-摻雜之隧道接觸層11a施加在該半導體雷射晶片1之p-接觸層11上。此一高的p-摻雜之隧道接觸層11a追隨一種高的n-摻雜之隧道接觸層11b之形式。這些穿隧接觸層較佳是至少在稍後應存在著一接觸條2之處整面地施加在該p-接觸層11上且在其磊晶生長之後以區域方式而被去除。
由於該接觸條2之金屬和n-或p-摻雜之半導體之間不同的電氣過渡電阻，則會在具有穿隧層之區域中以及未具有穿隧層之區域中分別形成不同的電荷載體注入區。以此種方式，可產生高數量的電荷載體注入區22和低數量的電荷載體注入區21。
在金屬和p-摻雜的半導體之間形成劣化的接觸區以及在金屬和n-摻雜的半導體之間形成良好的接觸區時，在穿隧層的區域中將在活性區中造成高的電流密度，且在無穿隧層的區域中造成一種低的電流密度。另一方面，在金屬和n-摻雜的區域之間形成劣化的接觸區以及在金屬和p-摻雜的區域之間形成良好的接觸區時將會在穿隧層之區域中造成一種低的電流密度，即，造成一種低數量的電荷載體注入區22，且在穿隧層已去除之處造成高的電流密度。
結構化用的相同的可能方式亦存在於半導體雷射晶片1之n-側上，這顯示在第33B圖中。此處，在該n-接觸層15上施加一種高的n-摻雜之穿隧層15a且在該n-接觸層15上施加一種高的p-摻雜之穿隧層15b。在金屬和p-摻雜的 區域之間形成劣化的接觸區以及在金屬和n-摻雜的區域之間形成良好的接觸區時，在保留著穿隧層之處可在活性區中形成低的電流密度。反之，在穿隧層已去除且在金屬和n-摻雜之接觸層15之間形成一接觸區之處將形成高的電流密度。此外，在金屬和n-摻雜的區域之間形成劣化的接觸區以及在金屬和p-摻雜的區域之間形成良好的接觸區時，將在穿隧層之區域中形成高的電流密度，且在形成一種金屬至n-接觸之處將形成一種低的電流密度。
本專利申請案主張德國專利申請案10 2007 062 789.2和10 2008 014 093.7之優先權，其已揭示的整個內容在此一併作為參考。
本發明當然不限於依據各實施例中所作的描述。反之，本發明包含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特別是包含各申請專利範圍或不同實施例之各別特徵之每一種組合，當相關的特徵或相關的組合本身就算未明顯地顯示在各申請專利範圍中或各實施例中時亦屬本發明。
1‧‧‧(邊緣發射式)半導體雷射晶片
1a‧‧‧上側
1b‧‧‧下側
2‧‧‧接觸條
3‧‧‧耦合輸出小平面
4‧‧‧電流位障
23‧‧‧縱向中軸
B‧‧‧接觸條寬度
d‧‧‧距離
10‧‧‧雷射束
11‧‧‧基板(p-接觸層)
11a‧‧‧p-摻雜之隧道接觸層
11b‧‧‧n-摻雜之隧道接觸層
12‧‧‧塗布層
13‧‧‧波導層
14‧‧‧活性區
15‧‧‧接觸層
15a‧‧‧n-摻雜之穿隧層
15b‧‧‧p-摻雜之穿隧層
21‧‧‧高數量的電荷載體注入區
22‧‧‧低數量的電荷載體注入區
30‧‧‧高溫度區
101‧‧‧微透鏡
102‧‧‧光學元件
103‧‧‧光纖光學系
T1~T9‧‧‧溫度區域
第1圖 邊緣發射式半導體雷射晶片之以角度所示的光束發散之測量值相對於輸出功率之圖解。
第2圖 雷射束耦合至光纖透鏡時的俯視圖。
第3A圖 邊緣發射式半導體雷射晶片中模擬的溫度分佈之透視圖。
第3B圖 邊緣發射式半導體雷射晶片之切面圖。
第4A圖 邊緣發射式半導體雷射晶片之效率的圖解。
第4B圖 邊緣發射式半導體雷射晶片之水平射束發散之圖解。
第5至27圖 邊緣發射式半導體雷射晶片之不同實施例的俯視圖，其具有不同佈置方式的電流位障。
第28至32圖 邊緣發射式半導體雷射晶片之不同實施例的俯視圖，其具有不同佈置方式的接觸條。
第33A、33B圖 用來使電荷載體注入區結構化的其它可能方式的切面圖。
1a‧‧‧上側
2‧‧‧接觸條
3‧‧‧耦合輸出小平面
4‧‧‧電流位障
23‧‧‧縱向中軸
B‧‧‧接觸條寬度
d‧‧‧距離

Claims (14)

  1. 一種邊緣發射式半導體雷射晶片(1)，包括：-至少一接觸條(2)，其具有一種寬度(B)；-一活性區(14)，於其中在該半導體雷射晶片(1)操作時產生電磁輻射；-至少兩個電流位障(4)，其配置在該接觸條(2)之不同側上且沿著該接觸條(2)而延伸，其中將該至少該兩個電流位障(4)每一者和該接觸條(2)之間的最大距離(V)選擇成該最大距離(V)和該寬度(B)之比值為V/B>1.0者；-該等電流位障(4)延伸至少至該活性區(14)，其中該等電流位障(4)防止電流的橫向擴散，以使藉由該接觸條(2)所施加之電流不會擴散成整個該活性區(14)被賦能；-至少一電流位障層(4)至該接觸條(2)之距離隨著至該半導體雷射晶片(1)之一耦合輸出小平面(3)所在之側的距離之減小而增加。
  2. 如申請專利範圍第1項之邊緣發射式半導體雷射晶片，其中該最大距離(V)存在於該半導體雷射晶片(1)之該耦合輸出小平面(3)所在之該半導體雷射晶片(1)的一側附近。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之邊緣發射式半導體雷射晶片(1)，其中該電流位障(4)以對該接觸條(2)之縱向中軸(23)成軸對稱的方式而配置。
  4. 如申請專利範圍第3項之邊緣發射式半導體雷射晶片(1)，其中使該電流位障層(4)之形狀在與該接觸條(2)之延伸面平行的平面中適於在該半導體雷射晶片(1)操作時所感應的熱透鏡。
  5. 如申請專利範圍第4項之邊緣發射式半導體雷射晶片(1)，其中該電流位障(4)由於其本身的形狀而影響該熱透鏡。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之邊緣發射式半導體雷射晶片(1)，其中至少一電流位障(4)之外形的至少一部份在與該接觸條(2)之延伸面平行的平面中是階梯的形狀。
  7. 如申請專利範圍第1或2項之邊緣發射式半導體雷射晶片(1)，其具有至少兩個接觸條(2)。
  8. 如申請專利範圍第1或2項之邊緣發射式半導體雷射晶片(1)，其具有至少一已結構化的接觸條(2)，其被結構化成使一電荷載體注入區在活性區(14)中朝向該半導體雷射晶片(1)之一耦合輸出小平面(3)所在之側而變小，其中該接觸條(2)結構化成高數量的電荷載體注入區(21)和低數量的電荷載體注入區(22)。
  9. 如申請專利範圍第8項之邊緣發射式半導體雷射晶片(1)，其中該高數量的電荷載體注入區(21)之面積範圍隨著至該半導體雷射晶片(1)之一耦合輸出小平面(3)所在之側的距離變小而減少。
  10. 如申請專利範圍第1或2項之邊緣發射式半導體雷射晶片(1)，其中該接觸條(2)在與該接觸條(2)之縱向中軸(23)成橫向的方向中結構化成高數量的電荷載體注入區(21) 和低數量的電荷載體注入區(22)，其中該高數量的電荷載體注入區(21)之面積範圍隨著至該縱向中軸(23)之距離的變大而減少。
  11. 如申請專利範圍第1或2項之邊緣發射式半導體雷射晶片(1)，其中該高數量的電荷載體注入區(21)之面積範圍隨著至該縱向中袖(23)之距離的變小以及至該半導體雷射晶片(1)之一耦合輸出小平面(3)所在之側的距離變小而減少。
  12. 如申請專利範圍第1或2項之邊緣發射式半導體雷射晶片(1)，其中該接觸條(2)在與該接觸條(2)之縱向中軸(23)成橫向的方向中以及在與該接觸條(2)之縱向中軸(23)平行的方向中結構化成高數量的電荷載體注入區(21)和低數量的電荷載體注入區(22)。
  13. 如申請專利範圍第1或2項之邊緣發射式半導體雷射晶片(1)，其中在該高數量的電荷載體注入區(21)中的接觸條(2)係由第一金屬構成，且在低數量的電荷載體注入區(22)中的接觸條(2)係由第二金屬構成，其中對於施加有該接觸條的半導體材料，第一金屬之接觸電阻小於第二金屬之接觸電阻。
  14. 如申請專利範圍第1或2項之邊緣發射式半導體雷射晶片(1)，其中該已結構化的接觸條施加在該半導體雷射晶片(1)之上側(1a)和下側(1b)上。
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