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技術 端面発光型半導体レーザおよび端面発光型半導体レーザの動作方法

出願人 オスラムオプトセミコンダクターズゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツング
発明者 フックスペーター
出願日 2018年6月5日 (2年6ヶ月経過) 出願番号 2019-566259
公開日 2020年7月30日 (4ヶ月経過) 公開番号 2020-522891
状態 未査定
技術分野 半導体レーザ
主要キーワード 機械的張力 材料種類 保護積層体 層ペア 近赤外放射 材料欠陥 基準尺 ファセット領域
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年7月30日)のものです。
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課題・解決手段

端面発光型半導体レーザおよび端面発光型半導体レーザの動作方法。一実施形態において、端面発光型半導体レーザ(1)はレーザ放射(L)を生成するための活性領域(22)を備える半導体積層体(2)を有する。レーザ放射(L)の取り出しおよび/または反射のためのファセット(3)が半導体積層体(2)に形成される。ファセット(3)を損傷から保護するために、保護積層体(4)がファセット(3)に直接配置される。保護積層体(4)は、半導体積層体(2)から離れる方向において、単結晶開始層(41)と、少なくとも1つの第14族の材料を含む中間層(42)と、窒化物酸化物または酸窒化物からなる少なくとも1つの仕上げ層(43)とを備える。開始層(41)と中間層(42)と仕上げ層(43)とは、互いに異なる材料系から製造される。

概要

背景

特許文献1において、ファセット不動態化されたオプトエレクトロニクス半導体レーザが特定されている。

特許文献2は、高出力レーザダイオードの不動態化に関する。

概要

端面発光型半導体レーザおよび端面発光型半導体レーザの動作方法。一実施形態において、端面発光型半導体レーザ(1)はレーザ放射(L)を生成するための活性領域(22)を備える半導体積層体(2)を有する。レーザ放射(L)の取り出しおよび/または反射のためのファセット(3)が半導体積層体(2)に形成される。ファセット(3)を損傷から保護するために、保護積層体(4)がファセット(3)に直接配置される。保護積層体(4)は、半導体積層体(2)から離れる方向において、単結晶開始層(41)と、少なくとも1つの第14族の材料を含む中間層(42)と、窒化物酸化物または酸窒化物からなる少なくとも1つの仕上げ層(43)とを備える。開始層(41)と中間層(42)と仕上げ層(43)とは、互いに異なる材料系から製造される。

目的

米国特許出願公開第2009/0257466号明細書
独国特許出願公開第102009054912号明細書






達成しようとする目的は、高い光出力において耐用期間の長い半導体レーザを特定することである

効果

実績

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請求項1

AlInGaAsの材料系からなり、かつレーザ放射(L)を生成するための活性領域(22)を備える半導体積層体(2)と、前記レーザ放射(L)を取り出すおよび/または反射するための、前記半導体積層体(2)上のファセット(3)と、前記ファセット(3)を損傷から保護するための、前記ファセット(3)に直接接する保護積層体(4)と、を備える端面発光型半導体レーザ(1)であって、前記保護積層体(4)は、前記半導体積層体(2)から離れる方向において、以下に示された順序で第12族および第16族材料の単結晶開始層(41)と、Siの中間層(42)であって、仕上げ層(43)に面する側において酸化される中間層(42)と、Al、Siおよび/またはTaと、Oおよび任意でNと、で構成されることで、前記開始層(41)とも前記中間層(42)とも異なる材料系からなる、少なくとも1つの前記仕上げ層(43)を有する、端面発光型半導体レーザ(1)。

請求項2

前記中間層(42)は、Siで構成される正確に1つのサブ層(44)を有するように、Siおよびその酸化物からなる、請求項1に記載の半導体レーザ(1)。

請求項3

前記開始層(41)はZnSeまたはZnSからなり、前記仕上げ層(43)はアモルファスAl2O3からなる、請求項2に記載の半導体レーザ(1)。

請求項4

前記中間層(42)の厚さは1nm以上かつ5nm以下の間である、請求項1〜3のいずれかに記載の半導体レーザ(1)。

請求項5

前記開始層(41)の厚さは10nm以上かつ100nm以下の間、および/または前記仕上げ層(43)の厚さの10%以上かつ40%以下の間であり、前記仕上げ層(43)の厚さは25nm以上かつ500nm以下の間であり、前記開始層(41)の厚さは前記中間層(42)の少なくとも3倍である、請求項1〜4のいずれかに記載の半導体レーザ(1)。

請求項6

前記保護積層体(4)が前記レーザ放射(L)を取り出すための、前記半導体レーザ(1)の出力側(11)に配置されることで、前記保護積層体(4)は公差が最大でλ/16の光学的厚さ(1+N)λ/4を有する反射防止層として構成されており、ここで、Nは0以上の整数かつλは前記レーザ放射Lの最大強度波長である、請求項1〜5のいずれかに記載の半導体レーザ(1)。

請求項7

前記保護積層体(4)が前記レーザ放射(L)を反射するための、前記半導体レーザ(1)の反射側(12)に配置されており、前記保護積層体(4)は、前記レーザ放射(L)用のブラッグミラー(5)に含まれる、請求項1〜6のいずれかに記載の半導体レーザ(1)。

請求項8

前記ブラッグミラー(5)は、高屈折層(51)と低屈折層(52)とのペア層である3ペア以上かつ8ペア以下のペア層(5a、5b)を有しており、異なる材料組成の、少なくとも2種類の層ペア(5a、5b)が存在する、請求項7に記載の半導体レーザ(1)。

請求項9

正確に1つの前記開始層(41)と、正確に1つの前記中間層(42)と、正確に1つの前記仕上げ層(43)とは、お互いに接しながら続く、請求項1〜8のいずれかに記載の半導体レーザ(1)。

請求項10

前記半導体レーザ(1)は、M個の仕上げ層(43)とM−1個の中間層(42)とを有しており、Mは3以上の整数であって、各中間層(42)は1つずつ2つの隣接する仕上げ層(43)の間に直接配置され、前記仕上げ層(43)の1つは前記開始層(41)に直接配置される、請求項1〜8のいずれかに記載の半導体レーザ(1)。

請求項11

前記半導体レーザ(1)は、J個の仕上げ層(43)とJ個の中間層(42)とを有しており、Jは2以上の整数であって、前記中間層(42)と前記仕上げ層(43)とはそれぞれ直接互いに連続しており、前記中間層(42)の1つは前記開始層(41)に直接配置される、請求項1〜8のいずれかに記載の半導体レーザ(1)。

請求項12

前記レーザ放射(L)の平均発光出力が少なくとも8Wであるように構成される前記半導体レーザ(1)であって、動作期間中に、前記保護積層体(4)を備える前記ファセット(3)におけるエネルギー密度は、少なくとも部分的に、少なくとも6MW/cm2である、請求項1〜11のいずれかに記載の半導体レーザ(1)。

請求項13

前記中間層(42)は、生成された前記レーザ放射(L)を吸収するように機能し、前記中間層(42)における前記レーザ放射(L)の吸収は、動作時間が長くなるにつれ減少する、請求項1〜12のいずれかに記載の半導体レーザ(1)の動作方法

請求項14

前記中間層(42)が、動作時間が長くなるにつれて前記仕上げ層(43)に面する側から酸化され、前記中間層(42)は部分的にのみ酸化する、請求項13に記載の方法。

技術分野

0001

端面発光型半導体レーザを特定する。また、このような半導体レーザ動作方法を特定する。

背景技術

0002

特許文献1において、ファセット不動態化されたオプトエレクトロニクス半導体レーザが特定されている。

0003

特許文献2は、高出力レーザダイオードの不動態化に関する。

先行技術

0004

米国特許出願公開第2009/0257466号明細書
独国特許出願公開第102009054912号明細書

発明が解決しようとする課題

0005

達成しようとする目的は、高い光出力において耐用期間の長い半導体レーザを特定することである。

0006

本目的を、とりわけ、独立特許請求項の特徴を用いた、半導体レーザおよび動作方法により達成する。従属請求項は選択的な発展形態を対象とする。

課題を解決するための手段

0007

少なくとも1つの実施形態によれば、半導体レーザは端面発光型レーザである。すなわち、例えば、動作中に生成したレーザ放射は、半導体レーザの半導体積層体成長方向に対し、基本的に垂直に誘導される。半導体レーザの発光表面は、成長方向に対して平行または略平行に配列できる。特に、半導体レーザ内の共振器経路は、成長方向に対し垂直に延びている。

0008

少なくとも1つの実施形態によれば、半導体積層体はレーザ放射を生成するように構成される。この目的のために、半導体積層体は、1つ以上の活性領域を備えることが好ましい。少なくとも1つの活性領域において、レーザ放射は電荷キャリア再結合、すなわち電界発光により生成される。

0009

半導体積層体は、III−V化合物半導体材料に基づくことが好ましい。例えば、半導体材料は、AlnIn1−n−mGamNなどの窒化物化合物半導体材料、AlnIn1−n−mGamPなどのリン化物化合物半導体材料、またはAlnIn1−n−mGamAsまたはAlnGamIn1−n−mAskP1−kなどのヒ化物化合物半導体材料である。ここでそれぞれの材料において、0≦n≦1、0≦m≦1およびn+m≦1であり、0≦k<1が成り立つ。半導体積層体の少なくとも1つの層またはすべての層について、0<n≦0.8、0.4≦m<1、n+m≦0.95および0<k≦0.5が成り立つことが好ましい。半導体積層体は、ドーパントおよび追加の成分を含んでもよい。しかしながら簡略化のため、少量の他の物質によって部分的に置換および/または補充可能ではあるが、半導体積層体の結晶格子の必須成分、すなわち、Al、As、Ga、In、N、またはPのみを示す。

0010

半導体積層体はすでに定義したようなAlInGaAs材料系に基づくことが好ましい。

0011

少なくとも1つの実施形態によれば、半導体レーザは半導体積層体において、少なくとも1つのファセット(facet)を備える。このファセットはレーザ放射を取り出すおよび/または反射するように構成される。特に、レーザ放射のための共振器を画定する、半導体積層体の互いに反対側にある表面に、2つのファセットが存在する。

0012

少なくとも1つの実施形態によれば、半導体レーザは1つ以上の保護積層体を含む。この少なくとも1つの保護積層体はファセットを損傷から保護するために構成される。保護積層体はファセットに直接配置されることが好ましい。レーザ放射を取り出すおよび/または反射するように構成されたファセットのそれぞれに、保護積層体を施すことも可能である。

0013

少なくとも1つの実施形態によれば、保護積層体は開始層を備える。開始層は単結晶層であることが好ましい。特に、開始層は、一定の厚さを有するように製造された、構造化されていない連続層である。例えば、開始層は分子線エピタキシー法、略してMBEによって製造される。

0014

少なくとも1つの実施形態によれば、開始層は半導体積層体のファセットに直接配置される。従って、開始層は半導体積層体に直接接触しうる。

0015

少なくとも1つの実施形態によれば、保護積層体は中間層を有する。中間層は開始層よりもファセットから離れている。中間層は、少なくとも1つの、周期表第14族の材料を有するか、またはその材料で構成される。特に、中間層は、正確に1つの第14族の材料で構成されるサブ層を備える。中間層は、例えば、スパッタリングにより製造される。

0016

少なくとも1つの実施形態によれば、保護積層体は仕上げ層を有する。仕上げ層は、開始層や中間層よりもファセットから離れている。

0017

少なくとも1つの実施形態によれば、仕上げ層は、窒化物酸化物酸窒化物材料種類の1つを有するか、またはその材料で構成される。

0018

少なくとも1つの実施形態によれば、開始層と中間層と仕上げ層とは、それぞれ異なる材料系の材料で作られる。異なる材料系とは、例えば、異なる主要材料成分が存在することを意味する。主要材料成分とは、特に、それぞれの材料の必須の結晶形成成分である。特に、開始層と仕上げ層は第14族の材料を含まない。これは、周期表第14族の材料が、最大でも不純物の濃度で、開始層および/または仕上げ層に選択的に存在することを意味する。さらに、これは特に、開始層が酸化物、窒化物、または酸窒化物ではないことを意味する。特に、開始層は硫化物セレン化物またはテルル化物である。

0019

少なくとも1つの実施形態において、端面発光型半導体レーザはレーザ放射を生成するための活性領域を備える半導体積層体を有する。レーザ放射の取り出しおよび/または反射のために、ファセットが半導体積層体に形成される。ファセットには、ファセットを損傷から保護するための保護積層体が直接接する。保護積層体は、半導体積層体から離れる方向において、単結晶開始層と、少なくとも1つの第14族の材料を含む中間層と、窒化物、酸化物または酸窒化物からなる少なくとも1つの仕上げ層とを有する。開始層と中間層と仕上げ層とは、互いに異なる材料系から製造される。

0020

ここで記載する半導体レーザは、特に、中間層が開始層を仕上げ層の汚染物質から保護するという考えに基づくものである。こうすることで、半導体レーザの耐用期間を特に長くすることができる。半導体レーザは、数ワットの範囲の高い光出力を持つ近赤外レーザが好ましい。

0021

端面発光型半導体レーザのミラーまたは共振器ミラーは、典型的には、結晶面に沿って分割された、半導体結晶の平行面であるファセットから形成される。このような高い光出力レーザの動作中に、ミラーの領域で半導体材料が徐々に劣化していく。劣化は、特に、電荷キャリアの吸収と非放射再結合により、ファセット領域が加熱することで加速する。

0022

ファセットにおいて温度が上昇すると、不利なことにバンドギャップが低下し、ファセットの材料変化、特に酸化が進み、さらには結晶内に欠陥が形成されることになる。こうしてさらに吸収と非放射再結合が増加する。これによりさらに加熱が進み、より多くの材料欠陥が形成され、吸収と加熱が増加する結果となる。バンドギャップの減少は、ファセットにおいて電流が集中し光子がより吸収されることにもつながり、結果、加熱がさらに増大することで、電流がより集中するとともにバンドギャップがより減少する。

0023

レーザファセットが十分に安定化されていないと、多くの場合、上記の自己増強型の経年劣化プロセスによって、突然に致命的な光学的損傷COD)が起こる。このような損傷は、特に半導体材料の急速な過熱融解が原因となって起きるものであり、半導体レーザの破壊へとつながる。このようなメカニズムにより、要求される耐用期間の間に半導体レーザの動作可能な最大光出力が制限される。

0024

割裂によって生成された半導体ファセットの表面相におけるレーザ光の吸収は、ファセットの劣化に大きくかかわってくる。この吸収を防ぐために、レーザ放射の吸収につながるファセットの表面の開結合は飽和し、すなわち光学的に不動態化する必要がある。割裂された半導体ファセットに直接施す材料の選択は重要である。この半導体ファセットに直接接する材料は、開始層で形成される。

0025

最も単純には、開始層は、スパッタリングなどの物理堆積によって施されるアモルファス層であり、それだけですでに端面発光型半導体レーザの耐用期間を延ばすことができる。しかし、アモルファス層は、高いレーザ出力、すなわち高いファセットの負荷に対して十分ではない。そのため、半導体レーザの開始層は、特に分子線エピタキシー法により単結晶として成長させる。これにより、開始層の材料を半導体結晶の表面原子へ結合させることがさらにできるようになり、開結合の飽和が改善される。

0026

特に環境からの水分に対するバリアとして、また所望のファセット反射率へと調整するために、単結晶層に続いて、仕上げ層に相当する1つ以上のアモルファス誘電体層が、通常はすぐに施される。仕上げ層の材料は、レーザ放射を吸収しないように、レーザ放射の波長範囲において透明であることが好ましい。

0027

ここに記載される半導体レーザでは、中間層がさらに挿入され、この中間層は、開始層と少なくとも1つの仕上げ層との間に直接配置されることが好ましい。こうすることで半導体ファセットの経年劣化を大きく遅らせることができ、半導体レーザの耐用期間は大幅に延びる。中間層には特に、開始層と仕上げ層との間の機械的張力を減少させる効果が可能であり、接着性と安定性を改善することができる。

0028

さらに、中間層を使用することで、特に水分など環境からの物質だけではなく、仕上げ層内の汚染物質が、開始層を通じて半導体材料へ拡散するのを防ぐことができる。

0029

さらには、開始層へ中間層をあてがうことにより、好ましくは単結晶である開始層の表面状態を効果的に飽和できる。こうして、開始層のバンドギャップのエネルギー範囲内におけるレーザ光を吸収することで、ファセットの加熱と劣化につながりかねない相の形成を防止することができる。

0030

開始層を通して拡散するこのような汚染物質は、吸収性のある結晶欠陥を起こしかねない。こういった汚染物質は、例えばスパッタリングイン(sputtering−in)としても知られるが、スパッタリングシステム、例えばイオンビーム源スパッタチャンバの壁からの材料の意図しない導入などの製造プロセスによって主に引き起こされる。加えて、使用する出発物質内の不純物から低レベル汚染が起きることもある。

0031

厚さが数nmしかない、シリコンなど第14族材料の層は、効果的な中間層であることが証明されている。特に開始層および仕上げ層の材料と比較して、レーザ放射の波長における吸収が中間層は比較的高いにもかかわらず、驚くべきことに半導体レーザの耐用期間は大幅に増加する。しかしながら、この吸収があるために中間層は薄くなければならない。

0032

あまり好ましくない構成において、中間層は炭素で形成されるか、または主成分として炭素を含むことができる。この場合、中間層はダイヤモンド層として存在しないことが好ましい。

0033

少なくとも1つの実施形態によれば、開始層は(第12族)(第16族)の材料から作られる。第12族の材料は、特に亜鉛またはカドミウムであり、第16族の材料は、特に硫黄セレンまたはテルルである。ZnSまたはZnSeからなる開始層が好ましい。

0034

少なくとも1つの実施形態によれば、中間層は、シリコン、ゲルマニウム酸化シリコンおよび/または酸化ゲルマニウムから作られる。特に、中間層は、シリコンと二酸化シリコンなどの酸化シリコンの層である。中間層には、少なくともあるいは正確に1つの、第14族の材料で構成されるサブ層が存在する。中間層の場合、正確に1つの第14族の材料だけが堆積され、その後部分的に酸化されることで、1つまたは2つの第14族酸化物のサブ層が形成されることが好ましい。「で構成される」とは、本段落および以下において、特に、1019 1/cm3または1018 1/cm3を超えない濃度の不純物が存在することを意味する。

0035

少なくとも1つの実施形態によれば、少なくとも1つの仕上げ層は、アルミニウム、シリコンおよび/またはタンタルを含む酸化物、窒化物または酸窒化物である。特に、仕上げ層または仕上げ層の1つまたはすべての仕上げ層は、酸化アルミニウム窒化シリコン、酸化シリコン、酸化タンタル窒化アルミニウム酸窒化アルミニウムおよび/または酸窒化シリコンから作られる。Al2O3の仕上げ層が好ましい。複数の仕上げ層がある場合、異なる材料から作ることも可能であるが、すべての仕上げ層が同じ材料から作られることが好ましい。

0036

少なくとも1つの実施形態によれば、仕上げ層はアモルファス層である。特に仕上げ層はスパッタリングにより製造される。

0037

少なくとも1つの実施形態によれば、仕上げ層はわずかに汚染されている。不純物はすべて合わせて、1016 1/cm3または1019 1/cm3または1021 1/cm3を超えない濃度で存在することが好ましい。不純物は、特に、Fe、Cr、Mo、Ni、および/またはTiなど、スパッタリングシステムの金属から形成される。炭素の汚染も発生する場合がある。

0038

少なくとも1つの実施形態によれば、中間層は、仕上げ層に面する側において酸化される。すなわち、中間層が仕上げ層から酸化される可能性がある。特に、仕上げ層の酸素が使用される。例えば、仕上げ層の酸化アルミニウムまたは過剰の酸素が消費されることで、酸化シリコンまたは酸化ゲルマニウムが中間層に形成される。酸化は選択的に中間層を完全には貫通しないため、中間層の一部はシリコン部分層またはゲルマニウム部分層として残る。例えば、半導体レーザの動作時間にわたって、中間層は、製造直後の中間層の元の厚さの、少なくとも20%または40%まで、および/または最大80%または60%までが酸化する。

0039

少なくとも1つの実施形態によれば、中間層の厚さは、少なくとも0.1nmまたは0.2nmまたは1nmまたは2nmまたは3nmである。代わりに、またはさらに、中間層の厚さは50nmまたは20nmまたは10nmまたは6nmまたは4nmを超えない。中間層の厚さは、1.5nmと3.5nmの間が好ましい。

0040

少なくとも1つの実施形態によれば、開始層の厚さは、少なくとも10nmまたは20nmである。代わりに、またはさらに、開始層の厚さは200nmまたは100nmまたは60nmを超えない。

0041

少なくとも1つの実施形態によれば、開始層の厚さは、仕上げ層の厚さの少なくとも5%または10%または15%である。代わりに、またはさらに、開始層の厚さは仕上げ層の厚さの60%または40%または30%を超えない。

0042

少なくとも1つの実施形態によれば、仕上げ層の厚さは、少なくとも15nmまたは25nmまたは50nmである。代わりに、またはさらに、仕上げ層の厚さは1μmまたは0.5μmまたは250nmを超えない。

0043

少なくとも1つの実施形態によれば、開始層は中間層よりも厚い。開始層の厚さが、中間層の厚さの少なくとも3倍または5倍または7倍および/または最大で20倍または10倍を超えることが好ましい。

0044

少なくとも1つの実施形態によれば、保護積層体は半導体レーザの、レーザ放射の取り出しを目的とした出力側に配置されている。そうして保護積層体は、反射を防止するように機能する層または反射防止層として構成されうる。全保護積層体の光学的厚さは、(1+N)λ/4であることが好ましい。これは特に、光学的厚さに関して最大でλ/8またはλ/16またはλ/32の公差で適用される。

0045

光学的厚さとは、関連する材料のそれぞれの屈折率が、上記の式内に明示的に示されることなく、あらかじめ考慮されていることを意味する。波長はレーザ放射の最大強度であり、Nは0以上の整数であり、N=0またはN=1が好ましい。このような層の反射率は0.1%以下にすることができる。

0046

(1+N)λ/4という反射防止層の理想的な厚さからの所望の偏差も、反射率を選択的に調整するために、特に増加させるために使用しうる。例えば、レーザ放射に対する保護積層体の反射率は、少なくとも0.5%または1%および/または最大で10%または5%または2%である。

0047

少なくとも1つの実施形態によれば、保護積層体は半導体レーザの、レーザ放射を反射するように設計された反射側に配置されている。すなわち、保護積層体を半導体レーザの共振器ミラーの上または中に配置できることを意味する。保護積層体は、共振器ミラーを形成するブラッグミラーに含まれることが好ましい。ブラッグミラーは、レーザ放射を反射するように配列され、レーザ放射に対して少なくとも95%または98%または99.5%の反射率を有することが好ましい。

0048

少なくとも1つの実施形態によれば、ブラッグミラーは、少なくとも3ペアまたは4ペアおよび/または最大20ペアまたは12ペアまたは8ペアまたは6ペアの層を含む。ペア層はそれぞれレーザ放射に対し、高屈折率高屈折層と比較的低屈折率低屈折層で構成される。例えば、上記の高屈折率と低屈折率との間の屈折率差は、少なくとも0.2または0.3または0.5および/または最大1.5または1または0.7である。4ペアの層で構成されるブラッグミラーが好ましい。

0049

少なくとも1つの実施形態によれば、ブラッグミラーは、異なる材料組成を持つ2種類以上の層ペアを有する。例えば、1種類の層ペアは、レーザ放射に対して透明な材料のみから作られており、別の種類の層ペアは特に、レーザ放射を吸収する材料である高屈折層を備える。例えば、第1種類の層ペアは酸化アルミニウムと酸化タンタルまたは酸化チタンであり、第2種類の層ペアは酸化アルミニウムとシリコンである。

0050

少なくとも1つの実施形態によれば、正確に1つの開始層と、正確に1つの中間層と、正確に1つの仕上げ層とが存在する。これらの層は、ファセットから始まり、記載された順序で続いていくことが好ましい。

0051

少なくとも1つの実施形態によれば、M個の仕上げ層とMまたはM−1個の中間層とが存在する。ここで、Mは3以上または2以上の整数、特にM=3である。仕上げ層は、中間層の両側にそれぞれ配置されることが好ましい。すなわちどの場合も、2つの隣接する仕上げ層の間に中間層が存在することになる。さらに、中間層をファセットから最も遠い仕上げ層の側面に配置してもよい。

0052

少なくとも1つの実施形態によれば、仕上げ層の1つは開始層に直接接している。この開始層に直接接している仕上げ層から始まって、残りの仕上げ層と中間層は交互に、かつ好ましくは直接接しながら保護積層体を形成する。

0053

少なくとも1つの実施形態によれば、J個の仕上げ層とJまたはJ+1個の中間層とが存在する。Jは2以上または3以上の整数であり、特にJ=3が成り立つ。中間層および仕上げ層は、交互におよび/または直接互いに続くことが好ましい。

0054

少なくとも1つの実施形態によれば、中間層の1つは開始層に直接配置される。この中間層から始まって、他の中間層と仕上げ層は交互に、かつ好ましくは直接互いに接しながら、開始層から離れる方向において続く。

0055

少なくとも1つの実施形態によれば、半導体レーザは、レーザ放射の平均発光出力が少なくとも2Wまたは4Wまたは8Wであるように構成される。レーザ放射は、少なくとも2Wまたは4Wまたは8Wの平均発光出力で出射されうる。特に、平均発光出力は少なくとも10Wまたは13Wである。

0056

少なくとも1つの実施形態によれば、半導体レーザの計画された動作期間中に、少なくとも一時的にかつ少なくとも部分的に、保護積層体が配置されるファセットにおいて、少なくとも2MW/cm2または6MW/cm2および/または最大8MW/cm2または12MW/cm2のエネルギー密度が存在する。従って、非常に高いエネルギー密度がファセットにおいて存在する。

0057

少なくとも1つの実施形態によれば、半導体レーザは近赤外放射を生成するように構成される。レーザ放射の最大強度の波長は、少なくとも800nmまたは880nmまたは900nmおよび/または最大1300nmまたは1050nmまたは980nmであることが好ましい。特に、最大強度の波長は約910nmである。

0058

さらに、このような半導体レーザを動作させる、動作方法を特定する。したがって、半導体レーザの特徴も動作方法において開示されており、その逆も同様である。

0059

少なくとも1つの実施形態において、少なくとも1つの中間層は、生成したレーザ放射を吸収する。特に中間層は、レーザ放射の最大強度の波長に対応するものよりも小さいバンドギャップを持つ材料を含む。中間層でのレーザ放射の吸収は、動作時間が長くなるにつれ減少する。

0060

少なくとも1つの実施形態によれば、少なくとも1つの中間層、好ましくはすべての中間層が、動作時間が長くなるにつれて仕上げ層に面する側から酸化される。中間層がそれぞれ1対1の対応関係で仕上げ層に割り当てられることが好ましい。

0061

中間層が間に配置されるいくつかの仕上げ層がある場合、酸化はファセットの方向において、つまり開始層に向かってのみ進むこともできる。あるいは、ここで酸化は、中間層の両方の主面から、すなわちそれぞれの仕上げ層から始まって、開始層に向かう方向および開始層から離れる方向に進むこともできる。

0062

少なくとも1つの実施形態によれば、半導体レーザの計画された使用中に、中間層は部分的にのみ酸化する。これは、中間層の出発物質、特にシリコンあるいはゲルマニウムが、半導体レーザの動作時間にわたっても、少なくとも薄い部分層として、中間層に好ましくは連続的で中断のない層として残ることを意味する。特に中間層は、開始層に垂直な方向の、その伸びに対して最大80%まで酸化する。

0063

以下において、本明細書に記載される半導体レーザを、例示的実施形態によって図面を参照してより詳細に説明する。同一の参照符号は、それぞれの図において同じ要素を示す。基準尺は示されていないが、むしろ個々の要素はよりよい理解のために、大幅に強調された状態で示すことがある。

図面の簡単な説明

0064

本明細書に記載の半導体レーザの例示的実施形態を表す概略断面図である。
本明細書に記載の半導体レーザの例示的実施形態を表す概略断面図である。
本明細書に記載の半導体レーザの例示的実施形態を表す概略斜視図である。
本明細書に記載の半導体レーザの例示的実施形態を表す概略断面図である。
本明細書に記載の半導体レーザの例示的実施形態を表す概略断面図である。
半導体レーザの光出力の概略時間曲線である。

実施例

0065

図1は端面発光型半導体レーザ1の例示的実施形態を示す。レーザ放射Lを生成するための活性領域22を備えた半導体積層体2が基板21上で成長している。半導体積層体2を活性化するために、2つのメタライゼーション6が基板21と半導体積層体2にそれぞれ取り付けられている。活性領域22は、半導体積層体の成長方向Gに対し垂直に向いている。

0066

半導体積層体2は、ウェハー複合体(wafer composite)において成長する。半導体レーザ1の個片化が例えば、破断によって行われることで、ファセット3が半導体積層体2に形成される。特に、ファセット3は、半導体レーザ1の出力側11に形成される。出力側11においてレーザ放射Lは半導体レーザ1から出ていく。

0067

保護積層体4は出力側11のファセット3に配置される。保護積層体4は開始層41、中間層42、仕上げ層43からなる。これらの層41、42、43は、ファセット3から遠ざかる方向においてお互いに接しながら続く。ファセット3に直接接する開始層41は、半導体積層体2の半導体材料の表面状態を不動態化する。中間層42は、開始層41と仕上げ層43との間を接着し、また中間層42は拡散バリアを形成する。環境からの水分に対して、半導体レーザ1をバリアする効果は、仕上げ層43が提供する。

0068

半導体積層体2はAlInGaAs材料系に基づくことが好ましい。開始層41は、MBEにより製造された厚さ25nmの単結晶ZnSe層であることが好ましい。中間層42は、特にSiが約2.5nmの厚さでスパッタされる。仕上げ層43は、例えば、同じくスパッタリングによって製造される、厚さ112nmのアモルファスAl2O3層である。

0069

レーザ放射Lを吸収する材料から中間層42を生成した後、部分酸化を行う。しばらくすると、中間層42は第14族のサブ層44と第14族酸化物のサブ層45となる。半導体レーザ1の動作時間が長くなるにつれて、第14族のサブ層44の厚みは減少し、それに合わせて第14族酸化物のサブ層45の厚みが増大するが、それによって第14族のサブ層44が完全に酸化されるわけではない。その結果、中間層42は、時間の経過とともにレーザ放射Lに対し次第に透明になる。

0070

保護積層体4は、全体としてレーザ放射Lの反射防止層に相当する。保護積層体4の反射率は、例えば、約1%である。レーザ放射Lの最大強度の波長は、910nmである。最大強度の他の波長においては、開始層41および/または仕上げ層43の厚さは、所望の反射率を達成するため波長に応じて調整される。

0071

図2は半導体レーザ1の他の例示的実施形態を示す。保護積層体4は半導体レーザ1の、レーザ放射Lが反射される反射側12に配置される。この目的のために、保護積層体4は、高屈折率を有する層51と低屈折率を有する層52とが交互に連続するブラッグミラー5の一部である。層51、52の光学的厚さはそれぞれλ/4であり、ここでλはレーザ放射Lの最大強度の波長である。

0072

保護積層体4は、反射側12のファセット3に最も近い、低屈折率を有する層52を形成する。ブラッグミラー5は、異なる材料からなる2つの領域5a、5bを備える。領域5a、5bはそれぞれ、層51、52からなる正確に2対の層を有することが好ましい。ファセット3における領域5aのさらなる低屈折層52は、酸化アルミニウム層で形成されることが好ましい。領域5aの高屈折層51は、酸化タンタル層または酸化チタン層によって実現されることが好ましい。領域5bの高屈折層51はシリコン層であり、領域5bの低屈折層52は酸化アルミニウム層であることがやはり好ましい。

0073

両方のファセット3、すなわち出力側11および反射側12の両方のファセットに、保護積層体4が設けられることが好ましい。

0074

図3の例示的実施形態に係る半導体レーザ1は、数個発光ユニット10を有する。例えば、5つの発光ユニット10のそれぞれは、図1または2に示されるような、半導体レーザ1で形成される。発光ユニット10は、図3で発光ユニット10間の破線で示されるように、半導体積層体2と基板21に一体となるよう集積されている。あるいは、個々の発光ユニット10を、隙間をはさんで互いに離間し、および/または図示はされていないがさらなるキャリア実装してもよい。

0075

例えば、発光ユニット10はそれぞれ、同じ波長のレーザ放射Lを出射するように設計されている。各発光ユニット10の光出力は、少なくとも10Wであることが好ましい。発光ユニット10は互いに構造が同一であってもよい。

0076

図4の例示的実施形態には、いくつかの仕上げ層43が存在する。隣接する仕上げ層43の間にそれぞれ中間層42が存在する。仕上げ層43はすべて同一の構造であることが好ましい。選択的には中間層42も同様である。半導体積層体2に最も近い仕上げ層43は、開始層41に直接続く。

0077

中間層42は、レーザ放射Lを吸収する材料で作られるため、中間層42は非常に薄いものが選択される。保護積層体4における高いビーム強度と熱の発生により、特にシリコン中間層42は、半導体レーザ1の動作中に酸化シリコンに変換され、図1に関連して説明したようにこの変換は関連する仕上げ層43から始まる。この変換は、半導体レーザ1の最初の動作の数分で既にかなりの程度進みうるが、部分的には仕上げ層43および中間層42の形成中にも進みうる。したがって、保護積層体40で覆った後の焼き戻し中に、かなり多くの割合で酸化がすでに起こっている。しかし、より大きな時間の尺度において酸化シリコンへのさらなる変換が起こる。こうして、動作する数百時間の時間尺度において、中間層42を通って起こる吸収は、大幅に減少し続ける。これは、動作時間が長くなると、保護積層体4がレーザ放射Lをますます透過させやすくなることを意味する。

0078

いくつかの中間層42を使用することで、拡散バリアはより改善する。中間層42の端部から各中間層42を酸化することにより、例えば、数百時間の動作後に各中間層42の約60%までが酸化される。中間層42の酸化は、特に1nmから2nmの範囲の非常に浅い深さまでしか進まない。多くの中間層42を使用することにより、全体的なシリコン層の厚さを薄くしながら、良好なバリア効果を効果的に得ることができる。一方、単一の同じ材質からなるより厚いシリコン層では、相当低い程度までしか酸化せず、レーザ放射Lの吸収損失が高くなる。

0079

図5の例示的実施形態には、いくつかの中間層42およびいくつかの仕上げ層43が存在する。開始層41から始まって、中間層42と仕上げ層43の複数の対は、直接互いに接しながら交互に続く。特に、開始層41に最も近い中間層42によって、開始層41への仕上げ層43の接着が改善する。

0080

図4同様、図5の例示的実施形態において、ファセット3から外方を向く保護積層体4の外側に、さらに図示されない中間層が配置されてもよく、これにより、保護積層体4の外部に対する境界を定める。

0081

図6Aおよび6Bでは、相対的な光出力Pが動作時間tに対してプロットされる。図3に示すような、それぞれ5つの発光ユニット10を備えた半導体レーザ1を使用する。図6Bは、図1の例示的実施形態を、そこで記載した保護積層体4と共に参照する。図6Aは、中間層42がない以外は構造が同一である、参考半導体レーザを示す。

0082

5つの発光ユニット10(図3を参照)を62Aの合計電流で動作させ、一連の測定の開始時に65Wの光出力が得られた。測定は室温20℃で行った。

0083

図6Aによると、すべての発光ユニット10は、動作約800時間後に機能しなくなった。したがって、図6Aからこの半導体レーザの耐用期間が約600時間であることがわかる。対照的に、図6Bは、発光ユニットが動作2170時間まで機能し続けたことを示している。図6Bから、中間層42のおかげで、少なくとも2170時間という耐用期間にまで大幅に伸びることがわかった。

0084

特に指定のない限り、図に示されている構成要素は、示されている順序で直接互いに接しながら続く。図中、互いに接していない層は、互いに離れていることが好ましい。線がお互いに平行に描かれる限り、対応する表面も互いに平行であることが好ましい。また、特に指定のない限り、図示された互いの構成要素の相対位置は、図に正しく再現されている。

0085

明細書中に記載された発明は、例示的実施形態に基づく記載による例示的実施形態に限定されない。むしろ、本発明は、特許請求の範囲の特徴の組み合わせおよび例示的実施形態の特徴の組み合わせを特に含む、任意の新しい特徴および特徴の組み合わせを、この特徴またはこの組み合わせ自体が明示的に特許請求の範囲または例示的実施形態において特定されていなくても、包含する。

0086

本特許出願は、独国特許出願第102017112610.4の優先権を主張し、その開示内容は参照によって本明細書に援用される。

0087

1半導体レーザ
10発光ユニット
11出力側
12反射側
2半導体積層体
21基板
22活性領域
3ファセット
4保護積層体
41開始層
42 中間層
43仕上げ層
44 第14族のサブ層
45 第14族酸化物のサブ層
5ブラッグミラー
51高屈折層
52低屈折層
6メタライゼーション
G 半導体積層体の成長方向
Lレーザ放射
P光出力(%)
t 時間(h)

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