(57)【要約】      （修正有）【課題】動作中の温度上昇が著しく僅かな点で優れた半導体レーザを提供する。【解決手段】外部共振器を備えた面発光型の光ポンピング半導体レーザを構成する半導体チップ１は基板２、反射器３および活性層５を有している。反射鏡は外部反射器４とともに半導体レーザの共振器を成し、半導体レーザは主放射方向６へ放射を送出する。活性層はこの主放射方向に対し垂直な方向で構造形成されており、これによって自然放出放射１０による半導体チップ１の加熱が低減される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層（５）を含み主放射方向（６）へ放射を送出する半導体チップ（１）と、外部共振器とを備えた面発光型半導体レーザにおいて、
自然放出放射（１０）による半導体チップ（１）の加熱が低減されるよう、前記活性層（５）は主放射方向（６）の方向で構造形成され、ここで、前記活性層（５）は、ポンピング放射源（８）による光学的ポンピングのために設けられた領域（７）を有し、前記活性層（５）の光学的にポンピングされる領域（７）は、主放射方向（６）に対し垂直な方向で周期的な構造をもつ領域（１７）により取り囲まれており、該周期的な構造はフォトニック結晶を成し、そこにおいて放出波長の放射は伝播不可能である、ことを特徴とする面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
前記周期的な構造は複数の開口部（１８）の格子状の配置により形成される、請求項１記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
前記開口部（１８）は活性層（５）とは異なる屈折率をもつ材料によって充填されている、請求項２記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項４】
ヒートシンク（１４）が設けられている、請求項１記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項５】
前記ヒートシンク（１４）と前記活性層（５）との間に基板が設けられていない、請求項４記載の面発光型半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、活性層を含み主放射方向へ放射を送出する半導体チップを備えた半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザの効率ならびに出力性能は、注入された電荷キャリアの放射性の再結合または非放射性の再結合により生じる熱によって著しく制約を受ける。
【０００３】
放熱を改善する目的で、オプトエレクトロニクス素子にはヒートシンクが設けられていることが多い。活性化領域における温度上昇ΔＴはこのようなケースはΔＴ＝Ｒｔｈ・Ｐｖで表され、ここでＲｔｈは活性領域とヒートシンクとの間の熱抵抗、Ｐｖは損失電力である。温度が上昇すると半導体レーザの場合には一般に増幅度が低下する。半導体レーザの効率にとって不都合であるこのような温度上昇を小さくするために有利であるのは、熱抵抗Ｒｔｈまたは損失電力Ｐｖを低減することである。
【０００４】
たとえばKusznetsov等によるIEEE Journ, Sel. Topics in Quantum Electronics 5 (3), 561 (1999) により、ヒートシンクと活性領域との熱結合を典型的には活性領域とヒートシンクとの間に配置された基板の除去によって改善することが知られている。このようにすることによって熱抵抗Ｒｔｈと温度上昇ΔＴが低減される。
【０００５】
活性層内で発生する損失電力Ｐｖは主として、欠陥もしくはオージェプロセスによる電荷キャリアの非放射性再結合ならびに自然放出による電荷キャリアの放射性再結合によって定まる。高い再結合率の結果として、誘導された電荷キャリアの寿命が短くなり、ひいてはレーザ閾値が高くなり、効率と出力が低くなってしまう。したがって電荷キャリアのこの種の再結合を最低限に抑えることが望ましい。欠陥による電荷キャリアの非放射性再結合に対しては、エピタキシャルの品質によって作用を及ぼすことができる。これに対し、オージェプロセスによる電荷キャリアの非放射性再結合に影響を及ぼすのは難しい。
【０００６】
放射の自然放出は光の波長のオーダの構造によって作用を及ぼすことができ、たとえばマイクロ共振器あるいはフォトニック結晶によって制御することができる。フォトニック結晶の動作ならびに製造方法については刊行物T. F. Krauss, R. M. De La Rue, Prog. Quant. Electr. 23 (1999) 51-96に示されており、これを本出願の参考文献とする。
【０００７】
マイクロ共振器による自然放出の制御は、刊行物Y. Hanamaki, H. Akiyama, Y. Shiraki, Semicond. Sci. Technol. 14 (1999) 797-803により知られている。また、アメリカ合衆国特許US 5,420,880には、面発光半導体レーザのレーザ閾値を自然放出放射の出力結合を低減することによって低下させることが記載されている。
【０００８】
さらに国際公開WO 98/43329によれば垂直発光レーザが知られており、これによれば活性媒体の第１のボリューム領域から横方向に自然放出または誘導放出する放射が、第１のボリューム領域を取り囲む第２のボリューム領域のポンピングに利用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】US 5,420,880
【特許文献２】WO 98/43329
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Kusznetsov等によるIEEE Journ, Sel. Topics in Quantum Electronics 5 (3), 561 (1999)
【非特許文献２】T. F. Krauss, R. M. De La Rue, Prog. Quant. Electr. 23 (1999) 51-96
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の基礎とする課題は、動作中の温度上昇が著しく僅かな点で優れた半導体レーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によればこの課題は、活性層は主放射方向の方向で構造形成されていて、自然放出放射による半導体チップの加熱が低減されることにより解決される。従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。
【００１３】
本発明の第１の実施形態によれば、半導体レーザの活性層は主放射方向に対し垂直な方向で、活性層内部の自然放出放射の出力結合が改善されるよう構造形成されている。半導体チップから出力結合される自然放出放射の成分は半導体チップ内では再吸収されないので、この成分は半導体チップの不利な加熱には作用しない。
【００１４】
本発明の第２の実施形態によれば、活性層は主放射方向に対し垂直な方向で、自然放出放射が活性層内ではこの方向において低減されるよう構造形成されている。欠点となる半導体チップの加熱を自然放出放射の出力結合成分の増大によって低減させるようにした本発明の第１の実施形態とは異なりこの実施形態の目的は、そもそも自然放出放射の発生を低減しようというものである。この実施形態が基礎としているのは、自然放出が純粋に内在的な材料特性ではなく活性媒体や周囲の構造にも依存する可能性があるということである。
【００１５】
ここで半導体レーザをたとえば面発光型レーザ（VECSEL Vertical External Cavity Surface Emitting Laser）とすることができ、この場合、活性層はメサ型である。メサ型構造をたとえばホトリソグラフィによるパターニングによってエッチングプロセスと共働させて製造することができる。メサ型構造によって活性層はレーザの主放射方向に対し垂直な方向で空間的に制限されるので、活性層においてこの方向へ放出される自然放出放射を、活性層を通り抜ける比較的短い経路を辿りメサ型部分の側縁を通過して半導体チップから外へ出すことができる。
【００１６】
光学的にポンピングされる面発光型レーザの場合にはポンプ放射源から活性層の部分領域へポンピングビームが入射されるが、この場合、メサ型部分の幅は半導体レーザの主放射方向に対し垂直な方向で、光学的にポンピングされる領域の幅とほぼ等しい。光学的にポンピングされる領域内での吸収は反転分布に起因してレーザ動作中はごく僅かであるため、このような措置によって自然放出放射の再吸収が低減される。
【００１７】
有利であるのは、メサ型部分の側縁がレーザの主放射方向に対し斜めに延在することである。このことによって、レーザの主放射方向に対し垂直な側縁が共振器を形成することが回避される。
【００１８】
さらに有利であるのは、メサ型部分の側縁が反射低減層を有することである。このことで、側縁が主放射方向を横切る方向で共振器として望ましくない働きをするのが回避されるだけでなく、半導体チップからの自然放出放射の出力結合も改善される。
【００１９】
本発明の第２の実施形態に関する１つの実現手法によれば、メサ型形状の活性層を備えた面発光型レーザが設けられ、その際にメサ型部分の側縁は、活性層における自然放出が低減されるよう共振器を成している。この共振器の寸法を、放出波長の放射が伝播不可能となるよう選定すると有利である。先に説明した本発明の第１の実施形態とは異なりこのケースでは、メサ型部分の側縁が共振器作用の増大のために反射増加層を備えていると有利である。
【００２０】
本発明の第２の実施形態のさらに別の実現手法によれば、ポンピング源による光学的ポンピングのために設けられた領域を活性層が備えている半導体レーザが形成される。この場合、光学的にポンピングされる領域は、レーザの主放射方向に対し垂直な方向で周期的な構造を有する領域によって取り囲まれており、この周期的な構造はフォトニック結晶を成しており、そこにおいて放出波長の放射は伝播不可能である。
【００２１】
上述の周期的な構造は、たとえば複数の開口部から成る格子状の配置である。それらの開口部を、活性層とは異なる屈折率をもつ材料で充填することができる。
【００２２】
共振器またはフォトニック結晶によって、主放射方向に対し垂直な方向への自然放出放射に対する確率が低減されるよう活性層における光の状態密度が変えられる。
【００２３】
半導体チップがヒートシンクを有していれば、さらに有利なやり方で半導体チップの加熱の低減を達成できる。その際にこのヒートシンクをたとえば、基板において活性層とは反対の側に配置することができ、その上に半導体レーザの層列を取り付けることができる。有利であるのは、半導体チップにおいてもともと設けられていた基板を取り除くことであり、そのようにすれば殊に活性層を含む残された薄い層系がヒートシンクとじかに接触するようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による半導体レーザの第１の実施例を示す断面図である。
【図２】本発明による半導体レーザの第２の実施例を示す断面図である。
【図３】３Ａは本発明による半導体レーザの第３の実施例を示す断面図であり、３Ｂは第３の実施例の活性層を上から見た部分図である。
【図４】ポンプパワーに依存する半導体レーザ出力に関するシミュレーションを自然放出放射の強度と出力結合を変化させて示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
次に、図１〜図４を参照しながら実施例に基づき本発明について詳しく説明する。なお、図中、同じ素子または同等の役割を果たす素子には同じ参照符号が付されている。
【００２６】
図１に示されている半導体レーザは、外部共振器を備えた面発光型の光ポンピング半導体レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）である。半導体レーザは半導体チップ１を有しており、これは基板２，反射器３および活性層５を有している。ブラッグ反射器とすると有利である反射器３は、外部反射器４とともに半導体レーザの共振器を成している。半導体レーザは主放射方向６へ放射を送出する。
【００２７】
活性層５はたとえば量子井戸構造を有することができ、殊にＩＩＩ−Ｖ化合物半導体材料を含めることができる。活性層５の領域７はポンピングビーム源８により光学的にポンピングされる。活性層５はメサ型である。半導体レーザの主放射方向に対し垂直な方向で、このメサ型部分の断面はそれ以外の半導体チップ１よりも小さい。メサ構造の製造は、たとえばホトリソグラフィによるパターニングならびにそれに続くエッチングプロセスによって行われる。
【００２８】
ポンピングビーム源８からのポンピングビーム９が入射する領域７内で自然放出しメサ型部分の側縁１１に向かって伝播する放射１０は、活性層５の領域１２を通り比較的短い経路を辿った後に側縁１１に到達し、この領域１２は光学的にはポンピングされず、したがって吸収を行う。これに対し光学的にポンピングされる領域７内では、自然放出した放射１０がほぼ吸収されることなく伝播する。その理由はそこではポンピングプロセスに基づき反転分布が生じるからである。活性層５をメサ型構造として成形することによって非反転領域１２が主放射方向に対し垂直な方向で制限されるので、有利なことにこの領域１２における自然放出の吸収が低減される。殊に有利であるのは、メサ型部分が主放射方向６に対し垂直な方向において光学的にポンピングされる領域７とほぼ等しい幅を有することである。これにより自然放出放射１０を吸収する可能性のある非反転領域１２の幅が最小限に抑えられる。
【００２９】
半導体チップ１からの自然放出放射１０の出力結合をいっそう改善する目的で有利であるのは、メサ型部分の側縁１１に反射防止層１３を設けることである。これにより活性層５の屈折率の相違に起因して周囲へ反射して戻る放射が低減される。
【００３０】
自然放出放射１０の吸収が低減されることによって半導体レーザの熱的負荷が減少するが、それでも発生する熱損失をいっそう良好に放熱させる目的で、半導体レーザにさらにヒートシンク１４を設けることができる。たとえば半導体チップ１を半導体基板２の背面でヒートシンク１４に取り付けることができる。基板２を取り除けば、有利なことに活性層５とヒートシンク１４との間の熱抵抗を低減することができる。図２にはこのような半導体レーザが描かれている。
【００３１】
図２に示されている本発明による半導体レーザの実施例と図１に示した実施例との相違点はさらに、メサ型部分の側縁１５が半導体レーザの主放射方向６に対し斜めに延びていることである。側縁１５を斜めにすることで有利なことに共振器が形成されず、それによって主放射方向６に対し垂直な方向でのレーザの振動が低減される。この実施例の場合にも有利であるのは、メサ型部分の側縁１５に反射防止層１３を設けることである。
【００３２】
本発明の第２の実施形態の目的は自然放出の発生そのものを低減することであり、このことはたとえば図１に示した実施例であれば、メサ型部分の側縁１１により共振器を形成し、それによって主放射方向に対し垂直な方向での自然放出を低減することによって実現できる。しかも本発明のこの実施形態では、メサ型部分の側縁１１に反射増加層１６を設けることができる。
【００３３】
図３Ａおよび図３Ｂには、本発明の第２の実施形態に関する第２の実施例が示されている。図３Ａに描かれている半導体レーザは、活性層５の構成を除いて図１に示した半導体レーザに対応している。この場合、活性層５は、光学的にポンピングされる領域７がレーザの主放射方向６に対し垂直な方向で領域１７によって取り囲まれるように構成されている。領域１７は格子構造を有しており、これはフォトニック結晶を成していて、そこでは放出波長の放射は伝播不可能である。
【００３４】
格子構造はたとえば、光学的にポンピングされる領域７を取り囲む活性層５の領域１７に複数の開口部１８を周期的に配置することによって実現される。このことは、図３Ｂに描かれている活性層５を上から見た断面図によって示されている。開口部１８には、周囲を取り囲む半導体材料の屈折率とは異なる屈折率をもつ材料を充填することもできる。
【００３５】
図４に示されているシミュレーション計算の結果に基づき、本発明の両方の実施形態の基本的な着想についてもう一度説明する。ここに描かれているのは、ポンピングビーム源ＰＰのパワーに依存する半導体レーザの出力ＰＬのシミュレーションである。
【００３６】
矩形のシンボルで表された曲線１９のシミュレーションでは、半導体レーザにおいて発生する自然放出放射は出力結合されないものとした。この場合、約１７Ｗよりも上のポンプパワーのところで半導体レーザ出力が過熱に起因して激しく落ち込んでいる。
【００３７】
円形のシンボルで表された曲線２０は、自然放出放射の５０％が半導体チップから出力結合されるものとしてシミュレートした。自然放出放射のこのような出力結合の改善は、本発明の第１の実施形態の基本的な着想に対応する。曲線２０により表されているのは、ポンプパワーが比較的高くなってはじめて出力の落ち込みが生じることであり、したがっていっそう高い出力を達成できることである。
【００３８】
三角形のシンボルで表された曲線２１は、本発明の第２の実施形態の基本原理を示すものである。このシミュレーションでは、自然放出放射は半導体チップから出力結合されはしないが自然放出放射は全体で５０％低減されているものとした。このケースでも、曲線１９のときより高い出力を達成することができる。シミュレートされた曲線２１の場合、半導体レーザ出力は同じポンプパワーであれば曲線２０よりも高い。その理由は、自然放出の低減によって全体としてレーザ閾値も低下されるからである。それゆえいっそう低いポンプパワーのときでもすでにレーザを作動させることができる。
【００３９】
本発明は実施例に基づく既述の説明に限定されるものではない。むしろ本発明にはあらゆる新しい特徴やそれらの特徴のあらゆる組み合わせが含まれており、このことには殊に特許請求の範囲における特徴の各々組み合わせが含まれ、それらの特徴またはそれらの組み合わせ自体が明示的には特許請求の範囲または実施例に挙げられていないにしても、このことはあてはまる。
【符号の説明】
【００４０】
１  半導体チップ
２  基板
３  反射器
４  外部反射器
５  活性層
６  主放射方向
７  ポンピング領域
８  ポンピングビーム源
９  ポンピングビーム
１０  自然放出放射
１１，１５  側縁
１２  非反転領域
１３  反射防止層
１４  ヒートシンク
１６  反射増加層
１７  格子構造をもつ領域
１８  開口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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