(57)【要約】オプトエレクトロニクス半導体チップは、基板と、基板の上にエピタキシャル成長した半導体積層体と、を備えている。半導体積層体は、窒化物化合物半導体材料をベースとしており、電磁放射を生成する少なくとも１つの活性ゾーンと、活性ゾーンに間接的または直接的に隣接しており、これにより導波路が形成されている、少なくとも１層の導波路層と、を含んでいる。さらに、半導体積層体は、活性ゾーンのｐ型ドープ側において導波路層に隣接しているｐ型クラッド層、もしくは、活性ゾーンのｎ型ドープ側におけるｎ型クラッド層、またはその両方を備えている。導波路層は、クラッド層に間接的または直接的に隣接している。導波路を通るモードの有効屈折率が、基板の有効屈折率よりも高い。
2013520823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オプトエレクトロニクス半導体チップ（１）であって、
キャリア（２）と、前記キャリアの上に載っており、窒化物化合物半導体材料をベースとする半導体積層体（３）と、
を備えており、前記半導体積層体（３）が、
−  電磁放射を生成するようにされている少なくとも１つの活性ゾーン（４）と、
−  前記活性ゾーン（４）に隣接しており、これにより導波路（４５）が形成されている、少なくとも１層の導波路層（５）と、
−  前記活性ゾーン（４）のｐ型ドープ側において前記導波路層（５）に隣接しているｐ型クラッド層（６ｐ）、もしくは、前記活性ゾーン（４）のｎ型ドープ側におけるｎ型クラッド層（６ｎ）、またはその両方と、
を有し、
前記導波路（４５）内を導波されるモードの有効屈折率が、前記キャリア（２）の有効屈折率よりも高い、
オプトエレクトロニクス半導体チップ（１）。
【請求項２】
前記クラッド層（６ｎ，６ｐ）の少なくとも一方が、相互に異なる平均アルミニウム含有量を有する少なくとも２層の副層に分割されており、
前記クラッド層（６ｎ，６ｐ）の第１の半層が、第２の半層（Ｈ２）より高い平均アルミニウム含有量を有し、前記半層（Ｈ１，Ｈ２）が同じ厚さであり、前記第１の半層（Ｈ１）が前記導波路（４５）により近い、
請求項１に記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ（１）。
【請求項３】
前記有効屈折率が、前記キャリア（２）の屈折率の最大で１．０５倍である、
請求項１または請求項２に記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ（１）。
【請求項４】
電界（Ｅ）の分布を記述する関数が、前記活性ゾーン（４）から、前記キャリア（２）に垂直な方向に、前記キャリア（２）に向かって単調に減少する、
請求項１から請求項３のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ（１）。
【請求項５】
前記活性ゾーン（４）において生成され前記ｐ型クラッド層（６ｐ）または前記ｎ型クラッド層（６ｎ）において全反射される放射のエバネッセント場が、前記キャリア（２）まで達し、
前記キャリア（２）における前記エバネッセント場の振幅が、全反射境界面における出力振幅を基準としたとき、部分的に少なくとも２．５％である、
請求項１から請求項４のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ（１）。
【請求項６】
前記ｎ型クラッド層（６ｎ）の厚さ（Ｔｎ）が０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲内（両端値を含む）である、もしくは、前記ｐ型クラッド層の厚さ（Ｔｐ）が１０ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲内（両端値を含む）である、またはその両方である、
請求項１から請求項５のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ（１）。
【請求項７】
前記ｐ型クラッド層（６ｐ）が、以下の材料、すなわち、
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．０００１≦ｘ≦０．３０）、
ＡｌｘＩｎ１−ｘＮ（０．７４≦ｘ≦０．９０）、
（Ａｌ１−ｙＩｎｙ）ｘＧａ１−ｘＮ（０．７４≦ｙ≦０．９０、０．０１≦ｘ≦０．３）、
のうちの１種類をベースとしている、
請求項１から請求項６のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ（１）。
【請求項８】
前記ｎ型クラッド層（６ｎ）が、以下の材料、すなわち、
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．０００１≦ｘ≦０．３０）、
ＡｌｘＩｎ１−ｘＮ（０．７４≦ｘ≦０．９０）、
（Ａｌ１−ｙＩｎｙ）ｘＧａ１−ｘＮ（０．７４≦ｙ≦０．９０、０．０１≦ｘ≦０．３）
のうちの１種類をベースとしている、
もしくは、
前記ｎ型クラッド層（６ｎ）が正孔障壁の形をとる、
またはその両方である、
請求項１から請求項７のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ（１）。
【請求項９】
前記活性ゾーン（４）が、１〜１０層の範囲内（両端値を含む）の量子薄膜を備えており、
少なくとも２層の隣り合う量子薄膜の間に、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．００１≦ｘ≦０．２０）をベースとする、０．１ｎｍ〜３０ｎｍの範囲内（両端値を含む）の厚さを有する障壁層、を形成することによって、前記導波路（４５）における導波が改善される、
請求項１から請求項８のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ（１）。
【請求項１０】
前記ｎ型クラッド層（６ｎ）もしくは前記導波路層（５）またはその両方が、高い屈折率と低い屈折率とが交互に配置される層（５１，５２）を有する超格子であって、前記層（５１，５２）のそれぞれの厚さが０．１ｎｍ〜７０ｎｍの範囲内（両端値を含む）である、前記超格子、を備えている、
請求項１から請求項９のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ（１）。
【請求項１１】
前記超格子が、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０≦ｘ１≦０．１０）をベースとする第１の層（５１）と、Ｉｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（０．０１≦ｘ２≦０．２５）をベースとする第２の層（５２）を、交互に備えており、
前記超格子が前記導波路層（５）に形成されている、
請求項１０に記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ（１）。
【請求項１２】
前記ｐ型クラッド層（６ｐ）が、高い屈折率と低い屈折率とが交互に配置される層（５１，５２）を有する超格子であって、前記層（５１，５２）のそれぞれの厚さが１ｎｍ〜７０ｎｍの範囲内（両端値を含む）である、前記超格子、を備えている、
請求項１から請求項１１のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ（１）。
【請求項１３】
前記キャリア（２）と、前記キャリア（２）に近い方の前記ｎ型クラッド層（６ｎ）との間に、高濃度にドープされた層（７）が配置されており、前記層（７）のドーパント濃度が１×１０１８／ｃｍ３〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲内（両端値を含む）であり、前記層（７）の厚さが１ｎｍ〜１０μｍの範囲内（両端値を含む）である、
または、前記キャリア（２）がこのようなドーパント濃度を備えている、
請求項１から請求項１２のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ（１）。
【請求項１４】
前記導波路層（５）もしくは前記クラッド層（６ｎ，６ｐ）またはその両方が、階段状の屈折率分布を示す、
請求項１から請求項１３のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ（１）。
【請求項１５】
前記ｐ型クラッド層（６ｐ）を部分的に除去することによって帯状領域（１３）が形成されており、
前記帯状領域（１３）が、相対的に低い屈折率を有する材料によって、少なくとも部分的に横方向に囲まれている、
請求項１から請求項１４のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
オプトエレクトロニクス半導体チップを提供する。
【発明の概要】
【０００２】
本発明の目的は、半導体積層体のキャリアが寄生モードの導波路の役割を果たさないオプトエレクトロニクス半導体チップを提供することである。
【０００３】
本オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも一実施形態によると、オプトエレクトロニクス半導体チップは、キャリアと、キャリアの上に載っている半導体積層体と、を備えている。キャリアは、特に、半導体積層体が上にエピタキシャル成長した成長基板とすることができる。
【０００４】
本オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも一実施形態によると、半導体積層体は、窒化物化合物半導体材料をベースとしている。このことは、本明細書では、半導体積層体またはその少なくとも一部分、特に、好ましくは少なくとも１層の活性ゾーンもしくは１層の成長基板（例えばキャリア）またはその両方が、窒化物化合物半導体材料、好ましくはＡｌｎＧａｍＩｎ１−ｎ−ｍＮ（０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦１、ｎ＋ｍ≦１）を含んでいる、またはこのような材料からなることを意味する。この材料は、上の化学式による数学的に正確な組成を有する必要はない。この材料は、例えば、１種類または複数のドーパントおよび追加の構成成分を含んでいることができる。しかしながら、説明を簡潔にする目的で、上の化学式は、結晶格子の基本的な構成成分（すなわちＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ）を含んでいるのみであり、これらの構成成分は、その一部を少量のさらなる物質によって置き換える、もしくはさらなる物質を添加する、またはその両方を行うことができる。
【０００５】
本半導体チップの少なくとも一実施形態によると、半導体積層体は、電磁放射を生成するようにされている活性ゾーンを備えている。活性ゾーンは、少なくとも１つのｐｎ接合、または１〜１０（両端値を含む）層の量子薄膜（quantum film）、特に好ましくは１〜５（両端値を含む）層の量子薄膜、または１〜３（両端値を含む）層の量子薄膜、を備えていることが好ましい。用語「量子薄膜」は、特に、量子井戸構造を含んでおり、量子化の次元は問わない。量子薄膜は、ＩｎＧａＮを含んでいることが好ましい。動作時に生成される放射の波長は、特に、紫外線スペクトル領域または可視スペクトル領域、例えば、３４０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲内（両端値を含む）、特に、３９０ｎｍ〜５４０ｎｍの範囲内（両端値を含む）である。活性ゾーンにおいて生成される電磁放射は、コヒーレントな放射（すなわちレーザ放射）であることが好ましい。言い換えれば、半導体チップは、レーザダイオードチップとすることができる。したがって、活性ゾーンは、光増幅が起こる領域である。活性ゾーンの屈折率の虚部は負とすることができる。
【０００６】
本半導体チップの少なくとも一実施形態によると、活性ゾーンのインジウムの平均含有量は、０．５％〜１５％の範囲内（両端値を含む）である。この値は、特に、活性ゾーンの中央の光生成領域を中心に対称的に配置されている、最大で３００ｎｍのインジウム含有層すべてを対象とする値である。
【０００７】
本半導体チップの少なくとも一実施形態によると、少なくとも２層の隣り合う量子薄膜の間、特に、隣り合う量子薄膜すべての間に、障壁層（好ましくはＩｎＧａＮをベースとする）が配置されている。これらの障壁層は、特に、０．０１％〜２０％の範囲内（両端値を含む）、好ましくは０．０１％〜１０％の範囲内（両端値を含む）、のインジウム含有量を有する。活性ゾーン４の量子薄膜の間の障壁層の層厚は、特に、０．１ｎｍ〜３０ｎｍの範囲内（両端値を含む）、好ましくは０．１ｎｍ〜１５ｎｍの範囲内（両端値を含む）、特に好ましくは１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内（両端値を含む）である。
【０００８】
本オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも一実施形態によると、半導体積層体は、少なくとも１層の導波路層を備えている。好ましくは、半導体積層体は２層の導波路層を備えており、これらの層の間に活性ゾーンが位置している。導波路層は、特に、活性ゾーンに間接的または直接的に隣接している層であり、キャリアの屈折率より大きいかまたは等しい屈折率を有する。
【０００９】
本半導体チップの少なくとも一実施形態によると、少なくとも１層の導波路層と、活性ゾーンとによって、光モードが導波される導波路が形成されている。この導波路は、２次元の導波路または１次元の導波路とすることができる。２次元の導波路の場合、活性ゾーンにおいて生成される放射は平面内で導波され、１次元の導波路の場合、線に沿って導波される。導波モードは、基本モード（例えば「ＴＥＭ００」モード）を備えていることが好ましい。導波路は、半導体チップが正しく動作しているときに導波路内を基本モードのみが導波されるように、構成されていることが好ましい。
【００１０】
本半導体チップの少なくとも一実施形態によると、導波路層に、または複数の導波路層のうちの２層に、クラッド層が隣接している。１層または２層の導波路層の、活性ゾーンとは反対側の面それぞれに、クラッド層が配置されている。クラッド層は、ｐ型にドープ、またはｎ型にドープすることができる。クラッド層は、特に、導波路層に間接的または直接的に隣接している層であり、クラッド層の屈折率はキャリアの屈折率より小さく、したがって導波路層の屈折率より小さい。
【００１１】
本半導体チップの少なくとも一実施形態によると、半導体積層体の中のクラッド層は、活性ゾーンの幾何学的中心から遠ざかる方向に見たとき、アルミニウム含有量が初めて０を超える、または０．０１％より大きい、または０．１％より大きい、または１％より大きい領域から始まる。導波路の中に障壁層が含まれている場合、クラッド層の開始領域は、これらの障壁層（一般には最大で５０ｎｍの厚さを有する）より後ろであることが好ましい。例えば、活性ゾーンの中心から遠ざかる方向におけるクラッドの開始領域は、途切れずに連続的なアルミニウム含有量を有する、少なくとも１００ｎｍの厚さの、半導体積層体のサブ領域である。クラッド層は、超格子から始まることもでき、超格子は、例えば、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ、またはＡｌＩｎＧａＮ／ＧａＮを含んだ交互の層によって形成されており、超格子の個々の層の厚さは、最大で２０ｎｍ、最大で１０ｎｍ、または最大で５ｎｍであることが好ましく、超格子の厚さは、特に、少なくとも１００ｎｍまたは少なくとも２００ｎｍの厚さである。
【００１２】
本半導体チップの少なくとも一実施形態によると、導波路の中を導波されるモードの有効屈折率（effective refractive index）は、キャリアの屈折率よりも大きい。特に、有効屈折率は、キャリアの屈折率の最大で１．０５倍である。
【００１３】
有効屈折率は、この場合、真空中の位相遅延を基準としたときの、導波路における単位長さあたりの位相遅延を定量化する値である。有効屈折率は、導波モードに依存する。したがって一般的には、たとえ波長が同じであっても、基本モードの有効屈折率は高次モードの有効屈折率とは異なる。さらに、有効屈折率は伝搬定数βに依存する。伝搬定数は、以下の関係によって与えられる。
【００１４】
【数１】
2013520823.tif 000003
【００１５】
2013520823.tif 000004
【００１６】
この場合、有効屈折率ｎｅｆｆに関して以下の関係が成り立つ。
【００１７】
【数２】
2013520823.tif 000005
【００１８】
導波路における導波モードの有効屈折率ｎｅｆｆは、導波路の屈折率または平均屈折率より小さく、クラッド層の屈折率または平均屈折率よりも大きいかまたは等しいことが好ましい。言い換えれば、導波モードの有効屈折率は、クラッド層の屈折率と、導波路の屈折率または平均屈折率との間にある。この条件が満たされない場合、一般には、モードが導波されない、またはモードの導波時に光学的損失が発生する。
【００１９】
本オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも一実施形態によると、オプトエレクトロニクス半導体チップは、キャリアと、キャリアに載っている、特に、キャリア上に成長した半導体積層体と、を備えている。この半導体積層体は、窒化物化合物半導体材料をベースとしており、電磁放射を生成する少なくとも１つの活性ゾーンと、少なくとも１層の導波路層であって、活性ゾーンに間接的または直接的に隣接しており、これにより導波路が形成されている、導波路層と、を含んでいる。さらに、半導体積層体は、活性ゾーンのｐ型ドープ側において導波路層に隣接しているｐ型クラッド層、もしくは、活性ゾーンのｎ型ドープ側におけるｎ型クラッド層、またはその両方を備えている。導波路層は、クラッド層に間接的または直接的に隣接している。この場合、導波路の中を導波されるモードの有効屈折率は、キャリアの屈折率よりも大きい。
【００２０】
本明細書に記載されている半導体チップは、以下の洞察に基づいている。すなわち、低い屈折率の層と高い屈折率の層の組合せを、キャリア（特に、成長基板）に形成する。詳細には、モードが導波される導波路が形成され、かつ導波モードの有効屈折率がキャリアの屈折率より高いように、形成する。本明細書に記載されている半導体チップの場合、エバネッセント場（evanescent field）（特に、導波路とクラッド層との間の界面における全反射時に発生してクラッド層の中に達する）が、特に透過性のキャリアの中に入り込むことを防止する必要がない。したがって、エバネッセント場はキャリアの中に侵入しうる。例えば、キャリアにおけるエバネッセント場は、全反射が起こる境界面におけるエバネッセント場の出力振幅を基準としたとき、部分的に、少なくとも１／ｅ３、または少なくとも５％、または少なくとも２．５％という比較的大きい振幅を有する。従来のレーザチップの場合、このようにエバネッセント場がキャリアの中に入り込むことは、一般的には、特に厚いクラッド層によって阻止される。しかしながら、本明細書に記載されている半導体チップによると、エバネッセント場がキャリアの中に侵入しうるが、キャリアの屈折率が導波モードの有効屈折率より低いため、キャリア内に寄生モードは形成され得ない。
【００２１】
キャリアにおける寄生モードは、特に、光学遠視野（optical far field）において（例えば約２０゜における）追加の帯域として現れる。このような帯域は、特に、活性ゾーンを中心としてキャリアの側に発生する。この追加の帯域は、好ましくはレーザとして実施されている半導体チップのビームの質を低下させる。追加の帯域は、例えばデータ記憶用途や投影用途において、極めて重大に影響する。本発明では、キャリア内にモードが確立されることが阻止されるため、この問題を回避することができる。
【００２２】
本半導体チップの少なくとも一実施形態によると、ｎ型クラッド層は、ＡｌＧａＮをベースとしておりアルミニウム含有量が０．１％〜２０％の範囲内（両端値を含む）である、あるいは、ＡｌＩｎＮまたはＡｌＩｎＧａＮをベースとしている。特に、ｎ型クラッド層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．０００１≦ｘ≦０．３０）、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮ（０．７４≦ｘ≦０．９０）、または（Ａｌ１−ｙＩｎｙ）ｘＧａ１−ｘＮ（０．７４≦ｙ≦０．９０、０．０１≦ｘ≦０．３）からなる、またはこれらの材料をベースとしている。
【００２３】
本半導体チップの少なくとも一実施形態によると、ｐ型クラッド層と導波路との間に電子障壁層が配置されている、もしくは、ｎ型クラッド層と導波路との間に正孔障壁層が配置されている、またはその両方である。このような障壁層は、導波路の中に配置することもできる。
【００２４】
本半導体チップの少なくとも一実施形態によると、隣り合う量子薄膜の少なくとも２層の間の導波を改善する目的で、導波路は、ＩｎＧａＮをベースとする障壁層を含んでおり、この障壁層は、Ｉｎ含有量が０．１％〜２０％の範囲内（両端値を含む）、厚さが０．１ｎｍ〜３０ｎｍの範囲内（両端値を含む）である。量子薄膜の間の障壁層によって、超格子を形成することが可能である。
【００２５】
本半導体チップの少なくとも一実施形態によると、導波路層は、高い屈折率の層と低い屈折率の層とが交互に配置されている超格子、を備えており、これらの層それぞれの厚さは、０．１ｎｍ〜７０ｎｍの範囲内（両端値を含む）、または１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内（両端値を含む）である。これらの層は、例えば、ＧａＮ、またはＩｎＧａＮ（Ｉｎ含有量は最大で２５％）をベースとする。
【００２６】
本半導体チップの少なくとも一実施形態によると、クラッド層は、高い屈折率の層と低い屈折率の層とが交互に配置されている超格子、を備えており、これらの層それぞれの厚さは、０．１ｎｍ〜７０ｎｍの範囲内（両端値を含む）である。ｐ型クラッド層の場合、これらの層の厚さは、１ｎｍ〜７０ｎｍの範囲内（両端値を含む）であることが好ましい。これらの層は、例えば、ＧａＮまたはＡｌＧａＮ（Ａｌ含有量は最大で２５％）をベースとする。
【００２７】
本オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも一実施形態によると、導波路層または複数の導波路層の少なくとも１層、もしくは、クラッド層またはその少なくとも一方、またはこれらの両方は、階段状の屈折率分布であるように形成されている。言い換えれば、これらの層の中で屈折率が一定ではなく、意図的に変化している。特に、これらの層の屈折率は、活性ゾーンから遠ざかる方向に単調に減少する。
【００２８】
本オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも一実施形態によると、クラッド層の少なくとも一方、好ましくはキャリアに近い方のクラッド層は、少なくとも２層の副層に分割されている。隣り合う副層の間には、特に、キャリアの屈折率にほぼ一致する屈折率を有する材料が配置されている。クラッド層は、２〜１０層の副層に分割されていることが好ましく、これらの副層は、活性ゾーンから遠ざかる方向に単調に増大する厚さを有することができる。
【００２９】
本半導体チップの少なくとも一実施形態によると、クラッド層の少なくとも一方、すなわちｎ型クラッド層もしくはｐ型クラッド層またはその両方は、半導体積層体の成長方向あるいはキャリアに垂直な方向に沿って、アルミニウム含有量の階段状または傾斜状の分布を示す。階段状とは、各段においてアルミニウム含有量が一定である、またはほぼ一定であることを意味する。傾斜状とは、成長方向あるいはキャリアに垂直な方向に、アルミニウム含有量が線形的に、またはほぼ線形的に変化することを意味する。例えば、クラッド層は、２、３、４、５、６、または最大で１５の段、もしくは傾斜、またはその両方を備えている。隣り合う段のアルミニウム含有量の差は、特に、０．０１パーセントポイント〜２０パーセントポイントの範囲内（両端値を含む）、または０．５パーセントポイント〜１０パーセントポイントの範囲内（両端値を含む）、または１パーセントポイント〜５パーセントポイントの範囲内（両端値を含む）、である。
【００３０】
この場合、クラッド層の第１の半層（ｈａｌｆ）の平均アルミニウム含有量が、クラッド層の第２の半層の平均アルミニウム含有量よりも高いことが、特に好ましい。第１の半層と第２の半層は、同じ幾何学的厚さを示す。これら２つの半層は、クラッド層を等しい厚さの２つのサブ領域に概念的に分割したものにすぎない。この場合、第１の半層は、活性ゾーンを有する導波路に第２の半層よりも近い。
【００３１】
本半導体チップの少なくとも一実施形態によると、第１の半層の平均アルミニウム含有量は、第２の半層の平均アルミニウム含有量よりも、少なくとも０．０１パーセントポイント、または少なくとも０．１パーセントポイント、または少なくとも０．５パーセントポイント、高い。平均アルミニウム含有量の差は、最大で１５パーセントポイント、または最大で１０パーセントポイント、または最大で５パーセントポイントであることが好ましい。
【００３２】
本半導体チップの少なくとも一実施形態によると、一方または両方のクラッド層の、導波路に最も近い領域におけるアルミニウム含有量は、少なくとも０．５％、好ましくは少なくとも１％である。
【００３３】
本半導体チップの少なくとも一実施形態によると、一方または両方のクラッド層は薄層である。薄層とは、クラッド層の厚さが最大で５００ｎｍであることを意味する。この場合、厚さは、少なくとも２００ｎｍまたは少なくとも３００ｎｍであることが好ましい。
【００３４】
本半導体チップの少なくとも一実施形態によると、一方または両方のクラッド層の平均アルミニウム含有量は、０．１％〜３０％の範囲内（両端値を含む）、または１％〜１２％の範囲内（両端値を含む）、または３％〜８％の範囲内（両端値を含む）である。クラッド層の全体にわたり、局所的なアルミニウム含有量が、記載した値の範囲から逸脱しないようにすることができる。記載した値は、特に、薄いクラッド層に適用される。
【００３５】
本半導体チップの少なくとも一実施形態によると、少なくとも一方、または両方のクラッド層における光屈折率（optical refractive index）は、階段状または傾斜状の分布を有する。クラッド層の、同じ厚さの概念上の２つの半層は、異なる平均光屈折率を示す。導波路に近い方の第１の半層は、第２の半層よりも低い平均屈折率を示す。これらの半層の屈折率の差は、０．０００１〜０．２の範囲内（両端値を含む）、または０．００１〜０．０８の範囲内（両端値を含む）、または０．００１〜０．０３の範囲内（両端値を含む）であることが好ましい。
【００３６】
階段状の分布の場合、隣り合う段の屈折率の差は、０．０００１〜０．２の範囲内（両端値を含む）、または０．００１〜０．１の範囲内（両端値を含む）、または０．００２〜０．０３の範囲内（両端値を含む）であることが好ましい。
【００３７】
本半導体チップの少なくとも一実施形態によると、ｐ型クラッド層はＩｎＧａＡｌＮからなり、このＩｎＧａＡｌＮはドープすることができる。ｐ型クラッド層の厚さは、１００ｎｍ〜５０００ｎｍの範囲内（両端値を含む）、好ましくは２００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲内（両端値を含む）、または４００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲内（両端値を含む）である。ｐ型クラッド層の平均アルミニウム含有量は、０．１％〜２０％の範囲内（両端値を含む）、または３％〜１０％の範囲内（両端値を含む）、または４％〜８％の範囲内（両端値を含む）である。
【００３８】
本半導体チップの少なくとも一実施形態によると、導波路の合計厚さ、すなわち具体的には、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層との間の距離は、５０ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲内（両端値を含む）、または２００ｎｍ〜１２００ｎｍの範囲内（両端値を含む）、または４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲内（両端値を含む）である。
【００３９】
本オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも一実施形態によると、オプトエレクトロニクス半導体チップは、１つのレーザ活性領域、複数の個別のレーザ活性領域、または連続的なレーザ活性領域を有するレーザチップである、あるいは、リッジレーザ、ストリップラインレーザ（stripline laser）、レーザバー、または発光ダイオードである。
【００４０】
本明細書に記載されている複数の例示的な実施形態は、何らかの矛盾や不都合が生じない限りは、互いに組み合わせることができる。特に、オプトエレクトロニクス半導体チップは、本明細書に記載されている複数の例示的な実施形態に従って構築されている。
【００４１】
以下では、本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップについて、例示的な実施形態に基づき図面を参照しながらさらに詳しく説明する。個々の図において、同じ要素には同じ参照数字を付してある。要素間の関係は正しい縮尺ではなく、理解を助ける目的で、個々の要素を誇張した大きさで描いてある。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】レーザダイオードの概略図
【図２】レーザダイオードの概略図
【図３】レーザダイオードの概略図
【図４】本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの例示的な実施形態の概略図
【図５】本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの例示的な実施形態の概略図
【図６】本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの例示的な実施形態の概略図
【図７】本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの例示的な実施形態の概略図
【図８】レーザダイオードの概略図
【図９】レーザダイオードの概略図
【図１０】本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの例示的な実施形態の概略図
【図１１】本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの例示的な実施形態の概略図
【図１２】本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの例示的な実施形態の概略図
【図１３】本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの例示的な実施形態の概略図
【図１４】本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの例示的な実施形態の概略図
【図１５】レーザダイオードの概略図
【図１６】本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの例示的な実施形態の概略図
【図１７Ａ】本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの例示的な実施形態の概略図
【図１７Ｂ】本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの例示的な実施形態の概略図
【図１７Ｃ】本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの例示的な実施形態の概略図
【図１８】本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの例示的な実施形態の概略図
【図１９】レーザダイオードの概略図
【図２０】本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの例示的な実施形態の概略図
【図２１】レーザダイオードの概略図
【図２２】レーザダイオードの概略図
【図２３】本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの例示的な実施形態の概略図
【図２４】本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの例示的な実施形態の概略図
【発明を実施するための形態】
【００４３】
図１７および図２２を除いて、各図のＡ部には、深さｔに対する屈折率の分布を、任意の単位（ａ．ｕ．）でプロットしてあり、深さｔは、半導体積層体の成長方向に平行な向きである。さらに、Ａ図には、深さｔに対する電界Ｅの分布ｅを任意の単位（ａ．ｕ．）でプロットしてある。Ｂ図には、放出角度α（単位：度）に対する光学遠視野強度Ｉを、任意の単位でプロットしてある。図１７Ａ、図１７Ｂ、および図１７Ｃは、それぞれ他の図面のＡ部に相当する。
【００４４】
図１は、従来のレーザダイオードの構造を示している。半導体積層体３は、キャリア２の上に成長させたものである。半導体積層体３は、量子薄膜を有する活性ゾーン４を備えており、活性ゾーンは、図の中で屈折率が際だって高い領域である。活性ゾーン４は、２層の導波路層５ｎ，５ｐの間に位置しており、これらの導波路層５ｎ，５ｐは活性ゾーン４に直接隣接している。導波路層５ｎ（活性ゾーン４からキャリア２に向かう側）は、ｎ型にドープされており、他方の導波路層５ｐは、ｐ型にドープされている。活性ゾーン４および導波路層５ｎ，５ｐは、導波路４５を形成しており、この導波路の中を光モードＭが導波される。モードＭは、約０゜の放出角度αで、すなわち半導体積層体３の横境界面に垂直に、放出される。
【００４５】
ｎ型導波路層５ｎには、活性ゾーン４からキャリア２に向かう方向に、ｎ型にドープされたｎ型クラッド層６ｎが隣接している。ｐ型導波路層５ｐには、活性ゾーン４からキャリア２とは反対方向に、電子障壁９と、ｐ型にドープされたｐ型クラッド層６ｐが隣接しており、さらにコンタクト層８が続いている。クラッド層６ｎ，６ｐの屈折率は、キャリア２の屈折率よりも低い。
【００４６】
ｎ型クラッド層６ｎの厚さＴｎは、約１５００ｎｍである。ｐ型クラッド層６ｐの厚さＴｐは、約８００ｎｍである。ｎ型クラッド層６ｎの厚さＴｎが比較的小さいため、クラッド層６ｎの中のエバネッセント場が減衰しきらず、透過性のキャリア２に侵入する。導波路４５における導波モードＭの有効屈折率がキャリア２の屈折率より小さいため、キャリア２内に電界が発生する（図１Ａで、電界Ｅの分布ｅにおける約５０００ｎｍ付近の小さな隆起）。キャリア２におけるこの電界は、約２０゜の角度αにおける追加の帯域Ｓ１として、光学遠視野に現れる。同様に、もう１つの寄生モードＳ２が約−２０゜の角度αにおいて発生する。図１Ａによるレーザチップが投影またはデータ記憶の目的に使用される場合、これら１つまたは２つの追加の寄生モードＳ１，Ｓ２の発生により、問題が生じる。
【００４７】
導波モードＭの有効屈折率は、伝搬定数βと放射の波長λの積を２πで除した値に等しい。伝搬定数βは、導波モードの次数、すなわち、特に、放射の伝搬方向（導波路によって電界が導かれる方向）に垂直な平面における電界の分布、に依存する。伝搬方向に垂直な方向における電界の分布は、クラッド層６ｎ，６ｐの屈折率および厚さと、導波路４５の屈折率および構造とに依存する。
【００４８】
したがって、特に、活性ゾーン４を有する導波路４５の場合、伝搬方向に垂直な電界、したがって導波路４５の中を導波されるモードの伝搬定数βは、クラッド層６ｎ，６ｐの屈折率およびその厚さによって影響される。伝搬定数βおよび電界は、伝搬方向に垂直な方向に計算またはシミュレートすることができる。同様に、電界または電界の二乗（強度分布）も実験的に求めることができる。
【００４９】
図２によるレーザダイオードの場合、ｎ型クラッド層６ｎの厚さが大きくなっており、約２．５μｍである。ＡｌＧａＮをベースとするｎ型クラッド層６ｎのアルミニウム含有量は、図１による構造と同様に、約５％〜１０％である。この場合、導波モードＭの有効屈折率は、キャリア２の屈折率より小さい。図１と比較して、ｎ型クラッド層６ｎの厚さが増していることによって、クラッド層６ｎの中のエバネッセント場は、キャリア２に追加のモードが形成されない程度まで減衰する。
【００５０】
しかしながら、このように比較的高いアルミニウム含有量を有するクラッド層６ｎは、ＧａＮに歪みが生じた状態で成長する。このような歪みにより、成長の質が低下する一方で、半導体積層体の層にクラックが生じることがあり、部品の損傷につながりうる。さらには、比較的大きな厚さが要求されることにより、成長時間が長くなり、したがって製造コストも増大する。このように、比較的高いアルミニウム含有量を有する比較的厚いクラッド層によって、部品の品質が低下し、製造コストが上昇する。
【００５１】
図３によるレーザダイオードの場合、クラッド層は、アルミニウム含有量がさほど多くないＧａＮをベースとする層に置き換えられており、したがってこのレーザダイオードは、キャリア２よりも屈折率の小さいクラッド層を備えていない。導波路４５は、ＩｎＧａＮをベースとしている。ＩｎＧａＮをベースとする導波路４５の屈折率が高いことによって、キャリア２に寄生モードが形成されない。しかしながら、導波路４５には比較的高いインジウム含有量が要求され、結果として材料の品質が低下する。これに対して、エピタキシャル成長が容易な程度のインジウム含有量の場合、フィルファクタ（すなわち、導波モードＭと活性ゾーン４との間の強度の重なり（intensity overlap））が比較的低く、結果として活性ゾーン４における増幅が比較的小さい。さらには、半導体積層体３を中心としてキャリア２とは反対側のｐ型コンタクト（図３には示していない）にエバネッセント場が達することを回避するため、比較的厚い層８が必要である。言い換えれば、図３によるレーザダイオードは、同様に製造コストが高く、効率は比較的低い。
【００５２】
図４は、オプトエレクトロニクス半導体チップ１の例示的な実施形態を示している。ｐ型クラッド層６ｐは、キャリア２とは反対側の導波路４５の面に形成されている。図３によるレーザダイオードとの比較において、ｐ型コンタクト（図示していない）に対するエバネッセント場の遮蔽が、ｐ型クラッド層６ｐによって改善される。さらには、より高いフィルファクタを達成することができ、図４による例示的な実施形態においては、約２．４％である。
【００５３】
ｐ型クラッド層６ｐの材料としては、例えばＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、またはＡｌＩｎＧａＮを使用することができる。ＡｌＩｎＧａＮを含む層は、特に、良好な格子適合性でＧａＮの上に成長させることができる。図４に示した実施形態の変形として、クラッド層６ｐが超格子構造を備えていることが可能である。
【００５４】
クラッド層６ｐがＡｌＧａＮをベースとする場合、アルミニウム含有量は、例えば、０．０１％〜３０％の範囲内（両端値を含む）、好ましくは１％〜１２％の範囲内（両端値を含む）、特に好ましくは３％〜８％の範囲内（両端値を含む）である。クラッド層６ｐの基材としてＡｌＩｎＮが使用される場合、アルミニウム含有量は、好ましくは７４％〜９０％の範囲内（両端値を含む）、特に好ましくは７９％〜８５％の範囲内（両端値を含む）、特に、約８２％である。ＡｌＩｎＧａＮの場合、Ｇａｘ（Ａｌ８２Ｉｎ１８）１−ｘＮが使用されることが好ましく、この場合、アルミニウム含有量は、上記の値８２％から最大で８パーセントポイントだけ逸脱することができ、ｘは、好ましくは０．０１〜０．３の範囲内（両端値を含む）である。ｐ型クラッド層６ｐの厚さは、好ましくは１０ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲内（両端値を含む）、特に好ましくは１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内（両端値を含む）である。ここに記載した材料および厚さは、他の例示的な実施形態すべてにおいて、ｐ型クラッド層６ｐに使用することができる。
【００５５】
図５による例示的な実施形態においては、正孔障壁層１０（ＡｌＧａＮをベースとする）は、ｎ型クラッド層６ｎの形をとる。正孔障壁層１０の結果として、フィルファクタが約２．６％に増大する。さらには、活性ゾーン４への正孔の注入が改善され、したがって半導体レーザ１の効率が高まる。
【００５６】
ｎ型クラッド層６ｎを形成している正孔障壁層１０は、図４に関連して挙げた、ｐ型クラッド層６ｐの材料と同じ材料をベースとすることができる。しかしながら、ｎ型クラッド層６ｎは、ｎ型にドープされていることが好ましい。ｎ型クラッド層６ｎまたは正孔障壁層１０の厚さは、好ましくは１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内（両端値を含む）である。基材がＡｌＧａＮである場合、アルミニウム含有量は、好ましくは１％〜１００％の範囲内（両端値を含む）、特に、３％〜４０％の範囲内（両端値を含む）、特に好ましくは３％〜２０％の範囲内（両端値を含む）である。記載した値は、他の例示的な実施形態すべてにおいても適用することができる。
【００５７】
図６による半導体チップ１の例示的な実施形態においては、正孔障壁層１０の代わりに、クラッド層６ｎが、ｐ型クラッド層６ｐと同じアルミニウム含有量のＡｌＧａＮ層によって形成されており、このｎ型クラッド層６ｎの厚さは約２００ｎｍである。図６による例示的な実施形態におけるフィルファクタは、約２．８％である。図６によるｎ型クラッド層６ｎの厚さが大きいほど、導波モードＭの有効屈折率が小さい。したがって、過度に厚いｎ型クラッド層６ｎは、選択してはならない。図８によるレーザダイオードのように、ｎ型クラッド層６ｎの厚さを過度に大きく選択すると（図８では厚さが約１０００ｎｍ）、寄生モードＳ１，Ｓ２が発生する（図８Ｂを参照）。
【００５８】
図７による例示的な実施形態においては、半導体チップ１は、屈折率およびアルミニウム含有量が互いに異なるクラッド層６ｎ，６ｐを備えている。図７によると、ｎ型クラッド層６ｎのアルミニウム含有量は約５％であり、正孔障壁１０のアルミニウム含有量は約２０％である。フィルファクタは約３．７％であり、比較的高い。
【００５９】
図９によるレーザダイオードの場合、ｎ型クラッド層６ｎの厚さは約１．５μｍであり、ＡｌＧａＮをベースとするｎ型クラッド層６ｎのアルミニウム含有量は約５％である。結果として、エバネッセント場がキャリア２に対して十分に遮蔽されず、これにより寄生モードＳ１，Ｓ２が形成される。
【００６０】
しかしながら、クラッド層のアルミニウム含有量が約１％まで下がると（図１０の例示的な実施形態を参照）、導波モードＭの有効屈折率がキャリア２の屈折率より高いため、寄生モードは発生しない。言い換えれば、この例示的な実施形態においては、ｎ型クラッド層６ｎと隣接する導波路４５との間の屈折率の差と、ｎ型クラッド層６ｎの厚さとの積が、過度に大きくないことが重要であり、屈折率の差は、特に、層のアルミニウム含有量によって決まる。したがって、厚さが大きいときにはアルミニウム含有量を少なくし、アルミニウム含有量が多いときには厚さを小さくする必要がある。
【００６１】
ｎ型クラッド層６ｎの厚さとアルミニウム含有量は、互いに適合したものでなければならず、厚さは、アルミニウム含有量に応じて、特に、０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲内（両端値を含む）、好ましくは１ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内（両端値を含む）、特に好ましくは５ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内（両端値を含む）である。ｎ型クラッド層６ｎの基材としてＡｌＧａＮを使用する場合、アルミニウム含有量は、特に、０．０１％〜１００％の範囲内（両端値を含む）、好ましくは０．０１％〜２０％の範囲内（両端値を含む）、特に好ましくは０．１％〜１０％の範囲内（両端値を含む）である。これらの数値は、他の例示的な実施形態すべてにおいても適用される。図４によるｐ型クラッド層の場合と同様に、この例示的な実施形態においても、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、超格子、またはこれらの組合せを、基材として使用することができる。
【００６２】
図１１によると、導波路層５ｎ，５ｐは、インジウム含有量が約２％であるＩｎＧａＮをベースとしている。この例示的な実施形態では、半導体チップ１のフィルファクタは、約２．８％である。
【００６３】
図１２による半導体チップ１の例示的な実施形態においては、導波路層５ｎ，５ｐそれぞれは、屈折率分布に関して階段状の構造となっている。階段構造のうち活性ゾーン４に近い段は、例えば、インジウム含有量の高い（例えば約５％）ＩｎＧａＮ障壁によって形成されている。活性ゾーン４から遠い方の２番目の段それぞれは、約３％のインジウム含有量で形成されている。フィルファクタは、約３．２％である。
【００６４】
導波路層５ｎ，５ｐまたは導波路層５ｎ，５ｐの段のインジウム含有量は、それぞれ、好ましくは０％〜３０％の範囲内（両端値を含む）、特に、０．１％〜１０％の範囲内（両端値を含む）、特に好ましくは１％〜６％の範囲内（両端値を含む）であり、これらの数値は、他の例示的な実施形態すべてにおいても適用することができる。導波路層５ｎ，５ｐの一方がＧａＮをベースとし、導波路層５ｎ，５ｐの他方がＩｎＧａＮをベースとすることが可能である。導波路層５ｎ，５ｐの厚さは、例えば、０．１ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内（両端値を含む）、好ましくは１ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内（両端値を含む）、特に好ましくは１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内（両端値を含む）である。
【００６５】
図１３による例示的な実施形態においては、導波路層５ｎ，５ｐとクラッド層６ｎ，６ｐの両方が、階段構造である。導波路層５ｎの屈折率およびクラッド層６ｎの屈折率は、活性ゾーン４からキャリアの方向に単調に減少している。活性ゾーン４に近い方の、ｐ型クラッド層６ｐの副層は、活性ゾーン４から遠い方のｐ型クラッド層６ｐのさらなる副層よりも、低い屈折率を有する。したがって、活性ゾーン４を起点としてキャリア２から離れる方向には、屈折率は単調な分布ではなく、凹凸状分布を示す。
【００６６】
図１４による例示的な実施形態においては、ｎ型クラッド層６ｎは、超格子構造によって形成されている。超格子構造は、特に、高い屈折率と低い屈折率が交互に配置される、２〜３００の範囲内（両端値を含む）の層を備えている。低い屈折率の層は、例えばＡｌＧａＮをベースとする。層の厚さは、例えば、１ｎｍ〜７０ｎｍの範囲内（両端値を含む）である。
【００６７】
図１５によるレーザダイオードの場合、ｎ型クラッド層６ｎは、厚さが約３００ｎｍである。ｎ型クラッド層６ｎの厚さが小さいため、エバネッセント場がキャリア２に達し、これにより高い強度の寄生モードＳ１，Ｓ２が形成される。
【００６８】
これとは異なり、図１６による例示的な実施形態においては、導波モードＭの有効屈折率がキャリア２の屈折率よりも高いように、ｎ型クラッド層６ｎの厚さが小さくなっており、これによって寄生モードの発生が阻止される。寄生モードは、クラッド層の厚さを大きくすることによってではなく、クラッド層の厚さを小さくすることによって排除されている。
【００６９】
図１６の例示的な実施形態による半導体チップ１は、紫外線を放出する半導体レーザチップであることが好ましい。キャリア２は、特に、成長基板であり、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、またはＡｌＩｎＮをベースとする。キャリア２のこれらの材料は、アルミニウム含有量によっては、ＧａＮよりも屈折率が低い。したがって、導波路４５は、ＧａＮをベースとする、もしくはＧａＮ障壁層を備えている、またはその両方とすることができる。活性ゾーン４において３６５ｎｍ以下の波長を生成する場合、ＧａＮをベースとする量子薄膜と、ＡｌＧａＮをベースとする導波路層５ｎ，５ｐを使用することもできる。キャリア２が、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、またはＡｌＩｎＧａＮ（これらの材料はＧａＮよりも屈折率が高い）をベースとする場合、導波路４５は、キャリア２よりもさらに高い屈折率を示すことが特に好ましい。
【００７０】
図１７Ａによる例示的な実施形態においては、半導体積層体３への電荷キャリアの注入を単純化し、半導体積層体３における電圧降下を低減する目的で、半導体積層体３は、ＡｌＧａＮをベースとするｎ型クラッド層６ｎから開始してキャリア２の上に直接成長している。この場合、キャリア２は、高濃度にドープされた基板、好ましくはＧａＮ基板である。「高濃度にドープされた」とは、例えばケイ素または酸素のドーパント濃度が、１×１０１８／ｃｍ３〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲内（両端値を含む）であることを意味する。クラッド層６ｎ，６ｐおよび導波路層５ｎ，５ｐは、例えば図１１または図１２による例示的な実施形態と同じように形成されている。
【００７１】
図１７Ｂによると、キャリア２（好ましくはＧａＮをベースとする）には、高濃度にドープされた層７（好ましくはＧａＮをベースとする）がさらに形成されている。高濃度にドープされた層７のドーパント濃度は、１×１０１８／ｃｍ３〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲内（両端値を含む）、または５×１０１８／ｃｍ３〜５×１０１９／ｃｍ３の範囲内（両端値を含む）である。ドーピングは、例えばケイ素または酸素によって行う。高濃度にドープされた層７の厚さは、例えば、１ｎｍ〜１０μｍの範囲内（両端値を含む）、好ましくは１００ｎｍ〜４μｍの範囲内（両端値を含む）、特に好ましくは０．５μｍ〜２μｍの範囲内（両端値を含む）である。
【００７２】
図１７Ｃによる例示的な実施形態においては、追加の光吸収損失を回避する目的で、高濃度にドープされた層７は、ｎ型クラッド層６ｎに直接的には隣接していない。ｎ型クラッド層６ｎと高濃度にドープされた層７との間には中間層６７が配置されており、この中間層６７のドーパント濃度は、例えば、５×１０１７／ｃｍ３〜５×１０１８／ｃｍ３の範囲内（両端値を含む）である。中間層６７の厚さは、５００ｎｍ〜２μｍの範囲内（両端値を含む）であることが好ましい。
【００７３】
図１８による例示的な実施形態においては、ｎ型導波路層５ｎは、超格子を備えている。この超格子は、交互に配置された第１の層５１および第２の層５２によって形成されている。第１の層５１は、例えばＩｎＧａＮをベースとし、インジウム含有量は、０％〜１０％の範囲内（両端値を含む）、好ましくは０％〜５％の範囲内（両端値を含む）である。第１の層５１の厚さは、０．１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内（両端値を含む）、好ましくは１ｎｍ〜５ｎｍの範囲内（両端値を含む）である。第２の層５２は、同様にＩｎＧａＮをベースとしており、インジウム含有量は、１％〜２５％の範囲内（両端値を含む）、好ましくは３％〜１０％の範囲内（両端値を含む）である。第２の層５２の厚さは、特に、０．１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内（両端値を含む）、好ましくは１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内（両端値を含む）である。この場合、第２の層５２それぞれの厚さは、第１の層５１の厚さよりも大きく、第１の層５１のインジウム含有量は、第２の層５２のインジウム含有量よりも低い（図１８Ｃの概略断面図も参照）。
【００７４】
図１９による従来のレーザダイオードにおいては、キャリアのモードＳ１，Ｓ２が形成される。対照的に、図２０による半導体チップ１の例示的な実施形態においは、キャリアのモードＳ１，Ｓ２が存在しない。これは、ｎ型クラッド層６ｎを複数の副層に分割することによって達成される。副層は、中間層６７によって互いに隔てられており、中間層６７は、特に、ＧａＮをベースとしており、キャリア２の屈折率にほぼ等しい屈折率を有する。
【００７５】
例えば、活性ゾーン４から遠い方の副層は、活性ゾーン４に近い方の副層よりも厚さが大きい。副層の厚さは、特に、１００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲内（両端値を含む）である。中間層６７は、ｎ型クラッド層６ｎの副層の１つ、またはすべての副層よりも厚いことが好ましい。中間層６７の厚さは、特に、２００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内（両端値を含む）である。このように少なくとも２つの副層に分割されたｎ型クラッド層６ｎは、半導体チップ１の他の例示的な実施形態においても使用することができる。
【００７６】
図２１によるレーザダイオードは、導波路４５を導波されるモードＭと比較して小さい２つの基板のモードＳ１，Ｓ２を有し、なぜなら導波モードＭの有効屈折率がキャリア２の屈折率より低いためである。例えば、特に、ここまでに記載したいくつかの例示的な実施形態の１つに示したように、ｎ型クラッド層６ｎを修正して導波モードＭの有効屈折率を高めることにより、基板モードＳ１，Ｓ２を抑制することができる。したがって、図２１によるレーザダイオードの多層構造は、記載した例示的な実施形態においても同様に使用することができる。
【００７７】
図２１によるレーザダイオードの多層構造は、キャリア２からコンタクト層８の方向に以下のように構成されている。
【００７８】
−  キャリア２は、特に、ドープされたＧａＮからなり、厚さが約１００μｍ、屈折率が２．４８９である。正確な屈折率は、例示的な実施形態においては、レーザダイオードまたは半導体チップ１の設計上の最大強度の放射波長に関連する。
−  ｎ型クラッド層６ｎは、厚さが約２０００ｎｍ、屈折率が２．４４７である。ｎ型クラッド層６ｎの材料は、Ａｌ含有量が５％のＡｌＧａＮである。
−  ｎ型導波路層５ｎは、ＧａＮから形成されており、屈折率が２．４６９、厚さが約２００ｎｍである。
−  活性ゾーン４は、３層の量子薄膜を備えており、量子薄膜それぞれは、厚さが約３ｎｍであり、Ｉｎ含有量が約１７％のＩｎＧａＮによって形成されており、屈折率が２．５２７である。隣り合う量子薄膜の間それぞれにはＧａＮの障壁層が配置されており、この障壁層は、厚さが約８ｎｍないし約１０ｎｍ、屈折率が２．４６９である。
−  活性ゾーン４と電子障壁層９との間には、ＧａＮの中間層が配置されており、この中間層は、厚さが約１０ｎｍ、屈折率が２．４６９である。電子障壁層９は、厚さが約１０ｎｍ、屈折率が２．３８５であり、Ａｌ含有量が２０％のＡｌＧａＮをベースとする。
−  ｐ型導波路層５ｐは、厚さが約２００ｎｍ、屈折率が２．４６９であり、ＧａＮをベースとする。
−  ｐ型クラッド層６ｐは、Ａｌ含有量が５％のＡｌＧａＮをベースとし、厚さが約１０００ｎｍ、屈折率が２．４４７である。
−  コンタクト層８は、ＧａＮをベースとし、厚さが約５０ｎｍ、屈折率が２．４６９である。
【００７９】
この多層構造の場合、導波モードＭの有効屈折率は、２．４５７である。
【００８０】
図２１によると、導波路４５は１次元であるのに対して、図２２によるレーザダイオードの場合、導波路は２次元である。この多層構造は、図２１の多層構造と同じである。コンタクト層８およびｐ型クラッド層６ｐの一部分がエッチングによって除去されており、これによって、幅が約２μｍの帯状領域１３（または凸部）が形成されており、帯状領域１３は、キャリア２とは反対側が金属コンタクト１１によって覆われている。したがって、エッチングは、半導体積層体３の中、約１０５０ｎｍの深さまで行われている。エッチングされた領域には、帯状領域１３の側面に、ｐ型クラッド層６ｐよりも屈折率の低い材料１２（例えば、屈折率が約１．５、厚さが約１０００ｎｍの二酸化ケイ素）が満たされている。これによって、導波モードＭの有効屈折率は、図２１の場合の値２．４５７と比較して、２．４５５まで下がる。モードＭの半幅は、約１／２〜約１／８．８°に減少する（図２１Ｂおよび図２２Ｂを参照）。
【００８１】
図２２Ａに示したような２次元の導波路４５は、特に、半導体チップ１の例示的な実施形態すべてにおいても使用することができる。
【００８２】
図２３は、半導体チップ１のさらなる例示的な実施形態の半導体積層体３の一部分を、深さｔに対するアルミニウム含有量Ｋの分布、または屈折率ｎの分布を用いて示している。各図において、クラッド層６ｎは、同じ厚さの２つの概念上の半層Ｈ１，Ｈ２に分割されており、第１の半層Ｈ１は、第２の半層Ｈ２よりも導波路４５に近い。第１の半層Ｈ１の平均アルミニウム含有量は、第２の半層Ｈ２の平均アルミニウム含有量よりも高い。
【００８３】
図２３Ａによると、ｎ型クラッド層６ｎは、アルミニウム含有量の２つの段Ｌ１，Ｌ２を有する。段Ｌ１および段Ｌ２の中では、アルミニウム含有量はほぼ一定である。図２３Ｂは、合計で１１の段を有するｎ型クラッド層６ｎを示している。このｎ型クラッド層６ｎのいくつかの副層は、より高いアルミニウム含有量の副層が両側に隣接している。図２３Ｃは、深さｔに対する屈折率の分布を示している。第１の半層Ｈ１における平均屈折率は、第２の半層Ｈ２よりも小さい。ｎ型クラッド層６ｎは、３つの段Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を備えている。
【００８４】
図２３に代えて、または図２３に加えて、ｐ型クラッド層をこのように形成することも可能である。
【００８５】
図２４は、半導体チップ１の例示的な実施形態のバリエーションについて、クラッド層６ｎ，６ｐに関連して表にまとめたものである。すべてのバリエーションにおいて、第１の半層Ｈ１の平均アルミニウム含有量Ｋａ（Ｈ１）は、第２の半層Ｈ２の平均アルミニウム含有量Ｋａ（Ｈ２）よりも高い。バリエーション１〜８は、アルミニウム含有量Ｋの階段状の分布を有し、段Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の平均アルミニウム含有量Ｋ（Ｌ１）、Ｋ（Ｌ２）、Ｋ（Ｌ３）、Ｋ（Ｌ４）と、その厚さｄ（Ｌ１）、ｄ（Ｌ２）、ｄ（Ｌ３）、ｄ（Ｌ４）とを示してある。バリエーション９およびバリエーション１０によると、アルミニウム含有量Ｋは、最初に傾斜状に変化した後、段Ｌ２に移行する。バリエーション９では、アルミニウム含有量Ｋは、導波路４５から傾斜状に線形に減少し、バリエーション１０では、アルミニウム含有量Ｋは線形に増大する。
【００８６】
この表に記載されている値は、半導体チップ１の例示的な実施形態において、第１の半層Ｈ１の平均アルミニウム含有量Ｋａ（Ｈ１）が第２の半層Ｈ２の平均アルミニウム含有量よりも高いならば、最大で２５％ないし最大で１０％の公差まで許容される。例えば、表中に示した４００ｎｍの厚さの場合、最大で２５％の公差は、４００ｎｍ±２５％の厚さ範囲、すなわち３００ｎｍ〜５００ｎｍ（両端値を含む）であることを意味する。
【００８７】
ここまで、本発明について例示的な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。本発明は、任意の新規の特徴および特徴の任意の組合せを包含しており、特に、請求項における特徴の任意の組合せを含んでいる。これらの特徴または特徴の組合せは、それ自体が請求項あるいは例示的な実施形態に明示的に記載されていない場合であっても、本発明に含まれる。
【００８８】
関連出願
本特許出願は、独国特許出願第１０２０１０００９４５７．９号の優先権を主張し、この文書の開示内容は参照によって本出願に組み込まれている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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