(57)【要約】  半導体レーザダイオード、特に高光出力パワーの広面積単一エミッタ（ＢＡＳＥ）レーザダイオードが光電子工学で一般に使用される。そのようなレーザダイオードの光出力パワーおよび安定性は大きな関心事項であり、通常の使用中のあらゆる劣化は重大な欠点となる。本発明はそのようなレーザダイオードの設計を改善し、特にこの改善は定められた方法でレーザダイオード中の電流フローを制御することによって非常に高い光出力パワーでの（前面）端部区間の劣化を著しく低減するかまたは防止する。これは、レーザダイオードの長手方向延長部分に沿って、例えば導波路に沿って単一電流注入ポイントを生成することによる新しい方法でレーザダイオードへのキャリア注入、すなわち注入電流を制御することによって達成される。さらに、各々単一または群の電流注入ポイントの供給電流／電圧を別々に調整し、キャリア注入の制御性を増強することができる。
2008544561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体本体と、
２つの端部区間をもつ活性領域と、
前記端部区間を閉じる前面ファセットおよび後面ファセットと、
好ましくは前記レーザのｎ接触側上の、前記活性領域に電子を注入するための前記半導体本体の少なくとも一部にわたる第１の注入手段と、
好ましくは前記レーザのｐ接触側上の、前記活性領域にホールを注入するための前記半導体本体の少なくとも一部にわたる前記第１の注入手段の反対側に配置された第２の注入手段と
を含む高パワー半導体レーザダイオードであって、
前記注入手段の少なくとも１つがメタライゼーション層および前記メタライゼーション層への電気的接続を含み、前記電気的接続は、前記注入手段が前記端部区間の少なくとも１つで低減された電流注入を生成するように形作られるかまたは構成される
ことを特徴とする高パワー半導体レーザダイオード。
【請求項２】
前記端部区間の少なくとも１つがファセットと前記電気的接続との間の前記レーザダイオードの領域である、請求項１に記載のレーザダイオード。
【請求項３】
前記電気的接続が複数の電気的接続の配列を含み、前記配列の寸法は、前記注入手段が前記端部区間の少なくとも１つで前記低減された電流注入を生成するようなものである、請求項１または２に記載のレーザダイオード。
【請求項４】
前記複数の電気的接続が前記レーザダイオードの長さに沿って実質的に近接離間して延びる複数の個々の電子またはホールの注入ポイントを含み、前記個々の注入ポイントの最初のものが前記前面ファセットおよび/または前記後面ファセットからそれぞれ所定の距離に配置される、請求項３に記載のレーザダイオード。
【請求項５】
前記電気的接続がリボン様電気的接続を含み、その寸法は、前記注入手段が前記端部区間の少なくとも１つで前記低減された電流注入を生成するようなものである、請求項１または２に記載のレーザダイオード。
【請求項６】
前記メタライゼーション層が前記ファセットから離れた部分におけるよりも前記ファセットの１つに隣接する部分において薄い、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザダイオード。
【請求項７】
少なくとも１つの端部区間に隣接する少なくとも1つの部分が電圧降下を受け、したがって少なくとも１つの非ポンプ端部区間を与えるように前記メタライゼーション層が十分に薄い、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザダイオード。
【請求項８】
前記注入手段が第２のメタライゼーション層および関連する定形または不定形の第２の電気的接続を含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のレーザダイオード。
【請求項９】
前記注入手段が複数のワイヤ型接触部、特に近接離間されたワイヤ接合を含む、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のレーザダイオード。
【請求項１０】
前記電流注入ポイントの各々への電流が前記レーザダイオード内で制御された電流パターンを与えるように制御される、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のレーザダイオード。
【請求項１１】
前記端部区間の少なくとも１つでキャリアの注入を制限するための手段をさらに含み、端部区間の少なくとも一部の中の電流注入をさらに低減するように前記注入制限手段がファセットに隣接する前記レーザダイオードの一部を覆う絶縁層を含む、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のレーザダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、キャリアまたはサブマウント上に接合側下向きで取り付けられる高光出力パワーの広面積単一エミッタ（ｂｒｏａｄ ａｒｅａ ｓｉｎｇｌｅ ｅｍｉｔｔｅｒ）（ＢＡＳＥ）レーザダイオードを含む半導体レーザダイオードに関する。この状況における高出力パワーは少なくとも１００ｍＷ出力をもつレーザダイオードを意味する。そのようなレーザダイオードは、一般に、光電子工学用途および産業用途で使用される。そのようなレーザダイオードの光出力パワーおよび安定性は大きな関心事項であり、通常の使用中のあらゆる劣化は大きな欠点となる。本発明は、そのようなレーザダイオードの設計を改善し、特にこの改善はさだめられた方法でレーザダイオード中の電流を制御することによって非常に高い光出力パワーでそのようなレーザダイオードの劣化を著しく最小化するかまたは防止する。
【背景技術】
【０００２】
前述のタイプの半導体レーザダイオードは、例えば光通信技術の重要な構成要素になっており、その理由としては特に、そのようなレーザダイオードがファイバポンピング用途および他の高パワーレーザダイオード用途で使用することができるからである。これは、送信されるべき信号のいかなる複雑な変換も避けながら全光ファイバ通信システムを設計するのを可能にし、それによりそのようなシステムの速度ならびに信頼性が改善される。そのような高パワーレーザダイオードの他の用途はケーブルＴＶ（ＣＡＴＶ）増幅器、印刷用途、およびさらに医療用途を含む。しかし、本発明はまったくＢＡＳＥレーザダイオードに制限されず、同等の設計のどんな半導体レーザダイオードにも適用可能である。
【０００３】
一般的な半導体レーザダイオード、例えば、ＡｌＧａＡｓリッジ導波路レーザダイオードは、２つのＡｌＧａＡｓクラッド層によって挟まれた（歪）量子井戸活性領域からなる。基板上に最小に成長される第１のクラッド層は一般に下部クラッド層と呼ばれ、一般にｎタイプにドープされる。活性領域の成長の後で基板上に２番目に成長される第２のクラッド層は一般に上部クラッド層と呼ばれ、一般にｐタイプにドープされる。半導体エピタキシャル構造全体はＧａＡｓ基板上に成長される。第１の電極メタライゼーションは第１のクラッド層に電気的接触を与え、第２の電極メタライゼーションは第２のクラッド層に電気的接触を与える。一般に、第１の電極は、エピタキシャル層が成長されるウェハの面と反対の面を多い、第２の電極は少なくともリッジ導波路の一部を覆う。しかし、他のドーピング構造および電極の場所も可能である。
【０００４】
一般に、そのような半導体レーザダイオードは２つの異なるモードで作動することができる。第１に、デバイスはキャリアまたはサブマウント上に第１の電極で接合することができ、それは接合側アップマウント型（ｊｕｎｃｔｉｏｎ−ｓｉｄｅ−ｕｐ  ｍｏｕｎｔｅｄ）レーザダイオードと呼ばれる(デバイスは、基板表面をキャリアまたはサブマウントから離してキャリアまたはサブマウントにはんだ付けされる)。一般に、２〜３μのリッジ幅をもつ狭ストライプ（単一モード）レーザはこのように接合される。第２に、デバイスは裏返しにして、キャリアまたはサブマウント上に第２の電極で接合することができ、それは接合側ダウンマウント型（ｊｕｎｃｔｉｏｎ−ｓｉｄｅ−ｄｏｗｎ  ｍｏｕｎｔｅｄ）レーザダイオードと呼ばれる。一般に、１００〜２００μｍ程度のリッジ幅をもつ広面積（多モード）レーザ、すなわちＢＡＳＥはそのように接合される。本発明は、好ましくは、接合側ダウンマウント型ＢＡＳＥレーザダイオードに適用することができることに留意されたい。しかし、本発明がそのようなデバイスにまったく限定されないということは明らかである。特に、本発明は前述のリッジ導波路レーザに限定されず、例えば埋込み型へテロ構造レーザダイオードなどの半導体レーザダイオードの他の設計に適用可能である。
【０００５】
すべての半導体レーザダイオードの主要な問題の１つは、端部区間区域、特にレーザダイオードの前面ファセットの近傍の劣化である。この劣化は、特に高パワー出力時で、リッジ導波路のファセット領域（または端部区間）の制御されていない温度上昇によって引き起こされると考えられる。温度上昇は、これらの領域の不要なキャリア再結合、および自由キャリア注入による加熱によって引き起こされることがある。
【０００６】
レーザダイオードのリッジ導波路の端部区間およびレーザダイオードの他の部分の局所電流はレーザダイオードを駆動する注入電流によって生成される。したがって、局所電流密度を低減し、かつ最終的にレーザダイオードの端部区間の電流、つまり不要なキャリア再結合を防止するために、これらの端部区間に注入される電流を低減することが知られている。端部区間に注入される電流を低減する様々な設計が、接触部リフトオフ、エッチングによる接触部の除去、さもなければこれらの領域の周囲の接触部の遮断を含めて、試験され説明されてきた。試験および具現化された設計のいくつかは、材料、処理、または信頼性の問題のために失敗し、あるものは望ましくない副作用を示し、あるものはまったく実用的でないかまたは実現するのが難しすぎるものである。
【０００７】
レーザダイオードのファセット領域における前述のキャリア再結合を防止するためのいくつかの既知の方法が以下で説明される。
【０００８】
１つの試みがイタヤ（Ｉｔａｙａ）等の米国特許第５，３４３，４８６号に開示されている。それは、レーザダイオード構造の１つのファセット部分に形成された電流阻止領域をもつ化合物半導体レーザダイオードを示す。しかし、不利なことにはこの設計は製造の複雑さを増大させる。さらに、イタヤの方法による処理の間のＡｌの急速な酸化のために、ＡｌＧａＡｓレーザダイオードなどの急速に酸化する材料を使用する工業生産にこの手法は適さないであろう。
【０００９】
ユ（Ｙｕ）等の米国特許第６，３７３，８７５号は、複数の電流阻止層を開示しており、各電流阻止層がレーザダイオードのリッジ導波路の各端部区間上にあり、２つの別個の阻止層がリッジ導波路の左右の残りの本体を完全に覆う。したがって、この構造は横方向に連続しないいくつかの層を有し、導波路のまさに端部での遮断が望ましくない影響をもたらすことがある。
【００１０】
セガワ（Ｓａｇａｗａ）等の米国特許第５，８４４，９３１号はリッジ導波路レーザダイオードのリッジおよびリッジの中心部分上の長手方向開口、すなわちウィンドウをもつ全本体を覆う「ウィンドウ型」電流阻止層を開示している。この米国特許の電流阻止層のいくつかは実際には導電性であり、分離層でないということは別として、それは、リッジの一部の上の単なるウィンドウをもつ、レーザダイオード本体を完全に覆う１つの単一層を開示している。したがって、阻止層はレーザダイオードの端部区間に対して長手方向に制限されない。さらに、そのようなウィンドウ型阻止層処理の製造過程は所望の結果を得るために特にウィンドウの非常に注意深い位置合せを必要とし、したがって多少複雑になるように見える。
【００１１】
やや成功した手法は、リッジ導波路レーザダイオードに所望の非ポンプ端部区間を達成するための「分離層」処理である。この手法は、追加の薄い分離層がレーザダイオード端部区間で半導体接触層と金属接触部との間に配置されるような初期のものと異なる。半導体接触層は除去されることさえもある。そのような設計は、本発明の譲受人に譲渡されたシュミット（Ｓｃｈｍｉｄｔ）等の米国特許第６，７８２，０２４号によって開示され、参照により本明細書に組み込まれ、レーザダイオードの半導体材料とメタライゼーションとの間に所定の位置、サイズ、および形状の電流阻止層として分離層を設けることによるいわゆる「非ポンプ端部区間」での解決策を示している。
【００１２】
先に示したように、非ポンプ端部区間は高パワーレーザダイオードの一方または両方の端部区間の電流フローを阻止し、したがって、過熱およびその結果生じる破滅的光学ミラー損傷（ＣＯＭＤ）故障を防止する成功した解決策をしばしば与えるが、依然としてこれが十分でない場合がある。１つの特定の問題があるように思われる。高パワーレーザダイオードの注入電流の空間分布のシミュレーションによると、レーザダイオードのポンプ区間と非ポンプ区間との間の移行部で電流密度の強いピーク、すなわち電流スパイクが示される。この電流スパイクは関係する領域で材料に局所的に応力をかける。実際に、ある期間作動されたレーザダイオードのこの領域の材料劣化が観察されることがあり、まさにこの場所で材料の電子線誘起電流（ＥＢＩＣ）痕跡として見える。この現象は高注入電流密度を伴う非常に高いパワーで特に顕著である。
【００１３】
したがって、レーザダイオードの端部区間の近傍の注入電流分布を制御し、おそらくさらにその問題となる移行区域をもつ電流阻止層または構造を避ける別の方法への要望が依然として当技術分野に存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、すべての作動条件下で強力な安定光出力を提供するが、前述の端部区間劣化を避ける、高パワーレーザダイオード、特にＢＡＳＥレーザダイオードの簡単で信頼性の高い設計を提供することを目的とする。別の目的は、レーザダイオードの構造の複雑さを著しく増加させずに、そのような高パワーレーザダイオードの信頼性の高い大量生産を可能にする経済的製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、ポンプ区間と非ポンプ区間との間の移行部で生じる電流ピークを避けるかまたは低減する、いわゆる非ポンプ端部区間をもつレーザダイオード、特にＢＡＳＥレーザダイオードを提供する。これは、危険にさらされる領域、好ましくは端部区間の電流分布を制御することによって達成される。本発明によるレーザダイオードは少なくとも２つの注入手段を含み、注入手段は間に活性層がある２つのクラッド層の各々に電気接触を与え、それによって、前記注入手段の少なくとも１つは電気的接続をもつメタライゼーション層を有し、前記電気的接続および／またはメタライゼーション層の厚さは、低減した電流がレーザの端部区間の少なくとも１つに注入されるように形作られるかまたは構成される。
【００１６】
本発明の一態様によれば、電流分布の制御は分配電流注入手段を設けることによって確立される。好ましい形態は、好ましくはレーザダイオードの長手方向延長部分に沿って延びる（および適切に構造化された）別々にワイヤ接続された接触部または接触ポイントの配列、すなわち構造化されたワイヤ接合構成である。従来技術の設計とは対照的に、本発明の原理概念は、この場合、ワイヤ型接触部間の間隔およびワイヤ型接触部からファセット領域までの距離の適切な選択に基づく。しかし、本発明はワイヤ接合を介する電流注入に限定されないことは明らかである。この概念は、電流注入のいかなる手段、例えば導電性リボンにも一般化することができる（下記を参照）。
【００１７】
さらに、本発明は接合側ダウンマウント型ＢＡＳＥレーザダイオードに限定されず、任意の種類の半導体レーザダイオードに適用することができる。
【００１８】
本発明の別の態様によれば、レーザダイオードは導電性リボン形状電気コネクタ、または平坦な導体を介して接続され、それの寸法は、注入手段が端部区間の一方または両方で低減された電流注入を生成するように選択される。この平坦な導体はレーザダイオードの長さの少なくとも一部にわたって延びることができ、前面ファセットおよび／または後面ファセットの所定の区間を空いたままにできる。
【００１９】
本発明のさらなる態様によれば、好ましくは少なくとも１つの端部区間に隣接する部分が電圧降下を受け、したがって少なくとも１つの非ポンプ端部区間を与えるようにメタライゼーション層は十分に薄くされる。
【００２０】
さらなる態様によれば、注入手段のメタライゼーション層は、その長さに沿って（すなわちファセット間のレーザ導波路と平行な方向に）均一でない厚さを有し、好ましくはファセットの近傍の厚さがそのファセットから離れた所よりも薄く、したがって薄いメタライゼーションの領域は厚い領域と実質的に等電位でない。その厚さはメタライゼーションの様々な部分の間で階段状に変化することができ、またはテーパ領域を含むことができる。
【００２１】
さらなる態様によれば、レーザダイオードは、特にファセットに隣接するレーザダイオードの部分を覆う絶縁層によって、端部区間の少なくとも１つでキャリアの注入を制限する手段を含むことができる。これにより、端部区間の少なくとも一部の電流注入はさらに低減することができる。
【００２２】
本発明に従って構成された高パワーレーザダイオードは、後で示されるように特にその長期安定性および信頼性に関して従来技術のレーザダイオードと比較して大幅な改善を示す。
【００２３】
この著しい改善は製造が若干複雑になるだけで達成されるので、従来の製造装置を使用することができ、通常の製造工程を適用することができる。
【００２４】
簡潔に前述したように、リッジ導波路レーザダイオードに１つまたは２つの非ポンプもしくは少ないポンプの端部区間を備えるのは、レーザダイオードファセットの近くの高応力区域を緩和するためである。結晶不均質性(例えば、レーザキャビティを劈開することによってしばしば生成される)およびこれらの領域内、特に前面ファセットまたは前面ミラー近傍の高い光パワー密度のために、ミラーに隣接する領域は信頼性に関してレーザダイオード全体の中で最も弱いポイントであると考えられる。
【００２５】
特に、前面ファセット領域では、非常に高い光出力パワーで故障率の増加が認められる。同じことが、程度は少ないが、後面ミラーの近傍で見出された。これらの高応力領域の材料劣化は光パワー密度と電流密度との組合せによって加速されるので、後者を制御および／または低減することは有利に見える。本発明によれば、これは１つまたは２つの非ポンプ端部区間を設け、これらの端部区間へのおよびそれらの近傍の電流注入を制御することによって達成される。追加の適切に配置された電流阻止層を使用して、非ポンプ端部区間機能を改善することができる。
【００２６】
本発明の好ましい実施形態では、端部区間の少なくとも１つはファセットと電気的接続との間のレーザダイオードの領域である。この場合、電気的接続は複数の電気的な接続の配列を含むことができ、前記配列の寸法は、注入手段が前記端部区間の少なくとも１つで低減された電流注入を生成するようなものである。複数の電気的接続は前記レーザダイオードの長さに沿って実質的に近接離間して延びる複数の個々の電子またはホールの注入ポイントを含むことができ、前記個々の注入ポイントの最初のものは前記前面ファセットおよび／または前記後面ファセットからそれぞれ所定の距離に配置される。あるいは、電気的接続はリボン様電気的接続を含むことができ、その寸法は、注入手段が前記端部区間の少なくとも１つで低減された電流注入を生成するようなものである。リボン様電気的接続はレーザダイオードの長さの少なくとも一部にわたって延び、好ましくは、前面ファセットおよび／または後面ファセットの所定の区間を空いたままにできる。
【００２７】
さらに、注入手段は第２のメタライゼーション層および関連する定形または不定形の第２の電気的接続を含むことができる。少なくとも１つの端部区間内の最小電流密度は活性層の平均電流密度を下回る少なくとも７５%とすることができる。レーザは、リッジ導波路レーザ、好ましくは狭ストライプ接合側アップレーザ、または広面積単一エミッタ（ＢＡＳＥ）レーザ、好ましくは接合側ダウンレーザ、または埋込み型ヘテロ構造レーザとすることができる。さらに、注入手段は複数のワイヤ型接触部、特に近接離間されたワイヤ接合を含むことができる。少なくとも１つの端部区間はワイヤ型接触部がなく、前記端部区間は所定の長さを有し、前記所定の長さは好ましくはレーザダイオードの全長の１０％と２５％との間であり、または好ましくは２００μｍと６００μｍとの間であるように複数のワイヤ型接触部を分配することができる。さらに、電流注入ポイントの間の距離は一定とすることができる。
【００２８】
必要であれば、隣接する電流注入ポイント間の離間は、レーザダイオードに沿った場所に応じて電流注入ポイントの少なくともいくつかに対して変化することができ、特にファセットの少なくとも１つに向かって増加する。電流注入ポイントはデバイスに沿って１つの単一の列で配置することができる。あるいは、電流注入ポイントはデバイスに沿って１つより多い列に配置することができ、前記列は好ましくは互いにずれるかおよび／または平行である。電流注入ポイント間の距離は２００μｍ未満、好ましくは１２５μｍ未満とすることができる。あるいは、電流注入ポイント間の距離は有効浸透深さαｅｆｆ未満、好ましくは０．４αｅｆｆと０．８αｅｆｆとの間とすることができる。端部区間の少なくとも１つからの注入ポイントの距離は少なくとも１００μｍ、好ましくは少なくとも２００μｍとすることができ、５００μｍまでとすることができる。あるいは、端部区間の少なくとも１つまでの注入ポイントの距離は、αｅｆｆを有効浸透深さとして、少なくとも０．５αｅｆｆ、好ましくはαｅｆｆと３αｅｆｆとの間とすることができる。
【００２９】
レーザダイオードは、端部区間の少なくとも１つでキャリアの注入を制限するための手段をさらに含み、端部区間の少なくとも一部の中の電流注入をさらに低減するように前記注入制限手段はファセットに隣接するレーザダイオードの一部を覆う絶縁層を含むことができる。絶縁層は半導体本体の少なくとも一部にわたって横方向に延びることができ、少なくとも１つの端部区間だけを長手方向に覆い、それによって前記分離層は一方のメタライゼーションとそのそれぞれのクラッド層との間（例えば、向かい合う表面にメタライゼーションをもつリッジ導波路レーザダイオードの一方の側）または両方のメタライゼーションでの間に配置することができる。
【００３０】
２つの別個の注入制限手段を備え、各々がレーザダイオードの前部端部区間および後部端部区間にあるようにできる。注入制限手段は２５μｍと５００μｍとの間の長手方向延長部分をもつ絶縁層を含むことができる。注入制限手段は、２αｅｆf未満、好ましくは０．５αｅｆｆから１．５αｅｆｆの範囲の長手方向延長部分をもつ絶縁層を含むことができる。注入制限手段は１０ｎｍから１００ｎｍの厚さ、好ましくは４０ｎｍと６０ｎｍとの間の厚さの絶縁層とすることができる。
【００３１】
以下で、本発明の実施形態が図面を参照して説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
図１は、従来技術によるファセットに隣接する電流阻止層の領域によって設けられた非ポンプ端部区間および均一な電流注入をもつ例示的なＢＡＳＥ（広面積単一エミッタ）リッジ導波路レーザダイオードの活性層中の長手方向の注入電流密度分布を示す。図１はシミュレーション結果であり、示された寸法および値は単なる例であることを理解されたい。本発明は接合側ダウンマウント型ＢＡＳＥレーザに限定されず、同様の構造、または注入電流の制御が有利であるかまたは必要とされる設計のいかなるレーザダイオードにも適用することができることも理解されたい。
【００３３】
図１に示された長手方向注入電流分布は、この場合ｎクラッド層である第１のクラッド層をもつ電気接触部にｄｃｏｎｔ＝１．０μｍ厚の均一な第１の金のメタライゼーション層を仮定している。したがって、電流注入は、非ポンプ端部区間および隣接領域を除いて、活性層中をデバイスに沿ってほとんど均一に分配される。実質的に均一に分配された電流注入を与える厚いメタライゼーションは、デバイスへの電流フローを最大にするために従来技術では魅力的であると考えられる。非ポンプ端部区間は、ファセットから始まり、１００μｍの長さにわたって延びる、第２の厚いメタライゼーションとこの場合ｐクラッド層である第２のクラッド層との間の絶縁電流阻止層（そのような電流阻止層の概略が図２に見える）によって設けられる。この電流阻止層はデバイス内の電流分布を変更し、電流阻止層の端部と位置の合ったデバイス内（すなわち、レーザダイオード導波路のポンプ区間と非ポンプ区間との間の境界）で注入電流密度の前述の望ましくない有害なスパイクを生成する。縦軸は対数目盛であることに留意されたい。
【００３４】
したがって、非ポンプ端部区間を首尾よく使用して高パワーダイオードレーザの端部区間、すなわちファセット（ミラー）の近傍の電流フローが阻止され、したがって過熱およびファセットでのその結果のＣＯＭＤ（破滅的光学ミラー損傷）が防止されるが、図１に示されるようなポンプ区間と非ポンプ区間との間の移行部の電流密度の強いピークすなわちスパイクは大きい欠点である。
【００３５】
図２はその結果を示す。ある期間大電流で作動された接合側アップマウント型狭ストライプレーザダイオードの重ね焼きしたＥＢＩＣ（電子線誘起電流）およびＳＥＭ（走査電子顕微鏡）写真から分かるように、非ポンプ端部区間の材料が特にポンプ／非ポンプ移行部でひどく劣化している。もちろん、この影響は非常に高いパワー、すなわち非常に高い注入電流密度で特に顕著である。
【００３６】
図３ａから３ｅは、上記問題を解決する本発明の様々な実施形態を示す。図は導波路リッジをもつ例示的なＢＡＳＥレーザダイオードを接合側ダウン方向で示す。図３ａは活性層１０、第１のクラッド層１１、第２のクラッド層１２、および第２のメタライゼーション（電極）層１３を示し、それらは明瞭さのために後続の図に示されない（デバイスの下のキャリアまたはサブマウントは図３ａから図３ｅのいずれにも示されない）。ポンプ／非ポンプ移行部の局所電流スパイクを除去するために、電流注入の空間分布が制御される。図３ａの例示的な実施形態では、ワイヤ接合４は、導波路リッジ２をもつ接合側ダウン向きレーザダイオード１の第１の金のメタライゼーション層３上で分配される。第１のメタライゼーション層の厚さｄｃｏｎｔは、重要なことには１μｍ未満に、例えば０．５μｍ未満、好ましくは０．２μｍ未満、より好ましくは０．１μｍ未満に選択され、その結果、この層はある電圧降下を伴う抵抗の役割をする。その結果、この「薄い」メタライゼーション層によって与えられる電流分布は実質的に非均一であり、すなわち、極めて厚いメタライゼーション層は均一な電流分布をもつ実質的に等電位のメタライゼーションを設けるために必要とされる。特に、「最初」のワイヤ接合、すなわちレーザダイオードの左（および／または右）のファセットに最も近いワイヤ接合は特定のファセットから所定の距離を離して配置される。したがって、この配列で、「最初」のワイヤ接合とファセットとの間の領域が端部区間５として画定され、それは、活性層中のキャリア注入の程度がファセットに向かって連続的に減少するようにキャリア注入の低減された領域である。その結果、ファセットに近い領域は実質的に非ポンプのままとなり、それによって注入電流はいわばファセットに向かって漸減する。一方、一般的な応用では、隣接するワイヤ接合間の間隔6は、ワイヤ接合間の実質的に均一な電流分布を保証するためにメタライゼーション層の厚さｄｃｏｎｔに応じて十分小さく選択される。
【００３７】
従来技術の設計では、ワイヤ接合の数、ファセットと「最初」のワイヤ接合との間の距離、または２つの隣接するワイヤ接合間の間隔に関して注意がはらわれなかったことに留意されたい。２〜３マイクロメートルの厚さをもつメタライゼーション層では、その固有抵抗は無視することができ、その結果、電流注入は実質的に均一で、ワイヤ接合の数および位置決めに依存しない。実際には、「薄い」、すなわち１μｍ未満のメタライゼーション層では、この場合にワイヤ接合構成の設計は非常に重要であるが、従来技術において固有抵抗の影響は無視されたままであった。
【００３８】
ワイヤ接合間の距離、およびワイヤ接合とファセットとの間の距離のいくつかの寸法および尺度が以下で説明される。これらの尺度は厚さｄｃｏｎｔに強く依存する。一般に、最も外側のワイヤ接合からファセットまでの距離は、電流密度がファセットで十分に抑制されるように選択されるべきである。さらに、電流阻止層の従来技術での使用と関連する電流スパイクは、電流阻止層が例えば第２のメタライゼーション層と対応する第２のクラッド層の間で（例えば一般にリッジを横切って）本発明の設計にも組み込まれる場合、低減されることになる。レーザダイオードの端部の空いた距離は一般に数百μｍとすることができる。図３ａの最も左の（最初の）ワイヤ接合と最も右の（最後の）ワイヤ接合との間の空間は、均一な電流分布がワイヤ接合間で保証されるようにある距離でのいくつかの他のワイヤ接合で満たされる。隣接するワイヤ接合の間の距離の一般的な数値はｄｃｏｎｔ＝０．２μｍの場合１００〜２００μｍであり、それによって、距離６は一般に５０〜１００μｍの接合自体の範囲を除いて隣接する接合間の空き空間によって画定される。ワイヤ接合のこの構成はファセットでの非常に低い値で始まる電流密度を実質的に滑らかに増加させ、その結果、従来技術デバイスにおけるようないかなる電流阻止構造も必要とせずに、非ポンプ端部区間をもたらす。さらに、レーザダイオードの長手方向延長部分に沿ったワイヤ接合間の電流密度は正確に制御することができ、例えば所望であれば多少均一にすることができる。
【００３９】
複数のワイヤ接合４は、少なくとも２つ、好ましくは少なくとも３つ、より好ましくは少なくとも５つ、さらにより好ましくは少なくとも１０個、最も好ましくは少なくとも２０個とすることができる。
【００４０】
図３ｂは図３ａと同じ参照番号をもつ本発明の第２の実施形態を示す。低減されたキャリア注入の領域は図３ａとほぼ同じであるが、ワイヤ接合４は非一様に（または非均一に）分配され、すなわち互いの距離が変化する。そのような可変の物理的分配を実施すると、レーザダイオード１に沿った所望の注入電流分布を生成するために設計者にさらなる自由度が与えられる。この手法はレーザダイオードへの応力付加をさらに最小化することができ、ファセットからの離間に応じた電流注入プロファイルおよび低減されたキャリア注入の関連する領域の最適化を可能にし、したがってＣＯＭＤの危険なしにパワー出力を増加できる。ある手法は、レーザダイオードの前面ファセットの方向にワイヤ接合の密度を低減（または増加）し、すなわちそれらの間隔を増加（または減少）し、その結果、この方向に電流密度の実質的に連続な減少（または増加）をもたらすことができるかもしれない。
【００４１】
図３ｃは、ある距離だけずらされている、すなわち移動されている２列のワイヤ接合をもつさらなる実施形態を示す。さらに、２つの列の間の距離および／または平行する列の数は変更することができる。ワイヤ接合の数の増加が望まれる場合、この設計は特に有用である。前述のように、図３ｃの実施形態は「薄い」メタライゼーション層を使用する。
【００４２】
図３ｄは、均一でない厚さのメタライゼーション層３’が（ファセット間の導波路と平行な）長さに応じてレーザの電流注入プロファイルを調整するために使用される本発明のさらなる実施形態を示す。この実施形態では、メタライゼーション層３’の厚さは、ファセットから離れた部分７におけるよりも前記ファセットに隣接する部分８において薄い。好ましくは、メタライゼーション層３’の薄い部分８は低減されたキャリア注入の対応する領域を与え、厚い部分８は多くて実質的に均一なキャリア注入の対応する領域を与える。好ましくは、薄い部分８の厚さは１μｍ未満、好ましくは０．５μｍ未満、より好ましくは０．２μｍ未満、さらにより好ましくは０．１μｍ未満である。厚い部分７の厚さは好ましくは少なくとも１μｍである。メタライゼーション層３’は２つよりも多くの異なる厚さを含み、階段状の配列を生成することができる。別の配列では、メタライゼーション層は電極３’のテーパ部分とすることができる。
【００４３】
図３ｅは、メタライゼーション層３の厚さに応じてある距離にわたって長手方向に延びる導電性リボン９によって電流注入が行われるさらなる実施形態を示す。この実施形態は「薄い」または「厚い」メタライゼーション層３の両方で実現することができる。
【００４４】
図３ａから３ｅに示された実施形態では、電流注入が低減された電流注入の領域によって抑制されるのでｐ接触側の電流阻止層は必要とされない。しかし、電流注入プロファイルのさらなる制御も前述の設計のいずれにおいても従来技術のように電流阻止層を使用することによって行うことができる。電流阻止層は、メタライゼーション層の一方または両方とそれぞれのクラッド層との間に設けることができる。
【００４５】
可変注入電流分布、すなわちレーザダイオードに沿って変化する注入電流を実施する別の手法は、デバイス内に所望の電流注入プロファイルを生成するように異なるワイヤ接合４の電流を制御することである。当業者は適切な回路を工夫することができるであろう。さらに、前述の設計および／または図３ａから３ｄに示された設計のいずれも当業者が組み合わせるかまたは変更することができることは明らかである。
【００４６】
図４はメタライゼーション層の厚さとデバイス内の電流注入分布との間の相関関係をさらに説明するために与えられる。図４は、金の接触層の様々な厚さについて、基点に配置されたデバイスの上の単一のワイヤ接合からの電流注入をもつＢＡＳＥレーザダイオードの活性層中の注入電流密度分布の計算されたシミュレーション結果を示す。図面中で「長手方向位置」として示された１ｍｍ長の区間はより長いチップの切出し部分と見なされるべきである。積分された電流密度(すなわち全電流)がシミュレーションの各々に対して同じであるように、電流密度が正規化されていることに留意されたい。予想されるように、活性層中の電流密度は、基点である給電ポイントで最大を有し、レーザダイオードの両端部に向かって減少する。（金）メタライゼーション層が厚いほど電流密度分布は浅くなり、すなわち「厚い」メタライゼーション層では「薄い」層の場合よりも分布が均一になる。各曲線の急峻度および幅は有効浸透深さと呼ばれるパラメータによって記述される。有効浸透深さは、デバイスの上の理想的な点供給源から注入されるキャリアに対して活性層中で広がる電流の尺度である。有効浸透深さは、双曲線関数で構成された解析関数をシミュレーションされた曲線にフィットさせることによってメタライゼーション層の厚さの関数として導き出すことができる。フィット式（ｆｉｔ ｆｏｒｍｕｌａ）はデバイスの等価伝送線路表示から得られる。
【００４７】
図５の実線はフィッティング手順から得られる有効浸透深さαｅｆｆを示す。浸透深さはほぼ平方根依存に従う。伝送線路モデルによると式（１）で与えられる有効浸透深さの近似解析表式を導き出すことができる。
【数１】
2008544561.tif 000003
【００４８】
式（１）において、σｃｏｎｔ／ｓｕｂはそれぞれメタライゼーション層材料および基板材料の導電率、ならびにｄｃｏｎｔ／ｓｕｂはそれらの（垂直）厚さを表す。図５の破線は、σｃｏｎｔ＝４２．５５×１０６Ω−１ｍ−１、σｓｕｂ＝６００００Ω−１ｍ−1、およびｄｓｕｂ＝１５０μｍの場合に式（１）によって与えられる有効浸透深さを示す。両方の曲線は良好に一致している。式（１）は、比較的厚い基板材料が第１のメタライゼーション層と活性層との間に挟まれている場合の接合側ダウンマウント型（ＢＡＳＥ）レーザについて導き出されることに留意されたい。接合側アップマウントレーザでは異なる表式が導き出されるかもしれない。それにもかかわらず、有効浸透深さの概念は基本的理論モデルに依存せずに適用することができる。
【００４９】
図６は、２つの接合の様々な離間に対して、デバイスの第１のメタライゼーション層上の２つの隣接するワイヤ接合からの電流注入をもつ例示的なＢＡＳＥレーザダイオードの活性層中の注入電流密度分布の計算されたシミュレーション結果を示す図である。（金）メタライゼーション層の厚さは０．２μｍである。明らかなように、１５０μｍよりも小さい距離では、両方の接合間の電流密度は均一であるかまたは最大を有し、一方外側で激しく落ちている。１５０μｍよりも大きい離間では、両方のワイヤ接合間で電流密度のくぼみが生じる。それは、接触層厚の関数として２つのワイヤ接合間の限界距離および有効浸透深さについて以下の実験的関係式が保持されることがシミュレーションから見出された。
【数２】
2008544561.tif 000004
【００５０】
２つのワイヤ接合が
【数３】
2008544561.tif 000005
未満だけ離間される場合、隣接するワイヤ接合間の電流密度は局所的な最小またはリップルを示さない。
【００５１】
経験則として、ファセットの最も近くに配置されたワイヤ接合の距離は式（３）の程度になるように選択されるべきである。
【数４】
2008544561.tif 000006
【００５２】
ファセットの電流密度の所望の低減の程度に応じて、この値は増加または減少することができる。
【００５３】
例として、ｄｃｏｎt＝０．２μｍの場合、図５から有効浸透深さαｅｆｆ＝２５０μｍが式（２）による限界距離
【数５】
2008544561.tif 000007
および式（３）によるファセットまでの距離
【数６】
2008544561.tif 000008
を生成することが分かる。
【００５４】
図７は、例で前述した限界距離およびファセットまでの距離の値を使用して、図４と同様の表示で本発明によって達成された改善を示す。図４におけるように、シミュレーションされた電流密度分布が示される。しかし、図７の場合、２．４ｍｍ長のＢＡＳＥレーザダイオードの活性層は、実質的に図３ａ（７つのワイヤ接合だけが示される）に示された構成であるデバイスの第１のメタライゼーション層上の９つのワイヤ接合からの電流注入を受け取る。ワイヤ接合は長手方向に等しく分配され、レーザダイオードの左のファセットから約５００μｍで始まり、右のファセットから約４００μｍで終わる。２つの隣接するワイヤ接合間の離間は約１００μｍである。物理的な非ポンプ端部区間として作動する電流阻止層は想定されていない。これは、ワイヤ接合をもつ領域で実質的に均一な電流密度およびレーザダイオードのファセットに向かってやや急激な低下を与える。したがって、そのようなレーザダイオード設計の効果はレーザダイオードの端部に電流阻止層をもつ設計とまったく同様であり、すなわち、レーザの端部区間は事実上非ポンプであるが、いかなる電流スパイクも生成されない。
【００５５】
図８は、第２の例として、３．６ｍｍ長のＢＡＳＥレーザダイオードの活性層中の電流密度分布を示す。この設計では、１５０μｍ長の電流阻止層が両方のファセットに隣接して第２のメタライゼーション（電極）層と第２のクラッド層（その中にリッジが画定される）との間に組み込まれ、電流阻止層の端部（すなわちポンプ領域と非ポンプの領域との間の移行部）で電流密度のスパイクを引き起こす。破線は、隣接する接合間に約５０μｍの離間をもつ２３個の等しく分配されたワイヤ接合で得られる。各接合の直径は１００μｍに設定される。端部ワイヤは電流阻止層の端部とほぼ同じ位置に配置され、同様に各ファセットから１７０μｍで始まる。左側のワイヤ接合はより長いと仮定されているので両方のスパイクの間の電流密度分布が均一でないことに留意されたい。このように、これらのワイヤの直列抵抗はより高く、それがデバイスの左側の電流密度を減少させる。実線は、（前面ファセット側である）右側の２つの最後のワイヤ接合が除かれ、その結果、最後のワイヤ接合がこのファセットから約４５０μｍの距離を有する場合の改善を示す。電流密度の減少は、後面ファセットから長手方向位置３０００μｍから始まり、前面ファセットの方向で激しくなる。さらに、電流スパイクは完全に除去される。
【００５６】
さらなる利点は、所定のパターンで、例えば図３ｂに示したように一様でない間隔で複数のワイヤ接合を配置することによって、またはあらゆるワイヤ接合の供給電圧または電流を制御することによって達成することができる。ワイヤ接合の適切な配列および／または電圧／電流の適切な制御により、レーザダイオード内の任意の所望の電流密度分布を実際に達成することができる。当業者は、任意の要件に適合するシステムを設計することに問題はないであろう。
【００５７】
当業者は付加的な利点および変更を容易に見出すはずであり、したがって、本発明は本明細書で先に示し説明した特定の実施形態、詳細、およびステップに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】左のファセットに配置された電流阻止層をもち、デバイスの上部からの均一な電流注入をもつ例示的なＢＡＳＥレーザダイオードの活性層中の長手方向電流密度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図２】非ポンプ端部区間の端部の下の接合側アップマウント型狭ストライプレーザダイオードの劣化の重ね焼きしたＥＢＩＣおよびＳＥＭ写真である。
【図３ａ】図３ａから３ｅは本発明の５つの実施形態を示す図である。
【図３ｂ】図３ａから３ｅは本発明の５つの実施形態を示す図である。
【図３ｃ】図３ａから３ｅは本発明の５つの実施形態を示す図である。
【図３ｄ】図３ａから３ｅは本発明の５つの実施形態を示す図である。
【図３ｅ】図３ａから３ｅは本発明の５つの実施形態を示す図である。
【図４】パラメータとして導電メタライゼーション層の厚さを使用して、単一のワイヤ接合からの電流注入をもつ例示的なＢＡＳＥレーザダイオードの活性層中の電流密度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】メタライゼーション層の厚さの関数としてデバイスの等価伝送線路表示から導き出された有効浸透深さを示す図である。
【図６】ワイヤ接合間の距離をパラメータとして使用した、２つの隣接するワイヤ接合からの電流注入をもつ例示的なＢＡＳＥレーザダイオードの活性層中の電流密度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】本発明によるデバイスの上の複数の等しく分配されたワイヤ接合からの電流注入をもつ例示的なＢＡＳＥレーザダイオードの活性層中の長手方向電流密度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】本発明による、ファセットの各々に配置された電流阻止層をもち、デバイスの上の複数の等しく分配されたワイヤ接合からの電流注入をもつ例示的なＢＡＳＥレーザダイオードの活性層中の長手方向電流密度分布のシミュレーション結果を示す図であり、一例では前面ファセットに最も近い２つのワイヤ接合が除かれている。
【図１】
2008544561.tif 000009
【図２】
2008544561.tif 000010
【図３ａ】
2008544561.tif 000011
【図３ｂ】
2008544561.tif 000012
【図３ｃ】
2008544561.tif 000013
【図３ｄ】
2008544561.tif 000014
【図３ｅ】
2008544561.tif 000015
【図４】
2008544561.tif 000016
【図５】
2008544561.tif 000017
【図６】
2008544561.tif 000018
【図７】
2008544561.tif 000019
【図８】
2008544561.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成20年2月27日(2008.2.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの端部区間をもつ活性領域と、前記端部区間の末端をなす前面ファセットおよび後面ファセットとを有する半導体本体と、
好ましくは前記レーザのｎ接触側上の、前記活性領域に電子を注入するための前記半導体本体の少なくとも一部にわたる第１の注入器と、
前記活性領域にホールを注入するための前記半導体本体の少なくとも一部にわたる前記第１の注入器の反対側に配置された第２の注入器と
を含む高パワー半導体レーザダイオードであって、
前記注入器の少なくとも１つがメタライゼーション層および前記メタライゼーション層への電気的接続を含み、前記電気的接続は、前記注入器が前記端部区間の少なくとも１つで低減された電流注入を生成するように、複数の点接点又はリボン接点の形状に形作られるかまたは構成される
ことを特徴とする高パワー半導体レーザダイオード。
【請求項２】
前記端部区間の少なくとも１つがファセットと前記電気的接続との間の前記レーザダイオードの領域である、請求項１に記載のレーザダイオード。
【請求項３】
前記複数の点接点が前記レーザダイオードの長さに沿って実質的に近接離間して延びる複数の個々の電子またはホールの注入ポイントの形状であり、前記個々の注入ポイントの最初のものが前記前面ファセットおよび/または前記後面ファセットから所定の距離に配置される、請求項１または２に記載のレーザダイオード。
【請求項４】
前記メタライゼーション層が前記ファセットからさらに離れた部分におけるよりも前記ファセットの１つに隣接する部分において薄い、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザダイオード。
【請求項５】
少なくとも１つの端部区間に隣接する少なくとも１つの部分が電圧降下を付与し、したがって少なくとも１つの非ポンプ端部区間を与えるように前記メタライゼーション層が十分に薄い、前記請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザダイオード。
【請求項６】
前記注入器の他方が第２のメタライゼーション層および関連する定形または不定形の第２の電気的接続を含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザダイオード。
【請求項７】
前記少なくとも１つの注入器が複数のワイヤ型接触部、特に近接離間されたワイヤ接合を含む、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザダイオード。
【請求項８】
前記電気的接続が複数の点接点の形状であり、前記点接点の各々への電流が前記レーザダイオード内で制御された電流パターンを与えるように制御される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のレーザダイオード。
【請求項９】
前記端部区間の少なくとも１つでキャリアの注入を制限するための注入制限器をさらに含み、端部区間の少なくとも一部の中の電流注入をさらに低減するように前記注入制限器がファセットに隣接する前記レーザダイオードの一部を覆う絶縁層を含む、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のレーザダイオード。
【国際調査報告】
2008544561.tif 000021
2008544561.tif 000022