(57)【要約】  本願では、次のような面放出型の半導体レーザ素子が提供される。すなわち、とりわけ電気ポンピング式の半導体レーザ素子であり、垂直の放出方向を有し、かつレーザ放射を外部の光学的な共振器（４，５）によって生成するために構成されている形式のものにおいて、横方向の主延在方向と、放射生成のために設けられた活性ゾーン（３）とを有する半導体層シーケンス（２）を備えた半導体ボディを有し、該共振器内に放射透過性のコンタクト層（６）が配置されており、該半導体ボディに導電接続されていることを特徴とする、半導体レーザ素子が提供される。
2008500711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面放出型の半導体レーザ素子であって、
たとえば、電気ポンピング式の半導体レーザ素子であり、
垂直の放出方向を有し、かつレーザ放射を外部の光学的な共振器（４，５）によって生成するために構成されている形式のものにおいて、
横方向の主延在方向と、放射生成のために設けられた活性ゾーン（３）とを有する半導体層シーケンス（２）を備えた半導体ボディを有し、
該共振器内に放射透過性のコンタクト層（６）が配置されており、該半導体ボディに導電接続されていることを特徴とする、半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記コンタクト層（６）は酸化物を含む、請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記コンタクト層（６）はＴＣＯ材料を含む、請求項１または２記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記コンタクト層（６）はＺｎＯまたはＩＴＯを含む、請求項１から３までのいずれか１項記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記コンタクト層（６）は前記半導体ボディ上に配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記コンタクト層（６）は、前記活性ゾーン（３）と共振器（４，５）の外部ミラー（５）との間の直接的な経路に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記共振器はブラッグミラー（４）を境界とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記半導体ボディは、前記コンタクト層（６）に対向する面に、少なくとも１つのｐ導電型の層を有する、請求項１から７までのいずれか１項記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記活性ゾーンにおいて生成される放射の波長は不可視スペクトル領域にあり、たとえば赤外線スペクトル領域にある、請求項１から８までの少なくとも１項記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記コンタクト層（６）によって電気ポンピングされる半導体レーザ素子である、請求項１から９までのいずれか１項記載の半導体レーザ素子。
【請求項１１】
前記半導体ボディは事前製造され、
前記コンタクト層（６）はその後で、該半導体ボディ上に取り付けられる、請求項１から１０までのいずれか１項記載の半導体レーザ素子。
【請求項１２】
前記半導体ボディは担体（１）上に配置されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の半導体レーザ素子。
【請求項１３】
前記担体（１）は、前記半導体層シーケンスの成長基板と異なる、請求項１２記載の半導体レーザ素子。
【請求項１４】
前記担体（１）はヒートシンクとして形成されている、請求項１２または１３記載の半導体レーザ素子。
【請求項１５】
半導体ボディとコンタクト層（６）との間に、または該コンタクト層（６）の半導体ボディと反対側の面に、光学的なコーティングが設けられている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の半導体レーザ素子。
【請求項１６】
前記共振器に選択素子（１３）が設けられているか、または前記コンタクト層（６）が選択素子（１３）として構成されている、請求項１から１５までのいずれか１項記載の半導体レーザ素子。
【請求項１７】
前記選択素子（１３）は、前記共振器に存在する放射の波長選択および／または偏光選択を行うために構成されている、請求項１６記載の半導体レーザ素子。
【請求項１８】
前記選択素子（１３）は格子構造（１３０）を有する、請求項１６または１７記載の半導体レーザ素子。
【請求項１９】
前記格子構造（１３０）は少なくとも部分的に前記コンタクト層（６）に形成される、請求項１８記載の半導体レーザ素子。
【請求項２０】
前記共振器に非線形の光学的エレメントが配置され、
該光学的エレメントは、たとえば周波数変換用の光学的エレメントである、請求項１から１９までのいずれか１項記載の半導体レーザ素子。
【請求項２１】
前記活性ゾーンにおいて生成される放射の波長は、２００ｎｍ〜２０００ｎｍの間のスペクトル領域にある、請求項１から２０までの少なくとも１項記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、次の形式の面放出型の半導体レーザ素子に関する。すなわち、垂直の放出方向を有し、レーザ放射を光学的共振器によって生成するように構成されており、半導体層シーケンスを有する半導体ボディを有し、該半導体層シーケンスは横方向の主延在方向と、放射生成のために設けられた活性ゾーンとを有する形式の面放出型の半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
電気ポンピング式の従来の面放出型半導体レーザ素子では、半導体ボディの半導体材料の横方向の導電度が通常は小さいため、ポンプ電流はしばしば、該半導体ボディのｎ導電型側から電流拡開層を介して該半導体ボディに注入されている。こうするためにはたとえば、たとえばｎ‐ＧａＡｓ等のIII‐V族半導体材料から成る層が使用される。しかし、このような電流拡開層の横方向の導電度も小さいことが多く、しばしば半導体ボディの横方向の導電度に匹敵する。または該電流拡開層は、活性ゾーンで生成された放射を吸収してしまう。このような小さい導電度のため、前記のような電流拡開層は効率的な電流注入のために、しばしば大きい厚さで形成しなければならない。しかしこれによって、電流拡開層に吸収される放射パワーが上昇してしまう。総体的に、横方向の小さい導電度および／または吸収に起因して、半導体レーザ素子の効率が低減する可能性が大きくなってしまう。
【０００３】
本発明の課題は、面放出型の半導体レーザ素子を改善して提供することである。
【０００４】
この課題は本発明では、請求項１の特徴を有する半導体レーザ素子によって解決される。
【０００５】
従属請求項に、本発明の有利な発展形態が記載されている。
【０００６】
垂直の放出方向を有し、かつレーザ放射を外部の光学的共振器によって生成するために構成された本発明の面放出型の半導体レーザ素子は、横方向の主延在方向と放射生成のために設けられた活性ゾーンとを有する半導体層シーケンスを備えた半導体ボディを有し、該光学的共振器内に放射透過性のコンタクト層が配置されており、該半導体ボディに導電接続されている。有利には半導体レーザ素子は、放射透過性のコンタクト層によって電気ポンピングされる。
【０００７】
このようにして、吸収する電流拡開層における吸収損失は有利に低減され、このことは、半導体レーザ素子の効率および／またはレーザ動作閾値に好影響を及ぼす。
【０００８】
場合によっては、放射透過性のコンタクト層の他に付加的に、コンタクト層より低い透過性を有する吸収性の電流拡開層が設けられる。しかしこの電流拡開層の厚さは、従来の半導体レーザ素子と比較して有利に改善される。
【０００９】
有利にはコンタクト層の横方向の導電度は、半導体ボディへのポンプ電流の電流導入が均一になるように、高く選択される。特に有利には、コンタクト層は横方向に、次のような導電度および構造を有する。すなわち、半導体ボディの中央領域にわたる横方向のポンプ電流密度が、有利にはコンタクト層への電流導入が行われる半導体ボディの縁部領域にわたる横方向のポンプ電流密度より大きくなるように選択された導電度および構造を有する。
【００１０】
この横方向のポンプ電流密度は実質的に、次のような疑似ガウス状のプロフィールを有することができる。すなわち、中央領域で最大値を有し、該最大値から出発して中央領域で比較的扁平な側縁を有し、縁部領域で急峻になる側縁を有する疑似ガウス状のプロフィールを有することができる。
【００１１】
コンタクト層によって、比較的大きい横方向の領域にわたり、半導体ボディにおいて中央領域に、横方向に実質的に均一なポンプ電流密度分布が実現される。この横方向の領域は、たとえば１０〜１００００μｍの横方向の長さを有し、有利には１００μｍ〜１０００μｍまたは１００μｍ〜５００μｍの横方向の長さを有する。
【００１２】
さらに有利には、前記コンタクト層は半導体ボディ上に配置される。このような構成により、半導体ボディへの有利に効率的な電流導入が実現される。特に有利には、コンタクト層は半導体ボディに対して有利な電気的コンタクト特性を有する。たとえば、コンタクト層は半導体ボディとの間に、実質的にオーム抵抗のコンタクトを形成する。
【００１３】
本発明の有利な構成では、コンタクト層は酸化物を有し、とりわけ金属酸化物を有する。
【００１４】
放射透過性である導電性の酸化物（ＴＣＯ：Transparent Conducting Oxide）とりわけ金属酸化物は、広い波長領域にわたって高い放射透過性を有すると同時に、横方向に高い導電度を有する。コンタクト層はたとえば、たとえばＺｎＯ等の酸化亜鉛である１つまたは複数のＴＣＯ材料、またはＩＴＯ等のインジウム‐錫酸化物、またはＳｎＯ２等の酸化錫、またはＴｉＯ２等の酸化チタンを含むか、またはこれらから成る。導電度を上昇するために、コンタクト層に有利には金属をドープすることができる。
【００１５】
ＺｎＯには、たとえばＡｌがドープされる。
【００１６】
有利にはコンタクト層は、ＺｎＯまたはＩＴＯを含む。ＺｎＯは、ｐ導電型の半導体材料に対して特に有利なコンタクト特性を有する。
【００１７】
たとえばＺｎＯは、４００ｎｍ〜約１１００ｎｍの間の波長で、近似的に０の吸収係数を有し、約３４０ｎｍ〜１２００ｎｍの波長で０．１以下の吸収係数を有する。ＩＴＯはたとえば、５００ｎｍを超える波長から１０００ｎｍ以上の波長で、近似的に０の吸収係数を有し、４００〜５００ｎｍの波長で０．１以下の吸収係数を有する。このような低い吸収係数は、透過度の高い値に相応する。
【００１８】
有利には、コンタクト層の厚さは１００ｎｍ以上であり、かつ１０００ｎｍ以下である。コンタクト層の横方向の層抵抗は、たとえば２０Ω＿ｓｑ以下である。単位Ω＿ｓｑはここでは、コンタクト層の平方面積（square）の抵抗を示す。
【００１９】
本発明の有利な構成では共振器は、有利には半導体ボディにおよび／またはブラッグミラーとして構成された第１のミラーと、少なくとも１つの別の外部のミラーとを境界とする。
【００２０】
前記外部のミラーは、前記共振器からの放射に対する出力結合ミラーとして構成され、ここで有利には、第１のミラーより低い反射性を有する。特に有利には、前記外部のミラーは自由放射領域を介して、半導体ボディから離隔されている。
【００２１】
活性ゾーンで生成された放射は、第１のミラーと外部のミラーとの間で反射され、該共振器において、誘導放出を介してコヒーレントな放射（レーザ放射）を生成するための放射フィールドが活性ゾーンに形成され、該コヒーレントな放射は出力結合ミラーを介して該共振器から出力結合されるように構成することができる。
【００２２】
本発明の有利な発展形態では、コンタクト層は活性ゾーンと共振器の外部のミラーとの間の直接的な放射経路に配置される。
【００２３】
外部の共振器を有する面放出型の半導体レーザ素子（ＶＥＣＳＥＬ：Vertical External Cavity Surface Emitting Laser または半導体ディスクレーザ）の方が、内部の共振器を有する半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）と比較して高い出力効率を実現できる。
【００２４】
本発明の別の有利な構成によれば、活性ゾーンは単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する。このような構造は、半導体レーザ素子に特に適している。
【００２５】
場合によっては活性ゾーンは、１つまたは複数の量子ドットまたは１つまたは複数の量子細線を有する。
【００２６】
本発明の別の有利な構成では、半導体ボディとコンタクト層との間に、または半導体ボディとコンタクト層の該半導体ボディと反対側の面に、光学的なコーティングが設けられる。
【００２７】
本発明の有利な発展形態では、前記光学的なコーティングは少なくとも部分的に、共振器における放射または放射モードに対する反射防止コーティングまたは高反射率コーティングとして形成される。
【００２８】
高反射率コーティングによって、活性ゾーンにおいて反射に起因して上昇される誘導放出の成分により、レーザ動作閾値が低減され、その結果、共振器から出力結合される放射パワーが低減される。反射防止コーティングは、結果として上昇された出力結合放射パワーにおいて、閾値の上昇を引き起こす。
【００２９】
反射防止コーティングまたは高反射率コーティングは、たとえば層状に形成され、１つまたは複数の層を含む。この層は場合によっては、異なる材料の層である。
【００３０】
前記層は有利には、場合によっては異なる屈折率および／または厚さに基づいて（たとえば１つまたは複数のλ／４層の形態で）、所望の高反射率特性または反射防止特性に相応して配置される。たとえば、他の層のうち少なくとも１つは、実質的に誘電性の材料を含む。とりわけ、コンタクト層を光学的コーティングの層として形成することができる。
【００３１】
特に有利には、光学的コーティングはコンタクト層に直接接する。
【００３２】
本発明の別の有利な構成では、共振器に選択素子が設けられるか、またはコンタクト層が選択素子として構成される。有利には前記選択素子は、共振器において放射の波長を選択するために、および／または、該放射の偏光を選択するために構成される。共振器内に存在する放射の特定の波長および／または偏光は、前記選択素子の適切な構成により、他の波長ないしは偏光に対して優先される。
【００３３】
さらに場合によっては、半導体レーザ素子から放出された放射の波長ないしは偏光状態が調整される。
【００３４】
とりわけ、共振器に存在する放射の偏光はこのようにして安定化され、該放射の偏光が、選択素子によって設定された偏光、たとえば直線偏光（たとえばｓ偏光またはｐ偏光）からずれるのが困難になる。
【００３５】
本発明の有利な発展形態では、前記選択素子は格子構造を有する。前記格子構造で相応に得られる回折または反射を伴う格子線の配列および間隔等の格子パラメータを介して、前記選択素子の選択特性を調節することができる。
【００３６】
本発明の別の有利な構成では、半導体ボディは担体上に配置される。この担体は半導体ボディを、有利には機械的に安定化する。
【００３７】
前記担体は有利には担体層から形成され、この担体層上に半導体層システムがウェハ接合で配置される。該半導体層システムは有利には、複数の半導体ボディを形成するために構成され、半導体層の相応のシーケンスを有する。
【００３８】
前記半導体層システムから、たとえば光リソグラフィ法とエッチング法とを組み合わせて、複数の半導体ボディを構造化によって形成し、これらを共通の担体層上に配置することができる。前記担体はたとえば、このようにして得られた構造体を個々の半導体チップ（担体上に配置された少なくとも１つの半導体ボディ）に分離して、前記担体層から形成することができる。
【００３９】
前記担体層はとりわけ、半導体層システムの成長基板を有するか、または該成長基板から形成される。該成長基板上に半導体層システムは、有利にはエピタキシャル成長によって形成される。
【００４０】
しかし、担体層を半導体システムの成長基板と異なるものにすることもできる。
【００４１】
たとえばこのような担体は、成長基板と異なる半導体材料または金属を含み、および／または、ヒートシンクとして形成される。
【００４２】
担体が半導体層システムの成長基板と異なる場合、たとえば製造時に、成長基板上に配置される半導体層システムまたは複数の半導体ボディは、該成長基板と異なる担体層上に該成長基板に対向する面で固定される。ここではたとえば、アノードボンディング法、共晶ボンディングまたははんだ付け等のウェハボンディング法が適している。その次に、成長基板を剥離する。たとえば成長基板は、レーザ切除法によって剥離されるか、またはたとえば研磨等の機械的な手法によって剥離されるか、またはエッチング等の化学的な手法によって剥離される。分離時には、半導体ボディの担体は、成長基板と異なる担体層から形成される。
【００４３】
しかし、半導体ボディを分離後にも、成長基板と異なる担体上に配置および／または固定することができる。その後、場合によっては成長基板または成長基板の残りを、半導体ボディから除去する。
【００４４】
成長基板の剥離によって、有利には、担体の選定の自由度が上昇される。前記担体は、成長基板の厳しい要件を満たさなくてもよく、たとえば高い熱伝導度および／または電気伝導度等の有利な特性に関して比較的自由に選定することができる。
【００４５】
本発明の別の有利な構成では、半導体ボディは事前に固定され、コンタクト層は半導体ボディの製造後に該半導体ボディに取り付けられる。半導体ボディおよびコンタクト層はこのようにして、異なる手法によって、および／または連続的に製造される。半導体ボディはたとえばエピタクシーによって製造され、有利にはＴＣＯ含有のコンタクト層がエピタクシーフェーズの終了後に、たとえばスパッタリングによって該半導体ボディ上に取り付けられる。
【００４６】
ここで、半導体ボディの事前製造とは、複数の半導体ボディを形成するために設けられた半導体層システムの事前製造も含むことを述べておく。
【００４７】
本発明のさらに別の有利な構成では、共振器に非線形の光学的エレメントが配置される。この光学的エレメントは、有利には周波数変換用の光学的エレメントである。
【００４８】
たとえば、前記非線形の光学的エレメントは周波数２倍器（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）として構成される。有利には非線形の光学的エレメントは、不可視スペクトル領域にある放射、たとえば赤外線等の放射を可視スペクトル領域にある放射に周波数変換するために構成される。
【００４９】
本発明の別の構成、利点および有効性を、実施例の説明において図面と関連して説明する。
【００５０】
図面
図１  本発明による半導体レーザ素子の第１の実施例を概略的な断面図で示す。
【００５１】
図２  図２Ａは、本発明による半導体レーザ素子の半導体ボディの概略的な平面図であり、図２Ｂのグラフは、図２Ａに相応するポンプ電流密度の横方向のプロフィールを定性的に示している。
【００５２】
図３  本発明による半導体レーザ素子の半導体ボディの概略的な平面図である。
【００５３】
図４  本発明による半導体レーザ素子の第２の実施例を概略的な断面図で示す。
【００５４】
図面において同一の要素、同種類の要素、および同機能の要素には、同一の参照番号が付されている。
【００５５】
図１は、本発明による半導体レーザ素子の第１の実施例を概略的な断面図で示す。
【００５６】
担体１上に半導体層シーケンス２が配置されており、この半導体層シーケンス２は、放射生成のために設けられた活性ゾーン３を有する。該活性ゾーンは有利には、赤外線スペクトル領域にある波長を放出するために構成されており、たとえば多重量子井戸構造として形成される。
【００５７】
活性ゾーン３と担体１との間にブラッグミラー４が配置されている。このブラッグミラー４は外部ミラー５とともに、活性ゾーン３で生成された放射に対する光学的共振器を構成する。ブラッグミラー４はこの実施例では、半導体層シーケンス２とともに、半導体レーザ素子の半導体ボディに統合される。
【００５８】
本発明の有利な構成では、半導体レーザ素子、とりわけ半導体ボディまたは活性ゾーンは、少なくとも１つのIII‐V族半導体材料を含有し、たとえばＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＰ、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＡｓまたはＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮの材料系から成る半導体材料を含有する。ここでは、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１である。また半導体ボディは、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓｘＰ１−ｘのIII‐Ｖ族半導体材料系から成る半導体材料を含有することもできる。ここでは、０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１である。
【００５９】
このような材料の特徴は、容易に高い内部量子効率を実現できることであり、紫外線スペクトル領域（とりわけＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ）から可視スペクトル領域（とりわけＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＰ）にかけて赤外線スペクトル領域（とりわけＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＡｓ、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓｘＰ１−ｘ）までの放射に適している。
【００６０】
有利には、半導体ボディはＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＡｓの材料系をベースとする。赤外線スペクトル領域にある放射、とりわけ８００ｎｍ〜１１００ｎｍの間の波長領域にある放射が、このような材料系で特に効率的に生成される。たとえば、担体はＧａＡｓを含有し、半導体層シーケンスはＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＡｓの材料系をベースとする。ここでは、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１である。
【００６１】
本発明の別の有利な構成では、活性ゾーンで生成される放射の波長は、２００ｎｍ〜２０００ｎｍの間のスペクトル領域にある。コンタクト層は有利には、活性ゾーンで生成された放射の前記のような波長に対して、特に高い透過性を有する。
【００６２】
外部ミラー５は、共振器で誘導放出によって生成されたレーザ放射の出力結合ミラーとして構成され、ブラッグミラー４より低い反射性を有する。前記外部ミラーの配置ないしは共振器長を介して、該共振器から出力結合されるコヒーレントなレーザ放射の放射プロフィールを調整することができる。
【００６３】
ブラッグミラーは複数の半導体層対を有し、これらの半導体層対は、有利には高い屈折率差を有する。たとえば、ＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ‐λ／４層とがそのつど、半導体層対を構成する。ブラッグミラー４に含まれる前記複数の半導体層対は、図１では概略的に示されている。
【００６４】
有利にはブラッグミラーは、２０〜３０個以上の半導体層対のシーケンスを有し、このことによって、ブラッグミラー全体のレーザ放射の反射率が、９９．９％以上になる。有利にはブラッグミラーは、半導体層シーケンスとともに形成され、たとえばエピタクシーによって形成される。
【００６５】
半導体層シーケンス２の担体１と反対側の面に、半導体層シーケンスのコンタクト領域を介して、生成された放射に対して透過性のコンタクト層６が配置されている。このコンタクト層６はたとえば、Ａｌがたとえば濃度２％でドープされたＺｎＯを含むか、またはこのようなＺｎＯから成る。コンタクト層６は、半導体層シーケンスに導電接続されている。
【００６６】
有利にはコンタクト層は、半導体層シーケンス上に直接配置される。半導体層シーケンスとコンタクト層との間の電気的コンタクトは、有利には実質的にオーム抵抗の特性を有する。
【００６７】
半導体レーザ素子は、担体の半導体層シーケンス２と反対側の面に配置された第１の端子７と、該半導体シーケンスの該担体に対向する面に配置された第２の端子８とを介して、電気ポンピングされる。前記第１の端子７および第２の端子８は、たとえばそれぞれ少なくとも１つの金属を含有する。
【００６８】
第２の端子８、たとえば金属性の端子における吸収を回避するため、層状の第２の端子８は半導体層シーケンスの中央領域において切り欠きされ、たとえば環状に、半導体層シーケンスの縁部領域に延在する。第２の端子８はコンタクト層６に導電接続され、たとえばＴｉ、ＡｌまたはＰｔを含むか、またはこれらの材料のうち少なくとも１つを含む合金を含む。
【００６９】
有利には、第２の端子８と半導体層シーケンス２との間に絶縁層９が配置される。この絶縁層９は、有利には少なくとも部分領域において第２の端子の切欠部の横方向の寸法より大きい横方向の寸法を有する切欠部を有し、このようにして、この部分領域で端子とコンタクト層とのオーバーラップ部が得られる。このようにして、絶縁層下方に配置された活性ゾーンの縁部領域の電気ポンピングは、コンタクト層と比較して半導体層シーケンスの横方向の導電度が低く、かつコンタクト層を介して電流注入が行われるので、主に中央領域において有利に回避される。
【００７０】
絶縁層９はたとえば、窒化シリコン、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含有する。有利には絶縁層は、同時にパッシベーション層としても構成され、妨害的な外部の影響からの半導体ボディの保護を有利に改善する。
【００７１】
第２の端子８を介してコンタクト層に供給される電流は、コンタクト層６の有利には高い横方向の伝導度に起因して、主に半導体ボディの中央領域を介して半導体層シーケンスに注入される。全面的な第１の端子７と担体１とブラッグミラー４とを介して大きな面積にわたって均一に活性ゾーンに注入された電荷担体は、第２の端子８およびコンタクト層６を介して活性ゾーン３に注入された電荷担体と再結合して放射する。再結合放射ないしは放射生成は、半導体シーケンスの横伝導度が比較的低いので、主に活性ゾーンの中央領域において行われる。
【００７２】
半導体ボディ内のポンプ電流の電流経路は本発明では、コンタクト層と半導体ボディとのコンタクト面と、絶縁層の構成とによって決定される。有利には、半導体ボディにおいて電流を案内するための比較的面倒である付加的な手段、たとえば半導体ボディないしは半導体層シーケンスの縁部領域において打ち込みまたは酸化物遮蔽部によって所期のように行われる電気的な阻止が省略される。
【００７３】
活性ゾーンで生成された放射は垂直方向に、表面１０側で半導体ボディから放出され、自由放射領域１１を介して延在し、外部ミラー５に当たる。
【００７４】
本発明の有利な構成では、半導体層シーケンスは有利には、活性ゾーンから見てコンタクト層に対向する面に少なくとも１つのｐ導電型の半導体層を有する。特に有利には、半導体層シーケンスのコンタクト層と活性ゾーンとの間の領域がｐ導電型に形成され、および／または、ブラッグミラーと活性ゾーンとの間の領域がｎ導電型に形成される。本発明の有利な発展形態では、担体およびブラッグミラーはｎ導電型に形成される。
【００７５】
担体１は半導体ボディの成長基板の次のような部分片から形成される。すなわち、まずブラッグミラーが成長した後に半導体層シーケンスが成長した部分片から形成される。ブラッグミラーおよび半導体層シーケンスは、有利にはエピタキシャル成長によって形成される。
【００７６】
絶縁層は、有利な発展形態によればまず、事前製造された半導体ボディ上に全面的に取り付けられる。取り付けられた後、絶縁層はコンタクト領域において、半導体層シーケンスから除去される。絶縁層が除去された領域では、コンタクト層材料は半導体ボディに取り付けられる。コンタクト層は絶縁層と同様に、半導体ボディないしは半導体層シーケンスにスパッタリングされる。
【００７７】
コンタクト層は場合によっては、半導体ボディ側に配置された１つまたは複数の層と組み合わされて、または、後でコンタクト層に取り付けられる有利には実質的に誘電性の１つまたは複数の層と組み合わされて、共振器に存在する放射または放射モードに対する高屈折率コーティングまたは反射防止コーティングとして形成される。
【００７８】
場合によっては、周波数変換を行うための非線形の光学的エレメントが共振器内に配置され、有利には自由放射領域１１に配置される。
【００７９】
図２において、図２Ａは本発明の半導体レーザ素子の半導体ボディを上から見た概略的な平面図を示しており、図２Ｂは、コンタクト層におけるポンプ電流密度のプロフィールを、半導体ボディの横方向の位置に依存して定性的に示している。
【００８０】
図２Ａは、本発明による半導体レーザ素子の半導体ボディの概略的な平面図である。例として、図１に示された自由放射領域１１から見たコンタクト層の平面図が示されている。図１は例として基本的に、図２Ａの線Ａ‐Ａに沿って切断された断面を示している。図１に示された第２の端子の図示は省略した。
【００８１】
図２Ａに、半導体ボディ上に配置された絶縁層９が示されている。絶縁層９は、中央領域１２０および接続フィンガ１２１を含むコンタクト領域１２で切り欠きされている。該接続フィンガ１２１は有利には、中央領域から出発して実質的に半径方向に外側に向かって延在し、コンタクト領域１２の比較的小さい面積を占める。
【００８２】
コンタクト層６は絶縁層９の切欠部に、コンタクト領域１２全体にわたって取り付けられる。したがって切欠部の形成が、コンタクト層と半導体ボディとの間のコンタクト面の形状を決定する。接続フィンガ１２１の領域でコンタクト層６に導電接続され中央領域１２０にわたって切り欠きされた、たとえば環状の端子を介して、コンタクト層６によって電流が活性ゾーンに注入される。
【００８３】
図２Ｂは、半導体ボディにわたってコンタクト層側で生じるポンプ電流密度ｊと、横方向の位置ｒとの依存関係を定性的に示している。この曲線のセグメント９００は、半導体ボディが絶縁層９によって被覆された図２Ａの縁部領域に相応し、セグメント１２１０は接続フィンガ１２１に相応し、セグメント１２００は中央領域１２０に相応する。
【００８４】
中央領域１２０では、ポンプ電流密度は比較的高く、実質的に均一である。ポンプ電流密度は、セグメント１２００における中央領域１２０の中間領域にある最大値から出発して、接続フィンガの方向に僅かにのみ低減し、絶縁層９が配置された縁部領域のセグメント９００では、比較的低い。接続フィンガのセグメント１２１０では、ポンプ電流密度は外側に向かって、比較的大きく低減される。
【００８５】
このように、放射透過性のコンタクト層にわたり、横方向の中心領域１２０にわたって比較的均一なポンプ電流密度分布が実現される。中央領域の横方向の寸法はたとえば１０〜１００００μｍであり、有利には１００μｍ以上である。
【００８６】
有利には、コンタクト層側の半導体ボディにわたって生じる横方向のポンプ電流密度分布は、ガウス分布またはハイパーガウス分布に相応して実現される。
【００８７】
図２Ｂに定性的に示されたポンププロフィールの形状は、コンタクト層材料の横方向の伝導度が高いので、幅広い厚さ領域にわたってコンタクト層の厚さに依存しない。したがって、コンタクト層は本発明の枠内では、比較的小さい厚さで形成され、たとえば１０μｍ以下の厚さで形成される。
【００８８】
図３に、本発明による半導体レーザ素子の別の半導体ボディの平面図が概略的に示されている。
【００８９】
例として、図１に示された自由放射領域１１から見たコンタクト層の平面図が示されている。図１は例として基本的に、図３の線Ｂ‐Ｂに沿って切断された断面を示している。図１に示された第２の端子の図示は省略した。
【００９０】
ここでは選択素子１３が、格子線１３０によって構成された格子の形態で設けられている。たとえば線格子の形態の格子構造が、たとえばエッチングによって、絶縁層９および／またはコンタクト層６に形成される。有利にはこの格子構造は、少なくともコンタクト領域１２の中間領域において、コンタクト層６に半導体ボディにわたって設けられる。
【００９１】
このような格子構造を使用して、とりわけ格子線の間隔を使用して、共振器で増幅される放射の波長、ひいては素子から放出されるレーザ放射の波長が調整される。このようにして、格子に生じるレーザ放射モードの回折または反射により、このレーザ放射モードの損失が上昇され、該レーザ放射モードのレーザ動作閾値に到達するのが不可能になるかまたは困難になる。格子線の間隔を使用して、格子の回折特性または反射特性を調節することができる。
【００９２】
選択素子はさらに、偏光安定化を行うために構成される。このように構成するためには、格子構造を介して、１つのレーザ放射モードの偏光状態と異なって偏光されるモードより優先されるように構成する。
【００９３】
このようにして選択素子１３は、偏光フィルタおよび／または波長フィルタとして作用する。
【００９４】
コンタクト領域１２およびコンタクト層６は、ここでは実質的に円形に形成されており、コンタクト層は第２の端子と適切にオーバーラップされることにより、たとえば図１に概略的に示されたようにコンタクトされる。
【００９５】
図４は、本発明による半導体レーザ素子の第２の実施例を概略的な断面図で示している。
【００９６】
図４に示された半導体レーザ素子は基本的に、図１に示されたものに相応する。図１に示された本発明の半導体レーザ素子の実施例と異なり、ブラッグミラー４と該ブラッグミラー４側で活性ゾーン３を有する半導体層シーケンス２とを備えた半導体ボディは、接合層１４を介して担体１上に配置され、有利には安定的に固定される。担体１は、この実施例では有利には、半導体ボディの成長基板と異なっており、たとえばヒートシンクを有する。このヒートシンクはたとえば、ＣｕＷ、ＣｕＤｉａ、Ｃｕ、ＳｉＣまたはＢＮを含有する。
【００９７】
有利にはこのヒートシンクによって、活性ゾーンからの排熱が容易になるので、とりわけ、しばしば高い熱損失も伴う高パフォーマンスの場合に、素子の効率が熱に起因して低減される危険性が小さくなる。
【００９８】
このような素子を製造するためには、たとえばまず、半導体ボディを事前に製造する。その際には、ブラッグミラーは半導体層シーケンスの後に、成長基板上に形成される。その次にブラッグミラー側において、半導体ボディは共晶ボンディングによって担体上に固定され、その後に成長基板が、たとえば化学的ウェットエッチングまたはレーザ切除法によって剥離される。接合層１４はたとえば、共晶ボンディングによって形成された層である。以上のことに相応して、図４に示された半導体ボディを、図１に示された半導体ボディと逆の順序で形成することができる。
【００９９】
本願は、２００４年５月２８日付のドイツ連邦共和国特許出願ＤＥ１０２００４０２６１６３．６およびＤＥ１０２００４０４００７７．６の優先権を主張するものである。これらの特許出願の明細書の開示内容はすべて、引用によって明示的に本願の開示内容に含まれるものとする。
【０１００】
本発明は、実施例に基づく上記の詳細な説明によって限定されるものではない。むしろ本発明は、すべての新規の特徴ならびにそれらの特徴のあらゆる組み合わせを含むものであり、これには殊に特許請求の範囲に記載した特徴のすべての組み合わせが含まれ、このことはそのような組み合わせ自体が特許請求の範囲あるいは実施例に明示的には記載されていないにしてもあてはまる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明による半導体レーザ素子の第１の実施例を概略的な断面図で示す。
【図２Ａ】本発明による半導体レーザ素子の半導体ボディの概略的な平面図である。
【図２Ｂ】図２Ａに相応するポンプ電流密度の横方向のプロフィールを定性的に示すグラフである。
【図３】本発明による半導体レーザ素子の半導体ボディの概略的な平面図である。
【図４】本発明による半導体レーザ素子の第２の実施例を概略的な断面図で示す。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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