(57)【要約】【課題】損失熱をレーザー活性領域から輸送して効率的に放出できる半導体レーザーを提供する。【解決手段】レーザー活性の半導体層列が設けられており、該半導体層列の第１の主表面に複数のカーボンナノチューブを含む熱伝導層が配置されている。【選択図】図４
2008091916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー活性の半導体層列（１）が設けられており、該半導体層列（１）の第１の主表面（１００３）に複数のカーボンナノチューブ（３０）を含む熱伝導層（３）が配置されている
ことを特徴とする半導体レーザー。
【請求項２】
少なくとも幾つかのカーボンナノチューブ（３０）の少なくとも一方側は閉鎖されている、請求項１記載の半導体レーザー。
【請求項３】
少なくとも幾つかのカーボンナノチューブ（３０）は充填材料によって部分的にまたは完全に充填されている、請求項１または２記載の半導体レーザー。
【請求項４】
充填材料は銀、鉛および希ガスのグループから選択される、請求項３記載の半導体レーザー。
【請求項５】
少なくとも幾つかのカーボンナノチューブ（３０）は１つの内壁を有する、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ー。
【請求項６】
少なくとも幾つかのカーボンナノチューブ（３０）は複数の内壁を有する、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ー。
【請求項７】
第１のカーボンナノチューブ群は相互に平行に配向されている、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ー。
【請求項８】
第１のカーボンナノチューブ群は熱伝導層（３）の延在する主平面に対して平行に延在している、請求項７記載の半導体レーザー。
【請求項９】
第１のカーボンナノチューブ群は熱伝導層（３）の延在する主平面に対して所定の角度で、有利には垂直に、延在している、請求項７記載の半導体レーザー。
【請求項１０】
第２のカーボンナノチューブ群は、相互に平行に、また、第１のカーボンナノチューブ群の延在方向に対して所定の角度で配向されている、請求項７から９までのいずれか１項記載の半導体レーザー。
【請求項１１】
第２のカーボンナノチューブ群はレーザー活性の半導体層列（１）の延在する主平面に対して平行に延在している、請求項１０記載の半導体レーザー。
【請求項１２】
第２のカーボンナノチューブ群はレーザー活性の半導体層列（１）の延在する主平面に対して所定の角度で、有利には垂直に、延在している、請求項１０記載の半導体レーザー。
【請求項１３】
熱伝導層（３）は第１のカーボンナノチューブ群を含む第１の層（３１）と第２のカーボンナノチューブ群を含む第２の層（３２）とを有しており、ここで第１の層と第２の層とは有利には相互に接している、請求項１０から１２までのいずれか１項記載の半導体レーザー。
【請求項１４】
第１の層（３１）は第２のカーボンナノチューブ群を含まず、および／または、第２の層（３２）は第１のカーボンナノチューブ群を含まない、請求項１３記載の半導体レーザー。
【請求項１５】
熱伝導層（３）はカーボンナノチューブの長さまたは該長さの整数倍に相応する層厚さを有する、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ー。
【請求項１６】
熱伝導層（３）はパターニングされている、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ー。
【請求項１７】
熱伝導層（３）は導電性である、請求項１から１６までのいずれか１項記載の半導体レーザー。
【請求項１８】
レーザー活性の半導体層列（１）と熱伝導層（３）とのあいだに金属層（２）が配置されている、請求項１から１７までのいずれか１項記載の半導体レーザー。
【請求項１９】
熱伝導層（３）は金属層（２）に接する、請求項１８記載の半導体レーザー。
【請求項２０】
複数のカーボンナノチューブ（３０）を含む複数の熱伝導層（３，７）を有する
ことを特徴とする半導体レーザー。
【請求項２１】
複数の金属層（２，４，８）と複数のカーボンナノチューブを含む複数の熱伝導層（３，７）とが交互に配列されている、請求項２０記載の半導体レーザー。
【請求項２２】
ヒートシンク（６）を有する、請求項２０または２１記載の半導体レーザー。
【請求項２３】
１つまたは複数の熱伝導層（３，７）がレーザー活性の半導体層列（１）とヒートシンク（６）とのあいだに配置されている、請求項２２記載の半導体レーザー。
【請求項２４】
レーザー活性の半導体層列（１）が固定層（５）を介してヒートシンク（６）に機械的に安定に接合されている、請求項２２または２３記載の半導体レーザー。
【請求項２５】
固定層（５）ははんだまたは接着剤を含む、請求項２４記載の半導体レーザー。
【請求項２６】
少なくとも１つのブラッグリフレクタを有する、請求項２０から２６までのいずれか１項記載の半導体レーザー。
【請求項２７】
レーザー活性の半導体層列（１）を準備するステップ、および、
該レーザー活性の半導体層列（１）上に複数のカーボンナノチューブ（３０）を含む熱伝導層（３）を形成するステップ
を有する
ことを特徴とする半導体レーザーの製造方法。
【請求項２８】
熱伝導層の形成を化学的気相蒸着法（CVD:chemical vapor deposition）により行う、請求項２７記載の半導体レーザーの製造方法。
【請求項２９】
熱伝導層の形成を３５０℃以下の温度のもとで行う、請求項２７または２８記載の半導体レーザーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、独国出願第１０２００６０４６２９５．５号および同第１０２００７００１７４３．１号に関連し、それらの優先権を主張する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は半導体レーザーおよび半導体レーザーの製造方法に関する。
【０００３】
半導体レーザーの発光特性はレーザー活性領域の温度にきわめて強く依存している。レーザー活性領域の温度がそこで生じた熱によって高まると、半導体レーザーの発光特性が不充分となってしまう。
【特許文献１】国際公開第０１／３９２８２号明細書
【特許文献２】米国特許第５８３１２７７号明細書
【特許文献３】米国出願第６１７２３８２号明細書
【特許文献４】米国特許第５６８４３０９号明細書
【特許文献５】国際公開第０２／４９１６８号明細書
【特許文献６】国際公開第０２／６７３９３号明細書
【非特許文献１】Mi Chen et al., "Preparation of high-yield multi-walled carbon nanotubes by microwave plasma chemical vapor deposition at low temperature", Journal of Materials Science, Vol.37, 2002, p.3571-3667
【非特許文献２】Ming-Wei Li et al., "Low temperature synthesis of carbon nanotubes using corona discharge plasma reaction at atmospheric pressure", Journal of Materials Science, Vol.22, 2003, p.1223-1224
【非特許文献３】Wenzhong Wang et al., "Low temperature solvothermal synthesis of multiwall carbon nanotubes", Nanotechnology, Vol.16, 2005, p.21-23
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって本発明の課題は、損失熱をレーザー活性領域から輸送して効率的に放出できる半導体レーザーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題は、レーザー活性の半導体層列が設けられており、該半導体層列の第１の主表面に複数のカーボンナノチューブを含む熱伝導層が配置されている半導体レーザーにより解決される。課題はまた、複数のカーボンナノチューブを含む複数の熱伝導層を有する半導体レーザーにより解決される。さらに課題は、レーザー活性の半導体層列を準備し、該レーザー活性の半導体層列上に複数のカーボンナノチューブを含む熱伝導層を形成する、半導体レーザーの製造方法により解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の半導体レーザーおよび半導体レーザーの製造方法の有利な実施形態は従属請求項に記載されており、以下に詳細に説明する。
【０００７】
本発明の半導体レーザーはレーザー活性の半導体層列と、この半導体層列上に配置された複数のカーボンナノチューブを含む熱伝導層とを有する。有利には、熱伝導層は半導体層列の第１の主表面に配置される。有利には、熱伝導層は、半導体層列の第１の主表面を上から見たとき、この半導体層列を部分的にまたは完全に覆っている。有利には、半導体層列の延在する主平面と熱伝導層の延在する主平面とは相互に平行であり、半導体層列の第１の主表面と熱伝導層の主表面とは上下方向または横方向で接している。
【０００８】
「半導体層列上に配置されている」「半導体層列の第１の主表面上に配置されている」という表現は、熱伝導層が半導体層列に直接に接する実施形態のみならず、これらの層のあいだに少なくとも１つの別の層が配置される実施形態をも含む。
【０００９】
レーザー活性の半導体層列は、レーザー光を形成するための活性領域、特に活性層を有する。
【００１０】
有利には、活性領域はレーザー活性のｐｎ接合領域である。レーザー活性のｐｎ接合領域は、例えば、光形成のためのダブルヘテロ構造、単一量子井戸構造ＳＱＷまたは多重量子井戸構造ＭＱＷを有する。量子井戸構造という語は量子化の次元に関する限定を含まない。したがって量子井戸構造には、量子ウェル、量子ワイヤ、量子ドットおよびこれらの構造の組み合わせが含まれる。多重量子井戸構造は、例えば、国際公開第０１／３９２８２号明細書、米国特許第５８３１２７７号明細書、米国出願第６１７２３８２号明細書および米国特許第５６８４３０９号明細書に説明されており、これらの刊行物を本願の参考文献とする。
【００１１】
半導体レーザーの駆動により形成されたレーザー光は、エッジ発光型レーザーではレーザー活性の半導体層列の縁を通って出力されるか、または、表面発光型レーザーでは半導体層列の主表面を通って出力される。レーザー活性の半導体層列の活性領域に対して、半導体レーザーの駆動により、電気的ポンピングすなわち当該の領域内への電流の印加が行われるか、および／または、光ポンピングすなわち当該の領域の電磁放射による照射が行われる。ここで、電流および／または電磁放射は活性領域において占有状態の反転を適切に形成できるように選定される。
【００１２】
有利な実施形態では、レーザー活性の半導体層列は活性領域の光ポンピングに適したポンピング光源を含む。
【００１３】
レーザー活性の半導体層列およびその製造方法は、例えば、国際公開第０２／４９１６８号明細書および国際公開第０２／０６７３９３号明細書に記載されている。これらの刊行物を本願の参考文献とする。
【００１４】
熱伝導層に含まれるカーボンナノチューブとは、炭素を含むかまたは炭素から成るチューブ状の微小構造体である。グラファイトでは、カーボンナノチューブの炭素原子は一般に３つの隣接する炭素原子と結合している。これらの炭素原子は通常六角形のそれぞれの頂点に位置し、これを基本単位としたハニカム状構造を形成する。グラファイトでは１つの平面においてハニカム状構造が延在していくが、カーボンナノチューブでは一般に円形または楕円形の断面を有するチューブへと屈曲していく。
【００１５】
有利な実施形態では、少なくとも幾つかのカーボンナノチューブの少なくとも一方側が閉鎖されている。特に有利には、大部分のカーボンナノチューブまたは全てのカーボンナノチューブの少なくとも一方側が閉鎖されている。これに代えてまたはこれに加えて、カーボンナノチューブが、炭素原子を有しかつカーボンナノチューブの底面に対してほぼ平行に延在する分離層を介して、複数のセグメントへ分割されていてもよい。例えば当該の分離層は炭素の単原子層である。
【００１６】
熱伝導層のカーボンナノチューブは、１つまたは複数の内壁、および／または、底面を上から見たとき螺旋状となる内壁を有する。
【００１７】
有利には、熱伝導層はもっぱら炭素から成る。熱伝導層は有利には炭素から成るが、例えば製造方法に起因して炭素がナノチューブの形状をとらず、グラファイト、フラーレンおよび／または無定形として熱伝導層内に存在することもある。しかし、熱伝導層のできるだけ多くの部分がカーボンナノチューブを有すると有利である。例えば、熱伝導層の主表面を上から見たときカーボンナノチューブによって覆われる面積は３０％以上、有利には５０％以上である。
【００１８】
内壁の厚さは例えば１ｎｍ〜１５ｎｍ、有利には５ｎｍ〜１０ｎｍである。カーボンナノチューブの底面すなわちカーボンナノチューブの断面の外径は５ｎｍ〜５０ｎｍ、有利には１５ｎｍ〜２５ｎｍである。カーボンナノチューブの長さは例えば１μｍ〜５００μｍである。有利には、カーボンナノチューブの多くが１μｍ〜２０μｍの長さ、有利には３μｍ〜１０μｍの長さを有する。有利には、熱伝導層の厚さはカーボンナノチューブのおよその長さまたは複数のカーボンナノチューブの平均長に相応する。特に有利には、熱伝導層の厚さはカーボンナノチューブのおよその長さの整数倍または複数のカーボンナノチューブの平均長の整数倍に相応する。
【００１９】
カーボンナノチューブを含む熱伝導層は特に高い熱伝導性を有するので有利である。これによりレーザー活性の半導体層列、特にその活性領域で生じた損失熱が効率的に放出される。本発明の熱伝導層は、従来の金またはダイヤモンドを含む熱伝導層に比べて、格段に高い熱伝導性を有する。例えば、カーボンナノチューブを含む熱伝導層の熱伝導性は３０００Ｗ／ｍＫ以上であり、有利には４０００Ｗ／ｍＫ以上である。有利な実施形態によれば、カーボンナノチューブを含む熱伝導層の熱伝導性は４０００Ｗ／ｍＫ〜６０００Ｗ／ｍＫである。これに対して、従来の金またはダイヤモンドを含む熱伝導層の熱伝導性は３１２Ｗ／ｍＫ〜２０００Ｗ／ｍＫであり、本発明の熱伝導層がきわめて有利であることがわかる。
【００２０】
また、カーボンナノチューブを含む熱伝導層は半導体レーザーの損失熱を放出する放出面積が大きく、きわめて効率が良い。半導体レーザーの損失熱は一般に空間的に狭い領域で発生する。この領域は、レーザー光が形成される領域および／または半導体層列のうち電気的および／または光学的にポンピングされる領域にほぼ相応する。レーザー活性の半導体層列の主表面を上から見ると、レーザー光および損失熱はレーザー活性の半導体層列の１つまたは複数の位置でのみ、例えば条片状に生じる。熱伝導層は損失熱をできるだけ大きな面積、有利には熱伝導層の面積全体へ分散させる。こうして、面積に反比例する熱抵抗が低減されるという利点が得られる。これにより損失熱は半導体レーザーから周囲へ特に効率的に放出される。したがって本発明の半導体レーザーは高い効率を有し、良好なビーム品質を備えたレーザービームを発光する。
【００２１】
有利な実施形態では、少なくとも幾つかのカーボンナノチューブ、有利には大部分のカーボンナノチューブまたは全てのカーボンナノチューブが充填材料によって部分的にまたは完全に充填されている。充填材料として例えば銀、鉛、および、ヘリウム、ネオンおよび／またはアルゴンなどの希ガスが用いられる。カーボンナノチューブの熱伝導層は充填材料によってさらに高められる。
【００２２】
有利な実施形態では、熱伝導層は相互に平行に配向された第１のカーボンナノチューブ群を有する。例えば、第１のカーボンナノチューブ群のカーボンナノチューブは熱伝導層の延在する主平面に対してほぼ平行に延在する。これに代えて、第１のカーボンナノチューブ群のカーボンナノチューブが熱伝導層の延在する主平面に対して所定の角度で延在するように構成してもよい。例えば、第１のカーボンナノチューブ群のカーボンナノチューブが熱伝導層の延在する主平面に対してほぼ垂直に延在するように構成することができる。
【００２３】
有利には、定義されたとおりに相互に配向されたカーボンナノチューブを含む熱伝導層により、特に高い熱伝導性が達成される。
【００２４】
別の有利な実施形態では、熱伝導層は、相互に平行に、また、第１のカーボンナノチューブ群の延在方向に対して所定の角度で（有利には垂直に）配向された第２のカーボンナノチューブ群を有する。第１のカーボンナノチューブ群と同様に、第２のカーボンナノチューブ群も、レーザー活性の半導体層列の延在する主平面に対してほぼ平行に、または、所定の角度で（特にほぼ垂直に）延在する。
【００２５】
これに代えて、カーボンナノチューブの配向をランダムに定めてもよい。しかし有利には、カーボンナノチューブの一部、大部分または全てが定義された配向状態を有する。特に有利には、第１のカーボンナノチューブ群または第２のカーボンナノチューブ群に対して、大部分または全てのカーボンナノチューブ群が定義された配向状態を有する。このようにすれば、熱伝導層において良好な熱伝導を生じさせる方向を定義することができ、有利である。
【００２６】
例えば、熱伝導層は第１のカーボンナノチューブ群を含む第１の層と第２のカーボンナノチューブ群を含む第２の層とを有する。第１の層および第２の層は相互に接していてもよいし、また相互に離れていてもよい。有利には、第１の層は第２のカーボンナノチューブ群を含まず、第２の層は第１のカーボンナノチューブ群を含まない。換言すれば、第１の層は第１の方向へ延在する複数のカーボンナノチューブを含み、第２の層は第１の方向とは異なる第２の方向へ延在する複数のカーボンナノチューブを含む。
【００２７】
別の実施形態によれば、レーザー活性の半導体層列の主表面は熱伝導層によって完全にまたは部分的に覆われる。有利な実施形態によれば、熱伝導層はレーザー活性の半導体層列の主表面を部分的に覆っている。換言すれば、この実施形態では、熱伝導層がパターニングされている。熱伝導層のパターニングは、例えば、熱伝導層を製造する際に、シェーディングマスクを通して熱伝導層を堆積することによって行われる。これに代えて、１つの面として形成された熱伝導層を後からパターニングしてもよい。後からのパターニングにはフォトリソグラフィプロセスなどが含まれる。
【００２８】
有利な実施形態では、熱伝導層は導電性を有する。特に、熱伝導層に含まれるカーボンナノチューブは少なくともその大部分が導電性を有する。したがって本発明の熱伝導層は良好な熱伝導性および良好な導電性を有する。
【００２９】
有利な実施形態によれば、レーザー活性の半導体層列と熱伝導層とのあいだに金属層が配置される。
【００３０】
当該の金属層は少なくとも１つの金属を含むか、または金属から成る。例えば当該の金属層はＡｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｗおよび／またはＦｅを有する。有利な実施形態によれば、当該の金属層は多層構造を有する。つまり、例えば、Ａｇを含む１つの金属層がＴｉＷＮおよび／またはＴｉ／Ｐｔを含む拡散バリアとＦｅを含む別の金属層とを有する。
【００３１】
有利には、当該の金属層により、レーザー活性の半導体層列への均一な電流印加が達成される。また、カーボンナノチューブを含む熱伝導層は、例えば化学的気相蒸着法によって、金属層上に特に簡単に形成することができる。有利には、金属層により、熱伝導層と半導体層列との良好な熱結合が達成される。
【００３２】
拡散バリアは例えばはんだ金属が金属層を通ってレーザー活性の半導体層列へ侵入することを低減または阻止する。
【００３３】
有利には、熱伝導層は金属層に接する。これに代えてまたはこれに加えて、特に有利には、金属層はレーザー活性の半導体層列に接する。金属層の厚さは有利には１０μｍ以下である。別の実施形態では、金属層の厚さは５０ｎｍ以下、例えば約１０ｎｍ以下である。
【００３４】
別の実施形態によれば、熱伝導層はレーザー活性の半導体層列に直接に接する。
【００３５】
有利には、熱伝導層はレーザー活性の半導体層列上に直接に被着されるかまたはレーザー活性の半導体層列から僅かな距離に配置される。半導体レーザーの駆動により生じた損失熱はレーザー活性の半導体層列において大面積に分散され、効率的にそこから放出される。こうして活性領域の温度は低く保持される。
【００３６】
有利な実施形態によれば、熱伝導層のうちレーザー活性の半導体層列から遠いほうの側に第２の金属層が配置される。この第２の金属層は例えば駆動時にレーザー活性の半導体層列に電流を供給する電気的接続層である。これにより半導体レーザーの電気ポンピングが行われる。
【００３７】
別の実施形態によれば、本発明の半導体レーザーはカーボンナノチューブを含む複数の熱伝導層を有する。例えば金属層および熱伝導層は交互に配置され層列として形成される。有利には、損失熱が大面積へ分散されて効率的にレーザー活性の半導体層列から放出され、さらに、レーザー活性の半導体層列への均一な電流印加が達成される。
【００３８】
有利な実施形態によれば、半導体レーザーは１つまたは複数の熱伝導層のうちレーザー活性の半導体層列から遠いほうの側にヒートシンクを有する。有利には、１つまたは複数の熱伝導層が半導体層列とヒートシンクとのあいだに配置される。
【００３９】
この実施形態では、レーザー活性の半導体層列で生じた損失熱の一部または大部分が熱伝導層、場合により１つまたは複数の金属層からヒートシンクへ輸送され、そこから周囲へ放出される。
【００４０】
有利には、ヒートシンクは例えばはんだなどの固定層を介してレーザー活性の半導体層列に機械的に安定に接合される。はんだはＡｕ，ＡｕＳｎ，Ｐｄ，Ｉｎおよび／またはＰｔなどの少なくとも１つのはんだ金属または接着剤を含むかまたはこれらのはんだ金属または接着剤から成る。
【００４１】
有利な実施形態によれば、半導体レーザーは少なくとも１つのブラッグリフレクタ（分散ブラッグリフレクタＤＢＲ）を有しており、このブラッグリフレクタは交互に高屈折率層および低屈折率層が並ぶように誘電体層、半導体層および／または金属層を配列した層列を含む。ブラッグリフレクタは有利にはレーザー活性の半導体層列にモノリシックに集積される。例えばブラッグリフレクタは半導体レーザーのレゾネータの一部である。
【００４２】
本発明の半導体レーザーの製造方法は、レーザー活性の半導体層列を準備するステップ、および、このレーザー活性の半導体層列上に複数のカーボンナノチューブを含む熱伝導層を形成するステップを有する。
【００４３】
熱伝導層の製造は、有利には熱伝導層がほぼ炭素のみを含むように行われる。
【００４４】
本発明の製造方法では、熱伝導層の形成に有利には化学的気相蒸着法ＣＶＤが用いられ、これにより熱伝導層がレーザー活性の半導体層列上に被着される。有利な実施形態では、熱伝導層はプラズマＣＶＤ法により形成される。有利には気相蒸着プロセスは３５０℃以下で行われる。このようにすれば熱伝導層を形成する際にレーザー活性の半導体層列の損傷および／またはデグラデーションを阻止することができる。
【００４５】
これに代えて、カーボンナノチューブはまず個別に形成され、その後で溶媒に浸漬することにより、熱伝導層としてレーザー活性の半導体層列上に被着される。
【００４６】
カーボンナノチューブの適切な製造方法については、Mi Chen et al., "Preparation of high-yield multi-walled carbon nanotubes by microwave plasma chemical vapor deposition at low temperature", Journal of Materials Science, Vol.37, 2002の3561頁〜3567頁、 Ming-Wei Li et al., "Low-temperature synthesis of carbon nanotubes using corona discharge plasma reaction at atmospheric pressure", Journal of Materials Science Letters, Vol.22, 2003の1223頁〜1224頁、および、Wenzhong Wang et al., "Low temperature solvothermal synthesis of multiwall carbon nanotubes", Nanotechnology, Vol.16, 2005の21頁〜23頁に記載されている。これらの刊行物を本願の参考文献とする。
【００４７】
別の実施形態では、熱伝導層はレーザー活性の半導体層列上に直接に形成される。特に有利には熱伝導層は半導体層列の直接上方に堆積される。これに代えて、別の層例えば金属層を堆積技術または他の技術により形成し、レーザー活性の半導体層列上に配置してもよい。当該の別の層は例えば熱伝導層の形成に先行する付加的なプロセスステップにおいてレーザー活性の半導体層列上に形成される。
【００４８】
熱伝導層をレーザー活性の半導体層列上に固定する際にも、ダイヤモンドから成る熱伝導層などとは異なり、接着剤またははんだ剤は必要ない。特にカーボンナノチューブと接着剤などの母型材料との混合は行われない。一般に接着位置またははんだ付け位置は高い熱抵抗を有するので、熱伝導層のカーボンナノチューブとレーザー活性の半導体層列とを接合することにより、熱的および／または電気的に良好な結合が達成される。さらに、接着プロセスまたははんだ付けプロセスを省略できるので、半導体レーザーの製造が簡単化される。
【実施例】
【００４９】
本発明のさらなる特徴および利点を図１〜図６に示した実施例に則して以下に説明する。
【００５０】
実施例および図においては同じ要素または同様の機能を有する要素にはそれぞれ同じ参照符号を付してある。図示の要素の寸法比は縮尺通りでないことに注意されたい。むしろ、個々の要素、例えば層などは、理解しやすくするために、厚めまたは大きめに描かれている。
【００５１】
図１に示されている第１の実施例の半導体レーザーは活性層１１０を含むレーザー活性の半導体層列１を有する。
【００５２】
半導体層列１のための材料系として、特に、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｌＡｓ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＰまたはこれらの少なくとも２つの組み合わせをベースとした材料が適している。
【００５３】
本発明における「ＩｎＧａＡｓベースの半導体材料」とは、半導体層列１または少なくともその一部の活性層１１０にＩｎＧａＡｓ半導体材料、有利にはＩｎｎＧａｍＡｓ［０≦ｎ≦１，０≦ｍ≦１，ｎ＋ｍ≦１］が含まれることを意味している。その際、この材料は必ずしも上述の式に従った数学的に正確な組成を有していなくてもよい。例えば材料が１つまたは複数のドープ物質および付加的な成分を有することもできる。わかりやすくするために、上述の式では、この材料が、部分的に微量の他の材料によって置換される可能性があるにしても、結晶格子の主要な構成要素Ａｌ，Ｇａ，Asのみを含むものとして記されている。上述した残りの半導体材料についても相応のことが当てはまる。
【００５４】
有利には、レーザー活性の半導体層列１はＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ半導体材料系をベースとしている。活性層１１０は非ドープのＩｎＧａＡｓから成る複数の量子井戸を有する多重量子井戸構造として構成されている。活性層１１０はｎ型クラッド層１３０とｐ型クラッド層１４０とのあいだに配置されている。例えばｎ型クラッド層１３０とｐ型クラッド層１４０とにより電荷担体の閉じ込め（confinement）が行われる。これに代えてまたはこれに加えて、ｎ型クラッド層１３０またはその一部およびｐ型クラッド層１４０またはその一部は、有利には、半導体レーザーの駆動によって活性層１１０で形成されたレーザー光の案内に適した導波体である。
【００５５】
第１の実施例の半導体レーザーは、その縁１００１，１００２がレゾネータとして形成されたエッジ発光型レーザーである。駆動によって形成されたレーザー光は少なくとも１つの縁１００１，１００２を通って出力される。
【００５６】
レーザー活性の半導体層列１の第１の主表面１００３には第１の金属層２が配置されている。第１の金属層２は例えば電荷担体の注入に用いられる。当該の第１の金属層は高い横方向電気伝導度を有しており、これによりレーザー活性の半導体層列１への均一な電流印加が達成される。
【００５７】
第１の金属層２上には複数のカーボンナノチューブ３０を含む熱伝導層３が堆積される。熱伝導層の堆積はマイクロウェーブプラズマ支援式ＣＶＤプロセスにより３３０℃以下の温度、有利には３００℃以下の温度で行われる。このプロセスはMi Chen et al., "Preparation of high-yield multiwalled carbon nanotubes by microwave plasma chemical vapor deposition at low temperature", Journal of Materials Science, Vol.37, 2002の3561頁〜3567頁に記載されている。この刊行物も本願の参考文献とする。
【００５８】
熱伝導層３上には、金属を含むかまたは金属から成る第２の金属層４が被着される。第２の金属層４は熱伝導層３を機械的損傷から保護する。また第２の金属層４により、レーザー活性の半導体層列１とヒートシンク６とが簡単かつ安定に固定される。ここでは接着層として、ＡｕＳｎなどのはんだ金属を有するかまたははんだ金属から成る固定層５が用いられる。固定層５からレーザー活性の半導体層列１へのはんだ金属の拡散を阻止または低減するために、第２の金属層４はＴｉＷＮから成る拡散バリア層を有する。さらに第２の金属層４は電気端子層としても機能する。
【００５９】
ヒートシンク６は例えば金属プレートである。流体冷却部、例えば水冷部を備えたヒートシンク６により効率的な冷却が達成される。例えばヒートシンク６は駆動時に流体（特に水）の流れる細いチューブを含む金属プレートである。この場合、ヒートシンク６はマイクロチャネルクーラとなる。
【００６０】
図４には熱伝導層３の概略断面図が示されている。熱伝導層３に含まれる複数のカーボンナノチューブ３０は熱伝導層３の延在する主平面に対して垂直またはほぼ垂直に配置されている。換言すれば、カーボンナノチューブは第１の金属層２から第２の金属層４へ向かう方向に延在しており、第１の金属層２および第２の金属層４の主平面に対してほぼ垂直に配向されている。
【００６１】
図１に示されている第１の実施例によれば、半導体レーザーは電気ポンピングされる。このために、レーザー活性の半導体層列１にはヒートシンク６およびコンタクト層１２を介して駆動時に電流が印加される。コンタクト層１２はヒートシンク６と反対側のレーザー活性の半導体層列１の第２の主表面１００４に条片の形態で被着されている。
【００６２】
ヒートシンク６および熱伝導層３とは反対側の半導体層列１の第２の主表面１００４を見ると、損失熱は当該の第２の主表面１００４におけるコンタクト面１２によって覆われた領域で発生している。
【００６３】
このことは図１のＢに示されている。図１のＢは図１のＡのＡ−Ａ軸線を中心として９０°回転された第１の実施例の半導体レーザーの断面図である。図１のＢには熱流１３が簡単に示されている。
【００６４】
損失熱は、主として、半導体層列１のうち上から見て第２の主表面１００４のコンタクト層１２に覆われた領域で発生する。熱伝導層３において熱流はカーボンナノチューブ３０の高い熱伝導性によって強く拡散される。換言すれば、第２の主表面１００４を上から見たとき条片状の小さな領域で発生した損失熱が熱伝導層３において大きな面積へ分散されるのである。こうして損失熱は第２の金属層４およびヒートシンク６を介して周囲へ放出され、活性層１１０は半導体レーザーの駆動時にも低温に保たれる。
【００６５】
この実施例のバリエーションでは、熱伝導層３はレーザー活性の半導体層列１に隣接する第１の層３１とこの第１の層３１に続く第２の層３２とを有する。このことは図５に示されている。
【００６６】
第１の層３１に含まれるカーボンナノチューブまたは少なくともその大部分は熱伝導層３の延在する主平面３００に対してほぼ平行に延在している。これにより第１の層３１は主平面３００に対して特に良好な熱伝導性を有しており、熱流は特に強く拡散される。
【００６７】
これに対して、第２の層３２に含まれるカーボンナノチューブまたは少なくともその大部分は熱伝導層３の延在する主平面３００に対してほぼ垂直に延在している。これにより第２の層３２は半導体層列１の損失熱をこのバリエーションでは直接に接する第２の金属層４へ特に良好に放出する。
【００６８】
カーボンナノチューブを含む単独の熱伝導層３に代えて、図２の第２の実施例の半導体レーザーは複数の金属層２，４，８とカーボンナノチューブを含む複数の熱伝導層３，７とが交互に配列された層列を有する。レーザー活性の半導体層列１において生じた熱は上から見て第２の主表面１００４のより大きな面積へ分散され、効率的に放出される。
【００６９】
図３の第３の実施例の半導体レーザーは、第１の実施例および第２の実施例の半導体レーザーとは異なり、表面発光型レーザーである。駆動によって形成されたレーザー光はレーザー活性の半導体層列の第２の主表面１００４を通って出力される。半導体レーザーのレゾネータは２つのブラッグリフレクタ９，１０を有する。各ブラッグリフレクタ９，１０は高屈折率層と低屈折率層とを交互に配列した層列を１つずつ有する。
【００７０】
各ブラッグリフレクタ９，１０は例えば２８個〜３０個の１０％ＡｌのＧａＡｌＡｓ層と９０％ＡｌのＧａＡｌＡｓ層との組を有する。これに代えて少なくとも１つのブラッグリフレクタ９，１０はインジウム錫酸化物ＩＴＯなどの少なくとも１つの透光導電性酸化物ＴＣＯ（Transparent Conductiong Oxide）から成っていてもよい。透光導電性酸化物の屈折率は例えば成長パラメータおよび／またはドープ物質を用いて層ごとに変更される。ブラッグリフレクタ９，１０の層の主平面はレーザー活性の半導体層列１の第１の主表面１００３および第２の主表面１００４に対してほぼ平行に延在している。
【００７１】
ブラッグリフレクタ９，１０のあいだに、レーザー活性の半導体層列１の活性層１１０を含み有利にはそこから発光される光を導波する導波体１２０が配置される。例えば導波体１２０はｎ型クラッド層１３０とｐ型クラッド層１４０とを有する。半導体層列１は半導体層１１、すなわち非ドープのＧａＡｓから成るバッファ層を有する。
【００７２】
図６に示されている第４の実施例の半導体レーザーはバー状レーザーであり、活性層１１０が複数の位置（有利には３つの位置）でエッジ１００１からレーザー光を発光する。レーザー光の発光される位置はレーザー活性の半導体層列１上の３つのコンタクト層１２の位置により定められる。したがってこのレーザーは利得案内レーザーとなる。この実施例では、熱伝導層３がパターニングされている。熱伝導層３は第１の金属層２上に条片状に配置される。条片状の熱伝導層３は、半導体層列１の第１の主表面１００３のうち活性層１１０のレーザー光を発光する位置の上方に配置される。第２の金属層４は熱伝導層３上および第１の金属層２のうち熱伝導層３によって覆われていない領域上に配置される。
【００７３】
本発明は上述した実施例に限定されるものではない。むしろ本発明はあらゆる新規の特徴ならびにそれらのあらゆる組み合わせを含むものであり、特に特許請求の範囲に記載した特徴のあらゆる組み合わせが含まれる。このことは各特徴またはその組み合わせが特許請求の範囲あるいは実施例に明示的に記載されていない場合であっても当てはまる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】半導体レーザーの第１の実施例の概略断面図である。
【図２】半導体レーザーの第２の実施例の概略断面図である。
【図３】半導体レーザーの第３の実施例の概略断面図である。
【図４】第１の実施例の熱伝導層の概略断面図である。
【図５】第１の実施例の熱伝導層のバリエーションの概略断面図である。
【図６】半導体レーザーの第４の実施例の概略断面図である。
【符号の説明】
【００７５】
１  レーザー活性の半導体層列、  ２  第１の金属層、  ３  第１の熱伝導層、  ４  第２の金属層、  ５  固定層、  ６  ヒートシンク、  ７  第２の熱伝導層、  ８  第３の金属層、  ９  第１のブラッグリフレクタ、  １０  第２のブラッグリフレクタ、  １１  半導体層、  １２  コンタクト層、  １３  熱流、  ３０  カーボンナノチューブ、  ３１  第１の層、  ３２  第２の層、  １１０  活性領域、  １２０  導波体、  １３０  ｎ型クラッド層、  １４０  ｐ型クラッド層、  ３００  主平面、  １００１，１００２  エッジ、  １００３，１００４  主表面
【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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【手続補正書】
【提出日】平成19年11月1日(2007.11.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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