(57)【要約】【課題】ポンプ効率を改善して、特に、各量子層が効率的にポンピングされる、冒頭に記載した形式の光ポンプ半導体装置を提供すること。【解決手段】半導体基板は、垂直ビーム場を形成するために、垂直方向に放射する量子井戸構造を有しており、量子井戸構造は、多数の量子層を有しており、該量子層間に空乏層が設けられており、該量子層は、ポンプビーム場を用いて光ポンピングするために設けられており、半導体装置は、半導体基板上に設けられた鏡層を有しており、量子井戸構造は、ポンプビーム場用の垂直共振器内に設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ポンプ半導体装置であって、
半導体基板を有しており、該半導体基板は、垂直ビーム場を形成するために、垂直方向に放射する量子井戸構造を有しており、
前記量子井戸構造は、多数の量子層を有しており、該量子層間に空乏層(障壁層ともいう)が設けられており、該量子層は、ポンプビーム場を用いて光ポンピングするために設けられている光ポンプ半導体装置において、
半導体装置は、半導体基板上に設けられた鏡層を有しており、
前記量子井戸構造は、前記ポンプビーム場用の垂直共振器内に設けられている
ことを特徴とする光ポンプ半導体装置。
【請求項２】
鏡層は、金属化部を有している請求項１記載の光ポンプ半導体装置。
【請求項３】
鏡層は、誘電体の鏡を有している請求項１又は２記載の光ポンプ半導体装置。
【請求項４】
鏡層は、半導体基板上に堆積された誘電体の鏡と、当該誘電体の鏡の、半導体基板とは反対側の面上に設けられた金属化部を有している請求項３記載の光ポンプ半導体装置。
【請求項５】
鏡層は、当該鏡層に対向した、半導体基板の境界面と共に、ポンプビーム場用の垂直共振器を構成する請求項１から４迄の何れか１記載の光ポンプ半導体装置。
【請求項６】
鏡層は、外部ポンプ鏡と共に、ポンプビーム場用の垂直共振器を構成し、又は、ポンプビーム場用の垂直共振器から出たビーム成分を、量子井戸構造の方向に反射する外部ポンプ鏡が設けられている請求項１から５迄の何れか１記載の光ポンプ半導体装置。
【請求項７】
鏡層に対して付加的に、別の鏡層、有利には、ブラッグミラーが、垂直ビーム場用の共振器を構成するために設けられている請求項１から６迄の何れか１記載の光ポンプ半導体装置。
【請求項８】
鏡層と別の鏡層とが、垂直放射量子井戸構造の同じ面上に設けられている請求項７記載の光ポンプ半導体装置。
【請求項９】
ポンプビーム場は、多数の第１の波腹のあるポンプ定在波場を形成し、垂直ビーム場は、多数の第２の波腹のある垂直定在波場を形成し、量子層は、第１の波腹とも第２の波腹とも重畳されているように設けられている請求項１から８迄の何れか１記載の光ポンプ半導体装置。
【請求項１０】
量子層は、多数のグループに設けられており、当該グループ間の間隔は、１つのグループ内で隣接する２つの量子層間の間隔よりも大きい請求項１から９迄の何れか１記載の光ポンプ半導体装置。
【請求項１１】
光ポンプ半導体装置であって、
半導体基板を有しており、該半導体基板は、垂直ビーム場を形成するために、垂直方向に放射する量子井戸構造を有しており、
前記量子井戸構造は、多数の量子層を有しており、該量子層間に空乏層が設けられており、該量子層は、ポンプビーム場を用いて光ポンピングするために設けられている光ポンプ半導体装置において、
ポンプビーム場は、第１の、位置固定した多数の波腹を持ったポンプ定在波場を形成し、
垂直ビーム場は、多数の第２の波腹がある垂直定在波場を形成し、
量子層は、前記第１の波腹と前記第２の波腹とを重畳するように設けられている
ことを特徴とする光ポンプ半導体装置。
【請求項１２】
量子層は、複数グループに設けられており、前記各グループ間の間隔は、１つのグループ内で、隣接する２つの量子層間の間隔よりも大きい請求項３記載の光ポンプ半導体装置。
【請求項１３】
半導体装置は、請求項１から１０迄の何れか１記載のポンプビーム場用の垂直共振器を有しており、量子井戸構造は、ポンプビーム場用の垂直共振器内に設けられている請求項１１又は１２記載の光ポンプ半導体装置。
【請求項１４】
ポンプビーム場は、各量子層内で、各空乏層内でよりも強く吸収される請求項１から１３迄の何れか１記載の光ポンプ半導体装置。
【請求項１５】
空乏層内でのポンプビーム場の吸収は、量子層内での吸収に較べて無視しうる程度である請求項１４記載の光ポンプ半導体装置。
【請求項１６】
垂直エミッタには、垂直放射レーザを形成するために外部共振器が設けられている請求項１から１５迄の何れか１記載の光ポンプ半導体装置。
【請求項１７】
外部共振器は、外部鏡を有している請求項１６記載の光ポンプ半導体装置。
【請求項１８】
外部共振器内に、周波数変換用、殊に、周波数逓倍用の要素が設けられている請求項１６又は１７記載の光ポンプ半導体装置。
【請求項１９】
半導体装置は、半導体ディスクレーザとして構成されている請求項１から１８迄の何れか１記載の光ポンプ半導体装置。
【請求項２０】
半導体基板は、殊に、半導体材料ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓ，ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ，ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰ又はＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＮ１−ｙ、各々０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１の少なくとも１つの量子井戸構造を有する請求項１から１９迄の何れか１記載の光ポンプ半導体装置。
【請求項２１】
半導体基板は、エピタキシャル半導体層列を有する請求項１から２０迄の何れか１記載の光ポンプ半導体装置。
【請求項２２】
半導体は、成長サブストレートから切り離された半導体層列である請求項１から２１迄の何れか１記載の光ポンプ半導体装置。
【請求項２３】
半導体基板に対向する側の、鏡層の面上に、ヒートシンク、有利には、メタリックヒートシンクが設けられている請求項１から２２迄の何れか１記載の光ポンプ半導体装置。
【請求項２４】
ポンプビーム場は、半導体基板の表面上に、当該表面の法線に対して所定角度、０°〜８０°で入射される請求項１から２３迄の何れか１記載の光ポンプ半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板を有しており、該半導体基板は、垂直ビーム場を形成するために、垂直方向に放射する量子井戸構造を有しており、量子井戸構造は、多数の量子層を有しており、該量子層間に空乏層が設けられており、該量子層は、ポンプビーム場を用いて光ポンピングするために設けられている光ポンプ半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
その種の半導体装置は、従来技術から公知である。この公知刊行物に記載されている光ポンプ垂直エミッタは、ポンプビーム源と一緒に、例えば、エッジ放射形半導体レーザにモノリシックに集積構成されている。垂直エミッタは、ポンプビーム源を用いて形成されたポンプビームによって光ポンピングされる、垂直放射型量子井戸構造を有しており、その結果、垂直放射量子井戸構造は、垂直方向に伝搬するビーム場を形成する（世界知的所有権機関特許第０１／９３３８６号公報）。
【０００３】
モノリシック集積ポンプビーム源ではなく、択一的に、外部ポンプビーム源によってポンプビームを形成してもよい。この場合、ポンプビームは、一般的に、半導体装置の表面上に斜め方向に入射する。
【０００４】
両方の場合に、効率的なポンプ過程に関して、有利には、ポンプビーム源と垂直エミッタとは、ポンプ波長、即ち、ポンプビーム場の波長が、放射波長、即ち、垂直放射型量子井戸構造によって形成されるビームの波長であるように構成されている。
【０００５】
光ポンピングに関して、相補的な２つの機構が区別され、その際、両方の場合に、多数の量子層が、当該各量子層間に設けられた各空乏層を有している量子井戸構造に基づいている。
【０００６】
第１のポンプ機構では、ポンプビームの波長は、当該ポンプビームが各量子層間に設けられた各空乏層内で吸収されるように選定されている。ポンプビームの吸収により電子正孔対が形成され、従って、量子層は、エネルギが低い位置状態となり、その結果、各量子層内に反転分布が形成される。この反転分布を用いて、垂直ビーム場（Ｖｅｒｔｉｋａｌｓｔｒａｈｌｕｎｇｓｆｅｌｄ）が生成される。
【０００７】
それに対して、第２のポンプ機構では、ポンプビームの波長は、ポンプビームが各量子層内に吸収されて、そこに直接反転分布が形成されるように選定されている。
【０００８】
効率的に作動するためには、量子井戸構造内でのポンプビームの吸収が充分に高い必要がある。
【０００９】
この際、第１のポンプ機構が有する利点は、各空乏層が一般に、各量子層よりも著しく厚く形成される点にある。つまり、空乏層の層厚は、典型的には１００ｎｍ以上であり、量子層は、典型的には１０ｎｍよりも薄い。半導体層内で吸収されるポンプビームＰ０の成分Ｐａｂｓは、層厚ｄと吸収計数αとに近似的に指数関数状に依存し、関係式
Ｐａｂｓ（ｄ）＝Ｐ０（１−ｅ−ａｄ）
によって与えられる。
【００１０】
従って、空乏層の層厚を比較的厚くすることによって、ポンプビームの吸収が出来る限り完全に行われるのを著しく軽減することができ、その際、ポンプビームの典型的には８０％〜９０％の吸収を達成することができる。
【００１１】
それに対して、第２のポンプ機構、つまり、量子層の直接ポンピングは、ポンプビームの波長、乃至、ポンププロセスのエネルギ損失に関して、第１のポンプ機構に較べて有利である。
【００１２】
空乏層が量子層を囲んでいるので、当然、電子正孔対の生成のために、量子層自体の中で電子正孔対を生成するために必要なエネルギ乃至波長よりも高いエネルギ乃至短い波長が必要である。量子井戸構造の効率的な垂直レーザ駆動のために、例えば、量子井戸からのキャリアの熱放出を回避するのに空乏を最小高さにする必要がある。このために、典型的には、空乏層と量子層の各導電帯間のエネルギ差を、１９０ｍｅＶよりも大きくする必要があり、相応の価電子帯のエネルギ差は、６５ｍｅＶよりも大きくする必要がある。
【００１３】
電子正孔対の生成に必要なエネルギと、放出波長に相応する光子エネルギとの差は、量子欠損と呼ばれる。
【００１４】
第１のポンプ機構では、量子欠損の前述の最小空乏高さにより、典型的には、１０００ｎｍの放出波長の場合に２０％〜２５％の大きさである。この量子欠損は、空乏層内で生成されたキャリアの移行時に、量子層のエネルギが低い位置状態で光子に変換され、従って、ほぼ損失熱として消失する。
【００１５】
それに対して、第２のポンプ機構は、エネルギ損失が少ないことによって特徴付けられる。更に、第２のポンプ機構では、空乏層を用いて有利には、各量子井戸間の高いエネルギ障壁を形成することができる。つまり、空乏層内でキャリアは分離されず、従って、空乏層の高さに成長する量子欠損も生じない。
【００１６】
公知刊行物から、更に、ＶＥＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｅｘｔｅｒｎａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｌａｓｅｒ）が公知であり、ＶＥＣＳＥＬは、ポンプビーム用のマイクロ共振器を有しており、その結果、ポンプビームは活性層を２回透過する。その際、マイクロ共振器は、ブラッグミラーによって限定される（ドイツ連邦共和国特許公開第２３６９９２９号公報）。
【００１７】
何れにせよ、ポンプ共振器用のブラッグミラーと、垂直エミッタ用のブラッグミラーとを組み合わせることによって、製造コストは明らかに高くなってしまう。しかも、多数の各境界面を通って、ブラッグミラーのところで生じる散乱損失によって、効率が劣化してしまう。殊に、ブラッグミラーの熱伝導率が比較的悪く、その結果、ポンプ乃至出力電力が比較的高い場合、損失熱を充分に排出すると、技術的に問題が生じることがあり、第１のポンプ機構の場合には、当該ポンプ機構の比較的高い量子欠損によって、問題点が更に鮮鋭化してしまう。
【００１８】
従って、高い出力電力を実現するために、第２のポンプ機構は、原理的に利点を有している。しかし、このポンプ機構を用いるには、先ず、量子層内で、ポンプビームの高い吸収を達成する必要がある。
【００１９】
第２のポンプ機構で、ポンプビーム吸収を高める手段は、量子層の数を多くする点にある。しかし、こうすることによって、効率を極めて限定してしか高めることができない（シミュレーション計算により様子が示される）。この際、例えば、１５個の空乏層と、各々各空乏層間に設けられた１４個の量子層を有する標準ＶＥＣＳＥＬ構造に基づいており、この標準ＶＥＣＳＥＬ構造では、各空乏層のポンピングにより、ポンプビームのほぼ９０％が吸収される。それに対して、第２のポンプ機構では、４つの量子層で、ポンプビームの僅かにほぼ８％しか吸収されず、１４個の量子層では、ポンプビームのほぼ１５％しか吸収されず、５０個の量子層でも、ポンプビームのほぼ５０％しか吸収されない。
【００２０】
そのことから分かるように、第２のポンプ機構では、それ以外変更しない条件で、総体的に、第１のポンプ機構の場合よりもかなり僅かな吸収を達成することができ、その際、吸収度は、各量子層を多数個設けることによってしか高めることができない。更に、このシミュレーション計算により、各量子層の個数を多くすると、垂直エミッタのレーザ特性が劣化してしまうことがある。
【特許文献１】世界知的所有権機関特許第０１／９３３８６号公報
【特許文献２】ドイツ連邦共和国特許公開第２３６９９２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明の課題は、ポンプ効率を改善して、特に、各量子層が効率的にポンピングされる、冒頭に記載した形式の光ポンプ半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
この課題は、請求項１記載の半導体装置、並びに、請求項１１記載の半導体装置によって解決される。
【００２３】
本発明の基本的な技術思想は、ポンプビームの吸収を、ポンプビーム場を量子層と共振結合することによって高めることに基づいている。
【００２４】
このために、本発明の光ポンプ半導体装置は、半導体基板を有しており、該半導体基板は、垂直ビーム場を形成するために、垂直方向に放射する量子井戸構造を有しており、量子井戸構造は、多数の量子層を有しており、該量子層間に空乏層が設けられており、該量子層は、ポンプビーム場を用いて光ポンピングするために設けられており、半導体装置は、半導体基板上に設けられた鏡層を有しており、ポンプビーム場（ポンプ共振器）用の垂直共振器を有しており、この垂直共振器内に量子井戸構造が設けられている。その際、ポンプ共振器は、半導体基板上に堆積された鏡層によって限定されている。
【００２５】
量子井戸構造とは、本発明の範囲内では、殊に、ビーム形成にとって重要な、キャリアエネルギレベルの量子化が生じるようにディメンショニングされた、多数の層を持った各構造のことである。典型的な量子井戸構造は、多数の量子層と空乏層とを有しており、その際、量子層は、空乏層よりも著しく薄く、各々１つの空乏層が２つの隣接する量子層間に設けられている。そのような構造は、ＲＰＧ（Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ｐｅｒｉｏｄｉｃ  Ｇａｉｎ）構造とも呼ばれる。本発明の範囲内では、一定間隔で隣接する各量子層を持った構造も、隣接する各量子層の間隔が変化する構造もＲＰＧ構造と理解する。更に、例えば、量子層と空乏層との間の中間層に別の層を設けてもよく、その結果、ほぼ階段状のエネルギ特性が生じる。この際、空乏層とは、量子井戸構造の最大エネルギ、つまり、量子井戸の外側のエネルギ領域が決まるような層のことである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の有利な実施例は、従属請求項に記載されている。
【００２７】
ポンプ共振器によって、本発明では、有利には、ポンプビーム吸収の共振高さが達成される。しかも、ポンプ共振器の鏡層は、半導体基板の外側に設けられており、従って、充分な熱伝導度に関して最適化することができる。
【００２８】
有利には、ポンプ共振器の鏡層は、半導体基板上に堆積された金属化部として構成され、この金属化部によって、特に高い熱伝導度が達成され、殊に、ブラッグミラーの熱伝導度を明らかに超過する。しかも、金属化部は、比較的僅かな波長依存性で高い反射度によって特徴付けられる。この際、有利には、鏡層は、多層で、半導体基板側から非常に薄い付着層と、その後ろに設けられた厚い反射層とで形成されている。
【００２９】
付着層は、有利には、白金、チタン、クロムのうちの少なくとも１つの材料と、その上に堆積された、有利には、金、銀又は銅の少なくとも１つの材料の反射層とを有している。ポンプ波長に応じて、赤外線及び長波可視スペクトル領域用には金が適しており、ほぼ全可視スペクトル領域用には銀が適しており、短波可視及び紫外線スペクトル領域用には銅が適している。
【００３０】
その際、付着媒介層は、ポンプ高の許容可能な僅かな成分しか吸収しないような薄さに構成されており、金属化部の反射は、ほぼ反射層によって決められる。有利には、付着媒介層の厚みは、１ｎｍよりも小さいか、又は、１ｎｍに等しく、特に有利には、０．５ｎｍよりも小さいか、又は、０．５ｎｍに等しい。更に、反射層と半導体基板との間には、もう１つの拡散遮断部が設けられており、この拡散遮断部は、付着媒介層と同じ厚みに構成すると目的に適っている。
【００３１】
本発明の別の有利な実施例では、ポンプ共振器の鏡層は、誘電体の鏡として、例えば、半導体基板上に堆積された誘電体積層部の形式で構成されている。
【００３２】
前述の構成は、有利に組み合わせてもよく、その際、鏡層は、有利には、半導体基板側に、誘電体の鏡と、後続して金属化反射層を有している。この構成は、特に高い反射度によって特徴付けられ、その際、有利には、金属化付着層を設けなくてよい。
【００３３】
有利には、ポンプ共振器は、半導体基板上に堆積された鏡層と、半導体基板の対向境界面とによって形成されている。これは、例えば、垂直ビーム用の減結合面、半導体基板と、当該半導体基板上に堆積された保護層、例えば、誘電体との間の境界面、又は他の、半導体内部に形成された境界面である。更に、ポンプ共振器は、例えば、半導体基板上に堆積された保護層、例えば、誘電体の表面によって限定されるようにしてもよい。
【００３４】
別の変形実施例では、半導体基板は、ポンプビームを透過するサブストレート上、例えば、ポンプ共振器の鏡層に対向する側の、半導体基板の面上に設けられている、成長サブストレート又は冷却要素上に設けられており、その際、ポンプビームは、このサブストレートを通過して入力結合される。この場合、サブストレートと半導体基板乃至サブストレート表面との間の境界面が、鏡層と一緒にポンプ共振器を形成するようにしてもよい。
【００３５】
更に、ポンプ共振器を、外部鏡と、又は、ポンプ共振器を、多数の外部鏡と、例えば、折り畳まれたポンプ共振器の形式で構成することもできる。この変形実施例では、有利に、垂直放射量子井戸構造によって、ポンプビームの複数回透過部を設けることができる。ポンプビーム場用の外部鏡は、ポンプ共振器から放射された、ポンプビーム場のビーム成分を量子井戸構造の方向に反射して戻すのに使ってもよい。
【００３６】
本発明の有利な実施例では、半導体基板は、別の鏡層を有しており、この鏡層は、垂直エミッタの共振器を構成する。この別の鏡層は、有利には、ブラッグミラーとして構成されている。ブラッグミラーは、垂直ビーム場の波長に最適化するとよく、その結果、特に高い反射率、乃至、垂直エミッタの共振器に対して特に低い、往復反射時の損失（Ｕｍｌａｕｆｖｅｒｌｕｓｔ）を達成することができる。
【００３７】
ポンプ共振器用の鏡層に要求される要件と、垂直エミッタ用の鏡層に要求される要件とが区別される点に注目されたい。つまり、ポンプビーム用の鏡の場合、垂直エミッタの共振器内での往復反射時の損失（Ｕｍｌａｕｆｖｅｒｌｕｓｔ）よりも容易に、ポンプビーム電力を高めることによって、比較的大きな損失を補償することができる。例えば、ポンプ共振器の鏡層では、９５％の反射率は申し分なく、それに対して、この反射率は、垂直エミッタの共振器では、往復反射時の損失が高すぎるので、一般に不十分である。従って、垂直エミッタの共振器では、ブラッグミラーは、例えば、９９．９８％の反射率にされ、それに対して、ポンプ共振器では、鏡層は、同時に高い熱伝導度にするために、反射率は小さい。ポンプ共振器の鏡層では、波長変動に対して所定の許容偏差を有するようにすると有利である。
【００３８】
この関連で、従来技術のコンタクトメタライジングでは、必然的に反射率は低く、上述の反射率よりもかなり小さく、典型的には、３０％〜４０％であり、本発明の鏡層としてはもはや使えない。
【００３９】
垂直エミッタ用の別の鏡層は、有利には、ポンプ共振器用の鏡層と同じ量子井戸構造面上に設けると有利であり、その結果、垂直ビーム場は、金属化部に対向する側の半導体基板面上で出力結合することができる。
【００４０】
本発明の別の有利な実施例では、鏡層は、垂直エミッタに対して部分透過するように構成されており、その際、この鏡層は、ポンプ共振器用の鏡層と共に、垂直エミッタの共振器の制限部を形成する。この構成の利点は、ブラッグミラーでは、垂直エミッタ用の鏡層として層周期をあまり必要とせず、それにより、有利には、その厚みを薄くし、その熱伝導度を高くすることができる。この実施例では、殊に、ポンプ共振器に誘電体鏡を設けると有利である。
【００４１】
本発明の光ポンプ半導体装置は、第２の実施例では、垂直ビーム場の形成用に垂直放射量子井戸構造を有する半導体基板を有しており、その際、量子井戸構造は、多数の量子層を有しており、この量子層間に空乏層が設けられており、この空乏層は、ポンプビーム場を用いて光ポンピングするための各量子層が設けられており、このポンプビーム場は、多数の位置固定の第１の波腹のあるポンプ定在波場を形成し、垂直ビーム場は、多数の位置固定の第２の波腹のある垂直定在波場を形成し、各量子層は、第１の波腹も第２の波腹も重畳するように設けられている。各量子層は、空間的に、ポンプビーム場にも垂直ビーム場にも共振するように設けられている。
【００４２】
量子層を、このように設けることによって、有利には、ポンプビーム場にも垂直ビーム場にも高い結合を達成することができる。それに対して、従来技術の装置では、一般的に、垂直エミッタ場の波腹に相応して、各量子層が空間的に周期的に設けられており、その結果、垂直ビーム場の形成時に高い効率を達成することができるが、ポンプビームの最大吸収は達成されない。
【００４３】
有利には、本発明では、各量子層は、複数グループに設けられており、その際、各グループ間の距離は、１つのグループ内の隣接する２つの量子層間の距離よりも大きい。その際、各グループは、ポンプ定在波場の波腹が、垂直定在波場の波腹と重畳する領域内に位置付けられる。
【００４４】
各グループ相互の距離は、ほぼ、ポンプビームと垂直ビームとのうなり波長、又は、その整数倍に相応する。
【００４５】
１つのグループ内の各量子層の距離は、有利には、各グループ相互の距離よりも小さく、有利には、ほぼ、垂直ビームの波長、又は、その整数倍に相応する。
【００４６】
本発明の特に有利な実施例は、第１の実施例の各要件、つまり、ポンプビーム場用の垂直共振器、そして、第２の実施例の各要件、つまり、各量子層をポンプ定在波場の各波腹とも垂直定在波場の各波腹とも重畳されており、その際、これに関する有利な実施例、及び、本発明の実施例とを同様に組み合わせてもよい。
【００４７】
本発明の範囲内で、殊に、各量子層の光ポンプを、上述の第２のポンプ機構により設けてもよい。その際、ポンプビーム場は、先ず各量子層内で吸収され、その際、条件として、各量子層内での吸収は、各空乏層内での吸収よりも少なくとも大きい。有利には、各空乏層と各量子層は、各空乏層内での吸収が無視し得るように構成されている。これは、殊に、各空乏層内での吸収が、垂直ビーム場の形成にあまり影響を及ぼさない程度に小さい場合である。
【００４８】
半導体基板乃至量子井戸構造用の半導体材料として、有利には、ＡｌＧａＡｓ（ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ，０≦ｘ≦１）が使われる。更に、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓ，ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ，ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰ又はＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＮ１−ｙ、各々０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１も適している。当然、本発明は、この各半導体材料の１つに限定されるものではない。
【００４９】
本発明は、有利には、半導体ディスクレーザ、例えば、ＶＣＳＥＬ又はＶＥＣＳＥＬとして構成されている。殊に、垂直エミッタに、垂直放射レーザを構成するために、外部共振器（ＶＥＣＳＥＬ）を設けるとよく、その際、共振器は、例えば、ブラッグミラーの形式の、例えば、別の鏡層、及び、外部鏡によって構成される。
【００５０】
この実施例の有利な実施例では、外部共振器内に、周波数収束、例えば、周波数逓倍用の要素が設けられる。このために、例えば、非直線状の光学要素、殊に、非直線結晶が適している。
【００５１】
以下、図１〜図１０の２つの実施例を用いて、本発明について詳細に説明する。
【００５２】
同じ、又は、同様の作用をする要素は、図で同じ参照番号で示している。
【実施例１】
【００５３】
第２のポンプ機構、つまり量子井戸構造の量子層の直接的ポンピングの基礎として、図１には、９９５ｎｍ（矢印Ｙ）の発光波長向けとして設計された１４の量子層を有する量子井戸構造の例に関して、吸光係数εと屈折率ｎのポンプ波長λに対する依存性が示されている。この依存性は理論的にはキャリアの熱学的フェルミ分布に関するｋｘｐバンド構造計算に基づいて求められる。その際、半導体ディスクレーザの一般的な温度及びキャリア密度はレーザ閾値を超えているということが基礎となっている。
【００５４】
この図から、ポンプ放射場の有意な吸収はおよそ９２０ｎｍ以下で生じていることが明らかである（矢印Ｘ）。より長いポンプ波長に関しては、これらの波長が占めているエネルギー準位（パウリ禁制帯）のゆえに、吸収は明らかにより低くなる。９２０ｎｍのポンプ波長はおよそ８．７％の量子欠損に相当する。８．７％は空乏層(障壁層とも)のポンピングに特有の２０％〜２５％の量子欠損に比べて明らかに低い。さらに、量子層のポンピングの際、キャリア捕獲時間はより短く（一般的には空乏層のボンピングの際の５０ｐｓに対して１０ｐｓ）、このため、量子井戸構造の上の方のレーザ準位の占有が有利には促進される。図１から求まる吸光係数ないし吸収係数は、以下で説明するシミュレーション計算の基礎として使用される。
【００５５】
図２に示されている本発明による光ポンプ半導体装置の実施例は、有利には半導体ディスクレーザの形態の半導体基板１を有しており、この半導体基板１は垂直に発光する量子井戸構造２を備えた垂直発光体を有している。量子井戸構造はＲＰＧ構造として１４の量子層１１から形成されており、各々の量子層の間には空乏層１２が配置されている。量子層及び空乏層は、重ね合わせて成長させた異なる組成のＡｌＧａＡＳ半導体層の形態をとっており、１０００ｎｍの発光波長向けとして設計されている。隣り合う２つの量子層２２の間隔は発光波長に相当する。
【００５６】
垂直発光する量子井戸構造の光ポンピングを行うポンプ放射３は、例えばダイオードレーザなどの外部ポンプ放射源４により形成され、４５°の予め定められた角度で半導体基板１に斜めに入射する。
【００５７】
光ポンプ半導体装置はさらにポンプ放射３のための共振器５を有しており、共振器５は、半導体基板に施された金属被覆の形態の鏡層６と、向かい合った半導体表面とによって形成されている。半導体基板側とは反対の側には、有利には、ヒートシンク１０が配置されている。このヒートシンク１０は有利には金属製ヒートシンクである。
【００５８】
金属被覆は、例えば、半導体基板上に堆積させた厚さ０．３ｎｍの白金の付着層と、この付着層の上に配置された、１００ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さをもった金の層である反射層とを有していてよい。従来この種の鏡層では、付着層の厚さは５ｎｍ〜５０ｎｍであったことに注意されたい。しかし、これにより達成可能な反射率は比較的低い。これに対して本発明では、付着層を著しく薄くすることによって、とりわけ反射層により決定される反射率を有利に高くすることができる。
【００５９】
反射層である金の層は、特に赤外スペクトル領域のポンプ波長に対して有利である。より短い可視領域のポンプ波長ないし発光波長に対しては、場合によって銀の層が選好され、可視の青及び紫外スペクトル領域の波長に対しては、銅の層が選好される。
【００６０】
金属被覆と量子井戸構造との間には、ブラッグミラーの形態の別の鏡層７が配置されており、外部鏡８とともに、量子井戸構造により発生した垂直放射場１４のための外部共振器９を形成している。この別の鏡層７は、量子井戸構造に対して、鏡層６と同じ側に配置されており、垂直放射場の出力結合は向かい合った半導体基板の側面で行われる、ないしは外部鏡により行われる。
【００６１】
この変形実施例では、ブラッグミラーの周期数を低くしてもよい。そうすることで、ブラッグミラーは部分透過性を得る。外部共振器は、このケースでは、一方の外部鏡と、ポンプ共振器の鏡層と提携したブラッグミラーとによって形成される。
【００６２】
本発明による半導体装置は、例えば、まず半導体基板をエピタキシャル半導体層の列として成長基板の上で成長させ、つぎに成長基板とは反対側に鏡層を堆積させることにより形成することができる。これに続いて、鏡層上に、有利には同時にヒートシンクとしても機能する支持体を固定し、そして成長基板を除去する。
【００６３】
択一的に、ポンプ放射場と垂直放射場に対して十分な透過性を有し、半導体層から剥がさないで、有利に、ドーピングされていない成長基板を使用してもよい。この場合、ポンプ放射は基板により入力結合され、垂直放射場は基板により出力結合される。別の択一形態では、成長基板は薄くされるか、又は放射の入力結合ないし出力結合の領域では剥がされる、例えば、エッチング除去される。最終的には成長基板も除去され、その場所には、例えばダイアモンド又はサファイアからなる放射透過性のヒートシンクを配置することができる。
【００６４】
図３には、図２の相応する構造に関して、ポンプ放射の吸収及び反射のポンプ波長λに対する依存性がグラフで示されている。この依存性はシミュレーション計算に基づいて求められる。
【００６５】
図３には、入射面に対して垂直に偏光した（Ｓ偏光）ポンプ放射及び入射面に対して平行に偏光した（Ｐ偏光）ポンプ放射の吸収率Ａ、ならびに、それぞれ半導体層系の法線に対して４５°のポンプ放射入射角を有するＳ偏光及びＰ偏光したポンプ放射の反射係数Ｒがプロットされている。
【００６６】
ここで、吸収率は量子層内で吸収されるポンプ放射の割合に相当し、反射係数は半導体層系の表面で反射するポンプ放射の割合に相当する。
【００６７】
吸収率の鋭い最大値とこれに対応する反射率の最小値はすぐに見て取れる。これらの最大値は、上記４５°の入射角を有するポンプ放射５に対する垂直マイクロ共振器の共振に相当する。ここで、本発明による鏡層によれば、有利には、１５％〜６５％の吸収率を有する大幅な共振の引き上げが達成される。比較のため、図９には、同じように、図２と同じような構成で本発明による鏡層を備えていない構成の吸収率及び反射率が示されている。たしかに、半導体基板の表面によって形成された共振器のゆえに吸収率の最大値が存在するが、格段に弱い現れ方をしている。
【００６８】
入射角が４５°の場合には、ポンプ放射は半導体基板内でポンプ共振器の共振器軸に対して平行には伝播しないことに注意されたい。その限りで、図１及び２における共振は、厳密に言えば、ポンプ共振器の本来の共振に比べて波長が少しシフトした疑似共振である。もちろん、本発明の範囲内では、ポンプ放射場は共振器軸に対して平行にも入射することができる。
【実施例２】
【００６９】
図４には、本発明の第２の実施例が示されている。図２に示されている実施例とは異なり、ここでは量子層１１はグループ１３で配置されている。なお、グループ１３の間の間隔はグループ内の隣り合う量子層１１の間隔よりも大きい。単なる例として、それぞれ２つの量子層を有する２つのグループが示されている。
【００７０】
ポンプ放射場３は、ポンプ共振器５の内部に、位置の変わらない複数の第１の波腹を有するポンプ定在波場を形成する。同様に、垂直放射場１４も、外部共振器９の内部に、位置の変わらない複数の第２の波腹を有する垂直定在波場を形成する。ポンプ放射場と垂直放射場の波長が異なるため、これらの波動場の間で空間的なうなりが発生する。
【００７１】
量子層１１ないしグループ１３は、量子層１１がポンプ定在波場の波腹にも垂直定在波場の波腹にも重なるように位置決めされている。これにより、量子層はポンプ放射場及び垂直放射場に対して空間的に共振するように、ないしは、これら２つの波動場のうなりに対して共振するように位置決めされる。
【００７２】
有利には、量子層は、それぞれ５つの量子層を有する２つのグループ１３と、４つの量子層を有する１つのグループ１３とに配置される。
【００７３】
図５には、垂直放射場の電界強度Ｅが、１０００ｎｍ波長の目盛りを有する水平なｚ軸（図４参照）に沿って図式的に示されている。図６は、波長が９３０ｎｍで入射角が４５°のポンプ放射場の電界強度Ｅを同じように図式的に示したものである。両図において、量子層１１の位置には印が付けてある。これらの位置の横座標は、相応する放射場との重なりの尺度を示す。
【００７４】
また、図示された位置決めにより、量子層がポンプ定在波場の波腹とも垂直放射場の波腹とも重なるようにすることで、有利な高い効率が達成される。
【００７５】
図１０は、それに対して、比較のために、量子層が互いに発光波長に相応した一定の間隔を以て配置された相応する半導体装置の量子層の位置決めを示している。図１０ａは垂直方向にポンプ放射場の電界の経過を示し、図１０ｂは垂直放射場の相応する経過を示している。
【００７６】
この構成の結果、たしかに量子層は垂直放射場の波腹と最も重なるが、図１０ａ、多くの量子層はポンプ放射場の波腹とよりもむしろ波節と重なる、図１０ｂ。
【００７７】
図７及び８には、図４に示されている２つの実施例に関して、図３と同様に、ポンプ放射の吸収率ないし反射率が波長に依存する形で示されている。図７には、比較のために、図３と同じく９００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長域が示されており、図８には、見易さに配慮して、９００ｎｍと９２０ｎｍの間のセクションが示されている。
【００７８】
図３及び図９との比較から明らかなように、グループ分けにより、ポンプ波長が９０３ｎｍの場合、有利にはさらに８０％までポンプ放射吸収率を上げることができる。ポンプ波長が９０３ｎｍのときの共振のスペクトル幅はおよそ２ｎｍである。さらに、このポンプ波長は、量子欠損がおよそ１０％と有利に低い場合に相応する。
【００７９】
本発明の範囲内では、鏡層として金属被覆を有するポンプ放射向けの垂直共振器を設けずに、適切にグループ分けした量子層を設けてもよいことに注意されたい。というのも、このグループ分けだけでも、従来技術に比べてポンプ放射の吸収率の有利な引き上げには十分だからである。
【００８０】
本特許出願に対して優先権が主張される特許出願ＤＥ  １０３  ２３  ８２１．２の内容は、参照によって本明細書に取り入れられている。
【００８１】
説明された実施例に基づいた本発明の説明は、本発明をこれら実施例に限定するものとして理解すべきものではない。むしろ、本発明は、請求項の対象ではないとしても、実施例及びそれ以外の記述において挙げられた他のすべての特徴との組合せを包含する。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】光ポンプ半導体装置の吸光係数と屈折率とを、ポンプ波長に依存して図示した図。
【図２】本発明の半導体装置の第１の実施例の断面略図。
【図３】第１の実施例での、ポンプビームの反射と吸収とをポンプ波長に依存して示した図。
【図４】本発明の半導体装置の第２の実施例の断面略図。
【図５】第２の実施例での垂直定在波場と、各量子層の位置を示した図。
【図６】第２の実施例での、ポンプビーム場と各量子層の位置を示した図。
【図７】第２の実施例での第１の波長領域内でのポンプ波長に依存して、ポンプビームの反射と吸収を示した図。
【図８】第２の実施例での第２の波長領域内でのポンプ波長に依存して、ポンプビームの反射と吸収を示した図。
【図９】従来技術の光ポンプ半導体装置でのポンプ波長に依存して、ポンプビームの反射と吸収を示した図。
【図１０】従来技術の光ポンプ半導体装置での垂直及びポンプ定在波場と、各量子層の位置とを示した図。
【符号の説明】
【００８３】
１  半導体基板
２  量子井戸構造
３  ポンプ放射
４  外部ポンプ放射源
５  共振器
６  鏡層
７  別の鏡層
８  外部鏡
９  外部共振器
１０  ヒートシンク
１１、２２  量子層
１２  空乏層
１３  グループ
１４  垂直放射場
【図１】
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【図２】
2004349711.tif 000004
【図３】
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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４】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年7月1日(2004.7.1)
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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