(57)【要約】【課題】凹入部２の周期的な配置を有している半導体基体１を備えているかまたは半導体基体に半導体領域の周期的な配置が形成されている半導体レーザにおいて、量子井戸構造７の光学的なポンピングに適している、改善されたラテラルなガイドを有している半導体レーザを提供する。【解決手段】半導体レーザによって生成されるビームは周期的な配置内では伝搬不能であり、半導体レーザの共振器３ではラテラル方向において周期的な配置が欠けている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹入部（２）の周期的な配置を有しているかまたは半導体領域の周期的な配置が形成されている半導体基体（１）を備えている半導体レーザにおいて、
半導体レーザによって生成される放射は該周期的な配置内では伝搬不能であり、ここで半導体レーザの共振器（３）はラテラル方向において該周期的な配置が欠けている
ことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
共振器（３）は曲げられたまたは湾曲した共振器軸線を有している
請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
凹入部（２）には、屈折率が半導体基体（１）の屈折率とは異なっている充填材料が充填されている
請求項１または２記載の半導体レーザ。
【請求項４】
半導体領域はそれぞれ、屈折率が該半導体領域の屈折率とは異なっている充填材料に接している
請求項１または２記載の半導体レーザ。
【請求項５】
量子井戸構造（７）を含んでいるバーチカル放出器（１３）を備えている光ポンピングされる半導体装置において、
バーチカル放出器（１３）の量子井戸構造（７）は請求項１から４までのいずれか１項記載の少なくとも１つの半導体レーザによって光ポンピングされる
ことを特徴とする光ポンピングされる半導体装置。
【請求項６】
バーチカル放出器（１３）の量子井戸構造（７）は請求項１から４までのいずれか１項記載の複数の半導体レーザ（１６ａないし１６ｍ）によって光ポンピングされ、ここでこれら半導体レーザの少なくとも１つは曲げられたまたは湾曲された共振器軸線を持った共振器を有している
請求項５記載のポンピングされる半導体装置。
【請求項７】
量子井戸構造（７）を含んでいるバーチカル放出器（１３）と、該量子井戸構造（７）を光ポンピングするための放射を生成するポンピング放射源（２０）とを備えている光ポンピングされる半導体装置において、
ポンピング放射（２１）は、少なくとも部分的に凹入部または半導体領域の周期的な配置によってラテラルな方向に制限されている導波路を用いて、この配置内ではポンピング放射が伝搬不能であるように、量子井戸構造（７）に入力結合される
ことを特徴とする光ポンピングされる半導体装置。
【請求項８】
凹入部（２）には、屈折率が半導体基体の屈折率とは異なっている充填材料が充填されている
請求項７記載の光ポンピングされる半導体装置。
【請求項９】
半導体領域はそれぞれ、屈折率が該半導体領域の屈折率とは異なっている充填材料に接している
請求項７記載の光ポンピングされる半導体装置。
【請求項１０】
ポンピング放射源は請求項１から４までのいずれか１項記載の半導体レーザである
請求項７から９までのいずれか１項記載の光ポンピングされる半導体装置。
【請求項１１】
バーチカル放出器（１３）および半導体レーザないしポンピング放射源（２０）は１つの共通の基板（８）にエピタキシャル成長されている
請求項５から１０までのいずれか１項記載の光ポンピングされる半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の、凹入部の周期的な配置を有しているかまたは半導体領域の周期的な配置が形成されている半導体基体を備えている半導体レーザ並びに請求項５ないし請求項７の上位概念に記載の、量子井戸構造を含んでいるバーチカル放出器を備えている光ポンピングされる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ポンピングされる半導体装置は例えばＤＥ１００２６７３４から公知である。ここには、放射を生成する量子井戸構造および該量子井戸構造の光ポンピングのためのポンピング放射源を備えている光ポンピングされる面発光半導体装置が記載されており、その際量子井戸構造およびポンピング放射源は１つの共通な基板上にエピタキシャル成長されるようになっている。
【０００３】
この形式の光ポンピングされる半導体装置では効率のよい作動のためにポンピング放射を量子井戸構造に精確に入力結合することが必要である。この観点においてポンピング放射源をラテラルに制限すると有利である。この制限によってポンピング放射の生成は、ポンピング放射をそこからできるだけ完全に量子井戸構造に入力結合することができる領域に狭められる。
【０００４】
量子井戸構造およびポンピング放射源が相互に離間されて配置されている場合には、ポンピング放射源から量子井戸構造へのポンピング放射のガイドは有利には導波路を用いて行うことができる。このために例えば、ポンピング放射の伝搬が屈折率ガイド（導波）によって定められている導波路を用いることができる。更に、ポンピング放射源のラテラルな制限のために屈折率ガイドを使用することができる。放射線光学の枠内における屈折率ガイドの特別な場合は全反射である。
【０００５】
ポンピング放射源として殊に、波長を最適なポンピング波長に正確に調整することができるポンピングレーザが適している。この場合同様に、殊にレーザ共振器を、量子井戸構造への入力結合のために有利である幅にラテラル方向に制限することが好適である。
【０００６】
確かに、例えば屈折率ガイドに基づいている導波路構造においては、導波路境界面の不均質性または例えば製造に規定されて生じるのだが前以て決められている理想的な導波路境界面からの偏差のために屈折率ガイドが障害を受け、その結果放射が導波路から出射する可能性があるという危険がある。これによりポンピング放射の消失が生じる可能性があり、このために光ポンピングされる半導体装置の効率の低下もしくは光出力パワーの低下が生じることになる。
【０００７】
半導体レーザでは共振器のラテラルな制限のためにいわゆる屈折率ガイド並びに所謂利得ガイド（導波）が公知である。この場合屈折率もしくは増幅度が、ラテラル方向において、レーザ放射フィールドが前以て決められている幅のストライプ形式の領域においてのみ生成ないし増幅されるように変化される。しかし通例、屈折率ガイドまたは利得ガイドを有するこの形式のストラクチャは直線的な共振器にしか適していない。
【０００８】
これらの問題は、ポンピング放射源、殊にポンピングレーザの形の放射源が曲げられてまたは湾曲されて実現されているとき一段と深刻になる。この形式の曲げられたまたは湾曲された成形は例えば、複数のポンピング放射源が量子井戸構造をポンピングするのだが、ポンピング放射の、量子井戸構造への直線的な供給が、例えばスペース上の理由から可能ではないときに有利ということになる。その際殊に導波路ないしポンピング放射源の屈曲または湾曲の領域において放射損失が発生する可能性があり、このために素子の効率が著しく損なわれる。
【０００９】
全反射する導波路に対する択一例として、所謂フォトニックバンド構造の素子を使用することが公知である。これらの素子は、異なっている屈折率を有する材料の、１次元、２次元または３次元の格子形式の配置ないし配列を有しており、その際格子定数は、電磁波に対してバンドギャップを有するバンド構造が生じるように選択されている。この種の格子形式の配置のバンド構造はある観点においては、半導体結晶格子のバンド構造と所属の電子の波動関数について匹敵する。すなわち両者の場合とも、取り囲んでいる格子の周期性のために、波動ベクトルと所属のエネルギーとの間に、多数の（準）連続的な領域、いわゆる禁制帯またはバンドギャップによって相互に分離されているいわゆるバンドを多数持った関係が生じることになる。エネルギーがバンドギャップにある波動関数ないし電磁波は格子内では伝搬可能ではない。結晶格子とは異なって、フォトニックバンド構造の素子では格子形式の配置は個々の原子によってではなく、誘電体媒体の巨視的な配置によって形成される。
【００１０】
この原理に基づいている、フォトニックバンド構造のエレメントを有する湾曲された光導波路は例えばＵＳ６１３４３６９から公知である。
【特許文献１】ＤＥ１００２６７３４
【特許文献２】ＵＳ６１３４３６９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、殊に量子井戸構造の光学的なポンピングに適している、改善されたラテラルなガイドを有している半導体レーザを提供することである。
【００１２】
更に、改善された光ポンピング半導体装置を提供したい。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この課題は請求項１の特徴部分に記載の構成を有する半導体レーザ並びに請求項５ないし請求項７の特徴部分に記載の光ポンピングされる半導体レーザ装置によって解決される。
【００１４】
本発明の有利な発展形態は従属請求項の対象である。
【００１５】
本発明の第１の実施形態において、半導体レーザは凹入部の周期的な配置を有している半導体基体を備えているかまたはその半導体基体に半導体領域の周期的な配置が形成されており、その際半導体レーザによって生成される放射は周期的な配置内では伝搬不能であり、かつ半導体レーザの共振器はラテラル方向において周期的な配置が欠けている。すなわち共振器は周期的な配置によってラテラルに定められており、その際周期的な配置は共振器の外側に実現されておりかつ共振器をラテラルに制限している。
【００１６】
有利には曲げられたまたは湾曲した共振器軸線を有している共振器が実現されている。公知の半導体レーザ、例えば屈折率または利得ガイドを有している半導体レーザに比べて本発明の半導体レーザは放射損失が僅かであるという特長を有している。更に、共振器が周期的な配置の欠落によって確定されることによって、共振器の多様な形状化が有利にも僅かな技術コストで可能になる。というのは、共振器の領域において半導体基体中に凹入部を形成しなければいいだけであるからである。
【００１７】
更に、半導体レーザによって生成される放射が伝搬不能である領域の形成のために、まず第１に、異なった屈折率を有する帯域の格子形式の周期的な配置構成が実現される。このために、一方において半導体基体中に周期的なに配置されている凹入部を形成することができる。他方において、半導体領域そのものを格子形式に周期的に配置することもでき、その際これら半導体領域は適当な中間空間、例えば繋がっている凹入部によって相互に分離されている。従って第２の変形形態は、半導体領域および凹入部が入れ替わっている、第１の変形形態の反転された形態であるといえる。両方の場合とも、本発明の有利な発展形態において、凹入部ないし中間空間には屈折率が半導体基体の屈折率とは異なっている充填材料、例えば誘電体またはその他の半導体材料が充填されている。
【００１８】
更に本発明の枠内において、量子井戸構造を含んでいるバーチカル放出器を備えている光ポンピングされる半導体装置において、バーチカル放出器の量子井戸構造は本発明の半導体レーザによって光ポンピングされる。上述したように、有利にも光損失が僅かであるということに基づいて、これら半導体レーザは光ポンピングされる半導体装置に対するポンピング放射源として特別に適している。
【００１９】
本発明において量子井戸構造およびポンピングレーザと一緒にバーチカル放出器をモノリシックに集積して実現すると有利であり、こうすればポンピングすべき量子井戸構造およびポンピングレーザは１つの共通な基板にエピタキシャル成長されている。
【００２０】
本発明の有利な発展形態において、量子井戸構造は複数の半導体レーザによってポンピングされ、その際ポンピングレーザの少なくとも１つは曲げられたまたは湾曲された共振器軸線を持った共振器を有している。凹入部ないし半導体領域のこのような周期的な配置によるラテラルな制限に基づいて、ポンピングレーザのこのような曲げられたまたは湾曲された形態においても光損失は有利にも小さく保持される。更にこの場合、量子井戸構造に対する多数のポンピングレーザの有利なスペース節約形の配置が可能である。
【００２１】
本発明の別の実施形態において、量子井戸構造を含んでいるバーチカル放出器と、該量子井戸構造を光ポンピングするためのビームを生成するポンピングビーム源とを備えている光ポンピングされる半導体装置において、ポンピングビームは、少なくとも部分的に凹入部または半導体領域の周期的な配置によってラテラルな方向に制限されている導波路を用いて、この配置内ではポンピングビームが伝搬しないように、量子井戸構造に入力結合される。更に、周期的な配置による導波路のラテラルな制限によって、損失の少ない曲げられたまたは湾曲された導波路を実現することができる。
【００２２】
本発明の枠内において個々の実施形態を組み合わせることもできるのは勿論のことであり、その場合には例えばポンピング放射源として、ポンピング放射が上に述べてきた、凹入部または半導体領域の周期的な配置によってラテラル方向に制限されている導波路を用いて量子井戸構造にガイドされる本発明の半導体レーザが使用される。特別有利には、この形式の装置は光ポンピングされる量子井戸構造、導波路および場合によってポンピングレーザとともにモノリシックに集積されて実現されている。
【００２３】
本発明のその他の特徴、利点および合目的性は図１ないし７と関連した本発明の実施例の以下の説明から明らかである。
【実施例】
【００２４】
次に本発明を図示の実施例に付き詳細に説明するが、図中同じまたは同じ作用をするエレメントには同一の参照番号が付されている。
【００２５】
図１に図示の半導体レーザは、多数の凹入部（穴）２が形成されている半導体基体１を有している。これら凹入部は格子形状に周期的に配置されており、その際格子間隔は、半導体レーザによって生成される放射がこの配置内では伝搬可能ではないように選択されている。その際２つの隣接する凹入部間の間隔は有利には、レーザビームの波長のオーダ、例えばレーザビームの１／２波長またはその１／４波長の領域にある。間隔に対して基準となるのは、半導体基体における波長、すなわち２つの隣接する凹入部間の光路長である。
【００２６】
これに対する詳細は上に掲げた刊行物ＵＳ６１３４３６９から読み取ることができる。図１は縮尺通りではなくかつ殊に凹入部の間隔および大きさは縮尺通りに再現されてはいないことは勿論である。更に本発明の枠内において、別の格子タイプの格子形式の配置も、例えば六角形、菱形または三角形の格子の形式に従って２次元に設けることができる。相応のことは３次元の格子形式の配置に対しても当てはまる。
【００２７】
半導体レーザの共振器３はストライプ形状の領域として実現されている。この領域では凹入部の周期的な配置が中断されている。周期的な配置の存在していないこのストライプ形状の領域では、生成されるべきレーザ放射は伝搬可能であり、その結果共振器鏡面として用いられる側面４および５の間に、レーザ放射フィールドが形成されることになる。
【００２８】
従って共振器軸線Ａ−Ａに対して垂直である共振器のラテラルな制限は、電磁波に対してバンドギャップを有するバンド構造を形成するそれぞれの周期的な、凹入部の配置によって形成され、その際周期的な配置の格子定数は、生成されるべき電磁波のエネルギーないし波長がバンドギャップ内にあるように選択されている。これにより、効率よく、しかも有利にも損失のない、半導体レーザの側方の制限が実現される。
【００２９】
図２には、本発明の光ポンピングされる半導体装置の実施例が示されている。図１に図示の実施例の場合と同様に、凹入部２が格子形式に周期的に配置されている半導体基体１が設けられており、ここではストライプ形式の領域は凹入部が存在しておらずかつ半導体レーザの共振器３を形成している。この半導体レーザは、光ポンピングされる、レーザ共振器３に配置されているバーチカル放出器１３のバーチカル放出量子井戸構造７に対するポンピングレーザ１６として用いられる。
【００３０】
その際ポンピングレーザ１６の共振器を形成するストライプ形状に切り欠かれている領域の幅は、生成されるポンピング放射６ができるだけ完全に量子井戸構造７内に入力結合されるように選定されている。
【００３１】
図３において、この光ポンピングされる半導体装置の、図２に図示のラインＡ−Ａに沿って見た断面が示されている。半導体基体１は複数のエピタキシャル層の形で基板８上に成長したものである。殊に、半導体基体１は放射放出活性層９を含んでいる。
【００３２】
基板８の表面ないしエピタキシャル層の層平面に対して垂直に延在している多数の凹入部２はエピタキシャル層を貫通している。図２に示されているように、これら配置はこの層平面において周期的に格子形状に配置されておりかつ半導体レーザの共振器３をラテラル方向で制限している。共振器３の領域において半導体基体の上側に、第１のコンタクト金属化部１０および対向して半導体基体とは反対側の基板側に第２のコンタクト金属化部１１が実現されていて、半導体レーザの給電を行うようになっている。この場合にも、凹入部、その間隔および共振器３の幅は凹入部の寸法および配置に比較して縮尺通りに図示されていないことは勿論である。更に凹入部は、基板の表面に対して必ずしも直交している必要のない別の方向にも延在していて構わない。
【００３３】
図４には、図２に図示の光ポンピングされる半導体装置の、共振器軸線Ｂ−Ｂに沿った縦断面が示されている。バーチカル放出器１３は量子井戸構造７およびバーチカル方向に後置されているミラー構造１４を有している。ミラー構造は有利にはブラッグミラーとして実現されている。バーチカル放出器によって生成されるビーム１２は基板８を通って放射される。有利にはＶＥＣＳＥＬ（Vertical External Cavity Surface emitting Laser）を実現するために外部のミラー１５を設けることができる。
【００３４】
真ん中に実現されているバーチカル放出器１３に側方でそれぞれ、ポンピングレーザ１６の領域が続いている。ポンピングレーザ１６は活性層９を有している。活性層は第１の導波路層１８と第２の導波路層１９との間に配置されており、その際２つの導波路層１８および１９はバーチカル方向においてポンピングレーザ１６に対する導波路を形成している。この導波路はここでも、バーチカル方向において後置されている２つの被覆層１５および１６の間に配置されている。
【００３５】
ポンピングビームの効率よい入力結合のために、この形式の光ポンピングされる半導体装置では、バーチカル放出器１３の量子井戸構造７およびポンピングレーザの活性層９を基板表面とほぼ同じ高さの所に配置すると特別有利であり、その際正確に同じ高さが有利であるが、そうである必要は必ずしもない。このためにポンピングレーザ１６において基板にバッファ層１７が成長される。この層はとりわけ、ポンピングレーザ１６の量子井戸構造７と活性層９との間の高さの差を補償する。共振器ミラーとして図示の光ポンピングされる半導体装置ではそれぞれ半導体基体１の外側の側面４および５が用いられる。
【００３６】
ポンピングレーザ１６の共振器の外部に、半導体基体１に凹入部２が形成されている。これらはエピタキシャル層をバーチカル方向に基板まで通じており、かつ図２に図示されているように、エピタキシャル層の層平面において格子形式に周期的に、ポンピングレーザ１６によって生成される放射がこの周期的な配置内では伝搬可能でないように配置されている。これにより、ポンピングレーザ１６の上述の、損失の少ない、有利はラテラル方向の制限が実現される。
【００３７】
図５には、本発明の光ポンピングされる半導体装置の第２の実施例が示されている。この実施例は実質的に、図２に図示の実施例に相応しているが、共振器軸線Ｃ−Ｃが曲げられて実現されている、量子井戸構造７を備えているバーチカル放出器１３をポンピングするための半導体レーザが設けられている点で相異している。ここでも、半導体基体には格子形式に周期的な、凹入部の配置が設けられているが、ここでの凹入部は共振器軸線Ｂ−Ｂに沿ってストライプ形状でかつ曲げられている領域において欠けている。凹入部のこの格子形式に周期的な配置はこれまでの実施例の場合のようにバンドギャップを有するバンド構造を形成しているので、半導体レーザによって生成されるポンピング放射は周期的な配置内では伝搬不能である。ここでの特別な利点は、共振器の図示の曲げられている形態においても共振器領域内でのこの周期的な配置ないし相応の非配置個所を用いて損失の少ないラテラル方向の制限が可能になることである。
【００３８】
図６には本発明の光ポンピングされる半導体装置の第３に実施例が示されているが、これは宇５に図示の実施例の変形例に相応する。図５の実施例の場合と同様に、周期的に配置されている凹入部２並びに量子井戸構造７およびポンピング放射源２０を備えているバーチカル放出器１３を持った半導体基体１が設けられており、その際ポンピング放射源２０によって生成されるポンピング放射２１は導波路２２を用いてバーチカル放出器１３の量子井戸構造７に入力結合される。この導波路２２はストライプ形式に曲げられている領域によって形成され、この領域において凹入部の周期的な配置は欠けているもしくはこの領域は凹入部の周期的な配置によって側方で制限される。この周期的な凹入部配置によるラテラル方向の制限により導波路２２をこのように曲げて実現すれば、ポンピングビーム２１のビーム損失は僅かであるという特長が得られる。更に、特別な技術コストをかけずとも凹入部の周期的な配置に相応な形を有する切欠部分を設けることで別の導波路形状もしくは経過も作製可能である。
【００３９】
図７には、中央に実現されているバーチカル放出器１３の量子井戸構造７を共通にポンピングする、複数のポンピングレーザ１６ａ，１６ｂ…１６ｍを有する本発明の光ポンピングされる半導体装置の第４の実施例が示されている。半導体基体１に、これまでの実施例の場合と同様に、凹入部２の周期的な配置が形成されているが、ここではこれはそれぞれ、ポンピングレーザ１６ａ，１６ｂ…１６ｍの共振器に沿ってストライプ形状の領域において切り欠かれている。その際ポンピングレーザ１６ａ，１６ｂ…１６ｍは図２の図示の実施例の場合のように部分的に直線状にかつ部分的に湾曲されないし曲げられて図５に図示の実施例に相応して実現されている。
【００４０】
このような形式および仕方において多数のポンピングレーザをスペースを節約して配置することができる。同時に、ポンピング放射はバーチカル放出器の量子井戸構造に効率よく入力結合される。このために殊に、ポンピングレーザの部分的に湾曲または曲げられた実現が有利である。
【００４１】
本発明を図示の実施例に則して説明してきたが勿論本発明をこれに制限するものではない。それどころか、実施例の個々のエレメントおよび局面は本発明の枠内において組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の半導体レーザの実施例の平面略図
【００４３】
【図２】本発明の半導体レーザの第１実施例の平面略図
【００４４】
【図３】図２に図示の実施例をＡ−Ａに沿って切断して見た断面略図
【００４５】
【図４】図２に図示の実施例をＢ−Ｂに沿って切断して見た断面略図
【００４６】
【図５】本発明の光ポンピングされる半導体装置の第２の実施例の平面略図
【００４７】
【図６】本発明の光ポンピングされる半導体装置の第３の実施例の平面略図
【００４８】
【図７】本発明の光ポンピングされる半導体装置の第４の実施例の平面略図
【符号の説明】
【００４９】
１  半導体基体
２  凹入部
３  共振器
４，５  側面
６  ポンピング放射
７  量子井戸構造
９  放射放出活性層
１３  バーチカル放出器
１４  ミラー構造
１５，１６  被覆層
１６  ポンピングレーザ
１７  バッファ層
１８，１９  導波路層
２０  ポンピング放射源
２１  ポンピング放射
２２  導波路
【図１】
2004266280.tif 000003
【図２】
2004266280.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004266280.tif 000006
【図５】
2004266280.tif 000007
【図６】
2004266280.tif 000008
【図７】
2004266280.tif 000009