(57)【要約】  端面発光型半導体レーザおよび端面発光型半導体レーザの動作方法。一実施形態において、端面発光型半導体レーザ（１）はレーザ放射（Ｌ）を生成するための活性領域（２２）を備える半導体積層体（２）を有する。レーザ放射（Ｌ）の取り出しおよび／または反射のためのファセット（３）が半導体積層体（２）に形成される。ファセット（３）を損傷から保護するために、保護積層体（４）がファセット（３）に直接配置される。保護積層体（４）は、半導体積層体（２）から離れる方向において、単結晶開始層（４１）と、少なくとも１つの第１４族の材料を含む中間層（４２）と、窒化物、酸化物または酸窒化物からなる少なくとも１つの仕上げ層（４３）とを備える。開始層（４１）と中間層（４２）と仕上げ層（４３）とは、互いに異なる材料系から製造される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌＩｎＧａＡｓの材料系からなり、かつレーザ放射（Ｌ）を生成するための活性領域（２２）を備える半導体積層体（２）と、
前記レーザ放射（Ｌ）を取り出すおよび／または反射するための、前記半導体積層体（２）上のファセット（３）と、
前記ファセット（３）を損傷から保護するための、前記ファセット（３）に直接接する保護積層体（４）と、を備える
端面発光型半導体レーザ（１）であって、
前記保護積層体（４）は、前記半導体積層体（２）から離れる方向において、以下に示された順序で
第１２族および第１６族材料の単結晶開始層（４１）と、
Ｓｉの中間層（４２）であって、仕上げ層（４３）に面する側において酸化される中間層（４２）と、
Ａｌ、Ｓｉおよび／またはＴａと、Ｏおよび任意でＮと、で構成されることで、前記開始層（４１）とも前記中間層（４２）とも異なる材料系からなる、少なくとも１つの前記仕上げ層（４３）を有する、
端面発光型半導体レーザ（１）。
【請求項２】
前記中間層（４２）は、Ｓｉで構成される正確に１つのサブ層（４４）を有するように、Ｓｉおよびその酸化物からなる、
請求項１に記載の半導体レーザ（１）。
【請求項３】
前記開始層（４１）はＺｎＳｅまたはＺｎＳからなり、
前記仕上げ層（４３）はアモルファスＡｌ２Ｏ３からなる、
請求項２に記載の半導体レーザ（１）。
【請求項４】
前記中間層（４２）の厚さは１ｎｍ以上かつ５ｎｍ以下の間である、
請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ（１）。
【請求項５】
前記開始層（４１）の厚さは１０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下の間、および／または前記仕上げ層（４３）の厚さの１０％以上かつ４０％以下の間であり、
前記仕上げ層（４３）の厚さは２５ｎｍ以上かつ５００ｎｍ以下の間であり、
前記開始層（４１）の厚さは前記中間層（４２）の少なくとも３倍である、
請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ（１）。
【請求項６】
前記保護積層体（４）が前記レーザ放射（Ｌ）を取り出すための、前記半導体レーザ（１）の出力側（１１）に配置されることで、前記保護積層体（４）は公差が最大でλ／１６の光学的厚さ（１＋Ｎ）λ／４を有する反射防止層として構成されており、
ここで、Ｎは０以上の整数かつλは前記レーザ放射Ｌの最大強度の波長である、
請求項１〜５のいずれかに記載の半導体レーザ（１）。
【請求項７】
前記保護積層体（４）が前記レーザ放射（Ｌ）を反射するための、前記半導体レーザ（１）の反射側（１２）に配置されており、
前記保護積層体（４）は、前記レーザ放射（Ｌ）用のブラッグミラー（５）に含まれる、
請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ（１）。
【請求項８】
前記ブラッグミラー（５）は、高屈折層（５１）と低屈折層（５２）とのペア層である３ペア以上かつ８ペア以下のペア層（５ａ、５ｂ）を有しており、
異なる材料組成の、少なくとも２種類の層ペア（５ａ、５ｂ）が存在する、
請求項７に記載の半導体レーザ（１）。
【請求項９】
正確に１つの前記開始層（４１）と、正確に１つの前記中間層（４２）と、正確に１つの前記仕上げ層（４３）とは、お互いに接しながら続く、
請求項１〜８のいずれかに記載の半導体レーザ（１）。
【請求項１０】
前記半導体レーザ（１）は、Ｍ個の仕上げ層（４３）とＭ−１個の中間層（４２）とを有しており、Ｍは３以上の整数であって、
各中間層（４２）は１つずつ２つの隣接する仕上げ層（４３）の間に直接配置され、
前記仕上げ層（４３）の１つは前記開始層（４１）に直接配置される、
請求項１〜８のいずれかに記載の半導体レーザ（１）。
【請求項１１】
前記半導体レーザ（１）は、Ｊ個の仕上げ層（４３）とＪ個の中間層（４２）とを有しており、Ｊは２以上の整数であって、
前記中間層（４２）と前記仕上げ層（４３）とはそれぞれ直接互いに連続しており、
前記中間層（４２）の１つは前記開始層（４１）に直接配置される、
請求項１〜８のいずれかに記載の半導体レーザ（１）。
【請求項１２】
前記レーザ放射（Ｌ）の平均発光出力が少なくとも８Ｗであるように構成される前記半導体レーザ（１）であって、
動作期間中に、前記保護積層体（４）を備える前記ファセット（３）におけるエネルギー密度は、少なくとも部分的に、少なくとも６ＭＷ／ｃｍ２である、
請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体レーザ（１）。
【請求項１３】
前記中間層（４２）は、生成された前記レーザ放射（Ｌ）を吸収するように機能し、
前記中間層（４２）における前記レーザ放射（Ｌ）の吸収は、動作時間が長くなるにつれ減少する、
請求項１〜１２のいずれかに記載の半導体レーザ（１）の動作方法。
【請求項１４】
前記中間層（４２）が、動作時間が長くなるにつれて前記仕上げ層（４３）に面する側から酸化され、
前記中間層（４２）は部分的にのみ酸化する、
請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
端面発光型半導体レーザを特定する。また、このような半導体レーザの動作方法を特定する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１において、ファセットが不動態化されたオプトエレクトロニクス半導体レーザが特定されている。
【０００３】
特許文献２は、高出力レーザダイオードの不動態化に関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０２５７４６６号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２００９０５４９１２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
達成しようとする目的は、高い光出力において耐用期間の長い半導体レーザを特定することである。
【０００６】
本目的を、とりわけ、独立特許請求項の特徴を用いた、半導体レーザおよび動作方法により達成する。従属請求項は選択的な発展形態を対象とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザは端面発光型レーザである。すなわち、例えば、動作中に生成したレーザ放射は、半導体レーザの半導体積層体の成長方向に対し、基本的に垂直に誘導される。半導体レーザの発光表面は、成長方向に対して平行または略平行に配列できる。特に、半導体レーザ内の共振器経路は、成長方向に対し垂直に延びている。
【０００８】
少なくとも１つの実施形態によれば、半導体積層体はレーザ放射を生成するように構成される。この目的のために、半導体積層体は、１つ以上の活性領域を備えることが好ましい。少なくとも１つの活性領域において、レーザ放射は電荷キャリアの再結合、すなわち電界発光により生成される。
【０００９】
半導体積層体は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体材料に基づくことが好ましい。例えば、半導体材料は、ＡｌｎＩｎ１−ｎ−ｍＧａｍＮなどの窒化物化合物半導体材料、ＡｌｎＩｎ１−ｎ−ｍＧａｍＰなどのリン化物化合物半導体材料、またはＡｌｎＩｎ１−ｎ−ｍＧａｍＡｓまたはＡｌｎＧａｍＩｎ１−ｎ−ｍＡｓｋＰ１−ｋなどのヒ化物化合物半導体材料である。ここでそれぞれの材料において、０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦１およびｎ＋ｍ≦１であり、０≦ｋ＜１が成り立つ。半導体積層体の少なくとも１つの層またはすべての層について、０＜ｎ≦０．８、０．４≦ｍ＜１、ｎ＋ｍ≦０．９５および０＜ｋ≦０．５が成り立つことが好ましい。半導体積層体は、ドーパントおよび追加の成分を含んでもよい。しかしながら簡略化のため、少量の他の物質によって部分的に置換および／または補充可能ではあるが、半導体積層体の結晶格子の必須成分、すなわち、Ａｌ、Ａｓ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ、またはＰのみを示す。
【００１０】
半導体積層体はすでに定義したようなＡｌＩｎＧａＡｓ材料系に基づくことが好ましい。
【００１１】
少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザは半導体積層体において、少なくとも１つのファセット（ｆａｃｅｔ）を備える。このファセットはレーザ放射を取り出すおよび／または反射するように構成される。特に、レーザ放射のための共振器を画定する、半導体積層体の互いに反対側にある表面に、２つのファセットが存在する。
【００１２】
少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザは１つ以上の保護積層体を含む。この少なくとも１つの保護積層体はファセットを損傷から保護するために構成される。保護積層体はファセットに直接配置されることが好ましい。レーザ放射を取り出すおよび／または反射するように構成されたファセットのそれぞれに、保護積層体を施すことも可能である。
【００１３】
少なくとも１つの実施形態によれば、保護積層体は開始層を備える。開始層は単結晶層であることが好ましい。特に、開始層は、一定の厚さを有するように製造された、構造化されていない連続層である。例えば、開始層は分子線エピタキシー法、略してＭＢＥによって製造される。
【００１４】
少なくとも１つの実施形態によれば、開始層は半導体積層体のファセットに直接配置される。従って、開始層は半導体積層体に直接接触しうる。
【００１５】
少なくとも１つの実施形態によれば、保護積層体は中間層を有する。中間層は開始層よりもファセットから離れている。中間層は、少なくとも１つの、周期表第１４族の材料を有するか、またはその材料で構成される。特に、中間層は、正確に１つの第１４族の材料で構成されるサブ層を備える。中間層は、例えば、スパッタリングにより製造される。
【００１６】
少なくとも１つの実施形態によれば、保護積層体は仕上げ層を有する。仕上げ層は、開始層や中間層よりもファセットから離れている。
【００１７】
少なくとも１つの実施形態によれば、仕上げ層は、窒化物、酸化物、酸窒化物の材料種類の１つを有するか、またはその材料で構成される。
【００１８】
少なくとも１つの実施形態によれば、開始層と中間層と仕上げ層とは、それぞれ異なる材料系の材料で作られる。異なる材料系とは、例えば、異なる主要材料成分が存在することを意味する。主要材料成分とは、特に、それぞれの材料の必須の結晶形成成分である。特に、開始層と仕上げ層は第１４族の材料を含まない。これは、周期表第１４族の材料が、最大でも不純物の濃度で、開始層および／または仕上げ層に選択的に存在することを意味する。さらに、これは特に、開始層が酸化物、窒化物、または酸窒化物ではないことを意味する。特に、開始層は硫化物、セレン化物またはテルル化物である。
【００１９】
少なくとも１つの実施形態において、端面発光型半導体レーザはレーザ放射を生成するための活性領域を備える半導体積層体を有する。レーザ放射の取り出しおよび／または反射のために、ファセットが半導体積層体に形成される。ファセットには、ファセットを損傷から保護するための保護積層体が直接接する。保護積層体は、半導体積層体から離れる方向において、単結晶開始層と、少なくとも１つの第１４族の材料を含む中間層と、窒化物、酸化物または酸窒化物からなる少なくとも１つの仕上げ層とを有する。開始層と中間層と仕上げ層とは、互いに異なる材料系から製造される。
【００２０】
ここで記載する半導体レーザは、特に、中間層が開始層を仕上げ層の汚染物質から保護するという考えに基づくものである。こうすることで、半導体レーザの耐用期間を特に長くすることができる。半導体レーザは、数ワットの範囲の高い光出力を持つ近赤外レーザが好ましい。
【００２１】
端面発光型半導体レーザのミラーまたは共振器ミラーは、典型的には、結晶面に沿って分割された、半導体結晶の平行面であるファセットから形成される。このような高い光出力レーザの動作中に、ミラーの領域で半導体材料が徐々に劣化していく。劣化は、特に、電荷キャリアの吸収と非放射再結合により、ファセット領域が加熱することで加速する。
【００２２】
ファセットにおいて温度が上昇すると、不利なことにバンドギャップが低下し、ファセットの材料変化、特に酸化が進み、さらには結晶内に欠陥が形成されることになる。こうしてさらに吸収と非放射再結合が増加する。これによりさらに加熱が進み、より多くの材料欠陥が形成され、吸収と加熱が増加する結果となる。バンドギャップの減少は、ファセットにおいて電流が集中し光子がより吸収されることにもつながり、結果、加熱がさらに増大することで、電流がより集中するとともにバンドギャップがより減少する。
【００２３】
レーザファセットが十分に安定化されていないと、多くの場合、上記の自己増強型の経年劣化プロセスによって、突然に致命的な光学的損傷（ＣＯＤ）が起こる。このような損傷は、特に半導体材料の急速な過熱と融解が原因となって起きるものであり、半導体レーザの破壊へとつながる。このようなメカニズムにより、要求される耐用期間の間に半導体レーザの動作可能な最大光出力が制限される。
【００２４】
割裂によって生成された半導体ファセットの表面相におけるレーザ光の吸収は、ファセットの劣化に大きくかかわってくる。この吸収を防ぐために、レーザ放射の吸収につながるファセットの表面の開結合は飽和し、すなわち光学的に不動態化する必要がある。割裂された半導体ファセットに直接施す材料の選択は重要である。この半導体ファセットに直接接する材料は、開始層で形成される。
【００２５】
最も単純には、開始層は、スパッタリングなどの物理的堆積によって施されるアモルファス層であり、それだけですでに端面発光型半導体レーザの耐用期間を延ばすことができる。しかし、アモルファス層は、高いレーザ出力、すなわち高いファセットの負荷に対して十分ではない。そのため、半導体レーザの開始層は、特に分子線エピタキシー法により単結晶として成長させる。これにより、開始層の材料を半導体結晶の表面原子へ結合させることがさらにできるようになり、開結合の飽和が改善される。
【００２６】
特に環境からの水分に対するバリアとして、また所望のファセット反射率へと調整するために、単結晶層に続いて、仕上げ層に相当する１つ以上のアモルファス誘電体層が、通常はすぐに施される。仕上げ層の材料は、レーザ放射を吸収しないように、レーザ放射の波長範囲において透明であることが好ましい。
【００２７】
ここに記載される半導体レーザでは、中間層がさらに挿入され、この中間層は、開始層と少なくとも１つの仕上げ層との間に直接配置されることが好ましい。こうすることで半導体ファセットの経年劣化を大きく遅らせることができ、半導体レーザの耐用期間は大幅に延びる。中間層には特に、開始層と仕上げ層との間の機械的張力を減少させる効果が可能であり、接着性と安定性を改善することができる。
【００２８】
さらに、中間層を使用することで、特に水分など環境からの物質だけではなく、仕上げ層内の汚染物質が、開始層を通じて半導体材料へ拡散するのを防ぐことができる。
【００２９】
さらには、開始層へ中間層をあてがうことにより、好ましくは単結晶である開始層の表面状態を効果的に飽和できる。こうして、開始層のバンドギャップのエネルギー範囲内におけるレーザ光を吸収することで、ファセットの加熱と劣化につながりかねない相の形成を防止することができる。
【００３０】
開始層を通して拡散するこのような汚染物質は、吸収性のある結晶欠陥を起こしかねない。こういった汚染物質は、例えばスパッタリングイン（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ−ｉｎ）としても知られるが、スパッタリングシステム、例えばイオンビーム源やスパッタチャンバの壁からの材料の意図しない導入などの製造プロセスによって主に引き起こされる。加えて、使用する出発物質内の不純物から低レベルの汚染が起きることもある。
【００３１】
厚さが数ｎｍしかない、シリコンなど第１４族材料の層は、効果的な中間層であることが証明されている。特に開始層および仕上げ層の材料と比較して、レーザ放射の波長における吸収が中間層は比較的高いにもかかわらず、驚くべきことに半導体レーザの耐用期間は大幅に増加する。しかしながら、この吸収があるために中間層は薄くなければならない。
【００３２】
あまり好ましくない構成において、中間層は炭素で形成されるか、または主成分として炭素を含むことができる。この場合、中間層はダイヤモンド層として存在しないことが好ましい。
【００３３】
少なくとも１つの実施形態によれば、開始層は（第１２族）（第１６族）の材料から作られる。第１２族の材料は、特に亜鉛またはカドミウムであり、第１６族の材料は、特に硫黄、セレンまたはテルルである。ＺｎＳまたはＺｎＳｅからなる開始層が好ましい。
【００３４】
少なくとも１つの実施形態によれば、中間層は、シリコン、ゲルマニウム、酸化シリコンおよび／または酸化ゲルマニウムから作られる。特に、中間層は、シリコンと二酸化シリコンなどの酸化シリコンの層である。中間層には、少なくともあるいは正確に１つの、第１４族の材料で構成されるサブ層が存在する。中間層の場合、正確に１つの第１４族の材料だけが堆積され、その後部分的に酸化されることで、１つまたは２つの第１４族酸化物のサブ層が形成されることが好ましい。「で構成される」とは、本段落および以下において、特に、１０１９  １／ｃｍ３または１０１８  １／ｃｍ３を超えない濃度の不純物が存在することを意味する。
【００３５】
少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの仕上げ層は、アルミニウム、シリコンおよび／またはタンタルを含む酸化物、窒化物または酸窒化物である。特に、仕上げ層または仕上げ層の１つまたはすべての仕上げ層は、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化タンタル、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウムおよび／または酸窒化シリコンから作られる。Ａｌ２Ｏ３の仕上げ層が好ましい。複数の仕上げ層がある場合、異なる材料から作ることも可能であるが、すべての仕上げ層が同じ材料から作られることが好ましい。
【００３６】
少なくとも１つの実施形態によれば、仕上げ層はアモルファス層である。特に仕上げ層はスパッタリングにより製造される。
【００３７】
少なくとも１つの実施形態によれば、仕上げ層はわずかに汚染されている。不純物はすべて合わせて、１０１６  １／ｃｍ３または１０１９  １／ｃｍ３または１０２１  １／ｃｍ３を超えない濃度で存在することが好ましい。不純物は、特に、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、および／またはＴｉなど、スパッタリングシステムの金属から形成される。炭素の汚染も発生する場合がある。
【００３８】
少なくとも１つの実施形態によれば、中間層は、仕上げ層に面する側において酸化される。すなわち、中間層が仕上げ層から酸化される可能性がある。特に、仕上げ層の酸素が使用される。例えば、仕上げ層の酸化アルミニウムまたは過剰の酸素が消費されることで、酸化シリコンまたは酸化ゲルマニウムが中間層に形成される。酸化は選択的に中間層を完全には貫通しないため、中間層の一部はシリコン部分層またはゲルマニウム部分層として残る。例えば、半導体レーザの動作時間にわたって、中間層は、製造直後の中間層の元の厚さの、少なくとも２０％または４０％まで、および／または最大８０％または６０％までが酸化する。
【００３９】
少なくとも１つの実施形態によれば、中間層の厚さは、少なくとも０．１ｎｍまたは０．２ｎｍまたは１ｎｍまたは２ｎｍまたは３ｎｍである。代わりに、またはさらに、中間層の厚さは５０ｎｍまたは２０ｎｍまたは１０ｎｍまたは６ｎｍまたは４ｎｍを超えない。中間層の厚さは、１．５ｎｍと３．５ｎｍの間が好ましい。
【００４０】
少なくとも１つの実施形態によれば、開始層の厚さは、少なくとも１０ｎｍまたは２０ｎｍである。代わりに、またはさらに、開始層の厚さは２００ｎｍまたは１００ｎｍまたは６０ｎｍを超えない。
【００４１】
少なくとも１つの実施形態によれば、開始層の厚さは、仕上げ層の厚さの少なくとも５％または１０％または１５％である。代わりに、またはさらに、開始層の厚さは仕上げ層の厚さの６０％または４０％または３０％を超えない。
【００４２】
少なくとも１つの実施形態によれば、仕上げ層の厚さは、少なくとも１５ｎｍまたは２５ｎｍまたは５０ｎｍである。代わりに、またはさらに、仕上げ層の厚さは１μｍまたは０．５μｍまたは２５０ｎｍを超えない。
【００４３】
少なくとも１つの実施形態によれば、開始層は中間層よりも厚い。開始層の厚さが、中間層の厚さの少なくとも３倍または５倍または７倍および／または最大で２０倍または１０倍を超えることが好ましい。
【００４４】
少なくとも１つの実施形態によれば、保護積層体は半導体レーザの、レーザ放射の取り出しを目的とした出力側に配置されている。そうして保護積層体は、反射を防止するように機能する層または反射防止層として構成されうる。全保護積層体の光学的厚さは、（１＋Ｎ）λ／４であることが好ましい。これは特に、光学的厚さに関して最大でλ／８またはλ／１６またはλ／３２の公差で適用される。
【００４５】
光学的厚さとは、関連する材料のそれぞれの屈折率が、上記の式内に明示的に示されることなく、あらかじめ考慮されていることを意味する。波長はレーザ放射の最大強度であり、Ｎは０以上の整数であり、Ｎ＝０またはＮ＝１が好ましい。このような層の反射率は０．１％以下にすることができる。
【００４６】
（１＋Ｎ）λ／４という反射防止層の理想的な厚さからの所望の偏差も、反射率を選択的に調整するために、特に増加させるために使用しうる。例えば、レーザ放射に対する保護積層体の反射率は、少なくとも０．５％または１％および／または最大で１０％または５％または２％である。
【００４７】
少なくとも１つの実施形態によれば、保護積層体は半導体レーザの、レーザ放射を反射するように設計された反射側に配置されている。すなわち、保護積層体を半導体レーザの共振器ミラーの上または中に配置できることを意味する。保護積層体は、共振器ミラーを形成するブラッグミラーに含まれることが好ましい。ブラッグミラーは、レーザ放射を反射するように配列され、レーザ放射に対して少なくとも９５％または９８％または９９．５％の反射率を有することが好ましい。
【００４８】
少なくとも１つの実施形態によれば、ブラッグミラーは、少なくとも３ペアまたは４ペアおよび／または最大２０ペアまたは１２ペアまたは８ペアまたは６ペアの層を含む。ペア層はそれぞれレーザ放射に対し、高屈折率の高屈折層と比較的低屈折率の低屈折層で構成される。例えば、上記の高屈折率と低屈折率との間の屈折率差は、少なくとも０．２または０．３または０．５および／または最大１．５または１または０．７である。４ペアの層で構成されるブラッグミラーが好ましい。
【００４９】
少なくとも１つの実施形態によれば、ブラッグミラーは、異なる材料組成を持つ２種類以上の層ペアを有する。例えば、１種類の層ペアは、レーザ放射に対して透明な材料のみから作られており、別の種類の層ペアは特に、レーザ放射を吸収する材料である高屈折層を備える。例えば、第１種類の層ペアは酸化アルミニウムと酸化タンタルまたは酸化チタンであり、第２種類の層ペアは酸化アルミニウムとシリコンである。
【００５０】
少なくとも１つの実施形態によれば、正確に１つの開始層と、正確に１つの中間層と、正確に１つの仕上げ層とが存在する。これらの層は、ファセットから始まり、記載された順序で続いていくことが好ましい。
【００５１】
少なくとも１つの実施形態によれば、Ｍ個の仕上げ層とＭまたはＭ−１個の中間層とが存在する。ここで、Ｍは３以上または２以上の整数、特にＭ＝３である。仕上げ層は、中間層の両側にそれぞれ配置されることが好ましい。すなわちどの場合も、２つの隣接する仕上げ層の間に中間層が存在することになる。さらに、中間層をファセットから最も遠い仕上げ層の側面に配置してもよい。
【００５２】
少なくとも１つの実施形態によれば、仕上げ層の１つは開始層に直接接している。この開始層に直接接している仕上げ層から始まって、残りの仕上げ層と中間層は交互に、かつ好ましくは直接接しながら保護積層体を形成する。
【００５３】
少なくとも１つの実施形態によれば、Ｊ個の仕上げ層とＪまたはＪ＋１個の中間層とが存在する。Ｊは２以上または３以上の整数であり、特にＪ＝３が成り立つ。中間層および仕上げ層は、交互におよび／または直接互いに続くことが好ましい。
【００５４】
少なくとも１つの実施形態によれば、中間層の１つは開始層に直接配置される。この中間層から始まって、他の中間層と仕上げ層は交互に、かつ好ましくは直接互いに接しながら、開始層から離れる方向において続く。
【００５５】
少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザは、レーザ放射の平均発光出力が少なくとも２Ｗまたは４Ｗまたは８Ｗであるように構成される。レーザ放射は、少なくとも２Ｗまたは４Ｗまたは８Ｗの平均発光出力で出射されうる。特に、平均発光出力は少なくとも１０Ｗまたは１３Ｗである。
【００５６】
少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザの計画された動作期間中に、少なくとも一時的にかつ少なくとも部分的に、保護積層体が配置されるファセットにおいて、少なくとも２ＭＷ／ｃｍ２または６ＭＷ／ｃｍ２および／または最大８ＭＷ／ｃｍ２または１２ＭＷ／ｃｍ２のエネルギー密度が存在する。従って、非常に高いエネルギー密度がファセットにおいて存在する。
【００５７】
少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザは近赤外放射を生成するように構成される。レーザ放射の最大強度の波長は、少なくとも８００ｎｍまたは８８０ｎｍまたは９００ｎｍおよび／または最大１３００ｎｍまたは１０５０ｎｍまたは９８０ｎｍであることが好ましい。特に、最大強度の波長は約９１０ｎｍである。
【００５８】
さらに、このような半導体レーザを動作させる、動作方法を特定する。したがって、半導体レーザの特徴も動作方法において開示されており、その逆も同様である。
【００５９】
少なくとも１つの実施形態において、少なくとも１つの中間層は、生成したレーザ放射を吸収する。特に中間層は、レーザ放射の最大強度の波長に対応するものよりも小さいバンドギャップを持つ材料を含む。中間層でのレーザ放射の吸収は、動作時間が長くなるにつれ減少する。
【００６０】
少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの中間層、好ましくはすべての中間層が、動作時間が長くなるにつれて仕上げ層に面する側から酸化される。中間層がそれぞれ１対１の対応関係で仕上げ層に割り当てられることが好ましい。
【００６１】
中間層が間に配置されるいくつかの仕上げ層がある場合、酸化はファセットの方向において、つまり開始層に向かってのみ進むこともできる。あるいは、ここで酸化は、中間層の両方の主面から、すなわちそれぞれの仕上げ層から始まって、開始層に向かう方向および開始層から離れる方向に進むこともできる。
【００６２】
少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザの計画された使用中に、中間層は部分的にのみ酸化する。これは、中間層の出発物質、特にシリコンあるいはゲルマニウムが、半導体レーザの動作時間にわたっても、少なくとも薄い部分層として、中間層に好ましくは連続的で中断のない層として残ることを意味する。特に中間層は、開始層に垂直な方向の、その伸びに対して最大８０％まで酸化する。
【００６３】
以下において、本明細書に記載される半導体レーザを、例示的実施形態によって図面を参照してより詳細に説明する。同一の参照符号は、それぞれの図において同じ要素を示す。基準尺は示されていないが、むしろ個々の要素はよりよい理解のために、大幅に強調された状態で示すことがある。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本明細書に記載の半導体レーザの例示的実施形態を表す概略断面図である。
【図２】本明細書に記載の半導体レーザの例示的実施形態を表す概略断面図である。
【図３】本明細書に記載の半導体レーザの例示的実施形態を表す概略斜視図である。
【図４】本明細書に記載の半導体レーザの例示的実施形態を表す概略断面図である。
【図５】本明細書に記載の半導体レーザの例示的実施形態を表す概略断面図である。
【図６】半導体レーザの光出力の概略時間曲線である。
【発明を実施するための形態】
【００６５】
図１は端面発光型半導体レーザ１の例示的実施形態を示す。レーザ放射Ｌを生成するための活性領域２２を備えた半導体積層体２が基板２１上で成長している。半導体積層体２を活性化するために、２つのメタライゼーション６が基板２１と半導体積層体２にそれぞれ取り付けられている。活性領域２２は、半導体積層体の成長方向Ｇに対し垂直に向いている。
【００６６】
半導体積層体２は、ウェハー複合体（ｗａｆｅｒ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）において成長する。半導体レーザ１の個片化が例えば、破断によって行われることで、ファセット３が半導体積層体２に形成される。特に、ファセット３は、半導体レーザ１の出力側１１に形成される。出力側１１においてレーザ放射Ｌは半導体レーザ１から出ていく。
【００６７】
保護積層体４は出力側１１のファセット３に配置される。保護積層体４は開始層４１、中間層４２、仕上げ層４３からなる。これらの層４１、４２、４３は、ファセット３から遠ざかる方向においてお互いに接しながら続く。ファセット３に直接接する開始層４１は、半導体積層体２の半導体材料の表面状態を不動態化する。中間層４２は、開始層４１と仕上げ層４３との間を接着し、また中間層４２は拡散バリアを形成する。環境からの水分に対して、半導体レーザ１をバリアする効果は、仕上げ層４３が提供する。
【００６８】
半導体積層体２はＡｌＩｎＧａＡｓ材料系に基づくことが好ましい。開始層４１は、ＭＢＥにより製造された厚さ２５ｎｍの単結晶ＺｎＳｅ層であることが好ましい。中間層４２は、特にＳｉが約２．５ｎｍの厚さでスパッタされる。仕上げ層４３は、例えば、同じくスパッタリングによって製造される、厚さ１１２ｎｍのアモルファスＡｌ２Ｏ３層である。
【００６９】
レーザ放射Ｌを吸収する材料から中間層４２を生成した後、部分酸化を行う。しばらくすると、中間層４２は第１４族のサブ層４４と第１４族酸化物のサブ層４５となる。半導体レーザ１の動作時間が長くなるにつれて、第１４族のサブ層４４の厚みは減少し、それに合わせて第１４族酸化物のサブ層４５の厚みが増大するが、それによって第１４族のサブ層４４が完全に酸化されるわけではない。その結果、中間層４２は、時間の経過とともにレーザ放射Ｌに対し次第に透明になる。
【００７０】
保護積層体４は、全体としてレーザ放射Ｌの反射防止層に相当する。保護積層体４の反射率は、例えば、約１％である。レーザ放射Ｌの最大強度の波長は、９１０ｎｍである。最大強度の他の波長においては、開始層４１および／または仕上げ層４３の厚さは、所望の反射率を達成するため波長に応じて調整される。
【００７１】
図２は半導体レーザ１の他の例示的実施形態を示す。保護積層体４は半導体レーザ１の、レーザ放射Ｌが反射される反射側１２に配置される。この目的のために、保護積層体４は、高屈折率を有する層５１と低屈折率を有する層５２とが交互に連続するブラッグミラー５の一部である。層５１、５２の光学的厚さはそれぞれλ／４であり、ここでλはレーザ放射Ｌの最大強度の波長である。
【００７２】
保護積層体４は、反射側１２のファセット３に最も近い、低屈折率を有する層５２を形成する。ブラッグミラー５は、異なる材料からなる２つの領域５ａ、５ｂを備える。領域５ａ、５ｂはそれぞれ、層５１、５２からなる正確に２対の層を有することが好ましい。ファセット３における領域５ａのさらなる低屈折層５２は、酸化アルミニウム層で形成されることが好ましい。領域５ａの高屈折層５１は、酸化タンタル層または酸化チタン層によって実現されることが好ましい。領域５ｂの高屈折層５１はシリコン層であり、領域５ｂの低屈折層５２は酸化アルミニウム層であることがやはり好ましい。
【００７３】
両方のファセット３、すなわち出力側１１および反射側１２の両方のファセットに、保護積層体４が設けられることが好ましい。
【００７４】
図３の例示的実施形態に係る半導体レーザ１は、数個の発光ユニット１０を有する。例えば、５つの発光ユニット１０のそれぞれは、図１または２に示されるような、半導体レーザ１で形成される。発光ユニット１０は、図３で発光ユニット１０間の破線で示されるように、半導体積層体２と基板２１に一体となるよう集積されている。あるいは、個々の発光ユニット１０を、隙間をはさんで互いに離間し、および／または図示はされていないがさらなるキャリアに実装してもよい。
【００７５】
例えば、発光ユニット１０はそれぞれ、同じ波長のレーザ放射Ｌを出射するように設計されている。各発光ユニット１０の光出力は、少なくとも１０Ｗであることが好ましい。発光ユニット１０は互いに構造が同一であってもよい。
【００７６】
図４の例示的実施形態には、いくつかの仕上げ層４３が存在する。隣接する仕上げ層４３の間にそれぞれ中間層４２が存在する。仕上げ層４３はすべて同一の構造であることが好ましい。選択的には中間層４２も同様である。半導体積層体２に最も近い仕上げ層４３は、開始層４１に直接続く。
【００７７】
中間層４２は、レーザ放射Ｌを吸収する材料で作られるため、中間層４２は非常に薄いものが選択される。保護積層体４における高いビーム強度と熱の発生により、特にシリコン中間層４２は、半導体レーザ１の動作中に酸化シリコンに変換され、図１に関連して説明したようにこの変換は関連する仕上げ層４３から始まる。この変換は、半導体レーザ１の最初の動作の数分で既にかなりの程度進みうるが、部分的には仕上げ層４３および中間層４２の形成中にも進みうる。したがって、保護積層体４０で覆った後の焼き戻し中に、かなり多くの割合で酸化がすでに起こっている。しかし、より大きな時間の尺度において酸化シリコンへのさらなる変換が起こる。こうして、動作する数百時間の時間尺度において、中間層４２を通って起こる吸収は、大幅に減少し続ける。これは、動作時間が長くなると、保護積層体４がレーザ放射Ｌをますます透過させやすくなることを意味する。
【００７８】
いくつかの中間層４２を使用することで、拡散バリアはより改善する。中間層４２の端部から各中間層４２を酸化することにより、例えば、数百時間の動作後に各中間層４２の約６０％までが酸化される。中間層４２の酸化は、特に１ｎｍから２ｎｍの範囲の非常に浅い深さまでしか進まない。多くの中間層４２を使用することにより、全体的なシリコン層の厚さを薄くしながら、良好なバリア効果を効果的に得ることができる。一方、単一の同じ材質からなるより厚いシリコン層では、相当低い程度までしか酸化せず、レーザ放射Ｌの吸収損失が高くなる。
【００７９】
図５の例示的実施形態には、いくつかの中間層４２およびいくつかの仕上げ層４３が存在する。開始層４１から始まって、中間層４２と仕上げ層４３の複数の対は、直接互いに接しながら交互に続く。特に、開始層４１に最も近い中間層４２によって、開始層４１への仕上げ層４３の接着が改善する。
【００８０】
図４同様、図５の例示的実施形態において、ファセット３から外方を向く保護積層体４の外側に、さらに図示されない中間層が配置されてもよく、これにより、保護積層体４の外部に対する境界を定める。
【００８１】
図６Ａおよび６Ｂでは、相対的な光出力Ｐが動作時間ｔに対してプロットされる。図３に示すような、それぞれ５つの発光ユニット１０を備えた半導体レーザ１を使用する。図６Ｂは、図１の例示的実施形態を、そこで記載した保護積層体４と共に参照する。図６Ａは、中間層４２がない以外は構造が同一である、参考半導体レーザを示す。
【００８２】
５つの発光ユニット１０（図３を参照）を６２Ａの合計電流で動作させ、一連の測定の開始時に６５Ｗの光出力が得られた。測定は室温２０℃で行った。
【００８３】
図６Ａによると、すべての発光ユニット１０は、動作約８００時間後に機能しなくなった。したがって、図６Ａからこの半導体レーザの耐用期間が約６００時間であることがわかる。対照的に、図６Ｂは、発光ユニットが動作２１７０時間まで機能し続けたことを示している。図６Ｂから、中間層４２のおかげで、少なくとも２１７０時間という耐用期間にまで大幅に伸びることがわかった。
【００８４】
特に指定のない限り、図に示されている構成要素は、示されている順序で直接互いに接しながら続く。図中、互いに接していない層は、互いに離れていることが好ましい。線がお互いに平行に描かれる限り、対応する表面も互いに平行であることが好ましい。また、特に指定のない限り、図示された互いの構成要素の相対位置は、図に正しく再現されている。
【００８５】
本明細書中に記載された発明は、例示的実施形態に基づく記載による例示的実施形態に限定されない。むしろ、本発明は、特許請求の範囲の特徴の組み合わせおよび例示的実施形態の特徴の組み合わせを特に含む、任意の新しい特徴および特徴の組み合わせを、この特徴またはこの組み合わせ自体が明示的に特許請求の範囲または例示的実施形態において特定されていなくても、包含する。
【００８６】
本特許出願は、独国特許出願第１０２０１７１１２６１０．４の優先権を主張し、その開示内容は参照によって本明細書に援用される。
【符号の説明】
【００８７】
１  半導体レーザ
１０  発光ユニット
１１  出力側
１２  反射側
２  半導体積層体
２１  基板
２２  活性領域
３  ファセット
４  保護積層体
４１  開始層
４２  中間層
４３  仕上げ層
４４  第１４族のサブ層
４５  第１４族酸化物のサブ層
５  ブラッグミラー
５１  高屈折層
５２  低屈折層
６  メタライゼーション
Ｇ  半導体積層体の成長方向
Ｌ  レーザ放射
Ｐ  光出力（％）
ｔ  時間（ｈ）
【図１】
2020522891.tif 000003
【図２】
2020522891.tif 000004
【図３】
2020522891.tif 000005
【図４】
2020522891.tif 000006
【図５】
2020522891.tif 000007
【図６】
2020522891.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】令和1年11月29日(2019.11.29)
【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】
ＡｌＩｎＧａＡｓの材料系からなり、かつレーザ放射（Ｌ）を生成するための活性領域（２２）を備える半導体積層体（２）と、
前記レーザ放射（Ｌ）を取り出すおよび／または反射するための、前記半導体積層体（２）上のファセット（３）と、
前記ファセット（３）を損傷から保護するための、前記ファセット（３）に直接接する保護積層体（４）と、を備える
端面発光型半導体レーザ（１）であって、
前記保護積層体（４）は、前記半導体積層体（２）から離れる方向において、以下に示された順序で
第１２族および第１６族材料の単結晶開始層（４１）と、
Ｓｉの中間層（４２）であって、仕上げ層（４３）に面する側において酸化される中間層（４２）と、
Ａｌ、Ｓｉおよび／またはＴａと、Ｏおよび任意でＮと、で構成されることで、前記開始層（４１）とも前記中間層（４２）とも異なる材料系からなる、少なくとも１つの前記仕上げ層（４３）を有する、
端面発光型半導体レーザ（１）。
【請求項２】
前記中間層（４２）は、Ｓｉで構成される正確に１つのサブ層（４４）を有するように、Ｓｉおよびその酸化物からなる、
請求項１に記載の半導体レーザ（１）。
【請求項３】
前記開始層（４１）はＺｎＳｅまたはＺｎＳからなり、
前記仕上げ層（４３）はアモルファスＡｌ２Ｏ３からなる、
請求項２に記載の半導体レーザ（１）。
【請求項４】
前記中間層（４２）の厚さは１ｎｍ以上かつ５ｎｍ以下の間である、
請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ（１）。
【請求項５】
前記開始層（４１）の厚さは１０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下の間、および／または前記仕上げ層（４３）の厚さの１０％以上かつ４０％以下の間であり、
前記仕上げ層（４３）の厚さは２５ｎｍ以上かつ５００ｎｍ以下の間であり、
前記開始層（４１）の厚さは前記中間層（４２）の少なくとも３倍である、
請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ（１）。
【請求項６】
前記保護積層体（４）が前記レーザ放射（Ｌ）を取り出すための、前記半導体レーザ（１）の出力側（１１）に配置されることで、前記保護積層体（４）は公差が最大でλ／１６の光学的厚さ（１＋Ｎ）λ／４を有する反射防止層として構成されており、
ここで、Ｎは０以上の整数かつλは前記レーザ放射Ｌの最大強度の波長である、
請求項１〜５のいずれかに記載の半導体レーザ（１）。
【請求項７】
前記保護積層体（４）が前記レーザ放射（Ｌ）を反射するための、前記半導体レーザ（１）の反射側（１２）に配置されており、
前記保護積層体（４）は、前記レーザ放射（Ｌ）用のブラッグミラー（５）に含まれる、
請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ（１）。
【請求項８】
前記ブラッグミラー（５）は、高屈折層（５１）と低屈折層（５２）とのペア層である３ペア以上かつ８ペア以下のペア層（５ａ、５ｂ）を有しており、
異なる材料組成の、少なくとも２種類の層ペア（５ａ、５ｂ）が存在する、
請求項７に記載の半導体レーザ（１）。
【請求項９】
正確に１つの前記開始層（４１）と、正確に１つの前記中間層（４２）と、正確に１つの前記仕上げ層（４３）とは、お互いに接しながら続く、
請求項１〜８のいずれかに記載の半導体レーザ（１）。
【請求項１０】
前記半導体レーザ（１）は、Ｍ個の仕上げ層（４３）とＭ−１個の中間層（４２）とを有しており、Ｍは３以上の整数であって、
各中間層（４２）は１つずつ２つの隣接する仕上げ層（４３）の間に直接配置され、
前記仕上げ層（４３）の１つは前記開始層（４１）に直接配置される、
請求項１〜８のいずれかに記載の半導体レーザ（１）。
【請求項１１】
前記半導体レーザ（１）は、Ｊ個の仕上げ層（４３）とＪ個の中間層（４２）とを有しており、Ｊは２以上の整数であって、
前記中間層（４２）と前記仕上げ層（４３）とはそれぞれ直接互いに連続しており、
前記中間層（４２）の１つは前記開始層（４１）に直接配置される、
請求項１〜８のいずれかに記載の半導体レーザ（１）。
【請求項１２】
前記レーザ放射（Ｌ）の平均発光出力が少なくとも８Ｗであるように構成される前記半導体レーザ（１）であって、
動作期間中に、前記保護積層体（４）を備える前記ファセット（３）におけるエネルギー密度は、少なくとも部分的に、少なくとも６ＭＷ／ｃｍ２である、
請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体レーザ（１）。
【請求項１３】
ＡｌＩｎＧａＡｓの材料系からなり、かつレーザ放射（Ｌ）を生成するための活性領域（２２）を備える半導体積層体（２）と、
前記レーザ放射（Ｌ）を取り出すおよび／または反射するための、前記半導体積層体（２）上のファセット（３）と、
前記ファセット（３）を損傷から保護するための、前記ファセット（３）に直接接する保護積層体（４）と、を備え、
前記保護積層体（４）は、前記半導体積層体（２）から離れる方向において、以下に示された順序で
第１２族および第１６族材料の単結晶開始層（４１）と、
Ｓｉの中間層（４２）であって、仕上げ層（４３）に面する側において酸化される中間層（４２）と、
Ａｌ、Ｓｉおよび／またはＴａと、Ｏおよび任意でＮと、で構成されることで、前記開始層（４１）とも前記中間層（４２）とも異なる材料系からなる、少なくとも１つの前記仕上げ層（４３）を有する、
端面発光型半導体レーザ（１）の動作方法であって、
前記中間層（４２）は、生成された前記レーザ放射（Ｌ）を吸収するように機能し、
前記中間層（４２）における前記レーザ放射（Ｌ）の吸収は、動作時間が長くなるにつれ減少する、
端面発光型半導体レーザ（１）の動作方法。
【請求項１４】
前記中間層（４２）が、動作時間が長くなるにつれて前記仕上げ層（４３）に面する側から酸化され、
前記中間層（４２）は部分的にのみ酸化する、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
活性領域（２２）を備える半導体積層体（２）と、
前記半導体積層体（２）上のファセット（３）と、
前記ファセット（３）に接する保護積層体（４）と、を備える
端面発光型半導体レーザ（１）であって、
前記保護積層体（４）は、
前記ファセット（３）に接する開始層（４１）と、
前記開始層（４１）に接する中間層（４２）と、
前記中間層（４２）に接する仕上げ層（４３）と、を備え、
前記中間層（４２）は、
前記開始層（４１）に接するシリコン層（４４）と、
前記仕上げ層（４３）に接する酸化シリコン層（４５）と、を備え、
前記仕上げ層（４３）は酸素を含む、
端面発光型半導体レーザ（１）。
【国際調査報告】
2020522891.tif 000009
2020522891.tif 000010
2020522891.tif 000011
2020522891.tif 000012
2020522891.tif 000013