JP2004509478A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

基板（１）上に、基板側から第１の外側導波槽（２）、第１の反射層（３）、活性層（５）を埋封した導波中核部（１１）、第２反射層（７）および第２の外側導波層（８）を施され、反共振的な導波管を有する半導体レーザを提供する。この層列を持つ半導体レーザは垂直方向の放射の発散が少なく、更に放射断面積が大きくて光出力が比較的大きな断面にわたり分布して結晶研摩面の熱負荷が低下するので、光出力の増大を図ることができる。

Description

【０００１】
本発明は、垂直方向の放射光の発散を低減させた半導体レーザに関する。
【０００２】
高い光出力を有する半導体レーザは、多くの用途に供されている。このような使用は、例えば医学における癌治療の際に、固体レーザによる光ポンピングの光通信工学に、また直接の材料加工時に見られる。半導体レーザはそのサイズの小ささ、その効率の良さ、電気的制御可能性及び価格的に有利な多数個の製造可能性の故に、それらの使用に特に適している。
【０００３】
特に放射波長８０８ｎｍの半導体レーザは、Ｎｄ：ＹＡＧ−固体レーザのポンピングに使用できる。
【０００４】
半導体レーザは、一般に基板上に少なくとも１つの活性層と、夫々２つの内側層及び２つの外側層とを析出し、その際活性層は、両方の内側境界層間に配置する。層の析出は、通常液相エピタキシー（ＬＢＥ）、有機金属気相−エピタキシー（ＭＯＣＶＤ）又は分子線−エピタキシー（ＭＢＥ）で行う。境界層は反対の導電形を持ち、電圧印加時に、正孔をｐ形の境界層、また電子をｎ形の境界層から活性層に注入し、そこで再結合させる。半導体レーザの端面、即ち結晶研磨面は、共振器を形成する。一定電流以上、所謂閾値電流で誘導放射が起り、半透過性に保たれた結晶研磨面から射出されるほぼ単色のビーム状光線を生成する。
【０００５】外側の境界層は通常内側の境界層及び活性層よりも屈折率が低く、そのため光の導波路を形成し、内側の境界層は活性層と共に導波中核部を構成する。導波中核部内での光のガイドにより、光フィールドと活性層とのできるだけ大きな重畳を得る必要がある。通常導波路は、所謂基本モード、即ち高次モードではない導波中核部に通されるように設計される。これに関し、基本モードとは単一の最大強度が活性層中に存在するモードを云う。高次モードは複数の最大強度を有することを特徴とする。
【０００６】
半導体レーザの出力は、特に共振器の反射体の役目をする結晶研磨面の熱的条件による劣化のため制限される。従ってできるだけ高い光出力を達成するには、半導体レーザの結晶研磨面の熱負荷をできるだけ少なく保持せねばならない。そのため結晶研磨面の放射断面積をできるだけ大きく保つことが重要である。
【０００７】
米国特許第５２７２７１１号明細書から、活性層の上方に反共振的に反射する導波路を設けることが公知である。該導波路は、反射範囲で側方を境付けられた導波中核部を持ち、この反射範囲に外側導波範囲が接する。その断面を見ると、導波中核部、反射範囲と外側の導波範囲が１つの層内に並んでいる。導波中核部と外側導波範囲は、夫々反射範囲より屈折率が低い。反射範囲の幅は、断面に投射される光の波長の４分の１の奇数倍に相当する。外側の導波範囲の幅は、導波中核部の半値幅の奇数倍に相当する。反共振的に反射する導波路内で、基本モードは導波中核部内のみに高い振幅を示し、一方高次のモードは外側の導波範囲内でも高い振幅を示す。そのため高次モードは効果的に減衰される。このような配列に関し、半導体レーザには４〜８μｍの幅で導波中核部を形成する。公知の半導体レーザで得られるレーザ光線の発散は側方方向に４〜８°の範囲である。
【０００８】
原理上類似の配列は、Ｃ．Ｚｍｕｄｚｉｎｓｋｉ他による、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、第１巻、第２号、１９９５年６月、第１２９〜１３７頁、及びＴ．ｌ．Ｋｏｃｈその他によるＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第５０巻（６）、１９８７年２月９日、第３０７〜３０９頁に記載されている。
【０００９】
公知の半導体レーザの欠点は、依然として極めて高い、垂直方向に３０〜４０°の発散にある。この場合垂直方向とは、エピタキシャルに施された層の成長方向を云う。３０〜４０°の高い半値幅により、極めて高額な光学装置でも、半導体レーザの８０〜９０％の放射光線を利用できるに過ぎない。
【００１０】
Ｄ．Ｂｏｔｅｚの論文「Ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ‐Ｗａｖｅ Ｐｏｗｅｒ ， ｂｒｏａｄ‐ｗａｖｅ ｇｕｉｄｅ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒ」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第７４巻、第３１０２〜３１０４頁、１９９９年から、導波中核部の拡幅及び導波中核部に接続する反射層との屈折率の差の減少により、光線の発散を減少させ得ることが公知である。しかし導波中核部の拡幅は、導波中核部により基本モードばかりでなく、高次のモードをも付加的に生じさせ、場合によってはレーザの閾値に達することになりかねない。そのためレーザ光線の品質を極めて劣化させることになる。それ故導波中核部の厚さは、実際には２μｍ以下の値に制限されている。これは、３０°以上の半値幅の、垂直方向の放射光の発散に相当する。導波中核部と反射層との屈折率の差の減少も、実際に不可能になる。２０°以下の半値幅を有する光線の発散を生じさせるため、屈折率の差をごく低く調整するには、極めて高い技術が必要になる。
【００１１】
半導体レーザの光線の発散を低減するための他の方法は、米国特許第５２８９４８４号、同第５８１５５２１号明細書とＨｅｏｎｓｕ Ｊｅｏｎ他によるＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、第３巻、第６号、１９９７年１２月、第１３４４〜１３５０頁に記載されている。
【００１２】
これらの従来技術から出発して、本発明は、簡単に製造可能な、垂直方向の光線の発散の少ない単一モードの半導体レーザを提供することを課題とする。
【００１３】
この課題は、請求項１の特徴を備え、放射光を放出する半導体素子により解決される。該素子の有利な実施形態と改善策を、従属請求項２〜２５に示す。
【００１４】
本発明では基板上施された外側導波領域、反射領域及び活性層を埋封した導波中核部から成る層列を形成するように設計する。
【００１５】
光出力を更に高め、光線の品質を改善すべく、本発明の半導体レーザでは、その層列を垂直方向に反共振的に反射する導波管を形成するよう選択する。導波中核部、反射領域及び外側導波領域は、本発明では夫々層により形成される。そのため導波中核部は２μｍ以上の厚さを有する。こうして垂直方向の光線の発散を著しく減少できる。特に、厚さ３μｍの導波中核部は、８００ｎｍ前後の波長範囲で、約８°の垂直方向の放射光線の発散を半値幅一杯に有する。
【００１６】
更に導波中核部の大きな厚さにより、光出力は比較的大きな断面にわたり分配され、その結果結晶研磨面の熱負荷が低下し、比較的高い光出力を獲得できる。
【００１７】
本発明による半導体レーザでは、個々の層間で屈折率の差が大きいため、製造誤差が大きくなる可能性がある。更に導波中核部を屈折率の少ない、即ち通常比較的大きなエネルギーギャップを有する半導体材料から作ることにより、キャリアを良好に封じ込め、加熱による結晶研磨面の吸着を低下させる。
【００１８】
好適には活性層が２つの所謂スペーサ層を含み、両層間に活性な量子槽（Ｑｕａｎｔｅｎｔｒｏｇ）が配置される。スペーサ層は、量子槽及びフィールド面、従ってレーザ特性の改善をもたらす。
【００１９】
本発明の装置の反射層は、高ドープ（例えば２×１０^１８ｃｍ^−３）されていると特に有利である。この措置は、単独で発明の特許性の基礎をなし、他の構造上の措置とは関係なく、ほぼ単独で出力特性を改善する。
【００２０】
このバルク抵抗を低減するため、本発明の構造の異種境界に勾配をつけてもよい（段階付けヘテロ接合）。
【００２１】
他の利点と有利な実施形態を図示の実施例により以下に説明する。異なる実施例で同じ作用をする構成要素には夫々同じ符号を付けてある。
【００２２】
図１は、単結晶半導体材料から成り、屈折率ｎ_１の基板１を有する半導体レーザの断面を示す。基板１上に屈折率ｎ_２と厚さｄ_２の第１の外側導波層２が存在する。外側導波層２に、屈折率ｎ_３と厚さｄ_３の第１の反射層３が続き、該反射層に屈折率ｎ_４と厚さｄ_４の内側導波層４、屈折率ｎ_５と厚さｄ_５を有し、フォトンを放出する活性層５と第２の内側導波層６が後続している。更に屈折率ｎ_７と厚さｄ_７の第２の反射層７、屈折率ｎ_８と厚さｄ_８の第２の外側導波層８及び屈折率ｎ_９を有する接触層９が続く。それら層が反共振的な導波管１０を形成し、内側の導波層４、６にて形成された導波中核部１１内に活性層５を埋封している。
【００２３】
図２は、屈折率の分布１２に起り得る推移を示す。実際には２つの屈折率レベルの推移は、必ずしも急激に起るとは限らず、傾斜路状の連続した推移を示してもよい。反共振的に反射する導波管１０の機能にとって、反射層３及び７の屈折率ｎ_３及びｎ_７が、外側導波層２及び８の屈折率ｎ_２、ｎ_８及び内側導波層４、６の屈折率ｎ_４、ｎ_６より大きいことが重要である。その際外側導波層２及び８、反射層３、７及び内側導波層４、６の屈折率は、夫々同じでもよい。夫々の層厚もまた同じでよく、従って活性層５に対しほぼ対称な層列を形成する。
【００２４】
更に第１の外側及び内側導波層２と４の屈折率ｎ_２、ｎ_４並びに第２の内側及び外側導波層６、８の屈折率ｎ_６、ｎ_８もほぼ同じであってよい。
【００２５】
反射層３、７の厚さは、垂直方向に投射される基本モードの波長の略４分の１の奇数倍を成すよう選択する。反射層を夫々Ｆａｂｒｙ Ｐｅｒｏｔ空洞と解釈すると、これはこの空洞の反共振性に対応する。一般に中間の境界層３、７の厚さｄ_３、ｄ_７を、基本モードの放射損が最低になるよう選択せねばならず、その際更にまた基本モードの光の強度の最大値は、活性層５に沿って推移することになる。
【００２６】
外側の導波層２、８の厚さｄ_２、ｄ_８は、基本モードの放射損が一定の値を越えないように選択する。外側導波層２、８の厚さｄ_２、ｄ_８は、導波中核部１１の厚さの半分の奇数倍であると有利である。
【００２７】
反射層３、７の層厚のこの選択は、基本モードを反射層で反共振的に反射させることになる。それに反し高次のモードは、共振的に反射され、そのため著しく大きな放射損を蒙り、結果としてレーザの閾値に達しない。反射層３、７の厚さを最適に選択した場合、基本モードの放射損を１／ｃｍ以下に低減でき、一方高次モードの放射損は１００／ｃｍ以上になる。従ってこれらのモードはレーザの閾値に達することがない。
【００２８】
図２に基づきこの半導体レーザの具体的実施例を示す。以下の屈折率に関する記載は８０８ｎｍの波長に関するものである。
【００２９】
本実施例で、基板１は屈折率ｎ_１＝３．６７のｎ形ＧａＡｓから成る。外側導波層２、８は、屈折率ｎ_２＝ｎ_８＝３．２９で厚さｄ_２＝ｄ_８＝１μｍのｎ形Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓから成る。反射層３、７は、屈折率ｎ_３＝ｎ_７＝３．７５で厚さｄ_３＝ｄ_７＝０．５μｍのｎ形Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓから成る。内側導波層４、６は屈折率ｎ_２＝ｎ_３＝３．２９で厚さｄ_４＝ｄ_６＝１μｍのｎ形Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓから成る。更に無ドープで厚さ１７ｎｍの活性層５には、屈折率ｎ_５＝３．６１のＧａＡｓ_０．５Ｐ_０．２を用いる。
【００３０】
図３は、基本モード１３の光強度の計算に基づく推移を示し、屈折率の分布１２の推移をその下に記入してある。図２に示す屈折率の分布１２は、基本モード１３の反共振的に反射する光の波長として作用し、反射層３、７の０．５μｍの厚さは、導波中核部１１に投射されるレーザ光線の波長の約４分の３に相当する。基本モード１３の放射損は約１／ｃｍである。
【００３１】
図４は、基本モード１３の遠方フィールド強度の計算に基づく推移を示す。従って図４のグラフは、レーザ光線の強度配分を頂角の関数として示す。レーザ光線の全体としての半値幅は１８．６°である。従って垂直方向の放射光の発散は、従来の半導体レーザの垂直方向の放射光の発散の高々略半分に過ぎない。
【００３２】
図５は、高次モード５の光の強度計算に基づく推移を示し、図示の屈折率の分布１２の推移をその下に記入してある。外側導波層２、８内の強度の最大値で認識できるよう、高次モード１５はこの反射層３、７で反共振的に反射されない。高次モード１５の拡幅により基板１及び接触層９内の基本モード１３に比べ高次のモード１５はより高い放射損を受ける。この高次モード１５の放射損は６００／ｃｍである。
【００３３】
もう１つの別の実施例（図６）では、活性層５は２つの所謂スペーサ層５１及び５２を含んでおり、それらの間に活性な量子槽５０が配置されている。この種実施形態の層列の例を下記の表１に示す。
【表１】

【００３４】
上記の本発明による配列の反射層３、７を高ドープ（例えば２×１０^１８ｃｍ^−３）すると特に有利である。この措置は、単独で本発明の特許性の基礎をなしている。この機能作用はその他の本発明の構造上の措置とは関係なく、単独で半導体レーザの出力データの改善をほぼもたらす。
【００３５】
バルク抵抗を低減するため、上記の本発明による構造の異種境界に勾配をつけてもよい（段階付けヘテロ接合）。
【００３６】
これらの本発明の実施例では、活性層５は横方向に磁気分極された光を放出する、予め引張り応力を加えられたＧａＡｓＰ−量子膜からなる。この活性層５は一般に単数又は複数の組成ＸＹの量子膜から成り、ＸはＡｌ、Ｉｎ及びＧａの元素の群からの少なくとも１つの元素であり、またＹはＡｓ、Ｐ、Ｎ及びＳｂの元素の群からの少なくとも１つの元素である。更に該活性層５に引張り応力ではなく圧縮応力を加えてもよく、これは横に電気分極された光を放出させ、一方引張り応力を加えた場合は、横に磁気分極された光の放出をもたらす。更に該活性層を既に記載した材料ＸＹから成るバリヤ層に埋封してもよい。量子膜の代わりに量子線又は量子点をバリヤ層に埋封してもよい。
【００３７】
更に上記実施例は、半導体レーザ内の光を横方向及び拡大方向に沿って任意にパターニングすることも可能である。そのため予め設けた層列で形成した反共振的な導波管１０を、広幅線条レーザ、リブ形導波レーザ、埋込まれた横の導波構造を持つレーザ及び分散してフィードバックするレーザ（分散フィードバック、ブラッグ分散させた反射器）で使用できる。その際常に垂直方向の放射の発散の少ない、結晶研磨面の部位の照射断面の大きいことは有利である。
【００３８】
本発明は、勿論上記実施例に基づく本発明の説明に限定されるものではない。本発明は、特に上述の物質系として適した他の材料にも関係する。更にこれら構造中に明記した半導体層の他に、更なる半導体層を追加することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体レーザの層列の断面の概略断面図。
【図２】前記層列の屈折率の推移を示すグラフ。
【図３】基本モードの光の強度の推移を示すグラフ。
【図４】半導体レーザにより放出されるレーザ光線の遠方フィールド強度の推移を示すグラフ。
【図５】高次モードの光の強度の推移を示すグラフ。
【図６】本発明による半導体レーザのもう１つの層列の概略断面図。
【符号の説明】
１　基板、２　第１の外側導波層、３　第１の反射層、５　活性層　４、６　活性層の隣接層、７　第２の反射層、８　第２の外側導波層　９　接触層、１０　反共振的導波管、１１　導波中核部、５０　量子槽　５１、５２　活性層のスペーサ層

Claims (26)

1. −基板上に、基板から見て、第１の外側導波層（２）、第１　の反射層（３）、フォトンを放出する活性層（５）が埋封されている導波中核　部（１１）、第２の反射層（７）及び第２の外側導波層（８）を順次に配列し　た層列が載せられており、
   −第１と第２の反射層（３、７）が、導波中核部（１１）及び夫々隣接する外側　導波層（２、８）の屈折率より大きい屈折率を有し、かつ
   −この層列が垂直方向に反共振性に反射する導波管（１０）を備える
   半導体レーザ。
2. 導波中核部（１１）が両反射層（３、７）の相互に対向する側面で境界付けられている請求項１記載のレーザ。
3. 第１と第２の外側導波層（２、８）が、夫々両反射層（３、７）に隣接している請求項１又は２記載のレーザ。
4. 活性層（５）の厚さが、隣接する導波中核部（１１）の層（４、６）の厚さより薄い請求項１乃至３の１つに記載のレーザ。
5. 反射層（３、７）の厚さが導波中核部（１１）内に投射されるフォトンの波長の４分の１の奇数倍に等しい請求項１乃至４の１つに記載のレーザ。
6. 反射層（３、７）の厚さが、導波中核部（１１）内に投射されるフォトンの波長の４分の１の奇数倍に等しい請求項１乃至４の１つに記載のレーザ。
7. 前記層列が、その厚さに関し活性層（５）に対し対称である請求項１乃至６の１つに記載のレーザ。
8. 活性層（５）の厚さが０．０１〜０．０３μｍ、導波中核部 （１１）の厚さが１．５〜２．５μｍ、反射層（３、７）の厚さが０．４〜０． ６μｍ、外側導波層（２、８）の厚さが０．５〜１．５μｍである請求項６記載のレーザ。
9. 基板（１）の屈折率が、隣接する外側導波層（２）及び導波中核部（１１）の各屈折率より大きい請求項１乃至７の１つに記載のレーザ。
10. 上記層列上に、隣接する外側導波層（８）及び導波中核部　（８）の夫々の屈折率よりも大きい屈折率を有する接触層（９）が施された請求項１乃至８の１つに記載のレーザ。
11. 外側導波層（２、８）の屈折率が、導波中核部（１１）の屈折率と同じである請求項１乃至９の１つに記載のレーザ。
12. 基板（１）及び接触層（９）の屈折率が、夫々隣接する反射層（３、７）の屈折率に等しい請求項９又は１０記載のレーザ。
13. 前記層列が、屈折率に関し活性層（５）に対して対称である請求項１乃至１１の１つに記載のレーザ。
14. 基板（１）と、基板（１）と活性層（５）との間の層列がｎ形である請求項１乃至１２の１つに記載のレーザ。
15. 接触層（９）と、活性層（５）と接触層（９）の間の層列とがｐ形である請求項１乃至１３の１つに記載のレーザ。
16. 基板（１）及び接触層（９）がＧａＡｓからなる請求項１乃至１４の１つに記載のレーザ。
17. 層列がＡｌ、Ｇａ及びＡｓを含む半導体からなる請求項１５記載のレーザ。
18. 反射層（３、７）がＡｌ、Ｇａ及びＡｓを含む半導体からなり、外側導波層（２、８）がＩｎ、Ｇａ及びＰを含む半導体からなる請求項１５記載のレーザ。
19. 活性層（５）が、バリヤ層に埋封した少なくとも１つの量子膜を有する請求項１乃至１７の１つに記載のレーザ。
20. 活性層（５）が、バリヤ層に埋封した少なくとも１つの量子線を有する請求項１乃至１７の１つに記載のレーザ。
21. 活性層（５）が、バリヤ層に埋封された量子点を有する請求項１乃至１７の１つに記載のレーザ。
22. 活性層（５）が、導波中核部（１１）と等しい請求項１乃至２０の１つに記載のレーザ。
23. 活性層が２つのスペーサ層を有し、それらの間に少なくとも１つの量子槽が配置された請求項１乃至２１の１つに記載のレーザ。
24. 前記スペーサ層が量子槽から、その後方に配置された導波層へと夫々増加するＡｌ含有分を有する請求項２２に記載のレーザ。
25. 反射層（３、７）が高ドープされた請求項１乃至２３の１つに記載のレーザ。
26. 反射層（３、７）内のドーパント濃度が５×１０^１７〜５×１０^１９ｃｍ^−３である請求項２４記載のレーザ。

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