特表 2024-523148 面発光半導体レーザおよび面発光半導体レーザを製造する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-06-28

(54)【発明の名称】面発光半導体レーザおよび面発光半導体レーザを製造する方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/183 20060101AFI20240621BHJP

   H01S 5/343 20060101ALI20240621BHJP

【ＦＩ】

H01S5/183

H01S5/343 610

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023573283

(86)(22)【出願日】2022-06-29

(85)【翻訳文提出日】2024-01-23

(86)【国際出願番号】 EP2022067961

(87)【国際公開番号】W WO2023280662

(87)【国際公開日】2023-01-12

(31)【優先権主張番号】102021117534.8

(32)【優先日】2021-07-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】599133716

【氏名又は名称】エイエムエス－オスラム インターナショナル ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】ａｍｓ－ＯＳＲＡＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＧｍｂＨ

【住所又は居所原語表記】Ｌｅｉｂｎｉｚｓｔｒａｓｓｅ ４， Ｄ－９３０５５ Ｒｅｇｅｎｓｂｕｒｇ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ハルブリッター フーベルト

(72)【発明者】

【氏名】ヘッペル ルッツ

(72)【発明者】

【氏名】ゲルハルト スヴェン

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AC03

5F173AC13

5F173AC14

5F173AD10

5F173AD30

5F173AH06

5F173AH22

5F173AL14

5F173AP32

5F173AR93

(57)【要約】

面発光半導体レーザ（１０）は、第１の導電型の第１の半導体層（１１０）であって、第１の半導体層（１１０）がパターニングされてメサ（１２３）が形成される、第１の半導体層（１１０）と、電磁放射（１５）を生成するための活性領域（１１５）と、第２の導電型の第２の半導体層（１２０）と、を備える。第１の半導体層（１１０）、活性領域（１１５）および前記第２の半導体層（１２０）が積み重ねられて半導体積層体（１２１）が形成される。面発光半導体レーザは、メサ（１２３）の側壁（１２２）に隣接する少なくとも１つの被覆層（１２５）をさらに備える。
【選択図】 図１Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

面発光半導体レーザ（１０）であって、
第１の導電型の第１の半導体層（１１０）であって、前記第１の半導体層（１１０）がパターニングされてメサ（１２３）が形成される、第１の半導体層（１１０）と、
電磁放射（１５）を生成するための活性領域（１１５）と、
第２の導電型の第２の半導体層（１２０）であって、前記第１の半導体層（１１０）、前記活性領域（１１５）および前記第２の半導体層（１２０）が積み重ねられて半導体積層体（１２１）が形成され、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層（１１０、１２０）がＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１）を含む、第２の半導体層（１２０）と、
前記メサ（１２３）の側壁（１２２）に隣接する被覆層（１２５）と、
電流を誘導するための開口絞り（１３９）であって、前記開口絞り（１３９）の開口径が前記メサ（１２３）の直径よりも小さい、開口絞り（１３９）と、
を備える、面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項2】

前記第１の半導体層および前記第２の半導体層（１１０、１２０）がＧａＮ層である、請求項１に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項3】

前記被覆層（１２５）の材料は、前記被覆層（１２５）の前記材料の屈折率が前記第１の半導体層（１１０）の屈折率よりも小さくなるように選択される、請求項１または請求項２に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項4】

前記被覆層（１２５）の材料がＡｌＮを含む、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項5】

前記メサ（１２３）の直径が１０μｍ未満である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項6】

前記半導体積層体（１２１）がパターニングされてメサ（１２３）となる、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項7】

前記被覆層（１２５）の材料は、前記被覆層（１２５）の前記材料の吸収係数が前記第１の半導体層（１１０）の吸収係数よりも小さくなるように選択される、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項8】

第１の共振器ミラーと第２の共振器ミラー（１３０、１３５）をさらに備え、前記第１の共振器ミラー（１３０）が前記第１の半導体層（１１０）の一方の側に配置され、前記第２の共振器ミラー（１３５）が前記第２の半導体層（１２０）の一方の側に配置され、前記第１の共振器ミラーおよび前記第２の共振器ミラー（１３０、１３５）が絶縁性である、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項9】

第１の共振器ミラーと第２の共振器ミラー（１３０、１３５）をさらに備え、前記第１の共振器ミラー（１３０）が前記第１の半導体層（１１０）の一方の側に配置され、前記第２の共振器ミラー（１３５）が前記第２の半導体層（１２０）の一方の側に配置され、前記２つの共振器ミラーのうちの１つが絶縁性であり、前記２つの共振器ミラーのうちのもう１つが導電性である、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項10】

前記半導体積層体（１２１）が、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層（１１０、１２０）を成長させるための成長基板の上に配置される、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項11】

前記半導体積層体（１２１）が金属キャリア（１３７）の上に配置される、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項12】

前記メサ（１２３）が、水平面において六角形の形状を有する、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項13】

前記メサ（１２３）の側壁（１２２）が、前記第１の半導体層（１１０）の材料の結晶面に相当する、請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項14】

面発光半導体レーザ（１０）を製造する方法であって、
第１の導電型の第１の半導体層（１１０）を形成すること（Ｓ１００）と、
電磁放射（１５）を生成するための活性領域（１１５）を形成すること（Ｓ１１０）と、
第２の導電型の第２の半導体層（１２０）を形成すること（Ｓ１２０）であって、前記第１の半導体層（１１０）、前記活性領域（１１５）および前記第２の半導体層（１２０）が積み重ねられて半導体積層体（１２１）が形成され、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層（１１０、１２０）がＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１）を含む、第２の半導体層（１２０）を形成することと、
前記第１の半導体層（１１０）をパターニングしてメサ（１２３）を形成すること（Ｓ１３０）と、
前記メサ（１２３）の側壁（１２２）に隣接する被覆層（１２５）を形成すること（Ｓ１４０）と、
電流を誘導するための開口絞り（１３９）を形成することであって、前記開口絞り（１３９）の開口径が前記メサ（１２３）の直径よりも小さい、開口絞り（１３９）を形成することと、
を含む方法。

【請求項15】

前記被覆層（１２５）が、スパッタリングによって前記メサ（１２３）の前記側壁（１２２）の上に設けられる、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

少なくとも８００℃の温度での温度処理工程をさらに含む、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記第１の半導体層（１１０）の前記パターニングが湿式エッチング法を含む、請求項１４から請求項１６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項18】

オプトエレクトロニクス半導体部品（３０）であって、請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ（１０）を備える、オプトエレクトロニクス半導体部品（３０）。

【請求項19】

照明装置、投影装置または表示装置から選択される、請求項１８に記載のオプトエレクトロニクス半導体部品（３０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、面発光半導体レーザおよび面発光半導体レーザを製造する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

面発光半導体レーザ、すなわち生成されたレーザ光を半導体層アセンブリの表面に対して垂直に（ｓｅｎｋｒｅｃｈｔ）発光させるレーザ装置は、例えば３Ｄセンサシステムにおいて、例えば顔認識または自律走行時の距離測定のために使用することができる。さらに、面発光半導体レーザは、例えば表示装置などの多くの消費者向け製品において使用可能である。

【0003】

一般に、このような面発光レーザを改善する努力がなされる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明は、改善された面発光半導体レーザおよび改善された方法を提供するという課題にもとづいている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態によれば、上記課題は独立請求項の主題によって解決される。有利な発展形態は、従属請求項に定義されている。

【0006】

面発光半導体レーザは、第１の導電型の第１の半導体層であって、第１の半導体層がパターニングされてメサが形成される、第１の半導体層と、電磁放射を生成するための活性領域と、第２の導電型の第２の半導体層とを備える。第１の半導体層、活性領域および第２の半導体層が積み重ねて半導体積層体が形成される。面発光半導体レーザは、メサの側壁に隣接する被覆層をさらに備える。

【0007】

例えば、第１の半導体層および第２の半導体層はＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１）を含んでもよい。特に、第１の半導体層および第２の半導体層はＧａＮ層でもよい。

【0008】

例えば、被覆層の材料を、被覆層の材料の屈折率が第１の半導体層の屈折率よりも小さくなるように選択してもよい。このようにして、集積された導波路が提供される。

【0009】

被覆層の材料はＡｌＮを含んでもよい。

【0010】

実施形態によれば、メサの直径を１０μｍ未満としてもよい。このようにして、基本モードのみ、またはより高次の少ないモードのみを形成することができる。結果として、光学損失を低減することができる。実施形態によれば、メサの直径を、正確に基本モードのみが形成されるように算定することができる。このようにして、オーダーメイドの、かつ再現可能な放射特性を生成することができる。

【0011】

実施形態によれば、半導体積層体全体がパターニングされてメサとなってもよい。

【0012】

例えば、被覆層の材料を、被覆層の材料の吸収係数が第１の半導体層の吸収係数よりも小さくなるように選択されてもよい。このようにして、損失をさらに低減することができる。

【0013】

実施形態によれば、面発光半導体レーザは、第１の共振器ミラーと第２の共振器ミラーをさらに有してもよい。それに応じて垂直共振器を形成することができる。第１の共振器ミラーを第１の半導体層の一方の側に配置し、第２の共振器ミラーを第２の半導体層の一方の側に配置してもよい。実施形態によれば、第１の共振器ミラーおよび第２の共振器ミラーは絶縁性でもよい。他の実施形態によれば、２つの共振器ミラーのうちの１つが絶縁性であり、２つの共振器ミラーのうちのもう１つが導電性でもよい。

【0014】

例えば、半導体積層体は、第１の半導体層および第２の半導体層を成長させるための成長基板の上に配置される。

【0015】

他の実施形態によれば、半導体積層体が金属キャリアの上に配置されてもよい。

【0016】

面発光半導体レーザは、電流を誘導するための開口絞りをさらに有してもよく、その場合、開口絞りの開口径はメサの直径よりも小さい。

【0017】

例えば、メサは、水平面において六角形の形状を有する。

【0018】

実施形態によれば、メサの側壁は、第１の半導体層の材料の結晶面に相当する。このようにして、特に滑らかで、欠陥の少ない側壁を実現することができ、それによって損失がさらに低減される。

【0019】

実施形態によれば、面発光半導体レーザを製造する方法は、第１の導電型の第１の半導体層を形成することと、電磁放射を生成するための活性領域を形成することと、第２の導電型の第２の半導体層を形成することと、を含む。この方法では、第１の半導体層、活性領域および第２の半導体層が積み重ねられて半導体積層体が形成される。方法は、第１の半導体層をパターニングしてメサを形成することと、メサの側壁に隣接する被覆層を形成することと、をさらに含む。

【0020】

例えば、被覆層は、スパッタリングによって、メサの側壁に設けられてもよい。方法は、少なくとも８００℃の温度での温度処理工程をさらに含んでもよい。

【0021】

例えば、第１の半導体層のパターニングが湿式エッチング法を含んでもよい。

【0022】

オプトエレクトロニクス半導体部品は、上述したような面発光半導体レーザを備える。オプトエレクトロニクス半導体部品は、例えば、照明装置、投影装置または表示装置から選択さてもよい。

【0023】

添付の図面は、本発明の実施例の理解のために用いられる。図面は実施例を示し、明細書とともに実施例の説明のために用いられる。他の実施例および意図された多数の利点は、以下の詳細な説明から直接明らかになる。図面に図示された要素および構造は、必ずしも相互に縮尺通りに示されていない。同一参照符号は、同一のまたは互いに対応する要素および構造を指す。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1A】実施形態による面発光半導体レーザの概略断面図である。

【図1B】実施形態による使用される半導体材料の屈折率の概略プロファイルである。

【図1C】他の実施形態による面発光半導体レーザの断面図である。

【図2A】実施形態による別の面発光半導体レーザの概略断面図である。

【図2B】実施形態による別の面発光半導体レーザの概略断面図である。

【図2C】実施形態による別の面発光半導体レーザの概略断面図である。

【図3A】実施形態によるメサの概略水平断面図である。

【図3B】実施形態による面発光半導体レーザの部品の概略垂直断面図である。

【図4A】実施形態による面発光半導体レーザを製造するための工程を示す図である。

【図4B】実施形態による方法を実行した場合のワークピースを示す図である。

【図4C】他の加工工程を実行した後のワークピースを示す図である。

【図5】実施形態による方法を要約する図である。

【図6】実施形態による面発光半導体レーザを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下の詳細な説明において、本開示の一部をなす添付の図面を参照され、かつ説明する目的で特定の実施例が示される。これに関連して、「上側」、「底」、「前側」、「後側」、「上方」、「上」、「前」、「後」、「前方」、「後方」等々の方向用語は、今から説明される図の方向性に関連する。実施例の部品が様々に異なる向きで位置決めされる可能性があるため、これらの方向用語は説明のためにのみ用いられ、決して限定するものではない。

【0026】

他の実施例も存在し、特許請求の範囲によって規定される範囲から逸脱することなく構造的または論理的な変更を加えることができるため、実施例の説明は限定するものではない。特に、以下に説明される実施例の要素は、文脈から別段のことが明らかでない限り、記載されている他の実施例の要素と組み合わせることができる。

【0027】

以下の説明において使用される「ウェハ」または「半導体基板」という用語は、半導体表面を有する半導体にもとづいたあらゆる構造を含むことができる。ウェハおよび構造は、これらが、ドープされた半導体およびドープされていない半導体、場合によってはベース体によって支持される、エピタキシャル半導体層、および他の半導体構造を含むと理解されるべきである。例えば、第１の半導体材料からなる層を、例えばＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板またはＳｉ基板などの第２の半導体材料、あるいは絶縁性材料からなる成長基板、例えばサファイア基板に成長させることができる。

【0028】

使用目的に応じて、半導体は、直接的または間接的な半導体材料にもとづくことができる。電磁放射を生成するのに特に適した半導体材料の例は、特に、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＢＮなどの、例えば紫外線、青色光または長波光を生成することができる窒化物半導体化合物、例えばＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＧａＰなどの、例えば緑色光または長波光を生成することができるリン化物半導体化合物、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、Ｇａ２Ｏ３、ダイヤモンド、六方晶ＢＮなどの他の半導体材料、および蒸気の材料の組み合わせを含む。化合物半導体材料の化学量論比は変更することができる。半導体材料の他の例は、シリコン、シリコンゲルマニウムおよびゲルマニウムを含み得る。本明細書の文脈において「半導体」という用語は、有機半導体材料も含む。

【0029】

「基板」という用語は、一般に、絶縁性基板、導電性基板または半導体基板を含む。

【0030】

本明細書で使用されるような「横方向」および「水平」という用語は、基板または半導体本体の第１の表面に対して実質的に平行に延びる向きまたは方向性を説明するものである。第１の表面は、例えば、ウェハまたはチップ（ダイ）の表面でもよい。

【0031】

水平方向は、例えば層を成長させる際の成長方向に対して垂直な平面に位置し得る。

【0032】

本明細書で使用されるような「垂直」という用語は、基板または半導体本体の第１の表面に対して実質的に垂直に延びる向きを説明するものである。垂直方向は、例えば、層が成長する際の成長方向に相当し得る。

【0033】

本明細書で「備える」、「含有する」、「含む」、「有する」などの用語が使用されている場合、これらの用語は、記載された要素または特徴の存在を示唆しているが、他の要素または特徴の存在を排除しないオープンな用語（ｏｆｆｅｎｅ Ｂｅｇｒｉｆｆｅ）である。不定冠詞および定冠詞は、文脈から明確に別段のことが明らかでない限り、複数形および単数形の両方を含む。

【0034】

本明細書の文脈において、「電気的に接続された」という用語は、接続された要素間の低オームの電気的接続を意味する。電気的に接続された要素は、必ずしも互いに直接接続されている必要はない。電気的に接続された要素間に他の要素を配置することができる。

【0035】

「電気的に接続された」という用語は、接続された要素間のトンネルコンタクトも含む。

【0036】

図１Ａは、実施形態による面発光半導体レーザ１０の概略断面図を示す。図１Ａに示された面発光半導体レーザは、例えばｐ型などの第１の導電型の第１の半導体層１１０、電磁放射を生成するための活性領域、および、例えばｎ型などの第２の導電型の第２の半導体層１２０を備える。第１の半導体層１１０、活性領域１１５、および第２の半導体層１２０が積み重ねられて半導体積層体１２１が形成される。第１の半導体層１１０は、パターニングされてメサ１２３となる。面発光半導体レーザ１０は、メサ１２３の側壁１２２に隣接する被覆層１２５をさらに有する。

【0037】

活性領域１１５は、放射を生成するために、例えばｐｎ接合部、二重ヘテロ構造、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造または多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有することができる。この場合、「量子井戸構造」という名称は、量子化の次元に関する意味を示さない。したがって、この名称は、とりわけ量子トラフ、量子細線、および量子ドット、ならびにこれらの層のあらゆる組み合わせを含む。

【0038】

例えば、第１の半導体層および第２の半導体層はＧａＮを含む。第１の半導体層および第２の半導体層は、例えばＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１）の組成を有する。このようにして、短波長のレーザ放射を放出することが可能である。

【0039】

例えば、被覆層１２５は、第１の半導体層および第２の半導体層の屈折率よりも小さい屈折率を有する。ＧａＮの屈折率は、例えば２．４６である。したがって、実施形態によるＧａＮ半導体層を用いる場合、被覆層１２５の屈折率は２．４６よりも小さく選択される。例えば、被覆層は、約２．２の屈折率を有するＡｌＮを含むことができる。このようにして、ＧａＮ材料系において問題となり得る損失を制限することが可能である。結果として、メサ内の光子密度が高くなる。特に、被覆層１２５の存在により、レーザ閾値より下であっても光子密度の向上につながる導波路効果が達成される。このようにして、レーザ閾値を低減することが可能になる。

【0040】

例えば、メサ１２３の直径ｗは、典型的には、例えばガウスモードなどの基本モードのみが形成されるように算定される。他の実施形態によれば、より高次の少ない他のモードが形成されることが可能である。このようにして、光子をメサ内にさらに強度に集中させることができるメサ１２３の直径ｗが正確に規定され、それにより基本モードのみが形成され得る場合、規定されたビームウエストもしくはビームくびれ部が生成される。このようにして、オーダーメイドの、かつ再現可能な放射特性が可能になる。例えば、メサ１２３の直径ｗは、１０μｍ未満、または５μｍ未満でもよい。他の実施形態によれば、メサ１２３の直径ｗは、２μ未満または１μｍ未満でもよい。

【0041】

図１Ａは、メサ１２３内の放射強度１０５をさらに示す。基本モードのみが形成される場合、最大の光子集中はメサ１２３の中央領域で生じ、それによって面発光半導体レーザ内の損失を回避することができる。特にモードの空間的広がりが低減される。結果として、光学損失が低減される。モードの広がりによる光学損失は、特に、高いミラー反射率の共振器ミラーを備えた面発光半導体レーザにおいて問題につながる可能性がある。

【0042】

例えば、被覆層１２５の吸収係数αを第１の半導体層および第２の半導体層の吸収係数よりも小さくすることができる。このようにして、面発光半導体レーザにおける損失をさらに低減することができる。

【0043】

実施形態によれば、面発光半導体レーザは、電流を誘導するための開口絞り１３９をさらに有することができる。開口絞り１３９は、例えばＳｉＯ層または酸化された絶縁性半導体材料によって実現することができる。その場合、開口絞り１３９の開口径ｓをメサ１２３の直径ｗよりも小さくすることができる。このようにして、光学モードと電荷担体密度との特に有利な重なりが達成される。さらに、電荷担体はドリフトが少ないため、メサエッジ（Ｍｅｓａｋａｎｔｅ）から効果的に遠ざけることができる。これによって、損失を伴う不都合な再結合が回避される。

【0044】

小さい吸収係数を有する被覆層の材料の選択によって、第１の半導体層および第２の半導体層における横方向のエバネッセント場の吸収損失を低減することができる。

【0045】

さらに、半導体層の熱伝導係数よりも高い熱伝導係数を有する被覆層１２５の材料を使用した場合、部品の横方向の熱放散を改善することが可能である。

【0046】

面発光半導体レーザ１０は、例えばＶＣＳＥＬ（「Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ」、垂直共振器を備えた面発光半導体レーザ）として形成されてもよい。例えば、面発光半導体レーザは第１の共振器ミラー１３０と第２の共振器ミラー１３５を有する。このようにして、第１の共振器ミラー１３０と第２の共振器ミラー１３５との間に光学共振器１２４が形成される。

【0047】

他の実施形態によれば、面発光半導体レーザ１０は、ＰＣＳＥＬ（「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ」、フォトニック結晶を備えた面発光レーザ）として形成されてもよい。この場合、面発光半導体レーザ１０は、秩序化されたフォトニック構造を有する。

【0048】

面発光半導体レーザ１０をＶＣＳＥＬとして実施した場合、第１および第２の共振器ミラー１３０、１３５を、例えばブラッグミラーとして形成することができる。

【0049】

ブラッグミラーは、それぞれ異なった屈折率を有する非常に薄い誘電体層または半導体層の積層体を含む。例えば、層は、高い屈折率と低い屈折率を交互に有することができる。例えば、層厚はλ／４でもよく、λは、それぞれの媒体で反射される光の波長を示す。入射する光から見た層は、例えば３λ／４などのより大きい層厚を有することができる。小さい層厚とそれぞれの屈折率の差により、ブラッグミラーは高い反射能力を提供する。ブラッグミラーは、例えば２～５０個の層を有することができる。個々の層の典型的な層厚は、約３０～９０ｎｍ、例えば約５０ｎｍでもよい。積層体は、約１８０ｎｍより厚い、例えば２００ｎｍより厚い１つまたは２つまたはより多くの層をさらに含むことができる。

【0050】

第１の共振器ミラー１３０は、例えば半導体層または誘電体層を有することができる。第２の共振器ミラー１３５は、例えばエピタキシャル成長させることができる半導体層を有することができる。例えば、第２の共振器ミラー１３５および半導体ミラー１２１の層を成長基板の上にエピタキシャルで形成することができる。図１Ａに示される基板１００は、例えば成長基板であってもよいし、成長基板とは異なる基板であってもよい。

【0051】

第１の半導体層１１０は、例えば第１のコンタクト要素１３１を介して電気的に接続可能でもよい。第１のコンタクト要素１３１は、例えば、例えばＩＴＯ層（「Ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ」、酸化インジウムスズ）などの導電層１１２を介して第１の半導体層１１０に接続することができる。図１Ａにおいて、第２のコンタクト要素１３２は、第２の共振器ミラー１３５を介して第２の半導体層１２０に電気的に接続されている。他の実施形態によれば、第１の半導体層１１０および第２の半導体層１２０に代替の接続可能性を実現することもできる。

【0052】

生成されたレーザビーム１５は、例えば第１の半導体層１１０の第１の主表面１１１を介して出射され得る。

【0053】

図１Ｂは、メサ１２３および被覆層１２５内の屈折率Ｎのプロファイルを概略的に示す。被覆層１２５の材料の屈折率が半導体層の、もしくはメサ１２３内の屈折率よりも小さいことによって、生成された電磁波の光学的誘導（ｏｐｔｉｓｃｈｅ Ｆｕｅｈｒｕｎｇ）が生じる。

【0054】

図１Ｃは、他の実施形態による面発光半導体レーザの概略的断面図を示す。図示される面発光半導体レーザ１０の個々の部品は、図１Ａを参照して説明された部品に実質的に相当する。しかし図１Ａの半導体レーザとは異なり、ここでは第２の共振器ミラーが電気的に絶縁性であり、かつ誘電体層を含む。したがって、第２の半導体層１２０は、第２の半導体層１２０に直接隣接する第２のコンタクト要素１３２を介して電気的に接続可能でもよい。例えば、誘電体層を使用した場合、屈折率の差をより大きくすることができ、それによって、より大きい反射能力がもたらされる。

【0055】

図２Ａは、他の実施形態による面発光半導体レーザ１０の概略図を示す。図２Ａに示された部品は、図１Ａおよび図１Ｃを参照して説明された部品に実質的に相当する。これらとは異なり、第１の半導体層１１０のみが被覆層１２５に隣接する。したがって、半導体積層体１２１の一部のみを導波路として形成することが可能である。半導体積層体１２１の下部分もパターニングされメサとなることができるが、下領域において第２の半導体層１２０に被覆層１２５は隣接しない。したがって、下部分に導波路を形成しないことが可能である。

【0056】

図２Ａに示されるように、被覆層１２５は、第１の半導体層１１０の側壁に隣接することができる。しかし被覆層１２５は、活性領域１１５の側壁には隣接しない。他の実施形態によれば、被覆層は、活性領域１１５の側壁に隣接することもできる。さらに、被覆層は、第２の半導体層１２０の一部に隣接することもできる。

【0057】

図２Ｂは、他の実施形態による面発光半導体レーザの概略断面図を示す。図２Ｂに示された部品は、図１Ａ～図１Ｃおよび図２Ａを参照して説明された部品に実質的に相当する。しかしこれらとは異なり、基板１００は、半導体積層体１２１を成長させるための成長基板ではない。例えば、図２Ｂに示される実施形態によれば、第２の共振器ミラー１３５が誘電体層を含むことができる。第２の共振器ミラー１３５を、例えば良好な熱結合を用いてキャリア１３７に埋め込むことができる。例えば、キャリア１３７は、高い反射能力を有することもできる。キャリア１３７は、例えば金属、例えば金、銀、またはアルミニウムなどを含むことができるか、あるいはこれらから構成されていてもよい。このようにして、生成された電磁放射の大部分を反射して半導体積層体１２１に戻すことができる。さらに、良好な熱結合を達成することができる。第２のコンタクト要素１３２を、例えば基板１００の第２の主表面１０１に配置することができる。他の実施形態によれば、第２のコンタクト要素１３２は、化合物層１２６の覆われていない表面に隣接することもできる。化合物層１２６は、例えば透明導電性酸化物、例えばＩＴＯであるか、または半導体材料であってもよい。他の実施形態によれば、化合物層１２６を省略することもできる。

【0058】

図２Ｂにさらに示されるように、被覆層１２５は、第１の半導体層１１０と、活性領域１２５と、第２の半導体層１２０の一部とに隣接することができる。しかし他の実施形態によれば、被覆層１２５は、上述したのとは別のように実現することもできる。

【0059】

図２Ｂに示された面発光半導体レーザを製造するために、半導体積層体１２１を形成するための半導体層が成長基板に成長させられ、続いて剥離され、第２の共振器ミラー１３５が形成されたキャリア１３７に設けられるか、または転送される。キャリア１３７は、例えば基板１００の上に設けてもよい。

【0060】

図２Ｃは、他の実施形態による面発光半導体レーザ１０を示す。図２Ｃに示される面発光半導体レーザの部品は、図１Ａを参照して説明された部品に実質的に相当する。しかしこれとは異なり、半導体積層体１２１が複数の半導体レーザ要素１１を形成するための多数の層を含む。これらはそれぞれ垂直方向に積み重ねられ、それぞれトンネル接合部１３６を介して互いに接続されている。

【0061】

トンネル接合部は、ｐ＋＋ドープされた層、ｎ＋＋ドープされた層、および任意的に中間層を含み、これらの層は遮断方向に配置され、かつトンネルダイオードである。

【0062】

例えば、電流を誘導するための開口絞り１３９を設けることもできる。開口絞り１３９の直径を変更することができる。半導体積層体１２１は、パターニングされてメサ１２３となる。メサ１２３の幅ｗは半導体積層体内で変更することができる。被覆層１２５は、メサ１２３の側壁１２２に隣接する。実施形態によれば、被覆層は、半導体積層体１２１の一部のみに隣接することもできる。

【0063】

図３Ａに示されるように、メサ１２３を異なった形状で形成することができる。例えば、メサは、上面視で、すなわち水平ｘ－ｙ平面において、円形または楕円形に形成することができる。例えば、メサ１２３の楕円形の実施形態では、生成される電磁放射の極性を調整することもできる。他の実施形態によれば、メサは、多角形の形状、例えば六角形の形状（六角形）を有することもできる。他の実施形態によれば、メサは、細長い六角形の形状を有することもでき、それによって生成される電磁放射の極性を設定することができる。実施形態によれば、六角形の構造の側壁１２２は、結晶学的なｍ平面（ｍ－Ｅｂｅｎｅ）に相当し得る。すなわち、メサ１２３の側壁１２２は、半導体材料の結晶軸に沿って延びることができる。このようにして、非常に滑らかなメサエッジを作成でき、それによって半導体積層体内の散乱損失が低減される。

【0064】

図３Ｂは、面発光半導体レーザのいくつかの部分の概略垂直断面図を示す。図３Ｂの左部分に示されるように、メサ１２３の側壁１２２は、Ｚ方向に沿って延びることができる。例えば図３Ｂの右部分に示される他の実施形態では、メサ１２３の側壁１２２は、斜めに、すなわち垂直またはｚ軸と交差するが、この軸と平行ではない方向に沿って延びることもできる。ｘ－ｙ平面において、メサは、例えば図３Ａを参照して説明された形状などの任意の形状を有することができる。

【0065】

メサを作製するために、半導体積層体１２１に、例えばエッチングマスク１４０を形成することができる。例えば、図４Ａの左側の部分に示されるように、エッチングマスク１４０は円形の断面１４１を有することができる。他の実施形態によれば、エッチングマスクは、図４Ａの右側の部分に示されるように、六角形の断面１４１を有することもできる。さらには、例えば湿式エッチング法、例えば塩基性化学物質（ＫＯＨ、ＴＭＡＨ、ＮＨ_３、ＮａＯＨ）で実行される。このようにして、例えばＧａＮ結晶のｍ平面に沿って結晶学的エッチングを実行することができ、そのことが非常に滑らかで、欠陥の少ないまたは欠陥のない側面（Ｆｌａｎｋｅｎ）をもたらす。さらに、結晶の基礎をなす対称特性が準備されるため、露光エラーが補償される。条件を適切に変更することによって、丸形または楕円形のエッチング形状を達成することも可能である。図４Ａの下部分は、相応にパターニングされた半導体積層体１２１を示す。

【0066】

図４Ｂは、エッチングプロセスの実行後のワークピース２０の概略断面図を示す。見て取れるように、メサ１２３は、エッチングマスクの形状に従ってパターニングされている。例えば、続いてメサのエッジを洗浄することができる。さらには、メサ１２３の側壁に被覆層１２５を堆積させることができる。

【0067】

図４Ｃは、被覆層１２５を堆積させたワークピース２０の概略断面図を示す。例えば、被覆層１２５の材料をスパッタリングによって形成することができる。被覆層１２５の結晶化度を高めるために、例えば、続いて高温、例えば８００℃までの温度で温度処理が実行されてもよい。これは、レーザスパイク温度処理によって実施することもできる。

【0068】

被覆層の代替的または追加的な材料は、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＴａＯ、ＮｂＯ、ＣａＦ、ＭｇＦ_２、ＡｌＯ、ドープされていないＧａＮまたはＡｌＩｎＮを含むことができる。実施形態によれば、被覆層の材料は熱伝導係数が特に大きくなるように選択され、それにより、生じる熱を効率よく放散できる。例えば、被覆層の熱伝導係数を第１の半導体層および第２の半導体層ならびに活性領域の熱伝導係数より大きくすることができる。

【0069】

図５は、実施形態による方法を要約する。面発光半導体レーザを製造する方法は、第１の導電型の第１の半導体層を形成すること（Ｓ１００）と、電磁放射を生成するための活性領域を形成すること（Ｓ１１０）と、第２の導電型の第２の半導体層を形成すること（Ｓ１２０）とを含み、第１の半導体層、活性領域および第２の半導体層が積み重ねられて半導体積層体が形成される。第１の半導体層は、パターニングされてメサとなる（Ｓ１３０）。方法は、メサの側壁に隣接する被覆層を形成すること（Ｓ１４０）をさらに含む。

【0070】

実施形態によれば、本明細書に記載されるコンセプトをさらに拡張することができる。例えば、個々の面発光半導体レーザ要素をアレイ、例えばチップ上の複数の単一エミッタとして実現することもできる。さらに、システムは、光のアウトカップリングが基板によって、すなわち基板の第２の主表面１０１を介して行われるように設計されてもよい。

【0071】

図６は、実施形態によるオプトエレクトロニクス半導体部品３０を示す。オプトエレクトロニクス半導体部品３０は、照明装置、投影装置、または表示装置から選択される。光学損失が低減されることにより、より高い効率と、その結果としてオプトエレクトロニクス半導体部品３０のより高い発光密度も達成することができる。

【0072】

本明細書では、特定の実施形態について図示および説明してきたが、当業者は、これらの図示および説明された特定の実施形態を、本発明の保護範囲から逸脱することなく多数の代替実施形態および／または均等実施形態によって置き換えることができることを認識するであろう。本願は、本明細書で論じられた特定の実施形態のあらゆる適合形態または変形形態を対象として含むものである。したがって、本発明は、特許請求の範囲およびそれらの均等物のみによって限定される。

【符号の説明】

【0073】

１０ 面発光半導体レーザ
１１ 面発光半導体レーザ要素
１５ 放出されたレーザ放射
２０ ワークピース
３０ オプトエレクトロニクス半導体部品
１００ 基板
１０１ 基板の第２の主表面
１０５ 強度
１１０ 第１の半導体層
１１１ 第１の半導体層の第１の主表面
１１２ 導電層
１１５ 活性領域
１２０ 第２の半導体層
１２１ 半導体積層体
１２２ メサの側壁
１２３ メサ
１２４ 共振器
１２５ 被覆層
１２６ 化合物層
１３０ 第１の共振器ミラー
１３１ 第１のコンタクト要素
１３２ 第２のコンタクト要素
１３５ 第２の共振器ミラー
１３６ トンネル接合層
１３７ 金属キャリア
１３９ 開口絞り
１４０ エッチングマスク
１４１ エッチングマスクの断面

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5】

【図6】

【手続補正書】

【提出日】2024-01-23

【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】

面発光半導体レーザ（１０）であって、
第１の導電型の第１の半導体層（１１０）と、
電磁放射（１５）を生成するための活性領域（１１５）と、
第２の導電型の第２の半導体層（１２０）であって、前記第１の半導体層（１１０）、前記活性領域（１１５）および前記第２の半導体層（１２０）が積み重ねられて半導体積層体（１２１）が形成される、第２の半導体層（１２０）と、
メサ（１２３）の側壁（１２２）に隣接する被覆層（１２５）と、
電流を誘導するための開口絞り（１３９）であって、前記開口絞り（１３９）の開口径が前記メサ（１２３）の直径よりも小さい、開口絞り（１３９）と、
を備え、
前記半導体積層体（１２１）がパターニングされてメサ（１２３）となり、前記メサ（１２３）の直径が１０μｍ未満である、面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項2】

前記第１の半導体層および前記第２の半導体層（１１０、１２０）がＡｌ _ｘ Ｇａ _ｙ Ｉｎ _{１－ｘ－ｙ} Ｎ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１）を含む、請求項１に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項3】

前記第１の半導体層および前記第２の半導体層（１１０、１２０）がＧａＮ層である、請求項２に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項4】

前記被覆層（１２５）の材料は、前記被覆層（１２５）の前記材料の屈折率が前記第１の半導体層（１１０）の屈折率よりも小さくなるように選択される、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項5】

前記被覆層（１２５）の材料がＡｌＮを含む、請求項１に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項6】

前記被覆層（１２５）の材料は、前記被覆層（１２５）の前記材料の吸収係数が前記第１の半導体層（１１０）の吸収係数よりも小さくなるように選択される、請求項１に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項7】

第１の共振器ミラーと第２の共振器ミラー（１３０、１３５）をさらに備え、前記第１の共振器ミラー（１３０）が前記第１の半導体層（１１０）の一方の側に配置され、前記第２の共振器ミラー（１３５）が前記第２の半導体層（１２０）の一方の側に配置され、前記第１の共振器ミラーおよび前記第２の共振器ミラー（１３０、１３５）が絶縁性である、請求項１に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項8】

第１の共振器ミラーと第２の共振器ミラー（１３０、１３５）をさらに備え、前記第１の共振器ミラー（１３０）が前記第１の半導体層（１１０）の一方の側に配置され、前記第２の共振器ミラー（１３５）が前記第２の半導体層（１２０）の一方の側に配置され、前記２つの共振器ミラーのうちの１つが絶縁性であり、前記２つの共振器ミラーのうちのもう１つが導電性である、請求項１に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項9】

前記半導体積層体（１２１）が、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層（１１０、１２０）を成長させるための成長基板の上に配置される、請求項１に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項10】

前記半導体積層体（１２１）が金属キャリア（１３７）の上に配置される、請求項１に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項11】

前記メサ（１２３）が、水平面において六角形の形状を有する、請求項１に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項12】

前記メサ（１２３）の側壁（１２２）が、前記第１の半導体層（１１０）の材料の結晶面に相当する、請求項１に記載の面発光半導体レーザ（１０）。

【請求項13】

面発光半導体レーザ（１０）を製造する方法であって、
第１の導電型の第１の半導体層（１１０）を形成すること（Ｓ１００）と、
電磁放射（１５）を生成するための活性領域（１１５）を形成すること（Ｓ１１０）と、
第２の導電型の第２の半導体層（１２０）を形成すること（Ｓ１２０）であって、前記第１の半導体層（１１０）、前記活性領域（１１５）および前記第２の半導体層（１２０）が積み重ねられて半導体積層体（１２１）が形成される、第２の半導体層（１２０）を形成することと、
前記半導体積層体（１２１）をパターニングしてメサ（１２３）を形成することであって、前記メサ（１２３）の直径が１０μｍ未満である、前記半導体積層体（１２１）をパターニングすることと、
前記メサ（１２３）の側壁（１２２）に隣接する被覆層（１２５）を形成すること（Ｓ１４０）と、
電流を誘導するための開口絞り（１３９）を形成することであって、前記開口絞り（１３９）の開口径が前記メサ（１２３）の直径よりも小さい、開口絞り（１３９）を形成することと、
を含む方法。

【請求項14】

前記第１の半導体層および前記第２の半導体層（１１０、１２０）がＡｌ _ｘ Ｇａ _ｙ Ｉｎ _{１－ｘ－ｙ} Ｎ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１）を含む、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記被覆層（１２５）が、スパッタリングによって前記メサ（１２３）の前記側壁（１２２）の上に設けられる、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

少なくとも８００℃の温度での温度処理工程をさらに含む、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記第１の半導体層（１１０）の前記パターニングが湿式エッチング法を含む、請求項１４から請求項１６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項18】

オプトエレクトロニクス半導体部品（３０）であって、請求項１に記載の面発光半導体レーザ（１０）を備える、オプトエレクトロニクス半導体部品（３０）。

【請求項19】

照明装置、投影装置または表示装置から選択される、請求項１８に記載のオプトエレクトロニクス半導体部品（３０）。

【国際調査報告】