JP2005079580A - 複数の発光領域を有するレーザー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特にポンピングの適用ケースに適したものであって、かつ可及的に僅かな技術的コストで製造できる高出力のレーザー装置を提供すること。
【解決手段】半導体（１）が、モノリシックに集積化されて構成されており、さらに冷却要素（２）が設けられ、該冷却要素（２）の上に当該半導体（１）が設けられるように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、横方向に複数の発光領域を有している半導体を備えたレーザー装置に関しており、この出願は、独国特許出願DE 10 2004 003 24.5明細書及び独国特許出願DE 103 40 269.1明細書の優先権を主張して出願されるものである。これによりそれらの開示内容は本願に関連付けられるものとなる。

ビームを発光する活性層を備えたいわゆるレーザーバー形状のレーザーダイオードは公知である。この活性層は、並行に配置された複数のストライプ状発光領域に分割されている。この種のレーザーダイオードは、通常は２つのコンタクト面を用いてコンタクトされている。これらのコンタクト面は横方向に発光領域全体に亘って延在しており、それによって個々のストライプ状発光領域が電気的に並列に接続されている。このような発光領域の並列配置によって、単一の発光領域を備えたレーザーダイオードに比べ、非常に高い光出力が得られ、これによってこの種のレーザーバーは、高出力の求められる適用分野に適したものとなっている。

ただ高出力レーザーダイオードでは、冷却能力が特に重要な要素となっている。なぜなら十分な冷却がなければ、発生した損失熱が高い温度上昇を引き起し、そのため半導体がごく短時間の間に熱的過負荷にさらされ、その結果として破壊につながる恐れがあるからである。このような冷却対策としては、レーザーダイオードの半導体が例えば十分な熱容量と熱伝導性を有する金属プレート上に取付けられている。

さらに高い光出力を得るために、この種の冷却要素を備えたレーザーバーを垂直方向に積層させることも可能である。しかしながらそのような装置は、比較的高い材料コストと製造コストを強いられる。なぜなら各半導体がまず最初はそれぞれの冷却要素に取付けられなければならず、それに続いてこれらの冷却要素もそれに載置固定された半導体と共に積層されなければならないからである。これらの各取付けステップは、全ての発光領域の正確な配向特性を保証するために、高精度で実施されなければならない。さらにこれらの発光領域は、それらの間に介在する冷却要素に基づいて垂直方向で比較的広い間隔を相互に持たせられており、このことは発生する光ビームの共通の中心に対する集束性を弱める。特に高出力を伴うポンピングの適用されるケースでは、発生した光ビームのできるだけ良好な集束性が重要である。
独国特許出願DE 10 2004 003 24.5明細書 独国特許出願DE 103 40 269.1明細書

本発明の課題は、冒頭に述べたよう形式のレーザー装置において、より高い出力特性が達成できるように改善を行うことである。その場合にこのレーザー装置は、特にポンピングの適用ケースに適したものであって、かつ可及的に僅かな技術的コストで製造できるものでなければならない。

前記課題は請求項１の特徴部分に記載された本発明によって解決される。

本発明の別の有利な実施例は従属請求項に記載されている。

本発明によれば、半導体を備えたレーザー装置であって、該半導体は、レーザービーム発生のために垂直方向に積層的に配置された複数の活性層を有しており、該活性層は、横方向でそれぞれ複数の発光領域に分割され、さらに垂直方向においてそれぞれトンネル接合部によって電気的に直列に接続されている。この半導体は、モノリシックに集積化されて構成され、冷却要素上に配設されている。

本発明によれば、垂直方向に上下に積層された複数の活性層のモノリシックな集積化によって、これらの活性層相互間の間隔が従来の分離型構造に比べて著しく低減され、そのため個々の活性層で生成された光ビームが共通の中心に対して良好に集束化される。特にポンピングの適用されるケースに対してはこのことが大きな利点となる。

そのため例えば垂直方向に隣接する２つの活性層の間の間隔が、本発明によれば、１００μｍ以下、有利には２０μｍ以下、特に有利には５μｍ以下におかれ、それに対して公知の分離型配置構成では、この間隔が実質的には冷却要素の寸法によって確定され、典型的にはミリ範囲におかれる。

さらに半導体のモノリシックな集積化によって、既に半導体の製造枠において発光領域相互間の高精度な配向配置が、後からの高コストな特別の調整なしでも達成できる。

さらに本発明によれば、レーザー装置全体に対して唯１つの共通の冷却要素のみが必要となるだけで、そのため積層式の冷却要素がそれぞれその上に載置されたレーザーバーと共に別個に配置される構成に比べて材料コストが有利には低く抑えられる。

有利には垂直方向で上下に配設される活性層がトンネル接合部を用いて電気的に直列に接続される。このトンネル接合部を用いた直列接続部は、本発明の枠内では、垂直方向で隣接する２つの活性層の間のコンタクト層の配置構成をも含み得る。この場合このコンタクト層は、第１の導電型の第１の導電層と、第２の導電型の第２の導電層及び介在層を含んでいる。この介在層は、第１の導電層と第２の導電層の間に配設されており、電荷担体のトンネル確率を高めている。

この場合この介在層は、次のような利点を有している。すなわちイオン化された障害箇所における電荷担体の吸収と散乱が低減される。それにより電荷担体がより高い寿命を有するようになり、それに伴って電気的な抵抗も低減される。この電気的な抵抗の低減は、導電性コンタクトを極端な電流負荷の際にも安定して維持することにつながり、素子の破壊が免れる。それにより当該レーザー装置の寿命も有利に高められる。有利にはこの介在層はドーピングされない。ドーピングされない（真性）層は、直接の接合領域内のイオン化された障害箇所において電荷担体の吸収と散乱を低減させる。それにより、電荷担体は高められた寿命を有し、それによって導電性のコンタクト層の電気的な抵抗も低減される。有利には、介在層は、比較的薄く構成される。この介在層は、単層間の厚さが５０ｎｍであってもよい。

そのような介在層のさらなる実施例によれば、介在層が第１または第２の導電型でドーピングされ、但し第１または第２の導電層よりも低いドーパント濃度を有している。

さらに本発明の枠内では、トンネル接合部を用いて直列回路は次のようにして実現されてもよい。すなわち、コンタクト層が垂直方向で隣接する２つの活性層の間に配設され、このコンタクト層は第１の導電型の第１の導電層と、第２の導電型の第２の導電層と、第１の介在層および第２の介在層を有し、この場合第１および第２の介在層は、第１および第２の導電層の間に配設されており、第１の導電層の第１の介在層と第２の導電層の第２の介在層は対向している。有利には、第１の介在層は、第１の導電層と同じ導電型を有し、第１の導電層に比べてより高いドーパント濃度を有している。それに対して第２の介在層は第２の導電層と同じ導電型を有し、第２の導電層に比べてより高いドーパント濃度を有している。さらに有利には、第１及び/又は第２の介在層の厚さは、単層間で３０ｎｍ、特に４ｎｍから１２ｎｍの間である。

前述したコンタクト層は、独国特許出願DE 100 57 698.2明細書に記載されており、これも参照文献として本願に取り入れられている。

本発明の有利な構成例によれば、活性層がそれぞれ導波路構造、例えばＬＯＣ（Large Optical Cavity）導波路として構成された導波路構造部へ埋め込まれる。それにより、垂直方向でビーム領域が活性層へ集中され（光学的閉じ込め）、それによって構成素子の高効率ないしは有利に低減された閾値電流が達成される。

本発明のさらに別の有利な実施例によれば、半導体が冷却要素にろう付け若しくは接着される。この接着剤としては例えば熱伝導性の接着剤であって、電気的な導電性も十分に兼ね備えている接着剤、例えば金属粒子（金、銀）を含んだエポキシベースの接着剤であってもよい。

ろう付けは通常は、接着剤結合に比べて熱伝導性と導電性の面ですぐれている。いずれにせよ半導体のろう付けプロセスの際には、熱的負荷があり、その場合には温度変化によって機械的な緊張が生じ得る。それにより、半導体の損傷の危険性や不十分な機械的固定度のリスクが高まる。

代替的に半導体は冷却要素に挟み込まれてもよい。その場合は有利には、半導体と冷却要素の間に半導体と冷却要素のコンタクトおよび/または電気的コンタクトを向上させる手段が埋め込まれてもよい。これに対しては特にカーボンチューブ（いわゆるナノチューブ）を含んだ手段が適している。

冷却要素としては、例えばマイクロチャネル型冷却体が利用され得る。この種の例えば水冷式の冷却要素は、発生した損失熱の特に効果的な放出を可能にする。総括的に本発明によれば１００Ｗ以上、例えばキロワット領域の光学的出力が実現可能である。

発光ビームの集束化に関しては、冷却要素に光学系を設けてもよい。例えば円柱レンズの形態の光学系を発光領域において照射方向に配置してもよい。有利には、この種の光学系はレーザー装置の完成の枠内では冷却要素に取付けてもよい。それにより光学系と半導体相互の調整が既に行われ、再度の個別位置合わせと構成要素相互の配向は必要なくなる。

次に本発明の実施例を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。なおこれらの図面中、同じ構成要素もしくは同じ作用をする構成要素には同じ参照符号が用いられる。

図１及び図２に示されているレーザー装置は、半導体１を含んでいる。この半導体は、固着層１２を用いて冷却要素２の上に固定されている。例えば半導体１は冷却要素２上にろう付けもしくは接着され得る。

この半導体１自体は、多層型に構成され、冷却要素２側から見て基板３と第１の導波路層４と、第１の活性層もしくは活性層列５と、第２の導波路層６と、トンネル接合部７と、第３の導波路層８と、第２の活性層もしくは活性層列９と、第４の導波路層１０と、コンタクト層１１を有している。

活性層５および９は、それぞれ量子井戸構造、例えば二重の量子井戸構造（ＤＱＷ：Double Quantum Well）の形態で８０８ｎｍの発信波長を有するＩｎＧａＡｓベース又はＡｌＩｎＧａＡｓベース上に構成される。単一の量子井戸構造もしくは２以上の量子井戸を有する多重量子井戸構造は、本発明の枠内では同様に設けられ得る。

第１及び第２の導波路層４，６並びに第３及び第４の導波路層８，１０はそれぞれ、生成されるビーム領域のガイドのためのＬＯＣ導波路構造を形成し（光学的閉じ込め）、その中にそれぞれ介在的に設けられた活性層ないし活性層列５，９が埋め込まれている。

２つの導波路構造部の間には、トンネル接合部７が形成されている。このトンネル接合部７を用いて相互に垂直方向に配置された活性層が直列に接続される。

冷却要素２はさらに、レーザー装置の固定のための孔部１３を有している。さらにこの冷却要素２のもとには、例えば冷却媒体の導入と導出のための接続支持部及び/又は半導体の給電のための電気的な端子などが設けられてもよい。

図２に示されているように、活性層５及び９は横方向にストライプ状に並列に配設された発光領域に分割されている。これらの発光領域１５は、活性層５及び９内への作動電流の相応の印加によって形成され得る。これらは例えばコンタクト層１１若しくはコンタクト金属化層の横方向で発光領域１５に対応する構造によって実現されてもよい。

代替的に又は付加的に、発光領域１５の間には、生成された光ビームの吸収層を設けてもよい。これらの吸収層の領域内では、対応するレーザー共振器の品質が低減されるので、それによって光ビームの生成と伝播が、設けられている発光領域１５に絞られる。

また横方向における相応の導波路構造も、発光領域１５の構成のために利用することも可能である。

図３に透視図で示されているレーザー装置も、半導体１と冷却要素２に関して前述した実施例に十分相応するものである。ただここでは、冷却要素の上にロッド状の円柱レンズ１４の形態の光学系が設けられている点で違いがあるだけである。この光学系を用いることによって、ビームが共通の平面に収束される。またここでは光ビームを共通の中心に収束化するさらなる別の光学素子が設けられてもよい。その他にも図示の光学系の代わりに、回折性の光学素子や、回折性光学素子を含んだハイブリッドな光学装置が用いられてもよい。

図面に基づいて前述してきた本発明の説明は、本発明をこれらの実施例に限定することを意味するものではない。それどころか本発明は、特許請求の範囲や前記実施例並びにその他の明細書で述べてきた特徴の全ての組合わせも、たとえそれらの各々が請求の範囲の特定事項として明示的に記載されていないものであっても全て含まれるものである。

特に本発明は、前記実施例で示されてきた数の発光領域に限定されるものではなく、必要に応じて、あるいは適用ケースに応じてそれぞれ任意の数の発光領域が横方向に、あるいは垂直方向にそれぞれ積層され得るものである。

本発明によるレーザー装置の第１実施例の概略的な断面図 本発明によるレーザー装置の第１実施例の概略的な平面図 本発明による第２実施例の概略的な透視図

符号の説明

１ 半導体
２ 冷却要素
３ 基板
４ 第１の導波路層
５ 活性層
６ 第２の導波路層
７ トンネル接合部
８ 第３の導波路層
９ 活性層
１０ 第４の導波路層
１１ コンタクト層
１２ 固着層
１３ 孔部
１５ 発光領域

Claims (12)

1. 半導体（１）を備えたレーザー装置であって、前記半導体（１）は、レーザービーム生成のために垂直方向に積層的に配置された複数の活性層（５，９）を有しており、該活性層は、横方向でそれぞれ複数の発光領域（１５）に分割され、垂直方向でそれぞれ電気的に直列に接続されている形式のレーザー装置において、
   前記半導体（１）が、モノリシックに集積化されて構成されており、さらに冷却要素（２）が設けられており、該冷却要素（２）の上に当該半導体（１）が設けられていることを特徴とするレーザー装置。
2. 前記活性層（５，９）は、それぞれ導波路構造部内へ埋め込まれている、請求項１記載のレーザー装置。
3. 前記導波路構造部は、ＬＯＣ型導波路として構成されている、請求項２記載のレーザー装置。
4. 前記活性層（５，９）は、量子井戸構造部として構成されている、請求項１記載のレーザー装置。
5. 垂直方向で隣接する２つの活性層（５，９）の間の間隔は、１００μｍよりも小さく、有利には２０μｍよりも小さく、特に有利には５μｍよりも小さい、請求項１記載のレーザー装置。
6. 前記冷却要素（２）は、マイクロチャネル型冷却体である、請求項１から５いずれか１項記載のレーザー装置。
7. 前記半導体は、冷却要素（２）の上にろう付け若しくは接着されている、請求項１から６いずれか１項記載のレーザー装置。
8. 前記半導体は、冷却要素（２）上に挟み込まれている、請求項１から７いずれか１項記載のレーザー装置。
9. 前記半導体と冷却要素（２）の間に、カーボンチューブを含んだ手段が設けられている、請求項８記載のレーザー装置。
10. 作動中の光学的出力特性が、総合的に１００Ｗよりも大きく、有利には２００Ｗよりも大きい、請求項１から９いずれか１項記載のレーザー装置。
11. 前記冷却要素（２）上に、活性層（５，９）に後置接続された光学系が設けられている、請求項１から１０いずれか１項記載のレーザー装置。
12. 垂直方向で積層的に配置された活性層（５，９）が、それぞれトンネル接合部（７）によって電気的に直列に接続されている、請求項１から１１いずれか１項記載のレーザー装置。

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