JP2009542016A - 垂直方向の放射方向および安定化された放射波長を有する表面発光型の半導体基体 - Google Patents

Abstract

本発明は、垂直方向の放射方向を有する表面発光型の半導体基体に関する。この半導体基体には動作のために共振器が設けられており、またこの半導体基体は活性領域（３）を備えた半導体層列（２）を有する。半導体基体（１）は、活性領域において形成された放射のピーク波長が所定の動作範囲ではこの活性領域において形成された放射の出力の変化に対して安定化されているように波長が安定化されて構成されている。

Description

本発明は、垂直方向の放射方向を有する表面発光型の半導体基体に関する。

本願は、ドイツ連邦共和国特許出願第102006030247.8号および第102006042196.5号の優先権を主張するものであり、その開示内容は参照により本願に取り入れられる。

垂直方向の放射方向を有する表面発光型の半導体レーザは例えばKuznetsovらの記事「IEEE Journal of Selected Topics Quantum Electronics, Vol. 5, No. 3」１９９９年５月／６月、第５６１〜５７３頁から公知である。通常の場合、その種の半導体レーザの動作時に活性領域において形成される放射のピーク波長のスペクトル位置は活性領域の温度に依存する。つまり活性領域の温度が上昇するとバンドギャップのエネルギが低減される可能性があり、これによりピーク波長がより長い波長にシフトする可能性がある。しかしながら、例えば半導体レーザによって形成された放射の非線形の光学結晶における変換が予定されている多くの用途においては可能な限り安定したピーク波長が非常に有利である。考えられる１つの方法では、半導体レーザの動作温度を制御することによりピーク波長の安定化が行われる。しかしながらその種の方法は比較的煩雑である。

本発明の課題は、動作のために共振器が設けられており、この共振器内を伝播する放射、またはこの共振器から出力結合される放射のピーク波長のスペクトル位置が、半導体基体において放射の形成のために設けられている活性領域の温度変化に対して簡単に安定化されている、表面発光型の半導体基体を提供することである。

本発明によればこの課題は、独立請求項の特徴部分に記載されている、垂直方向の放射方向を有する表面発光型の半導体基体によって解決される。本発明の有利な実施形態および発展形態は従属請求項に記載されている。

本発明による第１の実施形態においては、動作のために共振器が設けられている、垂直方向の放射方向を有する表面発光型の半導体基体が、活性領域とこの活性領域の外側に配置されている少なくとも２つの半導体層とを有する半導体層列を包含する。活性領域は複数の量子構造を有し、各量子構造には放射方向に沿った拡張部に関して幾何学的な中心点が対応付けられている。放射方向に沿った量子構造の幾何学的な中心点は相互に平均光学距離Ｄをおいて配置されており、活性領域の外側に配置されている半導体層のうちの１つの半導体層の光学的な層厚は平均光学距離Ｄの半分の整数倍に対して所期のように離調されている。

この種の離調によって共振器における半導体基体の動作時に有利には、活性領域において形成され、共振器内での増幅が行われる放射のピーク波長の活性領域の温度への依存性を低減することができる。さらに活性領域において形成される放射の出力の変化に対してピーク波長を安定化させることができる。

有利な実施形態においては、半導体基体が所定の動作範囲における動作のために設けられている。

本発明による第２の実施形態においては、垂直方向の放射方向を備えた表面発光型の半導体基体が活性領域を備えた半導体層列を有する。共振器における半導体基体の動作時に活性領域において形成された放射のピーク波長が所定の動作範囲ではこの活性領域において形成された放射の出力の変化に対して安定化されているように、半導体基体は波長が安定化されて構成されている。

出力が変化した際のピーク波長の変化を半導体基体の適切な構成によって低減することができる。有利には、ピーク波長を安定化させるための共振器内の付加的な素子を省略することができる。

第２の実施形態の有利な構成においては、半導体層列が活性領域の外側に配置されている少なくとも２つの半導体層を有する。

第２の実施形態の別の有利な構成においては、活性領域が複数の量子構造を有し、各量子構造には放射方向に沿った拡張部に関して幾何学的な中心点が対応付けられている。放射方向に沿った量子構造の幾何学的な中心点は相互に平均光学距離Ｄをおいて配置されており、活性領域の外側に配置されている半導体層のうちの１つの光学的な層厚は平均光学距離の半分の整数倍に対して所期のように離調されている。

有利には、活性領域の温度の上昇による半導体基体の活性領域において形成された放射のピーク波長の増加に対抗する物理的な効果が所期のように高められるように半導体基体は構成されている。その種の効果は例えば、半導体基体の動作時に半導体層において電荷密度が変化した際のモードホッピングまたは半導体層の屈折率の変化である。

活性領域の温度の上昇または放射の出力の増加によるピーク波長の変化が、冒頭で述べたようなKuznetsovらの記事に記載されているように、活性領域の外側に配置されている半導体層の全ての光学的な層厚が共通の値（この共通の値は半導体基体において形成される放射が達成しようとするピーク波長によって設定されている）の整数倍に対応するように構成されている半導体基体におけるピーク波長の変化よりも小さい場合、共振器における動作時に活性領域において形成された放射のピーク波長はこの活性領域において形成された放射の出力の変化に対して安定化されていると見なすことができる。

さらには、ピーク波長が活性領域の温度の変化時または活性領域において形成された放射の出力の変化時に、活性領域の温度によって半導体基体に使用される半導体材料の屈折率が変化した結果の場合よりも緩慢に変化するならばピーク波長は安定化されているとみなすことができる。温度による屈折率の変化はこの半導体材料の材料固有の値である。例えば、KuznetsovによるＧａＡｓを基礎とする従来の半導体基体では、温度に起因する＋０．１ｎｍ／℃の共振シフトが示される。

本発明の枠内において垂直方向の放射方向を有する表面発光型の半導体基体とは、半導体基体において形成された放射が主として半導体基体の半導体層列の半導体層に対して平行に延びる半導体基の表面側を用いて半導体基体から放出される半導体基体と解される。したがって半導体基体において形成された放射が主として放出される方向は半導体層列の半導体層に対して垂直または実質的に垂直に延びる。

有利な実施形態においては、所定の動作範囲の下限は半導体基体のレーザ閾値によって形成されている。レーザ閾値とは共振器における半導体基体の動作時にレーザ活性、すなわちコヒーレントな放射の放出が生じるポンプ出力と解される。

別の有利な実施形態においては、所定の動作範囲の上限は最大出力が達成される動作点によって、殊に有利には表面発光型の半導体基体のレーザ活性の上限によって形成されている。通常の場合、半導体基体のいわゆる熱的飽和（thermal rollover）によってレーザ活性の上限が生じる。熱的飽和により、ポンプ出力がさらに高まっても活性領域において形成される放射の最大出力を上回ることはない。その原因は、最大出力の動作点を超えてポンプ出力が高まった際にレーザ活性を停止させる、活性領域内の熱に起因する損失メカニズムである。

殊に有利には所定の領域がレーザ活性の全体の領域である。したがって動作範囲の限界はレーザ閾値からレーザ活性の上限の範囲である。

ポンプ出力を半導体基体の動作時に、殊に電気的または光学的に半導体基体の活性領域に供給することができる。

有利な実施形態においては、活性領域において形成された放射のピーク波長が所定の動作範囲では１０ｎｍ以下、有利には５ｎｍ以下、殊に１ｎｍ以下でしか変化しないように半導体基体が実施されている。

別の有利な実施形態においては活性領域の隣り合う２つの量子構造がそれぞれバリアによって相互に隔てられている。量子構造は有利にはコヒーレントな放射を形成するために設けられている。殊に、半導体基体の動作時に放射は量子構造内の量子化された電子と量子化された正孔との放射性の再結合によって形成される。活性領域において増幅されるべき放射の放出は有利には放射方向に沿って行われる。

本明細書において量子構造の概念には、キャリアの閉じこめ（「confinement」）によってそのエネルギ状態が量子化される、または量子化される可能性があるあらゆる構造が含まれる。

殊に量子構造の概念には量子の次元に関する規定は含まれない。したがって量子構造には、例えば、量子箱、量子細線、量子点およびこれらの構造のあらゆる組み合わせが含まれる。

通常の場合、放射方向に沿ったバリアの拡張部は放射方向に沿った量子構造の拡張部と少なくとも同じ大きさを有する。殊に、バリアの拡張部は量子構造の拡張部の少なくとも２倍、有利には量子構造の拡張部の少なくとも５倍の大きさを有する。

殊に有利にはバリアの厚さ、すなわち放射方向に沿ったバリアの拡張部は、活性領域において増幅されるべき放射に関して、共振器内での半導体基体の動作時に生じる定在波場の隣り合う２つの最大値間の距離に平均光学距離Ｄがほぼ対応するように構成されている。平均光学距離Ｄと定在波場の強度の隣り合う２つの最大値間の距離との差は通常の場合最大で５％、有利には最大で２％、殊に有利には最大で１％である。この差が小さければ小さいほど、各量子構造の中心点を定在波場のこれらの最大値のうちのそれぞれ１つのより近くに配置することができる。つまり有利には活性領域において増幅されるべき放射に関する増幅率を高めることができる。

別の有利な実施形態では、活性領域が５つまたはそれ以上の量子構造、殊に有利には１０またはそれ以上の量子構造を有する。量子構造の数が増大すれば、活性領域の光学的なポンピングの際にポンプ放射を有利にはより多く吸収することができる。他方では、それと同時に活性領域の厚さが増すので、半導体基体の製造時に活性領域の析出の時間が長くなる。したがって量子構造の数は１０以上２５以下、例えば１４が有利であると証明された。

殊に有利な実施形態においては、量子構造の幾何学的な中心点は等距離で配置されており、隣り合う２つの量子構造の幾何学的な中心点の光学距離はそれぞれ、活性領域において増幅されるべき放射に関して、共振器内の定在波場の強度の隣り合う２つの最大値間の距離に相当する。つまり活性領域の量子構造を活性領域において増幅されるべき放射に関して、殊に正確に共振器内の定在波場の強度のそれぞれ１つの最大値に配置することができる。

有利な実施形態においては、活性領域が共振周期利得構造（ＰＲＧ構造；Resonant Periodic Gain structure）として構成されており、この共振周期利得構造の周期はそれぞれ１つの量子構造と、この量子構造に接するそれぞれ１つのバリアとによって形成されている。殊に、量子構造は有利には全ての周期において同一に構成されている。共振周期利得構造において量子構造は、活性領域において増幅されるべき放射がその量子構造によって共振的に増幅されるよう形成されている。

別の有利な実施形態においては、量子構造がそれぞれちょうど１つの量子層を有する。これにより量子構造の殊に簡単で再現可能な製造が実現される。

別の有利な実施形態においては、量子構造が２から５の量子層のグループを有する。これらの量子構造は中間層によって相互に隔てられている。２から５の量子層の数が有利である。何故ならば、これにより放射方向に沿った量子構造の拡張部が小さくなり、量子構造の全ての量子層を増幅すべき放射の定在波場の最大値の領域に配置することができるからである。

平均光学距離Ｄとは放射方向に沿った隣り合うそれぞれ２つの量子構造の幾何学的な中心点間の光路長の数学的な平均値と解される。光路長の算出に関しては共振器内で増幅されるべき放射に関係する半導体層の屈折率が基礎とされる。平均光学距離の半分の距離を以下ではＤ／２と略記する。

これと同様に、光学的な層厚とは放射方向に沿った半導体層を通る光路長と解される。すなわち、活性領域において増幅されるべき放射に関する半導体層の屈折率と乗算された層厚と解される。

殊に、光学的な層厚が例えば製造公差に起因する典型的な偏差を上回って基礎値から偏差する場合には、光学的な層厚は殊に所定の基礎値に対して所期のように離調されていると見なされる。したがって、通常の静的な変動内で基礎値から偏差している光学的な層厚を有する層は所期のように離調されているとは見なされない。

半導体層を例えばＭＯＶＰＥまたはＭＢＥによってエピタキシャルに析出する場合には、所定の層厚から例えば１％以下で偏差している実際の層厚を有する半導体層を析出することができる。光学的な層厚の偏差もこの範囲内にある。

半導体層が所定の基礎値よりも大きい光学的な層厚を有する場合には、その半導体層を以下では所定の基礎値に対して正に離調されていると称する。

例えば、半導体層がＤの一番近い整数倍またはＤ／２の一番近い奇数倍よりも大きい光学的な層厚を有する場合には、Ｄの整数倍またはＤ／２の奇数倍に対して所期のように離調されている光学的な層厚を有する半導体層を以下では、Ｄの整数倍またはＤ／２の奇数倍に対して正に離調されていると称する。

同様に、半導体層が所定の基礎値よりも小さい光学的な層厚を有する場合には、その半導体層を所定の基礎値に対して負に離調されていると称する。

有利な実施形態においては、活性領域の外側に配置されている半導体層のうちの１つの光学的な層厚が、Ｄ／２に関してはＤ／２の奇数倍に対して、またはＤに関してはＤの整数倍に対して１％以上４５％以下で離調されている。殊に有利には、活性領域の外側に配置されている半導体層のうちの１つの光学的な層厚が、Ｄ／２に関してはＤ／２の奇数倍に対して、またはＤに関してはＤの整数倍に対して２％以上３５％以下で離調されている。とりわけ、活性領域の外側に配置されている半導体層のうちの１つの光学的な層厚が、Ｄ／２に関してはＤ／２の奇数倍に対して、またはＤに関してはＤの整数倍に対して５％以上３０％以下で離調されている。

別の有利な実施形態においては、活性領域がこの活性領域の外側に配置されている半導体層の間に配置されている。殊に、活性領域の外側に配置されている２つの半導体層はＤの整数倍またはＤ／２の奇数倍に対して所期のように離調されている。

さらに有利には、活性領域の外側に配置されている半導体層のうちの１つの半導体層はＤ／２の整数倍よりも大きく離調されており、したがってＤ／２に対して正に離調されており、また活性領域の外側に配置されている半導体層のうちの１つの半導体層はＤ／２の整数倍よりも小さく離調されており、したがってＤ／２に対して負に離調されている。

別の有利な実施形態においては、半導体基体が活性領域において増幅されるべき放射に対する放射通過面を有する。この放射通過面を介して、半導体基体において増幅されるべき放射を半導体基体から出力結合させることができ、また半導体基体に入力結合することができる。殊に有利には、活性領域において増幅されるべき放射が放射通過面に対して垂直にこの放射通過面を通過する。

別の有利な実施形態においては共振器が半導体基体内に構成されているブラッグミラーによって形成されている。ブラッグミラーを形成する半導体層をｐ型またはｎ型にドープすることができるか、真性にドープすることができる。またはブラッグミラーの半導体層を実質的にドープしなくてもよい。ドープされた半導体層を活性領域へのキャリアの注入に使用することができる。

有利にはブラッグミラーが活性領域の放射通過面側とは反対側に配置されている。殊にブラッグミラーは、活性領域の外側に配置されており、且つ所期のように離調されている半導体層のうちの１つによって形成されている。

さらに有利にはブラッグミラーがＤ／２の奇数倍、殊にＤ／２に対して所期のように離調されている別の半導体層を有する。

別の有利な実施形態においては、ブラッグミラーの所期のように離調されている半導体層のうちの１つの半導体層がＤ／２に対して少なくとも１％、最大で４５％離調されている。有利には、離調はＤ／２に対して少なくとも２％、最大で３５％、殊に有利には少なくとも５％、最大で２５％、例えば８％である。

さらに有利には、活性領域の放射通過面側とは反対側に配置されている全ての半導体層、殊にブラッグミラーを形成する半導体層が少なくとも１％、最大で４５％離調されている。有利には、離調はＤ／２に対して少なくとも２％、最大で３５％であり、殊に有利には少なくとも５％、最大で２０％、例えば８％である。殊に、活性領域の放射通過面側とは反対側に配置されている全ての半導体層、殊にブラッグミラーを形成する半導体層はパーセント値で等しい離調を有する。つまり、活性領域において増幅されるべき放射のピーク波長の依存性を効果的に低減することができる。

別の有利な実施形態においては、半導体基体が放射通過面に接している窓層を有する。この窓層は有利には、活性領域の外側に配置されており、且つ所期のように離調されている半導体層のうちの１つの半導体層によって形成されている。窓層と活性領域との間には別の半導体層を配置することができる。

有利には、放射通過面と活性領域との間に配置されている半導体層のうちの１つの半導体層、例えば窓層はバンドギャップを有し、このバンドギャップは活性領域によって増幅されるべき放射が伝送時にこの半導体層によって吸収されない、または僅かにしか吸収されないほど十分に大きい。つまり増幅されるべき放射出力の吸収損失を有利には低減することができる。

さらに有利には、放射通過面と活性領域との間に配置されている半導体層のうちの１つの半導体層のバンドギャップ、例えば窓層のバンドギャップは、活性領域内のバリアのバンドギャップよりも大きいので、この半導体層は活性領域における自由キャリアが放射通過面に到達することを阻止することができる。放射通過面におけるこの自由キャリアの非放射性の再結合を十分に低減することができる。これによって有利には、活性領域において増幅されるべき放射の出力を同じポンプ出力でも高めることができる。

さらに放射通過面と活性領域との間に配置されている半導体層をｐ型またはｎ型または真性にドープすることができる。または半導体層を実質的にドープしなくても良い。ドープされた半導体層を活性領域へのキャリアの注入に使用することができる。

別の有利な実施形態においては、活性領域と放射通過面との間に配置されている半導体層のうちの少なくとも１つの半導体層の光学的な層厚、例えば窓層の光学的な層厚はＤに関してはＤの整数倍に対して１％以上４５％以下、有利には２％以上３５％以下、殊に有利には５％以上３０％以下離調されている。殊に、活性領域と放射通過面との間に配置されている全ての半導体層の光学的な層厚はＤに関してはＤの整数倍に対して１％以上４５％以下、有利には２％以上３５％以下、殊に有利には５％以上３０％以下離調されている。さらに有利には、活性領域と窓層との間に配置されている半導体層の光学的な層厚はＤの２倍〜５倍に対して所期のように離調されている。

有利な実施形態においては、放射通過面と活性領域との間に配置されている半導体層の離調は、活性領域の放射通過面側とは反対側に配置されている半導体層、殊にブラッグミラーの半導体層の離調に関して逆の符号を有する。殊に有利には、放射通過面と活性領域との間に配置されている半導体層は正に離調されており、活性領域の放射通過面側とは反対側に配置されている半導体層、殊にブラッグミラーの半導体層は負に離調されている。つまり、半導体基体によって増幅されるべき放射のピーク波長の活性領域の温度への依存性、したがって半導体基体によって増幅されるべき放射の出力の変化時のピーク波長の変化を殊に効果的に低減することができる。

有利な実施形態においては、半導体基体の半導体層列がエピタキシャル析出プロセス、例えばＭＢＥまたはＭＯＶＰＥを用いて成長基板上に形成されている。この半導体層列はＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、例えばＧａＡｓを含有することができるか、その種の材料から構成することができる。

有利には、量子層がＩｎ_xＧａ_1-xＡＳ（ただし０≦ｘ≦１）を含有する。殊に有利には、インジウムの含有率が０．０５≦ｘ≦０．２５である。ＩｎＧａＡｓを含有する量子層は約９００ｎｍ〜約１．５μｍの波長領域の放射の形成に殊に適している。

中間層ならびにバリアはＧａＡｓ_1-yＰ_y（ただし０≦ｙ≦１）またはＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（ただし０≦ｚ≦１）を含有することができる。０．０５≦ｙ≦０．２５の値および０．０２≦ｚ≦０．１５の値が殊に有利であることが分かった。殊に、バリアを複数のバリア層から形成することができ、バリア層は異なる材料を含有することができる。

有利な実施形態において半導体層列、殊に活性領域は応力が補償されるように構成されている。

圧力応力が与えられた半導体層および引張応力が与えられた半導体層によって応力が相互に補償される、または実質的に補償されるように半導体層列が形成されている場合には半導体層列は応力が補償されていると称される。この応力の補償により結晶品質の高い比較的厚い半導体積層体を析出することができる。大きい応力が与えられている層において頻繁に生じる転位のような結晶欠陥を有利には低減することができる。

殊に有利には、量子構造の量子層の応力が所属の中間層の応力および量子構造に接しているバリアによって補償されているように活性領域が構成されている。

例えば圧力応力が与えられているＩｎＧａＡｓを含有する量子層の応力をＧａＡｓＰを含有するバリアまたはＧａＡｓＰを含有する中間層によって補償することができる。

別の有利な実施形態においては、共振器が外部共振器として構成されている。外部共振器は殊に有利には外部共振器ミラーを用いて形成されている。外部共振器ミラーは殊に半導体基体から距離を置いて設けられている。有利には共振器ミラーと半導体基体との間に無負荷領域が設けられており、この無負荷領域においては共振器内を周回する放射は固体材料を通過しない。

殊に有利には、共振器内を周回する放射のための放射路には半導体基体の外側においてモード選択素子は設けられていない。その種の素子のコストの掛かる実装は有利には必要ない。活性領域の外側に配置されている半導体層を適切に所期のように離調することによってピーク波長の安定化を達成することができるので、ピーク波長を安定化させるための共振器内の付加的な素子を省略することができる。この付加的な素子は殊にエタロンのような周波数選択性の素子であり、この周波数選択性の素子は従来のレーザではピーク波長を安定化させるため、または所望のモードを選択するために使用される。

殊に有利には、共振器内の半導体基体の動作時に活性領域において増幅されるべき放射のピーク波長が活性領域の温度の変化時に０．５％／１００Ｋ以下、有利には０．２％／１００Ｋ以下、殊に有利には０．１％／１００Ｋ以下で変化するように半導体基体は波長が安定化されて構成されている。共振器において半導体基体の外側に配置されており、且つ波長安定化のために設けられている付加的な素子は有利にはこのために必要とされない。

活性領域の温度上昇は例えば、半導体基体をポンピングする出力の上昇時に生じる可能性がある。この原因は所望のレーザ放射に変換されずに、損失出力として活性領域を加熱させるポンプ出力である。したがって、活性領域によって形成される放射のピーク波長が活性領域の温度に依存する半導体基体においては、半導体基体の動作時に形成された放射の出力がポンプ出力の変化によって変化することによりピーク波長も変化する。活性領域の温度の変化に対するピーク波長の依存性が低減されている半導体基体においては、出力が変化した際のピーク波長の変化も低減することができる。

したがって活性領域が光学的にポンピングされる場合には、例えば光学的なポンプ出力の増加時に活性領域の温度が上昇する。

活性領域が電気的にポンピングされる場合には、活性領域に注入される電流の増加によって活性領域の温度が上昇する可能性がある。活性領域の外側に配置されており、適切に離調されている半導体層を有する半導体基体においては、活性領域の温度変化時の近赤外線におけるピーク波長の変化を０．０５ｎｍ／Ｋ以下、有利には０．０２ｎｍ／Ｋ以下、殊に有利には０．０１ｎｍ／Ｋ以下に低減することができる。

別の有利な実施形態においては、共振器内、殊に半導体基体の放射通過面と外部共振器ミラーとの間に非線形の光学素子、例えば非線形の光学結晶が配置されている。この非線形の光学素子は有利には、共振器内で増幅されるべき放射の非線形の光学的な周波数混合、例えば周波数倍加による別の波長を有する放射への変換に使用される。殊に有利には非線形の光学的な周波数混合、殊に周波数倍加によって不可視の放射、例えば近赤外線領域の放射の可視光への変換が少なくとも部分的に行われる。非線形の光学素子を共振器内に配置することによって非線形の光学的な放射変換を殊に効率的に行うことができる。

有利な実施形態においては、半導体基体が活性領域の電気的なポンピングのために設けられている。このために、活性領域の外側に配置されている半導体層は好適には、活性領域の外側に配置されている半導体層を介して活性領域の両側から活性領域にキャリアを供給できるようにドープされている。有利には、事前に製造された半導体基体にコンタクトが配置されており、このコンタクトは導電的に半導体基体と接続されている。コンタクトは有利には金属性であるか、ＴＣＯ（transparent conductive oxide）材料を含有する。殊に、半導体基体の両側においてはそれぞれ少なくとも１つの半導体層がコンタクトと導電的に接続されているので、コンタクト間に電圧を印加した際に電流を半導体基体に供給することができる。

別の有利な実施形態においては、半導体基体が活性領域の光学的なポンピングのために設けられている。半導体基体の半導体層列、殊に活性領域の外側に配置されている半導体層のドーピングは必要ない。

有利な実施形態においては、バリアがポンプ放射源から半導体基体に放射されるポンプ放射を吸収するために構成されている。放射方向に沿ったバリアの拡張部は通常の場合には量子構造の拡張部よりも大きいので、活性領域の大部分を吸収に使用することができ、これによって活性領域におけるポンプ出力の吸収が促進される。

択一的または補完的な実施形態のヴァリエーションにおいては、量子構造をポンプ放射の吸収のために構成することができる。これによって活性領域において吸収される光子と、共振器における増幅が予定されている、放射された光子とのエネルギ差を低減することができる。つまり有利には、損失出力に起因して活性領域にもたらされる熱を低減することができる。

有利には、ポンプ放射源が半導体基体の横方向のポンピングのために設けられている。つまりポンプ放射源によって形成されたポンプ放射は半導体基体の放射通過面に対して平行または実質的に平行な経過を有するか、半導体基体の活性領域によって増幅されるべき放射に対して垂直または実質的に垂直の経過を有する。

有利には、ポンピング放射源は端面発光型の半導体レーザ構造である。例えばポンプ放射源を端面発光型の幅広ストライプレーザとして構成することができる。

しかしながら、半導体基体を放射通過面の側から光学的にポンピングすることも考えられる。この場合には、ポンプ放射が有利には放射通過面に対して垂直または斜めに、すなわち放射通過面の垂線に対して０°とは異なる鋭角で放射通過面に入射する。

有利な実施形態においては、ポンプ放射源と半導体基体がモノリシックに集積されている。つまり、半導体基体およびポンプ放射源が共通の成長基板上にエピタキシャルに析出されている。有利には、ポンプ放射源と半導体層列が隣り合って共通の成長基板上に配置されている。

ポンプレーザまたは半導体基体の個々の半導体層の層厚をエピタキシ処理において非常に正確に調整することができるので、有利には垂直方向に放射する半導体基体の活性領域に対して端面発光型の構造を高精度で位置決めすることができる。

有利な実施形態においては、半導体基体の活性領域において増幅されるべき放射のピーク波長が吸収されるポンプ出力の変化時に５ｎｍ／Ｗ以下、有利には２ｎｍ／Ｗ以下、殊に有利には１ｎｍ／Ｗ以下で変化するように半導体基体は波長が安定化されて構成されている。したがって半導体基体から垂直方向に放射されるレーザ放射のピーク波長のスペクトル位置は光学的なポンプ出力に殆ど依存しない。つまり有利には、ピーク波長のスペクトル位置が実質的に変化することなく、光学的なポンプ出力を有利には変化させることができるしたがって半導体基体の所定の動作範囲内では、ピーク波長が実質的に変化することなく、半導体基体によって形成された放射の出力を変化させることができる。

有利な実施形態においては半導体基体が支持体上に配置されている。支持体は通常の場合、半導体層列を機械的に安定させるために使用される。半導体層列が析出される成長基板によって支持体を形成することができる。

有利な実施形態においては、支持体が半導体層列の成長基板とは異なる。有利には、支持体は成長基板とは異なり結晶の純度に関して高い要求を満たす必要はなく、むしろ別の判定基準、例えば機械的な安定性に関して、光学的、熱的または電気的な特性を選択することができる。

さらに有利には支持体が熱伝導部材上に配置されている。殊に、支持体の半導体基体側とは反対側の面は熱伝導部材と熱伝的に接続されている。支持体と半導体基体との間に熱伝性の接続層を配置することができる。この接続層は例えばハンダ接続層でよい。択一的に、半導体基体が支持体により熱伝導部材にクランプされていることも考えられる。

半導体基体の動作時に損失出力により生じる熱を支持体を介して半導体基体から熱伝導部材に排出することができる。熱排出にとって有利な物理効果は熱伝導である。熱伝導部材は有利には以下の材料のうちの１つを含有する：銅、ダイヤモンド、銀、Al₂O₃、AlN、SiC、Ｇｅ、ＧａＡｓ、BN、銅ダイヤモンド。支持体もこれらの材料のうちの１つを含有する。

有利な実施形態においては、成長基板が部分的または完全に除去されている。この除去を面全体にわたり、または領域毎に行うことができる。有利には除去が機械的なプロセスおよび／または化学的なプロセスにより行われる。

別の有利な実施形態においては、半導体レーザモジュールが表面発光型の半導体基体および共振器を有する。殊に、半導体レーザモジュールは半導体ディスクレーザとして実施されている。ディスクレーザは通常の場合、水平方向において、この水平方向に対して垂直な放射方向における拡張部に関して比較的大きい拡張部を有する。ディスクレーザの動作時に活性領域に生じる熱を主として放射方向に沿って、有利には支持体を介して半導体基体から排出することができる。したがって横方向の拡張部においては活性領域の温度は比較的均一である。これにより有利には半導体基体において増幅されるべき放射の高い放射品質が実現される。

有利な実施形態においては、半導体レーザモジュールがレーザ、例えばファイバレーザ、固体レーザまたは半導体レーザの光学的なポンピングのために設けられている。半導体基体において増幅されるべき放射のピーク波長が安定化されている半導体レーザモジュールはレーザの光学的なポンピングに殊に適している。何故ならば、ピーク波長は活性領域の温度に殆ど依存することなくポンピングすべきレーザの吸収スペクトルに調整することができるからである。半導体基体によって増幅されるべき放射のピーク波長の変化に起因する、半導体レーザモジュールによる光学的なポンピングの効果が低減されることを十分に回避することができる。

別の有利な実施形態においては、半導体レーザモジュールが表示装置、殊にプロジェクタ装置の作動のために設けられている。殊に有利には、半導体レーザモジュールが緑色の光を形成するために設けられており、例えば、半導体基体において形成された放射の周波数倍加による緑色の光への変換が行われる。

上記の本発明の説明とは異なり、活性領域の外側に配置されており、且つ所期のようにＤ／２の整数倍に対して所期のように離調されている層が放射通過面の側において半導体基体上に配置されている誘電層として構成されていることも考えられる。

有利には事前に製造された半導体基体における誘電層の析出を例えばスパッタリングまたは蒸着によって行うことができる。

この場合には、出力の変化および／または活性領域の温度に対する、半導体基体の活性領域において形成された放射のピーク波長の安定化を活性領域の外側に配置されている半導体層の所期の離調の代わりに誘電層の所期の離調によって行うことができる。

殊に、半導体基体の放射通過面と活性領域との間に配置されており、Ｄ／２の整数倍に対して所期のように離調されている半導体層を省略することができる。

本発明のさらなる特徴、有利な実施形態および利点は、図面を参照する以下の実施例の説明より明らかになる。

本発明による半導体基体の第１の実施例の概略的な断面図を示す。 第１の実施例の活性領域の別の実施形態の概略的な断面図を示す。 本発明による半導体基体の別の実施例の概略的な断面図を示す。 本発明による半導体基体の別の実施例の概略的な断面図を示す。 共振器における本発明による半導体基体の動作時に形成された放射のピーク波長λ_Eの測定結果と、活性領域において吸収されるポンプ出力Ｐ_Aとの関係を、従来の半導体基体での相応の測定結果と比較して示したものである。 本発明による半導体基体の動作時に形成された放射のピーク波長Δλ_Eの変化と吸収されるポンプ出力Ｐ_Aとの関係のシミュレートした経過を示し、図６Ｂは、従来の半導体基体に関する相応のシミュレートした経過を示す。 本発明による半導体基体から放射された放射出力Ｐ_Eと吸収されるポンプ出力Ｐ_Aとの関係を、従来の半導体基体における相応の測定結果と比較して示したものである。 活性領域において形成された放射のピーク波長λ_Eの測定結果とその出力Ｐ_Eとの関係を示したものである。

同一、同種の素子また同様に作用する素子には図面において同一の参照番号が付されている。

図１には、本発明による半導体基体１の概略的な断面図が示されている。半導体基体は半導体層列２を有し、この半導体層列２は活性領域３を有する。さらに半導体基体は、活性領域において形成することができる放射に対する放射通過面１１を有する。半導体基体は支持体１０上に配置されている。この支持体は例えば、半導体層列のためのＧａＡＳ成長基板１０によって形成されている。

活性領域３は複数の量子構造４０、有利には５つまたはそれ以上の量子構造、殊に有利には１０またはそれ以上の量子構造、例えば１４の量子構造を有する。十分に多い数の量子構造は有利である。何故ならば、それによって活性領域において形成される放射の出力を増大させることができるからである。量子構造の数が増加すると製造時に析出時間も延長されるので、量子構造の数は通常の場合３０またはそれ以下、有利には２０またはそれ以下である。

隣り合う２つの量子構造４０はそれぞれバリア４５によって相互に隔てられている。バリア４５はそれぞれ第１のバリア層４６および第２のバリア層４７を有する。有利には、バリア４５は量子構造と少なくとも同じ厚さ、有利には量子構造の厚さの少なくとも２倍の厚さ、殊に有利には量子構造の厚さの少なくとも５倍の厚さを有する。

量子構造４０は量子層４１によって形成されている。したがって、放射方向に沿った量子構造４０の拡張部に関するこの量子構造４０の幾何学的な中心点は放射方向に沿った量子層４１の幾何学的な中心点に対応する。

量子層４１は例えばＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓを含有し、また１０ｎｍの厚さを有する。この実施例において第１のバリア層４６はＧａＡｓＰから成る５０ｎｍの厚さの層によって形成されている。このバリア層は圧縮応力が与えられたＩｎＧａＡＳ量子層４１の応力を補償するために構成されている。

第１のバリア層４６の厚さは有利には、バリア層の応力の絶対値が量子層の応力の絶対値に等しい、または実質的に等しいが量子層の応力とは逆の符号を有し、その結果これらの応力が相互に補償されるように選定されている。第１のバリア層４６は量子層４１の放射通過面側とは反対側の面に配置されている。択一的に、バリア層を量子層の放射通過面側の面に配置することもできる。別の択一形態として量子層４１を例えば、ＧａＡｓＰを含有する２つの第１のバリア層４６の間に埋込むことができる。ＧａＡｓＰを含有する２つの第１のバリア層の厚さはそれぞれ２５ｎｍであり、やはりＧａＡｓＰを含有する２つの第１のバリア層４６の応力が量子層４１の応力を補償するよう選定されている。

第２のバリア層４７は例えばＡｌＧａＡｓによって形成されており、また９２ｎｍの厚さを有する。この三元半導体化合物は格子定数がＡｌ含有率の増加に合わせて非常に緩慢にしか増加しないことを特徴とする。したがってＡｌＧａＡＳ層はＧａＡＳ成長基板上において応力がほぼ与えられない状態で成長し、これにより結晶品質の高い厚い層を析出することができる。したがって、放射方向に沿った隣り合う２つの量子構造４０の幾何学的な中心点間の距離は第２のバリア層４７の厚さを介して簡単に調整することができる。

半導体基体１は動作のために共振器内に設けられている。通常の場合、隣り合う２つの量子構造４０の幾何学的な中心点間の平均距離Ｄは、半導体基体１の動作時に共振器内に生じる定在波場の隣り合う２つの最大値間の距離から５％以下、有利には２％以下、殊に有利には１％以下偏差する。つまり各量子構造４０の幾何学的な中心点を定在波場の最大値の近傍に配置することができる。これによって半導体基体の動作時に有利には活性領域３において増幅されるべき放射に関する増幅率を最適化することができる。定在波場の隣り合う２つの最大値の距離は、共振器内を周回し、半導体基体において増幅されるべき放射の半導体基体内でのピーク波長の半分に相当する。

有利には、量子構造４０の幾何学的な中心点は等距離で平均距離Ｄに相当する距離に配置されている。殊に距離Ｄは定在波場の隣り合う２つの最大値間の距離から可能な限り僅かにしか偏差しない。つまり各量子構造４０の幾何学的な中心点を正確に定在波場の最大値に配置することができる。

図１に示されている実施例の活性領域は約１０６０ｎｍのピーク波長を有するレーザ放射を形成するために設けられている。

活性領域３の半導体層の材料組成および層厚はもちろんこの実施例に示した値に制限されるものではない。材料組成および層厚を適切に変更することによって別のピーク波長の放射、例えば近赤外線の放射を形成することもできる。

殊に、量子層４１はＩｎ_xＧａ_1-xＡＳ（ただし０≦ｘ≦１、有利には０．０５≦ｘ≦０．２５）を含有することができる。例えばＩｎ含有量が比較的多い場合にはバンドギャップが低下するので、半導体基体１は比較的長いピーク波長を有する放射も形成することができる。

第１のバリア層４６はＧａＡｓ_1-yＰ_y（ただし０≦ｙ≦１、有利には０．０５≦ｙ≦０．２５）を含有することができる。第２のバリア層４７はＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（ただし０≦ｚ≦１、有利には０．０２≦ｚ≦０．２）を含有することができる。

量子構造およびバリアに関して示した材料組成は殊にそれぞれ二元の半導体結晶ＧａＡｓ，ＩｎＡｓ，ＧａＰおよびＡｌＡｓおよびそれらから形成できる三元の半導体結晶ＩｎＧａＡｓ，ＡｌＧａＡＳおよびＧａＡＳＰを含む。

択一的に、応力の補償が必要ないように格子整合された材料によって活性領域を形成することができる。この場合には第２のバリア層４７を省略することができる。

例えば、応力の補償が必要とされない活性領域をＧａＡｓ量子層およびＡｌ_zＧａ_1-zＡｓバリア（ただし０≦ｚ≦１）によって形成することができる。

別のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、例えばＩｎＰまたはＧａＳｂならびに、ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ，ＡｌＡｓまたはＩｎＡｓから形成することができる三元または四元の半導体結晶も半導体層列２、殊に活性領域３のための材料として使用することができる。

活性領域の外側では、この活性領域３の放射通過面１１側とは反対側に、ブラッグミラー６を形成する半導体層が配置されている。このブラッグミラーは共振器のミラーとして機能する。ブラッグミラーは２６の半導体層組６０を有する。半導体層組６０の数はこれとは異なる値でもよい。半導体層組の数は通常の場合１０以上４０以下である。

これによって、共振器において増幅されるべき放射に対するブラッグミラーの十分に高い反射率を達成しながら、ブラッグミラーの十分に短い析出時間も同時に達成することができる。

半導体層組６０においては半導体層６１がＧａＡｓによって形成されており、また半導体層６２がＡｌＡｓによって形成されている。これらの材料によってブラッグミラー６を殊に効率的に形成することができる。何故ならば、格子定数が近似しているこれら２つの材料の屈折率は比較的大きく異なるからである。しかしながら、これらの層のうちの少なくとも１つの層が三元のＡｌＧａＡｓ材料または別の半導体材料、殊に活性領域３に対して使用可能な材料のうちの１つを含有することも考えられる。

半導体層６１の厚さは７２ｎｍであり、半導体層６２の厚さは８５ｎｍである。これにより半導体層６１および６２に関して生じる光学的な層厚はＤ／２に対して所期のように離調されている。半導体層組６０の２つの層に関して光学的な層厚はＤ／２よりも約８％薄い。これによって活性領域において増幅されるべき放射のピーク波長の活性領域の温度への依存性を効果的に低減することができる。

通常の場合、ブラッグミラー６の全ての半導体層の光学的な層厚は殊に同一のパーセント値でＤ／２に対して所期のように離調されている。しかしながら、ブラッグミラー６の全ての半導体層が離調されていなくても十分である。殊に、活性領域まで比較的長い距離をおいて配置されているブラッグミラーの半導体層は必ずしもＤ／２に対して、またはＤ／２の整数倍に対して所期のように離調されていなくてもよい。したがってブラッグミラーの半導体層のうちの１つまたは複数の半導体層がＤ／２の光学的な層厚またはＤ／２の奇数倍の光学的な層厚を有することが考えられる。

ブラッグミラー６の離調されている半導体層の離調の偏差は８％でよい。有利には、Ｄ／２から離調された層の光学的な層厚の偏差は１％以上４５％以下である。とりわけ２％以上３５％以下の範囲が有利である。殊に有利には離調が５％以上２０％以下である。

ブラッグミラー６の半導体層をｐ型またはｎ型にドープすることができる。またはブラッグミラー６の半導体層をドープしなくてもよい。半導体基体１が活性領域３の電気的なポンピングのために設けられている場合には、ドープされた半導体層は殊に有利である。つまりブラッグミラー６を介してキャリアを活性領域に注入することができる。活性領域の光学的なポンピングのために設けられている半導体基体ではブラッグミラー６の半導体層のドーピングを省略することができる。

活性領域の外側には窓層５２が配置されており、この窓層５２が放射通過面１１を形成する。窓層５２はＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐを含有し、５３７ｎｍの厚さを有する。窓層と活性領域３との間には別の半導体層５１が配置されている。半導体層５１はＡｌ_0.10Ｇａ_0.90ＡＳを含有し、３３３ｎｍの厚さを有する。

窓層５２のバンドギャップは、この窓層が活性領域において増幅されるべき放射に対して透過性であるか実質的に透過性である程度の大きさである。つまり共振器において増幅されるべき放射が吸収されることによって生じる損失を有利には最小にすることができる。

さらに窓層５２のバンドギャップは有利には活性領域内の半導体層のバンドギャップよりも大きい。これによって窓層は活性領域において生じる自由キャリアが放射通過面１１に達することを阻止できる。放射通過面におけるこの自由キャリアの非放射性の再結合を十分に回避することができ、他方では活性領域内でのこの自由キャリアの放射性の再結合を促進することができる。これによって有利には、ポンプ出力が同じであっても活性領域において増幅されるべき放射の出力を増加させることができる。

窓層５２の光学的な層厚はＤの３．２６倍であり、したがってＤに関しては、Ｄの一番近い整数倍に対して２６％離調されている。半導体層５１の光学的な層厚はＤの２．１６倍であり、したがってＤに関しては、２＊Ｄに対して１６％正に離調されている。これによって、半導体基体の動作時に増幅されるべき放射のピーク波長を活性領域の温度の変化に対して殊に効果的に安定化させることができる。

活性領域３と放射通過面１１との間の光学的な層厚ならびに離調は勿論１６％または２６％偏差する。有利には、放射通過面と活性領域との間に配置されており、離調されている少なくとも１つの半導体層、例えば窓層５２の光学的な層厚はＤに関して、Ｄの整数倍に対して１％以上４５％以下で離調されている。殊に有利には半導体層の離調は２％以上３５％以下である。とりわけ、離調は５％以上３０％以下の値を取る。

活性領域３と放射通過面１１との間に配置されている半導体層の光学的な層厚は有利にはＤの２〜５倍であるか、Ｄの２〜５倍に対して所期のように離調されている。この範囲の光学的な層厚はピーク波長の安定化にとって殊に有利であることが証明されている。

活性領域３と放射通過面１１との間に配置されている半導体層は、Ｄ／２の奇数倍に相当するか、Ｄ／２の奇数倍に対して所期のように離調されている厚さを有することもできる。例えば、Ｄ／２の奇数倍に相当する厚さを有する半導体層は反射防止層の機能を有することができるので、放射が半導体基体から放出される際、または半導体基体に入射する際の活性領域３において増幅されるべき放射の放射通過面１１における不所望な反射を放射通過面の側において低減することができる。

有利には、活性領域と放射通過面との間に配置されている全ての半導体層がＤの整数倍に対して所期のように離調されている。しかしながら、活性領域と放射通過面との間に配置されている半導体層のうちの１つまたは複数の半導体層の光学的な層厚がＤの整数倍から偏差していても十分である。

放射通過面と活性領域との間に配置されている半導体層の離調は活性領域の放射通過面側とは反対側における離調とは逆の符号を有する。このことは活性領域の温度へのピーク波長の依存性を低減するために殊に有利であることが証明されている。これとは異なり、同一の符号を有する半導体層の所期のような離調、すなわち活性領域の両側において正に離調されている半導体層または活性領域の両側において負に離調されている半導体層も活性領域の温度へのピーク波長の依存性を低減することができる。

図２は、第１の実施例の活性領域３の別の実施形態に関する概略的な断面図を示す。この実施例では活性領域が実質的に複数の量子構造４０によって構成されている点において異なり、ここではそれらの複数の量子構造のうち１つの量子構造が例示的に示されている。量子構造４０は２つの量子層４１を有する。これらの量子層は中間層４２によって相互に隔てられている。バリア４５はやはり第１のバリア層４６および第２のバリア層４７によって形成されている。活性領域の層の材料組成を図１と関連させて説明したものと同様に実施することができる。殊に、中間層は第１のバリア層４６または第２のバリア層４７と同一の組成を有していてよい。

択一的に、量子構造４０は２つ以上の量子層４１を有していてもよい。有利には、量子構造毎の量子層の数は５以下、殊に有利には３以下である。量子構造毎の量子層の数が十分に少ない場合には、半導体基体の動作時に共振器内に生じる低在波の最大値の領域に量子構造の全ての量子層を配置することができるので、これによって有利には全ての量子層４１が非常に良好に放射の増幅に寄与することができる。

図３には、本発明による半導体基体１を備えた例示的な半導体レーザモジュール１００の概略的な断面図が示されている。半導体基体は光学的なポンピングのために設けられており、また図１および図２と関連させて説明したような半導体層列２を有する。

半導体レーザモジュール１００は半導体ディスクレーザとして実施されている。ディスクレーザにおいては慣用であるように、半導体基体の横方向の拡張部、すなわち放射通過面１１のレベルにおける拡張部は通常の場合、半導体基体の動作時に増幅されるべき放射の方向を表す垂直方向における拡張部よりも大きい。

半導体基体１の動作時に活性領域内に生じる熱は主として放射通過面に対して垂直方向に支持体１０を介して排出される。つまり、活性領域における比較的均一な温度分布を横方向において所期のように達成することができる。これにより比較的高いポンプ出力で半導体レーザモジュールから放出される放射の良好な放射品質が実現される。

ポンプ放射源１５は端面発光型の半導体レーザによって形成されており、この端面発光型の半導体レーザは半導体基体１と一緒にモノリシックに集積されている。つまり、半導体基体１および半導体レーザ１５は共通の成長基板上に析出されている。図１と関連させて説明した半導体層列２および端面発光型の半導体レーザは相互に距離を置いて、支持体１０として使用される共通の成長基板上に配置されている。したがって光学的なポンピングは横方向、すなわち放射通過面１１に対して平行または実質的に平行に行われる。

半導体基体は接続層８５を用いて熱伝導部材８０上に固定されている。半導体基体の動作時に生じる熱を半導体基体１からヒートシンクとして実施することができる熱伝導部材へと排出することができる。熱伝導部材は有利には高熱伝導材料から構成されているか、少なくとも１つのその種の材料を含有することができる。殊に適した材料は例えば銅、ダイヤモンド、窒化アルミニウムまたは炭化ケイ素である。

接続層を熱伝性および／または導電性に実施することができる。殊に、接続層８５は支持体と熱伝導部材との機械的に安定した永続的な接続を実現する。例えば、接続層８５は接着剤またはハンダを含有することができる。択一的に、半導体基体１が支持体１０により熱伝導部材８０にクランプされていることも考えられる。この場合には接続層８５を省略することができる。

しかしながらポンプ放射源１５と半導体基体のモノリシックな集積は必ずしも必要ではない。むしろポンプ放射源を別個に製造し、例えば熱伝導部材８０上に配置することも考えられる。

活性領域２は必ずしも横方向にポンピングされなければならないものではない。ポンプ放射源を例えば、このポンプ放射源から供給されるポンプ放射が放射通過面に対して垂直に、または放射通過面の垂線に対して鋭角な角度で放射通過面を介して半導体基体１に入力結合されるように配置することもできる。

ブラッグミラー６および外部共振器ミラー７０によって共振器７１が形成されており、この共振器７１内では活性領域３によって増幅されるべき放射が周回する。外部共振器ミラーはこの放射を部分的に出力結合する共振器端部ミラーを形成する。外部共振器ミラーは半導体基体から距離を置いて形成されているので、共振器内を周回する放射は半導体基体１の放射通過面１１と外部共振器ミラーとの間において無負荷領域を通過する。

有利には、共振器７１内の半導体基体１の外側における放射路には付加的なモード選択素子は設けられていない。モード選択のために設けられているその種の素子は、図１と関連させて説明した半導体基体の実施形態を基礎として、ピーク波長を安定化させるために必要である。殊に、所期のような周波数選択のために使用される素子、例えば共振器内のエタロンを省略することができる。

選択的に、図３に示されているように、共振器内に非線形の光学素子７５を配置することができる。この素子は有利には、非線形の光学的なプロセス、例えば周波数倍加、和周波数形成または差周波数形成により活性領域３において増幅されるべき放射の変換に使用される。

非線形の光学素子を非線形の結晶として実施することができる。有利な結晶は例えばＫＮｂＯ₃，ＢａＮａＮｂＯ₁₅，ＬｉＩＯ₃，ＫＴｉＯＰＯ₄（ＫＴＰ），ＬｉＮｂＯ₃，ＬｉＢ₃Ｏ₅およびβ−ＢａＢ₂Ｏ₄（ＢＢＯ）である。

殊に有利には、非線形の光学素子は活性領域３において増幅されるべき放射の周波数倍加に使用される。例えば、近赤外線領域の放射を非線形の光学的なプロセスによって少なくとも部分的に可視光に変換することができる。例えば、活性領域において増幅されるべき１０６０ｎｍの放射を周波数倍加により５３０ｎｍの波長の緑色の光に変換することができる。

ポンプ放射源１５を持続波動作またはパルス動作のために設けることができる。パルス動作はポンプ放射源の出力がパルス中に高まるという利点を有する。このことは、活性領域３において増幅されるべき放射の非線形の光学的なプロセスによる変換が予定されている場合には殊に有利である。何故ならば、これによって非線形の光学的なプロセスの効率、したがって時間にわたり平均化されるこの放射の出力も高められるからである。

活性領域内にはポンプレーザの放射を吸収するためにバリア４５が設けられている。通常の場合バリアは量子層よりも幅広なので、これによって活性領域におけるポンプ放射の吸収を高めることができる。しかしながら択一的に、量子構造４０をポンプ放射の吸収のために設けることもできる。この場合、ポンプ放射の光子エネルギと活性領域３において増幅されるべき放射の光子エネルギとの差を低減することができ、これによって半導体基体１の動作時の活性領域の加熱を有利には低減することができる。

図３において半導体基体１はレーザ９０を光学的にポンピングするために使用される。その種のレーザは例えば固体レーザ、ファイバレーザまたは半導体レーザでよい。半導体基体の活性領域において増幅されるべき放射の基本放射、および／または、非線形の光学素子７５を用いた適切な非線形の光学的なプロセスによって形成される放射がポンプ放射として使用される。

図３に示されている実施例に択一的に、支持体１０は成長基板と異なっていてもよい。成長基板を薄くするか、完全に除去することができ、これを面全体にわたり、または領域毎に行うことができる。殊に、熱伝率が比較的低い成長基板においてはこの種の除去により、半導体基体の動作時に活性領域に生じる熱をより良好に熱伝導部材に排出することができるのでは有利である。

図４には、プロジェクタ装置として実施されている表示装置９５の作動のために設けられている本発明による半導体基体１が示されている。ブラッグミラー６および外部共振器端部ミラー７０によって共振器が形成される。さらに共振器内には図３と関連させて説明した非線形の光学素子７５が設けられている。この実施例においては、共振器内を伝播する、活性領域３において増幅されるべき放射の周波数倍加のために非線形の光学素子が設けられている。ここでは活性領域において形成される１０６０ｎｍのピーク波長を有する放射が５３０ｎｍの波長の緑色の光に変換される。

この緑色の光が偏向光学系９６に入射し、この偏向光学系９６は有利には相互に垂直な２つの軸を中心に可動する。偏向光学系によって出力結合ミラーから放出された周波数倍加されている放射を投影面９９の所定の箇所に所期のように偏向させることができ、所定箇所の位置は有利には逐次的にラスタ状に投影面において変更される。有利には投影面９９が付加的に、図示されていない赤色および青色を放射するレーザ装置によって照明され、投影面においてそれら３つの放射が適切に重畳されることによってカラー表示を行うことができる。

半導体基体１は活性領域３の電気的なポンピングのために設けられている。キャリアを両側から活性領域に注入するために第１のコンタクト１７および第２のコンタクト１８が設けられている。殊に、第１のコンタクト１７は活性領域の外側に配置されている窓層５２と導電的に接続されている。

第２のコンタクト１８は支持体１０と導電的に接続されている。支持体は接続層８５を用いて熱伝導部材８０上に配置されており、ここでは半導体層列２のための成長基板が除去されている。コンタクト１７および１８は有利には金属を含有し、殊に有利には金属性に構成されている。有利な材料は例えばＮｉ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，ＡｌまたはＰｔである。

第１のコンタクト１７は有利には、活性領域によって増幅されるべき放射を放射通過面１１の側から放出できるように構成されている。例えば、第１のコンタクトは切り欠き有することができるので、半導体基体の放射通過面をその切り欠きの領域において露出させ、放射をこの領域において半導体基体から放出させることができる。

択一的に、第１のコンタクト１７を活性領域において増幅されるべき放射に対して透過性である材料によって構成することができる。例えば、コンタクトはＴＣＯ（透明導電性酸化物）材料、例えばＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）を含有することができるか、その種の材料から構成することができる。この場合には、第１のコンタクトが放射通過面１１全体を覆っていてもよい。これによって殊に有利には、半導体基体１の横方向の拡張部にわたり均一にキャリアを活性領域３に注入することができる。

半導体層列２を図１および図２と関連させて説明したように実施することができる。このことは殊に活性領域の外側に配置されている半導体層の所期のような離調に関係する。放射通過面１１と活性領域３との間に配置されている半導体層ならびにブラッグミラー６の半導体層は、コンタクト１７またはコンタクト１８を介する活性領域へのキャリアの注入を実現するためにドープされている。殊に有利には、ブラッグミラーの半導体層がｎ型にドープされており、放射通過面１１と活性領域３との間に配置されている半導体層がｐ型にドープされている、またはそれとは逆の導電型でドープされている。さらに有利には活性領域３が真性にドープされている。したがって半導体基体２はｐｉｎダイオード構造を有することができる。

もちろん、図３と関連させて説明したような光学的にポンピングされる本発明による半導体基体も投影装置を用いる動作のために構成することができる。

本発明による半導体基体の活性領域において形成される放射のピーク波長λ_Eの測定結果と活性領域において吸収されるポンプ出力Ｐ_Aとの関係が図５において曲線４００により示されている。半導体基体は図１に関連させて説明したように構成されている。半導体基体は共振器７１内で動作させた。共振器端部ミラーは図３に示されているように外部共振器ミラー７０によって形成されている。さらに半導体基体はヒートシンクとして使用される熱伝導部材８０上に配置されている。ヒートシンクの温度は測定中に一定に維持された。

比較のために従来の半導体基体における相応の測定結果が曲線４０１によって示されている。この従来の半導体基体は、活性領域の外側に配置されている半導体層のいずれもＤ／２の整数倍に対して所期のように離調されていない点において本発明による半導体基体とは本質的に異なる。

曲線４０１は吸収されるポンプ出力の広範な範囲にわたり、吸収されるポンプ出力が増加するにつれピーク波長も継続的に長くなることを示している。曲線４０２はピーク波長の増加の傾向を示唆している。この曲線の勾配は１０ｎｍ／Ｗのピーク波長の増加に相当する。これは活性領域とヒートシンクとの間に配置されている半導体層の１００Ｋ／Ｗの熱抵抗では０．１ｎｍ／Ｋの活性領域の温度変化の際のピーク波長の変化に相当する。

活性領域の温度の変化と一緒に変化するその種のピーク波長は従来の半導体基体に関しては通常のものである。これは殊に温度の上昇によって半導体層のバンドギャップが小さくなることに起因する。この作用は例えばＧａＡｓを含有する半導体材料では通常の場合０．３ｎｍ／Ｋのピーク波長の変化をもたらす。さらに活性領域の温度の変化と一緒に半導体層の屈折率が変化することによりピーク波長が増加する。例えばＧａＡｓを含有する半導体材料では、このことに起因するピーク波長の増加は典型的には約０．０６ｎｍ／Ｋである。したがって波長を安定化させるための措置が講じられない限りは、共振器内の従来のＧａＡｓを含有する半導体基体の動作時のピーク波長の増加は通常の場合少なくとも０．０６ｎｍ／Ｋである。

これに対して曲線４００は実質的に水平に延びている。すなわちピーク波長は吸収されるポンプ出力の約４００ｍＷ〜約１３００ｍＷの範囲全体にわたり０．５ｎｍ以下でしか変化しない。このことは１０６０ｎｍのピーク波長に関して０．０５％以下である。したがってピーク波長は吸収されるポンプ出力にほぼ依存しない。ピーク波長が実質的に変化することなく、光学的なポンプ出力を有利には変化させることができるこのことは殊に半導体基体によって増幅されるべき放射の非線形の光学素子を用いた周波数変換が予定されている場合には殊に有利である。何故ならば、その種の変換は非常に狭いスペクトル領域に対してのみ有効だからである。つまりピーク波長が変化すれば不利なことに殆ど有効ではない非線形の光学的な周波数変換が行われる可能性がある。

レーザの光学的なポンピングのためにも安定したピーク波長が殊に有利である。何故ならば、半導体基体から放射される放射のピーク波長を半導体基体のポンピングに用いるポンプ出力に依存させずに、ポンピングすべきレーザの吸収最大値に最適に調整することができるからである。

図５および図７にその結果が示されている測定を実施した際に波長を安定化させるために別の措置を講じなかったことを再度言及しておく。殊に、活性領域の温度の上昇をヒートシンクの温度の低下によって補償することは行わなかった。さらには共振器内の殊に半導体基体の外側に通常は周波数を安定化させるために設けられている付加的な素子は配置しなかった。図示されている測定は同一の実験的な条件下で本発明による半導体基体および従来の半導体基体において実施されたものであるので、ピーク波長の活性領域の温度への依存性が大幅に低減されるように半導体基体は波長が安定化されて構成されていることが測定により証明された。

図６Ａおよび図６Ｂには、図５に示されている測定が実施された半導体基体に関して、吸収されるポンプ出力Ｐ_Aの変化に伴うピーク波長λ_Eのどのような変化が論理的なモデルにしたがい予期されるかが示されている。図６Ａは、ヒートシンクの３つの異なる温度についての本発明による半導体基体のシミュレーションを示し、曲線５１０は１０℃の温度を基礎とし、曲線５３０は３０℃の温度を基礎とし、また曲線５５０は５０℃の温度を基礎としている。図６Ｂは、従来技術による半導体基体のシミュレーションを示し、曲線５１１は１０℃の温度を基礎とし、曲線５３１は３０℃の温度を基礎とし、また曲線５５１は５０℃の温度を基礎としている。

図６Ａおよび図６Ｂの両方の図面においてはここでもまた比較のために、１０ｎｍ／Ｗまたは０．１ｎｍ／Ｋの一定の勾配で継続的に上昇する吸収されるポンプ出力とピーク波長の関係が示されている。

従来の半導体基体では全ての曲線が継続的に上昇している。吸収される出力が低い場合、例えば２００ｍＷ〜４００ｍＷである場合、曲線５１１，５３１および５５１の勾配は曲線４０２の勾配にほぼ相当している。さらにこの範囲においてはピーク波長がヒートシンクの温度と一緒に上昇し、この変化は同様に約０．１ｎｍ／Ｋである。

ヒートシンクの全ての温度に関する曲線５１０，５３０および５５０によれば、本発明による半導体基体でも同様に吸収されるポンプ出力の増加と共にピーク波長の増加も予期される。しかしながらこの増加は著しく小さい。吸収されるポンプ放射の図示されている領域におけるピーク波長の絶対的な変化は全ての曲線に関して明らかに４ｎｍを下回っているが、従来の半導体基体ではこの変化は全ての曲線に関して７ｎｍを上回っている。ヒートシンクの温度へのピーク波長の依存性も本発明による半導体基体に関しては著しく低減されている。

活性領域の外側に配置されている半導体層の層厚を所期のように離調させることによって活性領域の温度へのピーク波長の依存性が低減されていることによる効果は図示されているシミュレーションによっても確認することができる。

図７においては、図５に示されている測定が実施された半導体基体に関して、半導体基体から放出される出力Ｐ_Eと吸収されるポンプ出力との関係が示されている。曲線６００は本発明による半導体基体における測定結果を示し、曲線６０１は従来の半導体基体における測定結果を示す。レーザ閾値６２０においてレーザ活性が生じる。最大出力６１５の動作点付近の領域、すなわち約１Ｗ付近の領域では本発明による半導体基体の動作時の出力は０．２４Ｗを上回り、これは吸収されるポンプ出力が等しい場合に約０．２６Ｗ以上の出力を達成する従来の半導体基体の動作時の出力を僅か約１０％下回るものである。約１．１Ｗを超えると本発明による半導体基体ではレーザ活性の上限６１０に達する。これは半導体基体の熱的飽和に起因する。

したがって活性領域の外側に配置されている半導体層の層厚を所期のように離調させることにより、半導体基体の動作時に増幅されるべき放射のピーク波長が活性領域の温度の変化時に殆ど変化せず、その際に所定の吸収されるポンプ出力での出力が従来の半導体基体の出力と比べて大幅に、例えば２０％以上低下しないように波長が安定化された半導体基体を構成することができる。

図５から図７において、活性領域の温度へのピーク波長の依存性は単に光学的なポンピングについての例として示したに過ぎない。本発明のように実施されている電気的にポンピングされる半導体基体においても、活性領域の温度の変化に対するピーク波長のその種の安定化は達成される。

図８において参照番号７００は活性領域において形成された放射のピーク波長λ_Eの測定結果と、共振器内での動作時に本発明による半導体基体の活性領域において形成される放射の出力Ｐ_Eとの関係を示す。出力は半導体基体がレーザ活性を示す動作範囲全体にわたりプロットされている。このレーザ活性はレーザ閾値６２０において生じる。最大出力６１５は本発明による半導体基体の熱的飽和によって決定されている。

ピーク波長の変動は動作範囲全体にわたり±０．３ｎｍである。したがって、ピーク波長が半導体基体のレーザ活性の全体の範囲にわたり明らかに１ｎｍ以下でしか変化しないように半導体基体は波長が安定化されて構成されている。

図５および図７と関連させて説明したように、図８に示されている測定を実施する際にも波長を安定化させるための別の措置は講じなかった。

本発明は実施例に基づいた説明に制限されるものではない。むしろ本発明は、あらゆる新規の特徴ならびにそれらの特徴のあらゆる組み合わせを含むものであり、これには殊に特許請求の範囲に記載した特徴の組み合わせ各々が含まれ、このことはそのような組み合わせ自体が特許請求の範囲あるいは実施例に明示的には記載されていないにしてもあてはまる。

Claims (43)

1. 活性領域（３）を備えた半導体層列（２）を有する、垂直方向の放射方向を備えた表面発光型の半導体基体（１）において、
   共振器（７１）における半導体基体の動作時に、前記活性領域において形成された放射のピーク波長が所定の動作範囲では該活性領域において形成された放射の出力の変化に対して安定化されているように半導体基体は波長が安定化されて構成されていることを特徴とする、表面発光型の半導体基体（１）。
2. 前記所定の動作範囲の下限は表面発光型の半導体基体のレーザ閾値によって規定されている、請求項１記載の表面発光型の半導体基体。
3. 前記所定の動作範囲の上限は表面発光型の半導体基体のレーザ活性の上限によって規定されている、請求項１または２記載の表面発光型の半導体基体。
4. 前記所定の動作範囲は表面発光型の半導体基体のレーザ活性の全体の範囲によって規定されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の表面発光型の半導体基体。
5. 前記活性領域において形成された前記放射の前記ピーク波長は前記所定の動作範囲では１０ｎｍまたはそれ以下で変化する、請求項１から４までのいずれか１項記載の表面発光型の半導体基体。
6. 前記活性領域において形成された前記放射の前記ピーク波長は前記所定の動作範囲では５ｎｍまたはそれ以下で変化する、請求項１から５までのいずれか１項記載の表面発光型の半導体基体。
7. 前記活性領域において形成された前記放射の前記ピーク波長は前記所定の動作範囲では１ｎｍまたはそれ以下で変化する、請求項１から６までのいずれか１項記載の表面発光型の半導体基体。
8. 前記半導体基体は前記活性領域の外側に配置されている少なくとも２つの半導体層を有し、
   前記活性領域は複数の量子構造（４０）を有し、
   各量子構造（４０）には前記放射方向に沿った拡張部に関して幾何学的な中心点が対応付けられており、
   前記量子構造（４０）の前記幾何学的な中心点は前記放射方向に沿って相互に平均光学距離Ｄをおいて配置されており、
   前記活性領域の外側に配置されている前記半導体層のうちの１つの半導体層の光学的な層厚は前記平均光学距離Ｄの半分の整数倍に対して所期のように離調されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の表面発光型の半導体基体。
9. 動作のために共振器（７１）が設けられており、活性領域（３）と該活性領域（３）の外側に配置されている少なくとも２つの半導体層とを備えた半導体層列（２）を有する、垂直方向の放射方向を備えた表面発光型の半導体基体（１）において、
   前記活性領域は複数の量子構造（４０）を有し、
   各量子構造（４０）には前記放射方向に沿った拡張部に関して幾何学的な中心点が対応付けられており、
   前記量子構造（４０）の前記幾何学的な中心点は前記放射方向に沿って相互に平均光学距離Ｄをおいて配置されており、
   前記活性領域の外側に配置されている前記半導体層のうちの１つの半導体層の光学的な層厚は前記平均光学距離Ｄの半分の整数倍に対して所期のように離調されていることを特徴とする、表面発光型の半導体基体。
10. 前記活性領域（３）の外側に配置されている前記半導体層のうちの１つの半導体層の光学的な層厚は、Ｄ／２に関してはＤ／２の奇数倍に対して、またはＤに関してはＤの整数倍に対して１％以上４５％以下で離調されている、請求項８または９記載の表面発光型の半導体基体。
11. 前記活性領域（３）の外側に配置されている前記半導体層のうちの１つの半導体層の光学的な層厚は、Ｄ／２に関してはＤ／２の奇数倍に対して、またはＤに関してはＤの整数倍に対して２％以上３５％以下で離調されている、請求項８から１０までのいずれか１項記載の表面発光型の半導体基体。
12. 前記活性領域（３）の外側に配置されている前記半導体層のうちの１つの半導体層の光学的な層厚は、Ｄ／２に関してはＤ／２の奇数倍に対して、またはＤに関してはＤの整数倍に対して５％以上３０％以下で離調されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の表面発光型の半導体基体。
13. 前記活性領域（３）は該活性領域の外側に配置されている半導体層の間に配置されている、請求項８から１２までのうちの少なくとも１項記載の表面発光型の半導体基体。
14. 前記活性領域（３）の外側に配置されている２つの半導体層はＤの整数倍またはＤ／２の奇数倍に対して所期のように離調されている、請求項８から１３までのうちの少なくとも１項記載の表面発光型の半導体基体。
15. 前記活性領域（３）の外側に配置されている半導体層のうちの１つはＤ／２の整数倍よりも大きく、且つ前記活性領域の外側に配置されている半導体層のうちの１つはＤ／２の整数倍よりも小さい、請求項８から１４までのうちの少なくとも１項記載の表面発光型の半導体基体。
16. 前記共振器（７１）は半導体基体（１）内に構成されているブラッグミラー（６）によって形成されている、請求項１から１５までのうちの少なくとも１項記載の表面発光型の半導体基体。
17. 前記ブラッグミラー（６）は、前記活性領域（３）の外側に配置されており、且つ所期のように離調されている半導体層のうちの１つの半導体層によって形成されている、請求項１６記載の表面発光型の半導体基体。
18. 前記ブラッグミラー（３）はＤ／２の奇数倍に対して所期のように離調されている別の半導体層を有する、請求項１７記載の表面発光型の半導体基体。
19. 半導体基体（１）は前記活性領域（３）において増幅されるべき放射に対する放射通過面（２）を有する、請求項８から１８までのうちの少なくとも１項記載の表面発光型の半導体基体。
20. 前記活性領域（３）の外側に配置されており、所期のように離調されている半導体層のうちの１つの半導体層は前記放射通過面（１１）に接している窓層（５２）として実施されている、請求項１９記載の表面発光型の半導体基体。
21. 前記窓層（５２）と前記活性領域（３）との間には別の半導体層（５１）が配置されている、請求項２０記載の表面発光型の半導体基体。
22. 前記活性領域（３）と前記放射通過面（１１）との間に配置されている半導体層の光学的な層厚はＤに関してはＤの整数倍に対して１％以上４５%以下、有利には２％以上３５%以下、殊に有利には５％以上３０％以下離調されている、請求項８から２１までのうちの少なくとも１項記載の表面発光型の半導体基体。
23. 前記活性領域（３）の前記放射通過面（１１）側とは反対側に配置されている半導体層の光学的な層厚はＤ／２に対して１％以上４５%以下、有利には２％以上３５%以下、殊に有利には５％以上２０％以下離調されている、請求項８から２２までのいずれか１項記載の表面発光型の半導体基体。
24. 前記活性領域（３）は５つ以上の量子構造（４０）、有利には１０以上の量子構造（４０）を有する、請求項８から２３までのうちの少なくとも１項記載の表面発光型の半導体基体。
25. 隣り合う２つの量子構造（４０）はバリア（４５）によって相互に隔てられている、請求項８から２４までのうちの少なくとも１項記載の表面発光型の半導体基体。
26. 前記バリア（４５）はＧａＡｓ_1-yＰ_y、ただし０≦ｙ≦１、有利には０．０５≦ｙ≦０．２５、またはＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ、ただし０≦ｚ≦１、有利には０．０２≦ｚ≦０．１５、を含有する、請求項２５記載の表面発光型の半導体基体。
27. 量子構造（４０）は量子層（４１）によって形成されている、請求項８から２６までのうちの少なくとも１項記載の表面発光型の半導体基体。
28. 量子構造（４０）は２以上５以下の量子層（４１）を有し、該量子層（４１）は前記量子構造（４０）において中間層（４２）によって相互に隔てられている、請求項８から２６までのうちの少なくとも１項記載の表面発光型の半導体基体。
29. 量子層（４１）はＩｎ_xＧａ_1-xＡＳ、ただし０≦ｘ≦１、有利には０．０５≦ｘ≦０．２５、を含有する、請求項８から２８までのいずれか１項記載の表面発光型の半導体基体。
30. 前記共振器（７１）は外部共振器として構成されている、請求項１から２９までのいずれか１項記載の表面発光型の半導体基体。
31. 半導体基体（１）の外側における前記外部共振器（７１）内の光学的な放射路にはモード選択素子が設けられていない、請求項３０記載の表面発光型の半導体基体。
32. 前記共振器（７１）における半導体基体の動作時に前記活性領域（３）において増幅されるべき前記放射の前記ピーク波長が前記活性領域（３）の温度の変化時に０．５％／１００Ｋ以下で変化するように半導体基体は波長が安定化されて構成されている、請求項１から３１までのうちの少なくとも１項記載の表面発光型の半導体基体。
33. 前記共振器（７１）における半導体基体の動作時に前記活性領域において増幅されるべき前記放射の前記ピーク波長が前記活性領域の温度の変化時に０．２％／１００Ｋ以下、有利には０．１％／１００Ｋ以下で変化するように半導体基体は構成されている、請求項１から３２までのうちの少なくとも１項記載の表面発光型の半導体基体。
34. 前記共振器（７１）内には非線形の光学素子（７５）が配置されている、請求項１から３３までのいずれか１項記載の表面発光型の半導体基体。
35. 前記非線形の光学素子（７５）は前記活性領域において増幅されるべき放射の周波数倍加、例えば周波数２倍化のために設けられている、請求項３４記載の表面発光型の半導体基体。
36. 前記半導体基体（１）はポンプ放射源（１５）による前記活性領域（３）の光学的なポンピングのために構成されている、請求項１から３５までのうちの少なくとも１項記載の表面発光型の半導体基体。
37. 半導体基体（１）の前記活性領域（３）において増幅されるべき前記放射の前記ピーク波長が、前記活性領域（３）において吸収される光学的なポンプ出力の変化時に５ｎｍ／Ｗ以下、有利には２ｎｍ／Ｗ以下、殊に有利には１ｎｍ／Ｗ以下で変化するように半導体基体（１）は波長が安定化されて構成されている、請求項３６記載の表面発光型の半導体基体。
38. 前記ポンプ放射源（１５）は半導体基体（１）の横方向のポンピングのために設けられている、請求項３６または３７記載の表面発光型の半導体基体。
39. 前記ポンプ放射源（１５）および前記半導体基体はモノリシックに集積されている、請求項３６から３８までのうちの少なくとも１項記載の表面発光型の半導体基体。
40. 請求項１から３９までのいずれか１項記載の表面発光型の半導体基体（１）および共振器（７１）を有することを特徴とする、半導体レーザモジュール（１００）。
41. レーザ（９０）を光学的にポンピングするために設けられている、請求項４０記載の半導体レーザモジュール。
42. 前記レーザ（９０）は固体レーザまたはファイバレーザまたは半導体レーザである、請求項４１記載の半導体レーザモジュール。
43. 表示装置（９５）、例えばプロジェクタ装置における作動のために設けられている、請求項４０から４２までのうちの少なくとも１項記載の半導体レーザモジュール。

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