JP2018101794A - 半導体レーザ・ダイオード、半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法および半導体レーザ・ダイオード装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度分布の不均一性を減少させる半導体レーザ・ダイオードを提供する【解決手段】動作中に放射取り出し表面を介してレーザ放射を放出する活性層１１と互いに上下に縦に設けられた半導体層を有する半導体層積層体１であって、放射取り出し表面が半導体層積層体の側面によって形成される、半導体層積層体と、半導体層積層体の主表面上に相互に横方向に隣接する熱障壁層２および金属コンタクト層５とを備え、熱障壁層が電気絶縁性多孔質材料によって形成される、半導体レーザ・ダイオードを特定する。その結果、動作中に生じる熱を、ヒートシンク２０まで金属コンタクト層５を介して伝達し、二次元温度勾配の形成を回避し、端面発光体における熱レンズを打ち消す。【選択図】図３

Description

半導体レーザ・ダイオード、半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法、および半導体レーザ・ダイオードを有する半導体レーザ・ダイオード装置を特定する。

高い光出力パワーおよび高い電気−光効率に加えて、例えば、ファイバ・カップリング用の大パワー・レーザ・ダイオードなどのレーザ・ダイオードは、できるだけ多くの発光パワーをガラス・ファイバに結合できるように、狭い発光角をも必要とする。これは、輝度によって表わされる物理量により表現される。従来型の大パワー・レーザ・ダイオードでは、「速軸」と表わされるレーザ・ダイオードの層構造に直交する面内の放出を、小さな発光領域の結果として十分に集光できる。しかし、輝度を高め、それによってコスト効率のより高いように直接照射するためのファイバ・レーザ・システムまたはファイバ結合型レーザを実現しようと試みる場合には、特にワイド・ストライプ・レーザ・ダイオードの場合、「遅軸」と表わされる層面内の放出は、一般に制限要因である。

高い光出力パワーの場合、遅軸発散を増加させる原因は、いわゆる熱レンズ効果と呼ばれる共振器内での横方向の温度分布の形成である。最適な熱放散を実現するために、従来型のレーザ・ダイオードをヒートシンク上にはんだ付けする側に大面積のメタライゼーションを有するように、従来型のレーザ・ダイオードが設計されるという理由で、この温度分布が生じる。したがって、熱は、エピタキシャル層に直交して放散するだけでなく、メタライゼーション層、はんだ、およびヒートシンクの有限の熱抵抗のために２次元的にも放散する。その結果、温度プロファイルが、パワー放散のためにレーザの活性領域内に形成され、この温度プロファイルは、横方向断面内で、共振器の中心で最大であり、外側に向けて低下する。共振器内で循環光（ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ ｌｉｇｈｔ）を集光し、結果的に、レーザの発光発散を増加させる光学レンズが、光屈折率および光学利得の温度依存性の結果として形成される。

従来から知られているレーザ・ダイオードと比較して温度分布の不均一性を減少させる半導体レーザ・ダイオードを提供することが、特定の実施形態の少なくとも１つの目的である。さらに、特定の実施形態の目的は、半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法および半導体レーザ・ダイオードを有する半導体レーザ・ダイオード装置を提供することである。

これらの目的は、独立請求項による主題および方法によって達成される。主題および方法の有利な実施形態および開発は、従属請求項において特徴付けられ、さらに、後続の説明および図面から明らかになる。

少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザ・ダイオードには、互いに上下に縦に設けられた半導体層を有する半導体層積層体がある。特に、半導体層積層体には、動作中に放射出力表面によってレーザ放射を放出するように構成された活性層がある。この目的のために、活性層は、特に、レーザ放射を放出するための活性領域を有することができる。放射出力表面は、半導体層積層体の反対の裏側面とともに長手方向に共振器を形成する半導体層積層体の側面によって形成される。ここで説明する半導体レーザ・ダイオードは、好ましくはいわゆる端面発光型半導体レーザ・ダイオードである。半導体層には、それぞれ垂直な成長方向に直交して向けられた主延在面がある。垂直成長方向に直交する方向を、以降横方向と表わす。特に、放出方向に沿った横方向を、長手方向とも呼ぶことができ、一方、放出方向に直交する横方向を、横断方向と呼ぶことができる。

さらなる実施形態によれば、半導体層積層体は、活性層に加えてさらなる機能性の半導体層、例えば、導波路層、クラッド層、バッファ層および／または半導体コンタクト層を備える。例として、活性層として、半導体層積層体は、従来型のｐｎ接合、ダブル・ヘテロ構造または単一もしくは多重量子井戸構造を有することができる。例として、量子井戸構造は、量子井戸、量子ワイアもしくは量子ドット、またはこれらの構造の組み合わせを含むことができる。例として、半導体層積層体は、ヒ化物半導体材料、リン化物半導体材料または窒化物半導体材料からなる１つまたは複数の半導体層を有することができる。例えば、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓに属する半導体層積層体は、長波長、赤外から赤色放射用に適しており、例えば、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐに属する半導体層積層体は、赤色放射用に適しており、例えば、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎに属する半導体層積層体は、短波長可視放射、すなわち、特に緑色光から青色光用に、および／またはＵＶ放射用に適している、ただし、各場合において、０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１である。半導体層積層体の半導体層は、好ましくは、基板上に成長する。成長後に、基板を完全にまたは部分的に除去することができる。さらに、さらなるコンタクト層が、半導体層積層体から遠くに面する基板の主表面上に存在することがある。

さらなる実施形態によれば、半導体層積層体は、実質的に横方向に延在する主表面によって一方の側を垂直方向に範囲を限られる。これは、主表面が成長方向に直交する主延在面を備える平坦面であることを意味することがある。さらに、主表面には、表面構造があってもよく、これにより、主表面の形態は、平坦面とは違ってもよい。例として、主表面には、１つまたは複数のウェブ構造があってもよい。例として、半導体層積層体が上に設けられる基板を、主表面の反対に位置する半導体層積層体の側に配置することができる。

例として、多数の半導体レーザ・ダイオードを後続の個片化によって分割することができる半導体ウェハにより、半導体層積層体を形成することができる。各個の半導体レーザ・ダイオードには、１つまたは複数の活性領域があり、したがって単一発光体または多重発光体として具体化することができ、これをレーザ・バーとして表わすこともできる。さらに、半導体層積層体を、半導体ウェハの既に個片化した部分とすることができ、この個片化部分は、その後に完成する半導体レーザ・ダイオードに対応する。

さらなる実施形態によれば、熱障壁層および金属コンタクト層を、半導体層積層体の主表面上に相互に横方向に隣接して設ける。特に、熱障壁層および金属コンタクト層を、垂直方向に活性層の全面に配置し、そして横方向に半導体層積層体上で相互に隣に配置することを、これは意味する。

さらなる実施形態によれば、熱障壁層を、電気絶縁性多孔質材料によって形成する。このように、熱障壁層には、電気絶縁性材料があり、その中に多数の細孔、すなわち、空洞が形成される。

少なくとも１つのさらなる実施形態によれば、半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法は、方法ステップＡにおいて、動作中に放射出力表面を介してレーザ放射を放出する活性層と互いに上下に縦に設けられた半導体層を有する上記の半導体層積層体を用意し、放射出力表面を半導体層積層体の側面によって形成する。

さらなる実施形態によれば、半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法は、方法ステップＢにおいて、半導体層積層体の主表面上に熱障壁層を大面積で設置することを実現し、熱障壁層を電気絶縁性多孔質材料により形成する。半導体層積層体の主表面上に層を大面積で設置することは、層がある領域内に構造化されるように設けられるのではなく、好ましくは覆うように全主表面にわたり構造化されないように設けられることを意味する。

さらに、半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法には、方法ステップＣを有することができ、ある領域内の熱障壁層の除去によって、半導体層積層体の主表面の領域を露出させる。

さらなる方法ステップＤにおいて、コンタクト層および熱障壁層が主表面上に互いに横方向に隣接して配置されるように、コンタクト層を、主表面の露出した領域上に設けることができる。

上述のおよび下記の特徴および実施形態は、半導体レーザ・ダイオードおよび半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法にも同じように当てはまる。

特に、コンタクト層および障壁層を、主表面上に相互に直接そして直ぐ近くに隣接して配置することができる。言い換えると、障壁層およびコンタクト層の側面、すなわち、各場合において垂直方向に対して直交する方向に熱障壁層およびコンタクト層の少なくとも領域の限界を定める面が、相互に直接そして直ぐ近くに隣り合うことを、これは意味する。特に、ある領域内の熱障壁層の除去によって半導体層積層体の主表面の領域を露出させる方法ステップにおいて、開口部を熱障壁層に作ることができ、この開口部が、コンタクト層の形態を決定し、この開口部にコンタクト層の材料を次に導入する。

さらなる実施形態によれば、コンタクト層は、半導体層積層体の主表面上のストリップ形状の実施形態であり、少なくとも２つの側面上で熱障壁層と隣り合う。垂直方向での半導体レーザ・ダイオードの上面図では、または特に半導体レーザ・ダイオードの層の主延在面に沿って半導体レーザ・ダイオードを通る適切な断面図では、コンタクト層を、長手方向のストリップとして具体化することができ、ストリップは、横断方向にストリップの両側に配置された２つの領域に熱障壁層を細分化する。

特に、ストリップ形状の金属コンタクト層は、放射出力表面から放射出力表面の反対に位置する半導体層積層体の裏側面まで達することができる。したがって、特に、半導体レーザ・ダイオードを、いわゆるストライプ・レーザとして、例えば、いわゆるワイド・ストライプ・レーザとして具体化することができる。半導体層積層体への、特に半導体層積層体の一方の側から活性層への電気的接触を可能にする金属コンタクト層の形状および幅は、活性層内の活性領域のサイズおよび形状を決定し、それによって、レーザ放射を、動作中に放射出力表面によって放出することができる。

さらなる実施形態によれば、半導体レーザ・ダイオードには、１つよりも多くの金属コンタクト層がある。特に、複数の金属コンタクト層を、熱障壁層の領域と交互に横断方向に相互に隣に配置される長手方向のストリップとして具体化することができる。

さらなる実施形態によれば、熱障壁層の電気絶縁性多孔質材料は、多数の細孔を有する酸化物および／または窒化物を含む。特に好ましくは、電気絶縁性多孔質材料は、下記の材料：ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２、ＡｌＮのうちの１つもしくは複数を含むまたはこれらから構成されてもよい。

さらなる実施形態によれば、半導体層積層体の主表面上に熱障壁層を大面積で設置するために、ゾル−ゲル法を使用する。この目的のために、前駆体物質、例えば、前駆体ゾルまたは前駆体ゲルを、半導体層積層体の主表面上の広範囲にわたって設ける。例として、前駆体物質を、スピン・コーティングによって設けることができる。超臨界乾燥、すなわち、高圧および／または高温での乾燥によって、前駆体物質を、熱障壁層の電気絶縁性多孔質材料を形成するエアロゲルに変換することができる。例として、前駆体および溶剤からなるゾルを、ゾル−ゲル法において用意することができる。例として、溶剤を水とすることができる。基板および／または半導体層積層体の臨界サーマル・バジェットの場合、低温での超臨界乾燥を可能にするために、溶剤を液体ＣＯ_２で置き換えることが可能である。例として、ＳｉＯ_２エアロゲルを熱障壁層として生成しようとする場合には、前駆体としてオルトケイ酸塩テトラメチル（ＴＭＯＳ）を使用することが可能である。前駆体ゲルを、加水分解によって形成することができる。例として、スピン・コーティングによって半導体層積層体の主表面に、前駆体ゲルを広範囲にわたって設けることができる。その後、前駆体ゲルを、超臨界方式で、例えば、ほぼ２５０℃の温度で、５０バール以上かつ８０バール以下の圧力で乾燥させることができる。

主表面上に熱障壁層を大面積で設置するためのさらなる実施形態によれば、複数の粒子を有する層を広範囲にわたって主表面上に設ける方法が利用される。例として、複数の粒子を有する層を、広範囲にわたって設けた粒子の単分子層によって形成することができる。これに対する代替として、粒子を有する多層により複数の粒子を有する層を形成することも可能である。例として、粒子を球とすることができる。これに対する代替として、粒子の他の幾何学的形態も可能である。例として、粒子を、ポリスチレン球によって形成することができる。粒子を有する層は、粒子間に隙間を有するいわゆるテンプレート層を形成する。さらなる方法ステップでは、粒子間の隙間を、電気絶縁性材料で、特に、前述の酸化物および／または窒化物のうちの１つで充填する。特に好ましくは、隙間を、原子層堆積法によって充填することができる。その後、電気絶縁性材料中の粒子を除去して、細孔を形成することができる。例として、粒子を、アッシングによって、例えば、酸素プラズマによって除去することができる。複数の粒子を有する層を設け、電気絶縁性材料で粒子間の隙間を埋め、そして粒子を除去して電気絶縁性材料中に細孔を形成するステップを、熱障壁層を所望の厚さに調節するために、連続して複数回実行することもできる。粒子を除去することによって、決められた数の空洞を電気絶縁性材料中に作り出し、その結果、熱障壁層の熱伝導率を、この方法によって的を絞って調節することができる。原子層堆積法に対する代替として、例えば、化学気相堆積などの他のコーティング法を使用することも、やはり可能である。粒子を、当業者には知られている、例えば、ディップ・コーティング、スピン・コーティングまたはラングミュア・ブロジェット法によって半導体層積層体の主表面上に設けることができる。

さらなる実施形態によれば、熱障壁層の気孔率は、７０％以上、７４％以上、８０％以上、またはそれどころか９０％以上である。特に、熱障壁層を前述の粒子に基づく方法によって形成する場合、７４％以上の気孔率が、有利であることが判明した。ゾル−ゲル法によって生成される熱障壁層の場合、例えば、シリカ・ゲルの場合、９０％以上の気孔率が、有利であることが判明した。

さらなる実施形態によれば、熱障壁層の熱伝導率は、０．０２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。さらに、熱伝導率は、０．０５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下で十分なことがある。特に、熱障壁層の熱伝導率と厚さとの積は、熱障壁層の所望の熱抵抗をもたらすことができる。

さらなる実施形態によれば、誘電体キャッピング層を、半導体層積層体から遠くに面する熱障壁層の側に配置する。特に、キャッピング層には細孔がなくてもよい。特に、キャッピング層を、熱障壁層上の直ぐ近くにそして直接設けることができる。言い換えると、ある領域内の熱障壁層を除去することによって半導体層積層体の主表面の領域を露出させるステップを実行する前に、キャッピング層を、広範囲にわたって熱障壁層上に設けることができる。主表面の領域を露出させるために、熱障壁層がある領域内で除去される場合には、キャッピング層を、同じ方法ステップで、すなわち、熱障壁層とともにある領域内で除去することができる。

例として、キャッピング層を、プラズマ化学気相堆積によって設けることができ、キャッピング層は、誘電体材料で熱障壁層を封じるように働く。例として、キャッピング層は、酸化物および／または窒化物、例えば、熱障壁層の電気絶縁性材料の場面において上に述べた材料のうちの１つまたは複数を含むことができる。この場合、キャッピング層および熱障壁層は、異なる材料を含むことができる、そうでなければ同じ材料のものであってもよい。キャッピング層には細孔がなく、一方細孔が熱障壁層に含まれる点で、キャッピング層は、完成した半導体レーザ・ダイオード中の熱障壁層とは異なることがある。

さらなる実施形態によれば、ある領域内の熱障壁層、および任意選択でやはりキャッピング層の除去によって半導体層積層体の主表面の領域を露出させる方法ステップにおいて、リソグラフィ法を使用する。この目的のために、除去しようとする領域を、例えば、フォトレジストにより画定することができる。熱障壁層のおよび任意選択でキャッピング層の構造化を、好ましくは乾式化学法を用いて実行することができる。これに対する代替として、特に多孔質熱障壁層についてのエッチング効果に関して適切に湿式化学法を制御できる限り、湿式化学法を使用することも可能である。

さらなる実施形態によれば、熱障壁層を大面積で設置する前に、エッチング・ストップ層を半導体層積層体の半導体表面に設ける。特に、エッチング・ストップ層は、エッチング媒体、すなわち、例えば、乾式化学エッチング法の場合、エッチング・プラズマから、半導体層積層体の主表面、すなわち、特に、半導体層積層体の最上部の半導体層を保護するように働くことができる。エッチング・ストップ層が主表面上に存在する場合には、ある領域内の熱障壁層の除去中に、所望の領域内の半導体層積層体の主表面をこのように露出させるために、前記エッチング・ストップ層を、同じ領域内の主表面から除去することができる。したがって、エッチング・ストップ層は、完成した半導体レーザ・ダイオードにおいて熱障壁層と半導体層積層体との間に依然として存在する。ＳｉＯ_２からなる熱障壁層の場合、エッチング・ストップ層は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３を含むことができ、またはＡｌ_２Ｏ_３から形成されてもよい。

さらなる実施形態によれば、金属コンタクト層の材料を、熱障壁層のリソグラフィック構造化の後で熱障壁層および主表面の露出した領域の広範囲にわたって堆積することができる。この目的のために、露出させようとする主表面の領域を画定するために設けるフォトレジストを、熱障壁層上におよび任意選択でキャッピング層上に追加で配置するなら特に有利であり、その結果、コンタクト層をリフトオフ技術によって簡単に構造化することができ、コンタクト層が露出した領域内の主表面上に存在する。例として、金属コンタクト層を、物理蒸着またはスパッタリングによって設けることができる。

さらなる実施形態によれば、金属コンタクト層は、例えば、金属層の形態で１つまたは複数の金属を含む。例として、コンタクト層の１つまたは複数の層は、金および／または銅であってもよく、その結果として、所望の電流伝導率および熱伝導率を実現することができる。さらに、金属コンタクト層は、下記から選択される材料：白金、チタン、窒化チタン、窒化タンタル、クロム、タングステン、および窒化タングステンのうちの１つまたは複数を含むことができる。このような材料は、特に、接着層および／または拡散障壁として有利なことがある。

さらなる実施形態によれば、コンタクト層を設置した後で、メタライゼーション層をコンタクト層上におよび熱障壁層上に設ける。特に、メタライゼーション層を広範囲にわたって設けることができ、はんだメタライゼーションを形成することができ、それによって、半導体レーザ・ダイオードを、ヒートシンク上に組み立てることができる。例として、メタライゼーション層は、金属コンタクト層の場面で特定した材料のうちの１つまたは複数をも含むこともできる。

少なくとも１つのさらなる実施形態によれば、半導体レーザ・ダイオード装置は、上述のように、上述の方法にしたがって製造される半導体レーザ・ダイオードを含み、熱障壁層が半導体層積層体とヒートシンクとの間に配置されるように、半導体レーザ・ダイオードをヒートシンク上に実装する。言い換えると、熱障壁層およびコンタクト層が上に設けられる半導体層積層体の主表面は、ヒートシンクに面している。例として、半導体レーザ・ダイオード装置のヒートシンクを、半導体レーザ・ダイオード用の適切なハウジングまたは冷却ボディによって形成することができる。

半導体レーザ・ダイオード内の温度プロファイルを均一化し、それによって先行技術に基づく半導体レーザ・ダイオードと比較して前記温度プロファイルを平滑化するために、動作中に半導体レーザ・ダイオードから熱放散を行う適切な横方向構造化を、ここで説明した電気絶縁性多孔質材料からなる熱障壁層によって実現することができる。熱障壁層は、その多孔質構造のために非常に低い熱伝導率を可能にし、同時に非常に高い機械的安定性をともなう。熱障壁層用にここで説明した材料、すなわち、前述の酸化物および窒化物、ならびにここで説明した製造方法は、半導体処理と有利なことに互換的である。特に、電気的コンタクト層に横方向に隣接して配置された熱障壁層によって実現できるのは、半導体レーザ・ダイオードの動作中に発生した熱を、コンタクト層を介して半導体レーザ・ダイオードから主に放散させることである。市販の半導体レーザ・ダイオードが、低い熱抵抗を実現し、それによってレーザ・ダイオードの効率を向上させるために、大面積のメタライゼーションを有する一方、的を絞ってここに説明した半導体レーザ・ダイオードでは、半導体レーザ・ダイオード内の温度分布の的を絞った波及効果によって輝度の向上を達成することができるので、大きな熱抵抗が受け入れられる。

さらなる長所、有利な実施形態および開発は、図と協働して下記に説明される例示的な実施形態から明らかになる。

１つの例示的な実施形態による、半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法の模式図である。 １つの例示的な実施形態による、半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法の模式図である。 １つの例示的な実施形態による、半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法の模式図である。 １つの例示的な実施形態による、半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法の模式図である。 １つの例示的な実施形態による、半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法の模式図である。 さらなる実施形態による、半導体レーザ・ダイオードの模式図である。 さらなる例示的な実施形態による、半導体レーザ・ダイオード装置の模式図である。 さらなる例示的な実施形態による、半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法の方法ステップの模式図である。 さらなる例示的な実施形態による、半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法の方法ステップの模式図である。 さらなる例示的な実施形態による、半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法の方法ステップの模式図である。 さらなる例示的な実施形態による、半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法の方法ステップの模式図である。 さらなる例示的な実施形態による、半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法の方法ステップの模式図である。 さらなる例示的な実施形態による、半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法の方法ステップの模式図である。 さらなる例示的な実施形態による、半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法の方法ステップの模式図である。 さらなる例示的な実施形態による、半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法の方法ステップの模式図である。

図および例示的な実施形態では、対等な要素および等価な要素ならびに同じ効果を有する要素を、各場合において同じ参照符号を用いて与えることができる。描かれた要素および互いに対するその大きさを、原寸に正確に比例すると考えるべきではなく、むしろ、表現能力を向上させるためおよび／または理解を向上させるために、例えば、層、部品、構成部品および領域などの個々の要素を、誇張した寸法で描くことができる。図１Ａ〜図１Ｅは、１つの例示の実施形態による半導体レーザ・ダイオード１００を製造するための方法を示す。

この目的のために、図１Ａに示したように、互いに上下に縦に設けられた半導体層を有する半導体層積層体１を、第１の方法ステップで用意する。特に、半導体層積層体１には、完成した半導体レーザ・ダイオード１００の動作中に放射出力表面の全面からレーザ放射を放出するように構成された活性層１１がある。図１Ｅに描かれているような、完成後の半導体レーザ・ダイオード１００には、図面の平面に直交する放出方向があり、その結果、共振器を形成する放射出力表面および放射出力表面の反対の裏側面は、図面の平面に平行であり、共振器の上流および下流に位置する。半導体層積層体１および特に完成した半導体レーザ・ダイオード１００は、端面発光型半導体レーザ・ダイオードである。例として、半導体レーザ・ダイオードを、例えば、バー・レーザまたはワイド・ストライプ・レーザなどの、ファイバ・カップリング用の大パワー・レーザ・ダイオードとすることができる。半導体層の観点からこのような半導体レーザ・ダイオードの基本設計は、当業者には知られており、したがって、ここでは詳細には説明しない。

特に、半導体層積層体１の材料を、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料系、特に、ヒ化物化合物半導体材料系、リン化物化合物半導体材料系および／または窒化物化合物半導体材料系から選択することができる。例示的な実施形態では、半導体層積層体１を、例えば、半導体層積層体１用の成長基板とすることができる基板１０に設ける。これに対する代替として、基板１０を、キャリア基板とすることもでき、その上に、半導体層積層体１が、成長後に成長基板から転送される。特に、ここに示した例示的な実施形態に描かれた基板１０は、導電性であり、コンタクト層１９を半導体層積層体１の反対の基板１０の側に配置し、それによって半導体層積層体１および特に活性層１１を基板側から接触させることができる。例示的な実施形態の代替として、形成した半導体層積層体１を、下側から、すなわち、基板の側から、また先行技術において知られている他の選択肢によって電気的に接触させることができる。

基板から遠くに面する側では、半導体層積層体１には、当該半導体層積層体１が終端する主表面１２がある。例示的な実施形態におけるように、主表面１２は、平坦面であってもよい。これに対する代替として、活性層１１または、追加としてさえも、同様に活性層１１の一部の上方の半導体層を、主表面１２がくさび構造であるようにくさび形状様式に構造化する場合も、あってもよい。

図１に示した半導体層積層体１を、特に、ウェハ集合体の半導体材料とすることができる。言い換えると、基板１０を基板ウェハとすることができ、その上に半導体層積層体１を設ける。方法の後半の段階中に個片化によって、個々の半導体レーザ・ダイオードを半導体層積層体１から分離することができる。これに対する代替として、単一の半導体レーザ・ダイオードを製造するために既に個片化され用意されることが、半導体層積層体１にとっても可能である。純粋に提示可能性の理由で、後者の場合を下記の図に示す。

さらなる方法ステップでは、熱障壁層２を、主表面１２上に広範囲にわたって堆積し、前記熱障壁層を、電気絶縁性多孔質材料によって形成する。例示的な実施形態では、電気絶縁性多孔質材料を、多数の細孔を含有する電気絶縁性酸化物および／または窒化物を有するいわゆるエアロゲルによって形成する。熱障壁層２の酸化物および／または窒化物を、特に、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＡｌＮ、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２のうちの１つまたは複数から選択することができる。

図１Ｂに示したように、ゾル−ゲル法を使用して熱障壁層２を生成するために、半導体層積層体１の主表面１２上に広範囲にわたって前駆体物質２’を設ける。ここで、広範囲にわたって、好ましくは、全主表面１２が前駆体物質２’によって覆われ、その結果、必要なときに、例えば、既に存在するウェブ構造などの主表面１２の凹凸もまた平坦にさせることができる。前駆体物質２’を、前駆体ゾルまたは前駆体ゲルとすることができる。例として、ＳｉＯ_２に基づくエアロゲルを熱障壁層２として生成する場合には、例えば、溶剤としての水を有するオルトケイ酸テトラメチル（ＴＭＯＳ）などの適切な前駆体物質からなるゾルを用意することができる。これを主表面１２に直接設けることができ、またはこれに対する代替として、ゲルを加水分解によって形成することができ、前駆体ゲルを前駆体物質２’として主表面２上にその後設けることができる。前駆体物質２’を、好ましくはスピン・コーティングによって設ける。前駆体物質２’の超臨界乾燥を、例えば、ほぼ２５０℃の温度で、５０バール以上かつ８０バール以下の圧力での超臨界乾燥によって実現することができ、その結果として、図１Ｃに示したような熱障壁層２を形成し、この熱障壁層は、多数の細孔８を有する電気絶縁性材料９、すなわち例示的な実施形態ではＳｉＯ_２を有する。例えば、基板１０および／または半導体層積層体１が非常に熱に敏感である場合、低温で乾燥を可能にするために、溶剤を液体ＣＯ_２によって置き換えることもできる。

ゾル−ゲル法によって、広い範囲にわたって熱障壁層２の気孔率を調節することが可能である。この結果として、それに応じて、熱障壁層２の熱伝導率を、的を絞って低くなるように調節することができる。ＳｉＯ_２の代替として、熱障壁層２はまた、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２および／またはＴｉＯ_２に基づくエアロゲルであってもよい。この場合、ゾル−ゲル法のプロセス・パラメータによって、気孔率をも調節することができ、その結果、原理的に、熱障壁層２の規定された所望の熱伝導率を作ることが可能である。

図１Ｃに同様に示したように、誘電性材料からなるキャッピング層３を、さらなる方法ステップで、熱障壁層２の上に、好ましくは広範囲にわたって設けることができる。特に、キャッピング層３を、プラズマ気相堆積によって設けることができる。キャッピング層３は、熱障壁層２と同じ酸化物または窒化物であっても異なるものでもよく、熱障壁層２を封じるように働く。

さらなる方法ステップでは、主表面１２上の半導体層積層体１に対して、すなわち、上側の方向から、コンタクト面を画定するリソグラフィ法がある。この目的のために、図４に示したように、フォトレジスト４を設け、熱障壁層２の全体にわたり適切に構造化する。キャッピング層３および熱障壁層２の後続の乾式化学構造化によって、ある領域内の熱障壁層２およびキャッピング層３を除去することにより半導体層積層体１の主表面１２の領域を露出させることが可能である。

さらなる方法ステップでは、金属コンタクト層５を形成するための適切なコンタクト材料を、露出した主表面１２を覆い、そして少なくとも領域内で、フォトレジスト４を覆って堆積する。コンタクト材料を、例えば、物理蒸着またはスパッタリングによって堆積する。

コンタクト材料を、リフトオフ技術によって構造化することができ、その結果、図１Ｅに示したように、フォトレジスト４をリフトオフした後で、熱障壁層２および金属コンタクト層５が、半導体層積層体１の主表面１２上に相互に横方向に隣接して配置されるように、コンタクト層５が主表面１２上に残る。特に、上述の半導体レーザ・ダイオード１００のストライプ・レーザのような実施形態の場合、コンタクト層５は、半導体層積層体１の主表面１２上にストリップ形状の実施形態であってもよく、コンタクト層５は、少なくとも２つの側面上で熱障壁層２と隣り合うことができる。図１Ｅに示したように、電気コンタクト層５は、キャッピング層３をともなう平坦面を有することができ、またはこれに対する代替として、コンタクト層５は、キャッピング層３の上方に突き出すこともでき、もしくはコンタクト層５を窪んだように配置することもできる。

上述のように、ウェハ集合体の半導体層積層体１は、上述の層を、特に、多数のコンタクト層５を備えることができ、その結果、個々の半導体レーザ・ダイオード１００を、この後に続く個片化ステップにおいて集合体から取り外すことができる。

熱障壁層２が多孔質構造である結果、熱障壁層２は的を絞って調節された低い熱伝導率を有するものとなり、当該熱障壁層２によって、従来技術から大パワー・レーザ・ダイオードの輝度を制限するものとして知られている熱レンズ効果を回避し、または少なくとも減少させることが可能である。同時に、熱障壁層２の機械的安定性は、製造プロセス中にまたは組み立て中に半導体レーザ・ダイオードの破壊を回避するために十分である。この場合、説明したプロセス、特にゾル−ゲル法を従来のチップ製造プロセスに統合することが可能であり、その結果、先行技術と比較して、高輝度を有する機械的に安定な半導体レーザ・ダイオードを製造することが可能であり、これは、特にファイバ・カップリング用途にとって有利なことがある。

図２は、さらなる例示的な実施形態による半導体レーザ・ダイオード１０１を示し、これは、半導体レーザ・ダイオード１００と比較して、キャッピング層３およびコンタクト層５の上に堆積したメタライゼーション層６を有する。例として、メタライゼーション層６を、はんだメタライゼーションとすることができ、それによって、半導体レーザ・ダイオード１０１をヒートシンク上に組み立てることができる。

図３は、図２の例示的な実施形態による、半導体レーザ・ダイオード１０１がメタライゼーション層６を用いてヒートシンク２０上に組み立てられている、対応する半導体レーザ・ダイオード装置２００を示す。例として、半導体レーザ・ダイオード１０１を、ヒートシンク２０上にはんだ付けすることができる。例として、ヒートシンク２０を、ハウジング部品または冷却ボディによって形成することができる。熱障壁層２が半導体層積層体１とヒートシンク２０との間に配置されるように、半導体レーザ・ダイオード１０１をヒートシンク２０上に組み立てる。そのため、熱障壁層２によって的を絞って、活性層１１からヒートシンク２０への熱輸送に、したがって半導体層積層体１内の温度プロファイルに、影響を及ぼすことができる。

図４Ａ〜図４Ｄは、さらなる例示的な実施形態による、半導体レーザ・ダイオード１０２を製造するための方法の方法ステップを示し、ここでは、半導体層積層体１、特に主表面１２を形成する半導体層を保護するために、保護層を、熱障壁層２を堆積する前に半導体層積層体１の主表面１２上に設けている。上記半導体層を、熱障壁層２を構造化するときにエッチング・プラズマに非常に敏感なことがあるｐ−ドープの半導体コンタクト層により、通常形成することができる。

この目的のために、図４Ａに示したように、エッチング・ストップ層７を主表面１２上に設け、このエッチング・ストップ層上に、前駆体物質２’を次いで、図１Ｂに関連して上述の方法ステップによって設ける。ＳｉＯ_２エアロゲルに基づく熱障壁層の場合、エッチング・ストップ層は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３を含むまたはＡｌ_２Ｏ_３から構成されてもよい。図４Ｂ〜図４Ｄに示した方法ステップは、図１Ｃ〜図１Ｅに関連して説明した方法ステップ、すなわち、熱障壁層２上のキャッピング層３の堆積、フォトレジスト４によるコンタクト面のリソグラフィによる画定および好ましくは乾式化学法による熱障壁層２とキャッピング層３の構造化、ならびに金属コンタクト層５の堆積に対応する。

ある領域内の熱障壁層２を除去するときに、エッチング・ストップ層７の対応する領域もまた除去され、そのため、完成した半導体レーザ・ダイオード１０２において、エッチング・ストップ層７が、コンタクト層５の隣に熱障壁層２と半導体層積層体１との間に依然として存在する。

図１Ａ〜図１Ｅの例示的な実施形態の代替である熱障壁層２を製造するための方法を、図５Ａ〜図５Ｄに関連して説明する。

この目的のために、図５Ａに示したように、複数の粒子８’を有する層を、いわゆるテンプレート層の形態で主表面１２上に設ける。例として、粒子８’を、図５Ａに示したような単分子層の形態で、または多層の形態で設けることができる。例として、粒子８’を、球状にすることができ、好ましくは、ポリスチレン球によって形成することができる。これに対する代替として、他の材料および幾何学的形状も可能である。粒子８’を、例えば、ディップ・コーティング、スピン・コーティングまたはラングミュア・ブロジェット法によって半導体層積層体１の主表面１２上に設ける。

さらなる方法ステップでは、図５Ｂに示したように、粒子８’間の隙間を、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２または上に述べた別の材料などの誘電体、すなわち、電気絶縁性材料９を用いて、例えば、原子層堆積法などの適切なコーティング法によって充填する。

その後、特にポリスチレン球の場合、Ｏ_２プラズマ処理を使用するアッシングによって粒子８’を除去することが可能であり、その結果、細孔８の形態の空洞が電気絶縁性材料９からなる層に作り出される。図５Ａ〜図５Ｃに示した方法ステップを繰り返すことによって、図５Ｄに示したように、的を絞って熱障壁層２の厚さおよび電気絶縁性材料９中の細孔８の数を調節することが可能である。その後、上述の方法に関連して説明したさらなる層を、熱障壁層２の上に設けることができ、熱障壁層２の対応する構造化を始めることが可能である。図５Ａ〜図５Ｄに関連して示した熱障壁層３を製造するための方法を、大きな自由度によって、例えば、電気絶縁性材料の材料選択に関係して区別することができる。

例示的な実施形態において示し説明した特徴を、ここには明示的に示されていないさらなる例示的な実施形態にしたがって相互に組み合わせることも可能である。さらに、図に示した例示的な実施形態には、明細書の一般的な部分にしたがった代替の特徴または追加の特徴があってもよい。

発明は、例示的な実施形態に基づく説明によって限定されない。むしろ、発明は、あらゆる新規な特徴および特徴の各々の組み合わせを含み、特にこの特徴またはこの組み合わせそれ自体が特許請求の範囲または例示的な実施形態に明示的に特定されていない場合でさえも、特許請求の範囲の特徴の各々の組み合わせを含む。

この特許出願は、独国特許出願第１０ ２０１３ １１４ ２２６．５号の優先権を主張するものであり、その開示内容は、参照により本明細書に組み込まれている。

Claims (19)

1. 活性層（１１）と互いに上下に設けられた半導体層と共に、更に導波路層、クラッド層、バッファ層または半導体コンタクト層から選択された層を有し、動作中に放射出力表面を介してレーザ放射を放出する半導体層積層体（１）であって、前記放射出力表面が、前記半導体層積層体（１）の側面によって形成される半導体層積層体（１）と、
   前記半導体層積層体（１）の主表面（１２）上で相互に横方向に隣接する熱障壁層（２）および金属コンタクト層（５）と、
   を備え、
   前記熱障壁層（２）が電気絶縁性多孔質材料（９）によって形成され、
   前記コンタクト層（５）は、前記半導体層積層体（１）の前記主表面（１２）上でストリップ形状を呈するように具現化され、かつ少なくとも２つの側面において前記熱障壁層（２）と隣接する、半導体レーザ・ダイオード。
2. 誘電性キャッピング層（３）が、前記半導体層積層体（１）から遠くに面する前記熱障壁層（２）の側に配置される、
   請求項１に記載の半導体レーザ・ダイオード。
3. 前記キャッピング層（３）は、細孔を有さない、
   請求項２に記載の半導体レーザ・ダイオード。
4. メタライゼーション層（６）が、前記キャッピング層（３）および前記コンタクト層（５）上に設けられる、
   請求項２または３に記載の半導体レーザ・ダイオード。
5. 前記電気絶縁性多孔質材料（９）は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２、ＡｌＮから選択されるもののうちの１つまたは複数を含む、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザ・ダイオード。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法であって、
   Ａ）前記活性層（１１）と互いに上下に設けられた前記半導体層を有し、動作中に前記放射出力表面を介してレーザ放射を放出する前記半導体層積層体（１）を用意するステップであり、前記放射出力表面が、前記半導体層積層体（１）の側面によって形成されるステップと、
   Ｂ）前記半導体層積層体（１）の主表面（１２）上に前記熱障壁層（２）を大面積で設置するステップであり、前記熱障壁層（２）が、前記電気絶縁性多孔質材料（９）によって形成されるステップと、
   Ｃ）ある領域内の前記熱障壁層（２）の除去によって前記半導体層積層体（１）の前記主表面（１２）の領域を露出させるステップと、
   Ｄ）前記コンタクト層（５）および前記熱障壁層（２）が前記主表面（１２）上で相互に横方向に隣接して配置されるように、前記主表面（１２）の前記露出した領域上に前記コンタクト層（５）を設置するステップと、
   を含む、半導体レーザ・ダイオードを製造するための方法。
7. 前記ステップＢにおいて、前駆体物質（２’）が、ゾル−ゲル法で堆積され、かつ前記前駆体物質（２’）が、前記電気絶縁性多孔質材料（９）を形成するエアロゲルに超臨界乾燥によって変換される、
   請求項６に記載の方法。
8. 前記前駆体物質（２’）の前記堆積が、スピン・コーティングにより行われる、
   請求項７に記載の方法。
9. 前記ステップＢが、
   Ｂ１）複数の粒子（８’）を有する層を設置するサブステップと、
   Ｂ２）前記粒子（８’）間の隙間を電気絶縁性材料で充填するサブステップと、
   Ｂ３）前記電気絶縁性材料中に細孔（８）を形成するために前記粒子（８’）を除去するサブステップと、
   を有する、請求項６に記載の方法。
10. 前記サブステップＢ１乃至Ｂ３が、連続して複数回実行される、
    請求項９に記載の方法。
11. 前記サブステップＢ２において、前記隙間は、原子層堆積によって充填される、
    請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記粒子（８’）は、ポリスチレン球によって形成される、
    請求項９〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記サブステップＢ３において、前記粒子（８’）は、酸素プラズマによって除去される、
    請求項９〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記ステップＣの前に、電気絶縁性材料からなるキャッピング層（３）が、広範囲にわたって前記熱障壁層（２）上に設けられ、
    前記ステップＣにおいて、前記キャッピング層（３）は、ある領域内で前記熱障壁層（２）とともに除去される、
    請求項６〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記キャッピング層（３）は、プラズマ化学気相堆積によって設けられる、
    請求項１４に記載の方法。
16. メタライゼーション層（６）が、前記ステップＤの後で前記コンタクト層（５）上および前記キャッピング層（３）上に設けられる、
    請求項１４又は１５に記載の方法。
17. エッチング・ストップ層（７）が、前記ステップＢの前に、前記半導体層積層体（１）の前記主表面（１２）上に設けられる、
    請求項６〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 乾式化学エッチング・プロセスが、前記ステップＣにおいて実行される、
    請求項６〜１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体レーザ・ダイオードを備える半導体レーザ・ダイオード装置であって、
    前記半導体レーザ・ダイオードは、前記熱障壁層（２）が前記半導体層積層体（１）とヒートシンク（２０）との間に配置されるように、前記ヒートシンク（２０）上に実装される、半導体レーザ・ダイオード装置。

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