AT512938B1 - Halbleiterlaser - Google Patents

Abstract

Es wird ein Halbleiterlaser mit einem zwischen zwei Halbleiterschichten (2,3) angeordneten aktiven Medium (4) beschrieben. Um unter Einsatz vorteilhafter Materialsysteme eine Emission über ein breites Frequenzspektrum im Infrarotbereich zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass das aktive Medium (4) ein mit Mangan und Magnesium dotiertes Galliumnitrid ist.

Description

österreichisches Patentamt AT512 938B1 2013-12-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterlaser mit einem zwischen zwei Halbleiterschichten angeordneten aktiven Medium.

[0002] Halbleiterlaser emittieren Licht durch Rekombinationsprozesse von Elektronen und Löchern am Übergang zwischen zwei Halbleiterschichten. Zwischen diesen Halbleiterschichten ist üblicherweise ein aktives Medium angeordnet, das für die Emission einer Strahlung in einem gewissen Wellenlängenbereich geeignet ist, wobei die Wellenlänge der emittierten Strahlung im Rahmen dieses Wellenlängenbereiches abgestimmt werden kann. Allerdings sind nur wenige aktive Medien bekannt, die eine Emission über einen größeren Frequenzbereich hinweg ermöglichen.

[0003] Da die optische Datenübertragung in Glasfasernetzen üblicherweise im nahen Infrarotbereich, nämlich bei 1,33 pm und bei 1,55 pm erfolgt, werden für diesen Einsatzzweck Halbleiterlaser mit einem aktiven Medium benötigt, das einen entsprechenden Emissionsbereich aufweist. Zu diesem Zweck wurde bereits vorgeschlagen (Near-infrared laser Operation of Cr3+ centers in chromium-doped LilnGe-04 and LiScGe04 crystals, M. Sharonov et al., Optics Letters Vol. 30, No. 8) mit Chrom dotiertes Liln(Si/Ge)04 als aktives Medium einzusetzen. Abgesehen davon, dass für die Anwendung dieser Verbindungen, insbesondere in Siliziumstrukturen, kaum Erfahrungswerte vorliegen, ist einer der Hauptbestandteile dieser Medien das seltene Element Indium.

[0004] Als aktives Medium für Halbleiterlaser ist es darüber hinaus bekannt, Galliumnitrid einzusetzen, und zwar im Frequenzbereich des sichtbaren Lichts um 405 nm. Obwohl Gallium in Verbindung mit anderen Nitriden wie Aluminiumnitrid oder Indiumnitrid als aktives Medium auch für Halbleiterlaser im ultravioletten sowie im übrigen sichtbaren Bereich des Frequenzspektrums genutzt wird, erwies sich der Einsatz von Galliumnitrid für den Infrarotbereich als ungeeignet.

[0005] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlaser so auszugestalten, dass unter Einsatz vorteilhafter Materialsysteme eine Emission über ein breites Frequenzspektrum im Infrarotbereich ermöglicht wird.

[0006] Ausgehend von einem Halbleiterlaser der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass das aktive Medium ein durch eine Dotierung mit Mangan und Magnesium im Infrarotbereich anregbares Galliumnitrid ist.

[0007] Durch die Dotierung mit Mangan und Magnesium kann die optische Emissionswellenlänge von Galliumnitrid in überraschender Weise von den durch den Bandabstand von Galliumnitrid vorgegebenen 405 nm in den Infrarotbereich verschoben werden, und zwar mit einem durchgehenden Emissionsbereich, vorzugsweise im Bereich von 1040 - 1650 nm. Der erfindungsgemäße Halbleiterlaser kann demzufolge bei einer entsprechenden Abstimmung für ausgewählte Wellenlängen in diesem Bereich benützt werden. Dies bedeutet, dass erfindungsgemäße Halbleiterlaser in der optischen Datenübertragung sowohl bei 1,33 pm als auch bei 1,55 pm gleichermaßen eingesetzt werden können. Die Abstimmung der Emissionswellenlänge sowie der sich ausbildenden Moden erfolgt dabei insbesondere durch die Anregung des aktiven Mediums sowie durch die Eigenschaften des Resonators. Diese Abstimmung muss nicht vorgegeben sein, sondern kann auch während des Betriebs des Halbleiterlasers über geeignete Einrichtungen, beispielsweise mit Hilfe eines im Resonator verstellbar angeordneten dispersi-ven Elementes erfolgen.

[0008] Um eine defektfreie Kristallstruktur im gesamten Halbleiterlaser sicherzustellen, wird vorgeschlagen, dass die Halbleiterschichten auf einem dotierten Galliumnitrid basieren, sodass der Halbleiterlaser in einem vollständigen Galliumnitrid-Prozess hergestellt werden kann. Die Wahl dieses Materialsystems bedingt zudem deutlich höhere Durchbruchsfeldstärken und eine vergleichsweise hohe thermische Leitfähigkeit, wodurch hohe Leistungen und Strahlungsintensitäten für den Halbleiterlaser ermöglicht werden.

[0009] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt, und zwar wird 1 /4 österreichisches Patentamt AT512 938B1 2013-12-15 ein erfindungsgemäßer Halbleiterlaser in einem schematischen Schnitt gezeigt.

[0010] Auf einem Substrat 1, beispielsweise Aluminiumoxid, Silizium, Siliziumcarbid oder Galliumnitrid ist eine erste Halbleiterschicht 2 aus einem dotierten Galliumnitrid aufgewachsen. Zwischen dieser ersten Halbleiterschicht 2 und einer zweiten Halbleiterschicht 3 aus dotiertem Galliumnitrid ist ein aktives Medium 4 aus mit Mangan und Magnesium dotiertem Galliumnitrid angeordnet. Um eine höhere Effizienz des Halbleiterlasers zu erreichen, können die beiden Halbleiterschichten 2, 3 eine gegensinnige Dotierung aufweisen, sodass beispielsweise die Halbleiterschicht 2 aus einem n-dotierten Galliumnitrid und die Halbleiterschicht 3 aus einem p-dotierten Galliumnitrid bestehen.

[0011] Um eine bessere Fokussierung der emittierten Strahlung zu erzielen, kann zwischen dem aktiven Medium 4 und den Halbleiterschichten 2, 3 ein Übergitter 5 aus einem Aluminiumgalliumnitrid vorgesehen werden. In diesem Fall ist es zweckmäßig, für das aktive Medium 4 definierte Bedingungen zu schaffen, indem eine zusätzliche Pufferschicht 6 aus Galliumnitrid zwischen dem aktiven Medium 4 und dem Übergitter 5 angeordnet wird.

[0012] Wird der Halbleiterlaser mit Hilfe einer entsprechende Steuerschaltung 7 über das Substrat 1 und eine Kontaktfläche 8 in bekannter Weise mit Strom beaufschlagt, kommt es ab einem gewissen Schwellenstrom zu einer Laseremission 9 in lateraler Richtung. 2/4

Claims (3)

1. österreichisches Patentamt AT512 938B1 2013-12-15 Patentansprüche 1. Halbleiterlaser mit einem zwischen zwei Halbleiterschichten (2, 3) angeordneten aktiven Medium (4) für den Infrarotbereich, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Medium (4) ein durch eine Dotierung mit Mangan und Magnesium im Infrarotbereich anregbares Galliumnitrid ist.
2. 2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Medium (4) zu einer Emission mit einer Wellenlänge zwischen 1040 und 1650 nm anregbar ist.
3. 3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschichten (2, 3) auf der Basis eines dotierten Galliumnitrids aufgebaut sind. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 3/4