DE10102458A1 - Vertikallaserdiode mit ausbleichbarem Absorbermittel - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserdiode mit einem Vertikalresonator, gekennzeichnet durch mindestens ein ausbleichbares Absorbermittel (5) für die Strahlung im Vertikalresonator. Damit wird eine hohe transversal einmodige Ausgangsleistung realisiert, die darüber hinaus in der Lage ist, unter bestimmten Betriebsbedingungen auch selbstpulsierend zu oszillieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserdiode mit einem Vertikalresonator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein optisches System mit einer solchen Laserdiode nach Anspruch 12.

Vertikallaserdioden sind beispielsweise bekannt in den Materialsystemen InAlGaAsN oder InAlGaP auf GaAsSubstrat, InAlGaAsP auf InPSubstrat oder InAlGaAsN auf Saphir oder SiCSubstrat und in ihren Grundzügen in K. J. Ebeling, Integrated Optoelectronics, Springer Verlag 1993, beschrieben.

Kennzeichnend für diese Vertikallaserdioden ist, dass die Vertikallaserdioden aktive Multiquantumwellschichten zur Lichterzeugung und monolithisch oder hybrid integrierte BraggReflektoren enthalten, die den optischen FabryPerot Resonator bilden. Zur Stromeinschnürung in der Vertikal laserdiode werden selektive laterale Oxidation, Protonenimplantation oder Mesaätzen eingesetzt, die neben thermischen Effekten auch die optische Wellenführung in den Strukturen bestimmen.

Bei den bekannten Vertikallaserdioden ist es nachteilig, dass die strukturinduzierte transversale Modenselektion nicht besonders effizient ist, so dass reine Emission auf der transversalen Grundmode nur in Strukturen mit kleinen Durchmessern und bei vergleichsweise geringen Ausgangsleistungen zu beobachten ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vertikallaserdiodenstruktur für hohe transversal einmodige Ausgangsleistung anzugeben, die darüber hinaus in der Lage ist, unter bestimmten Betriebsbedingungen auch selbstpulsierend zu oszillieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Laserdiode mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Wesentlich an der Erfindung ist die zusätzliche Einbringung eines Absorbermittels mit einem ausbleichbaren (sättigbaren) Absorber, wobei dieser im FabryPerot Resonator einer Vertikallaserdiode angeordnet ist. Das ausbleichbare Absorbermittel bevorzugt Emission der transversalen gaußschen Grundmode mit ihrem Intensitätsmaximum auf der Achse, da das Ausbleichen des Absorbers an den Orten größter Intensität am stärksten ist.

Ausbleichbare Absorber oder ausbleichbare Quantenfilme sind an sich als optische Absorber mit nichtlinearem Absorptions­ verhalten bekannt. Die Transmission der ausbleichbaren Absorber hängt von der eingestrahlten Strahlungintensität ab. Bei steigenden Leistungsdichten nimmt die Absorption ab; bei sehr hohen Leistungsdichten wird der Absorber im wesentlichen transparent.

Die Erfindung bezieht sich darauf, dass Licht im Vertikalresonator grundsätzlich eine inhomogene Intensitäts­ verteilung über den Strahlquerschnitt aufweist, wobei das ausbleichbare Absorbermittel dafür sorgt, dass das Licht an den Stellen hoher Intensität im Absorbermittel nur wenig gedämpft wird.

Damit lassen sich Absorptionsverluste der gaußförmigen transversalen Grundmode in Laserdioden mit Vertikalresonator besonders klein halten, so dass die Emission auf der Grundmode bevorzugt wird.

Bei geeigneter Einstellung der Grundabsorption für geringe Lichtleistungen und der stromabhängigen optischen Verstärker im Laser kann es zu Selbstpulsationen kommen.

Diese Betriebsform wird in optischen Abtastsystemen, zum Beispiel im CDPlayer bevorzugt. Darüber hinaus fördert die lokale Ladungsträgergeneration durch Absorption im ausbleichbaren Absorbermittel die Strominjektion nahe der Achse der aktiven Zone, was wiederum vorteilhaft für die Grundmodenemission ist.

Auch läßt sich durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Laserdiode die Dynamik des Ein bzw. Abschaltvorganges optischer Datenübertragungsvorrichtungen verbessern. Bei diesen Vorgängen kommt es zum Anschwingen höherer Transversalmoden. Die Verwendung eines ausbleichbaren Absorbermittels in der Laserdiode stabilisiert die Emission auf der transversalen Grundmode und verhindert damit das unerwünschte Auftreten von Mustereffekten bei der Übertragung von digitalen Signalfolgen. Dadurch lassen sich höhere Datenübertragungsraten und ein stabileres Modenverhalten über einen weiten Temperaturbereich erreichen. Ferner ist damit ein Grundmodenbetrieb bei größeren Bauelementabmessungen möglich, so dass die erforderlichen Fertigungstoleranzen reduziert werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein pnÜbergang aus III-V oder II-VI- Verbindungshalbleitermaterial verwendet, da sich diese Materialien sich gut für Vertikallaserdioden eignen.

Für eine einfache Herstellbarkeit ist das Absorbermittel monolithisch in eine Schichtenfolge integriert.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Absorbermittel außerhalb der Verarmungszone des pn-Übergangs angeordnet ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laserdiode ist mindestens ein ausbleichbares Absorbermittel als Schicht im Vertikalresonator ausgebildet, wobei die Dicke der Schicht klein gegen ein Viertel der Materialwellenlänge ist. Auch ist es vorteilhaft, wenn mindestens ein Absorbermittel als Schicht ausgebildet ist, wobei die Dicke der Schicht größer ist als ein Viertel der Materialwellenlänge. Durch die Wahl der Schichtdicke einer oder mehrerer Schichten läßt sich das Absorptionsverhalten variieren.

Ebenfalls ist es vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Laserdiode zwei elektrische Zuführungen aufweist, jeweils eine für den p- und den n-Kontakt.

In vorteilhafter Weise verfügt eine Ausführungsform der Laserdiode über ein Stromeinschnürungsmittel im Vertikalresonator.

Ein weitere Verbesserung der Modenselektion läßt sich dadurch erreichen, wenn in vorteilhafter Weise mindestens eine Reflektorschicht im Vertikalresonator eine Reliefstruktur, insbesondere eine Fresnel-Linse aufweist.

Mit Vorteil ist im Vertikalresonator mindestens eine Spacerschicht, insbesondere zwischen Absorberschicht und aktiver Zone angeordnet.

Des weiteren ist zur Beeinflussung der Emmissionswellenlängen vorteilhaft, wenn mindestens eine Schicht des Vertikalresonators aus GaAsN oder InGaSbP besteht.

Eine vorteilhafte Anwendung findet die erfindungsgemäße Laserdiode in optischen Systemen, insbesondere in CD-Playern und Datenübertragungsanlagen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungform der erfindungsgemäßen Vertikallaserdiode;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vertikallaserdiode als Ausschnit der Fig. 1.

Der in Fig. 1 skizzierte Aufbau einer Vertikallaserdiode mit integrierter ausbleichbarer Absorberschicht 50 mit einem Absorbermittel 5 weist als unterste Schicht ein n-dotiertes GaAs-Substrat 1 auf, das mit einem GeNiAu-Kontakt 10 versehen ist.

Auf das GaS-Substrat 1 ist ein ca. 4 µm dicker, erster Al_0,7GaAs_0,3-GaAs Bragg-Reflektor 2 mit einer Dotierung von n = 1.10¹⁸ cm³ aufgewachsen.

Oberhalb des Bragg-Reflektors 2 ist eine n-dotierte (n = 5.10¹⁷ cm³) Al_0,3Ga_0,7As-Trägereinfangschicht 3 und darüber eine undotierte aktive Zone 4 angeordnet. Die aktive Zone 4 weist drei 8 nm dicke In_0,8Ga_0,2As-Quantenfilme 4a mit ca. 50 nm dicken GaAs-Begrenzungsschichten 4c und 10 nm dicken GaAs-Barrieren 4b auf (siehe im Detail Fig. 2).

Oberhalb der aktiven Zone 4 befindet sich eine hier im einzelnen nicht dargestellte Al_0,3Ga_0,7As-Trägereinfangschicht 51, die eine Dotierung von p = 5.10¹⁷ cm³ aufweist (siehe Fig. 2). Diese Trägereinfangschicht 51 ist hier der gleich dotierten Absorberschicht 50 zugeordnet (Fig. 2).

In der Absorberschicht 50 ist als ausbleichbares Absorbermittel 5 eine 8 nm dicker In_0,2Ga_0,8As Quantenfilm angeordnet. Dieser ist beidseitig von jeweils 10 nm dicken GaAs-Barrieren umgeben, wobei diese Schichten allesamt eine Dotierung von p = 5.10¹⁷ cm³ besitzen (siehe Fig. 2).

Als ausbleichbares Absorbermittel 5 als solche dient der In_0,2Ga_0,8As Quantenfilm. Die Transparenz des Absorbermittels 5 nimmt mit wachsender Einstrahlungsintensität zu, so dass bei hohen Intensitäten das Absorpermittel im wesentlichen transparent wird. Die für das Ausbleichen kritische Intensität liegt bei solchen Quantenfilmen bei etwa 1 kW/cm².

Die Absorberschicht 50 kann in den p- oder n-dotierten Bereich der Cladding-Schicht angeordnet werden. Werden mehrere Absorberschichten 50 verwendet, so können diese in beiden Bereichen der Cladding-Schicht angeordnet werden.

Die Stärke der gewünschten Absorption läßt sich durch die Materialzusammensetzung, die Dicke und die Lage der Absorberschicht(en) 50 relativ zu den Knoten und Bäuchen eines Stehwellenfeldes 100 (siehe Fig. 2) gezielt einstellen.

Auf der Absorberschicht 50 ist ein ca. 4 µm dicker, mit p = 1.10¹⁸ cm³ dotierter zweiter Al_0,7Ga_0,3As-GaAs Bragg-Reflektor 6 angeordnet.

Den Abschluß bildet eine 10 nm dicke p++dotierte GaAs- Kontaktschicht 7, um einen niederohmigen Anschluß an die p- Kontakte mittels eines TiPtAu-Kontaktes 20 zu gewährleisten.

Fig. 2 zeigt den Aufbau des Schichtenstapels zwischen den beiden Bragg-Reflektoren 2, 6 nach Fig. 1 im Detail.

Die Zusammensetzungen der Schichten wird durch die Skala am rechten Rand der Fig. 2 wiedergegeben. Die Variablen x und y geben dabei die Zusammensetzung des jeweiligen Verbindungshalbleiters Al_xGa_1-xAs bzw. In_yGa_1-yAs an.

Am oberen Rand der Fig. 2 ist die Zuordnungen der Schichten zu Fig. 1 angegeben, wobei die Schichten durch vertikale gestrichelte Linien angedeutet werden. Die Dicke der Schichten wird durch Bemaßungen angegeben. Ferner wird das sich ausbildende optische Stehwellenfeld 100 dargestellt. Die Dicken der Schichten sind an das Stehwellenfeld angepaßt.

Am unteren Rand der Fig. 2 sind die Dotierungen der Schichten angegeben. Der Bereich A ist n-dotiert, der Bereich B ist undotiert, der Bereich C ist p-dotiert.

An der linken Seite der Schichtenfolge ist der erste Bragg- Reflektor 2, an der rechten Seite der zweite Bragg-Reflektor 6 angeordnet.

In der Mitte der Schichtenfolge liegt die aktive Zone 4, die drei In_0,8Ga_0,2As-Quantenfilme 4a aufweist, die jeweils 8 nm breit sind. Die aktive Zone 4 weist ferner 10 nm dicke GaAs- Barrieren 4b und beidseitig ca. 50 nm dicke GaAs-Begrenzungs­ schichten 4c auf.

Zwischen dem Absorbermittel 5 und der aktiven Zone 4 ist die Al_0,3Ga_0,7As-Trägereinfangschicht 51, die eine Dotierung von p = 5.10¹⁷ cm³ aufweist, angeordnet.

Das Absorbermittel 5 weist einen 8 nm dicken In_0,2Ga_0,8As- Quantenfilm 5a mit beidseitig 10 nm dicken GaAsBarrieren auf, die allesamt eine Dotierung von p = 5.10¹⁷ cm³ besitzen. In einer alternativen Ausgestaltung kann das ausbleichbare Absorbermittel 5 undotiert sein.

Die relative Lage des ausbleichbaren Absorbermittels 5 im Stehwellenfeld 100 bestimmt die kritische mittlere Intensität, die für das Erreichen des Transparenzzustandes notwendig ist.

Die über der oberen GaAs-Barriere liegende Al_0,3Ga_0,7As- Cladding-Schicht 52 ist im selben Maße wie die Trägereinfangsschicht 51 p-dotiert.

In Fig. 2 nach rechts anschließend ist eine Schicht 54 zur Erhöhung der Reflektivität des Bragg-Reflektors angeordnet.

Es folgt eine ca. 30 nm dicke p-dotierte AlAs-Schicht 53, die nach selektiver Oxidation zur lateralen Stromeinschnürung im Bauelement dient.

Die aktiven Quantenfilme zur Lichtemission befinden sich in einem Bauch des optischen Stehwellenfeldes 100 in der Verarmungszone des pn-Übergangs.

Die beschriebene Struktur läßt sich in bekannter Weise zum Beispiel unter Verwendung von Protonenimplantation oder selektiver Oxidation als Vertikallaserdiode herstellen. Die Realisierung der beschriebenen Schichtenfolgen kann beispielsweise mit Molekularstrahlepitaxie erfolgen. Zur p- Dotierung kann beispielsweise Kohlenstoff, zur n-Dotierung Si dienen. Die Herstellung ist auch mit metallorganischer Gasphasenepitaxie möglich.

Die erfindungsgemäße sättigbare Absorberschicht ist zur monolithischen Integration besonders gut geeignet und dabei für hohe optische Ausgangsleistung in der transversalen Grundmode vorteilhaft. Die Struktur erlaubt auch den selbstpulsierenden Betrieb von Vertikallaserdioden. Durch die Trägerlebensdauer im sättigbaren Absorber, einstellbar durch dessen Dotierung oder kristalline Morphologie bzw. Zusammensetzung, läßt sich die Sättigungsintensität des Absorbers einstellen und auch die charakteristische Periode der Selbstoszillation regeln.

Alternative Bauformen zu der skizzierten Ausführung mit mehreren dünnen ausbleichbaren Absorberschichten oder massiven sättigbaren Strukturen sind selbstverständlich möglich. Ebenso ist die Struktur nicht auf das InAlGaAs- Halbleitersystem beschränkt, sondern läßt sich beispielsweise auch in den Materialsystemen InGaAsP (z. B. auf InPSubstrat) oder InAlGaAsN (z. B. auf Saphir-, SiC- oder GaAs-Substrat verwirklichen. Auch in II-VI-Halbleitersystemen wie z. B. ZnMgBeSSe ist die Vertikallaserstruktur zu realisieren.

Abhängig von der Emissionswellenlänge können GaAsN, InGaAsP, InAlGaAs oder InGaAsSbN auch als Absorbermittel 5 dienen.

Zur Verbesserung der Modenselektion sind auch Reliefstrukturen (z. B. Fresnel-Linsen) in den Spiegelschichten einsetzbar. Zu der Verbesserung der Modenselektion können auch Modulationsdotierungen beitragen.

Auch das Einbringen von Spacerschichten, insbesondere zwischen der aktive Zone 4 und dem Absorbermittel 5 verbessert sich die Modenselektion.

Claims (12)

1. Laserdiode mit einem Vertikalresonator gekennzeichnet durch mindestens ein ausbleichbares Absorbermittel (5) für Strahlung im Vertikalresonator.

2. Laserdiode nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens einen pn-Übergang aus III-V- oder II-VI-Verbin­ dungshalbleitermaterial.

3. Laserdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorbermittel (5) monolithisch in eine Schichtenfolge integriert ist.

4. Laserdiode nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorbermittel (5) außerhalb der Verarmungszone des pn-Über­ gangs angeordnet ist.

5. Laserdiode nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Absorbermittel (5) als Schicht im Vertikalresonator aus­ gebildet ist, wobei die Dicke der Schicht klein gegen ein Viertel der Materialwellenlänge ist.

6. Laserdiode nach mindesten einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Absorbermittel (5) als Schicht ausgebildet ist, wobei die Dicke der Schicht größer ist als ein Viertel der Materialwel­ lenlänge.

7. Laserdiode nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei elektrische Zuführungen, jeweils einen für den p- und n-Kontakt.

8. Laserdiode nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Stromein­ schnürungsmittel (53) im Vertikalresonator.

9. Laserdiode nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Reflektorschicht (2, 6) eine Reliefstruktur, insbesondere eine Fresnel-Linse zur Verbesserung der Modenselektion aufweist.

10. Laserdiode nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Vertikalresonator mindestens eine Spacerschicht, insbesondere zwischen der Absorberschicht 50 und der aktiven Zone 4 angeordnet ist.

11. Laserdiode nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht des Vertikalresonators aus GaAsN oder InGaSbP besteht.

12. Optisches System, insbesondere ein CD-Player oder eine Datenübertragungsanlage, mit mindestens einer Laserdiode nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11.