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Die
Erfindung betrifft einen kantenemittierenden Halbleiterlaser nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei
kantenemittierenden Halbleiterlasern weist die aktive Zone in der
lateralen Richtung oftmals eine vergleichsweise große Breite
auf, um eine hohe optische Ausgangsleistung zu erzielen. Beispielsweise
wird bei sogenannten Breitstreifen-Halbleiterlasern ein verhältnismäßig breiter
Streifen einer aktiven Halbleiterschicht zur Erzeugung von Laserstrahlung
elektrisch gepumpt. Eine große
laterale Ausdehnung der aktiven Zone hat jedoch den Nachteil, dass
auch höhere
transversale Lasermoden anschwingen können, wodurch sich die Strahlqualität der emittierten
Laserstrahlung verschlechtern kann.
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Eine
Möglichkeit
zur Verbesserung der lateralen Strahlqualität von kantenemittierenden Halbleiterlasern
ist aus der Druckschrift "Freistrahl-
und integriert-optische Transversalmodenformer für Breitstreifen-Halbleiterlaser", Dissertation von
S. Wolff, TU Braunschweig, S. 56–62 und S. 87–94, bekannt. Darin
wird ein Breitstreifen-Halbleiterlaser beschrieben, der einen externen
Wellenleiterresonator zur transversalen Modenselektion des Halbleiterlasers aufweist.
Der Wellenleiterresonator ist auf einem externen integriertoptischen
Chip enthalten, der mittels einer Stoßkopplung an eine Seitenflanke
des Breitstreifen-Lasers angekoppelt wird. Der integriert-optische
Chip enthält
einen Polymer-Filmnwellenieiter aus
BCB (Benzocyclobuten), durch den die Laserstrahlung zu einem gekrümmten Faltungsspiegel
geführt
wird, der die Laserstrahlung auf einen Planspiegel fokussiert. Durch
eine geeignete Fokussierung der Laserstrahlung und eine Begrenzung
der lateralen Ausdehnung des Planspiegels kann erreicht werden,
dass höhere
transversale Lasermoden in dem externen Resonator derart hohe Verluste
erleiden, dass nur die transversale Grundmode des Halbleiterlasers
anschwingen kann.
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Das
zuvor beschriebene bekannte Konzept zur transversalen Modenselektion
ist jedoch nicht ohne weiteres in eine kostengünstige Massenfertigung umzusetzen.
Insbesondere ist die Herstellung des integriert-optischen Chips
mit dem BCB-Filmwellenleiter
vergleichsweise aufwendig und kostspielig. Weiterhin ist zur Einkopplung
der von dem Breitstreifenlaser emittierten Strahlung in den Filmwellenleiter eine
Justage mit einer Genauigkeit von einem Bruchteil der emittierten
Wellenlänge
erforderlich, also eine Justage im Sub-Mikrometerbereich. Ferner erfordert der
große
Unterschied der Brechungsindizes des Halbleitermaterials des Breitstreifenlasers
und des Polymer-Wellenleiters eine sehr gute Entspiegelung der dem
Wellenleiter zugewandten Ausgangsfacette des Breitsteifen-Lasers,
um eine unerwünschte Rückreflektion
der Laserstrahlung an der Grenzfläche zu vermeiden. Für einen
stabilen Laserbetrieb sollte die Reflektion der Ausgangsfacette
des Breitstreifen-Lasers vorzugsweise weniger als 0,01 % betragen.
Eine derart gute Entspiegelung ist technologisch aber schwierig
herzustellen und könnte
bei der Stoßkopplung
des integriert-optischen Chips an den Halbleiterlaser zudem beschädigt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten kantenemittierenden
Halbleiterlaser anzugeben, der eine Anordnung zur transversalen
Modenselektion aufweist und sich insbesondere durch einen vergleichsweise
geringen Herstellungs- und Justageaufwand auszeichnet.
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Diese
Aufgabe wird durch einen kantenemittierenden Halbleiterlaser mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bei
einem kantenemittierenden Halbleiterlaser gemäß der Erfindung mit einem Halbleiterchip, der
eine aktive Schicht und einen ersten Resonatorspiegel des Halbleiterlasers
enthält,
umfasst der Halbleiterlaser eine in den Halbleiterchip integrierte Anordnung
zur Selektion der transversalen Moden des Halbleiterlasers, die
mindestens ein optisches Element und einen zweiten Resonatorspiegel
des Halbleiterlasers enthält.
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Durch
die Integration einer Anordnung zur Selektion der transversalen
Moden des Halbleiterlasers in den Halbleiterchip ist der Herstellungs-
und Justageaufwand für
einen erfindungsgemäßen Halbleiterlaser
im Vergleich zu einem kantenemittierenden Halbleiterlaser, bei dem
ein Element zur Selektion der transversalen Moden auf einem außerhalb des
Halbleiterchips angeordneten externen Chip angeordnet ist, vorteilhaft
gering. Dies ist insbesondere vorteilhaft für kantenemittierende Halbleiterlaser,
die in einer Massenfertigung hergestellt werden sollen.
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Mit
der Anordnung zur Selektion der transversalen Moden wird vorteilhaft
eine Verbesserung der Strahlqualität des Halbleiterlasers erzielt.
Besonders bevorzugt ist beim Betrieb des Halbleiterlasers nur die
transversale Grundmode in einem Laserresonator, der aus dem ersten
Resonatorspiegel, dem mindestens einem optischen Element und dem
zweiten Resonatorspiegel gebildet wird, ausbreitungsfähig. Auf
diese Weise kann insbesondere ein Strahlprofil erzielt werden, dass
im wesentlichen die Form einer Gaußkurve aufweist.
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Das
optische Element ist vorzugsweise ein Faltungsspiegel, der mit dem
ersten Resonatorspiegel und dem zweiten Resonatorspiegel einen gefalteten
Laserresonator, d.h. einen Laserresonator mit gewinkelter Resonatorachse,
ausbildet. Besonders bevorzugt ist der Faltungsspiegel ein konkav
gekrümmter
Spiegel, der die Laserstrahlung des Halbleiterlasers auf den zweiten
Resonatorspiegel fokussiert.
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Der
zweite Resonatorspiegel ist vorzugsweise in einer Brennebene des
Faltungsspiegels angeordnet. Vorteilhaft ist der zweite Resonatorspiegel
ein ebener Spiegel.
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Eine
fertigungstechnisch vergleichsweise einfach zu realisierende transversale
Modenselektion, insbesondere eine Selektion der transversalen Grundmode,
erfolgt vorzugsweise durch die Dimensionierung des zweiten Resonatorspiegels.
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Dazu
wir bevorzugt eine Abmessung des zweiten Resonatorspiegels in einer
Ebene der aktiven Schicht derart gewählt, dass höhere transversale Lasermoden
in dem Laserresonator derart hohe Verluste erleiden, dass sie nicht
ausbreitungsfähig
sind. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn eine Abmessung
des zweiten Resonatorspiegels in der Ebene der aktiven Schicht derart
gering ist, dass nur ein derart geringer Anteil der Strahlung der
höheren transversalen
Lasermoden an dem zweiten Resonatorspiegel reflektiert wird, dass
diese die Laserschwelle nicht erreichen.
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Vorzugsweise
ist eine Abmessung des zweiten Resonatorspiegels in der Ebene der
aktiven Schicht, also beispielsweise die Breite bei einem rechteckigen
zweiten Resonatorspiegel oder der Durchmesser bei einem kreisrunden
zweiten Resonatorspiegel, ungefähr
gleich oder kleiner als die doppelte 1/e-Breite der transversalen
Grundmode am Ort des zweiten Resonatorspiegels. Unter der 1/e-Breite
der transversalen Grundode wird dabei die Abmessung verstanden,
innerhalb derer die Amplitude der elektrische Feldstärke der
Grundmode in transversaler Richtung von ihrem Maximum auf den 1/e-fachen
Wert abfällt.
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Der
zweite Resonatorspiegel und/oder der Faltungsspiegel ist bevorzugt
durch eine Ätzflanke, die
eine Seitenfläche
einer in dem Halbleiterchip erzeugten Ausnehmung oder eine Seitenfläche des Halbleiterchips
ist, gebildet. Der Halbleiterchip wird bevorzugt senkrecht zur Ebene
der aktiven Schicht von der Ätzflanke
oder den Ätzflanken
durchtrennt. Die Herstellung der Ausnehmungen oder der Seitenflächen kann
durch bekannte Strukturierungsverfahren, beispielsweise durch Aufbringen
einer Maske und einen anschließenden Ätzprozess,
insbesondere Trockenätzen,
erfolgen.
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Eine
als Spiegel vorgesehene Ätzflanke
wird bevorzugt mit einer reflektionserhöhenden Beschichtung versehen.
Die reflektionserhöhende
Beschichtung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Laserstrahlung
unter einem Einfallswinkel auf die Ätzflanke auftrifft, der kleiner
ist als der Grenzwinkel der Totalreflektion.
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Die
reflektionserhöhende
Beschichtung ist zum Beispiel eine Metallschicht oder eine Schichtenfolge
aus dielektrischen Schichten. Besonders bevorzugt ist eine Schichtenfolge
aus einer dielektrischen Schicht und einer nachfolgenden Metallschicht
auf die Ätzflanke
aufgebracht. Auf diese Weise wird eine besonders hohe Reflektion
erzielt. Die reflektionserhöhende
Beschichtung wird beispielsweise mittels Aufdampfen oder Sputtern
auf die als Spiegel vorgesehene Ätzflanke
aufgebracht.
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Der
Faltungsspiegel ist bevorzugt ein totalreflektierender Spiegel,
der durch eine Ätzflanke
gebildet ist, auf die die Laserstrahlung unter einem Einfallswinkel,
der größer als
der Grenzwinkel der Totalreflektion ist, auftrifft. In diesem Fall
ist vorteilhaft keine reflektionserhöhende Beschichtung erforderlich.
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Die
aktive Schicht ist vorzugsweise zwischen einer ersten Wellenleiterschicht
und einer zweiten Wellenleiterschicht angeordnet. Durch den Wellenleiter
wird die Ausbreitung der Laserstrahlung in dem Halbleiterchip in
vertikaler Richtung, also senkrecht zur Ebene der aktiven Schicht,
eingeschränkt.
Auf diese Weise wird insbesondere eine vertikale Strahlaufweitung
in dem zweiten Bereich des Halbleiterchips verhindert und weiterhin
auch eine Selektion der vertikalen transversalen Moden des Halbleiterlasers
ermöglicht.
Insbesondere kann durch den Wellenleiter die Laseremission auch
in vertikaler Richtung auf die transversale Grundmode eingeschränkt werden.
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Die
aktive Schicht des Halbleiterlasers enthält bevorzugt eine Quantentopfstruktur.
Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung
jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss (Confinement)
eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet
die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die
Dimensionalität
der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und
Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird in einem ersten Bereich des Halbleiterchips ein
Strom in einen strahlungsemittierenden Bereich der aktiven Schicht
eingeprägt,
wobei sich die aktive Schicht in einen monolithisch integrierten zweiten
Bereich des Halbleiterchips erstreckt, in dem kein Strom in die
aktive Schicht eingeprägt
wird. Der zweite Bereich enthält
die Anordnung zur Selektion der transversalen Moden des Halbleiterlasers,
die das mindestens eine optische Element und den zweiten Resonatorspiegel
des Halbleiterlasers enthält.
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Die
Quantentopfstruktur ist in dem zweiten Bereich des Halbleiterchips
vorzugsweise zumindest teilweise durchmischt. Eine derartige Durchmischung kann
beispielsweise durch einen Diffusionsprozess oder durch eine Laserbearbeitung
erfolgen und hat den Vorteil, dass die Bandlücke der Quantentopfstruktur
durch die Durchmischung vergrößert wird. Die
Absorption der Quantentopfstruktur wird dadurch in dem nicht zur
Strahlungserzeugung vorgesehenen zweiten Bereich des Halbleiterchips
vorteilhaft verringert.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von drei Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit den 1 bis 3 näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1A eine
schematische Darstellung einer Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel
eines kantenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung,
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1B eine
schematische Darstellung eines Querschnitts entlang der Linie AB
des in 1A dargestellten Ausführungsbeispiels,
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1C eine
schematische Darstellung eines Querschnitts entlang der Linie CD
des in 1A dargestellten Ausführungsbeispiels,
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2 eine
schematische Darstellung einer Aufsicht auf ein zweiten Ausführungsbeispiel
eines kantenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung, und
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3 eine
schematische Darstellung einer Aufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel
eines kantenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung.
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Gleiche
oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Das
in den 1A, 1B und 1C in verschiedenen
Ansichten dargestellte erste Ausführungsbeispiel eines kantenemittierenden
Halbleiterlasers gemäß der Erfindung
enthält
einen Halbleiterchip 1, der eine auf einem Substrat 11 aufgebrachte Halbleiterschichtenfolge
umfasst. Ausgehend von dem Substrat 11 enthält die Halbleiterschichtenfolge eine
erste Mantelschicht 9, eine erste Wellenleiterschicht 7,
eine aktive Schicht 6, eine zweite Wellenleiterschicht 8 und
eine zweite Mantelschicht 10.
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Die
aktive Schicht 6 enthält
bevorzugt ein III-V-Halbleitermaterial
wie zum Beispiel GaAs, AlGaAs, InGaP, InP, InGaAlP, GaN, AlGaInN
oder GaInAsN, oder ein II-VI Halbleitermaterial wie zum Beispiel
ZnSe. Vorzugsweise ist die aktive Schicht 6 als Quantentopfstruktur
(nicht dargestellt) ausgebildet. Die Quantentopfstruktur kann Quantentröge, Quantendrähte, Quantenpunkte
oder eine Kombination dieser Strukturen enthalten. Beispielsweise
ist sie aus einer Mehrzahl von Quantenfilmen mit dazwischen angeordneten
Barriereschichten gebildet.
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Der
erste Resonatorspiegel 13 des Halbleiterlasers wird durch
eine an den ersten Bereich 2 des Halbleiterchips 1 angrenzende
Seitenfläche 23 des Halbleiterchips 1 gebildet.
Zur Erhöhung
der Reflektion kann auf die Seitenfläche 23 eine reflektionserhöhende Beschichtung 19 aufgebracht
sein. Die Laserstrahlung 21 wird vorzugsweise aus dem ersten Resonatorspiegel 13 ausgekoppelt.
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Zur
elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips 1 sind eine
erste Kontaktschicht 4 auf der dem Substrat 11 gegenüberliegenden
Hauptfläche des
Halbleiterchips 1 und eine zweite Kontaktschicht 5 auf
der der ersten Kontaktschicht 4 gegenüberliegenden Seite des Substrats 11 vorgesehen,
mit denen ein Strom in einen strahlungserzeugenden Bereich 20 der
aktiven Schicht 6 eingeprägt wird.
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Die
erste Kontaktschicht 4 ist als Streifenkontakt ausgeführt, um
den strahlungserzeugenden Bereich 20 in einer Richtung,
die parallel zur Ebene der aktiven Schicht und senkrecht zur Strahlrichtung der
Laserstrahlung 21 ist, zu begrenzen.
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In
der Richtung parallel zur Strahlrichtung 21 erstreckt sich
der Streifenkontakt 4 nicht über den gesamten Halbleiterchip 1,
sondern nur über
einen ersten Teilbereich 2 des Halbleiterchips 1.
An diesen zur Strahlungserzeugung vorgesehenen ersten Teilbereich 2 des
Halbleiterchips 1 schließt sich parallel zur Strahlrichtung 21 ein
monolithisch integrierter zweiter Teilbereich 3 an, in
dem kein Strom in die aktive Schicht 6 eingeprägt wird.
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Der
zweite Teilbereich 3 des Halbleiterchips 1 ist
zur Selektion der transversalen Moden des Halbleiterlasers vorgesehen.
Die Selektion der transversalen Moden erfolgt durch eine in dem
zweiten Teilbereich 3 enthaltene Anordnung aus einem gekrümmten Faltungsspiegel 12 und
einem ebenen zweiten Resonatorspiegel 14. Der Krümmungsradius des
Faltungsspiegels 12, der Abstand zwischen dem Faltungsspiegel 12 und
dem zweiten Resonatorspiegel 14 und die Breite des zweiten
Resonatorspiegels 14 werden vorzugsweise derart gewählt, dass
nur die transversale Grundmode in dem Laserresonator, der aus dem
ersten Resonatorspiegel 13, dem Faltungsspiegel 12 und
dem zweiten Resonatorspiegel 14 ausgebildet wird, ausbreitungsfähig ist.
Dazu ist die Breite des zweiten Resonatorspiegels 14 vorzugsweise
derart gering, dass nur ein derart geringer Anteil des Strahlungsfeldes
der höheren
transversalen Lasermoden an dem zweiten Resonatorspiegel 14 reflektiert
wird, dass diese die Laserschwelle nicht erreichen. Auf diese Weise
wirkt der zweite Resonatorspiegel 14 als räumliches
Modenfilter.
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Der
in dem ersten Bereich 2 des Halbleiterchips 1 enthaltene
Teil des Laserresonators des Halbeleiterlasers weist bevorzugt eine
Länge von
etwa 0,3 mm bis 2 mm und der in dem zweiten Bereich 3 des
Halbleiterchips 1 enthaltene Teil des Laserresonators eine
Länge von
etwa 0,5 mm bis 10 mm auf.
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Der
ebene zweite Resonatorspiegel 14 wird durch eine Ätzflanke,
die eine Seitenfläche
einer Ausnehmung 16 in dem Halbleiterchip 1 ist,
und der konkav gekrümmte
Faltungsspiegel 12 wird durch eine Ätzflanke, die eine Seitenfläche einer
Ausnehmung 15 in dem Halbleiterchip 1 ist, gebildet.
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Die
Ausnehmungen 15, 16 in dem Halbleiterchip 1 sind
beispielsweise durch eine photolithographische Strukturierung einer
Maskenschicht und einem anschließenden Ätzprozess, der insbesondere ein
Trockenätzprozess
sein kann, hergestellt. Da jeweils nur die als Spiegel 12, 14 vorgesehenen
Seitenflächen
der Ausnehmungen 15, 16 eine optische Funktion
aufweisen, können
die übrigen
Seitenflächen
der Ausnehmungen beliebig geformt sein, sofern sie den Strahlengang
nicht beeinflussen. Die Ausnehmungen 15, 16 können daher
einen anderen Querschnitt als in der in 1A dargestellten
Aufsicht aufweisen.
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Die
als Spiegel vorgesehenen Ätzflanken 12, 14 der
Ausnehmungen 15, 16 sind vorzugsweise mit einer
reflektionserhöhenden
Beschichtung 17, 18 versehen. Die reflektionserhöhende Beschichtung 17, 18 enthält bevorzugt
jeweils eine dielektrische Schicht, beispielsweise aus einem Siliziumnitrid,
einem Siliziumoxid oder einem Aluminiumoxid, und eine nachfolgende
Metallschicht, die zum Beispiel Aluminium, Silber oder Gold enthält. Das
Aufbringen der reflektionserhöhenden
Beschichtung 17, 18 auf die Ätzflanken 12, 14 erfolgt
beispielsweise durch Aufdampfen oder Sputtern.
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Das
in 2 schematisch in einer Aufsicht dargestellte zweite
Ausführungsbeispiel
eines kantenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung unterscheidet
sich von dem ersten Ausführungsbeispiel
im wesentlichen dadurch, dass der Faltungsspiegel im Gegensatz zum
ersten Ausführungsbeispiel
ein totalreflektierender Spiegel 22 ist. Aufgrund der hohen
Brechungsindexdifferenz des Halbleitermaterials des Halbleiterchips 1 und
Luft wird der Laserstrahl 21 bei diesem Ausführungsbeispiel
an der gekrümmten
Grenzfläche
zur Ausnehmung 15 totalreflektiert. Eine derartige Totalreflektion
tritt an einer Halbleiter-Luft-Grenzfläche typischerweise
bereits bei Einfallswinkeln von mehr als etwa 15° auf. Ein totalreflektierender
Faltungsspiegel 22 hat den Vorteil, dass eine reflektionserhöhende Beschichtung
des Faltungsspiegels 22 nicht notwendig ist.
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Weiterhin
unterscheidet sich das zweite Ausführungsbeispiel von dem ersten
Ausführungsbeispiel
dadurch, dass die zur Erzeugung des zweiten Resonatorspiegels 14 in
dem Halbleiterchip 1 hergestellte Ausnehmung 16 einen
trapezförmigen
Querschnitt aufweist. Dabei stellt die kürzere der beiden parallelen
Trapezseiten die Spiegelfläche
des zweiten Resonatorspiegels 14 dar. Die Trapezform der Ausnehmung 16 hat
den Vorteil, dass das Aufbringen einer reflektionserhöhenden Beschichtung 18 auf eine
vergleichsweise kleine Spiegelfläche 14,
die beispielsweise kleiner als 100 μm sein kann, vereinfacht wird.
Ansonsten entspricht der Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels im wesentlichen
dem des ersten Ausführungsbeispiels.
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Bei
dem in 3 schematisch in einer Aufsicht dargestellten
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung werden der Faltungsspiegel 22 und der zweite
Resonatorspiegel 14 durch Ätzflanken ausgebildet, die
Seitenflächen 24, 25 des
Halbeleiterchips 1 sind. Bei dieser Ausführung der
Erfindung ist ein Bereich der Halbleiterschichtenfolge, die sich
aus der Richtung des Laserstrahls gesehen hinter den Spiegeln 14, 22 befinden
würde,
vollständig
entfernt worden. Dazu wird die Halbleiterschichtenfolge beispielsweise
in diesem Bereich bis zum Substrat 11 heruntergeätzt. Dadurch
wird insbesondere das Aufbringen einer reflexionserhöhenden Beschichtung 18 auf
die als zweiter Resonatorspiegel 14 vorgesehene Seitenfläche 25 des
Halbleiterchips 1 erleichtert.
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Die
Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele
beschränkt. Vielmehr
umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination
von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in
den Patentansprüchen
beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst
nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben
ist.