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Die
Erfindung betrifft eine Halbleiterlaservorrichtung mit einem optisch
gepumpten oberflächenemittierenden
Vertikalemitter und mindestens einer monolithisch integrierten Pumpstrahlungsquelle
zum optischen Pumpen des Vertikalemitters.
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Mit
optisch gepumpten vertikal emittierenden Halbleiterlaservorrichtungen
lassen sich hohe Ausgangsleistungen bei gleichzeitig hoher Strahlqualität verwirklichen.
Durch monolithisch integrierte Pumpstrahlungsquellen kann ein kompakter
Aufbau erreicht werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterlaservorrichtung
der eingangs genannten Art mit einer verbesserten Effizienz zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch Halbleiterlaservorrichtungen gemäß Patentanspruch
1 oder 2 gelöst.
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Die
erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtungen
weisen einen optisch gepumpten oberflächenemittierenden Vertikalemitter,
der in einer Vertikalhauptstrahlungsrichtung emittiert, und mindestens eine
monolithisch integrierte Pumpstrahlungsquelle zum optischen Pumpen
des Vertikalemitters, wobei die Pumpstrahlungsquelle in einer Pumphauptstrahlungsrichtung,
die quer zur Vertikalhauptstrahlungsrichtung verläuft, Pumpstrahlung
emittiert, auf. In einer ersten Lösung ist die Halbleiterlaservorrichtung dadurch
gekennzeichnet, dass zumindest ein vertikaler Abschnitt der Pumpstrahlungsquelle
in einer Lateralrichtung quer zur Pumphauptstrahlungsrichtung und
quer zur Vertikalhauptstrahlungsrichtung indexführend für Pumpstrahlung ausgeführt ist.
In einer zweiten Lösung
ist die Halbleiterlaservorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass
die Pumpstrahlungsquelle in zumindest einem vertikalen Abschnitt
in einer Lateralrichtung quer zur Pumphauptstrahlungsrichtung eine
geringere Breite aufweist als in einem weiteren vertikalen Abschnitt.
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In
die Effizienz der Halbleiterlaservorrichtung als Gesamtsystem gehen
der Wirkungsgrad der einzelnen Komponenten als Faktoren ein. Für eine hohe Effizienz
der Halbleiterlaservorrichtung sind somit Pumpstrahlungsquellen
mit möglichst
hohem Wirkungsgrad unerlässlich.
Um den für
den Betrieb benötigten
Stromfluss in den Pumpstrahlungsquellen zu ermöglichen, ist es vorteilhaft,
dass alle Strom führenden
Schichten hoch dotiert sind und über
in der Regel metallische Kontaktschichten gut kontaktiert werden.
Pumpstrahlung, die durch oder nah benachbart zu einer leitenden
Schicht geführt
wird, erfährt dort
jedoch hohe Absorptionsverluste. Durch Indexführung oder Verringerung der
Breite der Pumpstrahlungsquelle in der Lateralrichtung in dem zumindest einem
vertikalen Abschnitt wird bei geeigneter Dimensionierung erreicht,
dass Moden der Pumpstrahlung ganz oder zumindest teilweise in vertikaler
Richtung aus diesem Abschnitt gedrängt werden. Durch das vertikale
Herausdrängen
aus diesem Abschnitt kann vorteilhafterweise eine Vergrößerung des
Abstands der Pumpstrahlungsmode zu leitenden Schichten, z.B. einer
Kontaktschicht, erreicht werden. Auf diese Weise werden Absorptionsverluste verringert.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der vertikale
Abschnitt als Wellenleiter in der Pumphauptstrahlungsrichtung ausgeführt ist,
der einen in der Lateralrichtung und in der Vertikalhauptstrahlungsrichtung
begrenzten Querschnitt aufweist. Dadurch wird die Pumpstrahlungsmode
nicht nur in vertikaler Richtung herausgedrängt, sondern auch in Lateralrichtung
geführt.
Besonders bevorzugt ist die Pumpstrahlungsquellen ein kantenemittierender
Laser. Eine gemäß beider
Merkmale ausgeführte Pumpstrahlungsquelle
ist auch als Schmalstreifenlaser oder Ridge-Laser bekannt.
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Vorzugsweise
ist der Querschnitt des Wellenleiters dabei rechteckförmig oder
trapezförmig
geformt ist. Ein Wellenleiter dieser Formgebung ist prozesstechnisch
relativ unaufwendig herstellbar. In weiteren vorteilhaften Ausgestaltung
kann der Wellenleiter in Pumphauptstrahlungsrichtung eine variierende Querschnittsfläche aufweisen.
Beispielsweise kann der Wellenleiter in Richtung der Pumpstrahlung
vor einem Resonatorspiegel der Pumpstrahlungsquelle enden, oder
in Pumphauptstrahlungsrichtung vor dem Resonatorspiegel in der Lateralrichtung
verjüngt oder
verbreitert ausgeführt
sein. Auf diese Weise kann ein Ein- und Auskoppeln der Pumpstrahlung
an den Resonatorspiegeln günstig
beeinflusst werden.
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Vorzugsweise
weist die Pumpstrahlungsquelle eine aktive, strahlungserzeugende
Pumpstrahlungsschicht auf und der Wellenleiter ist in einem Bereich
der Pumpstrahlungsquelle ausgeführt, der
in der vertikaler Richtung von der Pumpstrahlungsschicht beabstandet
ist.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Halbleiterlaservorrichtung
im Bereich der Pumpstrahlungsquellen teilweise abgetragen und der
Wellenleiter wird durch einen freigelegten Halbleiterstreifen gebildet.
In einer anderen Ausgestaltung wird der Wellenleiter durch Halbleitermaterial
mit eindiffundierten Dotierstoffen gebildet. Beide Ausführungsformen
erlauben, die gesamte Halbleiterlaservorrichtung, also Vertikalemitter
und Pumpstrahlungsquelle oder -quellen, zunächst in einem Epitaxieschritt
(so genannte Einschritt-Epitaxie) herzustellen und danach eine Strukturierung
der Wellenleiter im Bereich der Pumpstrahlungsquellen vorzunehmen.
Durch die Einschritt-Epitaxie werden Übergangsverluste durch Korngrenzen
oder andere Wachstumseffekte am Übergang
von Pumpstrahlungsquellen zum Vertikalemitter verhindert.
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Bevorzugt
weist der Wellenleiter in der Lateralrichtung eine Breite auf, die
kleiner ist als 10 Vakuumwellenlängen
der Pumpstrahlung ist und insbesondere zwischen 1 und 6 Vakuumwellenlängen der Pumpstrahlung
liegt. Weiter bevorzugt weist der Wellenleiter in der Vertikalhauptstrahlungsrichtung
eine Ausdehnung zwischen 1/5 und 4 Vakuumwellenlängen der Pumpstrahlung auf.
Geometrische Abmessungen gemäß dieser
Merkmale sind besonders zur Führung
und dem vertikalen Herausdrängen
der Pumpstrahlungsmode geeignet.
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Gemäß weiteren
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist auf der Pumpstrahlungsquelle
eine Passivierungsschicht vorgesehen, die im Bereich des Wellenleiters
ausgespart ist. Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist auf der Pumpstrahlungsquelle eine Kontaktschicht
vorgesehen, die den Wellenleiter auf einer zur Pumpstrahlungsschicht
parallelen und von dieser abgewandten Seite kontaktiert. Auf diese Weise
erreicht, das eine Stromeinprägung
in die Pumpstrahlungsquellen nur durch die Wellenleiter erfolgt.
Die Pumpstrahlungsmode ist vorteilhafterweise möglichst weit von der Kontaktschicht
entfernt.
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Bevorzugt
ist im Betrieb eine Pumpstrahlungsmode in der Pumphauptstrahlungsrichtung
ausgebildet, die innerhalb der Pumpstrahlungsquelle ein Intensitätsmaximum
innerhalb der Pumpstrahlungsschicht aufweist mit einer von dem Intensitätsmaximum
radial in der von der Vertikalhauptstrahlungsrichtung und der Lateralrichtung
aufgespannten Ebene nach außen
abfallenden Intensität,
wobei die Intensität
innerhalb des Wellenleiters geringer ist als in vergleichbarem Abstand
außerhalb
des Wellenleiters.
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In
einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung weist der Vertikalemitter
mindestens eine aktive strahlungserzeugende Vertikalemitterschicht auf,
die in der Vertikalhauptstrahlungsrichtung von der Pumpstrahlungsschicht
beabstandet ist. Besonders bevorzugt ist die Pumpstrahlungsschicht
in den Vertikalemitter fortgesetzt, und die Pumpstrahlungsmode ist
innerhalb des Vertikalemitters in Vertikalemitterrichtung derart
ausgedehnt, dass die Pumpstrahlungsmode im Betrieb mit der Vertikalemitterschicht überlappt.
Dadurch, dass die Vertikalemitterschicht und die Pumpstrahlungsschicht
vertikal voneinander getrennte, nacheinander aufgewachsene Schichten
sind, ist eine große
Freiheit bezüglich
der Wahl der Materialien und Dimensionierung für diese Schichten gegeben.
Dadurch kann die Wellenlänge der
Pumpstrahlung sowie der vertikal emittierten Strahlung in weiten
Grenzen eingestellt werden, wodurch eine hohe Pumpeffizienz erreichbar
ist.
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Bevorzugt
umfassen die Vertikalemitterschicht und/oder die Pumpstrahlungsschicht
jeweils mindestens eine Quantenschicht. Die Quantenschicht kann
dabei in einer besonders bevorzugten Ausführungsform Quantentröge, Quantendrähte, Quantenpunkte
oder Kombinationen dieser Strukturen aufweisen.
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Eine
Quantenschicht ist im Rahmen der Erfindung somit eine Schicht, die
so dimensioniert oder strukturiert ist, dass eine für die Strahlungserzeugung
wesentliche Quantisierung der Ladungsträger-Energieniveaus, zum Beispiel
durch Einschluss (confinement), auftritt. Insbesondere beinhaltet
die Bezeichnung Quantenschicht keine Angabe oder Einschränkung über die
Dimensionalität
der Quantisierung.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist der Pumpstrahlungsschicht und der Vertikalemitterschicht
in vertikaler Richtung eine interne Resonator-Spiegelstruktur nachgeordnet,
welche besonders bevorzugt ein Bragg-Reflektor ist.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist die interne Resonator-Spiegelstruktur
zwischen der Vertikalemitterschicht und einem Substrat angeordnet. Die
von der Vertikalemitterschicht erzeugte Strahlung wird auf der dem
Substrat gegenüberliegenden
Seite ausgekoppelt. Alternativ ist in einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung die interne Resonator-Spiegelstruktur einem Substrat und der
Vertikalemitterschicht nachgeordnet. Die von der Vertikalemitterschicht
erzeugte Strahlung wird durch das Substrat ausgekoppelt. Besonders
bevorzugt ist zur Auskopplung der Strahlung ein Auskoppelfenster
im Substrat vorgesehen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Vertikalemitterschicht
ein externer Spiegel zugeordnet, der zusammen mit der internen Resonator-Spiegelstruktur
einen Resonator für
den Vertikalemitter bildet. In einer bevorzugten Ausgestaltung der
Erfindung sind im Resonator strahlformende Elemente oder frequenzselektive
Elemente oder frequenzkonvertierende Elemente angeordnet.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Pumpstrahlungsquelle
einen Resonator mit mindestens einem Endspiegel auf. Bevorzugt weisen
zwei auf einander gegenüberliegenden
Seiten des Vertikalemitters angeordnete Pumpstrahlungsquellen einen
gemeinsamen Resonator auf und bilden zusammen eine Laserstruktur.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens
zwei parallel zueinander angeordnete Pumpstrahlungsquellen vorgesehen.
Besonders bevorzugt ist, dass zwei parallel nebeneinander angeordnete
Pumpstrahlungsquellen eine gemeinsame Endspiegelanordnung aufweisen,
die aus zwei Endspiegeln besteht, die rechtwinklig zueinander angeordnet
sind. Weiter ist besonders bevorzugt, dass die beiden Endspiegel
so angeordnet sind, dass die Pumpstrahlung an ihnen Totalreflexion
erfährt. Durch
eine Endspiegelanordnung, bei der Totalreflexion auftritt, kann
auf eine aufwändige
Verspiegelung der Endflächen
der Pumpstrahlungsquelle verzichtet werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere, sternförmig um
den Vertikalemitter angeordnete Pumpstrahlungsquellen vorgesehen.
Auf diese Weise kann Pumpstrahlung mit hoher Intensität in den
Vertikalemitter eingekoppelt werden, da eine Vielzahl von Pumpstrahlungsquellen
eingesetzt werden kann. Weiterhin ist die Pumpstrahlung in einer
solchen Anordnung vorteilhafterweise nahezu radialsymmetrisch auf
das Zentrum des Vertikalemitters gerichtet, was die Ausbildung von
lateral symmetrischen Grundmoden des Vertikalemitters begünstigt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus dem
im Folgenden in Verbindung mit den in den 1 bis 6 beschriebenen
Ausführungsbeispielen.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung,
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2 drei verschiedene Schnittansichten des
ersten Ausführungsbeispiels
der Halbleiterlaservorrichtung,
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3 ein
Herstellungsverfahren einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung,
dargestellt anhand von Schnittansichten der Halbleiterlaservorrichtung
zu verschiedenen Prozessierungszeitpunkten,
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4 eine
schematische Draufsicht auf drei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung
mit parallelen Pumpstrahlungsquellen,
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5 Detailansichten
zweier Ausführungsformen
des Ausführungsbeispiels
aus 4C mit verschiedenen Wellenleiterformgebungen
im Endspiegelbereich der Pumpstrahlungsquellen und
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6 eine
schematische Draufsicht auf drei weitere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung
mit sternförmiger Pumpstrahlungsquellenanordnung.
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Gleiche
oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit demselben Bezugszeichen
versehen. Die Figuren sind schematische Zeichnungen. Insbesondere
sind die Größenverhältnisse
der Elemente nicht maßstabsgerecht
dargestellt.
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1 zeigt
die Draufsicht auf eine Halbleiterlaservorrichtung, die einen zentralen
Vertikalemitter 1 sowie zwei auf gegenüberliegenden Seiten des Vertikalemitters 1 angeordnete
Pumpstrahlungsquellen 2 umfasst. Die Oberfläche der
Pumpstrahlungsquellen 2 weisen dabei parallel zueinander
verlaufende, in der Figur schraffiert dargestellte, Wellenleiter 13 als
erhabene Bereiche auf.
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In 2 sind drei Querschnittsansichten der Halbleiterlaservorrichtung
dargestellt, wobei in 2A der Querschnitt entlang der
in 1 eingetragenen Querschnittslinie A-A wiedergegeben
ist.
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Wie
aus 2A ersichtlich, weist die Halbleiterlaservorrichtung
den folgenden Schichtaufbau auf. Auf einem Substrat 3 ist
eine Pufferschicht 4, auf diese eine Pumpstrahlungsschicht 5 und
auf diese eine weitere Pufferschicht 6 aufgebracht. Im
Bereich der Pumpstrahlungsquelle 2 ist auf die weitere
Pufferschicht 6 eine Kontaktschicht 8 aufgebracht,
die teilweise von der weitere Pufferschicht 6 durch eine
in dieser Darstellung nicht sichtbare Passivierungsschicht 7 getrennt
ist. Im Bereich des Vertikalemitters 1 ist auf die weitere
Pufferschicht 6 eine Ätzstoppschicht
aufgebracht, gefolgt von einer Vertikalemissionsschicht 10,
die eine alternierende Abfolge von Quantenschichten und Barriereschichten
umfassen kann. Auf die Vertikalemissionsschicht 10 ist
ein Bragg-Reflektor 11 aufgebracht. Aus dem Vertikalemitter 1 wird
im gezeigten Ausführungsbeispiel
durch das Substrat 3 Vertikalstrahlung 12 ausgekoppelt.
In der Figur nicht gezeigt ist ein externer Resonatorspiegel, durch
den zusammen mit dem Bragg-Reflektor 11 ein Resonator für die Vertikalstrahlung 12 gebildet
wird.
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Geeignete
Materialsysteme zur Realisierung der Erfindung finden sich in der
Gruppe der III-V Verbindungshalbleiter. Das gezeigte Ausführungsbeispiel
kann beispielsweise auf Basis des InxAlyGa1-x-yAs, InxAlyGa1-x-yN,
InxAlyGa1-x-yP oder In1-xGa1-xAsyN1-y mit
0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1 realisiert
werden. Selbstverständlich
ist die Erfindung nicht auf diese Materialsysteme beschränkt, sondern kann
je nach gewünschter
Wellenlänge
oder sonstige Anforderung auch auf Basis eines anderen Materialsystems
aufgebaut sein.
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Die
Pumpstrahlungsquellen 2 sind als kantenemittierende, elektrisch
gepumpte Halbleiterlaser ausgeführt,
deren Pumphauptstrahlungsrichtung parallel zum Substrat 3 auf
dem Vertikalemitter 1 zeigt. Die von dem Vertikalemitter 1 abgewandten,
parallel zueinander liegenden Endflächen der beiden sich gegenüberliegenden
Pumpstrahlungsquellen 2 sind spiegelnd ausgebildet und
dienen als Resonatorspiegel für
die Pumpstrahlung. Diese Endflächen
können vorteilhafterweise
durch Spalten entlang einer Kristallrichtung oder aber auch durch
einen Ätzprozess erzeugt
sein und optional hochreflektierend verspiegelt sein. Im gezeigten
Ausführungsbeispiel
bilden beide Pumpstrahlungsquellen 2 einen einzigen, kohärent schwingenden
Laser.
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Die
Pumpstrahlungsschicht 5 kann beispielsweise, wie in der
Zeichnung dargestellt, durch eine einzelne optisch aktive Quantenschicht
realisiert werden. Alternativ kann die Pumpstrahlungsschicht 5 durch
eine Schichtabfolge gebildet werden, die durch Barriereschichten
getrennte Quantenschichten umfasst.
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Wie
bereits weiter oben erläutert,
ist als Quantenschicht im Rahmen der Anmeldung dabei jede Schicht
zu verstehen, die durch ihre Dimensionierung oder Strukturierung
eine Quantisierung der Ladungsträger-Energieniveaus
bedingt. Die Quantenschicht kann einen zweidimensionalen Quantentopf
bilden oder strukturelle Elemente mit niedrigerer Dimensionalität wie Quantentröge, Quantendrähte oder
Quantenpunkte oder Kombinationen dieser Strukturen enthalten.
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Zum
Betrieb der Halbleiterlaservorrichtung werden über die Kontaktschicht 8 und
eine weitere, hier nicht gezeigte Kontaktschicht auf dem Substrat 3 Ladungsträger in die
Pumpstrahlungsquellen 2 injiziert, die in der Pumpstrahlungsschicht 5 strahlend rekombinieren,
wodurch die Pumpstrahlung aufgebaut wird.
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An
die weitere Pufferschicht 6 grenzen im Vertikalemitter 1 und
in den Pumpstrahlungsquellen 2 unterschiedliche Schichten
an. Die Pumpstrahlung erfährt
durch den resultierenden Brechungszahlenunterschied beim Übergang
in den Vertikalemitter 1 innerhalb des Vertikalemitters 1 Beugung
und breitet sich in vertikaler Richtung aus, so dass das Pumpstrahlungsfeld
mit der Vertikalemissionsschicht überlagert und dadurch die Vertikalemissionsschicht 10 als
optisch aktive Schicht des Vertikalemitters 1 optisch gepumpt
wird. Die Pumpstrahlung kann dabei entweder in den zwischen den
Quantenschichten der Vertikalemissionsschicht 10 angeordneten
Barriereschichten absorbiert werden (Barriereschichtpumpen) oder
direkt in den Quantenschichten (Quantenschichtpumpen). Die Absorption
der Pumpstrahlung führt
zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren, die, gegebenenfalls nach
Diffusion in die Quantenschichten, in der Folge energetisch höher liegende
Zustände
der Quantenschichten besetzen, so dass eine Besetzungsinversion
ent steht. Mittels dieser Besetzungsinversion wird die Vertikalstrahlung 12 generiert.
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Bei
dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel
wird die Vertikalstrahlung 12 durch das Substrat 3 ausgekoppelt.
Falls das Substrat 3 für
die Wellenlänge
der Vertikalstrahlung 12 nicht transparent ist, beziehungsweise
Absorptionsverluste im Substrat so groß sind, dass sie nicht toleriert
werden können,
kann im Bereich des Vertikalemitters 1 ein Fenster im Substrat 3 vorgesehen
sein. Alternativ zum gezeigten Ausführungsbeispiel ist auch ein
Schichtaufbau denkbar, bei dem der Bragg-Reflektor 11 auf
das Substrat 3 aufgebracht ist und die Vertikalstrahlung 12 auf
der dem Substrat gegenüberliegenden
Seite der Halbleiterlaservorrichtung ausgekoppelt wird.
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In 2B ist
der Querschnitt gemäß der Schnittlinie
B-B durch die Pumpstrahlungsquelle 2 dargestellt. Im Querschnitt
ist ersichtlich, dass die Breite der Pumpstrahlungsquelle in der
Lateralrichtung quer zur Pumphauptstrahlungsrichtung in einem oberen,
ersten vertikalen Abschnitt geringer ist als im unteren, weiteren
vertikalen Abschnitt. Erreicht wird dieses durch eine Strukturierung
der weiteren Pufferschicht 6. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
werden so drei parallele Wellenleiter 13 geformt, die in
ihrer Breite reduzierten Abschnitte bilden. Die Anzahl der Wellenleiter 13 ist
dabei in keiner Weise nach oben oder unten beschränkt. Die
Anzahl von drei Wellenleitern 13 ist lediglich als Beispiel
gewählt.
Die weitere Pufferschicht 6 ist mit Ausnahme der Oberseite
der Wellenleiter 13 von der Passivierungsschicht 7 bedeckt.
Auf die weitere Pufferschicht 6 beziehungsweise die Passivierungsschicht 7 ist
die Kontaktschicht 8 aufgebracht, so dass die Kontaktschicht 8 an
die Oberseite der Wellenleiter 13 direkt angrenzt, ansonsten
jedoch von der weiteren Barriere schicht 6 durch die Passivierungsschicht 7 getrennt
ist. Die im Betrieb der Pumpstrahlungsquellen 2 erzeugte Pumpstrahlung
ist in ihrer lateralen Intensitätsverteilung
durch die eingezeichneten Pumpstrahlungsmoden 15a charakterisiert.
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Durch
die Wellenleiter 13 wird einerseits der zum Betrieb der
Pumpstrahlungsquellen benötigte Strom
eingebracht und andererseits eine Führung der Pumpstrahlung in
lateraler Richtung sowie eine Beeinflussung der Modengeometrie in
vertikaler Richtung erreicht. Die Wellenleiter 13 weisen
zu diesem Zweck eine begrenzte Ausdehnung in der Lateralrichtung
auf. In Lateralrichtung ist der Wellenleiters 13 im Verhältnis zur
Wellenlänge
der Pumpstrahlung so schmal, dass sich die Pumpstrahlungsmode 15a nicht
oder nur eingeschränkt
innerhalb des Wellenleiters 13 ausbilden kann. In 2B (Schnitt
B-B) ist dieser Effekt an der unsymmetrischen, im oberen Bereich
gestauchten Modengeometrie erkennbar. Die Intensität der Pumpstrahlung
wird so insbesondere in der Nähe
der Kontaktschicht 8 sowie dem dotierten Bereich des Wellenleiters 13 abgesenkt,
wodurch Absorptionverluste vermindert werden. Für typische Pumpstrahlungswellenlängen (Vakuumwellenlänge) im
Wellenlängenbereich
zwischen 500 nm und 800 nm ist eine Breite des Wellenleiters 13 zwischen
500 nm und 5000 nm zur Erzielung dieses Effekts besonders geeignet.
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Die
Höhe des
Wellenleiters 13 in vertikaler Richtung liegt vorzugsweise
zwischen 100 nm und 2000 nm. Bei zu geringer Höhe ist der erfindungsgemäße Effekt
der vertikalen Modenverdrängung
nicht optimal ausgeprägt,
bei zu großer
Höhe vermindern ohmsche
Verluste in der Stromeinprägung
die Effizienz der Pumpstrahlungsquellen. Die optimale Höhe des Wellenleiters 13 ist
als Kompromiss dieser beiden Effekte zu ermitteln.
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Der
günstigste
Abstand des Wellenleiters 13 zu der Pumpstrahlungsschicht 5 ist
von beiden Parametern, Höhe
und Breite, des Wellenleiters 13 abhängig. Der Wellenleiter 13 kann
unter Umständen mit
seiner Unterseite bis an die Pumpstrahlungsschicht 5 heranreichen.
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In
der gezeigten Ausführungsform
wird der Wellenleiter 13 durch eine Strukturierung der
weiteren Pufferschicht 6 in Form eines Walls (Ridge) gebildet.
In einer alternativen Ausführungsform
kann der Wellenleiter 13 auch ohne eine topologische Strukturierung
der weiteren Pufferschicht 6 nur durch Brechungszahlenunterschiede
innerhalb des Schichtmaterials ausgeführt sein. Bereiche mit unterschiedlichen
Brechungsindizes können
beispielsweise durch lateral selektive Eindiffusion oder Ionenimplantation von
Dotierstoffen erzeugt werden oder durch feuchtthermische Oxidation.
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In 2 ist der Vertikalemitter 1 im
Querschnitt dargestellt (Schnitt C-C). Neben den bereits im oberen
Teil der Figur angegebenen Schichtaufbau zeigt der Querschnitt C-C
die sich im Betrieb ergebene Intensitätsverteilung der Pumpstrahlung
als Pumpstrahlungsmoden 15b.
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Gegenüber der
Pumpmode 15a innerhalb der Pumpstrahlungsquelle 2 zeigt
sich insbesondere eine vertikale Ausdehnung der Pumpmode 15b bis
in die Vertikalemissionsschichten 10. Die vertikale Propagation
der Pumpstrahlung beruht auf dem bereits oben erwähnten Brechungszahlenunterschied
durch die unterschiedliche Schichtenabfolge im Vertikalemitter 1 und
der daraus resultierenden Beugung, die die Pumpstrahlung beim Übergang
in den Vertikalemitter 1 erfährt. Darüber hinaus ist der Wellenleiter 13 nicht
in den Vertikalemitter 1 fortge setzt, so dass, anders als
innerhalb der Pumpstrahlungsquellen, die Pumpmode innerhalb des
Vertikalemitters 1 in ihrer vertikalen Ausbreitung keiner
Einschränkung
durch den Wellenleiter 13 unterliegt.
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In 3 ist
ein Herstellungsverfahren für eine
Halbleiterlaservorrichtung anhand von Querschnitten durch die Pumpstrahlungsquelle 2 (analog zum
Querschnitt B-B aus 2B) zu verschiedenen Zeitpunkten
des Herstellungsprozesses dargestellt. Das gezeigte Ausführungsbeispiel
der Halbleiterlaservorrichtung unterscheidet sich von dem in den 1 und 2 dargestellten dadurch, dass nur ein Wellenleiter 13 vorgesehen
ist, was hier insbesondere der einfacheren Darstellung dient.
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Vorteilhafterweise
wird die gesamte Halbleiterlaservorrichtung, also Vertikalemitter 1 sowie Pumpstrahlungsquellen 2,
zunächst
in einem gemeinsamen epitaktischen Prozess erstellt. Abgesehen davon,
dass dadurch der Herstellungsprozess vereinfacht wird, lassen sich
Probleme im Übergangsbereich
zwischen Pumpstrahlungsquellen 2 und Vertikalemitter 1 (Korngrenzen,
erhöhte
Defektdichte, Versatz korrespondierender Schichten zueinander),
die in einem Zweischritt-Epitaxieprozess unvermeidlich wären, umgehen.
Nach der Epitaxie weist die Halbleiterlaservorrichtung somit im
Bereich der Pumpstrahlungsquellen 2 den gleichen Schichtaufbau
auf wie im Bereich des Vertikalemitters 1. Dieser Schichtaufbau
wurde im Zusammenhang mit dem oberen Teil von 2 bereits
beschrieben und ist in 3A nochmals
wiedergegeben.
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Lateral
selektiv wird daraufhin im Bereich der Pumpstrahlungsquellen 2 die
Halbleiterlaservorrichtung bis auf die weitere Barriereschicht 6 abgetragen. Dieses
wird vorzugswei se in einem Ätzprozess durchgeführt. Um
mit Hilfe des Ätzprozesses
die weitere Pufferschicht 6 definiert freizulegen, ist
auf der weiteren Barriereschicht 6 die Ätzstoppschicht 9 vorgesehen,
die gegenüber
dem eingesetzten Ätzprozess
resistent ist. Nach einem Abätzen
bis auf die Ätzstoppschicht 9 (3B) wird die Ätzstoppschicht 9 ihrerseits
durch einen geeigneten Prozess entfernt und so die weitere Pufferschicht 6 freigelegt (3C).
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In
einem weiteren Ätzprozess
werden parallele Vertiefungen (Gräben) in die weitere Pufferschicht 6 eingeätzt. Dieses
kann zum Beispiel unter Verwendung einer Ätzmaske geschehen. Die Tiefe der
Gräben
wird dann über
die Prozessparameter während
der Ätzung
definiert. Alternativ sind zu einer Ätzung andere Verfahrensschritte
zur Strukturierung denkbar, zum Beispiel ein Abtragen der weiteren
Pufferschicht 6 durch Ionen-Sputtern. Der (oder in anderen
Ausführungsbeispielen
die) nicht abgetragenen parallelen Stege (Ridges) bilden den oder
die Wellenleiter 13 (3D).
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In
einem nächsten
Prozessschritt wird die Oberfläche
der Pumpstrahlungsquellen 2 mit Ausnahme der Oberseite
der Wellenleiter 13 mit der Passivierungsschicht 7 versehen
(3E). Diese Passivierungsschicht 7 kann
entweder durch ein Anoxidieren der Oberfläche der weiteren Pufferschicht 6 in den
entsprechenden Bereichen gebildet werden oder durch Aufbringen einer
entsprechenden nicht-leitenden Schicht. Da diese nicht kristallin
zu sein braucht, unterliegt sie keinem streng zu kontrollierenden
epitaktischen Wachstumsprozess und kann auf einfache Weise aufgedampft
werden.
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Im
nächsten
Schritt des Verfahrens wird die Oberfläche der Pumpstrahlungsquellen
einem Dotierstoff ausgesetzt, der in die nicht von der Passivierungsschicht 7 abgedeckten
Bereiche der Oberfläche,
also die Wellenleiter 13 eindiffundiert, so dass ein dotierter
Bereich 14 entsteht (3F).
Alternativ zu einem Diffusionsprozess des Dotierstoffs aus einer
Gasphase heraus, kann der Dotierstoff durch Ionenimplantation gezielt
eingebracht werden. Durch die Dotierung der Wellenleiter 13 wird
eine hohe Stromleitfähigkeit
der Wellenleiter 13 erreicht. Im letzten Verfahrensschritt
wird die Kontaktschicht 8, üblicherweise eine Metallschicht,
durch Aufdampfen aufgebracht (3G).
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In 4 ist
die Draufsicht auf drei weitere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung
gezeigt. In allen drei Beispielen sind um einen Vertikalemitter 1 auf
zwei gegenüber
liegenden Seiten angeordnete, parallel zueinander verlaufende Pumpstrahlungsquellen 2 vorgesehen.
Von den Pumpstrahlungsquellen 2 sind lediglich die Wellenleiter 13 skizziert.
Auf jeder der gegenüber
liegenden Seiten des Vertikalemitters 1 sind vier parallele
Wellenleiter 13 vorgesehen.
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In
dem in 4A gezeigten Ausführungsbeispiel
sind die von dem Vertikalemitter 1 abgewandten Enden der
Pumpstrahlungsquellen als Resonatorspiegel 16 ausgeführt. Die
Resonatorspiegel 16 können
entweder durch Spalten des Halbleiterkristalls oder durch einen Ätzvorgang,
vorzugsweise ein Plasmaätzvorgang,
erzeugt werden. Jeweils zwei gegenüberliegende Pumpstrahlungsquellen 2 sind
durch einen gemeinsamen Resonator gekoppelt. Die Pumpstrahlungsquellen 2 sind
in der Lateralrichtung quer zu ihrer Pumphauptstrahlungsrichtung
und quer zur Vertikalhauptstrahlungsrichtung nicht äquidistant angeordnet.
Dadurch, dass die Pumpstrahlungsquellen 2 im inneren Bereich
einen kleineren Abstand zueinander aufweisen als im äußeren Bereich,
wird der Vertikalemitter 1 in seinem Zentrum stärker gepumpt als
in seiner Peripherie. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine lateral
grundmodige Emission des Vertikalemitters 1 angeregt.
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Das
in 4B gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich von dem in 4A gezeigten durch
die Ausführung
der Resonatorspiegel 16. In diesem Fall ist für die vier
auf einer Seite des Vertikalemitters 1 angeordneten Pumpstrahlungsquellen 2 eine
gemeinsame Resonatorspiegelanordnung 17, bestehend aus
zwei senkrecht zueinander angeordneten Spiegelflächen, vorgesehen. Eine solche
Spiegelanordnung ist auch als Retroreflektor bekannt. Es entstehen
zwei Ringlaserstrukturen, gebildet von den jeweils innen liegenden
Pumpstrahlungsquellen 2 sowie den jeweils außen liegenden
Pumpstrahlungsquellen 2. Die Ausführung der Resonatorspiegel
als Retroreflektoren bietet den Vorteil, dass an beiden Spiegelflächen Totalreflexion
auftritt, wodurch auf eine aufwändige
Spiegelbeschichtung mit einem hochreflektierenden Material oder
einem dielektrischem Schichtstapel verzichtet werden kann.
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Bei
dem in 4C gezeigten Ausführungsbeispiel
sind jeweils zwei solcher Resonatorspiegelanordnungen 17 vorgesehen,
wodurch jeweils benachbarte Pumpstrahlungsquellen 2 zu
einem Ringlaser gekoppelt werden.
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In 5 sind
zwei Ausführungsformen
einer Halbleiterlaservorrichtung gemäß 4C dargestellt.
Wenn die Wellenleiter 13 in einem konstanten Querschnitt
bis an die Resonatorspiegel herangeführt werden, verlässt die
Pumpstrahlung in einer lateral engen Modenverteilung den Bereich
der Wellenführung
durch den Wellenleiter 13. Es ist in dem Fall eine sehr
exak te Spiegeljustage notwendig, um die aus einer Pumpstrahlungsquelle 2 austretende Pumpstrahlung
effektiv in eine weitere Pumpstrahlungsquelle 2, mit der
ein gemeinsamer Resonator geteilt wird, einzukoppeln. Dadurch, dass
die Wellenleiter 13 in einem Bereich vor der Endspiegelanordnung
in ihrem Querschnitt verändert
werden, was sowohl durch Verjüngung
(5A) oder Verbreiterung (5B) geschehen kann, wird die laterale
Modenverteilung der Pumpstrahlung aufgeweitet und so die Einkoppeleffizienz
verbessert. Dieser Effekt kann dadurch unterstützt werden, dass die Wellenleiter 13 bereits
vor der gemeinsamen Resonatorspiegelanordnung 17 enden.
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In 6 sind
drei weitere Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung
in der Draufsicht dargestellt. Bei diesen Ausführungsbeispielen wird ein zentraler
Vertikalemitter 1 von sternförmig angeordneten Pumpstrahlungsquellen 2 optisch
gepumpt. Auf diese Weise kann Pumpstrahlung mit hoher Intensität in den
Vertikalemitter 1 eingebracht werden. Weiterhin begünstigt diese
Anordnung wegen ihrer näherungsweise
radialsymmetrischen Intensitätsverteilung
der Pumpstrahlung die Ausbildung einer lateral grundmodigen Emission
des Vertikalemitters 1.
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In
dem in 6A gezeigten Ausführungsbeispiel
bilden jeweils zwei gegenüberliegende
Pumpstrahlungsquellen 2 eine gemeinsame Laserstruktur, wobei
die vom Vertikalemitter 1 abgewandten Endflächen der
Pumpstrahlungsquellen 2 als Resonatorspiegel 16 ausgebildet
sind. Die Resonatorspiegel 16 werden in diesem Fall durch
einen Ätzvorgang
erstellt, da geeignete Kristallfacetten in der notwendigen Orientierungsvielfalt üblicherweise
nicht vorhanden sind.
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Alternativ
zu den einzeln ausgeformten Resonatorspiegeln 16 jeder
einzelnen Pumpstrahlungsquelle 2 kann, wie im Ausführungsbeispiel
in 6B dargestellt, ein gemeinsamer,
kreisförmiger
Resonatorspiegel 18 vorgesehen sein. Diese Ausführungsform
ist prozesstechnisch einfacher zu realisieren, es können jedoch
ungewünschte
Ringresonanzen auftreten.
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Bei
dem in 6C gezeigten Ausführungsbeispiel
sind im Zwischenbereich zwischen den Pumpstrahlungsquellen 2 Absorberstrukturen 19 zur Verhinderung
solcher Ringresonanzen vorgesehen. Diese Absorberstrukturen können beispielsweise durch
in die Halbleiterlaservorrichtung eingeätzte V-förmige Gräben gebildet werden, deren
Oberfläche mit
einem absorbierenden Material, zum Beispiel einem Metall, versehen
ist. Vorteilhafterweise ist dabei die absorbierende Schicht durch
eine dünne
Isolationsschicht elektrisch von der Halbleiterlaservorrichtung
getrennt.
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Die
Erläuterung
der Erfindung anhand der beschriebenen Ausführungsbeispiele ist nicht als
Beschränkung
der Erfindung hierauf zu verstehen. Vielmehr umfasst die Erfindung
auch die Kombination mit allen anderen in den Ausführungsbeispielen
und der sonstigen Beschreibung genannten Merkmale, auch wenn diese
Kombination nicht Gegenstand eines Patentanspruchs sind.