DE102007051167A1

DE102007051167A1 - Halbleiterlaser, Verfahren zur Herstellung und Verwendung

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Publication number: DE102007051167A1
Application number: DE102007051167A
Authority: DE
Inventors: Johann Luft; Martin Rudolf Dr. Behringer; Jörg Dr. Heerlein; Martin Dr. Müller
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2009-03-19

Abstract

Es wird ein Halbleiterlaser angegeben, in dessen monolithisch integriertem Schichtenstapel zumindest ein erstes und ein zweites Diodenlaserschichtsystem ausgebildet sind, die im Stapel übereinander angeordnet und durch eine einen Tunnelübergang aufweisende Tunnelschicht voneinander getrennt sind. Die beiden Diodenlaserschichtsystem sind elektrisch in Serie geschaltet und erzeugen gleichzeitig Laserstrahlung unterschiedlicher Wellenlängen. Der Halbleiterlaser ist insbesondere für laserspektroskopische Anwendungen bei unterschiedlichen Wellenlängen geeignet.

Description

In der spektroskopischen Analytik, beispielsweise von Gasen bei der Abgasanalyse von Verbrennungsvorgängen, bei der Detektion von Gefahrstoffen sowie bei verschiedenen medizinischen Anwendungen können laserspektroskopische Absorptionsmessungen bei materialspezifischen Wellenlängen durchgeführt werden, um qualitative und quantitative Aussagen über die Art und Konzentration der zu analysierenden Stoffe zu treffen. Zur Gewinnung eindeutiger Aussagen, insbesondere bei Materialmischungen, werden die Absorptionsmessungen bei zumindest zwei unterschiedlichen Wellenlängen durchgeführt, wobei jeweils Wellenlängen innerhalb einer Absorptionsbande des Stoffes ausgewählt werden. Andere Laserwellenlängen können darüber hinaus zur Bestimmung weiterer Stoffe in zu untersuchenden Medien eingesetzt werden.
Laserspektroskopische Messungen, die mehrere unterschiedliche Laserwellenlängen erfordern, werden üblicherweise mit Hilfe einer entsprechenden Anzahl von diskreten Lasern durchgeführt. Alternativ können spektral durchstimmbare Lasersysteme eingesetzt werden, sofern diese einen für das jeweilige Messproblem ausreichenden abstimmbaren Wellenlängenbereich aufweisen.
Während die Verwendung mehrerer unterschiedlicher diskreter Laser einen erheblichen Aufwand bei der Justage und der jeweiligen dazugehörigen Optik erfordern, sind bekannte durchstimmbare Lasersysteme wesentlich teurer als diskrete Laser mit nur einer Wellenlänge.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Lasersystem anzugeben, welches zumindest zwei unterschiedliche Wellenlängen erzeugt und welches die oben genannten Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Halbleiterlaser mit dem Merkmal von Anspruch 1 gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung, vorteilhafte Verwendungen sowie weitere Ausgestaltungen des Halbleiterlasers sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Es wird ein Halbleiterlaser angegeben mit einem Substrat und einem darauf aufgebrachten monolithischen Schichtenstapel, umfassend

– ein erstes Diodenlaserschichtsystem, das eine Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge λ1 erzeugt
– ein zweites Diodenlaserschichtsystem, das eine Laserstrahlung einer zweiten Wellenlänge λ2 erzeugt
– zumindest eine zwischen den beiden Diodenlaserschichtsystemen angeordneten Tunnelschicht, in der ein Tunnelübergang realisiert ist

Mit einem solchen Halbleiterlaser können mit einem einzigen Bauelement gleichzeitig Laserstrahlen bei zumindest zwei unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt werden.
Der Schichtenstapel umfasst eine Halbleiterschichtenfolge, die noch isolierende oder leitende Schichten oder Teilschichten aufweisen kann. In der Halbleiterschichtenfolge des Schichtenstapel können sämtliche funktionelle Schichten der Diodenlaserschichtsysteme und des Tunnelübergangs realisiert sein.
Die Tunnelschicht kann eine Tunneldiode umfassen. Diese ist beispielsweise in Sperrrichtung gepolt, wobei unterhalb der Durchbruchsspannung ein Sperrstrom, hier der Tunnelstrom fließt. Dieser kann mit bekannten Mitteln auf eine gewünschte oder erforderliche Stärke eingestellt werden.
Dieser Tunnelübergang dient als elektrische Verbindung zwischen der ersten und zweiten aktiven Schicht bzw. zwischen erstem und zweiten Diodenlaserschichtsystem.
Beispielsweise kann der Tunnelübergang mittels einer hochdotierten Schicht eines ersten Leitfähigkeitstyps und einer hochdotierten Schicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet sein. Es sei angemerkt, dass die Halbleiterschichten nicht notwendigerweise homogen dotiert sein müssen, da bereits eine hohe Dotierung an der Grenzfläche zu der jeweils anderen Halbleiterschicht zur Ausbildung eines Tunnelübergangs ausreichen kann.
Weiter kann eine Zwischenschicht vorgesehen sein, die zwischen der ersten und der zweiten leitfähigen Schicht angeordnet ist und die Tunnelwahrscheinlichkeit für Ladungsträger erhöht. Die Zwischenschicht kann undotiert sein.
Die Zwischenschicht kann auch mit dem ersten oder dem zweiten Leitungstyp dotiert sein, jedoch eine niedrigere Dotierstoffkonzentration aufweisen, als die erste oder die zweite leitfähige Schicht.
Die Tunnelschicht kann eine Gitterfehlanpassung zwischen dem Substrat und dem ersten Diodenlaserschichtsystem durch eine Gitterfehlanpassung mit entgegengesetztem Vorzeichen zwischen dem ersten Diodenlaserschichtsystem und der Tunnelschicht kompensieren.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Tunnelschicht zumindest ein Material, ausgewählt aus Galliumphosphid, Galliumarsenid, Aluminiumgalliumarsenid AlGaAs, Indiumgalliumphosphid, Zinksulfid, Zinktellurid, Zinksulfidtellurid, Zinkselenid, Zinksulfidselenid oder Indiumgalliumarsenphosphid, enthält.
Die beiden Diodenlaserschichtsysteme können jeweils eine aktive Zone umfassen, die in unterschiedlich dotierte erste und zweite Mantelschichten eingebettet ist.
Eine aktiven Zone bzw. ein Diodenlaserschichtsystem umfasst hier einen strahlungserzeugender pn-Übergang. Dieser pn-Übergang kann im einfachsten Fall mittels einer p-leitenden und einer n-leitenden aktiven Halbleiterschicht gebildet sein, die unmittelbar aneinandergrenzen.
Bevorzugt ist zwischen der p-leitenden und der n-leitenden aktiven Schicht die eigentliche strahlungserzeugende Schicht angeordnet. Diese umfasst den pn-Übergang, eine Einfach- oder Mehrfachheterostruktur oder eine dotierten oder undotierten Quantenschicht, ausgebildet.
Bei dieser Weiterbildung können in den beiden pn-Übergangen von erster und zweiter aktiver Zone jeweils die erste und die zweite aktive Schicht gleichsinnig angeordnet sein, so dass deren pn-Übergänge eine pn-pn- bzw. np-np-Strukur bilden, wobei die pn-Übergänge mittels des dazwischen liegenden Tunnelübergangs elektrisch in Serie geschaltet sind.
Die aktiven Zonen des Halbleiterlasers weisen bevorzugt jeweils eine Einfach- oder Mehrfach-Quantentopfstruktur (SQW, Single Quantum Well oder MQW, Multiple Quantum Well) auf. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen der Erfindung 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 u. a. Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Die aktive Zone jedes Diodenlaserschichtsystems kann zumindest eine Wellenleiterschicht umfassen.
Die verschiedenen Emissionswellenlängen der mehreren aktiven Zonen können insbesondere dadurch realisiert sein, dass sich die Mehrfach-Quantentopfstrukturen der mehreren aktiven Zonen in ihren Schichtdicken und/oder ihren Materialzusammensetzungen voneinander unterscheiden. Alternativ ist es auch möglich, dass sich die Dimension der Quantisierung der Ladungsträger in den mehreren aktiven Zonen voneinander unterscheidet. Beispielsweise kann eine der mehreren aktiven Zonen Quantenpunkte aufweisen, während eine weitere aktive Zone Quantentröge aufweist.
Eine Resonatorlänge des Halbleiterlasers beträgt bei einer bevorzugten Ausführungsform zwischen einschließlich 0,3 mm und einschließlich 10 mm.
Jede der aktiven Zonen emittiert eine Laserstrahlung, deren Wellenlänge sich von der einer anderen aktiven Zone unterscheidet. Beispielsweise emittiert die oberste in der Halbleiterschichtenfolge des Schichtenstapels angeordnete aktive Zone eine Laserstrahlung mit einer Wellenlänge λ₁, eine in der Halbleiterschichtenfolge darunter angeordnete zweite aktive Zone eine Laserstrahlung mit einer Wellenlänge λ₂ und eine gegebenenfalls vorhandene darunter angeordnete weitere aktive Zone Laserstrahlung mit einer Wellenlänge λ₃. Dabei entsprechen die beim Betriebsarbeitspunkt und insbesondere bei der Betriebstemperatur und der Betriebsspannung erzeugten Wellenlängen λ₁, λ₂ und gegebenenfalls λ₃ und weitere vorteilhaft den Absorptionsbanden eines mittels laserspektroskopischer Absorptionsmethode mittels der Laserdiode (Halbleiterlaser) zu analysierenden Stoffgemisches bzw. eines in einem Stoffgemisch qualitativ und/oder quantitativ zu erfassenden Stoffes. Das Stoffgemisch ist vorzugsweise eine Gasmischung, kann aber auch eine Lösung, Dispersion oder Suspension sein.
Bevorzugt enthalten die aktiven Zonen jeweils eine Quantentopfstruktur. Bei der Ausbildung der aktiven Zonen mit Quantentopfstruktur ist die Laserschwelle im Vergleich zu einem Halbleiterlaser mit einem herkömmlichen pn-Übergang in der aktiven Schicht vergleichsweise gering. Weiterhin ist in diesem Fall auch die Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlängen vorteilhaft gering.
Die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterlasers basiert vorzugsweise auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere auf einem Arsenid-, Nitrid- oder Phosphidverbindungshalbleitermaterial.
Von den unterschiedlichen die Wellenlänge bestimmenden Materialien kann mindestens eine der aktiven Zonen Al_nGa_mIn_1-n-mAs enthalten, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist.
Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine der aktiven Zonen Al_nGa_mIn_1-n-mN enthalten, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist.
Diese beiden Materialsysteme ermöglichen Emissionswellenlängen von z. B. 780–1100 nm.
Das Substrat kann in einer Ausführungsform GaSb sein und mindestens eine der aktiven Zonen kann eine Schicht umfassen, die aus dem Materialsystem GaInAsSb ausgewählt ist.
Möglich sind jedoch eine Vielzahl anderer an sich für Halbleiterlaser bekannte Substrate geeignet.
Das Substrat kann in einer weiteren Ausführungsform GaSb und mindestens eine der aktiven Zonen eine Schicht umfassen, die aus dem Materialsystem AlGaAsSb ausgewählt ist.
Die Materialauswahl der die Wellenlänge (mit-)bestimmenden Materialien erfolgt in Abhängigkeit von den gewünschten vom Halbleiterlaser zu emittierenden Wellenlängen. Diese wiederum ist von der gewünschten Anwendung abhängig.
Eine Anwendung ist z. B. in der Absorptionsanalytik gegeben, wobei es der erfindungsgemäße Halbleiterlaser ermöglicht, mit einem Bauelement bei zwei oder mehr Wellenlängen eine für einen Stoff charakteristische Absorption in einem zu untersuchen Medium zu bestimmen. Dazu ist neben dem Halbleiterlaser noch ein entsprechend breitbandiger Detektor erforderlich, der dann mit einer entsprechenden Anzahl unterschiedlicher Wellenlängenfilter in jeweils nur einem gewünschten Wellenlängenbereich entsprechend einer der gegebnen oder eingestellten Laserwellenlängen empfindlich gemacht wird. Die Wellenlängenfilter können z. B. Bandpassfilter oder Kantenfilter umfassen, Pro Laserwellenlänge ist dann ein im entsprechenden Wellenlängenbereich durchlässiges Filter erforderlich.
Auf diese Weise kann ein mehrere Laserwellenlängen erforderliches Messverfahren mit dem erfindungsgemäßen Halbleiterlaser und damit mit einem einzigen strahlungserzeugenden Bauelement durchgeführt werden. Dafür ist auch kein aufwändiger und daher teures in der Wellenlänge abstimmbarer Halbleiterlaser erforderlich. Gegenüber einem Messverfahren mit mehreren Laser Bauelementen werden ein Herstellungs-, Kosten und Verfahrensvorteile erzielt, da nur ein integriertes Bauelement erforderlich ist, welches kostengünstiger als zwei getrennte Bauelemente ist und welches den Justageaufwand für das im Messverfahren verwendete optische System reduziert. So ist es möglich, die Laserstrahlung der zwei oder mehr Laserdiodensysteme durch eine einzige gemeinsame Optik zu fokussieren. Auch genügt ein einziger Empfänger bzw. Detektor.
Der Schichtenstapel wird in einer Nanostacktechnik erzeugt, die das epitaktische Übereinandererzeugen von Halbleiterschichten umfasst. Als Schichterzeugungsverfahren kann Molekularstrahlepitaxie (MBE) eingesetzt werden. Bevorzugt kann auch metallorganische Gasphasenepitaxie MOVPE eingesetzt werden.
Die aktiven Zonen sind vorzugsweise in Wellenleiterschichten eingebettet, wobei die Wellenleiterschichten von Mantelschichten umgeben sind. Zwischen den Wellenleiterschichten und den Mantelschichten besteht vorteilhaft ein derartiger Brechungsindexunterschied, dass die Laserstrahlung in dem Wellenleiter geführt wird. Die Dicken der Wellenleiterschichten und/oder der Mantelschichten müssen nicht in allen Laserdiodenschichtsystemen gleich sein, sondern können auch voneinander abweichen.
Eine besonders gute Strahlqualität erhält man mit einem indexgeführten Rippenwellenleiter. Dazu ist zumindest ein Teil des Schichtenstapels in Form von schmalen Stegen strukturiert, die den indexgeführten Rippenwellenleiter realisieren.
Eine weitere Verbesserung der Strahlqualität kann erhalten werden, wenn der Schichtenstapel zumindest eine Schicht umfasst, die im Steg zu einer isolierenden Blende mit einer Öffnung strukturiert ist, die eine Breite von 1–10, typisch 2–6 μm aufweist. Ein solch schmale Struktur definiert einen Wellenleiter für die Laserstrahlung, der ausschließlich die Ausbildung des Grundmodus erlaubt. Zur Strukturierung des Schichtenstapels können nasschemische oder trockene bzw. durch Plasma unterstützte Ätzverfahren eingesetzt werden.
In einem einfachen Verfahren zur Herstellung einer solchen Blende kann diese als so genannte Oxidblende in einem Oxidationsverfahren hergestellt werden. Beispielsweise wird dazu in einem Schichtenstapel, dessen aktive Zone eine Quantentopfstruktur aufweist, eine oxidierbare Schicht vorgesehen, deren Material zu einem elektrischen Isolator oxidierbar ist. Diese Schicht wird vorteilhaft in ausreichendem Abstand zur Quantentopfstruktur angeordnet. Nach einer Strukturierung des Schichtenstapels zu schmalen Stegen von typischerweise 20–30 μm Breite können die oxidierbaren Schichten dann von ihren Stosskanten mit den Stegseitenwänden bzw. mit den Grabenwänden zwischen zwei Stegen her in lateraler Richtung fortschreitend oxidiert werden. Dabei entsteht die sich zunehmend von außen her in ihrer Öffnung verkleinernde Blende.
Die oxidierenden Bedingungen werden solange aufrecht erhalten, bis die Blendenöffnung einen geeigneten Wert erreicht hat, der im so verengten Wellenleiter die Ausbildung ausschließlich der Grundmode erlaubt. Eine geeignete Breite liegt beispielsweise zwischen 1 und 10 μm, typisch bei 2–6 μm.
Als oxidierbares Material sind beispielsweise aluminiumhaltige Schichten geeignet, die wiederum aktive Schichten des Schichtenstapels bilden können. Möglich ist jedoch auch, solche oxidierbaren Schichten als Zwischenschichten extra zu diesem Zweck in den Schichtenstapel einzubauen.
Der Schichtenstapel kann wie gesagt in vertikaler Abfolge zumindest ein weiteres Laserdiodenschichtsystem umfassen, das Laserstrahlung einer dritten oder weiteren Wellenlänge erzeugt. Es sind beispielsweise bis zu zehn monolithisch übereinander aufgebaute und monolithisch integrierte Laserdiodenschichtsysteme möglich. Eine optimale Anzahl ergibt sich aus den bezüglich der Anzahl begrenzten Möglichkeiten zur Übereinandererzeugung gegenseitig verspannter Schichten. Für das genannte Absorptionsverfahren zur Analyse von flüssigen oder gasförmigen Stoffmischungen (Medien) auf einige ausgewählte Bestandteile sind meist bereits zwei unterschiedliche Wellenlängen, die den Absorptionsbanden des zu untersuchenden Stoffes entsprechen, ausreichend.
Zur Messung verwendbare Absorptionslinien von CO und Methan liegen beispielsweise im Bereich von 2,2 bis 2,4 μm, in die mit einem erfindungsgemäßen Halbleiterlaser aus einem Materialsystem GaInAsSb/GaSb/AlGaAsSb auf GaSb Substrat eingestrahlt werden kann.
Die elektrische Kontaktierung des Halbleiterlasers kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein leitendes Substrat verwendet wird, das einen ersten elektrischen Kontakt der Halbleiterschichtenfolge im Schichtenstapel darstellt. Ein zweiter elektrischer Kontakt der Halbleiterschichtenfolge wird beispielsweise durch eine Kontaktschicht ausgebildet, die auf eine dem Substrat gegenüber liegende Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht ist.
Es können im Rahmen der vorliegenden Erfindung in ähnlicher Weise auch drei oder mehr aktive Zonen in einem monolithischen Halbleiterlaser vertikal übereinander angeordnet sein, die in entsprechender Weise durch jeweils einen zwischen zwei benachbarten aktiven Schichten gebildeten Tunnelübergang verbunden sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen allein zur Veranschaulichung der Erfindung und sind daher rein schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt, sodass ihnen weder absolute noch relative Maßangaben zu entnehmen sind. Bei paarweisem Auftreten dotierter Schichten können neben den angegebenen Reihanfolgen die Dotierungstypen auch vertauscht sein.
1 zeigt einen Halbleiterlaser im schematischen Querschnitt,
2 zeigt eine aktive Zone im schematischen Querschnitt,
3 zeigt einen stegförmig strukturierten Halbleiterlaser mit Oxidblende im schematischen Querschnitt,
4 zeigt einen Messaufbau, wie er für eine laserspektroskopische Absorptionsmessung eingesetzt werden kann.
Der in 1 dargestellte, auf einem Substrat SU aufgebaute Schichtenstapel 1 eines ersten Ausführungsbeispiels weist ein erstes strahlungserzeugendes Diodenlaserschichtsystem 2 und ein zweites strahlungserzeugendea Diodenlaserschichtsystem 3 auf, wobei die Diodenlaserschichtsysteme in vertikaler Richtung, das heißt senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung der Diodenlaserschichtsysteme übereinander angeordnet sind. Zwischen den Diodenlaserschichtsystemen 2, 3 ist ein Tunnelübergang 4 ausgebildet, der mittels einer ersten aktiven Halbleiterschicht 5 eines ersten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise einer n-leitende Halbleiterschicht, und einer zweiten aktiven Halbleiterschicht 6 eines zweiten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise einer p-leitenden Halbleiterschicht gebildet ist. Vorzugsweise sind diese beiden Halbleiterschichten 5, 6 hochdotiert ausgeführt, so dass im Betrieb ein effizienter Tunnelübergang mit einem geringen elektrischen Übergangswiderstand entsteht. Dieser ermöglicht den Betrieb des Halbleiterlasers bei relativ geringer Betriebsspannung von z. B. 3, 5 oder 12 V. In Abhängigkeit von der Art und Anzahl der Laserdiodenschichtsysteme und der Tunnelübergänge kommen jedoch auch höhere Betriebsspannungen in Betracht.
2 zeigt ausschnittsweise und detaillierter einen Querschnitt durch das Diodenlaserschichtsystem 2 oder 3 des in 1 allgemeiner dargestellten Schichtenstapels 1. Das Diodenlaserschichtsystem 2 (oder 3) umfasst beispielsweise eine p-leitend dotierte Mantelschicht 7, eine Quantentopfstruktur 8 und eine n-leitende Mantelschicht 9. Zwischen Quantentopfstruktur 8 und jeder der beiden Mantelschichten 8, 9 kann jeweils noch eine Wellenleiterschicht 18, 19 angeordnet sein. In einem erfindungsgemäßen Halbleiterlaser ist es möglich, die Diodenlaserschichtsysteme 2 und 3 sowie gegebenenfalls weitere durch entsprechende Tunnelschichten getrennte, monolithisch darüber erzeugte weitere Diodenlaserschichtsysteme in gleichem, ähnlichem oder stark davon abweichendem Aufbau zu realisieren. Prinzipiell ist es möglich, jedes Diodenlaserschichtsystem mit einem beliebigen, für solche Diodenlaser bekannten Aufbau zu realisieren.
3 zeigt in schematischer perspektivischer Darstellung einen auf einem Substrat SU aufgebauten, zu schmalen Stegen strukturierten Schichtenstapel. Aufgrund seiner geringen Breite kann mit einer solchen Struktur ein Index geführter Diodenlaser realisiert werden. Dieser umfasst auf dem Substrat SU ein erstes Diodenlaserschichtsystem 2, welches die Schichten 7, 8, 9 und 10 umfasst, ein zweites Diodenlaserschichtsystem 3 sowie eine dazwischen angeordnete Tunnelschicht 4.
Das erste Diodenlaserschichtsystem umfasst im Wesentlichen die in 2 dargestellte Schichtenfolge, die eine Quantentopfstruktur 8, die wahlweise zwischen zwei Wellenleiterschichten 18, 19 angeordnet sein kann, aufweist, und zwischen einer ersten p-leitenden Mantelschicht 7 und einer zweiten n-leitenden Mantelschicht 9 angeordnet ist. Zusätzlich ist zwischen der Quantentopfstruktur 8 und einer der beiden Mantelschichten 7 oder 9 eine oxidierbare Schicht 10 angeordnet, beispielsweise eine aluminiumhaltige Schicht, insbesondere eine aus dem Materialsystem AlAs oder GaAlAs ausgewählte Schicht, beziehungsweise eine Schicht, die ein Material aus einem dieser beiden Materialsysteme umfasst. Alternativ kann die oxidierbare Schicht 10 auch am Rand oder im Innern von Wellenleiterschicht 18, 19 oder Mantelschicht 7, 9 angeordnet sein.
Der Steg weist seine längste Ausdehnung in X-Richtung auf und ist beispielsweise durch Erzeugen von Gräben in X-Richtung in dem ursprünglich in der XY-Ebene großflächig auf einem Substratwafer erzeugten Schichtenstapel von einem benachbarten Steg gleicher Struktur getrennt.
Die in den Gräben freiliegenden Stoßkanten der oxidierbaren Schicht 10 können nun durch Oxidation, z. B. durch Einstellen oxidierender Bedingungen über eine sauerstoffhaltige Atmosphäre bei einer ausreichend hohen Temperatur oder durch nasschemisches Behandeln mit einer oxidierenden Lösung in einen elektrischen Isolator überführt werden, wie dies in der 3 bereits dargestellt ist. Die oxidierbare Schicht 10 weist oxidierte Bereiche 11 auf, die eine Blende ausbilden, deren Öffnung eine Breite b in Y-Richtung, also in Richtung der Stegbreite aufweist. Mit Hilfe dieser Blende wird die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung auf den Blendenbereich beschränkt, beziehungsweise ein Wellenleiter geschaffen, der eine ungefähr der Blendenöffnung entsprechende Breite b aufweist, die die Ausbildung der Laserstrahlung ausschließlich in der Grundmode erlaubt.
4 zeigt schematisch eine einfache Anordnung zur Durchführung einer laserspektroskopischen Absorptionsmessung. Dazu kann der erfindungsgemäße Laser 12 eingesetzt werden, der durch die elektrische Serienverschaltung der zumindest zwei Laserdiodenschichtsysteme Laserstrahlung in zumindest zwei unterschiedlichen Wellenlängen gleichzeitig aussendet. Mittels einer ersten Optik 13, umfassend beispielsweise eine erste Linse, wird die durch Pfeile angedeutete Laserstrahlung durch eine Messkammer 14 geleitet, die ein zu untersuchendes Medium enthält. Dieses Medium kann gasförmig oder flüssig sein. Mittels einer zweiten, beispielsweise eine weitere Linse umfassenden zweiten Optik 15 wird die Laserstrahlung nach Durchstrahlen der Messkammer 14 auf einen Detektor 17 fokussiert.
An einer geeigneten Position zwischen Messkammer 14 und Detektor 17, beispielsweise zwischen Linse 15 und Detektor 17, ist ein Farbfilter 16 angeordnet, der für die Laserstrahlung der ersten Wellenlänge durchlässig ist, nicht aber für Laserstrahlung der zweiten oder weiteren vom Laser 12 erzeugten Wellenlänge. Bei der Messung wird der transmittierte Anteil der Strahlung, also der nicht vom Medium im Behälter 14 absorbierte Anteil bei der ersten Wellenlänge bestimmt. Dazu kann in der Optik ein Strahlteiler vorgesehen sein, mit dem ein zweiter Strahlengang erzeugt wird, welcher nicht durch das Medium gestrahlt wird und einen Referenzwert zur Bestimmung des vom Medium in der Messkammer 14 absorbierten Anteils der Laserstrahlung darstellt.
Im nächsten Schritt wird der Wellenlängenfilter 16 gegen einen weiteren ähnlich aufgebauten Wellenlängenfilter ausgetauscht, der für Laserstrahlung der zweiten vom Laser 12 erzeugten Wellenlänge durchlässig ist, nicht aber für Laserstrahlung von der ersten Wellenlänge. Damit wird eine zweite Absorptionsmessung durchgeführt. Weitere Messungen mit weiteren Laserwellenlängen und weiteren entsprechend durchlässigen Wellenlängenfiltern können sich anschließen.
Aus dem so erhaltenen Absorptionsspektrum bei den durch die Laserwellenlängen definierten Spektrallinien kann auf die Anwesenheit oder den Gehalt des oder der zu analysierenden Stoffe in dem Medium geschlossen werden.
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.

Claims

Halbleiterlaser mit einem Substrat (SU) und einem darauf aufgebrachten monolithischen Schichtenstapel (1), umfassend – ein erstes Diodenlaserschichtsystem (2), das eine Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge λ1 erzeugt – ein zweites Diodenlaserschichtsystem (3), das eine Laserstrahlung einer zweiten Wellenlänge λ2 erzeugt – eine zwischen den beiden Diodenlaserschichtsystemen angeordneten Zwischenschicht, in der ein Tunnelübergang (4) realisiert ist wobei die beiden Diodenlaserschichtsysteme (2, 3) und die Zwischenschicht über den Schichtenstapel elektrisch in Serie geschaltet sind wobei λ1 ≠ λ2.
Halbleiterlaser nach Anspruch 1, bei dem die beiden Diodenlaserschichtsysteme jeweils eine aktive Laserstrahlung erzeugende Zone, eingebettet in unterschiedlich dotierte erste und zweite Wellenleiterschichten umfassen.
Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die aktive Zone eine Quantentopfstruktur aufweist.
Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1–3, bei dem die aktive Zone einen pn Übergang aufweist.
Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1–4, bei dem die Tunnelschicht eine Tunneldiode umfasst.
Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1–5, bei dem die Tunnelschicht eine erste leitfähige Schicht eines ersten Leitungstyps, eine zweite leitfähige Schicht eines zweiten Leitungstyps und eine weitere Zwischenschicht umfasst, wobei die Zwischenschicht zwischen der ersten und der zweiten leitfähigen Schicht angeordnet ist und die Tunnelwahrscheinlichkeit für Ladungsträger erhöht.
Halbleiterlaser nach Anspruch 6, bei dem die Zwischenschicht undotiert ist.
Halbleiterlaser nach Anspruch 6, bei dem die Zwischenschicht mit dem ersten oder dem zweiten Leitungstyp dotiert ist, jedoch eine niedrigere Dotierstoffkonzentration aufweist, als die erste oder die zweite leitfähige Schicht.
Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1–4, bei dem die Tunnelschicht eine Gitterfehlanpassung zwischen dem Substrat und dem ersten Diodenlaserschichtsystem durch eine Gitterfehlanpassung mit entgegen gesetztem Vorzeichen zwischen dem Diodenlaserschichtsystem und der Tunnelschicht kompensiert.
Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1–9, bei dem die Tunnelschicht zumindest ein Material aus Galliumarsenid, Aluminiumgalliumarsenid, Galliumphosphid, Indiumgalliumphosphid, Zinksulfid, Zinktellurid, Zinksulfidtellurid, Zinkselenid, Zinksulfidselenid oder Indiumgalliumarsenphosphid enthält.
Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1–10, bei dem mindestens eine der aktiven Zonen Al_nGa_mIn_1-n-mAs enthält, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist.
Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1–11, bei dem mindestens eine der aktiven Zonen Al_nGa_mIn_1-n-mN enthält, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist.
Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1–12, bei dem das Substrat GaSb und mindestens eine der aktiven Zonen eine Schicht umfasst, die aus dem Materialsystem GaInAsSb ausgewählt ist.
Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1–12, bei dem das Substrat GaSb und mindestens eine der aktiven Zonen eine Schicht umfasst, die aus dem Materialsystem AlGaAsSb ausgewählt ist.
Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1–14, bei dem der zumindest ein Teil des Schichtenstapels in Form von schmalen Stegen strukturiert ist, die einen indexgeführten Rippenwellenleiter realisieren.
Halbleiterlaser nach Anspruch 15, bei dem der Schichtenstapel zumindest eine Schicht umfasst, die im Steg zu einer isolierenden Blende mit einer Öffnung einer Breite von 1–10, typisch 2–6 μm, strukturiert ist.
Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1–16, bei dem der Schichtenstapel zumindest ein weiteres Laserdiodenschichtsystem umfasst, das Laserstrahlung einer dritten oder weiteren Wellenlänge erzeugt.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers nach einem der Ansprüche 1–17, bei dem die einzelnen Schichten des Schichtenstapels mittels Molekularstrahlepitaxie direkt übereinander erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Schichtenstapel streifenförmig strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem im zu Streifen strukturierten Schichtenstapel im vertikalen Abstand zur aktiven Schicht zumindest eine oxidierbare Schicht aus einem oxidierbarenm Material vorgesehen wird, bei dem die oxidierbare Schicht an den Seitenkanten der Streifen freiliegt und in einem Oxidationsprozess von außen beginnend lateral oxidiert wird, bis eine elektrisch isolierende Blende entstanden ist, so dass durch die Blendenöffnung ein ausreichend schmaler Wellenleiter definiert ist, der die Ausbildung der Laserstrahlung nur in der Grundmode ermöglicht.
Verwendung eines Halbleiterlasers nach einem der Ansprüche 1–19 zur spektroskopischen Analytik bei der ersten und zweiten Wellenlänge.
Verwendung nach Anspruch 21 zur spektroskopischen Gasanalytik nach der Absorptionsmethode, wobei erste und zweite und wahlweise eine dritte oder eine weitere Wellenlänge auf Absorptionsbanden nachzuweisender Gase eingestellt werden.
Verwendung nach Anspruch 21 oder 22, bei der der Halbleiterlaser zur Erzeugung von Laserstrahlung einer ersten und zweiten Wellenlänge, zur Durchleitung der Laserstrahlung durch ein zu untersuchendes Medium, wobei ein entsprechend breitbandiger Detektor als Strahlungsempfänger eingesetzt wird, der mit Hilfe von Wellenlängenfiltern abwechselnd für die erste, zweite oder weitere Wellenlänge sensitiv gemacht wird und die von dem Medium nicht absorbierte Laserstrahlung bei der ersten und zweiten Wellenlänge misst.