DE102008030818A1

DE102008030818A1 - Oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit mehreren aktiven Zonen

Info

Publication number: DE102008030818A1
Application number: DE102008030818A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Brick; Martin Dr. Müller
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2009-12-31
Anticipated expiration: 2028-07-01
Also published as: DE102008030818B4; CN101971446A; CN101971446B; US20110182317A1; WO2010000231A1

Abstract

Es wird ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit einem Halbleiterkörper (1) angegeben, der mindestens zwei aktive Zonen (2) zur Emission von Laserstrahlung (13) aufweist, die durch einen Tunnelübergang (3) miteinander verbunden sind, und der einen außerhalb des Halbleiterkörpers (1) angeordneten externen Resonatorspiegel (11) zur Ausbildung eines Laserresonators aufweist, wobei in dem Laserresonator mindestens ein polarisationsselektives Element (4) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit mehreren aktiven Zonen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der Druckschrift DE 10 2006 010 728 A1 ist ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser bekannt, der einen Halbleiterkörper mit einer Mehrzahl von zur Strahlungserzeugung geeigneten, voneinander beabstandet angeordneten aktiven Bereichen umfasst, wobei zwischen zwei aktiven Bereichen ein Tunnelübergang monolithisch im Halbleiterkörper integriert ist, und die beiden aktiven Bereiche mittels des Tunnelübergangs elektrisch leitend verbunden sind. Auf diese Weise kann eine hohe Strahlungsleistung mit einem kompakten Halbleiterkörper erzielt werden. Der Halbleiterlaser weist einen externen Resonatorspiegel auf, wobei in dem zwischen dem Halbleiterkörper und dem externen Resonatorspiegel ausgebildeten externen Resonator insbesondere ein Frequenzkonversionselement zur Frequenzkonversion der von dem Halbleiterlaser emittierten Strahlung angeordnet sein kann. Die Strahlformung bei einem derartigen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser erfolgt typischerweise dadurch, dass der externe Resonatorspiegel gekrümmt ist.
Die von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern emittierte Laserstrahlung weist in der Regel keine definierte Polarisationsrichtung auf. Für viele Anwendungen ist es wünschenswert, einen kompakten Halbleiterlaser verwenden zu können, der neben einer hohen Ausgangsleistung und guter Strahlform auch eine definierte Polarisation aufweist.
Der Erfindung geht die Aufgabe zugrunde, einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser der eingangs genannten Art anzugeben, der sich sowohl durch eine hohe Ausgangsleistung als auch eine definierte Polarisationsrichtung der emittierten Laserstrahlung auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser einen Halbleiterkörper auf, der mindestens zwei aktive Zonen zur Emission von Laserstrahlung enthält, die durch einen Tunnelübergang miteinander verbunden sind. Weiterhin weist der oberflächenemittierende Halbleiterlaser einen außerhalb des Halbleiterkörpers angeordneten externen Resonatorspiegel zur Ausbildung eines Laserresonators auf. Der externe Resonatorspiegel bildet vorzugsweise zusammen mit einem in dem Halbleiterkörper enthaltenen Resonatorspiegel, beispielsweise einem Bragg-Spiegel, den Laserresonator des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers aus, wobei mindestens ein polarisationsselektives Element in dem Laserresonator angeordnet ist.
Durch die Integration eines polarisationsselektiven Elements in den Laserresonator des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers wird vorteilhaft erreicht, das der oberflächenemittierende Halbleiterlaser Laserstrahlung mit einer definierten Polarisation emittiert, so dass auf weitere außerhalb des Laserresonators angeordnete polarisationsselektive Elemente verzichtet werden kann. Der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser zeichnet sich also einerseits durch eine hohe Ausgangsleistung, die mittels der mehreren aktiven Zonen erzielt wird, und andererseits durch eine definierte Polarisation der emittierten Laserstrahlung aus.
Das polarisationsselektive Element ist vorzugsweise ein polarisationsselektives Gitter. Bei dem polarisationsselektiven Gitter handelt es sich vorzugsweise um ein dielektrisches Transmissionsgitter. Ein dielektrisches Transmissionsgitter zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Strahlungsbeständigkeit aus. Dies ermöglicht vorteilhaft die Integration eines derartigen Transmissionsgitterss in den Laserresonator des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers.
Dielektrische Transmissionsgitter sind an sich beispielsweise aus der Druckschrift T. Clausnitzer, T. Kämpfe, E.-B. Kley, A. Tünnermann, A. V. Tishchenko, O. Parriaux, "Hocheffiziente dielektrische Transmissionsgitter – eine anschauliche Untersuchung des Beugungsverhaltens", Photonik 1/2007, S. 48–51, bekannt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist das polarisationsselektive Element, insbesondere ein polarisationsselektives Transmissionsgitter, auf einer Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers angeordnet. Durch die Anordnung des polarisationsselektiven Elements auf einer Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers wird vorteilhaft der Montage- und Justierungsaufwand bei der Herstellung des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers vermindert und gleichzeitig ein kompakter Aufbau erzielt.
Die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers, auf der das polarisationsselektive Element angeordnet ist, kann beispielsweise ein Substrat des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers sein. In diesem Fall ist der Halbleiterkörper vorzugsweise als so genannter Bottom-Emitter ausgeführt, das heißt die emittierte Laserstrahlung tritt durch das Substrat aus dem Halbleiterkörper aus. Bei dem Substrat handelt es sich insbesondere um das Aufwachsubstrat, auf dem die Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers, insbesondere die mindestens zwei aktiven Zonen und der dazwischen angeordnete Tunnelübergang, epitaktisch aufgewachsen sind.
Bei einer weiteren Ausgestaltung weist der Halbleiterkörper eine Stromaufweitungsschicht auf, wobei die Oberfläche der Stromaufweitungsschicht als Strahlungsaustrittsfläche fungiert. In diesem Fall ist das polarisationsselektive Element vorzugsweise auf die Oberfläche der Stromaufweitungsschicht aufgebracht. Ein Aufwachssubstrat, auf dem die Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers vorzugsweise epitaktisch aufgewachsen worden sind, ist vorteilhaft dem Halbleiterkörper entfernt, d. h. der Halbeleiterkörper weist kein Aufwachssubstrat auf. In diesem Fall kann der Halbleiterkörper an einer der Stromaufweitungsschicht gegenüber liegenden Seite auf einen Träger montiert sein.
Bei der Stromaufweitungsschicht, auf der das polarisationsselektive Element angeordnet ist, handelt es sich vorzugsweise um eine n-dotierte Schicht. In diesem Fall wird die Laserstrahlung also durch die n-dotierte Stromaufweitungsschicht ausgekoppelt. Der Halbleiterkörper ist bevorzugt an einem der Stromaufweitungsschicht gegenüberliegenden p-dotierten Bereich auf einen Träger montiert.
Die mit dem polarisationsselektiven Element versehene Oberfläche des Halbleiterkörpers, beispielsweise das Substrat oder die Stromaufweitungsschicht des Halbleiterkörpers, ist vorzugsweise als Linse geformt. Bei dieser Ausgestaltung wird die Oberfläche des Halbleiterkörpers, durch die die von den aktiven Schichten emittierte Laserstrahlung aus dem Halbleiterkörper austritt, vorzugsweise mit einem Ätzverfahren bearbeitet, um eine der gewünschten Linsenform entsprechende Krümmung an der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers zu erzeugen. Insbesondere kann die Oberfläche des Halbleiterkörpers derart bearbeitet werden, dass sie eine konvex gekrümmte Oberfläche aufweist.
Auf diese Weise wird vorteilhaft ein strahlformendes Element in den Halbleiterkörper des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers integriert. Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser zeichnet sich in diesem Fall nicht nur durch eine definierte Polarisationsrichtung der emittierten Laserstrahlung, sondern auch durch eine gute Strahlformung aus. Insbesondere ermöglicht die Integration einer Linse in den Halbleiterkörper des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers einen sehr kompakten Aufbau, da auf externe optische Elemente zur Strahlformung verzichtet werden kann. Eine in den Halbleiterkörper des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers integrierte Linse hat weiterhin den Vorteil, dass ein geringer Strahlquerschnitt in dem externen Resonator auch bei Verwendung eines ebenen externen Resonatorspiegels erzielt werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das polarisationsselektive Element auf einer Oberfläche des externen Resonatorspiegels angeordnet. Insbesondere kann ein polarisationsselektives Gitter auf die Oberfläche des externen Resonatorspiegels aufgebracht sein. Dadurch, dass das polarisationsselektive Element auf eine Oberfläche des externen Resonatorspiegels aufgebracht ist, ist es vorteilhaft nicht erforderlich, dass das polarisationsselektive Element zusätzlich in dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser montiert und justiert wird. Auf diese Weise wird der Herstellungsaufwand vermindert und ein kompakter Aufbau des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers erzielt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Laserresonator einen Faltungsspiegel auf und das polarisationsselektive Element, insbesondere ein polarisationsselektives Gitter, ist auf einer Oberfläche des Faltungsspiegels angeordnet. Mittels des Faltungsspiegels, der zwischen dem Halbleiterkörper und dem externen Resonatorspiegel angeordnet ist, wird ein gefalteter Laserresonator ausgebildet.
Insbesondere kann es sich bei dem Faltungsspiegel um einen 45°-Spiegel handeln. In diesem Fall trifft die von den mindestens zwei aktiven Zonen des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers emittierte Laserstrahlung unter einem Einfallswinkel von 45° auf den Faltungsspiegel auf und wird unter einem Ausfallswinkel von 45° von dem Faltungsspiegel reflektiert. Der Faltungsspiegel bewirkt in diesem Fall also eine Umlenkung der emittierten Laserstrahlung um 90°. Alternativ kann der Faltungsspiegel aber auch unter anderen Winkeln bezüglich der von dem Halbleiterkörper emittierten Laserstrahlung angeordnet werden.
Bei dem auf dem Faltungsspiegel aufgebrachten polarisationsselektiven Element handelt es sich vorzugsweise um eine polarisationsselektive reflektierende Beschichtung. Die polarisationsselektive reflektierende Beschichtung weist vorzugsweise eine Schichtenfolge aus dielektrischen Schichten auf. Die polarisationsselektive reflektierende Beschichtung weist vorzugsweise bei dem Einfallswinkel der Laserstrahlung eine Reflektivität R_p für p-polarisiertes Licht und eine Reflektivität R_s für s-polarisiertes Licht auf, wobei R_p ≠ R_s ist.
Bevorzugt gilt R_p/R_s < 0,95. In diesem Fall ist also die Reflektivität für p-polarisiertes Licht geringer als für s-polarisiertes Licht. Dadurch wird erreicht, dass die Verstärkung für p-polarisiertes Licht in dem Laserresonator so gering ist, dass der Laser nur für die Strahlung im s-polarisierten Zustand anschwingt. Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser emittiert in diesem Fall also s-polarisiertes Licht.
Alternativ könnte auch die Reflektivität für s-polarisiertes Licht geringer als für p-polarisiertes Licht sein, wobei bevorzugt R_s/R_p < 0,95 gilt. Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser emittiert in diesem Fall p-polarisiertes Licht.
Eine geeignete reflektierende Beschichtung, insbesondere ein dielektrisches Schichtsystem, dass für einen vorgegebenen Einfallswinkel ein gewünschtes Verhältnis der Reflektivität für die p-Polarisation zur Reflektivität für die s-Polarisation aufweist, kann anhand von Simulationsrechnungen unter Berücksichtigung des Einfallswinkels und der Wellenlänge bestimmt werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der externe Resonatorspiegel ein Reflexionsmaximum bei einer ersten Wellenlänge λ₁ und der Faltungsspiegel ein Reflexionsmaximum bei einer zweiten Wellenlänge λ₂ aufweist, wobei die Wellenlänge der emittierten Laserstrahlung λ_L zwischen λ₁ und λ₂ liegt. Die Reflexionsmaxima des Resonatorspiegels und des Faltungsspiegels sind in diesem Fall zumindest geringfügig gegeneinander verschoben. Die Reflexionskurve des externen Resonatorspiegels und des Faltungsspiegels überlappen dabei vorteilhaft miteinander. Der Laser kann in diesem Fall nur bei einer Wellenlänge zwischen λ₁ und λ₂ anschwingen, bei denen sowohl der externe Resonatorspiegel als auch der Faltungsspiegel eine ausreichend hohe Reflektivität aufweisen.
Durch die zumindest geringfügige Verschiebung der Reflexionsmaxima des externen Resonatorspiegels und des Faltungsspiegels zueinander wird eine Wellenlängenselektion erzielt. Auf ein zusätzliches wellenlängenselektives Element in dem Laserresonator kann daher vorteilhaft verzichtet werden. Dies trägt dazu bei, dass der Herstellungs- und Montageaufwand vermindert wird und ein kompakter Aufbau des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers erzielt wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in dem externen Resonator des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ein Frequenzkonversionselement angeordnet.
Bei dem Frequenzkonversionselement handelt es sich um ein optisches Element, das dazu geeignet ist, die Frequenz der emittierten Laserstrahlung zu vervielfachen, insbesondere zu verdoppeln. Bei dem Frequenzkonversionselement handelt es sich vorzugsweise um einen nichtlinearen optischen Kristall.
Auf diese Weise kann beispielsweise mit einem Halbleitermaterial, das Strahlung im nahen infraroten Spektralbereich erzeugt, Laserstrahlung im sichtbaren Bereich des Spektrums, insbesondere blaue oder grüne Laserstrahlung, erzeugt werden.
Bei der Anordnung eines Frequenzkonversionselements in dem Laserresonator ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers, beispielsweise das Substrat oder eine Stromaufweitungsschicht, als Linse geformt ist. In diesem Fall kann ein geringer Strahlquerschnitt der Laserstrahlung im Bereich des Frequenzkonversionselements erzielt werden, insbesondere auch dann, wenn als externer Spiegel ein ebener Spiegel verwendet wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 5 näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen schematisch dargestellten Querschnitt eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 einen schematisch dargestellten Querschnitt eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 einen schematisch dargestellten Querschnitt eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 einen schematisch dargestellten Querschnitt eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
5 einen schematisch dargestellten Querschnitt eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers dargestellt, der mindestens zwei aktive Zonen 2 aufweist, die durch einen Tunnelübergang 3 miteinander verbunden sind. Die beiden aktiven Zonen 2 sind monolithisch in den Halbleiterkörper 1 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers integriert. Die beiden aktiven Zonen 2 sind in einer bevorzugt epitaktisch hergestellten Halbleiterschichtenfolge enthalten, die auf einem Aufwachssubstrat 6 aufgewachsen ist, und innerhalb dieser Halbleiterschichtenfolge in vertikaler Richtung voneinander beabstandet.
Die strahlungsemittierenden aktiven Zonen 2 weisen bevorzugt jeweils eine Einfach- oder Mehrfachquantentopfstruktur auf. 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 u. a. Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Der Halbleiterkörper 1 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers basiert vorzugsweise auf einem III-V-Verbindungshalbleiter, insbesondere auf einem Arsenid-Verbindungshalbleiter. „Auf einem Arsenid-Verbindungshalbleiter basierend” bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Epitaxieschichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Arsenidverbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mAs umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des Al_nGa_mIn_1-n-mAs-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, As), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Alternativ können die aktiven Zonen 2 auch ein Nitridverbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mN, ein Antimonidverbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mSb, oder ein Phosphidverbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-NP, aufweisen, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 gilt.
Die aktiven Zonen 2 sind jeweils zwischen Halbleiterbereichen 8, 9 angeordnet, die entgegengesetzte Leitungstypen aufweisen. Beispielsweise sind die aktiven Zonen 2 jeweils zwischen einem p-dotierten Halbleiterbereich 8 und einem n-dotierten Halbleiterbereich 9 angeordnet. Durch den Tunnelübergang 3 sind die aktiven Zonen 2 miteinander in Serie geschaltet. Der Tunnelübergang 3 enthält bevorzugt mindestens zwei Tunnelkontaktschichten 3a, 3b, die verschiedene elektrische Leitungstypen aufweisen und bevorzugt hochdotiert sind. Die Tunnelkontaktschichten 3a, 3b weisen dabei bevorzugt jeweils den gleichen Leitungstyp auf, wie die an sie angrenzenden Halbleiterbereiche 8, 9. Beispielsweise ist die an den n-dotierten Halbleiterbereich 9 angrenzende Tunnelkontaktschicht 3a eine n-dotierte Schicht, vorzugsweise mit einer hohen Dotierstoffkonzentration (n⁺). Die weitere Tunnelkontaktschicht 3b, die an den p-dotierten Halbleiterbereich 8 angrenzt, ist vorzugsweise eine p-dotierte Schicht, insbesondere mit einer hohen Dotierstoffkonzentration (p⁺).
Die beiden Tunnelkontaktschichten 3a, 3b können, wie in 1 dargestellt, unmittelbar aneinander angrenzen. Es ist alternativ aber auch möglich, dass der Tunnelkontakt 3 eine oder mehrere weitere Schichten enthält, zum Beispiel eine zwischen den beiden hochdotierten Schichten 3a, 3b angeordnete undotierte Schicht.
Zur Ausbildung eines Laserresonators für die von den beiden aktiven Schichten 2 emittierte Laserstrahlung 13 enthält der oberflächenemittierende Halbleiterlaser einen ersten Resonatorspiegel 10, der vorzugsweise in den Halbleiterkörper 1 integriert ist, und einen zweiten Resonatorspiegel 11, der beispielsweise ein außerhalb des Halbleiterkörpers 1 angeordneter externer Resonatorspiegel ist.
Bei dem ersten in den Halbleiterkörper 1 integrierten Resonatorspiegel 10 handelt es sich bevorzugt um einen Bragg-Spiegel, der zur Erzielung einer hohen Reflektivität durch eine Vielzahl von Schichtpaaren aus Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex gebildet wird. Beispielsweise kann der Bragg-Spiegel eine Vielzahl alternierender Schichten aus Al_1-xGa_xAs mit 0 ≤ x ≤ 1 aufweisen, die sich in ihrem Aluminiumgehalt voneinander unterscheiden. Bevorzugt enthält der Bragg-Spiegel mindestens zehn Schichtpaare.
Zur elektrischen Kontaktierung enthält der oberflächenemittierende Halbleiterlaser einen ersten elektrischen Kontakt 14 und einen zweiten elektrischen Kontakt 15, die beispielsweise als Metallkontakte ausgeführt sind. Der erste elektrische Kontakt 14 ist beispielsweise ein n-Kontakt und auf eine von den aktiven Schichten 2 abgewandte Rückseite des Substrats 6 aufgebracht. Der zweite elektrische Kontakt 15 ist zum Beispiel ein p-Kontakt und auf die dem Substrat 6 gegenüberliegende Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 aufgebracht.
Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser ist bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als so genannter Bottom-Emitter ausgeführt, das heißt die Laserstrahlung 13 tritt durch eine rückseitige Oberfläche 5 des Substrats 6 aus dem Halbleiterkörper 1 aus. Der erste elektrische Kontakt 14 ist zur Vermeidung von Strahlungsabsorption nicht auf die gesamte Rückseite des Substrats 6 aufgebracht, sondern bedeckt vorzugsweise nur die Randbereiche der Rückseite des Substrats 6. Insbesondere kann der erste elektrische Kontakt 14 als Ringkontakt ausgeführt sein, der einen als Strahlungsaustrittsfläche 5 dienenden Bereich der Rückseite des Substrats 6 ringförmig umgibt. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der zweite elektrische Kontakt 15, der insbesondere ein p-Kontakt sein kann, nur auf einen zentralen Teilbereich der dem Substrat 6 gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 aufgebracht ist. Auf diese Weise wird der Stromfluss durch den Halbleiterkörper 1 auf einen zentralen Bereich konzentriert, in dem die Laserstrahlung an der Rückseite des Substrats 6 ausgekoppelt wird.
Der Halbleiterkörper 1 kann an der dem Substrat 6 gegenüberliegenden Oberfläche auf einem Träger 16, beispielsweise einer Leiterplatte oder einer Wärmesenke, angeordnet sein. Die außerhalb des zentralen p-Kontakts liegenden Bereiche der Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 können gegebenenfalls durch eine elektrisch isolierende Schicht 17 von dem Träger 16 isoliert werden.
Die als Strahlungsaustrittsfläche 5 dienende Oberfläche des Substrats 6 ist mit einem polarisationsselektiven Element 4 versehen. Bei dem polarisationsselektiven Element 4 handelt es sich um ein polarisationsselektives Transmissionsgitter 20. Das polarisationsselektive Gitter 20 kann beispielsweise durch Aufbringen einer Schicht, insbesondere einer dielektrischen Schicht, und nachfolgendes Strukturieren mittels eines Strukturierungsverfahrens wie beispielsweise Fotolithographie, erzeugt werden.
Die Orientierung und die Gitterkonstante des polarisationsselektiven Gitters 20 sind in Abhängigkeit von der von den aktiven Zonen emittierten Wellenlänge derart eingestellt, dass die Transmission des Gitters für eine der Polarisationsrichtungen des abgestrahlten Laserlichts 13, beispielsweise die s-Polarisation, größer ist als die Transmission für die senkrecht dazu stehende Polarisationskomponente, beispielsweise die p-Polarisation.
Auf diese Weise wird erreicht, dass nur eine bestimmte Polarisationsrichtung, beispielsweise die s-Polarisation, in dem aus dem ersten Resonatorspiegel 10 und dem externen Resonatorspiegel 11 gebildeten Laserresonator verstärkt wird. Für die andere Polarisationskomponente, beispielsweise die p-Polarisation, sind die Transmissionsverluste in dem polarisationsselektiven Gitter 20 vorzugsweise derart hoch, dass für diese Polarisationskomponente die Laserschwelle nicht erreicht wird und somit der oberflächenemittierende Halbleiterlaser nur mit der anderen Polarisationskomponente, beispielsweise der s-Polarisation, anschwingen kann.
Durch die monolithische Integration von mindestens zwei aktiven Zonen 2 und das Anordnen eines polarisationsselektiven Elements 4 in dem Laserresonator des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers wird also vorteilhaft Laserstrahlung mit hoher Ausgangsleistung und einer definiert eingestellten Polarisation erzeugt. Dadurch, dass das polarisationsselektive Element 4 auf den Halbleiterkörper 1 aufgebracht ist, müssen dafür keine zusätzlichen optischen Komponenten in den externen Resonator des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers eingebracht werden, so dass der Herstellungs- und Montageaufwand vergleichsweise gering sind.
Weiterhin kann in dem externen Resonator ein Frequenzkonversionselement 12 angeordnet sein. Bei dem Frequenzkonversionselement 12 kann es sich insbesondere um einen optisch nichtlinearen Kristall handeln.
Bei der Frequenzkonversion handelt es sich insbesondere um eine Frequenzvervielfachung, beispielsweise eine Frequenzverdoppelung. Insbesondere können die aktiven Zonen 2 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers zur Emission von infraroter Strahlung geeignet sein, wobei die infrarote Strahlung mittels des Frequenzkonversionselements 12 in dem Laserresonator in sichtbares Licht, bevorzugt in grünes oder blaues sichtbares Licht, konvertiert wird.
Das Frequenzkonversionselement 12 ist bevorzugt derart in dem externen Resonator angeordnet, dass die Laserstrahlung innerhalb des Frequenzkonversionselements 12 eine Strahltaille aufweist. Die Effizienz der Frequenzkonversion wird durch einen geringen Strahlquerschnitt am Ort des Frequenzkonversionselements 12 verbessert.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch, dass das polarisationsselektive Element 4 nicht an einer Oberfläche eines Substrats des Halbleiterkörpers 1 ausgebildet ist, sondern an einer als Strahlungsaustrittsfläche 5 fungierenden Oberfläche einer Stromaufweitungsschicht 7. Die Erzeugung eines polarisationsselektiven Elements 4 in Form eines polarisationsselektiven Transmissionsgitters 20 kann wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel durch Aufbringen einer vorzugsweise dielektrischen Schicht und eine nachfolgende Strukturierung erfolgen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das ursprünglich zum Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers 1 benutzte Aufwachssubstrat von dem Halbleiterkörper 1 abgelöst worden uns somit nicht mehr in dem Halbleiterkörper 1 enthalten. Es handelt sich bei dem Halbleiterkörper 1 daher um einen so genannten Dünnfilm-Halbleiterchip. Das ursprünglich verwendete Aufwachssubstrat kann beispielsweise von der Stromaufweitungsschicht 7 abgelöst worden sein. Der Halbleiterkörper 1 ist vorzugsweise an einer dem ursprünglichen Aufwachssubstrat gegenüberliegenden Seite auf einen Träger 16 montiert.
Das ursprüngliche Aufwachssubstrat muss nicht notwendigerweise, wie in 2 dargestellt, vollständig von dem Halbleiterkörper 1 abgelöst sein. Es ist beispielsweise auch möglich, dass das ursprüngliche Aufwachssubstrat nur teilweise abgedünnt wird, wobei die das polarisationsselektive Element 4 dann auf die Oberfläche des abgedünnten Aufwachssubstrats, ähnlich wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, aufgebracht wird. In diesem Fall kann das elektrisch leitende Aufwachssubstrat, das vorzugsweise n-leitend ist, selbst als Stromaufweitungsschicht dienen.
Im Übrigen entspricht das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel hinsichtlich seiner Funktionsweise und seiner vorteilhaften Ausgestaltungen dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel und wird daher nicht näher im Detail erläutert.
In 3 ist eine weitere Abwandlung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels gezeigt. Es unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Oberfläche 5 des Substrats 6, auf die das polarisationsselektive Element 4 aufgebracht ist, als Linse 21 geformt ist. Die Linse 21 kann an der rückseitigen Oberfläche 5 des Substrats 6 insbesondere durch einen Ätzprozess ausgebildet werden. Dadurch, dass die Linse 21 auf diese Weise in den Halbleiterkörper 1 integriert ist, erfolgt beim Austritt der Laserstrahlung 13 aus dem Halbleiterkörper 1 sowohl eine Strahlformung durch die Linse 21 als auch eine Polarisationsselektion durch das polarisationsselektive Gitter 20.
Die in dem Halbleiterkörper 1 ausgebildete Linse 21 hat insbesondere den Vorteil, dass der zweite, außerhalb des Halbleiterkörpers 1 angeordnete Resonatorspiegel 11 ein ebener Spiegel sein kann. Ein ebener externer Resonatorspiegel 11 ist im Vergleich zu den herkömmlicherweise verwendeten, gekrümmten externen Resonatorspiegeln vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellbar. Trotz der Verwendung eines ebenen externen Resonatorspiegels 11 weist die Laserstrahlung 13 in dem externen Resonator zwischen dem Halbleiterkörper 1 und dem externen Resonatorspiegel 11 einen geringen Strahlquerschnitt auf. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn in dem externen Resonator ein Frequenzkonversionselement 12 angeordnet ist. Bei dem Frequenzkonversionselement 12 kann es sich insbesondere um einen optisch nichtlinearen Kristall handeln.
Ansonsten entspricht das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel hinsichtlich seines Aufbaus und seiner vorteilhaften Ausgestaltungen dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel und wird daher nicht nochmals näher im Detail erläutert.
In 4 ist eine weitere Abwandlung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das polarisationsselektive Element 4 in Form eines polarisationsselektiven Gitters 20 nicht auf die Strahlungsaustrittsfläche 5 des Substrats 6 aufgebracht, sondern auf die dem Halbleiterkörper 1 zugewandte Oberfläche des externen Resonatorspiegels 11.
Auch bei dieser Ausgestaltung ist das polarisationsselektive Element 4 auf eine bereits an sich vorhandene optische Komponente des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers aufgebracht, so dass es nicht erforderlich ist, ein zusätzliches optisches Element in dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser anzuordnen und zu justieren. Das polarisationsselektive Gitter 20 kann auf den externen Resonatorspiegel 11 wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen durch Aufbringen einer vorzugsweise dielektrischen Schicht und einen nachfolgenden Strukturierungsprozess erzeugt werden.
Das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen dadurch, dass der durch den ersten Resonatorspiegel 10 und den externen Resonatorspiegel 11 gebildete Laserresonator einen Faltungsspiegel 22 aufweist.
Bei dem Faltungsspiegel 22 handelt es sich um einen 45°-Spiegel, auf den die aus dem Halbleiterkörper 1 austretende Laserstrahlung 13 unter einem Winkel von 45° auftrifft und unter einem Ausfallswinkel von 45° zu dem externen Resonatorspiegel 11 reflektiert wird. Die Laserstrahlung 13 wird also durch den Faltungsspiegel 22 um 90° umgelenkt. Das polarisationsselektive Element 4 ist bei diesem Ausführungsbeispiel auf den Faltungsspiegel 22 aufgebracht.
Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen handelt es sich bei dem polarisationsselektiven Element 4 nicht um ein polarisationsselektives Gitter, sondern um eine polarisationsselektive reflektierende Beschichtung 19. Bei der polarisationsselektiven reflektierenden Beschichtung 19 handelt sich vorzugsweise um eine Schichtenfolge aus dielektrischen Schichten. Die polarisationsselektive reflektierende Beschichtung 19 weist unter dem Einfallswinkel der Laserstrahlung 13, der bei diesem Ausführungsbeispiel 45° beträgt, unterschiedlich hohe Reflektivitäten für s-polarisierte Strahlung und p-polarisierte Strahlung auf. Dadurch, dass die Reflektivität des Faltungsspiegels für eine Polarisationskomponente, beispielsweise s-polarisierte Strahlung, größer ist als für die andere Polarisationskomponente, beispielsweise p-polarisierte Strahlung, kann erreicht werden, dass der Laser nur für Laserstrahlung mit der Polarisationskomponente, für die der Faltungsspiegel 22 die höhere Reflektivität aufweist, anschwingt.
Vorzugsweise weist der Faltungsspiegel für p-polarisierte Strahlunng eine Reflektivität R_p und für s-polarisierte Strahlung eine Reflektivität R_s auf, wobei R_p/R_s < 0,95 gilt. In diesem Fall würde der oberflächenemittierende Halbleiterlaser also vorteilhaft nur für Laserstrahlung mit s-Polarisation anschwingen.
Bevorzugt sind der externe Resonatorspiegel 11 mit einer reflektierenden Beschichtung 18 und der Faltungsspiegel 22 mit einer reflektierenden Beschichtung 19 versehen, wobei die Reflektivität der reflektierenden Beschichtungen 18, 19 derart gewählt ist, dass der externe Resonatorspiegel 11 ein Reflexionsmaximum bei einer ersten Wellenlänge λ₁ und der Faltungsspiegel 22 ein Reflexionsmaximum bei einer zweiten Wellenlänge λ₂ aufweist.
Die erste Wellenlänge λ₁ und die zweite Wellenlänge λ₂ sind bevorzugt geringfügig gegeneinander verschoben, so dass die gesamte Reflektivität des Laserresonators nur für eine Wellenlänge zwischen λ₁ und λ₂, bei der die beiden Reflexionskurven miteinander überlappen, ausreichend hoch ist, dass der oberflächenemittierende Halbleiterlaser bei dieser Wellenlänge anschwingen kann. In diesem Fall liegt also die Wellenlänge λ_L der emittierten Laserstrahlung zwischen λ₁ und λ₂. Durch die zumindest geringfügig gegeneinander verschobenen Reflexionsmaxima des externen Resonatorspiegels 11 und des Faltungsspiegels 22 wird also eine Wellenlängenselektion innerhalb des Laserresonators erzielt, ohne dass dafür zusätzliche optische Elemente in den Laserresonator eingefügt werden müssen.
Weiterhin kann in dem Laserresonator eine Linse 21 angeordnet sein, um insbesondere die Laserstrahlung 13 in ein in dem Laserresonator angeordnetes Frequenzkonversionselement 12 zu fokussieren. Beispielsweise ist die Linse 21 zwischen dem Halbleiterkörper 1 und dem Faltungsspiegel 22 angeordnet, und das Frequenzkonversionselement 12 ist zwischen dem Faltungsspiegel 22 und dem externen Resonatorspiegel 11 angeordnet.
Alternativ wäre es auch möglich, dass wie bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 als Linse geformt ist, beispielsweise eine als Strahlungsaustrittsfläche 5 dienende Oberfläche des Substrats 6 oder einer Stromaufweitungsschicht. Bei einer derartigen Integration der Linse in den Halbleiterkörper 1 verringert sich vorteilhaft der Montage- und Justierungsaufwand.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006010728 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- T. Clausnitzer, T. Kämpfe, E.-B. Kley, A. Tünnermann, A. V. Tishchenko, O. Parriaux, ”Hocheffiziente dielektrische Transmissionsgitter – eine anschauliche Untersuchung des Beugungsverhaltens”, Photonik 1/2007, S. 48–51 [0009]

Claims

Oberflächenemittierender Halbeiterlaser mit einem Halbleiterkörper (1), der mindestens zwei aktive Zonen (2) zur Emission von Laserstrahlung (13) aufweist, die durch einen Tunnelübergang (3) miteinander verbunden sind, und einem außerhalb des Halbleiterkörpers (1) angeordneten externen Resonatorspiegel (11) zur Ausbildung eines Laserresonators, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Laserresonator mindestens ein polarisationsselektives Element (4) angeordnet ist.
Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das polarisationsselektive Element (4) ein polarisationsselektives Gitter (20) ist.
Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das polarisationsselektive Element (4) auf einer Strahlungsaustrittsfläche (5) des Halbleiterkörpers (1) angeordnet ist.
Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (1) ein Substrat (6) aufweist und die Strahlungsaustrittsfläche (5) eine Oberfläche des Substrats (6) ist.
Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (1) eine Stromaufweitungsschicht (7) aufweist und die Strahlungsaustrittsfläche (5) eine Oberfläche der Stromaufweitungsschicht (7) ist.
Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsaustrittsfläche (5) als Linse (21) geformt ist.
Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das polarisationsselektive Element (4) auf einer Oberfläche des externen Resonatorspiegels (11) angeordnet ist.
Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserresonator einen Faltungsspiegel (22) aufweist und das polarisationsselektive Element (4) auf einer Oberfläche des Faltungsspiegels (22) angeordnet ist.
Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Faltungsspiegel (22) ein 45°-Spiegel ist.
Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das polarisationsselektive Element (4) eine polarisationsselektive reflektierende Beschichtung (19) ist.
Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die polarisationsselektive reflektierende Beschichtung (19) eine Schichtenfolge aus dielektrischen Schichten aufweist.
Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die polarisationsselektive reflektierende Beschichtung (19) eine Reflektivität R_p für p-polarisierte Strahlung und eine Reflektivität R_s für s-polarisierte Strahlung aufweist, wobei R_p/R_s < 0.95 gilt.
Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der externe Resonatorspiegel (11) ein Reflexionsmaximum bei einer ersten Wellenlänge λ₁ und der Faltungsspiegel (22) ein Reflexionsmaximum bei einer zweiten Wellenlänge λ₂ aufweist, und wobei die Wellenlänge λ_L der emittierten Laserstrahlung (13) zwischen λ₁ und λ₂ liegt.
Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem externen Resonator ein Frequenzkonversionselement (12) angeordnet ist.
Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (13) eine Strahltaille im Bereich des Frequenzkonversionselements (12) aufweist.