DE102008030844A1 - Oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit mehreren aktiven Zonen - Google Patents

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Peter Dr. Brick
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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, wobei in den Halbleiterkörper (1) eine Linse (4) integriert ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit mehreren aktiven Zonen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Aus der Druckschrift DE 102006010728 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.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser der eingangs genannten Art anzugeben, der sich durch eine verbesserte Strahlformung 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 der Erfindung ist bei einem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit einem Halbleiterkörper, der mindestens zwei aktive Zonen zur Emission von Laserstrahlung aufweist, die durch einen Tunnelübergang miteinander verbunden sind, eine Linse in den Halbleiterkörper integriert.
  • Die Integration einer Linse in den Halbleiterkörper des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers hat den Vorteil, dass eine Strahlformung der von den aktiven Zonen emittierten Laserstrahlung auch ohne ein externes optisches Element, beispielsweise eine außerhalb des Halbleiterkörpers angeordnete Linse und/oder ein externer Resonatorspiegel, erzielt werden kann. Auf diese Weise wird der Aufwand für die Montage und die Justage des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers vermindert.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Oberfläche des Halbleiterkörpers 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 Oberfläche des Halbleiterkörpers zu erzeugen. Insbesondere kann die Oberfläche des Halbleiterkörpers derart bearbeitet werden, dass sie eine konvex gekrümmte Oberfläche aufweist. Eine konvex gekrümmte Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers hat den Vorteil, dass sich der Strahlquerschnitt auch ohne weitere externe optische Elemente, wie zum Beispiel externen Linsen oder einem gekrümmten externen Resonatorspiegel, im Vergleich zu einer ebenen Strahlungsaustrittsfläche verringert.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Halbleiterkörper ein Substrat auf und die Oberfläche des Substrats ist als Linse geformt. 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 worden sind.
  • Bei einer weiteren Ausgestaltung weist der Halbleiterkörper eine Stromaufweitungsschicht auf und die Oberfläche der Stromaufweitungsschicht ist als Linse geformt. In diesem Fall wird die von den mindestens zwei aktiven Schichten emittierte Laserstrahlung vorteilhaft durch die Stromaufweitungsschicht aus dem Halbleiterkörper ausgekoppelt. Die Stromaufweitungsschicht kann mittels eines Ätzprozesses zu einer Linse geformt werden, wobei die Ausbildung einer Linse in der Stromaufweitungsschicht vorteilhaft dadurch erleichtert wird, dass die Stromaufweitungsschicht typischerweise eine größere Dicke als die übrigen Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers aufweist. 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 als Linse ausgebildeten Stromaufweitungsschicht 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 als Linse geformte Oberfläche des Halbleiterkörpers, also beispielsweise eine als Linse geformte Oberfläche des Substrats oder einer Stromaufweitungsschicht, ist vorzugsweise mit einer reflexionserhöhenden Beschichtung versehen. Auf diese Weise wird erreicht, dass die als Linse geformte Oberfläche des Halbleiterkörpers teilreflektierend ist. Dadurch, dass ein Teil der auf die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers auftreffenden Laserstrahlung in den Halbleiterkörper zurückreflektiert wird, kann in dem Halbleiterkörper insbesondere ein Stehwellenfeld ausgebildet werden, wobei die mindestens zwei aktiven Zonen vorzugsweise derart angeordnet sind, dass sie sich in den Maxima des Stehwellenfeldes befinden. Weiterhin kann die reflexionserhöhende Beschichtung auch einen Resonatorspiegel des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ausbilden. Beispielsweise ist auf einer der Strahlungsaustrittsfläche gegenüberliegenden Seite des Halbleiterkörpers ein erster Resonatorspiegel, vorzugsweise ein Bragg-Reflektor, angeordnet. Die reflexionserhöhende Beschichtung auf der als Linse geformten Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers bildet vorteilhaft den zweiten Resonatorspiegel aus. Die mindestens zwei aktiven Schichten sind dabei zwischen dem ersten Resonatorspiegel und dem zweiten Resonatorspiegel angeordnet.
  • Alternativ ist es auch möglich, die als Linse geformte Oberfläche des Halbleiterkörpers, die als Strahlungsaustrittsfläche fungiert, mit einer reflexionsmindernden Beschichtung zu versehen. Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn der oberflächenemittierende Halbleiterlaser einen außerhalb des Halbleiterkörpers angeordneten externen Resonatorspiegel aufweist und die Reflexion an der Halbleiter-Luft-Grenzfläche an der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers vermindert werden soll.
  • Die reflexionserhöhende oder die reflexionsmindernde Beschichtung kann eine oder mehrere Schichten umfassen, wobei es sich vorzugsweise um eine oder mehrere dielektrische Schichten handelt.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist die in den Halbleiterkörper integrierte Linse eine in dem Halbleiterkörper erzeugte thermische Linse. Die Wirkung der thermischen Linse beruht darauf, dass der Brechungsindex eines Halbleitermaterials mit zunehmender Temperatur zunimmt. Ein Bereich des Halbleiterkörpers, der beim Betrieb des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers eine höhere Temperatur als benachbarte Bereiche aufweist, hat daher für die emittierte Laserstrahlung einen größeren Brechungsindex als die benachbarten Bereiche, die eine niedrigere Temperatur aufweisen.
  • Die thermische Linse kann beispielsweise dadurch in dem Halbleiterkörper erzeugt sein, dass an zumindest einer Oberfläche des Halbleiterkörpers eine Wärmesenke derart angeordnet ist, dass die Wärmeabfuhr aus dem Bereich der thermischen Linse geringer ist als in den angrenzenden Bereichen des Halbleiterkörpers.
  • Die Wärmesenke kann beispielsweise an einer parallel zu den aktiven Schichten verlaufenden Oberfläche des Halbleiterkörpers angeordnet sein, wobei die Wärmesenke in einem zentralen Bereich eine geringere thermische Leitfähigkeit aufweist als in einem Außenbereich. Bei dieser Ausgestaltung kann die Wärmesenke an der Strahlungsaustrittsfläche und/oder an einer der Strahlungsaustrittsfläche gegenüber liegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers angeordnet sein. Die Wärmesenke, die zugleich als Träger des Halbleiterkörpers dienen kann, weist beispielsweise eine zentrale Ausnehmung auf, sodass die Wärmeabfuhr in einem zentralen Bereich des Halbleiterkörpers geringer ist als in den Randbereichen des Halbleiterkörpers.
  • Beispielsweise kann die Wärmesenke ringförmig ausgeführt sein, sodass ein kreisförmiger Bereich in der Mitte des Halbleiterkörpers eine schlechtere Wärmeabfuhr beim Betrieb des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers und somit einen größeren Brechungsindex für die emittierte Laserstrahlung aufweist, als die benachbarten Randbereiche des Halbleiterkörpers.
  • Alternativ oder zusätzlich kann an den Seitenflanken des Halbleiterkörpers, die vorzugsweise senkrecht zu den aktiven Schichten verlaufen, eine Wärmesenke angeordnet sein. Auf diese Weise ist es möglich, die Wärmeabfuhr aus den Außenbereichen des Halbleiterkörpers zu verbessern, sodass sich in einem zentralen Bereich im Inneren des Halbleiterkörpers aufgrund der dort herrschenden höheren Temperatur eine thermische Linse ausbildet, die einen größeren Brechungsindex aufweist als die Randbereiche des Halbleiterkörpers.
  • Wie bei der Ausführungsform des Halbleiterkörpers, bei der eine Oberfläche des Halbleiterkörpers als Linse geformt ist, kann auch bei einer in dem Halbleiterkörper integrierten thermische Linse die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers mit einer reflexionserhöhenden oder reflexionsmindernden Beschichtung versehen sein. Die Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen der reflexionserhöhenden oder reflexionsmindernden Beschichtung sind dabei die gleichen wie zuvor im Zusammenhang mit der Beschichtung auf der als Linse geformten Oberfläche beschrieben.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der oberflächenemittierende Halbleiterlaser einen außerhalb des Halbleiterkörpers angeordneten externen Resonatorspiegel auf. Der externe Resonatorspiegel bildet zusammen mit einem in dem Halbleiterkörper enthaltenen Resonatorspiegel, beispielsweise einem Bragg-Spiegel, den Laserresonator des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers aus. Insbesondere ist der externe Resonatorspiegel also ein Resonatorendspiegel. Zwischen dem Halbleiterkörper und dem externen Resonatorspiegel kann gegebenenfalls ein weiterer Spiegel angeordnet sein, beispielsweise ein Faltungsspiegel zur Erzeugung eines gefaltenen Laserresonators.
  • Der externe Resonatorspiegel kann insbesondere ein ebener Spiegel sein. Dadurch, dass in den Halbleiterkörper eine Linse integriert ist, kann die Strahlformung der emittierten Laserstrahlung, insbesondere eine Verringerung des Strahlquerschnitts in dem Laserresonator, durch die in den Halbleiterkörper integrierte Linse erfolgen, sodass ein vergleichsweise einfach herzustellender, ebener externer Resonatorspiegel anstelle eines üblicherweise verwendeten gekrümmten externen Resonatorspiegels verwendet werden kann.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist in dem externen Resonator, also zwischen dem Halbleiterkörper und dem externen Resonatorspiegel, 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 Verwendung eines Frequenzkonversionselements in dem externen Resonator ist es vorteilhaft, wenn die Laserstrahlung einen geringen Strahlquerschnitt im Bereich des Frequenzkonversionselements aufweist. Dadurch, dass eine Linse in den Halbleiterkörper integriert ist, kann ein geringer Strahlquerschnitt im Bereich des Frequenzkonversionselements sogar dann erzielt werden, wenn der externe Resonatorspiegel ein ebener Spiegel ist. Ein gekrümmter externer Resonatorspiegel, der einen größeren Herstellungsaufwand erfordert, ist vorteilhaft nicht notwendig.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 8 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,
  • 5 einen schematisch dargestellten Querschnitt eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 6 einen schematisch dargestellten Querschnitt eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 7 einen schematisch dargestellten Querschnitt eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 8 einen schematisch dargestellten Querschnitt eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß einem achten 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 AlnGamIn1-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 AlnGamIn1-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 AlnGamIn1-n-mN, ein Antimonidverbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamIn1-n-mSb, oder ein Phosphidverbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamIn1-n-mP, 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 Al1-xGaxAs 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 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 dienende Oberfläche 5 des Substrats 6 ist vorteilhaft als Linse 4 ausgebildet. Die Linse 4 kann an der rückseitigen Oberfläche 5 des Substrats 6 insbesondere durch einen Ätzprozess ausgebildet werden. Dadurch, dass die Linse 4 in den Halbleiterkörper 1 integriert ist, erfolgt bereits beim Austritt der Laserstrahlung 13 aus dem Halbleiterkörper 1 eine Strahlformung.
  • Die in dem Halbleiterkörper 1 ausgebildete Linse 4 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 im Bereich des externen Resonatorspiegels 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.
  • 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 einen geringen Strahlquerschnitt aufweist. Die Effizienz der Frequenzkonversion wird durch einen geringen Strahlquerschnitt am Ort des Frequenzkonversionselements 12 verbessert. Die Integration der Linse 4 in den Halbleiterkörper 1 ist daher insbesondere vorteilhaft für frequenzverdoppelte oberflächenemittierende Halbleiterlaser.
  • In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers dargestellt, der eine Abwandlung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels ist. Der Aufbau und die Funktionsweise des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels entspricht im Wesentlichen dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Es unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Linse 4 nicht an einer Oberfläche eines Substrats des Halbleiterkörpers 1 ausgebildet ist, sondern in einer Stromaufweitungsschicht 7.
  • 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. Die Ausbildung einer Oberfläche der Stromaufweitungsschicht 7 als Linse 4 kann beispielsweise wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel mittels eines Ätzprozesses erfolgen. 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 Linse 4 dann in dem abgedünnten Aufwachssubstrat, ähnlich wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, ausgebildet 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, die als Linse 4 ausgebildet ist, mit einer reflexionserhöhenden Beschichtung 18 versehen ist. Die reflexionserhöhende Beschichtung 18 kann eine oder mehrere Schichten umfassen, durch die die Reflexion an der Halbleiter-Luft-Grenzfläche zwischen dem Halbleiterkörper 1 und dem zwischen dem Halbleiterkörper 1 und dem externen Spiegel 11 ausgebildeten externen Resonator erhöht wird. Die reflexionserhöhende Beschichtung 18 ist dabei so ausgebildet, dass nur ein Teil der aus dem Halbleiterkörper auf die reflexionserhöhende Beschichtung 18 auftreffenden Strahlung in den Halbleiterkörper zurückreflektiert wird und ein anderer Teil der Strahlung aus dem Halbleiterkörper 1 in den externen Resonator austreten kann. Vorzugsweise ist die reflexionserhöhende Beschichtung 18 aus einer oder mehreren dielektrischen Schichten gebildet, sie kann aber auch eine oder mehrere Halbleiterschichten oder metallische Schichten aufweisen.
  • Die Rückreflexion eines Teils der emittierten Laserstrahlung in den Halbleiterkörper 1 kann insbesondere dazu dienen, in dem Halbleiterkörper 1 ein Stehwellenfeld zu erzeugen, bei dem sich die aktiven Zonen 2 im Bereich der Maxima der elektrischen Feldstärke befinden. Auf diese Weise wird die Effizienz des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers verbessert.
  • 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.
  • Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Abwandlung des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels. Wie bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Linse 4 an der Oberfläche 5 einer Stromaufweitungsschicht 7 des Halbleiterkörpers 1 ausgebildet. Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Oberfläche 5 der Stromaufweitungsschicht 7, die als Linse 4 fungiert, mit einer reflexionserhöhenden Beschichtung 18 versehen ist.
  • Im Gegensatz zu dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die reflexionserhöhende Beschichtung 18 jedoch einen vergleichsweise hohen Reflexionsgrad auf und fungiert auf diese Weise als zweiter Resonatorspiegel des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers. Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält der oberflächenemittierende Halbleiterlaser daher keinen externen Resonatorspiegel, vielmehr wird der Laserresonator durch den in den Halbleiterkörper 1 integrierten Bragg-Spiegel 10 und die reflexionserhöhende Beschichtung 18 auf der als Strahlungsauskoppelfläche dienenden Oberfläche 5 der Stromaufweitungsschicht 7 gebildet.
  • In diesem Fall dient die Linse 4 im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbispielen nicht dazu, den Strahlquerschnitt in einem externen Resonator zu verringern. Vielmehr bildet die Innenfläche der Linse 4, die mit der reflexionserhöhenden Beschichtung 18 versehen ist, mit dem ersten Resonatorspiegel 10 einen plankonkaven Laserresonator in dem Halbleiterkörper 1 aus. Der auf diese Weise in dem Halbleiterkörper 1 ausgebildete plankonkave Resonator zeichnet sich durch einen stabileren Betrieb als ein Resonator aus zwei ebenen Spiegeln aus.
  • Im Übrigen entspricht das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel hinsichtlich seiner Funktion und der vorteilhaften Ausgestaltungen den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen und wird daher nicht nochmals näher im Detail erläutert.
  • Das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen dadurch, dass die Linse 4 nicht an einer Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 ausgebildet ist. Vielmehr ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Linse 4 in Form einer thermischen Linse 20 in den Halbleiterkörper 1 integriert. Bei der thermischen Linse 20 handelt es sich um einen Bereich des Halbleiterkörpers 1, in dem der Brechungsindex aufgrund einer Temperaturdifferenz von benachbarten Bereichen des Halbleiterkörpers 1 abweicht. Die thermische Linse 20 kann beispielsweise in dem Substrat 6 des Halbleiterkörpers 1 ausgebildet sein. Vorzugsweise handelt es sich bei der thermischen Linse 20 um einen Bereich innerhalb des Substrats 6, in dem die Temperatur gegenüber den benachbarten Bereichen erhöht ist. Der Bereich der thermischen Linse 20 weist daher einen höheren Brechungsindex als die benachbarten Bereiche des Substrats 6 auf.
  • Zur Ausbildung der thermischen Linse 20 in einem zentralen Teilbereich des Substrats 6 tragen bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Faktoren bei. Zum einen bedeckt der an das Substrat 6 angrenzende erste Kontakt 14, der insbesondere den p-Kontakt des Halbleiterkörpers 1 ausbildet, nur einen Randbereich des Substrats 6, während der auf die gegenüberliegende Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 aufgebrachte zweite elektrische Kontakt 15, der insbesondere den n-Kontakt des Halbleiterkörpers 1 ausbildet, nur auf einen zentralen Teilbereich des Halbleiterkörpers 1 aufgebracht ist. Der erste elektrische Kontakt 14 kann beispielsweise als Ringkontakt ausgeführt sein.
  • Durch diese Anordnung der elektrischen Kontakte 14, 15 auf dem Halbleiterkörper 1 bildet sich in dem Halbleiterkörper 1 ein Strompfad aus, der durch die Linien 19 angedeutet wird. Der Strom fließt ausgehend von dem im Außenbereich des Halbleiterkörpers 1 angeordneten ersten elektrischen Kontakt 14 in Richtung des Zentrums des Halbleiterkörpers 1, wobei es vorteilhaft ist, wenn sich das Substrat 6 durch eine hohe Querleitfähigkeit auszeichnet. Durch die Konzentration des Strompfades 19 in Richtung des Zentrums des Halbleiterkörpers 1, insbesondere auch zum Zentrum des Substrats 6 hin, erhöht sich die Temperatur des Substrats 6 in einem zentralen Bereich beim Betrieb des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers stärker als in den Randbereichen.
  • Zum anderen beruht die Ausbildung der thermisch Linse 20 darauf, dass der Halbleiterkörper 1 mit Wärmesenken 21, 22 versehen ist, die eine Wärmeabfuhr aus den Randbereichen des Halbleiterkörpers 1 begünstigen. Die Seitenflanken des Halbleiterkörpers 1 sind jeweils mit einer Wärmesenke 21 versehen, wobei zwischen den Wärmesenken 21 und den Seitenflanken des Halbleiterkörpers 1 vorteilhaft jeweils eine elektrisch isolierende Schicht 17 angeordnet ist. Auf diese Weise wird ein Kurzschluss an der Seitenflanke des Halbleiterkörpers 1 durch die Wärmesenken 21 verhindert. Die an den Seitenflanken des Halbleiterkörpers 1 angeordneten Wärmesenken 21 verbessern insbesondere die Wärmeabfuhr aus den Außenbereichen des Halbleiterkörpers 1, wodurch das Ausbilden einer thermischen Linse 20 in einem zentralen Bereich des Substrats 6 begünstigt wird.
  • Weiterhin ist eine weitere Wärmesenke 22 an der parallel zu den aktiven Schichten 2 verlaufenden Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 angeordnet, die gleichzeitig als Strahlungsauskoppelfläche dient. Die Wärmesenke 22 weist eine zentrale Ausnehmung auf, durch die die Laserstrahlung 13 aus dem Halbleiterchip 1 ausgekoppelt wird. Aufgrund der zentralen Ausnehmung wird auch durch die Wärmesenke 22 die Wärmeabfuhr aus den Randbereichen des Halbleiterchips 1 gegenüber einem zentralen Bereich verbessert. Auf diese Weise wird die Ausbildung einer thermischen Linse 20 in dem Substrat 6 weiter gefördert.
  • Im Übrigen entspricht das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel und wird daher bezüglich der weiteren Details an dieser Stelle nicht näher erläutert.
  • Das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die thermische Linse 20 nicht in dem Substrat 6, sondern in einer Stromaufweitungsschicht 7 angeordnet ist, von der das ursprüngliche Aufwachssubstrat 6 vorteilhaft abgelöst wurde. Die Schichtenfolge des Halbleiterkörpers 1 des in 6 dargestellten Ausführungsbeispiels entspricht also dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel. Die thermische Linse 20 wird analog zu dem Ausführungsbeispiel in 5 durch Ausbildung eines Strompfades 19 mittels einer geeigneten Anordnung der elektrischen Kontakte 14, 15 und durch die Anbringung von Wärmesenken 21, 22 an dem Halbleiterkörper 1 erzeugt.
  • In 7 ist eine Abwandlung des in 5 dargestellten Ausführungsbeispiels dargestellt, das sich von dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass die als Strahlungsaustrittsfläche dienende Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 mit einer reflexionserhöhenden Beschichtung 18 versehen ist. Die Wirkungsweise der reflexionserhöhenden Beschichtung 18 und die damit verbundenen Vorteile entsprechen den zuvor im Zusammenhang mit der 3 erläuterten Vorteile einer reflexionserhöhenden Beschichtung 18 auf der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers 1.
  • 8 zeigt eine Abwandlung des in 6 dargestellten Ausführungsbeispiels, bei dem eine thermische Linse 20 in der Stromaufweitungsschicht 7 des Halbleiterkörpers 1 erzeugt ist. Wie bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers 1 mit einer reflexionserhöhenden Beschichtung 18 versehen. In diesem Fall wird durch die reflexionserhöhende Beschichtung 18 gleichzeitig der zweite Resonatorspiegel des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ausgebildet. Durch die Ausbildung der thermischen Linse 20 in dem Halbleiterkörper 1 wird der aus der reflexionserhöhenden Beschichtung 18 und dem ersten Resonatorspiegel 10 gebildete Laserresonator stabilisiert.
  • 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]

Claims (15)

  1. 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, dadurch gekennzeichnet, dass in den Halbleiterkörper (1) eine Linse (4) integriert ist.
  2. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche (5) des Halbleiterkörpers (1) als Linse (4) geformt ist.
  3. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (1) ein Substrat (6) aufweist und die Oberfläche (5) des Substrats (6) als Linse (4) geformt ist.
  4. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (1) eine Stromaufweitungsschicht (7) aufweist und die Oberfläche (5) der Stromaufweitungsschicht (7) als Linse (4) geformt ist.
  5. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die als Linse (4) geformte Oberfläche (5) mit einer reflexionserhöhenden Beschichtung (18) versehen ist.
  6. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (4) eine in dem Halbleiterkörper (1) erzeugte thermische Linse (20) ist.
  7. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einer Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) eine Wärmesenke (21, 22) derart angeordnet ist, dass die Wärmeabfuhr aus dem Bereich der thermischen Linse (20) geringer ist als in den angrenzenden Bereichen des Halbleiterkörpers (1).
  8. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (22) an einer parallel zu den aktiven Schichten (2) verlaufenden Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) angeordnet ist, wobei die Wärmesenke (22) in einem zentralen Bereich eine geringere thermische Leitfähigkeit aufweist als in einem Außenbereich.
  9. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (22) eine Ausnehmung aufweist.
  10. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (21) an den Seitenflanken des Halbleiterkörpers (1) angeordnet ist.
  11. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers (1) mit einer reflexionserhöhenden Beschichtung (18) versehen ist.
  12. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen außerhalb des Halbleiterkörpers (1) angeordneten externen Resonatorspiegel (11) aufweist.
  13. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der externe Resonatorspiegel (11) ein ebener Spiegel ist.
  14. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Halbleiterkörper (1) und dem externen Resonatorspiegel (11) ein Frequenzkonversionselement (12) angeordnet ist.
  15. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (13) im Bereich des Frequenzkonversionselements (12) einen geringeren Strahlquerschnitt als an einer Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers (1) aufweist.
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