DE102008058435A1

DE102008058435A1 - Kantenemittierender Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE102008058435A1
Application number: DE102008058435A
Authority: DE
Inventors: Hans-Christoph Eckstein; Uwe Dr. Zeitner; Wolfgang Dr. Schmid
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Ams Osram International GmbH
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2028-11-22
Also published as: JP2012509583A; WO2010057955A2; JP5529151B2; WO2010057955A3; EP2347479A2; US20110317732A1; US8363688B2; DE102008058435B4

Abstract

Es wird ein kantenemittierender Halbleiterlaser mit einem Halbleiterkörper (1), der einen Wellenleiterbereich (2) aufweist, angegeben. Der Wellenleiterbereich (2) weist eine untere Mantelschicht (3a), eine untere Wellenleiterschicht (4a), eine aktive Schicht (5) zur Erzeugung von Laserstrahlung, eine obere Wellenleiterschicht (4b) und eine obere Mantelschicht (3b) auf. Weiterhin weist der Wellenleiterbereich (2) mindestens einen strukturierten Bereich (6) zur Streuung der Laserstrahlung auf, in dem eine laterale Grundmode der Laserstrahlung geringere Streuverluste als die Strahlung höherer Lasermoden erfährt.

Description

Die Erfindung betrifft einen kantenemittierenden Halbleiterlaser, insbesondere einen Breitstreifenlaser.
Laserdioden mit hohen Ausgangsleistungen werden hauptsächlich als so genannte Breitstreifenlaser gefertigt. Die Verstärkung des optischen Feldes findet dabei in einer aktiven Schicht, die zum Beispiel eine Quantentopfstruktur enthält, statt. Die aktive Schicht des Halbleiterlasers ist typischerweise in Wellenleiterschichten eingebettet, in denen sich die Lasermoden ausbreiten können. Die Leistungsfähigkeit des Halbleiterlasers wird durch die Leistungsdichte der Lasermoden im Facettenbereich begrenzt. Zu große Spitzenfeldstärken an der Seitenfacette führen zum Aufschmelzen des Halbleitermaterials und zur Zerstörung des Halbleiterlasers. Diese Beschädigung des Lasers wird als COMD (Catastrophic Optical Mirror Damage) bezeichnet.
Durch eine große laterale Ausdehnung der aktiven Schicht kann eine hohe optische Leistung aus dem Kantenemitter ausgekoppelt werden, ohne die kritische Leistungsdichte zu überschreiten. Mit der Verbreiterung der aktiven Schicht erhöht sich jedoch auch die Anzahl der Transversalmoden, die in dieser Richtung in dem Wellenleiter verstärkt werden können, was eine Verschlechterung der Strahlqualität der ausgekoppelten Laserstrahlung zur Folge hat.
Für die meisten Anwendungen von Halbleiterlasern ist ein Betrieb in der transversalen Grundmode (Single-Mode Laser) wünschenswert, da das Intensitätsprofil der lateralen Grundmode eine Strahlformung und insbesondere die Einkopplung der Laserstrahlung in Lichtleiter erleichtert. Außerdem kann in diesem Fall die maximale Leistung des Halbleiterlaser erhöht werden, da die Grundmode typischerweise keine ausgeprägten Intensitätsspitzen aufweist.
Bei der Verstärkung der gewünschten lateralen Grundmode in dem Wellenleiter des Halbleiterlasers wird die Verstärkung des Halbleitermaterials örtlich selektiv abgebaut, insbesondere in einem zentralen Bereich des Wellenleiters. Andererseits bleibt die Verstärkung in den Randbereichen des Wellenleiters weiterhin groß. Diese Verstärkung kann ausreichen, höhere Moden anschwingen zu lassen. Experimentelle Untersuchungen an Breitstreifenlasern zeigen, dass die Intensitätsverteilungen der emittierten Strahlung zu Leistungsüberhöhungen im Außenbereich der aktiven Zone neigen. Diese Beobachtung lässt sich durch Superposition höherer Moden erklären, die im Außenbereich des Wellenleiters eine große Verstärkung erfahren.
Ein Ansatz zur Formung der Lasermoden in Halbleiter-Breitstreifenlasern ist das Einbringen so genannter Phasenstrukturen, das in der Druckschrift WO 01/97349 A1 beschrieben wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten kantenemittierenden Halbleiterlaser anzugeben, der sich durch eine hohe Strahlqualität, insbesondere einen Betrieb in der lateralen Grundmode, auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch einen kantenemittierenden Halbleiterlaser gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform enthält der kantenemittierende Halbleiterlaser, bei dem es sich bevorzugt um einen Breitstreifenlaser handelt, einen Halbleiterkörper, der einen Wellenleiterbereich aufweist. Der Wellenleiterbereich enthält vorzugsweise eine Schichtenfolge aus einer unteren Mantelschicht, einer unteren Wellenleiterschicht, einer aktiven Schicht zur Erzeugung von Laserstrahlung, einer oberen Wellenleiterschicht und einer oberen Mantelschicht. Die untere und die obere Mantelschicht weisen vorteilhaft einen geringeren Brechungsindex als die Wellenleiterschichten, in die die aktive Schicht eingebettet ist, auf. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Laserstrahlung im Wesentlichen in dem aus den Wellenleiterschichten mit der eingebetteten aktiven Schicht gebildeten Wellenleiterkern geführt wird.
Der Wellenleiterbereich weist vorteilhaft mindestens einen strukturierten Bereich zur Modenselektion auf. Der strukturierte Bereich ist derart strukturiert, dass die laterale Grundmode der Laserstrahlung geringere Verluste als die Strahlung höherer Lasermoden erfährt. Aufgrund des strukturierten Bereichs erfährt die Laserstrahlung, die sich in dem Wellenleiterbereich ausbreitet, lokale Verluste, wobei der strukturierte Bereich derart ausgebildet ist, dass höhere Lasermoden stärker gedämpft werden als die laterale Grundmode. Auf diese Weise kann insbesondere erreicht werden, dass beim Betrieb des Halbleiterlasers nur die laterale Grundmode anschwingt.
Dadurch, dass höhere Moden der Laserstrahlung unterdrückt werden und vorzugsweise nur die laterale Grundmode anschwingt, wird eine hohe Strahlqualität des kantenemittierenden Halbleiterlasers erzielt. Insbesondere eignet sich das Strahlprofil der lateralen Grundmode gut für eine Strahlformung mit optischen Elementen und insbesondere für die Einkopplung in eine Lichtleitfaser mit großer Effizienz. Weiterhin werden auf diese Weise Intensitätsspitzen an der Seitenfacette des Halbleiterlasers, an der die Strahlung ausgekoppelt wird, vermindert, so dass mit dem Halbleiterlaser eine hohe Ausgangsleistung erzielt werden kann.
Der mindestens eine strukturierte Bereich ist bevorzugt ausschließlich in der oberen Wellenleiterschicht und der oberen Mantelschicht ausgebildet. Insbesondere erstreckt sich der strukturierte Bereich nicht bis in die aktive Schicht des kantenemittierenden Halbleiterlasers, die beispielsweise als Einfach- oder Mehrfachquantentopfstruktur ausgebildet ist.
Besonders bevorzugt ist der mindestens eine strukturierte Bereich ausschließlich in der oberen Mantelschicht ausgebildet. Diese Ausgestaltung macht sich zunutze, dass sich die Laserstrahlung zwar im Wesentlichen in dem Wellenleiterkern, der aus den Wellenleiterschichten und der darin eingebetteten aktiven Schicht gebildet wird, ausbreitet, wobei sich das Modenprofil aber wegen des endlichen Brechungsindexsprungs zwischen den Wellenleiterschichten und den Mantelschichten aber zumindest teilweise bis in die Mantelschichten hinein ausbreitet. Somit können den Lasermoden auch durch Strukturen in der oberen Mantelschicht gezielt Verluste zugeführt werden, die das Anschwingen höherer Lasermoden verhindern. Insgesamt ist die Dämpfung der Laserstrahlung durch den strukturierten Bereich in der oberen Mantelschicht aber nur vorteilhaft gering, sodass mit den kantenemittierenden Halbleiterlaser eine vergleichsweise hohe Ausgangsleistung erzielt werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der strukturierte Bereich mindestens einen Graben, der sich von einer Oberseite des Halbleiterkörpers in den Wellenleiterbereich hinein erstreckt. Der mindestens eine Graben ist vorzugsweise nur in der oberen Mantelschicht des Wellenleiterbereichs ausgebildet, das heißt seine Tiefe ist nicht größer als die Dicke der oberen Mantelschicht. Die Tiefe des mindestens einen Grabens wird vorzugsweise so gewählt, dass unter der tiefsten Stelle des Grabens weniger als 300 nm der oberen Wellenleiterschicht verbleiben.
Der mindestens eine Graben weist bevorzugt eine Tiefe zwischen einschließlich 500 nm und 1500 nm auf. Die Breite des mindestens einen Grabens beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 1 μm und 4 μm. Der mindestens eine Graben kann zum Beispiel durch einen Ätzprozess in dem Halbleitermaterial des Wellenleiterbereichs, insbesondere der oberen Mantelschicht, erzeugt werden.
Vorzugsweise verläuft der mindestens eine Graben parallel zu einer Seitenfacette des Halbleiterlasers. Die Laserstrahlung trifft daher bei ihrer Ausbreitung in den Wellenleiterbereich vorzugsweise senkrecht auf den mindestens einen Graben. Bei der Durchquerung des Grabens erfährt die Laserstrahlung beim Eintritt in den Graben an einer ersten Seitenflanke des Grabens und beim Austritt aus dem Graben an einer zweiten Seitenflanke des Grabens jeweils Streuverluste. Die Laserstrahlung wird bei einem Durchgang durch den Graben vorteilhaft um weniger als zehn Prozent, bevorzugt um weniger als fünf Prozent gedämpft. Beispielsweise kann bei der Durchquerung eines Grabens ein Verlust von etwa zwei Prozent auftreten. Die Höhe des Verlusts, die die Laserstrahlung bei der Durchquerung des Grabens erfährt, hängt insbesondere von der Form und der Tiefe des Grabens sowie bei mehreren Gräben von der Anzahl der Gräben ab.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich der mindestens eine Graben von einem Randbereich des Wellenleiterbereichs in Richtung des Zentrums des Wellenleiterbereichs. Das Zentrum des Wellenleiterbereichs ist vorzugsweise frei von Gräben. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass höhere transversale Lasermoden, die sich in den Randbereichen des Wellenleiterbereichs ausbreiten, höhere Verluste erfahren, als die transversale Grundmode, die ein Intensitätsmaximum im Zentrum des Wellenleiterbereichs aufweist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich eine Vielzahl von Gräben von einem Randbereich des Wellenleiterbereichs unterschiedlich weit in das Zentrum des Wellenleiterbereichs hinein. Die Gräben sind vorzugsweise derart angeordnet, dass die Anzahl der Gräben, die von der sich in den Wellenbereich ausbreitenden Laserstrahlung passiert werden, von dem Randbereich zu dem zentralen Bereich des Wellenleiters hin abnimmt. Auf diese Weise wird erreicht, dass höhere Lasermoden, welche signifikante Intensitäten in den Randbereichen des Wellenleiterbereichs aufweisen, aufgrund der größeren Anzahl der Gräben in dem Randbereich höhere Verluste erfahren als die zentrale Grundmode, deren Intensitätsmaximum sich im Zentrum des Wellenleiterbereichs befindet. Insbesondere kann ein zentraler Bereich des Wellenleiterbereichs frei von Gräben sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der mindestens eine Graben eine variable Tiefe auf. Die Tiefe des Grabens nimmt dabei von einem Randbereich zu einem zentralen Bereich des Wellenleiterbereichs hin ab. Beispielsweise können einer oder mehrere Gräben von der Mitte des Wellenleiterbereichs beidseitig zu den Randbereichen des Wellenleiterbereichs hin geführt sein, wobei die Tiefe des Grabens von innen nach außen hin zunimmt. Da die Verluste, die die sich ausbreitende Laserstrahlung beim Durchqueren des mindestens einen Grabens erfährt, mit zunehmender Tiefe des Grabens zunehmen, kann die Stärke der Verluste durch die Einstellung der Tiefe des mindestens einen Grabens lokal variiert werden. Durch eine größere Tiefe des mindestens einen Grabens in den Außenbereichen des Wellenleiterbereichs im Vergleich zum Zentrum des Wellenleiterbereichs erfahren höhere Lasermoden größere Verluste als die zentrale Grundmode.
Bei einer weiteren Ausgestaltung weist der mindestens eine Graben Seitenflanken mit einer variablen Form auf. Die Form der Seitenflanken variiert vorzugsweise in einer Längsrichtung des Grabens. Insbesondere können die Seitenflanken eine variable Flankensteilheit aufweisen. Bevorzugt nimmt die Flankensteilheit von einem Randbereich zu einem zentralen Bereich des Wellenleiterbereichs hin ab. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die höheren Lasermoden an den steilen Flanken der Randbereiche größere Verluste erfahren als die laterale Grundmode in dem zentralen Bereich des Wellenleiterbereichs.
Die zuvor beschriebenen Möglichkeiten zur lokalen Variation der Verluste durch die in den Wellenleiterbereich eingebrachten Gräben, insbesondere die Anzahl, die Form und die Tiefe der Gräben, können auch miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann sowohl die Anzahl als auch die Tiefe der Gräben von den Randbereichen des Wellenleiterbereichs zu einem zentralen Bereich des Wellenleiterbereichs hin abnehmen. Alternativ kann beispielsweise die Flankensteilheit und die Tiefe der Gräben von einem zentralen Bereich des Wellenleiterbereichs zu den Randbereichen hin zunehmen. So ist es möglich, die Dämpfung der Lasermoden über die Breite des Wellenleiterbereichs gezielt einzustellen, und auf diese Weise die Verluste der höheren Lasermoden derart zu erhöhen, dass der kantenemittierende Halbleiterlaser nur in der lateralen Grundmode anschwingt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 5 näher erläutert.
Es zeigen:
1A und 1B einen kantenemittierenden Halbleiterlaser gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einem Querschnitt und in einer Aufsicht,
2A bis 2D ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines kantenemittierenden Halbleiterlasers anhand von schematisch dargestellten Zwischenschritten,
3A bis 3C den strukturierten Bereich bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des kantenemittierenden Halbleiterlasers in einer Draufsicht und in Schnittdarstellungen,
4A bis 4D den strukturierten Bereich bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des kantenemittierenden Halbleiterlasers in einer Draufsicht und in Schnittdarstellungen, und
5A bis 5C den strukturierten Bereich bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des kantenemittierenden Halbleiterlasers in einer Draufsicht und in Schnittdarstellungen.
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
In den 1A und 1B ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines kantenemittierenden Halbleiterlasers dargestellt. 1A zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-B der in 1B dargestellten Aufsicht.
Der kantenemittierende Halbleiterlaser weist einen Halbleiterkörper 1 auf, in dem ein Wellenleiterbereich 2 enthalten ist. Der Wellenleiterbereich 2 umfasst eine untere Wellenleiterschicht 4a und eine obere Wellenleiterschicht 4b, zwischen denen eine zur Erzeugung von Laserstrahlung vorgesehene aktive Schicht 5 angeordnet ist.
Bei der aktiven Schicht 5 des kantenemittierenden Halbleiterlasers kann es sich insbesondere um eine Einfach- oder Mehrfachquantentopfstruktur handeln.
Die Wellenleiterschichten 4a, 4b mit der dazwischen eingebetteten aktiven Schicht 5 bilden einen Wellenleiterkern 8 aus. Der Wellenleiterkern 8 ist zwischen einer unteren Mantelschicht 3a und einer dem Wellenleiterkern 8 in Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers 1 nachfolgenden oberen Mantelschicht 3b angeordnet. Die untere Mantelschicht ist auf einer einem Substrat 10 des Halbleiterkörpers 1 zugewandten Seite angeordnet und die obere Mantelschicht 3b ist auf einer von der aktiven Schicht 5 aus gesehen dem Substrat 10 abgewandten Seite des Halbleiterkörpers 1 angeordnet.
Zwischen dem Substrat 10 des Halbleiterkörpers 1 und der unteren Mantelschicht 3a können eine oder mehrere Zwischenschichten 13 angeordnet sein. Die elektrische Kontaktierung des kantenemittierenden Halbleiterlasers erfolgt beispielsweise durch eine erste elektrische Kontaktschicht 11 an der von der aktiven Schicht 5 abgewandten Rückseite des Substrats 10 und eine zweite elektrische Kontaktschicht 12 an einer von dem Substrat 10 abgewandten Oberseite des Halbleiterkörpers 1. Zwischen der oberen Mantelschicht 3b und der elektrischen Kontaktschicht 12 können eine oder mehrere weitere Zwischenschichten (nicht dargestellt) angeordnet sein.
Die Mantelschichten 3a, 3b weisen vorteilhaft einen geringeren Brechungsindex als die Wellenleiterschichten 4a, 4b auf, wodurch die sich in lateraler Richtung ausbreitende Laserstrahlung im Wesentlichen in dem Wellenleiterkern 8 geführt wird. Wegen des endlichen Brechungsunterschieds zwischen den Wellenleiterschichten 4a, 4b und den Mantelschichten 3a, 3b breiten sich die Lasermoden aber auch zumindest teilweise bis in die Mantelschichten 3a, 3b aus. Daher ist es möglich, die sich in dem Wellenleiterbereich 2 ausbreitenden Lasermoden durch eine Änderung der Eigenschaften der Mantelschichten 3a, 3b zu beeinflussen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Wellenleiterbereich 2 strukturierte Bereiche 6 auf, die in der Nähe einer Seitenfacette 9 des Halbleiterkörpers 1 angeordnet sind. Die strukturierten Bereiche 6 sind jeweils ausschließlich in der oberen Mantelschicht 3b ausgebildet.
Die strukturierten Bereiche 6 umfassen jeweils mehrere Gräben 7, die sich von der Oberseite des Halbleiterkörpers 1 in die obere Mantelschicht 3b hinein erstrecken. Die Gräben 7. befinden sich in einem von der zweiten Kontaktschicht 12 ausgesparten Bereich der oberen Mantelschicht 3b. Alternativ wäre es aber auch möglich, einen oder mehrere Gräben unterhalb der zweiten Kontaktschicht 12 anzuordnen.
Die Gräben weisen bevorzugt eine Tiefe zwischen einschließlich 500 nm und 1500 nm auf. Die Gräben erstrecken sich vorzugsweise derart tief in die obere Mantelschicht hinein, dass unterhalb der tiefsten Stelle der Gräben nicht mehr als 300 nm der oberen Mantelschicht verbleiben. Beispielsweise sollten die Gräben bei einer 1000 nm dicken oberen Mantelschicht mindestens 700 nm tief sein.
Die Breite der Gräben beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 1 μm und 4 μm, zum Beispiel 2 μm.
Die Gräben 7 verlaufen parallel zur Schichtebene der oberen Mantelschicht 3b und vorzugsweise parallel zur Seitenfacette 9 des Halbleiterkörpers 1. Insbesondere verlaufen die Gräben 7 parallel zueinander und senkrecht zu den Längsseiten des Halbleiterchips 1. Die Gräben 7 können insbesondere periodisch angeordnet sein, das heißt sie weisen gleiche Abstände untereinander auf.
Die Gräben verlaufen von einem Randbereich der oberen Mantelschicht 3b, insbesondere von den Längsseiten des Halbleiterchips 1, in Richtung des Zentrums der oberen Mantelschicht 3b. Dabei erstrecken sich die Gräben unterschiedlich weit in die obere Mantelschicht 3b hinein.
Wie in der Aufsicht in 1B zu erkennen ist, können sich die Gräben zum Beispiel desto weiter in das Zentrum der oberen Mantelschicht 3b hinein erstrecken, je geringer ihr Abstand zur Seitenfacette 9 des Halbleiterkörpers 1 ist. Die laterale Ausdehnung der Gräben 7 kann dabei beispielsweise stufenweise variieren. Die beiden strukturierten Bereiche 6 mit den Gräben 7 sind vorzugsweise symmetrisch auf beiden Seiten des Halbleiterkörpers 1 angeordnet. Das Zentrum des Wellenleiterbereichs 2 ist dabei frei von Gräben 7.
Durch die Anordnung der Gräben 7 wird erreicht, dass die laterale Grundmode bei der Ausbreitung in dem Wellenleiterbereich 2 geringere Verluste erfährt als höhere Lasermoden. Dies beruht darauf, dass die sich zumindest teilweise in der Mantelschicht 3b ausbreitende Laserstrahlung in den Randbereichen eine größere Anzahl von Gräben 7 durchdringen muss als im Zentrum des Wellenleiterbereichs 2, und somit höhere Lasermoden vergleichsweise große Verluste erfahren. An den Seitenflanken der Gräben 7 treten wie bei der Stoßkopplung von unterschiedlichen Schichtwellenleitern Streuverluste auf. Dabei geht ein Teil der Energie des elektrischen Feldes aus dem Wellenleiterbereich in nicht wellenleitende Bereiche über.
Der Einfluss der Gräben 7 auf die laterale Grundmode, die ein Intensitätsmaximum im Zentrum des Wellenleiterbereichs 2 aufweist, ist dagegen nur gering.
Die Verluste, die eine umlaufende Lasermode beim Durchqueren der strukturierten Bereiche 6 erfährt, können insbesondere durch die räumliche Anordnung und die Anzahl der Gräben 7 beeinflusst werden. Weiterhin beeinflussen insbesondere auch die Tiefe und die Form der Flanken der Gräben 7 den Energieverlust der Lasermode bei der Durchquerung der Gräben. Der Energieverlust beim Durchqueren der Gräben wird im Wesentlichen über Streuung der Laserstrahlung bewirkt. Vorzugsweise sind die Gräben 7 nicht mit einem Material gefüllt, das für die Laserstrahlung absorbierend ist, insbesondere können die Gräben 7 frei von festem Material sein und beispielsweise Luft enthalten. Zwar können die sich in dem Wellenleiter ausbreitenden Moden auch durch absorbierende Strukturen beeinflusst werden. Strukturen mit einer nur unwesentlichen Absorption haben aber den Vorteil, dass nur ein geringer Wärmeeintrag in den Halbleiterkörper 1 erfolgt.
Die Gräben 7 können in dem Halbleiterkörper 1 insbesondere mittels eines Ätzverfahrens erzeugt werden. Zur gezielten Strukturierung können dabei bekannte Verfahren der Fotolithografie eingesetzt werden.
In den 2A bis 2D ist ein Verfahren zur Herstellung eines Ausführungsbeispiels eines kantenemittierenden Halbleiterlasers anhand von schematisch dargestellten Zwischenschritten dargestellt.
Wie in 2A dargestellt wird zunächst die Halbleiterschichtenfolge des kantenemittierenden Halbleiterlasers auf ein Substrat 10 aufgewachsen. Das Aufwachsen der Halbleiterschichten erfolgt vorzugsweise epitaktisch, beispielsweise mittels MOVPE. Auf das Substrat 10 sind nacheinander eine oder mehrere Zwischenschichten 13, beispielsweise Pufferschichten, eine untere Mantelschicht 3a, eine untere Wellenleiterschicht 4a, eine aktive Schicht 5, eine obere Wellenleiterschicht 4b und die obere Mantelschicht 3b abgeschieden. Die zwischen den Wellenleiterschichten 4a, 4b eingeschlossene aktive Schicht 5 und die Mantelschichten 3a, 3b bilden den Wellenleiterbereich 2 aus.
Die Halbleiterschichtenfolge des kantenemittierenden Halbleiterlasers kann insbesondere auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial basieren. Je nach Wellenlänge des kantenemittierenden Halbleiterlasers können beispielsweise Arsenid-, Phosphid-, oder Nitridverbindungshalbleitermaterialien eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Halbleiterschichtenfolge In_xAl_yGa_1-x-yAs, In_xAl_yGa_1-x-yP oder In_xAl_yGa_1-x-yN, jeweils mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, enthalten. Dabei muss das III-V-Verbindungshalbleitermaterial nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach einer der obigen Formeln aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die physikalischen Eigenschaften des Materials im wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhalten obige Formeln jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Die Materialauswahl erfolgt dabei anhand der gewünschten Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers. Das Substrat 10 wird anhand der vorzugsweise epitaktisch aufzuwachsenden Halbleiterschichtenfolge ausgewählt und kann insbesondere ein GaAs-, GaN- oder ein Siliziumsubstrat sein.
Die aktive Schicht 5 kann sich aus mehreren Einzelschichten, insbesondere einer Einfach- oder Mehrfachquantentopfstruktur zusammensetzen. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst dabei jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss (Confinement) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Bei dem in 2B dargestellten Zwischenschritt ist ein strukturierter Bereich 6 in dem Wellenleiterbereich 2 dadurch erzeugt worden, dass Gräben 7 in die obere Mantelschicht 3b geätzt wurden. Die Gräben 7 können beispielsweise wie bei dem in den 1A und 1B dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein und sich insbesondere in der Schichtebene der oberen Mantelschicht 3b parallel zu der Seitenflanke 9 des Halbleiterchips 1 erstrecken.
Der strukturierte Bereich 6, beispielsweise ein mit Gräben 7 durchzogener Bereich, kann in einem weiteren Verfahrensschritt mit einer Beschichtung 14 versehen werden, wie in 2C dargestellt ist. Insbesondere kann eine Passivierungsschicht 14 auf die in dem Wellenleiterbereich 2 erzeugte Struktur aufgebracht werden. Bei der Passivierungsschicht 14 kann es sich beispielsweise um eine Silizium-Nitridschicht handeln. Die auf den strukturierten Bereich 6 aufgebrachte Beschichtung 14 kann die Gräben 7, wie in 2C dargestellt, zumindest teilweise auffüllen, so dass beispielsweise der Boden und die Seitenflanken der Gräben 7 von der Passivierungsschicht 14 bedeckt sind.
Bei dem in 2D dargestellten Verfahrensschritt sind Kontaktmetallisierungen 11, 12 auf die von den Halbleiterschichten abgewandte Rückseite des Substrats 10 und auf die dem Substrat 10 gegenüberliegende Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 aufgebracht worden. Die Kontaktmetallisierungen 11, 12 sind beispielsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet. Es muss sich bei den Kontaktmetallisierungen nicht notwendigerweise um Einzelschichten handeln, sondern sie können auch aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt sein, zum Beispiel aus einer Titan-Platin-Gold-Schichtenfolge.
Weiterhin ist bei dem in 2D dargestellten Verfahrensschritt eine Beschichtung 15 auf die Seitenfacetten 9 des Halbleiterkörpers 1 aufgebracht worden. Bei der Beschichtung 15 kann es sich insbesondere um eine reflexionserhöhende Beschichtung handeln, zum Beispiel um einen dielektrischen Spiegel. Der dielektrische Spiegel kann beispielsweise eine Vielzahl von alternierenden dielektrischen Schichten enthalten und erhöht die Reflexion an den Seitenfacetten des Halbleiterkörpers zur Ausbildung eines Laserresonators.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des strukturierten Bereichs 6 in der oberen Mantelschicht 3b ist in 3A in einer Aufsicht, in 3B in einer Schnittdarstellung entlang der Linie C-D der 3A und in 3C in einer Schnittdarstellung entlang der Linie E-F der 3A dargestellt.
Die Gräben 7 verlaufen wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel parallel zu einer Seitenfacette 9 des Halbleiterlasers, die mit einer reflexionserhöhenden Beschichtung 15 versehen ist. Die Gräben 7 erstrecken sich von Randbereichen der oberen Mantelschicht 3b in das Zentrum der oberen Mantelschicht 3b. In den beiden gegenüberliegenden Randbereichen der oberen Mantelschicht 3b sind symmetrisch zu einer Längsachse des Halbleiterkörpers jeweils zum Beispiel acht Gräben 7 angeordnet, die sich unterschiedlich weit vom Rand des Halbleiterkörpers in das Zentrum des Halbleiterkörpers hinein erstrecken. Die laterale Ausdehnung der Gräben 7 in der Richtung parallel zur Seitenfacette 9 des Halbleiterlasers nimmt dabei mit abnehmendem Abstand zur Seitenfacette 9 hin zu.
3B zeigt einen Schnitt durch die obere Mantelschicht entlang der Line C-D im Außenbereich des Halbleiterkörpers. Die Schnittdarstellung zeigt nur die obere Mantelschicht 3b ohne die darunter liegenden Halbleiterschichten. Die Schnittansicht verdeutlicht, dass die Laserstrahlung bei der Ausbreitung in der Emissionsrichtung im Außenbereich der oberen Mantelschicht mehrere Gräben 7 passieren muss.
Der Schnitt entlang der Line E-F, der in 3C dargestellt ist, verdeutlicht, dass die Laserstrahlung bei der Ausbreitung im Innenbereich der oberen Mantelschicht dagegen nur einen Graben 7 passieren muss. Wie in der Draufsicht in 3A zu erkennen, ist das Zentrum der oberen Mantelschicht 3b sogar frei von Gräben 7. Dadurch, dass die Anzahl von Gräben 7, welche die Laserstrahlung bei der Ausbreitung in der oberen Mantelschicht 3b passieren muss, vom Randbereich zum Zentrum des Wellenleiterbereichs hin zunimmt, erfahren höhere Lasermoden bei der Ausbreitung in der Emissionsrichtung größere Verluste als die laterale Grundmode der Laserstrahlung. Die Anzahl, die laterale Ausdehnung und die Tiefe der Gräben 7 kann beispielsweise durch Simulationsrechnungen derart optimiert werden, dass ein gewünschtes Modenprofil der Laserstrahlung erzielt wird.
Die 4A bis 4D zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des strukturierten Bereichs 6 in der oberen Mantelschicht 3b. Im Gegensatz zu den vorher dargestellten Ausführungsbeispielen ist bei diesem Ausführungsbeispiel nur ein einziger Graben 7 in der oberen Mantelschicht 3b erzeugt. Der Graben 7 verläuft parallel zur Seitenfacette 9 des Halbleiterkörpers in der oberen Mantelschicht 3b. Um eine lokale Variation der Verluste der Lasermoden in der Richtung senkrecht zur Emissionsrichtung zu erzielen, variiert die Tiefe des Grabens 7 in der Längsrichtung des Grabens, das heißt in der Richtung parallel zur Seitenfacette des Halbleiterlasers 9.
Der in 4B dargestellte Schnitt entlang der Linie G-H zeigt, dass der Graben 7 im Randbereich der oberen Mantelschicht eine vergleichsweise große Tiefe aufweist.
Dagegen weist der Graben 7, wie der Schnitt entlang der Linie I-J in 4C verdeutlicht, im Innenbereich der oberen Mantelschicht 3b nur eine vergleichsweise geringe Tiefe auf.
Das Tiefenprofil des Grabens 7 entlang seiner Längsrichtung entlang der Linie K-L ist in 4C dargestellt. Dadurch, dass die Tiefe des Grabens vom Zentrum der oberen Mantelschicht 3b zu den Randbereichen hin zunimmt, erfahren die Lasermoden bei der Ausbreitung in der Emissionsrichtung in den Randbereichen größere Verluste als im Zentrum der oberen Mantelschicht 3b. Wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen wird auf diese Weise die Ausbreitung der lateralen Grundmode, die ein Intensitätsmaximum im zentralen Bereich des Wellenleiterbereichs aufweist, begünstigt. Insbesondere kann auf diese Weise ein Single-Mode-Betrieb des Halbleiterlasers erreicht werden.
Die lokale Variation der Ätztiefe bei der Erzeugung des Grabens 7 kann beispielsweise durch Proportionaltransfer einer Fotolackschicht in einem Sputter- oder Ätzschritt mit geeigneter Selektivität erfolgen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des strukturierten Bereichs 6 in der oberen Mantelschicht 3b ist in den 5A bis 5C dargestellt. Wie in der Aufsicht in 5A zu erkennen ist, erstreckt sich wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel ein einziger Graben 7 in einer Richtung parallel zur Seitenfacette 9 des Halbleiterlasers in der oberen Mantelschicht 3b. Um eine lokale Variation der Verluste, die eine Lasermode bei der Ausbreitung in der Emissionsrichtung erfährt, zu erzielen, variiert bei diesem Ausführungsbeispiel nicht die Tiefe des Grabens, sondern die Form der Seitenflanken 16 entlang der Längsrichtung des Grabens 7. Eine lokale Variation der Form der Seitenflanken 16 des Grabens 7 kann durch eine Strukturierung eines Fotolacks mit variabler Dosis durch Mehrstufenbelichtung mittels Elektronenstrahl- oder Laserlithographie oder mit Grautonmasken durchgeführt werden.
Der in 5B dargestellte Schnitt entlang der Linie M-N verdeutlicht, dass der Graben 7 im Außenbereich der oberen Mantelschicht 3b ein rechteckförmiges Querschnittsprofil aufweist.
Im Innenbereich der oberen Mantelschicht weist der Graben 7 dagegen ein abgerundetes Querschnittsprofil auf, wie der in 5C dargestellte Querschnitt entlang der Linie O-P zeigt. Die Lasermoden erfahren bei der Durchquerung des abgerundeten Querschnittsprofils im Innenbereich des Grabens 7 geringere Verluste als bei der Durchquerung des rechteckförmigen Querschnittsprofils des Grabens 7 im Außenbereich der oberen Mantelschicht 3b. Wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen wird auf diese Weise erreicht, dass die höheren Lasermoden bei der Ausbreitung in der Emissionsrichtung höhere Verluste erfahren als die laterale Grundmode, die ein Intensitätsmaximum im Innenbereich der oberen Mantelschicht 3b aufweist.
Die zuvor beschriebenen Möglichkeiten zur lokalen Variation der Verluste der Lasermoden durch eine lokale Variation der Anzahl der Gräben, der Tiefe der Gräben oder der Form der Seitenflanke der Gräben können selbstverständlich miteinander kombiniert werden.
Alternativ zu der Ausbildung von Gräben kann eine lokale Variation der Verluste auch durch selektives Einbringen von Dotierstoffen in die obere Mantelschicht erfolgen. In diesem Fall kann beispielsweise die Konzentration des eingebrachten Dotierstoffs von einem zentralen Bereich der oberen Mantelschicht zu den Randbereichen hin zunehmen. Die Lasermoden werden somit in den Randbereichen durch Absorption und/oder Streuung an dem zusätzlich eingebrachten Dotierstoff stärker gedämpft als in einem zentralen Bereich des Wellenleiterbereichs.
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.

1: Halbleiterkörper
2: Wellenleiterbereich
3a: untere Mantelschicht
3b: obere Mantelschicht
4a: untere Wellenleiterschicht
4b: obere Wellenleiterschicht
5: aktive Schicht
6: strukturierter Bereich
7: Graben
8: Wellenleiterkern
9: Seitenfacette
10: Substrat
11: Kontaktschicht
12: Kontaktschicht
13: Zwischenschicht
14: Beschichtung
15: Beschichtung
16: Seitenflanken

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 01/97349 A1 [0006]

Claims

Kantenemittierender Halbleiterlaser mit einem Halbleiterkörper (1), der einen Wellenleiterbereich (2) aufweist, wobei der Wellenleiterbereich (2) eine untere Mantelschicht (3a), eine untere Wellenleiterschicht (4a), eine aktive Schicht (5) zur Erzeugung von Laserstrahlung, eine obere Wellenleiterschicht (4b) und eine obere Mantelschicht (3b) aufweist, wobei der Wellenleiterbereich (2) mindestens einen strukturierten Bereich (6) zur Modenselektion aufweist, in dem eine laterale Grundmode der Laserstrahlung geringere Verluste als die Strahlung höherer Lasermoden erfährt.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine strukturierte Bereich (6) ausschließlich in der oberen Wellenleiterschicht (4b) und der oberen Mantelschicht (3b) ausgebildet ist.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine strukturierte Bereich (6) ausschließlich in der oberen Mantelschicht (3b) ausgebildet ist.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der strukturierte Bereich (6) mindestens einen Graben (7) umfasst, der sich von einer Oberseite des Halbleiterkörpers (1) in den Wellenleiterbereich (2) erstreckt.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach den Ansprüchen 3 und 4, wobei der mindestens eine Graben derart tief ist, dass unterhalb der tiefsten Stelle des Grabens nicht mehr als 300 nm der oberen Mantelschicht verbleiben.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 4 oder 5, wobei der mindestens eine Graben eine Breite zwischen 1 μm und 4 μm aufweist.
Kantenemittierender Halbleiterlaser einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der mindestens eine Graben (7) parallel zu einer Seitenfacette (9) des Halbleiterlasers verläuft.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei sich der mindestens eine Graben (7) von einem Randbereich des Wellenleiterbereichs (2) in Richtung des Zentrums des Wellenleiterbereichs (2) erstreckt.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 8, wobei sich eine Vielzahl von Gräben (7) von einem Randbereich des Wellenleiterbereichs (2) unterschiedlich weit in das Zentrum des Wellenleiterbereichs (2) erstrecken.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 9, wobei die Anzahl der Gräben (7), die von der sich in dem Wellenleiterbereich (2) ausbreitenden Laserstrahlung passiert werden, von dem Randbereich zu dem zentralen Bereich des Wellenleiterbereichs (2) hin abnimmt.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei ein zentraler Bereich des Wellenleiterbereichs (2) frei von Gräben (7) ist.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 4 bis 11, wobei der mindestens eine Graben (7) eine variable Tiefe aufweist, wobei die Tiefe von einem Randbereich zu einem zentralen Bereich des Wellenleiterbereichs (2) hin abnimmt.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 4 bis 12, wobei der mindestens eine Graben (7) Seitenflanken mit einer variablen Form aufweist.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 13, wobei die Seitenflanken eine variable Flankensteilheit aufweisen.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 14, wobei die Flankensteilheit von einem Randbereich zu einem zentralen Bereich des Wellenleiterbereichs (2) hin abnimmt.