DE102008064427A1

DE102008064427A1 - Halbleiterlaserbauelement

Info

Publication number: DE102008064427A1
Application number: DE102008064427A
Authority: DE
Inventors: Stefanie BRÜNINGHOFF; Christoph Dr. Eichler; Marc Dr. Schillgalies; Stephan Dr. Lutgen
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2008-09-08
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2010-03-11

Abstract

Es wird ein kantenemittierendes Halbleiterlaserbauelement angegeben mit - einer p-dotierten Elektronenblockierschicht (4), - einer Abstandhalterschicht (5), und - einer strahlungserzeugenden Schichtenfolge (6), wobei - die strahlungserzeugende Schichtenfolge (6) auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere auf InGaN, basiert, - die Abstandhalterschicht (5) zwischen der p-dotierten Elektronenblockierschicht (4) und der strahlungserzeugenden Schichtenfolge angeordnet ist und - die Abstandhalterschicht eine Dicke (D1) zwischen wenigstens 15 nm und höchstens 40 nm aufweist.

Description

Es wird ein Halbleiterlaserbauelement angegeben. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Halbleiterlaserbauelement um ein kantenemittierendes Halbleiterlaserbauelement.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Halbleiterlaserbauelement anzugeben, welches elektromagnetische Strahlung mit erhöhter Leistung emittieren kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlaserbauelements umfasst das Halbleiterlaserbauelement eine p-dotierte Elektronenblockierschicht. Die p-dotierte Elektronenblockierschicht ist vorzugsweise Teil eines – beispielsweise epitaktisch gewachsenen – Halbleiterkörpers des Halbleiterlaserbauelements. Die p-dotierte Elektronenblockierschicht ist dazu vorgesehen, das Eindringen von Elektronen, beispielsweise aus einem strahlungserzeugenden Bereich des kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements, in p-dotierte Schichten des Halbleiterlaserbauelements zu unterbinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements umfasst das Halbleiterlaserbauelement eine Abstandshalterschicht. Die Abstandshalterschicht ist vorzugsweise zwischen der p-dotierten Elektronenblockierschicht und einer strahlungserzeugenden Schichtenfolge des kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements angeordnet. Die Abstandshalterschicht ist dazu vorgesehen, den Überlapp einer vertikalen optischen Welle, die im Betrieb des kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements in der strahlungserzeugenden Schichtenfolge erzeugt wird, mit hoch p-dotierten Schichten zu verringern. Durch diese Reduzierung des Überlapps wird eine hohe Absorption der vertikalen optischen Welle in den hoch p-dotierten Schichten in der Nähe der strahlungserzeugenden Schichtenfolge verringert. Die p-dotierten Schichten sind dabei beispielsweise mit Magnesium dotiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements umfasst das kantenemittierende Halbleiterlaserbauelement die strahlungserzeugende Schichtenfolge, wobei die strahlungserzeugende Schichtenfolge auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basiert.
Auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierend bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass der Halbleiterkörper des Halbleiterbauelements oder zumindest ein Teil davon, besonders bevorzugt zumindest die strahlungserzeugende Schichtenfolge, ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_l-n-mN aufweist oder aus diesem besteht, 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 beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Vorzugsweise basiert die strahlungserzeugende Schichtenfolge dabei auf einem InGaN-Halbleitermaterial. Das heißt, die strahlungserzeugende Schichtenfolge enthält zumindest eine Schicht, die aus diesem Material besteht, oder die dieses Material enthält.
Im Betrieb des Halbleiterlaserbauelements wird in der strahlungserzeugenden Schichtenfolge elektromagnetische Strahlung verstärkt und erzeugt. Das Halbleiterlaserbauelement wird dabei elektrisch gepumpt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements ist die Abstandshalterschicht zwischen der p-dotierten Elektronenblockierschicht und der strahlungserzeugenden Schichtenfolge angeordnet. Das heißt, die Abstandshalterschicht reduziert den Überlapp der in der strahlungserzeugenden Schichtenfolge erzeugten vertikalen optischen Welle mit der p-dotierten Elektronenblockierschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements weist die Abstandshalterschicht eine Dicke von höchstens 70 nm, insbesondere zwischen wenigstens 15 nm und höchstens 40 nm auf. Das heißt, die Abstandshalterschicht weist eine – im Rahmen der Herstellungstoleranz – gleichmäßige Schichtdicke auf. Der Wert dieser Schichtdicke liegt zwischen den angegebenen Grenzen. Besonders bevorzugt beträgt die Dicke der Abstandshalterschicht dabei zwischen 20 nm und 30 nm, beispielsweise 24 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements umfasst das kantenemittierende Halbleiterlaserbauelement eine p-dotierte Elektronenblockierschicht, eine Abstandshalterschicht und eine strahlungserzeugende Schichtenfolge, die auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, wie InGaN, basiert. Die Abstandshalterschicht ist dabei zwischen der p-dotierten Elektronenblockierschicht und der strahlungserzeugenden Schichtenfolge angeordnet. Ferner weist die Abstandshalterschicht eine Dicke von höchstens 70 nm, insbesondere zwischen wenigstens 15 nm und höchstens 40 nm auf.
Dem hier beschriebenen Halbleiterlaserbauelement liegt dabei unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass durch die beschriebene, relativ dünn gewählte Abstandshalterschicht die Leckstromdichte für sehr hohe Stromdichten, mit denen das kantenemittierende Halbleiterlaserbauelement betrieben wird, reduziert ist. Auf diese Weise ist auch für sehr hohe Stromdichten eine konstante Injektionseffizienz und damit eine konstante Steilheit des kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements ermöglicht. Die relativ dünne Abstandshalterschicht bringt dabei jedoch den Nachteil mit sich, dass der Schwellwert zur Erzeugung von Laserstrahlung um zirka 10% erhöht ist, im Vergleich zu Abstandshalterschichten, die eine Dicke größer 100 nm, zum Beispiel von 120 nm aufweisen.
Es wurde jedoch erkannt, dass dieser Nachteil durch eine hohe Steilheit weit oberhalb der Laserschwelle, das heißt für sehr hohe Stromdichten, kompensiert wird. Gegenüber einem kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelement, bei dem die Abstandshalterschicht eine höhere Dicke aufweist, kann die Steilheit um bis zu 25% erhöht sein. Unter sehr hohen Stromdichten sind dabei Stromdichten von wenigstens 8 kA/cm², vorzugsweise von wenigstens 10 kA/cm² zu verstehen.
Der hier beschriebene Aufbau für einen kantenemittierenden Halbleiterlaser kann dabei sowohl für Einzel-Emitter als auch für Array-Emitter Verwendung finden. Ferner ist die Verwendung für einen Trapezlaser möglich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines hier beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements umfasst das Halbleiterlaserbauelement einen Wellenleiter für in der strahlungserzeugenden Schichtenfolge erzeugte elektromagnetische Strahlung. Der Wellenleiter umfasst dabei vorzugsweise eine Vielzahl von Schichten des Halbleiterlaserbauelements.
Der Wellenleiter umfasst vorzugsweise wenigstens die p-dotierte Elektronenblockierschicht, die Abstandshalterschicht und die strahlungserzeugende Schichtenfolge. Vorzugsweise umfasst der Wellenleiter noch weitere Schichten, wie beispielsweise n- und p-dotierte Wellenleiterschichten sowie Zwischenschichten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements beträgt die Dicke des Wellenleiters zwischen wenigstens 250 nm und höchstens 1700 nm. Das heißt, die Gesamtheit der Schichten, die den Wellenleiter bilden, weist eine Dicke auf, die im Bereich zwischen wenigstens 250 nm und höchstens 1700 nm liegt. Vorzugsweise beträgt die Dicke des Wellenleiters dabei zwischen wenigstens 400 nm und höchstens 700 nm, besonders bevorzugt zwischen 400 nm und 540 nm, zum Beispiel zwischen 440 nm und 480 nm. Der Wellenleiter weist eine – im Rahmen der Herstellungstoleranz – gleichmäßige Schichtdicke auf.
Dem hier beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelement liegt dabei unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass durch einen solchen, relativ dicken Wellenleiter die interne Absorption im kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelement reduziert ist. Ferner reduziert sich die optische Leistungsdichte im kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelement, was zum einen die Lebensdauer des Halbleiterlaserbauelements verlängert und zum anderen das Erzeugen von höheren optischen Leistungen erlaubt, ohne dass dabei der kantenemittierende Halbleiterlaser beschädigt wird. Besonders vorteilhaft hat sich dabei eine Kombination der relativ dünnen Abstandshalterschicht mit einer Dicke zwischen wenigstens 15 nm und höchstens 40 nm mit dem relativ dicken Wellenleiter mit einer Dicke zwischen wenigstens 400 nm und höchstens 700 nm erwiesen. Ein kantenemittierendes Halbleiterlaserbauelement mit diesen Merkmalen zeichnet sich dadurch aus, dass es mit hoher Steilheit, die auch für sehr hohe Stromdichten konstant bleibt, bei sehr hohen Stromdichten betrieben werden kann, ohne dass dabei ein Zerstören des Halbleiterlaserbauelements erfolgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines hier beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements ist das Halbleiterlaserbauelement dazu eingerichtet, mit einer Stromdichte von wenigstens 10 kA/cm² betrieben zu werden. Das Betreiben des kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements mit einer solch hohen Stromdichte ist insbesondere aufgrund des hier beschriebenen Aufbau des kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements ermöglicht. Das heißt, insbesondere die Wahl der Dicke der Abstandshalterschicht zwischen wenigstens 15 nm und höchstens 40 nm in Kombination mit einer Dicke der Wellenleiterschicht zwischen wenigstens 400 nm und höchstens 540 nm ermöglicht das Betreiben des hier beschriebenen Halbleiterlaserbauelements mit solch hohen Stromdichten. Das kantenemittierende Halbleiterlaserbauelement wird dabei gepulst betrieben. Die Pulsdauer liegt dabei zum Beispiel zwischen 0,5 μsek und 1,5 μsek, beispielsweise bei 1 μsek. Die Frequenz des Pulsbetriebs liegt zwischen zum Beispiel 1,5 kHz und 2,5 kHz, beispielsweise bei 2 kHz. Es ist jedoch auch ein cw-Betrieb des Halbleiterlaserbauelements möglich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements beträgt die Steilheit des Halbleiterlasers wenigstens 2,0 W/A. Die Steilheit ist dabei vorzugsweise auch bei hohen Stromdichten von > 10 kA/cm² im Rahmen der Messgenauigkeit konstant. Die Steilheit (auch slope efficiency) ist dabei definiert als die Steigung derjenigen Kurve, die man erhält, wenn man die optische Ausgangsleistung des Lasers gegen die Stromstärke des Pumpstroms aufträgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements weist das Halbleiterlaserbauelement eine optische Ausgangsleistung von wenigstens 4,0 W, vorzugsweise von wenigstens 8,0 W auf. Das Halbleiterlaserbauelement wird dabei vorzugsweise im Pulsbetrieb betrieben. Solch hohe Leistungen sind dadurch ermöglicht, dass das Halbleiterlaserbauelement mit einer Stromdichte von wenigstens 10 kA/cm² betrieben werden kann, wobei die Steilheit relativ groß ist und beispielsweise wenigstens 2,0 W/A beträgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements grenzt die Abstandshalterschicht unmittelbar an die p-dotierte Elektronenblockierschicht und die strahlungserzeugende Schichtenfolge. Das heißt, das Halbleiterlaserbauelement weist einen Halbleiterkörper auf, in dem diese Schichten direkt aufeinander folgen und unmittelbar aufeinander angeordnet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements sind die p-dotierte Elektronenblockierschicht und die strahlungserzeugende Schichtenfolge durch weitere Zwischenschichten voneinander getrennt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements ist die Abstandshalterschicht schwach p-dotiert. Die Dotierstoffkonzentration eines p-Dotierstoffs beträgt dann vorzugsweise höchstens 1·10¹⁹ l/cm².
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements ist die Abstandshalterschicht undotiert. Das heißt, in die Abstandshalterschicht ist kein Dotiermaterial eingebracht. Die Abstandshalterschicht kann dabei beispielsweise aus GaN bestehen. Dabei hat sich gezeigt, dass eine undotierte Abstandshalterschicht besonders gut geeignet ist, den Überlapp zwischen der in der strahlungserzeugenden Schichtenfolge erzeugten optischen Welle und an die Abstandshalterschicht angrenzende p-dotierte Schichten zu reduzieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements wird im Betrieb des Halbleiterlaserbauelements in der strahlungsemittierenden Schichtenfolge elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 350 nm bis 550 nm, insbesondere von 390 nm bis 415 nm erzeugt. Zum Beispiel wird in der strahlungserzeugenden Schichtenfolge elektromagnetische Strahlung bei zirka 405 nm erzeugt.
Das heißt, beim hier beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelement kann es sich um einen Halbleiterlaser handeln, der auf dem InGaN-Halbleitermaterial basiert und elektromagnetische Strahlung im UV- bis grünen Spektralbereich erzeugt. Der Halbleiterlaser kann dabei geeignet sein, optische Ausgangsleistungen von über 4, vorzugsweise von über 8 W zu erzeugen.
Es wird ferner ein Verfahren zum Betreiben eines kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements angegeben. Dabei wird vorzugsweise ein kantenemittierendes Halbleiterlaserbauelement wie es hier beschrieben ist betrieben. Das kantenemittierende Halbleiterlaserbauelement wird mit einer Stromdichte von wenigstens 10 kA/cm², vorzugsweise von wenigstens 25 kA/cm² betrieben. Das kantenemittierende Halbleiterlaserbauelement kann dabei optische Ausgangsleistungen von mehr als 8 Watt erzeugen, ohne zerstört zu werden.
Im Folgenden wird das hier beschriebene Halbleiterlaserbauelement anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
1 zeigt ein hier beschriebenes Halbleiterlaserbauelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Schnittdarstellung.
In den 2, 3, 4 und 5 sind anhand grafischer Auftragungen die Eigenschaften eines hier beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements näher erläutert.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Die 1 zeigt ein hier beschriebenes kantenemittierendes Halbleiterlaserbauelement in einer schematischen Schnittdarstellung. Das kantenemittierende Halbleiterlaserbauelement umfasst dabei die folgenden Schichten:
Das Halbleiterlaserbauelement weist eine p-Kontaktmetallisierung 1 auf. Die p-Kontaktmetallisierung weist beispielsweise eine Dicke zwischen 500 nm und 1500 nm, zum Beispiel zwischen 1100 nm und 1300 nm auf. Sie kann Schichten aus Gold, Platin, Titan, Palladium, Rhodium und Nickel umfassen. Über die p-Kontaktmetallisierung wird p-seitig elektrischer Strom in das Halbleiterlaserbauelement eingeprägt.
Der p-Kontaktmetallisierung 1 folgt eine p-Schicht 2 nach. Die p-Schicht 2 weist beispielsweise eine Dicke zwischen 100 nm und 1500 nm, zum Beispiel zwischen 600 und 700 nm auf. Sie kann beispielsweise eine p-dotierte AlGaN-Schicht umfassen, die eine Dicke zwischen 100 nm und 1500 nm, zum Beispiel zwischen 550 und 600 nm aufweist und als Mantelschicht (cladding layer) wirken kann.
Der p-Schicht 2 folgt eine Wellenleiterschicht 3 nach, die GaN enthalten kann oder aus GaN besteht. Die Wellenleiterschicht 3 weist dabei eine Dicke von höchstens 1000 nm, zum Beispiel zwischen 150 nm und 220 nm, beispielsweise von 180 nm auf. Die Wellenleiterschicht 3 gehört zum Wellenleiter 20 des kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements.
Der Wellenleiterschicht 3 folgt eine p-dotierte Elektronenblockierschicht 4 nach. Die p-dotierte Elektronenblockierschicht 4 weist eine Dicke zwischen 10 nm und 30 nm, vorzugsweise zwischen 10 nm und 20 nm, beispielsweise 12 nm auf. Die p-dotierte Elektronenblockierschicht kann aus p-dotiertem AlGaN bestehen oder dieses Material enthalten. Die Elektronenblockierschicht 4 sorgt dafür, dass keine Elektronen in die Wellenleiterschicht 3 oder die p-Schicht 2 gelangen können.
Der p-dotierten Elektronenblockierschicht 4 folgt die Abstandshalterschicht 5 nach. Vorliegend weist die Abstandshalterschicht 5 eine Dicke D1 zwischen wenigstens 20 nm und höchstens 40 nm auf. Im konkreten Ausführungsbeispiel der 1 kann die Dicke der Abstandshalterschicht 5 24 nm betragen. Die Abstandshalterschicht 5 sorgt unter anderem dafür, dass der Überlapp der in der strahlungserzeugenden Schichtenfolge 6 erzeugten, vertikalen optischen Welle mit den p-dotierten Schichten des Halbleiterlaserbauelements reduziert ist. Dadurch ist die Absorption von elektromagnetischer Strahlung insbesondere durch den p-Dotierstoff – hier vorzugsweise Magnesium – reduziert.
Der Abstandshalterschicht 5 folgt die strahlungserzeugende Schichtenfolge 6 nach. Die strahlungserzeugende Schichtenfolge 6 umfasst beispielsweise Barriereschichten, zwischen denen aktive Quantentopfschichten angeordnet sind. Beispielsweise umfasst die aktive Schicht drei Quantentöpfe, die jeweils zum Beispiel eine Dicke zwischen 3 und 5 nm, aufweisen können. Die Dicke der Barrieren zwischen den Quantentöpfen kann höchstens 15 nm, zum Beispiel zwischen 7 nm und 12 nm betragen. Die Schichten der strahlungserzeugenden Schichtenfolge 6 basieren dabei vorzugsweise auf InGaN.
Die Gesamtdicke der strahlungserzeugenden Schichtenfolge 6 beträgt beispielsweise zwischen 25 nm und 45 nm, im vorliegenden Ausführungsbeispiel 36 nm.
Der strahlungserzeugenden Schichtenfolge 6 folgt eine n-dotierte Zwischenschicht 7 nach, die auf n-dotiertem InGaN basieren kann. Die Zwischenschicht weist dabei beispielsweise eine Dicke von höchstens 100 nm, zum Beispiel 20 nm bis 50 nm, beispielsweise von 30 nm auf
An die n-dotierte Zwischenschicht grenzt eine n-dotierte Wellenleiterschicht 8, welche auf n-dotiertem GaN basiert. Die Wellenleiterschicht 8 weist eine Dicke zwischen 100 nm und 1200 nm, zum Beispiel zwischen 150 nm und 170 nm, beispielsweise 160 nm, auf.
Der Wellenleiterschicht 8 folgt eine n-Schicht 9 nach. Die n-Schicht 9 gehört nicht mehr zum Wellenleiter 20 des Halbleiterlaserbauelements. Sie ist beispielsweise mit n-dotiertem AlGaN gebildet oder besteht aus diesem Material. Die n-Schicht 9 weist dabei eine Dicke zwischen 500 nm und 3000 nm, zum Beispiel zwischen 2000 nm und 2500 nm, beispielsweise von 2250 nm, auf.
Der n-Schicht 9 folgt ein Träger 10 nach. Bei dem Träger 10 kann es sich um ein Aufwachssubstrat handeln. Vorzugsweise handelt es sich dann um ein Substrat, das eine Dicke von zirka 100000 nm aufweisen kann. Das Substrat kann zum Beispiel aus einem der folgenden Materialien bestehen oder eines der folgenden Materialien enthalten: GaN, AlN, SiC, Saphir.
Dem Träger 10 folgt eine n-Kontaktmetallisierung nach, welche Schichten aus Titan, Platin und Gold umfassen kann und eine Dicke D2 von zirka 1100 nm aufweist.
Im kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelement bilden die Schichten Wellenleiterschicht 3, p-dotierte Elektronenblockierschicht 4, Abstandshalterschicht 5, strahlungserzeugende Schichtenfolge 6, n-Zwischenschicht 7 und Wellenleiterschicht 8, den Wellenleiter 20 des Halbleiterlaserbauelements.
Vorliegend weist der Wellenleiter vorzugsweise eine Dicke zwischen 250 nm und 1700 nm, zum Beispiel zwischen 400 nm und 540 nm auf. Im in Verbindung mit der 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke des Wellenleiters zirka 450 nm. Dabei ist zu beachten, dass die Abstandshalterschicht mit einer Dicke von höchstens 70 nm, zum Beispiel von wenigstens 15 nm und höchstens 40 nm, vorliegend 24 nm, relativ gering gewählt ist.
Der kantenemittierende Halbleiterlaser, der in Verbindung mit der 1 beschrieben ist, ist dabei vorzugsweise als so genannter Ridge-Wave-Guide-Laser ausgebildet. Es kann sich vorliegend jedoch auch um einen Oxidstreifenlaser handeln.
Die Resonatorlänge beträgt zwischen 300 μm und 2 mm, zum Beispiel zirka 600 μm. Die Breite des Ridge beträgt vorliegend beispielhaft 10 μm oder 20 μm, sie kann zwischen 1 μm und 50 μm liegen. Die Facetten des Lasers, welche den Resonator bilden, sind reflektierend beschichtet. Dabei ist eine der Facetten hoch reflektierend für in der strahlungsemittierenden Schichtenfolge 6 erzeugte elektromagnetische Strahlung beschichtet und weist eine Reflektivität von wenigstens 90%, beispielsweise von 95% auf. Die gegenüberliegende Facette ist niedrig reflektierend beschichtet und weist eine Reflektivität von zwischen 1% und 60%, zum Beispiel zwischen 10% und 20%, beispielsweise von 17% auf.
Für die in Verbindung mit den 2 bis 5 dargestellten Ergebnisse wird der kantenemittierende Halbleiterlaser gemäß der 1 pulsbetrieben, wobei die Pulsweite 1 μsek beträgt und die Pulsfrequenz 2 kHz.
Anhand der grafischen Auftragung der 2 wird nun zunächst der Einfluss der Dicke der Abstandshalterschicht 5 auf die Schwellstromdichte sowie auf die Steilheit des hier beschriebenen Halbleiterlaserbauelements näher erläutert.
Wie aus der 2 ersichtlich ist, fällt die Schwellstromdichte mit steigender Dicke der Abstandshalterschicht 5. Die Dicke der Abstandshalterschicht 5 wurde dabei zwischen zirka 30 nm und 150 nm variiert. Ferner steigt die Steilheit mit größer werdender Dicke der Abstandshalterschicht 5 an. Die Schwellstromdichte sinkt dabei von 2,5 kA/cm² auf 1,5 kA/cm² und die Steilheit steigt von 1,6 W/A auf 2,0 W/A.
Die in der Figur dargestellten Werte sind dabei Mittelwerte über einige Laser mit 10 μm breitem Ridge und einige Laser mit 20 μm breitem Ridge.
Der Grund für den Abfall der Schwellstromdichte mit dicker werdender Abstandshalterschicht 5 kann durch den Einfluss der internen Absorptionsverluste erklärt werden: Ein kleinerer Abstand zwischen der hoch magnesiumdotierten Kontaktschicht 2 und der strahlungserzeugenden Schichtenfolge 6 führt zu höheren internen Verlusten im kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelement. Darüber hinaus werden die internen Verluste stark von der Materialqualität beeinflusst. Beim in Verbindung mit der 1 dargestellten Halbleiterlaserbauelement betragen sie beispielsweise – je nach Materialqualität der einzelnen Schichten – zwischen α_i 20 bis α_i ≈ 3,5.
Insgesamt kann im Hinblick auf die 2 das Fazit gezogen werden, dass eine Absenkung der Dicke der Abstandshalterschicht auf Werte von höchstens 70 nm, zum Beispiel zwischen 20 nm und 40 nm, zunächst als wenig sinnvoll erscheinen muss, da eine solch geringe Dicke der Abstandshalterschicht 5 zu einer erhöhten Schwellstromdichte und gleichzeitig zu einer verringerten Steilheit führt. Beide Effekte sind eigentlich unerwünscht.
In der 3 ist nun die Leckstromdichte gegen die Stromdichte des in das Halbleiterlaserbauelement eingeprägten elektrischen Stroms für drei verschiedene Halbleiterlaserbauelemente aufgetragen. Die Halbleiterlaserbauelemente unterscheiden sich dabei hinsichtlich der Dicke D1 ihrer Abstandshalterschicht 5. So werden Halbleiterlaserbauelemente mit einer Dicke der Abstandshalterschicht 5 von 20 nm, 60 nm und 120 nm betrachtet.
Aus der 3 ist ersichtlich, dass für kleine Stromdichten unterhalb von 2,5 kA/cm² kein Unterschied für die drei betrachteten Strukturen feststellbar ist. Für höhere Stromdichten hingegen, insbesondere für Stromdichten von > 10 kA/cm², entwickelt sich die Leckstromdichte unterschiedlich. Für eine dünne Abstandshalterschicht mit einer Dicke von 20 nm ist sie achtmal kleiner als für eine Abstandshalterschicht mit einer Dicke von 120 nm. Dies trifft insbesondere auf eine Stromdichte im Bereich von 30 kA/cm² zu.
Das heißt, im Bereich sehr hoher Stromdichten weist die Struktur mit einer relativ dünnen Abstandshalterschicht im Bereich zwischen 20 und 40 nm eine wesentlich geringere Leckstromdichte auf, als vergleichbare Halbleiterlaserbauelemente mit dickeren Abstandshalterschichten 5.
Die Leckstromdichte korreliert dabei mit dem internen Parameter des Halbleiterlasers „Injektionseffizienz”. Eine hohe Leckstromdichte führt zu einer geringeren Injektionseffizienz. Im Hinblick auf die 3 wird nun klar, dass mit steigender Stromdichte die Injektionseffizienz insbesondere für Halbleiterlaserbauelemente mit dickeren Abstandshalterschichten 5 dramatisch abnimmt. Dies führt zu nichtlinearem Verhalten der Laserstruktur bei dicken Abstandshalterschichten 5.
Das heißt, um hohe optische Ausgangsleistung des Halbleiterlaserbauelements zu erreichen, sollte die Abstandshalterschicht 5 – entgegen den Ergebnissen aus 2 – möglichst gering gewählt werden, um eine möglichst lineare Abhängigkeit der optischen Ausgangsleistung von der Stromdichte zu erreichen.
Zusammenfassend steigt mit einer dünner werdenden Abstandshalterschicht 5 der Überlapp der optischen Welle, die in der strahlungserzeugenden Schichtenfolge 6 erzeugt wird, mit den hoch p-dotierten Schichten an. Aufgrund des Anstiegs dieses Überlapps erhöhen sich die internen Absorptionen. Dieser Nachteil der hohen internen Absorptionen ist jedoch durch die kleinere Leckstromdichte für hohe Stromdichten bei dünnen Abstandshalterschichten 5 mehr als überkompensiert. Zusätzlich hat sich gezeigt, dass der Anstieg der Schwellstromdichte für eine geringere Dicke der Abstandshalterschicht 5 bei hohen Stromdichten nicht besonders bedeutend ist, da mit diesen hohen Stromdichten die Schwellstromdichte in jedem Fall erreicht wird.
Insgesamt erweist sich also eine relativ dünn gewählte Abstandshalterschicht 5 mit einer Dick D1 im Bereich zwischen 20 nm und 40 nm Dicke gerade für hohe Stromdichten oberhalb von 10 kA/cm² als besonders vorteilhaft.
Anhand der 4 und 5 wird nun der Einfluss der Dicke des Wellenleiters näher erläutert.
Die 4 zeigt dazu eine Auftragung des Confinement-Faktors sowie der Absorptionsverlust gegen die Dicke des Wellenleiters. Die Dicke des Wellenleiters ist dabei in willkürlichen Einheiten angegeben. Dabei wurde die Dicke des Wellenleiters verändert, ohne dass die Dicke von Mantelschichten, der Abstandshalterschicht und der Kontaktschichten geändert wurde.
Aus der 4 ist ersichtlich, dass für eine ansteigende Dicke des Wellenleiters 20 die Absorptionsverluste zunehmen und der Confinement-Faktor abnimmt. Aufgrund eines dicker gewählten Wellenleiters steigt die Schwellstromdichte daher um zirka 10% an. Andererseits hat sich gezeigt, dass mit einem dickeren Wellenleiter die Steilheit des Lasers im vorliegenden Beispiel um zirka 25% zunehmen kann, und zwar insbesondere für Bereiche der Stromdichte weit oberhalb der Laserschwelle. Die Steilheit des Lasers bleibt also auch für große Stromdichten konstant hoch. Das heißt, auch die Wahl eines dickeren Wellenleiters bringt zunächst einen Nachteil mit sich, der jedoch für hohe Stromdichten überraschenderweise überkompensiert wird.
In der 5 sind nun zwei Strukturen miteinander verglichen. Zum einen eine Referenzstruktur, bei der die Dicke des Wellenleiters zirka 290 nm beträgt. Die Dicke der Abstandshalterschicht 5 beträgt mehr als 40 nm, beispielsweise 45 nm.
Zum anderen wird eine optimierte Struktur betrachtet, mit einer Dicke des Wellenleiters 20 von zirka 450 nm und einer Dicke der Abstandshalterschicht 5 von zirka 24 nm. Die Erhöhung der Dicke D2 des Wellenleiters 20 erfolgt dabei im Vergleich zur Referenzstruktur im Wesentlichen durch eine Erhöhung der Wellenleiterschichten 8, 3.
Die Strukturen weisen den Schichtaufbau auf, wie er in Verbindung mit der 1 näher erläutert ist. Es handelt sich jeweils um Ridge-Wave-Guide-Laser mit einer Ridge-Breite von 20 μm.
Wie aus der 5 ersichtlich ist, kann für die Referenzstruktur eine Schwellstromdichte von 2,5 kA/cm² angegeben werden. Die Steilheit zeigt jedoch ein nichtlineares Verhalten. Die Steilheit beginnt mit einem Wert von zirka 2 W/A und fällt auf zirka 1,6 W/A für einen Strom > 4 A ab.
Zusätzlich zu dieser absinkenden Steilheit, welche durch die sich erhöhende Leckstromdichte für hohe Stromdichten erklärt werden kann, wird der Laser bei einer optischen Ausgangsleistung von zirka 6,2 W zerstört.
Die optimierte Struktur hingegen zeigt eine leicht erhöhte Schwellstromdichte von zirka 2,7 kA/cm². Jedoch weist die optimierte Struktur eine vorteilhaft konstante Steilheit von 2,1 W/A für den gesamten Strombereich bis hin zu 4,5 A auf. Damit ist für den hier beschriebenen Laser eine optische Ausgangsleistung von 8,7 W möglich. Der Laser emittiert dabei elektromagnetische Strahlung bei einer Wellenlänge von 405 nm.
Insgesamt wird mit einem hier beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelement eine besonders hohe optische Ausgangsleistung erreicht. Besonders vorteilhaft erweist sich beim hier beschriebenen Halbleiterlaserbauelement die Verringerung des Abstands zwischen der strahlungserzeugenden Schichtenfolge 6 und der Elektronenblockierschicht 4. Diese Optimierung führt zu einer konstant hohen Injektionseffizienz und damit zu einer linearen Steilheit für einen großen Strombereich. Zusätzlich ist in einem hier beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelement die optische Leistungsdichte im Resonator durch Vergrößerung des Wellenleiters 20 reduziert.
Eine Kombination der beiden Maßnahmen führt zu einer besonders hohen optischen Ausgangsleistung eines hier beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements. Die Leistung ist dabei lediglich durch den maximalen Strom der verfügbaren Stromquelle limitiert. Das heißt, mit dem hier beschriebenen Halbleiterlaserbauelement können durchaus auch höhere Leistungen als 8 W erreicht werden, sofern Stromquellen zur Verfügung stehen, die geeignet sind, höhere Ströme in das Halbleiterlaserbauelement einzuprägen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Kantenemittierendes Halbleiterlaserbauelement mit – einer p-dotierten Elektronenblockierschicht (4), – einer Abstandhalterschicht (5), und – einer strahlungserzeugenden Schichtenfolge (6), wobei – die strahlungserzeugende Schichtenfolge (6) auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere auf InGaN, basiert, – die Abstandhalterschicht (5) zwischen der p-dotierten Elektronenblockierschicht (4) und der strahlungserzeugenden Schichtenfolge angeordnet ist und – die Abstandhalterschicht ein Dicke (D1) zwischen wenigstens 15 nm und höchstens 40 nm aufweist.
Kantenemittierendes Halbleiterlaserbauelement nach dem vorherigen Anspruch mit – einem Wellenleiter (20) für in der strahlungserzeugenden Schichtenfolge erzeugte elektromagnetische Strahlung, wobei – die Dicke (D2) des Wellenleiters (20) zwischen wenigstens 400 nm und höchstens 540 nm beträgt.
Kantenemittierendes Halbleiterlaserbauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der Wellenleiter (20) zumindest die p-dotierte Elektronenblockierschicht (4), die Abstandhalterschicht (5) und die strahlungserzeugende Schichtenfolge (6) umfasst.
Kantenemittierendes Halbleiterlaserbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Halbleiterlaserbauelement dazu eingerichtet ist, mit einer Stromdichte von wenigstens 10 kA/cm², insbesondere von wenigstens 25 kA/cm² betrieben zu werden.
Kantenemittierendes Halbleiterlaserbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Steilheit des Halbleiterlaser wenigstens 2,0 W/A beträgt.
Kantenemittierendes Halbleiterlaserbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Halbleiterlaserbauelement dazu eingerichtet ist, im Pulsbetrieb elektromagnetische Strahlung mit einer Leistung von wenigsten 4,0 Watt zu emittieren.
Kantenemittierendes Halbleiterlaserbauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das Halbleiterlaserbauelement dazu eingerichtet ist, im Pulsbetrieb elektromagnetische Strahlung mit einer Leistung von wenigstens 8,0 Watt zu emittieren.
Kantenemittierendes Halbleiterlaserbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Halbleiterlaserbauelement dazu eingerichtet ist, im cw-Betrieb elektromagnetische Strahlung mit einer Leistung von wenigstens 4,0 Watt zu emittieren.
Kantenemittierendes Halbleiterlaserbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Abstandhalterschicht (5) unmittelbar an die p-dotierte Elektronenblockierschicht (4) und die strahlungserzeugenden Schichtenfolge (6) grenzt.
Kantenemittierendes Halbleiterlaserbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Abstandhalterschicht (5) undotiert ist.
Kantenemittierendes Halbleiterlaserbauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die Abstandhalterschicht (5) aus GaN besteht.
Kantenemittierendes Halbleiterlaserbauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem im Betrieb des Halbleiterlaserbauelements in der strahlungserzeugenden Schichtenfolge (6) elektromagnetische Strahlung im einen Wellenlängenbereich von 390 nm bis 415 nm, insbesondere bei 405 nm erzeugt wird.
Verfahren zum Betreiben eines kantenemittierenden Halbleiterlaserbauelements mit einer Stromdichte von wenigstens 10 kA/cm², wobei das kantenemittierende Halbleiterlaserbauelement folgende Schichten umfasst: – eine p-dotierte Elektronenblockierschicht (4), – eine Abstandhalterschicht (5), – eine strahlungserzeugende Schichtenfolge (6), und – einen Wellenleiter (20) für in der strahlungserzeugenden Schichtenfolge erzeugte elektromagnetische Strahlung, wobei – die strahlungserzeugende Schichtenfolge (6) auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere auf InGaN, basiert, – die Abstandhalterschicht (5) zwischen der p-dotierten Elektronenblockierschicht (4) und der strahlungserzeugenden Schichtenfolge angeordnet ist, – die Abstandhalterschicht ein Dicke (D1) zwischen wenigstens 15 nm und höchstens 40 nm aufweist, und – die Dicke (D2) des Wellenleiters (20) zwischen wenigstens 400 nm und höchstens 540 nm beträgt.
Verfahren gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei das kantenemittierende Halbleiterlaserbauelement mit einer Stromdichte von wenigstens 25 kA/cm² betrieben wird.