DE102009039248B4

DE102009039248B4 - Kantenemittierender Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE102009039248B4
Application number: DE102009039248.3A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schillgalies Marc; Teresa Lermer; Dr. Eichler Christoph
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2018-07-05
Anticipated expiration: 2029-08-29
Also published as: TW201117500A; WO2011023625A1; US20120201262A1; US8625648B2; DE102009039248A1

Abstract

Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) mit,- einem n-seitigen Wellenleiterbereich (21) und einem p-seitigen Wellenleiterbereich (22);- einer aktiven Zone (20) zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung;- zumindest einer Reflektionsschicht (24) im n-seitigen Weilerleiterbereich (21), wobei- die Reflektionsschicht (24) in Form einer Schicht oder Schichtenfolge in den n-seitigen Wellenleiterbereich (21) integriert und stellenweise an Außenflächen von Halbleitermaterial des n-seitigen Wellenleiterbereichs (21) umschlossen ist,- die aktive Zone (20) zwischen den beiden Wellenleiterbereichen (21, 22) angeordnet ist,- die Dicke des n-seitigen Wellenleiterbereichs (21) größer als die des p-seitigen Wellenleiterbereichs (22) ist,- der Brechungsindex der Reflektionsschicht (24) kleiner ist, als der Brechungsindex des an die Reflektionsschicht (24) angrenzenden n-seitigen Wellenleiterbereichs (21).

Description

Es wird ein kantenemittierender Halbleiterlaser angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen kantenemittierenden Halbleiterlaser anzugeben, der für hohe optische Ausgangsleistungen geeignet ist.
Die Druckschrift US 2007/0002914 A1 betrifft einen Halbleiterlaser mit einer asymmetrischen optischen Wellenleiterschicht.
Die Druckschrift US 2008/0137701 A1 betrifft ein Halbleiterbauteil mit einer Elektronenblockierschicht.
Der hier beschriebene kantenemittierende Halbleiterlaser umfasst einen n-seitigen Wellenleiterbereich und einen p-seitigen Wellenleiterbereich, eine aktive Zone zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung und zumindest eine Reflektionsschicht im n-seitigen Wellerleiterbereich. Die Reflektionsschicht ist in Form einer Schicht oder Schichtenfolge in den n-seitigen Wellenleiterbereich integriert und stellenweise an Außenflächen von Halbleitermaterial des n-seitigen Wellenleiterbereichs umschlossen. Die aktive Zone ist zwischen den beiden Wellenleiterbereichen angeordnet. Die Dicke des n-seitigen Wellenleiterbereichs ist größer als die des p-seitigen Wellenleiterbereichs. Der Brechungsindex der Reflektionsschicht ist kleiner als der Brechungsindex des an die Reflektionsschicht angrenzenden n-seitigen Wellenleiterbereichs.
Der kantenemittierenden Halbleiterlasers umfasst einen n-seitigen Wellenleiterbereich und einen p-seitigen Wellenleiterbereich. Beispielsweise ist der Halbleiterlaser mit einem Halbleiterkörper gebildet, der epitaktisch gewachsen ist. N- und p-seitiger Wellenleiterbereich können dann stellenweise durch Halbleiterschichtenfolgen des Halbleiterkörpers gebildet sein. „P- und n-seitig“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Halbleiterkörper Bereiche aufweist, die in Bezug auf ihre elektrische Leitfähigkeit „n- oder p-leitend“ ausgebildet sind. N- und p-seitiger Wellenleiterbereich sind dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung zu führen.
Der kantenemittierende Halbleiterlaser umfasst eine aktive Zone zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung. Bei der aktiven Zone kann es sich um eine Schicht handeln, die Strahlung im Wellenlängenbereich von ultravioletten bis infraroten Licht des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung emittiert. Vorzugsweise emittiert die aktive Zone Strahlung vom ultravioletten bis grünen Spektralbereich der elektromagnetischen Strahlung. Die aktive Zone umfasst bevorzugt einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, einen Einfachquantentopf (SQW, Single Quantum Well) oder eine Mehrfachquantentopfstruktur (MQW, Multi Quantum Well) zur Strahlungserzeugung.
Die aktive Zone des kantenemittierenden Halbleiterlasers ist zwischen den beiden Wellenleiterbereichen angeordnet. Vorzugsweise grenzt die aktive Zone mit zwei gegenüberliegenden Außenflächen jeweils direkt an die Wellenleiterbereiche an, so dass sich die beiden Wellenleiterbereiche gegenüberliegen und durch die aktive Zone getrennt sind. Der p-seitige Wellenleiterbereich ist durch die p-Seite der aktiven Zone und der n-seitige Wellenleiterbreich durch die n-Seite der aktiven Zone begrenzt. Die aktive Zone bildet dann zusammen mit den beiden Wellenleiterbereichen einen Gesamtwellenleiterbereich aus.
Die Dicke des n-seitigen Wellenleiterbereichs ist größer als die des p-seitigen Wellenleiterbereichs. „Dicke“ bedeutet in diesem Zusammenhang die Richtung senkrecht zur epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichtenfolge der Wellenleiterbereiche. Mit anderen Worten ist der Gesamtwellenleiterbereich des Halbleiterlasers durch die unterschiedlichen Dicken von p- und n-seitigem Wellenleiterbereich asymmetrisch aufgebaut. Wird von der aktiven Zone elektromagnetische Strahlung emittiert, so führt die größere Dicke des n-seitigen Wellenleiterbereichs dazu, dass die elektromagnetische Strahlung mehr innerhalb des n-seitigen Wellenleiterbereichs als des p-seitigen Wellenleiterbereichs geführt wird. Vorteilhaft wird durch eine solche asymmetrische Ausbildung des Wellenleiterbereichs und eine damit einhergehende asymmetrische Wellenführung es ermöglicht, dass eine Absorption von von der aktiven Zone emittierten elektromagnetischen Strahlung durch das Halbleitermaterial des Halbleiterlasers verringert ist. Ferner wird zwar durch einen derart ausgebildeten Gesamtwellenleiter ein Überlapp der optischen Welle mit den Quantenfilmen des Halbleitermaterials (auch ConfinementFaktor) reduziert, jedoch wird dieser Effekt aufgrund der geringeren Absorption der elektromagnetischen Strahlung durch insbesondere im p-seitigen Wellenleiterbereich sich befindende Halbleiterschichten kompensiert.
Der kantenemittierende Halbleiterlaser weist zumindest eine Reflektionsschicht im n-seitigen Wellenleiterbereich auf. Die Reflektionsschicht ist in Form einer Schicht oder Schichtenfolge in den n-seitigen Wellenleiterbereich integriert und so stellenweise an Außenflächen vom restlichen Halbleitermaterial des n-seitigen Wellenleiterbereichs umschlossen.
Der Brechungsindex der Reflektionsschicht ist kleiner als der Brechungsindex des an die Reflektionsschicht angrenzenden n-seitigen Wellenleiterbereichs.
Der kantenemittierende Halbleiterlaser umfasst einen n-seitigen Wellenleiterbereich und einen p-seitigen Wellenleiterbereich, eine aktive Zone zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung sowie zumindest eine Reflektionsschicht im n-seitigen Wellerleiterbereich. Ferner ist die aktive Zone zwischen den beiden Wellenleiterbereichen angeordnet und die Dicke des n-seitigen Wellenleiterbereichs ist größer als die des p-seitigen Wellenleiterbereichs. Weiter ist der Brechungsindex der Reflektionsschicht kleiner, als der Brechungsindex des an die Reflektionsschicht angrenzenden n-seitigen Wellenleiterbereichs.
Der hier beschriebene kantenemittierende Halbleiterlaser beruht dabei unter anderem auf der Erkenntnis, dass eine stabile monomodige Emission der elektromagnetischen Strahlung eines kantenemittierenden Halbleiterlasers durch eine möglichst kleine Emissionsfläche im Bereich einer aktiven Zone des kantenemittierenden Halbleiterlasers erreicht wird. Allerdings führt die geringe Emissionsfläche des Halbleiterlasers zu einer lokalen Erwärmung im Bereich der Grenzfläche Halbleitermaterial/Luft, insbesondere im Bereich der aktiven Zone. Diese lokale Erhitzung aufgrund von Absorption beziehungsweise Re-Absorption der elektromagnetischen Strahlung durch das Halbleitermaterial des kantenemittierenden Halbleiterlasers kann bis zum Aufschmelzen der betroffenen Halbleiterbereiche führen und dabei den Halbleiterlaser zerstören. Im Allgemeinen spricht man dann von Catastrophical Optical Damage (auch COD).
Ferner führen geringe Emissionsflächen von Halbleiterlasern zu geringen optischen Ausgangsleistungen. Zusätzlich sind solche Halbleiterlaser in ihrer Herstellung nur schwer prozessierbar.
Auf der anderen Seite weisen kantenemittierende Halbleiterlaser mit einer großen Emissionsfläche, bei denen der störende Catastrophical Optical Damage unwahrscheinlicher ist, den Nachteil auf, dass die Strahlqualität aufgrund zusätzlicher optischer Moden verschlechtert ist. Das heißt, dass die von solchen Halbleiterlasern emittierte elektromagnetische Strahlung neben der Grundmode zusätzlich höhere Moden aufweist.
Um nun zum einen die Gefahr eines Catastrophical Optical Damage unwahrscheinlicher zu machen und zum anderen die Strahlqualität zu erhöhen, macht der hier beschriebene kantenemittierende Halbleiterlaser unter anderem von der Idee Gebrauch, zumindest eine Reflektionsschicht in einem n-seitigen Wellenleiterbereich des Halbleiterlasers einzubringen, wobei der Brechungsindex der Reflektionsschicht kleiner ist als der Brechungsindex des an die Reflektionsschicht angrenzenden n-seitigen Wellenleiterbereichs. Durch den geringeren Brechungsindex der Reflektionsschicht wird im n-seitigen Wellenleiterbereich eine Grenzfläche erzeugt, an der die von einer aktiven Zone des Halbleiterlasers emittierte elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise total reflektiert wird. Vorteilhaft werden die höheren Moden der elektromagnetischen Strahlung aufgrund des Brechungsindexunterschiedes der Reflektionsschicht und der damit einhergehenden modenselektiven (Total)-Reflektionen an der Reflektionsschicht nicht unterstützt. Dies führt auf eine Erhöhung eines Schwellstroms der höheren Moden, während gleichzeitig ein Schwellstrom der Grundmode konstant bleibt. Mit anderen Worten wird im Betrieb des kantenemittierenden Halbleiterlasers bei einer externen Bestromung die Grundmode bereits angeregt, während aufgrund der Reflektionsschicht die höheren Moden durch die von außen angelegte Bestromung noch nicht angeregt sind. Vorteilhaft ermöglicht eine solche Reflektionsschicht einen kantenemittierenden Halbleiterlaser mit einer möglichst hohen Strahlqualität, also einem möglichst hohen Grundmoden-Anteil der vom kantenemittierenden Halbleiterlaser emittierten elektromagnetischen Strahlung. Gleichzeitig sind aufgrund der auch bei großen Emmissionsflächen gleich bleibend hohen Strahlqualität des kantenemittierenden Halbleiterlasers hochenergetische Halbleiterlaser möglich, welche beispielsweise im Bereich der Datenspeicherung der Projektionsanwendungen oder der Drucktechnik Anwendung finden.
Alternativ oder zusätzlich kann die hier gestellte Aufgabe auch durch einen kantenemittierenden Halbleiterlaser gelöst werden, bei dem auf die hier beschriebene Reflektionsschicht verzichtet ist und stattdessen der p-seitige Wellenleiterbereich eine undotierte Abstandsschicht aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des kantenemittierenden Halbleiterlasers umfasst der Halbleiterlaser eine Elektronenblockierschicht im p-seitigen Wellenleiterbereich. Ist der Halbleiterlaser von außen elektrisch kontaktiert, so verhindert die Elektronenblockierschicht, dass vom n-seitigen Kontakt des Halbleiterlasers Elektronen durch die aktive Zone hindurch in den p-seitigen Wellenleiterbereich beziehungsweise in den Bereich eines p-seitigen Kontakts des Halbleiterlasers gelangen. Die Elektronenblockierschicht unterbindet so einen Elektronenfluss zwischen den Kontakten des Halbleiterlasers, wodurch beispielsweise ein Kurzschluss oder zusätzliche Leckströme in dem Halbleiterlaser vermieden werden. Mittels der Elektronenblockierschicht kann nicht nur die Lebensdauer des Halbleiterlasers erhöht werden, sondern ebenso seine optische Ausgangsleistung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der kantenemittierende Halbleiterlaser eine undotierte Abstandsschicht im p-seitigen Wellenleiterbereich, wobei die undotierte Abstandsschicht zwischen der aktiven Zone und der Elektronenblockierschicht angeordnet ist. Mit anderen Worten beabstandet die undotierte Abstandsschicht die aktive Zone und die Elektronenblockierschicht voneinander. „Undotiert“ heißt in diesem Zusammenhang, dass die Abstandsschicht vorzugsweise eine Dotierstoffkonzentration von weniger als 5 × 10¹⁷ 1/ccm aufweist. Durch die asymmetrische Wellenführung wird eine optische Mode, beispielsweise die Grundmode, stärker im weniger absorbierenden n-seitigen Wellenleiterbereich geführt, wodurch die interne Absorption der von der aktiven Zone emittierten elektromagnetischen Strahlung innerhalb des Gesamtwellenleiters gesenkt wird. Dieser Effekt wird vorteilhaft durch die undotierte Abstandsschicht im p-seitigen Wellenleiterbereich weiter verstärkt. Vorteilhaft wird mittels der undotierten Abstandsschicht die optische Ausgangsleistung des kantenemittierenden Halbleiterlasers verbessert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des kantenemittierenden Halbleiterlasers weist der p-seitige Wellenleiterbereich eine Elektronenblockierschicht sowie eine undotierte Abstandsschicht auf, wobei die Abstandsschicht zwischen der aktiven Zone und der Elektronenblockierschicht angeordnet ist.
Weist der kantenemittierende Halbleiterlaser in zumindest einer Ausführungsform sowohl zumindest die hier beschriebene Reflektionsschicht als auch die hier beschriebene undotierte Abstandsschicht auf, so addieren und unterstützen sich die genannten physikalischen Effekte, beispielsweise in Bezug auf Strahlqualität und Ausgangsleistung, gegenseitig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der n-seitige Wellenleiterbereich zumindest 1,5-mal dicker als der p-seitige Wellenleiterbereich. Es hat sich gezeigt, dass ein solches Verhältnis der Dicken der einzelnen Wellenleiterbereiche den größten Effekt in Bezug auf die Senkung der internen Absorption der elektromagnetischen Strahlung innerhalb des Gesamtwellenleiterbereichs führt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert das Halbleitermaterial der Reflektionsschicht auf AlGaN und das Halbleitermaterial des an die Reflektionsschicht angrenzenden n-seitigen Wellenleiterbereichs auf InGaN. Zum Beispiel weist der Reflektionsschicht eine Aluminiumkonzentration von 1,5 bis 15 %, bevorzugt zwischen 5 bis 9 %, auf. Mittels des in der Reflektionsschicht enthaltenen Aluminiums kann vorteilhaft der Brechungsindexsprung an der Grenzfläche zwischen der Reflektionsschicht und des an die Reflektionsschicht angrenzenden n-seitigen Wellenleiterbereichs individuell eingestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des kantenemittierenden Halbleiterlasers unterscheidet sich der Brechungsindex der Reflektionsschicht in einem Wellenlängenbereich von 405 nm bis 520 nm der von der aktiven Zone erzeugten elektromagnetischen Strahlung um zumindest 0,02 zum Brechungsindex des an die Reflektionsschicht angrenzenden n-seitigen Wellenleiterbereichs. Ein solcher Brechungsindexunterschied hat sich als ganz besonders vorteilhaft in Bezug auf die Unterdrückung der höheren Strahlungsmoden herausgestellt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Reflektionsschicht eine Dicke von 15 nm bis 150 nm und eine Aluminiumkonzentration von 1,5 % bis 15 % auf. Eine derartige Dicke bei der genannten Aluminiumkonzentration erhöht die Modenstabilität sowie eine Unterdrückung der höheren Moden besonders effektiv.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des kantenemittierenden Halbleiterlasers weist die undotierte Abstandsschicht eine Dicke von 50 nm bis 250 nm auf. Auch eine solche Dicke der undotierten Abstandsschicht hat sich als ganz besonders vorteilhaft in Bezug auf die genannten Effekte erwiesen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert die aktive Zone elektromagnetische Strahlung im Bereich von 390 nm bis 560 nm, der n-seitige Wellenleiterbereich weist eine Dicke von 150 nm bis 750 nm, die Reflektionsschicht eine Dicke von 15 nm bis 150 nm sowie eine Aluminiumkonzentration von 1,5 % bis 15 %, der p-seitige Wellenleiterbereich eine Dicke von 100 nm bis 400 nm und die undotierte Abstandsschicht eine Dicke von 50 nm bis 250 nm auf, wobei der n-seitige Wellenleiterbereich, der p-seitige Wellenleiterbereich und die undotierte Abstandsschicht jeweils eine Indiumkonzentration von höchstens 10 %, bevorzugt von höchstens 3 %, zum Beispiel von mindestens 0,2 %, aufweisen.
Die bei einer solchen Ausführungsform des hier beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlasers genannten Angaben in Bezug auf Wellenlänge, Dicke und Konzentration hat sich als vorteilhaft für die bereits vorher genannten physikalischen Effekte und Vorteile, beispielsweise in Bezug auf Strahlqualität und Lebensdauer des Halbleiterlasers, erwiesen.
Im Folgenden wird der hier beschriebene kantenemittierende Halbleiterlaser anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.

Die 1A und 5 zeigen in schematischen Ansichten Ausführungsbeispiele eines hier beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlasers.
Die 1B, 2, 3A, 3B, 4, 6A, 6B, 7A bis 7C, 8A bis 8D, 9A bis 9C und 10 zeigen graphische Auftragungen zur Erläuterung von Halbleiterlasern und von Ausführungsbeispielen eines hier beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlasers.

In den Ausführungsbeispielen und den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Elemente sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
In der 1A ist anhand einer schematischen Schnittdarstellung ein hier beschriebener kantenemittierender Halbleiterlaser 1 mit einem n-dotierten Aufwachssubstrat 40 entlang einer Aufwachsrichtung 100 gezeigt. Das Aufwachssubstrat 40 ist vorzugsweise mit Galliumnitrid gebildet. Auf das Aufwachssubstrat 40 ist eine Halbleiterschichtenfolge 12 aufgewachsen. Die Halbleiterschichtenfolge 12 umfasst eine n-dotierte Schicht 30, einen Gesamtwellenleiterbereich 2 sowie eine auf den Gesamtwellenleiterbereich 2 aufgebrachte p-dotierte Schicht 50. Ferner ist ein p-seitiger Kontakt 60 auf den Halbleiterkörper 12 zur Kontaktierung des kantenemittierenden Halbleiterlasers 1 aufgebracht.
Der Gesamtwellenleiterbereich 2 ist mit einem n-seitigen Wellenleiterbereich 21, einem p-seitigen Wellenleiterbereich 22 sowie einer zwischen dem n-seitigen und dem p-seitigen Wellenleiterbereichen 21 und 22 angeordneten aktiven Zone 20 gebildet. Vorzugsweise weist der n-seitige Wellenleiterbereich eine Dicke von 150 bis 750 nm, vorliegend von 600 nm, auf, wobei der n-seitige Wellenleiterbereich durch eine Reflektionsschicht 24 sowie an die Reflektionsschicht 24 direkt angrenzende Halbleiterschichten 27 und 28 gebildet ist. Die Halbleiterschichten 27 und 28 sind durch die Reflektionsschicht 24 voneinander getrennt, wobei die Halbleiterschicht 27 direkt an die aktive Zone 20 angrenzt. Denkbar ist in diesem Zusammenhang, dass der Gesamtwellenleiterbereich 2 durch eine Vielzahl weiterer Schichten in unterschiedlichen Kombinationen gebildet ist. Sowohl die Reflektionsschicht 24 als auch die Schichten 27, 28 und 30 sind mit einem n-Dotierstoff, beispielsweise Silizium-Fremdatomen, dotiert. Die Reflektionsschicht 24 basiert auf AlGaN, wobei sich die Aluminiumkonzentration bevorzugt im Bereich zwischen 1,5 % bis 15 % bewegt. Aufgrund des in der Reflektionsschicht 24 enthaltenen Aluminiums ist der Brechungsindex der Reflektionsschicht 24 kleiner als der Brechungsindex der Schicht 28 und/oder der Schicht 27. An einer Grenzfläche 10000 bildet sich durch den Brechungsindexunterschied ein Brechungsindexsprung Δn aus.
Der p-seitige Wellenleiterbereich basiert ebenso wie der n-seitige Wellenleiterbereich 21 auf InGaN wobei zur p-Dotierung ein metallisches Material, beispielsweise Magnesium, in den p-seitigen Wellenleiterbereich 22 eingebracht ist. Ferner beträgt die Dicke des p-seitigen Wellenleiterbereichs 22 100 nm bis 400 nm, vorliegend 250 nm. Der p-seitige Wellenleiterbereich 22 weist eine p-dotierte Elektronenblockierschicht 23 auf, die mit AlGaN gebildet ist. Zwischen der aktiven Zone 20 und der Elektronenblockierschicht 23 ist eine undotierte Abstandsschicht 25 im p-seitigen Wellenleiterbereich 22 angeordnet. „Undotiert“ heißt in diesem Zusammenhang, dass die von außen eingebrachte Dotierung der undotierten Abstandsschicht 25 weniger als 5 × 10¹⁷ 1/ccm beträgt. Die undotierte Abstandsschicht 25 weist eine Dicke von vorzugsweise 50 nm bis 250 nm, vorliegend von 100 nm, auf.
Vorliegend ist die aktive Zone 20 mit InGaN gebildet. Bei elektrischer Kontaktierung emittiert der kantenemittierende Halbleiterlaser 1 insbesondere in einem Wellenlängenbereich zwischen 390 nm und 560 nm. Ferner weist der kantenemittierende Halbleiterlaser 1 zwei Facetten 11 auf, die sich in vertikaler Richtung zu den epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers 12 über die ganze vertikale Ausdehnung des Halbleiterlasers 1 erstrecken. „Vertikal“ bedeutet dabei senkrecht zur epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichtenfolge. Über die Facetten 11 wird die von der aktiven Zone 20 emittierte elektromagnetische Strahlung aus dem Halbleiterlaser 1 ausgekoppelt.
Die 1B zeigt schematisch ein Brechungsindexprofil n entlang der Wachstumsrichtung 100 des in der 1A dargestellten kantenemittierenden Halbleiterlasers 1. Erkennbar ist im Bereich des n-seitigen Wellenleiterbereichs 21 der Brechungsindexsprung Δn ausgehend von der Reflektionsschicht 24 in Richtung der Schicht 27. Ferner weisen vorliegend sowohl die Reflektionsschicht 24 als auch die Schicht 30 den gleichen Brechungsindex auf. Ebenso ist in der 1B dargestellt, dass die Schichten 26, 25, 27 und 28 den gleichen Brechungsindex haben.
In der 2 ist ein Emissionsbild E dargestellt, welches eine räumliche Intensitätsverteilung zeigt. Dazu ist das Emissionsbild E beispielsweise auf einen Schirm S projiziert, in das ein Koordinatensystem integriert ist. Die Intensitätsverteilung ist in diesem Koordinatensystem aufgetragen, wobei eine y-Achse parallel zur Emissionsrichtung des kantenemittierenden Halbleiterlasers 1 verläuft und die z- und x-Achse eine zur y-Achse senkrecht verlaufende Ebene ausbilden. In diesem Zusammenhang wird die z-Achse auch als „Fast Axis“ und die x-Achse als „Slow Axis“ bezeichnet. Erkennbar ist, dass die Intensitätsverteilung sowohl in x-Richtung als auch in z-Richtung jeweils ihr Maximum in einem gemeinsamen Punkt auf der y-Achse aufweisen. Mit anderen Worten schwächt sich im Emissionsbild E die Intensität in Richtung weg von der y-Achse ab. Vorliegend sind die Intensitätsmuster in z-Richtung I_z und das Intensitätsmuster in x-Richtung I_x gaussförmig ausgebildet.
Wird fiktiv eine Verbindungslinie zwischen der aktiven Zone 20 und dem Schnittpunkt zwischen der Intensitätsverteilung I_z und der z-Achse gezogen, so ist ein Fast Axis-Winkel α_f als der Winkel zwischen einer solchen fiktiven Verbindungslinie und der y-Achse definiert. Eine analoge Definition gilt für den Slow Axis-Winkel α_s, der ebenso durch die y-Achse und den Schnittpunkt der Intensitätsverteilung I_x mit der x-Achse festgelegt ist. Ein Verhältnis AR (zu engl. Aspect Ratio) ist dann durch folgende Beziehung gegeben: $AR : = α_{f} / α_{s} .$
Ist der Fast Axis-Winkel α_f im Vergleich zum Slow Axis-Winkel α_s besonders groß, so erscheint das Emissionsbild E elliptisch. Ein niedriges AR ist jedoch wichtig für eine einfache Einstellung des Emissionsbildes beziehungsweise der Abstrahlungseigenschaften des kantenemittierenden Halbleiterlasers 1.
Die 3A und 3B zeigen in schematischen Darstellungen solche Emissionsbilder. Während in die 3A das Emissionsbild der von der aktiven Zone 20 emittierten Grundmode gezeigt ist, zeigt die 3B die von der aktiven Zone 20 emittierte nächst höhere Mode. Beide Moden werden von der aktiven Zone 20 erzeugt und aus dem Halbleiterlaser herausgeführt.
Die 4 zeigt eine Strom-Ausgangsleistungs-Kennlinie eines Halbleiterlasers, bei der die einzelnen optischen Ausgangsleistungswerte gegen die Bestromungshöhe des Halbleiterlasers aufgetragen ist. In der 4 ist dargestellt, dass bis zu einem Wert von etwa 80 mA der Halbleiterlaser 1 kaum elektromagnetische Strahlung emittiert, während bei einer darüber liegenden Stromstärke der Halbleiterlaser 1 „plötzlich“ beginnt, elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Die Bestromungshöhe, ab der der kantenemittierende Halbleiterchip 1 beginnt elektromagnetische Strahlung zu emittieren, wird als eine Schwellstromhöhe I_th bezeichnet. In diesem Zusammenhang ist eine Slope Efficiency Sh definiert als: $Sh : = (Δ der optischen Ausgangsleistung) / (ΔΙ) .$
Ferner sei ein Mode Stability-Faktor MSF durch Beziehung $MSF : = (Ι_{t h} der nächst höheren Mode) / (Ι_{t h} der Grundmode)$
gegeben.
Das heißt, dass ein hohes MSF wichtig für eine grundmodige Emission des kantenemittierenden Halbleiterlasers 1 ist.
Eine möglichst niedrige Schwellstromstärke I_th ist insbesondere im Hinblick auf die Strahlqualität und eine möglichst frühzeitige Anregung der Grundmode wünschenswert. In der 5 ist ein solcher kantenemittierender Halbleiterlaser 1 gezeigt. Vorliegend handelt es sich bei dem in der 5 gezeigten Halbleiterlaser 1 um einen Rippenlaser mit einer in der 5 dargestellten Rippe 150. Der Rippenlaser weist eine Rippenbreite 151 auf, wobei hierbei die Rippenbreite die laterale Ausdehnung des Halbleiterlasers 1, also parallel zu der epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichtenfolge, ist. Erkennbar sind in den Seitenansichten der 5 die Facette 160 sowie die aktive Zone 20.
Die 6A zeigt in einer schematischen Darstellung das Emissionsbild E der Grundmode des hier beschriebenen Halbleiterlasers 1. Der Betrag der Intensitätsverteilung |I| weist sein Maximum im Bereich der aktiven Zone 20 auf, wobei die Intensität |I| der von der aktiven Zone 20 emittierten elektromagnetischen Strahlung mit größerem Abstand zur aktiven Zone 20 abnimmt. Ferner ist aus der 6 gut erkennbar, dass die Grundmode durch den Wellenleiterbereich 2 des kantenemittierenden Halbleiterlasers 1 unterstützt ist und die Grundmode ein wohldefiniertes Intensitätsmaximum in der im Bereich der aktiven Zone 20 aufweist.
Die 6B zeigt das Emissionsbild E der nächst höheren Mode. Im Gegensatz zur 6A ist hier erkennbar, dass das Emissionsbild E der nächst höheren Mode ein „Verschmieren“ aufweist und daher kein konzentrisches Maximum in der Intensitätsverteilung aufweist. Dies ist ein klarer Hinweis dafür, dass der kantenemittierende Halbleiterchip 1 die nächst höhere Mode nicht unterstützt.
Die 7A, 7B und 7C zeigen physikalische Messergebnisse in Abhängigkeit einer Dicke 170 des Wellenleiterbereichs 2. Die Kurven 200, 300 und 400 zeigen jeweils die physikalischen Messergebnisse für einen kantenemittierenden Halbleiterlaser ohne die hier beschriebene undotierte Abstandsschicht und Reflektionsschicht, während die Kurven 210, 310 und 410 jeweils die physikalischen Messergebnisse für einen hier beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlaser 1 zeigen.
Dazu zeigt in der 7A die Kurve 210 eine interne Absorption α_i in Abhängigkeit der Gesamtwellenleiterbereichdicke 170.
Erkennbar ist, dass die interne Absorption α_i bei einer Gesamtwellenleiterbereichdicke 170 von (3·d₀) bereits fast um die Hälfte des Ausgangswerts ausgehend im Bereich von einer Dicke um (1·d₀) abgenommen hat, wobei·d₀ eine Einheitslänge von 100 nm darstellt. Bei einer Gesamtwellenleiterbereichdicke 170 von (5·d₀) beträgt die interne Absorption α_i bereits nur noch etwa ein Drittel des Ausgangswerts. Verglichen mit der Kurve 200 der Absorptionswerte α_i eines Halbleiterlasers ohne die Reflektionsschicht und die undotierte Abstandsschicht beträgt der Wert bei einer Gesamtwellenleiterbereichdicke 170 von (5·d₀) lediglich nur noch etwa ein Viertel. Zwar erhöhen die im Wellenleiterbereich 2 mit Magnesium dotierten Schichten 25 und 26 die interne Absorption, die zunehmende Dicke 170 überwiegt jedoch diesen unerwünschten Effekt, so dass letztendlich eine zunehmende Wellenleiterbereichdicke 170 die interne Absorption α_i, wie in der 7A dargestellt, erheblich verringert. Ergänzend sei angemerkt, dass eine derart geringe interne Absorption α_i mit einer hohen Slope Efficiency Sh einhergeht, was insbesondere für leistungsstarke Halbleiterlaser wünschenswert ist.
In der 7B ist gezeigt, dass ein Confinementfaktor Γ des hier beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlasers 1 im Vergleich zu einem kantenemittierenden Halbleiterlaser ohne eine Reflektionsschicht und undotierte Halbleiterschicht erhöht ist und daher gleichzeitig die in der 7C gezeigte Schwellstromstärke I_th abnimmt.
Während die 8A ein Beispiel eines kantenemittierenden Halbleiterlasers ohne eine undotierte Abstandsschicht und Reflektionsschicht zeigt, sind in den 8B, 8C und 8D Ausführungsbeispiele des hier beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlasers 1 gezeigt. Dabei sind die einzelnen Dickenangaben der einzelnen Schichten des Halbleiterlasers den entsprechenden 8B, 8C und 8D zu entnehmen.
Nachfolgend wird das Ausführungsbeispiel gemäß der 8A als Referenzstruktur 1111 bezeichnet, wobei die Ausführungsbeispiele gemäß der 8B, 8C und 8D als Strukturen 1000, 2000 und 3000 geführt werden.
In der 9A sind die jeweiligen Mode Stability Faktoren MSF's der in den 8A, 8B, 8C und 8D dargestellten Strukturen gegen die Rippenbreite 151 aufgetragen. Die Rippenbreite 151 bewegt sich dabei zwischen 1,6 µm und 3,4 µm. Erkennbar ist, dass der kantenemittierende Halbleiterlaser 1 in Form der Struktur 2000 einen Laser mit dem höchsten MSF bildet. Beispielsweise ist das MSF bei einer Rippenbreite von 2,7 µm der Struktur 2000 um etwa einen Faktor 2,5 größer als das MSF der Struktur 3000. Mit anderen Worten ist mittels der Struktur 2000 ein grundmodiger Betrieb des Halbleiterlasers 1 am besten realisierbar, da durch die in der 8C angegebenen Schichtdicken die höheren Moden am besten unterdrückt werden. Die Struktur 2000 bietet also die höchste Strahlqualität der hier gezeigten Strukturen.
In der 9B sind die einzelnen optischen Ausgangsleistungen von hier beschriebenen Halbleiterlasern 1 in Form der Strukturen 1000, 2000 und 3000 gegen die externe Bestromungshöhe aufgetragen. Aus der 9B geht hervor, dass die Struktur 3000 einen Laser mit der höchsten optischen Ausgangsleistung bildet, während sowohl die Referenzstruktur 1111 als auch die beiden anderen Strukturen 1000 und 2000 ähnliche optische Ausgangsleistungswerte aufweisen.
Die 9C zeigt die einzelnen Aspect Ratios AR's der Referenzstruktur und der Strukturen 1000, 2000 und 3000. Erkennbar ist, dass die Struktur 1000 das niedrigste Aspect Ratio aufweist, was insbesondere für eine einfache Einstellung des Emissionsbildes E vorteilhaft ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Struktur 1000 das niedrigste Aspect Ratio ASR, die Struktur 2000 die beste Strahlqualität und die Struktur 3000 die höchste optische Ausgangsleistung aufweist. Dies soll aufzeigen, dass mittels einer individuellen Einstellung der einzelnen Schichtdicken des Wellenleiterbereichs 2 Laserparameter auf die jeweiligen individuellen Bedürfnisse und Anwendungsbereiche des kantenemittierenden Halbleiterlasers 1 eingestellt werden können. Denkbar ist in diesem Zusammenhang, dass die Schichtdicken der undotierten Abstandsschicht 25, der Reflektionsschicht 24 und/oder weiterer Schichten innerhalb des Gesamtwellenleiters 2 an die von der aktiven Zone 20 emittierte Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung gekoppelt ist.
Die 10 zeigt einzelne Brechungsindexwerte n(x) der Reflektionsschicht 24 in Abhängigkeit einer Aluminiumkonzentration in der Reflektionsschicht 24. Dabei zeigen die Brechungsindexkurven 4000, 5000 und 6000 die Brechungsindexverläufe bei Wellenlängen von 405 nm, 450 nm und 520 nm. Bei einem Aluminiumgehalt von 0 % weisen die Kurven 4000, 5000 und 6000 jeweils einen Brechungsindex von 2,512, 2,427 und 2,393 auf. Diese Brechungsindices sind dabei jeweils die Brechungsindices der an die Reflektionsschicht 24 direkt angrenzenden Schichten 27 und 28. Beispielsweise bei einer Aluminiumkonzentration von 10 % weisen die Kurven 4000, 5000 und 6000 einen Brechungsindex von etwa 2,43, 2,37 und 2,35 auf. Ein Brechungsindexsprung Δn bei einer solchen Aluminiumkonzentration beträgt dann die jeweils in der 10 dargestellten Werte. Im gesamten von dem kantenemittierenden Halbleiterlaser 1 emittierten Wellenbereich von 390 nm bis 560 nm hält sich der wellenlängenabhängige Brechungsindexsprung Δn vorzugsweise in einem Bereich von 0,015 bis 0,2 auf. Mit anderen Worten kann mittels der Aluminiumkonzentration x innerhalb der Reflektionsschicht 24 der Brechungsindexsprung zwischen der Reflektionsschicht 24 und den an die Reflektionsschicht angrenzenden Schichten 27 und 28 individuell angepasst werden. Ferner ist die Aluminiumkonzentration x in der Reflektionsschicht 24 auf die von der aktiven Zone 20 emittierte Wellenlänge abgestimmt.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr erfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet. Dies gilt auch, wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) mit, - einem n-seitigen Wellenleiterbereich (21) und einem p-seitigen Wellenleiterbereich (22); - einer aktiven Zone (20) zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung; - zumindest einer Reflektionsschicht (24) im n-seitigen Weilerleiterbereich (21), wobei - die Reflektionsschicht (24) in Form einer Schicht oder Schichtenfolge in den n-seitigen Wellenleiterbereich (21) integriert und stellenweise an Außenflächen von Halbleitermaterial des n-seitigen Wellenleiterbereichs (21) umschlossen ist, - die aktive Zone (20) zwischen den beiden Wellenleiterbereichen (21, 22) angeordnet ist, - die Dicke des n-seitigen Wellenleiterbereichs (21) größer als die des p-seitigen Wellenleiterbereichs (22) ist, - der Brechungsindex der Reflektionsschicht (24) kleiner ist, als der Brechungsindex des an die Reflektionsschicht (24) angrenzenden n-seitigen Wellenleiterbereichs (21).
Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) nach Anspruch 1, bei dem der p-seitige Wellenleiterbereich (22) eine Elektronenblockierschicht (23) sowie eine undotierte Abstandsschicht (25) aufweist, wobei die Abstandsschicht (25) zwischen der aktiven Zone (20) und der Elektronenblockierschicht (23) angeordnet ist.
Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der n-seitige Wellenleiterbereich (21) zumindest 1,5-mal dicker ist als der p-seitige Wellenleiterbereich (22) .
Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Halbleitermaterial der Reflektionsschicht (24) auf AlGaN basiert und das Halbleitermaterial des an die Reflektionsschicht (24) angrenzenden n-seitigen Wellenleiterbereichs (21) auf InGaN basiert.
Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Brechungsindex der Reflektionsschicht (24) in einem Wellenlängenbereich von 405 nm bis 520 nm der von der aktiven Zone (20) emittierten elektromagnetischen Strahlung sich um zumindest 0,02 zum Brechungsindex des an die Reflektionsschicht (24) angrenzenden n-seitigen Wellenleiterbereichs (21) unterscheidet.
Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Reflektionsschicht (24) eine Dicke von 15 nm bis 150 nm und eine Aluminuim-Konzentration von 1,5 % bis 15 % aufweist.
Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3 bis 6 mit ihrem Rückbezug auf Anspruch 2, bei dem die undotierte Abstandsschicht (25) eine Dicke von 50 nm bis 250 nm aufweist.
Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3 bis 7 mit ihrem Rückbezug auf Anspruch 2, bei dem - die aktive Zone (20) elektromagnetische Strahlung im Bereich von 390 nm bis 560 nm emittiert; - der n-seitige Wellenleiterbereich (21) eine Dicke von 150 nm bis 750 nm aufweist; - die Reflektionsschicht (24) eine Dicke von 15 nm bis 150 nm sowie eine Aluminium-Konzentration von 1,5 % bis 15 % aufweist; - der p-seitige Wellenleiterbereich (22) eine Dicke von 100 nm bis 400 nm aufweist, und - die undotierte Abstandsschicht (25) eine Dicke von 50 nm bis 250 nm aufweist, wobei - der n-seitige Wellenleiterbereich (21), der p-seitige Wellenleiterbereich (22) und die undotierte Abstandsschicht (25) jeweils eine Indium-Konzentration von höchstens 10 % aufweisen.