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Die Erfindung betrifft ein Halbleiterlaserarray und eine Halbleiterlaserarrayschaltungsanordnung.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 054 564 A1 beschreibt eine Laserdiodenanordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Laserdiodenanordnung.
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Die Druckschrift
US 5 212 706 A beschreibt eine Laserdiodenanordnung mit Tunnelübergangen.
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Die Druckschrift US 2016 / 0 072 253 A1 beschreibt ein Treibersystem für einen Halbleiterlaser angeregten Festkörperlaser.
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Die Druckschrift WO 2017 / 025 958 A1 beschreibt ein Pulslicht-Beleuchtungsgerät.
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Die Druckschrift US 2006 / 0 291 512 A1 beschreibt eine Vorrichtung und eine Methode zur Ansteuerung von Laserdioden.
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Ein Halbleiterlaserarray umfasst eine Mehrzahl von strahlungsemittierenden Lasern, die jeweils mit einem Treiber angesteuert werden. Solche Laser können einen Halbleiterschichtenstapel mit einem oder mehreren pn-Übergangsbereichen als Laserdioden aufweisen.
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1 zeigt ein Beispiel eines konventionellen Lasers mit einem Halbleiterschichtenstapel auf einem n-dotierten Substrat 20n auf GaAs-Basis. Der Laser umfasst drei pn-Übergangsbereiche 110, 120, 130 mit je einer p-dotierten Schicht p und einer n-dotierten Schicht n. Die n-dotierten Schichten n der pn-Übergangsbereiche 110, 120, 130 sind dem Substrat 20n zugewandt; die p-dotierten Schichten p davon abgewandt. Zwischen den pn-Übergangsbereichen 110, 120, 130 ist jeweils eine Tunneldiode 15 mit einer n- und einer p-dotierten Tunneldiodenschicht n-TJ, p-TJ angeordnet. An der Oberseite des Halbleiterschichtenstapels ist eine p-dotierte Kontaktschicht 30p als Anode A angeordnet. Ein konventionelles Halbleiterlaserarray umfasst eine Mehrzahl dieser Halbleiterschichtenstapel, wobei das Substrat 20n als gemeinsame Kathode C dient. Dies ist auch durch das Schaltsymbol neben dem Laser 10 in 1 veranschaulicht.
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Die Ansteuerung von Diodenlaserarrays, wie oben beschrieben, erfolgt üblicherweise mit MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, englisch „metal-oxide-semiconductor field-effect transistor“). Der innere strukturelle Aufbau der Diodenlaserarrays gibt Randbedingungen für den Aufbau der Ansteuerschaltung vor. Jeder Laser im Array wird von einem Transistor mit Strom versorgt. Die Transistoren können n- oder p-MOSFETs sein.
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2 zeigt eine konventionelle Halbleiterlaserarrayschaltungsanordnung umfassend eine Mehrzahl von Lasern 10 im Array 1 mit einer gemeinsamen Kathode C und jeweils einem Treiber 60 für jeden Laser 10, wie er in Zusammenhang mit 1 beschrieben ist. Der Treiber 60 umfasst einen p-MOSFET 66 mit Drain-, Source- und Gate-Anschluss D, S, G und einen MOSFET-Treiber 65, der mit dem Gate-Anschluss G verbunden ist. Der MOSFET-Treiber 65 ist mit einem Steuerpotenzial Vs und einem Referenzpotenzial GND verbunden und erlaubt in Abhängigkeit der angelegten Spannung den MOSFET 66 über seinen Gate-Anschluss G zu steuern. Die Anoden der Laser 10 sind elektrisch leitend mit dem Drain-Anschluss D des sie jeweils steuernden MOSFET 66 verbunden. Die Source-Anschlüsse S sind mit einem Versorgungspotenzial Vc verbunden. Diese Ansteuerung wird auch als Source-Ansteuerung bezeichnet. Die Verwendung von p-MOSFETs in der Anordnung in 2 bedingt die durch Spannung- und Stromverstärkung sich vorteilhaft auszeichnende Sourceschaltung. Diese Transistoren haben allerdings typenspezifisch bedingt höhere Verlustleistungen und geringere Schaltzeiten als n-MOSFETs. Ihre Anschaffungskosten sind höher. Zudem ist eine hohe Steuerspannung erforderlich. Strom- und Spannungsverstärkung sind größer als eins.
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Die Ansteuerung von Infrarot-High-Power-Diodenlaserarrays oben geschilderter Art haben folgende technische Probleme. Diese gilt zumindest teilweise auch für die nachfolgende Anordnung in 3. Eine Ansteuerung mit kürzeren Stromimpulsen ist nicht realisierbar wegen großer parasitärer Induktivitäten und Kapazitäten auf Grund langer Drahtverbindungen und des Schaltungstypus mit seinen relativ großen p-MOSFETs. Die angewandten Schaltungstypen erfordern eine relativ hohe Steuerspannung. Das wirkt sich unvorteilhaft auf die Ansteuerimpulsform und -breite aus. Die Leistungsverluste sind hoch. Geometrische Abmessungen und Gewicht der Schaltungseinheiten sind zu groß. Damit verbunden sind auch relativ hohe Kosten.
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3 zeigt eine weitere konventionelle Halbleiterlaserarrayschaltungsanordnung mit einer Mehrzahl von Lasern mit einer gemeinsamen Kathode C und jeweils einen Treiber 60 mit einem n-MOSFET 66 für jeden Laser 10, wie er in Zusammenhang mit 1 beschrieben ist.
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Die Anoden der Laser 10 sind elektrisch leitend mit dem Source-Anschluss S des jeweiligen MOSFET 66 verbunden. Die Drain-Anschlüsse D sind mit einem Versorgungspotenzial Vc verbunden. Die Verwendung von n-MOSFETs 66 bedingt eine Drainschaltung. Mit n-MOSFETs 66 sind kürzere Schaltzeiten und kleinere Verlustleistungen möglich. Die Drainschaltung hat auch eine gute Stromverstärkung aber keine Spannungsverstärkung. Außerdem werden hohe Schaltspannungen benötigt, was die Anwendung solch einer Schaltungsanordnung mit n-MOSFETS uninteressant macht.
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Es stellt sich die Aufgabe eine alternative Halbleiterlaserarrayschaltungsanordnung und ein dafür geeignetes Halbleiterlaserarray bereitzustellen.
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Das Halbleiterlaserarray mit einer Mehrzahl von Halbleiterlasern umfasst ein gemeinsames Substrat für die Mehrzahl von Halbleiterlasern, das die gemeinsame Anode der Mehrzahl von Halbleiterlasern ist, wobei jeder Halbleiterlaser einen pn-Übergangsbereich zwischen der gemeinsamen Anode und einer Kathodenkontaktschicht aufweist und der pn-Übergangsbereich eine p-dotierte Schicht und eine n-dotierte Schicht umfasst und die p-dotierte Schicht des pn-Übergangsbereichs dem Substrat zugewandt ist.
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Das Halbleiterlaserarray unterscheidet sich von konventionellen Halbleiterlaserarrays im inneren strukturellen Schichtaufbau: Die Laser haben eine umgekehrte Schichtenfolge im Vergleich zu konventionellen Lasern, sodass im Schichtenstapel des Lasers immer die p-dotierte Schichtstruktur dem Substrat und die n-dotierte Schichtstruktur der Oberfläche zugewandt ist.
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Die gemeinsame Anode ermöglicht, dass die einzelnen Laser im Array in verbesserter Weise über ihre Kathoden durch Transistoren angesteuert werden können. Die gemeinsame Anode ermöglicht eine Sourceschaltung mit n-MOSFETs als Treiberschaltungsanordnung. Die Sourceschaltung zeichnet sich durch eine Spannungs- und Stromverstärkung größer als eins aus. Die Ansteuerspannung ist somit in optimaler Weise als niedrige Ansteuerspannung realisierbar.
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Die gemeinsame Anode erlaubt eine Halbleiterlaserarrayschaltungsanordnung mit einem Halbleiterlaserarray, wie oben beschrieben, vorzusehen, dessen Laser jeweils von einem Treiber mit einem n-MOSFET angesteuert werden. Der Treiber weist eine Source-Schaltung des n-MOSFET auf, bei der ein Drainkontakt des n-MOSFET elektrisch leitend mit der Kathodenkontaktschicht eines der Halbleiterlaser verbunden ist und ein Sourcekontakt des n-MOSFET elektrisch leitend mit einem Referenzpotenzial verbunden ist. Die gemeinsame Anode ist mit einem Versorgungspotential verbunden.
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Der Schaltungsaufbau erfordert wegen der Verwendung von n-MOSFETs weniger Platz und hat ein geringeres Gewicht. Dadurch sind kürzere Schaltdrahtverbindungen möglich. Die Kosten sind durch die platzsparende Bauweise geringer. Störeinflüsse durch parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten sind geringer. Auch kürzere Anstiegs- und Abfallzeiten bei den Ansteuerimpulsen im Vergleich zu konventionellen Schaltungsanordnungen werden ermöglicht. Die Verlustleistung verringert sich. Die Verwendung von n-GaN-MOSFETs ist möglich, die sich durch noch kürzere Schaltzeiten als n-Si-MOSFETs auszeichnen.
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Der pn-Übergangsbereich kann in einem Laser von einer Mehrzahl von pn-Übergangsbereichen umfasst sein, wobei die p-dotierten Schichten der pn-Übergangsbereiche jeweils dem Substrat zugewandt sind. Zwischen zwei benachbarten pn-Übergangsbereichen ist eine Tunneldiode angeordnet. Mit anderen Worten: Zwischen den einzelnen Lasern im Stapel ist immer eine Tunneldiode, auch als Tunnelkontakt bezeichnet, eingebaut, um einen ohmschen Übergang zwischen den Lasern zu erzielen.
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Das Substrat kann ein n-dotiertes Substrat oder ein p-dotiertes Substrat sein. Im erstgenannten Fall ist zwischen dem n-dotierten Substrat und dem benachbarten pn-Übergangsbereich eine Tunneldiode angeordnet.
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Das n-dotierte Substrat hat Vorteile gegenüber dem p-dotierten Substrat. Der spezifische Widerstand des Materials ist ungefähr um den Faktor 15 niedriger. Die Verfügbarkeit von p-dotiertem Substraten ist nicht besonders gut.
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Die Kathodenkontaktschicht ist p-dotiert. In diesem Fall ist zwischen ihr und dem benachbarten pn-Übergangsbereich eine Tunneldiode angeordnet. Alternativ kann die Kathodenkontaktschicht n-dotiert sein. Dotierniveau und Dicke der Kathodenkontaktschicht können in beiden Fällen beliebig sein.
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In einer Ausführung umfasst der Halbleiterlaser jeweils einen Halbleiterschichtenstapel auf dem Substrat. Der Halbleiterschichtenstapel weist auf: die n-dotierte Schicht angeordnet über der p-dotierten Schicht als pn-Übergangsbereich und eine p-dotierte Tunneldiodenschicht angeordnet über einer n-dotierten Tunneldiodenschicht, die die Tunneldiode formen. Die vier Schichten sind derart angeordnet, dass die n-dotierte Schicht der n-dotierten Tunneldiodenschicht zugewandt ist und/oder dass die p-dotierte Schicht der p-dotierten Tunneldiodenschicht zugewandt ist.
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Die Halbleiterlaser sind durch Gräben voneinander getrennt. Die Gräben können zumindest teilweise mit optisch isolierendem Material gefüllt sein, um Übersprechen zwischen den Lasern zu vermindern.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung veranschaulicht.
- 1 zeigt ein Beispiel eines Lasers aus einem konventionellen Halbleiterlaserarray.
- 2 und 3 zeigen konventionelle Beispiele von Halbleiterlaserarrayschaltungsanordnung.
- 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlaserarrays.
- 5, 6, 7 und 8 zeigen Ausführungsbeispiele eines Lasers aus dem Halbleiterlaserarray.
- 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Halbleiterlaserarrayschaltungsanordnung.
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4 zeigt schematisch ein Halbleiterlaserarray 1 mit einer Mehrzahl von strahlungsemittierenden Lasern 10. Solch ein Array 1 kann ein Infrarot-High-Power-Diodenlaserarrays mit Abstrahlung im infraroten Bereich sein. Alternative Ausführungsbeispiele strahlen Licht im sichtbaren oder ultravioletten Bereich ab.
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Es sind exemplarisch fünf nebeneinander angeordnete Laser 10 dargestellt. Die Laser 10 sind Diodenlaser mit jeweils drei übereinander angeordneten, d.h. vertikal gestapelten, und in Reihe geschalteten Laserdioden, die jeweils einen Laserbereich 11, 12, 13 bilden.
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Das Halbleiterlaserarray 1 ist als Halbleiterschichtenstapel auf einem gemeinsamen Substrat 20, beispielsweise auf GaAs-Basis, aufgebaut, mittels dessen eine gemeinsame Kontaktierung der Laser 10 ermöglicht wird. Die Laser sind durch Gräben 40 voneinander getrennt. Oberseitig ist auf den Lasern jeweils eine Kontaktschicht 30 angeordnet. Zwischen der Kontaktschicht 30 und dem gemeinsamen Substrat 20 lässt sich eine Spannung zur Steuerung des Lasers 10 anlegen.
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Die geometrischen Maße eines Halbleiterlaserarrays 1 und der Laser 10 darin sind beliebig wählbar. Lediglich die vorgegeben Anforderungen an die Lasereigenschaften, insbesondere die gewünschte Strahlungsemission, müssen erfüllt werden. Die Anzahl der einzelnen Laser 10 im Array 1, die durch Materialaussparung erzeugt werden, ist frei wählbar. Die Anzahl der gestapelten Laserdioden in den einzelnen Laser 10 ist frei wählbar. Somit ergeben sich ausreichend Freiheitsgrade für das Design eines Arrays 1 bei vorgegebenen Arrayeigenschaften.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist das gemeinsame Substrat 20 die gemeinsame Anode A der Laser 10, und die Kontaktschichten 30 sind die Kathoden der einzelnen Laser 10.
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Die Herstellung der Halbleiterschichtenstapel für jeden Laser kann durch Aufwachsen epitaktischer Schichten auf das Substrat 20 erfolgen, sodass die Schichten für die späteren Laser 10 parallel und gleichzeitig gefertigt werden. Die anschließende Fertigung der einzelnen Laser 10 im Array 1 aus der Schichtenfolge kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. In einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Ausbildung der Laser 10 durch schlechtleitende senkrecht stehende Flächen, die durch Eindiffundieren von Material in die Laserschichten bis ins Substrat erzeugt werden. Durch Sägen, optisches Brennen oder Ätzen können einige Mikrometer breite Trenngräben 40 zwischen den Lasern 10 ausgebildet werden, die optional mit optisch isolierendem Material gefüllt werden können, um Übersprechen zu verringern. Alternative Verfahren zur Herstellung von hochohmigen bzw. nicht oder schlecht leitfähigen Schichten zwischen den Lasern 10 sind denkbar.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Lasers aus dem Halbleiterlaserarray in 4.
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Das gemeinsame Substrat ist ein n-dotiertes Substrat 20n auf GaAs-Basis, das als gemeinsame Anode A dient. Dies ist auch durch das Schaltsymbol neben dem Laser 10 veranschaulicht.
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Der Laser 10 umfasst einen ersten Laserbereich 11 mit einem pn-Übergangsbereich 110, einen zweiten Laserbereich 12 mit einem pn-Übergangsbereich 120 und einen dritten Laserbereich 13 mit einem pn-Übergangsbereich 130. Jeder pn-Übergangsbereich 110, 120, 130 weist eine p-dotierte Schicht p und eine n-dotierte Schicht n auf, zwischen denen sandwichartig eine aktive Schicht zur Strahlungsemission angeordnet ist. Die p-dotierten Schichten p der pn-Übergangsbereiche 110, 120, 130 sind dem Substrat 20n zugewandt. Die n-dotierten Schichten n der pn-Übergangsbereiche 110, 120, 130 sind vom Substrat 20n abgewandt.
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Zwischen dem Substrat 20n und dem ersten Laserbereich 11 ist eine Tunneldiode 15, ebenso wie zwischen dem ersten und zweiten Laserbereich 11, 12 sowie zwischen dem zweiten und dritten Laserbereich 12, 13 vorgesehen. Jede Tunneldiode 15 weist eine p- und eine n-dotierte Tunneldiodenschicht p-TJ, n-TJ auf.
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Die Laser 10 weisen eine Schichtenfolge auf, sodass bei den Laserbereichen 11, 12, 13 im Stapel immer die p-dotierte Schichtstruktur p dem Substrat 20n und die n-dotierte Schichtstruktur n der Oberfläche zugewandt ist. Zwischen den einzelnen Laserbereichen 11, 12, 13 im Stapel ist stets eine Tunneldiode 15, auch als Tunnelkontakt bezeichnet, vorgesehen, um einen niederohmigen Übergang zwischen den Laserbereichen 11, 12, 13 zu bilden.
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Die Schichtenfolge des Halbleiterschichtenstapels des Laser 10 auf einem gemeinsamen n-dotierten Substrat 20n ist in aufsteigender Reihenfolge wie folgt: auf dem n-dotierten Substrat 20n sind die n-dotierte Tunneldiodenschicht n-TJ und die p-dotierte Tunneldiodenschicht p-TJ, gefolgt von der p-dotierten Schicht p und der n-dotierten Schicht n des ersten pn-Übergangsbereichs 110, dann die n-dotierte Tunneldiodenschicht n-TJ und die p-dotierte Tunneldiodenschicht p-TJ, gefolgt von der p-dotierten Schicht p und der n-dotierten Schicht n des zweiten pn-Übergangsbereichs 120, dann die n-dotierte Tunneldiodenschicht n-TJ und die p-dotierte Tunneldiodenschicht p-TJ, gefolgt von der p-dotierten Schicht p und der n-dotierten Schicht n des dritten pn-Übergangsbereichs 130 und obenauf die n-dotierte Kathodenkontaktschicht 30n angeordnet. Die aktiven Schichten der pn-Übergangsbereiche 110, 120, 130 wurden nicht erwähnt. Weitere Zwischenschichten sind optional.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Lasers 10 aus dem Halbleiterlaserarray 1 in 4. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden lediglich die Unterschiede zu dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel beschrieben.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist eine p-dotierte Kathodenkontaktschicht 30p vorsehen, zwischen der und dem dritten pn-Übergangsbereich 130 eine Tunneldiode 15 mit einer n- und p-dotierten Tunneldiodenschicht n-TJ, p-TJ angeordnet ist. Die n-dotierte Tunneldiodenschicht n-TJ ist dem dritten Laserbereich 130 zugewandt. Die p-dotierte Tunneldiodenschicht p-TJ ist der Kathodenkontaktschicht 30p zugewandt. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht eine standardisierte Fertigung, falls im Einklang mit konventionellem Design eine p-dotierte, oben liegende Kontaktfläche 30 vorgegeben ist.
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7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Lasers 10 aus dem Halbleiterlaserarray 1 in 4. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden lediglich die Unterschiede zu dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel beschrieben.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist ein p-dotiertes Substrat 20p als gemeinsame Anode A vorgesehen. Dadurch ist die Tunneldiode 15 zwischen dem Substrat 20p und dem ersten Laserbereich 11 entbehrlich.
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Die Schichtenfolge des Halbleiterschichtenstapels auf dem gemeinsamen p-dotiertem Substrat 20p ist in aufsteigender Reihenfolge wie folgt: auf dem p-dotierten Substrat 20p sind die p-dotierte Schicht p und die n-dotierte Schicht n des ersten pn-Übergangsbereichs 110, dann die n- und die p-dotierte Tunneldiodenschichte n-TJ, p-TJ, gefolgt von der p- und der n-dotierten Schicht p, n des zweiten pn-Übergangsbereichs 120, dann die n- und die p-dotierte Tunneldiodenschichte n-TJ, p-TJ, gefolgt von der p- und der n-dotierten Schicht p, n des dritten pn-Übergangsbereichs 130 und obenauf die n-dotierte Kathodenkontaktschicht 20n angeordnet. Die aktiven Schichten der pn-Übergansbereiche 110, 120, 130 wurden nicht erwähnt. Weitere Zwischenschichten sind optional.
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8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Lasers 10 aus dem Halbleiterlaserarray 1 in 4. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden lediglich die Unterschiede zu dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel beschrieben.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist ein p-dotiertes Substrat 20p als gemeinsame Anode vorgesehen. Dadurch ist die Tunneldiode zwischen dem Substrat 20p und dem ersten Laserbereich 11 entbehrlich und fehlt.
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Die in den 5 bis 8 beschriebenen Ausführungsbeispiele veranschaulichen, dass Halbleiterlaserarrays 1 mit gemeinsamer Anode A sowohl mit n- als auch mit p-dotiertem Substrat 20n, 20p herstellbar sind.
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Die Kathodenkontaktschicht 30n, 30p kann folgende Varianten ausweisen: Entweder ist sie n-dotiert mit beliebigem Dotierniveau und Dicke oder p-dotiert mit beliebigem Dotierniveau und Dicke mit einer darunter liegenden Tunneldiode 15.
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9 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Halbleiterlaserarrayschaltungsanordnung zur Ansteuerung der in den 4 bis 8 beschriebenen Ausführungsbeispiele von Halbleiterlaserarrays 1 mit einer gemeinsamen Anode A für die Laserbereiche 10 des Halbleiterlaserarrays 1.
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Die Halbleiterlaserarrayschaltungsanordnung weist jeweils einen Treiber 60 für jeden Laser 10 auf. Der Treiber 60 umfasst einen n-MOSFET 66 mit Drain-, Source- und Gate-Anschluss D, S, G und einen MOSFET-Treiber 65, der mit dem Gate-Anschluss G verbunden ist. Der MOSFET-Treiber 65 ist mit einem Steuerpotenzial Vs und einem Referenzpotenzial GND verbunden und erlaubt in Abhängigkeit der angelegten Spannung den MOSFET 66 über dessen Gate-Anschluss G zu steuern und dessen Abstrahlung in gewünschter Weise zu beeinflussen.
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Die gemeinsame Anode A ist mit dem Versorgungspotenzial Vc verbunden. Die Kathoden der Laser 10 sind elektrisch leitend mit dem Drain-Anschluss D des sie steuernden MOSFET 66 verbunden. Die Source-Anschlüsse S sind mit dem Referenzpotenzial GND verbunden. Diese Ansteuerung wird auch als Source-Ansteuerung bezeichnet, die eine bestmögliche Impulsansteuerung für das Diodenlaserarray 1 ermöglicht. Die erforderliche Steuerspannung Vs ist geringer als bei konventionelle Anordnungen. Spannungs- und Stromverstärkung sind größer als eins.
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Die Halbleiterlaserarrayschaltungsanordnung kann integriert ausgebildet sein, sodass sie das Halbleiterleiterlaserarray 1 und auch zumindest Teile, insbesondere die n-MOSFETS 66, der Treiber 60 umfasst. Auf Grund des geringeren Platzbedarfs der n-MOSFETs 66 sind die Verbindungstrukturen zwischen den n-MOSFETs 66 und den Lasern 66 kurz, was unerwünschte Schaltungseffekte und Leitungseffekte reduziert.
