DE102019212746A1

DE102019212746A1 - Kantenemittierender halbleiterlaser und verfahren zur herstellung eines kantenemittierenden halbleiterlasers

Info

Publication number: DE102019212746A1
Application number: DE102019212746.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Mueller
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2019-08-26
Filing date: 2019-08-26
Publication date: 2021-03-04
Also published as: US20220285919A1; US11757259B2; WO2021037607A1

Abstract

Es wird ein kantenemittierender Halbleiterlaser (1) angegeben, mit- zumindest zwei Laserdioden (2), die jeweils dazu ausgebildet sind, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, wobei- die Laserdioden (2) in einer vertikalen Richtung übereinander angeordnet sind,- die Laserdioden (2) monolithisch miteinander verbunden sind, und- zumindest ein frequenzstabilisierendes Element (12) in einem Endbereich (11) der Laserdioden (2) angeordnet ist.Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines kantenemittierenden Halbleiterlasers (1) angegeben.

Description

Es werden ein kantenemittierender Halbleiterlaser und ein Verfahren zur Herstellung eines kantenemittierenden Halbleiterlasers angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen kantenemittierenden Halbleiterlaser anzugeben, der besonders stabil betreibbar ist. Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen kantenemittierenden Halbleiterlasers angegeben werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der kantenemittierende Halbleiterlaser zumindest zwei Laserdioden, die jeweils dazu ausgebildet sind, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Die Laserdioden sind beispielsweise dazu ausgebildet, im Betrieb nahultraviolette Strahlung, sichtbares Licht und/oder nahinfrarote Strahlung zu erzeugen. Die im Betrieb der Laserdioden erzeugte elektromagnetische Strahlung ist beispielsweise monochromatisches und kohärentes Laserlicht.
Beispielsweise umfasst jede Laserdiode eine Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem Verbindungshalbleitermaterial. Beispielsweise basiert die Halbleiterschichtenfolge auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial, wie einem Nitridverbindungshalbleitermaterial, einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial oder einem Arsensidverbindungshalbleitermaterial. Die Halbleiterschichtenfolgen können Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen.
Die Laserdioden erstrecken sich bevorzugt entlang einer Haupterstreckungsebene in einer longitudinalen Richtung. Eine laterale Richtung ist beispielsweise parallel zur Haupterstreckungsebene und steht senkrecht zu der longitudinalen Richtung. Eine vertikale Richtung ist beispielsweise senkrecht zu der Haupterstreckungsebene angeordnet.
Die Halbleiterschichtenfolge einer Laserdiode weist eine erste Mantelschicht und eine zweite Mantelschicht auf, die sich jeweils in longitudinaler Richtung erstrecken. Weiterhin sind die erste Mantelschicht und die zweite Mantelschicht in vertikaler Richtung übereinander angeordnet.
Beispielsweise weist jede der Halbleiterschichtenfolgen eine aktive Zone auf, die zwischen der ersten Mantelschicht und der zweiten Mantelschicht angeordnet ist. Die aktive Zone weist beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelquantentopfstruktur, eine Einfachquantentopfstruktur oder eine Mehrfachquantentopfstruktur zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung auf.
Beispielsweise ist es möglich, dass eine Laserdiode zumindest zwei Quantentopfstrukturen aufweist. In diesem Fall können die Quantentopfstrukturen dazu ausgebildet sein, elektromagnetische Strahlung mit einer voneinander verschiedenen Peakwellenlänge zu erzeugen. Beispielsweise weist die Laserdiode eine erste Quantentopfstruktur auf, die elektromagnetische Strahlung mit einer ersten Peakwellenlänge erzeugt. Die erste Peakwellenlänge ist beispielsweise 890 nm.
Weiterhin kann die Laserdiode eine zweite Quantentopfstruktur aufweisen, die elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Peakwellenlänge erzeugt. Die zweite Peakwellenlänge ist beispielsweise 905 nm.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die zumindest zwei Laserdioden dazu ausgebildet sind, elektromagnetische Strahlung mit einer voneinander verschiedenen Peakwellenlänge zu erzeugen. Beispielsweise kann eine der Laserdioden elektromagnetische Strahlung mit der ersten Peakwellenlänge emittieren. Weiterhin kann die andere der Laserdioden elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Peakwellenlänge emittieren.
Es ist weiterhin möglich, dass jede der Laserdioden im Betrieb elektromagnetische Strahlung mit einer Peakwellenlänge erzeugt. Die Peakwellenlängen der Laserdioden sind beispielsweise im Wesentlichen gleich. Im Wesentlichen gleich bedeutet hier, dass die Peakwellenlängen der Wellenlängenbereiche von verschiedenen Laserdioden um höchstens 5 Nanometer voneinander abweichen.
Zudem kann zwischen der aktiven Zone und der ersten Mantelschicht eine erste Ausbreitungsschicht angeordnet sein. Zwischen der aktiven Zone und der zweiten Mantelschicht kann eine zweite Ausbreitungsschicht angeordnet sein.
Die in den aktiven Zonen erzeugte Strahlung bildet jeweils einen Strahl mit einem Strahlprofil, das im Querschnitt senkrecht zu der longitudinalen Richtung eine laterale und eine vertikale Ausdehnung aufweist. Beispielsweise überragt das Strahlprofil die aktiven Zonen jeweils in vertikaler Richtung. Die Mantelschichten weisen in diesem Fall einen geringeren Brechungsindex für die Strahlung auf als die Ausbreitungsschichten. Durch Wahl des Brechungsindexes der Ausbreitungsschichten können die vertikalen Ausdehnungen eines Strahlprofiles eingestellt werden.
Die Laserdioden umfassen beispielsweise jeweils eine Facette, durch die im Betrieb der Laserdioden elektromagnetische Strahlung auskoppelbar ist. Die Facetten sind jeweils durch eine Vorderseitenfläche oder an einer Vorderseitenfläche in einem Anfangsbereich der Laserdiode, insbesondere der Halbleiterschichtenfolgen, gebildet. Beispielsweise weisen die Laserdioden eine gemeinsame Vorderseitenfläche auf. In diesem Fall sind die Facetten in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Die gemeinsame Ebene erstreckt sich beispielsweise im Wesentlichen senkrecht oder senkrecht zur Haupterstreckungsebene. Im Wesentlichen senkrecht bedeutet, dass die gemeinsame Ebene einen Winkel mit der vertikalen Richtung einschließt, der kleiner als 2° ist.
Weiterhin umfassen die Laserdioden beispielsweise jeweils einen Resonator, der sich zwischen dem Anfangsbereich und einem Endbereich einer Laserdiode erstreckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Laserdioden in einer vertikalen Richtung übereinander angeordnet. Die Laserdioden sind beispielsweise entlang einer Wachstumsrichtung übereinander gestapelt angeordnet. Beispielsweise grenzen die Laserdioden direkt aneinander an. Die Laserdioden sind insbesondere elektrisch leitend miteinander verbunden. Es ist zum Beispiel möglich, dass zwei direkt benachbarte Laserdioden durch einen Tunnelübergang elektrisch leitend verbunden sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Laserdioden monolithisch miteinander verbunden. Bei den Halbleiterschichtenfolgen der Laserdioden handelt es sich beispielsweise um epitaktische gewachsene Halbleiterschichtenfolgen. Die Laserdioden, insbesondere die Halbleiterschichten, sind in vertikaler Richtung direkt übereinander epitaktisch gewachsen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zumindest ein frequenzstabilisierendes Element in einem Endbereich der Laserdioden angeordnet. Der Endbereich ist beispielsweise gegenüber dem Anfangsbereich angeordnet. In diesem Fall ist das frequenzstabilisierende Element gegenüber der Facette angeordnet. Der Resonator ist dann durch einen Bereich zwischen der Facette und dem frequenzstabilisierenden Element gebildet. Hierbei ist der Resonator beispielsweise durch die Facette und durch das frequenzstabilisierende Element entlang der longitudinalen Richtung begrenzt. In dieser Ausführungsform erstreckt sich die aktive Zone der Laserdioden jeweils zwischen der Facette und dem frequenzstabilisierenden Element entlang der longitudinalen Richtung.
Das frequenzstabilisierende Element ist beispielswese reflektierend für die in der aktiven Zone erzeugte elektromagnetische Strahlung ausgebildet. Insbesondere ist das frequenzstabilisierende Element dazu ausgebildet, diese elektromagnetische Strahlung wellenlängenselektiv zu reflektieren.
In mindestens einer Ausführungsform handelt es sich bei den Laserdioden jeweils um Breitstreifenlaserdioden.
Die aktiven Zonen weisen beispielsweise jeweils eine Länge in longitudinaler Richtung auf, die mindestens 200 Mikrometer und höchstens 8000 Mikrometer beträgt. Insbesondere weisen die aktiven Zonen jeweils eine Länge von mindestens 500 Mikrometer und höchstens 5000 Mikrometer auf.
Weiterhin weisen die aktiven Zonen beispielsweise jeweils eine Breite auf, die mindestens 10 Mikrometer und höchstens 800 Mikrometer beträgt. Insbesondere weisen die aktiven Zonen jeweils eine Breite von mindestens 100 Mikrometer und höchstens 200 Mikrometer auf. Die Breite entspricht hier der minimalen Ausdehnung der aktiven Zonen in lateraler Richtung.
Eine Dicke in vertikaler Richtung jeder Laserdiode ist beispielsweise mindestens 1 Mikrometer und höchstens 10 Mikrometer. Insbesondere weisen die aktiven Zonen jeweils eine Dicke von mindestens 2 Mikrometer und höchstens 5 Mikrometer auf.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst der kantenemittierende Halbleiterlaser zumindest zwei Laserdioden, die jeweils dazu ausgebildet sind, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Die Laserdioden sind in einer vertikalen Richtung übereinander angeordnet, die Laserdioden sind monolithisch miteinander verbunden und zumindest ein frequenzstabilisierendes Element ist in einem Endbereich der Laserdioden angeordnet.
Eine Idee des hier beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlasers ist unter anderem, die Verwendung eines kantenemittierenden Halbleiterlasers mit zumindest zwei Laserdioden, die übereinander gestapelt sind, in Verbindung mit einem frequenzstabilisierenden Element.
Typischerweise ist eine Wellenlänge eines Halbleiterlasers abhängig von der Umgebungstemperatur und/oder der Betriebstemperatur. Ein Temperaturkoeffizient einer Wellenlänge liegt für einen Halbleiterlaser mit einer Emissionswellenlänge von etwa 900 Nanometer ohne ein frequenzstabilisierendes Element bei etwa 0,3 nm/K, insbesondere bei etwa 0,27 nm/K. Im Unterschied dazu weist das frequenzstabilisierende Element einen Temperaturkoeffizient auf, der in etwa um den Faktor 4 kleiner ist als der Temperaturkoeffizient des Halbleiterlasers ohne frequenzstabilisierendes Element. Damit kann ein Halbleiterlaser mit einem frequenzstabilisierenden Element elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich aussenden, wobei der Wellenlängenbereich besonders stabil gegen Temperaturschwankungen ist. Insbesondere sind derartige Halbleiterlaser vorteilhafterweise in Kraftfahrzeugen verwendbar.
Ferner weisen Bauteile, die einen Halbleiterlaser umfassen, beispielsweise einen Filter auf, der beispielsweise Störlicht absorbiert, das von einer äußeren Umgebung auf den Halbleiterlaser eingestrahlt wird. Je größer der Temperaturkoeffizient ist, desto größer muss ein transmittierender Wellenlängenbereich des Filters sein. Je größer der transmittierender Wellenlängenbereich des Filters ist, desto niedriger ist jedoch ein Signal zu Rausch Verhältnis des Halbleiterlasers. Durch Verwendung des frequenzstabilisierenden Elements ist der ausgesendete Wellenlängenbereich besonders stabil gegen Temperaturschwankungen und der transmittierende Wellenlängenbereich des Filters kann dem vom Halbleiterlaser ausgesendeten Wellenlängenbereich entsprechen. Damit kann ein derartiger Halbleiterlaser mit etwaigen umgebenden Komponenten vorteilhafterweise ein besonders großes Signal zu Rausch Verhältnis aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist allen Laserdioden ein einzelnes frequenzstabilisierendes Element zugeordnet. Das heißt, der Halbleiterlaser umfasst dann genau ein frequenzstabilisierendes Element. In dieser Ausführungsform ist jeder Resonator durch das frequenzstabilisierende Element begrenzt. Insbesondere sind die Resonatoren durch das gleiche frequenzstabilisierende Element begrenzt. Das heißt, das frequenzstabilisierende Element ist hier beispielsweise einstückig entlang der Laserdioden ausgebildet. Vorteilhafterweise ist ein derartiges frequenzstabilisierendes Element in einem einzigen Herstellungsschritt herstellbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zumindest zwei Laserdioden ein gemeinsames frequenzstabilisierendes Element zugeordnet. Beispielsweise teilen sich die zumindest zwei Laserdioden das gemeinsame frequenzstabilisierende Element.
Alternativ ist es möglich, dass zumindest zwei frequenzstabilisierende Elemente das gemeinsame frequenzstabilisierende Element bilden. In diesem Fall können die frequenzstabilisierenden Elemente in getrennten Herstellungsschritten herstellbar sein. Insbesondere können die frequenzstabilisierenden Elemente dann übereinander angeordnet sein und vollständig in Draufsicht in longitudinaler und lateraler Richtung überlappen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist jeder Laserdiode ein frequenzstabilisierendes Element eineindeutig zugeordnet.
Das heißt, jeder Laserdiode ist ein einzelnes frequenzstabilisierendes Element zugeordnet. Jeder Resonator ist beispielsweise durch jeweils ein frequenzstabilisierendes Element begrenzt. Das heißt, der Halbleiterlaser umfasst so viele Laserdioden wie frequenzstabilisierende Elemente.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterlaser zumindest zwei frequenzstabilisierende Elemente auf und die frequenzstabilisierenden Elemente sind in Draufsicht in longitudinalen Richtungen versetzt zueinander angeordnet. Die frequenzstabilisierenden Elemente sind in Draufsicht beispielsweise in longitudinaler Richtung überlappungsfrei ausgebildet. Das heißt, die frequenzstabilisierenden Elemente sind in longitudinaler Richtung beabstandet zueinander angeordnet. In dieser Ausführungsform ist beispielsweise jedes der frequenzstabilisierenden Elemente von außen frei zugänglich.
Da die frequenzstabilisierenden Elemente jeweils von außen frei zugänglich sind, sind die frequenzstabilisierenden Elemente in dem Material der Laserdioden besonders einfach erzeugbar.
Die Resonatoren der Laserdioden sind beispielsweise unterschiedlich lang ausgebildet. Eine Länge eines Resonators ist durch eine Ausdehnung in longitudinaler Richtung zwischen einer Vorderseite einer Laserdiode und einem Teil des zugeordneten frequenzstabilisierenden Elements gebildet. Beispielsweise unterscheiden sich die Längen der Resonatoren um ein Vielfaches von λ₀/(2*n_eff) . Hier entspricht λ₀ einer Peakwellenlänge der elektromagnetischen Strahlung in Luft und neff ist ein effektiver Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Bereich des Resonators und im Endbereich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der kantenemittierende Halbleiterlaser zumindest drei Laserdioden. Die zumindest drei Laserdioden sind beispielsweise in vertikaler Richtung übereinander gestapelt angeordnet. Insbesondere sind die zumindest drei Laserdioden monolithisch miteinander verbunden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zumindest zwei ersten Laserdioden ein erstes frequenzstabilisierendes Element zugeordnet. In dieser Ausführungsform sind die zumindest zwei ersten Laserdioden direkt benachbarte Laserdioden. Bei dem ersten frequenzstabilisierenden Element handelt es sich um ein gemeinsames frequenzstabilisierendes Element der zumindest zwei ersten Laserdioden. Das heißt, die Resonatoren der zumindest zwei ersten Laserdioden sind durch das gleiche frequenzstabilisierende Element begrenzt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zumindest einer zweiten Laserdiode ein zweites frequenzstabilisierendes Element zugeordnet. In dieser Ausführungsform ist der Resonator der zumindest einen zweiten Laserdiode von dem zweiten frequenzstabilisierenden Element begrenzt. Der Halbleiterlaser umfasst dann also zumindest zwei frequenzstabilisierende Elemente, nämlich das erste frequenzstabilisierende Element und das zweite frequenzstabilisierende Element.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das zweite frequenzstabilisierende Element in Draufsicht in longitudinaler Richtung versetzt zu dem ersten frequenzstabilisierenden Element angeordnet. Das erste frequenzstabilisierende Element ist in Draufsicht beispielsweise in longitudinaler Richtung überlappungsfrei zu dem zweiten frequenzstabilisierenden Element ausgebildet. In dieser Ausführungsform sind das erste frequenzstabilisierende Element und das zweite frequenzstabilisierende Element von außen frei zugänglich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der kantenemittierende Halbleiterlaser zumindest vier Laserdioden. Die zumindest vier Laserdioden sind beispielsweise in vertikaler Richtung übereinander gestapelt angeordnet. Insbesondere sind die zumindest vier Laserdioden monolithisch miteinander verbunden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zumindest zwei ersten Laserdioden der zumindest vier Laserdioden ein erstes frequenzstabilisierendes Element zugeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zumindest zwei zweiten Laserdioden der zumindest vier Laserdioden ein zweites frequenzstabilisierendes Element zugeordnet. In dieser Ausführungsform sind die zumindest zwei zweiten Laserdioden direkt benachbarte Laserdioden. Bei dem zweiten frequenzstabilisierenden Element handelt es sich beispielsweise um ein gemeinsames frequenzstabilisierendes Element. Weiterhin kann es sich bei dem zweiten frequenzstabilisierenden Element um ein gemeinsames frequenzstabilisierendes Element handeln, das den zumindest zwei zweiten Laserdioden zugeordnet ist. Das heißt, die Resonatoren der zumindest zwei zweiten Laserdioden sind durch das gleiche zweite frequenzstabilisierende Element begrenzt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das zweite frequenzstabilisierende Element in Draufsicht in longitudinaler Richtung versetzt zu den ersten frequenzstabilisierenden Elementen angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst zumindest eines der frequenzstabilisierenden Elemente Ausnehmungen im Material zumindest einer Laserdiode. Ist allen Laserdioden ein frequenzstabilisierendes Element zugeordnet, so durchdringen die Ausnehmungen alle Halbleiterschichtenfolgen in vertikaler Richtung, insbesondere vollständig. Insbesondere durchbrechen die Ausnehmungen alle aktiven Zonen vollständig.
Ist jeder Laserdiode ein frequenzstabilisierendes Element eineindeutig zugeordnet, so umfasst jedes frequenzstabilisierende Element jeweils die Ausnehmungen. In diesem Fall durchdringen die Ausnehmungen eines frequenzstabilisierenden Elements eine eineindeutig zugeordnete Halbleiterschichtenfolge in vertikaler Richtung, insbesondere vollständig. Insbesondere durchbrechen die Ausnehmungen eines frequenzstabilisierenden Elements eine eineindeutig zugeordnete aktive Zone vollständig.
Alternativ ist es möglich, dass die Ausnehmungen eines frequenzstabilisierenden Elements eine eineindeutig zugeordnete Halbleiterschichtenfolge in vertikaler Richtung teilweise durchdringen. Insbesondere durchbrechen die Ausnehmungen eines frequenzstabilisierenden Elements eine eineindeutig zugeordnete aktive Zone in diesem Fall nicht. Beispielsweise durchdringen die Ausnehmungen eines frequenzstabilisierenden Elements die zweite Mantelschicht vollständig und die zweite Ausbreitungsschicht teilweise.
Die Ausnehmungen erstrecken sich beispielsweise senkrecht zur longitudinalen Richtung. Weiterhin sind die Ausnehmungen beispielsweise entlang der longitudinalen Richtung angeordnet. Die Ausnehmungen weisen untereinander beispielsweise einen Abstand von λ₀/(2*n_eff) auf. Alternativ ist es möglich, dass die Ausnehmungen untereinander einen Abstand aufweisen, der einem Vielfachen von λ₀/(2*n_eff) entspricht.
Weisen die Ausnehmungen einen Abstand von λ₀/(2*n_eff) auf, ist es möglich eine einzelne longitudinale Mode der elektromagnetischen Strahlung zu erzeugen.
Weist der Abstand zwischen den Ausnehmungen ein Vielfaches von λ₀/(2*n_eff) auf, können vorteilhafterweise mehrere longitudinale Moden reflektiert werden, die über die zugeordnete Facette auskoppelbar sind. Insbesondere ist es möglich, elektromagnetische Strahlung mit einer Peakwellenlänge, die kleiner als der Abstand zwischen den Ausnehmungen ist, zu reflektieren. Vorteilhafterweise sind die Abstände so besonders groß wählbar, sodass ein Herstellungsprozess besonders einfach ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Ausnehmungen mit einem Gas gefüllt. Das Material des Gases weist beispielsweise einen Brechungsindex von höchstens 1,1 auf. Das Gas kann beispielsweise Luft oder ein Prozessgas, wie beispielsweise Argon, Krypton, Xenon, Stickstoff oder Sauerstoff, sein und Spuren anderer Gase enthalten.
Das Gas grenzt bevorzugt direkt an das Material der Laserdiode an, das beispielsweise einen Brechungsindex von wenigstens 2 aufweist. Ein derartiger Brechungsindexunterschied vom Material der Laserdiode und dem Gas bewirkt vorteilhafterweise eine besonders hohe Reflektivität für die erzeugte elektromagnetische Strahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Ausnehmungen jeweils eine Breite von wenigstens 40 Nanometern und höchstens 4000 Nanometern auf. Die Breite ist beispielsweise der Abstand von zwei sich gegenüberliegenden Innenflächen einer Ausnehmung entlang der longitudinalen Richtung, auf Höhe der aktiven Zone. Insbesondere ist die Breite der Ausnehmungen jeweils wenigstens 60 Nanometer und höchstens 1000 Nanometer. Beispielsweise weist das Material der Laserdiode, das zwischen zwei Ausnehmungen angeordnet ist, eine kleinere Breite auf als die Ausnehmungen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zumindest eines der frequenzstabilisierenden Elemente ein Bragg-Spiegel. Insbesondere handelt es sich bei dem Bragg-Spiegel um ein Bragg-Gitter. Vorteilhafterweise ist elektromagnetische Strahlung mit dem Bragg-Spiegel, insbesondere dem Bragg-Gitter, besonders gut wellenlängenselektiv reflektierbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Laserdioden übereinander gestapelt auf einem Substrat angeordnet. Bei dem Substrat handelt es sich beispielsweise um ein Aufwachssubstrat der Laserdioden. Alternativ kann das Substrat verschieden von einem Aufwachssubstrat sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist auf den Laserdioden eine Kontaktschicht angeordnet. Die Kontaktschicht ist beispielsweise auf der äußersten Laserdiode angeordnet. Die Kontaktschicht steht beispielsweise in direktem Kontakt mit der äußersten Laserdiode. Die Kontaktschicht ist beispielsweise elektrisch leitend ausgebildet und zur elektrischen Kontaktierung der äußersten Laserdiode ausgebildet. Die Kontaktschicht umfasst beispielsweise ein Metall oder besteht daraus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist auf dem Substrat eine Gegenkontaktschicht angeordnet. Beispielsweise ist die Gegenkontaktschicht auf einer den Laserdioden abgewandten Seite angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Kontaktschicht in Draufsicht in longitudinaler Richtung überlappungsfrei mit den frequenzstabilisierenden Elementen angeordnet. In diesem Fall ist die Kontaktschicht überlappungsfrei zu dem frequenzstabilisierenden Element der äußersten Laserdiode ausgebildet. In diesem Fall überlappt die Kontaktschicht mit dem darunter angeordneten Resonator, insbesondere vollständig.
Alternativ ist es möglich, dass die Kontaktschicht mit den frequenzstabilisierenden Elementen in Draufsicht vollständig überlappt. Damit kann die aktive Zone auch im Endbereich bestromt werden und Verluste können reduziert werden.
Es wird darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines kantenemittierenden Halbleiterlasers angegeben, mit dem insbesondere ein hier beschriebener kantenemittierender Halbleiterlaser hergestellt werden kann. Sämtliche in Verbindung mit dem kantenemittierenden Halbleiterlaser offenbarten Merkmale und Ausführungsformen sind daher auch in Verbindung mit dem Verfahren offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden zumindest zwei Laserdioden bereitgestellt. Die Laserdioden werden beispielsweise mit einem epitaktischen Wachstumsprozess übereinander erzeugt, derart, dass die Laserdioden monolithisch miteinander verbunden sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Laserdioden in einer vertikalen Richtung übereinander gestapelt aufgebracht. Beispielsweise weisen die Laserdioden nach dem Aufbringen die gleichen Dimensionen in longitudinaler Richtung auf. Insbesondere ist es möglich, dass die Laserdioden in Draufsicht kongruent ausgebildet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens sind die Laserdioden monolithisch miteinander verbunden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Laserdioden eine gemeinsame ebene Vorderseitenfläche auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird in einem Endbereich der Laserdioden zumindest ein frequenzstabilisierendes Element erzeugt. Die Ausnehmungen werden beispielsweise durch einen Materialabtrag des Materials zumindest einer Laserdiode erzeugt. Der Materialabtrag wird beispielsweise durch einen nasschemischen oder trockenchemischen Ätzprozess erzeugt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird nach dem Bereitstellen der Laserdioden Material zumindest einer Laserdiode bereichsweise entfernt, derart, dass eine darunter angeordnete Laserdiode bereichsweise freigelegt wird. Beispielsweise wird die darunter angeordnete Laserdiode im Endbereich freigelegt. Die Laserdioden weisen in diesem Fall in den Endbereichen ein Stufenprofil auf. Beispielsweise bilden eine Deckfläche und eine der Vorderseitenfläche gegenüberliegende Rückseitenflächen der Laserdiode, die bereichsweise entfernt ist, und eine freigelegte Deckfläche der darunter angeordneten Laserdiode ein Stufenprofil.
Das Material der zumindest einen Laserdiode, das bereichsweise entfernt wird, wird beispielsweise durch einen Materialabtrag entfernt. Der Materialabtrag erfolgt beispielsweise durch einen nasschemischen oder trockenchemischen Ätzprozess.
Vorteilhafterweise kann so das frequenzstabilisierende Element in derartig freigelegtem Material der Laserdiode besonders einfach erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird in den freiliegenden Laserdioden jeweils in einem Endbereich ein frequenzstabilisierendes Element erzeugt. Beispielsweise werden die frequenzstabilisierenden Elemente durch die Ausnehmungen gebildet.
Nachfolgend werden der kantenemittierende Halbleiterlaser und das Verfahren zur Herstellung eines kantenemittierenden Halbleiterlasers anhand von Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Figuren näher erläutert.
Es zeigen:

1 schematische Darstellung eines kantenemittierenden Halbleiterlasers gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 exemplarische schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Laserdiode, und
3 und 4 schematische Darstellungen eines kantenemittierenden Halbleiterlasers gemäß jeweils einem Ausführungsbeispiel.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen 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 für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlasers 1. Der Halbleiterlaser 1 umfasst drei Laserdioden 2, die auf einem Substrat 18 angeordnet sind. Die Laserdioden sind in einer vertikalen Richtung, die insbesondere einer Wachstumsrichtung der Laserdioden 2 entspricht, übereinander angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Laserdioden 2 epitaktisch aufeinander gewachsen. Das heißt, die Laserdioden 2 sind monolithisch miteinander verbunden.
Jede Laserdiode 2 weist eine Facette 22 auf, durch die im Betrieb der Laserdioden 2 elektromagnetische Strahlung auskoppelbar ist. Die Facetten 22 sind hier jeweils an einer Vorderseitenfläche 8 in einem Anfangsbereich 10 der Laserdiode 2 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Facetten 22 in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Das heißt, die Vorderseitenfläche 8 ist eine gemeinsame ebene Fläche. Diese Fläche erstreckt sich beispielsweise im Wesentlichen senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Laserdioden 2.
Die Laserdioden 2 sind hier elektrisch leitend verbunden. Alle Laserdioden 2 sind hierbei über eine Kontaktschicht 19 und eine Gegenkontaktschicht 20 bestrombar. Die Kontaktschicht 19 ist auf einer äußersten dem Substrat 18 abgewandten Laserdiode 2 angeordnet. Die Gegenkontaktschicht 20 ist auf einer den Laserdioden 1 abgewandten Seite des Substrats 18 angeordnet. Für den Fall, dass das Substrat 18 entfernt ist, kann die Gegenkontaktschicht 20 auch direkt an die der Kontaktschicht 19 abgewandte Seite der Laserdioden 2 grenzen.
Weiterhin ist jeder Laserdiode 2 ein frequenzstabilisierendes Element 12 in einem Endbereich 11 der Laserdioden 2 zugeordnet. Die Endbereiche 11 sind jeweils gegenüber dem Anfangsbereich 10 angeordnet.
Die frequenzstabilisierenden Elemente 12 umfassen jeweils Ausnehmungen 17 im Material der Laserdioden 2. In diesem Fall durchdringen die Ausnehmungen 17 eines frequenzstabilisierenden Elements 12 eine eineindeutig zugeordnete Laserdiode 2 in vertikaler Richtung. Die Ausnehmungen erstrecken sich senkrecht zur longitudinalen Richtung der Laserdioden 2. Weiterhin sind die Ausnehmungen 17 entlang der longitudinalen Richtung angeordnet.
Weiterhin sind die frequenzstabilisierenden Elemente 12 jeweils gegenüber der zugeordneten Facette 22 angeordnet. Damit begrenzt ein frequenzstabilisierendes Element 12 und die zugeordnete Facette 22 einen Resonator einer Laserdiode 2.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die frequenzstabilisierenden Elemente 12 in Draufsicht in longitudinaler Richtung versetzt zueinander angeordnet. Das heißt, die frequenzstabilisierenden Elemente 12 sind in Draufsicht in longitudinaler Richtung überlappungsfrei ausgebildet. In diesem Fall sind auch die Endbereiche 11 der Laserdioden in Draufsicht in longitudinaler Richtung überlappungsfrei ausgebildet. Durch eine derartige Anordnung sind die dem Substrat abgewandten Außenflächen der frequenzstabilisierenden Elemente 12 jeweils frei zugänglich.
Die frei zugänglichen frequenzstabilisierenden Elemente 12 sind auch nicht durch die Kontaktschicht 19 bedeckt. In diesem Fall ist die Kontaktschicht 19 in Draufsicht in longitudinaler Richtung überlappungsfrei mit den frequenzstabilisierenden Elementen 12 und den Endbereichen 11 angeordnet.
In der 2 ist ein Ausschnitt einer Laserdiode 2 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 dargestellt. Jede Laserdiode 2 umfasst eine Halbleiterschichtenfolge 23. Die Halbleiterschichtenfolgen 23 umfassen jeweils eine erste Mantelschicht 3 und eine zweite Mantelschicht 4, die sich jeweils in longitudinaler Richtung erstrecken. Weiterhin sind die erste Mantelschicht 3 und die zweite Mantelschicht 4 in vertikaler Richtung übereinander angeordnet.
Weiterhin sind zwischen der ersten Mantelschicht 3 und der zweiten Mantelschicht 4 eine erste Ausbreitungsschicht 5 und eine zweite Ausbreitungsschicht 6 angeordnet. Zwischen der ersten Ausbreitungsschicht 5 und der zweiten Ausbreitungsschicht 6 ist weiterhin eine aktive Zone 7 angeordnet. Insbesondere weist die Halbleiterschichtenfolge 23 folgende Schichtreihenfolge auf: erste Mantelschicht 3, erste Ausbreitungsschicht 5, aktive Zone 7, zweite Ausbreitungsschicht 6 und zweite Mantelschicht 4. Direkt benachbarte Elemente können insbesondere in direktem Kontakt miteinander stehen.
Weiterhin ist der aktiven Zone ein Strahlprofil 21 der erzeugten elektromagnetischen Strahlung dargestellt. Das Strahlprofil 21 weist im Querschnitt senkrecht zu der longitudinalen Richtung eine laterale und eine vertikale Ausdehnung auf. Beispielsweise überragt das Strahlprofil 21 die aktive Zone 7, die erste Ausbreitungsschicht 5 und die zweite Ausbreitungsschicht 6 in vertikaler Richtung. Weiterhin ist es möglich, dass das Strahlprofil 21 in der ersten Mantelschicht 3 und der zweiten Mantelschicht 4 exponentiell abklingt.
Das Ausführungsbeispiel der 3 zeigt im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 einen kantenemittierenden Halbleiterlaser 1 mit zwei ersten Laserdioden 15 und zwei zweiten Laserdioden 16. Die vier Laserdioden 2 sind in vertikaler Richtung übereinander gestapelt angeordnet. Weiterhin sind die vier Laserdioden 2 monolithisch miteinander verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die zumindest zwei ersten Laserdioden 15 direkt benachbarte Laserdioden 2. Die zwei zweiten Laserdioden 16 sind ebenfalls direkt benachbart.
Den zwei ersten Laserdioden 15 ist ein erstes frequenzstabilisierendes Element 13 zugeordnet. Den zwei zweiten Laserdioden 16 ist ein zweites frequenzstabilisierendes Element 14 zugeordnet. Das erste frequenzstabilisierende Element 13 ist ein gemeinsames frequenzstabilisierendes Element 12 der zwei ersten Laserdioden 15. Weiterhin ist das zweite frequenzstabilisierende Element 14 ein gemeinsames frequenzstabilisierendes Element 12 der zwei zweiten Laserdioden 16.
In diesem Ausführungsbeispiel durchdringen Ausnehmungen 17 der zwei ersten Laserdioden 15 beide die zwei ersten Laserdioden 15, insbesondere beide aktiven Bereiche 7 der zwei ersten Laserdioden 15. Weiterhin ist es möglich, dass die Ausnehmungen 17 der zwei ersten Laserdioden 15 die ersten Ausbreitungsschichten 5, die aktiven Zonen 7 und die zweiten Ausbreitungsschichten 6 der zwei ersten Laserdioden 15 vollständig durchbrechen.
Die Ausnehmungen 17 der zwei zweiten Laserdioden 16 durchdringen die zwei zweiten Laserdioden 16, insbesondere beide aktiven Bereiche 7 der zwei ersten Laserdioden 16. Weiterhin ist es möglich, dass die Ausnehmungen 17 der zwei zweiten Laserdioden 16 die ersten Ausbreitungsschichten 5, die aktiven Zonen 7 und die zweiten Ausbreitungsschichten 6 der zwei zweiten Laserdioden 16 vollständig durchbrechen.
Das zweite frequenzstabilisierende Element 14 ist hier in Draufsicht in longitudinaler Richtung versetzt zu dem ersten frequenzstabilisierenden Element 13 angeordnet. Das heißt, das erste frequenzstabilisierende Element 13 ist in Draufsicht in longitudinaler Richtung überlappungsfrei zu dem zweiten frequenzstabilisierenden Element 14 ausgebildet. Weiterhin ist das erste frequenzstabilisierende Element 13 und das zweite frequenzstabilisierende Element 14 von außen frei zugänglich.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 zeigt das Ausführungsbeispiel der 4 einen kantenemittierenden Halbleiterlaser 1 mit drei Laserdioden 2 und einem einzelnen frequenzstabilisierenden Element 12. In diesem Ausführungsbeispiel ist jeder Resonator durch das einzelne frequenzstabilisierende Element 12 begrenzt.
Die Ausnehmungen 17 der Laserdioden 2 durchdringen die Halbleiterschichten der Laserdioden 2. Insbesondere durchbrechen die Ausnehmungen 17 die ersten Ausbreitungsschichten 5, die aktive Zonen 7 und die zweiten Ausbreitungsschichten 6 jeder Laserdiode 2 vollständig.
Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
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.
Bezugszeichenliste

1: kantenemittierender Halbleiterlaser
2: Laserdiode
3: erste Mantelschicht
4: zweite Mantelschicht
5: erste Ausbreitungsschicht
6: zweite Ausbreitungsschicht
7: aktive Zone
8: Vorderseitenfläche
9: Rückseitenfläche
10: Anfangsbereich
11: Endbereich
12: frequenzstabilisierendes Element
13: erstes frequenzstabilisierendes Element
14: zweites frequenzstabilisierendes Element
15: erste Laserdiode
16: zweite Laserdiode
17: Ausnehmung
18: Substrat
19: Kontaktschicht
20: Gegenkontaktschicht
21: Strahlprofil
22: Facette
23: Halbleiterschichtenfolge

Claims

Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) mit - zumindest zwei Laserdioden (2), die jeweils dazu ausgebildet sind, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, wobei - die Laserdioden (2) in einer vertikalen Richtung übereinander angeordnet sind, - die Laserdioden (2) monolithisch miteinander verbunden sind, und - zumindest ein frequenzstabilisierendes Element (12) in einem Endbereich (11) der Laserdioden (2) angeordnet ist.
Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) nach dem Anspruch 1, bei dem allen Laserdioden (2) ein einzelnes frequenzstabilisierendes Element (12) zugeordnet ist.
Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) nach dem Anspruch 1 oder 2, bei dem zumindest zwei Laserdioden (2) ein gemeinsames frequenzstabilisierendes Element (12) zugeordnet ist.
Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) nach dem Anspruch 1, bei dem jeder Laserdiode (2) ein frequenzstabilisierendes Element (12) eineindeutig zugeordnet ist.
Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) nach dem Anspruch 4, bei dem die frequenzstabilisierenden Elemente (2) in Draufsicht in longitudinaler Richtung versetzt zueinander angeordnet sind.
Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) nach Anspruch 1, mit zumindest drei Laserdioden (2), wobei - zumindest zwei ersten Laserdioden (15) ein erstes frequenzstabilisierendes Element (13) zugeordnet ist, und - zumindest einer weiteren zweiten Laserdiode (16) ein zweites frequenzstabilisierendes Element (14) zugeordnet ist, und - das zweite frequenzstabilisierende Element (14) in Draufsicht in longitudinaler Richtung versetzt zu den ersten frequenzstabilisierenden Elementen (13) angeordnet ist.
Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) nach Anspruch 6, mit zumindest vier Laserdioden (2), wobei - zumindest zwei ersten Laserdioden (15) ein erstes frequenzstabilisierendes Element (13) zugeordnet ist, und - zumindest zwei zweiten Laserdioden (16) ein zweites frequenzstabilisierendes Element (14) zugeordnet ist, und - das zweite frequenzstabilisierende Element (14) in Draufsicht in longitudinaler Richtung versetzt zu den ersten frequenzstabilisierenden Elementen (13) angeordnet ist.
Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem zumindest eines der frequenzstabilisierenden Elemente (12) Ausnehmungen (17) im Material zumindest einer Laserdiode (2) umfasst.
Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) nach dem Anspruch 8, bei dem die Ausnehmungen (17) mit einem Gas gefüllt sind.
Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem die Ausnehmungen (17) jeweils eine Breite von wenigstens 40 Nanometern und höchstens 4000 Nanometern aufweisen.
Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem zumindest eines der frequenzstabilisierenden Elemente (12) ein Bragg-Spiegel ist.
Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem - die Laserdioden (2) übereinandergestapelt auf einem Substrat (18) angeordnet sind, - auf den Laserdioden (2) eine Kontaktschicht (19) angeordnet ist, - auf dem Substrat (18) eine Gegenkontaktschicht (20) angeordnet ist, und - die Kontaktschicht (19) in Draufsicht in longitudinaler Richtung überlappungsfrei mit den frequenzstabilisierenden Elementen (12) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines kantenemittierenden Halbleiterlasers (1) mit den Schritten: - Bereitstellen von zumindest zwei Laserdioden (2), wobei - die Laserdioden (2) die in einer vertikalen Richtung übereinandergestapelt aufgebracht sind, - die Laserdioden (2) monolithisch miteinander verbunden sind, und - die Laserdioden (2) eine gemeinsame ebene Vorderseitenfläche (8) aufweisen, - Erzeugen von zumindest einem frequenzstabilisierenden Element in einem Endbereich (11) der Laserdioden.
Verfahren nach dem Anspruch 13, wobei nach dem Bereitstellen der Laserdioden (2) Material zumindest einer Laserdiode (2) bereichsweise entfernt wird, derart, dass eine darunter angeordnete Laserdiode (2) bereichsweise freigelegt wird.
Verfahren nach dem Anspruch 14, wobei in den freiliegenden Laserdioden (2) jeweils in einem Endbereich (11) ein frequenzstabilisierendes Element (12) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei ein kantenemittierender Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestellt wird.