DE102020202018A1

DE102020202018A1 - SEMICONDUCTOR LASER AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF

Info

Publication number: DE102020202018A1
Application number: DE102020202018.3A
Authority: DE
Inventors: Tomasz Swietlik; Clemens Vierheilig; Michael Roth; Christian Lauer; Peter Fuchs
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2020-02-18
Filing date: 2020-02-18
Publication date: 2021-08-19
Also published as: WO2021165095A1

Abstract

Es wird ein Halbleiterlaser (10) beschrieben, umfassend eine Halbleiterschichtenfolge (20) mit einer aktiven Schicht (4), die in einem Laserresonator (14) angeordnet ist, wobei der Laserresonator (14) durch einen ersten Resonatorspiegel (11) und einen zweiten Resonatorspiegel (12) begrenzt ist und eine Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge λ einer von dem Halbleiterlaser (10) emittierten Laserstrahlung (13) durch eine Einstellung der optischen Verluste des Laserresonators (14) minimiert ist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiterlasers (10) beschrieben.A semiconductor laser (10) is described, comprising a semiconductor layer sequence (20) with an active layer (4) which is arranged in a laser resonator (14), the laser resonator (14) being formed by a first resonator mirror (11) and a second resonator mirror (12) is limited and a temperature dependency of the emission wavelength λ of a laser radiation (13) emitted by the semiconductor laser (10) is minimized by adjusting the optical losses of the laser resonator (14). A method for producing the semiconductor laser (10) is also described.

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser mit einer stabilisierten Emissionswellenlänge und ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to a semiconductor laser with a stabilized emission wavelength and a method for its production.

Halbleitermaterialien, die in Halbleiterlasern verwendet werden, weisen eine von der Temperatur abhängige Bandlücke auf. Dadurch kann sich die Emissionswellenlänge eines Halbleiterlasers mit der Temperatur ändern.Semiconductor materials used in semiconductor lasers have a temperature-dependent band gap. As a result, the emission wavelength of a semiconductor laser can change with temperature.

Die thermische Abhängigkeit der Emissionswellenlänge stellt bei manchen Applikationen eine signifikante technische Herausforderung dar, wenn z.B. durch spektral schmalbandige Filter das Umgebungslicht ausgefiltert werden soll, um das Signal/Rausch-Verhältnis eines Messwertes zu optimieren. Bei Verwendung dieser schmalbandigen Filter besteht die Gefahr, dass die Wellenlänge des Laserlichts bei extremen Temperaturen außerhalb des Transmissionsfensters des Filters liegt und daher das Licht den Detektor nicht erreichen kann. Diese Gefahr ist insbesondere dann groß, wenn der Halbleiterlaser z.B. anwendungsbedingt nicht in einer temperaturkontrollierten Umgebung eingesetzt werden kann, oder wenn der Laser bei unterschiedlichen Leistungen und damit auch unterschiedlich starker Eigenerwärmung betrieben werden soll.The thermal dependency of the emission wavelength represents a significant technical challenge in some applications, e.g. if the ambient light is to be filtered out using spectrally narrow-band filters in order to optimize the signal-to-noise ratio of a measured value. When using these narrow-band filters, there is a risk that the wavelength of the laser light will lie outside the transmission window of the filter at extreme temperatures and therefore the light will not be able to reach the detector. This risk is particularly high if the semiconductor laser cannot be used in a temperature-controlled environment, e.g. due to the application, or if the laser is to be operated at different powers and thus also with different levels of self-heating.

Eine mögliche Maßnahme zur Stabilisierung der Emissionswellenlänge besteht darin, eine selektive Rückkopplung einer ausgewählten Wellenlänge im Resonator zu erzielen, beispielsweise bei DFB- oder DBR-Lasern. Eine alternative Methode zur Wellenlängenstabilisierung besteht darin, die Temperatur des Halbleiterlasers und die daraus resultierende Emissionswellenlänge durch aktive Temperatursteuerung mittels Heizelementen zu stabilisieren.One possible measure for stabilizing the emission wavelength is to achieve selective feedback of a selected wavelength in the resonator, for example in the case of DFB or DBR lasers. An alternative method for wavelength stabilization is to stabilize the temperature of the semiconductor laser and the resulting emission wavelength by active temperature control using heating elements.

Die Herstellung von herkömmlichen Bragg-Gittern mit einer Periode in der Größenordnung der Emissionswellenlänge ist in der Praxis technisch sehr herausfordernd, aufwendig und benötigt dedizierte Prozessierung an Anlagen mit extrem hoher Auflösung im Submikrometer-Bereich. Auch die Einführung von integrierten Heizelementen erhöht die technische Komplexität des Halbleiterlasers und fordert zusätzliche Prozessschritte.The production of conventional Bragg gratings with a period in the order of magnitude of the emission wavelength is technically very challenging, complex and requires dedicated processing in systems with extremely high resolution in the submicrometer range. The introduction of integrated heating elements also increases the technical complexity of the semiconductor laser and requires additional process steps.

Eine zu lösende Aufgabe besteht somit darin, einen verbesserten Halbleiterlaser anzugeben, der sich durch eine stabilisierte Emissionswellenlänge auszeichnet, wobei die Emissionswellenlänge mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand stabilisiert wird. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Halbleiterlasers angegeben werden.One problem to be solved is thus to provide an improved semiconductor laser which is distinguished by a stabilized emission wavelength, the emission wavelength being stabilized with comparatively little technical effort. Furthermore, a method for producing such a semiconductor laser is to be specified.

Diese Aufgaben werden durch einen Halbleiterlaser und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.These objects are achieved by a semiconductor laser and a method for its production according to the independent patent claims. Advantageous refinements and developments of the invention are the subject matter of the dependent claims.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Schicht, die in einem Laserresonator angeordnet ist. Die Halbleiterschichtenfolge weist insbesondere einen n-Typ Halbleiterbereich, einen p-Typ Halbleiterbereich sowie eine aktive Schicht auf, die zur Emission von Laserstrahlung geeignet ist. Der p-Typ Halbleiterbereich, der n-Typ Halbleiterbereich und die aktive Schicht können jeweils eine oder mehrere Halbleiterschichten umfassen. Der p-Typ Halbleiterbereich enthält eine oder mehrere p-dotierte Halbleiterschichten und der n-Typ Halbleiterbereich eine oder mehrere n-dotierte Halbleiterschichten. Es ist auch möglich, dass der p-Typ Halbleiterbereich und/oder der n-Typ Halbleiterbereich eine oder mehrere undotierte Halbleiterschichten enthalten.In accordance with at least one embodiment, the semiconductor laser comprises a semiconductor layer sequence with an active layer, which is arranged in a laser resonator. The semiconductor layer sequence has in particular an n-type semiconductor region, a p-type semiconductor region and an active layer which is suitable for emitting laser radiation. The p-type semiconductor region, the n-type semiconductor region and the active layer can each comprise one or more semiconductor layers. The p-type semiconductor region contains one or more p-doped semiconductor layers and the n-type semiconductor region one or more n-doped semiconductor layers. It is also possible for the p-type semiconductor region and / or the n-type semiconductor region to contain one or more undoped semiconductor layers.

Die aktive Schicht kann zum Beispiel als pn-Übergang, als Doppelheterostruktur, als Einfach-Quantentopfstruktur oder Mehrfach-Quantentopfstruktur ausgebildet sein. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst dabei jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss (Confinement) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.The active layer can be designed, for example, as a pn junction, as a double heterostructure, as a single quantum well structure or as a multiple quantum well structure. The term quantum well structure includes any structure in which charge carriers experience a quantization of their energy states through confinement. In particular, the term quantum well structure does not contain any information about the dimensionality of the quantization. It thus includes, among other things, quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures.

Die Halbleiterschichtenfolge kann insbesondere epitaktisch auf einem Substrat aufgewachsen sein. Bei dem Halbleiterlaser ist beispielsweise der n-Typ Halbleiterbereich dem Substrat zugewandt und der p-Typ Halbleiterbereich vom Substrat abgewandt. Der Halbleiterlaser ist insbesondere eine Kantenemitter-Laserdiode, die einen Laserresonator aufweist, dessen Resonatorachse parallel zur Schichtebene der aktiven Schicht verläuft.The semiconductor layer sequence can in particular be grown epitaxially on a substrate. In the semiconductor laser, for example, the n-type semiconductor region faces the substrate and the p-type semiconductor region faces away from the substrate. The semiconductor laser is in particular an edge emitter laser diode which has a laser resonator, the resonator axis of which runs parallel to the layer plane of the active layer.

Der Laserresonator des Halbleiterlasers wird durch einen ersten Resonatorspiegel und einen zweiten Resonatorspiegel begrenzt. Der erste Resonatorspiegel und der zweite Resonatorspiegel sind insbesondere an den Seitenflanken der Halbleiterschichtenfolge angeordnet. Vorzugsweise weist der erste Resonatorspiegel eine reflexionserhöhende Beschichtung auf, beispielsweise eine reflexionserhöhende dielektrische Schichtenfolge. Der erste Resonatorspiegel ist vorzugsweise ein hochreflektierender Spiegel mit einer Reflektivität R₁ von beispielsweise R₁ ≥ 95% oder R₁ ≥ 98%. Der zweite Resonatorspiegel ist der Auskoppelspiegel des Halbleiterlasers und weist eine geringere Reflektivität R₂ auf als der erste Resonatorspiegel. Vorzugsweise weist der zweite Resonatorspiegel eine reflexionsmindernde Beschichtung auf, beispielsweise eine reflexionsmindernde dielektrische Schichtenfolge.The laser resonator of the semiconductor laser is delimited by a first resonator mirror and a second resonator mirror. The first resonator mirror and the second resonator mirror are arranged in particular on the side flanks of the semiconductor layer sequence. The first resonator mirror preferably has a reflection-increasing coating, for example a reflection-increasing dielectric layer sequence. The first resonator mirror is preferably a highly reflective mirror with a reflectivity R ₁ of, for example, R ₁ 95% or R ₁ 98%. The second The resonator mirror is the coupling-out mirror of the semiconductor laser and has a lower reflectivity R ₂ than the first resonator mirror. The second resonator mirror preferably has a reflection-reducing coating, for example a reflection-reducing dielectric layer sequence.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge A einer von dem Halbleiterlaser emittierten Laserstrahlung durch eine Einstellung der optischen Verluste des Laserresonators minimiert. Die Erfindung macht insbesondere von der Idee Gebrauch, eine temperaturbedingte Verschiebung der Wellenlänge zu größeren Wellenlängen hin (Rotverschiebung) durch eine entgegengesetzte Verschiebung der Wellenlänge zu kleineren Wellenlängen hin (Blauverschiebung) zu verringern oder vorzugsweise ganz zu kompensieren. Die Rotverschiebung der Emissionswellenlänge mit steigender Temperatur entsteht durch die temperaturabhängige Bandlücke der Halbleiterschichten, die zu einer spektralen Verschiebung des Gewinn-Maximums mit steigender Temperatur führt. Dazu trägt sowohl die Umgebungstemperatur als auch die Eigenerwärmung bei. Bei höherer Temperatur sinkt aber zugleich der Gewinn in der aktiven Schicht, so dass die Ladungsträgerdichte in der aktiven Schicht steigen muss, um weiterhin die Laserschwelle zu überschreiten. Eine höhere Ladungsträgerdichte führt zu einem als Bandfüll-Effekt (Bandfilling) bezeichneten Phänomen, wodurch sich die effektive Bandlücke des Halbleitermaterials vergrößert und die Emissionswellenlänge verkleinert.According to at least one embodiment, a temperature dependency of the emission wavelength A of a laser radiation emitted by the semiconductor laser is minimized by adjusting the optical losses of the laser resonator. In particular, the invention makes use of the idea of reducing or preferably completely compensating for a temperature-related shift in the wavelength towards larger wavelengths (red shift) by means of an opposite shift in the wavelength towards smaller wavelengths (blue shift). The red shift of the emission wavelength with increasing temperature is caused by the temperature-dependent band gap of the semiconductor layers, which leads to a spectral shift of the gain maximum with increasing temperature. Both the ambient temperature and the self-heating contribute to this. At a higher temperature, however, the gain in the active layer decreases at the same time, so that the charge carrier density in the active layer has to increase in order to continue to exceed the laser threshold. A higher charge carrier density leads to a phenomenon known as the band filling effect, which increases the effective band gap of the semiconductor material and reduces the emission wavelength.

Eine Erhöhung der Temperatur führt also über die spektrale Verschiebung des Gewinn-Maximums der aktiven Schicht zu einer Verschiebung der Emissionswellenlänge zu größeren Wellenlängen hin und durch den Bandfüll-Effekt gleichzeitig zu einer Verschiebung der Emissionswellenlänge zu kleineren Wellenlängen hin. Die beiden Effekte kompensieren sich bei herkömmlichen Halbleiterlasern in der Praxis üblicherweise nicht. Der hier beschriebene Halbleiterlaser basiert insbesondere auf der Idee, über eine dedizierte Gestaltung der Resonatorverluste ein Gleichgewicht zwischen Rot- und Blauverschiebung über einen signifikanten und in der praktischen Anwendung relevanten Bereich von Betriebsströmen und Temperaturen zu erreichen, so dass die thermisch bedingte Wellenlängenverschiebung verringert oder ganz kompensiert wird.An increase in temperature thus leads to a shift in the emission wavelength towards larger wavelengths via the spectral shift of the gain maximum of the active layer and, due to the band-fill effect, at the same time to a shift in the emission wavelength towards smaller wavelengths. In practice, the two effects usually do not offset each other in conventional semiconductor lasers. The semiconductor laser described here is based in particular on the idea of using a dedicated design of the resonator losses to achieve a balance between red and blue shift over a significant and in practical application relevant range of operating currents and temperatures, so that the thermally induced wavelength shift is reduced or completely compensated for will.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite Resonatorspiegel ein Auskoppelspiegel zur Auskopplung der von dem Halbleiterlaser emittierten Laserstrahlung, wobei die Reflektivität des zweiten Resonatorspiegels derart eingestellt ist, dass die Temperaturabhängigkeit der der Emissionswellenlänge der von dem Halbleiterlaser emittierten Laserstrahlung minimiert ist. Durch eine Änderung der Reflektivität des zweiten Resonatorspiegels können die Verluste des Laserresonators besonders effektiv eingestellt werden.According to at least one embodiment, the second resonator mirror is a coupling-out mirror for coupling out the laser radiation emitted by the semiconductor laser, the reflectivity of the second resonator mirror being set such that the temperature dependence of the emission wavelength of the laser radiation emitted by the semiconductor laser is minimized. By changing the reflectivity of the second resonator mirror, the losses of the laser resonator can be set particularly effectively.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt die Reflektivität des zweiten Resonatorspiegels nicht mehr als 10%, nicht mehr als 5%, nicht mehr als 2%, nicht mehr als 0,5% oder sogar nicht mehr als 0,1%. Es hat sich herausgestellt, dass eine Verringerung der Reflektivität des zweiten Resonatorspiegels eine Verminderung der Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge bewirken kann. Durch die vergleichsweise geringe Reflektivität des zweiten Resonatorspiegels verringert sich zwar die Effizienz des Halbleiterlasers. Der hierin beschriebene Halbleiterlaser macht von der Idee Gebrauch, eine solche Einbuße in der Effizienz bewusst in Kauf zu nehmen, um eine bessere Temperaturstabilität der Emissionswellenlänge zu erzielen.According to at least one embodiment, the reflectivity of the second resonator mirror is not more than 10%, not more than 5%, not more than 2%, not more than 0.5% or even not more than 0.1%. It has been found that a reduction in the reflectivity of the second resonator mirror can bring about a reduction in the temperature dependence of the emission wavelength. The comparatively low reflectivity of the second resonator mirror reduces the efficiency of the semiconductor laser. The semiconductor laser described herein makes use of the idea of consciously accepting such a loss in efficiency in order to achieve better temperature stability of the emission wavelength.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt die Reflektivität des zweiten Resonatorspiegels nicht mehr als 0,1%, nicht mehr als 0,05% oder sogar nicht mehr als 0,01%. Bei diesen sehr niedrigen Reflektivitäten können die Verluste am Auskoppelspiegel derart erhöht werden, dass auch bei vergleichsweise großen Resonatorlängen eine geringe Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge erzielt wird.According to at least one embodiment, the reflectivity of the second resonator mirror is not more than 0.1%, not more than 0.05% or even not more than 0.01%. With these very low reflectivities, the losses at the coupling-out mirror can be increased in such a way that a low temperature dependence of the emission wavelength is achieved even with comparatively large resonator lengths.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der zweite Resonatorspiegel ein reflexionsminderndes Schichtsystem auf. Das reflexionsmindernde Schichtsystem kann insbesondere abwechselnde Schichten mit höherem und niedrigerem Brechungsindex aufweisen. Geeignete Materialien für das reflexionsmindernde Schichtsystem sind dielektrische Materialien, insbesondere Oxide, Nitride und Fluoride wie beispielsweise SiO₂, SiN, Al₂O₃, TiO₂, Ta₂O₅ oder MgF₂, oder Halbleiter wie Si, Ge oder ZnSe in amorpher, kristalliner oder polykristalliner Form.According to at least one embodiment, the second resonator mirror has a reflection-reducing layer system. The reflection-reducing layer system can in particular have alternating layers with a higher and lower refractive index. Suitable materials for the reflection-reducing layer system are dielectric materials, in particular oxides, nitrides and fluorides such as SiO ₂ , SiN, Al ₂ O ₃ , TiO ₂ , Ta ₂ O ₅ or MgF ₂ , or semiconductors such as Si, Ge or ZnSe in amorphous, crystalline or polycrystalline form.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Resonatorlänge des Laserresonators derart eingestellt, dass die Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge minimiert ist. Es hat sich herausgestellt, dass sich die Auskoppelverluste und die internen Verluste im Laserresonator durch die Einstellung der Resonatorlänge gezielt verändern lassen. Die optischen Verluste des Halbleiterlasers setzen sich insbesondere aus den optischen Verlusten am Auskoppelspiegel und den internen Verlusten im Laserresonator zusammen. Bei dem hier beschriebenen Halbleiterlaser werden insbesondere die Reflektivität des Auskoppelspiegels und die Länge des Laserresonators derart eingestellt, dass die Summe der Verluste zu einer verringerten Temperaturabhängigkeit Emissionswellenlänge führt. Vorzugsweise werden dazu die beiden Parameter Reflektivität des zweiten Resonatorspiegels und Länge des Laserresonators durch Simulation oder experimentell optimiert.According to at least one embodiment, a resonator length of the laser resonator is set in such a way that the temperature dependence of the emission wavelength is minimized. It has been found that the coupling-out losses and the internal losses in the laser resonator can be changed in a targeted manner by setting the resonator length. The optical losses of the semiconductor laser are composed in particular of the optical losses at the coupling-out mirror and the internal losses in the laser resonator. In the semiconductor laser described here, in particular the reflectivity of the coupling-out mirror and the length of the laser resonator are set in such a way that the sum of the losses leads to a reduced temperature dependence of the emission wavelength. For this purpose, the two parameters reflectivity of the second are preferably Resonator mirror and length of the laser resonator optimized by simulation or experimentally.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt die Resonatorlänge des Laserresonators zwischen einschließlich 500 µm und einschließlich 6000 µm. Abhängig von der Reflektivität des zweiten Resonatorspiegels lässt sich insbesondere in diesem Längenbereich eine geringe Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge erzielen.In accordance with at least one embodiment, the resonator length of the laser resonator is between 500 μm and 6000 μm inclusive. Depending on the reflectivity of the second resonator mirror, a low temperature dependency of the emission wavelength can be achieved, in particular in this length range.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Emissionswellenlänge A einen Temperaturkoeffizienten k = Δλ/ΔT auf, für den gilt: k = -0,1 nm/K ≤ k ≤ 0,1 nm/K. Bevorzugt gilt für den Temperaturkoeffizienten: -0,05 nm/K ≤ k ≤ 0,05 nm/K. Der Temperaturkoeffizient k der Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers ist somit geringer als bei herkömmlichen Halbleiterlasern. Der Betrag von k ist abhängig von der Emissions-Wellenlänge und bei kleinen Wellenlängen geringer als bei großen Wellenlängen. Beispielsweise beträgt k für herkömmliche Halbleiterlaser bei Wellenlängen um 800 nm etwa 0,26 nm/K und bei Wellenlängen um 980 nm etwa 0,33 nm/K.According to at least one embodiment, the emission wavelength A has a temperature coefficient k = Δλ / ΔT, for which the following applies: k = -0.1 nm / K k 0.1 nm / K. The following preferably applies to the temperature coefficient: -0.05 nm / K k 0.05 nm / K. The temperature coefficient k of the emission wavelength of the semiconductor laser is thus lower than that of conventional semiconductor lasers. The amount of k depends on the emission wavelength and is less for small wavelengths than for large wavelengths. For example, k for conventional semiconductor lasers is approximately 0.26 nm / K at wavelengths around 800 nm and approximately 0.33 nm / K at wavelengths around 980 nm.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterlasers keine Oberflächenstruktur zur Stabilisierung der Emissionswellenlänge auf. Insbesondere ist der Halbleiterlaser frei von DBR- oder DFB-Strukturen. Auf derartige periodische Strukturen zur Stabilisierung der Emissionswellenlänge kann bei dem Halbleiterlaser vorteilhaft verzichtet werden, weil die Emissionswellenlänge auf vergleichsweise einfache Weise, insbesondere durch Einstellung der Reflektivität des zweiten Resonatorspiegels und der Resonatorlänge, stabilisiert wird.In accordance with at least one embodiment, the semiconductor layer sequence of the semiconductor laser does not have a surface structure for stabilizing the emission wavelength. In particular, the semiconductor laser is free from DBR or DFB structures. Such periodic structures for stabilizing the emission wavelength can advantageously be dispensed with in the semiconductor laser because the emission wavelength is stabilized in a comparatively simple manner, in particular by adjusting the reflectivity of the second resonator mirror and the resonator length.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterlaser keine Heiz- oder Kühlvorrichtung zur Stabilisierung der Emissionswellenlänge auf. Auf eine solche aktive Temperaturregelung zur Stabilisierung der Emissionswellenlänge kann bei dem Halbleiterlaser vorteilhaft verzichtet werden, weil die Emissionswellenlänge auf vergleichsweise einfache Weise, insbesondere durch Einstellung der Reflektivität des zweiten Resonatorspiegels und der Resonatorlänge, stabilisiert wird.In accordance with at least one embodiment, the semiconductor laser has no heating or cooling device for stabilizing the emission wavelength. Such an active temperature control to stabilize the emission wavelength can advantageously be dispensed with in the semiconductor laser because the emission wavelength is stabilized in a comparatively simple manner, in particular by setting the reflectivity of the second resonator mirror and the resonator length.

Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiterlasers angegeben. Bei dem Verfahren wird ein Halbleiterlaser mit einer Halbleiterschichtenfolge hergestellt, die eine aktive Schicht aufweist. Die aktive Schicht ist in einem Laserresonator angeordnet, wobei der Laserresonator einen ersten Resonatorspiegel und einen zweiten Resonatorspiegel aufweist. Der erste Resonatorspiegel ist vorzugsweise ein hochreflektierender Spiegel mit einer Reflektivität R₁ von beispielsweise R₁ ≥ 95% oder R ≥ 98%. Der zweite Resonatorspiegel ist der Auskoppelspiegel des Halbleiterlasers und weist Reflektivität R₂ auf, die geringer ist als die Reflektivität R₁ des ersten Resonatorspiegels.A method for producing the semiconductor laser is also specified. In the method, a semiconductor laser is produced with a semiconductor layer sequence which has an active layer. The active layer is arranged in a laser resonator, the laser resonator having a first resonator mirror and a second resonator mirror. The first resonator mirror is preferably a highly reflective mirror with a reflectivity R ₁ of, for example, R ₁ 95% or R 98%. The second resonator mirror is the coupling-out mirror of the semiconductor laser and has reflectivity R ₂ which is less than the reflectivity R _{1 of} the first resonator mirror.

Das Verfahren umfasst die Simulation und/oder experimentelle Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge in Abhängigkeit von der Reflektivität R₂ des zweiten Resonatorspiegels und/oder der Länge L des Laserresonators L. Insbesondere wird ein Temperaturkoeffizient k = Δλ/ΔT der Emissionswellenlänge A des Halbleiterlasers in Abhängigkeit von der Reflektivität R₂ des zweiten Resonatorspiegels und/oder der Länge L des Laserresonators bestimmt.The method comprises the simulation and / or experimental determination of the temperature dependency of the emission wavelength as a function of the reflectivity R _{2 of} the second resonator mirror and / or the length L of the laser resonator L. In particular, a temperature coefficient k = Δλ / ΔT is dependent on the emission wavelength A of the semiconductor laser determined by the reflectivity R _{2 of} the second resonator mirror and / or the length L of the laser resonator.

Aus der Simulation und/oder den experimentell bestimmten Daten werden Werte für die Reflektivität R₂ des zweiten Resonatorspiegels R₂ und/oder die Länge des Laserresonators L bestimmt, bei denen der Temperaturkoeffizient k = Δλ/ΔT einen vorgegebenen Sollwert unterschreitet.From the simulation and / or the experimentally determined data, values for the reflectivity R _{2 of} the second resonator mirror R ₂ and / or the length of the laser resonator L are determined, at which the temperature coefficient k = Δλ / ΔT falls below a predetermined target value.

Die Herstellung des Halbleiterlasers erfolgt mit den Werten für R₂ und/oder L, für die der Temperaturkoeffizient k = Δλ/ΔT den vorgegebenen Sollwert unterschreitet. Vorzugseise werden die Werte der Parameter R₂ und/oder L derart bestimmt, dass für den Temperaturkoeffizienten gilt: 0,1 nm/K ≤ k ≤ 0,1 nm/K. Besonders bevorzugt gilt: 0,05 nm/K ≤ k ≤ 0,05 nm/K.The semiconductor laser is manufactured with the values for R ₂ and / or L, for which the temperature coefficient k = Δλ / ΔT falls below the specified target value. The values of the parameters R ₂ and / or L are preferably determined in such a way that the following applies to the temperature coefficient: 0.1 nm / K k 0.1 nm / K. The following applies particularly preferably: 0.05 nm / K k 0.05 nm / K.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus der Beschreibung des Halbleiterlasers und umgekehrt.Further advantageous refinements of the method emerge from the description of the semiconductor laser and vice versa.

Der Halbleiterlaser wird im Folgenden anhand von Beispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 6 näher erläutert.The semiconductor laser is explained below using examples in connection with the 1 until 6th explained in more detail.

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Halbleiterlaser gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2A eine grafische Darstellung von Messungen der Emissionswellenlänge A bei einem Beispiel des Halbleiterlasers mit einer Reflektivität des zweiten Resonatorspiegels von R₂ = 2% in Abhängigkeit von der Betriebsstromstärke I bei verschiedenen Umgebungstemperaturen,
2B eine grafische Darstellung von Messungen der Emissionswellenlänge A bei einem Beispiel des Halbleiterlasers mit einer Reflektivität des zweiten Resonatorspiegels von R₂ = 1% in Abhängigkeit von der Betriebsstromstärke I bei verschiedenen Umgebungstemperaturen,
2C eine grafische Darstellung von Messungen der Emissionswellenlänge λ bei einem Beispiel des Halbleiterlasers mit einer Reflektivität des zweiten Resonatorspiegels von R₂ = 0,5% in Abhängigkeit von der Betriebsstromstärke I bei verschiedenen Umgebungstemperaturen,
2D eine grafische Darstellung von Messungen der Emissionswellenlänge λ bei einem Beispiel des Halbleiterlasers mit einer Reflektivität des zweiten Resonatorspiegels von R₂ = 0,01% in Abhängigkeit von der Betriebsstromstärke I bei verschiedenen Umgebungstemperaturen,
3A eine grafische Darstellung des Wirkungsgrads η in Abhängigkeit von der Betriebsstromstärke I für verschiedene Reflektivitäten R₂ des zweiten Resonatorspiegels bei der Umgebungstemperatur T = 20 °C,
3B eine grafische Darstellung des Wirkungsgrads η in Abhängigkeit von der Betriebsstromstärke I für verschiedene Reflektivitäten R₂ des zweiten Resonatorspiegels bei der Umgebungstemperatur T = 60 °C.
4 eine grafische Darstellung von Messwerten des Temperaturkoeffizienten k der Emissionswellenlänge in Abhängigkeit von der Reflektivität R₂ des zweiten Resonatorspiegels bei einem Beispiel des Halbleiterlasers bei verschiedenen Umgebungstemperaturen,
5A eine grafische Darstellung von Messungen der Emissionswellenlänge λ in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur T bei mehreren Beispielen des Halbleiterlasers mit verschiedenen Reflektivitäten R₂ des zweiten Resonatorspiegels,
5B eine grafische Darstellung von Messwerten des Temperaturkoeffizienten k der Emissionswellenlänge in Abhängigkeit von der Reflektivität R₂ des zweiten Resonatorspiegels bei den Beispielen der 5A, und
6 eine grafische Darstellung von Simulationen der Emissionswellenlänge λ bei Beispielen des Halbleiterlasers mit einer Reflektivität des zweiten Resonatorspiegels von R₂ = 0,01% in Abhängigkeit von der Betriebsstromstärke I bei verschiedenen Resonatorlängen L.

Show it:

1 a schematic representation of a cross section through a semiconductor laser according to an embodiment,
2A a graphical representation of measurements of the emission wavelength A at a Example of the semiconductor laser with a reflectivity of the second resonator mirror of R ₂ = 2% depending on the operating current I at different ambient temperatures,
2 B a graphical representation of measurements of the emission wavelength A in an example of the semiconductor laser with a reflectivity of the second resonator mirror of R ₂ = 1% as a function of the operating current I at different ambient temperatures,
2C a graphical representation of measurements of the emission wavelength λ in an example of the semiconductor laser with a reflectivity of the second resonator mirror of R ₂ = 0.5% as a function of the operating current I at different ambient temperatures,
2D a graphical representation of measurements of the emission wavelength λ in an example of the semiconductor laser with a reflectivity of the second resonator mirror of R ₂ = 0.01% as a function of the operating current I at different ambient temperatures,
3A a graphical representation of the efficiency η as a function of the operating current I for different reflectivities R _{2 of} the second resonator mirror at the ambient temperature T = 20 ° C,
3B a graphical representation of the efficiency η as a function of the operating current I for different reflectivities R _{2 of} the second resonator mirror at the ambient temperature T = 60 ° C.
4th a graphical representation of measured values of the temperature coefficient k of the emission wavelength as a function of the reflectivity R _{2 of} the second resonator mirror in an example of the semiconductor laser at different ambient temperatures,
5A a graphical representation of measurements of the emission wavelength λ as a function of the ambient temperature T in several examples of the semiconductor laser with different reflectivities R _{2 of} the second resonator mirror,
5B a graphical representation of measured values of the temperature coefficient k of the emission wavelength as a function of the reflectivity R _{2 of} the second resonator mirror in the examples of FIG 5A , and
6th a graphical representation of simulations of the emission wavelength λ in examples of the semiconductor laser with a reflectivity of the second resonator mirror of R ₂ = 0.01% as a function of the operating current I at different resonator lengths L.

Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.Identical or identically acting components are each provided with the same reference symbols in the figures. The components shown and the proportions of the components to one another are not to be regarded as true to scale.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers 10 im Querschnitt dargestellt. Der Halbleiterlaser 10 ist ein kantenemittierender Halbleiterlaser, der eine Halbleiterschichtenfolge 20 aufweist. Die Halbleiterschichtenfolge 20 umfasst einen n-Typ Halbleiterbereich 21, einen p-Typ Halbleiterbereich 22 und eine zwischen dem n-Typ Halbleiterbereich 21 und dem p-Typ Halbleiterbereich 22 angeordnete aktive Schicht 4.In 1 is an embodiment of the semiconductor laser 10 shown in cross section. The semiconductor laser 10 is an edge-emitting semiconductor laser that has a semiconductor layer sequence 20th having. The semiconductor layer sequence 20th comprises an n-type semiconductor region 21 , a p-type semiconductor region 22nd and one between the n-type semiconductor region 21 and the p-type semiconductor region 22nd arranged active layer 4th .

Die Halbleiterschichtenfolge 20 des Halbleiterlasers 10 basiert vorzugsweise auf einem III-V-Verbindungs-Halbleitermaterial, insbesondere auf einem Nitrid-, Phosphid- oder Arsenidverbindungshalbleitermaterial. Beispielsweise kann die Halbleiterschichtenfolge In_xAl_yGa_1-x-yN, In_xAl_yGa_1-x-yP oder In_xAl_yGa_1-x-yAs, jeweils mit 0 ≤ × ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, oder Al_xGa_1-xAs_yP_1-y oder In_xGa_1-xAs_yP_1-y mit 0 ≤ × ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 oder In_xAl_yGa_1-x-yAs_zP_1-z mit 0 ≤ × ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und x + y ≤ 1 enthalten. Dabei muss das III-V-Verbindungshalbleitermaterial nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach einer der obigen Formeln aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhalten obige Formeln jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können. Die Materialauswahl erfolgt anhand der gewünschten Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers 10.The semiconductor layer sequence 20th of the semiconductor laser 10 is preferably based on a III-V compound semiconductor material, in particular on a nitride, phosphide or arsenide compound semiconductor material. For example, the semiconductor layer sequence In _x Al _y Ga _1-xy N, In _x Al _y Ga _1-xy P or In _x Al _y Ga _1-xy As, in each case with 0 × 1, 0 y 1 and x + y ≤ 1, or Al _x Ga _1-x As _y P _1-y or In _x Ga _1-x As _y P _1-y with 0 ≤ × ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 or In _x Al _y Ga _{1- xy} As _z P _1-z with 0 × 1, 0 y 1, 0 z 1 and x + y 1. The III-V compound semiconductor material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to one of the above formulas. Rather, it can have one or more dopants and additional components. For the sake of simplicity, however, the above formulas only contain the essential components of the crystal lattice, even if these can be partially replaced by small amounts of other substances. The material is selected on the basis of the desired emission wavelength of the semiconductor laser 10 .

Zur Erzeugung von Laserstrahlung 13 enthält der Halbleiterlaser 10 eine aktive Schicht 4, die vorzugsweise als Einfach- oder Mehrfach-Quantentopfstruktur ausgebildet ist. Die aktive Schicht 4 kann mehrere Teilschichten, insbesondere eine Abfolge von Barriereschichten und einer oder mehreren Quantentopfschichten aufweisen, die in 1 zur Vereinfachung nicht einzeln dargestellt sind. Der kantenemittierende Halbleiterlaser 10 emittiert die Laserstrahlung 13 senkrecht zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge 20, d.h. parallel zur Schichtebene der aktiven Schicht 4.For generating laser radiation 13th contains the semiconductor laser 10 an active layer 4th , which is preferably designed as a single or multiple quantum well structure. The active layer 4th can have a plurality of sublayers, in particular a sequence of barrier layers and one or more quantum well layers, which in 1 are not shown individually for the sake of simplicity. The edge-emitting semiconductor laser 10 emits the laser radiation 13th perpendicular to the direction of growth of the semiconductor layer sequence 20th , ie parallel to the layer plane of the active layer 4th .

Es ist möglich, dass der Halbleiterlaser 10 einen Rippenwellenleiter aufweist, der beispielsweise in dem p-Typ Halbleiterbereich 22 ausgebildet ist. Der Rippenwellenleiter kann beispielsweise durch einen Ätzprozess erzeugt werden, bei dem die Halbleiterschichtenfolge 20 von der Oberfläche her insbesondere im Bereich des p-Typ Halbleiterbereichs 22 zu einem Steg verengt wird. Der Rippenwellenleiter ist insbesondere durch einen Steg gebildet, der in der Richtung des Laserresonators 14 des Halbleiterlasers 10 verläuft. Die Breite des Rippenwellenleiters, d.h. die Ausdehnung senkrecht zur Resonatorachse, kann beispielsweise zwischen 1 µm und 10 µm betragen.It is possible that the semiconductor laser 10 comprises a ridge waveguide formed in, for example, the p-type semiconductor region 22nd is trained. The rib waveguide can be produced, for example, by an etching process in which the semiconductor layer sequence 20th from the surface, especially in the area of the p-type semiconductor area 22nd is narrowed to a web. The rib waveguide is formed in particular by a ridge that extends in the direction of the laser resonator 14th of the semiconductor laser 10 runs. The width of the rib waveguide, ie the extent perpendicular to the resonator axis, can for example be between 1 μm and 10 μm.

Die aktive Schicht 4 kann zwischen einer ersten Wellenleiterschicht 3 und einer zweiten Wellenleiterschicht 5 angeordnet sein, wobei die erste Wellenleiterschicht 3 an der n-Seite und die zweite Wellenleiterschicht 5 an der p-Seite an die aktive Schicht 4 angrenzt. Die Wellenleiterschichten 3, 5 können jeweils eine Einzelschicht sein oder mehrere Teilschichten aufweisen. Die aktive Schicht 4 und die Wellenleiterschichten 3, 5 bilden einen Wellenleiterbereich aus. Der Wellenleiterbereich ist zum Beispiel zwischen einer n-Typ Mantelschicht 2 und einer p-Typ Mantelschicht 6 angeordnet. Zur Führung der Laserstrahlung in dem Wellenleiterbereich 3 weisen die n-Typ Mantelschicht 2 und die p-Typ Mantelschicht 6 einen geringeren Brechungsindex als die Wellenleiterschichten 3, 5 auf. Dies wird beispielsweise dadurch realisiert, dass die Mantelschichten 2, 6 zumindest bereichsweise einen höheren Aluminiumanteil als die Wellenleiterschichten 3, 5 aufweisen, woraus eine größere elektronische Bandlücke und ein geringerer Brechungsindex resultiert. Die n-Typ Mantelschicht 2 und die p-Typ Mantelschicht 6 können jeweils eine Einzelschicht sein oder mehrere Teilschichten aufweisen.The active layer 4th can be between a first waveguide layer 3 and a second waveguide layer 5 be arranged, wherein the first waveguide layer 3 on the n-side and the second waveguide layer 5 on the p-side to the active layer 4th adjoins. The waveguide layers 3 , 5 each can be a single layer or several Have partial layers. The active layer 4th and the waveguide layers 3 , 5 form a waveguide area. The waveguide region is, for example, between an n-type clad layer 2 and a p-type clad layer 6th arranged. For guiding the laser radiation in the waveguide area 3 exhibit the n-type cladding layer 2 and the p-type clad layer 6th a lower index of refraction than the waveguide layers 3 , 5 on. This is achieved, for example, in that the cladding layers 2 , 6th at least in some areas a higher proportion of aluminum than the waveguide layers 3 , 5 have, resulting in a larger electronic band gap and a lower refractive index. The n-type cladding layer 2 and the p-type clad layer 6th can each be a single layer or have several partial layers.

Der p-Typ Mantelschicht 6 kann an der von der aktiven Schicht 4 abgewandten Seite eine p-Kontaktschicht 7 nachfolgen. Über der p-Kontaktschicht 7 ist eine p-Anschlussschicht 8 angeordnet. Weiterhin weist der kantenemittierende Halbleiterlaser 10 eine n-Anschlussschicht 9 auf, beispielsweise an einer Rückseite des Substrats 1. Die p-Anschlussschicht 8 und die n-Anschlussschicht 9 können beispielsweise ein Metall oder eine Metalllegierung aufweisen.The p-type cladding layer 6th can be attached to that of the active layer 4th facing away from the side a p-contact layer 7 follow. A p-connection layer 8 is arranged over the p-contact layer 7. Furthermore, the edge-emitting semiconductor laser 10 an n-connection layer 9, for example on a rear side of the substrate 1 . The p-connection layer 8 and the n-connection layer 9 can comprise a metal or a metal alloy, for example.

Die aktive Schicht 4 ist bei dem Halbleiterlaser 10 in einem Laserresonator 14 angeordnet, der durch einen ersten Resonatorspiegel 11 und einen zweiten Resonatorspiegel 12 begrenzt wird. Der Laserresonator 14 weist eine Resonatorlänge L auf, die gleich dem Abstand zwischen dem ersten Resonatorspiegel 11 und dem zweiten Resonatorspiegel 12 ist. Der zweite Resonatorspiegel 12 ist ein Auskoppelspiegel des Halbleiterlasers und weist eine Reflektivität R₂ auf, die geringer ist als die Reflektivität R₁ des ersten Resonatorspiegels 11. Vorzugsweise weist der zweite Resonatorspiegel 12 eine reflexionsmindernde Schichtenfolge auf. Der erste Resonatorspiegel 11 kann vorteilhaft eine reflexionserhöhende Schichtenfolge aufweisen. Beispielsweise beträgt die Reflektivität R₁ des ersten Resonatorspiegels 11 mehr als 80%, mehr als 90%, mehr als 95%, mehr als 98% oder sogar mehr als 99 %. Der erste Resonatorspiegel 11 und/oder der zweite Resonatorspiegel 12 können insbesondere als dielektrische Schichtenfolge ausgeführt sein.The active layer 4th is at the semiconductor laser 10 in a laser resonator 14th arranged by a first resonator mirror 11 and a second resonator mirror 12th is limited. The laser resonator 14th has a resonator length L which is equal to the distance between the first resonator mirror 11 and the second resonator mirror 12th is. The second resonator mirror 12th is a coupling-out mirror of the semiconductor laser and has a reflectivity R ₂ which is less than the reflectivity R _{1 of} the first resonator mirror 11 . The second resonator mirror preferably has 12th a reflection-reducing layer sequence. The first resonator mirror 11 can advantageously have a reflection-increasing layer sequence. For example, the reflectivity R _{1 of} the first resonator mirror is 11 more than 80%, more than 90%, more than 95%, more than 98% or even more than 99%. The first resonator mirror 11 and / or the second resonator mirror 12th can in particular be designed as a dielectric layer sequence.

Bei dem Halbleiterlaser 10 sind die optischen Verluste des Laserresonators 14 vorteilhaft derart eingestellt, dass die Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge λ der von dem Halbleiterlaser 10 emittierten Laserstrahlung 13 minimiert ist, insbesondere einen vorgegebenen Sollwert unterschreitet. Die optischen Verluste des Laserresonators 14 setzen sich aus den resonatorinternen optischen Verlusten sowie den optischen Verlusten an den Resonatorspiegeln 11, 12 zusammen.With the semiconductor laser 10 are the optical losses of the laser resonator 14th advantageously set such that the temperature dependence of the emission wavelength λ of the semiconductor laser 10 emitted laser radiation 13th is minimized, in particular falls below a predetermined target value. The optical losses of the laser resonator 14th are made up of the optical losses within the resonator and the optical losses at the resonator mirrors 11 , 12th together.

Die optischen Verluste des Laserresonators 14 können im Herstellungsprozess des Halbleiterlasers 10 beispielsweise über den Aufbau der Halbleiterschichtenfolge 20, die Länge L des Laserresonators 14 und die Reflektivitäten R₁, R₂ der Resonatorspiegel 11, 12 beeinflusst werden. Zur genauen Einstellung einer gewünschten und möglichst konstanten Wellenlänge über einen gewissen Temperatur- und Strombereich wird vorteilhaft eine geeignete Kombination dieser Parameter bestimmt.The optical losses of the laser resonator 14th can in the manufacturing process of the semiconductor laser 10 for example via the structure of the semiconductor layer sequence 20th , the length L of the laser resonator 14th and the reflectivities R ₁ , R _{2 of} the resonator mirrors 11 , 12th to be influenced. For the precise setting of a desired and as constant as possible wavelength over a certain temperature and current range, a suitable combination of these parameters is advantageously determined.

Durch die Optimierung der Resonatorlänge L und der Reflektivitäten der Resonatorspiegel 11, 12, beispielsweise durch den Aufbau der dielektrischen Schichtenfolgen, können die Verluste vorteilhaft eingestellt werden. Die bei der Propagation der Laserstrahlung in dem Laserresonator 14 auftretenden internen Absorptionsverluste an freien Ladungsträgern können gegebenenfalls durch das Design der aktiven Schicht 4, beispielsweise über die Zusammensetzung und Anzahl von Quantentöpfen und Nebentöpfen, definiert werden. Über Dotierungsprofile und Profile der Materialzusammensetzung der Verbindungshalbleiter in den Wellenleiterschichten 3, 5 ergibt sich eine weitere Möglichkeit, die Propagationsverluste zu kontrollieren.By optimizing the resonator length L and the reflectivities of the resonator mirrors 11 , 12th , for example through the structure of the dielectric layer sequences, the losses can advantageously be adjusted. The propagation of the laser radiation in the laser resonator 14th Occurring internal absorption losses at free charge carriers can possibly be due to the design of the active layer 4th , for example via the composition and number of quantum wells and secondary wells. About doping profiles and profiles of the material composition of the compound semiconductors in the waveguide layers 3 , 5 there is another possibility to control the propagation losses.

Die Einführung dieser Maßnahmen führt üblicherweise zu einer Effizienz-Einbuße im Betriebspunkt. Die vorgeschlagene Lösung eignet sich damit vor allem für Anwendungen, bei der nicht die Effizienz des Halbleiterlasers 10, sondern die Stabilität der Emissionswellenlänge die entscheidende Rolle spielt. Damit die Effizienz-Einbuße nicht zu allzu groß wird, werden die Resonatorverluste bevorzugt nicht über die internen Verluste, sondern über die Spiegelverluste, d.h. die Reflektivität und Resonatorlänge, eingestellt.The introduction of these measures usually leads to a loss of efficiency at the operating point. The proposed solution is therefore particularly suitable for applications in which the efficiency of the semiconductor laser is not compromised 10 , but the stability of the emission wavelength plays the decisive role. So that the loss of efficiency does not become too great, the resonator losses are preferably not set via the internal losses, but rather via the mirror losses, ie the reflectivity and resonator length.

Der hier beschriebene Halbleiterlaser 10 macht insbesondere von der Idee Gebrauch, die optischen Verluste durch eine gezielte Einstellung der Reflektivität R₂ und/oder der Resonatorlänge L derart einzustellen, dass die Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge verringert wird. Insbesondere wird die Temperaturabhängigkeit bei einer vorgegebenen Umgebungstemperatur T, beispielsweise bei einer Temperatur T aus dem Temperaturbereich zwischen einschließlich -40 °C und einschließlich 105 °C, minimiert.The semiconductor laser described here 10 makes use in particular of the idea of adjusting the optical losses through a targeted adjustment of the reflectivity R ₂ and / or the resonator length L in such a way that the temperature dependence of the emission wavelength is reduced. In particular, the temperature dependency is minimized at a predetermined ambient temperature T, for example at a temperature T from the temperature range between -40 ° C. and 105 ° C. inclusive.

Bei einem Verfahren zur Herstellung des Halbleiterlasers 10 wird beispielsweise die Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge λ der von dem Halbleiterlaser 10 emittierten Laserstrahlung 13 in Abhängigkeit von den Parametern R₂ und/oder L durch Simulationsrechnungen bestimmt. Alternativ kann die Temperaturabhängigkeit experimentell bestimmt werden, indem beispielsweise mehrere Testexemplare des Halbleiterlasers 10 mit verschiedenen Reflektivitäten R₂ des zweiten Resonatorspiegels 12 und/oder mit verschiedenen Resonatorlängen L hergestellt werden und nachfolgend die Temperaturabhängigkeit gemessen wird. Aus den Simulationsrechnungen und/oder den experimentell gewonnenen Werten werden dann geeignete Werte für die Reflektivität R₂ des zweiten Resonatorspiegels 12 und die Länge L des Laserresonators bestimmt, bei denen die Temperaturabhängigkeit einen vorgegebenen Sollwert unterschreitet. Dieses Ziel kann insbesondere mit einer geringen Reflektivität R₂ des zweiten Resonatorspiegels 12 erreicht werden. Bei bevorzugten Ausgestaltungen ist R₂ ≤ 10%, R₂ ≤ 5%, R₂ ≤ 2%, R₂ ≤ 1%, R₂ ≤ 0,5%, R₂ ≤ 0,1% oder sogar R₂ ≤ 0,01%. Die Resonatorlänge L beträgt bevorzugt zwischen 500 µm und 6000 µm.In a method for manufacturing the semiconductor laser 10 becomes, for example, the temperature dependency of the emission wavelength λ from the semiconductor laser 10 emitted laser radiation 13th determined by simulation calculations as a function of the parameters R _{2 and / or L.} Alternatively, the temperature dependency can be determined experimentally by, for example, several test copies of the semiconductor laser 10 with different reflectivities R _{2 of} the second resonator mirror 12th and / or can be produced with different resonator lengths L and then the temperature dependency is measured. The simulation calculations and / or the values obtained experimentally then become suitable values for the reflectivity R _{2 of} the second resonator mirror 12th and determines the length L of the laser resonator at which the temperature dependency falls below a predetermined target value. This goal can be achieved in particular with a low reflectivity R _{2 of} the second resonator mirror 12th can be achieved. In preferred embodiments, R ₂ 10%, R ₂ 5%, R ₂ 2%, R ₂ 1%, R ₂ 0.5%, R ₂ 0.1% or even R ₂ 0, 01%. The resonator length L is preferably between 500 μm and 6000 μm.

Die Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers wird vorzugsweise derart minimiert, dass für den Temperaturkoeffizienten k = Δλ/ΔT gilt: -0,1 nm/K ≤ k ≤ 0,1 nm/K. Besonders bevorzugt gilt: -0,05 nm/K ≤ k ≤ 0,05 nm/K. Der Temperaturkoeffizient k wird insbesondere bei einer für den Betrieb des Halbleiterlasers 10 vorgesehen Umgebungstemperatur T optimiert, beispielsweise bei einer Umgebungstemperatur T im Bereich zwischen T = -40 °C und T = 105 °C.The temperature dependence of the emission wavelength of the semiconductor laser is preferably minimized such that the following applies for the temperature coefficient k = Δλ / ΔT: -0.1 nm / K k 0.1 nm / K. The following applies particularly preferably: -0.05 nm / K k 0.05 nm / K. The temperature coefficient k is used in particular for the operation of the semiconductor laser 10 provided ambient temperature T optimized, for example at an ambient temperature T in the range between T = -40 ° C and T = 105 ° C.

Die 2A bis 2D zeigen Messwerte der Emissionswellenlänge λ bei verschiedenen Beispielen des Halbleiterlasers 10 mit einer Resonatorlänge L = 1200 µm in Abhängigkeit von der Betriebsstromstärke I bei jeweils vier verschiedenen Umgebungstemperaturen T = 20 °C, T = 40 °C, T = 60 °C und T = 80 °C. Bei dem Beispiel der 2A beträgt die Reflektivität des zweiten Resonatorspiegels R₂ = 2%, bei dem Beispiel der 2B R₂ = 1%, bei dem Beispiel der 2C R₂ = 0,5% und bei dem Beispiel der 2D R₂ = 0,01%.the 2A until 2D show measured values of the emission wavelength λ in various examples of the semiconductor laser 10 with a resonator length L = 1200 µm depending on the operating current I at four different ambient temperatures T = 20 ° C, T = 40 ° C, T = 60 ° C and T = 80 ° C. In the example of the 2A the reflectivity of the second resonator mirror R ₂ = 2%, in the example of 2 B R ₂ = 1%, in the example of 2C R ₂ = 0.5% and in the example of 2D R ₂ = 0.01%.

Es zeigt sich, dass durch die Reduzierung der Reflektivität R₂ des zweiten Resonatorspiegels und die dadurch erhöhten Verluste des Halbleiterlasers die Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge A signifikant vermindert werden kann. Insbesondere nimmt die temperaturbedingte Verschiebung der Emissionswellenlänge bei einer Reduzierung der Reflektivität R₂ des zweiten Resonatorspiegel ab. Dieser Effekt ist dadurch zu erklären, dass eine temperaturbedingte Verschiebung der Wellenlänge zu größeren Wellenlängen hin durch den bei zunehmender Stromstärke auftretenden Bandfüll-Effekt vermindert oder sogar ganz kompensiert wird. Ab einer Umgebungstemperatur von etwa 80 °C überwiegt die durch den Bandfüll-Effekt bedingte Verschiebung zu kleineren Wellenlängen hin.It turns out that the temperature dependence of the emission wavelength A can be significantly reduced by reducing the reflectivity R _{2 of} the second resonator mirror and the resulting increased losses of the semiconductor laser. In particular, the temperature-related shift in the emission wavelength decreases when the reflectivity R _{2 of} the second resonator mirror is reduced. This effect can be explained by the fact that a temperature-related shift in the wavelength towards longer wavelengths is reduced or even completely compensated for by the band-filling effect that occurs with increasing current strength. From an ambient temperature of around 80 ° C, the shift to smaller wavelengths caused by the band-fill effect predominates.

Die 3A und 3B zeigen eine grafische Darstellung des Wirkungsgrads η in Abhängigkeit von der Betriebsstromstärke I für verschiedene Reflektivitäten R₂ des zweiten Resonatorspiegels bei den Umgebungstemperaturen T = 20 °C beziehungsweise T = 60°C. Die 3A und 3B verdeutlichen, dass die Verringerung der Reflektivität R₂ zur Stabilisierung der Emissionswellenlänge mit einer Reduzierung des Wirkungsgrads η einhergeht. Wenn beispielsweise die Reflektivität des zweiten Resonatorspiegels bei der Umgebungstemperatur T = 60 °C von R₂ = 2% auf R₂ = 0,01% reduziert wird, verringert sich der Wirkungsgrad η von etwa 50% auf etwa 25%.the 3A and 3B show a graphic representation of the efficiency η as a function of the operating current I for different reflectivities R _{2 of} the second resonator mirror at the ambient temperatures T = 20 ° C and T = 60 ° C, respectively. the 3A and 3B make it clear that the reduction in the reflectivity R ₂ to stabilize the emission wavelength is associated with a reduction in the efficiency η. If, for example, the reflectivity of the second resonator mirror _{is reduced from R 2} = 2% to R ₂ = 0.01% at the ambient temperature T = 60 ° C., the efficiency η is reduced from about 50% to about 25%.

Der hier beschriebene Halbleiterlaser 10 macht unter anderem von der Idee Gebrauch, eine derartige Reduzierung der Effizienz in Kauf zu nehmen, um die Emissionswellenlänge zu stabilisieren. Das hier vorgeschlagene Prinzip zur Stabilisierung der Emissionswellenlänge ist vor allem für Anwendungen vorteilhaft, bei der nicht die Effizienz des Halbleiterlasers, sondern die Stabilität der Emissionswellenlänge von besonderer Bedeutung ist. Durch die Einstellung der Resonatorverluste durch die Parameter Reflektivität des zweiten Resonatorspiegels und Resonatorlänge ist die Einbuße an Effizienz nicht allzu groß. Insbesondere liegt die Verminderung des Wirkungsgrads in etwa in dem Bereich, der auch bei alternativen Methoden zur Stabilisierung der Wellenlänge auftreten würde, wie zum Beispiel beim Aufbringen von Bragg-Gittern. Das Aufbringen von Bragg-Gittern wäre allerdings wesentlich aufwändiger als die hierin beschriebenen Maßnahmen zur Stabilisierung der Wellenlänge.The semiconductor laser described here 10 makes use of the idea of accepting such a reduction in efficiency in order to stabilize the emission wavelength. The principle proposed here for stabilizing the emission wavelength is particularly advantageous for applications in which it is not the efficiency of the semiconductor laser but rather the stability of the emission wavelength that is of particular importance. By setting the resonator losses through the parameters reflectivity of the second resonator mirror and resonator length, the loss of efficiency is not too great. In particular, the reduction in efficiency is roughly in the range that would also occur with alternative methods of stabilizing the wavelength, such as the application of Bragg gratings. The application of Bragg gratings would, however, be considerably more complex than the measures described here for stabilizing the wavelength.

In der 4 sind Messwerte des Temperaturkoeffizienten k der Emissionswellenlänge in Abhängigkeit von der Reflektivität R₂ des zweiten Resonatorspiegels bei einem Beispiel des Halbleiterlasers für die Umgebungstemperaturen T = 20 °C, T = 40 °C, T = 60 °C und T = 80 °C dargestellt. Es zeigt sich, dass bei diesem Beispiel insbesondere durch sehr niedrige Werte für die Reflektivität R₂ des zweiten Resonatorspiegels eine deutliche Verringerung des Temperaturkoeffizienten k erzielt werden kann.In the 4th are measured values of the temperature coefficient k of the emission wavelength as a function of the reflectivity R _{2 of} the second resonator mirror in an example of the semiconductor laser for the ambient temperatures T = 20 ° C, T = 40 ° C, T = 60 ° C and T = 80 ° C. It can be seen that in this example, in particular through very low values for the reflectivity R _{2 of} the second resonator mirror, a significant reduction in the temperature coefficient k can be achieved.

Die 5A zeigt Messwerte der Emissionswellenlänge λ in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur T bei mehreren Beispielen des Halbleiterlasers mit verschiedenen Reflektivitäten des zweiten Resonatorspiegels von R₂ = 2%, R₂ = 1%, R₂ = 0,5% und R₂ = 0,01%. Die 5B zeigt die Messwerte des Temperaturkoeffizienten k der Emissionswellenlänge in Abhängigkeit von der Reflektivität R₂ des zweiten Resonatorspiegels bei den Beispielen der 5A. Die Halbleiterlaser wurden bei den Messungen jeweils mit einer Ausgangsleistung von 200 mW betrieben. Bei diesen Beispielen tritt bei den Reflektivitäten R₂ des zweiten Resonatorspiegels von R₂ = 2% und R₂ = 1% eine Verschiebung der Emissionswellenlänge A zu größeren Wellenlängen hin mit zunehmender Temperatur auf. Für R₂ = 0,5% ist bei diesem Beispiel die Emissionswellenlänge im Wesentlichen unabhängig von der Umgebungstemperatur T. Bei R₂ = 0,01% tritt eine Verschiebung der Emissionswellenlänge A zu kleineren Wellenlängen hin mit zunehmender Temperatur auf. Es ist damit gezeigt, dass die Emissionswellenlänge in einem festgelegten Arbeitspunkt, zum Beispiel bei konstanter Ausgangleistung, über eine geeignete Wahl der Resonatorparameter, insbesondere die Reflektivität R₂ des zweiten Resonatorspiegels, über einen signifikanten Temperaturbereich stabilisiert werden kann.the 5A shows measured values of the emission wavelength λ as a function of the ambient temperature T in several examples of the semiconductor laser with different reflectivities of the second resonator mirror of R ₂ = 2%, R ₂ = 1%, R ₂ = 0.5% and R ₂ = 0.01% . the 5B shows the measured values of the temperature coefficient k of the emission wavelength as a function of the reflectivity R _{2 of} the second resonator mirror in the examples of FIG 5A . The semiconductor lasers were each operated with an output power of 200 mW for the measurements. In these examples, with the reflectivities R _{2 of} the second resonator mirror of R ₂ = 2% and R ₂ = 1%, a shift of the emission wavelength A to longer wavelengths occurs with increasing temperature. In this example, for R ₂ = 0.5%, the emission wavelength is essentially independent of the ambient temperature T. At R ₂ = 0.01%, the emission wavelength A shifts towards smaller wavelengths with increasing temperature. It is thus shown that the emission wavelength can be stabilized over a significant temperature range at a specified operating point, for example with constant output power, via a suitable choice of the resonator parameters, in particular the reflectivity R _{2 of the second resonator mirror.}

In 6 sind Simulationen der Emissionswellenlänge λ bei Beispielen des Halbleiterlasers in Abhängigkeit von der Betriebsstromstärke I bei verschiedenen Resonatorlängen L dargestellt. Die Reflektivität des zweiten Resonatorspiegels beträgt bei diesen Beispielen jeweils R₂ = 0,01% und die Umgebungstemperatur T = 80 °C. Das den Simulationen zugrunde liegende Modell berücksichtigt die kumulierten Effekte der Verschiebung der Emissionswellenlänge A zu größeren Wellenlängen hin durch die mit zunehmender Stromstärke auftretende Eigenerwärmung des Halbleiterlasers sowie eine Verschiebung der Emissionswellenlänge λ zu kleineren Wellenlängen hin durch den Bandfüll-Effekt. Die Simulationen bestätigen, dass die temperaturbedingte Verschiebung der Emissionswellenlänge A über Änderungen in der Resonatorlänge L modifiziert werden kann.In 6th Simulations of the emission wavelength λ in examples of the semiconductor laser as a function of the operating current I at different resonator lengths L are shown. In these examples, the reflectivity of the second resonator mirror is in each case R ₂ = 0.01% and the ambient temperature T = 80 ° C. The model on which the simulations are based takes into account the cumulative effects of the shift in the emission wavelength A towards larger wavelengths due to the self-heating of the semiconductor laser that occurs with increasing current strength, as well as a shift in the emission wavelength λ towards smaller wavelengths due to the band-fill effect. The simulations confirm that the temperature-related shift in the emission wavelength A can be modified by changes in the resonator length L.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.The invention is not restricted by the description based on the exemplary embodiments. Rather, the invention encompasses every new feature and every combination of features, which in particular includes every combination of features in the patent claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly specified in the patent claims or exemplary embodiments.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: SubstratSubstrate
22: n-Typ Mantelschichtn-type cladding layer
33: erste Wellenleiterschichtfirst waveguide layer
44th: aktive Schichtactive layer
55: zweite Wellenleiterschichtsecond waveguide layer
66th: p-Typ Mantelschichtp-type cladding layer
77th: p-Kontaktschichtp-contact layer
88th: p-Anschlussschichtp-connection layer
99: n-Anschlussschichtn-connection layer
1010: HalbleiterlaserSemiconductor laser
1111: erster Resonatorspiegelfirst resonator mirror
1212th: zweiter Resonatorspiegelsecond resonator mirror
1313th: LaserstrahlungLaser radiation
1414th: LaserresonatorLaser resonator
2020th: HalbleiterschichtenfolgeSemiconductor layer sequence
2121: n-Typ Halbleiterbereichn-type semiconductor area
2222nd: p-Typ Halbleiterbereichp-type semiconductor area

Claims

A semiconductor laser (10) comprising a semiconductor layer sequence (20) with an active layer (4) which is arranged in a laser resonator (14), wherein - The laser resonator (14) is delimited by a first resonator mirror (11) and a second resonator mirror (12), and - A temperature dependency of the emission wavelength A of a laser radiation (13) emitted by the semiconductor laser (10) is minimized by adjusting the optical losses of the laser resonator (14).

Semiconductor laser after Claim 1 , wherein the second resonator mirror (12) is a coupling-out mirror for coupling out the laser radiation (13) emitted by the semiconductor laser (20) and the reflectivity of the second resonator mirror (12) is set such that the temperature dependence of the emission wavelength is minimized.

Semiconductor laser according to one of the preceding claims, wherein the reflectivity of the second resonator mirror (12) is not more than 10%.

Semiconductor laser according to one of the preceding claims, wherein the reflectivity of the second resonator mirror (12) is not more than 2%.

Semiconductor laser according to one of the preceding claims, wherein the reflectivity of the second resonator mirror (12) is not more than 0.1%.

Semiconductor laser according to one of the preceding claims, wherein the second resonator mirror (12) has a reflection-reducing layer system.

Semiconductor laser according to one of the preceding claims, wherein a resonator length (L) of the laser resonator (14) is set in such a way that the temperature dependence of the emission wavelength is minimized.

Semiconductor laser after Claim 7 , the resonator length (L) of the laser resonator (14) being between 500 μm and 6000 μm inclusive.

Semiconductor laser according to one of the preceding claims, wherein the emission wavelength λ is Has temperature coefficient k = Δλ / ΔT, for which the following applies: -0.1 nm / K ≤ k ≤ 0.1 nm / K.

Semiconductor laser after Claim 9 , where the following applies for the temperature coefficient k = Δλ / ΔT: -0.05 nm / K ≤ k ≤ 0.05 nm / K.

Semiconductor laser according to one of the preceding claims, wherein the semiconductor layer sequence (20) has no surface structure for stabilizing the emission wavelength.

Semiconductor laser according to one of the preceding claims, wherein the semiconductor laser (10) has no heating or cooling device for stabilizing the emission wavelength.

A method for producing a semiconductor laser with a semiconductor layer sequence (20) which has an active layer (4) which is arranged in a laser resonator (14), the laser resonator (14) being provided with a first resonator mirror (11) and a second resonator mirror (12 ) is limited, and wherein the second resonator mirror (12) is a decoupling mirror for decoupling the laser radiation (13) emitted by the semiconductor laser (20), comprising the steps: simulation and / or experimental determination of a temperature coefficient k = Δλ / ΔT of the emission wavelength λ of the semiconductor laser (10) as a function of the reflectivity R _{2 of} the second resonator mirror (12) and / or the length L of the laser resonator (14), - Determination of values of the parameters R ₂ and / or L, for which the temperature coefficient k = Δλ / ΔT falls below a predetermined target value, - Manufacture of the semiconductor laser (10) with the values for R ₂ and L, for which the temperature coefficient k the given falls below the specified setpoint.

Procedure according to Claim 13 , the values of the parameters R ₂ and / or L being determined in such a way that the following applies to the temperature coefficient: -0.1 nm / K k 0.1 nm / K.

Procedure according to Claim 14 , the values of the parameters R ₂ and / or L being determined in such a way that the following applies to the temperature coefficient: -0.05 nm / K k 0.05 nm / K.