DE10223540B4

DE10223540B4 - Optisch gepumpte Halbleiterlaservorrichtung

Info

Publication number: DE10223540B4
Application number: DE10223540A
Authority: DE
Inventors: Tony Albrecht; Norbert Dr. Linder; Wolfgang Dr. Schmid
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2002-05-27
Filing date: 2002-05-27
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2022-05-28
Also published as: US6973113B2; US20040042523A1; DE10223540A1

Abstract

Optisch gepumpte Halbleiterlaservorrichtung mit einem Substrat (1) mit einer ersten Hauptfläche (2) und einer zweiten Hauptfläche (3), wobei auf der ersten Hauptfläche (2) mindestens ein Pumplaser (11) angeordnet ist, wobei die Halbleiterlaservorrichtung einen von dem Pumplaser (11) optisch gepumpten vertikal emittierenden Laser (4) mit einem Resonator mit einem ersten Spiegel (9) und einem zweiten Spiegel (20) aufweist, wobei der erste Spiegel (9) auf der Seite der ersten Hauptfläche (2) aufgewachsen ist, in dem Substrat (1) von der zweiten Hauptfläche her eine Ausnehmung oder ein von der ersten zur zweiten Hauptfläche verlaufender Durchbruch (23) gebildet ist, und der zweite Spiegel (20) innerhalb der Ausnehmung oder des Durchbruchs (23) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optisch gepumpte Halbleiterlaservorrichtung gemäß des Patentanspruchs 1.

Eine optisch gepumpte strahlungsemittierende Halbleitervorrichtung ist beispielsweise aus WO 01/93386 A1 bekannt. Hierin ist eine optisch gepumpte Quantentopfstruktur beschrieben, die zusammen mit einer Pumpstrahlungsquelle, beispielsweise einem Pumplaser, auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet ist. Die Auskopplung der von der Quantentopfstruktur erzeugten Strahlung erfolgt dabei durch das Substrat hindurch.

Weiterhin ist auf der substratabgewandten Seite der Quantentopfstruktur ein Spiegel integriert, der in Verbindung mit einem externen Spiegel den Resonator eines Laser bilden kann, dessen aktives Medium die Quantentopfstruktur ist.

Der Platzbedarf für externe Spiegel ist gegenüber der optisch gepumpten Halbleitervorrichtung vergleichsweise hoch. Zudem hängen bei einem mit externen Spiegeln gebildeten Resonator die Resonatorverluste stark von der Justage der Spiegel in Bezug auf die optisch gepumpte Halbleitervorrichtung ab. Daher ist in der Regel eine aufwendige Justage der Spiegel erforderlich. Zudem kann sich im Betrieb, beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen, eine Mißjustage ergeben, die die Effizienz des Laser und/oder dessen Strahlqualität verschlechtert.

Die Druckschrift WO 01/13481 A1 beschreibt ein Verfahren zur Modulierung eines optisch gepumpten, durchstimmbaren oberflächenemittierenden Halbleiterlasers mit einer vertikalen Kavität, bei dem der Pumplaser beabstandet zum Vertikalemitter angeordnet ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optisch gepumpte Halbleiterlaservorrichtung zu schaffen, die einen kompakten Aufbau bzw. einen geringen Platzbedarf aufweist. Insbesondere soll die Halbleiterlaservorrichtung keinen externen Spiegel erfordern.

Diese Aufgabe wird von einer optisch gepumpten Halbleiterlaservorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß ist in einer ersten Ausführungsform eine optisch gepumpte Halbleiterlaservorrichtung mit einem Substrat mit einer ersten Hauptfläche und einer zweiten Hauptfläche sowie einem vertikal emittierenden Laser vorgesehen. Der vertikal emittierende Laser weist einen Resonator mit einem ersten und einem zweiten Spiegel auf, wobei der erste Spiegel auf der Seite der ersten Hauptfläche angeordnet ist. Das Substrat weist eine Ausnehmung auf der Seite der zweiten Hauptfläche oder einen von der zweiten zur ersten Hauptfläche verlaufenden Durchbruch auf. Der zweite Spiegel ist dabei innerhalb des Durchbruchs oder der Ausnehmung angeordnet. Dabei wird der Anteil des resonatorinternen Substratmaterials bei dem vertikal emittierenden Laser verringert und so ein im Substrat auftretender Absorptionsverlust mit Vorteil reduziert.

Auf der ersten Hauptfläche ist weiterhin mindestens ein Pumplaser zum Pumpen des vertikal emittierenden Lasers vorgesehen.

Durch die beidseitige Anordnung der Resonatorspiegel des vertikal emittierenden Lasers wird ein kompakter optisch gepump ter vertikal emittierender Halbleiterlaser geschaffen, der insbesondere keine externen Spiegel erfordert. Vorteilhafterweise entfällt damit auch deren aufwendige Justage. Die üblicherweise hohe Planarität und Parallelität der Substrathauptflächen ist hierbei von Vorteil.

Bevorzugt bildet der erste Spiegel, der beispielsweise als Bragg-Spiegel gebildet sein kann, den Resonatorendspiegel und der zweite Spiegel den Auskoppelspiegel. Die Ausbildung des ersten Spiegels als Bragg-Spiegel ermöglicht vorteilhafterweise einen hohen Reflexionsgrad bei gleichzeitig geringen Absorptionsverlusten im Spiegel. Weiterhin können zur Herstellung eines solchen Spiegels bekannte und etablierte Epitaxieverfahren angewandt werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Auskoppelspiegel gewölbt ausgeführt und/oder eine Linse im Resonator des vertikal emittierenden Lasers angeordnet. Dies erhöht vorteilhafterweise die Modenselektivität und die Stabilität des Laser gegenüber einem planar-planaren Fabry-Perot-Resonator.

Der vertikal emittierende Laser ist bei der Erfindung bevorzugt zumindest in Teilbereichen aus undotiertem Halbleitermaterial gebildet. Gegenüber dotiertem Halbleitermaterial, wie es üblicherweise bei elektrisch gepumpten Halbleiterlasern verwendet wird, wird so vorteilhafterweise die Absorption der Laserstrahlung im Halbleitermaterial bei dem vertikal emittierenden Laser verringert. Die geringe elektische Leitfähigkeit von undotiertem Halbleitermaterial ist hierbei nicht nachteilig, da der vertikal emittierende Laser nicht elektrisch, sondern optisch gepumpt wird. Eine Reduzierung der Absorption kann insbesondere durch die Verwendung eines undotierten Substrats erreicht werden.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die strahlungsemittierende aktive Schicht des vertikal emittie renden Lasers als Quantentopfstruktur, besonders bevorzugt als Mehrfachquantentopfstruktur (MQW-Struktur) ausgebildet. Gegenüber elektrisch gepumpten Lasern kann bei einem optisch gepumpten Laser die Quantentopfstruktur mit wesentlich mehr Quantentöpfen und/oder einem größeren lateralen Querschnitt ausgebildet und in der Folge eine hohe Verstärkung und optische Ausgangsleistung erreicht werden.

Bei elektrisch gepumpten Lasern ist eine Leistungssteigerung durch Hochskalierung der Laserstruktur mit Schwierigkeiten, beispielsweise hinsichtlich einer homogenen Verteilung des Pumpstroms bei gleichzeitig hoher Pumpdichte und kleiner Verlustleistung, verbunden. Insbesondere erfordert dies eine Dotierung des Halbleitermaterials, das die Laserstruktur bildet, wodurch die Absorption der Laserstrahlung erhöht wird.

Bei der Erfindung sind Pumplaser und vertikal emittierender Laser bevorzugt monolithisch integriert ausgeführt. Bei dem vertikal emittierenden Laser bezieht sich die monolithische Integration auf den Bereich, der auf derselben Seite des Substrats wie der Pumplaser angeordnet ist. Die aktiven Schichten von Pumplaser und vertikal emittierendem Laser werden dabei vorzugsweise in gleichem Abstand zu der ersten Hauptfläche des Substrats ausgebildet, so daß die von dem Pumplaser, beispielsweise nach Art eines Kantenemitters erzeugte Strahlung in lateraler Richtung progagierend in die aktive Schicht des vertikal emittierenden Lasers eingekoppelt wird.

Weitere Merkmale, Vorzüge und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der 1

Es zeigt

1 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung.

Die Halbleiterlaservorrichtung weist ein Substrat 1 mit einer ersten Hauptfläche 2 und einer zweiten Hauptfläche 3 auf. Auf der ersten Hauptfläche sind zwei Pumplaser 11 sowie ein Teil eines vertikal emittierenden Lasers 4 angeordnet. Vorzugsweise sind die Pumplaser 11 und der auf der Seite der ersten Hauptfläche 2 liegende Teil des vertikal emittierenden Lasers monolithisch integriert ausgebildet.

Auf der ersten Hauptfläche 2 des Substrats ist ganzflächig eine Pufferschicht 5 aufgebracht. Der vertikal emittierende Laser 4 umfaßt auf die Pufferschicht 5 folgend eine erste Wellenleiterschicht 6, eine strahlungsemittierende Quantentopfstruktur 7, die vorzugsweise als Mehrfachquantentopfstruktur ausgeführt ist, eine zweite Wellenleiterschicht 8 und einen ersten Spiegel 9, bevorzugt in Form eines Bragg-Spiegels mit einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Spiegelschichten.

Auf der Seite der gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche 3 ist ein zweiter Spiegel 20 des vertikal emittierenden Lasers 4 angeordnet, der zusammen mit dem ersten Spiegel 9 den Laserresonator des vertikal emittierenden Lasers bildet. Der zweite Spiegel ist für die von dem vertikal emittierenden Laser generierte Strahlung 10 teildurchlässig und dient als Auskoppelspiegel.

Lateral benachbart zu dem vertikal emittierenden Laser 4 ist beidseits jeweils ein Pumplaser 11 angeordnet. Die Pumplaser umfassen auf die Pufferschicht 5 folgend jeweils eine erste Mantelschicht 12, eine erste Wellenleiterschicht 13, eine aktive Schicht 14, eine zweite Wellenleiterschicht 15 und eine zweite Mantelschicht 16. Oberseitig ist eine an die zweite Mantelschicht grenzende durchgehende p-Kontaktschicht 17 aufgebracht. Gegenüberliegend ist auf der zweiten Hauptfläche 3 des Substrats im Bereich der Pumplaser 11 eine n-Kontakt schicht 18 ausgebildet. Diese Kontaktschichten 17, 18 dienen der elektrischen Versorgung der Pumplaser 11.

Als Halbleitermaterial können bei der Erfindung beispielsweise Verbindungen aus dem GaAs/AlGaAs-Materialsystem verwendet werden. Neben GaAs und AlGaAs eigen sich weitergehend Halbleitermaterialien wie zum Beispiel InAlGaAs, InGaAlP, InGaN, oder InAlGaN.

Im Betrieb wird in der aktiven Schicht 14 der Pumplaser 11 Laserstrahlung 19, im Folgenden als Pumpstrahlung bezeichnet, generiert, die die Quantentopfstruktur 7 des vertikal emittierenden Lasers 4 optisch pumpt. Die Wellenleiterschichten 13, 15 der Pumplaser dienen dabei zur lateralen Führung und räumlichen Begrenzung (confinement) des Pumpstrahlungsfeldes, so daß die Pumpstrahlung 19 lateral in die Quantentopfstruktur eingekoppelt wird.

Die Wellenleiterschichten 6, 8 des vertikal emittierenden Lasers 4 dienen ebenfalls der Führung und räumlichen Begrenzung des Pumpstrahlungsfeldes, um eine möglichst weitgehende Konzentration der Pumpstrahlung 9 im Bereich der zu pumpenden Quantentopfstruktur zu erreichen.

Die Wellenlänge der Pumpstrahlung 19 ist kleiner als die Wellenlänge der von dem vertikal emittierenden Laser erzeugten Strahlung 10 und so gewählt, daß die Pumpstrahlung möglichst vollständig in der Quantentopfstruktur absorbiert wird.

Durch den optischen Pumpprozeß wird in dem von dem ersten Spiegel 9 und dem zweiten Spiegel 20 gebildeten Resonator ein Laserstrahlungsfeld 10 induziert, das in der Quantentopfstruktur 7 durch stimulierte Emission verstärkt und durch den zweiten Spiegel 20 ausgekoppelt wird.

Die gezeigte Halbleiterlaservorrichtung wird vorzugsweise epitaktisch hergestellt. Dabei wird in einem ersten Epitaxie schritt auf dem Substrat 1 zunächst die Pufferschicht 5 und nachfolgend sowohl im Bereich des vertikal emittierenden Lasers 4 als auch im Bereich der Pumplaser 11 die Struktur für den vertikal emittierenden Laser, also die Wellenleiterschicht 6, die Quantentopfstruktur 7, die Wellenleiterschicht 8 und der Spiegel 9, aufgewachsen. Danach wird diese Struktur im Bereich der Pumplaser 11 bis in die Pufferschicht 5 abgetragen, beispielsweise abgeätzt.

Auf dem so freigelegten Bereich der Pufferschicht 5 werden dann in einem zweiten Epitaxieschritt nacheinander die beschriebenen Schichten 12, 13, 14, 15, 16 für die Pumplaser abgeschieden. Abschließend wird oberseitig die sich über die Pumplaser 11 und den vertikal emittierenden Laser 4 erstreckende p-Kontaktschicht 17 aufgebracht.

Das Substrat 1 weist im Bereich des vertikal emittierenden Lasers einen von der ersten Hauptfläche 2 zur zweiten Hauptfläche 3 verlaufenden Durchbruch 23 auf, in dem der Auskoppelspiegel 21 derart angeordnet ist, daß er an die Pufferschicht 5 grenzt. Auf dem Auskoppelspiegel kann optional eine Schutzschicht 22 aufgebracht sein. Eine derartige Schutzschicht 22, beispielsweise in Form einer Vergütungs- oder Passivierungsschicht, ist insbesondere zweckmäßig, wenn der Auskoppelspiegel als Bragg-Spiegel ausgebildet ist. Bei einem dielektrischen Spiegel als Auskoppelspiegel ist eine Schutzschicht nicht erforderlich und kann entfallen.

Alternativ kann in dem Substrat 1 von der zweiten Hauptfläche her eine Ausnehmung (nicht dargestellt) gebildet sein, in der der Auskoppelspiegel 20 angeordnet ist. Eine solche Ausnehmung bzw. ein solcher Durchbruch kann beispielsweise mittels eines Ätzverfahrens gebildet werden.

Bei beiden Varianten ist der resonatorinterne optische Weg im Substrat 1 verringert und bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sogar vollständig eliminiert. Durch die Re duzierung des von der Laserstrahlung 10 durchlaufenen Substratanteils sinken vorteilhafterweise resonatorinterne Absorptionverluste im Substrat 1.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Substrat undotiert, wobei zweckmäßigerweise beide Kontakte zur elektrischen Versorgung der Pumplaser auf der Seite der ersten Hauptfläche angeordnet sind. Bei undotierten Substraten ist die vergleichsweise geringe Absorption der von dem vertikal emittierenden Laser erzeugten Strahlung von Vorteil.

Bei der Erfindung können auch einzelne Elemente der Ausführungsbeispiele, zum Beispiel ein Substrat mit einer Ausnehmung oder einem Durchbruch und einer darin angeordneten Linse, kombiniert werden.

Claims

Optisch gepumpte Halbleiterlaservorrichtung mit einem Substrat (1) mit einer ersten Hauptfläche (2) und einer zweiten Hauptfläche (3), wobei auf der ersten Hauptfläche (2) mindestens ein Pumplaser (11) angeordnet ist, wobei die Halbleiterlaservorrichtung einen von dem Pumplaser (11) optisch gepumpten vertikal emittierenden Laser (4) mit einem Resonator mit einem ersten Spiegel (9) und einem zweiten Spiegel (20) aufweist, wobei der erste Spiegel (9) auf der Seite der ersten Hauptfläche (2) aufgewachsen ist, in dem Substrat (1) von der zweiten Hauptfläche her eine Ausnehmung oder ein von der ersten zur zweiten Hauptfläche verlaufender Durchbruch (23) gebildet ist, und der zweite Spiegel (20) innerhalb der Ausnehmung oder des Durchbruchs (23) angeordnet ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von dem vertikal emittierenden Laser (4) erzeugte Strahlung (10) durch den zweiten Spiegel (20) ausgekoppelt wird.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Hauptfläche (3) zur ersten Hauptfläche (2) parallel ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikal emittierende Laser (4) und der Pumplaser (11) monolithisch integriert ausgebildet sind.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zweiten Spiegel (20) und dem ersten Spiegel (9) eine Linse angeordnet ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spiegel (20) gewölbt ausgebildet ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel (9) als Bragg-Spiegel ausgebildet ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spiegel (20) als Bragg-Spiegel oder als dielektrischer Spiegel ausgebildet ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterlaservorrichtung zumindest teilweise im Bereich des vertikal emittierenden Lasers (4) aus einem undotierten Halbleitermaterial gebildet ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) undotiert ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikal emittierende Laser (4) eine strahlungsemittierende aktive Schicht aufweist, die als Quantentopfstruktur (7) ausgebildet ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Pumplaser (11) erzeugte Strahlung (9) zum Pumpen des vertikal emittierenden Lasers (4) in lateraler Richtung in den vertikal emittierenden Laser (4) bzw. die Quantentopfstruktur (7) eingekoppelt wird.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Substrats (1) größer als 100μm, bevorzugt größer als 200μm, besonders bevorzugt größer als 500μm ist.