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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterscheibenlaser.
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Hintergrund
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Halbleiterscheibenlaser mit hohen Ausgangsleistungen sind in vielen Bereichen gefordert. Die Verstärkung des optischen Felds erfolgt in einer aktiven Schicht, die zum Beispiel eine Quantentopfstruktur enthält. Und die Leistung des Halbleiterscheibenlasers wird durch die Leistungsdichte der Lasermoden im Facettenbereich begrenzt.
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Dank des Vergrößerns des Bereichs der optischen Pumpe ohne Verringern der Leistungsdichte kann von dem Halbleiterscheibenlaser eine hohe optische Leistung realisiert werden. Die Anzahl von transversalen Moden, die im Bereich der Emissionsfläche des Halbleiterchips verstärkt werden können, nimmt jedoch auch zu, was zu einer Verschlechterung der Strahlqualität der ausgekoppelten Laserstrahlung führt.
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Für die meisten Anwendungen von Halbleiterscheibenlasern ist Betrieb in der transversalen Grundmode (Single-Mode Laser) wünschenswert, da das Intensitätsprofil der lateralen Grundmode eine Strahlformung erleichtert. Außerdem kann in diesem Fall die maximale Leistung des Halbleiterscheibenlasers erhöht werden, da die Grundmode in der Regel keine ausgeprägten Intensitätsspitzen aufweist.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Bei einem Aspekt gibt die Erfindung einen verbesserten Halbleiterscheibenlaser an, der sich durch eine hohe Strahlqualität, insbesondere bei Betrieb in der lateralen Grundmode, auszeichnet.
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Gemäß einer Ausführungsform enthält der Halbleiterscheibenlaser einen Halbleiterscheibenchip mit einer Deckschicht. Die Deckschicht weist mindestens einen strukturierten Bereich für Modenselektion auf. Der strukturierte Bereich ist so strukturiert, dass die laterale Grundmode der Laserstrahlung geringere Verluste als die Strahlung höherer Lasermoden erfährt. Aufgrund des strukturierten Bereichs erfährt die Laserstrahlung, die die Deckschicht durchquert, lokale Verluste, wobei der strukturierte Bereich so ausgebildet ist, dass höhere Lasermoden stärker gedämpft werden als die laterale Grundmode. Auf diese Weise kann insbesondere erreicht werden, dass beim Betrieb des Halbleiterlasers nur die laterale Grundmode anschwingt.
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Dadurch, dass höhere Moden der Laserstrahlung unterdrückt werden und vorzugsweise nur die laterale Grundmode anschwingt, wird eine hohe Strahlqualität des Halbleiterscheibenlasers erzielt. Des Weiteren werden auf diese Weise Intensitätsspitzen an der Seitenfacette des Halbleiterlasers, an der die Strahlung ausgekoppelt wird, vermindert, so dass mit dem Halbleiterlaser eine hohe Ausgangsleistung erzielt werden kann.
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Der mindestens eine strukturierte Bereich ist vorzugsweise ausschließlich in der Deckschicht ausgebildet. Insbesondere erstreckt sich der strukturierte Bereich nicht bis in die aktive Schicht des Halbleiterscheibenchips, wobei die aktive Schicht zum Beispiel als Einfach- oder Mehrfachquantentopfstruktur ausgebildet ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der strukturierte Bereich mindestens einen Graben, der vorzugsweise nur in der Deckschicht ausgebildet ist, das heißt, seine Tiefe ist nicht größer als die Dicke der Deckschicht.
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Die Breite des mindestens einen Grabens beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 1 µm und 4 µm. Der mindestens eine Graben kann zum Beispiel durch einen Ätzprozess in dem Halbleitermaterial der Deckschicht erzeugt werden.
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Bei der Durchquerung des Grabens erfährt die Laserstrahlung beim Eintritt in den Graben an einem ersten Graben als auch beim Austritt aus dem Graben an einem zweiten Graben jeweils Streuverluste. Die Laserstrahlung wird bei einem Durchgang durch den Graben vorteilhafterweise um weniger als zehn Prozent, bevorzugt um weniger als fünf Prozent, gedämpft. Beispielsweise kann bei der Durchquerung eines Grabens ein Verlust von etwa zwei Prozent auftreten. Die Höhe des Verlusts, die die Laserstrahlung bei der Durchquerung des Grabens erfährt, hängt insbesondere von der Form und der Tiefe des Grabens sowie bei mehreren Gräben von der Anzahl der Gräben ab.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich mindestens ein Graben von Außenbereichen der Emissionsfläche des Halbleiterchips in das Innere der Emissionsfläche des Halbleiterchips, mit dem gleichen Schwerpunkt, aber mit unterschiedlichen Erstreckungen. Die äußeren konzentrischen Muster weisen die größten Erstreckungen auf. Die inneren konzentrischen Muster sind größer als die Größe der Grundmode auf der Oberfläche des Halbleiterchips. In diesem Fall ist der Bereich der Grundmode auf der Oberfläche des Halbleiterchips frei von Gräben. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass höhere transversale Lasermoden, die sich in den Außenbereichen der Emissionsfläche des Halbleiterchips ausbreiten, höhere Verluste erfahren als die transversale Grundmode, die ein Intensitätsmaximum im Inneren der Emissionsfläche des Halbleiterchips aufweist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich eine Vielzahl von Gräben von einem Außenbereich der Emissionsfläche des Halbleiterchips unterschiedlich weit in das Innere der Emissionsfläche des Halbleiterchips hinein. Auf diese Weise wird erreicht, dass höhere Lasermoden, welche signifikante Intensitäten in den Außenbereichen der Emissionsfläche des Halbleiterchips aufweisen, aufgrund der größeren Anzahl der Gräben in dem Außenbereich höhere Verluste erfahren als die zentrale Grundmode, deren Intensitätsmaximum sich im Inneren der Emissionsfläche des Halbleiterchips befindet. Insbesondere kann ein Zentrum der Emissionsfläche des Halbleiterchips frei von Gräben sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der mindestens eine Graben eine variable Tiefe auf. Die Tiefe des Grabens nimmt dabei von einem Außenbereich zu dem Inneren der Emissionsfläche des Halbleiterchips ab. Beispielsweise können ein oder mehrere Gräben von dem Inneren der Emissionsfläche des Halbleiterchips zu den Außenbereichen der Emissionsfläche des Halbleiterchips geführt sein, wobei die Tiefe des Grabens von innen nach außen hin zunimmt. Da die Verluste, die die sich ausbreitende Laserstrahlung beim Durchqueren des mindestens einen Grabens erfährt, mit zunehmender Tiefe des Grabens zunehmen, kann die Stärke der Verluste durch die Einstellung der Tiefe des mindestens einen Grabens lokal variiert werden. Durch eine größere Tiefe des mindestens einen Grabens in den Außenbereichen der Emissionsfläche des Halbleiterchips im Vergleich zu dem Inneren der Emissionsfläche des Halbleiterchips erfahren höhere Lasermoden größere Verluste als die zentrale Grundmode.
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Die vorstehend beschriebenen Möglichkeiten zur lokalen Variation der Verluste durch die in den Deckschichtbereich eingebrachten Gräben, insbesondere die Anzahl, die Form und die Tiefe der Gräben, können auch miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann sowohl die Anzahl als auch die Tiefe der Gräben von den Außenbereichen der Emissionsfläche des Halbleiterchips zu dem Inneren der Emissionsfläche des Halbleiterchips hin abnehmen. Alternativ kann beispielsweise die Tiefe der Gräben vom Inneren der Emissionsfläche des Halbleiterchips zu den Außenbereichen hin zunehmen. So ist es möglich, die Verluste der höheren Lasermoden derart zu erhöhen, dass der Halbleiterscheibenlaser nur in der lateralen Grundmode anschwingt.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den 1 bis 4 näher erläutert.
- 1A und 1B zeigen einen Halbleiterscheibenchip gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einem Querschnitt und in einer Draufsicht;
- 2A und 2B zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterscheibenchips anhand von schematisch dargestellten Zwischenschritten;
- 3A bis 3C zeigen den strukturierten Bereich bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Halbleiterscheibenchips in einer Draufsicht und in Schnittdarstellungen;
- 4A bis 4B zeigen den strukturierten Bereich bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Halbleiterscheibenchips in einer Draufsicht und in Schnittdarstellungen.
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Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
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Ausführliche Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In den 1A und 1B ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterscheibenchips dargestellt. 1A zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-B der in 1B dargestellten Draufsicht.
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Der Halbleiterscheibenchip weist in von oben nach unten verlaufender Richtung von 1 eine Deckschicht 2, eine periodische Gain-Struktur (RPG, Resonant Periodic Gain) 3, einen DBR (Distributed Bragg reflector) 4 und ein Substrat 5 auf.
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Die periodische Gain-Struktur (RPG) 3 des Halbleiterscheibenchips ist zum Erzeugen von Laserstrahlung vorgesehen und kann insbesondere eine Einfach- oder Mehrfachquantentopfstruktur sein.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die obere Schicht 2 strukturierte Bereiche 7 auf. Die strukturierten Bereiche 7 sind ausschließlich in der oberen Schicht 2 ausgebildet.
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Die strukturierten Bereiche 7 umfassen mehrere Gräben 6, die sich vom Äußeren der Emissionsfläche des Halbleiterchips zum Inneren der Emissionsfläche des Halbleiterchips erstrecken.
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Die Gräben 6 weisen vorzugsweise eine unterschiedliche Tiefe auf. Der tiefste Graben der Gräben 6 erstreckt sich jedoch vorzugsweise in die Deckschicht 2, erstreckt sich aber nicht in die periodische Gain-Struktur (RPG) 3. Daher steht die Tiefe der Gräben 6 im Verhältnis zu der Dicke der Deckschicht 2.
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Die Breite der Gräben liegt vorzugsweise zwischen einschließlich 1 µm und 4 µm, zum Beispiel bei 2 µm.
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Die Gräben 6 sind konzentrische Muster. Die Gräben 6 erstrecken sich von Außenbereichen der Emissionsfläche des Halbleiterchips in das Innere der Emissionsfläche des Halbleiterchips, mit gleichem Schwerpunkt, aber mit unterschiedlichen Erstreckungen. Die äußeren konzentrischen Muster, die die größten Erstreckungen haben, betragen zum Beispiel 130 µm Die inneren konzentrischen Muster, die die kleinsten Erstreckungen haben, sollten größer sein als die Größe der Grundmode auf der Oberfläche des Halbleiterchips, zum Beispiel 120 µm. In diesem Fall ist der Bereich der Grundmode auf der Oberfläche des Halbleiterchips frei von Gräben 6. Die Gräben 6 können insbesondere periodisch angeordnet sein, das heißt, sie weisen gleiche Abstände voneinander auf.
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Durch die Anordnung der Gräben 6 wird erreicht, dass die laterale Grundmode bei der vertikalen Ausbreitung zu der Deckschicht 2 geringere Verluste erfährt als höhere Lasermoden. Dies beruht darauf, dass die sich ausbreitende Laserstrahlung eine größere Anzahl von Gräben 6 in den Außenbereichen als in den Innenbereichen der Emissionsfläche des Halbleiterchips durchqueren muss und folglich höhere Lasermoden vergleichsweise hohe Verluste erfahren. Der Einfluss der Gräben 6 auf die laterale Grundmode, die ein Intensitätsmaximum aufweist, ist dagegen nur gering.
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Die Verluste, die eine umlaufende Lasermode beim Durchqueren der strukturierten Bereiche 7 erfährt, können insbesondere durch die räumliche Anordnung und die Anzahl der Gräben 6 beeinflusst werden. Weiterhin beeinflussen insbesondere auch die Tiefe und die Form der Seitenflanken der Gräben 6 den Energieverlust der Lasermode bei der Durchquerung der Gräben. Der Energieverlust beim Durchqueren der Gräben wird im Wesentlichen über Streuung der Laserstrahlung bewirkt. Vorzugsweise sind die Gräben 6 nicht mit einem Material gefüllt, das für die Laserstrahlung absorbierend ist, insbesondere können die Gräben 6 frei von festem Material sein und beispielsweise Luft enthalten. Zwar können die sich ausbreitenden Moden auch durch absorbierende Strukturen beeinflusst werden, Strukturen mit einer nur unwesentlichen Absorption haben aber den Vorteil, dass nur ein geringer Wärmeeintrag in den Halbleiterkörper 1 erfolgt.
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Die Gräben 6 können in dem Halbleiterkörper 1, insbesondere mittels eines Ätzverfahrens, erzeugt werden. Zur gezielten Strukturierung können dabei bekannte Verfahren der Fotolithografie eingesetzt werden.
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2A und 2B zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Ausführungsbeispiels eines Halbleiterscheibenchips anhand von schematisch dargestellten Zwischenschritten. Wie in 2A dargestellt, wird zunächst die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterscheibenchips auf ein Substrat 5 aufgewachsen. Das Aufwachsen der Halbleiterschichten erfolgt vorzugsweise epitaktisch, beispielsweise mittels MOCVD. Auf das Substrat 5 sind nacheinander eine Deckschicht 2, eine periodische Gain-Struktur (RPG, Resonant Periodic Gain) 3 und ein DBR (Distributed Bragg Reflector) 4 abgeschieden.
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Die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterscheibenchips kann insbesondere auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial basieren. Je nach Wellenlänge des Halbleiterscheibenlasers können beispielsweise Arsenid-, Phosphid-, oder Nitridverbindungshalbleitermaterialien eingesetzt werden. Dabei muss das III-V-Verbindungshalbleitermaterial nicht zwangsweise eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach einer der obigen Formeln aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die physikalischen Eigenschaften des Materials im Wesentlichen nicht ändern. 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.
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Die Materialauswahl erfolgt dabei anhand der gewünschten Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers. Das Substrat 5 wird anhand der vorzugsweise epitaktisch aufzuwachsenden Halbleiterschichtenfolge ausgewählt und kann insbesondere ein GaAs-, GaN- oder ein Siliziumsubstrat sein.
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Die aktive Schicht 3 kann sich aus mehreren Einzelschichten, insbesondere einer Einfach- oder Mehrfachquantentopfstruktur, zusammensetzen. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst dabei jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss 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.
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Bei dem in 2B dargestellten Zwischenschritt ist ein strukturierter Bereich 7 in der Deckschicht 2 dadurch erzeugt worden, dass Gräben 6 in die Deckschicht 2 geätzt wurden. Die Gräben 6 können beispielsweise wie bei dem in den 1A und 1B dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein.
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Wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Gräben 6 konzentrische Muster, zum Beispiel konzentrische Ringe. Die Gräben 6 erstrecken sich von Außenbereichen der Emissionsfläche des Halbleiterchips in das Innere der Emissionsfläche des Halbleiterchips, mit gleichem Schwerpunkt, aber mit verschiedenen Durchmessern. Der Durchmesser der konzentrischen Ringe nimmt von den Außenbereichen des strukturierten Bereichs 7 zu dem strukturierten Bereich 7 ab.
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3B zeigt einen Schnitt durch die Oberfläche des Halbleiterchips entlang der Linie C-D im Außenbereich der Emissionsfläche des Halbleiterchips. Die Schnittansicht verdeutlicht zusammen mit 3A, dass die Laserstrahlung bei der Ausbreitung in der Emissionsrichtung im Außenbereich der Emissionsfläche des Halbleiterchips mehrere Gräben 6 passieren muss.
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Der Schnitt entlang der Line E-F, der in 3C dargestellt ist, verdeutlicht zusammen mit 3A, dass die Laserstrahlung bei der Ausbreitung im Innenbereich der Emissionsfläche des Halbleiterchips dagegen nur einen Graben 6 passieren muss. Wie in der Draufsicht in 3A zu erkennen, ist das Zentrum der Emissionsfläche des Halbleiterchips sogar frei von Gräben 6. Dadurch, dass die Anzahl von Gräben 6, welche die Laserstrahlung passieren muss, von außen nach innen der Emissionsfläche des Halbleiterchips abnimmt, erfahren höhere Lasermoden bei der Ausbreitung in der Emissionsrichtung größere Verluste als die laterale Grundmode der Laserstrahlung. Die Anzahl, die laterale Ausdehnung und die Tiefe der Gräben 6 kann beispielsweise durch Simulationsrechnungen derart optimiert werden, dass ein gewünschtes Modenprofil der Laserstrahlung erhalten wird.
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Die 4A bis 4B zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des strukturierten Bereichs 7 in der Deckschicht 2. Im Gegensatz zu den vorher dargestellten Ausführungsbeispielen ist bei diesem Ausführungsbeispiel nur ein einziger Graben 6 in der Deckschicht 2 erzeugt. Um eine lokale Variation der Verluste der Lasermoden in der Richtung senkrecht zur Emissionsrichtung zu erzielen, variiert die Tiefe des Grabens 6 vom Äußeren der Emissionsfläche des Halbleiterchips zum Inneren der Emissionsfläche des Halbleiterchips.
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Der Graben 6 weist im Außenbereich der Emissionsfläche des Halbleiterchips eine vergleichsweise große Tiefe auf.
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Dagegen weist der Graben 6 im Innenbereich der Emissionsfläche des Halbleiterchips nur eine vergleichsweise geringe Tiefe auf.
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Das Tiefenprofil des Grabens 6 entlang seiner Längsrichtung entlang der Linie G-H ist in 4B dargestellt. Dadurch, dass die Tiefe des Grabens vom Inneren der Emissionsfläche des Halbleiterchips zum Äußeren der Emissionsfläche des Halbleiterchips zunimmt, erfahren die Lasermoden bei der Ausbreitung in der Emissionsrichtung im Äußeren der Emissionsfläche des Halbleiterchips größere Verluste als im Inneren der Emissionsfläche des Halbleiterchips. Wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen wird auf diese Weise die Ausbreitung der lateralen Grundmode, die ein Intensitätsmaximum im Inneren der Emissionsfläche des Halbleiterchips aufweist, begünstigt. Insbesondere kann auf diese Weise ein Single-Mode-Betrieb des Halbleiterscheibenlasers erreicht werden.
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Die lokale Variation der Ätztiefe bei der Erzeugung des Grabens 6 kann beispielsweise durch Proportionaltransfer einer Fotolackschicht in einem Sputter- oder Ätzschritt mit geeigneter Selektivität erfolgen.
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Die zuvor beschriebenen Möglichkeiten zur lokalen Variation der Verluste der Lasermoden durch eine lokale Variation der Anzahl der Gräben, der Tiefe der Gräben oder der Form der Seitenflanke der Gräben können selbstverständlich miteinander kombiniert werden.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Halbleiterkörper
- 2
- Deckschicht
- 3
- Periodische Gain-Struktur (RPG)
- 4
- Distributed Bragg reflector (DBR)
- 5
- Substrat
- 6
- Graben
- 7
- Strukturierter Bereich
