DE1789061A1

DE1789061A1 - Laserdiode

Info

Publication number: DE1789061A1
Application number: DE19681789061
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr Henker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1968-09-30
Filing date: 1968-09-30
Publication date: 1971-12-23
Also published as: NL6911718A; GB1273013A; US3593191A; CH499895A; FR2019189A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine laserdiode »um Erzeugen von fokuseierten oder definiert divergentem licht, mit einem ebenen pn-übergang in einem Halbleiterkristall und zwei parallelen, senkrecht zum! pn-übergang verlaufendem, als Resonator für die optische Strahlung ausgebildeten Endflächen.

laserdioden, das heifit nach dem laserprinzip arbeitende lumineszemzdioden mit zwei entgegengesetzt dotierten Zonen

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in einem A B -Halbleiterkristall, insbesondere aus UaAs, sind bereits bekannt.

Die laserdiode ist im Prinzip eine Halbleiterdiode, die durch mindestens zwei exakt planparallele Endflächen semkreoht zum pn-übergang als Resonator nach dem Primiip des fabry-Perot-

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Interferometers ausgebildet ist und in Flußriehtung betrieben

wird. Die strahlungsfähigen Zustände v/erden elektrisch ange-

regt und nicht auf optischem Wege wie bei anderen Festkörper-

iaserarten. Die elektrische Anregung der strahlungsfälligen Zu- ■" stände geschieht in einer Laserdiode durch Injektion von Elektronen und löchern in die Sperrschicht (pn-ttbergang) der Diode und in einem sehr engen, zu beiden Seiten der pn-Übergangsfläche anschließenden Bereich» Die Wellenlänge der emittierten Strahlung wird bei einem Halbleiterlaser im wesentlichen durch die Breite der· verbotenen Zone des verwendeten Halbleitermaterials bestimmt.

Zum Fokussieren! oder Erzeugen eines definiert divergenten Lichtbündele des in der Laserdiode, hervorgerufenen kohärenten Lichtes wurden bisher hierzu geeignete optische Hilfsmittel, beispielsweise Linsen- und S})iegelanordnungen₃verwendet. Die Verwendung derartiger optischer Hilfsmittel, ist relativ aufwendig» erfordert eine genaue Justierung der einzelnen Teile und außer- j dem wird durch
verringert.

Absorption die Intensität des erzeugten Lichtes

Der vorliegendein Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Laserdiodej so auszubilden* daß sie j selbst die Erzeugung eines definiert} divergenten Lichtbündel^ oder eines sehr intensiven, sehr klejinen Lichtpunktes bzv/. schmalen Lichtstreifens in der Größenordnung von wenigen Aim Durchmesser bzv/. Breite gestattet.

Bei einer Laserdiode der eingangs genannten Art ist gemäß der Erfindung zur lip sung der vorstehenden Aufgabe vorgesehen, daß die Endflächen als Teile zweier konfokaler Kugel- oder Zylinderoberflachen ausgebildet sind, zwischen denen die pn-Jbergangsflache in !radialer Richtung verläuft, und daß die eine Endfläche für die optische Strahlung undurchlässig und die andere Endfläche für die optische Strahlung teildurchläasig verspiegelt ist.

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Sind die beiden als Reflektor dienenden Endflächen der Diode als Teile zweier konfokaler Zylinderoberflächen ausgebildet, dann verlauftdie Fläche des pn-Übergangs vorzugsweise senkrecht zur Zylinderachse.

Die zum größeren Radius gehörende Endfläche der Diode ist vorzugsweise für die optische Stralilung undurchlässig und die zum kleineren Radius gehörende Endfläche für die optische Strahlung teildurchlässig verspiegelt. Diese fokussierende Laserdiode gemäß der Erfindung bildet eine intensive kleine Lichtquelle, die vorteilhaft zum Zeichnen von Fotomasken auf lichtempfindlichem Material geeignet ist. Hiermit ist es möglich, Masken für Halbleiterschaltkreise in einem relativ kleinen Maßstab zu zeichnen. Auch das Aufzeichnen von Tonspuren, Fernsehbildern usw. auf lichtempfindliche Informationsspeicher kann damit durchgeführt werden. Das Zeichnen geschieht hierbei bei geeigneter kühlung durch Dauerlicht oder z.B. durch Lich-fcimpulse, die dicht nebeneinandergelegt werden.

Eine andere zweckmäßige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserdiode sieht vor, daß die Endfläche mit dem kleineren Krümmungsradius für die optische Strahlung undurchlässig versiegelt und die Endfläche mit dem größeren Krümmungsradius für die optische Strahlung teildurchlässig verspiegelt ist. Damit wird erreicht, daß ein divergentes Strahlenbündel aus der Laserdiode durch die Endfläche mit dem größeren Krümmungsradius .austritt und der Laserstrahl einen großen Querschnitt aufweist. Gegebenenfalls kann dieser Laserstrahl großen Querschnitts dann leicht durch optische Hilfsmittel, insbesondere Linsen, parallel oder konvergent gerichtet werden, ohne daß dabei die Linsen selbst oder zumindest deren Verkittung durch den Laserstrahl zerstört Kverden, was hingegen bei intensiven Laserstrahlenbündeln kleinen Querschnitts durchaus der Fall sein kann.

Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, zur besseren Kühlung

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der Diode die beiden parallel zur pn-Übergangsfläche verlaufenden Kontaktaußenflächen des Halbleiterkristalls mit gut wärmeleitenden Kontaktklötzen zu versehen. Ss kann außerdem zweck-■ mäßig sein, diese Kontaktklötze mit einer Kühlvorrichtung zu versehen.

Zum Zwecke optimaler Kühlung ist es besonders vorteilhaft, die Ausdehnung des Halbleiterkristalls der Laserdiode senkrecht zum pn-übergang nicht wesentlich größer zu machen (beispielsweise um den Faktor 1 bis 5) als das leuchtende Gebiet ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Erläuterungen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren 1 bis 4.

In Figur 1 ist eine Laserdiode gemäß der Erfindung zum Erzeugen νοη,-fokussiertem Licht schematisch dargestellt. Der Halbleiterkristall 1 besteht aus einer p-Zone und einer n-Zone, in deren Berührungsfläche der ebene pn-übergang 2 verläuft. Die als Resonator für die optische Strahlung dienenden Endflächen 5,4 sind senkrecht zum pn>übergang 2 angeordnet und sind in .diesem Ausführungsbeispiel als Teile zweier konfokaler Kugeloberflächen ausgebildet, zwischen denen der pn-übergang 2 in radialer Sichtung verläuft, wie das aus Figur 1 ersichtlich ist. Die zum größeren Radius gehörende Endfläche 3 ist dabei undurchlässig, und die zum kleineren Radius gehörende Endfläche 4 teildurchlässig verspiegelt, so daß die im pn-übergang erzeugte, zwischen den Eiäflächen .3,4 vielfach reflektierte kohärente optische Strahlung durch die teildurchlässig verspiegelte Endfläche 4 nach außen gelcngt. Die nach außen gelangte Strahlung wird im Brennpunkt F vereinigt. Der Abstand des Brennpunktes F von der Endfläche 4 der Diode wird durch die Krümmung der beiden konfokalen Kugelteiloberflächen bestimmt.

Die beiden parallel zum pn-Übergang 2 verlaufenden Außenflächen 5,6 des Halbleiterkristalls 1 sind Konirt-ktaußenf lachen, die mit

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Kontakten (nicht dargestellt) für die in Flußrichtung anzulegende Spannung^ zu versehen sind.

In Figur 2 ist eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserdiode dargestellt, die auch zum Fokussieren des kohärenten Lichtes dient.

Die als Reflektor für die am pn-übergang 2 im Halbleiterkristall 1 erzeugte kohärente optische Strahlung dienenden Endflächen 3 _}4 sind als Teile zweier konfokaler Zylinderoberflachen ausgebildet. Die Fläche des pn-Überganges 2 verläuft senk- φ recht zur Zylinderachse und parallel zu den beiden Kontaktaußenflächen 5,6. Das aus der teildurchlässig verspiegelten TeilzylinderOberfläche 4 austretende Licht ist im Brennpunkt F zu einem schmalen Streifen fokussiert.

In Figur 3 ist eine erfindungsgemäße Laserdiode dargestellt, die zur Kühlung mit zwei gut wärmeleitenden Kontaktklötzen 7> 8 versehen ist. Die beiden Kontaktklötze 7,8 schließen sich an die beiden Kontaktaußenflachen 5,6 an, die parallel zum pnübergang 2 verlaufen, der senkrecht zu den beiden konfokalen Endflächen 3,4 im Inneren des Halbleiterkristalls 1 verläuft. Die beiden Kontaktklötze 7,8 können zur besseren Kühlung zweck- _ mäßig mit einer geeigneten, nicht dargestellten Kühlvorrichtung ™ versehen sein.

Die in Figur 4 dargestellte Anordnung mit einer fokussierenden Laserdiode gemäß der Erfindung dient zur Messung der Oberflächenrauhigkeit. Hierzu ist der Halbleiterkristall 1 an den beiden parallel zur pn-übergangsflache verlaufenden Kontaktaußenflächen 5,6 mit zwei ausgedehnten, senkrecht zu den Kontaktaußenflächen 5,6 verlaufenden lichtempfindlichen Bauelementen9>10, beispielsweise Fotoelementen, versehen.

Mit dem Brennpunkt der Laserdiode wird die Oberfläche 0 ent-

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weder kontinuierlich oder im Impulsbetrieb abgetastet. Bei ebener Oberfläche O und im Mittel senkrechten Einfalle des im Kristall 1 erzeugten kohärenten Lichtes, wird das Licht in die Diode zurückgespiegelt und das gestreute Licht frillt gleichmäßig auf die beiden lichtempfindlichen Elemente 9>10. V/eicht die Oberfläche O im Bereich des Lichtflecks von der Ebene, ab, so verteilt sich das Licht ungleichmäßig auf die Lichtempfänger 9»10. Aus dem Verhältnis der beiden Fotoströme kann man auf die Neigung der Fläche schließen. Das Verhältnis der Fotoströme gibt in einem bestimmten Winkelbereich den ersten Diffciontialquotient der Oberflächenform. Durch eine elektronische Integration kann man auch ein Maß für die Erhebungen und Vertiefungen der Oberfläche erhalten.

8 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims

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1, Laserdiöde zum Erzeugen von fokussiertem oder definiert divergentem Licht, mit einem ebenen pn-übergang in einem Halbleiterkristall und zwei parallelen, senkrecht zum pn-übergang verlaufenden, als Resonator für die optische Strahlung ausgebildeten Endflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Endflächen als Teile zweier konfokaler Kugel~ oder Zylinderoberflächen ausgebildet sind, zwischen denen die pn-Ubergangsflä- ** ehe in radialer Richtung verläuft, und daß die eine Endfläche für die optische Strahlung undurchlässig und die andere Endfläche für die optische Strahlung teildurchlässig verspiegelt ist. ■

2, Laserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endflächen als Teile zweier konfokaler Zylinderoberflächen ausgebildet sind und die Fläche des pn-Überganges senkrecht zur Zylinderachse verläuft.

3* Laserdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zum größeren Radius gehörende Endfläche undurchlässig und die zum kleineren Radius gehörende Endfläche teildurchläs- l(| sig verspiegelt ist«

4. Laserdiode nach Anspruch 1 oder 2 _f dadurch gekennzeichnet, daß die zum kleineren Radius gehörende Endfläche undurchlässig und die zum größeren Radius gehörende Endfläche teildurchlässig verspiegelt ist.

5. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die beiden parallel zur pn-Übergangsfläche verlaufenden Kontaktäußenflachen des Halbleiterkristalls mit gut wärmeleitenden Kontaktklötzen versehen sind.

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6. Laserdiode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktklötze mit einer Kühlvorrichtung versehen sind.

7. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung·des Halbleiterkristalls senkrecht' zum pn-übergang nicht v/esentlich größer als das leuchtende Gebiet ist.

8. Laserdiode nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode an den beiden parallel zur pn-Übergangsfläche verlaufenden Kontaktaußenflächen mit zwei ausgedehnten, senkrecht zu den Kontaktaußenflächen verlaufenden, lichtempfindlichen Bauelementen versehen ist und zum Messen der Oberflächenrauhigkeit verwendet wird.

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