DE1817955A1

DE1817955A1 - Laseranordnung aus zwei halbleiterlasern

Info

Publication number: DE1817955A1
Application number: DE19681817955
Authority: DE
Inventors: Herbert Nelson
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1968-03-27
Filing date: 1968-12-20
Publication date: 1975-06-26
Also published as: FR1604078A; GB1187519A; DE1816204A1; US3551842A

Description

6694-68A/H/hö

EOA Corporation, Hew York. tf.Y. (V.St.A.)

Laseranordnung aus zwei Halbleiterlasern.

Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung aus zwei Halbleiterlasern mit jeweils einer pn-Übergangsebene, die senkrecht zu zwei parallelen, wenigstens teilweise reflektierenden Stirnflächen und parallel zu einer G-rundfläche und einer dieser gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers liegt, und mit jeweils zwei flächenförmigen Elektroden, von denen die eine Elektrode die gesamte Grundfläche bedeckt, während die zweite Elektrode die Oberfläche über eine parallel zu den Stirnflächen gemessene Breite kontaktiert, die kleiner ist als die Breite der ersten Elektrode und als diejenige der pn-Übergangsebene, jedoch größer als der Abstand der zweiten Elektrode von der pn-Übergangsebene.

Halbleiterlaser des Injektionstyps arbeiten im allgemeinen mit Injektion von Minoritätsträgem durch einen pn-übergang, wo sie mit Majoritätsträgern unter Erzeugung von sichtbarem, infrarotem oder ultraviolettem Licht strahlend rekombinieren. Der Halbleiterkörper eines solchen Lasers ist mit zwei beabstandeten reflektierenden Oberflächen versehen, die zwischen sich einen optischen Resonator bilden. Wenn durch den pn-übergang ein in Fluß- · richtung gepolter Strom fließt, der einen bestimmten Schwellwert übersteigt, bei dem die resultierende Verstärkung

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infolge von stimulierter Emission die resultierende Dämpfung innerhalb der Einrichtung überschreitet, tritt eine optische Rückkopplung oder eine laserwirkung auf und es wird dann kohärentes licht durch die (teilweise) reflektierende(n) Oberfläche(n) emittiert. TJm einen praktisch brauchbaren Halbleiterlaser mit vernünftiger Ausgangsleistung zu erhalten, muß der Schwellwertstrom so niedrig wie möglich gehalten werden. Andernfalls kann der Schwellwertstrom so groß sein, daß die entstehende Joule'sehe Wärme die Einrichtung zerstört, bevor eine Laserwirkung eintreten kann. Beim derzeitigen Stand der Technik ist ein Dauerbetrieb von Injektionslasern bei Raumtemperatur nicht möglich und beim Impulsbetrieb ist man auf kleine Tastverhältnisse beschränkt.

Eine Möglichkeit, bei Injektionslasern zu günstigeren Schwellwerten zu kommen, besteht darin, dem Halbleiterkörper die Porm eines rechteckigen Prismas zu geben, das in der Richtung zwischen den reflektierenden Flächen verhältnismäßig lang und in der Richtung zwischen den Seiten der Einrichtung verhältnismäßig schmal ist; die Elektroden der Einrichtung werden dabei auf der oberen und unteren Seite des Halbleiterkörpers angeordnet. Der Grund für die Verwendung einer solchen langgestreckten Anordnung besteht darin, daß die Verstärkung für optische Schwingungszustände zwischen den reflektierenden Oberflächen, d.h. für die gewünschten Schwingungszustände, erhöht wird, da der Verstärkungsgrad proportional zur Kristall-Länge ist, während der Verstärkungsgrad für unerwünschte Schwingungszustände in anderen Richtungen entsprechend klein gehalten wird. Bauelemente dieser Art sind z.B. in den USA-Patentschriften 3 248 67o, 3 341 937 und 3 349 475 beschrieben. Im Grenzfall nähert sich ein Laser dieses Typs einer Linie oder einem Streifen, wie es z.B. aus der USA-Patentsohrift 3 363

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bekannt ist. Sehr langgestreckte, "fadenförmige¹¹ Laser haben jedoch den Uachteil, daß die Breite des Überganges an der Stelle, wo das kohärente licht aus der (teilweise reflektierenden) Halbleiteroberfläche austritt, verhältnismäßig klein ist, so daß sich nur relativ begrenzte Ausgangsleistungen erzielen lassen.

Aus der Zeitschrift "Applied Physics Letters", Band 1o, Nummer. 3, Seiten .84 bis 86, ist ein Halbleiterlaser mit einer pn-Übergangsebene bekannt, die senkrecht zu zwei parallelen, wenigstens teilweise reflektierenden Stirnflächen und parallel zu einer Grundfläche und einer dieser gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers liegt. Der Halbleiterlaser hat zwei fläehenförmige Elektroden, von denen die eine Elektrode die gesamte Grundfläche bedeckt, während die zweite Elektrode die Oberfläche über eine parallel zu den Stirnflächen gemessene Breite kontaktiert, die kleiner ist als die Breite der ersten Elektrode und als diejenige der pn-Übergangsebene, jedoch größer als der Abstand der zweiten Elektrode von der pn-Übergangsebene. Ferner ist aus der DT-AS 1 18o 458 ein Halbleiterlaser bekannt, bei dem die Breite der zweiten Elektrode kleiner ist als diejenige der pn-Übergangsebene, aber größer als deren zwischen den Stirnflächen gemessene länge. Damit ist die Breite des der zweiten Elektrode benachbarten Hauptteils der pn-Übergangsebene größer als ihre zwischen den Stirnflächen gemessene Länge. Die bekannten Halbleiterlaser erfordern für eine bestimmte Ausgangsleistung einen relativ hohen Spitzenstrom.

Aus der GB-PS 1 o57 92o ist auch bereits eine Laseranordnung mit in Reihe geschalteten Halbleiterlasern bekannt, bei der die Halbleiterlaser mit Kühlkörpern in Kontakt stehen, doch werden in diesem Pall Halbleiter-

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laser mit kleiner Ausgangsleistung verwendet, die auch durch die Eeihenanrodnung nicht nennenswert vergrößert wird.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Laseranordnung anzugeben, die hohe Ausgangsleistungen bei relativ kleinen Spitzenströmen ermöglicht.

Bin bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Pig. 1 einen der beiden Halbleiterlaser, die für die Laseranordnung gemäß der Erfindung verwendet werden können, und

Pig. 2 die Iaseranordnung mit den beiden in Reihe geschalteten Halbleiterlasern.

Der in Pig. 1 dargestellte Halbleiterlaser 3o hat einen Körper aus Halbleitermaterial mit einer oberen und einer unteren Pläche, die einander entgegengesetzt sind, sowie mit streuenden Seitenflächen und reflektierenden Stirnflächen. Letztere bilden einen optischen Eesonanzhohlraum. Der Halbleiterlaser 3o hat ferner eine obere Elektrode 31, die an einen Haupteil 32 der pn-Übergangsebene 33 angrenzt und die gleiche Erstreckung wie diese hat. Die pn-Übergangsebene 33 liegt zwischen einem η-leitenden Substrat 34 und einer pleitenden Epitaxialschicht 35. Auf der Unterseite des Halbleiterlasers 3o ist eine Elektrode 36 angeordnet.

Die Dicke der Epitaxialschicht 35 hat die Größenordnung von 12,5 /u. Die pn-Übergangsebene weist einen seitlichen Teil 37 auf, der von der Elektrode 31 entfernt und mit einer dünnen isolierenden Schutzschicht 38 aus Siliciumoxid, deren Dicke in der Größenordnung von 1ooo £ liegt, überzogen ist. Der seitliche Teil 37 der Übergangsebene verstärkt nicht, da der gesamte Strom, der in Plußrichtung durch die pn-Übergangsebene 33 fließt, im wesentlichen auf den Hauptteil 32 beschränkt ist. In dem Teil

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der p-leitenden Epitaxialschicht 35, der die gleiche Erstreckung wie der seitliche Teil 37 der Übergangsebene hat, werden unerwünschte optische Schwingungszustände, die im Hauptteil 32 entstehen, durch Absorption an freien Trägern gedämpft.

Da das in der Nähe des in Plußrichtung vorgespannten pn-Überganges eines Injektionslasers erzeugte licht an der pleitenden Seite des Überganges austritt, wird eine verstärkte Absorption von unerwünschten optischen Schwingungszuständen erreicht, indem man einen Teil der p-Schicht selbst als lichtabsorbierendes Medium verwendet.

In Typischen Fällen beträgt die Breite W des Hauptteils 32 der pn-Übergangsebene 33 größenordnungsmäßig 1,25 mm, während die Breite des seitlichen Teiles 37 größenordnungsmäßig etwa o,75 mm betragen kann, so daß die Gesamtbreite des Halbleiterlasers etwa 2,o mm ist. Die länge 1 zwischen den reflektierenden Stirnflächen kann in der Größenordnung von o,3 mm liegen. Die Höhe H kann o,o75 bis o,1 mm betragen.

Im Betrieb wird an die Elektrode 31 ein relativ positives Potential und an die Elektrode 36 ein relativ negatives Potential angelegt, damit die pn-Übergangsebene in Plußrichtung vorgespannt wird. Da die Elektrode 31 so angeordnet ist, daß sie sich nur über den Hauptteil des pn-Überganges erstreckt, ist der durch den pn-übergang fließende Strom in der Hauptsache auf diesen Hauptteil beschränkt. Da die Breite W des Teiles der p-Zone, der die gleiche Erstreckung wie der Hauptteil hat, wesentlich größer ist als die Dicke dieses Teiles, kann sich der Strom nur unwesentlich über die seitlichen Grenzen der Elektrode 31 ausbreiten.

Wenn die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden auf einen Wert erhöht wird, der einen den Schwellwert überschreitenden Strom durch den pn-übergang erzeugt, tritt der

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lasereffekt auf, und aus der Stirnfläche tritt kohärentes Licht in Richtung des strichpunktiert gezeichneten Pfeiles aus.

Wegen der relativ großen Breite des Hauptteiles des pn-Überganges lassen sich verhältnismäßig hohe Ausgangsleistungen erzielen. In dem seitlichen Teil tritt keine Verstärkung auf und werden unerwünschte Störschwingungen durch Absorption an freien Trägern in der Masse des p-leitenden Halbleitermaterials gedämpft. Um die Verlustwärme möglichst gering zu halten, soll die leitfähigkeit der p-Zone ziemlich hoch sein. Wenn Zink als Akzeptor verwendet wird, arbeitet man vorzugsweise mit einer Dotierungskonzentration in der Größenordnung von 3 x 1o 7er. Die entsprechende Dotierungskonzentration in der η-Zone sollte mit Tellur als Donator in der Größenordnung von 2 χ 1o /cm liegen, damit ein guter Wirkungsgrad gewährleistet ist.

laserdioden des in Pig. 1 dargestellten Typs liefern zwar eine hohe Ausgangsleistung mit gutem Wirkungsgrad, man benötigt jedoch unter Umständen sehr hohe Ströme für die gewünschten Leistungspegel. So kann z.B. ein einzelner Halbleiterlaser 3o mit einer aktiven Breite W von 1,25 mm einen Spitzenstrom in der Größenordnung von 600 A erfordern, um eine Ausgangsleistung von I00 Watt zu erzeugen. Impulsschaltungen für Ströme dieser Größe sind jedoch sehr aufwendig, unzuverlässig und unhandlich^

Es ist daher zweckmäßig, z.B. zwei elektrisch in Reihe geschaltete Dioden zu verwenden, um den erforderlichen Spitzenstrom herabzusetzen. Die üblichen Strukturen erlauben es jedoch nicht, solche in Serie geschaltete Dioden nahe beieinander ausgerichtet anzuordnen, so daß es bisher praktisch nicht möglich war, eine Reihenschaltung von zwei Dioden vorzusehen, die so nahe benachbart sind, daß die von ihnen emittierte optische Strahlung von einer einzigen Strahlungsquelle auszugehen scheint. Eine solche Anordnung ist jedoch bei den laserdioden des in Pig. 1 dargestellten Typs ohne

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weiteres möglich, wie Pig. 2 zeigt.

Bei der in Pig. 2 dargestellten Reihenschaltung steht die an die η-Zone angrenzende Elektrode des einen Halbleiterlasers 3o in inniger Berührung mit einem verhältnismäßig massiven Metallteil 5o, das eine gute thermische und elektrische leitfähigkeit aufweist. In entsprechender Weise ist ein zweiter Halbleiterlaser 3o mit der an seine p-Zone angrenzenden Elektrode in inniger Berührung mit einem anderen relativ massiven Metallteil 51 angeordnet, das ebenfalls Wärme und Elektrizität gut leitet.

Die Metallteile 5o und 51 sind nahe beieinander angeordnet und werden durch eine dünne Isolierschicht 52 voneinander getrennt, deren Dicke ungefähr 25 /um betragen kann. Die laserdioden sind auf den Metallteilen 5o und 51 so angeordnet, daß die Hauptteile ihrer pn-Übergänge nahe benachbart sind; die benachbarten Seiten der Dioden sind ungefähr 25 /van. voneinander entfernt.

Mit der jeweils anderen Elektrode der beiden Halbleiterlaser 3o steht eine leitende Pläche eines dritten relativ massiven Metallteiles 53 guter thermischer und elektrischer Leitfähigkeit in inniger Berührung. Mit den Metallteilen 5o und 51 sind Anschlußleitungen 54 bzw. 55 verbunden. Wenn man an die Anschlußleitung 55 ein Potential anlegt, das bezüglich des Potentiales der Anschlußleitung positiv ist, fließt ein Strom in Plußrichtung durch beide pn-Übergänge.

Bei einem speziellen Versuch lieferten zwei o,63 mm breite Dioden in einer Anordnung gemäß Pig. 1 bei einem Spitzenstrom von 22o A eine Ausgangsleistung von 7o Watt. Eine einzelne, 1,25 mm breite, in üblicher Weise montierte Diode erforderte einen Spitzenstrom von 4oo Ampere für dieselbe Ausgangsleistung.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Laseranordnung aus zwei Halblei te rHasern mit jeweils einer pn-Übergangsebene, die senkrecht zu zwei parallelen, wenigstens teilweise reflektierenden Stirnflächen und parallel zu einer Grundfläche und einer dieser gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers liegt, und mit jeweils zwei flächenförmigen Elektroden, von denen die eine Elektrode die gesamte Grundfläche bedeckt, während die zweite Elektrode die Oberfläche über eine parallel zu den Stirnflächen gemessene Breite kontaktiert, die kleiner ist als die Breite der ersten Elektrode und als diejenige der pn-Übergangsebene, jedoch größer als der Abstand der zweiten Elektrode von der pn-Übergangsebene, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbleiterlaser (3o) in Eeihe geschaltet und derart nebeneinander angeordnet sind, daß jeweils die erste Elektrode des einen Halbleiterlasers mit der zweiten Elektrode des jeweils anderen Halbleiterlasers fluchtet und die Hauptteile der beiden pn-Übergangsebenen benachbart sind, und daß auf zwei miteinander fluchtenden Elektroden je ein Anschlußkörper (5o, 51) mit guter Wärmeleitfähigkeit und auf den beiden übrigen Elektroden ein gemeinsamer Yerbindungskörper (53) mit guter Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist.

2. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß bei jedem der beiden Halbleiterlaser die Breite (W) des der zweiten Elektrode

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(31) benachbarten Hauptteiles (32) der pn-Übergangsebene mindestens gleich ihrer zwischen den Stirnflächen gemessenen Länge (L) ist.

Laseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem der beiden Halbleiterlaser der Abstand des Hauptteiles (32) der pn-Übergangsebene von der zweiten Elektrode (31) zwischen 2,5 und 5o /U beträgt, wenn seine Breite in der Größenordnung von 1,25 mm liegt.

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