DE19712620A1

DE19712620A1 - Laser diode with small emission angle in form of strip waveguide

Info

Publication number: DE19712620A1
Application number: DE19712620A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof Dr Richter
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 1997-03-26
Filing date: 1997-03-26
Publication date: 1998-10-01

Abstract

The laser diode is in the form of a strip waveguide (1) having two end surfaces (14,15). The diode has at least one arrangement of layers on a doped semiconductor substrate, the layers made up of a lower cladding layer with the same doping. An electric contact layer is provided on the lower side of the substrate and also on the upper cladding layer. The laser diode is divided into three sections (10,11,12) in the longitudinal direction of the waveguide. In the middle section (10) which forms an active region of the waveguide the thickness of the upper and lower waveguide layers (6,4) are set to provide a maximum optical field with a highest possible fill factor value of the waveguide (1). To provide a smallest possible emission angle in the two outer sections (11,12) the upper and/or lower waveguide layers are made of two overlaid partial layers each with the same doping as in the corresponding middle section (10). Between, there is an undoped or oppositely doped wedge shaped layer which is thickest at the ends of the waveguide. Its refractive index is greater than that of the respective waveguide layer and smaller than that of the active layer system (5).

Description

Die Erfindung betrifft den Aufbau und das Herstellungsverfahren einer Laserdiode mit geringem Abstrahlwinkel in der Form eines Streifen wellenleiters.The invention relates to the structure and manufacturing method of a Laser diode with a small beam angle in the form of a strip waveguide.

Anwendung findet eine solche Laserdiode beispielsweise als Ersatz für Blitzlampen zum Pumpen von Festkörperlasern oder zur direkten Materialbearbeitung, wie zum Beschriften, Löten, Schneiden oder Schweißen.Such a laser diode is used, for example, as a replacement for Flash lamps for pumping solid-state lasers or for direct Material processing, such as for labeling, soldering, cutting or Welding.

Laserdioden in der Form eines Streifenwellenleiters bestehen herkömmlicherweise aus einer Schichtfolge auf einem n-dotierten Halbleitersubstrat, die aus einer unteren n-dotierten Cladding-Schicht, einer darüberliegenden n-dotierten Wellenleitungsschicht, einem undotierten aktiven Schichtsystem, einer oberen Wellenleitungsschicht und einer darüberliegenden p-dotierten Cladding-Schicht zusammengesetzt ist, versehen mit Kontaktschichten jeweils an der Substratunterseite und auf der oberen Cladding-Schicht sowie mit Spiegelschichten an den zwei gegenüberliegenden Endflächen des Streifenwellenleiters. Die Dotierung der übereinanderliegenden Schichten ist so gewählt, daß ein p-n-Übergang entsteht, in dem sich die aktive Zone befindet (EP 0 670 618 A1, EP 0 380 322 A2). In der aktiven Zone entsteht bei Stromdurchgang durch den p-n-Übergang infolge Rekombination der Ladungsträger mittels stimulierter Emission das Laserlicht (EP 0 602 579 A1). Bekanntlich muß zur Erzielung einer niedrigen Schwellstromstärke des Lasers das Schichtsystem so gestaltet werden, daß ein möglichst großer Anteil des elektromagnetischen Feldes in der aktiven Zone konzentriert ist (EP 0667 661 A2). Ein Maß dafür ist der Füllfaktor Γ. Bei vorgegebener aktiver Zone zur Erzeugung einer bestimmten Emissionswellenlänge kann der räumliche Verlauf des Brechungsindex der an die aktive Zone zu beiden Seiten angrenzenden Wellenleiterschichten so gestaltet werden, daß Γ möglichst groß und damit die Schwellstromstärke möglichst klein werden (DE 195 14 392 A1). Der Brechungsindex wird über die Zusammensetzung der Verbindungshalbleiter in bekannter Weise bestimmt. Eine geringe Schwellstromstärke ist die Voraussetzung zum Erreichen eines hohen elektro-optischen Wirkungsgrades der Laserdiode. Eine ausführliche Darstellung dieser Zusammenhänge kann beispielsweise in folgenden Lehrbüchern nachgelesen werden: K.J. Ebeling "Intergrierte Optoelektronik", Springer-Verlag, Zweite Auflage, Berlin 1992, Seite 294 und Chow, Koch, Sargent "Semiconductor-Laser Physics" Springer-Verlag, Berlin 1994, Seite 11. Spezielle Strukturen zur Realisierung eines großen Füllfaktors Γ sind aus der Literatur bekannt. So zum Beispiel eine sogenannte GRINSCH-Laserdiode (Graded Index Separate Confinement Heterostructure) in Journal of Crystal Growth, Band 150, 1995, Seite 1350.Laser diodes are in the form of a strip waveguide conventionally from a layer sequence on an n-doped Semiconductor substrate consisting of a lower n-doped cladding layer, one overlying n-doped waveguiding layer, an undoped active layer system, an upper waveguide layer and one p-doped cladding layer above is composed, provided with contact layers on the underside of the substrate and on the upper cladding layer and with mirror layers on the two opposite end faces of the strip waveguide. The endowment of the overlying layers is chosen so that a p-n junction arises in which the active zone is located (EP 0 670 618 A1, EP 0 380 322 A2). In the active zone there is a through-current the p-n transition as a result of recombination of the charge carriers stimulated emission the laser light (EP 0 602 579 A1). As is well known, must to achieve a low threshold current intensity of the laser Layer system are designed so that the largest possible proportion of the electromagnetic field is concentrated in the active zone (EP 0667 661 A2). One measure of this is the fill factor Γ. At a given active zone to generate a certain emission wavelength the spatial course of the refractive index of the active zone to both Sides of adjacent waveguide layers are designed so that Γ as large as possible and thus the threshold current strength be as small as possible (DE 195 14 392 A1). The refractive index is based on the composition the compound semiconductor is determined in a known manner. A minor one Threshold current is the prerequisite for reaching a high level electro-optical efficiency of the laser diode. A detailed one These relationships can be illustrated, for example, in the following Textbooks can be found: K.J. Ebeling "Integrated Optoelectronics", Springer-Verlag, second edition, Berlin 1992, page 294 and Chow, Koch, Sargent "Semiconductor-Laser Physics" Springer-Verlag, Berlin 1994, page 11. Special structures for realizing a large fill factor Γ are out known in literature. For example, a so-called GRINSCH laser diode (Graded Index Separate Confinement Heterostructure) in Journal of Crystal Growth, Volume 150, 1995, page 1350.

Durch die beschriebene Konzentration des Feldes der geführten Lichtwelle im Bereich der aktiven Zone entstehen jedoch andererseits folgende zwei Probleme:
Erstens ist der Abstrahlwinkel des aus der Stirnfläche des Streifenwellenleiters austretenden Lichtes in Richtung des p-n-Übergangs um so größer, je stärker die Lichtwelle in der aktiven Zone konzentriert ist. Bekanntlich kann aber das von Laserdioden abgestrahlte Licht um so besser genutzt werden, je geringer der Abstrahlwinkel ist. Dies betrifft sowohl den technischen Aufwand der erforderlichen Strahlführungsoptik als auch die optischen Verluste. Aus dieser Sicht ist es daher sehr ungünstig, wenn zum Zwecke der Realisierung einer niedrigen Laserschwelle und eines hohen Wirkungsgrades der Füllfaktor Γ möglichst groß gemacht wird, weil dabei gleichzeitig der Abstrahlwinkel groß wird.On the other hand, the described concentration of the field of the guided light wave in the area of the active zone creates the following two problems:
First, the more the light wave is concentrated in the active zone, the greater the angle of radiation of the light emerging from the end face of the strip waveguide in the direction of the pn junction. As is known, however, the smaller the beam angle, the better the light emitted by laser diodes can be used. This affects both the technical complexity of the required beam guidance optics and the optical losses. From this point of view, it is therefore very unfavorable if, for the purpose of realizing a low laser threshold and high efficiency, the fill factor Γ is made as large as possible, because at the same time the radiation angle becomes large.

Zweitens werden die an den Stirnflächen der Laserdiode befindlichen Resonatorspiegel um so stärker belastet, je stärker die Lichtwelle in der aktiven Zone konzentriert ist. Die Belastung der Spiegel führt zu einer Erwärmung durch Absorption eines Teils des Lichtes an freien Bindungen und Verunreinigungen in den Spiegelschichten. Zusätzlich werden bei manchen Laserdiodenanordnungen die Spiegelschichten durch ohmsche Verluste des Diodenstromes erwärmt, wenn dieser in unmittelbarer Nähe der Spiegel fließt. Diese Belastung der Spiegel führt zu einer lokalen Erhitzung derselben, welche zu einer relativ raschen Degradation der Laserdiode und zur Zerstörung führt.Second, those located on the end faces of the laser diode Resonator mirror the more loaded the stronger the light wave in the active zone is concentrated. The strain on the mirrors leads to a Heating by absorption of part of the light on free bonds and contaminants in the mirror layers. In addition, at some laser diode arrangements, the mirror layers by ohmic Losses of the diode current are heated if this is in the immediate vicinity of the Mirror flows. This strain on the mirrors leads to local heating the same, which leads to a relatively rapid degradation of the laser diode and leads to destruction.

Aus den genannten Gründen muß in der Praxis ein Kompromiß bezüglich der Optimierung des Füllfaktors Γ für eine niedrige Laserschwelle einerseits und der Verbreiterung des optischen Feldes für eine bessere Abstrahlcharakteristik und höhere Lebensdauer andererseits gesucht werden. Zur Verbreiterung des Feldes werden sogenannte LOC-Strukturen (Large Optical Cavity) eingesetzt, die jedoch eine Erhöhung der Schwellstromstärke verursachen.For the reasons mentioned, a compromise must be made in practice regarding the Optimization of the fill factor Γ for a low laser threshold on the one hand and the broadening of the optical field for a better one On the other hand, radiation characteristics and longer service life are sought. So-called LOC structures (Large Optical Cavity) used, however, an increase in the threshold current cause.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Laserdiode zu schaffen, die einerseits einen möglichst hohen Wert des Füllfaktors Γ zur Erzielung einer niedrigen Schwellstromstärke und eines hohen Wirkungsgrades besitzt und andererseits einen geringeren Abstrahlwinkel und eine höhere Lebensdauer als bekannte Laserdioden aufweist.It is therefore an object of the invention to provide a laser diode that on the one hand the highest possible value of the fill factor Γ to achieve a has low threshold current strength and high efficiency and on the other hand, a smaller beam angle and a longer service life than known laser diodes.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer solchen Laserstruktur. Another object of the present invention is to provide a Method for producing such a laser structure.

Erfindungsgemäß wird die Laserdiode in Längsrichtung des Streifen wellenleiters in drei Abschnitte unterteilt, wobei im mittleren Abschnitt als aktiver Bereich des Schichtsystems die Dicken der oberen und unteren Wellenleitungsschicht zum Zweck eines maximalen optischen Feldes hinsichtlich eines möglichst hohen Füllfaktorwertes Γ des Streifenwellenleiters festgelegt sind. In den äußeren Abschnitten des Streifenwellenleiters spalten sich die obere Wellenleitungsschicht und/oder die untere Wellenleitungsschicht jeweils nach den Endflächen des Streifenwellenleiters hin in jeweils zwei übereinanderliegende Teilschichten auf. Zwischen diese Teilschichten ist jeweils eine undotierte oder mit zu der betreffenden Wellenleitungsschicht entgegengesetzter Dotierung schwach dotierte keilförmige Schicht eingebracht, deren größte Dicke an den Endflächen des Streifenwellenleiters ist. Die Brechzahl jeder keilförmigen Schicht ist jeweils größer als die Brechzahl der entsprechenden Wellenleitungsschicht und geringer als diejenige des aktiven Schichtsystems. Die keilförmigen Aufspaltungen der oberen Wellenleitungsschicht und/oder der unteren Wellenleitungsschicht bilden einen Taper, der das optische Feld zu den Endflächen des Streifenwellenleiters hin in Richtung des p-n-Übergangs aufweitet. Durch diese Aufweitung des optischen Feldes in den keilförmigen Schichten verkleinert sich erstens der Abstrahlwinkel in Richtung des p-n-Übergangs; und zweitens verringert sich die Belastung der Endflächen des Streifenwellenleiters durch die mit der Taperung verbundenen Verringerung der optischen Leistungsdichte.According to the invention, the laser diode is in the longitudinal direction of the strip waveguide divided into three sections, the middle section as active area of the layer system the thicknesses of the upper and lower Waveguiding layer for the purpose of a maximum optical field with regard to the highest possible fill factor value Γ des Strip waveguide are set. In the outer sections of the Strip waveguide split the top waveguide layer and / or the lower waveguiding layer after the end faces of the Strip waveguide in two superimposed partial layers on. Between these sub-layers there is one undoped or one with relevant waveguide layer of opposite doping weak introduced doped wedge-shaped layer, the greatest thickness of which End faces of the strip waveguide is. The refractive index of each wedge-shaped Layer is larger than the refractive index of the corresponding one Waveguiding layer and less than that of the active layer system. The wedge-shaped splits of the upper waveguide layer and / or The bottom waveguide layer form a taper, which is the optical field towards the end faces of the strip waveguide in the direction of the p-n transition expands. This expansion of the optical field in the wedge-shaped layers, the radiation angle decreases first Direction of the p-n transition; and secondly, the burden on the End surfaces of the strip waveguide through the taper associated reduction in optical power density.

Auf diese Art und Weise werden mit der erfindungsgemäßen Gestaltung des Schichtsystems gleichzeitig sowohl einerseits ein optimaler Wert des Füllfaktors Γ zur Erzielung einer niedrigen Schwellstromstärke und eines hohen Wirkungsgrades erreicht als auch andererseits ein geringer Abstrahlwinkel und zum Zweck einer höheren Lebensdauer eine geringe Belastung der Endflächen des Streifenwellenleiters mit den Spiegelschichten erzielt. Zwischen diesen Laserdiodenkriterien mußten nach dem Stand der Technik bislang Kompromisse eingegangen werden.In this way, with the inventive design of the Layer system at the same time both an optimal value of the Filling factor Γ to achieve a low threshold current and a achieved high efficiency as well as a low one Beam angle and a low for the purpose of a longer life Loading of the end surfaces of the strip waveguide with the mirror layers achieved. According to the state of the art, between these laser diode criteria Technology compromises have been made so far.

Eine schwache Dotierung der keilförmigen Schichten mit zur entsprechenden Wellenleitungsschicht entgegengesetzten Dotierung bewirkt, daß ein p-n-Übergang in Sperrichtung entsteht, wodurch kein Strom in den äußeren Abschnitten des Streifenwellenleiters fließt. Das ist wesentlich, um eine andernfalls eintretende Absenkung des Wirkungsgrades zu vermeiden. Außerdem werden die Endflächen des Streifenwellenleiters dadurch vor Joulscher Wärme, die mit dem Stromfluß verbunden wäre, geschützt, was sich ebenfalls positiv auf die Lebensdauer der Laserdiode auswirkt.Weak doping of the wedge-shaped layers with the corresponding one Waveguiding layer opposite doping causes a p-n junction occurs in the reverse direction, whereby no current in the outer Sections of the strip waveguide flows. This is essential to one otherwise avoid lowering the efficiency. In addition, the end faces of the strip waveguide are thereby exposed Joule heat, which would be connected to the flow of electricity, protected what also has a positive effect on the life of the laser diode.

Um einen Stromfluß in den äußeren Abschnitten des Streifenwellenleiters zu unterdrücken, kann es auch zweckmäßig sein, wenn die auf der oberen Cladding-Schicht befindliche Kontaktschicht zum elektrischen Anschluß der Laserdiode nur im Bereich des mittleren Abschnitts des Streifenwellenleiters aufgebracht wird.To allow current to flow in the outer portions of the strip waveguide suppress, it may also be appropriate if those on the top Cladding layer located contact layer for electrical connection of the Laser diode only in the area of the middle section of the strip waveguide is applied.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäß aufgebauten Laserdiode mit geringem Abstrahlwinkel tritt das Problem auf, daß eine Schicht mit keilförmiger Dicke abgeschieden werden muß. Solche keilförmigen Schichten können mit den üblichen Epitaxieverfahren Chemical Vapour Deposition (CVD), Molecular Beam Epitaxy (MBE), Metal Organic MBE (MOMBE) und Liquid Phase Epitaxy (LPE) nicht abgeschieden werden. Die laterale Strukturierung der Schichten erfolgt üblicherweise nach dem homogenen Beschichten des Wafers. Mit den bekannten Strukturierungsmethoden (Naß- oder Trockenätzen) können jedoch keine Schichten mit keilförmiger Dickenvariation hergestellt werden (DE 43 30 987 A1, DE 42 40 539 A1, EP 0 426 419 A2). Auch mit der Methode des selektiven epitaktischen Wachstums (DE 43 31 037 A1) ist dies nicht erreichbar.In the manufacture of the laser diode constructed according to the invention with low radiation angle, the problem arises that a layer with wedge-shaped thickness must be deposited. Such wedge-shaped Layers can be made using the usual chemical vapor epitaxial processes Deposition (CVD), Molecular Beam Epitaxy (MBE), Metal Organic MBE (MOMBE) and Liquid Phase Epitaxy (LPE) cannot be deposited. The lateral structuring of the layers usually takes place after the homogeneous coating of the wafer. With the known Structuring methods (wet or dry etching) cannot Layers with a wedge-shaped thickness variation can be produced (DE 43 30 987 A1, DE 42 40 539 A1, EP 0 426 419 A2). Even with the This is the method of selective epitaxial growth (DE 43 31 037 A1) not reachable.

Es ist deshalb auch eine Aufgabe der Erfindung, dieses Problem zu lösen und ein Beschichtungsverfahren anzugeben, mit dem in einem Beschichtungsvorgang ohne Zwischenbelüftung epitaktische Schichten mit keilförmiger Dicke hergestellt werden können.It is therefore also an object of the invention to solve this problem specify a coating process with which in a Coating process without intermediate ventilation with epitaxial layers wedge-shaped thickness can be produced.

Die Realisierung von Schichten mit keilförmiger Dicke gelingt erfindungsgemäß mit der Methode der Molekularstrahlepitaxie mit Feststoffquellen unter Einsatz von Schattenmasken. In einer Molekularstrahl- Epitaxieanlage mit Feststoffquellen, in der das Substrat in an sich bekannter Weise um eine senkrecht zur Substratoberfläche stehende Achse rotiert und bei der Verdampferquellen für die Schichtmaterialien in einem Kreis um diese Rotationsachse schräg gegenüber dem Substrat angeordnet sind, werden die auf das Substrat aufzubringenden Schichten epitaktisch abgeschieden. Zur Realisierung der sich nach außen aufspaltenden Wellenleitungsschicht mit den keilförmigen Schichten in den äußeren Abschnitten des Streifenwellenleiters wird zunächst die untere Teilschicht aufgebracht. Danach werden die keilförmigen Schichten durch eine Schattenmaske abgeschieden, die in einem definierten Abstand vor der Substratoberfläche angebracht wird. Aufgrund dieses Abstandes und der Substratrotation entstehen bei der Beschichtung Halbschattengebiete, welche die keilförmigen Schichten entstehen lassen. Nach Entfernung der Schattenmaske werden anschließend die obere Teilschicht der Wellenleitungsschicht sowie die übrigen noch fehlenden Schichten aufgetragen.Layers with a wedge-shaped thickness can be realized according to the invention with the method of molecular beam epitaxy Solid sources using shadow masks. In a molecular beam Epitaxial system with solid sources, in which the substrate is known per se Rotates around an axis perpendicular to the substrate surface and at the evaporator sources for the layer materials in a circle these axes of rotation are arranged obliquely with respect to the substrate, the layers to be applied to the substrate become epitaxial deposited. To realize the outward splitting Waveguiding layer with the wedge-shaped layers in the outer Sections of the strip waveguide first become the lower sub-layer upset. Then the wedge-shaped layers are replaced by a Shadow mask deposited at a defined distance in front of the Substrate surface is attached. Because of this distance and the Substrate rotation occurs when coating penumbra areas, which let the wedge-shaped layers arise. After removing the The shadow mask then becomes the upper sub-layer of the Waveguide layer and the remaining layers that are still missing applied.

Es ist zweckmäßig, als Material für die Schattenmaske Silizium zu verwenden, da dieses Material in Form von Einkristallscheiben in hoher Reinheit kostengünstig auf dem Markt zur Verfügung steht und sich durch Ätzverfahren gut strukturieren läßt.It is expedient to use silicon as the material for the shadow mask use this material in the form of single crystal wafers in high Purity is available inexpensively on the market and stands out Etching process can be structured well.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention will be described below with reference to the drawing Embodiments are explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1a Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen Laserdiode mit einem in drei Abschnitte geteilten Streifenwellenleiter, wobei in die äußeren Abschnitte der oberen Wellenleitungsschicht keilförmige Schichten eingebracht sind, FIG. 1a longitudinal sectional view of the laser diode according to the invention with a split into three sections a strip waveguide, said wedge-shaped layers are introduced into the outer portions of the upper waveguide layer,

Fig. 1b Aufsicht auf die in Fig. 1a dargestellte Laserdiode,Laser diode Fig. 1b plan view in Fig. 1a shown,

Fig. 2a Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen Laserdiode mit einem in drei Abschnitte geteilten Streifenwellenleiter, wobei jeweils in die äußeren Abschnitte der oberen sowie unteren Wellenleitungsschicht keilförmige Schichten eingebracht sind, FIG. 2a longitudinal sectional view of the laser diode according to the invention with a split into three sections a strip waveguide, said wedge-shaped layers are introduced respectively into the outer portions of the upper and lower wave guide layer,

Fig. 2b Aufsicht auf die in Fig. 2a dargestellte Laserdiode,Laser diode Fig. 2b plan view in Fig. 2a shown,

Fig. 3a Längsschnittansicht der Laserdiode gemäß Fig. 1a, wobei die elektrische Kontaktschicht auf der oberen Cladding-Schicht lediglich im Bereich des mittleren Abschnittes des Streifen wellenleiters aufgebracht ist, Fig. 3a longitudinal sectional view of the laser diode according to Fig. 1a, the electrical contact layer of the strip waveguide deposited on the upper cladding layer only in the region of the middle section,

Fig. 3b Aufsicht auf die in Fig. 3a dargestellte Laserdiode, FIG. 3b plan view in Fig. 3a shown laser diode,

Fig. 4 Prinzipanordnung zur epitaktischen Abscheidung keilförmiger Schichten mit Hilfe der Molekularstrahl-Epitaxie mit Feststoff quellen. Fig. 4 Principle arrangement for the epitaxial deposition of wedge-shaped layers with the help of molecular beam epitaxy with solid sources.

In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Laserdiode, deren Streifenwellenleiter 1 in drei Abschnitte gefeilt ist, in Längsschnittansicht und Aufsicht dargestellt. Der Streifenwellenleiter 1 besteht aus einer auf ein n-dotiertes Halbleitersubstrat 2 aufgebrachten Schichtfolge, die aus einer unteren n-dotierten Cladding-Schicht 3, aus einer darüberliegenden n-dotierten unteren Wellenleitungsschicht 4, aus einem undotierten aktiven Schichtsystem 5, aus einer oberen Wellenleitungsschicht 6 sowie aus einer darüberliegenden oberen p-dotierten Cladding-Schicht 7 besteht. Auf die obere Cladding- Schicht 7 und auf die Unterseite des Halbleitersubstrates 2 sind für einen elektrischen Anschluß zwei Kontaktschichten 8, 9 aufgebracht. In einem mittleren Abschnitt 10 des Streifenwellenleiters 1 ist die obere Wellenleitungsschicht 6 p-dotiert und ihre Dicke ist gemeinsam mit der Dicke der unteren Wellenleitungsschicht 4 so gewählt, daß das optische Feld im Bereich des aktiven Schichtsystems 5 maximal ist und damit zu einem großen Wert des Füllfaktors Γ führt. Dadurch ist sichergestellt, daß die Laserdiode eine niedrige Schwellstromstärke und einen hohen Wirkungsgrad besitzt. In zwei äußeren Abschnitten 11, 12 des Streifenwellenleiters 1 besteht die obere Wellenleitungsschicht jeweils aus zwei übereinander angeordneten p-dotierten Teilschichten 6a, 6b, zwischen denen sich eine schwach n-dotierte keilförmige Schicht 13 befindet. Diese keilförmigen Schichten 13 besitzen ihre größte Dicke an Endflächen 14, 15 des Streifenwellenleiters 1. Ihre Brechzahl ist größer als diejenige der oberen Wellenleitungsschicht 6 und kleiner als diejenige des aktiven Schichtsystems 5. Die keilförmige Aufspaltung der Wellenleitungsschicht 6 bildet einen Taper, der das optische Feld zu den Endflächen 14, 15 des Streifenwellenleiters 1 hin in Richtung des p-n-Übergangs aufweitet. Mit der durch die keilförmigen Schichten 13 hervorgerufenen Aufweitung des optischen Feldes werden zwei Effekte bewirkt: Erstens verringert sich der Abstrahlwinkel in Richtung des p-n-Übergangs; und zweitens verringert sich die Belastung der Endflächen 14, 15 des Streifenwellenleiters 1 infolge der mit der Taperung verbundenen Verringerung der optischen Leistungsdichte. Die schwache n-Dotierung der keilförmigen Schicht 13 bewirkt, daß ein p-n-Übergang in Sperrichtung entsteht, wodurch kein Strom in den äußeren Abschnitten 11, 12 des Streifenwellenleiters 1 fließt. Das ist wesentlich, um eine andernfalls eintretende Absenkung des Wirkungsgrades zu vermeiden. Außerdem werden die Endflächen 14, 15 des Streifenwellenleiters 1 auf diese Weise vor Joulscher Wärme, die mit dem Stromfluß verbunden wäre, geschützt. Im Ergebnis vergrößert sich dadurch die Lebensdauer der Laserdiode.In Fig. 1, the laser diode according to the invention, the strip waveguide 1 is divided into three sections, is shown in longitudinal section and top view. The strip waveguide 1 consists of a layer sequence applied to an n-doped semiconductor substrate 2 , which consists of a lower n-doped cladding layer 3 , an overlying n-doped lower waveguide layer 4 , an undoped active layer system 5 and an upper waveguide layer 6 as well as an overlying upper p-doped cladding layer 7 . Two contact layers 8 , 9 are applied to the upper cladding layer 7 and to the underside of the semiconductor substrate 2 for an electrical connection. In a central section 10 of the strip waveguide 1 , the upper waveguide layer 6 is p-doped and its thickness is chosen together with the thickness of the lower waveguide layer 4 so that the optical field in the region of the active layer system 5 is at a maximum and thus to a large value Fill factor Γ leads. This ensures that the laser diode has a low threshold current and a high efficiency. In two outer sections 11 , 12 of the strip waveguide 1 , the upper waveguide layer each consists of two p-doped sub-layers 6 a, 6 b arranged one above the other, between which there is a weakly n-doped wedge-shaped layer 13 . These wedge-shaped layers 13 have their greatest thickness at end faces 14 , 15 of the strip waveguide 1 . Their refractive index is greater than that of the upper waveguiding layer 6 and less than that of the active layer system 5 . The wedge-shaped splitting of the waveguide layer 6 forms a taper, which widens the optical field towards the end faces 14 , 15 of the strip waveguide 1 in the direction of the pn junction. With the widening of the optical field caused by the wedge-shaped layers 13 , two effects are brought about: first, the radiation angle decreases in the direction of the pn junction; and secondly, the load on the end faces 14 , 15 of the strip waveguide 1 is reduced due to the reduction in optical power density associated with tapering. The weak n-doping of the wedge-shaped layer 13 causes a pn junction in the reverse direction, as a result of which no current flows in the outer sections 11 , 12 of the strip waveguide 1 . This is essential in order to avoid a reduction in efficiency that would otherwise occur. In addition, the end faces 14 , 15 of the strip waveguide 1 are protected in this way from Joule heat that would be associated with the current flow. As a result, the life of the laser diode is increased.

In Fig. 2 ist als zweites Ausführungsbeispiel eine Laserdiode ebenfalls in Längsschnittansicht und Aufsicht dargestellt, dessen Streifenwellenleiter 1 aus der gleichen Schichtfolge wie in Fig. 1 besteht. In den äußeren Abschnitten 11, 12 des Streifenwellenleiters 1 sind entsprechend Fig. 1a wiederum die schwach n-dotierten keilförmigen Schichten 13 zwischen die zwei übereinander angeordneten p-dotierten Teilschichten 6a, 6h der oberen Wellenleitungsschicht eingebracht. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht die untere n-dotierte Wellenleitungsschicht 4 in den äußeren Abschnitten 11, 12 des Streifenwellenleiters 1 jeweils aus zwei übereinander angeordneten ebenfalls n-dotierten Teilschichten 4a, 4b, zwischen denen sich jeweils eine keilförmige Schicht 16 befindet. Die keilförmigen Schichten 16 besitzen (wie die Schichten 13) ihre größte Dicke an den Endflächen 14, 15 des Streifenwellenleiters 1. Ihre Brechzahl ist größer als diejenige der unteren Wellenleitungsschicht 4 und kleiner als diejenige des aktiven Schichtsystems 5. Die keilförmigen Schichten 16 bilden gleichfalls einen Taper, der das optische Feld zu den Endflächen 14, 15 des Streifenwellenleiters 1 hin in Richtung des p-n-Übergangs aufweitet. Damit tragen auch die keilförmigen Schichten 14 (so wie die Schichten 13) zur Verringerung des Abstrahlwinkels in Richtung des p-n-Übergangs bei. Außerdem nimmt die Belastung der Endflächen 14, 15 des Streifenwellenleiters 1 durch die mit der Taperung verbundenen Verringerung der optischen Leistungsdichte weiter ab.In FIG. 2, as a second exemplary embodiment, a laser diode is also shown in longitudinal sectional view and top view, the strip waveguide 1 of which consists of the same layer sequence as in FIG . In the outer portions 11, 12 of the rib waveguide 1 are shown in FIG. 1a, in turn, the weakly n-doped wedge-shaped layers 13 between the two stacked p-doped sublayers 6 a, 6 h of the upper waveguide layer is introduced. In contrast to the first exemplary embodiment, the lower n-doped waveguide layer 4 in the outer sections 11 , 12 of the strip waveguide 1 each consists of two superimposed, likewise n-doped partial layers 4 a, 4 b, between each of which there is a wedge-shaped layer 16 . The wedge-shaped layers 16 (like the layers 13 ) have their greatest thickness at the end faces 14 , 15 of the strip waveguide 1 . Their refractive index is greater than that of the lower waveguiding layer 4 and smaller than that of the active layer system 5 . The wedge-shaped layers 16 likewise form a taper, which widens the optical field toward the end faces 14 , 15 of the strip waveguide 1 in the direction of the pn junction. The wedge-shaped layers 14 (like the layers 13 ) thus also contribute to reducing the radiation angle in the direction of the pn junction. In addition, the load on the end faces 14 , 15 of the strip waveguide 1 continues to decrease due to the reduction in the optical power density associated with tapering.

Um einen Stromfluß in den äußeren Abschnitten 11, 12 des Streifenwellenleiters 1 zu verhindern, ist (im Vergleich zu der in Fig. 1 dargestellten Laserdiode) als drittes Ausführungsbeispiel in Fig. 3 die Kontaktschicht 8 zum elektrischen Anschluß der Laserdiode nur im Bereich des mittleren Abschnitts 10 des Streifenwellenleiters 1 auf der oberen Cladding-Schicht 7 aufgebracht. Die Kontaktschicht 9 ist aus technologischen Gründen auf die gesamte Rückseite des Halbleitersubstrates 2 aufgebracht.In order to prevent current flow in the outer portions 11, 12 of the strip waveguide 1, is (in comparison with the embodiment shown in Fig. 1 Laser Diode) as a third embodiment in Fig. 3, the contact layer 8 for electrical connection of the laser diode only in the region of the central portion 10 of the strip waveguide 1 applied to the upper cladding layer 7 . For technological reasons, the contact layer 9 is applied to the entire rear side of the semiconductor substrate 2 .

Zur Herstellung der Laserdiode gemäß Fig. 1 werden auf dem Halbleitersubstrat 2 aus GaAs zunächst nacheinander die untere n-dotierte Cladding-Schicht 3 mit einer Dicke von 1,5 µm aus Ga_0,6Al_0,4As und die n-dotierte untere Wellenleitungsschicht 4 mit einer Dicke von 200 nm aus Ga_1-xAl_xAs epitaktisch abgeschieden. Dabei bezeichnet x den Al-Anteil in der ternären Verbindung. Dieser Anteil x variiert über die gesamte Dicke der untere Wellenleitungsschicht 4 von 200 nm im Bereich x = 0,4. . .0,1. Auf diese Weise wird erreicht, daß einerseits der Brechungsindex der unteren Wellenleitungsschicht 4 in Schichtwachstumsrichtung zunimmt und die Bandlücke des Halbleitermaterials abnimmt. Anschließend wird die 8 nm dicke aktive Schicht 5 aus undotiertem GaAs aufgebracht. Diese Schicht bildet die aktive Zone, in der beim Betrieb der Laserdiode die stimulierte Emission stattfindet. Auf die aktive Schicht 5 wird ganzflächig die 50 nm dicke Teilschicht 6a der oberen Wellenleitungsschicht 6 aus p-dotiertem Ga_1-xAl_xAs mit x = 0,1. . .0,17 aufgebracht. For preparing the laser diode according to Fig. 1, on the semiconductor substrate 2 of GaAs are first successively the lower n-doped cladding layer 3 having a thickness of 1.5 microns from Ga _0.6 Al _0.4 As and the n-doped lower Waveguiding layer 4 with a thickness of 200 nm epitaxially deposited from Ga _1-x Al _x As. X denotes the Al component in the ternary compound. This portion x varies over the entire thickness of the lower waveguiding layer 4 of 200 nm in the range x = 0.4. . .0.1. In this way it is achieved that on the one hand the refractive index of the lower waveguiding layer 4 increases in the layer growth direction and the band gap of the semiconductor material decreases. Then the 8 nm thick active layer 5 made of undoped GaAs is applied. This layer forms the active zone in which the stimulated emission takes place during operation of the laser diode. The 50 nm thick layer 6 a part of the upper waveguide layer 6 of p-doped Ga _1-x Al _x As with x = 0.1 is the entire surface of the active layer. 5 . .0.17 angry.

Nun wird, wie in Fig. 4 dargestellt, eine Schattenmaske 17 in einem Abstand a vom Halbleitersubstrat 2 angebracht. Dieser Abstand a beträgt 172 µm. Die Schattenmaske 17 deckt mit ihrem Mittelteil 18 den mittleren Abschnitt 10 des in Fig. 1b dargestellten Streifenwellenleiters 1 ab. Die Länge des abgedeckten mittleren Abschnitts 10 beträgt 800 µm. Wie in Fig. 2 dargestellt, rotiert das Halbleitersubstrat 2 während der Beschichtung um eine senkrecht zur Oberfläche des Halbleitersubstrates 2 stehende Rotationsachse 19. Zwei Verdampferquellen 20, 21 sind in einem Kreis um die Rotationsachse 19 schräg gegenüber dem Halbleitersubstrat 2 angeordnet. Der Winkel, unter dem von der Verdampferquelle 20 die Schattenmaske 17 beschichtet wird, ist mit α bezeichnet. Dieser Winkel α beträgt 30°. In der Zeichnung sind von den fünf Verdampferquellen für die Elemente Al, Ga, As, Si und Be aus Übersichtsgründen nur zwei (Verdampferquellen 20, 21) dargestellt. Infolge der sich während der Rotation des Halbleitersubstrates 2 verändernden Abschattung entstehen auf dem Halbleitersubstrat 2 Halbschattengebiete 22, 23, 24, 25, von denen die Halbschattengebiete 23 und 24 die in Fig. 1a dargestellten keilförmigen Schichten 13 mit einer Länge von jeweils 200 µm in den äußeren Abschnitten 11, 12 des Streifenwellenleiters 1 entstehen lassen. Die Länge dieser keilförmigen Schichten 13 kann mit der Formel 2.a.tan α berechnet werden. Die größte Dicke der keilförmigen Schichten 13 beträgt 5 µm. Sie bestehen aus Ga_0,9Al_0,1As und sind mit Si schwach n-dotiert. Damit ist ihre Brechzahl geringer als die der aufgebrachten Teilschicht 6a, aber größer als diejenige der aktiven Schicht 5. Anschließend wird die Schattenmaske 17 wieder entfernt; und es werden nacheinander die Teilschicht 6b der oberen Wellenleitungsschicht 6, die darüberliegende p-dotierte Cladding-Schicht 7 sowie die Kontaktschicht 8 aufgedampft. Die Teilschicht 6b besteht aus p-dotiertem Ga_1-xAl_xAs mit x = 0,17 . . . 0,4. Ihre Dicke beträgt 150 nm. Die darüberliegende p-dotierte Cladding-Schicht 7 besteht aus Ga_0,6Al_0,4As. Sie ist 1,5 µm dick. Die Kontaktschicht 8 besteht aus einer hochdotierten p leitenden GaAs-Schicht mit einer Dicke von 200 nm, die anschließend noch mit einer Schicht aus Au/Zn:Au belegt wird. Abschließend wird auf die Unterseite des Halbleitersubstrates 2 die Kontaktschicht 9 aus Au/gGe:Ni:Au aufgebracht.Now, as shown in FIG. 4, a shadow mask 17 is attached at a distance a from the semiconductor substrate 2 . This distance a is 172 µm. With its central part 18, the shadow mask 17 covers the central section 10 of the strip waveguide 1 shown in FIG. 1b. The length of the covered central section 10 is 800 microns. As shown in FIG. 2, the semiconductor substrate 2 rotates during the coating about an axis of rotation 19 perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 2 . Two evaporator sources 20 , 21 are arranged in a circle obliquely with respect to the semiconductor substrate 2 about the axis of rotation 19 . The angle at which the shadow mask 17 is coated by the evaporator source 20 is denoted by α. This angle α is 30 °. For reasons of clarity, only two of the five evaporator sources for the elements Al, Ga, As, Si and Be are shown in the drawing (evaporator sources 20 , 21 ). As a result of the shading that changes during the rotation of the semiconductor substrate 2 , two penumbra regions 22 , 23 , 24 , 25 are formed on the semiconductor substrate, of which the penumbra regions 23 and 24 each have the wedge-shaped layers 13 shown in FIG let outer sections 11 , 12 of the strip waveguide 1 arise. The length of these wedge-shaped layers 13 can be calculated using the formula 2.a.tan α. The greatest thickness of the wedge-shaped layers 13 is 5 μm. They consist of Ga _0.9 Al _0.1 As and are weakly n-doped with Si. Their refractive index is thus lower than that of the applied sub-layer 6 a, but larger than that of the active layer 5 . Then the shadow mask 17 is removed again; and the sub-layer 6 b of the upper waveguiding layer 6 , the p-doped cladding layer 7 above it and the contact layer 8 are evaporated in succession. The sub-layer 6 b consists of p-doped Ga _1-x Al _x As with x = 0.17. . . 0.4. Its thickness is 150 nm. The overlying p-doped cladding layer 7 consists of Ga _0.6 Al _0.4 As. It is 1.5 µm thick. The contact layer 8 consists of a highly doped p-conducting GaAs layer with a thickness of 200 nm, which is subsequently covered with a layer of Au / Zn: Au. Finally, the contact layer 9 made of Au / gGe: Ni: Au is applied to the underside of the semiconductor substrate 2 .

Durch die angegebene Wahl der Schichtmaterialien und Schichtdicken, die den mittleren Abschnitt 10 des Streifenwellenleiters 1 bilden, wird erreicht, daß das optische Feld im Bereich der aktiven Schicht 5 maximal ist und daß der Füllfaktor Γ den Wert 0,024 besitzt. Damit ist eine niedrige Schwellstromstärke der Laserdiode gewährleistet. In den beiden äußeren Abschnitten 11, 12 des Streifenwellenleiters 1 wird das optische Feld durch die keilförmigen Schichten 13, die einen Taper bilden, auseinandergezogen und auf eine größere Dicke des Wellenleiters verteilt. Dadurch verringert sich die Beugung des Lichtes beim Austritt aus den Endflächen 14, 15 des Streifenwellenleiters 1. Außerdem verringert sich die thermische Belastung dieser Endflächen 14, 15. Der halbe Öffnungswinkel des abgestrahlten Lichtbündels in Richtung des p-n-Überganges beträgt 10° und ist damit wesentlich geringer als bei einer herkömmlichen Laserdiode, die keine Taper besitzt. Durch die schwache n-Dotierung der keilförmigen Schichten 13 wird, wie besagt, erreicht, daß ein p-n-Übergang in Sperrichtung entsteht, welcher den Stromfluß blockiert. Diese Dotierung darf jedoch nicht zu hoch gewählt werden, um eine durch diese Dotierung verursachte zusätzliche Absorption des optischen Feldes zu vermeiden. The specified choice of layer materials and layer thicknesses, which form the central section 10 of the strip waveguide 1 , ensures that the optical field in the area of the active layer 5 is at a maximum and that the fill factor Γ has the value 0.024. This ensures a low threshold current intensity of the laser diode. In the two outer sections 11 , 12 of the strip waveguide 1 , the optical field is pulled apart by the wedge-shaped layers 13 , which form a taper, and distributed over a greater thickness of the waveguide. This reduces the diffraction of the light as it emerges from the end faces 14 , 15 of the strip waveguide 1 . In addition, the thermal load on these end faces 14 , 15 is reduced. Half the beam angle of the emitted light beam in the direction of the pn junction is 10 ° and is therefore much smaller than in the case of a conventional laser diode which has no taper. As mentioned, the weak n-doping of the wedge-shaped layers 13 results in a pn junction in the reverse direction which blocks the current flow. However, this doping must not be chosen too high in order to avoid additional absorption of the optical field caused by this doping.

Reference list

11

Streifenwellenleiter
Strip waveguide

22nd

Halbleitersubstrat
Semiconductor substrate

33rd

untere Cladding-Schicht
lower cladding layer

44th

untere Wellenleitungsschicht
lower waveguide layer

44th

a, a,

44th

b, b,

66

a, a,

66

b Teilschicht
b sub-shift

55

aktives Schichtsystem
active shift system

66

obere Wellenleitungsschicht
upper waveguide layer

77

obere Cladding-Schicht
upper cladding layer

88th

, ,

99

Kontaktschicht
Contact layer

1010th

, ,

1111

, ,

1212th

Abschnitt des Streifenwellenleiters Section of the strip waveguide

11

1313

, ,

1616

keilförmige Schicht
wedge-shaped layer

1414

, ,

1515

Endflächen des Streifenwellenleiters End faces of the strip waveguide

11

1717th

Schattenmaske
Shadow mask

1818th

Mittelteil der Schattenmaske Middle part of the shadow mask

1717th

1919th

Rotationsachse
Axis of rotation

2020th

, ,

2121

Verdampferquelle
Evaporator source

2222

, ,

2323

, ,

2424th

, ,

2525th

Halbschattengebiete
a Abstand
α Winkel
Γ Füllfaktor
Penumbra areas
a distance
α angle
Γ fill factor

Claims

1. Laser diode with a small radiation angle in the form of a strip waveguide, which has two opposite end faces, consisting of at least one layer sequence on a doped semiconductor substrate, which consists of a lower cladding layer with the same doping, from a lower waveguiding layer also with the same doping, and an undoped active Layer system, an upper waveguide layer of opposite doping and an overlying upper cladding layer is also composed to the semiconductor substrate of opposite doping, and which is provided on the underside of the semiconductor substrate and on the upper cladding layer with an electrical contact layer, characterized in that the The laser diode is divided into three sections ( 10 , 11 , 12 ) in the longitudinal direction of the strip waveguide, the thickness of the upper and lower waveguide being the active area of the strip waveguide in the central section ( 10 ) tion layer ( 6 , 4 ) for the purpose of a maximum optical field with regard to the highest possible fill factor value (Γ) of the strip waveguide ( 1 ) and that for the purpose of the smallest possible radiation angle in the two outer sections ( 11 , 12 ) the upper and / or the lower waveguide layer ( 6 or 4 ) consists of two superimposed partial layers ( 6 a, 6 b or 4 a, 4 b) each with the same doping as in the associated central section ( 10 ), between which there is an undoped or with opposite doping weakly doped wedge-shaped layer ( 13 or 14 ) is located, the greatest thickness of which is at the end faces ( 14 , 15 ) of the strip waveguide ( 1 ) and the refractive index of which is greater than that of the respective waveguiding layer ( 6 or 4 ) and smaller than that of the active one Layer system ( 5 ) is.

2. Laser diode according to claim 1, characterized in that the electrical contact layer ( 8 ) located on the cladding layer ( 7 ) is applied only in the region of the central section ( 10 ) as the active region of the strip waveguide ( 1 ).

3. A method for producing a laser diode with a small beam angle in the form of a strip waveguide using molecular beam epitaxy technology, in which the semiconductor substrate rotates about an axis perpendicular to the surface of the semiconductor substrate for epitaxial deposition of the layers of the strip waveguide and in a ring shape in the evaporator sources relative to the semiconductor substrate this axis can be arranged, characterized in that for the purpose of realizing an outer section ( 11 , 12 ) of the strip waveguide ( 1 ) towards its end faces ( 14 , 15 ) each in an upper and a lower sub-layer ( 6 a, 6 b or 4 a, 4 b) splitting waveguide layer ( 6 or 4 ), between the partial layers ( 6 a, 6 b or 4 a, 4 b) undoped or weakly doped with the opposite to the waveguide layer ( 6 or 4 ) doped wedge-shaped layers ( 13 or 16 ) are embedded,

- The lower partial layer ( 6 a or 4 a) is first epitaxially deposited in a manner known per se,
- Then at a defined distance a to the surface of the semiconductor substrate ( 2 ) a preferably made of silicon shadow mask ( 17 ) is arranged, which shades the central region ( 10 ) of the semiconductor substrate ( 2 ) and adjoins penumbra areas ( 23 , 24 ) , which give rise to the wedge-shaped layers ( 13 and 16 ) during the epitaxial layer deposition in the outer sections ( 11 , 12 ), and
- After removing the shadow mask ( 17 ), the upper partial layer ( 6 b or 4 b) is also applied in a manner known per se.