DE19900816C2 - Vertikalresonator-Laserdiode mit optimierter aktiver Fläche, sowie Laserzeiger oder Laserpointer - Google Patents

Vertikalresonator-Laserdiode mit optimierter aktiver Fläche, sowie Laserzeiger oder Laserpointer

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Description

In zahlreichen technischen Anwendungen werden optische Abbil­ dungen eingesetzt, um ein bestimmtes Lichtmuster zu erzeugen. Im sichtbaren Spektralbereich können diese Muster für den menschlichen Betrachter Hinweise enthalten, wie z. B. Pfeile oder Schriftzeichen. In allen Spektralbereichen, einschließ­ lich sichtbarem Licht und Infrarotstrahlung, können Muster zur Kodierung von Information dienen, z. B. Codes in Form von ein- bzw. ausgeschalteten Matrixelementen für Zugangsberech­ tigungen etc. Schließlich können Lichtmuster auch in Positio­ niersystemen eingesetzt werden, um eine optische Lagebestim­ mung vornehmen zu können.
Zur Erzeugung dieser Lichtmuster werden meist passive opti­ sche Systeme eingesetzt, die aus der Lichtstrahlung der akti­ ven Komponenten, wie Laser oder LEDs, die entsprechenden Lichtmuster erzeugen. Es ist jedoch bisher noch nicht in aus­ reichendem Umfang möglich gewesen, mit herkömmlichen Lasern, Laserdioden oder LEDs, die gewünschten Lichtmuster direkt zu erzeugen. Bisher wurden für solche Zwecke hauptsächlich holo­ graphische Gitter oder im einfachsten Fall Schattenmasken zur Erzeugung von optischen Mustern aus Laserstrahlung einge­ setzt. Bei Sieben-Segnent-Anzeigen und Matrixanzeigen können beispielsweise optische Muster direkt aus makroskopisch ange­ ordneten mehreren LED-Chips erzeugt werden. Die Anwendbarkeit derartiger Anzeigevorrichtungen ist jedoch begrenzt, da das Anzeigefeld praktisch durch die lichtemittierenden Flächen der LEDs selbst gebildet wird. Es ist mit derartigen Anzeige­ vorrichtungen bisher nicht möglich gewesen, das Anzeigefeld auf eine entfernte Fläche abzubilden, wo es von einem Be­ trachter erkannt werden kann.
Demgemäß liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, eine Laserdiode zu schaffen, mit der durch eine ein­ fache optische Abbildung ein optisches Muster auf einer Flä­ che erzeugt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demnach betrifft die vorliegende Erfindung eine Vertikalreso­ nator-Laserdiode, bei der zwischen einer ersten Bragg-Reflek­ tor-Schichtenfolge und einer zweiten Bragg-Reflektor-Schich­ tenfolge, von denen jede eine Mehrzahl von Spiegelpaaren auf­ weist, eine aktive Schichtenfolge zur Erzeugung von Laser­ strahlung angeordnet ist, die beiden Bragg-Reflektor-Schich­ tenfolgen einen Laser-Resonator bilden, die beiden Bragg-Re­ flektor-Schichtenfolgen und die aktive Schichtenfolge zwi­ schen einer ersten und einer zweiten elektrischen Kontakt­ schicht angeordnet sind, eine der beiden Bragg-Reflektor- Schichtenfolgen für die in der aktiven Schichtenfolge er­ zeugte Laserstrahlung teildurchlässig ist, mindestens eine Stromapertur zur Begrenzung des gepumpten aktiven Bereiches der aktiven Schichtenfolge durch Bündelung des im Betrieb der Vertikalresonator-Laserdiode durch die aktive Schichtenfolge fließenden Betriebsstroms vorgesehen ist, wobei die Strom­ durchlaßöffnung der mindestens einen Stromapertur eine solche Geometrie aufweist, daß der von ihr definierte aktive Bereich der aktiven Schichtfolge die Form eines zu erzeugenden opti­ schen Lichtmusters aufweist.
Die hier zu beschreibende Erfindung basiert somit auf der Tatsache, daß Vertikalresonator-Laserdioden (VCSELs) eine große Freiheit in der Formgebung der aktiven Fläche bieten. Damit ist es möglich, einfache Strukturen, wie Pfeile oder nebeneinanderliegende Rechteckflächen, direkt als Strahlungs­ nahfeld der Laserdiode zu gewinnen.
Mit Stromapertur ist dabei eine Stromeinschnürungseinrichtung gemeint, die zur Bündelung des im Betrieb der Laserdiode durch die aktive Schichtenfolge fließenden Betriebsstroms und damit zur Begrenzung des Querschnitts des gepumpten aktiven Bereichs der aktiven Schichtenfolge dient. Die Stromapertur ist jeweils in einer der Schichten, der sogenannten Apertur­ schicht, der oberen Bragg-Reflektor-Schichtenfolge angeord­ net. Sie Stromapertur kann beispielsweise durch teilweise la­ terale Oxidation der Aperturschicht erzeugt werden. Dadurch wird in diesen Bereichen der elektrische Widerstand erhöht, so daß der Strom durch die nicht-oxidierten Bereiche fließt, die einen geringeren elektrischen Widerstand aufweisen. Denk­ bar ist jedoch für die Erzeugung der Stromapertur auch eine Ionen- oder Protonenimplantation, durch die bestimmte Berei­ che gezielt geschädigt werden können, wodurch ihr elektri­ scher Widerstand gesteigert werden kann.
Nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bezieht sich die Erfindung somit auf eine Vertikalresonator-Laserdiode (VCSEL), wie sie beispielsweise aus der US-A-5,493,577 be­ kannt ist.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Er­ findung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 der epitaktische Schichtaufbau eines Ausführungsbei­ spiels einer erfindungsgemäßen Vertikalresonator-Laserdiode;
Fig. 2 eine einfache optische Abbildung der aktiven Fläche ei­ ner Vertikalresonator-Laserdiode;
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Verti­ kalresonator-Laserdiode, deren aktive Fläche die Form eines Pfeils besitzt;
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Verti­ kalresonator-Laserdiode mit drei getrennten aktiven Berei­ chen, die jeweils die Form eines Rechteckes aufweisen.
Fig. 1 zeigt den epitaktischen Schichtaufbau eines Ausfüh­ rungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vertikalresonator-La­ serdiode 1. Auf einem GaAs-Substrat 6 befindet sich eine er­ ste, untere Bragg-Reflektor-Schichtenfolge 2, die aus einzel­ nen identischen Spiegelpaaren 22 aufgebaut ist. Die Spiegel­ paare bestehen jeweils aus zwei AlGaAs-Schichten unterschied­ licher Bandlücke. In gleicher Weise ist eine zweite, obere Bragg-Reflektor-Schichtenfolge 4 aus entsprechenden Spiegel­ paaren 44 aufgebaut. Zwischen der unteren und der oberen Bragg-Reflektor-Schichtenfolge ist eine aktive Schichtenfolge 3 eingebettet, die eine aktive Zone 3a aufweist. Auf der obe­ ren Bragg-Reflektor-Schichtenfolge 4 befindet sich eine erste Metallisierungsschicht 7, die für den elektrischen Anschluß der p-dotierten Seite der Vertikalresonator-Laserdiode 1 ver­ wendet wird. Die erste Metallisierungsschicht 7 weist eine zentrale Öffnung für den Durchtritt der Laserstrahlung 9 auf. Die n-dotierte Seite der Diode wird üblicherweise über eine am Substrat 6 kontaktierte zweite Metallisierungsschicht 8 elektrisch angeschlossen. Oberhalb der aktiven Schichtenfolge 3 ist die Laserdiode 1 durch einen Ätzvorgang in geeigneter Weise strukturiert (Mesastruktur).
Die obere Bragg-Reflektor-Schichtenfolge 4 enthält in dem Ausführungsbeispiel zwei Spiegelpaare 44, die jeweils Strom­ aperturen 41, 42 enthalten. Die Stromaperturen 41, 42 sorgen für eine laterale Strombegrenzung und definieren damit die eigentliche aktive lichtemittierende Fläche 3b in der aktiven Zone 3a. Der Stromfluß wird durch die Wirkung der Stromaper­ turen 41, 42 auf einen Bereich 5 beschränkt, wie er in der Figur durch die beiden Pfeile seitlich begrenzt wird.
Die Stromaperturen 41, 42 können in bekannter Weise durch partielle Oxidation der AlGaAs-Schichten der Spiegelpaare hergestellt werden. Die Spiegelpaare bestehen jeweils aus zwei Schichten unterschiedlicher Al-Konzentration und somit unterschiedlicher Bandlücke. Die als Aperturschicht eines Spiegelpaars verwendete AlGaAs-Schicht ist die Schicht mit der hohen Al-Konzentration, weist aber im Vergleich mit den hochaluminiumhaltigen Schichten der anderen Spiegelpaare eine besonders hohe Al-Konzentration, beispielsweise im Bereich zwischen 0,8 und 1 auf, da bekanntermaßen mit steigendem Al- Gehalt auch die laterale Oxidationsgeschwindigkeit zunimmt. Damit kann nach Herstellung der gesamten Schichtstruktur die Oxidation durchgeführt werden und erfolgt bevorzugt in den Aperturschichten.
Die Herstellung der Stromaperturen kann auch durch eine Io­ nen- oder Protonenimplantation erfolgen, durch die das Mate­ rial der Aperturschicht geschädigt werden kann und somit der elektrische Widerstand in den gewünschten räumlichen Berei­ chen der Aperturschicht gezielt gesteigert werden kann. Die­ ses Verfahren bietet die Möglichkeit, durch Einsatz der Mas­ kentechnik eine Stromapertur einer gewünschten lateralen Geo­ metrie herzustellen.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind zwei Stromaperturen 41 und 42 zur Einschnürung des Betriebsstromes vorgesehen. Dies ist bei der vorliegenden Erfindung jedoch nicht zwingend und es kann anstelle von zwei Stromaperturen auch eine ein­ zelne Stromapertur zum Einsatz kommen. Wie schon in der älte­ ren, Stand der Technik nach §3(2) PatG bildenden, Druck­ schrift DE-198 13 727 A1 beschrieben, kann es bei Verwendung von nur einer Stromapertur zu einer hohen Stromdichte an dem Öffnungsrand der Stromapertur kommen. Daher ist es von Vor­ teil, wenn eine Mehrzahl von Stromaperturen vorhanden ist, da dann der Betriebsstrom schrittweise in Richtung auf die ak­ tive Fläche 3b eingeschnürt wird.
Normalerweise weist die aktive Fläche 3b von Vertikalresona­ tor-Laserdioden eine runde oder quadratische Form auf. Die erfindungsgemäße Vertikalresonator-Laserdiode zeichnet sich jedoch dadurch aus, daß die aktive Fläche eine Form aufweist, die für die jeweilige Anwendung optimiert ist, um eine einfa­ che geometrische Abbildung zu ermöglichen. Eine solche Abbil­ dung ist beispielsweise in der Fig. 2 dargestellt. Dabei tritt die aus der Vertikalresonator-Laserdiode 1 austretende Laser­ strahlung durch eine Linse 20, die in einem Abstand von der Laserdiode 1 angeordnet ist. Durch die Linse 20 wird auf ei­ ner Fläche 30 eine Abbildung der aktiven, lichtemittierenden Fläche 3b der Laserdiode erzeugt. Somit wird auf der Fläche 30 ein der Form der aktiven Fläche entsprechendes optisches Muster erzeugt. Die Linse 20 kann beispielsweise eine kurz­ brennweitige Linse sein und unmittelbar vor dem Licht­ austrittsfenster der Laserdiode auf geeignete Weise angeord­ net und mit der Laserdiode verbunden sein.
Der Vorteil der hier beschriebenen Erfindung liegt darin, daß einfache geometrische Formen direkt im Nahfeld der Laserdiode erzeugt werden und auf einfache Art in derartigen optischen Abbildungen verwendet werden können. Eine aufwendige Montage von relativ teuren, optisch-holographischen Elementen ent­ fällt und die Laserstrahlung wird effizient ausgenutzt, was insbesondere für batteriebetriebene Geräte wie Laserzeiger oder Laser-Pointer sehr wichtig ist.
In den Fig. 3 und 4 sind Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Fig. 3 zeigt als Beispiel die Draufsicht auf eine mesageätzte Vertikalresonator-Laserdiode 1, deren aktive Fläche 3b die Form eines Pfeils besitzt. Diese Form ist für visuelle Abbildungen geeignet, zum Beispiel im Einsatz von Laser-Pointern. Die Metallisierungsschicht 7 für den p-Kon­ takt bildet eine Umrandung um die aktive Fläche 3b. Die ak­ tive Fläche 3b wird durch die unterste Stromapertur 42 defi­ niert und begrenzt. Eine weitere Metallfläche 71, die über einen Steg auf der erhöhten, mesageätzten Struktur mit der Metallisierungsschicht 7 verbunden ist, dient als Bondpad zur Kontaktierung der Laserdiode 1 mit einer äußeren elektrischen Schaltung.
Es besteht auch die Möglichkeit, mehrere aktive Bereiche ne­ beneinander anzuordnen und parallel zu betreiben. Um sehr feine optische Strukturen im Bereich einiger Mikrometer im Bereich der Nahfeldes der Vertikalresonator-Laserdiode zu er­ zeugen, können auch noch absorbierende Schichten, beispiels­ weise aus Metallfilmen, auf dem oberen Bragg-Reflektor über der aktiven Fläche aufgebracht werden. Dadurch wird die Nah­ feldintensität moduliert, was einer mit der Laserdiode in­ tegrierten Schattenmaske entspricht. Ein Beispiel einer sol­ chen Ausführungsform ist in Fig. 4 dargestellt, welche eine Vertikalresonator-Laserdiode mit drei voneinander getrennten, mesageätzten Bereichen 1A, 1B und 1C zeigt, die jeweils die Form eines Rechteckes aufweisen. Die Bereiche weisen jeweils eine eigene aktive Fläche 3b auf. Dadurch ergibt sich ein op­ tisches Nahfeld, das ebenfalls durch drei Rechteckflächen ge­ bildet wird. Die drei aktiven Bereiche werden gleichermaßen elektrisch über einen gemeinsamen Bondpad 71 angesteuert. In diesem Beispiel werden zusätzlich über jeder aktiven Fläche Metallisierungsstreifen 7a angeordnet, die eine Feinstruktu­ rierung des Nahfeldes bewirken und gleichzeitig für eine ho­ mogene Stromzufuhr in die aktive Zone sorgen.
Derartige optisch absorbierende Strukturen wie die Metalli­ sierungsstreifen 7a sind nicht auf die Ausführungsform der Fig. 4 beschränkt, sondern können auch in der Ausführungsform der Fig. 3, also in Verbindung mit nur einem aktiven Bereich einer Vertikalresonator-Laserdiode verwendet werden.
Bezugszeichenliste
1
Vertikalresonator-Laserdiode
2
erste Bragg-Reflektor-Schichtenfolge
3
aktive Schichtenfolge
3
a aktive Zone
3
b aktive (lichtemittierende) Fläche
4
zweite Bragg-Reflektor-Schichtenfolge
5
Bereich (der Stromeinschnürung)
6
Substrat
7
erste Kontaktschicht
8
zweite Kontaktschicht
9
Laserstrahlung
10
Linse
20
Fläche (für die Abbildung)
22
Spiegelpaar (der ersten Bragg-Reflektor- Schichtenfolge
2
)
41
zweite Stromapertur
42
erste Stromapertur
44
Spiegelpaar (der zweiten Bragg-Reflektor- Schichtenfolge
4
)

Claims (12)

1. Vertikalresonator-Laserdiode (1), bei der
  • - zwischen einer ersten Bragg-Reflektor-Schichtenfolge (2) und einer zweiten Bragg-Reflektor-Schichtenfolge (4), von denen jede eine Mehrzahl von Spiegelpaaren (22, 44) auf­ weist, eine aktive Schichtenfolge (3) zur Erzeugung von Laserstrahlung (6) angeordnet ist,
  • - die beiden Bragg-Reflektor-Schichtenfolgen (2, 4) einen Laser-Resonator bilden,
  • - die beiden Bragg-Reflektor-Schichtenfolgen (2, 4) und die aktive Schichtenfolge (3) zwischen einer ersten (7) und einer zweiten elektrischen Kontaktschicht (8) angeordnet sind,
  • - eine (4) der beiden Bragg-Reflektor-Schichtenfolgen (2, 4) für die in der aktiven Schichtenfolge (3) erzeugte Laser­ strahlung teildurchlässig ist,
  • - in der einen (4) der beiden Bragg-Reflektor-Schichtenfol­ gen (2, 4) mindestens eine Stromapertur (41, 42) zur Be­ grenzung des gepumpten aktiven Bereiches (3b) der aktiven Schichtenfolge (3) durch Bündelung des im Betrieb der Ver­ tikalresonator-Laserdiode durch die aktive Schichtenfolge (3) fließenden Betriebsstroms vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Stromdurchlassöffnung der mindestens einen Stromaper­ tur (41, 42) eine solche Geometrie aufweist, daß der von ihr definierte aktive Bereich (3b) der aktiven Schicht­ folge (3) die Form eines zu erzeugenden optischen Lichtmu­ sters aufweist.
2. Vertikalresonator-Laserdiode (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - eine Mehrzahl von Stromaperturen (41, 42) mit unterschied­ lich großen Stromdurchlaßöffnungen vorgesehen ist und die Größen der Stromdurchlaßöffnungen in Richtung von der ak­ tiven Schichtenfolge weg zu der einen (4) der Bragg-Re­ flektor-Schichtenfolgen hin zunehmen und der aktive Be­ reich von der untersten Stromapertur (42) definiert wird.
3. Vertikalresonator-Laserdiode (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die die mindestens eine Stromapertur (41, 42) enthaltende Schicht der einen Bragg-Reflektor-Schichtenfolge (4) ein oxidierbares elektrisch leitendes Material aufweist.
4. Vertikalresonator-Laserdiode (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Spiegelpaare (44) der einen Bragg-Reflektor-Schichten­ folge (4) jeweils aus zwei AlGaAs-Schichten unterschiedli­ cher Al-Konzentration und somit unterschiedlicher Band­ lücke bestehen und die die mindestens eine Stromapertur (41, 42) enthaltende Schicht der einen Bragg-Reflektor- Schichtenfolge (4) eine relativ hohe Al-Konzentration auf­ weist.
5. Vertikalresonator-Laserdiode (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die mindestens eine Stromapertur (41, 42) durch Protonen- oder Ionenimplantation hergestellt ist.
6. Vertikalresonator-Laserdiode (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - an einer Lichtaustrittsöffnung der Laserdiode (1) optisch absorbierende Strukturen (7a) angeordnet sind.
7. Vertikalresonator-Laserdiode (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Lichtaustrittsöffnung in der ersten Kontaktschicht (7) gebildet ist und die optisch absorbierenden Strukturen (7a) Teil der ersten Kontaktschicht (7) sind.
8. Vertikalresonator-Laserdiode (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
- das optische Lichtmuster durch eine optische Abbildung er­ zeugt wird und zu diesem Zweck eine Linse (20) vor eine Lichtaustrittsöffnung der Laserdiode (1) montiert ist.
9. Vertikalresonator-Laserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - sie aus einer Mehrzahl aktiver Bereiche (1A, 1B, 1C) be­ steht, die auf ein- und demselben Substrat (6) angeordnet sind.
10. Vertikalresonator-Laserdiode nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die aktiven Bereiche (1A, 1B, 1C) jeweils eine erste Kon­ taktschicht (7) aufweisen und die Kontaktschichten (7) mit einer gemeinsamen Metallfläche (71) zur elektrischen Kon­ taktierung verbunden sind.
11. Laserzeiger oder Laserpointer mit einer Vertikalresona­ tor-Laserdiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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