DE19934097A1 - Diode cascade laser, e.g. for pumping solid state lasers, has strip waveguide with highly refractive guiding layer between 2 cladding layers, enabling number of modes to be conducted - Google Patents

Diode cascade laser, e.g. for pumping solid state lasers, has strip waveguide with highly refractive guiding layer between 2 cladding layers, enabling number of modes to be conducted

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Abstract

The laser has semiconducting layers with alternately stacked quantum wells (2) and tunnel contacts (3) in the form of a strip waveguide on a semiconducting substrate with a highly refractive wave guiding layer (8) between two low refractive cladding layers (6,7), enabling a number Z greater than 3 of optical modes to be conducted. The difference in the squares of the refractive indices of the wave guiding and cladding layers is at least one. The wave guiding layer has Z-2 p-n junctions and embedded quantum wells stacked with Z-3 tunnel contacts with the quantum wells and tunnel contacts in the field strength maxima and minima of the highest mode respectively. The light outlet facet is inclined to the normal to the semiconducting layers and the rear facet is perpendicular to the longitudinal direction of the waveguide. An Independent claim is also included for a surface emitting array of diode cascade lasers.

Description

Die Erfindung betrifft einen Diode Kaskade Laser aus Halbleiterschichten mit wechselseitig übereinander gestapelten Quantum Wells und Tunnelkontakten in der Form eines Streifenwellenleiters auf einem Halbleitersubstrat.The invention relates to a diode cascade laser with semiconductor layers mutually stacked quantum wells and tunnel contacts in the Form of a strip waveguide on a semiconductor substrate.

Die Stapelung von Laserdioden erfolgt in erster Linie mit der Zielstellung, eine hohe optische Ausgangsleistung zu realisieren. Es ist bekannt, Substrate mit Streifenwellenleiterlasern übereinander zu stapeln und elektrisch in Serie zu schalten, um die Lichtleistung eindimensionaler Laserdiodenarrays zu vergrößern und die Betriebsspannung zu erhöhen (DE 43 38 772; EP 0649202; US 5764675; Quantum Electronics 26 (1996) Seite 949). Die elektrische Serienschaltung der Diodenarrays hat gegenüber der Parallelschaltung den Vorteil, daß die Lichtleistung mit einem geringeren Betriebsstrom erzeugt wird, was die Wärmebelastung der elektrischen Stromzuführungen vermindert. Eine solche Anordnung aus gestapelten Halbleiterlasern besitzt zwei wesentliche Mängel: Erstens ist die Strahlqualität der eingesetzten Streifenwellenleiterlaser wegen der großen Strahldivergenz in der Ebene senkrecht zur Substratebene (fast axis) mit einem Öffnungswinkel von 40° bis 60° fifr die Strahlführung nicht gut geeignet und führt deshalb zu optischen Verlusten und zweitens ist die Flächenleuchtdichte wegen des relativ großen vertikalen Abstandes der gestapelten Halbleiterlaserbarren im Millimeterbereich relativ gering.The stacking of laser diodes takes place primarily with the goal of a high to realize optical output power. It is known to use substrates Stacking strip waveguide lasers on top of one another and electrically connecting them in series, to increase the light output of one-dimensional laser diode arrays and the Increase operating voltage (DE 43 38 772; EP 0649202; US 5764675; Quantum Electronics 26 (1996) page 949). The electrical series connection of the diode arrays has the advantage over the parallel connection that the light output with a lower operating current is generated, which is the heat load of the electrical Power supplies reduced. Such an arrangement of stacked Semiconductor lasers have two major shortcomings: First, the beam quality is used strip waveguide lasers because of the large beam divergence in the plane perpendicular to the substrate plane (fast axis) with an opening angle of 40 ° to 60 ° fifr the beam guidance is not well suited and therefore leads to optical losses and second is the surface luminance because of the relatively large vertical distance of the stacked semiconductor laser bars in the millimeter range relatively low.

Bekannt ist auch die monolithische Stapelung von Streifenwellenleiterlasern auf einem Substrat, um neben der optischen Ausgangsleistung auch die Leistungsdichte zu erhöhen. Dazu wurden bisher drei unterschiedliche Varianten getestet:
In einer ersten Variante wurden zwei komplette Streifenwellenleiter- Laserschichtsysteme mit Claddingschichten oberhalb und unterhalb der aktiven Zone mittels zwischengeschalteter Tunnelkontakte übereinander angeordnet (J. Ch. Garcia, Abstract Book of the X. International MBE Conference 31. 08.-04. 09. 1998 in Cannes, Frankreich, Seite 148). Eine solche Anordnung besitzt gegenüber den hybrid gestapelten Halbleiterlasern eine höhere Flächenleuchtdichte, jedoch ist der Öffnungswinkel des abgestrahlten Lichtes ebenso groß wie bei einem einzelnen Streifenwellenleiterlaser und der Wirkungsgrad der Anordnung ist durch den zusätzlichen Spannungsabfall am Tunnelkontakt abgesenkt. Außerdem kommen durch Fertigungstoleranzen unterschiedliche Lichtabstrahlungen der gestapelten Streifenwellenleiterlaser zustande, weil diese optisch nicht miteinander gekoppelt sind.The monolithic stacking of strip waveguide lasers on a substrate is also known in order to increase the power density in addition to the optical output power. So far, three different variants have been tested:
In a first variant, two complete strip waveguide laser layer systems with cladding layers above and below the active zone were arranged one above the other by means of tunnel contacts (J. Ch. Garcia, Abstract Book of the X. International MBE Conference 31. 08.-04. 09. 1998 in Cannes, France, page 148). Such an arrangement has a higher surface luminance compared to the hybrid stacked semiconductor lasers, however the opening angle of the emitted light is just as large as in the case of a single strip waveguide laser and the efficiency of the arrangement is reduced by the additional voltage drop at the tunnel contact. In addition, different light emissions of the stacked strip waveguide lasers arise due to manufacturing tolerances because these are not optically coupled to one another.

In einer zweiten Variante wurden monolithische Diode Kaskade Laser für den infraroten Spektralbereich unter Benutzung von Typ II Heterostrukturen erprobt (Applied Physics Letters 72 (1998) Seite 2220; Applied Physics Letters 72 (1998) Seite 2093). Obwohl die prinzipielle Funktionsweise dieser Laser nachgewiesen werden konnte, blieben die erreichten Wirkungsgrade gering. Die Ursache dafür ist darin zu suchen, dass die vertikale Feldführung nur mit einer hochbrechenden aktiven Zone mit den kaskadierten p-n-Übergängen zwischen zwei niedrigbrechenden Claddingschichten realisiert wurde. Dadurch ist der Überlapp zwischen optischem Feld und den lichtemittierenden Quantum Wells gering und die Schwellstromdichte für die Lasertätigkeit entsprechend hoch.In a second variant, monolithic diode cascade lasers for the infrared spectral range tested using type II heterostructures (Applied Physics Letters 72 (1998) page 2220; Applied Physics Letters 72 (1998) Page 2093). Although the principle of operation of these lasers is proven the achieved efficiencies remained low. The reason for this is to look in that the vertical field guidance only with a high refractive active Zone with the cascaded p-n junctions between two low refractive indexes Cladding layers was realized. This is the overlap between optical Field and the light emitting quantum wells low and the threshold current density correspondingly high for laser activity.

Eine dritte Variante ist ein vertikal emittierender Laser (VCSEL) in der Form eines Diode Kaskade Lasers. Dazu gibt es einen Designvorschlag (Applied Physics Letters 73 (1998) 1475) und Experimente mit einem Tunnelkontakt-VCSEL (K. J. Ebeling u. a., Vortrag auf der 50. Scottish Universities Summer School in Physics, St. Andrews, Scotland 21. 06.-04. 07. 1998). Dabei wurde die bei vertikal emittierenden Laserdioden übliche Farby-Perot-Anordnung mit zwei Bragg- Reflektoren (siehe zum Beispiel US 5594751, US 5753941, US 5544193) dahingehend geändert, dass zwei p-n-Übergänge über einen Tunnelkontakt innerhalb des Resonators in Reihe geschaltet wurden. Wegen der relativ geringen Verstärkung eines vertikal emittierenden Lasers im Vergleich zu Streifenwellenleiterlasern ergeben sich jedoch bei den notwendigen hohen Stromdichten für den Laserbetrieb starke Degradationserscheinungen, die durch die hohe Dotierung des Tunnelkontaktes und der am Tunnelkontakt entstehenden Verlustleistung verursacht werden. Diese Degradation führt zu geringen Lebensdauern eines solchen Bauelementes.A third variant is a vertically emitting laser (VCSEL) in the Form of a diode cascade laser. There is a design proposal (Applied Physics Letters 73 (1998) 1475) and experiments with a tunnel contact VCSEL (K. J. Ebeling et al., Lecture at the 50th Scottish Universities Summer School in Physics, St. Andrews, Scotland 21. 06.-04. 07. 1998). It was the vertical emitting laser diodes usual Farby-Perot arrangement with two Bragg- Reflectors (see for example US 5594751, US 5753941, US 5544193) changed in that two p-n junctions via a tunnel contact inside of the resonator were connected in series. Because of the relatively low gain of a vertically emitting laser compared to strip waveguide lasers however, the high current densities required for laser operation result strong signs of degradation caused by the high doping of the tunnel contact and the power loss that arises at the tunnel contact. This Degradation leads to a short lifespan of such a component.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen monolithischen Diode Kaskade Laser zu realisieren, der das Licht mit einem geringen Öffnungswinkel in der fast axis kohärent abstrahlt, eine hohe Flächenleuchtdichte, einen großen Wirkungsgrad und eine große Lebensdauer besitzt. Diese Aufgabe wird für einen Diode Kaskade Laser aus Halbleiterschichten mit wechselseitig übereinander gestapelten Quantum Wells und Tunnelkontakten in der Form eines durch die Anwendung der Merkmale der im Patentanspruch 1 dargestellten Anordnung gelöst. Eine Weiterbildung der Erfindung geht aus dem Anspruch 2 hervor.It is the object of the present invention to create a monolithic diode cascade Realize laser that the light with a small opening angle in the fast axis  emits coherent, high surface luminance, high efficiency and has a long lifespan. This task is done for a diode cascade laser from semiconductor layers with mutually stacked quantum wells and tunnel contacts in the form of a through the application of the features of the Claim 1 arrangement solved. A further development of the invention emerges from claim 2.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass der Diode Kaskade Laser aus einem mehrmodigen Streifenwellenleiter mit mehreren übereinander gestapelten Dioden besteht. Im Gegensatz zu üblichen Streifenwellenleiterlasern wird ein mehrmodiger Wellenleiter verwendet, der mindestens 4 optische Moden fuhren kann. Ist Z die Anzahl der geführten optischen Moden, nw die Brechzahl der hochbrechenden Wellenführungsschicht und nc die Brechzahl der niedrigbrechenden Claddingschicht, so muss der Unterschied der Brechzahlen nw und nc mindestens so groß sein, dass die Ungleichung Z < (Z-1).(nw 2-nc 2)1/2 erfüllt ist. Für eine Anordnung mit einer dicken Wellenführungsschicht und entsprechend großer Anzahl geführter Moden vereinfacht sich diese Bedingung näherungsweise zu der Ungleichung 1 < (nw 2-nc 2)1/2. Die Wellenführungsschicht besteht aus Z-2 p-n- Übergängen und darin eingebetteten Quantum Wells, welche mittels Z-3 Tunnelkontakten übereinander gestapelt sind. Die Z-2 Quantum Wells befinden sich in den innen liegenden Feldstärkemaxima der höchsten (Z-ten) optischen Mode. Die Tunnelkontakte sind zwischen ihnen in den Feldstärkeminima angeordnet. Die beiden außen liegenden Feldstärkemaxima der höchsten geführten Mode befinden sich an den Grenzflächen zwischen der Wellenführungsschicht und den beiden angrenzenden Claddingschichten. Dadurch, dass der Unterschied der Brechzahlen zwischen Wellenführungsschicht und den Claddingschichten so groß wie angegeben ist, ist der Abstand der in benachbarten Feldstärkemaxima der höchsten optischen Mode angeordneten Quantum Wells geringer als eine halbe Vakuumwellenlänge des emittierten Laserlichts. Diese Mode ist die sich einstellende Lasermode, da die optisch absorbierenden hochdotierten Tunnelkontakte in den Feldstärkeminima nur dieser Mode liegen. Diese Mode ist jedoch in Vakuum oder in Luft nicht ausbreitungsfähig, weshalb sie an einer senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Mode stehenden Facette (Endfläche des Streifenwellenleiters) total reflektiert wird. Dadurch ist die sonst übliche Verspiegelung der rückseitigen Laserfacette nicht erforderlich. Um aber aus der frontseitigen Laserfacette Licht austreten zu lassen, wird diese Lichtaustrittsfacette des Diode Kaskade Lasers um einen Winkel 9 gegen die Normale zu den Halbleiterschichten geneigt. Die Neigungsachse liegt dabei senkrecht zur Längsrichtung des Streifenwellenleiters in der Schichtebene. Der Neigungswinkel ϕ wird dabei so gewählt, dass die Gleichung ϕ = arc tan {[(Z-1)/Z].(1-nc 2/nw 2)1/2} erfüllt ist. Führt man die Dicke d der hochbrechenden Wellenführungsschicht und die Vakuumwellenlänge λ des Laserlichtes ein, so kann der Winkel ϕ auch mit der Beziehung ϕ = arc tan {λ.(Z-1)/(2nwd)} berechnet werden. Das Laserlicht wird senkrecht zur Lichtaustrittsfacette im Winkel ϕ gegen das Halbleitersubstrat nach oben abgestrahlt. Der Öffnungswinkel des abgestrahlten Lichtes in der fast axis ist näherungsweise durch das Verhältnis der Vakuumwellenlänge λ zur Dicke d der hochbrechenden Wellenführungsschicht gegeben.According to the invention, the object is achieved in that the diode cascade laser consists of a multi-mode strip waveguide with a plurality of diodes stacked one above the other. In contrast to conventional strip waveguide lasers, a multi-mode waveguide is used which can drive at least 4 optical modes. If Z is the number of guided optical modes, n w is the refractive index of the high-index waveguiding layer and n c is the refractive index of the low-refractive cladding layer, then the difference between the refractive indices n w and n c must be at least so large that the inequality Z <(Z-1 ). (n w 2 -n c 2 ) 1/2 is satisfied. For an arrangement with a thick waveguiding layer and a correspondingly large number of guided modes, this condition is simplified approximately to the inequality 1 <(n w 2 -n c 2 ) 1/2 . The waveguide layer consists of Z-2 pn junctions and embedded quantum wells, which are stacked on top of each other using Z-3 tunnel contacts. The Z-2 Quantum Wells are located in the internal field strength maxima of the highest (Z-th) optical mode. The tunnel contacts are arranged between them in the field strength minima. The two external field strength maxima of the highest guided mode are located at the interfaces between the wave guide layer and the two adjacent cladding layers. Because the difference in the refractive indices between the waveguiding layer and the cladding layers is as large as indicated, the distance between the quantum wells arranged in adjacent field strength maxima of the highest optical mode is less than half a vacuum wavelength of the emitted laser light. This mode is the laser mode that arises, since the optically absorbing, highly doped tunnel contacts lie in the field strength minima of only this mode. However, this mode cannot propagate in vacuum or in air, which is why it is totally reflected on a facet perpendicular to the direction of propagation of the mode (end face of the strip waveguide). As a result, the otherwise customary mirroring of the rear laser facet is not necessary. However, in order to allow light to emerge from the laser facet on the front, this light exit facet of the diode cascade laser is inclined by an angle 9 relative to the normal to the semiconductor layers. The inclination axis is perpendicular to the longitudinal direction of the strip waveguide in the layer plane. The angle of inclination ϕ is chosen so that the equation ϕ = arc tan {[(Z-1) / Z]. (1-n c 2 / n w 2 ) 1/2 } is satisfied. If one introduces the thickness d of the highly refractive waveguiding layer and the vacuum wavelength λ of the laser light, then the angle ϕ can also be calculated with the relationship ϕ = arc tan {λ. (Z-1) / (2n w d)}. The laser light is emitted perpendicular to the light exit facet at an angle ϕ against the semiconductor substrate. The opening angle of the emitted light in the fast axis is approximately given by the ratio of the vacuum wavelength λ to the thickness d of the highly refractive waveguide layer.

Der erfindungsgemäße Diode Kaskade Laser besitzt gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile:
The cascade laser diode according to the invention has the following advantages over the prior art:

  • - Der Öffnungswinkel des abgestrahlten Lichtes in der Ebene senkrecht zur Substratoberfläche ist umgekehrt proportional zur Dicke d der Wellenführungsschicht und kann gegenüber herkömmlichen Kantenemittern wesentlich verringert werden. Dies erleichtert die Auskopplung des Lichtes sowie die weitere Lichtführung wesentlich und führt zu einer Kostenreduktion der Strahlführungsoptik, die an den Laser angeschlossen wird. Außerdem werden durch die geringere Divergenz des abgestrahlten Lichtes die optischen Verluste verringert.- The opening angle of the emitted light in the plane perpendicular to The substrate surface is inversely proportional to the thickness d of the Wave guide layer and can be compared to conventional edge emitters be significantly reduced. This facilitates the decoupling of the light as well the further lighting is essential and leads to a cost reduction of Beam guidance optics that are connected to the laser. Also be due to the lower divergence of the emitted light, the optical losses decreased.
  • - Durch die gute vertikale Führung der optischen Welle infolge des großen Brechzahlunterschiedes zwischen Wellenführungsschicht und den Claddingschichten besitzt der Diode Kaskade Laser einen großen Füllfaktor, der den Bruchteil der in der aktiven Zone des Lasers geführten Lichtintensität angibt.- Due to the good vertical guidance of the optical wave due to the large Difference in refractive index between the waveguide layer and the The diode cascade laser has a large fill factor that cladding layers indicates the fraction of the light intensity guided in the active zone of the laser.
  • - Dadurch besitzt der erfindungsgemäße Laser eine geringe Schwellstromdichte und einen großen Wirkungsgrad bei geringem Öffnungswinkel des abgestrahlten Lichtes.- As a result, the laser according to the invention has a low threshold current density  and high efficiency with a small opening angle of the radiated Light.
  • - Der monolithische Diode Kaskade Laser besitzt die Vorzüge eines konventionellen kaskadierten hybriden Laserdiodenstapels bezüglich der Addition der Betriebsspannungen der Einzellaser, strahlt jedoch mit einer wesentlich höheren Flächenleistungsdichte.- The monolithic diode cascade laser has the advantages of one conventional cascaded hybrid laser diode stack in terms of addition the operating voltages of the individual lasers, however, radiates with a substantial higher area power density.
  • - Da der erfindungsgemäße Diode Kaskade Laser infolge des Neigungswinkels der Lichtaustrittsfacette gleichzeitig ein oberflächenemittierender Laser ist, ergeben sich bei ihm gegenüber konventionellen Kantenemittern folgende Vorteile: Die Testung der Einzellaser kann auf dem ganzen Wafer erfolgen und es können auf dem Wafer zweidimensionale Arrays genutzt werden. Solche zweidimensionale oberflächenemittierende Arrays sind beispielsweise für die optische Datenübertragung mittels Lichtleitfasern oder zur Vergrößerung der insgesamt abgestrahlten Leistung einsetzbar.- Since the diode cascade laser according to the invention due to the angle of inclination Light exit facet is simultaneously a surface emitting laser the following advantages compared to conventional edge emitters: The Testing of the individual laser can be done on the whole wafer and it can be done on two-dimensional arrays are used for the wafer. Such two-dimensional surface-emitting arrays are, for example, for optical Data transmission using optical fibers or to enlarge the total radiated power can be used.

Der erfindungsgemäße Diode Kaskade Laser kann als effiziente Lichtquelle zum Beispiel für das Pumpen von Festkörperlasern, für die Materialbearbeitung, für die optische Datenübertragung und für Beleuchtungszwecke eingesetzt werden.The diode cascade laser according to the invention can be used as an efficient light source Example for pumping solid-state lasers, for material processing, for the optical data transmission and used for lighting purposes.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Figuren hervor.Further explanations of the invention are given in the following Embodiments and the associated figures.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Diode Kaskade Lasers auf einem Halbleitersubstrat. Fig. 1 shows a perspective view of a cascade diode laser according to the invention on a semiconductor substrate.

Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch das Schichtsystem des in Fig. 1 dargestellten Diode Kaskade Lasers. FIG. 2 shows the cross section through the layer system of the diode cascade laser shown in FIG. 1.

Fig. 3 zeigt das Brechzahlprofil des Diode Kaskade Lasers entlang des in Fig. 2 dargestellten Schnitts durch das Schichtsystem. FIG. 3 shows the refractive index profile of the diode cascade laser along the section through the layer system shown in FIG. 2.

Fig. 4 zeigt das Dotierungsprofil des Diode Kaskade Lasers entlang des in Fig. 2 dargestellten Schnitts durch das Schichtsystem. FIG. 4 shows the doping profile of the diode cascade laser along the section through the layer system shown in FIG. 2.

Fig. 5 zeigt die Feldverteilung der 10. Mode des Diode Kaskade Lasers entlang des in Fig. 2 dargestellten Schnitts durch das Schichtsystem. FIG. 5 shows the field distribution of the 10th mode of the diode cascade laser along the section through the layer system shown in FIG. 2.

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines oberflächenemittierenden zweidimensionalen Arrays von Diode Kaskade Lasern auf einem Halbleitersubstrat. Fig. 6 shows a perspective view of a two-dimensional surface emitting diode array of cascade lasers on a semiconductor substrate.

In Fig. 1 ist ein Beispiel für den erfindungsgemäßen Diode Kaskade Laser mit einer Wellenführungsschicht angegeben, die 10 optische Moden führen kann. Auf einem Halbleitersubstrat 5 aus n-dotiertem GaAs ist zwischen einer 1,5 µm dicken unteren Claddingschicht 6 aus n-dotiertem Al0,4Ga0,6As und einer 1,5 µm dicken oberen Claddingschicht 7 aus p-dotiertem Al0,4Ga0,6As eine 4,3 µm dicke hochbrechende Wellenführungsschicht 8 aus GaAs angeordnet. Die Brechzahl der Claddingschichten 6 und 7 beträgt bei der Emissionwellenlänge des Lasers von 1 µm nc = 3,3, während die Brechzahl der Wellenführungsschicht 8 nw = 3,5 beträgt. In der Wellenführungsschicht 8 können Z = 10 Moden geführt werden, da die Ungleichung Z = 10 < 9.(nw 2-nc 2)1/2 = 10,5 erfüllt ist. Die Wellenführungsschicht 8 besteht aus Z-2 = 8 p-n-Übergängen und darin eingebetteten Quantum Wells 2, die mittels 7 Tunnelkontakte 3 übereinandergestapelt sind. Der Abstand der Quantum Wells 2 untereinander beträgt ebenso wie der Abstand der Tunnelkontakte 3 untereinander d/(Z-1) = 478 nm. Die Lichtaustrittsfacette 11 des Diode Kaskade Lasers 1 ist um einen Winkel ϕ = 16,7° gegen die Normale 12 zu den Halbleiterschichten geneigt, wobei die Neigungsachse 13 senkrecht zur Längsrichtung des Streifenwellenleiters 4 in der Schichtebene liegt. Eine halbe Emissionswellenlänge in der Wellenführungsschicht 8 beträgt λ/(2 nw) = 143 nm. Die rückseitige Facette 14 steht senkrecht zur Längsrichtung des Streifenwellenleiters 4. Auf der Unterseite des Halbleitersubstrats 5 befindet sich eine Kontaktschicht 15 aus Ge/Au zum Anschluß des negativen Pols der Spannungsquelle. Auf der oberen Claddingschicht 7 befinden sich eine Kontaktschicht 16 aus p+-GaAs und eine Metallschicht 17 aus Ti/Au zum Anschluß des positiven Pols der Spannungsquelle.In Fig. 1 an example of the inventive laser diode cascade is shown with a wave guide layer, the optical modes 10 may result. On a semiconductor substrate 5 made of n-doped GaAs, between a 1.5 µm thick lower cladding layer 6 made of n-doped Al 0.4 Ga 0.6 As and a 1.5 µm thick upper cladding layer 7 made of p-doped Al 0, 4 Ga 0.6 As, a 4.3 µm thick high-index waveguiding layer 8 made of GaAs is arranged. The refractive index of the cladding layers 6 and 7 is at the emission wavelength of the laser of 1 micron n c = 3.3, while the refractive index of the waveguide layer 8 n w = 3.5. Z = 10 modes can be guided in the waveguiding layer 8 , since the inequality Z = 10 <9. (n w 2 -n c 2 ) 1/2 = 10.5 is satisfied. The waveguide layer 8 consists of Z-2 = 8 pn junctions and quantum wells 2 embedded therein, which are stacked one above the other by means of 7 tunnel contacts 3 . The distance between the quantum wells 2 and the distance between the tunnel contacts 3 is d / (Z-1) = 478 nm. The light exit facet 11 of the diode cascade laser 1 is at an angle ϕ = 16.7 ° to the normal 12 the semiconductor layers inclined, wherein the inclination axis 13 is perpendicular to the longitudinal direction of the strip waveguide 4 in the layer plane. Half an emission wavelength in the waveguiding layer 8 is λ / (2 n w ) = 143 nm. The rear facet 14 is perpendicular to the longitudinal direction of the strip waveguide 4 . On the underside of the semiconductor substrate 5 there is a contact layer 15 made of Ge / Au for connecting the negative pole of the voltage source. On the upper cladding layer 7 there is a contact layer 16 made of p + -GaAs and a metal layer 17 made of Ti / Au for connecting the positive pole of the voltage source.

Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch das Schichtsystem des in Fig. 1 dargestellten Diode Kaskade Lasers. Die abwechselnd aufeinanderfolgenden p- und n-leitenden Einzelschichten der Wellenführungsschicht 8 sind unterschiedlich gestrichelt dargestellt. Die acht Quantum Wells 2 bestehen aus Schichten der Zusammensetzung In0,2Ga0,8As und besitzen eine Dicke von 8 nm. Die sieben Tunnelkontakte 3 bestehen aus einem hochdotierten p+-n+-Übergang aus GaAs mit einer Dotierungskonzentration von 2 × 1019 cm-3 für die Dotierstoffe Be und Si und besitzen eine Schichtdicke von 5 nm. FIG. 2 shows the cross section through the layer system of the diode cascade laser shown in FIG. 1. The alternating successive p-type and n-type individual layers of the wave guide layer 8 are shown with different dashed lines. The eight quantum wells 2 consist of layers of the composition In 0.2 Ga 0.8 As and have a thickness of 8 nm. The seven tunnel contacts 3 consist of a highly doped p + -n + junction made of GaAs with a doping concentration of 2 × 10 19 cm -3 for the dopants Be and Si and have a layer thickness of 5 nm.

Fig. 3 zeigt das Brechzahlprofil entlang des in Fig. 2 dargestellten Querschnitts durch das Schichtsystem des Diode Kaskade Lasers 1. Die Brechzahl der Claddingschichten 6 und 7 beträgt jeweils nc = 3,3, während die Brechzahl der hochbrechenden Wellenführungsschicht 8, des n-dotierten GaAs-Substrats 5 und der p+-GaAs Kontaktschicht 16 jeweils 3,5 beträgt. FIG. 3 shows the refractive index profile along the cross section shown in FIG. 2 through the layer system of the diode cascade laser 1 . The refractive index of the cladding layers 6 and 7 is in each case n c = 3.3, while the refractive index of the high-index waveguiding layer 8 , the n-doped GaAs substrate 5 and the p + -GaAs contact layer 16 is 3.5 in each case.

In Fig. 4 ist das Dotierungsprofil der Halbleiterschichten des Diode Kaskade Lasers in Fig. 2 dargestellt. Die untere Claddingschicht 6 ist mit einer Konzentration von 1×1018 cm-3 n-dotiert und die obere Claddingschicht 7 ist mit einer Konzentration von 1×1018 cm-3 p-dotiert. Die sieben Tunnelkontakte 3 werden jeweils durch einen p+-n+-Übergang mit einer Dotierungskonzentration von n = 2×1019 cm-3 und einer Schichtdicke von etwa 5 nm gebildet. Die acht Quantum Wells 2 sind jeweils in einem undotierten Schichtbereich angeordnet. FIG. 4 shows the doping profile of the semiconductor layers of the diode cascade laser in FIG. 2. The lower cladding layer 6 is n-doped with a concentration of 1 × 10 18 cm -3 and the upper cladding layer 7 is p-doped with a concentration of 1 × 10 18 cm -3 . The seven tunnel contacts 3 are each formed by a p + -n + junction with a doping concentration of n = 2 × 10 19 cm -3 and a layer thickness of approximately 5 nm. The eight quantum wells 2 are each arranged in an undoped layer region.

Die Feldverteilung der zehnten optischen Mode des Diode Kaskade Lasers nach den Fig. 1 und 2 ist in Fig. 5 dargestellt. Die äußeren beiden Feldmaxima liegen jeweils an der Grenzfläche zwischen den Claddingschichten 6 und 7 und der Wellenführungsschicht 8. Die acht inneren Feldmaxima liegen in den Quantum Wells 2 und die sieben inneren Knoten (Nulldurchgänge) des Feldes liegen in den Tunnelkontakten 3. The field distribution of the tenth optical mode of the diode cascade laser according to FIGS. 1 and 2 is shown in FIG. 5. The outer two field maxima each lie at the interface between the cladding layers 6 and 7 and the wave guide layer 8 . The eight inner field maxima are in the quantum wells 2 and the seven inner nodes (zero crossings) of the field are in the tunnel contacts 3 .

Fig. 6 zeigt ein zweidimensionales oberflächenemittierendes Array von insgesamt sechs Diode Kaskade Lasern 1 auf einem Halbleitersubstrat 5 mit einem gemeinsamen elektrischen Kontakt an der Substratunterseite 15. Die einzelnen Diode Kaskade Laser 1 sind voneinander durch Gräben 18 getrennt. Die Diode Kaskade Laser 1 können über ihre elektrischen Kontakte 17 an der Schichtoberseite getrennt angesteuert werden. Fig. 6 shows a two-dimensional array of six oberflächenemittierendes diode cascade lasers 1 on a semiconductor substrate 5 with a common electrical contact at the substrate lower page 15. The individual diode cascade laser 1 are separated from one another by trenches 18 . The diode cascade laser 1 can be controlled separately via their electrical contacts 17 on the top of the layer.

Aufstellung der verwendeten BezugszeichenList of the reference symbols used

11

Diode Kaskade Laser
Diode cascade laser

22nd

Quantum Well
Quantum Well

33rd

Tunnelkontakt
Tunnel contact

44th

Streifenwellenleiter
Strip waveguide

55

Halbleitersubstrat.
Semiconductor substrate.

66

untere Claddingschicht
lower cladding layer

77

obere Claddingschicht
upper cladding layer

88th

Wellenführungsschicht
Wave guide layer

99

Feldstärkemaxima
Field strength maxima

1010th

Feldstärkeminima
Field strength minima

1111

Lichtaustrittsfacette
Light emission facet

1212th

Normale zu den Halbleiterschichten
Normal to the semiconductor layers

1313

Neigungsachse
Inclination axis

1414

rückseitige Facette
back facet

1515

Kontaktschicht
Contact layer

1616

Kontaktschicht
Contact layer

1717th

Metallschicht
Metal layer

1818th

Graben
ϕ Neigungswinkel der Lichtaustrittsfacette
d Dicke der Wellenführungsschicht
Z Anzahl der geführten optischen Moden in der Wellenführungsschicht
dig
ϕ Angle of inclination of the light exit facet
d thickness of the waveguiding layer
Z Number of guided optical modes in the waveguiding layer

Claims (2)

1. Diode Kaskade Laser (1) aus Halbleiterschichten mit wechselseitig übereinander gestapelten Quantum Wells (2) und Tunnelkontakten (3) in der Form eines Streifenwellenleiters (4) auf einem Halbleitersubstrat (5), dadurch gekennzeichnet,
  • 1. dass der Streifenwellenleiter (4) zwischen zwei niedrigbrechenden Claddingschichten (6, 7) eine hochbrechende Wellenführungsschicht (8) mit großer Schichtdicke d besitzt, in der eine Anzahl Z < 3 optischer Moden geführt werden kann, wobei die Differenz der Quadrate der Brechzahlen der Wellenführungsschicht und der Claddingschicht mindestens größer als Eins ist,
  • 2. dass die Wellenführungsschicht (8) aus Z-2 p-n-Übergängen und darin eingebetteten Quantum Wells (2) besteht, die mittels Z-3 Tunnelkontakten (3) übereinander gestapelt sind, wobei die Quantum Wells (2) in den Feldstärkemaxima (9) und die Tunnelkontakte (3) in den Feldstärkeminima (10) der höchsten optischen Mode angeordnet sind,
  • 3. dass die Lichtaustrittsfacette (11) des Diode Kaskade Lasers (1) um einen Winkel ϕ gegen die Normale (12) zu den Halbleiterschichten geneigt ist, wobei die Neigungsachse (13) senkrecht zum Streifenwellenleiter (4) in der Schichtebene liegt und der Tangens des Winkels ϕ etwa gleich der halben Emissionswellenlänge in der Wellenführungsschicht (8) dividiert durch den Abstand der Quantum Wells (2) ist
  • 4. und dass die rückseitige Facette (14) des Diode Kaskade Lasers (1) senkrecht zur Längsrichtung des Streifenwellenleiters (4) steht.
1. diode cascade laser ( 1 ) made of semiconductor layers with mutually stacked quantum wells ( 2 ) and tunnel contacts ( 3 ) in the form of a strip waveguide ( 4 ) on a semiconductor substrate ( 5 ), characterized in that
  • 1. that the strip waveguide ( 4 ) between two low-refractive cladding layers ( 6 , 7 ) has a high-refractive waveguide layer ( 8 ) with a large layer thickness d, in which a number Z <3 optical modes can be performed, the difference in the squares of the refractive indices Wave guide layer and the cladding layer is at least greater than one,
  • 2. that the wave guide layer ( 8 ) consists of Z-2 pn junctions and quantum wells ( 2 ) embedded therein, which are stacked one above the other by means of Z-3 tunnel contacts ( 3 ), the quantum wells ( 2 ) in the field strength maxima ( 9 ) and the tunnel contacts ( 3 ) are arranged in the field strength minima ( 10 ) of the highest optical mode,
  • 3. that the light exit facet ( 11 ) of the diode cascade laser ( 1 ) is inclined by an angle ϕ with respect to the normal ( 12 ) to the semiconductor layers, the inclination axis ( 13 ) being perpendicular to the strip waveguide ( 4 ) in the layer plane and the tangent of the angle ϕ is approximately equal to half the emission wavelength in the waveguiding layer ( 8 ) divided by the distance between the quantum wells ( 2 )
  • 4. and that the rear facet ( 14 ) of the diode cascade laser ( 1 ) is perpendicular to the longitudinal direction of the strip waveguide ( 4 ).
2. Oberflächenemittierendes Array von Diode Kaskade Lasern nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Halbleitersubstrat (4) mehrere Diode Kaskade Laser (1) angeordnet sind.2. Surface-emitting array of diode cascade lasers according to claim 1, characterized in that a plurality of diode cascade lasers ( 1 ) are arranged on a semiconductor substrate ( 4 ).
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP1617471A1 (en) * 2004-07-13 2006-01-18 Alpes Lasers S.A. Semiconductor lasers device
DE10220333B4 (en) * 2002-05-07 2008-03-27 Osram Opto Semiconductors Gmbh Radiation-emitting semiconductor component with a plurality of structural elements
CN105429004A (en) * 2015-12-30 2016-03-23 中国科学院半导体研究所 Multi-active zone epitaxial structure, semiconductor laser adopting same and manufacturing method of multi-active zone epitaxial structure
CN108886237A (en) * 2016-04-08 2018-11-23 奥斯兰姆奥普托半导体股份有限两合公司 Semiconductor laser

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