DE3717535C2 - Halbleiterlaseranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterlaseranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches. Spezieller geht es bei der Erfindung um eine Halbleiterlaseranordnung, die bis zu hoher Ausgangsleistung Laserlicht erzeugt, das in der Mode mit einer Phasenverschiebung von 0° schwingt.

Eine derartige Halbleiterlaseranordnung ist aus der EP 0 174 839 A2 bekannt. Diese Schrift zeigt eine Halbleiterlaseranordnung, die eine Mehrzahl von indexgeführten Laserresonanzräumen enthält, die zueinander parallel ver­ laufen. Die Halbleiterlaseranordnung verfügt über ein Zuführungsteil für den elektrischen Strom, das auf der Oberfläche von gewachsenen Schichten angebracht ist, wobei das Profil des elektrischen Stromzuführungsteiles asymmetrisch zu jeder Linie ist, die zu den Laserresonanzräumen parallel ist. Das so erhaltene Laserlicht wird nur in einer Richtung abgestrahlt, da der Laser, aufgrund der asymmetrischen Struktur des elektrischen Stromzuführungsteils nur in einer Mode schwingen kann. Dieser Laser weist eine streifenförmige Elektrodenstruktur auf, deren Breite schmaler als die Gesamtbreite der Laserresonanzräume ist. Die Laserresonanz­ räume werden hier durch Abschnitte mit hohem äquivalentem Index gebildet und voneinander durch andere Abschnitte mit niedrigem äquivalenten Index getrennt.

Die EP 0 064 339 A1 zeigt einen phasenstarren Halbleiterla­ ser, der eine aktive Schicht zwischen Abdeckschichten enthält. Um Phasenstarrheit der Laseremission und so eine höhere Ausgangsleistung zu erhalten, ist eine der Abdeckschichten mit streifenartigen optischen Absorptions­ bereichen versehen. Dadurch werden einzelne Laserresonanzräu­ me gebildet, die nicht-linear miteinander wechselwirken. Bei dieser Struktur ist die Breite der streifenförmigen Elektrode größer als die Gesamtbreite der Resonanzräume.

Die DE 35 28 089 A1 zeigt eine Halbleiterlaseranordnung, bei der mindestens zwei voneinander getrennte Wellenleiter vorgesehen sind. Dabei werden benachbarte Wellenleiter miteinander im mittleren Bereich der Halbleiterlaseranordnung so verbunden, daß sie in einen dritten Wellenleiter einmünden. Wie auch bei der zuletzt genannten Druckschrift handelt es sich hierbei um eine Struktur, bei der die Breite der streifenförmigen Elektrode nicht schmaler als die Gesamtbreite der Laserresonanzräume ist.

Ein Halbleiterlaser mit erhöhter Ausgangsleistung ist aus der älteren, nicht vorveröffentlichten EP 0 199 588 A2 bekannt. Dieser Halbleiterlaser umfaßt ein Substrat, das einen streifenförmigen Hauptkanal zur Stromführung und dazu parallel angeordnete streifenförmige Nebenkanäle enthält. Die Oszillationen finden jedoch nur in einem einzigen Resonanzraum statt. Dieser Laser weist eine streifenförmige Elektrodenstruktur auf, deren Breite schmaler als die Gesamtbreite der Kanäle ist.

Auch bei dem in der japanischen Patentschrift JP 58-162088 (A) genannten Halbleiterlaser ist lediglich ein einziger Laserresonanzraum vorgesehen. Zum Hauptkanal beiderseitig versetzt angeordnete, parallel zueinander verlaufende Vertiefungen dienen dazu, die Dicke von Schichten zu kontrollieren. Durch die genannten Vertiefungen wird die Wachstumsgeschwindigkeit von Schichten verringert und somit besser kontrollierbar gemacht.

Die US-PS 4,569,054 zeigt einen Halbleiterlaser, bei dem mehrere Kanäle in einem Substrat vorgesehen sind. Diese Kanäle dienen jedoch dem Zweck, konvexe Oberflächen für die oberen Schichten, insbesondere für die aktive Schicht, zu erhalten. Bei dieser Laseranordnung liegt somit ein einziger Resonanzraum vor, dessen Wellenführungseigenschaften durch die Tatsache verbessert werden, daß die Dicke der aktiven Schicht nach außen hin abnimmt. Auch hier kann die Breite einer streifenförmigen Elektrodenstruktur schmaler sein als die Breite des Resonanzraums.

In der Druckschrift H. C. Casey, Jr., M. B. Panish: HETERO­ STRUCTURE LASERS, Part B: "Materials and Operating Characteristics" werden ebenfalls Möglichkeiten beschrieben, den Resonanzraum durch seitliche Veränderungen der Dicke der aktiven Schicht zu verändern. Dabei kann die Breite der streifenförmigen Elektrodenstruktur auch schmaler sein als die Breite des Resonanzraumes. Wie auch bei den vorangegangenen Schriften, ist hier nur ein Laserresonanzraum vorhanden.

Halbleiterlaseranordnungen, die als Lichtquelle für op­ tische Platten, Laserdrucker, optische Meßsysteme etc. nützlich sind, müssen eine hohe Ausgangsleistung erbringen. Herkömmliche Halbleiterlaseranordnungen mit einer einzigen Wellenleiterstruktur können allerdings besten­ falls lediglich eine Ausgangsleistung von 60 bis 70 mW erbringen, selbst wenn man ihren "Fenstereffekt" berücksichtigt und/oder eine Steuerung des Reflexionsfaktors an ihren Facetten. Es wurden bereits Halbleiterlaseranordnungen untersucht, bei denen mehrere Wellenleiter parallel zueinander lagen, um eine optische Phasenkopplung zwischen ihnen zu erhalten; allerdings ist die optische Phasenverschiebung zwischen benachbarten Wellenleitern dieser Anordnungen gleich 180°, womit Ausgangslicht mit zwei Strahlen emittiert wird, zwischen denen ein bestimmter Winkel ist, was zu einem Fernfeldmuster mit zwei "peaks" bzw. Spitzenwerten führt. Derartiges Laserlicht kann nicht mittels irgendwelcher bekannten optischen Linsen zu einem diffraktionsbegrenzten Lichtfleck konzentriert werden. Will man diese Halbleiterlaseranordnungen als Lichtquellen für optische Platten, Laserdrucker etc. anwenden, so müssen sie in einer einzigen Mode schwingen und ihre Ausgangsleistung in einem einzigen Lichtstrahl abgeben.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine herkömmliche Halbleiterlaseranordnung, wie sie aus der älteren, nicht vorveröffentlichten DE 37 01 655 A1 bekannt ist, die wie folgt hergestellt wurde: Auf der (001)-Ebene eines p-GaAs-Substrates 101 wurden mittels Flüssigphasenepitaxie aufeinanderfolgend eine n⁺-Al_0,1Ga_0,9As-Stromblockierungsschicht 102 mit einer Dicke von 0,7 µm und eine n-GaAs-Oberflächenschutzschicht 103 mit einer Dicke von 0,1 µm ausgebildet. Darauf wurden drei geradlinige Kanäle 108 parallel zueinanderliegend gebildet, welche sowohl durch die Oberflächenschutzschicht 103 und die Stromblockierungsschicht 102 hindurch in das p-GaAs-Substrat 101 reichten. Jeder dieser Kanäle 108 hat eine Breite von 4 µm und eine Tiefe von ca. 1 µm. Der Abstand von der Mitte des einen Kanales zur Mitte des benachbarten Kanales liegt bei 5 µm. Diese Kanäle 108 verlaufen unter rechtem Winkel zur (110)-Ebene, die mit den Facetten der Anordnung übereinstimmt. Sodann wurden durch Flüssigphasenepitaxie folgende Schichten aufeinanderfolgend aufgetragen: Auf der n-GaAs-Oberflächenschutzschicht 103 einschließlich den Kanälen 108 wurde eine p-Al_0,42Ga_0,58As- Abdeckschicht 104 mit einer Dicke von 0,2 µm in den Abschnitten außerhalb der Kanäle 108 aufgetragen sowie eine p- oder n-Al_0,14Ga_0,86-As-Aktivschicht 105 mit einer Dicke von 0,08 µm, eine n-Al_0,42Ga_0,58-As-Abdeckschicht 106 mit einer Dicke von 1,2 µm und eine n⁺-GaAs-Kontaktschicht 107 mit einer Dicke von 1,5 µm. Da die Kanäle 108 mit der p-Abdeckschicht 104 gefüllt sind, ist die Oberfläche der Schichten 104, 105 und 106 und 107 eben. Sodann wurden die Oberseite der Kontaktschicht 107 und die Rückseite des Substrates 101 einer Dampfabscheidebehandlung mit metallischen Materialien unterzogen und dann erwärmt, um dort ohmsche Kontakte von Legierungen der metallischen Materialien zu bilden. Darauf wurde ein Abspalten in der (110)-Ebene des Wafers durchgeführt, womit man eine herkömliche Halbleiterlaseranordnung erhielt.

Die optische Feldverteilung der von der herkömmlichen Laseranordnung erzeugten Lichtstrahlen sowie das mit dieser herkömmlichen Halbleiterlaseranordnung erhaltene Fernfeldmuster sind in den Fig. 6 bzw. 7 dargestellt, aus denen hervorgeht, daß die optische Phasenverschiebung zwischen benachbarten Wellenleitern 180° ist.

Der Grund dafür, daß die herkömmlichen Halbleiterlaseranordnungen, die mehrere Wellenleiter enthalten, in einer Mode mit einer Phasenverschiebung von 180° arbeiten, liegt darin, daß das Laserlicht in dem optischen Kopplungsbereich zwischen den benachbarten Wellenleitern absorbiert wird, was die Schwellwertverstärkung der Mode mit der Phasenverschiebung von 180° signifikant klein macht.

Das oben beschriebene Phänomen, daß die herkömmlichen Halbleiterlaseranordnungen in einer Mode mit einer Phasenverschiebung von 180° arbeiten, kann auch unter Bezugnahme von Fig. 8 erklärt werden. Dort ist die Abhängigkeit der Schwellwertverstärkung aller möglichen Moden (ν = 1, 2 und 3), einer Anordnung mit drei Laserresonanzräumen bezogen auf die Differenz des Brechungsindex in Querrichtung aufgetragen. Diese Abhängigkeit erhält man durch eine rechnerische Analyse der Wellenleiter. Aus Fig. 8 kann man auch erkennen, daß die herkömmliche Halbleiterlaseranordnung selektiv und stabil in der Mode mit 180° Phasenverschiebung schwingt. Wie oben erwähnt, erhält man mit dieser Mode mit 180° Phasenverschiebung ein Fernfeldmuster mit zwei Spitzenwerten, was zu Schwierigkeiten führt, das Laserlicht mittels irgendwelcher bekannter optischer Linsen zu einem einzigen diffraktionsbegrenzten Lichtfleck zu konzentrieren.

Darüber hinaus schwingt die bekannte Halbleiterlaseranordnung auch in Moden, die zwischen der Mode von 0° Phasenverschiebung und der von 180° Phasenverschiebung liegen, so daß Ausgangslicht mit vielen Strahlen erzeugt wird. Darüber hinaus werden zwei oder mehrere Moden ohne Interferenzen zwischen sich gemischt, so daß man Ausgangslicht mit breiten Strahlen erhält.

Eine Halbleiterlaseranordnung mit einer wirksamen indexgeführten, Struktur, bei der die optischen Verluste in der optischen Kupplungszone gleich 0 sind, wurde bereits vorgeschlagen und ist in Fig. 9 dargestellt, vergl. die DE 37 01 655 A1. Die Herstellung dieser Laseranordnung geschieht wie folgt: Auf der (001)-Ebene eines p-GaAs-Substrates 111 werden aufeinanderfolgend durch Kristallwachstumstechnik wie z. B. metallorganische Dampfabscheidung (MOCVD), Molekularstrahlepitaxie (MBE), Flüssigphasenepitaxie (LPE) usw. folgende Schichten aufgetragen: eine n-Al_xGa_1-xAs-Abdeckschicht 112 mit einer Dicke von 0,8 µm, eine n- oder p-Al-_yGa_1-yAs-Aktivschicht 113 mit eine Dicke von 0,1 µm, eine n-Al_xGa_1-y-As-Abdeckschicht 114 mit einer Dicke von 0,8 µm und eine p⁺-GaAs-Kontaktschicht 115 mit einer Dicke von 0,1 µm. Sodann werden auf beiden Seiten des Wafers ohmsche Kontakte hergestellt. Darauf werden parallel zueinanderliegend in dem Wafer drei Mesa-Streifen 116 mittels Photolitographie und einer reaktiven Ionenstrahlätztechnik derart ausgebildet, daß der Teil der n-Abdeckschicht 114, der der Außenseite der Mesa- Streifen 116 entspricht, eine Dicke von 0,3 µm hat. Jeder der Mesa-Streifen 116 hat eine Breite von 3 µm und eine Höhe von 1,5 µm. Der Abstand von der Mitte des einen Mesa-Streifens zu der Mitte des benachbarten Mesa-Streifens ist 4 µm. Diese Mesa-Streifen 116 werden in der [10]-Richtung des Substrates 111 ausgerichtet.

Sodann wird in der (10)-Ebene des Wafers ein Abspalten durchgeführt, so daß man eine Laseranordnung 117 mit einer Hohlraumlänge von ca. 250 µm erhält.

Die Quermode der Schwingung, die man mit dieser indexgeführten Laseranordnung erhält, ist aus mehreren Moden zusammengesetzt. Dieses Phänomen kann wie folgt erklärt werden: diese indexgeführte Laseranordnung schwingt gleichzeitig in allen möglichen Moden, da in dem optischen Kopplungsbereich keine Absorption von Licht auftritt und da alle möglichen Moden die gleiche Schwellwertverstärkung haben, während die Laseranordnung der Fig. 4 selektiv in der Mode mit der Phasenverschiebung von 180° schwingt, da dort das Licht in dem optischen Kopplungsbereich signifikant absorbiert wird. Die Breite der Ausgangsstrahlen, die mit dieser Laseranordnung erzeugt werden, die mit einer Vielzahl von Moden schwingt, ist ein Vielfaches des begrenzten Diffraktionswertes, der zu den Schwierigkeiten in der praktischen Anwendung der Laseranordnung führt.

Wie oben erwähnt, schwingen die bekannten Halbleiterlaser in vielen Moden, was zu Ausgangslicht mit zwei oder mehreren Strahlen führt und damit zu Schwierigkeiten bei der praktischen Anwendung der Laseranordnung als Lichtquelle in optischen Systemen von Laserdruckern, optischen Speichern etc.

Mit der Erfindung sollen diese Schwierigkeiten beseitig werden. Aufgabe der Erfindung ist es daher, die bekannte Halbleiterlaseranordnung dahingehend zu verbessern, daß Ausgangslicht hoher Leistung mit einem einzigen Strahl erzeugt wird.

Mit der Erfindung werden folgende Ziele erreicht:

• (1) Es wird eine Halbleiterlaseranordnung geschaffen, mit der eine Schwingung in einer einzigen Mode mit einer Phasenverschiebung von 0° erreicht wird und zwar bis zu hohen Werten der Ausgangsleistung; und
• (2) es wird eine Halbleiterlaseranordnung geschaffen, mit einer streifenförmigen Elektrode, durch die die Stromverteilung in der Halbleiterlaseranordnung der Verteilung des optischen Feldes in einer Mode mit einer Phasenverschiebung von 0° entspricht, wodurch eine synchrone Schwingung in einer Mode mit einer Phasenverschiebung von 0° erreicht wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Halbleiterlaseranordnung im Querschnitt;

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Substrat der erfindungsgemäßen Halbleiterlaseranordnung nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm des Fernfeldmusters, das mit der Halbleiterlaseranordnung nach Fig. 1 erreicht wird;

Fig. 4 eine geschnittene, stirnseitige Ansicht einer herkömmlichen Halbleiterlaseranordnung

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Wafers einer herkömmlichen Halbleiterlaseranordnung gemäß Fig. 4;

Fig. 6 ein Diagramm der optischen Fernfeldverteilung der herkömmlichen Halbleiterlaseranordnung nach Fig. 4;

Fig. 7 ein Diagramm des Fernfeldmusters, das mit der herkömmlichen Halbleiterlaseranordnung gemäß Fig. 4 erhalten wird;

Fig. 8 ein Diagramm der theoretischen Analyse der Schwellwertverstärkung bei verschiedenen Moden der herkömmlichen Halbleiterlaseranordnung gemäß Fig. 4; und

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer weiteren herkömmlichen Halbleiterlaseranordnung.

Die Fig. 1 zeigt eine Halbleiterlaseranordnung nach der Erfindung, die wie folgt hergestellt wurde: Auf der (001)-Ebene eines p-GaAs-Substrates 1 wurde mittels Flüssigphasenepitaxie (LPE), Organo-Metall-Dampfphasenepitaxie (OM-VPE) oder Molekular-Strahlenepitaxie (MBE) eine n-GaAs-Stromblockierungsschicht 2 mit einer Dicke von 0,8 µm aufgewachsen. Darauf wurde eine Mehrzahl von aus Haupt- und Verzweigungsabschnitten bestehenden Kanälen 101 im Wafer mittels Fotolitographie und einer Ätztechnik gebildet, die durch die Stromblockierungsschicht 2 hindurch das p-GaAs-Substrat 1 reicht. Jeder dieser Kanäle 101 hat eine Breite W von 4 µm und eine Tiefe von 1,0 µm. Der Abstand von der Mitte des einen Kanals zur Mitte des anderen Kanals beträgt 5 µm. Der Krümmungsradius des Grenzbereichs zwischen jedem der Hauptabschnitte und dem benachbarten Verzweigungsabschnitt wurde auf einen solchen Wert eingestellt, bei dem ein optischer Verlust in dem dazwischenliegenden Grenzbereich vernachlässigbar ist, beispielsweise auf 500 µm. Die Gesamtbreite dieser Kanäle beträgt 34 µm. Sodann wurden durch Flüssigphasenepitaxie folgende Schichten aufeinanderfolgend aufgewachsen: Auf dem Substrat 1 einschließlich den Kanälen 101 wurde eine p-Al_xGa_1-x-As-Abdeckschicht 3 mit einer Dicke von 0,2 µm in den Abschnitten außerhalb der Kanäle 101 aufgewachsen, sowie eine p- oder n-Al_yGa_1-y-As- Aktivschicht 4 mit einer Dicke von 0,08 µm, eine n-Al_x-Ga_1-x-As-Abdeckschicht 5 mit einer Dicke von 0,8 µm und eine n⁺-GaAs-Kontaktschicht 6 mit einer Dicke von 0,5 µm, wobei x<y ist. Die p-Al_xGa_1-x-As-Abdeckschicht 3 wurde unter der Bedingung aufgewachsen, daß die Kanäle 101 vollständig mit der p-Al_xGa_1-x-As-Abdeckschicht 3 aufgefüllt sind, wodurch die Oberfläche der Aktivschicht 4 über den gesamten Schichtbereich eben ist. Die Gestalt der Resonanzräume, die innerhalb der Aktivschicht entsprechend der Kanäle 101 erzeugt wurden, entspricht derjenigen der in Fig. 2 gezeigten Kanäle 101.

Sodann wurde auf den Wafer eine Elektrode 10 mit einer Breite w in der Richtung parallel zu den Resonanzräumen ausgebildet und die Abschnitte des Wafers außerhalb der Elektrode 10 wurden mittels Photolitographie sowie einer reaktiven Ionenstrahlätztechnik derart geätzt, daß die n-Abdeckschicht 5 außerhalb des Mesa-Streifens 20 eine Dicke von 0,5 µm aufweist, wodurch ein Mesa-Streifen 20 mit einer Breite w entstand, die kleiner ist als die Gesamtbreite, 34 µm, der Resonanzräume. Der Mesa-Streifen 20 ist an dem Abschnitt der Abdeckschicht 5 angeordnet, die der Stellung des zentralen Resonanzraumes entspricht. Dann wurde mittels Plasma- unterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (p-CVD)ein SiNx-Film 9 mit einer Dicke von 2500 A ausgebildet, woraufhin ein Loch ausgebildet wurde, wodurch die Elektrode 10 von außen zugänglich ist. Die Rückseite des Substrates 1 des Wafers wurde zu einer Einstellung der Waferdicke auf etwa 100 µm feingeschliffen. Darauf wurde der Wafer zur Ausbildung einer Laseranordnung mit einer Hohlraumlänge von etwa 250 µm gespalten.

Da die Laseranordnung die oben erwähnte Struktur aufweist, ist die Breite jedes Stromweges eingeengt durch die n-GaAs-Stromblockierungsschicht 2 sowie den Mesa- Streifen 20 mit einer Breite w. Das heißt, daß die Resonanzräume in einem Muster ausgebildet sind, das dem der in Fig. 2 dargestellten Kanäle 101 entspricht. Andererseits wird in die Laseranordnung eingespeister Strom durch den Mesa-Streifen 20 eingeengt, wodurch die Einspeisung einer großen Trägermenge in den Resonanzraum im Zentralbereich der Anordnung veranlaßt wird sowie die Einspeisung einer relativ geringen Trägermenge in die Resonanzräume in beiden Seitenbereichen. Dieses entspricht einer Mode mit einer Phasenverschiebung von 0°, so daß diese Laseranordnung eine Oszillation in einer Mode mit einer Phasenverschiebung von 0° ausführt, und zwar bis zu hohen Werten der Ausgangsleistung.

Die Laseranordnung, die gemäß obiger Beschreibung aufgebaut war, brachte eine Ausgangsleistung von etwa 250 mW mit einem einzigen diffraktionsbegrenzten Strahl, welcher der Mode mit der Phasenverschiebung von 0° entsprach. Das mit diesem Laser erhaltene Fernfeldmuster bei einer Leistung von P₀ = 250 mW ist in Fig. 3 gezeigt, woraus ersichtlich ist, daß es nur eine einzige Spitze in der 0°-Position aufweist, wobei die Halbwert- Breite bezogen auf den Spitzenwert 1,0° beträgt und damit nahezu dem begrenzten Diffraktionswert entspricht.

Die Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist sie auch auf solche Stromblockierungsstrukturen anwendbar, die sich von dem obigen Ausführungsbeispiel unterscheiden, auf Anordnungen, die andere Halbleitermaterialien als die oben beschriebenen Materialien verwenden und auf Anordnungen, die unterschiedliche Polarität bezüglich des obigen Ausführungsbeispiels haben.

Claims (1)

1. Halbleiterlaseranordnung mit einem Substrat (1), einer Aktiv­ schicht (4), in der eine Mehrzahl von Laserresonanzräumen (101) für die Laseroszillation durch eine Brechungsindex- geführte Struktur ausgebildet sind, und mit einer einen Strom­ weg festlegenden Elektrodenstruktur (10) an der Obereite der Anordnung, wobei die Elektrodenstruktur (10) eine streifenför­ mige Gestalt hat und oberhalb der Mittellinie des durch die Laserresonanzräume (101) gebildeten Laserbereiches angeordnet ist und die Breite der streifenförmigen Elektrodenstruktur (10) schmaler als die Gesamtbreite der Laserresonanzräume ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungsindex-geführte Struktur eine Mehrzahl von gekoppelten Kanälen umfaßt, die auf dem Substrat (1) gebildet sind und aus Hauptabschnitten sowie aus Verzweigungsabschnit­ ten bestehen.