DE3916964A1

DE3916964A1 - Halbleiterlaseranordnung mit ladungstraegerextraktion im spiegelbereich

Info

Publication number: DE3916964A1
Application number: DE19893916964
Authority: DE
Inventors: Christian Dr Ing Hanke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-05-24
Filing date: 1989-05-24
Publication date: 1990-11-29

Description

Die maximale Ausgangsleistung von Halbleiterlasern im GaAlAs- System wird im allgemeinen durch einen irreversiblen Spiegel schaden begrenzt. Dieser sogenannte catastrophic optical damage (COD) wird dadurch verursacht, daß Ladungsträger in der aktiven Zone zur Spiegelfläche diffundieren und dort durch nicht strahlende Rekombination zur Erwärmung und zur Zerstörung der Spiegelfläche bei hohen Leistungen führen.

Für die meisten Anwendung des Halbleiterlasers ist es notwendig, die Ausgangsleistung über die Anwendungsdauer kon stant zu halten. Aufgrund von Temperatureinflüssen und Alte rungserscheinungen ist es deshalb notwendig, die abgegebene Leistung ständig zu messen und nachzuregeln.

Die Leistungsgrenze, bei der die Spiegelfläche irreversibel zerstört wird, kann zumindest bei Lasern im AlGaAs-Material system dadurch erhöht werden, daß der Spiegelbereich aus einem Material besteht, das einen höheren Bandabstand besitzt als die Photonenenergie des Laserlichtes. Diese sogenannten nichtabsor bierenden Spiegel können entweder durch epitaktisches Überwachsen des Spiegelbereichs mit einer geeigneten AlGaAs-Schicht oder durch diffusionsinduziertes Auflösen von Quantum-Well-Strukturen hergestellt werden. Beide Verfahren sind technologisch aufwendig.

Die Messung der abgestrahlten Leistung wird mit einer Foto diode durchgeführt, die in der Nähe des rückwärtigen Laserspiegels angeordnet ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen einfach her zustellenden, wirkungsvollen Aufbau eines Halbleiterlasers anzugeben, bei dem eine Zerstörung der Spiegelfläche durch Erwärmung der Spiegelzonen verhindert ist.

Diese Aufgabe wird mit einer erfindungsgemäßen Halbleiter laseranordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Es folgt eine Beschreibung des erfindungsgemäßen Aufbaues anhand der Fig. 1 und 2.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Halbleiterlaseraufbau.

Fig. 2 zeigt diesen erfindungsgemäßen Halbleiterlaseraufbau in Aufsicht.

Die grundlegende Idee bei vorliegender Erfindung besteht darin, eine Erwärmung der Spiegel dadurch zu verhindern, daß während des Betriebes des Lasers Ladungsträger aus den vor diesen Spie geln befindlichen Bereichen der aktiven Zone abgesaugt werden. Zu diesem Zweck sind die unmittelbar vor den Laserspiegeln be findlichen Bereiche als von dem eigentlichen Laserbereich elektrisch getrennte Bereiche, die wie Fotodioden betrieben werden, ausgebildet.

Fig. 1 zeigt einen möglichen Aufbau im Querschnitt. Ausgehend von einem n-dotierten Substrat 9 sind nacheinander aufgewachsen: eine ebenfalls n-dotierte untere Mantelschicht 8, eine aktive Zone 7, eine p-dotierte obere Mantelschicht 6 und darauf für eine Verbesserung der Kontakteigenschaften eine aus mehreren lateral zueinander angeordneten Anteilen bestehende hoch p-dotierte Kontaktschicht 5 aus Halbleitermaterial aufgewachsen. Die jeweiligen Anteile dieser Kontaktschicht 5 sind mit Metallisierungen versehen. Ein erster Anteil 3 dieser Metallisierung befindet sich oberhalb des für Strahlungs erzeugung vorgesehenen Bereiches der aktiven Zone 7. Ein zweiter Anteil 4 der Metallisierung befindet sich auf einem unmittelbar vor einem Laserspiegel 11 befindlichen Bereich und ist von dem ersten Anteil 3 getrennt, wobei in diesem Zwischen raum zwischen dem ersten Anteil 3 und dem zweiten Anteil 4 auch die Kontaktschicht 5 unterbrochen ist, so daß eine elektrische Unterbrechung zwischen diesem ersten Anteil 3 und dem zweiten Anteil 4 vorhanden ist. Entsprechend, aber aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Fig. 1 nicht eingezeichnet, befinden sich vor allen Laserspiegeln 11 entsprechende von dem ersten Anteil 3 der Metallisierung getrennte weitere Metallisierungen.

Wie in der Fig. 1 durch die angelegten Stromkreise angedeutet ist, läßt sich diese Halbleiterlaseranordnung so betreiben, daß über eine erste Spannungsversorgung 1 mit der Spannung U ₁ und dem Strom I ₁ der für Strahlungserzeugung vorgesehene hauptsächliche Anteil der aktiven Zone 7 derart mit Strom versorgt wird, daß Laserstrahlung angeregt wird, und über eine zweite Spannungsversorgung 2 mit der Spannung U ₂ und dem Strom I ₂ der mit dem zweiten Anteil 4 der Metallisierung versehene Bereich vor dem Laserspiegel 11 nach Art einer Fotodiode in Sperrichtung betrieben wird, so daß die Ladungsträger in diesem Bereich der aktiven Zone 7 in so hohem Grade abgesaugt werden, daß eine Erwärmung der Spiegelbereiche durch Ladungsträgerrekombination unter ein tolerierbares Maß gedrückt wird.

Die in Fig. 2 dargestellte Aufsicht auf die Halbleiterlaser anordnung zeigt besonders deutlich die von dem ersten Anteil 3 der Metallisierung und dem zweiten Anteil 4 der Metallisierung eingenommenen Bereiche in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Es ist in diesem Ausführungsbeispiel eine durch gestrichelte Linien angedeutete laterale Begrenzung 12 des laseraktiven Bereiches innerhalb der aktiven Zone 7 vorgenommen. Statt nur eines Laserstreifens können durch entsprechende laterale Be grenzungen 12 auch mehrere nebeneinander angeordnete Laser streifen ausgebildet sein. Die Endflächen bilden die Laser spiegel 11. In diesem Fall sind die Bereiche vor den beiden Laserspiegeln 11 mit dem zweiten Anteil 4 der Metallisierung bedeckt. Dieser zweite Anteil 4 der Metallisierung besteht aus zwei jeweils vor einem Laserspiegel 11 befindlichen recht eckigen Anteilen und einer damit verbundenen Fläche für den Anschluß der Zuleitung. Der erste Anteil 3 der Metallisierung überdeckt den gesamten für Strahlungserzeugung vorgesehenen An teil des Laserstreifens und verfügt ebenfalls über eine Fläche zum Anschluß der Zuleitung. Diese Zuleitungen mit den zuge hörigen Strömen I ₁ und I ₂ sind ebenfalls eingezeichnet.

Bei vorliegendem Ausführungsbeispiel ist das Substrat 9 leitend dotiert und auf seiner Unterseite mit dem Substratkontakt 10 versehen. Abgesehen von dieser besonders vorteilhaften Ausge staltung ist auch denkbar, daß ein semiisolierendes Substrat 9 verwendet wird und die Kontaktierung auf einer freien Fläche der unteren Mantelschicht 8 erfolgt. Alternativ zu dem be schriebenen Ausführungsbeispiel kann die Dotierung auch mit entgegengesetzten Vorzeichen erfolgen, d.h. daß das Substrat 9 und die untere Mantelschicht 8 p-leitend und die obere Mantelschicht 6 und die Kontaktschicht 5 n-leitend dotiert sind.

Der erfindungsgemäße Aufbau ist besonders effizient, wenn die aktive Zone 7 eine Quantum-Well-Struktur aufweist. Wie in der Veröffentlichung von S. Tarucha e.a.: "Optical Absorption Cha racteristics of GaAs-AlGaAs Multi-Quantum-Well Heterstructure Waveguides" in Japanese Journal of Applied Physics 22, L 482 bis L 484 (1983) beschrieben ist, zeichnet sich eine Quantum-Well-Struktur geeigneter Dimensionierung dadurch aus, daß die Photonenenergie der Laserstrahlung durch eine mit der Ladungsträgerinjektion verbundene Reduzierung der Bandlücke kleiner ist als der Bandabstand im ungepumpten Material. Das führt zu einer im Vergleich zu einer üblichen Doppelhetero struktur niedrigeren Absorption der Laserstrahlung in einem ungepumpten Bereich, wie er unter dem zweiten Anteil 4 der Metallisierung in der aktiven Zone 7 vorliegt. Zusätzlich ist in Quantum-Well-Lasern die Überlappung der optischen Welle mit der aktiven Zone geringer als in Doppelheterostrukturen. Es ist also möglich, im Laserresonator ungepumpte Gebiete geringer Absorption zu realisieren, ohne die Laserverluste so zu erhöhen, daß der Schwellenstrom ansteigt oder der Laser zu Selbstpulsationen durch einen sättigbaren Absorber im Resonator neigt.

Der in der Einleitung beschriebene Effekt des catastrophic optical damage läßt sich zu höheren Leistungen verschieben, wenn die Ladungsträger in der aktiven Zone 7 die Laserspiegel 11 nicht erreichen. Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau wird dies dadurch erreicht, daß diese Ladungsträger über den zweiten An teil 4 der Metallisierung abgesaugt werden. Dabei kann die unter diesem zweiten Anteil 4 liegende pn-Struktur ähnlich einer Fotodiode im Kurzschlußbetrieb (U ₂ = 0) oder mit einer Sperr spannung betrieben werden. Der Strom I ₂ ist direkt propor tional zur emittierten Lichtleistung und kann daher als Meß größe zu Regelzwecken verwendet werden. Die in den Figuren ein gezeichnete Abmessung 13 der Kontaktierung des Spiegelbereiches in der Richtung senkrecht zu den Laserspie geln 11 sollte vorteilhaft im Bereich von 5 µm bis 20 µm liegen. Für den Zwischenraum, in dem der erste Anteil der Me tallisierung von dem zweiten Anteil 4 der Metallisierung getrennt ist, ist eine Breite, d.h. die Abmessung, die der Differenz zwischen dem Abstand 14 des ersten Anteiles 3 der Metallisierung von dem Laserspiegel 11 und der Abmessung 13 der Kontaktierung des Spiegelbereiches entspricht, von 2 µm bis 5 µm ausreichend.

Der Halbleiterlaser selbst kann in allen bekannten Formen (ge winngeführt, indexgeführt, Schmal- oder Breitstreifenlaser, Laserarray) ausgeführt sein. Die aktive Zone 7 besteht aus einer Einfach- oder Mehrfach-Quantum-Well-Struktur und besitzt einen niedrigeren Bandabstand als das Material der oberen Man telschicht 6 und der unteren Mantelschicht 8. Die hochdotierte Kontaktschicht 5 ermöglicht die Realisierung von ausreichend niederohmigen Kontakten mittels der aufgebrachten Metallisie rung.

Diese Metallisierung kann aus den üblichen Materialien (z.B. TiPtAu) bestehen.

Claims

1. Halbleiterlaseranordnung auf einem Substrat (9) aus Halblei termaterial, das für elektrische Leitung eines ersten Leitungs typs dotiert ist, mit übereinander aufgewachsen

- einer unteren Mantelschicht (8) aus Halbleitermaterial, das für elektrische Leitung des ersten Leitungstyps dotiert ist,
- mindestens einer aktiven Zone (7), die in Längsrichtung von Laserspiegeln (11) begrenzt ist,
- einer oberen Mantelschicht (6) aus Halbleitermaterial, das für elektrische Leitung des entgegengesetzten zweiten Lei tungstyps dotiert ist,
- einer Kontaktschicht (5) mit darauf aufgebrachter Metalli sierung (3,4) und
- mit einem Substratkontakt (10),

dadurch gekennzeichnet,

- daß die Kontaktschicht (5) einen ersten Anteil (53) und einen davon getrennten zweiten Anteil (54) hat,
- daß die Metallisierung dementsprechend einen ersten Anteil (3) auf dem ersten Anteil (53) der Kontaktschicht (5) und einen davon getrennten zweiten Anteil (4) auf dem zweiten Anteil (54) der Kontaktschicht (5) hat,
- daß dieser erste Anteil (53) der Kontaktschicht und dieser erste Anteil (3) der Metallisierung den für die Strahlungserzeugung vorgesehenen Bereich der aktiven Zone (7) bedecken und
- daß diese zweiten Anteile (4,54) der Kontaktschicht und der Metallisierung jeweils zumindest einen unmittelbar vor einem jeweiligen Laserspiegel (11) befindlichen Bereich bedecken.

2. Halbleiterlaseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitungstyp n-Leitung und der zweite Leitungstyp p-Leitung ist.

3. Halbleiterlaseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitungstyp p-Leitung und der zweite Leitungstyp n-Leitung ist.

4. Halbleiterlaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine laterale Begrenzung des für die Strahlungserzeugung vorgesehenen Bereiches der aktiven Zone (7) auf mindestens einen Streifen vorgesehen ist.

5. Halbleiterlaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Zone (7) in Quantum-Well-Struktur ausgebildet ist.

6. Halbleiterlaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anteil (4) der Metallisierung in jedem vor einem jeweiligen Laserspiegel (11) befindlichen Bereich jeweils zum Laserspiegel (11) parallele Berandungen aufweist.