DE69401699T2 - Halbleiterlaser, der mit Hilfe eines nichtlinearen Kristalls innerhalb des Laserresonators Licht der zweiten Harmonischen erzeugt - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Laser und insbesondere auf einen Haibleiterlaser, der mittels eines nichtlinearen Kristalls, der an einem optischen Halbleiterverstärker in dem Laserresonator ("laser cavity") angebracht ist, Licht bei der zweiten Harmonischen erzeugt.
• Es entstand ein Bedarf nach einer preisgünstigen, kompakten Quelle für blaues Licht zur Verwendung bei Anwendungen, die von Flachanzeigen für Computer und Unterhaltungssysteme, Medizingeräten, analytischen Geräten und Datenspeicherungen bis hin zu optischen Kommunikationseinrichtungen reichen. Ein Halbleiterlaser, der blaues Licht erzeugen könnte, würde diese Anforderungen nach geringen Kosten und kleiner Größe erfüllen. Halbleiterlaser wurden erfolgreich verwendet, um relativ langwelliges Licht, wie z.B. grünes Licht (etwa 5.200 Å, 1 nm = 10 Å), rotes Licht (etwa 6.500 Å) oder infrarotes Licht (7.000 Å bis über 100.000 Å) zu erzeugen. Blaues Licht weist jedoch eine relativ kurze wellenlänge (etwa 4.700 Å) auf, wobei Laser, die aus Halbleitermaterialien hergestellt wurden, bei derart kurzen wellenlängen keine zufriedenstellenden Ergebnisse ergeben haben.
• Bestimmte Arten von Licht-emittierenden Dioden (LEDs; LED = Light-Emitting Diode) sind in der Lage, blaues Licht zu emittieren. LEDs können jedoch Licht lediglich über ein relativ breites Spektrum emittieren, weshalb sie nicht für Anwendungen geeignet sind, die eine einzige Wellenlänge oder einen schmalen Bereich an wellenlängen erfordern. Zusätzlich ist die Ausgangsleistung von LEDs für viele Anwendungen zu klein. Laser können Licht bei einer einzigen Wellenlänge erzeugen, wobei jedoch Laser und insbesondere Halbleiterlaser nicht in der Lage gewesen sind, Licht mit einer derart kurzen wellenlänge wie der von blauem Licht zu erzeugen. Laser, die beispielsweise aus der III-V-Halbleiterverbindungsgruppe (üblicherweise Verbindungen von Gallium, Indium oder Aluminium mit Arsen oder Phosphor, wie z.B. AlGaAs oder AlGaInP) hergestellt wurden, erzeugen bei Zimmertemperatur bei Wellenlängen kürzer als etwa 5.500 Å keine bedeutsame Energie. Weitere Halbleiterlichtquellen sind sehr schwach (z.B. Sihziumkarbid), haben eine sehr kurze Lebensdauer (z.B. Polymere) oder sind zu weich, um mit ihnen ohne weiteres zu arbeiten, wobei dieselben bis jetzt auch nicht ausreichend zuverlässig sind (z.B. die II-VI-Verbindungsgruppe).
• Ein Halbleiterlaser, der blaues Licht erzeugen kann, wurde zuerst von Hasse u.a. in Applied Physics Letters, Bd. 59, Seite 1272 (1991) berichtet. Dieses Bauelement besteht aus einer Zink-Kadmium-Schwefel-Selen-Verbindung und arbeitet bei einer außerordentlich niederen Temperatur von 77ºK (-196ºC), welche keine Zimmertemperatur ist. Dauerstrich- Bauelemente (CW-Bauelemente; CW = Continuous Wave), die bei Zimmertemperatur mit vernünftigen Lebensdauern arbeiten, wurden nicht berichtet.
• Ein weiterer Lösungsansatz zum Erzeugen von kohärentem kurzwelligem Licht besteht in einem Erzeugungsverfahren für eine zweite Harmonische in einem nichtlinearen optischen Material. Die zweite Harmonische ist die doppelte Frequenz und daher die Hälfte der Wellenlänge der Grundschwingung. Infrarotlicht mit einer Grundschwingungswellenlänge von 9.400 Å weist beispielsweise eine zweite Harmonische mit einer Wellenlänge von 4.700 Å auf. Die Intensität der zweiten Harmonischen ist im allgemeinen proportional zum Quadrat der Intensität der Grundschwingung, und wenn die verfügbare Grundschwingungsintensität ausreichend ist, kann eine starke zweite Harmonische erreicht werden. Dieser Lösungsansatz wurde erfolgreich mit Dauerstrich-Festkörperlasern, wie z.B. Nd:YAG, erreicht. Lasersysteme gemäß diesem Lösungsansatz verwenden jedoch viele Komponenten und sind daher physisch voluminös und teuer und benötigten eine sehr genaue Ausrichtung. Zusätzlich traten Schwierigkeiten bezüglich der Stabilität und Steuerung auf. Lasersysteme dieser Art sind in folgenden Schriften beschrieben: Yariv, Introduction to Optical Electronics (4. Ausg.), Holt, Rinehart & Wilson, 1991, Yamamoto u.a., IEEE Journal of Quantum Electronics, Bd. 28, S. 1909 (1992) und Tamada u.a., Proceedings of OSA Compact Blue-Green Lasers Topical Meeting, Santa Fe, New Mexico, S. 120 (1992).
• Es ist bekannt, ein monolithisches Bauelement mit einem Element zum Erzeugen einer zweiten Harmonischen aus einem ähnlichen Halbleitermaterial innerhalb des Resonators eines Kanten-emittierenden Galliumarsenid- oder Aluminiumgalliumarsenid-Lasers herzustellen. Diese Bauelemente weisen jedoch lange Resonatoren auf, welche in großen Absorptionsverlusten und Phasenanpassungsschwierigkeiten resultieren. Diese Nachteile führten zur Nichtpraktizierbarkeit des Erzeugens von nützlichen Ausgaben bei der zweiten Harmonischen mit den gewünschten Wellenlängen. Laser dieser Art sind in Ogasawara u.a., "Second Harmonic Generation in an AlGaAs Double- Heterostructure Laser, Japanese Journal of Applied Physics, Bd. 26, S. 1386 (1987), beschrieben.
• Monolithische Oberflächen-emittierende Bauelemente mit nichtlinearen Regionen wurden ebenfalls vorgeschlagen. Ein derartiges Bauelement, das von Vakhshoori u.a., Applied Physics Letters, Bd. 59, S. 896 (1991), beschrieben ist, weist aus den gleichen Gründen wie bei dem Kanten-emittierenden Bauelement eine relativ niedrige Ausgangsleistung auf. Ferner ist das emittierte Licht über einen breiten Winkel- und Raumbereich verteilt, weshalb es schwierig ist, dasselbe zu konzentrieren.
• Ein vielversprechenderer Lösungsansatz ist in unserem U.S. Patent 5,341,390 beschrieben. Dieser Lösungsansatz verwendet einen Oberflächen-emittierenden Laser mit vertikalem Resonator (SEL; SEL = Surface-Emitting Laser). Der SEL besteht aus einem Halbleitermaterial der Gruppe III-V und ist insbesondere hergestellt, um bestimmte nichtlineare optische Charakteristika des III-V-Materials selbst zu Frequenzverdopplungszwecken auszunutzen. Dieser Lösungsansatz verwendet auf vorteilhafte Weise die relativ hohe Intensität an Licht, das innerhalb der aktiven Region eines SEL vorhanden ist. Dieser Lösungsansatz benötigt jedoch eine nicht-standardgemäße Substratausrichtung, welche in der Herstellung schwierig sein kann, wobei ferner die Ausgangsleistung durch Absorption des Frequenz-verdoppelten Lichts in dem Halbleitermaterial begrenzt ist.
• Ein weiterer Lösungsansatz ist in einer anhängigen Europäischen Patentanmeldung mit dem Titel "Semiconductor Laser That Generates Second Harmonic Light With Attached Nonlinear Crystal" (Erfinder: Fouquet und Yamada), die am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurde, beschrieben.
• Frühere Versuche, um einen SEL mit einem einstückigen Frequenz-verdoppelnden Element herzustellen, waren durch eine begrenzte Auswahl an geeigneten Materialien, aus denen ein nichtlinearer Kristall hergestellt werden kann, begrenzt. Die wahlen waren auf Materialien mit einer Kristalistruktur begrenzt, die zu der von Galliumarsenid identisch ist. Es wurde vorgeschlagen, daß diese Begrenzung unter Verwendung von Wafer-Verbindungstechniken überwunden werden kann, um ein nichtlineares Kristall in einen Galliumarsenid-SEL zu integrieren. Dies würde die Verwendung von Materialien erlauben, die hohe nichtlineare Suszeptibilitäten und niedrige optische Verluste sowohl bei der Grundschwingungsfrequenz des SEL als auch bei der Frequenz-verdoppelten Ausgabe der zweiten Harmonischen aufweisen.
• Beide Reflektoren bei einem praktischen SEL müssen extrem hohe Reflektivitäten aufweisen. Zusätzlich muß der SEL durch niedrige optische Verluste, einen niedrigen parasitären Widerstand und eine hohe thermische Leitfähigkeit aus Wärmesenkezwecken aufweisen. Viele nichtlineare Dielektrika, wie z.B. LiNbO&sub3;, sind nicht elektrisch leitfähig, was eine elektrische Injektion schwierig macht. Zusätzlich besteht einer der Schritte des Herstellens des Laserresonators darin, einen der Reflektoren auf dem nichtlinearen Kristall aufzubringen. Dies kann durch Verwenden von dielektrischen, verteilten Bragg-Reflektoren, wie z.B. SiO&sub2; oder TiO&sub2;, durchgeführt werden. Diese Materialien weisen jedoch keine ausreichende thermische Leitfähigkeit auf, um eine adäquate Wärmesenkewirkung zu schaffen. Zusätzlich ist es für eine Langzeitzuverlässigkeit notwendig, daß das Substrat, der nichtlineare Kristall und die Reflektoren alle ähnliche thermische Ausbreitungskoeffizienten aufweisen. Dies ist nicht der Fall, wenn Materialien wie die oben erwähnten verwendet werden.
• Aus dem vorhergehenden ist es offensichtlich, daß noch ein Bedarf nach einem kompakten, effizienten Halbleiterlaser vorhanden ist, der blaues Licht erzeugen kann.
• Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1 und 7 definiert.
• Die vorliegende Erfindung schafft einen Halbleiterlaser mit einem nichtlinearen Galliumphosphid-Kristall, das an einen optischen Galliumarsenidverstärker geschmolzen ist. Niederfrequenzucht (typischerweise rot oder infrarot) wird in dem Laser erzeugt und durch das nichtlineare Kristall in der Frequenz verdoppelt. Das Frequenz-verdoppelte Licht (typischerweise blau, grün oder ultraviolett) wird emittiert. Der Laser ist kompakt, stabil, effizient und leicht herzustellen.
• Kurz und allgemein gesprochen weist ein Laser gemäß der Erfindung einen ersten Reflektor auf einem Galliumarsenidsubstrat und einen optischen Verstärker auf dem ersten Reflektor auf. Ein nichtlinearer Kristall ist an den optischen Verstärker mittels einer Haftschicht geschmolzen ("geschmolzen" wird ebenfalls als "Wafer-verbunden" bezeichnet). Ein zweiter Reflektor ist auf dem nichtlinearen Kristall positioniert. Der erste und der zweite Reflektor definieren einen Laserresonator, der sich durch den optischen Verstärker, die Haftschicht und den nichtlinearen Kristall erstreckt.
• Beide Reflektoren sind für Licht bei einer gewünschten Grundfrequenz, typischerweise Rot- oder Infrarot-Licht, vorzugsweise zu über 90% reflektiv. Der zweite Reflektor ist vorzugsweise für Licht bei dem zweifachen der Grundfrequenz vorzugsweise mindestens zu 50% transmissiv. Der Laser erzeugt Licht in dem Laserresonator bei der Grundfrequenz, wenn er von einer externen Energiequelle mit Leistung versorgt wird. Der nichtlineare Kristall wandelt das Licht mit der Grundfrequenz in Frequenz-verdoppeltes Licht, typischerweise blau, grün oder ultraviolett, um. Das Frequenz-verdoppelte Licht wird durch den zweiten Reflektor emittiert.
• Verschiedene Materialien können verwendet werden, um die Komponenten des Lasers herzustellen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der optische Verstärker aus einer aktiven Region aus Indiumgalliumarsenid zwischen einem Paar von Abstandshalterschichten aus Galliumarsenid. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht der erste Reflektor aus Aluminiumgalliumarsenid. Der nichtlineare Kristall und der zweite Reflektor bestehen aus Aluminiumgalliumphosphid, während die Haftschicht Indium und vorzugsweise Indiumgalliumphosphid aufweist. Die Haftschicht ist an die Kristallstruktur des optischen Verstärkers Gitter-angepaßt.
• Ein Zwischenresonatorreflektor ist vorzugsweise zwischen der Haftschicht und dem nichtlinearen Kristall enthalten. Dieser Zwischenresonatorreflektor besteht typischerweise aus Aluminiumgalliumphosphid. Der Zwischenresonatorreflektor ist für Licht bei der Grundfrequenz transmissiv, für Licht bei dem Doppelten der Grundfrequenz jedoch reflektiv. Derselbe dient dazu, soviel Frequenz-verdoppeltes Licht als möglich von dem nichtlinearen Kristall zu dem Ausgang zu reflektieren. Derselbe kann ferner entworfen sein, um bei der Grundfrequenz anti-reflektiv zu sein, um beliebige Verluste von Licht bei der Grundfrequenz, das zwischen dem optischen Verstärker und dem nichtlinearen Kristall läuft, zu minimieren.
• Ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers gemäß den Prinzipien der Erfindung weist die folgenden Schritte auf:
• Bilden einer ersten Struktur durch epitaxiales Aufwachsen eines ersten Reflektors auf ein Galliumarsenidsubstrat, eines optischen Verstärkers auf den ersten Reflektor und einer Haftschicht auf den optischen Verstärker;
• Bilden einer zweiten Struktur durch epitaxiales Aufwachsen eines zweiten Reflektors auf ein Galliumphosphidsubstrat, eines nichtlinearen Kristalls auf den zweiten Reflektor und optional eines Zwischenresonatorreflektors auf den nichtlinearen Kristall; und
• Drücken des nichtlinearen Kristalls (oder des Zwischenresonatorreflektors, wenn einer verwendet wird) gegen die Haftschicht und Erhöhen der Temperatur, um die beiden Strukturen zusammenzuschmelzen.
• Nachdem die beiden Strukturen zusammengeschmolzen sind, wird das Galliumphosphidsubstrat entfernt, derart, daß Frequenzverdoppeltes Licht durch den zweiten Reflektor emittiert werden kann.
• weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, welche beispielhaft die Prinzipien der Erfindung darstellen, offensichtlich.
• Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Resonator, der die Prinzipien der Erfindung ausführt.
• Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels, das dem in Fig. 1 gezeigten ähnlich ist und ebenfalls einen Zwischenresonatorreflektor zwischen dem optischen Verstärker und dem nichtlinearen Kristall aufweist.
• wie es in den Zeichnungen aus Darstellungsgründen gezeigt ist, ist die Erfindung in einem Oberflächen-emittierenden Laser mit einem nichtlinearen Phosphidkristall ausgeführt, der an einem optischen Arsenidverstärker in dem Laserresonator angeschmolzen ist. Der Laser erzeugt ein infrarotes oder ein anderes relativ niederfrequentes Licht. Der nichtlineare Kristall wandelt das niederfrequente Licht in Licht um, das die doppelte Frequenz aufweist, um ein blaues oder ein anderes relativ hochfrequentes Licht zu schaffen. Es existierte ein Bedarf nach einem zuverlässigen, wirtschaftlichen und kompakten Laser, der blaues Licht schaffen kann, wobei jedoch existierende Lösungsansätze nicht befriedigend waren.
• Ein Laser, der die Prinzipien der Erfindung ausführt, kann ohne weiteres und wirtschaftlich hergestellt werden. Der Laser schafft eine kompakte, stabile Quelle für blaues Licht. Die interne Absorption des blauen Lichts kann minimiert werden, indem der nichlineare Kristall aus einem Material hergestellt wird, das durch eine niedrige Absorption bei Blaulichtfrequenzen gekennzeichnet ist.
• Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Oberflächen-emittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung ist in einer Querschnittsansicht in Fig. 1 gezeigt. Der Laser umfaßt ein Galliumarsenidsubstrat 11, einen ersten Reflektor 13 neben dem Substrat 11, einen optischen Verstärker 15 neben dem ersten Reflektor 13, eine Haftschicht 17 neben dem optischen Verstärker 15, einen nichtlinearen Kristall 19, der über die Haftschicht 17 an den optischen Verstärker 15 angeschmolzen ist, und einen zweiten Reflektor 21 neben dem nichtlinearen Kristall 19.
• Der erste Reflektor 13, welcher für Licht bei einer gewünschten Grundfrequenz stark reflektiv ist, weist ein Arsenid, wie z.B. Galliumarsenid oder Aluminiumgalliumarsenid, auf. Der optische Verstärker 15 umfaßt ebenfalls ein Arsenid. Bei den in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispielen umfaßt der optische Verstärker 15 eine aktive Region aus Indiumgalliumarsenid 23 zwischen einem Paar von Abstandshalterschichten 25 und 27 aus Galliumarsenid, wobei es jedoch offensichtlich ist, daß ebenfalls andere Materialien verwendet werden können. Der Verstärker kann beispielsweise AlGaAs aufweisen, während die Abstandshalter beispielsweise InGaP oder AlInGaP aufweisen können.
• Der zweite Reflektor 21, welcher für Licht bei der Grundfrequenz stark reflektiv und für Licht bei dem Doppelten der Grundfrequenz transmissiv ist, weist ein Phosphid, wie z.B. Aluminiumphosphid oder Aluminiumgalliumphosphid auf. Der nichtlineare Kristall 19 weist ebenfalls ein Phosphid auf, und zwar typischerweise Aluminiumgalliumphosphid.
• Die Haftschicht weist vorzugsweise Indium auf. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Haftschicht aus Indiumgalliumphosphid mit einer Kristallgitterstruktur aufgewachsen, die an die der darunterliegenden Arsenide angepaßt ist.
• Der erste und der zweite Reflektor 13 und 21 definieren zwischen sich einen Laserresonator, der sich von dem ersten Reflektor 13 über den optischen Verstärker 15, die Haftschicht 17 und den nichtlinearen Kristall 19 zu dem zweiten Reflektor 21 erstreckt.
• Im Betrieb spricht der Laser auf eine externe Energiequelle (nicht gezeigt) an, um Licht in dem Laserresonator bei der Grundfrequenz zu erzeugen. Das Licht wandert durch den Resonator hin und her, wie es durch einen Pfeil 29 gezeigt ist. Der nichtlineare Kristall 19 wandelt einen bestimmten Teil dieses Lichts in Licht um, das die zweifache Grundfrequenz aufweist. Das Frequenz-verdoppelte Licht wird durch den zweiten Reflektor 21 emittiert, wie es durch einen Pfeil 31 angezeigt ist, um einen Strahl aus Frequenz-verdoppeltem Licht zu schaffen.
• Ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel umfaßt einen Zwischenresonatorreflektor 33, dasselbe ist jedoch in anderen Punkten im allgemeinen dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ähnlich. Aus Zweckmäßigkeitsgründen weisen Elemente des zweiten Ausführungsbeispiels, die zu Elementen des ersten Ausführungsbeispiels ähnlich sind, die gleichen Bezugszeichen auf.
• Der Zwischenresonatorreflektor 33 ist zwischen dem optischen Verstärker 15 und dem nichtlinearen Kristall 19 positioniert. Der Zwischenresonatorreflektor 33 umfaßt ein Phosphid, wie z.B. Aluminiumphosphid oder Aluminiumgalliumphosphid, das für Licht bei der Grundfrequenz transmissiv und für Licht bei dem Doppelten der Grundfrequenz reflektiv ist. Vorzugsweise ist der Zwischenresonatorreflektor 33 zwischen der Haftschicht 17 und dem nichtlinearen Kristall 19 angeordnet.
• Im Betrieb dient der Zwischenresonatorreflektor 33 dazu, jedes Frequenz-verdoppelte Licht von dem optischen Verstärker 15 weg und zu dem zweiten Reflektor 21 hin zu reflektieren, wie es durch einen Pfeil 35 gezeigt ist. Zusätzlich kann der Zwischenresonatorreflektor 33 ebenfalls als antireflektive Region bei der Grundfrequenz dienen, wodurch beliebige Verluste des Grundfrequenzlichts minimiert werden, das sich zwischen dem optischen Verstärker 15 und dem nichtlinearen Kristall 19 ausbreitet.
• Der Laser wird typischerweise durch einen elektrischen Strom von einer Leistungsversorgung (nicht gezeigt) erregt. Der Strom wird über elektrische Kontakte (nicht gezeigt) in irgendeiner zweckmäßigen Konfiguration der Art, die üblicherweise bei herkömmlichen Oberflächen-emittierenden Lasern verwendet wird, an den Laser angelegt.
• Ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers gemäß der Erfindung umfaßt die Schritte des Bildens einer ersten Struktur, die allgemein mit 37 bezeichnet ist, des Bildens einer zweiten Struktur, die allgemein mit 39 bezeichnet ist, und des Zusammenschmelzens der beiden Strukturen. Insbesondere wird bezugnehmend auf die Elemente, wie sie oben diskutiert wurden und in Fig. 1 dargestellt sind, die erste Struktur 37 durch epitaxiales Aufwachsen des ersten Reflektors 13 auf das Substrat 11, durch epitaxiales Aufwachsen des optischen Verstärkers 15 auf den ersten Reflektor 13 und durch epitaxiales Aufwachsen der Haftschicht 19 auf den optischen Verstärker 15 gebildet. Die zweite Struktur 39 wird durch epitaxiales Aufwachsen des zweiten Reflektors 21 auf ein Galliumphosphidsubstrat 41 und durch epitaxiales Aufwachsen des nichtlinearen Kristalls 19 auf den zweiten Reflektor 21 gebildet. Die Strukturen werden dann durch Drücken des nichtlinearen Kristalls 19 gegen die Haftschicht 17 und durch Erhöhen der Temperatur verschmolzen, um die beiden Strukturen zusammenzuschmelzen.
• Irgendein Bereich von Aufschmelzdrücken und Temperaturen kann wie gewünscht verwendet werden. Unter der Voraussetzung, daß die Gitteranpassungsschicht Indium enthält, kann eine gleichförmige Verbindung bei einer Aufschmelztemperatur von weniger als 950ºC erhalten werden.
• Nachdem die beiden Strukturen 37 und 39 zusammengeschmolzen sind, wird das Galliumphosphidsubstrat 41 entfernt, um den zweiten Reflektor 21 freizulegen, derart, daß das Frequenzverdoppelte Licht von dem nichtlinearen Kristall 19 emittiert werden kann, wie es durch den Pfeil 31 gezeigt ist. wenn das Substrat 41 für Licht bei der doppelten Frequenz transmissiv ist, besteht natürlich kein Bedarf nach einer derartigen Entfernung.
• Das Galliumarsenidsubstrat 11 weist eine Ausrichtung (100) auf. Aufgrund der Kristallsymmetrie der Zinkblendestruktur ist die effizienteste Ausrichtung für eine Erzeugung einer zweiten Harmonischen < 111> . Das Kristallwachstum kann durch Auswählen einer Ausrichtung, wie z.B. (311) oder (110), des Galliurnphosphidsubstrats 41 einfacher gemacht werden, für das die Epitaxie des nichtlinearen Kristalls 19 und des zweiten Reflektors 21 am einfachsten ist.
• wenn ein Zwischenresonatorreflektor erwünscht ist, wird er vor dem Schritt des Verschmelzens der beiden Strukturen 37 und 39 auf den nichtlinearen Kristall epitaxial aufgewachsen. Die Strukturen werden dann durch Drücken des Zwischenresonatorreflektors gegen die Gitteranpassungsschicht und durch Erhöhen der Temperatur verschmolzen.
• Die physikalischen Abmessungen der verschiedenen Komponenten sind herkömmlich und werden für Fachleute in der Technik offensichtlich sein. Der nichtlineare Kristall ist zwischen etwa 1 µm und 1 mm dick. wenn die Leistungsausgabe des Lasers bei der Grundfrequenz ausreichend hoch ist, kann der nichtlineare Kristall dünner als eine Kohärenzlänge gemacht werden, wodurch irgendein Bedarf nach einer Phasenanpassung eliminiert wird. Andernfalls kann eine Phasenanpassung durch Aufwachsen von abwechselnden AlGaP- und GaP-Schichten erfüllt werden. Eine nicht-kritische Phasenanpassung wird bevorzugt, um die Temperaturempfindlichkeit zu reduzieren, und um eine größere Winkeltoleranz zu erhalten. Die tatsächliche Phasenanpassungsstrategie wird durch den Brechungsindex und die Nichtlinearitätscharakteristika des nichtlinearen Kristalls bestimmt werden.
• Bei dem Aufschmelzverfahren werden zwei saubere Materialien (die Haftschicht und der nichtlineare Kristall) in der Ausrichtung zusammengesetzt, die für die Endstruktur erwünscht ist. Eine gute Strategie zum Reinigen dieser Materialien besteht darin, dieselben vorzubereiten, als ob ein weiterer Halbleiter nachfolgend auf denselben aufgewachsen werden soll. Sie sollten entfettet werden, und Oxide sollten entfernt werden.
• In einer Richtung senkrecht zu der Grenzfläche zwischen den Materialien wird dann ein statischer Druck angelegt. Es wird bevorzugt, einen relativ gleichmäßigen Druck über diese Grenzfläche anzulegen. Der Druck sollte durch ein Gerät angelegt werden, welches die Temperatur aushalten kann, die zum Verschmelzen benötigt wird, wie z.B. durch eine Graphitpresse. Um den Druck zu steuern und zu reproduzieren, kann ein Drehmornentschlüssel verwendet werden, um die Presse anzuziehen. weitere Verfahren sind ebenfalls möglich. Die Proben, die nun zusammengedrückt sind, werden auf eine Temperatur erhöht, die hoch genug ist, damit ein Verschmelzen stattfinden kann. Wie oben erörtert wurde, kann eine Temperatur von weniger als 950ºC verwendet werden, wenn die Haftschicht Indium aufweist.
• Aufgrund der Differenz der thermischen Ausbreitung zwischen den Proben und der Presse wird sich der Druck im Vergleich zu dem Druck bei Zimmertemperatur etwas verändern. Geeignete Verfahren können verwendet werden, um einen konstanten Druck unabhängig von der Temperatur beizubehalten.
• Es wird bevorzugt, die Erwärmung in einer gesteuerten Atmosphäre auszuführen. Es wurde herausgefunden, daß gute Bedingungen zum Verschmelzen ein Druck von etwa 300 g/cm², eine Temperatur von 650ºC, eine Zeit von 30 Minuten und eine wasserstoffgasurngebung sind. Siehe beispielsweise in R.J. Ram, J.J. Dudley, L. Yang, K. Nauka, J. Fouquet, M. Ludowise, Y.M. Houng, D.E. Mars und S.Y. Wang, "Characterization of Wafer Fusing for Hybrid Optoelectronic Devices", Electronic Materials Conference, Santa Barbara, Kalifornien, 23. - 25. Juni 1993.
• Optimale Bedingungen werden von den einzelnen verwendeten Materialien abhängen. Wenn sich beispielsweise zu viel Phosphor aus einem Phosphor-enthaltenden Kristall verflüchtigt, bevor die Verschmelzung vollständig ist, kann der Wasserstoffumgebung Phosphingas hinzugefügt werden, um eine korrekte Phosphor-enthaltende Kristallstruktur beizubehalten.
• Nachfolgend werden Überlegungen bezüglich der Materialauswahl erörtert.
• Phosphide, wie z.B. GaP und AlP, werden für den nichtlinearen Kristall und den zweiten Reflektor verwendet, da die nichtlinearen Suszeptibilitäten von GaP und AlP denen von GaAs ähnlich sind, und da optische Verluste von GaP und AlP viel niedriger als die von GaAs und AlAs sind. Ferner kann eine Reduktion des optischen Verlustes durch Verwenden von AlGaP erhalten werden. AlGaP ist an GaP Gitter-angepaßt und weist einen größeren Bandabstand als GaP auf.
• Die thermischen Ausbreitungskoeffizienten von GaP und AlP sind dem Ausbreitungskoeffizienten von GaAs ähnlich. Die thermischen Leitfähigkeiten von GaP und AlP sind viel höher als die von GaAs. GaP und AlP können entweder als p-Typ oder als n-Typ dotiert werden, um eine gute elektrische Leitfähigkeit zu erreichen.
• AlGaP und AlP weisen große optische Brechungsindexdifferenzen auf. Dies macht es möglich, eine Reflektorstruktur mit relativ wenigen Schichten zu realisieren.
• Verschiedene Parameter der oben erwähnten Materialien können mit Parametern weiterer Materialien bezugnehmend auf die folgende Tabelle verglichen werden: Tabelle 1: Zusammenfassung von Materialparametern
• Aus dem vorhergehenden ist es offensichtlich, daß der Laser, der durch die Erfindung geschaffen ist, den Bedarf nach einer wirtschaftlichen Quelle für kohärentes Licht bei kürzeren wellenlängen, als sie bisher erreicht worden sind, erfüllt. Der Laser ist in der Herstellung einfach, wobei herkömmliche Techniken verwendet werden, und derselbe arbeitet wirksam, um Licht bei grünen bis zu ultravioletten Wellenlängen und darüberhinaus zu schaffen.
• Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und dargestellt worden sind, ist die Erfindung nicht auf die spezifischen Formen oder Anordnungen von Teilen begrenzt, die derart beschrieben und veranschaulicht worden sind, da verschiedene Modifikationen und Änderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Bereich der Erfindung abzuweichen. Innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche kann die Erfindung daher anders ausgeführt werden, als sie spezifisch beschrieben und dargestellt ist.

Claims (10)

1. Ein Halbleiterlaser mit folgenden Merkmalen:

einem Galliumarsenidsubstrat (11);

einem ersten Reflektor (13) neben dem Substrat, wobei der erste Reflektor ein Arsenid aufweist und für Licht bei einer gewünschten Grundfrequenz reflektiv ist;

einem optischen Verstärker (15) neben dem ersten Reflektor, wobei der optischer Verstärker ein Arsenid aufweist;

einer Haftschicht (17) neben dem optischen Verstärker;

einem nichtlinearen Kristall (19), der mit dem optischen Verstärker durch die Haftschicht verschmolzen ist und ein Phosphid aufweist; und

einem zweiten Reflektor (21) neben dem nichtlinearen Kristall, wobei der zweite Reflektor ein Phosphid aufweist und für Licht bei der Grundfrequenz reflektiv und für Licht bei dem Doppelten der Grundfrequenz transmissiv ist, wobei der erste und der zweite Reflektor zwischen sich einen Laserresonator (29) definieren, der sich von dem ersten Reflektor durch den optischen Verstärker, die Haftschicht und den nichtlinearen Kristall zu dem zweiten Reflektor erstreckt;

wobei der Laser auf eine externe Energiequelle anspricht, um Licht in dem Laserresonator bei der Grundfrequenz zu erzeugen, wobei der nichtlineare Kristall wirksam ist, um das erzeugte Licht in Licht mit einer Frequenz umzuwandeln, die doppelt so groß wie die Frequenz des erzeugten Lichts ist, wodurch ein Strahl aus Frequenz-verdoppeltem Licht (31, 35) durch den zweiten Reflektor geschaffen ist.

2. Ein Laser gemäß Anspruch 1, der ferner einen Zwischenresonatorreflektor (33) zwischen dem optischen Verstärker und dem nichtlinearen Kristall aufweist, wobei der Zwischenresonatorreflektor ein Phosphid aufweist und für Licht bei der Grundfrequenz transmissiv und für Licht bei dem Doppelten der Grundfrequenz reflektiv ist.

3. Ein Laser gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der optische Verstärker eine aktive Region (23) aufweist, die aus mindestens einem Mitglied der Gruppe, die Indium und Aluminium aufweist, hergestellt ist.

4. Ein Laser gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Haftschicht Indium aufweist.

5. Ein Laser gemäß Anspruch 4, bei dem die Haftschicht Indiumgalliumphosphid aufweist.

6. Ein Laser gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der nichtlineare Kristall Aluminiumgalliumphosphid aufweist.

7. Ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers mit folgenden Schritten:

Bilden einer ersten Struktur (37) durch (a) epitaxiales Aufwachsen eines Arsenids auf ein Galliumarsenidsubstrat (11), um einen ersten Reflektor (13) zu bilden, der für Licht bei einer gewünschten Grundfrequenz reflektiv ist, (b) epitaxiales Aufwachsen eines Arsenids auf den ersten Reflektor, um einen optischen Verstärker (15) zu bilden, und (c) epitaxiales Aufwachsen eines Phosphids auf den optischen Verstärker, um eine Haftschicht (17) zu bilden, die an die Kristallstruktur des optischen Verstärkers Gitter-angepaßt ist;

Bilden einer zweiten Struktur (39) durch (a) epitaxiales Aufwachsen eines Phosphids auf ein Galliumphosphidsubstrat (41), um einen zweiten Reflektor (21) zu bilden, der fur Licht bei der Grundfrequenz reflektiv und für Licht bei dem Doppelten der Grundfrequenz transrnissiv ist, und (b) epitaxiales Aufwachsen eines Phosphids auf den zweiten Reflektor, um einen nichtlinearen Kristall (19) zu bilden;

Drücken des nichtlinearen Kristalls gegen die Haftschicht; und

Zusammenschmelzen der beiden Strukturen durch Erhöhen der Temperatur.

8. Ein Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem der Schritt des Bildens einer zweiten Struktur ferner den Schritt des epitaxialen Aufwachsens eines Phosphids auf den nichtlinearen Kristall aufweist, um einen Zwischenresonatorreflektor (33) zu bilden, der für Licht bei der Grundfrequenz transmissiv und für Licht bei dem Doppelten der Grundfrequenz reflektiv ist.

9. Ein Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, bei dem der Schritt des epitaxialen Aufwachsens eines optischen Verstärkers die Teilschritte des Aufwachsens einer ersten Abstandshalterschicht (25) aus Galliumarsenid, des Aufwachsens einer aktiven Schicht (23) aus Indiumgalliumarsenid und des Aufwachsens einer zweiten Abstandshalterschicht (27) aus Galliumarsenid aufweist.

10. Ein Verfahren gemäß Anspruch 7, 8 oder 9, bei dem die Haftschicht Indium aufweist.