DE69608850T2 - Halbleiterlaser - Google Patents

Halbleiterlaser

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser und insbesondere einen Laser mit seitlicher optischer Begrenzung aus einem Material mit einer Struktur, die eine photonische Bandlücke aufweist.
  • Die Erfindung ist insbesondere beim Herstellen von Halbleiterlasermatrizen anwendbar, die durch die Oberfläche emittieren. So ermöglicht sie eine einfachere Herstellungstechnologie als die zur Zeit angewandte und weist eine höhere Wirksamkeit auf.
  • Die Materialien mit einer photonischen Bandlücke (in englischer Sprache: Photonic Bandgap) tauchen seit kurzem in der Literatur auf. Es handelt sich um Materialien, bei welchen die dielektrische Funktion periodisch strukturiert ist und zwar in mehreren Dimensionen; daher werden sie auch photonische Kristalle genannt. Die Beschreibung eines solchen Materials ist in dem in der Zeitschrift Journal of Modern Optics, 1994, Band 41. Nr. 2, S. 173-194 veröffentlichten Artikel "Photonic Crystals" von E. YABLONOVITCH zu finden. Gemäß der in diesem Artikel beschriebenen Technologie kann ein solches Material realisiert werden, indem Löcher in einem Substrat nach mehreren Richtungen gebohrt werden (siehe Seiten 183 und 186 in diesem Artikel). Wie in Fig. 1 dargestellt, werden in der Oberfläche eines Substrats Reihen aus drei Löchern gebohrt, deren Achsen durch denselben Punkt gehen. Diese drei Löcher bilden jeweils einen Winkel von 35º zur Normalen auf die Substratebene und sie bilden untereinander gleiche Winkel (siehe Fig. 1). Das zwischen den Löchern verbleibende Substrat kann dann einer hexagonalen Kristallstruktur angeglichen werden. Selbstverständlich können auch andere Arten von Materialstrukturen mit einer photonischen Bandlücke gebildet werden, die verschiedene Muster aufweisen.
  • Die WO-A-94 16345 beschreibt eine optische Schaltung, in welcher ein Wellenleiter aus einem Material mit einer photonischen Bandlücke gebildet ist. Der Wellenleiter verbindet optische Komponenten, beispielsweise einen Laser und einen Detektor. Das Material gewährleistet die Isolierung der Komponenten voneinander sowie von weiteren, im Substrat integrierten Komponenten.
  • Die Funktion einer Materialstruktur mit einer photonischen Bandlücke ermöglicht es, dielektrische Spiegel herzustellen.
  • Die Erfindung betrifft das Herstellen eines Lasers, in welchem Materialien mit einer photonischen Bandlücke eingesetzt werden.
  • Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser mit wenigstens einer aktiven Schicht, die zwischen zwei Begrenzungsschichten liegt, von denen eine p- und eine n-dotiert ist, so daß ein PN- Übergang gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einer der Begrenzungsschichten und/oder der aktiven Schicht auf beiden Seiten des Hohlraums Löcher in der Weise angeordnet sind, daß längs der Seitenwände des Hohlraums und an den Enden des Hohlraums Strukturen aus einem Material mit einer photonischen Bandlücke gebildet sind.
  • Die verschiedenen Aufgaben und Merkmale der Erfindung ergeben sich deutlicher aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen; darin zeigen:
  • Fig. 1 eine Ausführungsform eines Materials mit einer photonischen Bandlücke;
  • Fig. 2a ein Beispiel eines Lasers gemäß der Erfindung;
  • Fig. 2b eine Variante des Lasers von Fig. 2a, der eine Emission über die Oberfläche ermöglicht;
  • Fig. 2c eine Schnittansicht der Laser der Fig. 2a und 2b;
  • Fig. 3a und 3b, eine Lasergruppe.
  • Die Erfindung betrifft die optische Querbegrenzung eines Halbleiterlasers mit Hilfe eines Materials mit einer photonischen Bandlücke. Ein Prinzipschaltbild einer solchen Struktur ist in Fig. 2a dargestellt.
  • Ein Substrat 5 weist auf einer Hauptfläche einen Stapel folgender Schichten auf:
  • - eine erste p-dotierte Begrenzungsschicht 2;
  • - eine aktive Laserschicht 1
  • - eine zweite n-dotierte Begrenzungsschicht 3;
  • - eine Kontaktschicht.
  • Die Löcher wurden von der Oberfläche aus in der Weise gebohrt, daß auf beiden Seiten des Lasers (Bereiche g1 und g2) und an den Laserenden (Spiegel M1 und M2) ein Material mit einer photonischen Bandlücke gebildet ist.
  • Ein zweidimensionales Material mit einer photonischer Bandlücke ist ausreichend, da die optische Mode in der dritten Richtung (Dicke des Lasers) von der Mehrschichtstruktur begrenzt ist, welche beim Wachstum des Lasers, wie bei einem herkömmlichen Laser gebildet wird. Der Reflexionskoeffizient der Spiegel M1, M2 an den Enden des Lasers kann beliebig abgestimmt werden, indem die Periodenzahl des Materials mit einer photonischen Bandlücke geändert wird. Diese Zahl ist nicht notwendigerweise eine ganze Zahl, da der Spiegel nach einem Bruchteil der Periode des photonischen Kristalls unterbrochen werden kann. Im Beispiel der Fig. 2 strahlt der Laser seine Leistung nach rechts, da der rechte Spiegel M2 so ausgelegt wurde, daß er weniger als der linke Spiegel M1 reflektiert, da er eine niedrigere Periodenzahl aufweist.
  • Das Material mit einer photonischen Bandlücke, das sich beiderseits des Lasers in den Bereichen g1 und g2 befindet, bestimmt die seitliche Führung des Leiters und bildet ein Führungsband G im Leiter aus.
  • Fig. 2b stellt eine erfindungsgemäße Ausführungsvariante eines Lasers mit Oberflächenemission dar.
  • Am Ausgang des Lasers, an der Seite des Spiegels M2 ist das Licht mit Hilfe eines Beugungsgitters R zur Oberfläche der Struktur gerichtet.
  • Fig. 2c stellt den Laser der Fig. 2a und 2b im Schnitt dar.
  • Die Löcher, die das Material mit einer photonischen Bandlücke der Führungsbereiche g1, g2 und der Spiegel M1, M2 bilden, können einen geraden Querschnitt mit quadratischer, runder oder mehrseitiger Form, usw. aufweisen.
  • Hinsichtlich der Tiefe dieser Löcher wird angemerkt, daß je tiefer sie sind, desto wirksamer ist die Führung (oder die Reflexion) des Lichtes. Die Wirksamkeit ist am höchsten, wenn die Löcher die aktive Schicht 1 durchqueren. Auf jeden Fall wird die Tiefe der Löcher so ausgewählt, daß der Abstand zwischen dem Grund der Löcher und der aktiven Schicht kleiner als die Wellenlänge des Lasers (d. h. kleiner als einige Zehntel Millimeter) ist.
  • Vorzugsweise sind die Löcher frei von Material, so daß ein starker Indexkontrast zwischen dem Material mit einer photonischen Bandlücke und dem beiderseits angeordneten Material gesichert wird.
  • Die verschiedenen Löcher weisen eine gleichmäßige Anordnung auf, so daß sie ein gleichmäßiges Gitter bilden. Die Maschen dieses Gitters haben somit eine gleichmäßige Form, die vier- oder insbesondere sechseckig sein kann.
  • Die Löcher und die verschiedenen Maschen haben solche Abmessungen, daß die Löcher ungefähr 70% der Oberfläche füllen (allgemeiner zwischen 10 und 90%). Zudem ist der Abstand zwischen den Löchern derart, daß a = 0,2 bis 0,5 λ (beispielsweise ist a = 0,36 λ und die Füllrate 70%, wobei a der Abstand zwischen den Löchern und 1 die Wellenlänge ist) (siehe Solid State Electronic 37, 1341-1994).
  • Die Fig. 3a und 3b stellen eine Gruppe von Lasern (G1, G2, .G3) dar, die mit den Beugungsgittern (R1, R2, ...R3) auf demselben Substrat ausgeführt sind. Diese Gitter können sogar als ein einziges Gitter ausgebildet werden (siehe Fig. 3b).
  • Fig. 3b stellt schematisch die Laser G1, G2, ...Gn dar, die von einem Laser LP gepumpt sind, der zu jedem von ihnen einen Pumpstrahl P1, P2, ...P3 emittiert.
  • Die elektrische Isolierung der Laser kann gegebenenfalls in herkömmlicher Weise durch ein Verfahren mit Implantation von Protonen auf die Teile der Platte erfolgen, die keine optische Verstärkung (Leistung), d. h. keine elektrische Einspeisung benötigen.
  • Man kann gegebenenfalls die Rekombination von Ladungsträgern auf den Oberflächenfehlern, die durch das Ätzen der Materialien mit einer photonischen Bandlücke entstanden sind, vermeiden, indem eine durch Fremdatome (beispielsweise Bor) unterstützte Interdiffusion durchgeführt wird; zu diesem Zweck genügt eine schwache Interdiffusionsdicke (beispielsweise 5,0 bis 10,0 nm; 50 bis 100 Å).
  • Es kann auch eine optische Kopplung zwischen den verschiedenen Lasern vorgesehen werden, damit alle Laser G1, G2, ...Gn in Phase emittieren. Zu diesem Zweck ist die Breite jedes zwei Laser trennenden Bands so dimensioniert, daß die Kopplung möglich ist. Diese Breite weist beispielsweise 1 bis 5 Maschen aus dem Material mit einer photonischen Bandlücke auf. Dies ist eine Möglichkeit, damit alle Laser in Phase emittieren.
  • Die Erfindung weist folgende Vorteile auf:
  • - Ein erster Vorteil liegt in der besseren Qualität der optischen Übergänge, die aus den Materialien mit einer photonischen Bandlücke gebildet sind. In einem solchen Material koppeln die Fehler der optischen Oberfläche die optische Mode des Lasers nur mit unterkritischen Moden innerhalb des Materials mit einer photonischen Bandlücke und nicht außerhalb.
  • Die Materialien mit einer photonischen Bandlücke ermöglichen somit das Herstellen von einwandfreien optischen Oberflächen ohne unerwünschte Verluste zu außenstehenden Moden, Diese Spiegel sind insbesondere weitaus besser als die üblicherweise bei der Technologie der vollen Platten, beispielsweise durch reaktive ionische Ätzung hergestellten Spiegel, die viele Defekte aufweisen.
  • - Ein zweiter Vorteil der Erfindung liegt in der Hemmung der spontanen Emission, die vom Material mit einer photonischen Bandlücke ausgeht. Wenn unter und über der Struktur über herkömmliche plane Spiegel (metallische oder mehrlagige Spiegel) verfügt wird, läßt sich die spontane Emission in allen Moden des elektromagnetischen Feldes und in den drei Dimensionen kontrollieren. Somit wird die Leistung der Laser verbessert, und es ist zudem möglich, deren Schwelle insbesondere für die kleinen Löcher und somit für die Laser mit geringer Leistung abzusenken.

Claims (11)

1. Halbleiterlaser mit wenigstens einer aktiven Schicht (1), die zwischen zwei Begrenzungsschichten (2, 3) liegt, von denen eine p- und eine n-dotiert ist, so daß ein PN-Übergang gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einer der Begrenzungsschichten und/oder der aktiven Schicht auf beiden Seiten des Hohlraums (G) Löcher in der Weise angeordnet sind, daß längs der Seitenwände (g1, g2) des Hohlraums (G) und an den Enden (M1, M2) des Hohlraums (G) Strukturen aus einem Material mit einer photonischen Bandlücke gebildet sind.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Beugungsgitter (R) umfaßt, das senkrecht zur Längsrichtung des Hohlraums liegt, wobei das Gitter an der Seite einer der Ausgangsenden (M2) des Lasers liegt.
3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Löcher in der Begrenzungsschicht so gewählt ist, daß der Abstand der Böden der Löcher zu der aktiven Schicht kleiner als die Wellenlänge ist, bei der der Laser arbeitet.
4. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodenzahl der Löcher an einem Ende (M2) kleiner ist als am anderen Ende (M1).
5. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher und die verschiedenen Maschen des Materials mit einer photonischen Bandlücke so bemessen sind, daß die Löcher 10 bis 90% der Oberfläche des Materials füllen.
6. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher ungefähr 70% der Oberfläche des Materials füllen.
7. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Löchern ungefähr zwischen 0,2 λ und 0,5 λ liegt, wobei λ die Wellenlänge ist, bei der der Laser arbeitet.
8. Halbleiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere Laser (G1, ..., Gn) umfaßt, die parallel angeordnet sind.
9. Halbleiterlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser (G1, ...Gn) alle ein gemeinsames Beugungsgitter besitzen.
10. Halbleiterlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des eine photonische Bandlücke aufweisenden Materials, das zwei Laser trennt, ungefähr 1-5 Maschen des Netzes des eine photonische Bandlücke aufweisenden Materials beträgt, um eine Kopplung zwischen Lasern zu ermöglichen.
11. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher frei von Material sind.
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