DE69838901T2 - Laservorrichtung mit einem zwischen zwei Bragg Spiegeln angebrachten Stapel epitaktischer Diodenlaser - Google Patents

Laservorrichtung mit einem zwischen zwei Bragg Spiegeln angebrachten Stapel epitaktischer Diodenlaser Download PDF

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    • H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure

Description

  • Das Gebiet der Erfindung ist dasjenige der Laser, die einen Stapel von Halbleiterlasern aufweisen, die es ermöglichen, Leistungen in der Größenordnung von mehreren Kilowatt zu erreichen.
  • Gemäß dem Stand der Technik weisen solche Laser Laserdioden auf, die durch epitaxiales Wachstum auf einem mit Verunreinigungen eines bestimmten Typs (allgemein vom Typ n) dotierten Halbleitersubstrat Cn einer emittierenden Struktur mit Quantentrog PQ und dann einer mit Verunreinigungen von entgegengesetztem Typ (allgemein vom Typ p) dotierten Schicht Cp hergestellt werden.
  • 1 veranschaulicht einen Stapel von zwei Laserdioden gemäß dem Stand der Technik: Metallkontakte ME1 und ME2 sind zu beiden Seiten der Laserdioden aufgelegt, und die Laserdioden sind Schicht Cn über Schicht Cp mittels der Metallkontakte ME1 und ME2 gestapelt.
  • Allgemein umklammern mechanische Metallbacken die Gesamtheit dieser Dioden, um die Abfuhr der durch die starken Wärmewirkungen, die in Höhe jeder Laserdiode entstehen, erzeugten Wärme zu gewährleisten. Die Dioden werden durch Schweißen zwischen einer Metallisierung ME1 und einer Metallisierung ME2 in elektrischen Kontakt gebracht. Die Elektronen durchqueren durch Tunneleffekt den Schottky-Übergang entsprechend der Schnittstelle einer Schicht Cn und einer Metallisierung ME1, während die Fehlstellen durch Tunneleffekt den Schottky-Übergang durchqueren können, der der Schnittstelle zwischen der Schicht Cp und der Metallisierung ME2 entspricht. Dies ist in 2 veranschaulicht, die das Diagramm der Energiebänder der Schichten Cn, MEi und Cp darstellt, die in einem Stapel von Laserdioden gemäß dem Stand der Technik verwendet werden.
  • Die emittierenden Strukturen mit Quantentrog haben einen Abstand von mindestens der Dicke einer Substratschicht (typischerweise eine in 1 dargestellten Schicht Ca), d. h. mehrere hundert Mikron. In dieser Konfiguration müssen die Dioden von ausreichend kurzen Impulsen gesteuert werden, damit die Diffusionslängen der Temperaturgradienten Ld sich nicht überlappen, um lokal zu starke Temperaturanstiege zu vermeiden, wobei die Länge Ld durch die folgende Gleichung (1) angegeben wird:
    Figure 00020001
    mit
    • k:
    Wärmeleitfähigkeit
    τ:
    Impulsdauer
    ρ:
    Dichte des Halbleiters
    Kp:
    Wärmekapazität des Halbleiters.
  • Für Substrate mit einer Dicke von etwa 400 μm erhält man typischerweise Längen Ld in der Größenordnung von 200 μm für Impulsdauern in der Größenordnung von 70 bis 100 Mikrosekunden.
  • Diese Konfigurationen von gestapelten Laserdioden haben den Nachteil, die Verwendung von externen Einrichtungen zu erfordern, um den Zusammenbau (insbesondere das Schweißen) durchzuführen, und haben eine Größe, die aufgrund der Dicke des Substrats jeder Elementardiode schwierig noch weiter zu verkleinern ist.
  • EP 05 801 104 A beschreibt einen Laser, der einen Stapel von Laserdioden aufweist, der aus epitaxierten Halbleiterschichten besteht, wobei der chemische Kontakt zwischen zwei aneinandergrenzenden Laserdioden durch eine Funktion vom Typ Esaki-Diode gewährleistet wird, und der Stapel der Dioden zwischen zwei ebene lotrechte Spiegel oder Ebene der Schichten eingefügt wird, um eine Laseremission parallel zur Ebene der Schichten zu erzeugen.
  • Um diese Probleme zu lösen, schlägt die Erfindung eine Laserstruktur vor, bei der der Stapel der Laserdioden periodisch durch epitaxiales Wachstum einer Einheit von Halbleiterschichten hergestellt wird, die kein manuelles Eingreifen erfordert.
  • Die Erfindung hat einen Laser zum Gegenstand, wie er im Anspruch 1 definiert ist.
  • Genauer gesagt, da die Übergänge vom Typ Esaki-Diode sind, kann dieser erfindungsgemäße Laser einen Stapel von N Laserdioden aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel von epitaxierten Schichten Schichten Sj, dotierte Schichten C'ni vom n-Typ, dotierte Schichten C'pi vom p-Typ aufweist, wobei eine Schicht C'ni einer Schicht C'pi+1 benachbart ist, wobei der Dotierungsgrad t'ni der Schichten C'ni und die Dotierungsgrade t'pi der Schichten C'pi so sind, dass ein Elektronenfluss in der Lage ist, durch Tunneleffekt von einer Schicht C'pi zu einer Schicht C'ni+1 überzugehen, um den ohmschen Kontakt zwischen einer Diode DLi und einer Diode DLi+1 zu gewährleisten.
  • Da die freien Träger, die in sehr großer Menge am Übergang vom Typ Esaki-Diode vorhanden sind, die erzeugte optische Welle absorbieren, schlägt die Erfindung eine Laserstruktur vor, die so konzipiert ist, dass das optische elektrische Feld des Modes sich in Höhe der Position der Übergänge vom Typ Esaki-Diode aufhebt.
  • Diese Lösung ist insofern interessant, als sie es erlaubt, Laserstrukturen kleiner Abmessungen im Vergleich mit einer Laserstruktur beizubehalten, bei der man sich dafür entscheidet, die Übergänge zwischen Dioden von der Laseremissionszone zu entfernen.
  • Gemäß dem Stand der Technik, zum Beispiel der Druckschrift WO 9507566 , wird der Diodenstapel (DIi) zwischen zwei ebene Spiegel parallel zur Ebene der epitaxierten Halbleiterschichten eingefügt, um eine Laseremission lotrecht zur Ebene der Schichten zu erzeugen.
  • Vorteilhafterweise können die Spiegel Bragg-Spiegel sein, von denen einer ein Reflexionsvermögen nahe 100% für die erzeugte optische Welle hat, während der andere Bragg-Spiegel ein geringeres Reflexionsvermögen hat, um den Austritt der Laseremission zu erlauben.
  • Erfindungsgemäß wird der Diodenstapel (DIi) zwischen zwei ebene Spiegel lotrecht zur Ebene der epitaxierten Halbleiterschichten eingefügt, um eine Laseremission parallel zur Ebene der Schichten zu erzeugen.
  • Die optische Welle ist im Stapel der Dioden eingeschlossen, indem die Gesamtheit der epitaxierten Schichten zwischen zwei Einschließungsstrukturen oder -schichten eingeführt wird.
  • Diese Einschließungsstrukturen können insbesondere aus Bragg-Spiegeln bestehen, die ein Reflexionsvermögen nahe 100% gegenüber der optischen Welle haben, die im Laserhohlraum erzeugt wird.
  • Die Erfindung wird besser verstanden und weitere Vorteile gehen aus der nicht einschränkend zu verstehenden nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Figuren hervor. Es zeigen:
  • 1 einen Stapel von Laserdioden gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 das Diagramm der Energiebänder der Schichten Cn, MEi und Cp, die in einem Stapel von Laserdioden gemäß dem Stand der Technik verwendet werden;
  • 3 ein Beispiel eines Stapels von Laserdioden gemäß der Erfindung unter Verwendung von Übergängen vom Typ Esaki;
  • 4a das Energieband-Diagramm des Stapels von Laserdioden, die in einem erfindungsgemäßen Laser verwendet werden, der Übergänge vom Typ Esaki aufweist, in Abwesenheit von Spannung;
  • 4b die Energieband-Diagramme des Stapels von Laserdioden, die in einem erfindungsgemäßen Laser verwendet werden, der Übergänge vom Typ Esaki aufweist, in Anwesenheit einer angelegten Spannung;
  • 5 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Lasers mit zwei Bragg-Spiegel mit maximaler Reflexion, Esaki-Dioden, und der gemäß einer Ebene parallel zur Ebene der Dioden emittiert;
  • 6 das optische Feld, das vom erfindungsgemäßen Laser erzeugt wird, in der Nähe des Lasers (nahes Feld) und entfernt vom Laser (fernes Feld);
  • 7 ein Beispiel eines Lasers gemäß dem Stand der Technik mit flächenbezogener Emission unter Verwendung eines teilweise transparenten Bragg-Spiegels;
  • 8 die Entwicklung der Temperatur eines erfindungsgemäßen Lasers im Zentrum des Lasers, in Abhängigkeit von der Zeit, während eines Impulses;
  • 9 die maximale Impulsdauer, die in Abhängigkeit von der Dicke einer Laserstruktur gemäß der Erfindung für eine zugelassene Temperaturabweichung T0 = 10 K erlaubt ist.
  • Erfindungsgemäß weist die erfindungsgemäße Laserstruktur eine Einheit von epitaxierten Halbleiterschichten auf, derart, dass ein Stapel von Laserdioden gebildet wird, wobei zwei aneinandergrenzende Laserdioden mittels Übergängen vom Typ Esaki-Diode in elektrischen Kontakt gebracht werden, die von einer sehr stark dotieren Region vom Typ p und von einer sehr stark dotierten Region vom Typ n gebildet wird. Es ist nämlich bekannt, wie es zum Beispiel in dem Buch von S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, John Wiley (New York, 1983) dargelegt wird, dass ein solcher umgekehrt polarisierter Übergang (wie dies bei der erfindungsgemäßen gestapelten Struktur der Fall ist) den Übergang der Elektronen vom Valenzband auf der stark p-dotierten Seite zum Leitungsband auf der stark n-dotierten Seite erlaubt.
  • Die emittierende Struktur Si jeder Laserdiode kann zwischen zwei optischen Einschließungsschichten mit schwächerem Index liegen, wobei eine der Schichten Cni n-dotiert und die andere Schicht Cpi p-dotiert ist. 3 zeigt den Stapel einer Laserdiode Di+1 auf einer Laserdiode Di mittels der stark dotierten Schichten C'ni und C'pi+1. Der elektrische Feldvektor E zeigt die elektrische Polarisationsrichtung an, die im Betrieb anzuwenden ist, um die Rekombinationen Elektronen-Fehlstellen in Höhe der emittierenden Strukturen Si zu erlauben.
  • 4a veranschaulicht das Diagramm von Energiebändern der Gesamtheit der Halbleiterschichten, die es ermöglichen, den erfindungsgemäßen Stapel von Laserdioden zu erarbeiten, ohne angelegte Spannung.
  • 4b veranschaulicht das Diagramm von Energiebändern der Gesamtheit der Halbleiterschichten, die ermöglichen, den erfindungsgemäßen Stapel von Laserdioden zu erarbeiten, mit angelegter Spannung.
  • Mehrere Strukturen mit Quantentrögen wurden dargestellt, um den Durchgang der Elektronen an jedem Übergang hervorzuheben. So sind hier 4 Laserdioden durch eine Folge von Schichten Cnj, von Strukturen mit Quantenträgen PQj und von Schichten Cpj veranschaulicht.
  • 4a zeigt die Energiebanddiagramme einer solchen Struktur. Bei einer Spannung Null weisen die seriellen Übergänge periodische Potentialschwellen auf. Unter einer Spannung mit direkter Polarisation, die an die Gesamtstruktur angelegt wird, werden die Übergänge vom Typ Esaki alle umgekehrt polarisiert. Wie es 4b zeigt, für eine ausreichend hohe Spannung, konfiguriert sich das System in flachen Bändern. Wenn sie in flachen Bändern ist (mit geringen Potentialabfällen an den Übergängen), lässt die Struktur den Strom durch, und die Schichten beginnen zu lasern. Das Betriebsprinzip kann folgendermaßen interpretiert werden: Das Elektron, das am Übergang Si einen optischen Übergang durchgeführt hat, wird durch den Esaki-Übergang Cpi/Cni+1 von der Region Cpi in die Region Cni+1 injiziert. Es ist anzumerken, dass die Esaki-Diode in einem Halbleiter hergestellt werden kann, der eine kleinere Lücke als das Substrat hat, um den Kontaktwiderstand der Diode zu verringern, indem zum Beispiel eine Legierung InGaAs auf GaAs verwendet wird.
  • Gemäß einer ersten Variante wird der Stapel von Dioden zwischen zwei ebene Spiegel lotrecht zur Ebene der Schichten eingeführt. Ein erster Spiegel weist ein Reflexionsvermögen nahe 100% auf, während der andere Spiegel ein geringeres Reflexionsvermögen aufweist.
  • Um das Aufheben des optischen elektrischen Feld des in Höhe der Übergänge vom Typ Esaki erzeugten Modes zu gewährleisten, kann der Stapel von Dioden vorteilhafterweise zwischen zwei Reihen von Bragg-Spiegeln parallel zur Ebene der Schichten eingeführt werden, die ein Reflexionsvermögen nahe 100% haben. Die Struktur bildet einen Leiter, derart, dass der geleitete Mode ein elektrisches Feld Null in Höhe der Esaki-Übergänge JTI hat, wobei der Laserstrahl parallel zu den Schichten emittiert wird (siehe 5), wobei E(x) das elektrische Feld der optischen Welle im Laserhohlraum darstellt. Als Beispiel, für 10 Stufen, wäre die Gesamtdicke dann 10 Mal die Halbwellenlänge dividiert durch den optischen Index, d. h. in der Größenordnung von 2 μm.
  • In dieser Konfiguration sind die Laserschichten sehr stark untereinander gekoppelt, und ihre Emissionen können natürlich phasengleich sein. Man erhält so ein senkrechtes Netz von phasengleichen Lasern, das in waagrechter Geometrie extrem schwierig zu erhalten ist. Man weiß, dass diese Netze Strahlen emittieren können, deren Divergenz wesentlich schwächer ist als bei einem Laser alleine (A. Yariv, Quantum Electronics, Wiley Interscience). 6 veranschaulicht in dieser Hinsicht die Reichweite des so genannten nahen optischen Felds des Lasers und die Reichweite des so genannten fernen optischen Felds.
  • Nun wird ein Ausführungsbeispiel angegeben. Das Substrat ist stark dotiertes GaAs vom Typ n+ (typischerweise 1018 cm–3). Eine Pufferschicht GaAs n+ wird gemäß den Regeln der Kunst hergestellt, und dann wird das Bauteil aus einem Stapel von folgenden Elementarstrukturen gebildet: Eine sehr stark dotierte Sperre AlGaAs vom Typ p gefolgt von einer Schicht von n++-dotiertem GaAs (einige 1019 cm–3) und dann p++-dotiert. Jede Elementarschicht hat eine typische Dicke von 1 μm. Der Kontaktwiderstand n++/p++ beträgt typischerweise 10–4 Ohm·cm–2. Da die Laserströme in der Größenordnung von 15 kA/cm2 liegen, sieht man einen Potentialabfall von 100 Millivolt bei jedem Esaki-Übergang. Dieser Potentialabfall kann verringert werden, indem eine Esaki-Diode aus In0,2Ga0,8gAs verwendet wird, die aufgrund der Verringerung der Lücke gegenüber derjenigen von GaAs zu einem Spannungsabfall von 30 mV führt.
  • Gemäß dem Stand der Technik wird die Laseremission lotrecht zur Ebene der Dioden erhalten, hierzu kann der Stapel der Dioden zwischen zwei Bragg-Spiegel integriert werden, von denen einer leicht transparent ist, wobei die Ebene der Spiegel parallel zur Ebene der Dioden ist.
  • Die Struktur wird in Form von ebenen Bereichen geringer Abmessungen hergestellt. Die Laseremission findet dann über die Oberfläche statt, und das System ist also vom Typ VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser) (siehe 7). Es ist anzumerken, dass in diesem Fall die zwei Bragg-Spiegel n-dotiert sein können, was die Zugangswiderstände stark verringert und das Herstellungsverfahren des VCSEL deutlich vereinfacht.
  • Die Stapel von epitaxierten Laserdioden gemäß der Erfindung haben ein thermisches Verhalten, das sich von demjenigen der gestapelten Laserdioden gemäß dem Stand der Technik unterscheidet:
    Trotz der verstärkten Nähe der emittierenden Strukturen zueinander und der Zonen maximaler Erwärmung sind die erfindungsgemäßen Strukturen in der Lage, die Wärme zufriedenstellend abzuführen.
  • In den klassischen Strukturen, die mehrere vorher hergestellte und dann gestapelte Dioden verwenden, nimmt die Temperatur linear in jeder Schicht über eine durch die vorher definierte Gleichung (1) angegebene Entfernung ab (typischerweise über eine Entfernung von 200 μm für eine Dauer von 100 μs).
  • In der erfindungsgemäßen epitaxierten Struktur kann die Temperatur in der ganzen Dicke jeder Laserdiode nach einer sehr kurzen Zeit als homogen angesehen werden aufgrund der geringen Entfernungen, die zwei emittierende Regionen Si trennen. Die Metallsockel bilden Wärmereservoirs.
  • So wird angenommen, dass die aktive Struktur zwischen zwei Wärmereservoirs mit einer relativen Temperatur T = 0 angeordnet wird, und dass während eines Stromimpulses die abgestrahlte Wärmeleistung homogen in der ganzen aktiven Struktur verteilt wird.
  • Wenn x dem Abstand ausgehend von der Mitte der Struktur in Richtung eines Wärmereservoirs entspricht, wird das Temperaturfeld T(x, t) in Abhängigkeit von diesem Abstand und der Zeit dann durch die Diffusionsgleichung (2) bestimmt: ∂T/∂t = D∂2T/∂x2 + P/ρcpLmit
    • D:
    Konstante der Wärmediffusion
    P:
    Wärmeleistung geteilt durch den Querschnitt des Lasers
    L:
    die Dicke der Gesamtheit des Lasers entsprechend der epitaxierten Struktur.
  • Die Grenzbedingungen dieser Gleichung (2) sind: T(–L/2, t) = T(L/2, t) = 0 und T(x, 0) = 0
  • Durch Neudimensionieren mit als Längeneinheit L, Zeiteinheit L2/D und Temperatureinheit PL/ρCpD oder auch PL/K, wobei K die Wärmeleitfähigkeit ist, erhält man auch die folgende Gleichung (3): ∂T'/∂t' = ∂2T'/∂x'2 + 1wobei die stationäre Lösung der Gleichung (3) die folgende Gleichung (4) ist: T'∞(x') = 1/8 – x'2/2und die durchgehend maximale Temperatur ist also Tmax = PL/8K.
  • Aus diesem Grund veranschaulicht 8 die Ergebnisse der Entwicklung der Kurve T'(0, t) in der Mitte der Struktur. Zwei Bereiche werden einfach verdeutlicht: für t' klein steigt die Temperatur linear an, was anzeigt, dass die Wärme überhaupt nicht zu den Reservoirs abgeführt wird, und für t' größer stabilisiert sich die Temperatur auf dem stationären Wert, was anzeigt, dass die Temperatur permanent abgeführt wird.
  • Diese Prinzipien können in dem präzisen Fall einer erfindungsgemäßen Laserstruktur auf der Basis von GaAs angewendet werden. Unter Berücksichtigung eines zulässigen Temperaturanstiegs T0 und einer gegebenen Laserdicke L ist man in der Lage, ausgehend von einer Kurve vom in 6 dargestellten Typ, die maximalen Impulsdauern zu bestimmen, die die Laserstruktur in Abhängigkeit von den vorgegebenen Parametern wie dem zulässigen Temperaturanstieg aushalten kann.
  • Ein Beispiel ist in 9 veranschaulicht, wobei die Konstanten des Materials GaAs die folgenden sind: D = 2,5·10–5m2/s K = 46 W m–1·K–1 P = 2 kW/0,06·10–6m2 T0 = 10 K
  • Die Kurve der 9 liefert die maximale Impulsdauer τ in Sekunden in Abhängigkeit von der Dicke L des Lasers ausgedrückt in Meter. Die in dieser Figur veranschaulichte Kurve bezieht sich auf eine Temperatur T0 = 10 K.

Claims (4)

  1. Laser mit einem Stapel von N Laserdioden (DLi), die je eine emittierende Struktur mit Quantentrog (Si) aufweisen, wobei – der Stapel von Dioden (DLi) ein Stapel von epitaxierten Halbleiterschichten ist, der periodisch hergestellt wird, eingefügt zwischen zwei ebene Spiegel lotrecht zur Ebene der epitaxierten Halbleiterschichten, um einen Laserhohlraum herzustellen und eine Laseremission parallel zur Ebene der Schichten zu erzeugen, – der ohmsche Kontakt zwischen einer ersten Laserdiode (DLi) und einer zweiten Laserdiode (DLi+1), die aneinander grenzen, von einer Verbindung vom Typ Esaki gewährleistet wird, dadurch gekennzeichnet, dass – der Stapel von Dioden (DLi) zwischen zwei weitere Spiegel eingefügt wird, die aus zwei Bragg-Spiegeln (M'1) und (M'2) bestehen, die parallel zur Ebene der Halbleiterschichten liegen und ein Reflexionsvermögen nahe 100% haben, um einen derartigen Wellenleiter zu erzeugen, dass das elektrische Feld des geführten Modus sich periodisch in Höhe der Verbindungen vom Typ Esaki annulliert.
  2. Laser mit einem Stapel von N Laserdioden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel von epitaxierten Schichten emittierende Schichten (Si), stark dotierte Schichten (C'ni) vom n-Typ, stark dotierte Schichten (C'pi) vom p-Typ aufweist, wobei eine erste stark dotierte Schicht (C'ni) vom n-Typ einer zweiten stark dotierten Schicht (C'pi+1) vom p-Typ benachbart ist, wobei die ersten Dotierungsgrade (t'ni) der stark dotierten Schichten (C'ni) vom n-Typ und die ersten Dotierungsgrade (t'pi) der stark dotierten Schichten (C'pi) vom p-Typ so sind, dass ein Elektronenfluss in der Lage ist, durch Tunneleffekt von einer ersten stark dotierten Schicht (C'pi) vom p-Typ zu einer zweiten stark dotierten Schicht (C'ni+1) vom n-Typ überzugehen, um den ohmschen Kontakt zwischen einer ersten Diode (DLi) und einer zweiten Diode (DLi+1) zu gewährleisten.
  3. Laser mit einem Stapel von N Laserdioden nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dioden (DLi) eine dotierte Schicht (Cni) vom n-Typ mit einem Dotierungsgrad (tni) geringer als der Dotierungsgrad (t'ni) einer stark dotierten Schicht vom n-Typ, eine emittierende Struktur (Si) und eine dotierte Schicht (Cpi) vom p-Typ mit einem Dotierungsgrad (tpi) geringer als der Dotierungsgrad (t'pi) einer stark dotierten Schicht vom p-Typ aufweist.
  4. Laser mit einem Stapel von N Laserdioden nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die stark dotierten Schichten (C'pi) vom p-Typ und die stark dotierten Schichten (C'ni) vom n-Typ ausgehend von In1-xGaxAs hergestellt werden, während die dotierten Schichten (Cpi) vom p-Typ und die dotierten Schichten (Cni) vom n-Typ ausgehend von AlGaAs, die Strukturen (Si) ausgehend von GaAs hergestellt werden.
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