EP2347479A2 - Kantenemittierender halbleiterlaser - Google Patents

Kantenemittierender halbleiterlaser

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EP2347479A2
EP2347479A2 EP09752854A EP09752854A EP2347479A2 EP 2347479 A2 EP2347479 A2 EP 2347479A2 EP 09752854 A EP09752854 A EP 09752854A EP 09752854 A EP09752854 A EP 09752854A EP 2347479 A2 EP2347479 A2 EP 2347479A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
edge
region
semiconductor laser
trench
waveguide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09752854A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Christoph Eckstein
Uwe D. Zeitner
Wolfgang Schmid
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram International GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
Publication of EP2347479A2 publication Critical patent/EP2347479A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S2301/176—Specific passivation layers on surfaces other than the emission facet
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    • H01S5/2036—Broad area lasers

Definitions

  • the invention relates to an edge-emitting
  • Semiconductor laser in particular a wide-band laser.
  • Laser diodes with high output powers are mainly manufactured as so-called wide-stripe lasers.
  • the gain of the optical field takes place in an active layer, which contains, for example, a quantum well structure.
  • the active layer of the semiconductor laser is typically embedded in waveguide layers in which the laser modes can propagate.
  • the performance of the semiconductor laser is limited by the power density of the laser modes in the facet region. Too big
  • the active layer Due to a large lateral extent of the active layer, a high optical power can be coupled out of the edge emitter without exceeding the critical power density.
  • the number of transverse modes that can be amplified in this direction in the waveguide also increases, which results in a deterioration of the beam quality of the coupled-out laser radiation.
  • operation in the transversal fundamental mode is desirable since the intensity profile of the lateral fundamental mode facilitates beam shaping and in particular the coupling of the laser radiation into optical fibers.
  • the maximum power of the semiconductor laser can be increased since the fundamental mode typically has no pronounced intensity peaks.
  • the gain of the semiconductor material is locally selectively degraded, in particular in a central region of the waveguide.
  • the gain in the edge regions of the waveguide remains large. This gain may be enough to make higher modes vibrate.
  • Experimental studies on broadband lasers show that the intensity distributions of the emitted radiation tend to increase power in the outer area of the active zone. This observation can be explained by the superposition of higher modes, which gain a large amplification in the outer area of the waveguide.
  • the invention has for its object to provide an improved edge-emitting semiconductor laser, which is characterized by a high beam quality, in particular an operation in the lateral fundamental mode. This object is achieved by an edge-emitting semiconductor laser according to the patent claim 1.
  • Advantageous embodiments and modifications of the invention are the subject of the dependent claims.
  • the edge-emitting semiconductor laser which is preferably a wide-band laser, comprises a semiconductor body having a waveguide region.
  • the waveguide region preferably contains a layer sequence of a lower one
  • Cladding layer a lower waveguide layer, an active layer for generating laser radiation, an upper waveguide layer and an upper cladding layer.
  • the lower and upper cladding layers advantageously have a lower refractive index than the
  • Waveguide layers in which the active layer is embedded on In this way it is achieved that the laser radiation is guided substantially in the waveguide core formed from the waveguide layers with the embedded active layer.
  • the waveguide region advantageously has at least one structured region for mode selection.
  • the structured region is structured in such a way that the lateral fundamental mode of the laser radiation experiences lower losses than the radiation of higher laser modes. Due to the structured region, the laser radiation propagating in the waveguide region experiences local losses, wherein the structured region is designed in such a way that higher laser modes are attenuated more strongly than the lateral ones
  • the fundamental mode In this way, it can be achieved, in particular, that only the lateral fundamental mode oscillates during operation of the semiconductor laser. Because higher modes of the laser radiation are suppressed and preferably only the lateral fundamental mode oscillates, a high beam quality of the edge-emitting semiconductor laser is achieved.
  • the beam profile of the lateral fundamental mode is well suited for beam shaping with optical elements and in particular for coupling into an optical fiber with high efficiency.
  • the at least one structured region is preferably formed exclusively in the upper waveguide layer and the upper cladding layer.
  • the structured region does not extend into the active layer of the edge-emitting semiconductor laser, which is designed, for example, as a single or multiple quantum well structure.
  • the at least one structured region is formed exclusively in the upper cladding layer.
  • this embodiment makes use of the fact that the laser radiation propagates essentially in the waveguide core which is formed by the waveguide layers and the active layer embedded therein, the mode profile is at least partially due to the finite refractive index jump between the waveguide layers and the cladding layers spreads into the cladding layers.
  • the laser modes can be selectively supplied by structures in the upper cladding layer losses that prevent the oscillation higher laser modes.
  • the Damping of the laser radiation through the structured region in the upper cladding layer but only advantageously low, so that with the edge-emitting semiconductor laser, a comparatively high output power can be achieved.
  • the structured region comprises at least one trench which extends from an upper side of the semiconductor body into the waveguide region.
  • the at least one trench is preferably formed only in the upper cladding layer of the waveguide region, that is, its depth is not greater than the thickness of the upper cladding layer.
  • the depth of the at least one trench is preferably selected so that less than 300 nm of the upper waveguide layer remain below the lowest point of the trench.
  • the at least one trench preferably has a depth of between 500 nm and 1500 nm inclusive.
  • the width of the at least one trench is preferably between 1 ⁇ m and 4 ⁇ m.
  • the at least one trench can be produced, for example, by an etching process in the semiconductor material of the waveguide region, in particular of the upper cladding layer.
  • the at least one trench runs parallel to a side facet of the semiconductor laser.
  • the laser radiation therefore preferably strikes the at least one trench perpendicular to its propagation into the waveguide region.
  • the laser radiation on entering the trench, experiences a first side flank of the trench
  • Trench and at the exit from the trench on a second side edge of the trench each scattering losses.
  • the laser radiation is passing through the trench advantageously attenuated by less than ten percent, preferably less than five percent. For example, when crossing a trench, a loss of about two percent may occur.
  • the amount of loss that the laser radiation undergoes as it traverses the trench depends in particular on the shape and depth of the trench and, in the case of several trenches, on the number of trenches.
  • the at least one trench extends from an edge region of the waveguide region in the direction of the center of the waveguide region.
  • the center of the waveguide region is preferably free of trenches.
  • a plurality of trenches extends from an edge region of the waveguide region at different distances into the center of the waveguide region.
  • the trenches are preferably arranged such that the number of trenches which are passed by the laser radiation propagating in the wave region decreases from the edge region towards the central region of the waveguide. In this way it is achieved that higher laser modes, which have significant intensities in the edge regions of the waveguide region, due to the larger number of trenches in the edge region higher losses than the central fundamental mode, the intensity maximum in the center of the waveguide region located.
  • a central region of the waveguide region may be free of trenches.
  • the at least one trench has a variable depth.
  • the depth of the trench decreases from an edge region to a central region of the waveguide region.
  • one or more trenches may be led from the center of the waveguide region on both sides to the edge regions of the waveguide region, wherein the depth of the trench increases from the inside to the outside. Since the losses experienced by the propagating laser radiation as it traverses the at least one trench increase as the depth of the trench increases, the magnitude of the losses can be varied locally by adjusting the depth of the at least one trench. Due to a greater depth of the at least one trench in the outer regions of the waveguide region compared to the center of the waveguide region, higher laser modes experience greater losses than the central fundamental mode.
  • the at least one trench on side edges with a variable shape.
  • the shape of the side flanks preferably varies in a longitudinal direction of the trench.
  • Side edges have a variable edge steepness.
  • the edge steepness preferably decreases from an edge region towards a central region of the waveguide region. In this way it can be achieved that the higher laser modes experience greater losses on the steep flanks of the edge regions than the lateral fundamental mode in the central region of the waveguide region.
  • the previously described possibilities for locally varying the losses through the trenches introduced into the waveguide region, in particular the number, the shape and the depth of the trenches can also be combined with one another. For example, both the number and the depth of the trenches may decrease from the edge regions of the waveguide region toward a central region of the waveguide region. Alternatively, for example, the slope and depth of the trenches may increase from a central region of the waveguide region toward the edge regions.
  • FIGS. 1A and 1B show an edge-emitting semiconductor laser according to a first exemplary embodiment in a cross section and in a plan view
  • FIGS. 2A to 2D show an exemplary embodiment of a method for producing an edge-emitting semiconductor laser on the basis of schematically illustrated intermediate steps
  • FIGS. 3A to 3C show the structured region in a further exemplary embodiment of the edge-emitting element Semiconductor laser in a plan view and sectional views
  • FIGS. 4A to 4D show the structured region in a further exemplary embodiment of the edge-emitting semiconductor laser in a plan view and in sectional representations
  • FIGS. 5A to 5C show the structured region in a further exemplary embodiment of the edge-emitting semiconductor laser in a plan view and in sectional representations.
  • FIGS. 1A and 1B show a first exemplary embodiment of an edge-emitting semiconductor laser.
  • FIG. 1A shows a cross-section along the line A-B of the plan view shown in FIG.
  • the edge-emitting semiconductor laser has a semiconductor body 1, in which a waveguide region 2 is contained.
  • the waveguide region 2 comprises a lower waveguide layer 4a and an upper waveguide layer 4b, between which an active layer 5 provided for generating laser radiation is arranged.
  • the active layer 5 of the edge-emitting semiconductor laser may in particular be a single or multiple quantum well structure.
  • the waveguide layers 4a, 4b with the active layer 5 embedded therebetween form a waveguide core 8.
  • the waveguide core 8 is arranged between a lower cladding layer 3 a and an upper cladding layer 3 b following the waveguide core 8 in the growth direction of the semiconductor body 1.
  • the lower cladding layer is arranged on a side facing a substrate 10 of the semiconductor body 1
  • the upper cladding layer 3b is arranged on a side of the semiconductor body 1 facing away from the substrate 10, as viewed from the active layer 5.
  • one or more intermediate layers 13 may be arranged between the substrate 10 of the semiconductor body 1 and the lower cladding layer 3a.
  • the electrical contacting of the edge-emitting semiconductor laser is effected, for example, by a first electrical contact layer 11 on the rear side of the substrate 10 facing away from the active layer 5 and a second electrical contact layer 12 on an upper side of the semiconductor body 1 facing away from the substrate 10.
  • Between the upper cladding layer 3b and The electrical contact layer 12 may be one or more further intermediate layers (not shown).
  • the cladding layers 3a, 3b advantageously have a lower refractive index than the waveguide layers 4a, 4b, as a result of which the laser radiation propagating in the lateral direction is guided essentially in the waveguide core 8.
  • the laser modes also propagate at least partially into the cladding layers 3a, 3b. Therefore, it is possible to influence the laser modes propagating in the waveguide region 2 by changing the properties of the cladding layers 3a, 3b.
  • the structured regions 6 are each formed exclusively in the upper cladding layer 3b.
  • the structured regions 6 each comprise a plurality of trenches 7, which extend from the upper side of the semiconductor body 1 into the upper cladding layer 3b.
  • the trenches 7 are located in a recessed area of the upper cladding layer 3b from the second contact layer 12. Alternatively, it would also be possible to arrange one or more trenches below the second contact layer 12.
  • the trenches preferably have a depth of between 500 nm and 1500 nm inclusive.
  • the trenches preferably extend so deeply into the upper cladding layer that no more than 300 nm of the upper cladding layer remain below the lowest point of the trenches. For example, for a 1000 nm-thick upper cladding layer, the trenches should be at least 700 nm deep.
  • the width of the trenches is preferably between 1 ⁇ m and 4 ⁇ m, for example 2 ⁇ m.
  • the trenches 7 extend parallel to the layer plane of the upper cladding layer 3b and preferably parallel to the side facet 9 of the semiconductor body 1. In particular, the trenches 7 extend parallel to one another and perpendicular to the longitudinal sides of the semiconductor body Semiconductor chips 1.
  • the trenches 7 may be arranged in particular periodically, that is, they have the same distances from each other.
  • the trenches extend from an edge region of the upper cladding layer 3b, in particular from the longitudinal sides of the semiconductor chip 1, in the direction of the center of the upper cladding layer 3b. In this case, the trenches extend to different degrees in the upper cladding layer 3b.
  • the trenches can extend further into the center of the upper cladding layer 3b, the smaller their distance from the lateral facet 9 of the semiconductor body 1 is.
  • the lateral extent of the trenches 7 can vary, for example stepwise.
  • the two structured regions 6 with the trenches 7 are preferably arranged symmetrically on both sides of the semiconductor body 1.
  • the center of the waveguide region 2 is free of trenches 7.
  • the arrangement of the trenches 7 ensures that the lateral fundamental mode experiences less losses during propagation in the waveguide region 2 than higher laser modes. This is based on the fact that the laser radiation propagating at least partially in the cladding layer 3b has to penetrate a larger number of trenches 7 in the edge regions than in the center of the waveguide region 2, and thus higher laser modes experience relatively large losses. As in the case of the butt coupling of different layer waveguides, scattering losses occur on the side flanks of the trenches 7. In this case, a part of the energy of the electric field from the waveguide region turns into non-waveguiding regions. In contrast, the influence of the trenches 7 on the lateral fundamental mode, which has an intensity maximum in the center of the waveguide region 2, is only slight.
  • the losses which a circulating laser mode experiences when passing through the structured regions 6 can be influenced, in particular, by the spatial arrangement and the number of trenches 7. Furthermore, the depth and the shape of the flanks of the trenches 7 in particular also influence the energy loss of the laser mode when crossing the trenches.
  • the energy loss when crossing the trenches is essentially caused by scattering of the laser radiation.
  • the trenches 7 are not filled with a material that is absorbent for the laser radiation, in particular, the trenches 7 may be free of solid material and, for example, contain air.
  • the modes propagating in the waveguide can also be influenced by absorbing structures. However, structures with only insubstantial absorption have the advantage that only a small heat input into the semiconductor body 1 takes place.
  • the trenches 7 can be produced in the semiconductor body 1, in particular by means of an etching process.
  • known methods of photolithography can be used.
  • FIGS. 2A to 2D A method for producing an exemplary embodiment of an edge-emitting semiconductor laser is illustrated in FIGS. 2A to 2D by means of schematically illustrated intermediate steps.
  • the semiconductor layer sequence of the edge-emitting semiconductor laser is first grown onto a substrate 10.
  • the growth of the semiconductor layers is preferably carried out epitaxially, for example by means of MOVPE.
  • Onto the substrate 10 are successively deposited one or more intermediate layers 13, for example, buffer layers, a lower cladding layer 3a, a lower waveguide layer 4a, an active layer 5, an upper waveguide layer 4b, and the upper cladding layer 3b.
  • the active layer 5 enclosed between the waveguide layers 4a, 4b and the cladding layers 3a, 3b form the waveguide region 2.
  • the semiconductor layer sequence of the edge-emitting semiconductor laser can be applied in particular to a III-V
  • the III-V compound semiconductor material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to one of the above formulas. Rather, it can be one or more
  • the substrate 10 is selected on the basis of the preferably epitaxially grown semiconductor layer sequence and may be in particular a GaAs, GaN or a silicon substrate.
  • the active layer 5 can be composed of several individual layers, in particular a single or multiple quantum well structure.
  • quantum well structure encompasses any structure in which charge carriers undergo quantization of their energy states by confinement.
  • quantum well structure does not specify the dimensionality of the quantization. It thus includes quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures.
  • a structured region 6 has been produced in the waveguide region 2 in that trenches 7 have been etched into the upper cladding layer 3b.
  • the trenches 7 may be formed, for example, as in the embodiment illustrated in FIGS. 1A and 1B, and may extend parallel to the side flank 9 of the semiconductor chip 1, in particular in the layer plane of the upper cladding layer 3b.
  • the structured region 6, for example an area traversed by trenches 7, can be in another
  • Process step are provided with a coating 14, as shown in Figure 2C.
  • a coating 14 as shown in Figure 2C.
  • a coating 14 as shown in Figure 2C.
  • Passivation layer 14 are applied to the structure produced in the waveguide region 2 structure.
  • the passivation layer 14 may be, for example, a Silicon nitride layer act.
  • the coating 14 applied to the structured region 6 can at least partially fill the trenches 7, as illustrated in FIG. 2C, so that, for example, the bottom and the side flanks of the trenches 7 are covered by the passivation layer 14.
  • contact metallizations 11, 12 have been applied to the rear side of the substrate 10 facing away from the semiconductor layers and to the surface of the semiconductor body 1 opposite the substrate 10.
  • Contact metallizations 11, 12 are formed for example from a metal or a metal alloy.
  • the contact metallizations do not necessarily have to be single layers, but they can also be composed of several partial layers, for example of a titanium-platinum-gold layer sequence.
  • a coating 15 has been applied to the side facets 9 of the semiconductor body 1.
  • the coating 15 may in particular be a reflection-enhancing coating, for example a dielectric mirror.
  • the dielectric mirror may include a plurality of alternating dielectric layers and increases the reflection on the side facets of the semiconductor body to form a laser cavity.
  • a further exemplary embodiment of the structured region 6 in the upper cladding layer 3b is shown in a plan view in FIG. 3A, in a sectional view along the line CD of FIG. 3A in FIG. 3B and in FIG. 3C Sectional view along the line EF of Figure 3A shown.
  • the trenches 7 extend as in the embodiment shown in Figure 1 parallel to a side facet 9 of the semiconductor laser, which is provided with a reflection-enhancing coating 15.
  • the trenches 7 extend from edge regions of the upper cladding layer 3b into the center of the upper cladding layer 3b.
  • eight trenches 7 are arranged symmetrically to a longitudinal axis of the semiconductor body, which extend at different distances from the edge of the semiconductor body into the center of the semiconductor body.
  • the lateral extent of the trenches 7 in the direction parallel to the side facet 9 of the semiconductor laser increases with decreasing distance to the side facet 9.
  • FIG. 3B shows a section through the upper cladding layer along the line C-D in the outer region of the semiconductor body.
  • the sectional view shows only the upper cladding layer 3b without the underlying semiconductor layers.
  • the sectional view illustrates that the laser radiation must pass through several trenches 7 in the propagation in the emission direction in the outer region of the upper cladding layer.
  • the section along the line EF which is shown in FIG. 3C, illustrates that the laser radiation, on the other hand, only has to pass through one trench 7 during the propagation in the inner region of the upper cladding layer.
  • the center of the upper cladding layer 3b is even free of trenches 7.
  • the number of trenches 7 which block the laser radiation in the case of the trench Propagation in the upper cladding layer 3b must pass increasing from the edge region toward the center of the waveguide region, experience higher laser modes in the propagation in the emission direction greater losses than the lateral fundamental mode of laser radiation.
  • Expansion and the depth of the trenches 7 can be optimized for example by simulation calculations such that a desired mode profile of the laser radiation is achieved.
  • FIGS. 4A to 4D show a further exemplary embodiment of the structured region 6 in the upper cladding layer 3b. In contrast to the previously shown
  • Embodiments only a single trench 7 in the upper cladding layer 3b is generated in this embodiment.
  • the trench 7 runs parallel to the side facet 9 of the
  • the depth of the trench 7 varies in the longitudinal direction of the trench, ie in the direction parallel to the side facet of the semiconductor laser 9.
  • the section along the line G-H shown in FIG. 4B shows that the trench 7 has a comparatively large depth in the edge region of the upper cladding layer.
  • the trench 7, as illustrated by the section along the line I-J in FIG. 4C, only has a comparatively small depth in the inner region of the upper jacket layer 3b.
  • the depth profile of the trench 7 along its longitudinal direction along the line KL is shown in FIG. 4C. Due to the fact that the depth of the trench from the center of the upper Mantle layer 3b increases towards the edge regions, the laser modes experience greater losses in the propagation in the emission direction in the edge regions than in the center of the upper cladding layer 3b. As in the previous embodiments, in this way the propagation of the lateral fundamental mode, which has an intensity maximum in the central region of the waveguide region, is favored. In particular, a single-mode operation of the semiconductor laser can be achieved in this way.
  • the local variation of the etching depth during the generation of the trench 7 can be effected for example by proportional transfer of a photoresist layer in a sputtering or etching step with suitable selectivity.
  • FIGS. 5A to 5C Another embodiment of the structured region 6 in the upper cladding layer 3b is shown in FIGS. 5A to 5C.
  • a single trench 7 extends in a direction parallel to
  • a local variation of the shape of the side flanks 16 of the trench 7 can be carried out by structuring a variable-dose photoresist by multi-stage exposure by means of electron beam or laser lithography or with gray-scale masks.
  • the section along the line MN shown in FIG. 5B illustrates that the trench 7 has a rectangular cross-sectional profile in the outer region of the upper jacket layer 3b.
  • the trench 7 has a rounded cross-sectional profile, as the cross section shown in FIG. 5C shows along the line O-P.
  • the laser modes undergo lower losses when crossing the rounded cross-sectional profile in the inner region of the trench 7 than when crossing the rectangular cross-sectional profile of the trench 7 in the outer region of the upper jacket layer 3b.
  • it is achieved in this way that the higher laser modes experience greater losses in the propagation in the emission direction than the lateral fundamental mode, which has an intensity maximum in the inner region of the upper cladding layer 3b.
  • a local variation of the losses can also take place by selective introduction of dopants into the upper cladding layer.
  • the concentration of the introduced dopant may increase from a central region of the upper cladding layer to the edge regions.
  • the laser modes are thus in the edge regions by absorption and / or scattering of the additionally introduced dopant more attenuated than in a central region of the waveguide region.

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Abstract

Es wird ein kantenemittierender Halbleiterlaser mit einem Halbleiterkörper (1), der einen Wellenleiterbereich (2) aufweist, angegeben. Der Wellenleiterbereich (2) weist eine untere Mantelschicht (3a), eine untere Wellenleiterschicht (4a), eine aktive Schicht (5) zur Erzeugung von Laserstrahlung, eine obere Wellenleiterschicht (4b) und eine obere Mantelschicht (3b) auf. Weiterhin weist der Wellenleiterbereich (2) mindestens einen strukturierten Bereich (6) zur Streuung der Laserstrahlung auf, in dem eine laterale Grundmode der Laserstrahlung geringere Streuverluste als die Strahlung höherer Lasermoden erfährt.

Description

Beschreibung
Kantenemittierender Halbleiterlaser
Die Erfindung betrifft einen kantenemittierenden
Halbleiterlaser, insbesondere einen Breitstreifenlaser.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2008 058 435.5, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Laserdioden mit hohen Ausgangsleistungen werden hauptsächlich als so genannte Breitstreifenlaser gefertigt. Die Verstärkung des optischen Feldes findet dabei in einer aktiven Schicht, die zum Beispiel eine QuantentopfStruktur enthält, statt. Die aktive Schicht des Halbleiterlasers ist typischerweise in Wellenleiterschichten eingebettet, in denen sich die Lasermoden ausbreiten können. Die Leistungsfähigkeit des Halbleiterlasers wird durch die Leistungsdichte der Lasermoden im Facettenbereich begrenzt. Zu große
Spitzenfeldstärken an der Seitenfacette führen zum Aufschmelzen des Halbleitermaterials und zur Zerstörung des Halbleiterlasers. Diese Beschädigung des Lasers wird als COMD (Catastrophic Optical Mirror Damage) bezeichnet.
Durch eine große laterale Ausdehnung der aktiven Schicht kann eine hohe optische Leistung aus dem Kantenemitter ausgekoppelt werden, ohne die kritische Leistungsdichte zu überschreiten. Mit der Verbreiterung der aktiven Schicht erhöht sich jedoch auch die Anzahl der Transversalmoden, die in dieser Richtung in dem Wellenleiter verstärkt werden können, was eine Verschlechterung der Strahlqualität der ausgekoppelten Laserstrahlung zur Folge hat. Für die meisten Anwendungen von Halbleiterlasern ist ein Betrieb in der transversalen Grundmode (Single-Mode Laser) wünschenswert, da das Intensitätsprofil der lateralen Grundmode eine Strahlformung und insbesondere die Einkopplung der Laserstrahlung in Lichtleiter erleichtert. Außerdem kann in diesem Fall die maximale Leistung des Halbleiterlaser erhöht werden, da die Grundmode typischerweise keine ausgeprägten Intensitätsspitzen aufweist.
Bei der Verstärkung der gewünschten lateralen Grundmode in dem Wellenleiter des Halbleiterlasers wird die Verstärkung des Halbleitermaterials örtlich selektiv abgebaut, insbesondere in einem zentralen Bereich des Wellenleiters. Andererseits bleibt die Verstärkung in den Randbereichen des Wellenleiters weiterhin groß. Diese Verstärkung kann ausreichen, höhere Moden anschwingen zu lassen. Experimentelle Untersuchungen an Breitstreifenlasern zeigen, dass die Intensitätsverteilungen der emittierten Strahlung zu Leistungsüberhöhungen im Außenbereich der aktiven Zone neigen. Diese Beobachtung lässt sich durch Superposition höherer Moden erklären, die im Außenbereich des Wellenleiters eine große Verstärkung erfahren.
Ein Ansatz zur Formung der Lasermoden in Halbleiter- Breitstreifenlasern ist das Einbringen so genannter
Phasenstrukturen, das in der Druckschrift WO 01/97349 Al beschrieben wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten kantenemittierenden Halbleiterlaser anzugeben, der sich durch eine hohe Strahlqualität, insbesondere einen Betrieb in der lateralen Grundmode, auszeichnet. Diese Aufgabe wird durch einen kantenemittierenden Halbleiterlaser gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform enthält der kantenemittierende Halbleiterlaser, bei dem es sich bevorzugt um einen Breitstreifenlaser handelt, einen Halbleiterkörper, der einen Wellenleiterbereich aufweist. Der Wellenleiterbereich enthält vorzugsweise eine Schichtenfolge aus einer unteren
Mantelschicht, einer unteren Wellenleiterschicht, einer aktiven Schicht zur Erzeugung von Laserstrahlung, einer oberen Wellenleiterschicht und einer oberen Mantelschicht. Die untere und die obere Mantelschicht weisen vorteilhaft einen geringeren Brechungsindex als die
Wellenleiterschichten, in die die aktive Schicht eingebettet ist, auf. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Laserstrahlung im Wesentlichen in dem aus den Wellenleiterschichten mit der eingebetteten aktiven Schicht gebildeten Wellenleiterkern geführt wird.
Der Wellenleiterbereich weist vorteilhaft mindestens einen strukturierten Bereich zur Modenselektion auf. Der strukturierte Bereich ist derart strukturiert, dass die laterale Grundmode der Laserstrahlung geringere Verluste als die Strahlung höherer Lasermoden erfährt. Aufgrund des strukturierten Bereichs erfährt die Laserstrahlung, die sich in dem Wellenleiterbereich ausbreitet, lokale Verluste, wobei der strukturierte Bereich derart ausgebildet ist, dass höhere Lasermoden stärker gedämpft werden als die laterale
Grundmode. Auf diese Weise kann insbesondere erreicht werden, dass beim Betrieb des Halbleiterlasers nur die laterale Grundmode anschwingt. Dadurch, dass höhere Moden der Laserstrahlung unterdrückt werden und vorzugsweise nur die laterale Grundmode anschwingt, wird eine hohe Strahlqualität des kantenemittierenden Halbleiterlasers erzielt. Insbesondere eignet sich das Strahlprofil der lateralen Grundmode gut für eine Strahlformung mit optischen Elementen und insbesondere für die Einkopplung in eine Lichtleitfaser mit großer Effizienz. Weiterhin werden auf diese Weise
Intensitätsspitzen an der Seitenfacette des Halbleiterlasers, an der die Strahlung ausgekoppelt wird, vermindert, so dass mit dem Halbleiterlaser eine hohe Ausgangsleistung erzielt werden kann.
Der mindestens eine strukturierte Bereich ist bevorzugt ausschließlich in der oberen Wellenleiterschicht und der oberen Mantelschicht ausgebildet. Insbesondere erstreckt sich der strukturierte Bereich nicht bis in die aktive Schicht des kantenemittierenden Halbleiterlasers, die beispielsweise als Einfach- oder MehrfachquantentopfStruktur ausgebildet ist.
Besonders bevorzugt ist der mindestens eine strukturierte Bereich ausschließlich in der oberen Mantelschicht ausgebildet. Diese Ausgestaltung macht sich zunutze, dass sich die Laserstrahlung zwar im Wesentlichen in dem Wellenleiterkern, der aus den Wellenleiterschichten und der darin eingebetteten aktiven Schicht gebildet wird, ausbreitet, wobei sich das Modenprofil aber wegen des endlichen Brechungsindexsprungs zwischen den Wellenleiterschichten und den Mantelschichten aber zumindest teilweise bis in die Mantelschichten hinein ausbreitet. Somit können den Lasermoden auch durch Strukturen in der oberen Mantelschicht gezielt Verluste zugeführt werden, die das Anschwingen höherer Lasermoden verhindern. Insgesamt ist die Dämpfung der Laserstrahlung durch den strukturierten Bereich in der oberen Mantelschicht aber nur vorteilhaft gering, sodass mit den kantenemittierenden Halbleiterlaser eine vergleichsweise hohe Ausgangsleistung erzielt werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der strukturierte Bereich mindestens einen Graben, der sich von einer Oberseite des Halbleiterkörpers in den Wellenleiterbereich hinein erstreckt. Der mindestens eine Graben ist vorzugsweise nur in der oberen Mantelschicht des Wellenleiterbereichs ausgebildet, das heißt seine Tiefe ist nicht größer als die Dicke der oberen Mantelschicht. Die Tiefe des mindestens einen Grabens wird vorzugsweise so gewählt, dass unter der tiefsten Stelle des Grabens weniger als 300 nm der oberen Wellenleiterschicht verbleiben.
Der mindestens eine Graben weist bevorzugt eine Tiefe zwischen einschließlich 500 nm und 1500 nm auf. Die Breite des mindestens einen Grabens beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 1 μm und 4 μm. Der mindestens eine Graben kann zum Beispiel durch einen Ätzprozess in dem Halbleitermaterial des Wellenleiterbereichs, insbesondere der oberen Mantelschicht, erzeugt werden.
Vorzugsweise verläuft der mindestens eine Graben parallel zu einer Seitenfacette des Halbleiterlasers. Die Laserstrahlung trifft daher bei ihrer Ausbreitung in den Wellenleiterbereich vorzugsweise senkrecht auf den mindestens einen Graben. Bei der Durchquerung des Grabens erfährt die Laserstrahlung beim Eintritt in den Graben an einer ersten Seitenflanke des
Grabens und beim Austritt aus dem Graben an einer zweiten Seitenflanke des Grabens jeweils Streuverluste. Die Laserstrahlung wird bei einem Durchgang durch den Graben vorteilhaft um weniger als zehn Prozent, bevorzugt um weniger als fünf Prozent gedämpft. Beispielsweise kann bei der Durchquerung eines Grabens ein Verlust von etwa zwei Prozent auftreten. Die Höhe des Verlusts, die die Laserstrahlung bei der Durchquerung des Grabens erfährt, hängt insbesondere von der Form und der Tiefe des Grabens sowie bei mehreren Gräben von der Anzahl der Gräben ab.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich der mindestens eine Graben von einem Randbereich des Wellenleiterbereichs in Richtung des Zentrums des Wellenleiterbereichs. Das Zentrum des Wellenleiterbereichs ist vorzugsweise frei von Gräben. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass höhere transversale Lasermoden, die sich in den Randbereichen des Wellenleiterbereichs ausbreiten, höhere Verluste erfahren, als die transversale Grundmode, die ein Intensitätsmaximum im Zentrum des Wellenleiterbereichs aufweist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich eine Vielzahl von Gräben von einem Randbereich des Wellenleiterbereichs unterschiedlich weit in das Zentrum des Wellenleiterbereichs hinein. Die Gräben sind vorzugsweise derart angeordnet, dass die Anzahl der Gräben, die von der sich in den Wellenbereich ausbreitenden Laserstrahlung passiert werden, von dem Randbereich zu dem zentralen Bereich des Wellenleiters hin abnimmt. Auf diese Weise wird erreicht, dass höhere Lasermoden, welche signifikante Intensitäten in den Randbereichen des Wellenleiterbereichs aufweisen, aufgrund der größeren Anzahl der Gräben in dem Randbereich höhere Verluste erfahren als die zentrale Grundmode, deren Intensitätsmaximum sich im Zentrum des Wellenleiterbereichs befindet. Insbesondere kann ein zentraler Bereich des Wellenleiterbereichs frei von Gräben sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der mindestens eine Graben eine variable Tiefe auf. Die Tiefe des Grabens nimmt dabei von einem Randbereich zu einem zentralen Bereich des Wellenleiterbereichs hin ab. Beispielsweise können einer oder mehrere Gräben von der Mitte des Wellenleiterbereichs beidseitig zu den Randbereichen des Wellenleiterbereichs hin geführt sein, wobei die Tiefe des Grabens von innen nach außen hin zunimmt. Da die Verluste, die die sich ausbreitende Laserstrahlung beim Durchqueren des mindestens einen Grabens erfährt, mit zunehmender Tiefe des Grabens zunehmen, kann die Stärke der Verluste durch die Einstellung der Tiefe des mindestens einen Grabens lokal variiert werden. Durch eine größere Tiefe des mindestens einen Grabens in den Außenbereichen des Wellenleiterbereichs im Vergleich zum Zentrum des Wellenleiterbereichs erfahren höhere Lasermoden größere Verluste als die zentrale Grundmode.
Bei einer weiteren Ausgestaltung weist der mindestens eine Graben Seitenflanken mit einer variablen Form auf. Die Form der Seitenflanken variiert vorzugsweise in einer Längsrichtung des Grabens. Insbesondere können die
Seitenflanken eine variable Flankensteilheit aufweisen. Bevorzugt nimmt die Flankensteilheit von einem Randbereich zu einem zentralen Bereich des Wellenleiterbereichs hin ab. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die höheren Lasermoden an den steilen Flanken der Randbereiche größere Verluste erfahren als die laterale Grundmode in dem zentralen Bereich des Wellenleiterbereichs. Die zuvor beschriebenen Möglichkeiten zur lokalen Variation der Verluste durch die in den Wellenleiterbereich eingebrachten Gräben, insbesondere die Anzahl, die Form und die Tiefe der Gräben, können auch miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann sowohl die Anzahl als auch die Tiefe der Gräben von den Randbereichen des Wellenleiterbereichs zu einem zentralen Bereich des Wellenleiterbereichs hin abnehmen. Alternativ kann beispielsweise die Flankensteilheit und die Tiefe der Gräben von einem zentralen Bereich des Wellenleiterbereichs zu den Randbereichen hin zunehmen. So ist es möglich, die Dämpfung der Lasermoden über die Breite des Wellenleiterbereichs gezielt einzustellen, und auf diese Weise die Verluste der höheren Lasermoden derart zu erhöhen, dass der kantenemittierende Halbleiterlaser nur in der lateralen Grundmode anschwingt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von
Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 5 näher erläutert.
Es zeigen:
Figuren IA und IB einen kantenemittierenden Halbleiterlaser gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einem Querschnitt und in einer Aufsicht,
Figuren 2A bis 2D ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines kantenemittierenden Halbleiterlasers anhand von schematisch dargestellten Zwischenschritten,
Figuren 3A bis 3C den strukturierten Bereich bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des kantenemittierenden Halbleiterlasers in einer Draufsicht und in Schnittdarstellungen,
Figuren 4A bis 4D den strukturierten Bereich bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des kantenemittierenden Halbleiterlasers in einer Draufsicht und in Schnittdarstellungen, und
Figuren 5A bis 5C den strukturierten Bereich bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des kantenemittierenden Halbleiterlasers in einer Draufsicht und in Schnittdarstellungen .
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
In den Figuren IA und IB ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines kantenemittierenden Halbleiterlasers dargestellt. Figur IA zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-B der in Figur IB dargestellten Aufsicht.
Der kantenemittierende Halbleiterlaser weist einen Halbleiterkörper 1 auf, in dem ein Wellenleiterbereich 2 enthalten ist. Der Wellenleiterbereich 2 umfasst eine untere Wellenleiterschicht 4a und eine obere Wellenleiterschicht 4b, zwischen denen eine zur Erzeugung von Laserstrahlung vorgesehene aktive Schicht 5 angeordnet ist.
Bei der aktiven Schicht 5 des kantenemittierenden Halbleiterlasers kann es sich insbesondere um eine Einfachoder MehrfachquantentopfStruktur handeln. Die Wellenleiterschichten 4a, 4b mit der dazwischen eingebetteten aktiven Schicht 5 bilden einen Wellenleiterkern 8 aus. Der Wellenleiterkern 8 ist zwischen einer unteren Mantelschicht 3a und einer dem Wellenleiterkern 8 in Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers 1 nachfolgenden oberen Mantelschicht 3b angeordnet. Die untere Mantelschicht ist auf einer einem Substrat 10 des Halbleiterkörpers 1 zugewandten Seite angeordnet und die obere Mantelschicht 3b ist auf einer von der aktiven Schicht 5 aus gesehen dem Substrat 10 abgewandten Seite des Halbleiterkörpers 1 angeordnet .
Zwischen dem Substrat 10 des Halbleiterkörpers 1 und der unteren Mantelschicht 3a können eine oder mehrere Zwischenschichten 13 angeordnet sein. Die elektrische Kontaktierung des kantenemittierenden Halbleiterlasers erfolgt beispielsweise durch eine erste elektrische Kontaktschicht 11 an der von der aktiven Schicht 5 abgewandten Rückseite des Substrats 10 und eine zweite elektrische Kontaktschicht 12 an einer von dem Substrat 10 abgewandten Oberseite des Halbleiterkörpers 1. Zwischen der oberen Mantelschicht 3b und der elektrischen Kontaktschicht 12 können eine oder mehrere weitere Zwischenschichten (nicht dargestellt) angeordnet sein.
Die Mantelschichten 3a, 3b weisen vorteilhaft einen geringeren Brechungsindex als die Wellenleiterschichten 4a, 4b auf, wodurch die sich in lateraler Richtung ausbreitende Laserstrahlung im Wesentlichen in dem Wellenleiterkern 8 geführt wird. Wegen des endlichen Brechungsunterschieds zwischen den Wellenleiterschichten 4a, 4b und den Mantelschichten 3a, 3b breiten sich die Lasermoden aber auch zumindest teilweise bis in die Mantelschichten 3a, 3b aus. Daher ist es möglich, die sich in dem Wellenleiterbereich 2 ausbreitenden Lasermoden durch eine Änderung der Eigenschaften der Mantelschichten 3a, 3b zu beeinflussen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der
Wellenleiterbereich 2 strukturierte Bereiche 6 auf, die in der Nähe einer Seitenfacette 9 des Halbleiterkörpers 1 angeordnet sind. Die strukturierten Bereiche 6 sind jeweils ausschließlich in der oberen Mantelschicht 3b ausgebildet.
Die strukturierten Bereiche 6 umfassen jeweils mehrere Gräben 7, die sich von der Oberseite des Halbleiterkörpers 1 in die obere Mantelschicht 3b hinein erstrecken. Die Gräben 7 befinden sich in einem von der zweiten Kontaktschicht 12 ausgesparten Bereich der oberen Mantelschicht 3b. Alternativ wäre es aber auch möglich, einen oder mehrere Gräben unterhalb der zweiten Kontaktschicht 12 anzuordnen.
Die Gräben weisen bevorzugt eine Tiefe zwischen einschließlich 500 nm und 1500 nm auf. Die Gräben erstrecken sich vorzugsweise derart tief in die obere Mantelschicht hinein, dass unterhalb der tiefsten Stelle der Gräben nicht mehr als 300 nm der oberen Mantelschicht verbleiben. Beispielsweise sollten die Gräben bei einer 1000 nm dicken oberen Mantelschicht mindestens 700 nm tief sein.
Die Breite der Gräben beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 1 μm und 4 μm, zum Beispiel 2 μm.
Die Gräben 7 verlaufen parallel zur Schichtebene der oberen Mantelschicht 3b und vorzugsweise parallel zur Seitenfacette 9 des Halbleiterkörpers 1. Insbesondere verlaufen die Gräben 7 parallel zueinander und senkrecht zu den Längsseiten des Halbleiterchips 1. Die Gräben 7 können insbesondere periodisch angeordnet sein, das heißt sie weisen gleiche Abstände untereinander auf.
Die Gräben verlaufen von einem Randbereich der oberen Mantelschicht 3b, insbesondere von den Längsseiten des Halbleiterchips 1, in Richtung des Zentrums der oberen Mantelschicht 3b. Dabei erstrecken sich die Gräben unterschiedlich weit in die obere Mantelschicht 3b hinein.
Wie in der Aufsicht in Figur IB zu erkennen ist, können sich die Gräben zum Beispiel desto weiter in das Zentrum der oberen Mantelschicht 3b hinein erstrecken, je geringer ihr Abstand zur Seitenfacette 9 des Halbleiterkörpers 1 ist. Die laterale Ausdehnung der Gräben 7 kann dabei beispielsweise stufenweise variieren. Die beiden strukturierten Bereiche 6 mit den Gräben 7 sind vorzugsweise symmetrisch auf beiden Seiten des Halbleiterkörpers 1 angeordnet. Das Zentrum des Wellenleiterbereichs 2 ist dabei frei von Gräben 7.
Durch die Anordnung der Gräben 7 wird erreicht, dass die laterale Grundmode bei der Ausbreitung in dem Wellenleiterbereich 2 geringere Verluste erfährt als höhere Lasermoden. Dies beruht darauf, dass die sich zumindest teilweise in der Mantelschicht 3b ausbreitende Laserstrahlung in den Randbereichen eine größere Anzahl von Gräben 7 durchdringen muss als im Zentrum des Wellenleiterbereichs 2, und somit höhere Lasermoden vergleichsweise große Verluste erfahren. An den Seitenflanken der Gräben 7 treten wie bei der Stoßkopplung von unterschiedlichen Schichtwellenleitern Streuverluste auf. Dabei geht ein Teil der Energie des elektrischen Feldes aus dem Wellenleiterbereich in nicht wellenleitende Bereiche über. Der Einfluss der Gräben 7 auf die laterale Grundmode, die ein Intensitätsmaximum im Zentrum des Wellenleiterbereichs 2 aufweist, ist dagegen nur gering.
Die Verluste, die eine umlaufende Lasermode beim Durchqueren der strukturierten Bereiche 6 erfährt, können insbesondere durch die räumliche Anordnung und die Anzahl der Gräben 7 beeinflusst werden. Weiterhin beeinflussen insbesondere auch die Tiefe und die Form der Flanken der Gräben 7 den Energieverlust der Lasermode bei der Durchquerung der Gräben. Der Energieverlust beim Durchqueren der Gräben wird im Wesentlichen über Streuung der Laserstrahlung bewirkt. Vorzugsweise sind die Gräben 7 nicht mit einem Material gefüllt, das für die Laserstrahlung absorbierend ist, insbesondere können die Gräben 7 frei von festem Material sein und beispielsweise Luft enthalten. Zwar können die sich in dem Wellenleiter ausbreitenden Moden auch durch absorbierende Strukturen beeinflusst werden. Strukturen mit einer nur unwesentlichen Absorption haben aber den Vorteil, dass nur ein geringer Wärmeeintrag in den Halbleiterkörper 1 erfolgt .
Die Gräben 7 können in dem Halbleiterkörper 1 insbesondere mittels eines Ätzverfahrens erzeugt werden. Zur gezielten Strukturierung können dabei bekannte Verfahren der Fotolithografie eingesetzt werden.
In den Figuren 2A bis 2D ist ein Verfahren zur Herstellung eines Ausführungsbeispiels eines kantenemittierenden Halbleiterlasers anhand von schematisch dargestellten Zwischenschritten dargestellt. Wie in Figur 2A dargestellt wird zunächst die Halbleiterschichtenfolge des kantenemittierenden Halbleiterlasers auf ein Substrat 10 aufgewachsen. Das Aufwachsen der Halbleiterschichten erfolgt vorzugsweise epitaktisch, beispielsweise mittels MOVPE. Auf das Substrat 10 sind nacheinander eine oder mehrere Zwischenschichten 13, beispielsweise Pufferschichten, eine untere Mantelschicht 3a, eine untere Wellenleiterschicht 4a, eine aktive Schicht 5, eine obere Wellenleiterschicht 4b und die obere Mantelschicht 3b abgeschieden. Die zwischen den Wellenleiterschichten 4a, 4b eingeschlossene aktive Schicht 5 und die Mantelschichten 3a, 3b bilden den Wellenleiterbereich 2 aus.
Die Halbleiterschichtenfolge des kantenemittierenden Halbleiterlasers kann insbesondere auf einem III-V-
Verbindungshalbleitermaterial basieren. Je nach Wellenlänge des kantenemittierenden Halbleiterlasers können beispielsweise Arsenid-, Phosphid-, oder Nitridverbindungshalbleitermaterialien eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Halbleiterschichtenfolge
InxAlyGa]__x_yAs, InxAlyGa]_-x-yP oder InxAlyGa]__x_yN, jeweils mit O ≤ x ≤ l, O ≤ y ≤ l und x + y ≤ 1, enthalten. Dabei muss das III-V-Verbindungshalbleitermaterial nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach einer der obigen Formeln aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere
Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die physikalischen Eigenschaften des Materials im wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhalten obige Formeln jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können. Die Materialauswahl erfolgt dabei anhand der gewünschten Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers. Das Substrat 10 wird anhand der vorzugsweise epitaktisch aufzuwachsenden Halbleiterschichtenfolge ausgewählt und kann insbesondere ein GaAs-, GaN- oder ein Siliziumsubstrat sein.
Die aktive Schicht 5 kann sich aus mehreren Einzelschichten, insbesondere einer Einfach- oder MehrfachquantentopfStruktur zusammensetzen. Die Bezeichnung QuantentopfStruktur umfasst dabei jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss (Confinement) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung QuantentopfStruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Bei dem in Figur 2B dargestellten Zwischenschritt ist ein strukturierter Bereich 6 in dem Wellenleiterbereich 2 dadurch erzeugt worden, dass Gräben 7 in die obere Mantelschicht 3b geätzt wurden. Die Gräben 7 können beispielsweise wie bei dem in den Figuren IA und IB dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein und sich insbesondere in der Schichtebene der oberen Mantelschicht 3b parallel zu der Seitenflanke 9 des Halbleiterchips 1 erstrecken.
Der strukturierte Bereich 6, beispielsweise ein mit Gräben 7 durchzogener Bereich, kann in einem weiteren
Verfahrensschritt mit einer Beschichtung 14 versehen werden, wie in Figur 2C dargestellt ist. Insbesondere kann eine
Passivierungsschicht 14 auf die in dem Wellenleiterbereich 2 erzeugte Struktur aufgebracht werden. Bei der Passivierungsschicht 14 kann es sich beispielsweise um eine Silizium-Nitridschicht handeln. Die auf den strukturierten Bereich 6 aufgebrachte Beschichtung 14 kann die Gräben 7, wie in Fig. 2C dargestellt, zumindest teilweise auffüllen, so dass beispielsweise der Boden und die Seitenflanken der Gräben 7 von der Passivierungsschicht 14 bedeckt sind.
Bei dem in Figur 2D dargestellten Verfahrensschritt sind Kontaktmetallisierungen 11, 12 auf die von den Halbleiterschichten abgewandte Rückseite des Substrats 10 und auf die dem Substrat 10 gegenüberliegende Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 aufgebracht worden. Die
Kontaktmetallisierungen 11, 12 sind beispielsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet. Es muss sich bei den Kontaktmetallisierungen nicht notwendigerweise um Einzelschichten handeln, sondern sie können auch aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt sein, zum Beispiel aus einer Titan-Platin-Gold-Schichtenfolge.
Weiterhin ist bei dem in Figur 2D dargestellten Verfahrensschritt eine Beschichtung 15 auf die Seitenfacetten 9 des Halbleiterkörpers 1 aufgebracht worden. Bei der Beschichtung 15 kann es sich insbesondere um eine reflexionserhöhende Beschichtung handeln, zum Beispiel um einen dielektrischen Spiegel. Der dielektrische Spiegel kann beispielsweise eine Vielzahl von alternierenden dielektrischen Schichten enthalten und erhöht die Reflexion an den Seitenfacetten des Halbleiterkörpers zur Ausbildung eines Laserresonators.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des strukturierten Bereichs 6 in der oberen Mantelschicht 3b ist in Figur 3A in einer Aufsicht, in Figur 3B in einer Schnittdarstellung entlang der Linie C-D der Figur 3A und in Figur 3C in einer Schnittdarstellung entlang der Linie E-F der Figur 3A dargestellt .
Die Gräben 7 verlaufen wie bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel parallel zu einer Seitenfacette 9 des Halbleiterlasers, die mit einer reflexionserhöhenden Beschichtung 15 versehen ist. Die Gräben 7 erstrecken sich von Randbereichen der oberen Mantelschicht 3b in das Zentrum der oberen Mantelschicht 3b. In den beiden gegenüberliegenden Randbereichen der oberen Mantelschicht 3b sind symmetrisch zu einer Längsachse des Halbleiterkörpers jeweils zum Beispiel acht Gräben 7 angeordnet, die sich unterschiedlich weit vom Rand des Halbleiterkörpers in das Zentrum des Halbleiterkörpers hinein erstrecken. Die laterale Ausdehnung der Gräben 7 in der Richtung parallel zur Seitenfacette 9 des Halbleiterlasers nimmt dabei mit abnehmendem Abstand zur Seitenfacette 9 hin zu.
Figur 3B zeigt einen Schnitt durch die obere Mantelschicht entlang der Line C-D im Außenbereich des Halbleiterkörpers. Die Schnittdarstellung zeigt nur die obere Mantelschicht 3b ohne die darunter liegenden Halbleiterschichten. Die Schnittansicht verdeutlicht, dass die Laserstrahlung bei der Ausbreitung in der Emissionsrichtung im Außenbereich der oberen Mantelschicht mehrere Gräben 7 passieren muss.
Der Schnitt entlang der Line E-F, der in Figur 3C dargestellt ist, verdeutlicht, dass die Laserstrahlung bei der Ausbreitung im Innenbereich der oberen Mantelschicht dagegen nur einen Graben 7 passieren muss. Wie in der Draufsicht in Figur 3A zu erkennen, ist das Zentrum der oberen Mantelschicht 3b sogar frei von Gräben 7. Dadurch, dass die Anzahl von Gräben 7, welche die Laserstrahlung bei der Ausbreitung in der oberen Mantelschicht 3b passieren muss, vom Randbereich zum Zentrum des Wellenleiterbereichs hin zunimmt, erfahren höhere Lasermoden bei der Ausbreitung in der Emissionsrichtung größere Verluste als die laterale Grundmode der Laserstrahlung. Die Anzahl, die laterale
Ausdehnung und die Tiefe der Gräben 7 kann beispielsweise durch Simulationsrechnungen derart optimiert werden, dass ein gewünschtes Modenprofil der Laserstrahlung erzielt wird.
Die Figuren 4A bis 4D zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des strukturierten Bereichs 6 in der oberen Mantelschicht 3b. Im Gegensatz zu den vorher dargestellten
Ausführungsbeispielen ist bei diesem Ausführungsbeispiel nur ein einziger Graben 7 in der oberen Mantelschicht 3b erzeugt. Der Graben 7 verläuft parallel zur Seitenfacette 9 des
Halbleiterkörpers in der oberen Mantelschicht 3b. Um eine lokale Variation der Verluste der Lasermoden in der Richtung senkrecht zur Emissionsrichtung zu erzielen, variiert die Tiefe des Grabens 7 in der Längsrichtung des Grabens, das heißt in der Richtung parallel zur Seitenfacette des Halbleiterlasers 9.
Der in Figur 4B dargestellte Schnitt entlang der Linie G-H zeigt, dass der Graben 7 im Randbereich der oberen Mantelschicht eine vergleichsweise große Tiefe aufweist.
Dagegen weist der Graben 7, wie der Schnitt entlang der Linie I-J in Figur 4C verdeutlicht, im Innenbereich der oberen Mantelschicht 3b nur eine vergleichsweise geringe Tiefe auf.
Das Tiefenprofil des Grabens 7 entlang seiner Längsrichtung entlang der Linie K-L ist in Figur 4C dargestellt. Dadurch, dass die Tiefe des Grabens vom Zentrum der oberen Mantelschicht 3b zu den Randbereichen hin zunimmt, erfahren die Lasermoden bei der Ausbreitung in der Emissionsrichtung in den Randbereichen größere Verluste als im Zentrum der oberen Mantelschicht 3b. Wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen wird auf diese Weise die Ausbreitung der lateralen Grundmode, die ein Intensitätsmaximum im zentralen Bereich des Wellenleiterbereichs aufweist, begünstigt. Insbesondere kann auf diese Weise ein Single- Mode-Betrieb des Halbleiterlasers erreicht werden.
Die lokale Variation der Ätztiefe bei der Erzeugung des Grabens 7 kann beispielsweise durch Proportionaltransfer einer Fotolackschicht in einem Sputter- oder Ätzschritt mit geeigneter Selektivität erfolgen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des strukturierten Bereichs 6 in der oberen Mantelschicht 3b ist in den Figuren 5A bis 5C dargestellt. Wie in der Aufsicht in Figur 5A zu erkennen ist, erstreckt sich wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel ein einziger Graben 7 in einer Richtung parallel zur
Seitenfacette 9 des Halbleiterlasers in der oberen Mantelschicht 3b. Um eine lokale Variation der Verluste, die eine Lasermode bei der Ausbreitung in der Emissionsrichtung erfährt, zu erzielen, variiert bei diesem Ausführungsbeispiel nicht die Tiefe des Grabens, sondern die Form der
Seitenflanken 16 entlang der Längsrichtung des Grabens 7. Eine lokale Variation der Form der Seitenflanken 16 des Grabens 7 kann durch eine Strukturierung eines Fotolacks mit variabler Dosis durch Mehrstufenbelichtung mittels Elektronenstrahl- oder Laserlithographie oder mit Grautonmasken durchgeführt werden. Der in Figur 5B dargestellte Schnitt entlang der Linie M-N verdeutlicht, dass der Graben 7 im Außenbereich der oberen Mantelschicht 3b ein rechteckförmiges Querschnittsprofil aufweist .
Im Innenbereich der oberen Mantelschicht weist der Graben 7 dagegen ein abgerundetes Querschnittsprofil auf, wie der in Figur 5C dargestellte Querschnitt entlang der Linie O-P zeigt. Die Lasermoden erfahren bei der Durchquerung des abgerundeten Querschnittsprofils im Innenbereich des Grabens 7 geringere Verluste als bei der Durchquerung des rechteckförmigen Querschnittsprofils des Grabens 7 im Außenbereich der oberen Mantelschicht 3b. Wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen wird auf diese Weise erreicht, dass die höheren Lasermoden bei der Ausbreitung in der Emissionsrichtung höhere Verluste erfahren als die laterale Grundmode, die ein Intensitätsmaximum im Innenbereich der oberen Mantelschicht 3b aufweist.
Die zuvor beschriebenen Möglichkeiten zur lokalen Variation der Verluste der Lasermoden durch eine lokale Variation der Anzahl der Gräben, der Tiefe der Gräben oder der Form der Seitenflanke der Gräben können selbstverständlich miteinander kombiniert werden.
Alternativ zu der Ausbildung von Gräben kann eine lokale Variation der Verluste auch durch selektives Einbringen von Dotierstoffen in die obere Mantelschicht erfolgen. In diesem Fall kann beispielsweise die Konzentration des eingebrachten Dotierstoffs von einem zentralen Bereich der oberen Mantelschicht zu den Randbereichen hin zunehmen. Die Lasermoden werden somit in den Randbereichen durch Absorption und/oder Streuung an dem zusätzlich eingebrachten Dotierstoff stärker gedämpft als in einem zentralen Bereich des Wellenleiterbereichs .
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Be zugs zeichenl i ste
1 Halbleiterkörper
2 Wellenleiterbereich
3a untere Mantelschicht
3b obere Mantelschicht
4a untere Wellenleiterschicht
4b obere Wellenleiterschicht
5 aktive Schicht
6 strukturierter Bereich
7 Graben
8 Wellenleiterkern
9 Seitenfacette
10 Substrat
11 Kontaktschicht
12 Kontaktschicht
13 Zwischenschicht
14 Beschichtung
15 BeSchichtung
16 Seitenflanken

Claims

Patentansprüche
1. Kantenemittierender Halbleiterlaser mit einem Halbleiterkörper (1), der einen Wellenleiterbereich (2) aufweist, wobei
- der Wellenleiterbereich (2) eine untere Mantelschicht (3a) , eine untere Wellenleiterschicht (4a) , eine aktive Schicht (5) zur Erzeugung von Laserstrahlung, eine obere Wellenleiterschicht (4b) und eine obere Mantelschicht (3b) aufweist,
- der Wellenleiterbereich (2) mindestens einen strukturierten Bereich (6) zur Modenselektion aufweist, in dem eine laterale Grundmode der Laserstrahlung geringere Verluste als die Strahlung höherer Lasermoden erfährt,
- der mindestens eine strukturierte Bereich (6) mindestens einen Graben (7) umfasst, der sich von einer Oberseite des Halbleiterkörpers (1) in die obere Mantelschicht (3b) hinein erstreckt, und - der mindestens eine Graben (7) derart tief ist, dass unterhalb der tiefsten Stelle des Grabens (7) nicht mehr als 300 nm der oberen Mantelschicht (3b) verbleiben.
2. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei die Tiefe des mindestens einen Grabens (7) nicht größer ist als die Dicke der oberen Mantelschicht (3b) .
3. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine strukturierte Bereich (6) ausschließlich in der oberen Mantelschicht (3b) ausgebildet ist.
4. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Graben (7) zwischen 500 nm und 1500 nm tief ist.
5. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Graben (7) eine Breite zwischen 1 μm und 4 μm aufweist.
6. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Graben (7) parallel zu einer Seitenfacette (9) des Halbleiterlasers verläuft.
7. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der mindestens eine Graben (7) von einem Randbereich des Wellenleiterbereichs (2) in Richtung des Zentrums des Wellenleiterbereichs (2) erstreckt.
8. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 7, wobei sich eine Vielzahl von Gräben (7) von einem Randbereich des Wellenleiterbereichs (2) unterschiedlich weit in das Zentrum des Wellenleiterbereichs (2) erstrecken .
9. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 8, wobei die Anzahl der Gräben (7), die von der sich in dem Wellenleiterbereich (2) ausbreitenden Laserstrahlung passiert werden, von dem Randbereich zu dem zentralen Bereich des Wellenleiterbereichs (2) hin abnimmt.
10. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein zentraler Bereich des Wellenleiterbereichs (2) frei von Gräben (7) ist.
11. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Graben (7) eine variable Tiefe aufweist, wobei die Tiefe von einem Randbereich zu einem zentralen Bereich des Wellenleiterbereichs (2) hin abnimmt .
12. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Graben (7) Seitenflanken mit einer variablen Form aufweist.
13. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 12, wobei die Seitenflanken eine variable Flankensteilheit aufweisen.
14. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 13, wobei die Flankensteilheit von einem Randbereich zu einem zentralen Bereich des Wellenleiterbereichs (2) hin abnimmt.
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