EP2425507A1 - Kantenemittierender halbleiterlaser - Google Patents

Kantenemittierender halbleiterlaser

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EP2425507A1
EP2425507A1 EP10714321A EP10714321A EP2425507A1 EP 2425507 A1 EP2425507 A1 EP 2425507A1 EP 10714321 A EP10714321 A EP 10714321A EP 10714321 A EP10714321 A EP 10714321A EP 2425507 A1 EP2425507 A1 EP 2425507A1
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EP
European Patent Office
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semiconductor laser
edge
emitting semiconductor
layer
radiation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10714321A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marc Schillgalies
Stephan Lutgen
Uwe Strauss
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
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
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 filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
Publication of EP2425507A1 publication Critical patent/EP2425507A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S5/32341—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm blue laser based on GaN or GaP
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Definitions

  • the invention relates to an edge-emitting semiconductor laser, in particular a semiconductor laser based on a nitride compound semiconductor.
  • Semiconductor laser can cause the threshold current is no longer reached and therefore the semiconductor laser no longer emits coherent laser radiation.
  • the invention has for its object to provide an improved edge-emitting semiconductor laser, in which a beam profile with low ellipticity, preferably a nearly circular beam profile is achieved in a comparatively simple manner.
  • an edge-emitting semiconductor laser has a semiconductor body with a waveguide region, the waveguide region having a first waveguide layer, a second waveguide layer and an active layer for generating laser radiation arranged between the first waveguide layer and the second waveguide layer.
  • the waveguide region is between a first cladding layer, which faces, for example, a substrate of the edge-emitting semiconductor laser, and a second cladding layer, for example, the waveguide region in the growth direction of Semiconductor body follows, arranged.
  • the first cladding layer, the first waveguide layer, the active layer, the second waveguide layer and the second cladding layer follow one another.
  • the preferably epitaxially produced semiconductor layers are for example applied to a substrate and can be provided on an opposite side of the substrate with an electrical contact layer.
  • the waveguide region preferably has a thickness of 400 nm or less. That is, the sum of the thicknesses of the first waveguide layer, the second waveguide layer, and the active layer disposed between the first waveguide layer and the second waveguide layer is not more than 400 nm.
  • the waveguide region is comparatively thin and preferably has a thickness of less than 400 nm, it is achieved that the difference in the
  • Beam angle in the horizontal direction, d. H. in a direction parallel to the layer plane of the semiconductor layers and in the vertical direction, d. H. is reduced in a direction perpendicular to the layer planes of the semiconductor layers, compared to conventional edge emitting semiconductor lasers.
  • the astigmatism typical of edge emitting semiconductor lasers, d. H. a highly elliptical beam profile is reduced in this way.
  • the waveguide region has a thickness of 300 nm or less, more preferably even 250 nm or less.
  • the emission angle ⁇ P of the laser radiation emerging from the semiconductor body in a direction parallel to the layer plane of the active layer and the emission angle ⁇ s of the laser radiation emerging from the semiconductor body in a direction perpendicular to the layer plane of the active layer differ by less than a factor 3 from each other.
  • the emission angles ⁇ s , ⁇ p are each understood to mean the full angular range in which the intensity of the emitted laser radiation is not less than half the intensity in the main radiation direction (FWHM-filling width at half maximum).
  • the emission angle at the side facet of the semiconductor laser without taking into account any existing optical elements for beam shaping, in particular lenses arranged outside the semiconductor body, is understood as the emission angle of the laser radiation emerging from the semiconductor body.
  • the radiation angles of the semiconductor laser in the horizontal and vertical directions differ by less than a factor of two.
  • the emission angle in the vertical direction that is to say perpendicular to the layer planes of the semiconductor layers
  • the emission angle in the horizontal direction that is, in a direction parallel to the layer planes of the semiconductor layers.
  • the emission angle in the vertical direction is at most three times and preferably not more than twice as large as the emission angle in the horizontal direction.
  • the emission angles have only a comparatively small difference in the horizontal and vertical directions, it is possible to achieve a comparatively small difference to use inexpensive spherical lens for collimating the laser radiation.
  • inexpensive spherical lens for collimating the laser radiation.
  • aspherical lenses such as cylindrical lenses, can be advantageously dispensed with.
  • the edge-emitting semiconductor laser can have a housing which contains a lens for beam shaping of the emitted laser radiation.
  • the preferably spherical lens advantageously serves as a cover of the housing and advantageously protects the semiconductor body of the edge-emitting semiconductor laser from mechanical damage or environmental influences such as moisture or dirt.
  • the housing of the edge-emitting semiconductor laser can be designed in particular as a so-called TO package (transistor outline).
  • This type of housing usually has several, typically three, connection legs for electrical contacting and mounting of the edge-emitting semiconductor laser.
  • the semiconductor body of the edge-emitting semiconductor laser is arranged under a cover, which may in particular be cylindrical, on an electrically conductive support which is connected to one of the connecting legs.
  • the typically at least approximately cylindrical cover may for example be made of plastic or metal and have on the radiation exit side a transparent cover, which is preferably designed as a lens, particularly preferably as a spherical lens.
  • the semiconductor laser can also have an SMT housing (surface mount technology).
  • SMT housing surface mount technology
  • Such surface-mountable housing have at one Housing bottom and / or a housing side surface contact surfaces for electrical contacting, where the housing can be soldered for example on a circuit board.
  • the edge-emitting semiconductor laser has a first and a second side facet, which are preferably each provided with a reflection-enhancing coating.
  • a first side facet of the semiconductor body serving as a radiation coupling-out surface is provided with a reflection-enhancing coating whose reflection is preferably 75 percent or more.
  • the reflection of the reflection-increasing coating on the first side facet serving as the radiation coupling-out surface is even 85 percent or more. It is also possible that the reflection of the reflection-enhancing coating is as high as 95 percent or more.
  • the facet of the semiconductor body serving for radiation coupling-out area reduces the steepness of the characteristic line of the semiconductor laser, ie the output power of the semiconductor laser increases less with increasing operating current than in a conventional semiconductor laser, in which the radiation output surface has a lower reflection. This is based on the fact that a larger proportion of the laser radiation incident on the side facet of the semiconductor body is reflected back into the resonator and thus is not coupled out of the semiconductor laser. On the other hand, in this way, the mean circulation time of the laser radiation increases in the Laser resonator, which advantageously reduces the threshold current of the semiconductor laser.
  • the low threshold current intensity and the low steepness of the characteristic curve of the semiconductor laser have the advantage that a stable operation is ensured even at low output powers of the semiconductor laser.
  • smaller changes in the operating current effect only small changes in the optical output power, and the risk of dropping below the threshold current intensity with fluctuations in the operating current is relatively low due to the low threshold current.
  • the operating currents in normal operation are so far above the threshold current of the semiconductor laser, that a possibly occurring age-related increase in
  • SchwellstromR usually does not cause the laser threshold is not reached and it comes to a suspension of the laser action.
  • one of the radiation coupling-out surface opposite the second side facet of the semiconductor laser is followed by a monitor diode.
  • the second side facet which lies opposite the first side facet serving as radiation coupling-out surface, typically has a comparatively high reflection of preferably 85 percent or more, or particularly preferably 95 percent or more. Nevertheless, at least a small proportion of the laser radiation can emerge from the semiconductor body at the side facet opposite the radiation coupling-out surface and be supplied to a monitor diode for monitoring the optical output power of the semiconductor laser.
  • the monitor diode is preferably connected to a control loop, via which the optical output power is kept constant.
  • the increase in the reflection of the first side facet serving as the radiation decoupling surface has the aforementioned
  • R2 a is the reflection of the second side facet which lies opposite the first side facet serving as the radiation coupling-out surface.
  • the shortening of the resonator of the edge-emitting semiconductor laser has the advantage that a larger number of laser diodes can be produced on a wafer, which advantageously reduces the production costs,
  • the length of the laser resonator of the edge-emitting semiconductor laser is not more than 450 ⁇ m.
  • the edge-emitting semiconductor laser is particularly suitable for operation at low output powers.
  • the optical output power is 10 mW or less.
  • stable operation can be realized even at output powers of 5 mW or less.
  • the edge-emitting semiconductor laser is therefore of particular importance for applications in which a stable operation with low output powers is to be achieved in a cost-effective manner, for example in the case of a laser pointer.
  • the edge-emitting semiconductor laser may, in particular, be a semiconductor laser which emits laser radiation in the wavelength range from 430 nm to 700 nm.
  • the semiconductor laser emits in the blue or blue-green region of the visible spectrum.
  • the emitted laser radiation may have an intensity maximum at a wavelength between 430 nm and 540 nm.
  • the semiconductor laser can for example be part of a
  • Such a semiconductor laser may for example be based on a nitride compound semiconductor.
  • a nitride compound semiconductor in the present context means that the semiconductor layer sequence or at least one layer thereof comprises a III-nitride compound semiconductor material, preferably In x Al y Ga x - y N, where O ⁇ x ⁇ l, O ⁇ y ⁇ l and x + y ⁇ 1 must
  • This material does not necessarily have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, it may have one or more dopants such as Mg or Si and additional constituents comprise, that do not alter the characteristic physical properties of the In x Al y Ga x -YN material substantially.
  • the above formula contains only the essential constituents of the crystal lattice (In, Al, Ga, N), even if these may be partially replaced by small amounts of other substances.
  • FIG. 1A shows a schematic illustration of a cross section through an exemplary embodiment of an edge-emitting semiconductor laser
  • FIG. 1B shows a schematic representation of a plan view of the exemplary embodiment illustrated in FIG. 1A
  • Figure 2 is a graphical representation of the optical
  • Figure 4 is a graphical representation of the optical
  • Figure 5 is a graphical representation of the optical
  • an embodiment of an edge emitting semiconductor laser is shown in a cross section and in a plan view.
  • the edge-emitting semiconductor laser has a semiconductor body 10, in which a waveguide region 4 is contained.
  • the waveguide region 4 comprises a first waveguide layer 2 a, a second waveguide layer 2 b, and a waveguide layer 2 a between the first waveguide layer 2 a and the second waveguide layer 2 a second waveguide layer 2b arranged active layer 3, which serves to generate laser radiation 5.
  • the active layer 3 of the edge-emitting semiconductor laser may in particular be a single or multiple quantum well structure.
  • quantum well structure includes any structure in which charge carriers undergo quantization of their energy states by confinement.
  • the name includes
  • Quantum well structure no information about the dimensionality of the quantization. It thus includes quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures.
  • the waveguide region 4 is arranged between a first cladding layer 1 a and a second cladding layer 1 b following the waveguide region 4 in the growth direction of the semiconductor body 10.
  • the first cladding layer 1a is thus arranged on a side facing a substrate 6 of the semiconductor body 10
  • the second cladding layer 1b is arranged on a side of the semiconductor body 10 facing away from the substrate 6 from the active layer 3.
  • the semiconductor layers 1b, 2b arranged above the active layer preferably form a p-doped region and the layers 1a, 2a arranged below the active layer 3 form an n-doped region.
  • the semiconductor body 10 of the edge-emitting semiconductor laser is preferably based on a
  • Nitride compound semiconductor are particularly suitable for generating radiation in the blue and blue-green spectral range.
  • the emission wavelength of the Edge emitting semiconductor laser may be in particular in the range of about 430 nm to 540 nm.
  • 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 6 facing away from the active layer 3 and a second electrical contact layer 12 on a surface of the semiconductor body 10 opposite to the substrate 6.
  • the semiconductor body 10 may contain one or more further layers in addition to the semiconductor layers illustrated in FIG. 1A.
  • one or more intermediate layers may be arranged between the substrate 6 and the lower cladding layer 1a or between the upper cladding layer 1b and the second contact layer 12.
  • one or more of the semiconductor layers of the semiconductor body 10 described above can be composed of a plurality of partial layers instead of a single layer.
  • the active layer 3 can be formed from a quantum well structure having a plurality of quantum layers arranged between barrier layers.
  • a sub-layer with an increased electronic band gap to be embedded in the second waveguide layer 2 b (not illustrated), which acts as an electron barrier and leads to better charge carrier confinement in the active layer 3.
  • the cladding layers 1 a, 1 b advantageously have a lower refractive index than the waveguide layers 2 a, 2 b, as a result of which the laser radiation 5 propagating in the lateral direction essentially occurs in the waveguide region 4 is included.
  • the laser resonator of the edge-emitting semiconductor laser is formed by the side facets 7, 8 of the semiconductor body 10.
  • the side facets 7, 8 are preferably each provided with a reflection-enhancing coating 9a, 9b.
  • the reflection-enhancing coatings 9a, 9b may, for example, be formed from a multiplicity of alternating dielectric layers.
  • the reflection-enhancing coatings 9a, 9b may each comprise a plurality of layer pairs of oxide layers having different refractive indices, such as comparatively low refractive index silica and relatively high refractive index tantalum pentoxide.
  • the first side facet 7 serves as a radiation output surface.
  • Laser radiation 5 is thus through the first Sofacette 7 with the preferably applied thereto reflection-enhancing coating 9a of the
  • the reflection-enhancing coating 9a of the first side facet 7 preferably has a lower reflection R than the reflection-increasing coating 9b of the second side facet 8.
  • the entire laser radiation 5 is not emitted perpendicular to the radiation decoupling surface, but instead has a beam cone with an emission angle ⁇ s , ⁇ P.
  • the radiation angle ⁇ s in a direction perpendicular to the layer plane of the active layer is considerably larger than the radiation angle ⁇ P in the direction parallel to the layer plane of the active layer.
  • the emission angles ⁇ s , ⁇ P are each understood to be the full angular range in which the intensity of the emitted laser radiation 5 is not less than half the intensity maximum.
  • Waveguide region 4 preferably has a thickness d of 400 nm or less, more preferably 300 nm or less.
  • the radiation angle ⁇ s perpendicular to the layer plane of the active layer 3 and the radiation angle ⁇ P parallel to the plane of the active layer. 3 preferably differ by less than a factor of 3, and more preferably by less than a factor of two.
  • FIG. 2 illustrates the influence of the thickness d of the waveguide region 4 on the characteristic curve of the edge-emitting semiconductor laser.
  • the optical output power P as a function of the operating current intensity I for an edge-emitting semiconductor laser in which the thickness d of the waveguide region 4 is 600 nm (curve 21) in comparison with an edge-emitting semiconductor laser in which the thickness d of the waveguide region 4 is advantageously only 250 nm is (curve 22).
  • the reflectivity at the first side facet 7, which is equal to the radiation outcoupling surface is 50 percent in each case and the reflectivity at the second side facet 8 is 95 percent in each case.
  • the characteristic curve 22 of the edge-emitting semiconductor laser with advantageously small thickness of the waveguide region 4 of only 250 nm has a smaller slope than the characteristic curve 21 of the edge-emitting semiconductor laser with a thickness d of the waveguide region 4 of 600 nm.
  • the lower steepness of the characteristic, which results from the reduction of the thickness of the waveguide region 4, is disadvantageous if a high output power of the semiconductor laser is desired.
  • the flatter characteristic curve 22 has the advantage that comparatively small output powers, in particular output powers of 10 mW or less, can be adjusted more precisely by adjusting the operating current intensity I.
  • the semiconductor laser with the flatter characteristic curve 22 is advantageously also less sensitive to external influences such as, for example a temperature change or an aging-related shift of the threshold current.
  • the edge-emitting semiconductor laser having a thickness d of the waveguide region 4 of 600 nm has an emission angle ⁇ P in the direction parallel to the layer plane of the active layer 3 of about 8.3 degrees. In the direction perpendicular to the layer plane of the active layer 3, the radiation angle ⁇ s is about 22.4 degrees. Thus, the ratio of the radiation angle ⁇ s to the radiation angle ⁇ P is approximately
  • the edge-emitting semiconductor laser having the characteristic curve 22 and a thickness d of the waveguide region 4 of 250 nm has an emission angle ⁇ P of 11.9 degrees and an emission angle ⁇ s of approximately 18.6 degrees. Due to the reduction in the thickness d of the waveguide region, the ratio of the emission angle ⁇ s to the emission angle ⁇ P is therefore only about 1.57.
  • the edge-emitting semiconductor laser with the reduced thickness d of the waveguide region 4 thus advantageously has a less elliptical beam profile than the semiconductor laser with the larger thickness d of the waveguide region.
  • the low ellipticity of the beam profile of the semiconductor laser due to the comparatively small thickness of the waveguide region 4 has the advantage that comparatively simple and cost-effective optical elements for beam shaping can be used.
  • conventional high power semiconductor lasers often employ sophisticated aspherical lenses or lens systems to reduce beam divergence in the field
  • the lens is preferably a spherical lens that can be easily and inexpensively manufactured.
  • the preferably spherical lens may be integrated in a housing of the edge-emitting semiconductor laser.
  • An embodiment of the edge-emitting semiconductor laser with a so-called TO package (transistor outline) is shown in FIG.
  • the housing In the right half of Figure 3, the housing is shown with housing cover 18 and in the left half of Figure 3 for clarity without housing cover.
  • the housing 14 has a housing base body 15, from which three connecting legs 16, which serve for mounting and electrical contacting of the edge emitting semiconductor laser, protrude.
  • the semiconductor body 10 is advantageously mounted on a heat sink 17, via which the heat loss of the semiconductor body 10 is dissipated. For electrical contacting, the semiconductor body 10 is electrically conductively connected by means of bonding wires to two connection legs 16 of the housing.
  • the semiconductor body 10 is mounted vertically in the housing, so that the main emission of the laser radiation is perpendicular to the housing base 15 of the housing 14.
  • the housing 14 preferably has a housing cover 18, in which in the beam direction of the semiconductor body 10, a lens 19 for beam shaping of the laser radiation is integrated.
  • the lens 19 may be in particular a simple and inexpensive to produce spherical lens.
  • edge-emitting semiconductor laser with the characteristic curve 22 and a thickness d of the waveguide region 4 is only 250 nm has a larger threshold current than the edge-emitting semiconductor laser with the steeper characteristic 21 and the comparatively thick
  • Waveguide region 4 having a thickness of 600 nm.
  • the increase in the threshold current intensity by the reduction in the thickness of the waveguide region 4 can be counteracted by increasing the reflectivity of the first side facet 7 of the semiconductor laser, which serves as a radiation output surface. This will be explained below with reference to the characteristic curves illustrated in FIGS. 4 and 5 of edge-emitting semiconductor lasers with different high reflectivity of the first side facet.
  • FIG. 4 shows a graphical representation of the optical output power P as a function of
  • the reflectivity R2 of the second side facet of the semiconductor laser is 95 percent in all cases.
  • the reflectivity Ri of the first side facet can be modified in particular by changing a reflection-enhancing coating which is applied to the first side facet of the
  • Semiconductor laser is applied to be changed.
  • the combination of materials or the number of alternating layers of a dielectric mirror can be changed to set a desired reflectivity.
  • Fig. 4 illustrates that the steepness of the characteristics with increasing reflectivity at the radiation output surface decreases and simultaneously decreases the threshold current.
  • a low slope of the characteristic and a low threshold current have the advantage that a desired optical output power can be accurately adjusted by the control of the operating current, and that an increase in the threshold current, which may arise due to aging effects of the semiconductor laser, does not lead to failure of the semiconductor laser because the operation takes place even at low output power with operating currents that are well above the laser threshold.
  • the reflectivity Ri of the reflection-enhancing coating of the first side facet of the semiconductor laser is at least 75 percent.
  • the reflectivity Ri of the first side facet is particularly preferably at least 85 percent and particularly preferably at least 90 percent.
  • FIG. 5 shows the optical output power P as a function of the operating current intensity I for five further embodiments of edge-emitting semiconductor lasers in which the reflectivity Ri at the first side facet is 50 percent (curve 51), 75 percent (curve 52), 85 percent (curve 53), 90 percent (curve 54) and 95 percent (curve 55).
  • the reflectivity R2 of the second side facet of the semiconductor laser is not 95 percent, but only 85 percent.
  • the characteristic curves shown in FIG. 5 also show that with increasing reflectivity Ri of the first side facet, the
  • a lower reflectivity R2 of the second side facet of the semiconductor laser which is opposite to the radiation coupling-out surface, can be used, for example, to decouple a small portion of the laser radiation for a monitor diode on the second side facet of the semiconductor laser.
  • the second side facet 8 of the semiconductor laser can be followed by a monitor diode 13.
  • the monitor diode 13 is preferably connected to an electrical control circuit by which the operating current is adjusted to achieve a desired optical output power.
  • Radiation Auskoppel structure serving first isfacette 7 of the semiconductor laser has the advantage that the resonator length of the semiconductor laser can be reduced at the same operating current without the laser threshold is exceeded.
  • a shortening of the resonator length from an original resonator length L a to a resonator length L b can be compensated for by increasing the reflectivity Ri, b of the first side facet 7 relative to the original reflectivity Ri, a of the first side facet 7 of the semiconductor laser as follows:
  • the length of the laser resonator is 450 ⁇ m or less.
  • the edge-emitting semiconductor laser described herein is advantageously used in applications where a low output power of, for example, 10 mW or less, preferably 5 mW or less, is sufficient, but a stable operation over the life of the device and a low-cost manufacturing process is desired.

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Abstract

Es wird ein kantenemittierender Halbleiterlaser mit einem Halbleiterkörper (10) angegeben, der einen Wellenleiterbereich (4) aufweist, wobei der Wellenleiterbereich (4) eine erste Wellenleiterschicht (2a), eine zweite Wellenleiterschicht (2b) und eine zwischen der ersten Wellenleiterschicht (2a) und der zweiten Wellenleiterschicht (2b) angeordnete aktive Schicht (3) zur Erzeugung von Laserstrahlung (5) aufweist, und der Wellenleiterbereich (4) zwischen einer ersten Mantelschicht (1a) und einer dem Wellenleiterbereich (4) in Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers (10) nachfolgenden zweiten Mantelschicht (1b) angeordnet ist. Der Wellenleiterbereich (4) weist eine Dicke (d) von 400 nm oder weniger auf und ein Abstrahlwinkel der in einer Richtung parallel zur Schichtebene der aktiven Schicht (3) aus dem Halbleiterkörper (10) austretenden Laserstrahlung (5) und der Abstrahlwinkel der in einer Richtung senkrecht zur Schichtebene der aktiven Schicht (3) aus dem Halbleiterkörper (10) austretenden Laserstrahlung (5) unterscheiden sich um weniger als einen Faktor 3 voneinander.

Description

Kantenemittierender Halbleiterlaser
Die Erfindung betrifft einen kantenemittierenden Halbleiterlaser, insbesondere einen auf einem Nitridverbindungshalbleiter basierenden Halbleiterlaser.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2009 019 516.5, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Herkömmliche auf Nitridverbindungshalbleitern basierende Halbleiterlaser sind in der Regel auf die Erzielung hoher Ausgangsleistungen optimiert. Derartige Halbleiterlaser weisen daher eine Kennlinie mit hoher Steilheit auf, das heißt, die Ausgangsleistung des Halbleiterlasers nimmt mit zunehmender Betriebsstromstärke stark zu. Da bereits kleine Änderungen der Betriebsstromstärke zu erheblichen Änderungen der Ausgangsleistung führen, ist die genaue Ansteuerung einer gewünschten Ausgangsleistung, insbesondere einer kleinen Ausgangsleistung, problematisch. Weiterhin ist auch der Betrieb eines derartigen Halbleiterlasers in einem Betriebsstrombereich, der nur knapp oberhalb der Laserschwelle liegt, schwierig. Dies beruht darauf, dass bei konstantem Betriebsstrom schon ein geringer, beispielsweise alterungsbedingter Anstieg der Schwellstromstärke des
Halbleiterlasers bewirken kann, dass die Schwellstromstärke nicht mehr erreicht wird und der Halbleiterlaser daher keine kohärente Laserstrahlung mehr emittiert.
Kantenemittierende Halbleiterlaser, die auf eine hohe
Effizienz bei hohen optischen Leistungen optimiert sind, verfügen in der Regel über vergleichsweise breite Wellenleiterstrukturen, die zu einem vergleichsweise kleinen Abstrahlwinkel parallel zur Schichtebene der Epitaxieschichten führen. Dagegen weist ein derartiger Halbleiterlaser in einer Richtung senkrecht zu den Epitaxieschichten aufgrund der Beugung typischerweise einen vergleichsweise großen Abstrahlwinkel auf. Der Laserstrahl ist daher stark elliptisch, so dass in der Regel eine aufwändige und teure Optik benötigt wird, wenn die Anwendung des kantenemittierenden Halbleiterlasers ein näherungsweises kreisrundes Strahlprofil erfordert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten kantenemittierenden Halbleiterlaser anzugeben, bei dem auf vergleichsweise einfache Weise ein Strahlprofil mit geringer Elliptizität, vorzugsweise ein nahezu kreisrundes Strahlprofil, erzielt wird.
Diese Aufgabe wird durch einen kantenemittierenden Halbleiterlaser mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein kantenemittierender Halbleiterlaser einen Halbleiterkörper mit einem Wellenleiterbereich auf, wobei der Wellenleiterbereich eine erste Wellenleiterschicht, eine zweite Wellenleiterschicht und eine zwischen der ersten Wellenleiterschicht und der zweiten Wellenleiterschicht angeordnete aktive Schicht zur Erzeugung von Laserstrahlung aufweist. Der Wellenleiterbereich ist zwischen einer ersten Mantelschicht, die beispielsweise einem Substrat des kantenemittierenden Halbleiterlasers zugewandt ist, und einer zweiten Mantelschicht, die beispielsweise dem Wellenleiterbereich in Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers nachfolgt, angeordnet. In Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers folgen also vorzugsweise die erste Mantelschicht, die erste Wellenleiterschicht, die aktive Schicht, die zweite Wellenleiterschicht und die zweite Mantelschicht aufeinander. Die vorzugsweise epitaktisch hergestellten Halbleiterschichten sind beispielsweise auf ein Substrat aufgebracht und können auf einer dem Substrat gegenüber liegenden Seite mit einer elektrischen Kontaktschicht versehen sein.
Der Wellenleiterbereich weist bevorzugt eine Dicke von 400 nm oder weniger auf. Das heißt, die Summe der Dicken der ersten Wellenleiterschicht, der zweiten Wellenleiterschicht und der zwischen der ersten Wellenleiterschicht und der zweiten Wellenleiterschicht angeordneten aktiven Schicht beträgt nicht mehr als 400 nm.
Dadurch, dass der Wellenleiterbereich vergleichsweise dünn ist und vorzugsweise eine Dicke von weniger als 400 nm aufweist, wird erreicht, dass die Differenz der
Abstrahlwinkel in horizontaler Richtung, d. h. in einer Richtung parallel zur Schichtebene der Halbleiterschichten und in vertikaler Richtung, d. h. in einer Richtung senkrecht zu den Schichtebenen der Halbleiterschichten, gegenüber herkömmlichen kantenemittierenden Halbleiterlasern verringert wird. Der für kantenemittierende Halbleiterlaser typische Astigmatismus, d. h. ein stark elliptisches Strahlprofil, wird auf diese Weise reduziert.
Bevorzugt weist der Wellenleiterbereich eine Dicke von 300 nm oder weniger, besonders bevorzugt sogar 250 nm oder weniger auf . Bei einer bevorzugten Ausgestaltung unterscheiden sich der Abstrahlwinkel αP der in einer Richtung parallel zur Schichtebene der aktiven Schicht aus dem Halbleiterkörper austretenden Laserstrahlung und der Abstrahlwinkel αs der in einer Richtung senkrecht zur Schichtebene der aktiven Schicht aus dem Halbleiterkörper austretenden Laserstrahlung um weniger als einen Faktor 3 voneinander. Unter den Abstrahlwinkeln αs, αp wird im Rahmen der Anmeldung jeweils der volle Winkelbereich verstanden, in dem die Intensität der emittierten Laserstrahlung nicht weniger als die Hälfte der Intensität in der Hauptstrahlungsrichtung beträgt (FWHM - Füll Width at Half Maximum) . Weiterhin wird unter dem Abstrahlwinkel der aus dem Halbleiterkörper austretenden Laserstrahlung der Abstrahlwinkel an der Seitenfacette des Halbleiterlasers ohne Berücksichtung eventuell vorhandener optischer Elemente zur Strahlformung, insbesondere außerhalb des Halbleiterkörpers angeordneter Linsen, verstanden.
Insbesondere ist es möglich, dass sich die Abstrahlwinkel des Halbleiterlasers in horizontaler und vertikaler Richtung um weniger als einen Faktor 2 voneinander unterscheiden. Beispielsweise kann der Abstrahlwinkel in vertikaler Richtung, also senkrecht zu den Schichtebenen der Halbleiterschichten, größer sein als der Abstrahlwinkel in horizontaler Richtung, also in einer Richtung parallel zu den Schichtebenen der Halbleiterschichten. Dabei ist der Abstrahlwinkel in vertikaler Richtung aber maximal drei Mal und vorzugsweise nicht mehr als zwei Mal so groß wie der Abstrahlwinkel in horizontaler Richtung.
Dadurch, dass die Abstrahlwinkel in horizontaler und vertikaler Richtung nur eine vergleichsweise geringe Differenz aufweisen, ist es möglich, eine vergleichsweise kostengünstige sphärische Linse zur Kollimation der Laserstrahlung zu verwenden. Auf vergleichsweise teure asphärische Linsen, beispielsweise Zylinderlinsen, kann vorteilhaft verzichtet werden.
Der kantenemittierende Halbleiterlaser kann insbesondere ein Gehäuse aufweisen, das eine Linse zur Strahlformung der emittierten Laserstrahlung enthält. Die vorzugsweise sphärische Linse dient vorteilhaft gleichzeitig als Abdeckung des Gehäuses und schützt den Halbleiterkörper des kantenemittierenden Halbleiterlasers vorteilhaft vor mechanischen Beschädigungen oder Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit oder Schmutz.
Das Gehäuse des kantenemittierenden Halbleiterlasers kann insbesondere als so genanntes TO-Gehäuse (Transistor Outline) ausgeführt sein. Dieser Gehäusetyp weist in der Regel mehrere, typischerweise drei, Anschlussbeine zur elektrischen Kontaktierung und Montage des kantenemittierenden Halbleiterlasers auf. Der Halbleiterkörper des kantenemittierenden Halbleiterlasers ist unter einer Abdeckung, die insbesondere zylinderförmig sein kann, auf einem elektrisch leitfähigen Träger angeordnet, der mit einem der Anschlussbeine verbundenen ist. Die typischerweise zumindest näherungsweise zylinderförmige Abdeckung kann beispielsweise aus Kunststoff oder Metall gefertigt sein und auf der Strahlungsaustrittsseite eine transparente Abdeckung aufweisen, die vorzugsweise als Linse, besonders bevorzugt als sphärische Linse, ausgeführt ist.
Alternativ kann der Halbleiterlaser auch ein SMT- Gehäuse (surface mount technology) aufweisen. Derartige oberflächenmontierbare Gehäuse weisen an einer Gehäuseunterseite und/oder einer Gehäuseseitenfläche Kontaktflächen zur elektrischen Kontaktierung auf, an denen das Gehäuse beispielsweise auf eine Leiterplatte gelötet werden kann.
Der kantenemittierende Halbleiterlaser weist eine erste und eine zweite Seitenfacette auf, die vorzugsweise jeweils mit einer reflektionserhöhenden Beschichtung versehen sind. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine als Strahlungsauskoppelfläche dienende erste Seitenfacette des Halbleiterkörpers mit einer reflektionserhöhenden Beschichtung versehen, deren Reflexion vorzugsweise 75 Prozent oder mehr beträgt. Besonders bevorzugt beträgt die Reflexion der reflektionserhöhenden Beschichtung auf der als Strahlungsauskoppelfläche dienenden ersten Seitenfacette sogar 85 Prozent oder mehr. Es ist auch möglich, dass die Reflexion der reflektionserhöhenden Beschichtung sogar 95 Prozent oder mehr beträgt.
Durch eine derart hohe Reflexion an der als
Strahlungsauskoppelfläche dienenden Seitenfacette des Halbleiterkörpers verringert sich zwar die Steilheit der Kennlinie des Halbleiterlasers, d. h. die Ausgangsleistung des Halbleiterlasers nimmt mit zunehmendem Betriebsstrom weniger stark zu als bei einem herkömmlichen Halbleiterlaser, bei dem die Strahlungsauskoppelfläche eine geringere Reflexion aufweist. Dies beruht darauf, dass ein größerer Anteil der auf die Seitenfacette des Halbleiterkörpers auftreffenden Laserstrahlung in den Resonator zurück reflektiert wird und somit nicht aus dem Halbleiterlaser ausgekoppelt wird. Andererseits erhöht sich auf diese Weise aber auch die mittlere Umlaufzeit der Laserstrahlung in dem Laserresonator, wodurch sich die Schwellstromstärke des Halbleiterlasers vorteilhaft vermindert.
Die geringe Schwellstromstärke und die geringe Steilheit der Kennlinie des Halbleiterlasers haben den Vorteil, dass auch bei niedrigen Ausgangsleistungen des Halbleiterlasers ein stabiler Betrieb gewährleistet ist. Insbesondere bewirken kleinere Änderungen der Betriebsstromstärke nur geringe Änderungen der optischen Ausgangsleistung, und die Gefahr einer Unterschreitung der Schwellstromstärke bei Schwankungen der Betriebsstromstärke ist aufgrund der geringen Schwellstromstärke vergleichsweise gering. Insbesondere liegen die Betriebsströme im Normalbetrieb derart weit über der Schwellstromstärke des Halbleiterlasers, dass ein eventuell auftretender alterungsbedingter Anstieg der
Schwellstromstärke in der Regel nicht dazu führt, dass die Laserschwelle nicht mehr erreicht wird und es zu einem Aussetzen der Lasertätigkeit kommt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist einer der Strahlungsauskoppelfläche gegenüberliegenden zweiten Seitenfacette des Halbleiterlasers eine Monitordiode nachgeordnet. Die zweite Seitenfacette, die der als Strahlungsauskoppelfläche dienenden ersten Seitenfacette gegenüber liegt, weist typischerweise eine vergleichsweise hohe Reflexion von vorzugsweise 85 Prozent oder mehr oder besonders bevorzugt 95 Prozent oder mehr auf. Dennoch kann zumindest ein geringer Anteil der Laserstrahlung an der der Strahlungsauskoppelfläche gegenüber liegenden Seitenfacette aus dem Halbleiterkörper austreten und einer Monitordiode zur Überwachung der optischen Ausgangsleistung des Halbleiterlasers zugeführt werden. Die Monitordiode ist vorzugsweise mit einem Regelkreis verbunden, über den die optische Ausgangsleistung konstant gehalten wird.
Die Erhöhung der Reflexion der als Strahlungsauskoppelfläche dienenden ersten Seitenfacette hat die zuvor erwähnten
Vorteile einer Verminderung der Schwellstromstärke und einer Verringerung der Steilheit der Kennlinie des
Halbleiterlasers. Weiterhin ist es auch vorteilhaft möglich, die Resonatorlänge im Vergleich zu einem herkömmlichen Halbleiterlaser zu reduzieren. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass eine Verkürzung der Länge des Laserresonators von einer Länge La auf eine Länge Lb dadurch kompensiert werden kann, dass die Reflektivität der als Strahlungsauskoppelfläche dienenden ersten Seitenfacette Ri, a auf einen Wert Ri,b erhöht wird. Die Kompensation der verminderten Resonatorlänge durch eine erhöhte Reflexion Ri,b der ersten Seitenfacette erfolgt dabei nach folgender Gleichung:
Dabei ist R2,a die Reflexion der zweiten Seitenfacette, die der als Strahlungsauskoppelfläche dienenden ersten Seitenfacette gegenüber liegt.
Die Verkürzung des Resonators des kantenemittierenden Halbleiterlasers hat den Vorteil, dass eine größere Anzahl von Laserdioden auf einem Wafer hergestellt werden kann, wodurch sich die Herstellungskosten vorteilhaft vermindern, Vorteilhaft beträgt die Länge des Laserresonators des kantenemittierenden Halbleiterlasers nicht mehr als 450 μm.
Aufgrund der vergleichsweise geringen Schwellstromstärke und der geringen Steilheit der Kennlinie ist der kantenemittierende Halbleiterlaser insbesondere für den Betrieb bei geringen Ausgangsleistungen geeignet. Vorzugsweise beträgt die optische Ausgangsleistung 10 mW oder weniger. Insbesondere kann ein stabiler Betrieb auch bei Ausgangsleistungen von 5 mW oder weniger realisiert werden.
Der kantenemittierende Halbleiterlaser ist daher insbesondere für Anwendungen von Bedeutung, bei denen ein stabiler Betrieb mit geringen Ausgangsleistungen auf kostengünstige Weise erzielt werden soll, beispielsweise bei einem Laserpointer .
Bei dem kantenemittierenden Halbleiterlaser kann es sich insbesondere um einen Halbleiterlaser handeln, der Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von 430 nm bis 700 nm emittiert .
Vorzugsweise emittiert der Halbleiterlaser im blauen oder blaugrünen Bereich des sichtbaren Spektrums. Insbesondere kann die emittierte Laserstrahlung ein Intensitätsmaximum bei einer Wellenlänge zwischen 430 nm und 540 nm aufweisen. Der Halbleiterlaser kann beispielsweise Bestandteil eines
Laserpointers mit einer Wellenlänge im blauen Spektralbereich (< 500 nm) oder mit einer Wellenlänge im grünen Spektralbereich (> 500 nm) , sein.
Ein derartiger Halbleiterlaser kann beispielsweise auf einem Nitridverbindungshalbleiter basieren. „Auf einem Nitridverbindungshalbleiter basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein III-Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise InxAlyGai-x-yN umfasst, wobei O ≤ x ≤ l, O ≤ y ≤ l und x + y ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe wie beispielsweise Mg oder Si sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, welche die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des InxAlyGai-x-yN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (In, Al, Ga, N) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von
Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 5 näher erläutert.
Es zeigen:
Figur IA eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Ausführungsbeispiel eines kantenemittierenden Halbleiterlasers,
Figur IB eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf das in Figur IA dargestellte Ausführungsbeispiel,
Figur 2 eine graphische Darstellung der optischen
Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der Betriebsstromstärke für zwei Ausführungsbeispiele von Halbleiterlasern mit verschiedenen Dicken des Wellenleiterbereichs, Figur 3 jeweils eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines kantenemittierenden Halbleiterlasers ohne Gehäuseabdeckung (links) und mit Gehäuseabdeckung (rechts) ,
Figur 4 eine graphische Darstellung der optischen
Ausgangsleistung in Abhängigkeit vom Betriebsstrom für fünf Ausführungsbeispiele von kantenemittierenden Halbleiterlasern mit verschieden hoher Reflektivität der
Strahlungsauskoppelfläche, und
Figur 5 eine graphische Darstellung der optischen
Ausgangsleistung in Abhängigkeit vom Betriebsstrom für weitere fünf Ausführungsbeispiele von
Halbleiterlasern mit verschieden hoher Reflektivität der Strahlungsauskoppelfläche.
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 Ausführungsbeispiel eines kantenemittierenden Halbleiterlasers in einem Querschnitt und in einer Aufsicht dargestellt.
Der kantenemittierende Halbleiterlaser weist einen Halbleiterkörper 10 auf, in dem ein Wellenleiterbereich 4 enthalten ist. Der Wellenleiterbereich 4 umfasst eine erste Wellenleiterschicht 2a, eine zweite Wellenleiterschicht 2b und eine zwischen der ersten Wellenleiterschicht 2a und der zweiten Wellenleiterschicht 2b angeordnete aktive Schicht 3, die zur Erzeugung von Laserstrahlung 5 dient.
Bei der aktiven Schicht 3 des kantenemittierenden Halbleiterlasers kann es sich insbesondere um eine Einfachoder MehrfachquantentopfStruktur handeln. Die Bezeichnung QuantentopfStruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung 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 .
Der Wellenleiterbereich 4 ist zwischen einer ersten Mantelschicht Ia und einer dem Wellenleiterbereich 4 in Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers 10 nachfolgenden zweiten Mantelschicht Ib angeordnet. Die erste Mantelschicht Ia ist also auf einer einem Substrat 6 des Halbleiterkörpers 10 zugewandten Seite angeordnet und die zweite Mantelschicht Ib ist auf einer von der aktiven Schicht 3 aus gesehen dem Substrat 6 abgewandten Seite des Halbleiterkörpers 10 angeordnet. Vorzugsweise bilden die oberhalb der aktiven Schicht angeordneten Halbleiterschichten Ib, 2b einen p- dotierten Bereich und die unterhalb der aktiven Schicht 3 angeordneten Schichten Ia, 2a einen n-dotierten Bereich aus.
Der Halbleiterkörper 10 des kantenemittierenden Halbleiterlasers basiert vorzugsweise auf einem
Nitridverbindungshalbleiter. Nitridverbindungshalbleiter sind insbesondere zur Erzeugung von Strahlung im blauen und blaugrünen Spektralbereich geeignet. Die Emissionswellenlänge des kantenemittierenden Halbleiterlasers kann insbesondere im Bereich von etwa 430 nm bis 540 nm liegen.
Die elektrische Kontaktierung des kantenemittierenden Halbleiterlasers erfolgt beispielsweise durch eine erste elektrische Kontaktschicht 11 an der von der aktiven Schicht 3 abgewandten Rückseite des Substrats 6 und eine zweite elektrische Kontaktschicht 12 an einer dem Substrat 6 gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers 10.
Der Halbleiterkörper 10 kann zusätzlich zu den in Figur IA dargestellten Halbleiterschichten eine oder mehrere weitere Schichten enthalten. Beispielsweise können eine oder mehrere Zwischenschichten zwischen dem Substrat 6 und der unteren Mantelschicht Ia oder zwischen der oberen Mantelschicht Ib und der zweiten Kontaktschicht 12 angeordnet sein. Weiterhin ist es auch möglich, dass eine oder mehrere der zuvor beschriebenen Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers 10 anstatt aus einer Einzelschicht aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt sind. Insbesondere kann beispielsweise die aktive Schicht 3 aus einer QuantentopfStruktur mit mehreren zwischen Barriereschichten angeordneten Quantenschichten gebildet sein. Weiterhin ist es beispielsweise auch möglich, dass in die zweite Wellenleiterschicht 2b eine Teilschicht mit einer erhöhten elektronischen Bandlücke eingebettet ist (nicht dargestellt) , die als Elektronenbarriere wirkt und zu einem besseren Ladungsträgereinschluss in der aktiven Schicht 3 führt.
Die Mantelschichten Ia, Ib weisen vorteilhaft einen geringeren Brechungsindex als die Wellenleiterschichten 2a, 2b auf, wodurch die sich in lateraler Richtung ausbreitende Laserstrahlung 5 im Wesentlichen in dem Wellenleiterbereich 4 eingeschlossen wird. Die sich in dem aus der aktiven Schicht 3, der ersten Wellenleiterschicht 2a und der zweiten Wellenleiterschicht 2b gebildeten Wellenleiterbereich 4 ausbreitenden Lasermoden dringen also nur geringfügig in die Mantelschichten Ia, Ib ein.
Der Laserresonator des kantenemittierenden Halbleiterlasers wird durch die Seitenfacetten 7, 8 des Halbleiterkörpers 10 gebildet. Die Seitenfacetten 7, 8 sind vorzugsweise jeweils mit einer reflektionserhöhenden Beschichtung 9a, 9b versehen. Die reflektionserhöhenden Beschichtungen 9a, 9b können beispielsweise aus einer Vielzahl von alternierenden dielektrischen Schichten gebildet sein. Insbesondere können die reflektionserhöhenden Beschichtungen 9a, 9b jeweils eine Vielzahl von Schichtpaaren aus Oxidschichten mit verschiedenen Brechungsindizes aufweisen, wie zum Beispiel Siliziumdioxid mit vergleichsweise niedrigem Brechungsindex und Tantalpentoxid mit vergleichsweise hohem Brechungsindex. Alternativ wäre es aber auch möglich, die reflektionserhöhenden Beschichtungen 9a, 9b aus alternierenden Halbleiterschichten mit verschiedenen Brechungsindizes auszubilden.
Bei dem kantenemittierenden Halbleiterlaser dient die erste Seitenfacette 7 als Strahlungsauskoppelfläche. Die
Laserstrahlung 5 wird also durch die erste Seitenfacette 7 mit der vorzugsweise darauf aufgebrachten reflektionserhöhenden Beschichtung 9a aus dem
Halbleiterkörper 10 emittiert, wobei die Hauptstrahlungsrichtung der Laserstrahlung 5 senkrecht zur
Seitenfacette 7 des Halbleiterkörpers 10 ausgerichtet ist.
Damit ein Teil der sich in dem aus der ersten Seitenfacette 7 und der zweiten Seitenfacette 8 gebildeten Laserresonator ausbreitenden Laserstrahlung an der ersten Seitenfacette 7 aus dem Halbleiterkörper 10 ausgekoppelt wird, weist die reflektionserhöhende Beschichtung 9a der ersten Seitenfacette 7 vorzugsweise eine geringere Reflexion R als die reflektionserhöhende Beschichtung 9b der zweiten Seitenfacette 8 auf.
Aufgrund von Beugungseffekten wird nicht die gesamte Laserstrahlung 5 senkrecht zur Strahlungsauskoppelfläche emittiert, sondern sie weist einen Strahlkegel mit einem Abstrahlwinkel αs, αP auf. Bei einem herkömmlichen Halbleiterlaser ist der Abstrahlwinkel αs in einer Richtung senkrecht zur Schichtebene der aktiven Schicht erheblich größer als der Abstrahlwinkel αP in der Richtung parallel zur Schichtebene der aktiven Schicht. Unter den Abstrahlwinkeln αs, αP wird im Rahmen der Anmeldung jeweils der volle Winkelbereich verstanden, in dem die Intensität der emittierten Laserstrahlung 5 nicht weniger als die Hälfte des Intensitätsmaximums beträgt.
Es hat sich vorteilhaft herausgestellt, dass die Differenz zwischen dem Abstrahlwinkel αs in einer Richtung senkrecht zur Schichtebene der aktiven Schicht 3 und dem Abstrahlwinkel αP in einer Richtung parallel zur Schichtebene der aktiven Schicht 3 dadurch verringert werden kann, dass die Dicke d des Wellenleiterbereichs 4 reduziert wird. Der
Wellenleiterbereich 4 weist vorzugsweise eine Dicke d von 400 nm oder weniger, besonders bevorzugt von 300 nm oder weniger auf .
Auf diese Weise wird erreicht, dass sich der Abstrahlwinkel αs senkrecht zur Schichtebene der aktiven Schicht 3 und der Abstrahlwinkel αP parallel zur Ebene der aktiven Schicht 3 vorzugsweise um weniger als einen Faktor 3 und besonders bevorzugt um weniger als einen Faktor 2 voneinander unterscheiden .
Figur 2 verdeutlicht den Einfluss der Dicke d des Wellenleiterbereichs 4 auf die Kennlinie des kantenemittierenden Halbleiterlasers. Dargestellt ist die optische Ausgangsleistung P in Abhängigkeit von der Betriebsstromstärke I für einen kantenemittierenden Halbleiterlaser, bei dem die Dicke d des Wellenleiterbereichs 4 600 nm beträgt (Kurve 21) im Vergleich zu einem kantenemittierenden Halbleiterlaser, bei dem die Dicke d des Wellenleiterbereichs 4 vorteilhaft nur 250 nm beträgt (Kurve 22) . Bei beiden Ausführungsbeispielen beträgt die Reflektivität an der ersten Seitenfacette 7, die gleich der Strahlungsauskoppelfläche ist, jeweils 50 Prozent und die Reflektivität an der zweiten Seitenfacette 8 jeweils 95 Prozent. Die Kennlinie 22 des kantenemittierenden Halbleiterlasers mit vorteilhaft geringer Dicke des Wellenleiterbereichs 4 von nur 250 nm weist eine geringere Steilheit als die Kennlinie 21 des kantenemittierenden Halbleiterlasers mit einer Dicke d des Wellenleiterbereichs 4 von 600 nm auf. Die geringere Steilheit der Kennlinie, die sich durch die Verringerung der Dicke des Wellenleiterbereichs 4 ergibt, ist zwar nachteilig, wenn eine hohe Ausgangsleistung des Halbleiterlasers erwünscht ist. Andererseits hat die flacher verlaufende Kennlinie 22 aber den Vorteil, dass sich vergleichsweise kleine Ausgangsleistungen, insbesondere Ausgangsleistungen von 10 mW oder weniger, durch die Einstellung der Betriebsstromstärke I genauer einstellen lassen. Der Halbleiterlaser mit der flacheren Kennlinie 22 ist vorteilhaft auch weniger empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen wie beispielsweise einer Temperaturänderung oder einer alterungsbedingten Verschiebung der Schwellstromstärke.
Der kantenemittierende Halbleiterlaser mit einer Dicke d des Wellenleiterbereichs 4 von 600 nm weist einen Abstrahlwinkel αP in der Richtung parallel zur Schichtebene der aktiven Schicht 3 von etwa 8,3 Grad auf. In der Richtung senkrecht zur Schichtebene der aktiven Schicht 3 beträgt der Abstrahlwinkel αs etwa 22,4 Grad. Somit beträgt das Verhältnis des Abstrahlwinkels αs zum Abstrahlwinkel αP etwa
2,7. Der kantenemittierende Halbleiterlaser mit der Kennlinie 22 und einer Dicke d des Wellenleiterbereichs 4 von 250 nm weist dagegen einen Abstrahlwinkel αP von 11,9 Grad und einen Abstrahlwinkel αs von etwa 18,6 Grad auf. Aufgrund der Verringerung der Dicke d des Wellenleiterbereichs beträgt somit das Verhältnis des Abstrahlwinkels αs zum Abstrahlwinkel αP nur etwa 1,57. Der kantenemittierende Halbleiterlaser mit der verringerten Dicke d des Wellenleiterbereichs 4 weist also vorteilhaft ein weniger elliptisches Strahlprofil auf als der Halbleiterlaser mit der größeren Dicke d des Wellenleiterbereichs.
Die geringe Elliptizität des Strahlprofils des Halbleiterlasers aufgrund der vergleichsweise kleinen Dicke des Wellenleiterbereichs 4 hat den Vorteil, dass vergleichsweise einfache und kostengünstige optische Elemente zur Strahlformung verwendet werden können. Im Gegensatz dazu werden bei herkömmlichen, auf hohe Leistungen optimierten Halbleiterlasern oftmals komplizierte asphärische Linsen oder Linsensysteme eingesetzt, um die Strahldivergenz in der
Richtung parallel und senkrecht zu den Halbleiterschichten aneinander anzupassen. Bei dem hierin beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlaser wird vorzugsweise nur eine einzige Linse zur Strahlformung verwendet. Bei der Linse handelt es sich bevorzugt um eine sphärische Linse, die einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.
Die vorzugsweise sphärische Linse kann in ein Gehäuse des kantenemittierenden Halbleiterlasers integriert sein. Ein Ausführungsbeispiel des kantenemittierenden Halbleiterlasers mit einem so genannten TO-Gehäuse (Transistor Outline) ist in Figur 3 dargestellt. In der rechten Hälfte der Figur 3 ist das Gehäuse mit Gehäuseabdeckung 18 und in der linken Hälfte der Figur 3 zur Verdeutlichung ohne Gehäuseabdeckung dargestellt. Das Gehäuse 14 weist einen Gehäusegrundkörper 15 auf, aus dem drei Anschlussbeine 16, die zur Montage und elektrischen Kontaktierung des kantenemittierenden Halbleiterlasers dienen, herausragen. Der Halbleiterkörper 10 ist vorteilhaft auf eine Wärmesenke 17 montiert, über die die Verlustwärme des Halbleiterkörpers 10 abgeführt wird. Zur elektrischen Kontaktierung ist der Halbleiterkörper 10 mittels Bonddrähten mit zwei Anschlussbeinen 16 des Gehäuses elektrisch leitend verbunden. Der Halbleiterkörper 10 ist senkrecht in dem Gehäuse montiert, so dass die Hauptabstrahlrichtung der Laserstrahlung senkrecht zum Gehäusegrundkörper 15 des Gehäuses 14 erfolgt. Wie in der rechten Hälfte der Figur 3 dargestellt ist, weist das Gehäuse 14 vorzugsweise eine Gehäuseabdeckung 18 auf, in die in der Strahlrichtung des Halbleiterkörpers 10 eine Linse 19 zur Strahlformung der Laserstrahlung integriert ist. Die Linse 19 kann insbesondere eine einfach und kostengünstig herstellbare sphärische Linse sein.
Der bereits zuvor erläuterten Figur 2 ist zu entnehmen, dass der kantenemittierende Halbleiterlaser mit der Kennlinie 22 und einer Dicke d des Wellenleiterbereichs 4 von nur 250 nm eine größere Schwellstromstärke aufweist als der kantenemittierende Halbleiterlaser mit der steileren Kennlinie 21 und dem vergleichsweise dicken
Wellenleiterbereich 4, der eine Dicke von 600 nm aufweist. Dem Anstieg der Schwellstromstärke durch die Verringerung der Dicke des Wellenleiterbereichs 4 kann entgegen gewirkt werden, indem die Reflektivität der ersten Seitenfacette 7 des Halbleiterlasers, die als Strahlungsauskoppelfläche dient, erhöht wird. Dies wird im Folgenden anhand der in den Figuren 4 und 5 dargestellten Kennlinien von kantenemittierenden Halbleiterlasern mit verschieden hoher Reflektivität der ersten Seitenfacette erläutert.
Figur 4 zeigt eine graphische Darstellung der optischen Ausgangsleistung P in Abhängigkeit von der
Betriebsstromstärke I für Ausführungsbeispiele von kantenemittierenden Halbleiterlasern, bei denen die Reflektivität Ri der als Strahlungsauskoppelfläche dienenden ersten Seitenfacette 50 Prozent (Kurve 41), 75 Prozent (Kurve 42), 85 Prozent (Kurve 43), 90 Prozent (Kurve 44) und 95
Prozent (Kurve 45) beträgt. Die Reflektivität R2 der zweiten Seitenfacette des Halbleiterlasers beträgt in allen Fällen 95 Prozent. Die Reflektivität Ri der ersten Seitenfacette kann insbesondere durch eine Änderung einer reflektionserhöhenden Beschichtung, die auf die erste Seitenfacette des
Halbleiterlasers aufgebracht ist, verändert werden. Insbesondere kann die Materialkombination oder die Anzahl der alternierenden Schichten eines dielektrischen Spiegels verändert werden, um eine gewünschte Reflektivität einzustellen.
Fig. 4 verdeutlicht, dass die Steilheit der Kennlinien mit zunehmender Reflektivität an der Strahlungsauskoppelfläche abnimmt und sich gleichzeitig die Schwellstromstärke erniedrigt. Eine geringe Steilheit der Kennlinie und eine geringe Schwellstromstärke haben den Vorteil, dass eine gewünschte optische Ausgangsleistung durch die Regelung der Betriebsstromstärke genau eingestellt werden kann, und dass sich eine Anhebung der Schwellstromstärke, die durch Alterungseffekte des Halbleiterlasers entstehen kann, nicht zum Ausfall des Halbleiterlasers führt, da der Betrieb auch bei geringen Ausgangsleistungen mit Betriebsstromstärken erfolgt, die deutlich oberhalb der Laserschwelle liegen. Vorteilhaft beträgt die Reflektivität Ri der reflektionserhöhenden Beschichtung der ersten Seitenfacette des Halbleiterlasers mindestens 75 Prozent. Besonders bevorzugt beträgt die Reflektivität Ri der ersten Seitenfacette mindestens 85 Prozent und besonders bevorzugt mindestens 90 Prozent.
In Figur 5 ist die optische Ausgangsleistung P in Abhängigkeit von der Betriebsstromstärke I für fünf weitere Ausführungsbeispiele von kantenemittierenden Halbleiterlasern dargestellt, bei denen die Reflektivität Ri an der ersten Seitenfacette 50 Prozent (Kurve 51), 75 Prozent (Kurve 52), 85 Prozent (Kurve 53), 90 Prozent (Kurve 54) und 95 Prozent (Kurve 55) beträgt. Im Gegensatz zu den in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispielen beträgt die Reflektivität R2 der zweiten Seitenfacette des Halbleiterlasers nicht 95 Prozent, sondern nur 85 Prozent. Wie die in Figur 4 dargestellten Kennlinien zeigen auch die in Figur 5 dargestellten Kennlinien, dass sich mit zunehmender Reflektivität Ri der ersten Seitenfacette, die als
Strahlungsauskoppelfläche dient, die Steilheit der Kennlinien verringert und sich die Schwellstromstärke erniedrigt. Eine geringere Reflektivität R2 der zweiten Seitenfacette des Halbleiterlasers, die der Strahlungsauskoppelfläche gegenüber liegt, kann beispielsweise verwendet werden, um an der zweiten Seitenfacette des Halbleiterlasers einen geringen Anteil der Laserstrahlung für eine Monitordiode auszukoppeln. Beispielsweise kann, wie in Figur IB dargestellt, der zweiten Seitenfacette 8 des Halbleiterlasers eine Monitordiode 13 nachgeordnet werden. Mittels der Monitordiode 13 können durch äußere Einflüsse wie beispielsweise Temperaturänderungen oder durch eine Alterung des Halbleiterlasers bedingte Änderungen der optischen Ausgangsleistung festgestellt werden. Die Monitordiode 13 ist vorzugsweise mit einem elektrischen Regelkreis verbunden, durch den die Betriebsstromstärke zur Erzielung einer gewünschten optischen Ausgangsleistung nachgeregelt wird.
Eine Erhöhung der Reflektivität Ri der als
Strahlungsauskoppelfläche dienenden ersten Seitenfacette 7 des Halbleiterlasers hat den Vorteil, dass die Resonatorlänge des Halbleiterlasers bei gleicher Betriebsstromstärke verringert werden kann, ohne dass dabei die Laserschwelle unterschritten wird. Insbesondere kann eine Verkürzung der Resonatorlänge von einer ursprünglichen Resonatorlänge La auf eine Resonatorlänge Lb dadurch kompensiert werden, dass die Reflektivität Ri,b der ersten Seitenfacette 7 gegenüber der ursprünglichen Reflektivität Ri, a der ersten Seitenfacette 7 des Halbleiterlasers wie folgt erhöht wird:
Durch die Verringerung der Resonatorlänge des Halbleiterlasers ist es möglich, eine größere Anzahl von Halbleiterlasern auf einem Wafer zu fertigen, wodurch sich die Herstellungskosten vorteilhaft verringern. Vorzugsweise beträgt die Länge des Laserresonators 450 μm oder weniger.
Der hierin beschriebene kantenemittierende Halbleiterlaser wird vorteilhaft in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine geringe Ausgangsleistung von beispielsweise 10 mW oder weniger, bevorzugt 5 mW oder weniger, ausreichend ist, aber ein stabiler Betrieb über die Lebensdauer des Bauelements und ein kostengünstiges Herstellungsverfahren erwünscht ist.
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.

Claims

Patentansprüche
1. Kantenemittierender Halbleiterlaser mit einem Halbleiterkörper (1), der einen Wellenleiterbereich (4) aufweist, wobei
- der Wellenleiterbereich (4) eine erste Wellenleiterschicht (2A) , eine zweite
Wellenleiterschicht (2B) und eine zwischen der ersten Wellenleiterschicht (2A) und der zweiten Wellenleiterschicht (2B) angeordnete aktive Schicht (3) zur Erzeugung von Laserstrahlung (5) aufweist,
- der Wellenleiterbereich (4) zwischen einer ersten Mantelschicht (IA) und einer dem Wellenleiterbereich (4) in Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers (10) nachfolgenden zweiten Mantelschicht (IB) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Wellenleiterbereich (4) eine Dicke d von 400 nm oder weniger aufweist, und
- sich ein Abstrahlwinkel αP der in einer Richtung parallel zur Schichtebene der aktiven Schicht (3) aus dem Halbleiterkörper (10) austretenden Laserstrahlung (5) und der Abstrahlwinkel αs der in einer Richtung senkrecht zur Schichtebene der aktiven Schicht (3) aus dem Halbleiterkörper (10) austretenden Laserstrahlung (5) um weniger als einen Faktor 3 voneinander unterscheiden .
2. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiterbereich (4) eine Dicke d von 300 nm oder weniger aufweist.
3. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder
2, wobei sich der Abstrahlwinkel 0Cs und der Abstrahlwinkel CCp um weniger als einen Faktor 2 voneinander unterscheiden.
4. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Linse (19) zur Strahlformung der Laserstrahlung (5) aufweist.
5. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 4, wobei die Linse (19) eine sphärische Linse ist.
6. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Linse in einem Gehäuse (14) des Halbleiterlasers enthalten ist.
7. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 6, wobei das Gehäuse (14) ein TO-Gehäuse oder ein SMT- Gehäuse ist.
8. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine als Strahlungsauskoppelfläche dienende erste Seitenfacette (7) des Halbleiterkörpers (10) mit einer reflektionserhöhenden Beschichtung (9A) versehen ist .
9. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 8, wobei die Reflexion der reflektionserhöhenden Beschichtung (9A) 75% oder mehr beträgt.
10. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 9, wobei die Reflexion der reflektionserhöhenden Beschichtung (9A) 85% oder mehr beträgt.
11. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 10, wobei die Reflexion der reflektionserhöhenden Beschichtung (9A) 95% oder mehr beträgt.
12. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem einer der Strahlungsauskoppelfläche gegenüberliegenden zweiten Seitenfacette (8) des Halbleiterlasers eine Monitordiode (13) nachgeordnet ist .
13. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der einen Laserresonator mit einer Länge von 450 μm oder weniger aufweist.
14. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine optische Ausgangsleistung von 10 mW oder weniger aufweist.
15. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die emittierte Laserstrahlung (5) ein
Intensitätsmaximum bei einer Wellenlänge zwischen 430 nm und 540 nm aufweist.
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