WO2009143813A1 - Kantenemittierender halbleiterlaser mit phasenstruktur - Google Patents

Kantenemittierender halbleiterlaser mit phasenstruktur Download PDF

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WO2009143813A1
WO2009143813A1 PCT/DE2009/000716 DE2009000716W WO2009143813A1 WO 2009143813 A1 WO2009143813 A1 WO 2009143813A1 DE 2009000716 W DE2009000716 W DE 2009000716W WO 2009143813 A1 WO2009143813 A1 WO 2009143813A1
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Wolfgang Schmid
Uwe D. Zeitner
Hans-Christoph Eckstein
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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Definitions

  • the invention relates to an edge emitting semiconductor laser having a phase structure region according to the preamble of patent claim 1.
  • Edge-emitting semiconductor lasers for high output powers are usually designed as wide-band lasers, in which the active region has a width of about 100 ⁇ m or more. Due to the comparatively large lateral extent of the active region, in the case of such semiconductor lasers, as a rule, many lateral laser modes can oscillate. In particular, at high light outputs may lead to an undesirable high modulation of the light output, which is also referred to as filament.
  • the maximum output power density is limited by a melting of the semiconductor body in the region of the side facets, which is also referred to as COMD (catastrophic optical mirror damage). This reduces the maximum possible output power in a semiconductor laser with strong filamentation.
  • multimode operation of an edge-emitting semiconductor laser makes it difficult to couple the emitted laser light into subsequent optical elements, in particular into optical fibers.
  • multimode operation of an edge-emitting semiconductor laser makes it difficult to couple the emitted laser light into subsequent optical elements, in particular into optical fibers.
  • the phase structures are regions of the semiconductor body in which the effective refractive index deviates from the effective refractive index of the laterally adjacent regions of the semiconductor body and which are designed such that higher laser modes suffer greater circulation losses in the laser resonator than the lateral fundamental mode of the semiconductor laser ,
  • An object of the present invention is to provide an improved edge emitting semiconductor laser with a waveguide in which at least one phase structure region is formed, which is characterized by an improved efficiency.
  • an edge emitting semiconductor laser includes a semiconductor body having a waveguide region, wherein the waveguide region comprises a first waveguide layer, a second waveguide layer, and an active layer for generating laser radiation disposed between the first waveguide layer and the second waveguide layer.
  • the waveguide region is arranged between a first cladding layer and a second cladding layer following the waveguide region in the growth direction of the semiconductor body.
  • the semiconductor body has a main region and at least one phase structure region adjacent to the main region in the lateral direction, in which a phase structure for selecting lateral modes of the laser radiation emitted by the active layer is formed.
  • the phase structure region is formed outside the waveguide region.
  • the first waveguide layer, the second waveguide layer and the active layer in each case no phase structures.
  • the waveguide region between the first cladding layer and the second cladding layer is therefore advantageously free of phase structures. In this way, it is achieved that only very small coupling losses occur between the phase structure region and the main region of the semiconductor body, which improves the efficiency of the semiconductor laser, in particular the light-current characteristic.
  • the phase structure region is preferably formed in the second cladding layer of the semiconductor body.
  • the edge-emitting semiconductor laser has a substrate, followed first in the growth direction of the semiconductor layer sequence by the first cladding layer, then the first waveguide layer, then the active layer for generating laser radiation, then the second waveguide layer and then the second cladding layer.
  • the phase structure region is formed only in the second cladding layer opposite to the substrate, while the first cladding layer, the active layer and the waveguide layers each have no phase structure region.
  • the vertical mode distribution in the semiconductor body is characterized by that in the second Cladding layer produced only slightly influenced phase structure. This is advantageous for the efficiency of the semiconductor laser, in particular an improvement of the light-current characteristic in comparison with semiconductor lasers can be achieved, in which the phase structure region is formed in at least one of the waveguide layers.
  • the phase structure in the semiconductor body can be produced, for example, in that the second cladding layer is at least partially removed in the phase structure region.
  • the second cladding layer therefore preferably has a smaller thickness in the phase structure region than in the main region adjacent in the lateral direction.
  • the second cladding layer may have a thickness d1 in the phase structure region and a thickness U2> d1 in the main region, the thickness of the second cladding layer increasing continuously, preferably linearly, from the thickness d1 to the thickness d2 in a transition region.
  • the thickness in the transition region may also increase stepwise in several steps from d 1 to d 2.
  • Phase structure region can be carried out in particular with an etching process. It is advantageous if the second cladding layer is provided with a passivation layer in the region in which it is at least partially removed.
  • the passivation layer may contain or consist of, for example, a silicon oxide, a silicon nitride or a silicon oxynitride.
  • the effective refractive index in the phase structure region is changed by introducing a dopant with respect to the main region adjacent in the lateral direction.
  • a dopant can be diffused or implanted into the phase structure region of the semiconductor body.
  • the introduction of the additional dopant can, for example, take place in the second cladding layer, so that the phase structure region is formed outside the waveguide region.
  • the phase pattern region need not necessarily be formed outside the waveguide region. Rather, it may be advantageous if the introduction of the additional dopant not only in the second cladding layer, but also in the underlying layers, ie in particular the first cladding layer, the first and second waveguide layer and the active layer. This has the advantage that the vertical mode distribution is only insignificantly influenced by the change in the refractive index, which occurs due to the introduction of the dopant, because all the layers in which the laser radiation propagates have the refractive index jump between the phase structure region and the main region.
  • the semiconductor body has a mixing structure in the phase structure region.
  • the semiconductor body ie the first and / or second cladding layer, the active layer, the first and / or second waveguide layer, each embodied as a multilayer, wherein the multilayer each having a plurality of sub-layers, which differ in their material composition from each other.
  • the one or more multilayers in the semiconductor body are mixed in order to bring about a change in the refractive index in this region.
  • the second cladding layer may be implemented as a multi-layer and subsequently mixed so that the phase structure region is formed outside the waveguide region.
  • the phase structure region need not be formed outside the waveguide region, but one or more of the underlying layers, ie in particular the first cladding layer, the first and second waveguide layer and the active layer may also be mixed.
  • the mixing of the one or more multilayers in the phase structure region can be effected, for example, by the per se known diffusion-induced mixing, in which, for example, Zn or Si are diffused or implanted into the multilayer structure and subsequently a temperature treatment is carried out.
  • Another variant is to produce crystal defects in the uppermost semiconductor layer, which propagate into the underlying semiconductor layers during a subsequent temperature treatment.
  • Phase structure region preferably deviates by not more than 1 * 10 "2 from the effective refractive index njj, eff of a main region of the semiconductor body adjacent to the phase structure region in the lateral direction.
  • the effective refractive index np e deviates ff of the phase structure region is at least l * 10 ⁇ 3 n jj of the effective refractive index e ff of the main portion of the semiconductor body from.
  • This advantageous lower limit for the difference between the effective refractive index between the phase structure region and the adjacent skin region of the semiconductor body results from the fact that the refractive index jump should be greater than unintentional refractive index fluctuations, which could occur due to unintended deviations of the temperature and / or the carrier density within the semiconductor body.
  • the effective refractive indices is particularly advantageous for the embodiment in which the phase structure is produced by ablating at least part of the second cladding layer.
  • a larger difference of the effective refractive indices may be selected, since in this case the vertical mode distribution is only slightly affected by the refractive index difference between the main region and the phase structure region.
  • the phase structure region adjoins at least one side facet of the semiconductor laser.
  • a first phase structure region can adjoin a first side facet of the semiconductor laser and a second phase structure region can adjoin a second side facet of the semiconductor laser. Since a phase structure region adjoins a side facet of the semiconductor laser, the laser light propagating in the direction of the side facet couples into the phase structure region only once and once again out of the phase structure region during the return after the reflection on the side facet.
  • the laser radiation would first couple into the phase structure region and decouple again, and after the reflection on the side facet again couple into the phase structure region and then decouple again from the phase structure region.
  • the number of Overcoupling processes between the phase structure region and the main region at the respective side facet are reduced by two. If a phase structure region adjoins the side facet on both sides of the semiconductor laser, the number of coupling processes decreases from eight to four in one complete revolution of the laser radiation in the laser resonator formed by the side facets, that is, one round trip
  • a further advantageous reduction in the coupling losses which occur when the laser radiation from the phase structure region enters the adjacent main region of the semiconductor body and vice versa can be achieved by forming a transition region between the phase structure region and the main region, in which the effective refractive index is formed in several stages or varies continuously.
  • the phase structure region does not directly adjoin the adjacent main region, but is separated from it by a transition region.
  • the refractive index between the phase structure region and the adjacent main region does not change abruptly, but continuously or in a plurality of partial steps, which are each smaller than the refractive index difference between the main region and the phase structure region.
  • the gradient ie the change ⁇ n e ff of the effective refractive index per unit length, not more than 0.01 ⁇ m -1 .
  • 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
  • FIG. 2A shows a schematic illustration of a cross section through a further exemplary embodiment of an edge-emitting semiconductor laser
  • FIG. 2B shows a schematic representation of a plan view of the embodiment shown in FIG. 2A
  • 3A, 3B, 3C, 3D and 3E is a schematic representation of an embodiment of a method for producing an edge-emitting semiconductor laser by means of intermediate steps
  • FIGS. 5A, 5B, 5C, 5D and 5E show a schematic illustration of a further exemplary embodiment of a method for producing an edge-emitting semiconductor laser on the basis of intermediate steps
  • FIGS. 5A, 5B, 5C, 5D and 5E show a schematic illustration of a further exemplary embodiment of a method for producing an edge-emitting semiconductor laser on the basis of intermediate steps
  • FIGS. 5A, 5B, 5C, 5D and 5E show a schematic illustration of a further exemplary embodiment of a method for producing an edge-emitting semiconductor laser on the basis of intermediate steps
  • FIG. 6 shows a graph of the course of the refractive index n and the electric field strength E in the semiconductor body of a further exemplary embodiment of an edge-emitting semiconductor laser.
  • 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 10, in which a waveguide region 4 is contained.
  • the waveguide region 4 comprises a first waveguide layer 2A, a second waveguide layer 2B, and an active layer 3 arranged between the first waveguide layer 2A and the second waveguide layer 2B, which serves to generate laser radiation.
  • the active layer 3 of the edge-emitting semiconductor laser may in particular be a single or multiple quantum well structure.
  • quantum well structure in the context of the application includes any structure, in the charge carriers by inclusion ("confinement") experience a quantization of their energy states.
  • 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.
  • the waveguide region 4 is arranged between a first cladding layer IA and a second cladding layer IB following the waveguide region 4 in the growth direction of the semiconductor body 10.
  • the first cladding layer 1a is therefore arranged on a side facing a substrate 11 of the semiconductor body 10
  • the second cladding layer IB is arranged on a side of the semiconductor body 10 facing away from the substrate 11 from the active layer 3.
  • one or more intermediate layers 12 may be arranged between the substrate 11 of the semiconductor body 10 and the first cladding layer IA.
  • the electrical contacting of the edge-emitting semiconductor laser is effected, for example, by a first electrical contact layer 13 on the rear side of the substrate 11 facing away from the active layer 3 and a second electrical contact layer 14 on an upper side of the semiconductor body 10 facing away from the substrate.
  • first electrical contact layer 13 on the rear side of the substrate 11 facing away from the active layer 3
  • second electrical contact layer 14 on an upper side of the semiconductor body 10 facing away from the substrate.
  • one or more further intermediate layers 12 may be arranged between the second cladding layer IB and the electrical contact layer 14.
  • the cladding layers IA, IB advantageously have a lower refractive index than the waveguide layers 2A, 2B, whereby the propagating in the lateral direction Laser radiation is substantially included in the waveguide region 4. Because of the finite
  • the semiconductor body 10 has phase structure regions 6 which serve for the selection of lateral modes of the laser radiation emitted by the active layer 3.
  • the effective refractive index np e ff deviates from the effective refractive index njj e ff in the main region 5 of the semiconductor body 10 which is adjacent in the lateral direction.
  • the phase structure regions 6 are produced, for example, in that the second cladding layer IB is at least partially removed in the regions adjacent to the side facets 9 of the semiconductor body 10. This can be done for example by an etching process, wherein, for example, the intermediate layers 12 and the second contact layer 14 are removed in these areas.
  • the second cladding layer IB is thus thinner in the areas adjacent to the side facets 9 than in the main area 5 or even completely removed. Since the laser modes in their propagation in the lateral direction in the semiconductor body 10 also at least partially into the extend the second cladding layer IB, the thinning of the second cladding layer IB in the phase structure regions 6 causes a change in the effective refractive index relative to the main region. 5
  • phase structure regions 6 and the main region 5 are advantageously small, since the phase structure regions 6 are not formed in the waveguide region 4 in which the laser radiation propagating in the lateral direction has the greatest intensity, but only in the second cladding layer IB.
  • phase structure regions 6 the propagation of the modes in the lateral direction can be influenced in a targeted manner, wherein in particular it can be achieved that higher lateral modes have greater circulating losses in the laser resonator arranged between the side facets 9 than the lateral fundamental mode of the semiconductor laser.
  • phase structures 6 it is therefore possible, in particular, to achieve a single-mode operation of the semiconductor laser, in which only the lateral fundamental mode oscillates.
  • the phase structures 6 it is also possible through the phase structures 6 to form the beam profile of the lateral fundamental mode.
  • the typically Gaussian beam profile of the fundamental mode can be approximated by suitable phase structures to a rectangular shape.
  • An at least nearly rectangular beam profile has the advantage over a Gaussian beam profile that fusion in the area of the side facets (COMD catastrophic optical mirror damage) would only occur at a higher output power.
  • the calculation of the three-dimensional structure of the phase structure regions 6 such that a desired Influencing the lateral mode spectrum is achieved is known per se from the publication WO 01/97349 Al, the disclosure of which in this regard is hereby incorporated by reference.
  • the width of the phase structure region 6, in which the second cladding layer IB is at least partially removed is not constant in the plane of the second cladding layer IB, but follows a predetermined function, which includes the parameters of the materials of the semiconductor layer sequence, the geometric dimensions and the wavelength the emitted radiation is calculated in advance such that higher lateral laser modes experience greater circulation losses in the laser resonator formed by the side facets 9 than lower lateral modes, in particular the lateral fundamental mode of the semiconductor laser.
  • the distance between the respective side facets 9 of the semiconductor laser and the etching flanks 8 in the second cladding layer IB, by which the phase structure regions 6 are generated, can assume a wave-shaped course in the plane of the second cladding layer IB, as illustrated in the plan view in FIG is.
  • Phase structure areas 6 differs advantageously by no more than l * 10 ⁇ 2 of the effective refractive index njj e ff of the adjacent in the lateral direction of the phase structure areas 6 main portion 5 of the semiconductor body 10 degrees. In this way it is achieved that coupling losses, which occur when the laser radiation from the main region 5 into the phase structure regions 6 and vice versa, are reduced.
  • the mode profile in the vertical direction, ie perpendicular to the layer planes of the layers of the semiconductor body 10 is due to the small differences in the effective refractive index between the main region 5 and the phase structure regions 6 only slightly influenced. By contrast, larger would be abrupt
  • the difference in refractive index between the phase structure region 6 and the main portion 5 is at least l * 10 "3.
  • the refractive index difference between the phase structure region 6 and the main portion 5 thus is advantageously between l * 10 -3 and including l * 10 "2.
  • phase structure regions 6 it is advantageous for the phase structure regions 6 to extend to the side facets 9 of the semiconductor laser. During a complete rotation in the laser resonator formed by the side facets 9 of the semiconductor body 10, the laser radiation thus couples in each case once into the two phase structure regions 6 and once out of the two phase structure regions 6.
  • the phase structure regions 6 were not adjacent to the side facets 9 of the semiconductor body 10 but spaced apart from the side facets 9 such that a respective further portion of the main region 5 would be located between the phase structure regions 6 and the side facets, the laser radiation would have to enter each of the Coupling in the phase structures twice and decoupling them twice so that a total of eight over-coupling processes would take place during a complete rotation of the laser radiation in the laser resonator.
  • the reduction of the coupling processes to a number of four which is achieved by the phase structure regions 6 adjoining the side facets 9 has the advantage that losses in the laser resonator are reduced and thereby the efficiency of the semiconductor laser is improved.
  • FIGS. 2A and 2B show a further exemplary embodiment of an edge-emitting semiconductor laser.
  • FIG. 2A shows a cross section along the line AB of the plan view shown in FIG. 2B.
  • the semiconductor body 10 has the same layer sequence as the first exemplary embodiment described above. As in the embodiment described above, the semiconductor body 10 has a main region 5 and phase structure regions 6, wherein the effective refractive index in the phase structure regions 6 differs from the effective refractive index in the main region 5, because the second cladding layer IB is partially removed in the phase structure regions 6 ,
  • Embodiment is that the thickness of the second cladding layer IB between the phase structure regions 6 and the main region 5 does not change abruptly, but that between the main region 5 and the
  • Phase structure regions 6 each have a transition region 7, in which the thickness of the first cladding layer IB and thus the effective refractive index changes continuously in the lateral direction.
  • the thickness of the second cladding layer IB in the transition region 7 increases in each case linearly from the small thickness in the phase structure region 6 to the greater thickness in the main region 5.
  • the gradient of the increase of the effective refractive index is preferably not more than 0.01 ⁇ m -1 .
  • the continuous or stepwise increase in the thickness of the second cladding layer IB in the transition regions 7 of the second exemplary embodiment ensures that no abrupt jump in the refractive index occurs between the phase structure region 6 and the main region 5, which further reduces coupling losses between the main region 5 and the phase structure regions 6 become.
  • the mode profile in the vertical direction is only slightly influenced by the phase structure regions 6 in this case, which reduces losses in the laser resonator and thus further improves the efficiency of the semiconductor laser.
  • FIGS. 3A to 3E show a first exemplary embodiment of a method for producing an edge-emitting semiconductor laser on the basis of intermediate steps.
  • Waveguide region 4 As shown in FIG. 3A, a first cladding layer IA, the waveguide region 4 and a substrate 11 are disposed on a substrate 11 second cladding layer IB applied.
  • Waveguide region 4 includes an active layer sandwiched between at least two waveguide layers.
  • the individual layers of the waveguide region 4 are not shown individually to simplify the illustration.
  • optionally inserted intermediate layers which may for example be arranged between the substrate 11 and the first cladding layer IA, are not shown for the sake of simplicity of illustration.
  • phase structure regions 6 have been produced in the second cladding layer IB in regions adjacent to the side facets of the semiconductor body.
  • the second cladding layer IB has been partially removed, for example by means of an etching process, in the phase structure regions 6.
  • a passivation layer 15 is applied to the thinned region of the first cladding layer IB, the etching flanks 8 and a subregion of the main region 5 of the first cladding layer IB adjoining the etching flanks 8.
  • the material of the passivation layer 15 may in particular be a silicon oxide, silicon nitride or a silicon oxynitride.
  • the refractive index of the passivation layer 15 influences the effective refractive index in the phase structure regions.
  • the refractive index of the passivation layer 15, which is approximately 2 in the case of a silicon oxynitride, for example, is therefore taken into account in the calculation of the phase structure.
  • a contact metallization 14 has been applied to the main region 5 of the second cladding layer IB.
  • the contact metallization 14 preferably includes one or more layers of a metal or metal compound.
  • the contact metallization 14 may be a layer sequence of a titanium layer, a platinum layer and a gold layer.
  • Such a contact layer sequence 14 is particularly suitable for electrical contacting of a p-type semiconductor material, from which, for example, the second cladding layer IB is formed.
  • the substrate 11 has been thinned. This and the method steps described above can be carried out in the wafer assembly, wherein the wafer can subsequently be separated into individual laser diode components. By thinning the substrate 11, the wafer can be more easily cut into individual components. Furthermore, in the method step shown in FIG. 3E, a further contact metallization 13 has been applied to the rear side of the substrate 11.
  • Embodiment of a method for producing an edge-emitting semiconductor laser explained by means of intermediate steps.
  • first a first cladding layer IA, the waveguide region 4 and a second cladding layer IB are grown on a growth substrate 11.
  • phase structure regions 6 are generated in the second cladding layer IB.
  • the second cladding layer IB is thinned in the areas adjacent to the side facets of the semiconductor body.
  • the thinning of the second cladding layer IB is preferably carried out by an etching process. In contrast to the exemplary embodiment described above, however, no etch flanks perpendicular to the layer plane of the second cladding layer IB are produced, but etching edges 16 extending obliquely to the second cladding layer IB.
  • the production of the obliquely extending etching edges 16 can be effected, for example, by first applying a photoresist serving as an etching mask to the phase structure regions 6 and subsequently liquefying it at an elevated temperature, so that flat flanks are formed on account of the surface tension.
  • the structure of such a photoresist layer with a sloping side edge is transferred in a subsequent etching process, in particular a dry etching process, in the second cladding layer IB.
  • the slope of the etch edge 16 can be adjusted via the selectivity, that is, the etch rate ratio of the second cladding layer IB and the photoresist.
  • a passivation layer 15 is subsequently applied to the thinned portion of the second cladding layer IB, the oblique etch edge 16, and a portion of the main region 5 adjacent to the etch edge 16.
  • a contact metallization 14 for example a titanium-platinum-gold layer sequence, is applied to the second cladding layer IB.
  • the substrate 11 can be thinned and a further contact metallization 13 can be applied to the rear side of the substrate 11, as shown in FIG. 4E.
  • FIGS. 5A to 5E show a further exemplary embodiment for producing an edge-emitting semiconductor laser by means of intermediate steps.
  • a first cladding layer IA, the waveguide region 4 and a second cladding layer IB have been applied to a substrate 11.
  • phase structure regions 6 in the semiconductor body does not take place in that a partial region of the second cladding layer IB is thinned. Rather, the phase structure regions 6, as shown schematically in FIG. 5B, are produced in that at least one additional dopant is implanted or diffused into the semiconductor layer sequence in the phase structure regions.
  • phase structure regions 6 are thus designed as implantation or diffusion regions.
  • the phase structure regions 6 advantageously adjoin the side facets 9 of the edge-emitting semiconductor laser.
  • the diffusion or implantation regions extend through all the layers in which the laser radiation propagates in the lateral direction. For example, the diffusion or implantation through the second cladding layer IB, the waveguide region 4 and the first cladding layer IA can take place into subregions of the substrate 11, as shown in FIG. 5B.
  • the concentration of the additional dopant in the phase structure regions 6 is preferably adjusted so that the effective refractive index in the
  • Phase structure regions 6 differs from the effective refractive index in the main region 5 by not more than l * 10 "2 and preferably by at least l * 10 " 3 .
  • the phase structure regions 6 may alternatively also be mixing regions.
  • the cladding layers IA, IA and / or the active layer and waveguide layers contained in the waveguide region 4 are each constructed as a layer sequence of a plurality of individual layers.
  • the cladding layers, the active layer and / or the waveguide layers may be composed of a plurality of AlGaAs layers or InGaAlP layers having different Al concentrations.
  • Methods for mixing of multilayer structures for changing the band gap are known per se, for example from the document DE 102004040518 A1.
  • the mixing of the multilayer structure can be carried out by in-diffusion or implantation of Si or Zn, followed preferably by a temperature treatment.
  • the mixing can also be effected by irradiation with laser radiation.
  • a passivation layer 15 is applied to the phase structure regions 6 and a partial region of the main region 5 adjoining in the lateral direction. Subsequently, the main region 5 of the semiconductor body is provided with an electrical contact layer 14, as shown in FIG. 5D.
  • the substrate 11 of the semiconductor body is thinned and a second electrical contact layer 13 is applied to a rear side of the substrate 11 facing away from the semiconductor layer sequence.
  • FIG. 6 shows the profile of the refractive index n and the electric field strength E as a function of a spatial coordinate z which extends from the surface of the semiconductor body to the substrate for a further exemplary embodiment of an edge-emitting semiconductor laser.
  • the semiconductor body includes a substrate 11, for example of GaAs, on which an intermediate layer 12 is applied, for example an AlGaAs layer.
  • an intermediate layer 12 is applied, for example an AlGaAs layer.
  • a first cladding layer IA which may in particular be an InAlP layer and has, for example, a thickness of about 800 nra.
  • the first sheath splitter IA is followed by a waveguide region 4 which, for example, has a total thickness of approximately 120 nm.
  • the waveguide region 4 comprises a first waveguide layer 2A and a second waveguide layer 2B, which are, for example, In 0 . 5 Ga 0 . 3 Al 0 . 2 P, wherein between the waveguide layers 2A, 2B, an active layer 3, in particular a quantum well of InGaP, embedded.
  • This is followed by an optional further 200 nm thick further waveguide layer 2C, for example, In 0 . 5 Ga 0 .15 Al 0 .35 P, and a second cladding layer IB which, like the first cladding layer IA, may have InAlP of about 800 nm thickness.
  • the second cladding layer IB is followed by an approximately 50 nm thick intermediate layer 12, for example made of InGaP, and thereon a contact layer 14, in particular a GaAs layer.
  • the thin dashed line 18 represents the course of the refractive index n in the main region of the semiconductor laser in which no phase structure region is formed.
  • the bold dashed line 19 represents the curve of the refractive index n in a phase structure region of the semiconductor laser.
  • the thickness of the second cladding layer IB is in the Phase structure area thinned to about 100 nm and a passivation layer 15, for example made of SiON, with a refractive index of about 2.0 applied to the second cladding layer IB. Below the second cladding layer IB, the course of the refractive index in the main region and the phase structure region are the same.
  • FIG. 6 shows the course of the electric field E in the main region (curve 20) and in the phase structure region (curve 21), in arbitrary units in each case.
  • the electric field E extends into the second cladding layer IB.
  • the electric field penetrates less into the second cladding layer IB and the passivation layer 15, which is particularly true for the large cladding layer Refractive index jump between the thinned portion of the second waveguide layer IB and the passivation layer 15 is due.

Abstract

Es wird ein kantenemittierender Halbleiterlaser mit einem Halbleiterkörper (10) angegeben, der einen Wellenleiterbereich (4) aufweist, wobei der Wellenleiterbereich (4) eine zwischen einer ersten Wellenleiterschicht (2A) und einer zweiten Wellenleiterschicht (2B) angeordnete aktive Schicht (3) zur Erzeugung von Laserstrahlung aufweist. Der Wellenleiterbereich (4) ist zwischen einer ersten Mantelschicht (1A) und einer zweiten Mantelschicht (1B) angeordnet. Der Halbleiterkörper (10) weist einen Hauptbereich (5) und mindestens einen Phasenstrukturbereich (6) auf, in dem eine Phasenstruktur zur Selektion lateraler Moden der von der aktiven Schicht (3) emittierten Laserstrahlung ausgebildet ist. Zur Verminderung von Koppelverlusten ist der Phasenstrukturbereich (6) außerhalb des Wellenleiterbereichs (4) angeordnet oder durch einen Bereich (6) gebildet, in dem ein Dotierstoff eingebracht oder eine Durchmischungsstruktur erzeugt ist.

Description

Beschreibung
Kantenemittierender Halbleiterlaser mit Phasenstruktur
Die Erfindung betrifft einen kantenemittierenden Halbleiterlaser mit einem Phasenstrukturbereich gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2008 025 922.5, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Kantenemittierende Halbleiterlaser für hohe Ausgangsleistungen werden meist als Breitstreifenlaser ausgeführt, bei denen der aktive Bereich eine Breite von etwa 100 μm oder mehr aufweist. Wegen der vergleichsweise großen lateralen Ausdehnung des aktiven Bereichs können bei derartigen Halbleiterlasern in der Regel viele laterale Lasermoden anschwingen. Insbesondere bei hohen Lichtleistungen kann es zu einer unerwünschten starken Modulation der Lichtleistung kommen, die auch als Filamentierung bezeichnet wird. Bei kantenemittierenden Halbleiterlasern ist die maximale Ausgangsleistungsdichte durch ein Aufschmelzen des Halbleiterkörpers im Bereich der Seitenfacetten, das auch als COMD (catastrophic optical mirror damage) bezeichnet wird, begrenzt. Dadurch reduziert sich die maximale mögliche Ausgangsleistung bei einem Halbleiterlaser mit starker Filamentierung. Weiterhin erschwert ein Multimode-Betrieb eines kantenemittierenden Halbleiterlasers die Einkopplung des emittierten Laserlichts in nachfolgende optische Elemente, insbesondere in Lichtleiter. Zur Unterdrückung höherer lateraler Lasermoden, insbesondere zum Erzielen eines Betriebs in der lateralen Grundmode, ist aus der Druckschrift WO 01/97349 Al bekannt, Phasenstrukturen in dem Wellenleiter eines kantenemittierenden Halbleiterlasers auszubilden. Bei den Phasenstrukturen handelt es sich um Bereiche des Halbleiterkörpers, in denen der effektive Brechungsindex von dem effektiven Brechungsindex der in lateraler Richtung angrenzenden Bereiche des Halbleiterkörpers abweicht und die so ausgebildet sind, dass höhere Lasermoden größere Umlaufverluste in dem Laserresonator erleiden als die laterale Grundmode des Halbleiterlasers . Bei einem kantenemittierenden Halbleiterlaser, bei dem die aktive Schicht zwischen zwei Wellenleiterschichten und die Wellenleiterschichten zwischen zwei Mantelschichten angeordnet sind, wird die Phasenstruktur beispielsweise dadurch erzeugt, dass der Wellenleiter bis in den Bereich einer Wellenleiterschicht abgedünnt wird. Auf diese Weise wird zum Beispiel erreicht, dass der effektive Brechungsindex für die sich in lateraler Richtung ausbreitende Laserstrahlung im abgedünnten Bereich um Δn = 0,03 kleiner ist als im nicht abgedünnten Bereich.
Es hat sich herausgestellt, dass durch das Ausbilden von Phasenstrukturbereichen zwar höhere laterale Moden in dem kantenemittierenden Halbleiterlaser unterdrückt werden können, dass aber andererseits der Brechungsindexsprung zwischen dem Phasenstrukturbereich und den angrenzenden Bereichen zu Koppelverlusten führt, die eine Verschlechterung der Effizienz des Halbleiterlasers bewirken. Insbesondere die Licht-Strom-Kennlinie wird von solchen Koppelverlusten negativ beeinflusst. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten kantenemittierenden Halbleiterlaser mit einem Wellenleiter, in dem mindestens ein Phasenstrukturbereich ausgebildet ist, anzugeben, der sich durch eine verbesserte Effizienz auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch einen kantenemittierenden Halbleiterlaser mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 6 oder 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Erfindung enthält ein kantenemittierender Halbleiterlaser einen Halbleiterkörper mit einem Wellenleiterbereich, 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 und einer dem Wellenleiterbereich in Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers nachfolgenden zweiten Mantelschicht angeordnet. Der Halbleiterkörper weist einen Hauptbereich und mindestens einen dem Hauptbereich in lateraler Richtung benachbarten Phasenstrukturbereich auf, in dem eine Phasenstruktur zur Selektion lateraler Moden der von der aktiven Schicht emittierten Laserstrahlung ausgebildet ist.
Bein einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Phasenstrukturbereich außerhalb des Wellenleiterbereichs ausgebildet. In diesem Fall enthalten die erste Wellenleiterschicht, die zweite Wellenleiterschicht und die aktive Schicht jeweils keine Phasenstrukturen. Der Wellenleiterbereich zwischen der ersten Mantelschicht und der zweiten Mantelschicht ist also vorteilhaft frei von Phasenstrukturen. Auf diese Weise wird erreicht, dass zwischen dem Phasenstrukturbereich und dem Hauptbereich des Halbleiterkörpers nur sehr geringe Koppelverluste auftreten, wodurch sich die Effizienz des Halbleiterlasers, insbesondere die Licht-Strom-Kennlinie, verbessert.
Der Phasenstrukturbereich ist vorzugsweise in der zweiten Mantelschicht des Halbleiterkörpers ausgebildet. Beispielsweise weist der kantenemittierende Halbleiterlaser ein Substrat auf, auf das in Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge zunächst die erste Mantelschicht, dann die erste Wellenleiterschicht, darauf die aktive Schicht zur Erzeugung von Laserstrahlung, nachfolgend die zweite Wellenleiterschicht und darauf die zweite Mantelschicht folgen. Dabei ist der Phasenstrukturbereich nur in der dem Substrat gegenüberliegenden zweiten Mantelschicht ausgebildet, während die erste Mantelschicht, die aktive Schicht und die Wellenleiterschichten jeweils keinen Phasenstrukturbereich aufweisen. Da sich die in lateraler Richtung in dem Halbleiterkörper ausbreitende Laserstrahlung im Wesentlichen in der aktiven Schicht sowie in der ersten Wellenleiterschicht und der zweiten Wellenleiterschicht ausbreitet und nur geringfügig in die erste und zweite Mantelschicht eindringt, wird die vertikale Modenverteilung in dem Halbleiterkörper durch die in der zweiten Mantelschicht erzeugte Phasenstruktur nur geringfügig beeinflusst. Dies ist vorteilhaft für die Effizienz des Halbleiterlasers, insbesondere kann dadurch eine Verbesserung der Licht-Strom-Kennlinie im Vergleich zu Halbleiterlasern erzielt werden, bei denen der Phasenstrukturbereich in zumindest einer der Wellenleiterschichten ausgebildet ist.
Die Phasenstruktur in dem Halbleiterkörper kann beispielsweise dadurch hergestellt sein, dass die zweite Mantelschicht in dem Phasenstrukturbereich zumindest teilweise abgetragen ist. Die zweite Mantelschicht weist also in dem Phasenstrukturbereich vorzugsweise eine geringere Dicke auf als in dem in lateraler Richtung benachbarten Hauptbereich .
Dabei ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Phasenstrukturbereich und dem Hauptbereich ein Übergangsbereich ausgebildet ist, in dem die Dicke der zweiten Mantelschicht stufenweise oder kontinuierlich variiert, um eine sprunghafte Änderung des Brechungsindex zwischen dem Phasenstrukturbereich und dem Hauptbereich des Halbleiterkörpers zu vermeiden. Auf diese Weise können Koppelverluste reduziert werden. Beispielsweise kann die zweite Mantelschicht in dem Phasenstrukturbereich eine Dicke d]_ und in dem Hauptbereich eine Dicke U2 > d]_ aufweisen, wobei die Dicke der zweiten Mantelschicht in einem Übergangsbereich kontinuierlich, vorzugsweise linear, von der Dicke di auf die Dicke d2 ansteigt. Alternativ kann die Dicke in dem Übergangsbereich aber auch stufenförmig in mehreren Schritten von d^ auf d2 ansteigen.
Das Erzeugen der Phasenstruktur durch zumindest teilweises Abtragen der zweiten Mantelschicht in dem
Phasenstrukturbereich kann insbesondere mit einem Ätzprozess erfolgen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die zweite Mantelschicht in dem Bereich, in dem sie zumindest teilweise abgetragen- ist, mit einer Passivierungsschicht versehen wird. Die Passivierungsschicht kann beispielsweise ein Siliziumoxid, ein Siliziumnitrid oder ein Siliziumoxinitrid enthalten oder daraus bestehen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der effektive Brechungsindex in dem Phasenstrukturbereich durch Einbringen eines Dotierstoffs gegenüber dem in lateraler Richtung benachbarten Hauptbereich verändert . Insbesondere kann ein Dotierstoff in den Phasenstrukturbereich des Halbleiterkörpers eindiffundiert oder implantiert werden.
Das Einbringen des zusätzlichen Dotierstoffs kann zum Beispiel in die zweite Mantelschicht erfolgen, so dass der Phasenstrukturbereich außerhalb des Wellenleiterbereichs ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform muss der Phasenstrukturbereich aber nicht notwendigerweise außerhalb des Wellenleiterbereichs ausgebildet sein. Vielmehr kann es vorteilhaft sein, wenn das Einbringen des zusätzlichen Dotierstoffs nicht nur in die zweite MantelSchicht, sondern auch in die darunter liegenden Schichten, also insbesondere die erste Mantelschicht, die erste und zweite Wellenleiterschicht sowie die aktive Schicht erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass die vertikale Modenverteilung durch die Veränderung des Brechungsindex, der durch das Einbringen des Dotierstoffs erfolgt, nur unwesentlich beeinflusst wird, weil alle Schichten, in denen sich die Laserstrahlung ausbreitet, den Brechungsindexsprung zwischen dem Phasenstrukturbereich und dem Hauptbereich aufweisen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Halbleiterkörper in dem Phasenstrukturbereich eine Durchmischungsstruktur auf. Dazu sind vorzugsweise eine oder mehrere Schichten des Halbleiterkörpers, also die erste und/oder zweite MantelSchicht, die aktive Schicht, die erste und/oder zweite Wellenleiterschicht, jeweils als Mehrfachschicht ausgeführt, wobei die Mehrfachschicht jeweils mehrere Teilschichten aufweist, die sich in ihrer Materialzusammensetzung voneinander unterscheiden. Zur Herstellung des Phasenstrukturbereichs werden die eine oder die mehreren Mehrfachschichten in dem Halbleiterkörper durchmischt, um in diesem Bereich eine Änderung des Brechungsindex zu bewirken.
Zum Beispiel kann die zweite Mantelschicht als Mehrfachschicht ausgeführt und nachfolgend durchmischt werden, so dass der Phasenstrukturbereich außerhalb des Wellenleiterbereichs ausgebildet ist.
Bei dieser Ausführungsform muss der Phasenstrukturbereich aber nicht außerhalb des Wellenleiterbereichs ausgebildet sein, sondern es können auch eine oder mehrere der darunter liegenden Schichten, also insbesondere die erste Mantelschicht, die erste und zweite Wellenleiterschicht sowie die aktive Schicht durchmischt werden.
Das Durchmischen der einen oder mehreren Mehrfachschichten in dem Phasenstrukturbereich kann beispielsweise durch die an sich bekannte diffusionsinduzierte Durchmischung, bei der beispielsweise Zn oder Si in die Mehrfachschichtstruktur eindiffundiert oder implantiert werden und nachfolgend eine Temperaturbehandlung ausgeführt wird, erfolgen. Eine weitere Variante besteht darin, Kristallfehler in der obersten Halbleiterschicht zu erzeugen, die sich bei in einer anschließenden Temperaturbehandlung in die darunter liegenden Halbleiterschichten ausbreiten. Der effektive Brechungsindex np eff des
Phasenstrukturbereichs weicht bevorzugt um nicht mehr als 1*10 "2 von dem effektiven Brechungsindex njj,eff eines dem Phasenstrukturbereich in lateraler Richtung benachbarten Hauptbereich des Halbleiterkörpers ab.
Vorteilhaft gilt also: | nn;eff - nP,eff |- 0,01.
Es hat sich herausgestellt, dass ein derart geringer Sprung des Brechungsindex zwischen dem Phasenstrukturbereich und dem in lateraler Richtung benachbarten Hauptbereich des Halbleiterkörpers bereits zur Unterdrückung höherer lateraler Lasermoden geeignet ist. Gleichzeitig treten bei einem derart geringen Brechungsindexsprung nur geringe Koppelverluste auf. Weiterhin wird die vertikale Modenverteilung aufgrund der geringen Brechungsindexdifferenz zwischen dem Phasenstrukturbereich und dem benachbarten Hauptbereich nur geringfügig beeinflusst.
Bevorzugt weicht der effektive Brechungsindex np eff des Phasenstrukturbereichs um mindestens l*10~3 von dem effektiven Brechungsindex njj eff des Hauptbereichs des Halbleiterkörpers ab. Diese vorteilhafte Untergrenze für die Differenz des effektiven Brechungsindex zwischen dem Phasenstrukturbereich und dem benachbarten Hautbereich des Halbleiterkörpers ergibt sich daraus, dass der Brechungsindexsprung größer sein sollte als unbeabsichtigte Brechungsindexfluktuationen, die durch unbeabsichtigte Abweichungen der Temperatur und/oder der Ladungsträgerdichte innerhalb des Halbleiterkörpers auftreten könnten.
Vorzugsweise gilt also: 0,001 ≤ | n^ eff _ np/βff |≤ 0,01. Diese Wahl der effektiven Brechungsindizes ist insbesondere vorteilhaft für die Ausführungsform, bei der die Phasenstruktur durch Abtragen von zumindest einem Teil der zweiten Mantelschicht hergestellt wird. Bei der Ausführungsform, bei der die Phasenstruktur durch Dotierung oder einen Durchmischungsprozess erzeugt wird, kann alternativ aber auch eine größere Differenz der effektiven Brechungsindizes gewählt werden, da in diesem Fall die vertikale Modenverteilung nur geringfügig durch die Brechungsindexdifferenz zwischen dem Hauptbereich und dem Phasenstrukturbereich beeinflusst wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung grenzt der Phasenstrukturbereich an zumindest eine Seitenfacette des Halbleiterlasers an. Insbesondere können ein erster Phasenstrukturbereich an eine erste Seitenfacette des Halbleiterlasers und ein zweiter Phasenstrukturbereich an eine zweite Seitenfacette des Halbleiterlasers angrenzen. Dadurch, dass ein Phasenstrukturbereich an eine Seitenfacette des Halbleiterlasers angrenzt, koppelt das sich in Richtung der Seitenfacette ausbreitende Laserlicht nur einmal in den Phasenstrukturbereich ein und beim Rücklauf nach der Reflektion an der Seitenfacette einmal wieder aus dem Phasenstrukturbereich aus . Im Gegensatz dazu würde die Laserstrahlung bei einem Phasenstrukturbereich, der nicht bis an die Seitenfacette des Halbleiterlasers heranreicht, zunächst in den Phasenstrukturbereich einkoppeln und wieder auskoppeln und nach der Reflektion an der Seitenfacette erneut in den Phasenstrukturbereich einkoppeln und danach wieder aus dem Phasenstrukturbereich auskoppeln.
Durch das Angrenzen des Phasenstrukturbereichs an die Seitenfacette des Halbleiterlasers wird daher die Anzahl der Überkoppelvorgänge zwischen dem Phasenstrukturbereich und dem Hauptbereich an der jeweiligen Seitenfacette um zwei vermindert. Wenn auf beiden Seiten des Halbleiterlasers jeweils ein Phasenstrukturbereich an die Seitenfacette angrenzt, vermindert sich die Anzahl der Überkoppelvorgänge bei einem kompletten Umlauf der Laserstrahlung in dem durch die Seitenfacetten ausgebildeten Laserresonator, dass heißt einem Hin- und Rücklauf, von acht auf vier
Überkoppelvorgänge. Auf diese Weise werden die Koppelverluste in dem Halbleiterkörper vermindert, wodurch sich die Effizienz des Halbleiterlasers verbessert.
Eine weitere vorteilhafte Verminderung der Koppelverluste, die beim Übertreten der Laserstrahlung aus dem Phasenstrukturbereich in den benachbarten Hauptbereich des Halbleiterkörpers und umgekehrt auftreten, kann dadurch erzielt werden, dass zwischen dem Phasenstrukturbereich und dem Hauptbereich ein Übergangsbereich ausgebildet ist, in dem der effektive Brechungsindex in mehreren Stufen oder kontinuierlich variiert. In diesem Fall grenzt der Phasenstrukturbereich also nicht direkt an den benachbarten Hauptbereich an, sondern ist durch einen Übergangsbereich von diesem getrennt. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich der Brechungsindex zwischen dem Phasenstrukturbereich und dem benachbarten Hauptbereich nicht abrupt verändert, sondern kontinuierlich oder in mehreren Teilschritten, die jeweils kleiner als die Brechungsindexdifferenz zwischen dem Hauptbereich und dem Phasenstrukturbereich sind.
Bei einem kontinuierlichen Übergang des Brechungsindex zwischen dem Phasenstrukturbereich und dem Hauptbereich ist es vorteilhaft, wenn der Gradient, d.h. die Änderung Δneff des effektiven Brechungsindex pro Längeneinheit, nicht mehr als 0,01 μm"1 beträgt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von
Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 6 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 2A eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines kantenemittierenden Halbleiterlasers ,
Figur 2B eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf das in Figur 2A dargestellte Ausführungsbeispiel,
Figuren 3A, 3B, 3C, 3D und 3E eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines kantenemittierenden Halbleiterlasers anhand von Zwischenschritten,
Figuren 4A, 4B, 4C, 4D und 4E eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines kantenemittierenden Halbleiterlasers anhand von Zwischenschritten, Figuren 5A, 5B, 5C, 5D und 5E eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines kantenemittierenden Halbleiterlasers anhand von Zwischenschritten, und
Figur 6 eine graphische Darstellung des Verlaufs des Brechungsindex n sowie der elektrischen Feldstärke E in dem Halbleiterkörper eines weiteren Ausführungsbeispiels eines kantenemittierenden Halbleiterlasers .
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 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 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 u. a. 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 11 des Halbleiterkörpers 10 zugewandten Seiten angeordnet und die zweite Mantelschicht IB ist auf einer von der aktiven Schicht 3 aus gesehen dem Substrat 11 abgewandten Seite des Halbleiterkörpers 10 angeordnet .
Zwischen dem Substrat 11 des Halbleiterkörpers 10 und der ersten Mantelschicht IA können eine oder mehrere Zwischenschichten 12 angeordnet sein. Die elektrische Kontaktierung des kantenemittierenden Halbleiterlasers erfolgt beispielsweise durch eine erste elektrische Kontaktschicht 13 an der von der aktiven Schicht 3 abgewandten Rückseite des Substrats 11 und eine zweite elektrische Kontaktschicht 14 an einer von dem Substrat abgewandten Oberseite des Halbleiterkörpers 10. Zwischen der zweiten Mantelschicht IB und der elektrischen Kontaktschicht 14 können eine oder mehrere weitere Zwischenschichten 12 angeordnet sein.
Die Mantelschichten IA, IB weisen vorteilhaft einen geringeren Brechungsindex als die Wellenleiterschichten 2A, 2B auf, wodurch die sich in lateraler Richtung ausbreitende Laserstrahlung im Wesentlichen in dem Wellenleiterbereich 4 eingeschlossen wird. Wegen des endlichen
Brechungsindexunterschieds zwischen den Wellenleiterschichten 2A, 2B und den Mantelschichten IA, IB breiten sich die Lasermoden aber auch zumindest teilweise bis in die Mantelschichten IA, IB aus. Die Ausbreitung der Laserstrahlung in lateraler Richtung lässt sich daher durch einen effektiven Brechungsindex beschreiben, der von den Brechungsindizes der Mantelschichten IA, IB, der Wellenleiterschichten 2A, 2B und der aktiven Schicht 3 abhängt .
Der Halbleiterkörper 10 weist jeweils in den an die Seitenfacetten 9 des Halbleiterlasers angrenzenden Bereichen Phasenstrukturbereiche 6 auf, die zur Selektion lateraler Moden der von der aktiven Schicht 3 emittierten Laserstrahlung dienen. In den Phasenstrukturbereichen 6 weicht der effektive Brechungsindex np eff von dem effektiven Brechungsindex njj eff in dem in lateraler Richtung benachbarten Hauptbereich 5 des Halbleiterkörpers 10 ab.
Die Phasenstrukturbereiche 6 sind beispielsweise dadurch erzeugt, dass die zweite Mantelschicht IB in den an die Seitenfacetten 9 des Halbleiterkörpers 10 angrenzenden Bereichen zumindest teilweise abgetragen ist. Dies kann beispielsweise durch einen Ätzprozess erfolgen, wobei beispielsweise auch die Zwischenschichten 12 und die zweite Kontaktschicht 14 in diesen Bereichen abgetragen werden. Die zweite Mantelschicht IB ist also in den an die Seitenfacetten 9 angrenzenden Bereichen dünner als in dem Hauptbereich 5 oder sogar vollständig entfernt. Da sich die Lasermoden bei ihrer Ausbreitung in lateraler Richtung in dem Halbleiterkörper 10 auch zumindest teilweise bis in die zweite Mantelschicht IB erstrecken, bewirkt die Abdünnung der zweiten Mantelschicht IB in den Phasenstrukturbereichen 6 eine Veränderung des effektiven Brechungsindex gegenüber dem Hauptbereich 5.
Die Koppelverluste zwischen den Phasenstrukturbereichen 6 und dem Hauptbereich 5 sind vorteilhaft gering, da die Phasenstrukturbereiche 6 nicht in dem Wellenleiterbereich 4, in dem die sich in lateraler Richtung ausbreitende Laserstrahlung die größte Intensität aufweist, sondern nur in der zweiten Mantelschicht IB ausgebildet sind.
Durch die Phasenstrukturbereiche 6 kann die Ausbreitung der Moden in lateraler Richtung gezielt beeinflusst werden, wobei insbesondere erreicht werden kann, dass höhere laterale Moden stärkere Umlaufverluste in dem zwischen den Seitenfacetten 9 angeordnetem Laserresonator aufweisen als die laterale Grundmode des Halbleiterlasers . Durch eine geeignete Ausbildung der Phasenstrukturen 6 kann daher insbesondere ein Monomode-Betrieb des Halbleiterlasers erreicht werden, in dem nur die laterale Grundmode anschwingt. Weiterhin ist es durch die Phasenstrukturen 6 auch möglich, das Strahlprofil der lateralen Grundmode zu formen. Beispielsweise kann das typischerweise Gaußförmige Strahlprofil der Grundmode durch geeignete Phasenstrukturen an eine Rechteckform angenähert werden. Ein zumindest nahezu rechteckförmiges Strahlprofil hat gegenüber einem Gaußförmigen Strahlprofil den Vorteil, dass ein Aufschmelzen im Bereich der Seitenfacetten (COMD- catastrophic optical mirror damage) erst bei einer höheren Ausgangsleistung auftreten würde.
Die Berechnung der dreidimensionalen Struktur der Phasenstrukturbereiche 6 derart, dass eine gewünschte Beeinflussung des lateralen Modenspektrums erreicht wird, ist an sich aus der Druckschrift WO 01/97349 Al bekannt, deren Offenbarungsgehalt diesbezüglich hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Die Breite des Phasenstrukturbereichs 6, in dem die zweite Mantelschicht IB zumindest teilweise abgetragen ist, ist in der Ebene der zweiten Mantelschicht IB nicht konstant, sondern folgt einer vorgegebenen Funktion, die unter Einbeziehung der Parameter der Materialien der Halbleiterschichtenfolge, der geometrischen Abmessungen und der Wellenlänge der emittierten Strahlung derart voraus berechnet ist, dass höhere laterale Lasermoden größere Umlaufverluste in dem durch die Seitenfacetten 9 ausgebildeten Laserresonator erfahren als niedrigere laterale Moden, insbesondere die laterale Grundmode des Halbleiterlasers. Beispielsweise kann der Abstand zwischen den jeweiligen Seitenfacetten 9 des Halbleiterlasers und der Ätzflanken 8 in der zweiten Mantelschicht IB, durch die die Phasenstrukturbereiche 6 erzeugt sind, in der Ebene der zweiten Mantelschicht IB einen wellenförmigen Verlauf annehmen, wie es in der Aufsicht in Figur IB dargestellt ist.
Der effektive Brechungsindex np(βff der
Phasenstrukturbereiche 6 weicht vorteilhaft um nicht mehr als l*10~2 von dem effektiven Brechungsindex njj eff des in lateraler Richtung an die Phasenstrukturbereiche 6 angrenzenden Hauptbereichs 5 des Halbleiterkörpers 10 ab. Auf diese Weise wird erreicht, dass Koppelverluste, die beim Übertritt der Laserstrahlung aus dem Hauptbereich 5 in die Phasenstrukturbereiche 6 und umgekehrt auftreten, vermindert werden. Das Modenprofil in vertikaler Richtung, also senkrecht zu den Schichtebenen der Schichten des Halbleiterkörpers 10, wird aufgrund der geringen Unterschiede des effektiven Brechungsindex zwischen dem Hauptbereich 5 und den Phasenstrukturbereichen 6 nur geringfügig beeinflusst. Im Gegensatz dazu würden bei größeren abrupten
Brechungsindexsprüngen zwischen einem Phasenstrukturbereich 6 und dem Hauptbereich 5 unerwünschte Reflexionen an den Grenzflächen zwischen diesen Bereichen auftreten, durch die die Effizienz des Halbleiterlasers vermindert würde.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Differenz des Brechungsindex zwischen dem Phasenstrukturbereich 6 und dem Hauptbereich 5 mindestens l*10"3 beträgt. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Brechungsindexdifferenz zwischen dem Hauptbereich 5 und den Phasenstrukturbereichen 6 gegenüber unerwünschten Brechungsindexfluktuationen innerhalb des Halbleiterkörpers 10, die beispielsweise durch eine Variation der Temperatur oder der Ladungsträgerdichte innerhalb des Halbleiterkörpers 10 entstehen können, dominiert. Die Brechungsindexdifferenz zwischen dem Phasenstrukturbereich 6 und dem Hauptbereich 5 liegt also vorteilhaft zwischen einschließlich l*10~3 und einschließlich l*10"2.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass sich die Phasenstrukturbereiche 6 bis an die Seitenfacetten 9 des Halbleiterlasers erstrecken. Bei einem vollständigen Umlauf in dem durch die Seitenfacetten 9 des Halbleiterkörpers 10 ausgebildeten Laserresonator koppelt die Laserstrahlung also jeweils einmal in die beiden Phasenstrukturbereiche 6 ein und einmal aus den beiden Phasenstrukturbereichen 6 aus . Wenn die Phasenstrukturbereiche 6 dagegen nicht an die Seitenfacetten 9 des Halbleiterkörpers 10 angrenzen würden, sondern so von den Seitenfacetten 9 beabstandet wären, dass sich zwischen den Phasenstrukturbereichen 6 und den Seitenfacetten jeweils ein weiterer Teil des Hauptbereichs 5 befinden würde, müsste die Laserstrahlung in jede der Phasenstrukturen zweimal einkoppeln und zweimal wieder auskoppeln, so dass bei einem kompletten Umlauf der Laserstrahlung in dem Laserresonator insgesamt acht ÜberkoppelVorgänge stattfinden würden. Die Verringerung der Überkoppelvorgänge auf eine Anzahl von vier, die durch die an die Seitenfacetten 9 angrenzenden Phasenstrukturbereiche 6 erreicht wird, hat den Vorteil, dass Verluste in dem Laserresonator vermindert werden und sich dadurch die Effizienz des Halbleiterlasers verbessert.
In den Figuren 2A und 2B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines kantenemittierenden Halbleiterlasers dargestellt. Die Figur 2A zeigt einen Querschnitt entlang der Linie AB der in Figur 2B dargestellten Aufsicht.
Der Halbleiterkörper 10 weist die gleiche Schichtenfolge auf wie das zuvor beschriebene erste Ausführungsbeispiel. Wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel weist der Halbleiterkörper 10 einen Hauptbereich 5 und Phasenstrukturbereiche 6 auf, wobei sich der effektive Brechungsindex in den Phasenstrukturbereichen 6 von dem effektiven Brechungsindex in dem Hauptbereich 5 , unterscheidet, weil die zweite Mantelschicht IB in den Phasenstrukturbereichen 6 teilweise abgetragen ist.
Der Unterschied zu dem zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispiel besteht darin, dass sich die Dicke der zweiten Mantelschicht IB zwischen den Phasenstrukturbereichen 6 und dem Hauptbereich 5 nicht abrupt ändert, sondern dass sich zwischen dem Hauptbereich 5 und den
Phasenstrukturbereichen 6 jeweils ein Übergangsbereich 7 befindet, in dem sich die Dicke der ersten Mantelschicht IB und somit der effektive Brechungsindex in lateraler Richtung kontinuierlich ändert.
Wie in dem in Figur 2A dargestellten Querschnitt zu erkennen ist, steigt die Dicke der zweiten Mantelschicht IB in dem Übergangsbereich 7 jeweils linear von der geringen Dicke in dem Phasenstrukturbereich 6 auf die größere Dicke in dem Hauptbereich 5 an.
Bei diesem linearen Anstieg der Dicke der zweiten Mantelschicht IB in dem Übergangsbereich 7 beträgt der Gradient des Anstiegs des effektiven Brechungsindex vorzugsweise nicht mehr als 0,01 μm"1.
Durch den kontinuierlichen oder stufenweisen Anstieg der Dicke der zweiten Mantelschicht IB in den Übergangsbereichen 7 des zweiten Ausführungsbeispiels wird erreicht, dass zwischen dem Phasenstrukturbereich 6 und dem Hauptbereich 5 kein abrupter Sprung des Brechungsindex erfolgt, wodurch Koppelverluste zwischen dem Hauptbereich 5 und den Phasenstrukturbereichen 6 weiter vermindert werden. Das Modenprofil in vertikaler Richtung wird in diesem Fall durch die Phasenstrukturbereiche 6 nur geringfügig beeinflusst, wodurch sich Verluste in dem Laserresonator vermindern und sich somit die Effizienz des Halbleiterlasers weiter verbessert .
In den Figuren 3A bis 3E ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines kantenemittierenden Halbleiterlasers anhand von Zwischenschritten dargestellt.
Wie in Figur 3A dargestellt werden auf ein Substrat 11 eine erste Mantelschicht IA, der Wellenleiterbereich 4 und eine zweite Mantelschicht IB aufgebracht. Der Wellenleiterbereich 4 enthält wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen eine aktive Schicht, die zwischen mindestens zwei Wellenleiterschichten eingeschlossen ist. Die einzelnen Schichten des Wellenleiterbereichs 4 sind zur Vereinfachung der Darstellung nicht einzeln dargestellt. Weiterhin sind auch gegebenenfalls eingefügte Zwischenschichten, die beispielsweise zwischen dem Substrat 11 und der ersten Mantelschicht IA angeordnet sein können, zur Vereinfachung der Darstellung nicht dargestellt.
Bei dem in Figur 3B dargestellten Zwischenschritt sind in der zweiten Mantelschicht IB in an die Seitenfacetten des Halbleiterkörpers angrenzenden Bereichen jeweils Phasenstrukturbereiche 6 erzeugt worden. Die zweite Mantelschicht IB ist dazu, beispielsweise mittels eines Ätzprozesses, in den Phasenstrukturbereichen 6 teilweise abgetragen worden.
Wie in Figur 3C dargestellt ist, wird in einem nachfolgenden Verfahrensschritt eine Passivierungsschicht 15 auf den abgedünnten Bereich der ersten Mantelschicht IB, die Ätzflanken 8 und einen an die Ätzflanken 8 angrenzenden Teilbereich des Hauptbereichs 5 der ersten Mantelschicht IB aufgebracht. Bei dem Material der Passivierungsschicht 15 kann es sich insbesondere um ein Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder ein Siliziumoxinitrid handeln. Der Brechungsindex der Passivierungsschicht 15 beeinflusst den effektiven Brechungsindex in den Phasenstrukturbereichen. Der Brechungsindex der Passivierungsschicht 15, der im Falle eines Siliziumoxinitrids beispielsweise etwa 2 beträgt, wird daher bei der Berechnung der Phasenstruktur berücksichtigt. Bei dem in Figur 3D dargestellten Zwischenschritt ist auf den Hauptbereich 5 der zweiten Mantelschicht IB eine Kontaktmetallisierung 14 aufgebracht worden. Die Kontaktmetallisierung 14 enthält vorzugsweise eine oder mehrere Schichten aus einem Metall oder einer Metallverbindung. Insbesondere kann es sich bei der Kontaktmetallisierung 14 um eine Schichtenfolge aus einer Titan-Schicht, einer Platin-Schicht und einer Gold-Schicht handeln. Eine derartige Kontaktschichtenfolge 14 ist insbesondere zur elektrischen Kontaktierung eines p-Typ- Halbleitermaterials geeignet, aus dem zum Beispiel die zweite Mantelschicht IB gebildet ist.
Bei dem in Figur 3E dargestellten Verfahrensschritt ist das Substrat 11 abgedünnt worden. Dieser und die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte können im Waferverbund durchgeführt werden, wobei der Wafer nachfolgend in einzelne Laserdiodenbauelemente vereinzelt werden kann. Durch das Abdünnen des Substrats 11 kann der Wafer leichter in einzelne Bauelemente zertrennt werden. Weiterhin ist bei dem in Figur 3E dargestellten Verfahrensschritt eine weitere Kontaktmetallisierung 13 auf die Rückseite des Substrats 11 aufgebracht worden.
In den Figuren 4A bis 4E wird ein weiteres
Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines kantenemittierenden Halbleiterlasers anhand von Zwischenschritten erläutert.
Wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel werden, wie in Figur 4A dargestellt, zunächst eine erste Mantelschicht IA, der Wellenleiterbereich 4 und eine zweite Mantelschicht IB auf ein AufwachsSubstrat 11 aufgewachsen. Nachfolgend werden, wie in Figur 4B dargestellt, Phasenstrukturbereiche 6 in der zweiten Mantelschicht IB erzeugt. Die zweite Mantelschicht IB wird dazu in den an die Seitenfacetten des Halbleiterkörpers angrenzenden Bereichen abgedünnt. Das Abdünnen der zweiten Mantelschicht IB erfolgt vorzugsweise durch einen Ätzprozess . Im Gegensatz zum zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel werden jedoch keine senkrecht zur Schichtebene der zweiten Mantelschicht IB verlaufenden Ätzflanken erzeugt, sondern schräg zur zweiten Mantelschicht IB verlaufende Ätzflanken 16.
Die Herstellung der schräg verlaufenden Ätzflanken 16 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein als Ätzmaske dienender Photolack zunächst auf die Phasenstrukturbereiche 6 aufgebracht wird und nachfolgend bei einer erhöhten Temperatur verflüssigt wird, so dass sich aufgrund der Oberflächenspannung flache Flanken ausformen. Die Struktur einer derartigen Photolackschicht mit schräg abfallender Seitenflanke wird in einem nachfolgenden Ätzprozess, insbesondere einem Trockenätzprozess, in die zweite Mantelschicht IB übertragen. Die Steilheit der Ätzflanke 16 kann über die Selektivität, das heißt das Ätzratenverhältnis der zweiten Mantelschicht IB und des Photolacks, eingestellt werden.
Wie in Figur 4C dargestellt wird nachfolgend eine Passivierungsschicht 15 auf den abgedünnten Teilbereich der zweiten Mantelschicht IB, die schräge Ätzflanke 16 und einen an die Ätzflanke 16 angrenzenden Teilbereich des Hauptbereichs 5 aufgebracht. Wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel wird, wie in Figur 4D dargestellt, eine Kontaktmetallisierung 14, beispielsweise eine Titan-Platin-Gold-Schichtenfolge, auf die zweite Mantelschicht IB aufgebracht.
Weiterhin kann wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel das Substrat 11 abgedünnt werden und eine weitere Kontaktmetallisierung 13 auf die Rückseite des Substrats 11 aufgebracht werden, wie in Figur 4E dargestellt ist.
In den Figuren 5A bis 5E ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines kantenemittierenden Halbleiterlasers anhand von Zwischenschritten dargestellt.
Bei dem in Figur 5A dargestellten Zwischenschritt sind wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen eine erste Mantelschicht IA, der Wellenleiterbereich 4 und eine zweite Mantelschicht IB auf ein Substrat 11 aufgebracht worden.
Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgt die Herstellung der Phasenstrukturbereiche 6 in dem Halbleiterkörper jedoch nicht dadurch, dass ein Teilbereich der zweiten Mantelschicht IB abgedünnt wird. Vielmehr werden die Phasenstrukturbereiche 6, wie in Figur 5B schematisch dargestellt ist, dadurch erzeugt, dass in den Phasenstrukturbereichen zumindest ein zusätzlicher Dotierstoff in die Halbleiterschichtenfolge implantiert oder eindiffundiert wird.
Durch eine Aktivierung des zusätzlichen Dotierstoffs verringern die dadurch in den Phasenstrukturbereichen 6 erzeugten zusätzlichen Ladungsträger über den Plasmaeffekt den Brechungsindex der Halbleiterschichten und damit auch den effektiven Brechungsindex in den Phasenstrukturbereichen 6. Die Phasenstrukturbereiche 6 sind also als Implantations- oder Diffusionsbereiche ausgeführt. Die Phasenstrukturbereiche 6 grenzen vorteilhaft an die Seitenfacetten 9 des kantenemittierenden Halbleiterlasers an. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn sich die Diffusions- oder Implantationsbereiche durch alle Schichten, in denen sich die Laserstrahlung in lateraler Richtung ausbreitet, erstrecken. Beispielsweise kann die Diffusion oder Implantation durch die zweite Mantelschicht IB, den Wellenleiterbereich 4 und die erste Mantelschicht IA bis in Teilbereiche des Substrats 11 hinein erfolgen, wie in Figur 5B dargestellt.
Die Konzentration des zusätzlichen Dotierstoffs in den Phasenstrukturbereichen 6 wird bevorzugt so eingestellt, dass sich der effektive Brechungsindex in den
Phasenstrukturbereichen 6 von dem effektiven Brechungsindex in dem Hauptbereich 5 um nicht mehr als l*10"2 und bevorzugt um mindestens l*10"3 unterscheidet.
Anstelle von Diffusions- oder Implantationsbereichen kann es sich bei den Phasenstrukturbereichen 6 alternativ auch um Durchmischungsbereiche handeln. Bei dieser Ausführungsform sind die Mantelschichten IA, IA und/oder die in dem Wellenleiterbereich 4 enthaltene aktive Schicht und Wellenleiterschichten jeweils als Schichtfolge aus mehreren Einzelschichten aufgebaut. Beispielsweise können die Mantelschichten, die aktive Schicht und/oder die Wellenleiterschichten aus einer Mehrzahl von AlGaAs-Schichten oder InGaAlP-Schichten mit unterschiedlicher AI-Konzentration zusammengesetzt sein. Durch eine Durchmischung solcher Vielschichtstrukturen ändert sich die Bandlücke und somit auch, der effektive Brechungsindex in dem durchmischten Bereich.
Verfahren zur Durchmischung von Vielschichtstrukturen zur Änderung der Bandlücke sind an sich bekannt, zum Beispiel aus der Druckschrift DE 102004040518 Al. Beispielsweise kann das Durchmischen der Vielschichtstruktur durch Eindiffusion oder Implantation von Si oder Zn erfolgen, wobei nachfolgend vorzugsweise eine Temperaturbehandlung durchgeführt wird. Weiterhin kann die Durchmischung auch durch Bestrahlung mit Laserstrahlung erfolgen.
Die nachfolgenden Verfahrensschritte entsprechen den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen. Wie in Figur 5C dargestellt, wird eine Passivierungsschicht 15 auf die Phasenstrukturbereiche 6 und einen Teilbereich des in lateraler Richtung angrenzenden Hauptbereichs 5 aufgebracht. Nachfolgend wird der Hauptbereich 5 des Halbleiterkörpers mit einer elektrischen Kontaktschicht 14 versehen, wie in Figur 5D dargestellt ist.
Bei dem weiteren in Figur 5E dargestellten Verfahrensschritt wird das Substrat 11 des Halbleiterkörpers abgedünnt und eine zweite elektrische Kontaktschicht 13 auf eine von der Halbleiterschichtenfolge abgewandte Rückseite des Substrats 11 aufgebracht.
In Figur 6 ist der Verlauf des Brechungsindex n sowie der elektrischen Feldstärke E in Abhängigkeit von einer Ortskoordinate z, die von der Oberfläche des Halbleiterkörpers zum Substrat verläuft, für ein weiteres Ausführungsbeispiel eines kantenemittierenden Halbleiterlasers dargestellt. Der Halbleiterkörper enthält ein Substrat 11, beispielsweise aus GaAs, auf das eine Zwischenschicht 12 aufgebracht ist, zum Beispiel eine AlGaAs-Schicht . Darauf folgt eine erste Mantelschicht IA, die insbesondere eine InAlP-Schicht sein kann und zum Beispiel eine Dicke von etwa 800 nra aufweist.
Auf die erste Mantelschient IA folgt ein Wellenleiterbereich 4, der zum Beispiel eine Gesamtdicke von etwa 120 nm aufweist. Der Wellenleiterbereich 4 umfasst eine erste Wellenleiterschicht 2A und zweite Wellenleiterschicht 2B, die zum Beispiel In0.5Ga0.3Al0.2P enthalten, wobei zwischen den Wellenleiterschichten 2A,2B eine aktive Schicht 3, insbesondere ein Quantenfilm aus InGaP, eingebettet ist. Darauf folgen eine optionale etwa 200 nm dicke weitere Wellenleiterschicht 2C, die zum Beispiel In0.5Ga0.15Al0.35P aufweist, und eine zweite Mantelschicht IB, die wie die erste Mantelschicht IA InAlP mit einer Dicke von etwa 800 nm aufweisen kann.
Auf die zweite Mantelschicht IB folgt eine etwa 50 nm dicke Zwischenschicht 12, beispielsweise aus InGaP, und darauf eine Kontaktschicht 14, insbesondere eine GaAs-Schicht .
Die dünne gestrichelte Linie 18 gibt den Verlauf des Brechungsindex n in dem Hauptbereich des Halbleiterlasers wieder, in dem kein Phasenstrukturbereich ausgebildet ist. Die fettgedruckte gestrichelte Linie 19 stellt den Verlauf des Brechungsindex n in einem Phasenstrukturbereich des Halbleiterlasers dar.
Wie durch die fettgedruckte gestrichelte Linie 19 angedeutet wird, ist die Dicke der zweiten Mantelschicht IB in dem Phasenstrukturbereich auf etwa 100 nm abgedünnt und eine Passivierungsschicht 15, beispielsweise aus SiON, mit einem Brechungsindex von etwa 2,0 auf die zweite Mantelschicht IB aufgebracht. Unterhalb der zweiten Mantelschicht IB sind der Verlauf des Brechungsindex in dem Hauptbereich und dem Phasenstrukturbereich gleich.
Weiterhin ist in Figur 6 der Verlauf des elektrischen Feldes E in dem Hauptbereich (Kurve 20) und in dem Phasenstrukturbereich (Kurve 21) , jeweils in willkürlichen Einheiten, dargestellt. In dem Hauptbereich breitet sich das elektrische Feld E bis in die zweite Mantelschicht IB hinein aus. In dem Phasenstrukturbereich, in dem die zweite Mantelschicht IB bis auf eine Dicke von etwa 100 nm abgedünnt ist und sich eine Passivierungsschicht 15 daran anschließt, dringt das elektrische Feld dagegen weniger in die zweite Mantelschicht IB und die Passivierungsschicht 15 ein, was insbesondere auf den großen Brechungsindexsprung zwischen dem abgedünnten Bereich der zweiten Wellenleiterschicht IB und der Passivierungsschicht 15 zurückzuführen ist.
Insgesamt ist der Einfluss des Phasenstrukturbereichs auf die Verteilung des elektrischen Feldes in vertikaler Richtung des Halbleiterlasers aber nur gering, wodurch Koppelverluste zwischen dem Phasenstrukturbereich und dem Hauptbereich vermindert werden und sich somit die Effizienz des Halbleiterlasers verbessert.
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 Korabination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Kantenemittierender Halbleiterlaser mit einem Halbleiterkörper (10) , 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 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, und
- der Halbleiterkörper (10) einen Hauptbereich (5) und mindestens einen dem Hauptbereich (5) in lateraler Richtung benachbarten Phasenstrukturbereich (6) aufweist, in dem eine Phasenstruktur zur Selektion lateraler Moden der von der aktiven Schicht (3) emittierten Laserstrahlung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenstrukturbereich (6) außerhalb des
Wellenleiterbereichs (4) ausgebildet ist.
2. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenstrukturbereich (6) in der zweiten Mantelschicht (IB) ausgebildet ist.
3. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Mantelschicht (IB) in dem
Phasenstrukturbereich (6) zumindest teilweise abgetragen ist.
4. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Phasenstrukturbereich (6) und dem Hauptbereich (5) ein Übergangsbereich (7) ausgebildet ist, in dem sich die Dicke der zweiten Mantelschicht (IB) stufenweise oder kontinuierlich verändert.
5. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der zweiten Mantelschicht (IB) in dem Übergangsbereich (7) linear von der Dicke in dem Phasenstrukturbereich (6) auf die Dicke in dem Hauptbereich (5) ansteigt.
6. Kantenemittierender Halbleiterlaser mit einem
Halbleiterkörper (10) , 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 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, und
- der Halbleiterkörper (10) einen Hauptbereich (5) und mindestens einen dem Hauptbereich. (5) in lateraler Richtung benachbarten Phasenstrukturbereich (6) aufweist, in dem eine Phasenstruktur zur Selektion lateraler Moden der von der aktiven Schicht (3) emittierten Laserstrahlung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Phasenstrukturbereich (6) ein Dotierstoff eingebracht ist, der durch den der effektive Brechungsindex np eff des Phasenstrukturbereichs (6) gegenüber dem Hauptbereich (5) verändert ist.
7. Kantenemittierender Halbleiterlaser mit einem
Halbleiterkörper (10) , 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 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, und
- der Halbleiterkörper (10) einen Hauptbereich (5) und mindestens einen dem Hauptbereich (5) in lateraler Richtung benachbarten Phasenstrukturbereich (6) aufweist, in dem eine Phasenstruktur zur Selektion lateraler Moden der von der aktiven Schicht (3) emittierten Laserstrahlung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (10) in dem Phasenstrukturbereich (6) eine Durchmischungsstruktur aufweist.
8. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der effektive Brechungsindex np eff des Phasenstrukturbereichs (6) um nicht mehr als l*10"2 von dem effektiven Brechungsindex n-R eff eines dem Phasenstrukturbereich (6) in lateraler Richtung benachbarten Hauptbereichs (5) des Halbleiterkörpers (10) abweicht.
9. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der effektive Brechungsindex np eff des Phasenstrukturbereichs (6) um mindestens l*10~3 von dem effektiven Brechungsindex nfj/θff des Hauptbereichs (5) abweicht .
10. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenstrukturbereich (6) an eine Seitenfacette (9) des Halbleiterkörpers (10) angrenzt.
11. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Phasenstrukturbereich (6) an eine der Seitenfacette (9) gegenüberliegende zweite Seitenfacette des Halbleiterkörpers (10) angrenzt.
12. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Phasenstrukturbereich (6) und dem Hauptbereich (5) ein Übergangsbereich (7) ausgebildet ist, in dem der effektive Brechungsindex in mehreren Stufen oder kontinuierlich variiert.
13. Kantenemittierender Halbleiterlaser Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der effektive Brechungsindex in dem Übergangsbereich (7) kontinuierlich variiert, wobei der Gradient des effektiven Brechungsindex nicht mehr als 0,01 μm"1 beträgt .
14. Kantenemittierender Halbleiterlaser einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Mantelschicht (IB) in dem
Phasenstrukturbereich (6) mit einer Passivierungsschicht (15) versehen ist.
15. Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungsschicht (15) ein Siliziumoxid, ein Siliziumnitrid oder ein Siliziumoxinitrid enthält.
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