WO2023160865A1 - Kantenemittierende halbleiterlaserdiode - Google Patents

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WO2023160865A1
WO2023160865A1 PCT/EP2022/087230 EP2022087230W WO2023160865A1 WO 2023160865 A1 WO2023160865 A1 WO 2023160865A1 EP 2022087230 W EP2022087230 W EP 2022087230W WO 2023160865 A1 WO2023160865 A1 WO 2023160865A1
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substrate
laser diode
edge
semiconductor laser
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PCT/EP2022/087230
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Matthias Heidemann
Christoph Eichler
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Ams-Osram International Gmbh
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    • H01S5/4087—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar emitting more than one wavelength

Definitions

  • An edge-emitting semiconductor laser diode is specified.
  • An edge-emitting semiconductor laser diode is to be specified which has an improved beam quality. This object is achieved by an object having the features of the independent patent claim.
  • the edge-emitting semiconductor laser diode has a substrate with a first main area and a second main area lying opposite the first main area.
  • the substrate is, for example, a growth substrate or a carrier substrate.
  • the substrate is set up in particular for mechanical stabilization of the edge-emitting semiconductor laser diode.
  • the main surfaces preferably have a larger surface area than the side surfaces of the substrate.
  • the substrate has, for example, gallium nitride, sapphire, silicon, silicon carbide, or gallium arsenide, or consists of one of these materials.
  • the edge-emitting semiconductor laser diode has an epitaxial semiconductor layer stack on the first main surface of the Substrate on, wherein the epitaxial semiconductor layer stack comprises an active layer for generating electromagnetic radiation.
  • the epitaxial semiconductor layer stack has grown epitaxially on the first main area of the substrate.
  • a main extension plane of layers of the epitaxial semiconductor layer stack is preferably arranged parallel to the first main area of the substrate.
  • the epitaxial semiconductor layer stack preferably has a II-IV compound semiconductor material or consists of a II-IV compound semiconductor material.
  • a III/V compound semiconductor material has at least one element from the third main group, such as B, Al, Ga, In, and one element from the fifth main group, such as N, P, As, for example.
  • the term “III/V compound semiconductor material” includes the group of binary, ternary or quaternary compounds which contain at least one element from the third main group and at least one element from the fifth main group, for example a nitride compound semiconductor material.
  • Nitride compound semiconductor materials are compound semiconductor materials that contain nitrogen, such as the materials from the system In x Al y Gai- xy N with 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1 and x+y ⁇ 1.
  • the active layer preferably comprises a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well or particularly preferably a multiple quantum well structure (MQW) for generating radiation.
  • the term quantum well structure does not contain any information about the dimensionality of the quantization. It thus includes, among other things, quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures .
  • the active layer is set up, for example, to generate electromagnetic radiation in a spectral range between infrared and ultraviolet light inclusive.
  • the substrate and the epitaxial semiconductor layer stack applied thereto have two opposite facets.
  • the facets are, in particular, side surfaces of the substrate and of the epitaxial semiconductor layer stack and are arranged, for example, perpendicularly or at an angle to the first main surface of the substrate.
  • a highly reflective layer which is set up to reflect electromagnetic radiation generated during operation, is preferably arranged on a facet, which is referred to below as the rear side facet.
  • the highly reflective layer reflects at least 90%, preferably at least 99%, of the incident electromagnetic radiation generated during operation.
  • the facet opposite the rear side facet is referred to below as the light output facet.
  • the light coupling-out facet is set up to couple electromagnetic radiation generated during operation from the edge-emitting laser diode.
  • An anti-reflective layer is preferably arranged on the light output facet, which has a lower reflectivity than the highly reflective layer on the rear side facet. For example, the anti-reflective layer reflects between 10% and 80% inclusive the incident electromagnetic radiation generated during operation.
  • the rear side facet and the light output facet form, in particular, an optical resonator with the layers applied thereon.
  • the optical resonator can also include additional optical elements, such as external mirrors. Electromagnetic radiation generated in the active layer during operation forms a standing electromagnetic wave in the optical resonator.
  • the active layer is set up to generate electromagnetic laser radiation.
  • Electromagnetic laser radiation is created by stimulated emission and, in contrast to electromagnetic radiation that is generated by spontaneous emission, usually has a very long coherence length, a very narrow spectral line width and/or a high degree of polarization.
  • the edge-emitting semiconductor laser diode has at least one matching layer which is arranged on the second main area of the substrate.
  • the matching layer is applied directly to the second main area of the substrate.
  • the matching layer preferably has a dielectric material or a semiconductor material, or consists of one of these materials.
  • the edge-emitting laser diode can also have a number of matching layers.
  • the edge-emitting semiconductor laser diode has an absorption layer that is directly on the matching layer applied and set up to at least partially absorb electromagnetic radiation generated during operation.
  • the absorption layer is preferably applied to a side of the matching layer that faces away from the substrate and completely or partially covers the matching layer.
  • the absorption layer is set up in particular to at least partially absorb electromagnetic laser modes propagating in the substrate.
  • the absorption layer has an absorption coefficient of at least 100 cur 1 , preferably at least 1000 cur 1 , for electromagnetic radiation generated during operation.
  • the substrate and the matching layer are transparent to electromagnetic radiation generated during operation.
  • a band gap of the substrate and a band gap of the matching layer are larger than a band gap of the active layer of the epitaxial semiconductor layer stack.
  • the substrate and the matching layer have transmittances for electromagnetic radiation generated during operation of at least 5%, preferably at least 10%, and particularly preferably at least 50%.
  • the adaptation layer is set up to increase the absorption of electromagnetic radiation in the absorption layer.
  • the adaptation layer is set up to set a phase and a position of intensity maxima of the laser modes propagating in the substrate in such a way that these laser modes experience strong attenuation by the absorption layer.
  • the attenuation of the laser modes propagating in the substrate is in one Edge-emitting semiconductor laser diode with the matching layer by at least one order of magnitude larger, preferably by at least two orders of magnitude larger, than in an otherwise structurally identical edge-emitting semiconductor laser diode without the matching layer.
  • the edge-emitting semiconductor laser diode has at least the following features:
  • the epitaxial semiconductor layer stack comprises an active layer for generating electromagnetic radiation
  • the substrate and the matching layer are transparent to electromagnetic radiation generated during operation
  • the matching layer is set up to increase the absorption of electromagnetic radiation in the absorption layer.
  • layers of the epitaxial semiconductor layer stack are arranged in particular in such a way that the electromagnetic radiation generated during operation is guided therein and is coupled out at the light coupling-out facet.
  • the active layer is arranged between two cladding layers that are set up for the lateral guidance of the electromagnetic radiation.
  • lateral designates a direction parallel to the first main surface of the substrate.
  • Electromagnetic laser modes thus propagate in a transparent substrate, with the substrate being able to act as a waveguide for these laser modes.
  • These electromagnetic laser modes propagating in the substrate which are also referred to below as substrate modes, can also be coupled out at the light coupling-out facet of the edge-emitting semiconductor laser diode.
  • the substrate modes lead, for example, to additional intensity peaks in a far field of the laser radiation generated during operation.
  • the substrate modes impair a beam quality and thus an imaging and/or image quality of a laser beam coupled out from the edge-emitting semiconductor laser diode.
  • the edge-emitting semiconductor laser diode described here is based on the idea of suppressing these substrate modes by applying suitable layers to a main surface of the substrate opposite the epitaxial semiconductor layer stack.
  • substrate modes are at least partially absorbed by the absorption layer.
  • Strongly absorbing absorption layers for example metallic absorption layers, can, however, have a high reflectivity.
  • substrate modes are reflected at the interface to the absorption layer, in particular whereby a suppression of substrate modes by the absorption layer can be restricted and/or prevented.
  • a phase and a position of intensity maxima of the substrate modes are adjusted by the matching layer in particular in such a way that the substrate modes experience strong attenuation by the absorption layer.
  • the attenuation of the substrate modes in a semiconductor laser diode with the matching layer is two orders of magnitude greater than in a semiconductor laser diode that is otherwise structurally identical and without the matching layer.
  • the matching layer is preferably transparent to electromagnetic radiation generated during operation and in particular has a higher refractive index than the substrate.
  • Substrate modes that couple into the matching layer and are reflected at the absorption layer are thus, for example, totally reflected at an interface between the matching layer and the substrate and deflected back in the direction of the absorption layer.
  • an absorption of electromagnetic radiation in the absorption layer can be increased.
  • the matching layer In combination with the absorption layer, the matching layer enables interfering substrate modes to be suppressed in a simple and cost-effective manner. This increases in particular the beam quality of the edge-emitting laser diode, as a result of which improved imaging and image quality can be achieved.
  • the substrate is a growth substrate for the epitaxial semiconductor layer stack.
  • the epitaxial semiconductor layer stack is grown epitaxially on the substrate.
  • the matching layer reduces a distance between the absorption layer and an intensity maximum of electromagnetic laser modes propagating in the substrate.
  • the matching layer is set up to bring the intensity maxima of a large number of electromagnetic laser modes propagating in the substrate closer to the absorption layer.
  • This effect of the matching layer is preferably not limited to individual, selected substrate modes. Rather, the matching layer acts on a large part of the electromagnetic laser modes propagating in the substrate.
  • the matching layer reduces reflection at the absorption layer of electromagnetic laser modes propagating in the substrate. This increases in particular an absorption of electromagnetic laser modes propagating in the substrate by the absorption layer.
  • a thickness of the absorption layer is set such that a portion of a multiplicity of substrate modes reflected at the interface between substrate and matching layer interferes as destructively as possible with a portion of these substrate modes reflected at an interface between matching layer and absorption layer.
  • a refractive index of the matching layer for electromagnetic radiation generated during operation is greater than a refractive index of the substrate for electromagnetic radiation generated during operation. Electromagnetic laser radiation propagating in the substrate can thus be coupled into the matching layer, while electromagnetic laser radiation propagating in the matching layer can in particular be totally reflected at the interface to the substrate. This increases in particular an attenuation of substrate modes by the absorption layer.
  • the refractive index of the matching layer is at least 0.01 and at most 5 greater than the refractive index of the substrate.
  • the refractive index of the matching layer is preferably at least 0.1 and at most 1.5 greater than the refractive index of the substrate.
  • the refractive index of the matching layer is particularly preferably at least 0.15 and at most 0.7 greater than the refractive index of the substrate.
  • an extinction coefficient of the matching layer for electromagnetic radiation generated during operation is at most 2.
  • the extinction coefficient of the matching layer is preferably at most 0.7 and particularly preferably at most 0.1. The lower the extinction coefficient of the matching layer, the more transparent the matching layer is for electromagnetic radiation generated during operation.
  • Semiconductor laser diode is a thickness of the matching layer proportional to a wavelength of electromagnetic radiation generated during operation and inversely proportional to the refractive index of the matching layer for electromagnetic radiation generated during operation.
  • the thickness of a layer designates a spatial extension in a direction perpendicular to the second main area of the substrate.
  • m one J substrate integer greater than or equal to zero, where X is the wavelength of electromagnetic radiation generated during operation, n is the refractive index of the matching layer for electromagnetic radiation generated during operation and n substrate is the refractive index of the substrate for electromagnetic radiation generated during operation.
  • the formula given above for the thickness of the matching layer only applies to matching layers with a refractive index that is greater than approximately 2.5 and greater than the refractive index of the substrate.
  • the attenuation of electromagnetic laser modes propagating in the substrate can be advantageously increased by selecting the thickness of the matching layer in accordance with the above formula.
  • the thickness of the substrate modes is reduced by three to four orders of magnitude as a result of the matching layer having the thickness specified above, compared to a corresponding edge-emitting semiconductor laser diode without a matching layer.
  • the matching layer has lateral structuring, so that only part of the second main surface of the substrate is covered by the matching layer and/or the matching layer has at least two separate segments and/or the matching layer has at least one recess having . If the matching layer is electrically insulating, lateral structuring of the matching layer is advantageous, in particular for making electrical contact with the epitaxial semiconductor layer stack via the second main area of the substrate.
  • the matching layer has titanium oxide, non-stoichiometric silicon oxide, non-stoichiometric silicon nitride, silicon carbide or gallium phosphide, or consists of one of these materials.
  • the edge-emitting semiconductor laser diode has at least two matching layers which are arranged between the second main surface of the substrate and the absorption layer.
  • the matching layers can have different materials or different material compositions. As a result, damping and thus suppression of electromagnetic laser modes propagating in the substrate can be improved.
  • the matching layer is electrically conductive.
  • the epitaxial semiconductor layer stack can in particular have an electrically conductive absorption layer, the electrically conductive matching layer and are electrically contacted via an electrically conductive substrate.
  • the absorption layer is set up as a contact layer for making electrical contact with the epitaxial semiconductor layer stack.
  • the absorption layer is electrically conductive.
  • the absorption layer has a metal, a semiconductor material or a non-stoichiometric dielectric or consists of one of these materials.
  • the edge-emitting semiconductor laser diode also has a light blocking layer which is arranged on a partial area of the light coupling-out facet of the semiconductor laser diode and is set up to at least partially absorb and/or reflect electromagnetic laser modes propagating in the substrate.
  • the light-blocking layer is preferably arranged on a partial area of the light-coupling facet that includes the substrate. In particular, the light output facet remains free of the light blocking layer in the area of the active layer.
  • the light-blocking layer can have a number of partial layers or consist of a number of partial layers. For example, a transmission of the light blocking layer for im Operation generated electromagnetic radiation not more than 20%.
  • the light blocking layer has in particular an oxide, an oxynitride or a metal, for example aluminum oxide, silicon oxynitride, titanium, platinum or chromium, or consists of one of these materials.
  • the edge-emitting semiconductor laser diode has a contact layer which is applied to the absorption layer and is set up for making electrical contact with the epitaxial semiconductor layer stack.
  • the contact layer is preferably arranged directly on the absorption layer.
  • the contact layer has a metal, for example, or is formed from a metal.
  • the contact layer is set up for making electrical contact with the epitaxial semiconductor layer stack via the second main area of the substrate.
  • the contact layer can also be arranged on the first main surface of the substrate.
  • a further contact layer is arranged, for example, on a main area of the epitaxial semiconductor layer stack which is remote from the substrate.
  • the active layer has at least two emission regions which are arranged laterally next to one another and are set up to generate electromagnetic radiation in different wavelength ranges.
  • the emission regions arranged next to one another have different material compositions and thus different band gaps.
  • the emission regions are preferably electrically independent of one another contactable and thus independently operable and / or controllable.
  • the emission regions of the active layer arranged next to one another can also generate electromagnetic radiation in the same wavelength range.
  • the edge-emitting semiconductor laser diode is designed as a laser bar.
  • the matching layer has at least two partial regions arranged laterally next to one another, one partial region each being arranged below an emission region in a direction perpendicular to the first main surface of the substrate.
  • each emission region of the active layer has an associated partial region of the matching layer on the opposite main surface of the substrate.
  • the partial areas of the matching layer can be connected to one another or spatially separated from one another.
  • the partial areas of the matching layer have different materials and/or different thicknesses.
  • the thickness of the matching layer in the different partial regions can be selected to match an emitter wavelength of the individual emission regions.
  • FIG. 1 Further advantageous embodiments and developments of the edge-emitting semiconductor laser diode can be found in FIG the exemplary embodiments described below in connection with the figures.
  • FIGS. 1 and 2 show profiles of electromagnetic laser radiation in the far field of an edge-emitting semiconductor laser diode.
  • FIGS. 3, 4 and 5 show various schematic representations of an edge-emitting semiconductor laser diode according to an exemplary embodiment.
  • FIGS. 6 and 7 show schematic representations of a mode strength of substrate modes as a function of a thickness of the matching layer.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a thickness of the matching layer as a function of a refractive index of the matching layer.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a mode strength of substrate modes as a function of a refractive index of the matching layer.
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a mode strength of substrate modes as a function of an extinction coefficient of the matching layer.
  • FIGS. 11 to 15 show schematic sectional views of edge-emitting semiconductor laser diodes according to further exemplary embodiments.
  • FIGS. 16 to 23 show schematic top views of the second main area of the substrate of edge-emitting devices Semiconductor laser diodes according to various
  • FIGS. 24 to 26 show schematic sectional illustrations of edge-emitting semiconductor laser diodes according to further exemplary embodiments.
  • FIG. 27 shows a schematic representation of the intensity of substrate modes according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 1 shows a cross section of the laser beam coupled out by the edge-emitting laser diode.
  • the electromagnetic laser radiation has in particular a Gaussian mode profile 20 with different mode widths in two mutually orthogonal directions.
  • the area marked with an ellipse shows additional structures in the decoupled laser beam, which are caused by electromagnetic laser modes 9 propagating in the substrate 1 .
  • These substrate modes 9 are at least partially decoupled from the edge-emitting semiconductor laser diode, adversely affect the beam quality and lead to poorer imaging quality, for example.
  • FIG. 2 shows a mode profile 20 of electromagnetic laser radiation in the far field of an edge-emitting Semiconductor laser diode, the intensity I of the electromagnetic laser radiation being shown as a function of an emission angle a.
  • the electromagnetic laser radiation has a Gaussian mode profile 20 .
  • the mode profile 20 shows additional intensity peaks 24 of the electromagnetic laser radiation, which are caused by electromagnetic laser modes 9 propagating in the substrate 1, which are coupled out by the edge-emitting semiconductor laser diode.
  • the edge-emitting semiconductor laser diode described here is based on the idea of largely suppressing these additional intensity peaks 24 .
  • the edge-emitting semiconductor laser diode according to the exemplary embodiment in FIG. 3 has a substrate 1 with an epitaxial semiconductor layer stack 2 applied thereto.
  • the epitaxial semiconductor layer stack 2 is applied to a first main area 6 of the substrate 1 and has, for example, a nitride compound semiconductor material.
  • the epitaxial semiconductor layer stack 2 includes an active layer 3 for generating electromagnetic radiation.
  • the epitaxial semiconductor layer stack 2 has cladding layers 10 for guiding the electromagnetic laser radiation generated during operation in the active layer 3 , with the active layer 3 being arranged between two cladding layers 10 .
  • the substrate 1 is in particular a growth substrate on which the epitaxial semiconductor layer stack 2 has grown epitaxially.
  • the substrate 1 has gallium nitride or silicon carbide or consists of one of these materials.
  • the substrate 1 is transparent to im Electromagnetic laser radiation generated during operation.
  • the substrate 1 has a larger band gap than the active layer 3 of the epitaxial semiconductor layer stack 2 . Electromagnetic laser radiation generated during operation can thus at least partially couple from the active layer 3 into the transparent substrate 1 and propagate in the substrate 1 as an electromagnetic laser mode 9 .
  • the matching layer 4 has a dielectric material or a semiconductor material that is transparent to electromagnetic radiation generated during operation.
  • the matching layer 4 has gallium phosphide or consists of gallium phosphide.
  • a refractive index n of the matching layer 4 for electromagnetic radiation generated during operation is greater than a refractive index of the substrate 1 .
  • the refractive index n of the matching layer 4 is at least 0.15 and at most 0.7 greater than the refractive index of the substrate 1 .
  • the extinction coefficient k of the matching layer is preferably at most 0.1.
  • An absorption layer 5 is applied directly to the main surface of the matching layer 4 opposite the substrate 1 .
  • the absorption layer 5 has in particular a high absorption coefficient for electromagnetic radiation generated during operation and is formed from a metal, for example.
  • a thickness D of the matching layer 4 is selected in such a way that substrate modes 9 are absorbed as strongly as possible by the absorption layer 5 and are thereby damped.
  • the matching layer 4 reduces a reflection of substrate modes 9 at the absorption layer 5 .
  • the thickness D of the matching layer 4 is in particular proportional to the wavelength of electromagnetic radiation generated during operation and inversely proportional to a refractive index n of the matching layer.
  • a contact layer 19 for electrically contacting the active layer 3 is arranged on a main surface of the epitaxial semiconductor layer stack 2 opposite the substrate 1 .
  • the absorption layer 5 is set up as a further contact layer for making electrical contact with the active layer 3 , with the substrate 1 being electrically conductive.
  • the substrate has a doped semiconductor material.
  • the adaptation layer 4 arranged between the substrate 1 and the absorption layer 5 is either electrically conductive or has a lateral structuring 11 . Examples of lateral structuring 11 of the matching layer 4 are shown in FIGS. 16 to 23. Due to the lateral structuring 11 of the matching layer 4 , the edge-emitting semiconductor laser diode has, in particular, a direct, electrically conductive connection between the absorption layer 5 and the substrate 1 .
  • Opposite side faces of the semiconductor laser diode are designed as a light output facet 15 and rear side facet 18 which together form an optical resonator of the edge-emitting semiconductor laser diode.
  • the optical resonator is set up to generate electromagnetic laser radiation during operation.
  • the electromagnetic laser radiation is coupled out via the light decoupling facet 15 and from the edge-emitting semiconductor laser diode under the Radiation angle a radiated.
  • the emission angle a designates an angle between a surface normal of the light decoupling facet 15 and an emission direction of the electromagnetic laser radiation generated during operation.
  • FIG. 4 shows a schematic perspective illustration of the edge-emitting semiconductor laser diode according to the exemplary embodiment in FIG.
  • the epitaxial semiconductor layer stack 2 has, in particular, a ridge waveguide 22 for guiding electromagnetic radiation generated during operation.
  • the ridge waveguide 22 extends in the lateral direction between the light output facet 15 and the opposite rear side facet 18 .
  • the contact layer 19 for making electrical contact with the active layer 3 completely covers the ridge waveguide 22 .
  • the matching layer 4 only partially covers the second main area 7 of the substrate 1 .
  • a region of the second main surface 7 is covered by the matching layer 4 in the vertical direction above the ridge waveguide 22 .
  • the matching layer 4 covers a region of the second main surface 7 that extends in the lateral direction perpendicular to a main extension direction of the ridge waveguide 22, preferably by at least 30 micrometers, particularly preferably by at least 60 micrometers, beyond the ridge waveguide 22.
  • Areas of the second main surface 7 that are not covered by the matching layer 4 are covered by the absorption layer 5 that extends over the entire second main surface 7 .
  • the absorption layer 5 is thus set up in direct electrical contact with the electrically conductive substrate 1 and for electrically contacting the semiconductor layer stack 2 .
  • the matching layer 4 does not completely cover the second main surface 7 of the substrate 1, but protrudes in the lateral direction on both sides by at least 30 micrometers beyond the ridge waveguide 22.
  • FIG. 6 schematically shows a dependency between a thickness D of the matching layer 4 and a mode strength S of the substrate modes 9 .
  • the mode strength S indicates in particular a relative intensity of the substrate modes 9 coupled out by the semiconductor laser diode.
  • a structurally identical semiconductor laser diode with an additional absorption layer 5 but without an adaptation layer 4 has a lower mode strength S, which is identified by a square in FIG.
  • FIG. 4 shows the mode strength S of substrate modes 9 of a semiconductor laser diode with an absorption layer 5 and an adaptation layer 4 as a function of the thickness D of the adaptation layer 4 .
  • FIG. 4 shows that the mode strength S of the substrate modes 9 can be reduced by a suitable choice of the thickness D of the matching layer 4 by two orders of magnitude, for example.
  • FIG. 7 shows the results of a numerical simulation of the mode strength S of substrate modes 9 as a function of the thickness D the matching layer 4 .
  • the mode strength S has a plurality of minima 21 that occur approximately periodically.
  • the first minimum 21 occurs at a thickness D of the matching layer 4 denoted by Do.
  • m is an integer greater than or equal to zero.
  • n and n substrate denote refractive indices of the matching layer 4 and of the substrate 1 for electromagnetic radiation generated during operation.
  • Figure 8 shows the thickness Do at which the first minimum 21 of the
  • Mode strength S in Figure 5 occurs as a function of
  • the fat do can
  • FIG. 9 shows numerical results for the mode strength S of substrate modes 9 as a function of the refractive index n of the matching layer 4.
  • the thickness D of the matching layer 4 and the optical properties of the absorption layer 5 are fixed.
  • FIG. 7 shows that the mode strength S of the substrate modes 9 has a strongly pronounced minimum 21 at a specific value of the refractive index n of the matching layer 4 . This value depends, among other things, on the optical properties of the absorption layer 5 , in particular on the complex refractive index of the absorption layer 5 .
  • FIG. 10 shows a mode strength S of substrate modes 9 as a function of an extinction coefficient k of the matching layer 4 .
  • the thickness D and the refractive index n are the Matching layer 4 and optical properties of the absorption layer 5 are fixed.
  • FIG. 8 shows that the smallest possible extinction coefficient k of the matching layer 4 results in a particularly low mode strength S of the substrate modes 9 .
  • the smallest possible extinction coefficient k of the matching layer 4 leads to an advantageously large damping of the substrate modes 9 .
  • the edge-emitting semiconductor laser diode according to the exemplary embodiment in FIG. 11 has a plurality of matching layers 4 which are arranged between the substrate 1 and the absorption layer 5 .
  • the various matching layers 4 have, for example, different materials and thus different optical properties, in particular different refractive indices n. As a result, the damping of the substrate modes 9 can be adjusted more precisely and thus improved.
  • the edge-emitting semiconductor laser diode according to the exemplary embodiment in FIG. 12 also has a light-blocking layer 14 .
  • the light-blocking layer 14 partially covers the light-coupling facet 15 , in particular in the area of the substrate 1 .
  • the light blocking layer 14 is set up for at least partial absorption and/or reflection of substrate modes 9 . This at least partially reduces or prevents substrate modes 9 from being coupled out of the semiconductor laser diode.
  • substrate modes 9 in the far field of the laser radiation coupled out by the semiconductor laser diode can be suppressed even more as a result.
  • the exemplary embodiment in FIG. 13 has an adaptation layer 4 which completely covers the second main area 7 of the substrate 1 .
  • the matching layer 4 is electrically conductive in order to ensure electrical contact between the absorption layer 5 and the epitaxial semiconductor layer stack 2 via the electrically conductive substrate 1 .
  • the absorption layer 5 is not set up as a contact layer.
  • the contact layers 19 for making electrical contact with the epitaxial semiconductor layer stack 2 are arranged parallel to the ridge waveguide 22 and laterally spaced from the epitaxial semiconductor layer stack 2 on the first main surface 6 of the substrate 1 and on the main surface of the epitaxial semiconductor layer stack 2 facing away from the substrate 1.
  • an area in which the absorption layer 5 is in direct contact with the second main surface 7 of the substrate 1 is larger than in the edge emitting semiconductor laser diode in FIG.
  • Absorption layer 5 and the substrate 1 are improved.
  • FIG. 16 shows a plan view of the second main area 7 of the substrate 1 of an edge-emitting semiconductor laser diode.
  • the second main surface 7 is partially free of the matching layer 4 , while the absorption layer 5 extends over the entire second main surface 7 .
  • an area at the edge of the second main surface 7 which extends between the light output facet 15 and the rear side facet 18 , is free of the matching layer 4 .
  • the absorption layer 5 does not cover the substrate 1 completely. However, the adaptation layer 4 is completely covered by the absorption layer 5 .
  • the matching layer 4 and the absorption layer 5 are laterally spaced from the light output facet 15 and the rear side facet 18.
  • the matching layer 4 in FIG. 20 has an additional lateral structuring 11.
  • the matching layer 4 has a plurality of separate segments 12 along a direction between the Lichtauskupplung facette 15 and the rear facet 18 are arranged.
  • the edge-emitting semiconductor laser diode in FIG. 23 has an absorption layer 5 which comprises two segments 12 separated from one another.
  • the two segments 12 are arranged in the vicinity of the light coupling-out facet 15 and the rear facet, while the matching layer 4 covers an area of the second main surface 7 adjoining the light coupling-out facet 15 .
  • FIG. 24 shows a plan view of the light output facet 15 of an edge-emitting semiconductor laser diode.
  • the epitaxial semiconductor layer stack 2 has three emission regions 16 which are laterally spaced apart from one another.
  • the three emission regions 16 are electrically contacted independently of one another by contact layers 19 that are separate from one another and can therefore be controlled and/or operated independently of one another.
  • an associated partial region 17 of the adaptation layer 4 and the absorption layer 5 is applied to the second main surface 7 of the substrate 1 , which is arranged directly opposite the respective emission region 16 .
  • the partial regions 17 of the matching layer 4 in the edge-emitting semiconductor laser diode in FIG. 25 have different properties.
  • the matching layer 4 has different thicknesses D and/or different material compositions in the partial areas 17 .
  • the adaptation layer 4 can be adapted to different emission wavelengths of the different emission regions 16 in the partial regions 17 , for example.
  • FIG. 26 shows an edge-emitting semiconductor laser diode which, in contrast to FIG. 24, has a continuous matching layer 4 .
  • the matching layer 4 is not divided into partial regions 17 that are separate from one another. All emission regions 16 of the semiconductor layer stack 2 therefore share a common matching layer 4 .
  • FIG. 27 shows a schematic illustration of an intensity I of substrate modes 9 in a direction R perpendicular to the second main surface 7 of the substrate 1.
  • the substrate modes 9 are shown in this direction R as standing electromagnetic waves.
  • the substrate modes 9 have, in particular, a node at which the intensity I of the substrate modes 9 disappears.
  • the intensity maxima 23 of the substrate modes 9 are moved closer to the absorption layer 5 by the matching layer 4 .
  • An attenuation of the substrate modes 9 by the absorption layer 5 is thus advantageously increased.

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Abstract

Es wird eine kantenemittierende Halbleiterlaserdiode angegeben, aufweisend: - ein Substrat (1) mit einer ersten Hauptfläche (6) und einer der ersten Hauptfläche (6) gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche (7), - einen epitaktischen Halbleiterschichtenstapel (2) auf der ersten Hauptfläche (6) des Substrats (1), wobei der epitaktische Halbleiterschichtenstapel (2) eine aktive Schicht (3) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung umfasst, - eine Anpassschicht (4), die auf der zweiten Hauptfläche (7) des Substrats (1) angeordnet ist, und - eine Absorptionsschicht (5), die direkt auf der Anpassschicht (4) aufgebracht und dazu eingerichtet ist, die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise zu absorbieren, wobei - das Substrat (1) und die Anpassschicht (4) transparent für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung sind, und - die Anpassschicht (4) dazu eingerichtet ist, die Absorption von elektromagnetischer Strahlung in der Absorptionsschicht (5) zu erhöhen.

Description

Beschreibung
KANTENEMITTIERENDE HALBLE I TERLASERDI ODE
Es wird eine kantenemittierende Halbleiterlaserdiode angegeben .
Es soll eine kantenemittierende Halbleiterlaserdiode angegeben werden, die eine verbesserte Strahlqualität aufweist . Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst .
Vorteilhafte Aus führungs formen und Weiterbildungen der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben .
Gemäß einer Aus führungs form weist die kantenemittierende Halbleiterlaserdiode ein Substrat mit einer ersten Hauptfläche und einer der ersten Hauptfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche auf . Das Substrat ist beispielsweise ein Wachstumssubstrat oder ein Trägersubstrat . Das Substrat ist insbesondere zu einer mechanischen Stabilisierung der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode eingerichtet . Die Hauptflächen weisen bevorzugt eine größere Flächenausdehnung als Seitenflächen des Substrats auf .
Das Substrat weist beispielsweise Galliumnitrid, Saphir, Sili zium, Sili ziumcarbid, oder Galliumarsenid auf oder besteht aus einem dieser Materialien .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist die kantenemittierende Halbleiterlaserdiode einen epitaktischen Halbleiterschichtenstapel auf der ersten Hauptfläche des Substrats auf , wobei der epitaktische Halbleiterschichtenstapel eine aktive Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung umfasst . Beispielsweise ist der epitaktische Halbleiterschichtenstapel auf der ersten Hauptfläche des Substrats epitaktisch auf gewachsen . Eine Haupterstreckungsebene von Schichten des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels ist bevorzugt parallel zur ersten Hauptfläche des Substrats angeordnet .
Der epitaktische Halbleiterschichtenstapel weist bevorzugt ein I I I-V-Verbindungshalbleitermaterial auf oder besteht aus einem I I I-V-Verbindungshalbleitermaterial . Ein I I I /V- Verbindungshalbleitermaterial weist wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe , wie beispielsweise B, Al , Ga, In, und ein Element aus der fünften Hauptgruppe , wie beispielsweise N, P, As , auf . Insbesondere umfasst der Begri f f " I I I /V-Verbindungshalbleitermaterial" die Gruppe der binären, ternären oder quaternären Verbindungen, die wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der fünften Hauptgruppe enthalten, beispielsweise ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial . Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialien sind Verbindungshalbleitermaterialien, die Stickstof f enthalten, wie die Materialien aus dem System InxAlyGai-x-yN mit 0 < x < 1 , 0 < y < 1 und x+y < 1 .
Die aktive Schicht umfasst bevorzugt einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, einen Einfach-Quantentopf oder besonders bevorzugt eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW) zur Strahlungserzeugung . Die Bezeichnung Quantentopfstruktur beinhaltet hierbei keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung . Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge , Quantendrähte und Quantenpunkte und j ede Kombination dieser Strukturen . Die aktive Schicht ist beispielsweise zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung in einem Spektralbereich zwischen einschließlich infrarotem und einschließlich ultraviolettem Licht eingerichtet .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode weisen das Substrat und der darauf aufgebrachte epitaktische Halbleiterschichtenstapel zwei gegenüberliegende Facetten auf . Die Facetten sind insbesondere Seitenflächen des Substrats und des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels und beispielsweise senkrecht oder geneigt zur ersten Hauptfläche des Substrats angeordnet .
Auf einer Facette , die im Folgenden als Rückseitenfacette bezeichnet wird, ist bevorzugt eine hochreflektierende Schicht angeordnet , die zur Reflexion im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist . Beispielsweise reflektiert die hochreflektierende Schicht zumindest 90% , bevorzugt zumindest 99% , der darauf einfallenden, im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung .
Die der Rückseitenfacette gegenüberliegende Facette wird im Folgenden als Lichtauskoppel facette bezeichnet . Die Lichtauskoppel facette ist dazu eingerichtet , im Betrieb erzeugte elektromagnetischer Strahlung von der kantenemittierenden Laserdiode aus zukoppeln . Auf der Lichtauskoppel facette ist bevorzugt eine antiref lektierende Schicht angeordnet , die eine geringere Ref lektivität als die hochreflektierende Schicht auf der Rückseitenfacette aufweist . Beispielsweise reflektiert die antiref lektierende Schicht zwischen einschließlich 10% und einschließlich 80% der darauf einfallenden, im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung .
Die Rückseitenfacette und die Lichtauskoppel facette bilden mit den darauf aufgebrachten Schichten insbesondere einen optischen Resonator . Der optische Resonator kann auch zusätzliche optische Elemente , beispielsweise externe Spiegel , umfassen . Im Betrieb in der aktiven Schicht erzeugte elektromagnetische Strahlung bildet im optischen Resonator eine stehende elektromagnetische Welle .
Die aktive Schicht ist in Verbindung mit dem optischen Resonator dazu eingerichtet , elektromagnetische Laserstrahlung zu erzeugen . Elektromagnetische Laserstrahlung entsteht durch stimulierte Emission und weist im Unterschied zu elektromagnetischer Strahlung, die durch spontane Emission erzeugt wird, in der Regel eine sehr hohe Kohärenzlänge , eine sehr schmale spektrale Linienbreite und/oder einen hohen Polarisationsgrad auf .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist die kantenemittierende Halbleiterlaserdiode zumindest eine Anpassschicht auf , die auf der zweiten Hauptfläche des Substrats angeordnet ist . Beispielsweise ist die Anpassschicht direkt auf der zweiten Hauptfläche des Substrats aufgebracht . Die Anpassschicht weist bevorzugt ein dielektrisches Material oder ein Halbleitermaterial auf , oder besteht aus einem dieser Materialien . Die kantenemittierende Laserdiode kann auch mehrere Anpassschichten aufweisen .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist die kantenemittierende Halbleiterlaserdiode eine Absorptionsschicht auf , die direkt auf der Anpassschicht aufgebracht und dazu eingerichtet ist , im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise zu absorbieren . Die Absorptionsschicht ist bevorzugt auf einer dem Substrat abgewandten Seite der Anpassschicht aufgebracht und bedeckt die Anpassschicht vollständig oder teilweise . Die Absorptionsschicht ist insbesondere dazu eingerichtet , im Substrat propagierende elektromagnetische Lasermoden zumindest teilweise zu absorbieren . Beispielsweise weist die Absorptionsschicht einen Absorptionskoef fi zienten von zumindest 100 cur1, bevorzugt von zumindest 1000 cur1, für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung auf .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode sind das Substrat und die Anpassschicht transparent für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung . Insbesondere sind eine Bandlücke des Substrats und eine Bandlücke der Anpassschicht größer als eine Bandlücke der aktiven Schicht des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels . Beispielsweise weisen das Substrat und die Anpassschicht Transmissionsgrade für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung von zumindest 5% , bevorzugt von zumindest 10% , und besonders bevorzugt von zumindest 50% auf .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode ist die Anpassschicht dazu eingerichtet , die Absorption von elektromagnetischer Strahlung in der Absorptionsschicht zu erhöhen . Insbesondere ist die Anpassschicht dazu eingerichtet , eine Phase und eine Lage von Intensitätsmaxima der im Substrat propagierenden Lasermoden so einzustellen, dass diese Lasermoden eine starke Dämpfung durch die Absorptionsschicht erfahren . Beispielsweise ist die Dämpfung der im Substrat propagierenden Lasermoden in einer kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode mit der Anpassschicht um zumindest eine Größenordnung größer, bevorzugt um zumindest zwei Größenordnungen größer, als in einer ansonsten baugleichen kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode ohne der Anpassschicht .
Gemäß einer bevorzugten Aus führungs form weist die kantenemittierende Halbleiterlaserdiode zumindest folgende Merkmale auf :
- ein Substrat mit einer ersten Hauptfläche und einer der ersten Hauptfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche ,
- einen epitaktischen Halbleiterschichtenstapel auf der ersten Hauptfläche des Substrats , wobei der epitaktische Halbleiterschichtenstapel eine aktive Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung umfasst ,
- eine Anpassschicht , die auf der zweiten Hauptfläche des Substrats angeordnet ist , und
- eine Absorptionsschicht , die direkt auf der Anpassschicht aufgebracht und dazu eingerichtet ist , die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise zu absorbieren, wobei
- das Substrat und die Anpassschicht transparent für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung sind, und
- die Anpassschicht dazu eingerichtet ist , die Absorption von elektromagnetischer Strahlung in der Absorptionsschicht zu erhöhen .
In kantenemittierenden Halbleiterlaserdioden werden Schichten des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels insbesondere so angeordnet , dass die im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung darin geführt und an der Lichtauskoppel facette ausgekoppelt wird . Beispielsweise ist die aktive Schicht zwischen zwei Mantelschichten angeordnet , die zur lateralen Führung der elektromagnetischen Strahlung eingerichtet sind . Lateral bezeichnet hier und im Folgenden eine Richtung parallel zur ersten Hauptfläche des Substrats .
Durch Streuung an Rauigkeiten und/oder Defekten und/oder aufgrund zu dünner Mantelschichten kann insbesondere ein Teil der im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung aus dem Halbleiterschichtenstapel in das Substrat einkoppeln . In einem transparenten Substrat propagieren somit elektromagnetische Lasermoden, wobei das Substrat als Wellenleiter für diese Lasermoden wirken kann . Diese im Substrat propagierenden elektromagnetischen Lasermoden, die im Folgenden auch als Substratmoden bezeichnet werden, können ebenfalls an der Lichtauskoppel facette der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode ausgekoppelt werden . Die Substratmoden führen beispielsweise zu zusätzlichen Intensitätsspitzen in einem Fernfeld der im Betrieb erzeugten Laserstrahlung . Insbesondere beeinträchtigen die Substratmoden eine Strahlqualität und somit eine Abbildungs- und/oder Bildqualität eines von der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode ausgekoppelten Laserstrahls .
Der hier beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode liegt die Idee zugrunde , diese Substratmoden durch Aufbringen geeigneter Schichten auf einer dem epitaktischen Halbleiterschichtenstapel gegenüberliegenden Hauptfläche des Substrats zu unterdrücken .
Beispielsweise werden Substratmoden durch die Absorptionsschicht zumindest teilweise absorbiert . Stark absorbierende Absorptionsschichten, zum Beispiel metallische Absorptionsschichten, können allerdings eine hohe Ref lektivität aufweisen . Dadurch werden Substratmoden an der Grenz fläche zur Absorptionsschicht insbesondere reflektiert , wodurch eine Unterdrückung von Substratmoden durch die Absorptionsschicht eingeschränkt und/oder behindert werden kann .
Durch die Anpassschicht werden eine Phase und eine Lage von Intensitätsmaxima der Substratmoden insbesondere so eingestellt , dass die Substratmoden eine starke Dämpfung durch die Absorptionsschicht erfahren . Beispielsweise ist die Dämpfung der Substratmoden in einer Halbleiterlaserdiode mit der Anpassschicht um zwei Größenordnungen größer als in einer ansonsten baugleichen Halbleiterlaserdiode ohne der Anpassschicht . Die Anpassschicht ist bevorzugt transparent für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung und weist insbesondere einen höheren Brechungsindex als das Substrat auf . Substratmoden, die in die Anpassschicht einkoppeln und an der Absorptionsschicht reflektiert werden, werden somit beispielsweise an einer Grenz fläche zwischen Anpassschicht und Substrat totalreflektiert und wieder in Richtung der Absorptionsschicht umgelenkt . Dadurch kann insbesondere eine Absorption elektromagnetischer Strahlung in der Absorptionsschicht erhöht werden .
Die Anpassschicht ermöglicht in Kombination mit der Absorptionsschicht ein einfaches und kostengünstiges Unterdrücken von störenden Substratmoden . Dadurch wird insbesondere die Strahlqualität der kantenemittierenden Laserdiode erhöht , wodurch eine verbesserte Abbildungs- und Bildqualität erzielt werden kann .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode ist das Substrat ein Wachstumssubstrat für den epitaktischen Halbleiterschichtenstapel . Insbesondere ist der epitaktische Halbleiterschichtenstapel epitaktisch auf dem Substrat auf gewachsen .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode verringert die Anpassschicht einen Abstand zwischen der Absorptionsschicht und einem Intensitätsmaximum von im Substrat propagierenden elektromagnetischen Lasermoden . In anderen Worten ist die Anpassschicht dazu eingerichtet , die Intensitätsmaxima einer Viel zahl im Substrat propagierender elektromagnetischer Lasermoden näher an die Absorptionsschicht zu bringen . Durch die Verringerung des Abstandes zwischen den Intensitätsmaxima und der Absorptionsschicht wird vorteilhaft die Absorption der im Substrat propagierenden Lasermoden erhöht .
Bevorzugt ist diese Wirkung der Anpassschicht nicht auf einzelne , ausgewählte Substratmoden beschränkt . Vielmehr wirkt die Anpassschicht auf einen Großteil der im Substrat propagierenden elektromagnetischen Lasermoden .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode verringert die Anpassschicht eine Reflexion von im Substrat propagierenden elektromagnetischen Lasermoden an der Absorptionsschicht . Dadurch erhöht sich insbesondere eine Absorption von im Substrat propagierenden elektromagnetischen Lasermoden durch die Absorptionsschicht . Beispielsweise ist eine Dicke der Absorptionsschicht so eingestellt , dass ein an der Grenz fläche zwischen Substrat und Anpassschicht reflektierter Anteil einer Viel zahl von Substratmoden mit einem an einer Grenz fläche zwischen Anpassschicht und Absorptionsschicht reflektiertem Anteil dieser Substratmoden möglichst destruktiv interferiert . Gemäß einer weiteren Aus führungs form der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode ist ein Brechungsindex der Anpassschicht für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung größer als ein Brechungsindex des Substrats für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung . Somit kann im Substrat propagierende elektromagnetische Laserstrahlung in die Anpassschicht eingekoppelt werden, während in der Anpassschicht propagierende elektromagnetische Laserstrahlung an der Grenz fläche zum Substrat insbesondere total reflektiert werden kann . Dadurch erhöht sich insbesondere eine Dämpfung von Substratmoden durch die Absorptionsschicht .
Beispielsweise ist der Brechungsindex der Anpassschicht zumindest um 0 , 01 und höchstens um 5 größer als der Brechungsindex des Substrats . Bevorzugt ist der Brechungsindex der Anpassschicht zumindest um 0 , 1 und höchstens um 1 , 5 größer als der Brechungsindex des Substrats . Besonders bevorzugt ist der Brechungsindex der Anpassschicht um zumindest 0 , 15 und höchstens um 0 , 7 größer als der Brechungsindex des Substrats .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode beträgt ein Extinktionskoef fi zient der Anpassschicht für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung höchstens 2 . Bevorzugt ist der Extinktionskoef fi zient der Anpassschicht höchstens 0 , 7 und besonders bevorzugt höchstens 0 , 1 . Je niedriger der Extinktionskoef fi zient der Anpassschicht ist , desto transparenter ist die Anpassschicht für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form der kantenemittierenden
Halbleiterlaserdiode ist eine Dicke der Anpassschicht proportional zu einer Wellenlänge im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung und invers proportional zum Brechungsindex der Anpassschicht für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung . Hier und im Folgenden bezeichnet die Dicke einer Schicht eine räumliche Ausdehnung in einer Richtung senkrecht zur zweiten Hauptfläche des Substrats .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode beträgt eine Dicke der Anpassschicht D = Do + m * Ad mit einer Toleranz von ± 30 Nanometern . Dabei ist — und m eine
Figure imgf000013_0001
J Substrat ganze Zahl größer oder gleich Null , wobei X die Wellenlänge im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung, n den Brechungsindex der Anpassschicht für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung und nSubstrat den Brechungsindex des Substrats für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung bezeichnet . Bevorzugt ist m gleich Null und somit D = Do . Die oben angegebene Formel für die Dicke der Anpassschicht gilt dabei nur für Anpassschichten mit einem Brechungsindex, der größer als ungefähr 2 , 5 und größer als der Brechungsindex des Substrats ist .
Durch eine Wahl der Dicke der Anpassschicht entsprechend obiger Formel kann die Dämpfung von im Substrat propagierenden elektromagnetischen Lasermoden vorteilhaft erhöht werden . Beispielsweise verringert sich eine Stärke der Substratmoden durch die Anpassschicht mit der oben angegebenen Dicke um drei bis vier Größenordnungen im Vergleich zu einer entsprechenden kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode ohne Anpassschicht . Gemäß einer weiteren Aus führungs form der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode weist die Anpassschicht eine laterale Strukturierung auf , sodass nur ein Teil der zweiten Hauptfläche des Substrats von der Anpassschicht bedeckt ist und/oder die Anpassschicht zumindest zwei voneinander getrennte Segmente aufweist und/oder die Anpassschicht zumindest eine Ausnehmung aufweist . Für den Fall , dass die Anpassschicht elektrisch isolierend ist , ist eine laterale Strukturierung der Anpassschicht insbesondere zur elektrischen Kontaktierung des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels über die zweite Hauptfläche des Substrats vorteilhaft .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode weist die Anpassschicht Titanoxid, nicht stöchiometrisches Sili ziumoxid, nicht stöchiometrisches Sili ziumnitrid, Sili ziumcarbid oder Galliumphosphid auf , oder besteht aus einem dieser Materialien .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist die kantenemittierende Halbleiterlaserdiode zumindest zwei Anpassschichten auf , die zwischen der zweiten Hauptfläche des Substrats und der Absorptionsschicht angeordnet sind . Die Anpassschichten können verschiedene Materialien oder verschiedene Material zusammensetzungen aufweisen . Dadurch kann eine Dämpfung und somit eine Unterdrückung von im Substrat propagierenden elektromagnetischen Lasermoden verbessert werden .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode ist die Anpassschicht elektrisch leitfähig . Somit kann der epitaktische Halbleiterschichtenstapel insbesondere über eine elektrisch leitfähige Absorptionsschicht , die elektrisch leitfähige Anpassschicht und über ein elektrisch leitfähiges Substrat elektrisch kontaktiert werden .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode ist die Absorptionsschicht als Kontaktschicht zur elektrischen Kontaktierung des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels eingerichtet . Insbesondere ist die Absorptionsschicht elektrisch leitfähig . Dadurch können Prozessschritte in der Herstellung der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode eingespart und somit Kosten reduziert werden .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode weist die Absorptionsschicht ein Metall , ein Halbleitermaterial oder ein nicht-stöchiometrisches Dielektrikum auf oder besteht aus einem dieser Materialien .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist die kantenemittierende Halbleiterlaserdiode zusätzlich eine Lichtblockschicht auf , die auf einem Teilbereich der Lichtauskoppel facette der Halbleiterlaserdiode angeordnet und dazu eingerichtet ist , im Substrat propagierende elektromagnetische Lasermoden zumindest teilweise zu absorbieren und/oder zu reflektieren . Die Lichtblockschicht ist bevorzugt auf einem Teilbereich der Lichtauskoppel facette angeordnet , der das Substrat umfasst . Insbesondere bleibt die Lichtauskoppel facette im Bereich der aktiven Schicht frei von der Lichtblockschicht .
Die Lichtblockschicht kann mehrere Teilschichten aufweisen oder aus mehreren Teilschichten bestehen . Beispielsweise beträgt eine Transmission der Lichtblockschicht für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung höchstens 20% . Die Lichtblockschicht weist insbesondere ein Oxid, ein Oxinitrid, oder ein Metall auf , beispielsweise Aluminiumoxid, Sili ziumoxinitrid, Titan, Platin oder Chrom, oder besteht aus einem dieser Materialien .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist die kantenemittierende Halbleiterlaserdiode eine Kontaktschicht auf , die auf der Absorptionsschicht aufgebracht ist und zur elektrischen Kontaktierung des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels eingerichtet ist . Bevorzugt ist die Kontaktschicht direkt auf der Absorptionsschicht angeordnet . Die Kontaktschicht weist beispielsweise ein Metall auf oder ist aus einem Metall gebildet . Die Kontaktschicht ist zur elektrischen Kontaktierung des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels über die zweite Hauptfläche des Substrats eingerichtet .
Alternativ oder zusätzlich kann die Kontaktschicht auch auf der ersten Hauptfläche des Substrats angeordnet sein . Eine weitere Kontaktschicht ist beispielsweise auf einer dem Substrat abgewandten Hauptfläche des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels angeordnet .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode weist die aktive Schicht zumindest zwei lateral nebeneinander angeordnete Emissionsbereiche auf , die zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen eingerichtet sind . Beispielsweise weisen die nebeneinander angeordneten Emissionsbereiche unterschiedliche Material zusammensetzungen und somit unterschiedliche Bandlücken auf . Bevorzugt sind die Emissionsbereiche unabhängig voneinander elektrisch kontaktierbar und somit unabhängig voneinander betreibbar und/oder ansteuerbar . Die nebeneinander angeordneten Emissionsbereiche der aktiven Schicht können auch elektromagnetische Strahlung im gleichen Wellenlängenbereich erzeugen . Beispielsweise ist die kantenemittierende Halbleiterlaserdiode als Laserbarren ausgebildet .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode weist die Anpassschicht zumindest zwei lateral nebeneinander angeordnete Teilbereiche auf , wobei j eweils ein Teilbereich in einer Richtung senkrecht zur ersten Hauptfläche des Substrats unter einem Emissionsbereich angeordnet ist . Insbesondere weist j eder Emissionsbereich der aktiven Schicht einen zugehörigen Teilbereich der Anpassschicht auf der gegenüberliegenden Hauptfläche des Substrats auf . Dabei können die Teilbereiche der Anpassschicht miteinander verbunden oder räumlich voneinander getrennt sein .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode weisen die Teilbereiche der Anpassschicht unterschiedliche Materialien und/oder unterschiedliche Dicken auf . Für den Fall , dass die aktive Schicht mehrere Emissionsbereiche aufweist , die zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen eingerichtet sind, kann beispielsweise die Dicke der Anpassschicht in den unterschiedlichen Teilbereichen j eweils passend zu einer Emitterwellenlänge der einzelnen Emissionsbereiche gewählt werden .
Weitere vorteilhafte Aus führungs formen und Weiterbildungen der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Aus führungsbeispielen .
Figuren 1 und 2 zeigen Profile elektromagnetischer Laserstrahlung im Fernfeld einer kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode .
Figuren 3 , 4 und 5 zeigen verschiedene schematische Darstellungen einer kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode gemäß einem Aus führungsbeispiel .
Figuren 6 und 7 zeigen schematische Darstellungen einer Modenstärke von Substratmoden als Funktion einer Dicke der Anpassschicht .
Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Dicke der Anpassschicht als Funktion eines Brechungsindex der Anpassschicht .
Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Modenstärke von Substratmoden als Funktion eines Brechungsindex der Anpassschicht .
Figur 10 zeigt eine schematische Darstellung einer Modenstärke von Substratmoden als Funktion eines Extinktionskoef fi zienten der Anpassschicht .
Figuren 11 bis 15 zeigen schematische Schnittdarstellungen von kantenemittierenden Halbleiterlaserdioden gemäß weiterer Aus führungsbeispiele .
Figuren 16 bis 23 zeigen schematische Draufsichten auf die zweite Hauptfläche des Substrats von kantenemittierenden Halbleiterlaserdioden gemäß verschiedener
Aus führungsbeispiele .
Figuren 24 bis 26 zeigen schematische Schnittdarstellungen von kantenemittierenden Halbleiterlaserdioden gemäß weiterer Aus führungsbeispiele .
Figur 27 zeigt eine schematische Darstellung der Intensität von Substratmoden gemäß einem Aus führungsbeispiel .
Gleiche , gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit demselben Bezugs zeichen versehen . Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten . Vielmehr können einzelne Elemente , insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein .
Figur 1 zeigt einen Querschnitt des von der kantenemittierenden Laserdiode ausgekoppelten Laserstrahls . Die elektromagnetische Laserstrahlung weist insbesondere ein Gauß ' sches Modenprofil 20 mit unterschiedlichen Modenbreiten in zwei zueinander orthogonalen Richtungen auf . Der mit einer Ellipse markierte Bereich zeigt zusätzliche Strukturen im ausgekoppelten Laserstrahl , die durch im Substrat 1 propagierende elektromagnetische Lasermoden 9 hervorgerufen werden . Diese Substratmoden 9 werden zumindest teilweise von der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode ausgekoppelt , beeinträchtigen die Strahlqualität und führen beispielsweise zu einer schlechteren Abbildungsqualität .
Figur 2 zeigt ein Modenprofil 20 elektromagnetischer Laserstrahlung im Fernfeld einer kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode , wobei die Intensität I der elektromagnetischen Laserstrahlung als Funktion eines Abstrahlwinkels a gezeigt ist . Die elektromagnetische Laserstrahlung weist insbesondere ein Gauß ' sches Modenprofil 20 auf . Des Weiteren zeigt das Modenprofil 20 zusätzliche Intensitätsspitzen 24 der elektromagnetischen Laserstrahlung, die durch im Substrat 1 propagierende elektromagnetische Lasermoden 9 , die von der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode ausgekoppelt werden, hervorgerufen werden . Der hier beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode liegt die Idee zugrunde , diese zusätzlichen Intensitätsspitzen 24 weitgehend zu unterdrücken .
Die kantenemittierende Halbleiterlaserdiode gemäß dem Aus führungsbeispiel der Figur 3 weist ein Substrat 1 mit einem darauf aufgebrachten epitaktischen Halbleiterschichtenstapel 2 auf . Der epitaktische Halbleiterschichtenstapel 2 ist auf einer ersten Hauptfläche 6 des Substrats 1 aufgebracht und weist beispielsweise ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial auf . Der epitaktische Halbleiterschichtenstapel 2 umfasst eine aktive Schicht 3 zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung . Des Weiteren weist der epitaktische Halbleiterschichtenstapel 2 Mantelschichten 10 zur Führung der im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Laserstrahlung in der aktiven Schicht 3 auf , wobei die aktive Schicht 3 zwischen zwei Mantelschichten 10 angeordnet ist .
Das Substrat 1 ist insbesondere ein Wachstumssubstrat , auf dem der epitaktische Halbleiterschichtenstapel 2 epitaktisch aufgewachsen ist . Beispielsweise weist das Substrat 1 Galliumnitrid oder Sili ziumcarbid auf oder besteht aus einem dieser Materialien . Das Substrat 1 ist transparent für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Laserstrahlung . Insbesondere weist das Substrat 1 eine größere Bandlücke auf , als die aktive Schicht 3 des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels 2 . Im Betrieb erzeugte elektromagnetische Laserstrahlung kann somit zumindest teilweise aus der aktiven Schicht 3 in das transparente Substrat 1 einkoppeln und im Substrat 1 als elektromagnetische Lasermode 9 propagieren .
Direkt auf der zweiten Hauptfläche 7 des Substrats 1 ist eine Anpassschicht 4 aufgebracht . Die Anpassschicht 4 weist ein dielektrisches Material oder ein Halbleitermaterial auf , das transparent für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung ist . Beispielsweise weist die Anpassschicht 4 Galliumphosphid auf oder besteht aus Galliumphosphid .
Insbesondere ist ein Brechungsindex n der Anpassschicht 4 für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung größer als ein Brechungsindex des Substrats 1 . Beispielsweise ist der Brechungsindex n der Anpassschicht 4 um zumindest 0 , 15 und um höchstens 0 , 7 größer als der Brechungsindex des Substrats 1 . Des Weiteren beträgt der Extinktionskoef fi zient k der Anpassschicht bevorzugt höchstens 0 , 1 .
Direkt auf der dem Substrat 1 gegenüberliegenden Hauptfläche der Anpassschicht 4 ist eine Absorptionsschicht 5 aufgebracht . Die Absorptionsschicht 5 weist insbesondere einen hohen Absorptionskoef fi zienten für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung auf und ist beispielsweise aus einem Metall gebildet .
Eine Dicke D der Anpassschicht 4 ist so gewählt , dass Substratmoden 9 von der Absorptionsschicht 5 möglichst stark absorbiert und dadurch gedämpft werden . Beispielsweise verringert die Anpassschicht 4 eine Reflexion von Substratmoden 9 an der Absorptionsschicht 5 . Die Dicke D der Anpassschicht 4 ist insbesondere proportional zur Wellenlänge im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung und invers proportional zu einem Brechungsindex n der Anpassschicht .
Auf einer dem Substrat 1 gegenüberliegenden Hauptfläche des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels 2 ist eine Kontaktschicht 19 zur elektrischen Kontaktierung der aktiven Schicht 3 angeordnet . Des Weiteren ist die Absorptionsschicht 5 als weitere Kontaktschicht zur elektrischen Kontaktierung der aktiven Schicht 3 eingerichtet , wobei das Substrat 1 elektrisch leitfähig ist . Beispielsweise weist das Substrat ein dotiertes Halbleitermaterial auf . Die zwischen dem Substrat 1 und der Absorptionsschicht 5 angeordnete Anpassschicht 4 ist entweder elektrisch leitfähig oder weist eine laterale Strukturierung 11 auf . Beispiele für laterale Strukturierungen 11 der Anpassschicht 4 sind in den Figuren 16 bis 23 gezeigt . Durch die laterale Strukturierung 11 der Anpassschicht 4 weist die kantenemittierende Halbleiterlaserdiode insbesondere eine direkte , elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Absorptionsschicht 5 und dem Substrat 1 auf .
Gegenüberliegende Seitenflächen der Halbleiterlaserdiode sind als Lichtauskoppel facette 15 und Rückseitenfacette 18 ausgebildet , die gemeinsam einen optischen Resonator der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode bilden . Der optische Resonator ist in Verbindung mit der aktiven Schicht 3 dazu eingerichtet , im Betrieb elektromagnetische Laserstrahlung zu erzeugen . Die elektromagnetische Laserstrahlung wird über die Lichtauskoppel facette 15 ausgekoppelt und von der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode unter dem Abstrahlwinkel a abgestrahlt . Dabei bezeichnet der Abstrahlwinkel a einen Winkel zwischen einer Flächennormalen der Lichtauskoppel facette 15 und einer Abstrahlrichtung der im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Laserstrahlung .
Figur 4 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode gemäß dem Aus führungsbeispiel der Figur 3 . Der epitaktische Halbleiterschichtenstapel 2 weist insbesondere einen Stegwellenleiter 22 zur Führung im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung auf . Der Stegwellenleiter 22 erstreckt sich in lateraler Richtung zwischen der Lichtauskoppel facette 15 und der gegenüberliegenden Rückseitenfacette 18 . Die Kontaktschicht 19 zur elektrischen Kontaktierung der aktiven Schicht 3 überdeckt den Stegwellenleiter 22 vollständig .
Die Anpassschicht 4 bedeckt die zweite Hauptfläche 7 des Substrats 1 nur teilweise . Insbesondere ist ein Bereich der zweiten Hauptfläche 7 in senkrechter Richtung über dem Stegwellenleiter 22 von der Anpassschicht 4 bedeckt . Die Anpassschicht 4 bedeckt dabei einen Bereich der zweiten Hauptfläche 7 , der in lateraler Richtung senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung des Stegwellenleiters 22 bevorzugt um zumindest 30 Mikrometer, besonders bevorzugt um zumindest 60 Mikrometer, über den Stegwellenleiter 22 hinaus reicht . Bereiche der zweiten Hauptfläche 7 , die nicht von der Anpassschicht 4 bedeckt sind, sind von der Absorptionsschicht 5 bedeckt , die sich über die gesamte zweite Hauptfläche 7 erstreckt . Die Absorptionsschicht 5 ist dadurch in direktem elektrischem Kontakt mit dem elektrisch leitfähigen Substrat 1 und zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterschichtenstapels 2 eingerichtet . Figur 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode gemäß dem Aus führungsbeispiel der Figur 3 in Draufsicht auf die Lichtauskoppel facette 15 . Insbesondere bedeckt die Anpassschicht 4 die zweite Hauptfläche 7 des Substrats 1 nicht vollständig, aber ragt in lateraler Richtung beidseitig um zumindest 30 Mikrometer über den Stegwellenleiter 22 hinaus .
Figur 6 zeigt schematisch eine Abhängigkeit zwischen einer Dicke D der Anpassschicht 4 und einer Modenstärke S der Substratmoden 9 . Die Modenstärke S gibt insbesondere eine relative Intensität der von der Halbleiterlaserdiode ausgekoppelten Substratmoden 9 an . Eine Modenstärke S mit dem Wert S=1 entspricht dabei einer Halbleiterlaserdiode ohne Absorptionsschicht 5 und ist in Figur 4 mit einem Stern gekennzeichnet . Im Gegensatz dazu weist eine baugleiche Halbleiterlaserdiode mit einer zusätzlichen Absorptionsschicht 5 , aber ohne einer Anpassschicht 4 , eine geringere Modenstärke S auf , die in Figur 4 mit einem Quadrat gekennzeichnet ist .
Des Weiteren zeigt Figur 4 die Modenstärke S von Substratmoden 9 einer Halbleiterlaserdiode mit einer Absorptionsschicht 5 und einer Anpassschicht 4 als Funktion der Dicke D der Anpassschicht 4 . Insbesondere zeigt Figur 4 , dass die Modenstärke S der Substratmoden 9 durch eine geeignete Wahl der Dicke D der Anpassschicht 4 um beispielsweise zwei Größenordnungen verringert werden kann .
Figur 7 zeigt Ergebnisse einer numerischen Simulation der Modenstärke S von Substratmoden 9 in Abhängigkeit der Dicke D der Anpassschicht 4 . Die Modenstärke S weist mehrere , annähernd periodische auftretende Minima 21 auf . Das erste Minimum 21 tritt bei einer mit Do bezeichneten Dicke D der Anpassschicht 4 auf . Weitere Minima 21 treten ungefähr bei Dicken D = Do + m * Ad der Anpassschicht 4 auf , wobei Ad =
— , = ist und m eine ganze Zahl größer gleich Null ist .
2 n2 ~nSubstrat
Dabei bezeichnen n und nSubstrat Brechungsindi zes der Anpassschicht 4 und des Substrats 1 für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung .
Figur 8 zeigt die Dicke Do, bei der das erste Minimum 21 der
Modenstärke S in Figur 5 auftritt , als Funktion des
Brechungsindex n der Anpassschicht 4 . Die Dicke Do lässt sich
_ x _ näherungsweise durch die Funktion Do
450*(0,00192*n2 +0,01873 *n-0, 05235) parametrisieren, wobei X die Wellenlänge im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung und n den Brechungsindex der
Anpassschicht 4 bezeichnet .
Figur 9 zeigt numerische Ergebnisse zur Modenstärke S von Substratmoden 9 als Funktion des Brechungsindex n der Anpassschicht 4 . Dabei sind die Dicke D der Anpassschicht 4 sowie optische Eigenschaften der Absorptionsschicht 5 fixiert . Insbesondere zeigt Figur 7 , dass die Modenstärke S der Substratmoden 9 ein stark ausgeprägtes Minimum 21 bei einem bestimmten Wert des Brechungsindex n der Anpassschicht 4 aufweist . Dieser Wert hängt unter anderem von optischen Eigenschaften der Absorptionsschicht 5 ab, insbesondere vom komplexen Brechungsindex der Absorptionsschicht 5 .
Figur 10 zeigt eine Modenstärke S von Substratmoden 9 als Funktion eines Extinktionskoef fi zienten k der Anpassschicht 4 . Dabei sind die Dicke D und der Brechungsindex n der Anpassschicht 4 , sowie optische Eigenschaften der Absorptionsschicht 5 , fixiert . Insbesondere zeigt Figur 8 , dass ein möglichst kleiner Extinktionskoef fi zient k der Anpassschicht 4 eine besonders geringe Modenstärke S der Substratmoden 9 zur Folge hat . In anderen Worten führt ein möglichst kleiner Extinktionskoef fi zient k der Anpassschicht 4 zu einer vorteilhaft großen Dämpfung der Substratmoden 9 .
Die kantenemittierende Halbleiterlaserdiode gemäß dem Aus führungsbeispiel der Figur 11 weist im Gegensatz zur Halbleiterlaserdiode in Figur 3 mehrere Anpassschichten 4 auf , die zwischen dem Substrat 1 und der Absorptionsschicht 5 angeordnet sind . Die verschiedenen Anpassschichten 4 weisen beispielsweise unterschiedliche Materialien und somit unterschiedliche optische Eigenschaften, insbesondere unterschiedliche Brechungsindi zes n auf . Dadurch kann die Dämpfung der Substratmoden 9 feiner eingestellt und somit verbessert werden .
Die kantenemittierende Halbleiterlaserdiode gemäß dem Aus führungsbeispiel der Figur 12 weist im Vergleich zur Halbleiterlaserdiode in Figur 3 zusätzlich eine Lichtblockschicht 14 auf . Die Lichtblockschicht 14 bedeckt die Lichtauskoppel facette 15 teilweise , insbesondere im Bereich des Substrats 1 . Die Lichtblockschicht 14 ist zur zumindest teilweisen Absorption und/oder Reflektion von Substratmoden 9 eingerichtet . Somit wird eine Auskopplung von Substratmoden 9 aus der Halbleiterlaserdiode zumindest teilweise reduziert oder verhindert . In Verbindung mit der Anpassschicht 4 und der Absorptionsschicht 5 können Substratmoden 9 im Fernfeld der von der Halbleiterlaserdiode ausgekoppelten Laserstrahlung dadurch noch stärker unterdrückt werden . Das Aus führungsbeispiel in Figur 13 weist im Gegensatz zur kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode in Figur 5 eine Anpassschicht 4 auf , die die zweite Hauptfläche 7 des Substrats 1 vollständig bedeckt . Die Anpassschicht 4 ist elektrisch leitfähig, um einen elektrischen Kontakt zwischen der Absorptionsschicht 5 und dem epitaktischen Halbleiterschichtenstapel 2 über das elektrisch leitfähige Substrat 1 zu gewährleisten .
Im Gegensatz zur kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode in Figur 13 ist bei dem Aus führungsbeispiel der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode in Figur 14 die Absorptionsschicht 5 nicht als Kontaktschicht eingerichtet . Somit sind keine elektrisch leitfähige Anpassschicht 4 und kein elektrisch leitfähiges Substrat 1 zur elektrischen Kontaktierung des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels 2 notwendig . Stattdessen sind die Kontaktschichten 19 zur elektrischen Kontaktierung des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels 2 parallel zum Stegwellenleiter 22 und lateral beabstandet vom epitaktischen Halbleiterschichtenstapel 2 auf der ersten Hauptfläche 6 des Substrats 1 , sowie auf der dem Substrat 1 abgewandten Hauptfläche des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels 2 angeordnet .
Bei der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode gemäß dem Aus führungsbeispiel in Figur 15 ist ein Bereich, in dem die Absorptionsschicht 5 in direktem Kontakt mit der zweiten Hauptfläche 7 des Substrats 1 steht , größer als bei der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode in Figur 12 . Dadurch kann im Falle einer nicht elektrisch leitfähigen Anpassschicht 4 ein elektrischer Kontakt zwischen der
Absorptionsschicht 5 und dem Substrat 1 verbessert werden .
Figur 16 zeigt eine Draufsicht auf die zweite Hauptfläche 7 des Substrats 1 einer kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode . Dabei ist die zweite Hauptfläche 7 teilweise frei von der Anpassschicht 4 , während sich die Absorptionsschicht 5 über der gesamten zweiten Hauptfläche 7 erstreckt . Insbesondere ist ein Bereich am Rand der zweiten Hauptfläche 7 , der sich zwischen Lichtauskoppel facette 15 und Rückseitenfacette 18 erstreckt , frei von der Anpassschicht 4 .
Bei der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode in Figur 17 sind im Gegensatz zu Figur 16 zwei Bereiche an gegenüberliegenden Rändern der zweiten Hauptfläche 7 frei von der Anpassschicht 4 .
In Figur 18 bedeckt die Absorptionsschicht 5 im Gegensatz zur Figur 17 das Substrat 1 nicht vollständig . Die Anpassschicht 4 ist j edoch vollständig von der Absorptionsschicht 5 bedeckt .
In Figur 19 sind die Anpassschicht 4 und die Absorptionsschicht 5 im Gegensatz zur Figur 18 von der Lichtauskoppel facette 15 und der Rückseitenfacette 18 lateral beabstandet .
Im Gegensatz zur kantenemittierenden Halbleiterdiode in Figur 19 weist die Anpassschicht 4 in Figur 20 eine zusätzliche laterale Strukturierung 11 auf . Insbesondere weist die Anpassschicht 4 eine Viel zahl voneinander getrennter Segmente 12 auf , die entlang einer Richtung zwischen der Lichtauskoppel facette 15 und der Rückseitenfacette 18 angeordnet sind .
Bei der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode in Figur 21 ist im Vergleich zur Figur 17 nur ein Teilbereich der zweiten Hauptfläche 7 an der Lichtauskoppel facette 18 von der Anpassschicht 4 bedeckt .
Die kantenemittierende Halbleiterlaserdiode in Figur 22 weist im Gegensatz zur kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode der Figur 20 eine laterale Strukturierung 11 der Anpassschicht 4 in Form einer Viel zahl von Ausnehmungen 13 auf .
Die kantenemittierende Halbleiterlaserdiode in Figur 23 weist eine Absorptionsschicht 5 auf , die zwei voneinander getrennte Segmente 12 umfasst . Die zwei Segmente 12 sind in der Nähe der Lichtauskoppel facette 15 und der Rückseitenfacette angeordnet , während die Anpassschicht 4 einen an die Lichtauskoppel facette 15 angrenzenden Bereich der zweiten Hauptfläche 7 bedeckt .
Figur 24 zeigt eine Draufsicht auf die Lichtauskoppel facette 15 einer kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode . Der epitaktische Halbleiterschichtenstapel 2 weist drei lateral voneinander beabstandete Emissionsbereiche 16 auf . Die drei Emissionsbereiche 16 sind durch voneinander getrennte Kontaktschichten 19 unabhängig voneinander elektrisch kontaktiert und somit unabhängig voneinander ansteuerbar und/oder betreibbar . Zu j edem Emissionsbereich 16 ist ein zugehöriger Teilbereich 17 der Anpassschicht 4 und der Absorptionsschicht 5 auf der zweiten Hauptfläche 7 des Substrats 1 aufgebracht , der direkt gegenüber dem j eweiligen Emissionsbereich 16 angeordnet ist . Die Teilbereiche 17 der Anpassschicht 4 bei der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode in Figur 25 weisen im Gegensatz zur Figur 24 unterschiedliche Eigenschaften auf . Beispielsweise weist die Anpassschicht 4 in den Teilbereichen 17 unterschiedliche Dicken D und/oder unterschiedliche Material zusammensetzungen auf . Somit kann die Anpassschicht 4 in den Teilbereichen 17 beispielsweise an unterschiedliche Emissionswellenlängen der verschiedenen Emissionsbereiche 16 angepasst werden .
Figur 26 zeigt eine kantenemittierende Halbleiterlaserdiode , die im Gegensatz zur Figur 24 eine zusammenhängende Anpassschicht 4 aufweist . Insbesondere ist die Anpassschicht 4 nicht in voneinander getrennte Teilbereiche 17 geteilt . Somit teilen sich alle Emissionsbereiche 16 des Halbleiterschichtenstapels 2 eine gemeinsame Anpassschicht 4 .
Figur 27 zeigt eine schematische Darstellung einer Intensität I von Substratmoden 9 in einer Richtung R senkrecht zur zweiten Hauptfläche 7 des Substrats 1 . Die Substratmoden 9 sind in dieser Richtung R als stehende elektromagnetische Wellen dargestellt . An der Grenz fläche zwischen der Anpassschicht 4 und der metallischen Absorptionsschicht 5 weisen die Substratmoden 9 insbesondere einen Knoten auf , an dem die Intensität I der Substratmoden 9 verschwindet . Durch die Anpassschicht 4 werden Intensitätsmaxima 23 der Substratmoden 9 näher an die Absorptionsschicht 5 gerückt . Somit wird eine Dämpfung der Substratmoden 9 durch die Absorptionsschicht 5 vorteilhaft erhöht . Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 102022104418.1, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese 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.
Bezugs zeichenliste
1 Substrat
2 epitaktischer Halbleiterschichtenstapel
3 aktive Schicht
4 Anpassschicht
5 Absorptionsschicht
6 erste Hauptfläche
7 zweite Hauptfläche
8 Abstand
9 Substratmode
10 Mantelschicht
11 Strukturierung
12 Segment
13 Ausnehmung
14 Lichtblockschicht
15 Lichtauskoppel facette
16 Emissionsbereich
17 Teilbereich
18 Rückseitenfacette
19 Kontaktschicht
20 Modenprofil
21 Minimum
22 Stegwellenleiter
23 Intensitätsmaximum
24 Intensitätsspitze
I Intensität
S Modenstärke n Brechungsindex k Extinktionskoef fi zient
D Dicke a Abstrahlwinkel
R Richtung

Claims

Patentansprüche
1. Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode, aufweisend:
- ein Substrat (1) mit einer ersten Hauptfläche (6) und einer der ersten Hauptfläche (6) gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche (7) ,
- einen epitaktischen Halbleiterschichtenstapel (2) auf der ersten Hauptfläche (6) des Substrats (1) , wobei der epitaktische Halbleiterschichtenstapel (2) eine aktive Schicht (3) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung umfasst,
- zumindest eine Anpassschicht (4) , die auf der zweiten Hauptfläche (7) des Substrats (1) angeordnet ist, und
- eine Absorptionsschicht (5) , die direkt auf der Anpassschicht (4) aufgebracht und dazu eingerichtet ist, die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise zu absorbieren, wobei
- das Substrat (1) und die Anpassschicht (4) transparent für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung sind, und
- die Anpassschicht (4) dazu eingerichtet ist, die Absorption von elektromagnetischer Strahlung in der Absorptionsschicht
(5) zu erhöhen.
2. Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Substrat (1) ein Wachstumssubstrat für den epitaktischen Halbleiterschichtenstapel (2) ist.
3. Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Anpassschicht (4) einen Abstand (8) zwischen der Absorptionsschicht (5) und einem Intensitätsmaximum (23) von im Substrat (1) propagierenden elektromagnetischen Lasermoden (9) verringert.
4. Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Anpassschicht (4) eine Reflexion von im Substrat
(1) propagierenden elektromagnetischen Lasermoden (9) an der Absorptionsschicht (5) verringert.
5. Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Brechungsindex (n) der Anpassschicht (4) für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung grösser als ein Brechungsindex des Substrats (1) für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung ist.
6. Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Extinktionskoeffizient (k) der Anpassschicht (4) für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung höchstens 2 beträgt.
7. Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Dicke (D) der Anpassschicht (4) proportional zu einer Wellenlänge im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung und invers proportional zu einem Brechungsindex (n) der Anpassschicht (4) für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung ist.
8. Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Dicke (D) der Anpassschicht (4) D = Do + m * Ad mit einer Toleranz von ±30 Nanometer beträgt, wobei , m eine ganze Zahl
Figure imgf000035_0001
J Substrat größer gleich Null, X eine Wellenlänge im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung, n einen Brechungsindex der Anpassschicht (4) für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung und nSubstrat einen Brechungsindex des Substrats (1) für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung bezeichnet .
9. Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Anpassschicht (4) eine laterale Strukturierung (11) aufweist, so dass nur ein Teil der zweiten Hauptfläche (7) des Substrats von der Anpassschicht bedeckt ist und/oder die Anpassschicht (4) zumindest zwei voneinander getrennte Segmente (12) aufweist und/oder die Anpassschicht (4) zumindest eine Ausnehmung (13) aufweist.
10. Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Anpassschicht (4) Titanoxid, nicht stöchiometrisches Siliziumoxid, nicht stöchiometrisches Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, oder Galliumphosphid aufweist .
11. Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Anpassschicht (4) elektrisch leitfähig ist.
12. Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Absorptionsschicht (5) als Kontaktschicht (19) zur elektrischen Kontaktierung des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels (2) eingerichtet ist.
13. Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Absorptionsschicht (5) ein Metall, ein Halbleitermaterial, oder ein nicht stöchiometrisches Dielektrikum aufweist.
14. Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, zusätzlich aufweisend eine Lichtblockschicht (14) , die auf einem Teilbereich einer Lichtauskoppelfacette (15) der Halbleiterlaserdiode angeordnet und dazu eingerichtet ist, im Substrat (1) propagierende elektromagnetische Lasermoden (9) zumindest teilweise zu absorbieren und/oder zu reflektieren.
15. Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die aktive Schicht (3) zumindest zwei lateral nebeneinander angeordnete Emissionsbereiche (16) aufweist, die zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen eingerichtet sind.
16. Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Anpassschicht (4) zumindest zwei lateral nebeneinander angeordnete Teilbereiche (17) aufweist und wobei jeweils ein Teilbereich (17) in einer Richtung senkrecht zur ersten Hauptfläche (6) des Substrats (1) unter einem Emissionsbereich (16) angeordnet ist.
17. Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Teilbereiche (17) der Anpassschicht (4) unterschiedliche Materialien und/oder unterschiedliche Dicken (D) aufweisen.
PCT/EP2022/087230 2022-02-24 2022-12-21 Kantenemittierende halbleiterlaserdiode WO2023160865A1 (de)

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