DE102006042196A1

DE102006042196A1 - Oberflächenemittierender Halbleiterkörper mit vertikaler Emissionsrichtung und stabilisierter Emissionswellenlänge

Info

Publication number: DE102006042196A1
Application number: DE102006042196A
Authority: DE
Inventors: Stephan Dr. Lutgen; Wolfgang Diehl; Peter Dr. Brick
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2008-01-03
Also published as: TWI373181B; WO2008000243A3; TW200818641A; JP2009542016A; US8208512B2; EP2036171A2; US20100014549A1; WO2008000243A2

Abstract

Es wird ein oberflächenemittierender Halbleiterkörper mit einer vertikalen Emissionsrichtung angegeben, welcher zum Betrieb mit einem Resonator vorgesehen ist und eine Halbleiterschichtenfolge mit einem aktiven Bereich umfasst, wobei der Halbleiterkörper derart wellenlängenstabilisierend ausgebildet ist, dass eine Peak-Wellenlänge der im aktiven Bereich erzeugten Strahlung in einem vorgegebenen Betriebsbereich des Halbleiterkörpers gegenüber Änderungen der Ausgangsleistung der im aktiven Bereich erzeugten Strahlung stabilisiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen oberflächenemittierenden Halbleiterkörper mit einer vertikalen Emissionsrichtung.
Oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit vertikaler Emissionsrichtung sind beispielsweise aus einem Artikel von Kuznetsov et al. (IEEE Journal of Selected Topics Quantum Electronics, Vol. 5, No. 3, May/June 1999, pages 561-573) bekannt. Die spektrale Position der Peak-Wellenlänge der im Betrieb solcher Halbleiterlaser im aktiven Bereich erzeugten Strahlung hängt typischerweise von der Temperatur des aktiven Bereichs ab. So kann eine Erhöhung der Temperatur des aktiven Bereichs eine verringerte Bandlückenenergie bewirken, was eine Verschiebung der Peak-Wellenlänge zu größeren Wellenlängen verursachen kann. In vielen Anwendungsfällen, etwa wenn die vom Halbleiterlaser erzeugte Strahlung zur Konversion in einem nichtlinear-optischen Kristall vorgesehen ist, ist jedoch eine möglichst stabile Peak-Wellenlänge von großem Vorteil. In einem möglichen Verfahren kann die Stabilisierung der Peak-Wellenlänge über die Regelung der Betriebstemperatur des Halbleiterlasers erfolgen. Solche Verfahren sind jedoch vergleichsweise aufwändig.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen oberflächenemittierenden Halbleiterkörper, der zum Betrieb mit einem Resonator vorgesehen ist, anzugeben, wobei die spektrale Position der Peak-Wellenlänge der im Resonator propagierenden beziehungsweise der aus dem Resonator ausgekoppelten Strahlung vereinfacht gegenüber Temperaturänderungen eines zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereichs des Halbleiterkörpers stabilisiert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen oberflächenemittierenden Halbleiterkörper mit vertikaler Emissionsrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
In einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst ein oberflächenemittierender Halbleiterkörper mit einer vertikalen Emissionsrichtung, der zum Betrieb mit einem Resonator vorgesehen ist, eine Halbleiterschichtenfolge mit einem aktiven Bereich sowie mindestens zwei außerhalb des aktiven Bereichs angeordnete Halbleiterschichten. Dabei weist der aktive Bereich eine Mehrzahl von Quantenstrukturen auf, wobei jeder Quantenstruktur bezüglich ihrer Ausdehnung entlang der Emissionsrichtung ein geometrischer Mittelpunkt zugeordnet ist. Hierbei sind die geometrischen Mittelpunkte der Quantenstrukturen entlang der Emissionsrichtung in einem mittleren optischen Abstand D zueinander angeordnet und eine optische Schichtdicke einer der außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten ist gezielt gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen des halben mittleren optischen Abstands D verstimmt.
Durch eine derartige Verstimmung kann im Betrieb des Halbleiterkörpers im Resonator mit Vorteil eine Abhängigkeit einer Peak-Wellenlänge einer im aktiven Bereich erzeugten und zur Verstärkung im Resonator vorgesehenen Strahlung von einer Temperatur des aktiven Bereichs vermindert sein. Zudem kann die Peak-Wellenlänge gegenüber einer Änderung der Ausgangsleistung der im aktiven Bereich erzeugten Strahlung stabilisiert sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Halbleiterkörper zum Betrieb in einem vorgegebenen Betriebsbereich vorgesehen.
In einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform weist ein oberflächenemittierender Halbleiterkörper mit einer vertikalen Emissionsrichtung eine Halbleiterschichtenfolge mit einem aktiven Bereich auf. Dabei ist der Halbleiterkörper derart wellenlängenstabilisierend ausgebildet, dass im Betrieb des Halbleiterkörpers in einem Resonator eine Peak-Wellenlänge einer im aktiven Bereich erzeugten Strahlung in einem vorgegebenen Betriebsbereich gegenüber einer Änderung der Ausgangsleistung der im aktiven Bereich erzeugten Strahlung stabilisiert ist.
Die verminderte Änderung der Peak-Wellenlänge bei einer Änderung der Ausgangsleistung wird durch einen geeigneten Aufbau des Halbleiterkörpers erreicht. Mit Vorteil kann auf zusätzliche Elemente im Resonator zur Stabilisierung der Peak-Wellenlänge verzichtet werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der zweiten Ausführungsform umfasst die Halbleiterschichtenfolge mindestens zwei außerhalb des aktiven Bereichs angeordnete Halbleiterschichten.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der zweiten Ausführungsform weist der aktive Bereich eine Mehrzahl von Quantenstrukturen auf, wobei jeder Quantenstruktur bezüglich ihrer Ausdehnung entlang der Emissionsrichtung ein geometrischer Mittelpunkt zugeordnet ist. Hierbei sind die geometrischen Mittelpunkte der Quantenstrukturen entlang der Emissionsrichtung in einem mittleren optischen Abstand D zueinander angeordnet und eine optische Schichtdicke einer der außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten ist gezielt gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen des halben mittleren optischen Abstands verstimmt.
Der Halbleiterkörper ist bevorzugt so ausgebildet, dass physikalische Effekte, die einer Zunahme der Peak-Wellenlänge der im aktiven Bereich des Halbleiterkörpers erzeugten Strahlung mit steigender Temperatur des aktiven Bereichs entgegen wirken, gezielt verstärkt werden. Solche Effekte sind beispielsweise Modensprünge (mode hopping) oder eine Änderung des Brechungsindizes von Halbleiterschichten bei einer Änderung der Ladungsträgerdichte in den Halbleiterschichten im Betrieb des Halbleiterkörpers.
Die Peak-Wellenlänge der im Betrieb in einem Resonator im aktiven Bereich erzeugten Strahlung kann gegenüber einer Änderung der Ausgangsleistung der im aktiven Bereich erzeugten Strahlung als stabilisiert angesehen werden, wenn die Änderung der Peak-Wellenlänge mit Zunahme der Temperatur des aktiven Bereichs oder mit der Ausgangsleistung der Strahlung geringer ist als bei einem Halbleiterkörper, der wie im eingangs erwähnten Artikel von Kuznetsov et al. beschrieben derartig ausgeführt ist, dass alle optischen Schichtdicken der außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten einem ganzzahligen Vielfachen eines gemeinsamen Werts entsprechen, wobei dieser gemeinsame Wert durch die angestrebte Peak-Wellenlänge der im Halbleiterkörper erzeugten Strahlung vorgegeben ist.
Weiterhin kann die Peak-Wellenlänge als stabilisiert angesehen werden, wenn sich die Peak-Wellenlänge bei Änderung der Temperatur des aktiven Bereichs oder bei Änderung der Ausgangsleistung der im aktiven Bereich erzeugten Strahlung langsamer ändert als dies in Folge der Änderung des Brechungsindizes der im Halbleiterkörper eingesetzten Halbleitermaterialien mit der Temperatur des aktiven Bereichs der Fall ist. Hierbei ist die Änderung des Brechungsindizes mit der Temperatur ein materialspezifischer Wert dieser Halbleitermaterialien. Beispielsweise wird für einen herkömmlichen auf GaAs basierenden Halbleiterkörper von Kuznetsov et al. eine temperatur-induzierte Resonanzverschiebung von +0,1 nm/°C angegeben.
Unter einem oberflächenemittierenden Halbleiterkörper mit einer vertikalen Emissionsrichtung wird im Rahmen der Erfindung ein Halbleiterkörper verstanden, bei dem eine im Halbleiterkörper erzeugte Strahlung überwiegend seitens einer Oberfläche des Halbleiterkörpers, welche parallel zu den Halbleiterschichten der Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers verläuft, aus dem Halbleiterkörper austritt. Die Richtung, in welche die im Halbleiterkörper erzeugte Strahlung überwiegend abgestrahlt wird, steht damit senkrecht oder im wesentlichen senkrecht zu den Halbleiterschichten der Halbleiterschichtenfolge.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die untere Grenze des vorgegebenen Betriebsbereichs durch die Laserschwelle des Halbleiterkörpers gebildet. Unter der Laserschwelle wird dabei diejenige Pumpleistung verstanden, bei der im Betrieb des Halbleiterkörpers im Resonator die Laseraktivität, das heißt die Emission von kohärenter Strahlung, einsetzt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die obere Grenze des vorgegebenen Betriebsbereichs durch einen Betriebspunkt, in dem die maximale Ausgangsleistung erzielt wird, besonders bevorzugt durch eine Obergrenze der Laseraktivität des oberflächenemittierenden Halbleiterkörpers gebildet. In der Regel führt das so genannte thermische Überrollen des Halbleiterkörpers zu einer Obergrenze der Laseraktivität. Das thermische Überrollen bewirkt, dass eine maximale Ausgangsleistung der im aktiven Bereich erzeugten Strahlung bei weiterer Erhöhung der Pumpleistung nicht überschritten werden kann. Die Ursache hierfür sind thermisch induzierte Verlustmechanismen im aktiven Bereich, die bei einer Erhöhung der Pumpleistung über den Betriebspunkt der maximalen Ausgangsleistung hinaus zu einem Aussetzen der Laseraktivität führen.
Besonders bevorzugt ist der vorgegebene Betriebsbereich der gesamte Bereich der Laseraktivität. Die Grenzen des Betriebsbereichs sind somit die Laserschwelle und die Obergrenze der Laseraktivität.
Die Pumpleistung kann im Betrieb des Halbleiterkörpers insbesondere elektrisch oder optisch dem aktiven Bereich des Halbleiterkörpers zugeführt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Halbleiterkörper derart ausgeführt, dass sich die Peak-Wellenlänge der im aktiven Bereich erzeugten Strahlung in dem vorgegebenen Betriebsbereich um 10 nm oder weniger, besonders bevorzugt im 5 nm oder weniger, insbesondere um 1 nm oder weniger ändert.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind zwei benachbarte Quantenstrukturen des aktiven Bereichs durch jeweils eine Barriere voneinander getrennt. Hierbei sind die Quantenstrukturen zur Erzeugung von, bevorzugt kohärenter, Strahlung vorgesehen. Insbesondere wird im Betrieb des Halbleiterkörpers Strahlung in den Quantenstrukturen mittels strahlender Rekombination von quantisierten Elektronen mit quantisierten Löchern erzeugt. Die Emission der im aktiven Bereich zu verstärkenden Strahlung erfolgt dabei bevorzugt entlang der Emissionsrichtung.
Die Bezeichnung Quantenstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss ("confinement") eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren oder erfahren können.
Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantenstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Typischerweise ist die Ausdehnung einer Barriere entlang der Emissionsrichtung dabei mindestens so groß wie die Ausdehnung einer Quantenstruktur entlang der Emissionsrichtung. Insbesondere ist die Ausdehnung der Barrieren mindestens doppelt so groß wie die Ausdehnung der Quantenstrukturen, bevorzugt mindestens fünfmal so groß wie die Ausdehnung der Quantenstrukturen.
Besonders bevorzugt ist die Dicke der Barriere, das heißt, die Ausdehnung der Barriere entlang der Emissionsrichtung, so ausgebildet, dass der mittlere optische Abstand D etwa dem Abstand zwischen zwei benachbarten Maxima der Intensität eines sich im Betrieb des Halbleiterkörpers ausbildenden Stehwellenfeldes im Resonator für die im aktiven Bereich zu verstärkende Strahlung entspricht. Dabei beträgt die Abweichung vom mittleren optischen Abstand D und dem Abstand zwischen zwei benachbarten Maxima der Intensität des Stehwellenfeldes typischerweise höchstens 5%, bevorzugt höchstens 2%, besonders bevorzugt höchstens 1%. Je geringer diese Abweichung ist, desto näher kann der Mittelpunkt einer jeden Quantenstruktur in jeweils einem dieser Maxima des Stehwellenfeldes angeordnet sein. So kann vorteilhaft die Verstärkung für im aktiven Bereich zu verstärkende Strahlung gesteigert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst der aktive Bereich 5 Quantenstrukturen oder mehr, besonders bevorzugt 10 Quantenstrukturen oder mehr. Mit zunehmender Anzahl von Quantenstrukturen kann bei optischem Pumpen des aktiven Bereichs die Absorption der Pumpstrahlung vorteilhaft erhöht werden. Andererseits nimmt gleichzeitig die Dicke des aktiven Bereichs zu, wodurch sich bei der Herstellung des Halbleiterkörpers die Dauer der Abscheidung des aktiven Bereichs erhöht. Eine Anzahl von zwischen einschließlich 10 und einschließlich 25 Quantenstrukturen, beispielsweise 14 Quantenstrukturen, hat sich deshalb als vorteilhaft erwiesen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die geometrischen Mittelpunkte der Quantenstrukturen äquidistant angeordnet, wobei der optische Abstand der geometrischen Mittelpunkte zweier benachbarter Quantenstrukturen jeweils dem Abstand zwischen zwei benachbarten Maxima der Intensität eines Stehwellenfeldes im Resonator für die im aktiven Bereich zu verstärkende Strahlung entspricht. So können die Quantenstrukturen des aktiven Bereichs besonders genau in jeweils einem Maximum der Intensität eines Stehwellenfeldes im Resonator für die im aktiven Bereich zu verstärkende Strahlung angeordnet sein.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist der aktive Bereich als eine resonante periodische Gewinnstruktur (RPG structure, Resonant Periodic Gain structure) ausgebildet, wobei eine Periode der resonanten periodischen Gewinnstruktur durch jeweils eine Quantenstruktur und jeweils eine daran angrenzende Barriere gebildet ist. Insbesondere die Quantenstruktur ist dabei bevorzugt in allen Perioden gleich ausgeführt. Dabei ist in der resonanten periodischen Gewinnstruktur die Quantenstruktur so ausgebildet, dass eine im aktiven Bereich zu verstärkende Strahlung von den Quantenstrukturen resonant verstärkt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst eine Quantenstruktur jeweils genau eine Quantenschicht. Dies ermöglicht eine besonders einfache und reproduzierbare Herstellung der Quantenstruktur.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst eine Quantenstruktur eine Gruppe von zwei und bis fünf Quantenschichten. Diese können durch Zwischenschichten voneinander getrennt sein. Eine Anzahl von zwei bis fünf Quantenschichten ist vorteilhaft, da damit die die Ausdehnung der Quantenstruktur entlang der Emissionsrichtung hinreichend klein ist, so dass alle Quantenschichten einer Quantenstruktur im Bereich eines Maximums des Stehwellenfeldes der zu verstärkenden Strahlung angeordnet sein können.
Unter dem mittleren optischen Abstand D wird das arithmetische Mittel der optischen Weglänge zwischen den geometrischen Mittelpunkten jeweils zweier benachbarter Quantenstrukturen entlang der Emissionsrichtung verstanden. Dabei ist für die Berechnung der optischen Weglänge der Brechungsindex der betreffenden Halbleiterschichten für die im Resonator zu verstärkende Strahlung zugrunde zu legen. Der halbe mittlere optische Abstand wird im Folgenden abkürzend als D/2 bezeichnet.
Analog dazu ist unter einer optischen Schichtdicke einer Halbleiterschicht die optische Weglänge durch die Halbleiterschicht entlang der Emissionsrichtung, das heißt die Schichtdicke multipliziert mit dem Brechungsindex der Halbleiterschicht für die im aktiven Bereich zu verstärkende Strahlung zu verstehen.
Eine optische Schichtdicke wird insbesondere als gezielt gegenüber einem vorgegebenen Basiswert verstimmt angesehen, wenn die Abweichung der optischen Schichtdicke von dem Basiswert über typische, etwa durch Fertigungstoleranzen bedingte, Abweichungen hinausgeht. Eine Schicht, deren optische Schichtdicke innerhalb typischer statistischer Schwankungen vom Basiswert abweicht, ist demnach nicht als gezielt verstimmt anzusehen.
Bei der epitaktischen Abscheidung von Halbleiterschichten, etwa mittels MOVPE oder MBE, können beispielsweise Halbleiterschichten abgeschieden werden, deren tatsächliche Schichtdicke um weniger als 1% von der vorgegebenen Schichtdicke abweicht. Auch die Abweichung der optischen Schichtdicke kann in diesem Bereich liegen.
Eine Halbleiterschicht wird im Folgenden als positiv gegenüber einem vorgegebenen Basiswert verstimmt bezeichnet, wenn deren optische Schichtdicke größer ist als der vorgegebene Basiswert.
Beispielsweise wird eine Halbleiterschicht, deren optische Schichtdicke gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen von D beziehungsweise gegenüber einem ungeradzahligen Vielfachen von D/2 gezielt verstimmt ist, im Folgenden als gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen von D beziehungsweise gegenüber einem ungeradzahligen Vielfachen von D/2 positiv verstimmt bezeichnet, wenn die optische Schichtdicke größer ist als ein nächstgelegenes ganzzahliges Vielfaches von D beziehungsweise ein nächstgelegenes ungeradzahliges Vielfaches von D/2.
Analog dazu wird eine Halbleiterschicht als negativ gegenüber einem vorgegebenen Basiswert verstimmt bezeichnet, wenn deren optische Schichtdicke kleiner ist als der Basiswert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die optische Schichtdicke einer der außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten gegenüber einem ungeradzahligen Vielfachen von D/2 bezogen auf D/2 oder gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen von D bezogen auf D um 1% oder mehr und um 45% oder weniger verstimmt. Besonders bevorzugt ist die optische Schichtdicke einer der außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten gegenüber einem ungeradzahligen Vielfachen von D/2 bezogen auf D/2 oder gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen von D bezogen auf D um 2% oder mehr und um 35% oder weniger verstimmt. Insbesondere ist die optische Schichtdicke einer der außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten gegenüber einem ungeradzahligen Vielfachen von D/2 bezogen auf D/2 oder gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen von D bezogen auf D um 5% oder mehr und um 30% oder weniger verstimmt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der aktive Bereich zwischen den außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten angeordnet. Insbesondere sind beide außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten gezielt gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen von D oder gegenüber einem ungeradzahligen Vielfachen von D/2 verstimmt.
Weiterhin bevorzugt ist eine der außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten größer ist als ein ganzzahliges Vielfaches von D/2, das heißt positiv gegenüber D/2 verstimmt, und eine der außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten kleiner ist als ein ganzzahliges Vielfaches von D/2, das heißt negativ gegenüber D/2 verstimmt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Halbleiterkörper eine Strahlungsdurchtrittsfläche für im aktiven Bereich zu verstärkende Strahlung auf. Im Halbleiterkörper zu verstärkende Strahlung kann durch diese Strahlungsdurchtrittsfläche aus dem Halbleiterkörper ausgekoppelt und in den Halbleiterkörper eingekoppelt werden. Besonders bevorzugt tritt die im aktiven Bereich zu verstärkende Strahlung senkrecht zur Strahlungsdurchtrittsfläche durch diese hindurch.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Resonator mittels eines im Halbleiterkörper ausgebildeten Bragg-Spiegels gebildet. Die den Bragg-Spiegel bildenden Halbleiterschichten können p-dotiert, n-dotiert, intrinsisch oder im wesentlichen undotiert sein. Dotierte Halbleiterschichten können zur Injektion von Ladungsträgern in den aktiven Bereich dienen.
Bevorzugt ist der Bragg-Spiegel auf der der Strahlungsdurchtrittsfläche abgewandten Seite des aktiven Bereichs angeordnet. Insbesondere ist der Bragg-Spiegel mit einer der außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten und gezielt verstimmten Halbleiterschichten gebildet.
Weiterhin bevorzugt umfasst der Bragg-Spiegel weitere gezielt gegenüber einem ungeradzahligen Vielfachen von D/2, insbesondere gegenüber D/2, verstimmte Halbleiterschichten.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine der gezielt verstimmten Halbleiterschichten des Bragg-Spiegels gegenüber D/2 um mindestens 1% und höchstens 45% verstimmt. Bevorzugt beträgt die Verstimmung gegenüber D/2 mindestens 2% und höchstens 35%, besonders bevorzugt mindestens 5% und höchstens 25%, beispielsweise 8%.
Weiterhin bevorzugt sind alle Halbleiterschichten, die auf der der Strahlungsdurchtrittsfläche abgewandten Seite des aktiven Bereichs angeordnet sind, insbesondere die den Bragg-Spiegel bildenden Halbleiterschichten, um mindestens 1% und höchstens 45% verstimmt. Bevorzugt beträgt die Verstimmung gegenüber D/2 mindestens 2% und höchstens 35%, besonders bevorzugt mindestens 5% und höchstens 20%, beispielsweise 8%. Insbesondere weisen alle Halbleiterschichten, die auf der der Strahlungsdurchtrittsfläche abgewandten Seite des aktiven Bereichs angeordnet sind, insbesondere die den Bragg-Spiegel bildenden Halbleiterschichten, eine prozentual gleiche Verstimmung auf. So kann die Abhängigkeit der Peak- Wellenlänge der im aktiven Bereich zu verstärkenden Strahlung besonders wirkungsvoll vermindert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Halbleiterkörper eine an die Strahlungsdurchtrittsfläche angrenzende Fensterschicht auf. Diese ist bevorzugt durch eine der außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten und gezielt verstimmten Halbleiterschichten gebildet. Zwischen der Fensterschicht und dem aktiven Bereich kann eine weitere Halbleiterschicht angeordnet sein.
Bevorzugt weist eine der zwischen der Strahlungsdurchtrittsfläche und dem aktiven Bereich angeordneten Halbleiterschichten, beispielsweise die Fensterschicht, eine Bandlücke auf, die hinreichend groß ist, so dass vom aktiven Bereich zu verstärkende Strahlung bei der Transmission durch diese Halbleiterschicht nicht oder nur geringfügig absorbiert wird. So können Absorptionsverluste der zu verstärkenden Strahlungsleistung vorteilhaft reduziert werden.
Weiterhin bevorzugt ist die Bandlücke einer der eine der zwischen der Strahlungsdurchtrittsfläche und dem aktiven Bereich angeordneten Halbleiterschichten, beispielsweise die Bandlücke der Fensterschicht, größer als diejenige der Barrieren im aktiven Bereich, so dass diese Halbleiterschicht im aktiven Bereich erzeugte freie Ladungsträger daran hindern kann, zur Strahlungsdurchtrittsfläche zu gelangen. Nichtstrahlende Rekombination dieser freien Ladungsträger an der Strahlungsdurchtrittsfläche kann so weitgehend vermieden werden. Dadurch kann mit Vorteil die Ausgangsleistung der im aktiven Bereich zu verstärkenden Strahlung bei gleicher Pumpleistung gesteigert werden.
Weiterhin können die zwischen der Strahlungsdurchtrittsfläche und dem aktiven Bereich angeordneten Halbleiterschichten p-dotiert, n-dotiert, intrinsisch oder im Wesentlichen undotiert sein. Dotierte Halbleiterschichten können zur Injektion von Ladungsträgern in den aktiven Bereich dienen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die optische Schichtdicke von mindestens einer der zwischen dem aktiven Bereich und der Strahlungsdurchtrittsfläche angeordneten Halbleiterschichten, beispielsweise optische Schichtdicke der Fensterschicht, gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen von D bezogen auf D um 1% oder mehr und um 45% oder weniger, bevorzugt um 2% oder mehr und um 35% oder weniger, besonders bevorzugt um 5% oder mehr und um 30% oder weniger, verstimmt. Insbesondere sind die optischen Schichtdicken von allen zwischen dem aktiven Bereich und der Strahlungsdurchtrittsfläche angeordneten Halbleiterschichten, gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen von D bezogen auf D um 1% oder mehr und um 45% oder weniger, bevorzugt um 2% oder mehr und um 35% oder weniger, besonders bevorzugt um 5% oder mehr und um 30% oder weniger, verstimmt. Weiterhin bevorzugt sind die optischen Schichtdicken der zwischen dem aktiven Bereich und der Fensterschicht gegenüber dem einschließlich zweifachen bis einschließlich fünffachen von D gezielt verstimmt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Verstimmung der zwischen der Strahlungsdurchtrittsfläche und dem aktiven Bereich angeordneten Halbleiterschichten eine bezüglich der Verstimmung der auf der der Strahlungsdurchtrittsfläche abgewandten Seite des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten, insbesondere die Halbleiterschichten des Bragg-Spiegels, ein entgegengesetztes Vorzeichen auf. Besonders bevorzugt sind die zwischen der Strahlungsdurchtrittsfläche und dem aktiven Bereich angeordneten Halbleiterschichten positiv verstimmt und die auf der der Strahlungsdurchtrittsfläche abgewandten Seite des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten, insbesondere die Halbleiterschichten des Bragg-Spiegels, negativ verstimmt. So kann die Abhängigkeit der Peak-Wellenlänge der vom Halbleiterkörper zu verstärkenden Strahlung von der Temperatur des aktiven Bereichs und somit die Änderung der Peak-Wellenlänge bei einer Änderung der Ausgangsleistung der vom Halbleiterkörper zu verstärkenden Strahlung besonders wirkungsvoll vermindert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers mittels eines epitaktischen Abscheideprozesses, beispielsweise mittels MBE oder MOVPE, auf einem Aufwachssubstrat hergestellt. Dieses kann beispielsweise ein III-V-Halbleitermaterial wie GaAs enthalten oder aus einem solchen Material bestehen.
Bevorzugt enthalten die Quantenschichten In_xGa_1-xAs mit 0 ≤ x ≤ 1. Besonders bevorzugt ist ein Indium-Gehalt von 0,05 ≤ x ≤ 0,25. InGaAs-haltige Quantenschichten eignen sich besonders für die Erzeugung von Strahlung im Wellenlängenbereich von etwa 900 nm bis etwa 1,5 μm.
Die Zwischenschichten sowie die Barrieren können GaAs_1-yP_y mit 0 ≤ y ≤ 1 oder Al_zGa_1-zAs mit 0 ≤ z ≤ 1 enthalten. Hierbei haben sich Werte von 0,05 ≤ y ≤ 0,25 und 0,02 ≤ z ≤ 0,15 als besonders vorteilhaft erwiesen. Insbesondere kann eine Barriere durch eine Mehrzahl von Barriereschichten gebildet sein, wobei die Barriereschichten unterschiedliche Materialien enthalten können.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Halbleiterschichtenfolge, insbesondere der aktive Bereich, verspannungskompensiert ausgeführt.
Eine Halbleiterschichtenfolge wird als verspannungskompensiert bezeichnet, wenn die Halbleiterschichtenfolge derart durch druckverspannte und durch zugverspannte Halbleiterschichten gebildet ist, dass sich die Verspannungen gegenseitig kompensieren oder im wesentlichen kompensieren. Mittels dieser Verspannungskompensation ist es möglich, vergleichsweise dicke Halbleiterschichtstapel mit hoher Kristallqualität abzuscheiden. Kristalldefekte wie Versetzungen, die in stark verspannten Schichten vermehrt auftreten, können so vorteilhaft vermieden werden.
Besonders bevorzugt ist der aktive Bereich so ausgebildet, dass die Verspannung der Quantenschichten einer Quantenstruktur, durch die Verspannung der zugehörigen Zwischenschichten und eine an die Quantenstruktur angrenzende Barriere kompensiert ist.
Beispielsweise kann die Verspannung einer druckverspannten InGaAs-haltigen Quantenschicht durch eine GaAsP-haltige Barriere oder eine GaAsP-haltige Zwischenschicht kompensiert sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Resonator als externer Resonator ausgebildet. Der externe Resonator ist besonders bevorzugt mittels eines externen Resonatorspiegels gebildet. Der externe Resonatorspiegel ist insbesondere vom Halbleiterkörper beabstandet ausgeführt. Dabei befindet sich zwischen dem Resonatorspiegel und dem Halbleiterkörper bevorzugt ein Freilaufbereich, in dem im Resonator umlaufende Strahlung kein Festkörpermaterial durchläuft.
Besonders bevorzugt ist ein Strahlengang für im Resonator umlaufende Strahlung außerhalb des Halbleiterkörpers frei von modenselektierenden Elementen. Eine aufwändige Montage solcher Elemente ist mit Vorteil nicht erforderlich. Da eine Stabilisierung der Peak-Wellenlänge durch die geeignete gezielte Verstimmung von außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten erzielbar ist, kann auf zusätzliche Elemente innerhalb des Resonators zur Stabilisierung der Peak-Wellenlänge verzichtet werden. Dies betrifft insbesondere frequenzselektive Elemente wie Etalons, die in herkömmlichen Lasern zur Stabilisierung der Peak-Wellenlänge oder zur Selektion einer gewünschten Mode eingesetzt werden.
Besonders bevorzugt ist der Halbleiterkörper derart wellenlängenstabilisierend ausgebildet, dass sich in dessen Betrieb im Resonator die Peak-Wellenlänge der im aktiven Bereich zu verstärkenden Strahlung bei Änderung der Temperatur des aktiven Bereichs um 0,5%/100K oder weniger, bevorzugt um 0,2%/100K oder weniger, besonders um 0,1%/100K oder weniger ändert. Zusätzliche, außerhalb des Halbleiterkörpers im Resonator angeordnete und zur Wellenlängenstabilisierung vorgesehene, Elemente sind hierfür mit Vorteil nicht erforderlich.
Eine Temperaturerhöhung des aktiven Bereichs kann beispielsweise bei einer Erhöhung der Leistung, mit der der Halbleiterkörper gepumpt wird, auftreten. Ursächlich hierfür ist Pumpleistung, die nicht in die gewünschte Laserstrahlung konvertiert wird, sondern als Verlustleistung zu einer Erwärmung des aktiven Bereichs führt. In der Folge geht bei einem Halbleiterkörper, bei dem die Peak-Wellenlänge der vom aktiven Bereich erzeugten Strahlung von der Temperatur des aktiven Bereichs abhängt, eine Änderung der Ausgangsleistung der im Betrieb des Halbleiterkörpers erzeugten Strahlung durch Änderung der Pumpleistung deshalb mit einer Änderung der Peak-Wellenlänge einher. Bei einem Halbleiterkörper, bei dem die Abhängigkeit der Peak-Wellenlänge gegenüber Änderungen der Temperatur des aktiven Bereichs vermindert ist, kann deshalb auch die Änderung der Peak-Wellenlänge bei einer Änderung der Ausgangsleistung vermindert sein.
Im Falle eines optischen Pumpens des aktiven Bereichs beispielsweise nimmt deshalb die Temperatur des aktiven Bereichs bei Erhöhung der optischen Pumpleistung zu.
Bei elektrischem Pumpen des aktiven Bereichs kann die Temperaturerhöhung des aktiven Bereichs durch eine Steigerung des in den aktiven Bereichs injizierten Stroms verursacht werden. Bei einem Halbleiterkörper mit geeignet verstimmten, außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten, Halbleiterschichten kann beispielsweise die Änderung einer Peak-Wellenlänge im nahen Infrarot bei einer Temperaturänderung des aktiven Bereichs auf 0,05 nm/K oder weniger, bevorzugt auf 0,02 nm/K oder weniger, besonders bevorzugt auf 0,01 nm/K oder weniger, verringert sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist im Resonator, insbesondere zwischen der Strahlungsdurchtrittsfläche des Halbleiterkörpers und dem externen Resonatorendspiegel, ein nichtlinear-optisches Element, beispielsweise in ein nichtlinear-optischer Kristall, angeordnet. Dieses nichtlinear-optische Element dient vorzugsweise der Konversion der im Resonator zu verstärkenden Strahlung in Strahlung mit einer anderen Wellenlänge mittels nichtlinearoptischer Frequenzmischung, etwa Frequenzvervielfachung. Besonders bevorzugt erfolgt durch die nichtlinear-optische Frequenzmischung, insbesondere durch Frequenzverdopplung, zumindest teilweise eine Konversion von nicht-sichtbarer Strahlung, beispielsweise von Strahlung im nahen Infrarotbereich, in sichtbare Strahlung. Durch die Anordnung des nichtlinear-optischen Elements innerhalb des Resonators kann eine nichtlinear-optische Strahlungskonversion besonders effizient erfolgen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Halbleiterkörper für ein elektrisches Pumpen des aktiven Bereichs vorgesehen. Dafür sind die außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten zweckmäßigerweise dotiert, so dass Ladungsträger über die außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten von beiden Seiten des aktiven Bereichs in den aktiven Bereich eingeprägbar sind. Vorzugsweise ist auf dem vorgefertigten Halbleiterkörper ein Kontakt angeordnet, der elektrisch leitend mit dem Halbleiterkörper verbunden ist. Ein Kontakt ist bevorzugt metallisch oder enthält ein TCO (transparent conductive oxide)-Material. Insbesondere ist auf beiden Seiten des Halbleiterkörpers jeweils zumindest eine Halbleiterschicht mit einem Kontakt elektrisch leitend verbunden, so dass bei Anlegen einer Spannung zwischen den Kontakten ein Strom in den Halbleiterkörper einprägbar ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Halbleiterkörper für ein optisches Pumpen des aktiven Bereichs vorgesehen. Eine Dotierung der Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers, insbesondere der außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten, ist nicht erforderlich.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante sind die Barrieren zur Absorption der von einer Pumpstrahlungsquelle in den Halbleiterkörper eingestrahlte Pumpstrahlung ausgebildet. Da die Ausdehnung der Barrieren entlang der Emissionsrichtung typischerweise größer ist als die Ausdehnung der Quantenstruktur, kann so ein größerer Anteil des aktiven Bereichs zur Absorption dienen, wodurch die Absorption der Pumpleistung im aktiven Bereich gefördert wird.
In einer alternativen oder ergänzenden Ausführungsvariante können die Quantenschichten zur Absorption der Pumpstrahlung ausgebildet sein. Dadurch kann die Energiedifferenz zwischen den im aktiven Bereich absorbierten Photonen und den zur Verstärkung im Resonator vorgesehenen emittierten Photonen reduziert werden. So kann vorteilhaft die in den aktiven Bereich aufgrund von Verlustleistung eingebrachte Wärme verringert werden.
Bevorzugt ist die Pumpstrahlungsquelle zum lateralen Pumpen des Halbleiterkörpers vorgesehen, das heißt, die von der Pumpstrahlungsquelle erzeugte Pumpstrahlung verläuft parallel oder im wesentlichen parallel zur Strahlungsdurchtrittsfläche des Halbleiterkörpers und damit senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur vom aktiven Bereich des Halbleiterkörpers zu verstärkenden Strahlung.
Bevorzugt handelt es sich bei der Pumpstrahlungsquelle um eine kantenemittierende Halbleiterlaser-Struktur. Beispielsweise kann die Pumpstrahlungsquelle als kantenemittierender Breitstreifenlaser ausgebildet sein.
Es ist aber auch denkbar, den Halbleiterkörper seitens der Strahlungsdurchtrittsfläche optisch zu pumpen. In diesem Fall trifft die Pumpstrahlung bevorzugt senkrecht zur Strahlungsdurchtrittsfläche oder schräg, das heißt, unter einem von 0° verschiedenen spitzen Winkel zu einer Normalen der Strahlungsdurchtrittsfläche, auf die Strahlungsdurchtrittsfläche.
In einer bevorzugten Weiterbildung sind die Pumpstrahlungsquelle und der Halbleiterkörper monolithisch integriert, das heißt, der Halbleiterkörper und die Pumpstrahlungsquelle sind auf einem gemeinsamen Aufwachssubstrat epitaktisch abgeschieden. Vorzugsweise sind die Pumpstrahlungsquelle und die Halbleiterschichtenfolge nebeneinander auf dem gemeinsamen Aufwachssubstrat angeordnet.
Die Schichtdicken der einzelnen Halbleiterschichten des Pumplasers beziehungsweise des Halbleiterkörpers lassen sich bei der Epitaxie sehr genau einstellen, so dass vorteilhafterweise eine hohe Positionierungsgenauigkeit der kantenemittierenden Struktur zum aktiven Bereich des vertikal emittierenden Halbleiterkörpers möglich ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Halbleiterkörper derart wellenlängestabilisierend ausgebildet, dass sich die Peak-Wellenlänge der im aktiven Bereich des Halbleiterkörpers zu verstärkenden Strahlung bei einer Änderung einer absorbierten optischen Pumpleistung um 5 nm/W oder weniger, bevorzugt um 2 nm/W oder weniger, besonders bevorzugt um 1 nm/W oder weniger ändert. Die spektrale Position der Peak-Wellenlänge der vom Halbleiterkörper in vertikaler Richtung emittierten Laserstrahlung ist damit weitgehend unabhängig von der optischen Pumpleistung. Somit kann vorteilhaft die optische Pumpleistung variiert werden, ohne dass sich spektrale Position der Peak-Wellenlänge wesentlich verändert. Folglich kann innerhalb des vorgegebenen Betriebsbereichs des Halbleiterkörpers die Ausgangsleistung der vom Halbleiterkörper erzeugten Strahlung variiert werden, ohne dass sich die Peak-Wellenlänge wesentlich verändert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Halbleiterkörper auf einem Träger angeordnet. Der Träger dient typischerweise der mechanischen Stabilisierung der Halbleiterschichtenfolge. Der Träger kann durch das Aufwachssubstrat, auf dem die Halbleiterschichtenfolge abgeschieden ist, gebildet sein.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist der Träger vom Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge verschieden. Mit Vorteil muss der Träger im Gegensatz zu dem Aufwachssubstrat nicht die hohen Anforderungen hinsichtlich der kristallinen Reinheit erfüllen, sondern kann vielmehr im Hinblick auf andere Kriterien, wie beispielsweise mechanische Stabilität, optische, thermische oder elektrische Eigenschaften ausgewählt werden.
Weiterhin bevorzugt ist der Träger auf einem Wärmeleitelement angeordnet. Insbesondere ist eine dem Halbleiterkörper abgewandte Seite des Trägers thermisch leitend mit dem Wärmeleitelement verbunden. Zwischen dem Träger und dem Halbleiterkörper kann eine thermisch leitende Verbindungsschicht angeordnet sein. Diese Verbindungsschicht kann beispielsweise eine Lotverbindung sein. Alternativ kann der Halbleiterkörper mit dem Träger auf das Wärmeleitelement geklemmt sein.
Im Betrieb des Halbleiterkörpers durch Verlustleistung erzeugte Wärme kann über den Träger aus dem Halbleiterkörper in das Wärmeleitelement abgeführt werden. Der für die Wärmeabfuhr dominierende physikalische Effekt ist dabei die Wärmeleitung. Das Wärmeleitelement enthält bevorzugt eines der folgenden Materialien: Kupfer, Diamant, Silber, Al₂O₃, AlN, SiC, Ge, GaAs, BN, Kupfer-Diamant. Auch der Träger kann eines dieser Materialien enthalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Aufwachssubstrat teilweise oder vollständig abgelöst. Die Ablösung kann dabei vollflächig oder bereichsweise erfolgt sein. Bevorzugt geschieht die Ablösung in einem mechanischen und/oder chemischen Prozess.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst ein Halbleiterlaserbauelement den oberflächenemittierenden Halbleiterkörper und den Resonator. Insbesondere ist das Halbleiterlaserbauelement als Halbleiter-Scheibenlaser ausgeführt. Scheibenlaser weisen typischerweise eine vergleichsweise große Ausdehnung in lateraler Richtung bezogen auf die Ausdehnung in die dazu senkrechte vertikale Emissionsrichtung auf. Im aktiven Bereich im Betrieb des Scheibenlasers entstehende Wärme kann vorwiegend entlang der Emissionsrichtung, vorzugsweise über den Träger, aus dem Halbleiterkörper abgeführt werden. In lateraler Ausdehnung ist die Temperatur des aktiven Bereichs deshalb vergleichsweise homogen. Dies ermöglicht vorteilhaft eine hohe Strahlqualität der im Halbleiterkörper zu verstärkenden Strahlung.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist das Halbleiterlaserbauelement zum optischen Pumpen eines Lasers, beispielsweise eines Faserlasers, eines Festkörperlasers oder eines Halbleiterlasers vorgesehen. Ein Halbleiterlaserbauelement mit stabilisierter Peak-Wellenlänge der im Halbleiterkörper zu verstärkenden Strahlung ist zum optischen Pumpen eines Lasers besonders geeignet, da die Peak-Wellenlänge weitgehend unabhängig von der Temperatur des aktiven Bereichs auf ein Absorptionsspektrum des zu pumpenden Lasers abgestimmt sein kann. Eine sich verringernde Effizienz des optischen Pumpens durch das Halbleiterlaserbauelement aufgrund einer Änderung der Peak-Wellenlänge der vom Halbleiterkörper zu verstärkenden Strahlung kann so weitgehend vermieden werden.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Halbleiterlaserbauelement zum Betrieb in einer Anzeigevorrichtung, insbesondere einer Projektionsanordnung, vorgesehen. Besonders bevorzugt ist das Halbleiterlaserbauelement zur Erzeugung von grünem Licht vorgesehen, wobei beispielsweise eine Konversion von im Halbleiterkörper erzeugter Strahlung mittels Frequenzverdopplung in grünes Licht erfolgt.
Von der bisherigen Beschreibung der Erfindung abweichend, ist es auch denkbar, dass eine außerhalb des aktiven Bereichs angeordnete, und gezielt gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen von D/2 verstimmte Schicht als eine dielektrische Schicht ausgebildet ist, die seitens der Strahlungsdurchtrittsfläche auf dem Halbleiterkörper angeordnet ist.
Hierbei erfolgt die Abscheidung der dielektrischen Schicht bevorzugt auf dem vorgefertigten Halbleiterkörper, beispielsweise mittels Sputterns oder Aufdampfens.
Eine Stabilisierung der Peak-Wellenlänge der im aktiven Bereich eines Halbleiterkörpers erzeugten Strahlung gegenüber einer Änderung der Ausgangsleistung und/oder gegenüber einer Änderung der Temperatur des aktiven Bereichs kann in diesem Fall mittels der gezielten Verstimmung der dielektrischen Schicht anstatt der gezielten Verstimmung einer außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschicht erfolgen.
Insbesondere kann so auf eine Halbleiterschicht, die zwischen dem aktiven Bereich und der Strahlungsdurchtrittsfläche des Halbleiterkörpers angeordnet und gezielt gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen von D/2 verstimmt ist, verzichtet werden.
Weitere Merkmale, vorteilhafte Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterkörpers,
2 eine schematische Schnittansicht für eine alternative Ausführung des aktiven Bereichs des ersten Ausführungsbeispiels.
3 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterkörpers,
4 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterkörpers,
5 ein Ergebnis einer Messung der Peak-Wellenlänge λ_E der in einem erfindungsgemäßen Halbleiterkörper im Betrieb in einem Resonator erzeugten Strahlung als Funktion der im aktiven Bereich absorbierten Pumpleistung P_A verglichen mit dem Ergebnis einer entsprechenden Messung an einem herkömmlichen Halbleiterkörper,
6A einen simulierten Verlauf der Änderung der Peak-Wellenlänge Δλ_E der in einem erfindungsgemäßen Halbleiterkörper im Betrieb erzeugten Strahlung als Funktion der absorbierten Pumpleistung P_A und 6B einen entsprechenden simulierten Verlauf für einen herkömmlichen Halbleiterkörper,
7, ein Ergebnis einer Messung einer von einem erfindungsgemäßen Halbleiterkörper emittierten Strahlungsleistung P_E als Funktion der absorbierten Pumpleistung P_A im Vergleich zu einem Ergebnis einer entsprechenden Messung an einem herkömmlichen Halbleiterkörper, und
8, ein Ergebnis einer Messung der Peak-Wellenlänge λ_E der im aktiven Bereich erzeugten Strahlung als Funktion deren Ausgangsleistung P_E.
Gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist schematisch eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Halbleiterkörpers 1 gezeigt. Der Halbleiterkörper umfasst eine Halbleiterschichtenfolge 2, die einen aktiven Bereich 3 aufweist. Ferner weist der Halbleiterkörper eine Strahlungsdurchtrittsfläche 11 für im aktiven Bereich zu erzeugende Strahlung auf. Der Halbleiterkörper ist auf einem Träger 10 angeordnet, wobei der Träger beispielhaft durch ein GaAs-Aufwachssubstrat 10 für die Halbleiterschichtenfolge gebildet ist.
Der aktive Bereich 3 umfasst eine Mehrzahl von Quantenstrukturen 40, bevorzugt 5 Quantenstrukturen oder mehr, besonders bevorzugt 10 Quantenstrukturen oder mehr, beispielsweise 14 Quantenstrukturen. Eine hinreichend große Anzahl von Quantenstrukturen ist vorteilhaft, da dadurch die Ausgangsleistung der im aktiven Bereich erzeugten Strahlung gesteigert werden kann. Da sich mit zunehmender Zahl der Quantenstrukturen bei der Herstellung auch die Dauer der Abscheidung erhöht, beträgt die Anzahl der Quantenstrukturen typischerweise 30 oder weniger, bevorzugt 20 oder weniger.
Zwei benachbarte Quantenstrukturen 40 sind jeweils durch eine Barriere 45 voneinander getrennt. Dabei weist die Barriere 45 jeweils eine erste Barriereschicht 46 und eine zweite Barriereschicht 47 auf. Bevorzugt ist die Barriere 45 mindestens so dick wie die Quantenstruktur, bevorzugt mindestens doppelt so dick wie die Dicke der Quantenstruktur, besonders bevorzugt mindestens fünfmal so dick wie die Dicke der Quantenstruktur.
Eine Quantenstruktur 40 ist durch eine Quantenschicht 41 gebildet. Der geometrische Mittelpunkt der Quantenstruktur 40 bezüglich deren Ausdehnung entlang der Emissionsrichtung entspricht damit dem geometrischen Mittelpunkt der Quantenschicht 41 entlang der Emissionsrichtung.
Die Quantenschicht 41 enthält beispielhaft In_0,2Ga_0,8As und ist 10 nm dick. Die erste Barriereschicht 46 ist hierbei durch eine 50 nm breite Schicht aus GaAsP gebildet. Diese Barriereschicht ist zur Kompensation der Verspannung der druckverspannten InGaAs-Quantenschicht 41 ausgebildet.
Die Dicke der ersten Barriereschicht 46 ist dabei bevorzugt so gewählt, dass die Verspannung der Barriereschicht betragsmäßig gleich oder im wesentlichen gleich der Verspannung der Quantenschicht, jedoch mit umgekehrten Vorzeichen ist, so dass sich diese Verspannungen gegenseitig kompensieren. Die erste Barriereschicht 46 ist auf der der Strahlungsdurchtrittsfläche abgewandten Seite der Quantenschicht 41 angeordnet. Alternativ kann die Barriereschicht auf der der Strahlungsdurchtrittsfläche zugewandten Seite der Quantenschicht angeordnet sein. Als weitere Alternative kann die Quantenschicht 41 beispielsweise zwischen zwei GaAsP-haltigen ersten Barriereschichten 46 eingebettet sein, wobei die Dicke der beiden GaAsP-haltigen ersten Barriereschichten mit jeweils etwa 25 nm wiederum so gewählt ist, dass die Verspannung der beiden GaAsP-haltigen ersten Barriereschichten 46 diejenige der Quantenschicht 41 kompensiert.
Die zweite Barriereschicht 47 ist beispielhaft durch AlGaAs gebildet und 92 nm dick. Diese ternäre Halbleiterverbindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Gitterkonstante mit zunehmendem Al-Gehalt nur sehr langsam zunimmt. AlGaAs-Schichten wachsen auf einem GaAs-Aufwachssubstrat deshalb annähernd unverspannt auf, was die Abscheidung von dicken Schichten mit hoher Kristallqualität ermöglicht. Der Abstand zwischen den geometrischen Mittelpunkten zweier benachbarter Quantenstrukturen 40 entlang der Emissionsrichtung ist damit auf einfache Weise über die Dicke der zweiten Barriereschicht 47 einstellbar.
Der Halbleiterkörper 1 ist zum Betrieb in einem Resonator vorgesehen. Typischerweise weicht der mittlere Abstand D zwischen den geometrischen Mittelpunkten zweier benachbarter Quantenstrukturen 40 um weniger als 5%, bevorzugt um weniger als 2%, besonders bevorzugt um weniger als 1% vom Abstand zwischen zwei benachbarten Maxima des Stehwellenfeldes, das sich im Betrieb des Halbleiterkörpers 1 im Resonator ausbildet, ab. So kann der geometrische Mittelpunkt jeder Quantenstruktur 40 nahe einem Maximum des Stehwellenfeldes angeordnet sein. Dadurch kann im Betrieb des Halbleiterkörpers vorteilhaft die Verstärkung für im aktiven Bereichs 3 zu verstärkende Strahlung optimiert werden. Der Abstand zweier benachbarter Maxima des Stehwellenfeldes entspricht dabei der halben Peak-Wellenlänge im Halbleiterkörper der im Resonator umlaufenden und im Halbleiterkörper zu verstärkenden Strahlung.
Bevorzugt sind die geometrischen Mittelpunkte der Quantenstrukturen 40 in einem äquidistanten, und damit dem mittleren Abstand D entsprechenden, Abstand angeordnet.
Insbesondere weicht D wiederum möglichst wenig vom Abstand zweier benachbarter Maxima des Stehwellenfeldes ab. So kann der geometrische Mittelpunkt jeder Quantenstruktur 40 genau im Maximum des Stehwellenfeldes angeordnet sein.
Der aktive Bereich des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels ist zur Erzeugung von Laserstrahlung mit einer Peak-Wellenlänge von etwa 1060 nm vorgesehen.
Selbstverständlich sind Materialzusammensetzungen und Schichtdicken der Halbleiterschichten des aktiven Bereichs 3 nicht auf die in diesem Ausführungsbeispiel angegebenen Werte beschränkt. Durch geeignete Variation der Materialzusammensetzungen und Schichtdicken kann auch Strahlung mit einer anderen Peak-Wellenlänge, beispielsweise im nahen Infrarot, erzeugt werden.
Insbesondere kann die Quantenschicht 41 In_xGa_1-xAs mit 0 ≤ x ≤ 1, vorzugsweise mit 0,05 ≤ x ≤ 0,25, enthalten. Bei einem höheren In-Gehalt verringert sich beispielsweise die Bandlücke, so dass auch Halbleiterkörper 1 zur Erzeugung von Strahlung mit einer größeren Peak-Wellenlänge möglich sind.
Die erste Barriereschicht 46 kann GaAs_1-yP_y mit 0 ≤ y ≤ 1, vorzugsweise mit 0,05 ≤ y ≤ 0,25, enthalten. Die zweite Barriereschicht 47 kann Al_zGa_1-zAs, mit 0 ≤ z ≤ 1, vorzugsweise mit 0,02 ≤ z ≤ 0,2, enthalten.
Die für die Quantenstruktur und die Barriere angegebenen Materialzusammensetzungen umfassen dabei insbesondere jeweils die binären Halbleiterkristalle GaAs, InAs, GaP und AlAs, und die daraus bildbaren ternären Halbleiterkristalle InGaAs, AlGaAs und GaAsP.
Der aktive Bereich kann alternativ durch derart gitterangepasste Materialen gebildet sein, dass eine Verspannungskompensation nicht erforderlich ist. Auf die zweite Barriereschicht 47 kann dann verzichtet werden.
Beispielsweise kann ein aktiver Bereich, für den keine Verspannungskompensation nötig ist, durch eine GaAs-Quantenschicht und eine Al_zGa_1-zAs-Barriere mit 0 ≤ z ≤ 1 gebildet sein.
Auch andere III-V-Halbleitermaterialien, beispielsweise InP oder GaSb sowie ternäre oder quaternäre Halbleiterkristalle, die mit GaAs, GaP, InP, AlAs oder InAs gebildet werden können, können als Materialien für die Halbleiterschichtenfolge 2, insbesondere für den aktiven Bereich 3, Verwendung finden.
Außerhalb des aktiven Bereichs sind auf der der Strahlungsdurchtrittsfläche 11 abgewandten Seite des aktiven Bereichs 3 Halbleiterschichten angeordnet, welche einen Bragg-Spiegel 6 bilden. Dieser Bragg-Spiegel fungiert als ein Spiegel des Resonators. Der Bragg-Spiegel umfasst 26 Halbleiterschichtenpaare 60, wobei die Zahl der Halbleiterschichtenpaare auch von diesem Wert abweichen kann. Typisch für die Anzahl der Halbleiterschichtenpaare ist ein Wert zwischen einschließlich 10 und einschließlich 40. Dadurch kann eine ausreichend hohe Reflektivität des Bragg-Spiegels für im Resonator zu verstärkende Strahlung bei gleichzeitiger bei der Herstellung hinreichend kurzer Abscheidedauer des Bragg-Spiegels erreicht werden.
In dem Halbleiterschichtenpaar 60 ist eine Halbleiterschicht 61 durch GaAs und eine Halbleiterschicht 62 durch AlAs gebildet. Mit diesen Materialien kann der Bragg-Spiegel 6 besonders effizient ausgebildet sein, da die Brechungsindizes dieser beiden Materialien bei ähnlicher Gitterkonstante vergleichsweise stark unterschiedlich sind. Es ist aber auch denkbar, dass zumindest eine der Schichten ein ternäres AlGaAs-Material oder ein anderes Halbleiter-Material, insbesondere eines der für den aktiven Bereich 3 einsetzbaren Materialien, enthält.
Die Dicke der Halbleiterschicht 61 beträgt 72 nm und die Dicke der Halbleiterschicht 62 beträgt 85 nm. Die daraus für die Halbleiterschichten 61 und 62 resultierenden optischen Schichtdicken sind gezielt gegenüber D/2 verstimmt. Für beide Schichten des Halbleiterschichtenpaars 60 sind die optischen Schichtdicken um etwa 8% kleiner als D/2. Dadurch kann die Abhängigkeit der Peak-Wellenlänge der im aktiven Bereich zu verstärkenden Strahlung von der Temperatur des aktiven Bereichs besonders effizient vermindert werden.
Typischerweise sind die optischen Schichtdicken aller Halbleiterschichten des Bragg-Spiegels 6, insbesondere um den selben Prozentwert, gezielt gegenüber D/2 verstimmt. Es kann aber auch ausreichend sein, wenn nicht alle Halbleiterschichten des Bragg-Spiegels 6 verstimmt sind. Insbesondere Halbleiterschichten des Bragg-Spiegels, die in einem vergleichsweise großen Abstand zum aktiven Bereich angeordnet sind, müssen nicht zwingend gezielt gegenüber D/2 oder einem ganzzahligen Vielfachen von D/2 verstimmt sein. Eine oder eine Mehrzahl von Halbleiterschichten des Bragg-Spiegels kann demnach eine optische Schichtdicke von D/2 oder ein ungeradzahliges Vielfaches von D/2 aufweisen.
Die Verstimmung der verstimmten Halbleiterschichten des Bragg-Spiegels 6 kann von 8% abweichen. Bevorzugt beträgt die Abweichung der optischen Schichtdicke der verstimmten Schichten von D/2 1% oder mehr und 45% oder weniger. Insbesondere ist ein Bereich zwischen einschließlich 2% und einschließlich 35% vorteilhaft. Besonders bevorzugt ist eine Verstimmung zwischen einschließlich 5% und einschließlich 20%.
Die Halbleiterschichten des Bragg-Spiegels 6 können p-dotiert, n-dotiert oder undotiert sein. Dotierte Halbleiterschichten sind besonders von Vorteil, wenn der Halbleiterkörper 1 für ein elektrisches Pumpen des aktiven Bereichs 3 vorgesehen ist. So können über den Bragg-Spiegel Ladungsträger in den aktiven Bereich injiziert werden. Bei einem Halbleiterkörper, der für optisches Pumpen des aktiven Bereichs vorgesehenen ist, kann auf eine Dotierung der Halbleiterschichten des Bragg-Spiegels 6 verzichtet werden.
Außerhalb des aktiven Bereichs ist eine Fensterschicht 52 angeordnet, welche die Strahlungsdurchtrittsfläche 11 bildet. Die Fensterschicht 52 enthält In_0,5Ga_0,5P und weist eine Dicke von 537 nm auf. Zwischen der Fensterschicht und dem aktiven Bereich 3 ist eine weitere Halbleiterschicht 51 angeordnet. Die Halbleiterschicht 51 enthält Al_0,10Ga_0,90As und ist 333 nm dick.
Die Bandlücke der Fensterschicht 52 ist so groß, dass die Fensterschicht für im aktiven Bereich zu verstärkende Strahlung transparent oder im wesentlichen transparent ist. So können durch Absorption bedingte Verluste von im Resonator zu verstärkender Strahlung vorteilhaft minimiert werden.
Weiterhin ist die Bandlücke der Fensterschicht 52 bevorzugt größer als diejenige der Halbleiterschichten innerhalb des aktiven Bereichs. Dadurch kann die Fensterschicht im aktiven Bereich erzeugte freie Ladungsträger daran hindern, zur Strahlungsdurchtrittsfläche 11 zu gelangen. Nichtstrahlende Rekombination dieser freien Ladungsträger an der Strahlungsdurchtrittsfläche kann so weitgehend vermieden werden, während eine strahlende Rekombination dieser Ladungsträger innerhalb des aktiven Bereichs gefördert werden kann. Dadurch kann mit Vorteil die Ausgangsleistung der im aktiven Bereich zu verstärkenden Strahlung bei gleicher Pumpleistung gesteigert werden.
Die optische Schichtdicke der Fensterschicht 52 beträgt das 3,26-fache von D und ist damit bezogen auf D um 26% gegenüber dem nächstgelegenen ganzzahligen Vielfachen von D verstimmt. Die optische Schichtdicke der Halbleiterschicht 51 beträgt das 2,16-fache von D und ist damit bezogen auf D um 16% gegenüber 2*D positiv verstimmt. Dadurch kann die Peak-Wellenlänge der im Betrieb des Halbleiterkörpers zu verstärkenden Strahlung besonders wirkungsvoll gegenüber Änderungen der Temperatur des aktiven Bereichs stabilisiert werden.
Die optischen Schichtdicken sowie die Verstimmung der zwischen dem aktiven Bereich 3 und der Strahlungsdurchtrittsfläche 11 kann selbstverständlich von 16% bzw. 26% abweichen. Bevorzugt weicht die optische Schichtdicke von zumindest einer der zwischen der Strahlungsdurchtrittsfläche und dem aktiven Bereich angeordneten und verstimmten Halbleiterschichten, beispielsweise der Fensterschicht 52, bezogen auf die D um 1% oder mehr und 45% oder weniger gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen von D verstimmt. Besonders bevorzugt liegt die Verstimmung der Halbleiterschichten zwischen einschließlich 2% und einschließlich 35%. Insbesondere kann die Verstimmung zwischen einschließlich 5% und einschließlich 30% betragen.
Die optischen Schichtdicken der Halbleiterschichten der zwischen dem aktiven Bereich 3 und der Strahlungsdurchtrittsfläche 11 angeordneten Halbleiterschichten betragen bevorzugt das zwei- bis fünffache von D oder sind gegenüber dem zwei- bis fünffachen von D gezielt verstimmt. Optische Schichtdicken in diesem Bereich haben sich für eine Stabilisierung der Peak-Wellenlänge als besonders vorteilhaft erwiesen.
Die zwischen dem aktiven Bereich 3 und der Strahlungsdurchtrittsfläche 11 angeordneten Halbleiterschichten können auch Dicken aufweisen, die einem ungeradzahligen Vielfachen von D/2 entsprechen oder gegenüber dem ungeradzahligen Vielfachen von D/2 gezielt verstimmt sind. Beispielsweise kann eine Halbleiterschicht mit einer Dicke, die einem ungeradzahligen Vielfachen von D/2 entspricht, die Wirkung einer Entspiegelungsschicht haben, so dass ungewollte Reflexionen an der Strahlungsdurchtrittsfläche 11 der im aktiven Bereich 3 zu verstärkenden Strahlung beim Austritt aus dem Halbleiterkörper beziehungsweise beim Eintritt in den Halbleiterkörper seitens der Strahlungsdurchtrittsfläche vermindert werden können.
Bevorzugt sind alle Halbleiterschichten, die zwischen dem aktiven Bereich und der Strahlungsdurchtrittsfläche angeordnet sind, gezielt gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen von D verstimmt. Es kann für eine Wellenlängenstabilisierung aber auch ausreichend sein, wenn die optischen Schichtdicke von einer oder von mehreren der zwischen dem aktiven Bereich und der Strahlungsdurchtrittsfläche angeordneten Halbleiterschichten von einem ganzzahligen Vielfachen von D abweicht.
Die Verstimmung der zwischen der Strahlungsdurchtrittsfläche und dem aktiven Bereich angeordneten Halbleiterschichten weist gegenüber der Verstimmung der auf der Strahlungsdurchtrittsfläche abgewandten Seite des aktiven Bereichs ein entgegengesetztes Vorzeichen auf. Dies hat sich für eine Verringerung der Abhängigkeit der Peak-Wellenlänge von der Temperatur des aktiven Bereichs als besonders vorteilhaft erwiesen. Davon abweichend kann auch eine gezielte Verstimmung der Halbleiterschichten mit gleichem Vorzeichen, das heißt positiv verstimmte Halbleiterschichten auf beiden Seiten des aktiven Bereichs oder negativ verstimmte Halbleiterschichten auf beiden Seiten des aktiven Bereichs, eine Verringerung der Abhängigkeit der Peak-Wellenlänge von der Temperatur des aktiven Bereichs zur Folge haben.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht für eine alternative Ausführung eines aktiven Bereichs 3 des ersten Ausführungsbeispiels. Dabei unterscheidet sich der aktive Bereich im wesentlichen durch den Aufbau der Mehrzahl von Quantenstrukturen 40, wovon eine Quantenstruktur exemplarisch dargestellt ist. Die Quantenstruktur 40 weist zwei Quantenschichten 41 auf. Diese Quantenschichten sind durch eine Zwischenschicht 42 voneinander getrennt. Eine Barriere 45 ist wiederum durch eine erste Barriereschicht 46 und eine zweite Barriereschicht 47 gebildet. Die Materialzusammensetzung der Schichten des aktiven Bereichs kann wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben ausgeführt sein. Insbesondere kann die Zwischenschicht die gleiche Zusammensetzung aufweisen wie die erste Barriereschicht 46 oder wie die zweite Barriereschicht 47.
Alternativ kann eine Quantenstruktur 40 auch mehr als zwei Quantenschichten 41 aufweisen. Bevorzugt ist die Zahl der Quantenschichten pro Quantenstruktur kleiner oder gleich 5, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 3. Bei einer hinreichend niedrigen Anzahl von Quantenschichten je Quantenstruktur ist es möglich, alle Quantenschichten einer Quantenstruktur im Bereich eines sich im Betrieb des Halbleiterkörpers im Resonator ausbildenden Maximums des Stehwellenfeldes anzuordnen, wodurch mit Vorteil alle Quantenschichten 41 besonders gut zur Verstärkung der Strahlung beitragen können.
In 3 ist schematisch eine Schnittansicht eines exemplarischen Halbleiterlaserbauelements 100 mit einem erfindungsgemäßen Halbleiterkörper 1 gezeigt. Der Halbleiterkörper ist für ein optisches Pumpen vorgesehen und weist eine Halbleiterschichtenfolge 2 auf, die wie im Zusammenhang mit 1 und 2 beschrieben ausgeführt sein kann.
Das Halbleiterlaserbauelement 100 ist als Halbleiterscheibenlaser ausgeführt. Wie bei Scheibenlasern üblich, ist die laterale Ausdehnung des Halbleiterkörpers, das heißt, die Ausdehnung in der Ebene der Strahlungsdurchtrittsfläche 11, typischerweise größer als die Ausdehnung in die dazu senkrechte Richtung, welche die Richtung der im Betrieb des Halbleiterkörpers zu verstärkenden Strahlung darstellt.
Die im Betrieb des Halbleiterkörpers 1 im aktiven Bereich entstehende Wärme wird vorwiegend in der Richtung senkrecht zur Strahlungsdurchtrittsfläche über den Träger 10 abgeführt. So kann eine vergleichsweise homogene Temperaturverteilung im aktiven Bereich in lateraler Richtung erzielt werden. Dies ermöglicht eine gute Strahlqualität der vom Halbleiterlaserbauelement emittierten Strahlung bei vergleichsweise hohen Pumpleistungen.
Eine Pumpstrahlungsquelle 15 ist durch einen kantenemittierenden Halbleiterlaser gebildet, der mit dem Halbleiterkörper 1 monolithisch integriert ist. Das heißt, der Halbleiterkörper 1 und der Halbleiterlaser 15 sind auf einem gemeinsamen Aufwachssubstrat abgeschieden. Dabei sind die im Zusammenhang mit 1 beschriebene Halbleiterschichtenfolge 2 und der kantenemittierende Halbleiterlaser voneinander beabstandet auf dem gemeinsamen Aufwachssubstrat, das als Träger 10 dient, angeordnet. Das optische Pumpen erfolgt somit lateral, das heißt, parallel oder im wesentlichen parallel zu der Strahlungsdurchtrittsfläche 11.
Der Halbleiterkörper ist mittels einer Verbindungsschicht 85 auf einem Wärmeleitelement 80 befestigt. Im Betrieb des Halbleiterkörpers erzeugte Wärme kann aus dem Halbleiterkörper 1 in das Wärmeleitelement, das als Wärmesenke ausgeführt sein kann, abgeführt werden. Das Wärmeleitelement besteht bevorzugt aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit oder enthält zumindest ein solches.
Besonders geeignete Materialien sind beispielsweise Kupfer, Diamant, Aluminiumnitrid oder Siliziumcarbid.
Die Verbindungsschicht kann thermisch und/oder elektrisch leitend ausgeführt sein. Insbesondere kann die Verbindungsschicht 85 eine mechanisch stabile und dauerhafte Verbindung des Trägers mit dem Wärmeleitelement ermöglichen. Beispielsweise kann die Verbindungsschicht 85 einen Kleber oder ein Lot enthalten. Alternativ kann der Halbleiterkörper 1 mit dem Träger 10 auf das Wärmeleitelement 80 geklemmt sein. Auf die Verbindungsschicht 85 kann in diesem Fall verzichtet werden.
Eine monolithische Integration der Pumpstrahlungsquelle 15 und des Halbleiterkörpers ist aber nicht zwingend. Vielmehr kann die Pumpstrahlungsquelle auch separat gefertigt sein und beispielsweise auf dem Wärmeleitelement 80 angeordnet sein.
Der aktive Bereich 2 muss nicht notwendigerweise lateral gepumpt sein. Die Pumpstrahlungsquelle kann beispielsweise auch so angeordnet sein, dass die von der Pumpstrahlungsquelle zur Verfügung gestellte Pumpstrahlung senkrecht zur Strahlungsdurchtrittsfläche oder unter einem spitzen Winkel zu einer Normalen der Strahlungsdurchtrittsfläche 11 durch die Strahlungsdurchtrittsfläche in den Halbleiterkörper 1 eingekoppelt wird.
Durch den Bragg-Spiegel 6 und einen externen Resonatorspiegel 70 ist ein Resonator 71 gebildet, in dem die vom aktiven Bereich 3 zu verstärkende Strahlung umläuft. Der externe Resonatorspiegel bildet einen Resonatorendspiegel, an dem diese Strahlung teilweise ausgekoppelt wird. Der externe Resonatorspiegel ist vom Halbleiterkörper beabstandet ausgebildet, so dass die im Resonator umlaufende Strahlung zwischen der Strahlungsdurchtrittsfläche 11 des Halbleiterkörpers 1 und dem externen Resonatorspiegel einen Freilaufbereich durchläuft.
Ein Strahlengang im Resonator 71 und außerhalb des Halbleiterkörpers 1 ist bevorzugt frei von zusätzlichen, modenselektierenden Elementen ausgeführt. Solche Elemente zur Modenselektion vorgesehenen Elemente sind aufgrund der in Zusammenhang mit 1 beschriebenen Ausführung des Halbleiterkörpers für eine Stabilisierung der Peak-Wellenlänge nicht erforderlich. Insbesondere kann auf ein gezielt zur Frequenzselektion eingesetztes Element wie ein Etalon innerhalb des Resonators verzichtet werden.
Optional kann wie in 3 gezeigt im Resonator ein nichtlinear-optisches Element 75 angeordnet sein. Dieses Element dient bevorzugt der Konversion von im aktiven Bereich 3 zu verstärkender Strahlung mittels nichtlinear-optischer Prozesse wie Frequenzvervielfachung, Summen- oder Differenzfrequenzerzeugung.
Das nichtlinear-optische Element kann als nichtlinearoptischer Kristall ausgeführt sein. Bevorzugte Kristalle sind beispielsweise KNbO₃, BaNaNbO₁₅, LiIO₃, KTiOPO₄(KTP), LiNbO₃, LiB₃O₅ und β-BaB₂O₄(BBO).
Besonders bevorzugt dient das nichtlinear-optische Element der Frequenzverdopplung der im aktiven Bereich 3 zu verstärkenden Strahlung. Beispielsweise kann Strahlung im nahen Infrarotbereich durch nichtlinear-optische Prozesse zumindest teilweise in sichtbares Licht konvertiert werden.
Beispielsweise kann eine im aktiven Bereich zu verstärkende Strahlung von 1060 nm mittels Frequenzverdopplung in grünes Licht der Wellenlänge 530 nm konvertiert werden.
Die Pumpstrahlungsquelle 15 kann zum Dauerstrichbetrieb oder zum gepulsten Betrieb vorgesehen sein. Gepulster Betrieb hat den Vorteil, dass sich die Ausgangsleistung der Pumpstrahlungsquelle während des Pulses erhöht. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die im aktiven Bereich 3 zu verstärkende Strahlung zur Konversion mittels eines nichtlinear-optischen Prozesses vorgesehen ist, da sich dadurch die Effizienz des nichtlinear-optischen Prozesses und damit auch die über die Zeit gemittelte Leistung dieser konvertierten Strahlung erhöht.
Im aktiven Bereich sind die Barrieren 45 zur Absorption der Strahlung des Pumplasers vorgesehen. Da die Barrieren typischerweise breiter sind als die Quantenschichten kann dadurch die Absorption der Pumpleistung im aktiven Bereich gesteigert werden. Alternativ können aber auch die Quantenstrukturen 40 zur Absorption der Pumpstrahlung vorgesehen sein. In diesem Fall kann die Differenz zwischen den Photonenenergie der Pumpstrahlung und der Energie der Photonen der im aktiven Bereich 3 zu verstärkenden Strahlung verringert werden, wodurch sich die Erwärmung des aktiven Bereichs im Betrieb des Halbleiterkörpers 1 vorteilhaft reduzieren lässt.
In 3 dient der Halbleiterkörper 1 zum optischen Pumpen eines Lasers 90. Ein solcher Laser kann beispielsweise ein Festkörperlaser, ein Faserlaser oder ein Halbleiterlaser sein. Dabei kann die fundamentale Strahlung der im aktiven Bereich des Halbleiterkörpers zu verstärkenden Strahlung und/oder eine mittels des nichtlinear-optischen Elements 75 durch einen geeigneten nichtlinear-optischen Prozess erzeugte Strahlung als Pumpstrahlung dienen.
Alternativ zum in 3 gezeigten Beispiel kann der Träger 10 vom Aufwachssubstrat verschieden sein. Dieses kann gedünnt oder vollständig entfernt sein, was vollflächig oder bereichsweise erfolgen kann. Besonders bei Aufwachssubstraten mit vergleichsweise geringer thermischer Leitfähigkeit ist ein derartiges Entfernen vorteilhaft, da die im Betrieb des Halbleiterkörpers im aktiven Bereich entstehende Wärme besser in das Wärmeleitelement 80 abgeführt werden kann.
In 4 ist ein erfindungsgemäßer Halbleiterkörper 1 gezeigt, der für den Betrieb in einer Anzeigevorrichtung 95, welche als Projektionsanordnung ausgeführt ist, vorgesehen ist. Durch einen Bragg-Spiegel 6 und einen externen Resonatorendspiegel 70 wird ein Resonator gebildet. Ferner befindet sich im Resonator wie bereits im Zusammenhang mit 3 beschrieben ein nichtlinear-optisches Element 75. In diesem Beispiel ist das nichtlinear-optische Element zur Frequenzverdopplung der im Resonator propagierenden und im aktiven Bereich 3 zu verstärkenden Strahlung vorgesehen, wobei eine im aktiven Bereich erzeugte Strahlung mit einer Peak-Wellenlänge von 1060 nm in grünes Licht der Wellenlänge 530 nm konvertiert wird.
Dieses grüne Licht trifft auf eine Ablenkoptik 96, welche bevorzugt um zwei zueinander senkrecht stehende Achsen beweglich ist. Durch die Ablenkoptik kann die aus dem Auskoppelspiegel austretende frequenzverdoppelte Strahlung gezielt auf eine vorgegebene Stelle einer Projektionsebene 99 gelenkt werden, wobei die Position der vorgegebenen Stelle bevorzugt sequentiell rasterartig auf der Projektionsebene variiert wird. Bevorzugt wird die Projektionsebene 99 zusätzlich von einer rot und einer blau emittierenden, nicht gezeigten, Laservorrichtung beleuchtet, so dass durch geeignete Überlagerung dieser drei Strahlen auf der Projektionsebene ein farbiges Bild darstellbar ist.
Der Halbleiterkörper 1 ist für ein elektrisches Pumpen des aktiven Bereichs 3 vorgesehen. Für eine beidseitige Injektion von Ladungsträgern in den aktiven Bereich ist ein erster Kontakte 17 und ein zweiter Kontakt 18 vorgesehen. Dabei ist der erste Kontakt 17 insbesondere elektrisch leitend mit einer außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Fensterschicht 52 verbunden.
Der zweite Kontakt 18 ist elektrisch leitend mit dem Träger 10 verbunden. Der Träger ist mittels der Verbindungsschicht 85 auf dem Wärmeleitelement 80 angeordnet, wobei ein Aufwachssubstrat für eine Halbleiterschichtenfolge 2 entfernt ist. Die Kontakte 17 und 18 enthalten bevorzugt ein Metall und sind besonders bevorzugt metallisch ausgebildet. Bevorzugte Materialien sind beispielsweise Ni, Cu, Au, Ag, Al oder Pt.
Der erste Kontakt 17 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass vom aktiven Bereich zu verstärkende Strahlung seitens der Strahlungsdurchtrittsfläche 11 austreten kann. Beispielsweise kann der erste Kontakt eine Aussparung aufweisen, so dass die Strahlungsdurchtrittsfläche des Halbleiterkörpers im Bereich der Aussparung freiliegt und die Strahlung in diesem Bereich aus dem Halbleiterkörper 1 austreten kann.
Alternativ kann der erste Kontakt 17 durch ein für im aktiven Bereich zu verstärkende Strahlung transparentes Material gebildet sein. Beispielsweise kann der Kontakt ein TCO-Material (transparent conductive Oxide), etwa ITO (indium tin Oxide), enthalten oder aus einem solchen Material bestehen. In diesem Fall kann der erste Kontakt die Strahlungsdurchtrittsfläche 11 auch vollflächig bedecken. Dadurch können die Ladungsträger vorteilhaft besonders gleichmäßig über die laterale Ausdehnung des Halbleiterkörpers 1 in den aktiven Bereich 3 injiziert werden.
Die Halbleiterschichtenfolge 2 kann wie im Zusammenhang mit 1 und 2 beschrieben ausgeführt sein. Dies betrifft insbesondere die gezielte Verstimmung der außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten. Die zwischen der Strahlungsdurchtrittsfläche 11 und dem aktiven Bereich 3 angeordneten Halbleiterschichten sowie die Halbleiterschichten des Bragg-Spiegels 6 sind bevorzugt dotiert, um eine Injektion von Ladungsträgern über den Kontakt 17 beziehungsweise den Kontakt 18 in den aktiven Bereich zu ermöglichen. Besonders bevorzugt sind die Halbleiterschichten des Bragg-Spiegels n-dotiert und die zwischen der Strahlungsdurchtrittsfläche 11 und dem aktiven Bereich 3 angeordneten Halbleiterschichten p-dotiert oder umgekehrt. Weiterhin bevorzugt ist der aktive Bereich 3 intrinsisch dotiert. Der Halbleiterkörper 2 kann somit eine pin-Diodenstruktur aufweisen.
Selbstverständlich kann auch ein wie im Zusammenhang mit 3 beschriebener optisch gepumpter erfindungsgemäßer Halbleiterkörper für den Betrieb mit einer Projektionsanordnung ausgebildet sein.
Ein Ergebnis einer Messung der Peak-Wellenlänge λ_E der in einem aktiven Bereich eines erfindungsgemäßen Halbleiterkörpers erzeugten Strahlung als Funktion der im aktiven Bereich absorbierten Pumpleistung P_A ist in 5 mittels einer Kurve 400 gezeigt. Der Halbleiterkörper ist dabei wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben ausgeführt. Der Halbleiterkörper wurde in einem Resonator 71 betrieben, wobei ein Resonatorendspiegel wie in 3 gezeigt durch einen externen Resonatorspiegel 70 gebildet ist. Zudem ist der Halbleiterkörper auf einem Wärmeleitelement 80 angeordnet, welches als Wärmesenke dient. Die Temperatur der Wärmesenke wurde während der Messung konstant gehalten.
Zum Vergleich ist das Ergebnis einer entsprechenden Messung an einem herkömmlichen Halbleiterkörper durch eine Kurve 401 dargestellt. Dieser herkömmliche Halbleiterkörper unterscheidet sich von einem erfindungsgemäßen Halbleiterkörper im wesentlichen dadurch, dass keine der außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten gezielt gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen von D/2 verstimmt ist.
Die Kurve 401 zeigt über weite Bereiche der absorbierten Pumpleistung eine kontinuierliche Zunahme der Peak-Wellenlänge bei Zunahme der absorbierten Pumpleistung. Eine Kurve 402 veranschaulicht den Trend der Zunahme der Peak-Wellenlänge. Die Steigung dieser Kurve entspricht einer Zunahme der Peak-Wellenlänge von 10 nm/W. Bei einem thermischen Widerstand der zwischen dem aktiven Bereich und der Wärmesenke angeordneten Halbleiterschichten von 100 K/W entspricht dies einer Änderung der Peak-Wellenlänge bei einer Änderung der Temperatur des aktiven Bereichs von 0,1 nm/K.
Eine solche Änderung der Peak-Wellenlänge mit der Temperatur des aktiven Bereichs ist typisch für herkömmliche Halbleiterkörper. Die Ursache hierfür ist unter anderem die Abnahme der Bandlücke der Halbleiterschichten mit zunehmender Temperatur. Dieser Effekt kann beispielsweise bei GaAs-haltigem Halbleitermaterial eine Änderung der Peak-Wellenlänge von typischerweise 0,3 nm/K bewirken. Zudem führt eine Änderung des Brechungsindizes der Halbleiterschichten mit der Temperatur des aktiven Bereichs zu einer Zunahme der Peak-Wellenlänge. Beispielsweise beträgt bei GaAs-haltigem Halbleitermaterial die dadurch bedingte Zunahme der Peak-Wellenlänge tyischerweise etwa 0,06 nm/K. Beim Betrieb von herkömmlichen GaAs-haltigen Halbleiterkörpern in einem Resonator beträgt die Zunahme der Peak-Wellenlänge deshalb typischerweise mindestens 0,06 nm/K, sofern keine Maßnahmen zur Wellenlängenstabilisierung ergriffen werden.
Die Kurve 400 verläuft hingegen im wesentlichen waagrecht, das heißt, die Peak-Wellenlänge ändert sich im gesamten Bereich einer absorbierten Pumpleistung zwischen etwa 400 mW und etwa 1300 mW um weniger als 0,5 nm. Bezogen auf die Peak-Wellenlänge von 1060 nm sind dies weniger als 0,05%. Damit ist die Peak-Wellenlänge annähernd unabhängig von der absorbierten Pumpleistung. Die optische Pumpleistung kann also vorteilhaft variiert werden, ohne dass sich die Peak-Wellenlänge wesentlich ändert. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die vom Halbleiterkörper zu verstärkende Strahlung zur Frequenzkonversion mittels eines nichtlinearoptischen Elements vorgesehen ist, da eine solche Konversion nur für einen sehr engen Spektralbereich effizient ist. Eine Änderung der Peak-Wellenlänge könnte deshalb nachteilig zu einer weniger effizienten nichtlinear-optischen Frequenzkonversion führen.
Auch für das optische Pumpen von Lasern ist eine stabile Peak-Wellenlänge besonders vorteilhaft, da die Peak-Wellenlänge der vom Halbleiterkörper emittierten Strahlung unabhängig von der Pumpleistung, mit der der Halbleiterkörper gepumpt wird, optimal auf das Absorptionsmaximum des zu pumpenden Lasers eingestellt sein kann.
Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass bei der Durchführung der Messungen, deren Ergebnisse in den 5 und 7 gezeigt sind, keine weiteren Maßnahmen zur Wellenlängenstabilisierung ergriffen wurden. Insbesondere erfolgte keine Gegenkompensation des Anstiegs der Temperatur des aktiven Bereichs durch ein Absenken der Temperatur der Wärmesenke. Außerdem war im Resonator, insbesondere außerhalb des Halbleiterkörpers, kein zusätzliches, üblicherweise zur Frequenzstabilisierung vorgesehenes, Element angeordnet. Da die gezeigten Messungen an dem erfindungsgemäßen Halbleiterkörper und dem herkömmlichen Halbleiterkörper unter gleichen experimentellen Bedingungen durchgeführt wurden, belegen die Messungen, dass der Halbleiterkörper derart wellenlängenstabilisierend ausgebildet ist, dass die Abhängigkeit der Peak-Wellenlänge von der Temperatur des aktiven Bereichs stark vermindert wird.
In den 6A und 6B ist gezeigt, welche Änderungen der Peak-Wellenlänge λ_E mit der absorbierten Pumpleistung P_A für die Halbleiterkörper, an denen die in 5 gezeigten Messungen durchgeführt wurden, gemäß einem theoretischen Modell zu erwarten sind. Dabei zeigt die 6A eine Simulation für den erfindungsgemäßen Halbleiterkörper für drei verschiedene Temperaturen der Wärmesenke, wobei einer Kurve 510 eine Temperatur von 10°C, einer Kurve 530 eine Temperatur von 30°C und einer Kurve 550 eine Temperatur von 50°C zugrunde liegt. Entsprechend zeigt 6B Simulationen für einen herkömmlichen Halbleiterkörper, wobei einer Kurve 511 eine Temperatur von 10°C, einer Kurve 531 eine Temperatur von 30°C und einer Kurve 551 eine Temperatur von 50°C zugrunde liegt.
Zum Vergleich zeigt in den beiden 6A und 6B die Kurve 402 wiederum eine kontinuierliche Zunahme der Peak-Wellenlänge mit der absorbierten Pumpleistung mit einer konstanten Steigung von 10 nm/W bzw. 0,1 nm/K.
Für den herkömmlichen Halbleiterkörper steigen sämtliche Kurven kontinuierlich an. Bei niedrigen absorbierten Leistungen, etwa zwischen 200 mW und 400 mW, entspricht die Steigung der Kurven 511, 531 und 551 dabei etwa derjenigen der Kurve 402. Zudem steigt in diesem Bereich die Peak-Wellenlänge mit der Temperatur der Wärmesenke an, wobei diese Änderung ebenfalls etwa 0,1 nm/K beträgt.
Für den erfindungsgemäßen Halbleiterkörper ist gemäß den Kurven 510, 530 und 550 für alle Temperaturen der Wärmesenke ebenfalls ein Anstieg der Peak-Wellenlänge mit der absorbierten Pumpleistung zu erwarten. Der Anstieg ist jedoch erheblich niedriger. Die absolute Änderung der Peak-Wellenlänge im gezeigten Bereich der absorbierten Pumpleistung ist dabei für alle Kurven deutlich unter 4 nm, wohingegen diese Änderung beim herkömmlichen Halbleiterkörper für alle Kurven mehr als 7 nm beträgt. Auch die Abhängigkeit der Peak-Wellenlänge von der Temperatur der Wärmesenke ist für den erfindungsgemäßen Halbleiterkörper deutlich verringert.
Der Effekt einer verringerten Abhängigkeit der Peak-Wellenlänge von der Temperatur des aktiven Bereichs durch ein gezieltes Verstimmen von Schichtdicken von außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten kann also auch durch die gezeigten Simulationen bestätigt werden.
In 7 ist für die Halbleiterkörper, an denen die in der 5 gezeigten Messungen durchgeführt wurden, die vom Halbleiterkörper emittierte Ausgangsleistung P_E als Funktion der absorbierten Pumpleistung dargestellt. Dabei zeigt eine Kurve 600 das Ergebnis einer Messung an dem erfindungsgemäßen Halbleiterkörper und eine Kurve 601 das Ergebnis einer Messung an dem herkömmlichen Halbleiterkörper. Bei einer Laserschwelle 620 setzt die Laseraktivität. In einem Bereich um den Betriebspunkt der maximalen Ausgangsleistung 615, also im Bereich um etwa 1 W, liegt die Ausgangsleistung im Betrieb des erfindungsgemäßen Halbleiterkörpers mit über 0,24 W nur etwa 10% unterhalb der Ausgangsleistung im Betrieb des herkömmlichen Halbleiterkörpers, der bei der gleichen absorbierten Pumpleistung eine Ausgangsleistung von etwas mehr als 0,26 W erzielt. Oberhalb von etwa 1,1 W wird bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterkörper die Obergrenze der Laseraktivität 610 erreicht. Die Ursache hierfür ist das thermische Überrollen des Halbleiterkörpers.
Demnach ist es mittels gezielten Verstimmens von Schicktdicken von außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten möglich, einen Halbleiterkörper derart wellenlängenstabilisierend auszubilden, dass sich die Peak-Wellenlänge der im Betrieb des Halbleiterkörpers zu verstärkenden Strahlung bei einer Änderung der Temperatur des aktiven Bereichs nur unwesentlich ändert, ohne dass sich die Ausgangsleistung bei einer bestimmten absorbierten Pumpleistung im Vergleich zu derjenigen eines herkömmlichen Halbleiterkörpers stark, etwa um 20% oder mehr, verringert.
Die Abhängigkeit der Peak-Wellenlänge von der Temperatur des aktiven Bereichs wurde in den 5 bis 7 lediglich exemplarisch für optisches Pumpen gezeigt. Auch bei einem elektrisch gepumpten erfindungsgemäß ausgeführten Halbleiterkörper ist eine solche Stabilisierung der Peak-Wellenlänge gegenüber Änderungen der Temperatur des aktiven Bereichs erzielbar.
In 8 zeigen die Symbole 700 das Ergebnis einer Messung der Peak-Wellenlänge λ_E der im aktiven Bereich erzeugten Strahlung als Funktion der Ausgangsleistung P_E der im aktiven Bereich eines erfindungsgemäßen Halbleiterkörpers im Betrieb in einem Resonator erzeugten Strahlung. Die Ausgangsleistung ist dabei über den gesamten Betriebsbereich aufgetragen, in dem der Halbleiterkörper Laseraktivität zeigt. Diese Laseraktivität setzt bei der Laserschwelle 620 ein. Eine maximale Ausgangsleistung 615 wird durch das thermische Überrollen des erfindungsgemäßen Halbleiterkörpers bestimmt.
Die Schwankung der Peak-Wellenlänge beträgt über den gesamten Betriebsbereich ±0,3 nm. Demnach ist der Halbleiterkörper derart wellenlängenstabilisiert ausgebildet, dass sich die Peak-Wellenlänge über den gesamten Bereich der Laseraktivität des Halbleiterkörpers um deutlich weniger als 1 nm ändert.
Wie im Zusammenhang mit der Beschreibung der 5 und 7 ausgeführt, wurden auch bei der Durchführung der in 8 gezeigten Messungen keine weiteren Maßnahmen zur Wellenlängenstabilisierung ergriffen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder den Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Oberflächenemittierender Halbleiterkörper (1) mit einer vertikalen Emissionsrichtung, der eine Halbleiterschichtenfolge (2) mit einem aktiven Bereich (3) aufweist, wobei der Halbleiterkörper derart wellenlängenstabilisierend ausgebildet ist, dass im Betrieb des Halbleiterkörpers in einem Resonator (71) eine Peak-Wellenlänge einer im aktiven Bereich erzeugten Strahlung in einem vorgegebenen Betriebsbereich gegenüber einer Änderung der Ausgangsleistung der im aktiven Bereich erzeugten Strahlung stabilisiert ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach Anspruch 1, bei dem eine untere Grenze des vorgegebenen Betriebsbereichs durch eine Laserschwelle des oberflächenemittierenden Halbleiterkörpers gebildet ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine obere Grenze des vorgegebenen Betriebsbereichs durch eine Obergrenze der Laseraktivität des oberflächenemittierenden Halbleiterkörpers gebildet ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der vorgegebene Betriebsbereichs durch den gesamten Bereich der Laseraktivität des oberflächenemittierenden Halbleiterkörpers gebildet ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem sich die Peak-Wellenlänge der im aktiven Bereich erzeugten Strahlung in dem vorgegebenen Betriebsbereich um 10 nm oder weniger ändert.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem sich die Peak-Wellenlänge der im aktiven Bereich erzeugten Strahlung in dem vorgegebenen Betriebsbereich um 5 nm oder weniger ändert.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach Anspruch 1 einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem sich die Peak-Wellenlänge der im aktiven Bereich erzeugten Strahlung in dem vorgegebenen Betriebsbereich um 1 nm oder weniger ändert.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei – der Halbleiterkörper mindestens zwei außerhalb des aktiven Bereichs angeordnete Halbleiterschichten aufweist, – der aktive Bereich eine Mehrzahl von Quantenstrukturen (40) aufweist, – jeder Quantenstruktur (40) bezüglich ihrer Ausdehnung entlang der Emissionsrichtung ein geometrischer Mittelpunkt zugeordnet ist, – die geometrischen Mittelpunkte der Quantenstrukturen (40) entlang der Emissionsrichtung in einem mittleren optischen Abstand D zueinander angeordnet sind, und – eine optische Schichtdicke einer der außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten gezielt gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen des halben mittleren optischen Abstands D verstimmt sind.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper (1) mit einer vertikalen Emissionsrichtung, der zum Betrieb mit einem Resonator (71) vorgesehen ist und eine Halbleiterschichtenfolge (2) mit einem aktiven Bereich (3) sowie mindestens zwei außerhalb des aktiven Bereichs angeordnete Halbleiterschichten aufweist, wobei – der aktive Bereich eine Mehrzahl von Quantenstrukturen (40) aufweist, – jeder Quantenstruktur (40) bezüglich ihrer Ausdehnung entlang der Emissionsrichtung ein geometrischer Mittelpunkt zugeordnet ist, – die geometrischen Mittelpunkte der Quantenstrukturen (40) entlang der Emissionsrichtung in einem mittleren optischen Abstand D zueinander angeordnet sind, und – eine optische Schichtdicke einer der außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten gezielt gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen des halben mittleren optischen Abstands D verstimmt sind.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die optische Schichtdicke einer der außerhalb des aktiven Bereichs (3) angeordneten Halbleiterschichten gegenüber einem ungeradzahligen Vielfachen von D/2 bezogen auf D/2 oder gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen von D bezogen auf D um 1% oder mehr und um 45% oder weniger verstimmt ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die optische Schichtdicke einer der außerhalb des aktiven Bereichs (3) angeordneten Halbleiterschichten gegenüber einem ungeradzahligen Vielfachen von D/2 bezogen auf D/2 oder gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen von D bezogen auf D um 2% oder mehr und um 35% oder weniger verstimmt ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die optische Schichtdicke einer der außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten gegenüber einem ungeradzahligen Vielfachen von D/2 bezogen auf D/2 oder gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen von D bezogen auf D um 5% oder mehr und um 30% oder weniger verstimmt ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem der aktive Bereich (3) zwischen den außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten angeordnet ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem beide außerhalb des aktiven Bereichs (3) angeordneten Halbleiterschichten gezielt gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen von D oder gegenüber einem ungeradzahligen Vielfachen von D/2 verstimmt sind.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 14, bei dem eine der außerhalb des aktiven Bereichs (3) angeordneten Halbleiterschichten größer ist als ein ganzzahliges Vielfaches von D/2 und eine der außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterschichten kleiner ist als ein ganzzahliges Vielfaches von D/2.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Resonator (71) mittels eines im Halbleiterkörper (1) ausgebildeten Bragg-Spiegels (6) gebildet ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach Anspruch 16 unter Rückbezug auf einen der Ansprüche 8 bis 15, wobei der Bragg-Spiegel (6) mit einer der außerhalb des aktiven Bereichs (3) angeordneten und gezielt verstimmten Halbleiterschichten gebildet ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach Anspruch 17, wobei der Bragg-Spiegel (3) weitere gezielt gegenüber einem ungeradzahligen Vielfachen von D/2 verstimmte Halbleiterschichten aufweist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 18, bei dem der Halbleiterkörper (1) eine Strahlungsdurchtrittsfläche (2) für im aktiven Bereich (3) zu verstärkende Strahlung aufweist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach Anspruch 19, bei dem eine der außerhalb des aktiven Bereichs (3) angeordneten und gezielt verstimmten Halbleiterschichten als eine an die Strahlungsdurchtrittsfläche (11) angrenzende Fensterschicht (52) ausgeführt ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach Anspruch 20, wobei zwischen der Fensterschicht (52) und dem aktiven Bereich (3) eine weitere Halbleiterschicht (51) angeordnet ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 21, bei dem die optischen Schichtdicken der zwischen dem aktiven Bereich (3) und der Strahlungsdurchtrittsfläche (11) angeordneten Halbleiterschichten gegenüber einem ganzzahligen Vielfachen von D bezogen auf D um 1% oder mehr und um 45% oder weniger, bevorzugt um 2% oder mehr und um 35% oder weniger, besonders bevorzugt um 5% oder mehr und um 30% oder weniger verstimmt sind.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 8 bis 22, wobei die optischen Schichtdicken der auf der der Strahlungsdurchtrittsfläche (11) abgewandten Seite des aktiven Bereichs (3) angeordneten Halbleiterschichten gegenüber D/2 um 1% oder mehr und um 45% oder weniger, bevorzugt um 2% oder mehr und um 35% oder weniger, besonders bevorzugt um 5% oder mehr und um 20% oder weniger, verstimmt sind.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 23, bei dem der aktive Bereich (3) 5 Quantenstrukturen (40) oder mehr, bevorzugt 10 Quantenstrukturen (40) oder mehr aufweist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 24, bei dem zwei benachbarte Quantenstrukturen (40) durch eine Barriere (45) voneinander getrennt sind.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach Anspruch 25, bei dem die Barriere (45) GaAs_1-yP_y mit 0 ≤ y ≤ 1, vorzugsweise mit 0,05 ≤ y ≤ 0,25, oder Al_zGa_1-zAs, mit 0 ≤ z ≤ 1, vorzugsweise mit 0,02 ≤ z ≤ 0,15, enthält.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 26, bei dem eine Quantenstruktur (40) durch eine Quantenschicht (41) gebildet ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 26, bei dem eine Quantenstruktur (40) zwischen einschließlich 2 und einschließlich 5 Quantenschichten (41) aufweist, wobei die Quantenschichten (41) innerhalb der Quantenstruktur (40) durch Zwischenschichten (42) voneinander getrennt sind.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 8 bis 28, bei dem eine Quantenstruktur (41) In_xGa_1-xAs mit 0 ≤ x ≤ 1, vorzugsweise mit 0,05 ≤ x ≤ 0,25, enthält.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 29, wobei der Resonator (71) als externer Resonator ausgebildet ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach Anspruch 30, wobei ein optischer Strahlengang im externen Resonator (71) außerhalb des Halbleiterkörpers (1) frei von modenselektierenden Elementen ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 31, bei dem der Halbleiterkörper derart wellenlängenstabilisierend ausgebildet ist, dass sich in dessen Betrieb im Resonator (71) die Peak-Wellenlänge der im aktiven Bereich (3) zu verstärkenden Strahlung bei einer Änderung der Temperatur des aktiven Bereichs um 0,5%/100K oder weniger ändert.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 32, bei dem der Halbleiterkörper derart ausgebildet ist, dass sich in dessen Betrieb im Resonator (71) die Peak-Wellenlänge der im aktiven Bereich zu verstärkenden Strahlung bei einer Änderung der Temperatur des aktiven Bereichs um 0,2%/100K oder weniger, bevorzugt um 0,1%/100K oder weniger, ändert.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 33, wobei im Resonator (71) ein nichtlinear-optisches Element (75) angeordnet ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach Anspruch 34, wobei das nichtlinear-optische Element (75) zur Frequenzvervielfachung, vorzugsweise zur Frequenzverdopplung, der im aktiven Bereich zu verstärkenden Strahlung vorgesehen ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 35, wobei der Halbleiterkörper (1) für ein optisches Pumpen des aktiven Bereichs (3) durch eine Pumpstrahlungsquelle (15) ausgebildet ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach Anspruch 36, wobei der Halbleiterkörper (1) derart wellenlängenstabilisierend ausgebildet ist, dass sich die Peak-Wellenlänge der im aktiven Bereich (3) des Halbleiterkörpers (1) zu verstärkenden Strahlung bei einer Änderung einer im aktiven Bereich (3) absorbierten optischen Pumpleistung um 5 nm/W oder weniger, bevorzugt um 2 nm/W oder weniger, besonders bevorzugt um 1 nm/W oder weniger ändert.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach Anspruch 36 oder 37, wobei die Pumpstrahlungsquelle (15) zum lateralen Pumpen des Halbleiterkörpers (1) vorgesehen ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterkörper nach mindestens einem der Ansprüche 36 bis 38, wobei die Pumpstrahlungsquelle (15) und der Halbleiterkörper monolithisch integriert sind.
Halbleiterlaserbauelement (100), das einen oberflächenemittierenden Halbleiterkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einen Resonator (71) umfasst.
Halbleiterlaserbauelement nach Anspruch 40, wobei Halbleiterlaserbauelement zum optischen Pumpen eines Lasers (90) vorgesehen ist.
Halbleiterlaserbauelement nach Anspruch 41, wobei der Laser (90) ein Festkörperlaser, ein Faserlaser oder ein Halbleiterlaser ist.
Halbleiterlaserbauelement nach mindestens einem der Ansprüche 40 bis 42, wobei das Halbleiterlaserbauelement (100) zum Betrieb in einer Anzeigevorrichtung (95), insbesondere einer Projektionsanordnung, vorgesehen ist.