DE102009019516A1

DE102009019516A1 - Kantenemittierender Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE102009019516A1
Application number: DE102009019516A
Authority: DE
Inventors: Marc Dr. Schillgalies; Stephan Dr. Lutgen; Uwe Dr. Strauss
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2010-11-04
Also published as: CN102414944B; EP2425507A1; US20120051380A1; CN102414944A; US8331411B2; WO2010124989A1

Abstract

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

Description

Die Erfindung betrifft einen kantenemittierenden Halbleiterlaser, insbesondere einen auf einem Nitridverbindungshalbleiter basierenden Halbleiterlaser.
Herkömmliche auf Nitridverbindungshalbleitern basierende Halbleiterlaser sind in der Regel auf die Erzielung hoher Ausgangsleistungen optimiert. Derartige Halbleiterlaser weisen daher eine Kennlinie mit hoher Steilheit auf, das heißt, die Ausgangsleistung des Halbleiterlasers nimmt mit zunehmender Betriebsstromstärke stark zu. Da bereits kleine Änderungen der Betriebsstromstärke zu erheblichen Änderungen der Ausgangsleistung führen, ist die genaue Ansteuerung einer gewünschten Ausgangsleistung, insbesondere einer kleinen Ausgangsleistung, problematisch. Weiterhin ist auch der Betrieb eines derartigen Halbleiterlasers in einem Betriebsstrombereich, der nur knapp oberhalb der Laserschwelle liegt, schwierig. Dies beruht darauf, dass bei konstantem Betriebsstrom schon ein geringer, beispielsweise alterungsbedingter Anstieg der Schwellstromstärke des Halbleiterlasers bewirken kann, dass die Schwellstromstärke nicht mehr erreicht wird und der Halbleiterlaser daher keine kohärente Laserstrahlung mehr emittiert.
Kantenemittierende Halbleiterlaser, die auf eine hohe Effizienz bei hohen optischen Leistungen optimiert sind, verfügen in der Regel über vergleichsweise breite Wellenleiterstrukturen, die zu einem vergleichsweise kleinen Abstrahlwinkel parallel zur Schichtebene der Epitaxieschichten führen. Dagegen weist ein derartiger Halbleiterlaser in einer Richtung senkrecht zu den Epitaxieschichten aufgrund der Beugung typischerweise einen vergleichsweise großen Abstrahlwinkel auf. Der Laserstrahl ist daher stark elliptisch, so dass in der Regel eine aufwändige und teure Optik benötigt wird, wenn die Anwendung des kantenemittierenden Halbleiterlasers ein näherungsweises kreisrundes Strahlprofil erfordert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten kantenemittierenden Halbleiterlaser anzugeben, bei dem auf vergleichsweise einfache Weise ein Strahlprofil mit geringer Elliptizität, vorzugsweise ein nahezu kreisrundes Strahlprofil, erzielt wird.
Diese Aufgabe wird durch einen kantenemittierenden Halbleiterlaser mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein kantenemittierender Halbleiterlaser einen Halbleiterkörper mit einem Wellenleiterbereich auf, wobei der Wellenleiterbereich eine erste Wellenleiterschicht, eine zweite Wellenleiterschicht und eine zwischen der ersten Wellenleiterschicht und der zweiten Wellenleiterschicht angeordnete aktive Schicht zur Erzeugung von Laserstrahlung aufweist. Der Wellenleiterbereich ist zwischen einer ersten Mantelschicht, die beispielsweise einem Substrat des kantenemittierenden Halbleiterlasers zugewandt ist, und einer zweiten Mantelschicht, die beispielsweise dem Wellenleiterbereich in Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers nachfolgt, angeordnet. In Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers folgen also vorzugsweise die erste Mantelschicht, die erste Wellenleiterschicht, die aktive Schicht, die zweite Wellenleiterschicht und die zweite Mantelschicht aufeinander. Die vorzugsweise epitaktisch hergestellten Halbleiterschichten sind beispielsweise auf ein Substrat aufgebracht und können auf einer dem Substrat gegenüber liegenden Seite mit einer elektrischen Kontaktschicht versehen sein.
Der Wellenleiterbereich weist bevorzugt eine Dicke von 400 nm oder weniger auf. Das heißt, die Summe der Dicken der ersten Wellenleiterschicht, der zweiten Wellenleiterschicht und der zwischen der ersten Wellenleiterschicht und der zweiten Wellenleiterschicht angeordneten aktiven Schicht beträgt nicht mehr als 400 nm.
Dadurch, dass der Wellenleiterbereich vergleichsweise dünn ist und vorzugsweise eine Dicke von weniger als 400 nm aufweist, wird erreicht, dass die Differenz der Abstrahlwinkel in horizontaler Richtung, d. h. in einer Richtung parallel zur Schichtebene der Halbleiterschichten und in vertikaler Richtung, d. h. in einer Richtung senkrecht zu den Schichtebenen der Halbleiterschichten, gegenüber herkömmlichen kantenemittierenden Halbleiterlasern verringert wird. Der für kantenemittierende Halbleiterlaser typische Astigmatismus, d. h. ein stark elliptisches Strahlprofil, wird auf diese Weise reduziert.
Bevorzugt weist der Wellenleiterbereich eine Dicke von 300 nm oder weniger, besonders bevorzugt sogar 250 nm oder weniger auf.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung unterscheiden sich der Abstrahlwinkel α_P der in einer Richtung parallel zur Schichtebene der aktiven Schicht aus dem Halbleiterkörper austretenden Laserstrahlung und der Abstrahlwinkel α_S der in einer Richtung senkrecht zur Schichtebene der aktiven Schicht aus dem Halbleiterkörper austretenden Laserstrahlung um weniger als einen Faktor 3 voneinander. Unter den Abstrahlwinkeln α_S, α_P wird im Rahmen der Anmeldung jeweils der volle Winkelbereich verstanden, in dem die Intensität der emittierten Laserstrahlung nicht weniger als die Hälfte der Intensität in der Hauptstrahlungsrichtung beträgt (FWHM – Full Width at Half Maximum). Weiterhin wird unter dem Abstrahlwinkel der aus dem Halbleiterkörper austretenden Laserstrahlung der Abstrahlwinkel an der Seitenfacette des Halbleiterlasers ohne Berücksichtung eventuell vorhandener optischer Elemente zur Strahlformung, insbesondere außerhalb des Halbleiterkörpers angeordneter Linsen, verstanden.
Insbesondere ist es möglich, dass sich die Abstrahlwinkel des Halbleiterlasers in horizontaler und vertikaler Richtung um weniger als einen Faktor 2 voneinander unterscheiden. Beispielsweise kann der Abstrahlwinkel in vertikaler Richtung, also senkrecht zu den Schichtebenen der Halbleiterschichten, größer sein als der Abstrahlwinkel in horizontaler Richtung, also in einer Richtung parallel zu den Schichtebenen der Halbleiterschichten. Dabei ist der Abstrahlwinkel in vertikaler Richtung aber maximal drei Mal und vorzugsweise nicht mehr als zwei Mal so groß wie der Abstrahlwinkel in horizontaler Richtung.
Dadurch, dass die Abstrahlwinkel in horizontaler und vertikaler Richtung nur eine vergleichsweise geringe Differenz aufweisen, ist es möglich, eine vergleichsweise kostengünstige sphärische Linse zur Kollimation der Laserstrahlung zu verwenden. Auf vergleichsweise teure asphärische Linsen, beispielsweise Zylinderlinsen, kann vorteilhaft verzichtet werden.
Der kantenemittierende Halbleiterlaser kann insbesondere ein Gehäuse aufweisen, das eine Linse zur Strahlformung der emittierten Laserstrahlung enthält. Die vorzugsweise sphärische Linse dient vorteilhaft gleichzeitig als Abdeckung des Gehäuses und schützt den Halbleiterkörper des kantenemittierenden Halbleiterlasers vorteilhaft vor mechanischen Beschädigungen oder Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit oder Schmutz.
Das Gehäuse des kantenemittierenden Halbleiterlasers kann insbesondere als so genanntes TO-Gehäuse (Transistor Outline) ausgeführt sein. Dieser Gehäusetyp weist in der Regel mehrere, typischerweise drei, Anschlussbeine zur elektrischen Kontaktierung und Montage des kantenemittierenden Halbleiterlasers auf. Der Halbleiterkörper des kantenemittierenden Halbleiterlasers ist unter einer Abdeckung, die insbesondere zylinderförmig sein kann, auf einem elektrisch leitfähigen Träger angeordnet, der mit einem der Anschlussbeine verbundenen ist. Die typischerweise zumindest näherungsweise zylinderförmige Abdeckung kann beispielsweise aus Kunststoff oder Metall gefertigt sein und auf der Strahlungsaustrittsseite eine transparente Abdeckung aufweisen, die vorzugsweise als Linse, besonders bevorzugt als sphärische Linse, ausgeführt ist.
Alternativ kann der Halbleiterlaser auch ein SMT-Gehäuse (surface mount technology) aufweisen. Derartige oberflächenmontierbare Gehäuse weisen an einer Gehäuseunterseite und/oder einer Gehäuseseitenfläche Kontaktflächen zur elektrischen Kontaktierung auf, an denen das Gehäuse beispielsweise auf eine Leiterplatte gelötet werden kann.
Der kantenemittierende Halbleiterlaser weist eine erste und eine zweite Seitenfacette auf, die vorzugsweise jeweils mit einer reflektionserhöhenden Beschichtung versehen sind. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine als Strahlungsauskoppelfläche dienende erste Seitenfacette des Halbleiterkörpers mit einer reflektionserhöhenden Beschichtung versehen, deren Reflexion vorzugsweise 75 Prozent oder mehr beträgt. Besonders bevorzugt beträgt die Reflexion der reflektionserhöhenden Beschichtung auf der als Strahlungsauskoppelfläche dienenden ersten Seitenfacette sogar 85 Prozent oder mehr. Es ist auch möglich, dass die Reflexion der reflektionserhöhenden Beschichtung sogar 95 Prozent oder mehr beträgt.
Durch eine derart hohe Reflexion an der als Strahlungsauskoppelfläche dienenden Seitenfacette des Halbleiterkörpers verringert sich zwar die Steilheit der Kennlinie des Halbleiterlasers, d. h. die Ausgangsleistung des Halbleiterlasers nimmt mit zunehmendem Betriebsstrom weniger stark zu als bei einem herkömmlichen Halbleiterlaser, bei dem die Strahlungsauskoppelfläche eine geringere Reflexion aufweist. Dies beruht darauf, dass ein größerer Anteil der auf die Seitenfacette des Halbleiterkörpers auftreffenden Laserstrahlung in den Resonator zurück reflektiert wird und somit nicht aus dem Halbleiterlaser ausgekoppelt wird. Andererseits erhöht sich auf diese Weise aber auch die mittlere Umlaufzeit der Laserstrahlung in dem Laserresonator, wodurch sich die Schwellstromstärke des Halbleiterlasers vorteilhaft vermindert.
Die geringe Schwellstromstärke und die geringe Steilheit der Kennlinie des Halbleiterlasers haben den Vorteil, dass auch bei niedrigen Ausgangsleistungen des Halbleiterlasers ein stabiler Betrieb gewährleistet ist. Insbesondere bewirken kleinere Änderungen der Betriebsstromstärke nur geringe Änderungen der optischen Ausgangsleistung, und die Gefahr einer Unterschreitung der Schwellstromstärke bei Schwankungen der Betriebsstromstärke ist aufgrund der geringen Schwellstromstärke vergleichsweise gering. Insbesondere liegen die Betriebsströme im Normalbetrieb derart weit über der Schwellstromstärke des Halbleiterlasers, dass ein eventuell auftretender alterungsbedingter Anstieg der Schwellstromstärke in der Regel nicht dazu führt, dass die Laserschwelle nicht mehr erreicht wird und es zu einem Aussetzen der Lasertätigkeit kommt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist einer der Strahlungsauskoppelfläche gegenüberliegenden zweiten Seitenfacette des Halbleiterlasers eine Monitordiode nachgeordnet. Die zweite Seitenfacette, die der als Strahlungsauskoppelfläche dienenden ersten Seitenfacette gegenüber liegt, weist typischerweise eine vergleichsweise hohe Reflexion von vorzugsweise 85 Prozent oder mehr oder besonders bevorzugt 95 Prozent oder mehr auf. Dennoch kann zumindest ein geringer Anteil der Laserstrahlung an der der Strahlungsauskoppelfläche gegenüber liegenden Seitenfacette aus dem Halbleiterkörper austreten und einer Monitordiode zur Überwachung der optischen Ausgangsleistung des Halbleiterlasers zugeführt werden. Die Monitordiode ist vorzugsweise mit einem Regelkreis verbunden, über den die optische Ausgangsleistung konstant gehalten wird.
Die Erhöhung der Reflexion der als Strahlungsauskoppelfläche dienenden ersten Seitenfacette hat die zuvor erwähnten Vorteile einer Verminderung der Schwellstromstärke und einer Verringerung der Steilheit der Kennlinie des Halbleiterlasers. Weiterhin ist es auch vorteilhaft möglich, die Resonatorlänge im Vergleich zu einem herkömmlichen Halbleiterlaser zu reduzieren. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass eine Verkürzung der Länge des Laserresonators von einer Länge L_a auf eine Länge L_b dadurch kompensiert werden kann, dass die Reflektivität der als Strahlungsauskoppelfläche dienenden ersten Seitenfacette R_1,a auf einen Wert R_1,b erhöht wird. Die Kompensation der verminderten Resonatorlänge durch eine erhöhte Reflexion R_1,b der ersten Seitenfacette erfolgt dabei nachfolgender Gleichung:
Dabei ist R_2,a die Reflexion der zweiten Seitenfacette, die der als Strahlungsauskoppelfläche dienenden ersten Seitenfacette gegenüber liegt.
Die Verkürzung des Resonators des kantenemittierenden Halbleiterlasers hat den Vorteil, dass eine größere Anzahl von Laserdioden auf einem Wafer hergestellt werden kann, wodurch sich die Herstellungskosten vorteilhaft vermindern.
Vorteilhaft beträgt die Länge des Laserresonators des kantenemittierenden Halbleiterlasers nicht mehr als 450 μm.
Aufgrund der vergleichsweise geringen Schwellstromstärke und der geringen Steilheit der Kennlinie ist der kantenemittierende Halbleiterlaser insbesondere für den Betrieb bei geringen Ausgangsleistungen geeignet.
Vorzugsweise beträgt die optische Ausgangsleistung 10 mW oder weniger. Insbesondere kann ein stabiler Betrieb auch bei Ausgangsleistungen von 5 mW oder weniger realisiert werden. Der kantenemittierende Halbleiterlaser ist daher insbesondere für Anwendungen von Bedeutung, bei denen ein stabiler Betrieb mit geringen Ausgangsleistungen auf kostengünstige Weise erzielt werden soll, beispielsweise bei einem Laserpointer.
Bei dem kantenemittierenden Halbleiterlaser kann es sich insbesondere um einen Halbleiterlaser handeln, der Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von 430 nm bis 700 nm emittiert.
Vorzugsweise emittiert der Halbleiterlaser im blauen oder blaugrünen Bereich des sichtbaren Spektrums. Insbesondere kann die emittierte Laserstrahlung ein Intensitätsmaximum bei einer Wellenlänge zwischen 430 nm und 540 nm aufweisen. Der Halbleiterlaser kann beispielsweise Bestandteil eines Laserpointers mit einer Wellenlänge im blauen Spektralbereich (< 500 nm) oder mit einer Wellenlänge im grünen Spektralbereich (> 500 nm), sein.
Ein derartiger Halbleiterlaser kann beispielsweise auf einem Nitridverbindungshalbleiter basieren. „Auf einem Nitridverbindungshalbleiter basierend” bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein III-Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise In_xAl_yGa_1-x-yN umfasst, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe wie beispielsweise Mg oder Si sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, welche die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des In_xAl_yGa_1-x-yN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (In, Al, Ga, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 5 näher erläutert.
Es zeigen:
1A eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Ausführungsbeispiel eines kantenemittierenden Halbleiterlasers,
1B eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf das in 1A dargestellte Ausführungsbeispiel,
2 eine graphische Darstellung der optischen Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der Betriebsstromstärke für zwei Ausführungsbeispiele von Halbleiterlasern mit verschiedenen Dicken des Wellenleiterbereichs,
3 jeweils eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines kantenemittierenden Halbleiterlasers ohne Gehäuseabdeckung (links) und mit Gehäuseabdeckung (rechts),
4 eine graphische Darstellung der optischen Ausgangsleistung in Abhängigkeit vom Betriebsstrom für fünf Ausführungsbeispiele von kantenemittierenden Halbleiterlasern mit verschieden hoher Reflektivität der Strahlungsauskoppelfläche, und
5 eine graphische Darstellung der optischen Ausgangsleistung in Abhängigkeit vom Betriebsstrom für weitere fünf Ausführungsbeispiele von Halbleiterlasern mit verschieden hoher Reflektivität der Strahlungsauskoppelfläche.
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
In den 1A und 1B ist ein Ausführungsbeispiel eines kantenemittierenden Halbleiterlasers in einem Querschnitt und in einer Aufsicht dargestellt.
Der kantenemittierende Halbleiterlaser weist einen Halbleiterkörper 10 auf, in dem ein Wellenleiterbereich 4 enthalten ist. Der Wellenleiterbereich 4 umfasst eine erste Wellenleiterschicht 2a, eine zweite Wellenleiterschicht 2b und eine zwischen der ersten Wellenleiterschicht 2a und der zweiten Wellenleiterschicht 2b angeordnete aktive Schicht 3, die zur Erzeugung von Laserstrahlung 5 dient.
Bei der aktiven Schicht 3 des kantenemittierenden Halbleiterlasers kann es sich insbesondere um eine Einfach- oder Mehrfachquantentopfstruktur handeln. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss (”Confinement”) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Der Wellenleiterbereich 4 ist zwischen einer ersten Mantelschicht 1a und einer dem Wellenleiterbereich 4 in Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers 10 nachfolgenden zweiten Mantelschicht 1b angeordnet. Die erste Mantelschicht 1a ist also auf einer einem Substrat 6 des Halbleiterkörpers 10 zugewandten Seite angeordnet und die zweite Mantelschicht 1b ist auf einer von der aktiven Schicht 3 aus gesehen dem Substrat 6 abgewandten Seite des Halbleiterkörpers 10 angeordnet. Vorzugsweise bilden die oberhalb der aktiven Schicht angeordneten Halbleiterschichten 1b, 2b einen p-dotierten Bereich und die unterhalb der aktiven Schicht 3 angeordneten Schichten 1a, 2a einen n-dotierten Bereich aus.
Der Halbleiterkörper 10 des kantenemittierenden Halbleiterlasers basiert vorzugsweise auf einem Nitridverbindungshalbleiter. Nitridverbindungshalbleiter sind insbesondere zur Erzeugung von Strahlung im blauen und blaugrünen Spektralbereich geeignet. Die Emissionswellenlänge des kantenemittierenden Halbleiterlasers kann insbesondere im Bereich von etwa 430 nm bis 540 nm liegen.
Die elektrische Kontaktierung des kantenemittierenden Halbleiterlasers erfolgt beispielsweise durch eine erste elektrische Kontaktschicht 11 an der von der aktiven Schicht 3 abgewandten Rückseite des Substrats 6 und eine zweite elektrische Kontaktschicht 12 an einer dem Substrat 6 gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers 10.
Der Halbleiterkörper 10 kann zusätzlich zu den in 1A dargestellten Halbleiterschichten eine oder mehrere weitere Schichten enthalten. Beispielsweise können eine oder mehrere Zwischenschichten zwischen dem Substrat 6 und der unteren Mantelschicht 1a oder zwischen der oberen Mantelschicht 1b und der zweiten Kontaktschicht 12 angeordnet sein. Weiterhin ist es auch möglich, dass eine oder mehrere der zuvor beschriebenen Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers 10 anstatt aus einer Einzelschicht aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt sind. Insbesondere kann beispielsweise die aktive Schicht 3 aus einer Quantentopfstruktur mit mehreren zwischen Barriereschichten angeordneten Quantenschichten gebildet sein. Weiterhin ist es beispielsweise auch möglich, dass in die zweite Wellenleiterschicht 2b eine Teilschicht mit einer erhöhten elektronischen Bandlücke eingebettet ist (nicht dargestellt), die als Elektronenbarriere wirkt und zu einem besseren Ladungsträgereinschluss in der aktiven Schicht 3 führt.
Die Mantelschichten 1a, 1b weisen vorteilhaft einen geringeren Brechungsindex als die Wellenleiterschichten 2a, 2b auf, wodurch die sich in lateraler Richtung ausbreitende Laserstrahlung 5 im Wesentlichen in dem Wellenleiterbereich 4 eingeschlossen wird. Die sich in dem aus der aktiven Schicht 3, der ersten Wellenleiterschicht 2a und der zweiten Wellenleiterschicht 2b gebildeten Wellenleiterbereich 4 ausbreitenden Lasermoden dringen also nur geringfügig in die Mantelschichten 1a, 1b ein.
Der Laserresonator des kantenemittierenden Halbleiterlasers wird durch die Seitenfacetten 7, 8 des Halbleiterkörpers 10 gebildet. Die Seitenfacetten 7, 8 sind vorzugsweise jeweils mit einer reflektionserhöhenden Beschichtung 9a, 9b versehen. Die reflektionserhöhenden Beschichtungen 9a, 9b können beispielsweise aus einer Vielzahl von alternierenden dielektrischen Schichten gebildet sein. Insbesondere können die reflektionserhöhenden Beschichtungen 9a, 9b jeweils eine Vielzahl von Schichtpaaren aus Oxidschichten mit verschiedenen Brechungsindizes aufweisen, wie zum Beispiel Siliziumdioxid mit vergleichsweise niedrigem Brechungsindex und Tantalpentoxid mit vergleichsweise hohem Brechungsindex. Alternativ wäre es aber auch möglich, die reflektionserhöhenden Beschichtungen 9a, 9b aus alternierenden Halbleiterschichten mit verschiedenen Brechungsindizes auszubilden.
Bei dem kantenemittierenden Halbleiterlaser dient die erste Seitenfacette 7 als Strahlungsauskoppelfläche. Die Laserstrahlung 5 wird also durch die erste Seitenfacette 7 mit der vorzugsweise darauf aufgebrachten reflektionserhöhenden Beschichtung 9a aus dem Halbleiterkörper 10 emittiert, wobei die Hauptstrahlungsrichtung der Laserstrahlung 5 senkrecht zur Seitenfacette 7 des Halbleiterkörpers 10 ausgerichtet ist. Damit ein Teil der sich in dem aus der ersten Seitenfacette 7 und der zweiten Seitenfacette 8 gebildeten Laserresonator ausbreitenden Laserstrahlung an der ersten Seitenfacette 7 aus dem Halbleiterkörper 10 ausgekoppelt wird, weist die reflektionserhöhende Beschichtung 9a der ersten Seitenfacette 7 vorzugsweise eine geringere Reflexion R als die reflektionserhöhende Beschichtung 9b der zweiten Seitenfacette 8 auf.
Aufgrund von Beugungseffekten wird nicht die gesamte Laserstrahlung 5 senkrecht zur Strahlungsauskoppelfläche emittiert, sondern sie weist einen Strahlkegel mit einem Abstrahlwinkel α_S, α_P auf. Bei einem herkömmlichen Halbleiterlaser ist der Abstrahlwinkel α_S in einer Richtung senkrecht zur Schichtebene der aktiven Schicht erheblich größer als der Abstrahlwinkel α_P in der Richtung parallel zur Schichtebene der aktiven Schicht. Unter den Abstrahlwinkeln α_S, α_P wird im Rahmen der Anmeldung jeweils der volle Winkelbereich verstanden, in dem die Intensität der emittierten Laserstrahlung 5 nicht weniger als die Hälfte des Intensitätsmaximums beträgt.
Es hat sich vorteilhaft herausgestellt, dass die Differenz zwischen dem Abstrahlwinkel α_S in einer Richtung senkrecht zur Schichtebene der aktiven Schicht 3 und dem Abstrahlwinkel α_P in einer Richtung parallel zur Schichtebene der aktiven Schicht 3 dadurch verringert werden kann, dass die Dicke d des Wellenleiterbereichs 4 reduziert wird. Der Wellenleiterbereich 4 weist vorzugsweise eine Dicke d von 400 nm oder weniger, besonders bevorzugt von 300 nm oder weniger auf.
Auf diese Weise wird erreicht, dass sich der Abstrahlwinkel α_S senkrecht zur Schichtebene der aktiven Schicht 3 und der Abstrahlwinkel α_p parallel zur Ebene der aktiven Schicht 3 vorzugsweise um weniger als einen Faktor 3 und besonders bevorzugt um weniger als einen Faktor 2 voneinander unterscheiden.
2 verdeutlicht den Einfluss der Dicke d des Wellenleiterbereichs 4 auf die Kennlinie des kantenemittierenden Halbleiterlasers. Dargestellt ist die optische Ausgangsleistung P in Abhängigkeit von der Betriebsstromstärke I für einen kantenemittierenden Halbleiterlaser, bei dem die Dicke d des Wellenleiterbereichs 4 600 nm beträgt (Kurve 21) im Vergleich zu einem kantenemittierenden Halbleiterlaser, bei dem die Dicke d des Wellenleiterbereichs 4 vorteilhaft nur 250 nm beträgt (Kurve 22). Bei beiden Ausführungsbeispielen beträgt die Reflektivität an der ersten Seitenfacette 7, die gleich der Strahlungsauskoppelfläche ist, jeweils 50 Prozent und die Reflektivität an der zweiten Seitenfacette 8 jeweils 95 Prozent. Die Kennlinie 22 des kantenemittierenden Halbleiterlasers mit vorteilhaft geringer Dicke des Wellenleiterbereichs 4 von nur 250 nm weist eine geringere Steilheit als die Kennlinie 21 des kantenemittierenden Halbleiterlasers mit einer Dicke d des Wellenleiterbereichs 4 von 600 nm auf. Die geringere Steilheit der Kennlinie, die sich durch die Verringerung der Dicke des Wellenleiterbereichs 4 ergibt, ist zwar nachteilig, wenn eine hohe Ausgangsleistung des Halbleiterlasers erwünscht ist. Andererseits hat die flacher verlaufende Kennlinie 22 aber den Vorteil, dass sich vergleichsweise kleine Ausgangsleistungen, insbesondere Ausgangsleistungen von 10 mW oder weniger, durch die Einstellung der Betriebsstromstärke I genauer einstellen lassen. Der Halbleiterlaser mit der flacheren Kennlinie 22 ist vorteilhaft auch weniger empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen wie beispielsweise einer Temperaturänderung oder einer alterungsbedingten Verschiebung der Schwellstromstärke.
Der kantenemittierende Halbleiterlaser mit einer Dicke d des Wellenleiterbereichs 4 von 600 nm weist einen Abstrahlwinkel α_P in der Richtung parallel zur Schichtebene der aktiven Schicht 3 von etwa 8,3 Grad auf. In der Richtung senkrecht zur Schichtebene der aktiven Schicht 3 beträgt der Abstrahlwinkel α_S etwa 22,4 Grad. Somit beträgt das Verhältnis des Abstrahlwinkels α_S zum Abstrahlwinkel α_P etwa 2,7. Der kantenemittierende Halbleiterlaser mit der Kennlinie 22 und einer Dicke d des Wellenleiterbereichs 4 von 250 nm weist dagegen einen Abstrahlwinkel α_P von 11,9 Grad und einen Abstrahlwinkel α_S von etwa 18,6 Grad auf. Aufgrund der Verringerung der Dicke d des Wellenleiterbereichs beträgt somit das Verhältnis des Abstrahlwinkels α_S zum Abstrahlwinkel α_P nur etwa 1,57. Der kantenemittierende Halbleiterlaser mit der verringerten Dicke d des Wellenleiterbereichs 4 weist also vorteilhaft ein weniger elliptisches Strahlprofil auf als der Halbleiterlaser mit der größeren Dicke d des Wellenleiterbereichs.
Die geringe Elliptizität des Strahlprofils des Halbleiterlasers aufgrund der vergleichsweise kleinen Dicke des Wellenleiterbereichs 4 hat den Vorteil, dass vergleichsweise einfache und kostengünstige optische Elemente zur Strahlformung verwendet werden können. Im Gegensatz dazu werden bei herkömmlichen, auf hohe Leistungen optimierten Halbleiterlasern oftmals komplizierte asphärische Linsen oder Linsensysteme eingesetzt, um die Strahldivergenz in der Richtung parallel und senkrecht zu den Halbleiterschichten aneinander anzupassen. Bei dem hierin beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlaser wird vorzugsweise nur eine einzige Linse zur Strahlformung verwendet. Bei der Linse handelt es sich bevorzugt um eine sphärische Linse, die einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.
Die vorzugsweise sphärische Linse kann in ein Gehäuse des kantenemittierenden Halbleiterlasers integriert sein. Ein Ausführungsbeispiel des kantenemittierenden Halbleiterlasers mit einem so genannten TO-Gehäuse (Transistor Outline) ist in 3 dargestellt. In der rechten Hälfte der 3 ist das Gehäuse mit Gehäuseabdeckung 18 und in der linken Hälfte der 3 zur Verdeutlichung ohne Gehäuseabdeckung dargestellt. Das Gehäuse 14 weist einen Gehäusegrundkörper 15 auf, aus dem drei Anschlussbeine 16, die zur Montage und elektrischen Kontaktierung des kantenemittierenden Halbleiterlasers dienen, herausragen. Der Halbleiterkörper 10 ist vorteilhaft auf eine Wärmesenke 17 montiert, über die die Verlustwärme des Halbleiterkörpers 10 abgeführt wird. Zur elektrischen Kontaktierung ist der Halbleiterkörper 10 mittels Bonddrähten mit zwei Anschlussbeinen 16 des Gehäuses elektrisch leitend verbunden. Der Halbleiterkörper 10 ist senkrecht in dem Gehäuse montiert, so dass die Hauptabstrahlrichtung der Laserstrahlung senkrecht zum Gehäusegrundkörper 15 des Gehäuses 14 erfolgt. Wie in der rechten Hälfte der 3 dargestellt ist, weist das Gehäuse 14 vorzugsweise eine Gehäuseabdeckung 18 auf, in die in der Strahlrichtung des Halbleiterkörpers 10 eine Linse 19 zur Strahlformung der Laserstrahlung integriert ist. Die Linse 19 kann insbesondere eine einfach und kostengünstig herstellbare sphärische Linse sein.
Der bereits zuvor erläuterten 2 ist zu entnehmen, dass der kantenemittierende Halbleiterlaser mit der Kennlinie 22 und einer Dicke d des Wellenleiterbereichs 4 von nur 250 nm eine größere Schwellstromstärke aufweist als der kantenemittierende Halbleiterlaser mit der steileren Kennlinie 21 und dem vergleichsweise dicken Wellenleiterbereich 4, der eine Dicke von 600 nm aufweist. Dem Anstieg der Schwellstromstärke durch die Verringerung der Dicke des Wellenleiterbereichs 4 kann entgegen gewirkt werden, indem die Reflektivität der ersten Seitenfacette 7 des Halbleiterlasers, die als Strahlungsauskoppelfläche dient, erhöht wird. Dies wird im Folgenden anhand der in den 4 und 5 dargestellten Kennlinien von kantenemittierenden Halbleiterlasern mit verschieden hoher Reflektivität der ersten Seitenfacette erläutert.
4 zeigt eine graphische Darstellung der optischen Ausgangsleistung P in Abhängigkeit von der Betriebsstromstärke I für Ausführungsbeispiele von kantenemittierenden Halbleiterlasern, bei denen die Reflektivität R₁ der als Strahlungsauskoppelfläche dienenden ersten Seitenfacette 50 Prozent (Kurve 41), 75 Prozent (Kurve 42), 85 Prozent (Kurve 43), 90 Prozent (Kurve 44) und 95 Prozent (Kurve 45) beträgt. Die Reflektivität R₂ der zweiten Seitenfacette des Halbleiterlasers beträgt in allen Fällen 95 Prozent. Die Reflektivität R₁ der ersten Seitenfacette kann insbesondere durch eine Änderung einer reflektionserhöhenden Beschichtung, die auf die erste Seitenfacette des Halbleiterlasers aufgebracht ist, verändert werden. Insbesondere kann die Materialkombination oder die Anzahl der alternierenden Schichten eines dielektrischen Spiegels verändert werden, um eine gewünschte Reflektivität einzustellen.
4 verdeutlicht, dass die Steilheit der Kennlinien mit zunehmender Reflektivität an der Strahlungsauskoppelfläche abnimmt und sich gleichzeitig die Schwellstromstärke erniedrigt. Eine geringe Steilheit der Kennlinie und eine geringe Schwellstromstärke haben den Vorteil, dass eine gewünschte optische Ausgangsleistung durch die Regelung der Betriebsstromstärke genau eingestellt werden kann, und dass sich eine Anhebung der Schwellstromstärke, die durch Alterungseffekte des Halbleiterlasers entstehen kann, nicht zum Ausfall des Halbleiterlasers führt, da der Betrieb auch bei geringen Ausgangsleistungen mit Betriebsstromstärken erfolgt, die deutlich oberhalb der Laserschwelle liegen. Vorteilhaft beträgt die Reflektivität R₁ der reflektionserhöhenden Beschichtung der ersten Seitenfacette des Halbleiterlasers mindestens 75 Prozent. Besonders bevorzugt beträgt die Reflektivität R₁ der ersten Seitenfacette mindestens 85 Prozent und besonders bevorzugt mindestens 90 Prozent.
In 5 ist die optische Ausgangsleistung P in Abhängigkeit von der Betriebsstromstärke I für fünf weitere Ausführungsbeispiele von kantenemittierenden Halbleiterlasern dargestellt, bei denen die Reflektivität R₁ an der ersten Seitenfacette 50 Prozent (Kurve 51), 75 Prozent (Kurve 52), 85 Prozent (Kurve 53), 90 Prozent (Kurve 54) und 95 Prozent (Kurve 55) beträgt. Im Gegensatz zu den in 4 dargestellten Ausführungsbeispielen beträgt die Reflektivität R₂ der zweiten Seitenfacette des Halbleiterlasers nicht 95 Prozent, sondern nur 85 Prozent. Wie die in 4 dargestellten Kennlinien zeigen auch die in 5 dargestellten Kennlinien, dass sich mit zunehmender Reflektivität R₁ der ersten Seitenfacette, die als Strahlungsauskoppelfläche dient, die Steilheit der Kennlinien verringert und sich die Schwellstromstärke erniedrigt.
Eine geringere Reflektivität R₂ der zweiten Seitenfacette des Halbleiterlasers, die der Strahlungsauskoppelfläche gegenüber liegt, kann beispielsweise verwendet werden, um an der zweiten Seitenfacette des Halbleiterlasers einen geringen Anteil der Laserstrahlung für eine Monitordiode auszukoppeln. Beispielsweise kann, wie in 1B dargestellt, der zweiten Seitenfacette 8 des Halbleiterlasers eine Monitordiode 13 nachgeordnet werden. Mittels der Monitordiode 13 können durch äußere Einflüsse wie beispielsweise Temperaturänderungen oder durch eine Alterung des Halbleiterlasers bedingte Änderungen der optischen Ausgangsleistung festgestellt werden. Die Monitordiode 13 ist vorzugsweise mit einem elektrischen Regelkreis verbunden, durch den die Betriebsstromstärke zur Erzielung einer gewünschten optischen Ausgangsleistung. nachgeregelt wird.
Eine Erhöhung der Reflektivität R₁ der als Strahlungsauskoppelfläche dienenden ersten Seitenfacette 7 des Halbleiterlasers hat den Vorteil, dass die Resonatorlänge des Halbleiterlasers bei gleicher Betriebsstromstärke verringert werden kann, ohne dass dabei die Laserschwelle unterschritten wird. Insbesondere kann eine Verkürzung der Resonatorlänge von einer ursprünglichen Resonatorlänge L_a auf eine Resonatorlänge L_b dadurch kompensiert werden, dass die Reflektivität R_1,b der ersten Seitenfacette 7 gegenüber der ursprünglichen Reflektivität R_1,a der ersten Seitenfacette 7 des Halbleiterlasers wie folgt erhöht wird:
Durch die Verringerung der Resonatorlänge des Halbleiterlasers ist es möglich, eine größere Anzahl von Halbleiterlasern auf einem Wafer zu fertigen, wodurch sich die Herstellungskosten vorteilhaft verringern. Vorzugsweise beträgt die Länge des Laserresonators 450 μm oder weniger.
Der hierin beschriebene kantenemittierende Halbleiterlaser wird vorteilhaft in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine geringe Ausgangsleistung von beispielsweise 10 mW oder weniger, bevorzugt 5 mW oder weniger, ausreichend ist, aber ein stabiler Betrieb über die Lebensdauer des Bauelements und ein kostengünstiges Herstellungsverfahren erwünscht ist.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

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