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WO2023218005A1 - Breitstreifen-diodenlaser mit integriertem p-n-tunnelübergang - Google Patents

Breitstreifen-diodenlaser mit integriertem p-n-tunnelübergang Download PDF

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WO2023218005A1
WO2023218005A1 PCT/EP2023/062685 EP2023062685W WO2023218005A1 WO 2023218005 A1 WO2023218005 A1 WO 2023218005A1 EP 2023062685 W EP2023062685 W EP 2023062685W WO 2023218005 A1 WO2023218005 A1 WO 2023218005A1
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WO
WIPO (PCT)
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layer
tunnel junction
semiconductor material
doped
doped semiconductor
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2023/062685
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English (en)
French (fr)
Inventor
Paul Crump
Hans Wenzel
Mohamed ELATTAR
Andre Maassdorf
Dominik MARTIN
Olaf Brox
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ferdinand Braun Institut GgmbH Leibniz Institut fuer Hoechstfrequenztechnik
Original Assignee
Ferdinand Braun Institut GgmbH Leibniz Institut fuer Hoechstfrequenztechnik
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to CA3254009A priority patent/CA3254009A1/en
Priority to US18/864,703 priority patent/US20250309616A1/en
Priority to KR1020247037737A priority patent/KR20250008878A/ko
Priority to EP23726115.1A priority patent/EP4523301A1/de
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    • H01S5/32316—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm comprising only (Al)GaAs

Definitions

  • the present invention relates to a broad-area diode laser (BAL) with an integrated p-n tunnel junction.
  • BAL broad-area diode laser
  • the present invention relates to a high-performance broad-strip diode laser in which a reverse-biased p-n tunnel junction is integrated into the layer system of the diode laser in order to improve the beam quality and to reduce the thermal resistance.
  • Broad-strip diode lasers can have particularly high efficiency and brilliance. With these emitters, output powers of >15 W can be reliably achieved.
  • BALs are the most efficient light source for near-infrared (NIR) radiation, so they are widely used as a pump source for solid-state and fiber lasers. They are also the key element of fiber-coupled laser systems designed to provide high-radiance beams for materials processing at high conversion efficiencies. To increase the output power of these systems and reduce their cost, it is important to improve the beam quality, especially of the slow axis, as this allows the coupling of a larger number of emitters in low numerical aperture (NA) fibers.
  • NIR near-infrared
  • the decisive factor for the deterioration of the beam quality at high output powers is the formation of a lateral temperature gradient due to an increase in temperature in the central area the laser strip, which leads to a local increase in the refractive index and thus to additional lateral wave guidance and, as a result, to a larger divergence angle.
  • the present invention relates to a laser diode comprising an active layer formed between an n-doped semiconductor material and a p-doped semiconductor material, the active layer forming an active zone along a longitudinal axis for generating electromagnetic radiation; wherein at least one n-doped intermediate layer is arranged between an overlying p-side metal contact and the p-doped semiconductor material, wherein in the at least one n-doped intermediate layer in the region above the active zone there is a pn tunnel junction directly adjacent to the p-doped semiconductor material is trained.
  • the at least one n-doped intermediate layer comprises a p-side n-contact layer.
  • the p-side metal contact can be arranged on the p-side n-contact layer.
  • the n-doped semiconductor material typically comprises an n-doped substrate (referred to as an n-substrate), an n-side n-cladding layer arranged on the n-side substrate and an n-waveguide layer arranged on the n-side n-cladding layer .
  • the p-doped semiconductor material typically includes a p-waveguide layer and a p-cladding layer disposed on the p-waveguide layer.
  • a p-contact layer is usually arranged on the p-cladding layer.
  • the active layer which is designed to generate light, is located between the two differently doped semiconductor materials.
  • the active zone is that part of the active layer in which light is actually generated by charge carrier injection during operation of the laser diode.
  • the longitudinal axis points in the longitudinal direction and preferably corresponds to the resonator axis of the laser.
  • the charge carriers are usually supplied on the n-side via the n-substrate and on the p-side via an overlying metal contact, with this p-side metal contact then forming a semiconductor-metal interface with an underlying p-contact layer.
  • this interface represents a significant thermal barrier. Since such a thermal barrier could not be detected in an n-side semiconductor-metal interface, according to the invention, between the p-side metal contact lying on top and the p-doped one underneath Semiconductor material arranged at least one n-doped intermediate layer.
  • a p-n tunnel junction is formed in the at least one n-doped intermediate layer in the region above the active zone, which is directly adjacent to the p-doped semiconductor material.
  • a metal i.e. H. without the formation of a significant thermal barrier.
  • the p-n tunnel junction preferably has a total thickness of less than 100 nm.
  • the present invention is based on the finding that a semiconductor-metal interface with an n-doped semiconductor on both sides of the BAL is particularly advantageous.
  • the p-side contact layer of the BAL can be made n-doped rather than p-doped.
  • this creates a pn junction that is biased in the reverse direction and acts as a current barrier.
  • a reverse-biased pn-junction (or “tunnel junction” for short) is formed at this pn interface, which consists, for example, of very highly doped semiconductor layers and allowing charge carriers to tunnel between a corresponding p-side n-contact layer and the other p-side semiconductor layers.
  • the tunnel junction has a very low turn-on voltage and a very low series resistance so that the conversion efficiency of the BAL is not affected.
  • the BAL according to the invention is also referred to as TJ-BAL.
  • this approach offers further advantages.
  • the high electrical conductivity of the highly doped n-contact and TJ layers can result in a very low series resistance between the active zone and the epi-side contact, especially in vertical structures with thin p-side waveguides and cladding layers such as in the ETAS design (ETAS - Extreme Triple asymmetry structure).
  • the low series resistance leads to higher conversion efficiency, especially at higher current levels (Crump, P. et al., Efficient High-Power Laser Diodes, IEEE J. Sei. Top. Quantum Electron., vol. 19, no. 4 (2013) ).
  • the flat TJ layers are so highly doped that they tend to be equipotential, which means that voltage differences that occur between different areas of the laser chip cannot be maintained and immediately equalize.
  • the low epi-side resistance and the presence of equipotential have the advantage of reducing spatial hole burning and suppressing higher order lateral modes, further improving beam quality, output power and conversion efficiency (Zeghuzi, A. et al., Traveling wave analysis of non-thermal far-field blooming in high-power broad-area lasers, IEEE J. Quantum Electron., vol. 55, no. 2 (2019) & Zeghuzi, A . et al., Influence of nonlinear effects on the characteristics of pulsed high-power broad-area distributed Bragg reflector lasers, Opt. Quant. Electron., vol. 50, no. 88 (2016)).
  • Another advantage of the very low specific resistance of highly n-doped p-side semiconductor layers and the equipotential is that the thickness of the p-side n-contact layer grown over the p-n tunnel junction can be significantly increased without the electrical resistance deteriorates significantly. This allows the active zone in structures with a thin p-side to be protected from process- and design-related mechanical stresses, which can affect polarization purity, output power, and device life and lead to undesirable waveguiding, which in turn reduces beam quality.
  • the pn tunnel junction comprises a p + tunnel layer arranged on the p-doped semiconductor material and an n + tunnel layer arranged thereon. Due to the high doping of the two tunnel layers of the pn tunnel junction, the charge carriers can tunnel through the reverse biased pn junction formed at the boundary between the at least one p-side n-doped intermediate layer and the p-doped semiconductor material, so that the electrical resistance at the charge carrier injection still remains low.
  • the doping concentration of the n- and p-doped layers of the pn tunnel junction is preferably A/ D ,A 10 19 cm- 3 (usual doping concentration in the environment up to approximately 10 18 cm' 3 ).
  • the p-n tunnel junction is arranged on a p-doped sub-contact layer (p-sub-contact layer) of the p-doped semiconductor material.
  • the p-sub contact layer essentially corresponds to the p-contact layer in the prior art. According to the invention, however, no metal contact is arranged on the p-sub-contact layer, but rather this is separated from the p-sub-contact layer by the at least one n-doped intermediate layer.
  • the p-sub contact layer can be distinguished from the p-cladding layer arranged underneath either by the semiconductor material or its composition or by a discontinuity in the course of the refractive index/refractive index gradient at the layer boundary.
  • the p-n tunnel junction is preferably arranged on a p-doped cladding layer of the p-doped semiconductor material.
  • no p-sub contact layer is arranged between the p-doped cladding layer and the p-n tunnel junction.
  • An n-doped cladding layer is preferably arranged on the p-n tunnel junction.
  • the p-side cladding layer includes a p-doped and an n-doped region, between which the p-n tunnel junction is arranged.
  • optical modes guided in the waveguide layer also extend into the cladding layers, this means that the optical modes can extend on the p-side beyond the p-n tunnel junction into the p-side n-doped cladding layer. However, any subsequent contact layer no longer plays a significant role in wave guidance.
  • a stripe width of the diode laser is preferably defined via a lateral width W of the p-n tunnel junction. Due to the blocking p-n junction that occurs everywhere outside the p-n tunnel junction, the injection region can be defined via the geometric definition of the p-n tunnel junction. The current path can therefore be determined via the size and shape of the p-n tunnel junction.
  • the pn tunnel junction can be formed as a layer and a stripe width of the diode laser is determined via a lateral width W of an opening of an n-current diaphragm introduced into the p-doped semiconductor material. In this case it lifts
  • the pn tunnel junction has the effect of the blocking pn junction over a large area and individual strips must therefore be structured in a different way.
  • the proposed n-current diaphragm is well known in the prior art for limiting the current flow.
  • the current path can therefore be determined via the size and shape of the opening of the n-current aperture (aperture opening) completely analogously to the embodiment described above.
  • the n-current aperture preferably has a total thickness of less than 100 nm, the doping concentration of the n-current aperture preferably being N D 10 18 cm -3 .
  • the stripe width of the diode laser can also be determined via a lateral width W of a region between two adjacent depth implantation regions (e.g. by means of ion implantation) instead of via an n-current diaphragm.
  • the depth implantation preferably extends from the metal contact into the p-cladding layer.
  • the series resistance of the deep implantation region is preferably at least twice as high as that of the surrounding region.
  • an n-type substrate may include GaAs, an n-side n-cladding layer AIGaAs, an n-waveguide layer AIGaAs, a p-waveguide layer AIGaAs, and a p-cladding layer AIGaAs.
  • a p-sub contact layer may include GaAs.
  • a pn tunnel junction may comprise p + -GaAs as a p+-tunneling layer and n + -GaAs as an n + -tunneling layer.
  • An n-type contact layer may include GaAs.
  • a p-side n-cladding layer may include AIGAAs.
  • the minimum distance between the active layer and the p-n tunnel junction is preferably less than 1.3 pm, more preferably less than 1 pm and even more preferably less than 0.5 pm.
  • the advantage of having the smallest possible distance between the active layer and the p-n tunnel junction is the reduction of series resistance and spatial hole burning, thereby improving the laser properties (e.g. beam quality, power, efficiency).
  • T J-BALs Various lateral structuring techniques can be implemented in the T J-BALs according to the invention in order to limit the current to the center of the device (ie below the laser stripes or above the active zone).
  • the resulting current limitation minimizes losses at the strip edges and limits the adverse effects of lateral current propagation and lateral carrier accumulation (LCA) on beam quality.
  • the Current limiting is more important in these TJ-BALs than in standard BALs because current propagation in an n-contact layer is much stronger than in a p-contact layer due to the higher mobility of electrons compared to holes.
  • the remaining layer thickness d res between the active zone and a current diaphragm is preferably less than 1 pm.
  • the remaining layer thickness d res generally indicates the minimum distance between the active layer and a structure that is closest to the active layer and is additionally introduced into the actual basic structure of the layer structure of the laser diode to determine the stripe width of the diode laser.
  • This can be, for example, a pn tunnel junction according to the invention, an n-current diaphragm or a corresponding deep implantation region.
  • the p-side total thickness dtot including pn tunnel junction and p-side n-contact layer is preferably greater than 2 pm.
  • the total thickness ⁇ WL of the waveguide layers is preferably greater than 1 pm.
  • the thickness of the p-side waveguide layer d p -w is preferably less than 350 nm.
  • a stripe width is preferably greater than or equal to 50 pm.
  • the resonator length L is preferably greater than or equal to 3 mm.
  • FIG. 1 shows an exemplary schematic representation of a first embodiment of a laser diode according to the invention
  • FIG. 2 shows an exemplary schematic representation of a second embodiment of a laser diode according to the invention
  • FIG. 3 shows an exemplary schematic representation of a third embodiment of a laser diode according to the invention
  • Fig. 4 is an exemplary schematic representation of a fourth embodiment of a laser diode according to the invention 5 shows an exemplary schematic representation of a fifth embodiment of a laser diode according to the invention.
  • Fig. 6 is an exemplary schematic representation of a sixth embodiment of a laser diode according to the invention.
  • FIG. 1 shows an exemplary schematic representation of a first embodiment of a laser diode according to the invention.
  • the laser diode shown comprises an n-doped semiconductor material (n-substrate 10, n-side n-cladding layer 12, n-waveguide layer 14) and a p-doped semiconductor material (p-waveguide layer 30, p-cladding layer 32, p-Sub -Contact layer 34) formed active layer 20, wherein the active layer 20 forms an active zone along a longitudinal axis for generating electromagnetic radiation; wherein an n-contact layer 50 is arranged between an overlying p-side metal contact 52 and the p-doped semiconductor material (p-waveguide layer 30, p-cladding layer 32, p-sub-contact layer 34), wherein in the n-contact layer 50 in the area
  • a pn tunnel junction 40 is formed above the active zone and is directly adjacent to the p-doped semiconductor material (p-waveguide layer 30, p-cladding layer 32, p-sub contact
  • the p-n tunnel junction 40 shown comprises a p + -tunnel layer 42 arranged on the p-doped semiconductor material (p-waveguide layer 30, p-cladding layer 32, p-sub-contact layer 34) and an n + -tunnel layer arranged thereon 44.
  • the pn tunnel junction 40 is arranged on a p-doped sub-contact layer 34 of the p-doped semiconductor material (p-waveguide layer 30, p-cladding layer 32, p-sub-contact layer 34).
  • a stripe width of the diode laser is determined via a lateral width W of the pn tunnel junction 40.
  • the remaining layer thickness d res is defined in this embodiment as the minimum distance between the active layer 20 and the p-n tunnel junction 40.
  • This embodiment of the invention can be provided via a two-stage epitaxy process with an etching step in between.
  • the structure In a first growth step, the structure can be grown up to the pn tunnel junction 40.
  • the tunnel transition layers (42, 44) can then be selectively etched away outside the strip.
  • a pn junction in the reverse direction is created in the outer regions of the structure, while the central pn tunnel junction 40 enables the current to flow.
  • VCSELs vertical cavity surface emitting lasers
  • FIG. 2 shows an exemplary schematic representation of a second embodiment of a laser diode according to the invention.
  • the basic layer structure corresponds to the arrangement shown in FIG. 1, the individual reference numbers and their respective assignment therefore apply accordingly.
  • the p-n tunnel junction 40 is designed as a layer and the stripe width of the diode laser is determined via a lateral width W of an opening in the p-doped semiconductor material (p-waveguide layer 30, p-cladding layer 32, p- Sub-contact layer 34) introduced n-current diaphragm 60.
  • the n-current diaphragm 60 is arranged within the p-sub contact layer 34.
  • the remaining layer thickness dres is defined as the minimum distance between the active layer 20 and the current diaphragm 60.
  • current confinement can also be achieved by a 2-step epitaxy process with an etching step in between.
  • the current blocking at the component edges is implemented independently of the tunnel transition by the so-called (enhanced) self-aligned lateral structure.
  • highly n-doped layers can be integrated near the bottom of the p-side contact layer (i.e. the p-sub contact layer 34), thereby creating a blocking p-n junction with reverse bias.
  • the first growth step ends after these layers have grown. These can then be selectively etched away in the middle to create a corresponding opening for the current flow.
  • the rest of the p-sub-contact layer 34 as well as the p-n tunnel junction 40 and the n-contact layer 50 can then be grown over the structured n-current stop 60.
  • FIG. 3 shows an exemplary schematic representation of a third embodiment of a laser diode according to the invention.
  • the basic layer structure corresponds to the arrangement shown in FIG. 2, the individual reference numbers and their respective assignment therefore apply accordingly.
  • the pn tunnel junction 40 is also designed as a layer.
  • a stripe width of the diode laser is determined via a lateral width W of an area between two adjacent depth implantation regions 70.
  • the two peripheral deep implantation regions 70 extend from the metal contact 52 into the p-cladding layer 32. Since an opening for the current flow can also be created through the deep implantation areas 70, the additional integration an n-current plate 60 is not necessary.
  • the remaining layer thickness d res is defined in this embodiment as the minimum distance between the active layer 20 and the underside of the deep implantation regions 70.
  • this embodiment can be realized via a single-stage epitaxial growth, which reduces the complexity of the manufacturing process and thus its costs.
  • the current is limited, for example, by deep ion implantation with high energy at the edges of the component.
  • current flow can be prevented by increasing the series resistance and introducing point defects where charge carriers rapidly recombine.
  • Deep implantation through the active zone effectively prevents current spreading and LCA, which could significantly improve beam quality, but also severely compromises performance and efficiency. Therefore, an implantation profile tailored to terminate above the active region (e.g., within the p-cladding layer) is preferred in terms of overall performance.
  • FIG 4 shows an exemplary schematic representation of a fourth embodiment of a laser diode according to the invention.
  • the laser diode shown comprises an active layer formed between an n-doped semiconductor material (n-substrate 10, n-side n-cladding layer 12, n-waveguide layer 14) and a p-doped semiconductor material (p-waveguide layer 30, p-cladding layer 32).
  • the active layer 20 forms an active zone for generating electromagnetic radiation along a longitudinal axis; wherein an n-contact layer 50 and a p-side n-cladding layer 54 are arranged between an overlying p-side metal contact 52 and the p-doped semiconductor material (p-waveguide layer 30, p-cladding layer 32), wherein in the p-side n -cladding layer 54 in the area above the active zone, a pnT tunnel junction 40 is formed which is directly adjacent to the p-doped semiconductor material (p-waveguide layer 30, p-cladding layer 32).
  • the pnT tunnel junction 40 shown comprises a p + tunnel layer 42 arranged on the p-doped semiconductor material (p waveguide layer 30, p cladding layer 32) and an n + tunnel layer 44 arranged thereon.
  • the pn tunnel junction 40 is in this embodiment a p-doped cladding layer 32 of the p-doped semiconductor material (p-waveguide layer 30, p-cladding layer 32).
  • an n-doped cladding layer 54 is formed on the pn tunnel junction 40.
  • a stripe width of the diode laser is determined via a lateral width W of the pn tunnel junction 40.
  • the remaining layer thickness d res is this Embodiment defined as the minimum distance between the active layer 20 and the p-n tunnel junction 40.
  • the essential difference to the embodiment shown in FIG. 1 is that the p-n tunnel junction 40 is arranged on the p-doped cladding layer 32 and thus closer to the active zone.
  • the integration of an additional p-sub contact layer 34 can be dispensed with.
  • Figure 5 shows an exemplary schematic representation of a fifth embodiment of a laser diode according to the invention.
  • the basic layer structure corresponds to the arrangement shown in FIG. 4, the individual reference numbers and their respective assignment therefore apply accordingly.
  • the actual functional principle and a possible method for production can be found in FIG. 2.
  • This embodiment differs from the embodiment shown in FIG. 2 only in the location of the tunnel junction 40 and the absence of a p-sub contact layer 34.
  • Figure 6 shows an exemplary schematic representation of a sixth embodiment of a laser diode according to the invention.
  • the basic layer structure corresponds to the arrangement shown in FIG. 5, the individual reference numbers and their respective assignment therefore apply accordingly.
  • the actual functional principle and a possible method for production can, however, be seen in FIG. 3.
  • This embodiment also differs from the embodiment shown in FIG. 3 only in the position of the tunnel junction 40 and the absence of a p-sub contact layer 34.
  • n-substrate e.g. GaAs
  • n-cladding layer n-side, e.g. AIGaAs
  • n-waveguide layer e.g. AIGAAs
  • active layer (includes active zone)
  • 30p waveguide layer e.g. AIGaAs
  • 32p cladding layer e.g. AIGAAs
  • p-sub contact layer e.g. GaAs
  • n + tunnel layer e.g. n + -GaAs
  • n-cladding layer p-side, e.g. AIGaAs

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Breitstreifen-Diodenlaser (engl. „broad-area dioden laser", BAL) mit integriertem p-n-Tunnelübergang. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Hochleistungs-Breitstreifen-Diodenlaser bei dem zur Verbesserung der Strahlqualität und zur Reduzierung des thermischen Widerstands ein in Sperrrichtung vorgespannter p-n-Tunnelübergang in das Schichtsystem des Diodenlaser integriert ist. Eine erfindungsgemäße Laserdiode umfasst eine zwischen einem n-dotierten Halbleitermaterial (10, 12, 14) und einem p-dotierten Halbleitermaterial (30, 32, 34) ausgebildete aktive Schicht (20), wobei die aktive Schicht (20) entlang einer Längsachse eine aktive Zone zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung ausbildet; wobei zwischen einem aufliegenden p-seitigen Metallkontakt (52) und dem p-dotierten Halbleitermaterial (30, 32, 34) mindestens eine n-dotierte Zwischenschicht (50, 54) angeordnet ist, wobei in der mindestens einen n-dotierten Zwischenschicht (50, 54) im Bereich oberhalb der aktiven Zone ein unmittelbar an das p-dotierte Halbleitermaterial (30, 32, 34) angrenzender p-n- Tunnelübergang (40) ausgebildet ist.

Description

Breitstreifen-Diodenlaser mit integriertem p-n-Tunnelübergang
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Breitstreifen-Diodenlaser (engl. „broad-area diode laser“, BAL) mit integriertem p-n-Tunnelübergang. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Hochleistungs-Breitstreifen-Diodenlaser bei dem zur Verbesserung der Strahlqualität und zur Reduzierung des thermischen Widerstands ein in Sperrrichtung vorgespannter p-n-Tunnelübergang in das Schichtsystem des Diodenlaser integriert ist.
Stand der Technik
Breitstreifen-Diodenlaser können eine besonders hohe Effizienz und Brillanz aufweisen. Mit diesen Emittern lassen sich zuverlässig Ausgangsleistungen von >15 W erreichen. BALs sind die effizienteste Lichtquelle für Strahlung im nahen Infrarot (NIR), so dass sie als Pumpquelle für Festkörper- und Faserlaser weit verbreitet sind. Sie sind auch das Schlüsselelement von fasergekoppelten Lasersystemen, die für die Bereitstellung von Strahlen hoher Strahlungsdichte für die Materialbearbeitung bei hohen Umwandlungseffizienzen ausgelegt sind. Um die Ausgangsleistung dieser Systeme zu erhöhen und ihre Kosten zu senken, ist es wichtig, die Strahlqualität insbesondere der langsamen Achse zu verbessern, da dies die Kopplung einer größeren Anzahl von Emittern in Fasern mit geringer numerischer Apertur (NA) ermöglicht.
Bei hohen optischen Ausgangsleistungen und den damit verbundenen Betriebsströmen kommt es jedoch im Allgemeinen zu einer deutlichen Verschlechterung der Strahlqualität, was sich insbesondere negativ auf eine Kopplung in Fasern auswirkt. Es konnte gezeigt werden, dass die thermische Linse (und nicht die ladungsträger- oder verstärkungsinduzierte Führung) in der langsamen Achse eine der vorherrschenden Ursachen für die Verschlechterung der Strahlqualität bei erhöhtem Betriebsstrom ist (Bai, J. G. et al., Mitigation of Thermal Lensing Effect as a Brightness Limitation of High-Power Broad Area Diode Lasers, Proc. SPIE 7953, 79531 F (2011) & Crump, P. et al., Experimental Studies Into the Beam Parameter Product of GaAs High-Power Diode Lasers, IEEE J. Sei. Top. Quantum Electron., vol. 28, no. 1 (2022)). Entscheidend für die Verschlechterung der Strahlqualität bei hohen Ausgangsleistungen ist somit die Ausbildung eines lateralen Temperaturgradienten aufgrund einer Temperaturerhöhung im zentralen Bereich unter dem Laserstreifen, welche zu einer lokalen Erhöhung des Brechungsindex und somit zu einer zusätzlichen lateralen Wellenführung und als Folge zu einem größeren Divergenzwinkel führt.
Insbesondere haben frühere Studien über GaAs-basierte Breitstreifen-Diodenlaser (z. B. Rieprich, J. et al., Thermal boundary resistance between GaAs and p-side metal as limit to high power diode lasers, IEEE High Power Diode Lasers and Systems Conf. (Coventry, UK), pp. 35-36 (2019)) gezeigt, dass sich an der Grenzfläche zwischen der hoch p- dotierten GaAs-Kontaktschicht und dem darüber abgeschiedenen Metal Ikontakt eine erhebliche thermische Barriere ausbildet. Die durch diese Barriere verringerte Wärmeableitung verstärkt die Wirkung der entstehenden thermischen Linse, was zu einer geringeren Strahlqualität und einem erhöhten thermischen Widerstand führt. An der anderen Halbleiter-Metall-Grenzfläche innerhalb des Bauelements, d. h. zwischen n- dotierten GaAs und Metall, konnte eine solche thermische Barriere hingegen nicht nachgewiesen werden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Breitstreifen-Diodenlaser anzugeben, bei dem zur Verbesserung der Strahlqualität und zur Reduzierung des thermischen Widerstands die auftretende thermische Barriere zwischen einer hoch p- dotierten Kontaktschicht und dem darüber abgeschiedenen Metallkontakt zu verringern oder ganz zu verhindern ist.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserdiode umfassend eine zwischen einem n- dotierten Halbleitermaterial und einem p-dotierten Halbleitermaterial ausgebildete aktive Schicht, wobei die aktive Schicht entlang einer Längsachse eine aktive Zone zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung ausbildet; wobei zwischen einem aufliegenden p-seitigen Metallkontakt und dem p-dotierten Halbleitermaterial mindestens eine n-dotierte Zwischenschicht angeordnet ist, wobei in der mindestens einen n-dotierten Zwischenschicht im Bereich oberhalb der aktiven Zone ein unmittelbar an das p-dotierte Halbleitermaterial angrenzender p-n-Tunnelübergang ausgebildet ist. Bevorzugt umfasst die mindestens eine n-dotierte Zwischenschicht eine p-seitige n-Kontaktschicht. Der p-seitige Metallkontakt kann auf der p-seitigen n-Kontaktschicht angeordnet sein. Das n-dotierte Halbleitermaterial umfasst dabei typischerweise ein n-dotiertes Substrat (als n-Substrat bezeichnet), eine auf dem n-Substrat angeordnete n-seitige n-Mantel- schicht und eine auf der n-seitigen n-Mantelschicht angeordnete n-Wellenleiterschicht. Das p-dotierte Halbleitermaterial umfasst typischerweise eine p-Wellenleiterschicht und eine auf der p-Wellenleiterschicht angeordnete p-Mantelschicht. Im Stand der Technik ist auf der p-Mantelschicht zumeist eine p-Kontaktschicht angeordnet. Zwischen den beiden unterschiedlich dotierten Halbleitermaterialien befindet sich die aktive Schicht, welche zur Lichterzeugung ausgebildet ist. Die aktive Zone ist dabei derjenige Teilbereich der aktiven Schicht, in dem durch Ladungsträgerinjektion während des Betriebs der Laserdiode tatsächlich eine Lichterzeugung stattfindet. Die Längsachse weist in die longitudinale Richtung und entspricht bevorzugt der Resonatorachse des Lasers.
Die Ladungsträger werden n-seitig üblicherweise über das n-Substrat und p-seitig über einen aufliegenden Metallkontakt zugeführt, wobei dieser p-seitige Metallkontakt dann mit einer darunterliegenden p-Kontaktschicht eine Halbleiter-Metall-Grenzfläche ausbildet. Wie obenstehend bereits beschrieben, stellt diese Grenzfläche eine erhebliche thermische Barriere dar. Da bei einer n-seitigen Halbleiter-Metall-Grenzfläche eine solche thermische Barriere nicht nachgewiesen werden konnte, wird erfindungsgemäß zwischen dem aufliegenden p-seitigen Metallkontakt und dem darunter befindlichen p-dotierten Halbleitermaterial mindestens eine n-dotierte Zwischenschicht angeordnet. Zudem ist zur weiteren Ermöglichung der Ladungsträgerinjektion in der mindestens einen n-dotierten Zwischenschicht im Bereich oberhalb der aktiven Zone ein unmittelbar an das p-dotierte Halbleitermaterial angrenzender p-n-Tunnelübergang ausgebildet. Somit kann auch p- seitig eine als bevorzugt angesehene Grenzfläche zwischen einem n-Halbleitermaterial und einem Metall, d. h. ohne Ausbildung einer erheblichen thermischen Barriere, realisiert werden. Der p-n-T unnelübergang hat bevorzugt eine Gesamtdicke von kleiner als 100 nm.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere eine Halbleiter-Metall-Grenzfläche mit einem n-dotierten Halbleiter auf beiden Seiten des BAL von Vorteil ist. Um dies zu erreichen, kann die p-seitige Kontaktschicht des BAL als eher n-dotiert statt p-dotiert ausgebildet werden. Dadurch entsteht jedoch ein in Sperrrichtung vorgespannter p-n-Übergang, der als Stromsperre wirkt. Um diesen zu vermeiden, wird an dieser p-n-Grenzfläche ein umgekehrt vorgespannter p-n-Tunnelübergang (engl. „reverse- biased tunnel p-n-junction“, oder kurz: „tunnel junction“, TJ) ausgebildet, der beispielsweise aus sehr hoch dotierten Halbleiterschichten besteht und es Ladungsträgern ermöglicht, zwischen einer entsprechenden p-seitigen n-Kontaktschicht und den anderen p-seitigen Halbleiterschichten zu tunneln. Bei einem solchen Design ist es entscheidend, dass der T unnelübergang eine sehr niedrige Einschaltspannung und einen sehr niedrigen Serienwiderstand aufweist, damit die Umwandlungseffizienz der BAL nicht beeinträchtigt wird. Die erfindungsgemäßen BAL werde auch als TJ-BAL bezeichnet.
Neben der Verringerung bzw. Vermeidung der ansonsten an der p-seitigen Halbleiter- Metall-Grenzfläche ausbildenden thermischen Barriere bietet dieser Ansatz noch weitere Vorteile. Die hohe elektrische Leitfähigkeit der hochdotierten n-Kontakt- und TJ-Schichten kann zu einem sehr geringen Serienwiderstand zwischen der aktiven Zone und dem episeitigen Kontakt, insbesondere in vertikalen Strukturen mit dünnen p-seitigen Wellenleiterund Mantelschichten wie beim ETAS-Design (ETAS - Extreme Triple Asymmetrie Structure) führen. Der niedrige Serienwiderstand führt zu einer höheren Umwandlungseffizienz, insbesondere bei höheren Stromstärken (Crump, P. et al., Efficient High-Power Laser Diodes, IEEE J. Sei. Top. Quantum Electron., vol. 19, no. 4 (2013)). Darüber hinaus sind die flächig ausgebildeten TJ-Schichten so hoch dotiert, dass sie zu einem Äquipotenzial tendieren, was bedeutet, dass auftretende Spannungsunterschiede zwischen unterschiedlichen Bereichen des Laserchips nicht aufrechterhalten werden können und sich unmittelbar ausgleichen. Der niedrige epi-seitige Widerstand und das Vorhandensein eines Äquipotenzials haben den Vorteil, dass sie das räumliche Lochbrennen (engl. „spatial hole burning“) reduzieren und laterale Moden höherer Ordnung unterdrücken, wodurch die Strahlqualität, die Ausgangsleistung und die Umwandlungseffizienz noch zusätzlich verbessert werden (Zeghuzi, A. et al., Traveling wave analysis of non-thermal far-field blooming in high-power broad-area lasers, IEEE J. Quantum Electron., vol. 55, no. 2 (2019) & Zeghuzi, A. et al., Influence of nonlinear effects on the characteristics of pulsed high-power broad-area distributed Bragg reflector lasers, Opt. Quant. Electron., vol. 50, no. 88 (2018)).
Ein weiterer Vorteil des sehr niedrigen spezifischen Widerstandes von hoch n-dotierten p- seitigen Halbleiterschichten und des Äquipotentials ist, dass die Dicke der p-seitigen n- Kontaktschicht, die über dem p-n-Tunnelübergang aufgewachsen ist, deutlich erhöht werden kann, ohne dass sich der elektrische Widerstand wesentlich verschlechtert. Dadurch kann die aktive Zone in Strukturen mit einer dünnen p-Seite vor prozess- und bauartbedingten mechanischen Spannungen geschützt werden, welche die Polarisationsreinheit, die Ausgangsleistung und die Lebensdauer des Bauelements beeinträchtigen und zu unerwünschter Wellenleitung führen können, die wiederum die Strahlqualität verringert.
Vorzugsweise umfasst der p-n-Tunnelübergang eine auf dem p-dotierten Halbleitermaterial angeordnete p+-Tunnelschicht und eine darauf angeordnete n+-Tunnelschicht. Durch die hohe Dotierung der beiden Tunnelschichten des p-n-Tunnelübergangs können die Ladungsträger durch den an der Grenze zwischen der mindestens eine p-seitige n- dotierte Zwischenschicht und dem p-dotierten Halbleitermaterial ausgebildeten umgekehrt vorgespannten p-n-Übergang tunneln, so dass der elektrische Widerstand bei der Ladungsträgerinjektion trotzdem gering bleibt. Die Dotierungskonzentration der n- und p- dotierten Schichten des p-n-Tunnelübergangs ist vorzugsweise A/D,A 1019 cm-3 (übliche Dotierungskonzentration der Umgebung etwa bis 1018 cm’3).
Vorzugsweise ist der p-n-Tunnelübergang auf einer p-dotierten Sub-Kontaktschicht (p- Sub-Kontaktschicht) des p-dotierten Halbleitermaterials angeordnet. Die p-Sub-Kontakt- schicht entspricht im Wesentlichen der p-Kontaktschicht im Stand der Technik. Auf der p- Sub-Kontaktschicht ist erfindungsgemäß jedoch kein Metallkontakt angeordnet, sondern dieser ist durch die mindestens eine n-dotierte Zwischenschicht von der p-Sub-Kontakt- schicht getrennt. Die p-Sub-Kontaktschicht lässt sich von der darunter angeordneten p- Mantelschicht entweder durch das Halbleitermaterial bzw. dessen Zusammensetzung oder durch eine Unstetigkeit im Verlauf der Brechzahl / des Brechzahlgradienten an der Schichtgrenze unterscheiden.
Vorzugsweise ist der p-n-Tunnelübergang auf einer p-dotierten Mantelschicht des p- dotierten Halbleitermaterials angeordnet. In diesem Fall ist keine p-Sub-Kontaktschicht zwischen der p-dotierten Mantelschicht und dem p-n-Tunnelübergang angeordnet. Bevorzugt ist eine n-dotierte Mantelschicht auf dem p-n-T unnelübergang angeordnet. Dies bedeutet, die p-seitige Mantelschicht umfasst einen p-dotierten und einen n-dotierten Bereich, zwischen denen der p-n-Tunnelübergang angeordnet ist. Da die in der Wellenleiterschicht geführten optischen Moden sich auch bis in die Mantelschichten erstrecken, bedeutet dies, dass die optischen Moden sich p-seitig über den p-n-Tunnelübergang hinaus bis in die p-seitige n-dotierte Mantelschicht hinein erstrecken können. Eine sich eventuell daran anschließende Kontaktschicht nimmt hingegen nicht mehr wesentlich an der Wellenführung teil.
Vorzugsweise ist über eine laterale Breite W des p-n-Tunnelübergangs eine Streifenbreite des Diodenlasers festgelegt. Durch den überall außerhalb des p-n-Tunnelübergangs entstehenden sperrenden p-n-Übergang kann über die geometrische Definition des p-n- Tunnelübergangs das Injektionsgebiet definiert werden. Somit kann über die Größe und Form des p-n-Tunnelübergangs der Strompfad festgelegt werden.
Alternativ hierzu kann der p-n-Tunnelübergang als Schicht ausgebildet sein und eine Streifenbreite des Diodenlasers wird über eine laterale Breite W einer Öffnung einer in das p-dotierte Halbleitermaterial eingebrachten n-Stromblende festgelegt. In diesem Fall hebt der p-n-Tunnelübergang die Wirkung des sperrenden p-n-Übergangs großflächig auf und eine Strukturierung einzelner Streifen muss somit auf anderem Wege erfolgen. Die vorgeschlagenen n-Stromblende sind im Stand der Technik zur Begrenzung des Stromflusses hinreichend bekannt. Über die Größe und Form der Öffnung der n- Stromblende (Blendenöffnung) kann somit vollkommen analog zur voranstehend beschriebenen Ausführungsform der Strompfad festgelegt werden. Die n-Stromblende weist bevorzugt eine Gesamtdicke von kleiner als 100 nm auf, wobei die Dotierungskonzentration der n-Stromblende vorzugsweise ND 1018 cm-3 ist.
Wenn der p-n-Tunnelübergang als Schicht ausgebildet ist, kann die Streifenbreite des Diodenlasers anstatt über eine n-Stromblende auch über eine laterale Breite W eines Bereichs zwischen zwei benachbarten Tiefenimplantationsgebieten (z. B. mittels Ionenimplantation) festgelegt werden. Durch die Tiefenimplantation kann der Widerstand in den behandelten Gebieten so stark erhöht werden, dass ein Stromfluss effektiv nur noch über die nicht tiefenimplantierten Bereiche erfolgt. Bevorzugt reicht die Tiefenimplantation dabei vom Metallkontakt bis in die p-Mantelschicht hinein. Der Serienwiderstand des Tiefenimplantationsgebiets ist bevorzugt mindestens doppelt so hoch wie derjenige des umgebenden Gebiets.
Vorzugsweise basiert das Halbleitermaterial auf GaAs. Beispielsweise kann ein n-Substrat GaAs, eine n-seitige n-Mantelschicht AIGaAs, eine n-Wellenleiterschicht AIGaAs, eine p- Wellenleiterschicht AIGaAs und eine p-Mantelschicht AIGaAs umfassen. Eine p-Sub- Kontaktschicht kann GaAs umfassen. Ein p-n-Tunnelübergang kann als p+ -Tunnelschicht p+-GaAs und als n+-Tunnelschicht n+-GaAs umfassen. Eine n-Kontaktschicht kann GaAs umfassen. Eine p-seitige n-Mantelschicht kann AIGaAs umfassen.
Der minimale Abstand zwischen der aktiven Schicht und dem p-n-Tunnelübergang ist bevorzugt kleiner als 1 ,3 pm, bevorzugter kleiner als 1 pm und noch bevorzugter kleiner als 0,5 pm. Der Vorteil eines möglichst kleinen Abstands zwischen der aktiven Schicht und dem p-n-Tunnelübergang ist die Verringerung des Serienwiderstands und des räumlichen Lochbrennens, wodurch die Lasereigenschaften (z. B. Strahlqualität, Leistung, Effizienz) verbessert werden.
In den erfindungsgemäßen T J-BALs können verschiedene laterale Strukturierungstechniken implementiert werden, um den Strom auf die Mitte des Bauelements (d. h. unter den Laserstreifen bzw. oberhalb der aktiven Zone) zu begrenzen. Die daraus resultierende Strombegrenzung minimiert die Verluste an den Streifenkanten und begrenzt die nachteiligen Auswirkungen der lateralen Stromausbreitung und der lateralen Ladungsträgerakkumulation (engl. „lateral carrier accumulation“, LCA) auf die Strahlqualität. Die Strombegrenzung ist bei diesen TJ-BALs wichtiger als bei Standard-BALs, da die Stromausbreitung in einer n-Kontaktschicht aufgrund der höheren Mobilität von Elektronen im Vergleich zu Löchern wesentlich stärker ist als in einer p-Kontaktschicht.
Die Restschichtdicke dres zwischen der aktiven Zone und einer Stromblende ist bevorzugt kleiner als 1 pm. Durch eine möglichst geringe Restschichtdicke dres kann eine nachteilige Stromaufweitung vermindert werden. Die Restschichtdicke dres gibt dabei im Allgemeinen den minimalen Abstand zwischen der aktiven Schicht und einer der aktiven Schicht nächstgelegenen, in die eigentliche Grundstruktur des Schichtaufbaus der Laserdiode zusätzlich eingebrachten Struktur zur Festlegung der Streifenbreite des Diodenlasers an. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen erfindungsgemäßen p-n-Tunnelübergang, eine n-Stromblende oder um ein entsprechendes Tiefenimplantationsgebiet handeln. Die p-seitige Gesamtdicke dtot einschließlich p-n-Tunnelübergang und p-seitiger n- Kontaktschicht ist bevorzugt größer als 2 pm. Die Gesamtdicke ÖWL der Wellenleiterschichten ist bevorzugt größer als 1 pm. Die Dicke der p-seitigen Wellenleiterschicht dp-w. ist bevorzugt kleiner als 350 nm. Eine Streifenbreite ist bevorzugt größer oder gleich 50 pm. Die Resonatorlänge L ist bevorzugt größer oder gleich 3 mm.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den jeweiligen Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine beispielhafte schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserdiode,
Fig. 2 eine beispielhafte schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserdiode,
Fig. 3 eine beispielhafte schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserdiode,
Fig. 4 eine beispielhafte schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserdiode Fig. 5 eine beispielhafte schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserdiode, und
Fig. 6 eine beispielhafte schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserdiode.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserdiode. Die gezeigte Laserdiode umfasst eine zwischen einem n-dotierten Halbleitermaterial (n-Substrat 10, n-seitige n-Mantelschicht 12, n- Wellenleiterschicht 14) und einem p-dotierten Halbleitermaterial (p-Wellenleiterschicht 30, p-Mantelschicht 32, p-Sub-Kontaktschicht 34) ausgebildete aktive Schicht 20, wobei die aktive Schicht 20 entlang einer Längsachse eine aktive Zone zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung ausbildet; wobei zwischen einem aufliegenden p-seitigen Metallkontakt 52 und dem p-dotierten Halbleitermaterial (p-Wellenleiterschicht 30, p- Mantelschicht 32, p-Sub-Kontaktschicht 34) eine n-Kontaktschicht 50 angeordnet ist, wobei in der n-Kontaktschicht 50 im Bereich oberhalb der aktiven Zone ein unmittelbar an das p-dotierte Halbleitermaterial (p-Wellenleiterschicht 30, p-Mantelschicht 32, p-Sub- Kontaktschicht 34) angrenzender p-n-Tunnelübergang 40 ausgebildet ist. Der gezeigte p- n-Tunnelübergang 40 umfasst eine auf dem p-dotierten Halbleitermaterial (p-Wellenleiter- schicht 30, p-Mantelschicht 32, p-Sub-Kontaktschicht 34) angeordnete p+-Tunnelschicht 42 und eine darauf angeordnete n+-Tunnelschicht 44. Der p-n-Tunnelübergang 40 ist bei dieser Ausführungsform auf einer p-dotierten Sub-Kontaktschicht 34 des p-dotierten Halbleitermaterials (p-Wellenleiterschicht 30, p-Mantelschicht 32, p-Sub-Kontaktschicht 34) angeordnet. Über eine laterale Breite W des p-n-Tunnelübergangs 40 ist eine Streifenbreite des Diodenlasers festgelegt. Die Restschichtdicke dres ist bei dieser Ausführungsform als der minimale Abstand zwischen der aktiven Schicht 20 und dem p- n-Tunnelübergang 40 definiert.
Diese Ausführungsform der Erfindung kann über ein zweistufiges Epitaxieverfahren mit einem dazwischen liegenden Ätzschritt bereitgestellt werden. In einem ersten Wachstumsschritt kann die Struktur bis zum p-n-Tunnelübergang 40 aufgewachsen werden. Anschließend können die Tunnelübergangsschichten (42, 44) selektiv außerhalb des Streifens weggeätzt werden. Nach einem anschließenden epitaktischen Aufwachsen der n-Kontaktschicht 50 entsteht in den äußeren Bereichen der Struktur ein p-n-Übergang in Sperrrichtung, während der zentrale p-n-Tunnelübergang 40 den Stromfluss ermöglicht. Dies ist ein bekanntes Verfahren für die Strom- und optische Begrenzung in oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator (VCSELs).
Figur 2 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserdiode. Der grundlegende Schichtaufbau entspricht der in Fig. 1 gezeigten Anordnung, die einzelnen Bezugszeichen und deren jeweilige Zuordnung gelten daher entsprechend. Im Gegensatz zur dort gezeigten Ausführungsform ist hierbei der p-n-Tunnelübergang 40 jedoch als Schicht ausgebildet und die Streifenbreite des Diodenlasers wird über eine laterale Breite W einer Öffnung einer in das p-dotierte Halbleitermaterial (p-Wellenleiterschicht 30, p-Mantelschicht 32, p-Sub-Kontaktschicht 34) eingebrachten n-Stromblende 60 festgelegt. Insbesondere ist im gezeigten Beispiel die n- Stromblende 60 innerhalb der p-Sub-Kontaktschicht 34 angeordnet. Die Restschichtdicke dres ist bei dieser Ausführungsform als der minimale Abstand zwischen der aktiven Schicht 20 und der Stromblende 60 definiert.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann der Stromeinschluss ebenfalls durch einen 2-Schritt-Epitaxieprozess mit einem dazwischen liegenden Ätzschritt erreicht werden. Die Stromsperre an den Bauteilkanten wird hierbei durch die sogenannte (verbesserte) selbstausrichtende laterale Struktur (engl. „(enhanced) self-aligned lateral structure“) unabhängig vom Tunnelübergang realisiert. Dazu können hoch n-dotierte Schichten in der Nähe der Unterseite der p-seitigen Kontaktschicht (d. h. der p-Sub- Kontaktschicht 34) integriert werden, wodurch ein sperrender p-n-Übergang mit umgekehrter Vorspannung entsteht. Der erste Wachstumsschritt endet nach dem Aufwachsen dieser Schichten. Anschließend können diese selektiv in der Mitte weggeätzt werden, um eine entsprechende Öffnung für den Stromfluss zu schaffen. Der Rest der p- Sub-Kontaktschicht 34 sowie der p-n-Tunnelübergang 40 und die n-Kontaktschicht 50 können anschließend über der strukturierten n-Stromblende 60 aufgewachsen werden.
Figur 3 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserdiode. Der grundlegende Schichtaufbau entspricht der in Fig. 2 gezeigten Anordnung, die einzelnen Bezugszeichen und deren jeweilige Zuordnung gelten daher entsprechend. Der p-n-Tunnelübergang 40 ist hierbei ebenfalls als Schicht ausgebildet. Im Gegensatz zur dort gezeigten Ausführungsform wird über eine laterale Breite W eines Bereichs zwischen zwei benachbarten Tiefenimplantationsgebieten 70 eine Streifenbreite des Diodenlasers festgelegt. Insbesondere reichen im gezeigten Beispiel die beiden randständigen Tiefenimplantationsgebiete 70 vom Metallkontakt 52 bis in die p-Mantelschicht 32 hinein. Da durch die Tiefenimplantationsgebiete 70 ebenfalls eine Öffnung für den Stromfluss geschaffen werden kann, ist die zusätzliche Integration einer n-Stromblende 60 nicht erforderlich. Die Restschichtdicke dres ist bei dieser Ausführungsform als der minimale Abstand zwischen der aktiven Schicht 20 und der Unterseite der Tiefenimplantationsgebiete 70 definiert.
Im Gegensatz zu den voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann diese Ausführungsform über ein einstufiges epitaktisches Wachstum realisiert werden, was die Komplexität des Herstellungsprozesses und somit dessen Kosten reduziert. Die Strombegrenzung erfolgt beispielsweise durch eine tiefe Ionenimplantation mit hoher Energie an den Kanten des Bauelements. Darüber kann der Stromfluss durch Erhöhung des Serienwiderstands und Einführung von Punktdefekten, an denen Ladungsträger schnell rekombinieren, verhindert werden. Eine tiefe Implantation durch die aktive Zone verhindert effektiv eine Stromspreizung und LCA, wodurch die Strahlqualität erheblich verbessert werden könnte, wodurch aber auch die Leistung und die Effizienz stark beeinträchtigt werden. Daher ist ein Implantationsprofil, das so zugeschnitten ist, dass es oberhalb der aktiven Zone endet (z. B. innerhalb der p-Mantelschicht), im Hinblick auf die Gesamtleistung bevorzugt.
Figur 4 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserdiode. Die gezeigte Laserdiode umfasst eine zwischen einem n-dotierten Halbleitermaterial (n-Substrat 10, n-seitige n-Mantelschicht 12, n- Wellenleiterschicht 14) und einem p-dotierten Halbleitermaterial (p-Wellenleiterschicht 30, p-Mantelschicht 32) ausgebildete aktive Schicht 20, wobei die aktive Schicht 20 entlang einer Längsachse eine aktive Zone zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung ausbildet; wobei zwischen einem aufliegenden p-seitigen Metallkontakt 52 und dem p- dotierten Halbleitermaterial (p-Wellenleiterschicht 30, p-Mantelschicht 32) eine n- Kontaktschicht 50 und eine p-seitige n-Mantelschicht 54 angeordnet sind, wobei in der p- seitigen n-Mantelschicht 54 im Bereich oberhalb der aktiven Zone ein unmittelbar an das p-dotierte Halbleitermaterial (p-Wellenleiterschicht 30, p-Mantelschicht 32) angrenzender p-n-T unnelübergang 40 ausgebildet ist. Der gezeigte p-n-T unnelübergang 40 umfasst eine auf dem p-dotierten Halbleitermaterial (p-Wellenleiterschicht 30, p-Mantelschicht 32) angeordnete p+-Tunnelschicht 42 und eine darauf angeordnete n+-Tunnelschicht 44. Der p-n-Tunnelübergang 40 ist bei dieser Ausführungsform auf einer p-dotierten Mantelschicht 32 des p-dotierten Halbleitermaterials (p-Wellenleiterschicht 30, p-Mantelschicht 32) angeordnet. Zusätzlich ist eine n-dotierte Mantelschicht 54 auf dem p-n-Tunnelübergang 40 ausgebildet. Über eine laterale Breite W des p-n-Tunnelübergangs 40 ist eine Streifenbreite des Diodenlasers festgelegt. Die Restschichtdicke dres ist bei dieser Ausführungsform als der minimale Abstand zwischen der aktiven Schicht 20 und dem p- n-Tunnelübergang 40 definiert.
Der wesentliche Unterschied zur in Fig.1 gezeigten Ausführungsform besteht somit darin, dass der p-n-T unnelübergang 40 auf der p-dotierten Mantelschicht 32 und somit näher an der aktiven Zone angeordnet ist. Auf die Integration einer zusätzlichen p-Sub-Kontakt- schicht 34 kann verzichtet werden. Durch dieses Heranbringen des p-n-Tunnelübergangs 40 an die aktive Zone wird die Herstellung zwar technologisch komplexer (insbesondere bei den Varianten mit 2-Schritt-Epitaxiewachstum), es können aber deutliche Leistungsvorteile erzielt werden.
Figur 5 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserdiode. Der grundlegende Schichtaufbau entspricht der in Fig. 4 gezeigten Anordnung, die einzelnen Bezugszeichen und deren jeweilige Zuordnung gelten daher entsprechend. Das eigentliche Funktionsprinzip sowie ein mögliches Verfahren zur Herstellung können hingegen der Fig. 2 entnommen werden. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform lediglich durch die Lage des Tunnelübergangs 40 und das Fehlen einer p-Sub-Kontaktschicht 34.
Figur 6 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserdiode. Der grundlegende Schichtaufbau entspricht der in Fig. 5 gezeigten Anordnung, die einzelnen Bezugszeichen und deren jeweilige Zuordnung gelten daher entsprechend. Das eigentliche Funktionsprinzip sowie ein mögliches Verfahren zur Herstellung können hingegen der Fig. 3 entnommen werden. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ebenfalls lediglich durch die Lage des Tunnelübergangs 40 und das Fehlen einer p-Sub- Kontaktschicht 34.
Bezugszeichenliste
10 n-Substrat (z. B. GaAs)
12 n-Mantelschicht (n-seitig, z. B. AIGaAs)
14 n-Wellenleiterschicht (z. B. AIGaAs)
20 aktive Schicht (umfasst aktive Zone)
30 p-Wellenleiterschicht (z. B. AIGaAs)
32 p-Mantelschicht (z. B. AIGaAs)
34 p-Sub-Kontaktschicht (z. B. GaAs)
40 p-n-T unnelübergang
42 p+-T unnelschicht (z. B. p+-GaAs)
44 n+-Tunnelschicht (z. B. n+-GaAs)
50 n-(Sub-)Kontaktschicht (p-seitig, z. B. GaAs)
52 Metallkontakt (p-seitig)
54 n-Mantelschicht (p-seitig, z. B. AIGaAs)
60 n-Stromblende
70 Tiefenimplantationsgebiet
W laterale Breite dres Restschichtdicke

Claims

Patentansprüche
1. Laserdiode, umfassend: eine zwischen einem n-dotierten Halbleitermaterial (10, 12, 14) und einem p- dotierten Halbleitermaterial (30, 32, 34) ausgebildete aktive Schicht (20), wobei die aktive Schicht (20) entlang einer Längsachse eine aktive Zone zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung ausbildet; dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem aufliegenden p-seitigen Metallkontakt (52) und dem p-dotierten Halbleitermaterial (30, 32, 34) mindestens eine n-dotierte Zwischenschicht (50, 54) angeordnet ist, wobei in der mindestens einen n-dotierten Zwischenschicht (50, 54) im Bereich oberhalb der aktiven Zone ein unmittelbar an das p-dotierte Halbleitermaterial (30, 32, 34) angrenzender p-n-Tunnelübergang (40) ausgebildet ist.
2. Laserdiode nach Anspruch 1 , wobei der p-n-T unnelübergang (40) eine auf dem p- dotierten Halbleitermaterial (30, 32, 34) angeordnete p+-Tunnelschicht (42) und eine darauf angeordnete n+-T unnelschicht (44) umfasst.
3. Laserdiode nach Anspruch 1 oder 2, wobei der p-n-T unnelübergang (40) auf einer p-dotierten Sub-Kontaktschicht (34) des p-dotierten Halbleitermaterials (30, 32, 34) angeordnet ist.
4. Laserdiode nach Anspruch 1 oder 2, wobei der p-n-T unnelübergang (40) auf einer p-dotierten Mantelschicht (32) des p-dotierten Halbleitermaterials (30, 32, 34) angeordnet ist.
5. Laserdiode nach Anspruch 4, wobei eine n-dotierte Mantelschicht (54) auf dem p-n- Tunnelübergang (40) angeordnet ist.
6. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei über eine laterale Breite W des p-n-Tunnelübergangs (40) eine Streifenbreite des Diodenlasers festgelegt ist.
7. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der p-n-Tunnelübergang (40) als Schicht ausgebildet ist und über eine laterale Breite W einer Öffnung einer in das p-dotierte Halbleitermaterial (30, 32, 34) eingebrachten n-Stromblende (60) eine Streifenbreite des Diodenlasers festgelegt ist. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der p-n-Tunnelübergang (40) als Schicht ausgebildet ist und über eine laterale Breite W eines Bereichs zwischen zwei benachbarten Tiefenimplantationsgebieten (70) eine Streifenbreite des Diodenlasers festgelegt ist. Laserdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermaterial auf GaAs basiert. Laserdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der minimale Abstand zwischen der aktiven Schicht (20) und dem p-n-Tunnelübergang (40) kleiner als 1 ,3 pm ist.
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