DE10105722B4 - Halbleiter-Laser mit Vertikalresonator und modenselektiven Gebieten - Google Patents

Halbleiter-Laser mit Vertikalresonator und modenselektiven Gebieten Download PDF

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Abstract

Halbleiter-Laser mit einem von Reflektoren (3, 5) gebildeten Vertikalresonator, mit einer zwischen den Reflektoren (3, 5) angeordneten, Photonen emittierenden aktiven Schicht (8), mit einer Stromblende (6) zur seitlichen Eingrenzung des durch die aktive Schicht (8) hindurchfließenden Stromes und mit weiteren modenselektiven Gebieten (13) neben der Stromblende (6), die sich in vertikaler Richtung in die aktive Zone erstrecken und den Vertikalresonator seitlich begrenzen, wobei die modenselektiven Gebiete Implantationsgebiete (13) sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Laser mit einem von Reflektoren gebildeten Vertikalresonator, mit einer zwischen den Reflektoren angeordneten, Photonen emittierenden aktiven Schicht und mit einer Stromblende zur seitlichen Eingrenzung des durch die aktive Schicht hindurchfließenden Stromes.
  • Derartige Halbleiter-Laser sind als sogenannte VCSELs (Vertical Cavity Surface-emitting Laser) bekannt. Diese Halbleiter-Laser weisen eine Schichtfolge auf, die eine zwischen zwei DBR-Spiegeln (distributed Bragg reflector) eingeschlossene aktive Schicht umfaßt. Um den in die aktive Schicht injizierten Strom in seitlicher Richtung zu begrenzen, ist eine Stromblende aus einem Oxid in einem der DBR-Spiegeln vorgesehen. Die Stromblenden definieren mit ihrem inneren Rand eine Stromapertur und beschränken die seitliche Ausdehnung des Pumpfleckdurchmessers in der aktiven Schicht.
  • Grundsätzlich ist mit derartigen Halbleiter-Lasern auch Monomodenbetrieb möglich. Dafür ist jedoch ein verhältnismäßig kleiner Pumpfleckdurchmesser von weniger als 4 μm nötig, was eine entsprechend kleine Stromapertur bedingt. Derartige kleine Durchmesser der Stromapertur sind jedoch nur mit großen Schwierigkeiten präzise herstellbar. Üblicherweise erfolgt die Oxidation seitlich von den Rändern der Schichtenfolge her, nachdem die Schichtenfolge vollständig abgeschie den worden ist. Dieses Vorgehensweise erfordert jedoch eine genaue Kenntnis und Steuerung der Prozeßparameter.
  • Außerdem weisen die bekannten Halbleiter-Laser mit Stromblenden aus Oxid aufgrund der kleinen Stromapertur niedrige optische Ausgangsleistungen, hohe ohmsche Widerstände und hohe thermische Widerstände auf.
  • Die Druckschrift US 5,493,577 A beschreibt einen VCSEL sowie ein Verfahren zur Herstellung eines VCSEL.
  • Die Druckschrift Wu, Y.A. et al., "High-Yield Processing and Single-Mode Operation of Passive Antiguide Region Vertical-Cavity Lasers"; IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 3, No. 2, 1997, S. 429-434 beschreibt einen VCSEL bei dem ein modenselektives Gebiet durch Aufwachsen zusätzlicher Schichten neben einer Mesa gebildet ist.
    •
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen einfach herstellbaren, monomodigen Halbleiter-Laser mit hoher optischer Ausgangsleistung sowie niedrigem ohmschen und thermischen Widerstand zu schaffen.
    •
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß neben der Stromblende weitere, sich in vertikaler Richtung einstreckende, den Vertikalresonator seitlich begrenzende, modenselektive Gebiete vorhanden sind.
  • Durch die zusätzlichen modenselektiven Gebiete entlang der Achse des Vertikalresonators werden höhere Moden wirksam unterdrückt, da diese in den modenselektiven Bereichen höhere Verluste erleiden als die Grundmode. Daher kann nur die Grundmode die Laserschwelle erreichen. Gleichzeitig ist es möglich, die Stromapertur zu vergrößern, was im Vergleich zum Stand der Technik eine höhere Ausgangsleistung sowie einen geringeren ohmschen und thermischen Widerstand zur Folge hat.
  • Die modenselektiven Gebiete sind dabei Implantationsgebiet mit verringerter Leitfähigkeit, die sich in vertikaler Richtung in die aktive Zone des Halbleiter-Lasers erstrecken.
  • Derartige Implantationsgebiete können auch in einem großen Volumen mit ausreichender Präzision ausgebildet werden. Außerdem läßt sich durch Implantationen die Leitfähigkeit sen ken, so daß die Lateralmoden höherer Ordnung in den Implantationsgebieten gedämpft werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Nachfolgend wird die Erfindung im einzeln anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zeigt:
  • 1 einen Querschnitt durch einen Halbleiter-Laser gemäß der Erfindung.
  • Der im 1 im Querschnitt dargestellte Halbleiter-Laser 1 weist einen auf ein Substrat aufgebrachten unteren BraggReflektor 3 auf, auf dem eine Kavität 4 mit einer Photonen emittierenden, aktiven Zone ausgebildet ist. Oberhalb der Kavität 4 befindet sich ein oberer Bragg-Reflektor 5, in dem Stromblenden 6 ausgebildet sind. Der innere Rand der Stromblenden 6 definiert Stromaperturen 7, durch die die seitliche Ausdehnung der in die Kavität 4 injizierten Ströme begrenzt wird. Dadurch entsteht in der Kavität 4 ein Photonen emittierender Pumpfleck 8 durch den die zwischen dem unteren Bragg-Reflektor 3 und dem oberen Bragg-Reflektor 5 reflektierte Strahlung optisch verstärkt wird. Ein Teil dieser Strahlung wird vom oberen Bragg-Reflektor 5 hindurchgelassen und kann durch eine Austrittsöffnung 9 in einem ringförmigen Vorderseitenkontakt 10 den Halbleiter-Laser 1 verlassen. Außerdem ist auf der Rückseite des Substrats 2 ein Rückseitenkontakt 11 vorhanden.
  • Im allgemein ist der obere Bragg-Reflektor 5 als Mesa 12 ausgebildet. In Randbereichen der Mesa 12 befinden sich Implantationsgebiete 13, die sich auch in das Substrat 2 erstrecken. Die Implantationsgebiete 13 weisen eine Innenöffnung 14 auf. Die Querschnittsfläche der Innenöffnung 14 ist stets größer als die Fläche der Stromaperturen 7.
  • In den Implantationsgebieten 13 ist die Leitfähigkeit des Materials geringer als die Leitfähigkeit in der Innenöffnung 14 der Implantationsgebiete 13. Daher werden Moden höherer Ordnung, die sich in die Implantationsgebiete 13 erstrecken, geschwächt. Eine optische Verstärkung findet nur im Bereich der Innenöffnung 14, also im Bereich der Grundmode statt. Daher kann der Durchmesser der Stromaperturen 7 größer als beim Stand der Technik gewählt werden.
  • Die im Vergleich zum Stand der Technik größere Öffnung der Stromaperturen 7 führt zu einem geringeren Serienwiderstand des Halbleiter-Lasers 1, sowie zu einem geringeren thermischen Widerstand, was schwächere Alterungseffekte zur Folge hat. Außerdem führen die großen Stromaperturen 7 zu einem großen Pumpfleck und damit zu höheren optischen Ausgangsleistungen. Der Innendurchmesser der Stromaperturen 7 beträgt beim Halbleiter-Laser 1 mehr als 3 μm, vorzugsweise mehr als 4 μm.
  • Von besonderem Vorteil ist auch, daß die Herstellung der Stromblenden 6 im Vergleich zum Stand der Technik besser beherschbar ist, da die herstellungsbedingten Abweichungen bei der Fertigung der Stromblenden 6 relativ gesehen kleiner sind.
  • Durch die doppelte Ausführung der Stromblenden 6 können ferner Randüberhöhungen der Strominjektion in die Kavität 4 vermieden werden, die an sich auch die Monomodigkeit gefährden.
  • Die hier beschriebene Erfindung ist nicht auf bestimmte Materialien beschränkt. In Frage kommen die bekannten, für die beschriebene Art von Halbleiter-Lasern 1 verwendbaren Materialien. Für die Herstellung eignen sich die üblichen, dem Fachmann bekannten Verfahren.
    • 1
    Halbleiter-Laser
    2
    Substrat
    3
    unterer Bragg-Reflektor
    4
    Kavität
    5
    oberer Bragg-Reflektor
    6
    Stromblenden
    7
    Stromaperturen
    8
    Pumpfleck
    9
    Austrittsöffnung
    10
    Vorderseitenkontakt
    11
    Rückseitenkontakt
    12
    Mesa
    13
    Implantationsgebiet
    14
    Innenöffnung

Claims (8)

  1. Halbleiter-Laser mit einem von Reflektoren (3, 5) gebildeten Vertikalresonator, mit einer zwischen den Reflektoren (3, 5) angeordneten, Photonen emittierenden aktiven Schicht (8), mit einer Stromblende (6) zur seitlichen Eingrenzung des durch die aktive Schicht (8) hindurchfließenden Stromes und mit weiteren modenselektiven Gebieten (13) neben der Stromblende (6), die sich in vertikaler Richtung in die aktive Zone erstrecken und den Vertikalresonator seitlich begrenzen, wobei die modenselektiven Gebiete Implantationsgebiete (13) sind.
  2. Halbleiter-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor in einer Mesa (12) ausgebildet ist.
  3. Halbleiter-Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mesa (12) einen Durchmesser > 10 μm aufweist.
  4. Halbleiter-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromblende (6) aus Oxid gefertigt ist.
  5. Halbleiter-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Stromblende (6) gebildete Stromapertur (7) einen Durchmesser > 3 μm aufweist.
  6. Halbleiter-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Stromblende (6) gebildete Stromapertur (7) einen Durchmesser > 4 μm aufweist.
  7. Halbleiter-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Innenöffnung (14) der modenselektiven Gebiete (13) größer als die Stromapertur (7) ist.
  8. Halbleiter-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die modenselektiven Gebiete (13) eine Leitfähigkeit aufweisen, die kleiner ist als eine Leitfähigkeit des Vertikal-Resonators entlang der Resonatorachse.
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