EP1374356A2 - Halbleiter-laser mit vertikalem resonator - Google Patents

Halbleiter-laser mit vertikalem resonator

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EP1374356A2
EP1374356A2 EP02714002A EP02714002A EP1374356A2 EP 1374356 A2 EP1374356 A2 EP 1374356A2 EP 02714002 A EP02714002 A EP 02714002A EP 02714002 A EP02714002 A EP 02714002A EP 1374356 A2 EP1374356 A2 EP 1374356A2
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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    • H01S5/2054—Methods of obtaining the confinement
    • H01S5/2059—Methods of obtaining the confinement by means of particular conductivity zones, e.g. obtained by particle bombardment or diffusion

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor laser with a vertical resonator formed by reflectors, with an active layer arranged between the reflectors, and emitting photons, and with a current diaphragm for lateral limitation of the current flowing through the active layer.
  • Such semiconductor lasers are known as so-called VCSELs (Vertical Cavity Surface-emitting Lasers). These semiconductor lasers have a layer sequence which comprises an active layer enclosed between two DBR mirrors (distributed Bragg reflector). In order to limit the current injected into the active layer in the lateral direction, at least one current diaphragm made of an oxide is provided in one of the DBR mirrors. With their inner edge, the flow diaphragms define a flow aperture and limit the lateral expansion of the pump spot diameter in the active layer.
  • the known semiconductor lasers with current diaphragms made of oxide have low optical output powers, high ohmic resistances and high thermal resistances due to the small current aperture.
  • the object of the invention is to create a mono-mode semiconductor laser that is easy to manufacture and has a high optical output power and low ohmic and thermal resistance.
  • the additional mode-selective area along the axis of the vertical resonator effectively suppresses higher modes, since these suffer higher losses in the mode-selective areas than the basic mode. Therefore, only the basic mode can reach the laser threshold. At the same time, it is possible to increase the current aperture, which in comparison with the prior art results in a higher output power and a lower ohmic and thermal resistance.
  • the mode-selective areas are implantation areas with reduced conductivity.
  • Such implantation areas can also be formed in a large volume with sufficient precision.
  • the conductivity can be reduced by implantations, so that the higher order lateral modes are damped in the implantation areas.
  • FIG. 1 shows a cross section through a semiconductor laser according to the invention.
  • the semiconductor laser 1 shown in cross section in FIG. 1 has a lower Bragg reflector 3 applied to a substrate, on which a cavity 4 with a photon-emitting active zone is formed. Above the cavity 4 there is an upper Bragg reflector 5 in which current diaphragms 6 are formed. The inner edge of the flow diaphragms 6 defines current apertures 7, by means of which the lateral expansion of the currents injected into the cavity 4 is limited. This creates a photon-emitting pump leak 8 in the cavity 4, through which the radiation reflected between the lower Bragg reflector 3 and the upper Bragg reflector 5 is optically amplified. Part of this radiation is transmitted through the upper Bragg reflector 5 and can exit the semiconductor laser 1 through an outlet opening 9 in an annular front contact 10. In addition, a rear-side contact 11 is present on the rear of the substrate 2.
  • the upper Bragg reflector 5 is designed as a mesa 12. In edge areas of the mesa 12 there are implantation areas as mode-selective areas 13, which also extend into the substrate 2. The mode-selective regions 13 have an inner opening 14. The cross-sectional area of the inner opening 14 is always larger than the area of the current apertures 7.
  • the conductivity of the material is lower than the conductivity in the inner opening 14 of the mode-selective areas 13. Therefore, higher-order modes that extend into the mode-selective areas 13 are weakened.
  • Optical amplification only takes place in the area of the inner opening 14, that is to say in the area of the basic mode.
  • the diameter of the current apertures 7 can therefore be chosen to be larger than in the prior art.
  • the larger opening of the current apertures 7 compared to the prior art leads to a lower series resistance of the semiconductor laser 1, as well as a lower thermal resistance, which results in weaker aging effects.
  • the large current apertures 7 lead to a large pump leak and thus to higher optical output powers.
  • the inside diameter of the current apertures 7 in the semiconductor laser 1 is more than 3 ⁇ m, preferably more than 4 ⁇ m.
  • the invention described here is not restricted to certain materials.
  • the known materials that can be used for the described type of semiconductor lasers 1 come into question.
  • the usual methods known to those skilled in the art are suitable for the production.

Abstract

Ein Wechsel weist neben Stromblenden (6) im Randbereich einer Mesa (12) Implantationsgebiete auf, die als modenselektive Gebiete (13) wirksam sind. Dadurch kann die Innenöffnung der Stromblenden (6) grösser als beim Stand der Technik gewählt werden. Dies führt zu einem kleinohmschen und thermischen Widerstand und ermöglicht eine hohe Ausgangsleistung.

Description

Beschreibung
Halbleiter-Laser
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 (Verti- cal 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 mindestens eine Stromblende aus einem Oxid in einem der DBR-Spiegel 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 Mono- modenbetrieb möglich. Dafür ist jedoch ein verhältnismäßig kleiner Pumpfleckdurchmesser von weniger als 4μm 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 wurden 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 opti- sehe Ausgangsleistungen, hohe ohmsche Widerstände und hohe thermische Widerstände auf. Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen einfach herstellbaren, monomodi- gen Halbleiter-Laser mit hoher optischer Ausgangsleistung sowie niedrigem ohmschen und thermischen Widerstand zu schaf- fen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß neben der Stromblende weitere, sich in vertikaler Richtung einstreckende, den Vertikalresonator seitlich begrenzende, mo- denselektive Gebiete vorhanden sind.
Durch die zusätzlich modenselektiven Gebiet entlang der Achse des Vertikalresonators werden höhere Moden wirksam unterdrückt, da diese in den modenselektiven Bereichen höhere Ver- luste 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.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die modenselektiven Gebiete Implantationsgebiet mit verringerter Leitfähigkeit .
Derartige Implantationsgebiete können auch in einem großen Volumen mit ausreichender Präzision ausgebildet werden. Außerdem läßt sich durch Implantationen die Leitfähigkeit senken, 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 beige- fügten Zeichnung erläutert. Es zeigt:
Figur 1 einen Querschnitt durch einen Halbleiter-Laser gemäß der Erfindung. Der im Figur 1 im Querschnitt dargestellte Halbleiter-Laser 1 weist einen auf ein Substrat aufgebrachten unteren Bragg- Reflektor 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 allgemeinen ist der obere Bragg-Reflektor 5 als Mesa 12 ausgebildet. In Randbereichen der Mesa 12 befinden sich Implantationsgebiete als modenselektive Gebiete 13, die sich auch in das Substrat 2 erstrecken. Die modenselektiven Gebiete 13 weisen eine Innenöffnung 14 auf. Die Querschnittsfläche der Innenöffnung 14 ist stets größer als die Fläche der Stromaperturen 7.
Durch Implantation ist in den modenselektiven Gebiete 13 die Leitfähigkeit des Materials geringer als die Leitfähigkeit in der Innenöffnung 14 der modenselektiven Gebiete 13. Daher werden Moden höherer Ordnung, die sich in die modenselektiven Gebiete 13 erstrecken, geschwächt. Eine optische Verstärkung findet nur im Bereich der Innenöffnung 14, also im Bereich der Grundmode statt. Daher kann der Durchmesser der Stroma- perturen 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 Ausgangslei - stungen. 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 be- herschbar 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 Mate- rialien 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.

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiter-Laser mit einem von Reflektoren (3,5) gebildeten Vertikalresonator, mit einer zwischen den Reflektoren (3,5) angeordneten, Photonen emittierenden aktiven Schicht (8) und mit mindestens einer Stromblende (6) zur seitlichen Eingrenzung des durch die aktive Schicht (8) hindurchfließenden Stromes, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß neben der Stromblende (6) weitere, sich in vertikaler Richtung erstreckende, den Vertikalresonator seitlich begrenzende, modenselektive Gebiete (13) vorhanden sind.
2. Halbleiter-Laser nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Reflektor in einer Mesa (12) ausgebildet ist.
3. Halbleiter-Laser nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mesa (12) einen Durchmesser >10μm aufweist.
4. Halbleiter-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Stromblende (6) aus Oxid gefertigt ist.
5. Halbleiter-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die von der Stromblende (6) gebildete Stromapertur (7) einen Durchmesser > 3μm aufweist.
6. Halbleiter-Laser nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Stromblende (6) einen Durchmesser > 4μm aufweist.
7. Halbleiter-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Innenöffnung (14) der modenselektiven Gebiete (13) größer als die Stromapertur (7) ist.
8. Halbleiter-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die modenselektiven Gebiete (13) eine Leitfähigkeit auf- weisen, die kleiner ist als eine Leitfähigkeit des Vertikal- Resonators entlang der Resonatorachse.
9. Halbleiter-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das modenselektive Gebiet (13) ein Implantationsgebiet ist .
10. Halbleiter-Laser nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sich das modenselektive Gebiet (13) im Rand- und Umgebungsbereich des Vertikalresonators erstreckt.
11. Halbleiter-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Halbleiterlaser zwei oder mehr Stromblenden (6) umfaßt.
12. Halbleiter-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Halbleiter-Laser eine Mehrschichtstruktur aufweist und die modenselektiven Gebiete (13) in dieser Mehrschichtstruktur gebildet sind.
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