DE10004399A1 - RWG-Laserdiode - Google Patents

Abstract

Laserdiode mit Stegwellenleiter und mit je einer Isolationsschicht (10a, 10b, 11a, 11b) aus Aluminiumoxid als Apertur beidseitig der aktiven Schicht (3) in den Barriereschichten (2, 4). Die Aluminiumoxidaperturen sind so strukturiert, daß jeweils ein streifenförmiger Anteil der betreffenden Schichtebene in dem für die Wellenführung vorgesehenen Bereich von dem Aluminiumoxid frei ist. Damit können gleichzeitig das elektrische Confinement und das optische Confinement optimiert werden. Eine taperförmige Verjüngung der Wellenführung ist ebenfalls einfach realisierbar.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine kantenemittierende Laserdiode mit Stegwellenleiter.

Kantenemittierende Laserdioden benötigen für effizienten Be­ trieb sowohl ein laterales elektrisches Confinement, d. h. die Rekombination der Ladungsträger soll idealerweise ausschließ­ lich in einem lateral begrenzten Teil der für Strahlungser­ zeugung vorgesehenen aktiven Schicht stattfinden, als auch ein auf die Anwendung hin optimiertes optisches Confinement (z. B. eine Nahfeldanpassung an eine anzukoppelnde optische Faser, Single-Lobe-Emission oder dergleichen). Die beiden prinzipiellen Ausführungsformen sind ein Stegwellenleiter (RWG, ridge waveguide) und vergrabene Heterostrukturen (BH, buried heterostructure). In konventionellen Laserdioden mit Stegwellenleiter wird durch eine Stegätzung bis knapp ober­ halb der für Strahlungserzeugung vorgesehenen aktiven Schicht, wodurch auf dem Halbleiterkörper eine streifenförmi­ ge Mesa entsteht, die Strominjektion in die aktive Schicht näherungsweise auf die Breite des Steges begrenzt. Durch eine elektrisch leitende, vorzugsweise metallische Schicht auf den Flanken der Mesa und teilweise auf der daran anschließenden ebenen Oberfläche des Halbleiterkörpers wird der effektive Brechungsindex seitlich der Mesa so verändert, daß eine late­ rale Wellenführung der sich in dem Halbleitermaterial aus­ breitenden Strahlung bewirkt wird. Die Abstrahlcharakteristik derartiger Laserdioden weist elliptische Nahfelder auf, was für viele Anwendungen nicht optimal ist, insbesondere nicht für eine Ankopplung einer optischen Faser. Außerdem sind ei­ ner Optimierung der Fernfelder, insbesondere in transversaler Richtung, durch die Art des Wellenleiters Grenzen gesetzt.

In der Veröffentlichung von N. Iwai et al.: "High Reliable, Low Threshold 1.3 µm SL-QW PACIS (p-substrate Al-oxide Confined Inner Stripe) Laser Array" in Proceedings of the 11^th International Conference an Indium Phosphide and Related Ma­ terials, 16-20 May 1999, Davos, Switzerland, TuB1-6, S. 219- 222, ist eine Laserdiode mit Stegwellenleiter beschrieben, in der unterhalb der aktiven Schicht, d. h. zum Substrat hin, ei­ ne Isolationsschicht aus AlInAs vorhanden ist, die längs des Steges in dem für die Wellenführung vorgesehenen Bereich un­ terbrochen ist. In der Veröffentlichung von C. P. Hains et al.: "Room-Temperature Pulsed Operation of Triple-Quantum- Well GaInNAs Lasers Grown on Misoriented GaAs Substrates by MOCVD" in IEEE Photonics Technology Letters 11, 1208-1210 (1999) ist eine Laserdiode mit planarer Geometrie beschrie­ ben, bei der die laterale Stromausbreitung durch Schichten eingeschränkt ist, die über und unter der aktiven Schicht an den aktiven Bereich angrenzend vorhanden sind und die bis auf einen schmalen Streifen in der Mitte oxidiert sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Laserdiode anzugeben, mit der eine gleichzeitige Optimierung des elektrischen und optischen Confinements möglich ist.

Diese Aufgabe wird mit der Laserdiode mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den ab­ hängigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Laserdiode besitzt einen Stegwellenlei­ ter sowie in Barriereschichten beidseitig der aktiven Schicht mindestens je eine Isolationsschicht aus einem elektrisch isolierenden Material, die so strukturiert ist, daß jeweils ein streifenförmiger Anteil der betreffenden Schichtebene in dem für die Wellenführung vorgesehenen Bereich von dem elek­ trisch isolierenden Material frei ist. Damit können gleich­ zeitig das elektrische Confinement und das optische Confine­ ment optimiert werden, da die Isolationsschichten aus elek­ trisch isolierendem Material sind und damit zur Realisierung des lateralen elektrischen Confinements beitragen, und ande­ rerseits der niedrige Brechungsindex des Materials von typisch etwa 1,5 bis 1,6 im Vergleich zu dem typischen Bre­ chungsindex von 3 bis 3,5 im Halbleitermaterial auch zur Wel­ lenführung und damit zum lateralen optischen Confinement bei­ trägt.

Es folgt eine genauere Beschreibung eines Beispiels der er­ findungsgemäßen Laserdiode anhand der Fig. 1a, 1b und 2.

Fig. 1 zeigen je eine Schnittansicht durch die Laserdiode quer zur Längsrichtung der Strahlungsausbreitung.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht in der in Fig. 1a einge­ zeichneten Blickrichtung.

In der in Fig. 1a dargestellten Struktur der Laserdiode be­ finden sich auf einem Substrat 1 eine untere Barriereschicht 2, eine für Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht 3, eine obere Barriereschicht 4 und eine für guten Metall-Halb­ leiter-Kontakt vorgesehene, in der Regel hoch dotierte Kon­ taktschicht 5. Eine streifenförmige Mesa ist in diesem Bei­ spiel in dem Bereich der Barriereschichten und der Kontakt­ schicht ausgebildet. Die Höhe der Mesa und die darin einbezo­ genen Schichten können aber von Ausführungsbeispiel zu Aus­ führungsbeispiel variieren. Eine elektrisch leitende Schicht 7, vorzugsweise aus Metall, bedeckt die Oberseite und die Flanken der Mesa 8 bis zur Oberseite des Substrates herabrei­ chend und bildet einen Kontakt 9 auf einer für Kontaktierung vorgesehenen Oberfläche der Kontaktschicht 5. Ein entspre­ chender Gegenkontakt kann z. B. im Falle eines elektrisch leitfähigen Substrates auf der Unterseite des Substrates an­ gebracht sein. Statt dessen ist es möglich, eine Strom­ injektion in die aktive Schicht über elektrisch leitfähige Halbleiterschichten mittels eines seitlich angebrachten wei­ teren Kontaktes zu bewirken. Die erfindungsgemäße Laserdiode kann abgesehen von den erfindungswesentlichen Isolations­ schichten in einer beliebigen der an sich für RWG-Laserdioden bekannten Strukturen ausgebildet sein.

Wesentlich für die erfindungsgemäße Laserdiode sind die Iso­ lationsschichten in einem Stegwellenleiter sowohl über der aktiven Schicht als auch unterhalb der aktiven Schicht. Die Isolationsschichten sind in den Barriereschichten 2, 4 ausge­ bildet und besitzen Anteile 10a, 10b, 11a, 11b. Zwischen den jeweiligen Anteilen 10a, 10b bzw. 11a, 11b einer jeweiligen Isolationsschicht befindet sich eine längs der streifenförmi­ gen Mesa verlaufende Aussparung, die von dem elektrisch iso­ lierenden Material der Isolationsschicht frei ist. Zwischen den seitlichen Anteilen der Isolationsschichten kann daher ein Strom in die aktive Schicht injiziert werden. Die Isola­ tionsschichten bilden auf diese Weise Blenden oder Aperturen, die für ein laterales elektrisches Confinement sorgen. Typi­ sche Dicken der Isolationsschichten, insbesondere im Materi­ alsystem von Galliumarsenid, liegen im Bereich zwischen 5 nm und 50 nm.

In Fig. 1b ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Laserdiode dargestellt, die technologische Vorteile aufweist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind über und unter der akti­ ven Schicht 3 jeweils zwei Isolationsschichten (13, 14; 15, 16) mit jeweiligen Anteilen 13a, 13b, 14a, 14b, 15a, 15b, 16a und 16b vorhanden. Es können auch mehr als zwei Isolations­ schichten über und/oder unter der aktiven Schicht vorhanden sein. Die Isolationsschichten sind jeweils in das Material der Barriereschichten 2, 4 eingebettet und voneinander durch dieses Material getrennt. Grundsätzlich besteht hier auch die Möglichkeit, die Ränder der Anteile 13a, 13b, 14a, 14b, 15a, 15b, 16a und 16b, die jeweils übereinander angeordnet sind, in der senkrechten Projektion einander nicht deckend auszu­ bilden, sondern die zwischen den Anteilen je einer Isolati­ onsschicht vorhandenen leitfähigen Streifen unterschiedlich breit auszubilden, um so die laterale Strombegrenzung in ver­ schiedenen Lagen der Schichtstruktur unterschiedlich anpassen zu können.

In Fig. 2 ist die in Fig. 1a eingezeichnete Schnittansicht dargestellt. Der Schnitt befindet sich auf der Höhe der obe­ ren Isolationsschicht 11a, 11b. Zwischen diesen Anteilen der oberen Isolationsschicht befindet sich Material der oberen Barriereschicht 4. Auf den beiden Flanken der Mesa 8 befinden sich elektrisch leitende Schichten 7, die gegen das Halblei­ termaterial durch elektrisch isolierende Schichten 6 isoliert sind. Eine taperförmige Verjüngung 12, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, ermöglicht die Realisation sehr schmaler transversaler und lateraler Fernfelder. Die taperförmige Aus­ bildung der zwischen den Anteilen 11a, 11b der Isolations­ schicht vorhandenen Wellenführung wird vorzugsweise am Ende des Laserresonators angebracht. Eine entsprechende taperför­ mige Ausgestaltung des in der Fig. 1b gezeigten Ausführungs­ beispiels sieht in der Aufsicht wie die Zeichnung der Fig. 2 aus.

Das Material der Isolationsschichten ist vorzugsweise ein Oxid. Es kann sich dabei um oxidiertes Halbleitermaterial handeln oder vorzugsweise um eine Aluminiumoxidschicht. Eine strukturierte Aluminiumoxidschicht kann nämlich durch selek­ tive Oxidation einer aluminiumhaltigen Schicht mit hohem Alu­ miniumgehalt (z. B. Al_0,98Ga_0,02As) hergestellt werden. Die alu­ miniumhaltigen Schichten unter und über der aktiven Schicht können zusammen mit den übrigen Schichten im Epitaxieverfah­ ren aufgewachsen werden. Vorzugsweise wird dann zunächst die streifenförmige Mesa geätzt und danach die selektive Oxidati­ on durchgeführt, wobei die Mesabreite, die Oxidationsrate und die Oxidationszeit die Wellenleiterbreite der Laserdiode be­ stimmen.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist die untere Bar­ riereschicht 2 n-leitend dotiert und die obere Barriere­ schicht 4 p-leitend dotiert. Die erfindungsgemäße Laserdiode läßt sich aber statt dessen auch auf einem p-leitend dotier­ ten Substrat realisieren, was für eine Reihe von Anwendungen vorteilhaft ist. Ein weiteres bevorzugtes Materialsystem ist das System von InP, bei dem die aluminiumhaltigen Schichten vorzugsweise InAlAs oder AlAsSb sind, die in diesen Ausfüh­ rungen anstelle des in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendeten AlGaAs oxidiert werden. Die erfindungsgemäßen Oxidaperturen über und unter der aktiven Schicht lassen sich auch als Vielfach-Aperturen mit mehrlagigen Isolationsschich­ ten ausbilden.

Die erfindungsgemäße Laserdiode mit Stegwellenleiter und la­ teralen Aperturen über und unter der aktiven Schicht erlaubt die Realisierung von Gesamtwellenleiterstrukturen, die her­ kömmlichen BH-Laserdioden ähnlich sind. Es kann daher seit­ lich neben dem Steg durch geeignete Dimensionierung des Ste­ ges die Ausbildung von Moden unterdrückt werden, die in transversaler Richtung geführt werden. Dadurch kann bei lon­ gitudinaler Integration eines lateralen Tapers entsprechend Fig. 2 eine Optimierung des Fernfeldes erreicht werden, die bisher nur bei BH-Laserdioden möglich war. Dieser Vorteil läßt sich mit der aus dem Stand der Technik bekannten einfa­ chen Oxidapertur nicht erreichen. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Laserdiode resultiert aus der größeren Aus­ beute funktionsfähiger Bauelemente bei der Herstellung, da durch die erfindungsgemäß relativ breite Ausgestaltung der stegförmigen Mesa der eigentliche Kern des Wellenleiters bes­ ser geschützt ist.

Claims (6)

1. Laserdiode mit einer für Strahlungserzeugung vorgesehenen aktiven Schicht (3) zwischen Barriereschichten (2, 4), mit einer streifenförmigen Mesa (8) aus Halbleitermaterial, deren Flanken von einer elektrisch leitenden und gegen das Halblei­ termaterial elektrisch isolierten Schicht (7) derart bedeckt sind, dass eine streifenförmige Wellenführung bewirkt ist, und mit Kontakten (9) zur Strominjektion beidseitig der akti­ ven Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig der aktiven Schicht in den Barriereschichten je eine Isolationsschicht (10a, 10b, 11a, 11b) aus einem elek­ trisch isolierenden Material vorhanden ist und diese Isolati­ onsschichten so strukturiert sind, dass jeweils ein streifen­ förmiger Anteil einer betreffenden Schichtebene in einem für eine Wellenführung vorgesehenen Bereich von dem elektrisch isolierenden Material frei bleibt.

2. Laserdiode nach Anspruch 1, bei der das Material der Isolationsschichten ein Oxid des Halbleitermateriales ist.

3. Laserdiode nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Material der Isolationsschichten ein aluminium­ haltiges Oxid ist.

4. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Isolationsschichten eine Dicke zwischen 5 nm und 50 nm aufweisen.

5. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der beidseitig der aktiven Schicht in den Barriereschich­ ten je mindestens zwei Isolationsschichten (13a, 13b, 14a, 14b, 15a, 15b, 16a, 16b) aus einem elektrisch isolierenden Material vorhanden sind und diese Isolationsschichten so strukturiert sind, dass jeweils ein streifenförmiger Anteil einer betreffenden Schichtebene in einem für eine Wellenfüh­ rung vorgesehenen Bereich von dem elektrisch isolierenden Ma­ terial frei bleibt.

6. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Isolationsschichten derart strukturiert sind, dass der streifenförmige Anteil der betreffenden Schichtebe­ ne, der von dem elektrisch isolierenden Material frei bleibt, sich taperförmig verjüngend ausgebildet ist.