Halbleiter-Laser mit hoher optischer Ausgangsleistung werden für zahlreiche Anwendungen gebraucht. Derartige Anwendungen sind beispielsweise in der optischen Nachrichtentechnik, bei der Krebsbehandlung in der Medizin, beim optischen Pumpen von Festkörper-Lasern und bei der unmittelbaren Materialbearbei- tung zu finden. Für diese Anwendung sind Halbleiter-Laser we- gen ihrer geringen Größe, ihrem großen Wirkungsgrad, der Mög- lichkeit der elektrischen Ansteuerung und der Möglichkeit der preiswerten Fertigung in großen Stückzahlen besonders geeig- net.

Insbesondere dienen Halbleiter-Laser mit der Emissionswellen- länge von 808 nm zum Pumpen von Nd : YAG-Festkörperlasern.

Halbleiter-Laser sind im allgemeinen Halbleiterbauelemente, bei denen auf einem Substrat mindestens eine aktive Schicht und je zwei innere und zwei äußere Begrenzungsschichten abge- schieden werden, wobei die aktive Schicht zwischen den beiden inneren Begrenzungsschichten angeordnet ist. Die Abscheidung der Schichten erfolgt üblicherweise mit Flüssigphasen-Epita- xie (LBE), metallorganischer Gasphasen-Epitaxie (MOCVD) oder Molekularstrahl-Epitaxie (MBE). Die Begrenzungsschichten sind von gegensätzlichem Leitungstyp, so daß beim Anlegen einer geeigneten elektrischen Spannung Löcher aus den p-leitenden Begrenzungsschichten und Elektronen aus den n-leitenden Be- grenzungsschichten in die aktive Schicht injiziert werden und dort rekombinieren. Die Stirnflächen oder Kristallfacetten des Halbleiter-Lasers bilden einen Resonator. Oberhalb eines bestimmten elektrischen Stroms, des sogenannten Schwellen- stroms, findet stimulierte Emission statt, und es wird ein

nahezu monochromatischer gebündelter Lichtstrahl erzeugt, welcher aus einer halbdurchläßig gehaltenen Kristallfacette austritt.

Die äußeren Begrenzungsschichten haben üblicherweise eine ge- ringere Brechzahl als die inneren Begrenzungsschichten und die aktive Schicht, so daß ein optischer Wellenleiter gebil- det wird, wobei die inneren Begrenzungsschichten zusammen mit der aktiven Schicht den Wellenleiterkern bilden. Durch die Führung des Lichts im Wellenleiterkern soll eine möglichst große Überlappung des Lichtfeldes mit der aktiven Schicht er- reicht werden. Üblicherweise wird der Wellenleiter so kon- struiert, daß nur die sogenannte Grundmode und keine höheren Moden im Wellenleiterkern geführt werden. In diesem Zusammen- hang wird unter Grundmode die Mode verstanden, deren einziges Intensitätsmaximum sich in der aktiven Schicht befindet. Hö- here Moden sind dadurch ausgezeichnet, daß sie mehrere Inten- sitätsmaxima besitzen.

Unter anderem wird die optische Ausgangsleistung von Halblei- ter-Lasern durch die thermisch bedingte Degradation der als Resonatorspiegel dienenden Kristallfacetten beschränkt. Um eine möglichst hohe optische Ausgangsleistung zu erzielen, muß dementsprechend die thermische Belastung der Kristallfa- cetten des Halbleiter-Lasers möglichst klein gehalten werden.

Es besteht daher ein Interesse, den Strahlquerschnitt an den Kristallfacetten möglichst groß zu halten.

Aus der US 5,272,711 A ist bekannt, oberhalb der aktiven Schicht einen antiresonant reflektierenden Wellenleiter vor- zusehen. Der antiresonant reflektierende Wellenleiter weist einen von Reflexionsbereichen seitlich begrenzten Wellenlei- terkern, wobei sich an die Reflexionsbereiche Wellenleiterau- ßenbereiche anschließen. Im Querschnitt gesehen liegen der Wellenleiterkern, die Reflexionsbereiche und die Wellenlei- teraußenbereiche in einer Schicht nebeneinander. Der Wellen- leiterkern und die Wellenleiteraußenbereiche weisen jeweils

geringere Brechungsindizes als die Reflexionsbereiche auf.

Die Breite der Reflexionsbereiche entspricht einem ungerad- zahligen Vielfachen eines Viertels der auf den Querschnitt projizierten Wellenlänge des Lichts. Die Breite der Wellen- leiteraußenbereiche entspricht einem ungeradzahligen Vielfa- chen der halben Breite des Wellenleiterkerns. Im antiresonant reflektierenden Wellenleiter weist die Grundmode lediglich im Wellenleiterkern hohe Amplituden auf, während Moden höherer Ordnung auch in den Wellenleiteraußenbereichen hohe Amplitu- den aufweisen. Dadurch werden die Moden höherer Ordnung wirk- sam gedämpft. Mit einer derartigen Anordnung lassen sich Halbleiterlaser mit einem Wellenleiterkern mit einer Breite zwischen 4 bis 8 Am erzeugen. Die Divergenz des mit dem be- kannten Halbleiter-Laser erzeugten Laserstrahls liegt im Be- reich von 4° bis 8° in seitlicher Richtung.

Prinzipiell ähnliche Anordnungen sind in C. Zmudzinski et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 1, No. 2, June 1995,129-137, und in T. L. Koch et al., Applied Physics Letters 50 (6) 9 February 1987,307- 309, beschrieben.

Ein Nachteil des bekannten Halbleiter-Lasers ist die nach wie vor sehr hohe Divergenz in vertikaler Richtung von 30° bis 40°. Unter vertikaler Richtung wird dabei die Aufwachsrich- tung der epitaktisch aufgebrachten Schichten verstanden.

Durch die hohe Halbwertsbreite von 30° bis 40° können auch sehr aufwendige optische Vorrichtungen nur 80 % bis 90 % des vom Halbleiter-Laser emittierten Lichts nutzen.

Aus dem Artikel von D. Botez"Design considerations and ana- lytical approximations for high continuous-wave power, broad- waveguide diode laser", Applied Physics Letters, Band 74, Seite 3102-3104,1999, ist bekannt, daS die Strahldivergenz durch eine Verbreiterung des Wellenleiterkerns und durch die Verringerung der Differenz der Brechzahlen zwischen dem Wel- lenleiterkern und den angrenzenden Reflexionsschichten ver-

ringert werden kann. Die Aufweitung des Wellenleiterkerns hat jedoch zur Folge, daß durch den Wellenleiterkern nicht nur die Grundmoden, sondern zusätzlich auch höhere Moden geführt werden und unter Umständen die Laserschwelle erreichen kön- nen. Damit verbunden ist eine drastische Verschlechterung der Qualität des Laserstrahls. Die Dicke des Wellenleiterkerns ist daher in der Praxis auf Werte <2 Um beschränkt. Dies ent- spricht einer Strahldivergenz in vertikale Richtung von mehr als 30° Halbwertsbreite. Auch die Verringerung der Brechzahl- differenz zwischen dem Wellenleiterkern und den Reflexions- schichten ist in der Praxis nur schwer durchführbar. Um auf eine Strahldivergenz mit einer Halbwertsbreite <20° zu kom- men, ist ein sehr hoher technologischer Aufwand für die Ein- stellung der sehr kleinen Brechzahldifferenz notwendig.

Weitere Ansätze zur Reduzierung der Strahldivergenz eines Halbleiterlasers sind in US 5,289,484, in US 5,815,521 sowie in Heonsu Jeon et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 3, No. 6, Dec. 1997,1344-1350, beschrieben.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen einfach herstellbaren einmodigen Halbleiter-Laser mit geringer vertikaler Strahldivergenz an- zugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Bauelements sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche 2 bis 25.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Wellenleiteraußenbe- reiche, die Reflexionsbereiche und der Wellenleiterkern von einer auf ein Substrat aufgebrachten Schichtfolge mit in den Wellenleiterkern eingebetteter aktiver Schicht gebildet sind.

Zur weiteren Erhöhung der optischen Ausgangsleistung und zur Verbesserung der Strahlqualität wird bei dem Halbleiter-Laser gemäß der Erfindung die Schichtfolge so gewählt, daß ein an- tiresonant reflektierender Wellenleiter in vertikaler Rich- tung gebildet wird. Der Wellenleiterkern, die Reflexionsbe- reiche und die äußeren Wellenleiterbereiche werden erfin- dungsgemäß jeweils von Schichten gebildet. Dadurch kann der Wellenleiterkern eine Dicke von mehr als 2 Am aufweisen. Da- durch kann die vertikale Strahldivergenz wesentlich verrin- gert werden. Insbesondere ein Wellenleiterkern mit einer Dicke von 3 Am weist im Wellenlängenbereich um 800 nm eine vertikale Strahldivergenz von etwa 18° volle Halbwertsbreite auf.

Außerdem wird durch die große Dicke des Wellenleiterkerns die optische Leistung über einen größeren Querschnitt verteilt, so daß die thermische Belastung der Kristallfacetten sinkt und eine höhere optische Ausgangsleistung erzielt werden kann.

Bei dem Halbleiter-Laser gemäß der Erfindung sind die Brech- zahldifferenzen zwischen den einzelnen Schichten so hoch, daß große Fertigungstoleranzen möglich sind. Weiterhin ist da- durch, daß der Wellenleiterkern eine geringe Brechzahl be- sitzt, also in der Regel aus einem Halbleitermaterial mit größerer Energielücke besteht, ein besserer Einschluß der La- dungsträger gegeben und die Absorption durch Erwärmung an den Kristallfacetten verringert.

Bevorzugt umfaßt die aktive Schicht zwei sogenannte Spacer- Schichten, zwischen denen ein aktiver Quantentrog angeordnet ist. Die Spacer-Schichten führen zu einer Verbesserung der Grenzflächen des Quantentrogs und damit der Lasereigenschaf- ten.

Besonders bevorzugt sind die Reflexionsschichten der erfin- dungsgemäßen Anordnungen hoch dotiert (z. B. 2xl018cm~3). Die-

ser Maßnahme liegt für sich alleine schon eine erfinderische Tätigkeit zugrunde, die unabhängig von den übrigen struktu- rellen Maßnahmen alleine bereits zu verbesserten Leistungsda- ten führt.

Zur Reduzierung des Bahnwiderstandes können die Heterogrenzen der erfindungsgemäßen Strukturen gradiert sein (graded He- terojunctions).

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren be- schriebenen Ausführungsbeispielen. Es zeigen : Figur 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Schichtfolge eines Halbleiter-Lasers ge- mäß der Erfindung ; Figur 2 eine schematische Darstellung eines Diagramms, das den Verlauf der Brechzahl durch die Schichtenfolge zeigt ; Figur 3 eine schematische Darstellung eines Diagramms mit dem Verlauf der optischen Intensität der Grundmode, wobei der Verlauf der Brechzahl unterlegt ist ; Figur 4 eine schematische Darstellung eines Diagramms mit dem Verlauf der Fernfeldintensität des vom Halblei- ter-Laser emittierten Laserstrahls ; Figur 5 eine schematische Darstellung eines Diagramms mit dem Verlauf der optischen Intensität einer Mode hö- herer Ordnung, wobei der Verlauf der Brechzahl un- terlegt ist ; und Figur 6 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine weitere Schichtfolge eines Halbleiter- Lasers gemäß der Erfindung.

In den Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsbeispiele sind gleiche oder gleichwirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Halbleiter-Laser, der ein Substrat 1 mit einer Brechzahl n1 aus einkristallinem Halbleitermaterial aufweist. Auf dem Substrat 1 befindet sich eine erste äußere Wellenleiterschicht 2 mit einer Brechzahl n2 und der Dicke d2. Der äußeren Wellenleiterschicht 2 ist eine erste Reflexionsschicht 3 mit einer Brechzahl n3 und der Dicke d3 nachgeordnet. Daran schließt sich eine innere Wel- lenleiterschicht 4 mit einer Brechzahl n4 und der Dicke d4, eine Photonen emittierende, aktive Schicht 5 mit der Brech- zahl n5 und der Dicke d5 und eine zweite innere Wellenleiter- schicht 6 an. Im weiteren folgen eine zweite Reflexions- schicht 7 mit dem Brechungsindex n7 und der Dicke d7, eine zweite äußere Wellenleiterschicht 8 mit der Brechzahl ne und der Dicke d8 sowie eine Kontaktschicht 9 mit der Brechzahl n9. Zusammen bilden die Schichten einen antiresonanten Wel- lenleiter 10, in dessen von den inneren Wellenleiterschichten 4 und 6 gebildeten Wellenleiterkern 11 die aktive Schicht 5 eingebettet ist.

In Figur 2 ist ein möglicher Verlauf eines Brechzahlenprofils 12 dargestellt. In der Praxis braucht der Übergang von zwei Brechzahlenniveaus durchaus nicht sprunghaft zu erfolgen, sondern kann einen rampenförmigen, kontinuierlichen Verlauf aufweisen. Wesentlich für die Funktion des antiresonant re- flektierenden Wellenleiters 11 ist, daß die Brechzahlen n3 und n7 der Reflexionsschichten 3 und 7 größer als die Brech- zahlen n2 und n8 der äußeren Wellenleiterschichten 2 und 8 sowie der Brechzahlen n4 und n6 der inneren Wellenleiter- schichten 4 und 6 sind. Dabei können die Brechzahlen der äu- Seren Begrenzungsschichten 2 und 8, der Reflexionsschichten 3 und 7 sowie der inneren Wellenleiterschichten 4 und 6 jeweils gleich sein. Das gleiche kann auch für die jeweiligen

Schichtdicken gelten, so daß eine nahezu symmetrische Schichtfolge bezüglich der aktiven Schicht 5 entsteht.

Weiterhin können auch die Brechzahlen n2 und n4 der ersten äußeren und inneren Wellenleiterschicht 6 und 8 sowie die Brechzahlen n6 und n8 der zweiten inneren und äußeren Wellen- leiterschicht 6 und 8 nahezu gleich sein.

Die Dicke der Reflexionsschichten 3 und 7 ist so gewählt, daß sie in etwa ein ungeradzahliges Vielfaches von einem Viertel der auf die vertikale Richtung projizierten Wellenlänge der Grundmode ausmacht. Faßt man die Reflexionsschichten jeweils als Fabry-Perot-Kavität auf, entspricht dies einer Antireso- nanz der Kavität. Allgemein müssen die Dicken d3 und d7 der mittleren Begrenzungsschichten 3 und 7 so gewählt werden, daß die Strahlungsverluste der Grundmode minimal werden, wobei außerdem das Maximum der optischen Intensität der Grundmode entlang der aktiven Schicht 5 verlaufen sollte.

Die Dicken d2 und d8 der äußeren Wellenleiterschichten 2 und 8 werden zweckmäßigerweise so gewählt, daß die Strahlungsver- luste der Grundmode einen bestimmten Wert nicht ubersteigen.

Vorzugsweise betragen die Dicken d2 und d8 der äußeren Wel- lenleiterschichten 2 und 8 ein ungeradzahliges Vielfaches der Hälfte der Dicke des Wellenleiterkerns 11.

Die Wahl der Schichtdicke der Reflexionsschichten 3 und 7 hat zur Folge, daß die Grundmode an den Reflexionsschichten anti- resonant reflektiert wird. Die Moden höherer Ordnung hingegen werden resonant reflektiert, so daß diese wesentlich größere Strahlungsverluste erleiden und folglich die Laserschwelle nicht erreichen. Bei optimaler Wahl der Dicke der Reflexions- schichten 3 und 7 lassen sich die Strahlungsverluste der Grundmode auf <1/cm reduzieren, während die Strahlungsverlu- ste höherer Ordnung mehr als 100/cm betragen. Damit können diese Moden die Laserschwelle nicht erreichen.

Anhand von Figur 2 soll nun ein konkretes Ausführungsbeispiel des Halbleiter-Lasers vorgestellt werden. Die folgenden Anga- ben für die Brechzahlen beziehen sich dabei auf Wellenlänge von 808 nm.

Bei dem Ausführungsbeispiel besteht das Substrat 1 aus n- leitfähigem GaAs mit einer Brechzahl ni= 3,67. Die äußeren Wellenleiterschichten 2 und 8 sind aus n-leitendem Al0sGa085As der Dicke d2 = d8 = 1 µm mit einer Brechzahl n2 = ne = 3,29.

Die Reflexionsschichten 3 und 7 bestehen aus n-leitendem Alo, lsGao, 85As der Dicke d3 d7= 0,5 Am mit einer Brechzahl n3 = n7 = 3,57. Die inneren Wellenleiterschichten 4 und 6 be- stehen aus n-leitendem Alo, 5Gao, 5As der Dicke d4= d6= 1 ym mit einer Brechzahl n4 = n6= 3,29. Für die undotierte, 17 nm dicke aktive Schicht 5 wird schließlich GaAso, 5Po, 2 mit einer Brechzahl n5= 3,61 verwendet.

Figur 3 zeigt den berechneten Verlauf der optischen Intensi- tät der Grundmode 13, wobei der Verlauf des Brechzahlenpro- fils 12 unterlegt ist. Das in Figur 2 dargestellte Brechzah- lenprofil 12 wirkt als antiresonant reflektierender optischer Wellenleiter für die Grundmode 13, wobei die Dicke von 0,5 µm der Reflexionsschichten 3 und 7 ungefähr drei Viertel der in den Wellenleiterkern 11 projizierten Wellenlänge des Laser- lichts entspricht. Der Strahlungsverlust der Grundmode 13 be- trägt etwa 1/cm.

In Figur 4 ist der berechnete Verlauf der Fernfeldintensität 14 der Grundmode 13 dargestellt. Das Diagramm aus Figur 4 zeigt daher die Intensitätsverteilung des Laserstrahls als Funktion des vertikalen Winkels. Die volle Halbwertsbreite des Laserstrahls beträgt 18,6°. Damit beträgt die vertikale Strahldivergenz nur noch etwa die Hälfte der vertikalen Strahldivergenz von herkömmlichen Halbleiter-Lasern.

Figur 5 zeigt den berechneten Verlauf der optischen Intensi- tät einer Mode 5 höherer Ordnung, wobei der Verlauf des

Brechzahlenprofils 12 der Darstellung unterlegt ist. Wie an den Intensitätsmaxima in den äußeren Wellenleiterschichten 2 und 8 erkennbar ist, wird die Mode 15 höherer Ordnung an den Reflexionsschichten 3 und 7 nicht antiresonant reflektiert.

Durch die Ausdehnung der Mode 15 höherer Ordnung in das Sub- strat 1 und die Kontaktschicht 9 ist die Mode 15 höherer Ord- nung im Vergleich zur Grundmode 13 mit höheren Verlusten be- haftet. Die Strahlungsverluste dieser Mode 15 höherer Ordnung betragen 600/cm.

Bei einer anderen Ausführungsform (Figur 6) umfaßt die aktive Schicht 5 zwei sogenannte Spacer-Schichten 51 und 52, zwi- schen denen ein aktiver Quantentrog 50 angeordnet ist. Eine beispielhafte Schichtenfolge einer solchen Ausführungsform ist in folgender Tabelle aufgezeigt : Schichtart Zusammensetzung Schichtdicke Kontaktschicht p-GaAs 300 nm äußere Wellenlei- p-Al0.53Ga0.47As 500 nm terschicht Reflexionsschicht p-Al0.15Ga0.85As 500 nm innere Wellenlei-p-Alo. 53Gao. 47As 1500 nm terschicht Spacer-Schicht Al0.30Ga0.70As # 10 nm Al0.53Ga0.47As Aktiver Quantentopf GaAso. s3Po. l7 17 nm Spacer-Schicht Al0.30Ga0.70As # 10 nm Al053GaO47As innere Wellenlei-n-Alo. 53Gao. 47As 1500 nm terschicht Reflexionsschicht n-Alo. lsGao. ssAs 500 nm äußere Wellenlei-n-Alos3Gao47As 500 nm terschicht Substrat n-GaAs

Besonders bevorzugt sind die Reflexionsschichten 3,7 der obi- gen erfindungsgemäßen Anordnungen hoch dotiert (z. B. 2x1018 cm-3). Dieser Maßnahme liegt für sich alleine schon eine erfinderische Tätigkeit zugrunde. Sie führt die unabhängig von den übrigen erfindungsgemäßen strukturellen Maßnahmen alleine bereits zu verbesserten Leistungsdaten eines Halbleiter-Lasers.

Zur Reduzierung des Bahnwiderstandes können die Heterogrenzen der obigen erfindungsgemäßen Strukturen gradiert sein (graded Heterojunctions).

In den vorliegenden Ausführungsbeispielen besteht die aktive Schicht 5 aus einem zugverspannten GaAsP-Quantenfilm, welcher transversal-magnetisch polarisiertes Licht emittiert. Die ak- tive Schicht 5 kann allgemein aus einer oder mehreren Quan- tenfilmen der Zusammensetzung XY bestehen, wobei X wenigstens ein Element aus der Gruppe der Elemente Al, In und Ga und Y wenigstens ein Element aus der Gruppe der Elemente As, P, N und Sb ist. Die aktive Schicht 5 kann weiterhin sowohl unver- spannt als auch druckverspannt sein, was zur Emission von transversal-elektrisch polarisiertem Licht führt, oder zug- verspannt sein, was die Emission von transversal-magnetisch polarisiertem Licht herbeiführt. Ferner kann die aktive Schicht 5 in Barriereschichten aus dem bereits erwähnten Ma- terial XY eingebettet sein. Anstelle von Quantenfilmen können auch Quantendrähte oder Quantenpunkte in die Barriereschich- ten eingebettet sein.

Ferner sei angemerkt, daS die Ausführungsbeispiele in latera- ler Richtung und entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichts im Halbleiter-Laser beliebig strukturiert sein können. Dem- entsprechend kann der durch die vorgestellte Schichtfolge be- werkstelligte antiresonante Wellenleiter 10 sowohl in Breitstreifen-Lasern, Rippenwellenleiter-Lasern, Lasern mit vergrabenen lateralen Wellenleiterstrukturen und Lasern mit verteilter Rückkopplung (distributed feed-back, distributed

bragg reflector) verwendet werden. Von Vorteil ist dabei stets die geringe Strahldivergenz in vertikaler Richtung und der große Strahlquerschnitt am Ort der Kristallfacetten.

Die Erläuterung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele ist selbstverständlich nicht als Einschränkung der Erfindung auf diese zu verstehen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auch auf geeignete andere als die oben genannten Materialsysteme. Darüber hinaus können in den Strukturen neben den explizit beschriebenen Halbleiterschichten weitere ergänzende Halbleiterschichten vorhanden sein.