DE102013215052A1

DE102013215052A1 - Halbleiterlaservorrichtung

Info

Publication number: DE102013215052A1
Application number: DE102013215052.0A
Authority: DE
Inventors: Kimio Shigihara
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2014-04-10
Anticipated expiration: 2033-08-01
Also published as: US20140098831A1; JP2014078567A; JP6024365B2; US8767788B2; DE102013215052B4

Abstract

Auf einem Halbleitermehrschichtabschnitt (32) ist ein Stegabschnitt (20) ausgebildet. Der Stegabschnitt (20) ist ein streifenförmiger Vorsprung oder Steg und dient als Einschnürungsstruktur zum Einschnüren von Strom und Licht. Auf dem Halbleitermehrschichtabschnitt sind zwei Terrassenabschnitte (22a, 22b) bereitgestellt. Die beiden Terrassenabschnitte (22a, 22b) sind erhöhte Inselteile, zwischen denen beabstandet der Stegabschnitt (20) liegt. Unter dem Stegabschnitt (20) liegt in der Draufsicht ein aktives Gebiet (1). Auf beiden Seiten des aktiven Gebiets (1) und unter den Terrassenabschnitten (22a, 22b) liegen jeweils Gebiete (3a, 3b) mit hohem Brechungsindex. Zwischen dem aktiven Gebiet (1) und den Gebieten (3a, 3b) mit hohem Brechungsindex liegen Mantelgebiete (2a, 2b). Die Gebiete (3a, 3b) mit hohem Brechungsindex weisen einen höheren Brechungsindex als die Mantelgebiete (2a, 2b) auf.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleiterlaservorrichtungen und insbesondere eine Breitstreifen-Halbleiterlaservorrichtung.
Breitstreifen-Halbleiterlaservorrichtungen besitzen u. a. den Vorteil, dass sie eine hohe Ausgangsleistung erzeugen können. Wie z. B. in K. Honda, T. Marine und M. Ayabe, "Single stripe high power laser diode made by Metal-Organic Chemical Vapor Deposition", SPIE, Bd. 893, High Power Laser Diodes and Applications, S. 16–20, 1998, offenbart ist, weisen herkömmliche Breitstreifen-Halbleiterlaservorrichtungen eine Elektrodenstreifenstruktur mit einer Breite von 50 μm oder 160 μm auf.
Ferner sind in den Veröffentlichungen JP H01-183603 , JP H02-264488 , JP 2003-060303 und JP 2005-072488 Halbleiterlaser mit einer Streifenstruktur offenbart, die keine Breitstreifen-Halbleiterlaservorrichtungen sind.
Die obige JP H01-183603 offenbart eine Struktur, in der auf beiden Seiten eines geneigten Kerngebiets Abschneidegebiete für Moden höherer Ordnung bereitgestellt sind, wobei zwischen dem geneigten Kerngebiet und den Abschneidegebieten für Moden höherer Ordnung Mantelgebiete liegen. Die Breite des in dieser Veröffentlichung beschriebenen Kerngebiets ist an einem Ende gering, sodass darin nur die Grundschwingungsmode auftreten oder sich entwickeln kann.
Somit weist diese Halbleiterlaservorrichtung eine andere Struktur als Breitstreifen-Halbleiterlaservorrichtungen auf, sodass sie keine hohe Ausgangsleistung erzeugen kann. Es wird angemerkt, dass die Halbleiterlaservorrichtung, wie in 4 dieser Veröffentlichung gezeigt ist, eine Struktur mit einer Verteilung des Brechungsindex und mit einem Ausbreitungskoeffizienten für jede Mode derart aufweist, dass darin nur die Grundschwingungsmode auftreten kann, während verhindert wird, dass alle Moden höherer Ordnung auftreten.
Die in JP H02-264488 offenbarte Halbleiterlaservorrichtung weist ebenfalls ein Schmalstreifengebiet auf, in dem nur die Grundschwingungsmode auftreten kann. Somit kann diese Halbleiterlaservorrichtung im Unterschied zu Breitstreifen-Halbleiterlaservorrichtungen keine hohe Ausgangsleistung erzeugen.
In Übereinstimmung mit dieser Veröffentlichung weist der Streifen der Halbleiterlaservorrichtung einen verengten Teil auf, der verhindert, dass alle von der Grundmode verschiedenen Moden auftreten; d. h., diese Halbleiterlaservorrichtung ist ein Halbleiterlaser mit einer Resonatorstruktur, in der nur die Grundschwingungsmode auftreten kann, während verhindert wird, dass alle Moden höherer Ordnung auftreten.
Die obigen Veröffentlichungen JP2003-060303 und JP2005-072488 offenbaren ebenfalls Einmoden-Halbleiterlaservorrichtungen und keine Breitstreifen-Halbleiterlaservorrichtungen.
Breitstreifen-Halbleiterlaservorrichtungen neigen dazu, einen großen horizontalen Strahldivergenzwinkel, üblicherweise im Bereich von näherungsweise 10–13 Grad, aufzuweisen. Dieser große Strahldivergenzwinkel führt zu einer Zunahme der Stärke des von der Breitstreifen-Halbleiterlaservorrichtung Lichts emittierten Lichts.
Die Erfindung soll die obigen Probleme lösen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Breitstreifen-Halbleiterlaservorrichtung zu schaffen, die eine erhöhte Lichtstärke emittieren kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung enthält die Halbleiterlaservorrichtung: ein Halbleitersubstrat, einen Halbleitermehrschichtabschnitt, einen Stegabschnitt und zwei Terrassenabschnitte.
Der Halbleitermehrschichtabschnitt enthält eine Mantelschicht eines ersten Leitungstyps, eine aktive Schicht und eine Mantelschicht eines zweiten Leitungstyps, die auf dem Halbleitersubstrat aufeinanderfolgend gestapelt sind, und weist eine vordere Facette und eine hintere Facette auf, die in Resonatorlängsrichtung einander gegenüberliegen.
Der Stegabschnitt ist auf dem Halbleitermehrschichtabschnitt ausgebildet.
Die beiden Terrassenabschnitte sind auf dem Halbleitermehrschichtabschnitt bereitgestellt. Die beiden Terrassenabschnitte sind von dem Stegabschnitt beabstandet und der Stegabschnitt liegt zwischen den beiden Terrassenabschnitten.
Der Stegabschnitt weist eine Breite von wenigstens 50 μm auf. Die aktive Schicht ist in ein aktives Gebiet, in Gebiete unter den Terrassenabschnitten und in Mantelgebiete unterteilt. Das aktive Gebiet liegt in der Draufsicht unter dem Stegabschnitt. Die Gebiete unter den Terrassenabschnitten liegen in der Draufsicht auf beiden Seiten des aktiven Gebiets und unter den Terrassenabschnitten. Die Mantelgebiete liegen zwischen dem aktiven Gebiet und den Gebieten unter den Terrassenabschnitten.
Die Gebiete unter den Terrassenabschnitten sind Gebiete mit hohem Brechungsindex, die einen höheren Brechungsindex als die Mantelgebiete aufweisen.
Die Halbleiterlaservorrichtung ist so konfiguriert, dass sie der folgenden Gleichung genügt: (2π/λ)·(n_a ² – n_c ²)^1/2·(W/2) > π/2, wobei λ die Laserwellenlänge der Halbleiterlaservorrichtung repräsentiert, n_a den effektiven Brechungsindex des aktiven Gebiets repräsentiert, n_c den effektiven Brechungsindex der Mantelgebiete repräsentiert und W die Breite des aktiven Gebiets repräsentiert.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
1 eine schematische perspektivische Ansicht der Konfiguration der Halbleiterlaservorrichtung der ersten Ausführungsform;
2 eine schematische Draufsicht des aktiven Gebiets, der Mantelgebiete und der Gebiete mit hohem Brechungsindex der Halbleiterlaservorrichtung der ersten Ausführungsform;
3 schematisch eine Querschnittsstruktur der Halbleiterlaservorrichtung entlang der Linie X–X' aus 2;
4 schematisch eine Querschnittsstruktur der Halbleiterlaservorrichtung entlang der Linie Y–Y' aus 2;
5 eine Tabelle von Merkmalen und Vorteilen der Halbleiterlaservorrichtung der ersten Ausführungsform;
6 die Verteilung des elektrischen Felds in der Mode 10. Ordnung (einer Mode niedriger Ordnung) und in der Mode 24. Ordnung (einer Mode höherer Ordnung), wobei die Mode 10. Ordnung durch eine Strichlinie dargestellt ist und die Mode 24. Ordnung durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist;
7 schematisch die Wege, die von repräsentativen Wellenleiterlichtmoden hoher und niedriger Ordnung innerhalb des aktiven Gebiets durchlaufen werden;
8, 9 die an einer Wärmesenke angebrachte Halbleiterlaservorrichtung der ersten Ausführungsform;
10 schematisch eine perspektivische Ansicht der Konfiguration einer Halbleiterlaservorrichtung in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
11 schematisch eine Draufsicht des aktiven Gebiets, der Mantelgebiete und der Gebiete mit hohem Brechungsindex der Halbleiterlaservorrichtung der zweiten Ausführungsform;
12 schematisch eine perspektivische Ansicht der Konfiguration einer Halbleiterlaservorrichtung in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
13 schematisch eine Draufsicht des aktiven Gebiets, der Mantelgebiete und der Gebiete mit hohem Brechungsindex der Halbleiterlaservorrichtung der dritten Ausführungsform;
14 schematisch eine perspektivische Ansicht der Konfiguration einer Halbleiterlaservorrichtung in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der Erfindung; und
15 schematisch eine Draufsicht des aktiven Gebiets, der Mantelgebiete und der Gebiete mit hohem Brechungsindex der Halbleiterlaservorrichtung der vierten Ausführungsform.
Erste Ausführungsform
Konfiguration der Vorrichtung der ersten Ausführungsform
Eine Halbleiterlaservorrichtung 30 in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist eine Halbleiterlaservorrichtung mit einem 980 nm breiten Streifen. Herkömmlich weisen Breitstreifen-Halbleiterlaservorrichtungen ein Streifengebiet mit einer Breite derart auf, dass in einer horizontalen Querrichtung in der Laservorrichtung mehrere Schwingungsmoden auftreten können. Im Gegensatz zu diesen Breitstreifen-Halbleiterlaservorrichtungen gibt es Halbleiterlaservorrichtungen (Einmoden-Halbleiterlaservorrichtungen), die so konfiguriert sind, dass darin nur die Grundschwingungsmode auftreten kann. Wie in der obenerwähnten Patentveröffentlichung beschrieben ist, weisen diese Halbleiterlaservorrichtungen ein schmales Streifengebiet auf. Breitstreifen-Halbleiterlaservorrichtungen sind vorteilhaft, da sie eine höhere Ausgangsleistung als Einmoden-Halbleiterlaservorrichtungen erzeugen können.
1 ist eine schematische perspektivische Ansicht der Konfiguration der Halbleiterlaservorrichtung 30 der ersten Ausführungsform.
Die Halbleiterlaservorrichtung 30 enthält ein n-Substrat 5, einen Halbleitermehrschichtabschnitt 32, einen Stegabschnitt 20 und zwei Terrassenabschnitte 22a und 22b. Der Halbleitermehrschichtabschnitt 32 enthält eine Mantelschicht eines ersten Leitungstyps (oder n-AlGaAs-Mantelschicht 6), eine aktive Schicht (die eine undotierte InGaAs-Wannenschicht 8a, eine undotierte AlGaAs-Sperrschicht 9 und eine undotierte InGaAs-Wannenschicht 8b enthält) und eine Mantelschicht vom zweiten Leitungstyp (oder eine p-AlGaAs-Mantelschicht 11), die auf dem n-Substrat 5 aufeinanderfolgend gestapelt sind. Der Halbleitermehrschichtabschnitt 32 weist eine vordere Facette 24a und eine hintere Facette 24b auf, die entlang der Länge des Resonators einander gegenüberliegen. Das in der Laservorrichtung erzeugte Laserlicht wird von der vorderen Facette 24a emittiert.
Der Stegabschnitt 20 ist auf dem Halbleitermehrschichtabschnitt 32 ausgebildet. Der Stegabschnitt 20 ist ein streifenförmiger Vorsprung oder Steg und dient als Einschnürungsstruktur zum Einschnüren von Strom und Licht. Die beiden Terrassenabschnitte 22a und 22b sind auf dem Halbleitermehrschichtabschnitt 32 bereitgestellt. Die beiden Terrassenabschnitte 22a und 22b sind erhöhte Inselteile, zwischen denen beabstandet der Stegabschnitt 20 liegt; genauer liegt in der ersten Ausführungsform der zentrale Teil des Stegabschnitts 20 zwischen den Terrassenabschnitten 22a und 22b. Wie in 4 gezeigt ist, weisen der Stegabschnitt 20 und die Terrassenabschnitte 22a und 22b in der Halbleiterlaservorrichtung 30 dieselbe Höhe auf. Das liegt daran, dass jede Schicht der Mehrschichtstruktur des Stegs 20 dieselbe Dicke wie die entsprechende Schicht der Mehrschichtstrukturen der Terrassenabschnitte 22a und 22b aufweist.
Im Folgenden wird die Schichtstruktur der Halbleiterlaservorrichtung 30 ausführlicher beschrieben. Die Halbleiterlaservorrichtung 30 ist durch Ausbilden des Halbleitermehrschichtabschnitts 32 auf dem n-Substrat 5 konfiguriert. Dieser Halbleitermehrschichtabschnitt 32 enthält die n-AlGaAs-Mantelschicht 6, eine undotierte AlGaAs-Führungsschicht 7, die undotierte InGaAs-Wannenschicht 8a, die undotierte AlGaAs-Sperrschicht 9, die undotierte InGaAs-Wannenschicht 8b, eine undotierte AlGaAs-Führungsschicht 10, die p-AlGaAs-Mantelschicht 11, eine p-GaAs-Kontaktschicht 12 und eine SiN-Lage 13. Der Halbleitermehrschichtabschnitt 32 ist durch Stapeln (oder Aufwachsen) dieser Schichten aufeinander auf dem n-Substrat 5 ausgebildet worden.
Die n-AlGaAs-Mantelschicht 6 weist einen Al-Molenbruch von 0,25 und eine Dicke von 1,5 μm auf. Die undotierte AlGaAs-Führungsschicht 7 weist einen Al-Molenbruch von 0,15 und eine Dicke von 700 nm auf. Die undotierten InGaAs-Wannenschichten 8a und 8b weisen einen In-Molenbruch von 0,14 und eine Dicke von 8 nm auf. Die undotierte AlGaAs-Sperrschicht 9 weist einen Al-Molenbruch von 0,15 und eine Dicke von 8 nm auf. Die undotierte AlGaAs-Führungsschicht 10 weist einen Al-Molenbruch von 0,15 und eine Dicke von 700 nm auf. Die p-AlGaAs-Mantelschicht 11 weist einen Al-Molenbruch von 0,25 und eine Dicke von 1,5 μm auf. Die p-GaAs-Kontaktschicht 12 weist eine Dicke von 200 nm auf. Die SiN-Lage 13 weist eine Dicke von 200 nm auf.
Auf der SiN-Lage 13 ist eine p-Elektrode 14 bereitgestellt. Auf der unteren Oberfläche des n-Substrats 5 ist eine n-Elektrode 4 bereitgestellt.
Es werden nun die Einzelheiten des Stegabschnitts 20 beschrieben. Der Stegabschnitt 20 der Halbleiterlaservorrichtung 30 der vorliegenden Ausführungsform weist eine Breite von 100 μm auf. Ferner ist die Halbleiterlaservorrichtung 30 so konfiguriert, dass sie der folgenden Gleichung (1) genügt. (2π/λ)·(n_a ² – n_c ²)^1/2·(W/2) > π/2, (1) wobei λ die Laserwellenlänge ist, n_a der effektive Brechungsindex des aktiven Gebiets 1 (später beschrieben) ist, n_c der effektive Brechungsindex der Mantelgebiete ist und W die Breite des aktiven Gebiets 1 ist. Es wird angemerkt, dass das aktive Gebiet 1 einen ungleichförmigen Brechungsindex aufweisen kann. Der ”effektive Brechungsindex” des aktiven Gebiets 1 bezieht sich auf einen mittleren Brechungsindex, den Licht erfährt, das sich in z-Richtung durch das aktive Gebiet 1 ausbreitet. Das heißt, selbst wenn die in y-Richtung gestapelten Schichten, die das aktive Gebiet 1 bilden, unterschiedliche Brechungsindizes und unterschiedliche Dicken aufweisen, kann die Brechungswirkung des gesamten aktiven Gebiets 1 auf das Licht, das sich durch das aktive Gebiet 1 in z-Richtung ausbreitet, durch den effektiven Brechungsindex n_a des aktiven Gebiets 1 repräsentiert werden.
Die beiden Terrassenabschnitte 22a und 22b sind so angeordnet, dass das zentrale Teil der Länge des Stegabschnitts 20, das entlang der Länge des Resonators verläuft, dazwischenliegt. Das Oberteil des Halbleitermehrschichtabschnitts 32 ist außer mit dem Stegabschnitt 20 und mit den Terrassenabschnitten 22a und 22b mit ersten Abschnitten 34a und 34b und mit zweiten Abschnitten 34c und 34d versehen. Die ersten Abschnitte 34a und 34b sind Gebiete, zwischen denen das Endteil des Stegabschnitts 20 auf der Seite der vorderen Facette 24a der Halbleitermehrschichtstruktur 32 liegt. Die zweiten Abschnitte 34c und 34d sind Gebiete, zwischen denen das Endteil des Stegabschnitts 20 auf der Seite der hinteren Facette 24b der Halbleitermehrschichtstruktur 32 liegt. Ferner liegen in der Draufsicht der Terrassenabschnitt 22a zwischen dem ersten Abschnitt 34a und dem zweiten Abschnitt 34c und der Terrassenabschnitt 22b zwischen dem ersten Abschnitt 34b und dem zweiten Abschnitt 34d.
Die ersten Abschnitte 34a und 34b und die zweiten Abschnitte 34c und 34d weisen eine geringere Höhe als der Stegabschnitt 20 und die Terrassenabschnitte 22a und 22b auf. Das liegt daran, dass die ersten Abschnitte 34a und 34b und die zweiten Abschnitte 34c und 34d nicht die p-AlGaAs-Mantelschicht 11 aufweisen.
2 ist eine schematische Draufsicht des aktiven Gebiets, der Mantelgebiete und der Gebiete mit hohem Brechungsindex der Halbleiterlaservorrichtung 30 der ersten Ausführungsform. Genauer ist 2 ein Diagramm der Art und Weise, in der die aktive Schicht (die die undotierte InGaAs-Wannenschicht 8a, die undotierte AlGaAs-Sperrschicht 9 und die undotierte InGaAs-Wannenschicht 8b enthält) der Halbleiterlaservorrichtung 30 in das aktive Gebiet 1, in die Mantelgebiete 2a und 2b und in die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex unterteilt ist. 2 ist eine Draufsicht der oberen Oberfläche der undotierten InGaAs-Wannenschicht 8a.
Das aktive Gebiet 1 liegt in der Draufsicht unter dem Stegabschnitt 20. Die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex liegen in der Draufsicht auf beiden Seiten des aktiven Gebiets 1 und unter den Terrassenabschnitten 22a und 22b. Die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex sind im Folgenden zweckmäßig auch als die Gebiete unter den Terrassenabschnitten bezeichnet. Die Mantelgebiete 2a und 2b liegen zwischen dem aktiven Gebiet 1 und den Gebieten 3a bzw. 3b mit hohem Brechungsindex. Die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex weisen einen höheren Brechungsindex als die Mantelgebiete 2a und 2b auf. Somit entsprechen das aktive Gebiet 1 und die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex, die in 2 in der Draufsicht gezeigt sind, dem Stegabschnitt 20 und den Terrassenabschnitten 22a bzw. 22b der Halbleiterlaservorrichtung 30 in der Draufsicht auf den Stegabschnitt 20.
Wie in 2 gezeigt ist, beträgt in der ersten Ausführungsform die Breite des aktiven Gebiets 1, d. h. die Breite des Stegstreifens, 100 μm und die Länge des Resonators 4 mm. Ferner sind in der ersten Ausführungsform das Gebiet 3a mit hohem Brechungsindex in dem zentralen Außenabschnitt des Mantelgebiets 2a ausgebildet und das Gebiet 3b mit hohem Brechungsindex in dem zentralen Außenabschnitt des Mantelgebiets 2b ausgebildet. Diese Gebiete mit hohem Brechungsindex sind 0,5 mm lang und weisen einen höheren Brechungsindex als die Mantelgebiete 2a und 2b auf.
3 ist ein schematisches Diagramm einer Querschnittsstruktur der Halbleiterlaservorrichtung 30 entlang der Linie X–X' aus 2. Die Halbleiterlaservorrichtung 30 enthält die n-AlGaAs-Mantelschicht 6, die undotierte AlGaAs-Führungsschicht 7, die undotierte InGaAs-Wannenschicht 8a, die undotierte AlGaAs-Sperrschicht 9, die undotierte InGaAs-Wannenschicht 8b, die undotierte AlGaAs-Führungsschicht 10, die p-AlGaAs-Mantelschicht 11 und die p-GaAs-Kontaktschicht 12, die in Kristallform auf dem n-Substrat 5 von n-GaAs durch metallorganische Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren (MOCVD) aufeinanderfolgend aufgewachsen sind.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform werden die p-GaAs-Kontaktschicht 12 und die p-AlGaAs-Mantelschicht 11 bis auf die Teile, die den Stegabschnitt 20 bilden, selektiv weggeätzt, nachdem diese Schichten auf dem n-Substrat 5 ausgebildet worden sind. Ferner wird die gesamte obere Oberfläche der Mehrschichtstruktur bis auf die obere Oberfläche des Stegabschnitts 20 von der SiN-Lage 13 bedeckt, woraufhin auf der SiN-Lage 13 die p-Elektrode 14 ausgebildet wird und auf der unteren Oberfläche des n-GaAs-Substrats 5 die n-Elektrode 4 ausgebildet wird.
4 ist eine schematische Querschnittstruktur der Halbleiterlaservorrichtung 30 entlang der Linie Y–Y' aus 2. Dieser Querschnitt enthält ebenfalls die in Verbindung mit dem Querschnitt aus 3 beschriebenen Schichten. Die Konfigurationen dieser Schichten und die Art und Weise, in der sie in Kristallform auf dem Substrat aufgewachsen sind, sind grundsätzlich dieselben wie oben beschrieben. Allerdings unterscheidet sich dieser Querschnitt von dem aus 3 dadurch, dass die p-AlGaAs-Mantelschicht 11 mit erhöhten Inselteilen zum Ausbilden der Terrassenteile 22a und 22b versehen ist.
Genauer werden diese erhöhten Inselteile (oder Terrassenabschnitte 22a und 22b) anhand der Draufsicht aus 2 durch selektives Entfernen von Teilen der p-GaAs-Kontaktschicht 12 und der p-AlGaAs-Mantelschicht 11 gleichzeitig mit dem Stegabschnitt 20 ausgebildet. Das heißt, die p-AlGaAs-Mantelschicht 11 und die p-GaAs-Kontaktschicht 12 werden bis auf die Teile, die den Stegteil 20 und die erhöhten Inselteile (oder Terrassenabschnitte 22a und 22b) bilden, weggeätzt, wobei zwischen den erhöhten Inselteilen der zentrale Teil des Stegabschnitts 20 liegt, der eine Länge von 0,5 mm aufweist und entlang der Länge des Resonators verläuft. (Die erhöhten Inselteile liegen über den in 2 gezeigten Gebieten 3a und 3b mit hohem Brechungsindex.) Genauer werden die p-GaAs-Kontaktschicht 12 und die p-AlGaAs-Mantelschicht 11 teilweise weggeätzt, sodass zwischen dem Stegabschnitt 20 (oder dem in 2 gezeigten aktiven Gebiet 1) und den Terrassenabschnitten 22a und 22b (oder den in 2 gezeigten Gebieten 3a und 3b mit hohem Brechungsindex) ein 6 μm breiter und 0,5 mm langer Zwischenraum ausgebildet wird. Dieser Zwischenraum definiert die Mantelgebiete 2a und 2b. Wie in 1, 3 und 4 gezeigt ist, wird ferner über der gesamten oberen Oberfläche der Halbleiterlaservorrichtung 30 bis auf die obere Oberfläche des Stegabschnitts 20 die SiN-Lage 13 ausgebildet und wird auf der SiN-Lage 13 die p-Elektrode 14 ausgebildet.
Betrieb der Vorrichtung der ersten Ausführungsform
Wenn zwischen der n-Elektrode 4 und der p-Elektrode 14 der Halbleiterlaservorrichtung 30 eine Spannung angelegt wird, werden von der Seite der n-Elektrode der Laservorrichtung Elektronen in die undotierte InGaAs-Wannenschicht 8a injiziert und werden von der Seite der p-Elektrode Löcher in die undotierte InGaAs-Wannenschicht 8b injiziert. Diese Elektronen und Löcher rekombinieren daraufhin, um Laserlicht zu emittieren. Dieses Laserlicht von den InGaAs-Wannenschichten 8a und 8b weist eine Wellenlänge von 0,98 μm auf. Da das aktive Gebiet 1 eine gerade Streifenform und einen höheren Brechungsindex als die umgebenden Mantelgebiete 2a und 2b aufweist, ist das Laserlicht hauptsächlich innerhalb des aktiven Gebiets 1 beschränkt.
Die Halbleiterlaservorrichtung 30 enthält das aktive Gebiet 1 und die Mantelgebiete 2a und 2b. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform weist das aktive Gebiet 1 eine Breite von 100 μm auf und ist die Halbleiterlaservorrichtung 30 so konfiguriert, dass sie der obenerwähnten Gleichung (1) genügt. Da die Halbleiterlaservorrichtung 30 (oder das aktive Gebiet 1 und die Mantelgebiete 2a und 2b) der durch Gleichung (1) ausgedrückten Bedingung genügt, bilden das aktive Gebiet 1 und die Mantelgebiete 2a und 2b einen geraden Multimode-Wellenleiter, in dem mehrere Schwingungsmoden einschließlich der Grundmode (oder der Mode 0. Ordnung) auftreten können. Allerdings wird angemerkt, dass die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex in der Halbleiterlaservorrichtung 30 der ersten Ausführungsform mit einem höheren Brechungsindex als die Mantelgebiete 2a und 2b in den zentralen Außenteilen der Mantelgebiete 2a und bzw. 2b innerhalb des Resonators angeordnet sind. Im Ergebnis können innerhalb des Resonators möglicherweise weniger Schwingungsmoden auftreten, als es ohne die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex der Fall wäre, wodurch der Divergenzwinkel des von der Halbleiterlaservorrichtung emittierten Laserstrahls verringert werden kann. Diese Wirkung wird ausführlicher beschrieben.
Anzahl der Moden
Falls die Halbleiterlaservorrichtung 30 der vorliegenden Ausführungsform in ihrem Resonator nicht mit den Gebieten 3a und 3b mit hohem Brechungsindex versehen wäre, d. h., wenn die Halbleiterlaservorrichtung 30 entlang ihrer gesamten Länge dieselbe Querschnittskonfiguration hätte, die ähnlich der in der Querschnittsansicht aus 3 gezeigten (entlang der Linie X–X' aus 2) ist, könnten innerhalb des Resonators möglicherweise die 0. bis 25. Schwingungsmode auftreten, was durch den effektiven Brechungsindex des aktiven Gebiets 1, durch die effektiven Brechungsindizes der Mantelgebiete 2a und 2b und durch die Breite des aktiven Gebiets 1 bestimmt ist.
Die Anzahl der Schwingungsmoden, die in einem Resonator auftreten können, kann durch Lösen der Wellengleichung für die der Wellenleiterstruktur auferlegten Randbedingungen berechnet werden. Allgemein hängt die Anzahl der durch den Resonator unterstützten Schwingungsmoden von der Laserwellenlänge, von den Brechungsindizes des aktiven Gebiets 1 und der Mantelgebiete 2a und 2b und von der Breite des aktiven Gebiets 1 ab. Die Anzahl möglicher Moden nimmt mit abnehmender Laserwellenlänge, mit zunehmender Differenz des Brechungsindex zwischen dem aktiven Gebiet 1 und den Mantelgebieten 2a und 2b und mit zunehmender Breite des aktiven Gebiets 1 zu.
Falls die Halbleiterlaservorrichtung 30 der vorliegenden Ausführungsform nicht mit den Gebieten 3a und 3b mit hohem Brechungsindex in ihrem Resonator versehen wäre (d. h. nicht mit den Terrassenabschnitten 22a und 22b versehen wäre), könnten möglicherweise insgesamt 26 Schwingungsmoden (d. h. die 0. bis 25. Mode) auftreten. Die Anzahl der Moden, die in dem Resonator auftreten können, kann durch Ändern der Differenz des Brechungsindex zwischen dem aktiven Gebiet 1 und den Mantelgebieten 2a und 2b geändert werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Mantelgebiete 2a und 2b dadurch ausgebildet werden, dass sie auf andere Weise als oben beschrieben geätzt werden. Zum Beispiel kann das Ätzen zum Ausbilden der Mantelgebiete 2a und 2b angehalten werden, wenn eine halbe Tiefe durch die p-AlGaAs-Mantelschicht 11 oder durch die undotierte AlGaAs-Führungsschicht 10 erreicht worden ist. Ferner kann das aktive Gebiet 1 (oder der Stegabschnitt 20) mit einer anderen Breite (z. B. 150 μm) ausgebildet werden, um die Anzahl der Schwingungsmoden zu ändern. Auf diese Weise kann die Anzahl möglicher Schwingungsmoden eingestellt werden.
Falls die obenerwähnte Gleichung (1) erfüllt ist, kann eine Halbleiterlaservorrichtung Laserstrahlen in mehreren Moden aussenden. Genauer fungiert der Wellenleiter anhand von Gleichung (1) als Multimoden-Wellenleiter, in dem mehrere Schwingungsmoden auftreten können, wenn die Laserwellenlänge λ 0,98 μm ist und die Breite W des aktiven Gebiets 1 50 μm beträgt, falls (n_a ² – n_c ²)^1/2 größer als 0,0098 ist, wobei n_a der effektive Brechungsindex des aktiven Gebiets 1 ist und n_c der effektive Brechungsindex der Mantelgebiete ist. Da der effektive Brechungsindex n_a des aktiven Gebiets 1 in der vorliegenden Ausführungsform 3,41606 ist, können in dem Wellenleiter (oder Resonator) mehrere Schwingungsmoden auftreten, falls der effektive Brechungsindex n_c der Mantelgebiete 2a und 2b höchstens 3,41604 beträgt. Dies kann leicht dadurch bewirkt werden, dass 0,85 μm der Dicke von der p-AlGaAs-Mantelschicht 11 weggeätzt werden. Es wird angemerkt, dass das Entfernen der gesamten p-AlGaAs-Mantelschicht 11 (wie in der ersten Ausführungsform) zu einer weiteren Verringerung des Brechungsindex der Mantelgebiete führt, sodass in dem Wellenleiter 26 Schwingungsmoden auftreten können. Eine Halbleiterlaservorrichtung mit einer anderen Zusammensetzung, einem anderen Material und/oder einer anderen Dimension als die Halbleiterlaservorrichtung 30 der vorliegenden Ausführungsform kann ebenfalls auf diese Weise entworfen werden.
Merkmale und Vorteile
5 ist eine Tabelle von Merkmalen und Vorteilen der Halbleiterlaservorrichtung 30 der ersten Ausführungsform. Diese Merkmale und Vorteile sind zur zweckmäßigen Erläuterung in fünf Punkte (Punkt 1 bis Punkt 5) unterteilt.

(1) Das elektrische Feld an den Grenzen der Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex ist in Moden niedriger Ordnung, z. B. in der Mode 10. Ordnung, vernachlässigbar schwach (wobei seine Stärke das 6,4·10^–6-fache der Spitzenfeldstärke beträgt). Andererseits ist das elektrische Feld in Moden hoher Ordnung, z. B. in der Mode 25. Ordnung, erheblich (wobei seine Stärke das 0,059-fache der Spitzenfeldstärke, d. h. mehr als 5% der Spitzenfeldstärke, beträgt).
(2) Im Ergebnis des Obigen ist der Energieverlust von Moden niedriger Ordnung (z. B. der Mode 10. Ordnung) vernachlässigbar klein, während der Energieverlust von Moden hoher Ordnung (z. B. der Mode 25. Ordnung) erheblich ist.
(3) Falls es eine Differenz des Energieverlusts zwischen zwei Moden gibt, tritt die Schwingungsmode mit niedrigerem Verlust auf. Das heißt, in der Halbleiterlaservorrichtung 30 der vorliegenden Ausführungsform treten Schwingungsmoden niedriger Ordnung (z. B. die Mode 10. Ordnung) auf, während Schwingungsmoden hoher Ordnung (z. B. die Mode 25. Ordnung) nicht auftreten. Das heißt, in der Halbleiterlaservorrichtung können Schwingungsmoden niedriger Ordnung selektiv erzeugt werden.
(4) Lichtmoden (oder Wellenmoden) niedriger Ordnung (z. B. die Mode 10. Ordnung) weisen relativ zu den Mantelgebieten 2a und 2b einen verhältnismäßig großen Einfallswinkel θL (siehe 7) auf. Andererseits weisen Lichtmoden (oder Wellenmoden) hoher Ordnung (z. B. die Mode 25. Ordnung) relativ zu den Mantelgebieten 2a und 2b einen kleineren Einfallswinkel θH als den Einfallswinkel θL auf (siehe 7). Im Ergebnis ist der Winkel der Lichtemission von der vorderen Facette in Moden niedriger Ordnung (z. B. in der Mode 10. Ordnung) kleiner und in Moden höherer Ordnung (z. B. in der Mode 25. Ordnung) größer.
(5) Die Stärke des von der Halbleiterlaservorrichtung 30 emittierten Lichts ist wie folgt. Lichtmoden niedriger Ordnung (z. B. die Mode 10. Ordnung) weisen eine hohe Stärke auf, während Lichtmoden hoher Ordnung (z. B. die Mode 25. Ordnung) eine niedrige Stärke aufweisen. Somit kann die Halbleiterlaservorrichtung 30 Licht mit hoher Stärke emittieren, da veranlasst werden kann, dass die Vorrichtung Laserstrahlen in Moden niedriger Ordnung aussendet.

Die in den Punkten 1 bis 5 oben zusammengefassten Merkmale und Vorteile werden im Folgenden ausführlicher beschrieben.
Der Zusammenhang zwischen der Ordnung einer Mode und der Verteilung des elektrischen Felds
6 ist eine graphische Darstellung der Verteilungen des elektrischen Felds in der Mode 10. Ordnung (einer Mode niedriger Ordnung) und in der Mode 24. Ordnung (einer Mode hoher Ordnung), wobei die Mode 10. Ordnung durch eine Strichlinie dargestellt ist und mit dem Bezugszeichen 15 bezeichnet ist und die Mode 24. Ordnung durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist und mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet ist. In Multimode-Wellenleitern unterscheidet sich die Art und Weise, in der das elektrische Feld innerhalb des aktiven Gebiets 1 beschränkt ist, je nach der Ordnung der Schwingungsmode. Je niedriger die Ordnung der Mode ist, desto mehr elektrisches Feld ist innerhalb des aktiven Gebiets 1 beschränkt. Mit zunehmender Ordnung der Schwingungsmode verläuft das elektrische Feld (die Verteilung) weiter über die Grenzen des aktiven Gebiets 1 hinaus. Es wird angemerkt, dass das Quadrat einer Verteilung des elektrischen Felds eine Leistungsverteilung ist, die üblicherweise als Lichtstärkeverteilung bezeichnet wird.
Wie in 6 gezeigt ist, ist die Mode 10. Ordnung des elektrischen Felds (Strichlinie) verhältnismäßig stark auf das aktive Gebiet 1 beschränkt. Im Gegensatz dazu verläuft die Mode 24. Ordnung des elektrischen Felds (durchgezogene Linie) erheblich über die Breite (100 μm) des aktiven Gebiets 1 hinaus in die Mantelgebiete 2a und 2b.
Die Schwingungsmoden, die in dem Resonator auftreten können, werden durch Lösen der Wellengleichung für die der Wellenleiterstruktur auferlegten Randbedingungen ermittelt. Für das elektrische Feld in dem aktiven Gebiet 1 mit einem hohen Brechungsindex wird eine Sinus- oder Kosinus-Schwingungslösung erhalten, während für das elektrische Feld in den Mantelgebieten 2a und 2b mit einem niedrigen Brechungsindex eine exponentiell gedämpfte Lösung erhalten wird.
Der Zusammenhang zwischen den Gebieten mit hohem Brechungsindex und dem Verlust
Die folgende Beschreibung ist auf die Wirkung der Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex in den zentralen Außenteilen der Mantelgebiete 2a bzw. 2b innerhalb des Resonators gerichtet.
Die elektrischen Felder in den Mantelgebieten 2a und 2b nehmen mit zunehmender Entfernung von dem aktiven Gebiet 1 exponentiell ab und sind in unendliche Entfernung null. In endlicher Entfernung von dem aktiven Gebiet 1 ist der Stärkepegel des elektrischen Felds von null verschieden. Allerdings können die elektrischen Felder in den Mantelgebieten 2a und 2b ignoriert werden, falls ihre Stärke im Vergleich zu dem Spitzenfeldstärkewert im Wesentlichen null ist.
Die elektrischen Felder in den Gebieten 3a und 3b mit hohem Brechungsindex werden ebenfalls durch Lösen der Wellengleichung für diese Gebiete ermittelt; wie bei dem aktiven Gebiet 1 wird eine Sinus- oder Kosinus-Schwingungslösung erhalten. Falls das über das aktive Gebiet 1 hinausgehende elektrische Feld innerhalb der Mantelgebiete 2a und 2b wesentlich gedämpft wird und somit seine Stärkepegel an den Grenzen zwischen dem Mantelgebiet 2a und dem Gebiet 3a mit hohem Brechungsindex und zwischen dem Mantelgebiet 2b und dem Gebiet 3b mit hohem Brechungsindex als null angesehen werden können, können die Stärkepegel des elektrischen Felds in den Gebieten 3a und 3b mit hohem Brechungsindex ebenfalls als null angesehen werden. In diesem Fall breitet sich das elektrische Feld entlang der Länge des Resonators (in z-Richtung) aus, ohne durch die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex beeinflusst zu werden.
Falls andererseits das über das aktive Gebiet 1 hinausgehende elektrische Feld innerhalb der Mantelgebiete 2a und 2b nicht ausreichend gedämpft wird und somit seine Stärkepegel an den Grenzen zwischen dem Mantelgebiet 2a und dem Gebiet 3a mit hohem Brechungsindex und zwischen dem Mantelgebiet 2b und dem Gebiet 3b mit hohem Brechungsindex erheblich sind (d. h. nicht als null angesehen werden können), schwingt das über die Mantelgebiete 2a und 2b hinausgehende elektrische Feld in den Gebieten 3a und 3b mit hohem Brechungsindex sinusförmig (oder kosinusförmig). Das schwingende elektrische Feld breitet sich entlang der Länge des Resonators (in z-Richtung) aus, während Energie in x-Richtung übertragen wird, was zu einem beträchtlichen Energieverlust führt, wenn diese Schwingungsmode in dem Resonator auftritt.
Die Stärke der Mode 10. Ordnung des elektrischen Felds in einer Entfernung von 6 μm von jedem Längsrand des aktiven Gebiets 1 ist das 6,4·10^–6-fache der Spitzenfeldstärke in dem aktiven Gebiet 1. Da der Wert 6,4·10^–6 klein gegen 1 ist, kann die Mode 10. Ordnung des elektrischen Felds in einer Entfernung von mehr als 6 μm von jedem Längsrand des aktiven Gebiets 1 ignoriert werden. Das heißt, dass die Mode 10. Ordnung des elektrischen Felds im Wesentlichen keine Energie in x-Richtung überträgt, sodass der Energieverlust der Mode 10. Ordnung des elektrischen Felds in den Gebieten 3a und 3b mit hohem Brechungsindex ignoriert werden kann.
Andererseits ist die Stärke der Mode 24. Ordnung des elektrischen Felds in einer Entfernung von 6 μm von jedem Längsrand des aktiven Gebiets 1 das 0,059-fache der Spitzenfeldstärke in dem aktiven Gebiet 1, d. h., mehr als 5% der Spitzenfeldstärke. Somit ist die Mode 24. Ordnung des elektrischen Felds in den Gebieten 3a und 3b mit hohem Brechungsindex erheblich, sodass sie schwingt und dadurch Energie in x-Richtung überträgt, was zu einem Energieverlust führt. Das heißt, dass die in den zentralen Außenteilen der Mantelgebiete 2a bzw. 2b angeordneten Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex dazu dienen, den Energieverlust von Schwingungsmoden hoher Ordnung zu erhöhen.
Es wird angemerkt, dass ohne die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex selbst Moden hoher Ordnung elektrischer Felder keine Energie in x-Richtung übertragen würden und somit keinen Energieverlust verursachen würden, da von der Wellengleichung für die elektrischen Felder außerhalb des aktiven Gebiets 1 keine Schwingungslösung erhalten würde.
Der Zusammenhang zwischen Modenverlust und Schwingung
Im Allgemeinen erzeugt die aktive Schicht eines Halbleiterlasers eine Verstärkung, wenn ein Strom in die Schicht injiziert wird. Je höher die Menge des injizierten Stroms ist, desto höher ist die resultierende Verstärkung. Wenn diese Verstärkung gleich dem Verlust in dem Halbleiterlaser ist, werden Laserstrahlen emittiert. Wenn das aktive Gebiet so konfiguriert ist, dass darin mehrere Schwingungsmoden auftreten können, können alle diese Moden auftreten, wenn der Halbleiterlaser Laserstrahlen emittiert, falls es zwischen diesen Moden keine Differenz des Energieverlusts gibt. In diesem Fall emittiert der Halbleiterlaser einen Strahl mit einem großen Divergenzwinkel.
Falls es andererseits eine Differenz des Energieverlusts zwischen den Moden gibt, werden Moden mit niedrigerem Verlust wahrscheinlicher als Moden mit hohem Verlust auftreten. Da die Halbleiterlaservorrichtung 30 der vorliegenden Ausführungsform auf diese Weise konfiguriert ist, treten in dem Resonator (unter allen möglichen Moden) Moden mit niedrigerem Verlust auf, wenn die Halbleiterlaservorrichtung 30 Laserstrahlen emittiert.
Der oben beschriebene Energieverlust jeder Schwingungsmode bedeutet den Energieverlust, den jede Lichtmode erleidet, wenn sie innerhalb des Resonators hin- und herläuft (in einem Umlauf). Das heißt, dieser Energieverlust ist die Integration des Energieverlusts in jedem infinitesimalen Abschnitt (ΔZ) des Resonators entlang seiner Länge (hin und her).
Der Zusammenhang zwischen Wellenleitermoden und Leuchtdichte
7 zeigt schematisch die Wege, die von repräsentativen Wellenleiterlichtmoden hoher und niedriger Ordnung innerhalb des aktiven Gebiets durchlaufen werden, wobei der von der Lichtmode niedriger Ordnung durchlaufene Weg durch eine Strichlinie repräsentiert und mit dem Bezugszeichen 17 bezeichnet ist und der von der Lichtmode hoher Ordnung durchlaufene Weg durch eine durchgezogene Linie repräsentiert und mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet ist. Diese Wellenleiterlichtmoden breiten sich entlang der Länge des Resonators (in z-Richtung) aus, während sie zwischen dem aktiven Gebiet 1 und den Mantelgebieten 2a und 2b vollständig hin und her reflektiert werden.
Die Lichtmode niedriger Ordnung weist relativ zu den Mantelgebieten 2a und 2b einen verhältnismäßig großen Einfallswinkel θL auf, während die Lichtmode hoher Ordnung einen kleineren Einfallswinkel θH aufweist. Wie oben beschrieben wurde, ist die Halbleiterlaservorrichtung 30 so konfiguriert, dass der Energieverlust von Schwingungsmoden höherer Ordnung höher als der von Moden niedriger Ordnung ist, sodass in dem Resonator nur Schwingungsmoden niedriger Ordnung auftreten können, wodurch der Divergenzwinkel des von der Halbleiterlaservorrichtung emittierten Strahls verringert werden kann. Somit können in der Halbleiterlaservorrichtung 30 selektiv Schwingungsmoden niedriger Ordnung erzeugt werden, um den Divergenzwinkel des von der vorderen Facette 24a emittierten Strahls zu verringern und dadurch die Stärke (oder Leuchtdichte) des Strahls zu erhöhen.
Halbleiterlaservorrichtungen mit einem geneigten Streifengebiet können keine hohe Ausgangsleistung erzeugen. Im Gegensatz dazu kann die Halbleiterlaservorrichtung 30 der vorliegenden Ausführungsform eine hohe Ausgangsleistung erzeugen, da der Stegabschnitt 20 eine gerade Stegstruktur mit einer gleichförmigen Breite, die ein gerades Streifengebiet bildet, aufweist.
8 und 9 sind Diagramme der Halbleiterlaservorrichtung 30 der ersten Ausführungsform, die an eine Wärmesenke montiert ist. Die Querschnittansicht aus 8 verläuft längs derselben Linie (X–X') wie die Querschnittsansicht aus 3 und die Querschnittsansicht aus 9 verläuft längs derselben Linie (Y–Y') wie die Querschnittsansicht aus 4. Wie in 8 und 9 gezeigt ist, ist die Halbleiterlaservorrichtung 30 durch Lötmittel 42 an eine Wärmesenke 40 chipgebondet. Das Lötmittel 42 koppelt die Terrassenabschnitte 22a und 22b elektrisch, mechanisch und thermisch mit der Wärmesenke 40 und koppelt die ersten Abschnitte 34a und 34b und die zweiten Abschnitte 34c und 34d elektrisch, mechanisch und thermisch mit der Wärmesenke 40.
Halbleiterlaservorrichtungen mit einem breiten aktiven Gebiet, die als Breitstreifen-Halbleiterlaservorrichtungen bezeichnet werden, sind üblicherweise so konstruiert, dass eine Kristallaufwachsseite der Laservorrichtung (d. h. die Seite, auf der der Stegabschnitt 20 ausgebildet ist) mit einer Wärmesenke chipgebondet ist, um die Wärmeableitung von dieser Seite zu verbessern, wodurch die Laservorrichtung eine hohe Ausgangsleistung erzeugen kann. In diesem Fall sind die Wärmesenke und die Halbleiterlaservorrichtung durch Lötmittel mit guter Wärmeleitfähigkeit miteinander gebondet. Da die Wärmeleitfähigkeit eines Halbleiters näherungsweise eine Größenordnung kleiner als die eines Lötmittels ist, ist die Wärmeableitung von der Halbleiterlaservorrichtung verringert, falls die aus Halbleitermaterial hergestellten Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex einen großen Flächeninhalt aufweisen.
Um dies zu vermeiden, ist die Halbleiterlaservorrichtung 30 der ersten Ausführungsform so konfiguriert, dass die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex nur in den zentralen Außenteilen der Mantelgebiete 2a bzw. 2b bereitgestellt sind; d. h., auf den ersten Abschnitten 34a und 34b und auf den zweiten Abschnitten 34c und 34d sind die Terrassenabschnitte 22a und 22b nicht bereitgestellt. Da die Terrassenabschnitte 22a und 22b nur entlang des zentralen Teils der Länge des Resonators verlaufen und somit eine kleine Fläche aufweisen, wirken sie sich nicht wesentlich nachteilig auf die Wärmeableitung von der Halbleiterlaservorrichtung aus. Somit ist die Halbleiterlaservorrichtung 30 so konfiguriert, dass die Wärmeableitung erhöht ist und sie somit eine hohe Ausgangsleistung erzeugen kann.
Es wird angemerkt, dass sich der Energieverlust jeder Schwingungsmode und die Wärmeableitung von der Halbleiterlaservorrichtung je nach Zusammensetzung, Material und Dimension der Halbleiterlaservorrichtung unterscheiden. Die Länge der Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex entlang der Länge des Resonators und ihre Fläche können anhand der Anzahl zu unterdrückender Schwingungsmoden, der erforderlichen Lichtausgangsleistung und der erforderlichen Wärmeableitung bestimmt werden.
Wie oben beschrieben wurde, weist die Halbleiterlaservorrichtung 30 der vorliegenden Ausführungsform eine gerade Streifenstruktur mit einer Breite von 50 μm und mehr auf und ist sie so konfiguriert, dass sie der obigen Gleichung (1) genügt. Ferner sind die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex, die einen höheren Brechungsindex als die Mantelgebiete 2a und 2b aufweisen, in den zentralen Außenteilen der Mantelgebiete 2a bzw. 2b bereitgestellt. Im Ergebnis weisen die Moden höherer Ordnung in dem Resonator einen höheren Ausbreitungsverlust als die Moden niedriger Ordnung auf. Das heißt, dass Schwingungsmoden niedriger Ordnung durch Unterdrückung von Schwingungsmoden hoher Ordnung selektiv erzeugt werden können, während sichergestellt ist, dass die Halbleiterlaservorrichtung eine hohe Ausgangsleistung erzeugt.
Ferner weist der Stegabschnitt 20 in der vorliegenden Ausführungsform eine gerade Stegstruktur mit einer gleichförmigen Breite auf, wobei er ein gerades Streifengebiet bildet. Dadurch kann die Halbleiterlaservorrichtung der vorliegenden Ausführungsform eine höhere Ausgangsleistung als Halbleiterlaservorrichtungen mit einer geneigten Streifenstruktur erzeugen.
Änderungen der ersten Ausführungsform
Obgleich das aktive Gebiet 1 in der vorliegenden Ausführungsform eine Breite von 100 μm aufweist, ist festzustellen, dass das aktive Gebiet 1 in anderen Ausführungsformen eine andere Breite aufweisen kann. Eine Breitstreifen-Halbleiterlaservorrichtung kann so konfiguriert sein, dass ihr aktives Gebiet eine Breite von wenigstens 50 μm aufweist und dass der Wellenleiter der obigen Gleichung (1) genügt, was sicherstellt, dass in dem Wellenleiter mehrere transversale Schwingungsmoden einschließlich der Grundschwingung auftreten können. Solche Breitstreifen-Halbleiterlaservorrichtungen können ebenfalls so konfiguriert sein, dass sie die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschriebenen Vorteile aufweisen.
Obgleich der Resonator in der vorliegenden Ausführungsform eine Länge von 4 mm aufweist, ist ferner festzustellen, dass die Erfindung nicht auf diese bestimmte Resonatorlänge beschränkt ist. Die Länge des Resonators kann je nach erforderlicher Laserausgangsleistung variiert werden.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex durch die Breiten (6 μm) der zentralen Teile der Mantelgebiete 2a bzw. 2b von dem aktiven Gebiet 1 beabstandet. Das heißt, der Terrassenabschnitt 22a ist von der gegenüberliegenden Seite des Stegabschnitts 20 durch eine Entfernung von 6 μm beabstandet und der Terrassenabschnitt 22b ist von der gegenüberliegenden Seite des Stegabschnitts 20 durch eine Entfernung von 6 μm beabstandet. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese besondere Entfernung beschränkt. Falls diejenigen Teile der Mantelgebiete 2a und 2b, die die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex von dem aktiven Gebiet 1 trennen, verengt sind (d. h., falls die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex durch eine Entfernung von weniger als 6 μm von dem aktiven Gebiet 1 beabstandet sind), übertragen elektrische Felder von Moden noch niedrigerer Ordnung Energie in x-Richtung und erleiden dadurch einen Energieverlust. Falls andererseits diejenigen Teile der Mantelgebiete 2a und 2b, die die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex von dem aktiven Gebiet 1 trennen, verbreitert sind (d. h., falls die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex durch eine Entfernung von mehr als 6 μm von dem aktiven Gebiet 1 beabstandet sind), können die elektrischen Felder von Moden noch höherer Ordnung keine Energie in x-Richtung übertragen, was zu verringertem Verlust in der Halbleiterlaservorrichtung führt. Das heißt, die Breiten derjenigen Teile der Mantelgebiete 2a und 2b, die die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex von dem aktiven Gebiet 1 trennen, können auf der Grundlage der Schwingungsmode der niedrigsten Ordnung, die erhöhten Energieverlust zeigen muss, bestimmt werden.
Ferner sind in der vorliegenden Ausführungsform die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex in den zentralen Außenteilen der Mantelgebiete 2a und 2b bereitgestellt, die in der Weise entlang eines Teils der Länge des Resonators verlaufen, dass Schwingungsmoden hoher Ordnung, die in dem Resonator auftreten, einen Energieverlust erleiden. Die Länge der Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex, entlang der Länge des Resonators gemessen, beträgt 0,5 mm. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese bestimmte Länge beschränkt.
Der Energieverlust der Moden in den Gebieten 3a und 3b mit hohem Brechungsindex nimmt mit zunehmender Länge dieser Gebiete, entlang der Länge des Resonators gemessen, zu. Das heißt, dass eine Zunahme der Länge der Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex zu einer Zunahme der Differenz zwischen dem Energieverlust der Moden niedriger Ordnung, der so niedrig ist, dass er ignoriert werden kann, und dem Energieverlust der Moden hoher Ordnung in dem Resonator führt.
Andererseits nimmt der Energieverlust der Moden in den Gebieten 3a und 3b mit hohem Brechungsindex mit abnehmender Länge dieser Gebiete, entlang der Länge des Resonators gemessen, ab. Das heißt, eine Verringerung der Länge der Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex führt zu einer Verringerung der Differenz zwischen dem Energieverlust von Moden niedriger Ordnung, der so niedrig ist, dass er ignoriert werden kann, und dem Energieverlust der Moden hoher Ordnung in dem Resonator.
In Halbleiterlasern treten Schwingungsmoden mit niedrigerem Energieverlust wahrscheinlicher als Schwingungsmoden mit höherem Energieverlust auf. Das heißt, wenn es in einem Resonator auch nur eine geringfügige Differenz des Energieverlusts zwischen zwei Schwingungsmoden gibt, wird die Schwingungsmode mit dem niedrigeren Energieverlust dominieren oder auftreten. Allerdings schwankt in der Praxis die Verstärkung für jede Mode wegen räumlichen Lochbrennens, das verursacht wird, wenn Ladungsträger (oder ein Strom) injiziert werden usw. Somit muss die Länge der Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex, gemessen entlang der Länge des Resonators, erhöht werden und dadurch die Differenz des Energieverlusts zwischen der einen oder den mehreren Moden niedriger Ordnung und den Moden höherer Ordnung erhöht werden, um eine oder mehrere Schwingungsmoden niedriger Ordnung stabil zu erzeugen.
Es wird angemerkt, dass sowohl die ersten Abschnitte 34a und 34b als auch die zweiten Abschnitte 34c und 34d in der ersten Ausführungsform eine geringere Höhe als der Stegabschnitt 20 und die Terrassenabschnitte 22a und 22b aufweisen. Allerdings ist festzustellen, dass die Erfindung nicht auf diese besondere Konfiguration beschränkt ist. Entweder die ersten Abschnitte 34a und 34b oder die zweiten Abschnitte 34c und 34d, jedoch nicht beide, können eine geringere Höhe als der Stegabschnitt 20 und die Terrassenabschnitte 22a und 22b aufweisen.
Zweite Ausführungsform
10 ist eine schematische perspektivische Ansicht der Konfiguration einer Halbleiterlaservorrichtung 130 in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die Halbleiterlaservorrichtung 130 ist wie die Halbleiterlaservorrichtung 30 der ersten Ausführungsform eine Breitstreifen-Halbleiterlaservorrichtung und enthält ein n-Substrat 5, einen Halbleitermehrschichtabschnitt 32, einen Stegabschnitt 20 und zwei Terrassenabschnitte 122a und 122b. Das n-Substrat 5, der Halbleitermehrschichtabschnitt 32 und der Stegabschnitt 20 der Halbleiterlaservorrichtung 130 sind ähnlich jenen der Halbleiterlaservorrichtung 30 der ersten Ausführungsform; allerdings unterscheiden sich die Formen der Terrassenabschnitte 122a und 122b in der Draufsicht von jenen der Terrassenabschnitte 22a und 22b der ersten Ausführungsform.
11 ist eine schematische Draufsicht des aktiven Gebiets, der Mantelgebiete und der Gebiete mit hohem Brechungsindex der Halbleiterlaservorrichtung 130 der zweiten Ausführungsform. 11 entspricht der in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschriebenen 2. Das aktive Gebiet und die Gebiete mit hohem Brechungsindex, die in 11 in der Draufsicht gezeigt sind, entsprechen dem Stegabschnitt 20 und den Terrassenabschnitten 122a bzw. 122b der Halbleiterlaservorrichtung 130 in der Draufsicht auf den Stegabschnitt 20. Somit verhalten sich die Ansichten aus 10 und 11 zueinander genauso wie die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschriebenen Ansichten aus 1 und 2.
In der Halbleiterlaservorrichtung 130 der zweiten Ausführungsform verlaufen die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex entlang der gesamten Länge des Resonators. Das heißt, die Terrassenabschnitte 122a und 122b verlaufen entlang der gesamten Länge des Resonators (d. h. verlaufen von der vorderen Facette 24a bis zu der hinteren Facette 24b). Abgesehen davon, dass die Mantelgebiete (oder Gebiete mit niedrigem Brechungsindex) 2a und 2b zwischen dem aktiven Gebiet 1 und den Gebieten 3a bzw. 3b mit hohem Brechungsindex eine Breite von 8 μm anstelle einer solchen von 6 μm aufweisen, weist die Halbleiterlaservorrichtung 130 ähnlich der in 4 Gezeigten einen gleichförmigen Querschnitt auf.
Da die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex entlang der gesamten Länge des Resonators verlaufen, können die Breiten der Mantelgebiete (oder der Gebiete mit niedrigem Brechungsindex) erhöht werden, während zwischen Moden niedriger Ordnung und Moden höherer Ordnung eine ausreichende Differenz des Energieverlusts sichergestellt ist. Somit können in der zweiten Ausführungsform wie in der ersten Ausführungsform selektiv Schwingungsmoden niedriger Ordnung mit niedrigem Energieverlust erzeugt werden.
Obgleich die Mantelgebiete (oder Gebiete mit niedrigem Brechungsindex) in der vorliegenden Ausführungsform eine Breite von 8 μm aufweisen, ist festzustellen, dass die Erfindung nicht auf diese besondere Breite beschränkt ist. Die Terrassenabschnitte 122a und 122b können von dem Stegabschnitt 20 durch eine größere oder kleinere Entfernung als 8 μm beabstandet sein. Das heißt, die Entfernung zwischen dem Stegabschnitt 20 und den Terrassenabschnitten 122a und 122b kann je nach der erforderlichen Differenz des Energieverlusts zwischen Schwingungsmoden hoher und niedriger Ordnung in dem Resonator geändert werden.
Es wird angemerkt, dass die Terrassenabschnitte 122a und 122b in der vorliegenden Ausführungsform entlang der gesamten Länge des Resonators der Halbleiterlaservorrichtung 130 verlaufen (d. h. in 10 und 11 in z-Richtung verlaufen) und eine gleichförmige Breite aufweisen. Im Ergebnis dieser Konfiguration ist die Wärmeableitung von der aktiven Schicht der Halbleiterlaservorrichtung 130 geringer als die von der aktiven Schicht der Halbleiterlaservorrichtung 30 der ersten Ausführungsform. Allerdings können weiterhin selektiv Schwingungsmoden niedriger Ordnung erzeugt werden.
Dritte Ausführungsform
12 ist eine schematische perspektivische Ansicht der Konfiguration einer Halbleiterlaservorrichtung 230 in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Die Halbleiterlaservorrichtung 230 ist wie die Halbleiterlaservorrichtung 30 der ersten Ausführungsform eine Breitstreifen-Halbleiterlaservorrichtung und enthält ein n-Substrat 5, einen Halbleitermehrschichtabschnitt 32, einen Stegabschnitt 20 und zwei Terrassenabschnitte 222a und 222b. Das n-Substrat 5, der Halbleitermehrschichtabschnitt 32 und der Stegabschnitt 20 der Halbleiterlaservorrichtung 230 sind ähnlich jenen der Halbleiterlaservorrichtung 30 der ersten Ausführungsform; allerdings unterscheiden sich die Formen der Terrassenabschnitte 222a und 222b in der Draufsicht von jenen der Terrassenabschnitte 22a und 22b der ersten Ausführungsform.
13 ist eine schematische Draufsicht des aktiven Gebiets, der Mantelgebiete und der Gebiete mit hohem Brechungsindex der Halbleiterlaservorrichtung 230 der dritten Ausführungsform. 13 entspricht der in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschriebenen 2. Das aktive Gebiet und die Gebiete mit hohem Brechungsindex, die in der Draufsicht in 13 gezeigt sind, entsprechen dem Stegabschnitt 20 und den Terrassenabschnitten 222a bzw. 222b der Halbleiterlaservorrichtung 230 in der Draufsicht auf den Stegabschnitt 20. Somit beziehen sich die Ansichten aus 12 und 13 ebenso aufeinander wie die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschriebenen Ansichten aus 1 und 2.
In der Halbleiterlaservorrichtung 230 sind die Terrassenabschnitte 222a und 222b so konfiguriert, dass die Entfernungen zwischen dem Stegabschnitt 20 und den gegenüberliegenden Seiten der Terrassenabschnitte 222a und 222b mit zunehmender Entfernung von dem zentralen Gebiet der Länge des Stegabschnitts 20 (das entlang der Länge des Resonators verläuft) und mit abnehmender Entfernung von der vorderen Facette 24a zunehmen und mit zunehmender Entfernung von dem zentralen Teil der Länge des Stegabschnitts 20 und mit abnehmender Entfernung von der hinteren Facette 24b ebenfalls zunehmen. Im Ergebnis dieser Konfiguration weisen die zentralen Teile der Mantelgebiete (oder Gebiete mit niedrigem Brechungsindex) 2a und 2b zwischen dem zentralen Teil des Stegabschnitts 20 und den Terrassenabschnitten 222a bzw. 222b eine Breite von 6 μm und eine Länge von 100 μm auf. Die Breiten der Mantelgebiete 2a und 2b nehmen von ihrem zentralen Teil in Richtung ihrer Ränder auf der Seite der vorderen Facette 24a und auf der Seite der hinteren Facette 24b des Halbleitermehrschichtabschnitts 32 zu.
In der ersten Ausführungsform sind die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex von den Mantelgebieten (oder Gebieten mit niedrigem Brechungsindex) 2a bzw. 2b umgeben. Somit erfährt das Licht, wenn es sich in dem Resonator ausbreitet, eine beträchtliche Änderung des Brechungsindex, dem es ausgesetzt ist, wenn es durch die Grenzen zwischen den Gebieten mit hohem und mit niedrigem Brechungsindex geht. Im Ergebnis werden Wellenleitermoden, die sich durch das aktive Gebiet 1 ausbreiten, instabil, da sie bei diesen Grenzen gestört werden, wobei einige von ihnen mit Strahlungsmoden kombiniert werden.
Um zu verhindern, dass die Moden an den Grenzen zwischen den Gebieten mit hohem und mit niedrigem Brechungsindex instabil werden, nehmen die Breiten der Mantelgebiete (oder Gebiete mit niedrigem Brechungsindex) in der dritten Ausführungsform von ihrem zentralen Teil in Richtung ihrer Ränder auf der Seite der vorderen Facette 24a und auf der Seite der hinteren Facette 24b des Halbleitermehrschichtabschnitts 32 zu; genauer enthält die Konfiguration jedes Mantelgebiets in der Draufsicht zwei geneigte Formen, die, wie in 13 gezeigt ist, einen Neigungswinkel von 6 Grad aufweisen. Im Ergebnis erfährt das Licht, das sich durch das aktive Gebiet 1 ausbreitet, nur eine allmähliche Änderung des Brechungsindex, dem es ausgesetzt ist. Während sich die Lichtmoden hoher Ordnung den zentralen Teilen der Mantelgebiete mit einer Breite von 6 μm annähern, nimmt ihr Energieverlust zu. Andererseits ändert sich der Energieverlust der Lichtmoden niedriger Ordnung nicht wesentlich (d. h., bleibt er im Wesentlichen konstant), während sie sich den zentralen Teilen der Mantelgebiete annähern, was zur Schwingung in diesen Moden niedriger Ordnung führt.
Ferner sind die Mantelgebiete (oder Gebiete mit niedrigem Brechungsindex) 2a und 2b angrenzend an die vordere Facette 24a und an die hintere Facette 24b breit, sodass die in der aktiven Schicht erzeugte Wärme wirksam an die Wärmesenke übertragen werden kann, wodurch ein Qualitätsverlust dieser Facetten wegen erhöhter Temperatur verhindert wird.
Obgleich die Konfiguration jedes Mantelgebiets (oder Gebiets mit niedrigem Brechungsindex) 2a, 2b in der Draufsicht wie oben beschrieben zwei geneigte Formen mit einem Neigungswinkel von 6 Grad enthält, ist festzustellen, dass die Erfindung nicht auf diesen besonderen Neigungswinkel beschränkt ist. Der Neigungswinkel kann verringert werden, um die Störung der Wellenleitermoden zu verringern. Obgleich die geneigten Formen der oben beschriebenen Mantelgebiete in der dritten Ausführungsform in Richtung der zentralen Teile der Mantelgebiete linear geneigt sind, ist ferner festzustellen, dass sie nichtlinear geneigt sein können. Obgleich die an das aktive Gebiet 1 angrenzenden zentralen Teile der Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex in der dritten Ausführungsform eine Länge von 100 μm aufweisen, ist ferner festzustellen, dass die Erfindung nicht auf diese besondere Länge beschränkt ist.
Es wird angemerkt, dass die Terrassenabschnitte 222a und 222b so konfiguriert sein können, dass die Entfernungen zwischen dem Stegabschnitt 20 und den gegenüberliegenden Seiten dieser Terrassenabschnitte mit abnehmender Entfernung entweder von der vorderen Facette 24a oder von der hinteren Facette 24b, nicht aber von beiden, zunehmen.
Vierte Ausführungsform
14 ist eine schematische perspektivische Ansicht der Konfiguration einer Halbleiterlaservorrichtung 330 in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Die Halbleiterlaservorrichtung 330 ist wie die Halbleiterlaservorrichtung 30 der ersten Ausführungsform eine Breitstreifen-Halbleiterlaservorrichtung und enthält ein n-Substrat 5, einen Halbleitermehrschichtabschnitt 32, einen Stegabschnitt 20 und zwei Terrassenabschnitte 322a und 322b. Das n-Substrat 5, der Halbleitermehrschichtabschnitt 32 und der Stegabschnitt 20 der Halbleiterlaservorrichtung 330 sind ähnlich jenen der Halbleiterlaservorrichtung 30 der ersten Ausführungsform; allerdings unterscheiden sich die Formen der Terrassenabschnitte 322a und 322b in der Draufsicht von jenen der Terrassenabschnitte 22a und 22b der ersten Ausführungsform.
15 ist eine schematische Draufsicht des aktiven Gebiets, der Mantelgebiete und der Gebiete mit hohem Brechungsindex der Halbleiterlaservorrichtung 330 der vierten Ausführungsform. 15 entspricht der in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschriebenen 2. Das aktive Gebiet 1 und die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex, die in der Draufsicht in 15 gezeigt sind, entsprechen dem Stegabschnitt 20 und den Terrassenabschnitten 322a bzw. 322b der Halbleiterlaservorrichtung 230 in der Draufsicht auf dem Stegabschnitt 20. Somit beziehen sich die Ansichten aus 14 und 15 in derselben Weise aufeinander wie die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschriebenen Ansichten aus 1 und 2.
In der Halbleiterlaservorrichtung 330 sind die Terrassenabschnitte 322a und 322b so konfiguriert, dass die Entfernungen zwischen dem Stegabschnitt 20 und den gegenüberliegenden Seiten dieser Terrassenabschnitte mit zunehmender Entfernung von der vorderen Facette 24a und mit abnehmender Entfernung von der hinteren Facette 24b zunehmen.
Die Endteile der Mantelgebiete (oder der Gebiete mit niedrigem Brechungsindex) 2a und 2b auf der Seite der vorderen Facette 24a des Halbleitermehrschichtabschnitts 32 weisen eine Breite von 6 μm und eine Länge von 100 μm auf und die Breiten der Mantelgebiete 2a und 2b nehmen mit abnehmender Entfernung von der hinteren Facette 24b in der Weise zu, dass diese Mantelgebiete 2a und 2b eine geneigte Konfiguration mit einem Neigungswinkel von 3 Grad aufweisen. Im Ergebnis erfährt Licht, das sich durch das aktive Gebiet 1 ausbreitet, keine plötzliche Änderung des Brechungsindex, dem es ausgesetzt ist. Das heißt, dass der Energieverlust der Lichtmoden hoher Ordnung allmählich zunimmt, während sie durch das aktive Gebiet 1 laufen, und dass der Energieverlust der Lichtmoden niedriger Ordnung nicht wesentlich zunimmt, während sie durch das aktive Gebiet 1 laufen, was dazu führt, dass diese Moden niedriger Ordnung schwingen.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Endteile der Mantelgebiete (oder der Gebiete mit niedrigem Brechungsindex) 2a und 2b auf der Seite der vorderen Facette 24a des Halbleitermehrschichtabschnitts 32 schmaler als die anderen Teile der Mantelgebiete 2a und 2b. Ferner weiten sich die Mantelgebiete (oder Gebiete mit niedrigem Brechungsindex) 2a und 2b in Richtung der hinteren Facette 24b auf, d. h. nehmen die Breiten der Mantelgebiete 2a und 2b mit zunehmender Entfernung von der vorderen Facette 24a und mit abnehmender Entfernung von der hinteren Facette 24b zu. Das heißt, dass sie (in der Draufsicht gesehen) eine geneigte Form mit einem kleineren Neigungswinkel aufweisen, als wenn die zentralen Teile der Mantelgebiete 2a und 2b schmal wären und die Breiten der Mantelgebiete 2a und 2b in Richtung der vorderen Facette 24a und in Richtung der hinteren Facette 24b (wie in der dritten Ausführungsform) zunehmen würden. Im Ergebnis erfährt Licht, das sich durch das aktive Gebiet 1 ausbreitet, eine allmählichere Änderung des Brechungsindex, dem es ausgesetzt ist.
Wenn die an eine Facette des Halbleitermehrschichtabschnitts 32 (oder des Resonators) angrenzenden Mantelgebiete 2a und 2b breit sind, ist die an diese Facette angrenzende aktive Schicht (die die undotierte InGaAs-Wannenschicht 8b, die undotierte AlGaAs-Sperrschicht 9 und die undotierte InGaAs-Wannenschicht 8b enthält) näher zu der p-Elektrode 14 als z. B. die aktive Schicht unter den Terrassenabschnitten. Dadurch kann die Wärmeableitung von der aktiven Schicht verbessert werden. Die Mantelgebiete (oder Gebiete mit niedrigem Brechungsindex) 2a und 2b können angrenzend an die vordere Facette 24a breit konfiguriert sein, um einen Qualitätsverlust dieser Facette wegen erhöhter Temperatur, da Laserlicht hauptsächlich durch die vordere Facette 24a emittiert wird, zu verhindern.
In der vorliegenden Ausführungsform weisen die Endteile (oder die schmalsten Teile) der Mantelgebiete (oder der Gebiete mit niedrigem Brechungsindex 2a und 2b) auf der Seite der vorderen Facette 24a des Halbleitermehrschichtabschnitts 32 eine Breite von 6 μm auf und nehmen die Breiten der Mantelgebiete 2a und 2b mit abnehmender Entfernung von der hinteren Facette 24b in der Weise zu, dass die Mantelgebiete 2a und 2b in der Draufsicht eine geneigte Konfiguration mit einem Neigungswinkel von 3 Grad aufweisen. Ferner weisen die Endteile der Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex auf der Seite der vorderen Facette 24a des Halbleitermehrschichtabschnitts 32 (d. h. diejenigen Teile der Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex, die dem aktiven Gebiet 1 am nächsten sind) eine Länge von 100 μm auf. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese besondere Konfiguration beschränkt. Wie oben in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, können die Dimensionen dieser Gebiete auf der Grundlage derjenigen Schwingungsmode niedrigster Ordnung, die einen erhöhten Energieverlust zeigen muss, der erforderlichen Differenz des Energieverlusts zwischen den Moden und der erforderlichen Wärmeableitung bestimmt werden.
Im Gegensatz zur vierten Ausführungsform können die Terrassenabschnitte 322a und 322b so konfiguriert sein, dass die Entfernungen zwischen dem Stegabschnitt 20 und den gegenüberliegenden Seiten dieser Terrassenabschnitte mit zunehmender Entfernung von der hinteren Facette 24b und mit abnehmender Entfernung von der vorderen Facette 24a zunehmen.
Obgleich die erste bis vierte Ausführungsform in Verbindung mit Halbleiterlasern mit einem 980 nm breiten Streifen beschrieben worden sind, ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf diesen besonderen Typ eines Breitstreifen-Halbleiterlasers beschränkt. Die Erfindung kann auf Breitstreifen-Halbleiterlaser, die Laserstrahlen mit anderen Wellenlängen aussenden, wie etwa auf Breitstreifen-Halbleiterlaser für eine blau-violette Wellenlänge von 400 nm, Breitstreifen-Halbleiterlaser für eine blaue Wellenlänge von 500 nm, Breitstreifen-Halbleiterlaser für eine Wellenlänge von 800 nm im nahen Infrarotbereich und Breitstreifen-Halbleiterlaser für eine Wellenlänge von wenigstens 1000 nm angewendet werden.
Obgleich das aktive Gebiet 1 und die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex in den Ausführungsformen der Erfindung dieselbe Mehrschichtstruktur und somit denselben Brechungsindex aufweisen, ist festzustellen, dass die Erfindung nicht auf dieses besondere Merkmal beschränkt ist. Das aktive Gebiet 1 kann in der Weise geätzt oder einem zusätzlichen Kristallaufwachsen ausgesetzt werden, dass es einen höheren oder niedrigeren Brechungsindex als die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex aufweist. Wie in den obigen Ausführungsformen der Erfindung können in diesem Fall selektiv Schwingungsmoden niedriger Ordnung erzeugt werden. Ferner können die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex in der Weise geätzt oder zusätzlichem Kristallaufwachsen ausgesetzt werden, dass die Gebiete 3a und 3b mit hohem Brechungsindex einen höheren oder niedrigeren Brechungsindex als das aktive Gebiet 1 aufweisen.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung können wie folgt zusammengefasst werden: Die Erfindung schafft eine Breitstreifen-Halbleiterlaservorrichtung, die Licht mit erhöhter Lichtstärke emittieren kann.
Die gesamte Offenbarung der JP2012-224367 , eingereicht am 9. Oktober 2012, einschließlich der Beschreibung, der Ansprüche, der Zeichnungen und der Zusammenfassung, auf der die Priorität der vorliegenden Anmeldung beruht, ist hier in ihrer Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 01-183603 [0003, 0004]
JP 02-264488 [0003, 0006]
JP 2003-060303 [0003, 0008]
JP 2005-072488 [0003, 0008]
JP 2012-224367 [0116]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

K. Honda, T. Marine und M. Ayabe, ”Single stripe high power laser diode made by Metal-Organic Chemical Vapor Deposition”, SPIE, Bd. 893, High Power Laser Diodes and Applications, S. 16–20, 1998 [0002]

Claims

Halbleiterlaservorrichtung, die umfasst: ein Halbleitersubstrat (5); einen Halbleitermehrschichtabschnitt (32), der eine Mantelschicht (6) eines ersten Leitungstyps, eine aktive Schicht (8a, 8b, 9) und eine Mantelschicht (11) eines zweiten Leitungstyps, die auf dem Halbleitersubstrat (5) aufeinanderfolgend gestapelt sind, enthält und der eine vordere Facette (24a) und eine hintere Facette (24b), die in Resonatorlängsrichtung einander gegenüberliegen, aufweist; einen Stegabschnitt (20), der auf dem Halbleitermehrschichtabschnitt (32) ausgebildet ist; und zwei Terrassenabschnitte (22a, 22b), die auf dem Halbleitermehrschichtabschnitt (32) bereitgestellt sind und zwischen denen beabstandet der Stegabschnitt (20) liegt; wobei der Stegabschnitt (20) eine Breite von wenigstens 50 μm aufweist; wobei die aktive Schicht (8a, 8b, 9) in ein aktives Gebiet (1), in Gebiete unter den Terrassenabschnitten (22a, 22b) und in Mantelgebiete (2a, 2b) unterteilt ist, wobei das aktive Gebiet (1) in der Draufsicht unter dem Stegabschnitt (20) liegt und wobei die Gebiete unter den Terrassenabschnitten (22a, 22b) in der Draufsicht auf beiden Seiten des aktiven Gebiets (1) und unter den Terrassenabschnitten (22a, 22b) liegen, wobei die Mantelgebiete (2a, 2b) zwischen dem aktiven Gebiet (1) und den Gebieten unter den Terrassenabschnitten (22a, 22b) liegen; wobei die Gebiete unter den Terrassenabschnitten (22a, 22b) Gebiete (3a, 3b) mit hohem Brechungsindex sind, die einen höheren Brechungsindex als die Mantelgebiete (2a, 2b) aufweisen; und wobei die Halbleiterlaservorrichtung so konfiguriert ist, dass sie der folgenden Beziehung genügt: (2π/λ)·(n_a ² – n_c ²)^1/2·(W/2) > π/2, wobei λ die Laserwellenlänge der Halbleiterlaservorrichtung repräsentiert, n_a den effektiven Brechungsindex des aktiven Gebiets (1) repräsentiert, n_c den effektiven Brechungsindex der Mantelgebiete (2a, 2b) repräsentiert und W die Breite des aktiven Gebiets (1) repräsentiert.
Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Terrassenabschnitte (22a, 22b) so angeordnet sind, dass ein zentraler Teil einer Länge des Stegabschnitts (20) dazwischenliegt, wobei die Länge des Stegabschnitts (20) in der Resonatorlängsrichtung verläuft; ein oberer Abschnitt des Halbleitermehrschichtabschnitts (32) mit ersten Abschnitten (34a, 34b) versehen ist, zwischen denen ein Endteil des Stegabschnitts (20) auf der Seite der vorderen Facette (24a) des Halbleitermehrschichtabschnitts (32) liegt, und außerdem mit zweiten Abschnitten (34c, 34d) versehen ist, zwischen denen ein Endteil des Stegabschnitts (20) auf der Seite der hinteren Facette (24b) des Halbleitermehrschichtabschnitts (32) liegt, wobei die Terrassenabschnitte (22a, 22b) in der Draufsicht zwischen dem ersten Abschnitt (34a, 34b) und dem zweiten Abschnitt (34c, 34d) liegen; und wobei die Höhen der ersten Abschnitte (34a, 34b) und/oder der zweiten Abschnitte (34c, 34d) geringer als die des Stegabschnitts (20) und der Terrassenabschnitte (22a, 22b) sind.
Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Wärmesenke (40), die durch wärmeleitendes Material mit den ersten Abschnitten (34a, 34b) und/oder mit den zweiten Abschnitten (34c, 34d), deren Höhen geringer als die des Stegabschnitts (20) und der Terrassenabschnitte (22a, 22b) sind, verbunden ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernungen zwischen dem Stegabschnitt (20) und den Seiten der Terrassenabschnitte (22a, 22b) mit zunehmender Entfernung von einem zentralen Teil einer Länge des Stegabschnitts (20) und mit abnehmender Entfernung von der vorderen Facette (24a) zunehmen und/oder mit zunehmender Entfernung von dem zentralen Teil der Länge des Stegabschnitts (20) und mit abnehmender Entfernung von der hinteren Facette (24b) zunehmen, wobei die Länge des Stegabschnitts (20) in der Resonatorlängsrichtung verläuft.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernungen zwischen dem Stegabschnitt (20) und den Seiten der Terrassenabschnitte (22a, 22b) mit zunehmender Entfernung von der vorderen Facette (24a) und mit abnehmender Entfernung von der hinteren Facette (24b) zunehmen oder mit zunehmender Entfernung von der hinteren Facette (24b) und mit abnehmender Entfernung von der vorderen Facette (24a) zunehmen.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stegabschnitt (20) eine gerade Streifenstruktur aufweist, die von der vorderen Facette (24a) zu der hinteren Facette (24b) verläuft und die eine gleichförmige Breite aufweist.