WO2017194320A1 - Laseranordnung und betriebsverfahren - Google Patents

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WO2017194320A1
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semiconductor
arrangement
layer
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Sven GERHARD
Clemens VIERHEILIG
Andreas LÖFFLER
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Ams Osram International GmbH
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4031—Edge-emitting structures

Definitions

  • a laser arrangement is specified.
  • an operating method for such a laser arrangement is specified.
  • An object to be solved is to provide a laser array with a plurality of semiconductor lasers, which also with
  • the laser arrangement may be pulsed or continuous, English continuous wave or short CW, operable.
  • Each laser group consists of exactly one semiconductor laser, so that the terms laser group and semiconductor laser can be synonyms.
  • Semiconductor laser means that the laser radiation generated during operation of the laser array on a
  • the Semiconductor lasers are solid-state lasers.
  • the semiconductor lasers may also be referred to as emitters or laser emitters.
  • a photothyristor like a normal thyristor, shows one
  • Breakdown voltage is the photothyristor electrically conductive, below the breakdown voltage only poorly conductive. In the case of a photothyristor, the breakdown voltage additionally depends on an illuminance.
  • Breakdown voltage Without light irradiation, the breakdown voltage is therefore highest, in the present case also as
  • Laser groups one of the photothyristors uniquely assigned. In particular, there is a 1: 1 mapping between the
  • Laser group and the photothyristor at least some
  • Sharing components such as semiconducting layers.
  • Photothyristors each optically coupled with the associated laser group. This means in normal operation in the Radiation produced by the respective laser group can at least partially reach the associated photothyristor.
  • the photothyristor and the associated laser group are each optically coupled with the associated laser group.
  • the intended operating voltage is approximately the voltage at which the laser arrangement is to be operated at the intended performance parameters.
  • the intended operating voltage is at least 0.3 V or 0.5 V or 0.7 V above a laser threshold voltage, from which laser radiation is generated.
  • Laser arrangement a plurality of laser groups, each with at least one semiconductor laser. Furthermore, the laser arrangement includes a plurality of photothyristors, so that each of the laser groups is uniquely associated with one of the photothyristors.
  • the photothyristors are each electrically connected in series with the associated laser group and / or integrated into the associated laser group. Furthermore, the photothyristors are each optically coupled to the associated laser group.
  • Photothyristor which is integrated in the epitaxially grown structure for the semiconductor laser, an electrical separation of the improperly functioning emitter on the laser bar reached by a current supply.
  • the semiconductor laser preferably arranged in a laser bar, so that the semiconductor laser can be mounted together without adjustment relative to each other.
  • the semiconductor lasers also have very similar emission properties, which considerably simplifies the further handling of the laser radiation.
  • the semiconductor lasers each have a semiconductor layer sequence.
  • the associated photothyristor is particularly preferably integrated.
  • Semiconductor layer sequences each before a pnpn sequence, which includes the associated photothyristor and the associated active zone of the corresponding semiconductor laser.
  • the letters n and p stand for n-conducting and p-conducting regions.
  • the semiconductor layer sequences each have a pipn sequence or a ninp sequence, where the letter i stands for an intrinsically conductive region of the semiconductor layer sequence.
  • conductive regions of the semiconductor layer sequence are preferred by dedicated layers or layer stacks in the
  • the semiconductor layer sequence is preferably based on a III-V compound semiconductor material.
  • the semiconductor material is In] __ n _ m N m Ga or a for example, a nitride compound semiconductor material such as Al n
  • Phosphide compound semiconductor material such as
  • Compound semiconductor material such as Al n In ] __ n _ m Ga m As or as
  • the semiconductor layer sequence is particularly preferably based on the AlInGaN material system.
  • Semiconductor laser of the laser array generated from a common semiconductor layer sequence. This can be the
  • Semiconductor lasers partially or completely removed, wherein a relative position of the semiconductor laser to each other by the removal of semiconductor material between the
  • Semiconductor lasers preferably not changed.
  • the growth substrate is, for example, a GaN substrate on which the semiconductor layer sequence
  • the laser arrangement is set up to generate visible laser radiation.
  • a peak wavelength also as the maximum wavelength
  • Intensity or peak wavength is preferably at least 400 nm or 420 nm or 440 nm and / or at most 590 nm or 540 nm or 495 nm or 470 nm.
  • the peak wavelength is in the near
  • the photothyristors each comprise an absorber layer.
  • the absorber layer is adapted to a part of the operation of the
  • the absorber layer of the photothyristor is in a functional
  • the absorber layer Compared to the layer in which the absorber layer is embedded, the absorber layer has an opposite or an intrinsic conductivity. If the cladding layer is, for example, an n-doped layer, then the
  • Absorber layer p-doped or intrinsically conductive.
  • Semiconductor laser at least one waveguide layer.
  • Waveguide layer preferably directly adjoins the active zone, in particular on both sides of the active zone. In the preferred exactly two waveguide layers, together with the active zone, a guidance of the generated
  • an evanescent field of the laser radiation guided in the at least one waveguide layer reaches as far as the absorber layer.
  • the laser radiation is not directed directly to the absorber layer, but is preferably parallel to the absorber layer guided. It is possible that the absorber layer absorbs radiation exclusively from the evanescent field and / or that scattered radiation of the laser radiation reaches the absorber layer.
  • Absorption edge corresponds to a bandgap of a
  • Absorption edge Eg is preferably one of the following
  • the absorption edge Eg preferably lies at the peak wavelength or at longer wavelengths. Alternatively, it is possible for the absorption edge Eg to lie in a blue, ie short-wave, edge of the emission spectrum of the associated laser group.
  • the device absorbs
  • the proportion of the laser radiation which is absorbed by the absorber layer is preferably included
  • this proportion is at most 5% or 2% or 0.3%. In particular, this proportion is at least 0.01% or 0.1% or 0.25%.
  • Refractive index n of the associated cladding layer 0.1 n ⁇ ⁇ D or 0.25 n ⁇ ⁇ D or 0.4 n ⁇ ⁇ D and / or D ⁇ n ⁇ or D ⁇ 0.75 n ⁇ or D ⁇ 0.5 n ⁇ . According to at least one embodiment, the
  • Absorber layer has a thickness of at least 10 nm or 20 nm or 30 nm or 50 nm. Alternatively or additionally, the thickness of the absorber layer is at most 1 ⁇ m or 500 nm or, preferably, 150 nm. In particular, the absorber layer is at least a factor of 2 or 5 or 10 thinner than the cladding layer into which the absorber layer is introduced.
  • the absorber layer is p-doped or intrinsically conductive. It is the
  • Cladding layer n-doped.
  • the absorber layer is n-doped or intrinsically conductive and the cladding layer is p-doped.
  • the absorber layer of the material system Al x InyGa ] _- x -y.
  • the jacket layer is made of the material system
  • x, y, z are 0.2 or x, y, z is 0.1 or x, y, z is 0.06, in each case for x, y, z together or independently of one another only for x or only for y or only for z or only for x and z or only for y and z or only for x and y.
  • the intended operating voltage is preferably at least 3.5 V and / or at most 8 V or 6 V. In accordance with at least one embodiment, adjacent ones are
  • Laser groups and / or adjacent semiconductor lasers optically isolated from each other.
  • optical isolation can be prevented that the photothyristors receive in operation radiation from adjacent laser groups and / or semiconductor lasers.
  • the optical isolation preferably reduces optical crosstalk by at least a factor of 5 or 10 or 100, compared to a laser arrangement without corresponding optical isolation.
  • the optical isolation is formed approximately by a trench in the semiconductor layer sequence, which may additionally be provided with a reflector and / or an absorber for the laser radiation.
  • the laser arrangement is designed edge-emitting.
  • a radiation direction of the laser arrangement is designed edge-emitting.
  • Laser radiation is thus preferably perpendicular to one
  • the laser arrangement is a laser bar.
  • the semiconductor lasers are preferably still on the common
  • the laser arrangement is thus generated and handled as a single component, in particular from a wafer.
  • all laser groups and / or semiconductor lasers are arranged next to one another as seen in plan view.
  • Resonators of the individual laser groups and / or semiconductor lasers are preferably parallel to one another
  • Semiconductor laser arranged one behind the other, based on a direction parallel to Resonatorachsen. According to at least one embodiment, exactly two electrical connections are present per laser group. In particular, no separate electrical connection is provided for the photothyristor.
  • Laser arrangement in particular the laser bar, at least 2 or 5 or 10 or 15 of the laser groups.
  • the laser arrangement has at most 150 or 100 or 60 or 40 of the laser groups and / or the semiconductor laser.
  • the laser arrangement is at the intended operating voltage to do so
  • an optical power of the laser radiation of at least 10 W or 15 W. In the case of pulsed laser radiation, this applies preferably on average over time.
  • the laser groups are preferably arranged in an n ⁇ m matrix, n and m are natural numbers. Preferably, n ⁇ m or n ⁇ Vm.
  • Laser groups or all laser groups are electrically connected in parallel.
  • n of the laser groups are electrically connected in series.
  • n of the laser groups are electrically connected in series.
  • n in each case Have laser groups.
  • the m series circuits can be connected in parallel to each other electrically.
  • laser radiation is generated only in a part of the laser groups.
  • Semiconductor lasers are defective and / or have an increased laser threshold.
  • the defective laser groups are electrically decoupled by the associated photothyristor so that no or no significant current flows through the at least one decoupled laser group during operation. This can mean that a current flow through the at least one decoupled, defective laser groups at the operating voltage is reduced by at least a factor of 2 or 5 or 10 or 25 or 100 with respect to the current flow of one of the normally functioning laser groups.
  • the photothyristor acts as a switch, the defective laser groups
  • the operating method is at least one laser arrangement
  • the laser arrangement comprises at least one defective laser group with an increased
  • the raised Laser threshold voltage is greater than the intended operating voltage, in particular, the laser threshold voltage at the defective laser groups by at least 0.3 V or 0.5 V or 0.7 V is greater than the intended operating voltage.
  • the increased laser threshold voltage may be less than or greater than the dark breakdown voltage of the associated photothyristor.
  • the associated photothyristor only in such laser groups with the laser radiation generated, in particular from the
  • FIGS 1, 2 and 5 are schematic representations of
  • FIGS 3 and 4 are schematic sectional views of
  • Figure 6 is a schematic representation of electrical
  • Figure 7 is a schematic representation of a
  • FIG. 1A an embodiment of a laser arrangement 1 is shown in a side view and in FIG. 1B in a plan view.
  • the laser arrangement 1 has a
  • a carrier 6 is present, which is to a
  • the semiconductor layer sequence 23 is divided into a plurality of laser groups 2, wherein each laser group 2 by a
  • Semiconductor laser 20 is formed. In the direction perpendicular to the plane and in the direction perpendicular to one
  • Growth direction G takes place in an emission region 26 a Emission of a laser radiation L, see Figure 1A.
  • Resonator direction R of the semiconductor laser 20 is parallel to the plane and perpendicular to the growth direction G.
  • the laser arrangement 1 of FIG. 1 is a laser bar
  • the individual semiconductor lasers 20 are mechanically coupled to one another at least via the growth substrate 24 and are relatively relative to a growth process
  • optical insulation 7 between adjacent laser groups 2.
  • the optical insulation 7 is provided, for example, by a trench in FIG.
  • Semiconductor layer sequence 23 is formed, evacuated or filled with a gas such as air or nitrogen or argon.
  • a gas such as air or nitrogen or argon.
  • the trenches may be partially or completely filled with a reflective or absorbent material.
  • the optical isolations 7 and thus in particular the trenches extend continuously as far as the carrier 6.
  • the optical isolations 7 and thus the trenches preferably do not completely separate the semiconductor layer sequence 23 and the optional growth substrate 24.
  • the optical isolations 7 separate the semiconductor layer sequence 23 from at least 25% and / or at most 90% from a side facing away from the carrier 7.
  • the optical isolations 7, from the side facing away from the carrier 7, separate the semiconductor layer sequence 23 together with the growth substrate 24 by at least 5% or 15% or 25% or 50% and / or at most 80% or 50% or 25%.
  • the semiconductor lasers 20, as shown in FIG. 1A, may be so-called gain-guided lasers.
  • the semiconductor lasers 20, as shown in FIG. 1A may be so-called gain-guided lasers.
  • the semiconductor lasers 20, as shown in FIG. 1A may be so-called gain-guided lasers.
  • Semiconductor laser 20 as a ridge waveguide laser, English ridge waveguide laser executed.
  • Laser groups 2 each include more of the semiconductor laser 20. Preferably, all laser groups 2 and semiconductor laser 20 of the laser assembly 1 are identical and emit at the same
  • Wavelength Wavelength.
  • differently colored emitting laser groups 2 or semiconductor lasers 20 may be present.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a further exemplary embodiment of the laser arrangement 1.
  • the growth substrate 24 may simultaneously act as a carrier 6.
  • electrical connections 41, 42 which are designed for example by surface metallizations.
  • each of the laser groups 2 is provided with exactly two electrical contact surfaces and the laser groups 2 are electrically connected in parallel.
  • the electrical connections 41, 42 it is not absolutely necessary for the electrical connections 41, 42 to be continuous surfaces.
  • the second electrical connection 42 can be applied in a structured manner to the semiconductor layer sequence 23, so that the laser groups 2 can be electrically controlled independently of one another.
  • In each of the laser groups 2 is an npnp sequence of
  • the photothyristor 3 comprises an absorber layer 33 which is in an n-side of the
  • Semiconductor laser 20 is embedded and designed according to Figure 2 p-doped.
  • the active zone 25 and the absorber layer 33 are optically coupled directly to each other and by none of the laser radiation L impermeable
  • the active zone 25 serves as a light source for switching the photothyristor 3.
  • the photothyristor 3 is an automatic switch that electrically disconnects non-functioning laser groups 2 and prevents or at least greatly reduces current flow through defective laser groups 2.
  • FIG. 6A the voltage U is plotted against a current I.
  • a light intensity is symbolized by a double arrow along the U axis.
  • the photothyristor 3 turns on reaching the dark breakdown voltage Ut and becomes electrically conductive.
  • Properly functioning semiconductor lasers 20 produce significant light from a normal laser threshold voltage Un, so that the absorber layer 33 is illuminated and switching of the photothyristor 3 to a normal diode characteristic already occurs at lower voltages.
  • the Photothyristor 3 at the normal operating voltage Ub through the absorption of radiation in the absorber layer 33 through.
  • an operating current Ib flows at the operating voltage Ub.
  • a threshold current In flows.
  • Absorber layer 33 is not or not significantly illuminated. Since the switching through of the photothyristor 3 in this case would take place only at the increased laser threshold voltage Ud, but this voltage is above the operating voltage Ub, the defective semiconductor laser 20 are electrically decoupled and are not or only slightly energized.
  • FIG. 6A A laser power P as a function of the current I is schematically illustrated in FIG. 6B.
  • An operating power Pb of the properly functioning semiconductor laser 20 is present at the operating current Ib, the defective semiconductor laser show no significant power consumption.
  • FIG. 3 illustrates a structure of the semiconductor layer sequence 23 in more detail.
  • an n-type cladding layer 22 having a relatively low refractive index, followed by an n-type waveguide layer 21 on which the active region 25 is located.
  • the active zone 25 is followed by a p
  • Waveguide layer 21 after, again followed by a p-type cladding layer 22.
  • the second electrical connection 42 On the p-cladding layer 22 is the second electrical connection 42, which consists of several
  • Metal layers may be composed, such as Au, Ni, Pd, Pt and / or Rh. Buffer layers or electrical
  • Terminal 42 are not drawn to simplify the illustration.
  • An electron blocking layer 27 is preferably located on the p-side of the semiconductor layer sequence 23. According to FIG. 3, the electron blocking layer 27 lies between the p-waveguide layer 21 and the p-cladding layer 22. Deviating from this, as in all other exemplary embodiments, the electron blocking layer 27 closer to the active region 25 in the p-type waveguide layer 21 or further away from the active region 25 in the p-type cladding layer 22.
  • n-cladding layer 22 Within the n-cladding layer 22 is the
  • a distance D of the absorber layer 33 to the n-waveguide layer 21 is preferably at about a peak wavelength of the
  • the absorber layer 33 is p-doped.
  • an npnp sequence of doped regions in the semiconductor layer sequence 23 is realized.
  • the semiconductor layer sequence 23 is preferably based on
  • the two cladding layers 22 are made of AlGaN
  • the waveguide layers 21 are formed, in particular with an aluminum content between 1% and 10% or between 4% and 6%.
  • the waveguide layers 21 are formed of InGaN, with an indium content preferably between 1% and 10% or between 2% and 6%.
  • the cladding layers 22 may be formed of GaN.
  • the active zone 25 is a
  • the electron blocking layer 27 is approximately formed of AlGaN and has a relatively small thickness of preferably at least 1 nm and / or at most 20 nm.
  • a thickness of the waveguide layers 21 is preferably at least 100 nm and / or at most 500 nm, wherein the waveguide layers 21 may be different in thickness.
  • the n-cladding layer 22 has, including the
  • Absorber layer 33 preferably a thickness of 1 ym to 4 ym, preferably about 2 ym, on.
  • a thickness of the absorber layer 33 is in particular at least 20 nm and / or at most 500 nm.
  • the absorber layer 33 is formed from AlInGaN, wherein an absorption edge of the absorber layer 33 is adjusted so that the laser radiation L can be absorbed.
  • a thickness of the absorber layer 33 is preferably included
  • the thickness of the absorber layer 33 is at most 0.5 times or one 0.2-fold or 0.1-fold of this total thickness.
  • the n-type cladding layer 22 is n-doped with silicon, for example. The lying in the n-cladding layer 22
  • Absorber layer 33 is either free from the n-type doping of n-type cladding layer 22 or an n-type dopant concentration reduced by at least a factor of 2 or 5 or 10.
  • the absorber layer 33 is doped, for example, with magnesium or has a codoping of carbon and magnesium.
  • In the absorber layer 23 may be ebneso be one or a plurality of undoped layers or low n-doped layers with a Si concentration ⁇ 5x10- ⁇ cm ⁇ 3, which may be co-doped with a MOVPE growth with carbon, so that effectively a p Conductivity results. This means that the C concentration is higher than the Si concentration.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the invention
  • the p-type cladding layer may be composed of the semiconductor layer 22a and a layer 22b, wherein the layer 22b is formed of a transparent conductive oxide such as ITO.
  • Laser groups 2 comprises one of the photothyristors 3. There are preferably significantly more parallel circuits than each laser groups 2 are arranged in the series circuits.
  • Photothyristors 3 are illuminated in one of the series circuits and switch through.
  • the individual laser groups 2 and laser diode chips are mounted side by side, for example, on a common support and / or heat sink.
  • FIG. 7 shows that the absorption edge Eg of the absorber layer 33 is preferably at a red, ie
  • the entire laser radiation L are absorbed in terms of their wavelength distribution. Deviating from this, it is possible that the absorption edge Eg lies on the blue edge or in the peak wavelength ⁇ .

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Abstract

In einer Ausführungsform umfasst die Laseranordnung (1) mehrere Lasergruppen (2) mit je mindestens einem Halbleiterlaser (20). Ferner beinhaltet die Laseranordnung (1) mehrere Fotothyristoren (3), sodass jeder der Lasergruppen (2) einer der Fotothyristoren (3) eindeutig zugeordnet ist. Die Fotothyristoren (3) sind jeweils mit der zugehörigen Lasergruppe (2) elektrisch in Serie geschaltet und/oder in die zugehörige Lasergruppe (2) integriert. Ferner sind die Fotothyristoren (3) je mit der zugehörigen Lasergruppe (2) optisch gekoppelt. Eine Dunkeldurchbruchspannung (Ut) der Fotothyristoren (3) liegt jeweils oberhalb einer bestimmungsgemäßen Betriebsspannung (Ub) der zugehörigen Lasergruppe (2).

Description

Beschreibung
Laseranordnung und Betriebsverfahren
Es wird eine Laseranordnung angegeben. Darüber hinaus wird ein Betriebsverfahren für eine solche Laseranordnung
angegeben .
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Laseranordnung mit mehreren Halbleiterlasern anzugeben, die auch mit
einzelnen defekten Halbleiterlasern effizient betreibbar ist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine Laseranordnung und durch ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen der
unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte
Weiterbildungen sind Gegenstand der übrigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert die
Laseranordnung im bestimmungsgemäßen Betrieb eine
Laserstrahlung. Dabei kann die Laseranordnung gepulst oder kontinuierlich, englisch continuous wave oder kurz cw, betreibbar sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Laseranordnung mehrere Lasergruppen. Jede der Lasergruppen umfasst einen oder mehrere Halbleiterlaser. Bevorzugt
bestehen die Lasergruppen je aus genau einem Halbleiterlaser, sodass die Begriffe Lasergruppe und Halbleiterlaser Synonyme sein können. Halbleiterlaser bedeutet, dass die im Betrieb der Laseranordnung erzeugte Laserstrahlung auf eine
Ladungsträgerrekombination in einem insbesondere
anorganischen Halbleitermaterial zurückgeht. Die Halbleiterlaser sind Festkörperlaser. Die Halbleiterlaser können auch als Emitter oder Laseremitter bezeichnet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Laseranordnung mehrere Fotothyristoren. Ein Fotothyristor zeigt, wie auch ein normaler Thyristor, einen
spannungsabhängigen Widerstand auf. Oberhalb einer
Durchbruchspannung ist der Fotothyristor elektrisch leitend, unterhalb der Durchbruchspannung nur schlecht leitend. Bei einem Fotothyristor hängt die Durchbruchspannung zusätzlich von einer Beleuchtungsstärke ab. Mit zunehmender
Beleuchtungsstärke des Fotothyristors oder einer
fotoempfindlichen Schicht des Fotothyristors sinkt die
Durchbruchspannung. Ohne Lichteinstrahlung ist somit die Durchbruchspannung am höchsten, vorliegend auch als
Dunkeldurchbruchspannung bezeichnet .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist jeder der
Lasergruppen einer der Fotothyristoren eindeutig zugeordnet. Insbesondere besteht eine 1 : 1-Zuordnung zwischen den
Halbleiterlasern und den Fotothyristoren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die
Fotothyristoren je mit der zugehörigen Lasergruppe,
insbesondere mit dem zugehörigen Halbleiterlaser, elektrisch in Serie geschaltet und/oder in die zugehörige Lasergruppe integriert. Integriert kann bedeuten, dass sich die
Lasergruppe und der Fotothyristor zumindest einige
Komponenten teilen, beispielsweise halbleitende Schichten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die
Fotothyristoren je mit der zugehörigen Lasergruppe optisch gekoppelt. Das bedeutet, im bestimmungsgemäßen Betrieb in der jeweiligen Lasergruppe erzeugte Strahlung kann zumindest zum Teil zu dem zugehörigen Fotothyristor gelangen. Insbesondere sind der Fotothyristor und die zugehörige Lasergruppe
monolithisch und/oder einstückig gestaltet, sodass sich zwischen dem Fotothyristor und der zugehörigen Lasergruppe keine separaten optischen Komponenten wie Umlenkspiegel oder Linsen befinden und sodass die Strahlung von der Lasergruppe zu dem Fotothyristor nur Feststoffe, insbesondere nur
Halbleitermaterialien, zu durchlaufen hat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die
Dunkeldurchbruchspannung der Fotothyristoren jeweils oberhalb einer bestimmungsgemäßen Betriebsspannung der zugehörigen Lasergruppe. Die bestimmungsgemäße Betriebsspannung ist etwa diejenige Spannung, bei der die Laseranordnung bei den vorgesehenen Leistungsparametern zu betreiben ist.
Beispielsweise liegt die bestimmungsgemäße Betriebsspannung um mindestens 0,3 V oder 0,5 V oder 0,7 V oberhalb einer Laserschwellspannung, ab der Laserstrahlung erzeugt wird.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst die
Laseranordnung mehrere Lasergruppen mit je mindestens einem Halbleiterlaser. Ferner beinhaltet die Laseranordnung mehrere Fotothyristoren, sodass jeder der Lasergruppen einer der Fotothyristoren eindeutig zugeordnet ist. Die Fotothyristoren sind jeweils mit der zugehörigen Lasergruppe elektrisch in Serie geschaltet und/oder in die zugehörige Lasergruppe integriert. Ferner sind die Fotothyristoren je mit der zugehörigen Lasergruppe optisch gekoppelt. Eine
Dunkeldurchbruchspannung der Fotothyristoren liegt jeweils oberhalb einer bestimmungsgemäßen Betriebsspannung der zugehörigen Lasergruppe. Aufgrund der vergleichsweise hohen Defektdichte im Halbleitermaterial bei Lasern, die auf AlInGaN basieren, ist die Ausbeute an Emittern mit guten elektrooptischen Daten deutlich geringer als etwa im InGaAs-Materialsystem. Dies ist ein wesentliches Problem bei der Herstellung von Laserbarren für Hochleistungsanwendungen wie Materialbearbeitung oder Projektionsanwendungen, insbesondere bei Laserwellenlängen im Bereich von 350 nm bis 590 nm. Daher befinden sich auf einem AlInGaN-Barren häufig einer oder mehrere Emitter, welche die Laserschwelle nicht erreichen oder deren elektrooptische Daten außerhalb der Spezifikationen liegen. Dies setzt die Ausbeute an Laserbarren im AlInGaN-Materialsystem auf relativ geringe Werte herab, sofern alle Barren mit nicht wie
spezifiziert funktionierenden Emittern ausgesondert würden. Eine Herstellung von Laserbarren in diesem Materialsystem wäre hierdurch in seiner Wirtschaftlichkeit stark
beeinträchtigt .
Belässt man die nicht ordnungsgemäß funktionierenden Emitter jedoch in dem Barren, werden diese bei einer üblichen
Parallelschaltung aller Emitter mit bestromt, tragen jedoch nicht zu einer Laserlichtausbeute bei. Dadurch wird die
Effizienz des Laserbarrens stark herabgesetzt. Zusätzlich heizen sich die nicht ordnungsgemäß funktionierenden Emitter durch den Stromfluss durch diese Emitter hindurch noch mehr als die funktionierenden Emitter auf, was eine
Gesamteffizienz des Laserbarrens zusätzlich reduziert. Zudem wird damit eine technische Umsetzung von Laserbarren im sichtbaren Spektralbereich wegen einer thermischen
Überhitzung des Bauelements sehr erschwert oder unmöglich gemacht . In der hier beschriebenen Laseranordnung wird durch den
Fotothyristor, der in der epitaktisch gewachsenen Struktur für die Halbleiterlaser integrierbar ist, eine elektrische Trennung der nicht ordnungsgemäß funktionierenden Emitter auf dem Laserbarren von einer Bestromung erreicht.
Derzeit sind keine Laserbarren mit Emissionswellenlängen im Bereich zwischen 350 nm und 590 nm am Markt verfügbar. Üblich sind einzelne Laserdioden in Gehäusen insbesondere der TO- Bauart . Solche TO-Laserdioden sind aber in der optischen Ausgangsleistung limitiert und reichen üblicherweise nur bis zu optischen Ausgangsleistungen von deutlich unter 10 W. Für viele Anwendungsbereiche wie in der Projektion oder bei der Materialbearbeitung sind jedoch optische Ausgangsleistungen von 10 W oder mehr oder, bevorzugt, von mindestens 100 W erforderlich .
Alternativ werden mehrere einzelne Emitter auf oder in einem Kühlkörper montiert. Hierdurch sind hohe Ausgangsleistungen etwa im blauen Spektralbereich realisierbar. Durch die einzelne Montage der Emitter entstehen jedoch Kostennachteile durch eine kompliziertere Herstellung der Einzelemitter sowie durch die aufwändigere Montage und durch die Notwendigkeit einer Justierung und von komplizierteren Optiken, um die erzeugten Laserstrahlen weiter zu verarbeiten.
Bei der hier beschriebenen Laseranordnung sind die
Halbleiterlaser bevorzugt in einem Laserbarren angeordnet, sodass die Halbleiterlaser gemeinsam ohne Justage relativ zueinander montierbar sind. So weisen die Halbleiterlaser auch sehr ähnliche Abstrahleigenschaften auf, was die weitere Handhabung der Laserstrahlung erheblich vereinfacht. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Halbleiterlaser je eine Halbleiterschichtenfolge auf. In dieser Halbleiterschichtenfolge ist besonders bevorzugt der zugehörige Fotothyristor integriert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegen in den
Halbleiterschichtenfolgen je eine pnpn-Abfolge vor, die den zugehörigen Fotothyristor und die zugehörige aktive Zone des entsprechenden Halbleiterlasers umfasst. Die Buchstaben n sowie p stehen hierbei für n-leitende und p-leitende Gebiete. Alternativ ist es möglich, dass die Halbleiterschichtenfolgen je eine pipn-Abfolge oder eine ninp-Abfolge aufweisen, wobei der Buchstabe i für ein intrinsisch leitendes Gebiet der Halbleiterschichtenfolge steht. Die verschiedenartig
leitenden Gebiete der Halbleiterschichtenfolge sind bevorzugt durch dezidierte Schichten oder Schichtenstapel in der
Halbleiterschichtenfolge realisiert.
Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III- V-Verbindungshalbleitermaterial . Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n_mGamN oder um ein
Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie
AlnIn]__n_mGamP oder auch um ein Arsenid-
Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n_mGamAs oder wie
AlnGamIn]__n_mAskP]__k, wobei jeweils 0 ^ n 1, 0 ^ m 1 und n + m < 1 sowie 0 ^ k < 1 ist. Insbesondere gilt dabei für zumindest eine Schicht oder für alle Schichten der
Halbleiterschichtenfolge 0 < n < 0,8, 0,4 < m < 1 und n + m < 0,95 sowie 0 < k < 0,5. Dabei kann die
Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche
Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also AI, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Besonders bevorzugt basiert die Halbleiterschichtenfolge auf dem Materialsystem AlInGaN.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind alle
Halbleiterlaser der Laseranordnung aus einer gemeinsamen Halbleiterschichtenfolge erzeugt. Dabei kann sich die
Halbleiterschichtenfolge zusammenhängend und durchgehend über alle Halbleiterlaser erstrecken. Alternativ ist die
Halbleiterschichtenfolge zwischen benachbarten
Halbleiterlasern teilweise oder vollständig entfernt, wobei eine relative Position der Halbleiterlaser zueinander durch das Entfernen von Halbleitermaterial zwischen den
Halbleiterlasern bevorzugt nicht verändert ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befinden sich die
Halbleiterlaser auf einem gemeinsamen Aufwachssubstrat . Bei dem Aufwachssubstrat handelt es sich beispielsweise um ein GaN-Substrat , auf dem die Halbleiterschichtenfolge
epitaktisch gewachsen ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Laseranordnung dazu eingerichtet, sichtbare Laserstrahlung zu erzeugen. Eine Scheitelwellenlänge, auch als Wellenlänge maximaler
Intensität oder Peakwavelength bezeichnet, liegt bevorzugt bei mindestens 400 nm oder 420 nm oder 440 nm und/oder bei höchstens 590 nm oder 540 nm oder 495 nm oder 470 nm.
Alternativ liegt die Scheitelwellenlänge im nahen
ultravioletten Spektralbereich, beispielsweise bei mindestens 350 nm oder 370 nm oder 385 nm und/oder bei höchstens 400 nm. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfassen die Fotothyristoren je eine Absorberschicht. Die Absorberschicht ist dazu eingerichtet, einen Teil der im Betrieb der
zugehörigen Lasergruppe erzeugten Strahlung zu absorbieren. Über diese absorbierte Laserstrahlung wird eine Leitfähigkeit des Fotothyristors, insbesondere der Absorberschicht, erhöht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die
Absorberschicht an oder in einer Mantelschicht des
zugehörigen Halbleiterlasers. Mit anderen Worten ist die Absorberschicht des Fotothyristors in eine funktionale
Schicht des Halbleiterlasers eingebettet. Im Vergleich zu der Schicht, in die die Absorberschicht eingebettet ist, weist die Absorberschicht eine gegenteilige oder eine intrinsische Leitfähigkeit auf. Handelt es sich bei der Mantelschicht beispielsweise um eine n-dotierte Schicht, so ist die
Absorberschicht p-dotiert oder intrinsisch leitend.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der
Halbleiterlaser zumindest eine Wellenleiterschicht. Die
Wellenleiterschicht grenzt bevorzugt unmittelbar an die aktive Zone an, insbesondere beiderseits der aktiven Zone. In den bevorzugt genau zwei Wellenleiterschichten, zusammen mit der aktiven Zone, erfolgt eine Führung der erzeugten
LaserStrahlung .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform reicht ein evaneszentes Feld der in der zumindest einen Wellenleiterschicht geführten Laserstrahlung bis an die Absorberschicht heran. Die
Absorberschicht absorbiert somit Anteile der geführten
Laserstrahlung aus dem evaneszenten Feld heraus. Somit wird die Laserstrahlung nicht direkt auf die Absorberschicht gelenkt, sondern wird bevorzugt parallel zur Absorberschicht geführt. Es ist möglich, dass die Absorberschicht ausschließlich aus dem evaneszenten Feld heraus Strahlung absorbiert und/oder dass Streustrahlung der Laserstrahlung zur Absorberschicht gelangt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Absorberschicht eine Absorptionskante auf. Die
Absorptionskante entspricht einer Bandlücke eines
Halbleitermaterials der Absorberschicht. Für die
Absorptionskante Eg gilt bevorzugt einer der folgenden
Zusammenhänge: Eg < h c/ (λρ - 5 nm) oder Eg < h c/λρ oder Eg < h c/ (λρ + 5 nm) . Dabei steht λρ für die
Scheitelwellenlänge der zugehörigen Laserstrahlung, h
bezeichnet das Planck 'sehe Wirkungsquantum und c steht für die Vakuumlichtgeschwindigkeit. Bevorzugt liegt also die Absorptionskante Eg bei der Scheitelwellenlänge oder bei größeren Wellenlängen. Alternativ ist es möglich, dass die Absorptionskante Eg in einer blauen, also kurzwelligen Flanke des Emissionsspektrums der zugehörigen Lasergruppe liegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform absorbiert die
Absorberschicht einen relativ kleinen Anteil der
Laserstrahlung. Der Anteil der Laserstrahlung, der von der Absorberschicht absorbiert wird, liegt bevorzugt bei
höchstens 5 % oder 2 % oder 0,3 %. Insbesondere liegt dieser Anteil bei mindestens 0,01 % oder 0,1 % oder 0,25 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt für einen Abstand D zwischen der Absorberschicht und der Wellenleiterschicht hinsichtlich der Scheitelwellenlänge λρ und einem
Brechungsindex n der zugehörigen Mantelschicht: 0,1 n λρ < D oder 0,25 n λρ < D oder 0,4 n λρ < D und/oder D < n λρ oder D < 0,75 n λρ oder D < 0,5 n λρ . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Absorberschicht eine Dicke von mindestens 10 nm oder 20 nm oder 30 nm oder 50 nm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke der Absorberschicht bei höchstens 1 ym oder 500 nm oder, bevorzugt, 150 nm. Insbesondere ist die Absorberschicht um mindestens einen Faktor 2 oder 5 oder 10 dünner als die Mantelschicht, in die die Absorberschicht eingebracht ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Absorberschicht p-dotiert oder intrinsisch leitend. Dabei ist die
Mantelschicht n-dotiert. Alternativ ist die Absorberschicht n-dotiert oder intrinsisch leitend und die Mantelschicht p- dotiert .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Absorberschicht aus dem Materialsystem AlxInyGa]_-x-y . Alternativ oder zusätzlich ist die Mantelschicht aus dem Materialsystem
AlzGa]__zN. Dabei gilt bevorzugt 0 ^ x, y, z oder 0 < x, z oder 0,01 ^ x, y, z oder 0,04 < x, y, z und/oder mit
x, y, z 0,2 oder x, y, z 0,1 oder x, y, z 0,06, jeweils für x, y, z gemeinsam oder je unabhängig voneinander nur für x oder nur für y oder nur für z oder nur für x und z oder nur für y und z oder nur für x und y.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Dunkeldurchbruchspannung des Fotothyristors um mindestens 0,2 V oder 0,3 V oder 0,4 V und/oder um höchstens 1,5 V oder 1 V oder 0,8 V größer als die bestimmungsgemäße
Betriebsspannung der zugehörigen Lasergruppe. Dabei liegt die bestimmungsgemäße Betriebsspannung bevorzugt bei mindestens 3,5 V und/oder bei höchstens 8 V oder 6 V. Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind benachbarte
Lasergruppen und/oder benachbarte Halbleiterlaser optisch voneinander isoliert. Durch eine optische Isolierung ist verhinderbar, dass die Fotothyristoren im Betrieb Strahlung von benachbarten Lasergruppen und/oder Halbleiterlasern empfangen. Durch die optische Isolierung ist ein optisches Übersprechen bevorzugt um mindestens einen Faktor 5 oder 10 oder 100 reduziert, im Vergleich zu einer Laseranordnung ohne entsprechende optische Isolierungen. Die optische Isolierung ist etwa durch einen Graben in der Halbleiterschichtenfolge gebildet, der zusätzlich mit einem Reflektor und/oder einem Absorber für die Laserstrahlung versehen sein kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Laseranordnung kantenemittierend gestaltet. Eine Abstrahlrichtung der
Laserstrahlung ist damit bevorzugt senkrecht zu einer
Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge orientiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der Laseranordnung um einen Laserbarren. Die Halbleiterlaser befinden sich bevorzugt noch auf dem gemeinsamen
Aufwachssubstrat und sind mechanisch fest aneinander
gekoppelt. Die Laseranordnung ist somit als einzelnes Bauteil insbesondere aus einem Wafer heraus erzeugt und handhabbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind alle Lasergruppen und/oder Halbleiterlaser in Draufsicht gesehen nebeneinander angeordnet. Resonatoren der einzelnen Lasergruppen und/oder Halbleiterlaser sind bevorzugt parallel zueinander
ausgerichtet, sodass alle Halbleiterlaser die Laserstrahlung parallel zueinander abstrahlen. Bevorzugt sind keine
Halbleiterlaser hintereinander angeordnet, bezogen auf eine Richtung parallel zu Resonatorachsen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind pro Lasergruppe genau zwei elektrische Anschlüsse vorhanden. Insbesondere ist kein separater elektrischer Anschluss für den Fotothyristor vorgesehen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Laseranordnung, insbesondere der Laserbarren, mindestens 2 oder 5 oder 10 oder 15 der Lasergruppen. Alternativ oder zusätzlich weist die Laseranordnung höchstens 150 oder 100 oder 60 oder 40 der Lasergruppen und/oder der Halbleiterlaser auf .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Laseranordnung bei der bestimmungsgemäßen Betriebsspannung dazu
eingerichtet, eine optische Leistung der Laserstrahlung von mindestens 10 W oder 15 W abzustrahlen. Bei einer gepulsten Laserstrahlung gilt dies bevorzugt im zeitlichen Mittel.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Laseranordnung n x m der Lasergruppen. Die Lasergruppen sind bevorzugt in einer n x m-Matrix angeordnet, n und m sind natürliche Zahlen. Bevorzugt gilt n < m oder n < Vm.
Weiterhin ist bevorzugt 2 < n < 6 und/oder 5 m < 25.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Teil der
Lasergruppen oder sind alle Lasergruppen elektrisch parallel zueinander geschaltet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind jeweils n der Lasergruppen elektrisch in Serie geschaltet. Dabei liegen bevorzugt m Serienschaltungen vor, die insbesondere jeweils n Lasergruppen aufweisen. Die m Serienschaltungen können zueinander elektrisch parallel geschaltet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im
bestimmungsgemäßen Betrieb der Laseranordnung nur ein Teil der Lasergruppen betrieben. Das heißt, wenn die
bestimmungsgemäße Betriebsspannung angelegt wird, wird nur in einem Teil der Lasergruppen Laserstrahlung erzeugt. Die nicht Laserstrahlung erzeugenden Lasergruppen und/oder
Halbleiterlaser sind dabei defekt und/oder weisen eine erhöhte Laserschwelle auf. Die defekten Lasergruppen sind durch den zugehörigen Fotothyristor elektrisch abgekoppelt, sodass durch die zumindest eine abgekoppelte Lasergruppe im Betrieb kein oder kein signifikanter Strom fließt. Dies kann bedeuten, dass ein Stromfluss durch die zumindest eine abgekoppelte, defekte Lasergruppen bei der Betriebsspannung um mindestens einen Faktor 2 oder 5 oder 10 oder 25 oder 100 gegenüber dem Stromfluss einer der normal funktionierenden Lasergruppen reduziert ist. Mit anderen Worten wirkt der Fotothyristor als Schalter, der defekte Lasergruppen
elektrisch abkoppelt und einen signifikanten Stromfluss durch die defekten Lasergruppen hindurch unterbindet.
Darüber hinaus wird ein Betriebsverfahren angegeben. Mit dem Betriebsverfahren wird zumindest eine Laseranordnung
betrieben, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen angegeben. Merkmale für das Betriebsverfahren sind daher auch für die Laseranordnung offenbart und umgekehrt.
Gemäß dem Betriebsverfahren umfasst die Laseranordnung zumindest eine defekte Lasergruppe mit einer erhöhten
Laserschwellspannung oder Laserschwelle. Die erhöhte Laserschwellspannung ist größer als die bestimmungsgemäße Betriebsspannung, insbesondere ist die Laserschwellspannung bei den defekten Lasergruppen um mindestens 0,3 V oder 0,5 V oder 0,7 V größer als die bestimmungsgemäße Betriebsspannung. Die erhöhte Laserschwellspannung kann kleiner oder auch größer sein als die Dunkeldurchbruchspannung des zugehörigen Fotothyristors. Eine normale Laserschwellspannung der
ordnungsgemäß funktionierenden Lasergruppen, ab der diese Laserstrahlung erzeugen, liegt unterhalb der
bestimmungsgemäßen Betriebsspannung, beispielsweise um mindestens 0,2 V oder 0,3 V oder 0,5 V oder 0,7 V. Somit wird der zugehörige Fotothyristor nur bei solchen Lasergruppen mit der erzeugten Laserstrahlung, insbesondere aus dem
evaneszenten Feld, beleuchtet und durchgeschaltet, die ordnungsgemäß funktionieren. Demgegenüber wird bei der zumindest einen defekten Lasergruppe bei der
bestimmungsgemäßen Betriebsspannung keine oder nur sehr wenig Laserstrahlung erzeugt, sodass der zugehörige Fotothyristor nicht oder nicht hinreichend beleuchtet wird. Dadurch ist erreicht, dass die zumindest eine defekte Lasergruppe
jedenfalls bis hin zur bestimmungsgemäßen Betriebsspannung elektrisch abgekoppelt bleibt und ein Stromfluss durch die zumindest eine defekte Lasergruppe zum Beispiel um mindestens einen Faktor 10 geringer ist als durch jede der ordnungsgemäß funktionierenden Lasergruppen.
Nachfolgend werden eine hier beschriebene Laseranordnung und ein hier beschriebenes Betriebsverfahren unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
Figuren 1, 2 und 5 schematische Darstellungen von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen
Laseranordnungen,
Figuren 3 und 4 schematische Schnittdarstellungen von
Ausführungsbeispielen von Halbleiterlasern für hier beschriebene Laseranordnungen,
Figur 6 schematische Darstellungen von elektrischen
Kenndaten von hier beschriebenen Laseranordnungen, und
Figur 7 eine schematische Darstellung eines
Emissionsspektrums einer hier beschriebenen Laseranordnung .
In Figur 1A ist in einer Seitenansicht und in Figur 1B in einer Draufsicht ein Ausführungsbeispiel einer Laseranordnung 1 dargestellt. Die Laseranordnung 1 weist eine
Halbleiterschichtenfolge 23 auf einem Aufwachssubstrat 24 auf. Ferner ist ein Träger 6 vorhanden, der zu einer
elektrischen Verschaltung und/oder als Wärmesenke dient.
Die Halbleiterschichtenfolge 23 ist in mehrere Lasergruppen 2 unterteilt, wobei jede Lasergruppe 2 durch einen
Halbleiterlaser 20 gebildet ist. In Richtung senkrecht zur Zeichenebene und in Richtung senkrecht zu einer
Wachstumsrichtung G erfolgt in einem Emissionsbereich 26 eine Emission einer Laserstrahlung L, siehe Figur 1A. Eine
Resonatorrichtung R der Halbleiterlaser 20 ist parallel zur Zeichenebene und senkrecht zur Wachstumsrichtung G
orientiert, siehe Figur IB.
Die Laseranordnung 1 der Figur 1 ist als Laserbarren
gestaltet. Die einzelnen Halbleiterlaser 20 sind zumindest über das Aufwachssubstrat 24 fest miteinander mechanisch gekoppelt und gegenüber einem Aufwachsprozess relativ
zueinander nicht bewegt worden.
Optional befindet sich bevorzugt, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, zwischen benachbarten Lasergruppen 2 eine optische Isolierung 7. Die optische Isolierung 7 ist beispielsweise durch einen Graben in der
Halbleiterschichtenfolge 23 gebildet, evakuiert oder mit einem Gas wie Luft oder Stickstoff oder Argon gefüllt ist. Die Gräben können alternativ teilweise oder vollständig mit einem reflektierenden oder absorbierenden Material aufgefüllt sein .
Gemäß Figur 1A reichen die optischen Isolierungen 7 und somit insbesondere die Gräben durchgehend bis auf den Träger 6. Bevorzugt jedoch trennen die optischen Isolierungen 7 und somit die Gräben die Halbleiterschichtenfolge 23 und das optionale Aufwachssubstrat 24 nicht komplett. Beispielsweise trennen die optischen Isolierungen 7, von einer dem Träger 7 abgewandten Seite her, die Halbleiterschichtenfolge 23 zu mindestens 25 % und/oder zu höchstens 90 %. Alternativ trennen die optischen Isolierungen 7, von der dem Träger 7 abgewandten Seite her, die Halbleiterschichtenfolge 23 zusammen mit dem Aufwachssubstrat 24 zu mindestens 5 % oder 15 % oder 25 % oder 50 % und/oder zu höchstens 80 % oder 50 % oder 25 %.
Bei den Halbleiterlasern 20, wie in Figur 1A gezeigt, kann es sich um sogenannte gewinngeführte Laser handeln. Alternativ, wie auch in allen Ausführungsbeispielen, können die
Halbleiterlaser 20 als Stegwellenleiterlaser, englisch ridge waveguide laser, ausgeführt sein.
Abweichend von der Darstellung in Figur 1 können die
Lasergruppen 2 je mehrere der Halbleiterlaser 20 beinhalten. Bevorzugt sind alle Lasergruppen 2 und Halbleiterlaser 20 der Laseranordnung 1 baugleich und emittieren bei derselben
Wellenlänge. Alternativ können verschiedenfarbig emittierende Lasergruppen 2 oder Halbleiterlaser 20 vorhanden sein.
In Figur 2 ist ein einer schematischen Schnittdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Laseranordnung 1 gezeigt. Das Aufwachssubstrat 24 kann gleichzeitig als Träger 6 fungieren. An der Halbleiterschichtenfolge 23 sowie an dem Träger 6 befinden sich elektrische Anschlüsse 41, 42, die beispielsweise durch flächige Metallisierungen gestaltet sind. Somit ist jede der Lasergruppen 2 mit genau zwei elektrischen Kontaktflächen versehen und die Lasergruppen 2 sind elektrisch parallel geschaltet. Anders als in Figur 2 dargestellt ist es dabei nicht zwingend erforderlich, dass es sich bei den elektrischen Anschlüssen 41, 42 um durchgehende Flächen handelt. So kann insbesondere der zweite elektrische Anschluss 42 an der Halbleiterschichtenfolge 23 strukturiert aufgebracht sein, sodass die Lasergruppen 2 elektrisch unabhängig voneinander ansteuerbar sein können. In jeder der Lasergruppen 2 ist eine npnp-Abfolge von
verschiedenartig dotierten Gebieten vorhanden. Somit ist in der Halbleiterschichtenfolge 23 selbst einerseits ein
Fotothyristor 3 und andererseits der Halbleiterlaser 20 mit einer aktiven Zone 25 realisiert. Der Fotothyristor 3 umfasst eine Absorberschicht 33, die in einer n-Seite des
Halbleiterlasers 20 eingebettet ist und gemäß Figur 2 p- dotiert gestaltet ist. Dabei sind die aktive Zone 25 und die Absorberschicht 33 optisch unmittelbar aneinander gekoppelt und durch keine für die Laserstrahlung L undurchlässige
Zwischenschicht voneinander separiert. Somit dient die aktive Zone 25 als Lichtquelle zum Schalten des Fotothyristors 3. Damit ist der Fotothyristor 3 ein automatischer Schalter, der nicht funktionierende Lasergruppen 2 selbsttätig elektrisch abtrennt und einen Stromfluss durch defekte Lasergruppen 2 verhindert oder zumindest stark reduziert.
Dieses Funktionsprinzip ist anhand von Figur 6A näher
erläutert. In Figur 6A ist die Spannung U gegenüber einem Strom I angetragen. Durch einen Doppelpfeil entlang der U- Achse ist eine Beleuchtungsstärke symbolisiert.
Erfolgt keine Beleuchtung des Fotothyristors 3, so ist eine Dunkeldurchbruchspannung Ut relativ groß. Wie bei einem
Thyristor üblich, schaltet der Fotothyristor 3 bei Erreichen der Dunkeldurchbruchspannung Ut durch und wird elektrisch leitend .
Ordnungsgemäß funktionierende Halbleiterlaser 20 erzeugen ab einer normalen Laserschwellspannung Un signifikant Licht, sodass die Absorberschicht 33 beleuchtet wird und bereits bei niedrigeren Spannungen ein Schalten des Fotothyristors 3 auf eine normale Diodenkennlinie erfolgt. Insbesondere ist der Fotothyristor 3 bei der bestimmungsgemäßen Betriebsspannung Ub durch die Absorption von Strahlung in der Absorberschicht 33 durchgeschaltet. Somit fließt bei der Betriebsspannung Ub ein Betriebsstrom Ib. Bei der normalen Laserschwellspannung Un fließt ein Schwellstrom In.
Ist ein Halbleiterlaser 20 defekt und weist eine erhöhte Laserschwellspannung Ud auf, die oberhalb der
Betriebsspannung Ub liegt, so wird die zugehörige
Absorberschicht 33 nicht oder nicht signifikant beleuchtet. Da das Durchschalten des Fotothyristors 3 in diesem Fall erst bei der erhöhten Laserschwellspannung Ud erfolgen würde, diese Spannung aber oberhalb der Betriebsspannung Ub liegt, sind die defekten Halbleiterlaser 20 elektrisch abgekoppelt und werden nicht oder nur schwach bestromt.
Die entsprechenden Kennlinien sind in Figur 6A dargestellt. Eine Laserleistung P in Abhängigkeit vom Strom I ist in Figur 6B schematisch illustriert. Eine Betriebsleistung Pb der ordnungsgemäß funktionierenden Halbleiterlaser 20 liegt beim Betriebsstrom Ib vor, die defekten Halbleiterlaser zeigen keine signifikante Leistungsaufnahme.
In Figur 3 ist ein Aufbau der Halbleiterschichtenfolge 23 detaillierter illustriert. An dem Aufwachssubstrat 24 befindet sich eine n-leitende Mantelschicht 22 mit einem relativ niedrigen Brechungsindex, gefolgt von einer n- Wellenleiterschicht 21, auf der sich die aktive Zone 25 befindet. Der aktiven Zone 25 folgt eine p-
Wellenleiterschicht 21 nach, wiederum gefolgt von einer p- Mantelschicht 22. Auf der p-Mantelschicht 22 befindet sich der zweite elektrische Anschluss 42, der aus mehreren
Metallschichten zusammengesetzt sein kann, etwa aus Au, Ni, Pd, Pt und/oder Rh. Pufferschichten oder elektrische
Kontaktschichten der Halbleiterschichtenfolge 23 an dem
Aufwachssubstrat 24 oder an dem zweiten elektrischen
Anschluss 42 sind zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeichnet .
An der p-Seite der Halbleiterschichtenfolge 23 befindet sich bevorzugt eine Elektronenblockierschicht 27. Gemäß Figur 3 liegt die Elektronenblockierschicht 27 zwischen der p- Wellenleiterschicht 21 und der p-Mantelschicht 22. Abweichend hiervon, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, kann sich die Elektronenblockierschicht 27 näher an der aktiven Zone 25 in der p-Wellenleiterschicht 21 befindet oder auch weiter von der aktiven Zone 25 entfernt in der p- Mantelschicht 22.
Innerhalb der n-Mantelschicht 22 befindet sich die
Absorberschicht 33 des Fotothyristors 3. Ein Abstand D der Absorberschicht 33 zu der n-Wellenleiterschicht 21 liegt bevorzugt bei ungefähr einer Scheitelwellenlänge der
erzeugten Laserstrahlung L geteilt durch das Doppelte des Brechungsindexes der n-Mantelschicht 22. Durch einen solchen Abstand D ist erzielbar, dass die Absorberschicht 33
einerseits ausreichend Laserstrahlung L absorbiert, jedoch die Leistungsparameter des Halbleiterlasers 20 nicht
signifikant beeinträchtigt. Dabei ist die Absorberschicht 33 p-dotiert. Somit ist eine npnp-Abfolge an dotierten Gebieten in der Halbleiterschichtenfolge 23 realisiert.
Die Halbleiterschichtenfolge 23 basiert bevorzugt auf
AlInGaN. Die beiden Mantelschichten 22 sind aus AlGaN
gebildet, insbesondere mit einem Aluminiumanteil zwischen 1 % und 10 % oder zwischen 4 % und 6 %. Die Wellenleiterschichten 21 sind aus InGaN geformt, wobei ein Indiumanteil bevorzugt zwischen 1 % und 10 % oder zwischen 2 % und 6 % liegt.
Alternativ können die Mantelschichten 22 auch aus GaN geformt sein .
Bei der aktiven Zone 25 handelt es sich um eine
Einfachquantentopfstruktur oder um eine
Mehrfachquantentopfstruktur . Die Elektronenblockierschicht 27 ist etwa aus AlGaN geformt und weist eine relativ geringe Dicke von bevorzugt mindestens 1 nm und/oder höchstens 20 nm auf. Eine Dicke der Wellenleiterschichten 21 liegt bevorzugt je bei mindestens 100 nm und/oder bei höchstens 500 nm, wobei die Wellenleiterschichten 21 unterschiedlich dick sein können. Die n-Mantelschicht 22 weist, inklusive der
Absorberschicht 33, bevorzugt eine Dicke von 1 ym bis 4 ym, bevorzugt ungefähr 2 ym, auf. Eine Dicke der Absorberschicht 33 liegt insbesondere bei mindestens 20 nm und/oder bei höchstens 500 nm. Die Absorberschicht 33 ist aus AlInGaN gebildet, wobei eine Absorptionskante der Absorberschicht 33 so eingestellt ist, dass die Laserstrahlung L absorbiert werden kann.
Eine Dicke der Absorberschicht 33 liegt bevorzugt bei
mindestens einem 0,001-Fachen oder 0,01-Fachen oder 0,1- Fachen einer Gesamtdicke aus der n-Mantelschicht 22 und der n-Wellenleiterschicht 21. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Dicke der Absorberschicht 33 höchstens ein 0,5-Faches oder ein 0,2-Faches oder ein 0,1-Faches dieser Gesamtdicke.
Die n-Mantelschicht 22 ist beispielsweise mit Silizium n- dotiert. Die in der n-Mantelschicht 22 liegende
Absorberschicht 33 ist entweder frei von der n-Dotierung der n-Mantelschicht 22 oder eine n-Dotierstoffkonzentration ist um mindestens einen Faktor 2 oder 5 oder 10 reduziert. Die Absorberschicht 33 ist beispielsweise mit Magnesium dotiert oder weist eine Codotierung aus Kohlenstoff und Magnesium auf. Bei der Absorberschicht 23 kann es sich ebneso um eine oder mehrere undotierte Schichten oder niedrig n-dotierte Schichten mit einer Si-Konzentration < 5x10-^ cm~3 handeln, die bei einem MOVPE-Wachstum mit Kohlenstoff codotiert werden können, sodass effektiv eine p-Leitfähigkeit resultiert. Das heißt, die C-Konzetration liegt dann höher als die Si- Konzentration. Ebenso ist für die Absorberschicht eine gezielte Mg-Dotierung mit einer Konzentration von Mg >
5x10-^ cm~3 möglich. Alle diese Werte gelten bevorzugt entsprechend auch in allen anderen Ausführungsbeispielen.
In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des
Halbleiterlasers 20 gezeigt. Abweichend von Figur 3 befindet sich die Absorberschicht 33 in der p-Mantelschicht 22a und ist somit n-dotiert. Die Elektronenblockierschicht 27 liegt innerhalb der p-Wellenleiterschicht 21. Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel der Figur 4 dem der Figur 3, das zur Figur 3 Beschriebene gilt entsprechend.
Wie auch in allen Ausführungsbeispielen kann die p- Mantelschicht aus der Halbleiterschicht 22a und einer Schicht 22b zusammengesetzt sein, wobei die Schicht 22b aus einem transparenten leitfähigen Oxid wie ITO gebildet ist.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 5 liegt kein Laserbarren vor, sondern es sind separate Laserdiodenchips mit den einzelne Lasergruppen 2 in mehreren zueinander parallel geschalteten Serienschaltungen vorhanden. Jede der
Lasergruppen 2 umfasst einen der Fotothyristoren 3. Es sind bevorzugt deutlich mehr Parallelschaltungen vorhanden, als jeweils Lasergruppen 2 in den Serienschaltungen arrangiert sind .
Aufgrund der Fotothyristoren 3 werden Serienschaltungen, die eine defekte Lasergruppe 2 umfassen, blockiert. Somit funktionieren die Serienschaltungen nur, wenn alle
Fotothyristoren 3 in einer der Serienschaltungen beleuchtet werden und durchschalten. Die einzelnen Lasergruppen 2 und Laserdiodenchips sind beispielsweise auf einem gemeinsamen Träger und/oder Wärmesenke nebeneinander montiert.
In Figur 7 ist gezeigt, dass die Absorptionskante Eg der Absorberschicht 33 bevorzugt an einer roten, also
langwelligen Flanke des Emissionsspektrums der Laserstrahlung L liegt. Somit kann von der Absorberschicht 33 im
Wesentlichen die gesamte Laserstrahlung L hinsichtlich deren Wellenlängenverteilung absorbiert werden. Abweichend davon ist es möglich, dass die Absorptionskante Eg an der blauen Flanke oder in der Scheitelwellenlänge λρ liegt.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die
Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt.
Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2016 108 700.9, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Bezugs zeichenliste
1 Laseranordnung
2 Lasergruppe
20 Halbleiterlaser
21 Wellenleiterschicht
22 Mantelschicht
23 Halbleiterschichtenfolge
24 Aufwachssubstrat
25 aktive Zone
26 Emissionsbereich
27 Elektronenblockierschicht
3 Fotothyristor
33 Absorberschicht
41 erster elektrischer Anschluss
42 zweiter elektrischer Anschluss
6 Träger
7 optische Isolierung
D Abstand Absorberschicht - Wellenleiterschicht
Eg Absorptionskante der Absorberschicht
G Wachstumsrichtung
I Strom in willkürlichen Einheiten
L Laserstrahlung
n, p n-dotiertes bzw. p-dotiertes Gebiet
P Laserleistung in willkürlichen Einheiten
R Resonatorrichtung
U Spannung in willkürlichen Einheiten
Ub Betriebsspannung
Ud erhöhte Laserschwellspannung defekter Halbleiterlaser Un normale Laserschwellspannung
Ut Dunkeldurchbruchspannung
λ Wellenlänge in willkürlichen Einheiten
λρ Scheitelwellenlänge der Laserstrahlung

Claims

Patentansprüche
1. Laseranordnung (1) mit
- mehreren Lasergruppen (2) mit je mindestens einem Halbleiterlaser (20), und
- mehreren Fotothyristoren (3), sodass jeder der
Lasergruppen (2) einer der Fotothyristoren (3)
eindeutig zugeordnet ist,
wobei
- die Fotothyristoren (3) jeweils mit der zugehörigen Lasergruppe (2) elektrisch in Serie geschaltet und/oder in die zugehörige Gruppe (2) integriert sind,
- die Fotothyristoren (3) jeweils mit der zugehörigen Lasergruppe (2) optisch gekoppelt sind, und
- die Fotothyristoren (3) jeweils eine
Dunkeldurchbruchspannung (Ut) aufweisen, die oberhalb einer bestimmungsgemäßen Betriebsspannung (Ub) der zugehörigen Lasergruppe (2) liegt.
2. Laseranordnung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei
- benachbarte Lasergruppen (2) optisch voneinander isoliert sind,
- die Fotothyristoren (3) je eine Absorberschicht (33) umfassen, die dazu eingerichtet ist, einen Teil einer im Betrieb der zugehörigen Lasergruppe (2) erzeugten Laserstrahlung (L) zu absorbieren und so eine
Leitfähigkeit des zugehörigen Fotothyristors (3) zu erhöhen, und
- jede der Lasergruppen (2) mit genau zwei elektrischen Kontaktflächen versehen ist. Laseranordnung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
bei der die Lasergruppen (2) je aus genau einem
Halbleiterlaser (20) bestehen,
wobei die Halbleiterlaser (20) je eine
Halbleiterschichtenfolge (23) aufweisen, in die der zugehörige Fotothyristor (3) integriert ist, sodass in den Halbleiterschichtenfolgen (23) je eine pnpn-Abfolge vorliegt, die den zugehörigen Fotothyristor (3) und eine aktive Zone (25) des entsprechenden
Halbleiterlasers (20) umfasst.
Laseranordnung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der alle Halbleiterlaser (20) aus der gemeinsamen Halbleiterschichtenfolge (23) erzeugt sind und auf einem gemeinsamen Aufwachssubstrat (24) vorliegen, wobei die Halbleiterschichtenfolge (23) auf dem
Materialsystem AlInGaN beruht und die Halbleiterlaser
(20) dazu eingerichtet sind, sichtbare Laserstrahlung
(L) zu erzeugen. 5. Laseranordnung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
bei der ein evaneszentes Feld aus einer in einer
Wellenleiterschicht (21) geführten Laserstrahlung (L) bis an die Absorberschicht (33) reicht. 6. Laseranordnung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der für einen Abstand D zwischen der
Absorberschicht (33) und der Wellenleiterschicht (21) hinsichtlich der Scheitelwellenlänge λρ und einem
Brechungsindex n der Mantelschicht (22) jeweils gilt: 0,25 n λρ < D < 0,75 n λρ, wobei eine Dicke (T) der Absorberschicht (33) zwischen einschließlich 20 nm und 150 nm beträgt.
7. Laseranordnung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
bei der die Absorberschicht (33) eine Absorptionskante
Eg aufweist, wobei gilt: Eg < h c/ (λρ - 5 nm) mit λρ gleich einer Scheitelwellenlänge der zugehörigen
Laserstrahlung (L) ,
wobei die Absorberschicht (33) insgesamt höchstens 5 % der Laserstrahlung (L) absorbiert.
8. Laseranordnung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
bei der die Absorberschicht (33) p-dotiert und aus dem Materialsystem AlxInyGa]__x_yN ist,
wobei die Mantelschicht (22) n-dotiert aus dem
Materialsystem AlzGa]__zN ist mit 0,01 ^ y, z < 0,1 und
0 < x < 0, 1.
9. Laseranordnung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
bei der die Absorberschicht (33) n-dotiert und aus dem
Materialsystem AlxInyGa]__x_yN ist,
wobei die Mantelschicht (22) p-dotiert aus dem
Materialsystem AlzGa]__zN ist mit 0,01 ^ y, z < 0,1 und
0 < x < 0, 1. 10. Laseranordnung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
bei der die Dunkeldurchbruchspannung (Ut) um mindestens 0,3 V und um höchsten 1 V größer ist als die
bestimmungsgemäße Betriebsspannung (Ub) , wobei die bestimmungsgemäße Betriebsspannung (Ub) zwischen einschließlich 3,5 V und 8 V beträgt.
Laseranordnung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
bei der benachbarte Lasergruppen (2) optisch
voneinander isoliert sind, sodass benachbarte
Fotothyristoren (3) im Betrieb nicht oder nicht
signifikant bestrahlt werden.
Laseranordnung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
die als kantenemittierender Laserbarren gestaltet ist, wobei alle Lasergruppen (2) in Draufsicht gesehen nebeneinander angeordnet sind,
wobei pro Lasergruppe (2) genau zwei elektrische
Anschlüsse (41, 42) vorhanden sind, und
wobei die Laseranordnung (1) mindestens 5 und höchstens 100 der Lasergruppen (2) und/oder der Halbleiterlaser (20) umfasst und eine optische Ausgangsleistung
bestimmungsgemäß bei mindestens 10 W liegt.
Laseranordnung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
die n x m der Lasergruppen (2) umfasst, wobei m
Serienschaltungen mit n in Serie geschalteten
Lasergruppen (2) vorliegen und die m Serienschaltungen elektrisch parallel zueinander verschaltet sind, wobei n, m natürliche Zahlen sind und n < m0/5>
Laseranordnung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
bei der im Betrieb nur ein Teil der Lasergruppen (2) bei der bestimmungsgemäßen Betriebsspannung (Ub) die Laserstrahlung (L) erzeugt und zumindest eine
Lasergruppe (2) durch den zugehörigen Fotothyristor (3) elektrisch abgekoppelt sind, sodass durch die zumindest eine abgekoppelte Lasergruppe (2) im Betrieb der
Laseranordnung kein oder kein signifikanter Strom fließt.
Betriebsverfahren, mit dem eine Laseranordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche betrieben wird,
wobei die Laseranordnung (1) zumindest eine defekte Lasergruppe (2) mit einer erhöhten Laserschwellspannung (Ud) umfasst und die erhöhte Laserschwellspannung (Ud) größer als die bestimmungsgemäße Betriebsspannung (Ub) ist,
wobei eine normale Laserschwellspannung (Un) der ordnungsgemäß funktionierenden Lasergruppen (2)
unterhalb der bestimmungsgemäßen Betriebsspannung (Ub) liegt, sodass bei diesen Lasergruppen (2) im Betrieb der zugehörige Fotothyristor (3) mit der erzeugten Laserstrahlung (L) beleuchtet und durchgeschaltet wird, wohingegen bei der zumindest einen defekten Lasergruppe (2) keine oder nur sehr wenig Laserstrahlung (L) erzeugt und der zugehörige Fotothyristor (3) nicht hinreichend beleuchtet wird, sodass die zumindest eine defekte Lasergruppe (2) bis hin zur bestimmungsgemäßen Betriebsspannung (Ub) elektrisch abgekoppelt bleibt und ein Stromfluss durch die zumindest eine defekte
Lasergruppe (2) um mindestens einen Faktor 10 geringer ist als je durch die ordnungsgemäß funktionierenden Lasergruppen (2) .
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